KR101172205B1

KR101172205B1 - 연료전지 스택 구조

Info

Publication number: KR101172205B1
Application number: KR1020100108090A
Authority: KR
Inventors: 김종성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2012-08-07
Also published as: KR20120046444A

Abstract

본 발명은 일렬로 적층되어 배치된 다수의 연료전지셀(1)과; 상기 연료전지셀(1)들의 적층방향 양단에 각각 구비된 엔드플레이트(3a,3b)와; 상기 연료전지셀(1)들의 적층방향을 따라 긴 통로를 이루며 배치되고 스택인렛부(5)로부터의 연료를 상기 각 연료전지셀(1)들로 공급하도록 설치된 인렛매니폴드(7)와; 상기 연료전지셀(1)들의 적층방향을 따라 긴 통로를 이루며 배치되고 상기 연료전지셀(1)들로부터 배출되는 유체를 회수하여 스택아웃렛부(9)로 토출시키도록 설치된 아웃렛매니폴드(11)와; 상기 아웃렛매니폴드(11)의 상기 스택아웃렛부(9)의 반대편 부분을 상기 스택아웃렛부(9)로 연통시키도록 구비된 바이패스관(13)을 포함하여 구성되어, 상기 연료전지셀에 공급되는 연료의 분배가 보다 균등하고 원활하게 이루어질 수 있도록 함으로써, 연료전지 스택을 구성하는 모든 연료전지셀의 작동성능의 균일화를 향상시켜, 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시키고, 연료전지를 탑재한 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 스택 구조를 제공한다.

Description

연료전지 스택 구조{Fuel Cell Stack Structure}

본 발명은 연료전지 스택 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공분기를 통해 연료전지셀로 공기와 수소 및 냉각수와 같은 유체를 공급하여 전기를 발생시키도록 된 연료전지 스택의 유체 공급 기술에 관한 것이다.

연료전지 스택은 다수의 연료전지셀을 일정한 길이방향으로 적층하여 두고, 상기와 같이 적층된 연료전지셀에 전기 발생 작용에 필요한 공기와 수소 및 냉각수를 공급하여, 원하는 출력의 전기를 얻도록 되어 있다.

도 1은 종래의 연료전지 스택을 예시한 것으로서, 다수의 연료전지셀(500)이 적층되어 있고, 적층된 연료전지셀(500)의 양단은 엔드플레이트(502)로 감싸지며, 상기 적층된 각 연료전지셀(500)로 공기와 수소 및 냉각수(이하 ‘연료’라 칭함)를 배분하여 공급하기 위한 인렛매니폴드(504)와, 상기 각 연료전지셀(500)로부터 배출되는 유체를 회수하기 위한 아웃렛매니폴드(506)가 구비되어 있다.

상기 연료가 상기 각 연료전지셀(500)로 공급됨에 있어서, 모든 연료전지셀(500)에 동시에 동일한 양의 유체가 공급될 수 있도록 하는 것이 바람직하지만, 상기한 바와 같이 구성된 종래의 연료전지 스택에서는, 상기 인렛매니폴드(504)로 연료를 공급하는 관로로 이루어진 스택인렛부(508)가 상기 연료전지셀(500)들의 적층방향 일측에 구비되어, 상기 연료는 상기 스택인렛부(508)로부터 상기 인렛매니폴드(504)를 따라 연료전지셀(500)들의 적층방향을 따라 흐르면서 상기 연료전지셀(500)들로 공급되므로, 상기 각 연료전지셀(500)은 상기 스택인렛부(508)로부터 가깝고 먼 정도에 따라 연료의 공급에 편차가 발생하게 되고, 이는 각 연료전지셀(500)의 작동성능의 차이를 초래하게 된다.

즉, 상기 스택인렛부(508)로부터 상대적으로 가까운 위치에 배치된 연료전지셀(500)에는 비교적 많은 양의 연료가 공급되고 상대적으로 먼 위치에 배치된 연료전지셀(500)에는 비교적 적은 양의 연료가 공급되어, 각 연료전지셀(500)에서의 발전 작용이 고르게 이루어지지 못하는 것이다.

특히, 연료의 공급량이 현저히 부족한 연료전지셀(500)은 연료전지 스택 전체의 성능 및 내구성을 저하시키기 쉬우며, 이를 방지하기 위해서는, 스택인렛부(508)로부터 먼 위치의 연료전지셀(500)에까지 충분한 연료가 공급될 수 있도록 과도한 양의 연료를 공급해야 하는데, 이는 연비를 악화시키는 요인이 된다.

본 발명은 일렬로 정렬되어 배치된 다수의 연료전지셀에 공급되는 연료의 분배가 보다 균등하고 원활하게 이루어질 수 있도록 함으로써, 연료전지 스택을 구성하는 모든 연료전지셀의 작동성능의 균일화를 향상시켜, 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시키고, 연료전지 스택을 탑재한 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 스택 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 연료전지 스택 구조는

일렬로 적층되어 배치된 다수의 연료전지셀과;

상기 연료전지셀들의 적층방향 양단에 각각 구비된 엔드플레이트와;

상기 연료전지셀들의 적층방향을 따라 긴 통로를 이루며 배치되고 스택인렛부로부터의 연료를 상기 각 연료전지셀들로 공급하도록 설치된 인렛매니폴드와;

상기 연료전지셀들의 적층방향을 따라 긴 통로를 이루며 배치되고 상기 연료전지셀들로부터 배출되는 유체를 회수하여 스택아웃렛부로 토출시키도록 설치된 아웃렛매니폴드와;

상기 아웃렛매니폴드의 상기 스택아웃렛부의 반대편 부분을 상기 스택아웃렛부로 연통시키도록 구비된 바이패스관;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 일렬로 정렬되어 배치된 다수의 연료전지셀에 공급되는 연료의 분배가 보다 균등하고 원활하게 이루어질 수 있도록 함으로써, 연료전지 스택을 구성하는 모든 연료전지셀의 작동성능의 균일화를 향상시켜, 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시키고, 연료전지 스택을 탑재한 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 한다.

도 1은 종래 기술에 의한 연료전지 스택 구조를 설명한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택 구조를 설명한 도면,
도 3은 도 2의 평면도이다.

도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명 실시예는 일렬로 적층되어 배치된 다수의 연료전지셀(1)과; 상기 연료전지셀(1)들의 적층방향 양단에 각각 구비된 엔드플레이트(3a,3b)와; 상기 연료전지셀(1)들의 적층방향을 따라 긴 통로를 이루며 배치되고 스택인렛부(5)로부터의 연료를 상기 각 연료전지셀(1)들로 공급하도록 설치된 인렛매니폴드(7)와; 상기 연료전지셀(1)들의 적층방향을 따라 긴 통로를 이루며 배치되고 상기 연료전지셀(1)들로부터 배출되는 유체를 회수하여 스택아웃렛부(9)로 토출시키도록 설치된 아웃렛매니폴드(11)와; 상기 아웃렛매니폴드(11)의 상기 스택아웃렛부(9)의 반대편 부분을 상기 스택아웃렛부(9)로 연통시키도록 구비된 바이패스관(13)을 포함하여 구성된다.

즉, 상기 스택인렛부(5)로부터 가장 먼 곳 인근에 위치한 연료전지셀(1)들의 아웃렛매니폴드(11) 쪽의 배압을 상기 바이패스관(13)으로 해소시키도록 함으로써, 이 위치의 연료전지셀(1)들에도 연료의 공급이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록 하여, 연료전지 스택의 전체 연료전지셀(1)들의 연료 공급이 가급적 균등히 이루어질 수 있도록 하는 것이다.

상기 스택인렛부(5)와 상기 스택아웃렛부(9)는 모두 상기 연료전지셀(1)들의 적층방향 일측의 상기 엔드플레이트(3a)를 관통하여 각각 상기 인렛매니폴드(7)와 아웃렛매니폴드(11)에 연통되도록 구비되고, 상기 바이패스관(13)은 상기 연료전지셀(1)들의 적층방향 타측의 상기 엔드플레이트(3b)를 관통하여 설치된다.

즉, 상기 연료전지셀(1)들이 도 3과 같이 좌측으로부터 우측으로 적층되어 있을 때, 상기 적층된 연료전지셀(1)들의 좌측을 감싸는 엔드플레이트(3a)에 상기 스택인렛부(5)와 스택아웃렛부(9)가 모두 관통하도록 설치되고, 상기 바이패스관(13)은 연료전지셀(1)들의 우측을 감싸는 엔드플레이트(3b)를 관통하도록 설치된 것이다.

상기 바이패스관(13)의 유동 단면적은 상기 아웃렛매니폴드(11) 유동 단면적의 20~60%의 범위 내로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 바이패스관(13)은 상기 아웃렛매니폴드(11)와 연통된 상태로 상기 엔드플레이트(3b)를 관통한 후 U자형으로 구부러져서, 상기 아웃렛매니폴드(11)와 평행하게 연장된 후, 상기 스택아웃렛부(9)의 측벽을 관통하여 연결된 구조이다.

상기한 바와 같이 구성된 연료전지 스택 구조에서는 상기 스택인렛부(5)로부터 상기 인렛매니폴드(7)로 공급되는 연료는 상기 인렛매니폴드(7)의 내부를 통해 유동하면서, 적층되어 있는 상기 각 연료전지셀(1)들에 상기 연료를 공급하게 된다.

이때, 상기 스택인렛부(5)로부터 먼 위치의 연료전지셀(1)들의 경우 상기 바이패스관(13)이 없다면, 상기 아웃렛매니폴드(11)에 형성되는 배압에 의해 상기 인렛매니폴드(7)를 통해 공급되는 연료가 원활히 공급되지 않아서, 도 4에 비교하여 도시한 그래프와 같이 점차로 공급되는 연료의 유량이 줄어들게 되지만, 본 발명과 같이 상기 스택인렛부(5)로부터 먼 위치의 연료전지셀(1)들에 인접한 위치의 상기 아웃렛매니폴드(11)의 부분에 형성되는 배압을 상기 바이패스관(13)으로 해소시키면, 도 4에 도시된 바와 같이 모든 연료전지셀(1)에 전반적으로 비슷한 연료의 유량이 공급되게 된다.

상기와 같이 연료전지 스택에 적층된 모든 연료전지셀(1)에 고르게 연료를 공급할 수 있게 됨에 따라, 모든 연료전지셀(1)이 비슷한 수준의 작동성능을 발휘하여, 원활한 발전작용이 이루어짐은 물론, 그 내구성이 향상되고, 불필요하게 과다한 연료의 공급이 필요하지 않게 됨에 따라, 이를 탑재한 차량의 연비를 향상시킬 수 있게 된다.

1; 연료전지셀
3a, 3b; 엔드플레이트
5; 스택인렛부
7; 인렛매니폴드
9; 스택아웃렛부
11; 아웃렛매니폴드
13; 바이패스관

Claims

일렬로 적층되어 배치된 다수의 연료전지셀과;
상기 연료전지셀들의 적층방향 양단에 각각 구비된 엔드플레이트와;
상기 연료전지셀들의 적층방향을 따라 긴 통로를 이루며 배치되고 스택인렛부로부터의 연료를 상기 각 연료전지셀들로 공급하도록 설치된 인렛매니폴드와;
상기 연료전지셀들의 적층방향을 따라 긴 통로를 이루며 배치되고 상기 연료전지셀들로부터 배출되는 유체를 회수하여 스택아웃렛부로 토출시키도록 설치된 아웃렛매니폴드와;
상기 아웃렛매니폴드의 상기 스택아웃렛부의 반대편 부분을 상기 스택아웃렛부로 연통시키도록 구비된 바이패스관;
을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 스택인렛부와 상기 스택아웃렛부는 모두 상기 연료전지셀들의 적층방향 일측의 상기 엔드플레이트를 관통하여 각각 상기 인렛매니폴드와 아웃렛매니폴드에 연통되도록 구비되고;
상기 바이패스관은 상기 연료전지셀들의 적층방향 타측의 상기 엔드플레이트를 관통하여 설치된 것
을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조.
청구항 2에 있어서,
상기 바이패스관의 유동 단면적은 상기 아웃렛매니폴드 유동 단면적의 20~60%의 범위 내로 형성되는 것
을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조.
청구항 2에 있어서,
상기 바이패스관은 상기 아웃렛매니폴드와 연통된 상태로 상기 엔드플레이트를 관통한 후 U자형으로 구부러져서, 상기 아웃렛매니폴드와 평행하게 연장된 후, 상기 스택아웃렛부의 측벽을 관통하여 연결된 것
을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조.