KR20220161716A - 연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량 - Google Patents

연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량 Download PDF

Info

Publication number
KR20220161716A
KR20220161716A KR1020210069773A KR20210069773A KR20220161716A KR 20220161716 A KR20220161716 A KR 20220161716A KR 1020210069773 A KR1020210069773 A KR 1020210069773A KR 20210069773 A KR20210069773 A KR 20210069773A KR 20220161716 A KR20220161716 A KR 20220161716A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
terminal block
cell system
bus bar
vent
Prior art date
Application number
KR1020210069773A
Other languages
English (en)
Inventor
엄기욱
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아 주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020210069773A priority Critical patent/KR20220161716A/ko
Priority to US17/565,822 priority patent/US20220384823A1/en
Publication of KR20220161716A publication Critical patent/KR20220161716A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

본 발명은 외부의 차가운 공기를 연료전지 스택 버스바에 공급하여 벤틸레이션 기능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량에 관한 것으로서, 연료 전지 시스템은 연료전지 스택에서 발생한 전기를 스택 버스바를 통해 출력하는 연료 전지 컴플리트; 일측에 외부로부터 공기가 유입되는 공기 유입 포트를 구비하여 상기 연료 전지 컴플리트의 상부에 배치되는 고전압 박스; 및 상기 연료 전지 컴플리트에 연결되어 상기 공기 유입 포트를 통해 유입된 외부공기를 상기 스택 버스 바에 전달하기 위한 적어도 하나의 벤트 포트가 배치된 터미널 블록 어셈블리를 포함하여 이루어지며, 외부의 차가운 공기를 스택 버스 바에 직접 전달함으로써 고온의 스택 버스 바의 온도를 저감시켜 스택 버스 바의 내구성을 향상시킬 수 있고, 고온의 스택 버스 바를 통과하는 구조를 통해 온도 상승으로 인한 벤틸레이션 기능을 강화할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.

Description

연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량 {fuel cell system and fuel cell vehicle using the same}
본 발명은 연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부의 차가운 공기를 연료전지 스택 버스바에 공급하여 벤틸레이션 기능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 크게 전기화학 반응을 일으키는 전극과, 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막과, 전극과 전해질을 지지하는 분리판을 포함하여 이루어진다. 연료전지 중 고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 시동 시간이 짧아 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크다. 고분자 전해질 연료전지는 배기가스로 온전히 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기 때문에 현재 전세계 자동차 업계에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.
고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생한다. 고분자 전해질 연료전지에서 공급된 수소가 애노드(Anode) 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리된다. 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드(Cathode)로 넘어가게 된다. 이때, 수소이온은 공급된 산소와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.
자동차용 연료전지에서는 큰 전위를 필요로 한다. 더 높은 전위를 얻기 위해서는 개별 단위전지를 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 이렇게 적층한 것을 스택(Stack)이라 한다.
연료전지 스택은 차량 등에 탑재되어 구동모터를 구동하기 위해 전력을 생산하는 것이다. 수소와 공기 및 냉각수는 계속적으로 순환되어야 한다. 연료전지 스택에서 발생되는 전력은 안전하게 인출되어 사용될 수 있어야 한다.
연료전지 스택은 차량에 탑재되므로 구조적으로 안정되고 견고한 상태를 확보하여 차량의 탑재성이 좋도록 해야 한다. 연료전지 스택에서 발생된 전력이 원하지 않는 상태로 누출되어 차량에 위험을 초래하지 않도록 해야 하고, 수소가 순환되므로 수소의 누출로 폭발이 발생하지 않도록 해야 한다.
일반적으로 연료전지 시스템의 환기 구조는 공기 압축기 음압을 이용하여, 전기화학 반응 시 연료 전지 컴플리트 내부에서 발생하는 수증기 및 생성수, 누출 가스 등을 외부로 환기하는 벤틸레이션 구조를 갖는다. 저온 냉 시동 및 상온 운전 시, 스택의 벤트 공기(환기)의 온도가 낮아 저전류 구간 또는 RPM 4000 이하의 IDLE 상황에서는 스택의 벤트 효율 저하될 수 있다. 이로 인해 연료 전지 컴플리트 내부에 수분이 잔존하는 상태가 될 수 있다. 이러한 경우, 스택에 전류가 흘러 절연 저항으로 인한 연료전지 스택의 내구성이 저하되는 문제가 존재하게 된다. 또한 고출력의 전류가 흐르는 스택 버스 바에 많은 열이 발생하게 되어 단면적을 크게 증대해야 하므로 패키지 측면에서도 불리한 요소로 작용하게 된다.
본 발명은 고온의 스택 버스 바의 온도를 저감시켜 스택 버스 바의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 외부의 차가운 공기를 스택 버스 바에 직접 전달하기 위한 벤트 포트 형상을 갖는 연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 벤트 기체가 고온의 스택 버스 바를 통과하는 구조를 통해 온도 상승으로 인한 벤틸레이션 기능을 강화할 수 있는 연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 터미널 블록 몸체와 벤트 포트가 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택에서 발생한 전기를 스택 버스바를 통해 출력하는 연료 전지 컴플리트; 일측에 외부로부터 공기가 유입되는 공기 유입 포트를 구비하여 연료 전지 컴플리트의 상부에 배치되는 고전압 박스; 및 연료 전지 컴플리트에 연결되어 공기 유입 포트를 통해 유입된 외부공기를 스택 버스 바에 전달하기 위한 적어도 하나의 벤트 포트가 배치된 터미널 블록 어셈블리를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 터미널 블록 어셈블리는 연료 전지 컴플리트에 결합되는 터미널 블록 몸체; 및 터미널 블록 몸체의 상부에 배치되는 터미널 블록 커버를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 터미널 블록 어셈블리는 터미널 블록 몸체와 상기 터미널 블록 커버가 일체형으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 터미널 블록 커버는 상기 터미널 블록 몸체에 볼트 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 벤트 포트는 터미널 블록 커버의 중앙에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 벤트 포트는 터미널 블록 커버의 상부 양측에 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 터미널 블록 커버의 중앙에 터미널 블록 몸체를 삽입하기 위한 관통공을 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 벤트 포트와 스택 버스 바의 사이에 벤트 필터가 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 터미널 블록 커버 상단에 터미널 블록 커버와 고전압 박스 사이의 방수 및 방진을 위한 씰링 부재를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 씰링 부재는 실리콘 또는 EPDM(ethylene propylene dieme monomer)으로 이루어진 고무 재질의 소재를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 공기 유입 포트와 벤트 포트를 연결하여 외부 공기를 상기 벤트 포트로 전달하는 벤트 호스를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 벤트 호스는 벤트 포트에 연결되는 두 개의 연결부와 공기 유입 포트에 연결되는 하나의 연결부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 연료 전지 컴플리트는 일측에 공기 배출 포트를 구비한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에서 공기 배출 포트는 공기 유입 포트보다 지표면에 가깝게 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템 및 이를 이용하는 연료전지 차량은 외부의 차가운 공기를 스택 버스 바에 직접 전달하기 위한 벤트 포트 구성을 통해 고온의 스택 버스 바의 온도를 저감시켜 스택 버스 바의 내구성을 향상시킬 수 있고, 고온의 스택 버스 바를 통과하는 구조를 통해 온도 상승으로 인한 벤틸레이션 기능을 강화할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템에서 터미널 블록 어셈블리의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템에서 터미널 블록 어셈블리의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템에서 벤트 호스가 벤트 포트와 공기 유입 포트 사이에 연결되는 구성을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 시스템에서 터미널 블록 어셈블리의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 시스템에서 터미널 블록 어셈블리의 분해사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 시스템에서 벤트 호스가 벤트 포트와 공기 유입 포트 사이에 연결되는 구성을 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서의 환기 동작을 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 조립 과정을 나타낸 흐름도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 없는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 개시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 나타내는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구성 및 동작에 관하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 도시한 바와 같이 연료전지 스택(100)을 감싸는 연료 전지 컴플리트(110), 상기 연료 전지 컴플리트(110) 상부에 연결되는 터미널 블록 어셈블리(200), 상기 터미널 블록 어셈블리(200)를 감싸며 상기 연료 전지 컴플리트(110) 상부에 배치되는 고전압 박스(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 고전압 박스(300)의 일측에 형성된 공기 유입 포트(air in port)(310)를 통해 유입된 외부 공기는 벤트 호스(400)에 의해 상기 터미널 블록 어셈블리(200)로 전달될 수 있다. 이는 일 실시 예에 따른 것이며, 별도의 벤트 호스(400)없이 상기 공기 유입 포트(310)로 유입된 외부 공기가 상기 터미널 블록 어셈블리(200)로 직접 전달되는 구성을 가질 수도 있다.
상기 연료 전지 컴플리트(110)의 일측에는 공기 배출 포트(air out port)(111)가 배치된다. 상기 공기 배출 포트(111)는 차량의 주행 방향과 반대되는 연료 전지 컴플리트(110)의 외측에 배치되어, 상기 연료 전지 컴플리트(110) 내부의 공기를 외부로 배출한다.
본 실시 예에서는 상기 공기 유입 포트(310)가 차량의 주행 방향에 배치되고, 공기 배출 포트(111)가 차량의 주행 방향과 반대되는 방향의 상기 연료 전지 컴플리트(110)에 배치되는 예를 나타내고 있습니다. 이는 유체의 흐름을 최적화하기 위한 일 실시 예에 따른 것으로, 본 발명이 이에 국한되는 것이 아니며, 배치되는 위치는 변경될 수 있음은 언급의 여지가 없을 것이다.
상기 터미널 블록 어셈블리(200)의 하단부는 상기 연료전지 스택(100)의 상단부에 연결된다. 상기 터미널 블록 어셈블리(200)의 상단부는 상기 고전압 박스(300)의 내부에 배치된다.
상기 공기 유입 포트(310)는 상기 고전압 박스(300)의 외측에 배치된다. 외부의 차가운 공기가 상기 공기 유입 포트(310)로 유입된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템에서 터미널 블록 어셈블리의 외관을 나타낸 사시도이다. 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 터미널 블록 어셈블리(200)는 터미널 블록 몸체(210)와 터미널 블록 커버(220)를 포함하여 이루어진다.
터미널 블록 몸체(210)의 일부분은 연료 전지 컴플리트(110)에 삽입되어 연료전지 스택(100)의 상부에 연결된다. 터미널 블록 커버(220)는 상기 터미널 블록 몸체(210)의 상부에 볼트 등의 체결 수단을 이용하여 결합된다. 도 2 내지 도 4를 통해 나타낸 일 실시 예에서는 터미널 블록 몸체(210)와 터미널 블록 커버(220)가 분리된 것을 예로 하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시 예에 의한 것으로 본 발명이 이에 국한되는 것이 아니며, 일체형으로도 구현될 수도 있다.
터미널 블록 커버(220)의 상부에는 터미널 블록 커버(220)과 고전압 박스(300) 사이의 방수 및 방진을 위한 씰링 부재(230)가 배치된다. 상기 씰링 부재(230)는 실리콘 또는 EPDM(ethylene propylene dieme monomer)으로 이루어진 고무 재질의 소재를 사용하여 제조될 수 있다. 도시하지 않았으나 상기 터미널 블록 커버(220)의 상부 표면에 상기 씰링 부재(230)의 일부분을 삽입하기 위한 수용 홈이 배치될 수도 있다. 본 예시도에서 씰링 부재(230)는 직사각형의 형상을 나타내지만, 이는 터미널 블록 커버(220)의 형상에 따라 변경될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템에서 터미널 블록 어셈블리의 분해 사시도이다. 도시한 바와 같이, 터미널 블록 어셈블리(200)는 터미널 블록 몸체(210)와 그 상부에 배치되는 터미널 블록 커버(220)를 포함하여 이루어진다.
터미널 블록 몸체(210)는 연료전지 스택 컴플리트 상부에 연결되어 스택 버스 바를 통해 공급되는 전기를 고전압 박스에 연결하는 기능을 구현한다. 터미널 블록 커버(220)는 한 쌍의 벤트 포트(221a, 221b)를 구비하고, 외부로부터 유입되는 공기를 연료전지 스택 버스 바에 전달하도록 상기 터미널 블록 몸체(210)에 결합된다.
터미널 블록 몸체(210)의 중앙부에는 대략 직육면체의 형상을 갖는 터미널 블록 단자부가 배치된다. 터미널 블록 단자부는 고전압 박스(300)에 서로 다른 극성의 고전압을 전달하기 위한 두 개의 터미널 블록 단자(213a, 213b)를 포함한다. 두 터미널 블록 단자(213a, 213b)는 그 사이에 돌출되어 형성된 격벽(214)에 의해 분할된다. 각 터미널 블록 단자(213a, 213b)의 측면 하단부에는 (+) 스택 버스 바 및 (-) 스택 버스 바로 이루어진 한 쌍의 스택 버스 바를 각각 터미널 블록 몸체(210)에 연결하기 위한 스택 버스 바 연결부(211a, 211b)가 배치된다.
차량에 장착되는 연료전지 스택(100)과 고전압 박스(300)는 각각 모듈 설계를 통해 별도 생산된다. 따라서, 고전압 박스(300)는 연료전지 스택(100)으로부터 전류를 공급받기 위해 전기적 연결 수단을 필요로 한다. 이를 위해, 연료전지 스택(100)과 고전압 박스(300) 사이에는 금속성 버스 바가 배치된다. 왜냐하면, 일반 케이블(전선)로는 고전류에 따른 용량을 수용할 수 없기 때문이다. 스택 버스 바는 전류가 흐를 수 있는 도체 막대이다. 스택 버스 바는 연료전지 스택(100)에서 고전압 박스(300)로 고전류를 전달하기 위한 중간 연결 매개체에 해당된다. 그 특성상 스택 버스 바는 전기 전도율이 우수한 구리 등의 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 그 표면은 주석 등으로 도금 처리될 수 있다. 스택 버스 바의 허용 전류는 예를 들어 300암페어의 직류일 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 설계 변경 등에 따라 스택 버스 바의 재질 및 형상 등을 달리하여 그 값을 증감시킬 수 있다.
터미널 블록 커버(220)는 상기 터미널 블록 몸체(210)의 상부에 볼트 결합 등을 통해 결합될 수 있다. 터미널 블록 커버(220)는 상면 양측에 벤트 포트(221a, 221b)를 구비한다. 상기 벤트 포트(221a, 221b)는 내측에 공간(cavity)을 가지는 형상으로 이루어진다. 상기 벤트 포트(221a, 221b)의 내측 공간에는 각각 벤트 필터(212a, 212b)가 삽입된다. 상기 벤트 필터(212a, 212b)는 각 스택 버스 바 연결부(211a, 211b)의 상부에 배치된다.
각 벤트 포트(221a, 221b)는 각 스택 버스 바 연결부(211a, 211b)와 중첩되는 배치를 갖는다. 상기 벤트 포트(221a, 221b)의 상부에는 외부로부터 공기를 유입하기 위한 벤트 호스 연결부(131a, 231b)가 형성된다. 상기 벤트 호스 연결부(131a, 231b)는 벤트 호스(400)에 각각 연결되어 외부로부터 유입되는 공기를 상기 벤트 포트(221a, 221b)로 전달한다. 터미널 블록 커버(220)는 그 중앙부에 상기 터미널 블록 몸체(210)를 삽입하여 결합하기 위한 관통공(222)을 갖는다. 상기 관통공(222)으로 터미널 블록 단자부가 삽입되어 상기 터미널 블록 단자부의 양측에 벤트 포트 (221a, 221b)가 배치된다.
벤트 필터(212,a 212b)는 외부 공기가 벤트 포트(221a, 221b)를 통해 유입될 때, 외부 공기에 포함된 미세 먼지 및 금속성 물질을 필터링하여 공기를 정화할 수 있다. 따라서, 정화된 공기는 스택 버스 바(211a, 211b)의 상부로 전달되어 상기 스택 버스 바(211a, 211b)의 온도를 낮추고, 이후 연료 전지 컴플리트(110)의 내부로 유입된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템에서 벤트 호스가 벤트 포트와 공기 유입 포트 사이에 연결되는 구성을 나타낸 예시도이다. 공기 유입 포트(310)는 고전압 박스(300)의 차량 주행 방향의 외측에 배치되어, 외부의 공기를 유입한다. 벤트 호스(400)는 공기 유입 포트(310)로 유입된 공기를 각 벤트 포트(221a, 221b)에 전달한다. 따라서, 벤트 호스(400)는 하나의 유입구와 두 개의 배출구를 가진 대략 "Y"자 형상으로 이루어진다. 공기 유입 포트(310)에 연결된 하나의 공기 유입 포트 연결부(420)와, 각 벤트 포트(221a, 221b)의 벤트 호스 연결부(231a, 231b)에 연결된 벤트 포트 연결부(410a, 410b)로 이루어진다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 시스템에서의 터미널 블록 어셈블리의 구성을 나타낸 예시도이다. 서로 반대 방향으로 배치되었던 (+), (-) 스택 버스 바 연결단(211a, 211b)을 갖는 일 실시 예에서와 달리, 다른 실시 예에 따른 연료전지 시스템에서는 스택 버스 바 연결부(211c, 211d)가 동일한 방향으로 구현된다. 이에 따라, 터미널 블록 어셈블리를 구성하는 터미널 블록 커버(220)에는 1개의 벤트 포트(221c)가 배치될 수 있다. 또한, 다른 실시 예에 따른 연료전지 시스템에서는 하나의 벤트 필터(212c)가 상기 스택 버스 바 연결부(211c, 211d) 상부와 벤트 포트(221c) 사이의 배치될 수 있다. 이러한 실시 예에서는 도 2 내지 도 4에서 나타낸 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템과 달리 터미널 블록 커버(220)에 관통홀이 형성되지 않을 수도 있다.
벤트 포트(221c)가 한 개로 이루어진 경우, 벤트 호스(400)는 도 7에서와 같이 일자형으로 이루어질 수 있으며, 도시하지 않았으나, 별도의 벤트 호스(400)가 배치되지 않고 벤트 포트 연결부(231c)와 공기 투입 포트(310)가 직접 연결될 수도 있다.
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 시스템에서의 환기 동작을 나타낸 예시도이다. 차량의 주행 방향으로 고전압 박스(300)의 외측에 배치된 공기 유입 포트(310)를 통해 외부의 차가운 공기가 유입된다. 외부로부터 유입된 공기는 벤트 호스(400)에 의해 터미널 블록 커버(220)에 형성된 하나 또는 두 개의 벤트 포트(221a, 221b)로 전달된다. 각 벤트 포트(221a, 221b)의 내부 공간에 삽입된 벤트 필터(212a, 212b)는 외부로부터 유입된 공기에 포함된 이물질 먼지, 중금속 물질 등을 걸러낼 수 있다. 하나 또는 두 개의 벤트 필터(212a, 212b)를 거쳐 필터링된 공기는 스택 버스 바 연결부(211a, 211b)를 거치면서 스택 버스 바의 온도를 흡수한다. 즉, 스택 버스 바의 온도는 낮아지면서 상대적으로 스택 버스 바의 열을 흡수한 공기가 연료 전지 컴플리트(110)로 유입된다. 연료 전지 컴플리트(110)의 내부에는 연료전지 스택(100)을 수용할 수 있는 체적 공간이 구비된다. 연료전지 스택(100)은 스택 분리판의 열방출이 용이하고 스택에서 누출된 수소를 외부 공기로 희석시키기에 용이하도록 연료 전지 컴플리트(110)의 내벽 면과 모든 방향으로 소정 간격을 두고 장착된다. 스택 버스 바의 열을 흡수하여 온도가 높아진 공기가 연료 전지 컴플리트(110)의 내벽과 연료전지 스택(100) 사이의 공간으로 유입된다. 연료 전지 컴플리트(110)로 유입되는 공기는 벤트 필터(212a, 212b)에 의해 오염원이 제거된 깨끗한 공기이므로, 분리판의 외부가 분리판의 열방출이 용이해져 스택의 온도가 하강하여 스택의 운전성능 및 효율을 향상시킬 수 있다. 연료 전지 컴플리트(110)의 후면에 배치된 공기 배출 포트(111)에 의해 음압이 발생하여 연료전지 스택(100)에서 발생되는 수증기 및 생성수, 누출가스 등이 연료 전지 컴플리트(110) 외부로 배출된다. 상기 공기 배출 포트(111)에는 공기 압축기 등의 음압 발생장치가 연결될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 터미널 블록 어셈블리와 연료전지 시스템에 의한 벤틸레이션 구조는 스택 버스 바의 상부에서 유입된 외부 공기가 스택 버스 바의 온도를 낮추므로 스택 버스 바의 내구성을 향상시킬 수 있다. 이와 동시에 스택 버스 바의 열을 흡수하여 뜨거워진 공기를 연료 전지 컴플리트(110)의 벤틸레이션에 이용하여 연료 전지 컴플리트(110)의 후단에 배치된 공기 배출 포트(111)를 통해 배출함으로써, 스택 내부의 수증기 및 생성수, 누출 가스를 배출하여 스택 환기 증대 및 벤틸레이션 기능이 강화되는 효과를 가지게 된다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 분리형 터미널 블록 어셈블리를 구비하는 연료전지 시스템의 조립 과정을 나타낸 흐름도이다. 먼저 연료전지 스택(100)을 적층하고(S901) 그 상부에 터미널 블록 몸체(210)를 결합한다 (S902).
이어 적층된 연료전지 스택(100)의 외부에 연료 전지 컴플리트(110)를 결합하고 (S903), 연료전지 스택(100)의 상부에 연결된 터미널 블록 몸체(210)의 상부에 터미널 블록 커버(220)를 결합한다 (S904).
터미널 블록 몸체(210)에 터미널 블록 커버(220)를 결합하여 터미널 블록 어셈블리가 완성되면, 연료 전지 컴플리트(110)의 상부에 고전압 박스(300)의 몸체를 결합한다. 이때, 씰링 부재(230)에 의해 터미널 블록 커버(220)와 고전압 박스(300) 사이로 이물질이 유입되는 것이 방지된다 (S905).
벤트 호스(400)를 이용하여 터미널 블록 커버(220)에 일체형으로 형성된 벤트 포트(221a, 221b)를 고전압 박스(300)에 배치된 공기 유입 포트(310)에 연결한다 (S906).
마지막으로 고전압 박스의 커버를 결합하여 연료전지 시스템의 벤틸레이션 구조를 완성한다 (S907).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 터미널 블록 어셈블리와 연료전지 시스템 및 이를 이용하는 연료전지 차량은 외부의 차가운 공기를 스택 버스 바에 직접 전달하기 위한 벤트 포트 구성을 통해 고온의 스택 버스 바의 온도를 저감시켜 스택 버스 바의 내구성을 향상시킬 수 있고, 고온의 스택 버스 바를 통과하는 구조를 통해 온도 상승으로 인한 벤틸레이션 기능을 강화할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 연료전지 스택 110: 연료 전지 컴플리트
111: 공기 배출 포트 200: 터미널 블록 어셈블리
210: 터미널 블록 몸체 211a, 211b: 버스 바 연결부
212a, 212b, 212c: 벤트 필터 213a, 213b: 터미널 블록 단자
220: 터미널 블록 커버 221a, 221b, 221c: 벤트 포트
222: 관통공 231a, 231b, 231c: 벤트 호스 연결부
300: 고전압 박스 310: 공기 유입 포트
311: 공기 유입구 400: 벤트 호스
410a, 410b: 벤트 포트 연결부 420: 공기 유입 포트 연결부

Claims (15)

  1. 연료전지 스택에서 발생한 전기를 스택 버스바를 통해 출력하는 연료 전지 컴플리트;
    일측에 외부로부터 공기가 유입되는 공기 유입 포트를 구비하여 상기 연료 전지 컴플리트의 상부에 배치되는 고전압 박스; 및
    상기 연료 전지 컴플리트에 연결되어 상기 공기 유입 포트를 통해 유입된 외부공기를 상기 스택 버스 바에 전달하기 위한 적어도 하나의 벤트 포트가 배치된 터미널 블록 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 터미널 블록 어셈블리는,
    상기 연료 전지 컴플리트에 결합되는 터미널 블록 몸체; 및
    상기 터미널 블록 몸체의 상부에 배치되는 터미널 블록 커버를 포함하여 이루어지는 연료 전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 터미널 블록 어셈블리는 상기 터미널 블록 몸체와 상기 터미널 블록 커버가 일체형으로 구성되는 연료 전지 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 터미널 블록 커버는 상기 터미널 블록 몸체에 볼트 결합되는 연료 전지 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 벤트 포트는 상기 터미널 블록 커버의 중앙에 배치되는 연료 전지 시스템.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 벤트 포트는 상기 터미널 블록 커버의 상부 양측에 배치되는 연료 전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 터미널 블록 커버의 중앙에 상기 터미널 블록 몸체를 삽입하기 위한 관통공을 구비하는 연료 전지 시스템.
  8. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 벤트 포트와 상기 스택 버스 바의 사이에 벤트 필터가 배치되는 연료 전지 시스템.
  9. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 터미널 블록 커버 상단에 상기 터미널 블록 커버와 고전압 박스 사이의 방수 및 방진을 위한 씰링 부재를 구비하는 연료 전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 씰링 부재는 실리콘 또는 EPDM(ethylene propylene dieme monomer)으로 이루어진 고무 재질의 소재인 연료 전지 시스템.
  11. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 공기 유입 포트와 상기 벤트 포트를 연결하여 외부 공기를 상기 벤트 포트로 전달하는 벤트 호스를 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 벤트 호스는 상기 벤트 포트에 연결되는 두 개의 연결부와 상기 공기 유입 포트에 연결되는 하나의 연결부를 갖는 연료전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 연료 전지 컴플리트는 일측에 공기 배출 포트를 구비하는 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 공기 배출 포트는 상기 공기 유입 포트보다 지표면에 가깝게 배치되는 연료전지 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 시스템을 사용하는 연료전지 차량.
KR1020210069773A 2021-05-31 2021-05-31 연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량 KR20220161716A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210069773A KR20220161716A (ko) 2021-05-31 2021-05-31 연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량
US17/565,822 US20220384823A1 (en) 2021-05-31 2021-12-30 Fuel Cell System and Fuel Cell Vehicle Using the Same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210069773A KR20220161716A (ko) 2021-05-31 2021-05-31 연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220161716A true KR20220161716A (ko) 2022-12-07

Family

ID=84194337

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210069773A KR20220161716A (ko) 2021-05-31 2021-05-31 연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20220384823A1 (ko)
KR (1) KR20220161716A (ko)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5198522B2 (ja) * 2010-08-31 2013-05-15 トヨタ自動車株式会社 蓄電装置および車両
JP6082417B2 (ja) * 2015-03-13 2017-02-15 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
US10418654B2 (en) * 2015-09-08 2019-09-17 Bloom Energy Corporation Fuel cell ventilation systems
JP7136014B2 (ja) * 2019-06-07 2022-09-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池ユニット

Also Published As

Publication number Publication date
US20220384823A1 (en) 2022-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8570132B2 (en) Power electronics assembly with multi-sided inductor cooling
US7297424B2 (en) Solid polymer electrolyte fuel cell stack
EP1952470B1 (en) Fuel cell electric vehicle
CN102468512B (zh) 具有排水结构的燃料电池堆
US6455179B1 (en) Fuel cell system
CN106935751B (zh) 牵引电池支撑组件
KR101776898B1 (ko) 배터리 모듈
US20180277870A1 (en) Fuel cell unit
JP2021026913A (ja) 燃料電池ユニット
CN113346096A (zh) 燃料电池
CN114744235B (zh) 燃料电池模块、燃料电池系统、燃料电池动力系统及车辆
CN112054233A (zh) 燃料电池单元
US6656621B2 (en) Fuel cell stack
KR20220161716A (ko) 연료전지 시스템 및 이를 사용하는 연료전지 차량
CN115395129A (zh) 用于高压电池的油冷电池管理系统的设备和方法
CN110870120A (zh) 燃料电池堆和具有燃料电池堆的车辆
CN114039174A (zh) 一种机车用大容量电池系统
US7097927B2 (en) Fuel cell system
CN113733893A (zh) 双电控控制器、混合动力系统和电动车辆
KR100669332B1 (ko) 이차 전지 모듈 및 이에 적용되는 이차 전지
US11417897B2 (en) Fuel cell vehicle
US20220384106A1 (en) Capacitor module, power conversion device, and moter assembly including same
US11450875B2 (en) Fuel cell with corrosion resistance
CN219555466U (zh) 一种燃料电池汽车用的控制器壳体总成
CN214153080U (zh) 电池包

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination