KR20080053997A

KR20080053997A - 가습기를 일체로 구성한 연료전지 스택

Info

Publication number: KR20080053997A
Application number: KR1020060125992A
Authority: KR
Inventors: 서진식
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2008-06-17

Abstract

본 발명은 가습기를 일체로 구성한 연료전지 스택에 관한 것으로서, 분배박스(14)의 양측에 각각 배치된 2 개씩의 연료전지 모듈(12A와 12D, 12B와 12C)사이에는 상기 분배박스(14)를 통해 유입된 공기를 가습하여 다시 상기 분배박스(14)를 통하여 유출시키는 가습 모듈(16A, 16B)이 배치되어 연료전지 스택과 일체로 되어 있으며, 연료전지의 성능 및 시스템 효율을 향상할 뿐 아니라 절연성을 높이는 효과가 있다.

Description

가습기를 일체로 구성한 연료전지 스택{fuel cell stack united with a humidifier}

도1은 종래 연료전지 스택의 개략 구성도,

도2는 본 발명이 적용된 연료전지 스택의 개략 구성도,

도3은 도2에서 상측 연료전지 모듈과 하측의 연료전지 모듈의 고정구조,

도4는 도2에서 연료전지 스택의 전기적 연결상태를 나타내는 구성도,

도5는 도2의 연료전지 모듈의 구성도 및 유체 흐름 상태도,

도6은 도2의 가습 모듈의 구성도 및 유체 흐름 상태도,

도7의 (a) 내지 (d)는 도2의 분배 박스의 구성도 및 유체흐름 상태도이다.

<도면 중 주요 부호에 대한 설명>

10 : 연료전지 스택 12A ~ 12D : 연료전지 모듈

14 : 분배박스 16A, 16B : 가습 모듈

18, 18' : 고정봉

본 발명은 가습기를 일체로 구성한 연료전지 스택에 관한 것으로서, 분배박 스의 각 일측에 구비된 두 개의 각 연료전지 모듈사이에 가습 모듈을 배치하므로써 연료전지의 성능 및 시스템 효율을 향상하고 연료전지 모듈사이의 절연성을 높인 가습기를 일체로 구성한 연료전지 스택에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료인 수소와 산화제인 공기 중 산소의 전기 화학적 반응에 의해 화학적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로서, 2개 또는 4개의 연료전지 모듈이 모여서 형성된다.

도1은 종래 연료전지 스택을 나타내는 개략도이다. 도시한 바와 같이, 연료전지 스택(1)은 양측에 각각 형성된 2개의 연료전지 모듈(2A, 2B, 2C, 2D)에 수소, 공기 및 냉각수를 공급하기 위하여 양측의 연료전지 모듈(2A와 2D, 2B와 2D)사이에 사이에 분배박스(4)를 설치하여 일체로 하고, 연료전지 스택(1)의 성능을 도모하기 위해 연료전지 스택(1)에 유입되는 공기를 가습하기 위한 가습기(6)가 별도로 설치된 구조이다.

상기 연료전지 스택(1)에서 수소, 공기 및 냉각수는 상기 분배박스(4)의 입구단으로 유입되고, 상기 분배박스(4)에 의해 각 연료전지 모듈(2A, 2B, 2C, 2D)로 분배되고, 상기 각 연료전지 모듈(2A, 2B, 2C, 2D)에서 반응 또는 열전달을 마친 수소, 공기 및 냉각수는 다시 분배박스(4)를 통해 연료전지 스택(2)밖으로 유출된다. 이때, 연료전지 스택(1)에 유입되는 공기는 별도로 구성된 가습기(6)을 통과하면서 연료전지 스택(1)을 통과하고 나오는 공기 또는 냉각수와 물질교환을 통해 가습이 이루어진 후 연료전지 스택(1)으로 들어가게 된다.

이와 같이 구성된 종래 연료전지 스택은, 연료전지 스택(1)과 가습기(6)가 별도로 구성되어 있으므로, 공간을 많이 차지하여 공간확보성이 좋지 않고, 연료전지 스택과 가습기를 연결하기 위한 연결관과 클램프 등과 연료전지 스택과 가습기를 지탱하는 지지구조가 각각 필요하므로 부품수가 증가하며, 한정된 공간 내에 연료전지 스택과 가습기를 위치시킬 때 다른 요소들과의 공간 배정을 위한 레이아웃설계에 어려움이 있고, 가습기로 들어가는 공기는 외부공기이므로 상온으로서 가습기를 통과하면서 얻을 수 있는 가습량이 매우 적으며 불충분한 가습은 연료전지 스택의 성능저하를 야기하며, 공기의 유동경로가 증가하여 압력강하의 증가로 인한 전체적 시스템의 와류손실의 증가 때문에 시스템 효율이 저하하고, 연료전지 모듈이 매우 근접하게 위치하여 누전의 위험이 크다는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 연료전지 스택과 가습기를 일체화한 구조가 일본공개특허 제2001-023662호 및 일본공개특허 평9-204924호 등으로 개시되어 있다.

그런데, 종래 연료전지 스택과 가습기를 일체화한 구조는 연료전지의 성능 및 시스템 효율을 만족할 만하게 향상하지 못하며, 연료전지 모듈이 완전히 분리되어 있지 못하므로 절연성이 낮다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 분배박스와 가습 모듈에 의해 각 연료전지 모듈을 서로 완전히 분리하여 구성하므로써, 연료전지의 성능 및 시스템 효율을 향상할 뿐 아니라 절연성을 높이는 가습기를 일체로 구성한 연료전지 스택을 제공하는데 있다.

본 발명에 의한 가습기를 일체로 구성한 연료전지 스택은, 분배박스의 양측에 각각 2개씩의 연료전지 모듈이 배치되어, 분배박스를 통해 각 연료전지 모듈로 유입된 수소, 공기 및 냉각수가 반응 및 열전달을 마친 후 다시 분배박스를 통해 외부로 유출되는 연료전지 스택에 있어서, 상기 분배박스의 양측에 각각 배치된 2 개씩의 연료전지 모듈사이에는 상기 분배박스를 통해 유입된 공기를 가습하여 다시 상기 분배박스를 향하여 유출시키는 가습 모듈이 배치되어 연료전지 스택과 일체로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 가습 모듈과 이 가습 모듈의 양측에 배치된 연료전지 모듈은 고정봉에 의해 서로 연결되며, 상기 고정봉은 체결부재에 의해 상기 분배 박스에 고정되어 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도2은 본 발명이 적용된 연료전지 스택의 개략 구성도이다. 도시한 바와 같이, 연료전지 스택(10)은, 양측에 각각 형성된 2개의 연료전지 모듈(12A, 12B, 12C, 12D)에 수소, 공기 및 냉각수를 공급하기 위하여 양측의 연료전지 모듈(12A와 12D, 12B와 12C)사이에 분배박스(14)를 배치하고, 상기 분배박스(14)의 양측에 각각 배치된 2개씩의 연료전지 모듈(12A와 12D, 12B와 12C)사이에는 상기 분배박스(14)를 통해 유입된 공기를 가습하여 다시 상기 분배박스(14)를 향하여 유출시키는 가습 모듈(16A, 16B)이 배치되어 연료전지 스택(10)과 일체로 되어 있다.

도3에 도시한 바와 같이, 상기 가습 모듈(16A, 또는 16B)과 이 가습 모듈(16A, 또는 16B)의 각 양측에 배치된 연료전지 모듈(12A와 12D, 또는 12B와 12D)은 고정봉(18, 18')에 의해 서로 연결되며, 상기 고정봉(18, 18')은 도시한 않은 체결부재에 의해 체결구멍(18a, 18'a)를 통해 상기 분배 박스(14)에 고정되어, 부피를 최소화한다.

그리고, 도4에 도시한 바와 같이, 분배박스(14)의 양측에 배치된 연료전지 모듈(12A와 12B, 12C와 12D)를 부스바(20A, 20B)를 이용하여 전기적으로 연결한다. 이때, 분배박스(14)의 양측에 배치된 양측 모듈을 부스바(20A, 20B)를 통해 연결할 시 양쪽면에 모두 연결하는데, 이는 편향된 전기흐름을 방지하는 효과가 있다.

그리고, 상기 분배박스(14)의 일측에 배치된 2개의 연료전지 모듈(12A, 12D)를 부스바(22A, 22B)로 연결하여 전기적으로 연결하고, 상기 분배박스(14)의 타측에 배치된 2개의 연료전지 모듈(12B, 12C)에는 전원 입출구 단자(24A, 24B)를 형성한다.

도5는 도2의 연료전지 모듈(12A ~ 12D)중의 하나를 나타내는 사시도로서, 측면에 형성된 구멍은 수소, 공기 및 냉각수의 출입구를 나타낸다. 도면에서는 화살표(F1, F2)로 공기의 흐름만 나타내었다.

도6은 도2의 가습 모듈(16A, 16B)중의 하나를 나타내는 사시도로서, 측면에 형성된 구멍은 공기의 출입구를 나타낸다. 도면에서 화살표(H1, H2, H3, H4)는 공기의 흐름을 나타내는데, 실선은 습한 공기를 나타내고, 점선은 건조한 공기를 나타낸다.

도7은 도2의 분배박스(14)를 나타내는 사시도로서, 측면 상측의 6개의 구멍은 상측의 연료전지 모듈(12D, 또는 12C)에 연통하는 구멍이고, 측면 중간의 4개의 구멍은 가습 모듈(16A 또는 16B)에 연통하는 구멍이며, 측면 하측의 6개의 구멍은 하측의 연료전지 모듈(12A, 또는 12B)에 연통하는 구멍이고, 전면의 구멍은 외부에 연통하는 구멍이다. 그리고, 도7 (a) ~ (d)의 화살표는 공기의 흐름을 나타낸다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 가습기를 일체로 구성한 연료전지 스택에서, 도5 내지 도7에 화살표로 표시한 바와 같이, 외부의 건조공기가 분배박스(14)에 유입한 다음(도7의 (a)에서 D1), 가습 모듈(16A, 16B)를 향하여 유출한다(도7의 (a)의 D2, D2').

다음에 가습 모듈(16A 또는 16B)에 유입하여(도6의 H1), 가습된 후 분배박스(14)를 향하여 유출한다(도6의 H2). 가습 모듈내에서 건조공기의 가습은 연료전지 모듈에서 반응을 마치고 나온 공기(H3) 또는 열교환을 마치고 나온 냉각수(흐름 도시안됨)와 물질전달을 통해 이루어진다. 이때, 가습 모듈(16A 또는 16B)의 위 또는 아래에 있는 연료전지 모듈(12A ~ 12D)로부터 건조공기가 가열되어 더 많은 수증기를 포함 할 수 있어 가습량이 증가한다.

가습 모듈(16A 또는 16B)에서 가습된 공기는 다시 분배박스(14)에 유입한 다음(도7의 (b)의 D3, D3'), 연료전지 모듈(12A ~ 12D)을 향하여 유출한다(도7의 (b)의 D4, D4').

다음에 연료전지 모듈(12A ~ 12D)에 유입하여(도5의 F1), 수소 및 냉각수와 함께 전기화학반응을 하여 습공기로 변한 후, 분배박스(14)를 향하여 유출한다(도5 의 F2).

상기 습공기는 다시 분배박스(14)에 유입한 다음(도7의 (c)의 D5, D5'), 가습 모듈(16A 또는 16B)을 향해 유출한다(도7의 (c)의 D6, D6').

다음에 가습 모듈(16A 또는 16B)에 유입하여(도6의 H3) 수증기를 빼앗겨 상대적으로 건조하게 된 후, 분배박스(14)를 향하여 유출한다(도6의 H4).

건조된 공기는 분배박스(14)에 유입한 다음(도7의 (d)의 D7, D7'), 외부로 유출한다(도7의 (d)의 D8).

이와 같이, 연료전지 모듈(12A ~ 12D)의 출구공기로부터 입구공기가 가습되는 경우에는, 연료전지 모듈(12A ~ 12D)에서 반응을 마치고 나온 공기는 분배박스(14)로 유입되어 가습 모듈(16A, 16B)로 유도되고, 여기서 입구공기는 물질전달을 마치고 분배박스(14)로 들어가서 연료전지 모듈(12A ~ 12D)로 분배되고, 열교환을 마친 후 다시 분배박스(14)를 통해 외부로 유출된다.

한편, 냉각수로부터 입구공기가 가습되는 경우에는, 연료전지 모듈(12A ~ 12D)에서 반응을 마친 공기는 분배박스(14)를 통해 외부로 유출되고 냉각수는 연료전지 모듈(12A ~ 12D)에서 열교환을 마친 후, 분배박스(14)을 통해 가습 모듈(16A, 16B)로 유도되어, 물질전달을 통해 입구공기를 가습시킨 다음 분배박스(14)를 통해 외부로 유출된다.

이러한 본 발명의 연료전지 스택은 가습모듈의 상, 하측에 연료전지 모듈이 배열되어 있으므로 가습효과를 높이며, 분배박스와 가습 모듈에 의해 각 연료전지 모듈이 서로 완전히 분리되어 배치되므로 절연성을 높인다.

본 발명에 의한 가습기를 일체로 구성한 연료전지 스택은 분배박스와 가습 모듈에 의해 각 연료전지 모듈을 서로 완전히 분리하여 구성하므로써, 연료전지의 성능 및 시스템 효율을 향상할 뿐 아니라 절연성을 높이는 효과가 있다.

Claims

분배박스의 양측에 각각 2개씩의 연료전지 모듈이 배치되어, 분배박스를 통해 각 연료전지 모듈로 유입된 수소, 공기 및 냉각수가 반응 및 열전달을 마친 후 다시 분배박스를 통해 외부로 유출되는 연료전지 스택에 있어서,

상기 분배박스(14)의 양측에 각각 배치된 2 개씩의 연료전지 모듈(12A와 12D, 12B와 12C)사이에는 상기 분배박스(14)를 통해 유입된 공기를 가습하여 다시 상기 분배박스(14)를 향하여 유출시키는 가습 모듈(16A, 16B)이 배치되어 연료전지 스택과 일체로 되어 있는 것을 특징으로 하는 가습기를 일체로 구성한 연료전지 스택.
청구항 1에 있어서,

상기 가습 모듈(16A, 16B)과 이 가습 모듈의 양측에 배치된 연료전지 모듈(12A와 12D, 12B와 12C)은 고정봉(18, 18')에 의해 서로 연결되며,

상기 고정봉(18, 18')은 체결부재에 의해 상기 분배 박스(14)에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 가습기를 일체로 구성한 연료전지 스택.