KR101052340B1 - Fuel cell separator for high temperature pemfc with reform and combustion channel - Google Patents

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박구곤
김민진
최영우
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양태현
윤영기
이원용
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Abstract

PURPOSE: A fuel cell separator for high temperature PEMFC including reform and combustion channels is provided to simplify the configuration of a fuel cell system since separate outside reformer or cooler are unnecessary by reforming the cell using the reaction heat inside the fuel cell. CONSTITUTION: A fuel cell separator for high temperature PEMFC including reform and combustion channels comprises a first separator(100), a second separator(200), and a third separator(300). The first separator is closely attached to one side of a membrane electrode assembly(MEA) and forms a firing channel(400). The second separator is closely attached to one side of the first separator and forms a combustion channel(500). The third separator is closely attached to one side of the second separator and forms a reforming channel(600). The other side of the third separator is closely attached to the other membrane electrode assembly and forms an air channel(700).

Description

개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판 {FUEL CELL SEPARATOR FOR HIGH TEMPERATURE PEMFC WITH REFORM AND COMBUSTION CHANNEL}High temperature polymer electrolyte fuel cell separator including reforming and combustion channel {FUEL CELL SEPARATOR FOR HIGH TEMPERATURE PEMFC WITH REFORM AND COMBUSTION CHANNEL}

본 발명은 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온용 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 분리판의 내부에 개질채널과 연소채널을 형성하여 별도의 외부 개질기, 냉각장치 및 예열장치 등이 필요하지 않아 고온용 연료전지 시스템의 구성을 간단히 할 수 있으며, 초기 시동이 용이하고 에너지를 절감할 수 있는 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판에 관한 것이다.
The present invention relates to a high temperature polymer electrolyte fuel cell separator including a reforming and combustion channel, and more particularly, to form a reforming channel and a combustion channel inside a high temperature polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) separator. High temperature polymer electrolyte fuel cell separator including reforming and combustion channels for easy initial start-up and energy saving can be simplified because reformer, cooling device and preheating device are not needed. It is about.

일반적으로 연료전지(Fuel Cell)는 수소의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 발전장치로서, 기존의 다른 화학에너지와는 달리 부산물로 배출되는 것이 오직 물(H20)뿐고 NOx, SOx 및 분진이 거의 없으며, CO2 발생량 감소 및 소음이 거의 없어 차세대 대체 에너지로 각광받고 있다.In general, a fuel cell is a power generator that converts chemical energy by oxidation and reduction of hydrogen into electrical energy. Unlike other conventional chemical energy, only fuel (H 2 0) is discharged as a by-product and NOx , SOx and dust rarely, CO 2 emissions reduction and noise is almost not spotlighted as a next-generation alternative energy.

연료전지는 기본적으로 전해질이 함유된 전해질판, 연료극(anode), 공기극(cathode) 및 이를 분리하는 분리판 등으로 구성된 단위전지(cell)로 이루어진다. 그러나 단위전지에서는 통상적으로 0.6~0.8V의 낮은 전압이 생성되므로 이 단위전지를 수십장 또는 수백장 적층한 스택(stack)으로 구성하여 원하는 전기 출력을 얻게 된다. 그리고 상기의 전해질이 함유된 전해질판, 연료극 및 공기극을 일체형으로 구성한것이 막-전극 접합체(MEA)이며 이를 분리하는 분리판에는 패턴이 형성되어 있어 각각 연료와 공기가 흐를 수 있도록 되어있다.The fuel cell basically consists of a unit cell composed of an electrolyte plate containing an electrolyte, an anode, a cathode, and a separator separating the same. However, since a unit cell typically generates a low voltage of 0.6 to 0.8 V, the unit cell is composed of a stack of several tens or hundreds of sheets to obtain a desired electrical output. In addition, the electrolyte plate containing the electrolyte, the fuel electrode and the air electrode are integrally formed as a membrane-electrode assembly (MEA), and a separator is formed on the separating plate to allow fuel and air to flow, respectively.

또한, 연료전지에 사용되는 연료로는 천연가스, 석유, 석탄가스 및 메탄올 등 다양하며 이는 연료 개질장치를 통해 수소로 전환하여 사용된다.In addition, the fuel used in the fuel cell is various, such as natural gas, petroleum, coal gas and methanol, which is used to convert to hydrogen through a fuel reformer.

이때 연료의 개질반응은 흡열 반응으로 높은 온도에서 이루어지며 이를 위해 버너 또는 촉매산화방식의 열원과 같은 열 공급장치를 필요로 한다. 특히 수증기를 이용한 연료 개질장치는 수증기를 공급할 수 있도록 별도의 장치가 구성되어야 한다. 즉, 연료의 개질을 위해 별도의 개질장치가 필요하며 이를 위한 에너지 소모가 많다는 문제점이 있다.At this time, the reforming reaction of the fuel is an endothermic reaction at a high temperature, and requires a heat supply device such as a burner or a catalytic heat source. In particular, a fuel reformer using steam must have a separate device configured to supply steam. That is, a separate reforming device is required for reforming the fuel, and there is a problem in that energy consumption for this is high.

그리고 전해질은 수소 이온만을 선택적으로 통과시키는 매개체로서, 이중 고온에서 내구성을 지니는 PBI와 같은 고분자 이온교환막에 인산을 충진시킨 고분자 재료를 전해질로 사용하는 것이 고온용 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 이며, 일반적인 고분자전해질 연료전지는 작동온도가 상온에서 80℃ 정도의 범위인데 반해, 특별히 150~200℃ 근처의 비교적 높은 작동 온도를 갖는 것이 고온용 고분자전해질 연료전지이다.The electrolyte is a medium for selectively passing only hydrogen ions, and a high-temperature polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is a polymer material filled with phosphoric acid in an ion exchange membrane such as PBI, which is durable at high temperatures. The polymer electrolyte fuel cell is a high temperature polymer electrolyte fuel cell having a relatively high operating temperature of about 150 ~ 200 ℃, while the operating temperature is in the range of about 80 ℃ at room temperature.

그러므로 고온용 고분자전해질 연료전지는 수소와 산소의 산화환원 전기화학 반응시 고열이 발생하게 되므로 냉각을 위한 별도의 냉각장치가 필요하게 된다.Therefore, the high temperature polymer electrolyte fuel cell requires a separate cooling device for cooling because high heat is generated during the redox electrochemical reaction of hydrogen and oxygen.

그리고 고온형 고분자전해질 연료전지의 초기 시동시 일정 온도 이상으로 예열할 수 있는 예열장치가 필요하여 시동 시간이 길어지는 문제점이 있다.In addition, a preheating device capable of preheating a predetermined temperature or more during the initial startup of the high temperature polymer electrolyte fuel cell has a problem in that the startup time is long.

도 1은 종래의 외부개질형 고온용 고분자전해질 연료전지 시스템을 나타낸 구성도이다. 1 is a block diagram showing a conventional external reforming high temperature polymer electrolyte fuel cell system.

도 1과 같이 외부개질형 고온용 고분자전해질 연료전지 시스템은 연료 공급장치(10) 연료의 개질을 위해 개질기(20) 및 열 공급장치(30)가 구성되고 열교환장치(40)를 거쳐 개질된 가스를 승온하여 연료전지 스택(50)의 연료극(51) 유로로 개질된 연료를 공급한다.As shown in FIG. 1, the externally reformed high temperature polymer electrolyte fuel cell system includes a reformer 20 and a heat supply device 30 for reforming a fuel supply device 10 and a gas reformed through a heat exchanger 40. The temperature is raised to supply the reformed fuel to the fuel electrode 51 flow path of the fuel cell stack 50.

그리고 연료전지 스택(50)의 연료극(51)로 연료를 공급하는 동시에, 공기를 공급하도록 공기 공급장치(70)를 구성하여 연료전지 스택(50)의 공기극(53) 유로로 공기를 공급하게 된다. The air supply device 70 is configured to supply fuel to the anode 51 of the fuel cell stack 50 and to supply air to the cathode 53 flow path of the fuel cell stack 50. .

그리고 상기 연료극 배가스 처리장치(60)는 상기 연료극(51)을 통과하며 반응하지 않은 연료를 연소시키는 장치이다.The anode exhaust gas treatment device 60 is a device for burning fuel that has not reacted while passing through the anode 51.

또한, 상기 연료전지 스택(50)에서 발생되는 전류는 전력 변환장치(80)를 통해 직류에서 교류로 변환하여 사용된다.In addition, the current generated in the fuel cell stack 50 is used by converting from direct current to alternating current through the power converter 80.

또한, 상기 공기극(53)을 통과하여 배출되는 배가스는 상기 제1열교환장치(40)를 거쳐 제2열교환장치(41)로 유입되고 상기 제2열교환장치(41)를 통해 회수된 열을 이용하여 온수 등을 공급하게 된다.In addition, the exhaust gas discharged through the cathode 53 is introduced into the second heat exchanger 41 through the first heat exchanger 40 and recovered using the heat recovered through the second heat exchanger 41. Hot water is supplied.

상기와 같이 외부개질형 고온용 고분자전해질 연료전지 시스템은 연료 개질을 위한 장치와, 전기화학 반응시 발생하는 열을 냉각하기 위한 부수적인 장치들이 필요하여 시스템의 구성이 복잡하게 되는 단점이 있다.As described above, the external reforming high temperature polymer electrolyte fuel cell system requires a device for reforming fuel and an additional device for cooling heat generated during an electrochemical reaction, which makes the system complicated.

그리고 도 2와 같이 종래의 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판(90)은 한 쌍으로 구성되어 일측에 연료채널(91)과 반대측에 공기채널(92)이 형성되고 상기 한 쌍의 분리판(90) 사이에 연료전지의 냉각을 위한 냉각 채널(93)이 형성되는 구조로 되어있는 것이 일반적이며, 시동시에는 가열된 냉각용 오일 등을 상기 냉각 채널(930)로 공급하여 연료전지를 운전 온도까지 가열시키고, 그 후 운전이 되면 상기 냉각 채널(93)을 통해 열을 회수하여 운전시의 발열을 조절하게 된다.
As shown in FIG. 2, the conventional high temperature polymer electrolyte fuel cell separator plate 90 is formed in a pair such that an air channel 92 is formed on one side of the fuel channel 91 and the pair of separator plates 90. In general, the cooling channel 93 is formed between the fuel cells to cool the fuel cell, and at start-up, the fuel cell is supplied to the cooling channel 930 by supplying heated cooling oil or the like to the operating temperature. When heated, and then operated, the heat is recovered through the cooling channel 93 to control heat generation during operation.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고온용 연료전지의 분리판에 연료 개질채널을 형성하여 연료전지 내부의 반응열을 이용하여 개질함으로서, 별도의 외부 개질장치와 냉각장치가 필요하지 않아 연료전지 시스템의 구성을 간단하게 하며, 연료의 개질을 위한 에너지의 소모를 줄일 수 있는 개질 및 연소 채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to reform the fuel reforming channel using the reaction heat inside the fuel cell by forming a fuel reforming channel in the separator plate of the high temperature fuel cell It does not require a separate external reformer and cooling device, which simplifies the configuration of the fuel cell system and provides a high temperature polymer electrolyte fuel cell separator including reforming and combustion channels that can reduce energy consumption for fuel reforming. To provide.

또한, 본 발명의 목적은 고온용 고분자전해질 연료전지의 분리판에 연소채널을 형성하여 연료전지의 초기 시동시 별도의 외부 예열장치가 필요 없어 예열시간을 단축시키고 에너지 효율을 향상시킨 개질 및 연소 채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판을 제공하는 것이다.
In addition, an object of the present invention is to form a combustion channel on the separator plate of the high-temperature polymer electrolyte fuel cell does not require a separate external preheating device during the initial start-up of the fuel cell, reforming and combustion channel to shorten the preheating time and improve energy efficiency It is to provide a high temperature polymer electrolyte fuel cell separator comprising a.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 개질 및 연소 채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판은, 고온용 고분자전해질 연료전지의 스택을 구성하는 막-전극 접합체(MEA) 사이에 개재되는 분리판에 있어서,A high temperature polymer electrolyte fuel cell separator including a reforming and combustion channel of the present invention for achieving the above object is interposed between a membrane-electrode assembly (MEA) constituting a stack of a high temperature polymer electrolyte fuel cell. In the separator plate,

막-전극 접합체(MEA)에 일면이 밀착되어 연료채널(400)을 형성하는 제1분리판(100); 상기 제1분리판(100)에 일면이 밀착되어 연소채널(500)을 형성하는 제2분리판(200); 및 상기 제2분리판(200)에 일면이 밀착되어 개질채널(600)을 형성하고 반대쪽 면은 또 다른 막-전극 접합체(MEA)에 밀착되어 공기채널(700)을 형성하는 제3분리판(300); 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.A first separation plate 100 having one surface in close contact with the membrane-electrode assembly MEA to form the fuel channel 400; A second separation plate 200 having one surface in close contact with the first separation plate 100 to form a combustion channel 500; And a third separation plate in which one surface is in close contact with the second separation plate 200 to form a reformed channel 600, and the other side is in close contact with another membrane-electrode assembly (MEA) to form an air channel 700. 300); And a control unit.

또한, 상기 제1분리판(100)은 막-전극 접합체(MEA)와 밀착되는 면에 연료채널(400) 패턴이 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the first separation plate 100 is characterized in that the fuel channel 400 pattern is formed on the surface in close contact with the membrane electrode assembly (MEA).

또한, 상기 제1분리판(100)과 제2분리판(200)이 밀착되어 연소채널(500)을 형성하는 면은 상기 제1분리판(100)과 제2분리판(200)중 적어도 하나 이상의 면에 패턴이 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, at least one of the first separator plate 100 and the second separator plate 200 may be in contact with the first separator plate 100 and the second separator plate 200 to form the combustion channel 500. The pattern is formed on the above surface.

또한, 상기 제2분리판(200)과 제3분리판(300)이 밀착되어 개질채널(600)을 형성하는 면은 상기 제2분리판(200)과 제3분리판(300)중 적어도 하나 이상의 면에 패턴이 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the second separator 200 and the third separator 300 is in close contact with each other to form the reformed channel 600 is at least one of the second separator 200 and the third separator 300. The pattern is formed on the above surface.

또한, 상기 제3분리판(300)은 막-전극 접합체(MEA)와 밀착되는 면에 공기채널(700) 패턴이 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the third separator 300 is characterized in that the air channel 700 pattern is formed on the surface in close contact with the membrane electrode assembly (MEA).

또한, 상기 제1분리판(100)과 제2분리판(200) 사이에 형성된 상기 연소채널(500)에는 연소촉매가 담지되는 것을 특징으로 한다.In addition, a combustion catalyst is supported on the combustion channel 500 formed between the first separation plate 100 and the second separation plate 200.

또한, 상기 제2분리판(200)과 제3분리판(300) 사이에 형성된 상기 개질채널(600)에는 개질촉매가 담지되는 것을 특징으로 한다.In addition, the reforming channel 600 formed between the second separation plate 200 and the third separation plate 300 is characterized in that the reforming catalyst is supported.

또한, 상기 연소촉매는 Pt/Al2O3이 사용되는 것을 특징으로 한다.In addition, the combustion catalyst is characterized in that Pt / Al 2 O 3 is used.

또한, 상기 개질촉매는 Cu/ZnO/Al2O3이 사용되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the reforming catalyst is characterized in that Cu / ZnO / Al 2 O 3 is used.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 개질 및 연소 채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판은 고온용 고분자전해질 연료전지의 분리판에 연료 개질채널을 형성하여 연료전지 내부의 반응열을 이용하여 개질함으로서, 별도의 외부 개질장치와 냉각장치 들이 필요하지 않아 연료전지 시스템의 구성을 간단하게 하며, 연료의 개질을 위한 에너지의 소모를 줄일 수 있는 장점이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, the high temperature polymer electrolyte fuel cell separator including the reforming and combustion channel of the present invention by forming a fuel reforming channel on the separator plate of the high temperature polymer electrolyte fuel cell By reforming using the heat of reaction inside the fuel cell, there is no need for a separate external reformer and a cooling device, thus simplifying the configuration of the fuel cell system and reducing the energy consumption for reforming the fuel.

또한, 본 발명의 목적은 고온용 고분자전해질 연료전지의 분리판에 연소채널을 형성하여 연료전지의 초기 시동시 별도의 외부 예열장치가 필요없어 예열시간을 단축시키고 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
In addition, an object of the present invention is to form a combustion channel on the separator plate of the high-temperature polymer electrolyte fuel cell, eliminating the need for a separate external preheating device at the initial start-up of the fuel cell, thereby reducing preheating time and improving energy efficiency. have.

도 1은 종래의 외부개질형 고온용 고분자전해질 연료전지 시스템을 나타낸 구성도.
도 2는 종래의 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판을 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판의 연료, 공기 등의 흐름을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판을 적용한 연료전지의 초기 시동시 열의 흐름을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판을 적용한 연료전지의 운전시 열의 흐름을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판의 채널의 형태를 나타낸 도면.
1 is a block diagram showing a conventional external reforming high temperature polymer electrolyte fuel cell system.
Figure 2 is a block diagram showing a conventional high temperature polymer electrolyte fuel cell separator.
3 is a block diagram of a high temperature polymer electrolyte fuel cell separator including reforming and combustion channels according to the present invention.
4 is a view showing the flow of fuel, air, etc. of the high temperature polymer electrolyte fuel cell separator plate including reforming and combustion channels according to the present invention.
5 is a view showing the flow of heat during the initial start-up of the fuel cell to which the high-temperature polymer electrolyte fuel cell separator including reforming and combustion channels according to the present invention.
6 is a view showing the flow of heat during operation of the fuel cell to which the high-temperature polymer electrolyte fuel cell separator including reforming and combustion channels according to the present invention.
7 is a view showing the shape of the channel of the high temperature polymer electrolyte fuel cell separator plate including reforming and combustion channels according to the present invention.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의한 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a high temperature polymer electrolyte fuel cell separator including a reforming and combustion channel according to the present invention having the configuration as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 따른 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판의 구성도이다. 3 is a block diagram of a high temperature polymer electrolyte fuel cell separator including reforming and combustion channels according to the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명의 개질 및 연소 채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판은, 고온용 연료전지의 스택을 구성하는 막-전극 접합체(MEA) 사이에 개재되는 분리판에 있어서,As shown, the high temperature polymer electrolyte fuel cell separator including the reforming and combustion channels of the present invention comprises a separator plate interposed between a membrane-electrode assembly (MEA) constituting a stack of high temperature fuel cells.

막-전극 접합체(MEA)에 일면이 밀착되어 연료채널(400)을 형성하는 제1분리판(100); 상기 제1분리판(100)에 일면이 밀착되어 연소채널(500)을 형성하는 제2분리판(200); 및 상기 제2분리판(200)에 일면이 밀착되어 개질채널(600)을 형성하고 반대쪽 면은 또 다른 막-전극 접합체(MEA)에 밀착되어 공기채널(700)을 형성하는 제3분리판(300); 을 포함하여 이루어진다.A first separation plate 100 having one surface in close contact with the membrane-electrode assembly MEA to form the fuel channel 400; A second separation plate 200 having one surface in close contact with the first separation plate 100 to form a combustion channel 500; And a third separation plate in which one surface is in close contact with the second separation plate 200 to form a reformed channel 600, and the other side is in close contact with another membrane-electrode assembly (MEA) to form an air channel 700. 300); It is made, including.

또한, 상기 제1분리판(100)은 막-전극 접합체(MEA)와 밀착되는 면에 연료채널(400) 패턴이 형성된다.In addition, the first separation plate 100 has a fuel channel 400 pattern formed on a surface in close contact with the membrane-electrode assembly MEA.

또한, 상기 제1분리판(100)과 제2분리판(200)이 밀착되어 연소채널(500)을 형성하는 면은 상기 제1분리판(100)과 제2분리판(200)중 적어도 하나 이상의 면에 연소채널(500) 패턴이 형성된다.In addition, at least one of the first separator plate 100 and the second separator plate 200 may be in contact with the first separator plate 100 and the second separator plate 200 to form the combustion channel 500. The combustion channel 500 pattern is formed on the above surface.

또한, 상기 제2분리판(200)과 제3분리판(300)이 밀착되어 개질채널(600)을 형성하는 면은 상기 제2분리판(200)과 제3분리판(300)중 적어도 하나 이상의 면에 개질채널(600) 패턴이 형성된다.In addition, the second separator 200 and the third separator 300 is in close contact with each other to form the reformed channel 600 is at least one of the second separator 200 and the third separator 300. The modified channel 600 pattern is formed on the above surface.

또한, 상기 제3분리판(300)은 막-전극 접합체(MEA)와 밀착되는 면에 공기채널(700) 패턴이 형성된다.In addition, an air channel 700 pattern is formed on a surface of the third separator 300 that comes into close contact with the membrane-electrode assembly MEA.

또한, 상기 제1분리판(100)과 제2분리판(200) 사이에 형성된 상기 연소채널(500)에는 연소촉매가 담지된다.In addition, a combustion catalyst is supported in the combustion channel 500 formed between the first separation plate 100 and the second separation plate 200.

또한, 상기 제2분리판(200)과 제3분리판(300) 사이에 형성된 상기 개질채널(600)에는 개질촉매가 담지된다.In addition, a reforming catalyst is supported on the reforming channel 600 formed between the second separation plate 200 and the third separation plate 300.

또한, 상기 연소촉매는 Pt/Al2O3이 사용되며, 상기 개질촉매는 Cu/ZnO/Al2O3이 사용된다.In addition, Pt / Al 2 O 3 is used as the combustion catalyst, and Cu / ZnO / Al 2 O 3 is used as the reforming catalyst.

이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, each part will be described in more detail.

본 발명의 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판(1000)은 제1분리판(100), 제2분리판(200), 제3분리판(300)이 나란히 결합되어 하나의 분리판(1000)을 형성한다. 그리고 상기 분리판(1000)은 연료전지를 구성하는 막-전극 접합체(MEA) 사이에 개재된다. 즉 상기 분리판(1000)의 바깥쪽 양면인 제1분리판(100)과 제3분리판(300) 각각의 바깥쪽 면이 상기 막-전극 접합체(MEA)와 밀착된다.The high temperature polymer electrolyte fuel cell separator 1000 including the reforming and combustion channels of the present invention includes a first separator plate 100, a second separator plate 200, and a third separator plate 300 coupled side by side. The separator plate 1000 is formed. In addition, the separator 1000 is interposed between the membrane electrode assembly (MEA) constituting the fuel cell. That is, the outer surfaces of each of the first separator plate 100 and the third separator plate 300, which are both outer surfaces of the separator plate 1000, are in close contact with the membrane-electrode assembly MEA.

그리고 상기 제1분리판(100)은 막-전극 접합체(MEA)와 밀착되어 연료채널(400)을 형성하고, 상기 제1분리판(100)과 제2분리판(200)이 밀착되어 연소채널(500)을 형성하고, 상기 제2분리판(200)과 제3분리판(300)이 밀착되어 개질채널(600)을 형성하며, 상기 제3분리판(300)은 막-전극 접합체(MEA)와 밀착되어 공기채널(700)을 형성한다.The first separation plate 100 is in close contact with the membrane-electrode assembly (MEA) to form a fuel channel 400, and the first separation plate 100 and the second separation plate 200 are in close contact with each other. A 500, the second separator 200 and the third separator 300 are in close contact with each other to form a reformed channel 600, and the third separator 300 is a membrane-electrode assembly (MEA). ) In close contact with each other to form an air channel 700.

여기에서 각각의 채널은 연료, 개질 연료 및 공기가 유동되는 경로이다.Each channel here is a path through which fuel, reformed fuel and air flow.

이때, 상기 연료채널(400)은 개질된 연료인 수소가스가 유동되며 전자를 잃는 산화반응을 일으키는 부분으로, 상기 제1분리판(100)이 막-전극 접합체(MEA)와 밀착되는 면에 연료채널(400) 패턴이 형성되어 개질 연료인 수소가스의 유동 경로가 된다. In this case, the fuel channel 400 is a portion of the reformed fuel in which hydrogen gas flows and causes an oxidation reaction in which electrons are lost. A channel 400 pattern is formed to become a flow path of hydrogen gas, which is a reforming fuel.

또한, 상기 연소채널(500)은 연료전지의 초기 시동시 연료가 유입되어 산화반응을 일으켜 연료전지를 가열하는 부분으로, 상기 제1분리판(100)과 제2분리판(200)이 밀착되는 면에 연소채널(500) 패턴이 형성되어 연료의 유동 경로가 된다.In addition, the combustion channel 500 is a portion in which fuel is introduced during an initial start-up of a fuel cell to cause an oxidation reaction to heat the fuel cell, and the first separator plate 100 and the second separator plate 200 are in close contact with each other. The combustion channel 500 pattern is formed on the surface to become a flow path of the fuel.

또한, 상기 개질채널(600)은 연료전지의 연료가 유입되어 수소가스로 전환되는 부분으로, 상기 제2분리판(200)과 제3분리판(300)이 밀착되는 면에 개질채널(600) 패턴이 형성되어 연료의 유동 경로가 된다.In addition, the reforming channel 600 is a portion into which fuel of a fuel cell is introduced and converted into hydrogen gas, and the reforming channel 600 is in close contact with the second separator 200 and the third separator 300. A pattern is formed that is the flow path of the fuel.

또한, 상기 공기채널(700)은 공기가 유입되어 수소 이온과 환원반응을 일으키는 부분으로, 상기 제3분리판(300)이 막-전극 접합체(MEA)와 밀착되는 면에 공개채널(700) 패턴이 형성되어 공기의 유동 경로가 된다.In addition, the air channel 700 is a portion in which air is introduced to cause a reduction reaction with hydrogen ions, and the open channel 700 pattern is formed on the surface where the third separator 300 is in close contact with the membrane-electrode assembly (MEA). Is formed to become a flow path of air.

이때, 상기 연소채널(500)을 형성하는 제1분리판(100)과 제2분리판(200)이 밀착되는 면에 패턴이 형성되는데 상기 제1분리판(100)과 제2분리판(200)중 하나의 면 또는 양면에 패턴을 형성할 수도 있다.In this case, a pattern is formed on a surface in which the first separation plate 100 and the second separation plate 200 forming the combustion channel 500 are in close contact with each other. The first separation plate 100 and the second separation plate 200 are formed. The pattern may be formed on one side or both sides of).

또한, 상기 개질채널(600)을 형성하는 제2분리판(200)과 제3분리판(300)이 밀착되는 면에 패턴이 형성되는데 상기 제2분리판(200)과 제3분리판(300)중 하나의 면 또는 양면에 패턴을 형성할 수도 있다.In addition, a pattern is formed on a surface in which the second separation plate 200 and the third separation plate 300 forming the reforming channel 600 are in close contact with each other, and the second separation plate 200 and the third separation plate 300 are formed. The pattern may be formed on one side or both sides of).

상기 본 발명에 따른 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판(1000)을 이용한 연료전지는 도 3와 같이 막-전극 접합체(MEA) 사이에 개재되며, 상기 막-전극 접합체(MEA)와 번갈아 적층되어 연료전지 스택을 구성하게 된다.The fuel cell using the high temperature polymer electrolyte fuel cell separator 1000 including the reforming and combustion channels according to the present invention is interposed between the membrane-electrode assembly (MEA) as shown in FIG. 3, and the membrane-electrode assembly (MEA). Stacked alternately) to form a fuel cell stack.

우선 고분자전해질 연료전지에 공급되는 수소의 공급원으로는 탄화수소(메탄올, 천연가스, LPG,경유, 등유 등)계 연료가 주로 사용되고 있다. 이들 중, 천연가스나 LPG의 개질은 열량기준 측면에서 메탄올에 비해 저가이므로 다소 대량의 수소가 필요한 가정용 연료전지에 적합하나, 기체 상태 연료의 저장 및 보관이 액체 상태 연료인 메탄올에 비해 상대적으로 어려워 이동식 수소 발생 장치의 연료로는 적합하지 않다. 따라서 소형 이동식 수소 발생 장치의 연료로 상온에서 액체 상태로 저장과 보관이 용이한 메탄올을 현재 널리 사용하고 있다. First, as a source of hydrogen supplied to a polymer electrolyte fuel cell, a hydrocarbon-based fuel (methanol, natural gas, LPG, diesel, kerosene, etc.) is mainly used. Among these, natural gas or LPG reforming is cheaper than methanol in terms of calorie, so it is suitable for domestic fuel cells requiring a large amount of hydrogen, but gaseous fuel storage and storage are relatively difficult compared to methanol, which is a liquid fuel. It is not suitable as a fuel for mobile hydrogen generators. Therefore, methanol, which is easy to store and store in a liquid state at room temperature, is widely used as a fuel for a small portable hydrogen generator.

이러한 메탄올의 개질 방식은 크게 3가지 즉, 수증기 개질법(Steam There are three ways of reforming methanol, namely steam reforming (Steam).

Reforming), 부분 산화법(Partial Oxidation), 자열 개질법(Auto-thermal Reforming, Partial Oxidation, Auto-thermal

Reforming)으로 나눌 수 있다. 각 개질 반응에 대한 화학 반응식은 식 (1) 내지 Reforming). The chemical reaction formula for each reforming reaction is represented by the formula (1) to

(3)과 같다.Same as (3).

수증기 개질법 :Steam reforming method:

CH3OH + H2O = 3H2 + CO2

Figure 112011031136482-pat00001
= +49.4 kJmol-1 (1)CH 3 OH + H 2 O = 3H 2 + CO 2
Figure 112011031136482-pat00001
= +49.4 kJmol -1 (1)

부분 산화법:Partial Oxidation Method:

CH3OH + 1/2O2 =2H2 + CO2

Figure 112011031136482-pat00002
= -192.3 kJmol-1 (2)CH 3 OH + 1 / 2O 2 = 2H 2 + CO 2
Figure 112011031136482-pat00002
= -192.3 kJmol -1 (2)

자열 개질법:Autothermal Reforming:

CH3OH + 3/4H2O + 1/8O2= 11/4H2 + CO2

Figure 112011031136482-pat00003
= -10.95 kJmol-1 (3)CH 3 OH + 3 / 4H 2 O + 1 / 8O 2 = 11 / 4H 2 + CO 2
Figure 112011031136482-pat00003
= -10.95 kJmol -1 (3)

이중 수증기 개질반응은 아래의 두 반응과 달리 식 (1)에서 보는 바와 같이 흡열반응이기 때문에 열관리의 어려움과 시동시간이 길고 반응속도가 느린 단점은 있으나, 다른 2가지 개질 반응에 비해 개질 가스 내 수소의 농도가 상대적으로 높다는 장점을 가지고 있다. Unlike the following two reactions, the steam reforming reaction is endothermic as shown in Equation (1), which has disadvantages of difficulty in thermal management, long start-up time, and slow reaction speed. It has the advantage that the concentration of is relatively high.

그리고 부분 산화 반응은 발열반응으로 시동시간이 짧고 촉매 없이도 반응이 가능하므로 반응속도가 빠르지만, 반응 시 과도한 열 발생으로 인해 코크(coke)가 형성될 수 있고 고온에 견딜 수 있는 재료를 사용해야 되며 이에 따른 냉각이 필요하다는 단점이 있다. And the partial oxidation reaction is exothermic, so the start-up time is short and the reaction can be performed without a catalyst, so the reaction rate is fast. However, coke may be formed due to excessive heat generation during the reaction, and a material that can withstand high temperatures should be used. There is a disadvantage in that cooling is required.

또한, 자열 개질 반응에 의한 개질법은 앞서 설명한 두 개질 반응이 동시에 일어나는 반응으로 부분 산화법의 장점인 시동시간 단축과 수증기 개질법의 장점인 높은 수소 생성률을 얻을 수 있고 또한 코크 발생이 적으며 열관리도 용이하다. 그러나 두 반응 방식을 동시에 적절히 제어하기가 힘들며 반응기 내부에서 과도한 열점(hot spot) 발생으로 인해 반응기 재료에 손상을 줄 수 있다는 단점이 있다.In addition, the reforming method by the autothermal reforming reaction is a reaction in which the two reforming reactions occur at the same time, so that the start-up time, which is an advantage of the partial oxidation method, and a high hydrogen production rate, which is an advantage of the steam reforming method, can be obtained. . However, it is difficult to properly control the two reaction modes simultaneously, and there is a disadvantage that damage to the reactor material may occur due to excessive hot spot generation inside the reactor.

이와 같은 이유로 본 발명에서는 높은 수소 생성률을 얻을 수 있으며, 현재 가장 널리 사용되어 지고 있는 수증기 개질법을 적용하였다.For this reason, in the present invention, a high hydrogen production rate can be obtained, and the steam reforming method which is most widely used is applied.

도 4는 본 발명에 따른 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판의 연료, 개질 연료 및 공기 등의 흐름을 나타내는 도면이다.4 is a view showing the flow of fuel, reforming fuel and air of the high temperature polymer electrolyte fuel cell separator including reforming and combustion channels according to the present invention.

우선, 고온용 연료전지의 시동을 위해서는 연료를 개질하여 수소가스로 전환해야 하므로 상기 개질채널(600)로 연료인 메탄올이 공급되며 동시에 개질반응을 위해 액상의 물이 공급된다. First, in order to start the fuel cell for high temperature, the fuel must be reformed and converted into hydrogen gas, so that methanol, which is a fuel, is supplied to the reforming channel 600 and liquid water is supplied for reforming.

그리고 상기 개질채널(600)에는 개질촉매가 담지되어 연료인 메탄올의 주성분인 탄화수소를 수증기와 반응시켜 수소를 생성하게 된다.The reforming channel 600 is supported with a reforming catalyst to generate hydrogen by reacting a hydrocarbon, a main component of methanol, as a fuel with water vapor.

상기 반응식에서 메탄올은 수증기와 반응하여 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소가 되며, 상기 개질반응의 실험예는 아래와 같다.In the above reaction scheme, methanol reacts with water vapor to form hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide, and an experimental example of the reforming reaction is as follows.

연료인 메탄올의 개질촉매로는 Synetix 사의 ICI 83-3 촉매를 사용하였다. 그리고 상기 개질촉매는 Cu/ZnO/Al2O3로 구성되어 있으며, 저온 수성 전이 반응 촉매로 개발된 것이다. Pallet type의 촉매를 막자사발로 분쇄하여 powder 형태로 만들어 사용했으며, 코팅용 바인더로 알루미나 졸(20wt% Alumina sol(NYACOL AL20DW colloidal alumina, PQ Corporation))을 사용하였다. The reforming catalyst for methanol, a fuel, was used as an ICI 83-3 catalyst from Synetix. The reforming catalyst is composed of Cu / ZnO / Al 2 O 3 and is developed as a low temperature aqueous transfer reaction catalyst. Pallet type catalyst was pulverized with a mortar and used to make powder, and alumina sol (20 wt% Alumina sol (NYACOL AL20DW colloidal alumina, PQ Corporation)) was used as a coating binder.

실험에 사용된 촉매는 Cu/ZnO/Al2O3로 이 촉매는 급격한 온도 변화시 촉매 활성저하가 심한 것으로 알려져 있으므로 반응기 온도는 5℃/min 이하로 증가 시켰다. 수증기 개질 반응에서 메탄올과 증류수 혼합비를 표시하는 방법으로는 증기 대 탄화수소 비(steam to carbon ratio) 혹은 간단히 S/C 비의표현법을 사용하는 것이 일반적이다. 여기서는 메탄올과 증류수를 1 : 1.1의 몰 비로 혼합한 연료를 사용하고 증발기는 충분한 액상의 증발을 위하여 5장의 채널 판을 적층하였으며 개질 반응기는 채널 판 1장당 약 20mg 의 촉매가 코팅된 총 4장의 채널 판을 적층하였다. 이렇게 구성된 미세 채널 증발기와 개질 반응기를 연계하여 전기 열원으로 열을 공급하는 개질 반응 시스템의 성능을 측정하였다. 개질 반응기는 액상 유량이 0.1ml/min일 때 200℃, 220℃, 240℃, 260℃, 280℃ 온도 조건에 대해 각각 실험하였다. 반응 온도 증가에 따라 생성 기체량이 증가하였다. 메탄올 전환율은 공급 메탄올 양에 대해 반응에 의해 전환된 메탄올 양이므로 생성 기체량과 메탄올 전환율은 동일한 경향을 나타내게 된다. S/C비가 1.1인 연료를 0.1 ml/min의 유량으로 공급할 때 260℃의 반응기 온도에서 수소가 포함된 기체가 127 ml/min로 생성되었고, 이때 메탄올 전환율은 85%였다. 기화된 메탄올과 수증기는 Cu/ZnO/Al2O3로 촉매 상에서 수소를 포함하는 기체로 전환되며 수증기 개질에 관여하는 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다.The catalyst used in the experiment was Cu / ZnO / Al 2 O 3 , which is known to have severe catalytic activity deterioration during rapid temperature changes, and the reactor temperature was increased to 5 ° C / min or less. In the steam reforming reaction, it is common to use the steam to carbon ratio or simply the S / C ratio to express the methanol and distilled water mixing ratio. In this case, a fuel mixture of methanol and distilled water is used in a molar ratio of 1: 1.1. The evaporator stacks 5 channel plates for sufficient liquid phase evaporation, and the reforming reactor has 4 channels coated with about 20 mg of catalyst per channel plate. The plates were laminated. The performance of the reforming reaction system supplying heat to the electric heat source was measured by linking the microchannel evaporator and the reforming reactor configured as described above. The reforming reactor was tested for 200 ° C., 220 ° C., 240 ° C., 260 ° C., and 280 ° C. temperature conditions, respectively, when the liquid flow rate was 0.1 ml / min. The amount of product gas increased with increasing reaction temperature. Since the methanol conversion is the amount of methanol converted by the reaction relative to the amount of feed methanol, the amount of product gas and the methanol conversion tend to be the same. When a fuel having an S / C ratio of 1.1 was supplied at a flow rate of 0.1 ml / min, a gas containing hydrogen was generated at 127 ml / min at a reactor temperature of 260 ° C., with a methanol conversion of 85%. Vaporized methanol and steam are converted to a gas containing hydrogen on a catalyst with Cu / ZnO / Al 2 O 3 and the reaction involved in steam reforming can be expressed as follows.

CH3OH + H2O = 3H2 + CO2

Figure 112011031136482-pat00004
= +49.4 kJmol-1 (1)CH 3 OH + H 2 O = 3H 2 + CO 2
Figure 112011031136482-pat00004
= +49.4 kJmol -1 (1)

CH3OH = CO + 2H2

Figure 112011031136482-pat00005
= +92.0 kJmol-1 (2)CH 3 OH = CO + 2H 2
Figure 112011031136482-pat00005
= +92.0 kJmol -1 (2)

CO + H2O = CO2 + H2

Figure 112011031136482-pat00006
= -41.1 kJmol-1 (3)CO + H 2 O = CO 2 + H 2
Figure 112011031136482-pat00006
= -41.1 kJmol -1 (3)

반응식 (1)은 전체 반응에 해당하며 반응식 (2)는 메탄올 분해반응을 나타낸다. 반응식 (3)은 수성가스 전이 반응을 나타낸다. 측정 온도 범위에서 생성기체내의 수소는 74.9 %, 이산화탄소 23 ~ 25 %, 일산화탄소 1 % 이내의 조성을 나타내었다. 생성 기체의 조성이 전체 반응식의 계수비와 비슷한 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 이상의 결과에서 제작된 미세 채널 증발기와 개질 반응기 연계 시스템은 성공적으로 메탄올 수용액을 수소가 포함된 생성물로 전환할 수 있었다.Scheme (1) corresponds to the overall reaction, and scheme (2) represents methanol decomposition. Scheme (3) shows a water gas shift reaction. In the measurement temperature range, hydrogen in the product gas had a composition within 74.9%, carbon dioxide 23-25%, and carbon monoxide 1%. The composition of the product gas was found to have a value similar to the coefficient ratio of the overall reaction equation. The microchannel evaporator and reforming reactor linkage system produced from the above results were able to successfully convert the aqueous methanol solution into a hydrogen-containing product.

그러나 상기한 바와 같이 연료를 개질하여 수소가스로 전환하려면 특정한 온도 이상으로 가열되어야 하므로 상기 개질채널(600)로 연료가 공급되기 전에 상기 연소채널(500)로 연료가 공급되어 개질반응에 필요한 온도로 가열하게 된다.However, as described above, in order to reform the fuel and convert the fuel into hydrogen gas, the fuel must be heated above a specific temperature. Heating.

이때, 상기 연소채널(500)에는 연소촉매가 담지되어 연료가 공급되는 동시에 공기가 공급되어 산화반응을 일으켜 온도를 상승시키는 역할을 한다.At this time, the combustion channel 500 carries a combustion catalyst to supply fuel and air to supply an oxidation reaction to increase the temperature.

그리고 상기 연소촉매는 가연성의 가스 또는 액체 연료와 공기의 산화반응을 일으켜 열을 발생시키는 역할을 한다.The combustion catalyst serves to generate heat by causing an oxidation reaction between combustible gas or liquid fuel and air.

즉, 상기의 연소채널(500)로 연료가 공급되는 동시에 공기가 공급되어 상기 연소촉매에 의해 산화반응을 일으켜 연료전지가 일정온도 이상으로 가열되면 상기 연소채널(500)로의 연료 공급은 중단되고 상기 개질채널(600)로 연료가 공급된다. 그리고 상기 개질채널(600)로 연료가 공급되는 동시에 액상의 물이 공급되고 액상의 연료 및 물은 연소채널에서 발생되는 열에 의하여 기화되어 상기 개질촉매에 의해 개질반응을 일으켜 수소가스가 발생하게 된다.That is, when fuel is supplied to the combustion channel 500 and air is supplied to cause an oxidation reaction by the combustion catalyst and the fuel cell is heated above a predetermined temperature, the fuel supply to the combustion channel 500 is stopped and the Fuel is supplied to the reforming channel 600. In addition, while fuel is supplied to the reforming channel 600, liquid water is supplied, and the liquid fuel and water are vaporized by heat generated in the combustion channel to generate a reforming reaction by the reforming catalyst, thereby generating hydrogen gas.

이때, 상기 연소촉매에 의한 산화반응의 실험예로서, 산화반응(연소반응)에 적용된 반응기는 stainless steel 판에 구멍을 뚫은 cavity 형태의 것과 미세 채널 판을 사용하였고, 상기 연소촉매로는 과잉 용액 함침법을 이용하여 만든 Pt/Al2O3를 사용하였다. In this case, as an experimental example of the oxidation reaction by the combustion catalyst, the reactor applied to the oxidation reaction (combustion reaction) used a cavity type and a microchannel plate punched in a stainless steel plate, the excess catalyst is used as the excess catalyst Pt / Al 2 O 3 made by acupuncture was used.

그리고 연소 연료로 사용된 메탄올과 산소의 반응식은 다음과 같다.And the reaction formula of methanol and oxygen used as combustion fuel is as follows.

CH3OH + 3/2 O2 = CO2 + 2H2O

Figure 112011031136482-pat00007
= -675 kJmol-1 CH 3 OH + 3/2 O 2 = CO 2 + 2H 2 O
Figure 112011031136482-pat00007
= -675 kJmol -1

이와 같이 상기 연소채널(500)에서의 산화반응은 발열반응이며 이때 발생하는 반응열에 의해 연료전지가 가열되어 개질반응을 일으킬 수 있는 온도가 된다.As described above, the oxidation reaction in the combustion channel 500 is an exothermic reaction, and a temperature at which the fuel cell is heated by the reaction heat generated at this time may cause a reforming reaction.

그리하여 개질된 연료인 수소가스는 상기 연료채널(400)로 공급되고 상기 공기채널(700)로는 공기가 공급되어 수소와 산소의 산화환원반응에 의해 전기와 열이 발생하게 된다. 그리고 수소와 산소의 환원반응으로 물(수증기)이 생성되어 공기와 함께 배출된다.Thus, the reformed fuel hydrogen gas is supplied to the fuel channel 400 and air is supplied to the air channel 700 to generate electricity and heat by a redox reaction of hydrogen and oxygen. And water (steam) is produced by the reduction reaction of hydrogen and oxygen is discharged with the air.

이때, 상기 수소와 산소의 산화환원 반응은 발열반응이며, 개질반응은 흡열반응이므로 수소와 산소의 산화환원 반응시 상기 연료채널(400)과 공기채널(700)에서 발생되는 반응열은 상기 개질채널(600)로 전달되고 그 열을 흡수하여 연료의 개질반응이 일어나게 된다.At this time, the redox reaction of hydrogen and oxygen is an exothermic reaction, and the reforming reaction is an endothermic reaction, so the heat of reaction generated in the fuel channel 400 and the air channel 700 during the redox reaction of hydrogen and oxygen is the reformed channel ( 600) and absorb the heat to reform the fuel.

그러므로 상기 연료채널(400)과 공기채널(700)에서 발생되는 열을 개질채널(600)에서 흡수하므로 별도의 냉각장치가 없어도 연료전지가 과열되는 것을 방지하여 적정한 온도를 유지할 수 있다. Therefore, since the heat generated from the fuel channel 400 and the air channel 700 is absorbed in the reforming channel 600, the fuel cell may be prevented from being overheated without a separate cooling device, thereby maintaining an appropriate temperature.

또한, 연료전지에서 발생하는 반응열을 이용하여 개질반응을 일으키므로 열 효율이 향상되는 효과가 있다.In addition, since the reforming reaction is generated using the reaction heat generated in the fuel cell, thermal efficiency is improved.

또한, 연료전지 분리판의 내부에 연소채널과 개질채널을 형성시켜 별도의 외부 개질장치, 냉각장치 및 열 공급장치 등의 부수적인 장치들이 필요하지 않아 연료전지 시스템의 구성을 간단하게 할 수 있는 장점이 있다.In addition, by forming a combustion channel and a reforming channel inside the fuel cell separation plate, an additional device such as an external reformer, a cooling device, and a heat supply device is not required, thereby simplifying the configuration of the fuel cell system. There is this.

도 5 및 6은 본 발명에 따른 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 연료전지 분리판을 적용한 연료전지의 초기 시동 및 운전시 열의 흐름을 나타내는 도면이다.5 and 6 are views showing the flow of heat during the initial start-up and operation of the fuel cell to which the high-temperature fuel cell separation plate including the reforming and combustion channels according to the present invention is applied.

도 5와 같이 연료전지의 초기 시동시 상기 연소채널(500)로 연료와 공기가 공급된다. 그리고 연료와 공기가 연소촉매에 의해 산화반응을 일으켜 열이 발생하며 이 열은 상기 연료채널(400)과 개질채널(600)로 전달된다. As shown in FIG. 5, fuel and air are supplied to the combustion channel 500 at the initial startup of a fuel cell. In addition, fuel and air are oxidized by a combustion catalyst to generate heat, and the heat is transferred to the fuel channel 400 and the reformed channel 600.

이때, 일정온도 이상으로 가열되면 상기 개질채널(600)로 메탄올과 수증기가 공급되고 상기 개질채널(600)로 전달된 열을 흡수하여 개질반응이 일어나기 시작한다. 그리고 상기 개질채널(600)에서 연료의 개질반응이 일어나 상기 연료채널(400)로 개질된 수소 가스가 유입되고 상기 공기채널(700)로 공급되는 공기의 산소와 산화환원 반응이 일어나면 열이 발생한다. At this time, when heated above a predetermined temperature, methanol and water vapor are supplied to the reforming channel 600, and the reforming reaction starts by absorbing heat transferred to the reforming channel 600. In addition, when reforming reaction of the fuel occurs in the reforming channel 600, the reformed hydrogen gas flows into the fuel channel 400, and heat is generated when oxygen and redox reaction of air supplied to the air channel 700 occur. .

그리하여 수소와 산소의 산화환원 반응에 의한 반응열이 도 6과 같이 상기 개질채널(600)로 전달되어 개질반응에 필요한 열량이 공급되므로 정상적인 연료전지의 운전이 가능하게 된다.Thus, the heat of reaction by the redox reaction of hydrogen and oxygen is transferred to the reforming channel 600 as shown in FIG. 6, so that the amount of heat required for the reforming reaction is supplied, thereby enabling normal fuel cell operation.

그리고 상기 개질반응에 필요한 열량은 수소와 산소의 산화환원 반응시 발생되는 열량만으로도 충분하므로 개질반응이 일어나기 시작하면 상기 연소채널(500)로의 연료 공급을 차단하여 연료전지가 과열되지 않도록 해야 한다.Since the amount of heat required for the reforming reaction is sufficient as the amount of heat generated during the redox reaction of hydrogen and oxygen, when the reforming reaction starts, the fuel supply to the combustion channel 500 should be blocked to prevent the fuel cell from overheating.

그리고 상기 연소채널(500)로 연료를 공급하여 연료전지가 일정온도로 가열되면 상기 연소채널(500)로의 연료 공급을 차단하고, 상기 개질채널(600)로 연료를 공급하게 되는데 이를 위해 컨트롤밸브 또는 제어장치를 사용하여 연료의 공급 방향을 제어할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.When the fuel cell is heated to a predetermined temperature by supplying fuel to the combustion channel 500, the fuel supply is cut off to the combustion channel 500, and the fuel is supplied to the reforming channel 600. It is preferable to configure so that a control apparatus can be used to control the supply direction of fuel.

본 발명의 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 연료전지 분리판(1000)은 상기 제1분리판(100), 제2분리판(200) 및 제3분리판(300)의 면에 연료, 개질 연료 및 공기 등이 유동되는 경로인 패턴이 형성되고 막-전극 접합체(MEA)를 지지하는 역할을 하고 산화환원 반응시 발생하는 전자를 전도하며 개질 연료인 수소 가스와 산소가 반응하여 생성되는 물을 배출하여 제거하는 통로 역할을 한다. The high temperature fuel cell separator 1000 including the reforming and combustion channels of the present invention may include fuel and reformed fuel on the surfaces of the first separator plate 100, the second separator plate 200, and the third separator plate 300. And a pattern, which is a path through which air flows, is formed, serves to support the membrane-electrode assembly (MEA), conducts electrons generated during a redox reaction, and discharges water generated by reacting hydrogen gas, which is a reforming fuel, and oxygen. It serves as a passage to remove.

상기 분리판(1000)의 재질로는 금속재질의 분리판을 사용할 수 있는데 산화환원 반응에 대한 안정성이 떨어지지만 강도가 높고 가격이 저렴하며 전기와 열의 전도도가 높다는 장점이 있다. 그리고 흑연재질의 분리판은 가공이 어렵고 가격이 비싸며 깨지기 쉬운 단점이 있으나 전기 전도도가 높고 내화학적 특성이 우수하며 내구성이 좋다는 장점이 있다. 또한, 대량 생산이 용이하여 제조 비용을 줄일 수 있는 플라스틱과 흑연을 혼합한 복합소재 또는 플라스틱, 금속 및 흑연을 혼합한 복합소재의 분리판을 사용할 수도 있다.As the material of the separator 1000, a separator of metal material may be used, but the stability of the redox reaction may be reduced, but the strength is high, the price is low, and the conductivity of electricity and heat is high. In addition, the separation plate of graphite material is difficult to process, expensive, and fragile, but has the advantages of high electrical conductivity, excellent chemical resistance, and durability. In addition, it is also possible to use a composite material of a mixture of plastics and graphite or a composite material of a mixture of plastics, metals and graphite that can be mass-produced to reduce the manufacturing cost.

그러므로 상기 분리판(1000)은 기계적인 강도, 전기 및 열 전도도, 화학적 안정성, 제조 비용, 부식 특성 및 가스 투과성 등의 다양한 특성들을 고려하여 적절한 재질을 선정하는 것이 바람직하다. Therefore, the separator 1000 is preferably selected in consideration of various properties such as mechanical strength, electrical and thermal conductivity, chemical stability, manufacturing cost, corrosion characteristics and gas permeability.

또한, 상기 분리판(1000)은 각각의 채널에 유동되는 연료, 개질 연료 및 공기 등이 서로 각각의 분리판(100, 200, 300)을 통해 투과되지 않아야 하므로 형성되는 패턴의 깊이 및 분리판의 두께와 재질을 적절히 선정해야 한다.In addition, the separator 1000 is because the fuel, reforming fuel and air flowing in each channel should not penetrate each other through each of the separator plates 100, 200, and 300, so that the depth of the pattern and the separator formed The thickness and material should be selected properly.

그리고 상기 분리판(1000)의 패턴은 CNC 가공 등에 의해 형성할 수 있으며 상기 패턴을 통해 흐르는 연료와 공기의 유동 특성 및 연료전지의 성능 등을 고려하여 상기 패턴의 형태를 형성하는 것이 바람직하다.In addition, the pattern of the separating plate 1000 may be formed by CNC machining and the like, and it is preferable to form the pattern in consideration of flow characteristics of fuel and air flowing through the pattern and performance of a fuel cell.

또한, 상기 각각의 분리판(100, 200, 300)이 서로 접하는 면과 상기 막-전극접합체에 접하는 면은 밀착 되었을때 연료, 개질 연료 및 공기 등이 새어나오지 않도록 가스켓을 삽입하거나 밀착면에 가스켓을 일체형으로 형성할 수도 있다.In addition, the surface in which each of the separator plates 100, 200, and 300 is in contact with each other and the surface in contact with the membrane-electrode assembly may be inserted into a gasket or a gasket at a contact surface so that fuel, reformed fuel, and air do not leak when the separator is in contact with each other. It may be formed integrally.

상기 연소채널(500)과 개질채널(600)로 유입되는 연료의 유동 경로가 되는 패턴에는 각각 연소촉매와 개질촉매가 담지된다.A combustion catalyst and a reforming catalyst are respectively supported on the patterns that serve as flow paths of the fuel flowing into the combustion channel 500 and the reforming channel 600.

상기 연소촉매와 개질촉매는 산화환원 반응에 의해 연료를 연소(산화) 및 개질하므로 전기의 전도도가 좋아야 하고 채널에서 촉매층까지 확산이 용이해야 하며 반응성이 좋아야 한다.Since the combustion catalyst and the reforming catalyst burn (oxidize) and reform the fuel by a redox reaction, the conductivity of electricity should be good, the diffusion from the channel to the catalyst layer should be easy, and the reactivity should be good.

또한, 상기 제1분리판(100), 제2분리판(200) 및 제3분리판(300)에는 각각의 패턴에 연결되어 연료, 개질 연료, 공기 등이 유입 또는 배출될 수 있도록 유입구와 유출구가 형성되어야 한다.In addition, the inlet and outlet ports are connected to the first separator plate 100, the second separator plate 200, and the third separator plate 300 so that fuel, reformed fuel, air, or the like can be introduced or discharged. Should be formed.

그리고 상기 패턴은 도 7과 같이 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 상기 패턴의 일측은 유입구와 연결되고 반대측은 유출구와 연결되도록 구성한다.And the pattern can be formed in various forms as shown in Figure 7, one side of the pattern is configured to be connected to the inlet and the other side is connected to the outlet.

상기 패턴의 유입구로 유체가 유입되고 상기 패턴의 형태를 따라 유체가 유동되는 동안 상기 막-전극접합체(MEA)로 유체의 확산 및 대류가 발생하여 화학반응이 일어나게 되며 화학반응 후 남은 유체와 발생된 물 등이 유출구를 통해 배출된다. 그리고 상기 개질채널(600)을 통과하여 생성되는 개질 연료는 연료전지 외부로 배출되지 않고 상기 연료채널(400)의 유입부로 연결되도록 상기 제1분리판(100)과 상기 제2분리판(200)에 통공을 형성하여야 한다.While the fluid flows into the inlet of the pattern and flows along the shape of the pattern, diffusion and convection of the fluid occurs in the membrane-electrode assembly (MEA), resulting in a chemical reaction. Water is discharged through the outlet. The reformed fuel generated through the reformed channel 600 is connected to the inlet of the fuel channel 400 without being discharged to the outside of the fuel cell. A hole should be formed in the.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the scope of application of the present invention is not limited to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, various modifications can be made.

1000 : 본 발명의 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 연료전지 분리판
100 : 제1분리판
200 : 제2분리판
300 : 제3분리판
400 : 연료채널
500 : 연소채널
600 : 개질채널
700 : 공기채널
1000: high temperature fuel cell separator including reforming and combustion channel of the present invention
100: first separator
200: second separator
300: third separator
400: fuel channel
500: combustion channel
600: reforming channel
700: air channel

Claims (9)

고온용 연료전지의 스택을 구성하는 막-전극 접합체(MEA) 사이에 개재되는 분리판에 있어서,
막-전극 접합체(MEA)에 일면이 밀착되어 연료채널(400)을 형성하는 제1분리판(100); 상기 제1분리판(100)에 일면이 밀착되어 연소채널(500)을 형성하는 제2분리판(200); 및 상기 제2분리판(200)에 일면이 밀착되어 개질채널(600)을 형성하고 반대쪽 면은 또 다른 막-전극 접합체(MEA)에 밀착되어 공기채널(700)을 형성하는 제3분리판(300); 을 포함하여 이루어지는 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판.
In the separator plate interposed between the membrane-electrode assembly (MEA) constituting the stack of the fuel cell for high temperature,
A first separation plate 100 having one surface in close contact with the membrane-electrode assembly MEA to form the fuel channel 400; A second separation plate 200 having one surface in close contact with the first separation plate 100 to form a combustion channel 500; And a third separation plate in which one surface is in close contact with the second separation plate 200 to form a reformed channel 600, and the other side is in close contact with another membrane-electrode assembly (MEA) to form an air channel 700. 300); High temperature polymer electrolyte fuel cell separator comprising a reforming and combustion channel comprising a.
제1항에 있어서,
상기 제1분리판(100)은 막-전극 접합체(MEA)와 밀착되는 면에 연료채널(400) 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판.
The method of claim 1,
The first separator 100 is a high-temperature polymer electrolyte fuel cell separator comprising a reforming and combustion channel, characterized in that the fuel channel 400 pattern is formed on the surface in close contact with the membrane electrode assembly (MEA).
제1항에 있어서,
상기 제1분리판(100)과 제2분리판(200)이 밀착되어 연소채널(500)을 형성하는 면은 상기 제1분리판(100)과 제2분리판(200)중 적어도 하나 이상의 면에 연소채널(500) 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판.
The method of claim 1,
The first separator plate 100 and the second separator plate 200 are in close contact with each other to form the combustion channel 500, at least one of the first separator plate 100 and the second separator plate 200. High temperature polymer electrolyte fuel cell separator comprising a reforming and combustion channel, characterized in that the combustion channel 500 pattern is formed in.
제1항에 있어서,
상기 제2분리판(200)과 제3분리판(300)이 밀착되어 개질채널(600)을 형성하는 면은 상기 제2분리판(200)과 제3분리판(300)중 적어도 하나 이상의 면에 개질채널(600) 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판.
The method of claim 1,
The second separator 200 and the third separator 300 is in close contact with each other to form the reformed channel 600 is at least one or more of the second separator plate 200 and the third separator 300. High temperature polymer electrolyte fuel cell separator plate comprising a reforming and combustion channel, characterized in that the reformed channel 600 pattern is formed in.
제1항에 있어서,
상기 제3분리판(300)은 막-전극 접합체(MEA)와 밀착되는 면에 공기채널(700) 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판.
The method of claim 1,
The third separator 300 is a high temperature polymer electrolyte fuel cell separator plate comprising a reforming and combustion channel, characterized in that the air channel 700 pattern is formed on the surface in close contact with the membrane electrode assembly (MEA).
제1항에 있어서,
상기 제1분리판(100)과 제2분리판(200) 사이에 형성된 상기 연소채널(500)에는 연소촉매가 담지되는 것을 특징으로 하는 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판.
The method of claim 1,
The high temperature polymer electrolyte fuel cell separator including a reforming and combustion channel, characterized in that a combustion catalyst is carried in the combustion channel 500 formed between the first separation plate 100 and the second separation plate 200.
제1항에 있어서,
상기 제2분리판(200)과 제3분리판(300) 사이에 형성된 상기 개질채널(600)에는 개질촉매가 담지되는 것을 특징으로 하는 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판.
The method of claim 1,
The reforming channel 600 formed between the second separation plate 200 and the third separation plate 300 is a high temperature polymer electrolyte fuel cell separation plate including a reforming and combustion channel, characterized in that the reforming catalyst is supported.
제6항에 있어서,
상기 연소촉매는 Pt/Al2O3를 비롯하여 탄화수소 연료를 완전 산화할 수 있는 Pt, Pd, Au 등의 귀금속이 Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2 등의 금속산화물 지지체에 담지된 것을 특징으로 하는 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판.
The method of claim 6,
The combustion catalyst includes Pt / Al 2 O 3 and noble metals such as Pt, Pd and Au capable of completely oxidizing hydrocarbon fuels supported on metal oxide supports such as Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2, and the like. A high temperature polymer electrolyte fuel cell separator comprising a reforming and combustion channel.
제7항에 있어서,
상기 개질촉매로는 Cu/ZnO/Al2O3를 비롯하여 Cu계열 혹은 Pd계열의 메탄올 수증기 개질용 촉매가 사용되는 것을 특징으로 하는 개질 및 연소채널을 포함한 고온용 고분자전해질 연료전지 분리판.
The method of claim 7, wherein
The reforming catalyst is a high-temperature polymer electrolyte fuel cell separator comprising a reforming and combustion channel, characterized in that the Cu / ZnO / Al 2 O 3 , Cu- or Pd-based methanol steam reforming catalyst is used.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20100012139A (en) * 2008-07-28 2010-02-08 한국과학기술원 Solid oxide fuel cell system integrated with reformer

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