KR101998946B1 - 연료전지 장치 - Google Patents

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Abstract

연료전지 장치에 관한 발명이 개시된다. 개시된 연료전지 장치는, 복수 개의 단위셀을 적층하여 형성되는 적층셀을 구비하는 적층셀부와, 적층셀부에 결합되고, 적층셀부에 연결되는 수소공급유로가 형성되어 적층셀부에 수소를 공급하는 수소공급부와, 적층셀부에 결합되어 적층셀부에서 배출되는 수소를 전달받는 수소배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 장치{FUEL CELL APPARATUS}
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장치의 부피를 줄이고, 수소 등을 단위셀에 균일하게 공급할 수 있는 연료전지 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 장치는 수소와 산소의 산화 및 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치이다. 연료전지는 산화전극(anode)에서의 산화반응 및 환원전극(cathode)에서의 환원반응을 이용하여 전기에너지를 생산한다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2016-0019746호(2016.02.22 공개, 발명의 명칭: 무기 이온 전도체, 이의 제조 방법 및 연료전지용 전해질 막)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 적층되어 있는 복수 개의 단위셀에, 수소를 균일하게 공급하여 장치의 발전 성능을 향상시킬 수 있으며, 장치의 부피를 줄일 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 장치는: 복수 개의 단위셀을 적층하여 형성되는 적층셀을 구비하는 적층셀부; 상기 적층셀부에 결합되고, 상기 적층셀부에 연결되는 수소공급유로가 형성되어 상기 적층셀부에 수소를 공급하는 수소공급부; 및 상기 적층셀부에 결합되어, 상기 적층셀부에서 배출되는 수소를 전달받는 수소배출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 단위셀은, 수소와 산소가 반응하여 전기에너지가 발생되는 전기발생부; 상기 전기발생부에 접하고, 상기 전기발생부에 공기를 전달하는 캐소드분리판; 및 상기 전기발생부에 접하고, 상기 수소공급유로와 연통되는 수소유로가 형성되어, 상기 전기발생부에 수소를 전달하는 애노드분리판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 캐소드분리판은, 관통홀부가 형성되어, 상기 전기발생부에 접하는 타공부; 및 상기 타공부와의 사이에 공기유로를 형성하는 복수 개의 냉각부재를 구비하는 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 장치는, 상기 적층셀부의 일측에 구비되며, 냉각팬을 포함하여 상기 공기유로에 공기를 유입시키는 공기공급부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 적층셀부는, 상기 적층셀의 상단부에 안착되어, 자중으로 상기 적층셀을 가압하는 셀가압부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 수소공급부는, 상기 적층셀부의 일측 단부에 결합되는 공급결합부; 상기 공급결합부에 결합되며, 상기 수소공급유로가 형성되는 수소공급바디부; 및 상기 수소공급바디부에 관통 형성되며, 상기 수소공급유로와 연통되는 수소공급홀부;를 포함하고, 상기 수소공급유로는, 상기 수소공급홀부로부터 상기 단위셀의 적층 방향으로 멀어지면서, 내경이 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 수소배출부는, 상기 적층셀부의 타측 단부에 결합되는 배출결합부; 상기 배출결합부에 결합되며, 수소배출유로가 형성되어 상기 적층셀부에서 배출되는 수소를 전달받는 수소배출바디부; 및 상기 수소배출바디부에 관통 형성되어, 상기 수소배출유로와 연통되는 수소배출홀부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 장치는, 복수 개의 단위셀에 수소가 유입되는 정도를 균일하게 하여 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 수소공급유로가 형성되는 수소공급부와, 수소배출유로가 형성되는 수소배출부를 적용함으로써, 단위셀의 매니폴드 구조를 삭제하여 단위셀의 구성을 간단히 하고 장치의 부피를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 전방부를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 후방부를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀을 나타내는 구성도이다.
도 5는 도 1의 ‘A-A’ 단면을 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 장치의 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 전방부를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 후방부를 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는 적층셀부(100), 수소공급부(200) 및 수소배출부(300)를 포함하여, 적층셀부(100)로 수소 및 공기를 공급함으로써, 전기에너지를 발생시키고, 해당 전기에너지를 차량 등의 동력원으로 제공한다.
적층셀부(100)는 복수 개의 단위셀(120)이 적층되어 형성되는 적층셀(110)을 포함한다. 본 실시예에서 단위셀(120)은 산소와 수소가 공급되면, 해당 산소와 수소의 전기 화학 반응에 의해 전기에너지가 발생되도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위셀을 나타내는 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에서 단위셀(120)은 전기발생부(130), 캐소드분리판(140) 및 애노드분리판(150)을 포함한다.
전기발생부(130)는 수소와 산소가 반응하여 전기에너지가 발생된다. 전기발생부(130)는 막전극접합체(MEA, Membrane-Electrode Assembly)(미도시) 및 가스확산층(미도시)을 포함하여, 외부에서 공급되는 수소와 산소를 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
막전극접합체는 수소와, 공기 중 산소의 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위한 구성으로, 백금 또는 백금-루테늄 금속 등을 포함하는 촉매층과, 고분자 전해질 막 등으로 구성된다.
가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)은 막전극접합체의 상하면에 각각 형성되어 분리판(140, 150)을 통하여 공급되는 수소 및 산소와 같은 반응기체를 막전극접합체로 확산시킨다.
캐소드분리판(140)은 전기발생부(130)에 접하고, 공기유로(147)가 형성되어 전기발생부(130)에 공기를 전달하며, 전기발생부(130)의 발전 과정에서 발생되는 열을 외부로 방출한다. 본 실시예에서 캐소드분리판(140)은 타공부(141) 및 냉각부(145)를 포함한다.
타공부(141)에는 관통홀부(144)가 관통 형성되어 공기유로(147)를 통하여 공급되는 공기를 관통홀부(144)를 통해 전기발생부(130)에 전달한다. 본 실시예에서 타공부(141)는 타공판(142)을 포함한다.
타공판(142)은 전기발생부(130)에 대응하는 판 형상으로 형성되어, 전기발생부(130)의 일측면에 접하며, 관통홀부(144)가 관통 형성된다.
본 실시예에서 관통홀부(144)는 복수 개가 구비되어 타공판(142)의 전 영역에 걸쳐 배열됨으로써, 외부에서 공급되는 공기가 전기발생부(130)의 전 영역에 걸쳐 고르게 전달될 수 있게 한다.
관통홀부(144)의 개수 및 배열, 형상 등은 전기발생부(130)에 전달되는 공기의 양, 전기발생부(130)의 작동을 위한 습도 등을 고려하여 조절될 수 있다.
예를 들어 관통홀부(144)의 내경은, 전기발생부(130) 측으로 진행하면서 좁아지게 하여, 전기발생부(130) 측으로 공기가 전달되되 전기발생부(130)에 함습된 수분의 급격한 증발을 제한하여, 전기발생부(130)의 발전 성능을 최적화 할 수 있다.
냉각부(145)는 타공부(141)와의 사이에 공기유로(147)를 형성하는 복수 개의 냉각부재(146)를 구비하여, 관통홀부(144)와 연결되는 공기유로(147)를 통해 외부의 공기를 전기발생부(130)에 전달한다. 또한, 냉각부(145)는 공기와의 접촉 면적 등을 증대시켜, 전기발생부(130)에서 발생되는 열을 방출한다.
본 실시예에서 연료전지 장치(1)는 공기공급부(400)를 더 포함한다. 공기공급부(400)는 적층셀부(100)의 일측에 구비되며, 냉각팬(410)을 포함하여, 공기유로(147)에 공기가 유입되도록 한다.
공기공급부(400)에 의한 공기유로(147)로의 공기 유입은, 냉각팬(410)에 의하여 발생된 공기를 공기유로(147) 측으로 송풍하여 수행될 수도 있으나, 냉각팬(410)의 구동하여 공기유로(147) 내부의 유체를 배출함으로써, 외부의 공기가 공기유로(147)에 유입되도록 하는 것도 가능하다.
본 실시예에서 공기공급부(400)는 적층셀(110)의 후면에 장착되며, 적층셀(110) 내부, 특히 캐소드분리판(140) 내부의 유체를 배출하여, 공기가 적층셀(110)의 전면으로 유입될 수 있도록 한다.
본 실시예에서 적층셀부(100)는 셀가압부(170)를 더 포함한다. 셀가압부(170)는 적층셀(110)의 상단부에 안착되어, 자중으로 적층셀(110)을 가압함으로써, 적층셀(110)을 구성하는 단위셀(120)을 밀착시킨다.
본 실시예에서 셀가압부(170)는 적층셀부(100)의 상단부에 안착되는 셀가압바디(171)와, 셀가압바디(171)를 둘러싸는 가압하우징(173)을 포함한다.
셀가압부(170)는 적층셀(110)의 상단면 형상에 대응되게 형성되어, 적층셀(110)의 상단면에 안착됨으로써, 자중으로 적층셀(110)을 가압하여, 적층셀(110)의 계면 간 간극이 발생되거나, 수소가 누출되는 것을 방지한다.
애노드분리판(150)은 전기발생부(130)에 접하고, 수소공급유로(231)와 연통되는 수소유로(151)가 형성되어 전기발생부(130)에 수소를 전달한다. 본 실시예에서 애노드분리판(150)은 금속 박판으로 형성되어, 장치의 부피 및 무게를 줄이고 제작을 용이하게 할 수 있다.
도 5는 도 1의 ‘A-A’ 단면을 나타내는 단면도이다. 도 1, 3 및 5를 참조하면, 수소공급부(200)는 적층셀부(100)에 결합되고 적층셀부(100)에 연결되는 수소공급유로(231)가 형성되어, 적층셀부(100)에 반응가스인 수소를 공급한다. 본 실시예에서 수소공급부(200)는 공급결합부(210), 수소공급바디부(230) 및 수소공급홀부(250)를 포함한다.
공급결합부(210)는 적층셀부(100)의 일측 단부에 결합된다. 본 실시예에서 공급결합부(210)는 대략 링 형상으로 형성되어, 적층셀부(100)가 내측으로 끼워지는 방식으로 결합됨으로써, 셀가압부(170)와 함께 적층셀(110)을 가압하여, 단위셀(120)이 상호 밀착된 상태를 유지하고, 수소의 누출 등을 방지한다.
수소공급바디부(230)는 공급결합부(210)에 결합되며, 내측으로 수소공급유로(231)가 형성된다. 본 실시예에서 수소공급유로(231)는 수소공급홀부(250)로부터 단위셀(120)의 적층 방향으로 진행하면서, 내경이 좁아지는 형상으로 형성되어, 적층 방향으로 진행하면서 수소의 공급 유압이 떨어지는 것을 방지한다.
결국, 수소공급유로(231)의 내경을 조절하여, 단위셀(120)의 적층 방향으로 진행하면서 수소의 공급 압력이 하강하는 것을 방지하게 되고, 각각의 단위셀(120)에 공급되는 수소의 양을 균일하게 할 수 있다.
수소공급홀부(250)는 수소공급바디부(230)에 관통 형성되며, 수소공급유로(231)와 연통되어, 수소공급유로(231)에 수소가 유입될 수 있게 한다.
수소배출부(300)는 적층셀부(100)에 결합되어, 적층셀부(100)에서 배출되는 수소를 전달받고, 전달받은 수소를 외부로 배출한다. 본 실시예에서 수소배출부(300)는 배출결합부(310), 수소배출바디부(330) 및 수소배출홀부(350)를 포함한다.
배출결합부(310)는 적층셀부(100)의 타측 단부에 결합된다. 본 실시예에서 배출결합부(310)는 대략 링 형상으로 형성되어, 적층셀부(100)가 내측으로 끼워지는 방식으로 결합됨으로써, 셀가압부(170)와 함께 적층셀(110)을 가압하여, 단위셀(120)이 상호 밀착된 상태를 유지하고, 수소의 누출 등을 방지한다.
수소배출바디부(330)는 배출결합부(310)에 결합되며, 수소배출유로(331)가 형성되어 적층셀부(100)에서 배출되는 수소를 전달받는다.
수소배출홀부(350)는 수소배출바디부(330)에 관통 형성되고, 수소배출유로(331)와 연통되어, 수소배출유로(331)로부터 전달받는 수소를 수소배출바디부(330)의 외측으로 배출한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 작동원리 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는 연료로서의 수소 가스 및 산화제 가스로서의 산소를 포함하는 공기를 제공받아, 수소와 산소의 전기 화학 반응을 통해 전기에너지를 발생시킨다.
수소는 수소저장부(미도시)와 연결되는 수소공급부(200)와, 애노드분리판(150)에 형성되는 수소유로(151)를 거쳐 전기발생부(130)에 전달된다. 본 실시예에서 연료전지 장치(1)는 단위 부피 당 발생되는 전기에너지를 증대시키기 위해 단위셀(120)을 적층하여 형성한 적층셀(110)을 포함한다.
본 실시예에서 수소공급부(200)에는 수소공급홀부(250)로부터 단위셀(120)의 적층 방향으로 진행하면서, 내경이 좁아지는 형상으로 형성되므로, 적층된 단위셀(120)에 공급되는 수소의 양을 균일하게 할 수 있다.
단위셀(120)에 공급된 수소의 일부는, 전기 발생 과정에서 발생된 수분 등과 함께 수소배출부(300)를 통해 외부로 배출된다.
산소는 공기공급부(400)에 의하여 캐소드분리판(140)에 형성되는 공기유로(147)에 진입된 후, 관통홀부(144)를 통하여 전기발생부(130)에 전달된다. 산소는 외부에서 공급되는 공기 중에 포함된 산소를 이용할 수 있다.
공기가 공기유로(147)에 진입하는 경우, 일부의 공기는 전기발생부(130)에 전달되어 전기 발생 과정에 사용되며, 일부의 공기는 냉각부(145)를 통과하면서 적층셀부(100)를 냉각시키게 된다.
이로써, 본 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는, 복수 개의 단위셀(120)에 수소가 유입되는 정도를 균일하게 하여, 발전 성능을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는 수소공급유로(231)가 형성되는 수소공급부(200)와, 수소배출유로(331)가 형성되는 수소배출부(300)를 적용함으로써, 단위셀(120)의 매니폴드 구조를 삭제하여 단위셀(120)의 구성을 간단히 하고 장치의 부피를 줄일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1: 연료전지 장치 100: 적층셀부
110: 적층셀 120: 단위셀
130: 전기발생부 140: 캐소드분리판
141: 타공부 142: 타공판
144: 관통홀부 145: 냉각부
146: 냉각부재 147: 공기유로
150: 애노드분리판 151: 수소유로
170: 셀가압부 171: 셀가압바디
173: 가압하우징 200: 수소공급부
210: 공급결합부 230: 수소공급바디부
231: 수소공급유로 250: 수소공급홀부
300: 수소배출부 310: 배출결합부
330: 수소배출바디부 331: 수소배출유로
350: 수소배출홀부 400: 공기공급부
410: 냉각팬

Claims (7)

  1. 복수 개의 단위셀을 적층하여 형성되는 적층셀을 구비하는 적층셀부;
    상기 적층셀부에 결합되고, 상기 적층셀부에 연결되는 수소공급유로가 형성되어 상기 적층셀부에 수소를 공급하는 수소공급부; 및
    상기 적층셀부에 결합되어, 상기 적층셀부에서 배출되는 수소를 전달받는 수소배출부;를 포함하고,
    상기 단위셀은 수소와 산소가 반응하여 전기에너지가 발생되는 전기발생부와, 상기 전기발생부에 접하고, 상기 전기발생부에 공기를 전달하는 캐소드분리판을 포함하고, 상기 캐소드분리판은 내경이 상기 전기발생부 측으로 갈수록 좁아지는 복수개의 관통홀부가 형성되어, 상기 전기발생부에 접하는 타공부와, 상기 타공부와의 사이에 상기 관통홀부와 연결되는 공기유로를 형성하는 복수 개의 냉각부재를 구비하는 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단위셀은 상기 전기발생부에 접하고, 상기 수소공급유로와 연통되는 수소유로가 형성되어, 상기 전기발생부에 수소를 전달하는 애노드분리판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 적층셀부의 일측에 구비되며, 냉각팬을 포함하여 상기 공기유로에 공기를 유입시키는 공기공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 적층셀부는,
    상기 적층셀의 상단부에 안착되어, 자중으로 상기 적층셀을 가압하는 셀가압부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  6. 제 1항, 제 2항, 제 4항, 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소공급부는,
    상기 적층셀부의 일측 단부에 결합되는 공급결합부;
    상기 공급결합부에 결합되며, 상기 수소공급유로가 형성되는 수소공급바디부; 및
    상기 수소공급바디부에 관통 형성되며, 상기 수소공급유로와 연통되는 수소공급홀부;를 포함하고,
    상기 수소공급유로는,
    상기 수소공급홀부로부터 상기 단위셀의 적층 방향으로 멀어지면서, 내경이 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 수소배출부는,
    상기 적층셀부의 타측 단부에 결합되는 배출결합부;
    상기 배출결합부에 결합되며, 수소배출유로가 형성되어 상기 적층셀부에서 배출되는 수소를 전달받는 수소배출바디부; 및
    상기 수소배출바디부에 관통 형성되어, 상기 수소배출유로와 연통되는 수소배출홀부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
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