KR102227608B1 - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 폐 공기 및 폐 연료가 배출되는 배출로와 공기 및 연료가 공급되는 공급로를 이중관으로 형성함으로써, 고온의 폐 공기 및 폐 연료와 연료전지 스택에 공급되는 상온의 연료 및 공기 사이에 열교환이 일어나고, 연료전지 스택의 온도 편차를 감소시키는 연료전지 스택에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly, by forming a discharge path through which waste air and waste fuel is discharged and a supply path through which air and fuel are supplied as double pipes, high-temperature waste air and waste fuel and fuel The present invention relates to a fuel cell stack in which heat exchange occurs between fuel and air at room temperature supplied to the cell stack, and a temperature variation of the fuel cell stack is reduced.
Description
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 폐 공기 및 폐 연료가 배출되는 배출로와 공기 및 연료가 공급되는 공급로를 이중관으로 형성함으로써, 고온의 폐 공기 및 폐 연료와 연료전지 스택에 공급되는 상온의 연료 및 공기 사이에 열교환이 일어나고, 연료전지 스택의 온도 편차를 감소시키는 연료전지 스택에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly, by forming a discharge path through which waste air and waste fuel is discharged and a supply path through which air and fuel are supplied as double pipes, high-temperature waste air and waste fuel and fuel The present invention relates to a fuel cell stack in which heat exchange occurs between fuel and air at room temperature supplied to the cell stack, and a temperature variation of the fuel cell stack is reduced.
일반적으로, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.In general, a fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen contained in a hydrocarbon-based material and air containing oxygen or oxygen into electrical energy.
예를 들어, 고체 산화물 연료 전지는 수소와 산소의 산화/환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질막과, 전해질막의 일면에 위치하는 양극(공기극)과, 전해질막의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)을 포함한다.For example, a solid oxide fuel cell has a structure in which a plurality of electricity generation units including a unit cell and a separator for generating electricity through oxidation/reduction reactions of hydrogen and oxygen are stacked. The unit cell includes an electrolyte membrane, an anode (air electrode) disposed on one side of the electrolyte membrane, and a cathode (fuel electrode) disposed on the other side of the electrolyte membrane.
이에 양극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 양극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질막을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 양극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.Accordingly, when oxygen is supplied to the anode and hydrogen is supplied to the cathode, oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen from the anode move to the cathode through the electrolyte membrane and then react with the hydrogen supplied to the cathode to generate water. At this time, electrons flow to an external circuit while electrons generated from the negative electrode are transferred to and consumed by the positive electrode, and the unit cell generates electrical energy by using the electron flow.
하나의 단위 전지와 이의 양쪽에 위치하는 분리판이 하나의 단위 셀을 구성한다. 이러한 단위 셀은 작동 전압이 통상적으로 1.0V 미만으로 공업적으로 응용하기에는 부족하다. 이에 연료 전지는 전압을 상승시킬 수 있도록 단위 셀을 전기적으로 직렬 연결이 되도록 복수로 적층하여 스택(stack)을 형성한다.One unit cell and a separator located on both sides of the unit cell constitute one unit cell. These unit cells typically have an operating voltage of less than 1.0V, which is insufficient for industrial applications. Accordingly, the fuel cell forms a stack by stacking a plurality of unit cells electrically connected in series so as to increase the voltage.
상기한 구조의 연료 전지는 작동 원리상 연료와 공기를 지속적으로 공급하여 전기를 생산하기 때문에 분리판에는 유체의 유동을 균일하게 유도하기 위한 통로가 형성되며 이 통로를 따라 연료 및 공기가 흐르게 된다.Since the fuel cell having the above structure generates electricity by continuously supplying fuel and air in principle of operation, a passage for uniformly inducing the flow of fluid is formed in the separator, and fuel and air flow along the passage.
연료 전지의 단위 셀에서 일어나는 전기화학반응은 연료기체의 화학에너지 일부를 전기에너지로 전환시킴과 동시에 일부를 열에너지로 전환시키기도 한다. 이 때 열에너지는 단위 셀의 표면에서 고르게 발생하는 것이 아니라 단위 셀의 운전 조건과 기체 유동의 방향 등에 따라 국부적으로 발생량이 상이하다. 또한 이렇게 발생한 열에너지는 유체의 흐름에 의한 대류를 통하여 기체가 흘러나가는 쪽으로 축적되는 경향을 갖는다. 이에 단위 셀 전면에 대해 공기의 출구 쪽에서는 한 단위 셀 상에서 가장 온도가 높은 지점인 열점이 형성되고, 공기의 입구 쪽에는 상대적으로 가장 온도가 낮은 지점인 냉점이 형성된다. 이로 인해 스택을 구성하는 각각의 단위 셀에는 유체의 흐름 방향으로 온도 구배가 형성되는 문제점이 발생하였다. 이러한 온도 불균일은 성능과 장기 내구성에 영향을 미치며, 이때 주입되는 유체의 온도가 작동온도에 비하여 현저히 낮은 경우 이러한 문제점을 더욱 심화시키게 된다.The electrochemical reaction occurring in a unit cell of a fuel cell converts some of the chemical energy of the fuel gas into electrical energy and at the same time converts some of it into thermal energy. In this case, the thermal energy is not generated evenly on the surface of the unit cell, but the amount of heat generated locally is different depending on the operating conditions of the unit cell and the direction of gas flow. In addition, the heat energy generated in this way tends to accumulate toward the flow of gas through convection caused by the flow of fluid. Accordingly, a hot spot, which is a point with the highest temperature on one unit cell, is formed on the front side of the unit cell at the outlet side of the air, and a cold spot, which is a relatively lowest temperature, is formed on the inlet side of air. As a result, there is a problem that a temperature gradient is formed in the flow direction of the fluid in each unit cell constituting the stack. This temperature non-uniformity affects performance and long-term durability, and at this time, when the temperature of the injected fluid is significantly lower than the operating temperature, this problem is further exacerbated.
이에, 스택의 평균온도 저하 없이 스택 내부에 형성되는 온도 구배를 최소화함으로써, 스택의 신뢰성을 제고하고 성능 및 수명을 증진시킬 수 있는 연료전지 스택이 필요한 실정이다. Accordingly, there is a need for a fuel cell stack capable of improving the reliability of the stack and improving the performance and lifespan by minimizing the temperature gradient formed inside the stack without lowering the average temperature of the stack.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 배출로와 공급로가 이중관으로 형성됨으로써, 연료 공급로 및 공기 공급로로 공급되는 연료 및 공기의 온도는 승온되고, 연료 배출로 및 공기 배출로를 통해 배출되는 폐 연료 및 폐 공기의 온도는 감온되는 연료전지 스택을 제공하는 것이다. The present invention was conceived to solve the above-described problem, and an object of the present invention is that the discharge path and the supply path are formed as double pipes, so that the temperature of the fuel and air supplied to the fuel supply path and the air supply path is raised, The temperature of the waste fuel and waste air discharged through the fuel discharge path and the air discharge path is to provide a fuel cell stack in which temperature is reduced.
또한, 연료전지 스택 하부에 폐 연료/공기 챔버를 형성함으로써, 연료전지 스택 하측부의 온도를 승온시켜 연료전지 스택의 층간 온도 구배를 감소시키는 연료전지 스택을 제공하는 것이다. In addition, by forming a waste fuel/air chamber under the fuel cell stack, the fuel cell stack is provided to increase the temperature of the lower portion of the fuel cell stack to reduce the interlayer temperature gradient of the fuel cell stack.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택은 하나 이상의 단전지가 적층된 적층 구조체; 상기 적층 구조체에 연료를 공급하는 연료 공급로(Fule inlet); 상기 적층 구조체에서 폐 연료를 배출하는 연료 배출로(Fule outlet); 상기 적층 구조체에 공기를 공급하는 공기 공급로(Air inlet); 및 상기 적층 구조체에서 폐 공기를 배출하는 공기 배출로(Air outlet);을 포함하고, 상기 공기 배출로 및 상기 연료 배출로 중 어느 하나 이상은, 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로 중 어느 하나 이상과 이중관으로 형성되는 것을 특징으로 한다. A fuel cell stack according to an embodiment of the present invention includes a stack structure in which one or more unit cells are stacked; A fuel supply path (Fule inlet) for supplying fuel to the stacked structure; A fuel outlet for discharging waste fuel from the stacked structure; An air inlet supplying air to the stacked structure; And an air outlet for discharging waste air from the stacked structure, wherein at least one of the air discharge passage and the fuel discharge passage may include at least one of the fuel supply passage and the air supply passage It characterized in that it is formed of a double tube and
일 실시예에서, 상기 이중관은, 상기 공기 및 연료 배출로 중 어느 하나 이상의 일측 및 타측에 상기 연료 및 공기 공급로 중 어느 하나 이상이 접촉면을 형성하며 위치되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the double pipe is characterized in that any one or more of the fuel and air supply paths form a contact surface on one or the other side of one or more of the air and fuel discharge paths.
일 실시예에서, 상기 이중관은, 상기 연료 및 공기 배출로 중 어느 하나가 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로 중 어느 하나 이상의 외측을 감싸는 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the double pipe is characterized in that any one of the fuel and air discharge paths is formed to surround the outside of any one or more of the fuel supply path and the air supply path.
일 실시예에서, 상기 이중관은, 상기 연료 및 공기 배출로 내부에 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로가 이격되게 위치되어 형성되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the double pipe is characterized in that the fuel and air discharge path is formed by being positioned to be spaced apart from the fuel supply path and the air supply path inside the fuel and air discharge path.
일 실시예에서, 상기 연료전지 스택은, 상기 폐 연료 및 상기 폐 공기 중 어느 하나 이상을 저장하고, 상기 이중관에 공급하는 폐 연료/공기 챔버;를 더 포함하고, 상기 폐 연료/공기 챔버는, 상기 연료 배출로 일측, 상기 공기 배출로 일측 및 상기 적층 구조체 하부 중 어느 하나에 위치되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the fuel cell stack further comprises a waste fuel/air chamber for storing at least one of the waste fuel and the waste air and supplying it to the double pipe, wherein the waste fuel/air chamber, It is characterized in that it is located in one of the fuel discharge passage, one side of the air discharge passage, and the lower portion of the stacked structure.
일 실시예에서, 상기 이중관은, 상기 공급 배출로 및 상기 연료 배출로를 통해 배출되는 상기 폐 공기 및 상기 폐 연료의 열이 상기 연료 공급로 혹은 상기 공기 공급로로 전달되어 상기 연료 혹은 상기 공기의 온도를 승온시키는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the double pipe, the waste air and heat of the waste fuel discharged through the supply discharge passage and the fuel discharge passage is transferred to the fuel supply passage or the air supply passage, It is characterized by raising the temperature.
일 실시예에서, 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로를 통해 공급되는 상기 연료 및 상기 공기의 온도는 500℃ 이상 승온되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, temperatures of the fuel and air supplied through the fuel supply path and the air supply path are increased by 500°C or more.
일 실시예에서, 상기 연료 공급로는, 직관형, 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the fuel supply path is characterized in that it is formed in any one of a straight tube type, a spiral type, a coil type, and a fin type.
일 실시예에서, 상기 공기 공급로는, 직관형, 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the air supply path is characterized in that it is formed in any one of a straight tube type, a spiral type, a coil type, and a fin type.
일 실시예에서, 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로의 연료 및 공기 흐름 방향과 상기 연료 배출로 및 상기 공기 배출로의 상기 폐 연료 및 상기 폐 공기 흐름 방향이 반대 방향인 것을 특징으로 한다. In one embodiment, the fuel and air flow directions of the fuel supply path and the air supply path and the waste fuel and waste air flow directions to the fuel discharge path and the air discharge path are opposite directions.
본 발명에 따르면, 배출로와 공급로가 이중관으로 형성됨으로써, 공급되는 연료 및 공기와 배출되는 폐 공기 사이 열교환이 일어나고, 연료전지 스택의 열점 및 냉점은 연료전지 작동온도와 동일해져 온도 구배가 최소화되는 효과가 발생하게 된다. According to the present invention, since the discharge path and the supply path are formed as double pipes, heat exchange occurs between the supplied fuel and air and the discharged waste air, and the hot and cold spots of the fuel cell stack become the same as the operating temperature of the fuel cell, thereby minimizing the temperature gradient. The effect is to occur.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 스택 하부에 폐 공기 및 폐 연료를 저장할 수 있는 스택이 형성됨으로써, 폐 공기 및 폐 연료의 온도를 이용하여 연료전지 스택 하부의 온도를 승온시켜 연료전지 스택의 층간 온도 구배를 최소화시키는 효과가 발생하게 된다. In addition, according to the present invention, a stack capable of storing waste air and waste fuel is formed under the fuel cell stack, so that the temperature of the lower portion of the fuel cell stack is increased using the temperature of the waste air and waste fuel to increase the interlayer of the fuel cell stack. The effect of minimizing the temperature gradient occurs.
또한, 본 발명에 따르면, 연료전지 스택의 온도 구배가 최소화됨으로써, 연료전지 스택의 열화 속도가 감소하는 효과가 발생하게 된다. In addition, according to the present invention, since the temperature gradient of the fuel cell stack is minimized, the effect of reducing the deterioration rate of the fuel cell stack occurs.
또한, 본 발명에 따르면, 각 구성요소의 열팽창 차이가 최소화되어 구성요소의 파괴나 기체의 누설 등이 일어나지 않아 스택의 신뢰성이 향상되는 효과가 발생하게 된다. In addition, according to the present invention, the difference in thermal expansion of each component is minimized, so that destruction of components or leakage of gas does not occur, so that the reliability of the stack is improved.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중관을 도시한 사시도이다.
도 7(a)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중관을 도시한 사시도이고, 도 7(b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중관의 단면도이다.
도 8(a)는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 이중관을 도시한 사시도이고, 도 8(b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중관의 단면도이다.
도 9은 본 발명에 따른 이중관을 도시한 단면도이다. 1 is a perspective view showing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view illustrating a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.
3 is a perspective view showing a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.
4 is a perspective view showing a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.
6 is a perspective view showing a double pipe according to an embodiment of the present invention.
7(a) is a perspective view showing a double pipe according to another embodiment of the present invention, and FIG. 7(b) is a cross-sectional view of a double pipe according to another embodiment of the present invention.
8(a) is a perspective view showing a double pipe according to another embodiment of the present invention, and FIG. 8(b) is a cross-sectional view of a double pipe according to another embodiment of the present invention.
9 is a cross-sectional view showing a double pipe according to the present invention.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다. The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings as follows. Here, repeated descriptions and detailed descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted. Embodiments of the present invention are provided to completely explain the present invention to those with average knowledge in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, a preferred embodiment is presented to aid the understanding of the present invention. However, the following examples are only provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the examples.
<연료전지 스택><Fuel cell stack>
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 스택을 도시한 사시도이고, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이중관(60, 60', 60")을 도시한 사시도 및 단면도이고, 도 9은 본 발명에 따른 이중관을 도시한 단면도이다. 1 to 5 are perspective views illustrating a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 6 to 8 are diagrams illustrating
본 발명에 따른 연료전지 스택은 적층 구조체(10), 연료 공급로(20), 연료 배출로(30), 공기 공급로(40) 및 공기 배출로(50)를 포함할 수 있다. The fuel cell stack according to the present invention may include a
본 발명에 따른 적층 구조체(10)는 하나 이상의 단전지가 적층되어 제공되는 것으로, 단위셀, 윈도우 프레임 및 인터커넥터가 포함될 수 있다. The
우선, 단위셀은 연료전지 스택에 전기를 발생시키는 역할을 할 수 있고, 산소이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면의 연료극과 공기극으로 구성된다. 연료극에 연료를 공급해주면 연료가 산화되어 전자가 외부회로를 통하여 방출되고, 공기극에 산소를 공급해주면 외부회로로부터 전자를 받아서 산소이온으로 환원된다. 환원된 산소이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 산화된 연료와 반응하여 물을 생성한다. 이 때 연료극에서 공기극으로의 전자 흐름으로 직류 전기를 생산하게 된다. 단위셀은 전해질 자립막식, 음극 지지체식 및 다공성지지체 세 가지 구조를 가질 수 있다. First, the unit cell can play a role of generating electricity in the fuel cell stack, and is composed of an electrolyte having oxygen ion conductivity, and a fuel electrode and an air electrode on both sides thereof. When fuel is supplied to the anode, the fuel is oxidized and electrons are released through an external circuit. When oxygen is supplied to the cathode, electrons are received from the external circuit and are reduced to oxygen ions. The reduced oxygen ions move to the anode through the electrolyte and react with the oxidized fuel to produce water. At this time, direct current electricity is produced by the flow of electrons from the anode to the cathode. The unit cell may have three structures: an electrolyte self-supporting membrane type, a negative electrode support type, and a porous support type.
윈도우 프레임은 공기극 및 연료극 인터커넥터를 통해 유입되는 산소와 수소가 단위셀로 유입되는 것을 방지하고, 연료전지 스택 작동 중 산소와 수소가 서로 섞이지 않도록 하는 역할을 한다. 또한, 공기극 및 연료극 인터커넥터를 통해 유입되는 산소와 수소가 연료전지 스택 내부에서 유동될 수 있게 유로가 형성될 수 있다. The window frame prevents oxygen and hydrogen introduced through the cathode and anode interconnects from flowing into the unit cell, and prevents oxygen and hydrogen from being mixed with each other during the operation of the fuel cell stack. In addition, a flow path may be formed so that oxygen and hydrogen introduced through the cathode and anode interconnects flow inside the fuel cell stack.
인터커넥터는 공기가 공급되는 공기극 인터커넥터와 연료가 공급되는 연료극 인터커넥터로 나눠질 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 단위셀이 두 개 이상 적층되어 형성되는 적층 구조체(10)에서, 인터커넥터는 적층된 두 개이상의 단위셀들을 전기적으로 연결해 주는 역할을 함과 동시에 연료극과 공기극에 공급되는 두 종류의 가스가 혼합되지 않고 단위셀에 균일하게 공급될 수 있도록 유로가 형성될 수 있다. The interconnector may be divided into a cathode interconnector supplied with air and an anode interconnector supplied with fuel. And, in the stacked
공기극 인터커넥터 및 연료극 인터커넥터에 형성된 유로는 요철 구조로써 공기극 및 연료극 인터커넥터 상면 및 하면 중 어느 하나에 형성될 수 있다. 또한, 공기극 인터커넥터에 형성된 유로와 연료극 인터커넥터에 형성된 유로는 수직한 방향으로 형성되어 서로 연통되지 않는 것에 유의한다. The flow path formed in the cathode interconnector and the anode interconnect has an uneven structure and may be formed on one of the top and bottom surfaces of the cathode and anode interconnectors. In addition, it should be noted that the flow path formed in the cathode interconnect and the flow path formed in the anode interconnect are formed in a vertical direction and do not communicate with each other.
예를 들어, 공기 유로가 수직 방향으로 형성될 경우, 공기극 인터커넥터를 통해 공급된 산소는 공기극의 수직 방향으로 이동될 수 있고, 연료 유로가 수평 방향으로 형성될 경우, 연료극 인터커넥터를 통해 공급된 수소는 연료극의 수평 방향으로 이동될 수 있다. For example, when the air flow path is formed in a vertical direction, oxygen supplied through the cathode interconnect can be moved in the vertical direction of the cathode, and when the fuel channel is formed in a horizontal direction, the oxygen supplied through the anode interconnector Hydrogen can be moved in the horizontal direction of the anode.
단위셀이 하나 이상 적층됨으로써 형성되는 연료전지 스택에서 단위셀과 단위셀 사이에 위치되는 인터커넥터는 분리판 역할을 할 수 있다. In a fuel cell stack formed by stacking one or more unit cells, an interconnector positioned between the unit cell and the unit cell may serve as a separator.
연료 공급로(20)는 음극에 연료 가스를 공급하는 경로이고, 연료 배출로(30)는 음극과 반응하지 않은 연료 가스를 배출하는 경로이다. The
그리고, 공기 공급로(40)는 양극에 공기를 공급하는 경로이고, 공기 배출로(30)는 양극과 반응하지 않은 공기를 배출하는 경로이다. In addition, the
예를 들어, 적층 구조체(10)의 단위셀이 고체 산화물 연료전지일 경우, 연료 공급로(20)를 통해 수소가 공급되고, 수소와 음극이 반응하여 전자를 생성하며, 생성된 전자는 전해질을 통해 양극으로 이동하여 연료전지의 전류를 생성할 수 있다. 그리고, 음극과 반응하지 않은 폐 수소 가스는 연료 배출로(30)를 통해 배출될 수 있다. For example, when the unit cell of the stacked
나아가, 공기 공급로(40)를 통해 공급된 산소는 양극과 반응하여 수소 이온을 생성하고, 생성된 수소 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동하여 전자를 잃은 수소 이온과 화학반응을 통해 반응 생성물을 생성할 수 있다. 그리고, 반응 생성물과 양극과 반응하지 않은 폐 공기는 공기 배출로(50)를 통해 배출될 수 있다. Furthermore, oxygen supplied through the
이때, 단위셀에서 일어나는 전기화학반응은 연료기체의 화학에너지 일부를 전기에너지로 전환시킴과 동시에 일부를 열에너지로 전환될 수 있다. 따라서, 연료 및 공기 공급로(20, 40)를 통해 공급된 연료 및 공기가 음극 및 양극 인터커넥터의 유로를 통해 음극 및 양극과 접촉된 후 연료 및 공기 배출로(30, 50)를 통해 배출됨으로써, 폐 연료 및 폐 공기는 온도가 증가될 수 있다. At this time, the electrochemical reaction occurring in the unit cell may convert part of the chemical energy of the fuel gas into electrical energy and at the same time convert part of it into thermal energy. Therefore, the fuel and air supplied through the fuel and
그리고, 본 발명에 따른 연료 공급로(20), 연료 배출로(30), 공기 공급로(40) 및 공기 배출로(50)는 이중관(60)으로 형성될 수 있다. Further, the
일 실시 예에 있어서, 연료 공급로(20) 상부 및 하부에 공기 배출로(50)가 위치되어 이중관(60)을 형성할 수 있다. 공기 배출로(50)를 통해 배출되는 공기의 온도는 연료 공급로(20)를 통해 공급되는 연료보다 높은 온도로 배출됨으로, 공급되는 연료와 폐 공기 간 열교환이 일어날 수 있다. In one embodiment, the
연료 공급로(20)와 공기 배출로(50)가 이중관(60)으로 형성됨으로써, 연료 공급로(20) 상부 및 하부에서 열교환이 일어나게 되고, 짧은 시간 안에 공급되는 연료의 온도가 연료전지 작동온도, 약 500℃ 이상 승온될 수 있다. 따라서, 연료 공급로(20)의 배관 길이를 짧게 제공함으로써, 짧은 시간 안에 연료를 목표 온도까지 승온 가능하여 공간 효율성이 증가하는 효과가 발생할 수 있다. Since the
또한, 공급되는 연료는 온도가 승온되고, 폐 공기의 온도는 감온되어 연료전지 스택에 발생되는 열점 및 냉점의 온도 차를 감소시키며, 스택 내부에 형성되는 온도 구배가 감소되어 연료전지 스택의 각 구성요소의 열팽창 차이가 감소되어 구성요소의 파괴나 기체의 누설 등의 문제를 방지하여 스택의 신뢰성이 증가하는 효과가 발생할 수 있다. In addition, the temperature of the supplied fuel is raised, the temperature of the waste air is reduced to reduce the temperature difference between hot and cold spots generated in the fuel cell stack, and the temperature gradient formed inside the stack is reduced, so that each component of the fuel cell stack is reduced. The difference in thermal expansion of the elements is reduced, thereby preventing problems such as destruction of components or leakage of gas, thereby increasing the reliability of the stack.
공급되는 연료와 폐 공기의 열교환에 의해 폐 공기의 온도가 감온될 수 있으나, 감온되는 최소 온도는 연료전지의 작동온도 이상임으로 연료전지 스택의 평균온도가 감소되지 않아 연료전지의 반응 속도의 감소는 발생하지 않는다. The temperature of the waste air may be reduced by heat exchange between the supplied fuel and the waste air. However, since the minimum temperature to be reduced is above the operating temperature of the fuel cell, the average temperature of the fuel cell stack does not decrease, thus reducing the reaction speed of the fuel cell. Does not occur.
도 2를 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 이중관(60)은 공기 공급로(40) 상부 및 하부에 공기 배출로(50)가 위치되어 형성될 수 있다. 폐 공기가 공기 공급로(40)로 공급되는 공기의 온도를 승온시켜 연료전지 스택의 온도 구배를 감소시킬 수 있다. 또한, 이중관(60) 구조에 의해 폐 공기의 온도 감소가 발생됨으로 열점의 온도가 연료전지 스택의 모든 구성요소의 내열 온도보다 감소되나 연료전지의 작동온도 이하로 감소되지 않아 반응 속도의 감소를 방지할 수 있다. Referring to FIG. 2, the
그리고, 도 3을 참고하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택은 연료 및 공기 공급로(20, 40)의 상부 및 하부에 공기 배출로(50)가 위치되어 이중관(60)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 이중관(60)은 공기 배출로(50), 연료 공급로(20), 공기 배출로(50), 공기 공급로(40), 공기 배출로(50) 순으로 적층되어 형성될 수 있다. 즉, 연료 공급로(20) 및 공기 공급로(40)를 기준으로 두 개의 이중관(60)이 형성될 수 있다. 폐 공기의 온도를 이용하여 연료전지에 공급되는 연료 및 공기를 가열함으로써, 연료 및 공기 공급로(20, 40)를 가열하기 위해 추가 구성이 필요하지 않고, 짧은 연료 및 공기 공급로(20, 40)를 이용하여 연료 및 공기를 가열함으로써, 공간을 효율적으로 사용할 수 있다. And, referring to FIG. 3, in the fuel cell stack according to another embodiment of the present invention, the
이때, 본 발명에 따른 연료전지 스택은 도 1 내지 도 3에 한정되지 않고, 연료 배출로(30)가 적용될 수 있다. At this time, the fuel cell stack according to the present invention is not limited to FIGS. 1 to 3, and a
나아가, 도 1 내지 도 3에 따른 연료 공급로(20), 공기 공급로(30), 연료 배출로(40) 및 공기 배출로(50)는 적층 구조체(10)의 상부에 형성되나, 본 발명에 따른 연료 공급로(20), 공기 공급로(30), 연료 배출로(40) 및 공기 배출로(50)는 도면에 한정되지 않고, 적층 구조체(10)의 하부에 형성될 수 있다. Further, the
본 발명에 따른 연료전지 스택의 이중관은 다양한 형태로 제공될 수 있는데, 우선, 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중관(60)은 연료 공급로(20)의 일측 및 타측에 공기 배출로(50)가 위치될 수 있고, 이때, 연료 공급로(20)와 공기 배출로(50)는 접촉면을 형성할 수 있다. 아울러, 본 발명에 따른 이중관(60)은 도 6에 한정되지 않고, 연료 공급로(20)의 일측 및 타측에 연료 배출로가 위치되거나, 공기 공급로의 일측 및 타측에 연료 배출로가 위치되거나, 공기 공급로의 일측 및 타측에 공기 배출로가 위치될 수 있다. 그리고, 이중관(60)은 직관형, 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 형성될 수 있다. 이중관(60)이 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 형성될 경우, 직관형 보다 공급로 및 배출로가 접촉되는 면이 증가되어 열교환이 더 원활한 효과가 발생할 수 있다. The double pipe of the fuel cell stack according to the present invention may be provided in various forms. First, referring to FIG. 6, the
도 7을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중관(60')은 공기 배출로(50)가 연료 공급로(20)외 외측을 감싸는 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 연료 공급로(20) 외측면은 공기 배출로(50)를 통해 배출되는 폐 공기와 접촉면을 형성할 수 있다. 여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중관(60')은 도 7에 한정되지 않고, 연료 공급로(20) 외측에 연료 배출로가 형성되거나, 공기 공급로 외측에 공기 배출로(50)가 형성되거나, 공기 공급로 외측에 연료 배출로가 형성될 수 있다. Referring to FIG. 7, the
도 8을 참고하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 이중관(60")은 공기 배출로(50)의 내부에 연료 공급로(20) 및 공기 공급로(40)가 이격되게 위치될 수 있다. 연료 공급로(20)와 공기 공급로(40) 사이 이격된 공간을 통해 폐 공기가 배출됨으로써, 연료 및 공기 공급로(20, 40)의 모든 외측면은 폐 공기와 접촉될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중관(60")은 도 8에 한정되지 않고, 연료 및 공기 공급로(20, 40)가 이격되어 위치되고, 연료 배출로가 연료 및 공기 공급로(20, 40)를 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 8, according to another embodiment of the present invention, the
도 7 및 도 8에 따른 이중관(60', 60")은 이중관(60', 60") 내부에 위치되는 연료 및 공기 공급로(20, 40)가 직관형, 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 제공될 수 있다. 와선형, 코일형 및 핀형의 경우, 직관형 보다 연료전지 스택에 공급되는 연료 및 공기가 폐 공기 및 폐 연료와 열교환될 수 있는 접촉면이 증가하여 공급되는 연료 및 공기가 작동온도까지 승온되는 시간을 감소시켜주는 효과가 발생할 수 있다. In the
본 발명에 따른 이중관은 연료 및 공기 공급로를 통해 유동되는 연료 및 공기와 연료 및 공기 배출로를 통해 유동되는 폐 연료 및 폐 공기는 흐름 방향이 반대일 수 있다. 도 9를 참고하면, 이중관(60)이 연료 공급로(20)와 공기 배출로(50)로 형성될 수 있는데, 이때, 연료와 폐 공기는 반대 방향으로 유입 및 배출될 수 있다. In the double pipe according to the present invention, the flow direction of the fuel and air flowing through the fuel and air supply path, and the waste fuel and waste air flowing through the fuel and air discharge path may be opposite. Referring to FIG. 9, the
따라서, 연료전지 스택에 공급되는 연료 및 공기와 열교환되는 폐 연료 및 폐 공기의 온도는 항상 고온의 조건으로 제공될 수 있다. 즉, 공급되는 연료 및 공기와 열교환이 일어난 폐 연료 및 폐 공기는 연료 및 공기와 반대 방향으로 흘러가 외부로 배출되고, 연료 및 공기는 연료전지에서 배출되는 새로운 폐 연료 및 폐 공기와 접촉되게 된다. 따라서, 연료전지 스택에 공급되는 연료 및 공기와 열교환되는 폐 연료 및 폐 공기는 일정한 온도를 유지하게 되고, 공급되는 연료 및 공기가 승온되는 시간이 감소되어 공급로의 배관 길이를 짧게 형성할 수 있다. 그리고, 연료전지 스택에 공급되는 연료 및 공기의 온도가 승온됨으로써, 연료전지 스택의 열점 온도가 연료전지 스택의 모든 구성요소의 내열 온도보다 감소되나 연료전지의 작동온도 이하로 감소되지 않아 반응 속도의 감소를 방지할 수 있다. Accordingly, the temperature of the waste fuel and the waste air heat-exchanged with the fuel and air supplied to the fuel cell stack can always be provided under high temperature conditions. That is, the waste fuel and waste air, which have undergone heat exchange with the supplied fuel and air, flow in a direction opposite to the fuel and air to be discharged to the outside, and the fuel and air come into contact with the new waste fuel and waste air discharged from the fuel cell. Accordingly, the waste fuel and waste air heat-exchanged with the fuel and air supplied to the fuel cell stack maintain a constant temperature, and the time during which the supplied fuel and air is heated is reduced, so that the pipe length of the supply path can be shortened. . In addition, the temperature of the fuel and air supplied to the fuel cell stack is increased, so that the hot spot temperature of the fuel cell stack decreases below the heat resistance temperature of all components of the fuel cell stack, but does not decrease below the operating temperature of the fuel cell. Can prevent reduction.
본 발명에 따른 연료전지 스택은 폐 연료/공기 저장부(70)를 더 포함할 수 있다. 폐 연료/공기 스택(70)는 연료전지 스택에서 배출되는 폐 연료 및 폐 공기 중 어느 하나 이상을 저장한 후, 이중관(60)에 공급해주는 역할을 할 수 있다. 따라서, 공급로(40) 상부 및 하부 혹은 내측 및 외측에 위치되는 배출로(50) 각각에 폐 연료 및 폐 공기를 일정하게 공급해 줄 수 있다. The fuel cell stack according to the present invention may further include a waste fuel/
폐 연료/공기 스택(70)은 이중관(60)의 일측 및 적층 구조체(10) 하부 중 어느 하나에 위치될 수 있다. The waste fuel/
일 실시 예에 있어서, 도 4를 참고하면, 폐 연료/공기 스택(70)이 이중관(60) 혹은 공기 배출로(50)일측에 위치되어, 공기 배출로(50)를 통해 배출되는 폐 공기를 저장한 후, 폐 연료/공기 스택(70) 타측에 형성된 이중관(60)의 연료 공급로(20) 상부 및 하부에 위치된 공기 배출로(50) 각각에 폐 공기를 일정하게 공급할 수 있다. In one embodiment, referring to FIG. 4, the waste fuel/
다른 실시 예에 있어서, 도 5를 참고하면, 폐 연료/공기 스택(70)은 적층 구조체(10) 하부에 위치될 수 있다. 여기서, 공기 공급로(40)는 폐 연료/공기 프택(70) 내부를 통해 적층 구조체로 공기를 공급할 수 있고, 공기 배급로(50)는 폐 연료/공기 스택(70)의 일측으로 폐 공기를 배출하고, 폐 공기는 폐 연료/공기 스택(70)의 온도를 상승시킨 후, 타측을 통해 이중관(60)으로 배출될 수 있다. In another embodiment, referring to FIG. 5, the waste fuel/
폐 연료/공기 스택(70)이 적층 구조체(10) 하부에 위치됨으로써, 연료전지 스택은 하층부를 통해 상온의 연료 및 공기가 공급되어 연료전지 스택의 하부의 온도는 작동 온도 이하로 감소되는 것을 방지할 수 있고, 따라서, 연료전지 스택의 온도 구배를 감소시킬 수 있다. Since the waste fuel/
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. You will understand that you can do it.
10: 적층 구조체
20: 연료 공급로
30: 연료 배출로
40: 공기 공급로
50: 공기 배출로
60, 60', 60": 이중관
70: 폐 연료/공기 저장부 10: laminated structure
20: fuel supply furnace
30: fuel discharge furnace
40: with air supply
50: with air exhaust
60, 60', 60": double tube
70: waste fuel/air reservoir
Claims (10)
상기 적층 구조체에 연료를 공급하는 연료 공급로(Fule inlet);
상기 적층 구조체에서 폐 연료를 배출하는 연료 배출로(Fule outlet);
상기 적층 구조체에 공기를 공급하는 공기 공급로(Air inlet);
상기 적층 구조체에서 폐 공기를 배출하는 공기 배출로(Air outlet); 및
상기 적층 구조체 하부에 위치되고, 상기 폐 연료 및 상기 폐 공기 중 어느 하나 이상을 공급받아 저장하고, 내부에 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로가 가로지르는 폐 연료/공기 챔버;를 포함하고,
상기 연료 배출로 및 상기 공기 배출로 중 어느 하나는,
상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로 사이에 위치되고, 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로와 일측 및 타측에 접촉면이 형성된 이중관으로 형성되고,
상기 이중관은 상기 폐 연료/공기 챔버의 측면에 위치되는 것을 특징으로 하는,
연료전지 스택.
A stacked structure in which one or more unit cells are stacked;
A fuel supply path (Fule inlet) for supplying fuel to the stacked structure;
A fuel outlet for discharging waste fuel from the stacked structure;
An air inlet supplying air to the stacked structure;
An air outlet for discharging waste air from the stacked structure; And
A waste fuel/air chamber located below the stacked structure, receiving and storing at least one of the waste fuel and the waste air, and crossing the fuel supply path and the air supply path therein, and
Any one of the fuel discharge path and the air discharge path,
It is located between the fuel supply path and the air supply path, and is formed of a double pipe having contact surfaces on one side and the other side of the fuel supply path and the air supply path,
The double pipe is characterized in that located on the side of the waste fuel / air chamber,
Fuel cell stack.
상기 이중관은,
상기 연료 및 공기 배출로 중 어느 하나가 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로 중 어느 하나 이상의 외측을 감싸는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
The method of claim 1,
The double pipe,
One of the fuel and air discharge paths, characterized in that formed in a shape surrounding the outside of at least one of the fuel supply path and the air supply path.
상기 이중관은,
상기 연료 및 공기 배출로 내부에 상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로가 이격되게 위치되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
The method of claim 1,
The double pipe,
The fuel cell stack, characterized in that the fuel supply path and the air supply path are formed to be spaced apart from each other in the fuel and air discharge path.
상기 이중관은,
상기 공기 배출로 및 상기 연료 배출로를 통해 배출되는 상기 폐 공기 및 상기 폐 연료의 열이 상기 연료 공급로 혹은 상기 공기 공급로로 전달되어 상기 연료 혹은 상기 공기의 온도를 승온시키는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
The method of claim 1,
The double pipe,
The waste air and heat of the waste fuel discharged through the air discharge path and the fuel discharge path are transferred to the fuel supply path or the air supply path to raise the temperature of the fuel or the air, Fuel cell stack.
상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로를 통해 공급되는 상기 연료 및 상기 공기의 온도는 500℃ 이상 승온되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
The method of claim 6,
The fuel cell stack, characterized in that the temperature of the fuel and the air supplied through the fuel supply path and the air supply path is increased by 500°C or more.
상기 연료 공급로는,
직관형, 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
The method of claim 1,
The fuel supply path,
A fuel cell stack, characterized in that it is formed in any one of a straight tube type, a spiral type, a coil type, and a fin type.
상기 공기 공급로는,
직관형, 와선형, 코일형 및 핀형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
The method of claim 1,
The air supply path,
A fuel cell stack, characterized in that it is formed in any one of a straight tube type, a spiral type, a coil type, and a fin type.
상기 연료 공급로 및 상기 공기 공급로의 연료 및 공기 흐름 방향과 상기 연료 배출로 및 상기 공기 배출로 의 상기 폐 연료 및 상기 폐 공기 흐름 방향이 반대 방향인 것을 특징으로 하는, 연료전지 스택.
The method of claim 1,
The fuel cell stack, characterized in that the fuel and air flow directions of the fuel supply path and the air supply path and the waste fuel and the waste air flow directions of the fuel discharge path and the air discharge path are opposite directions.
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