KR20220095328A - 연료 전지 차량 - Google Patents

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KR20220095328A
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류태우
연승준
서정도
이우영
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현대자동차주식회사
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Abstract

실시 예의 연료 전지 차량은, 연료 전지와, 공기를 흡입하여 송풍하는 공기 압축기와 공기 압축기로부터 배출되는 공기를 식히는 쿨러와, 쿨러에서 식혀진 공기를 가습하여 연료 전지로 공급하는 가습기 및 연료 전지가 탑재되며, 쿨러와 가습기의 적어도 일부를 내부에 수용하는 시스템 프레임을 포함한다.

Description

연료 전지 차량{Fuel cell vehicle}
실시 예는 연료 전지 차량에 관한 것이다.
연료 전지를 장착한 차량(이하, ‘연료 전지 차량’이라 함)에서, 공기 압축기로부터 배출되는 공기는 고온이므로 쿨러를 이용하여 고온의 공기를 냉각시킨다. 이후, 냉각된 공기는 가습기에 의해 가습되어 연료 전지의 셀 스택으로 공급된다. 이러한 쿨러와 가습기는 연료 전지 차량에서 많은 부피를 차지하므로, 탑재성에 많은 애로사항을 야기하므로, 이에 대한 연구가 진행되고 있다.
실시 예는 가습기와 쿨러 등이 차지하는 부피를 줄인 연료 전지 차량을 제공한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 의한 연료 전지 차량은, 연료 전지; 공기를 흡입하여 송풍하는 공기 압축기; 상기 공기 압축기로부터 배출되는 공기를 식히는 쿨러; 상기 쿨러에서 식혀진 공기를 가습하여 상기 연료 전지로 공급하는 가습기; 및 상기 연료 전지가 탑재되며, 상기 쿨러와 상기 가습기의 적어도 일부를 내부에 수용하는 시스템 프레임을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 공기 압축기는 상기 시스템 프레임의 위에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 시스템 프레임은 상판; 상기 상판 아래에 배치된 하판; 및 상기 상판과 상기 하판 사이에 배치되어, 상기 쿨러와 상기 가습기를 수용하는 상기 내부의 공간을 형성하는 복수의 측판을 포함하고, 상기 공기 압축기는 상기 상판 위에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 내부의 공간은 상기 쿨러가 배치된 제1 공간; 상기 가습기가 배치되고, 상기 연료 전지 차량이 진행하는 제1 방향으로 상기 제1 공간과 이웃하는 제2 공간; 및 상기 제1 공간과 연통하며 상기 공기 압축기로부터 배출된 공기가 상기 쿨러로 진행하는 유로를 형성하는 제3 공간을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 상판은 상기 공기 압축기로부터 배출된 공기가 유입되고, 상기 제3 공간과 연통하는 제1 공기 유입구; 상기 가습기로부터 배출된 공기를 상기 연료 전지로 배출하는 제1 공기 유출구; 상기 연료 전지로부터 배출된 반응 가스인 공기와 응축수를 유입하는 제2 공기 유입구; 및 상기 반응 가스인 수소와 함께 유출된 응축수를 유입하는 응축수 유입구를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 쿨러는 상기 제3 공간으로부터 유입된 공기를 냉각시킬 냉각 매체가 유입되는 제1 냉각 매체 유입구; 및 상기 공기를 냉각시킨 냉각 매체를 유출하는 제1 냉각 매체 유출구를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 측판은 외부로부터 상기 냉각 매체가 유입되고 상기 제1 냉각 매체 유입구와 연통하는 제2 냉각 매체 유입구; 제1 냉각 매체 유출구로부터 배출된 상기 냉각 매체를 외부로 배출하는 제2 냉각 매체 유출구; 및 상기 제2 공간과 연통하며, 상기 가습기로부터 배출된 상기 반응 가스인 공기를 외부로 배출하는 제2 공기 유출구를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지 차량은, 상기 제2 공기 유출구에 배치된 공기 압력 조절부를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 내부의 공간은 상기 제1 공간과 상기 제2 공간 사이에 위치하며, 상기 쿨러에서 배출된 공기가 상기 가습기로 진행하는 유로를 형성하는 제4 공간을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 내부의 공간은 상기 가습기에서 배출된 공기가 상기 제1 공기 유출구로 진행하는 유로를 형성하는 제5 공간을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 가습기는 서로 이격되어 배열된 복수의 중공 사막; 및 상기 복수의 중공 사막 사이에 배치되어, 상기 제2 공기 유입구 및 상기 응축수 유입구와 연통하는 쉘 사이드를 형성하는 격벽을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 공기 압축기는 상기 제1 공기 유입구와 직결될 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지 차량은, 상기 가습기로부터 배출된 상기 공기를 유입하고 상기 반응가스인 공기와 상기 응축수를 유출하는 공기 차단 밸브를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 공기 차단 밸브는 상기 제1 공기 유출구 및 상기 제2 공기 유입구 각각과 직결될 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지 차량은, 상기 시스템 프레임의 아래에 배치된 구동 모터; 및 상기 구동 모터와 연결되며, 상기 시스템 프레임의 아래에 배치된 인버터를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 인버터는 상기 연료 전지 차량의 진행 방향으로 상기 구동 모터와 이웃하여 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 인버터는 상기 구동 모터와 상기 시스템 프레임 사이에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지는 수소와 공기를 이용하여 전력을 발생하며 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택을 포함하고, 상기 복수의 단위 셀이 적층된 방향은 상기 차량의 진행 방향과 나란한 방향일 수 있다.
실시 예에 따른 연료 전지 차량은 제조 비용을 절감시키고 제조 공정을 단순화시키고, 공기 압력 손실을 줄여 공기 압축기의 동력을 낮춰 동력 효율을 증가시키고, 높은 공간 효율성과 증가된 시스템 부피 출력밀도를 가지며, 오버항이 짧은 차량에 유용하게 이용될 수 있고, 차량의 증가된 강건성을 갖고, 종치형으로 연료 전지를 배치할 경우 쿨러 및 가습기의 배치가 구동 모터의 배치와 간섭을 일으키지 않는다.
또한, 본 실시 예에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 외관 단면도를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 연료 전지 차량의 측단면도 및 배면도를 각각 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a 및 도 2b에 도시된 시스템 프레임의 일 실시 예에 의한 외관 사시도 및 평면도를 각각 나타낸다.
도 4는 도 3a에 도시된 시스템 프레임의 상판을 제거한 사시도를 나타낸다.
도 5a는 도 4에 도시된 쿨러의 사시도를 나타내고, 도 5b는 도 5a에 도시된 I-I’선을 따라 절취한 단면도를 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 도 4에 도시된 가습기의 실시 예에 의한 사시도 및 정면도를 각각 나타낸다.
도 7은 공기 압축기로부터 배출된 공기가 공기 차단 밸브를 통해 연료 전지로 공급되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 수분을 함유하는 공기와 제1 및 제2 응축수가 가습기로 공급되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 쿨러와 가습기가 내장된 시스템 프레임을 제조하는 공정 사시도를 나타낸다.
도 10은 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 측면도를 나타낸다.
도 11a는 일반적인 횡치형 연료 전지 차량의 평면도를 나타내고, 도 11b는 일반적인 종치형 연료 전지 차량의 평면도를 나타낸다.
도 12 (a) 및 (b)는 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 평면도 및 좌측면도를 각각 나타낸다.
도 13 (a) 및 (b)는 다른 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 평면도 및 좌측면도를 각각 나타낸다.
도 14a 및 도 14b는 비교예에 의한 연료 전지 차량의 측면도와 배면도를 각각 나타낸다.
도 15는 비교예에 의한 연료 전지 차량의 측면도이다
도 16 (a) 및 (b)는 비교예에 의한 횡치형 연료 전지 차량의 평면도 및 좌측면도를 각각 나타낸다.
도 17 (a) 및 (b)는 비교예에 의한 종치형 연료 전지 차량의 평면도 및 좌측면도를 각각 나타낸다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
이하, 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100: 100A)을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 연료 전지 차량(100: 100A)을 설명하지만, 다른 좌표계에 의해서도 이를 설명할 수 있음은 물론이다. 또한, 데카르트 좌표계에 의하면, x축, y축 및 z축은 서로 직교하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, x축, y축 및 z축은 서로 교차할 수도 있다. 이하, 편의상 +x축 방향 또는 -x축 방향을 제1 방향이라 칭하고, +y축 방향 또는 -y축 방향을 제2 방향이라 칭하고, +z축 방향 또는 -z축 방향을 제3 방향이라 칭한다.
도 1은 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100)의 외관 단면도를 나타낸다.
도 1에 도시된 연료 전지 차량(100)은 제1 방향으로 진행할 수 있으며, 후술되는 앞 바퀴(180)와 후드(186)를 포함할 수 있다.
도 2a는 도 1에 도시된 연료 전지 차량(100)의 측단면도를 나타내고, 도 2b는 도 1에 도시된 연료 전지 차량(100)의 배면도를 나타낸다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 연료 전지 차량(100)은 연료 전지(110), 공기 압축기(120), 쿨러(cooler)(또는, 인터쿨러(intercooler) 또는 에어쿨러(air cooler))(130), 가습기(140) 및 시스템 프레임(또는, 시스템 마운팅 프레임)(150)을 포함할 수 있다.
연료 전지(110)는 시스템 프레임(150)에 탑재되어 지지될 수 있다.
실시 예에 의한 연료 전지 차량(100)의 연료 전지(110)는 적어도 하나의 단위 연료 전지일 수 있다.
일 실시 예에 의한 연료 전지(110)는 제1 내지 제3 방향 중 어느 방향으로도 적층되지 않은 하나의 단위 연료 전지일 수 있다.
다른 실시 예에 의한 연료 전지(110)는 제1, 제2 또는 제3 방향 중 적어도 하나의 방향으로 적층된 복수 개의 단위 연료 전지를 포함할 수도 있다.
단위 연료 전지는 차량 구동을 위한 전력 공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)일 수 있으나, 실시 예는 단위 연료 전지의 특정한 구성이나 외관 등 형태에 국한되지 않는다.
단위 연료 전지는 엔드 플레이트(end plate)(또는, 가압 플레이트 또는 압축판)(미도시), 집전판(미도시) 및 셀 스택(cell stack)(미도시)을 포함할 수 있다.
셀 스택은 제1 또는 제2 방향으로 적층된 복수의 단위 셀을 포함할 수 있다. 수십 내지 수백 개 예를 들어, 100 내지 400개의 단위 셀이 적층되어 셀 스택을 구현할 수 있다.
각 단위 셀은 0.6 볼트 내지 1.0 볼트의 전기를 생성할 수 있다. 따라서, 연료 전지(110)로부터 부하로 공급하고자 하는 전력의 세기에 따라, 연료 전지(110)에 포함되는 단위 연료 전지의 개수 및 단위 연료 전지의 셀 스택에 포함되는 복수의 단위 셀의 개수가 결정될 수 있다. 여기서, 부하란, 연료 전지 차량(100)에서 전력을 요구하는 부분을 의미할 수 있다.
제1 및 제2 엔드 플레이트는 셀 스택의 양측 단부 각각에 배치되어, 복수의 단위 셀을 지지하며 고정시킬 수 있다. 즉, 제1 엔드 플레이트는 셀 스택의 양측 단부 중 일 단부에 배치되고, 제2 엔드 플레이트는 셀 스택의 양측 단부 중 타 단부에 배치될 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 비록 도시되지 않았지만, 연료 전지 차량(100)은 공기 필터를 더 포함할 수 있다. 공기 필터는 연료 전지 차량 주변(예를 들어, 대기 중)의 공기를 필터링하고, 필터링된 공기를 공기 압축기(120)로 제공할 수 있다. 예를 들어, 공기 필터로 흡입된 공기는 이물질과 미세 먼지를 포함할 수 있다. 따라서, 공기 필터는 공기에서 이러한 이물질과 미세 먼지를 제거한 이후에 필터링된 공기를 공기 압축기(120)로 배출할 수 있다.
공기 압축기(120)는 공기 필터에서 필터링된 건조한 공기를 흡입하여 송풍하고, 송풍된 공기를 가습기(140)로 배출할 수 있다. 실시 예에 의하면, 공기 압축기(120)는 시스템 프레임(150)의 위에 배치될 수 있으나, 실시 예는 공기 압축기(120)가 배치되는 특정한 위치에 국한되지 않는다.
쿨러(130)는 공기 압축기(120)에서 송풍된 즉, 공기 압축기(120)로부터 배출된 고온의 건조한 냉각시키는 즉, 식히는 역할을 한다.
가습기(140)는 쿨러(130)에서 식혀진 공기를 가습하고, 가습된 공기를 연료 전지(110)로 공급할 수 있다. 가습기(140)는 수분을 함유할 수 있는 복수의 캐트리지(또는, 중공 사막 다발)를 포함할 수 있다.
쿨러(130) 및 가습기(140)의 일 례에 대해서는 후술되는 도 5a 내지 도 6b에서 상세히 설명한다.
실시 예에 의하면, 시스템 프레임(150)은 쿨러(130)와 가습기(140)의 적어도 일부를 그(150)의 내부에 수용할 수 있다. 예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 쿨러(130)와 가습기(140) 전체가 시스템 프레임(150)의 내부에 배치될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 달리, 쿨러(130) 또는 가습기(140) 중 적어도 하나의 일부는 시스템 프레임(150)에 배치되고 나머지는 시스템 프레임(150)의 위 또는 아래로 돌출되어 배치될 수도 있다.
이하, 쿨러(130)와 가습기(140) 전체가 시스템 프레임(150)의 내부에 배치된 것으로 설명하지만, 하기의 설명은 쿨러(130) 또는 가습기(140) 중 적어도 하나의 일부는 시스템 프레임(150)에 배치되고 나머지는 시스템 프레임(150)의 위 또는 아래로 돌출되어 배치된 경우에도 적용될 수도 있다.
도 2a 및 도 2b의 경우, 쿨러(130)가 가습기(140)보다 차량(100)의 전방에 배치된 것으로 도시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 달리, 가습기(140)가 쿨러(130)보다 차량(100)의 전방에 배치될 수도 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a 및 도 2b에 도시된 시스템 프레임(150)의 일 실시 예(150A)에 의한 외관 사시도 및 평면도를 각각 나타낸다. 도 3b는 도 3a에 도시된 시스템 프레임(150A)에서 상판(UP)을 제거한 모습이다. 그러나, 이해를 돕기 위해, 도 3b에서 상판(UP)에 형성되는 다수의 입구와 출구를 점선으로 표기한다.
실시 예에 의하면, 시스템 프레임(150A)은 상판(UP), 하판(LP) 및 복수의 측판(SP1, SP2, SP3, SP4)를 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b의 경우, 상판(UP), 하판(LP) 및 복수의 측판(SP1, SP2, SP3, SP4) 각각이 사각형인 것으로 도시되어 있으나, 실시 예는 상판(UP), 하판(LP) 및 복수의 측판(SP1, SP2, SP3, SP4) 각각의 특정한 형상에 국한되지 않는다.
상판(UP)에는 후술되는 다수의 입구와 출구가 형성되어 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 공기 압축기(120)는 시스템 프레임(150A)의 상판(UP) 위에 배치될 수 있으나, 전술한 바와 같이 실시 예는 공기 압축기(120)의 특정한 위치에 국한되지 않는다.
하판(LP)은 상판(UP) 아래에 배치되며, 복수의 측판(SP1 내지 SP4)은 상판(UP)과 하판(LP) 사이에 배치되어, 하판(LP) 및 상판(UP)과 함께 쿨러(130)와 가습기(140)를 수용하는 내부의 공간을 정의할 수 있다.
시스템 프레임(150A)의 내부의 공간은 제1 공간(S1), 제2 공간(S2) 및 제3 공간(S3)을 포함할 수 있다. 제1 공간(S1)은 쿨러(130)가 배치된 공간을 의미하고, 제2 공간(S2)은 가습기(140)가 배치된 공간을 의미한다. 제2 공간(S2)은 연료 전지 차량(100)이 진행하는 제1 방향으로 제1 공간(S1)과 이웃할 수 있다.
제3 공간(S3)은 제1 공간(S1)과 연통하며 공기 압축기(120)로부터 배출된 공기가 쿨러(130)로 진행하는 유로를 형성할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 시스템 프레임(150A)의 내부의 공간은 제4 공간(S4)을 더 포함할 수 있다. 제4 공간(S4)은 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2) 사이에 위치하며, 쿨러(130)에서 배출된 공기가 가습기(140)로 진행하는 유로를 형성할 수 있다.
다른 실시 예에 의하면, 제4 공간(S4)은 생략될 수 있다. 이 경우, 도 3b에 도시된 바와 달리, 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)은 서로 접할 수 있다. 즉, 쿨러(130)의 출구는 가습기(140)의 입구와 직접 연결(이하, ‘직결’이라 한다)될 수 있다.
상판(UP)은 제1 공기 유입구(AI1), 제1 공기 유출구(AO1), 제2 공기 유입구(AI2) 및 응축수 유입구(WI)를 포함할 수 있다.
제1 공기 유입구(AI1)는 공기 압축기(120)로부터 배출된 공기가 유입되는 입구로서, 제3 공간(S3)과 연통할 수 있다. 공기 압축기(120)는 제1 공기 유입구(AI1)와 직결될 수 있다.
제1 공기 유출구(AO1)는 가습기(140)로부터 배출된 공기를 연료 전지(110)의 셀 스택으로 배출하는 출구에 해당한다. 시스템 프레임(150A)의 내부의 공간은 제5 공간(S5)을 더 포함할 수 있다.
제5 공간(S5)은 가습기(140)에서 배출된 공기가 제1 공기 유출구(AO1)로 진행하는 유로를 형성할 수 있다. 가습기(140)로부터 배출된 가습된 공기가 제5 공간(S5)을 거쳐서 제1 공기 유출구(AO1)를 통해 배출되는 모습에 대해서는 도 7에서 상세히 후술된다.
제2 공기 유입구(AI2)는 연료 전지(110)의 셀 스택으로부터 배출된 반응 가스인 공기와 응축수(이하, ‘제1 응축수’라 함)가 유입되는 입구이다.
응축수 유입구(WI)는 반응 가스인 수소와 함께 셀 스택으로부터 유출된 응축수(이하, ‘제2 응축수’라 함)가 유입되는 입구이다. 제2 응축수는 도 2b에 도시된 응축수관(114)을 통해 가습기(140)로 배출될 수 있다. 예를 들어, 응축수관(114)은 응축수 유입구(WI)와 직결될 수 있다.
실시 예에 의한 연료 전지 차량은 도 2b에 도시된 바와 같이, 공기 차단 밸브(112)를 더 포함할 수 있다.
공기 차단 밸브(112)는 유입부(112A)와 유출부(112B)를 포함할 수 있다. 여기서, 유입부(112A)는 연료 전지(110)의 외부로부터 연료 전지(110)로 공기가 유입되는 부분이고, 유출부(112B)는 연료 전지(100)의 내부로부터 외부로 공기가 유출되는 부분이다. 공기 차단 밸브(112)는 유입부(112A)와 유출부(112B)를 동시에 개방하거나 동시에 폐쇄시킬 수 있다. 예를 들어, 모터(미도시)의 작동에 의해 공기 차단 밸브(112)의 유입부(112A)와 유출부(112B)를 동시에 개방하거나 동시에 폐쇄할 수 있지만, 이에 국한되지 않는다. 즉, 공기 차단 밸브(112)는 다양한 방법으로 유입부(112A)와 유출부(112B)를 동시에 개방하거나 동시에 폐쇄할 수 있다. 이를 위해, 연료 전지(110)는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 연료 전지(110)를 장착한 차량(100)의 시동이 멈추거나 차량(100)이 장시간 운행하지 않을 경우, 유입부(112A)와 유출부(112B)가 동시에 폐쇄되도록 모터를 구동하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 또는, 제어부는 연료 전지(110)를 장착한 차량(100)이 운행하고자 시동을 켤 경우, 유입부(112A)와 유출부(112B)가 동시에 개방되도록 모터를 구동하는 제어 신호를 생성할 수 있다.
실시 예에 의하면, 공기 차단 밸브(112)는 가습기(140)로부터 배출된 공기를 유입부(112A)를 통해 유입할 수 있다. 이를 위해, 공기 차단 밸브(112)의 유입부(112A)는 제1 공기 유출구(AO1)와 직결될 수 있다. 또한, 공기 차단 밸브(112)는 반응가스인 공기와 제1 응축수를 유출부(112B)를 통해 가습기(140)로 유출할 수 있다. 이를 위해, 공기 차단 밸브(112)의 유출부(112B)는 제2 공기 유입구(AI2)와 직결될 수 있다.
도 4는 도 3a에 도시된 시스템 프레임(150A)의 상판(UP)을 제거한 사시도를 나타낸다.
도 4에 도시된 쿨러(130A)는 시스템 프레임(150A)의 제1 공간(S1)에 배치되며, 도 2a에 도시된 쿨러(130)의 실시 예에 해당한다. 가습기(140A)는 시스템 프레임(150A)의 제2 공간(S2)에 배치되며, 도 2a 및 도 2b에 도시된 가습기(140)의 실시 예에 해당한다.
실시 예에 의한 연료 전지 차량은 쿨러(130A) 및 가습기(140A)의 특정한 형태에 국한되지 않는다. 즉, 쿨러(130A) 및 가습기(140A)가 시스템 프레임(150A)의 내부 공간에 배치될 수만 있다면, 쿨러(130A) 및 가습기(140A)는 다양한 형태를 가질 수 있다.
이하, 쿨러(130A) 및 가습기(140A)의 일 실시 예를 다음과 같이 살펴본다.
도 5a는 도 4에 도시된 쿨러(130A)의 사시도를 나타내고, 도 5b는 도 5a에 도시된 I-I’선을 따라 절취한 단면도를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b에 예시된 바와 같이, 쿨러(130A)는 판형 열교환기 형태를 가질 수 있으나, 실시 예는 쿨러(130A)의 특정한 형태에 국한되지 않는다.
쿨러(130A)는 제1 냉각 매체 유입구(CI1) 및 제1 냉각 매체 유출구(CO1)를 포함할 수 있다. 제1 냉각 매체 유입구(CI1)는 냉각 매체(예를 들어, 냉각수)가 유입되는 입구이다. 냉각 매체는, 공기 압축구(120)로부터 배출되어, 제1 공기 유입구(AI1)를 통해 제3 공간(S3)으로부터 유입된 공기를 냉각시키는 역할을 한다. 제1 냉각 매체 유출구(CO1)는 공기를 냉각시킨 냉각 매체가 유출되는 출구이다.
쿨러(130A)는 몸체(132), 냉각관(134) 및 공기 유동로(136)를 더 포함할 수 있다. 냉각관(134)은 몸체(132)에 매립되며, 제1 냉각 매체 유입구(CI1) 및 제1 냉각 매체 유출구(CO1)와 각각 연결될 수 있다.
이때, 공기 유동로(136)는 냉각관(134)의 사이에 위치하며, 제3 공간(S3)으로 유입된 공기가 가습기(140A)로 흐르는 경로 상에 위치한다.
전술한 구성을 갖는 쿨러(130A)에서, 제1 냉각 매체 유입구(CI1)로 화살표 방향(A1)으로 유입된 냉각 매체가 냉각관(134)을 지나서 제1 냉각 매체 유출구(CO1)를 통해 화살표 방향(A2)으로 배출된다. 따라서, 냉각 매체가 냉각관(134)을 지나서 동안, 제3 공간(S3)으로부터 화살표 방향(A31)으로 유입된 뜨거운 공기는 공기 유동로(136)를 통과할 때 냉각되어, 냉각된 공기가 화살표 방향(A32)으로 배출될 수 있다.
외부로부터 쿨러(130A)로 냉각 매체를 제공하고, 쿨러(130A)로부터 배출되는 냉각 매체를 외부로 배출하기 위해, 시스템 프레임(150A)의 측판은 제2 냉각 매체 유입구(CI2) 및 제2 냉각 매체 유출구(CO2)를 포함할 수 있다.
제2 냉각 매체 유입구(CI2)는 외부로부터 냉각 매체가 유입되는 구멍으로서, 제1 냉각 매체 유입구(CI1)와 연통할 수 있다. 따라서, 외부로부터 유입된 냉각 매체가 제2 냉각 매체 유입구(CI2) 및 제1 냉각 매체 유입구(CI1)를 통해 쿨러(130A)로 제공될 수 있다.
예를 들어, 제2 냉각 매체 유입구(CI2)는 제1 냉각 매체 유입구(CI1)와 직결될 수 있다. 이 경우, 도 3a에 도시된 바와 같이, 제2 냉각 매체 유입구(CI2)는 복수의 측판(SP1 내지 SP4) 중에서 제1 측판(SP1)에 형성될 수 있다.
또는, 제2 냉각 매체 유입구(CI2)는 복수의 측판(SP1 내지 SP4) 중에서 제2 측판(SP2)에 형성될 수 있다. 이 경우, 비록 도시되지 않았지만, 도 3b에 도시된 제3 공간(S3)은 서로 격리된 제3-1 및 제3-2 공간으로 분리될 수 있다. 제3-1 공간은 제1 공기 유입구(AI1)와 연통하여 공기 압축기(120)로부터 배출된 공기를 쿨러(130A)로 제공하는 유로를 형성하고, 제3-2 공간은 제2 측판(SP2)에 형성된 제2 냉각 매체 유입구(CI21)로부터 유입된 냉각 매체를 제1 냉각 매체 유입구(CI1)로 제공하는 경로를 형성할 수 있다.
이하, 제2 냉각 매체 유입구(CI2)가 제1 측판(SP1)에 형성된 것으로 설명하지만, 하기의 설명은 제2 냉각 매체 유입구(CI21)가 제2 측판(SP2)에 형성된 경우에도 적용될 수 있다.
제2 냉각 매체 유출구(CO2)는 제1 냉각 매체 유출구(CO1)로부터 배출된 냉각 매체를 시스템 프레임(150A)의 외부로 배출하는 출구로서, 제1 냉각 매체 유출구(CO1)와 연통할 수 있다. 따라서, 쿨러(130A)의 제1 냉각 매체 유출구(CO1)로부터 배출된 냉각 매체가 제2 냉각 매체 유출구(CO2)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 예를 들어, 제2 냉각 매체 유출구(CO2)와 제1 냉각 매체 유출구(CO1)는 직결될 수 있다.
또한, 시스템 프레임(150A)의 측판은 제2 공기 유출구(AO2)를 더 포함할 수 있다. 제2 공기 유출구(AO2)는 가습기(140A)로부터 배출된 반응 가스인 공기를 시스템 프레임(150A)의 외부로 배출하는 출구이다.
실시 예에 의하면, 연료 전지 차량은 공기 압력 조절부(APC:Air Pressure Control valve)(160)를 더 포함할 수 있다. 공기 압력 조절부(160)는 제2 공기 유출구(AO2)에 배치되어, 가습기(140A)로부터 시스템 프레임(150A)의 외부로 배출되는 공기의 압력을 조절할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 도 4에 도시된 가습기(140A)의 실시 예에 의한 사시도 및 정면도를 각각 나타낸다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 가습기(140A)는 복수의 중공 사막(142, 144, 146) 및 격벽(143: 143-1, 143-2)을 포함할 수 있다.
복수의 중공 사막(142, 144, 146)은 쿨러(130A)로부터 연료 전지(110)를 향해 공기가 흐르는 방향과 교차하는 방향(예를 들어, 제2 방향)으로 서로 이격되어 배열될 수 있다. 복수의 중공 사막(142, 144, 146) 각각은 수분을 함유하며, 공기가 자신을 경유하여 화살표 방향(A4)으로 흐르는 동안 수분을 공기에 부여할 수 있는 일종의 수분 함유 캐트리지이다.
격벽(143:143-1, 143-2)은 복수의 중공 사막(142, 144, 146) 사이에 배치되며, 제6 공간(예를 들어, 쉘 사이드)(S61, S62)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 격벽(143)은 도 6b에 도시된 바와 같이 시스템 프레임(150A)의 일부일 수도 있고, 도 6b에 도시된 바와 달리 시스템 프레임(150A)과는 별개로 마련될 수도 있다.
쉘 사이드(S61, S62)는 제2 공기 유입구(AI2) 및 응축수 유입구(WI)와 연통하며, 제2 공기 유입구(AI2) 및 응축수 유입구(WI)와 직결할 수 있다. 이에 대해서는 도 8a 및 도 8b를 참조하여 상세히 후술된다.
이하, 공기 압축기(120)로부터 배출된 공기가 전술한 구성을 갖는 쿨러(130A)와 가습기(140A)와 시스템 프레임(150A)을 통해 연료 전지(110)로 공급되고, 연료 전지(110)로부터 배출된 반응 가스와 제1 및 제2 응축수가 시스템 프레임(150A)과 가습기(140A)를 통해 외부로 배출되는 과정을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 7은 공기 압축기(120)로부터 배출된 공기가 공기 차단 밸브(112)를 통해 연료 전지(110)로 공급되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 3b에 도시된 시스템 프레임(150A)의 내부 공간에 도 4에 도시된 바와 같이 쿨러(130A) 및 가습기(140A)가 배치된 상태에서 Ⅱ-Ⅱ’선을 따라 절개한 단면도에 해당할 수 있다.
도 3a, 도 3b, 도 4 및 도 7을 참조하면, 공기 압축기(120)로부터 배출된 공기는 화살표 방향(①)으로 제1 공기 유입구(AI1)를 통해 제3 공간(S3)으로 유입될 수 있다.
이후, 제3 공간(S3)으로 유입된 공기는 화살표 방향(②)으로 쿨러(130A)를 통과하여 냉각될 수 있다. 공기가 쿨러(130A)에서 냉각되는 과정은 도 5a 및 도 5b에서 설명한 바와 같다.
이후, 쿨러(130A)에서 냉각된 공기는 화살표 방향(③)으로 가습기(140A)의 복수의 중공 사막(142, 144, 146)을 통과하는 동안 수분을 부여받아 가습된다.
이후, 가습기(140A)에서 가습된 공기가 화살표 방향(④)으로 제1 공기 유출구(AO1)를 통해 배출되어, 공기 차단 밸브(112)의 유입부(112A)를 통해 연료 전지(110)로 제공된다. 따라서, 공기 차단 밸브(112)의 유입부(112A)로 제공된 가습된 공기가 연료 전지(110)의 셀 스택으로 제공될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 수분을 함유하는 공기와 제1 및 제2 응축수(WA)가 가습기(140A)로 공급되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a, 도 3b, 도 4, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 반응 가스인 수분을 함유하는 공기와 제1 응축수가 공기 차단 밸브(112)의 유출부(112B)를 통해 배출된 후 제2 공기 유입구(AI2)로 화살표 방향(⑤)으로 가습기(140A)의 쉘 사이드(S61, S62)로 유입된다. 또한, 응축수관(114)을 통해 유출된 제2 응축수도 응축수 유입구(WI)를 통해 화살표 방향(⑥)으로 가습기(140A)의 쉘 사이드(S61, S62)로 유입된다.
이후, 수분을 함유하는 공기, 제1 및 제2 응축수(WA)가 복수의 중공 사막(142, 144, 146) 사이의 쉘 사이드(S61, S62)로 화살표 방향(⑦)으로 유입되어, 복수의 중공 사막(142, 144, 146)에 수분을 공급 즉, 가습할 수 있다.
이후, 복수의 중공 사막(142, 144, 146)에 수분을 공급한 이후의 공기는 화살표 방향(⑧)으로 제2 공기 유출구(AO2)를 통해 시스템 프레임(150A)의 외부로 유출될 수 있다.
이하, 쿨러(130A)와 가습기(140A)가 내부에 배치된 시스템 프레임(150A)을 제조하는 공정을 도 9a 및 도 9b를 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 9a 및 도 9b는 쿨러(130A)와 가습기(140A)가 내장된 시스템 프레임(150A)을 제조하는 공정 사시도를 나타낸다.
도 9a를 참조하면, 제1 측판(SP1)에 제2 냉각 매체 유입구(CI2)가 형성되고, 제3 측판(SP3)에 제2 냉각 매체 유출구(CO2) 및 제2 공기 유출구(AO2)가 형성된 시스템 프레임(150A)을 준비한다.
이후, 시스템 프레임(150A)의 하판(LP) 상에 격벽(143-1, 143-2)를 형성한다. 전술한 바와 같이, 격벽(143-1, 143-2)은 시스템 프레임(150A)과 일체일 수도 있고 별개일 수도 있다.
이후, 도 9b에 도시된 바와 같이, 쿨러(130A)를 제1 공간(S1)에 배치시키는 한편, 복수의 중공 사막(142, 144, 146)을 제2 공간(S2)에 위치한 격벽(143-1, 143-2) 사이에 배치시킨다.
이후, 도 9b에 도시된 결과물에 시스템 프레임(150A)의 상편(UP)을 덮어, 도 3a에 도시된 바와 같이, 쿨러(130A)와 가습기(140A)가 그(150A)의 내부 공간에 배치된 시스템 프레임(150A)을 완성한다.
도 10은 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100A)의 측면도를 나타낸다.
도 10에 도시된 연료 전지 차량(100A)은 전술한 연료 전지 차량(100)의 실시 예에 해당한다.
도 10에 도시된 연료 전지 차량(100A)은 연료 전지(110), 공기 압축기(120), 쿨러(130), 가습기(140), 시스템 프레임(150), 구동 모터(172), 인버터(inverter)(174), 앞 바퀴(180) 및 후드(186)를 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 연료 전지(110), 공기 압축기(120), 쿨러(130), 가습기(140) 및 시스템 프레임(150)은 도 2a 및 도 2b에 도시된 연료 전지(110), 공기 압축기(120), 쿨러(130), 가습기(140) 및 시스템 프레임(150)에 각각 해당하고, 도 10에 도시된 앞 바퀴(180) 및 후드(186)는 도 1에 도시된 앞 바퀴(180) 및 후드(186)에 각각 해당하므로, 동일한 참조부호를 사용하며 중복되는 설명을 생략한다.
실시 예에 의하면, 구동 모터(172)는 시스템 프레임(150)의 아래에 배치될 수 있다. 인버터(174)는 구동 모터(172)와 연결되며, 시스템 프레임(150)의 아래에 배치될 수 있다.
인버터(174)는 연료 전지 차량(100A)의 운행 상태에 따라 연료 전지(110)의 셀 스택의 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 구동 모터(172)에 공급할 수 있다. 구동 모터(172)는 인버터(174)로부터 모터용 교류 전압을 전달받아 회전하여 연료 전지 차량(100A)을 구동시키는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 구동 모터(172)는 영구 자석이 매설된 로터를 포함하는 3상 교류 회전 장치일 수 있으나, 실시 예는 구동 모터(172)의 특정 형태에 국한되지 않는다.
도 11a는 일반적인 횡치형 연료 전지 차량의 평면도를 나타내고, 도 11b는 일반적인 종치형 연료 전지 차량의 평면도를 나타낸다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 연료 전지 차량은 제1 및 제2 사이드 부재(side member)(182, 184)와 연료 전지(110)를 포함한다. 연료 전지(110)는 도 10에 도시된 연료 전지(110)와 동일하므로, 동일한 참조부호를 사용하며 중복되는 설명을 생략한다.
제1 및 제2 사이드 부재(182, 184) 각각은 연료 전지 차량(100, 100A)의 운행(또는, 진행) 방향인 제1 방향(또는, 전방 또는 후방)으로 연장하고, 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 서로 대향하여 이격되어 배치될 수 있다.
횡치형 연료 전지 차량이란, 연료 전지 차량이 진행하는 방향(예를 들어, 제1 방향)과 교차하는 방향으로 적층된 복수의 단위 셀을 갖는 셀 스택이 장착된 차량을 의미한다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 사이드 부재(182, 184)가 서로 마주하는 방향(예를 들어, 제2 방향)으로 이격된 거리(Y1)가 연료 전지(110)의 제2 방향으로의 길이(Y2)보다 큰 경우에 연료 전지(110)를 이와 같이 배치할 수 있다.
그러나, 제1 및 제2 사이드 부재(182, 184)가 서로 마주하는 방향(예를 들어, 제2 방향)으로 이격된 거리(Y1)가 연료 전지(110)의 제2 방향으로의 길이(Y2)보다 작을 경우, 도 11b에 도시된 바와 같이, 연료 전지(110)를 배치할 수 있다. 이와 같은 종치형 연료 전지 차량이란, 연료 전지 차량이 진행하는 방향(예를 들어, 제1 방향)과 나란한 방향으로 적층된 복수의 단위 셀을 갖는 셀 스택이 장착된 차량을 의미한다.
도 12 (a) 및 (b)는 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 평면도 및 좌측면도를 각각 나타낸다.
도 12 (a) 및 (b)의 참조부호 중에서, 도 10 및 도 11b와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 표기하였으며, 중복되는 설명을 생략한다. 또한, 도 12 (a)에서 시스템 프레임(150)의 도시는 생략된다.
실시 예에 의한 연료 전지 차량이 도 11b에 도시된 바와 같이, 종치형 연료 전지 차량일 경우, 도 12 (b)에 도시된 바와 같이, 구동 모터(172)와 인버터(174)는 시스템 프레임(150)의 아래에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 도 10에 도시된 바와 같이, 인버터(174)는 연료 전지 차량의 진행 방향(예를 들어, 제1 방향)으로 구동 모터(172)와 이웃하여 배치될 수 있다.
다른 실시 예에 의하면, 도 12 (b)에 도시된 바와 같이, 인버터(174)는 구동 모터(172)와 시스템 프레임(150) 사이에 배치될 수도 있다.
도 13 (a) 및 (b)는 다른 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 평면도 및 좌측면도를 각각 나타낸다.
도 13 (a) 및 (b)의 참조부호 중에서, 도 10 및 도 11a와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 표기하였으며, 중복되는 설명을 생략한다. 또한, 도 13 (a)에서 시스템 프레임(150)과 구동 모터(172)와 인버터(174)의 도시는 생략된다.
실시 예에 의한 연료 전지 차량이 도 11a에 도시된 바와 같이, 횡치형 연료 전지 차량일 경우, 도 13 (b)에 도시된 바와 같이, 구동 모터(172)와 인버터(174)는 시스템 프레임(150)의 아래에 배치될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 도 13 (b)에 도시된 바와 같이, 인버터(174)는 구동 모터(172)와 시스템 프레임(150) 사이에 배치될 수도 있다.
다른 실시 예에 의하면, 도 10에 도시된 바와 같이, 인버터(174)는 횡치형 연료 전지 차량의 진행 방향(예를 들어, 제1 방향)으로 구동 모터(172)와 이웃하여 배치될 수도 있다.
이하, 비교예 및 실시 예에 의한 연료 전지 차량을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 14a 및 도 14b는 비교예에 의한 연료 전지 차량의 측면도와 배면도를 각각 나타낸다.
도 14a 및 도 14b에 도시된 연료 전지 차량은 연료 전지(10), 공기 차단 밸브(12), 공기 압축기(20), 쿨러(30), 가습기(40), 시스템 프레임(50) 및 다수의 배관(22, 42, 44, 46)을 포함할 수 있다.
도 14a 및 도 14b에 도시된 연료 전지(10), 공기 차단 밸브(12), 공기 압축기(20), 쿨러(30), 가습기(40) 및 시스템 프레임(50)은 도 10에 도시된 연료 전지(110), 공기 차단 밸브(112), 공기 압축기(120), 쿨러(130), 가습기(140) 및 시스템 프레임(150)과 각각 동일한 기능을 수행하므로, 중복되는 설명을 생략한다.
도 14a를 참조하면, 공기 압축기(20)로부터 배출되는 공기는 배관(22)을 통해 쿨러(30)로 제공된다. 반면에, 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 경우 공기 압축기(120)로부터 배출되는 공기는 제1 공기 유입구(AI1)와 직결될 수 있다. 이로 인해, 실시 예에 의한 연료 전지 차량은 도 14a에 도시된 배관(22)을 요구하지 않는다.
또한, 도 14b에 도시된 바와 같이, 가습기(40)에서 가습된 공기는 배관(44)을 통하여 공기 차단 밸브(12)의 유입부((12A)로 제공되고, 연료 전지(10)로부터 공기 차단 밸브(12)의 유출부(12B)를 통해 배출되는 반응 가스와 제1 응축수는 배관(42)을 통하여 가습기(40)로 제공될 수 있다. 반면에, 실시 예에 의하면, 공기 차단 밸브(112)의 유입부(112A)가 제1 공기 유출구(AO1)와 직결되고, 공기 차단 밸브(112)의 유출부(112B)가 제2 공기 유입구(AI2)와 직결될 수 있어, 도 14b에 도시된 배관(42, 44)을 요구하지 않는다.
또한, 도 14b에 도시된 배관(46)은 반응 가스인 수소와 함께 연료 전지(10)로부터 유출된 제2 응축수가 가습기(40)로 제공되는 관이다. 배관(46)은 도 2b에 도시된 응축수관(114)과 동일한 기능을 수행한다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 연료 전지(10)는 시스템 프레임(50)을 사이에 두고 가습기(40)와 이격되어 있으므로, 배관(46)의 출구(46A)로부터 가습기(40)까지의 길이는 도 2b에 도시된 배관(114)의 출구(114A)로부터 가습기(140)까지의 길이보다 더 길다. 왜냐하면, 실시 예의 경우, 가습기(140)가 시스템 프레임(150)의 내부에 배치되므로, 가습기(140)와 연료 전지(110) 간의 이격 거리가 비교예의 가습기(40)와 연료 전지(10) 간의 거리보다 더 짧기 때문이다. 이와 같이, 실시 예의 배관(114)의 길이는 비교예의 배관(46)의 길이보다 짧다.
따라서, 배관(22, 42, 44)을 요구하고 길이가 긴 배관(46)을 요구하는 비교예에 의한 연료 전지 차량과 달리, 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 경우 제조 비용이 절감되고 제조 공정이 단순화될 수 있다. 또한, 실시 예의 경우 공기 압축기(120)와 연료 전지(110) 사이의 공기의 유동 경로가 짧아, 공기 압력 손실을 줄여 공기 압축기(120)의 동력을 비교예보다 낮출 수 있으므로, 동력 효율이 증가할 수 있다.
도 15는 비교예에 의한 연료 전지 차량의 측면도이다
도 15에 도시된 비교예에 의한 연료 전지 차량은 연료 전지(10), 공기 압축기(20), 쿨러(30), 가습기(40), 시스템 프레임(50), 구동 모터(72), 인버터(74), 앞 바퀴(180) 및 후드(186)를 포함할 수 있다.
도 15에 도시된 연료 전지(10), 공기 압축기(20), 쿨러(30), 가습기(40), 구동 모터(72), 인버터(74) 및 앞 바퀴(180)는 도 10에 도시된 연료 전지(110), 공기 압축기(120), 쿨러(130), 가습기(140), 구동 모터(172), 인버터(174), 앞 바퀴(180) 및 후드(186)와 각각 동일한 기능을 수행하므로, 중복되는 설명을 생략한다.
도 15에 도시된 공기 압축기(20), 쿨러(30) 및 가습기(40)는 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같은 형태로 배치될 수 있다.
비교예에 의한 연료 전지 차량의 경우, 공기 압축기(20), 쿨러(30) 및 가습기(40)는 시스템 프레임(50)의 아래에 배치된다. 이때, 인버터(74)는 구동 모터(72)에 접해 있어야 하는 데, 공기 압축기(20), 쿨러(30) 및 가습기(40)가 시스템 프레임(50)의 아래에서 구동 모터(72)의 앞에 배치되므로, 인버터(74)는 구동 모터(72)의 앞에 위치할 수 없다. 또한, 구동 모터(72)의 앞이 아닌 뒤에는 드라이브 샤프트가 배치되므로, 인버터(74)는 구동 모터(72)의 뒤에 배치될 수도 없다. 이러한 사유로, 비교예의 경우 인버터(74)를 구동 모터(72)의 위에 배치할 수 밖에 없으므로, 구동 모터(72)의 바닥면(72B)으로부터 연료 전지(10)의 탑면(10T)까지의 높이(Z1)가 증가할 수 있다. 이때, 높이(Z1)가 증가할 경우, 도 15에 도시된 구조를 후드(186)가 낮은 승용 차량에 적용하기 어려울 수 있다. 또한, 높이(Z1)가 증가함에 따라 연료 전지(10)의 탑면(10T)으로부터 후드(186)까지의 최소 거리(MD1)가 감소할 수 있다.
반면에, 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 경우, 쿨러(130)와 가습기(140)가 시스템 프레임(150)의 내부에 배치된다. 따라서, 도 15에 도시된 구동 모터(72)의 앞에 공기 압축기(20), 쿨러(30) 및 가습기(40)가 배치된 공간에 도 10에 도시된 바와 같이 인버터(174)를 배치할 수 있다. 따라서, 구동 모터(172)의 바닥면(172B)으로부터 연료 전지(110)의 탑면(110T)까지의 높이(Z2)가 도 15에 도시된 높이(Z1)보다 작아질 수 있다. 따라서, 후드(186)의 높이가 낮은 승용차 예를 들어, 세단형 차량에 실시 예에 의한 연료 전지 차량이 적용될 수 있다. 또한, 높이(Z2)가 감소함에 따라 연료 전지(110)의 탑면(110T)으로부터 후드(186)까지의 최소 거리(MD2)가 증가할 수 있다. 이와 같이, 도 15에 도시된 최소 거리(MD1)보다 도 10에 도시된 최소 거리(MD2)가 더 커질 경우, 차량이 보행자와 충돌 시, 보행자를 충돌로부터 최대한 안전하게 보호할 수 있다.
또한, 도 12 (b) 및 도 13 (b)에 각각 도시된 바와 같이, 인버터(174)가 구동 모터(172)와 시스템 프레임(150) 사이에 배치된다고 하더라도, 시스템 프레임(150)의 내부 공간에 쿨러(130)와 가습기(140)가 배치되므로, 구동 모터(172)의 바닥면(172B)으로부터 연료 전지(110)의 탑면(110T)까지의 높이(Z2)는 도 15에 도시된 높이(Z1)보다 작을 수 있다.
결국, 비교예에 의한 연료 전지 차량보다, 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 경우 쿨러(130)와 가습기(140)가 차지하는 부피를 줄일 수 있어, 차량의 공간 효율성이 높아지며, 시스템 부피 출력밀도(kW/L)가 증가할 수 있다.
또한, 비교예에 의한 연료 전지 차량의 경우, 구동 모터(72)의 앞에 공기 압축기(20), 쿨러(30) 및 가습기(40)가 배치됨으로 인해, 도 15에 도시된 바와 같이 차량의 오버항(X2)이 증가할 수 밖에 없다. 여기서, 오버항이란, 앞 바퀴(180)의 중심축으로부터 차량의 최전방까지의 거리를 의미한다. 따라서, 비교예에 의한 연료 전지 차량은 오버항이 짧은 차량으로 이용되기 매우 힘들다.
반면에, 실시 예의 경우, 쿨러(130)와 가습기(140)가 시스템 프레임(150)의 내부에 배치되고, 공기 압축기(120)가 시스템 프레임(150) 위에 배치된다. 이로 인해, 앞 바퀴(180)의 중심축으로부터 차량의 최전방까지의 도 10에 도시된 바와 같은 오버항(X1)이 도 15에 도시된 비교예의 오버항(X2)보다 작을 수 있다. 세계적으로 자동차 회사들은 디자인 및 실내공간을 확보하기 위해 오버항이 짧은 차량을 제작하는 추세이다. 이를 고려할 때, 실시 예에 의한 연료 전지 차량은 오버항이 짧은 차량에 유용하게 이용될 수 있다. 또한, 구동 모터(172)를 차량의 전방으로 이동시킬 수도 있다.
도 16 (a) 및 (b)는 비교예에 의한 횡치형 연료 전지 차량의 평면도 및 좌측면도를 각각 나타낸다.
도 17 (a) 및 (b)는 비교예에 의한 종치형 연료 전지 차량의 평면도 및 좌측면도를 각각 나타낸다.
도 16 (a) 및 (b), 도 17 (a) 및 (b)에서 도 14a 내지 도 15에 도시된 구성 요소와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하여 중복되는 설명을 생략한다. 또한, 제1 및 제2 사이드 부재(82, 84)는 도 12 및 도 13에 도시된 제1 및 제2 사이드 부재(182, 184) 각각과 동일한 기능을 수행한다.
또한, 비교예에서, 연료 전지(10)가 연료 전지 차량에 탑재될 때, 시스템 프레임(50)은 제1 및 제2 사이드 부재(82, 84)에 마운팅되고, 셀 스택을 비롯하여 부품들이 시스템 프레임(50)에 마운팅된다. 이를 위해, 시스템 프레임(50)은 일정한 강성을 유지해야 한다. 그러나, 구동 모터(72)의 바닥면(72B)으로부터 연료 전지(10)의 탑면(10T)까지의 높이(Z1)를 줄이기 위해, 시스템 프레임(50)의 두께(Z3)를 줄일 경우, 시스템 프레임(50)의 강성이 약해질 수 있어, 두께(Z3)를 줄이는 데 한계가 있다. 또한, 시스템 프레임(50)의 강성을 키우기 위해 두께(Z3)를 증가시킬 경우, 도 15에 도시된 높이(Z1)가 증가하고 최소 거리(MD1)가 더욱 감소할 수 있어, 두께(Z3)를 증가시키는 데 한계가 있다.
반면에, 실시 예의 경우, 시스템 프레임(150)의 내부에 쿨러(130)와 가습기(140)가 배치되므로, 시스템 프레임(150)의 두께(Z4)는 비교예의 시스템 프레임(50)의 두께(Z3)보다 커지므로, 시스템 프레임(150)의 강성이 비교예의 시스템 프레임(50)보다 크다. 또한, 강성을 키우기 위해, 시스템 프레임(150)의 두께(Z4)를 원하는 만큼 더욱 증가시킬 수도 있다. 왜냐하면, 구동 모터(172)의 바닥면(172B)으로부터 연료 전지(110)의 탑면(110T)까지의 높이(Z2)가 줄어들었기 때문이다. 즉, 실시 예의 경우, 쿨러(130)와 가습기(140)를 내부에 포함하는 시스템 프레임(150)의 두께(Z4)가 두께(Z3)보다 증가하여, 시스템 프레임(150)의 강성이 증가하여 연료 전지 차량의 강건성이 증가할 뿐만 아니라, 높이(Z2)도 비교예의 높이(Z1)보다 작아질 수 있다.
도 16 (a)에 도시된 바와 같이, 비교예의 연료 전지 차량이 횡치형일 경우, 구동 모터(72) 및 인버터(74)는 쿨러(30)/가습기(40)와 상호 간섭 받지 않도록 배치될 수도 있다. 그러나, 도 17 (a)에 도시된 바와 같이, 비교예의 연료 전지 차량이 종치형일 경우, 구동 모터(72) 및 인버터(74)의 배치는 쿨러(30)/가습기(40)의 배치와 상호 간섭(IF)을 받을 수 있다.
반면에, 도 12 (b)에 도시된 바와 같이, 실시 예에 의한 종치형 연료 전지 차량의 경우 쿨러(130)와 가습기(140)가 시스템 프레임(150)의 내부에 배치되므로, 도 17 (b)에 도시된 바와 같은 간섭(IF)이 일어나지 않는다.
전술한 여러 개의 실시 예는 서로 조합될 수 없다고 특별히 언급되지 않는 한, 서로 조합할 수 있다.
또한, 여러 개의 실시 예 중 어느 하나의 실시 예에 대한 설명에서 누락된 부분은 특별히 언급되지 않는 한, 다른 실시 예에 대한 설명이 적용될 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 연료 전지;
    공기를 흡입하여 송풍하는 공기 압축기;
    상기 공기 압축기로부터 배출되는 공기를 식히는 쿨러;
    상기 쿨러에서 식혀진 공기를 가습하여 상기 연료 전지로 공급하는 가습기; 및
    상기 연료 전지가 탑재되며, 상기 쿨러와 상기 가습기의 적어도 일부를 내부에 수용하는 시스템 프레임을 포함하는 연료 전지 차량.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 공기 압축기는 상기 시스템 프레임의 위에 배치된 연료 전지 차량.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 시스템 프레임은
    상판;
    상기 상판 아래에 배치된 하판; 및
    상기 상판과 상기 하판 사이에 배치되어, 상기 쿨러와 상기 가습기를 수용하는 상기 내부의 공간을 형성하는 복수의 측판을 포함하고,
    상기 공기 압축기는 상기 상판 위에 배치된 연료 전지 차량.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 내부의 공간은
    상기 쿨러가 배치된 제1 공간;
    상기 가습기가 배치되고, 상기 연료 전지 차량이 진행하는 제1 방향으로 상기 제1 공간과 이웃하는 제2 공간; 및
    상기 제1 공간과 연통하며 상기 공기 압축기로부터 배출된 공기가 상기 쿨러로 진행하는 유로를 형성하는 제3 공간을 포함하는 연료 전지 차량.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 상판은
    상기 공기 압축기로부터 배출된 공기가 유입되고, 상기 제3 공간과 연통하는 제1 공기 유입구;
    상기 가습기로부터 배출된 공기를 상기 연료 전지로 배출하는 제1 공기 유출구;
    상기 연료 전지로부터 배출된 반응 가스인 공기와 응축수를 유입하는 제2 공기 유입구; 및
    상기 반응 가스인 수소와 함께 유출된 응축수를 유입하는 응축수 유입구를 포함하는 연료 전지 차량.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 쿨러는
    상기 제3 공간으로부터 유입된 공기를 냉각시킬 냉각 매체가 유입되는 제1 냉각 매체 유입구; 및
    상기 공기를 냉각시킨 냉각 매체를 유출하는 제1 냉각 매체 유출구를 포함하는 연료 전지 차량.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 측판은
    외부로부터 상기 냉각 매체가 유입되고 상기 제1 냉각 매체 유입구와 연통하는 제2 냉각 매체 유입구;
    제1 냉각 매체 유출구로부터 배출된 상기 냉각 매체를 외부로 배출하는 제2 냉각 매체 유출구; 및
    상기 제2 공간과 연통하며, 상기 가습기로부터 배출된 상기 반응 가스인 공기를 외부로 배출하는 제2 공기 유출구를 포함하는 연료 전지 차량.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 공기 유출구에 배치된 공기 압력 조절부를 더 포함하는 연료 전지 차량.
  9. 제4 항에 있어서, 상기 내부의 공간은
    상기 제1 공간과 상기 제2 공간 사이에 위치하며, 상기 쿨러에서 배출된 공기가 상기 가습기로 진행하는 유로를 형성하는 제4 공간을 더 포함하는 연료 전지 차량.
  10. 제5 항에 있어서, 상기 내부의 공간은
    상기 가습기에서 배출된 공기가 상기 제1 공기 유출구로 진행하는 유로를 형성하는 제5 공간을 더 포함하는 연료 전지 차량.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 가습기는
    서로 이격되어 배열된 복수의 중공 사막; 및
    상기 복수의 중공 사막 사이에 배치되어, 상기 제2 공기 유입구 및 상기 응축수 유입구와 연통하는 쉘 사이드를 형성하는 격벽을 포함하는 연료 전지 차량.
  12. 제5 항에 있어서, 상기 공기 압축기는 상기 제1 공기 유입구와 직결된 연료 전지 차량.
  13. 제5 항에 있어서,
    상기 가습기로부터 배출된 상기 공기를 유입하고 상기 반응가스인 공기와 상기 응축수를 유출하는 공기 차단 밸브를 더 포함하는 연료 전지 차량.
  14. 제13 항에 있어서, 상기 공기 차단 밸브는 상기 제1 공기 유출구 및 상기 제2 공기 유입구 각각과 직결된 연료 전지 차량.
  15. 제2 항에 있어서,
    상기 시스템 프레임의 아래에 배치된 구동 모터; 및
    상기 구동 모터와 연결되며, 상기 시스템 프레임의 아래에 배치된 인버터를 더 포함하는 연료 전지 차량.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 인버터는 상기 연료 전지 차량의 진행 방향으로 상기 구동 모터와 이웃하여 배치된 연료 전지 차량.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 인버터는 상기 구동 모터와 상기 시스템 프레임 사이에 배치된 연료 전지 차량.
  18. 제16 항 또는 제17 항에 있어서, 상기 연료 전지는 수소와 공기를 이용하여 전력을 발생하며 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택을 포함하고,
    상기 복수의 단위 셀이 적층된 방향은 상기 차량의 진행 방향과 나란한 방향인 연료 전지 차량.
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