KR101848614B1 - 차량용 열관리계 시스템 - Google Patents

차량용 열관리계 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각수 유로관에 라디에이터와 펌프 및 스택이 구성되는 차량용 열관리계 시스템에 있어서, 상기 스택의 분리판과 접합되는 복수의 엔드 플레이트; 상기 스택 내부에 저온의 냉각수 유입을 방지하기 위해, 상기 복수의 엔드 플레이트 내부에 상기 냉각수를 유로하는 제1 순환루프; 상기 냉각수의 전기 전도도 유지를 위한 이온필터; 및 상기 이온필터의 내부에 상기 냉각수를 유로하는 제2 순환루프를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 열관리계 시스템을 제공한다.

Description

차량용 열관리계 시스템 {Thermal Management System for vehicles}
본 발명은 차량용 열관리계 시스템에 관한 것으로서, 연료전지 차량의 발전모듈인 스택(Stack)을 냉각시키는 시스템인 TMS(Thermal mannagement system) 루프에 냉각수를 공급하는 차량용 열관리계 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 전해질을 사이에 두고 양극과 음극으로 이루어진 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.
특히, 고분자 전해질 연료전지는 전류밀도가 높고 운전온도가 낮으며 부식 및 전해질 손실이 적을 뿐만 아니라, 출력 밀도가 높고 장치가 간단해서 모듈화가 가능하다는 점을 이용하여 자동차의 동력원으로 응용하기 위한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다.
현재 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, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하는 열관리 시스템 등을 포함한다.
이러한 연료전지 시스템의 경우 연료전지의 효율이 대략 50% 정도로 출력만큼의 에너지가 열로 방출되어 연료전지의 사용 중에 고열이 발생되며, 연료전지의 수명과 성능을 유지하고 가장 안정된 출력상태를 얻기 위해서는 고분자 전해질 연료 전지의 경우 그 온도를 대략 25℃(상온)에서 80℃ 이내의 온도범위에서 유지해야한다.
그러나, 종래 연료전지 차량용 열관리 시스템의 경우 개별 부품 별로 개발이 진행되고 있지만, 차량용 열관리계 시스템 운전 중 냉시동시, 전도도/난방 불필요시, 정산 운전시 중 선택적으로 냉각수 공급을 할 수 없다는 문제점이 끊임없이 재기되고 있다.
공개특허공보 제10-2010-0042187 (2010. 04. 23.)
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 보다 상세하게는, 차량용 냉각계(TMS : Thermal management system)의 스택에 저온의 냉각수 유입을 방지하도록 엔드 플레이트에 순환루프를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 냉각수 유로관에 라디에이터와 펌프 및 스택이 구성되는 차량용 열관리계 시스템에 있어서, 상기 스택의 분리판과 접합되는 복수의 엔드 플레이트; 상기 스택 내부에 저온의 냉각수 유입을 방지하기 위해, 상기 복수의 엔드 플레이트 내부에 상기 냉각수를 유로하는 제1 순환루프; 상기 냉각수의 전기 전도도 유지를 위한 이온필터; 및 상기 이온필터의 내부에 상기 냉각수를 유로하는 제2 순환루프를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 열관리계 시스템을 제공한다.
상기 냉각수의 온도에 따라 상기 유로관의 개폐를 결정하는 4방 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 4방 밸브는 상기 차량용 열관리계 시스템에서 냉시동시, 전도도의 기준 값이 설정된 기준 값 이하거나, 난방 불필요시 또는 정상 운전시 중 선택된 하나 이상의 운전 조건에 따라 선택적으로 개폐될 수 있다.
상기 4방 밸브는 바이패스 유로관으로부터 유로되는 상기 냉각수를 차단하는 제1 유입구; 상기 제2 순환루프로부터 유로되는 상기 냉각수를 차단하는 제2 유입구; 및 상기 유로관으로부터 유로되는 상기 냉각수를 차단하는 제3 유입구를 포함할 수 있다.
상기 4방 밸브는 상기 제2 유입구를 오픈(OPEN)하고, 상기 제1, 제3 유입구를 선택적으로 개폐하여 상기 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.
상기 제1 순환루프는 냉시동이 이루어질 경우, 히터의 냉각을 위해 상기 엔드 플레이트의 내부로 상기 냉각수를 유로시켜 냉시동의 시간을 감소시킬 수 있다.
상기 제2 순환루프는 냉시동이 이루어질 경우, 상기 4방 밸브의 개폐에 의해 상기 이온필터와 공조 열교환기의 상기 냉각수 순환을 통해 전도도 관리 및 상기 냉각수로부터 난방을 수행할 수 있다.
상기 제2 순환루프는 상기 냉각수의 전도도 기준 값이 설정된 값 이하이거나, 실내 난방이 불필요할 경우, 상기 냉각수의 유로를 차단하여, 상기 냉각수의 온도 저하 방지, 연비 및 상기 펌프로부터 소모되는 동력을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 차량용 열관리계 시스템은, 운전 조건에 따라 4방 밸브에 의해 냉각수를 선택적으로 차단이 가능하고, 엔드 플레이트 내부에 냉각수를 유로하는 제1 순환루프를 구비하여, 스택에 저온의 냉각수 유입을 방지하여 셀 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 열관리계 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 도면번호는 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 도면번호를 사용하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
본 발명은 차량용 열관리계 시스템에 관한 것으로서, 유로관에 유로되는 냉각수를 4방 밸브에 의해 선택적으로 개폐하여, 스택에 냉각수를 유로하는 제1 순환루프 또는 이온필터에 냉각수를 유로하는 제2 순환루프에 공급되는 냉각수의 유량 및 온도뿐만 아니라 전기 전도도를 적정하게 제어할 수 있도록 구성되는 것에 주된 특징이 있는 것이다.
즉, 상기 4방 밸브에 의해 유로관에 유로되는 냉각수를 운전 조건(냉시동시, 전도도의 기준 값이 설정된 기준 값 이하거나, 난방 불필요시 또는 정상 운전시)에 따라 제1 순환루프 또는 제2 순환루프에 유로되는 냉각수를 차단하여 유로관의 루프 개선 효과를 기대할 수 있도록 한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 열관리계 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 차량용 열관리계 시스템(100)은 유로관(110), 라디에이터(120), 펌프(130), 히터(140), 스택(200), 공조 열교환기(300), 이온필터(310), 제2 순환루프(320), 4방 밸브(400)를 포함한다.
여기서, 상기 스택(200)은 분리판과 접합되는 복수의 엔드 플레이트(210)와, 상기 스택(200) 내부에 저온의 냉각수 유입을 방지하기 위해, 상기 복수의 엔드 플레이트(210)의 내부에 냉각수를 유로하는 제1 순환루프(220)를 포함한다.
또한, 상기 4방 밸브(400)는 상기 유로관(110)에 유로되는 냉각수를 선택적으로 차단 또는 개방시키는 제1 유입구(410), 제2 유입구(420), 제3 유입구(430)를 포함한다.
상기 라디에이터(120)는 냉각수와 외기의 열교환을 위한 장치이다.
도면에는 도시되어 있지 않지만, 상기 라디에이터(120)는 외기의 열교환을 위해 라디에이터 팬(미도시)가 구비될 수 있다.
상기 스택(200)은 수소와 산소의 화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 기능을 수행할 수 있다.
이를 위해, 상기 스택(200)은 연료 전지 모듈(미도시)이 구비되며, 연료 전지 모듈은 크게, 전기화학 반응을 일으키는 전극막(미도시), 전기화학 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막의 접합체인 전극 전해질 접합체(미도시), 이를 지지하는 상기 엔드 플레이트(210)로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 스택(200)은 일정 온도 이하에서 장시간 작동하게 되면 내구성이 떨어지게 되므로 냉시동시 유로 결빙 현상이 발생할 수 있다.
이에 따라, 상기 스택(200)은 분리판과 접합되는 상기 복수의 엔드 플레이트(210)를 구비하고, 상기 복수의 엔드 플레이트(210)의 내부에 냉각수를 유로하는 제1 순환루프(220)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 순환루프(220)는 냉시동시 상기 스택(200)으로 저온의 냉각수가 유입되는 것을 방지하기 위한 루프이다.
또한, 상기 스택(200)은 냉시동시 상기 엔드 플레이트(210)의 온도가 저하되어 상기 스택(200)의 셀 성능이 저하되는 경우, 상기 4방 밸브(400)로부터 상기 제2 유입구(420)를 개방하고, 상기 제1, 제3 유입구(410, 430) 중 선택된 어느 하나 이상을 차단될 수 있다.
상기 제1 순환루프(220)는 상기 4방 밸브(400)의 상기 제1, 제3 유입구(410, 430)가 차단되면, 상기 제1 순환루프(220)에 냉각수가 유로되어, 상기 엔드 플레이트(210)를 급속으로 승온시킬 수 있다.
상기 이온필터(310)는 냉각수의 전기 전도도가 일정 수준 이상 상승하게 되면, 상기 제2 순환루프(320)를 따라 누설 전류가 발생하는 것을 방지하는 장치이다.
상기 제2 순환루프(320)는 상기 4방 밸브(400)에 의해 상기 제1, 제3 유입구(410, 430)를 차단되면, 상기 제2 순환루프(320)에 냉각수가 유로되어, 상기 이온필터(310)의 전도도 관리 및/또는 상기 공조 열교환기(300)로부터 냉각수를 이용하여 실내 난방을 수행할 수 있다.
상기 제2 순환루프(320)는 운전 조건에서 전도도 기준 값이 이하거나, 난방이 불필요한 경우, 상기 4방 밸브(400)에 의해 상기 제2 유입구(220)가 차단될 수 있다.
즉, 냉각수 전기 전도도 값이 기준 값 이하일 경우, 상기 이온필터(310)로 유로되는 냉각수를 차단하여 상기 이온필터(310)의 수명을 연장시킬 수 있다.
상기 4방 밸브(400)는 운전 조건(냉시동시, 전도도의 기준 값이 설정된 기준 값 이하거나, 난방 불필요시 또는 정상 운전시)에 따라 상기 제1, 제2, 제3 유입구(410, 420, 430)를 선택적으로 개폐할 수 있다.
즉, 상기 4방 밸브(400)는 상기 운전 조건에서 냉시동시, 상기 제, 제3 유입구(410, 430)를 차단한다. 이는, 상기 엔드 플레이트(210)의 상기 제1 순환루프(220)에 의해 저온의 냉각수를 유로시켜, 상기 스택(200)의 내부로 저온의 냉각수의 유로를 차단할 수 있다.
상기 4방 밸브(400)는 상기 제1, 제3 유입구(410, 430)를 차단함에 따라 상기 펌프(130), 상기 히터(140), 상기 스택(200)의 순서로 이어지는 직렬 구조의 냉시동시 상기 스택(200)의 부하 소모를 상기 히터(140)가 수행할 수 있다.
여기서, 상기 히터(140)의 냉각을 위한 냉각수 순환은 상기 제1 순환루프(220)에 냉각수를 유로시켜, 상기 스택(200)의 내부로 저온의 냉각수가 유로되는 것을 차단하여 냉시동을 수행할 수 있다.
이어서, 상기 4방 밸브(400)는 실내 난방이 필요로 하지 않는 계절에 따라 상기 제2 유입구(220)를 차단하여, 냉각수의 온도가 저하되는 것을 방지하고, 차량의 연비 및 상기 펌프(130)로부터 소모되는 동력을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 4방 밸브(400)는 운전 조건에서 정상 운전시, 상기 제1, 제3 유입구(410, 430) 중 선택된 어느 하나 이상을 차단하여 냉각수 온도 조절 및/또는 전기 전도도 기준 값을 이상으로 상승시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 차량용 열관리계 시스템(100)은 상기 4방 밸브(200)의 제1, 제2, 제3 유입구(410, 420, 430)를 선택적으로 개폐시켜, 운전 조건(냉시동시, 전도도의 기준 값이 설정된 기준 값 이하거나, 난방 불필요시 또는 정상 운전시)에 따라 상기 제1, 제2 순환루프(220, 320)에 유로되는 냉각수의 흐름을 제어하여, 상기 이온필터의 수명 연장 및/또는 상기 냉각수이 온도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 차량용 열관계 시스템(100)은 상기 스택(200)의 분리판과 접합되는 상기 복수의 엔드 플레이트(210)에 상기 제1 순환루프(220)를 구비하여, 상기 스택(200)에 저온의 냉각수의 유입을 방지하여, 셀 성능을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같은 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
100 : 차량용 열관리계 시스템
110 : 유로관 111 : 바이패스 유로관
120 : 라디에이터 130 : 펌프
140 : 히터 200 : 스택
210 : 엔드 플레이트 220 : 제1 순환루프
300 : 공조 열교환기 310 : 이온필터
320 : 제2 순환루프 400 : 4방 밸브
410 : 제1 유입구 420 : 제2 유입구
430 : 제3 유입구

Claims (8)

  1. 냉각수 유로관에 라디에이터와 펌프 및 스택이 구성되는 차량용 열관리계 시스템에 있어서,
    상기 스택의 분리판과 접합되는 복수의 엔드 플레이트;
    상기 스택 내부에 저온의 냉각수 유입을 방지하기 위해, 상기 복수의 엔드 플레이트 내부에 상기 냉각수가 흐르는 제1 순환루프;
    상기 엔드플레이트로 상기 냉각수가 유입되는 경로에 위치하며, 상기 냉각수를 승온시키는 히터; 및
    상기 냉각수의 온도에 따라 상기 냉각수 유로관의 개폐를 제어하는 밸브를 더 포함하며,
    상기 제1 순환루프에 흐르는 상기 냉각수는 상기 펌프에서 상기 스택으로 유입되는 냉각수 유로관에서 분기되어 상기 엔드 플레이트 내부로 유입되며, 상기 엔드 플레이트로부터 배출되는 냉각수는 상기 밸브에서 상기 펌프로 유입되어 상기 펌프에서 상기 스택으로 유입되는 냉각수 유로관에 합류되는,
    차량용 열관리계 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각수의 전기 전도도 유지를 위한 이온필터; 및
    상기 이온필터의 내부에 상기 냉각수를 유로하는 제2 순환루프;
    를 더 포함하는,
    차량용 열관리계 시스템.
  3. 청구항2에 있어서,
    상기 밸브는,
    상기 차량용 열관리계 시스템에서 냉시동시, 상기 전기 전도도의 기준 값이 설정된 기준 값 이하거나, 공조 열교환기에 의한 차량의 실내 난방이 수행되지 않을 경우 또는 정상 운전시 중 선택된 하나 이상의 운전 조건에 따라 선택적으로 개폐되는 것을 특징으로 하는, 차량용 열관리계 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 밸브는,
    바이패스 유로관으로부터 유로되는 상기 냉각수를 차단하는 제1 유입구;
    상기 제2 순환루프로부터 유로되는 상기 냉각수를 차단하는 제2 유입구; 및
    상기 유로관으로부터 유로되는 상기 냉각수를 차단하는 제3 유입구;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 열관리계 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 밸브는,
    상기 제2 유입구를 오픈(OPEN)하고, 상기 제1, 제3 유입구를 선택적으로 개폐하여 상기 냉각수의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는, 차량용 열관리계 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 순환루프는,
    냉시동이 이루어질 경우, 히터의 냉각을 위해 상기 엔드 플레이트의 내부로 상기 냉각수를 유로시켜 냉시동의 시간을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 차량용 열관리계 시스템.
  7. 청구항 2항에 있어서,
    상기 제2 순환루프는,
    냉시동이 이루어질 경우, 상기 밸브의 개폐에 의해 상기 이온필터와 공조 열교환기의 상기 냉각수의 순환을 통해 전도도 관리 및 상기 냉각수로부터 난방을 수행하는 것을 특징으로 하는, 차량용 열관리계 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 순환루프는,
    상기 냉각수의 전도도 기준 값이 설정된 값 이하이거나, 공조 열교환기에 의한 차량의 실내 난방이 수행되지 않을 경우, 상기 냉각수의 유로를 차단하여, 상기 냉각수의 온도 저하 방지, 연비 및 상기 펌프로부터 소모되는 동력을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 차량용 열관리계 시스템.
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