KR20220085451A - 연료전지 스택 - Google Patents

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KR20220085451A
KR20220085451A KR1020200175528A KR20200175528A KR20220085451A KR 20220085451 A KR20220085451 A KR 20220085451A KR 1020200175528 A KR1020200175528 A KR 1020200175528A KR 20200175528 A KR20200175528 A KR 20200175528A KR 20220085451 A KR20220085451 A KR 20220085451A
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정희석
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 매니폴드유로가 형성된 연료전지 셀, 연료전지 셀의 단부에 체결되는 엔드플레이트, 엔드플레이트의 단부에 마련되며 매니폴드유로와 연통되는 가이드유로가 형성된 매니폴드블록, 연료전지 셀과 엔드플레이트의 사이에 개재되는 제1히터, 및 가이드유로의 내부에 마련되는 제2히터를 포함하는 것에 의하여, 응축수의 유입을 최소화하고, 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지 스택{FUEL CELL STACK}
본 발명의 실시예는 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 구체적으로 응축수의 유입을 최소화하고, 성능 및 작동 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지 스택은, 연료(예를 들어, 수소)의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하는 일종의 발전 장치로서, 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(단위 셀)을 직렬로 적층하여 구성될 수 있다.
연료전지 셀은, 수소 양이온을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과 수소와 산소가 반응할 수 있도록 전해질막의 양쪽면에 마련된 전극(촉매전극층)이 결합된 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 막전극접합체의 양면에 밀착되어 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 및 기체확산층에 밀착되며 유로를 형성하는 분리판(Bipolar plate)을 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 스택을 구성하는 복수개의 연료전지 셀의 양 끝단에는 밴드(스트랩)를 매개로 연결되는 한 쌍의 엔드플레이트(end plate)가 마련되고, 엔드플레이트에 의해 각 연료전지 셀은 면압을 유지하도록 지지(마찰 접촉 상태를 유지)될 수 있다.
한편, 액적을 포함하는 공기가 연료전지 스택에 지속적으로 공급되면, 연료전지 스택의 내부에 플러딩(flooding) 현상이 발생하여 연료전지 스택의 성능 및 작동 효율이 저하되고, 동절기에는 연료전지 스택의 내부에 공급된 응축수가 응결되는 문제점이 있으므로, 연료전지 스택으로 응측수가 공급되는 것을 최소화할 수 있어야 한다.
기존에는 연료전지 스택으로 공급되는 공기에 포함된 응축수를 제거하기 위하여, 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 일부(예를 들어, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 전체 공급 유량의 1~5%)를 별도로 마련된 바이패스 유로를 이용하여 연료전지 스택으로부터 배출되는 공기와 함께 배출하는 방안이 제안된 바 있다.
그러나, 기존에는 공기의 바이패스 유량(응축수의 배출을 위해 버려지는 공기의 유량)만큼 연료전지 스택에 공급되는 공기의 총 공급 유량을 불필요하게 증가시켜야 함에 따라 연료전지 시스템의 전체 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 연료전지 스택으로 공급되는 공기에서 응축수를 최소화하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 응축수의 유입을 최소화하고, 성능 및 작동 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 응축수의 유입으로 인한 연료전지 스택 내 플러딩 현상을 억제할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시예는 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 스택은, 매니폴드유로가 형성된 연료전지 셀, 연료전지 셀의 단부에 체결되는 엔드플레이트, 엔드플레이트의 단부에 마련되며 매니폴드유로와 연통되는 가이드유로가 형성된 매니폴드블록, 연료전지 셀과 엔드플레이트의 사이에 개재되는 제1히터, 및 가이드유로의 내부에 마련되는 제2히터를 포함한다.
이는, 연료전지 스택내 응축수의 유입을 최소화하고, 성능 및 작동 효율을 향상시키기 위함이다.
즉, 액적을 포함하는 공기가 연료전지 스택에 지속적으로 공급되면, 연료전지 스택의 내부에 플러딩(flooding) 현상이 발생하여 연료전지 스택의 성능 및 작동 효율이 저하되는 문제점이 있고, 동절기에는 연료전지 스택의 내부에 공급된 응축수가 응결되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 제1히터 및 제2히터를 매개로 연료전지 스택으로 공급되는 공기가 가열되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택으로 공급되는 공기중에 포함된 응축수를 최소화할 수 있으며, 연료전지 스택의 내부에서 플러딩 현상을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도 본 발명의 실시예는 가이드유로에 공급된 공기가 가이드유로에 마련되는 제2히터에 의해 직접 가열되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택으로 공급된 공기를 별도의 바이패스 유로를 통해 바이패스시키지 않고도(바이패스 유로를 갖는 더미셀을 추가적으로 마련하지 않고도), 연료전지 스택에 응축수가 유입되는 것을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
연료전지 셀은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 셀은, 제1매니폴드유로가 형성된 제1연료전지 셀, 및 제1연료전지 셀과 개별적으로 제공되며 제2매니폴드유로가 형성된 제2연료전지 셀을 포함할 수 있다.
일 예로, 가이드유로는, 제1매니폴드유로와 연통되는 제1유로, 제1유로와 독립적으로 분리되게 마련되며 제2매니폴드유로와 연통되는 제2유로, 및 제1유로와 제2유로를 연결하는 연결유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 셀은, 상기 매니폴드블록에 마련되며, 상기 매니폴드유로를 거쳐 배출되는 공기를 외부로 안내하는 아웃렛 가이드유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2히터는 제1유로, 제2유로 및 연결유로에 각각 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2히터는 제1유로 및 제2유로 중 적어도 어느 하나에 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2히터는 연결유로의 내부에 마련될 수 있다.
제2히터로서는 가이드유로에 공급되는 공기를 가열하여 공기중에 포함된 응축수를 기화시킬 수 있는 다양한 히터가 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2히터는 공기가 통과 가능한 다공성 구조체로 제공될 수 있다.
바람직하게, 제2히터는 가이드유로의 대응하는 단면적으로 갖도록 형성될 수 있다. 이와 같이, 가이드유로에 유입된 공기가 다공성 구조체로 이루어진 제2히터를 통과한 상태로 연료전지 스택에 공급되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 유동에서 난류를 최소화(유동 흐름 안정화)하고, 연료전지 스택으로의 공기 공급을 보다 안정적으로 구현하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 제2히터는 공기가 통과 가능한 스크류(screw) 구조체로 제공될 수 있다.
이와 같이, 가이드유로에 유입된 공기가 스크류 구조체로 이루어진 제2히터를 통과하도록 하는 것에 의하여, 제2히터를 거쳐 연료전지 스택으로 공급되는 공기에 회전 유동에 의한 관성모멘트(Moment of Inertia)를 부여할 수 있으므로, 연료전지 스택의 안쪽까지 공기를 충분하게 공급(유동 압력을 보장)할 수 있다. 따라서, 제2히터를 통과한 공기 중에 기화되지 못한 응축수가 남아 있게 되더라도, 공기에 포함된 응축수가 엔드플레이트에 인접한 연료전지 셀 부근에서 정체되는 것을 최소화하고, 연료전지 셀 전체에 걸쳐 고르게 퍼트릴 수 있으므로, 플러딩 현상에 따른 성능 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1히터와 제2히터는 전기적으로 병렬로 연결될 수 있다.
바람직하게, 연료전지 스택은, 제1히터에 전기적으로 연결되며 제1히터를 선택적으로 작동시키는 제1스위치, 및 제2히터에 전기적으로 연결되며 제2히터를 선택적으로 작동시키는 제2스위치를 포함할 수 있다.
이와 같이, 제1스위치 및 제2스위치를 매개로 제1히터 및 제2히터가 선택적으로 작동하도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 가습 상태(가습량)를 최적화하는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 스택으로의 응축수 유입을 최소화하고, 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 응축수의 유입으로 인한 연료전지 스택 내 플러딩 현상을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택으로서, 제1히터 및 제2히터의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택으로서, 가이드유로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택으로서, 제2히터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택으로서, 제1히터와 제2히터의 전기 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택으로서, 제2히터의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택으로서, 제1히터와 제2히터의 가동 조건을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 스택(10)은, 매니폴드유로가 형성된 연료전지 셀(100), 연료전지 셀(100)의 단부에 체결되는 엔드플레이트(200), 엔드플레이트(200)의 단부에 마련되며 매니폴드유로와 연통되는 가이드유로(410)가 형성된 매니폴드블록(400), 연료전지 셀(100)과 엔드플레이트(200)의 사이에 개재되는 제1히터(300), 및 가이드유로(410)의 내부에 마련되는 제2히터(500)를 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택(10)은 연료전지 차량(예를 들어, 승용차 또는 상용차) 또는 선박 등에 적용될 수 있으며, 연료전지이 적용되는 피대상체의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
연료전지 스택(10)은, 연료(예를 들어, 수소)의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하는 일종의 발전 장치로서, 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(100)(단위 셀)을 직렬로 적층하여 구성될 수 있다.
연료전지 셀(100)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 연료전지 셀(100)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(미도시), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(미도시), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)(미도시)을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 연료전지 셀(100)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
또한, 연료전지 셀(100)에는 수소, 공기 및 냉각수를 유동(공급 및 배출)시키기 위한 매니폴드유로(112,122)(예를 들어, 수소 매니폴드, 냉각수 매니폴드, 공기 매니폴드)가 관통 형성된다.
매니폴드유로(112,122)의 구조 및 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 매니폴드유로(112,122)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 공기가 유동하는 매니폴드유로(112,122)는, 공기가 공급되는 공기 인렛 매니폴드(미도시) 및 공기가 배출되는 공기 아웃렛 매니폴드(미도시)를 포함할 수 있다.
연료전지 셀(100)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 셀(100)은, 제1매니폴드유로(112)가 형성된 제1연료전지 셀(110), 및 제1연료전지 셀(110)과 개별적으로 제공되며 제2매니폴드유로(122)가 형성된 제2연료전지 셀(120)을 포함할 수 있다.
이하에서는 제1연료전지 셀(110)의 하부에 제2연료전지 셀(120)이 적층된 예를 들어 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1연료전지 셀의 상부 또는 측부 제2연료전지 셀을 적층하는 것도 가능하다. 다르게는, 3개 이상의 연료전지 셀을 적층하여 연료전지 스택을 구성하는 것도 가능하다. 경우에 따라서는, 제1연료전지 셀 및 제2연료전지 셀 중 어느 하나만으로 연료전지 스택을 구성하는 것도 가능하다.
일 예로, 제1매니폴드유로(112)는, 공기가 공급되는 제1공기 인렛 매니폴드(미도시) 및 공기가 배출되는 제1공기 아웃렛 매니폴드(미도시)를 포함할 수 있고, 제2매니폴드유로(122)는, 공기가 공급되는 제2공기 인렛 매니폴드(미도시) 및 공기가 배출되는 제2공기 아웃렛 매니폴드(미도시)를 포함할 수 있다.
엔드플레이트(200)는 연료전지 스택(10)을 구성하는 복수개의 연료전지 셀(100)을 체결하기 위해 마련된다.
일 예로, 엔드플레이트(200)는 연료전지 스택(10)을 구성하도록 적층되는 복수개의 연료전지 셀(100)의 양단부(최외각 양단부)에 체결될 수 있다.
이하에서는 적층된 연료전지 셀(100)의 일단 및 다른 일단에 각각 마련되는 한 쌍의 엔드플레이트(200)가 스트랩(미도시)(예를 들어, 금속 재질의 스트랩)을 매개로 연결(체결)되는 예를 들어 설명하기로 한다.
매니폴드블록(400)은 공기 공급계(또는 수소 공급계)와 연료전지 스택(10)을 연결하기 위해 마련된다.
보다 구체적으로, 매니폴드블록(400)은 엔드플레이트(200)의 단부에 마련되며, 매니폴드블록(400)에는 매니폴드유로(112,122)와 연통되는 가이드유로(410)가 형성된다.
매니폴드블록(400)은 매니폴드유로(112,122)와 연통 가능한 가이드유로(410)를 갖는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 매니폴드블록(400)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
참고로, 엔드플레이트(200)에는 관통홀(미도시)이 형성될 수 있으며, 관통홀의 일단에는 매니폴드유로(112,122)가 연결되고, 관통홀의 다른 일단에는 가이드유로(410)가 연결됨으로써, 매니폴드유로(112,122)와 가이드유로(410)가 서로 연통될 수 있다.
가이드유로(410)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 가이드유로(410)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 가이드유로(410)는, 제1매니폴드유로(112)와 연통되는 제1유로(412), 제1유로(412)와 독립적으로 분리되게 마련되며 제2매니폴드유로(122)와 연통되는 제2유로(414), 및 제1유로(412)와 제2유로(414)를 연결하는 연결유로(416)를 포함할 수 있다.
이하에서는 제1유로(412), 제2유로(414) 및 연결유로(416)가 상호 협조적으로 대략 "V"자 형태를 이루도록 연결된 예를 들어 설명하기로 한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1유로, 제2유로 및 연결유로를 "T"자 형태, "L"자 형태 또는 여타 다른 형태로 연결하는 것도 가능하다.
또한, 매니폴드블록(400)에는 제1매니폴드유로(112) 및 제2매니폴드유로(122) 거쳐 배출되는 공기를 외부로 안내하는 아웃렛 가이드유로(420)가 마련될 수 있다.
제1히터(300)는 연료전지 셀(100)(예를 들어, 최외각에 배치되는 연료전지 셀)과 엔드플레이트(200)의 사이에 밀착되게 개재되며, 연료전지 셀(100)을 선택적으로 가열하도록 마련된다.
일 예로, 제1히터(300)는 연료전지 스택(10)의 냉시동시 연료전지 셀(100)을 가열하도록 구성될 수 있다.
제1히터(300)가 작동(ON)하면, 제1히터(300)의 열이 연료전지 셀(100)로 전달됨으로써, 연료전지 셀(100)을 통과하는 공기가 가열될 수 있다.
제1히터(300)로서는 통상의 판상 히터가 사용될 수 있으며, 제1히터(300)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 제2히터(500)는 제1히터(300)와 독립적으로 작동 가능하게 가이드유로(410)의 내부에 마련된다.
여기서, 가이드유로(410)의 내부라 함은, 가이드유로(410)를 따라 유동하는 공기와 접촉 가능한 가이드유로(410)의 내부 공간으로 정의될 수 있다.
일 예로, 제2히터(500)는 제1유로(412), 제2유로(414) 및 연결유로(416)의 내부에 각각 마련될 수 있다.
바람직하게, 제1유로(412) 및 제2유로(414)에는 공기가 유동하는 방향을 따라 이격되게 복수개의 제2히터(500)가 마련될 수 있다.
제2히터(500)는 가이드유로(410)에 공급되는 공기를 가열하여 공기중에 포함된 응축수를 기화시킴으로써, 공기의 가습도를 순간적으로 낮출 수 있다. 따라서, 엔드플레이트(200)에 인접한 연료전지 셀(100)을 통과하는 공기(예를 들어, 제2히터를 통과한 직후의 공기)는 비교적 낮은 가습 상태를 유지할 수 있다.
제2히터(500)로서는 가이드유로(410)에 공급되는 공기(AF)를 가열하여 공기중에 포함된 응축수를 기화시킬 수 있는 다양한 히터가 사용될 수 있으며, 제2히터(500)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도 4를 참조하면, 제2히터(500)는 공기가 통과 가능한 다공성 구조체로 제공될 수 있다. 예를 들어, 제2히터(500)로서는 메쉬(mesh)형 발열체(예를 들어, 허니콤 발열체)가 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2히터로서 공기가 통과 가능한 통과홀(미도시)이 관통 형성된 여타 다른 발열체를 사용하는 것도 가능하다.
바람직하게, 제2히터(500)는 가이드유로(410)의 대응하는 단면적으로 갖도록 형성되어 가이드유로(410)를 차단하도록 배치될 수 있으며, 가이드유로(410)에 유입된 공기는 제2히터(500)를 통과한 후 연료전지 스택(10)으로 공급될 수 있다.
이와 같이, 가이드유로(410)에 유입된 공기가 다공성 구조체로 이루어진 제2히터(500)를 통과한 상태로 연료전지 스택(10)에 공급되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기의 유동에서 난류를 최소화(유동 흐름 안정화)하고, 연료전지 스택(10)으로의 공기 공급을 보다 안정적으로 구현하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는, 제2히터(500)가 제1유로(412) 및 제2유로(414)의 일부 구간에 이격되게 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 제1유로(412) 및 제2유로(414)의 거의 전체 구간에 제2히터(500)를 마련하는 것도 가능하다.
즉, 도 6을 참조하면, 제2히터(500)는 제1유로(412) 및 제2유로(414)에 대응하는 길이를 갖도록 형성될 수 있으며, 제1유로(412) 및 제2유로(414)를 따라 연속적으로 배치될 수 있다.
이와 같이, 제2히터(500)가 제1유로(412) 및 제2유로(414)에 대응하는 길이를 갖도록 하는 것에 의하여, 연결유로(416)에 별도의 제2히터(500)를 마련하지 않고도, 가이드유로(410)에 공급되는 공기를 충분하게 가열(공기중에 포함된 응축수를 기화)하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1유로 및 제2유로에 모두 제2히터가 마련되는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제1유로 및 제2유로 중 어느 하나에만 제2히터를 마련하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1유로 및 제2유로에는 제2히터를 마련하지 않고, 연결유로에만 제2히터를 마련하는 것도 가능하다.
또한, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는, 제2히터(500)가 다공성 구조체로 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제2히터를 스크류 구조체로 형성하는 것도 가능하다.
즉, 도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 제2히터(500')는 공기가 통과 가능한 스크류(screw) 구조체로 제공될 수 있다.
이와 같이, 가이드유로(410)에 유입된 공기가 스크류 구조체로 이루어진 제2히터(500')의 스크류 따라 통과하도록 하는 것에 의하여, 제2히터(500')를 거쳐 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기에 회전 유동(VF)에 의한 관성모멘트(Moment of Inertia)를 부여할 수 있으므로, 연료전지 스택(10)의 안쪽까지(예를 들어, 엔드플레이트에 인접한 연료전지 셀이 아닌 연료전지 스택의 중앙부에 배치되는 연료전지 셀까지) 공기를 충분하게 공급(유동 압력을 보장)할 수 있다. 따라서, 제2히터(500')를 통과한 공기 중에 기화되지 못한 응축수가 남아 있게 되더라도, 공기에 포함된 응축수가 엔드플레이트(200)에 인접한 연료전지 셀(100) 부근에서 정체되는 것을 최소화하고, 연료전지 셀(100) 전체에 걸쳐 고르게 퍼트릴 수 있으므로, 플러딩 현상에 따른 성능 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1히터(300)와 제2히터(500)는 전기적으로 병렬로 연결될 수 있다.
바람직하게, 연료전지 스택(10)은, 제1히터(300)에 전기적으로 연결되며 제1히터(300)를 선택적으로 작동시키는 제1스위치(310), 및 제2히터(500)에 전기적으로 연결되며 제2히터(500)를 선택적으로 작동시키는 제2스위치(510)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 제1스위치(310) 및 제2스위치(510)를 매개로 제1히터(300) 및 제2히터(500)가 선택적으로 작동하도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택(10)의 운전 조건에 따라 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기의 가습 상태(가습량)를 최적화하는 것이 가능하다.
제1히터(300) 및 제2히터(500)의 작동 시점은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
일 예로, 도 8을 참조하면, 가이드유로(410)에 공급되는 공기의 온도(또는 외기 온도)(T)가 기설정된 기준 온도(예를 들어, -10℃)보다 높으면, 제1스위치(310)는 제1히터(300)를 작동시킬 수 있다. 반면, 가이드유로(410)에 공급되는 공기의 온도(T)가 기준 온도(예를 들어, -10℃)보다 낮으면, 제1히터(300)가 작동하는 상태에서 제2스위치(510)는 제2히터(500)를 작동시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 스택(10)의 정상적인 운전 조건에서는, 제1히터(300) 및 제2히터(500)의 작동이 모두 정지될 수 있다.
반면, 가이드유로(410)에 공급되는 공기의 온도(또는 외기 온도)가 기설정된 기준 온도(T)(예를 들어, -10℃)보다 낮은 냉시동 운전 조건에서는, 제1히터(300)만이 단독적으로 작동하고 제2히터(500)의 작동은 정지될 수 있다.
한편, 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기에 응축수가 급격하게 발생할 수 있는 운전 조건(예를 들어, 장기 아이들 상태에서 발진 조건, 저온 운전(냉시동 직후/겨울철) 조건, 저출력 운전 후 급가속 조건)에서는, 제1히터(300) 및 제2히터(500)가 모두 작동하도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택(10)으로 유입되는 공기를 충분하게 가열하여 공기의 가습도를 순간적으로 낮출 수 있으므로, 연료전지 스택(10)으로의 응축수 유입을 최소화하고, 응축수에 의한 성능 및 작동 효율 저하를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 연료전지 스택(10)의 운전 조건에 따라 제1히터(300) 및 제2히터(500)의 작동 시점을 제어하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료전지 스택(10)으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기의 내부 수분량에 기초하여 제1히터(300) 및 제2히터(500)의 작동 시점을 제어하는 것도 가능하다.
예를 들어, 연료전지 스택(10)의 캐소드(cathode)측 수분 생성량, 포화 수증기 배출량 및 애노드(anode)측 수분 배출량에 기초하여 가습기의 내부 수분량을 측정(또는 추정)하고, 가습기의 내부 수분량에 기초하여 제1히터(300) 및 제2히터(500)의 작동 시점을 제어할 수 있다.
참고로, 가습기의 내부 수분량을 측정하는 방법은, 대한민국 등록특허공보 제10-1910919호에 개시되어 있으며, 제10-1910919호는 가습기의 내부 수분량 측정 방법에 관하여 본 명세서에 대한 참고로서 원용될 수 있다.
한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 연료전지 스택(10)이 상하로 적층되는 제1연료전지 셀(110) 및 제2연료전지 셀(120)을 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 단일층 구조의 연료전지 셀로 연료전지 스택을 구성하는 것도 가능하다.
즉, 도 9를 참조하면, 연료전지 스택(10)의 연료전지 셀(100)은 단일층을 이루도록 구성(예를 들어, 제1연료전지 셀 및 제2연료전지 셀 중 어느 하나만으로 구성)될 수 있고, 제2히터(500)는 엔드플레이트(200)의 단부에 마련된 매니폴드블록(400)의 내부에 정의되는 가이드유로(410)(예를 들어, 직선 형태의 유로) 상에 마련될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 연료전지 스택
100 : 연료전지 셀
110 : 제1연료전지 셀
112 : 제1매니폴드유로
120 : 제2연료전지 셀
122 : 제2매니폴드유로
200 : 엔드플레이트
300 : 제1히터
310 : 제1스위치
400 : 매니폴드블록
410 : 가이드유로
412 : 제1유로
414 : 제2유로
416 : 연결유로
420 : 아웃렛 가이드유로
500,500' : 제2히터
510 : 제2스위치

Claims (13)

  1. 매니폴드유로가 형성된 연료전지 셀;
    상기 연료전지 셀의 단부에 체결되는 엔드플레이트;
    상기 엔드플레이트의 단부에 마련되며, 상기 매니폴드유로와 연통되는 가이드유로가 형성된 매니폴드블록;
    상기 연료전지 셀과 상기 엔드플레이트의 사이에 개재되는 제1히터; 및
    상기 가이드유로의 내부에 마련되는 제2히터;
    를 포함하는 연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1히터와 상기 제2히터는 전기적으로 병렬로 연결되는 연료전지 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1히터에 전기적으로 연결되며, 상기 제1히터를 선택적으로 작동시키는 제1스위치; 및
    상기 제2히터에 전기적으로 연결되며, 상기 제2히터를 선택적으로 작동시키는 제2스위치;
    를 포함하는 연료전지 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가이드유로에 공급되는 공기의 온도가 기설정된 기준 온도보다 높으면, 상기 제1스위치는 상기 제1히터를 작동시키고,
    상기 공기의 온도가 상기 기준 온도보다 낮으면, 상기 제1히터가 작동하는 상태에서 상기 제2스위치는 상기 제2히터를 작동시키는 연료전지 스택.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 셀은,
    제1매니폴드유로가 형성된 제1연료전지 셀; 및
    상기 제1연료전지 셀과 개별적으로 제공되며, 제2매니폴드유로가 형성된 제2연료전지 셀;
    을 포함하는 연료전지 스택.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가이드유로는,
    상기 제1매니폴드유로와 연통되는 제1유로;
    상기 제1유로와 독립적으로 분리되며, 상기 제2매니폴드유로와 연통되는 제2유로; 및
    상기 제1유로와 상기 제2유로를 연결하는 연결유로;
    를 포함하는 연료전지 스택.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2히터는 상기 제1유로 및 상기 제2유로 중 적어도 어느 하나에 마련되는 연료전지 스택.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2히터는 상기 제1유로, 상기 제2유로 및 상기 연결유로에 각각 마련되는 연료전지 스택.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2히터는 상기 연결유로에 마련되는 연료전지 스택.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2히터는 공기가 통과 가능한 다공성 구조체로 제공되는 연료전지 스택.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2히터는 상기 가이드유로에 대응하는 단면적으로 갖도록 제공되는 연료전지 스택.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2히터는 공기가 통과 가능한 스크류(screw) 구조체로 제공되는 연료전지 스택.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 매니폴드블록에 마련되며, 상기 매니폴드유로를 거쳐 배출되는 공기를 외부로 안내하는 아웃렛 가이드유로를 포함하는 연료전지 스택.
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