KR100823924B1 - 연료전지의 내부 접지전류 저감구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연료전지 내부 접지전류 저감구조는 서로 인접하게 적층된 단위 전지들과, 상기 단위 전지들의 각 연료측 유입유로를 연결함과 아울러 전기적으로 절연시키는 연료측 분배수단과, 상기 단위 전지들의 각 공기측 유입유로를 연결하는 공기측 분배수단을 포함하도록 구성되어 다수 개로 적층된 단위 전지들 사이에서 전해질 용액인 연료에 의한 전기적 연결 및 기타 부품에 의한 전기적 연결에 의해 발생되는 전기적 누전을 최소화할 수 있도록 한 것이다.

Description

연료전지의 내부 접지전류 저감구조 { STRUCTURE FOR REDUCING INTERNAL CIRCUIT OF FUEL CELL }
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 다수 개로 적층된 단위 전지들 사이에서 발생되는 전기적 누전을 최소화할 수 있도록 한 연료전지의 내부 접지전류 저감구조에 관한 것이다.
연료전지는 화석 연료의 대안으로 제시된 것으로, 수소와 같은 연료의 산화에 의하여 발생하는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지이다.
도 1은 상기 연료전지의 일예를 도시한 것이다. 이에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지는 전해질막(10)의 양쪽면에 각각 위치한 연료측 전극(11)과 공기측 전극(12)에 수소가 포함된 연료와 산소가 포함된 공기가 각각 공급되면 그 연료측 전극(11)에서 전기 화학적 산화 반응이 발생되어 수소 이온과 전자가 방출되고 그 수소 이온은 상기 전해질막(10)을 통해 공기측 전극(12)으로 이동하게 되며 상기 전자는 연료측 전극(11)과 공기측 전극(12)을 연결하는 부하(20)를 거쳐 공기측 전극(12)으로 전달된다. 이와 동시에, 상기 공기측 전극(12)에서 전기 화학적 환원 반응이 일어나면서 상기 수소 이온과 산소가 결합되면서 열과 부산물을 발생시키게 된다. 이때, 연료측 전극(11)에서 방출되는 전자가 공기측 전극(12)으로 전달되면 서 전류를 발생시키게 된다.
이와 같은 구조는 한 개의 단위 연료전지를 구성하게 되며, 보다 큰 전기에너지를 발생시킬 경우 위와 같은 단위 전지가 다수 개 결합되어 연료전지를 구성하게 된다.
또한, 상기 연료전지는 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 등에 따라 그 종류가 다양하다.
연료가 알카리 수용액에 NaBH4, KBH4, LiAlH4, KH, NaH 등과 같은 수소 발생제가 용해된 연료를 사용하게 될 경우, 그 연료가 전해질 용액이 되므로 수소 이온과 함께 발생되는 전자는 전해질 용액인 연료를 통해 이동하게 된다.
도 2는 상기 전해질 용액인 원료를 사용하는 종래 연료전지의 일예를 도시한 단면도이고, 도 3은 상기 연료전지를 구성하는 스택의 평면도이며, 도 4는 상기 연료전지를 구성하는 제1 매니폴드의 평면도이고, 도 5는 상기 연료전지를 구성하는 제2 매니폴드의 평면도이다.
이에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지는 한 개의 바이폴라 플레이트(100)의 양측에 모노폴라 플레이트(110)(120)가 각각 위치하고 그 바이폴라 플레이트(100)와 모노폴라 플레이트(110)(120)들사이에 두 개의 엠이에이(M.E.A ; Membrane Electrode Assembly)(130)가 각각 삽입되어 있으며 그 모노풀라 플레이트(110)(120)의 양측면에 엔드 플레이트(140)가 각각 위치되어 있다. 상기 바이폴라 플레이트(100)들과 모노폴라 플레이트(110)(120)들과 엠이에이(130)들 그리고 엔드 플레이트(140)들이 체결수단(150)에 의해 고정 결합되어 스택을 이루게 된다.
상기 바이폴라 플레이트(100)는 일정 두께와 면적을 갖는 플레이트(101)의 양쪽면에 유체가 흐르는 채널(102)(103)이 각각 형성되어 있고 상기 플레이트(101)에 그 양 쪽 채널(102)(103)로 연료와 공기가 각각 유입되고 유출되는 유입유로(104)(105)와 유출유로(106)(107)가 형성되어 있다.
상기 모노폴라 플레이트(110)(120)는 일정 두께와 면적을 갖는 플레이트(111)(121)의 한 쪽면에 유체가 흐르는 채널(112)(122)이 형성되어 있고, 상기 플레이트(111)(121)에 그 채널(112)(122)로 유체가 유입되고 유출되는 유입유로(113)(123)와 유출유로(114)(124)가 형성되어 있다.
상기 바이폴라 플레이트(100) 및 모노폴라 플레이트(110)(120)의 연료측 유입유로(104)(123)들은 동일 선상으로 배열되어 있고, 공기측 유입유로(105)(113)들은 상기 연료측 유입유로(104)(123)들과 거리를 두고 동일 선상에 배열되어 있다.
상기 엠이에이(130)는 일정 면적을 갖는 전해질막(131)의 한 쪽면에 연료와 접촉되는 연료측 전극(132)이 형성되어 있고, 다른 한 쪽은 공기가 접촉되는 공기측 전극(133)이 형성되어 있다. 상기 엠이에이(130)들은 같은 전극이 같은 위치에 위치하도록 삽입되어 있다.
그리고 연료와 공기가 연료측 유입유로(104)(123)와 공기측 유입유로(105)(113)로 각각 유입되도록 분배하는 제1 매니폴드(160)가 상기 스택의 일측면에 위치하게 되고, 상기 연료측 유출유로들(106)(124)과 공기측 유출유로들(107)(114)로 각각 유출되는 연료와 공기가 모아지는 제2 매니폴드(170)가 상기 스택의 타측면에 위치하게 되며 그 제1,2 매니폴드(160)(170)는 별도의 체결수 단(180)에 의해 고정 결합되어 있다. 상기 제1 매니폴드(160)는 일정 두께와 사각 면적을 갖는 몸체부(161)의 내부에 연료측 공간(162)과 공기측 공간(163)이 각각 형성되어 있고 그 연료측 공간(162)의 바닥면에 상기 연료측 유입유로(104)(123)들과 연통되는 관통구멍(164)들이 형성되어 있으며 상기 공기측 공간(163)의 바닥면에 상기 공기측 유입유로(105)(113)들과 연통되는 관통구멍(165)들이 형성되어 있다. 그리고 상기 제2 매니폴드(170)는 일정 두께와 사각 면적을 갖는 몸체부(171)의 내부에 연료측 공간(172)과 공기측 공간(173)이 각각 형성되어 있고 그 연료측 공간(172)의 바닥면에 상기 연료측 유출유로(106)(124)들과 연통되는 관통구멍(174)들이 형성되어 있으며 상기 공기측 공간(175)의 바닥면에 상기 공기측 유출유로(107)(114)들과 연통되는 관통구멍(175)들이 형성되어 있다.
상기 제1 매니폴드의 연료측 공간(162)이 파이프(미도시)에 의해 연료탱크(미도시)와 펌프(미도시)에 연통되어 있으며, 상기 제2 매니폴드의 연료측 공간(172)은 별도의 재생수단(미도시)에 의해 상기 연료탱크와 연결되어 있다.
상기한 바와 같은 연료전지는 먼저, 상기 연료탱크의 연료가 제1 매니폴드의 연료측 공간(162)으로 유입됨과 동시에 그 제1 매니폴드의 공기측 공간(163)으로 공기가 유입된다. 상기 연료측 공간(162)의 연료는 관통구멍(164)들을 통해 스택을 구성하는 각 바이폴라 플레이트(100) 및 모노폴라 플레이트(120)의 유입유로(104)(123)를 통해 채널(102)(122)로 유입되어 그 채널(102)(122)을 통해 흐르게 된다.
상기 채널(102)(122)을 따라 흐르는 연료는 상기 엠이에이(130)의 연료측 전 극(132)에 의해 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소 이온과 전자를 발생시키게 되고 그 수소 이온은 엠이에이의 전해질막(131)을 통해 공기측 전극(133)으로 이동하게 되며 그 전자는 바이폴라 플레이트(100) 또는 모노폴라 플레이트(110)(120)를 통해 공기측 전극(133)으로 이동하게 된다. 이와 동시에, 상기 제1 매니폴드의 공기측 공간(163)에 유입된 공기가 그 공기측 공간의 관통구멍(165)들을 통해 스택을 구성하는 각 바이폴라 플레이트(100) 및 모노폴라 플레이트(110)의 유입유로(105)(113)를 통해 채널(103)(112)로 유입되어 그 채널(103)(112)을 통해 흐르게 되면서 상기 엠이에이의 공기측 전극(133)에서 상기 수소 이온과 함께 전기 화학적 환원 반응이 일어나게 된다.
한편, 상기 제2 매니폴드의 연료측 공간(172)으로 유출된 연료는 재생수단을 통해 상기 연료탱크로 유입되어 다시 스택으로 공급된다.
그리고 부하(Load)를 상기 모노폴라 플레이트(110)(120)들 사이에 연결하게 되면 그 전위차에 의해 전류가 부하를 통해 흐르면서 전기적 에너지를 발생시키게 된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래 구조는 사용되는 연료가 전해질 용액이므로 그 연료가 스택킹(Stacking)된 단위 전지들을 전기적으로 연결하게 되어 내부 접지 회로(Internal Circuit)를 이루게 됨으로써 전기적 누전이 발생되어 전기적 손실을 유발시키게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 다수 개로 적층된 단위 전지들 사이에서 발생되는 전기적인 누전을 최소화할 수 있도록 한 연료전지의 내부 접지전류 저감구조를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 서로 인접하게 적층된 단위 전지들과, 상기 단위 전지들의 각 연료측 유입유로를 연결함과 아울러 전기적으로 절연시키는 연료측 분배수단과, 상기 단위 전지들의 각 공기측 유입유로를 연결하는 공기측 분배수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조가 제공된다.
또한, 서로 인접하게 적층된 단위 전지들로 구성된 스택과; 상기 단위 전지들의 연료측 유로들을 연결하는 연료측 연결유로와 그 단위 전지들의 공기측 유로들을 연결하는 공기측 연결유로가 각각 구비되어 상기 스택의 양측면에 각각 위치하는 제1,2 매니폴드와; 상기 단위 전지들의 연료측 유로들과 상기 제1 매니폴드의 연료측 연결유로를 연결하는 연료측 관통구멍들과 상기 단위 전지들의 공기측 유로들과 상기 제1 매니폴드의 공기측 연결유로를 연결하는 공기측 관통구멍들이 구비되어 상기 스택과 제1 매니폴드사이에 결합되는 제1 절연부재와; 상기 단위 전지들의 연료측 유로들과 상기 제2 매니폴드의 연료측 연결유로를 연결하는 연료측 관통구멍들과 상기 단위 전지들의 공기측 유로들과 상기 제2 매니폴드의 공기측 연결유로를 연결하는 공기측 관통구멍들이 구비되어 상기 스택과 제2 매니폴드사이에 결합되는 제2 절연부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조가 제공된다.
도 1은 일반적인 연료전지를 도시한 단면도.
도 2는 종래 연료전지의 일예를 도시한 단면도.
도 3은 종래 연료전지 스택의 평면도.
도 4,5는 종래 연료전지의 제1,2 매니폴드를 부분 절개하여 각각 도시한 평면도.
도 6은 본 발명의 연료전지 내부 접지전류 방지구조의 제1 실시예가 구비된 연료전지의 단면도.
도 7은 제6도의 평면도.
도 8은 본 발명의 연료전지 내부 접지전류 방지구조의 제2 실시예가 구비된 연료전지의 단면도.
도 9는 도 8의 A - B의 단면도.
도 10은 도 8의 C - D의 단면도.
도 11은 단위 전지와 본 발명의 제1,2 실시예를 비교 실험한 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>(번역시 생략)
204,213,304,313: 연료측 유입유로 205,223,305,323: 공기측 유입유로
206,214,306,314; 연료측 유출유로 240; 연료측 분배관
250; 연료 유입관 251; 공기 유입관
270,271,392,395; 펌프 280,281; 유출관
290; 공기측 분배관 340; 제1 매니폴드
350; 제2 매니폴드 342,352; 연료측 연결유로
343,353; 공기측 연결유로 360; 제1 절연부재
370; 제2 절연부재 361,371; 연료측 관통구멍
362,372; 공기측 관통구멍 307,324; 공기측 유출유로
C : 단위 전지
[발명의 실시를 위한 최선의 형태]
이하, 본 발명의 연료전지 내부 접지전류 저감구조를 첨부도면에 도시된 실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 연료전지 내부 접지전류 저감구조의 제1 실시예를 설명한다.
도 6은 본 발명의 연료전지 내부 접지전류 저감구조의 제1 실시예가 구비된 연료전지를 도시한 단면도이고, 도 7은 상기 연료전지의 평면도이다.
이에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지 내부 접지전류 저감구조는 서로 인접하게 적층된 단위 전지(C)들과, 상기 단위 전지(C)들의 각 연료측 유입유로를 연결함과 아울러 전기적으로 절연시키는 연료측 분배수단과, 상기 단위 전지(C)들의 각 공기측 유입유로(205)를 연결하는 공기측 분배수단을 포함하여 구성된다.
상기 연료측 분배수단은 상기 단위 전지(C)들의 각 연료측 유입유로를 연결하는 연료측 분배관(240)이다. 상기 연료측 분배관(240)은 단위 전지(C)들의 각 연료측 유입유로에 연료를 분배시킴과 동시에 전기적 절연 공간을 형성하게 된다.
상기 공기측 분배수단은 상기 단위 전지(C)들의 각 공기측 유입유로를 연결하는 공기측 분배관(280)이다.
그리고 상기 연료측 분배관(240)에 연료 유입을 안내하는 연료 유입관(250)이 연결되고 그 연료 유입관(250)은 연료탱크(260)와 연결된다. 상기 공기측 분배관(280)에 외부의 공기가 유입되는 공기 유입관(290)이 결합된다.
상기 단위 전지(C)들은 한 개의 바이폴라 플레이트(200)와 그 양쪽면에 각각 위치하는 모노폴라 플레이트(210) 그리고 그 바이폴라 플레이트(200)와 모노폴라 플레이트(210)(220)사이에 각각 삽입되는 엠이에이(230)로 구성된다. 상기 바이폴라 플레이트(200)와 한 개의 모노폴라 플레이트 그리고 엠이에이(230)는 한 개의 단위 전지(C)를 구성하게 된다.
상기 바이폴라 플레이트(200)는 일정 두께와 사각 면적을 갖는 플레이트(201)의 양쪽면에 채널(202)(203)들이 각각 형성되고 그 플레이트(201)에 상기 채널(202)(203)들로 연료와 공기가 각각 유입되는 유입유로(204)(205)가 각각 형성되고 그 플레이트(201)에 상기 채널(202)(203)들로 유입된 연료와 공기가 각각 유출되는 유출유로(206)(207)가 각각 형성된다. 상기 연료측 유입유로(204)와 공기측 유출유로(207)는 상기 플레이트(201)의 동일면에 형성되고, 그 반대편면에 상기 연료측 유출유로(206)와 공기측 유입유로(205)가 각각 형성된다. 상기 연료측 유입유로(204)와 연료측 유출유로(206)는 서로 대각선상에 위치하게 되고, 상기 공기측 유입유로(205)와 공기측 유출유로(207)는 서로 대각선상에 위치하게 된다.
상기 모노폴라 플레이트(210)(220)는 일정 두께와 사각 면적을 갖는 플레이트(211)(221)의 일면에 채널(212)(222)들이 형성되고 그 플레이트(211)(221)에 상기 채널(212)(222)들로 유체가 유입되고 유출되는 유입유로(213)(223)와 유출유 로(214)(224)가 각각 형성된다. 상기 모노폴라 플레이트(210)(220)는 그 채널(212)(222)들이 상기 바이폴라 플레이트의 채널(202)(203)들과 대면되게 그 바이폴라 플레이트(200)의 양쪽면에 각각 위치하게 된다. 이때, 상기 모노폴라 플레이트(210)의 채널(212)들이 상기 바이폴라 플레이트(200)의 공기가 흐르는 채널(203)들과 대면될 경우 그 모노폴라 플레이트의 채널(212)들에는 연료가 흐르게 되고, 상기 모노폴라 플레이트(220)의 채널(222)들이 상기 바이폴라 플레이트(200)의 연료가 흐르는 채널(202)과 대면될 경우 그 모노폴라 플레이트(220)의 채널(222)들에는 공기가 흐르게 된다.
상기 엠이에이(230)는 일정 면적을 갖는 전해질막(231)의 한 쪽면에 연료와 접촉되는 연료측 전극(232)이 형성되고, 다른 한 쪽은 공기가 접촉되는 공기측 전극(233)이 형성되어 이루어진다. 상기 엠이에이(230)는 그 전극(232)(233)들이 같은 방향에 위치하도록 상기 바이폴라 플레이트(200)와 모노폴라 플레이트(210)(220)사이에 삽입된다.
상기 연료측 분배관(240)은 상기 바이폴라 플레이트의 연료측 유입유로(204)와 그에 인접한 연료가 흐르는 모노폴라 플레이트의 연료측 유입유로(213)를 연결하게 된다. 상기 연료측 분배관(240)은 굴곡된 형태로 형성된다. 그리고 상기 연료측 분배관(240)에 상기 연료 유입관(250)이 연결되며 그 연료 유입관(250)은 상기 연료측 분배관(240)의 가운데 위치하도록 연결된다.
상기 연료 유입관(250)은 연료가 저장되는 연료탱크(260)에 연결되며, 그 연료 유입관(250)에 연료를 펌핑하는 제1 펌프(270)가 설치되고 그 제1 펌프(270)는 상기 연료측 분배관(240)과 연료탱크(260)사이에 위치하게 된다. 상기 연료탱크(260)의 연료는 전해질 용액이다.
상기 연료측 분배관(240)과 연료 유입관(250)은 전류가 통하지 않는 절연재이다.
상기 바이폴라 플레이트의 연료측 유출유로(206)와 그와 인접하여 연료가 흐르는 모노폴라 플레이트(210)의 연료측 유출유로(214)에 유출관(208)이 각각 결합된다.
상기 공기측 분배관(290)은 상기 바이폴라 플레이트의 공기측 유입유로(205)와 그에 인접하여 공기가 흐르는 모노폴라 플레이트(220)의 공기측 유입유로(223)를 연결하게 된다. 상기 공기측 분배관(290)은 굴곡된 형태로 형성된다. 그리고 상기 공기측 분배관(290)에 상기 공기 유입관(251)이 연결되며 그 공기 유입관(251)은 상기 공기측 분배관(290)의 가운데 위치하도록 연결된다. 상기 공기측 분배관(290)과 공기 유입관(251)은 절연재이다.
상기 공기 유입관(251)에 공기를 펌핑하는 제2 펌프(271)가 설치된다.
상기 바이폴라 플레이트의 공기측 유출유로(207)와 그와 인접하여 공기가 흐르는 모노폴라 플레이트(220)의 공기측 유출유로(224)에 유출관(281)이 각각 연결된다.
상기한 바와 같은 연료전지의 내부 접지전류 저감구조의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 제1 펌프(270)와 제2 펌프(271)가 작동하게 되면 상기 연료탱 크(260)의 연료가 연료 유입관(250)을 통해 연료측 분배관(240)으로 유입된다. 상기 연료측 분배관(240)으로 유입된 연료는 분배되어 각 단위 전지(C)의 연료측 유입유로(204)(213)로 유입되고 그 연료측 유입유로(204)(213)로 유입된 연료가 채널(202)(212)들을 통해 흐르게 된다. 상기 연료가 채널(202)(212)들을 통해 흐르면서 상기 엠이에이의 연료측 전극(232)에 의해 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소 이온과 전자를 발생시키게 되고 그 수소 이온은 엠이에이의 전해질막(231)을 통해 공기측 전극(233)으로 이동하게 되며 그 전자는 바이폴라 플레이트(200)를 통해 공기측 전극(233)으로 이동하게 된다.
이와 동시에, 외부의 공기가 공기 유입관(251)을 통해 공기측 분배관(290)으로 유입되면서 각 단위 전지(C)의 공기측 유입유로(205)(223)로 유입된다. 상기 각 단위 전지(C)의 공기측 유입유로(205)(223)로 유입된 공기는 채널(203)(222)들을 통해 흐르면서 상기 엠이에이의 공기측 전극(233)에서 상기 수소 이온과 전기 화학적 환원 반응이 일어나게 된다.
상기 각 단위 전지(C)의 채널(202)(212)들을 거친 연료는 연료측 유출유로(206)(214)와 유출관(280)을 통해 각각 유출되고, 상기 각 단위 전지(C)의 채널(203)(222)들을 거친 공기는 공기측 유출유로(207)(224)와 유출관(281)을 통해 유출된다. 상기 유출관(280)을 통해 유출된 연료는 별도의 재생수단(미도시)을 거친 후 다시 연료탱크(260)로 유입된다.
그리고 부하(Load)를 상기 모노폴라 플레이트(210)(220)들 사이에 연결하게 되면 그 전위차에 의해 전류가 부하를 통해 흐르면서 전기적 에너지를 발생시키게 된다.
상기 과정 중, 연료탱크(260)에서 공급되는 연료가 연료측 분배관(240)을 통해 분배되어 각 단위 전지(C)의 연료측 전극(232)으로 유입되므로 그 연료의 전기적 연결에 의해 발생되는 전기적 누전이 상기 연료측 분배관(240)에 의해 억제된다. 즉, 상기 각 단위 전지(C)로 유입되는 전해질 용액인 연료가 소정의 길이를 갖는 연료측 분배관(240)을 통해 연결되므로 연료에 의한 전기적 연결이 불안정하여 전기적 누전이 최소화된다.
또한, 상기 각 단위 전지(C)를 거친 연료가 별도의 유출관(280)을 통해 각각 유출되므로 연료에 의한 전기적 연결이 차단되어 전기적 누전을 방지하게 된다.
한편, 본 발명은 연료와 공기를 펌핑하는 펌프(270)(271)가 각각 한 개씩 설치되어 펌프의 수를 최소화하게 된다.
이어, 본 발명의 연료전지 내부 접지전류 저감구조의 제2 실시예를 설명한다.
도 8은 본 발명의 연료전지 내부 접지전류 저감구조의 제2 실시예가 구비된 연료전지를 도시한 단면도이고, 도 9는 상기 연료전지의 A - B 단면도이며, 도 10은 상기 연료전지의 C - D 단면도이다.
이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 내부 접지전류 저감구조는 서로 인접하게 적층된 단위 전지(C)들로 구성된 스택과, 상기 단위 전지(C)들의 연료측 유로들을 연결하는 연료측 연결유로와 그 단위 전지(C)들의 공기측 유로들을 연결하는 공기측 연결유로가 각각 구비되어 상기 스택의 양측면에 각각 위치하는 제1,2 매니폴드와, 상기 단위 전지(C)들의 연료측 유로들과 상기 제1 매니폴드의 연료측 연결유로를 연결하는 연료측 관통구멍들과 상기 단위 전지(C)들의 공기측 유로들과 상기 제1 매니폴드의 공기측 연결유로를 연결하는 공기측 관통구멍들이 구비되어 상기 스택과 제1 매니폴드사이에 결합되는 제1 절연부재와, 상기 단위 전지(C)들의 연료측 유로들과 상기 제2 매니폴드의 연료측 연결유로를 연결하는 연료측 관통구멍들과 상기 단위 전지(C)들의 공기측 유로들과 상기 제2 매니폴드의 공기측 연결유로를 연결하는 공기측 관통구멍들이 구비되어 상기 스택과 제2 매니폴드사이에 결합되는 제2 절연부재를 포함하여 구성된다.
상기 스택은 두 개의 단위 전지(C)로 구성되며, 상기 단위 전지(C)들은 한 개의 바이폴라 플레이트(300)의 양쪽에 모노폴라 플레이트(310)(320)가 각각 위치하고 그 바이폴라 플레이트(300)와 모토폴라 플레이트(310)(320)사이에 엠이에이(330)가 각각 삽입되어 이루어진다. 상기 단위 전지(C)들은 별도의 체결수단(410)에 의해 고정 결합된다.
상기 단위 전지(C)는 바이폴라 플레이트와 한 개의 모노폴라 플레이트 그리고 엠이에이로 구성된다.
상기 바이폴라 플레이트(300)와 모노폴라 플레이트(310)(320) 그리고 엠이에이(330)는 상기 제1 실시예에서 설명한 바이폴라 플레이트(200)와 모노폴라 플레이트(210)(220) 그리고 엠이에이(230)의 구조와 같다.
미설명 부호 301,311,321은 플레이트이고, 302,303은 채널들이며, 304.313은 연료측 유입유로이고, 305,323은 공기측 유입유로이며, 306,314는 연료측 유출유 로, 307,324는 공기측 유출유로이다. 또한, 331은 전해질막이고, 332는 연료측 전극이며, 333은 공기측 전극이다. 420은 엔드 플레이트이다.
상기 제1 매니폴드(340)는 일정 두께와 사각 면적을 갖는 몸체(341)의 일측에 연료측 연결유로(342)가 형성되고 그 몸체(341)의 타측에 공기측 연결유로(343)가 형성된다. 상기 연료측 연결유로(342)는 인접하는 두 개 단위 전지(C)의 연료측 유입유로(304)(313)를 서로 연결하도록 형성되고, 상기 공기측 연결유로(343)는 상기 두 개 단위 전지(C)의 공기측 유출유로(307)(324)를 서로 연결하도록 형성된다.
상기 제1 매니폴드(340)의 변형예로, 연료측 연결유로(342)를 포함하는 부분과 공기측 연결유로(343)를 포함하는 부분으로 분리된다. 상기 연료측 연결유로(342)를 포함하는 부분과 공기측 연결유로(343)를 포함하는 부분은 일정 두께와 사각 면적을 갖도록 형성된다.
상기 제2 매니폴드(350)는 일정 두께와 사각 면적을 갖는 몸체(351)의 일측에 연료측 연결유로(352)가 형성되고 그 몸체(351)의 타측에 공기측 연결유로(353)가 형성된다. 상기 연료측 연결유로(352)는 인접하는 두 개 단위 전지(C)의 연료측 유출유로(306)(314)를 서로 연결하도록 형성되고, 상기 공기측 연결유로(353)는 상기 두 개 단위 전지(C)의 공기측 유입유로(305)(323)를 서로 연결하도록 형성된다.
상기 제2 매니폴드(350)의 변형예로, 상기 연료측 연결유로(352)를 포함하는 부분과 공기측 연결유로(353)를 포함하는 부분으로 분리된다. 상기 연료측 연결유로(352)를 포함하는 부분과 공기측 연결유로(353)를 포함하는 부분은 일정 두께와 사각 면적을 갖도록 형성된다.
상기 제1,2 매니폴드(340)(350)는 절연재로 제작될 수 있으며, 이때 상기 제1,2 절연부재(360)(370)의 사용을 배제할 수 있다.
상기 제1 매니폴드(340)와 제2 매니폴드(350)는 별도의 체결수단(400)에 의해 고정 결합된다.
상기 제1 절연부재(360)와 제2 절연부재(370)는 일정 두께를 갖는 사각 형태로 형성되며 그 내부에 연료측 관통구멍(361)(371)과 공기측 관통구멍(362)(372)이 각각 형성된다. 상기 연료측 관통구멍(361)(371)과 공기측 관통구멍(362)(372)은 연료가 채워질 경우 그 높이에 의해 절연적 공간을 갖게 된다.
상기 제1 매니폴드(340)의 연료측 연결유로(342)에 연료탱크(380)와 연결되는 연료 유입관(390)이 연결되고 상기 공기측 연결유로(343)에 공기가 유출되는 유출관(391)이 연결된다. 상기 연료 유입관(390)에 제1 펌프(392)가 장착되고, 상기 연료탱크(380)에 저장되는 연료는 전해질 용액이다.
상기 제2 매니폴드(350)의 연료측 연결유로(352)에 연료가 유출되는 유출관(393)이 연결되고 상기 공기측 연결유로(353)에 외부의 공기가 유입되는 공기 유입관(394)이 연결된다. 상기 공기 유입관(394)에 제2 펌프(395)가 장착된다.
이하, 상기 연료전지의 내부 접지전류 저감구조에 대한 작용을 설명한다.
먼저, 상기 연료탱크(380)의 연료가 연료 유입관(390)을 통해 제1 매니폴드의 연료측 연결유로(342)로 유입되어 상기 스택을 구성하는 각 단위 전지(C)의 연료측 유입유로(304)(313)로 유입되고 그 연료측 유입유로(304)(313)로 유입된 연료가 채널(302)(312)들을 통해 흐르게 된다. 상기 연료가 채널(302)(312)들을 통해 흐르면서 상기 엠이에이의 연료측 전극(332)에 의해 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소 이온과 전자를 발생시키게 되고 그 수소 이온은 엠이에이의 전해질막(331)을 통해 공기측 전극(333)으로 이동하게 되며 그 전자는 바이폴라 플레이트(300)를 통해 공기측 전극(333)으로 이동하게 된다.
이와 동시에, 외부의 공기가 공기 유입관(394)을 통해 제2 매니폴드의 공기측 연결유로(353)로 유입되어 각 단위 전지(C)의 공기측 유입유로(305)(323)로 유입된다. 상기 각 단위 전지(C)의 공기측 유입유로(305)(323)로 유입된 공기는 채널(303)(322)들을 통해 흐르면서 상기 엠이에이의 공기측 전극(333)에서 상기 수소 이온과 전기 화학적 환원 반응이 일어나게 된다.
상기 각 단위 전지(C)의 채널(302)(312)들을 거친 연료는 연료측 유출유로(306)(314)와 제2 매니폴드의 연료측 연결유로(352)와 유출관(393)을 통해 유출되고, 상기 각 단위 전지(C)의 채널(303)(322)들을 거친 공기는 공기측 유출유로(307)(324)와 제1 매니폴드의 공기측 연결유로(343)와 유출관(391)을 통해 유출된다. 상기 유출관(393)을 통해 유출된 연료는 별도의 재생수단(미도시)을 거친 후 다시 연료탱크(380)로 유입된다.
그리고 부하(Load)를 상기 모노폴라 플레이트(310)(320)들 사이에 연결하게 되면 그 전위차에 의해 전류가 부하를 통해 흐르면서 전기적 에너지를 발생시키게 된다.
상기한 바와 같은 구조는 스택과 제1,2 매니폴드(340)(350)사이에 제1,2 절연부재(360)(370)가 결합되어 상기 스택과 제1 매니폴드(340) 그리고 상기 스택과 제2 매니폴드(350)에 의해 이루어지는 전기적 누전을 방지하게 된다.
아울러, 전해질인 연료의 연결로 인하여 발생되는 전기적 누전이 상기 제1,2 절연부재(360)(370)에 의해 최소화된다. 보다 자세하게 설명하면, 상기 제1 매니폴드의 연료측 연결유로(342)와 상기 제2 매니폴드의 연료측 연결유로(352) 그리고 상기 단위 전지(C)들에서 연료가 흐르는 유로들에 의해 형성되는 연료에 의한 적기적 연결이 상기 제1,2 절연부재(360)(370)의 연료측 관통구멍(361)(371)들 높이에 의해 불안정하게 되어 누전이 최소화된다. 즉, 상기 제1,2 절연부재의 연료측 관통구멍(361)(371)이 절연 파이프의 기능을 하게 되어 그 연료에 의한 전기적 연결이 불안정하게 되어 누전이 최소화된다.
한편, 상기 제1,2 매니폴드(340)(350)를 절연재로 제작할 경우 연료에 의한 전기적 연결이 보다 불안정하게 되어 누전이 보다 최소화된다.
도 11은 단위 전지로 이루어지는 연료전지와 상기 제1,2 실시예를 비교 실험한 그래프이다.
이에 도시한 바와 같이, 제1,2 실시예는 이상적인 단위 전지와의 비교에서 그 누설에 의한 전기적 손실이 적음을 알 수 있다. 상기 단위 전지는 연료 및 기타 부품에 의한 전기적 누설이 거의 없는 구조이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지의 내부 접지전류 저감구조는 다수 개로 적층된 단위 전지들 사이에서 전해질 용액인 연료에 의한 전기적 연결 및 기타 부품에 의한 전기적 연결에 의해 발생되는 누전을 최소화하게 됨으로 써 단위 전지에서 발생되는 전기 에너지 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 연료측 유입유로(204)(213)와 공기측 유입유로(205)(223)가 각각 구비되며 서로 인접하게 적층된 단위 전지(C)들과;
    절연재인 관(pipe)으로 이루어져 상기 단위 전지(C)들의 각 연료측 유입유로(204)(213)에 연결됨과 아울러 전기적으로 절연시키는 연료측 분배관과;
    관(pipe)으로 이루어져 상기 단위 전지(C)들의 각 공기측 유입유로(205)(223)에 연결되는 공기측 분배관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 연료측 유입유로(204)(213)와 공기측 유입유로(205)(223)는 서로 반대편쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 연료측 분배관에 이어 그 연료측 분배관으로 연료를 공급하는 펌프(270)가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 단위 전지(C)들의 연료측 유출유로(206)(214)에 유출관(280)(281)이 각각 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 공기측 분배관에 이어 그 공기측 분배관으로 공기를 공급하는 펌프(271)가 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조.
  7. 서로 인접하게 적층된 단위 전지(C)들로 구성된 스택과;
    상기 단위 전지(C)들의 연료측 유로들을 연결하는 연료측 연결유로(342)(352)와 그 단위 전지(C)들의 공기측 유로들을 연결하는 공기측 연결유로(343)(353)가 각각 구비되어 상기 스택의 양측면에 각각 위치하는 제1,2 매니폴드(340)(350)와;
    상기 단위 전지(C)들의 연료측 유로들과 상기 제1 매니폴드의 연료측 연결유로(342)를 연결하는 연료측 관통구멍(361)들과 상기 단위 전지(C)들의 공기측 유로들과 상기 제1 매니폴드의 공기측 연결유로(343)를 연결하는 공기측 관통구멍(362)들이 구비되어 상기 스택과 제1 매니폴드(340)사이에 결합되는 제1 절연부재(360)와;
    상기 단위 전지(C)들의 연료측 유로들과 상기 제2 매니폴드의 연료측 연결유로(352)를 연결하는 연료측 관통구멍(371)들과 상기 단위 전지(C)들의 공기측 유로들과 상기 제2 매니폴드의 공기측 연결유로(353)를 연결하는 공기측 관통구멍(372)들이 구비되어 상기 스택과 제2 매니폴드(350)사이에 결합되는 제2 절연부재(370)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 제1 절연부재(360)와 제2 절연부재(370)는 그 내부에 형성된 관통구멍(361)(371)(362)(372)들이 절연적 공간을 갖도록 일정 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 제1,2 매니폴드(340)(350)는 절연재인 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조.
  10. 제7 항에 있어서, 상기 제1 매니폴드의 연료측 연결유로(342)는 인접하는 두 개 단위 전지(C)의 연료측 유입유로(304)(313)를 서로 연결하도록 형성되고, 그 제1 매니폴드의 공기측 연결유로(343)는 상기 두 개 단위 전지(C)의 공기측 유출유로(307)(324)를 서로 연결하도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조.
  11. 제7 항에 있어서, 상기 제1 매니폴드는 연료측 연결유로(342)를 포함하는 부분과 공기측 연결유로(343)를 포함하는 부분으로 분리된 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조.
  12. 제7 항에 있어서, 상기 제2 매니폴드의 연료측 연결유로(352)는 인접하는 두 개 단위 전지(C)의 연료측 유출유로(306)(314)를 서로 연결하도록 형성되고, 그 제2 매니폴드의 공기측 연결유로(353)는 상기 두 개 단위 전지(C)의 공기측 유입유로(305)(323)를 서로 연결하도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조.
  13. 제7 항에 있어서, 상기 제2 매니폴드(350)는 연료측 연결유로(352)를 포함하는 부분과 공기측 연결유로(353)를 포함하는 부분으로 분리된 것을 특징으로 하는 연료전지의 내부 접지전류 저감구조.
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