KR101766093B1 - 연료전지용 냉각수 필터 - Google Patents

Abstract

연료전지용 이온 수지에 냉각수가 통과하기 이전 냉각수의 온도를 적절하게 유지시킴으로써 이온 수지의 이온 교환 능력을 향상시키고 내구 수명을 연장시킬 수 있는 연료전지용 냉각수 필터가 개시된다. 상기 연료전지용 냉각수 필터는, 연료전지용 산화제로 사용되는 공기가 입출력 되는 열교환부; 상기 열교환부와 접촉하여 배치되며 연료전지용 냉각수가 흐르는 냉각수 유로; 및 상기 냉각수 유로를 통과한 냉각수에서 이온을 제거하여 배출하는 이온 수지부를 포함한다.

Description

연료전지용 냉각수 필터{FILTER FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 냉각수 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지용 이온 수지에 냉각수가 통과하기 이전 냉각수의 온도를 적절하게 유지시킴으로써 이온 수지의 이온 교환 능력을 향상시키고 내구 수명을 연장시킬 수 있는 연료전지용 냉각수 필터에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다. 연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제(산소)를 공급하기 위해 공기를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다. 이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.

이러한 연료전지 시스템의 열 및 물 관리 장치에서는 연료전지 스택으로 제공되는 냉각수에 함유된 이온을 필터링하여 냉각수의 전기전도도(Ion Conductivity)를 낮추기 위한 냉각수 이온 필터(De-Mineralizer, DMN)를 구비한다.

냉각수 이온 필터는 냉각수로부터 이온을 필터링하기 위한 이온수지인 필터 카트리지를 구비하는데, 이온수지는 냉각수 온도가 상승하는 경우 이온수지의 열화에 의해 이온 교환 능력과 내구 성능이 현저하게 저하되는 문제가 있다.

종래에는 이온수지의 열화 및 내구성능 저하로 인한 잦은 필터 카트리지 교환 주기를 증가시키기 위해 이온수지 용량 자체를 증가시키는 방식을 적용하였다. 따라서, 내구성능이 일부 개선될 수 있으나 이온 수지의 용량 증가에 따라 필터 사이즈가 증가하여 차량 내 패키징에 불리한 또 다른 문제가 발생하였다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2015-0077822 A KR 10-2013-0133443 A

이에 본 발명은, 연료전지용 이온 수지에 냉각수가 통과하기 이전 냉각수의 온도를 적절하게 유지시킴으로써 이온 수지의 이온 교환 능력을 향상시키고 내구 수명을 연장시킬 수 있는 연료전지용 냉각수 필터를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

연료전지용 산화제로 사용되는 공기가 흐르는 공기 공급 라인 사이에 마련되어 상기 공기가 입출력 되는 열교환부;

상기 열교환부와 접촉하여 배치되며 라디에이터에 의해 냉각된 연료전지용 냉각수가 흐르는 냉각수 유로; 및

상기 냉각수 유로를 통과한 냉각수에서 이온을 제거하여 배출하는 이온 수지부;

를 포함하는 연료전지용 냉각수 필터를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 열교환부로 공기가 입력되는 공기 입력 배관과 상기 열교환부에서 공기가 출력되는 공기 출력 배관 사이에 연결된 바이패스 배관; 및 상기 공기 입력 배관으로 입력되는 공기를 상기 열교환부 및 상기 바이패스 배관으로 선택적으로 공급하거나 상기 공기 입력 배관을 차단하는 3웨이 밸브를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태는, 상기 냉각수 유로로 유입되는 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도 센서 또는 상기 이온 수지부에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도 센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 3웨이 밸브는 차량이 정지하는 경우 공기 입력 배관을 차단할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 3웨이 밸브는, 상기 냉각수 유로로 유입되는 냉각수의 온도 또는 상기 이온 수지부에서 배출되는 냉각수의 온도에 따라 상기 열교환부로 공급되는 공기의 양 및 상기 바이패스 배관으로 공급되는 공기의 양을 결정할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 냉각수 유로는 상기 열교환부를 삽입할 수 있는 삽입 구조를 형성하며, 상기 열교환부는 상기 삽입 구조에 삽입되면서 상기 냉각수 유로와 접촉을 형성할 수 있다.

상술한 바와 수단을 갖는 연료전지용 냉각수 필터에 따르면, 필터 내 이온 흡착을 위해 마련된 이온 수지부로 제공되는 냉각수의 온도를 저하시킴으로써 이온 수지부의 이온 교환 능력 및 내구 성능을 향상하고 그 교체 주기를 현저하게 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 연료전이용 냉각수 필터는 단순히 용량만 확대한 종래의 필터에 비해 동일 수준의 성능을 유지하면서도 그 부피를 감소시킬 수 있으므로 차량 내 패키지가 매우 용이한 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터가 적용되는 연료전지 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터를 도시한 단면도이다.
도 3은 연료전지용 냉각수 필터에 적용되는 이온 수지의 내구 성능을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 실시형태에서 3웨이 밸브의 동작예를 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터가 적용되는 연료전지 시스템을 도시한 블록 구성도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터(10)는 연료전지 스택(100)에 냉각수를 공급하는 냉각수 라인과 연료전지 스택(100)에 환원제인 공기를 제공하는 공기 공급 라인 사이에 마련될 수 있다.

통상적으로, 연료전지 스택(100)은 냉각수 펌프(110)에 의해 냉각수를 공급 받으며, 냉각을 마친 냉각수는 연료전지 스택(100)으로부터 배출되어 라디에이터(112) 또는 냉각수 펌프(110)로 다시 공급된다. 이 때, 연료전지 스택(100)의 냉각수 배출구와 냉각수 펌프(114) 사이에 냉각수의 바이패스를 위한 배관이 설치되고 3웨이 밸브(114)에 의해 연료전지 스택(100)에서 배출되는 물은 라디에이터(112)나 냉각수 펌프(110)로 선택적인 공급이 이루어진다. 라디에이터(112)는 냉각수를 냉각하기 위한 장치로서 냉각수 온도에 따라 3웨이 밸브(114)가 제어됨으로써 냉각수의 경로가 결정될 수 있다.

또한, 연료전지 스택(100)은 연료인 수소와 반응하는 환원제로서 공기를 공급받는다. 연료전지 스택(100)으로의 공기 공급은 공기 블로워(120)에 의해 이루어진다. 공기 블로워(120)에서 배출되는 공기는 가습기(122)에서 가습이 이루어져 습윤 공기가 연료전지 스택(100)으로 공급된다. 반응을 마친 공기는 연료전지 스택(100)에서 배출되어 가습기(122)를 거쳐 배기될 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각수 필터(10)는 냉각수 펌프(110)의 출구 측에서 냉각수를 공급받고 필터링을 마친 냉각수를 냉각수 펌프(110)의 입구 측으로 다시 공급할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 냉각수 필터(10)는 공기 블로워(120)의 공기 공급라인에서 공급된 공기를 이용하여 냉각수의 열교환에 적용한 후 공기 블로워(120)의 입구 측으로 공급할 수 있다.

도 1을 통해 설명된 냉각수 유로나 공기 공급 경로는 적용하는 방식에 따라 일부 장치들의 위치가 변경될 수 있으며 추가적인 밸브 등의 요소가 생략된 것으로서, 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터를 도시한 단면도이다.

도 2에 도시한 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터(10)는, 연료전지용 산화제로 사용되는 공기가 입출력 되는 열교환부(11)와, 열교환부(11)와 접촉하여 배치되며 연료전지용 냉각수가 흐르는 냉각수 유로(13) 및 냉각수 유로(13)를 통과한 냉각수에서 이온을 제거하여 배출하는 이온 수지부(15)를 포함하여 구성될 수 있다.

열교환부(11)는 외부에서 입력된 반응 이전의 차가운 공기를 이용하여 냉각수와의 열교환을 통해 냉각수의 온도를 감소시키기 위한 요소이다.

연료전지 스택(100)으로 공급되는 공기는 공기 블로워(120)에 공급되기 이전에 열교환부(11)로 입력된 후, 열교환부(11)에서 냉각수와의 열교환을 마친 후 공기 블로워(120)의 입구 측으로 제공된다.

냉각수 유로(13)는 열교환부(11)의 외부 표면에 접촉하도록 배치된다. 냉각수 유로(13)의 내부를 흐르는 냉각수가 열교환부(11)와 접촉된 표면을 통해 열교환을 함으로써 온도를 하강시키게 된다. 효율적인 열교환을 구현하기 위해, 열교환부(11)나 냉각수 유로(13)는 열전도성이 우수한 소재(예를 들어, 알루미늄)으로 제작되는 것이 바람직하다.

도 2에서는 열교환의 개념을 설명할 수 있도록 냉각수 유로(13)를 매우 단순화하여 도시하였으나, 열교환부(11)와의 접촉면적을 증가시킬 수 있는 다양한 형태로 변형될 수 있을 것이다.

또한, 냉각수 유로(13)는 열교환부(11)를 삽입할 수 있는 삽입 구조를 갖도록 형성될 수 있으며, 열교환부(11)는 냉각수 유로(13)가 형성하는 삽입 구조에 삽입되면서 냉각수 유로(13)와 접촉을 형성할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터는 열교환부(11)가 냉각수 유로(13)가 형성하는 삽입 구조에 삽입하는 형태로 배치될 수 있으므로 탈부착이 용이하며, 이에 따라 성능에 문제가 발생한 경우 용이하게 교체가 가능하도록 할 수 있다.

이온 수지부(15)는 냉각수 유로(13)를 통과한 냉각수를 통과시켜 냉각수에서 이온을 제거하기 위해 마련된다. 이온 수지부(15)는 교체가 용이하도록 카트리지의 형태로 제작될 수 있다.

이러한 구성을 통해, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 필터는 냉각수의 이온 제거를 위해 마련된 이온 수지에 냉각수가 통과하기 이전에, 연료전지의 환원제용 공기를 이용하여 공랭식으로 냉각수 온도를 저하시킬 수 있다.

도 3은 연료전지용 냉각수 필터에 적용되는 이온 수지의 내구 성능을 도시한 그래프이다.

도 3에 도시한 것과 같이, 이온 수지는 고온일수록 내구 성능이 현저하게 감소한다. 그와 동시에 고온일수록 이온 교환 능력도 저하된다. 예를 들어, 냉각수 운전 온도가 섭씨 10도 상승하는 경우 이온수지의 내구는 절반으로 감소한다.

본 발명의 일 실시형태는, 이온 수지부(15)로 제공되는 냉각수의 온도를 저하시킴으로써 이온 수지부(15)의 내구 성능을 향상하고 그 교체 주기를 현저하게 증가시킬 수 있다. 또한, 단순히 용량만 확대한 종래의 필터에 비해 동일 수준의 성능을 유지하면서도 그 부피를 감소시킬 수 있으므로 차량 내 패키지가 매우 용이하게 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터를 도시한 단면도이다.

도 4에 도시된 실시형태는, 도 3의 실시형태에 열교환부(11)의 공기 입력 배관(21)과 공기 출력 배관(23) 사이에 바이패스 배관(18) 및 3웨이 밸브(17)를 부가한 것이다. 또한, 도 4에 도시된 실시형태는 냉각수 유로(11)로 유입되는 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도 센서(12) 및 이온 수지부(15)에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도 센서(14)를 더 포함하는 구조이다. 두 개의 냉각수 온도 센서(12, 14)는 필요에 따라 선택적으로 하나만 구비되거나 두 개 모두 구비될 수 있다.

열교환부(11)의 공기 입력 배관(21)에 마련된 3웨이 밸브(17)는, 공급되는 공기를 필요에 따라 열교환부(11) 및 바이패스 배관(18)으로 선택적으로 공급할 수 있다.

도 5는 도 4에 도시된 실시형태에서 3웨이 밸브의 동작예를 도시한 도면이다.

먼저, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 3웨이 밸브(17)를 구동하여 공기가 공급되는 공기 입력 배관(21)을 차단할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터는 공랭식 냉각을 구현하기 위해 외부에서 연료전지 스택(100)으로 공급되는 공기 블로워(120)의 전단에 배치될 수 있으므로, 도 5의 (a)와 같이 3웨이 밸브(17)가 구동되는 경우 연료전지 스택(100)으로 공급되는 공기를 차단할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터(10)에 마련되는 3웨이 밸브(17)는 연료전지 차량의 시동 정지 등의 경우에 연료전지 스택(100)으로 공급되는 공기를 차단하는 역할을 함으로써, 일반적인 연료전지 시스템의 흡기구 밸브의 기능을 대체할 수 있다.

또한, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 3웨이 밸브(17)를 구동하여 열교환부(11)로 공기를 공급하는 배관의 개도량을 조절하면, 열교환부(11)로 제공되는 공기의 양을 적절하게 제어 가능하다. 이러한 제어는 열교환부(11)로 유입되는 냉각수의 온도를 검출하는 온도 센서(12) 또는 이온 수지부(15)에서 배출되는 냉각수의 오도를 검출하는 온도 센서(14)에서 검출되는 냉각수 온도에 대한 정보를 이용하여 더욱 구체적으로 구현될 수 있다.

예를 들어, 연료전지 스택(100)의 냉각 성능에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 이온 수지부(15)의 이온 교환 능력 및 내구 성능을 저하시키지 않는 적절한 기준 온도를 사전에 설정해 두고, 일정 시간 동안 온도 센서(12 또는 14)에서 검출되는 냉각수 온도가 기준 온도를 넘어서는 경우, 냉각수 온도와 기준 온도의 차이에 따라 열교환부(11)에 공급되는 필요 공기 유량을 연산하여 적절한 개도량을 갖도록 3웨이 밸브(17)가 제어될 수 있다. 물론, 일정 시간 동안 온도 센서(12 또는 14)에서 검출되는 냉각수 온도가 기준 온도보다 낮으면 3웨이 밸브(17)는 열교환부(11)로 공급되는 공기를 완전히 차단하고 입력된 공기가 열교환부(11)를 거치지 않고 바로 공기 블로워(120)로 공급되게 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터는, 필터 내 이온 흡착을 위해 구비된 이온 수지부(15)로 제공되는 냉각수의 온도를 저하시킴으로써 이온 수지부(15)의 이온 교환 능력 및 내구 성능을 향상하고 그 교체 주기를 현저하게 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 단순히 용량만 확대한 종래의 필터에 비해 동일 수준의 성능을 유지하면서도 그 부피를 감소시킬 수 있으므로 차량 내 패키지가 매우 용이하게 된다.

더하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 냉각수 필터는, 열교환부(11)의 공기 입출력 배관에 구비된 3웨이 밸브(17)를 통해 열교환부(11)로 공급되는 공기의 양을 냉각수 온도에 따라 적절하게 비례 제어할 수 있으며, 연료전지 시스템의 흡기구 밸브를 대체할 수도 있다.

본 발명은 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 냉각수 필터 11: 열교환부
13: 냉각수 유로 15: 이온 수지부
12, 14: 온도 센서 17: 3웨이 밸브
18: 바이패스 배관 21: 공기 입력 배관\
23: 공기 출력 배관

Claims (6)

1. 연료전지용 산화제로 사용되는 공기가 흐르는 공기 공급 라인 사이에 마련되어 상기 공기가 입출력 되는 열교환부;
   상기 열교환부와 접촉하여 배치되며 라디에이터에 의해 냉각된 연료전지용 냉각수가 흐르는 냉각수 유로; 및
   상기 냉각수 유로를 통과한 냉각수에서 이온을 제거하여 배출하는 이온 수지부;
   를 포함하는 연료전지용 냉각수 필터.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 열교환부로 공기가 입력되는 공기 입력 배관과 상기 열교환부에서 공기가 출력되는 공기 출력 배관 사이에 연결된 바이패스 배관; 및
   상기 공기 입력 배관으로 입력되는 공기를 상기 열교환부 및 상기 바이패스 배관으로 선택적으로 공급하거나 상기 공기 입력 배관을 차단하는 3웨이 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각수 필터.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 냉각수 유로로 유입되는 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도 센서 또는 상기 이온 수지부에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출하는 냉각수 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각수 필터.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 3웨이 밸브는 차량이 정지하는 경우 공기 입력 배관을 차단하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각수 필터.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 3웨이 밸브는, 상기 냉각수 유로로 유입되는 냉각수의 온도 또는 상기 이온 수지부에서 배출되는 냉각수의 온도에 따라 상기 열교환부로 공급되는 공기의 양 및 상기 바이패스 배관으로 공급되는 공기의 양을 결정하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각수 필터.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉각수 유로는 상기 열교환부를 삽입할 수 있는 삽입 구조를 형성하며, 상기 열교환부는 상기 삽입 구조에 삽입되면서 상기 냉각수 유로와 접촉을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각수 필터.
   

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