KR101508569B1

KR101508569B1 - A heater in vehicle with CNT insulating layer, a apparatus exhausting waste heat in fuel cell vehicle and integrated heating system using the same

Info

Publication number: KR101508569B1
Application number: KR20080113882A
Authority: KR
Inventors: 권대복; 김스라
Original assignee: 한라비스테온공조 주식회사
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2015-04-06
Also published as: KR20100055001A

Abstract

본 발명은 차량용 전열히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 발열체를 감싸는 절연층에 탄소나노튜브(CNT)를 포함시킴으로써 정온성 및 열전도성이 크고 승온속도가 빠른 차량용 전열 히터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to an electric heater for a vehicle, and more particularly, to an electric heater for a vehicle having a high temperature and thermal conductivity and a high temperature rise rate by including carbon nanotubes (CNT) in an insulating layer surrounding the electric heater.

또한 본 발명은 상기한 차량용 전열 히터를 이용한 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치에 관한 것이다.The present invention also relates to a waste heat exhausting apparatus for a vehicle fuel cell using the above-described electric heater for a vehicle.

또한 본 발명은 상기한 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치를 이용한 통합 난방 시스템에 관한 것이다.The present invention also relates to an integrated heating system using the waste heat exhausting apparatus for a vehicle fuel cell.

PTC 소자, 카트리지 히터, 정온, 승온, 열전도, 연료전지, 폐열 PTC device, cartridge heater, constant temperature, temperature rise, heat conduction, fuel cell, waste heat

Description

탄소나노튜브 절연층 구비 차량용 전열 히터, 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치 및 이를 이용한 통합 난방 시스템{A heater in vehicle with CNT insulating layer, a apparatus exhausting waste heat in fuel cell vehicle and integrated heating system using the same}Technical Field The present invention relates to an electric heater for a vehicle having a carbon nanotube insulating layer, a waste heat exhausting device for a fuel cell for a vehicle, and an integrated heating system using the same,

통상적으로, 연료전지는 수소와 산소의 화학적 결합반응시 발생하는 전기에너지를 이용하는 형태의 전지로서, 전기화학반응에 의하여 에너지가 변환되므로 전기화학 엔진이라고 말할 수 있다. 연료전지를 사용하는 연료전지 자동차는 축전지를 이용한 전기자동차와는 달리 연료만 공급해주면 계속 주행을 할 수 있기 때문에 내연기관 자동차와 같이 사용이 편리하며, 특히 직접 수소를 연료로 사용하는 경우 완전 무공해를 이룰 수 있는 장점이 있다.Typically, a fuel cell is a type of battery that utilizes electrical energy generated during a chemical bonding reaction between hydrogen and oxygen, and is referred to as an electrochemical engine because energy is converted by an electrochemical reaction. Fuel cell vehicles using fuel cells are easy to use like internal combustion engine vehicles because they can keep running if they supply only fuel, unlike electric vehicles using batteries. Especially when using direct hydrogen as fuel, they are completely pollution-free There are advantages to be achieved.

또한, 연료전지의 에너지 변환효율은 이론적으로 80％에 이르러 내연기관이 30％를 못 미치는 것에 비하면 높은 효율로서, 전기자동차의 짧은 일 충전 주행거리와 오랜 충전시간 등의 단점을 극복할 수 있으며, 내연기관을 사용하는 하이브리드 전기자동차에서 발생하는 배기가스 배출문제를 동시에 해결할 수 있는 방안으로 제시되고 있다.In addition, the energy conversion efficiency of the fuel cell is theoretically 80%, which is less than 30% of the internal combustion engine. Thus, it can overcome shortcomings such as the short charge travel distance and the long charge time of the electric vehicle, It is suggested that the problem of exhaust gas emission occurring in a hybrid electric vehicle using an internal combustion engine can be solved at the same time.

그러나, 연료전지 자동차는 수소와 산소의 화학결합에 대한 제어가 자유롭지 못하기 때문에 시동 시에 남아있는 수소 및 산소의 결합으로 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있다.However, since the fuel cell vehicle is not free to control the chemical bond between hydrogen and oxygen, there is a drawback that the efficiency of the fuel cell vehicle deteriorates due to the combination of hydrogen and oxygen remaining at startup.

또한 브레이크 작동으로 인한 발전으로 배터리에 충전 에너지가 과잉될 경우 배터리나 기타 전장부품에 문제를 일으킬 수 있다.In addition, if the battery is charged excessively due to the braking operation, the battery or other electric components may be damaged.

따라서, 종래 차량용 전열 히터를 통하여 냉각수로 폐열을 버림으로써 연료전지 스택(stack)의 잔류 가스를 제거하여 연료전지의 반응성을 향상시키며, 배터리의 과잉 충전을 방지하여 전장기기를 보호하려는 시도가 있어왔다.Accordingly, attempts have been made to remove the residual gas from the fuel cell stack by discarding the waste heat as cooling water through the conventional electric heater for vehicle to improve the reactivity of the fuel cell, and to prevent the overcharging of the battery to protect the electric equipment .

그러나, 차량용 전열 히터로 니크롬선을 이용한 카트리지 히터를 사용할 경우 제어가 어려워 과열의 우려가 있고, 또한 고전압에 따른 절연 문제가 발생 우려가 있다.However, when a cartridge heater using a nichrome wire is used as an electric heater for a vehicle, it is difficult to control and there is a fear of overheating and there is a possibility that insulation problem due to high voltage may occur.

한편, 차량용 전열 히터로 PTC 소자를 이용한 PTC 히터를 사용할 경우 승온속도가 느린 문제점이 있다. 또한, PTC 히터의 경우 방열 조건이 좋지 않을 경우 전기적 문제가 발생하여 히터가 장애를 일으킬 우려가 있다.On the other hand, when a PTC heater using a PTC element is used as an electric heater for a vehicle, there is a problem that the heating rate is slow. In case of the PTC heater, if the heat radiation condition is poor, there is an electric problem, which may cause the heater to fail.

본 발명은 승온속도가 빠르고 정온성이 우수하여 불필요한 전력을 감소시킬 수 있는 차량용 전열 히터를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide an electric heater for a vehicle which can speed up a heating rate and is excellent in constant temperature so that unnecessary electric power can be reduced.

본 발명은 차량용 전열 히터를 통해 전류를 소진하여 연료전지 스택(stack)을 보호하는 폐열 소진 장치에 정온성 및 열전도성이 크고 승온 속도가 빠른 전열 히터를 사용함으써 과열의 우려가 없고 고전압에 따른 절연 문제가 발생 우려가 없는 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치를 제공하고자 한다.The present invention uses an electrothermal heater having a high temperature and high thermal conductivity and a high heating rate in a waste heat exhaust device for protecting a fuel cell stack by exhausting a current through an electric heater for a vehicle, so there is no fear of overheating, The present invention provides a waste heat exhausting apparatus for a fuel cell for a vehicle in which no insulation problem is likely to occur.

또한, 본 발명은 상기 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치와 차량 난방용 열교환기를 구비함으로써 선택적으로 폐열 소진 장치로부터 발생된 열을 차량 난방용으로 사용할 수 있는 통합 난방 시스템을 제공하고자 한다. In addition, the present invention provides an integrated heating system capable of selectively using heat generated from a waste heat exhausting apparatus for vehicle heating by having a waste heat exhausting apparatus for a vehicle fuel cell and a heat exchanger for vehicle heating.

본 발명은 전기 발열체(100); 상기 전기 발열체(100)를 감싸 외부와 절연시키는 절연층(200); 을 포함하는 차량용 전열히터에 있어서, 상기 절연층(200)은 탄소나노튜브(CNT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 절연층 구비 차량용 전열 히터에 관한 것이다.The present invention relates to an electric heating element (100); An insulating layer 200 covering the electric heating body 100 and insulating the electric heating body 100 from the outside; The present invention relates to an automotive heat transfer heater for a vehicle having a carbon nanotube insulating layer, wherein the insulating layer includes carbon nanotubes (CNTs).

본 발명에 있어서, 상기 전기 발열체(100)는, 통형상의 튜브(110); 길이방향을 따라 다수개의 관통홀(120-1)이 형성되고 상기 튜브(110)에 끼워지는 가이드판(120); 상기 관통홀(120-1)에 끼워지는 PTC 소자(130); 상기 튜브(110)에 끼우져 상기 가이드판(120)의 일측면에 배치되어 상기 PTC소자(130)에 통전되는 양 극 전극판(140); 상기 튜브(110)에 끼워져 상기 가이드판(120)의 타측면에 배치되어 상기 PTC소자(130)에 통전되는 음극 전극판(150); 을 포함하기도 한다.In the present invention, the electric heating element 100 includes a tubular tube 110; A guide plate 120 formed with a plurality of through holes 120-1 along the longitudinal direction and fitted into the tube 110; A PTC device 130 fitted in the through hole 120-1; A positive electrode plate 140 disposed on one side of the guide plate 120 and connected to the tube 110 to be energized to the PTC device 130; A cathode electrode plate (150) fitted to the tube (110) and disposed on the other side of the guide plate (120) to energize the PTC element (130); .

본 발명에 있어서, 상기 전기 발열체(100)는 니크롬선(1100)일 수 있다.In the present invention, the electric heating body 100 may be a nichrome wire 1100.

한편, 본 발명은 연료전지 스택(stack)(2100); 상기 연료전지 스택(2100)으로부터 전원을 공급받는 배터리(2200); 일측에 냉각수 유입구(2311)가 형성되고 타측에 냉각수 유출구(2312)가 형성되는 케이스(2310)와, 상기 케이스(2310) 내부에 설치되며 상기 배터리(2200)에 연결되는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 차량용 전열 히터(2320)를 포함하는 폐열 소진부(2300); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치에 관한 것이다.Meanwhile, the present invention includes a fuel cell stack 2100; A battery 2200 supplied with power from the fuel cell stack 2100; A case 2310 in which a cooling water inlet 2311 is formed at one side and a cooling water outlet 2312 is formed at the other side and a case 2310 is provided inside the case 2310 and connected to the battery 2200, A waste heat exhausting part 2300 including the vehicle heat transfer heater 2320; To a waste heat exhausting apparatus for a vehicle fuel cell.

또한, 본 발명은 상기 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치; 상기 연료전지 스택(2100)에서 유출된 냉각수가 유입되도록 제1 순환라인(L1)에 의해 상기 연료전지 스택(2100)에 연결되는 방열기(2400); 상기 방열기(2400)에서 유출된 냉각수가 상기 케이스(2310)에 유입되도록 상기 방열기(2400)와 상기 냉각수 유입구(2311)를 연결하는 제2 순환라인(L2); 상기 케이스(2310)에서 유출된 냉각수가 상기 연료전지 스택(2100)에 유입되도록 상기 냉각수 유출구(2312)와 상기 연료전지 스택(2100)을 연결하는 제3 순환라인(L3); 일측단이 방향 전환 밸브(V)에 의하여 상기 제1 순환라인(L1)에 연결되고 타측단이 상기 제2 순환라인(L2)에 연결되는 바이패스라인(BL) 상에 설치되는 차량 난방용 열교환기(2500); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치를 이용한 통합 난방 시스템에 관한 것이다.The present invention also relates to a waste heat exhausting apparatus for a vehicle fuel cell, A radiator (2400) connected to the fuel cell stack (2100) by a first circulation line (L1) so that cooling water flowing out from the fuel cell stack (2100) flows; A second circulation line L2 connecting the radiator 2400 and the cooling water inlet 2311 so that the cooling water flowing out of the radiator 2400 flows into the case 2310; A third circulation line L3 connecting the cooling water outlet 2312 and the fuel cell stack 2100 so that the cooling water flowing out of the case 2310 flows into the fuel cell stack 2100; (BL), one end of which is connected to the first circulation line (L1) by a direction switching valve (V) and the other end is connected to the second circulation line (L2) (2500); The present invention relates to an integrated heating system using a waste heat exhausting apparatus for a vehicle fuel cell.

본 발명은 절연층에 탄소나노튜브(CNT)를 포함시킴으로써 승온속도가 빠르고 정온성이 우수하여 불필요한 전력을 감소시킬 수 있다.By including carbon nanotubes (CNTs) in the insulating layer, unnecessary power can be reduced because the rate of temperature rise is high and the constant temperature is excellent.

본 발명은 정온성이 뛰어나므로 온도제어가 용이한 장점이 있다.The present invention is advantageous in that temperature control is easy because of its excellent constant temperature characteristics.

본 발명은 절연층에 탄소나노튜브(CNT)를 포함시킴으로써 열전도 효율이 커서 과열의 우려가 없고, 고전압에 따른 절연 문제가 발생 우려가 없게 되는 장점이 있다.In the present invention, by including carbon nanotubes (CNTs) in the insulating layer, there is no fear of overheating due to a high heat conduction efficiency, and there is no fear of insulation problem due to high voltage.

이하, 도면을 참조하며 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

실시예1Example 1

실시예1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 절연층 구비 차량용 전열 히터에 관한 것이다.Example 1 relates to an automotive electrothermal heater having a carbon nanotube insulating layer according to the present invention.

도1은 실시예1의 주요부의 단면도를, 도2는 실시예1의 전기 발열체의 분해 사시도를 나타낸다.Fig. 1 is a cross-sectional view of the main part of the first embodiment, and Fig. 2 is an exploded perspective view of the electric heating element of the first embodiment.

도1을 참조하면 실시예1은 전기 발열체(100)를 가진다.Referring to FIG. 1, Embodiment 1 has an electric heating body 100.

도2를 참조하면 전기 발열체(100)는 튜브(110)를 가진다. 튜브(110)는 적어도 내벽층이 절연재로 이루어진다. 튜브(110)는 사각통형상으로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 2, the electric heating body 100 has a tube 110. At least the inner wall layer of the tube 110 is made of an insulating material. The tube 110 may have a rectangular tube shape.

도2를 참조하면 전기 발열체(100)는 가이드판(120)을 가진다. 가이드판(120)에는 길이방향을 따라 다수개의 관통홀(120-1)이 형성된다. 가이드판(120)은 튜브(110)에 끼워진다.Referring to FIG. 2, the electric heating body 100 has a guide plate 120. A plurality of through holes 120-1 are formed in the guide plate 120 along the longitudinal direction. The guide plate 120 is fitted into the tube 110.

도2를 참조하면 각각의 관통홀(120-1)에는 끼워지는 PTC 소자(130)가 끼워진다.Referring to FIG. 2, a PTC element 130 fitted in each through hole 120-1 is fitted.

도2를 참조하면 전기 발열체(100)는 양극 전극판(140) 및 음극 전극판(150)을 가진다. 양극 전극판(140)은 튜브(110)에 끼우져 가이드판(120)의 좌측에 배치되는데, 좌측면이 튜브(110)의 내벽에 접촉하고 우측면이 PTC 소자(130)에 통전되도록 접촉한다. 마찬가지로 음극 전극판(140)은 튜브(110)에 끼워져 가이드판(120)의 우측에 배치되는데, 우측면이 튜브(110)의 내벽에 접촉하고 좌측면이 PTC 소자(130)에 통전되도록 접촉한다.Referring to FIG. 2, the electric heating element 100 has an anode electrode plate 140 and a cathode electrode plate 150. The anode electrode plate 140 is disposed on the left side of the guide plate 120 with the tube 110 interposed therebetween. The left side surface contacts the inner wall of the tube 110 and the right side surface contacts the PTC element 130. The cathode electrode plate 140 is inserted into the tube 110 and disposed on the right side of the guide plate 120. The cathode electrode plate 140 contacts the inner wall of the tube 110 and the left side contacts the PTC element 130.

도2를 참조하면 양극 전극판(140) 및 음극 전극판(150)에는 양극 단자(140-1) 및 음극 단자(150-1)가 돌출 형성된다. 도1을 참조하면 양극 단자(140-1) 및 음극 단자(150-1)가 전선(w)을 통하여 전원공급원 연결됨으로써 PTC 소자(130)에 전원이 공급된다.Referring to FIG. 2, a positive electrode terminal 140-1 and a negative electrode terminal 150-1 protrude from the anode electrode plate 140 and the cathode electrode plate 150, respectively. Referring to FIG. 1, a positive terminal 140-1 and a negative terminal 150-1 are connected to a power supply source through a wire w, thereby supplying power to the PTC device 130.

도1을 참조하면 실시예1은 절연층(200)을 가진다. 절연층(200)은 전기 발열체(100)를 감싸 외부와 절연시키는 피복층이다.Referring to FIG. 1, the first embodiment has an insulating layer 200. The insulating layer 200 is a covering layer which surrounds the electric heating element 100 and insulates it from the outside.

실시예1의 경우 절연층(200)은 통상의 절연재료 외에 탄소나노튜브(CNT)를 포함한다.In the case of Embodiment 1, the insulating layer 200 includes carbon nanotubes (CNTs) in addition to ordinary insulating materials.

1985년 축구공 모양을 가진 탄소 분자 C60(탄소원자 60개가 모인 것 : 풀러린)가 처음 발견된 이래 세계의 많은 연구소에서는 새로운 구조의 탄소를 합성하기 위한 연구가 진행되었고, 일본전기회사(NEC) 부설연구소의 이지마박사는 이러한 연구에 골몰하던 중 1991년에 우연히 가늘고 긴 대롱 모양의 탄소구조가 형성된 것을 전자현미경을 통해 확인하였고 이 사실을 세계적인 과학학술지인 Nature에 보고하였는데, 이것이 탄소나노튜브의 시작이었다. 탄소나노튜브에서 하나의 탄소원자는 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 있고 육각형 벌집 무늬를 이룬다. 만약 평평한 종이 위에 이러한 벌집 무늬를 그린 후 종이를 둥글게 말면 나노튜브 구조가 된다. 즉 나노튜브 하나는 속이 빈 튜브 혹은 실린더와 같은 모양을 갖고 있다. 이것을 나노튜브라고 부르는 이유는 그 튜브의 직경이 보통 1나노미터(10억분의 1미터) 정도로 극히 작기 때문이다. 종이에 벌집 무늬를 그리고 둥글게 말면 나노튜브가 되는데 이때 종이를 어느 각도로 말 것인가에 따라서 탄소나노튜브는 금속과 같은 전기적 도체(Armchair 구조)가 되기도 하고 반도체(Zigzag 구조)가 되기도 한다. 또한 말린 형태에 따라서 단중벽 나노튜브(Single-wallNanotube), 다중벽 나노튜브(Multi-wall Nanotube), 다발형 나노튜브(Rope Nanotube)로 구분하기도 한다.Since the first discovery of the soccer ball-shaped carbon molecule C60 (60 carbon atoms: fullerenes) in 1985, many research institutes around the world have conducted research to synthesize new structures of carbon, Dr. Ijima of the Institute confirmed the formation of a thin, long, long-walled carbon structure in 1991 during the course of his research, and reported this fact to the world scientific journal Nature, which was the start of carbon nanotubes . In carbon nanotubes, one carbon atom is bonded to three different carbon atoms and forms a hexagonal honeycomb pattern. If the honeycomb pattern is drawn on a flat paper and the paper is rounded, the structure becomes a nanotube. That is, one nanotube has the shape of a hollow tube or cylinder. This is called nanotubes because the diameter of the tube is usually very small, about 1 nanometer (one billionth of a meter). When a honeycomb pattern is formed on a paper, the nanotube becomes a nanotube. At this time, depending on the angle of the paper, the carbon nanotube may be an electrical conductor such as a metal (armchair structure) or a semiconductor (a zigzag structure). It is also classified into single-wall nanotubes, multi-wall nanotubes, and multiple nanotubes depending on the type of the dried nanotube.

이러한 탄소나노튜브는 높은 길이/직경 비를 가지고 있어 단위면적당 표면적이 매우 크고 물리적으로는 강철의 약 100배에 달하는 강도를 지니면서 화학적으로 도 안정한 특성을 지닌다. 특히, 탄소나노튜브는 지구상에 존재하는 물질 중 상온에서 열전도도가 가장 높은 다이아몬드(33.3W/cm K)보다도 더 큰 열전도도(20~66W/cm K)를 가지고 있다고 보고되어지고 있으며 일반적으로 방열판에 사용되어지는 알루미늄(0.243W/cm K)이나 구리(4.01W/cm K)에 비해 수십에서 수백배의 열전도도를 가진다. 따라서, 상술한 바와 같이 표면적과 열전도도가 기존의 재료에 비해 매우 큰 탄소나노튜브를 절연층에 포함시킬 경우 획기적으로 열전도 효율을 높일 수 있다. 또한, 이러한 탄소나노튜브는 절연성이 좋다는 것이 보고되고 있다.These carbon nanotubes have a high length / diameter ratio and thus have a very large surface area per unit area, a physical strength of about 100 times that of steel, and a chemically stable characteristic. In particular, carbon nanotubes have been reported to have higher thermal conductivity (20-66 W / cm K) than diamonds (33.3 W / cm K), which have the highest thermal conductivity at room temperature among the substances present on the earth, Has a thermal conductivity of tens to hundreds of times that of aluminum (0.243 W / cm K) or copper (4.01 W / cm K). Therefore, as described above, when the carbon nanotubes having a surface area and a thermal conductivity higher than those of conventional materials are included in the insulating layer, the heat conduction efficiency can be remarkably increased. It has also been reported that such carbon nanotubes have good insulating properties.

도3의 (a)는 절연층에 탄소나노튜브를 포함하지 않는 기존의 차량용 전열히터와 실시예1의 차량용 전열히터의 승온 속도를 비교한 그래프이고, 도3의 (b)는 절연층에 탄소나노튜브를 포함하지 않는 기존의 차량용 전열히터와 실시예1의 차량용 전열히터의 열효율을 비교한 그래프이다.FIG. 3 (a) is a graph comparing the temperature raising rates of a conventional electric heater for a vehicle, which does not include carbon nanotubes in the insulating layer, and an electric heater for a vehicle of Example 1. FIG. 3 (b) FIG. 3 is a graph comparing the thermal efficiency of an existing vehicle electric heater not including the nanotube and the electric heater of the first embodiment. FIG.

도3의 (a)를 참조하면 실시예1의 차량용 전열히터는 기존의 차량용 전열히터에 비하여 승온 시간이 현저히 줄어듦을 알 수 있다.Referring to FIG. 3 (a), it can be seen that the heat transfer time of the vehicle according to the first embodiment is significantly reduced as compared with the conventional heat transfer heater for a vehicle.

도3의 (b)를 참조하면 실시예1의 차량용 전열히터는 기존의 차량용 전열히터에 비하여 시간에 따른 열효율 변화가 거의 없고, 또한 열효율이 큰 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3 (b), it can be seen that the vehicle heat transfer heater according to the first embodiment has substantially no thermal efficiency change over time and has a higher thermal efficiency than the conventional heat transfer heater for a vehicle.

따라서, 실시예1은 승온 속도가 빠르고, 정온성이 우수하여 불필요한 전력손실을 감소시킬 수 있다. 특히, 실시예1은 정온성이 뛰어나므로 장시간 일정온도를 필요로 하는 발열체로서 널리 사용이 가능한 장점이 있다.Therefore, Embodiment 1 has a high rate of temperature rise and is excellent in constant temperature, so that unnecessary power loss can be reduced. Particularly, the first embodiment is advantageous in that it can be widely used as a heating element requiring a constant temperature for a long time because of its excellent constant temperature characteristics.

실시예2Example 2

실시예2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 절연층 구비 차량용 전열 히터에 관한 것이다.Embodiment 2 relates to an electric heater for a vehicle having a carbon nanotube insulating layer according to the present invention.

실시예2는 카트리지 히터에 있어서 절연층에 탄소나노튜브가(CNT) 포함된 것이다.In the second embodiment, the carbon nanotube (CNT) is included in the insulating layer in the cartridge heater.

도4는 실시예2의 개략적 구성도를 나타낸다.Fig. 4 shows a schematic configuration diagram of the second embodiment.

도4를 참조하면 실시예2는 중공관체인 절연층(1200)을 가진다. 절연층(1200)에는 통상의 절연재 외에 탄소나노튜브(CNT)가 포함된다.Referring to FIG. 4, the second embodiment has an insulating layer 1200 as a hollow tube. The insulating layer 1200 includes carbon nanotubes (CNTs) in addition to ordinary insulating materials.

도4를 참조하면 실시예2는 절연층(1200) 내부에는 소정의 온도를 발산하는 니크롬선(1100)이 내설된다. 니크롬선(1100)에는 전원을 공급하는 전선(w)이 연결된다.Referring to FIG. 4, in the second embodiment, a nichrome wire 1100 that emits a predetermined temperature is placed inside the insulating layer 1200. A wire (w) for supplying power is connected to the nichrome wire (1100).

실시예2는 실시예1과 마찬가지로 절연층(1200)에 탄소나노튜브(CNT)가 포함되어 있으므로, 정온성이 좋고 승온 속도가 빠른 장점이 있다.In the second embodiment, carbon nanotubes (CNTs) are included in the insulating layer 1200 as in the first embodiment.

실시예3Example 3

실시예3은 본 발명에 따른 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치에 관한 것이다.Embodiment 3 relates to a waste heat exhausting apparatus for a fuel cell for a vehicle according to the present invention.

도5은 실시예3의 개략적 구성도를 나타낸다.Fig. 5 shows a schematic configuration diagram of the third embodiment.

도5를 참조하면 실시예3은 연료전지 스택(2100), 배터리(2200) 및 폐열 소진부(2300)를 포함한다.Referring to FIG. 5, the third embodiment includes a fuel cell stack 2100, a battery 2200, and a waste heat exhausting part 2300.

도5를 참조하면 연료전지 스택(stack)(2100)에는 배터리(2200)가 연결되고, 배터리(2200)에는 폐열 소진부(2300)가 연결된다.Referring to FIG. 5, a battery 2200 is connected to a fuel cell stack 2100, and a waste heat exhausting unit 2300 is connected to a battery 2200.

도5를 참조하면 폐열 소진부(2300)는 케이스(2310), 차량용 전열 히터(2320)를 가진다. 케이스(2310)는 일측에 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구(2311)가 형성되고 타측에 냉각수가 유출되는 냉각수 유출구(2312)가 형성된다.Referring to FIG. 5, the waste heat exhausting part 2300 has a case 2310 and an automotive heat transfer heater 2320. The case 2310 has a cooling water inlet 2311 through which cooling water flows into the one side and a cooling water outlet 2312 through which the cooling water flows out from the other side.

차량용 전열 히터(2320)는 케이스(2310) 내부에 고정 설치된다. 차량용 전열 히터(2320)는 실시예1 또는 실시예2의 차량용 전열 히터이다.The vehicle heat transfer heater 2320 is fixedly installed inside the case 2310. The vehicle electric heater 2320 is the vehicle electric heater according to the first or second embodiment.

연료전지 자동차의 경우 연료전지 스택(stack)에 남아있는 잔류가스로 인해 시동시 효율이 떨어지고, 발전에 의한 배터리 충전에서 전기충전이 과잉될 경우 전장부품에 문제를 일으키게 된다. 이를 해결하기 위해서는 차량용 전열히터를 통해 전류를 소진함으로써 연료전지 스택(stack)을 보호하여야 한다.In the case of a fuel cell vehicle, the residual gas remaining on the fuel cell stack lowers the efficiency at the start-up, and if the electric charge is excessive in the battery charging due to the power generation, the electric component becomes a problem. In order to solve this problem, the fuel cell stack must be protected by exhausting the current through the vehicle electric heater.

그런데, 차량용 전열 히터로서 종래의 카트리지 히터를 사용할 경우 온도 제어가 어려워 과열의 우려가 있고, 고전압에 따른 절연 문제가 발생 우려가 있으나, 실시예1 또는 실시예2의 차량용 전열히터(2320)를 사용함으로써 승온속도가 빠르고 열전도 효율이 좋으며, 정온성이 뛰어나 온도제어가 용이하므로 이러한 문제점이 발생하지 않게 된다.However, when a conventional cartridge heater is used as an electric heater for a vehicle, temperature control is difficult and there is a fear of overheating and insulation problem due to high voltage. However, the use of the vehicle electric heater 2320 of Embodiment 1 or Embodiment 2 The temperature rise rate is high, the heat conduction efficiency is good, and the temperature control is easy because the excellent constant temperature property is not caused.

실시예4Example 4

실시예4는 실시예3의 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치를 이용한 통합 난방 시스템에 관한 것이다.The fourth embodiment relates to an integrated heating system using the waste heat exhausting apparatus for a vehicle fuel cell according to the third embodiment.

도6은 실시예4의 구성도를 나타낸다.Fig. 6 shows the configuration of the fourth embodiment.

도6을 참조하면 실시예4는 실시예3에서 설명한 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치를 가진다. 상기한 바와 같이 상기 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치는 연료전지 스택(2100), 배터리(2200) 및 폐열 소진부(2300)를 가진다.Referring to Fig. 6, the fourth embodiment has the waste heat exhausting device for a fuel cell for a vehicle described in the third embodiment. As described above, the waste heat exhausting apparatus for a vehicle fuel cell has a fuel cell stack 2100, a battery 2200, and waste heat exhausting section 2300.

도6을 참조하면 상기 연료전지 스택(2100)에는 방열기(2400)가 연결된다. 방 열기(2400)는 연료전지 스택(2100)에서 유출된 냉각수에 저장된 열을 외부에 방출하기 위한 것으로 제1 순환라인(L1)에 의해 연료전지 스택(2100)에 연결된다.Referring to FIG. 6, a radiator 2400 is connected to the fuel cell stack 2100. The radiator 2400 is connected to the fuel cell stack 2100 by a first circulation line L1 for discharging the heat stored in the cooling water flowing out of the fuel cell stack 2100 to the outside.

도6을 참조하면 방열기(2400)와 폐열 소진부(2300)는 제2 순환라인(L2)에 의하여 상호 연결된다. 즉, 도5를 함께 참조하면 제2 순환라인(L2)은 일측단이 방열기(2400)에 연결되고, 타측단이 케이스(2310)의 냉각수 유입구(2311)에 연결된다. 제2 순환라인(L2)을 통하여 방열기(2400)에서 유출된 냉각수가 폐열 소진부(2300)의 케이스(2310)에 유입된다.Referring to FIG. 6, the radiator 2400 and the waste heat exhausting part 2300 are interconnected by a second circulation line L2. 5, the second circulation line L2 has one end connected to the radiator 2400 and the other end connected to the cooling water inlet 2311 of the case 2310. In other words, The cooling water flowing out of the radiator 2400 through the second circulation line L2 flows into the case 2310 of the waste heat exhaustion part 2300. [

도6을 참조하면 폐열 소진부(2300)와 연료전지 스택(2100)은 제3 순환라인(L3)에 의하여 상호 연결된다. 즉, 도5를 함께 참조하면 제3 순환라인(L3)은 일측단이 케이스(2310)의 냉각수 유출구(2312)에 연결되고, 타측단이 연료전지 스택(2100)에 연결된다. 제3 순환라인(L3)을 통하여 폐열 소진부(2300)의 케이스(2310)에서 유출된 냉각수가 연료전지 스택(2100)에 유입된다.Referring to FIG. 6, the waste heat exhaust part 2300 and the fuel cell stack 2100 are interconnected by a third circulation line L3. 5, the third circulation line L3 has one end connected to the cooling water outlet 2312 of the case 2310 and the other end connected to the fuel cell stack 2100. The cooling water flowing out from the case 2310 of the waste heat exhaustion part 2300 flows into the fuel cell stack 2100 through the third circulation line L3.

도6을 참조하면 제2 순환라인(L2) 상에는 제2 순환라인(L2)을 통하여 흐르는 냉각수의 유로를 전환하기 위한 방향 전환 밸브(V)가 구비된다.Referring to FIG. 6, a direction switching valve V for switching the flow path of cooling water flowing through the second circulation line L2 is provided on the second circulation line L2.

도6을 참조하면 방향 전환 밸브(V)에는 바이패스라인(BL)의 일측단이 연결된다. 바이패스라인(BL) 상에는 차량 난방용 열교환기(2500)가 설치되는데, 바이패스라인(BL)의 타측단은 제2 순환라인(L2)에 연결된다. 차량 난방용 열교환기(2500)는 통상적인 차량 공조덕트에 설치되는 난방용 열교환기일 수 있다.Referring to FIG. 6, one end of the bypass line BL is connected to the directional control valve V. On the bypass line BL, a vehicle heating heat exchanger 2500 is installed, and the other end of the bypass line BL is connected to the second circulation line L2. The vehicle heating heat exchanger 2500 may be a heating heat exchanger installed in a conventional vehicle air conditioning duct.

즉, 방향 전환 밸브(V)의 조작에 따라 연료전지 스택(2100)으로부터 유출된 냉각수가 방열기(2400) 또는 차량 난방용 열교환기(2500)를 선택적으로 통과하게 된다.That is, the cooling water flowing out of the fuel cell stack 2100 selectively passes through the radiator 2400 or the vehicle heating heat exchanger 2500 according to the operation of the directional valve V.

도7은 실시예4의 작동도를 나타낸다.Fig. 7 shows an operation diagram of the fourth embodiment.

도7을 참조하면 차량을 시동할 것인지를 결정하여(S10), 시동할 것으로 결정되면 배터리(2200)의 잔존 용량을 체크하게 된다(S11). 배터리(2200, 도6 참조)의 잔존 용량이 충분하다고 판단되면(S12) 연료전지 스택(2100)의 작동 및 차량용 전열히터(2320)의 전기발열체의 가동을 중단하고(S13), 차량을 구동한다(S14).Referring to FIG. 7, it is determined whether to start the vehicle (S10). If it is determined to start the vehicle, the remaining capacity of the battery 2200 is checked (S11). When it is determined that the remaining capacity of the battery 2200 (see FIG. 6) is sufficient (S12), the operation of the fuel cell stack 2100 and the operation of the electric heating element of the vehicle electric heater 2320 are stopped (S13) (S14).

이어서, 차량 난방용 열교환기(2500)를 구동할 것인지를 판단하여(S15), 차량 난방용 열교환기(2500)를 구동할 것으로 판단되면 연료전지 스택(2100)을 가동하며 배터리(2200)를 충전하게 된다(S16).Then, it is determined whether the vehicle heating heat exchanger 2500 is to be driven (S15). If it is determined that the vehicle heating heat exchanger 2500 is to be driven, the fuel cell stack 2100 is operated to charge the battery 2200 (S16).

연료전지 스택(2100)이 가동되며 배터리(2200)가 충전되면 배터리(2200)의 잔존 용량을 체크하여(S17), 연료전지 스택(2100)에 잉여 전력이 발생했는지 판단하게 된다(S18).When the fuel cell stack 2100 is activated and the battery 2200 is charged, the remaining capacity of the battery 2200 is checked (S17), and it is determined whether surplus electric power is generated in the fuel cell stack 2100 (S18).

S18에서 잉여 전력이 발생된 것으로 판단되면 차량용 전열히터(2320)의 전기발열체를 구동하게 된다(S19). 차량용 전열히터(2320)의 전기발열체가 구동됨에 따라 차량 운전 중 연료전지 스택(2100)을 보호할 수 있게 된다.If it is determined that surplus electric power is generated in S18, the electric heating element of the vehicle electric heater 2320 is driven (S19). It is possible to protect the fuel cell stack 2100 during vehicle operation as the electric heating element of the vehicle electric heater 2320 is driven.

차량용 전열히터(2320)의 전기발열체가 구동하게 되면 케이스(2310) 내로 유입되는 냉각수의 온도가 소정 온도 이상인지 판단하여(S21), 소정 온도 이상으로 판단되면 차량용 전열히터(2320)의 전기발열체의 가동을 정지하게 된다(S21). 케이스(2310) 내로 유입되는 냉각수의 온도가 소정 온도 이상인 경우 냉각수가 폐열 소진부(2300)로부터 발생되는 열을 회수할 수 없기 때문에 차량용 전열히터(2320)의 전기발열체의 가동을 정지하게 된다.When the electric heating element of the vehicle electric heater 2320 is driven, it is determined whether the temperature of the cooling water flowing into the case 2310 is equal to or higher than a predetermined temperature (S21). If it is determined that the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, The operation is stopped (S21). When the temperature of the cooling water flowing into the case 2310 is equal to or higher than the predetermined temperature, the cooling water can not recover the heat generated from the waste heat exhaustion part 2300, thus stopping the operation of the electric heating element of the vehicle electric heater 2320.

한편, S12에서 배터리(2200, 도6 참조)의 잔존 용량이 충분하지 않다고 판단되면 차량용 전열히터(2320)의 전기발열체를 가동하게 된다(S22). 이에 따라 연료전지 스택(2100)이 일정 온도 이상으로 상승되어 연료전지 스택(2100) 가동시 연료전지 스택(2100)의 반응성이 향상된다.On the other hand, if it is determined in S12 that the remaining capacity of the battery 2200 (see Fig. 6) is insufficient, the electric heating element of the vehicle electric heater 2320 is activated (S22). Accordingly, the fuel cell stack 2100 is raised above a predetermined temperature to improve the reactivity of the fuel cell stack 2100 when the fuel cell stack 2100 is operated.

S22에서 차량용 전열히터(2320)의 전기발열체가 가동되면 연료전지 스택(2100)을 가동하며 배터리(2200)를 충전한다. 이어서 S11이하의 단계를 계속하여 수행하게 된다.When the electric heating element of the vehicle electric heater 2320 is activated in S22, the fuel cell stack 2100 is operated to charge the battery 2200. [ Subsequently, the steps S11 and subsequent steps are continuously performed.

한편, S15에서 차량 난방용 열교환기(2500)를 구동하지 않을 것으로 판단하면 배터리(2200)의 잔존 용량를 체크하여(S24), 배터리(2200)의 잔존 용량이 충분한지를 판단하게 된다(S25). 배터리(2200)의 잔존 용량이 충분한 것으로 판단되면 S15이하의 단계를 계속하여 수행하고, 배터리(2200)의 잔존 용량이 충분하지 않은 것으로 판단되면 S16이하의 단계를 계속하여 수행한다.If it is determined in S15 that the vehicle heating heat exchanger 2500 is not to be driven, the remaining capacity of the battery 2200 is checked (S24), and it is determined whether the remaining capacity of the battery 2200 is sufficient (S25). If it is determined that the remaining capacity of the battery 2200 is sufficient, steps S15 and subsequent steps are continuously performed. If it is determined that the remaining capacity of the battery 2200 is not sufficient, steps S16 and subsequent steps are continuously performed.

도1은 실시예1의 주요부의 단면도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig.

도2는 실시예1의 전기 발열체의 분해 사시도.2 is an exploded perspective view of the electric heating element of Embodiment 1. Fig.

도3의 (a)는 절연층에 탄소나노튜브를 포함하지 않는 기존의 차량용 전열 히터와 실시예1의 차량용 전열히터의 승온 속도를 비교한 그래프.FIG. 3 (a) is a graph comparing the temperature raising speeds of a conventional electric heater for a vehicle, which does not include carbon nanotubes in an insulating layer, and an electric heater for a vehicle of Example 1. FIG.

도3의 (b)는 절연층에 탄소나노튜브를 포함하지 않는 기존의 차량용 전열히터와 실시예1의 차량용 전열히터의 열효율을 비교한 그래프.Fig. 3 (b) is a graph comparing the thermal efficiency of a conventional electric heater for a vehicle, which does not include carbon nanotubes in an insulating layer, and an electric heater for a vehicle of the first embodiment.

도4는 실시예2의 개략적 구성도.4 is a schematic structural view of Embodiment 2. Fig.

도5은 실시예3의 개략적 구성도.5 is a schematic configuration diagram of Embodiment 3. Fig.

도6은 실시예4의 구성도.6 is a configuration diagram of the fourth embodiment.

도7은 실시예4의 작동도.7 is an operational view of Embodiment 4. Fig.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>Description of the Related Art

100:전기 발열체 110:튜브100: electric heating element 110: tube

120:가이드판 120-1:관통홀120: guide plate 120-1: through hole

130:PTC 소자130: PTC element

140:양극 전극판 140-1:양극 단자140: anode electrode plate 140-1: anode terminal

150:음극 전극판 150-1:음극 단자150: cathode electrode plate 150-1: cathode terminal

w:전선 200:절연층w: electric wire 200: insulating layer

1100:니크롬선 1200:절연층1100: Nichrome wire 1200: Insulating layer

2100:연료전지스택 2200:배터리2100: Fuel cell stack 2200: Battery

2300:폐열 소진부 2310:케이스2300: waste heat exhaust part 2310: case

2311:냉각수 유입공 2312:냉각수 유출공2311: Cooling water inflow ball 2312: Cooling water inflow ball

2320:차량용 전열 히터2320: Heater for vehicles

2400:방열기 2500:차량 난방용 열교환기2400: Radiator 2500: Heat exchanger for vehicle heating

Claims

전기 발열체(100);An electric heating body (100);

상기 전기 발열체(100)의 모든 구성요소를 감싸서 외부와 절연시키는 절연층(200);을 포함하는 차량용 전열히터에 있어서,And an insulating layer (200) for covering all the components of the electric heating body (100) and insulating the outside from the outside,

상기 전기 발열체(100)는,The electric heating element (100)

통형상의 튜브(110);A tubular tube 110;

길이방향을 따라 다수개의 관통홀(120-1)이 형성되고 상기 튜브(110)에 끼워지는 가이드판(120);A guide plate 120 formed with a plurality of through holes 120-1 along the longitudinal direction and fitted into the tube 110;

상기 관통홀(120-1)에 끼워지는 PTC 소자(130);A PTC device 130 fitted in the through hole 120-1;

상기 튜브(110)에 끼우져 상기 가이드판(120)의 일측면에 배치되어 상기 PTC소자(130)에 통전되며 양극단자(140-1)가 돌출 형성되는 양극 전극판(140);An anode electrode plate 140 disposed on one side of the guide plate 120, which is sandwiched by the tube 110 and is electrically connected to the PTC device 130 and has a cathode terminal 140-1 protruded therefrom;

상기 튜브(110)에 끼워져 상기 가이드판(120)의 타측면에 배치되어 상기 PTC소자(130)에 통전되는 음극단자(150-1)가 돌출 형성되는 음극 전극판(150);을 포함하며,And a cathode electrode plate 150 fitted to the tube 110 and disposed on the other side surface of the guide plate 120 to protrude and form a cathode terminal 150-1 to be energized to the PTC device 130,

상기 절연층(200)은 탄소나노튜브(CNT)를 포함하여, 상기 전기 발열체(100)의 정온성을 유지하고 차량용 전열히터의 열효율 변화를 방지하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 절연층 구비 차량용 전열 히터.The insulating layer 200 includes carbon nanotubes (CNTs) to maintain a constant temperature characteristic of the electric heating body 100 and to prevent a thermal efficiency change of the vehicle electric heater. heater.

삭제delete

제1항에 있어서,The method according to claim 1,

상기 전기 발열체(100)는 니크롬선(1100)인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 절연층 구비 차량용 전열 히터.Wherein the electric heating body (100) is a nichrome wire (1100).

연료전지 스택(stack)(2100);A fuel cell stack 2100;

상기 연료전지 스택(2100)으로부터 전원을 공급받는 배터리(2200);A battery 2200 supplied with power from the fuel cell stack 2100;

일측에 냉각수 유입구(2311)가 형성되고 타측에 냉각수 유출구(2312)가 형성되는 케이스(2310)와, 상기 케이스(2310) 내부에 설치되며 상기 배터리(2200)에 연결되는 제1항의 차량용 전열 히터(2320)를 포함하는 폐열 소진부(2300);A case 2310 in which a cooling water inlet 2311 is formed at one side and a cooling water outlet 2312 is formed at the other side and a heater 2310 for the vehicle of the first paragraph installed inside the case 2310 and connected to the battery 2200 A waste heat exhaust part 2300 including the exhaust heat recovery part 2320;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치.And an exhaust gas recirculation unit for exhausting the waste heat of the vehicle fuel cell.

제4항의 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치;A waste heat exhausting device for a fuel cell for a vehicle according to claim 4;

상기 연료전지 스택(2100)에서 유출된 냉각수가 유입되도록 제1 순환라인(L1)에 의해 상기 연료전지 스택(2100)에 연결되는 방열기(2400);A radiator (2400) connected to the fuel cell stack (2100) by a first circulation line (L1) so that cooling water flowing out of the fuel cell stack (2100) flows;

상기 방열기(2400)에서 유출된 냉각수가 상기 케이스(2310)에 유입되도록 상기 방열기(2400)와 상기 냉각수 유입구(2311)를 연결하는 제2 순환라인(L2);A second circulation line L2 connecting the radiator 2400 and the cooling water inlet 2311 so that the cooling water flowing out of the radiator 2400 flows into the case 2310;

상기 케이스(2310)에서 유출된 냉각수가 상기 연료전지 스택(2100)에 유입되도록 상기 냉각수 유출구(2312)와 상기 연료전지 스택(2100)을 연결하는 제3 순환라인(L3);A third circulation line L3 connecting the cooling water outlet 2312 and the fuel cell stack 2100 so that the cooling water flowing out of the case 2310 flows into the fuel cell stack 2100;

일측단이 방향 전환 밸브(V)에 의하여 상기 제1 순환라인(L1)에 연결되고 타측단이 상기 제2 순환라인(L2)에 연결되는 바이패스라인(BL) 상에 설치되는 차량 난방용 열교환기(2500);(BL), one end of which is connected to the first circulation line (L1) by a direction switching valve (V) and the other end is connected to the second circulation line (L2) (2500);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 연료전지의 폐열 소진 장치를 이용한 통합 난방 시스템.And an integrated heating system using the waste heat exhaust device of a fuel cell for a vehicle.