KR101461917B1 - 연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 의한 연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치는, 고분자 전해질막과 애노드 및 캐소드를 포함하는 막 전극 어셈블리와, 상기 막 전극 어셈블리의 양측에 배치되고 냉각수 유로와 공기 유로 그리고 연료 유로가 형성되고 상기 공기 유로와 연통하는 공기 입구 매니폴드와 상기 연료 유로와 연통하는 연료 입구 매니폴드가 형성되는 분리판을 포함하는 다수의 단위 셀; 상기 다수의 단위 셀의 양단에 구비되어 상기 단위 셀을 가압 체결하고, 상기 분리판의 공기 입구 매니폴드와 대응하는 위치에 공기 입구 매니폴드가 형성되며, 상기 상기 분리판의 연료 입구 매니폴드와 대응하는 위치에 연료 입구 매니폴드가 형성되는 엔드 플레이트; 상기 분리판에 형성되는 연료 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 연료 입구 매니폴드에 구비되어 상기 연료 유로를 통해 상기 애노드에 일정 주기로 수소를 공급하는 수소 공급 수단; 및 상기 분리판에 형성되는 공기 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 공기 입구 매니폴드에 구비되어 상기 각 단위 셀의 위치에 따라 공기가 공급되는 공기 유입구의 개방 면적을 달리하여 상기 단위 셀에 공기를 연속적으로 일정하게 공급하는 공기 공급 수단을 포함한다.

Description

연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치 {HYDROGEN AND AIR SUPPLY APPARATUS OF FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료 전지 연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 전지 스택의 각 단위 셀에 수소 및 공기를 일정하게 공급할 수 있도록 하기 위한 연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로 알려진 바와 같이 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.
연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 단위 셀이 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 셀은 가장 안쪽에 막 전극 어셈블리 (MEA: Membrane Electrode Assembly)가 위치한다. 그리고 상기 막 전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.
또한, 상기 막 전극 어셈블리 (MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치한다. 그리고 상기 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(140)(Separator)이 위치한다.
따라서 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소 쪽은 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 산소 쪽은 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물이 생성되는 환원 반응을 한다. 일반적으로, 연료 전지에 사용되는 전극 촉매는 탄소 재료로 구성된 촉매 지지체에 백금 촉매와 조촉매(Ru, Co, Cu 등)를 포함하는 촉매가 주로 사용된다.
즉, 수소는 애노드(Anode, "산화전극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원전극"이라고도 함)로 공급된다. 따라서 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해된다. 그리고 이 중에서 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달된다. 이와 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체 확산층과 분리판을 통하여 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때 일어나는 수소 이온의 이동에 의해, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.
이와 같은 연료 전지 스택은 다수의 단위 셀이 적층된 형태이기 때문에, 각 단위 셀에 공급되는 수소 또는 공기가 일정하게 공급되지 못하게 된다. 이로 인해 각 단위 셀의 거동이 달라지고 열화의 정도가 상이해진다.
예를 들면, 연료 전지 스택이 장착된 차량을 시동시킬 때, 어느 하나의 단위 셀이라도 충분한 수소 및 공기가 공급되지 않으면 해당 셀에는 역전압에 의한 열화가 발생하는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 연료 전지 스택을 구성하는 단위 셀에 공급되는 수소 및 공기를 균일하게 공급하여 연료 전지의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치는, 고분자 전해질막과 애노드 및 캐소드를 포함하는 막 전극 어셈블리와, 상기 막 전극 어셈블리의 양측에 배치되고 냉각수 유로와 공기 유로 그리고 연료 유로가 형성되고 상기 공기 유로와 연통하는 공기 입구 매니폴드와 상기 연료 유로와 연통하는 연료 입구 매니폴드가 형성되는 분리판을 포함하는 다수의 단위 셀; 상기 다수의 단위 셀의 양단에 구비되어 상기 단위 셀을 가압 체결하고, 상기 분리판의 공기 입구 매니폴드와 대응하는 위치에 공기 입구 매니폴드가 형성되며, 상기 상기 분리판의 연료 입구 매니폴드와 대응하는 위치에 연료 입구 매니폴드가 형성되는 엔드 플레이트; 상기 분리판에 형성되는 연료 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 연료 입구 매니폴드에 구비되어 상기 연료 유로를 통해 상기 애노드에 일정 주기로 수소를 공급하는 수소 공급 수단; 및 상기 분리판에 형성되는 공기 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 공기 입구 매니폴드에 구비되어 상기 각 단위 셀의 위치에 따라 공기가 공급되는 공기 유입구의 개방 면적을 달리하여 상기 단위 셀에 공기를 연속적으로 일정하게 공급하는 공기 공급 수단을 포함할 수 있다.
그리고 상기 수소 공급 수단은, 상기 분리판에 형성되는 연료 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 연료 입구 매니폴드에 구비되고 수소 입력구가 형성되는 수소 입력 배관; 및 상기 수소 입력 배관의 내측 또는 외측에 구비되어 모터의 구동력에 의해 회전하면서 상기 수소 입력 배관의 수소 입력구와 선택적으로 연통하는 수소 출력구가 형성되는 수소 출력 배관을 포함할 수 있다.
그리고 상기 수소 입력구는 상기 수소 출력 배관의 원주 방향으로 일정 간격으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 공기 공급 수단은, 상기 분리판에 형성되는 공기 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 공기 입구 매니폴드에 구비되고 공기 입력구가 형성되는 공기 입력 배관; 및 상기 공기 입력 배관의 내측 또는 외측에 구비되어 모터의 구동력에 의해 회전하면서 상기 공기 입력 배관의 공기 입력구와 선택적으로 연통하는 공기 출력구가 형성되는 공기 출력 배관을 포함할 수 있다.
그리고 상기 공기 입력구 또는 공기 출력구는 공기가 유입되는 입구로부터 멀어질수록 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치에 의하면, 연료 전지 스택을 구성하는 각 단위 셀에 수소 및 산소를 동시에 공급함으로써, 각 단위 셀의 성능에 차이가 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 수소 공급 장치의 일부 구성을 확대한 부분 확대도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소 공급 장치의 배관을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 다른 공기 출력 배관을 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기 공급 장치의 배관을 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 자동차에 구비되는 것으로, 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로서 이루어진다.
여기서, 연료는 연료 전지 시스템이 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성되는 경우, 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스 연료를 포함할 수 있다.
그리고, 연료는 연료 전지 시스템이 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식으로 구성되는 경우, 당 업계에서 "리포머(Reformer)"라고 하는 개질 장치를 통해 상기한 액체 연료 또는 액화 가스 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스를 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 연료는 편의상 수소라고 칭한다.
또한, 상기 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다. 그러나 이하에서는 산화제를 편의 상 공기라고 칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료 전지 스택(1)과, 상기 연료 전지 스택(1)의 연료인 수소를 공급하는 연료공급부(4), 상기 연료 전지 스택(1)에 전기화학 반응에 필요한 공기를 공급하는 공기공급부(8), 상기 연료 전지 스택(1)의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택(1)의 운전 온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리부(6), 그리고 상기 연료 전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 제어부(80)를 포함하여 구성된다.
상기 연료 전지 시스템의 연료공급부(4)는 수소탱크와, 비례제어밸브(30), 수소 재순환부(9)를 포함한다. 그리고 상기 공기공급부(8)는 공기블로워(15)와, 가습기(20)를 포함한다. 그리고 상기 열 및 물 관리부(6)는 냉각수 펌프(65)와 라디에이터(60)를 포함한다.
상기 연료공급부(4)의 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소는 상기 비례제어밸브(30)를 거쳐 낮은 압력으로 연료 전지 스택으로 공급되며, 수소 재순환부(9)에서는 재순환라인에 재순환 블로워를 설치하여 스택의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 애노드 및 캐소드로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.
상기 라디에이터(60)는 연료 전지 스택 내부로 최적의 온도로 조절된 냉각수가 유입될 수 있도록 냉각수의 온도를 조절한다. 상기 라디에이터(60)를 통과한 냉각수는 외기와의 열 교환에 의해 냉각되고, 온도가 조절된 냉각수가 연료 전지 스택(1)으로 공급된다.
상기 제어부(80)는 각 구성요소를 제어하여 상기 연료 전지 스택(1)의 애노드와 캐소드 전극으로 공급되는 수소와 산소를 제어하여 전기를 생성한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 수소 공급 장치의 구성도이다. 도 2에서는 설명의 편의를 위해 단위 셀(120)이 하나인 경우를 예로 들어 도시하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택은 다수의 단위 셀(120)들을 연속적으로 배열한 전기 발생 집합체로 이루어진다. 각각의 단위 셀(120)은 수소 및 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
상기 연료 전지 스택은 다수의 단위 셀(120)을 가압 체결하여 이루어진다. 따라서 다수의 단위 셀(120)이 배열된 양측에는 엔드 플레이트(110)(EP: End Plate)가 체결수단에 의해 서로 체결되면서 단위 셀(120)들이 일정한 압력이 가해진 상태로 상호 체결되어 밀착 결합한다.
상기 각 단위 셀(120)은 막 전극 어셈블리(130)(MEA: Membrane Electrode Assembly)와, 상기 막 전극 어셈블리(130)의 양측에 배치되는 두 개의 분리판(140)으로 구성된다. 상기 막 전극 어셈블리(130)는 수소 이온(Proton)을 이동시키는 전해질막과, 상기 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드와 애노드로 구성되어 있다.
상기 막 전극 어셈블리(130)의 양측에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 배치되고, 상기 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드와 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로가 형성된 분리판(140)이 배치된다.
애노드는 상기 분리판(140)의 유로를 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드로 이동시키는 기능을 하게 된다.
그리고 캐소드는 애노드 측으로부터 받은 전자, 수소 이온 및 분리판(140)의 유로를 통해 제공받은 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 물 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.
화학반응에 의해 캐소드에 생성된 물의 일부는 전해질막을 투과하여 애노드로 이동한다. 애노드로 넘어간 물이 촉배층에 잔류할 경우 촉매 반응량을 감소시키게 되고, 애노드로 넘어간 물이 유로에 머무르게 될 경우 수소의 공급 경로를 차단하게 된다.
따라서 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드에는 촉매층이나 채널에 잔존하는 물을 모아서 배출하는 워터트랩과, 애노드 내의 불순물을 가습기로 배출하는 퍼지라인이 연결된다.
상기 워터트랩에는 가습기로 물을 배출하는 물 배출라인이 연결되며, 물 배출라인에는 일정 주기마다 개방되어 물을 배출하는 배출 밸브가 구비된다. 또한, 상기 퍼지라인에는 퍼지 밸브가 구비되어 애노드 내의 수소를 퍼지 주기마다 배출한다. 따라서 상기 분리판(140)의 수분 및 질소 등의 불순물을 함께 배출 및 제거하고, 수소 이용률을 높이게 된다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 분리판(140)의 일 측면은 애노드 또는 캐소드와 마주하고, 상기 분리판(140)의 타측면은 이웃한 다른 단위 셀(120)의 분리판(140)과 마주한다. 애노드와 마주보는 분리판(140)의 일측 면에는 연료 유로가 형성되고, 캐소드와 마주보는 분리판(140)의 일측 면에는 공기 유로가 형성된다. 그리고 상기 분리판(140)의 내부에는 냉각수의 순환을 위한 냉각수 유로가 형성된다
상기 분리판(140)에는 수소를 애노드에 공급하기 위한 연료 입구 매니폴드(144)와 반응하지 않은 수소의 배출을 위한 연료 출구 매니폴드(145)가 형성된다. 그리고 캐소드에 공기를 공급하기 위한 공기 입구 매니폴드(146)와 반응하지 않은 공기의 배출을 위한 공기 출구 매니폴드(147)가 형성된다. 그리고 상기 단위 셀(120)에 냉각수를 공급 및 배출하기 위한 냉각수 입구 매니폴드(148) 및 냉각수 출구 매니폴드(149)가 형성된다.
그리고 상기 엔드 플레이트(110)에는 상기 분리판(140)에 형성된 연료 입구 매니폴드(144) 및 연료 출구 매니폴드(145)와 연통하는 연료 입구 매니폴드(114) 및 연료 출구 매니폴드(115)가 각각 형성된다. 그리고 상기 엔드 플레이트(110)에는 상기 분리판(140)에 형성되는 공기 입구 매니폴드(146) 및 공기 출구 매니폴드(147)와 연통하는 공기 입구 매니폴드(116) 및 공기 출구 매니폴드(117)가 각각 형성된다. 그리고 상기 엔드 플레이트(110)에는 상기 분리판(140)에 형성되는 냉각수 입구 매니폴드(148) 및 냉각수 출구 매니폴드(149)와 연통하는 냉각수 입구 매니폴드(118) 및 냉각수 출구 매니폴드(119)가 각각 형성된다.
상기 엔드 플레이트(110)에 형성된 연료 입구 매니폴드(114)와 상기 분리판(140)에 형성된 연료 입구 매니폴드(144)를 관통하여 수소 입력 배관(220)이 구비된다. 그리고 상기 수소 입력 배관(220)에는 수소 입력구(221)가 형성된다. 상기 수소 입력구(221)는 상기 수소 입력 배관(220)의 길이 방향으로 길게 형성된 슬롯 형상으로 형성될 수 있다.
상기 수소 입력 배관(220)의 외측에는 수소 출력 배관(230)이 구비된다. 상기 수소 출력 배관(230)은 모터(210)의 구동력에 의해 회전하면서 상기 수소 입력 배관(220)의 수소 입력구(221)와 선택적으로 연통하는 수소 출력구(231)가 형성된다. 상기 수소 출력구(231)는 상기 수소 입력구(221)와 대응되는 형상으로 형성되어, 상기 모터(210)의 구동력에 의해 상기 공급 배관(230)이 회전하면서 상기 공급 배관(230)의 회전 각도에 따라 상기 수소 입력구(221)와 선택적으로 연통한다.
상기 수소 입력구(221)는 상기 수소 입력 배관(220)의 원주 방향으로 다수 개 형성될 수도 있다. 상기 수소 입력구(221)가 다수 개 형성됨으로 인해, 상기 수소 출력 배관(230)의 회전에 의해 상기 수소 입력 배관(220)내의 수소를 펄스 형태로 공급할 수 있다.
이와 같이 애노드에 수소를 펄스 형태로 공급하는 이유는, 상기 수소 입력 배관(220)에 일정 압력의 수소가 채워진 상태에서 상기 수소 출력구(231)와 수소 입력구(221)를 통해 애노드에 수소를 공급하여 애노드에 공급되는 수소가 일정하게 공급될 수 있다.
그리고 애노드에 수소를 펄스 형태로 공급하면, 수소의 공급 속도, 공급 유량 등을 효율적으로 제어할 수 있다. 예를 들면, 연료 전지 스택이 장착된 차량이 가속하는 경우와 같이 전력 수요가 증가하는 경우에는, 상기 수소 출력 배관(230)의 회전 속도를 증가시켜 애노드에 공급되는 수소의 공급량을 증가시킨다. 그러나 이와 반대로 차량의 전력 수요가 작은 경우에는, 상기 수소 출력 배관(230)의 회전 속도를 감소시켜 애노드에 공급되는 수소의 공급량을 감소시킨다.
그리고 상기 수소 입력 배관(220)은 상기 연료공급부(4)와 연결되어 수소를 공급받는다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공기 공급 장치의 배관을 도시한 단면도이다. 그리고 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기 공급 장치의 배관을 도시한 단면도이다.
상기 엔드 플레이트(110)에 형성된 공기 입구 매니폴드(116)와 상기 분리판(140)에 형성된 공기 입구 매니폴드(146)를 관통하여 공기 입력 배관(320)이 구비된다. 그리고 상기 공기 입력 배관(320)에는 공기 입력구(321)가 형성된다. 상기 공기 입력구(321)는 상기 공기 입력 배관(320)의 길이 방향으로 길게 형성된 슬롯 형상으로 형성될 수 있다.
상기 공기 입력 배관(320)의 외측에는 공기 출력 배관(330)이 구비된다. 상기 공기 출력 배관(330)은 모터(310)의 구동력에 의해 회전하면서 상기 공기 입력 배관(320)의 공기 입력구(321)와 선택적으로 연통하는 공기 출력구(331)가 형성된다. 상기 공기 출력구(331)는 상기 공기 입력구(321)와 대응되는 형상으로 형성되어, 상기 모터(310)의 구동력에 의해 상기 공기 출력 배관(330)이 회전하면서 상기 공기 출력 배관(330)의 회전 각도에 따라 상기 공기 입력구(321)와 선택적으로 연통한다.
즉, 상기 공기 출력 배관(330)의 회전시켜 상기 공기 입력구(321)와 공기 출력구(331)가 연통하게 하여 상기 캐소드에 공기를 공급하는 공기 유입구를 형성한다. 이때, 연료 전지에서 전력을 발생시키는 동안 상기 공기 입력구(321)와 공기 출력구(331)가 연통하는 상태를 유지하여 상기 캐소드에 공기를 연속적으로 공급한다.
이때, 상기 공기 입력구(321) 또는 공기 출력구(331)은 공기가 유입되는 입구로부터 멀어질수록 폭이 좁아지는 대략 사다리꼴 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 일반적으로 상기 공기공급부(8)로부터 유입되는 공기가 공기 입력 배관(330)의 입구에서는 공기 유속이 빨라 상기 공기 입력 배관(330)의 입구와 가까운 쪽(도 5의 A표시부)에 위치한 단위 셀에는 적은 양의 공기가 공급된다. 그러나 공기 입력 배관(330)의 입구에서 멀수록 공기의 유속이 느려 상기 공기 입력 배관(330)의 입구에서 먼 쪽(도 5의 B표시부)에 위치한 단위 셀에는 많은 양의 공기가 공급된다.
따라서 상기 공기 입력구(321) 또는 공기 출력구(331)를 사다리꼴 형상으로 형성하면, 상기 공기 입력 배관(330)의 입구와 가까운 쪽에는 상기 공기 입력구(321)와 공기 출력구(331)의 개방 면적이 커지고(도 6(b) 참조), 상기 공기 입력 배관(330)의 입구와 먼 쪽에는 상기 공기 입력구(321)와 공기 출력구(331)의 개방 면적이 작아진다(도 6(c) 참조). 따라서 연료 전지 스택의 각 단위 셀의 캐소드에 일정하게 공기를 공급할 수 있다.
그리고 연료 전지로부터 요구되는 전력에 따라 상기 공기 입력구(321)와 공기 출력구(331)의 개방 면적을 필요에 따라 적절히 조절한다. 즉, 상기 공기 출력 배관(330)의 회전 각도를 적절히 조절하여 상기 공기 입력구(321)과 공기 출력구(331)에 의해 형성되는 개방 면적을 조절할 수 있다.
예를 들면, 연료 전지에 요구되는 전력이 많으면, 상기 공기 입력구(321)와 공기 출력구(331)에 의해 형성되는 개방 면적을 크게 한다. 이와 반대로 연료 전지에 요구되는 전력이 작으면, 상기 공기 입력구(321)와 공기 출력구(331)에 의해 형성되는 개방 면적을 작게 한다.
그러나 연료 전지에서 전력을 발생시킬 필요가 없으면, 상기 공기 출력 배관(330)을 회전시켜 상기 공기 입력구(321)와 공기 출력구(331)가 연통하지 않도록 하여 상기 캐소드에 공기를 공급하지 않는다(도 6(a) 참조).
그리고 상기 공기 입력 배관(320)은 상기 공기 공급구와 연결되어 공기가 공급된다.
종래에는, 연료 입구 매니폴드(114, 144)와 공기 입구 매니폴드(114, 144)를 통해 각 단위 셀에 수소와 공기를 순차적으로 공급하기 때문에, 각 단위 셀에 공급되는 수소양과 공기양이 일정하지 않은 문제가 있었다.
그러나 본 발명의 실시예에 의하면, 각 단위 셀에 공급되는 수소양과 공기양을 일정하게 유지할 수 있다. 이로 인해, 각 단위 셀의 성능과 수명의 차이가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 각 단위 셀에서 역전압이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 각 단위 셀의 열화 속도를 늦출 수 있다.
그리고 상기 애노드로 공급되는 수소는 제한적인 양을 사용하기 때문에 일정 주기 간격으로 간헐적으로 공급한다. 그러나 상기 캐소드에 공급되는 공기는 대기중에 존재하는 공기를 용이하게 공급받을 수 있기 때문에 연속적으로 공급하여 차량의 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 종래에는 단위 셀의 성능 및 특성 관리를 위해 수소 및 공기를 공급하는 공급 라인의 위치 방향이 고정되었으나, 본 발명에 의하면 수소와 공기를 공급하는 공급 라인을 연료 전지 스택의 양단에 임의적으로 설정할 수 있다. 따라서 종래의 획일화된 구조와 달리 설계 자유도를 높일 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 연료 전지 스택
110: 엔드 플레이트
120: 단위 셀
130: 막 전극 어셈블리
140: 분리판
144: 연료 입구 매니폴드
145: 연료 출구 매니폴드
146: 공기 입구 매니폴드
147: 공기 출구 매니폴드
148: 냉각수 입구 매니폴드
149: 냉각수 출구 매니폴드
210: 모터
220: 수소 입력 배관
221: 수소 입력구
230: 수소 출력 배관
231: 수소 출력구
310: 모터
320: 공기 입력 배관
321: 공기 입력구
330: 공기 출력 배관
331: 공기 출력구

Claims (5)

  1. 고분자 전해질막과 애노드 및 캐소드를 포함하는 막 전극 어셈블리와, 상기 막 전극 어셈블리의 양측에 배치되고 냉각수 유로와 공기 유로 그리고 연료 유로가 형성되고 상기 공기 유로와 연통하는 공기 입구 매니폴드와 상기 연료 유로와 연통하는 연료 입구 매니폴드가 형성되는 분리판을 포함하는 다수의 단위 셀;
    상기 다수의 단위 셀의 양단에 구비되어 상기 단위 셀을 가압 체결하고, 상기 분리판의 공기 입구 매니폴드와 대응하는 위치에 공기 입구 매니폴드가 형성되며, 상기 상기 분리판의 연료 입구 매니폴드와 대응하는 위치에 연료 입구 매니폴드가 형성되는 엔드 플레이트;
    상기 분리판에 형성되는 연료 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 연료 입구 매니폴드에 구비되어 상기 연료 유로를 통해 상기 애노드에 일정 주기로 수소를 공급하는 수소 공급 수단; 및
    상기 분리판에 형성되는 공기 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 공기 입구 매니폴드에 구비되어 상기 각 단위 셀의 위치에 따라 공기가 공급되는 공기 유입구의 개방 면적을 달리하여 상기 단위 셀에 공기를 연속적으로 일정하게 공급하는 공기 공급 수단;
    을 포함하는 연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 공급 수단은,
    상기 분리판에 형성되는 연료 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 연료 입구 매니폴드에 구비되어 수소를 공급받고 수소 입력구가 형성되는 수소 입력 배관; 및
    상기 수소 입력 배관의 내측 또는 외측에 구비되어 모터의 구동력에 의해 회전하면서 상기 수소 입력 배관의 수소 입력구와 선택적으로 연통하는 수소 출력구가 형성되는 수소 출력 배관;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수소 입력구는 상기 수소 출력 배관의 원주 방향으로 일정 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 공급 수단은,
    상기 분리판에 형성되는 공기 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 공기 입구 매니폴드에 구비되어 공기를 공급받고 공기 입력구가 형성되는 공기 입력 배관; 및
    상기 공기 입력 배관의 내측 또는 외측에 구비되어 모터의 구동력에 의해 회전하면서 상기 공기 입력 배관의 공기 입력구와 선택적으로 연통하는 공기 출력구가 형성되는 공기 출력 배관;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공기 입력구 또는 공기 출력구는 공기가 유입되는 입구로부터 멀어질수록 폭이 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 수소 및 공기 공급 장치.
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