KR100952451B1 - Passive type fuel cell with pulsator - Google Patents

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KR100952451B1 KR1020090052032A KR20090052032A KR100952451B1 KR 100952451 B1 KR100952451 B1 KR 100952451B1 KR 1020090052032 A KR1020090052032 A KR 1020090052032A KR 20090052032 A KR20090052032 A KR 20090052032A KR 100952451 B1 KR100952451 B1 KR 100952451B1
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이주형
황용신
차석원
최종원
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주식회사 엑스에프씨
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Abstract

PURPOSE: A passive type fuel battery is provided to improve the power of a fuel cell by facilitating air flow and diffusion within the fuel cell using pure reciprocation flow. CONSTITUTION: A passive type fuel battery(100) comprises a membrane-electrode assembly(4) containing an electrolyte membrane in which an anode and a cathode are equipped at both sides; and blocking plates(8a,8b) which faces the cathode and has an air channel(7) so that the cathode are exposed to the air. The blocking plates have a reciprocation flow unit(30) for reciprocating the air which naturally flows.

Description

왕복유동수단이 구비된 패시브형 연료전지{Passive type fuel cell with pulsator}Passive fuel cell with reciprocating means {Passive type fuel cell with pulsator}

본 발명은 강제적으로 공기를 공급하는 공기 공급수단이 구비되지 않은 패시브형 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자연유입되는 공기의 유입량 및 확산량을 촉진시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 패시브형 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a passive fuel cell that is not provided with an air supply means for forcibly supplying air. More particularly, the passive fuel cell may improve the performance of a fuel cell by promoting an inflow and diffusion amount of naturally introduced air. It relates to a type fuel cell.

연료전지는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts chemical reaction energy of hydrogen and oxidant contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

이러한 연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라 여러 개의 형태로 분류될 수 있으며, 대표적으로 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: 이하 "PEMFC"라 한다) 시스템과 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: 이하 "DMFC"라 한다) 시스템을 들 수 있다.Such fuel cell systems can be classified into various types according to the type of electrolyte used. Representatively, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) system and a direct methanol fuel cell (Direct Methanol Fuel Cell: hereinafter referred to as "DMFC").

PEMFC 시스템 또는 DMFC 시스템은 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 선택적 수소이온 투과특성을 갖는 전도성 고분자막이 개재되어 있는 막전극어셈블리(MEA) 를 가지며, 애노드 전극과 캐소드 전극은 연료의 공급 및 확산을 위한 가스확산층과, 전극 반응 즉 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층 등을 포함한다.The PEMFC system or DMFC system has a membrane electrode assembly (MEA) having a conductive polymer membrane having selective hydrogen ion permeability between the anode electrode and the cathode electrode, and the anode electrode and the cathode electrode have a gas diffusion layer for supplying and diffusing fuel. And a catalyst layer or the like in which an electrode reaction, that is, an oxidation / reduction reaction occurs.

한편, 연료전지 시스템의 운전 시 스택 내에 반응에 필요한 연료 또는 공기의 공급은 스택 성능에 중요한 영향을 미치게 된다. 특히 공기 중 산소의 분율이 약 21% 정도 밖에 되지 않기 때문에 연료전지 구동에 필요한 필요한 산소를 적절히 공급해 주는 것은 연료전지의 최적 성능을 얻기 위한 필요조건이라 할 것이다.On the other hand, the supply of fuel or air required for reaction in the stack during operation of the fuel cell system has a significant effect on the stack performance. In particular, since the fraction of oxygen in the air is only about 21%, supplying the oxygen necessary for driving the fuel cell properly will be a necessary condition for obtaining the optimum performance of the fuel cell.

PEMFC 시스템 또는 DMFC 시스템에 있어서 공기를 강제로 공급하는지 여부에 따라 액티브형과 패시브형으로 각각 분류될 수 있는데, 액티브형 연료전지에서 사용되는 블로워(blower) 또는 팬(fan)과 같은 공기 공급수단은 기본적으로 전력소모가 크며 특히 블로워의 경우에는 많은 부피를 차지하므로 연료전지 시스템의 크기가 대형화 될 수 밖에 없다.In the PEMFC system or DMFC system, depending on whether air is forcibly supplied, it may be classified into an active type and a passive type. An air supply means such as a blower or a fan used in an active fuel cell may be used. Basically, the power consumption is large, especially in the case of blowers, which occupy a large volume, so the size of the fuel cell system is inevitably increased.

최근에는 휴대가 가능하여 노트북, 이동통신기기와 같은 이동기기에 대한 적용이 가능한 소형의 연료전지 시스템이 개발되고 있는데, 여기에는 대기에 노출된 캐소드 전극측으로 공기의 자연대류에 의해 연료전지 스택에 공기를 공급하는 패시브형 연료전지 시스템이 주로 사용되고 있다. 하지만, 이러한 패시브형 연료전지 시스템에서는 캐소드 전극 측으로 공급되는 공기의 양이 원활치 않아 연료전지 시스템의 출력이 불안정할 뿐 아니라 생성된 물의 배출이 원활하지 않은 문제점이 있다.In recent years, small fuel cell systems have been developed that are portable and can be applied to mobile devices such as laptops and mobile communication devices. This includes air in the fuel cell stack due to natural convection of air to the cathode electrode exposed to the atmosphere. Passive fuel cell systems for supplying the P are mainly used. However, in the passive fuel cell system, the amount of air supplied to the cathode electrode side is not smooth, and thus the output of the fuel cell system is not stable, and there is a problem in that the discharge of generated water is not smooth.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 순수왕복유동을 이용하여 공기의 유동 및 확산을 촉진시킴으로써 연료전지의 출력을 향상시킬 수 있는 패시브형 연료전지를 제공하는 것이다. The problem to be solved by the present invention is to provide a passive fuel cell that can improve the output of the fuel cell by promoting the flow and diffusion of air using pure reciprocating flow.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,

전해질막의 양측에 각각 형성되는 캐소드 전극과 애노드 전극을 구비하는 막전극어셈블리의 상기 캐소드 전극에 공기가 자연 유입되어 상기 애노드 전극에 공급되는 연료와의 전기 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 패시브형 연료전지에 있어서,Passive fuel cells that generate electrical energy through electrical reaction with fuel supplied to the anode electrode of the membrane electrode assembly having a cathode electrode and an anode electrode respectively formed on both sides of the electrolyte membrane and supplied to the anode electrode To

상기 자연 유입되는 공기의 공기유로 입구에는 자연유입되는 공기를 왕복유동시키는 왕복유동수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지를 제공한다.The air flow inlet of the naturally introduced air is provided with a passive fuel cell, characterized in that the reciprocating flow means for reciprocating the flow of natural inlet air is provided.

본 발명의 다른 측면에 의하면, According to another aspect of the present invention,

애노드 전극과 캐소드 전극이 각각 양측에 구비된 전해질막을 포함하는 막전극어셈블리 및 상기 캐소드 전극에 대면하게 위치하며, 상기 캐소드 전극이 대기에 노출되도록 공기유로가 관통 형성된 막음판을 포함하는 패시브형 연료전지에 있어서,A passive fuel cell comprising a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane having an anode electrode and a cathode electrode disposed on both sides thereof, and a cathode plate disposed to face the cathode electrode and having an air passage penetrating so that the cathode electrode is exposed to the atmosphere. To

상기 막음판에는 상기 공기유로 측으로 자연유입되는 공기를 왕복유동시키는 왕복유동수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지를 제공한다.The blocking plate is provided with a passive fuel cell, characterized in that the reciprocating flow means for reciprocating the air flowing into the air flow path side.

여기서, 상기 왕복유동수단은 왕복유동주파수 및 왕복유동거리 중 적어도 하나 이상이 조절되도록 구성되는 것이 바람직하다.Here, the reciprocating flow means is preferably configured to adjust at least one or more of the reciprocating flow frequency and reciprocating flow distance.

또한, 상기 왕복유동수단은 탄성지지부재를 통해 상기 막음판에 장착된 진동판 및 상기 진동판을 가진시키는 가진기를 포함할 수 있다.In addition, the reciprocating flow means may include a vibrating plate mounted on the blocking plate and an exciter having the diaphragm through an elastic support member.

또한, 상기 진동판에는 상기 캐소드 전극 방향으로 돌출된 복수개의 돌기가 형성되어 있는 것이 바람직하다.In addition, the diaphragm preferably includes a plurality of protrusions protruding in the cathode electrode direction.

또한, 상기 진동판은 그 둘레의 일부 또는 전부를 따라 상기 캐소드 전극 방향으로 절곡형성된 공기안내부재를 더 구비할 수 있다.In addition, the diaphragm may further include an air guide member bent toward the cathode electrode along part or all of the circumference thereof.

또한, 상기 가진기는 진동모터인 것이 바람직하다.In addition, the exciter is preferably a vibration motor.

본 발명에 따른 패시브형 연료전지 시스템은 자연 유입되는 공기유로 측에 왕복유동수단을 구비함으로써 연료전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 왕복유동수단의 주파수 및 왕복유동거리를 변화시킴으로써 연료전지 반응에 유입되는 공기의 확산량을 더욱 증가시킬 수 있다. 나아가, 이와 같은 왕복유동수단은 진동판 및 진동모터를 통해 소형화 구현이 가능할 뿐 아니라 기생전력을 낮출 수 있으므로 소형화된 연료전지 시스템에 적용될 수 있다.Passive fuel cell system according to the present invention can further improve the performance of the fuel cell by providing a reciprocating flow means on the side of the natural air flow path. In addition, by varying the frequency and the reciprocating flow distance of the reciprocating flow means it is possible to further increase the diffusion amount of air flowing into the fuel cell reaction. Furthermore, such a reciprocating flow means can be applied to a miniaturized fuel cell system because not only the miniaturization can be realized through the diaphragm and the vibration motor but also the parasitic power can be lowered.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위 가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred examples. However, these examples are intended to illustrate the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereby.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 패시브형 연료전지에 있어서 왕복유동에 따른 확산증대 효과를 살펴보기 위한 실험 장치의 전체적인 개략도이며, 도 2는 도 1에 사용된 연료전지의 분리판 및 막전극어셈블리의 분해도이다. 1 is an overall schematic diagram of an experimental apparatus for examining the effect of increasing the diffusion according to reciprocating flow in a passive fuel cell according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a separator and membrane of the fuel cell used in FIG. An exploded view of an electrode assembly.

본 발명의 일 실시예에 따른 패시브형 연료전지는, 도 1 및 도 2를 참조하면, 전해질막(1)과 이 전해질막의 양측에 각각 형성되는 캐소드 전극(2) 및 애노드 전극(3)을 구비하는 막전극어셈블리(4), 이 막전극어셈블리의 양측에 배치되는 한쌍의 분리판(5a, 5b), 한쌍의 분리판의 양측에 각각 배치되는 한쌍의 막음판(8a, 8b)을 포함하며, 이들은 체결구(12)에 의해 서로 결합되어 단위전지(10)를 구성하고 있다. 그리고, 단위전지(10)의 양 측부에는 연료의 공급 및 배출을 위한 연료공급부(9a) 및 연료배출부(9b)가 구비되어 있다. 여기서는 수소를 연료로 하여 전기 에너지를 발생시키는 PEMFC를 중심으로 설명한다. 그러나, 본 발명에 따른 연료전지는 메탄올 또는 에탄올을 직접 연료로 사용하여 전기 에너지를 발생시키는 DMFC에도 적용될 수 있다.1 and 2, a passive fuel cell according to an embodiment of the present invention includes an electrolyte membrane 1 and a cathode electrode 2 and an anode electrode 3 formed on both sides of the electrolyte membrane, respectively. A membrane electrode assembly 4, a pair of separation plates 5a and 5b disposed on both sides of the membrane electrode assembly, and a pair of blocking plates 8a and 8b respectively disposed on both sides of the pair of separation plates. These are coupled to each other by the fastener 12 to constitute the unit cell 10. In addition, both sides of the unit cell 10 are provided with a fuel supply unit 9a and a fuel discharge unit 9b for supplying and discharging fuel. Here, the description will be focused on a PEMFC that generates electric energy by using hydrogen as a fuel. However, the fuel cell according to the present invention can also be applied to DMFC which generates electric energy using methanol or ethanol as a direct fuel.

본 실시예에서는 연료전지의 성능을 측정하기 위해 편의상 단위전지를 구성하였지만, 이러한 단위전지가 복수개 순서대로 적층되어 스택을 이루는 연료전지에 적용될 수 있음은 물론이다.In the present embodiment, the unit cell is configured for the purpose of measuring the performance of the fuel cell, but a plurality of such unit cells may be applied to a fuel cell that is stacked and formed in order.

도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드 전극(2)과 접하는 면에 위치한 분리판(5a)은 그 내부에 공기유로(6)가 상부에서 하부로 형성되어 있다. 따라서, 이와 같이 형성된 공기유로에 의해, 막전극어셈블리와 분리판이 서로 결합된 단위전지에는 상부에서 하부로 형성된 공기유로(6)를 통하여 공기가 공급된다. 또한, 애노드 전극(3)과 접하는 면에 위치한 분리판(5b)은 그 내부에 연료유로(미도시)가 지그재그 형태의 사형(serpentine)으로 형성되어 있다.As shown in FIG. 2, the separator 5a disposed on the surface in contact with the cathode electrode 2 has an air passage 6 formed therein from the top to the bottom thereof. Therefore, by the air flow path formed as described above, air is supplied to the unit cell in which the membrane electrode assembly and the separator plate are coupled to each other through the air flow passage 6 formed from the top to the bottom. In addition, the separator 5b disposed on the surface in contact with the anode electrode 3 has a fuel flow path (not shown) formed in a zigzag-shaped serpentine therein.

한편, 분리판(5a, 5b)의 양 측부에는 연료공급공(13a) 및 연료배출공(13b)과, 연료전지의 체결을 위한 체결공(14)이 형성되어 있다. On the other hand, the fuel supply hole 13a and the fuel discharge hole 13b and the fastening hole 14 for fastening the fuel cell are formed in both side parts of the separating plates 5a and 5b.

막전극어셈블리(4)는 애노드 전극(3)과 캐소드 전극(2) 사이에 전해질막(1)이 적층되어 형성된다. 그리고, 애노드 전극(3)과 캐소드 전극(2)은 연료의 공급 및 확산을 위한 가스확산층과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층, 그리고 전극 지지체를 구비하여 이루어진다. 상기 애노드 전극(3)은 공급되는 연료로부터 전자와 수소이온을 분리시키며, 전해질막(1)은 수소 이온을 캐소드 전극(2)으로 이동시키게 된다. 상기 캐소드 전극(2)은 애노드 전극(3)으로부터 공급된 전자와 수소 및 산소를 반응시켜 물을 생성하게 된다. 따라서, 단위전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시킨다.The membrane electrode assembly 4 is formed by stacking an electrolyte membrane 1 between the anode electrode 3 and the cathode electrode 2. The anode electrode 3 and the cathode electrode 2 include a gas diffusion layer for supplying and diffusing fuel, a catalyst layer in which an oxidation / reduction reaction of the fuel occurs, and an electrode support. The anode electrode 3 separates electrons and hydrogen ions from the fuel to be supplied, and the electrolyte membrane 1 moves hydrogen ions to the cathode electrode 2. The cathode electrode 2 generates water by reacting hydrogen and oxygen with electrons supplied from the anode electrode 3. Therefore, the unit cell generates electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

왕복유동에 따른 확산증대효과Diffusion effect due to reciprocating flow

도 1에 도시된 실험 장치에 있어서, 연료는 수소를 사용하였으며, 질량 유량계를 사용하여 연료를 공급하였다. 공급되는 연료는 버블러 타입의 가습기를 이용항 습구온도를 조절하였으며, 라인 히터를 이용하여 건구온도를 조절하였다. In the experimental apparatus shown in FIG. 1, fuel was used as hydrogen, and fuel was supplied using a mass flow meter. The fuel supplied was a wet bulb temperature controlled using a bubbler type humidifier, and a dry bulb temperature was controlled using a line heater.

단위전지에 자연유입되는 공기의 왕복유동을 구현하기 위해, 입구측 공기유 로에 공기매니폴드(11)의 일단부를 접속시키고, 타단부에는 왕복유동수단(20)을 연결시켰다.In order to realize the reciprocating flow of air naturally introduced into the unit cell, one end of the air manifold 11 is connected to the inlet side air passage, and the other end is connected to the reciprocating flow means 20.

왕복유동수단(20)은 실린더(21), 실린더 내부에서 직선왕복운동을 하는 피스톤(22), 일단이 피스톤에 연결되어 있으며 타단이 회전하는 디스크(24)에 연결된 커넥팅 로드(23), 디스크(24)를 회전시키는 전기모터(25)로 구성하였다. The reciprocating flow means 20 includes a cylinder 21, a piston 22 for linear reciprocating movement in the cylinder, a connecting rod 23 connected to one end of the piston and a disk 24 on which the other end rotates, and a disk ( 24 was configured as an electric motor 25 to rotate.

상술한 왕복유동수단(20)은 모터의 회전력을 통해 실린더(21) 내부의 피스톤(22)을 직선왕복운동시켜 실린더 내부의 공기(A)를 왕복유동시키는 수단으로서, 이를 통해 공기유로 입구측 공기는 왕복유동되어 단위전지(10) 내부로 유입될 수 있다. The aforementioned reciprocating flow means 20 is a means for reciprocating the air A inside the cylinder by linearly reciprocating the piston 22 inside the cylinder 21 through the rotational force of the motor. The reciprocating fluid may flow into the unit cell 10.

왕복유동수단(20)은 왕복유동인자를 변화시키기 위해 모터 컨트롤러(미도시)를 이용하여 각속도(주파수)를 변화시켰으며, 디스크(24)를 이용하여 왕복유동거리(진폭)를 조절하였다. 피스톤(22)은 실린더(21) 내부에서 완전 밀폐된 채로 직선왕복운동하므로, 실린더(21) 내부의 공기(A)가 피스톤에 의해 왕복유동된 상태로 단위전지(10) 내부로 유입될 수 있다.The reciprocating flow means 20 changed the angular velocity (frequency) using a motor controller (not shown) to change the reciprocating flow factor, and adjusted the reciprocating flow distance (amplitude) using the disk 24. Since the piston 22 linearly reciprocates while being completely enclosed in the cylinder 21, the air A inside the cylinder 21 may be introduced into the unit cell 10 while being reciprocated by the piston. .

본 실험에서 쓰인 단위전지의 활성면적은 61.3cm2이며 전해질막은 Dupont사의 Nafion 112 막을 사용하였다. 공기극과 연료극의 가스확산층은 Carbon Paper를 사용하였으며, 촉매양은 공기극 및 연료극 각각 0.4mg/cm2으로 Supported Carbon을 사용하였다. The active area of the unit cell used in this experiment was 61.3 cm 2 and the electrolyte membrane was Dupont's Nafion 112 membrane. Carbon paper was used for the gas diffusion layer of the cathode and anode, and the amount of catalyst was 0.4mg / cm 2 for the cathode and anode, respectively.

또한, 공기극의 채널 형태는 공기유로가 상부에서 하부로 27개 형성된 패러 럴 타입이고, 채널의 폭은 2mm, 채널의 깊이는 2.5mm 이며, 채널의 길이는 78.8mm 이다. 한편, 연료극의 채널 형태는 1개의 채널이 지그재그형으로 길게 이어진 사형(serpentine)이며, 채널의 폭은 1.3mm, 채널의 깊이는 0.8mm, 채널의 길이는 2114.2mm이다.In addition, the channel shape of the cathode is a parallel type formed with 27 air passages from the top to the bottom, the channel width is 2mm, the channel depth is 2.5mm, the channel length is 78.8mm. On the other hand, the channel shape of the anode is a serpentine in which one channel is zigzag-long and has a channel width of 1.3 mm, a channel depth of 0.8 mm, and a channel length of 2114.2 mm.

단위전지 스택의 온도는 막음판에 히터를 장착하여 조절하였으며, 각 실험은 운전시 일정 온도 범위에 있을 때 측정을 수행하였다. 실험 온도 범위는 30~40℃ 사이에서 측정을 수행하였다. The temperature of the unit cell stack was controlled by mounting a heater on the blocking plate, and each experiment was performed when the temperature was in a certain temperature range during operation. Experimental temperature range was measured between 30 ~ 40 ℃.

왕복유동 실험결과Reciprocating flow test results

공기의 유량이 변화한다는 것은 공기의 총 플럭스(flux)가 변화한다는 의미가 된다. 대류가 지배적인 영역에서는 이러한 유량 변화가 총 플럭스의 변화에 영향을 미치게 된다. 확산이 지배적인 영역에서는 확산량의 증감이 총 플럭스의 변화에 영향을 준다. 본 실험에서는 자연 유입되는 공기의 확산을 증대시키기 위해서 왕복유동을 적용시켰으며, 이러한 왕복유동에 의한 확산증대 효과가 연료전지의 성능에 미치는 영향을 살펴보았다.Changing the air flow rate means that the total flux of the air changes. In areas where convection is dominant, this change in flow will affect the change in total flux. In areas where diffusion is dominant, the increase or decrease in the amount of diffusion affects the change in the total flux. In this experiment, the reciprocating flow was applied to increase the diffusion of the naturally introduced air, and the effects of the diffusion increase effect by the reciprocating flow on the fuel cell performance were examined.

도 3은 왕복유동거리가 0.0595m일 때, 각속도가 57.2~742.3rpm 인 경우의 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 57.2rpm에서 28.9mW/cm2, 742.3rpm에서 100.0mW/cm2 의 출력을 얻을 수 있었다. 즉, 일정한 왕복유동거리에서 주파수를 증가시키면 연료전지의 성능이 좋아짐을 알 수 있다.Figure 3 is a graph showing the experimental results when the angular velocity is 57.2 ~ 742.3rpm when the reciprocating flow distance is 0.0595m. 3, the in 57.2rpm 28.9mW / cm 2, in 742.3rpm could be obtained an output of 100.0mW / cm 2. That is, it can be seen that increasing the frequency at a constant reciprocating flow distance improves the performance of the fuel cell.

왕복유동을 통한 확산량 증가에 있어서 주파수 외에 왕복유동거리 또한 확산량 변화에 중요한 변수가 된다. 왕복유동은 스택의 채널 내에 확산량을 증가시키며, 이는 연료전지 스택의 성능을 더욱 좋게 만들게 된다.In addition to the frequency, the reciprocating flow distance, in addition to the frequency, is an important variable in the variation of the diffusion amount. Reciprocating flow increases the amount of diffusion in the stack's channels, which makes the fuel cell stack even better.

도 4는 왕복유동거리 변화에 따른 연료전지의 성능변화를 나타낸 그래프이다. 왕복유동거리를 0.0116m(각속도 270.1rpm), 0.0298m(각속도 302.5rpm), 0.0595m(각속도 267.4rpm)로 변화시켜 가면서 실험을 수행하였다. 도 4에 도시된 바와 같이 왕복유동거리가 증가할 수록 스택의 출력이 증가하는 것을 알 수 있다.4 is a graph showing the performance change of the fuel cell according to the reciprocating flow distance change. The experiment was carried out while changing the reciprocating flow distance to 0.0116m (angular velocity 270.1rpm), 0.0298m (angular velocity 302.5rpm), and 0.0595m (angular velocity 267.4rpm). As shown in FIG. 4, it can be seen that the output of the stack increases as the reciprocating flow distance increases.

실험의 이론적 해석Theoretical interpretation of the experiment

왕복유동은 주파수 외에 많은 물리적 인자에 의해 확산을 촉진시킨다. 확산 증대 효과에 대한 이론적 해석 결과는 다음과 같이 나타낼 수 있다.Round-trip flow promotes diffusion by many physical factors besides frequency. The theoretical interpretation of the diffusion enhancement effect can be expressed as follows.

Figure 112009035459313-pat00001
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여기서, R은 확산 증대량을, De는 유효확산계수, D는 확산계수를 나타낸다. 확산 증대량 R은 Wontson에 따르면 다음과 같이 정의될 수 있다.Where R is the diffusion increase amount, D e is the effective diffusion coefficient, and D is the diffusion coefficient. The diffusion increase R can be defined as follows according to Wontson:

Figure 112009035459313-pat00002
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여기서, 함수 fs는 유동채널의 형상과 아래의 식에 의해 정의되는 Womersly 수(α), Schmidt 수(Sc)에 의존하는 값이며, V/(Ad)는 왕복유동의 크기를 나타내는 무차원수이다(V는 왕복유동하는 유체의 부피, A는 채널의 단면적, d는 채널의 직경을 의미한다). Womersly 수(α)는 다음과 같이 정의된다.Here, the function fs is a value depending on the shape of the flow channel and the Womersly number (α) and Schmidt number (Sc) defined by the following equation, and V / (Ad) is a dimensionless number indicating the magnitude of the reciprocating flow ( V is the volume of fluid reciprocating, A is the cross-sectional area of the channel, and d is the diameter of the channel). Womersly number α is defined as follows.

Figure 112009035459313-pat00003
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여기서, ν= μ/ρ이다(ν는 동점도(kinetic viscosity), μ는 점도(viscosity), ρ는 밀도).Where ν = μ / ρ (ν is kinetic viscosity, μ is viscosity, ρ is density).

상술한 수학식에서 알 수 있듯이, 채널의 형상과 채널을 흐르는 물질이 정해지면, 확산 증대량(R)은 Womersly수와 V/(Ad)에 의존하게 된다. 즉, 채널 내의 확산을 증대시키는 주된 무차원수는 두가지이며, 이 두가지는 주파수와 관련된 Womersly 수와 왕복유동크기를 나타내는 V/(Ad)이다.As can be seen from the above equation, once the shape of the channel and the material flowing through the channel are determined, the diffusion increase amount R depends on the Womersly number and V / (Ad). That is, there are two main dimensionless numbers that increase the spread in the channel, both of which are the Womersly number associated with the frequency and the V / (Ad) which represents the reciprocating flow size.

따라서, 왕복유동에서 확산 증대량은 주파수 및 왕복유동크기(또는 왕복유동거리)를 증가시킴으로써 향상시킬 수 있다.Therefore, the increase in diffusion in the reciprocating flow can be improved by increasing the frequency and the reciprocating flow size (or reciprocating flow distance).

패시브형 연료전지에의 적용Application to Passive Fuel Cells

상술한 실험 결과는 캐소드 전극이 대기에 노출된 패시브형 연료전지에 적용될 수 있다. 즉, 상술한 왕복유동수단을 이동기기 등에 사용될 수 있는 소형의 패시브형 연료전지에 적용함으로써, 연료전지의 출력이 불안정한 종래 연료전지의 문제점을 해결할 수 있다.The above experimental results can be applied to the passive fuel cell in which the cathode electrode is exposed to the atmosphere. That is, by applying the above-mentioned reciprocating flow means to a small passive fuel cell that can be used in a mobile device or the like, it is possible to solve the problem of the conventional fuel cell in which the output of the fuel cell is unstable.

도 5는 캐소드 전극이 대기에 노출되어 있는, 소위 플래너 타입(planar type)의 패시브형 연료전지에 왕복유동수단(30)이 구비된 본 발명에 따른 패시브형 연료전지(100)의 개략도이며, 도 6은 그 측면도이다.FIG. 5 is a schematic diagram of a passive fuel cell 100 according to the present invention in which a reciprocating flow means 30 is provided in a so-called planar type passive fuel cell in which a cathode electrode is exposed to the atmosphere. 6 is a side view thereof.

도 5 및 도 6을 참고하면, 패시브형 연료전지(100)는 전해질막(1) 양측에 애노드 전극(3) 및 캐소드 전극(2)이 형성된 막전극어셈블리(4)와, 애노드 전극에 접하는 분리판(5b)과, 이들을 밀착고정시키는 한쌍의 막음판(8a, 8b)을 포함하여 구성된다. 그리고, 캐소드 전극 측에 위치하는 막음판(8a)에는 공기유로(7)가 관통 형성되어, 캐소드 전극(2)이 대기중에 노출되어 있다.5 and 6, the passive fuel cell 100 includes a membrane electrode assembly 4 having an anode electrode 3 and a cathode electrode 2 formed on both sides of an electrolyte membrane 1, and a contacting anode electrode. The board | substrate 5b and a pair of blocking plates 8a and 8b which fix and fix these are comprised. The air passage 7 is formed through the blocking plate 8a positioned on the cathode electrode side, and the cathode electrode 2 is exposed to the atmosphere.

이 공기유로(7)를 통해 캐소드 전극에 공기가 자연유입되어 수소와 함께 전기화학적 반응이 이루어져 전기 에너지가 생성된다.Air flows naturally into the cathode electrode through the air passage 7, and an electrochemical reaction is performed with hydrogen to generate electrical energy.

도 5에 도시된 공기유로(7)는 사각형으로 형성되어 있지만, 공기유로(7)의 크기, 형태, 및 개수는 이에 한정되지 않으며 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절히 변경될 수 있음은 물론이다.Although the air flow path 7 shown in FIG. 5 is formed in a quadrangle, the size, shape, and number of the air flow paths 7 are not limited thereto, and may be appropriately changed by those skilled in the art. Of course.

본 발명에 따른 왕복유동수단(30)은 공기가 자연유입되는 공기유로(7)가 형성된 막음판(8a)에 구비될 수 있다. 이 왕복유동수단(30)은 상술한 바와 같이 유입되는 공기를 왕복유동시켜 연료전지 내부에서 확산을 촉진시키는 역할을 하는 것이다.The reciprocating flow means 30 according to the present invention may be provided in the blocking plate 8a in which the air flow path 7 into which air naturally flows is formed. The reciprocating flow means 30 serves to promote the diffusion in the fuel cell by reciprocating the air introduced as described above.

왕복유동수단(30)은 진동판(31) 및 이 진동판을 가진시키는 가진기(32)를 포함한다. 이러한 왕복유동수단(30)은 자연유입되는 공기를 왕복유동시킬 수 있는 구성이라면 상술한 장치에 한정되지 않음은 물론이다.The reciprocating flow means 30 includes a diaphragm 31 and an exciter 32 for exciting the diaphragm. The reciprocating flow means 30 is not limited to the above-described apparatus as long as it can be configured to reciprocate the naturally introduced air.

진동판(31)은 탄성지지부재(33)에 의해 막음판(8a)에 장착되어 있다. 진동판(31)은 가진기(32)의 입력에 의해 화살표 방향(도 6에 도시됨)으로 진동을 일으키는 판 모양의 부재이다. 진동판(31)의 모양은 원형, 사각형 등 다양한 모양을 가질 수 있다. 이 진동판(31)은 탄성지지부재(33)의 강성에 의해 동일한 가진 입력에 의하더라도 왕복유동거리를 변화시킬 수 있다. 즉, 탄성지지부재(33)의 강성을 낮춤으로써 동일한 가진 입력 하에 왕복유동거리를 증가시킬 수 있다.The diaphragm 31 is attached to the blocking plate 8a by the elastic support member 33. The diaphragm 31 is a plate-like member that causes vibration in the direction of the arrow (shown in FIG. 6) by the input of the exciter 32. The diaphragm 31 may have various shapes, such as a circle and a rectangle. The diaphragm 31 can change the reciprocating flow distance by the same excitation input due to the rigidity of the elastic support member 33. That is, by reducing the rigidity of the elastic support member 33, the reciprocating flow distance can be increased under the same excitation input.

진동판에 가진 입력을 인가시키는 가진기(32)은, 일 예로 진동모터가 될 수 있다. 이 진동모터는 휴대폰 등의 이동기기에 진동출력을 발생시키는 코인형 진동모터 또는 진동모터 일단에 편심자를 부착하여 진동을 발생시키는 편심형 진동모터가 될 수 있다. 왕복유동수단(30)의 왕복유동 주파수는 가진기(32)로 사용되는 진동모터의 회전수를 변화시킴으로써 조절될 수 있다.The exciter 32 for applying an input to the diaphragm may be, for example, a vibration motor. The vibration motor may be a coin-type vibration motor generating vibration output to a mobile device such as a mobile phone or an eccentric vibration motor generating vibration by attaching an eccentric to one end of the vibration motor. The reciprocating flow frequency of the reciprocating means 30 can be adjusted by varying the rotational speed of the vibration motor used as the exciter 32.

이와 같이, 탄성지지부재(33)에 의해 지지되는 진동판(31)을 가진기(32)를 이용하여 가진하므로써 공기유로(7)를 통해 자연유입되는 공기의 연료전지 내에서의 확산 성능을 향상시킬 수 있다.In this way, by using the vibrator 32 having the diaphragm 31 supported by the elastic support member 33, the diffusion performance of the naturally introduced air through the air passage 7 in the fuel cell can be improved. Can be.

진동판의 상하 방향의 왕복이동에 따른 확산 성능을 향상시키기 위해, 진동판의 표면에는 복수개의 돌기(35)가 형성될 수 있다. 즉, 돌기(35)는 캐소드 전극(2) 방향으로 돌출되도록 형성되며, 이 돌기(35)는 공기유로(7)로 유입되는 공기의 양을 증가시킬 뿐 아니라 진동판(31)과 막음판(8a) 사이에 존재하는 공기의 왕복유동을 더욱 촉진시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.In order to improve diffusion performance due to the reciprocating movement of the diaphragm in the vertical direction, a plurality of protrusions 35 may be formed on the surface of the diaphragm. That is, the protrusion 35 is formed to protrude in the direction of the cathode electrode 2, and the protrusion 35 not only increases the amount of air flowing into the air passage 7 but also the diaphragm 31 and the blocking plate 8a. The fuel cell performance can be improved by further promoting the reciprocating flow of air existing between

또한, 진동판은 그 둘레를 따라 캐소드 전극 방향으로 절곡 형성된 공기안내 부재(34)를 더 구비할 수 있다. 이 공기안내부재(34)는 진동판(31)과 막음판(8a) 사이에 위치하는 공기를 밀폐시킴으로써 왕복유동되는 공기의 부피를 증가시켜 확산량을 높일 수 있다.In addition, the diaphragm may further include an air guide member 34 bent in the direction of the cathode electrode along the circumference thereof. The air guide member 34 can increase the volume of the reciprocating air by increasing the volume of air reciprocating by sealing the air located between the diaphragm 31 and the blocking plate 8a.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

도 1은 왕복유동에 따른 확산증대 효과를 살펴보기 위한 실험 장치의 전체적인 개략도이다.1 is an overall schematic diagram of an experimental apparatus for examining the effect of increasing the diffusion according to the reciprocating flow.

도 2는 도 1에 사용된 연료전지의 분리판 및 막전극어셈블리의 분해도이다.FIG. 2 is an exploded view of a separator and a membrane electrode assembly of the fuel cell used in FIG. 1.

도 3 및 도 4는 왕복유동수단이 구비된 연료전지 성능을 실험한 그래프이다.3 and 4 are graphs illustrating the performance of a fuel cell equipped with a reciprocating flow means.

도 5는 왕복유동수단이 구비된 본 발명의 일 실시예에 따른 패시브형 연료전지의 개략도이다.5 is a schematic view of a passive fuel cell according to one embodiment of the invention with reciprocating flow means.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 패시브형 연료전지의 개략 측면도이다.6 is a schematic side view of a passive fuel cell according to an embodiment of the present invention.

Claims (7)

삭제delete 애노드 전극과 캐소드 전극이 각각 양측에 구비된 전해질막을 포함하는 막전극어셈블리 및 상기 캐소드 전극에 대면하게 위치하며, 상기 캐소드 전극이 대기에 노출되도록 공기유로가 관통 형성된 막음판을 포함하는 패시브형 연료전지에 있어서,A passive fuel cell comprising a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane having an anode electrode and a cathode electrode disposed on both sides thereof, and a cathode plate disposed to face the cathode electrode and having an air passage penetrating so that the cathode electrode is exposed to the atmosphere. To 상기 막음판에는 상기 공기유로 측으로 자연유입되는 공기를 왕복유동시키는 왕복유동수단이 구비되어 있고,The blocking plate is provided with a reciprocating flow means for reciprocating the air flowing into the air flow path side, 상기 왕복유동수단은 탄성지지부재를 통해 상기 막음판에 장착된 진동판 및 상기 진동판을 가진시키는 가진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지.The reciprocating flow means includes a diaphragm having an oscillating plate and the diaphragm mounted on the blocking plate via an elastic support member. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 왕복유동수단은 왕복유동주파수 및 왕복유동거리 중 적어도 하나 이상이 조절되도록 구성된 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지.The reciprocating flow means is a passive fuel cell, characterized in that configured to adjust at least one or more of the reciprocating flow frequency and reciprocating flow distance. 삭제delete 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 진동판에는 상기 캐소드 전극 방향으로 돌출된 복수개의 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지.Passive fuel cells, characterized in that the diaphragm is formed with a plurality of protrusions protruding toward the cathode electrode. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 진동판은 그 둘레의 일부 또는 전부를 따라 상기 캐소드 전극 방향으로 절곡형성된 공기안내부재를 더 구비한 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지.The diaphragm further includes an air guide member bent toward the cathode electrode along a part or the whole of the diaphragm. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 가진기는 진동모터인 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지.The exciter is a passive fuel cell, characterized in that the vibration motor.
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