KR100531822B1 - Apparatus for supplying air of fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지의 공기 공급 장치에 관한 것으로, 본 발명은 전해질막과, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 적층하는 복수 개의 전극과, 각 전극과 접하는 면에 연료유로와 공기유로를 각각 형성하여 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 이온을 발생하도록 복수 개의 분리판을 상기 각 전극의 일 측면에 접하도록 배치하는 다수 개의 단위셀을 연속으로 적층하여서 된 연료전지에 있어서, 단위셀마다의 공기유로를 직렬식로 연결하여 공기공급부를 구성함과 아울러 각 단위셀의 연료유로와 공기유로의 입출구에 일괄적으로 접하도록 다수 개의 단위셀에 결합하고 그 내부에는 각 단위셀마다의 공기유로를 직렬식으로 연결하도록 다수 개의 공기통로를 일정 간격으로 형성하여 메니폴드를 구성함으로써, 각 단위셀의 공기유로에 공기를 균일하게 공급할 수 있어 연료전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 공기의 유속을 높여 소용량의 공기펌프로도 공기를 원활하게 공급할 수 있어 불필요한 전력 소비를 줄일 수 있다.The present invention relates to an air supply device for a fuel cell, and the present invention relates to an electrolyte membrane, a plurality of electrodes stacked on both sides with an electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel flow path and an air flow path formed on a surface in contact with each electrode, respectively. And a plurality of unit cells in which a plurality of separator plates are disposed in contact with one side of each electrode so as to generate ions while independently circulating each flow path. The air flow path is connected in series to form an air supply unit, and it is coupled to a plurality of unit cells so as to contact the fuel flow path of each unit cell and the inlet / outlet of the air flow path collectively. By forming a manifold by forming a plurality of air passages at regular intervals so as to be connected in series, air in the air passage of each unit cell It can supply the fuel uniformly, which can greatly improve the performance of the fuel cell, as well as increase the air flow rate, so that even a small air pump can supply the air smoothly, thereby reducing unnecessary power consumption.
Description
본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 에너지 발생시스템에 관한 것으로, 특히 각각의 단위셀에 공기를 고르게 공급할 수 있는 연료전지의 공기 공급 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an energy generation system for obtaining electrical energy using a fuel cell, and more particularly, to an air supply device for a fuel cell capable of evenly supplying air to each unit cell.
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 2 및 도 3에서와 같이 다수 개의 단위셀(single cell)(11)을 적층하여 상하 양측을 각각 메니폴드(manifold)(12)(13)로 고정하고 있다.As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel cell stack 10 stacks a plurality of single cells 11 and fixes the upper and lower sides thereof with manifolds 12 and 13, respectively.
단위셀(11)은 전해질막(11a)과, 이 전해질막(11a)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(11b)과 공기극(11c), 그리고 이 연료극(11b)과 공기극(11c)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(11b)과 공기극(11c)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판(separator, 또는 bipolar plate)(11d)(11e)으로 이루어져 있다.The unit cell 11 includes an electrolyte membrane 11a and a fuel electrode 11b and an air electrode 11c stacked on both sides with the electrolyte membrane 11a interposed therebetween, and the outside of the fuel electrode 11b and the air electrode 11c. It is composed of separators or bipolar plates 11d and 11e, which are stacked on each other so that fuel and air can circulate while being in contact with the anode 11b and the cathode 11c, respectively.
전해질막(11a)은 H+를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막을 사용하고 있다.The electrolyte membrane 11a uses a polymer membrane that transfers H + , such as a polymer ion exchange membrane that exhibits electrical conductivity in a wet state.
연료극(11b)과 공기극(11c)은 지지체(미도시)와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층(미도시)으로 구성하되 지지체는 금속성의 니켈폼으로 형성하고, 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 수소저장합금으로 형성하고 있다. The anode 11b and the cathode 11c are composed of a support (not shown) and a catalyst layer (not shown) stacked on both sides of the support, wherein the support is formed of metallic nickel foam, and the catalyst layer is hydrogenated and reduced oxygen. It is formed of a hydrogen storage alloy suitable for the reaction.
분리판(11d)(11e)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트(graphite)와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(11b)과 공기극(11c)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(fuel channel)(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(air channel)(Co)를 형성하고 있다. The separators 11d and 11e 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 11b and the cathode 11c. A fuel channel Cf and an air channel Co through which air passes are formed.
또, 단위셀(11)들 사이에 설치하는 분리판(11d)(11e)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택(10)의 양측 단부에 설치하는 분리판(11d)(11e)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성하고 있다.In addition, the separator plates 11d and 11e provided between the unit cells 11 form a fuel passage Cf on one side and an air passage Co on the other side, and end portions of both sides of the fuel cell stack 10. The separation plates 11d and 11e provided in the upper portion form a fuel passage Cf or an air passage Co only on the inner side surface.
메니폴드(12)(13)는 각 단위셀(11)에 접하는 내측면에 연료공급부(20)의 연료공급관(22)에 연통하여 각 단위셀(11)의 연료유로(Cf)와 일괄적으로 연통하는 연료통로(12a)(13a) 및 공기공급부(30)의 공기공급관(31)에 연통하여 각 단위셀(11)의 공기유로(Co)와 일괄적으로 연통하는 공기통로(12b)(13b)를 형성하고 있다.The manifolds 12 and 13 communicate with the fuel supply pipe 22 of the fuel supply unit 20 on the inner side of the unit cell 11 and communicate with the fuel flow path Cf of each unit cell 11 collectively. The air passages 12b and 13b which communicate with the air passages Co of the unit cells 11 by communicating with the fuel passages 12a and 13a and the air supply pipe 31 of the air supply unit 30. To form.
도면중 미설명 부호인 21은 연료탱크, 23은 연료펌프, 32는 공기펌프이다.In the figure, 21 is a fuel tank, 23 is a fuel pump, 32 is an air pump.
상기와 같은 종래 연료전지는 다음과 같이 동작한다.The conventional fuel cell as described above operates as follows.
즉, 연료는 연료펌프(23)에 의해 연료탱크(21)에서 연료극(11b)으로 공급되는 반면 공기는 공기펌프(32)에 의해 대기중에서 공기극(11c)으로 공급되어 각각의 분리판(11d)(11e)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)를 거치면서 연료중의 수소가 공기중의 산소와 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 아울러 두 전극 사이에서 전류를 발생한다.That is, the fuel is supplied from the fuel tank 21 to the anode 11b by the fuel pump 23 while the air is supplied from the fuel pump 21 to the cathode 11c in the atmosphere by the air pump 32 so as to separate each plate 11d. Hydrogen in the fuel electrochemically reacts with oxygen in the air to generate water while generating a current between the two electrodes while passing through the fuel passage Cf and the air passage Co of 11e.
이를 보다 상세히 살펴보면, 우선 연료는 연료공급관(22)을 통해 연료탱크(21)에서 입구측 메니폴드(12)의 연료통로(12a)로 유입되고, 이 입구측 메니폴드(12)의 연료통로(12a)에서 각 단위셀(11)마다의 연료측 분리판(11d)에 구비한 연료유로(Cf)로 고르게 분배되어 각 연료유로(Cf)를 통과하면서 전기화학적 산화반응(예컨대, BH4 - + 8OH- →BO2 - + 6H2 O + 8e-)을 수행한다.In more detail, first, fuel is introduced into the fuel passage 12a of the inlet manifold 12 from the fuel tank 21 through the fuel supply pipe 22, and the fuel passage 12a of the inlet manifold 12. in a fuel passage (Cf) is evenly distributed to pass through the respective fuel flow path (Cf) electrochemical oxidation (e.g., as provided in the fuel-side separating plate (11d) of each unit cell (11) BH 4 - + 8OH - → BO 2 - + 6H 2 O + 8e - a) perform.
반면, 공기는 공기공급관(31)을 통해 대기중에서 공기필터(미도시)를 거쳐 입구측 메니폴드(12)의 공기통로(12b)로 유입되고, 이 메인폴드(12)의 공기통로(12b)에서 각 단위셀(11)마다의 공기측 분리판(11e)에 구비한 공기통로(Co)로 분배되어 각 공기통로(Co)를 일시에 통과하면서 전기적인 환원반응(예컨대, 2O2 + 4H2O + 8e- →8OH-)을 수행한다.On the other hand, air is introduced into the air passage 12b of the inlet manifold 12 through an air filter (not shown) in the air through the air supply pipe 31, and in the air passage 12b of the main fold 12. It is distributed to the air passage (Co) provided in the air side separation plate (11e) for each unit cell 11, the electrical reduction reaction (for example, 2O 2 + 4H 2 O while passing through each air passage (Co) at a time) Performs) - + 8e - → 8OH.
이 과정에서 연료극(11b)과 공기극(11c)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 다수 개의 단위셀(11)을 적층한 연료전지스택(10)의 양단에 설치한 집전판(미도시)을 통하여 전기를 출력한 후 부하로 공급하는 것이었다.In this process, electromotive force is generated between the anode 11b and the cathode 11c, and the electromotive force is installed on both ends of the fuel cell stack 10 in which a plurality of unit cells 11 are stacked. It outputs electricity through and supplies it to the load.
그러나, 상기와 같은 종래 연료전지스택에 있어서는, 공기극(11c)에서 물이나 수산화나트륨(NaOH) 등이 발생하여 공기유로(Co)를 부분적으로 차단하는 것은 물론 공기는 일정 이상의 관성(inertia)를 가져야 하는데 한 개의 공기통로(Co)에서 여러 갈래의 공기유로(Co)로 분배됨에 따라 공기의 관성이 낮아져 성능저하를 초래하는 문제점이 있었다.However, in the conventional fuel cell stack as described above, water or sodium hydroxide (NaOH), etc. are generated in the air electrode 11c to partially block the air flow path Co, and the air must have more than a certain inertia. As it is distributed from one air passage (Co) to several branched air passages (Co), there is a problem in that the inertia of the air is lowered, resulting in performance degradation.
또, 공기를 병렬식으로 공급함에 따라 공기의 유속이 저하되어 이를 보충하기 위하여는 대용량의 공기펌프(32)를 사용하여야 함에 따라 불필요한 전력 소비가 증가하는 문제점도 있었다.In addition, there is a problem in that unnecessary power consumption increases as air flow rate of air decreases as the air is supplied in parallel, and a large capacity air pump 32 must be used to replenish the air.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 각 단위셀마다의 공기유로로 공기가 고르게 분배되도록 하는 연료전지의 공기 공급 장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell air supplying device for uniformly distributing air into an air flow path for each unit cell. .
또, 공기의 유속을 높여 소용량의 공기펌프를 적용할 수 있도록 함으로써 불필요한 전력 소비를 줄일 수 있는 연료전지의 공기 공급 장치를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell air supply device capable of reducing unnecessary power consumption by allowing a small capacity air pump to be applied by increasing the flow rate of air.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 전해질막과, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 적층하는 복수 개의 전극과, 각 전극과 접하는 면에 연료유로와 공기유로를 각각 형성하여 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 이온을 발생하도록 결합하는 복수 개의 분리판으로 된 단위셀과; 복수 개의 단위셀을 적층할 때 각 단위셀마다의 연료유로와 공기유로를 분리 연통시키도록 연료통로와 공기통로를 형성하되 공기통로는 각 단위셀의 적층위치 순서에 따라 순차적으로 직렬 연통하도록 다수 개의 공기통로를 형성하여 상기한 단위셀들의 양측에 결합하는 복수 개의 메니폴드를 포함한 연료전지의 공기 공급 장치를 제공한다.In order to achieve the object of the present invention, an electrolyte membrane, a plurality of electrodes to be laminated on both sides of the electrolyte membrane, and a fuel flow path and an air flow path are formed on a surface in contact with each electrode, respectively, so that the fuel and air flow through the respective flow paths. A unit cell consisting of a plurality of separators coupled to generate ions while independently circulating; When stacking a plurality of unit cells, a fuel passage and an air passage are formed to separate and communicate the fuel passage and the air passage for each unit cell, but the air passages are arranged in series communication according to the stacking position order of each unit cell. Provided is an air supply apparatus for a fuel cell including a plurality of manifolds that form air passages and couple to both sides of the unit cells.
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이하, 본 발명에 의한 연료전지의 공기 공급 장치를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the air supply apparatus of the fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the embodiment shown in the accompanying drawings.
도 4는 본 발명 연료전지의 구조를 보인 계통도이고, 도 5는 본 발명 연료전지의 연료전지스택을 분해하여 보인 사시도이며, 도 6은 본 발명 연료전지의 연료전지스택를 개략적으로 보인 단면도이다.4 is a schematic diagram showing the structure of the fuel cell of the present invention, FIG. 5 is a perspective view showing an exploded view of the fuel cell stack of the fuel cell of the present invention, and FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the fuel cell stack of the fuel cell of the present invention.
이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지에서 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극과 공기극을 구비하는 연료전지스택은, 다수 개의 단위셀(110)을 적층하고 이를 입구측 메니폴드(120) 및 출구측 메니폴드(130)와 결합하되 각 메니폴드(120)(130)는 단위셀(110)의 연료유로(Cf)와는 병렬식으로 연결하는 반면 공기유로(Co)와는 직렬식으로 연결하여 구성한다.As shown in the fuel cell stack including the anode and the cathode to generate electrical energy by the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the fuel cell according to the present invention, a plurality of unit cells 110 are stacked and the inlet side thereof. Coupled with the manifold 120 and the outlet manifold 130, each manifold (120, 130) is connected in parallel with the fuel flow (Cf) of the unit cell 110, while in series with the air flow (Co) Connect and configure.
단위셀(110)은 전해질막(111)과, 이 전해질막(111)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(112)과 공기극(113), 그리고 이 연료극(112)과 공기극(113)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(112)과 공기극(113)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 복수 개의 분리판(114)(115)으로 이루어진다.The unit cell 110 includes an electrolyte membrane 111, a fuel electrode 112 and an air electrode 113 stacked on both sides with the electrolyte membrane 111 interposed therebetween, and an outer side of the fuel electrode 112 and the air electrode 113. A plurality of separation plates 114 and 115 are stacked on each other to allow the fuel and air to circulate while contacting the anode 112 and the cathode 113, respectively.
전해질막(111)은 H+를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막을 사용하는 것이 바람직하다.The electrolyte membrane 111 preferably uses a membrane made of a polymer that transfers H + , for example, a polymer ion exchange membrane that exhibits electrical conductivity in a wet state.
연료극(112)과 공기극(113)은 지지체(미도시)와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층(미도시)으로 구성하되 지지체는 금속성의 니켈폼으로 형성하고, 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 수소저장합금으로 형성한다.The anode 112 and the cathode 113 are composed of a support (not shown) and a catalyst layer (not shown) stacked on both sides of the support, wherein the support is formed of metallic nickel foam, and the catalyst layer is formed by oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. It is formed of a hydrogen storage alloy suitable for the reaction.
분리판(114,115)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(112)과 공기극(113)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(Co)를 형성한다.The separators 114 and 115 use a metal material such as graphite having good electrical conductivity and high corrosion resistance, and the fuel passage Cf through which fuel passes through each inner surface of the separator 112 and the cathode 113. And form an air passage (Co) through which air passes.
또, 단위셀(110)들 사이에 설치하는 분리판(114,115)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택(110)의 양측 단부에 설치하는 분리판(114,115)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성한다.In addition, the separator plates 114 and 115 provided between the unit cells 110 form a fuel passage Cf on one side and an air passage Co on the other side, and are installed at both ends of the fuel cell stack 110. The separator plates 114 and 115 form a fuel passage Cf or an air passage Co only on the inner side thereof.
입구측 메니폴드(120)와 출구측 메니폴드(130)는 도 5 및 도 6에서와 같이 상기한 단위셀(110)을 모두 수용할 수 있는 넓이의 판체로 형성하고, 각 판체가 서로 대향하는 각 내측면에는 한 개의 연료통로(121)(131)와 다수 개의 공기통로(122)(132)를 각각 형성하여 이루어진다.The inlet manifold 120 and the outlet manifold 130 are formed in a plate body having a width that can accommodate all of the unit cells 110 as shown in FIGS. 5 and 6, and each plate body faces each other. Side surfaces are formed by forming one fuel passage 121, 131 and a plurality of air passages 122, 132, respectively.
연료통로(121)(131)는 모든 단위셀(110)의 연로유로(Cf)와 일괄적으로 연통할 수 있도록 소정의 깊이와 폭을 가지고 길게 형성하는 것이 바람직하다.The fuel passages 121 and 131 may be formed to have a predetermined depth and width so as to communicate with the fuel passages Cf of all the unit cells 110 collectively.
공기통로(122)(132)는 각 단위셀(110)의 공기유로(Co)를 사이에 두고 지그재그 모양으로 연통될 수 있도록 입구측 메니폴드(120)와 출구측 메니폴드(130) 사이에 일정한 위상차를 가지고 형성하되, 각 공기통로(122)(132)는 이웃하는 단위셀(110)의 공기유로(Co)끼리 서로 독립적으로 연결될 수 있도록 메니폴드(120)(130)의 내측면으로 양단이 노출되어 "유(U)"자 모양으로 형성하는 것이 바람직하다. 또, 도면으로 도시하지는 않았으나 가공상의 편의를 위하여는 소정의 깊이와 폭을 가지고 음형지게 형성할 수도 있다.Air passages 122 and 132 have a constant phase difference between the inlet manifold 120 and the outlet manifold 130 so that the air passages Co of each unit cell 110 may be communicated in a zigzag form. And each air passage 122 and 132 are exposed at both ends to the inner surfaces of the manifolds 120 and 130 so that the air passages Co of neighboring unit cells 110 can be connected to each other independently. It is preferable to form in a U-shaped shape. In addition, although not shown in the drawings, for convenience in processing, it may be formed to have a sound depth with a predetermined depth and width.
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.
도면중 미설명 부호인 20은 연료공급부, 21은 연료탱크, 22는 연료공급관, 23은 연료펌프, 30은 공기공급부, 31은 공기공급관, 32는 공기공급관, 40은 전기에너지 출력부이다.In the drawings, reference numeral 20 denotes a fuel supply part, 21 a fuel tank, 22 a fuel supply pipe, 23 a fuel pump, 30 an air supply part, 31 an air supply pipe, 32 an air supply pipe, and 40 an electric energy output part.
상기와 같은 본 발명의 연료전지가 가지는 작용 효과는 다음과 같다.Effects of the fuel cell of the present invention as described above are as follows.
즉, 분리판(114,115)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)에 공급한 연료와 공기는 각각 연료극(음극,anode)(112)과 공기극(양극,cathode)(113)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 114 and 115 pass through the anode (anode) 112 and the cathode (cathode) 113, respectively. In this process, hydrogen in the fuel electrochemically reacts with oxygen in the air to generate water and generate current between the two electrodes.
이를 보다 상세히 살펴보면, 연료는 연료공급관(22)을 통해 연료탱크(21)에서 입구측 메니폴드(120)의 연료통로(121)로 유입되고, 이 입구측 메니폴드(120)의 연료통로(121)에서 각 단위셀(110)마다의 분리판(114)에 구비한 연료유로(Cf)로 고르게 분배되어 각 연료유로(Cf)를 통과하면서 전기화학적 산화반응(예컨대, BH4 - + 8OH- →BO2 - + 6H2O + 8e-)을 수행한다.Looking at this in more detail, the fuel is introduced into the fuel passage 121 of the inlet manifold 120 from the fuel tank 21 through the fuel supply pipe 22, in the fuel passage 121 of the inlet manifold 120 each unit cell 110 is separated is evenly distributed to the plate fuel flow passage (Cf) having a 114 electrochemical oxidation reaction while passing through the respective fuel flow path (Cf) for each (e.g., BH 4 - + 8OH - → BO 2 - + 6H 2 O + 8e - a) perform.
반면, 공기는 대기중에서 공기공급관(31)을 통해 입구측 메니폴드(120)의 최초 공기통로(122)로 유입되고, 이 공기는 최외곽 단위셀(110)의 공기유로(Co)를 거쳐 출구측 메니폴드(130)의 최초 공기통로(132)로 유입되었다가 다시 두 번째 단위셀(110)의 공기유로(Co)를 거쳐 입구측 메니폴드(120)의 두 번째 공기통로(122)로 유입되는 일련의 과정을 반복하면서 전기적인 환원반응(예컨대, 2O2 + 4H2O + 8e- →8OH-)을 수행한다.On the other hand, air is introduced into the first air passage 122 of the inlet manifold 120 through the air supply pipe 31 in the atmosphere, and the air passes through the air passage Co of the outermost unit cell 110 to the outlet side. A series of inflows into the first air passage 132 of the manifold 130 and then through the air passage Co of the second unit cell 110 into the second air passage 122 of the inlet manifold 120. Repeating the process, the electrical reduction reaction (eg 2O 2 + 4H 2 O Performs) - + 8e - → 8OH.
여기서, 메니폴드(120)(130)는 한 개의 연료통로(121)(131)와 다수 개의 공기통로(122)(132)로 이루어고, 그 중 각각의 공기통로(122)(132)는 각 단위셀(110)의 공기유로(Co)와 연속으로 연결됨에 따라 공기가 공기통로(122)(132)와 각 단위셀(110)의 공기유로(Co)를 따라 순차적으로 공급되고, 이에 따라 공기가 각 단위셀(110)의 공기유로(Co)로 균일하게 공급되어 연료전지의 성능을 높일 수 있다.Here, the manifolds 120 and 130 are composed of one fuel passage 121, 131 and a plurality of air passages 122, 132, each of the air passages 122, 132 each unit As the air passage Co of the cell 110 is continuously connected, air is sequentially supplied along the air passages 122 and 132 and the air passage Co of each unit cell 110. It is uniformly supplied to the air flow path Co of each unit cell 110 to improve the performance of the fuel cell.
또, 연료전지의 반응중에 공기유로(Co)에서 물과 수산화나트륨이 발생하더라도 공기가 공기통로(122)(132)와 공기유로(Co)를 연속으로 통과함에 따라 공기의 유속을 높일 수 있고, 이를 통해 소용량의 공기펌프(32)를 사용하고도 공기를 원활하게 공급할 수 있어 불필요한 전력 소비를 줄일 수 있다.In addition, even if water and sodium hydroxide are generated in the air passage Co during the reaction of the fuel cell, the air flow rate is increased as the air passes through the air passages 122 and 132 and the air passage Co continuously. Through this, even a small capacity air pump 32 can be used to smoothly supply air, thereby reducing unnecessary power consumption.
본 발명에 의한 연료전지의 공기 공급 장치는, 공기를 직렬로 공기유로에 공급하도록 구성함으로써, 각 단위셀의 공기유로에 공기를 균일하게 공급할 수 있어 연료전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 공기의 유속을 높여 소용량의 공기펌프로도 공기를 원활하게 공급할 수 있어 불필요한 전력 소비를 줄일 수 있다.The air supply apparatus of the fuel cell according to the present invention is configured to supply air in series to the air flow path, so that the air can be uniformly supplied to the air flow path of each unit cell, and the performance of the fuel cell can be greatly improved. By increasing the air flow rate, even a small air pump can smoothly supply air, thereby reducing unnecessary power consumption.
도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 계통도,1 is a system diagram showing a structure of a conventional fuel cell;
도 2는 종래 연료전지의 연료전지스택을 파단하여 보인 사시도,2 is a perspective view showing a fuel cell stack broken in the conventional fuel cell;
도 3은 종래 연료전지의 연료전지스택를 개략적으로 보인 단면도,3 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell stack of a conventional fuel cell;
도 4는 본 발명 연료전지의 구조를 보인 계통도,4 is a system diagram showing the structure of the fuel cell of the present invention;
도 5는 본 발명 연료전지의 연료전지스택을 분해하여 보인 사시도,5 is a perspective view showing an exploded fuel cell stack of the fuel cell of the present invention;
도 6은 본 발명 연료전지의 연료전지스택를 개략적으로 보인 단면도.Figure 6 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell stack of the fuel cell of the present invention.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **** Description of symbols for the main parts of the drawing **
20 : 연료공급부 21 : 연료탱크20: fuel supply unit 21: fuel tank
22 : 연료공급관 23 : 연료펌프22: fuel supply pipe 23: fuel pump
30 : 공기공급부 31 : 공기공급관30: air supply unit 31: air supply pipe
32 : 공기펌프 40 : 전기에너지 출력부32: air pump 40: electrical energy output unit
100 : 연료전지스택 110 : 단위셀100: fuel cell stack 110: unit cell
111 : 전해질막 112 : 연료극111 electrolyte membrane 112 fuel electrode
113 : 공기극 114 : 분리판113: air electrode 114: separation plate
115 : 분리판 120 : 입구측 메니폴드115: separation plate 120: inlet manifold
121 : 연료통로 122 : 공기통공121: fuel passage 122: air passage
130 : 출구측 메니폴드 131 : 연료통로130: exit manifold 131: fuel passage
132 : 공기통공 Cf : 연료유로132: air vent Cf: fuel flow path
Co : 공기유로Co: Air flow path
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