KR20030048096A - 차량, 특히 자동차용 연료 셀 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량, 특히 자동차용 연료 셀 유닛에 관한 것으로, 연료 셀 모듈 및/또는 연료 셀 스택을 갖는다. 본 발명에 따라, 연료 셀 스택(10) 및/또는 연료 셀 모듈(10)은 기계적인 간접 커플링에 의해 차량(1)에 장착된다. PEM 또는 특히 HT-PEM 셀을 포함하는 평평한 스택은 연료 셀 모듈(10)로서 유용하게 사용된다.

Description

차량, 특히 자동차용 연료 셀 유닛{FUEL CELL UNIT FOR A VEHICLE, IN PARTICULAR A MOTOR VEHICLE}

연료 셀 시스템은 고정식 및/또한 이동식 적용분야(stationary and/or mobile applications)에 공지되어 있다. 예를 들면, EP 0 667 412 B1은 자동차에 특히 사용하기 위한 이러한 타입의 시스템이 설명되어 있는데, 여기에는 자체의 연료 셀 모듈이 차량 플로어에 있는 별도의 지지 구조물 또는 차량 플로어 아래 배치되는데, 이 의도는 보조 장비를 포함하는, 연료 셀 시스템의 장비 모두가 지지 구조물에 보호되어야 하지만 여전히 외부로부터 접근할 수 있어야 한다는 것이다.

종래 기술에서, 지지 구조물에 연료 셀 시스템이 배치됨으로써 갑작스런 외부 영향의 경우 주로 연료 셀 모듈 또는 개별 스택을 기계적으로 보호하게 된다. 그러나, 이에 부가하여, 차량에 위치하는 연료 셀 스택은 연료 셀 시스템을 구비한 이러한 자동차의 일상적인 작동 동안 차량으로부터 매우 넓은 범위에 걸친 영향을 받는다. 연료 셀 스택은 자체의 실제 구동 작동의 결과로서, 또한 전기 모터가 아이들링할 때, 상당히 변동하는 기계적 부하를 받는다.

본 발명은 적어도 하나의 연료 셀 모듈 및/또는 하나의 연료 셀 스택을 가지는, 차량, 특히 자동차용 연료 셀 시스템에 관한 것이다. 연료 셀 스택은 본 기술분야의 기술자에게 줄여서 스택으로도 공지되어 있다.

도 1은 차량의 언더바디에 기계적으로 분리되는 방식으로 위치하는 연료 셀 모듈을 보여주는 도면이며,

도 2는 연료 셀 모듈의 저면도이며,

도 3은 도 1에 도시된 연료 셀 모듈의 다른 배치를 보여주는 도면이다.

따라서, 본 발명의 목적은 연료 셀의 기계적 부하를 감소시키기 위한 적절한 조치를 제안하는 것이다.

본 발명에 따라, 목적은 청구항 1의 특징부에 의해 달성된다. 개선이 종속항에 제시된다.

본 발명은 셀 스택 및/또는 연료 셀 모듈을 차량의 기계적으로 분리되도록 하는 위치에 조립하는 것을 제안한다. 전체 연료 셀 시스템은 차량 플로어 아래의 적절한 위치에 또는 차량 섀시의 위치에도 위치될 수 있다. 연료 셀 모듈은 기계적으로 분리되는 방식으로 차량의 언더바디 또는 중간 플로어에 놓이는 에어리얼 스택(areal stack)으로서 유용하게 설계된다. 이와 달리, 에어리얼 스택은 또한 차량 플로어에 매달릴 수 있으며, 이는 또한 차량에 대한 기계적 분리를 초래한다.

연료 셀 모듈 또는 연료 셀 스택은 상당한 공기역학적 변화를 초래하지 않는 방식으로, 차량 바디의 적절한 위치에 유용하게 배치되어 있다. 특히, 차량의 항력 계수에 대한 바람직하지 않은 변화를 피할 수 있지만, 차량이 움직이고 있을 때, 공기 스트림이 여전히 에어리얼 스택에 도달한다.

본 발명은, 간단한 방식으로, 외부의 기계적 영향, 특히 차량의 진동이 민감한 연료 셀 스택으로부터 피할 수 있다. 이는 PEM 연료 셀 또는 HT-PEM 연료 셀로 작동되는 연료 셀 모듈을 이용할 때 특히 바람직하다. 특히 HT-PEM 연료 셀의 경우 요구되는 특정한 막에 의한, 이러한 적용분야에서 변화되는 기계적 부하로부터장기간의 보호에 대한 특히 높은 요구가 있었다.

전술된 바와 같이, 본 발명은 특히 평평한 모양, 즉 HT-PEM 연료 셀을 구비한 에어리얼 스택으로서 공지된 연료 셀 모듈로 실시될 수 있다. 이러한 경우, 전체 연료 셀 시스템의 3차원적 형태는 HT-PEM 연료 셀을 구비한 에어리얼 스택만이 차량 바디의 적절한 위치에 분리되도록 배치되어 있으며, 에어리얼 스택 및 공기 스트림 공급에도 불구하고, 차량 설계에 의해 달성된 자동차의 특정한 항력 계수가 실질적으로 유지되는 방식으로 형성될 수 있다.

본 발명의 추가적인 장점 및 상세한 설명은 청구의 범위와 관련되고 도면을 참조한 실시예의 특징의 후술되는 상세한 설명으로부터 나온다.

도 1에서, 도면부호 "1"은 자동차를 표시하는데, 자동차는 예를 들면 구동장치로서 전기 모터(3)와 상기 전기 모터의 동력선으로서 연료 셀 시스템(10)을 가진다.

연료 셀 모듈이 특별한 지지 구조물에서 자동차(1)의 플로어(2)에 또는 아래 배치되어 지는 연료 셀 모듈이 종래기술에서 이미 제안되었다.

우선일전에 공개되지 않은 또 다른 제안에 따라, 언더바디(2')로서 추가의 베이스플레이트(2')가 베이스플레이트로서 제공될 수 있어, 연료 셀 시스템 또는 적어도 민감한 연료 셀 모듈은 플로어(2)와 언더바디(2') 사이의 공간에 배치될 수 있다. 개략적으로 표시된 연료 셀 모듈은 도 1에서 도면부호 "10"으로 표시된다. 연료 셀 모듈은 구동장치(3)에 전기적으로 결합된다. 자동차(1)는 배기장치(8)를 가지며 연료 셀 모듈(10)로부터 배기장치(8)로 유체 라인이 형성된다.

평평한 형상인 연료 셀 스택은 플로어(2)와 언더바디(2') 사이의 공간에 위치하는 것으로 표시된 연료 셀 모듈(10)로서 특히 적절하다. 예를 들면, 약 5:1 내지 약 20:1의 높이에 대한 면적 에지의 크기의 치수를 가진 이러한 타입의 평평한 연료 셀 스택이 공개된다. 만약 상기 비율이 적어도 3:1이면, "에어리얼 스택(areal stack)"이라고 칭하는 것이 가능하다. 낮은 높이는 특히 연료 셀 시스템의 이러한 부분이 차량의 항력 계수에 역 효과를 끼지치 않는 방식으로 위치되는 것을 가능하게 한다. 그럼에도 불구하고, 차량이 이동할 때 공기 스트립은 연료 셀 모듈(10)에 도달할 수 있으며, 적절한 공기 공급이 이러한 목적을 위해 제공된다.

적절한 공기 공급은 도면과는 반대로, 연료 셀 시스템이 차량의 루프에 배치되는 경우 특히 중요할 수 있다. 이러한 타입의 설계가 제안되는 경우, 이는 예를 들면 트럭 또는 레저용 차량에 유용하다.

연료 셀 모듈(10)은 에어리얼 스택의 각각의 코너에 위치되는 댐핑 부재(11 내지 14)에 의해 자동차(1)의 언더바디(2')에 조립될 수 있다. 개별적인 댐핑 부재(11 내지 14)는 플로어(2)와 에어리얼 스택(10) 사이에 유용하게 배치되어, 여기에 놓이는 에어리얼 스택은 댐핑되어 그 결과 많은 경우 자동차(1)의 섀시로부터 전체 연료 셀 모듈(10)의 충분한 분리(decoupling)가 이미 달성된다.

이는 아래로부터 에어리얼 스택을 도시한 도 2에서 명확하게 된다. 도 1에 대한 선택예가 도 3에 도시되는데, 여기에서는 에어리얼 스택이 자동차의 플로어(2)에 매달려 있다.

적절한 댐핑 부재(11 내지 14)는 종래 기술에서는 표준 수단인데, 이는 특히 스프링, 또한 고무 완충기 등이다.

실제로, 댐핑 부재(11 내지 14)는 한편으로는 자동차(1) 및 다른 한편으로는, 연료 셀 시스템(10)의 차량 구조물의 공진 특성에 개별적으로 일치한다. 특히, 모터(3)의 아이들링 특성을 포함하는, 자동차(1)의 주행 특성(running properties)이 또한 고려된다.

따라서 간단한 수단에 의해 구조적 유닛을 효과적이고 기계적으로 분리하는 것이 가능하며, 그 결과 특히 연료 셀 스택의 민감한 부분, 특히 연료 셀의 (전극을 포함하는) 코어 피스로서 중합체 막 또는 막 전극 조립체(MEA),에서의 진동의 역 효과가 배제될 수 있다.

연료 셀 스택의 민감한 부분에서의 진동의 역 효과를 배제할 수 있는 것은 연료 셀 모듈이 PEM 연료 셀을 포함할 때마다 중요하다. PEM 연료 셀은 막(양성자 교환 막)에서의 양성자 교환의 원리에 따라 중합체 전해질 막으로 작동되는 연료 셀을 나타낸다. 이러한 경우 연료 셀의 물 균형을 위해 요구된 물이 표준 압력에서 증발하므로, 표준 PEM 연료 셀의 작동 온도는, 예를 들면, 60 ℃ 또는 소정의 경우 100 ℃ 이하 이다.

한편, 적용 특성을 개선하는, HT(고온) PEM 연료 셀로서 공지된 것이 제안된다. 특히 HT PEM 연료 셀은 60 ℃와 300 ℃ 사이의 온도, 특히, 표준 압력에서, 120 ℃와 200 ℃ 사이의 온도로 작동된다. 그러나, 중합체 막에서의 양성자 전도용 자체 분리 및/또는 자체 양성자 이전 전해질(self-dissociating and/or autoprotolytic electrolyte)을 포함하는 상기 온도 범위에서 요구되는 특정한 MEA들로 인해, 이 연료 셀들은 기계적 부하에 특히 민감하다. 매우 약한 진동일 지라도 MEA에 장기간에 걸친 바람직하지 않은 작용을 미칠 수 있다.

결국, HT-REM 연료 셀을 구비한 연료 셀 모듈이 자동차에 사용될 때, 차량으로부터의 민감한 연료 셀 또는 MEA들의 기계적 분리는 특히 중요하다.

Claims (12)

1. 하나 이상의 연료 셀 모듈 및/또는 연료 셀 스택을 가지는, 차량, 특히 자동차용 연료 셀 시스템에 있어서,

   상기 연료 셀 스택(10) 및/또는 연료 셀 모듈(10)이 상기 차량(1)에 기계적으로 분리되는 방식으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는,

   연료 셀 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   기계적 분리을 위해 상기 연료 셀 모듈(10)은 상기 차량(1)의 플로어(2) 및 언더바디(2') 사이에 댐핑 부재(11 내지 14)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는,

   연료 셀 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 댐핑 부재(11 내지 14)는 상기 차량(1) 아래, 언더바디를 형성하는 베이스플레이트(2')에 배치되어 있으며, 상기 연료 셀 모듈(10)은 상기 댐핑 부재(11 내지 14)에 놓여 있는 것을 특징으로 하는,

   연료 셀 시스템
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 댐핑 부재(11 내지 14)는 상기 차량 플로어(2)의 하부에 배치되어 있으며, 상기 연료 셀 모듈은 댐핑 부재(11 내지 14)에 매달려 있는 것을 특징으로 하는,

   연료 셀 시스템.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 댐핑 부재(11 내지 14)는 스프링, 고무 완충기 등인 것을 특징으로 하는,

   연료 셀 시스템.
6. 전술된 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 연료 셀 모듈(10)은 연료 셀 스택으로 알려진, 연료 셀의 스택을 포함하는 것을 특징으로 하는,

   연료 셀 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 연료 셀 스택은 에어리얼 스택(10)인 것을 특징으로 하는,

   연료 셀 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 에어리얼 스택(10)에서 높이에 대한 면적의 종방향 크기의 비는 적어도 3:1이며, 바람직하게는 5:1과 20:1 사이인 것을 특징으로 하는,

   연료 셀 시스템.
9. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,

   에어리얼 스택을 구비한 상기 연료 셀 모듈(10)은 상기 차량(1), 특히 섀시에 상기 차량(1)의 항력 계수에 악 영향을 미치지 않는 방식으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는,

   연료 셀 시스템.
10. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 연료 셀 모듈은 PEM 연료 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는,

    연료 셀 시스템.
11. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 연료 셀 모듈은 HT-PEM 연료 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는,

    연료 셀 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 HT-PEM 연료 셀은 자체 분리 및/또는 자체 양성자 이전 전해질을 구비한 막 전극 조립체(MEAs)를 포함하는 것을 특징으로 하는,

    연료 셀 시스템.