KR101080310B1 - Separator and fuel cell stack using thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료 전지 스택은 반응 가스 유로 내의 응축수를 용이하게 배출할 수 있도록, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 이 막-전극 어셈블리에 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부를 포함하며, 상기 세퍼레이터에는 반응 가스 유로가 형성되고 상기 반응 가스 유로는 제1 방향으로 이어진 제1 방향 유로와 상기 제1 방향 유로와 연통되고 상기 제1 방향과 교차하는 방향으로 제2방향으로 이어진 제2 방향 유로를 포함하고, 상기 제2 방향 유로의 전체 유로 단면적은 상기 제1 방향 유로의 전체 유로 단면적보다 더 크게 형성된다.The fuel cell stack according to the present invention includes a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly so as to easily discharge the condensed water in the reaction gas flow path. And a reactive gas flow path formed in the separator, wherein the reactive gas flow path communicates with a first direction flow path extending in a first direction and the first direction flow path and crosses the first direction. And a second direction flow path extending in a direction, wherein the total flow path cross-sectional area of the second direction flow path is larger than the total flow path cross-sectional area of the first direction flow path.
연료 전지, 유로, 단면적, 폭, 깊이, 압력 Fuel cell, flow path, cross section, width, depth, pressure
Description
본 발명은 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택용 세퍼레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응 가스 유로의 구조를 개선한 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택용 세퍼레이터에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack and a separator for a fuel cell stack, and more particularly, to a fuel cell stack and a separator for a fuel cell stack having improved structures of a reaction gas flow path.
연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다. A fuel cell is a device that produces electricity electrochemically by using fuel (hydrogen or reformed gas) and oxidant (oxygen or air), and converts fuel and oxidant continuously supplied from outside into electric energy directly by electrochemical reaction. Device.
연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소, 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH), 또는 탄화수소계 연료를 개질하여 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.The oxidant of the fuel cell uses pure oxygen or air containing a large amount of oxygen, and the fuel contains a large amount of hydrogen by reforming pure hydrogen, hydrocarbon fuels (LNG, LPG, CH 3 OH), or hydrocarbon fuels. Use the reformed gas.
이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell), 및 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.These fuel cells are largely divided into polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct oxidation fuel cells (DMFC), and direct methanol fuel cells (DMFC). Can be.
고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체를 포함하며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.The polymer electrolyte fuel cell includes a fuel cell body called a stack, which generates electrical energy through an electrochemical reaction of hydrogen gas supplied from the reformer and air supplied by the operation of an air pump or fan. It is made as a structure. Here, the reformer functions as a fuel treatment apparatus for reforming fuel to generate hydrogen gas from the fuel, and supplying the hydrogen gas to the stack.
직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 직접 메탄올형 연료 전지는 직접 산화형 연료 전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 전지를 말한다.Unlike the polymer electrolyte type fuel cell, the direct oxidation type fuel cell is directly supplied with alcohol, which is a fuel, without using hydrogen gas. The direct energy fuel cell is supplied by the electrochemical reaction of hydrogen contained in the fuel and separately supplied air. It is made as a structure for generating a. The direct methanol fuel cell refers to a cell using methanol as a fuel in a direct oxidation fuel cell.
이하에서는 설명의 편의상 고분자 전해질형 연료 전지를 위주로 설명한다. 고분자 전해질형 연료 전지에 사용되는 막-전극 어셈블리는 수소이온 전도성 고분자 전해질막의 양면에 백금족 금속 등의 금속 촉매를 담지한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층과 이 촉매층의 바깥면에 형성되며 통기성과 전자 도전성을 갖는 가스 확산층으로 구성되며, 가스 확산층은 일반적으로 탄소 종이 또는 탄소 부직포 등으로 이루어진다.Hereinafter, for convenience of description, the polymer electrolyte fuel cell will be described. The membrane-electrode assembly used in a polymer electrolyte fuel cell is formed on both sides of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and includes a catalyst layer mainly composed of a carbon powder carrying a metal catalyst such as a platinum group metal, and an outer surface of the catalyst layer. It consists of a gas diffusion layer having a gas diffusion layer is generally made of carbon paper or carbon nonwoven fabric.
막-전극 어셈블리의 외측에는 막-전극 어셈블리를 기계적으로 지지함과 동시에 인접하는 막-전극 어셈블리를 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성을 갖는 세퍼레이터가 설치되어 단위 셀을 형성한다. 세퍼레이터는 막-전극 어셈블리와 접촉 하는 부분에 전극면에 반응 가스를 공급하고 잉여가스와 반응 생성물을 운반하기 위한 유로를 형성하고 있다. 유로는 세퍼레이터와 별도로 설치될 수도 있지만 세퍼레이터의 표면에 홈 형태로 형성되는 것이 일반적이다.Outside the membrane-electrode assembly, a separator having electrical conductivity for mechanically supporting the membrane-electrode assembly and electrically connecting adjacent membrane-electrode assemblies to each other is provided to form a unit cell. The separator forms a flow path for supplying the reaction gas to the electrode surface and transporting the surplus gas and the reaction product to the portion in contact with the membrane-electrode assembly. The flow path may be provided separately from the separator, but is generally formed in a groove shape on the surface of the separator.
복수 개의 단위 셀은 적층 배열되며 단위 셀의 최외측에는 전류를 추출하기 위한 집전판과 그 외곽에 외부와의 절연을 위한 절연판이 차례로 적층되고, 체결판 및 체결수단을 통해서 고정된다.A plurality of unit cells are arranged in a stack and a current collector plate for extracting current and an insulation plate for insulation from the outside are sequentially stacked on the outermost side of the unit cell, and are fixed through the fastening plate and the fastening means.
연료 전지에 공급된 연료와 산화제는 막-전극 어셈블리에서 전기화학 반응을 통해 물로 변환되며 이 과정에서 전기와 열을 발생시킨다. 미반응 연료와 산화제는 연료 전지 스택 외부로 배출되는데, 전기화학 반응에 사용된 반응 가스량과 공급 가스량의 비율을 가스 이용률이라고 한다.The fuel and oxidant supplied to the fuel cell are converted to water through an electrochemical reaction in the membrane-electrode assembly, which generates electricity and heat. Unreacted fuel and oxidant are discharged out of the fuel cell stack, and the ratio of the amount of reactant gas to the amount of supply gas used in the electrochemical reaction is called gas utilization.
전기화학 반응에서 발생한 열을 배출하기 위하여 하나 또는 수개의 단위 셀 마다 냉각 매체가 유동하는 냉각부가 설치된다. 냉각부는 일 측에 연료가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 연료용 세퍼레이터와, 일 측에 산화제가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 산화제용 세퍼레이터를 서로 부착하는 방법이 많이 사용된다.In order to discharge heat generated in the electrochemical reaction, a cooling unit in which a cooling medium flows is installed every one or several unit cells. The cooling unit includes a fuel separator having a fuel gas flow path on one side and a cooling flow path for the cooling medium on the opposite side, and an oxidant having a cooling flow path for the cooling medium on the opposite side and an oxidant gas flow path on the opposite side. Many methods for attaching the separators to each other are used.
일반적으로 고분자 전해절 연료 전지는 전해질막에서 수소 이온의 전도성을 향상시키기 위하여 반응 가스(연료 및 산화제)를 공급할 때 일정 수준 이상으로 가습해서 공급한다. 한편, 캐소드 측에서는 전기화학 반응에 의해서 물이 생성되기 때문에, 반응 가스의 노점온도가 연료 전지 작동 온도보다 높으면 가스 유로나 전극 내부에서 수증기 응축에 의한 물방울이 발생한다.In general, a polymer electrolyte fuel cell is humidified to a predetermined level or more when a reaction gas (a fuel and an oxidant) is supplied to improve conductivity of hydrogen ions in an electrolyte membrane. On the other hand, since water is generated by the electrochemical reaction on the cathode side, when the dew point temperature of the reaction gas is higher than the operating temperature of the fuel cell, water droplets due to water vapor condensation are generated in the gas flow path or the electrode.
이러한 것을 플러딩(flooding) 현상이라고 하는데, 플러딩 현상은 반응 가스의 불균일한 유동 및 전극에서 반응 가스의 결핍을 유발하여 연료 전지의 성능을 저하시키는 원인이 된다.This is called flooding, which causes a non-uniform flow of reactant gas and a lack of reactant gas at the electrode, causing a decrease in the performance of the fuel cell.
플러딩 현상은 캐소드 전극뿐만 아니라 전해질 막을 통과해 전달된 물에 의해 애노드 전극에서도 발생할 수 있다. 특히 애노드 측에서 이러한 응축수에 의한 가스유로 막힘 현상이 발생한 경우에는 연료가스의 결핍을 초래하고, 이것은 전극의 비가역적 손상을 초래하게 된다.Flooding can occur at the anode electrode as well as at the cathode electrode due to the water transferred through the electrolyte membrane. In particular, when the clogging phenomenon of the gas oil by the condensate occurs on the anode side, it causes a deficiency of fuel gas, which causes irreversible damage of the electrode.
이것은 연료가스가 부족한 상태로 부하전류가 강제로 가해지면 연료가 없는 상태에서 전자와 프로톤을 만들기 위해서 애노드의 촉매를 담지하고 있는 카본이 물과 반응하기 때문이다. 이러한 반응의 결과로 애노드 측 촉매의 손실이 발생하게 되고 유효전극면적의 감소를 초래하여 연료 전지 성능을 저하시킨다.This is because when the load current is forcibly applied due to the lack of fuel gas, the carbon carrying the catalyst of the anode reacts with water to make electrons and protons in the absence of fuel. As a result of this reaction, a loss of the anode side catalyst occurs and a reduction in the effective electrode area leads to a decrease in fuel cell performance.
플러딩 현상을 방지하고 연료 전지 성능을 안정화시키기 위하여 공급하는 반응 가스의 노점온도를 연료 전지 작동온도보다 상당히 낮게 가습하여 공급하기도 하는데, 이 경우 플러딩 현상은 억제할 수 있지만 반응 가스 입구 부근의 전해질 막이 충분히 가습되지 못해 전기화학 반응이 충분히 일어나지 못하며 전해질 막의 수명이 단축되는 문제가 발생한다.In order to prevent flooding and to stabilize fuel cell performance, the dew point temperature of the supplying reaction gas may be humidified to be significantly lower than the operating temperature of the fuel cell. In this case, the flooding phenomenon may be suppressed, but the electrolyte membrane near the reaction gas inlet may be sufficiently There is a problem in that the electrochemical reaction does not occur sufficiently due to the humidification and the life of the electrolyte membrane is shortened.
플러딩 현상을 해소하기 위한 다른 방법으로는, 세퍼레이터의 유로에서 반응 가스의 유속을 빠르게 하여 응축된 물을 배출시키는 방법이 있다. 하지만 이 경우에는 필요 이상의 반응 가스를 연료 전지로 공급해야 하기 때문에 가스 이용률이 낮아지고 반응 가스를 공급하기 위한 송풍기 혹은 팬의 기생전력(parasitic power) 이 크게 증가하는 단점이 있다.Another method for solving the flooding phenomenon is to discharge the condensed water by increasing the flow rate of the reaction gas in the flow path of the separator. However, in this case, the gas utilization rate is lowered and the parasitic power of the blower or the fan for supplying the reactive gas is greatly increased because the reactive gas needs to be supplied to the fuel cell.
플러딩 현상을 해소하기 위한 또 다른 방법으로는, 세퍼레이터 유로의 압력강하를 증가시키기 위해서 다수의 채널이 사형(serpentine)으로 전극면을 지나가는 것이다. 이를 통해서 유로의 압력강하는 크게 증가하며 반응 가스는 전극 및 세퍼레이터 유로에 존재하는 물방울을 외부로 배출할 수 있는 충분한 전단력을 갖게 된다. 하지만 이 역시 반응 가스를 공급하기 위한 송풍기 혹은 팬의 과도한 기생전력이 필요하다는 문제점이 있다.Another way to eliminate the flooding phenomenon is to pass through the electrode surface in serpentine in order to increase the pressure drop in the separator flow path. This greatly increases the pressure drop of the flow path and the reaction gas has a sufficient shear force to discharge the water droplets present in the electrode and the separator flow path to the outside. However, this also has a problem that excessive parasitic power of the blower or fan to supply the reaction gas is required.
특히 소형 발전장치로 유망한 정지형 연료 전지 시스템의 경우 효율을 극대화하기 위하여 주변장치의 기생전력을 최소화시켜야 한다. 따라서 연료 전지로 공급하는 반응 가스의 이용률을 높게 유지하고 반응 가스의 압력강하 역시 최소화 시켜야 한다. Especially in the case of promising stationary fuel cell systems with small power plants, the parasitic power of peripheral devices should be minimized in order to maximize efficiency. Therefore, the utilization rate of the reaction gas supplied to the fuel cell should be maintained high and the pressure drop of the reaction gas should be minimized.
더구나 수소 공급의 문제로 인해 도시가스나 액화석유가스를 원료로 수소를 생산하는 개질기를 내장하여야 하는데 개질기를 포함한 정지형 연료 전지 시스템에서 연료 가스의 유량 및 압력을 짧은 시간에 변동시키는 것은 매우 힘들고 유량 및 압력의 변화로 시스템의 안정성에도 문제가 생긴다.Moreover, due to the problem of hydrogen supply, it is necessary to embed a reformer that produces hydrogen from city gas or liquefied petroleum gas. In stationary fuel cell systems including reformers, it is very difficult to change the flow rate and pressure of fuel gas in a short time. Changes in pressure also create problems with system stability.
따라서 정지형 연료 전지 시스템에서 상술한 플러딩 해결방법과는 별도로 높은 반응 가스 이용률과 낮은 작동 압력에서도 반응 가스를 적절히 제어해서 플러딩 발생을 억제하고 안정적인 성능을 확보할 수 있는 방안이 요구된다.Therefore, in addition to the above-described flooding solution in stationary fuel cell systems, there is a need for a method capable of appropriately controlling the reaction gas even at a high reaction gas utilization rate and a low operating pressure to suppress flooding and ensure stable performance.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 낮은 작동 압력에서도 안정적으로 플러딩 현상을 억제할 수 있는 연료 전지 스택 및 이에 사용되는 세퍼레이터를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack and a separator used therein that can stably suppress flooding even at a low operating pressure.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)와, 이 막-전극 어셈블리에 양면에 각각 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부를 포함하며, 상기 세퍼레이터에는 반응 가스 유로가 형성되고 상기 반응 가스 유로는 제1 방향으로 이어진 제1 방향 유로와 상기 제1 방향 유로와 연통되고 상기 제1 방향과 교차하는 방향으로 제2방향으로 이어진 제2 방향 유로를 포함하고, 상기 제2 방향 유로의 전체 유로 단면적은 상기 제1 방향 유로의 전체 유로 단면적보다 더 크게 형성된다.The fuel cell stack according to an embodiment of the present invention includes an electric generator including a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, the separator being in close contact with each other. A reaction gas flow path is formed in the reaction gas flow path, and the reaction gas flow path includes a first direction flow path extending in a first direction and a second direction flow path communicating with the first direction flow path and extending in a second direction in a direction crossing the first direction. The cross-sectional area of the entire flow path of the second direction flow path is larger than that of the entire flow path of the first direction flow path.
상기 제1 방향 유로에서 반응 가스의 유속은 상기 제2 방향 유로에서 반응 가스의 유속에 비하여 더 큰 값을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 세퍼레이터는 장변과 상기 장변보다 더 작은 길이를 갖는 단변, 및 두께를 갖는 장방형 판으로 이루어지고, 상기 제2 방향 유로는 장변 방향 유로일 수 있으며, 상기 제2 방향 유로는 단변 방향 유로일 수 있다.The flow rate of the reaction gas in the first direction flow path may be formed to have a larger value than the flow rate of the reaction gas in the second direction flow path, and the separator has a long side and a short side having a length smaller than the long side, and a thickness. The second direction flow path may be a long side flow path, and the second direction flow path may be a short side flow path.
상기 세퍼레이터는 가로 방향과 세로 방향을 갖는 장방형 판으로 이루어지고, 제2 방향 유로는 세로 방향 유로이거나 가로 방향 유로일 수 있다.The separator is formed of a rectangular plate having a horizontal direction and a vertical direction, and the second direction flow path may be a vertical flow path or a horizontal flow path.
상기 제2 방향의 중력 방향 벡터 성분은 상기 제1방향의 중력 방향 벡터 성분에 비하여 더 큰 값을 갖도록 구성될 수 있으며, 상기 제2방향은 중력 방향과 평 행한 방향이고 상기 제1 방향은 중력 방향에 수직인 방향일 수 있다.The gravity direction vector component of the second direction may be configured to have a larger value than the gravity direction vector component of the first direction, wherein the second direction is a direction parallel to the gravity direction and the first direction is a gravity direction It may be in a direction perpendicular to.
상기 제2 방향 유로는 상기 제1 방향 유로에 비하여 더 큰 깊이를 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 제2 방향 유로는 상기 제1 방향 유로에 비하여 더 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있다.The second direction flow path may be formed to have a greater depth than the first direction flow path, and the second direction flow path may be formed to have a greater width than the first direction flow path.
상기 제2 방향 유로에는 상기 제2 방향 유로를 분할하는 분할 리브가 설치될 수 있으며, 상기 제1 방향 유로 및 상기 제2 방향 유로는 복수 개로 형성되고, 상기 제1 방향 유로의 각 유로 단면적과 상기 제2 방향 유로의 각 유로 단면적은 동일하게 형성되고, 상기 제 2 방향 유로의 개수는 상기 제1 방향 유로의 개수보다 더 많게 형성된다.Split ribs for dividing the second directional flow path may be provided in the second directional flow path, and the plurality of first directional flow paths and the second directional flow paths may be formed, and a cross-sectional area of each flow path of the first directional flow path may be formed. The cross-sectional area of each flow path of the two-way flow path is the same, and the number of the second direction flow paths is larger than the number of the first direction flow paths.
상기 반응 가스 유로는 두 개의 유로로 나누어지는 분기부를 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 반응 가스 유로는 두 개의 유로가 통합되는 합류부를 갖도록 형성될 수 있다.The reaction gas flow path may be formed to have a branch portion divided into two flow paths, and the reaction gas flow path may be formed to have a confluence portion in which two flow paths are integrated.
상기 반응 가스 유로는 입구 측 전체 유로 단면적 보다 출구 측 전체 유로 단면적이 더 작게 형성될 수 있으며, 상기 반응 가스 유로는 산화제 유로 또는 연료 유로일 수 있다.The reaction gas flow path may be formed to have a smaller cross-sectional area of the exit side flow path than the inlet side flow path, and the reaction gas flow path may be an oxidant flow path or a fuel flow path.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 세퍼레이터는 상기 세퍼레이터에는 반응 가스 유로가 형성되고 상기 반응 가스 유로는 제1 방향으로 이어진 제1 방향 유로와 상기 제1 방향 유로와 연통되고 상기 제1 방향과 교차하는 방향으로 제2방향으로 이어진 제2 방향 유로를 포함하고, 상기 제2 방향 유로의 전체 유로 단면적은 상기 제1 방향 유로의 전체 유로 단면적보다 더 크게 형성된다.In the separator for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, a reaction gas flow path is formed in the separator, and the reaction gas flow path communicates with a first direction flow path and a first direction flow path extending in a first direction, and the first direction. And a second direction flow path extending in the second direction in a direction intersecting with the second flow path, wherein the total flow path cross-sectional area of the second direction flow path is larger than the total flow path cross-sectional area of the first direction flow path.
상기 제2 방향은 상기 제1방향에 비하여 더 큰 중력 방향 벡터 성분을 갖도록 형성될 수 있으며, 상기 제2방향은 중력 방향과 평행한 방향이고 상기 제1 방향은 중력 방향에 수직인 방향일 수 있다. 또한, 상기 제1 방향 유로에서 반응 가스의 유속은 상기 제2 방향 유로에서 반응 가스의 유속에 비하여 더 크도록 형성될 수 있다.The second direction may be formed to have a greater gravity direction vector component than the first direction, the second direction may be a direction parallel to the gravity direction, and the first direction may be a direction perpendicular to the gravity direction. . In addition, the flow rate of the reaction gas in the first direction flow path may be formed to be larger than the flow rate of the reaction gas in the second direction flow path.
상기와 같이 본 발명에 따르면 낮은 압력으로도 반응 가스의 유속을 빠르게 할 수 있으며, 이에 따라 플러딩 현상을 억제하여 발전 성능의 저하 없이 안정적으로 전기 에너지를 생산할 수 있다.As described above, according to the present invention, the flow rate of the reaction gas can be increased even at a low pressure, thereby suppressing flooding and stably producing electrical energy without deteriorating power generation performance.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.1 is an exploded perspective view illustrating a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생산하는 셀(cell) 단위의 전기 생성부(30)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the
각각의 전기 생성부(30)는 전기를 발생시키는 단위 셀을 의미하며, 연료와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode assembly: MEA)(31) 및, 반응 가스인 연료와 산화제를 막-전극 어셈블리(31)로 공급하기 위한 세퍼레이터(당 업계에서는 바이폴라 플레이트라고도 한다.)(separator)(32, 33)를 포함한다.Each of the
이와 같은 전기 생성부(30)를 복수로 구비하고, 이들 전기 생성부(30)을 연속적으로 배치함으로써 전기 생성부(30)의 적층 구조에 의한 연료 전지 스택(100)을 형성할 수 있다.By providing a plurality of such
본 발명에 따른 연료 전지 스택(100)은 통상적인 개질기를 통해 액체 또는 기체 연료로부터 크랙킹(cracking)된 수소를 연료로서 사용할 수 있다. 이 경우 상기 연료 전지 스택(100)은 전기 생성부(30)에 의한 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.The
대안으로서 연료 전지 스택(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 스택(100)은 전기 생성부(30)에 의한 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.Alternatively, the fuel used in the
연료 전지 스택(100)은 연료와 반응하는 산화제로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다.The
막-전극 어셈블리(31)는 고체 폴리머 전해질로 형성된 고분자 전해질막과 고 분자 전해질막의 양면에 배치된 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함한다.The membrane-
세퍼레이터(32, 33)는 막-전극 어셈블리(31)를 사이에 두고 밀착 배치되어, 막-전극 어셈블리(31)의 양측에 각각 연료 유로와 산화제 유로를 형성한다. 이 때 연료 유로가 형성된 세퍼레이터(32)는 막-전극 어셈블리(31)의 애노드 전극 측에 배치되고, 산화제 유로가 형성된 세퍼레이터(33)는 막-전극 어셈블리(31)의 캐소드 전극 측에 배치된다. 그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시켜, 캐소드 전극의 산소와 결합되어 물을 생성시키는 이온 교환을 가능하게 한다 The
위와 같은 복수의 전기 생성부(30)가 연속적으로 배치됨으로써 연료 전지 스택(100)을 구성하게 된다. 여기서 연료 전지 스택(100)의 제일 외각에는 연료 전지 스택(100)을 일체로 고정하는 엔드 플레이트(60)가 설치된다.The plurality of
일측 엔드 플레이트(60)의 상부에는 산화제를 연료 전지 스택(100)으로 공급하기 위한 산화제 주입구(62)와 연료를 연료 전지 스택(100)으로 공급하기 위한 연료 주입구(64), 및 냉각 매체를 주입하기 위한 냉각매체 주입구(63)가 형성된다. 한편, 일측 엔드 플레이트(60)의 하부에는 애노드 전극에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출시키기 위한 연료 배출구(67)와 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분과 미반응 공기를 배출시키기 위한 산화제 배출구(69), 및 냉각 매체가 배출되는 냉각매체 배출구(68)이 형성된다.An
세퍼레이터(32, 33)는 그 일면에 홈과 같은 채널 형상의 반응 가스 유로가 형성되어, 이런 반응 가스 유로를 통해 반응 가스가 유입된다. 여기서 반응 가스 유로라 함은 산화제 유로와 연료 유로를 포함하는 개념이다.The
세퍼레이터(32, 33)는 애노드 세퍼레이터(32)와 캐소드 세퍼레이터(33)로 구분될 수 있다. 캐소드 세퍼레이터(33)는 막-전극 어셈블리(31)를 향하는 일면에 산화제 유로(50)가 형성되고, 이런 산화제 유로로 산소를 함유하는 산화제 가스가 유입된다. 애노드 세퍼레이터(32)는 막-전극 어셈블리(31)를 향하는 일면에 연료 유로가 형성되고, 이런 연료 유로로 수소를 함유하는 연료 가스가 유입된다.The
세퍼레이터(32, 33)은 상기 일면의 반대편에 해당하는 배면에 냉각 유로가 형성될 수 있으며, 이에 따라 전기 에너지와 함께 발생되는 반응열을 제거한다.The
아래에서는 세퍼레이터(32, 33)의 구조에 대해 보다 자세하게 설명한다. 다만, 세퍼레이터(32, 33) 중 애노드 세퍼레이터(32)와 캐소드 세퍼레이터(33)는 대략적으로 동일한 형상의 구조를 가지고 있어서, 캐소드 세퍼레이터(33)를 일례로 설명한다.Below, the structure of the
도 2는 도 1에 도시된 캐소드 세퍼레이터의 부분 사시도이다.FIG. 2 is a partial perspective view of the cathode separator shown in FIG. 1.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드 세퍼레이터(33)은 막-전극 어셈블리(31)를 향하는 일면에 산화제 유로(50)가 형성된다. 이러한 산화제 유로(50)는 복수 개의 채널들로 나누어진다.As shown in FIGS. 1 and 2, the
캐소드 세퍼레이터(33)에는 산화제 주입구(62)와 연통되는 산화제 입구 매니폴드(41)가 일측 코너에 형성되며, 이런 산화제 입구 매니폴드(41)는 산화제 유로(50)로 연결된다. 그리고, 캐소드 세퍼레이터(33)에는 산화제 배출구(69)와 연통되는 산화제 출구 매니폴드(46)가 상기 일측 코너와 대각선으로 마주하는 타측 코너에 형성되며, 이런 산화제 출구 매니폴드(46)도 산화제 유로(50)에 연결된다.The
이와 같은 구조로 인해 산화제 입구 매니폴드(41)를 통해 공급되는 산화제 가스는 산화제 유로(50)로 유입되고, 산화제 유로(50)로부터 산화제 출구 매니폴드(46)로 배출된다. Due to this structure, the oxidant gas supplied through the
산화제 유로는 제1 방향(y축 방향)으로 이어진 제1 방향 유로(52)와 제1 방향 유로(52)에 연통되고 제1 방향과 교차하는 제2 방향(z축 방향)으로 이어진 제2 방향 유로(54)를 포함한다. 여기서 제1 방향은 중력이 작용하는 중력방향에 수직인 방향이며, 제2 방향은 중력방향과 평행한 방향이다.The oxidant flow path is connected to the first
본 실시예와 같이 캐소드 세퍼레이터(33)가 장방형의 사각판으로 이루어지고 장변과 장변보다 더 작은 길이를 갖는 단변, 및 두께를 가질 때, 캐소드 세퍼레이터(33)의 장변이 지면에 대하여 세워지면 단변 방향이 제1 방향이 되고, 장변 방향이 제2 방향이 된다. 또한, 캐소드 세퍼레이터(33)의 단변이 지면에 대하여 세워지면 장변 방향이 제1 방향이 되고, 단변 방향이 제2 방향이 된다. 여기서 장변 방향이라 함은 장변과 평행한 방향을 뜻하며 단변 방향이라 함은 단변과 평행한 방향을 뜻한다.When the
본 실시예에서는 제2 방향이 중력방향과 평행한 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 제2 방향은 제1 방향보다 중력방향 벡터 성분이 더 큰 방향으로 이루어지면 충분하다. 따라서 제2 방향 유로(54)는 제1 방향 유로에 비하여 중력방향과 더 유사한 방향으로 이어져 형성된다.In the present embodiment, the second direction is illustrated as being parallel to the gravity direction, but the present invention is not limited thereto, and the second direction is sufficient if the gravity direction vector component is larger than the first direction. Therefore, the second
제1 방향 유로(52)는 임의의 간격을 두고 제1 방향을 따라 이어져 배치되며, 그 양단이 제2 방향 유로(54)에 의하여 교호적으로 연결되어 산화제 유로는 사행(meander) 형상의 패스로 이루어진다.The first
제1 방향 유로(52) 및 제2 방향 유로(54)는 캐소드 세퍼레이터(33)에서 홈 형태의 채널로 이루어지며, 복수 개의 채널이 무리를 이루어 배치된다. 채널들은 리브들(56)에 의하여 복수개로 나누어 진다. 리브(56)는 채널간에 반응 가스가 섞이지 않도록 구역을 확정하는 기능을 하며 전극과 접촉하여 전기적 통로의 역할도 수행한다.The first
제1 방향 유로(52)와 제2 방향 유로(54)는 동일한 폭으로 이루어지고, 제2 방향 유로(54)의 깊이(h2)는 제1 방향 유로(52)의 깊이(h1)에 비하여 더 크게 형성된다. 이에 따라 제2 방향 유로(54)의 전체 유로 단면적은 제1 방향 유로(52)의 전체 유로 단면적에 비하여 더 크게 형성된다. 여기서 전체 유로 단면적이라 함은 각각의 유로 단면적을 합한 것을 말하며, 제2 방향 유로(54)의 각 유로 단면적이 제1 방향 유로(52)의 각 유로 단면적보다 크게 형성되므로 전체 유로 단면적도 제2 방향 유로(54)가 제1 방향 유로(52)보다 더 크게 된다.The first
이하에서는 본 실시예의 작용에 대해서 설명한다.Hereinafter, the operation of this embodiment will be described.
연료 전지 운전 초기에는 산화제 유로(50) 내부의 노점 온도가 운전 온도보다 낮기 때문에 산화제 유로(50) 내부에 물방울이 존재하지 않으며 전기화학 반응을 통해 생성된 물은 수증기의 형태로 배출되므로 플러딩현상에 의한 성능 감소 문제는 발생하지 않는다.Since the dew point temperature inside the
운전을 지속함에 따라서, 산화제 유로(50) 내부는 포화상태에 도달하고 산화 제 유로(50)와 접하는 기체 확산층의 표면에 물방울이 맺히기 시작한다. 시간이 경과함에 따라 물방울은 계속 성장하게 되고 산화제 유로(50) 내부를 흐르는 산화제 가스의 전단력이 물방울의 항력보다 커지게 되면 물방울은 가스와 함께 유로를 따라서 흐르게 된다.As the operation continues, the inside of the
산화제 유로(50) 내부를 흐르는 산화제의 유량이 충분한 경우, 가스 속도에 의한 전단력이 물방울을 밀어내는데 충분하여 산화제 유로(50) 내부의 수분은 작은 물방울 형태로 산화제와 함께 연료 전지 스택(100) 외부로 배출될 수 있다.When the flow rate of the oxidant flowing inside the
그러나 정지형 연료 전지와 같이 연료 전지 스택의 운전 전류가 크지 않고 높은 반응 가스 이용률을 필요로 하는 경우, 산화제 유로 내부를 흐르는 산화제의 속도가 충분히 빠르지 않아서 산화제의 전단력을 통해 수분을 작은 물방울 형태로 이송시키는 것이 용이하지 않다. 이 경우 산화제 유로(50) 내부의 물방울은 더욱 성장하여 가스 확산층보다 상대적으로 친수성을 띤 분리판의 채널 벽면에 붙어서 수막(water film)을 형성하게 된다. However, if the operating current of the fuel cell stack is not large and requires a high reaction gas utilization rate, such as a stationary fuel cell, the rate of the oxidant flowing through the oxidant flow path is not fast enough to transfer moisture in the form of droplets through the shear force of the oxidant. Is not easy. In this case, the water droplets inside the
산화제 유로(50)의 채널 벽면에 수막이 형성되면 산화제는 주로 유로의 중심을 통해 흐르고 채널 벽면에 수막의 형태로 존재하는 물은 표면장력, 중력 및 반응 가스에 의한 전단력의 상호작용으로 이송된다. 이때 물의 이송을 적절히 제어하지 못하면 수막의 두께는 점점 더 두꺼워 지고 결국은 물에 의해 유로가 막혀 플러딩 현상이 발생하여 산화제의 공급이 불가능하게 된다.When a water film is formed on the channel wall of the
일반적으로 압력손실을 줄이기 위해 느린 유속을 갖는 유로 구성에 있어서, 제1 방향 유로(52)에서는 유속이 낮아서 물방울을 이동시키는데 필요한 전단력이 부족하다. 따라서 산화제 유로(50) 내부의 물방울은 채널 벽면에 달라붙어 수막을 형성하게 되며 시간이 경과하면서 전단력 만으로는 물의 이송이 불충분하여 수막의 두께가 두꺼워지며 채널이 물에 의해 막히게 될 수 있다.In general, in the flow path configuration having a slow flow rate in order to reduce pressure loss, the flow rate is low in the first
이 경우 플러딩 현상이 발생하여 연료 전지 스택의 성능이 떨어지고 불안정해진다. 반면에 제2 방향 유로(54)에서는 수막이 형성되어도 전단력에 부가하여 중력에 의하여 물이 아래로 충분히 흐를 수 있기 때문에 채널이 물에 의해 막힐 가능성은 제1 방향 유로에 비해 훨씬 적어진다.In this case, flooding occurs and the performance of the fuel cell stack is degraded and becomes unstable. On the other hand, in the second
반대로 빠른 유속을 갖는 산화제 유로(50)에서는, 제1 방향 유로(52)와 제2 방향 유로(54)에 물방울을 이동시키는데 필요한 전단력이 충분히 작용하여 산화제 유로(50) 내부의 물방울을 외부로 신속히 배출할 수 있다. 하지만 이 경우에는 불필요하게 유로의 압력강하가 커지게 되며 산화제를 공급하기 위한 송풍기 혹은 팬의 기생전력이 증가할 수 밖에 없다.On the contrary, in the
본 실시예와 같이 제1 방향 유로(52)의 깊이(h1)를 제2 방향 유로(54)의 깊이(h2)보다 더 낮게 형성하면 제1 방향 유로(52)에서 산화제의 유속은 제2 방향 유로(54)에서의 산화제의 유속보다 더 크게 된다.When the depth h1 of the first
산화제 가스의 빠른 유속에 의한 전단력은 제1 방향 유로(52)에 존재하는 물방울이 채널 벽면에 달라붙어 수막을 형성하는 것을 억제하면서 빠른 속도로 산화제 가스와 함께 하류방향으로 이송하는 것을 가능하게 한다.The shear force due to the high flow rate of the oxidant gas makes it possible to transfer the downstream with the oxidant gas at a high speed while preventing the water droplets present in the first
한편 제2 방향 유로(54)에서는 물방울을 이송시킬 수 있는 구동력으로 가스의 전단력과 함께 중력이 작용하므로 제1 방향 유로(52)에 비해 낮은 속도의 유동 으로도 물방울을 하류방향으로 이동시킬 수 있다.On the other hand, since the gravity acts together with the shear force of the gas as a driving force capable of transporting the droplets in the second
이와 같이 본 실시예에 따르면 산화제의 유속을 빠르게 유지하는 것은 제1 방향 유로(52)로 국한하고 제2 방향 유로(54)에서는 중력의 도움을 받아서 수분을 위에서 아래로 이동할 수 있으므로, 수분 배출을 위하여 불필요하게 모든 채널의 유속을 빠르게 구성할 필요가 없고 반응 가스 공급을 위한 압력 손실도 줄이는 것이 가능하다.As described above, according to the present embodiment, the flow rate of the oxidant is rapidly limited to the first
본 실시예에서는 캐소드 세퍼레이터(33)를 예로서 설명하나, 애노드 세퍼레이터(32)도 캐소드 세퍼레이터(33)와 동일하게 연료 유로가 제1 방향 유로와 제2 방향 유로를 포함하며, 중력 방향인 제2 방향 유로가 더 깊게 형성된다.In the present embodiment, the
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐소드 세퍼레이터의 정면도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 캐소드 세퍼레이터의 사시도이다.3 is a front view of a cathode separator according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a perspective view of a cathode separator according to a second embodiment of the present invention.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 캐소드 세퍼레이터(200)는 장방형 판 구조로 이루어지며, 상부에 산화제 입구 매니폴드(241), 냉각매체 입구 매니폴드(242), 및 연료 입구 매니폴드(243)가 형성되고, 하부에는 연료 출구 매니폴드(248), 냉각매체 출구 매니폴드(247), 산화제 출구 매니폴드(246)가 형성된다.Referring to FIGS. 3 and 4, the
또한 캐소드 세퍼레이터(200)의 표면에는 산화제 입구 매니폴드(241)와 산화제 출구 매니폴드(246)를 연결하는 산화제 유로(250)가 형성된다. 산화제 유로(250)는 캐소드 세퍼레이터(200)에서 홈 형태의 채널로 이루어지며, 복수 개의 채널이 무리를 이루어 배치된다. 채널들은 리브들(257)에 의하여 복수개로 나누어 진다.In addition, an
산화제 유로(250)는 제1 방향으로 이어진 제1 방향 유로(252)와 제1 방향 유로(252)에 연통되고 제1 방향과 교차하는 방향으로 제2 방향으로 이어진 제2 방향 유로(254)를 포함한다. 여기서 제1 방향은 중력방향에 수직인 방향이며, 제2 방향은 중력방향과 평행한 방향이다.The
산화제 유로(250)는 8개가 형성되며, 4개의 무리씩 나누어져 다른 영역을 통과하도록 배치된다. 그리고 산화제 유로(250)는 하나의 유로가 두 개의 유로로 나누어지는 분기부(251)를 구비하며, 분기부(251)는 제1 방향 유로(252)에서 제2 방향 유로(254)로 전환되는 부분과 인접하게 배치된다. 본 실시예에서는 분기부에서 하나의 유로가 두 개의 유로로 나누어지는 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 분기부에서 하나의 유로가 셋 이상의 복수 개의 유로로 나누어질 수도 있다.Eight
또한, 산화제 유로(250)는 두 개의 유로가 하나로 합쳐지는 합류부(253)를 갖는 바, 합류부(253)는 제2 방향 유로(254)에서 제1 방향 유로(252)로 전환되는 부분과 인접하게 배치된다.In addition, the
제2 방향 유로(254)에는 상기 제2 방향 유로(254)를 분할하는 분할 리브(256)가 설치되는 바, 이에 따라 분할 리브(256)의 상단에 분기부(251)가 형성되고, 분할 리브(256)의 하단에 합류부(253)가 형성된다. 이에 따라 제2 방향 유로(254)의 개수는 제1 방향 유로(252)의 개수보다 더 많게 형성되며, 본 제2 실시예와 같이 제1 방향 유로(252)가 8개인 경우, 제2 방향 유로(254)는 16개가 된다. 즉, 제2 방향 유로(254)는 제1 방향 유로(252)에 비하여 2배수로 형성된다.
그리고 제1 방향 유로(252)와 제2 방향 유로(254)는 동일한 폭을 갖도록 형성되어 제2 방향 유로(254)의 전체 폭의 합은 제1 방향 유로(252)의 전체 폭의 합의 2배가 된다. 이에 따라 각각의 유로는 동일한 단면적을 갖지만, 각 유로의 단면적을 합한 값인 전체 유로 단면적에 있어서는 제2 방향 유로(254)의 전체 유로 단면적이 제1 방향 유로(252)의 전체 유로 단면적보다 더 크게 형성된다. 제1 방향 유로(252)에서의 산화제의 유속은 제2 방향 유로(254)에서의 산화제의 유속의 2배가 된다.The first
본 제2 실시예와 같이 제1 방향 유로(252)에서의 유속이 더 크면 중력에 의하여 이동하지 못하는 물방울을 용이하게 배출시킬 수 있으며, 제2 방향 유로(254)에서는 작은 유속으로도 수분을 충분히 배출할 수 있으므로 산화제 공급을 위한 압력 손실을 최소화할 수 있다.As shown in the second embodiment, when the flow velocity in the first
또한, 제2 방향 유로(254)의 전체 폭의 합은 제1 방향 유로(252)에 비하여 크지만, 개별 유로는 제1 방향 유로(252)와 동일한 폭으로 형성되므로 압력의 강하를 최소화하면서 각 제2 방향 유로(254)로 균일한 양의 산화제를 공급하여 전 영역에서의 균일한 반응을 유도할 수 있다.In addition, the sum of the total widths of the second
제2 방향 유로(254)에서는 낮은 유속으로 산화제 가스가 이동하므로, 상대적으로 넓은 면적으로 형성된 제2 방향 유로(254)에서 산화제 가스를 충분히 반응시켜서 가스 이용률을 향상시킬 수 있다.Since the oxidant gas moves at a low flow rate in the second
또한 산화제 유로(250)가 둘로 나누어져 다른 영역에 배치되고, 제1 방향 유 로(252)와 제2 방향 유로(254)를 교대로 반복하면서 유로를 형성한다. 이를 통해 전체 유로에서 제1 방향 유로(252)가 차지하는 길이의 총합이 제2 방향 유로(254)가 차지하는 길이의 총합보다 작아지게 되고, 압력손실이 적은 제2 방향 유로(254)가 많아지므로 전체 유로의 압력강하는 더욱 감소하게 된다.In addition, the
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 캐소드 세퍼레이터를 도시한 정면도이다.5 is a front view illustrating a cathode separator according to a third embodiment of the present invention.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 캐소드 세퍼레이터(300)는 장방형 판 구조로 이루어지며, 상단에 산화제 입구 매니폴드(341), 냉각매체 입구 매니폴드(342), 및 연료 입구 매니폴드(343)가 형성되고, 하단에는 연료 출구 매니폴드(348), 냉각매체 출구 매니폴드(347), 산화제 출구 매니폴드(346)가 형성된다.Referring to FIG. 5, the
또한 표면에는 산화제 입구 매니폴드(341)와 산화제 출구 매니폴드(346)를 연결하는 산화제 유로(350)가 형성된다. 산화제 유로(350)는 캐소드 세퍼레이터(300)에서 홈 형태의 채널로 이루어지며, 복수 개의 채널이 무리를 이루어 배치된다. 채널들은 리브들(353)에 의하여 복수개로 나누어 진다.Also formed on the surface is an
산화제 유로(350)는 제1 방향으로 이어진 제1 방향 유로(352)와 제1 방향 유로(352)에 연통되고 제1 방향과 교차하는 방향으로 제2 방향으로 이어진 제2 방향 유로(356)를 포함한다. 여기서 제1 방향은 중력이 작용하는 방향인 중력방향에 수직인 방향이며, 제2 방향은 중력방향과 평행한 방향이다.The
제1 방향 유로(352)의 폭(W1)은 제2 방향 유로(356)의 폭(W2)보다 더 작게 형성된다. 이에 따라 제1 방향 유로(352)는 제2 방향 유로(356)에 비하여 더 작은 유로 단면적을 갖고 제1 방향 유로(352)에서의 산화제의 유속은 제2 방향 유로(356)에서의 산화제의 유속에 비하여 더 크게 된다.The width W1 of the first
또한, 산화제 유로(350)의 후반부 영역(산화제 입구 매니폴드(341)보다 산화제 출구 매니폴드(346)에 더 가까운 지점)에는 제2 방향 유로(254)가 제1 방향 유로(352)로 전환되는 과정에서 두 개의 산화제 유로(250)가 하나로 통합되는 합류부(358)가 형성된다. 이에 따라 6개의 유로가 3개의 유로로 변경되며, 합류로 인하여 전체적인 산화제 유로(350) 폭의 합은 감소한다. 본 실시예에서는 합류부(358)에서 2개의 유로가 하나로 합쳐지는 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 합류부(358)에서 셋 이상의 복수 개의 유로가 하나로 합쳐질 수도 있다.Also, in the second half region of the oxidant flow path 350 (the point closer to the
이에 따라 산화제 유로(350)는 출구 측 전체 유로 단면적이 입구 측 전체 유로 단면적 보다 더 작게 형성된다.Accordingly, the
합류된 제1 방향 유로(352)는 합류 전 제1 방향 유로(352)와 동일한 폭과 깊이를 갖도록 형성될 수 있으며, 폭이 더 좁거나 깊이가 더 낮게 형성되어 산화제의 유속을 더 빠르게 할 수도 있다.The joined first
일반적으로 연료 전지 스택에 공급되는 산화제는 유로를 따라 흐르면서 전극에서 반응하여 점차 소모되며 산화제 출구 매니폴드(346) 가까이로 갈수록 유량 감소로 인한 채널 내 유속이 떨어져서 물방울을 이동시키는데 필요한 전단력이 부족할 수 있다. 이를 극복하기 위하여 유로 후반부 영역에서 유로를 통합하여 전체적인 유로 폭의 합을 감소시켜서 유동 속도가 지나치게 감소하는 것을 방지하였다. In general, the oxidant supplied to the fuel cell stack is gradually consumed by reacting at the electrode as it flows along the flow path, and the closer to the
본 실시예와 같이 제2 방향 유로(356)에서의 유동 속도가 제1 방향 유로(352)의 유동 속보 보다 더 느리고 압력 손실이 작게 형성하면 상기와 같이 합류부(358)를 형성하더라도 압력 손실이 크게 증가하지 않으므로 높은 이용률과 낮은 작동 압력에서 운전이 가능하다.If the flow velocity in the second
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.1 is an exploded perspective view illustrating a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 세퍼레이터를 도시한 부분 사시도이다.2 is a partial perspective view illustrating a separator of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 세퍼레이터를 도시한 정면도이다.3 is a front view illustrating a separator according to a second embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 세퍼레이터를 도시한 사시도이다.4 is a perspective view illustrating a separator according to a second embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 세퍼레이터를 도시한 정면도이다.5 is a front view illustrating a separator according to a third embodiment of the present invention.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 - -Explanation of symbols for the main parts of the drawing-
100: 연료 전지 스택 251: 분기부100: fuel cell stack 251: branch portion
253: 합류부 256: 분할 리브253: merger 256: split rib
30: 전기 생성부 31: 막-전극 어셈블리30: electricity generating unit 31: membrane-electrode assembly
32: 애노드 세퍼레이터 33: 캐소드 세퍼레이터32: anode separator 33: cathode separator
50: 산화제 유로 52: 제1 방향 유로50: oxidant flow path 52: first direction flow path
54: 제2 방향 유로 56: 리브54: second direction flow path 56: rib
60: 엔드 플레이트60: end plate
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