KR100974717B1 - 연료전지차량용 ｃｏｄ 겸용 가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지자동차에 사용되는 열 및 물관리계(TMS, Thermal Management System)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 COD와 연료전지 차량의 냉시동성 확보를 위한 히터를 통합한 새로운 개념의 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 양단에 냉각수 유입구 및 배출구가 형성된 케이스; 상기 케이스의 일측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 스타트업 히터 및 셧다운 히터; 상기 케이스의 타측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 냉각수 가열용 히터를 포함하여 구성하되, 상기 각 히터는 그 길이방향으로 갈수록 유체흐름방향의 단면적이 주기적으로 변하고, 상기 히터의 단면적 변화로 인해 유동의 교란을 발생시키는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치를 제공한다.

히터, COD

Description

연료전지차량용 ＣＯＤ 겸용 가열장치{Heater with Cathode Oxygen Depletion fuction for fuel cell vehicle}

본 발명은 연료전지자동차에 사용되는 열 및 물관리계(TMS, Thermal Management System)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 COD와 연료전지 차량의 냉시동성 확보를 위한 히터를 통합한 새로운 개념의 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치에 관한 것이다.

환경 친화적인 자동차 개발을 위해 자동차 회사들은 수소 연료전지 자동차에 큰 관심을 갖고 개발하고 있다. 현재 개발되고 있는 수소 연료전지 자동차에는 해결해야 할 문제점들이 많이 남아 있는데, 그 중 가장 시급하고도 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이라 할 수 있다.

기존 연료전지 차량의 냉시동성 확보를 위한 해결책은 RTA(Rapid Thaw Accumulator) 내부의 히터를 이용한 순수의 급속해빙이었다.

그러나 순수를 이용하게 되면 빙점 이하에서는 순수가 결빙을 할 뿐만 아니 라, 냉각수 루프가 복잡해지고 추가적으로 드레인 밸브를 장착해야 하는 등 많은 어려움이 따른다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 한 가지 방안이 스택용 부동액을 냉각수로 사용하며, 빙점 이하의 온도에서 스택의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수 급속 가열을 하는 방법이 있다.

이를 위해서는 히터를 스택 냉각수 라인에 부착하여야 한다. 또한 연료전지 차량의 스타트업/셧다운(start up/shut down)시 촉매 담지 카본의 부식에 의한 스택의 내구성 저하를 방지하기 위해 COD(Cathode Oxygen Depletion)를 스택 양 단자에 물려 수소와 산소의 반응에 의한 전력생성을 열에너지로 소비하게 된다.

도 1은 기존 COD의 작동원리를 설명하기 위한 도면으로서, VLD100A/VLD100B는 스타트업용 COD이며, VLD110은 셧다운용 COD를 나타낸다. VLD100A와 VLD100B는 한 개의 스택 모듈 끝단에 릴레이와 퓨즈를 통해 연결되어 있으며, VLD110은 두 개의 스택 모듈 끝단에 릴레이 두개와 퓨즈 두개로 연결되어 있다.

차량의 스타트업시에는 VLD100A 와 VLD100B가 스택에 연결되어 스택내부의 잔류 수소를 산소와 반응시켜 열로 소비시켜 주며, 차량의 셧다운시에는 VLD110이 연결되어 스택내부의 잔류수소를 제거한다.

특히, 셧다운시에는 N/C(normal close) 릴레이가 붙어 있어 시동이 완전이 꺼지고 차량이 정차한 경우에도 셧다운용 COD는 항상 스택 양단에 연결되어 있게 된다.

그러나, 종래에는 차량 시동후 빙점이하의 온도에서 스택의 전력 생성을 원 활하게 하기 위한 스택 냉각수를 가열하기 위한 용도로 개발된 히터가 없었으며, 상기 COD는 히터용으로 사용된 것이 아니라, 차량의 스타트업(S/U)시나 셧다운(S/D)시에 스택 내부의 잔여 수소와 산소를 열로 소비시켜 스택의 내구성을 확보하는 장치로 사용되었다.

따라서, COD 외에도 차량 시동후 빙점이하의 온도에서 스택의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수를 급속하게 가열할 수 있는 히터가 필요하였고, 냉각수 가열용 히터를 COD와 별도로 구성하는 경우에 차량의 부품원가를 증가시키고, 레이아웃 공간을 확보할 수 없는 단점이 있다.

또한, S/U COD와 S/D COD는 도 2에 도시한 바와 같이 원통형 케이스(100)의 양단에 설치되고, 케이스(100)의 양단에 냉각수 유입구(101) 및 배출구(102)가 형성되며, 원통형 케이스(100)의 내부직경은 냉각수 유입구(101) 및 배출구(102)보다 상대적으로 커서 냉각수 유입구(101)에서 배출구(102)로 이동하는 동안 급확대 및 급축소 관으로 통과함으로, 이에 따른 유체의 압력강하가 심각하여 펌프에 큰 부하를 주는 문제점이 있다. 미설명부호 103은 S/U COD, 104는 S/D COD이다.

또한, 종래의 COD는 전장 냉각라인에 부착되어 정비를 위해서는 리프트 없이 정비가 불가능한 단점이 있고, 히터가 공기에 노출될 위험이 있어서 발열부의 열량이 손실될 위험이 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 본 출원인이 제안한 특허출원 제2007-105369호에는 연료전지차량의 냉시동성 확보를 위한 히터기능과 기존의 스택 내구성 확보를 위한 COD 기능을 하나로 통합함으로써, 차량의 부품 원가절감, 레이아웃 공간 확보 및 정비성을 향상시키는 데 기여할 수 있고, 다단 전류 제어를 함으로써 냉시동성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치가 개시되어 있다.

그러나, 기존의 COD와 연료전지 차량의 냉시동성 확보를 위해 히터를 하나로 통합한 COD 겸용 가열장치의 케이스 내부에 들어가는 카트리지 히터의 1개당 정격발열량은 3.2kW로서 매우 높은 열집적도를 가지고 있어서, 도 3에 도시한 바와 같이 냉각수의 유량이 0LPM 일 경우에는 모든 히터 표면에 균일하게 기포가 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존의 COD와 연료전지 차량의 냉시동성 확보를 위한 히터를 하나로 통합한 COD 통합 히터의 형상을 사인파형 또는 나선형 홈 구조로 형성하고, 히터를 사인파의 90도 씩 위상차를 주고 배열함으로써, 각 히터와 케이스 벽면 사이의 유속의 변화를 발생시키고, 히터 표면의 온도를 낮추어 기포 발생을 억제하며, 열전달 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치에 있어서,

양단에 냉각수 유입구 및 배출구가 형성된 케이스; 상기 케이스의 일측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 스타트업 히터 및 셧다운 히터; 상기 케이스의 타측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 냉각수 가열용 히터를 포함하여 구성하되, 상기 각 히터는 그 길이방향으로 갈수록 유체흐름방향의 단면적이 주기적으로 변하고, 상기 히터의 단면적 변화로 인해 유동의 교란을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 각 히터는 원주방향을 따라 교대로 형성된 돌출 부와 오목홈을 주기적으로 갖는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 돌출부 및 오목홈으로 구성된 히터의 길이방향 단면은 삼각형, 사각형, 원형, 사인파형, 나선형 중 어느 하나 또는 이들이 혼합된 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 히터는 유체흐름방향으로 일렬로 배열되되, 상기 유체흐름방향의 일직선상에서 각 히터의 돌출부와 오목홈이 교대로 나타나도록 배열되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치에 의하면, 기존의 COD와 연료전지 차량의 냉시동성 확보를 위한 히터를 하나로 통합한 COD 통합 히터의 형상을 변경하고, 히터의 형상에 따른 배열방법을 달리함으로써, 기존에 비해 열전달 성능을 향상시킬 수 있고, 기포생성을 효과적으로 방지 및 유동에 의한 히터 진동발생을 억제할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 히터의 형상을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히터의 형상을 나타내는 도면이다.

본 발명이 적용되는 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치는 양단에 유입구 및 배출구가 형성된 케이스(11); 상기 케이스(10)의 일측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 스타트업 히터 및 셧다운 히터; 상기 케이스(10)의 타측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 냉각수 가열용 히터를 포함하여 구성되고, 상기 스타트업 히터와 셧다운 히터는 스택내부의 잔류산소를 열로 소비하여 스택 내부의 열화를 방지하고, 상기 냉각수 가열용 히터는 스택 냉각수를 급속 가열하여 빙점이하의 온도에서도 연료전지차량의 냉시동성을 확보하며, 상기 스타트업 히터, 셧다운 히터 및 냉각수 가열용 히터는 하나의 케이스(11)를 통해 통합된다.

여기서, 본 발명은 상기 히터(10)의 기포발생을 방지하기 위해 히터(10)의 형상을 변경한 점에 주안점이 있다.

상기 케이스(10)의 유입구를 통해 유입되고, 케이스(10) 내부를 지나 배출구를 통해 배출되는 유체의 흐름방향은 히터(10)의 길이방향에 수직한 방향이다.

본 발명에 따른 히터(10)는 유체흐름방향의 단면적이 히터(10) 길이방향으로 갈수록 주기적으로 변한다.

예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같이, 히터(10) 내부의 원형 단면을 길이방향으로 가면서 사인파를 그리면서 가도록 형성할 수 있다. 상기 원형 단면의 변화는 주기적으로 커졌다 작아졌다를 반복하면서 사인파를 추종하게 된다. 그리고, 원형 단면의 변화는 반경방향 전체적으로 증가했다 감소했다 하게 된다.

상기와 같은 히터(10)의 외형은 길이방향으로 굴곡이 형성된 구조로서, 길이방향으로 돌출부와 오목홈이 주기적으로 형성되게 된다.

상기 단면적이 길이방향으로 변화하는 실린더 형태의 히터(10)는 돌출부와 오목홈에서 단면적의 모양은 원형으로 동일하나 상대적으로 크기가 다르다.

상기와 같이 길이방향의 외표면이 사인파 형태인 실린더는 길이방향의 외표면이 직선 형태인 실린더에 비해 실린더 후면 와류가 길게 형성됨으로써, 항력을 크게 감소시키는 효과를 갖는다.

이는 실린더 전후단의 차압을 감소시키는 효과와 함께 단면적의 변화로 인한 유동의 교란 효과로 히터(10) 표면의 온도를 낮추어 기포 발생을 억제시킬 수 있다.

길이방향의 외표면이 직선형태인 실린더를 일렬로 배열시키게 되면 앞의 히터(200)가 뒤에 배열된 히터(200)를 가로막는 스크린 효과로 인해 냉각수 출구 쪽으로 갈수록 기포가 발생되는 영역이 커지게 된다(도 2).

도 6a 및 도 6b는 도 4의 히터의 배열방법을 설명하기 위한 도면이다.

만약 도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이 히터(10)를 일렬로 배열하되, 유체흐름 방향으로 히터(10) 단면적의 주기적인 변화를 준다면 유동의 교란으로 인한 열전달 효과가 상승하고, 히터(10) 표면 온도의 하강으로 인한 기포 발생 억제 등의 효과를 나타낼 수 있다.

도 6a에서 a,c 영역은 유속이 느린 구간, b는 유속이 빠른 구간에 속하고, 이때, a,c 구간은 오목홈 구간이고, b구간은 돌출부 구간이다.

도 7은 냉각수 가열용 히터 중 하나에 200V/5.23A의 전력을 인가해 히터 표면에 기포 발생이 시작되는 표면온도 계측실험결과를 나타내는 그래프이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 기존의 균일한 원형 단면 히터(200)는 매우 높은 열집적도를 갖고 있어 표면이 100℃ 근처에 도달하면 기포가 생기기 시작한다.

그러나 사인파 형상의 히터(10)는 균일한 원형 단면의 히터(200)에 비해 발열 표면적이 증가할 뿐만 아니라 유동의 교란 효과로 인해 기포 발생을 억제시켜 준다.

또한, 기존의 균일한 원형 단면을 갖는 실린더 형태의 히터(200)를 일렬로 배열했을 경우에 유량이 크게 되면 유동에 의한 유도진동(Flow induced vibration)이 발생하여 히터에 진동이 발생하게 된다.

그러나 도 6a에서 처럼 형상이 변경된 히터를 90도씩의 위상차를 주고 배열하면 유동에 의한 진동을 현저히 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 사인파형의 실린더에서 돌출부 끝단과 이웃하는 돌출부 끝단 사이의 거리를 조절함으로써, 최적의 사인파형 실린더를 제작할 수 있다.

상기 실린더형태의 히터(10)의 경우 사인파 형태를 일례로 설명하였으나, 히터(10)의 길이방향 외표면이 사인파형태에 한정되지 않고, 나선형의 홈이 형성되거나, 돌출부의 단면이 삼각형, 사각형, 원형 중 어느 하나 이거나, 이들이 혼합된 형상으로 이루어질 수 있다(도 5).

또한, 히터의 단면 형상을 바꾸는 구조 이외에도 히터 표면에 냉각핀을 주기적으로 붙일 수도 있으며, 핀의 높이, 간격 및 형태 등을 다양하게 변화시킬 수도 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였 으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 종래의 COD의 작동원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 종래의 COD 형상을 나타내는 구성도이다.

도 3은 기특허출원된 특허의 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치의 히터에 기포가 발생한 모습을 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 히터의 형상을 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 히터의 형상을 나타내는 도면이다.

도 6a 및 도 6b는 도 4의 히터의 배열방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 히터 표면에 기포가 발생하기 시작하는 표면 온도 계측 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,20 : 히터 11 : 케이스

Claims (4)

1. 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치에 있어서,

   양단에 유입구 및 배출구가 형성된 케이스;

   상기 케이스의 일측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 스타트업 히터 및 셧다운 히터;

   상기 케이스의 타측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 냉각수 가열용 히터;

   를 포함하여 구성하되, 상기 각 히터는 그 길이방향으로 갈수록 유체흐름방향의 단면적이 주기적으로 변하고, 상기 히터의 단면적 변화로 인해 유동의 교란을 발생시키는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 각 히터는 원주방향을 따라 교대로 형성된 돌출부와 오목홈을 주기적으로 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 돌출부 및 오목홈으로 구성된 히터의 길이방향 단면은 삼각형, 사각형, 원형, 사인파형, 나선형 중 어느 하나 또는 이들이 혼합된 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 히터는 유체흐름방향으로 일렬로 배열되되, 상기 유체흐름방향의 일직선상에서 각 히터의 돌출부와 오목홈이 교대로 나타나도록 배열되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치.

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