KR20090062668A - Cooling system for fuel cell - Google Patents

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KR20090062668A
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KR1020070130049A
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이성호
이진호
정욱철
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현대자동차주식회사
연세대학교 산학협력단
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Abstract

A cooling system for a fuel cell is provided to deliver bulk of heat with very little loss without separate power for the circulation of work fluid, and to reduce volume of the complete system. A cooling system(20) for a fuel cell comprises an evaporation part(21) which evaporates and discharges gaseous work fluid by allowing liquefied work fluid to absorb heat; a condensation part(22) condensing gaseous work fluid evaporated from the evaporator; a gas transfer pipe(26) transferring gaseous work fluid to a condenser; and a liquid transfer pipe(27) transferring liquefied work fluid to the evaporator.

Description

연료전지용 냉각시스템{Cooling system for fuel cell}Cooling system for fuel cell

본 발명은 연료전지용 냉각시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 동력소모가 없는 자연순환식 2상 열전달 기기를 이용하여 복잡한 연료전지 냉각시스템의 구성을 단순화하는 동시에 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 냉각시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a cooling system for a fuel cell, and more particularly, to simplify the configuration of a complex fuel cell cooling system by using a natural circulation two-phase heat transfer device without power consumption, and to improve the efficiency of the entire system. A cooling system for a fuel cell.

현재의 자동차 산업은 갈수록 엄격해지는 대기오염물질 배출에 대한 규제 강화에 따라 기존의 내연기관을 대체할 새로운 차량용 동력원을 찾고 있다. 이러한 요구에 부응하는 새로운 차량용 동력원으로서 현재 가장 현실적인 대안으로 여겨지고 있는 것이 바로 연료전지이다. The current automotive industry is looking for new vehicle power sources to replace existing internal combustion engines, as regulations on increasingly stricter air pollutant emissions occur. As a new automotive power source that meets these needs, fuel cells are now considered the most realistic alternative.

특히, 여러 종류의 연료전지 중 PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)는 높은 전력밀도 및 짧은 시동시간, 운전부하에 대한 빠른 응답성 등으로 인해 차량용 대체 동력원으로서 큰 관심을 불러일으키고 있다.In particular, proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) among various fuel cells have attracted great attention as alternative power sources for vehicles due to high power density, short start-up time, and fast response to driving load.

하지만 현재의 PEMFC는 차량용 동력원으로서 기존의 내연기관을 완전히 대체 하기에는 경제적·기술적으로 많은 한계점을 지니고 있으며, 이러한 문제점 중 특히 연료전지 시스템의 운전온도 제어를 담당하는 냉각시스템은 그 복잡성 및 소모동력의 과도함으로 인해 연료전지 시스템의 사용화를 가로막는 가장 큰 문제점 중 하나로 여겨지고 있다. However, the current PEMFC has many limitations economically and technically to completely replace the existing internal combustion engine as a vehicle power source, and among these problems, the cooling system, which is in charge of controlling the operating temperature of the fuel cell system, has excessive complexity and power consumption. Therefore, it is regarded as one of the biggest problems preventing the use of fuel cell systems.

차량용 대체 동력원으로서 관심을 받고 있는 PEMFC는 연료인 수소를 공급받아 대기 중의 산소와 반응시켜 전력을 생산하고 그 부산물로서 물을 배출하는 에너지 전환장치이다. PEMFC, which is attracting attention as an alternative power source for vehicles, is an energy conversion device that receives hydrogen as a fuel and reacts with oxygen in the atmosphere to produce electric power and discharge water as a by-product.

상기 PEMFC는 연료인 수소를 환원시키기 위해 수소이온(H+)을 촉매층이 있는 공기극(cathode)으로 이동시켜야 하며, 상기 수소양이온(proton)을 이동시키기 위해 특수한 전해질 막(membrane)을 사용한다. The PEMFC needs to move hydrogen ions (H +) to a cathode having a catalyst layer to reduce hydrogen as a fuel, and uses a special electrolyte membrane to move the hydrogen cations.

상기 전해질 막이 수소이온 이동성을 가지기 위한 가장 중요한 조건은 바로 이 막이 충분히 물에 젖어 있어야 한다는 것이다. 그러므로, 차량용 연료전지의 운전을 위해 전해질 막의 충분한 습윤도(wettability)를 보장하는 것은 안정적인 전력생산을 위한 필수적인 조건이라 할 수 있다. The most important condition for the electrolyte membrane to have hydrogen ion mobility is that the membrane must be sufficiently wet. Therefore, ensuring sufficient wettability of the electrolyte membrane for operation of a fuel cell for a vehicle can be said to be an essential condition for stable power generation.

이와 더불어 PEMFC는 저온형 연료전지로서 수소의 환원반응을 일으키기 위해 촉매를 사용한다. 상기 촉매에 의한 반응은 운전온도에 의해 그 효율이 크게 변하며, 이상적으로는 온도가 높을수록 높은 효율을 가진다. In addition, PEMFC is a low-temperature fuel cell using a catalyst to cause the reduction of hydrogen. The reaction by the catalyst is greatly changed in efficiency by the operating temperature, and ideally, the higher the temperature, the higher the efficiency.

그러나, 전술한 바와 같이 PEMFC는 충분히 물에 젖어있는 전해질 막을 가져야 하므로, 전해질 막의 높은 습윤도와 높은 운전온도를 동시에 보장할 수 있는 운전조건 하에서 운전되어야 한다. However, as described above, since the PEMFC must have an electrolyte membrane sufficiently wetted with water, it must be operated under operating conditions that can ensure high wettability and high operating temperature of the electrolyte membrane at the same time.

이와 같은 운전온도의 중요성으로 인해 차량용 연료전지 시스템에는 화학반응 시 발생되는 반응열을 냉각시키는 냉각장치를 필요로 한다.Due to the importance of such operating temperature, a vehicle fuel cell system requires a cooling device to cool the reaction heat generated during a chemical reaction.

종래 PEMFC의 냉각에 사용되는 방법은 분리판 내부로 냉각수를 순환시켜 냉각을 하는 방식이다. The conventional method used for cooling the PEMFC is to circulate the cooling water into the separator plate to cool.

도 1은 기존의 연료전지차량용 냉각시스템을 나타내는 개략도로서, 시스템 온시 진공펌프(1)가 연료전지(2) 내부의 공기를 흡입하여 진공상태로 만들면 압력차에 의해 물 탱크(3)의 냉각수가 연료전지(2) 내부로 공급되고, 연료전지(2)의 내부에 공급된 냉각수는 분리판(3) 내부를 순환하여 연료전지(2)에서 발생한 열을 흡수한 후, 라디에이터(4)로 이동하여 냉각된 후 다시 연료전지(2)의 온도를 적정온도로 유지하게 된다.1 is a schematic view showing a conventional cooling system for a fuel cell vehicle. When the vacuum pump 1 sucks air in the fuel cell 2 and makes it into a vacuum state when the system is on, the cooling water of the water tank 3 is changed by the pressure difference. Cooling water supplied into the fuel cell 2 and supplied into the fuel cell 2 circulates inside the separator 3 to absorb heat generated from the fuel cell 2 and then moves to the radiator 4. After cooling, the temperature of the fuel cell 2 is maintained at an appropriate temperature again.

그러나 기존의 연료전지의 냉각시스템은 진공펌프(1), 물탱크(3) 및 라디에이터(4) 등과 같은 매우 복잡한 구성을 가질 뿐만 아니라, 냉각수 순환을 위해 진공펌프(1)가 동력을 소모한다는 단점을 갖는다. However, the conventional fuel cell cooling system has not only a very complicated configuration such as a vacuum pump 1, a water tank 3 and a radiator 4, but also a drawback that the vacuum pump 1 consumes power for cooling water circulation. Has

또한, 냉각수를 이용한 현열교환식 냉각방식은 전지면적에 대해 냉각수 흐름방향으로 불균일한 온도구배를 야기한다는 점에서 또 다른 문제점을 야기한다.In addition, the sensible heat exchange cooling method using the cooling water causes another problem in that it causes an uneven temperature gradient in the cooling water flow direction with respect to the battery area.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 작동유체의 상변화에 따른 증발잠열 및 중력을 이용하는 자연순환식 2상 열교환기를 개발함으로써, 작동유체의 순환에 별도의 동력 없이 대량의 열을 매우 적은 손실로 전달하여기존의 냉각시스템에 비해 전체 시스템의 체적을 크게 줄일 수 있으며, 소모동력의 제거로 인한 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 냉각시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, by developing a natural circulation type two-phase heat exchanger using latent heat of evaporation and gravity caused by the change of the working fluid phase, a large amount of heat without a separate power in the circulation of the working fluid The purpose of the present invention is to provide a cooling system for a fuel cell, which can deliver a very small loss, significantly reduce the volume of the entire system compared to the existing cooling system, and improve the efficiency of the entire system due to the elimination of power consumption.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지용 냉각시스템에 있어서,In the present invention for achieving the above object in a fuel cell cooling system,

액상의 작동유체가 열을 흡수하여 기상의 작동유체로 증발시켜 배출시키는 증발부; 상기 증발부에서 증발된 기상의 작동유체를 응축시키는 응축부; 상기 증발부에서 기화된 작동유체를 응축부로 이송하는 기체이송관; 및 상기 응축부에서 액화된 작동유체를 증발부로 이송하는 액체이송관을 포함하여 구성되고, 상기 증발부가 연료전지에서 발생한 열을 흡수하여 연료전지를 냉각하는 것을 특징으로 한다.An evaporator for absorbing heat by the working fluid in the liquid phase and discharging the working fluid in the gas phase to discharge the working fluid; A condenser condensing the working fluid of the gaseous phase evaporated in the evaporator; A gas transfer pipe transferring the working fluid evaporated in the evaporator to the condenser; And a liquid transfer pipe for transferring the working fluid liquefied in the condenser to the evaporator, wherein the evaporator absorbs heat generated from the fuel cell to cool the fuel cell.

바람직한 구현예로서, 상기 증발부는 액상의 작동유체가 유입되는 유입구와, 기상의 작동유체가 배출되는 배출구와, 작동유체의 열전달응 용이하게 해주는 내부유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the evaporation unit includes an inlet through which a working fluid in a liquid flows in, a discharge port through which a working gas in a gaseous phase is discharged, and an internal flow path for facilitating heat transfer of the working fluid.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 증발부의 유입구와 배출구는 중력방향에 대 하여 높이차를 갖는 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the inlet and outlet of the evaporator is characterized in that it has a height difference in the direction of gravity.

또한, 상기 증발부 내부의 열전달 효율을 높이기 위하여 내부유로가 요철모양으로 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, in order to increase the heat transfer efficiency inside the evaporator is characterized in that the inner flow path is formed in an uneven shape.

또한, 상기 증발부는 연료전지의 분리판 사이에 박판 형태로 설치되는 것을 특징으로 한다.In addition, the evaporator is characterized in that it is installed in the form of a thin plate between the separator plate of the fuel cell.

또한, 상기 증발부는 직사각형인 것을 특징으로 한다.In addition, the evaporator is characterized in that the rectangular.

또한, 상기 증발부 내의 정체 영역이 발생되지 않도록 정체되는 부분이 일정각도로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the stagnant portion is formed to be inclined at a predetermined angle so that the stagnant region does not occur in the evaporator.

특히, 상기 응축부는 안정적인 작동유체의 순환을 위해 증발부보다 높게 위치하는 것을 특징으로 한다.In particular, the condensation unit is characterized in that it is located higher than the evaporator for the stable circulation of the working fluid.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 냉각시스템에 의하면, 박판형 열 사이폰 루프 형태로 냉각장치를 구성하고, 작동유체가 중력에 의해 순환하게 됨으로써, 별도의 동력원을 필요하지 않으며, 이를 연료전지에 장착할 경우 기존의 냉각수 순환 펌프 및 냉각수 전처리 장치 등이 모두 불필요하게 되므로, 전체 연료전지시스템을 단순화시킬 수 있으며, 전체 연료전지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the fuel cell cooling system according to the present invention, by forming a cooling device in the form of a thin-plate thermal siphon loop, the working fluid is circulated by gravity, no need for a separate power source, this fuel When the battery is mounted on the battery, the conventional cooling water circulation pump and the cooling water pretreatment device are all unnecessary, so that the entire fuel cell system can be simplified and the efficiency of the entire fuel cell system can be improved.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지차량용 냉각시스템을 나타내는 구성도이고, 도 3은 도 2의 냉각시스템의 작동원리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 4a는 본 발명에 따른 냉각시스템에서 상판을 나타내는 구성도이고, 도 4b는 하판을 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a cooling system for a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a conceptual diagram for explaining the operating principle of the cooling system of Figure 2, Figure 4a cooling according to the present invention It is a block diagram which shows a top board in a system, and FIG. 4B is a block diagram which shows a bottom board.

본 발명의 일실시예에 따른 냉각시스템(10)은 차량용 연료전지(2) 냉각에 응용될 수 있도록 평판형 구조를 가진다. 또한, 상기 냉각시스템(10)은 차량용 연료전지(2)의 냉각에 적합하도록 분리판과 같은 직사각형 구조이다.Cooling system 10 according to an embodiment of the present invention has a flat structure to be applied to the vehicle fuel cell (2) cooling. In addition, the cooling system 10 has a rectangular structure such as a separator plate to be suitable for cooling the vehicle fuel cell 2.

그리고, 상기 냉각시스템(10)은 차량용 연료전지(2)의 적용을 위해 증발부(11) 축이 중력방향과 평행하거나 운전조건에 따라 기울어 짐을 전제로 한다. The cooling system 10 is based on the premise that the axis of the evaporator 11 is inclined in parallel with the direction of gravity or inclined according to the driving conditions for the application of the vehicle fuel cell 2.

본 발명의 일실시예에 따른 냉각시스템(10)은 증발부(11), 응축부(12) 및 작동유체 이송관으로 구성되고, 증발부(11)로의 액상 작동유체 유입보다 기상 작동유체의 배출이 높은 위치에서 일어나도록 높이 차를 둔다.Cooling system 10 according to an embodiment of the present invention is composed of the evaporation unit 11, the condensation unit 12 and the working fluid transfer pipe, the discharge of the gaseous working fluid rather than the inlet of the liquid working fluid to the evaporation unit 11 Leave the car high enough to rise from this high position.

상기 증발부(11)는 액상의 작동유체가 열을 흡수하여 기상의 작동유체로 증발되도록 하는 기능을 하고, 액상의 작동유체가 유입되는 유입구(11a), 기상의 작동유체가 배출되는 배출구(11b), 작동유체로의 열전달을 용이하게 해주는 내부유로(11c)로 구성된다.The evaporation unit 11 functions to absorb the heat of the working fluid in the liquid phase to evaporate into the working fluid of the gas phase, the inlet 11a through which the working fluid of the liquid flows, the outlet 11b from which the working fluid of the gas phase is discharged. ), And consists of an internal flow path (11c) to facilitate heat transfer to the working fluid.

연료전지(2)의 운전조건에 따라 증발부(11) 모서리 부분에 정체영역이 발생하게 되는데, 이는 중력의 영향으로 증발부(11) 내부에 작동유체의 배출구(11b)보다 높은 지점에서 작동유체가 적절히 배출되지 않기 때문이다. The stagnant region is generated at the corner of the evaporator 11 according to the operating conditions of the fuel cell 2, which is the working fluid at a point higher than the outlet 11b of the working fluid inside the evaporator 11 under the influence of gravity. Is not properly discharged.

따라서 이 부분을 없애기 위해 증발부(11)의 모양을 직사각형이 아닌 정체되는 부분에 약간의 각을 만들어 정체영역을 방지하도록 한다. Therefore, in order to eliminate this portion, the shape of the evaporation unit 11 is made a little angle in the non-rectangular portion to prevent the stagnant region.

상기 작동유체 이송관은 증발부(11)에서 나오는 기상의 작동유체가 응축부(12)로 이송되는 기체이송관(13)과, 응축부(12)에서 나오는 액상의 작동유체가 증발부(11)로 이송되는 액체이송관(14)으로 구성되어 있다.The working fluid transfer pipe is a gas transfer pipe 13 through which the gaseous working fluid from the evaporator 11 is transferred to the condensation unit 12, and a working fluid in the liquid state from the condensation unit 12 is evaporated from the evaporation unit 11. It consists of a liquid conveying pipe 14 to be transferred to.

상기 기체이송관(13)과 액체이송관(14)의 증발부(11) 연결 시, 작동유체의 안정적인 순환을 돕기 위해 기체이송관(13)이 액체이송관(14) 보다 높은 위치에서 연결되도록 한다.When the evaporator 11 of the gas transfer pipe 13 and the liquid transfer pipe 14 is connected, the gas transfer pipe 13 is connected at a position higher than the liquid transfer pipe 14 to help stable circulation of the working fluid.

상기 응축부(12)는 기상의 작동유체가 들어와 외부로 열을 방출함으로써 기상에서 액상으로 전환되는 영역이고, 작동유체의 안정적 순환을 위해 증발부(11) 보다 높은 곳에 위치하도록 한다.The condensation unit 12 is a region in which the working fluid in the gas phase is converted into the liquid phase from the gas phase by releasing heat to the outside, and positioned above the evaporator 11 for stable circulation of the working fluid.

이와 같은 구성에 의해 본 발명에 따른 연료전지용 냉각시스템(10)의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.The operating state of the fuel cell cooling system 10 according to the present invention by such a configuration is as follows.

먼저, 차량용 연료전지(2)의 전해질막에서 반응열이 발생하고, 이 반응열이 증발부(11)로 열전달이 되고, 전달된 열에 의해 증발부(11) 내부의 온도가 상승하게 된다. 이때, 상기 증발부(11) 내부에서는 액상작동유체의 증발부(11) 내 포화온도에 해당하는 포화증기압이 발생한다. First, reaction heat is generated in the electrolyte membrane of the vehicle fuel cell 2, and the reaction heat is transferred to the evaporator 11, and the temperature inside the evaporator 11 is increased by the transferred heat. At this time, in the evaporator 11, a saturated steam pressure corresponding to the saturation temperature in the evaporator 11 of the liquid working fluid is generated.

즉, 작동유체의 증발잠열에 의해 대량의 열을 적은 작동유체의 온도차로 흡수한 다음, 상기 증발부(11) 내부에 발생한 포화증기압으로 인해 기상작동유체가 배출구(11b)를 통해 배출되게 된다.That is, a large amount of heat is absorbed by the latent heat of evaporation of the working fluid into the temperature difference of the small working fluid, and then the gaseous working fluid is discharged through the outlet 11b due to the saturated steam pressure generated in the evaporator 11.

그 다음, 증발부(11) 내부에서 발생된 증기압이 작동유체의 흐름 경로를 따라 압력강하량과 같아지는 시점에 작동유체의 전체 루프를 통한 작동유체의 순환이 이루어지게 된다. Then, the circulation of the working fluid through the entire loop of the working fluid is made at the time when the vapor pressure generated inside the evaporator 11 is equal to the pressure drop along the flow path of the working fluid.

정상상태 순환이 이루어진 후 기상 작동유체 이송관(13)으로 이송된 기상 작동유체는 응축부(12)에서 열을 방출하며 응축 및 과냉(subcooling)된다.After the steady state circulation is made, the gaseous working fluid transferred to the gaseous working fluid transfer pipe 13 is condensed and subcooled while releasing heat from the condensation unit 12.

이 때의 작동유체 순환의 구동력은 증발부(11) 내부 포화온도에 해당하는 포화압력이고, 이를 보상해주는 힘은 액상작동유체 이송관 및 증발부(11) 내부에 존재하는 액상작동유체의 순 중력수두(h)이다.At this time, the driving force of the working fluid circulation is the saturation pressure corresponding to the saturation temperature inside the evaporator 11, and the compensating force is the net gravity force of the liquid working fluid transfer pipe and the liquid working fluid present in the evaporator 11. Chickenpox (h).

상기 과냉 상태의 작동유체는 액상 작동유체 이송관을 따라 증발부(11)의 유입구(11a)로 이동하고, 증발부(11)로 이송된 작동유체는 다시 열을 받아 증발하며 연속적인 순환을 하게 된다.The working fluid in the subcooled state moves to the inlet port 11a of the evaporator 11 along the liquid working fluid transfer pipe, and the working fluid transferred to the evaporator 11 receives evaporated heat to allow continuous circulation. do.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 냉각시스템(10)을 나타내는 구성도이다.7 is a configuration diagram showing a fuel cell cooling system 10 according to another embodiment of the present invention.

도 7의 제2실시예에서는 전술한 제1실시예와 기본적인 구성 및 작동상태를 같으나, 각 구성의 부가적인 설명을 하기로 한다.In the second embodiment of FIG. 7, the basic configuration and operation state are the same as those of the first embodiment described above, but additional description of each configuration will be described.

본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각장치(20)는 증발부(21)로의 액상 작동유체의 유입이 기상 작동유체의 배출보다 높은 위치에서 일어나도록 높이 차를 둔다(전술한 제1실시예와 반대임).The cooling device 20 according to another embodiment of the present invention has a height difference such that the inflow of the liquid working fluid into the evaporator 21 occurs at a position higher than the discharge of the gaseous working fluid (as opposed to the first embodiment described above). being).

상기 증발기(21)는 냉매 보상 챔버와 1차 위크를 바로 연결하고, 가운데가 파인 육면체 형상의 위크와 양방향 기상 냉매 배출 유로를 사용한다. 즉, 중간에 다공성 미디어(23)가 채워지고, 다공성미디어(22)의 상단부는 액체이송관(27)과 연결되고, 다공성미디어(23)의 하단부는 기체이송관(26)과 연결된다.The evaporator 21 directly connects the refrigerant compensation chamber and the primary wick, and uses a hexahedral wick having a center and a bidirectional gas phase refrigerant discharge passage. That is, the porous media 23 is filled in the middle, and the upper end of the porous media 22 is connected to the liquid transfer pipe 27, and the lower end of the porous media 23 is connected to the gas transfer pipe 26.

또한, 상기 다공성 미디어(23)를 사이에 두고 양측면에는 증발채널(24)이 부착되며, 액상이송관(27)을 통해 유입된 액체가 전기 히터(25)의 열에 의해 기상으로 변하여 다공성 미디어(23)를 통해 증발채널(24)로 이동하여 기체이송관(26)을 거쳐 응축부(22)로 이송되게 된다.In addition, the evaporation channel 24 is attached to both sides with the porous media 23 interposed therebetween, and the liquid introduced through the liquid transfer pipe 27 is changed into the gas phase by the heat of the electric heater 25 so that the porous media 23 It is moved to the evaporation channel (24) through the gas transfer pipe (26) to be transferred to the condensation unit (22).

상기 응축부(22)는 냉매이송관과 내경이 같은 직선형 등관을 사용하고, 관외부로 등온의 물을 역방향으로 흘려보내는 구조로 설치되고, 차가운 냉각수와 열교환을 통해 응축부(22)로 유입된 기체가 액상으로 변하게 되어 액체이송관을 통해 다시 증발부(21)로 유입된다.The condensation unit 22 uses a straight pipe having the same inner diameter as the refrigerant transport pipe, and is installed in a structure in which isothermal water flows in the reverse direction to the outside of the tube, and the gas introduced into the condensation unit 22 through heat exchange with cold cooling water. Is changed into a liquid phase and flows back into the evaporator 21 through the liquid transfer pipe.

실험 데이터Experimental data

도 5 및 도 6은 본 발명의 실험결과를 나타내는 그래프로서, 열부하에 따른 온도 및 열저항을 나타낸다.5 and 6 are graphs showing the experimental results of the present invention, showing the temperature and the thermal resistance according to the heat load.

본 실험 데이터는 작동유체로 메탄올과 물을 사용하고, 작동유체의 주입량은 전체체적 기준 50%, 60%로 실험한 데이터이다.This experimental data is based on the experiment using methanol and water as the working fluid and the injection volume of working fluid is 50% and 60% based on the total volume.

본 실험 데이터는 중력방향에 대한 상대 기울기가 없는 방향으로 박판형 열 사이폰 루프를 설치하였고, 증발부에 열 유입량을 100W ~ 320W까지 일정하게 증가시켜 가며 실험한 데이터이다.The experimental data is a thin-walled thermal siphon loop installed in a direction without a relative inclination with respect to the gravity direction, and the experimental data were continuously increased by increasing the heat inflow amount from 100W to 320W.

본 실험 데이터는 열 유입량에 대해 정상상태의 운전온도를 측정하였고, 열 유입량 100W ~ 320W 범위에서 열 사이폰 루프(냉각장치)가 안정적으로 운전 됨을 나타낸다.The experimental data show that the operating temperature of the steady-state is measured with respect to the heat inflow and the thermal siphon loop (cooler) is operated stably in the heat inflow range of 100W to 320W.

또한, 본 실험 데이터는 메탄올 60%의 경우 차량용 연료전지(2) 운전 범위인 200W ~ 240W 사이에서 70℃ ~ 80℃ 의 온도 범위를 만족시키고 있음을 보여준다. In addition, the experimental data show that 60% of methanol satisfies the temperature range of 70 ° C. to 80 ° C. between 200W to 240W, which is the driving range of the vehicle fuel cell 2.

본 실험 데이터는 작동유체 주입량이 증가할수록 운전온도 및 열 저항이 증가하는 것을 보여준다.The experimental data show that the operating temperature and thermal resistance increase with increasing working fluid injection volume.

본 실험 데이터는 증류수 작동유체의 경우 동일한 주입량에 메탄올 작동유체 운전온도 보다 낮은 운전온도를 기록하고 있는데, 이는 증류수의 높은 증발잠열과 높은 기상 및 액상 작동유체의 밀도, 그리고 비슷한 점성에 기인한다. The experimental data show that the distilled water working fluid has a lower operating temperature than the methanol working fluid at the same injection volume due to the high latent heat of evaporation of distilled water, the density of high gas and liquid working fluids, and similar viscosity.

본 발명은 차량용 연료전지(2)뿐만 아니라 작동 시 열이 발생될 수 있는 판형의 발열면을 가지는 전자기기에도 응용이 가능하다. 현재의 전자기기는 반도체 및 전자부품의 발전으로 점차 소형화되어 가고 있으며, 이에 따라 단위 면적당 발생하는 발열량이 증가하게 되었다. The present invention is applicable not only to the vehicle fuel cell (2) but also to an electronic device having a plate-shaped heating surface that can generate heat during operation. Current electronic devices have been gradually miniaturized due to the development of semiconductors and electronic components, and thus the amount of heat generated per unit area has increased.

이로 인해 증가된 전자기기의 운전온도는 전자기기의 오작동 및 파손을 야기시키므로, 전자기기의 온도를 제어할 수 있는 장치가 필요하다. 이와 같이 한정된 공간에서 운전온도의 제어가 필요한 판형의 발열면을 갖는 전자기기에 적용할 수 있다. As a result, the increased operating temperature of the electronic device causes malfunction and breakage of the electronic device, and therefore, a device capable of controlling the temperature of the electronic device is required. Thus, the present invention can be applied to an electronic device having a plate-shaped heat generating surface that requires control of an operating temperature in a limited space.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함 한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be implemented without departing from the spirit.

도 1은 종래의 연료전지차량용 냉각시스템을 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing a conventional cooling system for a fuel cell vehicle.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 냉각시스템을 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a cooling system for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 3은 도 2의 냉각시스템의 작동원리를 설명하기 위한 개념도이다.3 is a conceptual diagram for explaining the operation principle of the cooling system of FIG.

도 4a는 본 발명에 따른 냉각시스템에서 상판을 나타내는 구성도이고, 도 4b는 하판을 나타내는 구성도이다.Figure 4a is a block diagram showing an upper plate in the cooling system according to the present invention, Figure 4b is a block diagram showing a lower plate.

도 5는 본 발명의 실험결과를 나타내는 그래프로서, 열부하에 따른 온도를 나타내고, 도 6은 열부하에 따른 열저항을 나타낸다.Figure 5 is a graph showing the experimental results of the present invention, shows the temperature according to the heat load, Figure 6 shows the thermal resistance according to the heat load.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각시스템의 구성도이다.7 is a configuration diagram of a cooling system according to another embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

2 : 연료전지 3 : 분리판2: fuel cell 3: separation plate

10,20 : 냉각시스템 11,21 : 증발부10,20: cooling system 11,21: evaporator

11a : 유입구 11b : 배출구11a: inlet 11b: outlet

11c : 내부유로 12,22 : 응축부11c: internal flow path 12, 22: condensation unit

13,26 : 기체이송관 14,27 : 액체이송관13,26 gas transfer pipe 14,27 liquid transfer pipe

25 : 전기히터25: electric heater

Claims (8)

연료전지용 냉각시스템에 있어서,In a cooling system for fuel cells, 액상의 작동유체가 열을 흡수하여 기상의 작동유체로 증발시켜 배출시키는 증발부;An evaporator for absorbing heat by the working fluid in the liquid phase and discharging the working fluid in the gas phase to discharge the working fluid; 상기 증발부에서 증발된 기상의 작동유체를 응축시키는 응축부;A condenser condensing the working fluid of the gaseous phase evaporated in the evaporator; 상기 증발부에서 기화된 작동유체를 응축부로 이송하는 기체이송관; 및A gas transfer pipe transferring the working fluid evaporated in the evaporator to the condenser; And 상기 응축부에서 액화된 작동유체를 증발부로 이송하는 액체이송관을 포함하여 구성되고, 상기 증발부가 연료전지에서 발생한 열을 흡수하여 연료전지를 냉각하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 냉각시스템.And a liquid transfer pipe for transferring the working fluid liquefied in the condenser to the evaporator, wherein the evaporator absorbs heat generated from the fuel cell to cool the fuel cell. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 증발부는 액상의 작동유체가 유입되는 유입구와, 기상의 작동유체가 배출되는 배출구와, 작동유체의 열전달응 용이하게 해주는 내부유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 냉각시스템.And the evaporator comprises an inlet through which a working fluid in a liquid flows in, a discharge through which a working fluid in a gaseous phase is discharged, and an internal flow path for facilitating heat transfer of the working fluid. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2, 상기 증발부의 유입구와 배출구는 중력방향에 대하여 높이차를 갖는 것을 특 징으로 하는 연료전지차량용 냉각시스템.Cooling system for a fuel cell vehicle, characterized in that the inlet and outlet of the evaporator has a height difference with respect to the direction of gravity. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3, 상기 증발부 내부의 열전달 효율을 높이기 위하여 내부유로가 요철모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 냉각시스템.Cooling system for a fuel cell vehicle, characterized in that the inner flow path is formed in an uneven shape in order to increase the heat transfer efficiency inside the evaporator. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4, 상기 증발부는 연료전지의 분리판 사이에 박판 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 냉각시스템.Cooling system for a fuel cell vehicle, characterized in that the evaporator is installed in the form of a thin plate between the separator of the fuel cell. 청구항 5에 있어서,The method according to claim 5, 상기 증발부는 직사각형인 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 냉각시스템.Cooling system for a fuel cell vehicle, characterized in that the evaporator is rectangular. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 증발부 내의 정체 영역이 발생되지 않도록 정체되는 부분이 일정각도로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 냉각시스템.Cooling system for a fuel cell vehicle, characterized in that the stagnant portion is formed to be inclined at a predetermined angle so that the stagnant region in the evaporator is not generated. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 7, 상기 응축부는 안정적인 작동유체의 순환을 위해 증발부보다 높게 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 냉각시스템.The condensation unit is a cooling system for a fuel cell vehicle, characterized in that located above the evaporator for stable circulation of the working fluid.
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