KR20230082913A - 연료 전지 차량 - Google Patents

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KR20230082913A
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연승준
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

실시 예의 연료 전지 차량은, 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택을 포함하는 연료 전지와, 연료 전지의 아래에 배치된 구동 모터부와, 연료 전지로부터 함께 유출되는 미반응 수소 및 제1 응축수를 배출하는 퍼지 밸브 및 드레인 밸브와, 연료 전지로부터 함께 유출되는 미반응 산소 및 제2 응축수를 배출하는 공기 배기 라인 및 퍼지 밸브 및 드레인 밸브와 공기 배기 라인을 연결하며, 구동 모터부를 회피하여 배치되는 수소 배기 라인을 포함한다.

Description

연료 전지 차량{Fuel cell vehicle}
실시 예는 연료 전지 차량에 관한 것이다.
연료 전지 차량은 효율적인 연비 향상을 위해 수소 재순환 구조를 채택한다. 즉, 재순환 과정 중 셀 스택으로 공급되는 수소의 농도가 기준치 이하로 떨어지면 퍼지를 통해 수소 농도를 확보한다. 이러한 재순환 과정 중 애노드 측에서 발생되는 수분이 수소 농도에 영향을 미칠 경우, 드레인 밸브를 통해 응축 챔버를 통해 응축된 액적 형태의 수분을 제거한다. 퍼지 및 드레인 과정은 애노드(수소) 측의 압력과 캐소드(공기) 측의 압력차를 이용해 이루어진다. 이러한 연료 전지 차량에서 수소 퍼지 시 운전 안전성을 확보하기 위한 연구가 진행되고 있다.
실시 예는 우수한 운전 안전성을 갖는 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, 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택을 포함하는 연료 전지; 상기 연료 전지의 아래에 배치된 구동 모터부; 상기 연료 전지로부터 함께 유출되는 미반응 수소 및 제1 응축수를 배출하는 퍼지 밸브 및 드레인 밸브; 상기 연료 전지로부터 함께 유출되는 미반응 산소 및 제2 응축수를 배출하는 공기 배기 라인; 및 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브와 상기 공기 배기 라인을 연결하며, 상기 구동 모터부를 회피하여 배치되는 수소 배기 라인을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 수소 배기 라인은 상기 연료 전지 차량의 진행 방향을 기준으로 상기 구동 모터부의 후방에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브는 일체이거나 분리될 수 있다.
예를 들어, 상기 수소 배기 라인은 상기 드레인 밸브와 상기 공기 배기 라인을 연결하며 상기 구동 모터부를 회피하여 배치되는 제1 수소 배기 라인; 및 상기 퍼지 밸브와 상기 공기 배기 라인을 연결하는 제2 수조 배기 라인을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 퍼지 밸브는 상기 연료 전지에 배치되고, 상기 드레인 밸브는 상기 연료 전지보다 지면에 더 가깝게 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지 차량은, 상기 미반응 수소의 퍼지가 요구되는가의 여부 또는 상기 제1 응축수의 수위가 일정 수위 이상인가의 여부 중 적어도 하나의 조건을 만족할 때 제어 신호를 생성하는 제어부를 더 포함하고, 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브는 상기 제어 신호에 응답하여, 상기 미반응 수소 및 상기 제1 응축수를 상기 수소 배기 라인으로 배출할 수 있다.
예를 들어, 상기 퍼지 밸브, 상기 드레인 밸브 및 상기 수소 배기 라인 각각의 출구는 입구보다 지면에 더 가깝게 위치할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 단위 셀은 상기 연료 전지 차량의 진행 방향과 교차하는 방향으로 적층될 수 있다. 이 경우, 상기 공기 배기 라인과 연결된 공기압 제어부와 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브는 상기 구동 모터부를 사이에 두고 서로 이격될 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 단위 셀은 상기 연료 전지 차량의 진행 방향과 나란한 방향으로 적층될 수 있다. 이 경우, 상기 연료 전지 차량의 진행 방향으로 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브의 일부는 상기 구동 모터부와 중첩될 수 있다.
예를 들어, 상기 수소 배기 라인은 지면과 나란한 수평면을 기준으로 소정 각도 이상 기울어질 수 있다.
예를 들어, 상기 공기 배기 라인과 연결된 공기압 제어부와 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브는 상기 구동 모터부를 사이에 두지 않고 상기 연료 전지 차량의 진행 방향과 교차하는 방향으로 서로 인접하여 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지 차량의 진행 방향을 기준으로, 상기 공기 배기 라인은 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브 및 상기 연료 전지 각각보다 후방에 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지는 반응 가스인 수소가 유입되는 수소 유입 매니폴드; 상기 연료 전지 차량의 진행 방향을 기준으로 상기 수소 유입 매니폴드보다 후방에 배치되고 반응 가스인 공기가 유입되는 공기 유입 매니폴드; 상기 수소 유입 매니폴드 아래에 배치되며, 상기 미반응 산소 및 상기 제2 응축수가 배출되는 공기 유출 매니폴드; 및 상기 연료 전지 차량의 상기 진행 방향을 기준으로 상기 공기 유출 매니폴드보다 후방에서 상기 공기 유입 매니폴드 아래에 배치되고, 상기 미반응 수소와 상기 제2 응축수가 배출되는 수소 유출 매니폴드를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 연료 전지는 반응 가스인 공기가 유입되는 공기 유입 매니폴드; 상기 연료 전지 차량의 진행 방향을 기준으로 상기 공기 유입 매니폴드보다 후방에 배치되고, 반응 가스인 수소가 유입되는 수소 유입 매니폴드; 상기 공기 유입 매니폴드 아래에 배치되고, 상기 미반응 수소와 상기 제2 응축수를 배출되는 수소 유출 매니폴드; 및 상기 연료 전지 차량의 상기 진행 방향을 기준으로 상기 수소 유출 매니폴드보다 후방에서 상기 수소 유입 매니폴드 아래에 배치되고, 상기 미반응 산소 및 상기 제2 응축수가 배출되는 공기 유출 매니폴드를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 공기 유입 매니폴드 및 상기 수소 유입 매니폴드 각각의 저면은 상기 공기 유출 매니폴드 및 상기 수소 유출 매니폴드 각각의 탑면보다 지면으로부터 더 멀리 위치하고, 상기 공기 유출 매니폴드 및 상기 수소 유출 매니폴드 각각의 상기 탑면은 가습기의 탑면보다 지면으로부터 더 멀리 위치하고, 상기 공기 유출 매니폴드 및 상기 수소 유출 매니폴드 각각의 저면은 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브 각각의 탑면보다 지면으로부터 더 멀리 위치할 수 있다.
실시 예에 따른 연료 전지 차량은 다양한 운전 전략을 확보할 수 있으며, 전압 안전성 등 운전 안정성을 확보할 수 있고, 가습기 퍼지 대비 물 배출성이 유리할 수 있다.
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 일 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 측면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 차량의 배면도를 나타낸다.
도 3은 다른 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 측면도를 나타낸다.
도 4는 또 다른 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 측면도를 나타낸다.
도 5는 도 1에 도시된 일 실시 예에 의한 연료 전지 차량에서 유체의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 또 다른 실시 예에 의한 연료 전지 차량의 배면도를 나타낸다.
도 7은 또 다른 실시 예에 의한 연료 전지 시스템(또는, 연료 전지 차량)의 측면도를 나타낸다.
도 8은 전술한 수소 배기 라인의 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 9는 연료 전지 차량의 퍼지를 설명하기 위한 개략적인 블럭도이다.
도 10 (a) 및 (b)는 퍼지 위치별 스택 전류와 스택 전압의 파형도를 나타낸다.
도 11은 비교예에 의한 연료 전지 차량의 측면도를 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(100A 내지 100E)을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 편의상, 데카르트 좌표계(x축, y축, z축)를 이용하여 연료 전지 차량(100A 내지 100E)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. 편의상, 이하, x축 방향을 제1 방향이라 하고, y축을 제2 방향이라 하고, z축 방향을 제3 방향이라 한다. 여기서, 연료 전지 차량(100A 내지 100E)의 진행 방향은 화살표(A)로 표시한 +x축 방향이다.
도 1은 일 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100A)의 측면도를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 연료 전지 차량(100A)의 배면도를 나타낸다.
도 1에 도시된 구동 모터부(130)는 원형으로 도시된 반면, 도 2에 도시된 구동 모터부(130)는 사각형으로 도시되어 있지만, 실시 예는 구동 모터부(130)의 특정한 형상에 국한되지 않는다.
일 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100A)은 연료 전지, 구동 모터부(130), 퍼지(purge) 밸브(FPV) 및 드레인(drain) 밸브(FDV)(140), 공기 배기 라인(170, 180) 및 수소 배기 라인(190)을 포함한다. 또한, 일 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100A)은 공기압 제어부(APC: Air Pressure Controller)(또는, 공기압 제어 밸브)(150) 및 가습기(160)를 더 포함할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100A)은 후드(hood)(110)를 더 포함할 수 있다.
연료 전지는 수직 방향과 수평 방향으로 적층되지 않은 단위 연료 전지를 포함할 수도 있다. 또는, 연료 전지는 수직 방향 또는 수평 방향 중 적어도 하나의 방향으로 적층된 복수 개의 단위 연료 전지를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 연료 전지는 x축 방향, y축 방향 또는 z축 방향 중 적어도 하나의 방향으로 적층된 복수 개의 단위 연료 전지를 포함할 수도 있다.
이하, 실시 예에 의한 연료 전지 자량(100A, 100B, 100C, 100D, 100E)의 연료 전지는 단위 연료 전지 만을 포함하는 것으로 설명하지만, 하기의 설명은 실시 예에 의한 연료 전지가 복수의 연료 전지를 포함하는 경우에도 적용될 수 있다.
단위 연료 전지는 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.
연료 전지에 포함된 단위 연료 전지는 엔드 플레이트(end plate)(또는, 가압 플레이트 또는 압축판)(미도시), 집전판(미도시) 및 셀 스택(cell stack)을 포함할 수 있다. 이하, 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100A 내지 100E)에서 셀 스택(120A, 120B, 120C)의 적층 방향의 이해를 돕기 위해 연료 전지에서 셀 스택(120A, 120B, 120C) 이외의 부재의 도시는 생략된다. 따라서, 도시된 셀 스택(120A, 120B, 120C)의 위치가 도시되지 않은 연료 전지의 위치인 것으로 설명한다.
연료 전지는 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택(120A)을 포함할 수 있다. 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택(120A)은 연료 전지 차량(100A)의 진행 방향인 제1 방향으로 적층된 종치형일 수도 있고, 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 적층된 횡치형일 수도 있다. 도 1 및 도 2는 횡치형 셀 스택(120A)을 나타낸다.
수십 내지 수백 개 예를 들어, 100 내지 400개의 단위 셀이 적층되어 셀 스택(120A)을 구현할 수 있다. 단위 연료 전지로부터 부하로 공급하고자 하는 전력의 세기에 따라, 연료 전지에 포함되는 단위 연료 전지의 개수 및 단위 연료 전지의 셀 스택(120A)에 포함되는 복수의 단위 셀의 개수가 결정될 수 있다. 여기서, 부하란, 연료 전지 차량(100A 내지 100E)에서 전력을 요구하는 부분을 의미할 수 있다.
엔드 플레이트는 셀 스택(120A)의 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.
또한, 연료 전지는 체결 부재를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 단위 연료 전지에서 체결 부재는 엔드 플레이트와 함께 복수의 단위 셀을 단위 셀이 적층된 방향으로 체결하는 역할을 하며, 체결 바(미도시) 또는 인클로저(Enclosure)(미도시)로 구현될 수 있다.
셀 스택(120A)은 수소 유입(또는, 인렛(inlet)) 매니폴드(manifold)(MI1), 공기 유입 매니폴드(MI2), 수소 유출(또는, 아웃렛(outlet)) 매니폴드(MO1) 및 공기 유출 매니폴드(MO2)를 포함할 수 있다.
수소 유입 매니폴드(MI1)는 단위 연료 전지의 외부로부터 셀 스택(120A)에서 사용될 반응 가스인 수소가 유입되는 매니폴드이고, 공기 유입 매니폴드(MI2)는 단위 연료 전지의 외부로부터 셀 스택(120A)에서 사용될 반응 가스인 산소를 포함하는 공기가 유입되는 매니폴드이다.
수소 유출 매니폴드(MO1)는 셀 스택(120A)에서 사용이 종료된 수소 즉, 미반응 수소와 부산물인 응축수(또는, 생성수)(이하, ‘제1 응축수’라 한다)가 셀 스택(120A)의 외부로 유출되는 매니폴드이다. 공기 유출 매니폴드(MO2)는 셀 스택(120A)에서 사용이 종료된 산소 즉, 미반응 산소와 부산물인 응축수(이하, ‘제2 응축수’라 한다)가 셀 스택(120A)의 외부로 유출되는 매니폴드이다.
이때, 수소 및 공기 유출 매니폴드(MO1, MO2)가 수소 및 공기 유입 매니폴드(MI1, MI2)보다 더 아래에 배치될 수 있다. 또한, 동일한 반응 가스를 유입하는 매니폴드와 동일한 가스를 유출하는 매니폴드는 서로 대각선 방향으로 위치할 수 있다. 예를 들어, 수소 유입 매니폴드(MI1)와 수소 유출 매니폴드(MO1)는 서로 대각선 방향으로 위치하고, 산소 유입 매니폴드(MI2)와 산소 유출 매니폴드(MO2)는 서로 대각선 방향으로 위치할 수 있다.
도 3은 다른 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100B)의 측면도를 나타낸다.
도 3에서 도 2에 도시된 구동 모터부(130)의 도시는 생략되지만 도 1에 도시된 바와 같이 연료 전지의 아래에 배치된 구동 모터부(130)를 포함할 수 있다. 매니폴드의 배치가 상이한 것을 제외하면, 도 3에 도시된 연료 전지 차량(100B)은 도 1에 도시된 연료 전지 차량(100A)과 동일하므로, 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하여 중복되는 설명을 생략한다.
일 실시 예에 의하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 연료 전지 차량(100A)의 진행 방향을 기준으로 공기 유입 매니폴드(MI2)는 수소 유입 매니폴드(MI1)보다 후방에 배치되고, 공기 유출 매니폴드(MO2)는 수소 유입 매니폴드(MI1) 아래에 배치되고, 수소 유출 매니폴드(MO1)는 연료 전지 차량(100A)의 진행 방향을 기준으로 공기 유출 매니폴드(MO2)보다 후방에서 공기 유입 매니폴드(MI2) 아래에 배치될 수 있다.
다른 실시 예에 의하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료 전지 차량(100B)의 진행 방향을 기준으로 수소 유입 매니폴드(MI1)는 공기 유입 매니폴드(MI2)보다 후방에 배치되고, 수소 유출 매니폴드(MO1)는 공기 유입 매니폴드(MI2) 아래에 배치되고, 공기 유출 매니폴드(MO2)는 연료 전지 차량(100B)의 진행 방향을 기준으로 수소 유출 매니폴드(MO1)보다 후방에서 수소 유입 매니폴드(MI1) 아래에 배치될 수 있다.
한편, 도시되지 않았지만, 연료 전지는 셀 스택(120A, 120B) 내의 온도를 유지시키기 위해 필요한 냉각 매체(예를 들어, 냉각수)가 단위 연료 전지의 외부로부터 유입되는 냉각 유입 매니폴드와 단위 연료 전지의 내부로부터 외부로 냉각 매체가 유출되는 냉각 유출 매니폴드를 더 포함할 수 있다.
구동 모터부(130)는 연료 전지의 아래에 배치될 수 있다. 예를 들어, 구동 모터부(130)는 연료 전지의 아래에 배치된 구동 모터 및 구동 모터와 연결되며 연료 전지의 아래에 배치된 인버터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 인버터는 연료 전지 차량(100A, 100B)의 진행 방향으로 구동 모터와 이웃하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 인버터는 구동 모터와 연료 전지 사이에 배치될 수 있다.
퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)는 연료 전지로부터 함께 유출되는 미반응 수소 및 제1 응축수를 배출하는 역할을 한다. 퍼지 밸브(140)는 연료 전지로부터 유출되는 미반응 수소의 농도(또는, 순도)가 기준치 이하일 경우 이를 외부로 배출하는 역할을 하고, 드레인 밸브(140)는 제1 응축수의 수위가 일정 수위 이상일 경우 이를 외부로 배출하는 역할을 한다.
도 4는 또 다른 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100C)의 측면도를 나타낸다.
도 3에 도시된 연료 전지(100B)와 마찬가지로, 구동 모터부(130)의 도시가 생략되었으나, 도 4에 도시된 연료 전지 차량(100C)은 도 1에 도시된 바와 같이 연료 전지 아래에 배치된 구동 모터부(130)를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)는 일체일 수 있다.
다른 실시 예에 의하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 드레인 밸브(142) 및 퍼지 밸브(144)는 분리될 수도 있다. 이 경우, 도 1 및 도 3에 도시된 바와 달리, 셀 스택(120C)은 퍼지 밸브(144)를 더 포함할 수 있다. 이를 제외하면, 도 4에 도시된 셀 스택(120C)은 도 1에 도시된 셀 스택(120A)과 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다.
또한, 도 1, 도 2 및 도 3의 경우 퍼지 밸브와 드레인 밸브(140)가 일체형이므로, 수소 배기 라인(190)은 한 개이다.
반면에, 도 4의 경우, 수소 배기 라인은 드레인 밸브(142)와 연결된 제1 수소 배기 라인(192)과 퍼지 밸브(144)와 연결된 제2 수소 배기 라인(194)을 포함할 수 있다. 이를 제외하면, 도 4에 도시된 연료 전지 차량(100C)은 도 1에 도시된 연료 전지 차량(100A)과 동일하므로, 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하며 중복되는 설명을 생략한다.
공기압 제어부(150)는 연료 전지 차량(100A, 100B, 100C)이 적정 운전 압력으로 운전할 수 있도록 압력을 조절하는 역할을 한다. 예를 들어, 공기압 제어부(150)는 가습된 반응 가스인 산소의 압력을 제어할 수 있다.
또한, 연료 전지의 셀 스택(120A, 120B, 120C)으로부터 배출되는 공기가 저항없이 공기 배기 라인(180)으로 배출될 경우, 공기 압축기(미도시)에서 공기를 공급하는 압력 때문에 공기가 연료 전지의 셀 스택(120A, 120B, 120C)에 머물러 수소와 반응할 수 있는 시간이 줄어들 수 있다. 이를 개선하기 위해, 공기압 제어부(150)는 부하에 따라 공기압 제어부(150)에 포함되는 밸브의 열림량을 조절하여 셀 스택(120A, 120B, 120C) 내부의 공기단에 걸리는 배압을 형성할 수도 있다. 이로 인해, 셀 스택(120A, 120B, 120C)에 공급된 공기는 수소와 충분한 시간 동안 반응할 수 있다.
가습기(160)는 공기 압축기로부터 배출되는 건조한(dry) 공기를 튜브(162)에서 가습시켜 셀 스택(120A, 120B, 120C)으로 공급하기도 하고, 셀 스택(120A, 120B, 120C)으로부터 유출된 수분을 함유하는 미반응 산소를 감습하고, 감습된 결과를 공기압 제어부(150)로 배출할 수 있다. 예를 들어, 가습기(160)는 수분을 함유할 수 있는 복수의 캐트리지(또는, 중공 사막 다발)를 포함하는 감습부를 포함할 수 있다. 이때, 연료 전지의 셀 스택(120A, 120B, 120C)으로부터 배출되는 수분을 함유하는 미반응 산소와 응축수를 복수의 중공 사막 사이의 쉘 사이드(164)로 유입하여, 복수의 중공 사막에 수분을 공급할 수 있다. 이후, 복수의 중공 사막에 수분을 공급한 이후에 감습된 산소가 공기 배기 라인(170, 180)을 경유하여 외부로 배출될 수 있다.
공기 배기 라인(170, 180)은 연료 전지의 셀 스택(120A, 120B, 120C)으로부터 함께 유출되는 미반응 산소 및 제2 응축수를 배출하는 역할을 한다. 혼동을 피하기 위해, 가습기(160)와 공기 제어부(150)의 입력단 사이에 배치된 공기 배기 라인을 ‘제1 공기 배기 라인(170)’이라 칭하고, 공기압 제어부(150)의 출력단에 연결된 공기 배기 라인을 ‘제2 공기 배기 라인(180)’이라 칭한다.
제1 공기 배기 라인(170)은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 일체형 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)로부터 이격되어 배치되고, 도 4에 도시된 바와 같이 드레인 밸브(142)로부터 이격되어 배치될 수 있다. 이해를 돕기 위해, 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140, 142)에 의해 가려져서 보이지 않는 제1 공기 배기 라인(170)을 점선으로 표기한다. 즉, 제1 공기 배기 라인(170)은 일체형 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)나 드레인 밸브(142)와 연결되어 있지 않다.
제2 공기 배기 라인(180)은 공기압 제어부(150)에서 유출되는 미반응 산소와 제2 응축수뿐만 아니라 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140, 142, 144)로부터 유출되는 미반응 수소와 제1 응축수를 외부로 배출하는 역할을 한다. 이를 위해, 제2 공기 배기 라인(180)은 배기 덕트(미도시) 및 배기 호스(미도시)를 포함할 수 있다. 배기 덕트는 공기압 제어부(150)에서 출력되는 공기와 제2 응축수나 수소 배기 라인(190, 192, 914)을 통과한 수소와 제1 응축수가 흐르는 경로를 형성한다. 배기 호스는 배기 덕트를 통과한 유체를 외부로 배출하는 역할을 한다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 수소 배기 라인(190)은 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)와 제2 공기 배기 라인(180)을 연결하며 구동 모터부(130)를 회피하여 배치된다. 도 4를 참조하면, 제1 수소 배기 라인(192)은 드레인 밸브(142)와 제2 공기 배기 라인(180)을 연결하며 구동 모터부(130)를 회피하여 배치되고, 제2 수소 배기 라인(194)은 퍼지 밸브(144)와 제2 공기 배기 라인(180)을 연결한다.
이와 같이, 실시 예에 의하면, 수소 배기 라인(190) 및 제1 수소 배기 라인(192)은 구동 모터부(130)를 회피하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 수소 배기 라인(190)은 연료 전지 차량(100A)의 진행 방향을 기준으로 구동 모터부(130)를 회피하도록 구동 모터부(130)의 후방에 배치될 수 있다.
이하, 전술한 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100A, 100B, 100C)에서 유체의 흐름을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 이때, 각 실시 예(100A, 100B, 100C)의 설명에서 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하여 중복되는 설명을 생략한다. 따라서, 각 실시 예(100A, 100B, 100C)에 대한 설명이 생략된 부분은 다른 실시 예에 대한 설명이 적용될 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 일 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100A)에서 유체의 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 도 5에서 도 1에 도시된 구동 모터부(130)의 도시는 생략된다.
먼저, 공기의 흐름(즉, 캐소드(cathode) 유체 흐름)을 살펴보면 다음과 같다.
연료 전지로 깨끗한 공기를 공급하기 위해, 공기 정화부(air cleaner)(미도시)는 외부로부터 받은 공기를 정화하고, 정화된 공기를 공기 압축기로 제공한다. 공기 압축기는 공기 정화부에서 정화된 공기를 압축하고, 압축된 공기를 가습기(160)의 튜브(tube)(162)로 제공한다. 이후, 가습기(160)는 공기 압축기로부터 배출되는 건조한 공기를 가습하고, 가습된 공기를 공기 유입 매니폴드(MI2)를 통해 셀 스택(120A)으로 제공한다(①).
이후, 셀 스택(120A)으로 공급된 공기가 셀 스택(120A) 내에서 전기 화학 반응한 후, 잔여 공기 즉, 미반응 산소를 포함한 제2 응축수가 셀 스택(120A)의 공기 유출 매니폴드(MO2) 측으로 배출된다(②).
이후, 공기 유출 매니폴드(MO2)로부터 배출된 미반응 산소와 제2 응축수는 가습기(160)의 쉘 사이드(164)로 유입되어, 복수의 중공 사막에 수분을 공급할 수 있다(③). 이와 같이 공급된 수분은 가습기(160)의 튜브(162)로 이동하여 ①번 경로에서 공급되는 공기를 가습하는 데 이용될 수 있다.
이후, 가습기(160)의 튜브(162) 측으로 이동한 수분 외의 미반응 산소인 공기와 제2 응축수가 제1 공기 배기 라인(170)을 통해 공기압 제어부(150) 측으로 배출될 수 있다(④).
이후, 공기압 제어부(150)를 통과한 미반응 산소와 제2 응축수가 제2 공기 배기 라인(180)을 통해 외부로 배출될 수 있다(⑤).
다음으로, 수소의 흐름(즉, 애노드(anode) 유체 흐름)을 살펴보면 다음과 같다.
수소 탱크(미도시)로부터 공급된 수소는 수소 공급 배관(중압)(미도시)과 수소 차단/공급 밸브(미도시)를 통해 셀 스택(120A)의 수소 유입 매니폴드(MI1)로 공급된다.
이후, 셀 스택(120A)으로 공급된 수소는 셀 스택(120A) 내에서 전기 화학 반응 후 미반응 수소와 제1 응축수가 셀 스택(120A)의 수소 유출 매니폴드(MO1) 측으로 배출된다(ⓐ).
이후, 수소 유출 매니폴드(MO1)로부터 배출된 미반응 수소와 제1 응축수는 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140) 측으로 이동한다(ⓑ).
이후, 미반응 수소의 퍼지가 요구되거나 제1 응축수의 수위가 일정 수위 이상일 경우, 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)는 미반응 수소와 제1 응축수를 수소 배기 라인(190)을 통해 제2 공기 배기 라인(180)으로 배출할 수 있다(ⓒ). 연료 전지 차량의 경우, 효율적인 연비 향상을 위해 수소 재순환 구조가 적용될 수 있다. 재순환 과정 중 셀 스택(120A)으로 공급되는 수소의 농도가 농도 기준치 이하로 떨어지게 되면 수소를 외부로 배출하는 퍼지가 요구될 수 있다.
또는, 미반응 수소의 퍼지의 요구되지만 제1 응축수의 수위가 일정 수위 이상이 아닐 경우에도, 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)는 미반응 수소와 제1 응축수를 수소 배기 라인(190)을 통해 제2 공기 배기 라인(180)으로 배출할 수 있다. 또는, 미반응 수소의 퍼지의 요구되지 않지만 제1 응축수의 수위가 일정 수위 이상일 경우에도, 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)는 미반응 수소와 제1 응축수를 수소 배기 라인(190)을 통해 제2 공기 배기 라인(180)으로 배출할 수 있다.
전술한 동작을 위해, 도 5 및 도 3에 도시된 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100A, 100B)은 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 미반응 수소의 퍼지가 요구되는가의 여부 또는 제1 응축수의 수위가 일정 수위 이상인가의 여부 중 적어도 하나의 조건을 만족할 때 제어 신호를 생성한다. 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)는 제어 신호에 응답하여, 미반응 수소 및 제1 응축수를 수소 배기 라인(190)을 통해 제2 공기 배기 라인(180)으로 배출한다. 즉, 수소 배기 라인(190)과 연결된 제2 공기 배기 라인(180)을 통해 미반응 수소와 제1 응축수가 외부로 배출될 수 있다.
도 5 및 도 3을 참조하면, 공기 유출 매니폴드(MO2) 및 수소 유출 매니폴드(MO1) 각각의 저면은 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140) 각각의 탑면보다 지면(G)으로부터 더 멀리 위치할 수 있다. 즉, 공기 유출 매니폴드(MO2) 및 수소 유출 매니폴드(MO1) 각각의 저면의 지면(G)으로부터의 높이가 ‘Z1’이고 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140) 각각의 탑면의 지면(G)으로부터의 높이가 ‘D1’이라고 할 때, Z1과 D1은 다음 수학식 1과 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure pat00001
이와 같이, 미반응 수소 및 제1 응축수의 시작점보다 도착점이 지면(G)에 더 가깝게 위치할 수 있다. 수학식 1의 관계를 만족할 경우 수소 유출 매니폴드(MO1)로부터 유출되는 제1 응축수가 중력에 의해 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)로 원활히 배출될 수 있다.
또한, 도 5 및 도 3에 도시된 연료 전지 차량(100A, 100B) 각각에서, 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140) 및 수소 배기 라인(190) 각각의 출구는 입구보다 지면에 더 가깝게 위치할 수 있다. 즉, 실시 예의 경우. 유체의 시작점보다 도착점이 지면(G)에 더 가깝게 위치할 수 있다.
도 3, 도 4 및 도 5를 참조하면, 공기 유입 매니폴드(MI2) 및 수소 유입 매니폴드(MI1) 각각의 저면은 공기 유출 매니폴드(MO2) 및 수소 유출 매니폴드(MO1) 각각의 탑면보다 지면(G)으로부터 더 멀리 위치할 수 있다. 또한, 공기 유출 매니폴드(MO2) 및 수소 유출 매니폴드(MO1) 각각의 탑면은 가습기(160)의 탑면보다 지면(G)으로부터 더 멀리 위치할 수 있다. 즉, 공기 유입 매니폴드(MI2) 및 수소 유입 매니폴드(MI1) 각각의 저면의 지면(G)으로부터의 높이가 ‘H1’이고, 공기 유출 매니폴드(MO2) 및 수소 유출 매니폴드(MO1) 각각의 탑면의 지면(G)으로부터의 높이가 ‘H2’이고, 가습기(160)의 탑면의 지면(G)으로부터의 높이가 ‘H3’이라고 할 때, H1, H2 및 H3은 다음 수학식 2와 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure pat00002
전술한 수학식 2와 같은 관계를 가질 경우, 셀 스택(120A, 120B, 120C) 내의 수분이 중력의 영향으로 배출될 수 있어, 유체의 플러딩(flooding)이 방지될 수 있다.
도 3에 도시된 경로 ⑥, ⑦, ⑧, ⑨ 및 ⑩은 도 5에 도시된 경로 ①, ②, ③, ④ 및 ⑤에 각각 해당하고, 도 3에 도시된 경로 ⓓ, ⓔ 및 ⓕ는 도 5에 도시된 경로 ⓐ, ⓑ 및 ⓒ에 각각 해당하므로, 중복되는 설명을 생략한다.
도 3에 도시된 연료 전지 차량(100B)은 도 5에 도시된 연료 전지 차량(100A)과 매니폴드(MI1, MI2, MO1, MO2)의 위치가 다르다. 따라서, 도 3에 도시된 수소 유출 매니폴드(MO1)와 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140) 사이의 경로(ⓔ)가 도 5에 도시된 경로(ⓑ)보다 더 길고, 공기 유출 매니폴드(MO2)와 가습기(160) 사이의 경로(⑧)가 도 5에 도시된 경로(③)보다 더 길다. 그러나, 유체의 시작점보다 도착점이 지면(G)보다 가깝게 위치 한다면 즉, 전술한 수학식 1과 2의 조건을 만족할 경우, 미반응 수소와 제1 응축수가 외부로 원활히 배출될 수 있다.
도 5 및 도 3을 참조하면, 연료 전지 차량(100A, 100B)의 진행 방향을 기준으로, 제2 공기 배기 라인(180)은 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140) 및 연료 전지 각각보다 후방에 배치될 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 연료 전지 차량(100C)의 진행 방향을 기준으로, 제2 공기 배기 라인(180)은 드레인 밸브(142) 및 연료 전지 각각보다 후방에 배치될 수 있다.
도 4에 도시된 또 다른 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100C)의 경우 퍼지 밸브(144)가 드레인 밸브(142)와 분리되어 셀 스택(144) 내에 배치되므로, 제2 수소 배기 라인(194)을 통한 유체의 흐름이 추가됨을 제외하면 유체의 흐름은 도 5에 도시된 바와 같다. 즉, 제1 응축수의 수위가 일정 수위 이상일 경우, 드레인 밸브(142)는 제1 응축수를 제1 수소 배기 라인(192)을 통해 제2 공기 배기 라인(180)으로 배출할 수 있다(ⓗ). 미반응 수소의 퍼지의 요구될 때, 퍼지 밸브(144)는 미반응 수소를 제2 수소 배기 라인(194)을 통해 제2 공기 배기 라인(180)으로 배출할 수 있다(ⓘ).
또한, 도 4를 참조하면, 공기 유출 매니폴드(MO2) 및 수소 유출 매니폴드(MO1) 각각의 저면은 드레인 밸브(142)의 탑면보다 지면(G)으로부터 더 멀리 위치할 수 있다. 즉, 드레인 밸브(142)의 탑면의 지면(G)으로부터의 높이를 ‘D2’라 할 때, Z1과 D2은 다음 수학식 3과 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3의 관계를 만족할 경우 수소 유출 매니폴드(MO1)로부터 유출되는 제1 응축수가 중력에 의해 드레인 밸브(142)로 원활히 배출될 수 있다.
도 4에 도시된 연료 전지 차량(100C)에서, 드레인 밸브(142) 및 제1 수소 배기 라인(192), 제2 수소 배기 라인(194) 각각의 출구는 입구보다 지면(G)에 더 가깝게 위치할 수 있다.
도 6은 또 다른 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100D)의 배면도를 나타낸다. 도 2 및 도 6에서 가습기(160)는 구동 모터부(130)에 의해 가려져서 보이지 않는다.
도 2에 도시된 연료 전지 차량(100A)과 달리, 도 6에 도시된 연료 전지 차량(100D)에서 제2 공기 배기 라인(180)과 연결된 공기압 제어부(150)와 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)는 구동 모터부(130)를 사이에 두지 않고 제2 방향으로 서로 인접하여 배치될 수 있다. 이를 제외하면, 도 6에 도시된 연료 전지 차량(100D)은 도 2에 도시된 연료 전지 차량(100A)과 동일하므로, 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하여 중복되는 설명을 생략한다.
셀 스택(120A)이 횡치형인 경우, 도 2를 참조하면, 제2 공기 배기 라인(180)과 연결된 공기압 제어부(150)와 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)는 구동 모터부(130)를 사이에 두고 서로 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 공기압 제어부(150)와 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)는 제2 방향으로 제1 거리(Y1)만큼 이격되고, 구동 모터부(130)는 제2 방향으로 폭(Y2)을 가질 수 있다. 여기서, Y1과 Y2는 다음 수학식 4와 같은 관계를 갖는다.
Figure pat00004
전술한 수학식 4를 참조하면, 도 2의 경우 공기압 제어부(150)와 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140) 사이에 폭(Y2)을 갖는 구동 모터부(130)가 배치되므로, 공기압 제어부(150)와 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)는 폭(Y2)보다 큰 제1 거리(Y1)만큼 제2 방향으로 이격된다. 이로 인해, 제2 공기 배기 라인(180)과 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)가 서로 이격된 거리만큼 수소 배기 라인(190)이 길이가 증가한다. 그러나, 도 6에 도시된 바와 같이 공기압 제어부(150)와 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)가 서로 인접하여 배치될 경우, 도 2와 비교할 때, 수소 배기 라인(190)이 길이가 상대적으로 짧아질 수 있다. 이와 같이, 수소 배기 라인(190)의 길이가 짧아질 경우 겨울철 잔여 수분에 의한 수소 배기 라인(190) 내부가 빙결될 가능성이 줄어들 수 있다. 그러나, 구동 모터부(130)가 도 6에 도시된 바와 같이 한 쪽으로 치우친 경우보다 도 2에 도시된 바와 같이 한 쪽으로 치우치지 않을 경우 연료 전지 차량의 주행 성능이 더 우수할 수 있다. 따라서, 이를 고려하여 구동 모터부(130)의 위치를 도 2 및 도 6 중 어느 하나의 위치로 결정할 수 있다.
또한, 자중에 의한 물빠짐성을 확보하기 위해, 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이 수소 배기 라인(190)이 지면(G)과 나란한 수평면(GL)을 기준으로 기울어진 각도(θ)는 소정 각도 이상일 수 있다. 예를 들어, 소정 각도는 15°일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
도 7은 또 다른 실시 예에 의한 연료 전지 시스템(또는, 연료 전지 차량(100E))의 측면도를 나타낸다.
도 7에 도시된 연료 전지 차량(100E)은 전술한 연료 전지 차량(100A 내지 100D)과 달리, 엔진 룸에 연료 전지와 구동 모터부(130)가 동시에 탑재되지 않는 상용 차량 또는 발전용 연료 전지에 해당할 수 있다. 이를 제외하면, 도 7에 도시된 연료 전지 차량(100E)은 전술한 연료 전지 차량(100A 내지 100D)과 동일하므로 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하여 중복되는 설명을 생략한다.
도 7에 도시된 연료 전지 차량(100E)의 경우 연료 전지의 아래에 구동 모터부(130)가 존재하지 않으므로, 가습기(160)와 공기압 제어부(150)를 직결할 수 있다. 예를 들어, 호스를 사용하지 않고 가습기(160)의 바디와 공기압 제어부(150)의 바디를 볼트 등을 이용해 직접 체결할 수 있다. 이로 인해, 가습기(160)와 공기압 제어부(150) 사이의 사공간이 제거되어 컴팩트해질 수 있고, 공기압 제어부(150)에 연결된 제2 공기 배기 라인(180)에 연결된 수소 배기 라인(190)의 길이가 짧아질 수 있다. 이때, 제1 응축수의 원활한 배출을 위해, 수소 배기 라인(190)의 하면은, 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)의 하면보다 지면(G)에서 가깝게 위치할 수 있다. 즉, 수소 배기 라인(190)의 하면의 지면(G)으로부터의 높이가 ‘Z2’이고, 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)의 하면의 지면(G)으로부터의 높이가 ‘Z3’이라고 할 때, Z2와 Z3은 다음 수학식 5와 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure pat00005
도 8은 전술한 수소 배기 라인(190, 192, 194)의 실시 예에 의한 단면도를 나타낸다.
도 8에 도시된 수소 배기 라인(190, 192, 194)은 단열재(200) 및 히터 와이어(210)를 포함할 수 있다. 단열재(200)는 수소 배기 라인(190, 192, 194)의 외부를 감싸도록 배치되어 외부의 온도로부터 수소 배기 라인(190, 192, 194)의 내부가 온도의 영향을 받지 않거나 받는 온도의 영향을 최소로 받을 수 있도록 하고, 히터 와이어(210)는 수소 배기 라인(190, 192, 194)의 외표면에 배치되어 발열할 수 있다. 수소 배기 라인(190, 192, 194)이 도 8에 도시된 바와 같이 구현될 경우, 결빙되지 않을 수 있다.
전술한 셀 스택(120A)이 횡치형인 경우, 연료 전지 차량(100A)의 진행 방향으로 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)는 구동 모터부(130)는 서로 중첩하지 않는다. 그러나, 비록 도시되지 않았지만, 셀 스택이 종치형인 경우, 연료 전지 차량의 퍼지 밸브 및 드레인 밸브(140)의 일부와 구동 모터부(130)는 연료 전지 차량의 진행 방향으로 중첩될 수 있다. 셀 스택(120A)이 종치형인 경우에서보다 횡치형일 경우, 구동 모터부(130)의 위치 변동이 자유롭지 않으므로 수소 배기 라인(190)을 배치할 때 구동 모터부(130)를 회피할 필요성이 대두된다. 즉, 종치형보다 횡치형의 경우 수소 배기 라인(190, 192)과 구동 모터부(130)가 서로 간섭할 가능성이 많다. 따라서, 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100A 내지 100D)은 횡치형 셀 스택을 포함할 때, 구동 모터부(130)를 회피하여 수소 배기 라인(190)을 배치할 수 있다.
이하, 비교예 및 실시 예에 의한 연료 전지 차량을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 비교하여 설명한다.
도 9는 연료 전지 차량의 퍼지를 설명하기 위한 개략적인 블럭도이다.
도 10 (a) 및 (b)는 퍼지 위치별 스택 전류(I)와 스택 전압(V)의 파형도를 나타낸다.
도 9에 도시된 연료 전지 차량은 셀 스택(120)을 포함하는 연료 전지(FC), 가습기(160), 퍼지 밸브(V1) 및 공기압 제어부(V2)를 포함할 수 있다. 여기서, 셀 스택(120), 가습기(160), 퍼지 밸브(V1) 및 공기압 제어부(V2)는 전술한 셀 스택(120A 내지 120C), 가습기(160), 퍼지 밸브(140, 144) 및 공기압 제어부(150)와 각각 동일한 기능을 수행할 수 있다.
셀 스택(120)으로부터 배출되는 반응 가스인 수소의 순도가 저하될 경우 퍼지 밸브(V1)를 통해 수소를 외부로 배출할 수 있다.
일 례로서, 퍼지 밸브(V1)의 출력단이 가습기(160)의 쉘 사이드 측으로 연결되고, 가습기(160)로부터 유출된 수소가 공기압 제어부(V2)를 통해 출력단자 OUT를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이러한, 가습기 퍼지 방식의 경우, 수소가 흐르는 경로와 공기가 흐르는 경로가 서로 혼합될 가능성이 존재하고, 퍼지 및 드레인 과정에서 애노드(고압)와 캐소드(저압) 간의 압력차를 이용하게 되는데, 이로 인해 퍼지 구동 시 공기 공급단의 공급 압력이 교란되어 유량이 감소할 수 있다. 이를 보상하기 위해 공기 압축기의 분당 회전수(RPM)를 증가시킬 경우, 공기 압축기에서 소모하는 동력이 증가하며 도 10 (a)에 도시된 바와 같이 전류(I)가 증가하고 전압(V)이 하락(310)할 수 있다.
도 11은 비교예에 의한 연료 전지 차량의 측면도를 나타낸다.
비교예에 의한 연료 전지 차량은 후드(10), 셀 스택(20)을 포함하는 연료 전지, 구동 모터부(30), 퍼지 및 드레인 밸브(40), 공기압 제어부(50), 가습기(60), 공기 배기 라인(70, 80) 및 수소 배기 라인(90)으로 구성될 수 있다. 여기서, 후드(10), 셀 스택(20), 구동 모터부(30), 퍼지 및 드레인 밸브(40), 공기압 제어부(50), 가습기(60), 공기 배기 라인(70, 80) 및 수소 배기 라인(90)은 도 1에 도시된 일 실시 예에 의한 후드(110), 셀 스택(120A), 구동 모터부(130), 퍼지 및 드레인 밸브(140), 공기압 제어부(150), 가습기(160), 공기 배기 라인(170, 180) 및 수소 배기 라인(190)과 각각 동일한 기능을 수행하므로, 중복되는 설명을 생략한다.
도 11에 도시된 비교예에 의한 연료 전지 차량은 퍼지 및 드레인 밸브(40)가 가습기(60)에 수소 배기 라인(90)을 통해 연결되는 가습기 퍼지 방식을 채택한다. 따라서, 가습기 퍼지 방식에 의해 야기되는 전술한 문제점을 갖는다.
반면에, 도 9를 참조하면, 퍼지 밸브(V1)의 출력단이 가습기(160) 대신에 공기압 제어부(V2)의 후단에 출력단자 OUT와 연결되어 외부의 대기로 배출될 수 있다. 이러한 대기 퍼지 방식의 경우, 도 10 (b)에 도시된 바와 같이 전류(I)가 증가하지 않고 전압(V)이 하락하지 않을 수 있어(320), 운전 안전성이 확보될 수 있다. 즉, 가습기(160)에서 공기 유로와 수소 유로가 교차되지 않으므로, 수소와 공기의 독립적인 압력 제어를 통해 다양한 운전 전략을 확보할 수 있으며, 연료 전지 차량의 전압 안전성 등 운전 안정성을 확보할 수 있다.
결국, 실시 예에 의한 연료 전지 차량(100A 내지 100E)은 수소 배기 라인(190, 192, 194)이 가습기(160)와 연결되지 않고 공기 배기 라인(180)과 연결되는 대기 퍼지 방식을 채택하므로, 가습기(160) 측(즉, 공기 공급측)에 비해 공기압 제어부(150) 후단의 압력이 대기압에 가까워, 애노드 측과의 압력 차이가 더 커져서, 가습기 퍼지 대비 물 배출성이 유리해질 수 있다.
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. 복수의 단위 셀이 적층된 셀 스택을 포함하는 연료 전지;
    상기 연료 전지의 아래에 배치된 구동 모터부;
    상기 연료 전지로부터 함께 유출되는 미반응 수소 및 제1 응축수를 배출하는 퍼지 밸브 및 드레인 밸브;
    상기 연료 전지로부터 함께 유출되는 미반응 산소 및 제2 응축수를 배출하는 공기 배기 라인; 및
    상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브와 상기 공기 배기 라인을 연결하며, 상기 구동 모터부를 회피하여 배치되는 수소 배기 라인을 포함하는 연료 전지 차량.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수소 배기 라인은 상기 연료 전지 차량의 진행 방향을 기준으로 상기 구동 모터부의 후방에 배치되는 연료 전지 차량.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브는 일체인 연료 전지 차량.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브는 분리된 연료 전지 차량.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 수소 배기 라인은
    상기 드레인 밸브와 상기 공기 배기 라인을 연결하며 상기 구동 모터부를 회피하여 배치되는 제1 수소 배기 라인; 및
    상기 퍼지 밸브와 상기 공기 배기 라인을 연결하는 제2 수조 배기 라인을 포함하는 연료 전지 차량.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 퍼지 밸브는 상기 연료 전지에 배치되고,
    상기 드레인 밸브는 상기 연료 전지보다 지면에 더 가깝게 배치된 연료 전지 차량.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 미반응 수소의 퍼지가 요구되는가의 여부 또는 상기 제1 응축수의 수위가 일정 수위 이상인가의 여부 중 적어도 하나의 조건을 만족할 때 제어 신호를 생성하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브는
    상기 제어 신호에 응답하여, 상기 미반응 수소 및 상기 제1 응축수를 상기 수소 배기 라인으로 배출하는 연료 전지 차량.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 퍼지 밸브, 상기 드레인 밸브 및 상기 수소 배기 라인 각각의 출구는 입구보다 지면에 더 가깝게 위치하는 연료 전지 차량.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 단위 셀은 상기 연료 전지 차량의 진행 방향과 교차하는 방향으로 적층된 연료 전지 차량.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 공기 배기 라인과 연결된 공기압 제어부와 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브는 상기 구동 모터부를 사이에 두고 서로 이격된 연료 전지 차량.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 단위 셀은 상기 연료 전지 차량의 진행 방향과 나란한 방향으로 적층된 연료 전지 차량.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 연료 전지 차량의 진행 방향으로 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브의 일부는 상기 구동 모터부와 중첩된 연료 전지 차량.
  13. 제1 항에 있어서, 상기 수소 배기 라인은 지면과 나란한 수평면을 기준으로 소정 각도 이상 기울어진 연료 전지 차량.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 공기 배기 라인과 연결된 공기압 제어부와 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브는 상기 구동 모터부를 사이에 두지 않고 상기 연료 전지 차량의 진행 방향과 교차하는 방향으로 서로 인접하여 배치된 연료 전지 차량.
  15. 제1 항에 있어서, 상기 연료 전지 차량의 진행 방향을 기준으로, 상기 공기 배기 라인은 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브 및 상기 연료 전지 각각보다 후방에 배치된 연료 전지 차량.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 연료 전지는
    반응 가스인 수소가 유입되는 수소 유입 매니폴드;
    상기 연료 전지 차량의 진행 방향을 기준으로 상기 수소 유입 매니폴드보다 후방에 배치되고 반응 가스인 공기가 유입되는 공기 유입 매니폴드;
    상기 수소 유입 매니폴드 아래에 배치되며, 상기 미반응 산소 및 상기 제2 응축수가 배출되는 공기 유출 매니폴드; 및
    상기 연료 전지 차량의 상기 진행 방향을 기준으로 상기 공기 유출 매니폴드보다 후방에서 상기 공기 유입 매니폴드 아래에 배치되고, 상기 미반응 수소와 상기 제2 응축수가 배출되는 수소 유출 매니폴드를 더 포함하는 연료 전지 차량.
  17. 제15 항에 있어서, 상기 연료 전지는
    반응 가스인 공기가 유입되는 공기 유입 매니폴드;
    상기 연료 전지 차량의 진행 방향을 기준으로 상기 공기 유입 매니폴드보다 후방에 배치되고, 반응 가스인 수소가 유입되는 수소 유입 매니폴드;
    상기 공기 유입 매니폴드 아래에 배치되고, 상기 미반응 수소와 상기 제2 응축수를 배출되는 수소 유출 매니폴드; 및
    상기 연료 전지 차량의 상기 진행 방향을 기준으로 상기 수소 유출 매니폴드보다 후방에서 상기 수소 유입 매니폴드 아래에 배치되고, 상기 미반응 산소 및 상기 제2 응축수가 배출되는 공기 유출 매니폴드를 더 포함하는 연료 전지 차량.
  18. 제16 항 또는 제17 항에 있어서,
    상기 공기 유입 매니폴드 및 상기 수소 유입 매니폴드 각각의 저면은 상기 공기 유출 매니폴드 및 상기 수소 유출 매니폴드 각각의 탑면보다 지면으로부터 더 멀리 위치하고,
    상기 공기 유출 매니폴드 및 상기 수소 유출 매니폴드 각각의 상기 탑면은 가습기의 탑면보다 지면으로부터 더 멀리 위치하고,
    상기 공기 유출 매니폴드 및 상기 수소 유출 매니폴드 각각의 저면은 상기 퍼지 밸브 및 상기 드레인 밸브 각각의 탑면보다 지면으로부터 더 멀리 위치하는 연료 전지 차량.
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