KR100899270B1

KR100899270B1 - 연료전지 자동차의 열관리시스템

Info

Publication number: KR100899270B1
Application number: KR1020030008241A
Authority: KR
Inventors: 한인철; 박창호; 지용준; 김인갑; 조경석
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2009-05-26
Also published as: KR20040072247A

Abstract

본 발명은 전기자동차의 일종인 연료전지(Fuel Cell) 자동차에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차 냉방시스템에 사용되는 냉매의 유로를 조절하여 줌으로써 연료전지 자동차의 연료전지를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있는 연료전지 자동차의 열관리시스템에 관한 것이다.

본 발명은 연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서, 상기 연료전지와 열교환기를 경유하는 순환유로와; 응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로로부터 분기되고, 상기 열교환기를 경유하여 상기 메인 냉매유로로 복귀하도록 구성된 서브 냉매유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

자동차, 연료전지, 냉각, 냉매, 열교환

Description

연료전지 자동차의 열관리시스템{A Thermal Management System of a Fuel Cell Vehicle}

도 1은, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제1 실시예를 나타낸다.

도 2는, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제2 실시예를 나타낸다.

도 3은, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제3 실시예를 나타낸다.

도 4는, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제4 실시예를 나타낸다.

도 5는, 본 발명에 따른 제1 내지 제3 실시예의 작동 흐름도이다.

도 6은, 본 발명에 따른 제4 실시예의 작동 흐름도이다.

도 7은, 종래의 연료전지 자동차의 열관리시스템을 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 31...순환유로, 2, 12, 25, 33...메인 냉매유로,

3, 17, 26, 34...서브 냉매유로, 4...열교환기,

5, 15, 22, 38...제2 순환유로, 11, 23, 31...제1 순환유로,

13, 24, 32...냉각유체 지로, 14...제1 열교환기,

16...제2 열교환기, 21...열교환기.

근래에 들어 내연기관 자동차로부터 배출되는 배기가스로 인한 대기오염이 심각해지면서 배기가스를 배출하지 않는 전기자동차가 각광을 받고 있다. 이러한 전기자동차는 전기에너지를 사용하여 전동기를 회전시켜 줌으로써 주행되는 데, 연료전지 자동차는 전기에너지의 전원으로서 연료전지를 장착한 전기자동차를 말한다.

이와 같은 연료전지는 사용 중에 고열을 발생시키는 데, 그 수명과 성능을 유지하고, 가장 안정된 출력 상태를 얻기 위해서는 연료전지의 온도를 적정하게(예컨대, 고분자 전해질 연료전지의 경우는 약 80℃ 정도) 유지해야 한다.

종래의 연료전지 자동차의 열관리시스템으로서는 도 7에 도시된 바와 같은 것이 있다.

상기 종래의 열관리시스템은 제1 순환펌프(44)에 의해 순환되는 제1 냉각유체를 사용하여 상기 연료전지(C)를 냉각시키는 제1 순환유로(41)와, 제2 순환펌프(43)에 의해 순환되는 제2 냉각유체에 의해 구동모터, 밧데리, 전기부품 등의 발열원을 냉각시키는 제2 순환유로(42)와, 상기 제1 순환유로(41) 내의 제1 냉각유체와 상기 제2 순환유로(42) 내의 제2 냉각유체와의 사이에서 열교환시키는 열교환기로 구성되어 있다. 즉, 응축기, 증발기를 경유하는 냉매유로(49)를 포함하여 구성된 냉방시스템은 단지 자동차 실내의 냉방에만 사용되고 있다.

그런데, 연료전지에서 발생하는 방열량은 기존의 내연기관에 비해 동일 출력 기준으로 약 두 배가 많고, 냉각수의 온도는 오히려 약 40℃ 이상 낮기 때문에 방열기를 통해 외기로 열을 방출시키기 위해서는 방열기 크기와 냉각팬 용량을 상당히 크게 해야 한다. 특히, 외기온도가 높을 경우 방열기의 냉각수 온도와 그 방열기를 냉각시켜주는 외기온도의 차가 작기 때문에 방열을 증가시키기 위해서는 방열기 크기와 냉각팬 용량을 크게 해야 한다. 그러나, 이것은 전체적인 크기와 무게가 증가시키게 되고, 또한 장착공간의 제약으로 인하여 일정한 한계가 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 자동차 냉방시스템의 냉매를 활용하여 방열기와 냉각팬의 용량을 크게 해주지 않고서도 연료전지를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 연료전지 자동차의 열관리시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서, 상기 연료전지와 열교환기를 경유하는 순환유로와; 응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로로부터 분기되고, 상기 열교환기를 경유하여 상기 메인 냉매유로로 복귀하도록 구성된 서브 냉매유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서, 상기 연료전지와 제1 열교환기를 경유하는 제1 순환유로와; 상기 제1 순환유로로부터 분기되어 제2 열교환기를 경유하여 상기 제1 순환유로로 복귀하는 냉각유체 지로와; 응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로로부터 분기되고, 상기 제2 열교환기를 경유하여 상기 메인 냉매유로로 복귀하는 서브 냉매유로와; 상기 제1 열교환기, 발열원 그리고 방열기를 경유하는 제2 순환유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은, 연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서, 발열원과 열교환기, 그리고 제1 방열기를 경유하는 제1 순환유로와; 상기 열교환기와 상기 연료전지를 경유하는 제2 순환유로와; 상기 제2 순환유로로부터 분기되고, 제2 방열기를 경유하여 상기 제2 순환유로로 복귀하는 냉각유체 지로와; 응축기와 제1 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로로부터 분기되고, 제2 증발기를 경유하여 상기 메인 냉매유로로 복귀하는 서브 냉매유로를 포함하며, 상기 제2 방열기는 상기 제2 증발기로부터 송풍된 공기의 유로선상에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서, 제1 방열기와 상기 연료전지를 경유하는 제1 순환유로와; 상기 제1 순환유로로부터 분기되고, 열교환기를 경유하여 상기 제1 순환유로로 복귀하는 냉각유체 지로와; 응축기와 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로로부터 분기되고, 상기 열교환기를 경유하여 상기 메인 냉매유로로 복귀하는 서브 냉매유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제1 실시예가 도시되어 있는 데, 주요 구성요소를 설명하면 다음과 같다.

냉각수가 흐르는 제1 순환유로(11)는, 연료전지(C)와 제1 열교환기(14)를 경유한다.

그리고, 냉각유체 지로(13)는, 상기 제1 순환유로(11)로부터 분기되어 제2 열교환기 (16)를 경유하여 상기 제1 순환유로(11)로 복귀한다.

서브 냉매유로(17)는, 응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(12)로부터 분기되고, 상기 제2 열교환기(16)를 경유하여 상기 메인 냉매유로(12)로 복귀한다.

한편, 제2 순환유로(15)는, 상기 제1 열교환기(14), 구동모터 등을 포함한 발열원 그리고 방열기를 경유한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 제1 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

제1 순환펌프(19)에 의해 작동하는 제1 냉각유체가 제1 순환유로(11)를 순환하고, 제2 순환펌프(18)에 의해 작동하는 제2 냉각유체는 제2 순환유로(15)를 순환한다.

제1 순환유로(11)를 순환하는 제1 냉각유체는 연료전지(C)로부터 흡열하여 연료전지(C)를 냉각시키고, 제2 순환유로(15)를 순환하는 제2 냉각유체는 제1 열교환기(14)를 통하여 제1 냉각유체와 열교환하여 흡열하며, 또한 구동모터, 밧데리, 전기부품 등의 발열원으로부터 흡열하여 방열기를 통하여 열을 외기로 방출한다. 그리고, 연료전지(C)로부터 열을 흡수한 제1 냉각유체는 서브 냉매유로(17)를 흐르는 냉매와 제2 열교환기(16)를 통하여 열교환하여 연료전지(C)의 냉각효과를 증대시킨다 .

도 2에는 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제2 실시예가 도시되어 있다.

연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서,

제1 순환유로(1)는, 상기 연료전지(C)와 열교환기(4)를 경유한다.

서브 냉매유로(3)는, 응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스 템의 메인 냉매유로(2)로부터 분기되고, 상기 열교환기(4)를 경유하여 상기 메인 냉매유로(2)로 복귀한다.

그리고, 구동모터를 포함한 발열원, 상기 열교환기(4) 그리고 방열기를 순차적으로 경유하는 제2 순환유로(5)를 추가적으로 구비되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 제2 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

제1 순환펌프(9)에 의해 제1 순환유로(1)를 순환하는 제1 냉각유체는 연료전지(C)로부터 흡열하여 연료전지(C)를 냉각시키고, 제2 순환펌프(8)에 의해 제2 순환유로(5)를 순환하는 제2 냉각유체는 구동모터, 밧데리, 전기부품 등의 발열원으로부터 흡열하여 방열기를 통하여 열을 외기로 방출한다. 그리고, 상기 제1 냉각유체, 상기 제2 냉각유체, 그리고 서브 냉매유로(3)를 따라 흐르는 냉매는 열교환기 (4)를 통하여 서로 열교환한다. 즉, 연료전지(C)로부터 열을 흡수한 제1 냉각유체는 서브 냉매유로(3)를 흐르는 냉매와 열교환기(4)를 통하여 열교환함으로써 연료전지(C)의 냉각효과를 증대시킨다.

도 3에는 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제3 실시예가 도시되어 있다.

제1 순환유로(23)는, 열교환기(21)와 상기 연료전지를 경유한다.

제2 순환유로(22)는, 구동모터 등을 포함한 발열원과 상기 열교환기(21), 그리고 제1 방열기를 경유한다.

냉각유체 지로(24)는, 상기 제1 순환유로(23)로부터 분기되고, 제2 방열기를 경유하여 상기 제1 순환유로(23)로 복귀한다.

서브 냉매유로(26)는, 응축기와 제1 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(25)로부터 분기되고, 제2 증발기를 경유하여 상기 메인 냉매유로(25)로 복귀한다.

한편, 상기 제2 방열기는 상기 제2 증발기로부터 송풍된 공기의 유로선 상에 위치한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 제3 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

제2 순환펌프(27)에 의해 제2 순환유로(22)를 순환하는 제2 냉각유체는 구동모터 등을 포함한 발열원으로부터 열을 흡수하여 제1 방열기를 통하여 방열한다. 그리고, 제1 순환펌프(28)에 의해 제1 순환유로(23)를 순환하는 제1 냉각유체는 연료전지(C)로부터 열을 흡수하고, 열교환기(21)를 통하여 상기 제2 냉각유체와 열교환한다. 또한, 연료전지(C)로부터 열을 흡수한 상기 제1 냉각유체는 냉각유체 지로(24)를 따라 제2 방열기를 통과할 때, 서브 냉매유로(26)를 따라 제2 증발기를 통과하는 냉매로부터의 차가운 공기를 송풍수단, 예컨대 냉각팬에 의해 제2 방열기 측으로 송풍해줌으로써 제1 냉각유체를 냉각시키는 효과를 증대시키게 된다.

도 4에는 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제4 실시예가 도시되어 있다. 상기 제4 실시예의 주요 구성요소를 설명하면 다음과 같다.

제1 순환유로(31)는, 제1 방열기와 상기 연료전지를 경유한다.

냉각유체 지로(32)는, 상기 제1 순환유로(31)로부터 분기되고, 열교환기를 경유하여 상기 제1 순환유로(31)로 복귀한다.

서브 냉매유로(34)는, 응축기와 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(33)로부터 분기되고, 상기 열교환기를 경유하여 상기 메인 냉매유로(33)로 복귀한다.

한편, 발열원과 제2 방열기를 경유하는 제2 순환유로(38)를 추가적으로 구비하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 제4 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

제1 순환펌프(37)에 의해 제1 순환유로(31)를 순환하는 제1 냉각유체는 연료전지(C)로부터 열을 흡수하여 제1 방열기를 통하여 방열한다. 그리고, 제2 순환펌프(35)에 의해 제2 순환유로(38)를 순환하는 제2 냉각유체는 구동모터, 밧데리, 전기부품 등의 발열원으로부터 열을 흡수하고, 제2 방열기를 통하여 열을 방출한다. 한편, 연료전지(C)로부터 열을 흡수한 상기 제1 냉각유체는 냉각유체 지로(32)를 따라 열교환기를 통과할 때, 서브 냉매유로(32)를 따라 상기 열교환기를 통과하는 냉매와 열교환함으로써 연료전지(C)의 냉각효과를 향상시키게 된다.

한편, 연료전지는 전력발생 효율을 위해서 그 작동온도를 적절한 범위 내에서 유지시켜줄 필요가 있는 데, 상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 의하여 연료전지의 작동온도를 적절한 범위 내로 관리해줄 수가 있다.

도 5에는 상기 제1 내지 제3 실시예를 사용하여 연료전지의 작동온도를 관리하기 위한 작동흐름도가 도시되어 있다.

먼저, 연료전지의 작동온도(T_w)가 T_상한보다 큰 경우에는, 제1 순환유로와 제2 순환유로를 개방하여 제1 순환유체, 제2 순환유체를 각각 순환시키고, 또한 서브 냉매유로를 개방하여 냉매가 추가적으로 열교환기(제1 및 제2 실시예의 경우) 또는 제2 증발기(제3 실시예의 경우)를 경유하게 하여 연료전지의 작동온도를 낮추어준다.

만일, 연료전지의 작동온도(T_w)가 T_하한보다는 크고, T_상한보다는 작은 경우에는, 제1 순환유로와 제2 순환유로를 개방하여 제1 순환유체와 제2 순환유체만 각각 순환시키고, 서브 냉매유로를 차단하여 상기 서브 냉매유로로의 냉매의 흐름을 막는다.

연료전지의 작동온도(T_w)가 T_하한보다도 작은 경우에는, 제1 순환유로를 개방하고, 제2 순환유로는 차단(또는 개방)하며, 서브 냉매유로는 차단하여 연료전지가 과도하게 냉각되는 것을 막아준다.

도 6에는 상기 제4 실시예를 사용하여 연료전지의 작동온도를 관리하기 위한 작동흐름도가 도시되어 있다.

먼저, 연료전지의 작동온도(T_w)가 T_상한보다 큰 경우에는, 제1 순환유로를 개방하여 제1 순환유체를 순환시키고, 또한 서브 냉매유로를 개방하여 냉매가 추가적으로 열교환기를 경유하게 하여 연료전지의 작동온도를 낮추어 준다.

만일, 연료전지의 작동온도(T_w)가 T_하한보다는 크고, T_상한보다는 작은 경우에 는, 제1 순환유로만 개방하여 제1 순환유체를 순환시키고, 서브 냉매유로를 차단하여 상기 서브 냉매유로로의 냉매의 흐름을 막는다.

연료전지의 작동온도(T_w)가 T_하한보다도 작은 경우에는 제1 순환유로 및 서브 냉매유로 모두를 차단시켜, 연료전지의 작동온도를 신속하게 올려줌으로써, 연료전지의 초기 작동시에 온도가 낮아 전력발생의 효율이 떨어지는 문제점을 해결할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 의하면, 연료전지의 열부하가 높은 데도 불구하고 방열기 크기와 냉각팬의 용량에 한계가 있는 경우에도, 기존의 자동차 냉방시스템의 냉매유로를 조절하여 줌으로써 연료전지 냉각시스템의 크기와 무게를 크게 증가시키지 않고서도 연료전지를 효율적으로 냉각시킬 수 있다.

Claims

삭제
삭제
연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서,

상기 연료전지와 제1 열교환기(14)를 경유하는 제1 순환유로(11)와;

상기 제1 순환유로(11)로부터 분기되어 제2 열교환기(16)를 경유하여 상기 제1 순환유로(11)로 복귀하는 냉각유체 지로(13)와;

응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로 (12)로부터 분기되고, 상기 제2 열교환기(16)를 경유하여 상기 메인 냉매유로(12) 로 복귀하는 서브 냉매유로(17)와;

상기 제1 열교환기(14), 발열원 그리고 방열기를 경유하는 제2 순환유로(15)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스템.
연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서,

열교환기(21)와 상기 연료전지를 경유하는 제1 순환유로(23)와;

발열원과 상기 열교환기(21), 그리고 제1 방열기를 경유하는 제2 순환유로 (22)와;

상기 제2 순환유로(23)로부터 분기되고, 제2 방열기를 경유하여 상기 제2 순환유로(23)로 복귀하는 냉각유체 지로(24)와;

응축기와 제1 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(25)로부터 분기되고, 제2 증발기를 경유하여 상기 메인 냉매유로(25)로 복귀하는 서브 냉매유로(26)를 포함하며,

상기 제2 방열기는 송풍수단에 의해 상기 제2 증발기로부터 송풍된 공기의 유로선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스템.
연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서,

제1 방열기와 상기 연료전지를 경유하는 제1 순환유로(31)와;

상기 제1 순환유로(31)로부터 분기되고, 열교환기를 경유하여 상기 제1 순환유로(31)로 복귀하는 냉각유체 지로(32)와;

응축기와 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(33)로부터 분기되고, 상기 열교환기를 경유하여 상기 메인 냉매유로(33)로 복귀하는 서브 냉매유로(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스템.
제5항에 있어서,

발열원과 제2 방열기를 경유하는 제2 순환유로(38)를 추가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스템.