KR101547128B1 - 매니폴드 헤더 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

매니폴드 헤더 및 이를 포함하는 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 연료전지의 연료 또는 가스를 각각의 매니폴드로 균일하게 분배할 수 있도록 개선한 매니폴드 헤더 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 매니폴드 헤더는 연료전지의 매니폴드에 연계되어 연료 또는 산화제를 공급 또는 배출하기 위해 일측에 연료 또는 산화제의 공급 또는 배출을 위한 유입구 또는 배출구가 형성된 본체부; 상기 본체부의 내측에 제공되어 연료의 공급이 이루어지는 연료 공급부; 상기 연료 공급부로부터 공급된 연료를 상기 매니폴드의 입측으로 분리하여 공급토록 연결되는 다수의 분기유로를 갖는 분기부; 상기 연료 공급부와 상기 분기부 사이에 연계되어 연료의 공급유로를 확장시키는 확장부; 및 상기 확장부에 폭방향으로 제공되어 연료의 통과경로를 가변하는 유로가변부;를 포함한다.

Description

매니폴드 헤더 및 이를 포함하는 연료전지 {MANIFOLD HEADER AND FUEL CELL HAVING THE SAME}
본 발명은 매니폴드 헤더 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 연료로 사용되는 기체의 균등 분배성을 개선하는 매니폴드 헤더 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전시스템으로, 예컨대 아노드(anode)측에 연료, 일례로 수소가 공급되고, 캐소드(cathode)에는 산화제, 일례로 공기가 주입될 때, 전해질(electrolyte)을 통해 이온이 이동하면서 최종적으로 물을 생성시키는 과정에서 이들의 반응시 발생하는 화학적 에너지를 이용하여 전기적 에너지를 생성한다.
이러한 연료전지는 작동온도, 전해질 종류에 따라 저온형, 고온형으로 구분할 수 있으며, 저온형은 주로 자동차 등에 사용되는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 대표적이며, 고온형은 MCFC(Molen Carbonate Fuel Cell), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 및 SOFC의 역반응을 이용한 SOEC(solid oxide electrolysis cell)이 대표적으로 사용된다.
연료전지는 연료와 공기가 지속적으로 주입되는 과정에서 연속적인 발전이 가능하며, 연료의 경우 발전효율, 경제성을 고려하여 이용률을 높여야 상업적 가치를 높일 수 있다.
이를 위해, 연료전지는 반응성을 향상시키기 위해 연료와 공기와 같은 가스를 균등 분배하는 기술이 요구되고 있으며, 이를 위해 가스가 하나의 배관으로 들어와서 다기공판을 통과하여 각각의 매니폴드로 분기하는 매니폴드 헤더의 개선이 요구되고 있다.
이에 따라 종래에는 미국 특허 US201100705171A1 또는 US2007-0248868A1와 같이, 다공판의 배치를 달리하여 가스의 분배를 균일하게 하고자 하는 설계가 일방적으로 적용되고 있다.
그러나, 다공판의 홀 크기, 개수, 배치 등에 따라 가스의 분배가 좌우되는 구조에서는 특정 방향으로 가스의 흐름이 생길 수 있고, 이에 따라 결과적으로 가스의 분배가 균일하게 되지 못할 가능성이 높다.
또한, 매니폴드 헤더에서 매니폴드 홀로 분배되는 사이에 가스가 균일화되도록 버퍼(buffer)공간을 마련하는 방법도 적용되고 있으나, 이 또한 가스의 분배를 균일하게 하는데 한계가 있으며, 이에 따라 가스의 분배를 더욱 균일하게 하기 위한 기술의 개발 또는 개선이 요구되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 연료전지의 연료 또는 가스를 각각의 매니폴드로 균일하게 분배할 수 있도록 개선한 매니폴드 헤더 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 매니폴드 헤더는 연료전지의 매니폴드에 연계되어 연료 또는 산화제를 공급 또는 배출하기 위해 일측에 연료 또는 산화제의 공급 또는 배출을 위한 유입구 또는 배출구가 형성된 본체부; 상기 본체부의 내측에 제공되어 연료의 공급이 이루어지는 연료 공급부; 상기 연료 공급부로부터 공급된 연료를 상기 매니폴드의 입측으로 분리하여 공급토록 연결되는 다수의 분기유로를 갖는 분기부; 상기 연료 공급부와 상기 분기부 사이에 연계되어 연료의 공급유로를 확장시키는 확장부; 및 상기 확장부에 폭방향으로 제공되어 연료의 통과경로를 가변하는 유로가변부;를 포함한다.
여기서, 상기 유로가변부는 상기 확장부의 일측에 폭방향으로 형성되는 적어도 하나의 요홈부와, 상기 요홈부의 상부 영역에 설치되는 차벽부를 포함하고, 상기 확장부에서 공급된 연료가 상기 요홈부와 상기 차벽부 사이에 형성되는 유로를 통해 통과하도록 제공될 수 있다.
또한, 상기 차벽부의 저면과 상기 요홈부의 저면 사이의 거리는 상기 확장부의 공급유로 높이의 0.3 내지 1.0배일 수 있다.
또한, 상기 차벽부의 일면과 상기 차벽부의 일면과 대면하는 상기 요홈부의 일면 사이의 거리는 확장부의 공급유로 높이의 0.3 내지 0.8배일 수 있다.
또한, 상기 요홈부 및 상기 차벽부는 중심축에 대해 대칭이고, 상기 연료의 진행방향에 대해 160 내지 180도로 배치될 수 있다.
또한, 상기 분기유로는 각각의 분리유로의 길이가 동일하게 제공될 수 있다.
또한, 상기 본체부의 일측에 제공되어 상기 연료와 반응하기 위한 산화제가 공급되어 분기되는 산화제 공급부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지는 적어도 하나의 단위 셀유닛이 적층되어 제공되는 연료전지에 있어서, 상기 단위 셀유닛은 분리막과, 상기 분리막을 사이에 두고 배치되는 캐소드 매니폴드 및 에노드 매니폴드를 포함하고, 상기 단위 셀유닛의 적어도 한쪽 단부에 연계되는 전술된 매니폴드 헤더;를 포함한다.
또한, 상기 산화제는 산소가스를 포함하고, 상기 연료는 수소가스를 포함하고, 상기 분리막은 상기 산소가스로부터 분리된 산소이온 또는 상기 수소가스로부터 분리된 수소이온이 투과되는 전해질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료와 공기의 균등 분배 효율을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 연료전지의 반응성을 향상시켜 발전효율을 높을 수 있으며, 이에 따라 연료전지의 경제성 및 이용율 향상으로 인한 상업적 가치를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더 헤드가 적용된 연료전지의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더 헤드에 연결된 매니폴드를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더 헤드의 평면도.
도 4는 도 3의 A부분의 확대도.
도 5는 도 4의 Ⅰ-Ⅰ'선의 단면도.
도 6은 도 4의 Ⅱ-Ⅱ'선의 단면도.
도 7은 도 3의 (A)부분이 변형된 실시예의 확대도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 헤더의 유동가시화를 시험한 도면이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 헤더가 적용된 1,000cm2급 SOFC 4셀 숏스택의 성능 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더 헤드가 적용된 연료전지의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더 헤드에 연결된 매니폴드를 도시한 사시도이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더 헤드의 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 연료전지(100)는 적어도 하나의 단위 셀유닛을 포함할 수 있으며, 공급되는 전압을 증가시키기 위해 다수의 층으로 적층되어 연결될 수 있다.
이러한 연료전지(100)는 분리막을 포함할 수 있고, 분리막을 사이에 두고 캐소드(cathod) 매니폴드(110)와 에노드(anode) 매니폴드(120)가 배치될 수 있다.
또한, 캐소드 매니폴드(110) 및 에노드 매니폴드(120)에는 전기적인 반응을 위해 캐소드 전극 및 에노드 전극이 구비될 수 있다.
또한, 캐소드 매니폴드(110) 및 에노드 매니폴드(120)에는 각각에 연료 또는 산화제의 공급 또는 배출을 위한 입구(inlet)(112, 122)와 출구(outlet)(114, 124)가 형성될 수 있다.
일례로, 하나의 캐소드 매니폴드(110)(또는 에노드 매니폴드(120))에는 연료(또는 산화제)가 한쪽에 위치한 입구(112, 122)로 유입된 후, 대향되어 마련된 출구(114, 124)를 통해 배출되도록 제공된다. 또한, 캐소드 매니폴드(110)(또는 에노드 매니폴드(120))의 주변부에는 교번적으로 적층되는 에노드 매니폴드(120)(또는 캐소드 매니폴드(110))로 산화제(또는 연료)를 공급하기 위한 통로(116, 118(또는 126, 128))가 일체로 형성될 수 있다.
이러한 단위 셀유닛의 적어도 한쪽 단부에는 연료 또는 산화제의 공급을 위한 매니폴드 헤더(130)가 연결될 수 있다. 매니폴드 헤더(130)는 단위 셀유닛이 적층된 최하단 또는 최상단에 연결될 수 있으며, 단위 셀유닛으로 연료 또는 산화제를 공급 또는 배출하도록 제공될 수 있다.
일례로, 본 실시예의 매니폴드 헤더(130)는 대면적 연료전지(100), 특히 1,000cm2 이상의 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)에 적용될 수 있다.
이를 위해, 본 실시예의 매니폴드 헤더(130)는 연료전지(100)의 매니폴드(110, 120)에 연계되는 본체부(132)를 포함할 수 있다. 본체부(132)에는 연료 또는 산화제를 공급 또는 배출할 수 있도록 일측에 연료 또는 산화제의 공급 또는 배출을 위한 유입구(132a, 132c) 또는 배출구(132b, 132d)가 형성될 수 있다.
또한, 본체부(132)의 내측에는 연료공급원으로부터 연료가 공급되는 유입구(132a)를 포함하는 연료 공급부(134)가 마련될 수 있다.
또한, 연료 공급부(134)에는 연료를 균등하게 공급하기 위해 연료의 공급유로를 확장시키는 확장부(136)가 연결될 수 있다.
또한, 확장부(136)에는 연료가스를 매니폴드(110, 120)의 입측으로 분리하여 공급하기 위해 다수의 분기유로(139)를 갖는 분기부(138)가 연결될 수 있다.
한편, 확장부(136)에는 연료의 통과경로를 가변함으로써 연료를 균등 분배하는 유로가변부(140)가 제공될 수 있다.
유로가변부(140)는 확장부(136)의 일측에 폭방향으로 형성되는 적어도 하나의 요홈부(142)를 포함할 수 있으며, 이 요홈부(142)에는 연료의 진행방향을 전환하기 위한 차벽부(144)가 설치될 수 있다.
유로가변부(140)는 확장부(136)에서 공급된 연료가 요홈부(142)와 차벽부(144) 사이에 형성되는 유로(P)를 통과하도록 제공되며, 이에 따라 요홈부(142)로 공급된 연료가 차벽부(144)에 의해 진행방향이 가변되는 과정에서 확장부(136)의 주변부로 균등하게 분배될 수 있다.
본 실시예에서 차벽부(144)의 저면과 요홈부(142)의 저면 사이의 거리는 확장부(136)의 공급유로 높이의 0.3 내지 1.0배일 수 있다. 일례로, 본 실시예에서 공급유로의 높이가 6.5mm일 경우, 차벽부(144)의 저면과 요홈부(142)의 저면 사이의 거리는 약 2 내지 6mm일 수 있다.
또한, 차벽부(144)의 일면과 이에 대면하는 요홈부(142)의 일면 사이의 거리는 확장부(136)의 공급유로 높이의 0.3 내지 0.8배일 수 있다. 일례로, 본 실시예에서 공급유로의 높이가 6.5mm일 경우, 차벽부(144)의 일면과 이에 대면하는 요홈부(142)의 일면 사이의 거리는 약 2 내지 5mm일 수 있다. 즉, 차벽부(144)의 전면과 후면은 각각 대응하는 요홈부(142)의 면에 대해 약 2 내지 5mm일 수 있다.
따라서, 확장부(136)로 유입된 연료는 요홈부(142)와 차벽부(144)의 전면 사이로 진입된 후, 하강되어 차벽부(144)의 하부를 통과하며, 이후 상승하며 요홈부(142)와 차벽부(144)의 후면 사이를 통과하여 확장부(136)로 배출되는 과정을 거치면서, 연료를 확장부(136) 내의 주변 공간으로 균등하게 분배할 수 있다.
본 실시예에서 유로가변부(140)는 2개로 제공될 수 있으며, 연료의 분배성능 향상이나 연료의 통과유속 등을 고려하여 유로가변부(140)의 설치 위치 및 개소는 다양하게 변형될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 유로가변부(140)의 요홈부(142) 및 이에 설치되는 차벽부(144)는 연료의 진행방향에 대해 직교하고, 중심축에 대해 대칭인 형태, 즉 180도로 펼쳐진 상태로 배치될 수 있다.
또한, 유로가변부(140)의 요홈부(142) 및 이에 설치되는 차벽부(144)는 연료의 진행방향에 대해 중앙부는 근접하고, 외측으로 갈수록 멀어지는 방향으로 경사진 형태이며, 중심축에 대해 대칭인 형태로 배치될 수 있다. 이때, 바람직하게는 요홈부(142) 및 차벽부(144)가 연료의 진행방향에 대해 경사진 각도(α)는 160 내지 180도일 수 있다.
또한, 본 실시예에서 분기부(138)에 제공되는 분기유로(139)는 각각의 길이가 동일하게 제공될 수 있다.
따라서, 확장부(136)로부터 분기부(138)로 공급된 연료는 동일한 길이를 갖는 각각의 분기유로(139)를 통과한 후, 매니폴드(110, 120)의 입측으로 공급될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 매니폴드 헤더(130)는 본체부(132)에 일측에 연료 공급부(134)외에도 연료와 반응하기 위한 산화제가 공급되어 분기되는 산화제 공급부(135)가 더 제공될 수 있다.
산화제 공급부(135)는 산화제의 공급 또는 배출을 위한 유입구(132c) 또는 배출구(132d)가 연계될 수 있고, 산화제가 매니폴드의 산화제 공급측으로 공급되도록 연계될 수 있다.
본 실시예에서 연료는 수소가스를 포함할 수 있다. 또한, 산화제는 산소가스를 포함할 수 있다. 더불어, 산소가스는 순산소가 사용되는 것도 가능하며 본 실시예에서는 산소가스를 포함하는 대기, 즉 공기를 사용하는 것도 가능하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 헤더의 유동가시화를 시험한 도면이다.
도 8을 참고하면, 본 실시예에 따른 매니폴드 헤더(130)는 연료가 연료가변부를 거쳐 통과하는 과정에서 연료가 균등하게 분배되는 것을 확인할 수 있다.
이를 위해, 매니폴드 헤더(130)와 동일한 형태의 투명한 모델을 만들고, 이 모델의 내부에는 약 45℃에서 색이 변하는 시온안료가 도포된다. 그리고, 연료 공급부(134)를 통해 약 100℃의 질소가스를 공급할 때, 고온의 질소가스가 연료가변부를 거쳐 통과하는 과정에서 시온안료의 색이 변하는 것을 통해 질소가스가 균등하게 분배되는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴드 헤더가 적용된 1,000cm2급 SOFC 4셀 숏스택의 성능 결과를 도시한 그래프이다.
또한, 도 9를 참고하면, 본 실시예에서는 1,000cm2급 SOFC 4셀 숏스택에 적용될 경우, 연료 공급부(134)로부터 공급된 연료가 2개의 유로가변부(140)를 통과하는 과정에서 연료가 균등하게 분배될 수 있으며, 산화제 공급부로부터 공급된 산화제와 반응함에 따라 연료이용율을 80%까지 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
이때, 전류밀도와 전압은 반비례관계임을 알 수 있고, 전류밀도와 전력밀도는 비례하여 증가함을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: 연료전지 130: 매니폴드 헤더
132: 본체부 134: 연료 공급부
136: 확장부 138: 분기부
139: 분기유로 140: 유로가변부
142: 요홈부 144: 차벽부

Claims (9)

  1. 연료전지의 매니폴드에 연계되어 연료 또는 산화제를 공급 또는 배출하기 위해 일측에 연료 또는 산화제의 공급 또는 배출을 위한 유입구 또는 배출구가 형성된 본체부;
    상기 본체부의 내측에 제공되어 연료의 공급이 이루어지는 연료 공급부;
    상기 연료 공급부로부터 공급된 연료를 상기 매니폴드의 입측으로 분리하여 공급토록 연결되는 다수의 분기유로를 갖는 분기부;
    상기 연료 공급부와 상기 분기부 사이에 연계되어 연료의 공급유로를 확장시키는 확장부; 및
    상기 확장부에 폭방향으로 제공되어 연료의 통과경로를 가변하여 연료를 균등 분배하는 유로가변부;
    를 포함하는 매니폴드 헤더.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 유로가변부는
    상기 확장부의 일측에 폭방향으로 형성되는 적어도 하나의 요홈부와,
    상기 요홈부의 상부 영역에 설치되는 차벽부를 포함하고,
    상기 확장부에서 공급된 연료가 상기 요홈부와 상기 차벽부 사이에 형성되는 유로를 통해 통과하도록 제공되는 매니폴드 헤더.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 차벽부의 저면과 상기 요홈부의 저면 사이의 거리는 상기 확장부의 공급유로 높이의 0.3 내지 1.0배인 매니폴드 헤더.
  4. 청구항 2에 있어서,
    또한, 상기 차벽부의 일면과 상기 차벽부의 일면과 대면하는 상기 요홈부의 일면 사이의 거리는 확장부의 공급유로 높이의 0.3 내지 0.8배인 매니폴드 헤더.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 요홈부 및 상기 차벽부는 중심축에 대해 대칭이고, 상기 연료의 진행방향에 대해 160 내지 180도로 배치되는 매니폴드 헤더.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분기유로는 각각의 분리유로의 길이가 동일하게 제공되는 매니폴드 헤더.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본체부의 일측에 제공되어 상기 연료와 반응하기 위한 산화제가 공급되어 분기되는 산화제 공급부를 포함하는 매니폴드 헤더.
  8. 적어도 하나의 단위 셀유닛이 적층되어 제공되는 연료전지에 있어서,
    상기 단위 셀유닛은 분리막과, 상기 분리막을 사이에 두고 배치되는 캐소드 매니폴드 및 에노드 매니폴드를 포함하고,
    상기 단위 셀유닛의 적어도 한쪽 단부에 연계되는 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따른 매니폴드 헤더;
    를 포함하는 연료전지.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 산화제는 산소가스를 포함하고,
    상기 연료는 수소가스를 포함하고,
    상기 분리막은 상기 산소가스로부터 분리된 산소이온 또는 상기 수소가스로부터 분리된 수소이온이 투과되는 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5484666A (en) 1994-09-20 1996-01-16 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell stack with compression mechanism extending through interior manifold headers
KR100579308B1 (ko) 2004-08-30 2006-05-11 현대자동차주식회사 연료전지의 유량분배 안정장치
US20070248868A1 (en) 2006-04-19 2007-10-25 Haltiner Karl J Jr Solid oxide fuel cell stack having an integral gas distribution manifold

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