KR20060083672A - 연료전지 스택의 연료 및 공기 공급구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 연료 및 공기 공급구조에 관한 것으로, 다수의 셀(10)과 이들 사이의 분리판(50)이 적층되어 이루어진 연료전지 스택에 있어서, 상기 연료전지 스택의 중앙으로부터 양측 단부로 갈수록 각 분리판(50)들의 유로(51) 입구부(I) 단면적이 증가되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 스택의 양측 단부에 위치한 셀(10)에도 충분한 연료, 공기, 냉각수가 공급되어 스택 전체의 발전 성능과 냉각성능이 향상되는 효과가 있다.

Description

연료전지 스택의 연료 및 공기 공급구조{a fuel and air supply structure of fuel cell stack}

도 1은 연료전지 스택의 개략 구성도,

도 2는 스택을 구성하는 셀의 구성도,

도 3은 분리판의 정면도,

도 4는 분리판의 단면도,

도 5는 종래 연료전지 스택의 공급통로부 평면도,

도 6은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 공급통로부 평면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 셀, 11 : 전해질막,

12 : 연료극, 13 : 공기극,

20 : 엔드플레이트, 30 : 볼트,

40 : 너트, 50 : 분리판,

51 : 유로, 52 : 공급통로,

53 : 배출통로, I : 입구부.

본 발명은 연료전지 스택의 연료 및 공기 공급구조에 관한 것으로, 특히 스택내 분리판들에 형성된 유로의 입구 면적 관계에 관한 기술에 대한 것이다.

최근 에너지 효율이 우수하고 환경 오염물질을 배출하지 않는 연료전지가 차세대 발전장치로서 각광받고 있다.

연료전지(fuel cell)는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 셀(10)이 적층되어 이루어지는데, 이를 스택(stack)이라 칭한다.

상기 셀(10)들의 사이에는 분리판(50 ; 도 2 참조)이 구비되며, 스택의 양단에는 엔드플레이트(20)가 구비되어, 통상 이에 볼트(30)를 관통시키고 그 단부에 너트(40)를 조여줌으로써 스택의 결합상태를 유지하게 된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 셀(10)은 중앙의 전해질막(11) 양측에 연료극(12)과 공기극(13)이 코팅되어 이루어진다. 그리고, 셀(10)의 양측면에 밀착되는 상기 분리판(50)의 대응면에는 유로(51)가 형성되는데, 연료극(12)측 유로(51)에는 연료가 공급되어 연료통로 역할을 하게 되고, 공기극(13)측 유로(51)에는 공기가 공급되어 공기통로 역할을 하게 된다.

따라서, 연료통로에 연료(H₂)가스가 공급되고 공기통로에 공기(O₂ 포함)가 공급되면 연료극(12)의 수소가 수소이온(H⁺)과 전자(e^-)로 분해되어 수소이온은 전해질막(11)을 통과하여 공기극(13)으로 전달되고 전자는 외부회로를 통해서 공기극 (13)으로 이동한다.

따라서, 상기 전자의 흐름에 의해 전류가 생성되고, 공기극(13)으로 이동한 수소이온은 산소와 만나서 물을 생성하면서 열을 발생시키도록 되어 있다.

미설명 부호 60은 연료 및 공기 누출을 방지하는 패킹이다.

도 3은 상기 분리판(50)의 일 예를 보인 것이다.

도시된 바와 같이 분리판(50)에는 소정 형상의 유로(51;도시된 예는 "ㄹ"자 형 또는 지그재그형으로 불리우는 타입의 유로가 형성되어 있다.)가 형성되어 있으며, 이 유로(51)는 분리판(50)의 테두리 부분(연료극 및 공기극에 대응되지 않는 부분)에 관통 형성된 연료 및 공기 공급통로(52; 연료극측 통로이면 연료공급통로, 공기극측 통로이면 공기공급통로가 된다.)와 연료 및 공기 배출통로(53)와 연결되어 있다.

즉, 연료 또는 공기가 스택의 내부로 주입되어 각 분리판(50)들의 서로 연결된 공급통로(52)를 따라 흐르면, 이에 연결된 유로(51)의 입구부(I;Inlet port hole, 도 4참조)를 통해 유로(51)내로 유입되어, 유로(51)의 경로를 따라 흐른 뒤, 말단의 배출통로(53)를 통해 흘러 스택 외부로 배출되도록 되어 있다.

한편, 종래에는 도 5에 도시된 바와 같이, 공급통로(52)와 유로(51)의 연결부 즉, 상기 입구부(I)의 폭(t)이 모두 같은 구조로 이루어져 있었다.(상하길이도 모두 동일함.)

따라서, 모든 분리판(50)의 유로(51) 입구 면적이 동일하였다.

그런데, 도 5와 같은 상태로 연료가스 및 공기가 흐르게 될 때 기체 유동 특 성상 공급통로(52)의 초입부분과 말단부분에 위치한 입구부(I)로는 중앙부분에 위치한 입구부(I)에 비하여 적은 양의 연료 및 공기가 유입되게 된다.

즉, 스택 양측 부분의 셀(10)로는 연료나 공기가 중앙의 부분에 비하여 부족하게 공급되는데, 이에 의하여 셀 내의 균일성이 저하되어 발전효율이 감소되고, 이와 같이 양측 부분 셀의 발전 효율이 감소됨으로써 스택 전체의 발전성능이 저하되며, 또한 연료나 공기에 혼합되어 공급되는 물의 양도 줄어들게 됨으로써 냉각성능이 저하되어 수명이 단축되고, 화재 위험성이 증가되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 공급통로의 초입부분이나 말단부분에 위치한 셀로도 연료 및 공기가 충분히 유입될 수 있게 됨으로써 해당 셀의 발전 효율 향상으로 스택 전체의 발전 성능이 향상되고, 동시에 냉각성능의 향상으로 내구 수명이 증가하고 화재 위험성이 감소될 수 있도록 된 연료전지 스택의 연료 및 공기 공급구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수의 셀과 이들 사이의 분리판이 적층되어 이루어진 연료전지 스택에 있어서, 상기 연료전지 스택의 중앙으로부터 양측 단부로 갈수록 각 분리판들의 유로 입구부 단면적이 증가되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 스택의 양측부에 위치한 셀들에도 연료와 공기 및 냉각수가 충분히 공급될 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 공급통로부 평면도로서, 공급통로(52)상에 연이어 배열된 각 분리판(50)의 유로(51) 입구부(I)들이 도시되어 있다.

도시된 공급통로(52)의 좌측은 스택에 있어서 연료 및 공기가 공급되는 입구 부분이고, 우측은 우측단부에 위치한 분리판(50)에 형성된 공급통로 부분으로서 스택 전체로 보아 우측방향으로는 닫혀 있게 된다.

즉, 각 분리판(50)에 형성된 공급통로(52)들이 상호 연이어져 하나의 관로를 형성하고 있으며, 이 관로상에 각 분리판(50)의 유로(51)가 연결되어 있는 것이며, 그 입구부분이 상기 입구부(I)가 되는 것이다.

따라서, 스택의 공급통로(52)를 평면상에서 도시하게 되면 도 6에 도시된 바와 같이 다수의 입구부(I)들이 일렬로 배열되어 있게 된다.

본 발명은 상기 입구부(I)들의 면적이 일정하지 않고, 그 위치에 따라 증감되도록 된 것에 그 특징이 있다.

즉, 스택의 중앙부분에 위치한 입구부(I)의 단면적 크기는 종래와 동일하고, 이를 중심으로 양측으로 진행할수록 즉, 스택의 사이드 부분으로 갈수록 입구부(I) 의 폭이 증가하는 구조로 이루어진다(t₁〈t₂〈t₃〈t₄ …).

따라서, 상하길이에는 변화가 없으므로 스택의 사이드 부분으로 갈수록 입구부(I)의 단면적이 증가하게 된다.

따라서, 스택의 양측부 즉, 공급통로(52)의 초입부분과 말단부분에 위치한 셀(10)에 공급되는 연료나 공기 및 이들에 포함된 냉각수의 양이 증가하게 된다.

즉, 양측 단부에 위치한 셀(10)에도 충분한 양의 연료와 공기가 공급될 수 있게 됨으로써 내부의 유로(51) 경로 전체에 걸쳐 발전의 원료인 연료와 공기의 분포 균일성이 향상되어 셀의 발전 효율이 향상된다.

따라서, 양측 단부에 위치한 셀의 발전량이 증가하게 됨으로써 스택 전체로 보아 발전 성능이 향상된다.

또한, 양측 단부에 위치한 셀(10)에 공급되는 연료가스와 공기의 양이 증가하게 되므로 이들에 포함되어 공급되는 냉각수의 양도 증가하게 되어 셀의 냉각성능이 향상된다.

따라서, 양측 단부에 위치한 셀 및 이에 근접한 셀의 과열이 방지됨으로써, 내구 수명이 연장되고, 화재 발생의 위험성이 감소하게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 스택의 양측 단부에 위치한 셀에도 충분한 양의 연료와 공기 및 냉각수가 공급됨으로써 발전 성능과 냉각 성능이 향상되는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 다수의 셀(10)과 이들 사이의 분리판(50)이 적층되어 이루어진 연료전지 스택에 있어서,

   상기 연료전지 스택의 중앙으로부터 양측 단부로 갈수록 각 분리판(50)들의 유로(51) 입구부(I) 단면적이 증가되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료 및 공기 공급구조.

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