KR102496804B1

KR102496804B1 - 연료전지 차량의 열관리 시스템

Info

Publication number: KR102496804B1
Application number: KR1020170163881A
Authority: KR
Inventors: 한수동; 심재우; 김형국
Original assignee: 현대자동차 주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2023-02-06
Also published as: KR20190064739A

Abstract

연료전지 차량의 열관리 시스템이 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템은 ⅰ)냉각수 펌프에 의해 냉각수를 연료전지 스택과 라디에이터로 순환시키는 스택 냉각루프 스택 냉각루프와, ⅱ)스택 냉각루프에 바이패스 연결되며, 연료전지의 냉 시동을 위해 연료전지 스택에 유동하는 냉각수를 승온시키는 냉 시동 루프와, ⅲ)스택 냉각루프에 바이패스 연결되며, 냉각수의 열로 난방을 수행하고, 냉각수로부터 이온을 제거하는 난방/이온제거 루프를 포함하며, 냉 시동 루프에는 냉각수의 바이패스 유동 시 냉각수를 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 통해 연료전지 스택 및 난방/이온제거 루프로 유동시키기 위해 냉각수의 바이패스 유동 단면적을 축소하는 오리피스가 구비될 수 있다.

Description

연료전지 차량의 열관리 시스템 {THERMAL MANAGEMENT SYSTEM OF FUEL CELL VEHICLE}

본 발명의 실시 예는 연료전지 차량의 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 연료전지 차량의 열관리 시스템에 관한 것이다.

친환경 자동차인 연료전지 자동차는 수소와 산소의 전기 화학반응을 이용한 연료전지를 전기 공급원으로 사용하고, 연료전지에 의해 발생된 전기로 모터를 구동하는 방식의 차량 시스템을 말한다.

연료전지 차량의 연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하고 물관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템(TMS: Thermal Management System)으로 구성된다.

상기 TMS는 냉각수 역할을 하는 부동액 또는 증류수(Distilled Water)를 연료전지 스택으로 순환시켜 온도(60~70℃)를 유지시키는 일종의 냉각 장치로서, 냉각수(coolant)가 저장된 리저버(reservoir)와, 상기 냉각수를 순환시키는 펌프와, 순환되는 냉각수로부터 이온을 제거하는 이온 필터(ion filter)와, 냉각수 온도를 낮추는 라디에이터(radiator)로 구성된다. 상기 TMS는 차량 내 히터기능을 수행하는 HVAC(Heater Ventilated Air Conditioning) 히터(heater)를 가질 수 있다.

상기 연료전지 시스템은 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출한다.

상기 연료전지 시스템은 반응 부산물로 열을 발생시키므로 스택의 온도 상승을 방지하기 위해서는 스택을 냉각시키는 장치가 필수적이다. 또한 연료전지 시스템에서 가장 시급하고 어려운 문제가 냉 시동성 확보 전략이므로 열 및 물관리 시스템의 역할은 무엇보다 중요하다 할 수 있다. 냉 시동성 확보를 위해, 히터를 이용하여 스택 내의 냉각수를 급속 해동하는 방법 또는 연료전지 스택용 부동액을 냉각수로 사용하는 방법이 있을 수 있다.

TMS 라인(line)의 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매(冷媒) 역할과 더불어, 냉 시동시에는 히터에 의해 급속 가열되어 스택에 공급됨으로써 스택을 급속 해빙하는 열매(熱媒) 역할을 한다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 냉 시동 시 냉각수를 가열하여 연료전지 스택을 승온시킴으로써 연료전지 스택의 냉 시동 시간을 단축할 수 있고, 연료전지 스택의 운전 성능, 냉각수의 열에 의한 차량의 난방 성능 및 냉각수의 전기 절연 성능을 확보할 수 있도록 한 연료전지 차량의 열관리 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템은, ⅰ)냉각수 펌프에 의해 냉각수를 연료전지 스택과 라디에이터로 순환시키는 스택 냉각루프 스택 냉각루프와, ⅱ)상기 스택 냉각루프에 바이패스 연결되며, 연료전지의 냉 시동을 위해 상기 연료전지 스택에 유동하는 냉각수를 승온시키는 냉 시동 루프와, ⅲ)상기 스택 냉각루프에 바이패스 연결되며, 냉각수의 열로 난방을 수행하고, 냉각수로부터 이온을 제거하는 난방/이온제거 루프를 포함하며, 상기 냉 시동 루프에는 냉각수의 바이패스 유동 시 냉각수를 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 통해 상기 연료전지 스택 및 난방/이온제거 루프로 유동시키기 위해 냉각수의 바이패스 유동 단면적을 축소하는 오리피스가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 차량의 열관리 시스템에 있어서, 상기 냉 시동 루프는 상기 연료전지 스택 측에서 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 바이패스 연결하는 제1 바이패스 라인과, 상기 제1 바이패스 라인에 설치되는 TMS 히터와, 상기 라디에이터 측에서 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 바이패스 연결하는 제2 바이패스 라인과, 상기 냉각수 라인과 상기 제1 바이패스 라인의 냉각수 유동 방향을 변경시키는 제1 가변방향 제어밸브와, 상기 냉각수 라인과 상기 제2 바이패스 라인의 냉각수 유동 방향을 변경시키는 제2 가변방향 제어밸브를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 차량의 열관리 시스템에 있어서, 상기 오리피스는 상기 제2 바이패스 라인에 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 차량의 열관리 시스템에 있어서, 상기 오리피스는 상기 제1 가변방향 제어밸브에 의한 상기 제1 바이패스 라인의 완전 오픈 및 상기 제2 가변방향 제어밸브에 의한 상기 제2 바이패스 라인의 완전 오픈 시, 상기 제2 바이패스 라인의 유동 관로를 축소하며, 상기 냉 시동 루프의 차압을 증대시킬 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템은 ⅰ)냉각수 펌프에 의해 냉각수를 연료전지 스택과 라디에이터로 순환시키는 스택 냉각루프 스택 냉각루프와, ⅱ)상기 스택 냉각루프에 바이패스 연결되며, 연료전지의 냉 시동을 위해 상기 연료전지 스택에 유동하는 냉각수를 승온시키는 냉 시동 루프와, 상기 스택 냉각루프에 바이패스 연결되며, 냉각수의 열로 난방을 수행하고, 냉각수로부터 이온을 제거하는 난방/이온제거 루프를 포함하며, 상기 냉 시동 루프에는 냉각수의 바이패스 유동 시 냉각수를 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 통해 상기 연료전지 스택 및 난방/이온제거 루프로 유동시키기 위해 냉각수의 바이패스 유동 관로를 설정된 개도로서 일부 폐쇄하는 전자식 밸브가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 차량의 열관리 시스템에 있어서, 상기 전자식 밸브는 상기 제2 바이패스 라인에 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 차량의 열관리 시스템에 있어서, 상기 전자식 밸브는 상기 제1 가변방향 제어밸브에 의한 상기 제1 바이패스 라인의 완전 오픈 및 상기 제2 가변방향 제어밸브에 의한 상기 제2 바이패스 라인의 완전 오픈 시, 설정된 각도로 상기 제2 바이패스 라인의 유동 관로를 일부 폐쇄하며 상기 냉 시동 루프의 차압을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 차량의 열관리 시스템에 있어서, 상기 난방/이온제거 루프는 상기 냉각수 라인과 상기 제2 가변방향 제어밸브를 바이패스 연결하는 제3 바이패스 라인과, 상기 제3 바이패스 라인에 냉각수의 유동 방향을 따라 설치되는 HVAC 히터 및 이온 제거기를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 차량의 열관리 시스템에 있어서, 상기 냉 시동 루프에서 냉각수를 바이패스 유동시킬 때, 상기 연료전지 스택 및 난방/이온제거 루프로 유입되는 냉각수의 방향은, 냉 시동 이외의 시점에 상기 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 방향의 역 방향일 수 있다.

본 발명의 실시 예는 냉 시동 루프를 순환하며 TMS 히터를 통해 승온된 냉각수를 연료전지 스택 및 난방/이온제거 루프로 순환시킬 수 있으므로, 연료전지 스택의 냉 시동 성능, 냉각수의 열에 의한 차량의 난방 성능 및 냉각수의 전기 절연 성능을 확보할 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

이 도면들은 본 발명의 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템 (100)은 수소로서의 연료와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 장착되며, 전기 동력 구동장치로서의 구동모터(전기 모터라고도 함)를 구동시킬 수 있다.

상기 연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 연료전지들의 전기 발생 집합체인 연료전지 스택(1)과, 연료전지 스택(1)의 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급계(도면에 도시되지 않음)와, 연료전지 스택(1)의 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급계(도면에 도시되지 않음)와, 본 발명의 실시 예에 따른 열관리 시스템(100: TMS)을 포함하고 있다.

여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 열관리 시스템(100)(TMS: Thermal Management System)은 연료전지 스택(1)의 반응열을 냉각수로서 시스템 외부로 제거하고, 연료전지 스택(1)의 운전온도를 제어하며, 물 관리 기능을 수행하기 위한 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 차량의 열관리 시스템(100)은 냉 시동 시 냉각수를 가열하여 연료전지 스택(1)을 승온시킴으로써 연료전지 스택(1)의 냉 시동 시간을 단축할 수 있고, 연료전지 스택(1)의 운전 성능, 냉각수의 열에 의한 차량의 난방 성능 및 냉각수의 전기 절연 성능을 확보할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 차량의 열관리 시스템(100)은 기본적으로, 스택 냉각루프(10), 냉 시동 루프(30) 및 난방/이온제거 루프(50)를 포함하고 있다.

상기 스택 냉각루프(10)(당 업계에서는 "메인 냉각루프" 라고도 한다)는 펌프(11)의 펌핑 압력에 의해 냉각수를 냉각수 라인(13)을 통하여 라디에이터(15)와 연료전지 스택(1)으로 순환시키며, 연료전지 스택(1)을 냉각수로 냉각하고, 그 연료전지 스택(1)을 냉각하며 데워진 냉각수를 라디에이터(15)를 통해 냉각할 수 있다.

상기 냉 시동 루프(30)는 연료전지 스택(1)의 냉 시동 시, 연료전지 스택(1)에 유동하는 냉각수를 승온시키기 위한 것으로, 스택 냉각루프(10)의 냉각수 라인(13)에 바이패스 연결된다.

이러한 냉 시동 루프(30)는 제1 바이패스 라인(31), TMS 히터(33), 제2 바이패스 라인(35), 제1 가변방향 제어밸브(37), 그리고 제2 가변방향 제어밸브(39)를 포함하고 있다.

상기 제1 바이패스 라인(31)은 연료전지 스택(1) 측에서 스택 냉각루프(10)의 냉각수 라인(13)을 바이패스 연결한다. 상기 TMS 히터(33)는 제1 바이패스 라인(31)에 설치되며 그 제1 바이패스 라인(31)을 유동하는 냉각수를 가열한다. 예를 들면, 상기 TMS 히터(33)는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터를 포함할 수 있다. 상기 제2 바이패스 라인(35)은 라디에이터(15) 측에서 스택 냉각루프(10)의 냉각수 라인(13)을 바이패스 연결한다.

상기 제1 가변방향 제어밸브(37)는 냉각수 라인(13)과 제1 바이패스 라인(31)의 냉각수 유동 방향을 변경시키는 것으로서, 예를 들면 3웨이 밸브로 구비된다. 그리고 상기 제2 가변방향 제어밸브(39)는 냉각수 라인(13)과 제2 바이패스 라인(35)의 냉각수 유동 방향을 변경시키는 것으로서, 예를 들면 4웨이 밸브로 구비된다.

이와 같은 냉 시동 루프(30)에서는 연료전지 스택(1)의 냉 시동 시, 제1 가변방향 제어밸브(37) 및 제2 가변방향 제어밸브(39)에 의해 스택 냉각루프(10)의 냉각수를 제1 및 제2 바이패스 라인(31, 35)으로 순환시키며, TMS 히터(33)를 통해 냉각수를 승온시킨다.

상기에서 난방/이온제거 루프(50)는 냉각수의 열로 난방을 수행하고, 냉각수로부터 이온을 제거하기 위한 것이다. 이러한 난방/이온제거 루프(50)는 냉각수 라인(13)과 제2 가변방향 제어밸브(39)를 바이패스 연결하는 제3 바이패스 라인(51)과, 제3 바이패스 라인(51)에 냉각수의 유동 방향을 따라 설치되는 난방 히터(53) 및 이온 제거기(55)를 포함한다.

여기서, 상기 난방 히터(53)는 냉각수의 열로 차량 내 히터기능을 수행하는 HVAC(Heater Ventilated Air Conditioning) 히터(heater)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 이온 제거기(55)(Deionizer 또는 DeMineralizer, DMN)(당 업계에서는 통상 "이온 필터" 라고도 함)는 냉각수의 이온을 제거하여 냉각수의 이온 전도도(전기 전도도)를 일정 수준 이하로 유지시킬 수 있다. 이러한 난방 히터(53) 및 이온 제거기(55)의 구성은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지 차량의 열관리 시스템(100)에서는 연료전지 스택(1)의 냉 시동 시, 스택 냉각루프(10) 및 난방/이온제거 루프(50)의 차압에 비해 냉 시동 루프(30)의 차압이 매우 작아 냉각수가 냉 시동 루프(30)에서만 순환을 하게 된다.

이와 같이 상기 냉 시동 루프(30)를 순환하며 승온된 냉각수가 스택 냉각루프(10)를 통하여 난방/이온제거 루프(50)로 원활하게 순환하지 못하기 때문에, 연료전지 스택(1)의 냉 시동 성능, 냉각수의 열에 의한 차량의 난방 성능 및 냉각수의 전기 절연 성능을 확보하는데 어려움이 있다.

이에, 본 발명의 실시 예에서는 냉 시동 루프(30)를 통한 냉각수의 바이패스 유동 시, 냉각수를 스택 냉각루프(10)의 냉각수 라인(13)을 통해 연료전지 스택(1) 및 난방/이온제거 루프(50)로 유동시키기 위해, 냉 시동 루프(30)에 구비되는 오리피스(70)를 포함하고 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 오리피스(70)는 냉 시동 루프(30)에서 냉각수의 바이패스 유동 단면적을 축소시키며, 냉 시동 루프(30)의 차압을 증대시킬 수 있다.

이러한 오리피스(70)는 냉 시동 루프(30)에서 제2 바이패스 라인(35)에 설치된다. 상기 오리피스(70)는 제2 바이패스 라인(35)의 관로 단면적에 상응하는 대경부를 입구 단 및 출구 단에 형성하고, 그 대경부 사이에 냉각수의 유동 단면적이 축소된 소경부를 형성하고 있다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템(100)에 의하면, 연료전지 스택(1)의 고온 운전 조건에서는 제1 및 제2 가변방향 제어밸브(37, 39)에 의해 냉 시동 루프(30)의 제1 및 제2 바이패스 라인(31, 35)을 폐쇄한다.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 스택 냉각루프(10)에서 펌프(11)의 펌핑 압력에 의해 냉각수를 냉각수 라인(13)을 통하여 라디에이터(15)와 연료전지 스택(1)으로 순환시키며, 연료전지 스택(1)을 냉각수로 냉각하고, 그 연료전지 스택(1)을 냉각하며 데워진 냉각수를 라디에이터(15)를 통해 냉각할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에서 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(1)의 냉 시동 조건에서는 제1 및 제2 가변방향 제어밸브(37, 39)에 의해 냉 시동 루프(30)의 제1 및 제2 바이패스 라인(31, 35)을 개방한다.

본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 가변방향 제어밸브(37)를 통해 제1 바이패스 라인(31)을 완전 오픈하고, 제2 가변방향 제어밸브(39)를 통해 제2 바이패스 라인(35)을 완전 오픈하며, 냉각수를 제1 및 제2 바이패스 라인(31, 35)으로 순환시킨다.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 냉각수를 제1 및 제2 바이패스 라인(31, 35)을 통하여 냉 시동 루프(30)로 순환시키며, 제1 바이패스 라인(31)의 TMS 히터(33)를 통해 냉각수를 승온시킨다.

이러는 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 냉 시동 루프(30)를 순환하는 냉각수를 오리피스(70)의 관로 축소부로 통과시키며, 냉 시동 루프(30)의 차압을 증대시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 냉 시동 루프(30)를 순환하며, TMS 히터(33)를 통해 승온된 냉각수를 스택 냉각루프(10)의 냉각수 라인(13)을 통해 연료전지 스택(1) 및 난방/이온제거 루프(50)의 난방 히터(53) 및 이온 제거기(55)로 유동시킬 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 냉 시동 루프(30)를 순환하며 TMS 히터(33)를 통해 승온된 냉각수를 연료전지 스택(1) 및 난방/이온제거 루프(50)로 순환시킬 수 있으므로, 연료전지 스택(1)의 냉 시동 성능, 냉각수의 열에 의한 차량의 난방 성능 및 냉각수의 전기 절연 성능을 확보할 수 있다.

여기서, 상기 냉 시동 루프(30)의 제1 및 제2 바이패스 라인(31, 35)을 통하여 냉각수를 바이패스 유동(순환)시킬 때, 연료전지 스택(1) 및 난방/이온제거 루프(50)로 유입되는 냉각수는, 냉 시동 이외의 시점(예를 들면, 연료전지 스택의 냉각 시점 등)에 연료전지 스택(1)으로 유입되는 냉각수 방향의 역 방향으로 연료전지 스택(1) 및 난방/이온제거 루프(50)에 유입될 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다. 도면에서 전기 실시 예의 구성과 동일한 구성에 대해서는 전기 실시 예에서의 도면부호와 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템(200)은 전기 실시 예에서와 같은 스택 냉각루프(10), 냉 시동 루프(30) 및 난방/이온제거 루프(50)를 기본적으로 구비하면서, 냉 시동 루프(30)의 냉각수 바이패스 유동 경로에 설치되는 전자식 밸브(90)를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 전자식 밸브(90)는 전기적인 제어신호에 의해 유로를 개폐시키는 것으로서, 냉 시동 루프(30)의 냉각수 바이패스 유동 관로를 설정된 개도로서 일부 폐쇄하며, 냉 시동 루프(30)의 차압을 증대시킬 수 있다.

상기 전자식 밸브(90)는 냉 시동 루프(30)에서 제2 바이패스 라인(35)에 설치된다. 예를 들면, 상기 전자식 밸브(90)는 버터 플라이 타입 또는 볼 타입의 밸브로 구비될 수 있다.

상기 전자식 밸브(90)는 제1 가변방향 제어밸브(37)에 의한 제1 바이패스 라인(31)의 완전 오픈 및 제2 가변방향 제어밸브(39)에 의한 제2 바이패스 라인(35)의 완전 오픈 시, 설정된 각도로 제2 바이패스 라인(35)의 유동 관로를 일부 폐쇄하며 냉 시동 루프(30)의 차압을 증대시킬 수 있다.

여기서, 상기 전자식 밸브(90)의 개도는 제1 및 제2 가변방향 제어밸브(37, 39)에 의한 제1 및 제2 바이패스 라인(31, 35)의 완전 오픈 조건에서 냉 시동 루프(30)에 최대 차압을 설정할 수 있는 각도로서, 이러한 최대 차압 설정 각도는 냉각수의 유량, 압력, 바이패스 라인의 관로 단면적 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 실시 예에서 어느 특정한 수치로 한정하지 않는다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택(1)의 냉 시동 조건에서, 제1 및 제2 가변방향 제어밸브(37, 39)에 의해 냉 시동 루프(30)의 제1 및 제2 바이패스 라인(31, 35)을 개방한다.

이러는 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 제1 가변방향 제어밸브(37)에 의한 제1 바이패스 라인(31)의 완전 오픈 및 제2 가변방향 제어밸브(39)에 의한 제2 바이패스 라인(35)의 완전 오픈 조건에서, 설정된 각도로 제2 바이패스 라인(35)의 유동 관로를 일부 폐쇄하며 냉 시동 루프(30)의 차압을 증대시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 냉 시동 루프(30)를 순환하는 냉각수를 스택 냉각루프(10)의 냉각수 라인(13)을 통해 연료전지 스택(1) 및 난방/이온제거 루프(50)의 난방 히터(53) 및 이온 제거기(55)로 유동시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 차량의 회생제동 시, 실내 난방 시, 장 강판 및 평지 장기 주행 시, 냉 시동 루프(30)를 순환하며 TMS 히터(33)를 통해 승온된 냉각수를 스택 냉각루프(10)의 냉각수 라인(13)을 통해 연료전지 스택(1) 및 난방/이온제거 루프(50)로 순환시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 차량의 열관리 시스템(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1: 연료전지 스택
10: 스택 냉각루프
11: 펌프
13: 냉각수 라인
15: 라디에이터
30: 냉 시동 루프
31: 제1 바이패스 라인
33: TMS 히터
35: 제2 바이패스 라인
37: 제1 가변방향 제어밸브
39: 제2 가변방향 제어밸브
50: 난방/이온제거 루프
51: 제3 바이패스 라인
53: 난방 히터
55: 이온 제거기
70: 오리피스
90: 전자식 밸브

Claims

냉각수 펌프에 의해 냉각수를 연료전지 스택과 라디에이터로 순환시키는 스택 냉각루프 스택 냉각루프;
상기 스택 냉각루프에 바이패스 연결되며, 연료전지의 냉 시동을 위해 상기 연료전지 스택에 유동하는 냉각수를 승온시키는 냉 시동 루프; 및
상기 스택 냉각루프에 바이패스 연결되며, 냉각수의 열로 난방을 수행하고, 냉각수로부터 이온을 제거하는 난방/이온제거 루프;를 포함하며,
상기 냉 시동 루프에는 냉각수의 바이패스 유동 시 냉각수를 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 통해 상기 연료전지 스택 및 난방/이온제거 루프로 유동시키기 위해 냉각수의 바이패스 유동 단면적을 축소하는 오리피스가 구비되되,
상기 오리피스는 상기 라디에이터 측에서 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 바이패스 연결하는 바이패스 유동 관로의 완전 오픈 시, 상기 바이패스 유동 관로를 축소하며, 상기 냉 시동 루프의 차압을 증대시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 냉 시동 루프는,
상기 연료전지 스택 측에서 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 바이패스 연결하는 제1 바이패스 라인과,
상기 제1 바이패스 라인에 설치되는 TMS 히터와,
상기 라디에이터 측에서 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 바이패스 연결하는 제2 바이패스 라인과,
상기 냉각수 라인과 상기 제1 바이패스 라인의 냉각수 유동 방향을 변경시키는 제1 가변방향 제어밸브와,
상기 냉각수 라인과 상기 제2 바이패스 라인의 냉각수 유동 방향을 변경시키는 제2 가변방향 제어밸브
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 오리피스는,
상기 제2 바이패스 라인에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 시스템.
제3 항에 있어서,
상기 오리피스는,
상기 제1 가변방향 제어밸브에 의한 상기 제1 바이패스 라인의 완전 오픈 및 상기 제2 가변방향 제어밸브에 의한 상기 제2 바이패스 라인의 완전 오픈 시,
상기 제2 바이패스 라인의 유동 관로를 축소하며, 상기 냉 시동 루프의 차압을 증대시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 시스템.
냉각수 펌프에 의해 냉각수를 연료전지 스택과 라디에이터로 순환시키는 스택 냉각루프 스택 냉각루프;
상기 스택 냉각루프에 바이패스 연결되며, 연료전지의 냉 시동을 위해 상기 연료전지 스택에 유동하는 냉각수를 승온시키는 냉 시동 루프; 및
상기 스택 냉각루프에 바이패스 연결되며, 냉각수의 열로 난방을 수행하고, 냉각수로부터 이온을 제거하는 난방/이온제거 루프;를 포함하며,
상기 냉 시동 루프에는 냉각수의 바이패스 유동 시 냉각수를 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 통해 상기 연료전지 스택 및 난방/이온제거 루프로 유동시키기 위해 냉각수의 바이패스 유동 관로를 설정된 개도로서 일부 폐쇄하는 전자식 밸브가 구비되되,
상기 전자식 밸브는 상기 라디에이터 측에서 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 바이패스 연결하는 바이패스 유동 관로의 완전 오픈 시, 설정된 각도로 상기 바이패스 유동 관로를 일부 폐쇄하며 상기 냉 시동 루프의 차압을 증대시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 시스템.
제5 항에 있어서,
상기 냉 시동 루프는,
상기 연료전지 스택 측에서 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 바이패스 연결하는 제1 바이패스 라인과,
상기 제1 바이패스 라인에 설치되는 TMS 히터와,
상기 라디에이터 측에서 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인을 바이패스 연결하는 제2 바이패스 라인과,
상기 냉각수 라인과 상기 제1 바이패스 라인의 냉각수 유동 방향을 변경시키는 제1 가변방향 제어밸브와,
상기 냉각수 라인과 상기 제2 바이패스 라인의 냉각수 유동 방향을 변경시키는 제2 가변방향 제어밸브
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 전자식 밸브는,
상기 제2 바이패스 라인에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 시스템.
제7 항에 있어서,
상기 전자식 밸브는,
상기 제1 가변방향 제어밸브에 의한 상기 제1 바이패스 라인의 완전 오픈 및 상기 제2 가변방향 제어밸브에 의한 상기 제2 바이패스 라인의 완전 오픈 시,
설정된 각도로 상기 제2 바이패스 라인의 유동 관로를 일부 폐쇄하며 상기 냉 시동 루프의 차압을 증대시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 시스템.
제2 항 또는 제6 항에 있어서,
상기 난방/이온제거 루프는,
상기 냉각수 라인과 상기 제2 가변방향 제어밸브를 바이패스 연결하는 제3 바이패스 라인과,
상기 제3 바이패스 라인에 냉각수의 유동 방향을 따라 설치되는 HVAC 히터 및 이온 제거기
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 시스템.
제1 항 또는 제5 항에 있어서,
상기 냉 시동 루프에서 냉각수를 바이패스 유동시킬 때, 상기 연료전지 스택 및 난방/이온제거 루프로 유입되는 냉각수의 방향은, 냉 시동 이외의 시점에 상기 연료전지 스택으로 유입되는 냉각수 방향의 역 방향인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 열관리 시스템.