KR101385209B1 - 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지 차량에서의 잉여 전기 소진부의 히터가 국부적으로 가열되어 과열되는 것을 방지하며, 잉여 전기 소진부의 설치 공간의 자유도를 향상시키는 연료 전지 차량의 잉여 전기 처리장치를 제공함에 있다.
본 발명에 의한 연료전지 차량의 잉여 전기 처리 장치는 연료전지 스택(stack); 상기 연료 전지 스택으로부터 전원을 공급받는 배터리; 일측에 냉각수 유입구가 형성되고, 타측에 냉각수 유출구가 형성되어 냉각수를 유통시키는 케이스; 상기 배터리 또는 상기 연료전지 스택과 연결되는 히터를 포함하는 잉여 전기 소진부; 및 상기 냉각수를 히터 배치공간의 중앙부로 안내하여, 상기 냉각수의 흐름이 히터 배치공간의 중앙부에 고루 미치도록 상기 냉각수 유입구 측에 형성된 가이드 베인(guide vane)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치는 잉여 전기 소진부에 냉각수 유동을 원활하게 하여 잉여 전기 소진부의 히터가 국부적으로 과열되는 것을 방지하고 냉각수의 진행방향과 수직하지 아니한 방향으로도 히터가 설치될 수 있도록 하여 잉여 전기 소진부의 설계 제약에서 벗어날 수 있고, 설치 공간의 자유도가 향상되는 장점이 있다.

Description

연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치 {Cathode Oxygen Depletion for fuel cell vehicle}

본 발명은 연료전지 차량에서 잉여 전력을 소진하는 차량용 잉여 전기 처리장치(Cathode Oxygen Depletion, 이하 COD)에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 연료 전지 차량용 잉여 전기 처리장치의 히터 과열 방지 구조에 관한 것이다.

연료전치 차량이나 회생제동 방식의 하이브리드 차량에 있어서 잉여전력은 배터리의 수명이나 스택 등에 심각한 문제를 발생시키고 있었다.

일반적으로 연료전지 차량은, 기존의 내연기관 차량이 화석연료와 공기 중의 산소를 엔진 내에서 폭발반응시켜 그 화학에너지를 기계에너지로 바꾸어 동력을 얻는 것과 달리, 고압수소탱크 또는 개질기를 통해 공급되는 수소와 공기압축기를 통해 공급되는 공기 중의 산소를 스택 내에서 전기, 화학적으로 반응시켜 생성된 전기에너지를 이용하여 자동차를 구동한다.

즉, 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 장치로서, 통상의 전해질 사이에 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.

고분자 전해질 연료전지는 전류밀도가 높고 운전 온도가 낮으며, 부식 및 전해질 손실이 적다는 장점을 가지고 있어 군사용이나 우주선의 동력원으로 개발되기 시작하였으나, 현재는 출력밀도가 높고 장치가 간단하여 모듈화가 가능하다는 점을 이용하여 차량의 동력원으로 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나 연료전지 자동차는 수소와 산소의 화학결합에 대한 제어가 자유롭지 못하기 때문에 시동 시에 남아 있는 수소 및 산소의 결합으로 효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한 브레이크 작동으로 인한 발전으로 배터리에 충전 에너지가 과잉될 경우 배터리나 기타 전장부품에 문제를 일으킬 수 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 대한민국 공개특허공보 2010-0083660호(발명의 명칭 : 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치)가 개시된 바 있으며, 이를 도 1에 도시하였다.

상기 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치는 연료전지 차량에서의 잉여 전기를 효과적으로 사용하여 에너지 효율을 향상시키는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치를 제공함에 있다.

상기 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치는, 연료전지 스택(stack)(400); 상기 연료전지 스택(400)으로부터 전원을 공급받는 배터리(300); 일측에 냉각수 유입구(210)가 형성되고 타측에 냉각수 유출구(220)가 형성되어 냉각수를 유통시키는 케이스(200); 상기 배터리(300) 또는 상기 연료전지 스택(400)과 연결되며, 적어도 2종 이상의 서로 다른 특성을 가지는 전기 히터를 포함하여 이루어지는 잉여 전기 소진부(100)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그러나, 상기 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치는 잉여전력 소진장치(COD) 내부에 냉각수 유동이 원활하지 못 한 경우, 국부적으로 잉여전력 소진장치의 히터가 국부적으로 과열되는 문제점이 발생한다.

히터가 국부적으로 과열되는 것을 방지하기 위하여, 히터를 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치하는 것이 일반적이다.

냉각수의 진행방향과 수직한 방향으로 히터를 형성하는 경우 냉각수 유입구 위치에 대한 공간 자유도가 감소하여, 원하는 위치에 냉각수 유입구를 설치할 수 없는 문제점이 발생한다.

대한민국 공개특허공보 2010-0083660호(발명의 명칭 : 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지 차량의 잉여전력 소진장치내의 히터가 국부적으로 과열되는 것을 방지하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 냉각수의 진행방향과 수직하지 아니한 방향으로도 히터가 설치될 수 있도록 하여 공간 자유도가 향상되어 여유 공간이 확보되는 연료전지 차량의 잉여전력 소진장치를 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치는 연료전지 스택(stack); 상기 연료 전지 스택으로부터 전원을 공급받는 배터리; 일측에 냉각수 유입구가 형성되고, 타측에 냉각수 유출구가 형성되어 냉각수를 유통시키는 케이스; 상기 배터리 또는 상기 연료전지 스택과 연결되는 히터를 포함하는 잉여 전기 소진부; 및 상기 냉각수를 히터 배치공간의 중앙부로 안내하여, 상기 냉각수의 흐름이 히터 배치공간의 중앙부에 고루 미치도록 상기 냉각수 유입구 측에 형성된 가이드 베인(guide vane)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가이드 베인은 냉각수 유입구 직후에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가이드 베인의 단면이 곡선 형상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가이드 베인은 시작점에서의 접선이 유입구의 중심축과 일치하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가이드 베인의 끝점에서의 접선이 히터가 배치된 공간의 중심을 지나도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각수 유출구는 복수 개로 서로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 연료전지 차량의 잉여 전기 소진부에 냉각수 유동을 원활하게 하여 잉여 전기 소진부의 히터가 국부적으로 과열되는 것을 방지하는 데 있다.

또한, 냉각수의 진행방향과 수직하지 아니한 방향으로도 히터가 설치될 수 있도록 하여 잉여 전기 소진부의 설계 제약에서 벗어날 수 있고, 설치 공간의 자유도가 향상된다.

도 1은 종래의 잉여 전기 처리장치.
도 2는 본 발명에 의한 잉여 전기 처리 장치
도 3은 가이드 베인이 설치되지 않은 잉여 전기 소진부의 냉각수 흐름과 온도분포.
도 4는 가이드 베인이 설치된 잉여 전기 소진부의 냉각수 흐름과 온도분포.
도 5는 본 발명의 잉여 전기 소진부의 냉각수 유입구의 단면도
도 6은 본 발명의 잉여 전기 소진부의 측단면도.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 잉여 전기 처리 장치(1000)의 간략한 구성도이다. 본 발명의 잉여 전기 처리 장치(1000)는, 연료전지 스택(400); 상기 연료전지 스택(400)으로부터 전원을 공급받는 배터리(300); 일측에 냉각수 유입구(210)가 형성되고, 타측에 냉각수 유출구(220)가 형성되어 냉각수를 유통시키는 케이스(200); 상기 배터리(300) 또는 상기 연료전지 스택(400)과 연결되는 히터(130)를 포함하는 잉여 전기 소진부(100); 상기 냉각수의 흐름이 히터(130) 배치공간의 중앙부에 고루 미치도록 상기 냉각수 유입구(210) 측에 형성된 가이드 베인(500)(guide vane)을 포함하여 이루어 질 수 있다.

상기 냉각수는 히터(130)에 의한 열을 제거하기 위한 것으로, 보다 상세하게는 배터리(300) 또는 연료전지 스택(400)과 연결되는 히터(130)의 열을 제거하기 위한 것이다.

상기 케이스(200)는 특정한 크기나 형태의 제한은 없고, 단지 상기 히터(130)들이 배치될 수 있도록 적적한 크기와 형태로 형성되면 된다. 또한 상기 케이스(200)는 냉각수 유통 라인 중 설계자의 의도에 따라 적절하게 배치될 수 있는데, 상기 히터(130)에 의하여 냉각수가 승온되는 것을 고려하여, 냉각수가 연료전지 스택(400)을 냉각시키고 나온 부분으로 냉각수가 히터코어로 유입되는 부분 사이의 라인에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 히터(130)는 각각 상기 연료전지 스택(400) 및 상기 배터리(300)에 연결된다. 따라서 상기 히터(130)는 상기 배터리(300)에서 발생된 과잉 전기에너지와 상기 연료전지 스택(400)에서 발생된 잔류 전기에너지를 소진하게 된다. 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다.

상기 히터(130) 중 일부는 차량 바퀴의 회전에 의하여 상기 배터리(300)가 충전될 때 과잉으로 발생되는 전기에너지를 제거하는데, 배터리(300)에 과잉 전기에너지가 충전되면 이 과잉 전기에너지를 열에너지로 변환하며, 이 열에너지는 상기 히터(130)를 구비하는 상기 케이스(200)내에 유통되는 냉각수로 흡수되게 되어 결과적으로 상기 배터리(300)의 과잉 전기에너지를 제거하게 된다. 또한 상기 제2히터(120)는 상기 연료전지 스택(400)과 연결되어, 시동 on/off 시 발생되어 연료전지 스택(400) 상에 남아 있는 잔류 가스에 의하여 발생되는 잔류 전기에너지를 열에너지로 변환하며, 이 열에너지는 상기 케이스(200)내에 유통되는 냉각수로 흡수되게 되어 결과적으로 상기 연료전지 스택(400)의 잔류 전기에너지를 제거하게 된다.

도 3의 (a)는 가이드 베인(500)이 설치되지 않은 잉여 전기 소진부(100)의 냉각수의 흐름을 도시한 것이다. 도 3의 (a)를 참조하면 가이드 베인(500)이 설치되지 않은 경우는 잉여 전기 소진부(100)의 냉각수 흐름이 균일하지 못 하다. 더욱 상세하게 잉여 전기 처리 장치(1000)의 케이스(200) 내부에 상기 냉각수 흐름이 히터(130) 배치공간의 중앙부에 고루 미치지 못 한다.

도 3의 (b)는 가이드 베인(500)이 설치되지 않은 잉여 전기 소진부(100)의 히터(130) 온도 분포를 도시한 것이다. 도 3의 (b)를 참조하면 가이드 베인(500)이 설치되지 않은 경우, 잉여 전기 처리 장치(1000)의 케이스(200) 내부에 히터(130)의 온도가 균일하지 않다. 더욱 상세하게 상기 히터(130)의 (A) 부분이 국부적으로 가열되어 온도가 상승된다.

도 4의 (a)는 가이드 베인(500)이 설치된 경우의 냉각수의 흐름을 도시한 것이다. 도 4의 (a)를 참조하면 가이드 베인(500)이 설치된 경우에 냉각수의 흐름이 가이드 베인(500)에 의해 냉각수의 유동이 균일화된다. 더욱 상세하게 상기 가이드 베인(500)은 냉각수를 히터(130) 배치공간의 중앙부로 안내하여, 상기 냉각수의 흐름이 히터(130) 배치공간의 중앙부에 고루 미치도록 한다.

도 4의 (b)는 가이드 베인(500)이 설치된 경우의 잉여 전기 처리 장치(1000)의 케이스(200) 내부에 히터(130) 온도 분포를 도시한 것이다. 도 4의 (b)를 참조하면 도 3의 (b)에 비해 상기 히터(130)의 (A) 부분의 온도가 감소됨을 알 수 있다.

도 5를 참조하면, 상기 냉각수 유입구(210)는 통공 형태로 형성되어, 유입 파이프(inlet pipe)와 연결될 수 있다.

또한 종래의 잉여 전기 소진부(100)는 육각형 구조로 냉각수 유입구(210)는 냉각수의 흐름이 히터(130)와 수직한 방향으로 되도록 설치되었던 것에 비해, 본 발명의 잉여 전기 소진부(100)의 냉각수 유입구(210)는 냉각수의 흐름이 히터(130)와 수직한 방향이 아닌 것으로도 설치될 수 있어, 잉여 전기 소진부(100)의 설계 제약에서 벗어날 수 있고, 설치 공간의 자유도가 향상된다.

도 5를 계속 참조하면, 상기 가이드 베인(500)은 냉각수 유입구(210) 측에 형성된다. 바람직하게 상기 가이드 베인(500)은 냉각수 유입구(210) 직후에 형성될 수 있다. 또한 상기 가이드 베인(500)의 시작점에서의 접선(510)이 유입구(210)의 중심축과 일치하도록 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 가이드 베인(500)의 시작점에서의 접선(510)이 유입 파이프의 중심축과 일치하도록 형성될 수 있다.

도 6은 잉여 전기 소진부(100)의 내부 측면을 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 상기 가이드 베인(500)의 단면이 곡선 형상인 것을 특징한다. 바람직하게 상기 가이드 베인(500)의 단면은 원호, 타원, 포물선 형상으로 형성된다. 더욱 바람직하게는 상기 가이드 베인(500)의 단면은 원호 형상으로 형성된다.

상기 가이드 베인(500)의 끝점에서의 접선(520)이 히터(130)가 배치된 공간의 중심을 지나도록 형성되어 냉각수를 히터(130)가 배치된 공간의 중심으로 안내할 수 있다.

도 6을 계속 참조하면, 상기 냉각수 유출구(220)는 복수 개로 서로 이격되어 형성될 수 있다. 다만, 공간적 제약이 있는 경우 상기 냉각수 유출구(220)는 한 개로 형성될 수도 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000: 잉여 전기 처리장치
100: 잉여 전기 소진부
110: 제1히터
120: 제2히터
130: 히터
200: 케이스
210: 냉각수 유입구
220: 냉각수 배출구
230: 냉각수 흐름
300: 배터리
400: 연료전지 스택
500: 가이드 베인(guide vane)
510: 가이드 베인의 시작점에서의 접선
520: 가이드 베인의 끝점에서의 접선

Claims (6)

1. 연료전지 스택(stack)(400);
   상기 연료 전지 스택으로부터 전원을 공급받는 배터리(300);
   일측에 냉각수 유입구(210)가 형성되고, 타측에 냉각수 유출구(220)가 형성되어 냉각수를 유통시키는 케이스(200);
   상기 배터리(300) 또는 상기 연료전지 스택(400)과 연결되는 히터(130)를 포함하는 잉여 전기 소진부(100); 및
   상기 냉각수를 히터(130) 배치공간의 중앙부로 안내하여, 상기 냉각수의 흐름이 히터(130) 배치공간의 중앙부에 고루 미치도록 상기 냉각수 유입구(210) 측에 형성된 가이드 베인(guide vane)(500);을 포함하여 이루어지며,
   상기 가이드 베인(500)은 냉각수 유입구(210) 직후에 형성되고, 상기 가이드 베인(500)의 단면이 곡선 형상이며, 상기 가이드 베인(500)의 시작점에서의 접선(510)이 유입구(210)의 중심축과 일치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 잉여 전기 처리 장치(1000).
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 가이드 베인(500)의 끝점에서의 접선이 히터(130)가 배치된 공간의 중심을 지나도록 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 잉여 전기 처리 장치(1000).
6. 제1항에 있어서, 상기 냉각수 유출구(220)는 복수 개로 서로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 차량의 잉여 전기 처리 장치(1000).

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