KR101673715B1 - 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조에 관한 것으로서, 특히 연료전지 차량에 구비된 히터(10), 펌프(20), 4웨이 밸브(30) 및 라디에이터(40)와 연결되는 제어유닛(100)과; 상기 제어유닛(100)에 연결되는 이온필터(50)와 연료전지스택(60)을 포함하여 이온필터 루프를 형성하는 열관리 시스템(110)으로 구성되어, 고 출력 시 차량 냉각 성능을 개선하는 동시에 이온필터의 내구성을 향상시키고 펌프 운전을 감소시켜 연비를 개선하는데 효과가 있도록 하는 것이다.

Description

연료전지 차량의 이온필터 루프 구조{Ion filter roof structure of fuel cell for vechcle}
본 발명은 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조에 관한 것으로서, 특히 4웨이 밸브의 이온필터 루프 제어를 통해 연료전지 차량의 방열 성능을 증대시키기 위한 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품에 적용되고, 최근에는 차량에 적용되고 있다.
차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
상기한 연료전지 시스템에서는 특히 반응부산물로 열을 발생시키므로 스택의 온도 상승을 방지하기 위해서는 스택을 냉각시키는 장치가 필수적이다. 또한 연료전지 시스템에서 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이므로 열관리 시스템의 역할은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.
주지된 바와 같이 TMS 라인의 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매(冷媒) 역할과 더불어 냉시동 시에는 히터에 의해 급속 가열되어 스택에 공급되므로 스택을 급속 해빙하는 열매(熱媒) 역할을 한다.
이러한, 종래의 연료전지 차량에서는 냉각수의 일부가 항상 흐르기 때문에 유량 손실이 발생하게 되며, 이로 인해 혹서기 시 냉각 유량이 부족하게 되고 그 결과 냉각수 고온으로 차량 전류 제한이 발생되어 출력이 되지 않아 연비가 저하되는 문제점이 있었다.
특허 1 : 대한민국 등록특허 10-1163464
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조에 관한 것으로서, 특히 4웨이 밸브의 이온필터 루프 제어를 통해 연료전지 차량의 방열 성능을 증대시키기 위한 것을 목적으로 한다.
이러한 본 발명은 연료전지 차량에 구비된 히터, 펌프, 4웨이 밸브 및 라디에이터와 연결되는 제어유닛과; 상기 제어유닛에 연결되는 이온필터와 연료전지스택을 포함하여 이온필터 루프를 형성하는 열관리 시스템;으로 이루어지게 함으로써 달성된다.
상기 이온필터 루프를 통해 저온의 냉각수 유량을 제어하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 열관리 시스템은 상기 4웨이 밸브와 연동되어 상기 이온필터 루프의 저온의 냉각수 유량을 실시간으로 제어하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 4웨이 밸브는 상기 열관리 시스템에 장착되는 바디부와; 상기 바디부에 회전 가능하게 구비되어 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수의 흐름을 개폐시키는 밸브부;를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 밸브부는 상기 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수가 유입되는 복수의 제1홀과; 상기 이온필터 루프를 개폐하여 유량을 제어하는 제2홀과; 혼합된 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수를 배출하는 제3홀;이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제1홀은 좌우방향으로 길게 형성되어 상기 밸브부 회전에 따라 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수가 선택적으로 유입되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제1홀은 상기 라디에이터 및 상기 연료전지스택과 연결되어 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수가 유입될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제2홀은 좌우방향으로 길게 형성되어 상기 밸브부 회전에 따라 상기 이온필터 루프의 유량을 제어하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제2홀은 상기 이온필터 루프와 연결되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제3홀은 상기 밸브부의 하부에 형성되어 저온의 냉각수와 고온의 냉각수 배출이 가능하게 하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 이온필터 루프는 상기 4웨이 밸브의 회전량에 따라 상기 연료전지스택의 고온 냉각수와 상기 이온필터의 유량이 유입되는 루프와; 상기 라디에이터의 유량과 상기 이온필터의 유량이 유입되는 루프를 포함하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제1홀은 상기 라디에이터와 연결되어 루프를 제어하며, 상기 제2홀은 상기 이온필터와 연결되어 루프를 제어하도록 하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 고 출력 시 차량 냉각 성능을 개선하는 동시에 이온필터의 내구성을 향상시키고 펌프 운전을 감소시켜 연비를 개선하는데 효과가 있는 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조를 도시하는 구성도,
도 2는 본 발명의 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조가 적용된 열관리 시스템을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조에서 4웨이 밸브의 밸브부가 80도 회전된 상태를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조에서 4웨이 밸브의 밸브부가 5도 이상 80도 미만으로 회전 가능한 상태를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조에서 4웨이 밸브의 밸브부의 5도 미만 회전 상태를 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조에서 4웨이 밸브의 밸브부가 110도 회전된 상태를 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조의 효과를 도시하는 그래프,
도 8은 본 발명의 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조를 도시하는 구조도.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조는 도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 연료전지 차량의 제어유닛(100)과, 제어유닛(100)에 연결되어 이온필터 루프를 형성하는 열관리 시스템을 포함한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제어유닛(100)은 연료전지 차량에 구비된 히터(10), 펌프(20), 4웨이 밸브(30) 및 라디에이터(40)와 연결됨으로써 형성된다.
열관리 시스템(110)은 제어유닛(100)에 연결되는 연료전지스택(60) 및 이온필터(50)를 포함하도록 하여 이온필터 루프(미도시)를 형성한다.
즉, 본 발명은 제어유닛(100)과 열관리 시스템(110)으로 이루어져 연료전지 차량의 이온필터 루프(미도시)를 형성할 수 있게 하기 위한 것으로, 이때 4웨이 밸브(30)는 이온필터(50)와, 라디에이터(40)와, 연료전지스택(60)과 연결되어 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수의 유량을 제어할 수 있게 한다.
여기서, 이온필터(50)는 4웨이 밸브(30) 및 히터(10)와 연결되고, 펌프(20)는 4웨이 밸브(30)와 히터(10)를 연결시키고, 연료전지스택(60)은 4웨이 밸브(30)뿐만 아니라 라디에이터(40)와도 연결시켜 순환이 가능하게 함으로써 이온필터 루프를 형성할 수 있게 한다.
또한, 열관리 시스템(110)은 4웨이 밸브(30)와 연동되어 이온필터 루프의 저온의 냉각수 유량을 실시간으로 제어할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에서 이온필터 루프의 저온의 냉각수 유량을 실시간으로 제어하는 것은 4웨이 밸브(30)에 의한 것으로 이에 대한 설명은 아래와 같다.
도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 4웨이 밸브(30)는 열관리 시스템(110)에 장착되는 바디부(31)와, 바디부(31)에 회전 가능하게 구비되어 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수의 흐름을 개폐시키는 밸브부(32)로 이루어진다.
이때, 밸브부(32)는 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수가 유입되는 복수의 제1홀(32a)과, 이온필터 루프를 개폐하여 유량을 제어하는 제2홀(32b)과, 혼합된 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수를 배출하는 제3홀(32c)이 형성되도록 한다.
한편, 복수의 제1홀(32a)은 좌우방향으로 길게 각각 반대방향에 형성되어 밸브부(32) 회전에 따라 저온의 냉각수만 유입되게 하거나 고온의 냉각수만 유입되게 하거나 저온의 냉각수와 고온의 냉각수가 동시에 유입되게 한다.
여기서, 하나의 제1홀(32a)은 라디에이터(40)와 연결되어 저온의 냉각수가 유입될 수 있게 하는 동시에 다른 제1홀(32a)은 연료전지스택(60)과 연결되어 고온의 냉각수가 유입될 수 있게 하는 것이 바람직하다.
또한, 제2홀(32b)은 좌우방향으로 길게 형성되어 밸브부(32) 회전에 따라 이온필터 루프의 유량을 제어할 수 있게 한다.
이를 위해, 제2홀(32b)은 이온필터 루프와 연결되도록 하는 것이 바람직하다.
이때, 이온필터 루프는 도 8에 도시된 바와 같이 4웨이 밸브(30)의 회전량에 따라 연료전지스택(60)의 고온 냉각수와 이온필터(50)의 유량이 유입되는 루프와, 라디에이터(40)의 유량과 이온필터(50)의 유량이 유입되는 루프를 포함하도록 한다.
또한, 제1홀(32a)은 라디에이터(40)와 연결되어 루프를 제어하며, 제2홀(32b)은 이온필터(50)와 연결되어 루프를 제어하도록 하는 것이 바람직하다.
제3홀(32c)은 밸브부(32)의 하부에 형성되어 저온의 냉각수와 고온의 냉각수 배출이 가능하게 한다.
한편, 밸브부(32)의 회전은 5도 미만부터 110도까지 가능하게 하여 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수 유입 및 배출이 가능하게 한다. 이때, 밸브부(32)의 회전과 관련해서는 구체적인 설명을 위해 각도를 한정하여 기재했지만 실시예에서는 다르게 적용될 수 있다.
즉, 본 발명에서 밸브부(32)가 80도 회전된 상태에서는 도 3에 도시된 바와 같이 제1홀(32a)이 라디에이터(40)와 연결되고 연료전지스택(60)과의 연결은 폐쇄하여 저온의 냉각수만 유입되고 고온의 냉각수 유입은 차단한다. 이때 제2홀(32b)은 이온필터 루프와 연결되도록 한다.
또한, 밸브부(32)가 5도 이상 80도 미만으로 회전된 상태에서는 도 4에 도시된 바와 같이 제1홀(32a)이 라디에이터(40) 및 연료전지스택(60) 모두 연결되어 저온의 냉각수와 고온의 냉각수가 동시에 유입되어 온도 제어가 가능하게 한다. 이때 제2홀(32b)은 이온필터 루프와 연결되도록 한다.
또한, 밸브부(32)가 5도 정도 회전한 상태에서는 도 5에 도시된 바와 같이 제1홀(32a)이 라디에이터(40)와의 연결은 폐쇄하고 연료전지스택(60)과의 연결은 유지하여 저온의 냉각수 유입은 차단하고 고온의 냉각수만 유입되도록 하여 시동 초기에 승온 구간이 되도록 한다. 이때 제2홀(32b)은 이온필터 루프와 연결되도록 한다.
한편, 밸브부(32)가 110도 회전된 상태에서는 도 6에 도시된 바와 같이 제1홀(32a)이 라디에이터(40)와 연결되고 연료전지스택(60)과의 연결은 폐쇄하여 저온의 냉각수만 유입되고 고온의 냉각수 유입은 차단하며, 제2홀(32b)은 이온필터 루프와의 연결은 차단하도록 하여 차량 냉각 시스템의 유량을 증가시켜 부족한 방열량을 확보할 수 있게 한다.
이처럼, 본 발명은 연료전지 차량에 구비된 히터(10), 펌프(20), 4웨이 밸브(30) 및 라디에이터(40)와 연결되는 제어유닛(100)과, 제어유닛(100)에 연결되는 이온필터(50)와 연료전지스택(60)을 포함하여 이온필터 루프를 형성하는 열관리 시스템(110)으로 이루어져, 도 7에 도시된 바와 같이 종래에 비해 저온의 냉각수 유량을 향상시켜 시스템 냉각 성능을 개선할 수 있으며, 최고 출력 운전 유지 시간을 증가시켜 상품성과 연비를 향상시킬 수 있게 한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10 : 히터 20 : 펌프
30 : 4웨이 밸브 31 : 바디부
32 : 밸브부 40 : 라디에이터
50 : 이온필터 60 : 연료전지스택
100 : 제어유닛 110 : 열관리 시스템

Claims (12)

  1. 연료전지 차량에 구비된 히터, 펌프, 4웨이 밸브 및 라디에이터와 연결되는 제어유닛과; 상기 제어유닛에 연결되는 이온필터와 연료전지스택을 포함하여 이온필터 루프를 형성하는 열관리 시스템으로 이루어지되,
    상기 4웨이 밸브는,
    상기 열관리 시스템에 장착되는 바디부와; 상기 바디부에 회전 가능하게 구비되어 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수의 흐름을 개폐시키는 밸브부를 포함하고,
    상기 밸브부는, 상기 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수가 유입되는 복수의 제1홀과; 상기 이온필터 루프를 개폐하여 유량을 제어하는 제2홀과; 혼합된 저온의 냉각수 또는 고온의 냉각수를 배출하는 제3홀이 형성되며,
    상기 복수의 제1홀은 좌우방향으로 길게 각각 반대방향에 형성되어 상기 밸브부 회전에 따라 상기 라디에이터에 연결되는 경우에는 저온의 냉각수가 유입되고, 상기 연료전지스택과 연결되는 경우에는 고온의 냉각수가 유입되며,
    상기 제2홀은 좌우방향으로 길게 형성되어 상기 밸브부 회전에 따라 상기 이온필터 루프와 연결되어 상기 이온필터 루프의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온필터 루프를 통해 저온의 냉각수 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 열관리 시스템은 상기 4웨이 밸브와 연동되어 상기 이온필터 루프의 저온의 냉각수 유량을 실시간으로 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3홀은 상기 밸브부의 하부에 형성되어 저온의 냉각수와 고온의 냉각수 배출이 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 이온필터 루프는
    상기 4웨이 밸브의 회전량에 따라 상기 연료전지스택의 고온 냉각수와 상기 이온필터의 유량이 유입되는 루프와;
    상기 라디에이터의 유량과 상기 이온필터의 유량이 유입되는 루프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1홀은 상기 라디에이터와 연결되어 루프를 제어하며, 상기 제2홀은 상기 이온필터와 연결되어 루프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 이온필터 루프 구조.
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