KR20040005118A - 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

초기 저온 시동에 의한 운행시, 저온의 냉각용 수증기의 온도를 연료 전지 스택(STACK) 내부의 물질전달 및 촉매계 반응을 활성화하는 온도까지 순간적으로 상승시켜 연료 전지의 고출력화를 이루기 위한 것으로,

냉각수 펌프와 유량 제어기를 거쳐 유량이 조절되어 공급되는 냉각수가 가습기에서 냉각용 수증기로 변환되어 스택 케이스 내부에서 연료 전지 스택을 열교환 방식으로 냉각하는 냉각회로로 구성되는 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템에서,

상기 스택 케이스의 일측에 장착되어 스택 케이스 내부의 온도를 검출하는 온도센서와; 상기 가습기와 상기 스택 케이스를 연결하는 냉각수 관로 상의 일측에 구성되어 상기 온도센서의 검출신호에 따른 제어기의 제어신호에 따라 상기 냉각수 관로내의 냉각용 수증기를 가열하여 상기 스택 케이스로 공급하는 히팅수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템을 제공한다.

Description

전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템{A COOLING SYSTEM OF FUEL CELL IN ELECTRIC VEHICLES}

본 발명은 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 초기 저온 시동시, 저온 냉각용 수증기의 온도를 연료 전지 스택(STACK) 내부의 물질전달 및 촉매계 반응을 활성화하는 온도까지 순간적으로 상승시켜 연료 전지의 고출력화를 이루기 위한 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템에 관한 것이다.

최근, 연료 전지는 기존의 발전방식과 비교할 때 발전 효율이 높을 뿐만 아니라 발전에 따른 공해 물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전 기술로 평가받고있으며 다양한 연료를 사용할 수 있어 미래의 전기로 개발되고 있다.

이와 같은 연료 전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를들어 LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학 반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스에 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공중의 산소가 사용된다.

이러한 연료 전지의 개발에 따라 에너지 절약과 환경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제등을 해결하기 위하여 기존의 내연기관을 대체하는 자동차의 동력원으로 적용되고 있다.

상기와 같이 차세대 자동차의 동력원으로 적용되고 있는 고분자 전해질(Proton Exchange Membrance)형 연료 전지 스택은 수소(H2)와 공기중의 산소(O2)를 고분자 전해질을 사이에 두고 전기 화학반응을 시켜 전기 에너지를 생성한 다음 부하측에 공급한다.

상기한 고분자 전해질 방식의 연료 전지 스택은 통상적으로 60~80℃의 온도 영역에서 활성화되므로, 이와 같은 활성화 온도를 유지해주기 위한 냉각 시스템을 구성하게 되는데, 이러한 종래의 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템은, 도 3에서 도시한 바와 같이, 냉각수 탱크(101) 내의 냉각수를 냉각수 펌프(103)를 통하여 유량 제어기(105)로 공급하면, 유량 제어기(105)는 설정된 유량의 냉각수를 가습기(107)로 공급하여 냉각용 수증기를 발생시켜 스택 케이스(109) 내부로 공급함으로서, 연료 전지 스택(111)내의 온도가 최적의 활성화 상태를 유지하여 최고의 전기 에너지를 생성할 수 있도록 하고 있다.

그러나 혹한지역 및 혹한기의 냉간 시동에 의한 운행시, 연료 전지 스택 내부의 온도 미달로 인하여 전기 에너지의 생성이 저하되므로, 초기 운행시 연료 전지 스택 내부의 온도가 활성화되기까지 정상적인 전기 에너지의 생성이 어려워 초기 운행에 있어 효율 저하를 유발시킨다는 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 그 목적은 초기 저온 시동에 의한 운행시, 저온의 냉각용 수증기의 온도를 연료 전지 스택(STACK) 내부의 물질전달 및 촉매계 반응을 활성화하는 온도까지 순간적으로 상승시켜 연료 전지의 고출력화를 이루기 위한 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템의 구성 블록도이다.

도 2는 본 발명의 주요구성요소의 단면 구성도이다.

도 3은 종래 기술에 따른 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템의 구성 블럭도이다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 냉각수 펌프와 유량 제어기를 거쳐 유량이 조절되어 공급되는 냉각수가 가습기에서 냉각용 수증기로 변환되어 스택 케이스 내부에서 연료 전지 스택을 열교환 방식으로 냉각하는 냉각회로로 구성되는 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템에서,

상기 스택 케이스의 일측에 장착되어 스택 케이스 내부의 온도를 검출하는 온도센서와; 상기 가습기와 상기 스택 케이스를 연결하는 냉각수 관로 상의 일측에 구성되어 상기 온도센서의 검출신호에 따른 제어기의 제어신호에 따라 상기 냉각수 관로내의 냉각용 수증기를 가열하여 상기 스택 케이스로 공급하는 히팅수단을 포함하는 것을 특징으로 하며,

상기 히팅수단은 상기 냉각수 관로와 일체로 연결되는 하우징과; 상기 하우징의 내부에서 상기 냉각수 진행방향으로 배치되는 다수개의 히팅튜브와; 상기 하우징의 내부에서 상기 히팅튜브의 외측을 감으며, 외부의 전원 공급원과 연결되는 히팅코일로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템의 구성 블록도로서, 본 발명에 따른 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템의 구성은 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크(1)와, 상기 냉각수 탱크(1) 내의 냉각수를 펌핑하는 냉각수 펌프(3) 및 냉각수의 유량을 제어하는 유량 제어기(5)가 구성된다.

그리고 상기 유량 제어기(5)로부터 설정된 유량의 냉각수를 공급받아 냉각용 수증기를 발생시키는 가습기(7)와, 상기 가습기(7)에서 발생되는 냉각용 수증기를 공급받아 연료 전지 스택(11)을 냉각하도록 외부와 폐쇄된 스택 케이스(9)를 구비한다.

이러한 냉각회로 상에서, 상기 스택 케이스(9)의 일측에는 스택 케이스(9) 내부의 온도를 검출하여 온도신호를 출력하는 온도센서(13)가 장착되며, 상기 가습기(7)와 상기 스택 케이스(9)를 연결하는 냉각수 관로(15) 상의 일측에는 히팅수단 (17)이 구성된다.

상기 히팅수단(17)은 상기 온도센서(13)의 검출신호에 따른 제어기(CU;19)의 제어신호에 따라 상기 냉각수 관로(15)내의 냉각용 수증기를 가열하여 상기 스택케이스(9)로 공급함으로서, 혹한지역 및 혹한기의 냉간 시동에 의한 운행 시, 빠른 시간내에 연료 전지 스택(11)내의 온도가 최적의 활성화 상태를 유지하여 최고의 전기 에너지를 생성할 수 있도록 한다.

상기 히팅수단(17)의 구성은, 도 2에서 도시한 바와 같이, 상기 냉각수 관로(15)와 일체로 연결되는 원통형상의 하우징(21)을 구비하며, 상기 하우징(21)의 내부는 상기 냉각수(즉, 냉각용 수증기)의 진행방향으로 다수개의 히팅튜브(23)를 배치한다.

그리고 상기 하우징(21)의 내부에서 상기 히팅튜브(23)의 외측에는 히팅코일(25)이 감겨지며, 상기 히팅코일(25)은 외부의 전원 공급원과 연결되어 전원을 공급받게 된다.

여기서, 상기 히팅튜브(23)는 내부식성이 큰 스테인레스 스틸관으로 이루어지는 것이 바람지하며, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 전원 공급원은 차량용 배터리(27)를 사용하며, 상기 연료 전지를 제어하기 위한 제어기(CU;19)의 제어신호에 따라 전원 공급을 단속할 수 있도록 구성된다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템에서 상기 연료 전지 스택(11)의 초기 운행 시, 활성화 온도를 유지하기 위해서는, 상기 제어기(19)가 그 내부에 별도로 설정되는 로직에 의해 상기 온도센서(13)에서 검출된 스택 케이스(9) 내부의 온도가 설정온도(상기 연료 전지 스택의 활성화 온도 이하에서 정해지는 것이 바람직하다.) 이하인 경우, 상기 히팅코일(25)에 전원을 공급하게 되며, 이에 따라 발열작용을 하는 상기 히팅코일(25)을 열원으로 하여 상기 히팅튜브(23) 내부를 흐르는 냉각용 수증기를 가열하게 된다.

따라서, 상기 가열된 냉각용 수증기는 상기 스택 케이스(9) 내부에서, 연료 전지 스택(11)의 온도를 활성화 온도까지 상승시키게 된다.

이러한 작동과정에서, 상기 스택 케이스(9) 내부의 온도가 상기 설정온도 이상으로 상승되면, 상기 온도센서(13)는 이를 검출하여 상기 제어기(19)에 입력하게 되고, 상기 제어기(19)는 상기 히팅코일(25)에 전원을 차단함으로서, 연료 전지 스택(11)의 활성화 온도를 유지하도록 제어하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 초기 저온 시동에 의한 운행시, 히팅수단을 통하여 가열된 냉각용 수증기를 스택 케이스 내부로 공급하여 빠른 시간내에 연료 전지 스택을 활성화 온도까지 상승, 유지시킴으로써, 전기 에너지의 생성을 안정화하게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 냉각수 펌프와 유량 제어기를 거쳐 유량이 조절되어 공급되는 냉각수가 가습기에서 냉각용 수증기로 변환되어 스택 케이스 내부에서 연료 전지 스택을 열교환 방식으로 냉각하는 냉각회로로 구성되는 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템에 있어서,

   상기 스택 케이스의 일측에 장착되어 스택 케이스 내부의 온도를 검출하는 온도센서와;

   상기 가습기와 상기 스택 케이스를 연결하는 냉각수 관로 상의 일측에 구성되어 상기 온도센서의 검출신호에 따른 제어기의 제어신호에 따라 상기 냉각수 관로내의 냉각용 수증기를 가열하여 상기 스택 케이스로 공급하는 히팅수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 히팅수단은

   상기 냉각수 관로와 일체로 연결되는 하우징과;

   상기 하우징의 내부에서 상기 냉각수 진행방향으로 배치되는 다수개의 히팅튜브와;

   상기 하우징의 내부에서 상기 히팅튜브의 외측을 감으며, 외부의 전원 공급원과 연결되는 히팅코일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 히팅튜브는

   내부식성이 큰 스테인레스 스틸관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 전원 공급원은

   차량용 배터리를 사용하는 것을 특징으로 하며, 제어기의 제어신호에 따라 전원 공급을 단속하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 연료 전지 냉각 시스템.