KR20100083660A

KR20100083660A - 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치

Info

Publication number: KR20100083660A
Application number: KR1020090003147A
Authority: KR
Inventors: 권대복
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-07-22
Also published as: KR101198085B1

Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지 차량에서의 잉여 전기를 효과적으로 사용하여 에너지 효율을 향상시키는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치를 제공함에 있다.

본 발명에 의한 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치는, 연료전지 스택(stack)(400); 상기 연료전지 스택(400)으로부터 전원을 공급받는 배터리(300); 일측에 냉각수 유입구(210)가 형성되고 타측에 냉각수 유출구(220)가 형성되어 냉각수를 유통시키는 케이스(200); 상기 배터리(300) 또는 상기 연료전지 스택(400)과 연결되며, 적어도 2종 이상의 서로 다른 특성을 가지는 전기 히터를 포함하여 이루어지는 잉여 전기 소진부(100); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 잉여 전기 소진부(100)는 상기 케이스(200) 상에 설치되며 상기 배터리(300)에 연결되는 적어도 하나 이상의 제1히터(110)와, 상기 케이스(200) 상에 설치되며 상기 배터리(300)를 통해 상기 연료전지 스택(400)에 연결되는 적어도 하나 이상의 제2히터(120)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

연료전지, 스택, 잔류 가스, 배터리, 과잉 충전, 잉여 전기, PTC 히터, 카트리지 히터

Description

연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치 {Surplus Electric Energy Reductor for Fuel Cell Vehicle}

본 발명은 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치에 관한 것이다.

휘발유, 경유 등을 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량이 현재 가장 일반적인 차량의 형태이나, 이러한 차량용 에너지원 역시 환경오염 문제 뿐 아니라 석유 매장량의 감소 등과 같은 다양한 원인으로 인해 새로운 에너지원의 필요성이 점점 대두되고 있다. 이와 같은 저공해 고연비 대책으로 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차 등이 각광을 받고 있으며, 현재 가장 실용화 단계에 가까운 기술 중 하나가 연료전지를 에너지원으로 하여 구동되는 차량이다.

통상적으로, 연료전지는 수소와 산소의 화학적 결합 반응 시 발생하는 전기에너지를 이용하는 형태의 전지로서, 전기화학반응에 의하여 에너지가 변환되므로 전기화학 엔진이라고 말할 수 있다. 연료전지를 사용하는 연료전지 자동차는 축전지를 이용한 전기자동차와는 달리 연료만 공급해주면 계속 주행을 할 수 있기 때문에 내연기관 자동차와 같이 사용이 편리하며, 특히 직접 수소를 연료로 사용하는 경우 완전 무공해를 이룰 수 있는 장점이 있다.

또한, 연료전지의 에너지 변환효율은 이론적으로 80％에 이르러 내연기관이 30％를 못 미치는 것에 비하면 높은 효율로서, 전기자동차의 짧은 일 충전 주행거리와 오랜 충전시간 등의 단점을 극복할 수 있으며, 내연기관을 사용하는 하이브리드 전기자동차에서 발생하는 배기가스 배출문제를 동시에 해결할 수 있는 방안으로 제시되고 있다.

그러나 연료전지 자동차는 수소와 산소의 화학결합에 대한 제어가 자유롭지 못하기 때문에 시동 시에 남아 있는 수소 및 산소의 결합으로 효율이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한 브레이크 작동으로 인한 발전으로 배터리에 충전 에너지가 과잉될 경우 배터리나 기타 전장부품에 문제를 일으킬 수 있다.

따라서 종래 차량용 전열 히터를 통하여 냉각수로 폐열을 버림으로써 연료전지 스택(stack)의 잔류 가스를 제거하여 연료전지의 반응성을 향상시키며, 배터리의 과잉 충전을 방지하여 전장기기를 보호하려는 시도가 있어 왔다.

이와 같이 연료전지 차량에서 잉여 전력을 소진하는 장치(Cathode Oxygen Depletion, 이하 COD)는 크게 다음과 같은 두 가지가 있다.

먼저 도 1(A)에 도시된 장치는 잔류 가스를 제거하는 장치로서, 시동 on/off 시 발생되어 연료 전지 스택 상에 남아 있는 잔류 가스, 즉 잔류 전기를 제거하여 연료 전지의 반응성을 향상시킨다. 즉 연료 전지 스택과 냉각수가 유통되는 케이스 에 구비된 전기 히터를 연결하여, 잔류 전기에너지가 전기 히터를 통과하면서 열에너지로 변환되고, 이 열에너지가 냉각수로 흡수되도록 함으로서 잔류 전기를 제거하는 것이다.

도 1(B)에 도시된 장치는 차량 바퀴의 회전에 의하여 배터리 충전 시 과잉되는 전기에너지를 제거하는 장치로서, 배터리에 전기가 과잉 충전됨으로써 배터리 및 기타 전장기기에 손상이 발생되는 문제점을 제거한다. 이 역시 과잉 전기에너지가 냉각수가 유통되는 케이스에 구비된 전기 히터를 통해 열에너지로 변환되어 냉각수로 흡수되도록 함으로써 과잉 전기가 제거되게 된다.

그런데, 이와 같은 종래의 COD는 잉여 전기를 단지 냉각수로 버리는 기능만 있어 에너지 효율 측면에 있어 불리한 측면이 있다. 뿐만 아니라 시동 초기에 과다한 전류를 소진해야 하는 경우 냉각수로의 열전달 효율이 부족한 경우도 있어 불편을 초래한다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지 차량에서의 잉여 전기를 효과적으로 사용하여 에너지 효율을 향상시키는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치는, 연료전지 스택(stack)(400); 상기 연료전지 스택(400)으로부터 전원을 공급받는 배터리(300); 일측에 냉각수 유입구(210)가 형성되고 타측에 냉각수 유출구(220)가 형성되어 냉각수를 유통시키는 케이스(200); 상기 배터리(300) 또는 상기 연료전지 스택(400)과 연결되며, 적어도 2종 이상의 서로 다른 특성을 가지는 전기 히터를 포함하여 이루어지는 잉여 전기 소진부(100); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 잉여 전기 소진부(100)는 상기 케이스(200) 상에 설치되며 상기 배터리(300)에 연결되는 적어도 하나 이상의 제1히터(110)와, 상기 케이스(200) 상에 설치되며 상기 배터리(300)를 통해 상기 연료전지 스택(400)에 연결되는 적어도 하나 이상의 제2히터(120)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1히터(110)는 시간에 따른 전류 소진량이 점진적으로 증가하는 특성을 가지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제1히터(110)는 카트리지 히터인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2히터(120)는 초기 돌입 전류의 양이 많은 특성을 가지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제2히터(120)는 PTC 히터인 것이 바람직하다.

또한, 상기 잉여 전기 소진부(100)는 상기 제1히터(110)는 카트리지 히터로 이루어지고 상기 냉각수 유입구(210)에 가까운 위치에 배치되며, 상기 제2히터(120)는 PTC 히터로 이루어지고 상기 냉각수 배출구(220)에 가까운 위치에 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 잉여 전기 소진부(100)는 배터리 충전 상태, 스택 내 가스 잔류량, 외기 온도를 포함하는 조건을 사용하여 상기 제1히터(110) 및 상기 제2히터(120)의 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다. 또한 이 때, 상기 잉여 전기 소진부(100)는 배터리 충전 상태가 높은 경우나 외기 온도가 낮은 경우 상기 제1히터(110)를 우선적으로 작동시키거나, 스택 내 가스 잔류량이 높은 경우나 외기 온도가 높은 경우 상기 제2히터(120)를 우선적으로 작동시키거나, 상기 제1히터(110)와 상기 제2히터(120)를 동시에 작동시키거나, 또는 상기 제1히터(110)와 상기 제2히터(120)를 시차를 두고 교차 작동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 케이스(200)는 냉각수 유통 라인 중, 냉각수가 상기 연료전기 스택(400)을 냉각시키고 나온 지점과 냉각수가 히터코어로 유입되기 이전 지점 사이의 위치에 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 종래의 COD가 단순히 잉여 전기를 냉각수로 버리는 기능만 있었기 때문에 에너지 효율에 있어 불리한 부분이 있었던 점을 개선하여, 잉여 전기를 효과적으로 사용함으로써 에너지 효율을 향상시키는 효과가 있다. 즉 본 발명에 의하면 잉여 전기의 소진과 냉각수의 승온, 두 가지의 기능을 적절하게 사용 가능하도록 함으로써 시동 on/off 시와 같이 전기 소진이 짧은 시간 동안 매우 많이 필요한 경우나 주행 중과 같이 전기 소진이 점차적으로 이루어지는 것이 유리한 경우 등에 따라 효율적으로 잉여 전기 소진이 이루어지도록 할 수 있는 효과가 있는 것이다.

특히 본 발명에 의하면 카트리지 히터 및 PTC 히터를 혼합 사용함으로써 냉각수가 과다하게 온도가 상승하는 것을 방지하여 냉각 시스템의 효율 또한 향상시키는 효과도 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 잉여 전기 처리 장치의 간략한 시스템도이다. 본 발명의 잉여 전기 처리 장치(1000)는, 연료전지 스택(stack)(400); 상기 연료전지 스택(400)으로부터 전원을 공급받는 배터리(300); 일측에 냉각수 유입구(210)가 형성 되고 타측에 냉각수 유출구(220)가 형성되어 냉각수를 유통시키는 케이스(200); 상기 배터리(300) 또는 상기 연료전지 스택(400)과 연결되며, 적어도 2종 이상의 서로 다른 특성을 가지는 전기 히터를 포함하여 이루어지는 잉여 전기 소진부(100); 를 포함하여 이루어진다. 이 때, 상기 잉여 전기 소진부(100)는 도 2의 실시예에 도시된 바와 같이 상기 케이스(200) 상에 설치되며 상기 배터리(300)에 연결되는 적어도 하나 이상의 제1히터(110)와, 상기 케이스(200) 상에 설치되며 상기 배터리(300)를 통해 상기 연료전지 스택(400)에 연결되는 적어도 하나 이상의 제2히터(120)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 케이스(200)는 특정한 크기나 형태의 제한은 없고, 단지 상기 히터(110)(120)들이 배치될 수 있도록 적절한 크기와 형태로 형성되면 된다. 또한 상기 케이스(200)는 냉각수 유통 라인 중 설계자의 의도에 따라 적절하게 배치될 수 있는데, 상기 히터(110)(120)에 의하여 냉각수가 승온되는 것을 고려하여, 냉각수가 연료전지 스택(400)을 냉각시키고 나온 부분 - 냉각수가 히터코어로 유입되는 부분 사이의 라인에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 제1히터(110) 및 상기 제2히터(120)는 각각 상기 연료전지 스택(400) 및 상기 배터리(300)에 연결된다. 따라서 상기 제1히터(110)에서는 상기 배터리(300)에서 발생된 과잉 전기에너지를, 상기 제2히터(120)에서는 상기 연료전지 스택(400)에서 발생된 잔류 전기에너지를 소진하게 된다. 각각의 히터(110)(120)에서 전기에너지를 소진하는 방식은 종래와 유사한데, 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 상기 제1히터(110)는 차량 바퀴의 회전에 의하여 상기 배터리(300)가 충 전될 때 과잉으로 발생되는 전기에너지를 제거하는데, 배터리에 과잉 전기에너지가 충전되면 이 과잉 전기에너지를 열에너지로 변환하며, 이 열에너지는 상기 제1히터(110)를 구비하는 상기 케이스(200) 내에 유통되는 냉각수로 흡수되게 되어 결과적으로 상기 배터리(300)의 과잉 전기에너지를 제거하게 된다. 또한 상기 제2히터(120)는 상기 연료전지 스택(400)과 연결되어, 시동 on/off 시 발생되어 연료 전지 스택 상에 남아 있는 잔류 가스에 의하여 발생되는 잔류 전기에너지를 열에너지로 변환하며, 이 열에너지는 상기 제2히터(120)를 구비하는 상기 케이스(200) 내에 유통되는 냉각수로 흡수되게 되어 결과적으로 상기 연료전지 스택(400)의 잔류 전기에너지를 제거하게 된다.

도 3은 본 발명의 잉여 전기 처리 장치가 채용되는 시스템을 간략하게 도시한 것이다. 냉각수는 라디에이터(RAD)를 통과하며 냉각되고, 히터코어(HTR)를 통과하면서 열을 발산하는데, 이 때 상기 잉여 전기 처리부(100)는 냉각수가 유통되는 라인 중간에 구비되는 상기 케이스(200) 내에 구비되어, 냉각수가 라디에이터(RAD)로 유입되기 전에 냉각수로 잉여 전기를 소진하게 된다.

도 4는 시간에 따라 히터에서 소진되는 전기 에너지의 그래프로서, 이와 같은 그래프에 의해 히터의 특성을 알 수 있다.

이 때, 상기 배터리(300)에 연결되는 상기 제1히터(110)는, 차량 바퀴가 회전함에 따라 상기 배터리(300)로 충전되는 전기 에너지의 양은 어느 정도 평탄하게 유지되기 때문에, 도 4(A)의 그래프와 같이 시간에 따라 전기 에너지의 소진량이 점진적으로 증가하는 특성을 가지는 것이 바람직하다. 이와 같은 특성은 일반적으로 카트리지 히터에서 볼 수 있는 특성인데, 카트리지 히터란 니크롬선 등과 같은 저항체를 이용하여 발열을 하는 히터를 말한다. 따라서 상기 제1히터(110)는 구체적으로는 카트리지 히터인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1히터(110)는 시간에 따라 소모되는 전기 에너지 양이 점점 늘어나는 특성을 가지기 때문에 냉각수의 승온에 유리하며, 따라서 냉각수의 빠른 승온을 위해서는 상기 제1히터(110)가 상기 케이스(200)의 냉각수 유입구(210) 위치에 가깝도록 배치되는 것이 바람직하다.

또한 상기 배터리(300)를 통해 상기 연료전지 스택(400)에 연결되는 상기 제2히터(120)는, 시동 on/off 시 상기 연료전지 스택(400)에 잔류되어 있는 잔류 가스에 의해 발생되는 잔류 전기를 짧은 시간 내에 빨리 소진시켜야 하기 때문에, 도 4(B)의 그래프와 같이 초기 돌입 전류의 양이 많은 특성을 가지는 것이 바람직하다. 이와 같은 특성은 일반적으로 PTC 소자로 구성되는 PTC 히터에서 볼 수 있는 특성인 바, 상기 제2히터(120)는 구체적으로는 PTC 히터인 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명의 잉여 전기 처리장치는 잉여 전기 소진부(100)에 2종 이상의 서로 다른 특성을 가지는 히터들이 혼합되어 구비됨으로써, 차량 운행 조건이나 외부 환경 조건에 따라 적절하게 해당 조건에 유리한 특성을 갖는 히터를 작동시키도록 함으로써, 연료전지 차량의 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

예를 들어, 외부 환경 조건이 동절기인 경우, 즉 히터코어로 유입되는 냉각수를 빨리 승온시켜야 하는 경우에는, 시간에 따라 전기 에너지의 소모량이 계속 증가하는 카트리지 히터와 같은 특성을 가지는 히터를 사용하는 것이 바람직하며, 따라서 이 경우에는 상기 제1히터(110)가 최대 용량으로 작동되도록 할 수 있다.

또는, 차량 운행 조건이 시동 초기 시인 경우, 즉 연료전지 스택 내부에 잔류 가스가 많이 잔존하는 경우 또는 외부 환경 조건이 하절기인 경우, 즉 냉각수의 승온이 필요없는 경우 등과 같은 경우에는, 초기 돌입 전류량이 많은 PTC 히터와 같은 특성을 가지는 히터를 사용하는 것이 바람직하며, 따라서 이 경우에는 상기 제2히터(120)가 최대 용량으로 작동되도록 할 수 있다.

또는 외부 조건에 따라 시차를 두고 상기 제1히터(110)와 상기 제2히터(120)를 교차 사용할 수도 있으며, 이러한 히터의 제어에는 배터리 충전 상태, 스택 내 가스 잔류량, 외기 온도 등의 조건을 이용할 수 있다. 즉 배터리 충전 상태가 높은 경우나 외기 온도가 낮은 경우 상기 제1히터(110)를 우선적으로 사용하고, 스택 내 가스 잔류량이 높은 경우나 외기 온도가 높은 경우 상기 제2히터(120)를 우선적으로 사용하며, 경우에 따라서 상기 제1히터(110)와 상기 제2히터(120)를 동시에 사용하거나 시차를 두고 교차 사용할 수도 있는 것이다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

도 1은 종래의 잉여 전기 처리장치.

도 2는 본 발명에 의한 잉여 전기 처리장치.

도 3은 본 발명의 잉여 전기 처리장치가 채용되는 시스템.

도 4는 시간에 따라 히터에서 소진되는 전기 에너지 특성 그래프.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1000: (본 발명의) 잉여 전기 처리장치

100: 잉여 전기 소진부

110: 제1히터

120: 제2히터

200: 케이스

210: 냉각수 유입구

220: 냉각수 배출구

300: 배터리

400: 연료전지 스택

Claims

연료전지 스택(stack)(400);

상기 연료전지 스택(400)으로부터 전원을 공급받는 배터리(300);

일측에 냉각수 유입구(210)가 형성되고 타측에 냉각수 유출구(220)가 형성되어 냉각수를 유통시키는 케이스(200);

상기 배터리(300) 또는 상기 연료전지 스택(400)과 연결되며, 적어도 2종 이상의 서로 다른 특성을 가지는 전기 히터를 포함하여 이루어지는 잉여 전기 소진부(100);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치.
제 1항에 있어서, 상기 잉여 전기 소진부(100)는

상기 케이스(200) 상에 설치되며 상기 배터리(300)에 연결되는 적어도 하나 이상의 제1히터(110)와,

상기 케이스(200) 상에 설치되며 상기 배터리(300)를 통해 상기 연료전지 스택(400)에 연결되는 적어도 하나 이상의 제2히터(120)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치.
제 1항에 있어서, 상기 제1히터(110)는

시간에 따른 전류 소진량이 점진적으로 증가하는 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치.
제 3항에 있어서, 상기 제1히터(110)는

카트리지 히터인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치.
제 1항에 있어서, 상기 제2히터(120)는

초기 돌입 전류의 양이 많은 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치.
제 5항에 있어서, 상기 제2히터(120)는

PTC 히터인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치.
제 1항에 있어서, 상기 잉여 전기 소진부(100)는

상기 제1히터(110)는 카트리지 히터로 이루어지고 상기 냉각수 유입구(210)에 가까운 위치에 배치되며, 상기 제2히터(120)는 PTC 히터로 이루어지고 상기 냉각수 배출구(220)에 가까운 위치에 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치.
제 7항에 있어서, 상기 잉여 전기 소진부(100)는

배터리 충전 상태, 스택 내 가스 잔류량, 외기 온도를 포함하는 조건을 사용하여 상기 제1히터(110) 및 상기 제2히터(120)의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치.
제 8항에 있어서, 상기 잉여 전기 소진부(100)는

배터리 충전 상태가 높은 경우나 외기 온도가 낮은 경우 상기 제1히터(110)를 우선적으로 작동시키거나,

스택 내 가스 잔류량이 높은 경우나 외기 온도가 높은 경우 상기 제2히터(120)를 우선적으로 작동시키거나,

상기 제1히터(110)와 상기 제2히터(120)를 동시에 작동시키거나,

또는 상기 제1히터(110)와 상기 제2히터(120)를 시차를 두고 교차 작동시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치.
제 1항에 있어서, 상기 케이스(200)는

냉각수 유통 라인 중, 냉각수가 상기 연료전기 스택(400)을 냉각시키고 나온 지점과 냉각수가 히터코어로 유입되기 이전 지점 사이의 위치에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치.