KR100970336B1

KR100970336B1 - 연료전지 자동차의 열관리시스템

Info

Publication number: KR100970336B1
Application number: KR1020030008239A
Authority: KR
Inventors: 한인철; 박창호; 지용준; 김인갑; 조경석
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2010-07-15
Also published as: KR20040072245A

Abstract

본 발명은 전기자동차의 일종인 연료전지(Fuel Cell) 자동차, 더욱 상세하게는 연료전지 자동차의 연료전지를 효율적으로 냉각시키는 열관리시스템에 관한 것으로, 연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서, 상기 열관리시스템은, 상기 연료전지를 경유하는 냉각유체 순환유로와; 응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로로부터 분기되고, 상기 연료전지를 경유하여 상기 메인 냉매유로로 돌아오도록 구성된 서브 냉매유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

자동차, 연료전지, 냉각

Description

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

도 1은, 본 발명에 따른 연료전지 열관리시스템의 제1 실시예의 주요 구성도이다.

도 2는, 본 발명에 따른 연료전지 열관리시스템의 제2 실시예의 주요 구성도이다.

도 3은, 도 1의 연료전지 열관리시스템을 사용하여 연료전지의 작동온도를 조절하는 흐름도이다.

도 4는, 도 2의 연료전지 열관리시스템을 사용하여 연료전지의 작동온도를 조절하는 흐름도이다.

도 5는, 종래의 연료전지 자동차의 열관리시스템을 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 11...제1 냉각유체 순환유로, 2, 12...제2 냉각유체 순환유로,

3, 13...제2 순환펌프, 4, 14...제1 순환펌프,

9, 19...메인 냉매유로, 10, 20...서브 냉매유로.

본 발명은 전기자동차의 일종인 연료전지(Fuel Cell) 자동차에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 자동차의 연료전지를 효율적으로 냉각시키는 열관리시스템에 관한 것이다.

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 5에 도시된 바와 같은 것이 있다.

상기 종래의 열관리시스템은 제1 순환펌프(24)에 의해 순환되는 제1 냉각유체를 사용하여 상기 연료전지를 냉각시키는 제1 순환유로(21)와, 제2 순환펌프(23)에 의해 순환되는 제2 냉각유체에 의해 구동모터, 밧데리, 전기부품 등의 발열원을 냉각시키는 제2 순환유로(22)와, 상기 제1 순환유로(21) 내의 제1 냉각유체와 제2 순환유로(22) 내의 제2 냉각유체와의 사이에서 열교환시키는 열교환기로 구성되어 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 냉매유로가 연료전지를 경유하게 해줌으로써 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 열관리시스템은,
상기 연료전지를 경유하는 제1 냉각유체 순환유로; 구동모터를 포함한 발열원과 방열기를 경유하는 제2 냉각유체 순환유로; 응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인(Main) 냉매유로로부터 분기되고, 상기 연료전지를 경유하여 상기 메인 냉매유로로 돌아오도록 구성된 서브(Sub) 냉매유로; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서, 상기 열관리시스템은, 연료전지와 제1 방열기를 경유하는 제1 냉각유체 순환유로; 구동모터를 포함한 발열원 및 제2 방열기를 경유하는 제2 냉각유체 순환유로; 응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로로부터 분기되고, 상기 연료전지를 경유하여 상기 메인 냉매유로로 돌아오도록 구성된 서브 냉매유로; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제1 실시예가 도시되어 있다.

상기 열관리시스템은 연료전지를 경유하는 제1 냉각유체 순환유로(1)와, 구동모터를 포함한 발열원과 방열기를 경유하는 제2 냉각유체 순환유로(2)와, 냉매유로를 포함하여 구성되며, 상기 제1 냉각유체 순환유로(1)와 상기 제2 냉각유체 순환유로(2)는 동일 열교환기를 경유하도록 구성되어 있다.

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한편, 상기 냉매유로는 응축기, 팽창밸브, 증발기, 압축기를 포함하여 구성된 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(9)와, 상기 메인 냉매유로(9)로부터 분기되고, 상기 연료전지를 경유하여 상기 메인 냉매유로(9)로 되돌아오도록 구성된 서브 냉매유로(10)로 구성되어 있다.

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

제1 순환펌프(4)에 의해 작동하는 제1 냉각유체가 제1 냉각유체 순환유로(1)를 순환하고, 제2 순환펌프(3)에 의해 작동하는 제2 냉각유체는 제2 냉각유체 순환유로(2)를 순환한다. 그리고, 제1 냉각유체 순환유로(1)를 순환하는 제1 냉각유체는 연료전지로부터 흡열하여 연료전지를 냉각시키는 한편, 제2 냉각유체 순환유로(2)를 순환하는 제2 냉각유체는 열교환기를 통하여 제1 냉각유체와 열교환하여 흡열하며, 또한 구동모터, 밧데리, 전기부품 등의 발열원으로부터 흡열하여 방열기를 통하여 열을 외기로 방출한다.

연료전지의 열부하가 낮은 경우에는 상기와 같이 단순히 냉각유체, 예컨대 냉각수를 사용하여 연료전지를 냉각시키는 것으로 충분하다. 그러나, 연료전지의 열부하가 높은 데도 외기온도가 높고 방열기 또는 냉각팬의 용량이 작아 제1 냉각유체의 열을 외부로 방열하기 어려운 경우, 단순히 냉각유체만을 사용하여 연료전지를 냉각시키는 것은 충분하지 않다. 이 때, 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로 (9)로부터 분기되어 있고, 상기 연료전지를 경유하는 서브 냉매유로(10)의 밸브를 개방하여 상기 서브 냉매유로(10)로 냉매가 흐르게 함으로써 냉매의 증발잠열을 사용하여 연료전지를 추가적으로 냉각시켜줄 수가 있다.

한편, 연료전지는 전력발생 효율을 위해서 그 작동온도를 적절한 범위 내로 유지시켜줄 필요가 있는 데, 상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 의하여 연료전지의 작동온도를 적절한 범위 내로 관리할 수가 있다. 이에 대하여 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 연료전지의 작동온도(T_w)가 T_상한보다 큰 경우에는, 제1 냉각유체 순환유로(1)와 제2 냉각유체 순환유로(2)를 개방하여 제1 순환유체, 제2 순환유체를 각각 순환시키고, 또한 서브 냉매유로(10)를 개방하여 냉매가 추가적으로 연료전지를 경유하게 하여 연료전지의 작동온도를 낮추어준다.

만일, 연료전지의 작동온도(T_w)가 T_하한보다는 크고, T_상한보다는 작은 경우에는, 제1 냉각유체 순환유로(1)와 제2 냉각유체 순환유로(2)를 개방하여 제1 순환유체와 제2 순환유체만 각각 순환시키고, 서브 냉매유로(10)를 닫아서 냉매가 연료전지를 경유하는 것을 차단한다.

한편, 연료전지의 작동온도(T_w)가 T_하한보다도 작은 경우에는, 연료전지의 작동온도를 높여 주기 위해서, 제1 냉각유체 순환유로(1)와 서브 냉매유로(10)를 차단하고, 또한 제2 냉각유체 순환유로(2)를 차단 또는 개방하여 연료전지의 냉각을 중단한다. 이와 같이 하여, 연료전지의 작동온도를 신속하게 올려줌으로써, 연료전지의 초기 작동시에 온도가 낮아 전력발생의 효율이 떨어지는 문제점을 해결할 수 있다.

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

상기 열관리시스템은 연료전지를 경유하는 냉각유체 순환유로와, 냉매유로를 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 상기 순환유로는, 상기 연료전지와 제1 방열기를 경유하는 제1 순환유로(11)와, 구동모터를 포함한 발열원과 제2 방열기를 경유하는 제2 순환유로(12)로 구성되어 있다. 상기 제2 실시예는 상기 제1 실시예의 경우와는 달리, 제1 순환유체와 제2 순환유체 사이에서 열교환을 시켜주는 열교환기를 별도로 구비하지 않 고, 각각의 순환유로마다 별도의 방열기를 구비하고 있는 점에서 차이가 있다.

한편, 상기 냉매유로는 응축기, 팽창밸브, 증발기, 압축기를 포함하여 구성된 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(19)와, 상기 메인 냉매유로(19)로부터 분기되고, 상기 연료전지를 경유하여 상기 메인 냉매유로(19)로 되돌아오도록 구성된 서브 냉매유로(20)로 구성되어 있다.

상기 본 발명의 제2 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

제1 순환펌프(14)에 의해 작동하는 제1 냉각유체가 제1 순환유로(11)를 순환하고, 제2 순환펌프(13)에 의해 작동하는 제2 냉각유체는 제2 순환유로(12)를 순환한다. 그리고, 제1 순환유로(11)를 순환하는 제1 냉각유체는 연료전지로부터 흡열하여 제1 방열기를 통하여 방열함으로써 연료전지를 냉각시키며, 제2 순환유로(12)를 순환하는 제2 냉각유체는 구동모터, 밧데리, 전기부품 등의 발열원으로부터 흡열하여 제2 방열기를 통하여 열을 외기로 방출한다.

연료전지의 열부하가 낮은 경우에는 상기와 같이 단순히 냉각유체, 예컨대 냉각수를 사용하여 연료전지를 냉각시키는 것이 충분하다. 그러나, 연료전지의 열부하가 높은 데도 외기온도가 높고 방열기 또는 냉각팬의 용량이 작아 제1 냉각유체의 열을 외부로 방열하기 어려운 경우, 단순히 제1 냉각유체만을 사용하여 연료전지를 냉각시키는 것은 충분하지 않다. 이 때, 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(19)로부터 분기되어 있는 서브 냉매유로(20)를 통하여 상기 연료전지 내로 냉매를 흘려줌으로써 냉매의 증발잠열을 사용하여 연료전지를 추가적으로 냉각시켜줄 수가 있다.

한편, 상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 의하여 연료전지의 작동온도를 적절한 범위 내로 관리해줄 수가 있다. 이에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다.

먼저, 연료전지의 작동온도(T_w)가 T_상한보다 큰 경우에는, 제1 순환유로(11)와 서브 냉매유로(20)를 개방하여 제1 순환유체 및 냉매가 각각 연료전지를 경유하도록 순환시켜서 연료전지의 작동온도를 낮추어준다.

만일, 연료전지의 작동온도(T_w)가 T_하한보다는 크고, T_상한보다는 작은 경우에는, 제1 순환유로(11)만 개방하여 제1 순환유체를 순환시키고, 서브 냉매유로(20)를 닫아서 냉매가 연료전지를 경유하는 것을 차단한다.

그리고, 연료전지의 작동온도(T_w)가 T_하한보다도 작은 경우에는, 연료전지의 작동온도를 높여 주기 위해서, 제1 순환유로(11)와 서브 냉매유로(20)를 차단하여 연료전지의 냉각을 중단한다. 이와 같이 하여, 연료전지의 작동온도를 신속하게 올려줌으로써, 연료전지의 초기 작동시에 온도가 낮아 전력발생의 효율이 떨어지는 문제점을 해결할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 의하면, 방열기 크기와 냉각팬의 용량에 한계가 있는 경우에도, 기존의 자동차 냉방시스템의 냉매가 연료전지를 경유하여 흐르도록 함으로써 연료전지 열관리시스템의 크기와 무게를 증가시키지 않고서도 연료전지를 효율적으로 냉각시킬 수 있다.

Claims

연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서, 상기 열관리시스템은,

상기 연료전지를 경유하는 제1 냉각유체 순환유로(1);

구동모터를 포함한 발열원과 방열기를 경유하는 제2 냉각유체 순환유로(2);

응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인(Main) 냉매유로(9)로부터 분기되고, 상기 연료전지를 경유하여 상기 메인 냉매유로(9)로 돌아오도록 구성된 서브(Sub) 냉매유로(10);

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스템.
제1항에 있어서,

상기 제1 순환유로(1)와 상기 제2 순환유로(2)는 열교환기를 경유하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스

템.
연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서, 상기 열관리시스템은,

연료전지와 제1 방열기를 경유하는 제1 냉각유체 순환유로(11);

구동모터를 포함한 발열원 및 제2 방열기를 경유하는 제2 냉각유체 순환유로(12);

응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(19)로부터 분기되고, 상기 연료전지를 경유하여 상기 메인 냉매유로(19)로 돌아오도록 구성된 서브 냉매유로(20);

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스템.