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KR101601438B1 - 연료전지 차량용 열관리 시스템 - Google Patents

연료전지 차량용 열관리 시스템 Download PDF

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KR101601438B1
KR101601438B1 KR1020140077101A KR20140077101A KR101601438B1 KR 101601438 B1 KR101601438 B1 KR 101601438B1 KR 1020140077101 A KR1020140077101 A KR 1020140077101A KR 20140077101 A KR20140077101 A KR 20140077101A KR 101601438 B1 KR101601438 B1 KR 101601438B1
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fluid
housing
fuel cell
tms
way valve
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박훈우
이승용
김학구
남기영
한수동
김형국
나성욱
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 차량에서 열관리 부품의 일체화를 통해 소형화 및 경량화를 도모할 수 있는 열관리 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지 차량의 열관리계 부품 중에서 펌프 유체부의 하우징과 3-way 밸브 유체부 하우징, 그리고 바이패스 유로를 일체로 구성하는 새로운 형태의 TMS 일체화 하우징을 구현함으로써, 시스템의 소형화 및 경량화는 물론 시스템의 성능 및 내구 품질 수준을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량용 열관리 시스템을 제공한다.

Description

연료전지 차량용 열관리 시스템{Thermal management system for fuel cell vehicles}
본 발명은 연료전지 차량용 열관리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량에서 열관리 부품의 일체화를 통해 소형화 및 경량화를 도모할 수 있는 열관리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 전해질을 사이에 두고 양극과 음극으로 이루어진 한 쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.
특히, 고분자 전해질 연료전지는 전류밀도가 높고 운전온도가 낮으며 부식 및 전해질 손실이 적을 뿐만 아니라, 출력 밀도가 높고 장치가 간단해서 모듈화가 가능하다는 점을 이용하여 자동차의 동력원으로 응용하기 위한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다.
현재 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, 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하는 열관리 시스템 등을 포함한다.
이러한 연료전지 시스템의 경우 연료전지의 효율이 대략 50% 정도로 출력만큼의 에너지가 열로 방출되어 연료전지의 사용 중에 고열이 발생되며, 연료전지의 수명과 성능을 유지하고 가장 안정된 출력상태를 얻기 위해서는 고분자 전해질 연료전지의 경우 그 온도를 대략 25℃(상온)에서 80℃ 이내의 온도범위에서 유지해야 한다.
예를 들면, 연료전지 시스템에서 연료전지 스택은 반응가스인 수소와 산소의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키고, 이때의 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
이에 연료전지 시스템에서는 스택의 온도 상승을 방지하기 위하여 스택을 냉각시켜야 하는 등 열관리 시스템이 필수적이다.
보통 열관리 시스템은 연료전지 스택을 최적 온도로 유지하기 위하여 스택 내 냉각수 채널을 통해 물을 순환시켜 냉각시키는 방식이 주로 이용되고 있다.
이와 같은 열관리 시스템은 냉각수의 순환을 위하여 연료전지 스택과 라디에이터 사이에 연결되는 냉각수 라인, 라디에이터를 통과시키지 않고 냉각수를 바이패스시키기 위한 바이패스라인 및 3-웨이 밸브, 냉각수를 펌핑하여 냉각수 라인을 통해 압송하기 위한 펌프, 냉각수 가열을 위한 히터 등을 포함한다.
이러한 열관리 시스템을 적용하고 있는 연료전지 시스템은 미국 등록특허 US8459389 B2, 미국 등록특허 US8485226 B2, 미국 등록특허 US6997143 B2 등에 다양한 구조가 개시되어 있다.
그러나, 종래 연료전지 차량용 열관리 시스템의 경우 개별 부품 별로 개발이되다 보니 조립 부품수 증대 및 조립공수가 많고, 또한 사(死) 공간이 많아져 소형과 및 경량화에 많은 어려움이 따를 뿐만 아니라 시스템 성능 및 내구 품질을 확보하는데 어려움이 있다.
예를 들면, 펌프-배관-3-way 밸브 간의 연결 공간 축소 어려움이 있고, 부품 간 거리발생에 의한 차압 증가, 유량 감소, 냉각성능 감소 등의 불리한 점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 차량의 열관리계 부품 중에서 펌프 유체부의 하우징과 3-way 밸브 유체부 하우징, 그리고 바이패스 유로를 일체로 구성하는 새로운 형태의 TMS 일체화 하우징을 구현함으로써, 시스템의 소형화 및 경량화는 물론 시스템의 성능 및 내구 품질 수준을 향상시킬 수 있는 연료전지 차량용 열관리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 연료전지 차량용 열관리 시스템은 다음과 같은 특징이 있다.
본 발명의 연료전지 차량용 열관리 시스템은 유체의 냉각을 위한 라디에이터와, 상기 라디에이터와 연료전지 스택 사이를 유체가 순환하도록 구성되는 유체 라인과, 유체의 바이패스를 위한 바이패스 유로와, 유체의 순환을 위한 동력을 제공하는 펌프와, 상기 유체 라인과 바이패스 유로 사이에서 유체 유로를 전환시키는 3-way 밸브를 포함하는 한편, 특히 스택 아웃렛측 및 라디에이터 인렛측과 연결되어 있는 유체 입구 및 유체 출구와 연결되는 펌프 하우징부, 라디에이터 아웃렛측 및 스택 인렛측과 연결되어 있는 유체 입구 및 유체 출구와 연결되는 3-way 밸브 하우징부 및 상기 펌프 하우징부와 3-way 밸브 하우징부 사이를 연결하는 바이패스 유로가 형성되어 있는 TMS 일체화 하우징을 더 포함하는 구조로 이루어진다.
따라서, 상기 연료전지 차량용 열관리 시스템은 TMS 일체화 하우징 내에 각 부품의 하우징 부분을 일체화으로 구성함으로써, 시스템의 소형화 및 경량화를 구현할 수 있는 특징이 있다.
여기서, 상기 TMS 일체화 하우징 내에서 3-way 밸브 하우징부로 연결되는 바이패스 유로의 배출측에는 히터 하우징부를 연결 형성하여, 바이패스 유로를 빠져나온 유체가 히터 하우징부를 경유한 후에 3-way 밸브 하우징부로 보내질 수 있도록 할 수 있다.
그리고, 상기 TMS 일체화 하우징 내에서 펌프 하우징의 전단에는 기포 분리를 위한 기포분리 저수조를 연결 형성하여, 유체 입구를 통해 유입되는 유체가 기포분리 저수조를 경유한 후에 펌프 하우징으로 보내질 수 있도록 할 수 있다.
이때, 상기 기포분리 저수조에는 유체 팽창 시 기포를 외부로 보냄과 더불어 유체 수축 시 유체를 내부로 도입할 수 있는 밸브를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제공하는 연료전지 차량용 열관리 시스템은 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 열관리 부품의 일체화를 통한 호스나 배관류 삭제 및 배관 길이 축소 등 소형화 및 경량화를 도모할 수 있다.
둘째, 열관리 부품의 일체화를 통해 시스템 성능 및 내구 품질 수준을 확보할 수 있다.
셋째, 열관리 부품의 일체화를 통해 부품수 축소 및 조립 공수를 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명은 유로 제거에 의한 차압 감소 및 공간 축소, 벌류트 일체에 의한 공간 축소, 호스 유로 일체에 의한 차압 감소 및 공간 축소, 부품 감소에 의한 비용 감소, 3-way 밸브 하우징 일체에 의한 공간 축소 등의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 열관리 시스템을 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 차량용 열관리 시스템을 나타내는 개략도
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 차량용 열관리 시스템을 나타내는 개략도
도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 열관리 시스템의 일 구현예를 나타내는 사시도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 열관리 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 열관리 시스템은 하나의 TMS 일체화 하우징의 내부에 펌프의 하우징 부분, 3-way 밸브의 하우징 부분, 바이패스 유로 등을 형성하여, 열관리계 부품의 소형화 및 경량화를 구현할 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위하여, 상기 열관리 시스템은 유체의 냉각을 위한 라디에이터(10)와 연료전지 스택(11)을 포함하며, 상기 라디에이터(10)와 연료전지 스택(11)은 유체 라인(12)으로 연결되어 서로 간에 유체, 예를 들면 냉각수가 순환되는 흐름이 이루어질 수 있게 된다.
그리고, 상기 열관리 시스템은 유체의 순환을 위한 동력을 제공하는 수단으로 전동식의 펌프(14), 라디에이터(10)측으로 향하는 유체를 바이패스시키는 수단으로 바이패스 유로(13), 바이패스 유로(13)측 유체와 라디에이터(10)측 유체의 흐름을 선택적으로 전환시켜주는 수단으로 3-way 밸브(15) 등을 포함한다.
이에 따라, 열관리계의 유체는 펌프(14)의 가동과 함께 유체 라인(12)을 따라서 라디에이터(10)→3-way 밸브(15)→연료전지 스택(11)→펌프(14)의 경로 또는 바이패스 유로(13)→3-way 밸브(15)→연료전지 스택(11)→펌프(14)의 경로를 순환하면서 연료전지 스택에 대한 냉각작용 등을 수행하게 된다.
특히, 하나의 TMS 일체화 하우징(20)이 마련되고, 이때의 TMS 일체화 하우징(20)의 내부에는 펌프(14)에서 유체가 이동하는 통로 부분인 펌프 하우징부(18)와 3-way 밸브(15)에서 유체가 이동하는 통로 부분인 3-way 밸브 하우징부(19), 그리고 바이패스 유로(13)가 일체 형성된다.
상기 TMS 일체화 하우징(20)의 한쪽 측면에는 연료전지 스택(11)의 아웃렛측에서 연장되는 유체 라인(12)이 연결되는 유체 입구(16a)가 형성되고, 다른 한쪽의 측면에는 라디에이터(10)의 인렛측으로 연장되는 유체 라인(12)이 연결되는 유체 출구(17a)가 형성된다.
그리고, 상기 TMS 일체화 하우징(20)의 전면 일측에는 라디에이터(10)의 아웃렛측에서 연장되는 유체 라인(12)이 연결되는 유체 입구(16b)가 형성되고, 이와 인접한 저면 일측에는 연료전지 스택(11)의 인렛측으로 연장되는 유체 라인(12)이 연결되는 유체 출구(17b)가 연결된다.
이에 따라, 한쪽 측면의 유체 입구(16a)를 통해 TMS 일체화 하우징(20)의 내부로 들어온 유체는 펌프 하우징부(18) 등을 경유한 후에 다른 한쪽 측면의 유체 출구(17a)로 빠져나가게 되고, 전면의 유체 입구(16b)를 통해 TMS 일체화 하우징(20)의 내부로 들어온 유체는 3-way 밸브 하우징부(19)를 경유한 후에 저면의 유체 출구(17b)로 빠져나가게 되는 기본 흐름이 만들어질 수 있게 된다.
상기 펌프(14)의 펌프 하우징부(18)는 임펠러가 속해 있는 펌프 내부로 유입되는 유체가 이동되는 유로을 포함하며, 하우징부 흡입측은 연료전지 스택(11)의 아웃렛측에서 연장되는 유체 라인(12)을 연결하기 위한 TMS 일체화 하우징(20)의 유체 입구(16a)와 연결되고, 하우징부 배출측은 연결통로부(25)를 거쳐 라디에이터(10)의 인렛측으로 연장되는 유체 라인(12)을 연결하기 위한 TMS 일체화 하우징(20)의 유체 출구(17a)와 연결된다.
이렇게 펌프 하우징부(18)를 TMS 일체화 하우징(20)에 모듈화 시키는 경우, 벌류트는 모듈에, 즉 TMS 일체화 하우징(20)에 음각화하는 형태로 적용할 수 있다.
그리고, 상기 펌프(14)의 펌프 하우징부(18)를 제외한 펌프 본체는 도 4a에서 볼 수 있듯이 TMS 일체화 하우징(20)의 후면 한쪽에 지지되는 구조로 설치된다.
상기 3-way 밸브(15)의 3-way 밸브 하우징부(19)는 밸브체 및 구동부가 속해 있는 밸브 내부로 유입되는 유체가 이동되는 유로를 포함하며, 하우징부 흡입측은 라디에이터(10)의 아웃렛측에서 연장되는 유체 라인(12)을 연결하기 위한 TMS 일체화 하우징(20)의 유체 입구(16b) 및 후술하는 히터 하우징부(21)와 연결되고, 하우징부 배출측은 연료전지 스택(11)의 인렛측으로 연장되는 유체 라인(12)을 연결하기 위한 TMS 일체화 하우징(20)의 유체 출구(17b)와 연결된다.
그리고, 상기 3-way 밸브(15)의 3-way 밸브 하우징부(19)를 제외한 밸브 본체는 도 4a에서 볼 수 있듯이 TMS 일체화 하우징(20)의 상면 앞쪽에 지지되는 구조로 설치된다.
상기 바이패스 유로(13)는 펌프(14)에서 라디에이터(10)로 보내지는 유체를 바이패스시키는 통로로서, TMS 일체화 하우징(20)의 유체 출구(17a)와 인접한 위치의 하우징 내부에서 펌프 하우징부(18)의 배출측에서 연장되는 연결통로부(25)와 3-way 밸브 하우징부(19)의 흡입측, 즉 TMS 일체화 하우징(20)의 유체 입구(16b)가 연결되는 하우징부 흡입측의 반대쪽에 위치되는 또 다른 하우징부 흡입측 사이에 연결되는 구조로 형성된다(히터 하우징부가 적용되지 않는 경우).
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 차량용 열관리 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 여기서는 본 발명의 첫번째 실시예에서 보여주고 있는 일체화 모듈에 히터의 하우징 부분이 포함되는 구조를 보여준다.
즉, 상기 히터(24)의 히터 하우징부(21)는 히터 코어가 속해 있는 히터 내부로 유입되는 유체가 이동되는 유로를 포함하며, TMS 일체화 하우징(20)의 유체 출구(17a)와 인접한 위치의 하우징 내부에서 바이패스 유로(13)의 후단측과 3-way 밸브 하우징부(19)의 흡입측, 즉 바이패스 유로(13)가 연결되었던 TMS 일체화 하우징(20)의 하우징부 흡입측 사이에 연결되는 구조로 형성된다.
그리고, 상기 히터(24)의 히터 하우징부(21)를 제외한 히터 본체는 도 4a에서 볼 수 있듯이 TMS 일체화 하우징(20)의 후면 한쪽, 즉 펌프 본체의 한쪽 옆에서 지지되는 구조로 설치된다.
이에 따라, 상기 바이패스 유로(13)를 통해 흐르는 유체는 히터 하우징부(21)를 거치면서 가열 된 후에 3-way 밸브 하우징부(19)로 보내질 수 있게 된다.
여기서, 상기 히터(24)의 전력부는 섹션을 나누어 히터 표면의 온도 균일도를 높일 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 차량용 열관리 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 여기서는 본 발명의 두번째 실시예에서 보여주고 있는 일체화 모듈에 기포 분리를 위한 기포분리 저수조가 포함되는 구조를 보여준다.
즉, 상기 기포분리 저수조(22)는 TMS 일체화 하우징(20)의 유체 입구(16a)와 인접한 위치의 하우징 내부에 위치되며, 그 전단부와 후단부가 각각 유체 입구(16a)와 펌프 하우징부(18)의 흡입측 사이에 연결되는 구조로 설치된다.
이에 따라, 상기 TMS 일체화 하우징(20)의 유체 입구(16a)를 통해 하우징 내부로 들어온 유체는 기포분리 저수조(22)를 거쳐 기포가 제거된 후에 펌프 하우징부(18)로 보내질 수 있게 된다.
이때, 상기 기포분리 저수조(22)에는 밸브(미도시)가 구비되어 있으며, 이때의 밸브는 유체 팽창 시 기포를 외부로 보내는 역할 및 유체 수축 시 유체를 내부로 도입할 수 있는 역할을 하게 된다.
도 4a 내지 4d는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 열관리 시스템의 일 구현예를 나타내는 사시도이다.
도 4a 내지 4d에 도시한 바와 같이, 연료전지 스택(11)의 아웃렛측과 연결되는 유체 입구(16a), 라디에이터(10)의 인렛측과 연결되는 유체 출구(17a), 라디에이터(10)의 아웃렛측과 연결되는 유체 입구(16b), 연료전지 스택(11)의 인렛측과 연결되는 유체 출구(17b)를 각각 가지고 있는 TMS 일체화 하우징(20)이 마련된다.
그리고, 상기 TMS 일체화 하우징(20)의 후면쪽에는 펌프 본체와 히터 본체가 나란하게 설치되고, 상면에는 밸브 본체가 설치된다.
특히, 상기 TMS 일체화 하우징(20)의 내부에는 유체 입구(16a)에 이어서 기포분리 저수조(22)와 펌프 하우징부(18)가 연이어 배치되고, 계속해서 연결통로부(25)를 거쳐 유체 출구(17a)쪽으로는 바이패스 유로(13)와 히터 하우징부(21)가 연이어 배치된다.
또한, 유체 입구(16b)와 유체 출구(17b)가 있는 쪽으로는 3-way 밸브 하우징부(19)가 이어서 배치되고, 이렇게 배치되는 3-way 밸브 하우징부(19)측으로는 히터 하우징부(21)가 이어서 배치된다.
이에 따라, 상기 TMS 일체화 하우징(20)의 내부에서의 유체 흐름은 유체 입구(16a)→기포분리 저수조(22)→펌프 하우징부(18)→연결통로부(25)→유체 출구(17a)의 흐름과, 유체 입구(16a)→기포분리 저수조(22)→펌프 하우징부(18)→연결통로부(25)→바이패스 유로(13)→히터 하우징부(21)→3-way 밸브 하우징부(19)→유체 출구(17b)의 흐름을 보일 수 있게 된다.
그리고, 열관리계의 전체 유체 흐름은 정상 시 연료전지 스택(11)→유체 입구(16a)→기포분리 저수조(22)→펌프 하우징부(18)→연결통로부(25)→유체 출구(17a)→라디에이터(10)→유체 입구(16a)→3-way 밸브 하우징부(19)→유체 출구(17b)→연료전지 스택(11)의 순환 흐름을 보일 수 있는 한편, 바이패스 시 연료전지 스택(11)→유체 입구(16a)→기포분리 저수조(22)→펌프 하우징부(18)→연결통로부(25)→바이패스 유로(13)→히터 하우징부(21)→3-way 밸브 하우징부(19)→유체 출구(17b)→연료전지 스택(10)의 순환 흐름을 보일 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는 열관리 부품의 각 하우징 부분을 통합할 수 있는 TMS 일체화 하우징을 구현함으로써, 시스템 소형화 및 경량화는 물론 시스템 성능 및 내구 품질을 확보할 수 있고, 부품수 축소 및 조립 공수 절감을 도모할 수 있다.
예를 들면, 기존 펌프 토출부 호스 연결부를 위해 필요로 했던 공간을 호스 유로를 모듈 하우징에 일체화함으로써 해결할 수 있고, 또 토출부+호스 클램프 연결, 부가적 클램프 및 3-way 밸브 호스 연결부를 위해 필요로 했던 공간을 호스 유로 제거에 의해 클램프를 삭제할 수 있으며, 3-way 밸브 하우징부와 펌프 벌류트 설치를 위해 필요로 했던 공간은 하우징 형상을 모듈 하우징에 일체화하고 펌프 벌류트 형상을 모듈 하우징에 일체화함으로써 삭제할 수 있다.
10 : 라디에이터 11 : 연료전지 스택
12 : 유체 라인 13 : 바이패스 유로
14 : 펌프 15 : 3-way 밸브
16a,16b : 유체 입구 17a,17b : 유체 출구
18 : 펌프 하우징부 19 : 3-way 밸브 하우징부
20 : TMS 일체화 하우징 21 : 히터 하우징부
22 : 기포분리 저수조 23 : 밸브(가압캡)
24 : 히터 25 : 연결통로부

Claims (5)

  1. 유체의 냉각을 위한 라디에이터(10);
    상기 라디에이터(10)와 연료전지 스택(11) 사이를 유체가 순환하도록 구성되는 유체 라인(12);
    유체의 바이패스를 위한 바이패스 유로(13);
    유체의 순환을 위한 동력을 제공하는 펌프(14);
    상기 유체 라인(12)과 바이패스 유로(13) 사이에서 유체 유로를 전환시키는 3-way 밸브(15);
    스택 아웃렛측 및 라디에이터 인렛측과 연결되어 있는 유체 입구(16a) 및 유체 출구(17a)와 연결되는 펌프 하우징부(18), 라디에이터 아웃렛측 및 스택 인렛측과 연결되어 있는 유체 입구(16b) 및 유체 출구(17b)와 연결되는 3-way 밸브 하우징부(19) 및 상기 펌프 하우징부(18)와 3-way 밸브 하우징부(19) 사이를 연결하는 바이패스 유로(13)가 형성되어 있는 TMS 일체화 하우징(20);을 포함하며,
    상기 TMS 일체화 하우징(20) 내에서 3-way 밸브 하우징부(19)로 연결되는 바이패스 유로(13)의 배출측에는 히터 하우징부(21)가 연결 형성되어, 바이패스 유로(13)를 빠져나온 유체가 히터 하우징부(21)를 경유한 후에 3-way 밸브 하우징부(19)로 보내질 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 TMS 일체화 하우징(20) 내에서 펌프 하우징(18)의 전단에는 기포 분리를 위한 기포분리 저수조(22)가 연결 형성되어, 유체 입구(16a)를 통해 유입되는 유체가 기포분리 저수조(22)를 경유한 후에 펌프 하우징(18)으로 보내질 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열관리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기포분리 저수조(22)는 유체 팽창 시 기포를 외부로 보냄과 더불어 유체 수축 시 유체를 내부로 도입할 수 있는 밸브(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열관리 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 펌프 하우징부(18)를 TMS 일체화 하우징(20)에 모듈화 시키는 경우, 벌류트는 TMS 일체화 하우징(20)에 음각화하는 형태로 적용할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열관리 시스템.
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