KR101417642B1 - 연료전지의 과냉각 방지장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료전지 스택에 설치되어 냉각수가 유출입되는 냉각수매니폴드; 상기 연료전지 스택의 양 단부에 설치된 엔드플레이트; 및 상기 엔드플레이트의 일면에 마련되며, 상기 냉각수매니폴드의 단부에 위치됨으로써, 냉각수매니폴드를 통해 유출입되는 냉각수의 유량을 저감시키도록 구성된 돌출부;를 포함하여 구성되는 연료전지의 과냉각 방지장치가 소개된다.

Description

연료전지의 과냉각 방지장치{APPARATUS FOR PREVENTING OVER-COOLING OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지의 과냉각 방지장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 엔드플레이트의 형상 변경을 통해 엔드셀 냉각에 관여하는 냉각수 유량의 흐름을 저감함으로써, 엔드셀의 과냉각을 방지하여 연료전지 스택의 플러딩을 방지하도록 한 연료전지의 과냉각 방지장치에 관한 것이다.
차량용 연료전지 스택은 다수의 셀이 직렬로 연결되는 구조로, 공기, 연료(수소) 및 냉각수가 스택의 한쪽 끝에서 공급 및 배출되는 구조를 갖는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 셀(발전셀)은 가스확산층(GDL)이 양면에 접합된 MEA(발전체)의 양면에 애노드(Anode) 분리판과 캐소드(Cathode) 분리판(1a)(1b)이 배치되어 구성된다. 그리고, 개개의 단위 셀이 반복 적층되어 스택이 구성되는데, 여기에서 냉각수매니폴드(3)와 연통되는 냉각수의 유로(4)는 셀과 셀의 계면, 즉 Anode/Cathode 분리판(1a)(1b)의 사이에 구성되게 되고 발전체인 MEA를 기준으로 보면 양측에 냉각면이 1/2씩 영향을 미치게 된다.
그러나, 엔드플레이트(2)에 접해 있는 엔드셀의 경우에는 상기 엔드셀(2)이 최외곽에 위치하기 때문에 양쪽 셀의 냉각에 관여하는 일반 셀에 비해, 엔드셀을 냉각하는 냉각수는 한쪽 엔드셀의 냉각만 관여하기 때문에, 일반 발전셀보다 엔드셀이 과도하게 냉각되어 엔드셀의 반응면에서 플러딩(flooding) 현상을 야기하게 되고, 시간이 지남에 따라 일반 셀에 비해 열화가 심화되는 문제가 있다.
또한, 엔드셀은 엔드플레이트와 접하고 있기 때문에 대기 중으로의 열전도에 의한 열손실이 추가로 발생되어, 셀 내부의 플러딩(flooding) 양상이 더욱 악화되는 문제도 있다.
한편, 종래에 미국 특허공개번호 2007-0200277의 "FUEL CELL PLATE DESIGN"이 소개된바 있다.
그러나, 이같은 방식의 종래기술에서는 분리판의 냉각수 입/출구 매니폴드 부근에 포밍구조가 추가로 마련되는데, 이를 위해 일반셀과 엔드셀에 사용되는 분리판 금형 중 피어싱 금형을 2종 사양으로 준비해야 하는 단점이 있고, 제작 공정을 구분해서 수행해야 하는 문제도 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
US 2007-0200277 A
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 엔드플레이트의 형상 변경을 통해 엔드셀 냉각에 관여하는 냉각수 유량의 흐름을 저감함으로써, 엔드셀의 과냉각을 방지하여 연료전지 스택의 플러딩을 방지하도록 한 연료전지의 과냉각 방지장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 연료전지 스택에 설치되어 냉각수가 유출입되는 냉각수매니폴드; 상기 연료전지 스택의 양 단부에 설치된 엔드플레이트; 및 상기 엔드플레이트의 일면에 마련되며, 상기 냉각수매니폴드의 단부에 위치됨으로써, 냉각수매니폴드를 통해 유출입되는 냉각수의 유량을 저감시키도록 구성된 돌출부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 돌출부는 상기 냉각수매니폴드의 내부에 끼워져, 분리판 사이에 형성된 냉각수유로의 일부를 막는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 돌출부는 상기 냉각수매니폴드의 단면과 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
상기 돌출부는 상기 냉각수매니폴드의 입구 측과 출구 측 중 적어도 어느 한 부분 이상에 설치될 수 있다.
상기 돌출부는 상기 엔드플레이트와 일체로 형성될 수 있다.
상기 엔드플레이트와 셀 사이에는 상기 엔드플레이트와 접하는 부분에 발전에 참여하지 않는 더미셀이 설치될 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 엔드플레이트에 형성된 냉각수매니폴드 내에 끼워져 분리판 사이로 흐르는 냉각수의 유로를 일부 막게 됨으로써, 엔드셀의 냉각을 위해 분리판 사이로 흐르는 냉각수의 유량이 저감된다. 따라서, 엔드플레이트와 접하는 엔드셀 외곽에서 분리판 사이로 흐르는 냉각수의 유량을 줄이게 되는바, 엔드셀이 과도하게 냉각되는 것을 방지하게 되고, 이로 인해 연료전지의 플러딩 현상을 방지하여 셀의 열화를 방지하는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 연료전지 스택에서의 냉각수의 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에 의한 연료전지 스택에서 엔드플레이트에 형성된 돌출부의 형상을 나타낸 도면.
도 3은 도 2에 도시된 엔드플레이트를 측면에서 바라본 형상의 도면.
도 4는 본 발명에 의한 연료전지 스택에서의 돌출부에 의한 냉각수의 흐름을 설명하기 위한 도 2의 A - A선 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 연료전지 스택에서 더미셀이 추가된 구성을 나타낸 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 연료전지 스택(10)에서 엔드플레이트(20)에 형성된 돌출부(22)의 형상을 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2에 도시된 엔드플레이트(20)의 측면에서 바라본 형상의 도면이고, 도 4는 본 발명에 의한 연료전지 스택(10)에서의 돌출부(22)에 의한 냉각수의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 연료전지의 과냉각 방지장치는 크게, 냉각수매니폴드(30)와, 엔드플레이트(20) 및 돌출부(22)를 포함하여 구성된다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명을 구체적으로 살펴보면, 연료전지 스택(10)에 설치되어 냉각수가 유출입되는 냉각수매니폴드(30); 상기 연료전지 스택(10)의 양 단부에 설치된 엔드플레이트(20); 및 상기 엔드플레이트(20)의 일면에 마련되며, 상기 냉각수매니폴드(30)의 내부에 위치됨으로써, 냉각수매니폴드(30)를 통해 분리판(12a)(12b) 사이로 유출입되는 냉각수의 유량을 저감시키도록 구성된 돌출부(22);를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 스택(10)에서 발전에 참여하는 셀(일반셀, 엔드셀)은 MEA, GDL(가스확산층), 애노드 분리판(12a), 캐소드 분리판(12b), 가스켓 등이 포함되어 구성될 수 있다.
그리고, 상기 돌출부(22)가 형성된 엔드플레이트(20)는 기체 및 냉각수매니폴드(30) 구멍이 없는 형상일 것이다. 그리고, 상기 분리판(12a)(12b)은 애노드 분리판(12a)과 캐소드 분리판(12b)일 수 있는 것으로, 애노드 분리판과 캐소드 분리판이 낱장으로 사용되거나, 그 둘이 접합되어 사용될 수도 있다.
즉, 상기 엔드플레이트(20)의 양면 중 냉각수매니폴드(30)와 마주하는 일면에 돌출부(22)가 형성되고, 상기 돌출부(22)가 냉각수매니폴드(30)에 위치됨으로써, 냉각수매니폴드(30)로부터 엔드셀 측의 냉각을 위해 분리판(12a)(12b) 사이로 흐르는 냉각수의 유량이 저감된다. 따라서, 엔드플레이트(20)와 접하는 엔드셀의 외곽으로부터 분리판(12a)(12b) 사이로 흐르는 냉각수의 유량이 줄어들게 되는바, 엔드셀이 과도하게 냉각되는 것을 방지하게 되고, 이로 인해 연료전지의 플러딩 현상을 방지하여 셀의 열화를 방지하게 되는 것이다.
한편, 본 발명에서 상기 돌출부(22)는 상기 냉각수매니폴드(30)의 내부에 끼워져, 분리판(12a)(12b) 사이에 형성된 냉각수유로(14)의 일부를 막는 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 상기 냉각수매니폴드(30)에 끼워지는 돌출부(22)의 높이 조절을 통해 분리판(12a)(12b) 사이에 형성된 냉각수유로(14)의 단면적이 줄어들게 된다. 이에, 냉각수의 유동해석 등을 통해 엔드셀의 외곽으로 흐르는 냉각수의 유동을 일반 셀에 흐르는 냉각수 유동의 1/2 정도가 되도록 돌출부(22)의 높이를 조절하게 되고, 이에 필요에 따라 돌출부(22)의 높이에 의해 분리판(12a)(12b) 사이로 흐르는 냉각수의 유동을 조절하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 돌출부(22)는 상기 냉각수매니폴드(30)의 단면과 대응되는 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 스택(10)의 적층시에 셀을 차례로 적층하고, 마지막으로 엔드플레이트(20)를 얹는 공정이 있는데, 이때 엔드플레이트(20)에 냉각수매니폴드(30)의 단면과 동일한 형상의 돌출부(22)가 형성되어 있게 되면, 상기 돌출부(22)가 적층 정렬을 도와주는 가이드 역할을 할 수 있게 되는바, 스택(10)의 생산성 향상에 도움이 된다.
그리고, 상기 돌출부(22)는 상기 냉각수매니폴드(30)의 입구(32) 측과 출구(34) 측 중 적어도 어느 한 부분 이상에 설치될 수 있다.
즉, 상기 냉각수매니폴드(30)의 입구(32) 측에서 분리판(12a)(12b) 사이의 냉각수유로(14)로 배출되는 냉각수의 유동이 조절될 수 있으며, 또한 상기 분리판(12a)(12b) 사이의 냉각수유로(14)에서 냉각수매니폴드(30)의 출구(34) 측으로 유입되는 냉각수의 유동이 조절될 수 있을 것이다.
또한, 상기 돌출부(22)는 상기 엔드플레이트(20)와 일체로 형성될 수 있다. 즉, 상기 엔드플레이트(20)는 외피 사출시에 돌출부(22)의 형상을 반영하여 동시에 성형하면 되기 때문에 상기 엔드플레이트(20)에 돌출부(22)의 제조를 위한 방법이나 구조가 복잡하지 않게 된다.
한편, 도 5와 같이, 상기 엔드플레이트(20)와 발전에 참여하는 일반 셀 사이에는 상기 엔드플레이트(20)와 접하는 부분에 응축수의 배출을 원활하게 하도록 발전에 참여하지 않는 더미셀(40)(MEA가 없고 전기 전도만 하는 셀)들을 추가로 구성할 수도 있다. 이 경우, 상기 더미셀(40)로의 냉각수 유동이 거의 발생되지 않게 되어, 그 자체로 단열효과가 확보되는바, 엔드플레이트(20)를 통한 외부로의 열전달이 줄어들게 되어 냉시동시에 특히 유리하게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : 스택 12a, 12b : 분리판
14 : 냉각수유로 20 : 엔드플레이트
22 : 돌출부 30 : 냉각수매니폴드

Claims (6)

  1. 연료전지 스택에 설치되어 냉각수가 유출입되는 냉각수매니폴드;
    상기 연료전지 스택의 양 단부에 설치된 엔드플레이트; 및
    상기 엔드플레이트의 일면에 마련되며, 상기 냉각수매니폴드의 단부에 위치됨으로써, 냉각수매니폴드를 통해 유출입되는 냉각수의 유량을 저감시키도록 구성된 돌출부;를 포함하는 연료전지의 과냉각 방지장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 냉각수매니폴드의 내부에 끼워져, 분리판 사이에 형성된 냉각수유로의 일부를 막도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 과냉각 방지장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 냉각수매니폴드의 단면과 대응되는 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 과냉각 방지장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 냉각수매니폴드의 입구 측과 출구 측 중 적어도 어느 한 부분 이상에 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지의 과냉각 방지장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 엔드플레이트와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 과냉각 방지장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔드플레이트와 접하는 부분에는 발전에 참여하지 않는 더미셀이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 과냉각 방지장치.
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