KR102606322B1 - Tubular unit stack integrated with fuel cell and water electrolysis - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나의 단위스택에 수전해 및 연료전지를 일체화시킨 튜브형 단위스택에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 수전해가 일체화된 튜브형 단위스택은 복수의 MEA 및 전극을 포함하는 튜브형 연료전지, 상기 튜브형 연료전지 일측에 물을 공급하는 급수유닛, 상기 튜브형 연료전지에 전원을 공급하는 전원유닛, 상기 튜브형 연료전지로부터 생성되는 수소를 저장 및 공급하는 수소탱크 및 상기 튜브형 연료전지의 배출통로 일측에 구비되어, 상기 전원유닛의 동작 모드에 따라 상기 배출통로를 개폐하는 제1 및 제2 밸브를 포함한다.The present invention relates to a tubular unit stack that integrates water electrolysis and fuel cells into one unit stack. A tubular unit stack in which a fuel cell and water electrolysis are integrated according to an embodiment of the present invention includes a tubular fuel cell including a plurality of MEAs and electrodes, a water supply unit that supplies water to one side of the tubular fuel cell, and a tubular fuel cell. A power unit that supplies power, a hydrogen tank that stores and supplies hydrogen generated from the tubular fuel cell, and a device provided on one side of the discharge passage of the tubular fuel cell to open and close the discharge passage according to the operation mode of the power unit. It includes first and second valves.

Description

연료전지와 수전해가 일체화된 튜브형 단위스택{TUBULAR UNIT STACK INTEGRATED WITH FUEL CELL AND WATER ELECTROLYSIS}Tubular unit stack with integrated fuel cell and water electrolysis {TUBULAR UNIT STACK INTEGRATED WITH FUEL CELL AND WATER ELECTROLYSIS}

본 발명은 하나의 단위스택에 수전해 및 연료전지를 일체화시킨 튜브형 단위스택에 관한 것이다.The present invention relates to a tubular unit stack that integrates water electrolysis and fuel cells into one unit stack.

수전해는 연료인 물(H2O)과 전기를 이용하여 결합되어 있는 수소(H2)와 산소(O2)를 분리 생산하는 장치이다Water electrolysis is a device that separates and produces hydrogen (H2) and oxygen (O2) that are combined with water (H2O), a fuel, and electricity.

자세히 말하자면, 수전해의 애노드(anode)에서는 물이 공급되어 전극 촉매 상에서 촉매와 반응하여, 산소, 수소이온과 전자가 발생한다. 수소 이온은 전해질막을 통해 캐소드(cathode)로 이동하며, 전해질막을 통과한 수소이온이 외부 회로를 통해 이동된 전자와 결합하여 순수한 수소가 생성된다. 이러한 수전해 장치의 반응은 연료전지의 역반응이다.To be more specific, water is supplied to the anode of water electrolysis and reacts with the catalyst on the electrode catalyst, generating oxygen, hydrogen ions, and electrons. Hydrogen ions move to the cathode through the electrolyte membrane, and pure hydrogen is generated when the hydrogen ions that pass through the electrolyte membrane combine with electrons moved through the external circuit. The reaction of this water electrolysis device is the reverse reaction of the fuel cell.

연료전지는 연료인 수소와 공기중의 산소를 이용하여 전기를 생산하는 장치이다. 연료전지의 주요 구성품인 전극막 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)는 수소 양이온이 이동 가능한 전해질막과 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있는 촉매층이 마련된다.A fuel cell is a device that produces electricity using hydrogen as a fuel and oxygen in the air. The Membrane Electrode Assembly (MEA), a major component of a fuel cell, consists of an electrolyte membrane through which hydrogen cations can move and a catalyst layer through which hydrogen and oxygen can react on both sides of the electrolyte membrane.

연료전지의 핵심 구성요소는 애노드(anode), 캐소드(cathode), 전해질이다. 애노드에서는 산화작용이 일어나면서 (+)전기를 띄는 수소이온과 전자가 방출된다. 여기서 방출된 전자는 외부 도선을 통해 애노드에서 캐소드로 이동하고, 이에 따라 직류 전류가 발생한다.The core components of a fuel cell are the anode, cathode, and electrolyte. As oxidation occurs at the anode, hydrogen ions and electrons with positive (+) electricity are released. The electrons emitted here move from the anode to the cathode through the external conductor, thereby generating direct current.

이와 같이 수전해와 연료전지는 서로 역반응에 의해 수행될 수 있는데, 종래에는 수전해와 연료전지 장치가 별도로 구성되어 동작하여 왔다.In this way, water electrolysis and fuel cell can be performed by reverse reactions, but conventionally, water electrolysis and fuel cell devices have been constructed and operated separately.

대한민국 공개특허공보 제1020210114575호 (2021.08.30)Republic of Korea Patent Publication No. 1020210114575 (2021.08.30)

본 발명은 하나의 단위스택에 수전해 및 연료전지를 일체화시킨 튜브형 단위스택을 제공하는 것을 목적으로 한다. The purpose of the present invention is to provide a tubular unit stack that integrates water electrolysis and fuel cells into one unit stack.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects and advantages of the present invention that are not mentioned can be understood by the following description and will be more clearly understood by the examples of the present invention. Additionally, it will be readily apparent that the objects and advantages of the present invention can be realized by the means and combinations thereof indicated in the patent claims.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 수전해가 일체화된 튜브형 단위스택은 복수의 MEA 및 전극을 포함하는 튜브형 연료전지, 상기 튜브형 연료전지 일측에 물을 공급하는 급수유닛, 상기 튜브형 연료전지에 전원을 공급하는 전원유닛 및 상기 튜브형 연료전지로부터 생성되는 수소를 저장 및 공급하는 수소탱크 및 상기 튜브형 연료전지의 배출통로 일측에 구비되어, 상기 전원유닛의 동작 모드에 따라 상기 배출통로를 개폐하는 제1 및 제2 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.A tubular unit stack in which a fuel cell and a water electrolyzer are integrated according to an embodiment of the present invention to achieve the above-described object includes a tubular fuel cell including a plurality of MEAs and electrodes, and a water supply supplying water to one side of the tubular fuel cell. unit, a power unit that supplies power to the tubular fuel cell, a hydrogen tank that stores and supplies hydrogen generated from the tubular fuel cell, and a discharge passage of the tubular fuel cell, which is provided on one side of the discharge passage of the tubular fuel cell, depending on the operation mode of the power unit. It is characterized in that it includes first and second valves that open and close the discharge passage.

상기 튜브형 연료전지는 물이 주입되는 튜브형 지지체, 상기 튜브형 지지체를 둘러싸는 제1 전극, 상기 제1 전극을 둘러싸는 수전해 MEA(Membrane Electrode Assembly), 상기 수전해 MEA를 둘러싸고, 내주면 및 외주면에 패턴화된 기체유로를 포함하는 제2 전극, 상기 제2 전극을 둘러싸는 연료전지 MEA 및 상기 연료전지 MEA를 둘러싸는 제3 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.The tubular fuel cell includes a tubular support into which water is injected, a first electrode surrounding the tubular support, a water electrolysis MEA (Membrane Electrode Assembly) surrounding the first electrode, and a pattern surrounding the water electrolysis MEA and on the inner peripheral surface and the outer peripheral surface. It is characterized by comprising a second electrode including a gas flow path, a fuel cell MEA surrounding the second electrode, and a third electrode surrounding the fuel cell MEA.

상기 튜브형 지지체는 상기 기체유로에 기체를 주입하는 주입통로 및 상기 기체유로에서 기체를 배출하는 배출통로를 포함하는 것을 특징으로 한다.The tubular support is characterized in that it includes an injection passage for injecting gas into the gas passage and an discharge passage for discharging gas from the gas passage.

상기 제1 밸브는, 상기 제1 전극과 제2 전극에 전원이 공급될 때 상기 배출통로와 상기 수소탱크를 연통시키고, 상기 제2 밸브는, 상기 제2 전극과 제 3 전극에 전원이 공급될 때 상기 배출통로 내의 기체를 상기 튜브형 지지체 외로 배출시키는 것을 특징으로 한다.The first valve communicates the discharge passage and the hydrogen tank when power is supplied to the first electrode and the second electrode, and the second valve communicates with the hydrogen tank when power is supplied to the second electrode and the third electrode. It is characterized in that the gas in the discharge passage is discharged outside the tubular support.

상기 기체유로는 상기 제2 전극의 외주면에 길이방향을 따라 홈 형태로 복수 개 형성되는 제1 기체유로, 상기 제2 전극의 내주면에 길이방향을 따라 홈 형태로 복수 개 형성되는 제2 기체유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.The gas flow path includes a first gas flow path formed in a plurality of groove shapes along the longitudinal direction on the outer circumferential surface of the second electrode, and a plurality of second gas flow paths formed in a groove shape along the longitudinal direction on the inner circumferential surface of the second electrode. It is characterized by including.

상기 지지체에 물이 주입되고, 상기 제1 전극과 제2 전극에 전원이 공급되면, 상기 제1 전극에서 산소가 발생하고, 상기 제2 전극에서 수소가 발생하며 상기 수소는 상기 제1 배출통로를 통해 상기 수소탱크로 이동하는 것을 특징으로 한다.When water is injected into the support and power is supplied to the first and second electrodes, oxygen is generated from the first electrode, hydrogen is generated from the second electrode, and the hydrogen flows through the first discharge passage. It is characterized in that it moves to the hydrogen tank through.

상기 수소탱크로부터 상기 기체유로에 수소가 주입되고, 상기 제2 전극와 상기 제3 전극에 전원이 공급되면, 상기 튜브형 지지체는 전자와 물을 발생시키고, 상기 기체유로를 통해서 이동하는 기체는 상기 제2 배출통로를 통해 배출되는 것을 특징으로 한다.When hydrogen is injected into the gas passage from the hydrogen tank and power is supplied to the second electrode and the third electrode, the tubular support generates electrons and water, and the gas moving through the gas passage is the second electrode. It is characterized in that it is discharged through a discharge passage.

본 발명에 따르면 하나의 단위스택에서 수전해 및 연료전지를 일체화시킨 튜브형 단위스택을 제공함에 따라, 장치를 경량화할 수 있다는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage in that the device can be lightened by providing a tubular unit stack that integrates water electrolysis and fuel cells in one unit stack.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.In addition to the above-described effects, specific effects of the present invention are described below while explaining specific details for carrying out the invention.

도 1 연료전지와 수전해가 일체화된 단위스택 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 2는 튜브형 단위스택을 도시한 사시도.
도 3은 튜브형 단위스택의 종단면을 도시한 도면.
Figure 1 A diagram showing the configuration of a unit stack system in which a fuel cell and water electrolysis are integrated.
Figure 2 is a perspective view showing a tubular unit stack.
Figure 3 is a diagram showing a longitudinal cross-section of a tubular unit stack.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.The above-mentioned objects, features, and advantages will be described in detail later with reference to the attached drawings, so that those skilled in the art will be able to easily implement the technical idea of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of known techniques related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In the drawings, identical reference numerals are used to indicate identical or similar components.

본 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.In this specification, first, second, etc. are used to describe various components, but of course, these components are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component, and unless specifically stated to the contrary, the first component may also be a second component.

또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.Additionally, in this specification, when a component is described as being “connected,” “coupled,” or “connected” to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but there are other components between each component. It should be understood that elements may be “interposed,” or each component may be “connected,” “combined,” or “connected” through other components.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Additionally, as used herein, singular expressions include plural expressions, unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “consists of” or “comprises” should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the specification, and some of the components or steps may include It may not be included, or it should be interpreted as including additional components or steps.

또한, 본 명세서에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다.In addition, in this specification, when referring to “A and/or B”, this means A, B or A and B, unless otherwise specified, and when referring to “C to D”, this means unless specifically stated to the contrary. Unless otherwise specified, it means C or higher and D or lower.

본 발명은 하나의 단위스택에서 수전해 수행 및 전력을 생성할 수 있는 튜브형 단위스택에 관한 것이다.The present invention relates to a tubular unit stack that can perform water electrolysis and generate power in one unit stack.

이하에서는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 일 실시예에 따른 연료전지와 수전해가 일체화된 튜브형 단위스택을 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, a tubular unit stack in which a fuel cell and a water electrolyzer are integrated according to an embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3.

도 1 연료전지와 수전해가 일체화된 단위스택 시스템을 도시한 도면이다.Figure 1 is a diagram showing a unit stack system in which a fuel cell and water electrolysis are integrated.

도 2는 튜브형 연료전지를 도시한 사시도이다.Figure 2 is a perspective view showing a tubular fuel cell.

도 3은 튜브형 연료전지의 종단면을 도시한 도면이다.Figure 3 is a diagram showing a longitudinal cross section of a tubular fuel cell.

도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 수전해가 일체화된 단위스택 시스템(10)은 튜브형 단위스택(100), 급수유닛(200), 전원유닛(300), 수소탱크(400)를 구비할 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 구성은 일 실시예에 따른 것이고, 발명의 구성요소들이 도 1에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.Referring to Figure 1, a unit stack system 10 in which a fuel cell and water electrolysis are integrated according to an embodiment of the present invention includes a tubular unit stack 100, a water supply unit 200, a power unit 300, and a hydrogen tank ( 400) can be provided. However, the configuration shown in FIG. 1 is according to one embodiment, and the components of the invention are not limited to the embodiment shown in FIG. 1, and some components may be added, changed, or deleted as necessary.

튜브형 단위스택(100)은 복수의 MEA 및 전극을 포함할 수 있다.The tubular unit stack 100 may include a plurality of MEAs and electrodes.

도 2 및 도 3을 참조하면 튜브형 단위스택(100)은 튜브형 지지체(110), 제1 전극(120), 수전해 MEA(130), 제2 전극(140), 연료전지 MEA(150) 및 제3 전극(160)을 포함할 수 있다.Referring to Figures 2 and 3, the tubular unit stack 100 includes a tubular support 110, a first electrode 120, a water electrolysis MEA 130, a second electrode 140, a fuel cell MEA 150, and a first electrode. It may include three electrodes 160.

튜브형 지지체(110)는 내부공간(111)이 마련된 튜브 형태로 형성되어 단위스택(100)를 튜브형상으로 유지시킬 수 있다. The tubular support 110 is formed in a tube shape with an internal space 111 and can maintain the unit stack 100 in a tube shape.

튜브형 지지체(110) 일단은 급수유닛(200)과 연결되며, 튜브형 지지체(110)의 내부공간(111)에는 물이 주입될 수 있다.One end of the tubular support 110 is connected to the water supply unit 200, and water can be injected into the internal space 111 of the tubular support 110.

또한 튜브형 지지체(110)는 수소탱크(400)로부터 기체유로(141)에 기체가 주입되는 주입통로(112)와, 튜브형 지지체(110) 내에서 생성된 기체가 기체유로(141)에서 배출되는 배출통로(113)를 포함할 수 있다.In addition, the tubular support 110 has an injection passage 112 through which gas is injected from the hydrogen tank 400 into the gas passage 141, and an exhaust gas discharged from the gas passage 141 by the gas generated within the tubular support 110. It may include a passage 113.

이때 배출통로(113) 일측에는 전원유닛(300)의 동작 모드에 따라 배출통로(113)를 개폐하는 제1 및 제2 밸브(114, 115)가 구비될 수 있다. At this time, first and second valves 114 and 115 that open and close the discharge passage 113 according to the operation mode of the power unit 300 may be provided on one side of the discharge passage 113.

자세히 말하자면 배출통로(113)는 제1 및 제2 밸브(114, 115)에 의해 개폐될 수 있으며, 제1 및 제2 밸브(114, 115)는 개별 구동되는 것이 바람직하다. 전원유닛(300)의 동작 모드는 후술하도록 한다.In detail, the discharge passage 113 can be opened and closed by the first and second valves 114 and 115, and the first and second valves 114 and 115 are preferably driven individually. The operating mode of the power unit 300 will be described later.

한편, 튜브형 지지체(110)는 탄소와 고분자의 복합소재를 압출성형법, 사출성형법을 적용하여 전기전도성과 기체 유로를 갖는 튜브 형상으로 제작될 수 있으며, 전기전도성 향상을 위하여 탄소나노튜브 등의 첨가제를 추가하여 제작될 수 있다. 이와 같이 튜브형 지지체(110)가 전도성을 갖는 경우에는 제1 전극(120)과 튜브형 지지체(110)가 일체화되어 형성될 수 있다.Meanwhile, the tubular support 110 can be manufactured into a tube shape with electrical conductivity and a gas flow path by applying a composite material of carbon and polymer by extrusion molding or injection molding, and additives such as carbon nanotubes can be added to improve electrical conductivity. It can be produced by adding. In this way, when the tubular support 110 has conductivity, the first electrode 120 and the tubular support 110 may be formed as an integrated body.

반면에 전기전도성을 갖지 않는 튜브형 지지체(110)의 경우에는 제1 전극(120)이 튜브형 지지체(110)를 둘러싼 형태이며, 제1 전극(120)은 다수의 클리어 홀이 형성된 다공질의 전도체일 수 있다. 제1 전극(120)에 클리어 홀이 형성됨에 따라 유입되는 기체가 클리어 홀을 통해 원활하게 이동할 수 있는 효과가 있다.On the other hand, in the case of the tubular support 110 that does not have electrical conductivity, the first electrode 120 surrounds the tubular support 110, and the first electrode 120 may be a porous conductor with a plurality of clear holes formed. there is. As the clear hole is formed in the first electrode 120, the incoming gas can move smoothly through the clear hole.

제1 전극(120)은 일반적으로 전기전도 성질을 가지는 금속 또는 금속합금 재질로 형성되거나, 전기전도성을 갖는 탄소복합재로 튜브형 지지체(110)에 코팅되어 제조될 수 있다.The first electrode 120 may be generally made of a metal or metal alloy material with electrical conductivity, or may be manufactured by coating the tubular support 110 with a carbon composite material with electrical conductivity.

수전해 MEA(130)는 제1 전극(120)을 둘러쌀 수 있으며, 제1 전극(120)에 밀접되는 내부 가스확산층(IGDL: Inside Gas Diffusion Layer), 내부 가스확산층에 밀접되는 내부 촉매층, 제2 전극(140)과 밀접되는 외부 가스확산층(OGDL: Outside Gas Diffusion Layer), 외부 가스 확산층에 밀접되는 외부 촉매층, 내부 촉매층과 외부 촉매층 사이에 개재되며 고분자 전해질로 이루어진 멤브레인을 포함할 수 있다. 내부 촉매층은 제1 전극(120)이 애노드일 때 산화작용을 촉진시키고, 외부 촉매층은 제2 전극(140)이 캐소드일 때 환원작용을 촉진시킬 수 있다. The water electrolysis MEA 130 may surround the first electrode 120, and may include an internal gas diffusion layer (IGDL) close to the first electrode 120, an internal catalyst layer close to the internal gas diffusion layer, and an internal gas diffusion layer close to the first electrode 120. 2. It may include an external gas diffusion layer (OGDL) in close contact with the electrode 140, an external catalyst layer in close contact with the external gas diffusion layer, and a membrane made of a polymer electrolyte interposed between the internal catalyst layer and the external catalyst layer. The internal catalyst layer can promote oxidation when the first electrode 120 is an anode, and the external catalyst layer can promote reduction when the second electrode 140 is a cathode.

이때 멤브레인은 제1 전극(120)과 제2 전극(140) 사이에서 수소이온의 이동이 용이한 전해질로 이루어질 수 있다. 내부 가스확산층과 외부 가스확산층은 높은 기체 투과성을 가지며, 각각 내부 촉매층과 외부 촉매층에 기체를 골고루 확산시킬 수 있다.At this time, the membrane may be made of an electrolyte that facilitates the movement of hydrogen ions between the first electrode 120 and the second electrode 140. The internal gas diffusion layer and the external gas diffusion layer have high gas permeability and can evenly diffuse gas into the internal and external catalyst layers, respectively.

연료전지 MEA(150)는 제2 전극(140)을 둘러쌀 수 있으며, 제2 전극(140)에 밀접되는 내부 가스확산층(IGDL: Inside Gas Diffusion Layer), 내부 가스확산층에 밀접되는 내부 촉매층, 제3 전극(160)과 밀접되는 외부 가스확산층(OGDL: Outside Gas Diffusion Layer), 외부 가스 확산층에 밀접되는 외부 촉매층, 내부 촉매층과 외부 촉매층 사이에 개재되며 고분자 전해질로 이루어진 멤브레인을 포함할 수 있다. 내부 촉매층은 제3 전극(160)이 애노드일 때 산화작용을 촉진시키고, 외부 촉매층은 제2 전극(140)이 캐소드일 때 환원작용을 촉진시킬 수 있다. 이때 멤브레인은 제3 전극(160)과 제2 전극(140) 사이에서 수소이온의 이동이 용이한 전해질로 이루어질 수 있다.The fuel cell MEA 150 may surround the second electrode 140, and may include an internal gas diffusion layer (IGDL) close to the second electrode 140, an internal catalyst layer close to the internal gas diffusion layer, and an internal gas diffusion layer close to the second electrode 140. 3. It may include an external gas diffusion layer (OGDL) in close contact with the electrode 160, an external catalyst layer in close contact with the external gas diffusion layer, and a membrane made of a polymer electrolyte interposed between the internal catalyst layer and the external catalyst layer. The internal catalyst layer can promote oxidation when the third electrode 160 is an anode, and the external catalyst layer can promote reduction when the second electrode 140 is a cathode. At this time, the membrane may be made of an electrolyte that facilitates the movement of hydrogen ions between the third electrode 160 and the second electrode 140.

수전해 MEA(130) 및 연료전지 MEA(150)는 제1 전극(120), 제2 전극(140), 제3 전극(160)과 전기적으로 접촉되며, 카본과 같은 소재로 형성될 수 있다.The water electrolysis MEA 130 and the fuel cell MEA 150 are in electrical contact with the first electrode 120, the second electrode 140, and the third electrode 160, and may be formed of a material such as carbon.

제2 전극(140)은 양단면에 패턴화된 기체유로(141)를 포함하며, 수전해 MEA(130)를 둘러쌀 수 있다. The second electrode 140 includes gas flow paths 141 patterned on both end surfaces and may surround the water electrolysis MEA 130.

제2 전극(140)에 기체유로(141)가 패턴화됨에 따라 제2 전극(140)이 수전해 MEA(130) 및 연료전지 MEA(150)와 밀접되어도 제2 전극(140)으로 유입되는 기체가 기체유로(141)를 따라 확산될 수 있다. As the gas flow path 141 is patterned in the second electrode 140, gas flows into the second electrode 140 even if the second electrode 140 is close to the water electrolysis MEA 130 and the fuel cell MEA 150. may spread along the gas flow path 141.

일 예로 기체유로(141)는 제2 전극(140)의 외주면에 길이방향을 따라 홈 형태로 복수 개 형성되는 제1 기체유로와, 제2 전극(140)의 내주면에 길이방향을 따라 홈 형태로 복수 개 형성되는 제2 기체유로를 포함할 수 있다.As an example, the gas flow passage 141 includes a plurality of first gas passages formed in the shape of grooves along the longitudinal direction on the outer peripheral surface of the second electrode 140, and a plurality of first gas passages formed in the shape of grooves along the longitudinal direction on the inner peripheral surface of the second electrode 140. It may include a plurality of second gas flow paths.

이때 제1 기체유로와 제2 기체유로는 상호 교차되어 형성됨에 따라, 제2 전극(140)의 두께가 보다 얇게 형성될 수 있다. 한편, 제1 및 제2 기체유로는 일자형 패턴 및/또는 나선형 패턴 이외에도 다양한 패턴으로 형성될 수 있다.At this time, as the first gas flow path and the second gas flow path are formed to intersect each other, the thickness of the second electrode 140 can be formed thinner. Meanwhile, the first and second gas flow paths may be formed in various patterns other than straight patterns and/or spiral patterns.

전술한 바와 같이 본 발명은 제2 전극(140)의 내주면 및 외주면에 기체유로(141)가 패턴화되어 형성됨으로써, 제2 전극(140)이 밀폐되어도 제2 전극(140)에 유입되는 기체가 기체유로(141)를 따라 원활하게 이동할 수 있다.As described above, in the present invention, the gas flow path 141 is patterned and formed on the inner and outer peripheral surfaces of the second electrode 140, so that the gas flowing into the second electrode 140 is prevented even if the second electrode 140 is sealed. It can move smoothly along the gas flow path 141.

또한, 기체유로(141)의 패턴화에 의해 기체가 기체유로(141)에 머무는 시간이 길어져 산화/환원 작용이 일어나는 시간을 늘릴 수 있고, 이에 따라 전류 또는 수소의 발생량을 증가시킬 수 있다.In addition, the patterning of the gas flow path 141 increases the time the gas stays in the gas flow path 141, thereby increasing the time for oxidation/reduction reactions to occur, thereby increasing the amount of current or hydrogen generated.

제2 전극(140)은 다공질의 전도체로 외주면에는 다수의 클리어 홀(142)이 형성되어 기체가 통과될 수 있도록 하여 기체가 골고루 확산되는 효과가 있으며, 제2 전극(140)의 재질은 전술한 제1 전극(120)과 동일할 수 있다. The second electrode 140 is a porous conductor, and a plurality of clear holes 142 are formed on the outer peripheral surface to allow gas to pass through, which has the effect of spreading the gas evenly. The material of the second electrode 140 is as described above. It may be the same as the first electrode 120.

제3 전극(160)은 연료전지 MEA(150)를 둘러싸며 다수의 클리어 홀(161)이 형성된 다공질의 전도체일 수 있다. 제3 전극(160)에 클리어 홀(161)이 형성됨에 따라 유입되는 기체가 클리어 홀(161)을 통해 원활하게 이동할 수 있는 효과가 있다.The third electrode 160 may be a porous conductor that surrounds the fuel cell MEA 150 and has a plurality of clear holes 161 formed therein. As the clear hole 161 is formed in the third electrode 160, the incoming gas can move smoothly through the clear hole 161.

또한 제3 전극(160)의 재질은 전술한 제1 전극(120) 및 제2 전극(140)과 동일할 수 있다.Additionally, the material of the third electrode 160 may be the same as that of the first electrode 120 and the second electrode 140 described above.

본 실시예에서는 전극이 제1 전극(120), 제2 전극(140), 제3 전극(160)으로 총 세 개가 구비되는데, 주입되는 기체에 따라 각 전극은 애노드와 캐소드 중 어느 하나가 될 수 있다.In this embodiment, a total of three electrodes are provided, including the first electrode 120, the second electrode 140, and the third electrode 160. Depending on the injected gas, each electrode can be either an anode or a cathode. there is.

다시 도 1을 참조하였을 때, 급수유닛(200)은 튜브형 단위스택(100) 일측에 물을 공급할 수 있다. 자세히 말하자면 급수유닛(200)은 튜브형 지지체(110) 내부에 마련된 내부공간(111) 내에 물을 공급할 수 있다.Referring again to FIG. 1, the water supply unit 200 may supply water to one side of the tubular unit stack 100. In detail, the water supply unit 200 can supply water into the internal space 111 provided inside the tubular support 110.

전원유닛(300)은 튜브형 단위스택(100)에 전원을 공급할 수 있다. 다시 말해 전원유닛(300)은 제1 전극(120), 제2 전극(140), 제3 전극(160)에 전원을 공급할 수 있으며, 제1 및 제2 동작모드로 동작할 수 있다.The power unit 300 can supply power to the tubular unit stack 100. In other words, the power unit 300 can supply power to the first electrode 120, the second electrode 140, and the third electrode 160, and can operate in the first and second operation modes.

제1 동작모드는 제1 전극(120)과 제2 전극(140)에 전원을 공급할 수 있으며, 제2 동작모드는 제2 전극(140)과 제3 전극(160)으로부터 전기를 공급받을 수 있다.The first operation mode can supply power to the first electrode 120 and the second electrode 140, and the second operation mode can receive electricity from the second electrode 140 and the third electrode 160. .

수소탱크(400)는 튜브형 단위스택(100)으로부터 생성되는 수소를 저장 및 공급할 수 있다. 다시 말해 수소 탱크는 튜브형 단위스택(100)으로부터 생성되는 수소를 내부에 저장할 수 있으며, 저장된 수소를 튜브형 단위스택(100)에 재공급해줌으로써 단위스택(100)이 전력을 생산하도록 원료를 제공할 수 있다.The hydrogen tank 400 can store and supply hydrogen generated from the tubular unit stack 100. In other words, the hydrogen tank can internally store hydrogen generated from the tubular unit stack 100, and can provide raw materials for the unit stack 100 to produce power by re-supplying the stored hydrogen to the tubular unit stack 100. there is.

이하 튜브형 단위스택 시스템(10)의 동작을 서술하도록 한다.Hereinafter, the operation of the tubular unit stack system 10 will be described.

일 실시예로 급수유닛(200)에 의해 튜브형 지지체(110)에 물이 주입되고, 전원유닛(300)이 제1 동작모드로 동작하면, 물이 수전해될 수 있다.In one embodiment, when water is injected into the tubular support 110 by the water supply unit 200 and the power unit 300 operates in the first operation mode, the water may be electrolyzed.

다시 말해 튜브형 단위스택 시스템(10)은 내부공간(111)에 물을 공급받은 상태에서 제1 전극(120) 및 제2 전극(140)에 전원을 공급받을 수 있다. In other words, the tubular unit stack system 10 can receive power to the first electrode 120 and the second electrode 140 while water is supplied to the internal space 111.

이때, 제1 전극(120)에서는 산화반응이 일어나면서 산소와 수소이온이 발생되고, 수소이온은 수전해 MEA(130)을 통해 제2 전극(140) 방향으로 이동할 수 있다. 수소이온은 제2 전극(140)에서 전자를 공급받음으로써 수소로 환원될 수 있다. 즉, 제2 전극(140)에서는 수소가 발생할 수 있다. At this time, an oxidation reaction occurs in the first electrode 120 to generate oxygen and hydrogen ions, and the hydrogen ions can move toward the second electrode 140 through the water electrolysis MEA 130. Hydrogen ions can be reduced to hydrogen by receiving electrons from the second electrode 140. That is, hydrogen may be generated in the second electrode 140.

제2 전극(140)에서 발생한 수소는 기체유로(141)로 이동하여 배출통로(113)에 도달할 수 있으며, 산소는 지지체(110) 외부로 배출될 수 있다.Hydrogen generated in the second electrode 140 can move to the gas flow path 141 and reach the discharge passage 113, and oxygen can be discharged to the outside of the support 110.

이때 제1 밸브(114)는 배출통로(113)와 상기 수소탱크(400)를 연통시킬 수 있다. 자세히 말하자면 배출통로(113) 일측에 구비된 제1 밸브(114)는 개방되고 제2 밸브(115)는 폐쇄됨으로써 배출통로(113)와 수소탱크(400)는 연통될 수 있다.At this time, the first valve 114 may communicate with the discharge passage 113 and the hydrogen tank 400. In detail, the first valve 114 provided on one side of the discharge passage 113 is opened and the second valve 115 is closed, so that the discharge passage 113 and the hydrogen tank 400 can communicate.

다른 실시예로, 주입통로(112)를 통해 수소탱크(400)로부터 튜브형 단위스택(100)에 수소가 공급되고, 전원유닛(300)이 제2 동작모드로 동작하면 연료전지가 구성되고 전력이 생산될 수 있다.In another embodiment, when hydrogen is supplied from the hydrogen tank 400 to the tubular unit stack 100 through the injection passage 112 and the power unit 300 operates in the second operation mode, a fuel cell is configured and power is supplied. can be produced.

다시 말해 튜브형 단위스택(100)이 공기 중 산소에 노출된 상태에서 주입통로(112)로 수소를 공급받고, 제2 전극(140) 및 제3 전극(160)에 전기부하가 연결되면, 튜브형 단위스택(100)에서는 전자와 물이 발생될 수 있다. In other words, when the tubular unit stack 100 is exposed to oxygen in the air and receives hydrogen through the injection passage 112, and an electric load is connected to the second electrode 140 and the third electrode 160, the tubular unit stack 100 Electrons and water may be generated in the stack 100.

즉, 제2 전극(140)에서 수소의 산화작용이 진행되면서 수소이온과 전자가 생성될 수 있다. 생성된 전자는 제2 전극(140)과 제3 전극(160)으로 유입되면서 직류 전류를 생산할 수 있고, 수소이온은 연료전지 MEA(150)를 통해 제2 전극(160)으로 이동하여 물을 생산할 수 있다.That is, as the oxidation of hydrogen progresses in the second electrode 140, hydrogen ions and electrons may be generated. The generated electrons can flow into the second electrode 140 and the third electrode 160 to produce direct current, and the hydrogen ions can move to the second electrode 160 through the fuel cell MEA 150 to produce water. You can.

이때 생산된 물은 제3 전극(160)의 클리어 홀(161) 또는 기체유로(141)를 따라 이동할 수 있다. 기체유로(141)를 통해 배출통로(113)에 도달한 물은 외부로 배출될 수 있다.At this time, the produced water may move along the clear hole 161 of the third electrode 160 or the gas flow path 141. Water that reaches the discharge passage 113 through the gas flow path 141 can be discharged to the outside.

자세히 말하자면 제2 밸브(115)는 배출통로(113) 내의 불순물(수소, 물)을 튜브형 지지체(110) 외로 배출시킬 수 있다.In detail, the second valve 115 can discharge impurities (hydrogen, water) in the discharge passage 113 out of the tubular support 110.

즉, 제1 밸브(114)는 개폐되고 제2 밸브(115)는 개방됨으로써 배출통로(113) 내의 불순물은 튜브형 지지체(110) 외로 배출될 수 있다. That is, the first valve 114 is opened and closed and the second valve 115 is opened, so that impurities in the discharge passage 113 can be discharged out of the tubular support 110.

전술한 바와 같이 하나의 단위스택에서 수전해 및 연료전지를 일체화시킨 튜브형 단위스택을 제공함에 따라, 장치를 경량화할 수 있다는 장점이 있다.As described above, by providing a tubular unit stack that integrates water electrolysis and fuel cells in one unit stack, there is an advantage in that the device can be lightweight.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.As described above, the present invention has been described with reference to the illustrative drawings, but the present invention is not limited to the embodiments and drawings disclosed herein, and various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is obvious that transformation can occur. In addition, although the operational effects according to the configuration of the present invention were not explicitly described and explained while explaining the embodiments of the present invention above, it is natural that the predictable effects due to the configuration should also be recognized.

Claims (7)

제1 내지 제3 전극과 각 전극 사이에 배치되는 수전해 MEA 및 연료전지 MEA를 포함하는 튜브형 연료전지;
상기 튜브형 연료전지 일측에 물을 공급하는 급수유닛;
상기 튜브형 연료전지에 전원을 공급하는 전원유닛;
상기 튜브형 연료전지로부터 생성되는 수소를 저장 및 공급하는 수소탱크; 및
상기 튜브형 연료전지의 배출통로 일측에 구비되어, 상기 전원유닛의 동작 모드에 따라 상기 배출통로를 개폐하는 제1 및 제2 밸브를 포함하고,
상기 제1 밸브는, 상기 제1 전극과 제2 전극에 전원이 공급될 때 상기 배출 통로와 상기 수소탱크를 연통시키고,
상기 제2 밸브는, 상기 제2 전극과 제3 전극에 전원이 공급될 때 상기 배출 통로 내의 기체를 상기 연료전지 외로 배출시키는
연료전지와 수전해가 일체화된 튜브형 단위스택.

A tubular fuel cell including a water electrolysis MEA and a fuel cell MEA disposed between the first to third electrodes and each electrode;
a water supply unit supplying water to one side of the tubular fuel cell;
A power unit that supplies power to the tubular fuel cell;
A hydrogen tank that stores and supplies hydrogen generated from the tubular fuel cell; and
It is provided on one side of the discharge passage of the tubular fuel cell and includes first and second valves that open and close the discharge passage according to the operation mode of the power unit,
The first valve communicates the discharge passage and the hydrogen tank when power is supplied to the first electrode and the second electrode,
The second valve discharges gas in the discharge passage out of the fuel cell when power is supplied to the second electrode and the third electrode.
A tubular unit stack that integrates fuel cells and water electrolysis.

제1항에 있어서,
상기 튜브형 연료전지는 튜브형 지지체를 더 포함하고,
상기 제1 전극은 상기 튜브형 지지체를 둘러싸고,
상기 수전해 MEA는 상기 제1 전극을 둘러싸고,
상기 제2 전극은 상기 수전해 MEA를 둘러싸고, 내주면 및 외주면에 패턴화된 기체유로를 포함하고,
상기 연료전지 MEA는 상기 제2 전극을 둘러싸고,
상기 제3 전극은 상기 연료전지 MEA를 둘러싸는
연료전지와 수전해가 일체화된 튜브형 단위스택.
According to paragraph 1,
The tubular fuel cell further includes a tubular support,
The first electrode surrounds the tubular support,
The water electrolytic MEA surrounds the first electrode,
The second electrode surrounds the water electrolysis MEA and includes a gas flow path patterned on an inner peripheral surface and an outer peripheral surface,
The fuel cell MEA surrounds the second electrode,
The third electrode surrounds the fuel cell MEA.
A tubular unit stack that integrates fuel cells and water electrolysis.
제2항에 있어서,
상기 튜브형 지지체는
상기 기체유로에 기체를 주입하는 주입통로 및
상기 기체유로에서 기체를 배출하는 배출통로를 포함하는
연료전지와 수전해가 일체화된 튜브형 단위스택.
According to paragraph 2,
The tubular support is
An injection passage for injecting gas into the gas passage and
Including an exhaust passage for discharging gas from the gas flow path.
A tubular unit stack that integrates fuel cells and water electrolysis.
삭제delete 제2항에 있어서,
상기 기체유로는
상기 제2 전극의 외주면에 길이방향을 따라 홈 형태로 복수 개 형성되는 제1 기체유로,
상기 제2 전극의 내주면에 길이방향을 따라 홈 형태로 복수 개 형성되는 제2 기체유로를 포함하는
연료전지와 수전해가 일체화된 튜브형 단위스택.
According to paragraph 2,
The gas flow path is
A first gas flow path formed in a plurality of grooves along the longitudinal direction on the outer peripheral surface of the second electrode,
Comprising a plurality of second gas passages formed in the form of grooves along the longitudinal direction on the inner peripheral surface of the second electrode.
A tubular unit stack that integrates fuel cells and water electrolysis.
제2항에 있어서,
상기 지지체에 물이 주입되고, 상기 제1 전극과 제2 전극에 전원이 공급되면,
상기 제1 전극에서 산소가 발생하고, 상기 제2 전극에서 수소가 발생하며
상기 수소는 제1 배출통로를 통해 상기 수소탱크로 이동하는
연료전지와 수전해가 일체화된 튜브형 단위스택.
According to paragraph 2,
When water is injected into the support and power is supplied to the first and second electrodes,
Oxygen is generated from the first electrode, and hydrogen is generated from the second electrode.
The hydrogen moves to the hydrogen tank through the first discharge passage.
A tubular unit stack that integrates fuel cells and water electrolysis.
제2항에 있어서,
상기 수소탱크로부터 상기 기체유로에 수소가 주입되고, 상기 제2 전극와 상기 제3 전극에 전원이 공급되면,
상기 튜브형 지지체는 전자와 물을 발생시키고,
상기 기체유로를 통해서 이동하는 기체는 제2 배출통로를 통해 배출되는
연료전지와 수전해가 일체화된 튜브형 단위스택.
According to paragraph 2,
When hydrogen is injected from the hydrogen tank into the gas flow path and power is supplied to the second electrode and the third electrode,
The tubular support generates electrons and water,
The gas moving through the gas flow path is discharged through the second discharge passage.
A tubular unit stack that integrates fuel cells and water electrolysis.
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