KR101091666B1 - 연료전지 차량용 냉각수 이온필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 냉각수 이온필터에 관한 것으로서, 연료전지 스택의 냉각을 위한 냉각수에서 배관 등으로부터 용출된 이온을 제거하기 위한 이온필터에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이온수지층으로 인한 차압 발생을 줄일 수 있는 구조로 구성되어, 냉각수가 원활히 통과할 수 있고, 이로써 이온 필터링 효과를 극대화할 수 있는 동시에 이온수지의 사용 효율을 극대화할 수 있는 이온필터 구조를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 입구포트와 출구포트를 가지는 하우징과; 이온수지가 충전되고, 일단부에 상기 하우징의 입구포트와 연통되어 냉각수가 유입되는 유입구가 형성되며, 상기 이온수지를 통과한 냉각수가 측면에서 방사방향으로 배출되도록 상기 측면상에 배출구가 형성된 필터부재;를 포함하여 구성되되, 상기 하우징 내에서 필터부재의 측면 주변으로는 상기 하우징의 출구포트와 연통된 유동실이 형성되어, 냉각수가 상기 필터부재에서 배출구를 통해 방사상으로 배출된 뒤 유동실에서 출구포트로 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 이온필터가 개시된다.

Description

연료전지 차량용 냉각수 이온필터{De-Mineralizer for fuel cell}

본 발명은 연료전지 차량용 냉각수 이온필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 냉각수에 용출된 이온을 제거하기 위한 이온필터에 관한 것이다.

환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 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 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.

이러한 구성에서 연료전지 스택은 반응가스인 수소와 산소의 전기화학반응으로부터 전기에너지를 발생시키고, 그 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. 이에 연료전지 시스템에는 스택의 온도 상승을 방지하기 위하여 스택을 냉각시키는 장치가 필수적이다.

통상 차량용 연료전지 시스템에서 연료전지 스택을 최적 온도로 유지하기 위한 냉각시스템에는 스택 내 냉각수 채널을 통해 물을 순환시켜 냉각시키는 수냉식이 이용되고 있다.

이러한 연료전지 차량의 냉각시스템을 도 1에 도시하였다. 도 1은 연료전지 차량의 냉각수 루프를 나타내는 개략도로서, 냉각수가 순환될 수 있도록 연료전지 스택(1)과 라디에이터(2) 사이에 구성되는 냉각수 라인(3), 라디에이터(2)를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스시키기 위한 바이패스라인(4) 및 3-웨이 밸브(5), 냉각수를 펌핑하여 냉각수 라인(3)을 통해 압송하기 위한 펌프(6)를 포함하여 구성된다.

한편, 연료전지 시스템의 냉각수 루프를 형성하는 배관은 이온 용출성의 문제로 인하여 적용 가능한 재질이 반 이온 용출성을 가지는 SUS 316L, 테플론(Teflon), Al 3003, 푸드 그레이드(Food-Grade)의 실리콘 등으로 매우 제한적이다. SUS 304의 경우 이온 용출의 문제로 사용이 불가하다.

일반 저가의 재료를 사용하는 경우 냉각수가 닿는 부분에서 불순물 및 이온이 냉각수로 용출되는 문제가 발생하는데, 용출된 이온으로 인하여 연료전지 스택에서 생성된 전기가 냉각수를 통해 흐르는 심각한 문제가 발생할 수 있다.

더욱이 운전자와 승객이 탑승한 상태로 전기를 발생시키면서 운행을 하는 연료전지 차량에서 부품 재질의 문제로 인하여 냉각수의 이온전도도(전기전도도)(Ion Conductivity)가 일정 수준 이상 상승하게 되면 냉각수 루프를 따라 누설 전류가 발생하여 차량 내 장착된 전기장치 및 구동부품의 정상 구동이 불가해짐은 물론 운전자와 승객의 안전에도 심각한 영향(감전 위험)을 미칠 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 연료전지 차량에서는 냉각수의 전기전도도를 항시 센싱하고 있으며, 전기전도도가 특정 수치 이상으로 높아지면 시스템을 셧다운시키는 제어로직을 반영하고 있다.

또한 냉각수의 이온전도도 및 전기전도도를 일정 수준 이하로 유지하기 위하여 냉각수 루프에 이온필터(De-Mineralizer, DMN)(7)를 장착하여 냉각수의 이온전도도를 일정 수준 이하로 유지하고 있다.

상기 이온필터(7)는 연료전지 스택(1)으로 들어가는 냉각수에 포함된 이온을 필터링하여 냉각수의 전기전도도를 일정 수준 이하로 낮추는 역할을 하는 부품으로, 도 2는 종래의 이온필터를 도시한 사시도이고, 도 3은 종단면도이며, 도 4는 종래의 이온필터에서 차압구간(이온수지가 충전된 구간)을 보여주는 도면이다.

이온필터(100)는 통상 냉각수가 통과하게 되는 하우징(110), 하우징(110) 내부로 냉각수가 유입/배출되도록 하는 포트부재(입구포트와 출구포트)(120,130), 하우징(110) 내부에 충전(充塡)되어 냉각수에 포함된 이온을 필터링하는 이온수지(101), 하우징(110) 내부에 충전된 이온수지(101)를 지지하고 누출을 방지하는 메쉬(Mesh) 어셈블리(140a,140b)를 포함하여 구성된다.

이러한 구성에서, 메쉬 어셈블리(140a,140b)는 냉각수는 통과시키되 작은 알갱이 형태의 이온수지(101)는 하우징(110) 내부에 가둬두는 역할을 하며, 하우징 양단부의 입구포트(120)와 출구포트(130) 측에 모두 설치되어 하우징 내부에 충전된 이온수지의 누출을 막아주게 된다.

상기와 같이 구성된 이온필터(100)에서는 하우징(110) 하단의 입구포트(120)(펌프 출구단과 연결)를 통해 유입된 냉각수가 메쉬 어셈블리(140a), 이온수지(101), 메쉬 어셈블리(140b)를 통과하여 하우징(110) 상단의 출구포트(130)(펌프 입구단과 연결)를 통해 배출되며, 냉각수가 이온수지(101)를 통과하는 동안 필터링되어 이온이 제거된다.

이렇게 냉각수에서 이온을 제거함으로써 냉각수를 통한 스택 전류 누설을 막아주고, 결국 차량의 전기안전성을 기준에 적합하게 만들어주게 된다.

그러나, 도 3에 나타낸 바와 같이, 종래의 이온필터(100)에서는 하단 포트인 입구포트(120)와 상단 포트인 출구포트(130) 사이의 종방향 경로를 따르게 되며, 종방향 경로에서 이온수지(101)가 충전된 구간이 입구측과 출구측의 냉각수 압력차(차압)를 발생시키는 구간이 된다.

결국, 냉각수가 이온수지의 종방향(축방향) 구간을 통과하게 되고, 이로 인해 이온필터에서의 차압구간(도 3에서 이온수지가 충전된 종방향 구간, 즉 하우징 상단과 하단 사이의 구간임)이 길어지므로, 입구포트를 통해 유입되는 냉각수의 압력과 출구포트를 통해 배출되는 냉각수의 압력차가 크게 발생할 수밖에 없다.

도 5는 종래의 이온필터에서 냉각수 유량 증가에 따른 차압 증가를 보여주는 그래프로서, 냉각수 유량이 증가할수록 차압이 크게 발생함을 알 수 있다.

또한 통상의 이온필터는 도 1에 나타낸 바와 같이 메인 냉각수 루프가 아닌 바이패스 루프에 장착되고 있고, 더구나 차압구간이 길어 이온수지층으로 인한 높은 차압이 발생하고 있기 때문에, 원활한 냉각수 순환이 불가능한 것이 현실이다.

특히, 냉각수가 원활하게 흐르지 못하는 문제점은 냉각수의 이온 필터링 효율을 극도로 낮추게 되며, 이로 인해 차량 시동 초기에 전기전도도가 신속하게 떨어지지 않아 누설 전류 문제를 원천적으로 해결하지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 이온수지층으로 인한 차압 발생을 줄일 수 있는 구조로 구성되어, 냉각수가 원활히 통과할 수 있고, 이로써 이온 필터링 효과를 극대화할 수 있으면서 종래의 전기전도도 발생 문제, 스택 전류 누설 문제 및 전기안전성 문제를 원천적으로 해소할 수 있는 이온필터 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 입구포트와 출구포트를 가지는 하우징과; 이온수지가 충전되고, 일단부에 상기 하우징의 입구포트와 연통되어 냉각수가 유입되는 유입구가 형성되며, 상기 이온수지를 통과한 냉각수가 측면에서 방사방향으로 배출되도록 상기 측면상에 배출구가 형성된 필터부재;를 포함하여 구성되되, 상기 하우징 내에서 필터부재의 측면 주변으로는 상기 하우징의 출구포트와 연통된 유동실이 형성되어, 냉각수가 상기 필터부재에서 배출구를 통해 방사상으로 배출된 뒤 유동실에서 출구포트로 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 이온필터를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 필터부재는 상기 하우징 내부에 하우징과 동축상으로 길게 삽입되어 배치되고, 상기 배출구가 형성된 필터부재 외측면과 상기 하우징 내측면 사이의 간격 형성으로 상기 유동실이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 필터부재는, 일단부에 상기 유입구가 형성되고, 상기 측면이 되는 외주면에 상기 배출구가 형성된 원통 형상의 필터프레임과; 상기 필터프레임의 유입구에 설치되는 메쉬망과; 상기 필터프레임의 배출구에 설치되는 메쉬망과; 상기 필터프레임의 내부공간에 충전되는 이온수지;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 배출구는 필터부재의 측면에서 필터부재의 길이방향을 따라 길게 형성되되, 복수개의 배출구가 일정 간격으로 나란하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 배출구는 필터부재의 측면에서 냉각수가 유입되는 방향을 기준으로 길이방향 후측부 소정 구간에만 길게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 필터프레임의 타단부에는 필터프레임의 내부공간을 개폐하는 필터 캡이 탈부착 가능하게 조립되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 하우징은 상기 입구포트가 형성되고 필터부재가 넣어지는 하우징 본체와, 상기 출구포트가 형성되고 상기 하우징 본체를 밀폐하는 하우징 캡으로 구성되고, 상기 하우징 캡이 하우징 본체에 탈부착 가능하게 조립되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 하우징 캡의 내측면에는 필터부재를 고정하여 지지하는 복수개의 돌기부가 형성되고, 상기 돌기부 사이에 유동실과 출구포트를 연통시키는 냉각수 통로가 형성되는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 냉각수 이온필터에 의하면, 차압 발생을 줄이기 위하여 이온수지가 충전된 필터부재를 냉각수가 방사방향으로 배출되는 방사 배출형으로 개선함으로써, 냉각수가 통과하게 되는 이온수지층 구간(차압구간임)의 길이(냉각수 통과 경로의 길이)를 줄일 수 있고, 이에 냉각수 흐름이 원활해지면서 이온 필터링 효과가 극대화될 수 있게 된다.

또한 이온 필터링 효과를 극대화할 수 있게 됨에 따라 전기전도도가 신속하게 떨어지지 않아 스택 전류의 누설이 발생하던 문제점을 해결할 수 있고, 운전자의 전기안전성을 향상시키는 효과가 있게 된다.

특히, 시동 초기 냉각수 펌프의 양정압이 낮은 상태, 즉 냉각수의 공급유량이 적을 때 종래의 이온필터에 비해 차압 발생을 크게 줄일 수 있으며, 시동 초기의 전기안전성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 연료전지 차량의 냉각수 루프를 나타내는 개략도이다.
도 2는 종래의 연료전지 차량용 냉각수 이온필터를 도시한 사시도이다.
도 3은 종래의 연료전지 차량용 냉각수 이온필터를 도시한 종단면도이다.
도 4는 종래의 연료전지 차량용 냉각수 이온필터에서 차압구간을 나타내는 도면이다.
도 5는 종래의 이온필터에서 냉각수 유량 증가에 따른 차압 증가를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이온필터의 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이온필터의 종단면도이다.
도 8은 본 발명의 이온필터와 종래의 이온필터의 차압을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 이온필터와 종래의 이온필터를 사용하였을 때 전기전도도가 감소되는 효과를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이온필터의 분해 사시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 이온필터의 종단면도이다. 도 6에서 이온수지에 대해서는 도시를 생략하였다.

또한 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이온필터와 종래의 이온필터의 차압을 비교하여 나타내는 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 이온필터에서 전기전도도의 감소 효과를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 연료전지 스택의 냉각수에서 이온을 제거하기 위한 이온필터에 관한 것으로서, 특히 차압 발생을 줄이기 위하여 이온수지가 충전된 필터부재를 냉각수가 방사방향으로 배출되는 방사 배출형으로 개선하여, 냉각수가 통과하게 되는 이온수지층 구간(차압구간임)의 길이(냉각수 통과 경로의 길이)를 축소한 것에 주된 특징이 있는 것이다.

우선, 본 발명에 따른 이온필터(100)는, 내부공간으로 냉각수가 통과하도록 냉각수가 유입되는 입구포트(120)와 냉각수가 배출되는 출구포트(130)를 가지는 하우징(110)과, 상기 하우징(110)의 내부공간에 장착되고 상기 하우징(110)의 입구포트(120)와 연통되는 내부공간에 이온수지(147)가 충전되는 이온 제거용 필터부재(140)를 포함하여 구성된다.

이때, 하우징(110)의 내부공간에서 필터부재(140)의 외측 주변으로는 출구포트(130)와 연통되는 유동실(102)이 형성되며, 이 유동실(102)은 필터부재(140)의 외측면(외주면)과 하우징(110)의 내측면 사이에 존재하는 간격에 의해 형성된다.

이러한 구조에서, 입구포트(120)를 통해 유입된 냉각수가 필터부재(140)를 통과하여 필터부재 내부의 이온수지(147)에 의해 필터링된 뒤 유동실(102)을 거쳐 출구포트(130)를 통해 최종 배출되며, 이때 유동실(102)에는 이온이 제거된 상태의 냉각수가 통과하게 된다.

바람직한 실시예에서, 상기 하우징(110)은 필터부재(140)가 넣어지고 필터링된 냉각수가 통과하는 내부공간을 형성하는 것으로, 하우징 본체(111)와 하우징 캡(112)으로 구성될 수 있으며, 필터부재(140)의 용이한 교체를 위하여 하우징 캡(112)이 하우징 본체(111)에 탈부착식으로 조립되도록 구성될 수 있다.

예컨대, 하우징 캡(112)은 하우징 본체(111)의 내부공간을 밀폐하거나 개방하기 위한 구성부로서, 하우징 본체(111)의 상단부에 형성된 플랜지에 스크류 등의 체결수단에 의해 고정될 수 있다.

이때, 하우징 캡(112)을 분리하여 열어준 상태에서 하우징 본체(111) 내에 필터부재(140)를 삽입하고, 이어 하우징 캡(112)을 닫아준 뒤 스크류 등으로 하우징 본체(111)와 하우징 캡(112)을 체결하여 서로 고정하게 된다.

도면부호 111a는 하우징 본체(111)의 플랜지에 형성된 스크류 체결홀을, 도면부호 112a는 하우징 캡(112)의 대응위치에 형성된 스크류 체결홀을 나타낸다.

상기 하우징 본체(111)의 일단부(도면상 하단부)에는 냉각수가 유입되는 입구포트(120)가 일체로 형성되고, 상기 하우징 본체(111)의 타단부(도면상 상단부)에 조립되는 하우징 캡(112)의 중앙부에는 출구포트(130)가 일체로 형성된다.

상기 입구포트(120)는 하우징 본체(111)의 일단부 중앙에 형성되어 하우징 본체 내부에 삽입된 필터부재(140)의 내부공간과 연통되는데, 입구포트(120)를 통해 유입된 냉각수가 필터부재(140)의 내부공간으로 유입된 뒤 이온수지(147)를 통과할 수 있게 되어 있다.

한편, 본 발명에서 필터부재(140)는 하우징(110) 내부 중앙에서 하우징과 동축상으로 종방향을 따라 길게 배치되며, 유입구(142)와 배출구(143)가 구비된 원통 형상의 필터프레임(141)과, 상기 필터프레임(141)의 유입구(142)에 설치되는 메쉬망(144b)과, 상기 필터프레임(141)의 배출구(143)에 설치되는 메쉬망(145)과, 상기 필터프레임(141)의 내부공간에 충전되는 이온수지(147)를 주요 구성으로 한다.

여기서, 바람직하게는 필터프레임(141)의 타단부, 즉 상기 유입구(142)의 반대쪽에 필터프레임(141)의 내부공간을 밀폐하면서 이온수지(147)의 용이한 교체를 위해 탈부착 가능하게 조립되는 필터 캡(146)이 설치될 수 있다. 상기 필터 캡(146)의 조립방식은 예시한 바와 같이 나사체결방식이 될 수 있다.

또한 상기 필터프레임(141)의 유입구(142)는 필터프레임의 일단부 중앙에서 돌출된 구조로 형성되며, 하우징 본체(111) 내측에 입구포트(120)와 연통되게 돌출 형성된 원통형의 결합부(113)에 삽입되어 결합된다.

이때, 상기 필터프레임(141)의 유입구(142)에는 냉각수는 통과시키면서 필터프레임 내부에 충전된 이온수지(147)가 누출되지 않도록 차단하는 메쉬망(144b)이 설치된다.

상기 메쉬망(144b)은 유입구(142) 내측으로 설치되어 냉각수는 통과시키면서 이온수지를 차단하기 위한 것으로, 유입구 내측에 설치된 지지체(144a,144c)에 지지되어 설치될 수 있으며, 이때 메쉬망(144b)이 개재된 상태로 지지될 수 있도록 상기 지지체(144a,144c)는 메쉬망(144b) 안쪽과 바깥쪽에 각각 설치될 수 있다.

상기 지지체(144a,144c)는 냉각수를 통과시키기 위한 다수의 홀이 형성된 구조를 가지며, 바깥쪽 지지체(144c)의 경우 유입구(142) 내측으로 끼움방식 또는 나사체결방식 등으로 고정시키는 것이 바람직하다.

또한 안쪽 지지체(144a)는 유입구(142) 내주상에 돌출 형성시킨 안착단(142a)과의 사이에 O-링(114)을 개재하여 지지시키는 것이 바람직하다.

또한 상기 필터프레임(141)의 유입구(142)를 하우징 본체(111)의 결합부(113) 내측으로 삽입함에 있어서, 필터프레임의 유입구 외주면과 하우징 본체의 결합부 내주면 사이에 O-링(114)을 개재시키는 것이 바람직하다.

결국, 필터부재(140)의 유입구(142)가 하우징(110)의 결합부(113)에 삽입되어 결합됨으로써, 하우징의 입구포트(120)를 통해 유입된 냉각수가 메쉬망(144b)을 통과하여 필터부재 내측으로 통과하게 되고, 이후 냉각수가 필터부재 내측에서 이온수지(147)를 통과하면서 필터링된 뒤 필터부재의 배출구(143)를 통해 유동실(102)로 배출될 수 있게 된다.

그리고, 필터부재(140)의 배출구(143)는 필터프레임(141)의 측면, 즉 외주면에 길이방향(종방향)을 따라 길게 형성되며, 필터프레임의 원주방향을 따라 일정 간격으로 다수개가 설치된다. 이때, 다수개의 배출구(143)가 필터부재(140)의 길이방향을 따라 나란하게 배치되는 구조가 된다.

또한 상기 배출구(143)는, 냉각수 이온 제거가 이루어지는 이온수지층에서의 필터링 구간이 충분히 확보될 수 있도록, 필터프레임(141)의 외주상에서(필터부재의 측면상에서) 냉각수가 유입되는 방향(하측에서 상방으로 유입)을 기준으로 필터프레임의 길이방향 후측부(도면상 상측부) 소정 구간에만 길게 형성된다. 예컨대 필터프레임 후측으로 전체 길이의 대략 1/2 가량의 길이를 가지도록 길게 형성될 수 있다.

만약, 배출구(143)가 필터프레임(141)의 길이방향 전측부(도면상 하측부)에 형성되는 경우, 냉각수가 충분한 이온수지층 구간을 통과하지 못하고 충분히 필터링되지 않은 채 유동실(102)로 빠져나갈 수가 있다.

또한 상기 필터프레임(141)에서 배출구(143) 내측으로는 냉각수는 통과시키면서 이온수지를 차단할 수 있는 메쉬망(145)이 설치되며, 이는 필터부재(140) 내측, 보다 명확히는 필터프레임(141) 내측의 이온수지(147)를 지지하여 충전상태가 유지되도록 하며, 이온수지를 필터프레임 내측에 가둬두는 역할을 하게 된다.

상기 배출구(143)는 이온수지(147)를 통과하여 필터링된 냉각수를 필터부재(140)의 주변으로 형성된 유동실(102)로 배출시키는 통로 역할을 하는 바, 필터프레임(141)의 외주상에 배출구(143)가 형성되는 경우 다음과 같은 이점이 있게 된다.

우선, 배출구(143)가 필터부재(140)의 측면, 즉 필터프레임(141)의 외주면상에 형성됨으로써 하우징(110)의 입구포트(120)를 통해 들어온 냉각수가 이온수지층을 통과한 뒤 유동실(102)로 배출될 때 방사방향으로 배출된다.

이때, 배출구(143)가 필터부재(140) 전체 길이의 대략 1/2 지점 후측(도면상 상측)으로 길이방향을 따라 길게 형성되므로, 본 발명의 이온필터(100)에서는, 냉각수가 하우징 일단부(입구포트)에서 반대쪽 타단부(출구포트)까지 이온수지층의 종방향 전구간을 통과하도록 된 종래의 이온필터와 비교할 때, 하우징(110)의 입구포트(120)에서 필터부재(140)의 배출구(143)까지 보다 짧은 경로의 이온수지층을 통과하게 된다.

이와 같이 본 발명의 이온필터(100)는 냉각수가 필터부재(140)의 일단부에서 필터부재의 측면으로 배출되도록 한 방사 배출형으로 구성됨으로써, 이온수지층을 통과하는 냉각수의 경로가 보다 짧아지게 되고, 이는 결국 압력 강하, 즉 차압의 발생을 개선시키게 된다.

한편, 냉각수가 필터부재(140)에서 방사상으로 배출되어 유동실(102)을 거친 뒤 하우징(110)의 출구포트(130)를 통해 배출되도록 하기 위해서는 유동실이 출구포트(130)와 연통되어야 한다.

이에 하우징 캡(112)의 내측면에는 필터부재(140)를 지지하는 복수개의 돌기부(115)가 형성되고, 돌기부(115)와 돌기부 사이를 이격시켜 냉각수가 통과되도록 한다.

상기 돌기부(115)는 필터 캡(146)의 외측면(도면상 상측면)에 접촉하여 필터부재(140)를 지지하게 되며, 이격된 돌기부(115)의 사이가 출구포트(130)로 이어지는 냉각수 통로를 형성하는 바, 유동실(102)의 냉각수가 돌기부(115) 사이를 통과하여 출구포트(130)를 통해 최종 배출될 수 있게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명의 이온필터는 이온수지가 충전된 필터부재를 냉각수가 방사방향으로 배출되는 방사 배출형으로 개선한 것에 특징이 있는 것으로, 냉각수가 통과하는 이온수지층 구간(차압구간)의 길이(냉각수 통과 경로의 길이)가 필터링 성능에 영향을 주지 않는 선에서 축소되므로, 내부에서 발생하는 차압(냉각수 압력 강하)이 감소될 수 있고, 냉각수가 원활히 통과할 수 있게 된다.

종래의 이온필터에 비해 차압이 발생하는 이온수지층 구간, 즉 차압구간의 길이가 대폭 감소되어 냉각수의 압력 강하를 크게 줄일 수 있는 바, 도 8을 참조하면, 특히 냉각수 펌프의 양정압이 낮은 상태에서, 즉 냉각수의 공급유량이 적을 때, 본 발명의 이온필터는 종래의 이온필터에 비해 차압 발생이 크게 감소됨을 알 수 있다.

또한 차압 발생이 대폭 감소되어 동일 차압 기준시 본 발명의 경우 유량이 상당한 폭으로 증가할 수 있음을 알 수 있다.

도 8의 결과에서 압력 강하는 종래의 이온필터 대비 78% 개선(100kPa@8LPM→22kPa@8LPM)되었으며, 이러한 압력 강하의 대폭적인 감소로 본 발명의 이온필터를 통과하는 최대 유량이 2.5배 증가(10LPM→25LPM)하는 것으로 확인되었다.

또한 본 발명에서와 같이 필터부재의 구조를 방사 배출형으로 개선하여 차압을 대폭 감소시키면, 이온필터 내부로의 냉각수 흐름이 원활해지므로, 이는 필터링 효율을 증가시켜 냉각수의 전기전도도를 신속히 감소시킬 수 있게 하고, 시동 초기 전기전도도 하락 속도가 낮은 종래의 문제점을 개선할 수 있게 된다.

특히, 시동 초기에는 냉각수 펌프가 고출력 운전시의 회전속도(예, 3500rpm)에 비해 저속(예, 1500rpm)으로 운전되므로, 시동 초기의 저속 구간에서는 냉각수 펌프의 양정압이 낮아서, 차압이 큰 종래의 이온필터로는 원활히 냉각수가 흐르지 않지만, 본 발명의 이온필터에서는 차압 개선 효과로 시동 초기 동일 펌프 조건에서 더욱 원활히 냉각수가 흐를 수 있고, 냉각수의 공급유량이 적은 시동 초기에 운전자의 전기안전성을 충분히 확보할 수 있게 된다.

도 9는 본 발명의 이온필터와 종래의 이온필터를 사용하였을 때 시동 초기에 전기전도도가 감소되는 효과를 나타내는 도면으로서, 동일 이온수지, 동일 펌프압, 동일 시설수를 적용하여 초기 전기전도도 120μS/cm에서 최종 전기전도도 1μS/cm 미만이 될 때까지의 시간을 측정한 결과값을 보여주고 있다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 이온필터에서는 차압 개선 효과와 더불어 전기전도도 감소 효과가 개선됨을 알 수 있으며, 시동 초기에 1μS/cm 미만의 전기전도도에 도달할 때까지 걸리는 시간이 종래의 이온필터에 비해 크게 단축됨을 알 수 있었다.

주말 등 일정 기간 차량을 주차한 후에는 냉각수 루프를 구성하는 모든 부품에서 이온 용출이 발생하여 냉각수의 전기전도도가 높아지는데(예를 들어, 0.5 ~ 2 μS/cm→5 ~ 8 μS/cm), 도 9의 결과에서 시동시 정상값(2μS/cm 미만)까지 내려오는 시간이 22%나 개선되었다(종래 539초→420초로 단축).

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

100 : 이온필터 102 : 유동실
110 : 하우징 111 : 하우징 본체
112 : 하우징 캡 115 : 돌기부
120 : 입구포트 130 : 출구포트
140 : 필터부재 141 : 필터프레임
142 : 유입구 143 : 배출구
144b : 메쉬망 145 : 메쉬망
146 : 필터 캡 147 : 이온수지

Claims (8)

1. 입구포트(120)와 출구포트(130)를 가지는 하우징(110)과;
   이온수지(147)가 충전되고, 일단부에 상기 하우징(110)의 입구포트(120)와 연통되어 냉각수가 유입되는 유입구(142)가 형성되며, 상기 이온수지(147)를 통과한 냉각수가 측면에서 방사방향으로 배출되도록 상기 측면상에 배출구(143)가 형성된 필터부재(140);
   를 포함하여 구성되되, 상기 하우징(110) 내에서 필터부재(140)의 측면 주변으로는 상기 하우징(110)의 출구포트(130)와 연통된 유동실(102)이 형성되어, 냉각수가 상기 필터부재(140)에서 배출구(143)를 통해 방사상으로 배출된 뒤 유동실(102)에서 출구포트(130)로 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 이온필터.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 필터부재(140)는 상기 하우징(110) 내부에 하우징과 동축상으로 길게 삽입되어 배치되고, 상기 배출구(143)가 형성된 필터부재 외측면과 상기 하우징 내측면 사이의 간격 형성으로 상기 유동실(102)이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 이온필터.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 필터부재(140)는,
   일단부에 상기 유입구(142)가 형성되고, 상기 측면이 되는 외주면에 상기 배출구(143)가 형성된 원통 형상의 필터프레임(141)과;
   상기 필터프레임(141)의 유입구(142)에 설치되는 메쉬망(144b)과;
   상기 필터프레임(141)의 배출구(143)에 설치되는 메쉬망(145)과;
   상기 필터프레임(141)의 내부공간에 충전되는 이온수지(147);
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 이온필터.
   
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 배출구(143)는 필터부재(140)의 측면에서 필터부재의 길이방향을 따라 길게 형성되되, 복수개의 배출구(143)가 일정 간격으로 나란하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 이온필터.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 배출구(143)는 필터부재(140)의 측면에서 냉각수가 유입되는 방향을 기준으로 길이방향 후측부 소정 구간에만 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 이온필터.
   
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 필터프레임(143)의 타단부에는 필터프레임의 내부공간을 개폐하는 필터 캡(146)이 탈부착 가능하게 조립되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 이온필터.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 하우징(110)은 상기 입구포트(120)가 형성되고 필터부재(140)가 넣어지는 하우징 본체(111)와, 상기 출구포트(130)가 형성되고 상기 하우징 본체(111)를 밀폐하는 하우징 캡(112)으로 구성되고, 상기 하우징 캡(112)이 하우징 본체(111)에 탈부착 가능하게 조립되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 이온필터.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 하우징 캡(112)의 내측면에는 필터부재(140)를 고정하여 지지하는 복수개의 돌기부(115)가 형성되고, 상기 돌기부(115) 사이에 유동실(102)과 출구포트(130)를 연통시키는 냉각수 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각수 이온필터.
   
   
   

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