KR102042497B1 - 연료전지 차량용 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 냉각장치에 관한 것으로, 연료전지 스택부와, 냉각수가 연료전지 스택부를 통과하여 순환되도록 유도하는 냉각관부와, 냉각관부에 형성되고 냉각수의 금속이온을 제거하는 이온필터부와, 냉각관부에 양단부가 연결되고 이온필터부를 우회하는 우회관부와, 이온필터부의 이온전도도를 감지하여 우회관부를 통과하는 냉각수량을 컨트롤하는 조절부를 포함하여, 유동 저항을 최소화할 수 있다.

Description

연료전지 차량용 냉각장치{COOLING DEVICE FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 차량용 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 내부를 순환하는 냉각수의 이온전도도를 일정하게 유지하여 연료전지 스택의 내구성을 확보하는 연료전지 차량용 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 시스템은 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시키는 시스템이다.
예를 들면, 상기 연료전지 시스템은 고순도의 수소가 수소저장탱크로부터 연료전지의 연료극으로 운전 중 공급되고, 공기 블로워와 같은 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 공기극으로 공급되며, 이렇게 연료전지 스택으로 공급된 산소가 연료극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리됨과 더불어 이때의 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 공기극으로 넘어가게 되고, 계속해서 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기 에너지를 발생시키는 시스템으로 이루어진다.
이러한 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 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
열 및 물 관리 시스템은 이온필터를 포함하며, 이때의 이온필터는 연료전지의 수명 연장 및 연료전지 시스템의 안정을 위하여 연료 전지 스택을 순환하고 나온 냉각수로부터 금속이온을 제거하는 역할을 한다.
즉, 연료전지 차량의 이온필터는 스택 냉각수 루프상에 위치하여, 연료전지 스택 내부의 전기쇼크를 방지하기 위해 이온 필터링을 통한 시스템의 전기안정성을 확보하는 역할을 하게 된다.
예를 들면, 카트리지 내부에 이온수지를 장착하여, 스택 냉각수 내에 존재하는 양이온/음이온에 의해 증가하는 이온전도도를 일정 기준 이하로 제거 및 관리하며, 이에 따라 차량의 절연안정성을 높이는 역할을 하게 된다.
따라서, 이온필터의 내부에는 냉각수에 함유된 이온을 실질적으로 여과해 주는 미립자 형태의 이온수지가 내장되며, 연료전지 스택을 순환하고 나온 냉각수는 이온필터로 들어가 그 내부의 이온수지에 의하여 금속 이온이 제거된 후, 다시 연료전지 스택으로 순환되므로, 스택 냉각수 내의 이온 정도, 즉 이온전도도가 적절히 제어될 수 있게 된다.
한편, 이온필터를 통과하면서 냉각수의 유동 저항이 커지기 때문에, 종래에는 이온필터가 내장된 이동관 외에 별도의 바이패스관을 설치하여 냉각수를 순환시킴으로써 유동 저항을 감소시키고 있다. 이에 따라, 대부분의 냉각수가 이온필터를 통과하지 않아 이온필터의 효과가 저하되고, 이온제거시간이 지연되는 문제점이 있다. 따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1428413호(2014.08.01 등록, 발명의 명칭 : 연료전지 차량의 이온필터 교체시기 감지장치)에 게시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 연료전지 내부를 순환하는 냉각수의 이온전도도를 일정하게 유지하여 연료전지 스택의 내구성을 확보하는 연료전지 차량용 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각장치는: 연료전지 스택부; 냉각수가 상기 연료전지 스택부를 통과하여 순환되도록 유도하는 냉각관부; 상기 냉각관부에 형성되고, 냉각수의 금속이온을 제거하는 이온필터부; 상기 냉각관부에 양단부가 연결되고, 상기 이온필터부를 우회하는 우회관부; 및 상기 이온필터부의 이온전도도를 감지하여 상기 우회관부를 통과하는 냉각수량을 컨트롤하는 조절부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각관부는 상기 이온필터부가 형성되고, 상기 연료전지 스택부를 통과하여 순환되도록 유도하는 냉각주배관부; 상기 냉각주배관부에 양단부가 연결되고, 상기 연료전지 스택부를 우회하는 냉각보조배관부; 및 상기 냉각주배관부와 상기 냉각보조배관부 중 어느 하나 이상으로 냉각수를 안내하는 냉각밸브부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 조절부는 상기 이온필터부와 상기 냉각관부 중 어느 하나 이상에 장착되어 냉각수의 이온전도도를 감지하는 조절감지부; 상기 조절감지부의 감지신호를 수신하는 조절제어부; 및 상기 조절제어부의 제어로 상기 우회관부를 개폐하는 조절밸브부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 조절감지부는 상기 이온필터부에 장착되어 상기 이온필터부의 전류를 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 이온필터부의 이온전도도가 설정값 보다 높은 경우, 상기 조절밸브부는 상기 우회관부를 폐쇄하고, 상기 이온필터부의 이온전도도가 설정값 보다 낮은 경우, 상기 조절밸브부는 상기 우회관부를 개방하는 것을 특징으로 한다.
상기 조절부는 상기 조절제어부에 전원을 공급하는 조절배터리부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 조절부는 상기 조절제어부에서 수신한 상기 조절감지부의 감지신호를 외부장비로 전송하는 조절전송부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각장치는 연료전지 스택부에 대한 냉각을 실시하면서 냉각수에서의 이온전도도에 따라 이온필터부를 통과하는 냉각수량을 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각장치는 냉각수의 이온전도도에 따른 이온필터부 통과량이 조절됨으로써, 유동저항을 최소화하고, 이온전도도를 신속하게 낮출 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각장치는 별도의 제어시스템 없이 이온필터부에서 발생되는 전류의 크기에 따라 유량 조절이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 냉각장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서 엔진 시동 초기 냉각수 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에서 엔진 시동 후 연료전지 스택부를 냉각하기 위한 냉각수 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에서 우회관부가 폐쇄되어 이온필터부를 통과하는 냉각수 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에서 우회관부가 개방되어 우회관부를 통과하는 냉각수 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각장치의 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 냉각장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 냉각장치(1)는 연료전지 스택부(10)와, 냉각관부(20)와, 이온필터부(30)와, 우회관부(40)와, 조절부(50)를 포함한다.
연료전지 스택부(10)는 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시킨다. 이러한 연료전지 스택부(10)에는 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치와, 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치가 구비될 수 있다.
냉각관부(20)는 냉각수가 연료전지 스택부(10)를 통과하여 순환되도록 유도한다. 일 예로, 냉각수는 연료전지 스택부(10)를 통과하면서 연료전지 스택부(10)를 냉각시키고, 가열된 냉각수는 열교환을 통해 냉각된 후 연료전지 스택부(10)로 재투입될 수 있다.
이온필터부(30)는 냉각관부(20)에 형성되고, 냉각수의 금속이온을 제거한다. 일 예로, 이온필터부(30)에는 냉각수에 함유된 이온을 실질적으로 여과해 주는 미립자 형태의 이온수지가 내장되며, 연료전지 스택부(10)를 순환하고 나온 냉각수가 이온필터부(30)를 통과하면서 금속이온이 제거된 후 다시 연료전지 스택부(10)로 재공급되므로, 이온전도도가 일정하게 제어될 수 있다.
우회관부(40)는 냉각관부(20)에 양단부가 연결되고, 이온필터부(30)를 우회한다. 이러한 우회관부(40)는 냉각수가 이온필터부(30)를 우회하여 이동되도록 유도할 수 있다.
조절부(50)는 이온필터부(30)의 이온전도도를 감지하여 우회관부(40)를 통과하는 냉각수량을 컨트롤한다.
따라서, 이온필터부(30)의 이온전도도에 따라 우회관부(40)의 통과 면적이 조절되고, 이에 대응되어 이온필터부(30)를 통과하는 냉각수량이 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각관부(20)는 냉각주배관부(21)와, 냉각보조배관부(22)와, 냉각밸브부(23)를 포함한다.
냉각주배관부(21)는 냉각수가 연료전지 스택부(10)를 통과하여 순환되도록 유도한다. 이러한 냉각주배관부(21)에는 이온필터부(30)가 형성된다. 냉각보조배관부(22)는 냉각주배관부(21)에 양단부가 연결되고 연료전지 스택부(10)를 우회한다. 냉각밸브부(23)는 냉각주배관부(21)와 냉각보조배관부(22)의 연결부위에 배치되고, 냉각주배관부(21)와 냉각보조배관부(22) 중 어느 하나로 냉각수를 안내한다.
일 예로, 냉각주배관부(21)가 사각띠 형상을 하는 것으로 가정할 때, 연료전지 스택부(10)와 이온필터부(30)가 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 그리고, 연료전지 스택부(10)를 통과한 후 이온필터부(30)로 이동되도록 유도하는 냉각주배관부(21)에 열교환부(24)가 배치되어 냉각수를 냉각시킬 수 있다. 열교환부(24)와 마주보도록 배치되는 펌프부(25)는 냉각수를 강제로 이송시킬 수 있다. 한편, 냉각밸브부(23)는 냉각수 온도를 측정하고, 필요에 따라 냉각수를 냉각주배관부(21)로 유도하거나, 냉각보조배관부(22)로 유도할 수 있다. 냉각보조배관부(22)에는 내부열교환기(26)가 형성되어 냉각수를 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 조절부(50)는 조절감지부(51)와, 조절제어부(52)와, 조절밸브부(53)를 포함한다.
조절감지부(51)는 이온필터부(30)와 냉각관부(20) 중 어느 하나 이상에 장착되어 냉각수의 이온전도도를 감지한다. 조절제어부(52)는 조절감지부(51)의 감지신호를 수신하고, 우회관부(40)를 개폐하는 조절밸브부(53)를 제어한다.
일 예로, 냉각수의 이온전도도에 따라 우회관부(40)로 냉각수가 통과하기 위한 우회관부(40)의 개방면적이 달라질 수 있다. 그리고, 우회관부(40)를 통과하는 냉각수량과 이온필터부(30)를 통과하는 냉각수량은 반비례할 수 있다.
보다 구체적으로, 조절감지부(51)는 이온필터부(30)에 장착되어 이온필터부(30)의 전류를 검출하는 전극단자가 될 수 있다. 그 외, 조절감지부(51)는 냉각주배관부(21)에 하나 이상 장착되어 전류를 검출하는 전극단자가 될 수 있다.
만일, 이온필터부(30)의 이온전도도가 설정값 보다 높은 경우, 조절밸브부(53)는 우회관부(40)를 폐쇄한다. 그리고, 이온필터부(30)의 이온전도도가 설정값 보다 낮은 경우, 조절밸브부(53)는 우회관부(40)를 개방한다. 즉, 냉각수의 이온전도도에 따라 이온필터부(30)를 통과하는 냉각수의 유량을 조절할 수 있어서, 유동 저항을 최소화하고 냉각수의 이온전도도를 신속하게 낮출 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 조절부(50)는 조절배터리부(54)를 더 포함할 수 있다. 조절배터리부(54)는 조절제어부(52)에 전원을 공급한다. 이러한 조절배터리부(54)는 조절제어부(52) 구동을 위한 연료전지 스택부(10)의 에너지 소비를 차단하여 연비를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 조절부(50)는 조절전송부(55)를 더 포함할 수 있다. 조절전송부(55)는 조절제어부(52)에서 수신한 조절감지부(51)의 감지신호를 외부장비(100)로 전송한다.
일 예로, 조절전송부(55)가 외부장비(100)에 조절감지부(51)의 감지신호를 전송하면, 작업자는 이온필터부(30)의 필터 교체 시기를 판단할 수 있다.
도 2는 도 1에서 엔진 시동 초기 냉각수 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 엔진 시동 초기에 냉각밸브부(23)의 제어로 냉각수는 연료전지 스택부(10)를 통과하지 않고 냉각보조배관부(22)를 통과한다. 그 외, 냉각수가 충분하게 냉각되지 않은 경우, 냉각밸브부(23)가 냉각수의 온도를 측정하여 냉각수를 냉각보조배관부(22)로 안내할 수 있다. 냉각보조배관부(22)를 통과하는 냉각수는 내부열교환기(26)를 통해 냉각될 수 있다.
도 3은 도 1에서 엔진 시동 후 연료전지 스택부를 냉각하기 위한 냉각수 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 냉각수는 냉각주배관부(21)를 통해 연료전지 스택부(10)를 통과하면서 연료전지 스택부(10)를 냉각시킬 수 있다.
도 4는 도 1에서 우회관부가 폐쇄되어 이온필터부를 통과하는 냉각수 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 냉각수의 이온이 적어 이온전도도가 높은 경우, 냉각수는 저항값이 큰 저항으로 볼 수 있으며, 조절감지부(51)를 통해 높은 전류가 감지된다. 조절감지부(51)에서 높은 전류가 감지되면, 우회관부(40)가 폐쇄되어 이온필터부(30)를 통해 다량의 냉각수가 통과할 수 있다.
도 5는 도 1에서 우회관부가 개방되어 우회관부를 통과하는 냉각수 흐름을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 냉각수의 이온이 많아서 이온전도도가 낮은 경우, 냉각수는 저항값이 작은 저항으로 볼 수 있으며, 조절감지부(51)를 통해 낮은 전류가 감지되거나 전류 감지가 이루어지지 않는다. 이러한 경우, 우회관부(40)는 개방되어 이온필터부(30)를 통해 소량의 냉각수가 통과할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 냉각장치(1)는 연료전지 스택부(10)에 대한 냉각을 실시하면서 냉각수에서의 이온전도도에 따라 이온필터부(30)를 통과하는 냉각수량을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 냉각장치(1)는 냉각수의 이온전도도에 따른 이온필터부(30) 통과량이 조절됨으로써, 유동저항을 최소화하고, 이온전도도를 신속하게 낮출 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 냉각장치(1)는 별도의 제어시스템 없이 이온필터부(30)에서 발생되는 전류의 크기에 따라 유량 조절이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 연료전지 스택부 20 : 냉각관부
21 : 냉각주배관부 22 : 냉각보조배관부
23 : 냉각밸브부 30 : 이온필터부
40 : 우회관부 50 : 조절부
51 : 조절감지부 52 : 조절제어부
53 : 조절밸브부 54 : 조절배터리부
55 : 조절전송부 100 : 외부장비

Claims (7)

  1. 연료전지 스택부;
    냉각수가 상기 연료전지 스택부를 통과하여 순환되도록 유도하는 냉각관부;
    상기 냉각관부에 형성되고, 냉각수의 금속이온을 제거하는 이온필터부;
    상기 냉각관부에 양단부가 연결되고, 상기 이온필터부를 우회하는 우회관부; 및
    상기 이온필터부의 이온전도도를 감지하여 상기 우회관부를 통과하는 냉각수량을 컨트롤하는 조절부;를 포함하고,
    상기 냉각관부는
    상기 이온필터부가 형성되고, 상기 연료전지 스택부를 통과하여 순환되도록 유도하는 냉각주배관부;
    상기 냉각주배관부에 양단부가 연결되고, 상기 연료전지 스택부를 우회하는 냉각보조배관부; 및
    상기 냉각주배관부와 상기 냉각보조배관부 중 어느 하나 이상으로 냉각수를 안내하는 냉각밸브부;를 포함하며,
    상기 조절부는
    상기 이온필터부에 장착되어 상기 이온필터부의 전류를 검출하는 조절감지부;
    상기 조절감지부의 감지신호를 수신하는 조절제어부;
    상기 조절제어부의 제어로 상기 우회관부를 개폐하는 조절밸브부; 및
    상기 조절제어부에 전원을 공급하는 조절배터리부;를 포함하고,
    상기 이온필터부의 이온전도도가 설정값 보다 높은 경우, 상기 조절감지부는 전류를 감지하여 상기 조절밸브부는 상기 우회관부를 폐쇄하며,
    상기 이온필터부의 이온전도도가 설정값 보다 낮은 경우, 상기 조절감지부는 전류를 감지하지 못하고 상기 조절밸브부는 상기 우회관부를 개방하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 상기 조절부는
    상기 조절제어부에서 수신한 상기 조절감지부의 감지신호를 외부장비로 전송하는 조절전송부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각장치.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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