KR100633538B1 - a fuel and air supply structure of fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 연료 및 공기 공급구조에 관한 것으로, 다수의 셀(10)과 이들 사이의 분리판(50)이 적층되어 이루어진 연료전지 스택에 있어서, 상기 연료전지 스택의 중앙으로부터 양측 단부로 갈수록 각 분리판(50)들의 유로(51) 입구부(I) 단면적이 증가되는 것을 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel and air supply structure of a fuel cell stack. In the fuel cell stack including a plurality of cells 10 and a separator 50 therebetween, both ends of the fuel cell stack from the center of the fuel cell stack. It is characterized in that the cross-sectional area of the inlet portion (I) of the flow path 51 of each separation plate 50 increases.

따라서, 스택의 양측 단부에 위치한 셀(10)에도 충분한 연료, 공기, 냉각수가 공급되어 스택 전체의 발전 성능과 냉각성능이 향상되는 효과가 있다.Therefore, sufficient fuel, air, and cooling water are also supplied to the cells 10 positioned at both ends of the stack, thereby improving the power generation performance and cooling performance of the entire stack.

Description

연료전지 스택의 연료 및 공기 공급구조{a fuel and air supply structure of fuel cell stack}Fuel and air supply structure of fuel cell stack

도 1은 연료전지 스택의 개략 구성도,1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell stack;

도 2는 스택을 구성하는 셀의 구성도,2 is a configuration diagram of a cell constituting a stack;

도 3은 분리판의 정면도,3 is a front view of the separator,

도 4는 분리판의 단면도,4 is a cross-sectional view of the separator,

도 5는 종래 연료전지 스택의 공급통로부 평면도,5 is a plan view of a supply passage portion of a conventional fuel cell stack;

도 6은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 공급통로부 평면도이다.6 is a plan view of a supply passage portion of a fuel cell stack according to the present invention.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

10 : 셀, 11 : 전해질막,10: cell, 11: electrolyte membrane,

12 : 연료극, 13 : 공기극,12: fuel electrode, 13: air electrode,

20 : 엔드플레이트, 30 : 볼트,20: end plate, 30: bolt,

40 : 너트, 50 : 분리판,40: nut, 50: separator,

51 : 유로, 52 : 공급통로,51: euro, 52: supply passage,

53 : 배출통로, I : 입구부.53: discharge passage, I: entrance.

본 발명은 연료전지 스택의 연료 및 공기 공급구조에 관한 것으로, 특히 스택내 분리판들에 형성된 유로의 입구 면적 관계에 관한 기술에 대한 것이다.The present invention relates to a fuel and air supply structure of a fuel cell stack, and more particularly to a technique relating to the inlet area relationship of a flow path formed in the separator plates in the stack.

최근 에너지 효율이 우수하고 환경 오염물질을 배출하지 않는 연료전지가 차세대 발전장치로서 각광받고 있다.In recent years, fuel cells which are excellent in energy efficiency and do not emit environmental pollutants are spotlighted as next generation power generation devices.

연료전지(fuel cell)는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 셀(10)이 적층되어 이루어지는데, 이를 스택(stack)이라 칭한다.As shown in FIGS. 1 and 2, a fuel cell is formed by stacking a plurality of cells 10, which is called a stack.

상기 셀(10)들의 사이에는 분리판(50 ; 도 2 참조)이 구비되며, 스택의 양단에는 엔드플레이트(20)가 구비되어, 통상 이에 볼트(30)를 관통시키고 그 단부에 너트(40)를 조여줌으로써 스택의 결합상태를 유지하게 된다.Separation plates 50 (see FIG. 2) are provided between the cells 10, and end plates 20 are provided at both ends of the stack, so that the bolts 30 pass through the nuts 30, and nuts 40 at their ends. Tighten will keep the stack engaged.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 셀(10)은 중앙의 전해질막(11) 양측에 연료극(12)과 공기극(13)이 코팅되어 이루어진다. 그리고, 셀(10)의 양측면에 밀착되는 상기 분리판(50)의 대응면에는 유로(51)가 형성되는데, 연료극(12)측 유로(51)에는 연료가 공급되어 연료통로 역할을 하게 되고, 공기극(13)측 유로(51)에는 공기가 공급되어 공기통로 역할을 하게 된다.As shown in FIG. 2, the cell 10 is formed by coating a fuel electrode 12 and an air electrode 13 on both sides of a central electrolyte membrane 11. In addition, a flow path 51 is formed on a corresponding surface of the separator 50 in close contact with both sides of the cell 10, and fuel is supplied to the flow path 51 of the anode 12 side to serve as a fuel path. Air is supplied to the flow path 51 on the cathode 13 side to serve as an air passage.

따라서, 연료통로에 연료(H2)가스가 공급되고 공기통로에 공기(O2 포함)가 공급되면 연료극(12)의 수소가 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분해되어 수소이온은 전해질막(11)을 통과하여 공기극(13)으로 전달되고 전자는 외부회로를 통해서 공기극 (13)으로 이동한다.Therefore, when fuel (H 2 ) gas is supplied to the fuel passage and air (including O 2 ) is supplied to the air passage, hydrogen of the anode 12 is decomposed into hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ) to form hydrogen ions. The silver passes through the electrolyte membrane 11 to the cathode 13 and electrons move to the cathode 13 through an external circuit.

따라서, 상기 전자의 흐름에 의해 전류가 생성되고, 공기극(13)으로 이동한 수소이온은 산소와 만나서 물을 생성하면서 열을 발생시키도록 되어 있다.Therefore, a current is generated by the flow of electrons, and the hydrogen ions that have moved to the cathode 13 generate heat while encountering oxygen to generate water.

미설명 부호 60은 연료 및 공기 누출을 방지하는 패킹이다.Reference numeral 60 is a packing to prevent fuel and air leakage.

도 3은 상기 분리판(50)의 일 예를 보인 것이다.3 shows an example of the separator 50.

도시된 바와 같이 분리판(50)에는 소정 형상의 유로(51;도시된 예는 "ㄹ"자 형 또는 지그재그형으로 불리우는 타입의 유로가 형성되어 있다.)가 형성되어 있으며, 이 유로(51)는 분리판(50)의 테두리 부분(연료극 및 공기극에 대응되지 않는 부분)에 관통 형성된 연료 및 공기 공급통로(52; 연료극측 통로이면 연료공급통로, 공기극측 통로이면 공기공급통로가 된다.)와 연료 및 공기 배출통로(53)와 연결되어 있다.As shown, the separation plate 50 is formed with a flow path 51 having a predetermined shape (in the illustrated example, a flow path of a type called “d” or zigzag) is formed. And the fuel and air supply passage 52 formed through the edges of the separator 50 (parts not corresponding to the fuel electrode and the air electrode) (the fuel supply passage is the fuel supply passage, the air supply passage is the fuel electrode passage). It is connected to the fuel and air discharge passage (53).

즉, 연료 또는 공기가 스택의 내부로 주입되어 각 분리판(50)들의 서로 연결된 공급통로(52)를 따라 흐르면, 이에 연결된 유로(51)의 입구부(I;Inlet port hole, 도 4참조)를 통해 유로(51)내로 유입되어, 유로(51)의 경로를 따라 흐른 뒤, 말단의 배출통로(53)를 통해 흘러 스택 외부로 배출되도록 되어 있다.That is, when fuel or air is injected into the stack and flows along the supply passages 52 connected to each other of the separation plates 50, the inlet port hole I (Inlet port hole, see FIG. 4) of the flow path 51 connected thereto. After flowing into the flow path 51, flows along the path of the flow path 51, flows through the discharge passage 53 at the end and is discharged to the outside of the stack.

한편, 종래에는 도 5에 도시된 바와 같이, 공급통로(52)와 유로(51)의 연결부 즉, 상기 입구부(I)의 폭(t)이 모두 같은 구조로 이루어져 있었다.(상하길이도 모두 동일함.)On the other hand, conventionally, as shown in Figure 5, the connecting portion of the supply passage 52 and the flow path 51, that is, the width (t) of the inlet portion (I) all had the same structure. Same.)

따라서, 모든 분리판(50)의 유로(51) 입구 면적이 동일하였다.Therefore, the inlet area of the flow path 51 of all the separating plates 50 was the same.

그런데, 도 5와 같은 상태로 연료가스 및 공기가 흐르게 될 때 기체 유동 특 성상 공급통로(52)의 초입부분과 말단부분에 위치한 입구부(I)로는 중앙부분에 위치한 입구부(I)에 비하여 적은 양의 연료 및 공기가 유입되게 된다.However, when the fuel gas and the air flows in the state as shown in FIG. 5, the inlet part I located at the beginning and the end part of the supply passage 52 in comparison with the inlet part I located at the center part in the gas flow characteristic. A small amount of fuel and air will be introduced.

즉, 스택 양측 부분의 셀(10)로는 연료나 공기가 중앙의 부분에 비하여 부족하게 공급되는데, 이에 의하여 셀 내의 균일성이 저하되어 발전효율이 감소되고, 이와 같이 양측 부분 셀의 발전 효율이 감소됨으로써 스택 전체의 발전성능이 저하되며, 또한 연료나 공기에 혼합되어 공급되는 물의 양도 줄어들게 됨으로써 냉각성능이 저하되어 수명이 단축되고, 화재 위험성이 증가되는 문제점이 있었다.That is, fuel or air is insufficiently supplied to the cells 10 at both sides of the stack as compared to the center portion, whereby uniformity in the cells is lowered and power generation efficiency is reduced. Thus, power generation efficiency of both side cells is reduced. As a result, the power generation performance of the entire stack is reduced, and the amount of water supplied by being mixed with fuel or air is also reduced, thereby reducing cooling performance, shortening the lifespan, and increasing the risk of fire.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 공급통로의 초입부분이나 말단부분에 위치한 셀로도 연료 및 공기가 충분히 유입될 수 있게 됨으로써 해당 셀의 발전 효율 향상으로 스택 전체의 발전 성능이 향상되고, 동시에 냉각성능의 향상으로 내구 수명이 증가하고 화재 위험성이 감소될 수 있도록 된 연료전지 스택의 연료 및 공기 공급구조를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the fuel and air can be sufficiently introduced into the cell located at the beginning or the end of the supply passage to improve the power generation efficiency of the cell, the power generation performance of the entire stack It is an object of the present invention to provide a fuel and air supply structure of a fuel cell stack in which an improved durability and at the same time an improved cooling performance can increase durability and reduce fire risk.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수의 셀과 이들 사이의 분리판이 적층되어 이루어진 연료전지 스택에 있어서, 상기 연료전지 스택의 중앙으로부터 양측 단부로 갈수록 각 분리판들의 유로 입구부 단면적이 증가되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell stack in which a plurality of cells and a separator therebetween are stacked, wherein a cross-sectional area of a flow path inlet of each of the separators is gradually increased from the center of the fuel cell stack to both ends. It is characterized by being increased.

따라서, 스택의 양측부에 위치한 셀들에도 연료와 공기 및 냉각수가 충분히 공급될 수 있게 된다.Thus, fuel, air and coolant can be sufficiently supplied to the cells located at both sides of the stack.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 6은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 공급통로부 평면도로서, 공급통로(52)상에 연이어 배열된 각 분리판(50)의 유로(51) 입구부(I)들이 도시되어 있다.FIG. 6 is a plan view of a supply passage portion of the fuel cell stack according to the present invention, in which the inlet portions I of the flow paths 51 of each of the separation plates 50 are arranged successively on the supply passage 52.

도시된 공급통로(52)의 좌측은 스택에 있어서 연료 및 공기가 공급되는 입구 부분이고, 우측은 우측단부에 위치한 분리판(50)에 형성된 공급통로 부분으로서 스택 전체로 보아 우측방향으로는 닫혀 있게 된다.The left side of the illustrated feed passage 52 is the inlet portion where fuel and air are supplied in the stack, and the right side is a feed passage portion formed in the separator 50 located at the right end, and is closed in the right direction when viewed as a whole. do.

즉, 각 분리판(50)에 형성된 공급통로(52)들이 상호 연이어져 하나의 관로를 형성하고 있으며, 이 관로상에 각 분리판(50)의 유로(51)가 연결되어 있는 것이며, 그 입구부분이 상기 입구부(I)가 되는 것이다.That is, the supply passages 52 formed in each of the separation plates 50 are connected to each other to form a single channel, and the flow path 51 of each of the separation plates 50 is connected to the inlet, and the inlet thereof. The part becomes the inlet part I.

따라서, 스택의 공급통로(52)를 평면상에서 도시하게 되면 도 6에 도시된 바와 같이 다수의 입구부(I)들이 일렬로 배열되어 있게 된다.Therefore, when the supply passage 52 of the stack is shown in plan view, as shown in FIG. 6, the plurality of inlets I are arranged in a line.

본 발명은 상기 입구부(I)들의 면적이 일정하지 않고, 그 위치에 따라 증감되도록 된 것에 그 특징이 있다.The present invention is characterized in that the area of the inlet portion (I) is not constant, but is increased or decreased according to its position.

즉, 스택의 중앙부분에 위치한 입구부(I)의 단면적 크기는 종래와 동일하고, 이를 중심으로 양측으로 진행할수록 즉, 스택의 사이드 부분으로 갈수록 입구부(I) 의 폭이 증가하는 구조로 이루어진다(t1〈t2〈t3〈t4 …). That is, the size of the cross-sectional area of the inlet portion I located in the center portion of the stack is the same as the conventional one, and the width of the inlet portion I increases toward both sides of the stack, that is, toward the side portion of the stack. (t 1 <t 2 <t 3 <t 4 ...).

따라서, 상하길이에는 변화가 없으므로 스택의 사이드 부분으로 갈수록 입구부(I)의 단면적이 증가하게 된다.Therefore, since there is no change in the vertical length, the cross-sectional area of the inlet portion I increases toward the side portion of the stack.

따라서, 스택의 양측부 즉, 공급통로(52)의 초입부분과 말단부분에 위치한 셀(10)에 공급되는 연료나 공기 및 이들에 포함된 냉각수의 양이 증가하게 된다.Therefore, the amount of fuel or air supplied to the cell 10 located at both the inlet portion and the distal portion of the stack, that is, the supply passage 52, and the amount of cooling water contained in the stack increases.

즉, 양측 단부에 위치한 셀(10)에도 충분한 양의 연료와 공기가 공급될 수 있게 됨으로써 내부의 유로(51) 경로 전체에 걸쳐 발전의 원료인 연료와 공기의 분포 균일성이 향상되어 셀의 발전 효율이 향상된다.That is, a sufficient amount of fuel and air can also be supplied to the cells 10 located at both ends, thereby improving the uniformity of distribution of fuel and air, which are raw materials for power generation, throughout the internal flow path 51. The efficiency is improved.

따라서, 양측 단부에 위치한 셀의 발전량이 증가하게 됨으로써 스택 전체로 보아 발전 성능이 향상된다.Therefore, the power generation amount of the cells located at both ends is increased, so that the power generation performance is improved in the entire stack.

또한, 양측 단부에 위치한 셀(10)에 공급되는 연료가스와 공기의 양이 증가하게 되므로 이들에 포함되어 공급되는 냉각수의 양도 증가하게 되어 셀의 냉각성능이 향상된다.In addition, since the amount of fuel gas and air supplied to the cells 10 located at both ends is increased, the amount of cooling water contained in these is also increased, thereby improving the cooling performance of the cells.

따라서, 양측 단부에 위치한 셀 및 이에 근접한 셀의 과열이 방지됨으로써, 내구 수명이 연장되고, 화재 발생의 위험성이 감소하게 된다.Accordingly, overheating of the cells located at both ends and the cells adjacent thereto is prevented, thereby extending the service life and reducing the risk of fire.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 스택의 양측 단부에 위치한 셀에도 충분한 양의 연료와 공기 및 냉각수가 공급됨으로써 발전 성능과 냉각 성능이 향상되는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, a sufficient amount of fuel, air, and coolant are also supplied to cells located at both ends of the stack, thereby improving power generation performance and cooling performance.

Claims (1)

다수의 셀(10)과 이들 사이의 분리판(50)이 적층되어 이루어진 연료전지 스택에 있어서,In a fuel cell stack in which a plurality of cells 10 and a separator 50 therebetween are stacked, 상기 연료전지 스택의 중앙으로부터 양측 단부로 갈수록 각 분리판(50)들의 유로(51) 입구부(I) 단면적이 증가되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 연료 및 공기 공급구조.The fuel and air supply structure of the fuel cell stack, characterized in that the cross-sectional area of the inlet portion (I) of the flow path (51) of each of the separator plates increases from the center of the fuel cell stack to both ends.
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