KR101646408B1

KR101646408B1 - 연료전지차량의 수소배기장치

Info

Publication number: KR101646408B1
Application number: KR1020140178106A
Authority: KR
Inventors: 김형기; 황기호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2016-08-05
Also published as: US20160167546A1; DE102015222470A1; DE102015222470B4; US9902288B2; KR20160070978A

Abstract

본 발명은 연료전지차량의 연료탱크를 투과하여 새어 나오는 수소를 안전하게 배출하는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 수소연료탱크에 갖추어져 있는 돔 프로텍터의 형상 및 부착 방식을 개선하여, 탱크를 투과한 수소를 포집함과 더불어 안전하게 처리할 수 있고, 또 정량적으로 수소 투과량을 확인할 수 있는 새로운 형태의 수소배기장치를 구현함으로써, 대기 중에 방출되는 수소로 인한 안전상의 문제를 해결할 수 있고, 수소 투과량의 정량적인 확인을 통해 각종 규제에 적극 대응할 수 있는 연료전지차량의 수소배기장치를 제공한다.

Description

연료전지차량의 수소배기장치{HYDROGEN EXHAUST APPARATUS FOR FUEL CELL CAR}

본 발명은 연료전지차량의 수소배기장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지차량의 연료탱크를 투과하여 새어 나오는 수소를 안전하게 배출하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에 수소 에너지를 적용하는 기술은 시장 규모, 잠재적 CO₂ 삭감량, 탈석유 의존에의 직접적 기여 및 산업 경쟁력 향상 측면에서 큰 사회적 이득을 제공할 수 있다.

그러나, 수소는 그 보관 및 운반에 있어 위험성을 내포하고 있다.

예를 들면, 수소의 체적 에너지 밀도는 가솔린의 1/3000에 불과하기 때문에 자동차라는 한정된 공간에 탑재하기 위해서는 안전성을 확보하고 수소를 컴팩트하게 수송 및 저장하는 기술을 필요로 한다.

보통 연료전지차량에서 사용하는 연료인 수소는 보다 얼마나 안전하면서 콤팩트하게 만들어 운반하거나 저장하는가가 매우 중요하며, 현재는 경량이면서 고내압의 탱크를 많이 사용하고 있다.

통상 수소를 연료로 하는 연료전지차량은 수소와 산소를 반응시켜 나오는 전하를 이용하여 모터를 구동시키고, 이때의 모터 구동을 이용하여 추진력을 발생시키는 차량이다.

이러한 연료전지차량에는 필수적으로 수소저장시스템이 탑재되어야 하며, 현재 상용화 성능이 가장 높은 700bar 고압 수소저장시스템이 전 세계적으로 탑재되는 추세이다.

연료전지차량의 고압 수소를 저장하기 위해서는 탄소복합재를 적용한 탱크를 사용 중이며, 라이너 재질의 종류에 따라 타입 3과 타입 4로 분류된다.

타입 4 탱크의 경우 플라스틱 라이너를 사용하기 때문에 수소 투과 문제가 발생하며, 유럽법규에서는 수소 투과량을 6cc/L/hr를 넘지 않게 규정하고 있다.

즉, 현재 타입 4 탱크의 경우 플라스틱 라이너를 투과한 수소가 대기 중으로 방출되고 있으며, 법규로 총량을 규제하고 있다.

이에 대한 정량적 측정이 어렵고 대기 중에 방출되는 수소는 안전상 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명은 고압 탱크에서 투과되는 수소를 안전하게 처리할 수 있는 장치를 그 안출의 대상으로 한다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 미국등록특허 US 8,580,444호, 한국공개특허 10-2011-0023352호, 한국공개특허 10-2013-0032186호, 한국공개특허 10-2009-0116907호 등에 다양한 기술이 개시되어 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 수소연료탱크에 갖추어져 있는 돔 프로텍터의 형상 및 부착 방식을 개선하여, 탱크를 투과한 수소를 포집함과 더불어 안전하게 처리할 수 있고, 또 정량적으로 수소 투과량을 확인할 수 있는 새로운 형태의 수소배기장치를 구현함으로써, 대기 중에 방출되는 수소로 인한 안전상의 문제를 해결할 수 있고, 수소 투과량의 정량적인 확인을 통해 각종 규제에 적극 대응할 수 있는 연료전지차량의 수소배기장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 연료전지차량의 수소배기장치를 다음과 같은 특징이 있다.

상기 연료전지차량의 수소배기장치는 연료탱크의 돔 부분에 돔 프로텍터를 부착하고, 상기 돔 프로텍터의 내부에는 유로를 형성함과 더불어 상기 유로의 일측에 출구를 형성한 구조로 이루어진다.

따라서, 상기 연료전지차량의 수소배기장치는 연료탱크를 투과한 수소가 유로 내에 포집된 후에 출구를 통해 대기 중으로 안전하게 배출될 수 있도록 하는 특징이 있다.

여기서, 상기 돔 프로텍터에 형성되는 유로는 동심원으로 배치되는 복수 개의 동심원 유로와, 상기 동심원 유로와 연통되면서 방사상으로 배치되는 복수 개의 방사상 유로로 구성될 수 있다.

이때의 상기 돔 프로텍터에 있는 유로의 출구는 돔 중앙부 위치에 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 돔 프로텍터의 유로에 있는 출구에 배기파이프를 연결하여, 출구를 빠져나온 수소가 배기파이프 내의 공기와 섞여서 희석된 후 최종 대기 중으로 배출되도록 할 수 있다.

본 발명에서 제공하는 수소배기장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 기존 돔 프로텍터를 활용하여 투과된 수소의 양을 정량적으로 측정이 가능하다.

둘째, 투과된 수소를 대기 중으로 방출하지 않고 포집하고, 이를 배기파이프와 연결하여 공기와 섞어서 희석시킨 상태로 차량 외부로 배출함으로써 안전하게 수소를 배기 처리할 수 있는 차량 안전성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소배기장치를 나타내는 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소배기장치를 나타내는 정면도
도 3은 도 1의 A-A 선 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소배기장치의 사용상태를 나타내는 단면도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소배기장치를 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소배기장치를 나타내는 정면도이다.

도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 수소배기장치는 연료탱크를 투과한 수소를 포집한 후에 안전하게 대기 중으로 배출할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위하여, 상기 수소배기장치는 탄소복합소재층(17)과 플라스틱 라이너층(18)으로 구성되는 연료탱크(10)를 포함하며, 이러한 연료탱크(10)의 양쪽 돔 부분에는 돔 형태의 돔 프로텍터(11)가 각각 부착된다.

여기서, 상기 돔 프로텍터(11)는 강성이 취약한 탱크 돔 부분의 강도를 보강하는 용도로 사용된다.

특히, 상기 돔 프로텍터(11)의 내부(실질적으로는 내면)에는 수소가 이동할 수 있고, 또 수소를 포집할 수 있는 역할의 유로(12)가 형성되고, 이때의 유로(12)는 거미줄 구조를 가질 수 있게 된다.

예를 들면, 상기 돔 프로텍터(11)에 형성되는 유로(12)는 원형의 유로를 직경이 작은 것부터 직경이 큰 순서로 동심원으로 배치한 형태의 복수 개의 동심원 유로(14)와, 이러한 각 동심원 유로(14)를 방사상으로 가로질러 연통되면서 방사상으로 배치되는 복수 개의 방사상 유로(15)로 이루어진다.

이에 따라, 연료탱크(10)의 플라스틱 라이너층(18)과 탄소복합소재층(17)을 투과한 산소는 유로(12) 내에 갇힌 채로 서로 연통되어 있는 동심원 유로(14)와 방사상 유로(15)를 따라 이동할 수 있게 된다.

여기서, 상기 유로(12)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 돔 프로텍터(11)의 내면에 홈을 가공하여 만든 형태로 이루어질 수 있게 된다.

그리고, 상기 유로(12)의 일측, 예를 들면 어느 하나의 방사상 유로(15)의 돔 중앙부쪽 단부에는 외부로 뚫려 있는 출구(13)가 형성되고, 동심원 유로(14)와 방사상 유로(15)를 따라 이동하던 수소는 출구(13)를 통해 유로 내부를 빠져나갈 수 있게 된다.

여기서, 상기 돔 프로텍터(11)에 있는 유로(12)의 출구(13)는 돔 중앙부, 즉 프로텍터 돔 구조 중앙의 원형으로 절개된 면의 일측에 위치되도록 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유로(12)의 출구(13)에는 배기파이프(도 4의 도면부호 16)가 연결되며, 이에 따라 유로(12)의 출구(13)를 빠져나온 수소는 배기파이프(16)를 따라 흐르면서 배기파이프 내의 공기와 섞여서 희석된 후, 최종 대기 중으로 안전하게 배출될 수 있게 된다.

따라서, 이와 같이 구성되는 수소배기장치의 사용상태를 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소배기장치의 사용상태를 나타내는 단면도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 수소가 채워져 있는 연료탱크(10)의 플라스틱 라이너층(18)과 탄소복합소재층(17)을 투과한 수소는 유로(12)의 내부에 포집된다.

상기 돔 프로텍터(11)는 수소 포집의 역할을 하기 위해 출구(13)를 제외하고는 연료탱크(10)와 접착되어 기밀이 유지되기 때문에 포집된 수소는 대기로 방출될 수 있게 되고, 이렇게 수소가 방출되는 출구(13)를 활용한 수소 방출량 측정을 통해 탱크의 투과도 수준을 정량적으로 파악할 수 있게 된다.

상기 유로(12)의 출구(13)에는 배기파이프(16)가 연결되고, 출구(13)를 빠져나온 수소는 배기파이프(16)로 유입된 후에 배기파이프(16)를 따라 흘러서 배기파이프(16)의 끝단을 통해서 대기 중으로 방출될 수 있게 된다.

이렇게 배기파이프를 이용하여 구성할 경우 수소는 배기파이프 내부의 공기와 섞여서 농도가 희석되어 안전하게 배기될 수 있게 되므로서, 안전한 방법으로 수소를 배기하여 차량의 안전성을 향상시킬 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명에서는 투과된 수소를 기존 사용 부품인 돔 프로텍터의 형상 및 부착 방법을 변경하여 수소를 포집한 후에 배출시킴으로써 정량적으로 수소 투과량을 파악할 수 있으며, 이를 배기파이프와 연결하여 안전하게 수소를 배기할 수 있다.

10 : 연료탱크
11 : 돔 프로텍터
12 : 유로
13 : 출구
14 : 동심원 유로
15 : 방사상 유로
16 : 배기파이프
17 : 탄소복합소재층
18 : 플라스틱 라이너층

Claims

연료탱크(10)의 돔 부분에는 수소 포집의 역할을 하기 위해 출구(13)를 제외하고 연료탱크(10)와 접착되어 기밀이 유지되는 돔 프로텍터(11)가 부착되고, 상기 돔 프로텍터(11)의 내면에는 수소가 이동할 수 있고 수소를 포집할 수 있는 역할의 유로(12)가 형성됨과 더불어 상기 유로(12)의 일측에는 외부로 뚫려 있는 출구(13)가 형성되며, 상기 돔 프로텍터(11)의 유로(12)에 있는 출구(13)에는 배기파이프(16)가 연결되어,
연료탱크를 투과한 수소는 유로 내에 갇힌 채로 유로를 따라 이동하여 출구를 통해 빠져나가는 동시에 출구를 빠져나온 수소는 배기파이프 내의 공기와 섞여서 희석된 후 최종 대기 중으로 배출되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 수소배기장치.
청구항 1에 있어서,
상기 돔 프로텍터(11)에 형성되는 유로(12)는 동심원으로 배치되는 복수 개의 동심원 유로(14)와, 상기 동심원 유로(14)와 연통되면서 방사상으로 배치되는 복수 개의 방사상 유로(15)로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 수소배기장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 돔 프로텍터(11)에 있는 유로(12)의 출구(13)는 돔 중앙부 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 수소배기장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 연료탱크(10)는 탄소복합재층(17)과 플라스틱 라이너층(18)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 수소배기장치.