KR101240974B1 - 바이패스 구조를 갖는 연료전지용 냉각수 가열장치를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

바이패스 구조를 갖는 연료전지용 냉각수 가열장치를 구비한 연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101240974B1
KR101240974B1 KR1020100109471A KR20100109471A KR101240974B1 KR 101240974 B1 KR101240974 B1 KR 101240974B1 KR 1020100109471 A KR1020100109471 A KR 1020100109471A KR 20100109471 A KR20100109471 A KR 20100109471A KR 101240974 B1 KR101240974 B1 KR 101240974B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cooling water
fuel cell
heating
bypass
flow path
Prior art date
Application number
KR1020100109471A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120048055A (ko
Inventor
김성균
고행진
한수동
김윤석
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020100109471A priority Critical patent/KR101240974B1/ko
Publication of KR20120048055A publication Critical patent/KR20120048055A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101240974B1 publication Critical patent/KR101240974B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04358—Temperature; Ambient temperature of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지용 냉각수 가열장치에 관한 것으로서, 연료전지 스택에 공급되는 열량의 감소 없이 스택 온도를 신속히 승온시킬 수 있으면서도 냉각수 유동 저항 감소 및 펌프 소요 동력 감소, 시스템 효율 증대를 도모할 수 있는 연료전지용 냉각수 가열장치를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 냉각수 가열을 위한 발열체가 내장된 가열부와; 상류측 냉각수 라인에서 유입된 냉각수를 상기 가열부를 통과하지 않도록 바이패스시켜 하류측 냉각수 라인으로 배출하는 바이패스 유로가 형성된 유로부와; 상기 유로부 내에 구비되어 가열부쪽 유로와 바이패스 유로 사이에서 냉각수 흐름방향을 제어하기 위한 바이패스밸브와; 상기 바이패스밸브를 구동시키기 위한 밸브액츄에이터가 일체로 결합되어 구성된 것을 특징으로 하는 바이패스 구조를 갖는 연료전지용 냉각수 가열장치가 개시된다.

Description

바이패스 구조를 갖는 연료전지용 냉각수 가열장치를 구비한 연료전지 시스템{Fuel cell system having cooling water heating apparatus for fuel cell having bypass structure}
본 발명은 연료전지용 냉각수 가열장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 온도를 신속히 승온시킬 수 있으면서 냉각수 유동 저항 감소 및 펌프 소요 동력 감소, 시스템 효율 증대를 도모할 수 있는 연료전지용 냉각수 가열장치에 관한 것이다.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
이러한 구성에서 연료전지 스택은 반응가스인 수소와 공기 중 산소의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키고 그 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. 이에 연료전지 시스템에는 스택의 온도 상승을 방지하기 위하여 스택을 냉각시키는 시스템이 필수적이다.
통상 차량용 연료전지 시스템에서 연료전지 스택을 최적의 운전온도로 유지하기 위한 냉각시스템에는 스택 내 냉각수 채널을 통해 물을 순환시켜 냉각시키는 수냉식이 이용되고 있다.
이러한 연료전지 차량의 냉각시스템을 도 1에 도시하였다. 도시된 바와 같이, 연료전지 차량의 냉각시스템은 냉각수의 열을 외부로 방출하기 위한 라디에이터(20)와, 냉각수가 순환될 수 있도록 연료전지 스택(10)과 라디에이터(20) 사이에 구성되는 냉각수 라인(31), 라디에이터(20)를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시키기 위한 바이패스라인(32) 및 3-웨이(3-way) 밸브(40), 냉각수를 펌핑하여 냉각수 라인(31)을 통해 압송하기 위한 냉각수 펌프(50)를 주된 구성으로 한다.
여기서, 바이패스라인(32)은 라디에이터 상, 하류측 냉각수 라인에서 분기되어 라디에이터(20)를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시키는 냉각수 라인이고, 3-웨이 밸브(40)는 라디에이터를 통과하는 메인 라인과 라디에이터를 통과하지 않는 바이패스라인(32) 사이에서 냉각수의 흐름을 선택적으로 제어하는 역할을 하게 된다.
이와 더불어, 냉각수 라인(31)에는 연료전지 스택(10)의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수를 급속 가열하는 가열장치(60)가 구비되는데, 상기 가열장치(60)는 연료전지 시스템의 시동(start-up)시 냉각수를 가열하여 연료전지 스택(10)의 온도를 신속히 정상 운전온도로 승온시키는 역할을 한다.
이러한 냉각수 가열장치(60)는 도 1에 나타낸 바와 같이 연료전지 스택(10)의 전단에 위치하거나 바이패스라인(32)에 설치되는데, 가열장치(60)가 연료전지 스택(10)의 전단에 위치될 경우 가열장치에 의해 가열된 냉각수가 바로 연료전지 스택으로 공급되므로 연료전지 스택에 바로 열을 공급할 수 있는 이점이 있다.
또한 가열장치(60)가 바이패스라인(32)에 설치될 경우 냉각수가 라디에이터(20)를 통과하는 메인 라인으로 흐르게 될 때 메인 라인의 압력 강하에는 영향을 주지 않는 이점이 있다.
그러나, 상기한 가열장치 모두 냉각수 라인에 설치되어 냉각수가 항시 통과하는 구성을 가지므로 가열장치 자체가 냉각 루프를 순환하는 냉각수의 저항체로 작용하며, 이는 냉각수 펌프(50)의 소요 동력을 증가시켜 시스템의 효율을 저하시키는 요인으로 작용하고 있다.
또한 바이패라인(32)에 설치되는 경우에는 특히 영하 이하의 냉시동시 가열장치(60)에 의해 가열된 냉각수가 연료전지 스택(10)에 공급되기 전에 저온 상태인 바이패스라인(32)의 배관 및 3-웨이 밸브(40) 등 냉각시스템 부품을 먼저 통과하므로 이들 부품에 냉각수의 열을 빼앗기게 된다. 이는 연료전지 스택에 직접적으로 공급되는 열량을 감소시키므로 시동시간을 지연시키는 원인이 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지 스택에 공급되는 열량의 감소 없이 스택 온도를 최대한 신속히 승온시킬 수 있으면서도 냉각수 유동 저항 감소 및 펌프 소요 동력 감소, 시스템 효율 증대에 효과적으로 기여할 수 있는 연료전지용 냉각수 가열장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 냉각수 라인에 설치되어 연료전지 스택에 공급되는 냉각수를 가열시키기 위한 가열장치에 있어서, 냉각수 가열을 위한 발열체가 내장된 가열부와; 상류측 냉각수 라인에서 유입된 냉각수를 상기 가열부를 통과하지 않도록 바이패스시켜 하류측 냉각수 라인으로 배출하는 바이패스 유로가 형성된 유로부와; 상기 유로부 내에 구비되어 가열부쪽 유로와 바이패스 유로 사이에서 냉각수 흐름방향을 제어하기 위한 바이패스밸브와; 상기 바이패스밸브를 구동시키기 위한 밸브액츄에이터가 일체로 결합되어 구성된 연료전지용 냉각수 가열장치를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 냉각수 가열장치는, 상기 유로부에 상류측 냉각수 라인이 연결되는 입구부와, 하류측 냉각수 라인이 연결되는 출구부와, 상기 입구부와 출구부를 연통시키는 바이패스 유로가 형성되고, 상기 유로부의 입구부가 가열부의 유입구에, 상기 유로부의 출구부가 가열부의 배출구에 각각 연결되며, 상기 입구부 내에 가열부의 유입구와 바이패스 유로 사이에서 냉각수 흐름방향을 절환시키는 바이패스밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 냉각수 가열장치는 외부 전력을 공급받아 가열부 및 밸브액츄에이터의 작동전원으로 공급하면서 가열부 및 밸브액츄에이터의 작동을 제어하기 위한 구동제어부가 추가로 일체 결합되어 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 구동제어부는 냉각수 온도를 검출하기 위한 온도센서의 검출값을 입력받아 온도센서의 검출값에 기초하여 가열부 및 밸브액츄에이터의 작동을 제어하도록 구비된 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명은 상술한 냉각수 가열장치가 냉각수 순환 경로 중 냉각수의 연료전지 스택 공급 직전의 위치가 되는 스택 전단의 위치에 설치되어, 상기 가열장치에 의해 가열된 냉각수가 바이패스라인, 3-웨이 밸브, 냉각수 펌프를 거치지 않고 연료전지 스택에 바로 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 연료전지 시스템은 가열장치를 통과한 냉각수의 온도를 검출하기 위한 온도센서가 추가로 구비되고, 가열장치의 가열부 및 밸브액츄에이터의 구동을 제어하는 구동제어부가 상기 온도센서의 검출값에 기초하여 상기 가열부 및 밸브액츄에이터의 작동을 제어하도록 구비된 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 가열장치에서는 냉각수가 가열부를 선택적으로 통과할 수 있도록 해주는 바이패스 유로 및 바이패스밸브가 구비됨으로써, 연료전지 스택의 승온이 불필요한 경우 가열부를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시킬 수 있고, 이로써 냉각수 유동 저항 감소 및 펌프 소요 동력 감소, 시스템 효율 증대를 도모할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따른 연료전지용 가열장치는 가열된 냉각수의 열을 연료전지 스택에 바로 공급할 수 있는 스택 전단 위치에 설치되어 냉각시스템 부품에서 손실되는 열량을 최소화할 수 있고, 이에 스택 온도를 신속히 승온시킬 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 연료전지용 가열장치는 냉각수 가열을 위한 가열부, 냉각수를 바이패스시키기 위한 유로부, 바이패스밸브를 구동시키기 위한 밸브액츄에이터, 상기 가열부 및 밸브액츄에이터의 구동을 제어하는 구동제어부가 일체로 결합된 콤팩트한 구조를 가지므로 냉각시스템 모듈화에 유리한 이점을 가진다.
도 1은 종래 연료전지 차량의 냉각시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉각수 가열장치를 구비한 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각수 가열장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 냉각수 가열장치의 내부 구성, 특히 가열장치 내부에 구비되는 냉각수 바이패스 구조 및 바이패스밸브의 작동상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지용 냉각수 가열장치에 관한 것으로서, 발열체가 내장된 가열부를 냉각수가 선택적으로 통과할 수 있도록 해주는 냉각수 바이패스 구조가 일체형으로 구비된 연료전지용 냉각수 가열장치에 관한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 가열장치를 구비한 연료전지 시스템의 구성도로서, 특히 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 적정 온도로 제어하기 위한 냉각시스템이 도시되어 있다.
본 발명의 냉각수 가열장치(100)는 냉각수 라인(31)을 따라 순환하는 냉각수를 가열하여 연료전지 스택(10)의 온도를 신속히 정상 운전온도로 승온시키는 역할을 하며, 도시된 바와 같이 연료전지 스택(10) 전단의 냉각수 라인에 설치된다.
특히, 본 발명에 따른 냉각수 가열장치(100)는 냉각수 라인(31) 중 연료전지 스택(10)의 전단 위치에 설치되며, 냉각수 순환 경로 중 연료전지 스택(10)으로 공급되기 직전 위치에 설치되어, 가열장치(100)에서 가열된 냉각수가 바이패스라인(32)의 배관, 3-웨이 밸브(40), 냉각수 펌프(50) 등을 거치지 않고 바로 연료전지 스택(10)에 공급될 수 있도록 한다.
이 경우, 냉각수의 열량 손실 없이 연료전지 스택에 공급되는 열량을 증가시킬 수 있으며, 냉시동 초기에 저온 상태인 바이패스라인의 배관과 3-웨이 밸브, 냉각수 펌프 등에 냉각수의 열을 빼앗기지 않고 연료전지 스택에 공급할 수 있으므로 스택 온도를 신속히 승온시킬 수 있고, 시동시간의 단축이 가능해진다.
다만, 냉각수 라인(31)에서 연료전지 스택(10) 직전에 가열장치(100)가 설치되면 가열장치의 발열체에 의해 냉각수 유동 저항이 증가할 수 있으므로, 본 발명의 가열장치(100)에는 냉각수 라인(31)에서 유입된 냉각수를 발열체가 내장된 가열부(110)를 선택적으로 통과시키기 위한 바이패스 구조가 일체로 구비된다.
상기 바이패스 구조는 냉각수 가열(가열부 작동) 및 스택 스온이 필요한 경우에만 냉각수를 가열부(110)에 통과시켜 가열하고, 불필요시에는 가열부(110)를 통과하지 않도록 바이패스시키게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각수 가열장치의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 냉각수 가열장치의 내부 구성, 특히 가열장치 내부에 구비되는 냉각수 바이패스 구조 및 바이패스밸브의 작동상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각수 가열장치(100)는 기본적으로 가열부(110)와 유로부(120), 바이패스밸브(130), 밸브액츄에이터(140)가 일체로 결합된 구성을 가지며, 여기에 가열부(110) 및 밸브액츄에이터(140)의 구동을 제어하는 구동제어부(150)가 추가로 일체 결합될 수 있다.
상기 가열부(110)는 구동제어부(150)를 통해 작동전원을 공급받게 되는 발열체가 내장된 구성을 가진다. 이때, 가열부(110)의 하우징 내부에 발열체가 구비되고, 상기 하우징의 유입구(111)와 배출구(112)가 유로부(120)와 연결되어, 유로부(120)로부터 상기 유입구(111)를 통해 하우징 내부로 유입된 냉각수가 발열체 주변을 통과한 뒤 상기 배출구(112)를 통해 다시 유로부(120)로 배출되도록 되어 있다.
상기 유로부(120)는 냉각수 라인(31)의 도중에 연결되는 것으로, 일측의 입구부(121)가 냉각수 펌프(50)에서 연결된 상류측(냉각수 유동 경로 기준) 냉각수 라인(31a)에, 타측의 출구부(123)가 연료전지 스택(10)으로 연결된 하류측 냉각수 라인(31b)에 연결된다.
또한 도 3에 나타낸 바와 같이 유로부(120) 내에는 입구부(121)와 출구부(123)를 연통시키는 바이패스 유로(122)가 형성되어 구비되고, 상기 입구부(121)가 가열부(110)의 유입구(111)와, 상기 출구부(123)가 가열부(110)의 배출구(112)와 각각 연결된 구조로 되어 있다.
아울러, 상기 유로부(120)에서 입구부(121) 내에는 가열부(110)의 유입구(111)와 바이패스 유로(122) 사이에서 냉각수의 흐름방향을 제어하는 바이패스밸브(130)가 설치되는데, 상기 바이패스밸브(130)는 유로부(120) 외측에 위치되는 밸브액츄에이터(140)에 의해 회전구동되도록 구비되는 것으로, 회전위치에 따라 가열부(110)의 유입구(111)와 바이패스 유로(122) 중 어느 한쪽으로 냉각수가 흘러갈 수 있도록 냉각수 흐름을 절환시키는 역할을 하게 된다.
즉, 밸브액츄에이터(140)에 의해 유로부(120) 내 바이패스밸브(130)가 선택된 방향으로 회전되어 가열부(110)의 유입구(111)를 차단하고 바이패스 유로(122)를 개방하거나, 반대로 가열부(110)의 유입구(111)를 개방하고 바이패스 유로(122)를 차단하게 되는 것이다.
상기 바이패스밸브(130)가 가열부(110)의 유입구(111)를 차단하고 바이패스 유로(122)를 개방하는 경우 상류측 냉각수 라인(31a)에서 유로부(120) 내로 유입된 냉각수가 바이패스 유로(122)를 통해 곧바로 하류측 냉각수 라인(31b)으로 배출되며, 이 경우 냉각수가 가열부(110)를 바이패스하게 되므로 스택에 공급되는 냉각수의 유동 저항이 발생하지 않는다.
반면, 바이패스밸브(130)가 가열부(110)의 유입구(111)를 개방하고 바이패스 유로(122)를 차단하는 경우 상류측 냉각수 라인(31a)에서 유로부(120) 내로 유입된 냉각수가 가열부(110)를 통과한 뒤 하류측 냉각수 라인(31b)으로 배출되는 바, 이 경우 가열부(110)에 의한 유동 저항은 있을 수 있으나 가열부(110)의 발열작동으로 냉각수가 가열된 뒤 스택으로 공급될 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명의 가열장치(100)에서는 냉각수가 가열부(110)를 선택적으로 통과할 수 있도록 해주는 유로부(120) 및 바이패스밸브(130)가 구비되어, 냉각수 가열이 불필요할 경우 가열부를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시킬 수 있고, 이에 냉각수 유동 저항의 문제를 해소할 수 있다.
상기 밸브액츄에이터(140)는 구동제어부(150)에서 인가되는 제어신호에 따라 구동하여 유로부(120) 내 바이패스밸브(130)를 선택된 방향으로 회전시키는 구성부로서, 냉각수 가열 위치(가열부의 유입구 개방/바이패스 유로 차단 위치)와 바이패스 위치(가열부의 유입구 차단/바이패스 유로 개방 위치) 사이에서 절환되도록 바이패스밸브(130)를 회전시키게 된다.
상기 밸브액츄에이터(140)로는 전동모터(141)를 포함하는 구성이 될 수 있으며, 이 경우 전동모터(141)의 구동축(142)이 바이패스밸브(130)에 일체로 연결되어 전동모터(141)의 회전방향에 따라 바이패스밸브(130)의 회전방향 및 위치가 제어되는 구성이 된다.
바이패스밸브를 회전시켜 밸브 위치를 제어하는 밸브액츄에이터에 대해서는 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
상기 바이패스밸브(130)가 밸브액츄에이터(140)의 구동에 의해 바이패스 위치로 회전되는 구성 대신, 도면상 예시하지는 않았으나, 밸브액츄에이터(140)(전동모터)의 구동축(142)에 리턴스프링이 장착되는 구성이 될 수도 있으며, 이 리턴스프링은 밸브액츄에이터의 오프시 탄성력이 바이패스밸브(130)를 바이패스 위치로 이동시키는 방향으로 작용되도록 구비된다.
즉, 냉각수 가열 위치로 바이패스밸브(130)를 구동시킬 때는 밸브액츄에이터(140)의 회전력(구동력)이 작용하여 바이패스밸브(130)를 회전시킴으로써 가열부(110)의 유입구(111)가 개방되도록 하되, 바이패스밸브(130)의 회전으로 리턴스프링이 탄성력을 가지도록 변형되게 하고, 밸브액츄에이터(140)가 오프될 때 리턴스프링의 탄성력에 의해 바이패스밸브(130)가 역으로 회전되어 냉각수 바이패스 위치로 이동될 수 있게 하는 것이다.
상기 구동제어부(150)는 밸브액츄에이터(140)의 구동과 가열부(110)의 작동을 제어하는 구성부로서, 외부로부터 전력(예를 들면, 전력분배기(11)를 통해 공급되는 스택 전력 또는 배터리 전력)을 공급받아 밸브액츄에이터(140) 및 가열부(110)의 발열체에 작동전원으로 공급하게 되며, 밸브액츄에이터(140)의 구동 및 발열체의 작동을 제어하게 된다.
한편, 도 2에 나타낸 바와 같이 본 발명의 가열장치(100) 후단의 냉각수 라인(31)에는 온도센서(150)가 구비되고, 이 온도센서(150)는 가열장치(100)를 통과한 냉각수의 온도를 검출하여 검출값에 따른 전기적인 신호(수온검출신호)를 구동제어부(150)에 입력하게 된다.
이에 영하 이하의 냉시동시 온도센서(150)에 의해 검출된 냉각수 온도가 설정온도 미만일 경우 구동제어부(150)가 스택 전력을 전력분배기(11)로부터 공급받아 가열부(110)의 발열체를 작동시킴과 동시에 밸브액츄에이터(140)의 구동을 제어하여 바이패스밸브(130)의 위치를 냉각수 가열 위치로 이동시킨다.
이때, 가열부(110)쪽의 유로가 개방되므로 냉각수가 가열부를 통과한 뒤 가열되어 스택에 공급되며, 이에 스택의 온도가 신속히 상승할 수 있게 된다.
이후 온도센서(150)에 의해 검출된 냉각수 온도가 설정온도 이상이 되는 경우 구동제어부(150)가 가열부(110)의 작동을 중지시킴과 동시에 바이패스밸브(130)의 위치를 냉각수 바이패스 위치로 이동시킨다.
이때, 가열부(110)쪽의 유로가 차단되고 바이패스 유로(122)가 개방되므로 냉각수 라인(31)을 순환하는 냉각수가 가열부 내부를 통과하지 않고 바이패스 유로를 통해 곧바로 배출된다.
이 경우 냉각수가 가열부(110)를 거치지 않고 곧바로 유로부(120)를 통과하는 상태가 되면서 가열부로 인한 냉각수 유동 저항이 발생하지 않게 된다.
또한 연료전지 시스템의 시동 오프시 상기 가열부(110)의 발열체는 스택 전력을 소모하여 스택 내 잔류 산소를 제거하는 부하장치(COD:Cathod Oxygen Depletion)의 역할을 할 수 있다.
이 경우, 연료전지 시스템의 시동 오프시 스택 전력을 가열부(110)의 발열체에 인가하여 수소와 산소 반응에 의한 전력 생성이 열에너지로 소비되도록 하는데, 반응을 통해 스택 내 잔류 산소를 제거해주어 촉매 담지 카본의 부식으로 인한 스택 내구성 저하를 방지하게 된다.
이때, 바이패스밸브(130)는 냉각수 가열 위치, 즉 냉각수가 가열부(110)를 통과하도록 가열부쪽 유로를 개방하는 위치로 이동되며, 스택 전력이 차단되면 바이패스밸브(130)가 냉각수 바이패스 위치, 즉 가열부쪽 유로를 차단하고 바이패스 유로(122)를 개방하는 위치로 이동된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 스택 20 : 라디에이터
31 : 냉각수 라인 31a : 상류측 냉각수 라인
31b : 하류측 냉각수 라인 32 : 바이패스라인
40 : 3-웨이 밸브 50 : 냉각수 펌프
100 : 가열장치 110 : 가열부
120 : 유로부 130 : 바이패스밸브
140 : 밸브액츄에이터 150 : 구동제어부
160 : 온도센서

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 냉각수 라인에 설치되어 연료전지 스택에 공급되는 냉각수를 가열시키기 위한 가열장치에 있어서,
    냉각수 가열을 위한 발열체가 내장된 가열부;
    상류측 냉각수 라인에서 유입된 냉각수를 상기 가열부를 통과하지 않도록 바이패스시켜 하류측 냉각수 라인으로 배출하는 바이패스 유로가 형성된 유로부;
    상기 유로부 내에 구비되어 가열부쪽 유로와 바이패스 유로 사이에서 냉각수 흐름방향을 제어하기 위한 바이패스밸브;
    상기 바이패스밸브를 구동시키기 위한 밸브액츄에이터;
    가 일체로 결합되어 구성되는 바이패스 구조를 갖는 연료전지용 냉각수 가열장치가 냉각수 순환 경로 중 냉각수의 연료전지 스택 공급 직전의 위치가 되는 스택 전단의 위치에 설치되어, 상기 가열장치에 의해 가열된 냉각수가 바이패스라인, 3-웨이 밸브, 냉각수 펌프를 거치지 않고 연료전지 스택에 바로 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 가열장치를 통과한 냉각수의 온도를 검출하기 위한 온도센서가 추가로 구비되고, 가열장치의 가열부 및 밸브액츄에이터의 구동을 제어하는 구동제어부가 상기 온도센서의 검출값에 기초하여 상기 가열부 및 밸브액츄에이터의 작동을 제어하도록 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
KR1020100109471A 2010-11-05 2010-11-05 바이패스 구조를 갖는 연료전지용 냉각수 가열장치를 구비한 연료전지 시스템 KR101240974B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100109471A KR101240974B1 (ko) 2010-11-05 2010-11-05 바이패스 구조를 갖는 연료전지용 냉각수 가열장치를 구비한 연료전지 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100109471A KR101240974B1 (ko) 2010-11-05 2010-11-05 바이패스 구조를 갖는 연료전지용 냉각수 가열장치를 구비한 연료전지 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120048055A KR20120048055A (ko) 2012-05-15
KR101240974B1 true KR101240974B1 (ko) 2013-03-11

Family

ID=46266465

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100109471A KR101240974B1 (ko) 2010-11-05 2010-11-05 바이패스 구조를 갖는 연료전지용 냉각수 가열장치를 구비한 연료전지 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101240974B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160069299A (ko) 2014-12-08 2016-06-16 현대자동차주식회사 냉각수 바이패스 구조

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102441241B1 (ko) * 2020-09-21 2022-09-08 우리산업 주식회사 연료전지 차량의 열관리 모듈

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006139991A (ja) 2004-11-11 2006-06-01 Denso Corp 燃料電池システム
KR100837913B1 (ko) 2007-05-14 2008-06-13 현대자동차주식회사 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템
JP2010067394A (ja) 2008-09-09 2010-03-25 Nissan Motor Co Ltd 車両用燃料電池冷却システム
KR20110054599A (ko) * 2009-11-18 2011-05-25 갑을오토텍(주) 바이패스 유로를 구비하는 ｃｏｄ 히터 조립체

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006139991A (ja) 2004-11-11 2006-06-01 Denso Corp 燃料電池システム
KR100837913B1 (ko) 2007-05-14 2008-06-13 현대자동차주식회사 냉시동성 개선을 위한 연료전지 스택 보온 시스템
JP2010067394A (ja) 2008-09-09 2010-03-25 Nissan Motor Co Ltd 車両用燃料電池冷却システム
KR20110054599A (ko) * 2009-11-18 2011-05-25 갑을오토텍(주) 바이패스 유로를 구비하는 ｃｏｄ 히터 조립체

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160069299A (ko) 2014-12-08 2016-06-16 현대자동차주식회사 냉각수 바이패스 구조
US10608263B2 (en) 2014-12-08 2020-03-31 Hyundai Motor Company Coolant bypass structure

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120048055A (ko) 2012-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10106012B2 (en) Air-conditioner for vehicle
JP4735642B2 (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP4711193B2 (ja) 燃料電池システム
JP3599761B2 (ja) 燃料電池の暖機システム
KR101713722B1 (ko) 연료 전지 차량의 열관리 시스템
EP2325038B1 (en) Vehicle fuel cell cooling system
US20060147772A1 (en) Fuel cell system
JP6325033B2 (ja) 燃料電池システムの制御方法
JP5038646B2 (ja) 燃料電池自動車
JP2007280927A (ja) 燃料電池の冷却システム
KR20190067629A (ko) 연료전지 열관리 시스템 및 그 제어방법
KR20110028159A (ko) 연료전지 셧다운 방법
KR20120051826A (ko) 냉각수 폐열을 이용하는 연료전지 자동차의 난방시스템
JP5359057B2 (ja) コージェネレーションシステム
KR101637767B1 (ko) 냉각수 바이패스 구조
CN112824140B (zh) 用于燃料电池车辆的热管理系统
JP4894156B2 (ja) 燃料電池システム
JP2006528827A (ja) 低温燃料電池発電装置の動作
JP5915691B2 (ja) 燃料電池システム
KR101240974B1 (ko) 바이패스 구조를 갖는 연료전지용 냉각수 가열장치를 구비한 연료전지 시스템
JP2004296351A (ja) 燃料電池システム
JP2005158282A (ja) 燃料電池システム
JP4575693B2 (ja) 燃料電池システム
JP4114459B2 (ja) 燃料電池システム
JP5231932B2 (ja) 燃料電池の冷却システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180227

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190227

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200227

Year of fee payment: 8