KR102335981B1 - Radiator and thermal management system for fuel cell vehicle having the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 라디에이터에 관한 것으로서, 냉각수가 유입되는 유입구를 구비하는 제1 탱크; 상기 냉각수가 배출되는 제1 배출구를 구비하며, 상기 제1 탱크와 미리 정해진 간격만큼 이격되어 배치되는 제2 탱크; 상기 냉각수가 배출되는 제2 배출구를 구비하며, 상기 제1 탱크와 상기 제2 탱크 사이에 배치되는 제3 탱크; 상기 제1 탱크에 수용된 냉각수를 상기 제3 탱크에 전달 가능하도록 상기 제1 탱크와 상기 제3 탱크를 연결하는 복수의 제1 튜브들을 구비하는 제1 열교환 유닛; 상기 제3 탱크에 수용된 냉각수를 상기 제2 탱크에 전달 가능하도록 상기 제3 탱크와 상기 제2 탱크를 연결하는 복수의 제2 튜브들을 구비하는 제2 열교환 유닛; 및 상기 제2 튜브들이 내부 공간에 수용되도록 마련되는 케이스와, 상기 제2 튜브들의 적어도 일부분을 감싸도록 상기 내부 공간에 충전되는 상변화 물질을 구비하는 흡열 유닛을 포함한다.The present invention relates to a radiator, comprising: a first tank having an inlet through which coolant is introduced; a second tank having a first outlet through which the cooling water is discharged, the second tank being spaced apart from the first tank by a predetermined interval; a third tank having a second outlet through which the coolant is discharged and disposed between the first tank and the second tank; a first heat exchange unit including a plurality of first tubes connecting the first tank and the third tank to transmit the coolant contained in the first tank to the third tank; a second heat exchange unit including a plurality of second tubes connecting the third tank and the second tank to transmit the coolant contained in the third tank to the second tank; and a heat absorbing unit including a case in which the second tubes are accommodated in the inner space, and a phase change material filled in the inner space to surround at least a portion of the second tubes.
Description
본 발명은 라디에이터 및 이를 포함하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a radiator and a thermal management system for a fuel cell vehicle including the same.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택(이하, '스택'이라고 함) 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.A fuel cell is a kind of power generation device that converts chemical energy of fuel into electrical energy by electrochemically reacting it within a fuel cell stack (hereinafter referred to as 'stack') without converting it into heat by combustion. It can be applied not only to supply power for driving, but also to power supply of small 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 중심으로 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: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell), which is being researched the most as a power supply source for driving a vehicle, is based on an electrolyte membrane in which hydrogen ions move Membrane Electrode Assembly (MEA) with a catalyst electrode layer attached to the electrochemical reaction, the gas diffusion layer (GDL: Gas Diffusion Layer), which evenly distributes reactive gases and transfers the generated electrical energy, reaction Gaskets and fasteners for maintaining airtightness and proper clamping pressure of gases and cooling water, and a bipolar plate for moving reactive gases and cooling water are included.
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 above-described fuel cell, hydrogen as a fuel and oxygen (air) as an oxidizing agent are respectively supplied to the anode and cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator, and hydrogen is Oxygen (air) is supplied to the cathode (also referred to as 'air electrode' 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 catalysts of the electrode layers on both sides of the electrolyte membrane, and only hydrogen ions of these selectively pass through the electrolyte membrane, which is a cation exchange membrane, The electrons are transferred to the cathode, and at the same time, electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separator, which are conductors.
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 an air supply device to generate water. At this time, due to the movement of hydrogen ions, the flow of electrons through the external conductor occurs, and a current is generated by the flow of these electrons.
한편, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 스택, 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 스택의 운전온도를 제어하는 열 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된다.On the other hand, a fuel cell system mounted on a vehicle largely includes a stack that generates electrical energy, a fuel supply device that supplies fuel (hydrogen) to the stack, an air supply device that supplies oxygen in the air, which is an oxidizer required for electrochemical reaction, to the stack, It consists of a Thermal Management System (TMS) that removes the reaction heat of the stack to the outside of the system and controls the operating temperature of the stack.
주지된 바와 같이 열 관리 시스템은, 스택을 냉각 가능한 냉각수가 순환하는 TMS 라인과, TMS 라인 상에 설치되어 냉각수의 열을 외부로 방출하는 라디에이터 등을 구비할 수 있다. 그런데, 연료전지 시스템의 반응열은 내연기관 시스템의 발열량에 비해 상대적으로 크므로, 연료전지 시스템의 라디에이터는 내연기관 시스템의 라디에이터에 비해 상대적으로 큰 방열 성능이 요구된다.As is well known, the thermal management system may include a TMS line through which the cooling water capable of cooling the stack circulates, and a radiator installed on the TMS line to discharge the heat of the cooling water to the outside. However, since the heat of reaction of the fuel cell system is relatively large compared to the calorific value of the internal combustion engine system, the radiator of the fuel cell system requires relatively large heat dissipation performance compared to the radiator of the internal combustion engine system.
일반적으로 라디에이터의 방열 성능은 방열 면적에 비례한다. 하지만, 종래의 연료전지 시스템은 설치 공간 기타 설치 환경 상 제약으로 인해 라디에이터의 방열 면적이 충분히 확보되기 어려워, 라디에이터의 방열 성능이 떨어진다는 문제점이 있다.In general, the heat dissipation performance of a radiator is proportional to the heat dissipation area. However, the conventional fuel cell system has a problem in that it is difficult to sufficiently secure a heat dissipation area of the radiator due to restrictions on installation space and other installation environments, and thus the heat dissipation performance of the radiator is deteriorated.
본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 방열 성능이 향상되도록 구조를 개선한 라디에이터 및 이를 포함하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a radiator having an improved structure to improve heat dissipation performance and a thermal management system for a fuel cell vehicle including the same in order to solve the problems of the prior art.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 라디에이터는, 냉각수가 유입되는 유입구를 구비하는 제1 탱크; 상기 냉각수가 배출되는 제1 배출구를 구비하며, 상기 제1 탱크와 미리 정해진 간격만큼 이격되어 배치되는 제2 탱크; 상기 냉각수가 배출되는 제2 배출구를 구비하며, 상기 제1 탱크와 상기 제2 탱크 사이에 배치되는 제3 탱크; 상기 제1 탱크에 수용된 냉각수를 상기 제3 탱크에 전달 가능하도록 상기 제1 탱크와 상기 제3 탱크를 연결하는 복수의 제1 튜브들을 구비하는 제1 열교환 유닛; 상기 제3 탱크에 수용된 냉각수를 상기 제2 탱크에 전달 가능하도록 상기 제3 탱크와 상기 제2 탱크를 연결하는 복수의 제2 튜브들을 구비하는 제2 열교환 유닛; 및 상기 제2 튜브들이 내부 공간에 수용되도록 마련되는 케이스와, 상기 제2 튜브들의 적어도 일부분을 감싸도록 상기 내부 공간에 충전되는 상변화 물질을 구비하는 흡열 유닛을 포함한다.A radiator according to an aspect of the present invention for solving the above-described problems, a first tank having an inlet through which coolant is introduced; a second tank having a first outlet through which the cooling water is discharged, the second tank being spaced apart from the first tank by a predetermined interval; a third tank having a second outlet through which the coolant is discharged and disposed between the first tank and the second tank; a first heat exchange unit including a plurality of first tubes connecting the first tank and the third tank to transmit the coolant contained in the first tank to the third tank; a second heat exchange unit including a plurality of second tubes connecting the third tank and the second tank to transmit the coolant contained in the third tank to the second tank; and a heat absorbing unit including a case in which the second tubes are accommodated in the inner space, and a phase change material filled in the inner space to surround at least a portion of the second tubes.
바람직하게, 상기 제1 열교환 유닛은, 상기 제1 튜브들로부터 각각 연장 형성되는 복수의 제1 방열핀들을 더 구비하다.Preferably, the first heat exchange unit further includes a plurality of first heat dissipation fins respectively extending from the first tubes.
바람직하게, 상기 제2 열교환 유닛은, 적어도 일부분이 상기 상변화 물질에 의해 감싸지도록 상기 제2 튜브들로부터 각각 연장 형성되는 복수의 제2 방열핀들을 더 구비한다.Preferably, the second heat exchange unit further includes a plurality of second heat dissipation fins each extending from the second tubes so that at least a portion thereof is surrounded by the phase change material.
바람직하게, 상기 상변화 물질은, 녹는 점이 상기 냉각수의 녹는 점에 비해 높고 상기 냉각수의 끓는 점에 비해 낮은 적어도 하나의 소재로 구성된다.Preferably, the phase change material is composed of at least one material having a melting point higher than the melting point of the cooling water and lower than the boiling point of the cooling water.
바람직하게, 상기 상변화 물질은, 단위 무게당 축열량이 상기 냉각수의 비열에 비해 높은 적어도 하나의 소재로 구성된다.Preferably, the phase change material is composed of at least one material having a high heat storage amount per unit weight compared to the specific heat of the cooling water.
바람직하게, 상기 제1 열교환 유닛은, 공기가 통과되는 공기 유동 경로 상에 배치되고, 상기 제2 열교환 유닛은, 상기 공기 유동 경로로부터 이격되어 배치된다.Preferably, the first heat exchange unit is disposed on an air flow path through which air passes, and the second heat exchange unit is disposed spaced apart from the air flow path.
바람직하게, 상기 제1 열교환 유닛은, 차체의 프론트 엔드 모듈에 상기 공기가 통과될 수 있도록 형성된 개구부에 배치되고, 상기 제2 열교환 유닛은, 상기 개구부로부터 이격되도록 상기 개구부의 주변부에 배치된다.Preferably, the first heat exchange unit is disposed in an opening formed to allow the air to pass through the front end module of the vehicle body, and the second heat exchange unit is disposed in a periphery of the opening to be spaced apart from the opening.
바람직하게, 상기 케이스는 상기 주변부에 고정된다.Preferably, the case is secured to the periphery.
바람직하게, 상기 제1 배출구와 상기 제2 배출구를 각각 선택적으로 개폐 가능한 적어도 하나의 개폐 밸브를 더 포함한다.Preferably, it further includes at least one on-off valve capable of selectively opening and closing the first outlet and the second outlet, respectively.
바람직하게, 상기 제1 튜브들과 상기 제2 튜브들은, 서로 엇갈리게 배치된다.Preferably, the first tubes and the second tubes are alternately arranged.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 양상에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템은, 연료전지 스택을 통과한 냉각수를 상술한 본 발명의 일 양상에 따른 라디에이터를 이용해 냉각하기 위한 연료전지 차량용 열 관리 시스템에 있어서, 상기 냉각수가 통과될 수 있도록 상기 스택이 배치되고, 일단은 상기 유입구와 연결되며, 타단은 상기 제1 배출구와 연결되는 메인 라인; 일단은 상기 제2 배출구와 연결되고, 타단은 상기 제1 배출구와 상기 스택 사이에 위치하는 상기 메인 라인의 제1 지점과 연결되는 제1 바이패스 라인; 및 상기 제1 배출구와 상기 제2 배출구를 각각 선택적으로 개폐 가능한 개폐 유닛을 포함한다.A thermal management system for a fuel cell vehicle according to another aspect of the present invention for solving the above-described problems is a heat management system for a fuel cell vehicle for cooling coolant that has passed through a fuel cell stack using the radiator according to the above-described aspect of the present invention. A management system, comprising: a main line in which the stack is disposed so that the coolant passes through, one end connected to the inlet and the other end connected to the first outlet; a first bypass line having one end connected to the second outlet and the other end connected to a first point of the main line positioned between the first outlet and the stack; and an opening/closing unit capable of selectively opening and closing the first outlet and the second outlet, respectively.
바람직하게, 상기 개폐 유닛은, 상기 제1 지점에 설치되며 상기 제1 배출구와 상기 제2 배출구를 각각 선택적으로 개폐 가능한 제1 개폐 밸브를 구비한다.Preferably, the opening/closing unit includes a first opening/closing valve installed at the first point and capable of selectively opening and closing the first outlet and the second outlet, respectively.
바람직하게, 상기 제1 개폐 밸브는, 상기 제1 배출구에서 배출된 냉각수가 선택적으로 유입되도록 상기 메인 라인과 연결되는 제1 포트와, 상기 제2 배출구에서 배출된 냉각수가 선택적으로 유입되도록 상기 제1 바이패스 라인과 연결되는 제2 포트와, 상기 제1 포트와 상기 제2 포트를 통해 유입된 냉각수가 배출되도록 상기 메인 라인과 연결되는 제3 포트를 구비한다.Preferably, the first opening/closing valve includes a first port connected to the main line so that the coolant discharged from the first outlet selectively flows in, and the first port connected to the main line so that the coolant discharged from the second outlet selectively flows in. a second port connected to a bypass line; and a third port connected to the main line so that the coolant introduced through the first port and the second port is discharged.
바람직하게, 일단은 상기 스택과 상기 유입구 사이에 위치하는 상기 메인 라인의 제2 지점과 연결되고, 타단은 상기 제1 지점과 상기 스택 사이에 위치하는 상기 메인 라인의 제3 지점과 연결되는 제2 바이패스 라인을 더 포함하며, 상기 개폐 유닛은, 상기 제2 바이패스 라인을 선택적으로 개폐 가능한 제2 개폐 밸브를 더 구비한다.Preferably, one end is connected to a second point of the main line positioned between the stack and the inlet, and the other end is connected to a third point of the main line positioned between the first point and the stack. The device further includes a bypass line, wherein the opening/closing unit further includes a second opening/closing valve capable of selectively opening and closing the second bypass line.
바람직하게, 상기 제2 개폐 밸브는, 상기 라디에이터에서 배출된 냉각수가 유입되도록 상기 메인 라인과 연결되는 제1 포트와, 상기 라디에이터 자체를 우회한 냉각수가 유입되도록 상기 제2 바이패스 라인과 연결되는 제2 포트와, 상기 제1 포트와 상기 제2 포트 중 적어도 하나를 통해 유입된 냉각수가 배출되도록 상기 메인 라인과 연결되는 제3 포트를 구비한다.Preferably, the second opening/closing valve includes a first port connected to the main line so that the coolant discharged from the radiator flows in, and a second bypass line connected to the second bypass line so that the coolant bypassing the radiator itself flows in. and a second port and a third port connected to the main line so that the coolant introduced through at least one of the first port and the second port is discharged.
바람직하게, 상기 개폐 유닛은, 상기 제1 배출구와 상기 제1 지점 사이에 위치하도록 상기 메인 라인에 설치되며 상기 제1 배출구를 선택적으로 개폐 가능한 제3 개폐 밸브와, 상기 제2 배출구와 상기 제1 지점 사이에 위치하도록 상기 제1 바이패스 라인에 설치되며 상기 제2 배출구를 선택적으로 개폐 가능한 제4 개폐 밸브를 더 구비한다Preferably, the opening/closing unit includes a third opening/closing valve installed in the main line to be positioned between the first outlet and the first point and selectively opening and closing the first outlet, the second outlet and the first and a fourth opening/closing valve installed on the first bypass line to be located between the points and capable of selectively opening and closing the second outlet.
바람직하게, 상기 개폐 유닛은, 상기 스택에 미리 정해진 온도의 냉각수를 공급할 수 있도록 상기 제1 배출구의 개도와 상기 제2 배출구의 개도를 각각 선택적으로 조절하다.Preferably, the opening/closing unit selectively adjusts the opening degree of the first outlet and the opening degree of the second outlet so as to supply cooling water of a predetermined temperature to the stack.
바람직하게, 상기 제1 지점과 상기 스택 사이에 위치하도록 상기 메인 라인에 설치되며, 상기 냉각수의 온도를 측정 가능한 온도 센서를 더 포함하고, 상기 개폐 유닛은, 상기 온도 센서에 의해 측정된 온도를 기준으로 상기 제1 배출구의 개도와 상기 제2 배출구의 개도를 각각 선택적으로 조절한다.Preferably, it is installed on the main line so as to be located between the first point and the stack, and further comprises a temperature sensor capable of measuring a temperature of the cooling water, wherein the opening/closing unit is based on the temperature measured by the temperature sensor. to selectively adjust the opening degree of the first outlet and the opening degree of the second outlet.
본 발명에 따른 라디에이터 및 이를 포함하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템은, 차체의 데드 스페이스를 상변화 물질을 흡열재로서 이용해 냉각수를 2차적으로 냉각하기 위한 공간으로 활용 가능하므로, 차체의 데드 스페이스를 줄이고 라디에이터의 방열 성능을 향상시킬 수 있다.The radiator and the thermal management system for a fuel cell vehicle including the same according to the present invention can utilize the dead space of the vehicle body as a space for secondary cooling of the coolant by using a phase change material as a heat absorbing material, thereby reducing the dead space of the vehicle body It can improve the heat dissipation performance of the radiator.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 라디에이터의 정면도.
도 3은 도 2에 도시된 라디에이터가 차체의 프론트 엔드 모듈에 장착된 상태를 나타내는 도면.
도 4는 도 3에 도시된 프론트 엔드 모듈의 정면도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 라디에이터의 정면도.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.1 is a view showing a schematic configuration of a thermal management system for a fuel cell vehicle according to a first embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a front view of the radiator shown in Fig. 1;
3 is a view illustrating a state in which the radiator shown in FIG. 2 is mounted on a front end module of a vehicle body;
Fig. 4 is a front view of the front end module shown in Fig. 3;
5 is a front view of a radiator of a thermal management system for a fuel cell vehicle according to a second embodiment of the present invention;
6 is a view showing a schematic configuration of a thermal management system for a fuel cell vehicle according to a third embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components are given the same reference numerals as much as possible even though they are indicated on different drawings. In addition, in describing the embodiment of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function interferes with the understanding of the embodiment of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In describing the components of the embodiment of the present invention, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only for distinguishing the elements from other elements, and the essence, order, or order of the elements are not limited by the terms. In addition, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.1 is a view showing a schematic configuration of a thermal management system for a fuel cell vehicle according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)은, 냉각수(C)가 순환되는 냉각수 라인(10)과, 냉각수 라인(10)을 따라 순환되는 냉각수(C)의 유동 경로를 절환하는 개폐 유닛(20)과, 연료전지 차량용 열 관리 시스템(1)의 전반적인 구동을 제어하기 위한 제어 유닛(30) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , in a
먼저, 냉각수 라인(10)은, 냉각수(C)가 순환되는 메인 라인(12)과, 냉각수(C)가 후술할 라디에이터(60)의 일부 구간을 우회할 수 있도록 마련되는 제1 바이패스 라인(14)과, 냉각수(C)가 라디에이터(60) 자체를 우회할 수 있도록 마련되는 제2 바이패스 라인(16)을 구비할 수 있다.First, the
메인 라인(12)은 냉각수(C)가 순환되는 폐루프를 구성하도록 마련된다. 이러한 메인 라인(12)에는 냉각수(C)를 펌핑하는 냉각수 펌프(40)와, 수소와 산소의 산환 환원 반응을 이용해 발전을 실시하는 연료전지 스택(이하, '스택(50)'이라고 함)과, 냉각수(C)를 냉각하는 라디에이터(60) 등이 배치될 수 있다.The
냉각수 펌프(40)는 메인 라인(12)을 순환하는 냉각수(C)를 스택(50)을 향해 펌핑하도록 마련된다. 스택(50)은 냉각수 펌프(40)에 의해 펌핑된 냉각수(C)에 의해 냉각되도록 마련되며, 냉각수(C)는 이러한 스택(50)으로부터 방출된 열에 의해 가열된다.The
라디에이터(60)는 냉각 팬(70)에 의해 차량의 외부로부터 공급된 공기(A)와 냉각수(C)의 열 교환을 통해 냉각수(C)를 냉각 가능하도록 마련된다. 이를 위하여, 메인 라인(12)의 일단은 후술할 라디에이터(60)의 유입구(61a)와 연결되고, 메인 라인(12)의 타단은 후술할 라디에이터(60)의 제1 배출구(62a)와 연결될 수 있다. 그러면, 스택(50)에서 배출된 냉각수(C)는 메인 라인(12)을 따라 유동하다가 유입구(61a)를 통해 라디에이터(60)에 유입될 수 있고, 라디에이터(60)에서 냉각된 냉각수(C)는 제1 배출구(62a)를 통해 라디에이터(60)로부터 배출된 후 메인 라인(12)에 의해 냉각수 펌프(40)에 전달될 수 있다.The
제1 바이패스 라인(14)은 라디에이터(60)로 유입된 냉각수(C)가 제1 배출구(62a) 대신 후술할 제2 배출구(63a)를 통해 배출될 수 있도록 마련된다. 이를 위하여, 제1 바이패스 라인(14)의 일단은 제2 배출구(63a)와 연결될 수 있고, 제1 바이패스 라인(14)의 타단은 제1 배출구(62a)와 스택(50) 사이에 위치하는 메인 라인(12)의 제1 지점(12a)과 연결될 수 있다. 그러면, 라디에이터(60)로 유입된 냉각수(C)는, 라디에이터(60)의 전체 구간 중 유입구(61a)와 제2 배출구(63a) 사이 구간만 통과하여 제한적으로 냉각된 후 제2 배출구(63a)를 통해 라디에이터(60)로부터 배출될 수 있다. 제2 배출구(63a)를 통해 라디에이터(60)로부터 배출된 냉각수(C)는, 제1 바이패스 라인(14)을 따라 유동하다가 메인 라인(12)을 순환 중인 냉각수(C)와 합류될 수 있다. 한편, 메인 라인(12)의 제1 지점(12a)과 스택(50) 사이에는 메인 라인(12)을 통과하는 냉각수(C)의 온도를 측정하는 온도 센서(80)가 배치될 수 있다. 이러한 온도 센서(80)는 스택(50)으로 공급되는 냉각수(C)의 온도를 측정하여 제어 유닛(30)에 전달할 수 있다.The
제2 바이패스 라인(16)은 메인 라인(12)을 따라 순환 중인 냉각수(C)가 라디에이터(60) 자체를 우회할 수 있도록 마련된다. 이를 위하여, 제2 바이패스 라인(16)의 일단은 스택(50)과 유입구(61a) 사이에 위치하는 메인 라인(12)의 제2 지점(12b)과 연결될 수 있고, 제2 바이패스 라인(16)의 타단은 제1 지점(12a)과 냉각수 펌프(40) 사이에 위치하는 메인 라인(12)의 제3 지점(12c)과 연결될 수 있다. 그러면, 스택(50)에서 배출된 냉각수(C)는 제2 바이패스 라인(16)을 통해 라디에이터(60) 자체를 우회한 후 냉각수 펌프(40)에 전달될 수 있다.The
다음으로, 개폐 유닛(20)은, 라디에이터(60)의 제1 배출구(62a)와 제2 배출구(63a)를 선택적으로 개폐 가능한 제1 개폐 밸브(22)와, 제2 바이패스 라인(16)을 선택적으로 개폐 가능한 제2 개폐 밸브(24)를 구비할 수 있다.Next, the opening/
제1 개폐 밸브(22)는 메인 라인(12)의 제1 지점(12a)에 설치될 수 있다. 제1 개폐 밸브(22)는 3개의 포트들을 구비하는 3방 밸브로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 개폐 밸브(22)는, 제1 배출구(62a)에서 배출된 냉각수(C)가 선택적으로 유입되도록 메인 라인(12)과 연결되는 제1 포트(22a)와, 제2 배출구(63a)에서 배출된 냉각수(C)가 선택적으로 유입되도록 제1 바이패스 라인(14)과 연결되는 제2 포트(22b)와, 제1 포트(22a)와 제2 포트(22b) 중 적어도 하나를 통해 유입된 냉각수(C)가 배출되도록 메인 라인(12)과 연결되는 제3 포트(22c)를 구비할 수 있다.The first opening/closing
이러한 제1 개폐 밸브(22)는 제1 포트(22a) 내지 제3 포트(22c)의 개도를 선택적으로 조절 가능한 전자식 3방 밸브로 구성되는 것이 바람직하다. 그러면, 제어 유닛(30)은, 이러한 제1 포트(22a) 내지 제3 포트(22c)를 개폐하거나 제1 포트(22a) 내지 제3 포트(22c)의 개도를 조절하여, 제1 배출구(62a)에서 배출되는 냉각수(C)의 유량과 제2 배출구(63a)에서 배출되는 냉각수(C)의 유량을 선택적으로 조절할 수 있다. 달리 말하면, 제어 유닛(30)은, 라디에이터(60)로 유입된 냉각수(C) 중 제1 배출구(62a)를 통해 배출되는 냉각수(C)의 비율과 제2 배출구(63a)를 통해 배출되는 냉각수(C)의 비율을 선택적으로 조절할 수 있다. 따라서, 제어 유닛(30)은, 온도 센서(80)에 의해 측정된 냉각수(C)의 온도를 기준으로 제1 배출구(62a)와 제2 배출구(63a)의 개폐 여부나 개도를 제어하여 스택(50)으로 공급되는 냉각수(C)의 온도를 조절할 수 있다. 이러한 냉각수(C)의 온도 조절에 대한 더욱 구체적인 내용은 후술하기로 한다.The first opening/closing
한편, 제1 개폐 밸브(22)는 전자식 3방 밸브로 구성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제1 개폐 밸브(22)는 냉각수(C)의 온도에 따라 제1 포트(22a) 내지 제3 포트(22c)가 미리 정해진 특정 온도에서만 개폐되는 thermostat식 3방 밸브로 구성될 수도 있다.On the other hand, although it has been described that the first on-off
제2 개폐 밸브(24)는 메인 라인(12)의 제3 지점(12c)에 위치하도록 설치될 수 있다. 제2 개폐 밸브(24)는 3개의 포트들을 구비하는 3방 밸브로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 개폐 밸브(24)는, 라디에이터(60)의 배출구들(62a, 63a) 중 적어도 하나를 통해 배출된 후 제1 개폐 밸브(22)를 통과한 냉각수(C)가 유입되도록 메인 라인(12)과 연결되는 제1 포트(24a)와, 라디에이터(60) 자체를 우회한 냉각수(C)가 유입되도록 제2 바이패스 라인(16)과 연결되는 제2 포트(24b)와, 제1 포트(24a)와 제2 포트(24b) 중 적어도 하나로 유입된 냉각수(C)가 배출되도록 메인 라인(12)과 연결되는 제3 포트(24c)를 구비할 수 있다.The second on-off
이러한 제2 개폐 밸브(24)는 제1 포트(24a) 내지 제3 포트(24c)의 개도를 선택적으로 조절 가능한 전자식 3방 밸브로 구성되는 것이 바람직하다. 그러면, 제어 유닛(30)은, 이러한 제1 포트(24a) 내지 제3 포트(24c)를 개폐하거나 제1 포트(24a) 내지 제3 포트(24c)의 개도를 조절하여, 스택(50)에서 배출된 냉각수(C) 중 라디에이터(60)를 통과하는 냉각수(C)의 비율과 라디에이터(60)를 통과하지 않고 우회하는 냉각수(C)의 비율을 선택적으로 조절할 수 있다.The second opening/closing
한편, 제2 개폐 밸브(24)는 전자식 3방 밸브로 구성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제2 개폐 밸브(24)는 냉각수(C)의 온도에 따라 제1 포트(24a) 내지 제3 포트(24c)가 미리 정해진 특정 온도에서만 개폐되는 thermostat 식의 3방 밸브로 구성될 수도 있다.On the other hand, although it has been described that the second on-off
도 2는 도 1에 도시된 라디에이터의 정면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 라디에이터가 차체의 프론트 엔드 모듈에 장착된 상태를 나타내는 도면이며, 도 4는 도 3에 도시된 프론트 엔드 모듈의 정면도이다.Fig. 2 is a front view of the radiator shown in Fig. 1, Fig. 3 is a view showing a state in which the radiator shown in Fig. 2 is mounted on the front end module of the vehicle body, and Fig. 4 is a front view of the front end module shown in Fig. 3 am.
전술한 라디에이터(60)는 냉각수(C)의 온도 등의 환경 조건에 따라 방열 성능을 선택적으로 조절 가능하도록 마련된다. 이를 위하여, 라디에이터(60)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 탱크(61)와, 제2 탱크(62)와, 제3 탱크(63)와, 제1 열교환 유닛(64)과, 제2 열교환 유닛(65)과, 흡열 유닛(66) 등을 구비할 수 있다.The above-described
제1 탱크(61)는, 스택(50)에서 배출된 냉각수(C)가 유입되도록 메인 라인(12)과 연결되는 유입구(61a)를 구비할 수 있다. 이러한 제1 탱크(61)의 내부 공간에는 유입구(61a)를 통해 유입된 냉각수(C)가 수용될 수 있다.The
제2 탱크(62)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 탱크(61)로부터 미리 정해진 간격만큼 이격되어 배치된다. 제2 탱크(62)의 내부 공간에는 후술할 제2 튜브들(65a)을 통해 제3 탱크(63)로부터 전달 받은 냉각수(C)가 수용될 수 있다. 이러한 제2 탱크(62)는, 내부 공간에 수용된 냉각수(C)가 배출되도록 메인 라인(12)과 연결되는 제1 배출구(62a)를 구비할 수 있다.As shown in FIG. 2 , the
제3 탱크(63)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 탱크(61)와 제2 탱크(62) 사이에 배치된다. 제3 탱크(63)는 제1 탱크(61)에 비해 제2 탱크(62)와 더 가깝도록 배치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제3 탱크(63)의 내부 공간에는 후술할 제1 튜브들(64a)을 통해 제1 탱크(61)로부터 전달 받은 냉각수(C)가 수용될 수 있다. 이러한 제3 탱크(63)는, 내부 공간에 수용된 냉각수(C)가 배출되도록 제1 바이패스 라인(14)과 연결되는 제2 배출구(63a)를 구비할 수 있다.The
제1 열교환 유닛(64)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 탱크(61)의 내부 공간에 수용된 냉각수(C)를 제3 탱크(63)의 내부 공간으로 전달 가능하도록 제1 탱크(61)와 제3 탱크(63)를 연결하는 복수의 제1 튜브들(64a)과, 제1 튜브들(64a)로부터 각각 연장 형성되는 복수의 제1 방열핀들(64b)을 구비할 수 있다.As shown in FIG. 2 , the first
제1 튜브들(64a)은 미리 정해진 일정 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 방열핀들(64b)은 각각의 제1 튜브(64a)의 외주면으로부터 연장 형성된다. 이러한 제1 튜브들(64a)과 제1 방열핀들(64b)의 구조는 통상적인 라디에이터에 구비되는 튜브 및 방열핀의 구조와 동일하므로 이에 대한 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.The
제2 열교환 유닛(65)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제3 탱크(63)의 내부 공간에 수용된 냉각수(C)를 제2 탱크(62)의 내부 공간으로 전달 가능하도록 제3 탱크(63)와 제2 탱크(62)를 연결하는 복수의 제2 튜브들(65a)과, 제2 튜브들(65a)로부터 각각 연장 형성되는 복수의 제2 방열핀들(65b)을 구비할 수 있다.As shown in FIG. 2 , the second
제2 튜브들(65a)은 미리 정해진 일정 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 튜브들(65a)의 설치 개수는 제1 튜브들(64a)의 설치 개수와 동일하거나 제1 튜브들(64a)의 설치 개수에 비해 더 많은 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제3 탱크(63)가 제1 탱크(61)에 비해 제2 탱크(62)와 더 가깝도록 배치되는 경우에, 제2 튜브들(65a)은 제1 튜브들(64a)에 비해 짧은 길이를 가질 수 있다. 제2 방열핀들(65b)은 각각의 제2 튜브(65a)의 외주면으로부터 연장 형성된다. 이러한 제2 튜브들(65a)과 제2 방열핀들(65b)의 구조는 통상적인 라디에이터에 구비되는 튜브 및 방열핀의 구조와 동일하므로 이에 대한 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.The
흡열 유닛(66)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 튜브들(65a)과 제2 방열핀들(65b)이 내부 공간에 수용되도록 마련되는 케이스(66a)와, 제2 튜브들(65a)과 제2 방열핀들(65b)의 적어도 일부분을 감싸도록 케이스(66a)의 내부 공간에 충전되는 상변화 물질(66b)(PCM, Phase Change Materials)을 구비할 수 있다.As shown in FIG. 2, the
케이스(66a)는, 제2 튜브들(65a)과, 제2 방열핀들(65b)과, 상변화 물질(66b)이 내부 공간에 수용될 수 있도록 미리 정해진 용적을 가질 수 있다. 이러한 케이스(66a)는 내부 공간이 외부로부터 격리되도록 상부는 제3 탱크(63)와 결합되고 하부는 제2 탱크(62)와 결합되는 것이 바람직하다.The
상변화 물질(66b)로서 사용 가능한 소재는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상변화 물질(66b)은, 녹는 점(℃)이 냉각수(C)의 녹는 점(℃)에 비해 높고 냉각수(C)의 끓는 점(℃)에 비해 낮음과 동시에 상변화 시의 단위 무게당 축열량(kJ/kg)이 냉각수(C)의 비열(약 4.2 kJ/kg)에 비해 높은 적어도 하나의 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 상변화 물질(66b)로서 사용 가능한 구체적인 소재의 예는 아래의 표 1과 같다.A material usable as the
축열량(kJ/kg)per unit weight
Heat storage (kJ/kg)
이러한 라디에이터(60)는 제1 열교환 유닛(64)은 공기(A)의 유동 경로 상에 배치되고 제2 열교환 유닛(65)은 이러한 공기(A)의 유동 경로로부터 이격되어 배치되도록 설치될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 라디에이터(60)는 차량의 주행 시 주행풍을 용이하게 공급받을 수 있도록 차체의 최선단에 위치하는 프론트 엔드 모듈(90)에 설치될 수 있다. 여기서, 프론트 엔드 모듈(90)은, 헤드 램프(미도시), 후드 래치(미도시), 범퍼 백빔(미도시), 경음기(미도시), 라디에이터(60) 등을 설치하기 위해 차체의 프론트 사이드 멤버(미도시)에 결합되는 지지 부재를 말한다. 라디에이터(60)는 볼트 기타 고정 부재(미도시)에 의해 이러한 프론트 엔드 모듈(90)에 고정 설치되는 것이 바람직하다.The
프론트 엔드 모듈(90)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 차량의 외부로부터 공급된 공기(A)가 통과될 수 있도록 관통 형성된 개구부(92)를 구비할 수 있다. 이를 고려하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 열교환 유닛(64)은 차량의 외부로부터 공급된 공기(A)가 제1 튜브들(64a) 사이 공간을 통과할 수 있도록 개구부(92)에 배치될 수 있고, 제2 열교환 유닛(65) 및 흡열 유닛(66)은 개구부(92)로부터 이격되도록 개구부(92)의 주변부(94)에 배치될 수 있다. 그러면, 제1 열교환 유닛(64)은 개구부(92)에 형성된 공기(A)의 유동 경로 상에 위치하게 되고, 제2 열교환 유닛(65)과 흡열 유닛(66)은 개구부(92)에 형성된 공기(A)의 유동 경로로부터 이격되어 위치하게 된다.The
이와 같이 라디에이터(60)가 마련됨에 따라, 팬(70)에 의해 차량의 외부로부터 공급된 공기(A)는 제1 튜브들(64a) 사이 공간을 통과하면서 제1 튜브들(64a)과 제1 방열핀들(64b)을 통해 제1 튜브들(64a)을 통과하는 냉각수(C)와 열교환됨으로써, 제1 튜브들(64a)을 통과하는 냉각수(C)를 냉각시킬 수 있다. 이처럼 공기(A)에 의해 냉각된 냉각수(C)는 제3 탱크(63)들의 내부 공간으로 유입되어 수용된다.As the
그런데, 제3 탱크(63)의 내부 공간에 수용된 냉각수(C)의 유동 경로는, 제1 배출구(62a)와 제2 배출구(63a)의 개폐 여부 내지는 개도에 따라 절환될 수 있다.However, the flow path of the coolant C accommodated in the inner space of the
예를 들어, 제1 개폐 밸브(22)에 의해 제2 배출구(63a)는 개방되고 제1 배출구(62a)는 폐쇄된 경우에, 제3 탱크(63)들의 내부 공간에 수용된 냉각수(C)는, 공기(A)에 의해서만 1차적으로 냉각된 상태로 제2 배출구(63a)를 통해 전량 배출되고, 제2 탱크(62)로는 전달되지 않는다.For example, when the
예를 들어, 제1 개폐 밸브(22)에 의해 제1 배출구(62a)의 적어도 일부분이 개방된 경우에는, 제3 탱크(63)의 내부 공간에 수용된 냉각수(C)의 적어도 일부는 제2 튜브들(65a)을 통해 제2 탱크(62)의 내부 공간으로 전달되고, 제3 탱크(63)의 내부 공간에 수용된 냉각수(C)의 나머지 일부분은 공기(A)에 의해서만 1차적으로 냉각된 상태로 제2 배출구(63a)를 통해 배출된다.For example, when at least a portion of the
그런데, 전술한 바와 같이 케이스(66a)의 내부 공간에는 상변화 물질(66b)이 제2 튜브들(65a)과 제2 방열핀들(65b)의 적어도 일부분을 감싸도록 배치된다. 따라서, 상변화 물질(66b)은 제2 튜브들(65a)과 제2 방열핀들(65b)을 통해 제2 튜브들(65a)을 통과하는 냉각수(C)와 열교환됨으로써, 제2 튜브들(65a)을 통과하는 냉각수(C)를 2차적으로 냉각시킬 수 있다. 즉, 상변화 시의 단위 무게 당 축열량이 상대적으로 높은 상변화 물질(66b)을 흡열재로서 이용하여 제2 튜브들(65a)을 통과하는 냉각수(C)를 냉각하는 것이다. 이처럼 상변화 물질(66b)에 의해 2차적으로 냉각된 냉각수(C)는, 제1 배출구(62a)를 통해 배출될 수 있다.However, as described above, the
종래의 라디에이터는, 튜브들과 방열핀들이 프론트 엔드 모듈의 개구부에만 제한적으로 배치됨으로써, 튜브들을 통과하는 냉각수가 공기에 의해서만 1차적으로 냉각된다. 이러한 종래의 라디에이터에 의하면, 프로트 엔드 모듈의 개구부의 주변부에는 냉각수의 냉각에 기여하지 못하는 데드 스페이스가 형성된다.In the conventional radiator, the tubes and heat dissipation fins are limitedly disposed only in the opening of the front end module, so that the coolant passing through the tubes is primarily cooled by air only. According to such a conventional radiator, a dead space that does not contribute to cooling of the coolant is formed in the periphery of the opening of the front end module.
그런데, 라디에이터(60)는, 공기(A) 대신 상변화 물질(66b)을 이용해 냉각수(C)를 2차적으로 냉각 가능하도록 마련된 제2 열교환 유닛(65) 및 흡열 유닛(66) 등을 구비하고, 이러한 제2 열교환 유닛(65) 및 흡열 유닛(66) 등이 개구부(92)의 주변부(94)에 배치되도록 설치된다. 이러한 라디에이터(60)에 의하면, 개구부(92)의 주변부(94)를 상변화 물질(66b)을 이용해 냉각수(C)를 2차적으로 냉각하기 위한 공간으로 활용 가능하므로, 프론트 엔드 모듈(90)의 데드 스페이스를 줄이고 라디에이터(60)의 방열 성능을 향상시킬 수 있다.By the way, the
이하에서는, 도 1을 참조하여, 연료전지 차량용 열 관리 시스템(1)을 이용해 스택(50)으로 공급되는 냉각수(C)의 온도를 조절하는 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of controlling the temperature of the coolant C supplied to the
제어 유닛(30)은, 온도 센서(80)에 의해 측정된 냉각수(C)의 온도가 미리 정해진 방열 온도 이상인지 여부를 판단한다. 방열 온도란, 냉각수(C)의 냉각이 필요한지 여부를 판단하기 위한 기준 온도를 말한다.The
또한, 제어 유닛(30)은, 냉각수(C)의 온도가 방열 온도 미만인 경우에, 제2 개폐 밸브의 제1 포트(24a)를 폐쇄하고 제2 포트(24b)를 개방한다. 그러면, 스택(50)에서 배출된 냉각수(C)는 제2 바이패스 라인(16)으로 유입됨으로써 라디에이터(60) 자체를 우회하게 된다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제어 유닛(30)은 냉각수(C)의 온도가 방열 온도 미만인 경우에 일부의 냉각수(C)가 라디에이터(60)로 공급될 수 있도록 제2 개폐 밸브(24)의 제1 포트(24a) 및 제2 포트(24b)의 개도를 조절할 수도 있다.Further, the
또한, 제어 유닛(30)은, 냉각수(C)의 온도가 방열 온도 이상인 경우에는, 제2 개폐 밸브의 제1 포트(24a)를 개방하고 제2 포트(24b)를 폐쇄함과 함께, 냉각수(C)의 온도에 따라 제1 개폐 밸브(22)의 제1 포트(22a)와 제2 포트(22b)의 개도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(30)은, 냉각수(C)의 온도가 높을수록 제1 포트(22a)의 개도를 높임과 동시에 제2 포트(22b)의 개도를 줄일 수 있다. 즉, 제어 유닛(30)은, 냉각수(C)의 온도가 높을수록 상변화 물질(66b)에 의해 2차적으로 냉각되는 냉각수(C)의 비율을 증가시키고, 냉각수(C)의 온도가 낮을수록 공기(A)에 의해 1차적으로만 냉각되는 냉각수(C)의 비율을 증가시키는 것이다. 이를 통해, 제어 유닛(30)은 스택(50)에 공급되는 냉각수(C)의 온도를 스택(50)의 현재 상태에 적합한 온도로 용이하게 조절할 수 있다.In addition, when the temperature of the cooling water C is equal to or higher than the heat dissipation temperature, the
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 라디에이터의 정면도이다.5 is a front view of a radiator of a thermal management system for a fuel cell vehicle according to a second embodiment of the present invention.
본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(2)은 라디에이터(60')의 구조가 일부 변경되었다는 점에서 전술한 연료전지 차량용 열 관리 시스템(1)과 차이점을 갖는다. 연료전지 차량용 열 관리 시스템들(1, 2)이 서로 동일하게 포함하는 구성들에 대해서는, 연료전지 차량용 열 관리 시스템(1)의 설명 시 사용했던 도면 부호를 그대로 사용하기로 한다.The
도 5을 참조하면, 라디에이터(60')는 제2 열교환 유닛(65')의 제2 튜브들(65a')과 제1 열교환 유닛(64)의 제1 튜브들(64a)이 서로 엇갈리게 배치되었다는 점에서 제2 튜브들(65a)과 제1 튜브들(64a)이 일직선 상에 배치되는 전술한 라디에이터(60)와 차이점을 갖는다. 이러한 라디에이터(60')에 의하면, 냉각수(C)가 라디에이터(60')에 체류하는 시간을 증가시킬 수 있으므로, 라디에이터(60')의 방열 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.Referring to FIG. 5 , the
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating a schematic configuration of a thermal management system for a fuel cell vehicle according to a third embodiment of the present invention.
본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 차량용 열 관리 시스템(3)은 개폐 유닛(20')의 구조가 일부 변경되었다는 점에서 전술한 연료전지 차량용 열 관리 시스템(1)과 차이점을 갖는다. 연료전지 차량용 열 관리 시스템들(1, 3)이 서로 동일하게 포함하는 구성들에 대해서는, 연료전지 차량용 열 관리 시스템(1)의 설명 시 사용했던 도면 부호를 그대로 사용하기로 한다.The
도 6을 참조하면, 개폐 유닛(20')은, 제1 배출구(62a)와 제1 지점(12a) 사이에 위치하도록 메인 라인(12)에 설치되며 제1 배출구(62a)를 선택적으로 개폐 가능 제3 개폐 밸브(26)와, 제2 배출구(63a)와 제1 지점(12a) 사이에 위치하도록 제1 바이패스 라인(14)에 설치되며 제2 배출구(63a)를 선택적으로 개폐 가능한 제4 개폐 밸브(28)를 구비할 수 있다. 제3 개폐 밸브(26)와 제4 개폐 밸브(28)는, 플랩 밸브로 구성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 개폐 유닛(20')은, 제3 개폐 밸브(26)와 제4 개폐 밸브(28)를 각각 이용해 제1 배출구(62a)와 제2 배출구(63a)의 개도를 조절 가능하다는 점에서, 제1 개폐 밸브(22)만을 이용해 제1 배출구(62a)와 제2 배출구(63a)의 개도를 조절 가능한 전술한 개폐 유닛(20)과 차이점을 갖는다.Referring to FIG. 6 , the opening/
한편, 제3 개폐 밸브(26)는 메인 라인(12)에 설치되고, 제4 개폐 밸브(28)는 제1 바이패스 라인에 설치되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제3 개폐 밸브(26)는 라디에이터(60)와 일체를 이루도록 제1 배출구(62a)에 직접 설치될 수도 있고, 제4 개폐 밸브(28)는 라디에이터(60)와 일체를 이루도록 제2 배출구(63a)에 직접 설치될 수도 있다.Meanwhile, although it has been described that the third on-off
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
1, 2, 3 : 연료전지 차량용 열 관리 시스템
10 : 냉각수 라인
12 : 메인 라인
14 : 제1 바이패스 라인
16 : 제2 바이패스 라인
20, 20' : 개폐 유닛
22 : 제1 개폐 밸브
24 : 제2 개폐 밸브
26 : 제3 개폐 밸브
28 : 제4 개폐 밸브
30 : 제어 유닛
40 : 냉각수 펌프
50 : 연료전지 스택
60, 60' : 라디에이터
61 : 제1 탱크
61a : 유입구
62 : 제2 탱크
62a : 제1 배출구
63 : 제3 탱크
63a : 제2 배출구
64 : 제1 열교환 유닛
64a : 제1 튜브
64b : 제1 방열핀
65, 65' : 제2 열교환 유닛
65a, 65a' : 제2 튜브
65b : 제2 방열핀
66 : 흡열 유닛
66a : 케이스
66b : 상변화 물질
70 : 팬
80 : 온도 센서
90 : 프론트 엔드 모듈
92 : 개구부
94 : 주변부
C : 냉각수
A : 공기1, 2, 3: Thermal management system for fuel cell vehicles
10: coolant line
12: main line
14: first bypass line
16: second bypass line
20, 20' : opening/closing unit
22: first on-off valve
24: second on-off valve
26: third on-off valve
28: fourth on-off valve
30: control unit
40: coolant pump
50: fuel cell stack
60, 60' : Radiator
61: first tank
61a: inlet
62: second tank
62a: first outlet
63: third tank
63a: second outlet
64: first heat exchange unit
64a: first tube
64b: first heat dissipation fin
65, 65': second heat exchange unit
65a, 65a': second tube
65b: second heat dissipation fin
66: heat absorbing unit
66a: case
66b: phase change material
70: fan
80: temperature sensor
90: front-end module
92: opening
94: periphery
C: coolant
A: Air
Claims (18)
상기 냉각수가 배출되는 제1 배출구를 구비하며, 상기 제1 탱크와 미리 정해진 간격만큼 이격되어 배치되는 제2 탱크;
상기 냉각수가 배출되는 제2 배출구를 구비하며, 상기 제1 탱크와 상기 제2 탱크 사이에 배치되는 제3 탱크;
상기 제1 탱크에 수용된 냉각수를 상기 제3 탱크에 전달 가능하도록 상기 제1 탱크와 상기 제3 탱크를 연결하는 복수의 제1 튜브들을 구비하는 제1 열교환 유닛;
상기 제3 탱크에 수용된 냉각수를 상기 제2 탱크에 전달 가능하도록 상기 제3 탱크와 상기 제2 탱크를 연결하는 복수의 제2 튜브들을 구비하는 제2 열교환 유닛; 및
상기 제2 튜브들이 내부 공간에 수용되도록 마련되는 케이스와, 상기 제2 튜브들의 적어도 일부분을 감싸도록 상기 내부 공간에 충전되는 상변화 물질을 구비하는 흡열 유닛을 포함하고,
상기 제1 열교환 유닛은, 공기가 통과되는 공기 유동 경로 상에 배치되고,
상기 제2 열교환 유닛은, 상기 공기 유동 경로로부터 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 라디에이터.a first tank having an inlet through which coolant is introduced;
a second tank having a first outlet through which the cooling water is discharged, the second tank being spaced apart from the first tank by a predetermined interval;
a third tank having a second outlet through which the coolant is discharged and disposed between the first tank and the second tank;
a first heat exchange unit including a plurality of first tubes connecting the first tank and the third tank to transmit the coolant contained in the first tank to the third tank;
a second heat exchange unit including a plurality of second tubes connecting the third tank and the second tank to transmit the coolant contained in the third tank to the second tank; and
A case provided so that the second tubes are accommodated in the inner space, and a heat absorbing unit including a phase change material filled in the inner space to surround at least a portion of the second tubes,
The first heat exchange unit is disposed on an air flow path through which air passes,
The second heat exchange unit is a radiator, characterized in that disposed spaced apart from the air flow path.
상기 제1 열교환 유닛은, 상기 제1 튜브들로부터 각각 연장 형성되는 복수의 제1 방열핀들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 라디에이터.According to claim 1,
The first heat exchange unit may further include a plurality of first heat dissipation fins respectively extending from the first tubes.
상기 제2 열교환 유닛은, 적어도 일부분이 상기 상변화 물질에 의해 감싸지도록 상기 제2 튜브들로부터 각각 연장 형성되는 복수의 제2 방열핀들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 라디에이터.According to claim 1,
The second heat exchange unit may further include a plurality of second heat dissipation fins each extending from the second tubes so that at least a part thereof is surrounded by the phase change material.
상기 상변화 물질은, 녹는 점이 상기 냉각수의 녹는 점에 비해 높고 상기 냉각수의 끓는 점에 비해 낮은 적어도 하나의 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 라디에이터.According to claim 1,
The phase change material comprises at least one material having a melting point higher than the melting point of the coolant and lower than the boiling point of the coolant.
상기 상변화 물질은, 상변화 시의 단위 무게당 축열량이 상기 냉각수의 비열에 비해 높은 적어도 하나의 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 라디에이터.
5. The method of claim 4,
The phase change material comprises at least one material having a higher amount of heat storage per unit weight than the specific heat of the cooling water at the time of phase change.
상기 제1 열교환 유닛은, 차체의 프론트 엔드 모듈에 상기 공기가 통과될 수 있도록 형성된 개구부에 배치되고,
상기 제2 열교환 유닛은, 상기 개구부로부터 이격되도록 상기 개구부의 주변부에 배치되는 것을 특징으로 하는 라디에이터.According to claim 1,
The first heat exchange unit is disposed in an opening formed to allow the air to pass through the front end module of the vehicle body;
The second heat exchange unit is a radiator, characterized in that it is disposed on the periphery of the opening so as to be spaced apart from the opening.
상기 케이스는 상기 주변부에 고정되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 라디에이터.8. The method of claim 7,
The radiator, characterized in that the case is fixed to the periphery.
상기 제1 배출구와 상기 제2 배출구를 각각 선택적으로 개폐 가능한 적어도 하나의 개폐 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라디에이터.According to claim 1,
The radiator further comprising at least one on-off valve capable of selectively opening and closing the first outlet and the second outlet, respectively.
상기 제1 튜브들과 상기 제2 튜브들은, 서로 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 라디에이터.According to claim 1,
The first tube and the second tube, the radiator, characterized in that arranged to be alternated with each other.
상기 냉각수가 통과될 수 있도록 상기 스택이 배치되고, 일단은 상기 유입구와 연결되며, 타단은 상기 제1 배출구와 연결되는 메인 라인;
일단은 상기 제2 배출구와 연결되고, 타단은 상기 제1 배출구와 상기 스택 사이에 위치하는 상기 메인 라인의 제1 지점과 연결되는 제1 바이패스 라인; 및
상기 제1 배출구와 상기 제2 배출구를 각각 선택적으로 개폐 가능한 개폐 유닛을 포함하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.In the thermal management system for a fuel cell vehicle for cooling the coolant that has passed through the fuel cell stack using the radiator of claim 1,
a main line in which the stack is disposed to allow the coolant to pass therethrough, one end connected to the inlet and the other end connected to the first outlet;
a first bypass line having one end connected to the second outlet and the other end connected to a first point of the main line positioned between the first outlet and the stack; and
and an opening/closing unit capable of selectively opening and closing the first outlet and the second outlet, respectively.
상기 개폐 유닛은, 상기 제1 지점에 설치되며 상기 제1 배출구와 상기 제2 배출구를 각각 선택적으로 개폐 가능한 제1 개폐 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.12. The method of claim 11,
wherein the opening/closing unit includes a first opening/closing valve installed at the first point and capable of selectively opening and closing the first outlet and the second outlet, respectively.
상기 제1 개폐 밸브는, 상기 제1 배출구에서 배출된 냉각수가 선택적으로 유입되도록 상기 메인 라인과 연결되는 제1 포트와, 상기 제2 배출구에서 배출된 냉각수가 선택적으로 유입되도록 상기 제1 바이패스 라인과 연결되는 제2 포트와, 상기 제1 포트와 상기 제2 포트를 통해 유입된 냉각수가 배출되도록 상기 메인 라인과 연결되는 제3 포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.13. The method of claim 12,
The first opening/closing valve includes a first port connected to the main line so that the coolant discharged from the first outlet selectively flows in, and the first bypass line so that the coolant discharged from the second outlet selectively flows in. A thermal management system for a fuel cell vehicle, characterized in that it comprises a second port connected to and a third port connected to the main line so that the coolant introduced through the first port and the second port is discharged.
일단은 상기 스택과 상기 유입구 사이에 위치하는 상기 메인 라인의 제2 지점과 연결되고, 타단은 상기 제1 지점과 상기 스택 사이에 위치하는 상기 메인 라인의 제3 지점과 연결되는 제2 바이패스 라인을 더 포함하며,
상기 개폐 유닛은, 상기 제2 바이패스 라인을 선택적으로 개폐 가능한 제2 개폐 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.12. The method of claim 11,
A second bypass line having one end connected to a second point of the main line positioned between the stack and the inlet, and the other end being connected to a third point of the main line positioned between the first point and the stack. further comprising,
The opening/closing unit may further include a second opening/closing valve capable of selectively opening and closing the second bypass line.
상기 제2 개폐 밸브는, 상기 라디에이터에서 배출된 냉각수가 유입되도록 상기 메인 라인과 연결되는 제1 포트와, 상기 라디에이터 자체를 우회한 냉각수가 유입되도록 상기 제2 바이패스 라인과 연결되는 제2 포트와, 상기 제1 포트와 상기 제2 포트 중 적어도 하나를 통해 유입된 냉각수가 배출되도록 상기 메인 라인과 연결되는 제3 포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.15. The method of claim 14,
The second opening/closing valve includes a first port connected to the main line so that the coolant discharged from the radiator flows in, and a second port connected to the second bypass line so that the coolant bypassing the radiator itself flows in; and a third port connected to the main line so that the coolant introduced through at least one of the first port and the second port is discharged.
상기 개폐 유닛은, 상기 제1 배출구와 상기 제1 지점 사이에 위치하도록 상기 메인 라인에 설치되며 상기 제1 배출구를 선택적으로 개폐 가능한 제3 개폐 밸브와, 상기 제2 배출구와 상기 제1 지점 사이에 위치하도록 상기 제1 바이패스 라인에 설치되며 상기 제2 배출구를 선택적으로 개폐 가능한 제4 개폐 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.12. The method of claim 11,
The opening/closing unit includes a third opening/closing valve installed on the main line so as to be positioned between the first outlet and the first point and capable of selectively opening and closing the first outlet, and between the second outlet and the first point. The thermal management system for a fuel cell vehicle, characterized in that it further comprises a fourth on-off valve installed on the first bypass line so as to be positioned and capable of selectively opening and closing the second outlet.
상기 개폐 유닛은, 상기 스택에 미리 정해진 온도의 냉각수를 공급할 수 있도록 상기 제1 배출구의 개도와 상기 제2 배출구의 개도를 각각 선택적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템.12. The method of claim 11,
The opening/closing unit selectively adjusts an opening degree of the first outlet and an opening degree of the second outlet so as to supply cooling water of a predetermined temperature to the stack.
상기 제1 지점과 상기 스택 사이에 위치하도록 상기 메인 라인에 설치되며, 상기 냉각수의 온도를 측정 가능한 온도 센서를 더 포함하고,
상기 개폐 유닛은, 상기 온도 센서에 의해 측정된 온도를 기준으로 상기 제1 배출구의 개도와 상기 제2 배출구의 개도를 각각 선택적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 관리 시스템18. The method of claim 17,
and a temperature sensor installed on the main line to be positioned between the first point and the stack, and capable of measuring the temperature of the cooling water;
wherein the opening/closing unit selectively adjusts the opening degree of the first outlet and the opening degree of the second outlet based on the temperature measured by the temperature sensor, respectively.
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WO2023209316A1 (en) * | 2022-04-29 | 2023-11-02 | Zeroavia Ltd | Cooling system for fuel cell onboard a vehicle including thermal energy storage device |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009257708A (en) * | 2008-04-21 | 2009-11-05 | Daikin Ind Ltd | Heat exchanger unit |
JP2012197012A (en) * | 2011-03-21 | 2012-10-18 | Denso Corp | Air conditioning system |
-
2017
- 2017-06-09 KR KR1020170072759A patent/KR102335981B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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JP2009257708A (en) * | 2008-04-21 | 2009-11-05 | Daikin Ind Ltd | Heat exchanger unit |
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WO2023209316A1 (en) * | 2022-04-29 | 2023-11-02 | Zeroavia Ltd | Cooling system for fuel cell onboard a vehicle including thermal energy storage device |
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