KR20110061731A - De-mineralizer for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 차량용 냉각수 이온필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 냉각수에 용출된 이온을 제거하기 위한 이온필터에 관한 것이다.The present invention relates to a coolant ion filter for a fuel cell vehicle, and more particularly, to an ion filter for removing ions eluted in the coolant of a fuel cell stack.
환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 자동차에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.A fuel cell system applied to a hydrogen fuel cell vehicle, which is one of environmentally friendly future vehicles, includes a fuel cell stack for generating electric energy from an electrochemical reaction of a reaction gas, a hydrogen supply device for supplying hydrogen as fuel to the fuel cell stack, An air supply device that supplies air containing oxygen, which is an oxidant for electrochemical reaction, to the fuel cell stack, and releases heat, a byproduct of the electrochemical reaction of the fuel cell stack, to the outside to optimally control the operating temperature of the fuel cell stack and It consists of a heat and water management system that performs management functions.
이러한 구성에서 연료전지 스택은 반응가스인 수소와 산소의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 발생시키고, 그 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. 이 에 연료전지 시스템에는 스택의 온도 상승을 방지하기 위하여 스택을 냉각시키는 장치가 필수적이다.In such a configuration, the fuel cell stack generates electrical energy from an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, which are reaction gases, and emits heat and water as the reaction byproducts. In the fuel cell system, a device for cooling the stack is essential to prevent the temperature of the stack from rising.
통상 차량용 연료전지 시스템에서 연료전지 스택을 최적 온도로 유지하기 위한 냉각시스템에는 스택 내 냉각수 채널을 통해 물을 순환시켜 냉각시키는 수냉식이 이용되고 있다.In general, in a vehicle fuel cell system, a cooling system for maintaining a fuel cell stack at an optimum temperature has been used to cool water by circulating water through cooling water channels in the stack.
이러한 연료전지 차량의 냉각시스템을 첨부한 도 1에 도시하였다. 도 1은 연료전지 차량의 냉각수 루프를 나타내는 개략도로서, 냉각수가 순환될 수 있도록 연료전지 스택(1)과 라디에이터(2) 사이에 구성되는 냉각수 라인(3), 라디에이터(2)를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시키기 위한 바이패스라인(4) 및 3-웨이 밸브(5), 냉각수를 펌핑하여 압송하기 위한 펌프(6)를 포함하여 구성된다.1 is a view illustrating an attached cooling system of the fuel cell vehicle. 1 is a schematic view showing a coolant loop of a fuel cell vehicle, in which a coolant does not pass through a
한편, 연료전지 시스템의 냉각수 루프를 형성하는 배관은 이온 용출성의 문제로 인하여 적용 가능한 재질이 반 이온 용출성을 가지는 SUS 316L, 테플론(Teflon), Al 3003, 푸드 그레이드(Food-Grade)의 실리콘 등으로 매우 제한적이다. SUS 304의 경우 이온 용출의 문제로 사용이 불가하다. On the other hand, the pipes forming the coolant loop of the fuel cell system may be made of SUS 316L, Teflon, Al 3003, food grade silicon, etc. As very limited. SUS 304 cannot be used due to ion elution.
일반 저가의 재료를 사용하는 경우 냉각수가 닿는 부분에서 불순물 및 이온이 냉각수로 용출되는 문제가 발생하는데, 용출된 이온으로 인하여 연료전지 스택에서 생성된 전기가 냉각수를 통해 흐르는 심각한 문제가 발생할 수 있다. In the case of using an inexpensive material, impurities and ions are eluted into the coolant at the contact area of the coolant, and the eluted ions may cause serious problems in which electricity generated in the fuel cell stack flows through the coolant.
더욱이 운전자와 승객이 탑승한 상태로 전기를 발생시키면서 운행을 하는 연료전지 차량에서 부품 재질의 문제로 인하여 냉각수의 이온전도도가 상승하게 되면 냉각수 루프를 따라 누설 전류가 발생하여 차량 내 장착된 전기장치 및 구동부품의 정상 구동이 불가해짐은 물론 운전자와 승객의 안전에도 심각한 영향을 미칠 수 있다.Furthermore, when the ion conductivity of the coolant rises due to component material problems in a fuel cell vehicle that operates while generating electricity while the driver and passenger are on board, leakage currents are generated along the coolant loop, and thus, the electric devices installed in the vehicle and In addition to the impossibility of the normal operation of the drive parts can have a serious impact on the safety of the driver and passengers.
이러한 문제를 해결하기 위하여 연료전지 차량에서는 냉각수의 전기전도도를 항시 센싱하고 있으며, 전기전도도가 특정 수치 이상으로 높아지면 시스템을 셧다운시키는 제어로직을 반영하고 있다.In order to solve this problem, the fuel cell vehicle always senses the conductivity of the coolant, and reflects the control logic that shuts down the system when the conductivity rises above a certain value.
또한 냉각수의 이온전도도를 일정 수준 이하로 유지하기 위하여 냉각수 루프에 이온필터(De-Mineralizer, DMN)(7)를 장착하여 냉각수의 이온전도도를 일정 수준 이하로 유지하고 있다. In addition, in order to maintain the ion conductivity of the cooling water below a certain level, an ion filter (De-Mineralizer, DMN) 7 is attached to the cooling water loop to maintain the ion conductivity of the cooling water below a certain level.
상기 이온필터(7)는 연료전지 스택(1)으로 들어가는 냉각수에 포함된 이온을 필터링하여 냉각수의 전기전도도(Ion Conductivity)를 일정 수준 이하로 낮추는 역할을 하는 부품으로, 첨부한 도 2는 종래의 이온필터를 도시한 사시도이고, 도 3은 종단면도이며, 도 4는 종래의 이온필터에서 차압구간(이온수지가 충전된 구간)을 보여주는 도면이다.The
이온필터(100)는 통상 냉각수가 통과하게 되는 하우징(110), 하우징(110) 내부로 냉각수가 유입/배출되도록 하는 포트부재(입구포트와 출구포트)(120,130), 하우징(110) 내부에 충전(充塡)되어 냉각수에 포함된 이온을 필터링하는 이온수지(101), 하우징(110) 내부에 충전된 이온수지(101)를 지지하고 누출을 방지하는 메쉬(Mesh) 어셈블리(140a,140b)를 포함하여 구성된다. The
이러한 구성에서, 메쉬 어셈블리(140a,140b)는 냉각수는 통과시키되 작은 알갱이 형태의 이온수지(101)는 하우징(110) 내부에 가둬두는 역할을 하며, 하우징 양단부의 입구포트(120)와 출구포트(130) 측에 모두 설치되어 하우징 내부에 충전된 이온수지의 누출을 막아주게 된다.In this configuration, the mesh assemblies 140a and 140b pass through the cooling water but keep the small
상기와 같이 구성된 이온필터(100)에서는 입구포트(120)(펌프 출구단과 연결)를 통해 유입된 냉각수가 메쉬 어셈블리(140a), 이온수지(101), 메쉬 어셈블리(140b)를 통과하여 출구포트(130)(펌프 입구단과 연결)를 통해 배출되며, 냉각수가 이온수지(101)를 통과하는 동안 필터링되어 이온이 제거된다.In the
이렇게 냉각수에서 이온을 제거함으로써 냉각수를 통한 스택 전류 누설을 막아주고, 결국 차량의 전기안전성을 기준에 적합하게 만들어주게 된다.This removal of ions from the coolant prevents leakage of the stack current through the coolant, which in turn makes the vehicle's electrical safety compliant.
그러나, 도 3에 나타낸 바와 같이, 종래의 이온필터(100)에서는 냉각수가 입구포트(120)와 출구포트(130) 사이의 종방향 경로를 따르게 되며, 종방향 경로에서 이온수지(101)가 충전된 구간이 입구측과 출구측의 냉각수 압력차(차압)를 발생시키는 구간이 된다.However, as shown in FIG. 3, in the
결국, 냉각수가 이온수지의 종방향(축방향) 구간을 통과하게 되고, 이로 인해 이온필터에서의 차압구간(도 3에서 이온수지가 충전된 종방향 구간)이 길어지므로, 입구포트를 통해 유입되는 냉각수의 압력과 배출포트를 통해 배출되는 냉각수의 압력차가 크게 발생할 수밖에 없다.As a result, the coolant passes through the longitudinal (axial) section of the ion resin, which leads to a length of the differential pressure section (the longitudinal section in which the ion resin is filled in FIG. 3) in the ion filter. The pressure difference between the pressure of the cooling water and the cooling water discharged through the discharge port is inevitably large.
첨부한 도 5는 종래의 이온필터에서 냉각수 유량 증가에 따른 차압 증가를 보여주는 그래프로서, 냉각수 유량이 증가할수록 차압이 크게 발생함을 알 수 있다.5 is a graph showing an increase in the differential pressure according to the increase in the flow rate of the cooling water in the conventional ion filter, it can be seen that the differential pressure is greatly generated as the flow rate of the cooling water increases.
냉각수가 이온수지층을 종방향으로 통과한다고 할 때, 냉각수가 입구포트를 통해 유입된 뒤 필터링에 기여하는 이온수지층 구간, 즉 냉각수가 통과하는 종방향 경로 상에서 실제 이온을 제거하는 이온수지층의 폭은 15 ~ 30 mm로 알려져 있다. When the coolant passes through the ion resin layer in the longitudinal direction, the width of the ion resin layer that removes the actual ions on the ion resin layer section that contributes to the filtering after the coolant flows through the inlet port, that is, the longitudinal path through which the coolant passes is 15 It is known as ~ 30 mm.
이렇게 실제 이온을 제거하는 이온수지층의 폭을 넘어서는 하류측의 이온수지의 경우 필터링 효과가 미미하며, 따라서 하우징의 종방향 길이만큼 이온수지층이 길어질 필요가 없고, 실제 필터링에 기여하는 구간을 제외한 하류측의 이온수지는 불필요한 것이 된다. In the case of the ion resin on the downstream side that exceeds the width of the ion resin layer that actually removes the ions, the filtering effect is insignificant. Therefore, the ion resin layer does not need to be as long as the longitudinal length of the housing, and the downstream side except the section which contributes to the actual filtering. The ion resin of is unnecessary.
이에 종래와 같이 냉각수가 하우징 일단에서 유입되어 이온수지층을 길이방향인 종방향으로 통과하여 하우징 타단에 도달하도록 된 이온필터의 경우, 불필요하게 과다한 이온수지를 사용하는 것이 되고, 결국 비용 상승의 문제점과 더불어 차압이 크게 상승하는 문제점을 가지게 되는 것이다.Thus, in the case of the ion filter in which the coolant flows from one end of the housing and passes through the ion resin layer in the longitudinal direction in the longitudinal direction to reach the other end of the housing, an excessive amount of ion resin is used unnecessarily, resulting in a cost increase. The pressure difference will be greatly increased.
또한 냉각수가 배출되는 쪽, 즉 출구포트 근방의 이온수지층에서는 필터링에 거의 사용되지 않아 이온수지의 교체가 불필요하지만, 냉각수가 유입되는 쪽, 즉 입구포트 근방의 이온수지층에서는 수명을 다하여 이온수지를 교체해야하는 상황이 발생한다.In addition, the ion resin layer near the outlet port is not used for filtering because the cooling water is discharged, so it is not necessary to replace the ion resin, but the ion resin layer near the inlet port has to be replaced at the end of its life. The situation arises.
이러한 경우, 출구포트 근방의 이온수지가 좀더 사용이 가능함에도 불구하고 입구포트 근방의 이온수지로 인해 이온필터 전체를 교체해야 하므로, 유지관리 측면에서 과다한 비용이 소요되게 된다.In this case, although the ion resin near the outlet port can be used more, it is necessary to replace the entire ion filter due to the ion resin near the inlet port, which requires excessive cost in terms of maintenance.
또한 통상의 이온필터는 도 1에 나타낸 바와 같이 메인 냉각수 루프가 아닌 바이패스 루프에 장착되고 있고, 더구나 차압구간이 길어 이온수지층으로 인한 높은 차압이 발생하고 있기 때문에, 원활한 냉각수 순환이 불가능한 것이 현실이다. In addition, the conventional ion filter is mounted in a bypass loop instead of the main cooling water loop as shown in FIG. 1, and furthermore, since a high differential pressure is generated due to a long differential pressure section, smooth cooling water circulation is impossible. .
특히, 냉각수가 원활하게 흐르지 못하는 문제점은 냉각수의 이온 필터링 효율을 극도로 낮추게 되며, 이로 인해 차량 시동 초기에 전기전도도가 신속하게 떨어지지 않아 누설 전류 문제를 원천적으로 해결하지 못하는 실정이다.In particular, the problem that the coolant does not flow smoothly lowers the ion filtering efficiency of the coolant extremely, and thus, the electric conductivity does not drop quickly at the initial start of the vehicle, thus preventing the leakage current problem from being fundamentally solved.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 이온수지층으로 인한 차압 발생을 줄일 수 있는 구조로 구성되어, 냉각수가 원활히 통과할 수 있고, 이로써 이온 필터링 효과를 극대화할 수 있는 동시에 종래의 전기전도도 발생 문제, 스택 전류 누설 문제 및 전기안전성 문제를 원천적으로 해소할 수 있는 이온필터 구조를 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, and is composed of a structure that can reduce the differential pressure caused by the ion resin layer, the cooling water can pass smoothly, thereby maximizing the ion filtering effect An object of the present invention is to provide an ion filter structure capable of fundamentally eliminating the problem of electric conductivity, stack current leakage, and electrical safety.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 입구포트와 출구포트를 가지는 하우징과, 이온수지가 충전된 중공형으로 형성되고 상기 하우징 내부에 장착되어 중공 내부의 1차유동실이 상기 입구포트와 연통되는 필터부재를 포함하고; 상기 하우징 내에 필터부재 외측으로 상기 출구포트와 연통된 2차유동실이 형성되어, 입구포트를 통해 1차유동실로 유입된 냉각수가 필터부재를 방사상으로 통과하여 필터링된 뒤 상기 2차유동실과 출구포트를 통해 배출되며; 상기 1차유동실의 냉각수가 상기 이온수지로 유입되도록 하는 필터부재 중공 내측면의 냉각수 통과홀의 크기를 1차유동실의 냉각수 진행방향 각 위치에 따라 다르게 형성하여 필터부재 전 구간에 걸쳐 균등한 유량 분배가 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 이온필터를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention, the housing having an inlet port and an outlet port, and formed into a hollow type filled with an ion resin and mounted inside the housing so that the primary flow chamber inside the hollow and the inlet port A filter member in communication therewith; A secondary flow chamber communicating with the outlet port is formed in the housing to the outside of the filter member, and the coolant flowing into the primary flow chamber through the inlet port is radially passed through the filter member to filter the secondary flow chamber and the outlet port. Discharged through; The flow rate of the cooling water passage hole of the inner side of the filter member hollow to allow the cooling water of the primary flow chamber to flow into the ion resin is formed differently according to the respective positions of the cooling water flow direction of the primary flow chamber, so that the flow rate is uniform throughout the entire filter member section. Provided is a cooling water ion filter for a fuel cell vehicle, characterized in that distribution is made.
또한 바람직한 실시예로서, 상기 냉각수 통과홀의 크기를 입구포트와 가까운 위치에서 크게 형성하여 냉각수 통과면적을 크게 하고, 입구포트 반대쪽으로 갈수록 냉각수 통과홀의 크기를 작게 형성하여 냉각수 통과면적을 작게 한 것을 특징으로 한다.In addition, as a preferred embodiment, the size of the cooling water passage hole is formed to be large in a position close to the inlet port to increase the cooling water passage area, and the cooling water passage hole is made smaller to the opposite side to the inlet port to reduce the cooling water passage area do.
또한 상기 필터부재는, 냉각수 통과홀이 형성된 내측프레임부와 외측프레임부가, 일단의 엔드부에 의해 연결되어 이중관 구조를 형성하면서, 상기 엔드부와 함께 이온수지가 충전되는 수지충전실을 형성하는 필터프레임과; 상기 내측프레임부와 외측프레임부의 내측면에 설치되어 냉각수 통과홀에서 이온수지가 누출되는 것을 방지하는 메쉬망과; 상기 내측프레임부와 외측프레임부 사이의 수지충전실에 충전되어 냉각수에 용출된 이온을 제거하는 이온수지와; 상기 내측프레임부와 외측프레임부의 타단에 고정되어 상기 수지충전실과 상기 내측프레임부의 내부공간인 1차유동실을 밀폐하는 필터 캡;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the filter member, the inner frame portion and the outer frame portion formed with a cooling water passage hole, connected by one end portion to form a double pipe structure, while forming a resin filling chamber filled with the ion resin together with the end portion A frame; A mesh network installed on inner surfaces of the inner frame part and the outer frame part to prevent the ion resin from leaking from the cooling water passage hole; An ion resin filled in the resin filling chamber between the inner frame part and the outer frame part to remove ions eluted in the cooling water; And a filter cap fixed to the other ends of the inner frame part and the outer frame part to seal the resin filling chamber and the primary flow chamber, which is an inner space of the inner frame part.
여기서, 상기 내측프레임부에 형성된 냉각수 통과홀의 크기를 입구포트와 가까운 위치에서 상대적으로 크게 형성하고 상기 엔드부로 갈수록 냉각수 통과홀의 크기를 작게 형성한 것을 특징으로 한다.Here, the size of the cooling water passage hole formed in the inner frame portion is relatively large in a position close to the inlet port, characterized in that the size of the cooling water passage hole toward the end portion is formed smaller.
이에 따라, 본 발명에 따른 냉각수 이온필터에 의하면, 차압 발생을 줄이기 위해 이온수지가 충전된 중공형의 필터부재를 사용하여, 냉각수가 상기 필터부재를 방사상으로 통과하도록 구성됨으로써, 냉각수가 통과하게 되는 이온수지층의 두께를 줄일 수 있고, 이를 통해 냉각수의 흐름을 원활히 하여 이온 필터링 효과를 극 대화할 수 있게 된다.Accordingly, according to the cooling water ion filter according to the present invention, by using a hollow filter member filled with an ion resin to reduce the differential pressure generation, the cooling water is configured to pass radially through the filter member, whereby the cooling water is passed through The thickness of the ion resin layer can be reduced, thereby maximizing the ion filtering effect by smoothing the flow of cooling water.
또한 이온 필터링 효과를 극대화할 수 있게 됨에 따라 전기전도도가 신속하게 떨어지지 않아 스택 전류의 누설이 발생하던 문제점을 해결할 수 있고, 운전자의 전기안전성을 향상시키는 효과가 있게 된다.In addition, as the ion filtering effect can be maximized, the electrical conductivity does not drop quickly, so that the leakage current of the stack current can be solved, and the driver's electrical safety is improved.
특히, 시동 초기 냉각수 펌프의 양정압이 낮은 상태, 즉 냉각수의 공급유량이 적을 때 종래의 이온필터에 비해 차압 발생을 크게 줄일 수 있으며, 시동 초기의 전기안전성을 향상시킬 수 있게 된다. In particular, when the positive pressure of the initial start-up coolant pump is low, that is, when the supply flow rate of the coolant is low, the generation of the differential pressure can be greatly reduced as compared with the conventional ion filter, and the electrical safety at the start-up can be improved.
또한 이온수지층(이온필터층)의 두께가 줄어든 대신 냉각수가 통과할 수 있는 이온수지층의 면적(중공부인 1차유동실의 내주 면적)이 대폭 증가하여 이온 필터링 효과를 크게 증가시킬 수 있다.In addition, instead of reducing the thickness of the ion resin layer (ion filter layer), the area of the ion resin layer through which the cooling water can pass (inner circumference area of the primary flow chamber, which is hollow) can be greatly increased, thereby greatly increasing the ion filtering effect.
또한 냉각수가 방사상으로 통과하도록 된 필터부재의 두께를 필터링 성능에 영향을 주지 않는 선에서 최적화할 수 있으므로 종래에 비해 이온수지의 사용량을 줄일 수 있고, 이에 이온필터의 제작원가를 줄일 수 있는 장점이 있게 된다. 이온수지의 사용량 축소에 따른 경량화 효과도 있다.In addition, it is possible to optimize the thickness of the filter member to allow the cooling water to pass radially in a line that does not affect the filtering performance, thereby reducing the amount of use of the ion resin compared to the conventional, thereby reducing the production cost of the ion filter Will be. There is also a lightening effect by reducing the amount of ion resin used.
이와 더불어 필터부재의 전 구간에서 이온수지를 사용하여 필터링하므로 불필요하게 교체시 불필요한 이온수지의 낭비가 제거되고 보다 저렴한 비용으로 이온필터의 교체가 가능해지므로 유지보수에 소요되는 비용을 줄일 수 있게 된다.In addition, since all the sections of the filter member are filtered using ion resin, unnecessary waste of unnecessary ion resin is removed and the ion filter can be replaced at a lower cost, thereby reducing the cost of maintenance.
또한 본 발명의 중공형 이온필터에서는 필터부재의 중공 내측면에서 이온수지층으로 냉각수가 유입되도록 하는 냉각수 통과홀의 크기가 상기 중공 내 냉각수 진행방향 각 위치에 따라 차등화됨으로써, 필터부재 전 구간에 걸쳐 균등한 유량 분배가 이루어지고, 유량 분배성 향상에 따라 차압 감소 효과와 전기전도도 감소 효과가 극대화되며, 이온수지 필터링 효용성 증가 및 교체 주기 연장의 효과가 있게 된다. In addition, in the hollow ion filter of the present invention, the size of the cooling water passage hole allowing the cooling water to flow into the ion resin layer from the hollow inner surface of the filter member is differentiated according to each position of the cooling water traveling direction in the hollow, so that the filter member is equally distributed over the entire filter member section. The flow distribution is made, and the flow distribution is improved, so that the differential pressure reduction effect and the electrical conductivity reduction effect are maximized, and the ion resin filtering efficiency is increased and the replacement cycle is extended.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.
첨부한 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이온필터의 분해 사시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이온필터의 종단면도이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이온필터에서 필터부재의 내측프레임부를 도시한 종단면도이다. 도 6에서 이온수지에 대해서는 도시를 생략하였다.6 is an exploded perspective view of the ion filter according to the embodiment of the present invention, FIG. 7 is a longitudinal sectional view of the ion filter according to the embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a filter in the ion filter according to the embodiment of the present invention. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the inner frame part of a member. In FIG. 6, the illustration of the ion resin is omitted.
또한 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이온필터와 종래의 이온필터의 차압을 비교하여 나타내는 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이온필터에서 전기전도도의 감소 효과를 나타내는 그래프이다. 9 is a graph showing a comparison of the pressure difference between the ion filter and the conventional ion filter according to an embodiment of the present invention, Figure 10 is a graph showing the effect of reducing the electrical conductivity in the ion filter according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 연료전지 스택의 냉각수에서 이온을 제거하기 위한 이온필터에 관한 것으로서, 특히 차압 발생을 줄이기 위해 이온수지가 충전된 중공형의 필터부재를 사용하여 냉각수가 상기 필터부재를 방사상으로 통과하도록 구성됨으로써, 냉각수가 통과하게 되는 이온수지층의 두께를 줄인 것에 주된 특징이 있는 것이다.The present invention relates to an ion filter for removing ions from the coolant of the fuel cell stack, and in particular, to reduce the occurrence of the differential pressure, the coolant is radially passed through the filter member using a hollow filter member filled with an ion resin. As a result, the main characteristic is to reduce the thickness of the ion resin layer through which the cooling water passes.
우선, 본 발명에 따른 이온필터(100)는, 내부공간으로 냉각수가 통과하도록 냉각수가 유입되는 입구포트(120)와 냉각수가 배출되는 출구포트(130)를 가지는 하우징(110)과, 이온수지(147)가 충전된 중공형으로 형성되고 상기 하우징(110) 내부에 장착되어 중공 내부에 상기 입구포트(120)와 연통되는 1차유동실(102)이 형성된 이온 제거용 필터부재(140)를 포함하여 구성된다. First, the
이때, 하우징(110) 내에서 필터부재(140)의 외측으로는 출구포트(130)와 연통되는 2차유동실(103)이 형성되며, 입구포트(120)를 통해 1차유동실(102)로 유입된 냉각수가 필터부재(140)를 방사상으로 통과하여 필터링된 뒤 2차유동실(103)과 출구포트(130)를 통해 배출되도록 되어 있다.At this time, the
바람직한 실시예에서, 하우징(110)은 필터부재(140)가 넣어져 냉각수가 통과하는 내부공간을 형성하는 것으로, 하우징 본체(111)와 하우징 캡(112)으로 구성될 수 있으며, 필터부재(140)의 용이한 교체를 위해 하우징 캡(112)이 하우징 본체(111)에 탈부착식으로 조립되도록 구성될 수 있다.In a preferred embodiment, the
상기 하우징 본체(111)의 일단부에는 냉각수가 유입되는 입구포트(120)가 일체로 형성되고, 상기 하우징 본체(111)의 타단부에 조립되는 하우징 캡(112)에는 출구포트(130)가 일체로 형성된다. An
상기 입구포트(120)는 하우징 본체(111)의 일단부 중앙에 형성되어 필터부재(140)의 중공 내부에 형성된 1차유동실(102)과 연통된다.The
또한 하우징 본체(111)의 내측면과 필터부재(140)의 외측면 사이에는 필터부재(140)를 통과한 냉각수(이온수지에 의해 이온이 제거된 냉각수)가 유동하는 공간인 2차유동실(103)이 마련되며, 이 2차유동실(103)은 하우징 캡(112)의 출구포 트(130)와 연통된다. In addition, between the inner surface of the housing
상기 하우징 캡(112)은 하우징 본체(111)의 내부공간을 밀폐하는 구성부로서, 중앙에 출구포트(130)가 형성된 플랜지 형상으로 제작되고, 용이한 탈부착을 위해 하우징 본체(111)의 끝단에 형성된 플랜지에 스크류 등 체결수단에 의해 고정되도록 한다. The
한편, 본 발명에서 필터부재(140)는 전체적인 형상이 원통 형상을 가지면서 입구포트(120)로부터 냉각수가 1차 유입되는 중공부(1차유동실)를 가지는 구조로 되어 있고, 필터프레임(141), 메쉬망(145,146), 이온수지(147), 필터 캡(149)을 주요 구성으로 한다.Meanwhile, in the present invention, the
상기 필터프레임(141)은 냉각수 통과홀(142a,143a)이 형성된 내측프레임부(142)와 외측프레임부(143)를 포함하여 구성되고, 이때 내측프레임부(142)와 외측프레임부(143)는 각각 내측과 외측으로 이격 배치되어 일단의 엔드부(144)에 의해 연결 고정된 이중관 구조를 형성하여, 상기 엔드부(144)와 함께 이온수지(147)가 충전되는 수지충전실을 형성하게 된다.The
상기와 같은 필터프레임(141)은 내측프레임부(142)와 외측프레임부(143)가 동축상에 이격 배치됨으로써 이중관 구조로 형성된 프레임으로서, 내측프레임부(142)와 외측프레임부(143)가 형성하는 이격된 공간이 이온수지(147)가 충전되는 수지충전실이 된다.The
또한 내측프레임부(142)와 외측프레임부(143)에는 길이방향을 따라 길게 형성된 냉각수 통과홀(142a,143a)이 형성되며, 내측프레임부(142)와 외측프레임 부(143)에서 그 원주방향을 따라 일정 간격으로 다수개가 설치된다.In addition, the
상기와 같이 필터프레임(141)의 내측프레임부(142)와 외측프레임부(143)에 냉각수 통과홀(142a,143a)을 형성함에 있어서, 본 발명의 이온필터(100)에서는 다음과 같은 특징이 있다. As described above, in forming the cooling
우선, 외측프레임부(143)의 냉각수 통과홀(143a)은 외측프레임부 길이방향을 따라 길게 형성된 구조로 되어 있는데, 예컨대 도시된 실시예와 같이 원주방향 일정 간격의 각 위치에서 외측프레임부(143) 길이방향을 따라 길게 형성된 2개씩의 냉각수 통과홀(143a)이 소정 간격을 두고 일 직선상에 배치된다. First, the cooling
그리고, 입구포트(120)를 통해 중공부인 1차유동실(102)로 유입된 냉각수가 필터부재(140)를 방사상으로 통과하도록 구성된 본 발명의 이온필터(100)에서, 내측프레임부(142)의 냉각수 통과홀(142a)은 1차유동실(102)로 유입된 냉각수가 필터부재(140) 내부의 이온수지층으로 유입되는 입구측 홀이 되며, 1차유동실(102)에서 필터부재(140)를 방사상으로 통과하는 냉각수가 분배되는 홀이 된다.Then, in the
따라서, 내측프레임부(142)의 냉각수 통과홀(142a)은 1차유동실(102)로 유입된 냉각수가 필터부재(140) 길이방향 전 구간에 걸쳐서 고르게 분배되어 필터부재를 통과할 수 있는 구조가 되어야 하고, 또한 냉각수가 1차유동실(102)의 길이방향 전 구간에 걸쳐서 최대한 균등하게 유량 분배되어서 통과할 수 있는 구조가 되어야 한다. Therefore, the
1차유동실(102) 내 유량 분배성 향상은 이온수지층을 통과하는 냉각수 유량을 전체 이온수지층에서 고르게 분배하는 것이므로 압력 강하량, 즉 차압의 발생을 개선시키는 동시에 전체 이온수지를 고르게 사용할 수 있게 한다.Improving flow distribution in the
만약, 1차유동실(102)에서 그 길이방향 전 구간에 걸쳐서 내측프레임부(142)의 냉각수 통과홀(142a)을 통해 이온수지층으로 유입되는 냉각수의 유량이 균등하게 분배되지 못한다면, 차압 증가 및 이온수지 필터링 효용성 감소(이온수지를 고르게 사용하지 못하고 한쪽만 주로 사용하게 됨), 교체 주기 단축 등의 문제가 있게 된다. If the flow rate of the cooling water flowing into the ion resin layer through the cooling
따라서, 필터부재(140)를 방사상으로 통과하는 냉각수의 균등한 유량 분배를 위해서는, 1차유동실(102)의 냉각수가 이온수지로 분배 및 유입되는 필터부재(140) 중공 내측면인 상기 내측프레임부(142)에서 냉각수 통과홀(142a)의 크기를 1차유동실(102) 내 냉각수 진행방향을 따라 차등화하여 냉각수 통과면적을 달리해야 한다.Therefore, in order to distribute the flow rate of the cooling water radially through the
즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 내측프레임부(142)에서 입구포트(120)와 가까운 위치일수록 냉각수 통과홀(142a)의 크기를 크게 하여 냉각수 통과면적을 크게 하고, 반대쪽 막혀 있는 부분(하기 엔드부)으로 갈수록 냉각수 통과홀(142a)의 크기를 작게 하여 냉각수 통과면적을 작게 하는 것이다.That is, as shown in Figure 8, the position closer to the
만약, 내측프레임부(142)에서 냉각수 통과홀(142a)의 크기를, 외측프레임부(143)의 냉각수 통과홀(143a)과 마찬가지로, 냉각수 진행방향(내측프레임부 길이방향)을 따라 달리하지 않는다면, 입구포트(120)에서 1차유동실(102)로 유입된 냉각수가 1차유동실 길이방향으로 진행 및 유동한다고 할 때 그 관성에 의해 상기 막혀 있는 부분에 가까울수록 냉각수 통과유량이 많아질 것이고, 1차유동실(102)의 길이방향 전 구간에 걸쳐 냉각수 통과유량이 균등하게 분배되지 못할 것이다.If the size of the
따라서, 본 발명의 이온필터(100)에서는, 1차유동실(102)의 전 구간에 걸쳐 냉각수 통과유량이 고르게 분배되도록, 내측프레임부(142)에서 냉각수 통과홀(142a)의 크기를 내측프레임부 및 1차유동실의 길이방향을 따라 차등화하되, 상기와 같이 1차유동실(102)의 입구측(냉각수가 유입되는 쪽)에서 가까울수록 냉각수 통과홀(142a)의 크기를 크게 하여 냉각수 통과면적을 크게 하고, 입구측에서 멀수록, 즉 상기 막혀 있는 부분에 가까울수록 냉각수 통과홀(142a)의 크기를 작게 하여 냉각수 통과면적을 작게 한다.Therefore, in the
바람직한 실시예에서, 내측프레임부(142)의 냉각수 통과홀(142a)이 도시된 바와 같이 동일 폭으로 하여 내측프레임부 길이방향을 따라 길게 형성되면서 원주방향 일정 간격의 각 위치에 일 직선상에 배치되도록 형성되는 경우, 냉각수 통과홀(142a)의 길이를 입구측에서 가까울수록 길게 하고 반대로 멀수록 짧게 하여 내측프레임부 길이방향을 따라 차등화하는 것이 가능하다.In a preferred embodiment, the cooling
이렇게 냉각수 통과홀(142a)의 크기 및 냉각수 통과면적을 입구측에 가까울수록 크게 하고 멀수록 작게 하는 경우, 냉각수가 관성에 의해 1차유동실(102) 내에서 그 길이방향으로 진행한다고 할 때 전체적으로 길이방향 전 구간에 걸쳐 균등하게 필터부재(140) 및 그 내측의 이온수지층을 통과할 수 있게 된다. In this case, when the size of the cooling
한편, 상기 일단의 엔드부(144)는 내측과 외측의 내측프레임부(142)와 외측프레임부(143)를 일체로 연결하여 수지충전실을 형성하는 부분으로, 엔드부(144)의 중앙은 개구되어 상기 내측프레임부(142)의 내부가 되는 중공부, 즉 1차유동실(102)로 냉각수가 유입되도록 하는 입구가 된다.On the other hand, the end of the
바람직한 실시예에서, 상기 엔드부(144)의 중앙에 1차유동실(102)과 연통되는 유입포트(148)가 돌출되도록 연장 형성되는데, 상기 필터프레임(141)의 유입포트(148)는 하우징 본체(111) 내측에 입구포트(120)와 연통되게 돌출 형성된 원통형의 포트삽입부(113)에 삽입되어 결합되게 된다.In a preferred embodiment, the
결국, 필터프레임(141)의 유입포트(148)가 하우징(110)의 포트삽입부(113)에 삽입되어 결합됨으로써 입구포트(120)와 필터프레임(141)의 1차유동실(102)이 직선상으로 연통되는 구조가 되며, 이에 입구포트(120)를 통해 유입된 냉각수가 1차유동실(102)을 거쳐 필터부재(140)를 방사상으로 통과할 수 있게 된다. As a result, the
바람직하게는 포트삽입부(113)와 유입포트(148) 사이에 오링(114)이 개재되어 냉각수가 2차유동실(103)로 누출되지 않도록 한다.Preferably, the O-
그리고, 상기 메쉬망(145,146)은 내측프레임부(142)와 외측프레임부(143)의 내측면에 각각 설치되어, 이온수지(147)를 충전상태가 유지되도록 지지하면서 냉각수 통과홀(142a,143a)에서 이온수지가 누출되는 것을 방지하게 된다.In addition, the mesh nets 145 and 146 are respectively provided on the inner surfaces of the
상기 메쉬망(145,146)은 내측프레임부(142)와 외측프레임부(143)의 냉각수 통과홀(142a,143a)을 통해 이온수지(147)가 외부로 누출되는 것을 차단하기 위한 것으로, 냉각수는 통과시키면서 작은 알갱이 입자로 된 이온수지(147)를 수지충전실 내에 가둬두는 역할을 하게 된다. The mesh nets 145 and 146 are for preventing the
상기 이온수지(147)는 내측프레임부(142)와 외측프레임부(143)의 이격된 내부공간인 상기 수지충전실에 충전되어 냉각수에 용출된 이온을 제거하게 되며, 상기 필터 캡(149)은 내측프레임부(142)와 외측프레임부(143)의 타단에 고정되어 상 기 수지충전실과 상기 내측프레임부(142)의 내부공간인 중공부, 즉 1차유동실(102)의 일단을 밀폐하게 된다.The
바람직한 실시예에서 이온수지(147)의 교체를 용이하게 하기 위해 상기 필터 캡(149)은 필터프레임(141)에 탈부착식으로 조립되는 구조, 예컨대 필터프레임(141)과 나사체결방식으로 조립되는 구조로 구비될 수 있다.In order to facilitate the replacement of the
이때, 외측프레임부(143) 끝단의 내주면과 이에 삽입되는 필터 캡(149)의 외주면에 각각 나사산을 가공하여 필터 캡(149)이 외측프레임부(143)에 나사체결됨으로써 고정되도록 할 수 있다. At this time, the thread is machined on the inner circumferential surface of the end of the
물론, 외측프레임부(143) 끝단의 외주면과 이에 접하는 필터 캡(149)의 내주면에 각각 나사산을 가공하여 필터 캡(149)이 외측프레임부(143)의 외주면에 나사체결되도록 하는 것도 가능하다.Of course, it is also possible to thread the
한편, 본 발명에 따른 이온필터(100)에서는 상기 입구포트(120)를 통해 1차유동실(102)로 유입된 냉각수가 필터부재(140)를 방사상으로 통과하여 2차유동실(103)로 이동되고, 2차유동실(103)에서 이온이 제거된 냉각수는 하우징 본체(111)의 내벽면을 타고 흘러 하우징 캡(112)에 형성된 출구포트(130)를 통해 배출된다.Meanwhile, in the
이렇게 냉각수가 필터부재(140)를 방사상으로 통과하여 출구포트(130)를 통해 배출되록 하기 위해서는 2차유동실(103)이 출구포트(130)와 연통되어야 하며, 이에 하우징 캡(112)의 내측면에는 필터부재(140)를 고정하여 지지하는 복수개의 돌기부(115)가 형성되되, 돌기부(115)와 돌기부 사이를 이격시켜 냉각수가 통과하 도록 해야 한다.In order for the coolant to radially pass through the
이렇게 돌기부(115) 사이를 이격시켜 출구포트(130)와 연통되는 냉각수 통로를 형성하며, 이로써 2차유동실(103)의 냉각수가 돌기부(115) 사이의 냉각수 통로를 통과하여 출구포트(130)를 통해 배출되게 된다.Thus, the space between the
이와 같이 하여, 본 발명의 이온필터(100)는 이온수지(147)가 충전된 중공형의 필터부재(140)를 사용하여, 냉각수가 중공부의 1차유동실(102)로 유입된 뒤 필터부재(140)를 방사상으로 통과하도록 한 것에 특징이 있는 것으로, 냉각수가 통과하는 필터부재의 두께, 즉 이온수지층(차압구간)의 두께가 필터링 성능에 영향을 주지 않는 선에서 축소될 수 있으며, 필터링에 기여하지 않는 불필요한 이온수지의 사용을 줄일 수 있다.In this way, the
또한 종래의 이온필터에 비해 차압구간인 이온수지층의 두께가 대폭 감소되므로 냉각수 차압 발생을 크게 줄일 수 있는 바, 도 9를 참조하면, 냉각수 펌프의 양정압이 낮은 상태, 즉 냉각수의 공급유량이 적을 때 종래의 이온필터와 비교하여 차압 발생을 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다. In addition, since the thickness of the ion resin layer, which is a differential pressure section, is significantly reduced as compared with the conventional ion filter, the generation of cooling water differential pressure can be greatly reduced. Referring to FIG. 9, the positive pressure of the cooling water pump is low, that is, the supply flow rate of cooling water is low. It can be seen that the generation of the differential pressure can be greatly reduced compared to the conventional ion filter.
아울러, 차압 발생(압력 강하)이 대폭 감소되어 동일 차압 기준시 본 발명의 경우 유량이 상당한 폭으로 증가할 수 있음을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the occurrence of the differential pressure (pressure drop) is greatly reduced so that the flow rate can be significantly increased in the case of the present invention at the same differential pressure reference.
특히, 필터부재(140)의 구조를 중공형으로 개선하여 차압을 대폭 감소시킬 경우, 이온필터 내부로의 냉각수 흐름이 원활해질 수 있으며, 이는 필터링 효율을 증가시켜 냉각수의 전기전도도를 신속히 감소시킬 수 있는 바, 시동 초기 전기전도도 하락 속도가 낮은 종래의 문제점을 개선할 수 있게 된다.In particular, when the structure of the
또한 이온수지층의 두께가 줄어든 대신 냉각수가 통과할 수 있는 이온수지층의 면적(중공부인 1차유동실의 내주 면적)이 대폭 증가하여 이온 필터링 효과를 크게 증가시킬 수 있다.In addition, instead of reducing the thickness of the ion resin layer, the area of the ion resin layer through which the cooling water can pass (inner circumference of the primary flow chamber, which is a hollow part) is greatly increased, thereby greatly increasing the ion filtering effect.
또한 시동 초기에는 냉각수 펌프의 회전수가 낮으므로 펌프의 양정압이 낮은 상태이고, 이로 인해 종래에는 더더욱 이온필터로 냉각수가 흐르지 않았던 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 냉각수의 공급유량이 적을 때의 차압 발생을 크게 줄일 수 있으므로 시동 초기 운전자의 전기안전성을 확보할 수 있게 된다.In addition, since the rotation speed of the cooling water pump is low at the initial start-up, the positive pressure of the pump is low, which causes a problem in that the cooling water does not flow to the ion filter. However, in the present invention, a differential pressure is generated when the cooling water supply flow rate is low. Since it can be greatly reduced, it is possible to secure the electrical safety of the initial driver.
도 9에서 비교예는 내측프레임부(142)에서 냉각수 통과홀(142a)의 크기를 내측프레임부 길이방향을 따라 차등화하지 않은 이온필터를 나타내는 것으로서, 내측프레임부의 냉각수 통과홀을 외측프레임부(143)의 냉각수 통과홀(143a)과 마찬가지로 차등 없이 동일한 크기로 형성한 예이다. 도시된 바와 같이, 냉각수 통과홀의 크기를 내측프레임부 길이방향을 따라 차등화한 본 발명의 이온필터에서 더욱 차압 발생이 축소됨을 알 수 있다. 9 shows an ion filter in which the size of the
또한 도 10은 종래의 이온필터와 비교예의 이온필터, 본 발명의 이온필터를 사용하였을 때 전기전도도가 감소되는 효과를 나타내는 도면으로서, 동일 이온수지, 동일 펌프압, 동일 시설수를 적용하여 초기 전기전도도 120μS/cm에서 최종 전기전도도 1μS/cm 미만이 될 때까지 시간을 측정한 결과값을 보여주고 있다.10 is a view showing the effect of reducing the electrical conductivity when using the conventional ion filter, the ion filter of the comparative example, the ion filter of the present invention, the initial ion by applying the same ion resin, the same pump pressure, the same number of facilities The measured time from the conductivity of 120μS / cm to less than 1μS / cm is shown.
도 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 이온필터에서는 차압 개선 효과와 더불어 전기전도도 감소 효과가 개선됨을 알 수 있으며, 1μS/cm 미만의 전기전도도에 도달할 때까지 걸리는 시간이 종래의 이온필터 및 비교예의 이온필터에 비해 크 게 단축됨을 알 수 있었다. As shown in FIG. 10, it can be seen that the ion filter according to the present invention improves the electric pressure reduction effect as well as the differential pressure improving effect, and the time taken to reach an electric conductivity of less than 1 μS / cm is compared with the conventional ion filter. Compared to the ion filter of the example was found to be significantly shortened.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.The embodiments of the present invention have been described in detail above, but the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims and Improved forms are also included in the scope of the present invention.
도 1은 연료전지 차량의 냉각수 루프를 나타내는 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a coolant loop of a fuel cell vehicle.
도 2는 종래의 연료전지 차량용 냉각수 이온필터를 도시한 사시도이다.2 is a perspective view illustrating a conventional coolant ion filter for a fuel cell vehicle.
도 3은 종래의 연료전지 차량용 냉각수 이온필터를 도시한 종단면도이다.3 is a longitudinal sectional view showing a conventional coolant ion filter for a fuel cell vehicle.
도 4는 종래의 연료전지 차량용 냉각수 이온필터에서 차압구간을 나타내는 도면이다.4 is a view showing a differential pressure section in a conventional fuel cell vehicle coolant ion filter.
도 5는 종래의 이온필터에서 냉각수 유량 증가에 따른 차압 증가를 보여주는 그래프이다.5 is a graph showing an increase in the differential pressure according to the increase in the cooling water flow rate in the conventional ion filter.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이온필터의 분해 사시도이다.6 is an exploded perspective view of an ion filter according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이온필터의 종단면도이다.7 is a longitudinal sectional view of an ion filter according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이온필터에서 필터부재의 내측프레임부를 도시한 종단면도이다.8 is a longitudinal sectional view showing the inner frame portion of the filter member in the ion filter according to the embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이온필터와 종래의 이온필터의 차압을 비교하여 나타내는 그래프이다. 9 is a graph showing a comparison of the pressure difference between the ion filter and the conventional ion filter according to an embodiment of the present invention.
도 10은 종래의 이온필터와 비교예의 이온필터, 본 발명의 이온필터를 사용하였을 때 전기전도도가 감소되는 효과를 나타내는 도면이다.10 is a view showing the effect of reducing the electrical conductivity when using the conventional ion filter, the ion filter of the comparative example, the ion filter of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 이온필터 102 : 1차유동실100: ion filter 102: primary flow chamber
103 : 2차유동실 110 : 하우징103: secondary flow chamber 110: housing
120 : 입구포트 130 : 출구포트120: inlet port 130: outlet port
140 : 필터부재 150 : 스크류140: filter member 150: screw
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