KR101449051B1 - Thermal management system for fuel cell vehicle - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에 관한 것으로서, 연료전지 차량에서 스택의 냉시동 및 부하 소모를 위해 탑재되는 냉각수 히터와 차량 실내 난방을 위해 탑재되는 공조 히터를 하나의 부품으로 일체화하여 구성한 통합형 히터를 채용한 것에 주된 특징이 있는 것이다. 이러한 본 발명은, 냉각수 히터로서 공조 히터와 냉각수 히터가 통합된 하나의 통합형 히터를 가지되, 상기 통합형 히터는, 스택의 냉각수가 통과한 뒤 다시 스택으로 공급될 수 있게 스택과 배관으로 연결되는 동시에, 냉각수가 통과하는 내부유로를 가지면서 상기 내부유로에는 전기에너지에 의해 발열작동하는 저항이 설치되고, 실내에 공급될 공기를 송풍하는 공조블로워의 전방에 설치되어 상기 공조블로워에 의해 송풍된 공기가 상기 저항에 의해 가열된 냉각수와의 열교환 후 실내에 공급될 수 있게 된 것을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat and water management system for a fuel cell vehicle, and more particularly, to a heat and water management system for a fuel cell vehicle, which comprises a cooling water heater mounted for cold starting and load consumption of a stack in a fuel cell vehicle, The main feature is that the integrated heater is adopted. The present invention has an integrated heater in which an air-conditioning heater and a cooling water heater are integrated as a cooling water heater, and the integrated heater is connected to the stack and the pipe so that the cooling water of the stack can be supplied to the stack again, , An internal flow passage through which cooling water passes, an internal flow passage provided with a resistance exothermically operated by electric energy, and an air blowing fan arranged in front of the air-conditioning blower for blowing air to be supplied to the room, So that heat can be supplied to the room after heat exchange with the cooling water heated by the resistance.

연료전지, 냉각수 히터, 공조 히터, 통합형 히터, 열 및 물 관리 시스템, TMS Fuel cell, cooling water heater, air conditioner heater, integrated heater, heat and water management system, TMS

Description

냉각수 히터와 공조 히터의 통합형 히터를 이용한 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템{Thermal management system for fuel cell vehicle}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a fuel cell vehicle heat and water management system using an integrated heater of a cooling water heater and an air-

본 발명은 연료전지 차량의 열 및 물 관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량에서 스택의 냉시동 및 부하 소모를 위해 탑재되는 냉각수 히터와 차량 실내 난방을 위해 탑재되는 공조 히터를 하나의 부품으로 일체화하여 구성한 통합형 히터를 가지는 열 및 물 관리 시스템에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat and water management system for a fuel cell vehicle, and more particularly, to a heat and water management system for a fuel cell vehicle, including a cooling water heater mounted for cold starting and load consumption of a stack in a fuel cell vehicle, The present invention relates to a heat and water management system having an integrated heater integrated with components.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다. Fuel cells are a kind of power generation system that converts chemical energy of fuel into electrical energy by reacting electrochemically in the fuel cell stack without converting it into heat by combustion. It is not only supplying power for industrial, household and vehicle driving, It can also be applied to the electric power supply of electric / electronic products, especially portable devices.

연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으 로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.As an example of a fuel cell, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which has been most studied as a power source for driving a vehicle, Membrane Electrode Assembly (MEA) with a catalytic electrode layer on both sides, Gas Diffusion Layer (GDL) that acts to distribute the reacted gases evenly and transfer the generated electrical energy, A gasket and a fastening mechanism for maintaining the airtightness of the reaction gases and the cooling water and proper tightening pressure, and a bipolar plate for moving the reaction gases and the cooling water.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다. In the fuel cell, hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant (air) are supplied to an anode and a cathode of a membrane electrode assembly through a flow path of a separator plate, respectively. The hydrogen is supplied to the anode Oxygen (air) "or" oxygen electrode "or" reduction electrode "), and oxygen (air) is supplied to the cathode.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. Hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions (proton, H + ) and electrons (electron, e - ) by the catalyst of the electrode layer formed on both sides of the electrolyte membrane. Only hydrogen ions selectively pass through the electrolyte membrane And the electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer, which is a conductor, and the separator plate.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.In the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supplying device to generate water. At this time, the flow of electrons through the external conductor occurs due to the movement of hydrogen ions, and a current is generated by the flow of electrons.

한편, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연 료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된다. On the other hand, a fuel cell system mounted on a vehicle mainly includes a fuel cell stack for generating electrical energy, a fuel supply device for supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, a fuel supply device for supplying oxygen And a thermal management system (TMS) that removes reaction heat from the fuel cell stack to the outside of the system and controls the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. In such a configuration, in the fuel cell system, electricity is generated by an electrochemical reaction between hydrogen as fuel and oxygen in the air, and heat and water are discharged as reaction byproducts.

상기한 연료전지 시스템에서는 특히 반응부산물로 열을 발생시키므로 스택의 온도 상승을 방지하기 위해서는 스택을 냉각시키는 장치가 필수적이다. 또한 연료전지 시스템에서 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이므로 열 및 물관리 시스템의 역할은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.In the above-described fuel cell system, heat is generated as a reaction by-product, and therefore, a device for cooling the stack is necessary to prevent the temperature of the stack from rising. In addition, the most urgent and difficult problem in the fuel cell system is the strategy of securing cold - freeness, so the role of heat and water management system is more important than anything else.

주지된 바와 같이, TMS 라인의 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매(冷媒) 역할과 더불어 냉시동시에는 히터에 의해 급속 가열되어 스택에 공급되므로 스택을 급속 해빙하는 열매(熱媒) 역할을 한다.As is well known, the cooling water of the TMS line serves as a coolant (cooling medium) for cooling the stack, and at the same time as the coolant is rapidly heated by the heater, it is supplied to the stack, thereby serving as a heat medium for rapidly thawing the stack.

이와 같이 연료전지 시스템에는 냉시동시 스택의 냉각수를 가열하기 위한 냉각수 히터가 탑재되는데, 상기 냉각수 히터는 냉각수 온도 상승 및 차량 시동시 빠른 냉각수 온도 안정화를 도모하고, 시동 셧다운시에는 스택의 남은 전압을 하강시키는 용도로도 사용되고 있다. As described above, the fuel cell system is provided with a cooling water heater for heating the cooling water in the simultaneous cooling stack. The cooling water heater is designed to increase the temperature of the cooling water and stabilize the temperature of the cooling water at the start of the vehicle. In the startup shutdown, It is also used for the purpose of.

한편, 연료전지 차량 역시 일반 내연기관 차량과 마찬가지로 동절기의 실내 난방을 위한 난방장치를 구비하며, 통상 연료전지 차량의 난방장치는 내연기관 차 량의 히터를 대체하는 것으로서 전원을 인가하여 공기의 온도를 상승시키는 공조 히터를 사용한다.Meanwhile, the fuel cell vehicle also has a heating device for indoor heating in the winter season, similar to a general internal combustion engine vehicle. In general, the heating device of a fuel cell vehicle replaces a heater of an internal combustion engine vehicle. Use an air conditioning heater to raise the temperature.

상기 냉각수 히터와 공조 히터는 공히 내부에 저항이 내장되어 고전압이 인가되면 전기에너지를 열에너지로 전환하는 저항히터로서, 냉각수 히터는 냉각수의 온도를, 공조 히터는 차량 실내 공기의 온도를 상승시킨다.The cooling water heater and the air conditioner heater are resistance heaters that internally include a resistor and convert electric energy into thermal energy when a high voltage is applied. The cooling water heater increases the temperature of the cooling water and the air conditioner heater increases the temperature of the vehicle interior air.

첨부한 도 1은 종래기술에 따른 스택의 냉각 시스템 및 냉각수 히터와 차량 난방장치의 주요 구성요소를 도시한 것으로서, 냉각 시스템은 냉각수가 저장되는 리저버(21), 펌프(22), 써모스탯(23), 방열 기능의 라디에이터(24), 스택 냉시동을 위한 냉각수 히터(25)를 포함하여 구성되며, 차량 난방장치는 공조블로워(31)와 이 공조블로워에 의해 공급되는 공기를 가열하여 실내에 공급하는 공조 히터(32)를 주된 구성으로 한다.1 shows the cooling system of the stack and the main components of the cooling water heater and the vehicle heating apparatus according to the prior art. The cooling system includes a reservoir 21, a pump 22, a thermostat 23 A radiator 24 for radiating heat, and a cooling water heater 25 for cooling the stack. The vehicle heating device includes an air conditioning blower 31 and air supplied by the air conditioning blower to be supplied to the room The air conditioning heater 32 is mainly composed of the air conditioning heater 32.

도시한 바와 같이, 냉각수 히터(25)와 공조 히터(32)가 공히 전기에너지를 열에너지로 전환하는 저항히터임에도 불구하고 각각 별도로 차량에 탑재되어, 냉각수 히터(25)는 스택(10)의 냉시동 및 부하 소모를 위해, 공조 히터(32)는 차량의 실내 난방을 위해 사용되고 있다.The cooling water heater 25 and the air conditioning heater 32 are separately mounted on the vehicle in spite of the fact that they are resistance heaters that convert electric energy into heat energy. And for the load consumption, the air conditioning heater 32 is used for indoor heating of the vehicle.

상기와 같이 냉각수 히터와 공조 히터를 각각 별도로 탑재하는 경우 다음과 같은 문제가 있다.When the cooling water heater and the air conditioning heater are mounted separately as described above, there is the following problem.

즉, 냉각수 히터와 공조 히터를 별도로 구비하는 경우, 별도 부품 제작에 따른 제작비 과다, 배관 과다 및 그에 따른 설치비 과다, 설치장소 확보의 어려움 등이 문제가 된다. That is, in the case where the cooling water heater and the air conditioning heater are separately provided, a problem arises such that a manufacturing cost is excessively incurred due to the manufacture of a separate component, an excessive installation cost due to the piping is exceeded,

특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 공조 히터(32)는 차량 실내측에, 냉각수 히터(25)는 엔진룸측에 설치가 가능한데, 큰 부피의 두 히터를 모두 탑재하기 위해 차량 실내측과 엔진룸측에 각각 공간을 확보해야 하는 어려움이 있으며, 두 히터 모두 복잡한 배관을 별도로 설치해야 하는 문제가 있다. Particularly, as shown in Fig. 1, the air conditioning heater 32 can be installed on the vehicle interior side, and the cooling water heater 25 can be installed on the engine room side. In order to mount both the large- There is a problem in that a space is required to be secured in each of the two heaters.

또한 별도의 두 히터를 운용하는 경우 열에너지를 얻기 위해 전기에너지를 분산하여 소모해야 하는 문제가 있게 된다. Also, when two separate heaters are operated, there is a problem that electric energy is dispersed and consumed in order to obtain heat energy.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 공조 히터와 냉각수 히터가 일체화된 통합형 히터를 사용함으로써, 두 히터를 별도로 제작하던 것에 비해 분산된 에너지의 소모를 줄이면서 비용을 크게 절감할 수 있고, 히터 공간 확보 용이, 배관 축소, 전체 설치 공간 축소, 공간 활용도 향상 등의 장점을 가지는 연료전지 차량의 열 및 물 관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an air conditioner and a cooling water heater, And it is an object of the present invention to provide a heat and water management system of a fuel cell vehicle having advantages such as ease of heater space, reduction of piping, reduction of total installation space, and improvement of space utilization.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 냉시동 및 저온 조건에서 연료전지 스택의 냉각수를 가열하기 위한 냉각수 히터를 가지는 연료전지 시스템의 열 및 물 관리 시스템에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention provides a heat and water management system of a fuel cell system having a coolant heater for heating coolant in a fuel cell stack under cold start and low temperature conditions,

상기 냉각수 히터로서 공조 히터와 냉각수 히터가 통합된 하나의 통합형 히터를 가지되, Wherein the cooling water heater has one integrated heater in which an air conditioning heater and a cooling water heater are integrated,

상기 통합형 히터는, In the integrated heater,

냉각수가 통과한 뒤 스택으로 공급될 수 있게 스택과 배관으로 연결되는 동시에 냉각수가 통과하는 내부유로에는 발열수단이 설치되고, 실내에 공급될 공기를 송풍하는 공조블로워의 전방에 설치되어 상기 공조블로워에 의해 송풍된 공기가 상기 발열수단에 의해 가열된 냉각수와 열교환 후 실내에 공급될 수 있게 된 것을 특 징으로 하는 냉각수 히터와 공조 히터의 통합형 히터를 이용한 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 제공한다. The cooling water is supplied to the stack through piping so that the cooling water can be supplied to the stack. At the same time, a heat generating means is installed in an internal flow passage through which the cooling water passes, and is installed in front of the air conditioning blower for blowing air to be supplied to the room, The present invention provides a heat and water management system for a fuel cell vehicle using an integrated heater of a cooling water heater and an air conditioner heater, characterized in that air blown by the heat exchanger can be supplied to the room after heat exchange with the cooling water heated by the heating means.

바람직한 실시예에서, 상기 통합형 히터는,In a preferred embodiment, the integrated heater comprises:

냉각수가 통과하는 튜브와, 상기 튜브의 내부유로에 삽입 설치되는 발열수단과, 주변을 통과하는 공기와 상기 튜브 내 가열된 냉각수 간의 용이한 열 교환을 위해 튜브 표면에 설치되는 냉각핀을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.And a cooling fin installed on the surface of the tube for easy heat exchange between the air passing through the periphery and the heated cooling water in the tube, .

또한 상기 통합형 히터는, Further, in the integrated heater,

냉각수가 유입되는 유입부와 냉각수가 배출되는 배출부 사이를 냉각수가 분배되어 흐르는 다단 적층 구조의 튜브가 연결하는 구조로 된 것을 특징으로 한다. And a tube having a multi-layered structure in which cooling water is distributed and flows between the inlet portion through which the cooling water flows and the outlet portion through which the cooling water is discharged.

또한 상기 발열수단은 전기에너지에 의해 발열작동하는 전기 발열 저항인 것을 특징으로 한다.Further, the heat generating means is an electric heating resistor which generates heat by electric energy.

또한 상기 통합형 히터는 엔진룸측에 설치된 스택과 배관을 통해 연결된 상태로 차량 실내측에 설치되는 것을 특징으로 한다.Further, the integrated heater is installed on the vehicle interior side in a state that the integrated heater is connected to the stack provided on the engine room side through a pipe.

이에 따라, 본 발명의 통합형 히터 장치에 의하면, 공조 히터와 냉각수 히터가 일체화된 통합형 히터를 사용함으로써, 두 히터를 별도로 제작하던 것에 비해 분산된 에너지의 소모를 줄이면서 비용을 크게 절감할 수 있고, 히터 공간 확보 용이, 전체 설치 공간 축소, 공간 활용도 향상 등의 장점이 있게 된다. 또한 부속되는 배관의 구조 역시 간단해지며, 그로 인한 비용 및 공간 측면의 이익이 있게 된다.Thus, according to the integrated heater device of the present invention, by using the integrated heater in which the air-conditioning heater and the cooling water heater are integrated, cost can be greatly reduced while consuming the dispersed energy, The heater space can be easily secured, the total installation space can be reduced, and space utilization can be improved. In addition, the structure of the attached piping is also simplified, resulting in cost and space benefits.

또한 본 발명의 통합형 히터를 차량 실내측에 설치할 경우, 냉시동 및 저온 조건 운전시 보온 효과가 추가로 있게 되며, 특히 차량 실내에 에어컨이 작동할 경우 냉방의 저온 공기에 의해 고온 환경인 스택의 냉각수 온도 저하 유도가 가능하고, 반대로 공조 히터 기능 및 실내에서의 보온 기능으로 저온 환경에서 스택 냉각수의 온도 유지를 적절히 유도할 수 있게 된다. 통합형 히터가 기존과 같이 엔진룸에 위치할 경우 저온 환경에서 통합형 히터를 보호하기 위한 단열 처리가 필요하나, 엔진룸이 아닌 실내측에 위치할 경우 보온 효과로 인해 단열 처리가 불필요하여 단열재 삭제가 가능해진다.In addition, when the integrated heater of the present invention is installed on the vehicle interior side, a warming effect is additionally provided during cold start and low temperature condition operation. In particular, when the air conditioner operates in the vehicle interior, The temperature can be induced to be lowered, and conversely, the function of the air conditioning heater and the keeping function in the room can appropriately guide the temperature of the stack cooling water in a low temperature environment. If the integrated heater is located in the engine room as in the conventional case, it is necessary to insulate the integrated heater to protect the integrated heater in the low temperature environment. However, if it is located in the room side instead of the engine room, It becomes.

또한 기존 냉각수 히터의 설치 위치가 정비가 어려운 엔진룸 안쪽 위치였던 반면에, 본 발명의 통합형 히터를 정비가 용이한 실내측 위치에 설치하면, 엔진룸의 스택 후단에 위치하여 교환이 어려웠던 부분이 실내로 이동되므로 정비성이 향상된다. In addition, when the integrated heater of the present invention is installed at an indoor side position where maintenance is difficult, the installation position of the existing cooling water heater is located inside the engine room where maintenance is difficult. On the other hand, The maintenance performance is improved.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 통합형 히터를 이용한 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명에서 냉각수 히터와 공조 히터를 하나의 부품으로 일체화시킨 통합형 히터의 구성도이다.FIG. 2 is a block diagram showing a heat and water management system for a fuel cell vehicle using an integrated heater according to the present invention. FIG. 3 is a schematic view showing a configuration of an integrated heater in which a cooling water heater and an air- .

도시된 바와 같이, 본 발명의 열 및 물 관리 시스템은, 연료전지 차량에서 스택(10)의 냉시동 및 부하 소모를 위해 탑재되는 냉각수 히터와 차량 실내 난방을 위해 탑재되는 공조 히터를 하나의 부품으로 일체화하여 구성한 통합형 히터(40)를 채용한 것에 주된 특징이 있는 것이다.As shown in the figure, the heat and water management system of the present invention includes a cooling water heater, which is mounted for cold starting and load consumption of the stack 10 in a fuel cell vehicle, and an air conditioning heater, And the integrated heater 40 that is integrally formed is adopted.

특히, 공조 히터의 기능을 냉각수 히터의 구조 개선 및 배관 변경을 통해 냉각수 히터와 통합하여 구성함으로써, 분산된 에너지의 소모를 줄이면서 제조 단가를 획기적으로 떨어뜨리고자 하는 것이 발명의 주된 목적이다. In particular, the main purpose of the invention is to reduce the manufacturing cost by reducing the consumption of dispersed energy by integrating the function of the air conditioning heater with the cooling water heater by improving the structure of the cooling water heater and changing the pipe.

이와 같이 공조 히터의 기능을 냉각수 히터에 통합하여 하나의 히터를 구성하기 위해서는 냉각수 히터의 구조 개선이 반드시 필요한데, 공조 히터가 공기와 열매(熱媒) 간의 열교환이 이루어지는 일종의 공냉식 열교환기이므로, 저항 주변으로 냉각수를 통과시키는 냉각수 히터의 구조를 공기와 냉각수 간의 열교환이 가능한 공냉식 열교환기로 개선해야 한다.In order to construct a single heater by integrating the function of the air-conditioning heater into the cooling water heater, it is necessary to improve the structure of the cooling water heater. Since the air-conditioning heater is a kind of air-cooled heat exchanger that performs heat exchange between air and heat medium, The structure of the cooling water heater for passing the cooling water to the air-cooled heat exchanger capable of exchanging heat between the air and the cooling water must be improved.

먼저, 도 2를 참조하면, 열 및 물 관리 시스템에서는 기본적으로 펌프(22)를 이용해 리저버(21)에 저장된 냉각수를 펌핑하고, 냉각수가 고온일 경우 써모스탯(23)에 의해 냉각수가 라디에이터(24)로 순환된다.
그리고, 스택(10)에서 가열된 냉각수가 라디에이터(24)를 거치면서 열을 방출한 뒤 온도가 낮아지면, 스택(10)의 입구단쪽으로 연결되는 통합형 히터(40)를 경유한 후, 최종적으로 다시 스택(10)에 공급되어 스택을 냉각시키도록 되어 있다.Referring to FIG. 2, in the heat and water management system, the cooling water stored in the reservoir 21 is basically pumped by the pump 22, and when the cooling water is high temperature, the cooling water is supplied to the radiator 24 ).
After the cooling water heated in the stack 10 passes through the radiator 24 and radiates heat, the temperature is lowered. After passing through the integrated heater 40 connected to the inlet end of the stack 10, And is supplied to the stack 10 again to cool the stack.

또한 냉시동시에는 냉각수가 통합형 히터(40)(공조 히터와 냉각수 히터가 통합된 것으로서 냉시동시에는 냉각수 히터의 기능을 함)를 거치면서 급속히 가열된 뒤 스택(10)으로 공급되어 얼음 등이 제거될 수 있도록 열을 제공하며, 가열된 냉 각수를 통해 스택의 온도를 신속히 적정의 작동온도로 상승시켜준다. 이때, 통합형 히터(40)는 전기에너지에 의해 발열작동하는 발열수단, 즉 저항을 이용해 냉각수를 가열한 뒤 스택(10)으로 공급하게 된다.At the same time, the cooling water is rapidly heated while passing through the integrated heater 40 (the air conditioning heater and the cooling water heater are integrated with each other and functions as a cooling water heater at the same time as the cooling water is cooled), and then the cooling water is supplied to the stack 10, , And allows the temperature of the stack to rise quickly to the proper operating temperature through heated cool down water. At this time, the integrated heater 40 heats the cooling water using the heat generating means that generates heat by the electric energy, that is, the resistor, and then supplies the heated water to the stack 10. [

이와 더불어, 본 발명에서는 공조 히터와 냉각수 히터의 기능이 통합된 통합형 히터(40)를 기존의 공조 히터와 마찬가지로 공조블로워(31) 전방에 위치시켜, 상기 공조블로워(31)에 의해 공급되는 공기가 통합형 히터(40)를 통과할 수 있도록 한다. In addition, in the present invention, the integrated heater 40 integrated with the function of the air-conditioning heater and the cooling water heater is positioned in front of the air-conditioning blower 31 like the conventional air-conditioning heater, So as to pass through the integrated heater 40.

이때, 통합형 히터(40)에 내장된 저항에 전기에너지를 공급하여 냉각수가 1차적으로 가열되도록 하고, 이어 공조블로워(31)에 의해 공급되는 공기가 통합형 히터(40)를 통과하면서 냉각수와의 열교환에 의해 가열된 뒤 덕트를 통해 차량 실내로 공급되도록 하는 바, 이에 차량 실내 난방이 이루어지도록 한다. At this time, electric energy is supplied to the resistance built in the integrated heater 40 so that the cooling water is primarily heated, and then the air supplied by the air conditioning blower 31 passes through the integrated heater 40, And then supplied to the interior of the vehicle through the duct, thereby heating the interior of the vehicle.

이와 같이 본 발명의 통합형 히터(40)는 발열작동하여 냉각수를 가열시킨 뒤 이를 스택(10)에 공급하여 냉시동 조건에서 스택의 온도를 적정의 작동온도로 상승시키는 냉각수 히터의 역할을 하며, 또한 실내 난방시에는 공조블로워(31)의 구동과 동시에 발열작동하여 그 주변을 통과하는 공기를 가열시킨 뒤 가열된 온기가 차량 실내에 토출되도록 함으로써 실내 공기의 온도를 적정 온도로 유지시킨다.As described above, the integrated heater 40 of the present invention functions as a cooling water heater that heats the cooling water to heat the cooling water, and supplies the heated cooling water to the stack 10 to raise the temperature of the stack to an appropriate operating temperature under the cold starting condition. At the time of indoor heating, the air blower 31 is driven to generate heat to heat the air passing through the surroundings, and then the heated warm air is discharged into the vehicle interior, thereby maintaining the temperature of the indoor air at an appropriate temperature.

상기와 같이 본 발명의 통합형 히터는 스택의 냉시동시 스택에 공급되는 냉각수를 가열하는 냉각수 히터의 용도로, 실내 난방시에는 실내로 공급되는 공기를 가열하는 공조 히터의 용도로 사용되는데, 이를 위해 통합형 히터는 구조적으로 발열작동을 하는 저항을 가지면서 상기 저항 주변으로 냉각수가 통과되어야 하고, 또 한 공조블로워에 의해 공급되는 공기가 주변을 통과하는 동안 발열작동하는 저항의 열에 의해 냉각수를 매개로 가열된 뒤 실내에 공급되어야 하는 바, 냉각수 히터의 구조는 저항 주변으로 냉각수가 통과하는 구조이면서 공기가 통과하는 공냉식 열교환기의 구조를 가져야 한다.As described above, the integrated heater of the present invention is used for a cooling water heater that heats the cooling water supplied to the co-axial stack of the stack, and is used for an air conditioning heater that heats the air supplied to the room when the room is heated. The heater has a resistance that exerts a heat-generating operation structurally, the cooling water has to pass around the resistance, and the air supplied by the air-conditioning blower is heated while passing through the cooling water by the heat of the heat- The structure of the cooling water heater must have a structure of the air-cooled heat exchanger through which the cooling water passes and the air passes through the structure of the cooling water heater.

따라서, 본 발명에서 통합형 히터(40)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 차량에 탑재되는 또 다른 공냉식 열교환기인 라디에이터와 유사한 구조, 즉 냉각수가 튜브(43)의 내부유로를 통과하면서, 튜브(43) 내부의 냉각수와 냉각핀(44) 주변의 공기 간 열교환(냉각수로부터의 열방출)이 용이하게 일어나는 핀-튜브 구조로 구성된다.3, the integrated heater 40 has a structure similar to that of the radiator which is another air-cooled heat exchanger mounted on the vehicle, that is, the cooling water flows through the tube 43 Tube structure in which heat exchange (heat release from cooling water) between the cooling water inside the cooling fins 44 and the air around the cooling fins 44 occurs easily.

즉, 상기 통합형 히터(40)는, 냉각수가 유입되는 유입부(41)와 냉각수가 배출되는 배출부(42) 사이를 연결하면서 냉각수가 분배되어 통과되는 다단 적층 구조의 튜브(43)와, 상기 각 튜브(43)의 내부유로 내에 삽입 설치되는 발열수단(45)과, 주변을 통과하는 공기와 튜브 내 가열된 냉각수 간의 용이한 열 교환을 위해 상기 각 튜브(43)의 표면에 설치되는 냉각핀(44)을 포함하여 구성된다.That is, the integrated heater 40 includes a multi-layered tube 43 in which cooling water is distributed and passed between the inlet 41 through which the cooling water flows and the outlet 42 through which the cooling water is discharged, (45) installed on the surface of each tube (43) for easy heat exchange between the air passing through the periphery and the heated cooling water in the tube, (44).

여기서, 상기 발열수단(45)은 외부의 전원수단으로부터 전기도선을 통해 공급되는 전기에너지에 의해 발열작동하는 전기 발열 저항이 되며, 발열작동시 튜브(43)의 내부유로를 통과하는 냉각수를 가열하도록 되어 있다.Here, the heating unit 45 is an electric heating resistor that generates heat by an electric energy supplied from an external power supply unit through an electric wire, and heats the cooling water passing through the internal flow channel of the tube 43 during the heating operation .

결국, 발열수단(45)이 작동하여 냉각수가 가열된 상태에서 공조블로워(31)가 구동하여 냉각핀(44) 및 튜브(43) 주변으로 공기가 통과되면 냉각수와 공기 간의 열교환에 의해 공기가 가열되고, 가열된 온기가 실내로 토출되어 난방이 이루어지 게 된다. As a result, when the air conditioning blower 31 is driven in the state where the heat generating means 45 is operated and the cooling water is heated and air is passed around the cooling fin 44 and the tube 43, the air is heated by the heat exchange between the cooling water and the air And the heated warm air is discharged to the room to be heated.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 공조 히터와 냉각수 히터를 통합하여 하나의 통합형 히터를 구성한 뒤, 냉시동 및 저온 조건 운전시에는 상기 통합형 히터를 스택 냉각수와 스택 내부 온도를 신속히 상승시키기 위한 냉각수 히터로 사용하고, 실내 난방시에는 실내로 공급될 공기를 상승시키기 위한 공조 히터로 사용하게 된다. Thus, in the present invention, one integrated heater is constituted by integrating the air-conditioning heater and the cooling water heater, and the integrated heater is used as a cooling water heater for rapidly raising the internal temperature of the stack and the stack cooling water during cold start and low- And is used as an air conditioning heater for raising the air to be supplied to the room when the room is heated.

상기와 같이 공조 히터와 냉각수 히터가 일체화된 통합형 히터를 사용하는 경우, 두 히터를 별도로 제작하던 것에 비해 비용을 절감할 수 있고, 히터 공간 확보 용이, 전체 설치 공간 축소, 공간 활용도 향상 등의 장점이 있게 된다. 또한 부속되는 배관의 구조 역시 간단해지며, 그로 인한 비용 및 공간 측면의 이익이 있게 된다.In the case of using the integrated heater in which the air-conditioning heater and the cooling water heater are integrated as described above, the cost can be saved as compared with the case where the two heaters are separately manufactured, and advantages such as easy heater space, reduction in the total installation space, . In addition, the structure of the attached piping is also simplified, resulting in cost and space benefits.

또한 본 발명의 통합형 히터는 기존의 공조 히터와 마찬가지로 차량 실내측에 설치되는 것이 바람직한데, 공냉식 열교환기 구조의 통합형 히터를 차량 실내에 설치한다면, 냉시동 및 저온 조건 운전시 보온 효과가 추가로 있게 되며, 특히 차량 실내에 에어컨이 작동할 경우 냉방의 저온 공기에 의해 고온 환경인 스택의 냉각수 온도 저하 유도가 가능하고, 반대로 공조 히터 기능 및 실내에서의 보온 기능으로 저온 환경에서 스택 냉각수의 온도 유지를 적절히 유도할 수 있게 된다. 통합형 히터가 기존과 같이 엔진룸에 위치할 경우 저온 환경에서 통합형 히터를 보호하기 위한 단열 처리가 필요하나, 엔진룸이 아닌 실내측에 위치할 경우 보온 효과로 인해 단열 처리가 불필요하여 단열재 삭제가 가능해진다.Further, it is preferable that the integrated heater of the present invention is installed on the vehicle interior side like the conventional air conditioner heater. If the integrated heater of the air-cooled heat exchanger structure is installed in the vehicle interior, a warming effect is additionally provided during cold start and low temperature operation In particular, when the air conditioner operates in the vehicle interior, it is possible to induce the temperature of the cooling water in the stack of the high temperature environment to be lowered by the low temperature air of the cooling air. On the contrary, So that it can be derived properly. If the integrated heater is located in the engine room as in the conventional case, it is necessary to insulate the integrated heater to protect the integrated heater in the low temperature environment. However, if it is located in the room side instead of the engine room, It becomes.

또한 기존 냉각수 히터의 설치 위치가 정비가 어려운 엔진룸 안쪽 위치였던 반면에, 본 발명의 통합형 히터를 정비가 용이한 실내측 위치에 설치하면, 엔진룸의 스택 후단에 위치하여 교환이 어려웠던 부분이 실내로 이동되므로 정비성이 향상된다. In addition, when the integrated heater of the present invention is installed at an indoor side position where maintenance is difficult, the installation position of the existing cooling water heater is located inside the engine room where maintenance is difficult. On the other hand, The maintenance performance is improved.

또한 스택을 냉각시킨 냉각수가 기존의 라디에이터뿐만 아니라 본 발명의 통합형 히터를 통과하도록 하고, 실내 난방을 위해 공조블로워를 구동시키는 상태라면, 고온 환경에 따른 냉각수 온도의 상승시에 본 발명의 통합형 히터를 열교환기로 사용하여, 스택의 고온 운전 조건에서 스택 내부 온도 및 냉각수 온도의 하강을 유도할 수 있게 된다.Further, if the cooling water that has cooled the stack passes through the integrated heater of the present invention as well as the conventional radiator, and the air conditioning blower is driven to heat the room, the integrated heater of the present invention is heat exchanged It is possible to induce a decrease in the temperature inside the stack and the temperature of the cooling water under the high temperature operating condition of the stack.

또한 실내 난방을 위해 공조블로워를 구동시킨 상태에서 히터에 내장된 발열수단(저항)의 작동을 중지한 경우, 공조블로워의 작동에 따른 스택 냉각수의 온도 저하가 발생할 수 있는 바(공기와의 지속적인 열교환에 의해 냉각수의 온도가 저하됨), 이렇게 스택 냉각수의 온도가 저하될 때 발열수단이 작동(발열수단에 전기 공급)하는 로직을 추가한다면, 스택 온도 유지 및 공조 기능 유지가 가능해진다. 이 경우 냉각수의 온도를 측정하기 위한 수온센서의 활용이 필요하다.Further, when the operation of the heating means (resistance) built in the heater is stopped while the air conditioning blower is driven for indoor heating, the temperature of the stack cooling water may be lowered due to the operation of the air conditioning blower (continuous heat exchange with air (The temperature of the cooling water is lowered by the temperature of the cooling water), so that when the temperature of the stack cooling water is lowered, logic for operating the heat generating means (supplying electric power to the heat generating means) is added, thereby maintaining the stack temperature and maintaining the air conditioning function. In this case, it is necessary to use a water temperature sensor to measure the temperature of the cooling water.

그리고, 본 발명의 통합형 히터는, 엔진룸측의 스택과 연결된 냉각수 히터의 기능을 가지므로, 라디에이터 구조의 공냉식 열교환기로 구성하여 차량 실내측에 설치할 때, 도면상에 상세히 도시하지는 않았으나, 엔진룸측과 연결되는 냉각수 배관을 필요로 한다. Since the integrated heater of the present invention has the function of a cooling water heater connected to the stack on the engine room side, it is configured as an air-cooled heat exchanger of a radiator structure and is installed on the vehicle interior side. Although not shown in detail in the drawings, The cooling water piping is required.

또한 본 발명의 통합형 히터는 엔진룸측에 연결되는 배관을 고정하는 브라켓 을 가져야 하며, 그 입구와 출구의 포트는 배관이 엔진룸측으로 쉽게 연결될 수 있는 구조를 가져야 한다. In addition, the integrated heater of the present invention must have a bracket for fixing a pipe connected to the engine room, and a port of the inlet and the outlet of the pipe must be structured so that the pipe can be easily connected to the engine room.

도 1은 종래기술에 따른 스택의 냉각 시스템 및 냉각수 히터와 차량 난방장치의 주요 구성요소를 도시한 도면,1 shows the cooling system of the stack and the main components of the cooling water heater and the vehicle heating device according to the prior art,

도 2는 본 발명에 따른 통합형 히터를 이용한 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 도시한 블록도, 2 is a block diagram showing a heat and water management system for a fuel cell vehicle using an integrated heater according to the present invention.

도 3은 본 발명에서 냉각수 히터와 공조 히터를 하나의 부품으로 일체화시킨 통합형 히터의 구성도.3 is a schematic view of an integrated heater in which a cooling water heater and an air conditioning heater are integrated into one component in the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>Description of the Related Art

10 : 스택 21 : 리저버10: Stack 21: Reservoir

22 : 펌프 23 : 써모스탯22: Pump 23: Thermostat

24 : 라디에이터 25 : 냉각수 히터24: radiator 25: cooling water heater

31 : 공조블로워 32 : 공조 히터31: air conditioning blower 32: air conditioning heater

40 : 통합형 히터 43 : 튜브40: Integrated heater 43: Tube

44 : 냉각핀 45 : 발열수단(저항)44: cooling pin 45: heating means (resistance)

Claims (5)

냉시동 및 저온 조건에서 연료전지 스택(10)의 냉각수를 가열하기 위한 냉각수 히터를 가지는 연료전지 시스템의 열 및 물 관리 시스템에 있어서,1. A heat and water management system for a fuel cell system having a coolant heater for heating coolant in a fuel cell stack (10) in cold start and low temperature conditions, 상기 냉각수 히터로서 공조 히터와 냉각수 히터가 통합된 하나의 통합형 히터(40)를 가지되, 상기 통합형 히터(40)는 냉각수가 통과한 뒤 스택(10)으로 공급될 수 있게 스택(10)의 입구단쪽으로 배관에 의해 연결되는 동시에 냉각수가 통과하는 내부유로에는 발열수단(45)이 설치되고, 실내에 공급될 공기를 송풍하는 공조블로워(31)의 전방에 설치되어 상기 공조블로워(31)에 의해 송풍된 공기가 상기 발열수단(45)에 의해 가열된 냉각수와 열교환 후 실내에 공급될 수 있게 되며, The integrated heater 40 has one integrated heater 40 and an air conditioning heater and a cooling water heater as the cooling water heater. The integrated heater 40 is connected to the inlet of the stack 10, (45) is provided in an internal flow passage through which the cooling water passes, and is provided in front of the air-conditioning blower (31) for blowing air to be supplied to the room. The air-conditioning blower The blown air can be supplied to the room after the heat exchange with the cooling water heated by the heat generating means 45, 상기 통합형 히터(40)는 엔진룸측에 설치된 스택(10)과 배관을 통해 연결된 상태로 차량 실내측에 설치되는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터와 공조 히터의 통합형 히터를 이용한 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.Wherein the integrated heater (40) is installed on the vehicle interior side in a state of being connected to the stack (10) installed on the engine room side through a pipe. The cooling water heater and the air conditioner heater . 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 통합형 히터(40)는,The integrated heater (40) 냉각수가 통과하는 튜브(43)와, 상기 튜브(43)의 내부유로에 삽입 설치되는 발열수단(45)과, 주변을 통과하는 공기와 상기 튜브(43) 내 가열된 냉각수 간의 용이한 열 교환을 위해 튜브 표면에 설치되는 냉각핀(44)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각수 히터와 공조 히터의 통합형 히터를 이용한 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.(43) for cooling water to pass therethrough, heat generating means (45) inserted into the internal flow path of the tube (43), easy heat exchange between the air passing through the periphery and the heated cooling water in the tube And a cooling fin (44) provided on the surface of the weathertube. 청구항 2에 있어서,The method of claim 2, 상기 통합형 히터(40)는, The integrated heater (40) 냉각수가 유입되는 유입부(41)와 냉각수가 배출되는 배출부(42) 사이를 냉각수가 분배되어 흐르는 다단 적층 구조의 튜브(43)가 연결하는 구조로 된 것을 특징으로 하는 냉각수 히터와 공조 히터의 통합형 히터를 이용한 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.And a tube (43) of a multi-layered structure in which cooling water is distributed and flows between the inlet (41) through which the cooling water flows and the outlet (42) through which the cooling water is discharged are connected to the cooling water heater Thermal and water management system for fuel cell vehicle using integrated heater. 청구항 2에 있어서,The method of claim 2, 상기 발열수단(45)은 전기에너지에 의해 발열작동하는 전기 발열 저항인 것을 특징으로 하는 냉각수 히터와 공조 히터의 통합형 히터를 이용한 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.Wherein the heat generating means (45) is an electric heating resistor that generates heat by the electric energy. 삭제delete
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