KR101519241B1 - Fuel cell stack for reducing temperature deviation - Google Patents

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KR101519241B1
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이성호
심선보
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현대자동차주식회사
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Abstract

A fuel cell stack of the present invention can quickly increase the temperature of an end cell by installing a blocking member in a coolant channel which is distributed to the end cell adjacent to an end plate among a plurality of cells inside the stack, and limiting the amount of coolant. In addition, the disclosed fuel cell stack for reducing temperature variation prevents a flooding phenomenon by appropriately installing the blocking member in the coolant channel inside the stack, and reducing the temperature variation between the cells accordingly, and improves cold startability, thereby improving durability of the fuel cell stack and securing smooth operation performance.

Description

온도 편차를 저감한 연료전지 스택 {FUEL CELL STACK FOR REDUCING TEMPERATURE DEVIATION}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fuel cell stack,

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 스택 내부에 구비된 다수개의 단위 셀 간의 온도 편차가 발생되는 문제와 단위 셀에서의 온도 편차 문제를 해소하기 위한 온도 편차를 저감한 연료전지 스택에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly, to a fuel cell stack in which a temperature deviation between a plurality of unit cells provided in a stack is generated and a temperature deviation for eliminating a temperature deviation problem in a unit cell is reduced.

연료전지 시스템의 메인 파워 공급원인 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소의 화학적 반응에 의해 전기 에너지와 물을 생성하는 장치이다.The fuel cell, which is the main power source for the fuel cell system, is a device that generates electrical energy and water by chemical reaction between oxygen in the air and hydrogen as fuel.

연료전지 시스템의 연료인 수소가 연료탱크로부터 연료전지의 연료극(anode)으로 공급되고, 공기 공급 장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지 스택의 공기극(cathode)으로 공급된다.Hydrogen as fuel of the fuel cell system is supplied from the fuel tank to the anode of the fuel cell and air in the atmosphere is directly supplied to the cathode of the fuel cell stack using the air supply device.

이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 연료극(anode)에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질막을 통해 공기극(cathode)으로 넘어가게 되며, 공기극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 공기극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.
Accordingly, the hydrogen supplied to the fuel cell stack is separated into hydrogen ions and electrons from the anode, the separated hydrogen ions are passed through the electrolyte membrane to the cathode, and the oxygen supplied to the air electrode is discharged through the outer lead It combines with electrons entering the air electrode to generate water and generate electrical energy.

통상적으로 연료전지 스택은 다수의 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)가 배치되고, 막전극접합체의 일측으로 가스확산부, 공기공급부 및 냉각수의 유통을 위한 냉각수 채널이 구비된 분리판이 마련된다. 이러한 구성의 단위 셀들은 집전판 및 엔드플레이트 사이에 배치되어 연료전지 스택을 구성하게 된다.Typically, a fuel cell stack is provided with a plurality of membrane electrode assemblies (MEAs), and a separator plate having a gas diffusion portion, an air supply portion, and a cooling water channel for circulating cooling water is provided at one side of the membrane electrode assembly. The unit cells having such a configuration are disposed between the current collecting plate and the end plate to constitute the fuel cell stack.

이와 같은 구성의 연료전지 스택은 전기를 생성하는 과정에서 전기뿐만이 아니라, 열도 발생되어 연료전지 스택의 원활한 작동을 위해 열을 지속적으로 냉각해주도록 구성되어 각 셀들이 적정온도가 유지되도록 한다. 그러나, 엔드플레이트 및 집전판 부근의 셀들은 열관성이 큰 엔드플레이트 및 집전판의 영향을 받아 중앙 셀 온도보다 낮은 상태가 됨에 따라 온도 편차가 발생되어 플러딩 현상, 성능 저하, 내구성 저하와 같은 문제가 발생하게 되었다.
In the fuel cell stack having such a structure, not only electricity but also heat is generated in the process of generating electricity, so that heat is continuously cooled for smooth operation of the fuel cell stack, so that each cell maintains an appropriate temperature. However, since the cells near the end plate and the current collecting plate are influenced by the end plate having a large heat inertia and the current collecting plate, the temperature is lower than the center cell temperature and the problems such as flooding phenomenon, .

즉, 도 2에서 보는 바와 같이, 연료전지 스택 내부의 온도 편차는 양측에 위치된 엔드플레이트 측의 셀의 온도가 스택 중앙부에 배치된 셀의 온도보다 낮은 것을 볼 수 있다. 이처럼, 연료전지 스택 내부의 온도 편차가 발생되면 원활한 전류 생산에 차질이 발생되며, 냉시동 성능도 저하되는 문제가 발생된다.
That is, as shown in FIG. 2, it can be seen that the temperature of the cells on the end plates located on both sides of the fuel cell stack is lower than the temperature of the cells disposed in the center of the stack. As described above, if a temperature variation within the fuel cell stack occurs, there is a problem in smooth current production and a problem that the cold start performance is lowered.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art.

KR10-2006-0087100A (2006.08.02)KR10-2006-0087100A (2006.08.02)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지 스택 내부의 다수의 셀들 중 엔드플레이트 및 집전판에 근접한 셀의 온도와 중앙부에 배치된 셀 간의 온도차이가 발생되는 문제와 단위 셀에서의 온도 편차 문제를 해소할 수 있는 온도 편차를 저감한 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems and to provide a fuel cell stack in which a temperature difference between a cell adjacent to an end plate and a collecting plate among a plurality of cells in a fuel cell stack, And it is an object of the present invention to provide a fuel cell stack in which a temperature deviation capable of eliminating a temperature deviation problem is reduced.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온도 편차를 저감한 연료전지 스택은 엔드플레이트의 내측으로 다수의 셀이 마련되고, 다수의 셀 사이로 냉각수의 유통을 위한 냉각수 채널이 구비된 분리판이 마련되며, 냉각수 채널로 냉각수의 공급을 위한 냉각수 매니폴드가 구비된 스택; 및 상기 스택 내 다수의 냉각수 채널에 선택적으로 설치되어 해당 냉각수 채널의 냉각수의 공급을 차단하는 막음부재;를 포함함으로써, 스택 중앙부에 배치된 중앙 셀 측으로 공급되는 냉각수량과 엔드플레이트에 인접한 엔드 셀 측으로 공급되는 냉각수량이 막음부재에 의해 조절되어 스택에 마련된 셀들 간의 온도가 균일화되도록 한다.In order to accomplish the above object, the fuel cell stack according to the present invention has a plurality of cells provided inside the end plate, and a separator plate having cooling water channels for circulating cooling water between a plurality of cells is provided A stack having a cooling water manifold for supplying cooling water to the cooling water channel; And a blocking member selectively installed in the plurality of cooling water channels in the stack to cut off the supply of cooling water of the cooling water channel. The cooling water supplied to the center cell disposed at the center of the stack and the cooling water supplied to the end cell adjacent to the end plate The supplied cooling water is controlled by the blocking member so that the temperature between the cells provided in the stack becomes uniform.

상기 막음부재는 상기 중앙 셀 측으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 채널과 상기 엔드 셀 측으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 채널 중 엔드 셀 측의 냉각수 채널에 더 많은 개소로 설치될 수 있다.The blocking member may be provided in more places in the cooling water channel for supplying the cooling water to the center cell side and the cooling water channel for the end cell side in the cooling water channel for supplying the cooling water to the end cell side.

상기 막음부재가 설치된 냉각수 채널은 냉각수가 유입되지 않는 빈공간으로 형성할 수 있다.The cooling water channel provided with the blocking member can be formed as an empty space in which the cooling water does not flow.

상기 막음부재는 엔드 셀 측의 냉각수 채널에 설치시 엔드 셀 측 냉각수 채널의 대부분이 막히도록 다수의 개소로 설치될 수 있다.The blocking member may be installed at a plurality of locations so that most of the cooling water channels on the end cell side are closed when installed in the cooling water channels on the end cell side.

상기 스택 중앙부의 중앙 셀로 연결된 냉각수 채널에는 막음부재가 일부만 설치되거나 또는 설치되지 않을 수 있다.The blocking member may be partially or not installed in the cooling water channel connected to the center cell of the stack central portion.

상기 막음부재는 스택의 내측부를 유통하는 냉각수 채널보다 스택의 외측부를 유통하는 냉각수 채널에 더 많은 개소로 설치될 수 있다.The blocking member may be installed at a greater number of points in the cooling water channel that flows through the outer side of the stack than the cooling water channel that flows through the inner side of the stack.

상기 스택 내측부를 유통하는 냉각수 채널에는 막음부재가 일부만 설치되거나 또는 설치되지 않을 수 있다.A part of the blocking member may be installed or not installed in the cooling water channel circulating the stack inner side portion.

상기 막음부재는 엔드플레이트에 인접한 엔드 셀 측의 냉각수 채널에서 스택 중앙부에 배치된 중앙 셀 측의 냉각수 채널로 갈수록 설치 개소가 감소되도록 구비될 수 있다.
The blocking member may be provided such that the installation location is reduced as it goes from the cooling water channel on the end cell side adjacent to the end plate to the cooling water channel on the center cell side disposed on the stack central portion.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 온도 편차를 저감한 연료전지 스택은 스택 내부의 다수의 셀들 중 엔드플레이트에 인접한 엔드 셀 측으로 유통되는 냉각수 채널에 막음부재를 설치함으로써 냉각수량이 제한되어 엔드 셀의 온도 상승이 신속히 이루어지도록 할 수 있다.In the fuel cell stack having the above-described structure with reduced temperature deviation, the number of cooling water is limited by providing a blocking member in the cooling water channel circulated to the end cell adjacent to the end plate among a plurality of cells in the stack, Can be performed quickly.

아울러, 막음부재를 스택 내부의 냉각수 채널에 적절히 설치하여 각 셀들 간의 온도편차 및 단위 셀에서 발생되는 온도편차를 해소함으로써 플러딩 현상이 발생되는 것을 방지하고 냉시동성도 향상시킬 수 있다.In addition, the blocking member is suitably installed in the cooling water channel in the stack to eliminate the temperature deviation between the cells and the temperature deviation generated in the unit cells, thereby preventing the flooding phenomenon and improving the cold rolling.

이로 인해, 연료전지 스택의 내구성능이 향상되고, 원활한 작동 성능을 확보할 수 있다.
As a result, the durability of the fuel cell stack is improved, and smooth operation performance can be ensured.

도 1은 본 발명의 연료전지 스택을 나타낸 도면.
도 2는 연료전지 스택의 운전시 온도 편차를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 편차를 저감한 연료전지 스택을 나타낸 도면.
도 4는 도 3에 도시된 온도 편차를 저감한 연료전지 스택의 막음부재를 나타낸 도면.
도 5 내지 7은 도 3에 도시된 온도 편차를 저감한 연료전지 스택의 다양한 실시예를 나타낸 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 shows a fuel cell stack of the present invention. Fig.
2 is a graph showing a temperature variation during operation of the fuel cell stack.
3 is a view showing a fuel cell stack in which a temperature deviation is reduced according to an embodiment of the present invention.
Fig. 4 is a view showing a blocking member of the fuel cell stack in which the temperature deviation shown in Fig. 3 is reduced. Fig.
Figs. 5-7 illustrate various embodiments of a fuel cell stack in which the temperature deviation shown in Fig. 3 is reduced. Fig.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 온도 편차를 저감한 연료전지 스택에 대하여 살펴본다.
Hereinafter, a fuel cell stack according to a preferred embodiment of the present invention with reduced temperature deviation will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 연료전지 스택을 나타낸 도면이고, 도 2는 연료전지 스택의 운전시 온도 편차를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 편차를 저감한 연료전지 스택을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 온도 편차를 저감한 연료전지 스택의 막음부재를 나타낸 도면이며, 도 5 내지 7은 도 3에 도시된 온도 편차를 저감한 연료전지 스택의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
FIG. 1 is a view showing a fuel cell stack of the present invention, and FIG. 2 is a graph showing a temperature variation during operation of the fuel cell stack. 3 is a view showing a fuel cell stack in which the temperature deviation is reduced according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a view showing a blocking member of the fuel cell stack in which the temperature deviation shown in FIG. 3 is reduced, FIGS. 5 to 7 are views showing various embodiments of the fuel cell stack in which the temperature deviation shown in FIG. 3 is reduced.

본 발명의 연료전지 스택(1000)은 엔드플레이트(100)의 내측으로 다수의 셀이 마련되고, 다수의 셀 사이로 냉각수의 유통을 위한 냉각수 채널(220)이 구비된 분리판(200)이 마련되며, 냉각수 채널(220)로 냉각수의 공급을 위한 냉각수 매니폴드(240)가 구비된 스택; 및 상기 스택 내 다수의 냉각수 채널(220)에 선택적으로 설치되어 해당 냉각수 채널에 냉각수의 공급을 차단하는 막음부재(300);를 포함한다.The fuel cell stack 1000 of the present invention is provided with a plurality of cells inside the end plate 100 and a separation plate 200 having a cooling water channel 220 for circulating cooling water between a plurality of cells is provided A stack having a cooling water manifold 240 for supplying cooling water to the cooling water channel 220; And a blocking member (300) selectively installed in the plurality of cooling water channels (220) in the stack to block the supply of cooling water to the corresponding cooling water channels.

특히, 스택 내부에 마련된 다수의 셀 중 엔드플레이트(100)에 인접한 엔드 셀(120) 측의 냉각수 채널(220)에 설치되어 냉각수의 공급을 차단함으로써 스택 중앙부에 배치된 중앙 셀(140) 측으로 공급되는 냉각수량과 엔드플레이트(100)에 인접한 엔드 셀(120) 측으로 공급되는 냉각수량이 막음부재(300)에 의해 조절되어 스택에 마련된 셀들 간의 온도가 균일화되도록 할 수 있다.
Particularly, a plurality of cells provided in the stack are installed in the cooling water channel 220 on the side of the end cell 120 adjacent to the end plate 100, and supply the cooling water to the center cell 140 disposed at the center of the stack And the amount of cooling water supplied to the end cell 120 adjacent to the end plate 100 is controlled by the blocking member 300 so that the temperatures between the cells provided in the stack can be made uniform.

구체적으로, 도 3에서 볼 수 있듯이, 다수의 셀이 스택 내부에 적층되고, 스택의 양측단에는 적층된 셀을 가압하고 보호하는 엔드플레이트(100)가 구비된다. 스택 내부에 구비된 다수의 셀들 사이에는 분리판(200)이 배치되며, 분리판(200)에는 각 셀들을 냉각하기 위한 냉매가 유통되는 냉각수 채널(220)이 구비된다. 이러한 냉각수 채널(220)로 냉각수의 공급을 위한 냉각수 매니폴드(240)가 구비되며, 냉각수 매니폴드(240)는 집전판에 형성될 수 있다. 이와 같은 구성의 연료전지 스택은 이미 공지된 기술인바 구체적인 설명은 생략하도록 하겠다.
Specifically, as shown in FIG. 3, a plurality of cells are stacked in the stack, and both ends of the stack are provided with end plates 100 for pressing and protecting the stacked cells. A separation plate 200 is disposed between a plurality of cells provided in the stack, and a cooling water channel 220 through which a refrigerant for cooling the cells is distributed is provided in the separation plate 200. A cooling water manifold 240 for supplying cooling water to the cooling water channel 220 is provided and a cooling water manifold 240 can be formed on the current collector plate. The fuel cell stack having such a structure is a known technology, and a detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 상기의 각 냉각수 채널(220)에 부분적으로 막음부재(300)를 설치함으로써 스택 내부의 셀 중 고온의 영역에는 냉각수의 유량을 증대시키고, 엔드플레이트(100)의 영향을 받는 저온의 영역에는 냉각수의 유량을 감소시킴으로써 냉각수의 공급을 선택적으로 제한하여 효율적으로 스택 내부의 온도 편차를 저감할 수 있다.In the present invention, the blocking member (300) is partially provided in each of the cooling water channels (220) to increase the flow rate of the cooling water in the high temperature region of the cells inside the stack, The flow rate of the cooling water is reduced to selectively restrict the supply of the cooling water, thereby effectively reducing the temperature variation inside the stack.

여기서, 막음부재(300)는 분리판(200)과 같은 소재의 고분자 재질로 부식이 되지 않고 압축 거동이 분리판(200)과 같은 특성을 띄는 것으로 형성될 수 있으며, 막음부재(300)의 형상은 냉각수 채널(220)의 입구 형태에 따라 다양하게 형태로 적용가능하다.Here, the blocking member 300 may be formed of a polymer material of the same material as that of the separating plate 200, and may not be corroded, but may have a compression behavior similar to that of the separating plate 200. The shape of the blocking member 300 May be applied in various forms depending on the shape of the inlet of the cooling water channel 220.

또한, 본 발명의 막음부재(300)는 분리판(200)에 일체로 형성하여 일물로 제조할 수 있으며, 별도로 분리판(200)에 선택적인 설치를 통해 본 발명을 구현할 수 있을 것이다.
In addition, the blocking member 300 of the present invention can be integrally formed in the separating plate 200 to be manufactured as a single body, and the present invention can be implemented by selectively installing the separating plate 200 separately.

통상적으로 연료전지 스택(1000)은 엔드플레이트(100)에 인접하는 셀의 경우 열관성에 의해 엔드플레이트(100)로부터 열을 빼앗기는 등 다양한 이유로 인해 엔드 셀(120)의 온도가 스택 내부의 다른 셀들의 온도보다 낮아져 냉시동 지연 등의 문제가 발생될 수 있다.Typically, the fuel cell stack 1000 is configured such that the temperature of the end cell 120 is lower than the temperature of the other cells in the stack due to various reasons such as heat being taken from the end plate 100 due to thermal inertia in the case of a cell adjacent to the end plate 100. [ It is possible to cause a problem such as a cold start delay.

본 발명에서는 가장 핵심적으로, 스택 내부에 마련된 다수의 셀 중 엔드플레이트(100)에 인접한 엔드 셀(120) 측의 냉각수 채널(220a) 입구부에 막음부재(300)를 설치하여 냉각수의 공급을 일부 차단하도록 한다. 여기서, 엔드 셀(120) 측으로 공급되는 냉각수를 완전히 차단하는 개념이 아닌, 엔드 셀(120) 측으로 연결된 다수의 냉각수 채널(240) 중 일부를 차단함으로써 냉각수의 공급을 줄여 엔드플레이트(100)의 영향으로 인한 온도 변화를 저감시키는 것이다.In the present invention, the blocking member 300 is installed at the inlet of the cooling water channel 220a on the side of the end cell 120 adjacent to the end plate 100 among the plurality of cells provided inside the stack, . Here, the cooling water supplied to the end cell 120 is not completely shut off, but a part of the plurality of cooling water channels 240 connected to the end cell 120 is blocked, thereby reducing the supply of cooling water, Thereby reducing the temperature change due to the temperature change.

이로 인해, 스택 내부에서 온도가 가장 낮게 형성되는 엔드 셀(120) 측으로 공급되는 냉각수를 제한하여 셀의 빠른 온도 상승을 유도할 수 있고, 엔드플레이트(100)와의 열교환에 의한 온도변화됨을 최소화함으로써 스택 내부의 온도 편차를 저감시킬 수 있다.
Accordingly, it is possible to restrict the cooling water supplied to the end cell 120, which has the lowest temperature inside the stack, to induce a rapid temperature rise of the cell, and minimize the temperature change due to heat exchange with the end plate 100, The internal temperature variation can be reduced.

본 발명의 막음부재(300)는 스택 중앙부에 배치된 중앙 셀(140)에 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 채널(220)과 상기 엔드 셀(120) 측을 유통하는 냉각수 채널(220) 중 엔드 셀(120) 측의 냉각수 채널(220)에 더 많은 개소로 설치되어 냉각수의 공급을 제한할 수 있다.
The blocking member 300 of the present invention includes a cooling water channel 220 for supplying cooling water to the center cell 140 disposed at the center of the stack and a cooling water channel 220 for cooling the end cell 120 120 can be provided at a greater number of places in the cooling water channel 220 on the side where the cooling water is supplied.

본 발명에서는 각 셀로 연결된 냉각수 채널에 막음부재(300)를 설치하되 스택 내부의 온도 편차가 해소되도록 적절한 위치에 적용되어야 한다. 즉, 스택의 중앙부에 배치되어 가장 높은 온도로 운전되는 중앙 셀(140)에는 냉각수의 유량이 최대한 확보되도록 하고, 엔드플레이트(100)에 인접함에 따라 가장 낮은 온도로 운전되는 엔드 셀(120) 측의 냉각수 채널(220a)에는 막음부재(300)를 중앙 셀(140) 측보다 더 많은 설치해줌으로써 각 셀로 공급되는 냉각수량이 온도에 따라 적정수준으로 공급되도록 하는 것이다.In the present invention, the blocking member 300 should be installed in the cooling water channel connected to each cell, but the temperature should be appropriately adjusted so as to eliminate the temperature deviation in the stack. That is, the flow rate of the cooling water is maximized in the center cell 140, which is located at the center of the stack and is operated at the highest temperature, and the flow rate of the cooling water is maximized at the end cell 120 side The blocking member 300 is installed in the cooling water channel 220a of the central cell 140 so that the cooling water supplied to each cell is supplied at an appropriate level according to the temperature.

이로 인해, 고온 영역인 중앙 셀(140)의 과열을 방지하고, 저온 영역인 엔드 셀(120)들의 온도를 상승시킴으로써 스택 내부의 온도 편차를 저감하여 셀 온도의 균일화를 유도할 수 있다.
Accordingly, it is possible to prevent overheating of the central cell 140 in a high temperature region and to raise the temperature of the end cells 120 in a low temperature region, thereby reducing the temperature deviation in the stack, thereby inducing uniformity of the cell temperature.

여기서, 상기 막음부재(300)가 설치된 냉각수 채널(220)은 냉각수가 유입되지 않는 빈 공간일 수 있다. 이처럼, 막음부재(300)를 설치함에 따라 해당 냉각수 채널(240)은 냉각수가 유통되지 않는 빈공간으로 형성됨으로써 엔드플레이트(100)와 인접하는 스택 끝 부분의 엔드 셀(120) 측으로 공급되는 냉각수가 줄어들어 엔드플레이트(100)의 영향에 의해 온도가 변화되는 것을 저감할 수 있고, 온도 상승에 취약한 엔드 셀(120)의 빠른 온도 상승을 통해 냉시동 특성이 향상되는 효과를 꾀할 수 있다.
Here, the cooling water channel 220 provided with the blocking member 300 may be an empty space in which the cooling water does not flow. As the blocking member 300 is installed, the cooling water channel 240 is formed as an empty space in which the cooling water does not flow, so that the cooling water supplied to the end cell 120 at the end of the stack adjacent to the end plate 100 It is possible to reduce the change in temperature due to the influence of the end plate 100 and to improve the cold starting characteristic by increasing the temperature of the end cell 120 which is susceptible to temperature rise.

한편, 상기 막음부재(300)는 엔드 셀(120) 측의 냉각수 채널(220)에 설치시 엔드 셀(120) 측 냉각수 채널(220)의 대부분이 막히도록 다수의 개소로 설치될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 엔드 셀(120)의 경우 엔드플레이트(100)의 영향으로 인해 적정 온도 수준으로 온도 상승이 제한되는데, 엔드 셀(120) 측으로 연결되는 다수의 냉각수 채널(220)의 대부분이 막히도록 막음부재(300)를 설치함으로써 냉각수 유량을 감소하여 엔드 셀(120)의 온도 상승이 빠르게 이루어지도록 하고, 셀 간 온도편차를 저감할 수 있다.The blocking member 300 may be installed at a plurality of locations to block most of the cooling water channels 220 on the side of the end cells 120 when installed in the cooling water channels 220 on the side of the end cells 120. As described above, in the case of the end cell 120, the temperature rise to the proper temperature level is limited due to the influence of the end plate 100, since most of the plurality of cooling water channels 220 connected to the end cell 120 side By providing the clogging member 300 to block the cooling water flow rate, the temperature rise of the end cell 120 can be performed quickly, and the inter-cell temperature deviation can be reduced.

여기서, 막음부재(300)를 적용하여 엔드 셀(120) 측 냉각수 채널(220)의 80% 이상을 막도록 함이 바람직하며, 이는 초기 설계시 사전 검사를 통해 스택 운전시 엔드 셀(120)의 적정 온도 수준이 유지될 수 있는 냉각수 유량이 확보될 수 있도록 막음부재(300)의 설치 개소가 설정될 수 있다.
It is preferable that at least 80% of the cooling water channel 220 on the side of the end cell 120 is blocked by applying the blocking member 300. This is because, during the initial design, The installation position of the blocking member 300 can be set so that the cooling water flow rate at which the proper temperature level can be maintained can be secured.

한편, 상기 스택 중앙부의 중앙 셀(140)로 연결된 냉각수 채널에는 막음부재(300)가 일부만이 설치되거나 또는 설치되지 않을 수 있다. 일반적으로, 스택 중앙부에는 엔드플레이트와 같은 타 요소에 의한 열교환이 이루어지지 않으며, 스택의 내측에 위치함에 따라 외부적 요소에 의한 열손실이 적다. 이로 인해, 스택 중앙부에 배치된 중앙 셀(140)의 경우 다른 셀 들에 비해 온도가 높아져 과열되는 문제가 발생될 수 있다.Meanwhile, only a part of the blocking member 300 may be installed in the cooling water channel connected to the center cell 140 of the stack central portion. In general, heat exchange by other elements such as an end plate is not performed in the central portion of the stack, and heat loss due to external elements is small as it is located inside the stack. Accordingly, in the case of the center cell 140 disposed at the center of the stack, the temperature of the center cell 140 may be higher than that of other cells, which may cause overheating.

이러한 문제를 해소하기 위해, 스택 중앙부에 냉각수량을 과도하게 확보하면 중앙 셀(140)이 과냉되어, 결국 온도 편차가 발생되는 문제가 발생될 수 있다.To solve this problem, if the cooling water is excessively secured in the central portion of the stack, the central cell 140 may be sub-cooled, resulting in a problem of temperature deviation.

따라서, 중앙 셀(140)로 연결된 냉각수 채널(220)에는 막음부재(300)를 일부에 선택적으로 설치해줌으로써 중앙 셀(140)의 온도가 적정 수준을 유지할 수 있도록 하며, 셀의 사양에 따라 극단적으로는 막음부재(300)를 미설치하여 냉각수량이 최대한 확보되도록 할 수 있다.Accordingly, the cooling water channel 220 connected to the center cell 140 can selectively provide a part of the blocking member 300 to maintain the temperature of the center cell 140 at an appropriate level, The blocking member 300 may not be installed so that the amount of cooling water can be maximized.

단, 본 발명에서는 엔드플레이트(100)에 인접한 엔드 셀(120) 측의 냉각수 채널(220)에 막음부재(300)를 적용하여 온도 상승을 유도함으로써 엔드 셀(120)의 온도가 적정수준으로 빠르게 상승되도록 하는바, 중앙 셀(140) 측의 냉각수 채널(220)에도 막음부재(300)를 적절히 설치하여 냉각수 유량을 조절함으로써 중앙 셀(140)의 온도도 빠르게 상승되도록 유도하여 냉시동 성능이 더욱 향상되도록 함이 바람직할 것이다.
However, in the present invention, the blocking member 300 is applied to the cooling water channel 220 on the side of the end cell 120 adjacent to the end plate 100 to induce the temperature rise, so that the temperature of the end cell 120 is increased to an appropriate level The blocking member 300 is appropriately installed in the cooling water channel 220 on the side of the center cell 140 so that the temperature of the center cell 140 is also increased rapidly by controlling the flow rate of the cooling water, It is preferable to improve it.

한편, 상기 막음부재(300)는 스택의 내측부를 유통하는 냉각수 채널보다 스택의 외측부를 유통하는 냉각수 채널에 더 많은 개소로 설치될 수 있다. 여기서, 상기 스택 내측부를 유통하는 냉각수 채널에는 막음부재가(300) 일부만 설치되거나 또는 설치되지 않을 수 있다.Meanwhile, the blocking member 300 may be installed at a greater number of positions in the cooling water channel that circulates the outer side of the stack than the cooling water channel that circulates the inner side of the stack. Here, only a part of the blocking member 300 may be installed or not installed in the cooling water channel circulating the stack inner side.

스택 내부의 온도 편차가 발생되는 요인으로는 열관성이 큰 엔드플레이트(100)의 영향으로 인해 엔드플레이트(100) 부근의 엔드 셀(120)의 온도가 낮아지는 이유가 있다. 이와 더불어, 스택의 외측부는 외부공기와 열교환이 이루어지기 때문에 온도가 낮아지고, 스택의 내측부는 외부적인 요소에 의한 열의 손실이 적어 외측부보다 온도가 높다.The reason why the temperature variation inside the stack is generated is that the temperature of the end cell 120 near the end plate 100 is lowered due to the influence of the end plate 100 having a high thermal inertia. In addition, the temperature of the outer side of the stack is lowered due to the heat exchange with the outside air, and the inner side of the stack has a higher temperature than the outer side due to the loss of heat due to external factors.

이로 인해, 단위 셀에서도 스택의 외측부에 배치된 부분과 내측부에 배치된 부분 간에 온도 편차가 발생되는바, 셀의 내측부 측에는 냉각효율을 향상시키기 위해 냉각수량을 더 확보하도록 하고, 외측부 측에는 냉각수량을 감소시키도록 해야한다.As a result, even in a unit cell, a temperature deviation occurs between a portion disposed on the outer side of the stack and a portion disposed on the inner side. In order to improve the cooling efficiency, the cooling water is further secured on the inner side of the cell, .

이를 위해, 스택의 외측부를 유통하는 냉각수 채널에는 막음부재(300)를 설치하여 냉각수량이 스택 내측부를 유통하는 냉각수 채널에 집중되도록 하는 것이다. 이로 인해, 단위 셀에서 스택 내측부의 과열을 방지함과 동시에 스택 외측부의 온도를 상승시킴으로써 단위 셀에서 발생될 수 있는 온도 편차를 방지하고, 단위 셀이 적정 온도 수준으로 유지되도록 할 수 있다.
To this end, the blocking member 300 is provided in the cooling water channel for circulating the outer side of the stack, so that the cooling water concentrates on the cooling water channel flowing through the stack inner side. Accordingly, it is possible to prevent overheating of the inner side of the stack in the unit cell and increase the temperature of the outer side of the stack, thereby preventing a temperature deviation that may occur in the unit cell and maintaining the unit cell at an appropriate temperature level.

한편, 상기 막음부재(300)는 엔드플레이트(100)에 인접한 엔드 셀(120) 측의 냉각수 채널(220)에서 스택 중앙부에 배치된 중앙 셀(140) 측의 냉각수 채널(220)로 갈수록 설치 개소가 감소되도록 할 수 있다.The blocking member 300 is disposed in the cooling water channel 220 on the side of the end cell 120 adjacent to the end plate 100 as the cooling water channel 220 on the side of the center cell 140, Can be reduced.

즉, 엔드 셀(120)의 경우 엔드플레이트(100)에 인접하게 배치됨에 따라 엔드 셀(120)의 온도 상승에 영향을 미치게 되고, 중앙 셀(140)의 경우 쉽게 고온영역에 도달함에 따라 엔드 셀(120)보다 냉각효율이 높게 설정되어야 한다.That is, in the case of the end cell 120, since it is disposed adjacent to the end plate 100, the temperature of the end cell 120 is affected. In the case of the center cell 140, The cooling efficiency should be set to be higher than that of the heat exchanger 120.

정리하면, 스택의 중앙부에서부터 엔드플레이트(100) 측으로 근접할수록 적층된 셀들은 고온 영역에서 저온영역으로 상이하다. 이에 따라, 스택의 중앙부의 중앙 셀(140)들은 고온의 상태이기 때문에 냉각수량의 확보가 되어야 하며, 엔드플레이트(100)에 인접한 엔드 셀(120)의 경우 저온의 상태이기에 냉각수량이 감소되도록 하는 것이다.In summary, the laminated cells differ from the high temperature region to the low temperature region as they approach the end plate 100 side from the center portion of the stack. Accordingly, since the center cells 140 at the center of the stack are in a high temperature state, the cooling water must be secured. In the case of the end cells 120 adjacent to the end plate 100, will be.

이는 도면을 참조하여 보면, 도 5는 엔드플레이트(100)에 인접한 엔드 셀(120)로 연결되는 냉각수 채널(220)을 나타낸 것으로, 막음부재(300)를 설치하여 냉각수 채널(220)의 대부분을 막아줌으로써 냉각수 유량이 감소되도록 한다. 도 6은 엔드플레이트(100)에서 조금 이격된 셀 측의 냉각수 채널(220)을 나타낸 것으로, 이는 엔드플레이트(100)의 영향을 적게 받는바, 엔드 셀(120)보다 온도가 높고 정상적인 셀 온도보다 낮은 중간 정도의 온도 수준을 유지하게 된다. 이때에는 막음부재(300)를 설치하되 엔드 셀(120) 측에 적용된 막음부재(300)의 개소보다 더 적게 설치하여 냉각수 유량을 어느 정도 확보하도록 함이 바람직하다. 도 7은 스택 중앙부의 중앙 셀(140)로 연결되는 냉각수 채널을 나타낸 것으로, 중앙 셀(140)의 경우 외부 요소에 의한 온도의 영향이 거의 없는바, 고온 영역에 쉽게 도달하기에 냉각수 유량이 최대한 확보되도록 해야 한다. 이를 위해, 중앙 셀(140)이 과열되지 않고 적정 수준의 온도 영역을 유지할 수 있는 조건 하에, 막음부재(300)를 적절히 설치하도록 한다.5 shows a cooling water channel 220 connected to the end cell 120 adjacent to the end plate 100. The blocking member 300 is installed to cover most of the cooling water channel 220 The flow rate of the cooling water is reduced. 6 shows a cooling water channel 220 on the cell side that is slightly spaced from the end plate 100. This is because the temperature of the cooling water channel 220 is lower than that of the end cell 120, And maintains a low medium temperature level. At this time, it is preferable that the blocking member 300 is provided, but the number of the blocking members 300 applied to the end cell 120 is smaller than that of the blocking member 300 to secure a certain amount of cooling water flow. 7 shows a cooling water channel connected to the central cell 140 at the center of the stack. In the case of the center cell 140, the temperature of the central cell 140 is hardly influenced by external factors. Should be secured. For this purpose, the blocking member 300 is appropriately installed under a condition that the central cell 140 can maintain an appropriate temperature region without being overheated.

이와 같이, 막음부재(300)를 각각의 냉각수 채널(220)에 선택적으로 설치하여 각 셀들 간의 온도 편차를 저감시킴으로써 플러딩 현상 및 성능 저하 문제를 해소할 수 있고, 셀의 과냉/과열에 따른 손상을 방지하여 내구성이 향상되도록 할 수 있다.
As described above, by selectively installing the blocking member 300 in each of the cooling water channels 220 and reducing the temperature deviation between the cells, the flooding phenomenon and the performance deterioration problem can be solved, and damage due to overcooling / So that the durability can be improved.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

1000:연료전지스택 100:엔드플레이트
120:엔드 셀 140:중앙 셀
200:분리판 220:냉각수 채널
240:냉각수 매니폴드 300:막음부재1000: Fuel cell stack 100: End plate
120: end cell 140: center cell
200: separation plate 220: cooling water channel
240: cooling water manifold 300: blocking member

Claims (8)

엔드플레이트의 내측으로 다수의 셀이 마련되고, 다수의 셀 사이로 냉각수의 유통을 위한 냉각수 채널이 구비된 분리판이 마련되며, 냉각수 채널로 냉각수의 공급을 위한 냉각수 매니폴드가 구비된 스택; 및
상기 스택 내 다수의 냉각수 채널에 선택적으로 설치되어 해당 냉각수 채널의 냉각수의 공급을 차단하는 막음부재;를 포함함으로써,
스택 중앙부에 배치된 중앙 셀 측으로 공급되는 냉각수량과 엔드플레이트에 인접한 엔드 셀 측으로 공급되는 냉각수량이 막음부재에 의해 조절되어 스택에 마련된 셀들 간의 온도가 균일화되도록 하는 것을 특징으로 하는 온도 편차를 저감한 연료전지 스택.A stack provided with a plurality of cells inside the end plate, a separation plate provided with a cooling water channel for circulating cooling water between a plurality of cells, and a cooling water manifold for supplying cooling water to the cooling water channel; And
And a blocking member selectively installed on the plurality of cooling water channels in the stack to cut off the supply of the cooling water of the corresponding cooling water channel,
The cooling water supplied to the center cell disposed at the center of the stack and the cooling water supplied to the end cell adjacent to the end plate are controlled by the blocking member so that the temperature between the cells provided in the stack is uniformized. Fuel cell stack. 청구항 1에 있어서,
상기 막음부재는 상기 중앙 셀 측으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 채널과 상기 엔드 셀 측으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 채널 중 엔드 셀 측의 냉각수 채널에 더 많은 개소로 설치된 것을 특징으로 하는 온도 편차를 저감한 연료전지 스택.The method according to claim 1,
Wherein the blocking member is provided in more places in the cooling water channel for supplying the cooling water to the center cell side and the cooling water channel for the end cell side among the cooling water channel for supplying the cooling water to the end cell side. Battery stack. 청구항 1에 있어서,
상기 막음부재가 설치된 냉각수 채널은 냉각수가 유입되지 않는 빈 공간인 것을 특징으로 하는 온도 편차를 저감한 연료전지 스택.The method according to claim 1,
Wherein the cooling water channel provided with the blocking member is an empty space in which cooling water does not flow. 청구항 1에 있어서,
상기 막음부재는 엔드 셀 측의 냉각수 채널에 설치시 엔드 셀 측 냉각수 채널의 대부분이 막히도록 다수의 개소로 설치된 것을 특징으로 하는 온도 편차를 저감한 연료전지 스택.The method according to claim 1,
Wherein the blocking member is installed at a plurality of locations so that most of the cooling water channels on the end cell side are closed when installed in the cooling water channel on the end cell side. 청구항 1에 있어서,
상기 스택 중앙부의 중앙 셀로 연결된 냉각수 채널에는 막음부재가 일부만 설치되거나 또는 설치되지 않은 것을 특징으로 하는 온도 편차를 저감한 연료전지 스택.The method according to claim 1,
Wherein the cooling water channel connected to the central cell of the stack central portion is partially or completely free of blocking members. 청구항 1에 있어서,
상기 막음부재는 스택의 내측부를 유통하는 냉각수 채널보다 스택의 외측부를 유통하는 냉각수 채널에 더 많은 개소로 설치된 것을 특징으로 하는 온도 편차를 저감한 연료전지 스택.The method according to claim 1,
Wherein the blocking member is provided at a greater number of points in the cooling water channel that circulates the outer side of the stack than the cooling water channel that flows in the inner side of the stack. 청구항 6에 있어서,
상기 스택 내측부를 유통하는 냉각수 채널에는 막음부재가 일부만 설치되거나 또는 설치되지 않은 것을 특징으로 하는 온도 편차를 저감한 연료전지 스택.The method of claim 6,
Wherein a part of the blocking member is not installed or installed in the cooling water channel that flows through the inner side of the stack. 청구항 1에 있어서,
상기 막음부재는 엔드플레이트에 인접한 엔드 셀 측의 냉각수 채널에서 스택 중앙부에 배치된 중앙 셀 측의 냉각수 채널로 갈수록 설치 개소가 감소되도록 구비된 것을 특징으로 하는 온도 편차를 저감한 연료전지 스택.The method according to claim 1,
Wherein the blocking member is provided such that a mounting position of the blocking member decreases as it goes from the cooling water channel on the end cell side adjacent to the end plate to the cooling water channel on the center cell side disposed on the stack central portion.
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