KR101713722B1 - 연료 전지 차량의 열관리 시스템 - Google Patents

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백선흠
나성욱
박훈우
김대종
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현대자동차 주식회사
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Abstract

연료 전지 차량의 열관리 시스템은 냉시동 루프(loop) 및 냉각 루프(loop)를 포함한다. 냉시동 루프(loop)는 연료 전지의 냉시동을 위해 연료 전지에 유동(flow)하는 냉각수를 승온(heating)시킬 수 있다. 냉각 루프(loop)는 연료 전지를 냉각시키는 냉각수를 유동(flow)시킬 수 있다. 열관리 시스템은 연료 전지의 냉시동(cold start) 시간을 단축시킬 수 있고 연료 전지의 내구성을 향상시킬 수 있다.

Description

연료 전지 차량의 열관리 시스템{Thermal management System of fuel cell vehicle}
본 발명은 연료 전지 차량 관련 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 연료 전지 차량의 열관리 시스템(TMS)에 관한 것이다.
친환경 자동차인 연료전지 자동차는 수소와 산소의 화학반응을 이용한 연료전지를 전기 공급원으로 사용하고, 연료전지에 의해 발생된 전기로 모터를 구동하는 방식의 차량 시스템을 말한다.
연료전지 차량의 연료전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하고 물관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된다.
상기 TMS는 냉각수 역할을 하는 부동액 또는 증류수(Distilled Water)를 연료전지 스택으로 순환시켜 온도(60~70℃)를 유지시키는 일종의 냉각 장치로서, 냉각수(coolant)가 저장된 리저버(reservoir)와, 상기 냉각수를 순환시키는 펌프와, 순환되는 냉각수로부터 이온을 제거하는 이온 필터(ion filter)와, 냉각수 온도를 낮추는 라디에이터(radiator)로 구성된다. 상기 TMS는 차량 내 히터기능을 수행하는 HVAC(Heater Ventilated Air Conditioning) 히터(heater)를 가질 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출한다.
상기 연료전지 시스템은 반응 부산물로 열을 발생시키므로 스택의 온도 상승을 방지하기 위해서는 스택을 냉각시키는 장치가 필수적이다. 또한 연료전지 시스템에서 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이므로 열 및 물관리 시스템의 역할은 무엇보다 중요하다 할 수 있다. 냉시동성 확보를 위해, 히터를 이용하여 스택 내의 냉각수를 급속 해동하는 방법 또는 연료전지 스택용 부동액을 냉각수로 사용하는 방법이 있을 수 있다.
TMS 라인(line)의 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매(冷媒) 역할과 더불어, 냉시동시에는 히터에 의해 급속 가열되어 스택에 공급됨으로써 스택을 급속 해빙하는 열매(熱媒) 역할을 한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명이 해결하려는 기술적 과제(목적)는, 연료 전지의 냉시동(cold start) 시간을 단축시킬 수 있고 연료전지 스택(stack)을 포함하는 연료 전지의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료 전지 차량의 열관리 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결(달성)하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 열관리 시스템은, 연료 전지의 냉시동을 위해 상기 연료 전지에 유동(flow)하는 냉각수를 승온(heating)시키는 냉시동 루프(loop); 및 상기 연료 전지를 냉각시키는 냉각수를 유동시키는 냉각 루프(loop)를 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 차량의 열관리 시스템은, 상기 냉시동 루프(loop) 내의 냉각수의 유동 방향을 변경시키는 가변방향 제어밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 냉시동 루프(loop)는, 상기 연료 전지로부터 유출되는 냉각수를 펌핑(pumping)시키는 펌프; 상기 펌프로부터 유출되는 냉각수의 이온을 필터링(filtering)하는 이온 제거기; 및 상기 이온 제거기로부터 유출되는 냉각수를 가열하는 히터를 포함할 수 있다.
상기 냉각 루프(loop)는, 상기 연료 전지로부터 유출되는 냉각수를 펌핑(pumping)시키는 펌프; 및 상기 펌프로부터 유출되는 냉각수를 냉각시키는 라디에이터(radiator)를 포함할 수 있다.
상기 냉각 루프(loop)는, 상기 펌프로부터 유출되는 냉각수 및 상기 라디에이터로부터 유출되는 냉각수 중 하나를 선택하여 상기 연료 전지에 제공하는 3 웨이 밸브(way valve)를 더 포함할 수 있다.
상기 연료 전지 차량의 열관리 시스템은, 상기 가변방향 제어밸브의 작동을 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 가변방향 제어밸브는, 상기 연료 전지의 입구에 연결되는 제1 포트(port); 상기 연료 전지의 출구에 연결되는 제2 포트; 상기 히터에 연결되는 제3 포트; 상기 펌프에 연결되는 제4 포트; 회전하여, 상기 제1 포트와 상기 제3 포트를 연결하거나 또는 상기 제2 포트 및 상기 제3 포트를 연결하는 제1 내부 유로; 및 회전하여, 상기 제2 포트와 상기 제4 포트를 연결하거나 또는 상기 제1 포트와 상기 제4 포트를 연결하는 제2 내부 유로를 포함할 수 있다.
상기 펌프가 구동될 때, 상기 냉시동 루프의 냉각수는 상기 제4 포트로부터 상기 이온 제거기 및 상기 히터를 통해 상기 제3 포트로 이동하고, 상기 제3 포트로 이동된 냉각수는 상기 제1 내부 유로를 통과한 후 상기 제1 포트로 이동하고 상기 제1 포트로 이동된 냉각수는 상기 냉각 루프에 포함된 유로를 통해 제1 방향으로 이동하여 상기 연료 전지를 승온시킨 후 상기 제2 포트로 이동하고, 상기 제2 포트로 이동된 냉각수는 상기 제2 내부 유로를 통과한 후 상기 제4 포트로 이동할 수 있다.
상기 냉시동 루프의 냉각수가 상기 제4 포트로 이동된 후 상기 제1 내부 유로 및 상기 제2 내부 유로는 회전하여 상기 냉시동 루프의 냉각수의 유동은 정지할 수 있다.
상기 냉시동 루프의 냉각수의 유동이 정지된 후 상기 제1 내부 유로 및 상기 제2 내부 유로가 회전하고 상기 펌프가 구동될 때, 상기 냉시동 루프의 냉각수는 상기 제4 포트로부터 상기 이온 제거기 및 상기 히터를 통해 상기 제3 포트로 이동하고, 상기 제3 포트로 이동된 냉각수는 상기 제1 내부 유로를 통과한 후 상기 제2 포트로 이동하고 상기 제2 포트로 이동된 냉각수는 상기 냉각 루프에 포함된 유로를 통해 제2 방향으로 이동하여 상기 연료 전지를 승온시킨 후 상기 제1 포트로 이동하고, 상기 제1 포트로 이동된 냉각수는 상기 제2 내부 유로를 통과한 후 상기 제4 포트로 이동할 수 있다.
상기 냉시동 루프의 냉각수의 유량은 적은 유량을 가질 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 열관리 시스템은, 적은 유량을 가지는 냉각수의 유동 오실레이션(flow oscillation)(또는 냉각수의 오실레이션 유동)을 이용하여 냉시동을 하는 것에 의해 연료전지 스택의 발열 시의 열손실을 최소화시킬 수 있고, 냉각수의 유동 오실레이션에 따른 강제대류를 통해 냉시동 시간을 단축시킬 수 있다.
또한 본 발명은 냉시동 중 냉각수의 계속적인 유동 발생을 통해 스택 내 핫스팟(hot spot)을 방지하여 연료전지 스택의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여, 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 연료 전지 차량의 열관리 시스템(Thermal Management System)의 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 열관리 시스템(TMS, Thermal Management System)을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 연료 전지 차량의 열관리 시스템(TMS, Thermal Management System)의 다른 작동 실시예를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 냉시동 루프에서의 냉각수 오실레이팅(oscillating) 동작을 설명하는 그래프(graph)이다.
도 5는 도 3에 도시된 가변방향 제어 밸브(VDV)의 작동 실시예를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 가변방향 제어 밸브(VDV)의 작동에 의한 냉각수 유동을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 가변방향 제어 밸브(VDV)의 다른 작동 실시예를 설명하는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 가변방향 제어 밸브(VDV)의 작동에 의한 냉각수 유동을 설명하는 도면이다.
도 9는 도 3에 도시된 가변방향 제어 밸브(VDV)의 다른 작동 실시예를 설명하는 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 가변방향 제어 밸브(VDV)의 작동에 의한 냉각수 유동을 설명하는 도면이다.
본 발명, 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는, 본 발명의 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용이 참조되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하는 것에 의해, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낼 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 “전기적 또는 기계적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(통상의 기술자)에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 연료 전지 차량의 열관리 시스템(Thermal Management System)의 예를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 차량의 냉시동 시 펌프(PMP) 및 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(COD)의 동작에 의해 생성된 과량의 냉각수가 승온 중인 연료전지 스택(STACK)과 열교환한 후 승온된 상태로 스택(STACK)에서 빠져 나온다(유출된다). 승온된 냉각수는 스택(STACK) 바깥의 냉각수에 희석(냉각)된다. 따라서 스택(STACK)의 열이 냉각수로 분산(또는 이동)되고 스택(STACK)의 지속적인 냉각으로 상기 연료 전지 차량의 열관리 시스템에서 냉시동이 지연된다.
도 1에서, RAD는 라디에이터(radiator)를 지시(indication)하고, 3WV는 3 방향 밸브(way valve)를 지시하고, HVAC HTR은 HVAC(Heater Ventilated Air Conditioning) 히터(heater)를 지시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 열관리 시스템(TMS, Thermal Management System)을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 연료 전지 차량의 열관리 시스템(100)은, 가변방향 제어밸브(VDV, variable direction control valve 또는 Variable Direction Valve)(110), COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(heater)(115), 이온 제거기(Deionizer 또는 DeMineralizer, DMN)(120), HVAC(Heater Ventilated Air Conditioning) 히터(heater)(125), 냉각수 펌프(pump)(130), 냉각수 온도에 따라 냉각수(coolant)가 흐르는 유로를 결정하는 3방향 밸브(3웨이 밸브(way valve))(135), 라디에이터(radiator)(140), 및 냉각수 보충을 위한 리저버(reservoir)(145)를 포함한다. 연료전지 스택(fuel cell stack)(105)의 출구(outlet)(또는 입구(inlet) 및 출구)에는 냉각수의 온도를 검출(측정)하는 온도센서(미도시)가 배치될 수 있다. 온도센서의 검출값은 열관리 시스템(100)의 전체 작동을 제어하는 제어기에 제공될 수 있다.
연료전지 차량은 가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소 결합으로 전기를 생산하는 연료전지를 동력원으로 하고, 연료전지를 통해 발생되는 전기 에너지로 전기 모터를 작동시키고 그 작동력으로 차량을 구동시킬 수 있다.
연료 전지 차량(fuel cell electric vehicle)의 열관리 시스템(100)은 스택(105)을 냉각시켜 스택(105)의 운전온도를 제어할 수 있다. 열관리 시스템(100)은 냉시동 시간 단축을 위해 COD 히터(115)를 포함하는 별도 유로(flow line)를 추가하고 가변방향 제어밸브(VDV)(110)를 통해 냉각수 흐름의 방향을 변경할 수 있는 연료전지의 냉각장치일 수 있다. 부연하여 설명하면, 열관리 시스템(100)에 연료전지 차량의 냉시동 시간 단축을 위해 냉각수를 위한 오실레이팅(Oscillating) 유로가 설계(형성 또는 배치)될 수 있다.
연료전지 스택(105)은 다수의 단위 셀들(unit cells)이 직렬로 연결된 수소 연료전지일 수 있고, 수소 탱크(미도시)로부터 수소를 공급받고 공기 블로워(air blower)(도시하지 않음)로부터 공기를 공급받아 수소와 공기 중 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 발생시킬 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 연료전지 스택(105)은 하나의 단위 셀(unit cell)을 포함하는 연료 전지일 수 있다.
가변방향 제어밸브(VDV)(110)는 유체의 경로를 결정할 수 있는 유압 밸브(Hydraulic Valve)일 수 있다. COD 히터(115)는 냉매인 냉각수를 급속 가열 또는 승온(heating)시킬 수 있다.
이온 제거기(120)는 냉각수 이온 필터로서, 냉각수 내의 이온(예, 금속이온)을 필터링(filtering, 제거)하여 냉각수의 이온 전도도(Ion Conductivity)(또는 전기 전도도)를 일정 수준 이하로 유지시킬 수 있다.
HVAC 히터(125)는 냉각수를 이용해 차량 내부의 난방을 수행할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서 HVAC 히터(125)는 제거(생략)될 수 있다.
펌프(130)는 스택(105) 내 냉각수 채널(냉각수 라인(line) 또는 냉각수 배관(pipe))를 통해 냉각수를 순환시킬 수 있다. 펌프(130)의 회전속도(회전수)에 따라 냉각수의 유량(냉각수의 양)이 조절될 수 있다. 냉각수 유량은 가변방향 제어밸브(VDV)(110)의 개방 정도(개도량(open value) 또는 열림량) 또는 3웨이 밸브(way valve)(135)의 개방 정도(Opening degree)에 의해 조절될 수도 있다.
라디에이터(140)는 스택(105)으로부터 냉각을 마치고 배출된 냉각수를 냉각시켜 냉각된 저온의 냉각수를 스택(105)으로 공급시킬 수 있다. 라디에이터(140)는 외부 공기와의 열 교환을 통해 냉각수의 열을 방출할 수 있다. 라디에이터(140)는 라디에이터 팬(fan)을 포함할 수 있다.
라디에이터(140)는 가압캡(pressure cap)을 통해 리저버(145)에 연결될 수 있다. 상기 가압캡은 일정 압력에 의해 열리는 것에 의해 냉각수 보충시 리저버(145) 내의 냉각수가 가압캡을 통과하여 냉각수 순환 라인(line)으로 들어갈 수 있고, 냉각수 고온시 증발량이 리저버(145) 내로 들어갈 수 있도록 할 수 있다.
냉시동 시가 아닌 평상 시 냉각수의 온도가 기준 온도 이하인 경우, 도 2에 도시된 굵은 선(bold lines)으로 표시된 유로(냉각 루프)와 같이 VDV(110)의 유로가 차단된 상태(VDV(110)가 닫힌(close) 상태)에서 펌프(130)가 동작하여 바이패스 라인(bypass line) 및 3웨이 밸브(135)을 지나 스택(105)을 통과하는 유로(flow path 또는Flow Field)가 형성될 수 있다. 바이패스 라인은 라디에이터(140)를 통과하지 않도록 냉각수를 바이패스(bypass)시킬 수 있다. 평상 시 냉각수의 온도가 기준 온도를 초과하는 경우, 도 2에 도시된 굵은 선(bold lines)으로 표시된 유로(냉각 루프)와 같이 VDV(110)의 유로가 차단된 상태(VDV(110)가 닫힌(close) 상태)에서 펌프(130)가 동작하여 라디에이터(140) 및 3웨이 밸브(way valve))(135)를 지나 스택(105)을 통과하는 유로가 형성될 수 있다. 상기 유로를 통해 냉각수가 유동(flow)될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 연료 전지 차량의 열관리 시스템(TMS, Thermal Management System)의 다른 작동 실시예를 설명하는 도면이다.
도 3은 연료 전지 차량의 열관리 시스템(100)의 냉시동 시 냉각수 유동 동작을 나타낼 수 있다.
도 3을 참조하면, 소량의 냉각수를 가변방향 제어밸브(VDV)(110)의 작동과 펌프(130) 구동을 통해 굵은 선(bold lines)으로 표시된 유로(냉시동 루프)를 형성하여 스택(105) 내부에 강제 대류 효과를 발생시킬 수 있다. 굵은 선(bold lines)으로 표시된 유로는, 스택(105), VDV(110), 펌프(130), HVAC 히터(125), 이온 제거기(DMN)(120), 및 COD 히터(115)를 포함하는 유로일 수 있다. VDV(110)에 의한 유로 방향 변경을 통해 스택(105)에서 열교환되는 냉각수의 스택 바깥으로 빠져나오는 양을 최소화함으로써 스택(105)의 열손실를 최소화시킬 수 있다. 따라서 냉시동 단축 효과가 발생될 수 있다.
냉시동 시에는 바이패스(bypass) 라인을 포함하는 냉각 루프와 별개인 냉시동 루프가 사용되므로, 3 웨이 밸브(135)의 제어가 필요 없을 수 있다.
스택(105) 내부의 냉각수 채널(channel)에서 냉각수 오실레이팅(oscillating) 동작을 도 4을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
VDV(110)의 작동에 의해 스택(105) 내부의 냉각수가 단방향이 아닌 주기적으로 방향을 바꿔서 이동될 수 있다. 냉각수의 이동이 이상적(정상적)일 경우 도 4에 도시된 바와 같이 유속(flow velocity) 방향이 정방향(위쪽 방향의 화살표) 또는 역방향(아래쪽 방향의 화살표)으로 계속적으로 변경될 수 있다. 부연하여 설명하면, VDV(110)의 작동에 의해 스택(105)의 입구 및 출구에서 냉각수의 유동(흐름)이 오실레이션(oscillation)될 수 있다.
스택(105)을 기준으로 냉각수 이동 방향을 아래와 같이 주기적으로 변경할 경우 스택(105) 내부의 승온된 냉각수가 스택(105) 외부의 차가운 냉각수에 희석(냉각)되지 않고, 계속적인 승온이 가능할 수 있다. 또한 유동에 의한 스택(105)과 냉각수의 마찰로 강제 대류에 의한 열교환 효과를 꾸준히 유지할 수 있기 때문에 스택(105) 내부 냉각수의 승온과 스택 과열 방지(발생열의 누적으로 인한 과열 방지)가 동시에 가능할 수 있다.
COD 히터(115) 사용 시 내부 회로(냉시동 루프(loop))의 과열은 COD 히터(115)의 하우징(housing)에 장착되고 COD 히터(115)의 입구(inlet) 또는 출구에 설치된 온도센서로 확인될 수 있다.
본 발명은 냉시동 관련 발명이고 극저온 냉각수 유입조건을 만족시키므로 냉시동 루프는 과열되기 어려울 수 있다. 그러나 과열이 발생될 경우 COD 히터(115)의 오프(off) 후 펌프(130)의 회전수를 높여서 냉각수 유량 증대를 통해 COD 히터(115)의 온도를 낮출 수 있다. 따라서 COD 히터(115)의 사용 시 내부 회로(냉시동 루프(loop))의 과열은 방지(또는 감소)될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 펌프(130)의 전단(front) 및 후단(rear)에 2개의 루프(loop)들이 배치(또는 형성)될 수 있다. 유로의 방향변경이 가능한 루프(냉시동 루프)를 구성하여 냉시동 시 스택(105) 내부의 냉각수 채널(channel)에서 오실레이팅(oscillating)되는 강제 대류를 발생시킬 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 가변방향 제어 밸브(VDV)의 작동 실시예를 설명하는 도면이다. 도 6은 도 5에 도시된 가변방향 제어 밸브(VDV)의 작동에 따른 냉각수 유동을 설명하는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 3 웨이 밸브(135)를 이용하여 메인(Main) 유로인 냉각 루프가 차단된 후 펌프(130)가 구동되면 냉각수는 VDV(110)의 제4 포트(port)인 D 포트(port)로부터 냉시동 루프인 이온 필터 라인(ion filter line)을 통해 VDV(110)의 제3 포트인 C 포트(port)로 이동될 수 있다. C 포트(port)로 이동된 냉각수는 도 5에 도시된 VDV(110)의 제1 내부 유로를 통과한 후 VDV(110)의 제1 포트인 A 포트(port)로 이동되고 A 포트(port)로 이동된 냉각수는 냉각수 메인(main) 유로를 따라 제1 방향인 정방향(예, 아래쪽 방향)으로 이동하여 스택(105)을 승온시킨 후 VDV(110)의 제2 포트인 B 포트(port)로 이동될 수 있다. B 포트(port)로 이동된 냉각수는 VDV(110)의 제2 내부 유로를 통과한 후 D 포트(port)에 연결된 펌프(130)의 전단(front)으로 이동될 수 있다.
전술한 바와 같이, 소량(예, 약 10 lpm(liter per minute))의 냉각수로 스택(105) 내 유동을 약 3(sec) 동안 정방향으로 발생(구동)시킬 수 있으므로, 내부 열전달이 원활히 수행될 수 있다.
도 7은 도 3에 도시된 가변방향 제어 밸브(VDV)의 다른 작동 실시예를 설명하는 도면이다. 도 8은 도 7에 도시된 가변방향 제어 밸브(VDV)의 작동에 의한 냉각수 유동을 설명하는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 오실레이팅(방향 변경) 유동을 형성하기 위해, 정방향에서 역방향으로 유로 변경 시 중간 단계인 도 7에 도시된 VDV(110)의 변경된(회전된) 내부 유로에 따른 유동 정지 단계(stage)가 배치될 수 있다. VDV(110)의 내부 유로들은 내부 유로들을 포함하는 원판(circular disk)을 회전시킬 수 있는 전동 모터(전기 모터)에 의해 회전될 수 있다.
예를 들어, 약 1 (sec) 동안의 유동 정지를 위해 펌프(130)는 정지되고, VDV(110)는 도 7과 같이 제어되어 모든 유로는 차단될 수 있다.
도 9는 도 3에 도시된 가변방향 제어 밸브(VDV)의 다른 작동 실시예를 설명하는 도면이다. 도 10은 도 9에 도시된 가변방향 제어 밸브(VDV)의 작동에 의한 냉각수 유동을 설명하는 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 3 웨이 밸브(135)를 이용하여 메인(Main) 유로인 냉각 루프가 차단된 후 펌프(130)가 구동되면 냉각수는 VDV(110)의 D 포트(port)로부터 냉시동 루프인 이온 필터 라인을 통해 VDV(110)의 C 포트(port)로 이동될 수 있다. C 포트(port)로 이동된 냉각수는 도 9에 도시된 VDV(110)의 제1 내부 유로를 통과한 후 VDV(110)의 B 포트(port)로 이동되고 B 포트(port)로 이동된 냉각수는 냉각수 메인(main) 유로를 따라 제2 방향인 역방향(예, 위쪽 방향)으로 이동하여 스택(105)을 승온시킨 후 VDV(110)의 A 포트(port)로 이동될 수 있다. A 포트(port)로 이동된 냉각수는 VDV(110)의 제2 내부 유로를 통과한 후 D 포트(port)에 연결된 펌프(130)의 전단(front)으로 이동될 수 있다.
전술한 바와 같이, 스택(105) 내부에 소량(예, 약 10 lpm(liter per minute))의 냉각수에 의한 역방향 유동이 약 3 sec 동안 발생(구동)될 수 있다. 따라서 스택(105) 내부의 냉각수가 외부로 빠져 나가는 량이 최소화될 수 있으므로, 열손실이 최소화되면서 내부 열전달이 가능할 수 있다.
도 2 내지 도 10을 참조하면, 연료 전지 차량의 열관리 시스템(100)은, 냉시동 루프(loop) 및 냉각 루프(loop)를 포함한다.
냉시동 루프는 승온 루프로서, 도 3에 굵은 선(bold lines)으로 표시된 바와 같이, 연료전지(105)의 냉시동을 위해 연료전지에 흐르는(유동하는) 냉각수를 승온(heating)시킬 수 있다. 상기 냉시동 루프의 냉각수의 유량은 상대적으로 적은 유량(예, 약 10 lpm(liter per minute))을 가질 수 있다.
냉각 루프(loop)는, 도 2에 굵은 선(bold lines)으로 표시된 바와 같이, 상기 연료전지(105)을 냉각시키는 냉각수를 흐르게 할 수 있다.
열관리 시스템(100)은, 상기 냉시동 루프(loop) 내의 냉각수의 유동 방향을 변경시키는 가변방향 제어밸브(VDV)(110)를 더 포함할 수 있다.
상기 냉시동 루프(loop)는, 연료전지(105)로부터 유출되는 냉각수를 펌핑(또는 순환)시키는 펌프(130), 펌프(130)로부터 유출되는 냉각수의 이온을 필터링(filtering)하는 이온 제거기(120), 및 이온 제거기(120)로부터 유출되는 냉각수를 가열하는 히터(115)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 냉시동 루프는 HVAC 히터(125)를 더 포함할 수 있다.
가변방향 제어밸브(VDV)(110)는, 연료 전지(105)의 입구에 연결되는 제1 포트(port), 연료 전지(105)의 출구에 연결되는 제2 포트, 히터(115)에 연결되는 제3 포트, 펌프(130)에 연결되는 제4 포트, 도 5 및 도 9에 도시된 바와 같이 회전하여, 제1 포트와 제3 포트를 연결하거나 또는 제2 포트와 제3 포트를 연결하는 제1 내부 유로, 및 도 5 및 도 9에 도시된 바와 같이 회전하여, 제2 포트와 제4 포트를 연결하거나 또는 제1 포트 및 제4 포트를 연결하는 제2 내부 유로를 포함할 수 있다.
펌프(130)가 구동될 때, 상기 냉시동 루프의 냉각수는 제4 포트로부터 이온 제거기(120) 및 히터(115)를 통해 제3 포트로 이동하고, 상기 제3 포트로 이동된 냉각수는 제1 내부 유로를 통과한 후 제1 포트로 이동하고 상기 제1 포트로 이동된 냉각수는 상기 냉각 루프에 포함된 유로(또는 연료 전지(105)에 형성될 수 있는 유로)를 통해 제1 방향으로 이동하여 연료 전지(105)를 승온(heating)시킨 후 제2 포트로 이동하고, 상기 제2 포트로 이동된 냉각수는 제2 내부 유로를 통과한 후 제4 포트로 이동할 수 있다.
상기 냉시동 루프의 냉각수가 제4 포트로 이동된 후 제1 내부 유로 및 제2 내부 유로는 회전하여 냉시동 루프의 냉각수의 유동은 정지할 수 있다.
상기 냉시동 루프의 냉각수의 유동이 정지된 후 제1 내부 유로 및 제2 내부 유로가 회전하고 펌프(130)가 다시 구동될 때, 상기 냉시동 루프의 냉각수는 제4 포트로부터 이온 제거기(120) 및 히터(115)를 통해 제3 포트로 이동하고, 상기 제3 포트로 이동된 냉각수는 제1 내부 유로를 통과한 후 제2 포트로 이동하고 상기 제2 포트로 이동된 냉각수는 상기 냉각 루프에 포함된 유로(또는 연료 전지(105)에 형성될 수 있는 유로)를 통해 제2 방향으로 이동하여 연료 전지(105)를 승온시킨 후 제1 포트로 이동하고, 상기 제1 포트로 이동된 냉각수는 제2 내부 유로를 통과한 후 제4 포트로 이동할 수 있다.
상기 냉각 루프(loop)는, 연료전지(105)로부터 유출되는 냉각수를 펌핑(순환)시키는 펌프(130)와, 펌프(130)로부터 유출되는 냉각수를 냉각시키는 라디에이터(140)를 포함할 수 있다. 냉각 루프(loop)는, 펌프(130)로부터 유출되는 냉각수 및 라디에이터로부터 유출되는 냉각수 중 하나를 선택하여 연료 전지(105)에 제공하는 3 웨이 밸브(135)를 더 포함할 수 있다.
연료 전지 차량의 열관리 시스템(100)은, VDV(110), COD히터(115), 펌프(130), 3웨이 밸브(135), 및 라디에이터(140) 등과 같은 열관리 시스템(100)의 구성요소들의 전체적인 동작을 제어하는 제어기(controller 또는 control unit)를 더 포함할 수 있다. 제어기는 가변방향 제어밸브(VDV)(110)의 개방(open) 작동(동작) 또는 폐쇄(close) 동작을 제어할 수 있다. 제어기는, 예를 들어, 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로프로세서 또는 상기 마이크로프로세서를 포함하는 하드웨어일 수 있고, 상기 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 차량의 열관리 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 구성요소 또는 “~부(unit)” 또는 블록 또는 모듈은 메모리 상의 소정 영역에서 수행되는 태스크, 클래스, 서브 루틴, 프로세스, 오브젝트, 실행 쓰레드, 프로그램과 같은 소프트웨어(software)나, FPGA(fieldprogrammable gate array)나 ASIC(applicationspecific integrated circuit)과 같은 하드웨어(hardware)로 구현될 수 있으며, 또한 상기 소프트웨어 및 하드웨어의 조합으로 이루어질 수도 있다. 상기 구성요소 또는 '~부' 등은 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에 포함되어 있을 수도 있고, 복수의 컴퓨터에 그 일부가 분산되어 분포될 수도 있다.
이상에서와 같이, 도면과 명세서에서 실시예가 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이며 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명으로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
105: 연료전지 스택
110: 가변방향 제어밸브
115: COD 히터
120: 이온 제거기
125: HVAC 히터
130: 펌프

Claims (11)

  1. 연료 전지 차량의 열관리 시스템에 있어서,
    연료 전지의 냉시동을 위해 상기 연료 전지에 유동(flow)하는 냉각수를 승온(heating)시키는 냉시동 루프(loop); 및
    상기 연료 전지를 냉각시키는 냉각수를 유동시키는 냉각 루프(loop)
    를 포함하며,
    상기 연료 전지 차량의 열관리 시스템은,
    상기 냉시동 루프(loop) 내의 냉각수의 유동 오실레이션(flow oscillation)을 발생시키기 위해 상기 냉시동 루프(loop) 내의 냉각수의 유동 방향을 변경시키는 가변방향 제어밸브를 더 포함하는 연료 전지 차량의 열관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 냉시동 루프(loop)는,
    상기 연료 전지로부터 유출되는 냉각수를 펌핑(pumping)시키는 펌프;
    상기 펌프로부터 유출되는 냉각수의 이온을 필터링(filtering)하는 이온 제거기; 및
    상기 이온 제거기로부터 유출되는 냉각수를 가열하는 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 열관리 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉각 루프(loop)는,
    상기 연료 전지로부터 유출되는 냉각수를 펌핑(pumping)시키는 펌프; 및
    상기 펌프로부터 유출되는 냉각수를 냉각시키는 라디에이터(radiator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 열관리 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 냉각 루프(loop)는,
    상기 펌프로부터 유출되는 냉각수 및 상기 라디에이터로부터 유출되는 냉각수 중 하나를 선택하여 상기 연료 전지에 제공하는 3 웨이 밸브(way valve)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 열관리 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 차량의 열관리 시스템은,
    상기 가변방향 제어밸브의 작동을 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 열관리 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 가변방향 제어밸브는,
    상기 연료 전지의 입구에 연결되는 제1 포트(port);
    상기 연료 전지의 출구에 연결되는 제2 포트;
    상기 히터에 연결되는 제3 포트;
    상기 펌프에 연결되는 제4 포트;
    회전하여, 상기 제1 포트와 상기 제3 포트를 연결하거나 또는 상기 제2 포트 및 상기 제3 포트를 연결하는 제1 내부 유로; 및
    회전하여, 상기 제2 포트와 상기 제4 포트를 연결하거나 또는 상기 제1 포트와 상기 제4 포트를 연결하는 제2 내부 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 열관리 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 펌프가 구동될 때, 상기 냉시동 루프의 냉각수는 상기 제4 포트로부터 상기 이온 제거기 및 상기 히터를 통해 상기 제3 포트로 이동하고, 상기 제3 포트로 이동된 냉각수는 상기 제1 내부 유로를 통과한 후 상기 제1 포트로 이동하고 상기 제1 포트로 이동된 냉각수는 상기 냉각 루프에 포함된 유로를 통해 제1 방향으로 이동하여 상기 연료 전지를 승온시킨 후 상기 제2 포트로 이동하고, 상기 제2 포트로 이동된 냉각수는 상기 제2 내부 유로를 통과한 후 상기 제4 포트로 이동하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 열관리 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉시동 루프의 냉각수가 상기 제4 포트로 이동된 후 상기 제1 내부 유로 및 상기 제2 내부 유로는 회전하여 상기 냉시동 루프의 냉각수의 유동은 정지하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 열관리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉시동 루프의 냉각수의 유동이 정지된 후 상기 제1 내부 유로 및 상기 제2 내부 유로가 회전하고 상기 펌프가 구동될 때, 상기 냉시동 루프의 냉각수는 상기 제4 포트로부터 상기 이온 제거기 및 상기 히터를 통해 상기 제3 포트로 이동하고, 상기 제3 포트로 이동된 냉각수는 상기 제1 내부 유로를 통과한 후 상기 제2 포트로 이동하고 상기 제2 포트로 이동된 냉각수는 상기 냉각 루프에 포함된 유로를 통해 제2 방향으로 이동하여 상기 연료 전지를 승온시킨 후 상기 제1 포트로 이동하고, 상기 제1 포트로 이동된 냉각수는 상기 제2 내부 유로를 통과한 후 상기 제4 포트로 이동하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 열관리 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 냉시동 루프의 냉각수의 유량은 11 lpm(liter per minute)보다 적은 유량을 가지는 연료 전지 차량의 열관리 시스템.
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