JP2023554562A - 燃料電池用空気供給装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池用空気供給装置に係り、より詳細には、スタックの冷却のために空気を供給する送風ファンと、燃料電池内の反応のための空気を供給するブロワーとを別個に設けるようにして、ブロワーの効率的な作動による過熱を防止するようにし、燃料電池の保管の際に空気極へ酸素や異物などが供給されて燃料電池の損傷を引き起こすのを防ぐことができるようにし、ブロワーの空気発生部を介して供給される空気の一部を空気発生部の外部に向かって噴射するようにして、空気発生部の過熱を防ぎ、空気極へ供給される空気の温度を下げることができるようにする、燃料電池用空気供給装置に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用空気供給装置に係り、より詳細には、スタックの冷却のために空気を供給する送風ファンと、燃料電池内の反応のための空気を供給するブロワーとを別個に設けるようにして、ブロワーの効率的な作動による過熱を防止するようにし、燃料電池の保管の際に空気極へ酸素や異物などが供給されて燃料電池の損傷を引き起こすのを防ぐことができるようにし、ブロワーの空気発生部を介して供給される空気の一部を空気発生部の外部に向かって噴射するようにして、空気発生部の過熱を防ぎ、空気極へ供給される空気の温度を下げることができるようにする、燃料電池用空気供給装置に関する。

燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーを電気化学的に反応させて電気エネルギーに変換させるエネルギー変換装置であって、産業用、家庭用及び車両用電力を供給するだけでなく、小型の電気／電子製品、携帯機器の電力を供給するのにも用いられることができる。

燃料電池は、様々な種類が存在するが、下記特許文献のように高い電力密度を有する高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ、Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が主に使用されており、最も内側に膜電極接合体（ＭＥＡ、Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が位置し、膜電極接合体は、水素イオンを移動させることができる固体高分子電解質膜と、電解質膜の両面に設けられ、水素と酸素とが反応できるように触媒が塗布された電極層であるカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）及びアノード（Ａｎｏｄｅ）から構成される。このとき、アノード（Ａｎｏｄｅ）には水素が供給され、カソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）には空気が供給されることにより、空気に含まれている酸素と水素との反応による電気が生産される。

また、燃料電池では、反応に応じて多くの熱が発生するので、冷却のための流体が必ず供給されなければならない。

燃料電池は、冷却する方式によって水冷式と空冷式に区分されることができ、装置の構成を簡単にし、且つ小型化、軽量化を可能にするためには、空気を用いて冷却する空冷式が主に適用されており、一般に、下記特許文献のように、送風モジュールなどを介して反応のための空気と冷却のための空気が一緒に燃料電池へ供給されるようにしている。

このような場合、空気が供給されるカソードは、常に外部に開放された状態となって腐食の問題が発生し、外部環境に脆弱であるという問題がある。

したがって、ポンプやブロワーなどを介して空気を供給するシステムが開発されて使用されているが、ポンプの場合は、装置が肥大し、消費電力が過度に高いという問題があり、ブロワーの場合も、高速回転に伴う過熱で空気の温度が過度に高くなり、空気の相対湿度が過度に低くなって燃料電池の性能を低下させ且つ空気極の損傷を発生させるという問題点があった。

韓国公開特許第１０－２０１７－００７７８９７号公報

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、その目的は、スタックの冷却のために空気を供給する送風ファンと、燃料電池内の反応のための空気を供給するブロワーとを別個に設けるようにして、ブロワーの効率的な作動による過熱を防止するようにし、燃料電池の保管の際に空気極へ酸素や異物などが供給されて燃料電池の損傷を引き起こすのを防ぐことができるようにする燃料電池用空気供給装置を提供することにある。

本発明は、ブロワーの空気発生部を介して供給される空気の一部を空気発生部の外部に向かって噴射するようにして、空気発生部の過熱を防ぎ且つ空気極へ供給される空気の温度を下げることができるようにする燃料電池用空気供給装置を提供することにある。

本発明は、突出端上に設けられる一定の長さの噴射孔を用いて、空気発生部に向かった空気の噴射が行われるようにすることにより、空気発生部に対する正確かつ効率的な空気の噴射及び冷却を可能にする燃料電池用空気供給装置を提供することを目的とする。

本発明は、空気供給ダクトの傾斜部上に噴射孔を設けて空気の噴射が行われるようにすることにより、反応のための圧縮空気の供給と空気発生部に向かった冷却空気の噴射の両方が効果的に行われるようにする燃料電池用空気供給装置を提供することを目的とする。

本発明は、空気噴射部を介して噴射される空気が、空気発生部を囲むガイド部材に沿って流れるようにして、空気発生部に対する効果的な冷却を可能にする燃料電池用空気供給装置を提供することを目的とする。

本発明は、空気発生部の一端に固定部材を設けるようにするともに、ガイド部材を固定部材と結合させて一体に設けるようにすることにより、空気噴射部を介して噴射される空気が空気発生部の周辺に効率よく流れるようにする燃料電池用空気供給装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、次の構成を持つ実施形態によって実現される。

本発明の一実施形態によれば、本発明による燃料電池用空気供給装置は、燃料電池スタックの冷却のための空気を供給する送風ファンと、スタックの一側に取り付けられ、燃料電池内の反応のための空気を供給するブロワーと、を含むことを特徴とする。

本発明の他の実施形態によれば、本発明による燃料電池用空気供給装置において、前記ブロワーは、圧縮空気を発生させる空気発生部と、前記空気発生部によって発生した空気をスタック内に供給する空気供給ダクトと、前記空気発生部をスタックの一側に固定させる固定フレームと、を含むことを特徴とする。

本発明の別の実施形態によれば、本発明による燃料電池用空気供給装置において、前記ブロワーは、前記空気供給ダクト上に設けられ、空気発生部に向かって圧縮空気を噴射する空気噴射部を含むことを特徴とする。

本発明の別の実施形態によれば、本発明による燃料電池用空気供給装置において、前記空気噴射部は、前記空気供給ダクト上に突設される突出端と、前記突出端上に穿設され、空気発生部に向かって空気が噴射される通路を形成する噴射孔と、を含むことを特徴とする。

本発明の別の実施形態によれば、本発明による燃料電池用空気供給装置において、前記空気供給ダクトは、圧縮空気がスタックへ供給される方向に拡径されるように傾設される傾斜面を含むことにより、前記傾斜部上に空気噴射部が設けられるようにすることを特徴とする。

本発明の別の実施形態によれば、本発明による燃料電池用空気供給装置において、前記固定フレームは、前記空気発生部を囲むように設けられ、前記空気噴射部を介して噴射される空気が空気発生部の周囲を流れる通路を形成するようにするガイド部材を含むことを特徴とする。

本発明の別の実施形態によれば、本発明による燃料電池用空気供給装置において、前記固定フレームは、前記空気発生部の一端に固定されて空気発生部をスタックに固定させ、前記ガイド部材と結合されて一体に設けられる固定部材を含むことを特徴とする。

本発明は、前述した本実施例と後述する構成、組み合わせ及び使用関係によって次の効果を得ることができる。

本発明は、スタックの冷却のために空気を供給する送風ファンと、燃料電池内の反応のための空気を供給するブロワーとを別個に設けるようにして、ブロワーの効率的な作動による過熱を防止するようにし、燃料電池の保管の際に空気極へ酸素や異物などが供給されて燃料電池の損傷を引き起こすのを防ぐことができるようにするという効果がある。

本発明は、ブロワーの空気発生部を介して供給される空気の一部を空気発生部の外部に向かって噴射するようにして、空気発生部の過熱を防ぎ、且つ空気極へ供給される空気の温度を下げることができるようにするという効果がある。

本発明は、突出端上に設けられる一定の長さの噴射孔を用いて、空気発生部に向かった空気の噴射が行われるようにすることにより、空気発生部に対する正確かつ効率的な空気の噴射及び冷却を可能にするという効果がある。

本発明は、空気供給ダクトの傾斜部上に噴射孔を設けて空気の噴射が行われるようにすることにより、反応のための圧縮空気の供給と空気発生部に向かった冷却空気の噴射とが効果的に行われるようにするという効果がある。

本発明は、空気噴射部を介して噴射される空気が、空気発生部を囲むガイド部材に沿って流れるようにして、空気発生部に対する効果的な冷却を可能にするという効果がある。

本発明は、空気発生部の一端に固定部材を設けるようにするとともに、ガイド部材を固定部材と結合させて一体に設けるようにすることにより、空気噴射部を介して噴射される空気が空気発生部の周辺に効率よく流れるようにするという効果がある。

本発明の一実施形態による燃料電池用空気供給装置が設置された燃料電池スタックの斜視図である。 本発明の一実施形態による燃料電池用空気供給装置のブロワーの斜視図である。 図２の正面図である。 空気供給ダクトに空気噴射部が形成される一例を示す断面図である。

以下、本発明による燃料電池用空気供給装置の好適な実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。下記で本発明を説明するにあたり、公知の機能又は構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不要に不明確にするおそれがあると判断された場合には、その詳細な説明を省略する。明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

本発明の一実施形態による燃料電池用空気供給装置を図１～図４を参照して説明すると、前記燃料電池用空気供給装置は、燃料電池スタックＳの冷却のための空気を供給する送風ファン１と、スタックＳの一方の側に取り付けられ、燃料電池内の反応のための空気を供給するブロワー３と、を含む。

燃料電池は、複数の単セルが積層されてスタックＳを形成するようにすることが一般的であり、スタックＳ内の単セルには、冷却のための空気と、反応のための空気とが供給されなければならない。したがって、背景技術で前述したように、従来は、スタックＳが完全にオープン形態で形成され、一つの送風モジュールへ冷却のための空気と反応のための空気とが一緒に供給されるようにしたが、このような場合、特に空気極（Ｃａｔｈｏｄｅ）が完全開放された状態で形成されることにより、腐食及び外部環境に脆弱であるという問題があり、これにより燃料電池の耐久性が低下し、性能も早く低下して寿命が短縮されるという問題があった。

従って、反応及び冷却のための空気をポンプやブロワーなどを介して圧縮して提供するようにする技術も開発されたが、ポンプは、装置が肥大し、電力消費が過度に多いという問題があり、ブロワーも、冷却のための空気と反応のための空気とを一緒に供給する場合、流量確保のための作動程度を高めるしかなく、これにより過熱が発生して空気の温度が高くなるという問題がある。よって、冷却効果も良くなく、空気極へ供給される場合に高い温度と低い相対湿度により燃料電池の性能を低下させ、且つ燃料電池の損傷を発生させるおそれがあるという問題があった。

これにより、本発明では、冷却のための空気と反応のための空気が、送風ファン１及びブロワー３それぞれによって供給されるようにして、空気極を閉鎖状態に維持することができるようにしながら、ブロワー３を介しては反応のための空気のみを供給するようにすれば十分なので、その作動程度を下げて過熱の発生を防止し、供給される空気の温度を下げることができるようにした。ただし、ブロワー３は必然的に作動に応じて高い温度が発生するしかないので、ブロワー３を冷却させるための特有の構造を持つようにし、特に別途の冷却装置なしに既存のブロワー３のみでブロワー３自体の冷却を可能として、装置の構成を簡単にし且つ燃料電池の占有面積を最小限に抑えることができるようにした。

前記送風ファン１は、スタックＳに燃料電池の冷却のための空気を供給する構成であって、図１に示すように、スタックＳの一側面に形成されるようにして、回転に応じて外部空気がスタックＳ内へ供給されるようにすることができる。

前記ブロワー３は、スタックＳに反応のための空気を供給する構成であって、より正確には、燃料電池の空気極へ空気を供給するようにする。前記ブロワー３は、スクリューの回転力などによって空気を圧縮して、圧縮された空気をスタックＳへ供給するようにし、燃料電池の高い性能を確保するために十分に高い圧力で圧縮して空気を供給するようにする。前記ブロワー３は、スタックＳの一側面に装着され、スタックＳの内部へ圧縮空気を供給するようにし、特にスタックＳの内部に供給される圧縮空気の一部をブロワー３自体の外部に向かって噴射するようにして、ブロワー３の温度を下げることができるようにする。したがって、前記ブロワー３は、冷却のための別途の装置なしにも、過熱が防止できるようにし、空気極へ供給される温度を下げて相対湿度を高め、過度に乾燥した空気の供給を介して燃料電池の性能が低下し且つ損傷が発生するのを防ぐことができるようにする。このために、前記ブロワー３は、空気発生部３１、空気供給ダクト３２、空気噴射部３３、及び固定フレーム３４を含むことができる。

前記空気発生部３１は、圧縮空気を発生させる構成であって、スクリュー等の回転に応じて空気を圧縮してスタックＳの内部へ供給されるようにする。前記空気発生部３１は、前記固定フレーム３４によって支持されてスタックＳの一側面に固定されるようにすることができ、空気発生部３１によって圧縮された空気は、前記空気供給ダクト３２を介してスタックＳ内の空気極へ供給される。より正確には、前記空気発生部３１によって供給される空気は、スタックＳ内のマニホールドを介してスタックＳ内の各単セルの空気極へ供給されるようにすることができる。特に、前記空気発生部３１には、前記空気噴射部３３によって空気が噴射されるようにし、これにより空気発生部３１が冷却されて過熱が防止され、スタックＳへ供給される空気の過度に高くなる温度を下げることができるようにする。

前記空気供給ダクト３２は、空気発生部３１とスタックＳの内部とを連結する構成であって、空気発生部３１によって圧縮される空気がスタックＳ内部の空気極へ供給されるようにする。特に、前記空気供給ダクト３２上には、空気発生部３１側に空気噴射部３３が形成され、空気発生部３１に向かって圧縮空気を噴射することができるようにする。また、前記空気供給ダクト３２は、スタックＳの内部に向かう方向に傾斜して空気供給ダクト３２の内部が拡径されるように設けられる傾斜面３２１を含むようにすることができ、傾斜面３２１上に空気噴射部３３が設けられることができるようにする。これにより、前記空気供給ダクト３２は、傾斜面３２１に空気噴射部３３が設けられることにより、スタックＳへ供給される圧縮空気の流れを最大限維持しながら、空気発生部３１に向かった圧縮空気の噴射も強い圧力で行われるようにすることができる。

前記空気噴射部３３は、空気供給ダクト３２上に設けられ、空気発生部３１に向かって圧縮空気を噴射する構成であって、前記傾斜面３２１上に設けられるようにすることができる。一例として、前記空気噴射部３３は、図３に示すように、空気発生部３１の下側に向かって空気を噴射するようにすることができ、空気発生部３１の下側に噴射される空気が、後述するガイド部材３４２に沿って空気発生部３１を囲んで流れるようにすることができる。前記空気噴射部３３は、空気発生部３１に向かった効果的な空気の噴射のために突出端３３１及び噴射孔３３２を含むことができる。

前記突出端３３１は、前記傾斜面３２１上に突設される構成であって、前記空気発生部３１に向かって一定の空間を持つように形成されることができる。したがって、前記突出端３３１内に噴射孔３３２が一定の長さをもって穿設されるようにすることができ、噴射孔３３２を通過する空気が十分な圧力と速度を持つことにより、空気発生部３１に向かって正確に噴射できるようにする。

前記噴射孔３３２は、前記突出端３３１上に穿設され、空気発生部３１に向かって空気が噴射されるようにする構成であって、空気供給ダクト３２の内部と外部とを連通させる空間を形成するようにする。前記噴射孔３３２は、その方向が空気発生部３１の下側を向くように設けられることができる。これにより、噴射孔３３２を通過する空気が正確に空気発生部３１の下側に流入するようにする。また、前記噴射孔３３２は、突出端３３１内に一定の長さを有する状態で設けられることにより、圧縮空気の流れを妨げることなく、十分な圧力と速度で空気発生部３１に向かって空気が噴射されるようにすることができ、これにより、空気発生部３１の冷却が効果的に行われるようにすることができる。

前記固定フレーム３４は、空気発生部３１をスタックＳの一側面に固定させる構成であって、特に、前記空気噴射部３３を介して噴射される空気が空気発生部３１の周囲を囲みながら流れることができるようにして、空気発生部３１の効果的な冷却を可能とする。このために、前記固定フレーム３４は、固定部材３４１及びガイド部材３４２を含むことができる。

前記固定部材３４１は、空気発生部３１の一端に結合されてスタックＳの一側面に固定されるように形成されることができ、その後端には、ガイド部材３４２が結合して一体に設けられるようにする。よって、前記固定部材３４１は、空気発生部３１の一側面を塞ぐことができるようにし、固定部材３４１の後端に一体に結合するガイド部材３４２によって空気発生部３１の後側が遮断されることで、空気噴射部３３を介して噴射される空気がガイド部材３４２に沿って空気発生部３１の周辺へ流れることができるようにする。ここで、後側とは、前記空気噴射部３３とは反対側を意味する。空気噴射部３３によって噴射される空気が、空気発生部３１の後側のガイド部材３４２にぶつかりながらガイド部材３４２に沿って流れることができるようにする。

前記ガイド部材３４２は、前記空気発生部３１を囲むように形成される構成であって、空気発生部３１の後側から前側にラウンドされるように形成され、前記空気噴射部３３によって噴射される空気の流れをガイドするようにする。また、前記ガイド部材３４２は、空気発生部３１の後側で前記固定部材３４１と結合されて一体に設けられるようにすることにより、空気噴射部３３によって噴射される空気が離脱するのを防ぐことができるようにし、前記ガイド部材３４２にぶつかってガイド部材３４２に沿って移動し、空気発生部３１の前側へ排出されるようにする。よって、前記空気噴射部３３によって噴射される空気は、空気発生部３１の後端から空気発生部３１の前側へ空気発生部３１を囲んで流れることができる。これにより、空気噴射部３３によって噴射される空気を用いた空気発生部３１の効果的な冷却が行われるようにすることができる。

以上、出願人は、本発明の様々な実施形態を説明したが、これらの実施形態は、本発明の技術的思想を実現する一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想を実現する限り、如何なる変更例又は修正例も本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

１ 送風ファン ３ ブロワー
３１ 空気発生部 ３２ 空気供給ダクト
３２１ 傾斜面 ３３ 空気噴射部
３３１ 突出端 ３３２ 噴射ホール
３４ 固定フレーム ３４１ 固定部材
３４２ ガイド部材 Ｓ スタック

Claims (7)

1. 燃料電池スタックの冷却のための空気を供給する送風ファンと、
   スタックの一側に取り付けられ、燃料電池内の反応のための空気を供給するブロワーと、を含むことを特徴とする、燃料電池用空気供給装置。
2. 前記ブロワーは、
   圧縮空気を発生させる空気発生部と、
   前記空気発生部によって発生した空気をスタック内へ供給する空気供給ダクトと、
   前記空気発生部をスタックの一側に固定させる固定フレームと、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用空気供給装置。
3. 前記ブロワーは、
   前記空気供給ダクト上に設けられ、空気発生部に向かって圧縮空気を噴射する空気噴射部を含むことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用空気供給装置。
4. 前記空気噴射部は、
   前記空気供給ダクト上に突設される突出端と、
   前記突出端上に穿設され、空気発生部に向かって空気が噴射される通路を形成する噴射孔と、を含むことを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池用空気供給装置。
5. 前記空気供給ダクトは、
   圧縮空気がスタックへ供給される方向に拡径されるように傾設される傾斜面を含むことにより、前記傾斜部上に空気噴射部が設けられるようにすることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池用空気供給装置。
6. 前記固定フレームは、
   前記空気発生部を囲むように設けられ、前記空気噴射部を介して噴射される空気が空気発生部の周囲を流れる通路を形成するようにするガイド部材を含むことを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池用空気供給装置。
7. 前記固定フレームは、
   前記空気発生部の一端に固定されて空気発生部をスタックに固定させ、前記ガイド部材と結合されて一体に設けられる固定部材を含むことを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池用空気供給装置。