KR20030055605A - 균일한 연료 및 산화제를 공급해 주는 연료 전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 및 산화제를 균일하게 공급할 수 있는 연료 전지 스택에 관한 것으로, 많은 단위전지가 적층된 구조로 이루어진 연료 전지 스택에 공급되는 연료와 공기가 각 단위전지에 균일하게 공급될 수 있도록 구성함으로써, 각 단위전지에서 화학 반응이 안정적으로 일어날 수 있도록 하여 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 균일한 연료 및 산화제를 공급해 주는 연료 전지 스택을 제공하는데 있다.

이를 실현하기 위한 본 발명은 여러개의 단위전지가 적층되어 있으면서 상하단에는 엔드 플레이트에 의해 체결고정되고, 상부 엔드 플레이트에는 각 단위전지에 연료와 공기를 공급하고 반응후 이들을 다시 배출시켜 줄 수 있도록 공급 메니폴드 헤더와 배기 매니폴드 헤더가 형성된 연료 전지 스택에 있어서, 상기 공급 메니폴드에는 직진 방향의 유체에 회전 성분을 더해 주는 회전 방향 생성기가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 회전 방향 생성기는 실린더 형상의 몸체 내부에 유체의 직진 성분에 대해 회전 성분을 줄 수 있도록 사선 형태로 날개가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

균일한 연료 및 산화제를 공급해 주는 연료 전지 스택{Fuel cell stack which supplies uniformly fuel and oxidant for each cell}

본 발명은 균일한 연료 및 산화제를 공급해 주는 연료 전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료와 공기를 주입시켜 주는 공급 메니폴드 헤더의 주입구 부분에 회전 방향 생성기를 구성하여 이 연료와 공기가 연료 전지 스택을 구성하는 각 단위전지에 균일하게 공급될 수 있도록 한 균일한 연료 및 산화제를 공급해 주는 연료 전지 스택에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지 스택은 수소 등을 연료로 하여 공기에 혼합된 산소와 산화반응을 일으키게 해서 필요한 전압을 얻고 있다.

첨부도면 도 3은 이러한 연료 전지 스택을 보여주고 있다. 상기 연료 전지 스택(10)은 약 0.6 ∼ 1.0 V 정도의 전압을 발생시켜 주는 여러개의 단위전지(11)를 여러개 적층시켜 사용하게 된다. 예를 들어, 자동차용 동력원으로 사용되는 스택의 경우 약 100V ∼ 400V를 사용하게 되는데, 이때 상기 단위전지(11)는 약 100 내지 200장 정도를 적층시켜 스택을 제조하게 된다.

이러한 단위전지(11)는 전극막 일체(MEA: membrane electrde assembly)를 중심으로 해서 좌우에 각가 양극과 음극이 위치하고 있는 구조로 이루어져 있으며, 또한 이 단위전지(11)에는 연료(일반적으로 수소)와 공기를 분리하여 MEA에 공급할 수 있도록 분리판이 더 구비되어 있다.

이와 같이 이루어진 단위전지(11)는 첨부도면 도 3에서 도시한 바와 같이,필요한 전압의 세기에 맞게 여러개를 적층시키고, 그 양단에 각각 엔드 플레이트(12)를 두고서 체결바로 체결고정하게 된다.

또한, 상기 연료 전지 스택(10)에는 분리판을 통해 연료와 공기를 공급하기 위한 공급 메니폴드 헤더(13)와 배기 메니폴드 헤더(14)가 형성되어 있으며, 상기 연료와 공기는 공급 메니폴드 헤더(13)를 통해 공급되어 단위전지(11)를 통해(첨부도면 도 3에서는 수평방향으로) 이동하면서 화학 반응을 일으켜 전원을 발생시키게 되고, 나머지 반응하지 않은 연료와 공기는 다시 배기 메니폴드 헤더(14)를 통해 연료 전지 스택(10) 외부로 배출되게 된다.

여기서, 상기 공급 메니폴드 헤더(13)와 배기 매니폴드 헤더(14)는 하나씩 구성된 것으로 도시되어 있으나, 실제로는 연료와 공기를 별도로 공급할 수 있는 구조로 이루어져 있다.

그러나, 종래의 연료 전지 스택은 안정적인 출력 성능을 얻기 위해 연료로 사용되는 수소와 공기중에 함유된 공기의 량을 화학 양론적인 요구량보다 더 많은 량(수소 또는 연료 변환 가스의 경우 30 ∼ 50% 그리고 공기의 경우 50 ∼ 100% 정도)을 과잉으로 공급하고 있다. 물론, 순수 수소의 경우 효율을 증가시키기 위해 배기 수소를 재순환시켜 사용하며, 연료 변환 가스의 경우 배기 가스를 연료 변환기로 유입시켜 연료 변환기의 열원으로 사용하고 있다.

또한, 종래의 연료 전지 스택은 단위전지가 직렬로 연결된 구조이기 때문에 여러개의 단위전지에 수소와 (공기에 함유된) 산소를 골고루 공급해 주어야 하는데, 이러한 공급이 골고루 이루어지지 않게 되면 극성 역적 현상이 발생하게 되어스택의 성능을 열화시켜 수명을 단축시키게 되는 문제가 발생하게 되었다. 즉, 공급 메니폴드 헤더의 입구측에 위치하는 수소의 단위전지는 연료 또는 공기의 공급 선속도가 상대적으로 빠르기 때문에 입구측의 단위전지의 반대쪽, 첨부도면 도 1에서 하부의 단위 전지들에 비해 연료 또는 공기의 원활한 공급이 어려워지게 된다. 이는 스택을 구성하는 단위 전자의 수가 많을 수록, 즉 출력 용량이 커질수록 더 심각해지게 되며, 순수 수소의 경우보다 공급 유량이 상대적으로 많은 연료 변환 가스 또는 공기의 경우 이러한 공급 편차가 심하게 일어나게 되어 충분한 공기와 연료가 공급되지 않아 전체적으로 연료 전지 스택의 성능을 떨어뜨리게 되었다(첨부도면 도 4 참조).

또한, 종래의 수십∼수백개의 단위전지로 구성되는 연료 전지 스택의 경우 스택에서 필요로 하는 출력에 대한 공기 및 연료의 양은 단위전지에서 필요로 하는 공기 및 연료양에 구성하는 단위전지의 수를 곱하는 양만큼 연료 및 공기를 공급해야 원활한 출력을 얻을 수 있다. 따라서, 스택을 구성하는 단위전지의 수가 증가할수록 연료와 요구되는 공급량이 증가하게 되어 메니폴드 헤더의 유속의 차이가 존재하게 된다. 이 때문에 공급 매니폴드 헤드의 입구측 부근에서는 유속이 빨라 충분한 공기와 연료를 공급받지 못하게 되는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해서는 유속을 감소시키기 위해 공급 메니폴드 헤더의 크기를 상당히 크게 제작해야 하는데, 이 경우 연료 전지 스텍의 한정된 부피에서 상대적으로 메니폴드 헤더가 많은 부피를 차지하게 되어 스택의 부피당 출력 성능을 저하시키게 되는 문제가 발생하게 된다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 많은 단위전지가 적층된 구조로 이루어진 연료 전지 스택에 공급되는 연료와 공기가 각 단위전지에 균일하게 공급될 수 있도록 구성함으로써, 각 단위전지에서 화학 반응이 안정적으로 일어날 수 있도록 하여 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 균일한 연료 및 산화제를 공급해 주는 연료 전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 연료 전지 스택을 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명에 따르는 회전 방향 생성기를 나타내는 사시도,

도 3은 종래의 연료 전지 스택의 구성을 나타내는 구성도,

도 4는 종래 연료 전지 스택의 메니폴드의 입구측으로부터 거리에 따른 압력 변화를 나타내는 그래프.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10 : 연료 전지 스택 11 : 단위전지

12 : 엔드 플레이트 13 : 공급 메니폴드 헤더

14 : 배기 메니폴드 헤더 20 : 회전 방향 생성기

21 : 몸체 22 : 날개

이를 실현하기 위한 본 발명은 여러개의 단위전지가 적층되어 있으면서 상하단에는 엔드 플레이트에 의해 체결고정되고, 상부 엔드 플레이트에는 각 단위전지에 연료와 공기를 공급하고 반응후 이들을 다시 배출시켜 줄 수 있도록 공급 메니폴드 헤더와 배기 매니폴드 헤더가 형성된 연료 전지 스택에 있어서, 상기 공급 메니폴드에는 직진 방향의 유체에 회전 성분을 더해 주는 회전 방향 생성기가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 회전 방향 생성기는 실린더 형상의 몸체 내부에 유체의 직진 성분에 대해 회전 성분을 줄 수 있도록 사선 형태로 날개가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 1은 본 발명에 따르는 연료 전지 스택을 나타내는 구성도이다.여기서, 도면부호 10은 연료 전지 스택을 나타낸다.

본 발명은 상기 연료 전지 스택(10)에 구성되어 각가의 구성 단위전지에 연료로 사용되는 연료와 공기를 균일하게 공급해 주기 위한 공급 메니폴드 헤더(13)의 입구측에 각각 회전 방향 생성기(20)를 구성하여, 상기 공급 메니폴드 헤더(13)를 통해 유입되는 연료와 공기에 회전력을 제공하여 공급 메니폴드에 공급되게 함으로써 연료 전지 스택(10)을 구성하는 모든 단위전지에 연료와 공기가 균일하게 공급되도록 한 것이다.

이를 좀 더 상세하게 설명하면, 상기 연료 전지 스택(10)은 연료와 공기를 공급받아 이들에 의해 일어나는 화학 반응으로부터 전원을 얻을 수 있도록 다수개의 단위전지(11)로 구성되어 있다. 특히, 상기 연료 전지 스택(10)에는 첨부도면 도 1에서 도시한 바와 같이 적층된 단위전지(11)의 상부와 하부에 엔드 플레이트(12)를 구비하여 이들 단위전지(11)에 일정한 가압력을 제공하도록 구성되어 있다. 또한 상기 상부 엔드 플레이트(12)에는 연료와 공기를 연료 전지 스택(10)를 구성하는 각 단위전지에 공급 메니폴드 헤더(13)가 형성되고, 이 공급 메니폴드 헤더(13)를 통해 각 단위전지로 공급된 공기 및 연료가 단위전지(11)를 통과한 후 반응이 이루어지지 않은 연료와 공기를 연료 전지 스택(10) 외부로 배출시켜 줄 수 있도록 배기 메니폴드 헤더(14)가 구성되어 있다.

본 발명은 상기 공급 메니폴드 헤더(13)의 입구부에 회전 방행 생성기(20)를 장착하여 이 공급 메니폴드 헤더(13)로 공급되는 연료와 공기가 각각 직전성과 함께 회전력을 가지게 함으로써, 연료와 공기가 연료 전지 스택(10)을 구성하는 모든단위전지, 특히 공급 메니폴드 헤더(13)측에 존재하는 소수의 단위전지에 균일하게 공급하게 되어 단위전지(11)가 안정적으로 성능을 가지도록 한 것이다.

여기서, 상기 회전 방향 생성기(20)는 얇은 실린더 형상으로 이루어진 몸체(21)와, 이 몸체(21) 내부에 적어도 2개 이상 형성된 날개(22)로 구성되어 있다. (첨부도면 도 2에서는 4개의 날개가 형성된 예를 보여주고 있다). 특히, 상기 각 날개(22)는 연료 전지 스택(10)에 수직으로 유입되는 연료나 산소에 대해서 회전력을 줄 수 있도록 사선 형태로 형성되어 있다.

이에 따라 상기 공급 메니폴드 헤더(13)의 입구측(첨부도면 도 1에서 연료 전지 스택(10)의 상부측)에서 공기 및 연료의 흐름 유속이 빠르더라도 이를 회전력에 의해 공기와 연료를 메니폴드 헤더(13)측에 위치하는 소수의 단위전지에 원활하게 공급할 수 있게 된다.

이상에서 본 바와 같이 본 발명은 연료와 공기를 연료 전지 스택에 공급해 주는 공급 메니폴드 헤더의 입구측에 회전 방향 생성기를 구비하고, 이 공급 메니폴드 헤더로 유입되는 공기와 연료가 직진 성분 뿐만 아니라 회전 성분을 가지고 유입되도록 구성함으로써 다음과 같은 효과를 얻게 된다.

1) 공급 메니폴드 헤더의 입구측에 있는 소수의 단위전지에도 균일하게 공기와 연료를 공급할 수 있게 되어 스택을 구성하는 모든 단위전지가 동일한 성능을 가지도록 하여 스택의 안정적인 성능을 확보하고 또한 내구성을 확보하게 된다.

2) 공급 메니폴드 헤더의 입구측을 유속을 감소시키기 위해 크게 형성하지 않아도 되고 이 공급 메니폴드 헤더의 크기를 최소화할 수 있게 되어 단위 부피당 출력을 향상시킬 수 있게 된다.

3) 연료 전지 스택으로부터 발생되는 전압을 각 단위전지로부터 균일하게 확보할 수 있게 되어 연료 전지 스택의 내구성을 높일 수 있게 된다.

4) 회전 방향 생성기의 도입으로 연료 전지 스택 내의 분리판을 모듈화하여 연료 전지 스택을 대용량으로 제작하는 것이 가능하게 된다.

Claims (2)

1. 여러개의 단위전지가 적층되어 있으면서 상하단에는 엔드 플레이트에 의해 체결 고정되고, 상부 엔드 플레이트에는 각 단위전지에 연료와 공기를 공급하고 반응후 이들을 다시 배출시켜 줄 수 있도록 공급 메니폴드 헤더와 배기 매니폴드 헤더가 형성된 연료 전지 스택에 있어서,

   상기 공급 메니폴드에는 직진 방향의 유체를 회전 성분으로 바꿔주는 회전 방향 생성기가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 균일한 연료 및 산화제를 공급해 주는 연료 전지 스택.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 회전 방향 생성기는 실린더 형상의 몸체 내부에 유체의 직진 성분에 대해 회전 성분을 줄 수 있도록 사선 형태로 날개가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 균일한 연료 및 산화제를 공급해 주는 연료 전지 스택.