KR20050046186A - 연료전지 자동차용 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연료전지 자동차용 냉각장치는, 작동유체의 상변화 잠열을 이용하여 연료전지 스택에서 발생되는 폐열을 효율적으로 회수하고, 방열기의 크기를 감소시키며, 전력소비량 및 소음을 저감시키기 위한 것으로서, 연료전지 스택의 냉각수 출구와 냉각수 입구 사이에 펌프를 구비하여 냉각수를 순환시키는 냉각수 폐회로 상에 구비되어, 고온의 냉각수에 의하여 액체에서 기체로 상변화되는 작동유체를 내장하고 냉각수가 회수한 폐열을 작동유체로 흡수하는 증발부; 및 상기 증발부에서 이동되는 기체 상태의 작동유체를 냉각시켜 외부로 열을 방출시킨 후 액체 상태로 응축된 작동유체를 다시 증발부로 보내도록 증발부에 연결되는 응축부를 포함하는 히트파이프 방열기로 구성되어 있다.

Description

연료전지 자동차용 냉각장치 {COOLING APPARATUS FOR FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지 자동차용 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 스택에서 발생되는 폐열(廢熱)을 효율적으로 제거하는 연료전지 자동차용 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 자동차는 연료전지 스택에서 발생되는 폐열을 제거하기 위한 냉각장치를 구비하고 있다.
이 연료전지 자동차용 냉각장치는 폐열을 순수(純水) 혹은 물과 같은 냉각수를 펌프의 작동으로 방열기로 보낸 후, 이 방열기에서 팬 또는 주행풍을 이용하여 냉각수의 열을 외부로 방열시키도록 구성되어 있다.
그러나, 이 연료전지 자동차용 냉각장치는 단일 상(狀)의 냉각수를 이용하는 통상적인 열전달 방법을 적용하고 있기 때문에, 열전달 효율이 낮고, 펌프와 같은 동력원을 사용하고 있기 때문에 전력 소비가 높고, 펌프의 구동에 따른 소음이 발생되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 이 연료전지 자동차용 냉각장치는 동절기 외기 온도 조건 하에서 연료전지 자체의 운전특성에 기인하여 사용되는 순수의 냉각수가 동결되는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 작동유체의 상변화 잠열을 이용하여 연료전지 스택에서 발생되는 폐열을 효율적으로 회수하고, 방열기의 크기를 감소시키며, 전력 소비 및 소음을 저감시키는 연료전지 자동차용 냉각장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 작동유체의 넓은 작동 온도범위로 인하여 동절기 외기 조건에서 연료전지 자동차의 냉각수로 사용되는 순수가 동결되는 문제를 해결하는 연료전지 자동차용 냉각장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 연료전지 자동차용 냉각장치는,
연료전지 스택의 냉각수 출구와 냉각수 입구 사이에 펌프를 구비하여 냉각수를 순환시키는 냉각수 폐회로 상에 구비되어, 고온의 냉각수에 의하여 액체에서 기체로 상변화되는 작동유체를 내장하고 냉각수가 회수한 폐열을 작동유체로 흡수하는 증발부; 및
상기 증발부에서 이동되는 기체 상태의 작동유체를 냉각시켜 외부로 열을 방출시킨 후 액체 상태로 응축된 작동유체를 다시 증발부로 보내도록 증발부에 연결되는 응축부를 포함하는 히트파이프 방열기로 구성되어 있다.
상기 히트파이프 방열기는 증발부와 응축부를 일체로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 히트파이프 방열기는 증발부와 응축부를 분리 형성하고, 증발부와 응축부를 기체 연결관과 액체 연결관으로 상호 연결하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 냉각장치는,
외부 열원;
연료전지 스택의 냉각수 출구와 냉각수 입구 사이에 펌프를 구비하여 냉각수를 순환시키는 냉각수 폐회로 상에 구비되어, 해동 작용 시, 상기 외부 열원으로부터 열을 흡수하는 증발부; 및
상기 증발부에서 이동되는 고온의 작동유체에 의하여 그 내부에서 동결되어 있던 냉각수를 해동시킨 후 작동유체를 다시 액체 상태로 응축시켜 증발부로 보내도록 히트파이프 증발부에 연결되는 응축부를 포함하는 히트파이프 방열기로 구성되어 있다.
상기 히트파이프 방열기는 증발부와 응축부를 일체로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 히트파이프 방열기는 증발부와 응축부를 분리 형성하고, 증발부와 응축부를 기체 연결관과 액체 연결관으로 상호 연결하는 것이 바람직하다.
상기 외부 열원은 해동 작용 시, 선택적으로 작동될 수 있도록 냉각/해동 선택 스위치로 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 히트파이프 방열기의 응축부는 열선을 내장하고 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 이점과 장점은 이하의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명함으로서 보다 명확하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지 자동차용 냉각장치의 구성도로서, 연료전지 스택(1)에서 발생되는 폐열을 작동유체의 상변화 잠열을 이용하여 효율적으로 회수할 수 있도록 구성되어 있다.
연료전지 스택(1)에는 냉각수 출구(3)에서 냉각수 입구(5)로 냉각수를 순환시키는 냉각수 폐회로(7)가 형성되어 있다. 이 냉각수 폐회로(7) 상에는 펌프(9)가 구비되어 냉각수를 순환시키게 된다.
즉, 이 냉각수 폐회로(7)는 냉각수 입구(5)로부터 공급되는 저온의 냉각수로 고온의 연료전지 스택(1) 폐열을 회수하고, 이 폐열을 회수하여 고온으로 된 냉각수를 냉각수 출구(3)로 배출하며, 이 고온의 냉각수를 다시 냉각시켜 냉각수 입구(5)를 통하여 연료전지 스택(1)으로 공급하는 순환 경로를 형성하게 된다.
본 실시 예는 상기와 같은 냉각수 폐회로(7)에서 냉각수 출구(3)로 배출되는 고온의 냉각수를 냉각시키도록 온도에 따라 상변화되는 작동유체를 내장하고 있는 히트파이프로 구성되는 방열기를 더 구비하고 있다.
이 히트파이프 방열기는 히트파이프에 구비되는 증발부(11)와 응축부(13)를 포함하는 폐회로로 구성되어 있다.
이 증발부(11)는 냉각수 폐회로(7) 상에 설치되며, 이 냉각수 폐회로(7)의 냉각수 라인과 별도로 구획되는 작동유체 라인을 구비하고 있다. 따라서 이 증발부(11)는, 액체 상태의 작동유체가 냉각수 폐회로(7)로 이동되는 고온 냉각수의 열을 흡수하여 기체 상태로 상변화되면서 냉각수가 회수한 폐열을 다시 흡수하게 된다. 이와 같이 냉각수로부터 폐열을 흡수한 작동유체는 응축부(13)로 이동된다.
이 응축부(13)는 증발부(11)에 연결되어, 증발부(11)에서 이동되는 고온 기체 상태의 작동유체 열을 외부로 방출시켜 작동유체를 다시 액체 상태로 응축시키도록 구성되어 있다.
이를 위하여 응축부(13)에 팬(15)이 구비될 수 있다. 따라서 이 응축부(13)는 팬(15)의 작동으로 또는 자동차의 주행풍으로 응축부(13)의 열을 외부로 발산시켜 응축부(13) 내의 작동유체를 응축시키게 된다.
이렇게 액체 상태로 응측된 작동유체는 다시 증발부(11)로 이동되어, 기체 상태로 상변화되면서 고온의 냉각수를 저온으로 냉각시키게 된다.
이와 같이 증발부(11)와 응축부(11)는 온도 변화에 따라 상변화되는 작동유체의 잠열을 이용하여, 냉각수에 의하여 회수된 폐열을 흡수하여 외부로 방출하게 된다.
이렇게 폐열이 회수되어 저온으로 냉각된 냉각수는 펌프(9)의 구동에 의하여 냉각수 폐회로(7)를 통하여 연료전지 스택(1)의 냉각수 유입구(5)로 유입되어 다시 폐열을 회수하고, 상기와 같이 냉각되는 과정을 반복하게 된다.
상기 냉각수 폐회로(7)와 히트파이프 방열기가 형성하는 폐회로의 유기적인 관계는 작동유체의 상변화에 따른 잠열을 이용하기 때문에 단일상의 작동유체를 사용하는 것보다 연료전지 스택(1)의 폐열을 보다 효과적으로 회수하게 된다.
이와 같은 방열기를 형성하는 히트파이프는 작동유체의 기체-액체 상변화를 이용하여 무동력으로 열을 이송시키며, 장기간 사용할 수 있어 내구성이 높으며, 동일 크기의 구리 막대에 비하여 열전도율이 높고, 소형 및 구조가 단순한 장점을 가지므로 방열기의 전체 크기를 작게 한다.
그리고 냉각수 폐회로(7)는 짧은 유로를 형성하여 증발부(11)를 경유하기 때문에 펌프(9)의 소음 및 동력 소모를 줄이게 된다.
이러한 증발부(11)와 응축부(13)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 일체로 형성되거나, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 분리 형성될 수도 있다.
이 히트파이프 방열기는 도 1에 도시된 바와 같이 지면에 대하여 수직 상태로 설치되는 것이 바람직하다. 히트파이프 방열기가 수직 상태로 설치되면, 응축부(13) 내에서 응축된 작동유체가 중력에 의하여 증발부(11)로 이동될 수 있게 한다.
도 2는 증발부(11)가 경사지게 설치된 냉각장치를 도시하고 있다. 이와 같이 증발부(11)의 경사진 구조는 액체와 기체 상태의 작동유체가 히트파이프 내부의 모세관 현상에 의하여 응축부(13)에서 증발부(11)로 이동하게 된다.
도 3 및 도 4, 5는 증발부(11)와 응축부(13)가 독립된 히트파이프에 분리 형성된 것을 예시하고 있다.
이 경우, 증발부(11)와 응축부(13)는 기체 연결관(17) 및 액체 연결관(19)을 개재하여 상호 연결되는 폐회로를 형성하는 것이 바람직하다.
이 도 3 및 도 4, 5의 냉각장치는 도 1 및 도 2의 냉각장치와 동일하게 작동된다. 다만, 증발부(11)와 응축부(13)가 분리 형성되어 있기 때문에, 기체 연결관(17)은 증발부(11)에서 폐열을 흡수한 기체 상태의 작동유체를 응축부(13)로 이동시키고, 액체 연결관(19)은 고온의 작동유체를 냉각시켜 액체 상태의 작동유체를 증발부(11)로 이동시키는 차이가 있을 뿐이다.
또한, 증발부(11)와 응축부(13)를 연결하는 기체 연결관(17)과 액체 연결관(19)를 개수를 줄이기 위하여 증발부(11)와 응축부(13) 상, 하측에 헤더(a, b)를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 기체 연결관(17)은 릴리프 밸브(21)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 릴리프 밸브(21)는 설정 압력 이상에서는 개방되어 갑작스런 증발부(11) 온도의 증가로 인한 포화증기로부터 증발기(11) 및 응축기(13)를 포함하는 작동유체의 폐회로를 보호하게 된다.
또한, 본 발명의 연료전지 자동차용 냉각장치는 증발부(11)에 외부 열원(23)을 더 구비하는 것이 바람직하다.
이 외부 열원(23)은 전기히터로 구성될 수 있으며, 이 외부 열원(23)에서 증발부(11)로 가해지는 열은 증발부(11) 내의 작동유체로 전달된다. 이로 인하여 작동유체는 기체로 상변화된다.
상기 증발부(11)에서 이동되는 기체 상태의 작동유체는 응축부(13)로 이동되어 응축부(13) 내에 동결되어 있는 냉각수를 해동시킨 후 다시 액체 상태로 응축된다.
이 외부 열원(23)은 필요 시 즉 응축부(13) 내의 냉각수를 해동시킬 때에만 선택적으로 작동될 수 있도록 별도로 구비되는 냉각/해동 선택 스위치(25)에 연결되어 자동 또는 수동으로 제어되는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 도 1 내지 도 5의 모든 실시 예에서 응축부(13)는 열선(미도시)을 내장하는 것이 바람직하다.
이 열선은 동절기에 냉각수 폐회로(7) 및 증발부(13) 내에 동결되어 있는 냉각수(순수)를 급속히 해동시킬 수 있게 한다.
이 경우 히트파이프 방열기의 증발부(11)와 응축부(13)는 상기에서 설명한 바와 정 반대로 작용하게 된다.
즉, 응축부(13)는 내장된 열선으로부터 열을 받아 히트파이프 방열기 내의 작동유체를 증발시키는 증발부 작용을 하고, 증발부(11)는 주위에 동결된 냉각수(순수)에 열을 방출하여 냉각수를 해동시켜 작동유체를 응축시키는 응축부 작용을 하게 된다.
따라서, 응축부(13)에 삽입된 열선에 의하여 기체로 상변화된 작동유체는 증발부(11)로 이동되어, 증발부(11) 외부에 동결되어 있는 냉각수를 해동시키고 응축되어 응축부(13)로 이동된다. 이와 같은 사이클은 냉각수의 해동이 완료될 때까지 반복된다.
본 발명은 증발기와 응축기를 히트파이프에 구비하여 방열기를 구성하므로 히트파이프의 높은 열전달 효율에 의해 방열 효율을 증대시키고, 방열기의 크기를 감소시키며, 히트파이프 내 작동유체의 상변화로 인하여 별도의 동력원을 불필요케 하여 소요 전력 및 소음을 감소시키고, 작동유체의 넓은 작동 온도범위로 인하여 연료전지 자동차의 순수 냉각수가 갖는 동결 문제점을 극복할 수 있다.
또한, 본 발명은 응축부에 열선을 구비하여 냉각수로 사용되는 순수를 해동시키므로 순수의 동결을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지 자동차용 냉각장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지 자동차용 냉각장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지 자동차용 냉각장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지 자동차용 냉각장치의 구성도.
도 5는 도 4의 좌측면도.

Claims (8)

  1. 연료전지 스택의 냉각수 출구와 냉각수 입구 사이에 펌프를 구비하여 냉각수를 순환시키는 냉각수 폐회로 상에 구비되어, 고온의 냉각수에 의하여 액체에서 기체로 상변화되는 작동유체를 내장하고 냉각수가 회수한 폐열을 작동유체로 흡수하는 증발부; 및
    상기 증발부에서 이동되는 기체 상태의 작동유체를 냉각시켜 외부로 열을 방출시킨 후 액체 상태로 응축된 작동유체를 다시 증발부로 보내도록 증발부에 연결되는 응축부를 포함하는 히트파이프 방열기로 구성되는 연료전지 자동차 냉각장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 히트파이프 방열기는 증발부와 응축부를 일체로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 냉각장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 히트파이프 방열기는 증발부와 응축부를 분리 형성하고, 증발부와 응축부를 기체 연결관과 액체 연결관으로 상호 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 냉각장치.
  4. 외부 열원;
    연료전지 스택의 냉각수 출구와 냉각수 입구 사이에 펌프를 구비하여 냉각수를 순환시키는 냉각수 폐회로 상에 구비되어, 해동 작용 시, 상기 외부 열원으로부터 열을 흡수하는 증발부; 및
    상기 증발부에서 이동되는 고온의 작동유체에 의하여 그 내부에서 동결되어 있던 냉각수를 해동시킨 후 작동유체를 다시 액체 상태로 응축시켜 증발부로 보내도록 히트파이프 증발부에 연결되는 응축부를 포함하는 히트파이프 방열기로 구성되는 연료전지 자동차 냉각장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 히트파이프 방열기는 증발부와 응축부를 일체로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 냉각장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 히트파이프 방열기는 증발부와 응축부를 분리 형성하고, 증발부와 응축부를 기체 연결관과 액체 연결관으로 상호 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 냉각장치.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 외부 열원은 해동 작용 시, 선택적으로 작동될 수 있도록 냉각/해동 선택 스위치로 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 냉각장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 히트파이프 방열기의 응축부는 열선을 내장하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 냉각장치.
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