KR102043659B1 - 연료 전지 매니폴드에 사용하기 위한 배플 - Google Patents

연료 전지 매니폴드에 사용하기 위한 배플 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따르면, 연료 전지에 사용하기 위한 조립체는 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 표면을 갖는 매니폴드를 포함하고, 적어도 하나의 표면은 입구로부터 매니폴드 내의 방향을 따른 유체 유동을 용이하게 하도록 구성된다. 배플이 유동 방향에 대체로 평행하게 위치된다. 배플은 제1 부분, 제2 부분 및 제3 부분을 구비한다. 제1 부분은 제2 부분보다 입구에 더욱 근접하다. 제2 부분은 제3 부분보다 입구에 더욱 근접하다. 제1 부분은 유동 방향에 대체로 수직하게 위치되는 제1 폭을 갖는다. 제2 부분은 유동 방향에 대체로 수직하게 위치되는 제2 폭을 갖는다. 제2 폭은 제1 폭보다 작다. 제3 부분은 유동 방향에 대체로 수직하게 위치되는 제3 폭을 갖는다. 제3 폭은 제2 폭보다 크다.

Description

연료 전지 매니폴드에 사용하기 위한 배플{BAFFLE FOR USE IN A FUEL CELL MANIFOLD}
연료 전지는 전기화학 반응에 기초하여 전기를 발생시키는 데 유용하다. 수소 및 산소와 같은 반응물이 예를 들어 매니폴드를 사용하여 연료 전지에 공급된다. 매니폴드 설계와 관련된 문제 중 하나는 어떻게 반응물을 전지 스택(cell stack) 조립체의 다양한 부분에 적절히 분배하는가이다.
예를 들어, 산소의 공급원인 공기는 전형적으로 비교적 높은 속도로 매니폴드 내에 공급된다. 매니폴드 내로 유입되는 공기는 매니폴드 입구 바로 안쪽에서 확대된 영역으로 확장되는 경향이 있다. 공기 스트림(air stream)의 높은 속도는 공기를 전지 스택 조립체의 면(face)을 가로질러 균일하게 확산시키고자 할 때 문제를 일으킨다.
반응물을 전지 스택 조립체 내에 균일하게 분배하는 것은 연료 전지의 작동 수명을 증가시키고 상이한 작동 조건을 처리하는 데 기여한다. 불균일한 분배로 인해 연료 전지 스택 조립체의 일부분에 국소적으로 분배하지 못할 수 있다. 애노드 및 캐소드 구성요소는 원하는 방식으로 수행하는 데 적절한 양의 반응물을 필요로 한다.
매니폴드로부터 적절한 반응물 분배를 달성하고자 하는 이전의 시도는 매니폴드 자체에 상이한 채널들을 추가하는 경향이 있었다. 이들 접근법은 매니폴드 구조에 추가의 복잡성을 도입한다. 몇몇 경우에, 이러한 추가의 매니폴드 복잡성은 원하는 반응물 분배를 가져오지 않아, 이러한 추가의 복잡성으로부터 이득이 거의 얻어지지 않는다.
일 실시예에 따르면, 연료 전지에 사용하기 위한 조립체는 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 표면을 갖는 매니폴드를 포함하고, 적어도 하나의 표면은 입구로부터 매니폴드 내의 방향을 따른 유체 유동을 용이하게 하도록 구성된다. 배플이 유동 방향에 대체로 평행하게 위치된다. 배플은 제1 부분, 제2 부분 및 제3 부분을 구비한다. 제1 부분은 제2 부분보다 입구에 더욱 근접하다. 제2 부분은 제3 부분보다 입구에 더욱 근접하다. 제1 부분은 유동 방향에 대체로 수직하게 위치되는 제1 폭을 갖는다. 제2 부분은 유동 방향에 대체로 수직하게 위치되는 제2 폭을 갖는다. 제2 폭은 제1 폭보다 작다. 제3 부분은 유동 방향에 대체로 수직하게 위치되는 제3 폭을 갖는다. 제3 폭은 제2 폭보다 크다.
적어도 하나의 개시된 실시예의 다양한 특징과 이점이 하기의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명백해질 것이다. 이러한 상세한 설명에 수반되는 도면이 다음과 같이 간단하게 설명될 수 있다.
도 1은 예시적인 연료 전지 조립체를 개략적으로 예시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 예시적인 매니폴드 및 배플 구성의 사시도이다.
도 3은 도 2의 예의 정면도이다.
도 4는 도 3의 선 4-4를 따라 취해진 단면도이다.
도 5는 예시적인 배플 구성과 관련 유체 공급 영역을 개략적으로 예시한다.
도 6은 도 4의 선 6-6을 따라 취해진 부분 단면도이다.
도 1은 예시적인 연료 전지 시스템(20)의 선택된 부분을 개략적으로 도시한다. 전지 스택 조립체(cell stack assembly)(CSA)(22)가 알려진 방식으로 구성되는 복수의 개별 연료 전지 유닛을 포함한다. 각각의 연료 전지 유닛은 전기를 발생시키기 위해 알려진 방식으로 전기화학 반응을 용이하게 하는 캐소드와 애노드를 포함한다. 매니폴드(24)가 수소 또는 산소와 같은 반응물을 CSA(22) 내의 연료 전지 유닛에 제공하기 위해 위치된다. 논의의 목적을 위해, 매니폴드(24)는 산소를 CSA(22)에 공급하기 위해 사용되는 것으로 간주될 것이다. 논의 목적을 위해, 공기가 CSA(22)에 대한 산소의 공급원으로서 매니폴드(24) 내로 유입된다.
도 2는 매니폴드(24)의 내부가 보이도록 CSA(22)로부터 분리된 매니폴드(24)를 예시한다. 입구(26)가 공기를 매니폴드(24) 내로 지향시키기 위한 적절히 배열된 도관에 연결되도록 구성된다. 매니폴드(24) 내의 표면(28)이 유동 경로를 확립하고, 공기가 매니폴드(24) 내로 유입될 때 공기가 이 유동 경로를 따라 유동한다. 도 2에서, 입구(26)로부터 표면(28)을 따른 공기 유동 방향이 화살표(30)에 의해 개략적으로 도시된다.
배플(32)이 매니폴드(24)로부터의 공기 유동을 CSA(22)를 향해 분배하기 위해 매니폴드(24) 내에 위치된다. 배플(32)은 CSA(22)의 개별 연료 전지 유닛으로의 공기 유동의 원하는 분배를 달성하도록 구성된다.
배플(32)은 비교적 입구(26) 근처에 위치되는 제1 부분(34)을 포함한다. 제2 부분(36)이 입구(26)로부터 제1 부분(34)의 반대 측면에 있다. 제3 부분(38)이 제2 부분(36)보다 입구(26)로부터 더욱 멀리 떨어져 있다.
도 3에 예시된 바와 같이, 제1 부분(34)은 제1 길이 L1과 제1 폭 W1을 갖는다. 제2 부분(36)은 제2 길이 L2와 제2 폭 W2를 갖는다. 이 예에서, 제1 길이 L1은 제2 길이 L2보다 작다. 제1 폭 W1은 제2 폭 W2보다 크다. 제3 부분(38)은 제3 길이 L3과 제1 폭 W1과 동일한 폭을 갖는다. 이 예에서, 제3 길이 L3은 제1 길이 L1과 동일하다.
제1 부분(34), 제2 부분(36) 및 제3 부분(38)의 상이한 치수는 유체 유동을 매니폴드(24)로부터 CSA(22)의 구성요소에 더욱 균일하게 분배하는 것을 용이하게 한다.
예시적인 배플은 제1 부분(34)과 입구(26) 사이에 위치되는 제4 부분(40)을 포함한다. 제4 부분(40)은 이 예에서 제2 부분(36)의 제2 폭 W2와 동일한 폭을 갖는다. 제4 부분(40)은 제1 길이 L1보다 작은 길이 L4를 갖는다. 제5 부분(42)이 배플(32)의 반대편 단부 근처에 위치된다. 제5 부분(42)은 이 예에서 제4 길이 L4와 동일한 제5 길이 L5를 갖는다. 제5 부분(42)은 제2 부분(36)의 제2 폭과 동일한 폭 W2를 갖는다.
배플(32)의 다양한 부분은 매니폴드(24) 내로 유동하는 공기가 그것이 CSA(22)를 향해 이동할 때 통과할 수 있는 상이한 유동 분배 영역들을 확립한다.
장착 부재(48)가 배플(32)을 매니폴드(24) 내의 원하는 위치에 고정시키는 것을 용이하게 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 예시적인 배플(32)은 배플(32)과 매니폴드(24) 내의 표면(28) 사이에 위치되는 편향기(deflector)(50)를 포함한다. 편향기(50)는 매니폴드(24) 내에서 유동하는 공기의 유동 경로 내에 표면을 확립한다. 편향기(50)의 표면은 매니폴드(24) 내의 공기 유동을 CSA(22)를 향해 원하는 유체 분배를 용이하게 하는 방식으로 편향시키거나 방향전환시키기 위해 위치된다. 예시된 예에서, 편향기(50)는 도 4에 도시된 관점으로부터 대체로 L자형 단면 또는 프로파일을 갖는다. 편향기(50)는 이 예에서 대체로 평탄한 시트를 포함하는, 배플(32)의 일면에 연결된다. 다른 예에서, 편향기(50)는 배플(32)의 일부로서 몰딩되거나 달리 형성된다.
도 5는 편향기(50)를 포함하는 배플(32)에 의해 제공되는 매니폴드 내의 결과적인 유체 유동을 개략적으로 도시한다. 표면(28)을 따른 유동 방향이 화살표(30)에 의해 개략적으로 도시된다. 입구(26) 내로 유입되는 일부 공기 유동은 배플(32)의 제1 부분(34) 상에 위치되는 편향기(50)와 만날 것이다. 화살표(30A)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이, 일부 공기 유동이 편향기(50)로부터 편향되어 유동 방향(30)과 상이한 방향으로 방향전환된다. 이 예에서, 30A로 개략적으로 도시된 공기 유동은 배플(32)의 제4 부분(40)을 향해 이동하는 경향이 있다. 30B로 개략적으로 도시된 공기 유동 중 많은 부분이 배플(32)의 제2 부분(36)에 대응하는 매니폴드의 영역 내로 이동하는 경향이 있다. 30C로 도시된 다른 공기 유동이 배플(32)의 제3 부분(38)과 관련되는 다른 편향기(50)와 만난다. 30C로 개략적으로 도시된 공기 유동 중 적어도 일부가 다시 제2 부분(36)을 향해 이동하는 경향이 있다.
추가의 공기 유동이 배플(32)의 제5 부분(42)을 향해 이동하는 30D로 개략적으로 도시된다.
배플(32)의 상이한 부분들은 공기를 CSA(22)에 분배하는 데 유용한 상이한 유체 유동 영역들을 확립한다. 이 예에서, 제2 부분(36)은 제2 부분(36)의 대향 측면들에 유체 유동 영역(52)을 확립한다. 유체 유동 영역(52)은 이러한 예시에서 대체로 직사각형 영역을 확립하는 배플의 에지와 파선에 의해 개략적으로 묘사된다. 30B의 공기 유동은 30C의 공기 유동 중 일부와 함께 유체 유동 영역(52)을 통해 CSA(22)를 향해 이동하는 경향이 있다.
다른 유체 분배 영역이 배플(32)의 제4 부분(40)에 의해 54로 확립된다. 이러한 예시로부터 인식될 수 있는 바와 같이, 유체 유동 영역(54)은 유체 유동 영역(52)보다 작으며, 이는 각각 배플(32)의 제4 부분(40)과 제2 부분(36)의 상이한 치수의 결과이다. 다른 유체 분배 영역(56)이 배플(32)의 제5 부분(42)에 의해 확립된다.
제1 부분(34)과 제2 부분(38)은 유체가 매니폴드 표면(28)으로부터 멀어져 CSA(22)를 향해 이동하는 것을 방지하는 유체 공급 영역을 확립한다. 배플(32)의 다른 부분과 비교하여 제1 부분(34)과 제3 부분(38)의 더욱 큰 폭 W1은 매니폴드(24)의 대응하는 부분으로부터 CSA(22)를 향하는 공기 유동을 효과적으로 차단한다.
도 6은 배플(32)과 매니폴드(24) 내의 표면(28) 사이의 계면이 제1 부분(34)과 제3 부분(38)에 대응하는 유체 공급 영역에서 CSA(22)를 향하는 유체 유동을 방지하는 시일(seal)을 포함하는 배열을 개략적으로 도시한다. 이 예에서, 제1 부분(34)은 표면(28)에 인접하게 수용되는 대향 에지들(60, 62)을 포함한다. 이러한 특정 예에서, 시일 부재(64)가 계면에 제공되어, 그러한 계면을 밀봉하고 그러한 계면을 따라 CSA(22)를 향하는 유체 유동을 방지한다. 시일 부재(64)는 배플(32)에 사용되는 재료와 상이한 재료로 그리고 별개의 피스(piece)로 형성될 수 있다. 다른 예에서, 시일 부재(64)는 배플(32)의 제1 부분(34)과 제3 부분(38)의 일부로서 형성된다. 또 다른 예에서, 시일 부재는 제공되지 않고, 에지(60, 62)를 따른 표면이 CSA(22)를 향하는 유체 유동에 대항하여 그러한 계면을 밀폐하기 위해 매니폴드 내의 표면(28)에 직접 맞대어져 수용된다.
배플(32)의 상이하게 치수설정된 부분들은 유체 유동을 매니폴드(24)로부터 CSA(22)를 향해 원하는 방식으로 분배하는 것을 용이하게 한다. 매니폴드, 관련 CSA 및 유체 공급 배열의 특정 구성이 주어지면, 본 설명으로부터 이익을 얻는 통상의 기술자는 어떻게 배플(32)의 상이한 부분들의 상이한 치수들을 조절하거나 조정하여 원하는 유체 분배를 실현하여 그들의 특정 요구를 충족시키는지를 인식할 것이다. 일례에서, 배플 구성은 유체 분배 영역(52, 54, 56) 간에 균일한 유동을 제공한다. 일 실시예에 따르면, 그러한 유동은 그러한 유동이 상이한 영역들 사이의 대략 5 퍼센트 차이의 범위 내에 있으면 상이한 유체 분배 부분들 사이에서 균일한 것으로 간주된다.
전술한 설명은 사실상 제한적이기보다는 예시적이다. 개시된 예에 의해 제공되는 관련 기술분야에 대한 기여의 본질로부터 반드시 벗어나지는 않는 개시된 예에 대한 변화와 수정이 통상의 기술자에게 명백해질 수 있다. 본 발명에 제공되는 법적 보호의 범위는 단지 하기의 청구범위를 검토함으로써 결정될 수 있다.

Claims (20)

  1. 연료 전지에 사용하기 위한 조립체이며,
    적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 표면을 포함하는 매니폴드로서, 적어도 하나의 표면은 입구로부터 매니폴드 내의 방향을 따른 유체 유동을 용이하게 하도록 구성되는, 매니폴드; 및
    상기 방향에 평행하게 위치되고, 제1 부분, 제2 부분, 및 제3 부분을 구비하는 배플을 포함하고,
    제1 부분은 제2 부분보다 입구에 더욱 근접하고,
    제2 부분은 제3 부분보다 입구에 더욱 근접하고,
    제1 부분은 상기 방향에 수직하게 위치되는 제1 폭을 갖고,
    제2 부분은 상기 방향에 수직하게 위치되는 제2 폭을 갖고,
    제2 폭은 제1 폭보다 작고,
    제3 부분은 상기 방향에 수직하게 위치되는 제3 폭을 갖고,
    제3 폭은 제2 폭보다 큰 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    배플 제1 부분은 제1 폭에 수직한 제1 길이를 갖고,
    배플 제2 부분은 제2 폭에 수직한 제2 길이를 갖고,
    배플 제3 부분은 제3 폭에 수직한 제3 길이를 갖고,
    제1 길이는 제2 길이보다 작고,
    제2 길이는 제3 길이보다 큰 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    제1 길이는 제3 길이와 동일하고, 제1 폭은 제3 폭과 동일한 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 및 제3 부분은 제1 및 제3 부분의 대향 에지들 근처에서 매니폴드 표면에 대해 위치되어, 매니폴드 표면과 에지 사이의 계면이 계면을 통한 유체 유동을 차단하도록 하는 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    배플은 평탄한 시트를 포함하는 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    배플은 평탄한 시트와 매니폴드 표면 사이에 위치되는 적어도 하나의 편향기를 포함하고, 적어도 하나의 편향기는 상기 방향을 따라 이동하는 적어도 일부 유체 유동을 다른 방향으로 방향전환시키도록 위치되는 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    적어도 하나의 편향기는 적어도 일부 유체를 상기 방향에 수직한 방향으로 이동하도록 방향전환시키는 조립체.
  8. 제6항에 있어서,
    적어도 하나의 편향기는 배플 제1 부분의 일면 상에 위치되는 제1 편향기 부재 및 배플 제3 부분의 일면 상에 위치되는 제2 편향기 부재를 포함하는 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    배플은 제1 부분과 매니폴드 입구 사이의 제4 부분을 포함하고, 제4 부분은 제1 폭보다 작은 제4 폭 및 제1 길이보다 작은 제4 길이를 갖는 조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    배플은 제2 부분으로부터 제3 부분의 반대 측면에 있는 제5 부분을 포함하고, 제5 부분은 제3 폭보다 작은 제5 폭 및 제3 길이보다 작은 제5 길이를 갖는 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    매니폴드는 상기 방향에 평행하게 위치되는 길이를 갖고,
    배플은 매니폴드의 길이에 대응하는 전체 길이를 갖는 조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    매니폴드는 상기 방향에 수직하게 위치되는 그리고 제1 폭, 제2 폭 및 제3 폭 각각보다 큰 폭을 갖는 조립체.
  13. 제1항에 있어서,
    복수의 전지 스택 조립체 구성요소를 포함하고,
    배플은 매니폴드 표면과 전지 스택 조립체 구성요소 사이에 위치되고,
    제1 부분은 제1 유체 공급 영역을, 제1 유체 공급 영역 내의 유체가 매니폴드 표면으로부터 멀어져 전지 스택 조립체 구성요소를 향해 이동하는 것을 방지하도록 확립하고,
    제2 부분은 매니폴드 표면으로부터 전지 스택 조립체 구성요소 중 적어도 일부를 향하는 유체 유동 경로를 포함하는 제2 유체 공급 영역을 확립하고,
    제3 부분은 제3 유체 공급 영역을, 제3 유체 공급 영역 내의 유체가 매니폴드 표면으로부터 멀어져 전지 스택 조립체 구성요소를 향해 이동하는 것을 방지하도록 확립하는 조립체.
  14. 제13항에 있어서,
    배플은 제1 부분과 입구 사이의 제4 부분을 포함하고,
    배플은 제2 부분으로부터 반대편인 제3 부분의 측면에 있는 제5 부분을 포함하고,
    제4 부분은 매니폴드 표면으로부터 전지 스택 구성요소 중 적어도 일부를 향하는 유체 유동 경로를 포함하는 제4 유체 공급 영역을 확립하고,
    제5 부분은 매니폴드 표면으로부터 전지 스택 구성요소 중 적어도 일부를 향하는 유체 유동 경로를 포함하는 제5 유체 공급 영역을 확립하는 조립체.
  15. 제14항에 있어서,
    제2 유체 공급 영역의 유동 용량(flow capacity)이 제4 유체 공급 영역의 유동 용량 및 제5 유체 공급 영역의 유동 용량보다 큰 조립체.
  16. 제13항에 있어서,
    제1 부분은 상기 방향과 평행하게 정렬되는 2개의 에지를 포함하고,
    제1 부분의 에지는 에지와 매니폴드 표면 사이의 유체 유동을 방지하는 방식으로 매니폴드의 표면에 인접하게 수용되고,
    제3 부분은 상기 방향과 평행하게 정렬되는 2개의 에지를 포함하고,
    제3 부분의 에지는 에지와 매니폴드 표면 사이의 유체 유동을 방지하는 방식으로 매니폴드의 표면에 인접하게 수용되는 조립체.
  17. 제16항에 있어서,
    제1 및 제3 부분의 에지들 각각과 매니폴드 표면 사이의 계면이 시일을 포함하는 조립체.
  18. 제17항에 있어서,
    시일은 에지와 매니폴드 표면 사이의 직접 접촉에 의해 확립되는 조립체.
  19. 제17항에 있어서,
    계면에서 시일 부재를 포함하는 조립체.
  20. 제13항에 있어서,
    매니폴드 표면은 V자형 프로파일을 갖는 조립체.
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