KR20100117759A - 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 열 및 물관리계에 배열되는 냉각수 저장용 리저버와 냉각수 급속 가열용 히터를 하나로 통합시킨 새로운 구조의 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 연료전지 스택과 연결되는 냉각수 입구 및 물펌프와 연결되는 냉각수 출구가 전후면에 각각 형성되고, 상면에는 다수개의 히터 카트리지 삽입홀이 관통 형성되며, 내부의 바닥면에는 히터 카트리지 장착구가 일체로 형성된 리저버 하우징을 구비하고, 소정의 COD 겸용 히터 카트리지를 각 히터 카트리지 삽입홀을 통해 분리 가능하게 삽입하는 동시에 상기 히터 카트리지 장착구내에 삽입 고정시켜, 리저버와 COD 겸용 히터를 하나로 통합시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버를 제공한다.
연료전지 스택, 리저버, COD 겸용 히터, 하우징, 카트리지식, 냉각수, 열 및 물관리계

Description

연료전지 차량용 히터 겸용 리저버{Reservoir for fuel cell vehicle having heater}
본 발명은 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 열 및 물관리계(TMS, Thermal Management System)에 배열되는 냉각수 보충용 리저버와 냉각수 급속 가열을 위한 COD겸용 히터를 하나로 통합시킨 새로운 구조의 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버에 관한 것이다.
환경 친화적인 미래형 자동차 개발을 위해 각 자동차 회사들은 수소 연료전지 자동차에 큰 관심을 갖고 개발하고 있으며, 이러한 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템 구성은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템과, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템과, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템 등으로 나누어 볼 수 있다.
현재 개발되고 있는 수소 연료전지 자동차에는 해결해야 할 문제점들이 많이 남아 있는데, 그 중 가장 시급하고도 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이라 할 수 있다.
기존 연료전지 차량의 냉시동성 확보를 위한 해결책의 일환으로서, 급속해동장치(RTA: Rapid Thaw Accumulator) 내부의 히터를 이용하여 순수를 급속해동하는 방법이 있다.
그러나, 순수를 이용하게 되면 빙점 이하에서는 순수가 결빙될 뿐만 아니라 냉각수 순환을 위한 루프가 복잡해지고, 추가적으로 드레인 밸브를 장착해야 하는 등 많은 어려움이 따른다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 한 가지 방안으로서, 연료전지 스택용 부동액을 냉각수로 사용하는 방법이 제시되었는 바, 이 방법은 빙점 이하의 온도에서도 스택의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수로 채용된 부동액을 급속 가열하는데 특징이 있다.
상기 스택용 부동액을 냉각수로 사용하는 방법을 실현하기 위해서는 기존 연료전지 시스템의 열 및 물관리계(TMS, Thermal Management System) 라인에 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수 승온을 위한 COD 겸용 히터(1)와, 물 보충 및 기포제거를 위한 리저버(2)가 별도로 장착된다.
상기 COD 겸용 히터는 연료전지 차량의 스타트업 및 셧다운시 연료극의 수소와 공기극의 산소를 반응시켜 발생하는 전기에너지를 열에너지로 소비시켜 연료전지의 내구성을 향상시키는 기능을 하고, 또한 초기 차량 시동시 냉각수의 급속 승온을 통하여 일정 온도 이상에서 연료전지가 작동되도록 하는 기능을 한다.
연료전지 차량의 스타트업 및 셧다운(start up/shut down)시 연료전지의 공기극(cathode:양극)에 잔존하는 산소로 인한 화학적 반응 및 그에 따른 OCV가 발생하게 되어, 스택내의 촉매 담지 카본의 부식 초래와 함께 스택의 내구성 저하가 발생될 수 있는 바, 이러한 문제점을 해소하기 위하여 상기 COD 겸용 히터에 포함된 일종의 저항체인 COD(Cathode Oxygen Depletion)가 스택의 양단자에 연결되어 OCV를 제거하게 된다.
상기 리저버는 연료전지 시스템에서 냉각수 보충 기능과 함께 버퍼 기능, 그리고 열 및 물관리계(TMS) 라인 내부의 기포 제거 기능 등을 수행한다.
그러나, 기존 연료전지 시스템의 열 및 물 관리계에 COD 겸용 히터와 리저버가 별도의 단품으로 개별 장착됨에 따라, 차량의 레이아웃상 과다한 부피를 차지하고, 중량을 증가시키게 되며, 히터 내부에서 발생한 기포의 배출 경로가 별도로 설정된 곳이 없어 스택 내부에 기포가 들어가 적체될 위험성이 있다.
즉, 연료전지 스택쪽으로 냉각수를 공급하기 위하여 펌프의 구동이 이루어지는 순간, 그 구동력에 의하여 냉각수에 기포가 발생되며, 이때 발생된 기포의 일부는 리저버로 들어가 제거되지만, 일부 기포는 별도로 배출되지 않고 연료전지 스택으로 순환되어 스택에 대한 냉각수의 냉각 기능을 떨어뜨리는 원인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 소정 구조로 만들어 진 리저버내에 COD를 포함하는 냉각수 급속 가열용 복합 기능 히터를 카트리지 형태로 삽입하여, COD를 포함하는 냉각수 급속 가열용 복합 기능 히터와 리저버를 하나로 통합시킴으로써, 기존의 히터를 감싸는 하우징을 별도 제작하던 가공비용을 절감할 수 있고, 전체 열 및 물 관리계의 레이아웃을 축소시킬 수 있으며, 히터 과열시 발생하는 기포를 보다 용이하게 제거할 수 있도록 한 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 스택과 연결되는 냉각수 입구 및 물펌프와 연결되는 냉각수 출구가 전후면에 각각 형성되고, 상면에는 다수개의 히터 카트리지 삽입홀이 관통 형성되며, 내부의 바닥면에는 히터 카트리지 장착구가 일체로 형성된 리저버 하우징을 구비하고, 소정의 히터 카트리지를 각 히터 카트리지 삽입홀을 통해 분리 가능하게 삽입하는 동시에 상기 히터 카트리지 장착구내에 삽입 고정시켜, 리저버와 히터를 하나로 통합시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버를 제공한다.
상기 냉각수 입구와 일치되는 리저버 하우징의 내벽면에는 좌우방향으로 벌어진 한 쌍의 종방향 플레이트와, 상하로 벌어진 한 쌍의 횡방향 플레이트가 서로 수직 교차되며 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 히터 카트리지는 다수개의 히팅수단과, 이 히팅수단의 양측부에 각각 부착되는 (+)전극판 및 (-)전극판과, 상기 (+)전극판 및 (-)전극판의 외표면을 따 라 부착된 절연체와, 상기 절연체의 외표면과 접착되어 상기 히터 카트리지 장착구에 실제 삽입 고정되는 금속재질의 히터 카트리지 하우징; 으로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 히팅수단은 히터블럭, Ni-Cr 와이어, PTC 소자중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 히팅 카트리지의 히팅수단은 COD 겸용으로 채택된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, COD 기능을 갖는 냉각수 급속 가열용 복합 기능 히터를 카트리지 형태로 만들어서 소정 구조로 개선된 리저버내에 탑재시킴으로써, COD 겸용 히터와 리저버를 일체화시킬 수 있다.
이러한 COD 겸용 히터와 리저버의 일체화를 통해, 기존에 단품으로 제작되던 히터의 하우징 제작 비용을 절감할 수 있다.
즉, 기존에 히터 제작 공정상 히터를 감싸는 하우징의 가공비는 히터 전체 가격의 50% 이상을 차지하지만, 본 발명에서는 히터를 감싸는 하우징을 별도로 제작하지 않고 리저버 하우징으로 대체함으로써, 큰 원가절감을 실현할 수 있다.
또한, COD 겸용 히터와 리저버의 일체화를 통해, 전체 열 및 물 관리계의 레이아웃을 축소시킬 수 있고, 차량 중량 절감에도 기여할 수 있다.
또한, 본 발명의 COD 겸용 히터의 과열시 리저버 하우징내의 냉각수에 기포 가 발생되더라도 대기를 통해 기포를 배출시킬 수 있으므로, 기포가 스택 내부로 들어가는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버의 일 구성중 COD 겸용 히터 카트리지만을 나타내는 분리 사시도이고, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버의 조립 상태는 첨부한 도 3 내지 도 8에 도시되어 있다.
본 발명은 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리계(TMS)에 배열되는 리저버와 COD겸용 히터를 하나로 통합시킨 새로운 구조의 히터 겸용 리저버를 제공하고자 한 것으로서, 리저버에 COD겸용 히터를 카트리지식으로 분리 가능하게 결합시킨 점에 특징이 있다.
본 발명의 히터 겸용 리저버(10)는 소정의 내체적을 갖는 리저버 하우징(12)을 포함하는 바, 이 리저버 하우징(12)의 전면에는 연료전지 스택과 연결되는 냉각수 입구(14)가 일체로 형성되고, 그 후면에는 물펌프와 연결되는 냉각수 출구(16)가 일체로 형성된다.
특히, 상기 리저버 하우징(12)의 상면에는 전후방향으로 길다란 직사각홀 형태인 다수개의 히터 카트리지 삽입홀(18)이 관통 형성되며, 이 다수개의 히터 카트 리지 삽입홀(18)은 리저버 하우징(12)의 폭방향을 따라 등간격으로 배열되는 상태가 된다.
또한, 상기 리저버 하우징(12)의 내부에서 그 바닥면에는 상기 히터 카트리지 삽입홀(18)과 상하로 일치되는 동일 갯수의 히터 카트리지 장착구(20)가 일체로 형성되는 바, 이 히터 카트리지 장착구(20)는 상부 개방형의 직사각홈 형태로서, 상기 히터 카트리지 삽입홀(19)과 같이 상기 리저버 하우징(12)의 좌우 폭방향을 따라 등간격으로 배열되고, 리저버 하우징(12)의 전후 길이방향을 따라 길다랗게 연장된 형태로 배열된다.
이렇게 구비된 리저버 하우징(12)의 각 히터 카트리지 삽입홀(18) 및 히터 카트리지 장착구(20)내에 COD를 겸용할 수 있는 히터 카트리지(30)를 분리 가능하게 삽입 고정시킴으로써, 본 발명의 주된 목적인 리저버와 COD 겸용 히터의 일체화를 달성할 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 COD 겸용 가능한 히터 카트리지에 대한 구성을 첨부한 도 2를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
상기 히터 카트리지(30)는 리저버 하우징(12)의 히터 카트리지 삽입홀(18) 및 히터 카트리지 장착구(20)내에 분리 가능하게 삽입 고정되는 카트리지 타입 조립 구조체로 만들어진 것으로서, 일 구성으로서 냉각수를 실질적으로 가열하는 다수개의 히팅수단(31)이 포함되며, 이 히팅수단(31)은 금속블럭 형태인 히터블럭, Ni-Cr 와이어, PTC 소자 등 발열 가능한 다양한 종류의 것들중 하나를 선택하여 적용할 수 있다.
특히, 상기 히팅수단(31)의 양측부에는 발열을 위한 전원수단으로서 (+)전극판(32) 및 (-)전극판(33)이 각각 일체로 부착된다.
즉, 도 2에서 보는 바와 같이 직사각판 형태의 (+)전극판(32) 및 (-)전극판(33) 사이에 다수개의 히팅수단(31)들이 등간격으로 배열되면서 일체로 부착되며, 이 히팅수단들은 COD 겸용으로 사용 가능하다.
이때, 상기 히팅수단(31)들이 내재된 (+)전극판(32) 및 (-)전극판(33)의 외표면을 따라 절연체(34: 예를들어, 절연테이프 등)가 부착된다.
또한, 상기와 같이 히팅수단(31)들이 내재된 (+)전극판(32) 및 (-)전극판(33)을 감싼 상태의 절연체(34)는 열전도가 좋은 금속 재질의 히터 카트리지 하우징(35)내에 삽입되어, 그 외표면이 금속 재질의 히터 카트리지 하우징(35)으로 둘러싸이게 된다.
이와 같은 본 발명의 히터 카트리지(30)의 배열 구조를 다시 살펴보면, 가장 내부에 히팅수단(31)이 배열되고, 중간부분에는 히팅수단(31)의 외표면을 감싸는 (+)전극판(32) 및 (-)전극판(33)과 절연체(34)가 위치되며, 가장 외곽에는 히터 카트리지 하우징(35)이 배열되는 바, 상기 절연체(34)에 의하여 (+)전극판(32) 및 (-)전극판(33)과 히터 카트리지 하우징(35)은 서로 절연되는 상태가 된다.
따라서, 상기와 같은 구조로 조립된 히터 카트리지(30)를 상기 리저버 하우징(12)의 히터 카트리지 삽입홀(18)을 통해 삽입하는 동시에 리저버 하우징(12)의 바닥면에 형성된 히터 카트리지 장착구(20)내에 끼워서 고정시킴으로써, 리저버와 히터가 하나로 통합된 본 발명의 히터 겸용 리저버가 완성된다.
한편, 첨부한 도 3 및 도 5에서 잘 볼 수 있듯이, 상기 냉각수 입구(14)와 일치되는 리저버 하우징(12)의 내벽면에는 히터 카트리지(30)쪽으로 냉각수를 유동시키면서 분배하는 방사형 가이드(22)가 일체로 부착되는 바, 이 방사형 가이드(22)는 좌우로 이격 배치되는 한 쌍의 종방향 플레이트(24)와, 상하로 이격 배치되는 한 쌍의 횡방향 플레이트(26)로 구성된다.
보다 상세하게는, 상기 리저버 하우징(12)의 내벽면에 부착되는 한 쌍의 종방향 플레이트(24)는 좌우방향으로 벌어지면서 리저버 하우징(12)의 내부를 향해 상향 경사진 형태로 부착되고, 상기 한 쌍의 횡방향 플레이트(26)는 상하방향으로 벌어지면서 리저버 하우징(12)의 내부를 향해 상향 경사진 형태로 부착된다.
특히, 상기 한 쌍의 종방향 플레이트(24)와 한 쌍의 횡방향 플레이트(26)는 상기 리저버 하우징(12)의 내벽면에 서로 수직 교차되는 상태로 부착된다.
이렇게 리저버 하우징(12)의 내벽면에 장착된 방사형 가이드(22)는 냉각수 입구(14)를 통해 유입되는 냉각수를 유동시켜서 히터 카트리지(30)쪽으로 용이하게 분배하는 역할을 하게 된다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버에 대한 작동 흐름을 설명하면 다음과 같다.
연료전지 차량의 스타트업 및 셧다운시 연료극의 수소와 공기극의 산소를 반응시켜 발생하는 스택의 전기에너지가 상기 COD 겸용 히터 카트리지(30)의 (+)전극판(32) 및 (-)전극판(33)에 전원으로 공급되면, (+)전극판(32) 및 (-)전극판(33) 사이의 히팅수단(31)이 발열을 하게 된다.
이어서, 상기 히팅수단(31)에서 발열된 열이 (+)전극판(32) 및 (-)전극판(33)을 통해 열전달이 좋은 금속재질로 이루어진 히터 카트리지 하우징(35)로 전달된다.
이러한 상태에서, 상기 리저버 하우징(12)의 냉각수 입구(14)로 유입된 냉각수가 방사형 가이드(22)를 통해 유동되면서 히터 카트리지 하우징(35)쪽으로 흐르게 되면, 이미 상기와 같이 가열된 상태인 히터 카트리지 하우징(35)과 열교환을 하게 되어, 결국 냉각수의 급속 승온이 이루어지게 된다.
이에 따라, 초기 차량 시동시 본 발명의 히터 카트리지에 의하여 냉각수의 급속 승온이 용이하게 이루어지게 되므로, 연료전지는 냉시동성을 극복하여 일정 온도 이상에서 원할한 작동을 하게 된다.
한편, 상기 냉각수가 히터 카트리지 하우징(35)의 표면에 닿을 때, 상기와 같은 히터 카트리지(30)의 발열에 의하여 국부적인 보일링(boiling) 기포들이 발생될 수 있지만, 기포들은 냉각수의 최고수위면쪽으로 상승된 후, 상기 리저버 하우징(12)의 상면에 형성되는 대기연통홀을 통해 대기로 용이하게 빠져나가게 되므로, 결국 승온된 고온의 냉각수만이 리저버 하우징(12)의 냉각수 출구(16)를 통하여 펌프로 공급된 후, 스택으로 재공급된다.
즉, 냉각수의 보일링 기포(과열 기포)가 발생되더라도, 기포가 리저버 하우징내의 냉각수 최고 수위면으로 올라가서 대기와 접하는 상태가 되므로, 기포가 용이하게 터지면서 기포내 공기가 대기로 용이하게 배출 제거될 수 있고, 이에 기포가 펌프를 거쳐 연료전지 스택 내부로 들어가는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 하우징(12)의 대기연통홀을 커버할 수 있는 가압되지 않는 형태의 비가압 캡(40)을 부착하여, 이물질이 하우징의 내부로 들어가는 것을 방지하면서 하우징(12)의 내부가 상기 캡(40)과 대기연통홀 사이 틈새로 통해 대기와 연통되도록 하는 것이 바람직하다.
여기서, 본 발명에 따른 히터 카트리지는 COD 기능을 겸용하는 바, COD 기능을 간략히 설명하면 다음과 같다.
상기 히터 카트리지(30)는 COD와 히터 기능을 겸하는 바, COD 기능시에는 스택의 양단자에 연결되는 (+)전극판(32) 및 (-)전극판(33), 그리고 히팅수단(31)들이 저항체 역할을 하게 된다.
예들 들어, 연료전지 차량의 스타트업 및 셧다운시 연료전지의 공기극(cathode:양극)에 잔존하는 산소로 인한 화학적 반응 및 그에 따른 OCV가 발생하게 되더라도, COD 겸용 가능한 히터 카트리지(30)가 일종의 저항체가 되어 OCV와 같은 전류를 소모하게 된다.
따라서, OCV와 같은 전류에 의한 스택내의 촉매 담지 카본의 부식 초래와 함께 스택의 내구성 저하가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 연료전지 시스템에 적용되던 열 및 물관리계의 냉각수 순환 블럭도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버의 일 구성중 COD 겸용 히터 카트리지만을 나타내는 분리 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버의 조립 상태를 설명하는 분리 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버의 조립된 상태를 나타내는 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버의 조립된 상태를 나타내는 단면 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버를 나타내는 평면도,
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버를 나타내는 측면도,
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버를 나타내는 정면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 히터 겸용 리저버 12 : 리저버 하우징
14 : 냉각수 입구 16 : 냉각수 출구
18 : 히터 카트리지 삽입홀 20 : 히터 카트리지 장착구
22 : 방사형 가이드 24 : 종방향 플레이트
26 : 횡방향 플레이트 30 : COD 겸용 히터 카트리지
31 : 히팅수단 32 : (+)전극판
33 : (-)전극판 34 : 절연체
35 : 히터 카트리지 하우징

Claims (6)

  1. 연료전지 스택과 연결되는 냉각수 입구 및 물펌프와 연결되는 냉각수 출구가 전후면에 각각 형성되고, 상면에는 다수개의 히터 카트리지 삽입홀이 관통 형성되며, 내부의 바닥면에는 히터 카트리지 장착구가 일체로 형성된 리저버 하우징을 구비하여,
    소정의 히터 카트리지를 상기 각 히터 카트리지 삽입홀을 통해 분리 가능하게 삽입하는 동시에 히터 카트리지 장착구내에 삽입 고정시켜, 리저버와 히터를 하나로 통합시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각수 입구와 일치되는 리저버 하우징의 내벽면에는 좌우방향으로 벌어진 한 쌍의 종방향 플레이트와, 상하로 벌어진 한 쌍의 횡방향 플레이트가 서로 수직 교차되며 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 히터 카트리지는:
    다수개의 히팅수단과;
    상기 히팅수단의 양측부에 각각 부착되는 (+)전극판 및 (-)전극판과;
    상기 (+)전극판 및 (-)전극판의 외표면을 따라 부착된 절연체와;
    상기 절연체의 외표면과 접착되어 상기 히터 카트리지 장착구에 실제 삽입 고정되는 금속재질의 히터 카트리지 하우징;
    으로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 히팅수단은 히터블럭, Ni-Cr 와이어, PTC 소자중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 히팅 카트리지의 히팅수단은 COD 겸용으로 채택된 것을 특징으로 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 리저버 하우징의 상면에는 냉각수의 기포를 제거하기 위한 대기연통홀이 더 관통 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 히터 겸용 리저버.
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