KR20070025569A - A manifold structure for fuel cell stack - Google Patents

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KR20070025569A
KR20070025569A KR1020050081871A KR20050081871A KR20070025569A KR 20070025569 A KR20070025569 A KR 20070025569A KR 1020050081871 A KR1020050081871 A KR 1020050081871A KR 20050081871 A KR20050081871 A KR 20050081871A KR 20070025569 A KR20070025569 A KR 20070025569A
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Abstract

Provided is a manifold structure for a fuel cell stack, which is able to distribute gas between the manifold and inlet of each channel uniformly, and thus cause no difference in voltage between cells, and ensures high quality of a fuel cell. The manifold structure for a fuel cell comprises a distribution port(P) for a uniform distribution of gas between the manifold(M) of a fuel cell stack and the inlet of each channel(C1-C5). The distribution port is formed in such a manner that the distance between the manifold and the inlet of each channel is the same or different. The distribution port is symmetrically formed based on the central axis of the manifold. Otherwise, the distribution port is formed only at one side of both sides of the central axis of the manifold.

Description

연료전지 스택의 매니폴드 구조 {A manifold structure for fuel cell stack}Manifold structure for fuel cell stack

도 1은 종래 연료전지 스택의 연료 가스 도입을 위한 매니폴드의 구조도,1 is a structural diagram of a manifold for introducing fuel gas of a conventional fuel cell stack;

도 2는 본 발명의 제 1실시 예에 의한 분산 포트를 구비한 매니폴드의 구조도,2 is a structural diagram of a manifold having a distribution port according to a first embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명의 제 2실시 예에 의한 분산 포트를 구비한 매니폴드의 구조도,3 is a structural diagram of a manifold having a distribution port according to a second embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 제 3실시 예에 의한 분산 포트를 구비한 매니폴드의 구조도,4 is a structural diagram of a manifold having a distribution port according to a third embodiment of the present invention;

도 5는 본 발명에 의한 매니폴드에서의 가스유입량 분포도,5 is a gas flow rate distribution diagram in the manifold according to the present invention;

도 6은 종래의 매니폴드와 채널의 형상 및 가스분포도,6 is a shape and gas distribution diagram of a conventional manifold and a channel,

도 7은 도 3에 도시된 본 발명의 매니폴드에서의 가스분포도,7 is a gas distribution diagram in the manifold of the present invention shown in FIG.

도 8은 도 4에 도시된 본 발명의 매니폴드에서의 가스분포도,8 is a gas distribution diagram in the manifold of the present invention shown in FIG.

도 9는 분산 포트 구조에 따른 60 셀 스택의 셀간 가스분포 그래프,9 is a graph showing a gas distribution between cells of a 60 cell stack according to a distributed port structure;

도 10은 확장형 분산 포트를 갖는 매니폴드에서 각 형태별 가스유입량 분포도,FIG. 10 is a distribution diagram of gas inflows for each type in a manifold having an extended dispersion port;

도 11은 서브- 스택의 셀 전압 비교 그래프(종래 기술 및 본원 발명)11 is a cell voltage comparison graph of a sub-stack (prior art and the present invention).

도 12는 1~2kW급 연료전지 스택의 운전시 셀 전압 비교 그래프(본원 발명 및 종래 기술)12 is a graph comparing cell voltages during operation of a 1-2 kW fuel cell stack (invention and prior art)

도 13은 본 발명에 의한 매니폴드 구조의 다른 실시 예로서 1차 분산부와 2차 분산부로 이루어진 분산 포트를 갖는 매니폴드이고,FIG. 13 is a manifold having a dispersion port including a primary dispersion portion and a secondary dispersion portion as another embodiment of the manifold structure according to the present invention;

도 14는 본 발명에 의한 매니폴드 구조의 또 다른 실시 예로서 비대칭형의 분산 포트를 갖는 매니폴드이며,14 is a manifold having an asymmetric distribution port as another embodiment of the manifold structure according to the present invention;

도 15는 본 발명에 의한 매니폴드 구조의 또 다른 실시 예로서 비대칭이면서 1, 2차 분산부로 이루어진 분산 포트를 갖는 매니폴드이고,Figure 15 is another embodiment of the manifold structure according to the present invention is a manifold having a dispersion port consisting of asymmetric and primary and secondary dispersion,

도 16은 본 발명의 또 다른 변형 예에 의한 매니폴드 구조이다.16 is a manifold structure according to another modified example of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

M : 매니폴드 C : 채널M: Manifold C: Channel

C1,C,C3,C4,C5 : 채널 입구 P : 분산 포트C1, C, C3, C4, C5: Channel Inlet P: Distributed Port

P1 : 1차 분산부 P2 : 2차 분산부P1: primary dispersion P2: secondary dispersion

W : 측벽W: side wall

본 발명은 연료전지의 셀간 전압편차 해소와 연료전지 성능의 안정성 확보를 위하여 연료 및 환원가스의 고른 분산을 위한 연료전지 스택의 매니폴드 구조에 관 한 것이다.The present invention relates to a manifold structure of a fuel cell stack for evenly dispersing fuel and reducing gas in order to reduce the voltage difference between cells of a fuel cell and to ensure the stability of fuel cell performance.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통하여 전기 및 열을 발생시키는 장치로서, 연료인 수소가 반응하여 양이온과 전자로 분해되는 연료극과, 전해질을 통하여 이동해온 양이온과 산소와 반응하여 물을 만드는 산소극 및 연료극에서 생성된 양이온이 이동하는 전해질의 기본 구조를 갖는다. A fuel cell is a device that generates electricity and heat through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell generates water by reacting with a fuel electrode that reacts with hydrogen as a fuel to decompose into cations and electrons, and with cations and oxygen that have moved through an electrolyte. It has a basic structure of an electrolyte in which cations generated in the oxygen electrode and the fuel electrode move.

연료극 및 산소극에는 전기화학반응을 일으키기 위한 촉매층, 반응가스가 촉매에 분산되기 위한 가스확산층(GDL, gas diffusion layer) 및 가스가 이동하는 가스채널로 구성되어 있다. 또한, 생성된 전자가 이동할 수 있는 집전판의 역할을 하는 분리판(BP, bipolar plate)이 전극의 역할을 하며, 이 분리판에 가스채널이 형성되어 있다. 분리판에 형성되어 있는 가스채널은 가스의 확산 및 가스 접촉을 최대화하기 위하여 특이한 구조로 되어 있는데, 그 중에서 대표적으로는 평행구조(parallel type), 사행구조(surpentine type) 등이 사용되고 있다. The fuel electrode and the oxygen electrode include a catalyst layer for causing an electrochemical reaction, a gas diffusion layer (GDL) for dispersing the reaction gas in the catalyst, and a gas channel through which the gas moves. In addition, a bipolar plate (BP), which serves as a current collector plate through which generated electrons may move, serves as an electrode, and gas channels are formed in the separator. The gas channel formed in the separator has a unique structure in order to maximize gas diffusion and gas contact. Among them, a parallel type, a meandering structure, and the like are used.

이러한 구조는 하나의 분리판에 채널이 다수로 존재하게 되며, 매니폴드를 통해 공급되는 가스는 각 셀 별, 채널별로 분산되어 들어가게 된다. 매니폴드로 공급된 가스가 각 셀 별로 공급되어 갈 수 있는 입구는 채널의 수에 비례하여 증가하게 되며, 이에 따라 각 채널별로 유입되는 가스의 양은 불균일하게 된다. In this structure, a plurality of channels exist in one separator plate, and the gas supplied through the manifold is dispersed in each cell and channel. The inlet through which the gas supplied to the manifold can be supplied to each cell increases in proportion to the number of channels, so that the amount of gas introduced into each channel becomes nonuniform.

가스채널에 불균일하게 유입되는 가스의 양은 단위 셀에 있어서 반응물의 불균일한 분포를 만들며, 이에 따라 셀에서의 전류분포를 악화시켜, 전체적인 셀 별 성능차이를 유발시킨다. The non-uniform amount of gas flowing into the gas channel creates a non-uniform distribution of reactants in the unit cell, thereby degrading the current distribution in the cell, causing an overall cell-specific performance difference.

이러한 현상을 해결하기 위하여 WO 09317465A1, W0 09670721A1, US 4873155 및 US 6517962 등에와 같이 매니폴드 내부에서의 유량분포를 좋게 하기 위한 노력들이 있어왔다. 이러한 노력들은 주로 위치별 매니폴드의 크기 변화나, 또는 위치별 가스채널 입구의 치수 변화를 통하여 가스분포도를 증가시키려 하였다. 하지만, 이러한 변화는 각 위치별 다른 종류의 분리판이 도입되어야 하며, 이는 연료전지 생산 단가를 높이고, 번거로운 제작 방식으로 인하여 생산성을 하락시키게 된다.In order to solve this phenomenon, efforts have been made to improve the flow distribution inside the manifold, such as WO 09317465A1, WO 09670721A1, US 4873155, US 6517962 and the like. These efforts have attempted to increase the gas distribution, primarily by changing the size of the location-specific manifolds or by changing the dimensions of the location-specific gas channel inlets. However, this change requires the introduction of a different type of separator for each location, which increases fuel cell production costs and reduces productivity due to cumbersome manufacturing methods.

기존의 연료전지 스택은 도 1에 도시된 바와 같이 매니폴드(M)에서 가스채널(C)로의 직접적인 가스유입방식(직접분산방식)을 갖는다. 이러한 방식은 다채널의 가스유입구로 인하여 각 채널별 가스유입 확률이 높아지면서, 채널 수가 증가함에 따라 유입가스의 분포도는 낮아질 수밖에 없다. The conventional fuel cell stack has a direct gas inflow (direct dispersion) method from the manifold M to the gas channel C, as shown in FIG. In this method, the gas inflow rate for each channel is increased due to the gas inlet of the multi-channel, and the distribution of the inflow gas is inevitably lowered as the number of channels increases.

다음의 표 1은 유입되는 가스량이 동일하며, 가스채널의 크기도 일정한 상태에서, 채널 수만 다른 종류의 분리판에서 각 채널별 유입되는 가스량의 분포를 전산유체모사프로그램(CFD, computational fluid dynamics)을 이용하여 계산한 값의 예시이다.The following Table 1 shows the computational fluid dynamics (CFD) of the distribution of the amount of gas flowing in each channel in the type of separation plate having only the number of channels with the same amount of gas flowing in and the size of the gas channel being constant. It is an example of the value calculated using.

[표 1] 채널 수에 따른 가스 채널별 가스유입량 분포표[Table 1] Gas flow rate distribution table by gas channel according to the number of channels

Figure 112005049337500-PAT00001
Figure 112005049337500-PAT00001

위 표 1에서 각 채널별 표준편차 비율이 채널 수가 많을수록 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 다채널 구조의 문제점은 첫째, 한 셀에서의 채널별 가스유입량 분포에 문제점을 보일 수 있으며, 둘째, 전체 스택에서 각 셀 별 가스유입량 분포에서 문제점을 나타낼 수 있다.In Table 1, the standard deviation ratio of each channel increases as the number of channels increases. The problem of the multi-channel structure may be, first, a problem in gas inflow distribution for each channel in one cell, and second, a problem in gas inflow distribution for each cell in the entire stack.

이러한 현상을 극복할 수 있는 방법은 각 셀 별 가스유입 채널을 하나로 만드는 것이다. 하지만, 하나의 채널을 갖는 분리판의 유로는 다채널 분리판 유로에 비하여 높은 가스 유입압력을 필요로 하며, 이는 연료전지 시스템의 기생전력을 높여 전체 시스템의 효율을 낮추는 단점을 갖게 된다. 또한, 높은 가스 유입압력으로 인하여 스택이 높은 압력에서 밀봉성을 가질 수 있는 구조 및 재료의 선정이 필요하게 되어 스택 제작에 어려움을 갖게 된다.The way to overcome this phenomenon is to make one gas inlet channel for each cell. However, the flow path of the separator having a single channel requires a higher gas inflow pressure than the multi-channel separator flow passage, which increases the parasitic power of the fuel cell system and lowers the efficiency of the entire system. In addition, due to the high gas inlet pressure, it is necessary to select a structure and a material capable of sealing the stack at a high pressure, thereby making it difficult to manufacture the stack.

또한, 연료전지 스택의 안정적인 운전을 위해서는 일정한 셀간 전압 유지가 필요하다. 셀 별 전압의 차이는 스택의 성능을 저하시키며, 특히, 특정 셀의 전압하강현상은 스택 수명에 치명적인 영향을 미친다. 특정 셀의 전압하강현상은 반응에 필요한 반응가스의 공급부족현상으로 인하여 발생하게 되며, 반응가스가 부족한 상태에서의 스택 운전은 MEA의 촉매 및 멤브레인의 변형이나 파괴를 가져오게 된다. 즉, 연료전지의 안정성 및 수명확보를 위해서는 안정적이고 고른 반응가스의 공급이 중요하다. In addition, it is necessary to maintain a constant cell-to-cell voltage for stable operation of the fuel cell stack. The difference in cell-specific voltages degrades stack performance. In particular, voltage drops in certain cells have a critical impact on stack life. The voltage drop of a specific cell is caused by the supply shortage of the reaction gas required for the reaction, and stack operation in a state in which the reaction gas is insufficient causes deformation or destruction of the catalyst and membrane of the MEA. In other words, stable and even supply of reaction gas is important for securing the stability and life of the fuel cell.

본 발명은 기존의 연료전지 스택에서 연료 및 환원 가스가 매니폴드에서 가스채널로의 직접 유입되는 방식으로 인하여 유입가스 분포도가 균일하지 못하게 되며, 이로 인하여 발생하는 셀간 전압편차 및 연료전지 성능의 안정성이 확보되지 못하는 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 셀 구조에 새로운 가스분산 포트를 도입하여 각 채널로의 연료 및 환원 가스의 고른 분산을 도모함으로써 셀간 전압편차의 해소와 더불어 안정적인 연료전지 성능을 발휘할 수 있도록 하는 데 있다.According to the present invention, the distribution of inflow gas is not uniform due to the direct inflow of fuel and reducing gas from the manifold to the gas channel in the conventional fuel cell stack. In order to solve the problem that cannot be secured, an object of the present invention is to introduce a new gas dispersing port into the cell structure to achieve even distribution of fuel and reducing gas to each channel, thereby eliminating voltage variations between cells and providing stable fuel. It is to enable battery performance.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 연료전지 스택의 매니폴드와 각 채널의 입구 사이에 가스의 균일한 분배를 위한 분산 포트를 형성한 매니폴드 구조를 제공한 것으로, 분산 포트는 매니폴드에서 각 채널 입구 사이의 거리가 동일하게 형성되거나, 매니폴드에서 각 채널 입구 사이의 거리가 다르게 형성되되 매니폴드에서 가까운 채널 입구에서부터 멀리 떨어진 채널 입구에 이르기까지 분산 포트의 측벽에서부터 각 채널 입구까지 일정 기울임 값을 가는 경사면으로 형성하여 매니폴드에서 공급된 연료 또는 환원 가스가 분산 포트에서 각 채널로 균일하게 분산되어 유입되도록 한 연료전지 스택의 매니폴드 구조를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a manifold structure in which a distribution port for uniform distribution of gas is provided between the manifold of the fuel cell stack and the inlet of each channel. The same distance between the channel inlets is formed, or the distance between each channel inlet in the manifold is different, but a constant tilt value from the sidewall of the distribution port to each channel inlet from the channel inlet closest to the manifold to the channel inlet farther away. Is formed on a slanted surface to provide a manifold structure of a fuel cell stack in which fuel or reducing gas supplied from the manifold is uniformly dispersed and introduced into each channel at the distribution port.

본 발명은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 연료전지 스택에서의 가스유입량 분포를 향상시키기 위해서 가스유입 분산 포트(P)를 적용한 것으로, 이 분산 포트(P)는 매니폴드(M)에서 단일 유입구를 갖는 분산 포트로 가스의 유입이 이루어진 후 각 채널(C)로 분산되도록 함으로써 셀간 가스유입량 분포가 보다 균일하게 이루어질 수 있도록 한 것이다.2 to 4, the gas inlet distribution port P is applied to improve the gas inflow distribution in the fuel cell stack, as shown in FIGS. After the gas is introduced into the dispersion port having the inlet, the gas is distributed to each channel C so that the gas inflow distribution between the cells can be made more uniform.

도 2에 도시된 실시 예에서는 분산 포트(P)가 매니폴드(M)에서 각 채널 입구(C1~C5) 사이의 거리가 동일하게 형성되어 있다In the embodiment shown in FIG. 2, the dispersion ports P have the same distance between the channel inlets C1 to C5 in the manifold M. FIG.

도 3 및 도 4에 도시된 실시 예들에서는 매니폴드(M)에서 각 채널 입구(C1~C5) 사이의 거리가 다르게 형성되되, 매니폴드(M)에서 가까운 채널 입구(C1)에서부터 멀리 떨어진 채널 입구(C2,C3,C4,C5)에 이르기까지 매니폴드(M) 및 분산 포 트(P)의 측벽(W)에서부터 각 채널 입구(C1,C2,C3,C4,C5)까지의 거리는 동일하게 되도록 측벽(W)이 경사면으로 형성되어 있다.In the embodiments shown in FIGS. 3 and 4, the distance between the channel inlets C1 to C5 in the manifold M is different, but the channel inlet far from the channel inlet C1 close to the manifold M. The distances from the sidewalls (W) of the manifold (M) and the distribution port (P) to each channel inlet (C1, C2, C3, C4, C5) to (C2, C3, C4, C5) are equal. The side wall W is formed in the inclined surface.

도 3에 도시된 실시 예의 분산 포트(P)는 매니폴드(M)의 가상 중심에서 좌,우(도면상으로는 상·하로) 대칭으로 형성되어 있으며, 도 4에 도시된 실시 예의 분산 포트(P)는 매니폴드(M)의 가상 중심에서 일측으로만 경사지게 형성되어 있는데, 셀의 외측에 형성되는 매니폴드의 위치에 따라 분산 포트의 형태를 다양하게 변화시킬 수 있음을 보여주고 있다.The distributed port P of the embodiment shown in FIG. 3 is formed symmetrically from left to right (up and down in the drawing) at the virtual center of the manifold M, and the distributed port P of the embodiment shown in FIG. Is formed to be inclined to only one side from the virtual center of the manifold (M), it shows that the shape of the distribution port can be variously changed depending on the position of the manifold formed on the outside of the cell.

도 2 내지 도 4에 도시된 실시 예는 본 발명의 개념을 설명하기 위한 가상의 예이며, 연료전지 스택을 구성하는 실제의 셀에 있어서는 채널의 개수가 도 2 내지 도 4에 도시된 것보다 더 많을 수 있으며, 이 채널의 폭과 형태 또한 도면에 도시된 것과 다를 수 있음은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명하다.2 to 4 are hypothetical examples for explaining the concept of the present invention, and in the actual cells constituting the fuel cell stack, the number of channels is greater than that shown in FIGS. 2 to 4. It will be apparent to those skilled in the art that the number and width of the channels may also differ from those shown in the drawings.

또한, 본 발명의 매니폴드 구조는 상기한 도 2 내지 도 4에 도시된 형태에 국한되는 것이 아니며, 이후에 설명될 도 13 내지 도 16에 도시된 형태를 취할 수도 있음은 물론이다.In addition, the manifold structure of the present invention is not limited to the form shown in FIGS. 2 to 4 described above, and may take the form shown in FIGS. 13 to 16 to be described later.

아래 표 2는 60셀로 이루어진 스택이 동일조건에서 분산 포트를 갖는 구조와 분산 포트가 없이 채널로 가스가 유입되는 구조(직접분산방식)에서의 셀의 위치에 따른 가스 유입량 분포(전단부, 중앙부, 후단부)의 차이의 예시를 보여준다.Table 2 below shows the gas inflow distribution according to the position of the cells in the structure of the 60-cell stack having the dispersion port under the same conditions and the gas flowing into the channel without the dispersion port (direct dispersion method) (front end, center, An example of the difference) is shown.

[표 2] 분산 포트를 갖는 구조와 종래의 직접분산방식의 위치에 따른 셀 별 가스유입량 분포표[Table 2] Gas flow rate distribution table for each cell according to the structure having the dispersion port and the position of the conventional direct dispersion method

Figure 112005049337500-PAT00002
Figure 112005049337500-PAT00002

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 매니폴드(M)와 채널(C) 사이에 분산 포트(P)를 도입할 경우 각 셀당 가스유입량의 분포가 향상되었음을 확인할 수 있다.As can be seen in Table 2, when the distribution port (P) is introduced between the manifold (M) and the channel (C), it can be seen that the distribution of gas flow rate per cell is improved.

위에서 확인된 바와 같이 본 발명은 매니폴드에서 가스채널로 직접분산하는 방식에 비하여 매니폴드와 채널 사이에 분산 포트를 도입함으로써, 셀간 가스유입 량 분포를 균일하게 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있는바, 이는 다채널을 갖는 분리판을 이용한 스택에서 발생하는 셀별 전압분포 차이를 줄여 전체 성능의 안정성을 확보할 수 있다는 것을 예측할 수 있다.As confirmed above, the present invention can be seen that by introducing a distribution port between the manifold and the channel, compared to the direct distribution from the manifold to the gas channel, it is possible to improve the gas inflow distribution between cells uniformly, It can be predicted that the stability of the overall performance can be secured by reducing the voltage distribution difference per cell generated in the stack using the multi-channel separator.

이와 더불어 본 발명의 분산 포트는 셀별로 균일하게 유입된 가스를 각 채널로 고르게 분산시키는 역할을 수행한다. 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같은 직접분산방식은 매니폴드의 크기와 가스유입구 크기의 비율이 크기 때문에 유입가스의 유동성이 커지게 되어 채널간 분산에 불리하다. 이와는 다르게 본 발명에서는 각 분산 포트별로 균일하게 유입된 가스는 가스 분산에 유리한 분산 포트의 설계로 각 채널별 가스의 유입량을 향상시킬 수 있다. In addition, the distribution port of the present invention serves to evenly distribute the gas uniformly introduced into each channel to each channel. In general, the direct dispersion method as shown in FIG. 1 has a large ratio between the size of the manifold and the size of the gas inlet, which increases the fluidity of the inlet gas, which is disadvantageous for dispersion between channels. Unlike this, in the present invention, the gas uniformly introduced for each dispersion port may improve the inflow amount of gas for each channel by designing a dispersion port that is advantageous for gas dispersion.

도 2 내지 도 4에 도시된 실시 예는 채널별 유입가스량의 분포를 향상시키는 분산 포트(P)의 다양한 형태를 예시한 것으로, 도 2 내지 도 4에 도시된 분산 포트(P)는 위에서 설명한 바와 같이 분산 포트(P) 내부의 연료 또는 환원 가스의 흐름을 제어하여 각 채널(C)로의 가스유입량 분포가 균일하게 되도록 조절할 수 있는 것이다.2 to 4 illustrate various types of distribution ports P for improving the distribution of inflow gas amount per channel, and the distribution ports P shown in FIGS. 2 to 4 are the same as described above. As described above, by controlling the flow of fuel or reducing gas in the dispersion port P, the gas inflow amount distribution to each channel C may be adjusted to be uniform.

도 5는 도 4에 도시된 매니폴드의 형태를 세분화 한 3가지 형태의 분산 포트와 이들 각각의 형태에 따른 각 채널별 가스 유입량 분포를 보여주고 있으며, 아래의 표 3은 도 5에 도시된 각 채널별 가스 유입량 분포표이다.FIG. 5 shows three types of distribution ports subdividing the shape of the manifold shown in FIG. 4 and the gas inflow distribution for each channel according to each type thereof. The gas inflow distribution table by channel.

도 5에 도시된 3가지 형태의 분산 포트는 기본적으로 도 4에 도시된 형태를 따르고 있으나, 각 채널의 채널 입구위치를 상호 다르게 한 것으로, 좌측의 분산 포트 형태는 채널 입구를 분산 포트의 경사진 측벽에서부터의 거리와는 무관하게 모두 동일한 위치에 오도록 배치한 것(Parallel형)이고, 중앙의 분산 포트 형태는 채널 입구를 매니폴드에서 멀리 떨어진 채널로 갈수록 측벽면의 기울기와 채널 입구의 기울기가 상반되게 배치한 것(Declined 형)이며, 우측의 분산 포트 형태는 채널 입구를 매니폴드에서 멀리 떨어진 채널로 가더라도 분산 포트의 측벽과 채널 입구의 기울어진 값이 유사하게 유지될 수 있도록 경사지게 형성한 것(Inclined형)이다.The three types of distributed ports shown in FIG. 5 basically follow the form shown in FIG. 4, but the channel inlet positions of the respective channels are different from each other. Arranged so that they are all placed in the same position regardless of the distance from the side wall (Parallel type), and the central distributed port type has the opposite slope of the channel side and the slope of the channel inlet as the channel inlet is moved away from the manifold. The distributed port shape on the right side is formed to be inclined so that the inclined value of the side wall of the distributed port and the channel inlet can be maintained similarly even when the channel inlet is moved away from the manifold. (Inclined type).

본 발명에서 상기한 측벽면과 채널 입구의 기울기는 셀의 면적 및 유량에 따라 다르게 적용될 수 있다.In the present invention, the inclination of the side wall surface and the channel inlet may be applied differently according to the area and the flow rate of the cell.

도 5 및 표 3에서 알 수 있는 바와 같이 inclined형이 가장 우수한 분산효과가 있다.As can be seen in Figure 5 and Table 3 inclined type has the best dispersion effect.

[표 3] 분산형 분산 포트 구조에 따른 채널별 가스유입량 분포표[Table 3] Distribution table of gas inflows by channel according to distributed distributed port structure

Figure 112005049337500-PAT00003
Figure 112005049337500-PAT00003

위와 같이 매니폴드(M)와 가스 채널(C) 사이에 분산 포트(P)를 도입함으로써 셀간 유입가스량 분포를 향상시키고, 채널별 가스 유량을 조절함으로써 연료전지 스택 성능의 안정성을 확보할 수 있는 것이다. 이러한 분산 포트는 매니폴드에서 유입되는 가스의 입구를 단일 입구로 조절하여 셀간 유량을 조절하며, 분산 포트에서 각 채널로 가스공급을 균일하게 도와주게 되는 것이다.By introducing a distribution port P between the manifold (M) and the gas channel (C) as described above, it is possible to improve the distribution of inflow gas amount between cells, and to ensure the stability of the fuel cell stack performance by adjusting the gas flow rate for each channel. . This distribution port is to control the flow between the cells by adjusting the inlet of the gas flowing from the manifold to a single inlet, it is to help uniformly supply gas to each channel from the distribution port.

본 발명에서는 매니폴드와 가스채널 사이에 가스 분산에 도움을 주는 분산 포트를 도입하였고, 이를 CFD를 통하여 설계한 후, 실제 스택을 제작/평가하여 그 실효성을 검증하였다. 위 연구에 의해 적용 가능한 연료전지 스택은 다음과 같다.In the present invention, a dispersion port is introduced to assist gas dispersion between the manifold and the gas channel. After designing it through CFD, the actual stack is manufactured / evaluated to verify its effectiveness. The fuel cell stack applicable to the above study is as follows.

ⅰ) 고분자 전해질 막을 이용한 연료전지 스택(PEMFC, polymer electrolyte membrane fuel cell)Iii) fuel cell stack using polymer electrolyte membrane (PEMFC)

고분자 전해질 막은 불소계 나피온(Nafion)을 사용하거나, 기타 이를 응용한 전해질 막, 또는 탄화수소계 전해질 막을 사용한 고분자 전해질 연료전지 스택.The polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte fuel cell stack using a fluorine-based Nafion, or other electrolyte membrane, or a hydrocarbon-based electrolyte membrane.

ⅱ) 연료로 수소 및 개질 가스 (reformatted gas)를 사용하는 연료전지 스택.Ii) a fuel cell stack using hydrogen and reformulated gas as fuel.

개질 가스의 연료로는 천연가스와 재생가스 또는 화석연료로부터 생성된 가스 및 석유의 정제과정에서 발생하는 가스 또는 수소를 함유하고 있는 혼합가스로서, 이러한 연료를 개질 반응 (reforming reaction) 시켜 수소함량이 높은 가스를 연료로 사용하는 연료전지 스택.Fuels of reformed gas include mixed gas containing natural gas, gas generated from regeneration gas or fossil fuel, and gas generated from refining petroleum or hydrogen, and hydrogen content by reforming reaction of such fuel. A fuel cell stack that uses high gas as fuel.

ⅲ) 환원가스로 산소 및 공기를 사용하는 연료전지 스택Iii) fuel cell stack using oxygen and air as reducing gas

ⅳ) 운전시 가동압력이 상압에서 5기압 사이의 연료전지 스택 및Iii) fuel cell stacks with operating pressure between normal and 5 atm;

위 사양을 만족시키는 가정용 전원공급장치에 사용되거나, 휴대용 전원, 차량용 전원으로 사용되는 모든 고분자 전해질 연료전지에 적용될 수 있다.It can be applied to all polyelectrolyte fuel cells used in home power supply that meets the above specifications, or used as portable power source or vehicle power source.

(실시예)(Example)

본 발명자는 본 발명의 성과를 확인하기 위하여 실제 연료전지 스택을 예시로 제작하여 성능을 평가/비교하였다.In order to confirm the performance of the present invention, the present inventors fabricated an actual fuel cell stack as an example to evaluate / compare the performance.

(스택의 설계)(Design of the stack)

동일한 활성면적을 갖는 스택 2종류를 설계하여 각각 분산 포트를 갖는 구조와 직접분산방식구조로 제작하였다. 분산 포트를 갖는 구조의 분산 포트 설계는 일정 운전조건에서의 유량조건을 이용하여 CFD를 수행하여 최적의 값을 갖는 설계를 구하였다. 운전 조건 및 분산 포트의 구조는 다음과 같다.Two stacks with the same active area were designed and fabricated in a structure with distributed ports and a direct distributed structure. In the distributed port design of the distributed port structure, the CFD was performed using the flow conditions under constant operating conditions to obtain a design having an optimal value. Operation conditions and the structure of the distributed port are as follows.

운전조건Operating conditions

- 연료 이용률: 50~100% Fuel utilization rate: 50-100%

- 환원가스 이용률: 30~ 80% -Reduction gas utilization: 30 ~ 80%

- 운전 온도: 10~ 80 ℃ Operating temperature: 10 ~ 80 ℃

- 연료의 조성: 순수수소/ 개질 가스(수소, 이산화탄소, 질소, 메탄 등을 함유하며, 일산화 탄소 10ppm) -Composition of fuel: pure hydrogen / reforming gas (containing hydrogen, carbon dioxide, nitrogen, methane, etc., 10 ppm carbon monoxide)

분산 포트의 구조Distributed Port Structure

- 분산 포트의 구조: 확장형/일치형 Distributed Port Structure: Expandable / Matched

- 확장형 분산 포트의 구조: inclined 형태 -Structure of scalable distributed port: inclined type

기울기 값: 측벽=수평면 기준 58.34°기울기Slope value: side wall = 58.34 ° skew

채널 입구= 수평면 기준 59.3°기울기Channel inlet = 59.3 ° tilt relative to horizontal plane

분리판 채널의 구조Structure of Separator Channel

- 채널 수: 5채널 -Number of channels: 5 channels

- 채널의 형태: 사행구조 Channel type: meander structure

- 채널의 크기: 넓이: 1.6 ~ 2.0mm, 깊이: 0.6~1mm -Channel size: width: 1.6 ~ 2.0mm, depth: 0.6 ~ 1mm

위 조건을 바탕으로 스택을 설계하였다. 스택은 직접분산방식(no-port), 확장형 분산 포트 구조, 분산형 분산 포트 구조를 갖는 디자인을 각각 설계하였으며, CFD를 수행하여 매니폴드에서 분산 포트(또는 채널)로의 가스 분산, 분산 포트에서 채널로의 가스 분산을 확인하여 보았다.The stack was designed based on the above conditions. The stack is designed with a no-port, scalable distributed port structure, and distributed distributed port structure, respectively, and performs CFD to distribute the gas from the manifold to the distributed port (or channel), and the channel at the distributed port. The gas dispersion in the furnace was checked.

CFD를 수행하였던 매니폴드 및 분산 포트의 구조와 CFD 결과 매니폴드에서의 유동은 도 6, 도 7 및 도 8과 같다.The structure of the manifold and the dispersion port that performed the CFD and the flow in the CFD result manifold are shown in FIGS. 6, 7, and 8.

도 6에서 알 수 있는 바와 같이 직접 분산방식을 갖는 종래구조의 문제점은 매니폴드에서 채널로 분산되기 위해서 가스가 유입될 수 있는 입구의 수가 많아 채널별 가스 유입량의 고른 분포가 어렵다. 하지만, 본 발명은 분산 포트의 도입으로 인하여 도 7 및 도 8에서 알 수 있는 바와 같이 셀 별로 단일 입구로 가스가 유입됨에 따라 셀 별 가스 유입량 분포가 향상되는 결과를 가져오게 된다. 각 구조에 따른 가스 분산은 아래 결과와 같다.As can be seen in FIG. 6, the problem with the conventional structure having the direct dispersion method is that the number of inlets through which gas can be introduced to be distributed from the manifold to the channel is large, making it difficult to evenly distribute the gas inflow amount for each channel. However, according to the present invention, as the gas is introduced into a single inlet for each cell as shown in FIGS. 7 and 8 due to the introduction of the dispersion port, the gas inflow distribution for each cell is improved. The gas dispersion according to each structure is as follows.

CFD 결과 CFD Results

① 매니폴드에서 셀로의 가스분포① Gas distribution from manifold to cell

도 7 및 도 8에서 확인되는 바와 같이 분산 포트의 도입으로 인하여 셀간 가스분포가 향상되었다. 특히, 가스 입구 쪽에서의 가스 분포도가 월등히 향상된 것을 확인할 수 있으며, 이는 실제 스택의 운전중에 발생하는 셀의 전압강하 현상을 억제할 수 있는 효과를 가져오게 된다.As shown in FIG. 7 and FIG. 8, the gas distribution between the cells was improved due to the introduction of the dispersion port. In particular, it can be seen that the gas distribution at the gas inlet side is significantly improved, which has the effect of suppressing the voltage drop of the cell occurring during the operation of the actual stack.

이러한 효과는 도 9의 비교 그래프에서도 확인할 수 있는데, 종래의 직접분산형에 비하여 본 발명에 의한 분산 포트(분산형, 확장형)를 적용한 경우에는 셀간 가스 분포가 비교적 균일해진 것을 알 수 있다.This effect can be confirmed in the comparison graph of FIG. 9, but it can be seen that the gas distribution between cells is relatively uniform when the dispersion port (dispersion type, expansion type) according to the present invention is applied as compared with the conventional direct dispersion type.

② 분산 포트에서 채널로의 가스분포② Gas distribution from distribution port to channel

향상된 셀간 가스 분포도의 향상을 바탕으로 채널간 가스분포를 위한 설계 및 CFD를 수행하였다. 분산형 분산 포트구조의 CFD 결과는 도 5 및 표 3에 나타나 있으며, 확장형 분산 포트 구조의 CFD 결과는 도 10 및 표 4에 나타나 있다.Based on the improved cell-to-cell distribution, the design and CFD for gas distribution were performed. CFD results of the distributed distributed port structure are shown in FIGS. 5 and 3, and CFD results of the extended distributed port structure are shown in FIGS. 10 and 4.

위에서와 같이 분산형 및 확장형 분산 포트의 구조 모두 inclined 형태의 구조를 통하여 분산 포트가 채널별 가스 분산을 향상시킬 수 있었다.As described above, through the inclined structure of the distributed and expandable distributed ports, the distributed ports could improve the gas dispersion per channel.

③ 스택 성능 평가③ Stack Performance Evaluation

위 CFD 결과를 바탕으로 inclined 분산형 분산 포트 구조와 직접분산방식 구조의 스택을 각각 5셀씩 쌓아 서브 스택(sub-stack)을 제작한 후, 동일조건에서 성능을 평가하였으며, 그 결과는 다음과 같다.Based on the above CFD results, five stacks of inclined distributed distributed port structure and direct distributed structure were stacked for each sub-stack, and the performance was evaluated under the same conditions. .

도 11은 동일한 운전조건에서 셀 전압을 비교하여 나타낸 그래프이다. 연료는 개질 가스를 이용하였으며, 환원가스는 공기를 이용하였다. 연료이용률은 80%, 공기이용률은 50%, 운전온도는 65℃를 유지하였다.11 is a graph illustrating comparison of cell voltages under the same operating conditions. The fuel used a reforming gas and the reducing gas used air. Fuel utilization was 80%, air utilization was 50%, and operating temperature was 65 ℃.

도 11에서 상부의 (a) 그래프는 매니폴드에서 채널로 직접 가스가 유입되는 종래구조에 의한 직접분산방식 스택의 셀 전압 그래프를 나타낸다. 그래프에서 보이듯이 스택의 전류 30A 까지는 안정적인 셀 전압을 보여주며 평균 셀 전압 0.73 V의 성능을 나타낸다. 하지만, 스택의 전류가 증가함에 따라 35A의 전류 이후부터는 셀의 전압이 흔들리는 모습을 볼 수 있다. 이는 부하가 증가함에 따라 유입되는 연 료량이 부족한 셀의 성능이 저하되어 셀 전압이 하강하게 된다. 또한, 전압의 하강과 함께 고부하에 의해 스택에서 생성되는 물의 양이 많아지면서 분리판의 각 채널에 물방울이 맺히게 된다. 생성된 물방울은 채널별로 들어오는 가스의 흐름을 방해하여 채널별, 셀 별 전압을 흔들리게 한다.The graph (a) of the upper part in FIG. 11 shows a cell voltage graph of the direct dispersion type stack according to the conventional structure in which gas is directly introduced into the channel from the manifold. As shown in the graph, a stable cell voltage up to 30A of current in the stack shows an average cell voltage of 0.73V. However, as the current of the stack increases, the voltage of the cell can be seen to swing after the current of 35A. As the load increases, the performance of the cell that lacks the amount of fuel flowing in decreases and the cell voltage decreases. In addition, as the voltage drops and the amount of water generated in the stack increases due to the high load, water droplets form in each channel of the separator. The generated water droplets disturb the flow of gas from channel to channel, causing the channel and cell voltages to swing.

한편, 도 11에서 하부의 (b) 그래프는 분산 포트를 도입한 5셀 서브 스택(sub-stack)의 성능을 보여준다. 30A의 전류에서 직접유입방식과 유사한 성능을 보여주며(평균 약 0.73V) 안정적인 셀 전압을 보여준다. 이후 전류가 증가하여 60A의 전류에서도 셀 전압은 안정적으로 유지되고 있음을 볼 수 있다. 이는 분산 포트의 도입으로 인하여 매니폴드에서 셀 별로 유입되는 가스의 양이 방해를 받지 않고, 일정하게 유지되는 것을 알 수 있게 해준다.Meanwhile, the lower graph (b) of FIG. 11 shows the performance of a 5-cell sub-stack in which a distribution port is introduced. The performance is similar to the direct inflow method (approximately 0.73V on average) at a current of 30A and a stable cell voltage. Since the current increases, the cell voltage remains stable even at a current of 60A. This makes it possible to know that the amount of gas flowing from cell to cell in the manifold remains uninterrupted and constant due to the introduction of a dispersion port.

이러한 결과는 실제 스택을 적층하여 성능을 평가하였을 때에도 일치하게 된다. 도 12는 60~70 셀로 쌓은 1~2 kW급 연료전지 스택의 성능을 보여주는 그래프이다. 도 11의 서브-스택 결과와 마찬가지로 채널 직접분산 방식의 스택(b 그래프)은 운전시 가스 입구의 셀에서 급격한 셀 전압의 흔들림을 보여주며, 특정 셀의 전압이 (-)로까지 떨어지는 결과를 보여준다. 이러한 역 전압 현상은 셀의 MEA에 손상을 일으켜 스택의 수명을 저하하며, 심각하게는 운전시 위험성도 내포하게 된다.These results are in agreement even when the stack is evaluated in terms of performance. 12 is a graph showing the performance of the 1 ~ 2 kW class fuel cell stack stacked with 60 ~ 70 cells. Similar to the sub-stack result of FIG. 11, the channel direct dispersion stack (b graph) shows a sudden fluctuation of the cell voltage in the cell of the gas inlet during operation, and shows the result of the voltage of the specific cell falling to (−). This reverse voltage can damage the MEA of the cell, reducing the lifespan of the stack, and seriously risking operation.

이상의 실시 예에서와 같이 매니폴드에서 셀로, 셀에서 채널로의 가스분산을 돕는 분산 포트의 도입으로 연료전지 스택의 성능 및 안정성을 향상시키는 결과를 보여주고 있다. 이러한 분산 포트의 구조는 매니폴드에서 셀 별로 단일 입구를 통 한 가스 유입을 이루며, 이후 특정 구조를 통하여 분산 포트에서 채널로 유입되는 가스량을 일정하게 유지시키는 구조를 포함한다. 이러한 채널로의 가스 분산 구조는 각 parallel, declined, inclined 및 이와 유사한 가스 분산 구조를 지니는 것을 말하며, 이는 채널의 수와 매니폴드 및 분산 포트의 크기에 따라 그 적용범위가 다양하게 된다. As shown in the above embodiment, the introduction of a dispersion port to help gas dispersion from the manifold to the cell and from the cell to the channel has been shown to improve the performance and stability of the fuel cell stack. The structure of the distribution port comprises a gas inlet through a single inlet for each cell in the manifold, and then includes a structure for maintaining a constant amount of gas flowing into the channel from the distribution port through a specific structure. These gas dispersion structures into channels are said to have parallel, declined, inclined and similar gas dispersion structures, which vary in scope depending on the number of channels and the size of the manifolds and distribution ports.

도 13은 도 3의 변형 예로서, 분산 포트(P)는 매니폴드(M)에서 시작되어 각도가 점차로 벌어지는 1차 확산부(P1)와, 이 1차 확산부(P1)의 말단에서 각 채널 입구(C1~C9) 측으로 더 넓은 각도로 확산되는 2차 확산부(P2)로 이루어져 있다.FIG. 13 is a variation of FIG. 3, in which the dispersion port P starts at the manifold M and gradually spreads at an angle, and each channel at the end of the primary diffuser P1. It consists of a secondary diffusion portion (P2) that is diffused at a wider angle toward the inlet (C1 ~ C9).

도 14 및 도 15는 도 4의 변형 예로서, 분산 포트(P)가 매니폴드(M)의 가상 중심에서 일측으로만 경사지게 형성되어 있으며, 채널 입구(C1~C5)는 실험적으로 우수함이 입증된 Inclined 형태를 취하고 있다.14 and 15 are modified examples of FIG. 4, in which the dispersion port P is formed to be inclined to one side only from the virtual center of the manifold M, and the channel inlets C1 to C5 are proved to be excellent experimentally. It is in Inclined form.

도 14에 도시된 분산 포트(P)의 측벽(W)은 매니폴드(M)에서부터 말단의 채널(C5)에 이르기까지 경사진 일직선을 이루고 있으며, 도 15에 도시된 분산 포트(P)의 측벽(W)은 대체로 그 중간부가 소정의 각도로 더 확장되도록 되어 있으며, 측벽의 말단부는 곡선형을 이루고 있다. The side wall W of the dispersion port P shown in FIG. 14 is inclined in a straight line from the manifold M to the terminal channel C5, and the side wall of the dispersion port P shown in FIG. (W) is generally such that its middle portion is further extended at a predetermined angle, and the distal end portion of the side wall is curved.

도 16은 도 3 및 도 4에 도시된 실시 예의 절충형으로, 분산 포트(P)가 좌우(도면상으로는 상하) 비대칭의 형태를 이루고 있다.FIG. 16 is a compromise between the embodiments illustrated in FIGS. 3 and 4, in which the dispersion ports P are asymmetric in left and right (up and down in the drawings).

본 발명의 매니폴드 구조는 본 발명에 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 매니 폴드와 각 채널 사이에 가스의 분산을 위한 포트(본 발명에서는 편의상 '포트(port)'라는 용어를 사용하고 있지만, 이는 '공간'이나 '통로' 또는 '챔버' 등의 용어와도 상통한다)를 갖는 어떠한 형태의 매니폴드라도 이하에 기재되는 본 발명의 특허청구범위에 포함됨은 자명하다.The manifold structure of the present invention is not limited to the drawings attached to the present invention, but a port for dispersing gas between the manifold and each channel (in the present invention, the term 'port' is used for convenience. It is obvious that any form of manifold having a 'space' or 'path' or 'chamber' term is included in the claims of the present invention described below.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 연료전지 스택의 매니폴드와 각 채널 입구 사이에 가스의 균일한 분배를 위한 분산 포트를 형성한 것으로, 이 분산 포트에 의해 각 셀 및 채널로의 유입가스 분포를 균일하게 유도할 수 있으므로 셀간 전압편차를 최소화하고 연료전지 성능의 안정성 확보가 가능하게 되는 유용한 효과를 갖는다.As described above, the present invention forms a distribution port for uniform distribution of gas between the manifold and each channel inlet of the fuel cell stack, and the distribution port uniformly distributes the inlet gas to each cell and channel. Induction can have a useful effect of minimizing voltage variations between cells and ensuring stability of fuel cell performance.

Claims (6)

연료전지 스택의 매니폴드와 각 채널 입구 사이에 가스의 균일한 분배를 위한 분산 포트가 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 구조.A manifold structure of a fuel cell stack, comprising a distribution port for uniform distribution of gas between the manifold of the fuel cell stack and each channel inlet. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 분산 포트는 매니폴드에서 각 채널 입구 사이의 거리가 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 구조.The distribution port is a manifold structure of a fuel cell stack, characterized in that the same distance between each channel inlet in the manifold is formed. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 분산 포트는 매니폴드에서 각 채널 입구 사이의 거리가 다르게 형성되되, 매니폴드에서 가까운 채널 입구에서부터 멀리 떨어진 채널 입구에 이르기까지 분산 포트의 측벽과 채널 입구의 기울기가 일정한 값을 유지하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 구조.The distribution port is formed with a different distance between each channel inlet in the manifold, the slope of the side wall of the distribution port and the channel inlet from the channel inlet close to the channel in the manifold to maintain a constant value Manifold structure of the fuel cell stack. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3, 상기 분산 포트는 매니폴드의 중심선에서 좌,우 대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 구조.The distribution port is a manifold structure of a fuel cell stack, characterized in that formed in the left and right symmetry in the center line of the manifold. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3, 상기 분산 포트는 매니폴드의 중심선에서 좌,우의 어느 일측에만 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 구조The distribution port is formed only on one side of the left and right of the center line of the manifold manifold structure of the fuel cell stack 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 분산 포트는 매니폴드에서 시작되어 각도가 점차로 벌어지는 1차 확산부와, 이 1차 확산부의 말단에서 각 채널 입구측으로 더 넓은 각도로 확산되는 2차 확산부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 매니폴드 구조. The dispersion port comprises a primary diffusion portion starting from the manifold and gradually spreading at an angle, and a secondary diffusion portion diffused at a wider angle from the end of the primary diffusion portion to each channel inlet side. Fold structure.
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