KR20040003654A - Generator of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1개의 전해질 막을 이용하여 여러개의 단위셀을 구성하여 발전성능을 향상시키도록 한 연료전지의 발전장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell for generating electricity through an electrochemical reaction between fuel and air supplied from the outside, and more specifically, to improve power generation performance by configuring a plurality of unit cells using one electrolyte membrane. It relates to a fuel cell generator.
일반적으로, 연료전지 시스템(FUEL CELL SYSTEM)은 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지 시스템은 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)이 부착되어 있고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.In general, a fuel cell system (FUEL CELL SYSTEM) is a device that converts the energy of the fuel directly into electrical energy, such a fuel cell system usually has a cathode (ANODE) and a cathode (CATHODE) on both sides of the polymer electrolyte membrane In the anode (electrode or anode), electrochemical oxidation of hydrogen as a fuel, and in the cathode (reduction electrode or cathode), electrochemical reduction of oxygen as an oxidant occurs and electrical energy is generated by the movement of electrons. Is generated.
이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH3OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 가스형태로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 고체상태의 BH4 -를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC(Boron Fuel Cell) 등이 소개되고 있다.Hydrogen supplied to such a fuel cell is purified by purifying only hydrogen (H 2 ) from a hydrocarbon-based (CH-based) fuel such as LNG, LPG, CH 3 OH, and gasoline through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) used in the form, and BFC (Boron Fuel Cell) which directly uses BH 4 - in the form of an aqueous solution and uses it as a fuel are introduced.
종래 BFC의 개략적인 구성이 도 1에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.A schematic configuration of a conventional BFC is illustrated in FIG. 1, which will be briefly described as follows.
도시된 바와 같이, 연료전지의 전체 구성은 전기를 발생하는 발전장치(1)의 일측에 수용액 상태의 BH4 -를 저장하기 위한 연료탱크(2)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(2)와 발전장치(1)의 양극에는 연료공급라인(3)과 연료회수라인(4)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(3)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(5)가 설치되어 있다.As shown, the overall configuration of the fuel cell is provided with a fuel tank (2) for storing BH 4 - in an aqueous state on one side of the generator 1 for generating electricity, the fuel tank (2) and The anode of the power generator 1 is connected to the fuel supply line 3 and the fuel recovery line 4, and the fuel supply line 3 is provided with a fuel pump 5 for pumping fuel.
그리고, 상기 발전장치(1)의 음극에는 공기공급라인(6)과 공기배출라인(7)이 설치되어 있는데, 그 공기공급라인(6)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 에어 컴프레서(8)가 설치되어 있다.In addition, an air supply line 6 and an air discharge line 7 are installed at a cathode of the power generator 1, and an air compressor 8 for pumping the supplied air is provided at the air supply line 6. It is installed.
또한, 상기 발전장치(1)은 전해질 막(11)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(12)과 음극(13)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(14)와, 그 막-전극 접합체(14)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(12)과 음극(13)의 외측면에 연료 및 공기의 유로(15)를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(16)과, 그 분리판(16)의 양측에 배치되어 양극(12)과 음극(13)의 집전극이 되는 집전판(17)으로 구성되어 있다.In addition, the power generator 1 includes a membrane-electrode assembly (MEA: MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY) 14 formed by bonding the anode 12 and the cathode 13 to diffuse gas on both sides of the electrolyte membrane 11. And a separator 16 which is assembled to be in close contact with both sides of the membrane-electrode assembly 14 and forms a flow path 15 of fuel and air on the outer surface of the anode 12 and the cathode 13; And a current collector plate 17 disposed on both sides of the separation plate 16 and serving as a collector electrode of the positive electrode 12 and the negative electrode 13.
상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 기기의 동작 스위치가 온되면 연료펌프(5)에서 연료탱크(2)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH4 -를 펌핑하여 연료공급라인(3)을 통하여 발전장치(1)의 양극(12)에 공급함과 동시에 에어컴프레서(8)를 동작시켜서 공기공급라인(6)을 통하여 발전장치(1)의 음극(13)으로 공기가 공급되도록 한다.The conventional fuel cell configured as described above generates power through the fuel supply line 3 by pumping BH 4 − in an aqueous state stored in the fuel tank 2 from the fuel pump 5 when the operation switch of the device is turned on. The air compressor 8 is operated at the same time as supplying to the positive electrode 12 of the device 1 so that air is supplied to the negative electrode 13 of the power generator 1 through the air supply line 6.
상기와 같이 발전장치(1)에 공급되는 수용액 상태의 BH4 -와 공기는 발전장치(1)에서 고분자 전해질 막(11)을 사이에 두고 유로(15)를 따라 흐르며 양극(12)에서는 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 음극(13)에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(17)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.As described above, the BH 4 − and the air in the aqueous state supplied to the power generator 1 flow along the flow path 15 with the polymer electrolyte membrane 11 interposed therebetween. Electrochemical oxidation progresses, and electrochemical reduction of oxygen occurs at the cathode 13, and electricity is generated by the movement of electrons generated at this time. The generated electricity is collected at the current collector plate 17 and used as an energy source. Done.
이때의 반응식은The reaction formula at this time
BH4 -+ 2O2→2H2O + BO2E0= 1.64 V이다.BH 4 - + 2O a 2 → 2H 2 O + BO 2 E 0 = 1.64 V.
그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지에서는 발전장치(1)의 발전용량을 증대시키기 위해서는 부품들의 크기를 전체적으로 크게 제작하여야 하는데, 분리판(16) 같은 경우에는 내측면에 유로홈을 형성하여야 하기 때문에 크게 제작하는 것이 상당히 어렵고, 고비용이 소요되는 문제점을 가지고 있었다.However, in the conventional fuel cell as described above, in order to increase the power generation capacity of the power generator 1, the size of the components must be made large in total, but in the case of the separation plate 16, the flow path grooves must be formed on the inner side. It was quite difficult to produce large, and had a problem of high cost.
상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 1개의 전해질 막에 여러개의 단위셀이 구성되도록 하여 저비용으로 발전용량을 획기적으로 증대시킬 수 있도록 하는데 적합한 연료전지의 발전장치를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention devised in view of the above problems is to provide a fuel cell power generation apparatus suitable for significantly increasing power generation capacity at a low cost by allowing a plurality of unit cells to be configured in one electrolyte membrane.
도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 개략구성도.1 is a schematic configuration diagram showing a structure of a conventional fuel cell.
도 2는 종래 발전장치의 구조를 보인 종단면도.Figure 2 is a longitudinal sectional view showing the structure of a conventional power generation device.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지의 발전장치를 보인 정면도.3 is a front view showing a power generation device of a fuel cell according to the present invention.
도 4는 도 3의 측면도.4 is a side view of FIG. 3;
도 5는 도 4의 A-A'를 절취한 단면도.5 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 4;
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
101 : 전해질 막 102 : 양극101 electrolyte membrane 102 anode
103 : 음극 105 : 유로103: cathode 105: flow path
106 : 분리판 107 : 집전판106: separator plate 107: collector plate
C : 단위셀C: unit cell
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 고분자 전해질 막과, 그 전해질 막의 일측면에 일정간격을 두고 접착되며 연료가 공급이 되어 전기적인 산화반응을 일으키는 양극과, 그 양극이 부착된 전해질 막의 반대면에 접착되며 공기가 공급이되어 전기적인 환원반응을 일으키는 음극과, 상기 양극과 음극의 외측면에 각각 밀착되어 연료와 공기가 흐르는 유로를 형성하는 분리판과, 그 분리판들의 외측면에 각각 밀착되어 양극과 음극의 전기화학반응시 전자이동으로 발생되는 전기를 집전하는 집전판으로 구성되는 단위셀이 1개의 전해질 막을 공통으로 여러개 배치되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 발전장치가 제공된다.In order to achieve the above object of the present invention, a polymer electrolyte membrane, an anode bonded to one side of the electrolyte membrane at a predetermined interval and supplied with fuel to cause an electrical oxidation reaction, and an electrolyte membrane to which the anode is attached A separator bonded to the surface and supplied with air to cause an electrical reduction reaction, a separator plate which is in close contact with the anode and cathode outer surfaces to form a flow path for fuel and air, respectively, Provided is a fuel cell power generation apparatus, characterized in that a plurality of unit cells composed of a current collector plate which is in close contact and collects electricity generated by electron transfer during an electrochemical reaction between a positive electrode and a negative electrode are arranged in common with one electrolyte membrane. .
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지의 발전장치를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the power generation apparatus of the fuel cell of the present invention configured as described above will be described in more detail with reference to embodiments of the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지의 발전장치를 보인 정면도이고, 도 4는 도 3의 측면도이며, 도 5는 도 4의 A-A'를 절취한 단면도이다.3 is a front view showing a power generation device of a fuel cell according to the present invention, FIG. 4 is a side view of FIG. 3, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 4.
도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지의 발전장치(100)는 일정면적을 가지는 1개의 전해질 막(101)을 공용으로 하여 각각 발전이 이루어질 수 있는 9개의 단위셀(C)이 종횡으로 배치되어 있다.As shown, in the fuel cell power generation apparatus 100 of the present invention, one unit of the electrolyte membrane 101 having a certain area is shared, and nine unit cells C, each of which can generate power, are arranged horizontally and horizontally. have.
상기 개개의 단위셀(C)은 전해질 막(101)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(102)과 음극(103)이 접합되어 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(104)를 이루고, 그 막-전극 접합체(104)의 양측에는 양극(102)과 음극(103)의 외측면에 수용액 상태의 BH4 -및 공기가 흐를수 있는 유로(105)가 형성되도록 분리판(106)이 밀착되어 있으며, 그 분리판(106)의 외측에는 발생되는 전기를 집전하기 위한 집전판(107)이 밀착되어 있다.Each of the unit cells C is formed by bonding an anode 102 and a cathode 103 to diffuse gas on both sides of the electrolyte membrane 101 to form a membrane-electrode assembly (MEA: MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY) 104. On both sides of the membrane-electrode assembly 104, the separation plate 106 is formed on the outer surface of the anode 102 and the cathode 103 so that the BH 4 - and the flow path 105 in which the air can flow are formed. The contact plate is in close contact with the current collector plate 107 for collecting current generated from the outside of the separation plate 106.
상기 막-전극 접합체(104)의 전해질 막(101)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질 막(101)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(102)과 음극(103)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(101)의 양측에 접착된 구조로 되어 있다.The electrolyte membrane 101 of the membrane-electrode assembly 104 is an ion exchange membrane made of a polymer material, and the commercially available electrolyte membrane 101 includes a Nafion membrane of DuPont, which serves as a carrier for hydrogen ions, The anode 102 and the cathode 103 serve to support the platinum (Pt) catalyst layer, and porous carbon paper (CARBON PAPER) or carbon cloth (CARBON CLOTH) is formed on both sides of the electrolyte membrane 101. It is a bonded structure.
그리고, 상기 분리판(106)은 치밀질의 카본 플레이트로된 사각 판체로 되어 있는데, 내측면에는 상기 막-전극 접합체(104)의 양측면에 밀착시 유로(105)가 형성될 수 있도록 복수개의 유로홈(106a)들이 형성되어 있다.In addition, the separation plate 106 is a rectangular plate body made of a dense carbon plate, and a plurality of flow path grooves may be formed on the inner side so that the flow path 105 may be formed on both sides of the membrane-electrode assembly 104. 106a are formed.
또한, 상기 집전판(107)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이 발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.In addition, it is preferable that the current collector plate 107 is excellent in electrical conductivity, excellent in corrosion resistance, and does not generate hydrogen embrittlement. Specifically, any of the collector plates 107 may satisfy the required performance such as titanium, stainless steel, and copper. good.
상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지의 발전장치는 발전시 각각의 단위셀(C)에 설치된 양극(102)쪽의 유로(105)에는 수용액 상태의 BH4 -가 공급이되고, 음극(103)쪽의 유로(105)에는 공기가 공급이되어 전해질 막(101)을 사이에 두고 양극(102)에서는 전기화학적 산화가 음극(103)에서는 전기화학적 환원이 진행되며 그에 따른 전자의 이동으로 전기가 발생이되고, 그와 같이 발생되는 전기를 집전판(107)에서 집전하게 되며, 그와 같이 여러개의 단위셀(C)에서 각각 집전이 되는 전기가 모아져서 에너지원으로 이용되어 진다.In the fuel cell generator of the present invention configured as described above, BH 4 − in an aqueous state is supplied to the flow path 105 on the side of the anode 102 installed in each unit cell C during power generation, and the cathode 103 is provided. Air is supplied to the flow path 105 on the side, and the electrochemical oxidation is performed at the anode 102 with the electrolyte membrane 101 interposed therebetween, and the electrochemical reduction is performed at the cathode 103, and electricity is generated by the movement of electrons. Then, the electricity generated as described above is collected at the current collector plate 107, and the electricity which is collected at each of the plurality of unit cells C is collected and used as an energy source.
상기 발전장치(100)의 단위셀(C)에서 발생되는 반응의 반응식은The reaction formula of the reaction generated in the unit cell (C) of the power generation device 100 is
Anode : BH4 -+ 8OH-→BO2 -+ 6H2O + 8e-E0= 1.24 V Anode: BH 4 - + 8OH - → BO 2 - + 6H 2 O + 8e - E 0 = 1.24 V
Cathode : 2O2+ 4H2O + 8e-→BOH-E0= 0.4 V Cathode: 2O 2 + 4H 2 O + 8e - → BOH - E 0 = 0.4 V
Total : BH4 -+ 2O2→2H2O + BO2E0= 1.64 V이다.Total: BH 4 - + 2O a 2 → 2H 2 O + BO 2 E 0 = 1.64 V.
즉, 1개의 전해질 막(101)을 공통으로 하여 여러개의 단위셀(C)이 조립되어 하나의 발전장치(100)를 구성하므로, 단위셀(C)의 분리판(16) 크기를 크게 제작하지 않고도 발전용량이 획기적으로 증대되어 진다.That is, since several unit cells C are assembled using one electrolyte membrane 101 in common to form one power generator 100, the size of the separation plate 16 of the unit cell C is not large. Power generation capacity is dramatically increased without
상기의 실시예에서는 양극(102)에 공급하는 연료로 수용액 상태의 BH4 -를 이용하는 것을 예로들어 설명하였으나, 꼭 그에 한정하는 것은 아니고, 수소가스를 직접 양극에 공급하여 발전을 하는 발전장치에서도 동일한 효과가 발생될 수 있을 것이다.In the above embodiment, the use of BH 4 − in an aqueous state as an example of the fuel supplied to the anode 102 has been described as an example. The effect may be generated.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지의 발전장치는 1개의 전해질 막을 공통으로 하여 여러개의 단위셀을 구성하되, 그 단위셀은 양극과 음극이 접착된 막-전극접합체의 양측에 유로가 형성되도록 분리판이 밀착되고, 그 분리판의 외측에 집전판이 밀착되도록 하여, 상기와 같이 구성되는 각각의 단위셀에서 발전이 이루어지고, 그와 같은 발전에 의해 발생되는 전기를 모아서 에너지원으로이용되어지도록 함으로써, 분리판을 크게 제작하지 않고도 발전용량을 획기적으로 증대시킬 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, the fuel cell power generation apparatus of the present invention comprises a plurality of unit cells in common with one electrolyte membrane, and the unit cells have flow paths on both sides of the membrane-electrode assembly to which the anode and the cathode are bonded. The separation plate is in close contact with each other so that the current collector plate is in close contact with the outside of the separation plate, and power generation is performed in each unit cell configured as described above, and the electricity generated by the power generation is collected and used as an energy source. By doing so, there is an effect that can significantly increase the power generation capacity without making a large separator.
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- 2002-07-03 KR KR1020020038406A patent/KR20040003654A/en not_active Application Discontinuation
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