KR20120063821A - 연료 전지 스택 - Google Patents

Abstract

연료 전지 스택이 개시된다. 개시된 연료 전지 스택은 ⅰ)다수의 연료 전지들을 연속적으로 적층하여 이루어지며, 연료 전지들로 반응가스 및 냉각수를 포함하는 공급 유체를 공급하기 위한 유체 공급 매니폴드를 형성하고 있는 전기 발생 집합체와, ⅱ)유체 공급 매니폴드에 삽입 장착되며, 연료 전지들에 대하여 공급 유체를 가변적으로 분배하는 디퓨져유닛을 포함하되, 디퓨져유닛은 유체 공급 매니폴드에 삽입되는 통로부재와, 통로부재에 회전 가능하게 설치되며 공급 유체를 가이드하는 가이드부재와, 통로부재에 대하여 가이드부재를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하여 이루어진다.

Description

연료 전지 스택 {FUEL CELL STACK}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료, 산화제 및 냉각수 등의 공급 유체를 연료 전지로 공급하는 유체 공급 구조를 개선한 연료 전지 스택에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지 스택은 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 장치이다. 이러한 연료 전지 스택은 복수의 연료 전지들을 연속적으로 배열하여 이루어지며, 그 단위 셀들에 연료와 산화제를 제공하여 전기 에너지를 생산한다.

이를 위해 상기 연료 전지 스택에는 연료, 산화제 및 냉각수와 같은 유체를 공급하기 위한 매니폴드를 형성하고 있다.

한편, 연료 전지 스택을 채용하는 연료 전지 자동차는 다양한 운전 조건에 대응하는 발전 부하에 따라 상기한 유체의 소비율을 일정하게 유지하면서 그 유체의 소모량을 최적화해야 한다.

그런데, 종래 기술에서는 차량의 급 가속 등 운전 조건에 따라 발전 부하가 급변하는 경우, 연료 전지들로 공급되는 유체의 유량이 균일하지 않고, 이로 인해 연료 전지들의 전압 편차가 커지게 된다.

즉, 이 경우에서는 유체의 유량 변화 시 발생하는 유량 갈증(flow instability)에 의해 유체의 일정 유동 거리 이후의 구간에서 연료 전지로 공급되는 유체의 유량이 적어지게 되는 현상이 일어난다.

따라서, 종래 기술에서는 발전 부하의 급변 시, 매니폴드의 입구로부터 멀어지는 구간에서 매니폴드의 유로 단면적이 일정한 반면, 그 구간으로 도달 가능한 유체의 유량이 적어지게 되어, 과량의 유체를 공급하지만 부분적인 유체 압력 감소로 인해 유체의 공급 유량이 감소하는 구간이 발생한다.

이로 인해 종래 기술에서는 연료 전지들에서 필요로 하는 발전 전류를 생성하지 못하게 되면서 발전 출력 제한으로 이어지며, 이러한 유체 공급 불균형이 제어 범위를 벗어날 경우 차량의 시동 정지 및 셧-다운과 같은 상황으로 발전할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 발전 부하에 따라 가변하는 공급 유체의 유량 및 압력에 대응하여 연료 전지들로 균일한 유량의 유체를 공급할 수 있도록 한 연료 전지 스택을 제공한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택은, ⅰ)다수의 연료 전지들을 연속적으로 적층하여 이루어지며, 상기 연료 전지들로 반응가스 및 냉각수를 포함하는 공급 유체를 공급하기 위한 유체 공급 매니폴드를 형성하고 있는 전기 발생 집합체와, ⅱ)상기 유체 공급 매니폴드에 삽입 장착되며, 상기 연료 전지들에 대하여 공급 유체를 가변적으로 분배하는 디퓨져유닛을 포함하되, 상기 디퓨져유닛은 상기 유체 공급 매니폴드에 삽입되는 통로부재와, 상기 통로부재에 회전 가능하게 설치되며 상기 공급 유체를 가이드하는 가이드부재와, 상기 통로부재에 대하여 상기 가이드부재를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하여 이루어진다.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 통로부재는 상부면이 소정 곡률로서 라운드진 형상으로 이루어지며, 상기 공급 유체의 공급 방향을 따라 유로 단면적이 점차 작아지는 형태로서 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 통로부재의 상부면에는 상기 유체 공급 매니폴드에 고정시키기 위한 핀 부재(fin member)가 형성될 수 있다.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 디퓨져유닛은 상기 통로부재에 설치되며 상기 가이드부재의 회전 범위를 규제하는 위치 규제부재를 더 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 가이드부재는 상기 위치 규제부재에 회전 가능하게 설치될 수 있다.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 탄성부재는 상기 위치 규제부재와 상기 가이드부재를 연결하는 리턴 스프링으로서 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 전기 발생 집합체에서 전 부하 및 부분 부하와 같이 운전자의 요구에 의한 발전 부하 급변화 시 나타나는 연료 전지별 유량 공급 불균일성을 해소할 수 있으며, 전기 발생 집합체의 최 외측 연료 전지에서의 유량 갈증 현상을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 연료 전지들에 균일한 유량의 유체를 공급할 수 있으므로, 전기 발생 집합체의 국부적인 반응 가스 부족에 따른 연료 전지의 구성 요소 손상을 방지할 수 있으며, 이들 구성 요소의 내구 수명을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 디퓨져유닛을 전기 발생 집합체의 유체 공급 매니폴드에 삽입 장착하는 구성으로 이루어짐에 따라 설계 자유도가 높고 플라스틱 사출 등 경량화 제작이 용이하고, 연료 전지의 적층 방향 및 수직 성분의 진동과 충격으로부터 전기 발생 집합체의 얼라인 유지가 가능하다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 결합 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택에 적용되는 디퓨져유닛을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 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.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 결합 단면 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택(200)은 연료 및 산화제의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 다수의 연료 전지(1)(당 업계에서는 "단위 셀" 이라고 한다)들을 연속적으로 배열하여 이루어진다.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 스택(200)은 연료 전지들(1)로 이루어진 전기 발생 집합체(210)와, 전기 발생 집합체(210)를 밀착 체결하기 위한 엔드 플레이트(220)를 포함하여 구성된다.

상기에서, 전기 발생 집합체(210)는 위에서 언급한 바 있는 다수의 연료 전지들(1)이 연속적으로 배열(적층)된 연료 전지들(1)의 집합체 구조로서 이루어진다.

여기서, 상기 연료 전지(1)는 막-전극 어셈블리(MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(당 업계에서는 바이폴라 플레이트 또는 분리판 이라고 칭함)를 배치하여 이루어진다.

상기와 같은 전기 발생 집합체(210)는 각각의 연료 전지(1)로 공급되는 연료와 산화제(이하에서는 편의 상 "반응 가스" 라고 한다)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있으며, 이 과정에 연료 전지들(1)에서 발생하는 열을 냉각 매체(이하에서는 편의 상 "냉각수" 라고 한다)를 통해 수냉식으로 냉각시킬 수 있는 구조로 되어 있다.

즉, 상기 전기 발생 집합체(210)는 각각의 연료 전지(1) 사이에 냉각수를 유통시킬 수 있는 냉각수 유통로(도면에 도시되지 않음)를 형성하고 있다.

이러한 연료 전지들(1)의 적층 구조, 및 냉각수가 유통 가능한 전기 발생 집합체(210)의 구조는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

여기서, 상기 전기 발생 집합체(210)에는 연료 전지들(1)로 반응가스 및 냉각수를 포함하는 공급 유체를 공급하기 위한 유체 공급 매니폴드(211)를 형성하고 있다.

이 경우, 상기 유체 공급 매니폴드(211)는 반응 가스로서 연료와 산화제를 연료 전지들(1)로 공급하고, 냉각수를 연료 전지들(1) 사이로 공급하기 위한 각각의 유체 공급 통로로서 구비되는 바, 도면에서는 편의 상 하나의 유체 공급 통로를 도시하고 있다.

그리고, 상기 유체 공급 매니폴드(211)는 각각의 연료 전지(1)에 형성된 유체 공급 통로가 하나로 합쳐지며 형성될 수 있고, 이 유체 공급 통로는 엔드 플레이트(220)에 형성된 구멍과 연결될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 스택(200)은 전기 발생 집합체(210)의 연료 전지들(1)로 공급되는 반응 가스 및 냉각수(이하에서는 편의 상 "공급 유체"라고 한다)의 유량을 안정적으로 분배할 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 상기 연료 전지 스택(200)은 공급 유체의 유량을 안정적으로 분배하여 전기 발생 집합체(210)의 가변 부하 시, 연료 전지들(1) 간의 유량 불일치 및 공급 불안정에 따른 연료 전지들(1)의 발전 전압 편차와 이에 수반하는 전극의 국부적인 유동 흐름 불안정을 제거할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택(200)은 전기 발생 집합체(210)의 유체 공급 매니폴드(211)에 삽입 장착되는 디퓨져유닛(230)을 포함하고 있다.

도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택에 적용되는 디퓨져유닛을 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 디퓨져유닛(230)은 연료 전지들(1)에 대하여 공급 유체를 가변적으로 분배하기 위한 것으로서, 기본적으로 통로부재(240)와, 가이드부재(250)와, 탄성부재(260)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 통로부재(240)는 전기 발생 집합체(210)의 유체 공급 매니폴드(211)에 삽입 장착되는 바, 상부면이 소정 곡률로서 라운드진 형상으로 이루어지며, 공급 유체의 공급 방향을 따라 유로 단면적이 점차 작아지는 형태로서 이루어진다.

이 경우, 상기 통로부재(240)의 상부면에는 유체 공급 매니폴드(211)에 통로부재(240)를 고정시키기 위한 지느러미 형태의 핀 부재(fin member)(241)가 형성될 수 있다.

상기 가이드부재(250)는 통로부재(240)를 통해 공급되는 공급 유체를 가이드 하는 것으로서, 그 통로부재(240)에 회전 가능하게 설치될 수 있다.

여기서, 상기 가이드부재(250)는 통로부재(240)에 구비된 위치 규제부재(270)에 의해 회전 범위가 규제될 수 있는데, 그 위치 규제부재(270)에 회전 가능하게 설치될 수 있다.

그리고, 상기 탄성부재(260)는 통로부재(240)에 대하여 가이드부재(250)를 탄성 지지하는 것으로, 위치 규제부재(270)와 가이드부재(250)를 연결하는 리턴 스프링으로서 이루어진다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 연료 전지 스택(200)에 의하면, 전기 발생 집합체(210)의 발전 부하에 따라 공급 유체의 유량 및 압력이 상승하는 경우, 가이드부재(250)는 탄성부재(260)의 탄성력을 극복하며 회전함으로써 높은 경사각을 형성한다.

그리고, 전기 발생 집합체(210)의 발전 부하에 따라 공급 유체의 유량 및 압력이 작아지는 경우, 가이드부재(250)는 탄성부재(260)의 탄성 복원력에 의해 회전하면서 작은 경사각을 형성한다.

따라서, 본 실시예에서는 상기와 같은 디퓨져유닛(230)을 통해 연료 전지들(1)에 대하여 공급 유체를 가변적으로 분배할 수 있으므로, 부분 부하, 및 전 부하에 따른 발전 부하의 급변 시 전기 발생 집합체(210)의 연료 전지들(1)에 대하여 균일한 유량의 공급 유체를 제공할 수 있다.

이로써, 본 실시예에서는 전기 발생 집합체(210)에서 전 부하 및 부분 부하와 같이 운전자의 요구에 의한 발전 부하 급변화 시 나타나는 연료 전지(1) 별 유량 공급 불균일성을 해소할 수 있으며, 전기 발생 집합체(210)의 최 외측 연료 전지에서의 유량 갈증 현상(flow instability)을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 연료 전지들(1)에 균일한 유량의 유체를 공급할 수 있으므로, 전기 발생 집합체(210)의 국부적인 반응 가스 부족에 따른 연료 전지(1)의 구성 요소(전해질, 전극, 분리판 등)의 손상을 방지할 수 있으며, 이들 구성 요소의 내구 수명을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 디퓨져유닛(230)을 전기 발생 집합체(210)의 유체 공급 매니폴드(211)에 삽입 장착하는 구성으로 이루어짐에 따라 설계 자유도가 높고 플라스틱 사출 등 경량화 제작이 용이하다.

그리고, 본 실시예에서는 디퓨져유닛(230)이 전기 발생 집합체(210)의 유체 공급 매니폴드(211)에 삽입 장착되므로, 이러한 디퓨져유닛(230)을 통해 연료 전지(1)의 적층 방향 및 수직 성분의 진동과 충격으로부터 전기 발생 집합체의 얼라인 유지가 가능하다는 잇점도 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.

1... 연료 전지 210... 전기 발생 집합체
211... 유체 공급 매니폴드 220... 엔드 플레이트
230... 디퓨져유닛 240... 통로부재
241... 핀부재 250... 가이드부재
260... 탄성부재 270... 위치 규제부재

Claims (6)

1. 다수의 연료 전지들을 연속적으로 적층하여 이루어지며, 상기 연료 전지들로 반응가스 및 냉각수를 포함하는 공급 유체를 공급하기 위한 유체 공급 매니폴드를 형성하고 있는 전기 발생 집합체; 및
   상기 유체 공급 매니폴드에 삽입 장착되며, 상기 연료 전지들에 대하여 공급 유체를 가변적으로 분배하는 디퓨져유닛을 포함하되,
   상기 디퓨져유닛은,
   상기 유체 공급 매니폴드에 삽입되는 통로부재와, 상기 통로부재에 회전 가능하게 설치되며 상기 공급 유체를 가이드 하는 가이드부재와, 상기 통로부재에 대하여 상기 가이드부재를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하여 이루어지는 연료 전지 스택.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 통로부재는,
   상부면이 소정 곡률로서 라운드진 형상으로 이루어지며, 상기 공급 유체의 공급 방향을 따라 유로 단면적이 점차 작아지는 형태로서 이루어지는 연료 전지 스택.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 통로부재의 상부면에는 상기 유체 공급 매니폴드에 고정시키기 위한 핀 부재(fin member)가 형성되는 연료 전지 스택.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 디퓨져유닛은,
   상기 통로부재에 설치되며 상기 가이드부재의 회전 범위를 규제하는 위치 규제부재를 더 포함하는 연료 전지 스택.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 가이드부재는 상기 위치 규제부재에 회전 가능하게 설치되는 연료 전지 스택.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 탄성부재는,
   상기 위치 규제부재와 상기 가이드부재를 연결하는 리턴 스프링으로서 이루어지는 연료 전지 스택.

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