KR101173057B1 - 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 연료전지 스택의 두께를 증가시키는 종래의 인슐레이터나, 전원 공급을 위한 별도의 기구 및 제어 로직이 필요한 히터, 또는 단열용 공기층을 형성하기 위한 덮개 등의 설치 없이, 스택 내부의 냉각수 입구 매니폴드와 냉각수 출구 매니폴드의 간단한 구조 변경만으로 전체 셀의 온도 편차를 줄일 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다. 이를 위해, 냉각수 출구 매니폴드에서 셀을 통과하여 온도가 상승한 상류측 냉각수를 엔드플레이트 쪽으로 위치된 냉각수 하류측 셀을 통과하도록 재순환시키는 냉각수 유도용 유로부재가 상기 하류측 셀에 대해서 냉각수 출구 매니폴드와 냉각수 입구 매니폴드에 각각 설치된 연료전지 스택이 개시된다.

Description

온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택{Fuel cell stack having enhanced uniformity of temperature distribution}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스택 내부의 냉각수 입구 매니폴드와 냉각수 출구 매니폴드의 간단한 구조 변경에 의해 전체 셀의 온도 편차를 줄일 수 있도록 한 연료전지 스택에 관한 것이다.
고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polyer Electrolyte Membrane Fuel Cells) 혹은 양자교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 가지는 장점이 있다.
연료전지 스택의 구성은 다음과 같다. 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 이 막전극접합체는 수소 양자(Proton)를 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성되어 있다.
또한 막전극접합체의 바깥부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓 등이 적층되고, 가스확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Bipolar Plate)이 위치된다.
이러한 구성을 단위 셀(Cell)로 하여 복수의 단위 셀을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 단위 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 단위 셀들을 배열하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.
고분자 전해질막 연료전지의 작동원리를 살펴보면, 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극 접합체의 애노드와 캐소드로 각각 공급되는데, 산화극인 애노드로 공급된 수소는 전극층의 촉매에 의해 수소이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판, 외부도선을 통해 캐소드로 전달된다. 이때 일어나는 외부도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
환원극인 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 캐소드로 공급된 산소와 만나서 열과 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이러한 단위 셀은 운전시 낮은 전압(통상 1V 이하)을 유지하므로 전압을 높이기 위해 수십 ~ 수백 개의 셀들을 직렬로 적층하여 스택 형태로 제작한 뒤 발전장치로 사용하게 된다.
한편, 고분자 전해질막 연료전지는 일반적으로 상온에서부터 80℃ 사이에서 높은 성능을 나타내고, 온도가 낮아짐에 따라 반응활성화 감소 및 전해질막의 이온전도도 감소로 인해 성능이 떨어질 수 있다.
특히, 겨울철과 같이 외부 온도가 0℃ 이하로 떨어져 차량에 탑재된 연료전지 스택의 온도가 물의 빙점 이하로 떨어질 경우에는 전극의 활성도가 떨어질 뿐만 아니라 전해질막 내 수소 이온을 전달시키는 물이 얼게 되면서 전도도가 떨어지게 되어 낮은 성능을 나타내게 된다.
또한 가습 가스를 공급하는 상태에서 온도가 낮을 경우 물의 응축에 따른 플러딩(Flooding) 문제가 발생하여 성능 및 내구성에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 수백 장의 단위 셀이 적층되어 구성된 연료전지 스택을 적정 온도에서 운전하기 위해 스택 전체의 온도 분포를 일정 범위 내에서 균일하게 유지하는 것이 중요하다.
연료전지 스택은 구조상 양끝에 체결력 유지와 전류 취합을 위한 집전판이 포함된 엔드플레이트가 위치되는데, 많은 실험과 논문에서 엔드플레이트(집전판) 부근의 셀들이 다른 셀들에 비해 온도가 낮아짐을 확인할 수 있다.
도 1은 통상의 연료전지 스택에서 냉각수 유동 상태를 나타내는 도면으로서, 연료전지 스택(10)의 각 단위 셀(11)을 구성하는 분리판이 적층되어 스택 일측에는 냉각수 입구 매니폴드(13)가, 타측에는 냉각수 출구 매니폴드(15)가 구성되는데, 입구 매니폴드(13)로 공급된 냉각수가 각 셀(11)을 통과하여 반대쪽의 출구 매니폴드(15)로 모아진 뒤 외부 배출되게 된다.
즉, 입구 매니폴드(13)로 유입된 냉각수가 각 셀(11)의 분리판에 형성된 냉각수 채널(11b)로 분배되어 이를 통과하면서 각 셀을 냉각시킨 뒤 출구 매니폴드(15)로 모아지며, 출구 매니폴드(15)로 모아진 냉각 후의 냉각수가 스택 외부로 최종 배출되는 것이다.
이와 같이 냉각수가 입구 매니폴드(13)에서 셀(11)을 통과하여 출구 매니폴드(15)로 이동하는 동안 스택의 전기화학 반응에서 발생하는 열을 전달받게 되며, 이로써 스택 냉각이 이루어진다.
이에 출구 매니폴드(15)로 모아진 냉각수는 냉각 과정에서 열을 전달받았으므로 입구 매니폴드(13)로 최초 공급된 냉각수에 비해 상대적으로 고온의 냉각수가 된다.
한편, 종래의 연료전지 스택에서는 시동 초기에 엔드플레이트(19) 및 집전판(18) 근처의 셀에서 상대적으로 낮은 온도를 나타내는데, 도 2는 출구 매니폴드 내 냉각수 온도 분포를 나타내는 도면으로서, 출구 매니폴드 내에서 냉각수 유동방향 기준 하류측으로 갈수록 온도가 낮아짐 볼 수 있다.
도 3은 스택 냉시동시 1차원 열전달 모델 해석의 결과를 나타내는 도면으로서, 이 역시 냉시동시 엔드플레이트에 가까운 셀일수록 온도가 낮음을 보여주고 있으며, 이에 전체 셀의 온도를 균일하게 맞춰주어 스택 내 온도 분포를 개선할 수 있는 방안이 필요하다.
종래에는 엔드플레이트와 적층된 셀 사이에 두꺼운 단열 혹은 가열을 위한 장치를 삽입하여 온도 저하를 방지하고 있다.
예컨대, 미국특허 6,824,901의 경우에는 엔드플레이트와 분리판 사이에 두꺼운 인슐레이터를 넣어 실제 반응이 일어나는 부분을 단열시키는 방법을 적용하고 있고, 또는 엔드플레이트와 분리판 사이에 평면 히터를 넣어줌으로써 냉시동시 스택의 모든 부분의 온도를 일정하게 맞추어 온도 불균일의 문제를 해결하고 있다.
또한 한국등록특허 제747865호(2007.8.2)에서는 집전판(커런트 컬렉터)을 열팽창 계수가 상이한 하나 이상의 물질로 구성하여, 온도에 따른 두께 변화, 즉 온도에 따른 접촉저항성 차이를 이용하되, 온도가 낮을 때에는 높은 열팽창 계수를 갖는 물질의 수축에 의해 접촉저항이 증가하도록 함으로써, 집전판이 집전 역할뿐만 아니라 저항에 의한 히터 역할을 하도록 하고, 온도가 높을 때는 접촉저항이 낮아지면서 집전 역할만 하도록 한 연료전지 스택이 개시되어 있다.
또한 한국등록특허 제747869호(2007.8.2)에서는 연료전지의 냉시동이 가능하도록 엔드플레이트의 외부를 덮을 수 있는 장치를 부착하여 단열을 위한 공기층을 형성하는 연료전지 스택의 체결구조가 개시되어 있다.
그러나, 엔드플레이트 전체를 단열시켜주는 경우는 단열을 위해 인슐레이터가 두꺼워야 하므로 전체 연료전지 스택의 두께가 증가하는 단점이 있고, 집전판 외부에 덮개를 부착하는 경우에는 전극에서 생성된 열을 엔드플레이트로 빼앗기는 것을 방지할 수 없는 단점이 있다.
또한 엔드플레이트와 분리판 사이에 히터를 넣어주는 경우에는 외부에서 히터 작동을 위한 별도의 전원을 공급해주어야 하므로 전원 공급을 위한 부속 기구가 설치되어야 하고, 히터 작동을 제어해야 하므로 제어시스템이 복잡해지는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지 스택의 두께를 증가시키는 종래의 인슐레이터나, 전원 공급을 위한 별도의 기구 및 제어 로직이 필요한 히터, 또는 단열용 공기층을 형성하기 위한 덮개 등의 설치 없이, 스택 내부의 냉각수 입구 매니폴드와 냉각수 출구 매니폴드의 간단한 구조 변경만으로 전체 셀의 온도 편차를 줄일 수 있는 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 냉각수 출구 매니폴드에서 셀을 통과하여 온도가 상승한 냉각수를 엔드플레이트 근처의 미리 정해진 셀을 통과하도록 재순환시키는 냉각수 유도용 유로부재가 상기 미리 정해진 셀에 대해서 냉각수 출구 매니폴드와 냉각수 입구 매니폴드에 각각 설치된 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 냉각수 출구 매니폴드의 냉각수 유도용 유로부재는, 냉각수 출구 매니폴드 내에서 냉각수가 재순환되는 상기 셀의 냉각수 채널 끝단에 설치되어, 냉각수 출구 매니폴드를 흐르는 냉각수 중 일부를 상기 셀의 냉각수 채널로 유입되도록 안내하는 베인인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 베인은 냉각수가 재순환되는 상기 셀들 중 미리 정해진 일부 셀의 냉각수 채널에 설치되어, 냉각수 재순환 경로가 베인이 설치된 셀, 냉각수 입구 매니폴드의 냉각수 유도용 유로부재, 베인이 설치되지 않은 셀, 냉각수 출구 매니폴드로 이어지는 셀간 이동 경로가 되도록 한 것을 특징으로 한다.
또한 상기 베인은 냉각수가 재순환되는 상기 셀의 미리 정해진 일부 냉각수 채널에 설치되어, 냉각수의 재순환 경로가 베인이 설치된 냉각수 채널, 냉각수 입구 매니폴드의 냉각수 유도용 유로부재, 베인이 설치되지 않은 냉각수 채널, 냉각수 출구 매니폴드로 이어지는 냉각수 채널간 이동 경로가 되도록 한 것을 특징으로 한다.
또한 냉각수 입구 매니폴드의 냉각수 유도용 유로부재는, 냉각수 입구 매니폴드 내에서 냉각수가 재순환되는 상기 셀들의 냉각수 채널 끝단 주변을 밀폐하도록 설치되어, 냉각수 출구 매니폴드의 유로부재에 의해 상기 셀을 통과한 냉각수를 인접한 냉각수 채널로 안내하여 냉각수 출구 매니폴드로 복귀시키는 밀폐형 유로부재인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 밀폐형 유로부재는 냉각수가 재순환되는 전체 셀들의 냉각수 채널 끝단 주변을 통합적으로 밀폐하거나, 복수개의 밀폐형 유로부재가 전체 셀들을 분할하여 각각 정해진 셀의 냉각수 채널 끝단 주변을 밀폐하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 스택에서는 셀을 통과한 고온의 냉각수가 엔드플레이트 쪽에 위치되는 저온의 셀을 통과하여 재순환되도록 구성됨으로써 전체 셀의 온도 편차를 줄일 수 있는 효과가 있다.
따라서, 연료전지 스택의 두께를 증가시키는 종래의 인슐레이터나, 전원 공급을 위한 별도의 기구 및 제어 로직이 필요한 히터 등의 설치가 불필요해진다.
도 1은 통상의 연료전지 스택에서 냉각수 유동 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 출구 매니폴드 내 냉각수 온도를 나타내는 도면이다.
도 3은 스택 냉시동시 1차원 열전달 모델 해석의 결과를 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4a 및 도 4b의 실시예에서 냉각수 유도용 베인과 밀폐형 유로부재가 설치된 상태의 단면도로서, 각각 도 4a 및 도 4b의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시된 실시예에서 냉각수 유도용 베인과 밀폐형 유로부재가 설치된 상태의 단면도로서, 도 6의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타내는 단면도이다.
도 9a 내지 도 9c는 출구 매니폴드에서 도 8의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 연료전지 스택의 두께를 증가시키는 종래의 인슐레이터나, 전원 공급을 위한 별도의 기구 및 제어 로직이 필요한 히터, 또는 단열용 공기층을 형성하기 위한 덮개 등의 설치 없이, 스택 내 냉각수 흐름 경로를 개선하여 전체 셀의 온도 균일성이 향상되도록 한 연료전지 스택에 관한 것이다.
특히, 고온 셀을 통과한 냉각수가 냉각 과정에서 전달받은 열을 엔드플레이트 및 집전판 근처의 저온 셀로 전달하도록 하여 셀 간의 온도 편차가 감소되도록 한 것이다.
본 발명에서는 셀 간의 온도 편차 감소를 위해 스택의 냉각수 입구 매니폴드와 출구 매니폴드의 구조가 변경되는데, 스택을 구성하는 전체 셀 중 온도가 상대적으로 낮은 엔드플레이트 근처의 일부 셀에 대해서, 다른 고온 셀을 이미 통과한 고온 냉각수(다른 셀의 냉각 과정에서 열을 전달받은 냉각수)를 공급받아 통과시키기 위한 냉각수 유도용 유로부재가 추가로 설치된다.
즉, 스택에서 상대적으로 고온인 셀을 통과하여 온도가 상승한 냉각수가 엔드플레이트 근처의 온도가 낮은 셀을 다시 통과하도록 하기 위한 구조가 추가로 설치되는 것으로, 출구 매니폴드로 이동한 냉각수(다른 셀을 통과한 냉각수)를 엔드플레이트 근처의 하류측 저온 셀을 중심으로 재순환시킴으로써 상류측 열 에너지를 하류측 저온 셀에 전달할 수 있도록 한다.
상기의 냉각수 유도용 유로부재는 셀을 구성하는 분리판의 냉각수 채널을 통과하여 셀을 냉각한 뒤 출구 매니폴드로 배출된 고온의 냉각수를 출구 매니폴드의 하류측에서 저온 셀의 냉각수 채널로 분배해주어 스택 전체 셀의 온도를 균일하게 해주게 된다.
이하, 도면을 참조하여 좀더 상세히 설명하기로 한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 5a 및 도 5b는 도 4a 및 도 4b의 실시예에서 냉각수 유도용 베인과 밀폐형 유로부재가 설치된 상태의 단면도로서, 각각 출구 매니폴드(15)에서 도 4a 및 도 4b의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도이다. 도 5a 및 도 5b에서는 출구 매니폴드 내에 설치된 베인(16)은 단면으로, 반대쪽의 입구 매니폴드(13)에 설치된 밀폐형 유로부재(14)는 은선으로 나타내었다.
또한 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 나타내는 개략도이고, 도 7은 도 6에 도시된 실시예에서 연료전지 스택의 냉각수 유도용 베인과 밀폐형 유로부재가 설치된 상태의 단면도로서, 출구 매니폴드(15)에서 도 6의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도이다. 도 6에서 입구 매니폴드에 설치된 밀폐형 유로부재(14)는 은선으로 나타내었다.
우선, 연료전지 스택(10)으로 유입된 냉각수는 냉각수 입구 매니폴드(13)를 거친 뒤 각 셀(11)의 분리판에 형성된 냉각수 채널(11b)로 분배되는데, 입구 매니폴드(13)에는 각 셀(11)을 통과하기 전 상태인 저온의 냉각수가 흐르게 된다.
반면, 냉각수 입구 매니폴드(13)에서 냉각수 채널(11b)로 분배되어 셀(11)을 통과한 냉각수는 냉각수 출구 매니폴드(15)로 이동하여 모이게 되며, 따라서 출구 매니폴드(15)로 이동한 냉각수는 각 셀(11)로부터 반응열을 전달받은 고온의 냉각수(셀 냉각 후의 냉각수)가 된다.
이에 본 발명에서는 출구 매니폴드(15) 내 고온의 냉각수를 스택(10) 끝단의 셀들, 즉 엔드플레이트(19) 근처의 저온 셀(11a)(하류측 셀)로 통과시켜 재순환시킴으로써 저온 셀(11a)의 온도를 상승시키고, 이로써 스택 전체의 셀이 최대한 균일한 온도 분포를 가지도록 유도하고자 한다.
이를 위해 출구 매니폴드(15)의 하류측 및 입구 매니폴드(13)의 상류측에 위치되는 저온 셀(11a)들에 대하여 다른 셀을 통과한 고온의 냉각수가 재순환되도록 하는 냉각수 유도용 유로부재가 추가된다.
상기 냉각수 유도용 유도부재는 출구 매니폴드(15) 내에서 하류측에 설치되는 냉각수 유도용 베인(vane)(16)과, 입구 매니폴드(13) 내에서 상류측에 설치되는 밀폐형 유로부재(14)로 구성된다.
상기 밀폐형 유로부재(14)는 입구 매니폴드(13) 내에서 고온 냉각수가 재순환되도록 설정된 상류측 저온 셀(11a)(출구 매니폴드 기준 냉각수 하류측 저온 셀과 동일 셀임)들의 냉각수 채널(11b) 끝단 주변을 밀폐하는 덮개 구조로 설치되는 것으로, 입구 매니폴드(13) 내에서 새로이 유입된 냉각수의 유로 공간과, 상기 상류측 저온 셀(11a)들을 통과한 재순환 냉각수의 유로 공간을 분리시키는 역할을 한다.
입구 매니폴드가 새로이 유입된 냉각수를 각 셀의 냉각수 채널로 분배하는 부분이므로, 재순환된 냉각수가 입구 매니폴드 내 새로이 유입된 저온인 냉각수와 섞이지 않도록 유로를 분리해주는 역할을 하게 되는 것이다.
또한 냉각수 유도용 베인(16)은 출구 매니폴드(15)에서 고온 냉각수가 유입되는 일부 저온 셀(11a)의 냉각수 채널(11b) 끝단에 각각 설치되는 것으로, 일측이 냉각수 채널(11b) 끝단에 고정된 상태로 타측이 출구 매니폴드(15)에서 상류측을 향하도록 벤딩되거나 경사진 형태의 구조로 설치된다.
이때, 베인(16)은 출구 매니폴드(15) 내에서 하류측 저온 셀(11a)들(냉각수 재순환 셀들) 중 일부 셀들의 냉각수 채널(11b) 끝단에 설치되거나 하류측 각 저온 셀들의 냉각수 채널 일부 끝단에 설치되며, 출구 매니폴드 내에서 하류측으로 흐르는 고온 냉각수 중 일부를 저온 셀들의 냉각수 채널에 유입되도록 유도하는 안내판 역할을 한다.
결국, 냉각수 유도용 베인(16)에 의해 냉각수가 재순환되는 엔드플레이트(19) 근처의 셀(11a)(냉각수 재순환 셀)들에서는 출구 매니폴드(15)의 상류측에서 하류측으로 이동한 고온 냉각수 중 일부가 냉각수 채널(11b)로 유입되어 통과하게 되며(다른 상류측 셀들과는 반대방향, 즉 도 4a 및 도 4b, 도 6의 도면상 상방으로 흐르게 됨), 특히 셀(11a)을 통과한 냉각수가 밀폐형 유로부재(14)의 내부를 거쳐 인접한 다른 냉각수 재순환 셀(11a) 또는 냉각수 재순환 셀의 인접한 냉각수 채널(11b)을 통과한 뒤, 출구 매니폴드(15)의 하류측에서 재순환되지 않은 냉각수와 혼합된 상태로 스택 외부로 배출되게 된다.
통상적으로 스택의 냉각수 입구부 온도는 이에 유입되는 냉각수 온도와 비슷한 상태이다. 이에 입구 매니폴드(13)를 기준으로 상류측에 해당하는 몇 개의 셀(11a)에서는 스택(10) 내로 최초 유입된 저온의 냉각수가 흐르지 않도록 상기 밀폐형 유로부재(14)를 설치하여 입구 매니폴드(13) 내 주 유동 유로와 분리되는 재순환 냉각수 유로를 형성하고, 반대편 출구 매니폴드(15) 내 하류측에는 상기 셀(11a)의 냉각수 채널(11b)로 냉각수가 유입되도록 안내하는 베인(16)을 설치한다.
도 4a와 도 5a는 냉각수가 재순환되는 전체 셀(11a) 중에서 출구 매니폴드(15) 내 냉각수 유동방향을 기준으로 보다 하류측인 일부 셀의 냉각수 채널 끝단(11b)에 베인(16)을 설치한 실시예를 나타내고, 도 4b와 도 5b는 냉각수가 재순환되는 전체 셀(11a) 중 상류측인 일부 셀들의 냉각수 채널 끝단에 베인(16)을 설치한 실시예를 나타내고 있다.
또한 도 4a 및 도 4b, 도 5a 및 도 5b의 실시예는 입구 매니폴드(13) 내에 설치되는 밀폐형 유로부재(14)가 전체 냉각수 재순환 셀(11a)들의 냉각수 채널(11b) 끝단 주변을 덮어 밀폐하도록 설치된 실시예이다.
이 경우, 냉각수가 재순환되는 셀(11a)들 중 일부 셀의 냉각수 채널(11b)에만 베인(16)이 설치되므로, 냉각수 재순환 경로는 베인(16)이 설치된 셀, 냉각수 입구 매니폴드(13)의 냉각수 유도용 유로부재, 베인(16)이 설치되지 않은 셀, 냉각수 출구 매니폴드(15)로 이어지는 셀간 이동 경로가 된다.
또한 도 6 및 도 7은 냉각수 재순환 셀(11a)에서 일부 냉각수 채널(11b) 끝단에만 베인(16)을 설치한 실시예로서, 베인이 설치된 냉각수 채널에서는 출구 매니폴드(15) 내 고온의 냉각수가 공급되어 반대쪽의 밀폐형 유로부재(14)로 배출되며, 베인이 설치되지 않은 냉각수 채널에서는 밀폐형 유로부재를 거친 냉각수가 유입되어 출구 매니폴드 내로 복귀하게 된다.
즉, 입구 매니폴드(13)에 밀폐형 유로부재(14)가 설치되었을 때, 베인(16)이 설치된 냉각수 채널(11b)로는 냉각수가 유입되고, 베인이 설치되지 않은 냉각수 채널로는 냉각수가 배출된다.
이때, 출구 매니폴드(15)에서 베인(16)에 의해 냉각수 채널(11b)로 공급된 재순환 냉각수는 타 셀들과는 역방향으로 셀을 통과하여 밀폐형 유로부재(14)로 배출되며, 베인이 설치되지 않은 냉각수 채널로는 밀폐형 유로부재(14)를 거쳐 출구 매니폴드(15)로 복귀하는 냉각수가 배출된다.
이 경우, 냉각수가 재순환되는 셀(11a)의 일부 냉각수 채널(11b)에만 베인(16)이 설치되므로, 냉각수의 재순환 경로가 베인(16)이 설치된 냉각수 채널, 냉각수 입구 매니폴드(13)의 냉각수 유도용 유로부재, 베인(16)이 설치되지 않은 냉각수 채널, 냉각수 출구 매니폴드(15)로 이어지는 냉각수 채널간 이동 경로가 된다.
이와 같이 출구 매니폴드 상류에서 스택의 냉각수 출구로 흐르는 냉각수의 일부를 베인이 낮은 온도의 셀로 유입시키고, 입구 매니폴드의 밀폐형 유로부재가 그 내부로 배출된 냉각수를 인접한 셀 또는 냉각수 채널로 유입시켜 고온 냉각수의 재순환이 이루어지도록 하는 바, 출구 매니폴드의 냉각수 유동방향을 기준으로 상류측 고온 셀로부터 열에너지를 전달받은 냉각수가 하류측 저온 셀로 통과되어 열 에너지를 전달하게 된다.
이로써 셀들 간 온도 편차를 줄일 수 있고, 스택에서 엔드플레이트(19) 혹은 집전판(18)을 통해 손실되는 열량을 줄일 수 있는 단열 효과를 기대할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타내는 단면도이고, 도 9a 내지 도 9c는 출구 매니폴드(15)에서 도 8의 선 'A-A'를 따라 취한 단면도로서, 베인과 밀폐형 유로부재의 다양한 예를 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 7은 입구 매니폴드(13) 내에 냉각수가 재순환되는 전체 셀(11a)들의 냉각수 채널(11b) 끝단 주변을 통합 밀폐하는 하나의 밀폐형 유로부재(14)가 설치된 실시예를 나타내나, 도 8과 도 9a 내지 도 9c는 전체 셀(11a)들을 분할하여 복수개의 밀폐형 유로부재(14)가 각각 정해진 셀에 대해 냉각수 채널 끝단 주변을 개별적으로 밀폐하도록 설치된 실시예를 나타낸다.
본 실시예에서, 냉각수가 재순환되는 셀(11a)들에 대해 출구 매니폴드(15) 내 베인(16)이 설치된 냉각수 채널(11b)로는 냉각수가 유입되고, 베인이 설치되지 않은 냉각수 채널로는 밀폐형 유로부재(14)를 거친 재순환된 냉각수가 출구 매니폴드(15)로 배출 및 복귀되는 바, 냉각수 재순환 및 그로 인한 작용 효과는 도 4a 내지 도 7의 실시예와 차이가 없다.
출구 매니폴드(15)에 설치되는 베인(16)의 경우도 도 9a 내지 도 9c에 나타낸 바와 같이 동일 셀(11a)의 분리판 중 일부 냉각수 채널(11b)에만 설치될 수 있으며, 이 경우도 베인이 설치된 냉각수 채널로는 냉각수가 유입되고, 베인이 설치되지 않은 냉각수 채널로는 냉각수가 배출되게 된다.
이와 같이 하여, 도 4a ~ 도 7의 실시예에는 베인(16)과 밀폐형 유로부재(14)가 출구 매니폴드(15)의 냉각수 유동방향을 기준으로 하류측으로 위치된 엔드플레이트 근처의 저온 셀에 대해서 설치됨을 예로 든 것이며, 상기 베인(16)과 밀폐형 유로부재(14)에 의해 셀을 통과한 냉각수를 상기 하류측으로 위치된 엔드플레이트 근처의 저온 셀로 재순환시켜 전체 셀의 온도 균일성을 향상시킬 수 있게 된다.
상기와 같이 냉각수를 재순환시키기 위한 베인(16)과 밀폐형 유로부재(14)는 출구 매니폴드(15)의 냉각수 유동방향을 기준으로 하류측으로 위치된 엔드플레이트 근처의 저온 셀에 대해서 설치될 수 있으나, 반대쪽에 위치되는 상류측 엔드플레이트 근처의 저온 셀에 대해서도 설치가 가능하다.
이 경우, 하류측이 아닌 상류측 엔드플레이트 근처의 셀에 대해서 설치되는 것에 차이가 있을 뿐, 상술한 베인(16)과 밀폐형 유로부재(14)가 동일하게 설치된다.
또한 이러한 구성에서도 일단 다른 셀을 통과한 냉각수가 베인(16)에 의해 저온 셀의 냉각수 채널로 유입된 뒤 밀폐형 유로부재(14)를 거쳐 인접한 셀 또는 냉각수 채널로 안내되고, 이어 인접한 셀 또는 냉각수 채널을 통과한 뒤 다시 출구 매니폴드(15)로 이동하여 스택 외부로 최종 배출되게 된다.
물론, 이 구성에서도 다른 셀을 통과한 냉각수를 상대적으로 저온인 엔드플레이트 근처의 셀로 통과시켜 재순환시키는 것이므로 전체 셀의 온도 균일성을 향상시키는 효과는 동일하게 얻을 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 스택 11 : 셀
11a : 하류측 셀(저온 셀) 13 : 냉각수 입구 매니폴드
14 : 밀폐형 유로부재 15 : 냉각수 출구 매니폴드
16 : 베인 18 : 집전판
19 : 엔드플레이트

Claims (6)

  1. 냉각수 출구 매니폴드(15)에서 셀(11)을 통과하여 온도가 상승한 냉각수를 엔드플레이트(19) 근처의 미리 정해진 셀(11a)을 통과하도록 재순환시키는 냉각수 유도용 유로부재가 상기 미리 정해진 셀(11a)에 대해서 냉각수 출구 매니폴드(15)와 냉각수 입구 매니폴드(13)에 각각 설치된 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.
  2. 청구항 1에 있어서,
    냉각수 출구 매니폴드(15)의 냉각수 유도용 유로부재는,
    냉각수 출구 매니폴드(15) 내에서 냉각수가 재순환되는 상기 셀(11a)의 냉각수 채널(11b) 끝단에 설치되어, 냉각수 출구 매니폴드(15)를 흐르는 냉각수 중 일부를 상기 셀(11a)의 냉각수 채널(11b)로 유입되도록 안내하는 베인(16)인 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 베인(16)은 냉각수가 재순환되는 상기 셀(11a)들 중 미리 정해진 일부 셀의 냉각수 채널(11b)에 설치되어, 냉각수 재순환 경로가 베인(16)이 설치된 셀, 냉각수 입구 매니폴드(13)의 냉각수 유도용 유로부재, 베인(16)이 설치되지 않은 셀, 냉각수 출구 매니폴드(15)로 이어지는 셀간 이동 경로가 되도록 한 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 베인(16)은 냉각수가 재순환되는 상기 셀(11a)의 미리 정해진 일부 냉각수 채널(11b)에 설치되어, 냉각수의 재순환 경로가 베인(16)이 설치된 냉각수 채널, 냉각수 입구 매니폴드(13)의 냉각수 유도용 유로부재, 베인(16)이 설치되지 않은 냉각수 채널, 냉각수 출구 매니폴드(15)로 이어지는 냉각수 채널간 이동 경로가 되도록 한 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각수 입구 매니폴드(13)의 냉각수 유도용 유로부재는,
    냉각수 입구 매니폴드(13) 내에서 냉각수가 재순환되는 상기 셀(11a)들의 냉각수 채널(11b) 끝단 주변을 밀폐하도록 설치되어, 냉각수 출구 매니폴드(15)의 유로부재에 의해 상기 셀(11a)을 통과한 냉각수를 인접한 냉각수 채널로 안내하여 냉각수 출구 매니폴드(15)로 복귀시키는 밀폐형 유로부재(14)인 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 밀폐형 유로부재(14)는 냉각수가 재순환되는 전체 셀(11a)들의 냉각수 채널(11b) 끝단 주변을 통합적으로 밀폐하거나, 복수개의 밀폐형 유로부재(14)가 전체 셀(11a)들을 분할하여 각각 정해진 셀(11a)의 냉각수 채널(11b) 끝단 주변을 밀폐하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.


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