KR100486562B1 - Structure for protecting pressure loss of bipolar plate in fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 분리판의 압력손실 방지구조에 관한 것으로, 본 발명은 전해질막을 사이에 두고 적층하는 연료극과 공기극의 일 측면에 각각 배치하고 그 연료극과 공기극에 대향하는 면에 각각 연료유로와 공기유로를 형성하여 연료와 공기가 서로 독립적으로 순환하도록 하는 연료전지의 분리판에 있어서, 연료유로는 입구측에서 출구측으로 갈수록 유로 전체 면적을 넓게 형성함으로써, 유로면적을 점차 넓혀 반응중에 수소기체의 발생으로 인한 유로막힘을 미연에 방지하고 이를 통해 연료의 압력손실을 줄여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.The present invention relates to a pressure loss preventing structure of a separator for a fuel cell, and the present invention is disposed on one side of a fuel electrode and an air electrode which are stacked with an electrolyte membrane interposed therebetween, and the fuel flow path and the air on the surfaces facing the fuel electrode and the air electrode, respectively. In the separator of a fuel cell, in which a fuel flow path is formed so that fuel and air circulate independently from each other, the fuel flow path forms an entire flow path area from the inlet side to the outlet side, thereby gradually widening the passage area to generate hydrogen gas during the reaction. It is possible to improve the performance of the fuel cell by preventing the flow path blockage caused by this and reducing the pressure loss of the fuel.
또, 연료펌프의 용량증가 없이도 전체 시스템의 성능을 높임에 따라 비용 증가나 소음 증가 그리고 시스템의 비대화를 미연에 방지할 수 있다.In addition, increasing the performance of the entire system without increasing the capacity of the fuel pump can prevent cost increases, noise increase, and system oversizing.
Description
본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 에너지 발생시스템에 관한 것으로, 특히 B화합물(BH4)을 연료로 하는 연료전지 시스템(BFC; Boron Fuel Cell)에서 반응 중에 수소가 발생함에 따른 압력손실을 줄일 수 있는 연료전지용 분리판의 압력손실 방지구조에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an energy generation system that obtains electrical energy using a fuel cell. In particular, a pressure loss caused by hydrogen generation during a reaction in a fuel cell system (BFC) using B compound (BH 4 ) as a fuel The present invention relates to a pressure loss preventing structure of a separator for a fuel cell, which can reduce the pressure.
인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석 연료에서 얻고 있다. 그러나 이러한 화석 연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 등의 문제점이 있었다.Most of the energy humans are using comes from fossil fuels. However, the use of such fossil fuel has a serious adverse effect on the environment, such as air pollution, acid rain, global warming, and has a problem such as low energy efficiency.
연료전지는 이러한 화석 연료의 대안으로 제시하는 것으로 통상의 전지(2차 전지)와는 달리 음극(anode)에 연료(수소가스나 탄화수소)를, 양극(cathode)에 산소를 외부로부터 공급하여 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기와 열을 발생하는 전지계로서 실제로는 발전장치라고 볼 수 있다.The fuel cell is proposed as an alternative to such fossil fuels. Unlike conventional cells (secondary cells), the fuel cell is supplied with fuel (hydrogen gas or hydrocarbon) to the anode and oxygen to the cathode from the outside to electrolyze water. It is a battery system that generates electricity and heat by undergoing an electrochemical reaction by a reverse reaction, and can be regarded as a power generating device.
연료전지에 의한 발전 방법은 연료의 연소(산화)반응을 거치지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환하는 방법이다.The power generation method using a fuel cell is a method of directly converting an energy difference before and after the reaction into electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen without undergoing combustion (oxidation) reaction of the fuel.
연료전지를 전해질의 유형에 따라 분류하면, 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 60 ~ 110℃에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 상온 ~ 80 ℃에서 작동하는 고분자 전해질 연료전지, 약 500 ~ 700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 등이 있다.If the fuel cell is classified according to the type of electrolyte, the phosphoric acid fuel cell operating at around 200 ° C, the alkaline electrolyte fuel cell operating at 60 to 110 ° C, the polymer electrolyte fuel cell operating at room temperature to 80 ° C, about 500 ~ Molten carbonate electrolyte fuel cells operating at a high temperature of 700 ℃, and solid oxide fuel cells operating at a high temperature of 1000 ℃ or more.
이러한 연료전지는 도 1에서와 같이 통상 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극과 공기극을 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 수용액 상태의 수소화붕소((BH4),실제로는 수소화붕소나트륨(NaBH4))을 상기한 연료극에 공급하는 연료공급부(20)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(40)를 포함하고 있다.Such a fuel cell has a fuel cell stack 10 including a fuel electrode and an air electrode to generate electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, as shown in FIG. 1, and boron hydride (BH 4 in an aqueous solution state including hydrogen). ), In fact, sodium borohydride (NaBH 4 )), the fuel supply unit 20 for supplying the anode, the air supply unit 30 for supplying air containing oxygen to the cathode, and the fuel cell stack 10 It includes an electrical energy output unit 40 for supplying the electrical energy generated in the load.
연료전지스택(10)은 도 2에서와 같이 다수 개의 단위셀(single cell)(11)을 적층한 것으로, 각 단위셀(11)은 전해질막(12)과, 이 전해질막(12)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(13)과 공기극(14), 그리고 이 연료극(13)과 공기극(14)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(13)과 공기극(14)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판(separator, 또는 bipolar plate)(15,16)과, 양측 분리판(15,16)의 외측에 각각 적층하여 집전전극을 형성하는 집전판(current collector)(17,18)으로 구성하고 있다.The fuel cell stack 10 is formed by stacking a plurality of unit cells 11 as shown in FIG. 2, and each unit cell 11 is formed between an electrolyte membrane 12 and the electrolyte membrane 12. The fuel electrode 13 and the air electrode 14 stacked on both sides of the fuel cell 13 and the air electrode 14, and the fuel and air contact the fuel electrode 13 and the air electrode 14, respectively. Separators or bipolar plates 15 and 16 for circulating, and current collectors 17 and 18 stacked on the outer sides of both separator plates 15 and 16 to form current collecting electrodes, respectively. ).
전해질막(12)은 H+를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막을 사용하고 있다.The electrolyte membrane 12 uses a polymer membrane that transfers H + , such as a polymer ion exchange membrane that exhibits electrical conductivity in a wet state.
연료극(13)과 공기극(14)은 지지체와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층으로 구성하되 지지체는 금속성의 니켈폼으로 형성하고, 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 수소저장합금으로 형성하고 있다.The anode 13 and the cathode 14 are composed of a support and a catalyst layer laminated on both sides of the support, wherein the support is formed of metallic nickel foam, and the catalyst layer is formed of a hydrogen storage alloy suitable for oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. Doing.
분리판(15,16)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트(graphite)와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(13)과 공기극(14)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(fuel channel)(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(air channel)(Co)를 형성하고 있다. 또, 단위셀(11)들 사이에 설치하는 분리판(15,16)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택(10)의 양측 단부에 설치하는 분리판(15,16)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성하고 있다.The separators 15 and 16 use a metal material such as graphite having good electrical conductivity and high corrosion resistance, and fuel passes through each inner surface of the separator 13 and the cathode 14 in contact with each other. A fuel channel Cf and an air channel Co through which air passes are formed. In addition, the separator plates 15 and 16 disposed between the unit cells 11 form a fuel passage Cf on one side and an air passage Co on the other side, and are disposed at both ends of the fuel cell stack 10. The separating plates 15 and 16 to be provided form a fuel passage Cf or an air passage Co only on the inner side surface.
또, 분리판(15,16)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)는 도 3 및 도 4에서와 같이 '지그재그' 형상으로 형성하되 그 입구에서 출구까지 동일한 개수와 동일한 넓이로 형성하고 있다.In addition, the fuel flow path (Cf) and the air flow path (Co) of the separating plate (15, 16) is formed in a 'zigzag' shape as shown in Figs. 3 and 4, but the same number and the same width from the inlet to the outlet have.
집전판(17,18)은 연료전지스택(10)에서 최종적으로 전기에너지를 취출하기 위한 것으로 통상적인 터미널로서 사용하는 구리재질 등의 전기전도체로 형성하고 있다.The current collector plates 17 and 18 are used to finally take out electrical energy from the fuel cell stack 10 and are formed of an electrical conductor such as a copper material used as a normal terminal.
도면중 15a 및 16a는 연료 및 공기입구, 15b 및 16b는 연료 및 공기출구, 15c 및 16c는 연료측 및 공기측 안내돌기, 15d 및 16d는 연료측 및 공기측 유로돌기, 15e 및 16e는 연료측 및 공기측 유로홈, 21은 연료탱크, 22는 연료공급관, 23은 연료펌프, 31은 공기공급관, 32는 공기펌프이다.15a and 16a are fuel and air inlets, 15b and 16b are fuel and air outlets, 15c and 16c are fuel side and air side guide protrusions, 15d and 16d are fuel side and air side flow protrusions, and 15e and 16e are fuel side And an air-side flow path groove, 21 is a fuel tank, 22 is a fuel supply pipe, 23 is a fuel pump, 31 is an air supply pipe, and 32 is an air pump.
상기와 같은 종래 연료전지스택에 B화합물을 연료로 공급할 때 전기에너지가 발생하는 과정은 다음과 같다.The process of generating electrical energy when supplying the compound B as a fuel to the conventional fuel cell stack as described above is as follows.
즉, 분리판(15,16)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)에 공급한 연료와 공기는 각각 연료극(음극,anode)(13)과 공기극(양극,cathode)(14)을 통과하고, 이 과정에서 연료중의 수소가 공기중의 산소와 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 아울러 두 전극 사이에서 전류를 발생한다.That is, the fuel and air supplied to the fuel passage Cf and the air passage Co of the separators 15 and 16 pass through the anode (anode) 13 and the cathode (cathode) 14, respectively. In this process, hydrogen in the fuel electrochemically reacts with oxygen in the air to generate water, and generates a current between the two electrodes.
이를 보다 상세히 살펴 보면, 연료극(13)측에서는 연료에서 전기화학적 산화반응인Looking at this in more detail, the anode 13 side is the electrochemical oxidation reaction in the fuel
BH4 - + 8OH- →BO2 - + 6H2O + 8e-이 발생하여 전해질막(12)에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고, BH 4 - + 8OH - → BO 2 - + 6H 2 O + 8e - occurs and the electrolyte membrane 12 transfers ions generated by the oxidation / reduction reaction,
공기극(14)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인In the cathode 14, an electrochemical reduction reaction of the supplied air (oxygen) is performed.
2O2 + 4H2O + 8e- →8OH- 이 발생한다.2O 2 + 4H 2 O + 8e - → 8OH - this occurs.
이에 따라 연료극(13)과 공기극(14)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 다수개의 단위셀(11)을 적층한 연료전지스택(10)의 양단에 설치한 집전판(17,18)을 통하여 출력하며, 집전판(17,18)에서 출력하는 전류는 부하로 공급하는 것이었다.Accordingly, electromotive force is generated between the fuel electrode 13 and the air electrode 14, and the electromotive force is collected at both ends of the fuel cell stack 10 in which the plurality of unit cells 11 are stacked. The current output from the current collector plates 17 and 18 was supplied to the load.
그러나, 상기와 같은 종래 연료전지스택에 있어서는, 반응이 지속됨에 따라 연료극측에서는 2H2O + NaBH4 → NaBO2 + 4H2 와 같은 부반응이 발생하면서 연료(NaBH4수용액)에서 수소기체가 발생하고 이로 인해 분리판(15,16)의 출구쪽으로 갈수록 점차 단위면적당 밀도가 증가함에도 불구하고 종래의 분리판(15,16)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)는 도 2에서와 같이 입구측 유로와 출구측 유로의 단면적과 개수를 동일하게 형성함에 따라 출구측으로 갈수록 수소기체에 의한 연료의 압력강하가 증가하므로 이에 맞게 연료펌프(23)의 용량을 높여야 하고 이로 인해 비용이나 소음이 증가하는 것은 물론 시스템의 비대화를 유발하는 문제점이 있었다.However, in the conventional fuel cell stack as described above, as the reaction is continued, 2H 2 O at the anode side. + NaBH 4 → Although side reactions such as NaBO 2 + 4H 2 occur, hydrogen gas is generated in the fuel (NaBH 4 aqueous solution), and as a result, the density per unit area gradually increases toward the outlet of the separator plates 15 and 16, As shown in FIG. 2, the fuel flow path Cf and the air flow path Co of 15 and 16 have the same cross-sectional area and the number of the inlet and outlet flow paths, and thus the pressure drop of the fuel by the hydrogen gas toward the outlet side. Since the increase of the capacity of the fuel pump 23 accordingly to increase the cost or noise due to this, there was a problem causing the enlargement of the system as well.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 반응중에 연료에서 발생하는 수소로 인해 연료의 유동압력이 증가하여 연료유로의 압력강하와 이로 인한 압력손실을 미연에 방지할 수 있는 연료전지용 분리판의 압력손실 방지구조를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.An object of the present invention has been devised in view of the problems of the conventional fuel cell as described above, the flow pressure of the fuel increases due to the hydrogen generated in the fuel during the reaction to reduce the pressure drop in the fuel flow passage and the resulting pressure loss. It is an object of the present invention to provide a pressure loss prevention structure of a separator plate for a fuel cell that can be prevented.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 전해질막을 사이에 두고 적층하는 연료극과 공기극의 일 측면에 각각 배치하고 그 연료극과 공기극에 대향하는 면에 각각 연료유로와 공기유로를 형성하여 연료와 공기가 서로 독립적으로 순환하도록 하는 연료전지의 분리판에 있어서, 각 분리판의 연료유로는 입구측에서 출구측으로 갈수록 유로 전체의 단면적을 넓게 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 압력손실 방지구조를 제공한다.In order to achieve the object of the present invention, the fuel and air flow paths are arranged on one side of the anode and the cathode, which are stacked with the electrolyte membrane interposed therebetween, respectively. In the separator plate of the fuel cell to be circulated, the fuel passage of each separator plate provides a pressure loss preventing structure of the fuel cell separator plate, wherein the cross-sectional area of the entire flow path is formed from the inlet side to the outlet side.
또, 전해질막을 사이에 두고 적층하는 연료극과 공기극의 일 측면에 각각 배치하고 그 연료극과 공기극에 대향하는 면에 각각 연료유로와 공기유로를 평면상에서 수직로와 수평로를 가지는 지그재그 형상으로 형성하여 연료와 공기가 서로 독립적으로 순환하도록 하는 연료전지의 분리판에 있어서, 각 분리판의 연료유로는 수직로 또는 수평로를 입구측에서 출구측으로 갈수록 그 개수를 증가하여 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 압력손실 방지구조를 제공한다.In addition, the fuel electrode and the air passage are arranged on one side of the anode and the cathode stacked with the electrolyte membrane interposed therebetween, and the fuel passage and the air passage are formed in a zigzag shape having a vertical and horizontal plane on the plane, respectively. Separation of the fuel cell to allow the air and the air to be circulated independently of each other, wherein the fuel flow path of each separator is formed by increasing the number of vertical or horizontal passages from the inlet side to the outlet side Provide a pressure loss prevention structure of the plate.
또, 고분자 전해질막을 사이에 두고 그 양측에 연료극과 공기극을 각각 적층하며 연료극에는 수용액 상태의 수소화붕소(BH4)를 공급하는 반면 공기극으로는 공기를 공급하여 그 연료와 공기가 서로 독립적으로 순환하도록 연료유로와 공기유로를 구비하는 연료전지의 분리판에 있어서, 각 분리판의 연료유로는 입구측에서 출구측으로 갈수록 유로 전체의 단면적을 넓게 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 압력손실 방지구조를 제공한다.In addition, the anode and the cathode are stacked on both sides of the polymer electrolyte membrane, and the boron hydride (BH 4 ) is supplied to the anode, while the anode is supplied with air to circulate the fuel and the air independently. A fuel cell separation plate having a fuel flow path and an air flow path, wherein the fuel flow path of each separation plate has a wider cross-sectional area of the flow path from the inlet side to the outlet side, so that the pressure loss preventing structure of the fuel cell separator plate is increased. To provide.
이하, 본 발명에 의한 연료전지용 분리판의 압력손실 방지구조를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the pressure loss prevention structure of the separator for fuel cell according to the present invention will be described in detail based on the embodiment shown in the accompanying drawings.
도 5 및 도 6은 본 발명 연료전지스택의 분리판에 대한 일례를 보인 사시도 및 평면도이고, 도 7은 본 발명 연료전지스택의 분리판에 대한 변형예를 보인 평면도이다.5 and 6 are a perspective view and a plan view showing an example of the separator of the fuel cell stack of the present invention, Figure 7 is a plan view showing a modification of the separator of the fuel cell stack of the present invention.
이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지의 분리판(100)은, 이온교환막인 고분자 전해질막을 사이에 두고 적층하는 연료극과 공기극의 바깥면에 다시 적층하고 그 연료극과 공기극에 접하는 면에 각각 연료유로(Cf)와 공기유로(미도시)를 형성하되 연료유로(Cf)는 출구측으로 갈수록 그 개수를 증가 형성하여 이루어진다.As shown in the drawing, the separator plate 100 of the fuel cell according to the present invention is laminated on the outer surface of the anode and the cathode with the polymer electrolyte membrane as an ion exchange membrane interposed therebetween, and the fuel on the surface contacting the anode and the cathode, respectively. The flow path Cf and the air flow path (not shown) are formed, but the fuel flow path Cf is formed by increasing the number toward the outlet side.
즉, 분리판(100)은 앞서 언급한 바와 같이 그 본체부(110)를 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트(graphite)와 같은 금속물질을 사용하는 것이 바람직하다.That is, as mentioned above, it is preferable that the separator plate 100 uses a metal material, such as graphite, having good electrical conductivity and strong corrosion resistance.
또, 연료유로(Cf)와 공기유로(미도시)는 각각 입구와 출구를 별개로 가지도록 다양하게 형성할 수 있으나, 본 실시예는 적어도 연료유로(Cf)에 대하여 만큼은 입구에서 출구까지 지그재그 모양으로 형성한다.In addition, the fuel flow path Cf and the air flow path (not shown) may be variously formed to have inlets and outlets, respectively, but the present embodiment has a zigzag shape from at least the inlet to the outlet at least as much as the fuel flow path Cf. To form.
연료유로(Cf)는 분리판 몸체부(110)의 테두리를 둘러 양각지게 형성하여 입구(1121)와 출구(122)를 구비하는 테두리부(120)와, 테두리부(120)에 지그재그 모양으로 연결하여 횡방향으로 양각지게 형성하는 차단부(130)와, 차단부(130) 사이에 역시 양각지게 돌출하여 '두둑'을 형성하는 유로부(140)와, 유로부(140)의 양단에 서로 연통하도록 형성하여 연료를 분배하는 분배부(150)로 이루어진다.The fuel flow path Cf is embossed around the edge of the separator plate body 110 to be connected to the edge portion 120 having an inlet 1121 and an outlet 122 and a zigzag shape to the edge portion 120. And a flow path part 140 and a flow path part 140 that protrude embossed between the block part 130 to form a 'dump' between the block part 130 and the flow path part 140. It is formed to the distribution portion 150 to distribute the fuel.
테두리부(120)는 그 입구(121)와 출구(122)를 다양하게 형성할 수 있으나 대개는 동일한 단면적으로 형성하여 대각선 모양으로 대응하도록 형성할 수 있다. 유로내 압력을 고려하면 출구의 단면적을 좀더 넓게 형성할 수도 있다.The edge portion 120 may form the inlet 121 and the outlet 122 in a variety of ways, but may be generally formed in the same cross-sectional area to correspond in a diagonal shape. Considering the pressure in the flow path, it is possible to form a larger cross-sectional area of the outlet.
차단부(130)는 연료의 누설을 고려하면 그 선단면이 테두리부(120)의 선단면과 동일한 높이로 형성하는 것이 바람직하다. 또, 차단부(130)는 좌측단을 테두리부(120)에 연결하는 경우 우측단은 테두리부(120)와의 사이에 연통로(131)를 두고 이격 형성하는 한편 이를 앞단에서 형성하는 경우 그 뒷단은 이와 반대 모양으로 형성하여 전체적으로 '지그재그' 모양으로 형성한다.In consideration of the leakage of fuel, the blocking unit 130 may have a front end surface having the same height as the front end surface of the edge unit 120. In addition, the blocking unit 130 is formed when the left end is connected to the rim 120, the right end is formed with a communication path 131 between the rim 120, while forming it at the front end of the rear end Is formed in the opposite shape as a whole 'zigzag' shape.
또, 도 6에서와 같이 차단부(130)는 상기한 유로부(140)의 안내돌기(141) 개수를 점차 증가하기 위해 입구측에서 출구측으로 갈수록 간격(L1)(L2)을 점차 넓게 형성하는 것이 바람직하다.In addition, as shown in FIG. 6, the blocking unit 130 forms a wider gap L1 and L2 gradually from the inlet side to the outlet side in order to gradually increase the number of the guide protrusions 141 of the flow path unit 140. It is preferable.
유로부(140)는 테두리부(120) 및 차단부(130)와 마찬가지로 그 선단면을 동일하게 하여 개수를 입구측에서 출구측으로 갈수록 점차 증가 형성하되 각각의 유로부(140)는 동일한 간격으로 양각지게 형성하는 것이 바람직하다.Like the edge portion 120 and the blocking portion 130, the flow path portion 140 is formed to increase in number from the inlet side to the outlet side with the same front end surface, but each flow passage portion 140 is embossed at the same interval. It is preferable to form a forge.
또, 유로부(140) 사이에 음각지게 형성하여 '고랑'을 이루는 안내홈(142)은 동일한 깊이로 형성하여 전체적으로 유로의 단면적은 서로 동일하게 형성한다. In addition, the guide grooves 142 that are formed intaglio between the flow path portions 140 to form a 'furrow' are formed to have the same depth so that the cross-sectional areas of the flow path are formed to be the same as a whole.
분배부(150)는 유로부(140)의 양단에 종방향으로 음각지게 형성하는 것으로 그 단면적은 유로부(140)의 안내홈 단면적 보다는 넓게 하여 입구측에서 출구측까지 동일하게 형성한다.The distribution part 150 is formed in the longitudinal direction at both ends of the flow path portion 140 and its cross-sectional area is wider than the cross-sectional area of the guide groove of the flow path portion 140 is formed in the same way from the inlet side to the outlet side.
도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.In the drawings, the same reference numerals are given to the same parts as in the prior art.
상기와 같은 본 발명 연료전지의 분리판은 다음과 같은 작용 효과가 있다.The separator of the fuel cell of the present invention as described above has the following effects.
즉, 연료극으로는 수소를 포함한 수소화붕소나트륨(NaBH4)을 공급하는 동시에 공기극으로는 산소를 포함한 공기를 공급하여 전해질막과 반응하면서 이온을 형성한다. 이온은 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 연료극에서 전자가 생성하여 공기극으로 이동하면서 결국 전기를 발생시킨다.In other words, sodium borohydride (NaBH 4 ) containing hydrogen is supplied to the fuel electrode, and air containing oxygen is supplied to the cathode to react with the electrolyte membrane to form ions. Ions generate an electron at the anode and move to the cathode in the process of electrochemical reaction to form water.
이를 보다 상세히 살펴 보면, 연료극측에서는 전기화학적 산화반응인Looking at this in more detail, the electrochemical oxidation reaction on the anode side
BH4 - + 8OH- →BO2 - + 6H2O + 8e-이 발생하여 전해질막에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고, BH 4 - + 8OH - → BO 2 - + 6H 2 O + 8e - occurs in the electrolyte membrane to transfer ions generated by the oxidation / reduction reaction,
공기극에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인In the cathode, the electrochemical reduction of the supplied oxygen (oxygen)
2O2 + 4H2O + 8e- →8OH- 이 발생한다.2O 2 + 4H 2 O + 8e - → 8OH - this occurs.
이에 따라 연료극과 공기극의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 다수개의 단위셀을 적층한 연료전지스택의 양단에 설치한 집전판을 통하여 출력하며, 집전판에서 출력하는 전류는 부하로 공급한다.As a result, electromotive force is generated between the anode and the cathode, and the electromotive force is output through a current collector plate provided at both ends of a fuel cell stack in which a plurality of unit cells are stacked, and the current output from the current collector plate is supplied to the load.
이러한 반응을 지속하는 과정 중에 연료극측에서는 2H2O + NaBH4 → NaBO2 + 4H2 와 같은 부반응이 발생하면서 연료(NaBH4수용액)에서 수소기체가 발생하고 이로 인해 연료유로(Cf)의 출구쪽으로 갈수록 점차 단위면적당 밀도가 증가하나, 본 발명의 분리판(100)은 그 연료유로(Cf)의 유로부(140) 개수를 입구(121)측에서 출구(122)측으로 갈수록 점차 증가함으로써 전체적으로 연료유로(Cf)의 단면적을 입구측 보다 출구측을 넓게 형성하고 이를 통해 반응중에 발생하는 수소기체와 이로 인한 연료의 유동저항을 줄일 수 있어 도 8에서와 같이 종래에 비해 압력손실을 크게 줄일 수 있다.2H 2 O on the anode side during this reaction + NaBH 4 → As side reactions such as NaBO 2 + 4H 2 occur, hydrogen gas is generated in the fuel (NaBH 4 aqueous solution), and as a result, the density per unit area gradually increases toward the outlet of the fuel flow path (Cf), but the separator 100 of the present invention As the number of the flow path portions 140 of the fuel passage Cf gradually increases from the inlet 121 side to the outlet 122 side, the cross section of the fuel passage Cf is formed to have a wider outlet side than the inlet side. Since the flow resistance of the hydrogen gas and the fuel generated during the reaction can be reduced, as shown in FIG.
본 발명에 의한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.If there is another embodiment according to the present invention is as follows.
즉, 전술한 일례에서는 연료유로(Cf)의 단면적을 입구(121)측에서 출구(122)측으로 갈수록 점차 확대하기 위하여 유로부(140)의 개수를 점차 증가하는 것이나, 경우에 따라서는 도 7에서와 같이 유로부(240)의 안내돌기(241) 개수를 줄이거나 또는 동일하게 유지하면서 각 유로부(240)의 안내홈(242) 단면적을 점차 확대할 수도 있다. 여기서, 유로부(240)의 안내돌기(241) 개수를 줄이는 경우에는 도 7에서와 같이 각 차단부(230) 사이의 간격(L3)(L3)을 동일하게 유지할 수도 있으나 유로부(240) 안내돌기(241) 개수를 유지하는 경우에는 각 차단부(230) 사이의 간격을 점차 넓혀야 한다.That is, in the above-described example, the number of the flow path parts 140 is gradually increased to gradually increase the cross-sectional area of the fuel flow path Cf from the inlet 121 side to the outlet 122 side, but in some cases, in FIG. 7. As described above, while reducing the number of guide protrusions 241 of the flow path part 240 or maintaining the same, the cross-sectional area of the guide groove 242 of each flow path part 240 may be gradually increased. In this case, when the number of guide protrusions 241 of the flow path part 240 is reduced, as shown in FIG. 7, the intervals L3 and L3 between the blocking parts 230 may be kept the same, but the flow path part 240 guides. In the case of maintaining the number of protrusions 241, the interval between each blocking unit 230 should be gradually widened.
한편, 도 7에서와 같이 분배부(250)의 간격(L4)(L5)을 점차 확대할 수도 있다. 이 경우에도 역시 각 유로부(240)의 안내돌기(241) 간격을 동일하게 형성하거나 출구측으로 점차 확대할 수도 있고 각 차단부(230) 사이의 간격을 동일하게 유지하거나 출구측으로 점차 확대할 수도 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 7, the intervals L4 and L5 of the distribution unit 250 may be gradually enlarged. In this case, too, the intervals between the guide protrusions 241 of each flow path part 240 may be formed to be the same or gradually enlarged toward the outlet side, or the intervals between the respective blocking parts 230 may be maintained to be the same or gradually expanded to the outlet side. .
이러한 각각의 다른 실시예 역시 전체적으로는 연료유로의 입구에 비해 출구로 갈수록 그 단면적을 넓혀 반응중에 발생하는 수소기체로 인한 연료의 압력손실을 미연에 방지하고 이를 통해 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 또, 연료의 압력손실을 줄임으로써 연료펌프의 용량 증가에 따른 비용이나 소음의 증가 그리고 시스템의 비대화를 미연에 방지할 수 있다.In each of the other embodiments as a whole, the cross-sectional area is increased toward the outlet as compared to the inlet of the fuel passage, thereby preventing the pressure loss of the fuel due to the hydrogen gas generated during the reaction, thereby improving the performance of the fuel cell. . In addition, by reducing the pressure loss of the fuel, it is possible to prevent the increase of the cost, the noise, and the enlargement of the system due to the increase in the capacity of the fuel pump.
본 발명에 의한 연료전지용 분리판의 압력손실 방지구조는, 연료유로를 입구측에서 출구측으로 갈수록 유로의 개수를 증가함으로써, 유로면적을 점차 넓혀 반응중에 수소기체의 발생으로 인한 유로막힘을 미연에 방지하고 이를 통해 연료의 압력손실을 줄여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.The pressure loss prevention structure of the separator plate for fuel cells according to the present invention increases the number of flow passages as the fuel flow passage moves from the inlet side to the outlet side, thereby gradually widening the flow passage area, thereby preventing flow passage clogging due to the generation of hydrogen gas during the reaction. By doing so, the pressure loss of the fuel can be reduced, thereby improving the performance of the fuel cell.
또, 연료펌프의 용량증가 없이도 전체 시스템의 성능을 높임에 따라 비용 증가나 소음 증가 그리고 시스템의 비대화를 미연에 방지할 수 있다.In addition, increasing the performance of the entire system without increasing the capacity of the fuel pump can prevent cost increases, noise increase, and system oversizing.
본 발명은 상술한 실시례로서만 국한되는 것은 아니고 본 발명의 사상 및 범위내에서 다양한 변형이 가능한 것이다. The present invention is not limited only to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the spirit and scope of the present invention.
도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 계통도.1 is a system diagram showing an example of a conventional fuel cell.
도 2는 종래 연료전지에서 연료전지스택의 일례를 보인 종단면도.Figure 2 is a longitudinal sectional view showing an example of a fuel cell stack in a conventional fuel cell.
도 3 및 도 4는 종래 연료전지스택의 분리판에 대한 사시도 및 평면도.3 and 4 are a perspective view and a plan view of a separator plate of a conventional fuel cell stack.
도 5 및 도 6은 본 발명 연료전지스택의 분리판에 대한 일례를 보인 사시도 및 평면도.5 and 6 are a perspective view and a plan view showing an example of the separator plate of the fuel cell stack of the present invention.
도 7은 본 발명 연료전지스택의 분리판에 대한 변형예를 보인 평면도.7 is a plan view showing a modification to the separator of the fuel cell stack of the present invention.
도 8은 본 발명 연료전지스택의 분리판에 대한 압력강하를 종래의 그것과 비교한 그래프.8 is a graph comparing the pressure drop on the separator plate of the fuel cell stack of the present invention with that of the related art.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **** Description of symbols for the main parts of the drawing **
100 : 분리판 110 : 몸체부100: separator 110: body portion
120 : 테두리부 121 : 유로 입구120: edge portion 121: flow path entrance
122 : 유로 출구 130 : 차단부122: flow path outlet 130: cutout
131 : 연통로 140 : 유로부131: communication path 140: euro part
141 : 안내돌기 142 : 안내홈141: guide protrusion 142: guide groove
150 : 분배부 Cf : 연료유로150: distribution part Cf: fuel flow path
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