KR100859457B1 - Stack structure for fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명의 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조는 막-전극 접합체(24)의 양측에 유로홈(31)을 가지는 바이폴라 플레이트(25)가 밀착되어 이루어진 셀을 적어도 1개 이상 적층구성하고, 그와 같이 구성되는 바이폴라 플레이트(25)를 수소가스를 흡수할 수 있는 수소저장합금으로 제작하여, 연료로 이용되는 수용액 상태의 BH4 -가 스택(10) 의 양극(22)에 접촉되도록 내부의 유로를 흐를때 가스상태의 H2가 수소저장합금인 바이폴라 플레이트(25)에 흡수되도록 함으로써, 발전시 스택(10)내에 수소가스의 증가로 압력이 증가되어 원할한 연료공급이 이루어지지 못하는 것이 방지되어 진다.The stack structure of the fuel cell using the compound B of the present invention as a fuel includes a stack of at least one cell in which the bipolar plate 25 having flow path grooves 31 are in close contact with both sides of the membrane-electrode assembly 24. The bipolar plate 25 configured as described above is made of a hydrogen storage alloy capable of absorbing hydrogen gas, so that BH 4 − in an aqueous solution state used as fuel contacts the anode 22 of the stack 10. When gas flows through H 2 , the gaseous H 2 is absorbed by the bipolar plate 25, which is a hydrogen storage alloy, so that the pressure increases due to the increase of hydrogen gas in the stack 10 during power generation, thereby preventing a smooth fuel supply. Prevented.

Description

Ｂ화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조{STACK STRUCTURE FOR FUEL CELL}스택 Stack structure of fuel cell using compound as fuel {STACK STRUCTURE FOR FUEL CELL}

도 1은 본 발명의 스택이 구비된 B화합물을 연료로 하는 연료전지를 보인 개략구성도.1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell fueled with compound B having a stack of the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing a single cell structure of the stack according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 정면도.3 is a front view of a bipolar plate according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 스택 22 : 양극10: stack 22: anode

23 : 음극 24 : 막-전극 접합체23 cathode 24 membrane-electrode assembly

25 : 바이폴라 플레이트 100 : 연료탱크25: bipolar plate 100: fuel tank

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료중에 존재하는 수소가스를 제거하여 연료전지의 발전효율이 향상되도록 한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell for generating electricity through an electrochemical reaction between fuel and air supplied from the outside, and more particularly, to remove the hydrogen gas present in the fuel to improve the power generation efficiency of the fuel cell. A stack structure of a fuel cell using a compound as a fuel.

일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질을 중심으로 양쪽에 다공질의 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)이 부착되어 있고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.In general, a technique related to a fuel cell is known as a device for directly converting energy contained in a fuel into electrical energy, and such a fuel cell generally has a porous anode (ANODE) and a cathode (CATHODE) on both sides of a polymer electrolyte. Is attached, the electrochemical oxidation of hydrogen as a fuel occurs at the anode (anode or anode), and the electrochemical reduction of oxygen as an oxidant at the cathode (reduction electrode or cathode). Is generated.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH3OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 가스형태로 사용되거나 고체상태의 BH4 - 를 수용액 상태로 공급하여 직접 연료로 사용하는 BFC방식으로 사용되어진다.Hydrogen supplied to such a fuel cell is purified by purifying only hydrogen (H 2 ) from a hydrocarbon-based (CH-based) fuel such as LNG, LPG, CH 3 OH, and gasoline through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process. It is used in the form of BFC or solid state BH 4 - which is supplied as an aqueous solution and used directly as a fuel.

상기 BFC방식의 연료전지는 개질기를 사용하지 않고 발전장치인 스택(STACK) 의 양극에 수용액상태의 BH4 - 를 직접 공급하는 방식으로 전극에서 개질반응이 일어나기 때문에 개질기가 불필요하게 되어 전체 시스템을 간소화 시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.The BFC type fuel cell does not require a reformer, so that reforming reaction occurs at the electrode by directly supplying BH 4 − in an aqueous state to the anode of the stack, which is a power generation device, and thus a reformer is unnecessary, thereby simplifying the entire system. It has a big advantage.

그러나, 상기와 같은 종래의 BH4 - 를 연료로 사용하는 BFC방식의 연료전지는 스택의 유로 내측에 액체상태의 연료와 함께 기체상태의 H2가 존재하므로 압력이 증가되고, 그와 같은 압력증가를 감안하여 원할한 연료공급을 위한 연료펌프의 용량을 증대하여야 하므로 그에 따른 제조원가의 상승을 초래할뿐만 아니라, 기기 전체의 크기가 커지는 문제점을 가지고 있는 것 이었다.However, in the BFC fuel cell using the conventional BH 4 - as the fuel, since the gaseous H 2 exists together with the liquid fuel inside the flow path of the stack, the pressure is increased, and such pressure increases. In view of this, the capacity of the fuel pump for the smooth supply of the fuel must be increased, resulting in an increase in manufacturing cost and the size of the entire apparatus.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 스택의 유로내에 존재하는 기체상태의 H2를 제거하여 불필요한 압력손실을 방지하도록 하는데 적합한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention devised in view of the above problems is to provide a stack structure of a fuel cell fueled with B-compound suitable for removing gaseous H 2 present in the flow path of the stack to prevent unnecessary pressure loss. have.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 연료탱크에 저장된 B화합물을 스택의 양극에 공급하고, 공기를 스택의 음극에 공급하며, 그 공급되는 B화합물과 공기의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,In order to achieve the object of the present invention as described above, the fuel cell which supplies B compound stored in the fuel tank to the anode of the stack, supplies air to the cathode of the stack, and obtains electromotive force from the chemical reaction of the supplied B compound and air. To

상기 스택은 막-전극 접합체의 양측에 유로가 형성된 바이폴라 플레이트가 밀착되어 이루어진 적어도 1개 이상의 셀이 적층구성되고, 그 바이폴라 플레이트는 기체상태의 수소를 흡수할 수 있도록 수소저장합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조가 제공된다.The stack has at least one cell formed by stacking bipolar plates in which flow paths are formed on both sides of the membrane-electrode assembly, and the bipolar plates are made of a hydrogen storage alloy to absorb gaseous hydrogen. A stack structure of a fuel cell using B compound as a fuel is provided.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a stack structure of a fuel cell using the present invention compound B as a fuel as described above will be described in more detail with reference to embodiments of the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 스택이 구비된 B화합물을 연료로 하는 연료전지를 보인 개략구성도이다.1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell fueled with compound B having a stack of the present invention.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 스택(10)의 일측에 수용액 상태의 BH4 - 를 저장하기 위한 연료탱크(100)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(100)와 스택(10)의 양극에는 연료공급라인(30)과 연료회수라인(40)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(30)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(300)가 설치되어 있다.As shown, the overall configuration of the fuel cell 1 is provided with a fuel tank 100 for storing BH 4 − in an aqueous state on one side of the stack 10 for generating electricity, the fuel tank 100 And the anode of the stack 10 are connected to the fuel supply line 30 and the fuel recovery line 40, and the fuel supply line 30 is provided with a fuel pump 300 for pumping fuel.

그리고, 상기 스택(10)의 음극에는 공기공급라인(50)과 공기배출라인(60)이 연결되어 있는데, 그 공기공급라인(50)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 공기펌프(70)가 설치되어 있다.In addition, an air supply line 50 and an air discharge line 60 are connected to the cathode of the stack 10, and an air pump 70 is installed in the air supply line 50 to pump the supplied air. It is.

상기 스택(10)은 전기화학반응이 일어나는 단일셀(SINGLE CELL) 또는 여러개의 단일셀을 연속적으로 적층하여 볼트로 조립한 형태가 가능한데, 도 2를 참고하여 단일셀구조를 설명하면, 전해질 막(21)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(22)과 음극(23)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(24)와, 그 막-전극 접합체(24)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(22) 과 음극(23)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로를 형성하는 바이폴라 플레이트(BIPOLAR PLATE)(25)와, 그 바이폴라 플레이트(25)의 양측에 배치되어 양극(22)과 음극(23)의 집전극이 되는 집전판(26)(27)으로 구성되어 있다.The stack 10 may be a single cell in which an electrochemical reaction occurs or a plurality of single cells may be sequentially stacked and assembled into bolts. Referring to FIG. 2, a single cell structure will be described. A membrane-electrode assembly (MEA: MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY) 24 formed by bonding the anode 22 and the cathode 23 to diffuse gas on both sides of the membrane 21, and both sides of the membrane-electrode assembly 24. It is assembled to be in close contact with the bipolar plate (BIPOLAR PLATE) 25 to form a flow path of the fuel gas and oxygen-containing gas in the anode 22 and the cathode 23, and disposed on both sides of the bipolar plate 25 22 and current collector plates 26 and 27 serving as collector electrodes of the cathode 23.

상기 막-전극 접합체(24)의 전해질 막(21)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(21)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(22)과 음극(23)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(21)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다. The electrolyte membrane 21 of the membrane-electrode assembly 24 is an ion exchange membrane made of a polymer material, and the commercially available electrolyte membrane 21 includes a Nafion membrane of DuPont, which serves as a carrier for hydrogen ions, The anode 22 and the cathode 23 serve to support the platinum (Pt) catalyst layer, and porous carbon paper (CARBON PAPER) or carbon cloth (CARBON CLOTH) is formed on both sides of the electrolyte membrane 21. It is a bonded structure.

상기 바이폴라 플레이트(25)는 BH4 - , BO2, 2H2O의 혼합액 중에 포함되어 있는 가스상태의 수소를 흡수하여 저장할 수 있는 수소저장합금으로 되어 있는데, 그 내측면에는 일정깊이로 형성된 다수개의 유로홈(31)이 형성되어 있어서, 양극(22)과 음극(23)에 밀착되어 형성되는 유로를 따라 BH4 - , BO2, 2H2O의 혼합액과 공기가 각각 흐를 수 있도록 되어 있다.The bipolar plate 25 is BH 4 - a plurality of formed by a predetermined depth, BO 2, there is is a hydrogen storage alloy that can be stored by absorption of hydrogen in the gaseous phase which contains the mixture of the 2H 2 O, the inner side, flow path groove 31 is formed in, the positive electrode 22 and along a flow path that is formed in close contact with the cathode (23), BH 4 - and the mixture of air, BO 2, 2H 2 O are is to flow, respectively.

상기 집전판(26)(27)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.It is preferable that the current collector plates 26 and 27 are excellent in electrical conductivity, excellent in corrosion resistance, and do not generate hydrogen embrittlement. Also good.

상기와 같이 구성된 본 발명의 스택구조를 가지는 연료전지의 작용효과를 설 명한다.The operation and effect of the fuel cell having the stack structure of the present invention configured as described above will be described.

조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 연료펌프(300)를 동작시켜서 연료탱크(100)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH4 - 를 연료공급라인(30)을 통하여 스택(10)의 양극에 공급함과 동시에 공기펌프(70)를 동작시켜서 공기공급라인(50)을 통하여 스택(10)의 음극으로 공기가 공급되도록 한다.When the operator operates the switch of the fuel cell 1, the fuel pump 300 is operated in accordance with a control program preset by an electronic controller (not shown) to fuel the BH 4 − in the aqueous state stored in the fuel tank 100. The air pump 70 is operated at the same time as supplying to the anode of the stack 10 through the supply line 30 so that air is supplied to the cathode of the stack 10 through the air supply line 50.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 수용액상태의 BH4 - 는 유로홈(31)에 의해 형성된 유로를 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 양극(22) 전면에 확산이 되어 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기는 산소함유가스 유로홈(32)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 음극(23) 전면에 확산되어 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(26)(27)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.As described above, BH 4 − in an aqueous solution state supplied to the stack 10 flows along the flow path formed by the flow path groove 31 and diffuses to the entire surface of the anode 22 of the membrane-electrode assembly 24, thereby electrochemically hydrogenating. Oxidation proceeds, and air flows along the oxygen-containing gas flow path 32 and diffuses to the front surface of the cathode 23 of the membrane-electrode assembly 24, resulting in electrochemical reduction of oxygen. The electricity is generated, and the generated electricity is collected at the current collector plates 26 and 27 and used as an energy source.

이때의 반응식은 다음과 같다.The reaction scheme at this time is as follows.

BH4 - + 2O2 →2H2O + BO2 - E0 = 1.64 V BH 4 - + 2O 2 → 2H 2 O + BO 2 - E 0 = 1.64 V

그리고, 상기와 같이 스택(10)으로 공급되어 스택(10)의 내부에 형성되는 유로를 따라 흐르는 수용액 상태의 BH4 - 중에는 가스상태의 H2가 존재하는데, 이와 같이 H2가스는 수소저장합금으로된 바이폴라 플레이트(25)에서 흡수되므로 스택(10)의 유로내를 흐르는 연료에 의하여 압력이 증가되는 것이 방지되어 진다.As described above, gaseous H 2 is present in the aqueous solution state BH 4 − supplied to the stack 10 and flowing along the flow path formed inside the stack 10. Thus, the H 2 gas is a hydrogen storage alloy. Since it is absorbed by the bipolar plate 25, the pressure is prevented from being increased by the fuel flowing in the flow path of the stack 10.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조는 막-전극 접합체의 양측에 유로홈을 가지는 바이폴라 플레이트가 밀착되어 이루어진 셀을 적어도 1개 이상 적층구성하고, 그와 같이 구성되는 바이폴라 플레이트를 수소가스를 흡수할 수 있는 수소저장합금으로 제작하여, 수용액 상태의 BH4 -가 스택 내부의 유로를 흐를때 가스상태의 H2가 바이폴라 플레이트에 흡수되도록 함으로써, 발전시 스택내에 수소가스의 증가로 압력이 증가되어 원할한 연료공급이 이루어지지 못하는 것을 방지하는 효과가 있다.As described in detail above, the stack structure of the fuel cell fueled by the compound B of the present invention comprises at least one stacked cell formed by closely bonding bipolar plates having flow path grooves on both sides of the membrane-electrode assembly. The bipolar plate is configured as a hydrogen storage alloy capable of absorbing hydrogen gas, so that gaseous H 2 is absorbed by the bipolar plate when the BH 4 − in aqueous solution flows through the flow path inside the stack. The increase in hydrogen gas in the stack increases the pressure, which prevents a smooth fuel supply.

Claims (2)

연료탱크에 저장된 B화합물을 스택의 양극에 공급하고, 공기를 스택의 음극에 공급하며, 그 공급되는 B화합물과 공기의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,In a fuel cell that supplies the B compound stored in the fuel tank to the anode of the stack, the air is supplied to the cathode of the stack, and the electromotive force is obtained from the chemical reaction of the B compound and the air supplied, 상기 스택은 막-전극 접합체의 양측에 유로홈이 형성된 바이폴라 플레이트가 밀착되어 이루어진 적어도 1개 이상의 셀이 적층구성되고, 그 바이폴라 플레이트는 기체상태의 수소를 흡수할 수 있도록 수소저장합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조.The stack is formed by stacking at least one cell formed by closely contacting bipolar plates having flow path grooves on both sides of the membrane-electrode assembly, and the bipolar plates are made of a hydrogen storage alloy to absorb gaseous hydrogen. A stack structure of a fuel cell using B compound as a fuel. 제 1항에 있어서, 상기 B화합물은 수용액 상태의 BH4 -인 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조.The fuel cell stack structure of claim 1, wherein the compound B is an aqueous solution of BH 4 − .
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JPH07130381A (en) * 1993-11-05 1995-05-19 Japan Storage Battery Co Ltd Fuel cell
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