KR20210157173A

KR20210157173A - 차량용 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR20210157173A
Application number: KR1020200075124A
Authority: KR
Inventors: 원종보; 최성경
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2021-12-28
Also published as: US20210399317A1; US20230037310A1; US11508973B2

Abstract

본 발명은 차량용 연료전지 시스템에 관한 것으로, 차량의 연료전지 스택을 경유하며 제1냉각수가 순환되는 제1냉각라인, 차량의 전장부품(power electronic parts)을 경유하며 제2냉각수가 순환되는 제2냉각라인, 및 제1냉각수와 제2냉각수를 상호 열교환시키는 열교환기를 포함하는 것에 의하여, 연료전지 스택의 고출력을 보장하고 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

차량용 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 연료전지 스택의 고출력을 보장하고 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 차량용 연료전지 시스템에 관한 것이다.

연료전지 시스템은 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.

연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.

연료전지 시스템은, 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 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)을 포함한다.

열 관리 시스템(TMS)은, 냉각수 역할을 하는 부동액을 연료전지 스택으로 순환시켜 적정 온도(예를 들어, 60~70℃)를 유지시키는 일종의 냉각 장치로서, 연료전지 스택을 냉각하는 냉각수가 순환하는 TMS 라인, 냉각수가 저장된 리저버, 냉각수를 순환시키는 펌프, 냉각수에 포함된 이온을 제거하는 이온 필터, 및 냉각수의 열을 외부로 방출하는 라디에이터를 포함할 수 있다. 또한, 열 관리 시스템은 냉각수를 가열하는 히터, 및 냉각수를 이용하여 차량의 실내를 냉난방하는 공조유닛(예를 들어, 난방용 히터) 등을 포함할 수 있다.

한편, 최근에는 승용차(또는 상용차) 뿐만 아니라 건설기계에도 연료전지 시스템을 적용하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.

승용차의 경우에는, 주행중에 연료전지 스택의 고출력이 요구되며, 차속에 따라 발생하는 주행풍을 이용하여 라디에이터를 통해 연료전지 스택을 냉각시킬 수 있다.

반면, 건설기계는 정지 상태에서 작업(예를 들어, 레벨링 작업, 로딩 작업)이 이루어지므로, 정차중에 연료전지 스택의 고출력이 요구되나, 냉각팬에 의해 발생되는 풍량으로는 연료전지 스택을 충분하게 냉각시키기 어려운 문제점이 있으며, 연료전지 스택의 안전성 및 내구성이 저하되는 문제점이 있다.

이에 따라, 최근에는 차량의 정차중에 연료전지 스택의 고출력이 요구되는 상황에서 연료전지 스택을 효과적으로 냉각하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 고출력을 보장하고 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 차량용 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명의 실시예는 차량의 정차중에 연료전지 스택의 고출력이 요구되는 상황에서 연료전지 스택을 효과적으로 냉각할 수 있으며, 연료전지 스택의 작동 성능 및 작동 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템은, 차량의 연료전지 스택을 경유하며 제1냉각수가 순환되는 제1냉각라인, 차량의 전장부품(power electronic parts)을 경유하며 제2냉각수가 순환되는 제2냉각라인, 및 제1냉각수와 제2냉각수를 상호 열교환시키는 열교환기를 포함한다.

이는, 연료전지 스택의 고출력을 보장하고 안전성 및 신뢰성을 향상시키기 위함이다.

즉, 승용차의 경우에는 주행중에 연료전지 스택의 고출력이 요구되며, 차속에 따라 발생하는 주행풍을 이용하여 라디에이터를 통해 연료전지 스택을 냉각시킬 수 있다. 반면, 건설기계는 정지 상태에서 작업(예를 들어, 레벨링 작업, 로딩 작업)이 이루어지므로, 정차중에 연료전지 스택의 고출력이 요구되나, 냉각팬에 의해 발생되는 풍량으로는 연료전지 스택을 충분하게 냉각시키기 어려운 문제점이 있으며, 연료전지 스택의 안전성 및 내구성이 저하되는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시예는 제1냉각수와 제2냉각수가 상호 열교환되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택의 고출력을 보장하고 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이는, 전장부품을 냉각하는 제2냉각수의 온도가 연료전지 스택을 냉각하는 제1냉각수의 온도보다 상대적으로 낮게 형성되는 것에 기인한 것으로, 제1냉각수와 제2냉각수를 상호 열교환시키는 것에 의해, 제1라디에이터 및 냉각팬의 용량을 증가시키지 않고도 제1냉각수의 온도를 낮출 수 있으므로, 연료전지 스택의 냉각 효율을 향상시킬 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명의 실시예는, 주행풍을 사용할 수 없는 차량(예를 들어, 건설기계)의 정차중에 제1냉각수의 온도를 낮출 수 있으므로, 연료전지 스택의 고출력 운전을 보장하고, 안전성 및 내구성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템은, 제1냉각라인에 마련되며 제1냉각수를 냉각하는 제1라디에이터, 및 제2냉각라인에 마련되며 제2냉각수를 냉각하는 제2라디에이터를 포함한다.

바람직하게, 제1라디에이터를 통과한 제1냉각수의 제1온도는 제2라디에이터를 통과한 제2냉각수의 제2온도보다 높게 형성되고, 열교환기를 통과한 제1냉각수의 제3온도는 제1온도보다 낮게 형성된다.

열교환기는 제1냉각수와 제2냉각수를 상호 열교환시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.

일 예로, 열교환기는 제1라디에이터의 출구와 연료전지 스택의 사이에서 제1냉각라인에 연결되고, 제2냉각라인은 열교환기를 경유하도록 제2라디에이터의 출구와 전장부품을 연결한다.

다른 일 예로, 열교환기는 제1라디에이터에 연결되고, 제2냉각라인은 열교환기를 경유하도록 제2라디에이터의 출구와 전장부품을 연결할 수 있다.

바람직하게, 제1라디에이터는 제1냉각수가 유동하는 제1유로를 형성하는 제1배관을 포함하고, 열교환기는 제1유로의 내부에서 제1냉각수와 상호 열교환 가능하게 마련되는 제2배관을 포함하되, 제2냉각수는 제2배관을 따라 유동하며 제1유로에서 제1냉각수와 상호 열교환된다.

더욱 바람직하게, 제2배관은 제2냉각수가 유동하는 제2유로를 형성하고, 제2배관의 적어도 일부는 제1유로의 내부에서 제1냉각수에 노출된다.

또한, 제1배관과 제2배관의 사이에는 실링부재가 마련될 수 있다. 이와 같이, 제1배관과 제2배관의 사이에 실링부재를 마련하는 것에 의하여, 제1유로의 밀폐 상태를 보다 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1라디에이터 및 제2라디에이터는 나란하게 배치되고, 냉각팬은 제1라디에이터 및 제2라디에이터에 외기를 송풍한다.

이와 같이, 단 하나의 냉각팬에 의해 제1라디에이터 및 제2라디에이터가 동시에 냉각되도록 하는 것에 의하여, 구조를 간소화하고 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있으며, 제1라디에이터 및 제2라디에이터를 냉각시키기 위한 전력 소모를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전장부품은, 연료전지 스택과 상기 차량의 고전압 배터리 사이에 구비되는 BHDC(Bi-directional High voltage DC-DC Converter), 연료전지 스택의 구동을 위한 외기를 공급하는 블로어를 제어하는 BPCU(Blower Pump Control Unit), 고전압 배터리에서 공급받은 직류 고전압을 직류 저전압으로 변환하는 LDC(Low-Voltage DC-DC Converter), 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기(ACP : Air Compressor), 및 에어쿨러(air cooler) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템은, 일단은 제1라디에이터의 출구와 연료전지 스택의 입구 사이에서 제1냉각라인에 연결되고, 다른 일단은 연료전지 스택의 출구와 제1라디에이터의 입구의 사이에서 제1냉각라인에 연결되는 제1연결라인; 제1연결라인에 마련되며, 제1연결라인을 따라 유동하는 제1냉각수를 가열하는 히터; 차량의 공조유닛을 경유하고, 제1라디에이터의 출구와 연료전지 스택의 입구 사이에서 제1냉각라인에 연결되며, 제1냉각수가 순환하는 제2연결라인;을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 연료전지 스택의 고출력을 보장하고 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면 차량의 정차중에 연료전지 스택의 고출력이 요구되는 상황에서 연료전지 스택을 효과적으로 냉각할 수 있으며, 연료전지 스택의 작동 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 차량용 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 차량용 연료전지 시스템으로서, 제1연결라인 및 제2연결라인을 따른 냉각수의 유동 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 차량용 연료전지 시스템으로서, 열교환기의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 차량용 연료전지 시스템으로서, 제1배관 및 제2배관을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.

이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 연료전지 시스템은, 차량의 연료전지 스택(10)을 경유하며 제1냉각수가 순환되는 제1냉각라인(110), 차량의 전장부품(power electronic parts)(200)을 경유하며 제2냉각수가 순환되는 제2냉각라인(120), 및 제1냉각수와 제2냉각수를 상호 열교환시키는 열교환기(300)를 포함한다.

참고로, 본 발명의 실시예에서 제1냉각라인(110) 및 제2냉각라인(120)은 냉각수(제1냉각수 및 제2냉각수)가 열교환을 수행하면서 유동할 수 있는 TMS 라인을 구성할 수 있으며, 냉각수는 TMS 라인 상에서 냉매(cooling medium) 또는 열매(heat medium)로서 사용될 수 있다.

제1냉각라인(110)은 연료전지 스택(10)을 경유하도록 구성되며, 제1냉각수는 제1냉각라인(110)을 따라서 순환한다.

제1냉각라인(110)은 차량의 상태에 따라 제1냉각수를 냉각하는 냉각 루프 또는 가열(승온)하는 승온 루프를 형성하도록 구성된다. 일 예로, 제1냉각라인(110)은 초기 시동 상태에서는 냉간 시동 능력을 확보하기 위한 가열 루프를 형성하고, 주행 중에는 연료전지 스택(10)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있도록 냉각 루프를 형성하도록 구성될 수 있다.

참고로, 연료전지 스택(10)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.

일 예로, 연료전지 스택(10)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(미도시), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(미도시), 반응기체들 및 제1냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 제1냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)(미도시)을 포함한다.

보다 구체적으로, 연료전지 스택(10)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급된다.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

제1냉각라인(110)에는 제1냉각수를 강제적으로 유동시키기 위한 제1펌프(30)가 마련된다.

제1펌프(30)로서는 제1냉각수를 펌핑할 수 있는 통상의 펌핑 수단이 사용될 수 있으며, 제1펌프(30)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 제1연결라인(130)을 포함할 수 있으며, 제1연결라인(130)은 제1냉각라인(110)과 상호 협조적으로 제1냉각수를 가열하기 위한 가열 루프(가열 순환 경로)를 형성할 수 있다.

보다 구체적으로, 제1연결라인(130)의 일단은 제1펌프(30)의 출구와 연료전지 스택(10)의 사이에 위치하는 제1지점에서 제1냉각라인(110)에 연결되고, 제1연결라인(130)의 다른 일단은 제1펌프(30)의 입구와 연료전지 스택(10)의 사이에 위치하는 제2지점에서 제1냉각라인(110)에 연결된다.

여기서, 제1펌프(30)의 입구라 함은, 제1냉각수가 제1펌프(30)에 유입되는 입구로 정의된다. 또한, 제1펌프(30)의 출구라 함은, 제1펌프(30)를 통과한 제1냉각수가 배출되는 출구로 정의된다.

그리고, 제1펌프(30)의 출구와 연료전지 스택(10)의 사이라 함은, 제1펌프(30)로부터 배출된 제1냉각수가 연료전지 스택(10)의 제1냉각수 유입구(미도시)까지 유동하는 구간으로 정의된다. 또한, 제1펌프(30)의 입구와 연료전지 스택(10)의 사이라 함은, 연료전지 스택(10)의 냉각수 배출구(미도시)로부터 배출된 제1냉각수가 제1펌프(30)의 입구까지 유동하는 구간으로 정의된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1연결라인(130)에는 히터(50)가 마련될 수 있으며, 제1연결라인(130)을 따라 유동하는 제1냉각수는 히터(50)를 통과하는 중에 가열될 수 있다.

또한, 제1냉각라인(110)에는 제1냉각수의 유동 경로를 히터(50) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환하는 제1밸브(20)가 마련된다.

일 예로, 제1밸브(20)는 제1지점에 위치하도록 제1냉각라인(110)에 제공되며, 제1연결라인(130)의 일단이 연결된다.

제1밸브(20)로서는 제1냉각수의 유동 경로를 선택적으로 히터(50) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있는 다양한 밸브 수단이 사용될 수 있다.

일 예로, 제1밸브(20)로서는 통상의 삼방 밸브(three way valve)가 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1밸브(20)는, 제1펌프(30)에 의해 펌핑된 제1냉각수가 유입되도록 제1냉각라인(110)과 연결되는 제1포트(21), 제1밸브(20)를 통과하는 제1냉각수가 연료전지 스택(10)으로 유입되도록 제1냉각라인(110)과 연결되는 제2포트(22), 및 제1연결라인(130)의 일단이 연결되는 제3포트(23)를 포함한다.

제1밸브(20)의 제2포트(22) 및 제3포트(23)를 개폐하는 것에 의하여, 제1냉각수의 유동 경로를 선택적으로 히터(50) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있다. 즉, 제2포트(22)가 개방되고 제3포트(23)가 차단되면, 제1밸브(20)를 통과하는 제1냉각수는 연료전지 스택(10)으로 유입된다. 이와 반대로, 제3포트(23)가 개방되고 제2포트(22)가 차단되면, 제1밸브(20)를 통과하는 제1냉각수는 제1연결라인(130)을 통해 히터(50)로 유입된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 제1냉각라인(110)에 연결되며, 제1냉각라인(110)과 상호 협조적으로 공조유닛(HAVC UNIT)(90)을 냉난방 하기 위한 냉난방 루프를 형성하는 제2연결라인(150)을 포함할 수 있다.

일 예로, 제2연결라인(150)은 공조유닛(90)의 난방용 히터(미도시)를 가열하는 루프를 형성할 수 있다.

보다 구체적으로, 제2연결라인(150)은, 제1지점(제1연결라인(130)의 일단이 제1냉각라인(110)에 연결되는 지점)과 연료전지 스택(10)의 출구 사이에서 제1냉각라인(110)에 연결되며, 제1냉각수 중 일부가 순환하도록 구성된다.

여기서, 제1지점과 연료전지 스택(10)의 출구 사이라 함은, 연료전지 스택(10)의 냉각수 배출구(미도시)로부터 배출된 제1냉각수가 제1지점을 통과하기 전까지 유동하는 구간으로 정의된다.

일 예로, 제2연결라인(150)의 일단은 제1지점과 연료전지 스택(10)의 입구의 사이에서 제1냉각라인(110)에 연결되고, 제2연결라인(150)의 다른 일단은 제1펌프(30)와 제2지점의 사이에서 제1냉각라인(110)에 연결된다.

또한, 제2연결라인(150)에는 공조유닛(90)을 통과한 제1냉각수에 포함된 이온을 필터링하는 이온 필터(95)가 구비될 수 있다.

참고로, 시스템의 부식이나 용출(exudation) 등으로 인해 제1냉각수의 전기전도도가 증가하면, 제1냉각수로 전기가 흐르게 되어 연료전지 스택(10)이 단락되거나 제1냉각수쪽으로 전류가 흐르게 되는 문제점이 발생하게 되므로, 제1냉각수는 낮은 전기전도도를 유지할 수 있어야 한다.

이온 필터(95)는 제1냉각수의 전기전도도를 일정 수준 이하로 유지할 수 있도록 제1냉각수에 포함된 이온을 제거하도록 마련된다.

이와 같이, 본 발명은 연료전지 스택(10)으로의 제1냉각수 공급이 차단(제1밸브의 제2포트 차단)되는 냉시동 중에, 제1냉각수가 제1연결라인(130)의 히터(50)를 경유하며 순환(승온 루프)함과 동시에, 제2연결라인(150)을 따라서도 순환하도록 하는 것에 의하여, 냉시동시에도 제2연결라인(150)에 구비된 이온 필터(95)에 의한 필터링(제1냉각수에 포함된 이온 제거)이 가능하다. 따라서, 냉시동 직후 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1냉각수의 전기전도도를 일정 수준 이하로 유지시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예는, 제1펌프(30)와 연료전지 스택(10)의 출구의 사이에서 제1냉각라인(110)이 제1라디에이터(60)를 경유하도록 구성되되, 일단은 제1라디에이터(60)의 전방에서 제1냉각라인(110)에 연결되고, 다른 일단은 제1라디에이터(60)의 후방에서 제1냉각라인(110)에 연결되는 제3연결라인(140)을 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 제3연결라인(140)은, 제1냉각라인(110)에 연결되며, 제1냉각라인(110)과 상호 협조적으로 제1냉각수를 냉각하기 위한 냉각 루프를 형성하도록 마련된다. 일 예로, 제3연결라인(140)의 일단은 제1펌프(30)와 제1라디에이터(60)의 사이에서 제1냉각라인(110)에 연결되고, 제3연결라인(140)의 다른 일단은 연료전지 스택(10)의 냉각수 배출구와 제1라디에이터(60)의 사이에서 제1냉각라인(110)에 연결될 수 있다.

또한, 제1냉각라인(110)에는 제1냉각수의 유동 경로를 제1라디에이터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환하는 제2밸브(40)가 마련된다.

일 예로, 제2밸브(40)는 제1펌프(30)와 제1라디에이터(60)의 사이에 위치하도록 제1냉각라인(110)에 제공되며, 제3연결라인(140)의 일단 및 제2연결라인(150)의 출구단(다른 일단)이 연결된다.

제2밸브(40)로서는 제1냉각수의 유동 경로를 선택적으로 제1라디에이터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있는 다양한 밸브 수단이 사용될 수 있다.

일 예로, 제2밸브(40)로서는 통상의 사방 밸브(four way valve)가 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2밸브(40)는, 제3연결라인(140)과 연결되는 제1포트(41), 제1라디에이터(60)를 통과하는 제1냉각수가 유입되도록 제1냉각라인(110)과 연결되는 제2포트(42), 제3연결라인(140)의 다른 일단이 연결되는 제3포트(43), 및 제2밸브(40)를 통과하는 제1냉각수가 제1펌프(30)로 유입되도록 제1냉각라인(110)과 연결되는 제4포트(44)를 포함한다.

제2밸브(40)의 제1포트(41) 및 제2포트(42)를 개폐하는 것에 의하여, 제1냉각수의 유동 경로를 선택적으로 제1라디에이터(60) 또는 연료전지 스택(10)으로 전환할 수 있다. 즉, 제1포트(41)가 개방되고 제2포트(42)가 차단되면, 제1냉각수는 제1라디에이터(60)를 거치지 않고 연료전지 스택(10)으로 유입된다. 이와 반대로, 제2포트(42)가 개방되고 제1포트(41)가 차단되면, 제1냉각수는 제1라디에이터(60)를 거친 후 연료전지 스택(10)으로 유입된다.

제1라디에이터(60)는 제1냉각수를 냉각시킬 수 있도록 제1냉각라인(110)에 마련된다.

제1라디에이터(60)는 제1냉각수를 냉각시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제1라디에이터(60)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

아울러, 제1라디에이터(60)에는 제1냉각수가 저장되는 제1리저버(62)가 연결될 수 있다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(10)과 제1지점(제1밸브)의 사이에서 제1냉각수의 온도를 측정하는 제1온도센서(112), 제1연결라인(130)의 다른 일단과 제1펌프(30)의 사이에서 제1냉각수의 온도를 측정하는 제2온도센서(114), 및 히터(50)에서 제1냉각수의 온도를 측정하는 제3온도센서(116)를 포함할 수 있으며, 제1온도센서(112), 제2온도센서(114), 및 제3온도센서(116)에서 측정된 온도에 기초하여 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1냉각수의 유입 유량을 제어할 수 있다.

일 예로, 제1냉각라인(110)을 따라 순환하는 제1냉각수의 측정 온도가 미리 설정된 목표 온도보다 낮으면 제1냉각수의 유입 유량을 미리 설정된 설정 유량보다 낮게 제어할 수 있다. 이와 같이, 제1냉각수의 측정 온도 낮으면 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1냉각수의 유입 유량을 낮게 제어하는 것에 의하여, 제1냉각수의 온도 편차(연료전지 스택(10) 내부에 정체된 제1냉각수 온도 vs 연료전지 스택(10)에 유입되는 제1냉각수 온도)에 의한 열 충격 및 성능 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

제2냉각라인(120)은 차량의 전장부품(power electronic parts)(200)을 경유하도록 구성되며, 제2냉각수는 제2냉각라인(120)을 따라서 순환한다.

여기서, 차량의 전장부품(200)이라 함은, 차량의 전원을 에너지원으로 사용하는 부품으로 이해될 수 있으며, 차량의 전장부품(200)의 종류 및 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 전장부품(200)은, 연료전지 스택(10)과 상기 차량의 고전압 배터리(미도시) 사이에 구비되는 BHDC(Bi-directional High voltage DC-DC Converter)(210), 연료전지 스택(10)의 구동을 위한 외기를 공급하는 블로어(미도시)를 제어하는 BPCU(Blower Pump Control Unit)(220), 고전압 배터리에서 공급받은 직류 고전압을 직류 저전압으로 변환하는 LDC(Low-Voltage DC-DC Converter)(230), 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기(ACP : Air Compressor)(240), 및 에어쿨러(air cooler)(250) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

제2냉각라인(120)에는 제2냉각수를 강제적으로 유동시키기 위한 제2펌프(미도시)가 마련된다.

제2펌프로서는 제2냉각수를 펌핑할 수 있는 통상의 펌핑 수단이 사용될 수 있으며, 제2펌프의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

또한, 제2냉각라인(120)에는 제2냉각수를 냉각시키기 위한 제2라디에이터(70)가 마련된다.

제2라디에이터(70)는 제2냉각수를 냉각시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제2라디에이터(70)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

아울러, 제2라디에이터(70)에는 제2냉각수가 저장되는 제2리저버(72)가 연결될 수 있다.

바람직하게, 제1라디에이터(60) 및 제2라디에이터(70)는 하나의 냉각팬(80)에 의해 동시에 냉각되도록 구성된다. 일 예로, 제1라디에이터(60) 및 제2라디에이터(70)는 나란하게 배치되고, 냉각팬(80)은 제1라디에이터(60) 및 제2라디에이터(70)에 외기를 송풍하도록 마련된다.

이와 같이, 단 하나의 냉각팬(80)에 의해 제1라디에이터(60) 및 제2라디에이터(70)가 동시에 냉각되도록 하는 것에 의하여, 구조를 간소화하고 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있으며, 제1라디에이터(60) 및 제2라디에이터(70)를 냉각시키기 위한 전력 소모를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

열교환기(300)는 제1냉각수와 제2냉각수를 상호 열교환시키기 위해 마련된다.

이는, 전장부품을 냉각하는 제2냉각수의 온도가 연료전지 스택(10)을 냉각하는 제1냉각수의 온도보다 상대적으로 낮게 형성되는 것에 기인한 것으로, 제1냉각수와 제2냉각수를 상호 열교환시키는 것에 의해, 제1라디에이터(60) 및 냉각팬(80)의 용량을 증가시키지 않고도 제1냉각수의 온도를 낮출 수 있으므로, 연료전지 스택(10)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있으며, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명의 실시예는, 주행풍을 사용할 수 없는 차량(예를 들어, 건설기계)의 정차중에 제1냉각수의 온도를 낮출 수 있으므로, 연료전지 스택(10)의 고출력 운전을 보장하고, 안전성 및 내구성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

바람직하게, 제1라디에이터(60)를 통과한 제1냉각수의 제1온도는 제2라디에이터(70)를 통과한 제2냉각수의 제2온도보다 높게 형성되고, 열교환기(300)를 통과한 제1냉각수의 제3온도는 제1온도보다 낮게 형성된다.

일 예로, 제1냉각수의 제1온도는 제2냉각수의 제2온도보다 대략 10℃ 높게 형성될 수 있으며, 열교환기(300)를 통과(제2냉각수와 열교환)한 제1냉각수의 제3온도는 제1온도보다 1℃ 낮게 형성될 수 있다.

열교환기(300)는 제1냉각수와 제2냉각수를 상호 열교환시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 열교환기(300)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 도 1을 참조하면, 열교환기(300)는 제1라디에이터(60)의 출구와 연료전지 스택(10)의 사이에서 제1냉각라인(110)에 연결되고, 제2냉각라인(120)은 열교환기(300)를 경유하도록 제2라디에이터(70)의 출구와 전장부품을 연결할 수 있다.

예를 들어, 제1냉각수는 제1냉각라인(110)에 연결된 열교환기(300)를 따라 유동될 수 있으며, 제2냉각라인(120)은 제1냉각수에 노출(예를 들어, 제1냉각수가 제2냉각라인(120)의 둘레를 따라 유동)되도록 열교환기(300)의 내부를 통과할 수 있다. 이와 같이, 제1냉각수와 제2냉각수의 상호 열교환에 의해 연료전지 스택(10)으로 유입되는 제1냉각수의 온도를 낮출 수 있다.

전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 열교환기(300)가 제1라디에이터(60)와 별개로 마련된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 열교환기를 제1라디에이터에 직접 연결하는 것도 가능하다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 차량용 연료전지 시스템은, 제1냉각라인(110), 제2냉각라인(120), 및 열교환기(300')를 포함하되, 열교환기(300')는 제1라디에이터(60)에 연결되고, 제2냉각라인(120)은 열교환기(300')를 경유하도록 제2라디에이터(70)의 출구와 전장부품을 연결할 수 있다.

아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

열교환기(300')는 제1라디에이터(60)와 연결될 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 열교환기(300')의 구조 및 연결 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이하에서는, 열교환기(300')가 제1라디에이터(60)의 대략 좌측 상단부(도 3 기준)에 연결된 예를 들어 설명하기로 한다.

일 예로, 제1라디에이터(60)는 제1냉각수가 유동하는 제1유로(64a)를 형성하는 제1배관(64)을 포함하고, 열교환기(300')는 제1유로(64a)의 내부에서 제1냉각수와 상호 열교환 가능하게 마련되는 제2배관(302)을 포함하되, 제2냉각수는 제2배관(302)을 따라 유동하며 제1유로(64a)에서 제1냉각수와 상호 열교환된다.

바람직하게, 제2배관(302)은 제2냉각수가 유동하는 제2유로(302a)를 형성하고, 제2배관(302)의 적어도 일부는 제1유로(64a)의 내부에서 제1냉각수에 노출된다.

제2배관(302)의 형태 및 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제2배관(302)의 형태 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1냉각수의 냉각 효과를 높일 수 있도록, 제1냉각수에 노출되는 제2배관의 외면에 접촉 면적을 증가시키기 위한 방열핀을 형성하는 것도 가능하다.

바람직하게, 제1배관(64)과 제2배관(302)의 사이에는 실링부재(304)(예를 들어, 고무 또는 실리콘 재질)가 마련된다. 이와 같이, 제1배관(64)과 제2배관(302)의 사이에 실링부재(304)를 마련하는 것에 의하여, 제1유로(64a)의 밀폐 상태를 보다 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 연료전지 스택
20 : 제1밸브
30 : 제1펌프
40 : 제2밸브
50 : 히터
60 : 제1라디에이터
62 : 제1리저버
64 : 제1배관
64a : 제1유로
70 : 제2라디에이터
72 : 제2리저버
80 : 냉각팬
90 : 공조유닛
95 : 이온 필터
110 : 제1냉각라인
120 : 제2냉각라인
130 : 제1연결라인
140 : 제3연결라인
150 : 제2연결라인
112 : 제1온도센서
114 : 제2온도센서
116 : 제3온도센서
200 : 전장부품
300,300' : 열교환기
302 : 제2배관
302a : 제2유로
304 : 실링부재

Claims

차량의 연료전지 스택을 경유하며, 제1냉각수가 순환되는 제1냉각라인;
상기 차량의 전장부품(power electronic parts)을 경유하며, 제2냉각수가 순환되는 제2냉각라인; 및
상기 제1냉각수와 상기 제2냉각수를 상호 열교환시키는 열교환기;
를 포함하는 차량용 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1냉각라인에 마련되며, 상기 제1냉각수를 냉각하는 제1라디에이터; 및
상기 제2냉각라인에 마련되며, 상기 제2냉각수를 냉각하는 제2라디에이터;
를 포함하는 차량용 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 열교환기는, 상기 제1라디에이터의 출구와 상기 연료전지 스택의 사이에서 상기 제1냉각라인에 연결되고,
상기 제2냉각라인은 상기 열교환기를 경유하도록 상기 제2라디에이터의 출구와 상기 전장부품을 연결하는 차량용 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 열교환기는, 상기 제1라디에이터에 연결되고,
상기 제2냉각라인은 상기 열교환기를 경유하도록 상기 제2라디에이터의 출구와 상기 전장부품을 연결하는 차량용 연료전지 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제1라디에이터는 상기 제1냉각수가 유동하는 제1유로를 형성하는 제1배관을 포함하고,
상기 열교환기는 상기 제1유로의 내부에서 상기 제1냉각수와 상호 열교환 가능하게 마련되는 제2배관을 포함하되,
상기 제2냉각수는 상기 제2배관을 따라 유동하며, 상기 제1유로에서 상기 제1냉각수와 상호 열교환되는 차량용 연료전지 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제2배관은 상기 제2냉각수가 유동하는 제2유로를 형성하고,
상기 제2배관의 적어도 일부는 상기 제1유로의 내부에서 상기 제1냉각수에 노출되는 차량용 연료전지 시스템.
제5항에 있어서,
상기 제1배관과 상기 제2배관의 사이를 실링하는 실링부재를 포함하는 차량용 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1라디에이터 및 상기 제2라디에이터는 나란하게 배치되고,
상기 제1라디에이터 및 상기 제2라디에이터에 외기를 송풍하는 냉각팬을 포함하는 차량용 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1라디에이터를 통과한 상기 제1냉각수의 제1온도는 상기 제2라디에이터를 통과한 상기 제2냉각수의 제2온도보다 높게 형성되고,
상기 열교환기를 통과한 상기 제1냉각수의 제3온도는 상기 제1온도보다 낮게 형성되는 차량용 연료전지 시스템.
제2항에 있어서,
일단은 상기 제1라디에이터의 출구와 상기 연료전지 스택의 입구 사이에서 상기 제1냉각라인에 연결되고, 다른 일단은 상기 연료전지 스택의 출구와 상기 제1라디에이터의 입구의 사이에서 상기 제1냉각라인에 연결되는 제1연결라인;
상기 제1연결라인에 마련되며, 상기 제1연결라인을 따라 유동하는 상기 제1냉각수를 가열하는 히터;
상기 차량의 공조유닛을 경유하고, 상기 제1라디에이터의 출구와 상기 연료전지 스택의 입구 사이에서 상기 제1냉각라인에 연결되며, 상기 제1냉각수가 순환하는 제2연결라인;
을 포함하는 차량용 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전장부품은, 상기 연료전지 스택과 상기 차량의 고전압 배터리 사이에 구비되는 BHDC(Bi-directional High voltage DC-DC Converter), 상기 연료전지 스택의 구동을 위한 외기를 공급하는 블로어를 제어하는 BPCU(Blower Pump Control Unit), 상기 고전압 배터리에서 공급받은 직류 고전압을 직류 저전압으로 변환하는 LDC(Low-Voltage DC-DC Converter), 상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 압축하는 공기압축기(ACP : Air Compressor), 및 에어쿨러(air cooler) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 차량용 연료전지 시스템.