KR101014800B1 - Cylinder-type Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell with Flowfield - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원통형상을 가지고 나선형의 유로를 구비함으로써 전류 및 전압 손실을 최소화하는 고분자 전해질막 연료전지에 관한 것이다. 본 발명은 외주면에 연료유체가 흐를 수 있는 요철 형태의 애노드 유로를 구비하는 원통형의 애노드 중심부와, 상기 애노드 중심부를 둘러싸는 막전극 접합체와, 상기 막전극 접합체를 둘러싸고 외부 공기가 막전극 접합체와 접할 수 있는 캐소드 개구를 구비하는 원통형의 캐소드 지지부를 포함하는 원통형 고분자 전해질막 연료전지이다. 본 발명에 따른 고분자 전해질막 연료전지에 의할 경우, 막전극 접합체 내부의 저항은 물론 막전극 접합체와 캐소드 지지부 또는 애노드 중심부 간의 접촉저항을 감소시킬 수 있다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane fuel cell having a cylindrical shape and having a spiral flow path to minimize current and voltage losses. The present invention provides a cylindrical anode center having an uneven anode flow path through which a fuel fluid can flow on an outer circumferential surface thereof, a membrane electrode assembly surrounding the anode center, and external air surrounding the membrane electrode assembly to contact the membrane electrode assembly. A cylindrical polymer electrolyte membrane fuel cell comprising a cylindrical cathode support having a cathode opening. In the case of the polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention, the resistance in the membrane electrode assembly as well as the contact resistance between the membrane electrode assembly and the cathode support or the anode center can be reduced.

원통형 연료전지, 고분자 전해질막 연료전지, PEMFC, 나선형 유로 Cylindrical fuel cell, polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC, spiral channel

Description

유로를 구비한 원통형 고분자 전해질막 연료전지 {Cylinder-type Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell with Flowfield}Cylindrical polymer electrolyte membrane fuel cell with flow channel {Cylinder-type Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell with Flowfield}

본 발명은 고분자 전해질막 연료전지, 좀더 자세히는 원통형상을 가지고 나선형의 유로를 구비함으로써 전류 또는 전압 손실을 최소화하는 고분자 전해질막 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane fuel cell, and more particularly, to a polymer electrolyte membrane fuel cell having a cylindrical shape and having a spiral flow path to minimize current or voltage loss.

연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 이는 산업용, 가정용 및 차량구동용 전력의 공급뿐만 아니라, 소형의 전기/전자 제품, 특히 휴대용 장치의 전력공급에도 적용될 수 있다.A fuel cell is a device that produces electrical energy by electrochemically reacting fuel and oxygen, which can be applied not only to supply power for industrial, domestic and vehicle driving, but also for power supply of small electric / electronic products, especially portable devices. have.

연료전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라, 고분자 전해질막 연료전지 (PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 인산 연료전지 (PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지 (MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지 (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 등으로 구분될 수 있다. 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다.The fuel cell is a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), a phosphate fuel cell (PAFC), or a molten carbonate fuel cell (MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell) depending on the type of electrolyte used. ), And solid oxide fuel cells (SOFC). Depending on the electrolyte used, the operating temperature of the fuel cell and the material of the components vary.

고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 연료직접공급형 연료전지 중의 하나로서, 소형 및 경량이어도 높은 출력밀도를 구현할 수 있으며, 나아가, PEMFC를 사용하면 발전 시스템의 구성을 간단하게 할 수 있다.The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is one of fuel direct supply type fuel cells, and can realize high power density even in a small size and light weight. Furthermore, the PEMFC can simplify the construction of a power generation system.

도 1은 종래의 일반적인 고분자 전해질막 연료전지(100)의 구조를 도시하는 도면이고, 도 2는 도 1의 연료전지의 일 구성요소인 지지체와 유로의 형상을 도시하는 도면이다.1 is a view showing the structure of a conventional polymer electrolyte membrane fuel cell 100, and FIG. 2 is a view showing the shape of a support and a flow path as one component of the fuel cell of FIG.

도 1을 참조하면, PEMFC(100)의 기본 구조는 막전극 접합체(130)(MEA: Membrane Electrolyte Assembly)와 이를 양쪽에서 지지하는 애노드 지지체(120) 및 캐소드 지지체(110) 그리고 이들을 바깥에서 지지하는 엔드 플레이트(140)로 구성된다. 종래의 PEMFC(100)는 지지체(110, 120)와 엔드 플레이트(140)가 평면 형태로 구성되는 것이 일반적이다.Referring to FIG. 1, the basic structure of the PEMFC 100 includes a membrane electrode assembly 130 (MEA: Membrane Electrolyte Assembly), an anode support 120 and a cathode support 110 supporting both sides thereof, and an external support thereof. It consists of an end plate 140. In the conventional PEMFC 100, the supports 110 and 120 and the end plate 140 are generally configured in a planar shape.

도 2를 참조하면, 애노드 지지체(120)는 연료인 수소를 공급하여 주는 공급구(124)와 수소가 흐르는 유로(122)와 산화환원 반응에 의하여 생성되는 수소 반응물을 배출시켜 줄 수 있는 배출구(126)가 형성된다. 마찬가지로 캐소드 지지체(110)에는 산화제인 산소를 공급하고 산화환원 반응에 의하여 생성되는 물을 배출시킬 수 있는 구성이 포함된다. 다만 산화제로서 외부 공기에 포함된 산소를 이용하는 PEMFC의 경우, 캐소드 지지체(110)는 외부 공기에 포함된 산소가 막전극 접합체(130)와 용이하게 접할 수 있는 구성, 예를 들어 그리드 구조 또는 일부가 외부에 개방된 구조를 가진다.Referring to FIG. 2, the anode support 120 may include a supply port 124 for supplying hydrogen as a fuel, a flow path 122 through which hydrogen flows, and an outlet port through which a hydrogen reactant generated by a redox reaction may be discharged ( 126 is formed. Similarly, the cathode support 110 includes a configuration capable of supplying oxygen as an oxidant and discharging water generated by the redox reaction. However, in the case of the PEMFC using oxygen contained in the outside air as the oxidant, the cathode support 110 has a configuration in which the oxygen contained in the outside air can easily contact the membrane electrode assembly 130, for example, a grid structure or part thereof. It has an open structure outside.

막전극 접합체(130)는 애노드(연료 전극, 산화 전극), 캐소드(산화제 전극, 환원 전극), 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 폴리머 전해질막으로 구성된다. PEMFC의 애노드에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, PEMFC의 캐소드에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다.The membrane electrode assembly 130 is composed of an anode (fuel electrode, oxide electrode), a cathode (oxidant electrode, a reduction electrode), and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. The anode of the PEMFC is provided with a catalyst layer for promoting the oxidation of the fuel, and the cathode of the PEMFC is provided with a catalyst layer for promoting the reduction of the oxidant.

애노드 지지체(120)와 캐소드 지지체(110)의 바깥쪽으로는 각각 이들을 지지하는 평판형의 엔드 플레이트(140)와 지지체(110, 120)를 고정시키는 결합부(142)가 설치된다. 결합부(142)는 지지체(120)에 형성된 결합구(128)를 통해 지지체(110, 120)와 직접 결합하는 구조로 제작할 수 있다.Outside of the anode support 120 and the cathode support 110 is provided with a flat end plate 140 for supporting them and a coupling part 142 for fixing the supports 110 and 120, respectively. The coupling part 142 may be manufactured to have a structure in which the coupling part 142 is directly coupled to the support members 110 and 120 through the coupling tool 128 formed in the support member 120.

PEMFC의 애노드에 공급되는 연료로서는 통상적으로, 수소, 수소 함유 가스, 메탄올과 물의 혼합 증기, 메탄올 수용액 등이 사용된다. PEMFC의 캐소드에 공급되는 산화제는 통상적으로 산소, 산소 함유 가스 또는 공기이다.As a fuel supplied to the anode of PEMFC, hydrogen, a hydrogen containing gas, the mixed vapor of methanol and water, aqueous methanol solution, etc. are used normally. The oxidant supplied to the cathode of the PEMFC is typically oxygen, an oxygen containing gas or air.

PEMFC의 애노드에서는, 연료가 산화되어 수소이온과 전자가 생성된다. 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드로 전달되며, 전자는 도선(또는 집전체)을 통하여 외부회로(부하)로 전달된다. PEMFC의 캐소드에서는, 전해질막을 통하여 전달된 수소이온, 도선(또는 집전체)을 통하여 외부회로로부터 전달된 전자, 및 산소가 결합하여 물이 생성된다. 이 때, 애노드, 외부회로 및 캐소드를 경유하는 전자의 이동이 곧 전력이다.In the anode of the PEMFC, the fuel is oxidized to produce hydrogen ions and electrons. Hydrogen ions are transferred to the cathode through the electrolyte membrane, and electrons are transferred to the external circuit (load) through the conductor (or current collector). In the cathode of the PEMFC, water is generated by combining hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane, electrons transferred from an external circuit through a conductor (or current collector), and oxygen. At this time, the movement of electrons via the anode, the external circuit and the cathode is power.

PEMFC에 있어서, 폴리머 전해질막은, 애노드로부터 캐소드로의 수소이온의 이동을 위한 이온전도체의 역할을 할 뿐만 아니라, 애노드와 캐소드의 기계적 접촉을 차단하는 격리막(separator)의 역할도 한다. 폴리머 전해질막의 재료로서는, 일반적으로, 불소화 알킬렌으로 구성된 주쇄와 말단에 술폰산기를 갖는 불소화비닐 에테르로 구성된 측쇄를 갖는 술포네이트 고불화 폴리머 (예: Nafion : Dupont사의 상표)와 같은 폴리머 전해질이 사용되고 있다. 이러한 폴리머 전해질막은 적정량의 물을 함습함으로써 우수한 이온 전도성을 발휘하게 된다.In PEMFC, the polymer electrolyte membrane not only functions as an ion conductor for the migration of hydrogen ions from the anode to the cathode, but also serves as a separator that blocks mechanical contact between the anode and the cathode. As the material of the polymer electrolyte membrane, generally, a polymer electrolyte such as a sulfonate high fluorinated polymer having a main chain composed of fluorinated alkylene and a side chain composed of fluorinated vinyl ether having a sulfonic acid group at its terminal (e.g., Nafion: trademark of Dupont) is used. . Such a polymer electrolyte membrane exhibits excellent ion conductivity by impregnating an appropriate amount of water.

도 3은 도 1의 PEMFC(100)에 압력을 가할 때, 그 형상이 변형되는 모습을 도시하는 도면으로서, 막전극 접합체(130)와 지지체(110, 120) 사이에 간극이 발생함을 보여준다.FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which a shape is deformed when a pressure is applied to the PEMFC 100 of FIG. 1, and shows that a gap is generated between the membrane electrode assembly 130 and the supports 110 and 120.

막전극 접합체(130)와 애노드 지지체(120) 또는 캐소드 지지체(110) 사이에 존재하는 접촉 저항을 최소한으로 해야 연료와 산화제의 산화환원 반응으로 인해 발생하는 전력이 손실되지 않는다. 하지만, 지금까지 설명한 일반적인 평판형 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)에 의하면, 결합부(142)에서 엔드 플레이트(140)를 약하게 조이면 막전극 접합체(130)와 지지체(110, 120) 사이의 접촉 압력이 충분하지 않아 전체적으로 접촉 저항이 발생한다. 반면에, 결합부(142)에서 엔드 플레이트(140)를 강하게 조이면 막전극 접합체(130)와 지지체(110, 120) 사이의 중앙 부분에 간극(132)이 생겨 접촉이 충분하게 되지 못하는 문제가 있다.The contact resistance existing between the membrane electrode assembly 130 and the anode support 120 or the cathode support 110 should be minimized so that power generated by the redox reaction of the fuel and the oxidant is not lost. However, according to the general planar polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) described so far, when the end plate 140 is weakly tightened at the coupling portion 142, the contact pressure between the membrane electrode assembly 130 and the supports 110 and 120 is reduced. This is not enough and the overall contact resistance occurs. On the other hand, if the end plate 140 is firmly tightened at the coupling part 142, a gap 132 is formed in the central portion between the membrane electrode assembly 130 and the supports 110 and 120, thereby preventing contact. .

이러한 문제를 해결하기 위해 엔드 플레이트(140) 내지 지지체(110, 120)를 두껍게 하는 시도가 있으나, 이로 인해 연료전지 전체의 부피와 무게가 증가하는 단점이 나타나게 된다. 또한 자연대류하는 외부 공기를 산화제로 사용하는 연료전지의 경우, 지지체(110, 120)를 두껍게 하면 엔드 플에이트(140)와 캐소드 지지체(110)의 두께로 인하여 외부 공기가 막전극 접합체(130)에 접하기 어려워지는 문제도 발생한다.In order to solve this problem, there are attempts to thicken the end plates 140 to the supports 110 and 120, but this causes a disadvantage in that the volume and weight of the entire fuel cell are increased. In addition, in the case of a fuel cell using natural convection external air as an oxidizing agent, when the supports 110 and 120 are thickened, the external air is prevented due to the thickness of the end plate 140 and the cathode support 110. There is also the problem of being difficult to access.

또한 종전의 평판형 고분자 전해질막 연료전지(100)에 있어서는 유로가 급격히 꺾이는 굴곡점(123)(도 2 참조)이 존재하여 유로 내의 연료기체의 압력 손실이 발생하고 연료기체의 흐름이 저하되며 수증기가 응결하여 물이 생성되는 문제가 있다.Also, in the conventional flat polymer electrolyte membrane fuel cell 100, there is a bending point 123 (see FIG. 2) in which the flow path is sharply bent so that pressure loss of the fuel gas in the flow path occurs, the flow of the fuel gas is reduced, and the water vapor is reduced. There is a problem that water is generated by condensation.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 고분자 전해질막 연료전지를 원통형으로 설계하여 막전극 접합체에 균일한 압력을 가함으로써, 막전극 접합체에 충분한 접촉 압력을 가하면서도 간극이 생기는 것을 방지하여 접촉저항을 방지하여, 발생 전류 내지 전압의 손실을 최소한으로 줄이고자 함에 있다.The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to design a polymer electrolyte membrane fuel cell in a cylindrical shape and apply a uniform pressure to the membrane electrode assembly, thereby creating a gap while applying sufficient contact pressure to the membrane electrode assembly. It is to prevent the contact resistance by preventing the loss, to reduce the loss of the generated current or voltage to a minimum.

또한 엔드 플레이트 또는 지지체의 두께를 줄이면서도 막전극 접합체가 균일한 압력을 받으며 외부 공기와 용이하게 접촉할 수 있는 소형의 고분자 전해질막 연료전지를 제공하고자 한다.In addition, while reducing the thickness of the end plate or the support, to provide a compact polymer electrolyte membrane fuel cell that the membrane electrode assembly receives a uniform pressure and can easily contact the outside air.

또한 유로에 있어서 유로가 급격히 꺾이는 굴곡점을 제거함으로써 유로 내의 연료유체의 압력 손실을 줄이는 한편, 연료유체 및 산화환원반응 생성물의 배출이 용이한 연료 전지를 제공하고자 한다.The present invention also aims to provide a fuel cell in which the pressure loss of the fuel fluid in the flow path is reduced by eliminating the bending point in which the flow path sharply bends in the flow path, and the fuel fluid and the redox reaction product are easily discharged.

본 발명인 원통형 고분자 전해질막 연료전지는, 외주면에 연료유체가 흐를 수 있는 요철 형태의 애노드 유로를 구비하는 원통형의 애노드 중심부와, 상기 애노드 중심부를 둘러싸는 막전극 접합체와, 상기 막전극 접합체를 둘러싸고 외부 공기가 막전극 접합체와 접할 수 있는 캐소드 개구를 구비하는 원통형의 캐소드 지지부를 포함하며, 상기 애노드 중심부는 상기 애노드 유로로 연료유체가 공급되는 공 급구 및 연료유체 반응물이 배출되는 배출구를 구비하는 원통형 고분자 전해질막 연료전지이다.The cylindrical polymer electrolyte membrane fuel cell of the present invention includes a cylindrical anode center having an uneven anode flow path through which a fuel fluid can flow on an outer circumferential surface thereof, a membrane electrode assembly surrounding the anode center, and a membrane electrode assembly surrounding the membrane electrode assembly. A cylindrical cathode support having a cathode opening in which air is in contact with the membrane electrode assembly, the anode center having a cylindrical inlet having a supply port for supplying fuel fluid to the anode flow path and an outlet port for discharging fuel fluid reactants Electrolyte membrane fuel cell.

상기 애노드 유로는 나선형으로 형성되며 상기 캐소드 개구 또한 상기 애노드 유로를 따라 상기 애노드 유로에 대응하는 위치에 나선형으로 형성된다. 상기 캐소드 지지부는 상기 막전극 접합체에 균일한 압력을 가할 수 있는 결합부에 의해 애노드 중심부에 고정되며, 상기 압력은 압력조절기를 통해 자동 또는 수동으로 조절 가능하다.The anode flow passage is formed spirally and the cathode opening is also formed spirally at a position corresponding to the anode flow passage along the anode flow passage. The cathode support is fixed to the center of the anode by a coupling portion that can apply a uniform pressure to the membrane electrode assembly, the pressure can be adjusted automatically or manually through a pressure regulator.

막전극 접합체는 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 폴리머 전해질막으로 구성된다. 애노드에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이, 캐소드에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 각각 구비될 수 있다.The membrane electrode assembly is composed of an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. The anode may be provided with a catalyst layer for promoting the oxidation of the fuel, the cathode may be provided with a catalyst layer for promoting the reduction of the oxidant.

애노드 유로를 흐르는 수소는 막전극 접합체를 사이에 두고 캐소드 개구에 존재하는 외부 공기와 접하게 되므로, 애노드 유로에 흐르는 수소와 캐소드 개구에서 대류하는 공기가 산화환원 반응을 하여 전압을 발생하게 되고 애노드 중심부와 캐소드 지지부를 통해 외부로 전류를 전달한다.Since the hydrogen flowing through the anode flow path comes into contact with the external air present in the cathode opening with the membrane electrode assembly interposed therebetween, the hydrogen flowing through the anode flow path and the convection air in the cathode opening undergo a redox reaction to generate a voltage, It delivers current through the cathode support to the outside.

본 발명에 따른 고분자 전해질막 연료전지에 의할 경우, 막전극 접합체 내부의 저항은 물론 막전극 접합체와 캐소드 지지부 또는 애노드 중심부 간의 접촉저항을 감소시킬 수 있다. 즉, 결합부의 압력 조절을 통하여 막전극 접합체에 균일한 압력을 가함으로써, 막전극 접합체와 애노드 중심부 간에 충분한 접촉 압력을 가하 면서도 간극이 생기는 것을 방지하여 접촉저항을 방지하여, 발생 전류 내지 전압의 손실을 최소한으로 줄일 수 있게 되는 것이다.In the case of the polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention, the resistance in the membrane electrode assembly as well as the contact resistance between the membrane electrode assembly and the cathode support or the anode center can be reduced. That is, by applying a uniform pressure to the membrane electrode assembly by adjusting the pressure of the coupling portion, while maintaining sufficient contact pressure between the membrane electrode assembly and the center of the anode, the gap is prevented from occurring and the contact resistance is prevented, resulting in loss of generated current or voltage. Will be reduced to a minimum.

따라서 본 발명에 의하면, 캐소드 지지부의 두께를 두껍게 하지 않고서도 막전극 접합체에 균일한 압력을 가하는 것이 가능하므로, 막전극 접합체와 외부 공기와의 반응을 좀더 용이하게 하며, 연료전지의 부피와 무게를 감소시킬 수 있다.Therefore, according to the present invention, since it is possible to apply a uniform pressure to the membrane electrode assembly without increasing the thickness of the cathode support portion, the reaction between the membrane electrode assembly and the outside air is made easier, and the volume and weight of the fuel cell can be increased. Can be reduced.

또한 본 발명에 따르면, 엔드 플레이트가 필요가 없게 되고 유로를 입체적인 나선형으로 형성함으로써 연료전지를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라, 유로가 급격히 꺾이지 않게 되어 유로 내의 연료유체의 압력 손실이 감소되므로 연료유체의 흐름이 원활해지고 연료유체 및 산화환원 반응 생성물의 배출이 용이해지는 한편 수증기의 응결도 방지된다.In addition, according to the present invention, the end plate is not necessary, and the flow path is reduced in size by forming the flow path in three-dimensional spiral, as well as miniaturizing the fuel cell and reducing the pressure loss of the fuel fluid in the flow path. This facilitates the discharge of the fuel fluid and the redox reaction product while preventing the condensation of water vapor.

이하, 본 발명인 원통형 고분자 전해질막 연료전지의 구조와 기능의 일 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the structure and function of the cylindrical polymer electrolyte membrane fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 4는 본 발명인 원통형 고분자 전해질막 연료전지(200)의 구조를 도시하는 도면이고, 도 5는 애노드 중심부(220)의 형상을 도시한 도면이며, 도 6은 캐소드 지지부(210)와 결합부(240)의 형상을 도시한 도면이며, 도 7은 도 6의 캐소드 지지부(210)를 펼쳤을 때의 모습을 도시한 도면이다.4 is a view showing the structure of the cylindrical polymer electrolyte membrane fuel cell 200 of the present invention, Figure 5 is a view showing the shape of the center of the anode 220, Figure 6 is a cathode support 210 and the coupling portion ( 240 is a view showing the shape, and FIG. 7 is a view showing a state when the cathode support 210 of FIG. 6 is unfolded.

본 발명인 원통형 고분자 전해질막 연료전지(200)는, 외주면에 연료유체가 흐를 수 있는 요철 형태의 애노드 유로(222)를 구비하는 원통형의 애노드 중심 부(220)와, 애노드 중심부(220)를 둘러싸는 막전극 접합체(230)와, 막전극 접합체(230)를 둘러싸고 외부 공기가 막전극 접합체(230)와 접할 수 있는 캐소드 개구(212)를 구비하는 원통형의 캐소드 지지부(210)를 포함한다. 평판형과는 달리 지지부(110, 120)를 다시 외부에서 감싸는 엔드 플레이트는 생략된다.The cylindrical polymer electrolyte membrane fuel cell 200 of the present invention includes a cylindrical anode center portion 220 having an anode flow passage 222 having an uneven shape through which a fuel fluid can flow on an outer circumferential surface thereof, and surrounding the anode center portion 220. It includes a membrane electrode assembly 230 and a cylindrical cathode support portion 210 having a cathode opening 212 surrounding the membrane electrode assembly 230 and the outside air can contact the membrane electrode assembly 230. Unlike the flat plate type, end plates for wrapping the support parts 110 and 120 from the outside are omitted.

애노드 중심부(220)는 애노드 유로(222)로 연료유체가 공급되는 공급구(224) 및 연료유체 반응물이 배출되는 배출구(226)를 구비하고, 연료유체를 순환시키는 펌프(미도시)와 연결된다.The anode center 220 includes a supply port 224 through which the fuel fluid is supplied to the anode flow path 222 and an outlet port 226 through which the fuel fluid reactants are discharged, and is connected to a pump (not shown) for circulating the fuel fluid. .

상기 캐소드 지지부(210)는 도 7에 도시된 것과 같은 평판 형태로 제작한 후 도 6과 같이 둥글게 형성하여 이를 애노드 중심부(220)를 감싸는 막전극 접합체(230)를 둘러싸면서 고정한다. 캐소드 지지부(210)를 애노드 중심부(220)와 접하도록 고정할 수 있는 결합부(240)가 캐소드 지지부(210)에 구비되며, 결합부(240)는 막전극 접합체(230)에 균일한 압력을 가하는 역할도 수행하게 되고, 그 압력은 결합부(240)의 압력조절기(242)를 통해 자동 또는 수동으로 조절 가능하다.The cathode support 210 is manufactured in the form of a flat plate as shown in FIG. 7, and then rounded as shown in FIG. 6 to surround the membrane electrode assembly 230 surrounding the anode center 220. A coupling part 240 may be provided at the cathode support part 210 to fix the cathode support part 210 to be in contact with the anode center 220, and the coupling part 240 may apply a uniform pressure to the membrane electrode assembly 230. It also serves to apply, the pressure is automatically or manually adjustable through the pressure regulator 242 of the coupling portion 240.

본 발명에 의할 경우, 막전극 접합체(230) 내부의 저항은 물론 막전극 접합체(230)과 캐소드 지지부(210) 또는 애노드 중심부(220) 간의 접촉저항을 감소시킬 수 있다. 즉, 결합하는 압력이 고르게 분포되지 못하는 종래의 평판형 연료전기와는 달리 원통형의 애노드 중심부(220) 및 막전극 접합체(230)에 균일한 압력을 가할 수 있고, 결합부(240)의 압력 조절을 통하여 막전극 접합체(230)에 충분한 접촉 압력을 가하면서도 간극(132, 도 3 참조)이 생기는 것을 방지하여 접촉저항을 최소화함으로써, 발생하는 전류 내지 전압의 손실을 최소한으로 줄일 수 있게 된다.According to the present invention, the resistance in the membrane electrode assembly 230 as well as the contact resistance between the membrane electrode assembly 230 and the cathode support 210 or the anode center 220 can be reduced. That is, unlike conventional flat fuel cells in which the pressure to be coupled is not evenly distributed, a uniform pressure may be applied to the cylindrical anode center 220 and the membrane electrode assembly 230, and the pressure control of the coupling part 240 may be performed. By minimizing the contact resistance by applying a sufficient contact pressure to the membrane electrode assembly 230 through the gap 132 (see FIG. 3), it is possible to minimize the loss of current or voltage generated.

본 발명의 일실시예서는 연료로서 수소를 사용하고, 수소는 공급구(224)를 통해 공급되어 애노드 유로(222)를 통해 흐르는 동안 산화되면서 전압을 발생시키고 남은 수소 또는 산화 생성물은 배출구(226)를 통해 배출된다. 본 발명의 일실시예에 따르면 산화제로는 연료전지(200) 외부의 공기, 즉 캐소드 개구(212)를 통해 막전극 접합체(230)와 접하는 공기 중의 산소를 이용한다. 공기의 자연대류를 이용하는 방식이기 때문에 산화제를 유동시키는 펌프는 생략된다.One embodiment of the present invention uses hydrogen as a fuel, the hydrogen is supplied through the supply port 224 to generate a voltage while being oxidized while flowing through the anode flow path 222 and the remaining hydrogen or oxidation product is discharged 226 Is discharged through. According to an embodiment of the present invention, the oxidant uses air in the outside of the fuel cell 200, that is, oxygen in air contacting the membrane electrode assembly 230 through the cathode opening 212. Since the natural convection of air is used, the pump for flowing the oxidant is omitted.

애노드 유로(222)를 흐르는 수소는 막전극 접합체(230)를 사이에 두고 캐소드 개구(212)에 존재하는 외부 공기와 접하게 되므로, 애노드 유로(222)에 흐르는 수소와 캐소드 개구(212)에서 대류하는 공기가 서로 산화환원 반응을 하여 전압을 발생하게 되고 애노드 중심부(220)와 캐소드 지지부(210)를 통해 외부로 전류를 전달할 수 있게 된다.Hydrogen flowing through the anode flow path 222 is brought into contact with external air present in the cathode opening 212 with the membrane electrode assembly 230 interposed therebetween, so that the condensed hydrogen flows through the anode flow path 222 and the cathode opening 212. Air reacts with each other to generate a redox reaction, thereby generating a voltage and transmitting current to the outside through the anode center 220 and the cathode support 210.

막전극 접합체(230)는 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 폴리머 전해질막으로 구성된다. 애노드에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이, 캐소드에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 각각 구비될 수 있다. 또한 애노드 유로(222)를 흐르는 수소가 새어나가지 않도록 개스킷이 더 포함될 수 있다.The membrane electrode assembly 230 is composed of an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. The anode may be provided with a catalyst layer for promoting the oxidation of the fuel, the cathode may be provided with a catalyst layer for promoting the reduction of the oxidant. In addition, a gasket may be further included so that hydrogen flowing through the anode flow path 222 does not leak.

도 5를 참조하면, 애노드 유로(222)는 나선형으로 형성되며 유로벽(221)에 의해 구분된다. 도 6을 참조하면, 캐소드 개구(212) 또한 애노드 유로(222)를 따라 애노드 유로(222)에 대응하는 위치에 나선형으로 형성되어 그리드(211)에 의해 구분되고, 그에 따라 그리드(211)는 유로벽(221)에 대응하여 위치하게 된다. 본 발명 의 일 실시예에서는 애노드 중심부(220)에 정합표시(228)를 형성하고 그에 대응하여 캐소드 지지부(210)에도 정합표시(218)를 형성하고, 이들을 정합시킴으로써 애노드 유로(222)와 캐소드 개구(212)를 대응시킬 수 있다.Referring to FIG. 5, the anode flow path 222 is formed in a spiral shape and is divided by the flow path wall 221. Referring to FIG. 6, the cathode opening 212 is also spirally formed at the position corresponding to the anode flow path 222 along the anode flow path 222, and is divided by the grid 211, whereby the grid 211 is flow path. It is positioned corresponding to the wall 221. In an embodiment of the present invention, a registration mark 228 is formed at the anode center 220, and a registration mark 218 is also formed at the cathode support portion 210 correspondingly, and the anode flow path 222 and the cathode opening are matched with each other. 212 may be matched.

애노드 유로(222)를 나선형으로 형성하면, 평판형 유로에서 굴곡점(123, 도 2 참조)이 존재하는 것과 달리 유로가 급격히 꺾이는 지점이 존재하지 않아, 유로 내의 연료유체의 압력 손실이 감소될 뿐만 아니라 연료유체의 흐름이 원활해지고 연료유체 및 산화환원반응 생성물의 배출이 용이해지는 한편 수증기의 응결도 방지된다. 또한 평면 상에 유로가 형성되는 종래의 평판형 연료전지와는 다르게, 유로가 입체로 형성됨으로써 작은 부피의 애노드 중심부(220)로도 유로의 용적량, 즉 유로를 흐르는 수소의 양을 확보할 수 있다.When the anode flow path 222 is formed spirally, unlike the bending point 123 (see FIG. 2) in the flat flow path, there is no point where the flow path is sharply bent, thereby reducing the pressure loss of the fuel fluid in the flow path. In addition, the flow of fuel fluid is smooth and the discharge of fuel fluid and redox reaction products is facilitated while condensation of water vapor is also prevented. In addition, unlike the conventional flat fuel cell in which a flow path is formed on a plane, the flow path is formed three-dimensionally, so that the volume of the flow path, that is, the amount of hydrogen flowing through the flow path, can be secured even with the small volume of the anode center 220.

본 발명에 따는 원통형 고분자 전해질막 연료전지(200)에 의하면, 평판형 연료전지와는 달리, 막전극 접합체(230)의 접촉저항을 감소시키기 위해 캐소드 지지부(210)를 두껍게 할 필요가 없으며, 캐소드 지지부(210)를 감싸는 엔드 플레이트도 필요가 없게 된다. 그러므로 연료전지(200)의 부피와 무게를 감소시켜 소형화할 수 있으며, 또한 얇은 캐소드 지지부(210)의 캐소드 개구(212)를 통해 막전극 접합체(230)에 외부 공기가 용이하게 접촉할 수 있게 되어 전력을 극대화할 수 있다.According to the cylindrical polymer electrolyte membrane fuel cell 200 according to the present invention, unlike the planar fuel cell, it is not necessary to thicken the cathode support 210 to reduce the contact resistance of the membrane electrode assembly 230. The end plate surrounding the support 210 is also unnecessary. Therefore, the fuel cell 200 can be miniaturized by reducing the volume and weight of the fuel cell 200, and the outside air can be easily contacted with the membrane electrode assembly 230 through the cathode opening 212 of the thin cathode support 210. The power can be maximized.

지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 수 있다. 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.It has been described so far limited to one embodiment of the present invention, the technology of the present invention can be easily modified by those skilled in the art. Such modified embodiments should be included in the technical spirit described in the claims of the present invention.

도 1은 종래의 일반적인 고분자 전해질막 연료전지의 구조를 도시하는 도면이다.1 is a diagram showing the structure of a conventional polymer electrolyte membrane fuel cell.

도 2는 도 1의 연료전지의 일 구성요소인 지지체와 유로의 형상을 도시하는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating shapes of a support and a flow path that are one component of the fuel cell of FIG. 1.

도 3은 도 1의 연료전지에 압력을 가할 때, 형상이 변형되는 모습을 도시하는 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating how the shape is deformed when pressure is applied to the fuel cell of FIG. 1.

도 4는 본 발명인 원통형 고분자 전해질막 연료전지의 구조를 도시하는 도면이다.4 is a diagram showing the structure of a cylindrical polymer electrolyte membrane fuel cell of the present invention.

도 5는 도 4의 애노드 중심부의 형상을 도시한 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating the shape of an anode center of FIG. 4.

도 6은 도 4의 캐소드 지지부와 결합부의 형상을 도시한 도면이다.6 is a view showing the shape of the cathode support and the coupling portion of FIG.

도 7은 도 6의 캐소드 지지부를 펼쳤을 때의 모습을 도시한 도면이다.7 is a view illustrating a state when the cathode support of FIG. 6 is unfolded.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명> <Description of the symbols for the main parts of the drawings>

210 : 캐소드 지지부 212 : 캐소드 개구210: cathode support 212: cathode opening

220 : 애노드 중심부 214 : 애노드 유로220: center of anode 214: anode euro

226 : 공급구 228 : 배출구226: supply port 228: discharge port

230 : 막전극 접합체 240 : 결합부230: membrane electrode assembly 240: coupling portion

Claims (5)

외주면에 연료유체가 흐르는 요철 형태의 애노드 유로를 구비하는 원통형의 애노드 중심부와, A cylindrical anode center having an uneven anode flow path in which a fuel fluid flows on an outer circumferential surface thereof, 상기 애노드 중심부를 둘러싸는 막전극 접합체와, A membrane electrode assembly surrounding the center of the anode; 상기 막전극 접합체를 둘러싸고 외부 공기가 막전극 접합체와 접하는 캐소드 개구를 구비하는 원통형의 캐소드 지지부를 포함하며, A cylindrical cathode support having a cathode opening surrounding the membrane electrode assembly and having external air contacting the membrane electrode assembly; 상기 애노드 중심부는 상기 애노드 유로로 연료유체가 공급되는 공급구 및 상기 애노드 유로로부터 연료유체와 연료유체의 반응물이 배출되는 배출구를 구비하는 The anode center includes a supply port for supplying fuel fluid to the anode flow path and an outlet port for discharging reactants of the fuel fluid and the fuel fluid from the anode flow path. 고분자 전해질막 연료전지.Polymer electrolyte membrane fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 애노드 유로는 나선형으로 형성된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지.The anode flow path is a polymer electrolyte membrane fuel cell, characterized in that formed in a spiral. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 캐소드 개구는 상기 애노드 유로를 따라 상기 애노드 유로에 대응하는 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지.And the cathode opening is formed at a position corresponding to the anode flow path along the anode flow path. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 캐소드 지지부는 상기 막전극 접합체에 균일한 압력을 가하는 결합부에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지.The cathode support portion is a polymer electrolyte membrane fuel cell, characterized in that coupled by the coupling portion for applying a uniform pressure to the membrane electrode assembly. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 압력은 압력조절기에 의하여 조절 가능한 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지.The pressure is a polymer electrolyte membrane fuel cell, characterized in that adjustable by the pressure regulator.
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