KR100794021B1 - 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택 - Google Patents

유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스택에 구비된 냉각수 매니폴드의 내측에 지지 발열부를 설치하여 상기 냉각수 매니폴드를 통해 유동하는 냉각수의 유량 분배를 셀 위치에 상관없이 안정적으로 유지시킴과 동시에 겨울철과 같이 주위의 온도가 0℃ 이하로 하강할 때 스택의 초기 온도를 풀 파워(full power) 상태까지 도달 가능하도록 발열이 이루어지는 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택에 관한 것이며, 이를 위해 본 발명은 공기 매니폴드와 수소 매니폴드 및 냉각수 매니폴드가 형성된 스택이 구비되되 상기 냉각수 매니폴드를 따라 유동하는 냉각수의 유량 분배를 일정하게 하고, 냉시동 개선이 가능하도록 상기 냉각수 매니폴드의 길이 방향 상에 삽입 설치되며 배터리의 전원을 인가받아 발열이 이루어지는 지지 발열부; 및 상기 지지 발열부와 전기적으로 연결되어 연료 전지 차량의 시동이 온(On)될 때 상기 지지 발열부의 온도를 체크하여 설정된 온도 이하일 때 전원을 인가하고, 설정된 온도 이상에서는 전원을 차단하여 지지 발열부의 발열 온도를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택을 제공한다.
스택, 냉각수 매니폴드, 지지 발열부, 냉시동

Description

유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택{The stack of the fuel cell vehicle where the flow distribution and cold starting improvement are possible}
도 1은 본 발명에 의한 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택을 도시한 도면.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 의한 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택에 구비되는 지지 발열부의 실시예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 의한 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택의 유량 분배를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 의한 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택의 셀 전압 분포를 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 스택 100 : 지지 발열부
110 : 경사부 120 : 발열체
200 : 제어부
본 발명은 스택에 구비된 냉각수 매니폴드의 내측에 지지 발열부를 설치하여 상기 냉각수 매니폴드를 통해 유동하는 냉각수의 유량 분배를 셀 위치에 상관없이 안정적으로 유지시킴과 동시에 겨울철과 같이 주위의 온도가 0℃ 이하로 하강할 때 스택의 초기 온도를 풀 파워(full power) 상태까지 도달 가능하도록 발열이 이루어지는 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택에 관한 것이다.
일반적으로, 고분자 전해질 연료전지(Polyer Electrolyte Membrane Fuel Cells)는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크다. 또한, 시동시간이 짧고 부하변화에 빠른 응답 특성이 있다. 특히 반응기체의 압력변화에 덜 민감하며 다양한 범위의 출력을 낼 수 있다. 그래서 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치이다. 공급된 수소가 Anode 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 Cathode로 넘어가게 된다. 이때 Cathode에 공급된 산소는 외부도선을 통해 Cathode로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다. 이때 이론 전위는 1.23V이며, 반응식은 다음과 같다.
Anode : H2 → 2H+ + 2e
Cathode : 1/2 O2 + 2H+ + 2e → H2O
실제 차량에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 단위 전지를 필요한 전위만큼 적층하여야 한다. 이때 단위전지를 적층한 것을 스택이라 한다.
현재 고분자 전해질 연료전지는 일반적으로 상온에서부터 80℃ 사이에서 구동된다. 온도가 낮아지면 촉매 반응 감소 및 전해질 막의 이온전도도 감소에 의해 성능이 저하된다. 특히 외부 온도가 0℃ 이하로 감소될 경우 차량 정지 후 연료전지 스택 내부의 물이 얼게 되면서 전극 활성 저하 및 전해질 막의 이온 전도도를 급격히 감소시킨다. 따라서 저온에서 연료전지 구동시 빠른 초기 성능을 얻기 위해서는 셀 온도를 급격히 상승시켜 스택 내부의 온도를 올리는 것이 유리하다.
현재 0℃ 이하에서 스택 내부 온도를 올리는 방법으로는 여러가지가 있으나 원하는 만큼의 스택 온도를 구현하기 어려우며, 스택이 오염될 가능성과 열 손실이 발생할 가능성이 높은 단점이 있다.
또한, 스택의 냉각수 매니폴드를 통해 유동하는 냉각수가 앤드 플레이트 부근의 셀에서 와류 발생에 의한 유량 분배 편차가 크게 발생되어 스택의 부분적인 온도편차 및 공급 가스의 불안정을 일으켜 스택의 성능 감소를 발생시켰다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 스택의 냉각수 매니폴드 내측에 지지 발열부를 설치하여 상기 냉각수 매니폴드를 통해 유동하는 냉각수의 유량 분배를 셀의 위치에 상관없이 안정적으로 유지하고, 영하의 온도 상태에서 스택의 초기 온도를 상승시켜 냉시동성이 개선 가능한 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택은 공기 매니폴드와 수소 매니폴드 및 냉각수 매니폴드가 형성된 스택이 구비되되 상기 냉각수 매니폴드를 따라 유동하는 냉각수의 유량 분배를 일정하게 하고, 냉시동 개선이 가능하도록 상기 냉각수 매니폴드의 길이 방향 상에 삽입 설치되며 배터리의 전원을 인가받아 발열이 이루어지는 지지 발열부; 및 상기 지지 발열부와 전기적으로 연결되어 연료 전지 차량의 시동이 온(On)될 때 상기 지지 발열부의 온도를 체크하여 설정된 온도 이하일 때 전원을 인가하고, 설정된 온도 이상에서는 전원을 차단하여 지지 발열부의 발열 온도를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.
상기 지지 발열부는 냉각수 매니폴드의 입,출구 상에 각각 설치되도록 구성된다.
상기 지지 발열부는 스택의 냉각수 매니폴드 입구에서 앤드 플레이트 쪽으로 갈수록 스택의 내측으로 경사진 경사부가 형성되도록 구성된다.
상기 지지 발열부의 경사부는 상기 냉각수 매니폴드의 입, 출구 상에 각각 마주보게 설치되도록 구성된다.
상기 지지 발열부는 내측에 발열 가능한 발열체가 다수개 구비되도록 구성된다.
상기 지지 발열부는 앤드 플레이트 쪽으로 갈수록 내측으로 라운드 지게 형성되도록 구성된다.
상기 지지 발열부는 재질이 스테인레스 스틸 또는 실리콘 중의 어느 하나로 이루어지도록 구성된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 1은 본 발명에 의한 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택을 도시한 도면이고, 도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 의한 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택에 구비되는 지지 발열부의 실시예를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 의한 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택의 유량 분배를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 의한 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택의 셀 전압 분포를 도시한 도면이다.
첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하면, 공기 매니폴드(12)와 수소 매니폴드(11) 및 냉각수 매니폴드(13)가 형성된 스택(10)이 구비되되 상기 냉각수 매니폴드(13)를 따라 유동하는 냉각수의 유량 분배를 일정하게 하고, 냉시동 개선이 가능하도록 상기 냉각수 매니폴드(13)의 길이 방향 상에 삽입 설치되며 배터리의 전원을 인가받아 발열이 이루어지는 지지 발열부(100); 및 상기 지지 발열부(100)와 전기적으로 연결되어 연료 전지 차량의 시동이 온(On)될 때 상기 지지 발열부(100)의 온도를 체크하여 설정된 온도 이하일 때 전원을 인가하고, 설정된 온도 이상에서는 전원을 차단하여 지지 발열부(100)의 발열 온도를 제어하는 제어부(200)를 포함하여 구성된다.
상기 지지 발열부(100)는 냉각수 매니폴드(13)의 입,출구 상에 각각 설치되도록 구성된다.
상기 지지 발열부(100)는 스택(10)의 냉각수 매니폴드(13) 입구에서 앤드 플레이트(20) 쪽으로 갈수록 스택(10)의 내측으로 경사진 경사부(110)가 형성되도록 구성된다.
상기 지지 발열부(100)의 경사부(110)는 상기 냉각수 매니폴드(13)의 입, 출구 상에 각각 마주보게 설치되도록 구성된다.
상기 지지 발열부(100)는 내측에 발열 가능한 발열체(120)가 다수개 구비되도록 구성된다. 상기 발열체(120)는 발열체 내부에 코일(미도시)이 다수회 권취 형성된 형태로 이루어진다.
상기 지지 발열부(100)는 앤드 플레이트(20) 쪽으로 갈수록 내측으로 라운드 지게 형성되도록 구성된다.
상기 지지 발열부(100)는 재질이 스테인레스 스틸 또는 실리콘 중의 어느 하나로 이루어지도록 구성된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택의 작동 상태를 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 지지 발열부(100)는 도면에 도시된 바와 같이 냉각수 매니폴드(13)의 입, 출구 상에 경사부(110)가 서로 마주보게 설치된다. 상기 지지 발열부(100)의 내측에는 발열체(120)가 다수개 구비되며, 상기한 발열체(120)에 대해서는 후술 하기로 한다.
첨부된 도 2a 내지 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 지지 발열부(100')는 도 2a에 도시된 바와 같이 경사부(110')가 앤드 플레이트(도1 참조) 쪽으로 갈수록 라운드 지게 형성될 수 있다. 상기와 같이 경사부(110')가 라운드지게 형성되는 이유는 앤드 플레이트(20) 부근에서의 냉각수의 흐름이 상기 냉각수 매니폴드(13)의 입, 출구 부근에서의 흐름에 비해 와류에 의한 셀 내부 채널의 유량의 편차를 감소시키기 위해서 상기와 같이 라운드지게 형성한다.
첨부된 도 2b는 지지 발열부(100'')의 다른 실시예를 도시한 도면으로써 첨부된 도 2a의 경사부(110')를 변형시켜 지지 발열부(100'')의 내측으로 홈이 형성된 구조로의 변경도 가능하다.
첨부된 도 3을 참조하면, 지지 발열부(100)가 냉각수 매니폴드(13)상에 설치된 상태에서 냉각수 매니폴드(13)의 입, 출구에 냉각수를 유동시켜 실험을 실시하면 상기 지지 발열부(100)의 설치에 따른 상기 냉각수 매니폴드(13)를 통해 유동하는 냉각수의 유량 분배가 일정함을 알 수 있다. 즉, 셀의 위치에 관계없이 유량 분배가 안정적으로 나타나게 되어 지지 발열부(100)의 설치에 따른 냉각수의 유동 분배가 안정적임을 알 수 있다.
첨부된 도 4를 참조하면, 지지 발열부(100)가 냉각수 매니폴드(13)상에 설치된 상태에서 운전이 이루어지면 다음과 같이 작동된다.
겨울철과 같이 주변의 기온이 영하로 떨어지는 상태에서 연료전지 차량에 시동이 온(On) 되면, 제어부(200)에서는 지지 발열부(100)의 온도를 체크한다.
만약, 연료전지 차량의 주변 온도가 영하 -5℃ 이하의 상태일 때는 지지 발 열부(100)의 발열체(120)에 전원이 인가되어 상기 발열체(120)를 발열시킨다. 이와 동시에 상기 냉각수 매니폴드(13)의 입구를 통해 유입된 냉각수는 화살표 방향을 따라 이동되어 냉각수 출구로 배출되면서 냉각수의 유량 분포가 안정적으로 이루어지면서 작동이 이루어진다.
상기와 같이 발열체(120)에서 발열이 이루어지면서 다수의 셀이 적층된 스택(10)은 빠르게 온도가 상승되어 짧은 시간내에 스택(10)의 초기 온도를 풀 파워(full power) 상태까지 끌어 올리게 된다.
상기 스택(10)의 전체 온도가 20℃ 이상으로 올라가게 되면 제어부(200)에 의해 발열체(120)에 인가되는 전원이 차단되어 상기 발열체(120)의 발열이 중지된다. 상기 발열체(120)의 발열이 중지되어도 상기 스택(10)이 정상적인 작동 상태에 이르렀기 때문에 이후에는 스택(10)의 자체 발열을 통해 안정적인 연료전지 차량의 주행이 이루어진다.
본 발명에 의한 지지 발열부(100)는 냉각수 매니폴드(13)에 설치되어 작동되는 것으로 설명 하였으나, 공기 매니폴드(11) 또는 수소 매니폴드(12)상에 설치되어 사용하는 것도 가능하며, 상기 발열체(120) 또한 면상 발열체(미도시)를 사용하는 것도 가능함을 밝혀둔다.
한편, 본 발명은 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 유량 분배 및 냉시동 개선이 가 능한 연료전지 차량의 스택은 셀의 위치에 따른 냉각수의 유량 분배를 안정적으로 유지함과 동시에 냉시동 성능을 개선하여 안정적인 연료전지 차량의 주행이 이루어지는 효과가 있다.
또한, 지지 발열부 사용에 따른 스택 자체의 부피 변화가 없으며, 공기 매니폴드 또는 수소 매니폴드 상에도 사용 가능한 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 공기 매니폴드와 수소 매니폴드 및 냉각수 매니폴드가 형성된 스택이 구비되되 상기 냉각수 매니폴드를 따라 유동하는 냉각수의 유량 분배를 일정하게 하고, 냉시동 개선이 가능하도록 상기 냉각수 매니폴드의 길이 방향 상에 삽입 설치되며 배터리의 전원을 인가받아 발열이 이루어지는 지지 발열부; 및
    상기 지지 발열부와 전기적으로 연결되어 연료 전지 차량의 시동이 온(On) 될 때 상기 지지 발열부의 온도를 체크하여 설정된 온도 이하일 때 전원을 인가하고, 설정된 온도 이상에서는 전원을 차단하여 지지 발열부의 발열 온도를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 발열부는 냉각수 매니폴드의 입,출구 상에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 발열부는 스택의 냉각수 매니폴드 입구에서 앤드 플레이트 쪽으로 갈수록 스택의 내측으로 경사진 경사부가 형성되는 것을 특징으로 하는 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 지지 발열부의 경사부는 상기 냉각수 매니폴드의 입, 출구 상에 각각 마주보게 설치되는 것을 특징으로 하는 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 발열부는 내측에 발열 가능한 발열체가 다수개 구비되는 것을 특징으로 하는 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택.
  6. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 지지 발열부는 앤드 플레이트 쪽으로 갈수록 내측으로 라운드 지게 형성되는 것을 특징으로 하는 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 지지 발열부는 재질이 스테인레스 스틸 또는 실리콘 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택.
KR1020060089769A 2006-09-15 2006-09-15 유량 분배 및 냉시동 개선이 가능한 연료전지 차량의 스택 KR100794021B1 (ko)

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