KR20240015775A - Fuel cell stack having enhanced uniformity of temperature distribution - Google Patents
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Abstract
본 발명은 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택은 연료전지 스택의 양측 엔드 플레이트 사이에 단위 셀과 함께 적층되는 복수의 냉각 플레이트; 연료전지 스택 내부로 공급된 냉각수를 상기 복수의 냉각 플레이트 중 연료전지 스택의 중앙 영역에 위치하는 중앙부 냉각 플레이트에 공급하는 냉각수 공급 매니폴드; 상기 중앙부 냉각 플레이트를 통과한 냉각수를 스택 밖으로 이동시키는 냉각수 배출 매니폴드를 포함하고, 상기 복수의 냉각플레이트 중 연료전지 스택의 엔드 플레이트에 근접 배치되는 단부 냉각 플레이트의 냉각수 채널은 상기 냉각수 배출 매니폴드로부터 냉각수를 공급받아 상기 냉각수 유입 매니폴드로 유출하는 방향에 대해서만 냉각수의 유동을 허용하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a fuel cell stack with improved temperature uniformity. The fuel cell stack with improved temperature uniformity according to the present invention includes a plurality of cooling plates stacked with unit cells between end plates on both sides of the fuel cell stack; a coolant supply manifold that supplies coolant supplied inside the fuel cell stack to a central cooling plate located in the central area of the fuel cell stack among the plurality of cooling plates; and a coolant discharge manifold that moves coolant passing through the central cooling plate out of the stack, and a coolant channel of an end cooling plate disposed close to an end plate of the fuel cell stack among the plurality of cooling plates is connected to the coolant discharge manifold. It is characterized in that the flow of coolant is allowed only in the direction in which coolant is supplied and flows out to the coolant inlet manifold.
Description
본 발명은 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중앙부 냉각 플레이트를 통과한 고온의 냉각수를 엔드 플레이트와 근접 배치되는 단부 냉각 플레이트에 통과시켜 연료전지 스택의 온도분포를 균일화하되, 단부 냉각 플레이트 내에 하부의 냉각수 출구 매니폴드로부터 상부의 냉각수 공급 매니폴드를 향하는 유동만 허용하는 냉각수 채널을 배치함으로써 장치의 내구성을 향상시킬 수 있는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack in which temperature uniformity is improved. More specifically, the temperature distribution of the fuel cell stack is uniformized by passing high temperature coolant that has passed through the central cooling plate through end cooling plates disposed close to the end plates. However, it relates to a fuel cell stack with improved temperature uniformity that can improve the durability of the device by arranging a coolant channel in the end cooling plate that allows only flow from the lower coolant outlet manifold to the upper coolant supply manifold. .
고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells) 혹은 양자교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 가지는 장점이 있다.Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) or Proton Exchange Membrane Fuel Cells are devices that generate electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen to produce water. Compared to fuel cells, it has the advantages of high efficiency, high current density and power density, short start-up time, and quick response characteristics to load changes.
연료전지 스택의 구성은 다음과 같다. 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 이 막전극 접합체는 수소 양자(Proton)를 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극층인 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성되어 있다.The composition of the fuel cell stack is as follows. Inside, the main component, the Membrane-Electrode Assembly (MEA), is located. This membrane-electrode assembly includes a solid polymer electrolyte membrane that can move hydrogen protons, and hydrogen and hydrogen on both sides of the electrolyte membrane. It consists of a cathode and an anode, which are electrode layers coated with a catalyst so that oxygen can react.
또한 막전극접합체의 바깥부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓 등이 적층되고, 가스확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Bipolar Plate)이 위치된다.In addition, a gas diffusion layer (GDL) and a gasket are laminated on the outer part of the membrane electrode assembly, that is, the outer part where the cathode and anode are located, and the reaction gas (hydrogen as fuel and oxygen or oxidant as an oxidizing agent) is placed on the outside of the gas diffusion layer. A bipolar plate is located where air is supplied and a flow field is formed through which coolant passes.
이러한 구성을 단위 셀(Cell)로 하여 복수의 단위 셀을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 단위 셀들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드 플레이트 사이에 단위 셀들을 배열하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.Using this configuration as a unit cell, a plurality of unit cells are stacked and then an end plate is attached to the outermost part to support the unit cells. By arranging and fastening the unit cells between the end plates, fuel A battery stack is formed.
고분자 전해질막 연료전지의 작동원리를 살펴보면, 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극 접합체의 애노드와 캐소드로 각각 공급되는데, 산화극인 애노드로 공급된 수소는 전극층의 촉매에 의해 수소이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분리되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판, 외부도선을 통해 캐소드로 전달된다. 이때 일어나는 외부도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.Looking at the operating principle of a polymer electrolyte membrane fuel cell, hydrogen as a fuel and oxygen (air) as an oxidizing agent are supplied to the anode and cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator, respectively. The hydrogen supplied to the anode, which is the oxidizing electrode, is supplied to the electrode layer. It is separated into hydrogen ions (protons, H+) and electrons (electrons, e-) by a catalyst, and only hydrogen ions are selectively transferred to the cathode through the electrolyte membrane, which is a cation exchange membrane. At the same time, electrons are transferred to the gas diffusion layer, which is a conductor. It is transmitted to the cathode through the separator plate and external conductor. At this time, current is generated by the flow of electrons through the external conductor.
환원극인 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 캐소드로 공급된 산소와 만나서 열과 물을 생성하는 반응을 일으킨다.At the cathode, which is the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the separator meet with oxygen supplied to the cathode, causing a reaction that generates heat and water.
이러한 단위 셀은 운전시 낮은 전압(통상 1V 이하)을 유지하므로 전압을 높이기 위해 수십 ~ 수백 개의 셀들을 직렬로 적층하여 스택 형태로 제작한 뒤 발전장치로 사용하게 된다.These unit cells maintain a low voltage (usually 1V or less) during operation, so to increase the voltage, tens to hundreds of cells are stacked in series to form a stack and then used as a power generation device.
한편, 고분자 전해질막 연료전지는 일반적으로 상온에서부터 80℃ 사이에서 높은 성능을 나타내고, 온도가 낮아짐에 따라 반응활성화 감소 및 전해질막의 이온전도도 감소로 인해 성능이 떨어질 수 있다.Meanwhile, polymer electrolyte membrane fuel cells generally exhibit high performance between room temperature and 80°C, but as the temperature decreases, performance may decrease due to decreased reaction activation and ion conductivity of the electrolyte membrane.
특히, 겨울철과 같이 외부 온도가 0℃ 이하로 떨어져 차량에 탑재된 연료전지 스택의 온도가 물의 빙점 이하로 떨어질 경우에는 전극의 활성도가 떨어질 뿐만 아니라 전해질막 내 수소 이온을 전달시키는 물이 얼게 되면서 전도도가 떨어지게 되어 낮은 성능을 나타내게 된다.In particular, when the external temperature drops below 0℃, such as in winter, and the temperature of the fuel cell stack mounted on the vehicle falls below the freezing point of water, not only does the activity of the electrode decrease, but the water that transfers hydrogen ions in the electrolyte membrane freezes, causing the conductivity to decrease. falls, resulting in low performance.
또한 가습 가스를 공급하는 상태에서 온도가 낮을 경우 물의 응축에 따른 플러딩(Flooding) 문제가 발생하여 성능 및 내구성에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.Additionally, if the temperature is low while supplying humidifying gas, flooding problems may occur due to water condensation, which can have a fatal impact on performance and durability.
따라서, 수백 장의 단위 셀이 적층되어 구성된 연료전지 스택을 적정 온도에서 운전하기 위해 스택 전체의 온도 분포를 일정 범위 내에서 균일하게 유지하는 것이 중요하다.Therefore, in order to operate a fuel cell stack composed of hundreds of unit cells stacked at an appropriate temperature, it is important to maintain uniform temperature distribution throughout the stack within a certain range.
연료전지 스택은 구조상 양끝에 체결력 유지와 전류 취합을 위한 집전판이 포함된 엔드 플레이트가 위치되는데, 많은 실험과 논문에서 엔드 플레이트(End Plate) 부근의 셀들이 다른 셀들에 비해 온도가 낮아짐을 확인할 수 있다.Due to the structure of the fuel cell stack, end plates containing current collectors are located at both ends to maintain fastening force and collect current. In many experiments and papers, it has been confirmed that the temperature of cells near the end plate is lower than that of other cells. .
도 1은 통상의 연료전지 스택에서 냉각수 유동 상태를 나타내는 도면으로서, 연료전지 스택(10)의 각 단위 셀(11)을 구성하는 분리판이 적층되어 스택 일측에는 냉각수 입구 매니폴드(13)가, 타측에는 냉각수 출구 매니폴드(15)가 구성되는데, 입구 매니폴드(13)로 공급된 냉각수가 각 셀(11)을 통과하여 반대쪽의 출구 매니폴드(15)로 모아진 뒤 외부 배출되게 된다.FIG. 1 is a diagram showing the coolant flow state in a typical fuel cell stack. The separator plates constituting each unit cell 11 of the fuel cell stack 10 are stacked, and a coolant inlet manifold 13 is placed on one side of the stack, and the coolant inlet manifold 13 is installed on one side of the stack. A coolant outlet manifold (15) is formed on the side, and the coolant supplied to the inlet manifold (13) passes through each cell (11) and is collected to the outlet manifold (15) on the other side before being discharged to the outside.
즉, 입구 매니폴드(13)로 유입된 냉각수가 각 셀(11)의 분리판에 형성된 냉각수 채널(11b)로 분배되어 이를 통과하면서 각 셀을 냉각시킨 뒤 출구 매니폴드(15)로 모아지며, 출구 매니폴드(15)로 모아진 냉각 후의 냉각수가 스택 외부로 최종 배출되는 것이다.That is, the coolant flowing into the inlet manifold 13 is distributed to the coolant channel 11b formed in the separator plate of each cell 11, cools each cell as it passes through, and then is collected in the outlet manifold 15, The cooled water collected in the outlet manifold (15) is finally discharged to the outside of the stack.
이와 같이 냉각수가 입구 매니폴드(13)에서 셀(11)을 통과하여 출구 매니폴드(15)로 이동하는 동안 스택의 전기화학 반응에서 발생하는 열을 전달받게 되며, 이로써 스택 냉각이 이루어진다.In this way, while the coolant moves from the inlet manifold 13 through the cell 11 to the outlet manifold 15, it receives heat generated from the electrochemical reaction of the stack, thereby cooling the stack.
이에 출구 매니폴드(15)로 모아진 냉각수는 냉각 과정에서 열을 전달받았으므로 입구 매니폴드(13)로 최초 공급된 냉각수에 비해 상대적으로 고온의 냉각수가 된다.Accordingly, the coolant collected in the outlet manifold (15) receives heat during the cooling process, and thus becomes coolant at a relatively high temperature compared to the coolant initially supplied to the inlet manifold (13).
한편, 종래의 연료전지 스택에서는 시동 초기에 엔드 플레이트(19) 및 집전판(18) 근처의 셀에서 상대적으로 낮은 온도를 나타내는데, 도 2는 출구 매니폴드 내 냉각수 온도 분포를 나타내는 도면으로서, 출구 매니폴드 내에서 냉각수 유동방향 기준 하류측으로 갈수록 온도가 낮아짐 볼 수 있다.Meanwhile, in a conventional fuel cell stack, cells near the end plate 19 and the current collector 18 show relatively low temperatures at the beginning of startup. Figure 2 is a diagram showing the coolant temperature distribution in the outlet manifold. Within the fold, it can be seen that the temperature decreases toward the downstream side based on the coolant flow direction.
도 3은 스택 냉시동시 1차원 열전달 모델 해석의 결과를 나타내는 도면으로서, 이 역시 냉시동시 엔드 플레이트에 가까운 셀일수록 온도가 낮음을 보여주고 있으며, 이에 전체 셀의 온도를 균일하게 맞춰주어 스택 내 온도분포를 개선할 수 있는 방안이 필요하다.Figure 3 is a diagram showing the results of a one-dimensional heat transfer model analysis during cold start of the stack. This also shows that the temperature of cells closer to the end plate is lower during cold start, and the temperature of all cells is adjusted uniformly to distribute the temperature within the stack. A plan to improve is needed.
종래에는 엔드 플레이트와 적층된 셀 사이에 두꺼운 단열 혹은 가열을 위한 장치를 삽입하여 온도 저하를 방지하고 있다.Conventionally, a thick insulation or heating device is inserted between the end plate and the stacked cells to prevent temperature decrease.
예컨대, 미국특허 6,824,901의 경우에는 엔드 플레이트와 분리판 사이에 두꺼운 인슐레이터를 넣어 실제 반응이 일어나는 부분을 단열시키는 방법을 적용하고 있고, 또는 엔드 플레이트와 분리판 사이에 평면 히터를 넣어줌으로써 냉시동시 스택의 모든 부분의 온도를 일정하게 맞추어 온도 불균일의 문제를 해결하고 있다.For example, in the case of U.S. Patent 6,824,901, a method of insulating the area where the actual reaction occurs is applied by inserting a thick insulator between the end plate and the separator plate, or by inserting a flat heater between the end plate and the separator plate, the stack is insulated during cold start. The problem of temperature unevenness is solved by keeping the temperature of all parts constant.
또한 한국등록특허 제747865호(2007.08.08)에서는 집전판(Current collector)을 열팽창 계수가 상이한 하나 이상의 물질로 구성하여, 온도에 따른 두께 변화, 즉 온도에 따른 접촉저항성 차이를 이용하되, 온도가 낮을 때에는 높은 열팽창 계수를 갖는 물질의 수축에 의해 접촉저항이 증가하도록 함으로써, 집전판이 집전 역할뿐만 아니라 저항에 의한 히터 역할을 하도록 하고, 온도가 높을 때는 접촉저항이 낮아지면서 집전 역할만 하도록 한 연료전지 스택이 개시되어 있다.In addition, in Korean Patent No. 747865 (2007.08.08), the current collector is composed of one or more materials with different thermal expansion coefficients, and the thickness change according to temperature, that is, the difference in contact resistance according to temperature, is used. When the temperature is low, the contact resistance increases due to the contraction of a material with a high thermal expansion coefficient, allowing the current collector to function not only as a current collector but also as a heater by resistance. When the temperature is high, the contact resistance decreases and only serves as a current collector. The stack is open.
또한 한국등록특허 제747869호(2007.08.08)에서는 연료전지의 냉시동이 가능하도록 엔드 플레이트의 외부를 덮을수 있는 장치를 부착하여 단열을 위한 공기층을 형성하는 연료전지 스택의 체결구조가 개시되어 있다.In addition, Korean Patent No. 747869 (2007.08.08) discloses a fastening structure for a fuel cell stack that forms an air layer for insulation by attaching a device that can cover the outside of the end plate to enable cold starting of the fuel cell. .
그러나, 엔드 플레이트 전체를 단열시켜주는 경우는 단열을 위해 인슐레이터가 두꺼워야 하므로 전체 연료전지 스택의 두께가 증가하는 단점이 있고, 집전판 외부에 덮개를 부착하는 경우에는 전극에서 생성된 열을 엔드 플레이트로 빼앗기는 것을 방지할 수 없는 단점이 있다.However, in the case of insulating the entire end plate, the insulator must be thick for insulation, which has the disadvantage of increasing the thickness of the entire fuel cell stack. In the case of attaching a cover to the outside of the current collector, the heat generated from the electrode is transferred to the end plate. It has the disadvantage of not being able to prevent it from being taken away.
또한 엔드 플레이트와 분리판 사이에 히터를 넣어주는 경우에는 외부에서 히터 작동을 위한 별도의 전원을 공급해주어야 하므로 전원 공급을 위한 부속 기구가 설치되어야 하고, 히터 작동을 제어해야 하므로 제어시스템이 복잡해지는 단점이 있다.In addition, when inserting a heater between the end plate and the separation plate, a separate power supply for heater operation must be supplied from the outside, so an accessory device for power supply must be installed, and the heater operation must be controlled, which has the disadvantage of complicating the control system. There is.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 중앙부 냉각 플레이트를 통과한 고온의 냉각수를 엔드 플레이트와 근접 배치되는 단부 냉각 플레이트에 통과시켜 연료전지 스택의 온도분포를 균일화하되, 단부 냉각 플레이트 내에 하부의 냉각수 출구 매니폴드로부터 상부의 냉각수 공급 매니폴드를 향하는 유동만 허용하는 냉각수 채널을 배치함으로써 장치의 내구성을 향상시킬 수 있는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택을 제공함에 있다.Therefore, the purpose of the present invention is to solve this conventional problem, by passing the high temperature coolant passing through the central cooling plate through the end cooling plates disposed close to the end plates to equalize the temperature distribution of the fuel cell stack, The aim is to provide a fuel cell stack with improved temperature uniformity that can improve the durability of the device by arranging a coolant channel in the end cooling plate that only allows flow from the lower coolant outlet manifold to the upper coolant supply manifold.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 연료전지 스택의 양측 엔드 플레이트 사이에 단위 셀과 함께 적층되는 복수의 냉각 플레이트; 연료전지 스택 내부로 공급된 냉각수를 상기 복수의 냉각 플레이트 중 연료전지 스택의 중앙 영역에 위치하는 중앙부 냉각 플레이트에 공급하는 냉각수 공급 매니폴드; 상기 중앙부 냉각 플레이트를 통과한 냉각수를 스택 밖으로 이동시키는 냉각수 배출 매니폴드를 포함하고, 상기 복수의 냉각플레이트 중 연료전지 스택의 엔드 플레이트에 근접 배치되는 단부 냉각 플레이트의 냉각수 채널은 상기 냉각수 배출 매니폴드로부터 냉각수를 공급받아 상기 냉각수 유입 매니폴드로 유출하는 방향에 대해서만 냉각수의 유동을 허용하는 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택에 의해 달성된다.The above object is, according to the present invention, a plurality of cooling plates stacked together with the unit cells between end plates on both sides of the fuel cell stack; a coolant supply manifold that supplies coolant supplied inside the fuel cell stack to a central cooling plate located in the central area of the fuel cell stack among the plurality of cooling plates; and a coolant discharge manifold that moves coolant passing through the central cooling plate out of the stack, and a coolant channel of an end cooling plate disposed close to an end plate of the fuel cell stack among the plurality of cooling plates is connected to the coolant discharge manifold. This is achieved by a fuel cell stack with improved temperature uniformity, which allows the flow of coolant only in the direction in which coolant is supplied and flows out to the coolant inlet manifold.
상기 단부 냉각 플레이트의 냉각수 채널은 냉각수 유입구와 유출구 사이에서 지그재그 형태의 유로를 형성하도록 서로 반대 방향으로 경사 배치되고 일렬로 연결되는 다수의 메인채널 및 상기 메인채널의 일측에 각각 배치되고 메인채널을 통과하는 냉각수의 순방향 흐름에 대해서는 저항을 제공하지 않고 역방향 흐름에 대해서는 상기 메인채널에 저항을 제공하여 냉각수의 역방향 흐름을 제한하는 루프채널을 포함하는 것이 바람직하다.The coolant channels of the end cooling plate include a plurality of main channels that are inclined in opposite directions and connected in series to form a zigzag-shaped flow path between the coolant inlet and outlet, and are each disposed on one side of the main channel and pass through the main channel. It is preferable to include a loop channel that does not provide resistance to the forward flow of the coolant, but provides resistance to the main channel to restrict the reverse flow of the coolant, thereby limiting the reverse flow of the coolant.
또한, 상기 루프채널은 일측 개구가 인접한 상측 제1단위채널의 경사방향과 나란하게 배치되어 상기 제1단위채널의 상단부와 연결되고, 타측 개구가 인접한 하측 제1단위채널의 경사방향과 나란하게 배치되어 상기 제1단위채널의 하단부와 연결되는 것이 바람직하다.In addition, the loop channel has one opening disposed parallel to the inclined direction of the adjacent upper first unit channel and connected to the upper end of the first unit channel, and the other opening is disposed parallel to the inclined direction of the adjacent lower first unit channel. It is preferable that it is connected to the lower end of the first unit channel.
또한, 상기 루프채널은 일측 개구와 타측 개구 사이에서 곡선형의 유로를 형성하는 것이 바람직하다.Additionally, the loop channel preferably forms a curved flow path between one side opening and the other side opening.
본 발명에 따르면, 중앙부 냉각 플레이트를 통과한 고온의 냉각수를 엔드 플레이트와 근접 배치되는 단부 냉각 플레이트에 통과시켜 연료전지 스택의 온도분포를 균일화하되, 단부 냉각 플레이트 내에 하부의 냉각수 출구 매니폴드로부터 상부의 냉각수 공급 매니폴드를 향하는 유동만 허용하는 냉각수 채널을 배치함으로써 장치의 내구성을 향상시킬 수 있는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택이 제공된다.According to the present invention, the temperature distribution of the fuel cell stack is equalized by passing the high temperature coolant that has passed through the central cooling plate through the end cooling plates disposed close to the end plates, and the temperature distribution of the fuel cell stack is uniformized from the lower coolant outlet manifold within the end cooling plate to the upper coolant outlet manifold. A fuel cell stack is provided with improved temperature uniformity that can improve device durability by arranging coolant channels that only allow flow toward a coolant supply manifold.
도 1은 통상의 연료전지 스택에서 냉각수 유동 상태를 나타내는 도면,
도 2는 출구 매니폴드 내 냉각수 온도를 나타내는 도면,
도 3은 스택 냉시동시 1차원 열전달 모델 해석의 결과를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택의 구성을 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택에 따른 중앙부 냉각 플레이트의 정면도,
도 6은 본 발명 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택에 따른 단부 냉각 플레이트의 정면도,
도 7은 도 6에 도시된 단부 냉각 플레이트 내에서 냉각수가 순방향으로 유동하는 상태를 나타낸 도면이고,
도 8는 도 6에 도시된 단부 냉각 플레이트 내에서 냉각수가 역방향으로 유동하는 상태를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the coolant flow state in a typical fuel cell stack;
2 is a diagram showing the coolant temperature in the outlet manifold;
Figure 3 is a diagram showing the results of a one-dimensional heat transfer model analysis during stack cold start;
4 is a cross-sectional view showing the configuration of a fuel cell stack with improved temperature uniformity according to the present invention;
Figure 5 is a front view of the central cooling plate according to the fuel cell stack in which temperature uniformity is improved according to the present invention;
6 is a front view of an end cooling plate according to the fuel cell stack in which temperature uniformity is improved according to the present invention;
Figure 7 is a diagram showing a state in which coolant flows in the forward direction within the end cooling plate shown in Figure 6;
FIG. 8 is a diagram showing a state in which coolant flows in the reverse direction within the end cooling plate shown in FIG. 6.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.Prior to explanation, in various embodiments, components having the same configuration will be representatively described in the first embodiment using the same symbols, and in other embodiments, configurations different from the first embodiment will be described. do.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a fuel cell stack with improved temperature uniformity according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
첨부도면 중, 도 4는 본 발명 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택의 구성을 나타낸 단면도, 도 5는 본 발명 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택에 따른 중앙부 냉각 플레이트의 정면도, 도 6은 본 발명 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택에 따른 단부 냉각 플레이트의 정면도이다.Among the accompanying drawings, FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of a fuel cell stack with improved temperature uniformity according to the present invention, FIG. 5 is a front view of the central cooling plate according to the fuel cell stack with improved temperature uniformity according to the present invention, and FIG. 6 is a front view showing the configuration of a fuel cell stack with improved temperature uniformity according to the present invention. This is a front view of an end cooling plate according to the fuel cell stack in which temperature uniformity is improved according to the present invention.
본 발명에 따른 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택은 연료전지 스택(100)의 양측 엔드 플레이트(102) 사이에 단위 셀(101)과 함께 적층되는 다수의 냉각 플레이트(110), 냉각수 공급 매니폴드(120) 및 냉각수 배출 매니폴드(130)를 포함하며, 상기 다수의 냉각 플레이트(110)는 연료전지 스택(100)의 중앙에 배치되는 중앙부 냉각 플레이트(110a)와 엔드 플레이트(102)에 근접 배치되는 단부 냉각 플레이트(110b)로 구분된다. The fuel cell stack with improved temperature uniformity according to the present invention includes a plurality of cooling
본 실시예에서는 다수의 냉각 플레이트(110) 중 엔드 플레이트(102)와 가장 근접한 한 개의 냉각 플레이트(110)가 단부 냉각 플레이트(110b)로 선택되고, 나머지 냉각 플레이트(110)가 중앙부 냉각 플레이트(110a)로 선택된 것으로 예를 들어 설명하였으나 이에 제한하는 것은 아니며, 온도분포의 균일화를 위해 엔드 플레이트(102)와 근접한 복수의 냉각 플레이트(110)가 단부 냉각 플레이트(110b)로 선택되는 것도 가능할 것이다. In this embodiment, among the plurality of cooling
상기 중앙부 냉각 플레이트(110a)는 상기 냉각수 공급 매니폴드(120)와 연결되는 냉각수 유입구, 상기 냉각수 배출 매니폴드(130)와 연결되는 냉각수 유출구 및 상기 냉각수 유입구와 냉각수 유출구를 연결하는 복수의 냉각수 채널(111)을 포함한다. 상기 중앙부 냉각 플레이트(110a)의 냉각수 유입구를 통해 유입된 저온의 냉각수는 냉각수 채널(111)을 통과하면서 중앙부 냉각 플레이트(110a)를 냉각시킨 후 온도가 상승한 상태로 유출구를 통해 냉각수 배출 매니폴드(130)로 빠져나간다. 여기서, 상기 중앙부 냉각 플레이트(110a)의 냉각수 채널(111)은 냉각수의 유동 저항을 최소화하고 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 형태로 설계되는 것이 바람직하다.The
상기 단부 냉각 플레이트(110b)는 상기 냉각수 배출 매니폴드(130)와 연결되는 유입구, 상기 냉각수 공급 매니폴드(120) 또는 인접 중앙부 냉각 플레이트(110a)의 유입구와 연결되는 유출구 및 상기 유입구와 유출구를 연결하는 복수의 냉각수 채널(111)을 포함한다. The
특히, 상기 단부 냉각 플레이트(110b)의 냉각수 채널(111)은 냉각수 유입구와 유출구 사이에서 지그재그 형태의 유로(Flow Field)를 형성하도록 서로 반대 방향으로 경사 배치되고 직렬로 연결되는 다수의 메인채널(111a) 및 일측 개구는 인접한 상측 메인채널(111a)의 경사방향과 나란하게 배치된 상태로 상기 메인채널(111a)의 상단부와 연결되고, 타측 개구는 인접한 하측 제1단위채널의 경사방향과 나란하게 배치된 상태로 상기 제1단위채널의 하단부와 연결되며 상기 일측 개구와 타측 개구 사이에서 곡선형의 유로를 형성하는 루프채널(111b)을 포함한다. 이러한 루프채널(111b)은 상기 메인채널(111a)을 통과하는 냉각수의 순방향 유동에 대해서는 저항을 제공하지 않고 역방향 유동에 대해서는 상기 메인채널(111a)에 저항을 제공함으로써 냉각수의 역방향 흐름을 제한할 수 있다.In particular, the
상기 냉각수 공급 매니폴드(120)는 중앙부 냉각 플레이트(110a)로 냉각수를 공급하기 위한 것으로서, 연료전지 스택(100)의 상부에서 일측 엔드 플레이트(102)와 다수의 단위 셀(101) 및 다수의 냉각 플레이트(110)를 관통하는 형태로 마련될 수 있다. The
상기 냉각수 배출 매니폴드(130)는 중앙부 냉각 플레이트(110a)를 통과하는 과정에서 열교환된 냉각수를 회수하기 위한 것으로서, 연료전지 스택(100)의 하부에서 일측 엔드 플레이트(102)와 다수의 단위 셀(101) 및 다수의 냉각 플레이트(110)를 관통하는 형태로 마련될 수 있다. The
한편, 본 실시예에서는 상기 중앙부 냉각 플레이트(110a)의 유로가 양방향 유동을 허용하는 일반적인 냉각수 채널의 형태로 이루어진 것으로 예를 들어 설명하였으나, 상기 단부 냉각 플레이트(110b)와 같은 원리를 이용하여 냉각수 공급 매니폴드(120)로부터 냉각수 배출 매니폴드(130)를 향하는 방향으로의 유동만을 허용하고, 이의 역방향에 대한 유동은 허용하지 않는 형태로 제공하는 것도 가능할 것이다. Meanwhile, in this embodiment, the flow path of the
첨부도면 중, 도 7은 도 6에 도시된 단부 냉각 플레이트 내에서 냉각수가 순방향으로 유동하는 상태를 나타낸 도면이고, 도 8는 도 6에 도시된 단부 냉각 플레이트 내에서 냉각수가 역방향으로 유동하는 상태를 나타낸 도면이다. Among the accompanying drawings, FIG. 7 is a view showing a state in which coolant flows in the forward direction within the end cooling plate shown in FIG. 6, and FIG. 8 shows a state in which coolant flows in the reverse direction within the end cooling plate shown in FIG. 6. This is the drawing shown.
먼저, 도 7에 도시된 바와 같이 냉각수가 단부 냉각 플레이트(110b)의 냉각수 채널(111) 내에서 냉각수 배출 매니폴드(130)로부터 냉각수 공급 매니폴드(120)를 향해 순방향으로 유동하는 경우, 냉각수 유입구를 통해 냉각수 배출 매니폴드(130)로부터 유입된 냉각수는 지그재그 형태로 연결된 다수의 메인채널(111a)을 따라 유동하여 냉각수 유출구와 연결된 냉각수 공급 매니폴드(120)로 유출된다. 이때, 메인채널(111a)의 일측에 배치된 루프채널(111b)은 하측에 위치한 타측 개구가 하부 메인채널(111a)의 상단부와 나란하게 배치되고 상측에 위치한 일측 개구가 상부 메인채널(111a)의 하단부와 나란하게 배치된다. 따라서 루프채널(111b)을 통과하는 냉각수는 메인채널(111a)의 유동 방향과 나란한 방향으로 이동하게 되므로 메인채널(111a)을 통과하는 냉각수의 순방향 유동에 대하여 저항을 제공하지 않는다. First, as shown in FIG. 7, when coolant flows in the forward direction from the
한편, 도 8에 도시된 바와 같이 냉각수가 단부 냉각 플레이트(110b)의 냉각수 채널(111) 내에서 냉각수 공급 매니폴드(120)로부터 냉각수 배출 매니폴드(130)를 향해 역방향으로 유동하는 경우, 냉각수 유출구를 통해 냉각수 공급 매니폴드(120)로부터 유입되는 냉각수는 메인채널(111a)을 통과하는 과정에서 루프채널(111b)을 통과하는 냉각수와 뒤섞이게 되고, 이 과정에서 역류 및 와류에 의해 역방향 유동에 대한 저항을 제공하게 된다.Meanwhile, as shown in FIG. 8, when coolant flows in the reverse direction from the
즉, 냉각수 유출구를 통해 유입된 냉각수가 지그재그 형태의 유로를 구성하는 메인채널(111a)의 상단부를 통과하는 과정에서, 일부 냉각수는 상부 메인채널(111a)과 나란한 방향으로 배치된 루프채널(111b)의 일측 개구로 유입된 다음 루프채널(111b)의 곡선형 유로를 거쳐 메인채널(111a)의 하단부에서 하부 메인채널(111a)과 나란한 방향으로 배치된 타측 개구를 통해 메인채널(111a)의 하단부로 배출되고, 상기 루프채널(111b)의 일측 개구로 유입되지 않은 나머지 냉각수는 메인채널(111a)을 경유하여 하부의 메인채널(111a)로 이동한다. 이때, 메인채널(111a)의 하단부에서 하부 메인채널(111a)로 이동하는 냉각수와 루프채널(111b)의 타측 개구를 통해 메인채널(111a)의 하단부로 배출되는 냉각수의 이동 방향이 서로 반대 방향이 되므로, 메인채널(111a)의 하단부에서 루프채널(111b)을 통과한 냉각수에 의한 역류 및 와류 작용에 의해 메인채널(111a)을 통과하는 냉각수에 대한 저항을 제공한다. 이와 같은 루프채널(111b)을 통과한 냉각수에 의한 역류 및 와류 작용은 지그재그 형태의 유로를 구성하는 다수의 메인채널(111a)에서 각각 작용하므로, 실질적으로 냉각수 채널(111) 내에서 냉각수가 역방향으로 유동하지 못하게 된다. That is, as the coolant flowing in through the coolant outlet passes through the upper part of the main channel (111a) forming a zigzag-shaped flow path, some of the coolant flows into the loop channel (111b) arranged in a direction parallel to the upper main channel (111a). flows into one opening of the loop channel (111b) and then from the lower part of the main channel (111a) to the lower part of the main channel (111a) through the other opening arranged in a direction parallel to the lower main channel (111a). The remaining coolant that is discharged and does not flow into one opening of the loop channel (111b) moves to the lower main channel (111a) via the main channel (111a). At this time, the moving directions of the coolant moving from the lower part of the
상기와 같이 엔드 플레이트(102)에 근접 배치되는 단부 냉각 플레이트(110b)를 통해 냉각수 배출 매니폴드(130)에 저장된 고온의 냉각수를 통과시키면, 연료전지 스택(100)의 엔드 플레이트(102)와 근접한 영역의 온도가 중앙의 온도에 비해 상대적으로 낮아지는 것을 방지할 수 있다. As described above, when the high-temperature coolant stored in the
즉, 엔드 플레이트(102)에 근접한 단부 영역의 단위 셀(101)에서 방출되는 열량이 중앙 영역의 단위 셀(101)에 비해 큰 점을 감안할 때, 단부 영역의 단위 셀(101)과 접하는 단부 냉각 플레이트(110b)에 고온의 냉각수가 통과함에 따라 단부 영역의 단위 셀(101)에서 냉각수에 빼앗기는 열량이 중앙 영역의 단위 셀(101)에 비해 적어지므로, 중앙부 단위 셀(101)과 단부 단위 셀(101)의 온도차이를 최대한 줄일 수 있어 단위 셀(101)의 손상을 방지하고, 연료전지 스택(100)의 온도분포를 개선하여 발전 효율을 향상시킬 수 있다. That is, considering that the amount of heat emitted from the
또한, 상기 단부 냉각 플레이트(110b)의 냉각수 채널(111)은 냉각수 배출 매니폴드(130)로부터 냉각수 공급 매니폴드(120)를 향하는 방향으로만 냉각수의 유동을 허용하고, 냉각수 공급 매니폴드(120)로부터 냉각수 배출 매니폴드(130)를 향하는 방향으로는 냉각수의 유동을 제한하므로, 단부 냉각 플레이트(110b)의 냉각수 채널(111)로 냉각수의 공급을 유도하기 위한 별도의 구조물이 불필요하다. 단부 냉각 플레이트(110b)의 냉각수 채널(111)로 냉각수의 공급을 유도하기 위한 구조물을 냉각수 배출 매니폴드(130) 내에 배치하는 경우, 냉각수 배출 매니폴드(130)의 단면적이 감소하는 것은 물론 냉각수의 유동 저항이 증가하므로 큰 용량의 냉각수 펌프가 요구될 수 있다. 하지만, 본 실시예에서와 같이 일방향으로만 유동을 허용하는 냉각수 채널(111)을 배치하는 경우 냉각수 배출 매니폴드(130) 내에 단면적을 감소시키거나 유동 저항을 증가시키는 별도의 구조물을 배치하지 않을 수 있으므로 상대적으로 작은 용량의 냉각수 펌프를 적용할 수 있게 된다. In addition, the
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be implemented in various forms of embodiments within the scope of the appended claims. It is considered to be within the scope of the claims of the present invention to the extent that anyone skilled in the art can make modifications without departing from the gist of the invention as claimed in the claims.
100:연료전지 스택, 101:단위 셀, 102:엔드 플레이트,
110:냉각 플레이트, 110a:중앙부 냉각 플레이트,
110b:단부 냉각 플레이트, 111:냉각수 채널, 111a:메인채널,
111b:루프채널, 120:냉각수 공급 매니폴드,
130:냉각수 배출 매니폴드100: fuel cell stack, 101: unit cell, 102: end plate,
110: cooling plate, 110a: central cooling plate,
110b: end cooling plate, 111: coolant channel, 111a: main channel,
111b: loop channel, 120: coolant supply manifold,
130: Coolant discharge manifold
Claims (4)
연료전지 스택 내부로 공급된 냉각수를 상기 복수의 냉각 플레이트 중 연료전지 스택의 중앙 영역에 위치하는 중앙부 냉각 플레이트에 공급하는 냉각수 공급 매니폴드;
상기 중앙부 냉각 플레이트를 통과한 냉각수를 스택 밖으로 이동시키는 냉각수 배출 매니폴드를 포함하고,
상기 복수의 냉각플레이트 중 연료전지 스택의 엔드 플레이트에 근접 배치되는 단부 냉각 플레이트의 냉각수 채널은 상기 냉각수 배출 매니폴드로부터 냉각수를 공급받아 상기 냉각수 유입 매니폴드로 유출하는 방향에 대해서만 냉각수의 유동을 허용하는 것을 특징으로 하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.A plurality of cooling plates stacked together with the unit cells between end plates on both sides of the fuel cell stack;
a coolant supply manifold that supplies coolant supplied inside the fuel cell stack to a central cooling plate located in the central area of the fuel cell stack among the plurality of cooling plates;
It includes a coolant discharge manifold that moves coolant that has passed through the central cooling plate out of the stack,
Among the plurality of cooling plates, the coolant channel of the end cooling plate disposed close to the end plate of the fuel cell stack receives coolant from the coolant discharge manifold and allows the flow of coolant only in the direction in which it flows out to the coolant inlet manifold. A fuel cell stack with improved temperature uniformity.
상기 단부 냉각 플레이트의 냉각수 채널은 냉각수 유입구와 유출구 사이에서 지그재그 형태의 유로를 형성하도록 서로 반대 방향으로 경사 배치되고 일렬로 연결되는 다수의 메인채널 및 상기 메인채널의 일측에 각각 배치되고 메인채널을 통과하는 냉각수의 순방향 흐름에 대해서는 저항을 제공하지 않고 역방향 흐름에 대해서는 상기 메인채널에 저항을 제공하여 냉각수의 역방향 흐름을 제한하는 루프채널을 포함하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.According to clause 1,
The coolant channels of the end cooling plate include a plurality of main channels that are inclined in opposite directions and connected in series to form a zigzag-shaped flow path between the coolant inlet and outlet, and are each disposed on one side of the main channel and pass through the main channel. A fuel cell stack with improved temperature uniformity including a loop channel that limits the reverse flow of coolant by providing resistance to the main channel for reverse flow of coolant without providing resistance to the forward flow of coolant.
상기 루프채널은 일측 개구가 인접한 상측 제1단위채널의 경사방향과 나란하게 배치되어 상기 제1단위채널의 상단부와 연결되고, 타측 개구가 인접한 하측 제1단위채널의 경사방향과 나란하게 배치되어 상기 제1단위채널의 하단부와 연결되는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.According to clause 2,
The loop channel has one opening disposed parallel to the inclined direction of the adjacent upper first unit channel and connected to the upper end of the first unit channel, and the other opening is disposed parallel to the inclined direction of the adjacent lower first unit channel. A fuel cell stack with improved temperature uniformity connected to the lower part of the first unit channel.
상기 루프채널은 일측 개구와 타측 개구 사이에서 곡선형의 유로를 형성하는 온도 균일성이 향상되는 연료전지 스택.According to clause 3,
The loop channel is a fuel cell stack in which temperature uniformity is improved by forming a curved flow path between one opening and the other opening.
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KR1020220093023A KR20240015775A (en) | 2022-07-27 | 2022-07-27 | Fuel cell stack having enhanced uniformity of temperature distribution |
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Citations (3)
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KR100747865B1 (en) | 2006-08-16 | 2007-08-08 | 현대자동차주식회사 | Fuel cell stack |
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2022
- 2022-07-27 KR KR1020220093023A patent/KR20240015775A/en unknown
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6824901B2 (en) | 2002-08-21 | 2004-11-30 | Utc Fuel Cells, Llc | End-cell thermal distancing for fuel cell system |
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KR100747865B1 (en) | 2006-08-16 | 2007-08-08 | 현대자동차주식회사 | Fuel cell stack |
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