JP6431448B2 - 燃料電池車両の排気口構造 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池車両の排気口構造に係り、より詳しくは、始動時に燃料電池から排出される高濃度の水素を、排気口を用いて大気に排出される時点を遅延させて排出ガスの水素濃度を低減させる燃料電池車両の排気口構造に関する。
燃料電池システムでは、排出ガスの発火及び爆発の危険を防止すべく、排出ガスが一定の水素濃度を有するように管理されなければならない。しかし、パージバルブ及びクロスオーバーによって相当な量の水素が排出される。
一方、排出ガスの水素濃度は、全ての運転条件で常に一定水準より低くなければならない。しかし、従来の外部空気を用いた排出ガスの水素濃度希釈システムは、水素濃度の低減において追加の外部空気の吸入のための構造が必要であったため構造が複雑であり、運転条件によって水素濃度が希釈されていない排出ガスが排出されることがあった。
韓国登録特許 第１０−０６４５２４７号公報 特開２００９−２７７６１２号公報
前記問題点を考慮してなされた本発明の目的は、燃料電池車両の初期始動及び水素パージの際に大気に排出される排出ガスの水素濃度を低減することができる燃料電池車両の排気口構造を提供することにある。
本発明は、排気パイプの内部に流れる水素と空気が混合した混合ガスが流入する第１ポートホール、及び前記混合ガスを前記排気パイプに再注入する第２ポートホールが形成された再循環流体通路、及び
外部空気が吸入される空気吸気路が形成され、前記排気パイプに再注入された混合ガスを外部空気と混合して外部へ排出するよう、前記排気パイプの端部に取り付けられた混合パイプ、を含むことを特徴とする。
前記排気パイプは、前記第２ポートホールの一側に位置するように前記排気パイプに形成された第１エジェクター、及び前記混合パイプの一側に位置するように前記排気パイプの端部に形成された第２エジェクター、を含むことを特徴とする。
前記第１エジェクターを混合ガスが通過するとき、
前記第２ポートホールを介して前記再循環流体通路に存在する混合ガスが前記排気パイプに再吸入されることを特徴とする。
前記排気パイプは、前記第１エジェクターの前端に形成された第１バルブ及び第１アウトレットをさらに含むことを特徴とする。
前記第１バルブは、前記排気パイプの内部圧が適正値以上であるとき、前記排気パイプと前記第１アウトレットが連通するように作動することを特徴とする。
前記第２エジェクターを混合空気が通過するとき、
前記空気吸気路を介して外部空気が前記混合パイプの内部に吸入されることを特徴とする。
前記混合パイプは、前記第２エジェクターを通過した混合空気と、前記空気吸気路を介して吸入された外部空気とを混合するベンチュリノズル、及び
前記ベンチュリノズルから拡管されるように外部に延長形成された延長部と第２アウトレットを含むことを特徴とする。
前記第２アウトレットの内径が、前記延長部の内径より大きいことを特徴とする。
前記再循環流体通路は、前記排気パイプと水平をなし、前記排気パイプ上に位置するように前記排気パイプの上部に形成されることを特徴とする。
前記再循環流体通路は、燃料電池スタックに外部空気を供給する吸気ダクトと連結されることを特徴とする。
前記再循環流体通路と前記吸気ダクトの間に第２バルブが位置することを特徴とする。
前記第２バルブが開かれるとき、前記混合ガスが前記排気パイプから前記再循環流体通路に吸入されることを特徴とする。
また、本発明は、排気パイプと水平をなすよう、前記排気パイプの上部に取り付けられた再循環流体通路、及び前記排気パイプの端部に取り付けられ、外部空気が吸入される混合パイプを含み、前記再循環流体通路への混合ガスの流動が生成されるよう、前記再循環流体通路が吸気ダクトと連通され、前記再循環流体通路を介して混合ガスが前記排気パイプの内部に再循環され、前記排気パイプの内部に再循環された混合ガスは、前記混合パイプを介して外部空気と混合され外部へ排出されることを特徴とする。
前記排気パイプに流入される混合ガスの水素濃度より、前記排気パイプと前記再循環流体通路の連結部位に存在する混合ガスの水素濃度が高い場合、前記再循環流体通路と前記吸気ダクトが連通されることを特徴とする。
本発明の燃料電池車両の排気口構造によれば、始動及び燃料電池で水素を除去する水素パージの際に、燃料電池から排出される高濃度の水素が再循環流体通路及び混合パイプを介して濃度が低減された状態で車両の外部へ排出される効果があり、最終的にに燃料電池車両の安全性が向上する効果がある。
また、空気ブロワーの作動及び水素パージの際に、再循環流体通路を介して水素を希釈することができる。
また、別のアクチュエータがなくとも、水素と空気の混合ガスを再循環させることができ、水素濃度を低減することができる。
本発明の一実施形態の燃料電池車両の排気口構造の概要図である。 燃料電池車両の始動後に排出される水素の濃度測定データグラフである。 燃料電池車両の排気管内部に流れる排出ガスの水素濃度解析写真である。 図１の燃料電池車両の排気口構造が取り付けられている車両、及び取り付けられていない車両の水素排出量の比較グラフである。
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳しく説明する。
図１から図３に示すように、本発明の燃料電池車両の排気口構造は、排気パイプ１００の内部に流れる水素と空気が混合した混合ガスが流入する第１ポートホール２１０、及び混合ガスを排気パイプ１００に再注入する第２ポートホール２２０が形成された再循環流体通路２００、及び外部空気が吸入される空気吸気路３１０が形成され、排気パイプ１００に再注入された混合ガスを外部空気と混合して外部へ排出するよう、排気パイプ１００の端部に取り付けられた混合パイプ３００を含む。
排気パイプ１００は、第２ポートホール２２０の一側に位置するように排気パイプ１００に形成された第１エジェクター１１０、及び混合パイプ３００の一側に位置しるように排気パイプ１００の端部に形成された第２エジェクター１２０を含む。また、排気パイプ１００は、第１エジェクター１１０の前端に形成された第１バルブ１３０及び第１アウトレット１４０を含む。
混合パイプ３００は、第２エジェクター１２０を通過した混合空気と空気吸気路３１０を介して吸入された外部空気を混合するベンチュリノズル３２０、及びベンチュリノズルから拡管するように外部に延長形成された延長部３３０と第２アウトレット３４０を含む。
本発明の一実施形態において、第２アウトレット３４０の内径は延長部３３０の内径より大きい。外部空気は、排気パイプ１００の外部から混合パイプ３００に流入した流入空気である。流入空気は、排気パイプ１００の外部から混合パイプ３００に流入してもよく、吸気系から混合パイプ３００に供給されてもよい。
再循環流体通路２００は、排気パイプ１００と水平をなし、排気パイプ１００上に位置するように排気パイプ１００の上部に形成される。再循環流体通路２００は、燃料電池スタックに外部空気を供給する吸気ダクト４００と連結される。再循環流体通路２００と吸気ダクト４００との間に、第２バルブ２３０が位置する。
前記のような構成を有する本発明の燃料電池車両の排気口構造をさらに詳しく説明する。再循環流体通路２００へ混合ガスが流動するよう、第２バルブ２３０が作動して再循環流体通路２００と吸気ダクト４００が連通される。このとき、混合ガスは、吸気ダクト４００及び再循環流体通路２００にサクションされる。
吸気ダクト４００にサクションされた混合ガスは再び燃料電池に注入され、再循環流体通路２００にサクションされた混合ガスは、排気パイプ１００の内部に再循環される。排気パイプ１００の内部に再循環された混合ガスは、混合パイプ３００を介して混合パイプ３００に流入された外部空気と混合され、外部へ排出されることにより、水素濃度が低減された状態で排出される。
本発明の一実施形態では、排気パイプ１００に備えられた第１エジェクター１１０に流入する混合ガスの水素濃度より、排気パイプ１００と再循環流体通路２００の連結部位、より正確には、第１ポートホール２１０に存在する混合ガスの水素濃度が高い場合、再循環流体通路２００と吸気ダクト４００が連通される。
図２に示すように、始動時に数秒以内に水素濃度は最高濃度を有することとなる。図３に示すように、排気パイプ１００内の上端と下端の水素濃度は密度の差によって変わることになる。
本発明は、再循環流体通路２００が排気パイプ１００上に位置することにより、濃度の高い水素が第１ポートホール２１０を介して再循環流体通路２００に流入する。また、再循環流体通路２００と吸気ダクト４００との間に位置する第２バルブ２３０が作動することにより発生する負圧により、排気パイプ１００に流れる水素をサクションしてさらに多くの水素ガスが再循環流体通路２００に流入する。
燃料電池から持続的に排出される新しい混合ガスは、第１エジェクター１１０を通過することとなり、第１エジェクター１１０を通過した新しい混合ガスは、第２ポートホール２２０を介して再循環流体通路２００の内部の混合ガスを排気パイプ１００に再び吸入させる。再循環流体通路２００から排気パイプ１００に再び吸入された水素濃度の高い混合ガスと新しい混合ガスとが、第１エジェクター１１０及び第２エジェクター１２０の間で混じって一次混合ガスを形成する。
一次混合ガスは第２エジェクター１２０を通過し、空気吸気路３１０を介して外部空気を混合パイプ３００の内部に吸入させる。一次混合ガスは、外部空気とともに混合パイプ３００に形成されたベンチュリノズル３２０を通過しながら混合され、二次混合ガスを形成する。二次混合ガスは、混合パイプ３００に形成された延長部３３０を通過して減速され、最大限に外部空気と混じって水素濃度が最小化された状態で第２アウトレット３４０を通過し外部へ排出される。
延長部３３０及び第２アウトレット３４０は、ベンチュリノズル３２０から拡管された形状であって、ベンチュリノズル３２０を通過しながら混合された二次混合ガスの速度を緩めることとなる。延長部３３０を介して速度が減少した二次混合ガスは、速度が減少していない場合と比べてさらに速やかに大気中の空気と混ざる。
第１アウトレット１４０は、再循環流体通路２００及び混合パイプ３００によって発生する背圧を下げるために取り付けられる。初期の始動時に低流量区間では背圧の影響が僅かである。しかし、高流量区間、すなわち、排気パイプ１００を介して始動時より多量の混合ガスが外部へ排出される高出力区間では、再循環通路、第１エジェクター１１０、第２エジェクター１２０及び混合パイプ３００によって背圧が過剰に発生する。
このような過剰な背圧は、燃料電池の性能を減少させる。一方、高流量区間では水素が殆ど排出されないので、第１アウトレット１４０を介して混合ガスを外部へ排出することにより背圧を下げ、燃料電池の性能を正常範囲に維持するのが好ましい。排気パイプ１００と第１アウトレット１４０を連通または遮断する第１バルブ１３０は、排気パイプ１００の内部圧が適正値以上であるとき、排気パイプ１００と第１アウトレット１４０が連通するように作動する。
前記のような構成を有する本発明の燃料電池車両の排気口構造が燃料電池車両に備えられることにより、図４に示すように、本発明の燃料電池車両の排気口構造が適用されていない車両に比べ、初期に排出される水素濃度が基準値以下に減少する。
以上、本発明の好ましい実施例を図示して説明したが、本発明は前述した特定の実施例に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
１００：排気パイプ
１１０：第１エジェクター
１２０：第２エジェクター
１３０：第１バルブ
１４０：第１アウトレット
２００：再循環流体通路
２１０：第１ポートホール
２２０：第２ポートホール
２３０：第２バルブ
３００：混合パイプ
３１０：空気吸気路
３２０：ベンチュリノズル
３３０：延長部
３４０：第２アウトレット
４００：吸気ダクト

Claims (14)

  1. 排気パイプの内部に流れる水素と空気が混合した混合ガスが流入する第１ポートホール、及び前記混合ガスを前記排気パイプに再注入する第２ポートホールが形成された再循環流体通路、及び
    外部空気が吸入される空気吸気路が形成され、前記排気パイプに再注入された混合ガスを外部空気と混合して外部へ排出するよう、前記排気パイプの端部に取り付けられた混合パイプ、を含むことを特徴とする燃料電池車両の排気口構造。
  2. 前記排気パイプは、
    前記第２ポートホールの一側に位置するように前記排気パイプに形成された第１エジェクター、及び
    前記混合パイプの一側に位置するように前記排気パイプの端部に形成された第２エジェクター、を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の排気口構造。
  3. 前記第１エジェクターを混合ガスが通過するとき、
    前記第２ポートホールを介して前記再循環流体通路に存在する混合ガスが前記排気パイプに再吸入されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両の排気口構造。
  4. 前記排気パイプは、
    前記第１エジェクターの前端に形成された第１バルブ及び第１アウトレットをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両の排気口構造。
  5. 前記第１バルブは、
    前記排気パイプの内部圧が適正値以上であるとき、前記排気パイプと前記第１アウトレットが連通するように作動することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池車両の排気口構造。
  6. 前記第２エジェクターを混合空気が通過するとき、
    前記空気吸気路を介して外部空気が前記混合パイプの内部に吸入されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両の排気口構造。
  7. 前記混合パイプは、
    前記第２エジェクターを通過した混合空気と、前記空気吸気路を介して吸入された外部空気とを混合するベンチュリノズル、及び
    前記ベンチュリノズルから拡管されるように外部に延長形成された延長部と第２アウトレットを含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池車両の排気口構造。
  8. 前記第２アウトレットの内径が、前記延長部の内径より大きいことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池車両の排気口構造。
  9. 前記再循環流体通路は、
    前記排気パイプと水平をなし、
    前記排気パイプ上に位置するように前記排気パイプの上部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の排気口構造。
  10. 前記再循環流体通路は、
    燃料電池スタックに外部空気を供給する吸気ダクトと連結されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の排気口構造。
  11. 前記再循環流体通路と前記吸気ダクトの間に第２バルブが位置することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池車両の排気口構造。
  12. 前記第２バルブが開かれるとき、前記混合ガスが前記排気パイプから前記再循環流体通路に吸入されることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池車両の排気口構造。
  13. 排気パイプと水平をなすよう、前記排気パイプの上部に取り付けられた再循環流体通路、及び
    前記排気パイプの端部に取り付けられ、外部空気が吸入される混合パイプを含み、
    前記再循環流体通路への混合ガスの流動が生成されるよう、前記再循環流体通路が吸気ダクトと連通され、
    前記再循環流体通路を介して混合ガスが前記排気パイプの内部に再循環され、
    前記排気パイプの内部に再循環された混合ガスは、前記混合パイプを介して外部空気と混合され外部へ排出されることを特徴とする燃料電池車両の排気口構造。
  14. 前記排気パイプに流入される混合ガスの水素濃度より、前記排気パイプと前記再循環流体通路の連結部位に存在する混合ガスの水素濃度が高い場合、前記再循環流体通路と前記吸気ダクトが連通されることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池車両の排気口構造。
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