KR20030072372A - 연료 전지 시스템을 구비한 자동차 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 자동차에 장착된 적어도 하나의 연료 전지 모듈을 포함한다. 본 발명에 따라, 상기 연료 전지 모듈이 자동차 내부에 혹은 자동차 상에 배치됨으로써, 차량이 움직일 때 연료 전지 모듈은 가급적 자동 흡인 방식으로 작동된다. 이것이 의미하는 것은, 공기 흐름의 공기가 연료 전지용 산화제를 공급하기에 충분하다는 것이다.

Description

자동차용 연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM FOR A MOTOR VEHICLE}
본 발명은 적어도 하나의 연료 전지 모듈을 구비한 자동차용 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
자동차 공학의 새로운 구동 장치 구상에서, 에너지를 공급하기 위해 연료 전지 시스템을 사용하는 것은 공지되어 있다. 예를 들어 유럽 특허 출원 공고 명세서 제 0 677 412호에는, 자동차 구동 장치용 연료 전지가 자동차 플로어 아래의 적합한 장소에 배치되어야 한다는 사실이 상세하게 기술되어 있는데, 그 이유는 상기와 같은 배치에 의해서 민감한 연료 전지 모듈이 기계적인 영향에 대해 최적으로 보호되기 때문이다. 연료 전지 시스템의 상기와 같은 배치에 대한 대안은 예를 들어 자동차 지붕이며, 이것은 특히 버스 또는 트럭용으로 적합하다.
독일 특허 출원 공개 명세서 제 196 29 084호에는 또한 전기 자동차가 공지되어 있는데, 상기 자동차의 구동 배터리는 가스 형태의 냉각 매체가 관류하는 하나의, 경우에 따라서는 2차 냉각 시스템을 구비한 연료 전지 시스템을 포함하고, 이 경우 상기 연료 전지 시스템은, - 경우에 따라 2차의 - 냉각 매체가 전체적으로 또는 부분적으로 공기 흐름의 동 압력(dynamic pressure)에 의해 냉각 시스템 내부로 도입되도록 배치되어 있다. 이 경우 연료 전지 시스템은 개별 연료 전지의 작용면에 대한 평면-법선이 주행 방향에 대해 수직이 되도록 자동차 내부에 통합되어야 한다.
수소의 저장 및 수소의 공급은 공지된 바와 같이 문제가 된다. PEM-연료 전지 시스템, 특히 HT-PEM-연료 전지를 구비한 장치는 연료로서 수소를 사용하는데, 상기 수소는 통상의 가솔린, 메탄올 또는 다른 보다 높은 탄화 수소로부터 자동차 안에 있는 재형성기내에서 발생된다. 이 경우 산화제로서는 대기 중 산소가 이용되며, 이 목적을 위해 차량이 주행하는 동안에는 공기가 주변으로부터, 특히 공기 흐름으로부터 연료 전지에 제공된다. 이를 위해 상응하는 수단이 제공되어야 하며, 이 경우 선행 기술에서는 공기를 위해 강제 가이드 방식이 제공되었다.
본 발명의 목적은, 상기와 같은 유형의 수단과 관련하여 단순화된 자동차용 연료 전지 시스템을 제안하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라, 차량이 움직일 때 연료 전지 모듈이 가급적 자동 흡인 방식으로 작동되도록, 상기 연료 전지 모듈이 자동차 내부에 배치되어 있음으로써 해결된다. 개선예들은 종속항에서 기술된다.
본 발명에 따라 연료 전지 시스템이 자동차 내부에 혹은 자동차에 적절하게 배치됨으로써, 연료 전지는 가급적 자동 흡인(self-aspirating) 방식으로 동작하게 된다. 이 경우 "자동 흡인 방식"이라는 용어는, 연료 전지 시스템 내에서 언제나 충분한 산소가 산화제로서 주변 공기로부터 제공될 수 있음으로써, 연료 전지 반응이 이루어질 수 있다는 것을 의미한다. 그 경우에는 연료 전지의 캐소드로 흡인 공기를 강제로 공급할 필요가 없다.
본 발명에서는 연료 전지 모듈이 가급적 공기 흐름의 에너지에 의해 흡인된다. 작동시 낮은 주행 속도 및/또는 높은 부하를 위해 바람직하게는 보조 팬(fan)이 존재할 수 있다. 그러나 이 경우에 중요한 것은, 흡인 공기를 위해, 즉 연료 전지에 산화제를 공급하기 위해 강제 가이드 방식이 필요치 않다는 것이다.
자동차에서 전체 연료 전지 시스템 또는 적어도 소수의 연료 전지 모듈이 자동차 플로어 아래에 배치되어 있으면, 바람직하게는 방향 전환 플레이트 및/또는 노즐 장치가 공기 흐름의 도입을 위해 제공된다. 상기 장치들의 설치, 제어 및/또는 조절을 위해서는 전기적으로 작동 가능한 밸브도 이용될 수 있다.
독일 특허 출원 공개 명세서 제 196 29 084호에 상응하게 공기 흐름 및/또는 팬의 공기가 또한 연료 전지의 냉각을 위해서도 사용되어야 한다면, 한편으로는 공급 공기를 위해 그리고 다른 한편으로는 냉각 공기를 위해 역류(cross-current) 가이드 방식이 제안된다.
본 발명에서는 연료 전지 시스템이 소위 PEM-연료 전지에 의해 작동되고, 특히 고온에서 작동된다. 즉, 연료 전지는 바람직하게 HT-PEM-연료 전지이다. 기계적인 수단을 적합하게 사용함으로써, 즉 방향 전환 플레이트 및/또는 노즐 장치에 의해서, 공기 흐름은 연료 전지의 최상의 사용을 보장하는 방식으로 이용될 수 있다. 이 경우 연료 전지 모듈은 평탄하게 형성될 수 있고, 제한된 높이를 가질 수 있다. 특히 본 발명에서는 또한, cw-값 등과 같은 차량의 공기 역학적인 특성들이 악영향을 받지 않게 된다.
본 발명의 추가 세부 사항 및 장점들은 특허 청구 범위와 함께, 실시예를 보여주는 하기 도면 설명부에서 기술된다.
도 1은 연료 전지 시스템이 통합된 자동차를 보여주고,
도 2는 자동 흡인 방식의 작동을 위한 연료 전지 모듈을 보여주며,
도 3 및 도 4는 도 2의 대안적인 배열 상태를 보여주는 단면도이다.
도 1에서는 자동차가 도면 부호 (1)로 표기되어 있고, 자동차의 상세하게 도시되지 않은 전동식 구동 장치(3)는 연료 전지 시스템에 의해 전력을 공급 받는다. 연료 전지 시스템은 실제로 연료 전지 모듈(10) 및 도 1에 상세하게 도시되지 않은 상응하는 보조 장치로 이루어진다. 적어도 상기 연료 전지 모듈(10)은 자동차(1)에 또는 자동차 내부에 위치함으로써 적합한 방식으로 공기를 공급 받는다. 자세하게 설명하면, 연료 전지 모듈(10)의 종축이 자동차 종축(5)의 방향으로 진행한다. 노즐 형태의 기계 장치는, 방향 전환 후에 공기가 위로부터 유입되도록 공기 흐름을 자동차(1)의 전방 개구로부터 연료 전지 모듈(10)로 보낸다. 부가적으로는, 필요한 경우 냉각 팬이 추가로 주변 공기를 공급한다.
연료 전지 시스템을 위해서는, 고체 전해질로 작동되고 PEM(PolymerElectrolyteMembrane)-연료 전지로 언급되는 연료 전지가 사용된다. 약 60℃의 작동 온도를 갖는 상기와 같은 유형의 연료 전지는 선행 기술에 공지되어 있으며, 이동식 사용을 위해서는 바람직하게 상기와 같은 연료 전지가 지금까지 기술된 것보다 더 높은 온도에서 작동된다. HT-PEM-연료 전지용으로는 80℃ 내지 300℃의 작동 온도, 특히 120℃ 내지 200℃ 범위의 작동 온도가 사용된다.
HT-PEM-연료 전지(11, 11', ...)를 갖는 연료 전지 모듈(10)은 평탄하게 형성될 수 있다. 상세하게는 다수의 연료 전지가 스택되어 있기 때문에, 이 경우에는 평탄 스택이라 불린다. 이와 같은 평탄 스택은 바람직하게 차량 플로어 아래에 또는, 승용차가 아닌 경우에는, 대안적으로 자동차의 지붕 위에도 배치될 수 있다. 그럼으로써 공기 흐름은 적합한 방식으로 기계 장치(20)에 의해 연료 전지에 도달하게 된다.
도 2에는 소수의 HT-PEM-연료 전지(11, 11', ...)로 이루어진 상기 유형의 연료 전지 모듈(10)이 도시되어 있다. 기계 장치(20)의 수단, 예컨대 비스듬하게 진행하는 금속 시이트(21) 또는 공기 편향 플레이트에 의해, 공기 흐름은 노즐 형태로 가이드되고 방향 전환되어 HT-PEM-연료 전지 모듈(10)의 개별 전지(11, 11', ...)에 직접 도달하게 된다. 이 목적을 위해 자동차 내부의 연료 전지 모듈(10) 앞에는 회전 플랩 밸브(40 및 40')를 구비한 노즐(22)이 배치되어 있으며, 상기 회전 플랩 밸브에 의해서 유입 공기는 목적한 대로 연료 전지 위를 향하게 된다. 또한, 관련 제어 장치를 갖추고 전기적으로 작동 가능한 밸브도 존재할 수 있다.
보조 팬(6)은, 지나치게 낮은 속도로 인해 공기 흐름이 충분히 발생되지 않거나 또는 특히 높은 부하로 인해 공기에 대한 필요성이 높은 경우에 사용된다. 회전 플랩 밸브(40 및 40')로부터 형성되고 전기적으로 작동 가능한 밸브 장치에 의해서, 공기 흐름 및/또는 분사 공기를 이용한 공기 공급은 도시되지 않은 적합한 제어 장치를 통해 개별 요구 사항에 매칭될 수 있다.
유입되는 찬 공기에 의해 야기되는 연료 전지의 손상을 피하기 위해, 흡인 공기는 연료 전지(11, 11', ...) 내부로 유입되기 전에 예열된다. 도 2에 도시된 바와 같이 공기를 연료 전지 모듈(10)에 공급하는 작업은 공기 예열 작업과 이상적으로 결합될 수 있다.
도 3에는, 공기가 팬(5) 및 열교환기(30)를 통해 가이드 되어 방향 전환 후에 연료 전지 모듈(10)의 연료 전지(11, 11', ...) 내부에 도달하는 방식이 개략적으로 도시되어 있다. 상응하는 배열 상태가 도 4에서는 보다 컴팩트한 형태로 도시되어 있다. 2가지 경우에 액체 매체, 예컨대 오일은 냉각제로서 연료 전지(11, 11', ...)로부터 열교환기(30) 내부로 보내진다. 한편으로 연료 전지(11, 11', ...)의 길이 및 높이 그리고 다른 한편으로 열교환기의 길이 및 높이가 상호 매칭됨으로써, 가급적 컴팩트한 원하는 구조적 형상이 얻어진다.
자동차 내부에 배치된 도 2에 따른 연료 전지 모듈(10)에 의해, 역류 모드로 작동하는 것이 용이해진다. 즉, 이 경우에는 연료 전지(11, 11', ...)의 작동을 위해 필요한 공기는 수직선으로 연료 전지 모듈(10)을 통과하는 한편, 찬 공기는 방향 전환 후에 각각 상기 수직선에 대해 수직 방향으로 연료 전지 모듈(10) 내부로 유입된다. 이와 같은 배치에 의해 공기량은 특히 적합한 λ-값이 미리 결정될 수 있도록 설정될 수 있다. 실제로는, 적어도 2의 λ-값이 유지되어야 한다고 나타났다.
특히 도 2를 참조하면, 도시된 배치 상태에서는 공기 가이드가 2중 기능을 갖는다는 사실이 명백해진다. 한편으로는 공기 중 산소가 산화제로서 사용되고, 다른 한편으로는 공기가 냉각을 위해 사용된다. 이와 같은 2중 기능에 의해, 산화제 또는 공기의 유동량은 연료 전지 모듈(10)의 온도에 따라 조절될 수 있다.
특별히 HT-PEM-연료 전지의 사용을 위해서는 80℃ 내지 200℃의 작동 온도가유지될 수 있다고 나타났다. 이 경우에 이상적인 작동 온도는 약 160℃이다. 따라서 이 경우에는 자동차의 연료 전지 시스템 내부로 유입된 공기가 산화제의 공급을 위해서 뿐만 아니라 연료 전지 모듈의 냉각을 위해서도 이용된다.

Claims (13)

  1. 적어도 하나의 연료 전지 모듈을 구비한 자동차용 연료 전지 시스템에 있어서,
    차량이 움직일 때 연료 전지 모듈(10)이 가급적 자동 흡인 방식으로 작동되도록, 상기 연료 전지 모듈(10)이 자동차(1) 내부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈(10)의 자동 흡인을 위해, 상기 연료 전지 모듈(10)의 공기 공급이 가급적 자동차(1) 내부에서의 공기 흐름의 에너지에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    보조 팬(25)이 낮은 차량 속도 및/또는 높은 부하를 위해 존재하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈(10)이 PEM-연료 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈(10)이 HT-PEM-연료 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    공기 흐름을 연료 전지 모듈(10)로 유도하기 위해 방향 전환 플레이트(21) 및/또는 노즐 장치(22)가 존재하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 3 항에 있어서,
    전기적으로 작동 가능한 밸브(30)가 공기의 유입을 제어 및 조절하기 위해 존재하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 팬(25)이 공기량을 제어 및 조절하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈(10)이 평탄하게 형성되고, 최대 200 mm, 바람직하게는 대략 100 mm의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2의 λ(람다)-값이 유지되도록 공기량이 측정되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    공기가 또한 냉각을 위해서도 이용되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    찬 공기가 흡인 공기와 관련해서 역류 방식으로 통과되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산화제/공기의 유동량이 연료 전지 모듈(10)의 온도에 따라 조절되며, 작동 온도는 60℃ 내지 300℃, PEM-연료 전지에서는 바람직하게 60℃ 내지 80℃ 그리고 HT-PEM-연료 전지에서는 120℃ 내지 200℃인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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