KR20170129993A - 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템 - Google Patents

연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 연료전지 차량의 발전모듈인 스택(Stack)을 냉각시키는 열관리 시스템인 TMS(Thermal management system)를 구성하는 냉각수 순환 루프(Loop)의 냉시동시의 출력성능 저하문제를 해결하기 위한 기술로서, 상기 TMS의 냉각수 순환 루프에서 분기된 보조 냉각수 순환 루프를 추가 배치하되, 상기 보조 냉각수 순환 루프를 연료전지 스택의 엔드 플레이트 내부를 통과하도록 배치함으로써, 연료전지의 냉시동 및 냉간 출력 성능 향상을 도모하는 기술에 관한 것이다.

Description

연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템 {Thermal Management System for Cold-Start Enhancement of Fuel Cell}
본 발명은 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 연료전지 차량의 발전모듈인 스택(Stack)을 냉각시키는 열관리 시스템인 TMS(Thermal management system)를 구성하는 냉각수 순환 루프(Loop)의 냉시동시의 출력성능 저하문제를 해결하기 위한 기술로서, 상기 TMS의 냉각수 순환 루프에서 분기된 보조 냉각수 순환 루프를 추가 배치하되, 상기 보조 냉각수 순환 루프를 연료전지 스택의 엔드 플레이트 내부를 통과하도록 배치함으로써, 연료전지의 냉시동 및 냉간 출력 성능 향상을 도모하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 연료전지 열관리 시스템(TMS: Thermal Management System)으로 구성된다. 상기 연료전지 시스템은 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. 따라서, 연료전지 스택의 온도 상승을 방지하기 위해서는 반응 부산물인 열의 냉각을 위한 TMS가 필수적이었다.
그러나, 냉시동 시에는 상기 TMS를 구성하는 냉각수가 낮은 기온으로 인하여 필요 이상으로 과냉각되어 연료전지의 효율을 떨어뜨리는 문제를 발생시킨다. 다시말해서, 종래의 연료전지 시스템의 TMS는 펌프에서 토출되는 냉각수의 순환이 연료전지 스택을 필히 통과하는 구조로 이루어지기 때문에, 냉시동시 냉각수를 순환하게 되면 연료전지 스택에 과냉각된 냉각수가 유입이 되어 스택이 다시 결빙되는 문제점을 유발하였다.
따라서, TMS의 루프 내에 냉각수를 가열시킬 수 있는 히터를 더 구비하고, 펌프 토출부에 연료전지 스택과 상기 히터의 유로를 제어해 주는 3방 밸브(V/V)를 두어 냉시동시 상기 히터로 스택의 부하소모를 하면서 냉각수를 상기 히터 방향으로 순환하는 냉각수 가열 루프를 더 구성하는 방식이 사용되고 있다. 도 1은 종래의 히터를 포함하는 연료전지의 TMS의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
그러나, 도시된 바와 같이, 종래의 TMS의 냉각수 유료는 연료전지의 스택 내부를 통과하도록 구성되어 상기 연료전지 스택 내의 냉각 또는 가열을 수행하도록 이루어지나, 상기 연료전지 스택의 가장자리에 배치된 엔드 플레이트부로는 냉각 유로를 갖추고 있지 않기 때문에 상기 엔드 플레이트 근처의 연료전지 스택 셀 성능은 냉시동시에 쉽게 회복되지 못하는 문제점을 지니고 있었다.
이러한 문제점을 해결하고자 종래의 엔드 플레이트 근처에 전기 가열식 PTC 히터를 삽입하거나 별도의 발열 소자를 장착하곤 했는데 이는 결국 고전압 전력을 이용하는 것이기 때문에 에너지 효율 측면에서 바람직하지 않으며, 냉시동시 응축/결빙에 의한 절연 취약 문제점을 더 유발하므로, 이를 개선하기 위한 기술의 개발이 요구되고 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서,
연료전지 차량의 발전모듈인 스택(Stack)을 냉각시키는 열관리 시스템인 TMS(Thermal management system)를 구성하는 냉각수 순환 루프(Loop)의 냉시동시의 출력성능 저하문제를 해결하기 위한 기술로서, 상기 TMS의 냉각수 순환 루프에서 분기된 보조 냉각수 순환 루프를 추가 배치하되, 상기 보조 냉각수 순환 루프를 연료전지 스택의 엔드 플레이트 내부를 통과하도록 배치함으로써, 연료전지의 냉시동 및 냉간 출력 성능 향상을 도모하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
연료전지 스택을 통과하여 순환하도록 구성된 메인 냉각수 순환 루프, 상기 냉각수 순환 루프 내의 냉각수를 순환시키는 펌프, 상기 냉각수를 냉각시키는 라디에이터, 상기 냉각수를 가열시키는 히터, 상기 냉각수 진로의 결정을 위한 최소한 하나 이상의 밸브를 포함하는 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템에 있어서, 상기 연료전지의 스택의 엔드 플레이트를 관통하는 보조 냉각수 순환 루프를 포함하고, 상기 보조 냉각수 순환 루프는 상기 히터를 통과하는 냉각수 순환 루프에서 분기되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지 스택의 엔드 플레이트는 상기 연료전지 스택의 일단과 타단에 각각 배치된 한쌍으로 이루어지고, 상기 보조 냉각수 순환 루프는 상기 한쌍의 엔드 플레이트를 각각 통과하도록 배치된 병렬 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보조 냉각수 순환 루프의 입구는 히터의 전단부에서 분기되고, 출구는 상기 히터의 후단부에서 분기되도록 구성되되, 상기 보조 냉각수 순환 루프로의 냉각수 유입은 상기 히터에서 유발된 상기 메인 냉각수 순환 루프 내의 차압(differential pressure)에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지의 스택은 2모듈 구성으로 이루어지고, 상기 보조 냉각수 순환 루프는 제1보조 냉각수 순환 루프와 제2보조 냉각수 순환 루프를 포함하여 이루어지고, 상기 제1보조 냉각수 순환 루프는 상기 연료전지 스택의 상부모듈을 관통하고, 상기 제2보조 냉각수 순환 루프는 상기 연료전지 스택의 하부모듈을 관통하도록 적층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 최소한 하나 이상의 밸브의 개도 조절은 냉각수 온도에 대응하여 이루어지되, 냉각수 온도가 상승하면 상기 연료전지 스택 측 밸브가 개방되어 상기 연료전지 스택 내부로 승온된 냉각수를 유입시키도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 펌프의 작동은 냉각수 온도에 대응하여 이루어지되, 냉각수 온도가 상승하면 상기 펌프의 RPM이 증가되어 상기 연료전지 스택 내부로 승온된 냉각수의 유입을 증가시키도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 통하여 본 발명의 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템은 이하의 특징적인 장점을 제공한다.
1) TMS를 구성하는 메인 냉각수 순환 루프에서 분기되는 보조 냉각수 순환 루프를 부가 구성하고, 상기 보조 냉각수 순환 루프가 연료전지 스택의 엔드 플레이트를 통과하도록 구성하여 냉시동시 상기 연료전지 스택의 엔드 플레이트 내부를 승온시킴으로써 냉시동 및 냉간 출력을 상승시키는 장점을 제공하고,
따라서, 종래의 TMS의 구성에서 냉시동시 냉각수가 연료전지 스택 내부만을 통과하여 흐르는 구성에 의하여 연료전지 스택의 엔드 플레이트 근처의 스택 셀 성능이 저하되는 단점을 해결하고 있다.
2) 보조 냉각수 순환 루프가 히터를 포함하는 냉각수 순환 루프에서 분기되되, 상기 보조 냉각수 순환 루프의 입구는 히터의 전단부에서 분기되고, 출구는 상기 히터의 후단부에서 분기되도록 구성됨으로써, 상기 히터의 냉각수 가열에 따른 히터의 차압에 의하여 상기 보조 냉각수 순환 루프로의 냉각수 유입이 이루어지도록 구성되며, 따라서, 상기 보조 냉각수 순환 루프로의 냉각수 순환 에너지원을 추가 구성할 필요가 없기 때문에 제조비용이 상승하는 것을 방지할 수 있으며 비용 효율을 증대시키는 장점을 제공한다.
도 1은 종래의 히터를 포함하는 연료전지의 TMS의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 TMS의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도 3은 2모듈 구성의 연료전지 스택에 대응하는 보조 냉각수 순환 루프 구성을 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템의 냉각수 순환 순서 및 각 구성요소들의 작동 단계를 개략적으로 나타내고 있는 표이다.
이하, 본 발명의 기술적 구성을 구체적으로 기술하기에 앞서, 본 명세서 및 특허 청구범위의 전반에 걸쳐 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 또는 사전적인 의미로 한정되어 해석되는 것으로 이해해서는 안되며, 해당 용어나 단어는 '발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙'에 입각하여 기술된 것이며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 기술 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과하고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 이해하기 쉽게 설명하기 위한 목적으로 사용되는 것으로, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서 상에 단수 형태로 기재된 구성요소는 별도로 특정하는 것이 아니라면 복수의 형태를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 연료전지 차량의 발전모듈인 스택(Stack)을 냉각시키는 열관리 시스템인 TMS(Thermal management system)를 구성하는 냉각수 순환 루프(Loop)의 냉시동시의 출력성능 저하문제를 해결하기 위한 기술로서, 상기 TMS의 냉각수 순환 루프에서 분기된 보조 냉각수 순환 루프를 추가 배치하되, 상기 보조 냉각수 순환 루프를 연료전지 스택의 엔드 플레이트 내부를 통과하도록 배치함으로써, 연료전지의 냉시동 및 냉간 출력 성능 향상을 도모하는 구성을 가진다.
이하, 도면을 참조로 하여 상기와 같은 기본 구성의 본 발명을 바람직한 실시예로서 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 TMS의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템은 종래의 연료전지 시스템을 구성하는 TMS의 구성, 즉, 연료전지 스택(30)을 통과하여 순환하도록 구성된 메인 냉각수 순환 루프(20), 상기 메인 냉각수 순환 루프(20) 내의 냉각수를 순환시키는 펌프(60), 상기 냉각수를 냉각시키는 라디에이터(60), 상기 냉각수를 가열시키는 히터(50), 상기 냉각수 진로의 결정을 위한 밸브(70)(바람직하게는, 3방 밸브)를 포함하여 이루어지되,
냉시동시의 출력성능 저하문제를 해결하기 위한 구성으로서 연료전지의 스택 양단의 엔드 플레이트(40)를 각각 관통하는 병렬 구성의 보조 냉각수 순환 루프(10)를 추가로 배치하여 냉시동 및 냉간 출력 성능 향상을 도모하도록 구성된다.
도시된 바와 같이, 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)는 히터(50)를 포함하는 냉각수 순환 루프에서 분기되도록 구성된다. 바람직하게는, 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)의 입구는 상기 히터(50)의 전단부에서 분기되고, 출구는 상기 히터(50)의 후단부에서 분기되도록 구성된다.
또한, 상기 보조 냉각수 루프는 한쌍으로 이루어진 상기 연료전지 스택(30)의 엔드 플레이트(40)를 동시에 통과하도록 구성된다. 다시말해서, 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)의 입구로부터 연장하는 유로는 2갈래로 분기되어 각각 상기 한쌍으로 이루어진 연료전지 스택(30)의 일단의 엔드 플레이트(40)와 타단의 엔드 플레이트(40) 각각을 관통하도록 연장하고, 상기 엔드 플레이트(40)를 관통한 2개의 유로는 다시 서로 만나 합쳐진 하나의 유로를 형성하여 출구로 연장하도록 구성된다. 이러한 구성을 본 발명에서는 '병렬 구성'이라 칭한다.
보조 냉각수 순환 루프(10)의 상기와 같은 구성은 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)로의 냉각수 유입은 상기 히터(50)에서 유발된 상기 메인 냉각수 순환 루프(20) 내의 차압(differential pressure)에 의하여 이루어지도록 한다. 다시말해서, 이러한 구성을 통하여 본 발명의 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템은 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)로 냉각수를 유입시키는 별도의 유량 조절 밸브와 같은 추가 구성을 요구하지 않는다. 또한, 이러한 구성은 별도의 냉각수 순환 에너지원을 필요로 하지 않기 때문에 제조비용이 상승하는 것을 방지할 수 있으며 비용 효율을 증대시키고, 제조시의 제조의 용이성을 증대시키는 효과를 가져온다.
또한, 냉간 시동시의 냉각수의 온도를 상승시키기 위하여 상기 3방 밸브(70)의 제어를 통하여 상기 히터(50) 방향으로 냉각수가 순환되는 경우, 상기 히터(50)를 통과하는 냉각수의 유량이 증가할수록 상기 히터(50) 전후단 사이의 냉각수 압력 강하(△P)는 2차 곡선 형태로 증가된다. 따라서, 메인 냉각수 순환 루프(20)의 냉각수의 유량이 증가할 수록 히터(50)의 전후단 사이의 차압이 증가되며, 증가된 차압에 따라 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)로 냉각수의 유입이 증가될 수 있다.
상기 연료전지 스택(30)의 엔드 플레이트(40)를 통과하는 보조 냉각수 순환 루프(10)가 상기 히터(50)의 전후단에 각각 입구와 출구가 연결되어 있으므로, 냉각수가 메인 냉각수 순환 루프(20)를 순환하여 상기 히터(50)를 통과하는 경우에 상기 냉각수가 상기 보조 냉각수순환 루프로 유입되도록 구성되고, 냉시동시에 메인 냉각수 순환 루프(20)를 순환하는 냉각수의 온도를 상기 히터(50)를 이용하여 승온(temperature rising)시키는 동시에, 승온된 냉각수가 상기 연료전지 스택(30) 뿐만 아닌 엔드 플레이트(40)를 통과하여 흐르기 때문에, 냉시동 및 냉간 출력이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 상기 연료전지의 스택은 2모듈 구성으로 이루어진다. 이 경우, 2모듈 구성의 연료전지 스택(30)의 냉각수 효율을 보다 증대시키기 위하여 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)는 제1보조 냉각수 순환 루프(11)와 제2보조 냉각수 순환 루프(12)를 포함하여 이루어진 2개의 보조 냉각수 순환 루프 구성으로 이루어진다. 도 3은 2모듈 구성의 연료전지 스택(30)에 대응하는 보조 냉각수 순환 루프 구성을 도시하고 있다.
이때, 상기 제1보조 냉각수 순환 루프(11)는 상기 연료전지 스택(30)의 상부모듈을 관통하고, 상기 제2보조 냉각수 순환 루프(12)는 상기 연료전지 스택(30)의 하부모듈을 관통하도록 적층 구조로 이루어지고, 상기 제1보조 냉각수 순환 루프(11)와 상기 제2보조 냉각수 순환 루프(12)의 냉각수 입구 및 출구는 서로 연결되도록 구성될 수 있다.
따라서, 상기 메인 냉각수 순환 루프(20)를 순환하는 냉각수는 상기 히터(50)의 가열에 따른 차압에 의하여 상기 제1보조 냉각수 순환 루프(11) 및 상기 제2보조 냉각수 순환 루프(12)로 동시에 유입되어 상기 2모듈 구성의 연료전지 스택(30)의 상부와 하부를 동일하게 승온시킨다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 냉시동 및 냉간 출력 성능 향상을 위하여 상기 히터(50)의 승온 정도(다시말해서, 냉각수의 온도)에 따라 상기 펌프(60)의 RPM을 서서히 증가시키도록 상기 펌프(60)의 제어가 이루어진다.
상기 펌프(60)의 RPM을 선형적으로 증가시키면 상기 히터(50)를 통과하는 유량이 선형적으로 증가하게 되고, 그 결과로 상기 히터(50)의 입출구 사이의 차압은 2차 곡선형태로 증가하기 때문에 상기 연료전지 스택(30)의 엔드 플레이트(40)를 통과하는 유량도 서서히 증가하게 된다. 따라서, 냉시동 초기에는 상기 연료전지 스택(30)의 엔드 플레이트(40)를 통과하는 보조 냉각수 순환 루프(10)의 냉각수 통과 유량을 적게 제어하고 냉각수의 승온이 이루어짐에 따라 점차 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)의 냉각수 통과 유량을 증대시킴으로써 상기 연료전지 스택(30)의 엔드 플레이트(40) 부근의 승온을 도출해낼 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 냉시동시 시동 시간 단축을 유도하기 위하여 냉각수 승온 정도에 따라 상기 3방 밸브(70)의 개도를 조절하는 구성을 가진다. 다시말해서, 상기 3방 밸브(70)의 개도 조절은 냉각수 온도에 대응하여 이루어지도록 구성되고, 상기 메인 냉각수 순환 루프(20) 내의 냉각수 온도가 상승하면 상기 3방 밸브(70)의 상기 연료전지 스택(30) 측의 밸브가 개방되어 상기 연료전지 스택(30) 내부로 승온된 냉각수가 직접 유입되도록 구성된다. 이러한 구성은 냉시동 시간을 단축시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템의 냉각수 순환 순서 및 각 구성요소들의 작동 단계를 개략적으로 나타내고 있는 표이다. 도 4의 표는 도 2에 도시된 유로 및 구성요소들 간의 구성을 기반으로 작성되었으므로, 도 2를 참조하여 쉽게 이해될 수 있다.
상온 일반 운전의 경우
TMS의 냉각수는 상기 연료전지 스택(30)에서 전기화학반응에 의하여 발생한 반응 부산물로서의 열을 냉각시키기 위하여 메인 냉각수 순환 루프(20)를 순환하도록 제어된다.
이때, 펌프(60) 후단의 3방 밸브(70)의 개도는 상기 연료전지 스택(30) 방향의 밸브ⓑ가 개방되고, 상기 히터(50) 방향의 밸브ⓒ가 차단된다. 따라서, 냉각수의 순환 경로는 메인 냉각수 순환 루프(20)를 따라 ① -> ⑥ -> ③ -> ④ 순으로 순환하며, 상기 연료전지 스택(30)을 통과하는 냉각수는 상기 연료전지 스택(30)의 엔드 플레이트(40)와는 무관하게 상기 연료전지 스택(30)의 분리판 내부만을 통과한다.
냉시동 / 냉간 운전의 경우
상술한 바와 같이, 냉시동시의 TMS의 냉각수는 소정 온도로 냉각되어 있으므로, 상기 연료전지 스택(30)으로 냉각된 냉각수가 유입되는 경우, 오히려 연료전지의 효율을 저하시키게 된다. 따라서, 상기 냉각수는 상기 히터(50)에 의하여 가열된 후 상기 연료전지 스택(30)을 통과하도록 제어된다.
이때, 펌프(60) 후단의 3방 밸브(70)의 개도는 상기 연료전지 스택(30) 방향의 밸브ⓑ가 차단되고, 상기 히터(50) 방향의 밸브ⓒ가 개방된다. 따라서, 냉각수의 순환 경로는 메인 냉각수 순환 루프(20)인 따라 ① -> ② -> ③ -> ④ 순으로 순환하되, 이와 동시에 상기 ② 단계에서 상기 히터(50) 차압으로 인하여 보조 냉각수 순환 루프(10)인 ⑤로 동시에 유입되어 상기 연료전지 스택(30)의 엔드 플레이트(40) 내부를 통과한다. 또한, 상기 3방 밸브(70)의 연료전지 스택(30) 방향의 밸브ⓑ가 차단되었기 때문에, 냉시동시 상기 냉각수는 상기 연료전지 스택(30) 내부의 분리판을 통과하지 않는다.
따라서, 냉시동 초기에는 상기 연료전지 스택(30) 내부로 냉각수의 순환이 이루어지지 않기 때문에 스택 내부의 냉각수 승온 속도가 엔드 플레이트(40)를 통과하는 냉각수 승온 속도 보다 빠르다.(도 2의 T1 > T2, 여기에서 T1은 연료전지 스택(30) 내부의 냉각수 온도, T2는 엔드 플레이트(40)의 내부 냉각수 온도를 말함)
상기 엔드 플레이트(40)의 내부 냉각수 온도(T2)는 히터(50)의 가열에 의한 열전달이 이루어짐과 동시에, 상기 연료전지 스택(30) 내부의 냉각수의 승온에 의한 열전달로 인하여 승온이 이루어지며, 따라서, T1 = T2가 될 때까지 상기 엔드 플레이트(40) 내의 냉각수 순환이 필요하다.
반면, 상기 엔드 플레이트(40) 근처의 셀 전압이 특정치 이하로 떨어지지 않고 일정 시간 동안의 냉시동시의 보조 냉각수 순환 루프(10)로의 냉각수 순환이 이루어져상기 연료전지 스택(30)의 가용 출력이 차량 발진에 충분하다고 판단이 되는 경우에는 더이상의 냉시동시의 보조 냉각수 순환 루프(10)로의 냉각수 순환이 요구되지 않기 때문에 상기 히터(50)의 작동 중단에 따라 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)로의 냉각수 순환은 중지될 수 있다.
상기와 같은 구성을 통하여 본 발명은, TMS를 구성하는 메인 냉각수 순환 루프(20)에서 분기되는 보조 냉각수 순환 루프(10)를 부가 구성하고, 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)가 연료전지 스택(30)의 엔드 플레이트(40)를 통과하도록 구성하여 냉시동시 상기 연료전지 스택(30)의 엔드 플레이트(40) 내부를 승온시킴으로써 냉시동 및 냉간 출력을 상승시키는 장점을 제공하고, 따라서, 종래의 TMS의 구성에서 냉시동시 냉각수가 연료전지 스택(30) 내부만을 통과하여 흐르는 구성에 의하여 연료전지 스택(30)의 엔드 플레이트(40) 근처의 스택 셀 성능이 저하되는 단점을 해결하고 있다.
또한, 보조 냉각수 순환 루프(10)가 히터(50)를 포함하는 냉각수 순환 루프에서 분기되되, 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)의 입구는 히터(50)의 전단부에서 분기되고, 출구는 상기 히터(50)의 후단부에서 분기되도록 구성됨으로써, 상기 히터(50)의 냉각수 가열에 따른 히터(50)의 차압에 의하여 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)로의 냉각수 유입이 이루어지도록 구성되며, 따라서, 상기 보조 냉각수 순환 루프(10)로의 냉각수 순환 에너지원을 추가 구성할 필요가 없기 때문에 제조비용이 상승하는 것을 방지할 수 있으며 비용 효율을 증대시키는 장점을 제공한다.
이상으로 본 발명의 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 특정한 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도, 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 보조 냉각수 순환 루프
11: 제1보조 냉각수 순환 루프
12: 제2보조 냉각수 순환 루프
20: 메인 냉각수 순환 루프
30: 연료전지 스택
40: 엔드 플레이트
50: 히터
60: 펌프
70: 라디에이터
80: 밸브

Claims (6)

  1. 연료전지 스택을 통과하여 순환하도록 구성된 메인 냉각수 순환 루프, 상기 냉각수 순환 루프 내의 냉각수를 순환시키는 펌프, 상기 냉각수를 냉각시키는 라디에이터, 상기 냉각수를 가열시키는 히터, 상기 냉각수 진로의 결정을 위한 최소한 하나 이상의 밸브를 포함하는 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템에 있어서,
    상기 연료전지의 스택의 엔드 플레이트를 관통하는 보조 냉각수 순환 루프를 포함하고,
    상기 보조 냉각수 순환 루프는 상기 히터를 통과하는 냉각수 순환 루프에서 분기되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 엔드 플레이트는 상기 연료전지 스택의 일단과 타단에 각각 배치된 한쌍으로 이루어지고,
    상기 보조 냉각수 순환 루프는 상기 한쌍의 엔드 플레이트를 각각 통과하도록 배치된 병렬 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템.
  3. 제 1항에 있어서
    상기 보조 냉각수 순환 루프의 입구는 히터의 전단부에서 분기되고, 출구는 상기 히터의 후단부에서 분기되도록 구성되되,
    상기 보조 냉각수 순환 루프로의 냉각수 유입은 상기 히터에서 유발된 상기 메인 냉각수 순환 루프 내의 차압(differential pressure)에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지의 스택은 2모듈 구성으로 이루어지고,
    상기 보조 냉각수 순환 루프는 제1보조 냉각수 순환 루프와 제2보조 냉각수 순환 루프를 포함하여 이루어지고,
    상기 제1보조 냉각수 순환 루프는 상기 연료전지 스택의 상부모듈을 관통하고, 상기 제2보조 냉각수 순환 루프는 상기 연료전지 스택의 하부모듈을 관통하도록 적층 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 최소한 하나 이상의 밸브의 개도 조절은 냉각수 온도에 대응하여 이루어지되,
    냉각수 온도가 상승하면 상기 연료전지 스택 측 밸브가 개방되어 상기 연료전지 스택 내부로 승온된 냉각수를 유입시키도록 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 펌프의 작동은 냉각수 온도에 대응하여 이루어지되,
    냉각수 온도가 상승하면 상기 펌프의 RPM이 증가되어 상기 연료전지 스택 내부로 승온된 냉각수의 유입을 증가시키도록 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉시동 성능 향상을 위한 열관리 시스템.

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