KR20090020172A - 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 발전모듈인 스택(Stack)을 냉각시키는 시스템인 TMS(Thermal management system) 루프(Loop)에 냉각수를 주입하기 위한 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 제1 및 제2 배출구가 형성되고, 제1 및 제2유입구가 형성된 대용량의 물탱크와; 상기 물탱크의 제2배출구와 제1유입구 사이에 배치되는 물펌프와; 상기 물탱크의 제1배출구와 연결되는 필터링 수단과; 상기 필터링 수단의 출구와 제1배관을 통해 연결되어 스택을 냉각시키는 TMS 루프와; 상기 TMS 루프의 출구와 상기 물탱크의 제2유입구간에 연결되는 제2배관; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치를 제공한다.

연료전지 차량, 냉각수 주입 장치, 필터링 수단, 물탱크, TMS 루프, 스택, 물펌프

Description

연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치{Device for circulation cooling water to the fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 차량의 발전모듈인 스택(Stack)을 냉각시키는 시스템인 TMS(Thermal management system) 루프(Loop)에 냉각수를 주입하기 위한 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치에 관한 것이다.

연료전지 차량의 냉각수는 일반 자동차용 냉각수인 부동액과 달리 전기전도도(conductivity)가 기준치 이하로 유지되어야 한다.

일반 차량용 냉각수 주입기는 연료전지 차량의 냉각수와 같은 전기전도도에 대한 기준이 없기 때문에 냉각수의 전기전도도에 대한 제작 기준 및 추가 장치가 별도로 설치되어 있지 않다.

또한, 연료전지 차량의 시스템 특성을 고려한 전용의 냉각수 주입기가 없기 때문에 연료전지 차량의 양산시에 큰 어려움이 예상되며, 이에 연료전지 차량에 냉 각수를 주입시키기 위한 연료전지 차량 전용의 냉각수 주입기의 개발이 요구되고 있다.

연료전지 시스템에서 스택의 내구성(수명)과 성능 유지를 위하여 금속이온의 유입이 있어서는 안되므로, 스택을 냉각시키는 TMS라인의 냉각수는 금속이온이 제거된 전기전도도(Electrical Conductivity) 2μS/cm 이하의 증류수(Deionized Water)를 사용해야 한다.

이로 인하여, 초기 연료전지 차량에 냉각수 주입 시에는 전기전도도 2μS/cm이하의 초순수 냉각수를 주입하여야 한다.

첨부한 도 1의 연료전지 시스템도에 나타낸 바와 같이, 현재 연료전지 차량에서 냉각수는 초순수 제조장치에서 제조된 냉각수를 냉각루프의 보조물 탱크에 주입하고, 구동용 물펌프를 수차례 온/오프(on/off)시키는 것을 반복하여, 루프(Loop) 내부의 기포를 제거하면서 주입하는 바, 그러나 양산성을 고려할 경우 이러한 냉각수 주입방법은 적용할 수 없을 것으로 판단된다.

다른 방법으로서, 연료전지 차량에 적용하는 냉각수 주입기는 별도 제작되어져 있지 않기 때문에, 현재 양산차량에 적용하는 냉각수 주입기는 1barv 가량 흡입력을 가지는 진공펌프를 장착한 장비를 이용하여 차량의 냉각 루프(Loop)를 진공상태로 만든 다음, 여기에 1barg의 압력으로 냉각수를 급속하게 주입하게 된다.

이러한 장비를 연료전지 차량에 적용하여 냉각수를 주입할 경우 연료전지 시스템에서 특정 압력차(0.5 bar) 이상에서 스택 및 기타 주변 장치의 파손이 생길 수 있다.

즉, 연료전지 시스템의 냉각수 측 루프(Loop)에 특정압력 이상이 가해 지게 되면 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate) 및 MEA가 공기/수소 유로와의 압력차에 의하여 파손될 위험이 있다.

또한, 기존 냉각수 주입기 내부의 냉각수가 닿는 부위는 이온이 용출되어 나올 수 있는 PVC와 같은 일반 플라스틱으로 되어져 있으므로, 연료전지 차량에 상기 구조/재질의 냉각수 주입기를 사용하게 되면 연료전지차량 냉각시스템은 파손의 위험성 및 이온전도도가 높은 냉각수가 흐르게 되며, 이로 인해 스택에 치명적인 손상을 야기할 수 있다.

그리고, 냉각수 주입기에 설치된 필터(Filter) 역시 냉각수내 미세 먼지만을 여과할 수 있어, 이온성 입자를 필터링할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 일반 차량에서 적용하는 냉각수 주입기를 연료전지 차량에 적용하기에는 스택을 포함한 연료전지 시스템의 파손 및 이온전도도에 문제점을 가지는 것을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 냉각수 주입기에서 냉각수가 닿는 부위의 재질을 이온이 용출되지 않는 재질로 바꾸고, 냉각수내에 존재하는 이온을 제거할 수 있는 이온제거 필터 등을 설치한 구성을 기반으로 하는 가압 순환 방식의 연료전지 차량 전용의 냉각수 주입 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 제1 및 제2 배출구가 형성되고, 제1 및 제2유입구가 형성된 대용량의 물탱크와; 상기 물탱크의 제2배출구와 제1유입구 사이에 배치되는 물펌프와; 상기 물탱크의 제1배출구와 연결되는 필터링 수단과; 상기 필터링 수단의 출구와 제1배관을 통해 연결되어 스택을 냉각시키는 TMS 루프와; 상기 TMS 루프의 출구와 상기 물탱크의 제2유입구간에 연결되는 제2배관; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치를 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 물탱크의 상단에는 물로부터 제거된 기포가 외부로 배출되는 기포 배출구가 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 냉각수가 접촉하는 부위는 이온이 냉각수로 용출되지 않는 비용출성 재질을 적용하되, 비용출성 재질로서 상기 물펌프는 스테인레스 강인 SUS316L로 제작되고, 물탱크는 테프론(Teflon) 재질로 제작되며, 각 배관은 실리콘 호스 또는 폴리프로필렌 재질로 제작된 것을 채택한다.

바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 필터링 수단은 이온교환수지를 충전한 이온제거기인 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

연료전지 차량의 양산에 대비하여, 연료전지 차량에 주입하는 냉각수를 효과적으로 주입할 수 있고, 냉각수의 전기전도도를 효과적으로 유지시킬 수 있으며, 또한 본 발명의 냉각수 주입기에 이온제거기를 장착함으로써, 금속이온이 제거된 전기전도도 2μS/cm 이하의 냉각수의 주입이 가능한 장점을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치를 나타내는 개략도이다.

전술한 바와 같이, 연료전지 차량이 아닌 일반차량에서 사용하는 냉각수 주입기를 연료전지 차량에 적용하기에는 스택을 포한한 연료전지 시스템의 파손 및 이온전도도에 문제점을 야기하므로, 본 발명은 연료전지 차량의 양산을 대비하여 가압 순환 방식의 연료전지 차량 전용의 냉각수 주입 장치를 제공하고자 한 것이다.

본 발명의 일 구성중 물탱크(10)는 대용량 물탱크로서, 양측에 각각 제1 및 제2 배출구(12,14)가 형성되고, 또한 양측에 제1 및 제2유입구(16,18)가 형성된 구조로 제작된 것이다.

상기 제1배출구(12)는 물탱크(10)로부터 물이 물펌프(20)쪽으로 배출되기 위한 것이고, 상기 제2배출구(14)는 물탱크(10)로부터 물이 연료전지 스택쪽, 즉 연 료전지 스택을 냉각시키기 위한 TMS 루프(30)쪽으로 배출되기 위한 것이다.

또한, 상기 제1유입구(16)는 물펌프(20)로부터 물이 물탱크(10)쪽으로 공급되기 위한 것이고, 상기 제2유입구(18)는 TMS 루프(30)로부터 물이 물탱크(10)내로 재순환되기 위한 것이다.

여기서, 상기 물탱크(10)의 제2배출구(14)와 제1유입구(16) 사이에 물펌프(20)가 배치되는 바, 이 물펌프(20)는 물탱크(10)의 제2배출구(14)로부터 배출되는 물을 물탱크(20)의 제1유입구(16)를 통해 물탱크(20)로 재공급하는 펌핑 작동을 하게 된다.

또한, 상기 물탱크(10)의 제1배출구(12)에는 필터링 수단(40)으로서, 이온교환수지를 충전한 이온제거기가 연결되고, 상기 필터링 수단(40)의 출구는 제1배관(50)을 통해 스택을 냉각시키는 TMS 루프(30)와 연결된다.

또한, 상기 TMS 루프(30)의 출구와 상기 물탱크(10)의 제2유입구(18)는 제2배관(60)을 통해 연결된다.

한편, 상기 물펌프(20)의 펌핑에 의하여 물탱크(10)로 유입된 물로부터 기포가 제거되는 바, 제거된 기포로부터 발생된 공기가 배출되도록 상기 물탱크(20)의 상단에는 기포 배출구(70)가 형성된다.

특히, 본 발명의 각 구성중 냉각수가 접촉하는 부위는 이온이 냉각수로 용출되지 않는 비용출성 재질을 적용하는 것이 바람직하며, 따라서 비용출성 재질로서 상기 물펌프(20)는 스테인레스 강인 SUS316L로 제작된 것, 상기 물탱크(10)는 테프론(Teflon) 재질로 제작된 것, 상기 제1 및 제2배관(50,60)은 실리콘 호스 또는 폴 리프로필렌 재질로 제작된 것을 채택하는 것이 좋다.

따라서, 상기 물탱크(20)의 제1배출구(12)를 통하여 물이 필터링 수단(40)으로 공급되는 바, 필터링 수단(40)은 이온교환수지를 충전한 이온제거기로서 연료전지 스택의 TMS 루프(30)에 냉각수가 공급되기 전에 냉각수의 전기전도도를 연료전지 차량의 요구 수준 이하로 만들어주게 된다.

다시 말해서, 상기 필터링 수단(40)은 연료전지 스택의 TMS 루프(30)로 공급되는 냉각수를 금속이온이 제거된 전기전도도 2μS/cm 이하의 냉각수로 관리해주게 된다.

따라서, 상기 연료전지 스택의 TMS 루프(30)를 통하여 공급된 냉각수는 연료전지 스택을 냉각시킨 후, 상기 제2배관(60)을 통하여 물탱크(10)의 제2유입구(18)를 통해 물탱크(10)내로 재유입된다.

이때, 상기 물펌프(20) 즉, 원심형 구동펌프의 구동에 의하여 물탱크(10)의 제2배출구(14)를 통하여 물이 배출되는 동시에 물이 제1유입구(16)를 통하여 물탱크(10)로 재유입되는 바, 이러한 물펌프(20)의 계속적인 펌핑으로 인하여 연료전지의 TMS 루프(30)를 거치면서 생성된 기포가 제거되며, 제거된 기포의 공기는 상기 물탱크(10)의 상단에 형성된 기포 배출구(70)를 통해 외부로 배출된다.

이와 같은 냉각수의 반복적인 흐름을 통하여, 연료전지 차량의 양산에 미리 대비하여 연료전지 차량에 주입하는 냉각수를 효과적으로 주입할 수 있고, 냉각수의 전기전도도를 기준치인 2μS/cm 이하로 관리할 수 있다.

도 1은 연료전지 차량의 시스템을 설명하는 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치를 나타내는 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 물탱크 12 : 제1배출구

14 : 제2배출구 16 : 제1유입구

18 : 제2유입구 20 : 물펌프

30 : TMS 루프 40 : 필터링 수단

50 : 제1배관 60 : 제2배관

70 : 기포 배출구

Claims (4)

1. 제1 및 제2 배출구가 형성되고, 제1 및 제2유입구가 형성된 대용량의 물탱크와;

   상기 물탱크의 제2배출구와 제1유입구 사이에 배치되는 물펌프와;

   상기 물탱크의 제1배출구와 연결되는 필터링 수단과;

   상기 필터링 수단의 출구와 제1배관을 통해 연결되어 스택을 냉각시키는 TMS 루프와;

   상기 TMS 루프의 출구와 상기 물탱크의 제2유입구간에 연결되는 제2배관;

   을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 물탱크의 상단에는 물로부터 제거된 기포가 외부로 배출되는 기포 배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각수가 접촉하는 부위는 이온이 냉각수로 용출되지 않는 비용출성 재질을 적용하되, 비용출성 재질로서 상기 물펌프는 스테인레스 강인 SUS316L로 제작된 것, 물탱크는 테프론(Teflon) 재질로 제작된 것, 각 배관은 실리콘 호스 또는 폴리프로필렌 재질로 제작된 것으로 채택하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 필터링 수단은 이온교환수지를 충전한 이온제거기인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 가압 순환식 냉각수 주입 장치.

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