KR101987502B1 - 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 배터리와 연결되어 전원이 인가되며, 다수개의 히터봉으로 이루어진 히터모듈의 전원 전단에 정온 특성을 갖는 PTC 소자로 이루어진 온도제어부가 직렬 연결됨으로써, 히터모듈에 이상 전압 또는 전압이 인가되거나, 냉각수의 이상 유동으로 인해 히터모듈이 설정 온도 이상으로 과열되는 경우, PTC 소자의 저항이 상승하여 상기 히터모듈로 인가되는 전류를 축소 또는 차단하고, 이를 통해 과열을 원천적으로 방지할 수 있는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치에 관한 것이다.

Description

연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치 {Surplus Electric Energy Reductor for Fuel Cell Vehicle}
본 발명은 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 배터리와 연결되어 전원이 인가되며, 다수개의 히터봉으로 이루어진 히터모듈의 전원 전단에 정온 특성을 갖는 PTC 소자로 이루어진 온도제어부가 직렬 연결됨으로써, 히터모듈에 이상 전압 또는 전압이 인가되거나, 냉각수의 이상 유동으로 인해 히터모듈이 설정 온도 이상으로 과열되는 경우, PTC 소자의 저항이 상승하여 상기 히터모듈로 인가되는 전류를 축소 또는 차단하고, 이를 통해 과열을 원천적으로 방지할 수 있는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치에 관한 것이다.
연료전치 차량이나 회생제동 방식의 하이브리드 차량에 있어서 잉여전력은 배터리의 수명이나 스택 등에 심각한 문제를 발생시키고 있었다.
일반적으로 연료전지 차량은, 기존의 내연기관 차량이 화석연료와 공기 중의 산소를 엔진 내에서 폭발 반응시켜 그 화학에너지를 기계에너지로 바꾸어 동력을 얻는 것과 달리, 고압수소탱크 또는 개질기를 통해 공급되는 수소와 공기압축기를 통해 공급되는 공기 중의 산소를 스택 내에서 전기, 화학적으로 반응시켜 생성된 전기에너지를 이용하여 자동차를 구동한다.
즉, 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 장치로서, 통상의 전해질 사이에 양극(anode)과 음극(cathode)으로 된 한쌍의 전극을 배치함과 아울러 이온화된 연료가스의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 함께 얻는 시스템이다.
고분자 전해질 연료전지는 전류밀도가 높고 운전 온도가 낮으며, 부식 및 전해질 손실이 적다는 장점을 가지고 있어 군사용이나 우주선의 동력원으로 개발되기 시작하였으나, 현재는 출력밀도가 높고 장치가 간단하여 모듈화가 가능하다는 점을 이용하여 차량의 동력원으로 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나 연료전지 자동차는 수소와 산소의 화학결합에 대한 제어가 자유롭지 못하기 때문에 시동 시에 남아 있는 수소 및 산소의 결합으로 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한 브레이크 작동으로 인한 발전으로 배터리에 충전 에너지가 과잉될 경우 배터리나 기타 전장부품에 문제를 일으킬 수 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 국내공개특허 제2010-0083660호(공개일 : 2010.07.22, 발명의 명칭 : 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치)가 개시된 바 있으며, 이를 도 1에 도시하였다.
도 1에 도시된 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치는, 연료전지 스택(stack)(40); 상기 연료전지 스택(40)으로부터 전원을 공급받는 배터리(30); 일측에 냉각수 유입구(21)가 형성되고 타측에 냉각수 유출구(22)가 형성되어 냉각수를 유통시키는 케이스(20); 상기 배터리(30) 또는 상기 연료전지 스택(40)과 연결되며, 적어도 2종 이상의 서로 다른 특성을 가지는 전기 히터(11, 12)를 포함하여 이루어지는 잉여 전기 소진부(10)를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 전기 히터(11, 12)는 카트리지 히터나 PTC 히터일 수 있는데, 상기 잉여 전기 소진부(10)는 상기 전기 히터(11, 12)가 일정 온도 이상으로 가열될 경우, 이를 모니터링 하고 전기적으로 차단하기 위한 수단이 더 필요하다.
종래에는 이를 위해 별도의 제어기나 온도 센서가 구비되는 경우도 있었으나 고장 시 과열 방지 기능을 제대로 하지 못하는 경우가 있었으며, 전압 또는 전기 과열 시 전기적 이상 신호만 송출하고 근본적인 전기 차단을 수행하지 못하는 등의 문제점이 있었다.
국내공개특허 제2010-0083660호(공개일 : 2010.07.22, 발명의 명칭 : 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 배터리와 연결되어 전원이 인가되며, 다수개의 히터봉으로 이루어진 히터모듈의 전원 전단에 정온 특성을 갖는 PTC 소자로 이루어진 온도제어부가 직렬 연결됨으로써, 히터모듈에 이상 전압 또는 전압이 인가되거나, 냉각수의 이상 유동으로 인해 히터모듈이 설정 온도 이상으로 과열되는 경우, PTC 소자의 저항이 상승하여 히터모듈로 인가되는 전류를 축소 또는 차단하고, 이를 통해 과열을 원천적으로 방지할 수 있는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 잉여 전기 처리장치는 연료전지 스택(100)(stack); 상기 연료전지 스택(100)으로부터 전원을 공급받는 배터리(200); 일측에 냉각수 유입구(310)가 형성되고 타측에 냉각수 배출구(320)가 형성되어 냉각수를 유통시키는 케이스(300); 상기 배터리(200)와 연결되어 전원이 인가되며, 다수개의 히터봉(410)으로 이루어진 히터모듈(400); 을 포함하는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치(1)에 있어서, 상기 잉여 전기 처리장치(1)는 상기 배터리(200)와 상기 히터모듈(400) 사이에 PTC 소자로 이루어진 온도제어부(500)가 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 잉여 전기 처리장치(1)는 상기 히터봉(410)의 전원 전단에 상기 온도제어부(500)가 직렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히터모듈(400)은 상기 히터봉(410)이 카트리지 히터인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 잉여 전기 처리장치(1)는 상기 히터봉(410) 및 온도제어부(500)가 일체로 형성되되, 상기 히터봉(410) 내에 카트리지 히터와 PTC 소자가 직렬 연결된 상태로 내장되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도제어부(500)는 상기 케이스(300) 외부에 배치되며, 상기 히터모듈(400)의 히터봉(410)과 PTC 소자가 각각 직렬 연결되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도제어부(500)는 상기 히터모듈(400)의 온도 제어 및 외부 공기 가열용으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치는 배터리와 연결되어 전원이 인가되며, 다수개의 히터봉으로 이루어진 히터모듈의 전원 전단에 정온 특성을 갖는 PTC 소자로 이루어진 온도제어부가 직렬 연결됨으로써, 히터모듈에 이상 전압 또는 전압이 인가되거나, 냉각수의 이상 유동으로 인해 히터모듈이 설정 온도 이상으로 과열되는 경우, PTC 소자의 저항이 상승하여 히터모듈로 인가되는 전류를 축소 또는 차단하고, 이를 통해 과열을 원천적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 과열된 히터모듈의 온도가 임계 온도 이하로 떨어질 경우, PTC 소자의 저항도 떨어짐으로써, 다시 히터모듈에 정상적인 전원 공급이 가능하므로, 퓨즈와 같이 1회성 수단이 아닌 지속적인 과열 방지 수단으로써 활용이 가능하다.
이에 따라, 본 발명은 고전압 전기 히터의 이상 과열을 근본적으로 방지할 수 있으며, 기존의 과열 감지 센서가 필요 없어 설계가 단순화될 수 있고, 패키지 축소 및 원가 절감이 가능하다.
추가적으로, 본 발명은 온도제어부가 히터모듈이 수용된 케이스 외부에 구비되어 직렬 연결될 경우, PTC 소자의 가열에 의해 공기가열 용도로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 잉여 전기 처리장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치를 나타낸 개략적인 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치를 나타낸 개략적인 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치를 나타낸 개략적인 구성도.
도 5는 도 4의 히터봉을 나타낸 도면.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치(1)의 개략적인 구성을 나타낸 것으로, 본 발명의 잉여 전기 처리장치(1)는 크게, 연료전지 스택(100)(stack)과, 상기 연료전지 스택(100)으로부터 전원을 공급받는 배터리(200)와, 케이스(300) 및 히터모듈(400)을 포함하여 형성된다.
상기 케이스(300)는 일측에 냉각수 유입구(310)가 형성되고 타측에 냉각수 배출구(320)가 형성되어 냉각수를 유통시킨다.
상기 케이스(300)는 특정한 크기나 형태의 제한은 없고, 단지 상기 히터모듈(400)들이 배치될 수 있도록 적절한 크기와 형태로 형성되면 된다. 또한 상기 케이스(300)는 냉각수 유통 라인 중 설계자의 의도에 따라 적절하게 배치될 수 있는데, 상기 히터모듈(400)에 의하여 냉각수가 승온 되는 것을 고려하여, 냉각수가 연료전지 스택(100)을 냉각시키고 나온 부분과, 냉각수가 히터코어로 유입되는 부분 사이의 라인에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 히터모듈(400)은 상기 배터리(200)와 연결되어 전원이 인가되며, 다수개의 히터봉(410)으로 이루어진다.
이때, 상기 히터모듈(400)은 상기 케이스(300) 내에 구비되어 냉각수를 가열하는 역할을 한다. 상기 히터모듈(400)은 차량의 전원 공급 수단과 연결되어 전원을 공급받고, 전원이 공급되면 발열을 하게 된다.
여기에서 차량의 전원 공급 수단이란, 내연기관 차량의 경우에는 배터리(200) 한 가지가 될 수도 있고, 연료전지 차량이나 하이브리드 차량의 경우에는 배터리(200) 또는 연료전지 스택(100)이 될 수도 있는 등, 차량 내에 구비되어 있는 전원을 공급할 수 있는 수단을 통칭한다.
또한, 상기 히터모듈(400)은 동일한 특성 또는 서로 다른 특성을 갖는 다수개의 히터봉(410)으로 이루어지며, 상기 케이스(300) 내에 다수개의 히터모듈(400)이 구비될 수 있다. 여기서 말하는 특성이란 발열용량을 의미할 수도 있고, 발열체의 종류일 수도 있다.
특히, 본 발명의 잉여 전기 처리장치(1)는 상기 배터리(200)와 상기 히터모듈(400) 사이에 PTC 소자로 이루어진 온도제어부(500)가 연결된다.
PTC 소자는 임계 온도 이상에서 저항이 급상승하여 전류를 축소 또는 차단하는 정온 특성을 갖는데, 이러한 특성을 이용하여 본 발명의 잉여 전기 처리장치(1)에서는 PTC 소자가 과열 방지용 온도제어부(500)로 사용된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 잉여 전기 처리 장치는 상기 히터봉(410)의 전원 전단에 상기 온도제어부(500)가 직렬 연결되며, 이를 통해 상기 히터모듈(400)로 전원을 공급하는 배터리(200)로부터 과잉 전압 또는 전류가 공급될 경우, 상기 PTC 소자의 저항이 급상승하여 전류를 축소 또는 차단될 수 있도록 한다.
이때, 상기 히터모듈(400)은 상기 히터봉(410)이 카트리지 히터일 수 있는데, 카트리지 히터란 니크롬선 등과 같은 저항체를 이용하여 발열을 하는 히터로서, 시간에 따라 전기 에너지의 소진량이 점진적으로 증가하는 특성을 갖는다.
이 외에도, 상기 히터모듈(400)은 필요에 따라 히터모듈(400) 각각의 발열체가 어느 하나는 CNT 발열체이고, 나머지는 PTC 소자를 이용한 발열체이거나, 카트리지 히터 등 서로 다른 종류일 수도 있으며, 동일한 발열체가 사용될 수도 있다.
단, 본 발명의 잉여 전기 처리 장치는 상기 히터모듈(400)의 과열 방지를 위해 상기 히터봉(410)과 직렬 연결되는 온도제어부(500)가 PTC 소자로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 온도제어부(500)는 상기 케이스(300) 외부에 배치되며, 상기 히터모듈(400)의 히터봉(410)과 PTC 소자가 각각 직렬 연결되도록 형성될 수 있다.
즉, 상기 온도제어부(500)는 상기 배터리(200)와 상기 히터봉(410)이 연결되는 전원선 상에 배치되어 직렬 연결되며, 적어도 상기 히터봉(410)의 개수에 대응되는 개수의 PTC 소자가 구비되어 상기 히터봉(410) 각각의 온도를 제어한다.
이때, 상기 온도제어부(500)는 상기 히터봉(410)이 서로 다른 특성을 가진 전기 히터들로 이루어졌을 경우, 필요에 따라 상기 히터봉(410)마다 PTC 소자의 개수를 달리할 수도 있다.
상기 온도제어부(500)는 상기 케이스(300) 외부에 배치될 경우, 상기 히터모듈(400)의 온도 제어뿐만 아니라, 추가적으로 외부 공기 가열용으로 사용될 수도 있다.
또 다른 실시예로, 도 4 및 도 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 잉여 전기 처리장치(1)는 상기 히터봉(410) 및 온도제어부(500)가 일체로 형성되되, 상기 히터봉(410) 내에 카트리지 히터와 PTC 소자가 직렬 연결된 상태로 내장되어 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 온도제어부(500)는 상기 케이스(300) 내부에 배치될 수 있으며, 카트리지 히터와 함께 임계 온도까지 냉각수 가열 용도로 사용되다가, 임계 온도 이상이 되면 온도제어부(500)의 역할을 수행하게 된다.
도 2 내지 4를 참고로 상기 히터봉(410)이 카트리지 히터인 경우, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치(1)가 작동되는 과정을 설명하면,
정격 전압(전류) 이하에서 주 히터인 카트리지 히터가 냉각수 가열에 사용된다.
이때, PTC 소자는 보조 히터로서 상기 케이스(300) 내부에 구비될 경우, 냉각수 가열에 사용되고, 상기 케이스(300) 외부에 구비될 경우, 공기 가열에 사용된다.
이후, 카트리지 히터에 이상 전압(전류)이 인가되거나 냉각수의 이상 유동으로 인해 카트리지 히터가 설정 온도 이상으로 과열되면, 카트리지 히터의 전원선 전단에 연결된 PTC 소자의 저항이 상승하여 카트리지 히터로 인가되는 전류를 축소 또는 차단함으로써, 과열을 원천적으로 방지한다.
간략히 정리하자면, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치(1)는 배터리(200)와 연결되어 전원이 인가되며, 다수개의 히터봉(410)으로 이루어진 히터모듈(400)의 전원 전단에 정온 특성을 갖는 PTC 소자로 이루어진 온도제어부(500)가 직렬 연결됨으로써, 히터모듈(400)에 이상 전압 또는 전압이 인가되거나, 냉각수의 이상 유동으로 인해 히터모듈(400)이 설정 온도 이상으로 과열되는 경우, PTC 소자의 저항이 상승하여 히터모듈(400)로 인가되는 전류를 축소 또는 차단하고, 이를 통해 과열을 원천적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 과열된 히터모듈(400)의 온도가 임계 온도 이하로 떨어질 경우, PTC 소자의 저항도 떨어짐으로써, 다시 히터모듈(400)에 정상적인 전원 공급이 가능하므로, 퓨즈와 같이 1회성 수단이 아닌 지속적인 과열 방지 수단으로써 활용이 가능하다.
이에 따라, 본 발명은 고전압 전기 히터의 이상 과열을 근본적으로 방지할 수 있으며, 기존의 과열 감지 센서가 필요 없어 설계가 단순화될 수 있고, 패키지 축소 및 원가 절감이 가능하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1 : 잉여 전기 처리장치
100 : 연료전지 스택
200 : 배터리
300 : 케이스
310 : 냉각수 유입구 320 : 냉각수 배출구
400 : 히터모듈
410 : 히터봉
500 : 온도제어부

Claims (6)

  1. 연료전지 스택(100)(stack); 상기 연료전지 스택(100)으로부터 전원을 공급받는 배터리(200); 일측에 냉각수 유입구(310)가 형성되고 타측에 냉각수 배출구(320)가 형성되어 냉각수를 유통시키는 케이스(300); 상기 배터리(200)와 연결되어 전원이 인가되며, 다수개의 히터봉(410)으로 이루어진 히터모듈(400); 을 포함하는 연료전지 차량의 잉여 전기 처리장치(1)에 있어서,
    상기 잉여 전기 처리장치(1)는
    상기 배터리(200)와 상기 히터모듈(400) 사이에 PTC 소자로 이루어진 온도제어부(500)가 연결되며,
    상기 히터봉(410) 및 온도제어부(500)가 일체로 형성되어 케이스(300) 내부에 배치되되,
    상기 히터봉(410) 내에 카트리지 히터와 상기 온도제어부(500)의 PTC 소자가 직렬 연결된 상태로 내장되어, 상기 온도제어부(500)의 PTC 소자에 의해 케이스(300) 내부의 냉각수가 가열될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 잉여 전기 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 잉여 전기 처리장치(1)는
    상기 히터봉(410)의 전원 전단에 상기 온도제어부(500)가 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 잉여 전기 처리장치.
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