KR20100106060A - 에어브리더 및 이를 가지는 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 냉각매체가 순환하는 연료전지의 냉각계통으로부터 공기를 배출하며, 간단한 구조를 가지는 에어브리더에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어브리더는, 제2 엔드플레이트에 설치되고 공기배출구를 구비하는 바디, 바디에 결합되어 공기배출구에 연결되며 제1 냉각매체 매니폴드에 위치하는 가이드부, 및 가이드부에 내장되어 냉각매체의 부력으로 승강 작용하면서 공기배출구를 개폐하는 밸브를 포함한다.
에어브리더, 공기, 냉각매체, 바디, 가이드부, 밸브

Description

에어브리더 및 이를 가지는 연료전지 {Air Breather and Fuel Cell having Thereof}
본 발명은 냉각매체가 순환하는 연료전지의 냉각계통에서 공기를 배출하는 에어브리더 및 이를 가지는 연료전지에 관한 것이다.
고분자전해질 연료전지는 수소이온 전도성(傳導性) 고분자전해질막의 양면에 형성되는 한 쌍의 전극 및 한 쌍의 분리판을 포함하며, 수소를 함유한 연료가스와 산소를 함유하는 산화제가스를 전기화학적으로 반응시켜 열과 전력을 생산한다. 예를 들면, 전극은 백금족 금속 등의 금속촉매를 담지(擔持)한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층과, 이 촉매층의 바깥 면에 형성되어 통기성과 전자 전도성(傳導性)을 가지는 기체확산층으로 이루어진다. 기체확산층은 탄소종이나 탄소부직포로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 고분자전해질막 및 그 양면에 형성되는 한 쌍의 전극을 막전극접합체라 한다.
연료가스와 산화제가스는 연료전지의 막전극 접합체에서 전기화학적으로 반응하여 열과 전력을 생산하면서 또한 물을 생산한다. 연료전지는 전력 생산시 발생되는 열을 배출하기 위하여, 1 내지 3개의 단위셀마다 냉각매체를 유동시키는 냉각 계통을 구비한다. 일례를 들면, 냉각계통은 연료가스 분리판과 산화제가스 분리판을 포갬으로써 각각에 형성되어 서로 마주하는 냉각유로로 설정된다. 연료가스 분리판은 일측에 연료가스를 위한 연료유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한다. 산화제가스 분리판은 일측에 산화제가스를 위한 산화제유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한다.
대용량 연료전지는 냉각매체로 물이나 오일을 사용하며, 냉각계통은 냉각매체를 공급하고 잉여 냉각매체를 배출하기 위하여 분리판에 관통구멍을 형성한다. 관통구멍들은 연료전지를 복수로 적층하여 형성되는 스택에서 적층 방향을 따라 냉각매체 매니폴드를 형성한다. 저장탱크의 냉각매체는 순환펌프의 작동에 의하여 연료전지의 냉각유로로 유입되어 순환하면서 냉각 작용한다. 유입 및 순환 과정에서, 냉각매체는 가열되며, 배출되는 냉각매체는 연료전지로부터 전달된 열을 외부로 방출하기 위하여 열교환기를 통과여 저장탱크로 회수된다.
정지 상태의 연료전지를 운전하기 위하여 냉각매체를 공급하는 경우, 연료전지의 냉각계통에 잔류하는 공기를 적절히 배출하지 못하면 연료전지의 냉각에 필요한 냉각매체의 유량을 확보하기 어렵고, 순환펌프의 소비전력이 증가하며 소음이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 연료전지 시스템은 냉각매체 저장탱크와 순환펌프를 최하단부에 설치하고 연료전지를 최상단부에 설치하는 방식으로 냉각계통을 구성하며, 또한 냉각계통의 배관 최상단부에 공기 배출을 위한 밸브를 설치한다. 이 공기배출밸브는 일반적으로 연료전지 시스템의 제어기 신호를 받아서 구동되는 전동식 또는 공압식으로 이루어진다. 전동식 또는 공압식 공기배출밸브는 크 기가 크고 별도의 동력을 필요로 하며, 또한 이 경우에도 냉각매체 매니폴드 내부의 공기를 완전히 배출하지 못한다.
본 발명의 일 실시예는 냉각매체가 순환하는 연료전지의 냉각계통으로부터 공기를 배출하며, 간단한 구조를 가지는 에어브리더 및 이를 가지는 연료전지에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는, 막전극 접합체를 사이에 두고 양측에서 연료유로와 산화제유로를 각각 형성하는 애노드 분리판과 캐소드 분리판을 포함하는 단위전지, 복수로 적층된 상기 단위전지들의 적층 방향 양단에 제공되어 체결되는 제1 엔드플레이트와 제2 엔드플레이트, 상기 단위전지들 사이에 형성되는 복수의 냉각유로들로 냉각매체를 순환시키는 냉각계통, 및 상기 냉각계통에 통로로 연결되어 상기 냉각계통에 잔류하는 공기를 배출하는 에어브리더를 포함한다. 상기 에어브리더는 상기 제2 엔드플레이트에 설치되고 공기배출구를 구비하는 바디, 상기 바디에 결합되어 상기 공기배출구에 연결되는 가이드부, 및 상기 가이드부에 내장되어 상기 냉각매체의 부력으로 승강 작용하면서 상기 공기배출구를 개폐하는 밸브를 포함한다.
상기 냉각계통은, 상기 제1 엔드플레이트 및 상기 제2 엔드플레이트 중 적어도 일측에 형성되어 상기 냉각유로에 상기 냉각매체를 공급하는 유입구, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 엔드플레이트 중 적어도 일측에 형성되어 상기 냉각유로에서 상기 냉각매체를 배출하는 배출구, 상기 단위전지들의 반응부 외곽에서 상기 적층 방향으로 관통 형성되어 상기 유입구를 상기 냉각유로들에 연결하는 제1 냉각매체 매니폴드, 및 상기 단위전지들의 상기 반응부 외곽에 상기 적층 방향으로 관통 형성되어 상기 냉각유로들을 상기 배출구에 연결하는 제2 냉각매체 매니폴드를 포함할 수 있다. 상기 유입구 및 상기 제1 냉각매체 매니폴드는, 상기 적층 방향에 교차하는 상하 방향에 대하여 상기 단위셀의 상측에 형성되고, 상기 배출구 및 상기 제2 냉각매체 매니폴드는, 상기 적층 방향에 교차하는 상하 방향에 대하여 상기 단위셀의 하측에 형성될 수 있다.
상기 에어브리더는, 상기 제1 냉각매체 매니폴드에 통로로 연결되어 상기 냉각유로들 내의 공기를 배출할 수 있다.
상기 바디는, 승강 작용하는 상기 밸브를 상기 공기배출구로 유도하여 면접촉하도록 상기 밸브의 대향측에 형성되는 대응면을 가질 수 있다.
상기 밸브는 볼로 형성되고, 상기 대응면은 상기 볼에 대응하는 오목 반구홈으로 형성될 수 있다.
상기 밸브는 원기둥 일측을 원뿔로 형성하고, 상기 대응면은 상기 원뿔에 대응하는 오목 원뿔홈으로 형성될 수 있다.
상기 바디는, 상기 제1 엔드플레이트 장착부와의 사이에 개재되는 오링을 잡아주는 홈을 가지며, 상기 홈은, 상기 바디의 삽입 방향 끝 및 상기 바디의 삽입 방향 측면 중 한 곳에 형성될 수 있다.
상기 가이드부는, 상기 바디에 결합되는 개구를 가지고, 상기 바디의 상기 대응면 측에 결합되며, 상기 밸브를 내장하여 수용하는 원통의 내외로 상기 냉각매체와 공기를 유통시키는 유통구들을 가질 수 있다.
상기 바디 및 상기 가이드부는, 내부식성 처리를 한 금속 및 플라스틱 소재 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 밸브는, 상기 냉각매체보다 비중이 작은 재질로 형성되며 플라스틱 및 고무 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 유통구들은 상기 밸브의 직경보다 작게 형성될 수 있다. 상기 공기배출구는 상기 밸브의 직경보다 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 에어브리더는, 냉각매체를 내장하는 장치의 일측에 설치되어 공기배출구를 구비하는 바디, 상기 바디에 결합되어 상기 공기배출구에 연결되며 상기 냉각매체에 위치하여 유통구를 통하여 상기 냉각매체 및 공기를 유통시키는 가이드부, 및 상기 가이드부에 내장되어 상기 냉각매체의 레벨에 따라 승강 작용하면서 상기 공기배출구를 개폐하는 밸브를 포함한다.
상기 밸브는 볼 또는 원기둥 일측을 원뿔로 형성하고, 상기 바디는, 승강 작용하는 상기 밸브를 상기 공기배출구로 유도하여 면접촉하도록 상기 밸브의 대향측에 형성되는 대응면을 가지며, 상기 대응면은 상기 볼 또는 상기 원뿔에 대응하는 오목 반구홈 또는 오목 원뿔홈으로 형성될 수 있다.
상기 바디는, 상기 장치 장착부와의 사이에 개재되는 오링을 잡아주는 홈을 상기 바디의 삽입 방향 끝 또는 상기 바디의 설치 방향 측면에 형성할 수 있다.
상기 밸브는 볼 또는 원기둥 일측을 원뿔로 형성하고, 상기 가이드부는, 상기 바디에 결합되는 개구를 가지는 원통에 상기 밸브를 수용하고, 상기 원통의 내외로 상기 냉각매체 및 공기를 유통시키는 유통구들을 가질 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기배출구를 구비하는 바디와 가이드부 및 가이드부 내에서 승강 작용하는 밸브로 공기배출구를 개폐하므로 냉각계통으로부터 공기를 배출하는 에어브리더의 구조를 간단하게 하는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에어브리더를 가지는 연료전지의 단면도이다. 도1을 참조하면, 일 실시예의 연료전지(100)는 막전극 접합체(11)의 양면에 각각 제공되는 애노드 분리판(12)과 캐소드 분리판(13)으로 이루어지는 단위전지(10)와, 단위전지들(10)을 복수로 적층한 양단에 제공되어 단위전지들(10)과 체결되는 제1 엔드플레이트(21)와 제2 엔드플레이트(22)를 포함한다.
막전극 집합체(11)는 애노드와 캐소드 측으로 각각 공급되는 연료가스와 산 화제가스를 전기화학적으로 반응시켜 전력과 물을 생산한다. 애노드 분리판(12)은 일측에 연료유로(121)를 형성하여 막전극 집합체(11)의 애노드 측에 연료가스를 공급한다. 캐소드 분리판(13)은 일측에 산화제유로(131)를 형성하여 막전극 집합체(11)의 캐소드 측에 산화제가스를 공급한다.
연료전지(100)는 막전극 집합체(11)에서 전기화학적 반응을 일으켜 전력과 물을 생산하면서 또한 열을 발생시킨다. 연료전지(100)는 열을 배출하기 위하여 냉각매체를 순환시키는 냉각계통(30)을 구비한다. 일례를 들면, 냉각계통(30)은 냉각매체를 공급 및 배출하기 위하여 제1 엔드플레이트(21)에 형성되는 유입구(31)와 배출구(32), 단위전지들(10) 사이에 형성되는 냉각유로(33), 유입구(31)를 냉각유로(33)에 연결하는 제1 냉각매체 매니폴드(34), 및 배출구(32)를 냉각유로(33)에 연결하는 제2 냉각매체 매니폴드(35)를 포함한다.
유입구(31)는 제1 엔드플레이트(21)의 상부에 형성되고, 배출구(32)는 제1 엔드플레이트(21)의 하부에 형성된다. 제1, 제2 냉각매체 매니폴드(34, 35)는 막전극 집합체(11)의 반응부 외곽에서 적층된 단위전지들(10)의 애노드 분리판들(12), 캐소드 분리판들(13), 막전극 집합체들(11) 및 제1, 제2 엔드플레이트(21, 22)를 관통하여 형성된다. 제1 냉각매체 매니폴드(34)는 단위전지들(10)에서 상부에 형성되어 유입구(31)에 연결되고, 제2 냉각매체 매니폴드(35)는 단위전지들(10)에서 하부에 형성되어 배출구(32)에 연결된다.
저온의 냉각매체는 유입구(31)에 연결되는 순환펌프(미도시)의 작동에 의하여 유입구(31)를 통하여 제1 냉각매체 매니폴드(34)로 유입되고, 단위전지들(10) 사이의 냉각유로들(33)로 분배되어 단위전지들(10)에서 발생하는 열을 흡수하여 고온으로 가열되며, 또한 제2 냉각매체 매니폴드(35)로 모아져 배출구(32)로 배출된다. 고온의 냉각매체는 배출구(32)에 연결되는 열교환기(미도시)에서 냉각된 후 저장탱크(미도시)로 회수된다.
연료전지(100)는 시동시 냉각계통(30)에 잔류하는 공기를 외부로 배출하기 위한 에어브리더(40)를 구비한다. 일례를 들면, 에어브리더(40)는 제1 냉각매체 매니폴드(34)에 통로로 연결되며 제2 엔드플레이트(22)에 설치된다. 물론, 에어브리더(40)는 제1 냉각매체 매니폴드(34)에 통로로 연결되는 구조를 가지게 되면 제1 엔드플레이트(21), 제1, 제2 엔드플레이트(21, 22), 또는 단위전지(10)에 설치될 수도 있다(미도시).
도2는 도1 에어브리더의 분해 사시도이고, 도3은 도1 에어브리더의 결합 단면도이다. 도2 및 도3을 참조하면, 에어브리더(40)는 제2 엔드플레이트(22)에 설치되어 냉각계통(30)의 제1 냉각매체 매니폴드(34)에 통로로 연결된다. 에어브리더(40)는 제2 엔드플레이트(22)에 설치되는 바디(41), 바디(41)에 결합되어 제1 냉각매체 매니폴드(34)에 위치하는 가이드부(42) 및 가이드부(42)에 내장되어 승강 작용하면서 바디(41)의 일측과 밀착 또는 분리 작용하는 밸브(43)를 포함한다.
바디(41)는 제2 엔드플레이트(22)의 장착부(221)에 나사결합으로 설치되고, 냉각계통(30)으로부터 공기를 배출하도록 상하 방향으로 관통 형성되는 공기배출구(411)를 가진다. 바디(41)는 밸브(43)의 대향측에 형성되는 대응면(412)을 가진다. 대응면(412)은 공기배출구(411)에 연결되며 밸브(43)의 일측에 대응하는 형상 으로 이루어진다. 대응면(412)은 가이드부(42) 내에서 승강 작용하는 밸브(43)가 상승할 때, 밸브(43)와 면접촉을 형성하여 공기배출구(411)를 폐쇄하고, 밸브(43)가 하강할 때, 밸브(43)와 분리되어 공기배출구(411)를 개방한다.
본 실시예에서 밸브(43)는 볼로 형성되고, 바디(41)의 대응면(412)은 볼에 대응하는 오목 반구홈으로 형성된다. 바디(41)는 제2 앤드플레트(22)에 설치하기 위하여 나사부(413)와 나사부(413)의 나사 결합 장착을 위하여 볼트머리(414)를 가진다. 공기배출구(411)는 나사부(413)와 볼트머리(414)를 관통하여 형성된다.
바디(41)는 제2 엔드플레이트(22)의 장착부(221)에 대응하는 하단에 오링(415)을 삽입하는 홈(416)를 구비한다. 홈(416)은 오링(415)의 위치를 잡아주고, 오링(415)은 바디(41)와 장착부(221) 사이에서 실링 구조를 형성하여, 냉각매체 및 공기의 누설을 방지한다.
가이드부(42)는 대응면(412) 측에서 바디(41)의 내측에 삽입 구조로 결합되며, 밸브(43)를 내장 및 부양시켜 대응면(412)에 밀착시키는 냉각매체를 유입 배출하기 위한 유통구들(421)을 구비한다. 즉 유통구(421)는 제1 냉각매체 매니폴드(34)로부터 냉각매체를 가이드부(42) 안으로 유입하고, 또한 유입된 냉각매체를 가이드부(42) 안에서 제1 냉각매체 매니폴드(34)로 배출한다.
가이드부(42)와 바디(41)는 재질에 다양한 구조로 결합될 수 있으며, 예를 들면, 접착제에 의한 접착, 고주파 융착, 용접, 및 끼워 맞춤 중에서 선택될 수 있다. 또한 바디(41) 및 가이드부(42)는 냉각매체의 전기전도도를 낮은 수준으로 관리되어야 하므로 내부식성 처리를 한 금속이나 부식의 염려가 없는 플라스틱 소재 로 이루어질 수 있다.
밸브(43)는 가이드부(42)에 내장되어 냉각매체가 유통구들(421)로 유입되면 상승하고 유통구들(421)로 배출되면 하강한다. 따라서 밸브(43)는 냉각매체보다 비중이 작은 재질로 형성되며 대응면(412)에 밀착시 견고한 실링 구조를 형성하도록 탄성을 가지는, 예를 들면, 플라스틱 또는 고무로 형성될 수 있다.
예를 들면, 밸브(43)는 볼로 형성되고, 가이드부(42)는 바디(41)에 결합되는 개구(422)를 형성하며 밸브(43)를 수용하는 원통의 변형으로 이루어질 수 있다. 가이드부(42)의 개구(422)는 밸브(43)를 삽입하도록 밸브(43)의 직경보다 크게 형성된다. 유통구들(421)은 냉각매체 및 공기를 유통시키도록 가이드부(42)의 원주 방향 및 하방에 형성된다. 밸브(43)가 가이드부(42)에 내장된 상태를 유지하도록 유통구들(421)은 밸브(43)의 직경보다 작게 형성된다.
또한, 바디(41)의 대응면(412)에 연결되는 공기배출구(411)는 밸브(43)의 직경보다 작게 형성되어, 밸브(43)가 이탈되지 않고 공기배출구(411)의 개폐를 단속할 수 있도록 형성된다. 예를 들면, 공기배출구(411)의 제1 직경(D1)은 밸브(43) 제2 직경(D2)의 1/10 내지 1/3 범위를 포함한다. 제1 직경(D1)이 제2 직경(D2)의 1/10보다 작으면 공기 배출 저항이 지나치게 크게 되고, 제1 직경(D1)이 제2 직경(D2)의 1/3보다 작으면 냉각매체가 유출될 수 있다.
도4는 도1 에어브리더의 작동 과정을 나타내는 단면도이다. 도4를 참조하면, 연료전지(100)의 정지 상태에서는, 유입구(31)로 냉각매체의 유입이 없으므로 (a)에 도시된 바와 같이, 밸브(43)는 가이드부(42)의 하부에 위치한다. 이때 외부 공 기는 공기배출구(411)를 통하여 에어브리더(40) 내부로 유입되고, 유통구(421)를 통하여 제1 냉각매체 매니폴드(34) 및 냉각계통(30)으로 공급되므로 냉각계통(30)에 있던 대부분의 냉각매체는 제2 냉각매체 매니폴드(35) 및 배출구(32)를 통하여 저장탱크(미도시)로 회수된다. 따라서 냉각매체가 연료전지(100) 및 냉각계통(30)에 잔류함으로써 발생되는 불필요한 부식을 방지할 수 있으며, 동절기 냉각매체의 동결에 의한 냉각계통(30), 애노드 분리판(12) 및 캐소드 분리판(13)의 파손을 방지할 수 있다.
반면에, 연료전지(100)가 기동되면, 유입구(31)로 냉각매체가 유입되므로 (b)에 도시된 바와 같이, 밸브(43)는 냉각매체보다 비중이 작아서 가이드부(42)의 안내를 받으며 상승한다. 이때, 연료전지(100) 및 냉각계통(30)에 존재하던 공기는 가이드부(42) 및 바디(41)의 공기배출구(411)를 통하여 외부로 배출된다.
유입구(31)로 냉각매체가 지속적으로 유입됨에 따라 공기가 배출된 후, (c)에 도시된 바와 같이, 밸브(43)는 바디(41)의 대응면(412)에 밀착되어 공기배출구(411)를 폐쇄한다. 이때, 냉각계통(30) 내의 냉각매체는 공기배출구(411)를 통하여 누설 방지된다. 연료전지(100)의 운전 중에서, 냉각매체의 이송압력 및 부력이 유지되므로 밸브(43)는 대응면(412)에 긴밀하게 밀착된 상태를 유지하여, 냉각매체의 누설을 방지한다.
이하에서 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하며 제1 실시예 및 각 실시예 이전에 설명된 실시예와 유사한 구성에 대하여 상세 설명을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 비교 설명한다.
도5a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 에어브리더의 측면도이고, 도5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 에어브리더의 단면도이다. 도5a 및 도5b를 참조하면, 제1 실시예에서 에어브리더(40)의 홈(416)은 바디(41)의 삽입 방향 끝 부분에 형성되어, 홈(416)에 위치하는 오링(415)은 제2 엔드플레이트(22) 장착부(221)에 삽입 방향으로 밀착된다. 그리고 제2 실시예에서 에어브리더(240)의 홈(2416)은 바디(41)의 삽입 방향 측면에 형성되어, 홈(2416)에 위치하는 오링(2415)은 제2 엔드플레이트(22) 장착부(221)에 삽입 방향 측면으로 밀착된다.
도6a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 에어브리더의 측면도이고, 도6b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 에어브리더의 단면도이다. 도6a 및 도6b를 참조하면, 제1 실시예에서 에어브리더(40)는 나사부(413)로 제2 엔드플레이트(22) 장착부(221)에 설치되고 볼트머리(414)가 제2 엔드플레이트(22) 외표면 밖으로 돌출되어 있다. 그리고 제3 실시예에서 에어브리더(340)는 제1 삽입부(3413)로 제2 엔드플레이트(22) 장착부(221)에 삽입되고, 제1 삽입부(3413)보다 큰 직경의 제2 삽입부(3414)로 제2 엔드플레이트(22) 장착부(221)에 삽입되며, 제2 삽입부(3414)가 제2 엔드플레이트(22) 외표면과 동일한 높이를 유지한다. 제3 실시예에서 에어브리더(340)의 홈(3416)은 제2 실시예와 같이, 바디(341)의 삽입 방향 측면에 형성되어, 홈(3416)에 위치하는 오링(3415)은 제2 엔드플레이트(22) 장착부(221)에 삽입 방향 측면으로 밀착된다.
제2 삽입부(3414)는 제3 실시예의 에어브리더(340)를 제2 엔드플레이트(22)에 고정시킨다. 예를 들면, 에어브리더(340)는 제2 엔드플레이트(22)에 제2 삽입 부(3414)의 지름과 동일한 지름의 구멍을 가공하여 끼워 맞춤 방식으로 고정하거나 접착체를 사용하여 접착하거나 고주파 융착으로 고정될 수 있다.
도7a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 에어브리더의 측면도이고, 도7b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 에어브리더의 단면도이다. 도7a 및 도7b를 참조하면, 제3 실시예에서 에어브리더(340)는 밸브(43)를 볼로 형성하고, 바디(41)의 대응면(412)을 오목 반구홈으로 형성하고 있다. 그리고 제4 실시예의 에어브리더(440)는 밸브(443)을 원기둥과 원기둥의 일측에 원뿔을 가지는 구조로 형성하고, 바디(441)의 대응면(4412)을 원뿔에 대응하는 오목 원뿔홈으로 형성한다. 밸브(443)는 원기둥 부분에 의하여 가이브부(42)에서 안내되므로 원뿔이 오목 원뿔홈을 향하는 상태로, 즉 방향성을 유지한 상태로 승강 작용할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 에어브리더를 가지는 연료전지의 단면도이다.
도2는 도1 에어브리더의 분해 사시도이다.
도3은 도1 에어브리더의 결합 단면도이다.
도4는 도1 에어브리더의 작동 과정을 나타내는 단면도이다.
도5a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 에어브리더의 측면도이다.
도5b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 에어브리더의 단면도이다.
도6a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 에어브리더의 측면도이다.
도6b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 에어브리더의 단면도이다.
도7a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 에어브리더의 측면도이다.
도7b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 에어브리더의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 연료전지 10 : 단위전지
11 : 막전극 접합체 12 : 애노드 분리판
13 : 캐소드 분리판 21, 22 : 제1, 제2 엔드플레이트
221 : 장착부 30 : 냉각계통
31, 32 : 유입, 배출구 33 : 냉각유로
34, 35 : 제1, 제2 냉각매체 매니폴드 40, 240, 340, 440 : 에어브리더
41, 441 : 바디 411 : 공기배출구
412, 4412 : 대응면 413 : 나사부
414 : 볼트머리 3413, 3414 : 제1, 제2 삽입부
415, 2415, 3415 : 오링 416, 2416, 3416 : 홈
42 : 가이드부 421 : 유통구
422 : 개구 43, 443 : 밸브
D1, D2 : 제1, 제2 직경

Claims (16)

  1. 막전극 접합체를 사이에 두고 양측에서 연료유로와 산화제유로를 각각 형성하는 애노드 분리판과 캐소드 분리판을 포함하는 단위전지;
    복수로 적층된 상기 단위전지들의 적층 방향 양단에 제공되어 체결되는 제1 엔드플레이트와 제2 엔드플레이트;
    상기 단위전지들 사이에 형성되는 복수의 냉각유로들로 냉각매체를 순환시키는 냉각계통; 및
    상기 냉각계통에 통로로 연결되어 상기 냉각계통에 잔류하는 공기를 배출하는 에어브리더를 포함하며,
    상기 에어브리더는,
    상기 제2 엔드플레이트에 설치되고 공기배출구를 구비하는 바디,
    상기 바디에 결합되어 상기 공기배출구에 연결되는 가이드부, 및
    상기 가이드부에 내장되어 상기 냉각매체의 부력으로 승강 작용하면서 상기 공기배출구를 개폐하는 밸브를 포함하는 연료전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각계통은,
    상기 제1 엔드플레이트 및 상기 제2 엔드플레이트 중 적어도 일측에 형성되어 상기 냉각유로에 상기 냉각매체를 공급하는 유입구,
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 엔드플레이트 중 적어도 일측에 형성되어 상기 냉각유로에서 상기 냉각매체를 배출하는 배출구,
    상기 단위전지들의 반응부 외곽에서 상기 적층 방향으로 관통 형성되어 상기 유입구를 상기 냉각유로들에 연결하는 제1 냉각매체 매니폴드, 및
    상기 단위전지들의 상기 반응부 외곽에 상기 적층 방향으로 관통 형성되어 상기 냉각유로들을 상기 배출구에 연결하는 제2 냉각매체 매니폴드를 포함하고,
    상기 유입구 및 상기 제1 냉각매체 매니폴드는,
    상기 적층 방향에 교차하는 상하 방향에 대하여 상기 단위셀의 상측에 형성되고,
    상기 배출구 및 상기 제2 냉각매체 매니폴드는,
    상기 적층 방향에 교차하는 상하 방향에 대하여 상기 단위셀의 하측에 형성되는 연료전지.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 에어브리더는,
    상기 제1 냉각매체 매니폴드에 통로로 연결되어 상기 냉각유로들 내의 공기를 배출하는 연료전지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 바디는,
    승강 작용하는 상기 밸브를 상기 공기배출구로 유도하여 면접촉하도록 상기 밸브의 대향측에 형성되는 대응면을 가지는 연료전지.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 밸브는 볼로 형성되고,
    상기 대응면은 상기 볼에 대응하는 오목 반구홈으로 형성되는 연료전지.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 밸브는 원기둥 일측을 원뿔로 형성하고,
    상기 대응면은 상기 원뿔에 대응하는 오목 원뿔홈으로 형성되는 연료전지.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 바디는,
    상기 제1 엔드플레이트 장착부와의 사이에 개재되는 오링을 잡아주는 홈을 가지며,
    상기 홈은,
    상기 바디의 삽입 방향 끝 및 상기 바디의 삽입 방향 측면 중 한 곳에 형성되는 연료전지.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 가이드부는,
    상기 바디에 결합되는 개구를 가지고,
    상기 바디의 상기 대응면 측에 결합되며,
    상기 밸브를 내장하여 수용하는 원통의 내외로 상기 냉각매체와 공기를 유통시키는 유통구들을 가지는 연료전지.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 바디 및 상기 가이드부는,
    내부식성 처리를 한 금속 및 플라스틱 소재 중 하나로 형성되는 연료전지.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브는,
    상기 냉각매체보다 비중이 작은 재질로 형성되며 플라스틱 및 고무 중 하나로 형성되는 연료전지.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 유통구들은 상기 밸브의 직경보다 작게 형성되는 연료전지.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 공기배출구는 상기 밸브의 직경보다 작게 형성되는 연료전지.
  13. 냉각매체를 내장하는 장치의 일측에 설치되어 공기배출구를 구비하는 바디;
    상기 바디에 결합되어 상기 공기배출구에 연결되며 상기 냉각매체에 위치하여 유통구를 통하여 상기 냉각매체 및 공기를 유통시키는 가이드부; 및
    상기 가이드부에 내장되어 상기 냉각매체의 레벨에 따라 승강 작용하면서 상기 공기배출구를 개폐하는 밸브를 포함하는 에어브리더.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 밸브는 볼 또는 원기둥 일측을 원뿔로 형성하고,
    상기 바디는,
    승강 작용하는 상기 밸브를 상기 공기배출구로 유도하여 면접촉하도록 상기 밸브의 대향측에 형성되는 대응면을 가지며,
    상기 대응면은 상기 볼 또는 상기 원뿔에 대응하는 오목 반구홈 또는 오목 원뿔홈으로 형성되는 에어브리더.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 바디는,
    상기 장치 장착부와의 사이에 개재되는 오링을 잡아주는 홈을 상기 바디의 삽입 방향 끝 또는 상기 바디의 설치 방향 측면에 형성하는 에어브리더.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 밸브는 볼 또는 원기둥 일측을 원뿔로 형성하고,
    상기 가이드부는,
    상기 바디에 결합되는 개구를 가지는 원통에 상기 밸브를 수용하고, 상기 원통의 내외로 상기 냉각매체 및 공기를 유통시키는 유통구들을 가지는 에어브리더.
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