KR101162666B1

KR101162666B1 - 연료 전지

Info

Publication number: KR101162666B1
Application number: KR1020100137077A
Authority: KR
Inventors: 박영민; 송정훈; 안진수; 배홍열
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-05

Abstract

매니폴드를 통해 공급되는 연료 및 산화제를 각 단위 셀에 균일하게 분배할 수 있도록, 전해질막의 양면에 음극과 양극을 형성하여 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 이용해 전기 에너지를 생성하는 단위 전지와, 상기 단위 전지의 양면에 배치되며 상기 음극과 양극으로 연료와 산화제를 공급하는 채널이 각각 형성된 한 쌍의 분리판을 포함하는 단위 셀이 복수개 적층되고, 상기 단위 셀에 형성되어 분리판의 연료 채널과 연결되며 단위 셀의 적층방향을 따라 연통되어 연료가 공급되는 관로를 형성하는 연료공급 매니폴드, 상기 단위 셀에 형성되어 분리판의 산화제 채널과 연결되며 단위 셀의 적층방향을 따라 연통되어 산화제가 공급되는 관로를 형성하는 산화제공급 매니폴드, 상기 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드 중 적어도 하나에 설치되어 연료 또는 산화제의 진행방향을 따라 앞쪽에 배치된 단위 셀로 연료 또는 산화제의 흐름을 유도하기 위한 유도부를 포함하는 연료전지를 제공한다.

Description

연료 전지{FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 내부 온도 분포를 균일화시킬 수 있도록 된 연료 전지에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

예를 들어, 고체 산화물 연료 전지는 수소와 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질막과, 전해질막의 일면에 위치하는 양극(공기극)과, 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함한다.

이에 양극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 양극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 양극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.

상기한 구조의 연료 전지는 작동 원리상 연료와 공기를 지속적으로 공급하여 전기를 생산하기 때문에 분리판에는 유체의 유동을 균일하게 유도하기 위한 통로가 형성되며 이 통로를 따라 연료 및 공기가 흐르게 된다. 즉, 분리판은 음극과 접하는 면에 음극으로 연료를 공급하기 위한 연료통로를 형성하고, 양극과 접하는 면에 양극으로 공기를 공급하기 위한 공기통로를 형성한다. 분리판은 단위 전지를 기구적으로 지지함과 동시에 이웃한 단위 전지를 전기적으로 연결시키는 기능을 한다.

하나의 단위 전지와 이의 양쪽에 위치하는 분리판이 하나의 단위 셀을 구성한다. 이러한 단위 셀은 작동 전압이 통상적으로 1.0V 미만으로 공업적으로 응용하기에는 부족하다. 이에 연료 전지는 전압을 상승시킬 수 있도록 단위 셀을 전기적으로 직렬 연결이 되도록 복수로 적층하여 스택(stack)을 형성한다.

연료 전지는 스택을 구성하는 단위 전지와 분리판 외에 전력 손실을 최소화하기 위한 집전체와, 단위 전지와 분리판 사이의 기밀을 유지하기 위한 밀봉재를 더 포함할 수 있다.

한편, 스택은 각 단위 셀의 연료통로에 연료를 공급하는 연료유입 매니폴드와, 각 단위 셀의 공기통로에 공기를 공급하는 공기유입 매니폴드를 구비한다. 연료유입 매니폴드는 각 단위 셀의 분리판들에 형성된 연료유입 관통구들을 스택의 적층 방향으로 연통하여 형성된다. 공기유입 매니폴드 역시 각 단위 셀의 분리판들에 형성된 공기유입 관통구들을 스택의 적층 방향으로 연통하여 형성된다.

이와 같이 연료 및 공기는 각각의 매니폴드를 통해 공급되어 매니폴드를 따라 연결된 단위 셀의 연료통로와 공기통로로 분배된다.

상기한 스택은 매니폴드를 통해 각 단위 셀로 공급되는 연료와 공기가 각 단위 셀에 균일하게 분배되어야 각 단위 셀의 성능 편차를 최소화하고 최적 조건에서 스택의 구동이 가능하다.

그런데, 각 매니폴드로 유입된 연료나 공기는 매니폴드에 직각으로 배치된 통로를 따라 각 단위 셀로 분배되므로, 그 진행방향을 따라 앞쪽에 배치된 단위 셀로는 공급이 원활하게 이루어지지 않는 현상이 발생된다.

따라서 일부 단위 셀에 과량의 연료 또는 산화제가 공급되고, 일부 다른 단위 셀은 연료 또는 산화제의 부족 현상이 발생된다. 이로 인하여, 단위 셀 간의 전압편차가 증대되고, 스택의 성능 및 내구성이 저하된다.

이에, 매니폴드를 통해 공급되는 연료 및 공기를 진행방향을 따라 앞쪽 단위 셀로 강제 유도함으로써, 전체 단위 셀에 대해 연료 및 공기를 균일하게 분배할 수 있도록 된 연료전지를 제공한다.

이를 위해 본 연료 전지는, 전해질막의 양면에 음극과 양극을 형성하여 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 이용해 전기 에너지를 생성하는 단위 전지와, 상기 단위 전지의 양면에 배치되며 상기 음극과 양극으로 연료와 산화제를 공급하는 채널이 각각 형성된 한 쌍의 분리판을 포함하는 단위 셀이 복수개 적층되어 스택을 이루고,

상기 단위 셀에 형성되어 분리판의 연료 채널과 연결되며 단위 셀의 적층방향을 따라 연통되어 연료가 공급되는 관로를 형성하는 연료공급 매니폴드, 상기 단위 셀에 형성되어 분리판의 산화제 채널과 연결되며 단위 셀의 적층방향을 따라 연통되어 산화제가 공급되는 관로를 형성하는 산화제공급 매니폴드, 상기 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드 중 적어도 하나에 설치되어 연료 또는 산화제의 진행방향을 따라 앞쪽에 배치된 단위 셀로 연료 또는 산화제의 흐름을 유도하기 위한 유도부를 포함할 수 있다.

상기 유도부는 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드에 삽입되는 유도관과, 유도관 측면에 분리판의 연료 채널 또는 산화제 채널과 연통되도록 형성되는 개방구, 유도관 내측에 연료 또는 산화제의 진행방향을 따라 상기 개방구 뒤쪽에 세워져 설치되어 연료 또는 산화제를 개방구쪽으로 유도하는 판부재를 포함할 수 있다.

상기 판부재는 유도관 내주면에 수직방향으로 형성될 수 있다.

상기 판부재는 유도관 내주면에 개방구 쪽으로 기울어져 형성될 수 있다.

상기 유도관은 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드를 따라 길게 연장되어 적어도 하나 이상의 단위 셀을 커버하는 구조일 수 있다.

상기 유도관은 단위 셀의 두께에 대응되는 크기로 이루어져 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드를 따라 복수개가 적층된 구조일 수 있다.

상기 유도부는 복수개의 가로부재와 세로부재가 격자형태로 배치되어 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드내에 삽입되는 격자구조물과, 격자구조물에 세워져 설치되고 연료 또는 산화제의 진행방향을 따라 분리판의 연료 채널 또는 산화제 채널 뒤쪽에 위치하여 연료 또는 산화제를 연료 채널 또는 산화제 채널로 유도하는 차단벽을 포함할 수 있다.

상기 유도부는 상기 격자구조물을 감싸며 설치되고 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드에 삽입되는 외피를 더 포함하며, 상기 외피의 측면에는 분리판의 연료 채널 또는 산화제 채널과 대응되는 위치에 연료 채널 또는 산화제 채널과 연통되는 홀이 형성될 수 있다.

상기 유도부는 상기 격자구조물이 외피 내에 일부분에만 설치되어 격자구조물이 없는 공간부를 구비한 구조일 수 있다.

상기 유도부는 단위 셀의 두께에 대응되는 크기로 이루어져 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드를 따라 복수개가 적층된 구조일 수 있다.

상기 격자구조물은 가로부재 또는 세로부재에 연료 또는 산화제를 다른 영역으로 유도하기 위한 연통홀이 형성될 수 있다.

본 연료 전지는 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급원 및 산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제 공급원을 포함하며, 상기 연료 공급원은 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크 및 상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함할 수 있다.

상기 연료 공급원은 상기 스택과 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 포함할 수 있다.

상기 산화제 공급원은 산화제를 흡입하여 이 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 펌프를 포함할 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 장치에 의하면, 스택의 각 단위 셀로 연료 및 산화제의 분배가 원활하게 이루어져 각 단위 셀 간의 전력 밀도 편차가 최소화된다. 이에 스택의 성능을 최대한 끌어올릴 수 있게 된다.

또한, 각 단위 셀의 균형적인 구동을 통해 스택의 장기적인 신뢰성 및 내구성을 높일 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 연료 전지의 전체적인 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 연료전지 스택의 유도부 구조를 도시한 일부 절개 사시도이다.
도 4는 본 실시에에 따른 연료 전지 스택으로 도 3의 유도부가 적용된 스택의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 연료 전지 스택으로 유도부의 또다른 구조를 도시한 일부 절개 사시도이다.
도 6은 도 5의 유도부를 정면에서 도시한 개략적인 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 연료 전지 스택으로 도 5의 유도부가 적용된 스택의 개략적인 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

도 1은 본 실시예에 따른 연료 전지의 전체적인 구성을 개략적으로 도시하고 있다.

도 1을 참고하면, 본 실시예의 연료 전지(100)는 액체 연료 또는 기체 연료와 산화제의 직접적인 전기 화학적 반응을 이용해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(direct oxidation fuel cell) 방식으로 이루어진다.

그러나 본 연료 전지는 직접 산화형 연료 전지로 제한되지 않으며, 연료를 개질하여 수소 또는 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 수소 또는 개질 가스와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 방식으로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 연료 전지는 수소 개질을 위한 개질기를 더 포함한다.

전술한 연료 전지(100)에서 연료는 메탄올, 에탄올, 액화천연가스, 액화석유가스, 가솔린, 및 부탄 가스와 같이 액상 또는 기상으로 존재하는 탄화수소계 연료를 의미한다. 그리고 연료 전지(100)는 산화제로서 별도의 저장 수단에 저장된 산소 가스를 사용하거나, 외부 공기를 사용할 수 있다.

본 실시예의 연료 전지(100)는, 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생하는 연료 전지 스택(110)과, 연료 전지 스택(110)으로 연료를 공급하는 연료 공급부(120)와, 연료 전지 스택(110)으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(130)를 포함한다.

연료 공급부(120)는 액상 또는 기상의 연료를 저장하는 연료 탱크(121)와, 연료 탱크(121)와 연료 전지 스택(110)을 연결하는 연료 공급관(122)과, 연료 탱크(121)에 연결 설치되는 연료 펌프(123)를 포함한다. 연료 펌프(123)는 소정의 펌핑력으로 연료 탱크(121)에 저장된 연료를 배출시켜 연료 공급관(122)을 통해 연료 전지 스택(110)으로 연료를 공급한다. 연료를 개질하여 사용하는 연료 전지의 경우, 연료 공급부는 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(124)를 더 포함한다.

산화제 공급부(130)는 연료 전지 스택(110)에 연결되는 산화제 공급관(131)과, 산화제 공급관(131)에 설치되는 산화제 펌프(132)를 포함한다. 산화제는 별도의 저장 수단에 저장된 순수한 산소 또는 산소를 함유한 외부 공기를 이용할 수 있다. 산화제 펌프(132)는 소정의 펌핑력으로 순수 산소 또는 외부 공기를 흡입하여 산화제 공급관(131)을 통해 연료 전지 스택(110)으로 산화제를 공급한다. 이때 산화제 공급관(131)에는 압력 제어를 위해 산화제의 공급량을 조절하는 제어 밸브(도시하지 않음)가 설치될 수 있다.

도 2는 연료 전지 스택의 구성을 나타낸 분해 사시도이며, 도 3은 연료 전지 스택의 단면을 개략적으로 도시하고 있다.

도 2를 참고하면, 연료 전지 스택(110)은 서로간 거리를 두고 위치하는 복수의 단위 전지(10)와, 단위 전지들(10) 사이에서 단위 전지들(10)에 밀착 배치되는 복수의 분리판(20)을 포함한다. 하나의 단위 전지(10)와 이의 양쪽에 배치되는 한 쌍의 분리판(20)이 전기 에너지를 생성하는 하나의 전기 생성 유닛(이하 단위 셀(30)이라 칭한다)을 구성한다.

본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 분리판(20), 단위 전지(10), 분리판(20)이 x축 방향으로 적층되어 전력을 생산하는 단위 셀(30)을 형성한다.

연료 전지 스택(110)의 최외곽에는 연료 전지 스택(110)을 지지하는 엔드 플레이트(40)가 위치한다. 연료 전지 스택(110)은 2개의 엔드 플레이트(40)를 관통하는 볼트(41)와 같은 체결 수단에 의해 견고하게 조립된다.

어느 하나의 엔드 플레이트(40)에는 연료 전지 스택(100)으로 연료를 공급하는 연료 주입구(42), 산화제를 공급하는 산화제 주입구(43), 미반응 연료를 배출하는 연료 배출구(44), 및 수분과 미반응 공기를 배출하는 산화제 배출구(45)가 형성될 수 있다.

도 2에서는 하나의 엔드 플레이트(40)에 2개의 주입구(42,43)와 2개의 배출구(44, 45)가 모두 형성된 경우를 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 어느 하나의 엔드 플레이트에 연료 주입구와 산화제 주입구가 형성되고, 다른 하나의 엔드 플레이트에 연료 배출구와 산화제 배출구가 형성되는 구성도 가능하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 단위 전지(10)는 전해질막(11)과, 전해질막(11)의 일측에 위치하는 음극(12)과, 전해질막(11)의 타측에 위치하는 양극(13)을 포함한다.

양극(13)은 분리판(20)을 통해 산소를 공급받고, 음극(12)은 분리판(20)을 통해 수소를 공급받게 된다. 이에 단위 전지(10)는 양극(13)에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막(11)을 지나 음극(12)으로 이동한 후 음극(12)에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극(12)에서 생성된 전자가 양극(13)으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지(10)는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.

그리고 고체 산화물 연료 전지(100)(Solid Oxide Fuel Cell)의 경우 전해질막(12)은 대략 5㎛ 내지 200㎛의 두께로 형성되는 고체 산화물 전해질로서, 양극(13)에서 생성된 산소 이온을 음극(12)으로 이동시키는 이온 교환 기능을 가진다. 전해질막(11)은 고체 산화물 전해질에 한정되지 않으며, 예를 들어, 고분자 전해질 등 연료 전지의 종류에 따라 다양하게 적용가능하다.

상기 분리판(20)은 일측에 위치하는 단위 전지(10)의 음극(12)과 타측에 위치하는 단위 전지(10)의 양극(13)을 직렬로 연결하는 전도체로 기능한다.

그리고 분리판(20)은 음극(12)과 마주하는 일면에 연료 공급을 위한 연료 채널(21)을 형성하고, 양극(13)과 마주하는 일면에 산화제 공급을 위한 산화제 채널(22)을 형성한다. 연료 채널(21)과 산화제 채널(22)은 오목한 홈 형태로, 직선 구조나 곡선구조 또는 지그재그 구조 등 다양하게 형성될 수 있다.

상기 분리판(20)은 하나의 단위 전지(10)를 기준을 할 때, 연료 채널(21)과 산화제 채널(22)를 각각 형성하지만, x축 방향으로 배치되는 복수의 단위 전지(10)를 기준으로 할 때, 모두 동일한 구조로 형성될 수 있다. 즉, 분리판(20)은 일측면에 연료 채널(21)을 형성하고, 다른쪽 면에 산화제 채널(22)를 형성한다. 예를 들면, 분리판은 서로 부착되는 두 개의 부재를 포함하며, 각 부재의 접면 반대쪽면에는 연료 채널과 산화제 채널을 형성하여 제조할 수 있다.

연료 공급을 위해 분리판(20)을 포함하여 각 단위 셀(30)에는 연료 채널(21)과 연결되는 제1 관통구(31)가 형성된다. 상기 제1 관통구(31)는 각 단위 셀(30)의 적층방향인 x축 방향으로 연통되어 하나의 관로를 형성한다. 이하, 상기 연료가 공급되는 관로를 연료공급 매니폴드(32)라 한다. 상기 연료공급 매니폴드(32)는 앤드플레이트(40)에 형성된 연료 주입구(42)와 연결된다.

마찬가지로 각 단위 셀(30)에는 연료 채널(21)과 연결되어 단위 셀(30)을 거친 미반응 연료의 배출을 위한 제2 관통구(33)가 형성된다. 상기 제2 관통구(33)는 각 단위 셀(30)의 적층방향인 x축 방향으로 연통되어 하나의 관로를 형성한다. 이하, 상기 미반응 연료가 배출되는 관로를 연료배출 매니폴드(34)라 한다. 상기 연료배출 매니폴드(34)는 앤드플레이트(40)에 형성된 연료 배출구(44)와 연결된다.

또한, 산화제 공급을 위해 분리판(20)을 포함하여 각 단위 셀(30)에는 산화제 채널(22)과 연결되는 제3 관통구(35)가 형성된다. 상기 제3 관통구(35)는 각 단위 셀(30)의 적층방향인 x축 방향으로 연통되어 하나의 관로를 형성한다. 이하, 상기 산화제가 공급되는 관로를 산화제공급 매니폴드(36)라 한다. 상기 산화제공급 매니폴드(36)는 앤드플레이트(40)에 형성된 산화제 주입구(43)와 연결된다.

마찬가지로 각 단위 셀(30)에는 산화제 채널(22)과 연결되어 단위 셀(30)을 거친 미반응산화제의 배출을 위한 제4 관통구(37)가 형성된다. 상기 제4 관통구(37)는 각 단위 셀(30)의 적층방향인 x축 방향으로 연통되어 하나의 관로를 형성한다. 이하, 상기 미반응 산화제가 배출되는 관로를 산화제배출 매니폴드(38)라 한다. 상기 산화제배출 매니폴드(38)는 앤드플레이트(40)에 형성된 산화제 배출구(45)와 연결된다.

이에 연료는 연료공급 매니폴드(32)를 통해 각 단위 셀(30)의 연료 채널(21)로 유입되어 연료 채널을 따라 일방향으로 흐른 후 연료배출 매니폴드(34)로 나가게 된다. 산화제 역시 산화제공급 매니폴드(36)를 통해 각 단위 셀(30)의 산화제 채널(22)로 유입되어 산화제 채널을 따라 일방향으로 흐른 후 산화제배출 매니폴드(38)로 나가게 된다.

한편, 본 연료 전지 스택(110)은 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 연료공급 매니폴드(32)에 설치되어 연료의 진행방향인 x축 방향을 따라 앞쪽에 배치된 단위 셀(30)로 연료 또는 산화제의 흐름을 유도하기 위한 유도부를 포함한다.

이를 위해 상기 유도부는 연료공급 매니폴드(32)에 삽입되는 유도관(50)과, 유도관 측면에 형성되어 분리판(20)의 연료 채널(21)과 연통되는 개방구(52), 유도관 내측에 연료의 진행방향을 따라 상기 개방구 뒤쪽에 세워져 설치되어 연료를 개방구쪽으로 유도하는 판부재(54)를 포함한다.

이에 연료공급 매니폴드(32)로 유입된 연료의 일부는 스택(110)의 적층된 각 단위 셀(30) 중 연료의 진행방향을 따라 앞쪽에 배치된 단위 셀(30)로 강제적으로 공급된다. 따라서 스택(110) 앞쪽에 배치된 단위 셀(30)에도 연료가 충분히 공급되어 스택 전체 단위 셀(30)에 대해 연료의 분배가 고르게 이루어진다.

이러한 본 실시예의 유도부 구조는 산화제공급 매니폴드(36)에도 동일하게 적용된다. 즉, 산화제공급 매니폴드(36)에 유도부가 구비되며, 상기 유도부는 산화제공급 매니폴드(36)에 삽입되는 유도관(60)과, 유도관(60) 측면에 형성되어 분리판(20)의 산화제 채널(22)과 연통되는 개방구(62), 유도관(60) 내측에 산화제의 진행방향을 따라 상기 개방구(62) 뒤쪽에 세워져 설치되어 산화제를 개방구(62)쪽으로 유도하는 판부재(64)를 포함한다.

이에 산화제공급 매니폴드(36)로 유입된 산화제의 일부는 스택(110)의 적층된 각 단위 셀(30) 중 산화제의 진행방향을 따라 앞쪽에 배치된 단위 셀(30)로 강제적으로 공급된다. 따라서 스택(110) 앞쪽에 배치된 단위 셀(30)에도 산화제가 충분히 공급되어 스택 전체 단위 셀(30)에 대해 산화제의 분배가 고르게 이루어진다.

도 4는 본 실시예에 따른 유도관의 구조를 예시하고 있다.

상기 유도관(50,60)은 양단이 개방된 관구조물로, 연료공급 매니폴드(32) 또는 산화제공급 매니폴드(36)와 대응되는 형태와 단면 크기로 이루어질 수 있다.

여기서 상기 유도관(50,60)은 1~2개 또는 2개 이상의 적층된 단위 셀(30)과 대응되는 길이로 형성될 수 있다. 유도관(50,60)의 길이방향을 따라 복수개의 개방구(52,54)와 판부재(54,64)가 간격을 두고 배치된다. 이러한 구조 외에 상기 유도관(50,60)은 하나의 단위 셀(30)과 대응되는 길이로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 유도관은 연료 또는 산화제의 강제 공급이 필요한 각 단위 셀(30)의 개수만큼 매니폴드 내에 적층하여 설치될 수 있다. 상기 유도관(50,60)의 길이는 특별히 한정되지 않는다.

또한, 상기 유도관(50,60) 내부에 형성되는 판부재(54,64)는 유도관(50,60) 내면에 직각으로 형성될 수 있다. 이러한 구조 외에 상기 판부재는 유도관 내면에 개방구 쪽으로 기울어져 경사지게 형성될 수 있다. 이 경우 원료 또는 산화제의 흐름을 보다 원활하게 개방구쪽으로 유도할 수 있게 된다. 상기 판부재의 높이나 기울기는 원료 또는 산화제의 공급조건이나 스택의 설계 조건 등에 따라 다양하게 변형가능하며, 특별히 한정되지 않는다.

이와 같이 본 스택(110)은 도 3에 도시된 바와 같이, 앤드플레이트(40)의 연료 주입구(42)를 통해 스택으로 유입된 연료는 연료공급 매니폴드(32)를 따라 진행되어 적층된 각 단위 셀(30)의 분리판(20)에 형성된 연료 채널(21)로 공급된다.

이때, 연료의 진행방향을 따라 앞쪽에는 본 유도관(50)이 설치되어 있어서, 유도관(50)을 따라 흐르는 연료의 일부는 유도관(50)에 설치된 판부재(54)에 막혀 그 흐름이 변경된다. 즉, 연료는 x축 방향으로 흐르다 판부재(52)에 의해 막혀 그 흐름이 분리판(20)의 연료 채널(21)쪽으로 유도된다. 따라서 판부재(52)에 막힌 연료는 유도관(50)의 개방구(52)를 통해 분리판(20)의 연료 채널(21)로 흐르게 되는 것이다.

이와 같이, 스택의 연료 흐름방향에 대해 앞쪽에 배치된 단위 셀(30)에 연료가 강제로 공급됨으로써, 다른 셀과 같이 충분한 연료를 공급받을 수 있게 된다.

이러한 작용은 산화제에 대해서도 동일하다. 앤드플레이트(40)의 산화제 주입구(43)를 통해 스택(110)으로 유입된 산화제는 산화제공급 매니폴드(36)를 따라 진행되어 적층된 각 단위 셀(30)의 분리판(20)에 형성된 산화제 채널(22)로 공급된다. 이 과정에서 유도관(60)을 지나는 산화제 중 일부는 유도관(60)에 설치된 판부재(64)에 막혀 그 흐름이 분리판(20)의 산화제 채널(22)쪽으로 유도된다. 따라서 판부재(64)에 막힌 산화제는 유도관(60)의 개방구(62)를 통해 분리판(20)의 산화제 채널(22)로 흐르게 되어, 앞쪽에 배치된 단위 셀(30)에도 충분히 공급될 수 있는 것이다.

이와 같이 스택 전체 단위 셀에서 연료 및 산화제의 분배가 고르고 원활하게 이루어져 단위 셀간의 전력 밀도 편차를 최소화할 수 있게 된다.

한편, 도 5 내지 도 7은 유도부의 또다른 실시예를 도시하고 있다.

도 5와 도 6에 도시된 바와 같이 본 유도부는 복수개의 가로부재(71)와 세로부재(72)가 격자형태로 배치되어 연료공급 매니폴드(32)내에 삽입되는 격자구조물(70)과, 격자구조물(70)에 세워져 설치되고 연료의 진행방향을 따라 분리판(20)의 연료 채널(21) 뒤쪽에 위치하여 연료를 연료 채널로 유도하는 차단벽(73)을 포함한다.

상기 산화제공급 매니폴드(36)에도 마찬가지로, 복수개의 가로부재(81)와 세로부재(82)가 격자형태로 배치된 격자구조물(80)이 삽입 설치된다. 상기 격자구조물(80)에는 역시 연료의 진행방향을 따라 분리판(20)의 연료 채널(21) 뒤쪽에 위치하여 연료를 연료 채널로 유도하는 차단벽(83)이 세워져 설치된다.

또한, 상기 유도부는 상기 격자구조물(70,80)을 감싸며 설치되고 연료공급 매니폴드(32) 또는 산화제공급 매니폴드(36)에 삽입되는 외피(74,84)를 더 포함한다. 상기 외피(74,84)의 측면에는 분리판(20)의 연료 채널(21) 또는 산화제 채널(22)과 대응되는 위치에 연료 채널 또는 산화제 채널과 연통되는 홀(75,85)이 형성된다.

그리고 상기 차단벽(73,83)과 대응되는 위치의 상기 가로부재(71,81) 또는 세로부재(72,82)에는 연료 또는 산화제를 다른 영역으로 유도하기 위한 연통홀(77,87)이 형성된다. 즉, 연통홀(77,87)은 가로부재(71)와 세로부재(72) 및 차단벽(73)에 의해 막힌 격벽구조물의 일측 영역 내로 유입된 연료 및 산화제를 다른 쪽으로 흘러 내보내기 위한 구멍이다. 차단벽에 의해 막힌 연료 및 산화제는 연통홀(77,87)을 통해 흘러나가 분리판의 연료채널 또는 산화제 채널로 공급될 수 있게 된다. 상기 차단벽의 형성 크기에 따라 연통홀이 형성되는 가로부재 또는 세로부재의 개수가 설정된다. 격벽구조물 전면적에 있어서 상기 차단벽에 의해 가로막히는 영역의 크기는 원료 또는 산화제의 공급조건이나 스택의 설계 조건 등에 따라 다양하게 변형가능하며, 특별히 한정되지 않는다.

이에 연료 또는 산화제의 일부는 스택(110)의 적층된 각 단위 셀(30) 중 연료 또는 산화제의 진행방향을 따라 앞쪽에 배치된 단위 셀(30)로 강제적으로 공급된다. 따라서 스택 앞쪽에 배치된 단위 셀(30)에도 연료 또는 산화제가 충분히 공급되어 스택 전체 단위 셀(30)에 대해 연료 또는 산화제의 분배가 고르게 이루어진다.

본 실시예에서 상기 가로부재(71,81)와 세로부재(72,82)는 연료 또는 산화제의 흐름을 따라 길이방향으로 연장되며, 서로 직각으로 교차되어 격자 형태를 이룬다. 상기 가로부재(71,81)와 세로부재(72,82)의 개수나 배열 구조에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 차단벽(73,83)은 가로부재(71,81)와 세로부재(72,82)에 직각으로 배치되어 외피(74,84)의 홀(75,85)과 연통되는 격자구조물(70,80)의 일부분을 차단하게 된다. 이에 격자구조물(70,80)의 해당 격자 부분으로 유입된 연료 또는 산화제는 차단벽(73,83)에 의해 막혀 모두 외피(74,84)에 형성된 홀(75,85)을 통해 해당 단위 셀(30)의 분리판(20)의 연료 채널(21) 또는 산화제 채널(22)로 흐르게 된다. 상기 격자구조물(70,80)이 설치되는 외피(74,84)는 연료공급 매니폴드(32) 또는 산화제공급 매니폴드(36)와 대응되는 형태와 단면 크기로 이루어질 수 있다.

본 실시예에서 상기 외피(74,84)는 하나의 단위 셀(30)과 대응되는 길이로 형성된다. 그리고 상기 외피(74,84)는 연료 또는 산화제의 강제 공급이 필요한 각 단위 셀(30)의 개수만큼 매니폴드 내에 적층하여 설치될 수 있다. 이에 해당 단위 셀(30)에 대해 연료 또는 산화제를 강제 공급할 수 있게 된다.

여기서 본 실시예의 유도부는 상기 격자구조물(70,80)이 외피(74,84) 내에 일부분에만 설치되어 격자구조물(70,80)이 없는 공간부(76,86)를 구비한 구조로 되어 있다. 즉, 상기 격자구조물(70,80)은 연료 또는 산화제의 흐름이 격자별로 구획되므로, 연료나 산화제의 흐름방향을 따라 격자구조물(70,80) 앞쪽에 연료나 산화제의 흐름이 구획되지 않고 공동으로 머무를 수 있는 공간부(76.86)가 형성된다. 이에 연료나 산화제는 외피(74) 내부에서 일단 공간부(76.86)를 거쳐 격자구조물(70,80)을 따라 흐르게 된다. 따라서 복수개의 외피(74,84)가 적층되는 경우 일측 외피(74,84)를 지난 연료나 산화제가 다음 외피(74(84)의 공간부(76.86)를 통해 차단벽(73,83)이 있는 쪽으로도 흘러들어갈 수 있게 된다. 따라서 외피(74,84)가 치된 모든 단위 셀(30)로 연료나 산화제를 강제 공급할 수 있게 된다.

도 7을 참조하여 연료의 흐름에 있어서 본 유도부의 작용을 설명하면 다음과 같다. 도시된 바와 같이, 앤드플레이트(40)의 연료 주입구(42)를 통해 스택(110)으로 유입된 연료는 연료공급 매니폴드(32)를 따라 진행되어 적층된 각 단위 셀(30)의 분리판(20)에 형성된 연료 채널(21)로 공급된다.

이때, 연료의 진행방향을 따라 앞쪽에는 격자구조물(70)이 설치된 외피(74)가 복수개 적층 배치되어 있어서, 외피(74)를 따라 흐르는 연료는 격자구조물(70)을 따라 흐르게 되고 일부는 차단벽(73)에 막혀 그 흐름이 변경된다. 즉, 연료는 x축 방향으로 흐르다 차단벽(73)에 의해 막혀 그 흐름이 분리판(20)의 연료 채널(21)쪽으로 유도된다. 따라서 차단벽(73)에 의해 막힌 연료는 외피(74)의 홀(75)을 통해 분리판(20)의 연료 채널(21)로 흐르게 되는 것이다. 차단벽(73)이 설치되지 않은 영역에서는 연료가 격자구조물(70)을 통과하여 다음 외피(74)로 진행하게 된다. 다음 외피(74)의 앞쪽에는 격자구조물(70)이 없는 공간부(76)를 형성하므로, 연료는 공간부(76)에서 다시 분배되어 격자구조물(70)의 각 영역으로 유입된다. 따라서 다음 외피(74)에서도 차단벽(73)이 설치된 영역으로 연료가 유입되어, 다음 단위 셀(30)의 분리판(20)의 연료 채널(21)쪽으로 강제 공급가능하게 된다.

이와 같이, 스택(110)의 연료 흐름방향에 대해 앞쪽에 배치된 단위 셀(30)에 대해서 연료가 강제로 공급됨으로써, 다른 셀과 같이 충분한 연료를 공급받을 수 있게 된다. 이러한 작용은 산화제에 대해서도 동일하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 단위 전지 20 : 분리판
21 : 연료 채널 22 : 산화제 채널
30 : 단위 셀 32 : 연료공급 매니폴드
36 : 산화제공급 매니폴드 40 : 앤드플레이트
42 : 연료 주입구 43 : 산화제 주입구
50,60 : 유도관 52,62 : 개방구
54,64 : 판부재 70.80 : 격자구조물
71,81 : 가로부재 72,82 : 세로부재
73,83 : 차단벽 74,84 : 외피
75,85 : 홀 76,86 : 공간부
77,87 : 연통홀

Claims

전해질막의 양면에 음극과 양극을 형성하여 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 이용해 전기 에너지를 생성하는 단위 전지와, 상기 단위 전지의 양면에 배치되며 상기 음극과 양극으로 연료와 산화제를 공급하는 채널이 각각 형성된 한 쌍의 분리판을 포함하는 단위 셀이 복수개 적층되어 스택을 이루고,
상기 단위 셀에 형성되어 분리판의 연료 채널과 연결되며 단위 셀의 적층방향을 따라 연통되어 연료가 공급되는 관로를 형성하는 연료공급 매니폴드, 상기 단위 셀에 형성되어 분리판의 산화제 채널과 연결되며 단위 셀의 적층방향을 따라 연통되어 산화제가 공급되는 관로를 형성하는 산화제공급 매니폴드, 상기 연료공급 매니폴드와 산화제공급 매니폴드 중 적어도 어느 하나에 설치되어 연료 또는 산화제의 진행방향을 따라 앞쪽에 배치된 단위 셀로 연료 또는 산화제의 흐름을 유도하기 위한 유도부를 포함하는 연료 전지.
제 1 항에 있어서,
상기 유도부는 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드에 삽입되는 유도관과, 상기 유도관 측면에 분리판의 연료 채널 또는 산화제 채널과 연통되도록 형성되는 개방구, 상기 유도관 내측에 연료 또는 산화제의 진행방향을 따라 상기 개방구 뒤쪽에 세워져 설치되어 연료 또는 산화제를 개방구쪽으로 유도하는 판부재를 포함하는 연료 전지.
제 2 항에 있어서,
상기 판부재는 유도관 내주면에 수직방향으로 형성되는 연료 전지.
제 2 항에 있어서,
상기 판부재는 유도관 내주면에 개방구 쪽으로 기울어져 형성되는 연료 전지.
제 2 항에 있어서,
상기 유도관은 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드를 따라 길게 연장되어 적어도 하나 이상의 단위 셀의 두께에 대응되는 길이로 형성된 연료 전지.
제 2 항에 있어서,
상기 유도관은 단위 셀의 두께에 대응되는 크기로 이루어져 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드를 따라 복수개가 적층된 구조의 연료 전지.
제 1 항에 있어서,
상기 유도부는 복수개의 가로부재와 세로부재가 격자형태로 배치되어 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드내에 삽입되는 격자구조물과, 상기 격자구조물에 세워져 설치되고 연료 또는 산화제의 진행방향을 따라 분리판의 연료 채널 또는 산화제 채널 뒤쪽에 위치하여 연료 또는 산화제를 연료 채널 또는 산화제 채널로 유도하는 차단벽을 포함하는 연료 전지.
제 7 항에 있어서,
상기 격자구조물은 가로부재 또는 세로부재에 연료 또는 산화제를 다른 영역으로 유도하기 위한 연통홀이 형성된 연료 전지.
제 7 항에 있어서,
상기 유도부는 상기 격자구조물을 감싸며 설치되고 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드에 삽입되는 외피를 더 포함하며, 상기 외피의 측면에는 분리판의 연료 채널 또는 산화제 채널과 대응되는 위치에 연료 채널 또는 산화제 채널과 연통되는 홀이 형성된 연료 전지.
제 9 항에 있어서,
상기 유도부는 단위 셀의 두께에 대응되는 크기로 이루어져 연료공급 매니폴드 또는 산화제공급 매니폴드를 따라 복수개가 적층된 구조의 연료 전지.
제 10 항에 있어서,
상기 유도부는 상기 격자구조물이 외피 내에 일부분에만 설치되어 격자구조물이 설치되지 않은 공간부를 구비한 구조의 연료 전지.
제 1 항에 있어서,
연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급원 및 산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제 공급원을 더 포함하며,
상기 연료 공급원은 수소를 함유한 연료를 저장하는 연료 탱크 및 상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프를 포함하는 연료 전지.
제 12 항에 있어서,
상기 연료 공급원은 상기 스택과 연료 탱크에 연결 설치되어 상기 연료 탱크로부터 연료를 공급받아 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스를 전기 발생부로 공급하는 개질기를 더 포함하는 연료 전지.
제 12 항에 있어서,
상기 산화제 공급원은 공기를 흡입하여 이 공기를 상기 전기 발생부로 공급하는 공기 펌프를 포함하는 연료 전지.