KR100873818B1 - Bipolar plate for stack assembly and cascade typed stack assembly in fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 특히 독립적이면서 반응물들과 냉각재 흐름통로가 서로 연결되어, 설계 값과 동일한 입력 값과 출력 값을 구현하도록 된 스택 조립체의 바이폴라 플레이트와 이를 이용한 연료 전지 장치의 캐스케이드 타입 스택 조립체에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 연료전지는 전해질을 사이에 두고 한 쌍의 전극을 배치함과 더불어 한쪽 전극의 표면에 수소(또는 수소를 함유하는 연료가스)를 접촉시키고, 다른 쪽 전극의 표면에 산소(또는 산소를 함유하는 산화가스)를 접촉시켜줌에 따라, 한 쌍의 전극 사이에서 발생하는 전기 화학반응으로 생성되는 전극간 전기에너지를 이용하는 방식이다.In general, a device for directly converting energy contained in a fuel into electrical energy. A fuel cell includes a pair of electrodes with an electrolyte interposed therebetween, and hydrogen (or fuel gas containing hydrogen) on the surface of one electrode. By contacting and contacting oxygen (or oxygen-containing oxidizing gas) to the surface of the other electrode, it is a method of using the inter-electrode electrical energy generated by the electrochemical reaction generated between the pair of electrodes.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 다양한 방식으로 분류되며, 이중 고분자 전해질(막)형 연료전지(PEMFC ; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 타 연료전지에 비하여 100℃ 이하의 비교적 낮은 온도에서 작동하고, 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있어, 자동차용의 이동 전원, 주택 및 공공건물용의 분산 전원, 전자기기용의 소형 전원으로서 그 응용범위가 넓은 종류이다.These fuel cells are classified in various ways according to the type of electrolyte used, and polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) operate at a relatively low temperature of 100 ° C or lower than other fuel cells. In addition, it has fast startup and response characteristics, and is widely used for mobile power supplies for automobiles, distributed power supplies for homes and public buildings, and small power supplies for electronic devices.
이와 같은 PEMFC에 적용되는 스택 조립체(Stack Assembly)는 통상, 수소 연료를 공급하는 연료극과 산소를 공급하는 공기극을 형성한 바이폴라 플레이트(Bipolar plate, 분리판이라 칭함)사이로, 고분자 전해질 막으로 이루어진 막-전극 조합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)가 위치되어진 단위 셀(Cell)이 다수 층으로 적층되도록 구성되어진다.The stack assembly applied to such a PEMFC is usually a membrane made of a polymer electrolyte membrane between a bipolar plate (referred to as a separator) that forms a cathode for supplying hydrogen fuel and an anode for supplying oxygen. The unit cell in which the electrode assembly (MEA; Membrane Electrode Assembly) is located is configured to be stacked in multiple layers.
이러한 연료전지의 전기에너지의 출력은, 가스압력, 전지온도, 가스 이용율등의 각종의 구동조건에 의해 변화하므로, 이들에 대한 구동조건을 다양한 방식으로 적절히 제어하여 연료전지의 출력을 높이게 된다.Since the output of the electrical energy of such a fuel cell varies with various driving conditions such as gas pressure, battery temperature, and gas utilization rate, the driving conditions for these fuel cells are appropriately controlled in various ways to increase the output of the fuel cell.
이와 같은 연료 전지를 작동시키는 경우 스택으로 공급되는 연료가 "1" 이상(설계 값보다 큰 값임)으로 공급되어야 만, 스택의 출력이 "1(설계 값에 일치하는 값임)" 이 될 수 있는 즉, 연료 전지의 연료 공급 및 출력 간 설계 특성에 관계없이 설계 출력을 얻기 위해서는, 연료 전지로 공급되는 연료 공급량이 설계 치보다 많은 연료로 공급되어져 야 한다.When operating such a fuel cell, the fuel supplied to the stack must be supplied at least "1" (which is greater than the design value), so that the output of the stack can be "1 (which corresponds to the design value)" In order to obtain the design output regardless of the design characteristics between the fuel supply and the output of the fuel cell, the fuel supply amount supplied to the fuel cell must be supplied with more fuel than the design value.
이로 인해 연료 전지 장치의 연료 공급을 설계 값에 일치하면서도 동일한 설계 출력을 얻을 수 있는 방식이 개발되고 있는 추세이며, 일례로 연료극의 출구를 극단적으로 막고 물 배출과 불활성 기체(Inert Gas)배출을 위한 밸브 컨트롤을 적용한 데드-엔드 운전(Dead-End Operation)용 스택 조립체를 들 수 있다.As a result, a trend is being developed in which a fuel supply of a fuel cell device can be matched to a design value while obtaining the same design output. For example, an extreme blocking of an outlet of a fuel electrode, water discharge and an inert gas discharge can be achieved. A stack assembly for dead-end operation with valve control.
하지만, 이와 같은 데드-엔드 운전(Dead-End Operation)용 스택 조립체는 그 성능의 변동(Fluctuation)이 심해 스택 조립체의 수명에 치명적인 취약성을 갖게 됨에 따라, 이러한 점은 극복할 수 있는 새로운 방식의 스택 조립체를 개발할 필요성이 대두되고 있다.However, as such stack assemblies for dead-end operation have severe fluctuations in performance, they are critically vulnerable to the lifetime of the stack assembly. There is a need to develop assemblies.
이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로, 전기를 발생하는 스택(Stack)의 적층된 막-전극 조합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)와 더불어 단위 셀(Cell)을 이루는 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)에 형성된 가스와 공기 및 냉각재 공급/배출 흐름 통로인 매니 폴더(Manifolder) 구조를 이용해, 연료 공급과 출력이 설계 값과 동일하게 구현되어 연료 이용 율을 높여 줄 수 있도록 다단으로 이루어진 캐스케이드(Cascade) 타입 연료 전지 시스템을 구축함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and a bipolar plate (Bipolar) constituting a unit cell together with a stacked membrane-electrode assembly (MEA) of a stack generating electricity is formed. Cascade of cascade to increase fuel utilization by using manifolder structure which is gas and air and coolant supply / exhaust flow passage formed in plate ) To build a fuel cell system.
또한, 본 발명은 독립적인 각 스택 단(Stack Stage)을 구축하면서 가스와 공기 및 냉각재 공급/배출 흐름이 서로 연결되는 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)가 흐름 통로인 매니 폴더(Manifolder)를 각 단계마다 동일 형상으로 가공한 상태에서 서로 적층되고, 동일 매니 폴더 형상을 갖고 적층된 바이폴라 플레이트로 구획된 독립적인 각 스택 단(Stack Stage)들 간 흐름통로를 이어줌에 따라, 바이폴라 플레이트의 매니 폴더 형상 변경을 최소화함과 더불어 바이폴라 플레이트의 가공 공정도 단순화함에 그 목적이 있다.In addition, the present invention is to build a separate stack stage (Bipolar plate) in which the flow path of the bipolar plate (Gai, air and coolant supply / discharge flow is connected to each other, the same flow path for each manifold (Manifolder) The manifold shape change of the bipolar plate is carried out as the flow paths between the independent stack stages stacked on each other in a state of being processed into a shape and partitioned by bipolar plates stacked with the same manifold shape. In addition to minimizing, the purpose is to simplify the processing of bipolar plates.
또한, 본 발명은 서로 적층되는 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)로 구축된 독립적인 각 스택 단(Stack Stage)을 구획하기 위해, 유로(Flow Channel)또는 막전극접합체(MEA)를 포함하지 않는 더미 바이폴라 플레이트(Dummy Bipolar plate)를 사용함에 따라, 독립적이면서 흐름 통로가 서로 이어지는 각 스택 단(Stack Stage)에 대한 구성을 보다 단순화시킨 캐스케이드(Cascade) 타입 연료 전지 시스템을 구축함에 그 목적이 있다.In addition, the present invention provides a dummy bipolar plate that does not include a flow channel or a membrane electrode assembly (MEA) in order to partition each independent stack stage formed of bipolar plates stacked on each other. By using a dummy bipolar plate, the objective is to build a cascade type fuel cell system that simplifies the configuration of each stack stage that is independent and has flow paths to each other.
또한, 본 발명은 캐스케이드(Cascade) 타입을 이루도록 다단으로 적층되면서, 연료(수소)와 공기(산소) 및 냉각재(Coolant)등이 흐르는 흐름 통로인 매니 폴드더 형성된 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)에 기밀을 위한 가스켓(Gasket)기능을 함께 부여함에 따라, 별도의 가스켓 사용에 따른 스택 두께 증가를 방지해 보다 컴팩트(Compact)한 스택을 구축함에 그 목적이 있다.In addition, the present invention is stacked in multiple stages to form a cascade (Cascade), while airtight to a manifold formed bipolar plate (flow path) in which fuel (hydrogen), air (oxygen), coolant (Coolant) flows, etc. By providing a gasket function for the purpose, the purpose is to build a more compact stack by preventing stack thickness increase due to the use of a separate gasket.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공급되는 연료(수소)와 공기(산소)를 통해 화학 반응을 일으켜 전기를 생성하도록, 고분자 전해질 막으로 이루어진 막-전극 조합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)를 사이에 두고 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)가 양쪽으로 덧대어져 1개의 단위 셀을 형성하고, 상기 단위 셀이 다단으로 적층되어진 스택 조립체에 있어서, The present invention for achieving the above object is a membrane-electrode assembly (MEA; Membrane Electrode Assembly) made of a polymer electrolyte membrane to generate electricity by causing a chemical reaction through the supplied fuel (hydrogen) and air (oxygen) In a stack assembly in which a bipolar plate is padded on both sides to form one unit cell, and the unit cells are stacked in multiple stages.
한쪽 상단 모서리로 연료(수소) 유입 애노드(Anode, 연료극)부위를 이루는 애노드-인 매니폴더를 형성하고, 그 반대 측면 하단 모서리부위에서 양쪽 측면 부위를 제외한 플로우 필드 채널에 가공된 연료 흐름 채널이 연결되어져, 연료(수소) 배출 애노드(Anode, 연료극)부위를 이루는 애노드-아웃 매니폴더가 형성되며,One of the top edges forms an anode-in manifold that forms the anode (fuel) inlet anode, and the processed fuel flow channel connects to the flow field channel except the sides on the opposite bottom edge. To form an anode-out manifold that forms the fuel (hydrogen) exhaust anode.
상기 애노드-인 매니폴더가 형성된 상단의 반대쪽 상단 모서리 부위로 공기(산소) 유입 캐소드(Cathode, 공기극)를 이루는 캐소드-인 매니폴더를 형성하고, 그 반대 측면 하단 모서리부위에서 상기 플로우 필드 채널에 독립적으로 가공된 공기 흐름 채널과 연결되어, 공기(산소) 배출 캐소드(Cathode, 공기극)부위를 이루는 캐소드-아웃 매니폴더가 형성되고,A cathode-in manifold forming an air (oxygen) inflow cathode (cathode) is formed at an upper upper corner portion of the upper side where the anode-in manifold is formed, and is independent of the flow field channel at the lower side corner of the opposite side. Connected to the air flow channels processed to form a cathode-out manifold that forms an air (oxygen) exhaust cathode;
상기 애노드-인·아웃 매니폴더와 캐소드-인·아웃 매니폴더는 주 유입·배출 통로를 이루는 메인 인 채널을 기준으로 해, 상기 메인 인 채널의 측면 주변 영역으로 서로 이격 되거나 합쳐지면서 보조 통로를 이루는 다수의 서브 인·아웃 채널이 가공됨에 따라, 상기 유입·배출 통로 형상이 변하는 가변 형상단을 형성하며, The anode-in-out manifold and the cathode-in-out manifold are based on the main in channel forming the main inflow / outflow passage, and are spaced apart or joined to the side peripheral area of the main in channel to form an auxiliary passage. As a plurality of sub in and out channels are processed, the inflow and outflow path shape is changed to form a variable shape end,
상기 캐소드-인 매니폴더와 애노드-아웃 매니폴더가 형성되지 않은 측면 공간과, 상기 애노드-인 매니폴더와 캐소드-아웃 매니폴더가 형성되지 않은 측면 공간으로는, 화학 반응에 의해 생성되는 물(Water)을 배출하고, 발생된 열의 축적을 방지하도록, 상기 플로우 필드 채널에 각각 독립적으로 가공된 물과 냉각재(Coolant) 흐름 채널과 연결되어진 유입·배출 통로인 좌·우 서브 매니폴더가 가공되어진 바이폴라 플레이트를 이용하는 것을 특징으로 한다.As a side space in which the cathode-in manifold and the anode-out manifold are not formed, and in the side space in which the anode-in manifold and the cathode-out manifold are not formed, water generated by a chemical reaction (Water ) And bipolar plates with left and right sub manifolds, which are inlet and outlet passages connected to the water and coolant flow channels, each independently processed in the flow field channel, to prevent the accumulation of heat generated. It characterized by using.
그리고, 상기 애노드·캐소드-인 매니폴더는 주 유입 통로를 이루도록 가공 된 메인 인 채널을 기준으로 해, 상기 메인 인 채널의 상단 쪽에 이격된 상태에서 제1·2 서브 인 채널이 서로 간격을 두고 한 쌍을 이루도록 형성되고, 상기 메인 인 채널의 한 쪽 측면 쪽에 이격된 상태에서 제3·4 서브 인 채널이 서로 간격을 두고 한 쌍을 이루도록 형성되며,In addition, the anode cathode in manifold is based on a main in channel processed to form a main inflow passage, and the first and second sub in channels are spaced apart from each other while spaced apart from an upper end of the main in channel. Are formed to form a pair, and the third and fourth sub-in channels are formed to form a pair at intervals from each other in a state spaced apart from one side of the main in channel,
상기 애노드·캐소드-아웃 매니폴더는 주 유입 통로를 이루도록 가공된 메인 인 채널을 기준으로 해, 상기 메인 인 채널의 한 쪽 측면 쪽에 이격된 상태에서 제1 서브 아웃 채널이 형성되고, 상기 메인 인 채널의 하단 쪽에 이격된 상태에서 제2·3·4 서브 아웃 채널이 서로 간격을 두고 한 쌍을 이루도록 형성되어진다The anode-out manifold is based on a main in channel processed to form a main inflow passage, and a first sub out channel is formed in a state spaced apart from one side of the main in channel, and the main in channel The second, third and fourth sub-out channels are formed in pairs at intervals apart from each other at a lower side of the
또한, 상기 좌·우 서브 매니폴더를 이루어 화학 반응에 의해 생성된 물(Water)을 스택 조립체 외부에서 증발시키기 위한 유입 통로가, 애노드-인 매니폴더와 캐소드-인 매니폴더 쪽에서 각각 위치되는 우측 워터-인 캐소드 매니폴더와 좌측 워터-인 애노드 매니폴더가 형성되고, In addition, the inlet passage for forming the left and right sub manifolds to evaporate the water generated by the chemical reaction from the outside of the stack assembly is located at the right side of the anode-in manifold and the cathode-in manifold, respectively. An in-cathode manifold and a left water-in anode manifold are formed,
유입된 후 플로우 필드 채널에 독립적으로 가공된 흐름 채널을 통해 배출하는 배출 통로가 애노드-아웃 매니폴더와 캐소드-아웃 매니폴더 쪽에서 각각 위치되는 좌측 워터-아웃 캐소드 매니폴더와 우측 워터-아웃 애노드 매니폴더가 형성되어진다 The discharge passages which are introduced and discharged through the processed flow channels independently of the flow field channels are located on the anode-out manifold and cathode-out manifold side respectively, the left water-out cathode manifold and the right water-out anode manifold Is formed
이와 더불어 상기 좌·우 서브 매니폴더를 이루어 내부 열 축적을 방지하도록 냉각재(Coolant)를 순환시키는 흐름 통로가, In addition, the flow passage for circulating coolant to form the left and right sub manifold to prevent internal heat accumulation,
워터-인 캐소드 매니폴더와 워터-아웃 애노드 매니폴더 사이에서 이격되어 형성된 좌측 쿨란트 채널과, 워터-인 애노드 매니폴더와 워터-아웃 캐소드 매니폴 더 사이에서 이격되어 형성된 우측 쿨란트 채널로 이루어지고, 상기 좌·우 쿨란트 채널은 동일한 형상으로 가공된다.The left coolant channel formed between the water-in cathode manifold and the water-out anode manifold, and the right coolant channel formed between the water-in anode manifold and the water-out cathode manifold. The left and right coolant channels are processed into the same shape.
그리고, 상기 애노드-인·아웃 매니폴더와 좌·우 서브 매니폴더 및 캐소드-인·아웃 매니폴더는, 가스켓(Gasket)을 이용해 기밀 처리되는 것을 특징으로 한다.The anode in-out manifold, left and right sub manifolds, and cathode in-out manifolds are characterized by being hermetically treated using a gasket.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료 전지 장치의 캐스케이드 타입을 갖도록 다단으로 이루어진 스택 조립체가, 주 유입·배출 통로를 이루는 메인 인·아웃 채널을 기준으로 해, 상기 메인 인·아웃 채널의 측면 주변 영역으로 서로 이격 되거나 합쳐지면서 보조 통로를 이루는 다수의 서브 인·아웃 채널로 이루어진 가변 형상단이, 양쪽 상단 모서리로 각각 연료(수소) 유입구인 애노드-인 매니폴더와 공기(산소) 유입구인 캐소드-인 매니폴더를 형성함과 더불어, 양쪽 하단 모서리에서 서로 교차되도록 각각 연료(수소) 배출구인 애노드-아웃 매니폴더와 공기(산소) 배출구인 캐소드-인 매니폴더를 형성하며, In addition, the present invention for achieving the above object is the main in / out on the basis of the main in / out channel of the stack assembly consisting of a multi-stage stack having a cascade type of fuel cell device forming a main inlet / outlet passage, A variable profile consisting of a number of sub-in and out channels forming auxiliary passages, spaced apart or joined to the lateral periphery of the channel, has an anode-in manifold and air (oxygen), each of which is a fuel (hydrogen) inlet at each top corner. In addition to forming an inlet cathode-in manifold, the anode-out manifold, which is a fuel (hydrogen) outlet, and a cathode-in manifold, which is an air (oxygen) outlet, are formed so as to cross each other at both bottom edges.
상기 애노드-인·아웃 매니폴더와 캐소드-인·아웃 매니폴더가 형성되지 않은 측면 공간으로, 화학 반응에 따른 물(Water)을 배출하고 열 축적 방지를 위한 냉각재(Coolant)를 순환시키는 통로인 좌·우 서브 매니폴더가 가공되어진 범용 바이폴라 플레이트와;The left-side passage is a passage for circulating coolant for preventing heat accumulation and discharging water due to a chemical reaction to a side space in which the anode-in-out manifold and the cathode-in-out manifold are not formed. A general purpose bipolar plate on which the right sub manifold is processed;
상기 범용 바이폴라 플레이트가 고분자 전해질 막으로 이루어진 막-전극 조합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)의 한 쪽 측면으로 연료가 공급되는 애노드 측 B/P블록(Bipolar Plate Block)을 이루도록 덧대어지고, 공기(산소)가 공급되 는 캐소드 측 B/P블록(Bipolar Plate Block)을 이루도록 덧대어져, 1개의 기본 단위로 하는 단위 셀;The general-purpose bipolar plate is padded to form an anode side B / P block (BiP plate block) supplied with fuel to one side of a membrane-electrode assembly (MEA) made of a polymer electrolyte membrane, and air (oxygen) Unit cell padded to form a cathode-side B / P block (BiP plate block) supplied with (), and having one basic unit;
상기 단위 셀이 연속적으로 적층되어 서로 연계되는 다수의 단(Stage)을 형성하며, 각 단 사이에는 매니 폴더와 흐름 채널이 선택적으로 가공되는 더미 B/P(Dummy Bipolar Plate)가 위치되어져, 각 단마다 각각 독립적인 구간을 형성하는 스택 단;The unit cells are continuously stacked to form a plurality of stages connected to each other, and a dummy B / P (dummy bipolar plate) in which a manifold and a flow channel are selectively processed is disposed between each stage. Stack stages each forming an independent section;
으로 구축되는 것을 특징으로 한다.It is characterized by being built as.
그리고, 상기 스택 단은 더미 B/P로 구획되는 제1·2·3·4·5 스택 단으로 구축되고, 상기 제1·2·3·4·5 스택 단은 막-전극 조합체의 한쪽 면으로 위치되어 연료(수소)를 유입·배출하는 통로인 가변 형상단을 형성한 제1·2·3·4·5 애노드 측 B/P와, 막-전극 조합체의 반대쪽 면으로 위치되어 공기(산소)를 유입·배출하는 통로인 가변 형상단을 형성한 제1·2·3·4·5 캐소드 측 B/P로 이루어진 단위 셀이 동일 구조로 각각 다수 적층되어 이루어지며,The stack stage is constructed of first, second, third, fourth, and fifth stack stages partitioned by dummy B / P, and the first, second, third, fourth, and fifth stack stages are formed on one side of the membrane-electrode assembly. 1/2, 3, 4, and 5 anode side B / Ps having variable shape ends, which are passages for introducing and discharging fuel (hydrogen), and air (oxygen) on opposite sides of the membrane-electrode assembly. 1), 2, 3, 4, and 5 cathode side B / Ps each having a variable shape end, which is a passage for inflow and outflow,
상기 제1·2·3·4·5 애노드 측 B/P와 제1·2·3·4·5 캐소드 측 B/P의 유입 통로 가변 형상단은, 메인 인 채널을 기준으로 상단 측면에서 메인 인 채널에 이격되어 서로 간격을 둔 한 쌍의 제1·2 서브 인 채널과, 상기 메인 인 채널의 한쪽 측면에서 메인 인 채널에 이격되어 서로 간격을 둔 한 쌍의 제3·4 서브 인 채널을 이용하여, 애노드·캐소드-인 채널을 각각 형성하는 애노드·캐소드-인 매니폴더로 이루어지고, The inflow passage variable shape ends of the first, second, third, fourth, and fifth anode side B / Ps, and the first, second, third, fourth, and fifth cathode side B / Ps are main from the top side with respect to the main in channel. A pair of first and second sub in channels spaced apart from each other and spaced from each other, and a pair of third and fourth sub in channels spaced apart from each other and spaced apart from the main in channel on one side of the main in channel. It consists of an anode cathode in manifold which forms an anode cathode in channel, respectively,
배출 통로 가변 형상단은 메인 아웃 채널을 기준으로 한쪽 측면에서 메인 인 채널에 이격된 제1 서브 아웃 채널과, 상기 메인 아웃 채널의 하단 측면에서 메인 인 채널에 이격되어 서로 간격을 둔 한 쌍의 제2·3·4 서브 아웃 채널을 이용하여, 애노드·캐소드-아웃 채널을 각각 형성하는 애노드·캐소드-아웃 매니폴더로 이루어지며,The discharge passage variable end comprises a first sub out channel spaced apart from the main in channel on one side of the main out channel and a pair of spaced apart spaced apart from the main in channel on the lower side of the main out channel. It consists of an anode cathode out manifold which forms an anode cathode out channel using 2, 3 and 4 sub out channels, respectively.
상기 애노드-인·아웃 매니폴더와 캐소드-인·아웃 매니폴더 사이로 형성된 좌·우 서브 매니폴더에는, 화학 반응에 의해 생성된 물(Water)을 스택 조립체 외부에서 증발시키기 위한 워터-인·아웃 애노드 매니폴더가, 캐소드-인 채널과 애노드-아웃 채널의 공간 사이로 위치되면서, 이들 가운데로는 냉각재 흐름을 위한 좌측 쿨란트 채널이 형성됨과 더불어, The left-right sub-manifold formed between the anode-in-out manifold and the cathode-in-out manifold includes a water-in-out anode for evaporating water generated by a chemical reaction outside the stack assembly. The manifold is positioned between the space of the cathode-in channel and the anode-out channel, with the left coolant channel for coolant flow being formed among them,
워터-인·아웃 캐소드 매니폴더는 애노드-인 채널과 캐소드-아웃 채널의 공간 사이로 위치되면서, 이들 가운데로는 냉각재 흐름을 위한 우측 쿨란트 채널이 형성되어진다.The water-in-out cathode manifold is located between the space of the anode-in channel and the cathode-out channel, among which a right coolant channel for coolant flow is formed.
이러한 본 발명에 의하면, 연료 전지 시스템을 구축하는 스택(Stack)에 막-전극 조합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)와 더불어 적층된 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)를 이용해 각각 독립적인 스택 단(Stack Stage)을 형성하고, 연료(수소)와 공기(산소) 및 냉각재(Coolant)등이 흐르는 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)의 흐름 통로인 매니 폴더(Manifolder)를 독립적인 스택 단(Stack Stage)간에 서로 효율적으로 연결함에 따라, 연료 공급과 출력이 설계 값 과 동일하게 구현될 수 있도록 다단으로 이루어진 캐스케이드(Cascade) 타입을 구축함은 물론, 연료 이용율도 높여 줄 수 있는 효과가 있게 된다.According to the present invention, each stack stage using a bipolar plate stacked together with a membrane-electrode assembly (MEA) in a stack for building a fuel cell system And efficiently connects the Manifolder, which is a flow path of a bipolar plate, through which fuel (hydrogen), air (oxygen) and coolant flow, etc., between independent stack stages. As a result, cascade type cascades are constructed so that fuel supply and output can be implemented in the same manner as the design value, and the fuel utilization rate can be increased.
또한, 본 발명은 캐스케이드(Cascade) 타입을 이루도록 다단으로 적층된 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)에 형성된 흐름 통로인 매니 폴더가 기본적인 구조를 갖고 독립적인 스택 단(Stack Stage)을 형성함에 따라, 다단(Multi Stage)으로 적층되는 바이폴라 플레이트의 매니 폴더 설계 형상 변경을 최소화함과 더불어, 바이폴라 플레이트의 매니 폴더 가공 공정도 단순화할 수 있는 효과가 있게 된다.In addition, according to the present invention, a manifold, which is a flow path formed in a bipolar plate stacked in multiple stages to form a cascade type, has a basic structure and forms an independent stack stage. In addition to minimizing the design change of the manifold design of the bipolar plates stacked in stages, the manifold machining process of the bipolar plates can be simplified.
또한, 본 발명은 캐스케이드(Cascade) 타입을 이루도록 다단으로 적층되는 바이폴라 플레이트(Bipolar plate)의 흐름 통로인 매니 폴더에 가스켓(Gasket)으로 기밀을 형성함에 따라, 별도의 가스켓 사용에 따른 스택 두께 증가를 방지해 보다 컴팩트(Compact)한 스택을 구축할 수 있는 효과가 있게 된다.In addition, the present invention forms an airtight gasket in a manifold, which is a flow path of a bipolar plate, which is stacked in multiple stages to form a cascade type, thereby increasing stack thickness according to the use of a separate gasket. This will have the effect of building a more compact stack.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Since the exemplary embodiments of the present invention may be implemented in various different forms by one of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, It is not limited to an Example.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 장치의 스택 조립체를 구성하는 범용 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)의 구성도를 도시한 것인바, 본 발명은 연료전지를 구성하는 스택 조립체(1)를 이루어 전기 생성을 위한 화학 반응을 일으키도록, 막- 전극 조합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)를 사이에 두고 적층되어진 범용 바이폴라 플레이트(A, Basic Bipolar plate)가, 1 is a block diagram of a general-purpose bipolar plate constituting the stack assembly of a fuel cell device according to the present invention, the present invention comprises a stack assembly (1) constituting a fuel cell to generate electricity Basic Bipolar plate (A) laminated with a membrane-electrode assembly (MEA) interposed therebetween to produce a chemical reaction for
그 양쪽 측면으로 각각 애노드(Anode, 연료극)와 캐소드(Cathode, 공기극)를 형성함과 더불어, 냉각재(Coolant)가 순환하고 생성된 물(Water)을 배출하는 흐름 통로를 형성하는 매니폴더 필드 채널(B, Manifolder Field Channel) 영역을 갖추고, 상기 매니폴더 필드 채널(B)이 형성되지 않은 안쪽의 주공간 영역으로는, 가스(수소)와 공기(산소) 및 냉각재(Coolant)와 물(Water)이 각각 유입되어 서로 섞이지 않고 흐르면서 배출되도록 독립적인 흐름 채널이 가공된 플로우 필드 채널(C, Flow Field Channel)을 형성한다.Manifold field channels (Anode) and cathode (Cathode) are formed on both sides of each side, and a flow passage through which coolant circulates and discharges the generated water. B, a manifolder field channel (B) region, and the inner main space region where the manifold field channel (B) is not formed, gas (hydrogen), air (oxygen), coolant and water (Water) Independent flow channels form flow field channels (C) to flow in and flow out without mixing with each other.
이와 같은 상기 범용 바이폴라 플레이트(A)는 다양한 재질로 이루어지는데 일례로, 금속 재질이나, 흑연계 재질 또는, 복합 수지계 재질이나 실리콘 재질과 같은 무기물 계 등을 이용해 제조한다.The general-purpose bipolar plate (A) is made of various materials. For example, the general-purpose bipolar plate A is manufactured using a metal material, a graphite material, or an inorganic material such as a composite resin material or a silicon material.
그리고, 이러한 범용 바이폴라 플레이트(A)를 이용해 구축되는 연료전지는 고분자 전해질(막)형 연료전지(PEMFC ; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell}이다.The fuel cell constructed using such a general-purpose bipolar plate (A) is a polymer electrolyte (membrane) type fuel cell (PEMFC).
이와 더불어 상기 매니폴더 필드 채널(B)은 애노드(Anode, 연료극)인 가스(수소)흐름 채널을 형성하는 애노드-인·아웃 매니폴더(D,E)가 가공됨과 더불어, 캐소드(Cathode, 공기극)인 공기(산소)흐름 채널을 형성하는 캐소드-인·아웃 매니폴더(F,G)가 가공되어진다.In addition, the manifold field channel B is processed with anode-in-out manifolds D and E forming a gas (hydrogen) flow channel, which is an anode, and a cathode. Cathode-in-out manifolds (F, G) forming in-air (oxygen) flow channels are processed.
이에 더해 상기 매니폴더 필드 채널(B)에는 상기 애노드-인 매니폴더(D)와 캐소드-아웃 매니폴더(G) 및 캐소드-인 매니폴더(F)와 애노드-아웃 매니폴더(E)사이에는, 전기 화학 반응에 의해 생성되는 물(Water)을 배출하고, 스택 열을 식히도록 냉각재(Coolant)가 흐르는 채널인 좌·우 서브 매니폴더(I,J)가 가공된다.In addition, the manifold field channel (B) is provided between the anode-in manifold (D) and the cathode-out manifold (G) and the cathode-in manifold (F) and the anode-out manifold (E), The left and right sub-manifolds I and J, which are channels through which coolant flows, are processed to discharge water generated by the electrochemical reaction and cool the stack heat.
또한, 상기 애노드-인·아웃 매니폴더(D,E)와 캐소드-인·아웃 매니폴더(F,G)는 서로간을 최대 경로로 이어주도록 플로우 필드 채널(C)에 가공되는데 즉, 상기 애노드-인 매니폴더(D)와 캐소드-인 매니폴더(F)가 한쪽 상단 모서리로 형성되면, 애노드-아웃 매니폴더(E)와 캐소드-아웃 매니폴더(G)는 플로우 필드 채널(C)을 가로지르는 반대쪽 하단 모서리에 형성된다.In addition, the anode-in-out manifold (D, E) and the cathode-in-out manifold (F, G) are processed in the flow field channel (C) to connect each other in the maximum path, that is, the anode If the -in manifold (D) and the cathode-in manifold (F) are formed at one upper corner, the anode-out manifold (E) and the cathode-out manifold (G) cross the flow field channel (C). The squeeze is formed on the opposite bottom corner.
이때, 상기 애노드-인 매니폴더(D)와 캐소드-인 매니폴더(F)는 각각 양쪽 측면의 상단 모서리 부위에 형성되고, 상기 애노드-아웃 매니폴더(E)와 캐소드-아웃 매니폴더(G)는 각각 양쪽 측면의 하단 모서리 부위에 형성된다.In this case, the anode-in manifold (D) and the cathode-in manifold (F) is formed on the upper edge portion of both sides, respectively, the anode-out manifold (E) and cathode-out manifold (G) Are each formed at the lower edge portions of both sides.
이와 같은 상기 애노드-인·아웃 매니폴더(D,E)와 상기 캐소드-인·아웃 매니폴더(F,G)는 공통적인 흐름 구조를 형성해, 범용 바이폴라 플레이트(A)가 적층되어 독립적인 단(Stage)을 형성하더라도, 상기 매니폴더(D,E,F,G)의 설계 변경을 최소화하면서 가공 공정도 최소화 할 수 있게 된다. The anode-in-out manifold (D, E) and the cathode-in-out manifold (F, G) form a common flow structure, and the general-purpose bipolar plate (A) is stacked to form an independent stage ( Even if the stage is formed, the processing process can be minimized while minimizing the design change of the manifold (D, E, F, G).
이를 위해 상기 애노드-인 매니폴더(D)와 캐소드-인 매니폴더(F)는 주 흐름 통로를 이루도록 메인 인 채널(ha)이 가장 크게 가공되고, 상기 메인 인 채널(ha)의 측면 주변 영역으로 서로 이격 되거나 합쳐지면서 보조 흐름 통로를 이루는 서브 인 채널이 가공된다.To this end, the anode-in manifold (D) and the cathode-in manifold (F) has the largest main in channel (ha) is processed to form a main flow passage, the side around the main in channel (ha) side area Sub-in channels are formed that are spaced apart or joined together to form an auxiliary flow path.
여기서, 상기 서브 인 채널은 메인 인 채널(ha)의 상단 쪽에 이격된 상태에 서 제1·2 서브 인 채널(hb,hc)이 서로 간격을 두고 한 쌍을 이루도록 형성되고, 상기 메인 인 채널(ha)의 한 쪽 측면 쪽에 이격된 상태에서 제3·4 서브 인 채널(hd,he)이 서로 간격을 두고 한 쌍을 이루도록 형성된다.Here, the sub-in channel is formed such that the first sub-in channel (hb, hc) is formed in a pair with a spaced apart from each other in the upper side of the main in channel (ha), the main in channel ( In the state spaced apart on one side of ha), the third and fourth sub-in channels hd and he are formed to form a pair at intervals from each other.
이때, 상기 제3·4 서브 인 채널(hd,he)은 범용 바이폴라 플레이트(A)의 바깥쪽으로 위치되어진다.In this case, the third and fourth sub-in channels hd and he are positioned outward of the general-purpose bipolar plate A.
이와 더불어 상기 애노드-아웃 매니폴더(E)와 캐소드-아웃 매니폴더(G)도 주 흐름 통로를 이루도록 메인 아웃 채널(Ha)이 가장 크게 가공되고, 상기 메인 아웃 채널(Ha)의 측면 주변 영역으로 서로 이격 되거나 합쳐지면서 보조 흐름 통로를 이루는 서브 아웃 채널이 가공된다.In addition, the main out channel (Ha) is processed the largest to form the main flow passage also in the anode-out manifold (E) and the cathode-out manifold (G), the side peripheral area of the main out channel (Ha) Sub out channels are formed that are spaced apart or joined together to form an auxiliary flow path.
여기서, 상기 서브 아웃 채널은 메인 아웃 채널(Ha)의 측면 쪽에 이격된 상태에서 제1 서브 아웃 채널(Hb)이 형성되고, 상기 메인 아웃 채널(Ha)의 한 쪽 하단 쪽에 이격된 상태에서 제2·3·4 서브 아웃 채널(Hc,Hd,He)이 서로 간격을 두고 한 쌍을 이루도록 형성된다.Here, the sub out channel is formed with a first sub out channel Hb in a state spaced apart from the side of the main out channel Ha, and a second in a state spaced apart from one lower side of the main out channel Ha. 3 and 4 sub out channels Hc, Hd and He are formed in pairs at intervals from each other.
이때, 상기 제1 서브 아웃 채널(Hb)은 범용 바이폴라 플레이트(A)의 바깥쪽으로 위치되어진다. In this case, the first sub out channel Hb is positioned outward of the general-purpose bipolar plate A.
이와 더불어 상기 애노드-아웃 매니폴더(E)와 캐소드-아웃 매니폴더(G)를 이루는 제2·3·4 서브 아웃 채널(Hc,Hd,He)이 스택에서 밑으로 위치됨에 따라, 유입된 후 배출될 때 전기 화학 반응으로 생성되는 물(Water)을 밑으로 모여지도록 해 배출을 보다 용이하게 할 수 있도록 한다. In addition, since the second, third and fourth sub out channels Hc, Hd, and He constituting the anode-out manifold E and the cathode-out manifold G are positioned downward in the stack, When discharged, the water produced by the electrochemical reaction is collected underneath to make the discharge easier.
또한, 상기 좌·우 서브 매니폴더(I,J)에는 전기 화학 반응 시, 스택에서 생 성되는 물(Water)을 배출해 분리하도록 흐름 통로가 에노드 쪽과 캐소드 쪽으로 각각 형성되고, 상기 물(Water) 흐름 통로 사이로는 스택의 전기 화학 반응에 따라 발생되는 열을 식히도록 냉각재(Coolant)가 순환하는 흐름 통로인 좌·우 쿨란트(Coolant) 채널(Qa,Qb)이 형성된다.In addition, in the left and right sub-manifolds (I, J), a flow passage is formed on the anode side and the cathode side to discharge and separate the water generated in the stack during the electrochemical reaction, and the water (Water) Between the flow paths, left and right coolant channels Qa and Qb, which are flow paths through which coolant circulates, are formed to cool the heat generated by the electrochemical reaction of the stack.
이를 위해 상기 에노드 쪽 물(Water) 흐름 통로는 애노드-아웃 매니폴더(E)쪽으로 워터-인 애노드 매니폴더(Ka)가 가공되고, 애노드-인 매니폴더(D)쪽으로 워터-아웃 애노드 매니폴더(Kb)가 형성되어져, 상기 워터-인 애노드 매니폴더(Ka)에서 유입된 물(Water)이 플로우 필드 채널(C)을 가로질러 반대쪽 워터-아웃 애노드 매니폴더(Kb)로 배출된다.For this purpose, the anode-side water flow passage is machined with a water-in anode manifold Ka toward the anode-out manifold E, and a water-out anode manifold toward the anode-in manifold D. Kb is formed so that water introduced from the water-in anode manifold Ka is discharged across the flow field channel C to the opposite water-out anode manifold Kb.
이때, 상기 워터-아웃 애노드 매니폴더(Kb)는 워터-인 애노드 매니폴더(Ka)에 비해 아래쪽으로 위치되는데, 이는 스택에서 밑으로 위치되어 배출을 보다 용이하게 할 수 있도록 한다. At this time, the water-out anode manifold Kb is positioned downward compared to the water-in anode manifold Ka, which is located downward in the stack to facilitate discharge.
또한, 상기 캐소드 쪽 물(Water) 흐름 통로는 애노드-인 매니폴더(D)쪽으로 워터-인 캐소드 매니폴더(Pa)가 가공되고, 애노드-아웃 매니폴더(E)쪽으로 워터-아웃 캐소드 매니폴더(Pb)가 형성되어져, 상기 워터-인 캐소드 매니폴더(Pa)에서 유입된 물(Water)이 플로우 필드 채널(C)을 가로질러 반대쪽 워터-아웃 캐소드 매니폴더(Pb)로 배출된다.In addition, the cathode-side water flow passage is processed with a water-in cathode manifold Pa toward the anode-in manifold D, and the water-out cathode manifold E toward the anode-out manifold E. Pb) is formed so that water introduced from the water-in cathode manifold Pa is discharged across the flow field channel C to the opposite water-out cathode manifold Pb.
이때, 상기 워터-아웃 캐소드 매니폴더(Pb)도 워터-인 캐소드 매니폴더(Pa)에 비해 아래쪽으로 위치되는데, 이는 스택에서 밑으로 위치되어 배출을 보다 용이하게 할 수 있도록 한다. At this time, the water-out cathode manifold (Pb) is also located downward compared to the water-in cathode manifold (Pa), which is located downward in the stack to facilitate the discharge.
이에 더해, 상기 워터-인·아웃 캐소드 매니폴더(Pa,Pb)를 통해 스택외부로 배출된 물(Water)을 증발시키기 위해 별도의 가습기가 설치되는데 즉, 이러한 가습기는 기체상/액체상 분리기(Separator)를 통해 분리된 액체상의 물이 통과하는 멤브레인 타입 막 가습기로 구성되어져, 멤브레인을 통과하면서 분리된 물은 제1스택단(4)의 가습에 이용되지만, 분리단에서 나온 기체는 이후 스택단의 입력단으로 이용되며, 이는 연료 전지 장치에서 범용적으로 적용되는 장치이다. In addition, a separate humidifier is installed to evaporate the water discharged out of the stack through the water-in-out cathode manifolds Pa and Pb, i.e., the humidifier is a gas phase / liquid phase separator. It consists of a membrane-type membrane humidifier through which the liquid water separated through) passes through the membrane, and the water separated while passing through the membrane is used for humidification of the
이와 더불어 상기 좌·우 쿨란트(Coolant) 채널(Qa,Qb)은 스택의 전기 화학 반응에 따라 발생되는 열을 식히기 위한 냉각재(Coolant) 흐름 통로로서, 상기 좌측 쿨란트 채널(Qa)은 좌측으로 형성된 워터-인 애노드 매니폴더(Ka)와 워터-아웃 캐소드 매니폴더(Pb)사이에서 가공되며, 상기 우측 쿨란트 채널(Qb)은 우측으로 형성된 워터-아웃 애노드 매니폴더(Kb)와 워터-인 캐소드 매니폴더(Pa)사이에서 가공된다.In addition, the left and right coolant channels Qa and Qb are coolant flow passages for cooling heat generated by the electrochemical reaction of the stack, and the left coolant channels Qa are moved to the left. It is processed between the formed water-in anode manifold Ka and the water-out cathode manifold Pb, and the right coolant channel Qb is water-in with the water-out anode manifold Kb formed to the right. It is machined between cathode manifolds (Pa).
한편, 상기 범용 바이폴라 플레이트(A, Basic Bipolar plate)의 양쪽 측면으로 각각 애노드(Anode, 연료극)와 캐소드(Cathode, 공기극)를 형성하고, 냉각재(Coolant)와 물(Water)이 흐르도록 서로 독립적인 흐름 채널이 가공된 매니폴더 필드 채널(B)은 기밀 즉, 범용 바이폴라 플레이트(A)가 서로 적층된 상태에서 흐름 통로를 형성하는 매니폴더 필드 채널(B)에 가스켓(Gasket)기능을 부여해 기밀 처리를 하게 된다.On the other hand, the anode (cathode) and the cathode (cathode) are formed on both sides of the basic bipolar plate (A, Basic Bipolar plate), respectively, and are independent of each other so that coolant and water flow. The manifold field channel B in which the flow channel is processed is airtight, that is, the gasket function is provided to the manifold field channel B which forms a flow passage in a state in which the universal bipolar plates A are stacked on each other. Will be
이때, 상기 범용 바이폴라 플레이트(A)에 형성된 매니폴더 필드 채널(B)을 탄성체의 성질을 지닌 가스켓을 이용하여 형성하게 되면, 스택 두께 증가 방지는 물론 보다 컴팩트(Compact)한 스택을 구축할 수 있게 된다.In this case, when the manifold field channel B formed on the general-purpose bipolar plate A is formed by using a gasket having elastic properties, the stack thickness can be prevented from increasing and a more compact stack can be constructed. do.
여기서, 상기 가스켓은 탄성을 갖는 실리콘계, 불소계 소재를 적용하지만, 액상 타입 가스켓으로 사용될 수 있게 된다.Here, the gasket is a silicone-based, fluorine-based material having elasticity, but can be used as a liquid type gasket.
이와 같이 그 양 쪽 측면으로 가스(수소)흐름을 위한 애노드-인·아웃 매니폴더(D,E)와, 공기(산소)흐름을 위한 캐소드-인·아웃 매니폴더(F,G)가 가공된 매니폴더 필드 채널(B)과 더불어, 물(Water)배출과 냉각재(Coolant)흐름을 위한 좌·우 서브 매니폴더(I,J)가 가공된 범용 바이폴라 플레이트(A)를 이용하여 스택 조립체(1)를 구축하게 된다.The anode-in-out manifolds (D, E) for gas (hydrogen) flow and the cathode-in-out manifolds (F, G) for air (oxygen) flow are processed on both sides. In addition to the manifold field channel (B), a stack assembly (1) using a general-purpose bipolar plate (A) in which left and right sub-manifolds (I, J) for water discharge and coolant flow are processed. ).
즉, 막-전극 조합체(MEA)를 사이에 두고 애노드 및 캐소드 측 범용 바이폴라 플레이트(A)로 단위 셀(Unit Cell)을 구성하고, 이러한 단위 셀을 연속적으로 적층해 스택 조립체를 구성하고 특히, 상기 바이폴라 플레이트(A)의 양 쪽 측면에 형성된 매니폴드 필드 채널(B)이 탄성을 갖는 가스켓으로 기밀 처리되면, 스택 두께 증가가 거의 없는 컴팩트(Compact)한 구조를 구축할 수 있게 된다. That is, the unit cell is composed of the anode and cathode side universal bipolar plates A with the membrane-electrode assembly (MEA) interposed therebetween, and the unit cells are sequentially stacked to form a stack assembly. If the manifold field channel B formed on both sides of the bipolar plate A is hermetically treated with an elastic gasket, it is possible to construct a compact structure with little increase in stack thickness.
이러한 범용 바이폴라 플레이트(A)를 이용한 스택 조립체(1)의 구축은 특히, 연료 공급을 설계 값으로 공급하면서도 설계 출력에 일치해 보다 효율적인 연료 전지 장치를 구성하는 캐스케이드(Cascade) 타입과 같이, 다단 구조를 갖는 스택 조립체에 보다 효과적이게 된다.The construction of the
이는, 각각 독립적이면서 서로 연계되는 다수의 단(Stage)으로 적층되면서 스택을 이루는 범용 바이폴라 플레이트(A)가 범용성 즉, 상기 범용 바이폴라 플레이트(A)에서 가스(수소)와 공기(산소) 및 냉각재(Coolant)등의 흐름 통로를 형성하 도록 가공된 매니폴더 필드 채널(B)이 각 단계마다 동일 형상으로 가공한 상태에서 서로 적층됨과 더불어, 독립적인 각 단(Stage)들 간 흐름통로를 이어주는 매니폴더 필드 채널(B)이 동일한 기본 구조를 갖고 설계 변경이 거의 없는 가공성을 갖음에 기인한다.This is because the universal bipolar plate A, which is stacked in a plurality of stages that are independent and associated with each other, and forms a stack, is universal, that is, gas (hydrogen), air (oxygen) and coolant ( Manifold field channels (B) processed to form flow paths such as coolants are stacked in the same shape at each step, and the manifolds connect flow paths between independent stages. This is due to the fact that the field channel B has the same basic structure and the processability with little design change.
이와 같이 범용 바이폴라 플레이트(A)를 이용한 스택 조립체(1)를 캐스케이드 타입으로 연료 전지 장치를 구축할 수 있는데, 이는 도 2에 도시된 바와 같이, 스택 조립체(1)가 막-전극 조합체(MEA)를 사이에 둔 범용 바이폴라 플레이트(A)를 단위 셀(Unit Cell)로 해, 연료(H2)가 공급되는 애노드 측 B/P블록(2, Bipolar Plate Block)과 공기(O2)가 공급되는 캐소드 측 B/P블록(3, Bipolar Plate Block)이 흐름통로가 이어지는 독립적인 각 단(Stage)들로 구축된다.As such, the fuel cell device can be constructed using the
이와 같은 스택 조립체(1)를 이루는 독립적인 각 단(Stage)들은 필요에 따라 그 단(Stage)수량을 늘이거나 줄일 수 있으며, 본 실시예에서는 통상 5단(5 Stages)으로 구축된 상태를 설명한다.Each of the independent stages constituting the
즉, 막-전극 조합체(MEA)를 사이에 두고 애노드 측 B/P블록(2)과 공기(O2)가 캐소드 측 B/P블록(3)이 5단(5 Stages)으로 구축된 스택 조립체(1)가 구축되면, 상기 각 단(Stage)들은 각각 독립적인 구간을 형성하도록 더미 B/P(9, Dummy Bipolar Plate)를 이용해 제1·2·3·4·5 스택 단(4,5,6,7,8)으로 구분되어진다. That is, the stack assembly in which the anode side B /
이때, 상기 더미 B/P(9)는 제1·2·3·4·5 스택 단(4,5,6,7,8)의 흐름 통로가 서로 이어지면서 독립적으로 흐름 통로를 형성하는 작용을 하게 된다.At this time, the dummy B / P (9) has a function of independently forming the flow passage while the flow passage of the first, second, three, four, and five stack stages (4, 5, 6, 7, 8) are connected to each other Done.
이와 같은 상기 제1·2·3·4·5 스택 단(4,5,6,7,8)은 각 단(Stage)에 적층 되는 범용 바이폴라 플레이트(A)는 구조가 동일하고, 단(Stage)과 단(Stage)간은 서로 다른 구조의 범용 바이폴라 플레이트(A)를 이용하게 되지만, 상기 범용 바이폴라 플레이트(A)의 매니폴더 필드 채널(B)이 동일한 기본 구조를 갖음에 따라, 설계 변경이 거의 없게 된다.The first, second, third, fourth, and fifth stack stages 4, 5, 6, 7, and 8 have the same structure as the general-purpose bipolar plate A stacked on each stage. However, the stage and the stage use a universal bipolar plate A having a different structure, but as the manifold field channel B of the universal bipolar plate A has the same basic structure, a design change is made. Almost no.
즉, 상기 스택 조립체(1)를 구성하는 제1·2·3·4·5 스택 단(4,5,6,7,8)의 연료(H2)공급부인 제1·2·3·4·5 애노드 측 B/P(10,11,12,13,14)는 도 3에 도시된 바와 같이, 각 스택 단(4,5,6,7,8)에 따라 각각 상기 애노드-인·캐소드-인 매니폴더(D,F)와 상기 애노드-아웃·캐소드-아웃 매니폴더(E,G)의 가공 구조를 달리 함에 따라, 공급되는 연료(H2)가 상기 제1·2·3·4·5 스택 단(4,5,6,7,8)마다 연속적으로 이어지면서 흐름을 형성하게 된다.That is, the first, second, third, fourth, fifth, fourth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth, fifth and fifth of the stack stages 4, 5, 6, 7, and 8 of the first, second, third, fourth The five anode side B /
이와 더불어, 상기 제1·2·3·4·5 애노드 측 B/P(10,11,12,13,14)의 좌·우 서브 매니폴더(I,J)에는 워터-인·아웃 애노드 매니폴더(Ka,Kb)와 워터-인·아웃 캐소드 매니폴더(Pa,Pb)로 물(Water) 흐름 통로가 형성되고, 상기 흐름 통로사이로는 냉각재(Coolant)가 순환하는 흐름 통로인 좌·우 쿨란트(Coolant) 채널(Qa,Qb)이 형성되며, 이들은 모두 동일한 형상과 구조를 갖게 된다.In addition, the left-right sub-manifolds I and J of the first, second, third, fourth, and fifth anode side B /
또한, 상기 스택 조립체(1)를 구성하는 제1·2·3·4·5 스택 단(4,5,6,7,8)의 공기(O2)공급부는 도 4에 도시된 바와 같이, 연료(H2)공급부인 제1·2·3·4·5 애노드 측 B/P(10,11,12,13,14)와 동일한 구조를 이루는 제1·2·3·4·5 캐소드 측 B/P(10',11',12',13',14')로 구성된다.In addition, the air (O2) supply portion of the first, second, third, fourth, and fifth stack stages (4, 5, 6, 7, and 8) constituting the stack assembly (1), as shown in FIG. (H2) 1st, 2nd, 3rd, 4th, 5th, 5th, 5th, 5th, 5th, 5th, 5th, 5th, and 5th anodes (1, 2, 3, 4, 5) with the same structure as the first, 2, 3, 4, 5 anode side B / P P (10 ', 11', 12 ', 13', 14 ').
이는 상기 스택 조립체(1)를 구성하는 단위 셀이 막-전극 조합체(MEA)를 사 이에 두고, 한쪽으로 제1·2·3·4·5 애노드 측 B/P(10,11,12,13,14)가 덧대어지고, 그 반대쪽으로는 서로 동일한 구조를 이루는 제1·2·3·4·5 캐소드 측 B/P(10',11',12',13',14')이 대향되어 덧대어짐에 기인하게 된다.This is because the unit cell constituting the
이와 같은 상기 제1·2·3·4·5 애노드 측 B/P(10,11,12,13,14)와 제1·2·3·4·5 캐소드 측 B/P(10',11',12',13',14')의 매니폴더 필드 채널(B)을, 도 5내지 도 9를 참조로 보다 상세 설명한다.Such first, second, third, fourth, and fifth anode side B / Ps (10, 11, 12, 13, and 14) and the first, second, third, fourth and fifth cathode side B / Ps (10 ', 11) Manifold field channels B of ', 12', 13 ', and 14' will be described in more detail with reference to Figs.
즉, 스택 조립체(1)를 구성하는 제1 스택 단(4)에 적층된 제1 애노드 측 B/P(10)는 도 5에 도시된 바와 같이, 한쪽 모서리 상단의 애노드-인 매니폴더(D)를 이용해 공급 연료(H2) 입구인 애노드-인 채널(15a)을 형성하게 된다.That is, the first anode side B /
이러한 상기 애노드-인 채널(15a)은 메인 인 채널(ha)과 그 상단 측면을 이루는 제1·2 서브 인 채널(hb,hc)을 이용해 형성되는데 즉, 상기 메인 인 채널(ha)이 상단 측면에서 하나로 이어진 제1·2 서브 인 채널(hb,hc)과 서로 연결되어져, 애노드-인 매니폴더(D)는 메인 인 채널(ha)과 제1·2 서브 인 채널(hb,hc)을 이용하여애노드-인 채널(15a)을 가공한다.The anode-in
이때, 상기 메인 인 채널(ha)의 측면 쪽으로 위치되는 제3·4 서브 인 채널(hd,he)은 가공하지 않는다.At this time, the third and fourth sub-in channels hd and he which are located toward the side of the main in-channel ha are not processed.
이와 더불어 공급 연료(H2) 출구로서 애노드-아웃 매니폴더(E)에 형성된 애노드-아웃 채널(15aa)은, 메인 아웃 채널(Ha)과 제1·2·3·4 서브 아웃 채널(Hb,Hc,Hd,He)을 모두 가공하여 형성된다.In addition, the anode-out channel 15aa formed in the anode-out manifold E as the supply fuel H2 outlet has the main out channel Ha and the first, second, and third sub-out channels Hb and Hc. It is formed by processing all Hd and He).
즉, 상기 애노드-아웃 채널(15aa)은 메인 아웃 채널(Ha)을 가공하고, 상기 메인 아웃 채널(Ha)의 한쪽 측면에 이격된 상태에서 제1 서브 아웃 채널(Hb)이 독립적으로 가공되며, 상기 메인 아웃 채널(Ha)의 하부 측면으로 가공된 제2·3·4 서브 아웃 채널(Hc,Hd,He)이 메인 아웃 채널(Ha)과 연결되어 일체를 이루도록 가공해 형성된다.That is, the anode-out channel 15aa processes the main out channel Ha, and the first sub out channel Hb is independently processed while being spaced apart from one side of the main out channel Ha. The second, third and fourth sub out channels Hc, Hd, and He processed to the lower side of the main out channel Ha are connected to the main out channel Ha to be formed to be integrated.
또한, 상기 제1 애노드 측 B/P(10)의 공기(O2)공급 입구인 캐소드-인 채널(16a)은, 한쪽 모서리 상단의 캐소드-인 매니폴더(F)를 이용해 형성하게 된다.In addition, the cathode-in
즉, 상기 캐소드-인 채널(16a)은 메인 인 채널(ha)과 한쪽 측면을 이루는 제4 서브 인 채널(he)을 이용해 형성되는데, 이는 상기 메인 인 채널(ha)이 가공된 상태에서 메인 인 채널(ha)의 한쪽 측면에 이격되어 제4 서브 인 채널(he)이 독립적으로 가공되며, 상기 제4 서브 인 채널(he)을 제외한 제1·2·3 서브 인 채널(hb,hc,hd)은 가공하지 않는다.That is, the cathode-in
그리고, 공급 공기(O2) 출구인 캐소드-아웃 매니폴더(G)에 형성된 캐소드-아웃 채널(16aa)은 하나의 공간으로 가공 즉, 메인 아웃 채널(Ha)과 이의 측면으로 형성된 제1·2·3·4 서브 아웃 채널(Hb,Hc,Hd,He)을 모두 연결시켜 한 공간을 형성하도록 가공한다.The cathode-out channel 16aa formed at the cathode-out manifold G, which is the supply air O2 outlet, is processed into one space, that is, the main-out channel Ha and the first and second sides formed on the side thereof. The 3 · 4 sub out channels (Hb, Hc, Hd, He) are connected to each other to form a space.
이와 더불어 상기 제1 애노드 측 B/P(10)에 형성된 좌·우 서브 매니폴더(I,J)는 냉각재(Coolant) 흐름 통로인 좌·우 쿨란트(Coolant) 채널(Qa,Qb)이 가공되고, 상기 좌·우 쿨란트 채널(Qa,Qb)을 기준으로 상·하 위치에 간격을 두고 전기 화학 반응에 따른 물(Water) 배출을 위한 흐름 통로가 가공되어진다.In addition, the left and right sub-manifolds I and J formed on the first anode side B /
그리고, 상기 물(Water) 배출을 위한 흐름 통로는 제1 애노드 측 B/P(10)의 좌측으로 워터-인 애노드 매니폴더(Ka)와 워터-아웃 캐소드 매니폴더(Pb)가 가공되며, 그 반대쪽으로 워터-인 캐소드 매니폴더(Pa)와 워터-아웃 애노드 매니폴더(Kb)가 가공된다.In addition, the flow passage for discharging water is processed with a water-in anode manifold Ka and a water-out cathode manifold Pb to the left of the first anode side B /
한편, 제1 스택 단(4)을 이루는 제1 캐소드 측 B/P(10')는 도 5에 도시된 바와 같이, 동일한 구조의 제1 애노드 측 B/P(10)를 뒤집어 놓은 구조를 갖는데, 이는 막-전극 조합체(MEA)를 매개로 한쪽으로 제1 애노드 측 B/P(10)가 덧대어지고, 그 반대쪽으로는 동일한 구조의 제1 캐소드 측 B/P(10')가 덧대어져, 스택 조립체(1)를 구축하는 단위 셀을 이루는 구조에 기인한다.Meanwhile, the first cathode side B / P 10 'constituting the
또한, 상기 제2 스택 단(5)에 적층된 제2 애노드 측 B/P(11)는 도 6에 도시된 바와 같이, 한쪽 모서리 상단의 애노드-인 매니폴더(D)를 이용해 공급 연료(H2) 입구인 애노드-인 채널(15b)을 형성하게 된다.In addition, as shown in FIG. 6, the second anode side B /
즉, 상기 애노드-인 채널(15b)은 메인 인 채널(ha)이 가공된 상태에서, 상기 메인 인 채널(ha)의 한쪽 측면에서 제4 서브 인 채널(he)을 서로 연결되도록 가공하고, 상기 메인 인 채널(ha)의 상단 측면에 위치된 제1·2 서브 인 채널(hb,hc)과 측면 쪽으로 위치되는 제3 서브 인 채널(hd)은 가공하지 않는다.That is, the anode-in
이와 더불어 공급 연료(H2) 출구인 애노드-아웃 채널(15bb)은 제2·3 서브 아웃 채널(Hc,Hd)을 제외한, 메인 아웃 채널(Ha)과 제1·4 서브 아웃 채널(Hb,He)을 연결되도록 가공해 형성된다.In addition, the anode-out channel 15bb, which is the supply fuel H2 outlet, includes the main out channel Ha and the first and fourth sub out channels Hb and He, except for the second and third sub out channels Hc and Hd. ) Is formed by connecting them.
그리고, 상기 제2 애노드 측 B/P(11)에서 공급 연료(H2)의 반대쪽에 형성된 캐소드-인 매니폴더(F)를 이용하는 공급 공기(O2) 입구인 캐소드-인 채널(16b)은 제1·2·3 서브 인 채널(hb,hc,hd)은 가공하지 않고, 메인 인 채널(ha)과 이의 한쪽 측면에 이격되어 가공되는 제4 서브 인 채널(he)을 이용해 형성되며, 공기(O2) 출구인 캐소드-아웃 채널(16bb)은 메인 아웃 채널(Ha)과 제1·2·3·4 서브 아웃 채널(Hb,Hc,Hd,He)을 모두 연결시켜 한 공간으로 가공한다.The cathode-in
또한, 상기 제2 애노드 측 B/P(11)에 형성된 좌·우 서브 매니폴더(I,J)에도 제1 애노드 측 B/P(10)와 동일하게 좌·우 쿨란트(Coolant) 채널(Qa,Qb)이 가공되고, 상기 좌·우 쿨란트 채널(Qa,Qb)을 기준으로 상·하 위치에 간격을 두고 각각 워터-인 애노드 매니폴더(Ka)와 워터-아웃 캐소드 매니폴더(Pb)와 더불어, 워터-인 캐소드 매니폴더(Pa)와 워터-아웃 애노드 매니폴더(Kb)가 각각 가공된다.In addition, the left and right sub-folders I and J formed on the second anode side B /
그리고, 제2 스택 단(5)은 제1 스택단(4)과 마찬가지로, 제2 캐소드 측 B/P(11')가 제2 애노드 측 B/P(11)와 동일한 구조로 이루어진다.In the
또한, 상기 제3 스택 단(6)에 적층된 제3 애노드 측 B/P(12)는 도 7에 도시된 바와 같이, 한쪽 모서리 상단의 애노드-인 매니폴더(D)를 이용해 공급 연료(H2) 입구인 애노드-인 채널(15c)을 형성하게 된다.In addition, the third anode side B /
즉, 상기 애노드-인 채널(15c)은 메인 인 채널(ha)이 가공된 상태에서 그 위쪽의 제1 서브 인 채널(hb)이 서로 연결됨과 더불어, 상기 메인 인 채널(ha)의 한쪽 측면으로 이격되어 가공된 제4 서브 인 채널(he)로 형성되며, 상기 제1 서브 인 채널(hc)과 측면 쪽으로 위치되는 제3 서브 인 채널(hd)은 가공하지 않는다.That is, the anode-in
이와 더불어 공급 연료(H2) 출구인 애노드-아웃 채널(15cc)은 제1·2·3 서브 아웃 채널(Hb,Hc,Hd)을 제외한, 메인 아웃 채널(Ha)과 제4 서브 아웃 채널(He)을 서로 연결시켜 주도록 가공해 형성된다.In addition, the anode-out channel 15cc, which is the supply fuel H2 outlet, has a main out channel Ha and a fourth subout channel He except for the first, second and third subout channels Hb, Hc, and Hd. ) Is formed by connecting them to each other.
그리고, 상기 제3 애노드 측 B/P(11)에서 공급 연료(H2)의 반대쪽에 형성된 캐소드-인 매니폴더(F)를 이용하는 공급 공기(O2) 입구인 캐소드-인 채널(16c)은 제1·2·3 서브 인 채널(hb,hc,hd)은 가공하지 않고, 메인 인 채널(ha)과 이의 한쪽 측면에 이격되어 가공되는 제4 서브 인 채널(he)을 이용해 형성되며, 공기(O2) 출구인 캐소드-아웃 채널(16cc)은 메인 아웃 채널(Ha)과 제1·2·3·4 서브 아웃 채널(Hb,Hc,Hd,He)을 모두 연결시켜 한 공간으로 가공한다.The cathode-in
또한, 상기 제3 애노드 측 B/P(12)에 형성된 좌·우 서브 매니폴더(I,J)에도 제1·2 애노드 측 B/P(10,11)와 동일하게 좌·우 쿨란트(Coolant) 채널(Qa,Qb)은 물론, 워터-인·아웃 애노드 매니폴더(Ka,Kb)와 워터-인·아웃 캐소드 매니폴더(Pa,Pb)가 각각 가공된다.In addition, the left and right sub manifolds I and J formed on the third anode side B /
그리고, 제3 스택 단(6)은 제1·2 스택단(4,5)과 마찬가지로 제3 캐소드 측 B/P(12')이 제3 애노드 측 B/P(12)와 동일한 구조로 이루어진다.In the
또한, 상기 제4 스택 단(7)에 적층된 제4 애노드 측 B/P(13)는 도 8에 도시된 바와 같이, 한쪽 모서리 상단의 애노드-인 매니폴더(D)를 이용해 공급 연료(H2) 입구인 애노드-인 채널(15d)을 형성하게 된다.Further, as shown in FIG. 8, the fourth anode side B /
이때, 상기 애노드-인 채널(15d)은 제3 애노드 측 B/P(12)의 애노드-인 채 널(15c)과 동일한 구조를 갖으며, 또한 공급 연료(H2) 출구인 애노드-아웃 채널(15dd)도 애노드-아웃 채널(15cc)과 동일한 구조를 갖도록 가공된다.At this time, the anode-in
그리고, 상기 제4 애노드 측 B/P(13)에서 공급 연료(H2)의 반대쪽에 형성된 캐소드-인 매니폴더(F)를 이용하는 공급 공기(O2) 입구인 캐소드-인 채널(16d)은 제1·2·3 서브 인 채널(hb,hc,hd)은 가공하지 않고, 메인 인 채널(ha)과 이의 한쪽 측면에서 가공되는 제4 서브 인 채널(he)이 서로 연결되어 형성된다.The cathode-in
이와 더불어 공기(O2) 출구인 캐소드-아웃 채널(16dd)은 메인 아웃 채널(Ha)과 제4 서브 아웃 채널(He)을 연결시켜 가공하며, 제1·2·3 서브 아웃 채널(Hb,Hc,Hd)은 가공하지 않는다.In addition, the cathode-out channel 16dd, which is an air O2 outlet, is processed by connecting the main out channel Ha and the fourth sub out channel He, and the first, second and third sub out channels Hb and Hc. , Hd) is not processed.
또한, 상기 제4 애노드 측 B/P(13)에 형성된 좌·우 서브 매니폴더(I,J)에도 제1·2·3 애노드 측 B/P(10,11,12)와 동일하게 좌·우 쿨란트(Coolant) 채널(Qa,Qb)은 물론, 워터-인·아웃 애노드 매니폴더(Ka,Kb)와 워터-인·아웃 캐소드 매니폴더(Pa,Pb)가 각각 가공된다.In addition, the left and right sub-manifolds I and J formed on the fourth anode side B /
그리고, 제4 스택 단(7)은 제1·2·3 스택단(4,5,6)과 마찬가지로 제4 캐소드 측 B/P(13')이 제4 애노드 측 B/P(13)와 동일한 구조로 이루어진다.In the
또한, 상기 제5 스택 단(8)에 적층된 제5 애노드 측 B/P(14)는 도 9에 도시된 바와 같이, 한쪽 모서리 상단의 애노드-인 매니폴더(D)를 이용해 공급 연료(H2) 입구인 애노드-인 채널(15e)을 형성하게 된다.In addition, the fifth anode side B /
이때, 상기 애노드-인 채널(15e)은 제4 애노드 측 B/P(13)의 애노드-인 채 널(15d)과 동일한 구조를 갖으며, 또한 공급 연료(H2) 출구인 애노드-아웃 채널(15ee)도 애노드-아웃 채널(15dd)과 동일한 구조를 갖도록 가공된다.At this time, the anode-in
그리고, 상기 제5 애노드 측 B/P(14)에서 공급 연료(H2)의 반대쪽에 형성된 캐소드-인 매니폴더(F)를 이용하는 공급 공기(O2) 입구인 캐소드-인 채널(16e)은 제3·4 서브 인 채널(hd,he)은 가공하지 않고, 메인 인 채널(ha)과 이의 상단 쪽 측면에서 가공되는 제1·2 서브 인 채널(hb,hc)이 서로 연결되어 형성된다.The cathode-in
이와 더불어 공기(O2) 출구인 캐소드-아웃 채널(16ee)은 메인 아웃 채널(Ha)과 이의 하단 측면에서 가공된 제2·3·4 서브 아웃 채널(Hc,Hd,He)을 연결해 형성하며, 상기 메인 아웃 채널(Ha)의 한쪽 측면에 가공된 제1 서브 아웃 채널(Hb)은 이격된 상태로 연결되지 않도록 가공하게 된다.In addition, the cathode-out channel 16ee, which is an air (O2) outlet, is formed by connecting the main out channel Ha and the second, third and fourth sub-out channels Hc, Hd, and He processed at the lower side thereof. The first sub out channel Hb processed on one side of the main out channel Ha is processed so as not to be spaced apart.
또한, 상기 제5 애노드 측 B/P(14)에 형성된 좌·우 서브 매니폴더(I,J)에도 제1·2·3·4 애노드 측 B/P(10,11,12,13)와 동일하게 좌·우 쿨란트(Coolant) 채널(Qa,Qb)은 물론, 워터-인·아웃 애노드 매니폴더(Ka,Kb)와 워터-인·아웃 캐소드 매니폴더(Pa,Pb)가 각각 가공된다.In addition, the left and right sub-manifolds I and J formed in the fifth anode side B /
그리고, 제5 스택 단(8)은 제1·2·3·4 스택 단(4,5,6,7)과 마찬가지로 제5 캐소드 측 B/P(14')가 제5 애노드 측 B/P(14)와 동일한 구조로 이루어진다.In the
이와 같이 스택 조립체(1)가 캐스케이드(Cascade) 타입으로 제1·2·3·4·5 스택 단(4,5,6,7,8)이 구축되면, 상기 제1·2·3·4·5 스택 단(4,5,6,7,8)의 각 단을 구성하는 단위 셀인 제1·2·3·4·5 애노드 측 B/P(10,11,12,13,14)의 애노 드-인·아웃 채널(15a,15b,15c,15d,15e,15aa,15bb,15cc,15dd,15ee)과, 제1·2·3·4·5 캐소드 측 B/P(10',11',12',13',14')의 캐소드-인·아웃 채널(16a,16b,16c,16d,16e,16aa,16bb,16cc,16dd,16ee)이 서로 다른 형상을 갖고 적층됨에 따라, 상기 스택 조립체(1)에서 설계된 출력 값 1을 얻기 위해 연료(H2,O2)의 입력 값을 1로 할 수 있어, 연료 이용 율을 보다 높여 줄 수 있게 된다.As such, when the
즉, 상기 스택 조립체(1)에서 출력 값 1을 얻기 위해 입력 값을 1로 하더라도, 입력 값이 1이 제1 스택단(4)을 거친 후 제2·3·4 스택 단(5,6,7)을 순차적으로 거치면서 각 스택 단의 중간 입력 값과 중간 출력 값이 1보다 큰 상태로 전환되고, 최종적인 제5 스택 단(8)으로 생성되는 출력 값이 1이 됨에 따라, 연료 이용 율을 높이는 캐스케이드(Cascade) 타입 스택 조립체(1)를 구축할 수 있는 특징이 있게 된다.That is, even if the input value is 1 in order to obtain the
이와 같은 본 발명의 캐스케이드 타입 스택 조립체(1)의 작동 시, 개질기를 이용해 연료(H2,O2)를 순환하고, 온도 제어를 위해 냉각재를 순환시키며, 히터(Heater)를 이용해 배출되는 물을 증발시켜 이용하고, 생성된 전기를 축적하도록 구성되는 여러 장치들은 스택 조립체를 이용한 연료 전지 장치를 구성할 때, 일반적인 구비되는 필요 장치들이므로 이들에 대한 작동 설명은 생략한다.In the operation of the cascade
이어 도 2 내지 4를 참조로 캐스케이드 타입 스택 조립체(1)의 작동을 설명하면, 상기 스택 조립체(1)에서 제1 스택단(4)을 구성하도록 다수로 적층된 제1 애노드 측 B/P(10)와 제1 캐소드 측 B/P(10')쪽으로 각각 연료 량(H2,O2)의 입력 값이 1로 공급되면, 상기 제1 애노드 측 B/P(10)의 애노드-인 채널(15a)과 제1 캐소 드 측 B/P(10')의 캐소드-인 채널(16a)로 유입된 후, 흐름 채널을 거쳐 애노드-아웃 채널(15aa)과 캐소드-아웃 채널(16aa)쪽으로 입력 값이 1보다 큰 출력 값으로 배출된다.Next, the operation of the cascade
이때, 유입과 배출되는 연료(H2,O2)는 일렬로 구축된 단위 셀을 순차적으로 거치면서 제1 스택단(4)을 빠져 나온 후, 제 2 스택 단(5)으로 다시 입력되는데, 이는 상기 제1 애노드 측 B/P(10)와 제1 캐소드 측 B/P(10')가 막-전극 조합체와 함께 1개의 단위 셀로 구성됨에 기인한다.At this time, the inflow and discharge of fuel (H2, O2) exits the
즉, 연료(H2)가 유입·배출되는 제1 애노드 측 B/P(10)의 애노드-인·아웃 채널(15a,15aa)과 더불어, 공기(O2)가 유입·배출되는 제1 캐소드 측 B/P(10')의 캐소드-인·아웃 채널(16a,16aa)의 형상이 제1 스택 단(4)으로 입력되는 연료(H2,O2)의 입력 값이 1일 때, 적층된 각 단위 셀을 순차적으로 거치면서 상기 제1 스택 단(4)으로 배출되는 출력 값은 1보다 큰 값으로 2단 입력 값이 형성된다.That is, together with the anode-in-
이어, 초기 입력 값 1이 공급된 제1 스택 단(4)에서 초기 입력 값 1보다 큰 2단 입력 값이 제2 스택 단(5)으로 입력되면, 상기 제2 스택 단(5)을 구성하도록 다수로 적층된 제2 애노드 측 B/P(11)의 애노드-인·아웃 채널(15b,15bb)과 더불어, 제2 캐소드 측 B/P(11')의 캐소드-인·아웃 채널(16b,16bb)을 거치게 되고, 이에 따라 상기 제2 스택 단(5)은 2단 입력 값보다 작지만 초기 입력 값 1보다 큰 3단 입력 값을 배출한다.Subsequently, when a second stage input value larger than the
이후, 2단 입력 값이 공급된 제2 스택 단(5)에서 발생된 3단 입력 값이 제3 스택 단(6)으로 입력되면, 상기 2단 입력 값은 제3 스택 단(6)에서도 동일하게 제3 애노드 측 B/P(12)의 애노드-인·아웃 채널(15c,15cc)과 더불어, 제3 캐소드 측 B/P(12')의 캐소드-인·아웃 채널(16c,16cc)을 거친 후, 3단 입력 값보다 작은 4단 입력 값을 배출한다.Thereafter, when the third stage input value generated in the
이어, 3단 입력 값이 공급된 제3 스택 단(6)에서 발생된 4단 입력 값이 제4 스택 단(7)으로 입력되면, 상기 4단 입력 값은 제4 스택 단(7)에서도 동일하게 제4 애노드 측 B/P(13)의 애노드-인·아웃 채널(15d,15dd)과 더불어, 제4 캐소드 측 B/P(13')의 캐소드-인·아웃 채널(16d,16dd)을 거친 후, 4단 입력 값보다 작은 5단 입력 값을 배출한다.Subsequently, when the fourth stage input value generated in the
이후, 4단 입력 값이 공급된 제4 스택 단(6)에서 발생된 5단 입력 값이 제5 스택 단(8)으로 입력되면, 상기 5단 입력 값은 제5 스택 단(7)에서도 동일하게 제5 애노드 측 B/P(14)의 애노드-인·아웃 채널(15e,15ee)과 더불어, 제4 캐소드 측 B/P(14')의 캐소드-인·아웃 채널(16e,16ee)을 거친 후, 5단 입력 값보다 작고 초기 입력 값 1과 동일한 최종 출력 값 1을 생성한다.Subsequently, when the fifth stage input value generated in the
이와 같이 캐스케이드 타입 스택 조립체(1)가 연료(H2,O2)를 공급받아 작동됨에 따라 즉, 제1 스택 단(4)으로 입력된 초기 입력 값 1이 제2·3·4 스택 단(5,6,7)을 거쳐 초기 입력 값 1보다 크면서 순차적으로 작아지는 각 스택 단의 출력 값을 생성하고, 상기 출력 값이 캐스케이드 타입으로 이어지는 각 스택 단으로 순차적인 입력 값으로 공급된 후, 최종 단계인 제5 스택 단(8)을 거쳐 생성되는 최종 출력 값이 초기 입력 값 1과 동일하게 생성한다.As the cascade
또한 이러한 작동 시, 스택 조립체(1)에서 발생되는 물(Water)은 제1 스택 단(4)을 거쳐 제2·3·4·5 스택 단(5,6,7,8)을 순차적으로 거치면서, 제1·2·3·4·5 애노드 측 B/P(10,11,12,13,14)와 제1·2·3·4·5 캐소드 측 B/P(10',11',12',13',14')에 형성된 워터-인·아웃 애노드 매니폴더(Ka,Kb)와 워터-인·아웃 캐소드 매니폴더(Pa,Pb)를 통해 빠져 나온 후, 기체상/액체상 분리기(Separator)를 통해 분리되고, 분리된 액체상의 물은 막 가습기의 멤브레인을 통과하면서 제1스택단(4)의 가습에 이용되지만, 분리단에서 나온 기체는 이후 스택단의 입력단으로 이용하게 된다.In this operation, the water generated in the
이와 더불어, 스택 조립체(1)에서 발생된 열 축적을 방지하기 위한 냉각재(Coolant)도 제1·2·3·4·5 애노드 측 B/P(10,11,12,13,14)와, 제1·2·3·4·5 캐소드 측 B/P(10',11',12',13',14')에 형성된 좌·우 쿨란트 채널(Qa,Qb)을 통해 제1·2·3·4·5 스택 단(4,5,6,7,8)을 순환한다.In addition, a coolant for preventing heat accumulation generated in the
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 장치의 스택 조립체를 구성하는 범용 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)의 구성도1 is a block diagram of a general-purpose bipolar plate constituting a stack assembly of a fuel cell device according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 장치의 캐스케이드 타입을 이루도록 다단으로 구축된 스택 조립체에 대한 구성도2 is a configuration diagram of a stack assembly constructed in multiple stages to form a cascade type of a fuel cell device according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 캐스케이드 타입을 이루도록 다단으로 구축된 스택 조립체를 구성하는 애노드 측 바이폴라 플레이트(Anode Bipolar Plate)의 구성도3 is a configuration diagram of an anode side bipolar plate constituting a stack assembly built in multiple stages to form a cascade type according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 캐스케이드 타입을 이루도록 다단으로 구축된 스택 조립체를 구성하는 캐소드 측 바이폴라 플레이트(Cathode Bipolar Plate)의 구성도4 is a configuration diagram of a cathode side bipolar plate constituting a stack assembly built in multiple stages to form a cascade type according to the present invention.
도 5 내지 도 9는 본 발명에 따라 제1·2·3·4·5 스택 단을 구성하는 애노드 측 바이폴라 플레이트와, 캐소드 측 바이폴라 플레이트에 형성된 매니폴더(Manifold)의 구성도5 to 9 are structural diagrams of an anode side bipolar plate and a cathode manifold formed on the cathode side bipolar plate constituting the first, second, third, fourth and fifth stack stages according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명> <Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 스택 조립체 2 : 애노드 측 B/P(Bipolar Plate) 블록1
3 : 캐소드 측 B/P(Bipolar Plate) 블록3: cathode side B / P (Bipolar Plate) block
4,5,6,7,8 : 제1·2·3·4·5 스택 단4,5,6,7,8: 1, 2, 3, 4, 5 stack stages
9 : 더미 B/P(Dummy Bipolar Plate)9: Dummy Bipolar Plate
10,11,12,13,14 : 제1·2·3·4·5 애노드 측 B/P(Bipolar Plate) 10,11,12,13,14: 1, 2, 3, 4, 5 anode side B / P (Bipolar Plate)
10',11',12',13',14' : 제1·2·3·4·5 캐소드 측 B/P(Bipolar Plate)10 ', 11', 12 ', 13', 14 ': B / P (Bipolar Plate) on the 1st, 2, 3, 4, 5 cathode side
15a,15b,15c,15d,15e : 애노드-인 채널15a, 15b, 15c, 15d, 15e: anode-in channel
15aa,15bb,15cc,15dd,15ee : 애노드-아웃 채널15aa, 15bb, 15cc, 15dd, 15ee: anode-out channel
16a,16b,16c,16d,16e : 캐소드-인 채널16a, 16b, 16c, 16d, and 16e: cathode-in channel
16aa,16bb,16cc,16dd,16ee : 캐소드-아웃 채널16aa, 16bb, 16cc, 16dd, 16ee: cathode-out channel
A : 범용 바이폴라 플레이트A: Universal Bipolar Plate
B : 매니폴더 필드 채널(Manifolder Field Channel)B: Manifolder Field Channel
C : 플로우 필드 채널(Flow Field Channel)C: Flow Field Channel
D,E : 애노드-인·아웃 매니폴더D, E: Anode-in-out manifold
F,G : 캐소드-인·아웃 매니폴더F, G: Cathode-in-out manifold
ha : 메인 인 채널 hb,hc,hd,he : 제1·2·3·4 서브 인 채널ha: main in channel hb, hc, hd, he: 1, 2, 3, 4 sub in channel
Ha : 메인 아웃 채널 Hb,Hc,Hd,He : 제1·2·3·4 서브 아웃 채널Ha: main out channel Hb, Hc, Hd, He: 1, 2, 3, 4 sub out channel
I,J : 좌·우 서브 매니폴더I, J: Left and right sub manifolds
Ka,Kb : 워터-인·아웃 애노드 매니폴더Ka, Kb: Water-in-out anode manifold
Pa,Pb : 워터-인·아웃 캐소드 매니폴더Pa, Pb: Water-in-out cathode manifold
Qa,Qb : 좌·우 쿨란트(Coolant) 채널Qa, Qb: Left and right Coolant channels
Claims (20)
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