KR101583970B1 - 연료전지 차량의 냉각수 히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 차량에서 스택의 냉시동 및 부하소모를 위해 탑재되는 냉각수 히터에 관한 것이다.
본 발명은 냉각수 히터의 입구에 배치되는 냉각수 유동 가이드의 재질을 열전도 계수가 높은 금속재질로 적용함과 더불어 유동 가이드를 히터 중앙 부분까지 길게 연장시켜서 유량 분배 뿐만 아니라 가이드가 히터 열전달 플레이트 역할도 동시에 수행할 수 있도록 한 새로운 냉각수 유동 가이드를 구현함으로써, 히터 중앙부의 온도를 효율적으로 낮출 수 있는 등 전체적인 히터 온도 분포의 균일화를 도모할 수 있는 연료전지 차량의 냉각수 히터를 제공한다.

Description

연료전지 차량의 냉각수 히터{Cooling water heater for fuel cell vehicle}

본 발명은 연료전지 차량의 냉각수 히터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량에서 스택의 냉시동 및 부하소모를 위해 탑재되는 냉각수 히터에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 구동을 위한 동력원으로 사용되는 연료전지, 예를 들면 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온이 이동하는 전해질막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체, 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층, 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판 등을 포함하여 구성된다.

보통 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 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 시스템으로 구성된다.

이러한 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.

이러한 열 및 물관리 시스템에서의 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매(冷媒) 역할과 더불어 냉시동 시에는 히터에 의해 급속 가열되어 스택에 공급되므로 스택을 급속 해빙하는 열매(熱媒) 역할을 한다.

그리고, 상기 연료전지 시스템에는 냉시동 시 스택의 냉각수를 가열하기 위한 냉각수 히터가 탑재되며, 이때의 냉각수 히터는 냉각수 온도 상승 및 차량 시동시 빠른 냉각수 온도 안정화를 도모하고, 시동 셧다운 시에는 스택의 남은 전압을 하강시키는 용도로도 사용되고 있다.

이와 같은 연료전지 시스템의 냉각수 히터는 한국공개특허 10-2010-0046730호 등에 다양한 형태의 것들이 개시되어 있다.

도 5와 도 6은 종래 연료전지 차량의 냉각수 히터를 나타내는 사시도이다.

도 5와 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 냉각수 히터는 냉각수 입구관(100)과 냉각수 출구관(110)을 가지는 히터 케이스(120)와, 상기 히터 케이스(120)의 내부에 설치되는 복수 개의 카트리지 히터(130)와, 상기 히터 케이스(120)의 입구에 설치되는 냉각수 유동 가이드(140)를 포함한다.

여기서, 상기 냉각수 유동 가이드(140)는 냉각수 입구관(100)을 통해 들어온 입구의 유량을 히터 길이방향으로 균등 분배시켜 히터의 과열을 방지하고, 보일링(Boiling)에 의한 기포의 생성을 방지하는 역할을 하게 된다.

그러나, 카트리지 히터의 특성상 히터 내부의 길이 방향 온도 분포는 히터의 길이 중앙부가 발열 조건이 제일 취약한 부위이기 때문에 온도가 제일 높고, 끝부분 비발열부 쪽으로 갈수록 온도는 낮아지게 되므로, 히터 중앙부의 온도를 집중적으로 낮출 필요성이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 냉각수 히터의 입구에 배치되는 냉각수 유동 가이드의 재질을 열전도 계수가 높은 금속재질로 적용함과 더불어 유동 가이드를 히터 중앙 부분까지 길게 연장시켜서 유량 분배 뿐만 아니라 가이드가 히터 열전달 플레이트 역할도 동시에 수행할 수 있도록 한 새로운 냉각수 유동 가이드를 구현함으로써, 히터 중앙부의 온도를 효율적으로 낮출 수 있는 등 전체적인 히터 온도 분포의 균일화를 도모할 수 있는 연료전지 차량의 냉각수 히터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 연료전지 차량의 냉각수 히터는 다음과 같은 특징이 있다.

상기 냉각수 히터는 냉각수 입구관과 냉각수 출구관을 가지는 히터 케이스와, 상기 히터 케이스의 내부에 설치되는 복수 개의 카트리지 히터와, 상기 히터 케이스의 내부에 설치되는 냉각수 유동 가이드를 포함하는 구조로 이루어진다.

특히, 상기 냉각수 히터의 냉각수 유동 가이드는 케이스 입구에 설치되는 경사구조의 유량분배용 가이드와 케이스 길이방향을 따라 수평 배치되는 복수 개의 열전달용 플레이트로 구성된다.

따라서, 상기 냉각수 히터는 히터 입구 유동 가이드 기능 및 히터 열전달 기능을 하는 복합 기능의 구조로 이루어짐으로써, 유량 분배 및 히터 온도 분포의 균일화를 도모할 수 있는 특징이 있다.

여기서, 상기 복수 개의 열전달용 플레이트는 서로가 케이스 상하방향으로 일정간격을 유지하면서 나란하게 배치됨과 더불어 히터 관통을 위한 홀을 갖는 구조로 구성할 수 있다.

그리고, 상기 복수 개의 열전달용 플레이트 중에서 적어도 2개는 유량분배용 가이드의 후단부로부터 일체 연장 형성되는 형태로 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 상기 열전달용 플레이트의 경우 케이스 입구의 유량 분포에 맞춰 위치(상하 높이)를 조정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 연료전지 차량의 냉각수 히터는 히터 입구 유동 가이드 겸용 히터 열전달 향상 플레이트 복합 기능을 갖는 냉각수 유동 가이드를 적용함으로써, 히터 열전달 성능 향상으로 인한 히터의 온도 분포 균일화 및 과열을 방지할 수 있고, 입구가 곡관인 경우(입구의 유량 분포가 상이한 경우) 열전달 플레이트의 위치를 조정함으로써 유량 분배 및 히터 온도 분포 균일화가 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 히터를 나타내는 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 히터를 나타내는 단면 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 히터의 냉각수 유동 가이드를 나타내는 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 히터의 내부 온도 변화를 나타내는 그래프
도 5는 종래의 냉각수 히터를 나타내는 사시도
도 6은 종래의 냉각수 히터를 나타내는 단면 사시도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 히터를 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 히터의 냉각수 유동 가이드를 나타내는 사시도이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 냉각수 히터는 히터 입구측(케이스 입구)에 배치되는 냉각수 유동 가이드를 열전도 계수가 높은 금속 재질로 구성함과 더불어 구조 개선을 통해 유량 분배 뿐만 아니라 히터 중앙부의 열전달 냉각플레이트의 겸용으로 사용할 수 있도록 한 구조로 이루어진다.

이를 위하여, 스택측과 라디에이터측 사이에 배치되는 히터 케이스(12)에는 냉각수 입구관(10)과 냉각수 출구관(11)이 구비되고, 이러한 히터 케이스(12)의 내부에는 복수 개의 카트리지 히터(13)가 수직 설치된다.

이에 따라, 상기 냉각수 입구관(10)을 통해 히터 케이스(12)의 내부로 들어온 냉각수는 카트리지 히터(13)와의 열교환을 통해 온도가 올라간 상태에서 냉각수 출구관(11)을 통해 빠져나가 스택측에 공급될 수 있게 된다.

특히, 상기 히터 케이스(12)의 내부에는 유량 분배 기능과 열전달 기능을 동시에 수행할 수 있는 냉각수 유동 가이드(14)가 설치된다.

이러한 냉각수 유동 가이드(14)는 유량 분배 기능을 하는 유량분배용 가이드(15)와 열전달 기능을 하는 열전달용 플레이트(16)의 조합 형태로 이루어진다.

상기 유량분배용 가이드(15)는 케이스 입구측에 위치되는 경사진 구조의 2개의 판으로 이루어지고, 이때의 2개의 판은 케이스 입구에서 히터측을 향해 윗쪽의 것은 상향 경사진 구조, 아래쪽의 것은 하향 경사진 구조로 배치된다.

즉, 위아래의 유량분배용 가이드(15)는 케이스 입구측에서 히터측으로 갈수록 확장되는 단면폭을 가지는 구조를 이룰 수 있게 되고, 따라서 케이스 입구로 들어온 냉각수는 유량분배용 가이드(15)에 의해 유도되면서 히터 전체 길이구간에 걸쳐 넓게 퍼지도록 분배되어 흐를 수 있게 된다.

여기서, 상기 유량분배용 가이드(15)는 히터 케이스(12)의 벽면에 직접 또는 브라켓류 등을 통해 지지되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

상기 열전달용 플레이트(16)는 케이스 길이방향을 따라 수평 배치되는 길다란 플레이트 형태로서, 복수 개가 구비되어 각각의 열전달용 플레이트(16)는 서로가 케이스 상하방향으로 일정간격을 유지하면서 나란하게 배치될 수 있게 된다.

이러한 열전달용 플레이트(16)에는 다수의 홀(17)이 관통 형성되며, 이때의 홀(17)을 통해 각각의 카트리지 히터(13)가 끼워질 수 있게 된다.

즉, 히터 케이스(12)의 내부에 설치되는 각 카트리지 히터(13)는 열전달용 플레이트(16)의 홀(17)을 수직으로 관통하면서 이때의 관통부위를 통해 플레이트와 접하게 되고, 결국 히터측 열이 열전달용 플레이트(16)로 직접 전도되는 동시에 이때의 히터측으로부터 열을 전달받은 열전달용 플레이트(16)가 케이스 내부 전체 길이구간에서 냉각수와의 접촉을 통해 열교환 작용을 수행하게 되므로서, 히터 중앙부 온도를 낮추면서 전체적으로 냉각수의 균일한 온도분포 상태를 확보할 수 있게 된다.

여기서, 상기 유량분배용 가이드와 열전달용 플레이트는 금속 재질로 이루어질 수 있으며, 특히 열전도 계수가 높은 금속으로 제작하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 히터 케이스(12)의 내부에 설치되는 복수 개의 열전달용 플레이트(16) 중에서 적어도 2개의 열전달용 플레이트(16)는 유량분배용 가이드(15)의 후단부로부터 일체 연장 형성되는 형태로 이루어질 수 있게 된다.

예를 들면, 3개의 열전달용 플레이트(16a,16b,16c)가 구비되는 경우, 윗쪽과 아래쪽으로 배치되는 2개의 열전달용 플레이트(16a,16c)는 입구측 위아래 유량분배용 가이드(15)와 일체형으로 이루어질 수 있게 되고, 가운데 배치되는 1개의 열전달용 플레이트(16b)는 단독으로 배치될 수 있게 된다.

여기서, 상기 열전달용 플레이트(16)는 히터 케이스(12)의 벽면에 직접 또는 브라켓류 등을 통해 지지되는 구조로 설치될 수 있게 된다.

또한, 상기 열전달용 플레이트(16)는 히터 케이스 입구의 유량 분포에 맞춰 위치(상하 높이)를 조정할 수 있도록 되어 있다.

즉, 냉각수 히터의 입구가 곡관인 경우(입구의 유량 분포가 상이한 경우) 단면별 유량이 상이하여 유량 분배를 달리 가져가야 하는데, 이때 열전달용 플레이트의 위치를 조정함으로써, 유량 분배를 변경할 수 있는 등 유량 분배 및 히터 온도 분포의 균일화를 용이하게 할 수 있게 된다.

여기서, 상기 열전달용 플레이트는 히터 케이스의 내부에 설치 시 카트리지 히터에 끼워진 상태에서 위아래로 움직여가면서 위치를 조정할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 히터의 내부 온도 변화를 나타내는 그래프이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 여기서는 냉각수 히터 유동 가이드 겸용 열전달 플레이트 구조로 인한 히터 내부 온도 변화를 보여준다.

도면의 왼쪽은 기존 유동 가이드만 있을 경우의 온도분포이고, 도면의 오른쪽은 유동 가이드 겸용 열전달 플레이트 구조 적용에 따른 히터 중앙부 온도가 하강한 상태의 온도분포이다.

즉, 히터 중앙부는 끝단부보다 방열 조건이 취약하여 중앙부가 가장 고온이므로, 이를 가이드 겸용 열전달 플레이트 구조로 효율적으로 낮추는 것이 가능하다.

이와 같이, 본 발명에서는 열전도율이 높은 금속 재질의 입구 유동 가이드를 히터 중앙 부분으로 길게 연장시켜서 유량 분배 뿐만 아니라 가이드가 히터 열전달 플레이트 역할도 동시에 하도록 하는 방식을 구현함으로써, 히터 중앙부의 온도를 효율적으로 낮출 수 있는 등 적절한 유량 분배는 물론 히터의 온도 분포 균일화를 실현할 수 있다.

10 : 냉각수 입구관
11 : 냉각수 출구관
12 : 히터 케이스
13 : 카트리지 히터
14 : 냉각수 유동 가이드
15 : 유량분배용 가이드
16 : 열전달용 플레이트
17 : 홀

Claims (4)

1. 냉각수 입구관(10)과 냉각수 출구관(11)을 가지는 히터 케이스(12)와, 상기 히터 케이스(12)의 내부에 설치되는 복수 개의 카트리지 히터(13)와, 상기 히터 케이스(12)의 내부에 설치되는 냉각수 유동 가이드(14)를 포함하며,
   상기 냉각수 유동 가이드(14)는 케이스 입구에 설치되는 경사구조의 유량분배용 가이드(15)와 케이스 길이방향을 따라 수평 배치되고 서로가 케이스 상하방향으로 일정간격을 유지하면서 나란하게 배치됨과 더불어 히터 관통을 위한 홀(17)을 가지는 복수 개의 열전달용 플레이트(16)로 구성되고,
   히터 케이스의 내부에 설치되는 각 카트리지 히터는 열전달용 플레이트의 홀을 관통하면서 플레이트와 접하게 되어 히터측 열이 열전달용 플레이트로 직접 전도되도록 하여 냉각수와의 열교환이 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 히터.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 복수 개의 열전달용 플레이트(16) 중에서 적어도 2개는 유량분배용 가이드(15)의 후단부로부터 일체로 연장 형성되는 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 히터.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 열전달용 플레이트(16)는 케이스 입구의 유량 분포에 맞춰 위치(상하 높이)를 조정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각수 히터.

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