KR100579308B1 - 연료전지의 유량분배 안정장치 - Google Patents

Abstract

개시된 연료전지의 유량분배 안정장치는, 연료전지 스택과; 상기 연료전지 스택 내에 배치되는 것으로, 다중셀의 결합체로 이루어진 모듈과; 상기 연료전지 스택 내의 중앙 일측에 배치되어 상기 연료전지 스택으로 공급된 반응가스를 상기 모듈의 내부로 향하도록 방향전환이 이루어지도록 하는 중앙분배구조와; 상기 중앙분배구조를 통과한 반응가스가 각각의 셀로 전해지는 유체의 유로를 형성하는 매니폴드와; 상기 매니폴드의 일측에 설치되어 상기 중앙분배구조를 통해서 들어오는 반응가스 전체 유량 중 일정 비율을 그 윗면의 상기 매니폴드의 유로를 통해서 공급하도록 유량을 분리하는 분리창과; 상기 연료전지 스택의 외부로부터 연료와 공기를 공급하게 하고, 그 외부로 배출되도록 하기 위해 상기 연료전지 스택의 일측에 설치된 반응가스 입출부와; 상기 중앙분배구조의 좌우에 일정 간격으로 다수개가 배치되어 연료전지 반응부에 공급가스가 전달되도록 하는 분리판과; 상기 분리판 사이에 각각 다수개가 설치되어 연료전지에서 실제 전기가 발생되도록 하는 전극막과; 상기 중앙분배구조의 상부 일측에 설치되어 상기 중앙분배구조를 통과한 반응가스가 상기 매니폴드로 유입시 각 국소 셀로의 유량분배를 원활하게 돕는 유동흐름 방해물과; 상기 중앙분배구조의 일측에 설치되어 실제 전기화학반응에는 참여하지는 않지만, 국소 셀의 유량갈증으로 인한 시스템 성능정지 현상을 방지하는 더미셀;을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 연료전지 스택 내 유량동특성 제어를 통한 스택 성능저하 를 방지할 수 있고, 급가속 등에 의한 연료전지 스택 입구로 유입되는 반응기체의 순간적 대유량(요구출력) 변화에 대해서는 유동흐름 방해물과 더미셀의 삽입을 통해서 가변 부하시 안정된 셀 성능을 확보할 수 있는 이점이 있다.

연료전지, 연료전지 스택, 매니폴드

Description

연료전지의 유량분배 안정장치{SYSTEM FOR STABILIZING FLOW DISTRIBUTION FOR FUEL CELL}

도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 유량분배 안정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도.

도 2는 도 1의 개략적인 측단면도.

도 3 및 도 4는 더미셀의 삽입 전과 후의 국소 셀 전압 분포를 나타내 보인 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 연료전지 스택

2. 모듈

3. 중앙분배구조

4. 매니폴드

5. 분리창

6. 반응가스 입출부

7. 분리판

8. 전극막

9. 유동흐름 방해물

10. 더미셀

본 발명은 연료전지의 유량분배 안정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 스택 내의 유량동특성 제어를 통하여 스택 성능저하를 방지하고, 유동흐름 방해물과 더미셀의 삽입을 통하여 가변 부하시 안정된 셀 성능을 확보하도록 개선된 연료전지의 유량분배 안정장치에 관한 것이다.

연료전지 자동차는 각각의 부하에 따른 연료 소비율을 일정하게 유지함으로써 공급 수소 및 공기 사용량의 최적화를 추구하며, 이를 정의하는 지수로써 스토이키오메트리(Stoichiometry)를 정의한다. 특히 대용량 스택에서는 체결장치를 이용하여 일정수의 연료전지 셀을 모듈단위로 구성하며, 이들 모듈에 연료 및 공기를 공급하는 중앙분배구조형태를 취한다.

상기 중앙유량분배구조장치(Centre Block)는 각각의 모듈로 반응기체를 공급할 뿐만 아니라, 각각의 모듈에서 나오는 잔류 반응기체와 생성수를 스택 외부장치로 내보내는 출구의 역할도 동시에 수행한다.

그리고 중앙분배장치로 들어온 반응기체들은 매니폴드(manifold)라 불려지는 단위 셀 외곽유로를 통하여 모듈 전체에 분배되고, 최종적으로는 매니폴드에서 단위 셀의 공급기체유로를 통해서 궁극적으로 전기 화학반응을 일으키는 촉매지역으로 이동하게 된다.

따라서 스택 내부의 반응기체 공급부의 시작인 중앙분배구조장치로부터 각각 모듈의 매니폴드에서의 유동 불안정화는 전체 연료전지시스템의 오작동 또는 셧다운(shutdown)으로 이어질 수 있다.

현재 연료전지 자동차는 급가속 또는 급가변 부하시 종래 내연기관 자동차에 비하여 반응시간이 훨씬 오래 걸린다. 이는 스택 내부 유동의 불안정화에 따른 순간적 성능저하를 방지하고자 차량 제어 알고리즘을 통해서 반응기체 유량 분포의 개선을 추구하기 때문이다.

하지만, 잠재적 연료전지 차량 구매자들은 연료전지 차량의 강점으로 부각되는 친환경성 외에 기계적 성능지수인 가속성을 차량 우수성 판별기준으로 인식하고 있으며, 적어도 현 내연기관 자동차에 버금가는 차량 가속성을 요구할 것이다.

또한 연료전지 스택의 소형화 및 경량화 추세에 따른 유로 단면적의 증가는 유동 불안정성(Flow Instability)을 더욱 증가시킬 것이며, 따라서 제어적 알고리즘에 의한 스택내부 유량변화의 조절은 이를 만족시키는 궁극적 해결 방안은 아니다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 연료전지 스택 내의 유량동특성 제어를 통하여 스택 성능저하를 방지하고, 유동흐름 방해물과 더미셀의 삽입을 통하여 가변 부하시 안정된 셀 성능을 확보하도록 한 연료전지의 유량분배 안정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지의 유량분배 안정장치는, 연료전지 스택과; 상기 연료전지 스택 내에 배치되는 것으로, 다중셀의 결합체로 이루어진 모듈과; 상기 연료전지 스택 내의 중앙 일측에 배치되어 상기 연료전지 스택으로 공급된 반응가스를 상기 모듈의 내부로 향하도록 방향전환이 이루어지도록 하는 중앙분배구조와; 상기 중앙분배구조를 통과한 반응가스가 각각의 셀로 전해지는 유체의 유로를 형성하는 매니폴드와; 상기 매니폴드의 일측에 설치되어 상기 중앙분배구조를 통해서 들어오는 반응가스 전체 유량 중 일정 비율을 그 윗면의 상기 매니폴드의 유로를 통해서 공급하도록 유량을 분리하는 분리창과; 상기 연료전지 스택의 외부로부터 연료와 공기를 공급하게 하고, 그 외부로 배출되도록 하기 위해 상기 연료전지 스택의 일측에 설치된 반응가스 입출부와; 상기 중앙분배구조의 좌우에 일정 간격으로 다수개가 배치되어 연료전지 반응부에 공급가스가 전달되도록 하는 분리판과; 상기 분리판 사이에 각각 다수개가 설치되어 연료전지에서 실제 전기가 발생되도록 하는 전극막과; 상기 중앙분배구조의 상부 일측에 설치되어 상기 중앙분배구조를 통과한 반응가스가 상기 매니폴드로 유입시 각 국소 셀로의 유량분배를 원활하게 돕는 유동흐름 방해물과; 상기 중앙분배구조의 일측에 설치되어 실제 전기화학반응에는 참여하지는 않지만, 국소 셀의 유량갈증으로 인한 시스템 성능정지 현상을 방지하는 더미셀;을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명에 따른 연료전지의 유량분배 안정장치의 구성을 개략적으 로 나타낸 구성도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 측단면도가 개략적으로 도시되어 있다.

도면을 각각 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지의 유량분배 안정장치는, 후술하는 반응가스 입출부(6)와 모듈(2) 및 중앙분배구조(3)를 수납하는 연료전지 스택(1)과, 이 연료전지 스택(1) 내에 배치되는 것으로 다중셀의 결합체로 이루어진 모듈(2)과, 상기 연료전지 스택(1) 내의 중앙 일측에 배치되어 연료전지 스택(1)으로 공급된 반응가스를 모듈(2)의 내부로 향하도록 방향전환이 이루어지도록 하는 중앙분배구조(3)와, 이 중앙분배구조(3)를 통과한 반응가스가 각각의 셀로 전해지는 유체의 유로를 형성하는 매니폴드(4)와, 이 매니폴드(4)의 일측에 설치되어 중앙분배구조(3)를 통해서 들어오는 반응가스 전체 유량 중 일정 비율을 그 윗면의 매니폴드(4)의 유로를 통해서 공급하도록 유량을 분리하는 분리창(5)을 포함하여 구성된다.

그리고 본 발명에 따른 연료전지의 유량분배 안정장치에는, 상기 연료전지 스택(1)의 외부로부터 연료와 공기를 공급하게 하고 그 외부로 배출되도록 하기 위해 연료전지 스택(1)의 일측에 설치된 반응가스 입출부(6)와, 상기 중앙분배구조(3)의 좌우에 일정 간격으로 다수개가 배치되어 연료전지 반응부에 공급가스가 전달되도록 하는 분리판(7)과, 이 분리판(7) 사이에 각각 다수개가 설치되어 연료전지에서 실제 전기가 발생되도록 하는 전극막(8)과, 상기 중앙분배구조(3)의 상부 일측에 설치되어 중앙분배구조(3)를 통과한 반응가스가 매니폴드(4)로 유입시 각 국소 셀로의 유량분배를 원활하게 돕는 유동흐름 방해물(Screen)(9)과, 상기 중앙 분배구조(3)의 일측에 설치되어 실제 전기화학반응에는 참여하지는 않지만 국소 셀의 유량갈증(Flow Starvation)으로 인한 시스템 성능정지 현상을 방지하는 더미셀(Dummy Cell)(10)이 구비된다.

또한 상기 중앙분배구조(3)의 상부 및 하부에 적어도 하나 형성된 만곡부는 곡면으로 형성된다. 상기 만곡부는 도 1에 도시된 바와 같이 한 개가 형성될 수도 있고, 반대편의 매니폴드(4)와의 접촉되는 부위에도 형성되어 1차로 굴곡된 유입기체가 반대편 매니폴드(4)와의 2차 굴절에 의해 매니폴드(4) 시작부에 유량공급을 원활히 촉진할 수 있다.

그리고 상기 분리창(5)은 단순히 고체응집물이 아니고, 유량 흐름이 가능하도록 다공성부재로 이루어진다. 또한 이 분리창(5)은 직선 형태로 이루어질 수도 있으나, 유체의 흐름을 가변시키기 위해 다수개의 단차가 형성되며 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고 상기 분리창(5)의 위치는, 유량 및 연료전지 스택(1)의 길이에 따라 변동되며 배치된다.

또한 상기 유동흐름 방해물(9)은 최소 압력강하를 요하는 박판에 단순하게 다수개의 홀이 형성되며 이루어지거나, 햇빛 차단 블라인드와 같은 형상으로 이루어질 수도 있다. 그리고 이 유동흐름 방해물(9)은 유동흐름 방향에 대하여 직각으로 배치될 수도 있고, 소정 각도를 갖으며 배치될 수도 있다. 이러한 유동흐름 방해물(9)은 낚시 뜰채의 형상으로 이루어질 수 있다.

그리고 상기 더미셀(10)의 개수는 꼭 중앙부에 국한되지 않으며, 연료전지 스택(1) 양단에 배치될 수 있으며, 이 더미셀(10)의 수는 필요에 따라 여러 개를 사용할 수 있다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 연료전지의 유량분배 안정장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도면을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지의 유량분배 안정장치는, 상기 더미셀(10)과 반응기체 유동흐름 방해물(9)을 연료전지 스택(1) 내부에 삽입함으로써 순간적 차량부하 급변화시 특히, 중앙유량분배구조 주변 셀과 모듈(2)의 끝부분에서 발생하는 유량갈증 현상을 감소시키는 유량분배 안정화 장치이다.

이러한 유량안정화 장치로서 상기 더미셀(10)과 유동흐름 방해물(9)과 분리창(5)을 독립적으로 또는 혼합해서 사용할 수 있으며, 연료전지 성능 및 유량 분배 안정화에 미치는 역할을 살펴보기로 하겠다.

그리고 도 3의 참조부호 A는, 급격한 가변부하에 따른 유량변화시 발생하는 중앙부 유량 갈증(Flow Instability)에 의해 발생하는 국소 성능저하를 나타내 보인 것이소 B는, 급격한 가변부하에 따른 유량변화시 발생하는 스택(1) 외곽셀 유량 갈증에 의해 발생하는 국소 성능저하를 나타내 보인 것이다.

그리고 도 4는 상기 더미셀(10)을 중앙분배구조(3) 바로 옆 및 모듈(2)의 양단에 삽입시 이러한 유량 갈증현상이 해소되고 이에 따라 모듈(2) 전체적으로 연료전지 성능이 안정된 모습을 나타내 보인 것이다.

참고로 연료전지 스택(1) 크기를 소형화하면서 전체유량의 변화가 없을 때 중앙분배구조(3) 및 매니폴드(4)를 흐르는 반응기체의 유속은 더 증가하게 된다. 따라서 유동 불안정에 따른 국소 유량갈증에 따른 연료전지 성능저하 및 제어 시스 템 오작동을 방지하기 위해서는 더 많은 수의 더미셀(10) 삽입이 필요할 지도 모른다.

하지만, 많은 수의 더미셀(10) 삽입은 다른 방향으로의 부피 및 길이 증가를 일으키므로 본 발명의 장치와 결합될 때 상기 더미셀(10)은 최적의 효과를 가져온다고 할 수 있겠다.

이를 보다 구체적으로 설명한다.

우선, 연료전지 구동에 필요한 작동기체는 상기 반응가스 입출부(6)를 통해서 공급된다.

그리고 정상적인 유동에서는 분리창(5)을 통하여 모듈(2)의 끝단에 이르는 반응가스의 양을 증가시킬 수 있다. 이때 분리창(5)의 위치는 매니폴드(4)의 크기와 전체 모듈(2) 길이에 따라 최적조건을 도출하여 조절되어야 한다.

또한 일반적으로 차량의 급가속시처럼 요구되어지는 반응가스의 양이 큰 폭으로 변화할 때 연료전지 전체 유동장에서는 국부적으로 순간적인 역압력구배가 형성될 수가 있으며 또한 중앙분배구조(3)의 형상에 따라 유량 경계층이 유량의 증가와 함께 발달하여 중앙분배구조(3) 바로 옆에 있는 셀로의 유량 공급이 제약될 수 있다.

그리고 상기 모듈(2)의 끝단에서도 매니폴드(4)내 압력이 비정상적으로 분포하여 결과적으로 중앙분배구조(3) 바로 옆과 양단에서 분리판(7)을 통한 스택(1) 입출구 사이의 유량 흡인력(Suction)에 의한 국소 연료전지 성능저하가 초래될 수 있다. 이 경우 연료전지 전력생산부인 전극막(8)의 파손 및 연료전지 시스템 제어 알고리즘의 오판에 의한 시스템 정지현상이 발생할 수 있다.

이어서, 상기 연료전지 스택(1)으로의 유입 유량이 순간적으로 과도하게 변화할 때 이를 방지하기 위하여 첫 번째 방안으로 더미셀(10)을 삽입한다. 더미셀(10)은 다른 셀과는 다르게 작동기체가 통과만 할 뿐 실제 전력생산에는 참여하지 않으며 따라서 셀 성능을 모니터링하기 위한 감응장치 등이 필요 없으며 셀을 통과한 반응기체들은 반응가스 입출부(6) 부분에서 포집하여 재순환장치를 이용하여 재활용할 수 있다.

그리고 적정 수 이상의 더미셀(10) 삽입은 결과적으로 불필요한 연료전지 스택(1) 부피의 증가를 초래하게 된다. 따라서 부가적으로 중앙분배구조(3)를 통과하는 연료 및 공기의 정상유동발달현상을 파괴하고 유동의 혼합을 촉진하여 각 분리판(7)으로 분배되는 유량 향상을 유도하는 별도의 장치가 필요하다.

이를 위하여 유동흐름 방해물(9)을 개발하여 스택(1) 내부에 삽입하여 앞에서 언급된 효과를 기대할 수 있다. 이러한 유동흐름 방해물(9)의 형상은 얇은 판에 구멍을 뚫거나 아니면 햇빛차단용 블라인드 형상 등 유량의 균일한 패턴을 방해할 수 있는 다양한 형상이 될 수 있다. 이때 중앙분배구조(3)로부터 매니폴드(4)에 이르는 유로에서의 압력강하는 최소로 하는 설계 및 디자인이 요구된다.

한편, 상기 연료전지 스택(1)은 모든 구성 셀에 균일하게 유량이 분포되고 전기가 발생할 때 안정된 성능을 보여준다. 특히 차량 응용시처럼 연료전지 스택(1)의 소형화가 절실히 요구되는 분야에서는 반응가스를 공급 분배하는 중앙분배구조(3) 및 매니폴드(4) 부분에서의 단면적 감소로 인하여 공급 유량의 속도가 상당 히 빠르고, 이에 따라 유동의 불안정성이 증가하게 된다.

단순한 제어 알고리즘에 기반한 연료전지 스택(1) 성능 저하 방지는 일시적 방편은 될 수 있으나 궁극적 해결책은 주지 못한다. 기술적으로 국부 유량 갈증(Flow Starvation) 현상 및 역압력 구배에 의한 흡인력(Suction)으로 연료전지 셀의 수명을 단축하는 부정적 영향을 초래할 수 있다.

따라서 이러한 유동 불안(Flow Instability)에 의한 국부적 셀 성능 저하를 해결하기 위해서 추가적 유량 흐름 조절장치가 요구되어진다. 임의의 작동 상황 하에서 상시 존재할 수 있는 스택(1) 양단으로의 유량 분배 향상장치는 중앙분배구조(3)의 만곡부 형상변화와 분리판(7) 제작시 분리창(5)을 설치함으로써 달성할 수 있으며 순간적 대유량 변화에 대해서는 유동흐름 방해물(9)과 더미셀(10)의 삽입을 통해서 가변부하시 안정된 셀 성능을 확보할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지의 유량분배 안정장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.

스택의 소형화가 절실히 요구되는 분야에서는 반응가스를 공급 및 분배하는 중앙분배구조 및 매니폴드 부분에서의 단면적 감소로 인하여 공급 유량의 속도가 굉장히 빠르고, 이에 따라 유동의 불안정성이 증가하게 된다. 따라서 본 발명을 적용함으로써 연료전지 스택 내 유량동특성 제어를 통한 스택 성능저하를 방지할 수 있다.

그리고 급가속 등에 의한 연료전지 스택 입구로 유입되는 반응기체의 순간적 대유량(요구출력) 변화에 대해서는 유동흐름 방해물과 더미셀의 삽입을 통해서 가변 부하시 안정된 셀 성능을 확보할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

1. 연료전지 스택과;

   상기 연료전지 스택 내에 배치되는 것으로, 다중셀의 결합체로 이루어진 모듈과;

   상기 연료전지 스택 내의 중앙 일측에 배치되어 상기 연료전지 스택으로 공급된 반응가스를 상기 모듈의 내부로 향하도록 방향전환이 이루어지도록 하는 중앙분배구조와;

   상기 중앙분배구조를 통과한 반응가스가 각각의 셀로 전해지는 유체의 유로를 형성하는 매니폴드와;

   상기 매니폴드의 일측에 설치되어 상기 중앙분배구조를 통해서 들어오는 반응가스 전체 유량 중 일정 비율을 그 윗면의 상기 매니폴드의 유로를 통해서 공급하도록 유량을 분리하는 분리창과;

   상기 연료전지 스택의 외부로부터 연료와 공기를 공급하게 하고, 그 외부로 배출되도록 하기 위해 상기 연료전지 스택의 일측에 설치된 반응가스 입출부와;

   상기 중앙분배구조의 좌우에 일정 간격으로 다수개가 배치되어 연료전지 반응부에 공급가스가 전달되도록 하는 분리판과;

   상기 분리판 사이에 각각 다수개가 설치되어 연료전지에서 실제 전기가 발생되도록 하는 전극막과;

   상기 중앙분배구조의 상부 일측에 설치되어 상기 중앙분배구조를 통과한 반 응가스가 상기 매니폴드로 유입시 각 국소 셀로의 유량분배를 원활하게 돕는 유동흐름 방해물과;

   상기 중앙분배구조의 일측에 설치되어 실제 전기화학반응에는 참여하지는 않지만, 국소 셀의 유량갈증으로 인한 시스템 성능정지 현상을 방지하는 더미셀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 유량분배 안정장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 중앙분배구조의 상부 및 하부에 적어도 하나 형성된 만곡부는 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 유량분배 안정장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 분리창은 유량 흐름이 가능하도록 다공성부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 유량분배 안정장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 분리창은 유체의 흐름을 가변시키기 위해 다수개의 단차가 형성되며 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 유량분배 안정장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 분리창의 위치는, 유량 및 상기 연료전지 스택의 길이에 따라 변동되며 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 유량분배 안정장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 유동흐름 방해물은, 최소 압력강하를 요하는 박판에 다수개의 홀이 형성되며 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 유량분배 안정장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 유동흐름 방해물은, 유동흐름 방향에 대하여 소정 각도를 갖으며 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지의 유량분배 안정장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 유동흐름 방해물은, 낚시 뜰채의 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 유량분배 안정장치.

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