KR101102320B1 - 연료전지 차량용 냉각수 주입기 - Google Patents

연료전지 차량용 냉각수 주입기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 냉각수 주입기에 관한 것으로, 일측은 제1 배관(H1)으로 차량의 TMS(10)와 연결되고 타측은 제2 배관(H2)으로 물 리저버(3)와 연결되어 TMS 내부의 냉각수 및 공기를 흡입하여 설정압력(PSET)에 도달할 때까지 진공상태로 만들고 냉각수의 순환 동력을 제공하는 진공펌프(2)와; 일측은 상기 진공펌프(2)와 연결되고 타측은 제3 배관(H3)으로 이온제거필터(4)와 연결되며 냉각수가 충전되는 물 리저버(3)와; 차량의 TMS(10)로 공급될 냉각수 중의 금속이온을 걸러내는 이온제거필터(4)와; 차량의 TMS(10)로 공급되는 냉각수의 전기전도도를 측정하여 제어부(미도시)에 송신하는 전기전도도센서(11)와; 상기 전기전도도센서(11)로부터 수신된 신호를 기초로 전기전도도가 설정값 이상이라고 판단되는 경우 그 정보를 경고음 또는 디스플레이를 통한 시각정보로 작업자에게 전달하거나 상기 진공펌프(2)의 작동을 정지시켜 냉각수가 주입을 차단하는 제어부(12);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 주입기에 관한 것이다.
연료전지, 냉각수, 주입기, 이온교환수지

Description

연료전지 차량용 냉각수 주입기 { Cooling Water Injection Device For Fuel Cell Stack }
본 발명은 연료전지 차량용 진공/흡입 방식 냉각수 주입 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 발전모듈인 스택(Stack)을 냉각시키는 시스템인 TMS(Thermal management system) 루프(Loop)에 냉각수를 주입하기 위한 연료전지 차량용 냉각수 주입기에 관한 것이다.
연료전지 차량의 냉각수는 일반 자동차용 냉각수인 부동액과 달리 전기전도도(conductivity)가 기준치 이하로 유지되어야 한다. 일반 차량용 냉각수 주입기는 연료전지 차량의 냉각수와 같은 전기전도도에 대한 기준이 없기 때문에 냉각수의 전기전도도에 대한 제작 기준 및 추가 장치가 별도로 설치되어 있지 않다.
또한, 연료전지 차량의 시스템 특성을 고려한 전용의 냉각수 주입기가 없기 때문에 연료전지 차량의 양산시에 큰 어려움이 예상되며, 이에 연료전지 차량에 냉각수를 주입시키기 위한 연료전지 차량 전용의 냉각수 주입기의 개발이 요구되고 있다.
연료전지 시스템에서 스택의 내구성(수명)과 성능 유지를 위하여 금속이온의 유입이 있어서는 안되므로, 스택을 냉각시키는 TMS라인의 냉각수는 금속이온이 제거된 전기전도도(Electrical Conductivity) 2μS/cm 이하의 증류수(Deionized Water)를 사용해야 한다.
이로 인하여, 초기 연료전지 차량에 냉각수 주입 시에는 전기전도도 2μS/cm이하의 초순수 냉각수를 주입하여야 한다. 첨부한 도 1의 연료전지 시스템도에 나타낸 바와 같이, 현재 연료전지 차량에서 냉각수는 초순수 제조장치에서 제조된 냉각수를 냉각루프의 보조물 탱크에 주입하고, 구동용 물펌프를 수차례 온/오프(on/off)시키는 것을 반복하여, 루프(Loop) 내부의 기포를 제거하면서 주입하는 바, 그러나 양산성을 고려할 경우 이러한 냉각수 주입방법은 적용할 수 없을 것으로 판단된다.
연료전지 차량에 적용하는 냉각수 주입기는 별도 제작되어져 있지않다. 현재 양산차량에 적용하는 냉각수 주입기는 1barv 가량 흡입력을 가지는 진공펌프를 장착한 장비를 이용하여 차량의 냉각 Loop를 진공상태로 만든다음 여기에 1barg의 압력으로 냉각수를 급속하게 주입하게 된다. 이러한 장비를 연료전지차량에 적용하여 냉각수를 주입할 경우 연료전지시스템에서 특정 압력차 (0.5 bar) 이상에서 스택 및 기타 주변 장치의 파손이 생길 수 있다.
연료전지시스템의 냉각수 측 Loop에 특정압력 이상이 가해 지게 되면 Bipolar Plate 및 MEA 가 공기/수소 유로와의 압력차에 의하여 파손되어진다. 또한 기존 냉각수 주입기 내부의 냉각수가 닿는 부위는 이온이 용출되어 나올 수 있는 PVC와 같은 일반 플라스틱으로 되어져 있다.
따라서 연료전지 차량에 상기 구조/재질의 냉각수 주입기를 사용하게 되면 연료전지차량 냉각시스템은 파손의 위험성 및 이온전도도가 높은 냉각수가 흐르게 되며 이로인해 스택에 치명적인 손상을 야기할 수 있다. 그리고 냉각수 주입기에 설치된 Filter 역시 냉각수내 미세 먼지만을 잡을수 있어 이온성 입자를 Filtering 할 수가 없다.
본 기술은 연료전지차량의 발전모듈인 스택(Stack)을 냉각시키는 시스템인 TMS(Thermal management system) Loop에 냉각수를 주입하기 위한 냉각수 주입 장치를 개발하는 것이다. 연료전지 차량은 일반 자동차용 냉각수인 부동액과 달리 전기전도도(conductivity)가 기준치 이하로 유지되어야 한다.
일반 차량용 냉각수 주입기는 이러한 전기전도도에 대한 기준이 없기 때문에 냉각수의 전기전도도에 대한 제작 기준 및 추가 장치가 설치되어져 있지 않다. 또한 연료전지차량의 시스템 특성을 고려한 전용의 냉각수 주입기가 없기 때문에 연료전지차량의 양산시에 큰 어려움이 예상된다. 본 발명에서는 연료전지차량에 냉각수를 주입시키기 위한 연료전지차량 전용의 냉각수 주입기를 개발하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각수 주입기는,
일측이 제1 배관(H1)으로 차량의 TMS(10)와 연결되고 타측이 제2 배관(H2)으로 물 리저버(3)와 연결되어 TMS 내부의 냉각수 및 공기를 흡입하여 설정압력(PSET)에 도달할 때까지 진공상태로 만들고 냉각수의 순환 동력을 제공하는 진공펌프(2)와;
일측은 상기 진공펌프(2)와 연결되고 타측은 제3 배관(H3)으로 이온제거필 터(4)와 연결되며 냉각수가 충전되는 물 리저버(3)와;
일측은 상기 물 리저버(3)와 연결되고 타측은 제4 배관(H4)으로 차량의 TMS(10)와 연결되며 차량의 TMS(10)로 공급될 냉각수 중의 금속이온을 걸러내는 이온제거필터(4)와;
상기 이온제거필터(4)와 차량의 TMS(10)를 연결하는 제4 배관(H4)에 위치하여 차량의 TMS(10)로 공급되는 냉각수의 전기전도도를 측정하여 제어부(12)에 송신하는 전기전도도센서(11)와;
상기 전기전도도센서(11)로부터 수신된 신호를 기초로 전기전도도가 설정값 이상이라고 판단되는 경우 그 정보를 경고음 또는 디스플레이를 통한 시각정보로 작업자에게 전달하거나 상기 진공펌프(2)의 작동을 정지시켜 냉각수가 주입을 차단하는 제어부(12);를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르는 경우 종래 기술의 문제점이 해결되며, 본 기술을 적용함으로써 연료전지차량에 주입하는 냉각수를 효과적으로 주입할 수가 있다. 먼저, 작업성을 개선하여 M/H를 단축할 수 있고, 작업시간이 단축된어 작업 효율성이 향상된다. 연료전지차량 냉각수의 전기전도도 효과적 유지/보수 가능하며, 냉각수 주입기에 이온제거기를 장착함으로써 전기전도도 낮은 냉각수의 주입이 가능하다.
종래기술에서 살펴보았듯이 일반차량에서 적용하는 냉각수 주입기를 연료전지차량에 적용하기에는 스택을 포한한 연료전지 시스템의 파손 및 이온전도도에 문 제점을 가지고 있다. 본 기술에서는 진공 흡입 방식의 연료전지차량 전용의 냉각수 주입 장치를 제안하고자 한다. 또한 냉각수 주입기에서 냉각수가 닿는 부위의 재질을 이온이 용출되지 않는 재질로 바꾸고 냉각수 내에 존재하는 이온을 제거할 수 있는 이온제거필터를 설치하는 것이다.
본 발명의 연료전지 차량용 냉각수 주입기는 진공펌프를 이용한 진공/흡입방식 냉각수 주입 시스템이며, 이온제거필터를 통하여 냉각수 내 이물질 및 이온성 입자를 제거한다. 냉각수 주입기 재질과 관련하여 냉각수가 접촉할 수 있는 부위의 재질을 비용출성 재질로 대체하여 제작한다. 이온성 입자를 Filtering 할 수 있는 이온제거기를 In-line 상태로 장착한 것이 특징이다.
이하 본 발명에 의한 연료전지 차량용 냉각수 주입기를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 냉각수 주입기 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지 차량용 냉각수 주입기는 진공펌프(2)와 물 리저버(3)와 이온제거필터(4)와 전기전도도센서(11)와 제어부(12)를 포함하여 구성된다.
도 2에 도시된 바아 같이, 진공펌프(2)에 있어서, 그 일측은 제1 배관(H1)으로 차량의 TMS(10)와 연결되고 타측은 제2 배관(H2)으로 물 리저버(3)와 연결되어 TMS 내부의 냉각수 및 공기를 흡입하여 설정압력(PSET)에 도달할 때까지 진공상태로 만들고 냉각수의 순환 동력을 제공한다.
도 2에 도시된 바아 같이, 물 리저버(3)의 일측은 상기 진공펌프(2)와 연결되고 물 리저버(3)의 타측은 제3 배관(H3)으로 이온제거필터(4)와 연결된다. 물 리저버(3)에 냉각수가 충전된다.
이온제거필터(4)의 일측은 물 리저버(3)와 연결되고 그 타측은 제4 배관(H4)으로 차량의 TMS(10)와 연결된다. 이온제거필터(4)는 차량의 TMS(10)로 공급될 냉각수 중의 금속이온을 걸러낸다. 이온제거필터(4)는 이온교환수지를 충전한 이온제거기를 냉각수 line에 In-Line으로 연결하여 차량에 주입되기 전 냉각수의 전기전도도를 연료전지차량 요구 수준 이하로 유지시켜 준다.
전기전도도센서(11)는 이온제거필터(4)와 차량의 TMS(10)를 연결하는 제4 배관(H4)에 위치하여 차량의 TMS(10)로 공급되는 냉각수의 전기전도도를 측정하여 제어부(12)에 송신한다.
제어부(12)는 전기전도도센서(11)로부터 수신된 신호를 기초로 전기전도도가 설정값 이상이라고 판단되는 경우 그 정보를 경고음 또는 디스플레이를 통한 시각정보로 작업자에게 전달하거나 상기 진공펌프(2)의 작동을 정지시켜 냉각수가 주입을 차단한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지 차량용 냉각수 주입기는, 제어부(12)에 의해 제어되고 상기 제1 배관(H1)을 개폐하는 제1 솔레노이드 밸브(6)와, 제어부(12)에 의해 제어되고 상기 제4 배관(H4)에 개폐하는 제2 솔레노이드 밸브(5)와, 물 리저버(3)에 구비되어 기포를 배출하는 제3 솔레노이드 밸브(7)와, 제어부(12)에 의해 제어되고 상기 제1 배관(H1), 제4 배관(H4), 및 차량의 TMS(10) 내에 설치된 배관 중 에서 선택된 하나의 배관의 압력을 측정하여 제어부(12)에 송신하는 압력센서(8)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 연료전지 차량용 냉각수 주입기에 있어서, 제어부(12)는,
a) 제1 솔레노이드 밸브(6) 개방, 제2 솔레노이드 밸브(5) 폐쇄 상태에서 진공펌프(2)를 가동시키고, b) 압력센서(8)에서 측정된 압력이 설정압력(PSET)과 같다고 판단되면 제2 솔레노이드 밸브(5)를 개방하여 냉각수를 차량의 TMS(10) 내관으로 주입시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 연료전지 차량용 냉각수 주입기에는 차량의 TMS(10)에 충분한 냉각수가 주입되었는지 여부를 체크하는 레벨센서(9)가 더 구비될 수 있다. 제어부(12)는 레벨센서(9)로부터 냉각수가 설정한 레벨까지 주입되었다는 정보가 수신되면 제1 솔레노이드 밸브(6)와 제2 솔레노이드 밸브(5)를 모두 폐쇄하고 진공펌프(2)를 정지시키는 것이 바람직하다. 제3 솔레노이드 밸브(7)는 냉각수를 차량의 TMS(10)에 충전하는 경우 개방된다.
도 2에서 냉각수 주입기 내부의 냉각수가 접촉할 있는 부위는 장시간 냉각수와 접촉하더라도 금속이온이 용출되지 않는 비용출성 재질 (ex : SUS316L, Teflon, Silicone Hose(Food Grade), PP etc)을 사용하여 이온이 냉각수로 용출되지 않도록 제작한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지 차량용 냉각수 주입기에 있어서, 제1 배관(H1)은 차량의 TMS(10)와 진공 펌프(2)를 연결하고, 제2 배관(H2)은 진공 펌프(2)와 물 리저버(3)를 연결한다. 제3 배관(H3)은 물 리저버(3)와 이온제거필터(4)를 연결한다. 제4 배관(H4)은 이온제거필터(4)와 차량의 TMS(10)를 연결한다.
본 발명은 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명됐지만, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 이하의 특허청구범위에 의하여 정하여지는 것으로 본 발명과 균등 범위에 속하는 다양한 수정 및 변형을 포함할 것이다.
아래의 특허청구범위에 기재된 도면부호는 단순히 발명의 이해를 보조하기 위한 것으로 권리범위의 해석에 영향을 미치지 아니함을 밝히며 기재된 도면부호에 의해 권리범위가 좁게 해석되어서는 안될 것이다.
도 1은 본 발명이 사용되는 연료전지차량 TMS(Thermal management system) 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 차량용 냉각수 주입기 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
H1, H2, H3, H4 : 제1, 2, 3, 4 배관
2 : 진공펌프
3 : 물 리저버
4 : 이온제거필터
5 : 제2 솔레노이드 밸브
6 : 제1 솔레노이드 밸브
7 : 제3 솔레노이드 밸브
8 : 압력센서
9 : 레벨센서
10 : 차량의 TMS
11 : 전기전도도센서
12 : 제어부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 일측이 제1 배관(H1)으로 차량의 TMS(10)와 연결되고 타측이 제2 배관(H2)으로 물 리저버(3)와 연결되어 TMS 내부의 냉각수 및 공기를 흡입하여 설정압력(PSET)에 도달할 때까지 진공상태로 만들고 냉각수의 순환 동력을 제공하는 진공펌프(2)와;
    일측은 상기 진공펌프(2)와 연결되고 타측은 제3 배관(H3)으로 이온제거필터(4)와 연결되며 냉각수가 충전되는 물 리저버(3)와;
    일측은 상기 물 리저버(3)와 연결되고 타측은 제4 배관(H4)으로 차량의 TMS(10)와 연결되며 차량의 TMS(10)로 공급될 냉각수 중의 금속이온을 걸러내는 이온제거필터(4)와;
    상기 이온제거필터(4)와 차량의 TMS(10)를 연결하는 제4 배관(H4)에 위치하여 차량의 TMS(10)로 공급되는 냉각수의 전기전도도를 측정하여 제어부(12)에 송신하는 전기전도도센서(11)와;
    상기 전기전도도센서(11)로부터 수신된 신호를 기초로 전기전도도가 설정값 이상이라고 판단되는 경우 그 정보를 경고음 또는 디스플레이를 통한 시각정보로 작업자에게 전달하거나 상기 진공펌프(2)의 작동을 정지시켜 냉각수가 주입을 차단하는 제어부(12);를 포함하여 구성되되,
    상기 제어부(12)에 의해 제어되고 상기 제1 배관(H1)을 개폐하는 제1 솔레노이드 밸브(6)와,
    상기 제어부(12)에 의해 제어되고 상기 제4 배관(H4)에 개폐하는 제2 솔레노이드 밸브(5)와,
    상기 물 리저버(3)에 구비되어 기포를 배출하는 제3 솔레노이드 밸브(7)와,
    상기 제어부(12)에 의해 제어되고 상기 제1 배관(H1), 제4 배관(H4), 및 차량의 TMS(10) 내에 설치된 배관 중 에서 선택된 하나의 배관의 압력을 측정하여 제어부(12)에 송신하는 압력센서(8)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 주입기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제어부(12)는,
    a) 제1 솔레노이드 밸브(6) 개방, 제2 솔레노이드 밸브(5) 폐쇄 상태에서 진공펌프(2)를 가동시키고,
    b) 압력센서(8)에서 측정된 압력이 설정압력(PSET)과 같다고 판단되면 제2 솔레노이드 밸브(5)를 개방하여 냉각수를 차량의 TMS(10) 내관으로 주입시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 주입기.
  4. 제3항에 있어서,
    차량의 TMS(10)에 충분한 냉각수가 주입되었는지 여부를 체크하는 레벨센서(9)가 더 구비되고,
    상기 제어부(12)는 상기 레벨센서(9)로부터 냉각수가 설정한 레벨까지 주입되었다는 정보가 수신되면 제1 솔레노이드 밸브(6)와 제2 솔레노이드 밸브(5)를 모두 폐쇄하고 진공펌프(2)를 정지시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 주입기.
  5. 일측이 제1 배관(H1)으로 차량의 TMS(10)와 연결되고 타측이 제2 배관(H2)으로 물 리저버(3)와 연결되어 TMS 내부의 냉각수 및 공기를 흡입하여 설정압력(PSET)에 도달할 때까지 진공상태로 만들고 냉각수의 순환 동력을 제공하는 진공펌프(2)와;
    일측은 상기 진공펌프(2)와 연결되고 타측은 제3 배관(H3)으로 이온제거필터(4)와 연결되며 냉각수가 충전되는 물 리저버(3)와;
    일측은 상기 물 리저버(3)와 연결되고 타측은 제4 배관(H4)으로 차량의 TMS(10)와 연결되며 차량의 TMS(10)로 공급될 냉각수 중의 금속이온을 걸러내는 이온제거필터(4)와;
    상기 이온제거필터(4)와 차량의 TMS(10)를 연결하는 제4 배관(H4)에 위치하여 차량의 TMS(10)로 공급되는 냉각수의 전기전도도를 측정하여 제어부(12)에 송신하는 전기전도도센서(11)와;
    상기 전기전도도센서(11)로부터 수신된 신호를 기초로 전기전도도가 설정값 이상이라고 판단되는 경우 그 정보를 경고음 또는 디스플레이를 통한 시각정보로 작업자에게 전달하거나 상기 진공펌프(2)의 작동을 정지시켜 냉각수가 주입을 차단하는 제어부(12);를 포함하여 구성되되,
    냉각수가 접촉하는 부위의 재질은 Teflon, Silicone Hose(Food Grade), 및 PP 중에서 선택되는 금속이온이 용출되지 않는 비용출성 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 주입기.
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