KR100957362B1

KR100957362B1 - 연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터

Info

Publication number: KR100957362B1
Application number: KR1020070119415A
Authority: KR
Inventors: 이승용
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2010-05-12
Also published as: KR20090052763A

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 시스템 구성중 라디에이터와 써모스탯을 하나로 모듈화시켜 공간 활용도를 높일 수 있고, 라디에이터에 일체화되는 써모스탯을 간단한 구조로 개선하여 기존에 별도로 장착되던 써모스탯의 배제로 비용을 절감할 수 있도록 한 연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택의 출구측과 연결된 라디에이터의 입구 포트, 또는 연료전지 스택의 입구측과 연결된 라디에이터 출구 포트에 장착된 개폐수단과; 상기 라디에이터의 입구 포트로부터 출구 포트까지 소정의 배열 구조를 갖도록 형성된 냉각수 메인유로와; 상기 라디에이터 입구 포트로부터 출구 포트로 직결된 바이패스 유로와; 상기 개폐수단에 개폐량 제어를 위하여 연결된 ECU; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터를 제공한다.

연료전지 차량, 라디에이터, 써모스탯, 냉각 시스템, 개폐수단, 모터, 슬라 이딩 도어, 메인 냉각수 유로, 바이패스 유로

Description

연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터{Radiator provided thermostat for fuel cell vehicle}

연료전지 시스템은 연료전지스택내에서 산소와 수소가 반응하여 발생하는 전기를 이용하는 시스템으로서, 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템(수소탱크, 수소 재순환기 등), 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템(공기 공급기, 막가습기, 공기블로워 등), 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스 템으로 구성되어 있다.

이러한 연료전지 시스템의 가동중 전기 발생시, 높은 온도의 반응열을 발산하게 되므로, 이러한 반응열을 냉각하기 위한 냉각 시스템(= 열 및 물관리 시스템)을 채택하고 있으며, 이 냉각 시스템은 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(100)에 냉각수를 공급하는 물 펌프(102), 연료전지 스택(100)으로부터 배출된 냉각수의 냉각 및 재순환을 위한 라디에이터(104)외에, 버퍼탱크(106), 써모스탯 (108) 등을 포함하여 구성되어 있다.

일반 차량과 달리, 연료전지 스택의 냉각수는 스택 내부에 가습을 하기 위하여 DI-water(초순수)를 사용하게 된다.

한편, 80kw급 연료전지의 경우 40kw의 열량을 방열하도록 열방출수단으로 라디에이터(Radiator)가 장착되어 있는데, 실제 연료전지 운전온도는 약 70℃ 정도로 고온 지역에서는 환경온도와 운전온도간의 편차가 크지 않아 냉각에 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 큰 용량의 라디에이터와 대 유량의 워터펌프가 필요하게 되며, 이렇게 부품이 대형화되는 경우에 다음과 같은 문제점이 뒤따르게 된다.

첫째, 냉각수 유량은 대형화가 가능하지만, 바이패스관이 작아 초기 시동시 저항 발생 요지가 큰 단점이 있다.

둘째, 관련 부품의 대형화로 공간적 한계를 갖는 차량내 패키징에 어려움이 있다.

셋째, 워터펌프 대형화로 인한 펌프 제어기 및 모터의 고온 발열 현상이 더 발생될 수 있다.

양산 차량의 경우, 공간 절약을 위하여 모듈화는 상당히 진행되어 있으며, 특히 엔진의 냉각 부분에는 실린더 블록에 써모스탯을 모듈화하고, 관련 냉각 유로를 설계함으로써, 중량 및 원가 절약을 꾀할 수 있었지만, 연료전지 시스템에서는 써모스탯 및 그 제어기가 냉간 시동시 스택 냉각 수온을 빨리 덥혀주는 양산차와 동일한 기능을 발휘하지만, 연료전지 스택에 모듈화하는데 어려움이 있어, 연료전지 차량에는 독립적인 부품으로 탑재되어 왔다.

또한, 연료전지 자동차용 써모스탯은 스택의 운전온도를 정밀제어하기 위하여 전자식 밸브를 이용 개도량을 결정 제어를 위하여 채택되고, 이를 위한 드라이버가 독립적으로 적용되고 있다.

이와 같이, 연료전지 시스템은 연료전지 스택, 워터펌프, 이온제거기, 공기 블로워, 수소공급장치 등 많은 부품으로 이루어져 있으며, 부품 갯수 및 크기가 큰 문제로 인하여, 차량 모듈화 및 패키징화에 심각한 문제로 대두되고 있다.

본 발명은 연료전지 부품의 소형화 및 모듈화는 연료전지 차량의 상용화에 필수적인 요소의 하나로 자리잡고 있는 점을 감안하여, 써모스탯 역할을 하는 직동식 슬라이딩 도어를 라디에이터에 적용하여 모듈화시키고, ECU의 PWM 신호에 따라 직동식 슬라이드 도어가 개폐 동작되도록 함으로써, 기존의 냉각수 순환 시스템 구 성중 독립적인 써모스탯을 배제하여 중량 및 원가를 줄임과 함께 시스템 탑재 공간을 절약할 수 있도록 한 연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 연료전지 스택의 출구측과 연결된 라디에이터의 입구 포트, 또는 연료전지 스택의 입구측과 연결된 라디에이터 출구 포트에 장착된 개폐수단과; 상기 라디에이터의 입구 포트로부터 출구 포트까지 소정의 배열 구조를 갖도록 형성된 냉각수 메인유로와; 상기 라디에이터 입구 포트로부터 출구 포트로 직결된 바이패스 유로와; 상기 개폐수단에 개폐량 제어를 위하여 연결된 ECU; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터를 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 개폐수단은: 상기 냉각수 메인유로 및 바이패스 유로에 대한 개폐량 조절용 슬라이딩 도어와; 상기 ECU의 신호에 따라 구동하는 모터와; 상기 모터의 축에 장착된 개폐용 기어와; 상기 슬라이딩 도어의 선단부에 일체로 형성되어 상기 개폐용 기어와 맞물리는 랙; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

연료전지 차량은 크기와 공간 문제로 현재 SUV 위주의 중대형차용으로 적용되고 있으나, 점차 소형화와 전용 플랫폼을 적용하여 연료전지 시스템을 컴팩트화 하려는 점을 감안하면, 라디에이터에 써모스탯 및 바이패스 라인을 일체형으로 모듈화시켜 장착함으로써, 공간의 효율성을 극대화시킬 수 있다.

또한, 기존의 독립적인 써모스탯과 달리, 간단한 구조의 슬라이딩 도어를 써모스탯으로 사용함에 따라, 기존 독립적인 써모스탯의 대체가 가능하며, 스텝 모터는 ECU로 제어가 가능하므로 별도의 제어기가 필요없어 부품수 감소를 기대할 수 있다.

또한, 라디에이터 내부에 메인 유로와 나란하게 바이패스 유로를 설치하여 간단한 슬라이딩 도어만으로 유량 제어가 가능하고, 관련 부품의 모듈화로 부품 단가를 저감시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

일반적으로, 내연기관용 써모스탯(thermostat)은 실린더 헤드 등의 냉각수 통로 출구에 설치되어, 엔진 내부의 냉각수 온도 변화에 따른 왁스 팽창 및 수축 작용에 의하여 자동적으로 통로를 개폐하면서 냉각수 온도가 75∼85℃로 유지되도록 조절하며, 냉각수 온도가 정상 이하이면 밸브를 닫아 냉각수가 라디에이터 쪽으 로 흐르지 않도록 바이패스 통로를 통하여 순환하도록 하고, 냉각수 온도가 76∼83℃가 되면 서서히 열리기 시작하여 라디에이터 쪽으로 흐르게 하여 95℃가 되면 완전히 열리도록 한다.

이러한 써모스탯은 연료전지 차량에도 연료전지 스택 가습 및 냉각을 위한 시스템 구성중 하나로 채택되고 있으며, 기존에는 연료전지 스택의 출구측과 라디에이터의 입구측간의 라인상에 설치되고 있다.

본 발명은 연료전지 차량의 공간 활용도 증진을 위해 써모스탯을 라디에이터에 일체로 모듈화시킨 점에 주안점이 있으며, 이를 위한 구성은 첨부한 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터를 나타내는 개략도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터의 개폐수단을 설명하는 개략도이다.

본 발명에 따르면, 연료전지 스택(100)의 출구측과 연결된 라디에이터(104)의 입구 포트(110), 또는 연료전지 스택(100)의 입구측과 연결된 라디에이터(104) 출구 포트(112)에 장착된 개폐수단(200)이 장착되고, 상기 라디에이터(104)내의 냉각수 유로를 그 시작라인이 서로 평행하게 배열되는 메인 냉각수 유로(114)와 바이패스 유로(116)로 구분하여 만들어준다.

즉, 상기 라디에이터(104)내의 냉각수 유로를 라디에이터(104)의 입구 포트(110)로부터 출구 포트(112)까지 소정의 배열 구조를 갖도록 형성된 메인 냉각수 유로(114)와, 상기 라디에이터(104)의 입구 포트(110)로부터 출구 포트(112)쪽으로 직결된 바이패스 유로(116)로 구분하여 만들어준다.

이에, 상기 라디에이터(104)의 입구 포트(110)를 통과한 냉각수가 개폐수단(200)의 슬라이딩 도어(202)를 통하여 그 유량이 분배되어 한쪽(라디에이터(104)의 메인 냉각수 유로(114))으로는 냉각수가 정상적으로 흘러가고, 다른 한쪽(바이패스 유로(116))으로는 우회하여 라디에이터(104)의 출구 포트(112)쪽으로 바이패스된다.

여기서, 상기 개폐수단을 첨부한 도 3a 및 도 3b를 참조로 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

상기 라디에이터(104)내의 메인 냉각수 유로(114) 및 바이패스 유로(116)에 대한 개폐량 조절을 위하여 상기 연료전지 스택(100)의 출구측과 연결된 라디에이터(104)의 입구 포트(110), 또는 연료전지 스택(100)의 입구측과 연결된 라디에이터(104)의 출구 포트(112)에 슬라이딩 도어(202)가 개폐 이동 가능하게 설치된다.

또한, 상기 슬라이딩 도어(202)를 개폐 이동시키기 위한 구동수단으로서, 슬라이딩 도어(202)가 설치된 위치에서 그 선단부 공간에 모터(204)를 설치하고, 이 모터(204)의 축에 연결된 개폐용 기어(206)를 상기 슬라이딩 도어(202)의 선단부에 형성된 랙(208)에 맞물리게 한다.

따라서, ECU(210)의 PWM 신호에 따라 모터(204)가 구동하고, 이 모터(204)의 축에 장착된 개폐용 기어(206)는 상기 슬라이딩 도어(202)의 선단부에 일체로 형성된 랙(208)에 회전력을 전달함으로써, 슬라이딩 도어(202)의 개폐 이동이 이루어지게 된다.

이에 따라, 상기 라디에이터(104)에 들어온 냉각수가 슬라이딩 도어(202)의 개폐 제어를 통하여, 메인 냉각수 유로(114) 또는 바이패스 유로(116)를 통하여 실시간으로 그 유량이 분배되며 흐르게 된다.

즉, 상기 라디에이터(104) 내부에 평행으로 설치된 두 유로 즉, 바이패스 유로(116)와 메인 냉각수 유로(114)가 상기 슬라이딩 도어(202)의 좌, 우 이동에 따라 개폐 조절되어, 각 유로를 통과하는 냉각수 유량의 적절한 제어가 이루어지게 된다.

한편, 상기 라디에이터(104)를 통과하는 냉각수에 대한 유량 제어로서, 연료전지 스택(100)의 입구제어 또는 출구제어가 가능하며, 연료전지 스택(100) 입구제어의 경우에는 상기 개폐수단(200)을 라디에이터(104)의 출구 포트(112)쪽에 설치하고, 연료전지 스택(100) 출구제어의 경우에는 상기한 바와 같이 라디에이터(104)의 입구 포트(110)쪽에 설치하게 되며, 결국 연료전지 스택(100)의 입출구 제어에 따라 개폐수단(200)의 설치 위치만 달라질 뿐, 개폐수단(200)이 써모스탯과 같이 냉각의 분배 기능을 수행하는 것은 동일하다.

이와 같이, 기존의 독립적인 공간에 독립적인 써모스탯을 설치하는 것과 달리, 라디에이터에 써모스택 기능을 하는 간단한 구조의 개폐수단을 설치함으로써, 연료전지 차량의 시스템 구성 설치를 위한 공간 활용도를 보다 증대시킬 수 있고, 기존 써모스탯 배제로 원가 절감을 실현할 수 있으며, 또한 유량 흐름을 개폐수단의 슬라이딩 도어 계폐량으로 실시간 제어하므로 냉각수 유로 설계의 자유도를 높일 수 있다.

도 1은 연료전지 차량의 시스템 구성중 냉각 시스템을 설명하는 개념도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터를 나타내는 개략도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터의 개폐수단을 설명하는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 연료전지 스택 102 : 냉각수 펌프

104 : 라디에이터 106 : 버퍼탱크

108 : 써모스탯 110 : 입구포트

112 : 출구포트 114 : 메인 냉각수 유로

116 : 바이패스 유로 200 : 개폐수단

202 : 슬라이딩 도어 204 : 모터

206 : 개폐용 기어 208 : 랙

210 : ECU

Claims

연료전지 스택의 출구측과 연결된 라디에이터의 입구 포트, 또는 연료전지 스택의 입구측과 연결된 라디에이터 출구 포트에 장착된 개폐수단;

상기 라디에이터의 입구 포트로부터 출구 포트까지 소정의 배열 구조를 갖도록 형성된 냉각수 메인유로;

상기 라디에이터 입구 포트로부터 출구 포트로 직결된 바이패스 유로;

상기 개폐수단에 개폐량 제어를 위하여 연결된 ECU;

를 포함하며,

라디에이터에 써모스탯 기능을 하는 개폐수단을 일체로 모듈화시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터.
청구항 1에 있어서,

상기 개폐수단은:

상기 냉각수 메인유로 및 바이패스 유로에 대한 개폐량 조절용 슬라이딩 도어와;

상기 ECU의 신호에 따라 구동하는 모터와;

상기 모터의 축에 장착된 개폐용 기어와;

상기 슬라이딩 도어의 선단부에 일체로 형성되어 상기 개폐용 기어와 맞물리는 랙;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 써모스탯 일체형 라디에이터.