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KR101163464B1 - Thermal management system for fuel cell vehicle maintaining electrical conductivity and heating capacity - Google Patents

Thermal management system for fuel cell vehicle maintaining electrical conductivity and heating capacity Download PDF

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KR101163464B1
KR101163464B1 KR1020100093851A KR20100093851A KR101163464B1 KR 101163464 B1 KR101163464 B1 KR 101163464B1 KR 1020100093851 A KR1020100093851 A KR 1020100093851A KR 20100093851 A KR20100093851 A KR 20100093851A KR 101163464 B1 KR101163464 B1 KR 101163464B1
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electrical conductivity
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김성균
한수동
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택으로부터 발생하는 열을 냉각하기 위한 냉각 루프와 저온에서의 냉시동성 확보를 위한 승온 루프 및 냉각수의 전기전도도를 유지시키고, 차량 내부의 난방을 위한 필터/난방 루프를 포함하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명에서는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에 있어서, 하나의 냉각수 라인을 형성하는 COD 통합 히터, 연료전지 스택, 라디에이터 및 메인 펌프를 포함하며, 상기 메인 펌프에 의하여 순환 유동된 냉각수가 상기 COD 통합 히터, 연료전지 스택 및 라디에이터를 통과하는 주 냉각수 라인을 형성하고, 상기 주 냉각수 라인에 연결되며, 이온필터 및 난방용 히터를 통과하도록 구성되는 필터/난방 루프로서, 상기 필터/난방 루프는 냉각수 유량 확보를 위한 보조 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 제공한다.
이러한 구성을 갖는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템은 냉각수의 전기 전도도 유지 및 난방 성능을 개선할 수 있는 효과를 가진다.
The present invention provides a fuel loop including a cooling loop for cooling heat generated from a fuel cell stack, a heating loop for securing cold startability at a low temperature, and an electrical conductivity of the cooling water and a filter / heating loop for heating the vehicle interior. A thermal and water management system for a battery vehicle.
To this end, in the heat and water management system for a fuel cell vehicle, the present invention includes a COD integrated heater, a fuel cell stack, a radiator, and a main pump, which form one coolant line, and the coolant circulated and flowed by the main pump. A filter / heating loop configured to form a main coolant line passing through the COD integrated heater, a fuel cell stack and a radiator, connected to the main coolant line, and configured to pass an ion filter and a heater for heating, wherein the filter / heating loop is It provides a fuel cell vehicle heat and water management system comprising an auxiliary pump for securing the cooling water flow rate.
The heat and water management system for a fuel cell vehicle having such a configuration has an effect of maintaining the electrical conductivity of the cooling water and improving heating performance.

Description

전기 전도도 관리 및 난방 성능이 개선된 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템 {Thermal management system for fuel cell vehicle maintaining electrical conductivity and heating capacity}Thermal management system for fuel cell vehicle maintaining electrical conductivity and heating capacity

본 발명은 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택으로부터 발생하는 열을 냉각하기 위한 냉각 루프와 저온에서의 냉시동성 확보를 위한 승온 루프 및 냉각수의 전기전도도를 유지시키고, 차량 내부의 난방을 위한 필터/난방 루프를 포함하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a heat and water management system for a fuel cell vehicle, and more particularly, to maintain electrical conductivity of a cooling loop for cooling heat generated from a fuel cell stack and a heating loop and cooling water for securing cold startability at low temperature. And a filter / heating loop for heating the interior of the vehicle.

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/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다. A fuel cell is a kind of power generation device that converts chemical energy of fuel into electric energy by electrochemical reaction in the fuel cell stack without converting it into heat by combustion. It can also be applied to the power supply of electrical / electronic products, especially portable devices.

연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.As an example of a fuel cell, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), which is most frequently researched as a power supply for driving a vehicle, has both sides of the membrane centered on an electrolyte membrane through which hydrogen ions move. Membrane Electrode Assembly (MEA) with a catalytic electrode layer on which an electrochemical reaction occurs, a gas diffusion layer (GDL) that distributes the reactants evenly and delivers the generated electrical energy. And a gasket and fastening mechanism for maintaining the airtightness and proper fastening pressure of the gases and cooling water, and a bipolar plate for moving the reactor bodies and the cooling water.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다. In the fuel cell, hydrogen as the fuel and oxygen (air) as the oxidant are respectively supplied to the anode and the cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator, and the hydrogen is the anode ('fuel electrode' or 'water'). And the oxygen (air) are supplied to the cathode ('air' or 'oxygen', also known as 'reduction electrode').

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다. Supplied to the anode hydrogen is a hydrogen ion (proton, H +) and electrons by the electrode catalyst constructed on both sides of the electrolyte membrane (electron, e -) are decomposed into, passed through only the hydrogen ion in the optional electrolyte membrane cation exchange membrane The electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separation plate which is a conductor.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.In the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to generate a reaction. At this time, due to the movement of hydrogen ions, a flow of electrons occurs through an external conductor, and the flow of electrons generates current.

한편, 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 열 및 물 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된다. On the other hand, a fuel cell system mounted on a vehicle includes a fuel cell stack that generates electric energy, a fuel supply device for supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, and oxygen in the air, which is an oxidant required for an electrochemical reaction, to the fuel cell stack. It is composed of a heat supply and water management system (TMS) that removes the reaction heat from the fuel cell stack and supplies the reaction heat of the fuel cell stack to the outside of the system.

이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. With such a configuration, the fuel cell system generates electricity by an electrochemical reaction by hydrogen, which is a fuel, and oxygen in the air, and discharges heat and water as reaction byproducts.

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 열 및 물관리 시스템의 역할은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.In the fuel cell system, since the heat is generated as a reaction byproduct, an apparatus for cooling the stack is essential to prevent the temperature rise of the stack. In addition, the most urgent and difficult problem in the fuel cell system is the strategy of securing cold startability, so the role of the heat and water management system may be important.

주지된 바와 같이 TMS 라인의 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매(冷媒) 역할과 더불어 냉시동시에는 히터에 의해 급속 가열되어 스택에 공급되므로 스택을 급속 해빙하는 열매(熱媒) 역할을 한다.As is well known, the cooling water of the TMS line serves as a refrigerant that cools the stack, and is rapidly heated by a heater to be supplied to the stack during cold start, and thus serves to rapidly thaw the stack.

연료전지 차량에서 냉시동성 확보를 위한 종래의 해결책은 RTA(Rapid Thaw Accumulator) 내부의 히터를 이용한 순수의 급속 해빙이었다. 그러나, 순수를 이용하게 되면 빙점 이하에서는 순수가 결빙할 뿐만 아니라 냉각수 루프가 복잡해지고 추가적으로 드레인 밸브를 장착해야 하는 등 많은 어려움이 따른다.A conventional solution for securing cold startability in fuel cell vehicles has been rapid thawing of pure water using a heater inside a rapid thaw accumulator (RTA). However, when pure water is used, not only does the pure water freeze below the freezing point, but the cooling water loop becomes complicated and additional drain valves are required.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 스택용 부동액을 냉각수로 사용하고 빙점 이하의 온도에서 스택의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수 급속 가열을 하는 방법이 있다. 이를 위해서는 히터를 스택 냉각수 라인에 부착하여야 한다.As a solution to this problem, there is a method of using the antifreeze for the stack as the coolant and rapidly cooling the coolant to smoothly generate power of the stack at a temperature below the freezing point. To do this, a heater must be attached to the stack coolant line.

또한 연료전지 차량에서는 연료전지의 시동(start up)/셧다운(shut down)시 촉매 담지 카본의 부식에 의한 스택 내구성 저하를 방지하기 위해 COD(Cathod Oxygen Depletion)를 스택 양 단자에 접속시켜 수소와 산소의 반응에 의한 전력 생성을 열에너지로 소비하게 된다.In addition, in fuel cell vehicles, the COD (Cathod Oxygen Depletion) is connected to both terminals of the stack in order to prevent the stack durability from being deteriorated due to corrosion of the catalyst-carrying carbon when the fuel cell is started up or shut down. Power generation by the reaction of is consumed as thermal energy.

이러한 히터와 COD는 모두 저항히터로서 그 사용시기와 용도만 다를 뿐 근본적으로 하나의 히터로 통합할 수 있다. 이와 같은 COD 통합 히터는 스택 냉각수 회로에 부착되어 발생되는 열을 모두 스택 냉각수의 승온에 사용해왔다. 또한 극저온 냉시동시 스택의 자체 발열 온도까지 냉각수 급속 승온 및 자체 발열 냉시동시 스택의 부하 소모, 그리고 연료전지의 시동 및 셧다운시 전극의 카본 부식 방지, 애노드 플러딩(anode flooding) 등 방지를 위해 COD 통합 히터가 TMS 라인에 별도로 부착되어 있었다.Both of these heaters and COD are resistive heaters, which can be integrated into a single heater, depending only on the time and purpose of use. Such COD integrated heaters have used all the heat generated by attaching to the stack cooling water circuit to raise the temperature of the stack cooling water. In addition, the COD integrated heater is used to prevent the rapid rise of the coolant to the stack's self-heating temperature during cryogenic cold start, load consumption of the stack during self-heating cold start, and prevention of carbon corrosion of the electrode and anode flooding during fuel cell start-up and shutdown. Was attached separately to the TMS line.

이러한 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에서의 냉각수는 그 전기 전도도가 관리되어야 하는 한편, 필요에 따라 차량 내부의 난방을 위하여 사용될 수 있도록 구성된다.Cooling water in such a fuel cell vehicle heat and water management system must be managed while its electrical conductivity is configured so that it can be used for heating inside the vehicle as needed.

그러나, 이러한 다양한 냉각수의 기능을 모두 구현하기 위한 냉각수의 순환 루프를 구성하면서, 각각의 기능을 원하는 수준 이상으로 확보할 수 있는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템이 요구되었다.
However, there is a need for a heat and water management system for a fuel cell vehicle, which is configured to form a circulation loop of coolant to implement all of the various functions of the coolant, and to secure each function to a desired level or more.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 하나의 냉각수 라인이 구성하는 냉각 루프, 승온 루프 및 필터/난방 루프를 형성하면서, 상기 필터/난방 루프에서 충분한 냉각수 유량을 확보함으로써 냉각수의 전기 전도도 유지 및 난방 성능 개선을 도모할 수 있는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 제공하고자 함을 목적으로 한다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, in the present invention, while forming a cooling loop, a heating loop and a filter / heating loop of one cooling water line, a sufficient cooling water flow rate in the filter / heating loop is achieved. The purpose of this invention is to provide a heat and water management system for fuel cell vehicles that can maintain electrical conductivity of cooling water and improve heating performance.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에 있어서, 하나의 냉각수 라인을 형성하는 COD 통합 히터, 연료전지 스택, 라디에이터 및 메인 펌프를 포함하며, 상기 메인 펌프에 의하여 순환 유동된 냉각수가 상기 COD 통합 히터, 연료전지 스택 및 라디에이터를 통과하는 주 냉각수 라인을 형성하고, 상기 주 냉각수 라인에 연결되며, 이온필터 및 난방용 히터(108)를 통과하도록 구성되는 필터/난방 루프로서, 상기 필터/난방 루프는 냉각수 유량 확보를 위한 보조 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, in the present invention, a heat and water management system for a fuel cell vehicle, including a COD integrated heater, a fuel cell stack, a radiator and a main pump forming one coolant line, by the main pump Filter / heating loop configured to form a main coolant line through which the circulating flow of coolant passes through the COD integrated heater, the fuel cell stack and the radiator, is connected to the main coolant line, and is passed through an ion filter and heating heater 108 As an alternative, the filter / heating loop provides a heat and water management system for a fuel cell vehicle, characterized in that it comprises an auxiliary pump for securing cooling water flow rate.

여기서, 상기 주 냉각수 라인은 3웨이 밸브에 의하여 라디에이터를 통과하는 냉각 루프와 라디에이터를 통과하지 않는 승온 루프를 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 제공한다.Here, the main coolant line provides a heat and water management system for a fuel cell vehicle, characterized in that it is configured by a three-way valve to form a cooling loop passing through the radiator and a temperature rising loop not passing through the radiator.

또한, 상기 연료전지 스택을 통과한 냉각수의 전기 전도도를 검출하기 위하여 상기 승온 루프 상에 설치되는 제1전기전도도 센서 및 상기 라디에이터를 통과한 냉각수의 전기 전도도를 검출하기 위하여 상기 냉각 루프 상에 설치되는 제2전기전도도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 제공한다.In addition, the first electrical conductivity sensor is installed on the temperature rising loop for detecting the electrical conductivity of the cooling water passed through the fuel cell stack and the cooling loop is installed on the cooling loop to detect the electrical conductivity of the cooling water passed through the radiator. It provides a heat and water management system for a fuel cell vehicle further comprises a second conductivity sensor.

이 경우, 상기 제1전기전도도 센서 또는 상기 제2전기전도도 센서로부터 검출된 냉각수의 전기전도도 정보를 전송받고, 상기 전기전도도 정보에 따라 상기 보조 펌프의 구동을 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 제공한다.In this case, further comprising a controller for receiving the electrical conductivity information of the coolant detected from the first conductivity sensor or the second conductivity sensor, and controlling the driving of the auxiliary pump according to the conductivity information. It provides a fuel cell vehicle heat and water management system.

또한, 상기 제어기는 상기 난방용 히터(108)의 작동 정보를 전송받고, 상기 난방용 히터(108)의 작동 정보에 따라 상기 보조 펌프의 구동을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 제공한다.
In addition, the controller is configured to receive operation information of the heating heater 108, and to control the driving of the auxiliary pump according to the operation information of the heating heater 108, heat and water management for a fuel cell vehicle Provide a system.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the fuel cell vehicle heat and water management system according to the present invention has the following effects.

첫째, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템은 간단한 구성으로 필터/난방 루프를 구현하고, 상기 필터/난방 루프 상에 필요한 유량을 충분하게 확보할 수 있어, 유량의 히스테리시스(hysterisis)를 감소시킬 수 있다.First, the heat and water management system for a fuel cell vehicle according to the present invention implements a filter / heating loop with a simple configuration, and can sufficiently secure the required flow rate on the filter / heating loop, thereby reducing hysteresis of the flow rate. Can be reduced.

둘째, 상기 필터/난방 루프에 충분한 냉각수 유량이 공급됨에 따라 냉각수의 전기 전도도를 일정 수준 이하로 유지시킬 수 있으며, 충분한 난방 성능을 확보할 수 있는 효과가 있다.
Second, as sufficient cooling water flow rate is supplied to the filter / heating loop, electrical conductivity of the cooling water can be maintained at a predetermined level or less, and sufficient heating performance can be obtained.

도 1은 필터/난방 루프를 포함하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따라 구현된 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템의 개략도.
1 is a schematic diagram of a heat and water management system for a fuel cell vehicle including a filter / heating loop;
2 is a schematic diagram of a heat and water management system for a fuel cell vehicle implemented in accordance with the present invention.

본 발명은 연료전지 스택에 관한 냉각수 라인을 냉각 루프 및 승온 루프와 함께 필터/난방 루프가 구현된 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템으로 구현함에 있어서, 상기 필터/난방 루프로부터의 냉각수의 전기 전도도 유지 및 난방 성능 저하 문제를 개선할 수 있는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 제공하고자 한다.The present invention implements a coolant line of a fuel cell stack in a heat and water management system for a fuel cell vehicle in which a filter / heating loop is implemented together with a cooling loop and a heating loop, thereby maintaining electrical conductivity of the coolant from the filter / heating loop. And to provide a heat and water management system for fuel cell vehicles that can improve the problem of lowering the heating performance.

본 출원에서 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. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 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.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. A singular expression includes a plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms “comprises” or “having” are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or a combination thereof.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 구현예에 해당하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 상세하게 설명함에 있어서, 필터/난방 루프에 관한 보조 펌프를 제외한 경우를 먼저 설명한 다음, 이러한 보조 펌프를 포함한 본 발명의 바람직한 구현예를 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the fuel cell vehicle heat and water management system corresponding to the preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be described in detail a preferred embodiment of the present invention including an auxiliary pump.

도 1은 본 발명과 관련하여 보조 펌프를 제외하고, 메인 펌프(101)와 COD 통합 히터(102) 간의 압력 차로 유량을 확보하는 필터/난방 루프를 포함하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 도시한 것이다.1 illustrates a heat and water management system for a fuel cell vehicle including a filter / heating loop to ensure flow rate with a pressure differential between the main pump 101 and the COD integrated heater 102, with the exception of the auxiliary pump in connection with the present invention. It is.

본 발명에서의 열 및 물 관리 시스템은 물이 열교환을 수행하면서 유동할 수 있는 순환 경로로 구성되며, 물은 상기 경로 상에서 냉매 혹은 열매로 기능한다.The heat and water management system in the present invention consists of a circulation path through which water can flow while performing heat exchange, and the water functions as a refrigerant or fruit on the path.

본 발명에서는 이러한 순환 경로 상에서 구현되는 연료전지 스택의 냉각 성능에 주목하여, 편의 상 유동하는 물을 냉각수라 하고, 이러한 냉각수가 유동하는 순환 경로를 냉각수 라인이라 한다.In the present invention, paying attention to the cooling performance of the fuel cell stack implemented on the circulation path, the water flowing for convenience is called the coolant, and the circulation path through which the coolant flows is called the coolant line.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서의 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템은 연료전지 스택(103)을 통과하는 주 냉각수 라인(100) 상에 메인 펌프(101), COD 통합 히터(102) 및 라디에이터(104)가 설치되고, 상기 메인 펌프(101)에 의하여 냉각수가 주 냉각수 라인(100)을 따라 유동하면서 열교환되도록 구성된다. 상기 주 냉각수 라인(100)은 연료전지 차량의 상태에 따라 냉각 루프 또는 승온 루프를 구현하도록 구성된다.As shown in FIG. 1, a heat and water management system for a fuel cell vehicle according to the present invention includes a main pump 101 and a COD integrated heater 102 on a main coolant line 100 passing through a fuel cell stack 103. And a radiator 104 is installed and configured to exchange heat while cooling water flows along the main cooling water line 100 by the main pump 101. The main coolant line 100 is configured to implement a cooling loop or a heating loop according to the state of the fuel cell vehicle.

구체적으로, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에서의 주 냉각수 라인(100)의 경우, 초기 시동 상태에서는 냉시동성을 확보하기 위한 승온 루프를 형성하고, 주행 중에는 스택(103) 내에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있도록 냉각 루프를 형성하도록 구성된다.Specifically, in the case of the main cooling water line 100 in the heat and water management system for a fuel cell vehicle according to the present invention, in the initial starting state, a temperature rising loop is formed to secure cold startability, and the vehicle is operated in the stack 103 during driving. And to form a cooling loop to release heat generated to the outside.

따라서, 본 발명에서의 상기 주 냉각수 라인(100)은 차량의 상태에 따라 승온 루프와 냉각 루프가 적절하게 변경될 수 있도록 구현된다. 이와 같이 구현된 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에서는 주 냉각수 라인(100)이 냉각 루프 또는 승온 루프를 형성하도록 3-웨이 밸브(106)에 의하여 연결되도록 구성한다.Therefore, the main coolant line 100 in the present invention is implemented so that the temperature rising loop and cooling loop can be appropriately changed according to the state of the vehicle. Referring to Figure 1 implemented as described above, in the fuel cell vehicle heat and water management system according to a preferred embodiment of the present invention to the three-way valve 106 to the main coolant line 100 to form a cooling loop or a temperature rising loop Configure to be connected by

주 냉각수 라인(100)은 라디에이터(104)를 포함하는 냉각루프를 구성하고, 상기 연료전지 스택(103)을 통과한 냉각수가 상기 라디에이터(104)에 도달하기 전에 바이 패스되는 승온 루프의 냉각수 유로를 형성한다.The main coolant line 100 constitutes a cooling loop including a radiator 104, and passes through a coolant flow path of a heating loop in which a coolant passing through the fuel cell stack 103 is bypassed before reaching the radiator 104. Form.

바이 패스된 냉각수 유로는 라디에이터(104)를 경유하는 냉각 루프 상의 냉각수 유로와 3-웨이 밸브(106)에 의하여 연결됨으로써 선택적 유로를 형성한다.The bypassed coolant flow path is connected by a three-way valve 106 with a coolant flow path on the cooling loop via the radiator 104 to form an optional flow path.

또한, 상기 냉각 루프 상에는 냉각수를 저장하기 위한 리저버(105)가 설치될 수 있다.In addition, a reservoir 105 for storing cooling water may be installed on the cooling loop.

한편, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에서는 상기 냉각 루프 및 승온 루프 외에 냉각수의 전기전도도를 유지하고 차량 내부의 난방을 제공하는 필터/난방 루프가 형성되도록 구성된다.On the other hand, in the heat and water management system for a fuel cell vehicle according to the present invention, in addition to the cooling loop and the temperature rising loop, a filter / heating loop is formed to maintain electrical conductivity of the cooling water and provide heating in the vehicle.

이러한 필터/난방 루프는 주 냉각수 라인(100)에 연결되며, 연료전지 스택(103)을 통과한 냉각수의 전기전도도를 저감시키기 위한 이온 필터(107)와 차량 내부의 난방 기능을 수행하기 위한 난방용 히터(108)를 포함하여 구성된다.The filter / heating loop is connected to the main cooling water line 100, and the ion filter 107 for reducing the electrical conductivity of the cooling water passing through the fuel cell stack 103 and the heating heater for performing the heating function in the vehicle. And 108.

도 1에서의 열 및 물 관리 시스템의 경우, 상기 필터/난방 루프에 대한 냉각수 유량은 메인 펌프(101)와 COD 통합 히터(102) 사이의 압력 차이로부터 확보되게 구성되므로, 메인 펌프(101)의 구동 회전수에 종속되게 된다.For the heat and water management system in FIG. 1, the coolant flow rate for the filter / heating loop is configured to be secured from the pressure difference between the main pump 101 and the COD integrated heater 102, so that the main pump 101 It depends on the driving speed.

따라서, 도 1에서와 같이 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템을 구현하더라도, 메인 펌프(101)의 구동 회전수가 낮아질 경우, 필터/난방 루프의 유량 확보가 어려워지게 되어 유량의 히스테리시스(hysterisis)가 커지게 된다. 또한, 상기 필터/난방 루프에서의 유량 확보가 어려워짐에 따라 냉각수의 전기 전도도가 상승하고, 차량 난방 성능이 저하될 우려가 존재한다.Therefore, even when the fuel cell vehicle heat and water management system is implemented as shown in FIG. 1, when the driving rotation speed of the main pump 101 decreases, it becomes difficult to secure the flow rate of the filter / heating loop, thereby increasing the hysteresis of the flow rate. You lose. In addition, as the flow rate securing in the filter / heating loop becomes difficult, there is a fear that the electrical conductivity of the cooling water increases and the vehicle heating performance decreases.

도 2는 이러한 점을 개선할 수 있도록 구현된 본 발명에 따른 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템의 바람직한 구현예를 도시한 것이다.Figure 2 shows a preferred embodiment of the heat and water management system for a fuel cell vehicle according to the present invention implemented to improve this point.

도 2에서와 같이 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에서는 필터/난방 루프 상에 설치되는 보조 펌프(211)를 포함한다.In the heat and water management system for a fuel cell vehicle according to a preferred embodiment of the present invention as shown in Figure 2 includes an auxiliary pump 211 installed on the filter / heating loop.

상기 보조 펌프(211)는 필터/난방 루프 상의 유량 확보를 위하여 작동하며, 특히 주 냉각수 유로 상의 유량이 작은 경우라도 필터/난방 루프에서 충분한 냉각수 유량을 확보할 수 있도록 작동한다.The auxiliary pump 211 operates to secure the flow rate on the filter / heating loop, and particularly, even when the flow rate on the main cooling water flow path is small, to ensure sufficient cooling water flow rate on the filter / heating loop.

그러므로, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에서는 도 2에서와 같이, 필터/난방 루프의 이온 필터(207) 및 난방용 히터(208)에 앞서 보조 펌프(211)를 설치함으로써 이온 필터링 및 난방 기능에 필요한 냉각수 유량을 제공한다.Therefore, in the heat and water management system for a fuel cell vehicle according to the present invention, as shown in FIG. 2, ion filtering and ion filtering by installing an auxiliary pump 211 before the ion filter 207 and the heating heater 208 of the filter / heating loop. Provide the coolant flow rate required for the heating function.

한편, 상기 보조 펌프(211)는 전기 전도도 유지 또는 차량 난방을 목적으로 작동하는 것이므로, 전기 전도도의 감소가 필요한지 또는 차량 난방이 필요한지에 관한 정보를 수득하고, 이러한 정보를 통하여 상기 보조 펌프(211)에 관한 제어를 수행하게 된다. 냉각수의 전기 전도도를 검출하기 위하여, 본 발명에서는 전기 전도도 센서를 주 냉각수 라인(200) 상에 설치한다.On the other hand, since the auxiliary pump 211 is operated for the purpose of maintaining electrical conductivity or heating the vehicle, it is possible to obtain information on whether the electrical conductivity needs to be reduced or vehicle heating, and through the information the auxiliary pump 211 To control. In order to detect the electrical conductivity of the cooling water, in the present invention, an electrical conductivity sensor is installed on the main cooling water line 200.

도 2의 구현예에서는 상기 전기 전도도 센서가 승온 루프 및 냉각 루프 상에 각각 설치된 예를 도시하고 있다.In the embodiment of Figure 2 shows an example of the electrical conductivity sensor is installed on the heating loop and the cooling loop, respectively.

도 2를 참조하면, 상기 승온 루프 상에 설치되는 제1전기 전도도 센서(209)는 연료전지 스택(203)을 통과한 냉각수의 전기 전도도를 검출하기 위하여 연료전지 스택(203)을 지난 승온 루프 상의 위치에 설치된다.Referring to FIG. 2, the first electrical conductivity sensor 209 installed on the temperature rising loop is disposed on the temperature rising loop past the fuel cell stack 203 to detect the electrical conductivity of the coolant passing through the fuel cell stack 203. Is installed in position.

또한, 상기 냉각 루프 상에 설치되는 제1전기 전도도 센서(210)는 라디에이터(204)를 통과한 냉각수의 전기 전도도를 검출하기 위하여 상기 라디에이터(204)를 지난 냉각 루프 상의 위치에 설치된다.In addition, a first electrical conductivity sensor 210 installed on the cooling loop is installed at a position on the cooling loop past the radiator 204 to detect the electrical conductivity of the coolant passing through the radiator 204.

따라서, 상기 제1 및 제2전기 전도도 센서(209, 210)는 각각의 위치에서 냉각수의 전기 전도도 정보를 검출하게 되고, 제어기는 이러한 전기 전도도 센서(209, 210)로부터의 정보 및 난방용 히터(208)의 작동 정보를 전송받고, 이러한 정보에 따라 상기 보조 펌프(211)의 구동을 제어하도록 구성된다.Thus, the first and second electrical conductivity sensors 209 and 210 detect the electrical conductivity information of the coolant at their respective locations, and the controller can provide information from the electrical conductivity sensors 209 and 210 and the heater 208 for heating. Receiving operation information and controlling the driving of the auxiliary pump 211 according to the information.

도 2에서와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에서 전기 전도도 유지 및 난방 성능을 개선하기 위하여 작동되는 보조 펌프(211)의 구체적인 작동 과정을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the specific operation of the auxiliary pump 211 that is operated to improve the electrical conductivity maintenance and heating performance in the heat and water management system for a fuel cell vehicle according to the present invention having the configuration as shown in Figure 2 as follows.

먼저, 연료전지 차량의 초기 시동 시에는 냉각수 온도가 낮아 주 냉각수 라인(200)을 통과하는 냉각수 유량이 작게 되게 되더라도, 제1전기 전도도 센서(209)로부터 검출된 전기 전도도 정보 또는 난방용 히터(208)의 작동 정보에 따라 보조 펌프(211) 작동시키거나 메인 펌프(201)의 구동 회전수를 제어함으로써 필터/난방 루프 상의 충분한 유량을 확보할 수 있도록 작동한다.First, at the initial start-up of the fuel cell vehicle, even if the coolant temperature is low to decrease the flow rate of the coolant flowing through the main coolant line 200, the electrical conductivity information or the heating heater 208 detected from the first electrical conductivity sensor 209. By operating the auxiliary pump 211 according to the operation information of or by controlling the drive speed of the main pump 201 is operated to ensure a sufficient flow rate on the filter / heating loop.

또한, 차량의 주행되고, 상기 주 냉각수 라인(200)이 냉각 루프로 기능하는 경우에는 라디에이터(204)에 있는 전기 전도도가 높은 냉각수가 유입되더라도, 상기 제1전기 전도도 센서(210)에서 이를 검출하여 상기 보조 펌프(211)를 작동시킴으로써 필터/난방 루프에 필요한 유량을 확보할 수 있도록 작동한다.In addition, when the vehicle is driven and the main coolant line 200 functions as a cooling loop, even if coolant having a high electrical conductivity in the radiator 204 is introduced, the first electrical conductivity sensor 210 detects the same. By operating the auxiliary pump 211 is operated to ensure the flow rate required for the filter / heating loop.

그러므로, 이러한 보조 펌프(211)를 포함하는 필터/난방 루프를 구성함으로써 충분한 유량 확보가 가능하여 전기전도도 유지 및 차량 난방 성능을 개선할 수 있게 된다.Therefore, by configuring the filter / heating loop including the auxiliary pump 211 it is possible to ensure a sufficient flow rate to maintain the electrical conductivity and improve the vehicle heating performance.

본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
While the invention has been described with reference to the preferred embodiments, those skilled in the art will appreciate that modifications and variations of the elements of the invention may be made without departing from the scope of the invention. In addition, many modifications may be made to particular circumstances or materials without departing from the essential scope of the invention. Therefore, the invention is not limited to the details of the preferred embodiments of the invention, but will include all embodiments within the scope of the appended claims.

201: 메인 펌프 202: COD 통합 히터
203: 연료전지 스택 204: 라디에이터
205: 리저버 206: 3-웨이 밸브
207: 이온 필터 208: 난방용 히터
209, 210: 전기 전도도 센서 211: 보조 펌프
201: main pump 202: COD integrated heater
203: fuel cell stack 204: radiator
205: reservoir 206: three-way valve
207: ion filter 208: heater for heating
209 and 210: electrical conductivity sensor 211: auxiliary pump

Claims (5)

연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템에 있어서,
하나의 냉각수 라인을 형성하는 COD 통합 히터, 연료전지 스택, 라디에이터 및 메인 펌프를 포함하며, 상기 메인 펌프에 의하여 순환 유동된 냉각수가 상기 COD 통합 히터, 연료전지 스택 및 라디에이터를 통과하는 주 냉각수 라인을 형성하고,
상기 주 냉각수 라인에 연결되며, 이온필터 및 난방용 히터를 통과하도록 구성되는 필터/난방 루프로서, 상기 필터/난방 루프는 냉각수 유량 확보를 위한 보조 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.
In the heat and water management system for fuel cell vehicles,
A main coolant line comprising a COD integrated heater, a fuel cell stack, a radiator, and a main pump forming a coolant line, wherein the coolant circulated by the main pump passes through the COD integrated heater, a fuel cell stack, and a radiator; Forming,
A filter / heating loop connected to the main cooling water line and configured to pass through an ion filter and a heater for heating, wherein the filter / heating loop includes an auxiliary pump for securing a cooling water flow rate. Management system.
청구항 1에 있어서, 상기 주 냉각수 라인은 3웨이 밸브에 의하여 라디에이터를 통과하는 냉각 루프와 라디에이터를 통과하지 않는 승온 루프를 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.
The heat and water management system of claim 1, wherein the main coolant line is configured by a three-way valve to form a cooling loop passing through the radiator and a temperature rising loop not passing through the radiator.
청구항 2에 있어서, 상기 연료전지 스택을 통과한 냉각수의 전기 전도도를 검출하기 위하여 상기 승온 루프 상에 설치되는 제1전기전도도 센서 및 상기 라디에이터를 통과한 냉각수의 전기 전도도를 검출하기 위하여 상기 냉각 루프 상에 설치되는 제2전기전도도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.
The method of claim 2, wherein the first electrical conductivity sensor is installed on the heating loop for detecting the electrical conductivity of the cooling water passed through the fuel cell stack and the cooling loop phase to detect the electrical conductivity of the cooling water passed through the radiator. Thermal and water management system for a fuel cell vehicle further comprises a second electrical conductivity sensor installed in the.
청구항 3에 있어서, 상기 제1전기전도도 센서 또는 상기 제2전기전도도 센서로부터 검출된 냉각수의 전기전도도 정보를 전송받고, 상기 전기전도도 정보에 따라 상기 보조 펌프의 구동을 제어하는 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.
The method of claim 3, further comprising a controller for receiving the electrical conductivity information of the coolant detected from the first conductivity sensor or the second conductivity sensor, and controlling the driving of the auxiliary pump according to the conductivity information. A heat and water management system for a fuel cell vehicle.
청구항 4에 있어서, 상기 제어기는 상기 난방용 히터의 작동 정보를 전송받고, 상기 난방용 히터의 작동 정보에 따라 상기 보조 펌프의 구동을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 열 및 물 관리 시스템.

The heat and water management system of claim 4, wherein the controller is configured to receive operation information of the heating heater and to control driving of the auxiliary pump according to the operation information of the heating heater.

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