KR100806965B1 - 연료 전지 자동차 및 가스 연료 자동차의 방출관 설치 구조 - Google Patents

연료 전지 자동차 및 가스 연료 자동차의 방출관 설치 구조 Download PDF

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슈이치 도가사와
겐타로 미우라
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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

서브 프레임(22)과 연료 전지 박스(39) 사이의 공간에 연료 전지 박스(39)의 배출구(170) 근방에 릴리프 밸브(50)의 방출관(51)의 방출구(52)를 설치한다. 연료 전지 박스(39)의 앞벽(120)에는 도입구(130)가 형성되고, 팬(180)에 의해 연료 전지 박스(39) 내에 송풍할 수 있다. 연료 전지 박스(39)에 송풍된 외기가 환기류가 되고 연료 전지(38)를 통과하여 환기를 하면서 연료 전지(38)의 냉각을 행한다. 배기가 배기 덕트(160)의 배출구(170)로부터 후방에 배출된다. 방출관(51) 및 방출구(52)는 이 배기에 의해 가열된다. 따라서 눈이나 동결에 의한 방출구(52)의 폐색을 가열에 의해 해소할 수 있다.

Description

연료 전지 자동차 및 가스 연료 자동차의 방출관 설치 구조{Installation structure of release pipe in fuel cell vehicle and fuel gas vehicle}
본 발명은 연료 전지 자동차 및 가스 연료 자동차의 방출관 설치 구조에 관한 것이다.
고압의 수소를 사용하는 연료 전지 자동차에 있어서는 고압 수소를 저장하는 수소 탱크가 고온이 된 경우, 수소를 빼서 압력의 강하를 도모하는 안전 밸브가 사용되고 있다(일본 특허공개 2002-206696호 공보 참조). 안전 밸브는 수소 탱크 근방에 설치되고, 융점의 낮은 금속으로 봉지되어 밸브 동작이 평상시에는 작동하지 않지만, 수소 탱크가 고온이 됨과 동시에 그 금속이 용융되면, 고압 가스에 의해 밸브체가 밀려 개방되며, 수소 가스를 방출시켜 수소 탱크의 내압의 증가를 방지한다.
또한 수소 가스를 대기 중에 방출할 때에, 수소 가스가 고압이기 때문에, 분사 시의 에너지가 커지고, 이로 인한 외부로의 영향을 억제하기 위해 방출구에 수소 가스를 분산시키는 차폐 부재를 설치한 기술이 알려져 있다(일본 특허공개 2004-204956호 공보 참조).
그렇지만 자동차는 여러 가지 조건하에서 사용되는 것이 고려되어진다. 예컨 대, 적설 등의 저온 환경하에서 연료 전지 자동차를 사용할 경우, 눈이나 물 등에 의한 동결에 의해 안전 밸브의 방출구가 막히는 것이 생각되지만, 상기 종래의 기술에서는 이에 대한 기술 개시가 이루어져 있지 않다. 이 때문에, 안전 밸브를 마련해도 방출구의 설치 위치에 따라서는 기능하지 않는 것이 예상된다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 감안하고, 저온 환경하에도 안전 밸브의 방출구가 막히는 일 없이 안전 밸브의 기능을 확보할 수 있는 연료 전지 자동차 및 가스 연료 자동차의 방출관 설치 구조를 제공하는 것을 과제로 한다.
이를 위해, 본 발명은 연료 가스인 수소를 저장하는 수소 탱크와, 상기 수소 탱크로부터 수소를 공급받아 발전하는 연료 전지를 구비하고, 차량의 전후 방향으로 연장되는 좌우의 메인 프레임의 내측에서, 상기 차량의 바닥 밑에 상기 연료 전지, 상기 수소 탱크 순서로 차량의 앞쪽부터 배치된 연료 전지 자동차에 있어서, 이상 시에 상기 연료 가스를 방출시키는 방출관을 마련하며, 상기 방출관에서의 적어도 방출구는 상기 좌우의 메인 프레임의 내측에, 그리고 상기 연료 전지 및 상기 수소 탱크 사이의 바닥 밑 영역에 배치되는 것으로 했다.
연료 전지 자동차에서의 좌우의 메인 프레임의 내측에 있어, 그리고 연료 전지 및 수소 탱크 사이의 바닥 밑 영역은 전기 배선이나 다른 용기 등을 마련하지 않는 영역 때문에, 방출구에서 그들을 향해 수소를 방출하는 일이 없다. 또한 이 영역은 연료 전지의 발열이 전달되기 쉬운 영역이기 때문에, 연료 전지의 폐열로 방출구를 가열할 수 있다.
본 발명은 적어도 상기 연료 전지를 수납한 연료 전지 박스와, 상기 연료 전지 박스 내의 수소를 환기하는 환기 수단을 더욱 구비하고, 상기 환기 수단은 상기 연료 전지 박스의 후방에 있어서, 상기 방출구를 향해 환기풍을 송풍하는 것으로 했다.
이에 의해 연료 전지로부터 누설된 수소도 연료 전지 박스 내에 체류되는 일 없이 배출되고, 또한 그 송풍으로 방출구를 강제적으로 가열할 수 있다.
본 발명으로는 상기 방출구가 상기 수소 탱크에서의 중심축보다 높은 위치에 설치되어 있는 것으로 했다.
이에 의해 환기 수단이 수소 탱크의 중심축 상을 향해 송풍할 때, 방출구를 효율적으로 가열할 수 있다.
본 발명은 연료 가스를 저장하는 가스 저장 용기와, 상기 가스 저장 용기로부터의 연료 가스의 공급을 받아 동력을 발생하는 동력 발생 장치를 구비하는 가스 연료 자동차에 있어서, 이상 시에 상기 연료 가스를 방출시키는 방출관을 마련하고, 상기 방출관에서의 적어도 방출구는 상기 동력 발생 장치에 의해 가열된 부위에 배치된 것으로 했다.
이에 의해 방출관의 방출구를 동력 발생 장치의 발열로 가열할 수 있다.
본 발명에 의하면, 이상 시에 수소 가스 등의 연료 가스를 방출하는 방출관의 방출구를 연료 전지 또는 동력 발생 장치의 발열로 가열할 수 있기 때문에, 방출구가 눈이나 얼음 동결 등으로 동결하여 막히는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 연료 전지 자동차에서의 연료 전지 시스템의 설치 구조를 도시하는 상면도다.
도 2는 도 1의 측면도이다.
도 3은 도 1에서의 A-A 단면도다.
도 4는 본 발명에 관련된 방출관 및 방출구의 배치 위치를 나타내는 사시도이다.
도 5는 릴리프 밸브의 방출관의 배치 위치 및 연료 전지 박스의 환기 구조를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명을 연료 전지 자동차에 적용한 한 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 연료 전지 자동차에서의 연료 전지 시스템의 설치 구조를 도시하는 상면도이고, 도 2는 그 측면도이다. 도 3은 도 1에서의 A-A 단면도다.
이 설치 구조에서는 연료 전지 및 수소 탱크는 플로어 밑에 프런트(전방) 방향에서의 순서로 설치되어 있다. 플로어는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 프런트 플로어(1)의 뒷쪽 가장자리에 후방으로 일어나도록 유단성형(有段成形)된(도 2 참조) 리어 플로어(2)가 접합되어 형성되어 있다.
리어 플로어(2) 밑에는 전후 방향을 따라 좌우 한 쌍의 리어 프레임(13, 14)이 접합되고, 이 리어 프레임(13, 14)의 전단에 프런트 플로어(1)의 사이드 에지에 설치한 사이드 실(sill)(70, 80)과, 이 사이드 실(70, 80) 안쪽에 전후 방향을 따라 배치된 플로어 프레임(5, 6)이 각각의 프런트 브래킷(11, 12)을 통해 접속되며, 플로어 밑에 좌우 한 쌍의 Y자형 프레임(43, 43)이 형성되어 있다. 그리고 리어 플로어(2)의 단차부(3)의 안쪽에는 크로스 멤버(4)(도 1 참조)가 차폭 방향에 걸쳐 접합되어 있다.
여기서 리어 프레임(13, 14)과 플로어 프레임(5, 6)으로 본 발명에서의 메인 프레임을 구성한다.
여기서 프런트 플로어(1)의 양쪽 가장자리에는 좌우에 인사이드 실(7, 8)이 각각 접속되고, 각 인사이드 실(7, 8)의 후단부는 인사이드 실 익스텐션(9, 10)이 설치되며, 인사이드 실(7, 8)에 아웃사이드 실(7’, 8’)(도 1 참조)이 접합되어 상기 사이드 실(70, 80)이 형성되어 있다.
각 리어 프레임(13, 14)의 후단부 하면에는 위로 열린 단면 형상의 리어 브래킷(17, 18)(도 2 참조)이 설치되어 있다. 이 리어 브래킷(17, 18)은 그 측벽이 리어 프레임(13, 14)의 양쪽 벽 외면에 접합되고, 앞쪽 부분의 바닥 벽에는 컬러 너트(19, 20)(도 2 참조)이 설치되어 있다.
여기서 도 1에 도시된 바와 같이, 좌우의 리어 프레임(13, 14)의 사이에는 전후로 2개의 크로스 멤버(4A, 4B)가 접합되고, 각각의 후단부, 구체적으로는 리어 브래킷(17, 18)의 후단으로 범퍼 빔(21)(도 1 참조)이 설치되어 있다.
그리고 프런트 브래킷(11, 12)과 리어 브래킷(17, 18)의 각 컬러 너트(15, 16, 19, 20)에 아래쪽에서 서브 프레임(22)이 볼트(23, 23, 23, 23)에 의해 고정되어 있다.
서브 프레임(22)은 좌우의 프레임 부재(24, 25)와 전후의 프레임 부재(26, 27)에 의해 거의 직사각형 테두리 형상으로 형성된 부재로 차폭 방향에 크로스 빔(28)을 구비하고, 이 크로스 빔(28)에 의해 나눈 스페이스에 2개의 수소 탱크(29, 30)가 각각 밴드(31, 32)에 의해 체결되어 차체에 고정되어 있다.
차폭 방향과 평행하게 배치된 수소 탱크(29, 30)는 리어 플로어(2)와는 일정 간극을 형성하도록 상하 방향의 위치가 설정되어 있다.
서브 프레임(22)에는 서스펜션 유닛(33)이 설치되고, 이 서스펜션 유닛(33)에 타이어(미도시)가 설치되어 있다.
그리고 좌우의 프레임 부재(24, 25)의 전단과 앞 부분의 프레임 부재(26)의 양단의 코너부에는 상기 컬러 너트(15, 16)에 삽입되는 볼트(23, 23)의 삽통부(34, 35)(도 1 참조)가 마련되고, 상기 좌우의 프레임 부재(24, 25)의 후단과 뒷부분의 프레임 부재(27)의 양단의 코너부에는 상기 컬러 너트(19, 20)에 삽입되는 볼트(23, 23)의 삽통부(36, 37)가 마련되어 있다.
이와 같이 구성된 서브 프레임(22)의 각 삽통부(34, 35, 36, 37)에 볼트(23, 23, 23, 23)를 삽입하고, 이 볼트(23, 23, 23, 23)를 리어 프레임(13, 14)의 프런트 브래킷(11, 12)과 리어 브래킷(17, 18)에 설치시킨 컬러 너트(15, 16, 19, 20)에 삽입하여 체결 고정함으로써 서브 프레임(22)을 플로어 프레임(5, 6)에 고정하고 있다.
프런트 플로어(1) 밑에는 상기 좌우의 플로어 프레임(5, 6)에 걸터앉듯이 연료 전지(38)와 가스 배관 등의 주변 기기를 포함하는 연료 전지 유닛(NU)이 수납된 연료 전지 박스(39)가 배치되어 있다. 연료 전지(38)는 상기 수소 탱크(29, 30)로 부터 공급되는 수소 가스와, 컴프레서(미도시)로부터 공급되는 공기 중의 산소와의 전기 화학반응으로 발전을 행하고, 차체(미도시) 앞 부분에 배치한 구동용 모터(미도시)에 발전 전력을 공급함으로써 연료 전지 자동차를 구동한다.
연료 전지 박스(39)는 도 3의 A-A 단면도에서 도시한 바와 같이, 연료 전지 유닛(NU)을 덮는 케이스 본체(39a)와 커버(39b)를 구비하고, 플로어 프레임(5, 6)의 바닥 벽(5a, 6a)에 아래쪽으로부터 볼트(40, 40)를 너트(41, 41)에 체결하여 케이스 본체(39a)와 커버(39b)를 고정하도록 되어 있다. 그리고 사이드 실(70(80))에는 센터 팔러(71(81))가 설치되고, 좌우의 플로어 프레임(5, 6)과 좌우의 사이드 실(70(80)) 사이에는 안쪽에서 3군데, 양쪽에서 6군데에 브래킷(42)이 설치되어 있다.
수소 탱크(29, 30)는 오른쪽으로 집합 배관(46)에 의해 접속되고, 이 집합 배관(46)에 접속된 고압 배관(47)이 서브 프레임(22)의 프레임 부재(25) 안쪽을 따라 앞쪽의 수소 탱크(29)의 앞 부분으로 돌아가며 프레임 부재(26, 24) 안쪽을 따라 왼쪽의 양 수소 탱크(29, 30) 사이에 배치된 레귤레이터(48)에 접속되고, 이 레귤레이터(48)로부터 앞쪽으로 연장되는 중압 배관(49)이 도 4에 도시한 바와 같이, 프레임 부재(24)에 설치되는 릴리프 밸브(50)와 접속되어 있다. 이 릴리프 밸브(50)에 접속되는 중압 배관(49)의 하류 쪽 부분이 서브 프레임(22)과 연료 전지 박스(39)의 폭 치수 내로 양자에 걸터앉아 양자를 횡단하도록 하고, 왼쪽의 Y자형 프레임(43)에 형성된 공간부인 크로치부(44)에 삽입되어 배열되며, 연료 전지 박스(39)의 왼쪽 뒷부분 안쪽으로부터 내부의 연료 전지 유닛(NU) 내로 삽입되어 있 다. 한편, 릴리프 밸브(50)에 접속되는 방출관(51)은 서브 프레임(22)을 구성하는 프레임 부재(26) 바깥쪽을 따라 연료 전지 박스(39)와 서브 프레임(22) 사이에 형성된 공간에 배색된다.
연료 전지 박스(39)에는 외기(外氣)를 도입하는 환기 구조가 마련되고, 외기에 의해 연료 전지 박스(39) 내가 환기되면서 연료 전지(38)에 대해 냉각이 행해진다.
수소 탱크(29, 30)에는 가압된 수소가 저장되고, 고압 배관(47) 및 중압 배관(49)을 통해 연료 전지 유닛(NU) 내에 공급된다. 고압 배관(47)의 수소 가스는 레귤레이터(48)에 의해 소정의 압력(예컨대, 0.5MPa)으로 감압된다. 이때, 예컨대, 레귤레이터(48) 내 밸브의 이상에 의해 고압 배관(47)의 수소 가스가 충분히 감압되지 않은 상태에서 중압 배관(49)에 도입되고, 중압 배관(49)의 수소 가스 압력이 상기 소정의 압력보다 높은 압력(예컨대, 0.8MPa)에 달하는 일이 있다. 중압 배관(49)의 압력이, 예컨대 2MPa 이상이 되는 것 같은 이상 시에는 릴리프 밸브(50)가 작동하여 방출관(51), 방출구(52)로부터 수소 가스가 배출되게 된다.
다음으로, 도 5를 사용하여 본 발명에 관련된 릴리프 밸브(50)의 방출관(51) 및 방출구(52)의 배치에 대해 설명한다.
도 5는 릴리프 밸브의 방출관의 배치 위치 및 연료 전지 박스의 환기 구조를 도시하는 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 연료 전지 박스(39)의 앞벽(120)에는 차폭 방향 우측부에 도입구(130)가 마련되어 있다. 도입구(130)는 외기 도입 경로(미도시)를 통해 팬(180)과 연결되어 있다. 연료 전지 박스(39)의 뒷벽(140)에는 차폭 방향 양쪽 부에 연료 전지 박스(39) 내를 유통한 환기류의 송출구(150, 150)가 마련되어 있다. 그리고 연료 전지 박스(39)의 뒷벽(140) 바깥쪽에는 송출구(150, 150)와 각각 접속 되어 차폭 방향 안쪽을 향해 연장되는 배기 덕트(160, 160)가 마련되어 있다. 각 배기 덕트(160)의 차폭 방향 중앙 부근에는 후방을 향해 환기류를 배출하는 배출구(170)가 각각 설치되어 있다.
배기 덕트(160)의 배출구(170)는 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 수소 탱크(29, 30)의 축선(C)보다 높은 위치에 설치되어 있다. 배출구(170)로부터 배출되는 열풍에 가열되듯이 릴리프 밸브(50)의 방출관(51)은 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 연료 전지 박스(39)의 뒷벽(140)을 대면한 프레임 부재(26)의 바깥쪽을 따라 배기 덕트(160)의 배출구(170)의 근방까지 연장되도록 배치된다. 방출관(51)의 방출구(52)는 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 배출구(170)와 거의 같은 높이, 즉 수소 탱크(29, 30)의 축선(C)보다 높은 위치에 위치되고 도 4에 도시한 바와 같이 비스듬하게 하향으로 되어 있다.
연료 전지(38)가 발전할 때에는 팬(180)의 송풍에 의해 외기 도입 경로를 통해 도입구(130)로부터 연료 전지 박스(39) 내에 외기가 도입된다. 이 외기가 환기류가 되고, 도 5의 (a)의 파선 화살표(A)로 도시한 바와 같이, 연료 전지 박스(39)의 뒷벽(140) 양쪽에 설치된 송출구(150, 150)를 향해 흐르기 때문에, 연료 전지(38)의 좌우 간격을 빠져나가듯이 유통하는 것이 된다. 또한 상하 방향에 있어서 도입구(130)가 송출구(150, 150)보다 아래쪽에 있기 때문에, 환기류가 도 5의 (b) 의 파선 화살표(B)로 도시한 바와 같이, 연료 전지(38)의 상하의 간격도 빠져나가도록 유통한다.
이 환기류에 의해 연료 전지 박스(39) 내가 환기됨과 동시에, 열교환으로 연료 전지(38)가 냉각된다. 연료 전지(38)로부터 열을 빼낸 환기류가 따뜻한 배기가 되고, 배출구(170, 170)로부터 후방으로 배출된다. 2개의 배출구(170, 170)는 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 수소 탱크(29, 30)의 축선(C)보다 높은 위치에 설치되어 있기 때문에, 배출구(170, 170)로부터의 배기가 수소 탱크(29, 30)의 상부를 향해 흐르기 때문에, 수소가 체류하기 쉬운 수소 탱크(29, 30)와 리어 플로어(2) 사이도 환기된다.
릴리프 밸브(50)의 방출관(51)은 연료 전지 박스(39)와 서브 프레임(22)에서의 프레임 부재(26) 사이의 공간에 설치되어 있기 때문에, 연료 전지 박스(39)로부터의 방사열에 의해 가열됨과 동시에, 배출구(170, 170)로부터 배기가 배출될 때에는 배기에 의해 가열된다. 따라서 저온 환경하에서 방출관(51) 및 방출구(52)가 눈 등에 얼어붙어 막힌 경우에도 연료 전지 자동차를 기동하면, 연료 전지(38)의 열로 폐색을 해소할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지 자동차를 저온 환경하에서 사용해도 눈이나 동결로 릴리프 밸브(50)가 기능하지 않는 것을 유효하게 방지할 수 있다.
또한 연료 전지 자동차의 주행 중에 눈을 끌어들였을 경우에도 방출관(51)의 방출구(52)는 연료 전지 박스(39)와 서브 프레임(22)에서의 프레임 부재(26) 사이의 공간에 설치되어 있기 때문에, 그 공간이 눈에 의한 폐색이 발생하기 어려운 부위라면, 연료 전지 박스(39)의 열로 방출구(52)가 가열되는 것에서 눈이나 동결에 의한 방출구(52)의 폐색을 효과적으로 방지할 수 있다.
연료 전지 자동차에 있어서는 수소의 사용에 대해 기술 기준이 마련되어 있다. 이 기술 기준에 의해, 예컨대 수소의 방출구는 객실/하물실에 직접 개방하지 마는 것, 휠 하우스에 개방하지 마는 것, 다른 용기를 향하게 하지 마는 것, 전기 단자를 향하게 하지 않는 것, 전방을 향하게 하지 마는 것 등이 요구되어 있다. 본 실시예에 의하면, 릴리프 밸브(50)의 방출관(51) 및 방출구(52)가 연료 전지 박스(39)와 서브 프레임(22) 사이의 공간에 배색되기 때문에, 그들 조건을 만족하면서 동결 대책을 취할 수 있다.
즉, 방출관(51)의 일부 및 방출구(52)의 배치 위치는 메인 프레임을 구성하는 플로어 프레임(5, 6) 및 리어 프레임(13, 14) 안쪽으로서 또한 연료 전지(38)와 수소 탱크(29, 30) 사이의 바닥 밑 영역으로 설정되고, 이 바닥 밑 영역은 전기 배선이나 다른 용기 등을 마련하지 않는 영역 때문에, 방출구로부터 기술 기준에서 규제된 부품을 향하여 수소를 방출할 일은 없다.
상기 실시예에서는 릴리프 밸브의 방출관 및 방출구에 대해 설명했지만, 수소 탱크(29, 30)의 이상 시, 예컨대 고온 시에 수소 탱크 내의 수소 가스를 긴급 방출한다. 긴급 방출 밸브를 마련한 경우는, 긴급 방출 밸브의 방출관 및 방출구를 상기 실시예와 같이 설정함으로써, 마찬가지로 기술 기준을 만족하면서 동결 대책을 취할 수 있다.
그리고 본 실시예에서는 방출관 및 방출구의 동결 대책으로서 연료 전지 자동차에 대해 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 예컨대, 고압 수소를 사용하는 수소 엔진의 가스 연료 자동차에도 적용할 수 있다. 이 경우는, 연료 전지는 수소 엔진 대신에 수소 엔진의 발열을 냉각하기 위해, 마찬가지로 수소 엔진 또는 그 냉각 기구에 외기를 유통시키지만, 그 외기가 유통하는 통로에 릴리프 밸브 또는 긴급 방출 밸브의 방출관 및 방출구를 마련하면 본 실시예와 같은 효과가 얻어진다.
본 발명은 연료 전지 자동차 및 가스 연료 자동차에 적용되어 사용 가능하다.

Claims (4)

  1. 연료 가스인 수소를 저장하는 수소 탱크와, 상기 수소 탱크로부터 수소를 공급받아 발전하는 연료 전지를 구비하고, 차량의 전후 방향으로 연장되는 좌우의 메인 프레임의 안쪽으로서 상기 차량의 바닥 밑에 상기 연료 전지, 상기 수소 탱크 순서로 차량의 앞쪽으로부터 배치된 연료 전지 자동차에 있어서,
    이상 시에 상기 연료 가스를 방출시키는 방출관을 갖고, 상기 방출관은 상기 좌우의 메인 프레임의 안쪽 및 상기 연료전지 및 상기 수소탱크 사이의 바닥 밑 영역에 배치된 방출구를 더 포함하는 연료 전지 자동차.
  2. 제1항에 있어서,
    적어도 상기 연료 전지를 수납한 연료 전지 박스와, 상기 연료 전지 박스 내의 수소를 환기하는 것으로, 상기 연료 전지 박스의 후방에 위치해 상기 방출구를 향해 환기풍을 송풍하는 환기 수단을 더욱 구비하는 연료 전지 자동차.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방출구는 상기 수소 탱크에서의 중심축보다 높은 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 자동차.
  4. 연료 가스를 저장하는 가스 저장 용기와, 상기 가스 저장 용기로부터의 연료 가스의 공급을 받아 동력을 발생하는 동력 발생 장치를 구비하는 가스 연료 자동차에 있어서,
    이상 시에 상기 연료 가스를 방출시키는 방출관을 갖고, 상기 방출관은 상기 동력 발생 장치에 의해 가열된 부위에 배치된 방출구를 더 포함하는 가스 연료 자동차.
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