KR101416402B1 - 연료 전지 스택 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 스택이 개시된다. 개시된 연료 전지 스택은 매니폴드를 포함하는 단위 셀들과, 단위 셀들의 일측에 배치되며 매니폴드와 연결되는 반응기체 입구 및 출구가 형성된 오픈형 엔드 플레이트와, 단위 셀들의 다른 일측에 배치되며, 매니폴드를 폐쇄하는 폐쇄형 엔드 플레이트를 포함하며, 오픈형 엔드 플레이트는 반응기체 입구와 매니폴드 경계면에서 반응기체의 흐름을 조절하기 위한 제1 경사면과, 제1 경사면을 형성하며 단위 셀들을 얼라인하는 제1 얼라인 돌기를 포함하고, 폐쇄형 엔드 플레이트는 매니폴드 경계면에서 반응기체의 흐름을 조절하기 위한 제2 경사면과, 제2 경사면을 형성하며 단위 셀들을 얼라인하는 제2 얼라인 돌기를 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 스택 {FUEL CELL STACK}
본 발명의 실시예는 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위 셀들에 대한 반응기체의 분배 편차를 개선한 연료 전지 스택에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로서, 대개 연료 전지 차량에 적용되고 있다.
연료 전지 시스템은 연료전지 스택, 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소 공급부, 연료전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부 및 연료전지 스택의 반응열과 물을 제거하고 연료전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열/물 관리 장치를 구비하고 있다.
연료전지 스택은 수십에서 수 백장의 단위 셀들이 연속적으로 배열된 전기 발생 집합체로 이루어지며, 단위 셀은 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 배치하여 구성될 수 있다.
이러한 연료전지 스택은 연속적으로 적층된 단위 셀들의 최 외측(양측)에 설치되는 엔드 플레이트를 구비하며, 이들 엔드 플레이트는 체결수단을 통해 체결되며 단위 셀들을 가압한다.
그리고, 단위 셀들의 세퍼레이터에는 반응기체(수소와 공기)와 냉각수를 공급 및 배출하기 위한 매니폴드를 형성하고 있으며, 어느 한 쪽의 엔드 플레이트에는 매니폴드와 연결되는 반응기체 입구 및 출구를 형성하고 있다.
따라서, 엔드 플레이트의 반응기체 입구로 공급된 반응기체는 매니폴드를 따라 유동하며 단위 셀들로 공급되고, 단위 셀들에 공급되고 남은 반응기체는 다른 매니폴드를 따라 유동하며 엔드 플레이트의 반응기체 출구를 통해 배출될 수 있다.
이 과정에 연료전지 스택은 수소와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키게 된다.
그러나, 이와 같은 연료전지 스택은 다수 매로 적층된 단위 셀들로 반응기체를 공급하므로, 단위 셀들 간 공급유체의 유량 편차가 필연적으로 발생한다.
특히, 단위 셀들의 반응기체 입구 측에서 멀어질수록 기준 유량 보다 적은 유량의 반응기체가 단위 셀들로 유입될 수 있다.
이러한 반응기체의 분배 편차가 발생하는 이유는 각 단위 셀에 걸리는 차압은 동일하나 반응기체 입구로부터 멀어질수록 매니폴드에 걸리는 차압이 추가되기 때문이다.
또한, 연료전지 스택은 운전 초기에 반응기체 입구 측에서 과량의 응축수가 발생하는데, 반응기체 보다 밀도가 높은 응축수는 대부분 유동이 발달한 반응기체 입구 측의 단위 셀들 쪽으로 쏠리게 된다.
상기와 같은 연료전지 스택에 대한 반응기체의 분배 편차는 기준 유량 보다 적은 유량의 반응기체가 공급되는 단위 셀들에 대해 셀 빠짐 현상을 일으키거나 내구 성능을 저하시키는 요인으로 작용하게 되고, 반응기체의 공급 유량 최적화를 도모할 수 없기 때문에 연료전지 스택의 성능 저하를 유발할 수 있다.
또한, 상기와 같은 연료전지 스택의 반응기체 분배 구조에서는 반응기체 입구측 단위 셀들의 응축수 쏠림에 의한 플러딩(flooding) 현상을 유발할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 단위 셀들의 위치에 따른 반응기체의 분배 편차를 최소화 할 수 있고, 반응기체 입구 측에서의 응축수 유입 분산을 통해 운전 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 연료 전지 스택을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 단위 셀들의 스택킹에 따른 생산성을 개선할 수 있도록 한 연료 전지 스택을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 매니폴드를 포함하는 단위 셀들과, 상기 단위 셀들의 최 외측에 배치되며 상기 단위 셀들을 가압하는 엔드 플레이트를 포함하고, 상기 엔드 플레이트는 매니폴드 경계면에서 반응기체의 흐름을 조절하기 위한 제1 및 제2 경사면 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 단위 셀들의 일측에 배치되는 엔드 플레이트는 상기 매니폴드와 연결되는 반응기체 입구 및 출구가 형성된 오픈형 엔드 플레이트로서 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 단위 셀들의 다른 일측에 배치되는 엔드 플레이트는 상기 매니폴드를 폐쇄하는 폐쇄형 엔드 플레이트로서 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 제1 경사면은 상기 오픈형 엔드 플레이트에서 상기 반응기체 입구의 상하 측 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 폐쇄형 엔드 플레이트는 매니폴드 경계면에서 반응기체의 흐름을 조절하기 위한 제2 경사면을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 오픈형 엔드 플레이트는 상기 제1 경사면을 형성하며 상기 단위 셀들을 얼라인하는 제1 얼라인 돌기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 폐쇄형 엔드 플레이트는 상기 제2 경사면을 형성하며 상기 단위 셀들을 얼라인하는 제2 얼라인 돌기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 제1 및 제2 얼라인 돌기는 상기 단위 셀들을 지지하는 지지면을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 제1 및 제2 얼라인 돌기는 각각의 제1 경사면 및 제2 경사면과 함께 반응기체의 흐름을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 제1 경사면은 상기 반응기체 입구의 입구단 측에서 상기 오픈형 엔드 플레이트의 매니폴드 경계면 측으로 갈수록 위를 향하여 경사지게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 제2 경사면은 상기 폐쇄형 엔드 플레이트의 매니폴드 경계면에 그 높이가 점차 높아지게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 제2 경사면은 상기 폐쇄형 엔드 플레이트의 매니폴드 경계면에 홈부로서 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 단위 셀들의 위치에 따른 반응기체의 분배 편차를 최소화 할 수 있고, 반응기체 입구 측에서의 응축수 유입 분산을 도모할 수 있으므로, 연료 전지 스택의 운전 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 오픈형 엔드 플레이트와 폐쇄형 엔드 플레이트에 제1 및 제2 얼라인 돌기를 각각 형성하므로, 최 외측 단위 셀들의 상대 위치를 구속하며 이들 단위 셀을 얼라인할 수 있기 때문에, 단위 셀들의 스택킹에 따른 생산성을 개선할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 제1 얼라인 돌기와 제2 얼라인 돌기를 통해 각각의 제1 경사면 및 제2 경사면과 함께 반응기체의 흐름을 조절할 수 있으므로, 단위 셀들로 유입되는 반응기체의 유동을 충분히 발달시켜 줄 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 부분 단면 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 부분 단면 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 연료인 수소와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 단위 셀들(11)의 전기 발생 집합체이다.
이하에서는 전기 에너지를 발생시키기 위해 연료 전지 스택(100)으로 공급되는 수소와 공기를 반응기체로 정의한다.
단위 셀들(11)은 수 십 내지 수 백장의 다수 매로 적층되며, 그 단위 셀들(11)에는 반응기체의 공급과 배출을 위한 매니폴드(13)를 형성하고 있다.
여기서, 단위 셀들(11)에는 냉각수를 유동시키기 위한 매니폴드도 구비하고 있으나, 본 발명의 실시예에서 언급하는 매니폴드는 반응기체를 공급 및 배출하는 것으로 정의할 수 있다.
연속적으로 적층된 단위 셀들(11)의 최 외측(양측)에는 엔드 플레이트(21, 22)가 각각 배치된다. 엔드 플레이트(21, 22)는 체결유닛(도면에 도시되지 않음)에 의해 상호 체결되면서 이들 사이의 단위 셀들(11)을 최 외곽에서 가압한다.
본 발명의 실시예에서는 단위 셀들(11)의 일측에 배치되는 엔드 플레이트를 오픈형 엔드 플레이트(21)로 명명하며, 단위 셀들(11)의 다른 일측에 배치되는 엔드 플레이트를 폐쇄형 엔드 플레이트(22)로 명명하기로 한다.
왜냐하면, 오픈형 엔드 플레이트(21)는 단위 셀들(11)의 매니폴드(13)와 연결되는 반응기체 입구(23) 및 출구(25)를 포함하기 때문이며, 폐쇄형 엔드 플레이트(22)는 단위 셀들(11)의 매니폴드(13)를 폐쇄하기 때문이다.
이와 같이 구성되는 상기 연료 전지 스택(100)은 본 발명의 실시예에서 단위 셀들(11)의 위치에 따른 반응기체의 분배 편차를 최소화 할 수 있고, 반응기체 입구 측에서의 응축수 유입 분산을 통해 운전 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 연료 전지 스택(100)은 단위 셀들(11)의 스택킹에 따른 생산성을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어질 수 있다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지 스택(100)에서 오픈형 엔드 플레이트(21)는 제1 경사면(31)을 포함하며, 폐쇄형 엔드 플레이트(22)는 제2 경사면(41)을 포함한다.
제1 경사면(31)은 반응기체 입구(23) 측 단위 셀들(11)의 반응기체 유량 과급과 응축수 집중 유입을 방지하기 위해 오픈형 엔드 플레이트(21)의 반응기체 입구(23)와 매니폴드 경계면에서 반응기체의 흐름을 조절한다.
제1 경사면(31)은 오픈형 엔드 플레이트(21)에서 높이 방향을 기준으로 반응기체 입구(23)의 상하 측 중 어느 하나에 형성될 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않고 반응기체 입구(23)의 상하 측에 각각 형성될 수도 있다.
예를 들면, 제1 경사면(31)은 반응기체 입구(23)의 입구단 측에서 오픈형 엔드 플레이트(21)의 매니폴드 경계면 측으로 갈수록 위를 향하여 경사지게 형성될 수 있다.
제2 경사면(41)은 최 외곽 단위 셀(11)과 폐쇄형 엔드 플레이트(22) 경계면에서의 극단적인 형상 변화로 인한 반응기체의 유량 부족을 막기 위해 폐쇄형 엔드 플레이트(22)의 매니폴드 경계면에서 반응기체의 흐름을 조절한다.
제2 경사면(41)은 폐쇄형 엔드 플레이트(22)의 매니폴드 경계면에 그 높이가 점차 높아지게 형성될 수 있다. 예를 들면 제2 경사면(41)은 폐쇄형 엔드 플레이트(22)의 매니폴드 경계면에 라운드 형태의 홈부로서 형성될 수 있다.
한편, 오픈형 엔드 플레이트(21)는 제1 얼라인 돌기(61)를 포함하며, 폐쇄형 엔드 플레이트(22)는 제2 얼라인 돌기(71)를 포함할 수 있다.
제1 얼라인 돌기(61)는 위에서 언급한 바 있는 제1 경사면(31)을 형성하며 반응기체 입구 측에서의 단위 셀들(11)을 얼라인하는 것으로, 스택 제작 시 단위 셀들(11)의 제1 정렬 기준부로서 활용될 수 있다.
제1 얼라인 돌기(61)는 단위 셀들(11)의 매니폴드(13) 내측에서 반응기체 입구 측에서의 단위 셀들(11)을 지지하는 지지면(63)을 형성하고 있다.
그리고, 제2 얼라인 돌기(71)는 위에서 언급한 바 있는 제2 경사면(41)을 형성하며 매니폴드 폐쇄단 측에서의 단위 셀들(11)을 얼라인하는 것으로, 스택 제작 시 단위 셀들(11)의 제2 정렬 기준부로서 활용될 수 있다.
제2 얼라인 돌기(71)는 단위 셀들(11)의 매니폴드(13) 내측에서 그 매니폴드 폐쇄단 측에서의 단위 셀들(11)을 지지하는 지지면(73)을 형성하고 있다.
상기에서와 같은 제1 얼라인 돌기(61)와 제2 얼라인 돌기(71)는 각각의 제1 경사면(31) 및 제2 경사면(41)과 함께 반응기체의 흐름을 조절할 수도 있다. 즉, 제1 및 제2 얼라인 돌기(61, 71)는 반응기체의 유동을 충분히 발달시켜 주기 위해 단위 셀들(11)의 셀면으로 돌출되게 형성된다.
한편, 상기와 같은 오픈형 엔드 플레이트(21)와 폐쇄형 엔드 플레이트(22)는 단위 셀들(11)에서 발생된 전기를 집전하고 강성 유지를 위한 금속 부분과, 이를 둘러싸고 있는 외피 부분으로 나눌 수 있다. 외피 부분은 전기 절연을 위해 플라스틱과 같은 고분자 재료를 사출하여 제작될 수 있다.
이에, 상기에서와 같은 오픈형 엔드 플레이트(21)와 폐쇄형 엔드 플레이트(22)는 별도의 공정 추가 없이 외피 부분의 사출 금형 변경만으로 간단하게 제작될 수 있다.
따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)에 의하면, 오픈형 엔드 플레이트(21)에 제1 경사면(31)을 형성하므로, 반응기체 입구(23) 측 단위 셀들(11)의 반응기체 유량 과급과 응축수 집중 유입을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 폐쇄형 엔드 플레이트(22)에 제2 경사면(41)을 형성하므로, 최 외곽 단위 셀(11)과 폐쇄형 엔드 플레이트(22) 경계면에서의 극단적인 형상 변화로 인한 반응기체의 유량 부족을 방지할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에서는 단위 셀들(11)의 반응기체 입구 측에서 멀어질수록 기준 유량 보다 적은 유량의 반응기체가 단위 셀들(11)로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 단위 셀들(11)의 위치에 따른 반응기체의 분배 편차를 최소화 할 수 있고, 반응기체 입구 측에서의 응축수 유입 분산을 도모할 수 있으므로, 연료 전지 스택(100)의 운전 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 오픈형 엔드 플레이트(21)와 폐쇄형 엔드 플레이트(22)에 제1 및 제2 얼라인 돌기(61, 71)를 각각 형성하므로, 최 외측 단위 셀들(11)의 상대 위치를 구속하며 이들 단위 셀(11)을 얼라인 할 수 있기 때문에, 단위 셀들(11)의 스택킹에 따른 생산성을 개선할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 제1 얼라인 돌기(61)와 제2 얼라인 돌기(71)를 통해 각각의 제1 경사면(31) 및 제2 경사면(41)과 함께 반응기체의 흐름을 조절할 수 있으므로, 단위 셀들(11)로 유입되는 반응기체의 유동을 충분히 발달시켜 줄 수도 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 실시예에서는 추가적인 공정 없이 외피 부분의 사출 금형 수정 만으로 오픈형 엔드 플레이트(21)와 폐쇄형 엔드 플레이트(22)를 구성할 수 있으므로, 엔드 플레이트의 제작이 간단하다는 잇점이 있다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.
11... 단위 셀
13... 매니폴드
21... 오픈형 엔드 플레이트
22... 폐쇄형 엔드 플레이트
23... 반응기체 입구
25... 반응기체 출구
31... 제1 경사면
41... 제2 경사면
61... 제1 얼라인 돌기
63, 73... 지지면
71... 제2 얼라인 돌기

Claims (11)

  1. 매니폴드를 포함하는 단위 셀들; 및
    상기 단위 셀들의 최 외측에 배치되며, 상기 단위 셀들을 가압하는 엔드 플레이트를 포함하고,
    상기 엔드 플레이트는 매니폴드 경계면에서 반응기체의 흐름을 조절하기 위한 제1 및 제2 경사면을 포함하며,
    상기 단위 셀들의 일측에 배치되는 엔드 플레이트는 상기 매니폴드와 연결되는 반응기체 입구 및 출구가 형성된 오픈형 엔드 플레이트로서 구비되고,
    상기 단위 셀들의 다른 일측에 배치되는 엔드 플레이트는 상기 매니폴드를 폐쇄하는 폐쇄형 엔드 플레이트로서 구비되며,
    상기 오픈형 엔드 플레이트는 상기 제1 경사면을 형성하고 반응기체 입구 측에서의 단위 셀들을 얼라인하며 스택 제작 시 단위 셀들의 제1 정렬 기준부로서 이루어지는 제1 얼라인 돌기를 포함하고,
    상기 폐쇄형 엔드 플레이트는 상기 제2 경사면을 형성하고 매니폴드 폐쇄단 측에서의 단위 셀들을 얼라인하며 스택 제작 시 단위 셀들의 제2 정렬 기준부로 이루어지는 제2 얼라인 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 경사면은 상기 오픈형 엔드 플레이트에서 높이 방향을 기준으로 상기 반응기체 입구의 상하 측 중 적어도 어느 하나에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 폐쇄형 엔드 플레이트는 매니폴드 경계면에서 반응기체의 흐름을 조절하기 위한 제2 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 얼라인 돌기는 상기 단위 셀들을 지지하는 지지면을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 얼라인 돌기는 각각의 제1 경사면 및 제2 경사면과 함께 반응기체의 흐름을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 경사면은,
    상기 반응기체 입구의 입구단 측에서 상기 오픈형 엔드 플레이트의 매니폴드 경계면 측으로 갈수록 위를 향하여 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 경사면은,
    상기 폐쇄형 엔드 플레이트의 매니폴드 경계면에 그 높이가 점차 높아지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 경사면은 상기 폐쇄형 엔드 플레이트의 매니폴드 경계면에 홈부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.

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