KR100828822B1 - 연료전지차량의 라디에이터 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지차량의 냉각시스템에서 워터 펌프와 펌프 제어기를 일체형으로 구비한 라디에이터 모듈에 관한 것이다.

본 발명은 연료전지 부품의 소형화, 모듈화가 연료전지차량의 상용화에 필수적인 요소의 하나로 자리잡고 있는 추세에 맞추어 냉각수 순환 시스템 중 전자식 워터 펌프와 라디에이터를 하나의 모듈로 일체화함으로써 시스템 공간을 절약할 수 있고, 또한 워터 펌프의 제어를 위한 펌프 제어기를 라디에이터에 내장하여 냉각 성능의 향상을 도모할 수 있도록 한 워터 펌프 및 펌프 제어기를 일체형으로 포함하는 라디에이터 모듈을 제공한다.

연료전지차량, 냉각시스템, 라디에이터 모듈, 워터 펌프, 펌프 제어기

Description

연료전지차량의 라디에이터 모듈{Radiator module in fuel cell vehicles}

도 1은 연료전지차량의 냉각시스템을 나타내는 개략도

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 라디에이터 모듈을 나타내는 사시도

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 라디에이터 모듈을 나타내는 정면도

도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 라디에이터 모듈을 나타내는 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 인렛 포트 11 : 아울렛 포트

12 : 라디에이터 13a,13b : 워터 펌프

14 : 펌프 제어기 15 : 임펠러

16a,16b : 유로 가이드 베인 17 : 방열 블럭

18 : 쉬라우드 19 : 라디에이터 팬

본 발명은 연료전지차량의 냉각시스템을 구성하는 라디에이터 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 워터 펌프와 펌프 제어기를 일체형으로 구비한 새로운 형태의 라디에이터 모듈을 구현함으로써, 공간의 효율성, 냉각 성능의 향상, 모듈화에 따른 부품 단가의 절감 등을 도모할 수 있는 연료전지차량의 라디에이터 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 경유나 공업용 연료의 기체와 전해질 사이의 화학반응의 일부로 전력을 발생시켜 연료가 가진 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 전환 시스템이다.

연료전지는 전해질과 두 개의 전극이 샌드위치처럼 포개어져 있는 형태로 산소와 수소가 각각의 전극으로 흘러갈 때, 전기와 열 그리고 물이 만들어지게 되며, 우주선과 같이 내연기관을 실질적으로 활용하지 못하는 분야 또는 전기자동차 등에 전력을 공급하기 위한 시스템으로 사용되고 있다.

연료전지에는 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 다양한 연료가 사용되어질 수 있는데, 연료 변환기를 이용하여 연료를 수소로 개질하여 사용하게 된다.

최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 날로 커지면서 연료전지를 이용한 전기자동차가 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할 수 있을 것으로 예상되고 있다.

이러한 연료전지를 사용하는 차량은 연료전지 스택의 연료극으로 공급되는 수소와 공기극으로 공급되는 공기를 이용하여 전기에너지를 생성하고, 이때의 전기에너지를 이용하여 모터를 구동하여 차량을 주행하게 된다.

예를 들면, 연료극으로 공급된 수소가 수소이온(H⁺)과 전자(e-)로 분해되고, 수소이온이 선택적으로 고분자 전해질막을 통과하여 공기극으로 전달된다.

이때, 연료극과 공기극을 연결하는 도선에는 전류가 생성되고, 공기극으로 이동한 전자는 공기극에 공급된 공기와 반응하여 물 및 열이 생성된 후, 미반응 수소와 공기가 배출된다.

도 1은 연료전지차량의 냉각시스템을 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 연료전지차량의 냉각시스템은 냉각수 순환계와 냉각수 응축계를 포함하고 있으며, 여기서는 냉각수 순환계에 대해서만 설명하기로 한다.

냉각수 순환계는 라디에이터(100)와 연료전지 스택(110)을 통과하도록 구성되며, 연료전지 스택(110)을 통과하는 냉각수는 공기와 수소의 반응에 의해 발생하는 반응열을 흡수하고, 반응열을 흡수한 냉각수는 라디에이터(100)에서 다시 냉각된 후, 다시 연료전지 스택(110)으로 공급된다.

여기서, 미설명 부호 120는 워터 펌프이고, 130과 140는 리저버와 팬을 각각 나타낸다.

이와 같은 냉각시스템에서는 반응열을 냉각하기 위하여 냉각수를 이용하게 되는데, 일반 차량과 달리 연료전지 스택의 냉각수는 스택 내부에 가습을 하기 위하여 초순수를 사용하게 된다.

냉각수가 직접적으로 스택 내부에 가습을 해주는 구조인 경우 운전 특성상 가습을 위한 적절한 워터 밸런스를 맞추도록 되어 있다.

또한, 80kw급 연료전지의 경우 40kw의 열량을 방열하도록 라디에이터가 장착되어 있는데, 실제 연료전지 운전온도는 약 70℃ 정도로 고온 지역에서는 환경온도와 운전온도 간의 편차가 크기 않아 냉각에 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 큰 용량의 라디에이터와 대 유량의 워터 펌프가 필요하게 되며, 이렇게 부품이 대형화되는 경우 차량 내 패키징에 어려움이 있고, 또 워터 펌프의 대형화로 인한 펌프 제어기 및 모터의 고온 발열을 제어하는데 어려움이 있다.

결국, 연료전지 부품의 모듈화가 연료전지차량의 상용화에 필수적인 요소의 하나로 자리잡고 있는데, 위와 같은 부품의 대형화 등은 공간적인 측면이나 비용적인 측면에서 연료전지 부품의 모듈화를 저해하는 원인으로 작용한다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 부품의 소형화, 모듈화가 연료전지차량의 상용화에 필수적인 요소의 하나로 자리잡고 있는 추세에 맞추어 냉각수 순환 시스템 중 전자식 워터 펌프와 라디에이터를 하나의 모듈로 일체화함으로써 시스템 공간을 절약할 수 있고, 또한 워터 펌프의 제어를 위한 펌프 제어기를 라디에이터에 내장하여 냉각 성능의 향상을 도모할 수 있도록 한 워터 펌프 및 펌프 제어기를 일체형으로 포함하는 라디에이터 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지차량의 냉각시스템에 설치되는 것으로 인렛 포트와 아울렛 포트를 가지는 라디에이터와, 상기 라디에이터의 인렛 포트와 아울렛 포트에 각각 내설되는 워터 펌프와, 상기 라디에이터의 후면부 일측에 설치되어 라디에이터 풍량에 의해 냉각이 가능한 펌프 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 워터 펌프는 라디에이터측에 설치시 임펠러가 라디에이터 벽면과 일치하는 지점이 되도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 라디에이터는 인렛 포트와 아울렛 포트의 각 마주보는 위치에서 유선형으로 돌출되는 형태로 형성되어 물의 흐름을 유도하는 역할을 하는 유로 가이드 베인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 펌프 제어기는 일측에 다수의 방열핀을 가지는 방열 블럭을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 워터 펌프 중에서 아울렛 포트에 설치되는 워터 펌프가 인렛 포트에 설치되는 워터 펌프보다 200~500RPM 낮은 속도로 회전하도록 된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 라디에이터 모듈을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 라디에이터 모듈을 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 라디에이터 모듈을 나타내는 정면도이고, 도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 라디에이터 모듈을 나타내는 단면도이다.

도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 라디에이터 모듈은 라디에이터 본체 내에 워터 펌프와 이 워터 펌프의 제어를 위한 펌프 제어기 등을 일체식으로 설치하여 모듈화함으로써, 연료전지차량의 각 시스템, 특히 냉각시스템을 컴팩트한 형태로 구현한 것이다.

이를 위하여, 라디에이터(12)의 인렛 포트(10)와 아울렛 포트(11)의 내부에는 각각의 워터 펌프(13a),(13b)가 설치되고, 라디에이터(12)의 후면부 일측에는 워터 펌프의 제어를 위한 펌프 제어기(14)가 일체식으로 부착 설치된다.

이와 같이, 라디에이터(12)에 두 개의 워터 펌프(13a),(13b)를 인렛 포트(10)와 아울렛 포트(11)에 동시에 적용함으로써, 직렬로 연결한 저양정 구조의 대용량의 유량을 실현할 수 있고, 이에 따라 유량 증가와 동시에 스택 분리판의 압력차에 의한 손상을 방지할 수 있다.

이때, 상기 워터 펌프(13a),(13b)를 라디에이터(12)의 포트 내부에 설치할 때, 그 임팰러(15)는 라디에이터 벽면과 일치하는 지점, 예를 들면 라디에이터의 벽면과 수직으로 일직선상에 놓여지는 지점에 위치되도록 설치된다.

만일, 임팰러가 라디에이터 이전에 위치되면(라디에이터 외측으로 돌출되면) 모듈의 부피가 커지게 되고, 라디에이터 안쪽으로 위치되는 경우에는 아울렛 포트 후단 압력이 강하게 작용하여 펌프 성능이 저하될 수 있으므로, 위와 같이 임팰러의 위치를 라디에이터 벽면과 일치하는 지점에 위치되도록 하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 워터 펌프를 포트 내부의 구조물, 예를 들면 라디에이터 벽체 등의 구조물상에 설치하는 방법 등은 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.

특히, 상기 워터 펌프의 구동 제어방법에 있어서, 두 개의 워터 펌프(13a),(13b) 중 아울렛 포트(11)에 설치되는 워터 펌프(13b)는 인렛 포트(10)에 설치되는 워터 펌프(13a)보다 속도가 대략 200~500RPM 낮은 RPM으로 회전하도록 되어 있다.

이는 라디에이터 내부 공간에 물이 차지 않게 하는 현상을 방지하고 캐비테이션 현상을 억제하도록 한다.

또한, 상기 라디에이터(12)의 후면부 일측, 예를 들면 라디에이터 본체를 통과한 바람과 접하는 위치에서 쉬라우드(18)의 안쪽으로 워터 펌프(13a),(13b)의 제어를 위한 펌프 제어기(15)가 설치된다.

이때의 펌프 제어기는 기존의 펌프 제어기와 동일한 기능을 가지는 제어기로서, 라디에이터 벽체의 외측에 브라켓 등을 이용하여 지지되는 형태로 설치될 수 있다.

따라서, 상기 쉬라우드(18)의 내측에 펌프 제어기(15)를 설치함에 따라 라디에이터 팬(19)의 가동시 별도의 추가 동력없이 라디에이터 풍량에 의한 제어기 냉각 효과를 기대할 수 있다.

특히, 상기 펌프 제어기(15)의 상부에는 다수의 방열핀 구조로 되어 있는 방열 블럭(17)이 일체식으로 장착되어 있어서 이때의 공기와 접촉하는 방열핀의 방열작용을 통해 냉각 효과를 더욱 높일 수 있게 된다.

또한, 상기 라디에이터(10)에는 물의 흐름을 유도하는 유로 가이드 베인(16a),(16b)이 갖추어져 있다.

상기 유로 가이드 베인(16a),(16b)은 인렛 포트(10) 및 아울렛 포트(11)와 마주보는 위치, 즉 포트의 맞은편에 형성되며, 라디에이터 벽체의 바깥쪽을 향해 유선형으로 돌출되면서 물의 흐름을 수평방향으로 유도할 수 있도록 되어 있다.

이러한 유로 가이드 베인(16a),(16b)은 펌프 출구단의 길이가 짧아 생기는 급격한 압력 상승을 방지하고 전체적으로 물을 고르게 분배하는 역할을 하게 된다.

특히, 상기 유로 가이드 베인(16a),(16b)은 한쪽으로 갈수록 폭이 점차 좁아지는 유선형의 형태, 예를 들면 펌프의 토출측 또는 흡입측에서 반대쪽으로 갈수록 폭이 점차 좁아지는 형태를 하고 있어서 물의 진행을 보다 원활하게 유도할 수 있게 된다.

따라서, 현재 연료전지 차량의 경우 크기와 공간 문제 등으로 소형화 및 전용 플랫폼을 적용하여 점차 연료전지 시스템을 컴팩트화하려는 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이고, 또 연료전지 시스템의 시스템 자체 뿐만 아니라 관련 제어기 및 전장품의 냉각 문제 또한 크게 대두되고 있는 상황에서 본 발명에서 제공하는 라디에이터 모듈을 적용함으로써, 시스템 공간을 절약할 수 있고 제어기의 냉각 문제를 해결할 수 있으며 특히, 두 대의 워터 펌프를 적절히 조합하여 양정 대비 유량을 증대시킴으로써 워터 펌프의 대형화로 인한 제어기나 모터 등의 고온 발열 문제 등을 완전히 배제할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 연료전지차량의 냉각수 순환 시스템에서 전자식 워터 펌프 및 펌프 제어기와 라디에이터를 하나의 모듈로 일체화함으로써, 라디에이터 내부에 워터 펌프 및 펌프 제어기를 일체형으로 장착하여 공간의 효율성을 도모할 수 있는 효과가 있고, 작은 공간에 워터 펌프 2개를 연결하여 유량을 증가시키는 방식으로 스택의 분리판을 손상하지 않으면서 유량을 증대하여 냉각 성능의 향상을 꾀할 수 있는 효과가 있으며, 제어기가 쉬라우드 내부에 있어 라디에이터 풍량을 이용하여 제어기를 냉각할 수 있는 효과가 있다.

궁극적으로는 관련 부품의 모듈화로 연료전지 시스템을 콤팩트하게 구성할 수 있고 부품 단가를 저감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 연료전지차량의 냉각시스템에 설치되는 것으로 인렛 포트(10)와 아울렛 포트(11)를 가지는 라디에이터(12)와, 상기 라디에이터(12)의 인렛 포트(10)와 아울렛 포트(11)에 각각 내설되는 워터 펌프(13a),(13b)와, 상기 라디에이터(12)의 후면부 일측에 설치되어 라디에이터 풍량에 의해 냉각이 가능한 펌프 제어기(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 라디에이터 모듈.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 워터 펌프(13a),(13b)는 라디에이터측에 설치시 임펠러(15)가 라디에이터 벽면과 일치하는 지점이 되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 라디에이터 모듈.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 라디에이터(12)는 인렛 포트(10)와 아울렛 포트(11)의 각 마주보는 위치에서 유선형으로 돌출되는 형태로 형성되어 물의 흐름을 유도하는 역할을 하는 유로 가이드 베인(16a),(16b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 라디에이터 모듈.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 펌프 제어기(14)는 일측에 다수의 방열핀을 가지는 방열 블럭(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 라디에이터 모듈.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 워터 펌프(13a),(13b) 중에서 아울렛 포트(11)에 설치되는 워터 펌프(13b)가 인렛 포트(10)에 설치되는 워터 펌프(13a)보다 낮은 속도로 회전하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 라디에이터 모듈.

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