KR20080098067A - 연료 전지 스택 구조체 - Google Patents

연료 전지 스택 구조체 Download PDF

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Abstract

연료 전지 스택 구조체는 예를 들어, 구멍이 각각 관통하여 형성된 복수의 단전지를 포함한다. 제1 연료 전지 스택은 복수의 단전지를 적층 방향으로 적층하여 형성되며, 구멍에 의해 형성된 내부 매니폴드 개구를 갖는다. 내부 매니폴드 내에서 유동하는 유체를 유동하기 위한 전지 내부의 유체 통로는 단전지의 적층 방향에 대체로 수직인 평면에서 유체를 유동하도록 구성된다. 구조체는 또한 유체를 내부 매니폴드로 공급하는 외부 통로를 갖는 외부 매니폴드를 포함하고, 외부 통로 내에서 유동하는 유체는 유체의 유동 방향에 대향하는 외부 매니폴드 표면에 의해 내부 매니폴드에 인접하여 와류를 생성한다.
연료 전지 스택 구조체, 단전지, 외부 통로, 내부 통로, 매니폴드 홀, 접속부

Description

연료 전지 스택 구조체{FUEL CELL STACK STRUCTURE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2006년 3월 22일자로 출원된 일본 특허 출원 제2006-078958호 및 2007년 1월 25일자로 출원된 일본 특허 출원 제2007-014855호를 우선권 주장하고, 이들의 개시 내용은 본 명세서에서 전체적으로 참조되어 수록된다.
본 발명은 연료 전지 스택 구조체에 관한 것이다.
종래의 연료 전지는 가스 통로를 포함한다. 가스 통로는 연료 전지 스택에 반응 가스를 공급하는 공급관을 각 단전지에 반응 가스를 분배하는 내부 매니폴드에 연결한다. 이 가스관 내에는, 단전지의 적층방향에 평행하게 연장하는 플레이트가 배치된다. 이러한 구성에서의 하나의 단점은 종래의 연료 전지는 각 단전지로 흐르는 유체의 적정한 분배를 항상 보장할 수는 없다는 것이다.
연료 전지 스택 구조체의 실시예가 기재된다. 연료 전지 스택의 일례는 구멍이 각각 관통하여 형성된 복수의 단전지와, 복수의 단전지를 적층방향으로 적층하여 형성되며, 구멍에 의해 형성된 내부 매니폴드 개구를 갖는 제1 연료 전지 스택과, 내부 매니폴드 내로 유체를 유동시키며, 단전지의 적층 방향에 대체로 수직인 평면에서 유체를 유동하도록 구성된 전지내 유체 통로와, 유체를 내부 매니폴드로 공급하는 외부 통로를 갖는 외부 매니폴드를 포함한다. 외부 통로는 유동 방향에 대향하는 표면에 의해 내부 매니폴드에 인접하는 유체에 와류를 생성한다.
일부 도면을 통해 유사한 도면 부호가 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면을 참조로 하여 설명된다.
도1은 본 명세서에 기재된 연료 전지 스택 구조체의 제1 실시예에 따른 연료 전지 및 그 유체 통로 구조를 도시하는 사시도이다.
도2는 제1 실시예에 따른 외부 통로 및 내부 매니폴드 홀의 접속부의 주변을 도시하는 개략도이다.
도3은 제1 실시예에 따른 매니폴드의 통로 구조를 도시하는 정면도이다.
도4의 (a)는 비교예에 따른 내부 매니폴드의 횡단면에서의 연료 가스의 유동 방향을 도시하는 개략도이다.
도4의 (b)는 도4의 (a)에 도시된 개구 주위의 횡단면에서의 연료 가스의 속도 분포를 도시하는 개략도이다.
도5의 (a)는 본 명세서에 기재된 제1 실시예에 따른 내부 매니폴드의 횡단면에서의 연료 가스의 유동 방향을 도시하는 개략도이다.
도5의 (b)는 도5의 (a)에 도시된 개구 주위의 횡단면에서의 연료 가스의 속도 분포를 도시하는 개략도이다.
도6은 비교예에 따른 각 전지로의 연료 가스의 공급 유동량을 나타내는 시뮬 레이션의 결과를 도시하는 개략도이다.
도7은 본 명세서에 기재된 제1 실시예에 따른 각 전지로의 연료 가스의 공급 유동량을 나타내는 시뮬레이션의 결과를 도시하는 개략도이다.
도8은 본 명세서에 기재된 제 1 실시예에 따른 외부 통로와 내부 매니폴드 홀의 접속부의 주변을 도시하는 개략도이다.
도9는 본 명세서에 기재된 제1 실시예에 따른 볼록부를 도시하는 개략도이다.
도10은 본 명세서에 기재된 제1 실시예에 따른 볼록부의 또 다른 구성을 도시하는 개략도이다.
도11의 (a)는 본 명세서에 기재된 제1 실시예에 따른 볼록부의 또 다른 구성을 도시하는 개략도이다.
도11의 (b)는 도11의 (a)에 도시된 횡단면을 도시하는 개략도이다.
도12는 본 명세서에 기재된 제1 실시예에 따른 볼록부의 또 다른 구성을 도시하는 개략도이다.
도13의 (a)는 본 명세서에 기재된 연료 전지 스택 구조체의 제2 실시예에 따른 상부 외부 통로 구조를 도시하는 정면도이다.
도13의 (b)는 본 명세서에 기재된 제2 실시예에 따른 하부 외부 통로 구조를 도시하는 정면도이다.
도14는 본 명세서에 기재된 제2 실시예에 따른 연료 전지 및 그 유체 통로 구조를 도시하는 사시도이다.
도15는 본 명세서에 기재된 제2 실시예에 따른 외부 유체 통로 입구의 주변을 도시하는 종단면도이다.
도16은 본 발명에 따른 세퍼레이터를 도시하는 개략도이다.
도17은 도16에 도시된 선 D-D를 따라 취한 단면도로서, 본 발명에 따른 단전지를 나타내는 도면이다.
이하에, 본 명세서에 기재된 바와 같은 연료 전지 스택 구조체의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조로 하여 설명된다.
도1은 본 명세서에 기재된 바와 같은 연료 전지 스택 구조체의 제1 실시예에 따른 연료 전지 및 그 유체 통로 구조를 도시한다. 연료 전지(1)는 복수의 단전지(32)(도17 참조)를 적층하여 형성된 적층체(2)와 그 양 단부로부터 적층체(2)를 보유하는 각각의 단부 플레이트(3)를 포함한다. 단전지(32)는 멤브레인 전극 어셈블리(31)(MEA)를 통해 서로 대향하는 연료 가스 및 산화 가스용 세퍼레이터(30)(도16 및 도17에서 선 D-D를 따른 단면도 참조)를 위치시키고, 냉각용 세퍼레이터를 적층함으로써 형성된다. 이 경우, 복수의 연료 전지(1), 예를 들어 2단의 상부 및 하부 연료 전지가 케이스(도시되지 않음) 내에 배치된다. 또한, 통상의 매니폴드[외부 매니폴드(4)]가 상부 및 하부 연료 전지(1)의 일단부에 배치된다.
본 명세서에 기재된 바와 같은 연료 전지 스택 구조체는 외부 통로로부터 유동하는 유체가 내부 매니폴드 홀로 유도되는 경우의 유동 분리를 방지한다. 또한, 연료 전지 스택 구조는 압력 손실도 저감시킬 수 있다. 따라서, 내부 매니폴드 홀 내의 전지 적층 방향으로 유동하는 유체의 분배성을 향상시킬 수 있다. 이 결과, 스택에서 전지들 사이의 발전 성능 바이어스가 제거되어 발전 효율을 개선시킨다.
연료 전지(1)에서 (연료 가스, 냉매 및 산화 가스가 각각 공급되는) 유체 공급 매니폴드 홀(5a 내지 5c)과 (각 유체가 배출되는) 유체 배출 내부 매니폴드 홀(6a 내지 6c)은 각각 적층방향으로 적층체를 구성하는 단전지(32) 및 세퍼레이터(30)를 관통한다. 각 유체 공급 매니폴드 홀은 셀 내에서 각 대응하는 유체 배출 매니폴드 홀과 연통한다. 또한, 각 유체 공급 매니폴드 홀은 유체의 종류에 따라 서로 분리되는 셀내 유체 통로를 통해 유체가 유동하도록 구성된다.
내부 매니폴드 홀(5a 내지 5c 또는 6a 내지 6c)의 일단부(도면에 도시된 구조체의 전방측에 배치된 단부)에 배치된 단부 플레이트(3)에, 각 내부 매니폴드 홀에 합치하는 개구(7)가 형성된다. 또한, 매니폴드(4)는 단부 플레이트(3)에 결합되어 각 개구(7)를 통해 각 내부 매니폴드 홀 내에 유체를 공급 또는 배출한다.
더 상세하게는, 도3을 참조하면, 각 유체의 종류에 대해서, 매니폴드(4)는 연료 가스용 입구측 외부 통로(11a) 및 출구측 외부 통로(12a)와, 냉매용 입구측 외부 통로(11b) 및 출구측 외부 통로(12b)와, 산화 가스용 입구측 외부 통로(11c) 및 출구측 외부 통로(12c)를 포함한다. 즉, 유체 공급 (입구측) 외부 통로(11a 내지 11c)는 각 입구부(13a 내지 13c)로부터 각 스택의 내부 매니폴드 홀의 개구를 향해 전지 표면을 따라 연장하도록 구성되고, 통로의 중간에서 2방향으로 분기된다. 또한, 유체 배출 (출구측) 외부 통로(12a 내지 12c)는 2종류의 유체를 배출하기 위한 내부 매니폴드 홀을 통상의 출구부(14a 내지 14c)로 집합하도록 구성된다. 도3에서는 중복해서 도시되어있지만, 외부 통로(11a 내지 11c및 12a 내지 12c)는 중심부 구조를 통해 매니폴드(4) 내에서 서로 간섭하지 않도록 형성된다.
다양한 외부 통로 중에, 도1은 연료 가스 공급 외부 통로(11a) 및 연료 가스 배출 외부 통로(12a)만을 도시한다. 이하에, 연료 전지 스택 구조체의 실시예의 특징적인 형상부가 연료 가스 공급 외부 통로(11a)를 참조로 하여 설명된다. 도2에 도시된 실시예에서, 외부 통로(11a)를 연료 가스용 내부 매니폴드 홀(5a)의 개방 방향으로부터 본 경우, 외부 통로(11a) 및 전지내 유체 통로(1a)의 방향은 개구(7) 주위의 외부 통로(11a)의 유동선과 내부 매니폴드 주위의 전지내 유체 통로(1a)의 유동선이 대략 수직으로 교차하도록 설정된다.
또한, 도시된 바와 같이, 내부 매니폴드(5a)와 그 개구(7)는 평탄한 형상을 갖는다. 더 상세하게는, 그들은 횡방향으로 연장된 직사각형 형상이다. 또한, 그것의 장측으로부터 연장된 외부 통로(11a)는 전지내 유체 통로(1a)와 대략 수직으로 교차한다. 게다가, 전지내 유체 통로(1a)는 개구(7)로부터 본 경우에 그것의 단측부에서 개방되도록 형성된다. 또한, 개구(7)의 장측의 폭이 A이면, 개구 주위의 외부 통로(11a)의 폭은 B이며, 통로(11a)의 폭이 폭 B의 부분으로부터 개구(7)와의 접속부를 향해 점차 증가하지만, 폭 A는 폭 B보다 크게 설정된다(A > B).
매니폴드(4)의 외부 통로(11a)를 이러한 구조로 형성함으로써, 그 입구부(13a)를 통해 외부 통로(11a)로 공급된 연료 가스가 내부 매니폴드 홀(5a) 내로 유동하는 경우, 내부 매니폴드 홀(5a)에서 개방된 전지내 유체 통로(1a)의 방향으로 속도 성분 없이 연료 가스가 유동한다. 이에 의해, 내부 매니폴드 홀(5a)의 개 구(7) 주위의 속도 성분에 의한 전지 중의 역유동의 임의의 바이어스가 방지될 수 있다. 이와 같이, 적층체(2)의 발전 효율이 향상될 수 있다. 이러한 효과가 자세하게 이하에서 설명된다.
내부 매니폴드 홀(5a)의 접속부(20)의 단측이 대체로 평행한 방향으로 전지내 유체 통로(1a)에 연결될 수 있다. 도4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 고속(최대 속도 범위 50 m/s 내지 100 m/s)으로 유동하는 연료 가스의 유동은 절곡부의 외측으로 바이어스 되도록 접속부(20)에서 그 방향을 90도 변화시킨다. 이 결과, 이러한 유동은 내부 매니폴드 홀(5a)의 상류인 전지내 유체 통로(1a)의 개방측 벽표면으로부터 분리된다. 또한, 도면에 도시된 바와 같이, 저압의 하류 연료 가스가 전지내 유체 통로(1a)에서 후방으로 유동하는 곳에서 루프백 현상이 발생한다.
도4의 (b)는 내부 매니폴드 홀(5a)의 최상류에 배치된 연료 전지의 전지내 유체 통로(1a)의 입구 주위에서 취한 내부 매니폴드(5a)의 횡단면에서의 연료 가스의 속도 분포를 나타낸다. 루프백 현상이 발생하는 경우, 내부 매니폴드 홀(5a)의 상류에 대향하는 전지내 유체 통로(1a)의 개구는 내부 매니폴드 홀(5a)의 하류에 대향하는 전지내 유체 통로(1a)의 개구보다 낮은 압력을 특징으로 한다. 이러한 압력차에 의해, 내부 매니폴드 홀(5a)의 상류에 대향하는 전지내 유체 통로(1a)에 공급되는 연료 가스의 양은 전지내 유체 통로(1a)의 다른 부분에 공급되는 연료 가스의 양보다 적어진다.
또한, 도6은 위의 경우에서 각 전지로의 연료 가스 공급 유량을 나타내는 시 뮬레이션의 결과를 도시한다. 도6에 도시된 바와 같이, 적층체(2)를 구성하는 각 전지에 공급되는 연료 가스량에 현저한 바이어스가 발생하고, 연료 가스가 상류측으로 공급되지 않는다.
또한, 내부 매니폴드 홀(5a)은 편평한 직사각형 단면을 가지도록 형성될 수 있다. 또한, 외부 통로(11a)는 대략 직선인 방향에서 내부 매니폴드 홀(5a)의 접속부(20)의 장측으로부터 전지내 유체 통로(1a)에 연결될 수 있다. 도5의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 전단 유동(예를 들어, 와류)이 내부 매니폴드 홀(5a)의 접속부(20), 개구(7) 및 상류의 횡단면의 더 좁은 부분에서 대향하는 방향으로 서로 대면하는 2개의 고속유체에 의해 형성된다. 즉, 내부 매니폴드 홀(5a)에서의 연료 가스의 유동은 횡방향으로 속도 성분을 갖는다. 이러한 유동 통로 구조에 있어서, 내부 매니폴드 홀(5a) 내에서 와류가 형성되면, 횡단 표면 내의 압력 편차가 더 작아진다. 이에 따라, 루프백 현상이 발생하는 내부 매니폴드 홀(5a)의 상류와 하류 사이의 압력차가 완화된다. 또는, 하나의 유동 방향을 갖는 와류가 내부 매니폴드 홀(5a) 내에서 형성될 수 있다.
또한, 도7은 위의 경우에서 각 전지로의 연료 가스 공급 유량을 나타내는 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 도7에 도시된 바와 같이, 적층체(2)를 구성하는 각 전지에 공급되는 연료 가스량이 균일하게 분배된다는 것이 이해된다.
또한, 본 실시예는 외부 통로(11a)와 내부 매니폴드의 접속부(20)의 폭 A가 외부 유동 통로(11a)의 유동 통로 폭 B보다 더 큰 구성을 갖는다. 또한, 외부 통로(11a)는 접속부(20)로의 연결을 위해 점차 확장된다. 이에 따라, 외부 통 로(11a)와 접속부(20)의 장측의 교차선이 평활한 구성을 갖는다. 또한, 외부 통로로부터의 연료 가스의 유동 속도가 안정적으로 된다. 게다가, 내부 매니폴드 홀(5a) 내의 와류도 안정적으로 된다. 이와 같이, 내부 매니폴드 홀(5a)의 횡단 표면 내의 압력 편차가 작아진다. 또한, 내부 매니폴드 입구 주위의 유체 분리가 억제된다. 내부 매니폴드 입구 주위의 유체 분리는 하류 측에서 전지들 사이의 역유동에 역효과를 가질 수 있다. 이에 따라, 적층체(2)의 발전 효율이 더 향상될 수 있다.
또한, 도8에 도시된 바와 같이, 외부 유체 통로(11a)의 중심선(일점 쇄선으로 표시됨)은 접속부(20)의 중심선(점선으로 표시됨)과 합치한다. 이에 의해, 내부 매니폴드 홀(5a) 내에서 2개의 와류가 균형을 이루며 형성되고, 내부 매니폴드 홀(5a)의 횡단 표면 내의 압력 편차는 작아진다. 따라서, 적층체(2)의 발전 효율이 더 향상될 수 있다.
또한, 도9에 도시된 바와 같이, 외부 유체 통로(11a)로부터의 연료 가스가 그 유동 방향을 바꾸는 접속부(20)의 장측의 벽 표면 상에 평활한 볼록부(25)가 배치된다. 이에 의해, 내부 매니폴드 홀(5a) 내에서 2개의 와류가 균형을 이루며 형성되고, 내부 매니폴드 홀(5a)의 횡단 표면 내의 압력 편차는 작아진다. 따라서, 적층체(2)의 발전 효율이 더 향상될 수 있다.
또한, 도10에 도시된 바와 같이, 매니폴드 외부 유체 통로(11a)의 중심선이 매니폴드의 구조상 제약으로 인해 접속부(20)의 장측의 중심선으로부터 좌우로 오프셋될 수 있다. 이 경우, [외부 유체 통로(11a)로부터의 연료 가스가 그 유동 방 향을 바꾸는] 접속부(20)의 장측의 벽 표면 상에 형성된 볼록부(25)의 앞부분 만곡 표면(R)의 중심선(점선으로 표시됨)이 매니폴드 외부 유체 통로(11a)의 중심선(일점 쇄선으로 표시됨)과 합치된다. 이에 따라, 내부 매니폴드 홀(5a) 내에서 2개의 와류가 균형을 이루며 형성된다. 이와 같이, 내부 매니폴드 홀(5a)의 횡단 표면 내의 압력 편차는 작아진다. 따라서, 적층체(2)의 발전 효율이 더 향상될 수 있다.
또한, 내부 매니폴드 홀(5a) 내에 형성된 2개의 와류는 균일하지 않을 수 있다. 이와 같이, 단면 표면 내의 압력 편차가 목표값보다 작아지지 않는다. 이 경우, 도11의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 볼록부(25)가 연료 가스의 유동 속도가 다른 측보다 큰 외부 유체 통로 접속부(20)의 2개의 단측(도11의 우측과 같이) 중 하나에 배치되어, 점도 저항을 증대시킨다. 즉, 고속에서의 유체의 운동에너지는 고속으로 유동하는 연료 가스를 감속시키도록 유체의 점도에 의해 열에너지로 변환된다. 이 결과, 2개의 와류의 유동 속도가 균일하게 되어, 횡단 표면 내의 압력 편차를 감소시킨다.
또한, 외부 유체 통로 접속부(20)와 단부 플레이트 개구(7)의 플레이트 두께가 구조상 제약에 의해 커질 수 있다. 또한, 내부 매니폴드 홀(5a)의 상류에 형성된 2개의 와류 사이의 거리는 와류가 전지내 유체 통로 입구(1a)에 도달하도록 연장된다. 이 경우, 도12에 도시된 바와 같이, 미세 요철부(25)는 외부 유체 통로(11a)로부터의 연료 가스가 그 유동 방향을 바꾸는 접속부(20)의 전체 표면 상에 형성된다. 이에 따라, 와류와 벽 표면의 접촉 면적은 작아지고, 점도 마찰에 의한 운동 에너지 손실량을 억제된다. 이 결과, 전지내 유체 통로 입구(1a) 주위의 횡단면 내의 압력 편차가 작아지도록 2개의 와류 사이의 거리는 길어진다.
또한, 내부 매니폴드 홀(5a)의 단면은 편평한 형상으로 형성된다. 또한, 전지내 유체 통로 입구(1a)는 그것의 단측에서 개방된다. 이와 같이, 외부 통로(11a)로부터 내부 매니폴드 홀(5a) 까지의 유동의 편향점에서 유체 분리가 발생할 수 있는 공간이 좁아진다. 이 때문에, 편향점 주위에서 유체 분리가 발생한 경우에도, 이러한 분리의 범위가 작아진다. 그 범위까지는, 전지내 유체 통로(1a)의 개구와의 유체 접촉 면적이 확보될 수 있어, 역유동의 균일성을 높일 수 있다.
도13의 (a) 및 (b)는 본 명세서에 기재된 연료 전지 스택 구조체의 제2 예시적인 실시예를 도시한다. 매니폴드(4)에서, 유체가 매니폴드 홀까지 상방으로 유동하도록, 외부 통로(11a 내지 11c)는 각각 내부 매니폴드 홀(5a 내지 5c)에 연결된다. 이와 같이, 도13의 (b)에 도시된 바와 같이, 유체 입구(13a)로부터 분기되고 입구부보다 낮게 배치된 외부 통로(11a)는 박부(15)를 통해 개구(7)에 연결되도록 구성된다. 박부(15)는 입구부보다 높게 배치된 (상부) 외부 통로(11a)[도13의 (a) 참조]의 폭(B)보다 좁은 폭(b)을 갖는다. 박부(15)의 최소 통로 단면적은 외부 통로(11a)의 최소 외부 통로 단면적보다 작다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 방향 지시어는 중력의 일반적인 방향에 대해서 명기된다. 그러한 단락에서, 예를 들어, "상방으로" 및 "더 높게"라는 말은 중력의 방향에 반하는 방향을 나타내지만, "더 낮은"이라는 말은 대체로 중력의 방향을 나타낸다.
낮은 위치에 배치된 외부 통로(11a) 내에서 유동하는 가스에 수분이 응축된 다는 점에서 어려움이 있을 수 있다. 응축된 수분은 접속부(20) 내에서의 가스 유동을 방해한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 실시예는 상대적으로 작은 단면적을 가진 박부(15)를 사용한다. 이는 박부(15)에서의 가스 유속이 상승하여 수분이 그 내에서 응축되는 것을 방지하기 때문이다. 이와 같이, 응축된 수분에 의해 야기되는 압력 손실 또는 역 유동 열화가 방지될 수 있다.
반면에, 도14에 도시된 바와 같이, 매니폴드 홀의 접속부(20)로 유체가 하방으로 유동하도록 외부 통로(11a)를 형성하는 레이아웃이 낮은 단부에 배치된 연료 전지(1)의 연료 가스용 내부 매니폴드 홀(5a)에 적용될 수 있다. 이와 같이, 수분은 개구(7) 주위에 응축되지 않는다. 따라서, 박부(15)가 개구 내에 반드시 배치되어야 하는 것은 아니다.
또한, 도15는 도14의 선C-C로부터 취한 외부 유체 통로 입구(13a)의 단면도를 도시한다. 도15에 도시된 바와 같이, 판형상의 히터(16)가 외부 유체 통로 입구(13a)가 매니폴드 외부 유체 통로(11a)의 바닥면에 접촉하여 90도로 그 유동방향을 바꾸는 편향 영역에 배치된다. 이와 같이, 연료 가스의 압력이 높고 수분이 용이하게 응축되는 영역에서의 온도를 상승시키는 것이 가능하다. 이는 수분이 그 안에서 응축되는 것을 효과적으로 방지한다. 또한, 수분 흡수 및 습기 분산 특성 뿐만 아니라 낮은 열 전도성을 가진 단열재(예를 들어, 울)를 외부 유체 통로(11a)의 전체 바닥면 상에 배치함으로써 동일한 효과가 얻어질 수 있다.
또한, 예시적인 실시예의 구성 및 기술상의 효과가 연료 가스용 예시적인 외부 통로(11a) 및 내부 매니폴드 홀(5a)에 대하여 상술되었다. 그러나, 이러한 기 술상의 효과는 또한 냉매 또는 산화 가스용 외부 통로(11b 및 11c)와 내부 매니폴드 홀(5b 및 5c)에 대하여 동일한 구조를 적용하는 경우에도 얻어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
이에 따라, 전술한 실시예는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 기술된 것으로 본 발명을 제한하지는 않는다. 반면에, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 포함되는 다양한 변형예 및 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 법하에 인정되는 그러한 모든 변형예 및 균등물을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 구멍이 각각 관통하여 형성된 복수의 단전지와,
    상기 복수의 단전지를 적층방향으로 적층하여 형성되며, 상기 복수의 단전지의 구멍에 의해 형성된 내부 매니폴드의 개구를 갖는 연료 전지 스택과,
    상기 내부 매니폴드 내로 유체를 유동시키며, 상기 단전지의 적층방향에 대체로 수직인 평면에서 상기 유체를 유동하도록 구성된 전지내 유체 통로와,
    상기 유체를 상기 내부 매니폴드로 공급하는 외부 통로를 갖는 외부 매니폴드를 포함하며,
    상기 외부 매니폴드의 외부 통로는 상기 내부 매니폴드에 인접하는 유체에 와류를 생성하도록 구성되고, 상기 외부 매니폴드는 상기 유체의 유동 방향에 대향하는 표면을 구비하는 연료 전지 스택 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내부 매니폴드는 장측과 단측을 갖는 직사각형 단면 형상이고, 상기 전지내 유체 통로는 상기 내부 매니폴드 개구의 단측과 유동적으로 결합하며, 상기 외부 통로는 상기 내부 매니폴드 개구의 장측과 유동적으로 결합하는 연료 전지 스택 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 외부 통로의 폭은 상기 내부 매니폴드 개구와의 접속부를 향해 점차 커지는 연료 전지 스택 구조체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 매니폴드로 상기 유체를 공급하는 입구를 더 포함하고, 상기 외부 매니폴드의 외부 통로는 상기 입구가 상기 개구보다 더 낮은 위치에 배치되는 경우 상기 개구로 상방으로 연결되는 연료 전지 스택 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 연료 전지 스택 상에 위치한 제2 연료 전지 스택과,
    상기 제2 연료 전지 스택의 상부 위치에 대응하는 상기 입구의 상부 위치에 배치된 상부 측 개구와,
    상기 입구와 상기 상부 측 개구를 연결하는 상부 측 외부 통로를 더 포함하고,
    상기 외부 통로의 최소 통로 단면적이 상기 상부 측 외부 통로의 최소 통로 단면적보다 작은 연료 전지 스택 구조체.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 매니폴드에 상기 유체를 공급하는 입구를 더 포함하며, 상기 외부 통로는 상기 입구가 상기 개구보다 높은 위치에 배치된 경우 상기 개구 아래에 연결되는 연료 전지 스택 구조체.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 통로로부터 상기 내부 매니폴드로 유동하는 유체의 유동 방향은 상기 개구의 장측에 수직이고, 상기 외부 통로의 폭의 중심선이 상기 개구의 장측 방향의 중심선에 합치되도록 상기 외부 통로가 상기 내부 매니폴드에 연결된 연료 전지 스택 구조체.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 통로로부터 상기 개구로 상기 유체가 흐르는 방향에서 상기 외부 통로의 폭의 중심선은 상기 외부 통로와 상기 개구의 접속부에 대향하는 장측의 중심선에 합치하도록 상기 외부 통로와 상기 내부 매니폴드의 상기 접속부는 정점을 갖는 평활한 볼록부를 더 구비하는 연료 전지 스택 구조체.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 통로와 상기 내부 매니폴드의 상기 접속부의 상기 개구의 내주연 상에 볼록부를 더 구비하는 연료 전지 스택 구조체.
  10. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 통로와 상기 내부 통로의 상기 접속부의 단측 중 일 측 상에 볼록부를 더 구비하고, 상기 일 측은 상기 짧은 측 중 다른 나머지 측보다 유속이 빠른 연료 전지 스택 구조체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 매니폴드에 유체를 공급하는 입구와, 상기 입구에 대향하는 상기 외부 통로의 상기 바닥면 상에 히터를 더 구비하는 연료 전지 스택 구조체.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 통로의 상기 바닥면 상에 단열재를 더 포함하는 연료 전지 스택 구조체.
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