KR101341417B1 - Fuel cell having enhanced formation water discharging and it's operation method - Google Patents

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Abstract

연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택 내부에 발생하는 생성수를 원활하게 배출할 수 있도록 한 연료전지 스택에 관하여 개시한다.
본 발명은 분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되어, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체; 상기 전해질막에 반응가스를 공급하는 공급 매니폴드; 상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드; 및 상기 공급 매니폴드와 상기 배출 매니폴드를 연결하는 바이패스 유로;를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell stack capable of smoothly discharging generated water generated inside a fuel cell stack.
The present invention relates to a unit cell laminate in which a separator and a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane are stacked to receive a fuel gas and an oxidizing gas as a reaction gas; A supply manifold for supplying a reaction gas to the electrolyte membrane; A discharge manifold in which residual gas discharged from the electrolyte membrane is collected and discharged; And a bypass flow path connecting the supply manifold and the discharge manifold.

Description

생성수 배출 기능을 향상시킨 연료전지 스택 및 그 운전방법{FUEL CELL HAVING ENHANCED FORMATION WATER DISCHARGING AND IT'S OPERATION METHOD}FUEL CELL HAVING ENHANCED FORMATION WATER DISCHARGING AND IT'S OPERATION METHOD}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택 내부에 발생하는 생성수를 원활하게 배출할 수 있도록 한 연료전지 스택에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell stack capable of smoothly discharging the generated water generated inside the fuel cell stack.

일반적으로 연료전지는 기존의 발전방식과 비교할 때 발전 효율이 높을 뿐만 아니라 발전에 따른 공해 물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전 기술로 평가 받고 있으며 다양한 연료를 사용할 수 있어 미래의 전지로 각광받고 있다.In general, fuel cells are not only highly efficient in generating electricity compared to conventional power generation methods, but also have no emission of pollutants due to power generation, and thus are evaluated as future power generation technologies.

이와 같은 연료전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를 들어 LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학 반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스로부터 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공기중의 산소가 사용된다.Such a fuel cell converts chemical energy released in the process into electricity by oxidizing an active material such as hydrogen such as LNG, LPG, methanol, etc. through an electrochemical reaction, and is mainly produced easily from natural gas. Hydrogen and oxygen in the air are used.

이러한 연료전지의 개발에 따라 에너지 절약과 환경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위하여 내연기관을 대체하기 위한 동력 시스템이 개발되고 있다.With the development of such fuel cells, power systems are being developed to replace internal combustion engines to solve energy saving, environmental pollution, and global warming issues.

연료전지 내부의 생성수 배출은 잔류가스의 유속에 의하여 이루어지는데, 연료전지 스택이 기울어지는 경우 또는 잔류가스의 유속이 충분히 높지 않은 경우에는 생성수가 스택 외부로 원활하게 배출되지 못한다.The discharge of generated water inside the fuel cell is caused by the flow rate of the residual gas. If the fuel cell stack is inclined or the flow rate of the residual gas is not high enough, the generated water is not smoothly discharged to the outside of the stack.

특히, 잔류가스의 유속이 충분하지 않을 경우, 연료전지 스택이 기울어지게 되면, 가장 저점에 위치한 셀 주변에 생성수가 쌓이게 되며, 이로 인해 셀의 성능 저하가 발생하게 된다.In particular, when the flow rate of the residual gas is not sufficient, when the fuel cell stack is inclined, the generated water accumulates around the cell located at the lowest point, resulting in deterioration of the cell performance.

관련선행기술로는 일본특허출원번호 2007-159732호(출원일 2007년 6월 18일) '연료전지 시스템'이 있다.
Related prior arts include Japanese Patent Application No. 2007-159732 (filed June 18, 2007), 'Fuel cell system'.

본 발명은 연료전지 스택이 기울어지더라도 생성수가 원활하게 배출될 수 있는 연료전지 스택을 제공함에 있다.The present invention is to provide a fuel cell stack that can be discharged smoothly even if the fuel cell stack is tilted.

본 발명은 반응가스를 이용하여 별도의 제어장치 등의 부가 없이 생성수를 원활하게 배출할 수 있도록 함으로써, 생성수 적체에 따른 연료전지 스택의 성능 저하를 방지하기 위한 것이다.
The present invention is to prevent the deterioration of the performance of the fuel cell stack due to the accumulated product water by allowing the reaction gas to be discharged smoothly without the addition of a separate control device.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되어, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체; 상기 전해질막에 반응가스를 공급하는 공급 매니폴드(manifold); 상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드; 및 상기 공급 매니폴드와 상기 배출 매니폴드를 연결하는 바이패스(bypass) 유로;를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.The present invention for achieving the above object is a unit cell laminated body in which a separator plate and a membrane electrode assembly having an electrolyte membrane are stacked and supplied with a fuel gas and an oxidizing gas as a reaction gas; A supply manifold for supplying a reaction gas to the electrolyte membrane; A discharge manifold in which residual gas discharged from the electrolyte membrane is collected and discharged; And a bypass flow path connecting the supply manifold and the discharge manifold to each other.

이 때, 상기 바이패스 유로를 통과하는 반응가스는 전기화학반응을 하지 않는다.At this time, the reaction gas passing through the bypass passage does not undergo an electrochemical reaction.

그리고, 상기 바이패스 유로는 배출 매니폴드의 상류측에 형성되는 것이 바람직하다.The bypass flow passage is preferably formed upstream of the discharge manifold.

또한, 상기 바이패스 유로는 상기 단위전지 적층체의 외부에 형성되거나, 상기 단위전지 적층체와 일체로 형성될 수 있다.In addition, the bypass flow path may be formed outside the unit cell stack or may be integrally formed with the unit cell stack.

상기 바이패스 유로가 상기 단위전지 적층체의 외부에 형성될 경우, 상기 단위전지 적층체의 양면에 구비되는 압축판의 내부에 형성될 수 있으며, 상기 단위전지 적층체의 양면에 구비되는 압축판을 관통하여 외부에 별도로 형성될 수도 있다.When the bypass flow path is formed outside the unit cell stack, the bypass passage may be formed inside the compression plate provided on both sides of the unit cell stack, and the compression plate provided on both sides of the unit cell stack. It may be formed separately through the outside.

상기 바이패스 유로가 상기 단위전지 적층체와 일체로 형성되는 경우, 상기 분리판과 동일한 매니폴드홀(manifold hole)을 구비하는 도체판과; 상기 도체판의 양면에 구비되는 가스확산층;을 포함하는 더미셀(dummy cell)을 이용할 수 있다.A conductor plate having the same manifold hole as the separator when the bypass flow path is integrally formed with the unit cell stack; A dummy cell including a gas diffusion layer provided on both surfaces of the conductor plate may be used.

상기 더미셀은 1개 또는 복수개가 단위전지 적층체와 함께 적층될 수 있으며,상기 더미셀은 단위전지 적층체의 단부에 적층되거나, 또는 단위전지 적층체의 중간에 적층될 수도 있다.One or more dummy cells may be stacked together with a unit cell stack, and the dummy cells may be stacked at an end of the unit cell stack, or stacked in the middle of the unit cell stack.

상기 도체판은 가스를 투과하지 않는 금속 박판 재질인 것이 바람직하며, 상기 도체판은 금, 팔라듐, 질화크롬, 질화티타늄 중 어느 하나의 물질로 코팅되면 더욱 바람직하다.
The conductor plate is preferably a metal thin plate material that does not pass gas, and the conductor plate is more preferably coated with any one of gold, palladium, chromium nitride, and titanium nitride.

그리고 본 발명은, 분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되어, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체와, 상기 전해질막에 반응가스를 공급하는 공급 매니폴드와, 상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드와, 상기 공급 매니폴드와 상기 배출 매니폴드를 연결하는 바이패스 유로를 포함하는 연료전지 스택 운전방법에 있어서, 상기 공급 매니폴드를 통해 공급되는 반응가스의 유량이 상기 막전극접합체에 반응에 필요한 이론적 유량의 100% 초과하도록 공급하고, 상기 이론적 유량 초과분의 반응가스는 상기 바이패스 유로를 통해 전기화학적 반응을 하지 않고, 상기 배출 매니폴드를 통과하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 운전방법을 제공한다.
The present invention also provides a separator cell, a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane, a unit cell laminate in which fuel gas and an oxidizing gas are supplied as a reaction gas, a supply manifold for supplying a reaction gas to the electrolyte membrane; And a bypass manifold in which residual gas discharged from the electrolyte membrane is collected and discharged, and a bypass flow path connecting the supply manifold and the discharge manifold. The flow rate of the reaction gas supplied through is supplied to the membrane electrode assembly to exceed 100% of the theoretical flow rate required for the reaction, the reaction gas in excess of the theoretical flow rate does not undergo an electrochemical reaction through the bypass flow path, the discharge manifold It provides a fuel cell stack operating method characterized by passing through the fold.

본 발명은 배출 매니폴드의 가스 유량을 증가시켜 생성수 배출을 원활하게 함으로써, 생성수 적체에 따른 연료전지 스택 성능의 저하를 방지하는 효과를 가져온다.The present invention increases the gas flow rate of the discharge manifold to facilitate the discharge of generated water, thereby bringing about an effect of preventing the deterioration of fuel cell stack performance due to the accumulation of generated water.

또한, 본 발명은 운송용 수단에 탑재되어 수시로 기울어짐을 겪게 되는 연료전지 스택이 기울어지더라도 원활하게 생성수를 배출할 수 있도록 하는 효과를 가져온다.
In addition, the present invention has an effect that can be discharged smoothly even if the fuel cell stack that is mounted on the transport means is often inclined to be inclined.

도 1은 연료전지 스택 기울임시 생성수 적체 문제를 도시한 개념도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도,
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택의 더미셀을 나타낸 분리사시도,
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택의 더미셀이 단위전지셀과 함께 적층된 상태를 나타낸 단면도임.1 is a conceptual diagram illustrating a problem of accumulation of water generated when the fuel cell stack is tilted;
2 is a conceptual diagram illustrating a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention;
3 is a conceptual diagram illustrating a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.
4 is a conceptual diagram illustrating a fuel cell stack according to a third embodiment of the present invention;
5 is an exploded perspective view showing a dummy cell of a fuel cell stack according to a third embodiment of the present invention;
6 is a cross-sectional view illustrating a state in which a dummy cell of a fuel cell stack according to a third embodiment of the present invention is stacked together with a unit battery cell.

이하 본 발명에 따른 생성수 배출 기능을 향상시킨 연료전지 스택 및 그 운전방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a fuel cell stack and a method of operating the fuel cell stack having an improved function of discharging generated water according to the present invention will be described in detail.

본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to achieve them, will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.
In the drawings, it is to be noted that the sizes of the constituent elements of the invention are exaggerated for clarity of description, and when it is described that any constituent element is present inside or connected to another constituent element, The element may be installed in contact with the other element, may be installed at a predetermined distance from the element, and may be provided with a third element for fixing or connecting the element to the other element, The description of the means may be omitted.

도 1은 연료전지 스택 기울임시 생성수 적체 문제를 도시한 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a problem of accumulated water generated when the fuel cell stack is tilted.

도시된 바와 같이, 연료전지 스택(100)은 분리판과 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되는 단위전지 적층체(110)와, 상기 단위전지 적층체(110)의 양면에 체결되어 체결압력을 제공하는 압축판(120, 130)을 포함한다.As shown, the fuel cell stack 100 is fastened to both sides of the unit cell stack 110 and the unit cell stack 110 in which the membrane electrode assembly including the separator plate and the electrolyte membrane are stacked to provide a fastening pressure. Compression plates 120 and 130 are provided.

일측의 압축판(130)은 공급 매니폴드(112)와 연결되는 유입구(132)와, 배출 매니폴드(114)와 연결되는 배출구(134)를 구비하며, 타측 압축판(120)은 매니폴드와 연결되지 않는다.One side of the compression plate 130 has an inlet 132 connected to the supply manifold 112, and an outlet 134 connected to the discharge manifold 114, the other side of the compression plate 120 and the manifold No connection

따라서, 반응가스는 공급 매니폴드(112)로 유입된 후, 단위전지 적층체(110)를 통과하며 전기화학 반응을 일으킨 후, 배출 매니폴드(114)로 배출된다.Therefore, the reaction gas flows into the supply manifold 112, passes through the unit cell stack 110, causes an electrochemical reaction, and then is discharged to the discharge manifold 114.

단위전지 적층체(110)는 반응가스를 공급받는 공급 매니폴드(112)와, 전해질막에서 배출되는 잔류가스(residual gas)가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드(114)를 구비한다. 여기서 잔류가스는 막전극접합체에서 반응 후 남은 가스를 의미한다.The unit cell stack 110 includes a supply manifold 112 for receiving a reaction gas and a discharge manifold 114 for collecting and discharging residual gas discharged from the electrolyte membrane. Here, the residual gas means gas remaining after the reaction in the membrane electrode assembly.

반응가스로는 연료가스와 산화가스가 공급되는데, 연료가스로는 수소를 포함하는 개질가스가 사용될 수 있으며, 산화가스로는 산소 또는 산소를 포함하는 공기가 사용될 수 있다.Fuel gas and oxidizing gas are supplied as the reaction gas, and a reformed gas containing hydrogen may be used as the fuel gas, and oxygen or air containing oxygen may be used as the oxidizing gas.

배출 매니폴드(114)를 통해서 전기화학 반응의 결과물로 발생한 생성수와 잔류가스가 배출된다. 이 때 생성수의 배출 유량은 생성수와 함께 흘러 나가는 잔류가스의 유량에 비례하게 된다.The discharge water and residual gas generated as a result of the electrochemical reaction are discharged through the discharge manifold 114. At this time, the discharge flow rate of the generated water is proportional to the flow rate of the residual gas flowing out along with the generated water.

그런데, 도시된 바와 같이 배출 매니폴드(114)의 상류측(이하에서 상류측이라 함은 배출 매니폴드의 가스 흐름 방향의 상류를 의미한다.)이 하방으로 기울어진 경우에는 생성수가 원활하게 배출되지 못하고, 배출 매니폴드(114)의 상류측에 적체되는 현상이 발생하게 된다.However, as shown, when the upstream side of the discharge manifold 114 (hereinafter, the upstream side refers to the upstream of the gas flow direction of the discharge manifold) is not discharged smoothly. In this case, the phenomenon of accumulation on the upstream side of the discharge manifold 114 may occur.

배출 매니폴드(114) 내부에 고인 적체된 생성수(150)는, 반응 가스 흐름에 지장을 주게 되며, 셀의 성능 저하로 이어지게 된다.The accumulated product water 150 accumulated in the discharge manifold 114 interferes with the reaction gas flow and leads to deterioration of the cell performance.

이러한 문제는 운전조건에 따라 필연적으로 기울어짐을 겪게 되는 차량이나 선박과 같은 운송수단에 탑재되는 연료전지의 경우 큰 문제가 된다.
This problem becomes a big problem in the case of a fuel cell mounted in a vehicle such as a vehicle or a ship which inevitably suffers an inclination depending on driving conditions.

본 발명에 따른 연료전지 스택은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기울어짐시에도 생성수가 적체되지 않고 원활하게 배출될 수 있도록 하기 위한 것으로, 특히 별도의 장치를 부가하지 않고 반응가스를 이용하여 생성수 배출을 원활하게 하는 것에 특징이 있다. 생성수의 배출량은 생성수와 함께 배출되는 가스의 유량에 비례하게 된다. 본 발명은 생성수와 함께 배출되는 가스의 유량을 증가시킴으로써 생성수 배출기능을 향상시킨다.The fuel cell stack according to the present invention is to solve such a problem, and to allow the generated water to be smoothly discharged even when tilted, and in particular, to generate the generated water using the reaction gas without adding a separate device. It is characterized by smooth discharge. The amount of generated water is proportional to the flow rate of the gas discharged with the generated water. The present invention improves the product water discharge function by increasing the flow rate of the gas discharged with the product water.

이를 위하여, 본 발명은 공급 매니폴드로 유입된 가스 중 일부가 전기화학적 반응을 하지 않고 직접 배출 매니폴드로 유출될 수 있는 바이패스(bypass) 유로를 구비한다.To this end, the present invention includes a bypass flow path through which some of the gas introduced into the supply manifold can flow directly into the discharge manifold without electrochemical reaction.

바이패스 유로는 크게 2가지 형태로 구분할 수 있다.Bypass flow paths can be classified into two types.

첫번째는 단위전지 적층체 외부에 형성되는 익스터널 바이패스(external bypass) 형태이고, 두번째는 단위전지 적층체의 내부에 형성되는 인터널 바이패스(internal bypass) 형태이다.The first type is an external bypass formed inside the unit cell stack, and the second type is an internal bypass formed inside the unit cell stack.

익스터널 바이스패스는 다시 압축판 내부에 형성되는 형태(도 2의 제 1 실시예)와, 압축판과 별도의 배관으로 형성되는 형태(도 3의 제 2 실시예)가 있다.
The external bypass may be formed in the compression plate again (the first embodiment of FIG. 2) and in a form separate from the compression plate (the second embodiment of FIG. 3).

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도이고, 도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a fuel cell stack according to a second embodiment of the present invention.

제 1 실시예와 제 2 실시예는 바이패스 유로를 단위전지 적층체의 외부에 형성한 익스터널 바이패스 형태를 나타낸 것이다. 도면에서 바이패스되는 반응가스는 점선으로 표시하였다.The first and second embodiments show an external bypass form in which a bypass flow path is formed outside the unit cell stack. The reaction gas bypassed in the figure is indicated by a dotted line.

먼저 도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지 스택(200)은 분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되며, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체(210)와, 상기 단위전지 적층체(210)의 양측면을 가압하는 압축판(220, 230)을 포함한다.First, referring to FIG. 2, in a fuel cell stack 200 according to a first embodiment of the present invention, a separator and a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane are stacked, and a unit receiving fuel gas and oxidizing gas as a reaction gas. The battery stack 210 and the compression plate 220, 230 for pressing both sides of the unit cell stack 210.

상기 단위전지 적층체(210)는 상부에 전해질막에 반응가스를 공급하기 위한 공급 매니폴드(212)를 구비하며, 하부에 상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스(residual gas)가 취합하여 배출하기 위한 배출 매니폴드(214)를 구비한다.The unit cell stack 210 includes a supply manifold 212 for supplying a reaction gas to an electrolyte membrane at an upper portion thereof, and collects and discharges residual gas discharged from the electrolyte membrane at a lower portion thereof. A discharge manifold 214.

일측의 압축판(230)은 공급 매니폴드(212)와 연결되는 유입구(232)와, 배출 매니폴드(214)와 연결되는 배출구(234)를 구비하고,One side of the compression plate 230 has an inlet 232 connected to the supply manifold 212 and an outlet 234 connected to the discharge manifold 214,

타측의 압축판(220)은 그 내부에 공급 매니폴드(212)와 배출 매니폴드(214)를 연결하여 반응가스가 통과할 수 있도록 하는 바이패스 유로(225)를 구비한다.The other side of the compression plate 220 has a bypass flow passage 225 connecting the supply manifold 212 and the discharge manifold 214 therein to allow the reaction gas to pass therethrough.

제1 실시예는 바이패스 유로(225)가 앤드플레이트(220) 내부에 형성됨으로써, 외관상 크기의 변화가 없는 장점을 가진다. 또한, 바이패스 유로(225)의 단면적을 조절하여 바이패스 유로(225)를 통해 배출 매니폴드(214)로 공급되어 생성수 배출에 도움을 주는 반응가스의 유량을 조절할 수 있는 장점을 가진다.In the first embodiment, the bypass flow path 225 is formed inside the end plate 220, and thus, there is no change in size in appearance. In addition, by adjusting the cross-sectional area of the bypass flow path 225 is supplied to the discharge manifold 214 through the bypass flow path 225 has the advantage of controlling the flow rate of the reaction gas to help discharge the generated water.

제2 실시예는 바이패스 유로(225)를 앤드플레이트(220)를 관통하는 별도의 바이패스배관(227)으로 형성한 것으로, 앤드플레이트 내부에 유로를 형성해야하는 제1실시예에 비하여 앤드플레이트(220)의 제조가 용이한 장점을 가지며, 바이패스배관(227)의 단면적을 조절하여 배출 매니폴드(214)로 바이패스되는 반응가스의 유량을 조절할 수 있다.In the second embodiment, the bypass flow path 225 is formed as a separate bypass pipe 227 penetrating the end plate 220, and the end plate (2) is formed in comparison with the first embodiment in which the flow path must be formed inside the end plate. 220 has an advantage of easy manufacturing, and by adjusting the cross-sectional area of the bypass pipe 227 can adjust the flow rate of the reaction gas bypassed to the discharge manifold 214.

바이패스 유로(225)로 공급되는 반응가스는 수소와 같은 연료가스일 수도 있으며, 산소나 공기와 같은 산화가스일 수도 있다.
The reaction gas supplied to the bypass flow path 225 may be a fuel gas such as hydrogen, or an oxidizing gas such as oxygen or air.

도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택을 나타낸 개념도이다.4 is a conceptual diagram illustrating a fuel cell stack according to a third embodiment of the present invention.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택(300)은 단위전지 적층체의 내부에 단위전지 적층체와 일체로 더미셀(360)을 적층하여, 상기 더미셀(dummy cell, 360)을 통해 반응가스가 전기화학 반응을 거치지 않고 흐르는 바이패스 유로를 형성한 것이다.In the fuel cell stack 300 according to the third exemplary embodiment of the present invention, the dummy cell 360 is stacked integrally with the unit cell stack in the unit cell stack, through the dummy cell 360. The reaction gas forms a bypass flow path flowing through the electrochemical reaction.

여기서 더미셀(360)이라 함은 반응가스인 연료가스와 산화가스가 전기화학적 반응 하지 않고, 단순히 통과하는 셀을 의미한다. 즉, 더미셀(360)은 막전극접합체를 구비하지 않으며, 단순히 반응가스가 통과할 수 있는 경로만을 제공한다. 더미셀을 통과하는 반응가스는 연료가스 또는 산화가스 중의 하나이거나, 둘 다 일 수 있다. 연료가스와 산화가스가 모두 더미셀을 통과하는 경우에도 연료가스와 산화가스는 독립된 경로를 가지도록 하여, 이들이 혼합되지 않도록 하는 것이 바람직하다.Here, the dummy cell 360 refers to a cell through which the fuel gas, which is the reaction gas, and the oxidizing gas do not electrochemically react, but simply pass. That is, the dummy cell 360 does not include the membrane electrode assembly, and merely provides a path through which the reaction gas can pass. The reaction gas passing through the dummy cell may be either fuel gas or oxidizing gas, or both. Even when both the fuel gas and the oxidizing gas pass through the dummy cell, it is preferable that the fuel gas and the oxidizing gas have independent paths so that they are not mixed.

더미셀(360)은 단위전지셀의 분리판의 공급 매니폴드홀과 소통하는 공급 매니폴드홀과, 분리판의 배출 매니폴드홀과 소통하는 배출 매니폴드홀을 구비한다. 이는 더미셀(360)이 단위전지 적층체(310)의 중간에 설치될 경우 더미셀(360)로 인하여 반응가스의 흐름에 지장을 주지 않기 위해서이다.The dummy cell 360 includes a supply manifold hole communicating with the supply manifold hole of the separator plate of the unit battery cell, and a discharge manifold hole communicating with the discharge manifold hole of the separator plate. This is to prevent the flow of the reaction gas due to the dummy cell 360 when the dummy cell 360 is installed in the middle of the unit cell stack 310.

더미셀(360)은 막전극접합체를 구비하지 않음으로써, 더미셀(360)을 통해 이동하는 반응가스는 전기화학반응을 거치지 않고 배출 매니폴드로 그대로 이동하게 되며, 더미셀(360)을 통해 이동한 반응가스가 단위전지셀에서 전기화학 반응의 결과물로 발생하는 생성수 배출에 도움을 주게 된다.
Since the dummy cell 360 does not have a membrane electrode assembly, the reaction gas moving through the dummy cell 360 moves to the discharge manifold without undergoing an electrochemical reaction, and moves through the dummy cell 360. A reaction gas helps to generate the generated water generated as a result of the electrochemical reaction in the unit battery cell.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택의 더미셀을 나타낸 분리사시도이고, 도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 연료전지 스택의 더미셀이 단위전지셀과 함께 적층된 상태를 나타낸 단면도이다. 5 is an exploded perspective view illustrating a dummy cell of a fuel cell stack according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a dummy cell of a fuel cell stack according to a third embodiment of the present invention stacked together with a unit battery cell. It is sectional drawing which showed state.

도시된 바와 같이, 더미셀(360)은 상부에 공급 매니폴드부(362a)과, 하부에 배출 매니폴드부(362b)를 구비하는 도체판(362)과, 상기 도체판(362)의 양면에 적층되는 가스확산층(364)을 포함한다. 가스확산층(364)은 반응가스가 투과될수 있는 재질로 형성된다.As shown, the dummy cell 360 has a conductive plate 362a having a supply manifold portion 362a at the upper portion, a discharge manifold portion 362b at the lower portion, and both sides of the conductor plate 362. And a gas diffusion layer 364 to be stacked. The gas diffusion layer 364 is formed of a material through which the reaction gas can pass.

도체판(362)은 전기전도성을 가지되, 가스는 투과시키지 않으며 내부식성이 우수한 스테인레스 스틸, 티타늄 등과 같은 금속 박판 재질로 이루어질 수 있다. 아울러, 금(Au), 팔라듐(palladium), 질화크롬(CrN), 질화티타늄(TiN) 등을 이용하여 표면을 코팅하면 단위전지셀과의 사이에서 발생하는 접촉저항을 최소화시킬 수 있다.The conductive plate 362 may be made of a thin metal material such as stainless steel and titanium having electrical conductivity but not permeating gas and having excellent corrosion resistance. In addition, by coating the surface using gold (Au), palladium (palladium), chromium nitride (CrN), titanium nitride (TiN) and the like can minimize the contact resistance generated between the unit battery cells.

도 6에 도시된 바와 같이, 더미셀(360)은 단위전지셀의 분리판(370)들 사이에 함께 적층된다. 반응가스는 도체판(362)과 분리판(370) 사이의 가스확산층(364)을 통해 이동하게 된다.As shown in FIG. 6, the dummy cells 360 are stacked together between the separator plates 370 of the unit battery cells. The reaction gas moves through the gas diffusion layer 364 between the conductor plate 362 and the separator plate 370.

더미셀(360)은 복수개가 구비될 수 있다. 더미셀(360)의 적층 위치는 배출 매니폴드의 상류측인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되지 않고 중간에 추가적으로 배치될 수도 있다. 즉 더미셀(360)은 단위전지 적층체의 일측 또는 양측 단부에 적층되거나, 단위전지 적층체의 중간에 적층될 수 있다. 기울어짐으로 인하여 생성수의 적체가 우려되는 부분이 배출 매니폴드의 상류측이기 때문에, 이 부분에 더미셀(360)을 배치하면 적체된 생성수를 보다 원활하게 배출할 수 있다.
The dummy cell 360 may be provided in plurality. The stacking position of the dummy cell 360 is preferably upstream of the discharge manifold, but is not necessarily limited thereto and may be additionally disposed in the middle. That is, the dummy cell 360 may be stacked on one or both ends of the unit cell stack, or stacked in the middle of the unit cell stack. Since the portion where the accumulation of the generated water is concerned due to the inclination is upstream of the discharge manifold, the dummy cell 360 can be disposed in this portion to smoothly discharge the accumulated generated water.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 작동과 운전 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, the operation and operation method of the fuel cell stack according to the present invention will be described.

본 발명은 분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되어, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체와, 상기 전해질막에 반응가스를 공급하는 공급 매니폴드와, 상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드와, 상기 공급 매니폴드와 상기 배출 매니폴드를 연결하는 바이패스 유로를 포함하는 연료전지 스택 운전방법에 있어서, The present invention provides a separator cell, a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane, a unit cell laminate in which fuel gas and an oxidizing gas are supplied as a reaction gas, a supply manifold for supplying a reaction gas to the electrolyte membrane, and A fuel cell stack operation method comprising: a discharge manifold in which residual gas discharged from an electrolyte membrane is collected and discharged; and a bypass flow path connecting the supply manifold and the discharge manifold;

상기 공급 매니폴드를 통해 공급되는 반응가스의 유량이 상기 막전극접합체에 반응에 필요한 이론적 유량의 100%를 초과하도록 공급하고, 상기 이론적 유량 초과분의 반응가스는 상기 바이패스 유로를 통해 전기화학적 반응을 하지 않고, 상기 배출 매니폴드를 통과하도록 함으로써, 생성수의 배출을 원활하게 할 수 있다.The flow rate of the reaction gas supplied through the supply manifold exceeds 100% of the theoretical flow rate required for the reaction to the membrane electrode assembly, and the reaction gas in excess of the theoretical flow rate undergoes an electrochemical reaction through the bypass flow path. By passing through the discharge manifold, the discharge of generated water can be smoothly performed.

이 때, 생성수 배출을 원활하게 하기 위하여 과량 공급되는 반응가스는 연료가스 또는 산화가스 중의 한가지, 혹은 이들 모두일 수 있다.
At this time, the reactant gas supplied in excess in order to smoothly discharge the generated water may be one or both of fuel gas and oxidizing gas.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. It will be understood that the invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

100, 200, 300 : 연료전지 스택
110, 210, 310 : 단위전지 적층체
225 : 바이패스 유로
360 : 더미셀
362 : 도체판
364 : 가스확산층100, 200, 300: fuel cell stack
110, 210, 310: unit cell stack
225: Bypass Euro
360: dummy cell
362: Conductor plate
364 gas diffusion layer

Claims (13)

분리판과, 전해질막을 구비하는 막전극접합체가 적층되어, 반응가스로 연료가스와 산화가스를 공급받는 단위전지 적층체;
상기 단위전지 적층체와 일체로 형성되며, 상기 분리판과 동일한 매니폴드홀을 구비하는 도체판과 상기 도체판의 양면에 구비되는 가스확산층을 포함하는 더미셀;
상기 전해질막에 반응가스를 공급하는 공급 매니폴드; 및
상기 전해질막에서 배출되는 잔류가스가 취합되어 배출되는 배출 매니폴드;를 포함하며,
상기 더미셀의 가스확산층을 통하여 상기 공급 매니폴드와 상기 배출 매니폴드를 연결하는 바이패스 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
A unit cell laminate in which a separator plate and a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane are stacked to receive a fuel gas and an oxidizing gas as a reaction gas;
A dummy cell formed integrally with the unit cell stack and including a conductor plate having the same manifold hole as the separator plate and gas diffusion layers provided on both sides of the conductor plate;
A supply manifold for supplying a reaction gas to the electrolyte membrane; And
And a discharge manifold in which residual gas discharged from the electrolyte membrane is collected and discharged.
And a bypass flow passage connecting the supply manifold and the discharge manifold through a gas diffusion layer of the dummy cell.
제 1 항에 있어서,
상기 바이패스 유로를 통과하는 반응가스는 전기화학반응을 하지 않는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
The method of claim 1,
Reaction gas passing through the bypass passage is characterized in that the fuel cell stack does not undergo an electrochemical reaction.
제 1 항에 있어서,
상기 바이패스 유로는
상기 배출 매니폴드의 상류측에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
The method of claim 1,
The bypass flow path is
And a fuel cell stack formed upstream of said discharge manifold.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 더미셀은 1개 또는 복수개가 단위전지 적층체와 함께 적층되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
The method of claim 1,
The dummy cell is a fuel cell stack, characterized in that one or a plurality are stacked together with a unit cell stack.
제 1 항에 있어서,
상기 더미셀은 단위전지 적층체의 단부에 적층되거나, 또는 단위전지 적층체의 중간에 적층되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
The method of claim 1,
The dummy cell is stacked on the end of the unit cell stack, or stacked in the middle of the unit cell stack fuel cell stack.
제 1 항에 있어서,
상기 도체판은
가스를 투과하지 않는 금속박판인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
The method of claim 1,
The conductor plate is
A fuel cell stack, which is a thin metal plate that does not permeate gas.
제 11 항에 있어서,
상기 도체판은
금(Au), 팔라듐(palladium), 질화크롬(CrN), 질화티타늄(TiN) 중 어느 하나의 물질로 코팅된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
The method of claim 11,
The conductor plate is
A fuel cell stack characterized in that the coating of any one of gold (Au), palladium (palladium), chromium nitride (CrN), titanium nitride (TiN).
삭제delete
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP6769300B2 (en) * 2016-12-28 2020-10-14 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell stack and dummy cell
KR102579354B1 (en) * 2018-05-14 2023-09-18 현대자동차주식회사 Separator for feul cell
CN114628713A (en) * 2022-03-14 2022-06-14 浙江锋源氢能科技有限公司 Bipolar plate structure, monocell and battery pile

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10284096A (en) * 1997-04-01 1998-10-23 Fuji Electric Co Ltd Solid high polymer electrolyte fuel cell
KR20060037749A (en) * 2004-10-28 2006-05-03 삼성에스디아이 주식회사 Fuel cell system, stack and separator used thereto
JP2006139944A (en) 2004-11-10 2006-06-01 Mitsubishi Electric Corp Polymer electrolyte fuel cell
JP2011142113A (en) * 2011-04-25 2011-07-21 Honda Motor Co Ltd Fuel cell stack

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10284096A (en) * 1997-04-01 1998-10-23 Fuji Electric Co Ltd Solid high polymer electrolyte fuel cell
KR20060037749A (en) * 2004-10-28 2006-05-03 삼성에스디아이 주식회사 Fuel cell system, stack and separator used thereto
JP2006139944A (en) 2004-11-10 2006-06-01 Mitsubishi Electric Corp Polymer electrolyte fuel cell
JP2011142113A (en) * 2011-04-25 2011-07-21 Honda Motor Co Ltd Fuel cell stack

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