KR20110018222A - 연료전지 스택 및 이를 이용한 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 스택은 내부의 온도 편차를 감소시킬 수 있도록, 연료와 산화제의 반응에 의하여 전기를 발생시키며 적층 배열된 복수 개의 셀과, 상기 셀들의 적층된 일 면에 배치되며, 상기 셀들 사이에 형성된 흡입 유로와 배출 유로를 연통시키는 채널부, 및 상기 셀들의 적층된 타 면에 배치되며, 상기 흡입 유로로 냉각 공기를 유입시키고, 상기 배출 유로로 냉각 공기를 배출시키는 송풍부를 포함한다.
연료전지, 송풍부, 팬, 채널부

Description

연료전지 스택 및 이를 이용한 연료전지 시스템{FUEL CELL STACK AND FUEL CELL SYSTEM USING THEREOF}
본 발명은 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 온도 편차를 감소시킬 수 있는 연료전지 스택 및 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치이다. 연료전지는 외부에서 지속적으로 공급되는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환한다.
연료전지는 외부에서 지속적으로 공급되는 연료(예를 들면, 수소 또는 개질 가스)와 산화제(예를 들면, 산소 또는 공기)의 전기화학반응으로 전기를 생성한다. 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학반응을 통해서 직접 전기로 변형하다.
연료전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소 또는 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH)를 개질 하여 생 성된 수소가 다량 함유된 연료를 사용한다.
연료전지는 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질가스와 산소를 반응시키는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)와 연료를 직접 산소와 반응시키는 직접 산화형 연료전지로 구분된다.
상기와 같은 연료전지 시스템은 전기를 실질적으로 발생시키기 위한 스택을 구비한다. 이 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 당업계에서 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 칭하는 세퍼레이터(Separator)로 이루어지는 단위의 셀을 수 개 내지 수십 개로 연속 배치한 구조로 이루어진다. 이 때 세퍼레이터는 연료전지의 반응에 필요한 수소와 산소를 MEA로 공급하는 수소통로 및 산소통로를 형성하고 있다.
이러한 연료전지 시스템은 수소와 산소의 산화 환원 반응에 의하여 소정 온도의 열이 발생하게 되는 바, 스택을 적정한 구동 온도로 유지해야 전해질막의 안정성을 보장하고 성능 저하를 방지하게 된다. 이를 위해 스택은 내부에 쿨링 통로를 구비하고, 이 쿨링 통로를 통하여 저온의 공기 또는 냉각수를 흘려 스택 내부에서 발생되는 열을 냉각시킨다.
그런데 종래의 연료전지 시스템에 의하면 스택 내부에서 발생하는 열의 양이 상이하여 스택 내부를 균일한 온도로 가열하지 못하는 문제가 있다.
이와 같이 스택 내부에서 온도 구배가 발생하면 온도가 낮은 부분에서 수분의 응축이 심화되어 플러딩 현상이 발생한다. 플러딩 현상이 발생하면 연료 또는 산화제의 이동을 방해하여 스택의 출력이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지 스택의 온도 편차를 감소시키는 것에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 균일하게 냉각되는 연료전지 스택을 제공하며, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은 균일하게 냉각되는 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 연료와 산화제의 반응에 의하여 전기를 발생시키며 적층 배열된 복수 개의 셀과, 상기 셀들의 적층된 일 면에 배치되며, 상기 셀들 사이에 형성된 흡입 유로와 배출 유로를 연통시키는 채널부, 및 상기 셀들의 적층된 타 면에 배치되며, 상기 흡입 유로로 냉각 공기를 유입시키고, 상기 배출 유로로 냉각 공기를 배출시키는 송풍부를 포함한다.
상기 송풍부는 상기 흡입 유로와 연통되어 흡입 유로로 공기를 주입하는 흡입 팬과 상기 배출 유로와 연통되어 배출 유로에서 공기를 배출시키는 배출 팬을 포함할 수 있으며, 상기 흡입 팬과 상기 배출 팬은 서로 다른 방향으로 회전할 수 있다.
상기 흡입 유로는 상기 셀에서 연료가 주입되는 부분과 인접하게 배치되고, 상기 배출 유로는 상기 셀에서 연료가 배출되는 부분과 인접하게 배치될 수 있으며, 상기 흡입 팬은 상기 연료전지 스택의 중앙 부분에 배치되고, 상기 배출 팬은 상기 흡입 팬의 양쪽 옆에 배치될 수 있다.
상기 흡입 팬과 상기 배출 팬 사이에는 상기 흡입 팬 및 배출 팬보다 더 외측으로 돌출된 분리판이 설치되고, 상기 분리판에서 상기 배출 팬을 향하는 면은 외측으로 갈수록 상기 배출 팬 쪽으로 돌출될 수 있으며, 상기 채널부에는 상기 배출 유로와 연통되어 상기 채널부 내에 위치하는 공기를 상기 배출 유로로 유입시키는 순환 팬이 설치될 수 있다.
상기 송풍부는 상기 흡입 유로와 연통되어 상기 흡입 유로로 공기를 주입하는 흡입 팬을 포함할 수 있으며, 상기 송풍부는 상기 배출 유로와 연통되어 상기 배출 유로로 공기를 배출하는 배출 팬을 포함할 수 있다. 또한, 상기 송풍부와 상기 채널부는 서로 마주하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템은 연료와 산화제의 반응에 의하여 전기를 발생시키며 적층 배열된 복수 개의 셀과, 상기 셀들의 적층된 일 면에 배치되며, 상기 셀들 사이에 형성된 흡입 유로와 배출 유로를 연통시키는 채널부, 및 상기 셀들의 적층된 타 면에 배치되며, 상기 흡입 유로로 냉각 공기를 유입시키고, 상기 배출 유로로 냉각 공기를 배출시키는 송풍부를 포함하는 연료전지 스택, 및 상기 연료전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부를 포함한다.
상기 연료 공급부와 상기 연료전지 스택 사이에 설치되어, 연료를 수소가 풍부한 개질가스로 변환하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 개질기를 더 포함할 수 있으며, 상기 송풍부는 상기 흡입 유로와 연통되어 흡입 유로로 공기를 주입하는 흡입 팬과 상기 배출 유로와 연통되어 배출 유로에서 공기를 배출시키는 배출 팬을 포함할 수 있다.
상기 흡입 유로는 상기 셀에서 연료가 주입되는 부분과 인접하게 배치되고, 상기 배출 유로는 상기 셀에서 연료가 배출되는 부분과 인접하게 배치될 수 있으며, 상기 흡입 팬은 상기 연료전지 스택의 중앙 부분에 배치되고, 상기 배출 팬은 상기 흡입 팬의 양쪽 옆에 배치될 수 있다.
상기 흡입 팬과 상기 배출 팬 사이에는 상기 흡입 팬 및 배출 팬보다 더 외측으로 돌출된 분리판이 설치되고, 상기 분리판에서 상기 배출 팬을 향하는 면은 외측으로 갈수록 상기 배출 팬 쪽으로 돌출될 수 있으며, 상기 채널부에는 상기 배출 유로와 연통되어 상기 채널부 내에 위치하는 공기를 상기 배출 유로로 유입시키는 순환 팬이 설치될 수 있다.
상기 송풍부는 상기 흡입 유로와 연통되어 상기 흡입 유로로 공기를 주입하는 흡입 팬을 포함할 수 있으며, 상기 송풍부는 상기 배출 유로와 연통되어 상기 배출 유로로 공기를 배출하는 배출 팬을 포함할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따르면 연료전지 스택 내부의 온도 편차를 최소화하여 내부의 수분 응축을 방지하여 운전의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질가스를 발생시키고, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식으로 이루어진다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로 이루어질 수도 있다.
또한, 본 연료전지 시스템은 개방형 캐소드 타입의 연료전지 시스템으로서 별도의 산화제고 공급부를 구비하지 아니하고, 팬에 의하여 공급되는 공기를 산화제로 활용한다.
이러한 연료전지 시스템(100)에 사용되는 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스, LPG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 액상 또는 기체 상태로 이루어진 탄화수소계 연료를 통칭한다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료와 산화제를 이용하여 전력을 발생시키는 연료전지 스택(10)과 연료전지 스택(10)으로 연료를 공급하는 연료 공급부(40) 를 포함하여 구성된다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 연료 공급부(40)와 연료전지 스택(10) 사이에 설치되어 연료를 수소가 풍부한 개질가스로 변환하여 연료전지 스 택(10)으로 공급하는 개질기(45)를 더 포함할 수 있다. 연료 공급부(40)는 액상 또는 기상의 연료를 저장하는 연료 탱크를 포함하며, 개질기(45)는 연료전지 시스템(100)에 적용되는 통상적인 개질기로 이루어진다.
연료전지 스택(10)에서 한쪽의 적층면에는 셀들(11)을 향하여 산화제인 공기를 공급하는 송풍부(20)가 설치되고 적층면과 대향하는 면에는 송풍부(20)에서 셀(11)을 통과하여 빠져 나온 공기가 다시 셀(11)로 유입될 수 있도록 통로를 제공하는 채널부(30)가 설치된다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 스택의 일부를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 연료전지 시스템(100)에 적용되는 연료전지 스택(10)은 연료와 산화제의 산화 환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 셀(11)을 구비한다.
각각의 셀(11)은 전기를 발생시키는 단위 전지를 의미하며, 연료와 산화제 중의 산소를 산화 환원시키는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode assembly: MEA)(12) 및, 연료와 산화제를 막-전극 어셈블리로 공급하기 위한 세퍼레이터(당 업계에서는 바이폴라 플레이트라고도 한다.)(separate)(15, 16)를 포함한다.
셀(11)은 막-전극 어셈블리(12)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(15, 16)가 각각 배치된 구조를 갖는다. 막-전극 어셈블리(12)는 중앙에 배치된 전해질막과 전해질막의 일측에 배치된 캐소드 전극과 전해질막의 타측에 배치된 애노드 전극을 포함한다.
세퍼레이터(15, 16)는 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가진다. 그리고 애노드 세퍼레이터(16)는 막-전극 어셈블리(12)를 향하는 면에 연료를 애노드 전극에 공급하는 연료 유로(16a)를 구비하며, 캐소드 세퍼레이터(15)는 막-전극 어셈블리(12)를 향하는 면에 공기를 캐소드 전극에 공급하는 산화제 유로(15a)를 구비한다.
또한, 애노드 세퍼레이터(16)와 캐소드 세퍼레이터(15)는 냉각매체가 통과할 수 있는 냉각 유로(51)를 갖는 바, 냉각 유로(51)는 애노드 세퍼레이터(16)와 캐소드 세퍼레이터(15)가 서로 대향하는 면에 형성된다. 애노드 세퍼레이터(16)의 냉각 유로(51)와 캐소드 세퍼레이터(15)의 냉각 유로(51)는 서로 맞닿도록 설치되어 이 공간을 통해서 냉각 공기가 유동한다. 산화제 유로(15a)와 냉각 유로(51)로 공급되는 공기는 송풍부(20)의 팬을 통해서 공급된다.
본 실시예에서는 세퍼레이터(15, 16)에 냉각 유로(51)가 형성된 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 냉각 유로가 형성된 별도의 부재가 세퍼레이터들 사이에 배치될 수도 있다.
복수의 셀(11)은 연속적으로 적층 배치되며 셀(11)들의 제일 외각에는 연료전지 스택(10)을 지지하는 엔드 플레이트(13)가 설치된다. 엔드 플레이트(13)에는 연료 주입구(13a)와 연료 배출구(13b)가 형성되는 바, 연료 주입구(13a)는 엔드 플레이트(13)의 일측 상단에 형성되고, 연료 배출구(13b)는 엔드 플레이트(13)의 타측 하단에 형성된다. 따라서 연료 주입구(13a)와 연료 배출구(13b)는 서로 대각방향에 위치하며 연료 주입구(13a)로 주입된 연료는 애노드 세퍼레이터(16)의 연료 유로를 통해서 유동하면서 막-전극 어셈블리(12)에 연료를 공급한다.
연료 주입구(13a)가 위치하는 쪽에서 발생하는 열이 연료 배출구(13b) 쪽에서 발생하는 열보다 더 많다. 이는 개질기(45)에서 가열된 연료가 공급되고 연료가 주입되는 쪽에서 농도가 더 높아서 반응이 더 활발하기 때문이다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 연료전지 스택(10)은 송풍부(20)와 냉각 유로들(51)을 연통시키는 채널부(30)를 갖는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택에 송풍부와 채널부가 설치된 상태를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3에서 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 연료전지 스택(10)의 적층면에서 상부에는 송풍부(20)가 설치되고 하부에는 채널부(30)가 설치된다.
송풍부(20)는 외형을 이루는 프레임(25)과 프레임(25) 내에 설치된 흡입 팬(21), 및 배출 팬(23)을 포함한다. 또한 프레임(25)에는 흡입 팬(21) 측에 개방된 유입구(27)가 형성되며, 배출 팬(23) 측에 개방된 배출구(28)가 형성된다. 여기서 흡입 팬(21)은 공기를 연료전지 스택(10)으로 유입시키는 역할을 하며, 배출 팬(23)은 연료전지 스택(10)에서 공기를 배출시키는 역할을 한다.
한편, 냉각 유로(51)는 공기를 채널부(30)로 유입시키는 흡입 유로(51a)와 채널부(30)에서 배출구(28)로 공기를 전달하는 배출 유로(51b)를 포함한다.
한편, 흡입 팬(21)을 통해서 연료전지 스택(10) 내부로 유입되는 공기는 냉각 유로(51) 중 흡입 유로(51a)를 통해서 채널부(30)로 이동하며, 채널부(30)의 공기는 배출 유로(51b)를 통해서 배출구(28)로 이동한다.
채널부(30)는 흡입 유로(51a)를 통해서 유입된 공기가 배출 유로(51b)로 이동하는 공간을 제공하며 이에 따라 흡입 유로(51a)를 빠져 나온 공기는 다시 배출 유로(51b)로 유입될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 흡입 팬(21)과 배출 팬(23)을 구비하여 냉각 유로(51) 중 일부로는 공기를 유입하고, 냉각 유로(51)의 다른 부분으로 공기를 배출할 수 있다. 이 때, 발열량이 높은 부분으로는 공기를 유입시키고, 발열량이 낮은 부분으로는 공기를 배출하여 연료전지 스택(10)의 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
특히, 연료전지 스택(10)에서 연료 주입구 측은 연료 배출구 측에 비하여 높은 온도 분포를 갖는 바, 온도가 높은 부분에서 수분의 응축을 가속화시켜서 전압 불균형 및 성능이 저하되는 문제가 발생한다. 그러나 본 실시예와 같이 연료 입구와 인접한 부분에 흡입 유로(51a)를 형성하고, 연료 출구와 인접한 부분으로는 배출 유로(51b)를 형성하면 연료전지 스택(10)의 온도를 전체적으로 균일하게 유지할 수 있다.
흡입 유로(51a)와 배출 유로(51b)는 팬(21, 23)의 회전 방향을 조절함으로써 용이하게 설정될 수 있다. 종래와 같이 두 개의 팬을 한 방향으로 회전시키는 경우에 비하여 공기가 유입되는 면적은 감소하지만, 흡입 팬(21)과 배출 팬(23)이 설치되므로 공기의 유속이 증가하여 안정적인 냉각을 수행할 수 있다.
도 10a는 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 온도 분포를 도시한 그래프이고, 도 10b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 온도 분포를 도시한 그래프이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하여 설명하면, 본 온도 측정은 개방형 캐소드 타입의 연료 전지를 대상으로 하였으며, 50℃로 가열된 개질가스를 연료로 공급하였다. 연료전지 스택의 작동 전압은 20V이며, 출력은 300W이다.
연료전지 스택은 32개의 셀로 구성되며, 연료 입구를 기준으로 1, 2, 3, 6, 10, 16, 24, 30, 32번째 셀의 온도를 측정하여 나타내었다. 또한, 한 셀당 5곳에서 온도를 측정하였으며, 연료 입구에서 연료 출구로 일정한 간격을 두고 측정하였다. 한 포인트에서 30분 후와 5시간 후 2번 온도를 측정하였다.
도 10a에 나타난 바와 같이, 종래의 연료전지 스택은 연료 입구에서 출구로 갈수록 온도가 낮아지는 것을 알 수 있으며, 입구 측의 온도가 출구 측의 온도보다 약 20℃ 정도 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 연료 입구 측에서 반응이 활발할 뿐만 아니라 고온의 연료가 연료 입구로 유입되고 스택 전체에 균일한 공기가 공급되기 때문이다.
이와 같이 온도가 균일하지 못하면 온도가 낮은 쪽에서 수분 응축을 가속화시켜서 전압 불균형을 유발하고, 전체적인 성능이 저하되는 문제가 발생한다.
그러나 도 10b에서는 온도 편차가 10℃ 이내인 것을 확인할 수 있다. 본 실시예와 같이 흡입 팬을 통해서 유입된 공기를 배출 팬을 통해서 배출하면 스택의 온도 편차가 현저히 완화되는 것을 확인할 수 있었다.
도 11a는 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 출력 및 성능을 나타낸 그래프이고, 도 11b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 출력 및 성능을 나 타낸 그래프이다.
도 11a에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 연료전지 스택은 300W보다 낮은 출력으로 동작하였으며, 전압도 20V보다 낮게 나타났다. 또한, 작동 후 약 5시간이 경과한 시점에서 플러딩 현상이 발생하여, 운전이 정지되었다. 이는 각 셀 내부에서의 온도 편차가 커서 연료 유로 내부에 수분의 응축이 발생하였기 때문이다.
그러나 도 11b에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 연료전지 스택은 300W 및 20V에서 안정적으로 동작하였으며, 목표 운전시간인 10시간까지 안정적으로 운전을 수행할 수 있었다.
상기한 바와 같이 본 실시예에 따른 연료전지 스택 및 연료전지 시스템은 온도 편차를 감소시켜서 플러딩을 방지함으로써 운전의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료전지 스택은 적측된 셀의 일면에 설치된 송풍부(20)와 송풍부(20)와 대향하도록 배치된 채널부(30)를 포함한다.
송풍부(20)에는 연료전지 스택(10)으로 공기를 주입하는 흡입 팬(21)과 연료전지 스택(10)에서 공기를 배출시키는 배출 팬(23)이 설치되며, 흡입 팬(21)과 배출 팬(23) 사이에는 외측으로 돌출된 분리판(29)이 설치된다. 분리판(29)은 공기의 진행 방향과 평행하게 배치되며 배출 팬(23)을 통해서 배출된 뜨거운 공기가 흡입 팬(21)을 통해서 다시 연료전지 스택(10) 내부로 유입되는 것을 차단하는 역할 을 한다.
분리판(29)에서 배출 팬(23)과 인접한 면은 외측으로 갈수록 배출 팬(23)을 향하여 더 돌출되어 경사지게 형성된다. 이에 따라 배출 팬(23)을 통해서 배출되는 공기가 흡입구에서 멀어져서 흡입구로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 송풍부(50)는 흡입 유로(51a)로 외부 공기를 유입하는 흡입 팬(54)을 갖고, 송풍부()와 대향하는 셀(11)의 적층면에는 채널부(30)가 설치되며, 채널부(30)의 내부는 채널부(30)로 유입된 공기를 배출 유로(51b)로 전달하는 순환 팬(52)이 설치된다.
송풍부(50)와 채널부(30)는 셀의 적층 면 중 서로 대향하는 면에 설치되며 흡입 유로(51a)는 흡입 팬(54)과 연결되어 흡입 팬(54)을 통해서 공기가 채널부(53)로 유입되며 배출 유로(51b)는 순환 팬(52)과 연결되어 순환 팬(52)을 통해서 공기가 연료전지 스택(10)에서 배출된다. 흡입 유로(51a)와 배출 유로(51b)의 공기는 서로 다른 방향으로 유동한다.
본 실시예와 같이 채널부(30) 내부에 순환 팬(52)을 설치하면 채널부(30)로 유입된 공기가 배출 유로(51b)로 빠르게 이동할 수 있으며, 이에 따라 냉각 효율이 향상된다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료전지 스택(10)은 적층된 셀(11)과 셀(11)들이 적층된 일 면에 배치된 송풍부(60) 및 송풍부(60)와 대향하는 타면에 배치된 채널부(30)를 포함한다.
송풍부(60)는 중앙에 위치하는 흡입 팬(62)과 흡입 팬(62)의 좌우에 위치하는 배출 팬(62, 63)을 포함한다. 본 실시예에 따르면 연료전지 스택(10)의 중앙 부분을 통해서 냉각 공기가 유입되고 좌우 측부를 통해서 냉각 공기가 배출된다.
중앙의 흡입 팬(62)을 통해서 유입된 공기는 흡입 유로(51a)를 지나서 채널부(30)로 유입되며, 채널부(30)의 통로를 통해서 다시 배출 유로(51b)를 유입되며, 배출 팬(61, 62)을 통해서 외부로 배출된다.
본 실시예에서는 연료전지 스택(10)의 중앙에 흡입 팬(62)이 설치된 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 중앙에 배출 팬이 설치되고, 좌우 측부에 흡입 팬이 설치될 수도 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 중앙에 열이 많이 발생하는 연료전지 스택(10)에 있어서 중앙 부분의 열을 효율적으로 배출하여 스택의 온도 편차를 감소시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 단면도이다. 도 8을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료전지 스택(10)은 적층된 셀의 일 측 적층면에 설치되어 공기를 강제로 이동시키는 송풍부(73)와 흡입 유로(51a)를 통해서 흡입된 공기를 배출 유로로 전달하는 채널부(30)를 포함한다.
본 실시예에서는 송풍부(73)는 공기를 배출시키는 배출 팬(71)을 포함하며, 배출 팬(71)은 외부에서 연료전지 스택(10)을 거쳐 채널부(30)로 이동한 공기가 채널부(30)에서 배출 유로(51b)를 통해서 외부로 배출되도록 하는 역할을 한다. 이 를 위해서 배출 팬(71)은 배출 유로(51b)와 연통되도록 설치되며, 흡입 유로(51a)의 단부는 개방되어 있다.
배출 팬(71)이 회전하면 배출 유로(51b)를 통해서 공기가 빠져나가므로 채널부(30)의 압력은 상대적으로 낮아지고 이에 따라 흡입 유로를 통해서 채널부로 외부의 공기가 유입된다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 하나의 팬으로도 흡입 유로로 냉각 공기를 흡입하여 배출 유로로 배출할 수 있으며, 이에 따라 크기가 작은 연료전지 스택에서 저전력으로 냉각을 수행할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 단면도이다.
도 9를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 연료전지 스택(10)은 적층된 셀의 일측 적층면에 설치되어 공기를 강제로 이동시키는 송풍부(75)와 흡입 유로(51a)를 통해서 흡입된 공기를 배출 유로(51b)로 전달하는 채널부(30)를 포함한다.
송풍부(75)는 공기를 흡입하는 흡입 팬(72)을 포함하며, 흡입 팬(72)은 외부의 공기를 스택으로 밀어 넣어서 채널부(30)에 있는 공기가 배출 유로(51b)를 통해서 외부로 빠져나가도록 한다. 이를 위해서 흡입 팬(72)은 흡입 유로(51a)와 연통되도록 설치되며 배출 유로(51b)의 단부는 개방된다.
이와 같이 본 실시예에 따르면 소형 연료전지에 있어서 하나의 냉각 팬을 이용하여 저전력으로 연료전지 스택을 냉각할 수 있다.
상기에서는 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.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료전지 스택의 일부를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시의 변형에 따른 연료전지 스택의 일부를 나타낸 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 10a는 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 온도 분포를 도시한 그래프이고, 도 10b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 온도 분포를 도시한 그래프이다.
도 11a는 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 출력 및 성능을 나타낸 그래프이고, 도 11b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 출력 및 성능을 나타낸 그래프이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
100: 연료전지 시스템 10: 연료전지 스택
11: 셀 12: 막-전극 어셈블리
15, 16: 세퍼레이터 15a: 산화제 유로
16a: 연료 유로 20: 송풍
21: 흡입 팬 23: 배출 팬
29: 분리판 27: 유입구
28: 배출구 30: 채널부
40: 연료 공급부 45: 개질기
50: 송풍부 51: 냉각 유로
51a: 흡입 유로 51b: 배출 유로
52: 순환 팬

Claims (19)

  1. 연료와 산화제의 반응에 의하여 전기를 발생시키며 적층 배열된 복수 개의 셀;
    상기 셀들의 적층된 일 면에 배치되며, 상기 셀들 사이에 형성된 흡입 유로와 배출 유로를 연통시키는 채널부; 및
    상기 셀들의 적층된 타 면에 배치되며, 상기 흡입 유로로 냉각 공기를 유입시키고, 상기 배출 유로로 냉각 공기를 배출시키는 송풍부;
    를 포함하는 연료전지 스택.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 송풍부는 상기 흡입 유로와 연통되어 흡입 유로로 공기를 주입하는 흡입 팬과 상기 배출 유로와 연통되어 배출 유로에서 공기를 배출시키는 배출 팬을 포함하는 연료전지 스택.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 흡입 팬과 상기 배출 팬은 서로 다른 방향으로 회전하는 연료전지 스택.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 흡입 유로는 상기 셀에서 연료가 주입되는 부분과 인접하게 배치되고, 상기 배출 유로는 상기 셀에서 연료가 배출되는 부분과 인접하게 배치된 연료전지 스택.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 흡입 팬은 상기 연료전지 스택의 중앙 부분에 배치되고, 상기 배출 팬은 상기 흡입 팬의 양쪽 옆에 배치된 연료전지 스택.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 흡입 팬과 상기 배출 팬 사이에는 상기 흡입 팬 및 배출 팬보다 더 외측으로 돌출된 분리판이 설치되고,
    상기 분리판에서 상기 배출 팬을 향하는 면은 외측으로 갈수록 상기 배출 팬 쪽으로 돌출된 연료전지 스택.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 채널부에는 상기 배출 유로와 연통되어 상기 채널부 내에 위치하는 공기를 상기 배출 유로로 유입시키는 순환 팬이 설치된 연료전지 스택.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 송풍부는 상기 흡입 유로와 연통되어 상기 흡입 유로로 공기를 주입하 는 흡입 팬을 포함하는 연료전지 스택.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 송풍부는 상기 배출 유로와 연통되어 상기 배출 유로로 공기를 배출하는 배출 팬을 포함하는 연료전지 스택.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 송풍부와 상기 채널부는 서로 마주하도록 배치된 연료전지 스택.
  11. 연료와 산화제의 반응에 의하여 전기를 발생시키며 적층 배열된 복수 개의 셀과, 상기 셀들의 적층된 일 면에 배치되며, 상기 셀들 사이에 형성된 흡입 유로와 배출 유로를 연통시키는 채널부, 및 상기 셀들의 적층된 타 면에 배치되며, 상기 흡입 유로로 냉각 공기를 유입시키고, 상기 배출 유로로 냉각 공기를 배출시키는 송풍부를 포함하는 연료전지 스택; 및
    상기 연료전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 연료 공급부와 상기 연료전지 스택 사이에 설치되어, 연료를 수소가 풍부한 개질가스로 변환하여 상기 연료전지 스택으로 공급하는 개질기를 더 포함하는 연료전지 시스템.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 송풍부는 상기 흡입 유로와 연통되어 흡입 유로로 공기를 주입하는 흡입 팬과 상기 배출 유로와 연통되어 배출 유로에서 공기를 배출시키는 배출 팬을 포함하는 연료전지 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 흡입 유로는 상기 셀에서 연료가 주입되는 부분과 인접하게 배치되고, 상기 배출 유로는 상기 셀에서 연료가 배출되는 부분과 인접하게 배치된 연료전지 시스템.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 흡입 팬은 상기 연료전지 스택의 중앙 부분에 배치되고, 상기 배출 팬은 상기 흡입 팬의 양쪽 옆에 배치된 연료전지 시스템.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 흡입 팬과 상기 배출 팬 사이에는 상기 흡입 팬 및 배출 팬보다 더 외측으로 돌출된 분리판이 설치되고,
    상기 분리판에서 상기 배출 팬을 향하는 면은 외측으로 갈수록 상기 배출 팬 쪽으로 돌출된 연료전지 시스템.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 채널부에는 상기 배출 유로와 연통되어 상기 채널부 내에 위치하는 공기를 상기 배출 유로로 유입시키는 순환 팬이 설치된 연료전지 시스템.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 송풍부는 상기 흡입 유로와 연통되어 상기 흡입 유로로 공기를 주입하는 흡입 팬을 포함하는 연료전지 시스템.
  19. 제11 항에 있어서,
    상기 송풍부는 상기 배출 유로와 연통되어 상기 배출 유로로 공기를 배출하는 배출 팬을 포함하는 연료전지 시스템.
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