KR102635097B1 - 연료 전지 차량 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 차량이며, 복수의 연료 전지 셀을 수납하는 하우징인 스택 케이스(23)와, 스택 케이스(23)의 개구를 막는 판 형상의 엔드 플레이트(24)를 구비하는 연료 전지 스택(21)을 구비하고, 엔드 플레이트(24)는, 스택 케이스 중 연료 전지 셀이 수납된 부위에 대해서 돌출되어 마련되는 돌출부(21a)를 갖고, 연료 전지 스택(21)은, 프론트 룸(11) 또는 리어 룸(51)에 배치되고, 돌출부(21a)의 높이 위치는, 돌출부(21a)의 적어도 일부에 있어서, 차량의 프레임의 높이 위치에 일치한다.

Description

연료 전지 차량{FUEL CELL VEHICLE}
본 개시는 연료 전지 차량에 관한 것이다.
연료 전지 스택의 소형화에 수반하여, 연료 전지 스택을 차량의 프론트 룸(모터 룸) 내에 탑재하는 것이 고려되고 있다. 이때, 연료 전지 스택에 구비되는 복수의 발전 셀(연료 전지 셀)은 연직 방향으로 적층된 양태로 탑재된다.
일본 특허 공개 제2011-051379호에는, 복수의 연료 전지 셀이 적층된 연료 전지 스택을 포함하는 연료 전지 유닛이, 대시보드의 전방에 형성된 프론트 룸에 배치된 차량에 있어서, 연료 전지 셀이 상하 방향으로 적층되어 있는 것이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2011-051379호에서는, 프론트 범퍼 프레임의 높이가, 연료 전지 스택의 연료 전지 셀 부분과 일치하고 있기 때문에, 차량의 전방이 장해물에 충돌한 경우에, 프론트 범퍼 프레임이 후방으로 이동하고, 프론트 범퍼 프레임이나 프론트 룸에 배치된 것이 연료 전지 셀에 부딪칠 가능성이 높은 구조로 되어 있다. 연료 전지 셀이 이들에 부딪친 경우에는, 적층된 복수의 연료 전지 셀 사이에 어긋남이 발생하여, 시일 성능의 저하나 발전 성능의 저하가 염려된다.
본 개시는, 연료 전지 셀의 보호 성능을 높일 수 있는 연료 전지 차량을 제공한다.
본 발명의 양태는, 연료 전지 차량이며, 복수의 연료 전지 셀을 수납하는 하우징인 스택 케이스와, 스택 케이스의 개구를 막는 판 형상의 엔드 플레이트를 구비하는 연료 전지 스택을 구비하고, 엔드 플레이트는, 스택 케이스 중 연료 전지 셀이 수납된 부위에 대해서 돌출되어 마련되는 돌출부를 갖고, 연료 전지 스택은, 프론트 룸 또는 리어 룸에 배치되고, 돌출부의 높이 위치는, 돌출부의 적어도 일부에 있어서, 연료 전지 차량의 프레임의 높이 위치에 일치하는, 연료 전지 차량에 관한 것이다.
연료 전지 스택의 외면에 부재가 배치되어도 되고, 이 부재는, 연료 전지 스택을 사이에 두고 프레임과는 반대측의 면에 배치할 수 있다.
돌출부는, 부위에 따라 돌출량이 다르게 구성해도 된다.
차량의 프레임은, 프론트 범퍼 프레임, 사이드 프레임, 및 리어 범퍼 프레임 중 적어도 하나로 할 수 있다.
본 개시의 연료 전지 차량에 의하면, 충돌 시에도 연료 전지 셀의 보호 성능을 높일 수 있다.
본 발명의 예시적 실시 양태의 특징, 이점과, 기술적 및 산업적 의의는 첨부된 도면을 참조로 하기에 기술될 것이며, 도면에서의 유사 번호는 유사 요소를 나타내는 것이고, 여기서:
도 1은 제1 형태의 차량(10)을 설명하는 모식도이며, 측면에서 본 도면이다.
도 2는 제1 형태의 차량(10)을 설명하는 모식도이며, 정면에서 본 도면이다.
도 3은 연료 전지 스택(21)의 외관 사시도이다.
도 4는 연료 전지 스택(21)과 프론트 범퍼 프레임(15)의 관계를 설명하는 도면이다.
도 5는 제2 형태의 차량(10')을 설명하는 모식도이며, 측면에서 본 도면이다.
도 6은 제3 형태의 차량(10")을 설명하는 모식도이며, 측면에서 본 도면이다.
[제1 형태]
1. 차량의 구조
차량은 공지된 바와 같이 많은 부재가 조합되어 이루어지고, 본 형태에 있어서도 이하에 설명하는 사항 이외에 대해서는 공지된 부재를 구비할 수 있으며, 이것에 대해서는 설명을 생략한다. 이하, 필요한 사항에 대하여 설명한다.
도 1, 도 2에는, 제1 형태에 따른 차량(10) 중 프론트 룸(11)의 내부를 설명하는 도면을 나타내었다. 도 1은 측방에서 차량(10)을 본 도면이며 지면 왼쪽이 전진 방향이다. 또한 도 2는 정면에서 차량(10)을 본 도면이다. 공지된 바와 같이, 프론트 룸(11)은 대시 패널(12)의 전방에 형성된 공간이며, 여기에는 차량을 구동하기 위한 각종 기기가 수용되어 있다. 또한, 도 1, 도 2에는 프론트 타이어(13) 및 프론트 드라이브 샤프트(14)를 점선으로 나타내고 있다. 본 형태의 차량(10)은 다음의 구성 부재를 더 구비하고 있다.
1.1. 프론트 범퍼 프레임
프론트 범퍼 프레임(15)은, 차체의 프레임을 구성하는 부재의 하나이며, 전방 측단부에 마련되는 프레임이면서 동시에 완충 기능도 갖는다. 따라서 프론트 범퍼 프레임(15)은 도 1, 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 프론트 룸(11) 중 전방 측단부에 마련되고, 프론트 룸(11)(차량(10))의 좌우 방향으로 연장되는 프레임이다.
이와 같은 프론트 범퍼 프레임(15)은 공지된 것이어도 되며, 특별히 한정되지는 않는다.
1.2. 사이드 프레임
사이드 프레임(16)은, 차체의 프레임을 구성하는 부재의 하나이며, 좌우의 양측부에 마련되는 프레임이다. 따라서 사이드 프레임(16)은 도 1, 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 차량(10)의 좌우 양측부에 배치됨과 함께 차량의 전후 방향으로 연장되는 프레임이다.
이와 같은 사이드 프레임(16)은 공지된 것이어도 되며, 특별히 한정되지는 않는다.
1.3. 연료 전지 시스템
연료 전지 시스템은, 연료 전지 스택(21), 보조 기기 유닛(30), 컨버터(31), 수소 탱크, 공기 취득 수단을 갖고 구성되어 있다. 이에 의해 수소 탱크로부터 수소 공급 배관을 통과하여 연료 전지 스택(21)에 수소가 공급됨과 함께, 공기 취득 수단으로부터 연료 전지 스택(21)에 공기가 공급된다. 수소와 공기가 공급된 연료 전지 스택(21)에 의해 발전되고, 발전된 전력에 의해 프론트 룸(11)에 배치된 전동 모터가 구동한다.
당해 연료 전지 시스템 중, 도 1, 도 2에는 연료 전지 스택(21), 보조 기기 유닛(30), 컨버터(31)가 표시되어 있으며, 다른 부재에 대해서는 도시하지 않았다. 이들 다른 부재에 대해서는 공지된 것을 적용할 수 있다. 이하에 도시한 각 부재에 대하여 설명한다.
1.3a. 연료 전지 스택
도 3에는 연료 전지 스택(21)의 외관 사시도를 나타내었다. 도 1 내지 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 연료 전지 스택(21)은, 연료 전지 셀(22), 스택 케이스(23) 및 엔드 플레이트(24)를 갖고 있다.
연료 전지 셀(22)은 공지된 바와 같지만, 막-전극 접합체(MEA)가 2개의 세퍼레이터의 사이에 끼워져 구성되어 있다. MEA는 고체 고분자막, 부극 촉매층, 정극 촉매층, 부극 가스 확산층, 정극 가스 확산층 등에 의한 적층체이다. 그리고 연료 전지 스택(21)에서는, 이와 같은 연료 전지 셀(22)이 차량 높이 방향으로 복수 겹쳐져 있다.
스택 케이스(23)는, 겹쳐진 복수의 연료 전지 셀(22)을 그 안쪽에 수납하는 하우징이다. 본 형태에서 스택 케이스(23)는 직육면체의 하우징이며, 그 하나의 벽부가 없이, 개구되어 있음과 함께, 그 개구의 에지를 따라 개구와는 반대측에 판 형상의 편이 돌출되어, 플랜지(23a)를 형성하고 있다. 이 개구로부터 연료 전지 셀(22)을 스택 케이스(23)의 안쪽에 수납한다. 이 개구는 차량 하방으로 개구되어 있다.
스택 케이스(23)는 연료 전지 셀(22)을 외부로부터 보호하는 기능을 갖는 관점에서, 소정의 강도를 갖고 있는 것이 바람직하고, 두께 3㎜ 정도의 금속으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 도 3에 도시한 플랜지(23a)의 돌출량 A는 특별히 한정되는 일은 없지만, 이 플랜지(23a)로 스택 케이스(23)와 엔드 플레이트(24)를 볼트 및 너트 등으로 접합함과 함께, 지수성을 얻는 관점에서 어느 정도의 양을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서 돌출량은 10㎜ 이상인 것이 바람직하다.
엔드 플레이트(24)는, 판 형상의 부재이며, 스택 케이스(23)의 개구를 막는 동시에, 스택 케이스(23)의 플랜지(23a)에 겹치도록 배치된다. 그리고 예를 들어 플랜지(23a)와 엔드 플레이트(24)를 관통하도록 배치한 볼트 및 너트 등에 의해 스택 케이스(23)에 뚜껑을 덮도록 하여 엔드 플레이트(24)가 스택 케이스(23)에 고정된다.
이에 의해, 플랜지(23a)와 엔드 플레이트(24)가 겹치는 부분에는, 스택 케이스(23) 중 연료 전지 셀(22)이 수납된 부위에 대해서 돌출된 돌출부(21a)가 형성된다.
엔드 플레이트(24)는, 스택 케이스(23)의 뚜껑으로서 기능함과 함께, 후술하는 바와 같이 돌출부(21a)에 강도를 부여하기 위해서, 엔드 플레이트(24)는 높은 강도를 갖는 것이 바람직하다. 그 때문에, 엔드 플레이트(24)는 금속임과 함께, 그 판 두께는 적어도 스택 케이스(23)를 구성하는 벽, 플랜지(23a)의 판 두께보다도 두꺼운 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 두께가 20㎜ 이상이다.
본 형태에서는 플랜지(23a)의 단부면과 엔드 플레이트(24)의 단부면이 일치하고 있지만 이것에 한정되지 않고, 엔드 플레이트(24)의 단부면이 플랜지(23a)의 단면으로부터 돌출되어도 된다.
1.3b. 보조 기기 유닛
보조 기기 유닛(30)은, 반응 가스 공급·순환 장치, 냉각 매체 공급·순환 장치 등을 포함하는 유닛이다.
본 형태에서 보조 기기 유닛(30)은 엔드 플레이트(24)의 면 중 스택 케이스(23)가 배치되는 면과는 반대측의 면에 설치되어 있다.
1.3c. 컨버터
컨버터(31)는, 연료 전지 스택(21)의 출력 전압을 승압하는 기능을 갖는 부재이며, 공지된 것을 적용할 수 있다.
본 형태에서 컨버터(31)는 스택 케이스(23)의 외면 중 연료 전지 셀(22)이 수납된 부위의 외면에 설치되어 있다.
1.4. 연료 전지 스택 등의 배치
본 형태에서 연료 전지 스택(21)은, 프론트 룸(11)에 다음과 같이 배치되는 것이 바람직하다. 도 4에는 도 1의 그 중 프론트 범퍼 프레임(15) 및 연료 전지 스택(21)에 주목해서 확대한 도면이며, 그 배치나 위치 관계를 설명하는 도면이다.
도 1, 도 2, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 연료 전지 스택(21)은, 엔드 플레이트(24)가 아래로 됨과 함께, 연료 전지 셀(22)이 상하 방향으로 겹쳐지는 방향이다.
보조 기기 유닛(30) 및 컨버터(31)는 프론트 범퍼 프레임(15) 및 사이드 프레임(16)이 존재하지 않는 측의 면에 배치된다. 즉 본 형태에서는 컨버터(31)는 연료 전지 스택(21)을 사이에 두고 프론트 범퍼 프레임(15)과는 반대측에 배치되고, 보조 기기 유닛(30)은 연료 전지 스택(21)의 하면에 배치되어 있다.
여기에서는 연료 전지 스택의 외면에 배치되는 부재로서, 보조 기기 유닛 및 컨버터를 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되지 않고 연료 전지 스택(21)의 외면에 배치되는 부재는 이와 같이 프론트 범퍼 프레임(15) 및 사이드 프레임(16)이 존재하지 않는 측의 면에 배치된다.
도 1, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 연료 전지 스택(21)의 돌출부(21a) 중, 돌출 방향이 프론트 범퍼 프레임(15)에 적합한 돌출부(21a)는, 그 적어도 일부가, 프론트 범퍼 프레임(15)이 존재하는 높이 위치의 범위(도 4에 B로 나타낸 범위의 높이 위치)에 일치하는 높이 위치로 되도록 배치된다. 돌출 방향이 프론트 범퍼 프레임(15)에 적합한 돌출부(21a)의 전부가, 당해 B의 범위에 일치하는 높이 위치에 있는 것이 바람직하다.
마찬가지로, 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 연료 전지 스택(21)의 돌출부(21a) 중, 돌출 방향이 사이드 프레임(16)에 적합한 돌출부(21a)는, 그 적어도 일부가, 사이드 프레임(16)이 존재하는 높이 위치의 범위에 일치하는 높이 위치가 되도록 배치된다. 돌출 방향이 사이드 프레임(16)에 적합한 돌출부(21a)의 전부가, 당해 범위에 일치하는 높이 위치에 있는 것이 바람직하다.
2. 효과
이상과 같은 구성을 구비하는 차량은 다음과 같이 작용한다.
<프론트 범퍼 프레임과의 관계>
차량(10)이 전방의 장해물과 충돌할 때에는, 프론트 범퍼 프레임(15)이 객실에 대해서 상대적으로 후방으로 이동하고, 사이드 프레임(16)의 일부가 수축됨으로써, 충돌의 충격을 흡수하여 객실의 공간을 유지, 보호한다.
여기서, 충돌에 의한 프론트 범퍼 프레임의 후퇴량이 큰 경우에는, 프론트 범퍼 프레임 또는 프론트 범퍼 프레임과 연료 전지 스택의 사이에 배치된 부재가, 연료 전지 스택에 부딪치는 경우가 있다. 이와 같은 부재가, 스택 케이스 중 연료 전지 셀이 수납된 부분, 또는 연료 전지 셀에 직접 닿은 경우에는, 스택 케이스의 일부가 파손되어, 적층된 연료 전지 셀이 어긋날 우려가 있다. 연료 전지 셀이 어긋난 경우에는, 셀 간의 시일 성능이 저하되거나, 연료 전지 셀에 적절한 면압이 부여되지 않아 발전 성능이 저하되거나 하는 경우가 있다.
이에 반하여 본 형태에 의하면, 프론트 범퍼 프레임(15)이 존재하는 높이 위치의 범위 내에 연료 전지 스택(21)의 돌출부(21a)가 위치 부여되어 있기 때문에, 프론트 범퍼 프레임(15)이 후퇴했을 때에는, 우선 돌출부(21a)에 부딪친다. 상기와 같이 돌출부(21a)는 강성이 높기 때문에, 부딪친 경우에도 즉시 파손되는 일이 없다. 또한, 돌출부(21a)는, 연료 전지 셀(22)보다도 차량 전방으로 돌출되어 있기 때문에, 확실하게 연료 전지 셀(22)이 배치된 부분보다도 먼저 돌출부(21a)가 부딪쳐서, 하중을 받아낼 수 있다. 따라서, 이것에 의하면, 차량(10)의 충돌 시에도 연료 전지 스택(21)이 손상을 받기 어렵기 때문에, 충돌 후에도 계속해서 연료 전지 스택(21)을 사용할 수 있을 가능성이 높아진다.
<사이드 프레임과의 관계>
사이드 프레임(16)과 연료 전지 스택(21)의 관계도 프론트 범퍼 프레임(15)과 연료 전지 스택(21)의 관계와 마찬가지로 생각할 수 있다. 이 경우에는, 차량(10)의 프론트 룸(11)에 측방으로부터 다른 차량이 충돌하거나 하여, 사이드 프레임(16)이 프론트 룸(11) 안쪽으로 침입하고, 연료 전지 스택(21)에 부딪칠 때에도, 강성이 높은 돌출부(21a)에서 하중을 받아낼 수 있어, 연료 전지 스택(21)이 손상되기 어렵다.
<연료 전지 스택의 외면에 배치된 부재>
본 형태에서는, 보조 기기 유닛(30)을 연료 전지 스택(21)의 하면에 배치하고, 컨버터(31)를 연료 전지 스택(21)의 차량 후방측(즉 연료 전지 스택(21)을 사이에 두고 프론트 범퍼 프레임(15)과는 반대측)에 구비함으로써 프론트 드라이브 샤프트(14)가, 보조 기기 유닛(30)의 후방이면서 또한 컨버터(31)의 하방을, 차량(10)의 좌우 방향을 관통하여 배치된다. 이 레이아웃에 의해, 이들 부재를 차량(10)의 프론트 룸(11)에 높은 스페이스 효율로 수용할 수 있다.
또한, 보조 기기 유닛(30) 및 컨버터(31)의 이와 같은 배치에 의해, 충돌 시에 있어서 보조 기기 유닛(30) 및 컨버터(31)가, 프론트 범퍼 프레임(15) 및 사이드 프레임(16) 등에 겹칠 가능성이 낮아져서, 충돌 시의 수소 안전, 고전압 안전을 담보하는 것이 가능해진다.
3. 기타
상기 형태에서는, 돌출부(21a)의 돌출량은 모든 부위에서 동일하게 하였다. 단 이것에 한정되지 않고, 부위에 따라 돌출량을 바꿔도 된다. 예를 들어, 돌출 방향이 프론트 범퍼 프레임(15) 및 사이드 프레임(16)인 돌출부(21a)는, 다른 돌출부(21a)에 비하여 돌출량을 크게 해도 된다. 이에 의해 상기한 효과를 보다 현저한 것으로 할 수 있다.
[제2 형태]
도 5에는, 제2 형태에 따른 차량(10')을 설명하는 도면을 나타내었다. 도 5는 도 1에 상당하는 도면이다. 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 차량(10')에서는, 연료 전지 스택(21)의 상방이 후퇴하고, 돌출부(21a) 측이 전방으로 나오도록 경사져 있는 점이 차량(10)과는 다르다. 다른 구성에 대해서는 상기 제1 형태의 차량(10)과 마찬가지로 생각할 수 있으므로, 동일한 부호를 붙여 설명은 생략한다.
프론트 룸(11)의 상면은, 일반적으로 전방이 낮고 후방이 높다. 차량(10')에서는 연료 전지 스택(21)이 기울어 있음으로써, 연료 전지 스택(21)의 상부를 후방에 위치 부여할 수 있기 때문에, 프론트 룸(11)의 높이가 낮은 경우라도, 연료 전지 스택(21)을 탑재 가능하다. 또한, 연료 전지 스택(21)의 하부가 차량 전방으로 이동하고 있기 때문에 프론트 드라이브 샤프트(14)의 거리를 확보하기 쉬워져서, 프론트 룸(11)에 대한 연료 전지 스택(21)의 배치가 더욱 하기 쉬워진다.
[제3 형태]
도 6에는, 제3 형태에 따른 차량(10")을 설명하는 도면을 나타내었다. 도 6은 도 1에 상당하는 도면이다. 차량(10")에서는, 연료 전지 스택(21)은, 차량(10")의 객실보다도 후방의 리어 룸(51) 내에 수용되어 있다.
차량(10")에 있어서도, 제1 형태의 차량(10)과 마찬가지의 사고 방식으로 연료 전지 스택(21)을 배치하면 된다. 이때, 프론트 범퍼 프레임(15) 대신에 차체의 프레임을 구성하는 하나인 리어 범퍼 프레임(55)을 생각하면 되며, 제1 형태에 있어서 정면 충돌 대신에 뒤로부터의 추돌을 생각하면 된다. 즉, 차량(10")이 후방으로부터 추돌된 경우에, 객실에 대해서 리어 범퍼 프레임(55)이 상대적으로 전방으로 이동하고, 사이드 프레임(16)의 일부가 수축됨으로써, 충돌의 충격을 흡수하여, 객실의 공간을 유지, 보호한다. 이 구성의 경우에 있어서도, 충돌 시에 리어 범퍼 프레임(55) 또는 리어 범퍼 프레임(55)과 연료 전지 스택(21)의 사이에 탑재되는 부재가, 우선 연료 전지 스택(21)의 돌출부(21a)에 부딪친다. 이에 의해 상기한 것과 마찬가지의 효과를 발휘하게 된다.

Claims (8)

  1. 연료 전지 차량이며,
    복수의 연료 전지 셀을 수납하는 하우징인 스택 케이스(23)와, 상기 스택 케이스(23)를 구성하는 재료보다 두껍고, 상기 스택 케이스(23)의 개구를 막는 판 형상의 엔드 플레이트(24)를 구비하는 연료 전지 스택(21)을 구비하고,
    상기 스택 케이스(23)는, 상기 스택 케이스(23)의 상기 개구의 에지로부터 돌출된 플랜지(23a)를 갖고,
    상기 엔드 플레이트(24)는, 상기 스택 케이스(23)의 상기 플랜지(23a)에 겹쳐져 배치되고, 상기 스택 케이스(23) 중 상기 연료 전지 셀이 수납된 부위에 대해서 돌출되어 마련되는 돌출부(21a)를 갖고,
    상기 연료 전지 스택(21)은, 프론트 룸(11) 또는 리어 룸(51)에 배치되고,
    상기 돌출부(21a)의 높이 위치는, 상기 돌출부(21a)의 적어도 일부에 있어서, 상기 연료 전지 차량의 프레임의 높이 위치에 일치하고,
    상기 연료 전지 스택(21)이 상기 프론트 룸(11)에 배치된 때에, 상기 프레임 중 프론트 범퍼 프레임(15) 및 사이드 프레임(16)을 향해서 돌출된 상기 돌출부(21a)가 다른 상기 돌출부(21a)보다도 돌출량이 크고,
    상기 연료 전지 스택(21)이 상기 리어 룸(51)에 배치된 때에, 상기 프레임 중 리어 범퍼 프레임(55) 및 사이드 프레임(16)을 향해서 돌출된 상기 돌출부(21a)가 다른 상기 돌출부(21a)보다도 돌출량이 큰, 연료 전지 차량.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택(21)의 외면에 부재(30, 31)가 배치되어 있고, 상기 부재(30, 31)는, 상기 연료 전지 스택(21)을 사이에 두고 상기 프레임과는 반대측의 면에 배치되어 있는, 연료 전지 차량.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부재(30, 31)는 보조 기기 유닛(30) 또는 컨버터(31)인, 연료 전지 차량.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 전지 셀은 상기 연료 전지 차량의 높이 방향으로 적층되어 있는, 연료 전지 차량.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택 케이스(23)의 상기 개구는 상기 연료 전지 차량의 하방으로 개구되어 있는, 연료 전지 차량.
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