KR20020067765A - 차량용 연료 전지 시스템 - Google Patents

Abstract

차량용 연료 전지 시스템(fuel cell system)이 개시된다. 개시된 차량용 연료 전지 시스템은, 차량의 일측에 설치되고, 분리판 및 전극이 순차적으로 반복 적층되고, 수소, 공기, 및 냉각수의 입출구 매니폴드를 가지는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급계와, 수소를 공급하는 수소 공급계와, 상기 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각계와, 상기 연료전지 스택으로부터 수소, 공기, 및 냉각수로부터 분리된 가스가 배기되도록 각각의 배기구가 구비된 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각각의 배기구는 차량의 부압 특성에 따라 설치되는 데, 상기 공기의 배기구는, 상기 차량의 리어 범퍼 하방의 일측에 설치된 것을 그 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 연료 전지의 스택 성능이 향상되는 이점이 있다.

Description

차량용 연료 전지 시스템{A FUEL CELL SYSTEM FOR VEHICLES}

본 발명은 차량용 연료 전지 시스템(fuel cell system)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기를 용이하게 하여 연료 전지의 스택(stack)의 성능이 향상되도록 개선된 차량용 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지 시스템은 연료 공급부, 공기 공급부, 연료와 공기를 가습하는 가습부, 전기를 생산하는 스택 및 스택을 냉각하는 냉각 시스템으로 구성된다.

가습 장치의 경우 외부 가습형과 내부 가습형으로 분류되며, 외부 가습형의 경우 스택 외부에 가습 장치가 존재하며, 내부 가습의 경우 가습 장치가 전기를 생산하는 스택에 일체화된 경우이다.

내부 가습의 경우 가습부를 스택 전반부에 위치하는 경우와 스택 자체에 존재하는 경우로 나뉘어 진다. 스택 자체에 존재하는 경우, 분리판이 다공(Porous)판으로 이루어져 냉각판의 물이 공기 및 수소 가스부로 유입되어 자연 가습되는 경우로 가습부와 전기를 생산하는 스택부가 동일하여 부피가 감소하는 장점이 있다.

그러나 냉각수인 물에 공기 및 수소가 혼입되는 현상이 발생하여 안전성을 위해서 가스를 분리해야 하는 문제가 발생한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가스/물 분리기(11)에는 물의 압력을 감소시켜, 가스의 포화 농도를 감소하여 가스와 물을 분리한다.

이런 경우 가스/물 분리기(11)의 압력은 상압 이하로서 곧바로 외부로 배기하지 못하고, 냉각 펌프에 의해서 승압된 물의 빠른 유속을 이용한 이젝터(EJECTOR)(12)를 이용하여 가스를 상압보다 큰 물통으로 유입하여 외부로 배기가 가능하다.

따라서 다공판의 분리판을 사용하는 내부 가습형의 연료 전지 시스템의 경우 배기는 연료, 공기 및 냉각수 라인의 배기로 구성된다.

일반적으로 수소의 배기는 수소의 빠른 확산 속도와 공기보다 낮은 비중 특성을 이용하여 안정성이 확보되도록 위로 행하여 배기하며, 연료 전지 시스템을 차량에 탑재하지 않는 상태의 경우 화염원과 접촉하지 않고 건물 밖의 상부로 배기가 용이하나, 차량의 경우, 화염원이 내재하고 있으며, 차량의 동적 상태에 따라 차량의 위치에 따른 유체 거동의 차이가 있으므로 유체 역학적인 고려가 이루어져야 한다.

한편, 정치형의 연료 전지 시스템의 경우, 배기 라인의 위치는 수소의 경우 위로 향하고, 공기의 경우 뒤로 혹은 위로 배기하게 된다. 즉, 배기라인은 큰 문제없이 설계가 가능하다.

그리고 차량의 경우, 차량의 동적인 상태와 정적인 상태에 따라 차량의 위치에 따른 압력 거동이 변하는 문제가 발생한다. 정치형과 같이 동일하게 배기라인을 설계할 경우, 차량의 움직임에 따라 부압 또는 가압 영역이 발생하여 배기가 아닌 시스템에 공기 혹은 수소 가스가 역류하는 현상이 발생할 수도 있다.

또한, 차량의 가압 영역에 배기라인이 설치될 경우, 배기가스가 외부로 용이하게 배출되지 못하여 연료 전지 스택의 성능이 저하하는 문제가 발생하고, 차량의 가압 영역에 연료 배기라인이 설치될 경우, 공기가 유입되어 발화 가능성이 증가하여 시스템의 위험성을 증가시킨다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 시스템의 배기라인을 차량의 동적인 운전상태를 고려하여 차량의 운행시 부압영역에 설치하여 배기를 원활하게 하고, 공기의 역류를 방지하여 안전성 및 성능을 향상시키도록 한 차량용 연료 전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 차량용 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도.

도 2는 본 발명에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20. 차량21. 연료 전지

31. 공기의 배기구32. 수소의 배기구

33. 가스의 배기구

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 차량용 연료 전지 시스템은, 차량의 일측에 설치되고, 분리판 및 전극이 순차적으로 반복 적층되고, 수소, 공기, 및 냉각수의 입출구 매니폴드를 가지는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급계와, 수소를 공급하는 수소 공급계와, 상기 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각계와, 상기 연료전지 스택으로부터 수소, 공기, 및 냉각수로부터 분리된 가스가 배기되도록 각각의 배기구가 구비된 차량용 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 각각의 배기구는 차량의 부압 특성에 따라 설치되는 데, 상기 공기의 배기구는, 상기 차량의 리어 범퍼 하방의 일측에 설치된 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2에는 본 발명에 따른 차량용 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도가 도시되어 있다. 여기에서는 일반적인 차량용 연료 전지 시스템의 구성 설명은 생략하고, 본 발명의 특징에 따른 구성만을 설명하기로 한다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 차량용 연료 전지 시스템은, 차량(20)의 구성 부품에 따라 이 차량(20)에 배치되고, 분리판 및 전극이 순차적으로 적층되어 이루어진 연료전지 스택(21)은 공기와 수소의 공급 매니폴드(manifold)와, 상기 연료전지 스택(21)의 냉각을 위해 공급되는 냉각수 매니폴드를 구비하고 있으며, 상기 연료전지 스택(21)에서 배출되는 수소 및 공기가 배출되도록 각각의 배기구가구비된다.

여기서, 상기 배기구는 차량의 부압 특성에 따라 각각 설치되는 데, 공기의 배기구(31)는, 연료 또는 수소 및 냉각수 탱크로부터 배기되는 공기의 배기에 비해 유량이 상대적으로 많고, 연소 가스가 없으므로 차량(20)의 리어 범퍼(rear bumper) 하방의 일측에 설치되는 것이 바람직하다.

그리고 수소의 배기구(32)는, 안전성을 고려하여 수소 가스의 비중이 작아 위로 뜨는 특성을 이용하여 차량(20)의 리어 라이트(rear right) 상방에 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각수에 포함된 가스의 분리에 의한 가스의 배기구(33)는, 배기량이 작고, 연소 가스가 거의 없으며, 냉각수 탱크의 위치가 차량(20)의 엔진룸에 위치하므로 배기 배관 거리를 짧게 하여 원활한 배기가 되도록 차량(20)의 프론트 필러(front pillar)에 설치되는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 연료 전지 시스템의 배기라인은 연료 배기, 공기 배기, 및 냉각수로부터 발생된 가스의 배기로 이루어진다.

그런데, 차량의 동적인 운전 상태에서는 차량의 위치에 따른 압력 분포는 각각 다르다. 따라서 차량용 연료 전지 시스템의 배기라인을 차량의 동적 상태를 고려하여 차량의 운행시 가압 영역이 아닌 부압영역에 설치하여 배기를 원활하게 하고, 배기 가스가 역류하는 것을 방지토록 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 차량용 연료 전지 시스템은 다음과 같은효과를 갖는다.

배기라인을 차량의 부압영역에 설치하므로 연료 전지의 스택 성능을 향상시킬 수 있다.

그리고 차량의 부압 특성을 이용하므로 부가적인 배기장치의 불필요로 차량의 경량화가 가능하다.

또한 배기 가스의 원활한 배출과 수소 배기라인의 원활한 배기로 안정성이 향상된다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 차량의 일측에 설치되고, 분리판 및 전극이 순차적으로 반복 적층되고, 수소, 공기, 및 냉각수의 입출구 매니폴드를 가지는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급계와, 수소를 공급하는 수소 공급계와, 상기 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각계와, 상기 연료전지 스택으로부터 수소, 공기, 및 냉각수로부터 분리된 가스가 배기되도록 각각의 배기구가 구비된 차량용 연료 전지 시스템에 있어서,

   상기 각각의 배기구는 차량의 부압 특성에 따라 설치되는 데,

   상기 공기의 배기구는, 상기 차량의 리어 범퍼 하방의 일측에 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 연료 전지 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 수소의 배기구는, 상기 차량의 리어 라이트 상방에 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 연료 전지 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 냉각수로부터 분리된 가스의 배기구는, 상기 차량의 프론트 필러에 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 연료 전지 시스템.