KR20160014895A - 연료전지차량의 히터 과열 감지 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지차량용 냉각수 히터의 과열을 효과적으로 신속하게 감지할 수 있는 연료전지차량의 히터 과열 감지 장치에 관한 것으로, 연료전지 스택의 냉각수 가열을 위한 히터모듈을 구성하는 히터부재들 중 하나의 히터에만 온도측정수단을 설치하고 나머지 히터부재는 열전달핀을 통해 상기 온도측정수단이 설치된 히터부재와 열전달 가능하게 연결함으로써 상기 온도측정수단을 공용으로 사용하고 히터 과열을 보다 효율적으로 감지할 수 있는 연료전지차량의 히터 과열 감지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
Description
본 발명은 연료전지차량의 히터 과열 감지 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지차량용 냉각수 히터의 과열을 효과적으로 신속하게 감지할 수 있는 연료전지차량의 히터 과열 감지 장치에 관한 것이다.
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, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.
이러한 구성에서 연료전지 스택은 반응가스인 수소와 공기 중 산소의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키고 그 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. 이에 연료전지 시스템에는 스택의 온도 상승을 방지하기 위하여 스택을 냉각시키는 시스템이 필수적이다.
통상 차량용 연료전지 시스템에서 연료전지 스택을 최적의 운전온도로 유지하기 위한 냉각시스템에는 스택 내 냉각수 채널을 통해 물을 순환시켜 냉각시키는 수냉식이 이용되고 있다.
일반적으로, 연료전지 차량의 냉각시스템은 냉각수의 열을 외부로 방출하기 위한 라디에이터와, 냉각수가 순환될 수 있도록 연료전지 스택과 라디에이터 사이에 구성되는 냉각수 라인, 라디에이터를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시키기 위한 바이패스라인 및 3-웨이(3-way) 밸브, 냉각수를 펌핑하여 냉각수 라인을 통해 압송하기 위한 냉각수 펌프를 주된 구성으로 한다.
여기서, 상기 바이패스라인은 라디에이터 상, 하류측 냉각수 라인에서 분기되어 라디에이터를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시키는 냉각수 라인이고, 3-웨이 밸브는 라디에이터를 통과하는 메인 라인과 라디에이터를 통과하지 않는 바이패스라인 사이에서 냉각수의 흐름을 선택적으로 제어하는 역할을 하게 된다.
이와 더불어, 상기 냉각수 라인에는 연료전지 스택의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수를 급속 가열하는 가열장치가 구비되는데, 이 가열장치는 연료전지 시스템의 시동(start-up)시 냉각수를 가열하여 연료전지 스택의 온도를 신속히 정상 운전온도로 승온시키는 역할을 한다.
이러한 냉각수 가열장치는 연료전지 스택의 전단에 위치하거나 바이패스라인에 설치되는데, 가열장치가 연료전지 스택의 전단에 위치될 경우 가열장치에 의해 가열된 냉각수가 바로 연료전지 스택으로 공급되므로 연료전지 스택에 바로 열을 공급할 수 있는 이점이 있다.
이와 같이 연료전지차량은 냉각수 가열장치(히터)를 이용하여 냉시동성을 확보하게 되는데, 냉각수 유량이 부족하거나 또는 냉각수가 순환하지 않을 경우 히터 표면이 과열되어 히터가 손상되는 문제점이 있다.
연료전지차량의 히터 과열 방지를 위한 기술로서, 본 출원인은 특허출원 제2009-70722호에 연료전지차량용 히터 과열 방지 장치 및 방법을 개시한바 있다.
특허출원 제2009-70722호에서는 써모커플이 설치되어 있는 히터 내부의 온도 신호를 히터 제어기로 수신받아 증폭 후 일정 온도 이상의 기전력을 출력시 히터 과열이 발생한 것으로 판단하고 연료전지 제어기에서 히터 전원을 차단하는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 상기 기술의 경우 각각의 히터마다 써모커플이 별도로 설치되고 이 써모커플의 신호를 통해 히터 과열을 감지하기 위한 제어기가 구성되어야 하므로 그에 따른 원가 및 부피 상승이 발생하게 되고, 써모커플이 미설치된 히터의 경우 과열 감지가 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택의 냉각수 가열을 위한 히터모듈을 구성하는 히터부재들 중 하나의 히터에만 온도측정수단을 설치하고 나머지 히터부재는 열전달핀을 통해 상기 온도측정수단이 설치된 히터부재와 열전달 가능하게 연결함으로써 상기 온도측정수단을 공용으로 사용하고 히터 과열을 보다 효율적으로 감지할 수 있는 연료전지차량의 히터 과열 감지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지차량용 냉각수 히터모듈의 과열 감지를 위한 히터 과열 감지 장치로서, 상기 냉각수 히터모듈을 구성하는 복수의 히터부재 중 어느 하나의 히터부재에만 설치되는 온도측정수단; 상기 온도측정수단이 설치된 히터부재와 상기 온도측정수단이 미설치된 히터부재 사이를 열전달 가능하게 연결하는 적어도 하나 이상의 열전달핀; 및 상기 온도측정수단의 신호를 기반으로 냉각수 히터모듈의 발열상태를 모니터하여 냉각수 히터모듈의 과열을 감지하는 통합제어기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 히터 과열 감지 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 통합제어기는 온도측정수단의 신호를 기반으로 판단한 결과 냉각수 히터모듈이 과열된 것으로 판단되면 냉각수 히터모듈의 전원 공급을 오프시킨다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 온도측정수단이 설치된 히터부재와 상기 온도측정수단이 미설치된 히터부재 사이에는 각각 복수의 열전달핀이 연결 설치되고, 상기 복수의 열전달핀은 서로 일정 간격으로 이격되어 배치된다.
본 발명에 따른 연료전지차량의 히터 과열 감지 장치에 의하면, 종래 각각의 히터부재마다 설치되는 온도측정수단을 하나만 남기고 모두 삭제할 수 있고 또한 각각의 온도측정수단으로부터 신호를 수신하여 히터 과열을 감지하기 위한 별도의 제어기를 구성할 필요가 없어 종래 대비 원가, 중량, 부피 축소가 가능하며, 하나의 온도측정수단을 이용한 효율적인 히터 과열 감지가 가능하다.
이에 냉각수 히터모듈의 과열을 미연에 방지하여서 히터 내구성을 개선하고 고내구성을 확보할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지차량의 히터 과열 감지 장치를 나타낸 개략적인 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히터 과열 감지 장치의 작동을 설명하기 위한 블럭도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히터 과열 감지 장치의 작동을 설명하기 위한 블럭도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명은 연료전지 스택의 냉각수를 가열하여 스택 온도를 정상 운전온도로 승온시키는 냉각수 가열용 히터의 과열 감지를 위한 히터 과열 감지 장치에 관한 것으로, 히터 온도를 효율적으로 모니터하여 신속하고 효과적으로 히터 과열을 감지할 수 있도록 한다.
도 1을 보면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지차량의 히터 과열 감지 장치는 복수의 히터부재로 이루어진 냉각수 히터모듈(10)의 온도측정을 위한 온도측정수단(20)과 히터부재들간에 열전달을 위한 열전달핀(20)을 포함하여 구성된다.
상기 냉각수 히터모듈(10)은 일반적으로 연료전지차량의 냉각수라인에 부착되어 냉각수를 가열 가능한 냉각수 가열장치로서, 상기 히터부재들 중 온도측정수단(20)이 설치된 히터부재(이하, 센터히터(11)라고 함)와 온도측정수단(20)이 미설치된 히터부재(이하, 사이드히터(12)라고 함)로 이루어진다.
즉, 상기 냉각수 히터모듈(10)은 히터모듈을 구성하는 복수의 히터부재 중 선택된 어느 하나의 히터부재 즉, 센터히터(11)에만 온도측정수단(20)이 설치되고, 나머지 히터부재 즉, 사이드히터(12)에는 온도측정수단(20)이 미설치된다.
그리고, 상기 센터히터(11)와 각각의 사이드히터(12)는 적어도 하나 이상의 열전달핀(30)을 통해 열전달 가능하게 연결되고, 이에 의해 온도측정수단(20)이 미설치된 사이드히터(12)가 센터히터(11)에 열을 전달하게 되어 상기 온도측정수단(20)을 통해 사이드히터(12)의 발열상태(온도상태)도 감지가능하게 된다.
상기 온도측정수단(20)은 일측이 센터히터(11)에 삽입된 형태로 센터히터(11)에 설치되어서 센터히터(11) 내부의 절연체(전기저항에 의해 발열함) 온도를 감지하게 되며, 센터히터(11)의 내부 온도에 따른 기전력을 출력신호(감지신호)로서 통합제어기(40) 측으로 송신한다.
예를 들면, 상기 온도측정수단(20)으로는 센터히터(11)의 내부 온도 감지를 통해 기전력을 발생하여 감지신호를 제공할 수 있는 써모커플을 사용할 수 있다.
그리고, 열전달핀(30)은 열전달 효율이 우수한 핀 구조물이 사용되며, 온도측정수단(20)이 설치된 센터히터(11)와 상기 온도측정수단(20)이 미설치된 사이드히터(12) 사이에는 복수의 열전달핀(30)이 연결 구성된다.
이때 상기 복수의 열전달핀(30)은 서로 일정 간격으로 이격되어 배치되는 것이 바람직하며, 센터히터(11)와 사이드히터(12) 간에 열전달을 위해 센터히터(11)의 금속 표면과 사이드히터(12)의 금속 표면 사이에 열전달 가능하게 설치될 수 있다.
이렇게 센터히터(11)와 사이드히터(12) 간에 열전달핀(30)을 설치함으로써 온도측정수단(20)이 설치된 센터히터(11)와 온도측정수단(20)이 미설치된 사이드히터(12) 간에 열전달이 이루어지게 되고, 결과적으로 하나의 온도측정수단(20)을 통해 냉각수 히터모듈(10)을 구성하는 복수의 히터부재(11,12)의 발열상태를 모니터하여 과열 발생을 효율적으로 감지할 수 있게 된다.
즉, 센터히터(11)와 사이드히터(12) 간에 열전달핀(30)을 설치함으로써 센터히터(11)에 설치된 온도측정수단(20)을 센터히터(11)와 사이드히터(12)가 공용으로 사용할 수 있게 된다.
여기서, 상기 센터히터(11) 및 사이드히터(12)는 전기저항에 의해 발열되는 절연체를 이용한 히터부재로서, 금속의 케이스 내부에 전기저항에 의해 발열 가능한 절연체를 내장한 형태를 갖는다.
도 2를 보면, 상기 온도측정수단(20)에는 연료전지차량의 통합제어기(40)가 신호 전달가능하게 연결되고, 이 통합제어기(40)는 온도측정수단(20)의 신호를 기반으로 상기 냉각수 히터모듈(10, 센터히터 및 사이드히터)의 발열상태 및 과열을 모니터 및 감지하고 그 결과에 따라 냉각수 히터모듈(10)의 온/오프 작동을 제어한다(전원 공급 여부를 결정한다).
일례로, 상기 통합제어기(40)는 온도측정수단(20)에서 수신한 신호를 기반으로 판단한 결과 냉각수 히터모듈(10)이 과열된 것으로 판단되면 냉각수 히터모듈(10)의 작동을 위한 공급 전원을 오프시킨다.
이하, 열전달핀(30)을 통해 센터히터(11)에 연결된 사이드히터(12) 중 어느 하나의 사이드히터(이하, 제1사이드히터라고 함)에 과열이 발생한 경우 열전달 경로를 살펴보면, 히터 전원선을 통해 전원을 공급받은 제1사이드히터 내부의 절연체가 발열되는 경우, 제1사이드히터 내부의 절연체 -> 제1사이드히터 외부의 금속 케이스 -> 제1사이드히터와 센터히터(11) 사이에 연결된 열전달핀(30) -> 센터히터(11) 외부의 금속 케이스 -> 센터히터(11) 내부의 절연체 순서로 열전달이 이루어지고, 센터히터(11) 내부의 온도를 온도측정수단(20)이 감지하여 통합제어기(40)에 감지신호를 전달한다.
이와 같이 본 발명의 히터 과열 방지 장치는 단일의 온도측정수단(20)이 설치된 센터히터(11)가 열전달핀(30)을 통해 복수의 사이드히터(12)와 연결됨으로써 센터히터(11) 및 사이드히터(12)의 발열상태를 동시 감지할 수 있게 되어 센터히터(11)는 물론이고 온도측정수단(20)이 미설치된 사이드히터(12)의 과열 감지가 가능하고, 이에 냉각수 히터모듈(10)의 과열을 신속하게 감지하여 과열로 인한 손상을 미연에 방지하고 히터의 고내구성을 확보할 수 있게 된다.
아울러, 상기 냉각수 히터모듈(10)은 열전달핀(30)에 의해 센터히터(11)와 사이드히터(12) 간에 신속한 열전달이 이루어지므로 일부 히터부재에 일정 수준 이하의 과열이 발생하는 경우 주변 히터부재로 열전달이 이루어져 어느 정도 과열 방지가 가능하게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 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.
10 : 냉각수 히터모듈
11 : 센터히터
13 : 사이드히터
20 : 온도측정수단
30 : 열전달핀
40 : 통합제어기
11 : 센터히터
13 : 사이드히터
20 : 온도측정수단
30 : 열전달핀
40 : 통합제어기
Claims (4)
- 연료전지차량용 냉각수 히터모듈의 과열 감지를 위한 히터 과열 감지 장치로서,
상기 냉각수 히터모듈을 구성하는 복수의 히터부재 중 어느 하나의 히터부재에만 설치되는 온도측정수단;
상기 온도측정수단이 설치된 히터부재와 상기 온도측정수단이 미설치된 히터부재 사이를 열전달 가능하게 연결하는 적어도 하나 이상의 열전달핀;
을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 히터 과열 감지 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 온도측정수단의 신호를 기반으로 냉각수 히터모듈의 발열상태를 모니터하여 냉각수 히터모듈의 과열을 감지하는 통합제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 히터 과열 감지 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 통합제어기는 온도측정수단의 신호를 기반으로 판단한 결과 냉각수 히터모듈이 과열된 것으로 판단되면 냉각수 히터모듈의 전원 공급을 오프시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 히터 과열 감지 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 온도측정수단이 설치된 히터부재와 상기 온도측정수단이 미설치된 히터부재 사이에는 각각 복수의 열전달핀이 연결 설치되고, 상기 복수의 열전달핀은 서로 일정 간격으로 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 히터 과열 감지 장치.
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