KR20120051238A - 연료전지 시스템의 유도 가열장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉시동시 냉각수를 신속하게 가열하면서도 스택 전압에 따른 소비 출력을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 냉각수와 접촉하는 발열부를 외부와 분리시켜서 절연 저항 확보가 가능하도록 한 연료전지 시스템의 유도 가열장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 냉각수 순환라인에 절연 가능한 하우징을 설치하고, 이 하우징내에 냉각수 가열을 위한 히터를 설치하는 동시에 하우징의 바깥쪽에는 히터에 대한 소비 출력을 조절할 수 있는 고주파 제어기 등을 설치함으로써, 냉시동시 냉각수를 신속하게 가열하면서도 스택 전압에 따른 소비 출력을 정밀하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 냉각수와 접촉하는 발열부인 히터와 전원부인 고주파 제어기 등을 절연 재질의 하우징을 중심으로 분리시킴에 따라 절연 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 유도 가열장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 시스템의 유도 가열장치{Coolant heating device for fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템의 유도 가열장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉시동시 냉각수를 신속하게 가열하면서도 스택 전압에 따른 소비 출력을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 냉각수와 접촉하는 발열부를 외부와 분리시켜서 절연 저항 확보가 가능하도록 한 연료전지 시스템의 유도 가열장치에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 반응가스(수소 및 공기중 산소)를 공급하는 수소 공급장치 및 공기 공급장치를 비롯하여, 반응가스의 산화 및 환원 반응을 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키면서 반응 생성물인 열과 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택을 냉각시키기 위한 물 및 열관리 시스템 등을 포함하고 있다.
상기 연료전지 시스템의 전기 생성 원리를 간략히 살펴보면, 연료전지 스택의 애노드에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드로 이동하게 되어, 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 최종 생성된 전기에너지는 엔드플레이트의 집전판을 통하여 전기에너지를 필요로 하는 부하(예를 들어, 연료전지 차량의 주행을 위한 모터)로 공급된다.
이러한 연료전지 시스템의 운전 중, 스택의 온도가 고온으로 상승하는 것을 방지하기 위하여, 그리고 냉시동성을 용이하게 확보하기 위하여, 연료전지 시스템을 구성하고 있는 열 및 물관리 시스템(TMS)의 역할은 무엇보다 중요하다 하겠다.
상기 열 및 물관리 시스템의 구성을 첨부한 도 4를 참조로 살펴보면, 연료전지 스택(10)의 냉각수 출구 및 라디에이터(12)의 입구 간을 연결하는 냉각수 순환라인(14)에는 물펌프(16)가 장착되고, 라디에이터(12)의 출구 및 스택(10)의 냉각수 입구 간을 연결하는 냉각수 순환라인(14)에는 냉각수 가열장치(20) 및 리저버(18) 등이 차례로 연결되어 있다.
이때, 상기 냉각수 순환라인(14)을 순환하는 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매 역할과 더불어 냉시동시에는 냉각수 가열장치에 의하여 급속 가열되는 동시에 스택에 공급되어 스택을 급속 해빙하는 열매 역할도 한다.
상기 냉각수 가열장치(20)는 연료전지 시스템의 냉시동시 스택의 냉각수를 가열하기 위한 히터를 포함하는 바, 이 히터는 냉각수 온도 상승 및 차량 시동시 빠른 냉각수 온도 안정화를 도모하고, 시동 셧다운시에는 스택의 남은 전압을 하강시키는 용도로도 사용되고 있다.
첨부한 도 4는 종래의 냉각수 가열장치를 나타내는 개략도로서, 냉각수가 통과하는 하우징(22)내에 전원부가 연결된 카트리지 저항 타입 히터(24)가 설치된 구조로 구성되어 있는 바, 고밀도 발열체인 히터(24)간의 일정 거리가 필요하여, 하우징 부피가 증가하게 되는 단점이 있고, 이렇게 부피가 큰 가열장치를 연료전지 승용차와 같은 컴팩트한 차량내에 탑재시키기 위한 공간 확보에 어려움이 있으며, 또한 구조가 복잡하여 원가 상승 뿐만 아니라 조립성 및 정비성이 떨어지는 문제점이 있으며, 또한 카트리지 저항 타입 히터가 냉각수와 직접적으로 접촉함에 따른 절연성 확보가 필요한 문제점이 있다.
즉, 카트리지 저항 타입 히터가 오링에 의하여 기밀 유지되면서 하우징을 관통하여 조립됨에 따라, 히터의 온도가 고온으로 상승하게 되면, 오링(o-ring) 등의 변형과 함께 냉각수가 유출되어 절연이 파괴될 가능성이 있다.
첨부한 도 5는 종래의 연료전지 냉시동을 위한 시스템 구성을 나타내는 개략도로서, 복수개의 스택 전류 발생용 저항(R1,R2,R3)을 스위치(L1,L2,L3)들과 함께 스택(10)에 회로 연결하여, 복수개의 스택 전류 발생용 저항(R1,R2,R3)을 이용한 저항값을 단계적으로 제어해줌으로써, 스택 전압이 냉시동 가능하도록 하한치 이하로 강하되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 연료전지 스택(10)의 양단에 저항값이 상이한 복수개의 스택 전류 발생용 저항(R1,R2,R3)을 병렬로 연결 설치하고, 각 저항에 대해 회로 개폐를 위한 스위치(L1,L2,L3)를 설치하여, 각 스위치의 온/오프 제어를 통해 스택 양단에 걸리는 저항값을 변경시킴으로써, 냉시동시 스택 전압이 미리 설정된 냉시동 가능 스택 전압 하한치와 냉시동시 스택 전압 거동 상한치 사이에서 제어될 수 있다.
그러나, 영하 이하의 냉 시동시, 스택의 전력을 제어하기 위해서 각 스택 전류 발생용 저항별로 히터를 구성해야 하고, 또한 이를 제어하기 위한 릴레이도 각각 구성해야 하는 등 실제 적용을 위한 여러가지 제약 사항이 많은 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 냉각수 순환라인에 절연 가능한 하우징을 설치하고, 이 하우징내에 냉각수 가열을 위한 히터를 설치하는 동시에 하우징의 바깥쪽에는 히터에 대한 소비 출력을 조절할 수 있는 고주파 제어기 등을 설치함으로써, 냉시동시 냉각수를 신속하게 가열하면서도 스택 전압에 따른 소비 출력을 정밀하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 냉각수와 접촉하는 발열부인 히터와, 전원부인 고주파 제어기 및 코일 등을 절연 재질의 하우징을 중심으로 분리시킴에 따라 절연 성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템의 유도 가열장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉각수 순환라인에 설치되는 절연 재질의 하우징과; 상기 하우징의 외표면에 장착되어 유도전류를 발생시키는 유도코일과; 상기 유도코일의 바깥쪽에 설치되어 스택의 출력전압 크기에 따라 고주파를 발생시키는 고주파 제어기와; 상기 하우징내에 냉각수와 직접 접촉 가능하게 배치되어 유도전류를 받아 열을 발생시키는 히터와; 상기 고주파 제어기에 결합되어 전력을 공급하는 커넥터; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 유도 가열장치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 유도코일은 전자파 차단용 쉴드체에 의하여 그 외측이 감싸여지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각수 순환라인의 출구측에는 냉각수의 온도를 측정하여 고주파 제어기에 그 신호를 전송하는 온도센서가 장착된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 히터는 열전달이 가능한 금속 재질로서 원통형 구조로 제작되는 동시에 하니컴 단면 구조로 제작된 것임을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 하우징이 냉각수 순환라인과 수직방향으로 장착되는 경우, 냉각수 순환라인의 내표면에는 하우징내의 히터내로 삽입되는 격막이 일체로 장착되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료전지 시스템의 냉각수 순환라인에 절연 가능한 하우징을 설치하고, 이 하우징내에 히터를 설치하는 동시에 하우징의 바깥쪽에 전원부로서 코일 및 고주파 제어기를 설치함으로써, 고주파 제어기에 의한 주파수 제어에 의해서 히터에 대한 소비출력이 조절되어 결정되기 때문에 소모할 전력에 대한 정밀 제어가 가능하고, 스택 전압에 따라서 전력을 조절할 수 있므로로 스택 역전압 발생을 방지할 수 있다.
특히, 고주파 제어를 통하여 히터에 대한 급속가열 및 고온가열이 가능하여 냉각수를 신속하게 가열할 수 있으므로, 연료전지 냉시동에 매우 유리한 장점이 있다.
또한, 발열부분인 히터는 하우징내에서 냉각수와 접촉하고, 히터를 위한 전원부인 고주파 제어기 등은 하우징의 바깥쪽에 분리 설치됨에 따라, 냉각수 유출 가능성이 전혀 없고, 전원부에 대한 전기적 절연이 확실하게 이루어지는 장점이 있다.
또한, 발열체인 히터의 구조를 하니컴과 같은 구조로 적용하여, 히터의 발열 표면적 증대와 더불어 열교환 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 유도 가열장치를 포함하는 열 및 물관리 시스템을 나타내는 개략도,
도 2는 도 1의 A-A선 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 유도 가열장치를 포함하는 열 및 물관리 시스템을 나타내는 개략도,
도 4는 종래의 연료전지 시스템용 가열장치를 나타내는 개략도,
도 5는 종래의 연료전지 냉시동을 위한 저항 설치예를 나타내는 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 연료전지 시스템용 열 및 물관리 시스템의 냉각수 순환라인을 따라 순환하는 냉각수는 스택의 운전시 스택을 냉각시키는 냉매 역할을 하고, 냉시동시에는 냉각수 가열장치에 의하여 급속 가열되어 스택을 급속 해빙하는 열매 역할도 한다.
본 발명은 열 및 물관리 시스템의 냉각수 순환라인에 설치되는 냉각수 가열을 위한 유도 가열장치에 관한 것으로서, 냉각수를 급속 가열하여 냉시동에 유리할 뿐만 아니라, 스택의 전압에 따라 소비전력을 정밀 제어할 수 있고, 전원부 및 발열부간의 절연이 확실하게 이루어도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 첨부한 도 1 및 도 3에서 보듯이 열 및 물관리 시스템의 냉각수 순환라인에 냉각수 흐름통로를 갖는 절연 재질(플라스틱 등의 재질)의 하우징(31)이 설치되는 바, 이 하우징(31)의 입구는 라디에이터(12)의 출구측과 연결되고, 하우징(31)의 출구는 스택(10)의 냉각수 입구와 연결된다.
상기 하우징(31)의 내부 즉, 냉각수 흐름통로내에는 냉각수와 직접 접촉되며 냉각수를 가열하는 히터(34)가 설치된다.
바람직하게는, 상기 히터(34)는 유도전류를 받아 열을 발생시키는 금속 재질의 발열체로서, 첨부한 도 2에서 보는 바와 같이 냉각수와의 접촉면적을 증대시키기 위하여 하우징(31)의 냉각수 흐름통로의 내경에 꽉 채워지듯이 위치하게 되며, 이에 히터(34)의 외형은 원통형으로 제작되는 동시에 그 내부는 하니컴 단면 구조로 제작된다.
이때, 상기 하우징(31)의 외표면에는 고주파 전류에 의한 유도전류를 발생시키는 유도코일(32)이 감아지며 설치되고, 이 유도코일(32)의 외측부위는 전자파 차단용 쉴드체(36)에 의하여 감싸여짐에 따라, 유도코일(32)에서 발생되는 전자파가 외부로 발산되는 것을 차단할 수 있다.
또한, 상기 유도코일(32)의 바깥쪽 즉, 전자파 차단용 쉴드체(36)의 바깥쪽 위치에는 스택의 출력전압 크기에 따라 고주파를 발생시키는 고주파 제어기(33)가 배열되고, 이 고주파 제어기(33)에는 스택의 전력을 공급하기 위한 커넥터(35)가 체결된다.
또한, 상기 냉각수 순환라인(14)의 출구측에는 냉각수의 온도를 측정하여 고주파 제어기(33)에 그 신호를 전송하는 온도센서(37)가 더 장착되며, 이 온도센서(37)에 의해서 측정된 냉각수 온도 또는 히터 온도에 의해서 고주파 제어기(33)가 주파수를 조정하여 냉각수 과열을 방지할 수 있게 된다.
한편, 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 하우징(31)이 냉각수 순환라인(14)과 수직방향으로 장착되는 경우, 냉각수 순환라인(14)의 내표면에는 수직방향으로 돌출되는 격막(38)이 일체로 형성되며, 이 격막(38)은 하우징(31)내의 히터(34) 중심쪽으로 삽입되어 냉각수 흐름통로를 이분화시키는 역할을 한다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 유도 가열장치에 대한 작동 흐름을 설명하면 다음과 같다.
연료전지 시스템의 냉시동과 함께, 물펌프(16)가 작동하여 스택(10)으로부터 라디에이터(12)로 냉각수가 순환하는 동시에 라디에이터(12)를 빠져나온 냉각수는 냉각수를 가열하기 위한 유도 가열장치(30)의 하우징(31)내로 유입된다.
이때, 스택 또는 축전지로부터의 전력을 커넥터(35)를 통해 공급받은 고주파 제어기(33)에서 고주파를 생성하는 동시에 유도코일(32)에 고주파 전류를 흐리게 되면, 유도코일(32)에서 유도전류를 발생시키게 되고, 유도코일(32)로부터 유도전류를 받은 히터(34)가 발열을 하게 된다.
즉, 고주파 전류를 흘린 유도코일(32)은 하우징(31)을 사이에 두고 히터(34)와 근접된 상태이므로, 금속 재질의 히터(34)에 와전류가 발생하고, 와전류 손실이나 히스테리시스 손실이 발생하여 히터(34)의 발열이 이루어지게 된다.
이에, 상기 유도코일(32)로부터 유도전류를 받은 히터(34)가 발열을 하면서 하우징(31)으로 유입된 냉각수를 가열시킴으로써, 냉각수의 급속한 승온이 이루어지게 된다.
따라서, 히터(34)에 의하여 가열되어 승온된 냉각수가 스택으로 공급되어 스택의 급속 해빙이 이루어짐으로써, 냉시동시에도 연료전지 스택이 빠르게 정상적인 운전 상태가 된다.
바람직하게는, 영하 이하 운전 조건에서 연료전지 스택의 최적 운전 조건을 위해서는 스택의 전력을 소비해야 하는데, 냉시동이 가능한 스택 전압 하한치와 냉시동시 스택 전압 거동 상한치 사이의 스택 전력을 고주파제어기를 통해서 조정하게 된다.
즉, 고주파 제어기(33)에 의한 주파수 제어에 의해서 히터에 대한 소비전력이 조절되어 결정되기 때문에, 이때의 소비전력이 냉시동이 가능한 스택 전압 하한치와 냉시동시 스택 전압 거동 상한치 사이의 스택 전력이 되도록 함이 고주파 제어기의 주파수 제어에 의해서 제어될 수 있고, 스택 전압에 따라서 소비전력을 조절할 수 있므로로 스택 역전압 발생을 방지할 수 있다.
한편, 상기와 같이 하우징(31)이 냉각수 순환라인(14)과 수직방향으로 장착되는 경우, 냉각수 순환라인(14)의 내표면에는 하우징(31)내의 히터(34) 중심쪽으로 삽입되어 냉각수 흐름통로를 이분화시키는 격막(38)이 일체로 형성되는 바, 이 격막(38)에 의하여 하우징(31)내의 냉각수의 흐름 길이가 길어짐에 따라 냉각수와 히터간의 접촉 시간이 증대되어, 결국 냉각수를 보다 효율적으로 가열시킬 수 있다.
10 : 연료전지 스택 12 : 라디에이터
14 : 냉각수 순환라인 16 : 물펌프
18 : 리저버 20 : 냉각수 가열장치
22 : 하우징 24 : 카트리지 저항 타입 히터
30 : 유도 가열장치 31 : 하우징
32 : 유도코일 33 : 고주파 제어기
34 : 히터 35 : 커넥터
36 : 전자파 차단용 쉴드체 37 : 온도센서
38 : 격막

Claims (5)

  1. 연료전지 시스템용 열 및 물관리 시스템의 냉각수 순환라인을 포함하는 연료전지 시스템의 유도 가열장치에 있어서,
    상기 냉각수 순환라인(14)에 설치되는 절연 재질의 하우징(31)과;
    상기 하우징(31)의 외표면에 장착되어 유도전류를 발생시키는 유도코일(32)과;
    상기 유도코일(32)의 바깥쪽에 설치되어 스택의 출력전압 크기에 따라 고주파를 발생시키는 고주파 제어기(33)와;
    상기 하우징(31)내에 냉각수와 직접 접촉 가능하게 배치되어 유도전류를 받아 열을 발생시키는 히터(34)와;
    상기 고주파 제어기(33)에 결합되어 전력을 공급하는 커넥터(35);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 유도 가열장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유도코일(32)은 전자파 차단용 쉴드체(36)에 의하여 그 외측이 감싸여지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 유도 가열장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각수 순환라인(14)의 출구측에는 냉각수의 온도를 측정하여 고주파 제어기(33)에 그 신호를 전송하는 온도센서(37)가 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 유도 가열장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 히터(34)는 열전달이 가능한 금속 재질로서 원통형 구조로 제작되는 동시에 하니컴 단면 구조로 제작된 것임을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 유도 가열장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징(31)이 냉각수 순환라인(14)과 수직방향으로 장착되는 경우, 냉각수 순환라인(14)의 내표면에는 하우징(31)내의 히터(34) 중심으로 삽입되는 격막(38)이 일체로 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 유도 가열장치.
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