KR101628458B1 - 연료전지 셀 - Google Patents

연료전지 셀 Download PDF

Info

Publication number
KR101628458B1
KR101628458B1 KR1020140059148A KR20140059148A KR101628458B1 KR 101628458 B1 KR101628458 B1 KR 101628458B1 KR 1020140059148 A KR1020140059148 A KR 1020140059148A KR 20140059148 A KR20140059148 A KR 20140059148A KR 101628458 B1 KR101628458 B1 KR 101628458B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
flow path
manifold
fuel cell
manifolds
gasket
Prior art date
Application number
KR1020140059148A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150132772A (ko
Inventor
반현석
노용규
이현준
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020140059148A priority Critical patent/KR101628458B1/ko
Priority to US14/551,019 priority patent/US9997790B2/en
Priority to DE102014225028.5A priority patent/DE102014225028A1/de
Priority to CN201410745775.1A priority patent/CN105098205B/zh
Publication of KR20150132772A publication Critical patent/KR20150132772A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101628458B1 publication Critical patent/KR101628458B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

양단에 복수의 매니폴드들이 구비되고 양단부 사이에 유로부가 형성된 분리판을 구비한 연료전지 셀에 있어서, 상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드와 유로부 사이에 마련되며, 상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드로부터 물질이 유입되는 입구부와 유입된 물질이 상기 유로부로 토출되는 출구부를 포함하는 노즐부;를 포함하는 연료전지 셀이 소개된다.

Description

연료전지 셀{Fuel Cell}
본 발명은 연료전지 셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 셀 내부에서 자체적으로 반응물질의 재순환이 이루어질 수 있도록 하는 연료전지 셀에 관한 것이다.
연료전지는 통상적으로 수소와 산소의 반응을 유도하는 촉매층이 구비된 전극막 접합체(MEA:Membrane-Electrode-Assembly)와 상기 전극막 접합체의 양측에 마련되어 상기 전극막 접합체 내부로 수소와 공기를 공급하면서 동시에 물의 배출을 용이하게 하는 분리판이 구비되어 있다.
상기 분리판의 양단부에는 다수개의 연료전지 셀이 적층될 시 각각의 셀에 수소 또는 공기를 공급할 수 있도록 수소와 공기가 유동할 수 있는 다수개의 매니폴드가 마련되고, 상기 분리판의 양단부 사이에는 공급된 수소 또는 공기가 유동하면서 상기 전극막 접합체와 반응할 수 있도록 하는 유로부가 마련된다.
통상적으로 분리판의 일단에 마련된 매니폴드를 통해 유입된 수소는 상기 유로부를 통한 뒤 분리판의 타단에 마련된 매니폴드를 통해 외부로 빠져나가게 되는데, 유입된 수소가 모두 반응하는 것은 아니며 외부로 토출되는 수소들은 여전히 반응물질로서의 기능을 수행할 수 있으므로, 토출된 수소가 상기 유로부로 재유입되도록 토출된 수소를 다시 상기 분리판의 일단에 마련된 매니폴드로 재유입시키는 수소 순환기가 마련된다.
상기 수소 순환장치에 관하여 종래의KR10-2003-0021075 A "자동차용 연료전지 스택의 수소 공급 재순환 장치 및 방법"은 "수소 인렛과 수소 아웃렛을 갖는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택의 수소 아웃렛과 연결된 수소 순환기와, 상기 연료전지 스택의 수소 인렛과 상기 수소 순환기 사이에 배치된 워터 트랩과, 상기 연료전지 스택의 수소 인렛에 연결된 수소공급원을 포함하는 자동차용 연료전지 스택의 수소 공급 및 재순환 장치에 있어서, 상기 연료전지 스택(10)의 수소 아웃렛(14)측에 상기 수소공급원(16)을 연결하고, 상기 워터 트랩(20)을 제거하여 수소 순환기(18)가 상기 연료전지 스택(10)의 수소 인렛(12)에 곧바로 연결되도록 한 것을 특징으로 하는 자동차용 연료전지 스택의 수소 공급 재순환 장치"를 제시한다.
그러나 이러한 종래의 기술에 의하더라도 연료전지 셀 외부로 재순환 장치가 있어 패키지 구성에 불리하고, 외부 열손실에 의한 응축수 추가 발생으로 스택 가습 운전에 불리하며, 배관에서 압력 손실이 발생하는 문제점이 있었다. 또한 스택 입구에 과급의 혼합가스(수소, 질소, 수증기)가 공급되기 때문에 스택 적층 방향으로 가스가 이동할 때 가스의 특성이 변화되어 셀 간의 편차도 발생하였으며, 특히 이러한 외부 순환 구조의 루프는 이젝터와 수소컴프레서 등에 의해 구동되는데 그 비용이 작지 않아왔던 문제점이 있었던 것이다.
이에 더해 안정적인 반응물질들의 공급을 위해 상기 다수개의 매니폴드들의 크기를 축소시키는데 한계가 있어왔고, 이는 상기 유로부의 크기를 증대시킴에 있어서 제한 요소로 작용하였으며, 따라서 연료전지 셀의 에너지 출력 밀도를 향상시키는 것이 제한될 수 밖에 없었다.
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.
KR 10-2003-0021075 A (2003.03.12)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 수소 재순환 장치를 외부에 구성하는 것이 아닌 셀 내부에 구성하여 수소 재순환 장치를 외부에 추가함에 따른 비용을 줄이고, 이젝터를 연료전지 셀 내부에 마련하여 수소를 공급하는 매니폴드의 크기를 크게 줄일 수 있게 됨에 따라 유로부의 크기를 더 증대시킬 수 있는 연료전지 셀를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 셀은 양단에 복수의 매니폴드들이 구비되고 양단부 사이에 유로부가 형성된 분리판을 구비한 연료전지 셀에 있어서, 상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드와 유로부 사이에 마련되며, 상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드로부터 물질이 유입되는 입구부와 유입된 물질이 상기 유로부로 토출되는 출구부를 포함하는 노즐부;를 포함하고, 상기 출구부의 단면적은 상기 입구부의 단면적보다 더 작을 수 있다.
상기 노즐부는 상기 유로부와 상기 유로부로 수소를 공급하는 수소 공급 매니폴드 사이에 마련될 수 있다.
상기 유로부는 유로부의 양단부에 분리판의 폭방향으로 형성된 한 쌍의 단부 유로를 포함하며, 상기 한 쌍의 단부 유로 사이에서 분리판의 길이방향으로 형성되고 상기 한 쌍의 단부 유로를 상호 통공시키며 분리판의 폭방향을 따라 다수개 마련되는 이동 유로를 더 포함할 수 있다.
상기 분리판의 일단부 측에 상기 노즐부가 마련되고, 상기 다수개의 이동 유로는 상기 노즐부의 출구부에 대응되게 위치하여 출구부에서 토출된 물질이 유입되는 메인 이동 유로를 더 포함하고, 상기 메인 이동 유로는 상기 노즐부에서 멀어질수록 점차 폭이 넓어지도록 형성될 수 있다.
상기 유로부의 일단부 측에 상기 노즐부가 마련되고, 상기 한 쌍의 단부 유로 중 상기 노즐부 측에 형성된 단부 유로는 상기 노즐부의 출구부와 통공할 수 있다.
상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드의 둘레를 따라 분리판에 밀착되게 마련되는 가스켓을 더 포함하고, 상기 가스켓의 유로부 측 단부가 분리되어 상기 노즐부의 출구부를 형성할 수 있다.
상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드의 둘레를 따라 분리판에 밀착되게 마련되는 가스켓을 더 포함하고, 상기 노즐부는 상기 가스켓에 일물로 형성되되 상기 유로부를 향해 출구부가 돌출되게 형성될 수 있다.
상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드의 둘레를 따라 분리판에 밀착되게 마련되는 가스켓을 더 포함하고, 상기 노즐부는 마이크로 튜브를 상기 가스켓에 삽입하여 형성될 수 있다.
상기 분리판은 상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드와 상기 유로부를 잇는 연결유로를 더 포함하고, 상기 노즐부의 일부는 상기 연결유로에 끼움결합할 수 있다.
상기 분리판은 상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드와 상기 유로부를 잇는 연결유로를 더 포함하고, 상기 연결유로에는 상기 노즐부가 끼움 결합할 수 있다.
상기 연결유로의 측부에는 끼움홈이 형성되며, 상기 노즐부는 상기 끼움홈에 끼움결합하는 체결돌기를 포함할 수 있다.
상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드의 둘레를 따라 분리판에 밀착되게 마련되는 가스켓을 더 포함하고, 상기 가스켓은 상기 노즐부의 일부를 덮을 수 있다.
상기 복수개의 매니폴드는 상기 유로부로 수소를 공급하는 수소 공급 매니폴드와 유로부에 존재하는 물질을 외부로 토출시키는 드레인 매니폴드를 포함하고, 상기 수소 공급 매니폴드와 드레인 매니폴드는 상기 분리판의 양단부 중 동일 단부측에 마련될 수 있다.
상기 복수개의 매니폴드는 상기 유로부로 수소를 공급하는 수소 공급 매니폴드와 유로부에 존재하는 물질을 외부로 토출시키는 드레인 매니폴드를 포함하고, 상기 드레인 매니폴드에는 배출되는 수소의 압력을 측정하는 압력센서가 구비될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 셀에 따르면, 별도의 수소 재순환을 위한 장치를 구비하지 않게 되어 추가적인 수소 재순환 장치를 구비함에 따른 비용을 절감할 수 있다.
또한, 매니폴드의 크기를 축소시키게 됨에 따라 유로부의 면적을 증대시킬 수 있으며 연료전지 셀의 에너지 출력 밀도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 셀의 구성도.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 셀의 노즐부를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 셀의 노즐부를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지 셀의 노즐부를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제1 내지 제4실시예에 따른 연료전지 셀의 매니폴드 배치 구조를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 제1 내지 제4실시예에 따른 유로부의 압력 변화를 도시한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 셀에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 셀의 구성도로서, 양단에 복수의 매니폴드들이 구비되고 양단부 사이에 유로부(110)가 형성된 분리판(100)을 구비한 연료전지 셀에 있어서,
상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드와 유로부(110) 사이에 마련되며, 상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드로부터 물질이 유입되는 입구부(211)와 유입된 물질이 상기 유로부로 토출되는 출구부(212)를 포함하는 노즐부(210);를 포함하고, 상기 출구부(212)의 단면적은 상기 입구부(211)의 단면적보다 더 작을 수 있다.
상기 노즐부(210)의 구비로 상기 유로부(110)로 유입되는 물질의 유입속도는 매니폴드를 따라 흐르는 속도보다 빨라지게 되며, 상기 유로부(110) 중 상기 노즐부(210)의 출구부(212) 측에는 상대적으로 저압이, 상기 노즐부(210)의 출구부(212)에서 가장 멀리 위치한 측에는 상대적으로 고압이 형성되어 상호 상대적인 압력차가 발생하게 됨에 따라 상기 유로부(110) 내에서 자체적으로 물질의 재유입이 이루어지게 되는 것이다.
또한, 상기 유로부(110) 내에서 물질의 순환을 발생시키기 위하여는 상기 노즐부(210)의 출구부(212)에서 토출되는 물질의 유속이 증대되어야 할 필요가 있는바, 상기 노즐부(210)의 입구부(211)로 유입되는 물질의 압력을 증대시키기 위하여 복수개의 매니폴드 중 상기 입구부(211)로 물질을 공급하는 적어도 어느 하나의 매니폴드의 크기를 줄이게 됨에 따라, 상기 유로부(110)의 크기를 증대시켜 에너지 출력 밀도를 증가시키거나 다른 매니폴드들의 크기를 키워 안정적인 물질의 공급 또는 배출을 가능하게 할 수 있는 것이다.
이제 더 상세하게 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 셀의 구성을 살펴보면, 상기 노즐부(210)는 상기 유로부(110)와 상기 유로부(110)로 수소를 공급하는 수소 공급 매니폴드 사이에 마련됨이 바람직하다. 따라서 상기 유로부(110)에는 수소가 유입되어 유로부(110)의 유로를 따라 이동하면서 상기 분리판(100)과 함께 연료전지 셀의 구성을 이루는 전극막 접합체(MEA:Membrane-Electrode-Assembly)에 수소를 공급하게 됨이 바람직하다. 물론, 상기 물질은 수소에 한정되는 것은 아니며, 상기 노즐부(210)가 인접하게 위치하는 매니폴드는 수소 공급 매니폴드에 한정되지 않는다. 예컨데, 상기 분리판(100)에 공기가 유입된다면 상기 매니폴드는 공기 공급 매니폴드가 될 수도 있을 것이다. 본 제1실시예 및 후술 될 제2 내지 제4실시예에서는 상기 노즐부(210)가 상기 수소 공급 매니폴드(120)와 유로부(110) 사이에 위치된 것으로 보고 서술하기로 한다.
상기 유로부(110)는 유로부(110)의 길이방향 양단부에 분리판(100)의 폭방향으로 길게 형성된 한 쌍의 단부 유로(111-1,111-2)를 포함하며, 상기 한 쌍의 단부 유로(111-1,111-2) 사이에서 분리판(100)의 길이방향으로 길게 형성되고 상기 한 쌍의 단부 유로(111-1,111-2)를 상호 통공시키며 분리판(100)의 폭방향을 따라 다수개 마련되는 이동 유로(112)를 더 포함함이 바람직하다.
상기 한 쌍의 단부 유로(111-1,111-2)와 상기 다수개의 이동 유로(112)는 상기 노즐부(210)에서 토출된 수소를 분리판 내부에서 순환될 수 있도록 한다. 즉, 상기 분리판(100)의 일단부 측에 상기 노즐부(210)가 마련되고, 상기 노즐부(210)의 출구부(212)는 상기 한 쌍의 단부 유로(111-1,111-2) 중 분리판(100)의 일단부 측에 마련된 일측 단부 유로(111-1) 상에 위치하여 통공되도록 하여, 상기 출구부(212)에서 토출된 수소가 상기 이동 유로(112)를 따라 상기 한 쌍의 단부 유로(111-1,111-2) 중 분리판(100)의 타단부 측에 마련된 타측 단부 유로(111-2)로 이동하게 한다. 상기 출구부(212)가 위치하는 일측 단부 유로(111-1)에는 이젝터와 유사하게 빠른 수소의 유동으로 인해 저압이 형성되는 반면, 상기 타측 단부 유로(111-2)에는 수소의 유입으로 인해 고압이 형성되어 상기 타측 단부 유로(111-2)로 유입된 수소가 압력의 이동에 의해 상기 다수개의 이동 유로(112)들을 타고 상기 일측 단부 유로(111-1)로 이동하게 되며, 상기 일측 단부 유로(111-1)로 유입된 수소들이 상기 출구부(212)에서 토출되는 수소로 빨려들어가 함께 상기 타측 단부 유로(111-2)로 재이동하게 되어 재순환이 이루어지게 되는 것이다.
종래와 같이 연료전지 스택의 외부로 별도의 수소 재순환을 위한 유로를 설치할 필요 없이 상기 분리판(100)의 유로부(110) 내에서 재순환이 이루어지기 때문에 재순환을 시키기 위한 가압장치를 구비할 필요가 없고, 재순환 시의 유로 이동에 따른 마찰손실도 줄일 수 있으며, 재순환 수소의 셀간 이동에 따른 수소 가스의 특성 변화로 인해 셀간 성능 편차가 발생하는 것도 저지할 수 있다.
이에 더해, 상기 노즐부(210)에 고압의 수소를 공급하기 위하여 상기 수소 공급 매니폴드의 크기를 종래보다 줄일 수 있게 됨에 따라 상기 유로부(110)의 크기를 증대시킬 수 있고 분리판(100)의 반응면적이 증대되어 셀당 에너지 출력 밀도 또한 증대될 수 있는 것이다.
한편, 상기 다수개의 이동 유로(112)는 상기 노즐부(210)의 출구부(212)에 대응되게 위치하여 출구부(212)에서 토출된 물질이 유입되는 메인 이동 유로(112')를 더 포함하고, 상기 메인 이동 유로(112')는 상기 노즐부(210)에서 멀어질수록 점차 폭이 넓어지도록 형성됨이 바람직하다.
즉, 상기 출구부(212)에서 토출된 수소가 직접적으로 상기 메인 이동 유로(112')로 유입되도록 하여 신속하게 상기 타측 단부 유로(111-2)로 수소가 이동되도록 하며, 폭이 점진적으로 넓어지도록 형성하여 단면적이 점진적으로 커짐에 따라 타측 단부 유로(111-2)로 이동하는 수소의 운동에너지가 압력의 포텐셜 에너지로 전환되도록 함으로써 상기 타측 단부 유로(111-2)가 상기 일측 단부 유로(111-1)보다 고압을 유지할 수 있도록 하는 것이다.
상기 메인 이동 유로(112')는 하나로만 이루어지거나 두 개 이상이 인접하게 위치되어 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 상기 노즐부(210)의 형태를 설명하자면, 상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드의 둘레를 따라 분리판(100)에 밀착되게 마련되는 가스켓(200)을 더 포함하고, 상기 가스켓(200)의 유로부(110) 측 단부가 분리되어 상기 노즐부(210)의 출구부(212)를 형성함이 바람직하다.
즉, 상기 노즐부(210)는 상기 가스켓(200)의 분리된 단부에 의해 형성되며, 분리된 단부는 점진적으로 상기 유로부(110) 측을 갈수록 서로의 이격거리를 좁히도록 형성됨에 따라 상기 노즐부(210)의 출구부(212)를 형성하게 되는 것이다. 상기 수소 공급 매니폴드(120)에서 유입된 수소는 상기 가스켓(200)의 단부 형상을 따라 가이드 되어 상기 유로부(110), 상세하게는 상기 일측 단부 유로(111-1)의 일부를 지나 상기 메인 이동 유로(112')로 토출 되는 것이다.
한편, 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 셀의 노즐부를 도시한 도면으로서, 본 발명의 제2 내지 제4실시예는 상기 제1실시예와 비교하여 상기 노즐부(210)의 형상에서 차이를 가진다.
즉, 상기 노즐부(210)는 상기 가스켓(200)에 일물로 형성되되 상기 유로부(110)를 향해 출구부(212)가 돌출되게 형성되는 것이다. 여기서 상기 노즐부(210)는 상기 가스켓(200)과 예컨데 일물로 사출형성되고, 상기 수소 공급 매니폴드(120)와 상기 유로부(110)를 통공시키도록 상기 입구부(211)와 출구부(212)가 마련된 관통홀이 형성됨으로서 이루어짐이 바람직하다. 상기 출구부(212)가 돌출됨에 따라 토출되는 수소의 직진성은 향상되며, 토출되는 수소가 여러 이동 유로(112)로 흩어지는 것이 아니라 상기 메인 이동 유로(112')로 직접 유입될 수 있도록 하여 상기 일측 단부 유로(111-1)와 타측 단부 유로(111-2)의 압력차를 더 크게 발생시킬 수 있게 하는 것이다.
한편, 도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 셀의 노즐부를 도시한 도면으로서, 상기 가스켓(200)에 마이크로 튜브(213)를 삽입하여 상기 노즐부(210)를 형성한 것을 특징으로 한다. 즉, 단순히 마이크로 튜브(213)를 상기 가스켓(200)에 삽입하여 상기 수소 공급 매니폴드(120)와 상기 유로부(110)가 통공되도록 하는 것 만으로 상기 노즐부(210)가 구성됨으로써, 상기 노즐부(210)의 생산 단가를 낮출 수 있고 제작 과정을 단순화 시킬 수 있다. 상기 노즐부(210)는 상기 가스켓(200)에 통공을 형성하고 상기 마이크로 튜브(213)를 삽입하여 형성될 수도 있고, 또는 상기 마이크로 튜브(213)를 일물로 사출 또는 인서트 사출하여 형성될 수도 있다. 삽입방법에는 다양한 실시예가 가능하다. 상기 마이크로 튜브(213)는 절연체가 됨이 바람직하다.
상기 제2실시예와 상기 제3실시예에서, 상기 분리판(100)은 상기 수소 공급 매니폴드(120)와 상기 유로부(110)를 잇는 연결유로(121)를 더 포함하고, 상기 노즐부(210)의 일부는 상기 연결유로(121)에 끼움결합하게 됨이 바람직하다.
상기 연결유로(121)에 의해 상기 노즐부(210)는 안정적으로 지지되며, 고압의 수소 유동으로 인해 가스켓(200)이 분리판(100)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
여기서 상기 노즐부(210)에는 상기 노즐부(210)를 형성 또는 지지하는 상기 가스켓(200)의 일부가 포함됨이 바람직하다.
한편, 도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지 셀의 노즐부를 도시한 도면으로서, 상기 연결유로(121)에 상기 노즐부(210)가 끼움 결합하는 것을 특징으로 한다. 즉, 상기 가스켓(200)과 상기 노즐부(210)가 별물로 형성되어 상기 노즐부(210)가 상기 연결유로(121)에 끼움 결합되는 것이다. 또한 상기 연결유로(121)의 측부에는 끼움홈(122)이 형성되고, 상기 노즐부(210)는 상기 끼움홈(122)에 끼움결합하는 체결돌기(214)를 포함하여 고압의 수소 유동에 의해 상기 노즐부(210)가 이탈하거나 흔들리는 것을 방지할 수 있다. 이에 더해 상기 가스켓(200)이 상기 노즐부(210)의 일부를 덮도록 함으로서, 상기 노즐부(210)가 상기 분리판(100) 및 상기 가스켓(200)에 의해 지지될 수 있도록 함이 바람직하다. 상기 노즐부(210)는 절연체가 됨이 바람직하다.
본 발명의 제1 내지 제4실시예는 상기 노즐부(210)의 형상 및 구성에 따른 차이만이 존재할 뿐 나머지 구성들은 모두 동일하게 됨이 바람직하다. 또한 후술될 구성들 또한 상기 제1 내지 제4실시예에 공통적으로 적용될 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 제1 내지 제4실시예에 따른 연료전지 셀의 매니폴드 배치 구조를 도시한 도면으로서, 상기 복수개의 매니폴드는 상기 수소 공급 매니폴드(120)와 유로부(110)에 존재하는 물질을 외부로 토출시키는 드레인 매니폴드(130)를 포함하고, 상기 수소 공급 매니폴드(120)와 드레인 매니폴드(130)는 상기 분리판의 양단부 중 동일 단부에 마련됨이 바람직하다.
종래에는 상기 수소 공급 매니폴드(120)와 드레인 매니폴드(130)는 서로 다른 단부에 마련되어 분리판(100)의 일단에 형성된 수소 공급 매니폴드에서 수소가 유입되고 분리판(100)의 타단에 형성된 드레인 매니폴드(130)로 수소를 포함한 응축수와 질소 및 공기등의 물질이 일부 외부로 빠져 나가는 구조를 가지고 있었다.
하지만, 도 6은 본 발명의 제1 내지 제4실시예에 따른 유로부의 압력 변화를 도시한 도면으로서, 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 타측 단부 유로(111-2)의 압력이 상기 일측 단부 유로(111-1)보다 더 높은 상황에서 종래의 구조로서는 타측 단부 유로(111-2)의 압력이 감소되어 수소의 재순환 효과를 감소시킬 수 있으며, 더욱이 전극막 접합체에서의 수소와 공기의 반응에 의해 유로부(110) 내에 발생된 응축수와 질소의 배출이 원활하지 않게 될 수 있는 문제점이 있었던 것이다.
따라서, 상기 수소 공급 매니폴드(120)와 드레인 매니폴드(130)는 상기 분리판(100)의 양단부 중 동일 단부, 예컨데 분리판(100)의 일단부에 마련함에 따라 유로부(110) 내의 물질 배출 시 타측 단부 유로(111-2)의 압력 감소를 없애거나 완화시킬 수 있으며, 배출 또한 용이하게 되는 것이다.
한편, 상기 드레인 매니폴드(130)에는 배출되는 수소의 압력을 측정하는 압력센서(미도시)가 구비될 수 있는데, 상기 수소 공급 매니폴드(120)의 압력이 고압이기 때문에, 상대적으로 저압인 상기 드레인 매니폴드(130)의 압력을 측정하여 상기 수소 공급 매니폴드(120) 또는 상기 유로부(110)를 흐르는 수소의 압력을 추정함으로써 공급압 또는 운전압 검출의 정확성을 높이고, 이에 따라 공급 압력을 조절하기 위함이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 셀에 따르면, 별도의 수소 재순환을 위한 장치를 구비하지 않게 되어 추가적인 수소 재순환 장치를 구비함에 따른 비용을 절감할 수 있다.
또한, 매니폴드의 크기를 축소시키게 됨에 따라 유로부의 면적을 증대시킬 수 있으며 연료전지 셀의 에너지 출력 밀도를 증가시킬 수 있다.
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.
100 : 분리판 110 : 유로부
111-1 : 일측 단부 유로 111-2 : 타측 단부 유로
112 : 이동 유로 112' : 메인 이동 유로
120 : 수소 공급 매니폴드 121 : 연결유로
122 : 끼움홈 130 : 드레인 매니폴드
200 : 가스켓 210 : 노즐부
211 : 입구부 212 : 출구부
213 : 마이크로 튜브 214 : 체결돌기

Claims (15)

  1. 양단에 복수의 매니폴드들이 구비되고 양단부 사이에 유로부가 형성된 분리판을 구비한 연료전지 셀에 있어서,
    상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드와 유로부 사이에 마련되며, 상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드로부터 물질이 유입되는 입구부와 유입된 물질이 상기 유로부로 토출되는 출구부를 포함하는 노즐부;를 포함하며,
    상기 유로부는 유로부의 양단부에 분리판의 폭방향으로 형성된 한 쌍의 단부 유로를 포함하며, 상기 한 쌍의 단부 유로 사이에서 분리판의 길이방향으로 형성되고 상기 한 쌍의 단부 유로를 상호 통공시키며 분리판의 폭방향을 따라 다수개 마련되는 이동 유로를 더 포함하고,
    상기 분리판의 일단부 측에 상기 노즐부가 마련되고, 상기 다수개의 이동 유로는 상기 노즐부의 출구부에 대응되게 위치하여 출구부에서 토출된 물질이 유입되는 메인 이동 유로를 더 포함하고, 상기 메인 이동 유로는 상기 노즐부에서 멀어질수록 점차 폭이 넓어지도록 형성된 것을 특징으로 하는,
    연료전지 셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐부는 상기 유로부와 상기 유로부로 수소를 공급하는 수소 공급 매니폴드 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유로부의 일단부 측에 상기 노즐부가 마련되고, 상기 한 쌍의 단부 유로 중 상기 노즐부 측에 형성된 단부 유로는 상기 노즐부의 출구부와 통공하는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드의 둘레를 따라 분리판에 밀착되게 마련되는 가스켓을 더 포함하고, 상기 가스켓의 유로부 측 단부가 분리되어 상기 노즐부의 출구부를 형성하는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드의 둘레를 따라 분리판에 밀착되게 마련되는 가스켓을 더 포함하고, 상기 노즐부는 상기 가스켓에 일물로 형성되되 상기 유로부를 향해 출구부가 돌출되게 형성되는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드의 둘레를 따라 분리판에 밀착되게 마련되는 가스켓을 더 포함하고, 상기 노즐부는 마이크로 튜브를 상기 가스켓에 삽입하여 형성된 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  9. 청구항 7 또는 8에 있어서,
    상기 분리판은 상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드와 상기 유로부를 잇는 연결유로를 더 포함하고, 상기 노즐부의 일부는 상기 연결유로에 끼움결합하는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판은 상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드와 상기 유로부를 잇는 연결유로를 더 포함하고, 상기 연결유로에는 상기 노즐부가 끼움 결합하는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 연결유로의 측부에는 끼움홈이 형성되며, 상기 노즐부는 상기 끼움홈에 끼움결합하는 체결돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 복수의 매니폴드들 중 적어도 어느 하나의 매니폴드의 둘레를 따라 분리판에 밀착되게 마련되는 가스켓을 더 포함하고, 상기 가스켓은 상기 노즐부의 일부를 덮는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 매니폴드는 상기 유로부로 수소를 공급하는 수소 공급 매니폴드와 유로부에 존재하는 물질을 외부로 토출시키는 드레인 매니폴드를 포함하고, 상기 수소 공급 매니폴드와 드레인 매니폴드는 상기 분리판의 양단부 중 동일 단부측에 마련되는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 매니폴드는 상기 유로부로 수소를 공급하는 수소 공급 매니폴드와 유로부에 존재하는 물질을 외부로 토출시키는 드레인 매니폴드를 포함하고, 상기 드레인 매니폴드에는 배출되는 수소의 압력을 측정하는 압력센서가 구비되는 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 출구부의 단면적은 상기 입구부의 단면적보다 더 작은 것을 특징으로 하는
    연료전지 셀.
KR1020140059148A 2014-05-16 2014-05-16 연료전지 셀 KR101628458B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140059148A KR101628458B1 (ko) 2014-05-16 2014-05-16 연료전지 셀
US14/551,019 US9997790B2 (en) 2014-05-16 2014-11-23 Fuel cell
DE102014225028.5A DE102014225028A1 (de) 2014-05-16 2014-12-05 Brennstoffzelle
CN201410745775.1A CN105098205B (zh) 2014-05-16 2014-12-08 燃料电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140059148A KR101628458B1 (ko) 2014-05-16 2014-05-16 연료전지 셀

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150132772A KR20150132772A (ko) 2015-11-26
KR101628458B1 true KR101628458B1 (ko) 2016-06-09

Family

ID=54361756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140059148A KR101628458B1 (ko) 2014-05-16 2014-05-16 연료전지 셀

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9997790B2 (ko)
KR (1) KR101628458B1 (ko)
CN (1) CN105098205B (ko)
DE (1) DE102014225028A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101822284B1 (ko) 2016-05-27 2018-01-26 현대자동차주식회사 냉각수 직분사 타입 연료전지
DE102019206577A1 (de) 2019-05-08 2020-11-12 Volkswagen Ag Flussfeldplatte

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004171887A (ja) * 2002-11-19 2004-06-17 Sanyo Electric Co Ltd ノズルプレート及びそれを備えた固体高分子形燃料電池
JP2006344400A (ja) * 2005-06-07 2006-12-21 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007220371A (ja) * 2006-02-14 2007-08-30 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池
JP2008311099A (ja) * 2007-06-15 2008-12-25 Honda Motor Co Ltd 燃料電池スタックの流路構造および燃料電池スタック用セパレータ

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4292656B2 (ja) 1999-11-12 2009-07-08 いすゞ自動車株式会社 燃料電池組立体
KR100692729B1 (ko) 2001-09-05 2007-03-09 현대자동차주식회사 자동차용 연료전지 스택의 수소 공급 재순환 장치 및방법
KR100539649B1 (ko) * 2002-12-02 2005-12-29 산요덴키가부시키가이샤 연료 전지용 세퍼레이터 및 이를 이용한 연료 전지
JP4036760B2 (ja) * 2003-01-10 2008-01-23 三洋電機株式会社 固体高分子形燃料電池用のセパレータ構造
JP4732296B2 (ja) * 2005-11-16 2011-07-27 シャープ株式会社 燃料電池
EP2026393A1 (en) * 2007-08-13 2009-02-18 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell separator and fuel cell
KR101405737B1 (ko) 2008-03-04 2014-06-12 현대자동차주식회사 이젝터 내장형 연료전지 시스템
US9147895B2 (en) * 2009-12-08 2015-09-29 Audi Ag Fuel cell fuel recycle ejectors disposed in fuel manifold
KR20110092468A (ko) 2010-02-09 2011-08-18 현대모비스 주식회사 연료전지용 수소 재순환 이젝터
JP6063290B2 (ja) * 2013-02-20 2017-01-18 本田技研工業株式会社 燃料電池スタック
KR101558356B1 (ko) * 2013-09-16 2015-10-08 현대자동차 주식회사 이젝터를 구비한 연료전지 시스템

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004171887A (ja) * 2002-11-19 2004-06-17 Sanyo Electric Co Ltd ノズルプレート及びそれを備えた固体高分子形燃料電池
JP2006344400A (ja) * 2005-06-07 2006-12-21 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007220371A (ja) * 2006-02-14 2007-08-30 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池
JP2008311099A (ja) * 2007-06-15 2008-12-25 Honda Motor Co Ltd 燃料電池スタックの流路構造および燃料電池スタック用セパレータ

Also Published As

Publication number Publication date
DE102014225028A1 (de) 2015-11-19
US20150333341A1 (en) 2015-11-19
US9997790B2 (en) 2018-06-12
CN105098205A (zh) 2015-11-25
KR20150132772A (ko) 2015-11-26
CN105098205B (zh) 2019-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101894963B (zh) 在第一阶段具有气体流动再循环的级联堆
US10170779B2 (en) Humidifier for fuel cell
KR102529371B1 (ko) 연료전지용 가습기
US20190013530A1 (en) Heat Exchanger and Fuel Cell System
US11196060B2 (en) Fuel cell stack with integrated process endplates
KR101886492B1 (ko) 연료전지 스택 및 연료전지 스택 제조 방법
CN104246379A (zh) 加湿器
KR101628458B1 (ko) 연료전지 셀
US8101313B2 (en) Flow field plate module for fuel cell system
US10727503B2 (en) Fuel cell separator for preventing flooding and fuel cell stack including the same
TWI384680B (zh) 燃料電池流場板
KR101258323B1 (ko) 상호 맞물리는 유동장을 구비한 연료 전지 구성요소
KR101403173B1 (ko) 연료전지 공용분배기
CN106887618B (zh) 一种用于质子交换膜燃料电池的膜分离结构分水器
JP5358473B2 (ja) 燃料電池構造及びこの構造内で使用するためのセパレータ・プレート
KR20210076414A (ko) 연료전지용 분리판
CN105745777A (zh) 用于在燃料电池歧管中使用的挡板
KR20130020500A (ko) 연료 분배성이 향상된 연료전지 스택
CN103875105A (zh) 中间注入气体的隔板、燃料电池、为燃料电池供料的方法
KR102032650B1 (ko) 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지
KR102487158B1 (ko) 연료전지용 분리판 및 이의 표면 처리 방법
KR101822284B1 (ko) 냉각수 직분사 타입 연료전지
CN116565254A (zh) 一种燃料电池
KR101928609B1 (ko) 연료 전지 가스 입구 매니폴드 배출부
US20110033758A1 (en) Porous flow field plate for moisture distribution control in a fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190528

Year of fee payment: 4