KR20120062377A - 연료 전지용 가열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가열 장치는, 연료 전지로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급라인 상에 구성되며 냉각수를 가열하기 위한 것으로서, ⅰ)상기 냉각수의 유출입이 가능하고 전자석 파우더를 내장하는 관로부재와, ⅱ)상기 관로부재의 외주연 측으로 코일을 설치하며 그 코일에 인가되는 전원에 의해 전자기장을 발생시키는 쉴드 케이스를 포함하여 이루어진다.

Description

연료 전지용 가열 장치 {HEATIND DEVICE FOR FUEL CELL}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지용 가열 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지용 가열 장치에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료전지 시스템이 탑재된 연료 전지 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 연료전지 스택에 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에 의해 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.

여기서, 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.

상기 연료 전지 시스템에는 스택 냉각 루프라 불리우는 냉각 시스템을 구성하고 있는 바, 이러한 냉각 시스템은 연료전지 스택에서 발생하는 열을 냉각수로서 제거하하여 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어한다.

특히, 상기 냉각 시스템에는 주위의 온도가 0℃ 이하로 하강된 겨울철에 저온 방치된 자동차를 시동할 경우, 스택 내부가 외부 온도에 의해 결빙되기 때문에, 연료전지 스택으로 열을 제공하는 별도의 가열 장치를 채용하고 있다.

그런데, 종래 기술에서는 가열 장치를 구동시키기 위해 연료전지 스택에서 발생하는 전력을 사용해야 하는 관계로 스택 전류가 적정하지 않거나 스택 전압이 강하될 염려가 있다.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기에서와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 연료 전지 스택의 소모 전력에 대한 정밀 제어가 가능하도록 한 연료 전지용 가열 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예는 냉각수에 대한 전기적인 절연 확보가 유리하고, 연료 전지의 냉각수 채널 또는 냉각 시스템에 트랩되는 기포를 용이하게 제거할 수 있도록 한 연료 전지용 가열 장치를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가열 장치는, 연료 전지로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급라인 상에 구성되며 냉각수를 가열하기 위한 것으로서, ⅰ)상기 냉각수의 유출입이 가능하고 전자석 파우더를 내장하는 관로부재와, ⅱ)상기 관로부재의 외주연 측으로 코일을 설치하며 그 코일에 인가되는 전원에 의해 전자기장을 발생시키는 쉴드 케이스를 포함하여 이루어진다.

상기 연료 전지용 가열 장치에 있어서, 상기 관로부재는 이의 양단부가 냉각수의 유출입단으로서 이루어지며, 상기 유출입단에는 매쉬부재가 설치될 수 있다.

상기 연료 전지용 가열 장치는, 상기 쉴드 케이스의 코일과 연결되며, 상기 코일로 인가되는 전력을 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.

상기 연료 전지용 가열 장치는, 상기 냉각수가 흐르는 스택 냉각 루프에 구성되며, 상기 연료 전지의 냉각수 통로 및 냉각수 공급 라인에 트랩되는 기포를 제거할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 냉 시동 시 또는 연료 전지 내의 연료를 소진할 경우, 전자기장을 이용하여 냉각수를 가열함으로써 그 냉각수를 연료 전지로 공급할 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 제어기에 의해 코일로 인가되는 전력이 결정되기 때문에 연료 전지로부터 소모될 전력에 대한 정밀 제어가 가능하고, 이로 인해 연료 전지의 전압에 따라서 전력을 조절할 수 있으므로 연료 전지의 역전압 발생을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 전자석 파우더의 진동을 통해 열을 발생시키는 관로부재가 냉각수와 직접 접촉하고 있지만 그 열을 실질적으로 발생시키기 위한 쉴드 케이스가 냉각수와 분리되어 있기 때문에 전원에 대한 전기적인 절연 확보에 유리하다.

또한, 본 실시예에서는 냉각 시스템의 운전 중에 전자석 파우더의 진동으로서 냉각수 내의 미세 기포를 성장시키고 이를 라디에이터로 공급하며 냉각수 탱크를 통해 기포를 제거할 수 있으므로, 연료 전지의 국소적인 온도 상승을 방지함으로써 연료 전지의 운전 효율 및 냉각 성능을 증대시킬 수 있고, 국소적인 온도 상승으로 인한 연료 전지의 파손을 미연에 방지할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가열 장치가 적용되는 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가열 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가열 장치가 적용되는 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가열 장치(100)는 연료 전지(3)(당 업계에서는 "연료 전지 스택" 이라고도 한다)를 냉각시키는 시스템인 스택 냉각 루프로서의 냉각 시스템(1)에 적용될 수 있다.

이 경우, 상기 스택은 다수의 단위 셀들이 연속적으로 배열된 전기 발생 집합체로서 이루어지며, 이들 단위 셀 사이에 냉각수가 유통될 수 있는 냉각수 통로(도면에 도시되지 않음)를 형성하고 있다.

상기와 같은 연료 전지 스택은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 구성으로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 냉각 시스템(1)은 연료 전지(3)에서 발생하는 열을 제거하거나 그 연료 전지(3)에 열을 제공하여 연료 전지의 운전 온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열/물 관리 시스템(Thermal Management System: TMS)으로서 구비된다.

여기서, 상기 냉각 시스템(1)은 냉각수를 연료 전지(3)로 유통시킬 수 있는 구성 예를 들면, 냉각수 탱크(5), 냉각수 펌프(6), 라디에이터(7) 등을 포함하여 이루어지는 바, 이러한 열/물 관리 시스템인 냉각 시스템(1)의 구성은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에 의한 가열 장치(100)는 연료 전지(1)의 후단에서 그 연료 전지(1)로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급라인(8) 상에 구성되며, 주위의 온도가 0℃ 이하로 하강된 겨울철의 냉 시동 시 또는 연료 전지(3) 내의 연료를 소진하기 위해 냉각수에 열을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 가열 장치(100)는 본 실시예에서 연료 전지의 소모 전력에 대한 정밀 제어가 가능하며, 냉각수에 대한 전기적인 절연 확보가 유리하고, 연료 전지의 냉각수 채널 또는 냉각 시스템(1)에 트랩되는 기포를 용이하게 제거할 수 있는 구조로서 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가열 장치(100)는 전자기장을 이용하여 냉각수에 열원을 공급할 수 있는 구성으로 이루어진다. 본 실시예에 의한 상기 가열 장치(100)는 하기의 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가열 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 연료 전지용 가열 장치(100)는 기본적으로, 관로부재(10), 쉴드 케이스(50), 및 제어기(80)를 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

본 실시예에서, 상기 관로부재(10)는 냉각 시스템(1)의 냉각수 공급라인(8) 상에 설치되며 냉각수의 유출입이 가능하고 전자석 파우더(11)를 내장하는 내부 공간을 형성하고 있다.

여기서, 상기 관로부재(10)는 양단이 개방된 통체로 이루어지며, 이의 양측 단부가 냉각수의 유출입단으로서 이루어지는데, 그 유출입단에는 전자석 파우더(11)의 이탈을 방지하며 냉각수가 유출입될 수 있는 메쉬부재(20)가 설치된다.

그리고, 본 실시예에서 쉴드 케이스(50)는 관로부재(10)의 외주연 측으로 코일(51)을 설치하며 그 코일(51)에 인가되는 전원에 의해 전자기장을 발생시키는 기능을 하게 된다.

상기 쉴드 케이스(50)는 관로부재(10)의 외주면 측을 감싸는 하우징으로서 이루어지며, 그 내부에 코일(51)이 설치될 수 있다.

상기에서 제어기(80)는 쉴드 케이스(50)의 코일(51)과 연결되는 것으로서, 전원 공급원 예컨대, 연료 전지 또는 배터리로부터 코일(51)로 인가되는 전력을 제어한다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 가열 장치(100)에 의하면, 주위의 온도가 0℃ 이하로 하강된 겨울철의 냉 시동 시 또는 연료 전지(3) 내의 연료를 소진하기 위해 냉각수에 열을 제공코자 하는 경우, 연료 전지 또는 배터리로부터 쉴드 케이스(50)의 코일(51)로 전원을 인가한다. 이 때 제어기(80)는 코일(51)로 인가되는 전력을 제어할 수 있다.

그러면, 상기 쉴드 케이스(50)에서는 코일(51)에 인가되는 전원에 의해 전자기장이 발생하게 되고, 그 전자기장에 의해 관로부재(10) 내부의 전자석 파우더(11)에 진동이 발생하게 되며, 이 과정에서 열이 발생하게 되고 이러한 열로서 냉각수를 가열하게 된다.

즉, 본 실시예에서는 냉 시동 시 또는 연료 전지(3) 내의 연료를 소진할 경우, 전자기장을 이용하여 냉각수를 가열함으로써 그 냉각수를 연료 전지(3)로 공급할 수 있다.

이로써 본 실시예에서는 제어기(80)에 의해 코일(51)로 인가되는 전력이 결정되기 때문에, 연료 전지로부터 소모될 전력에 대한 정밀 제어가 가능하고, 이로 인해 연료 전지의 전압에 따라서 전력을 조절할 수 있으므로 연료 전지의 역전압 발생을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 전자석 파우더(11)의 진동을 통해 열을 발생시키는 관로부재(10)가 냉각수와 직접 접촉하고 있지만 그 열을 실질적으로 발생시키기 위한 쉴드 케이스(50)가 냉각수와 분리되어 있기 때문에 전원에 대한 전기적인 절연 확보에 유리하다는 잇점이 있다.

한편, 본 실시예에서는 냉각 시스템(1)의 운전 중에 전자석 파우더(11)의 진동으로서 냉각수 내의 미세 기포를 성장시키고, 이를 라디에이터(7) 측으로 공급할 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 전자석 파우더(11)의 진동에 의해 성장된 기포가 라디에이터(7) 상단의 냉각수 탱크(5)를 통해 제거할 수 있으므로, 연료 전지의 국소적인 온도 상승을 방지함으로써 연료 전지의 운전 효율 및 냉각 성능을 증대시킬 수 있고, 국소적인 온도 상승으로 인한 연료 전지(3)의 파손을 미연에 방지할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10... 관로부재 11... 전자석 파우더
20... 메쉬부재 50... 쉴드 케이스
51... 코일 80... 제어기

Claims (4)

1. 연료 전지로 냉각수를 공급하는 냉각수 공급라인 상에 구성되며 냉각수를 가열하는 연료 전지용 가열 장치에 있어서,
   상기 냉각수의 유출입이 가능하고 전자석 파우더를 내장하는 관로부재; 및
   상기 관로부재의 외주연 측으로 코일을 설치하며 그 코일에 인가되는 전원에 의해 전자기장을 발생시키는 쉴드 케이스
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가열 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 관로부재는 이의 양단부가 냉각수의 유출입단으로서 이루어지며, 상기 유출입단에는 매쉬부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가열 장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 쉴드 케이스의 코일과 연결되며, 상기 코일로 인가되는 전력을 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가열 장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 냉각수가 흐르는 스택 냉각 루프에 구성되며, 상기 연료 전지의 냉각수 통로 및 냉각수 공급 라인에 트랩되는 기포를 제거하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가열 장치.

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