KR20040006667A

KR20040006667A - 연료전지용 스택의 연료공급구조

Info

Publication number: KR20040006667A
Application number: KR1020020041007A
Authority: KR
Inventors: 하삼철; 조태희; 박명석; 최홍; 김철환; 이명호; 황용준; 고승태; 허성근
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-07-13
Filing date: 2002-07-13
Publication date: 2004-01-24

Abstract

본 발명 연료전지용 스택의 연료공급구조는 스택(100)의 적층몸체(101에 연료공급공(102)과 공기공급공(103)을 형성하고, 하측에 연료배출공(104)과 공기배출공(105)을 형성하며, 바이폴라 플레이트(102)의 전,후면에는 상기 연료공급공(102)과 공기공급공(103)에 연통되도록 다수개의 연료유로홈(110)과 공기유로홈(미도시)을 "┗┒"형으로 형성하여, 연료공급공(102)과 공기공급공(103)으로 공급된 연료와 공기를 연료유로홈(110)과 공기유로홈(미도시)에 일시에 공급하고, 그와 같이 공급된 연료와 공기가 유로홈들을 따라 흐르며 연료극과 공기극에서 일시에 전기화학적 반응이 일어나므로 발전성능이 현격히 향상되어진다.

Description

연료전지용 스택의 연료공급구조{FUEL SUPPLY STRUCTURE OF FUEL CELL STACK}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택의 바이폴라 플레이트에 형성된 유로홈을 통하여 연료극과 공기극에 일시에 다량의 연료와 공기가 공급되도록 하여 발전성능을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 스택의 연료공급구조에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지(FUEL CELL)는 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 종래 연료전지의 개략적인 구성이 도 1에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 스택(10)의 일측에 연료를 저장하기 위한 연료탱크(2)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(2)와 스택(10)의 양극에는 연료공급라인(3)과 연료회수라인(4)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(3)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(5)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 스택(10)의 음극에는 공기공급라인(6)과 공기배출라인(7)이 설치되어 있는데, 그 공기공급라인(6)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 공기펌프(8)가 설치되어 있다.

상기 스택(10)은 도 2, 도 3, 도 4에 도시된 바와같이, 전기화학반응이 일어나는 여러개의 셀(C)을 연속적으로 적층하고, 그와 같은 적층체를 볼트(13)로 조립하여 구성되는데, 그 각각의 셀(C)은 전해질 막(21)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 백금 촉매층을 지지하는 연료극(23)과 공기극(24)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(25)와, 그 막-전극 접합체(25)의 양측에 밀착되도록 조립되어 연료극(23)과 공기극(24)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로를 형성하는 바이폴라 플레이트(BIPOLAR PLATE)(26) 및 집전판(27)으로 구성되어 있다.

상기 바이폴라 플레이트(26)는 치밀질의 4각형 카본 플레이트로서, 도 4의 a)와 같이 전면에는 연료유입공(31)이 형성되어 있고, 그 연료유입공(31)에 연통되도록 연료안내홈(32)이 형성되어 있으며, 그 연료안내홈(32)의 단부에는 수직방향으로 다수개의 연료유로홈(33)이 형성되어 있고, 그 연료유로홈(33)들의 하단부와 연료유출공(34)에 연통되도록 연료유출홈(35)이 형성되어 있다.

또한, 상기 바이폴라 플레이트(26)의 후면에는 b)와 같이 공기유입공(41)으로 유입된 공기가 흐르는 공기유로홈(43)이 상기의 연료유로홈(33)과 동일한 형태로 형성되어 있고, 그 공기유입공(41)의 대각선 방향의 하측에는 공기유출공(42)이 형성되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 기기의 동작 스위치가 온되면 연료펌프(5)에서 연료탱크(2)에 저장되어 있는 연료를 펌핑하여 연료공급라인(3)을 통하여 스택(10)의 연료극(23)에 공급함과 동시에 공기펌프(8)를 동작시켜서 공기공급라인(6)을 통하여 스택(10)의 공기극(24)으로 공기가 공급되도록 한다.

상기와 같이 스택(10)에 공급되는 연료는 연료유입공(31)을 통하여 유입되어연료안내홈(32)을 따라 안내된 후, 연료유로홈(33)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 연료극(23) 전면에 확산이 되어 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기는 공기유로홈(43)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(24)의 공기극(24) 전면에 확산되어 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(27)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지는 스택(10)의 바이폴라 플레이트(26)에 형성되어 있는 연료유입공(31)을 통하여 유입된 연료가 1개의 연료안내홈(32)을 통하여 연료유로홈(33)으로 안내되므로 필요에 따라 일시에 많은 양의 연료를 공급하고자 할때에 연료안내홈(32)이 병목부위가 되어 필요한 양의 연료를 공급하지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 연료전지의 발전성능을 어느정도 향상시키고자 할때는 연료안내홈(32)에서의 압력손실을 감안하여 연료펌프(5)를 필요이상으로 대형화하여야 하는 문제점이 있었다.

본 발명의 주목적은 상기와 같은 여러 문제점을 갖지 않는 연료전지용 스택의 연료공급구조를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 일시에 다량의 연료를 연료극으로 공급할 수 있도록 하여 발전성능을 향상시키도록 하는데 적합한 연료전지용 스택의 연료공급구조를 제공함에 있다.

도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 개략구성도.

도 2는 종래 스택의 구조를 개략적으로 보인 사시도.

도 3은 종래 스택의 셀구조를 보인 단면도.

도 4는 종래 바이폴라 플레이트를 보인 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 연료공급구조를 가지는 연료전지의 스택을 보인 사시도.

도 6은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트를 보인 정면도.

도 7은 본 발명의 바이폴라 플레이트에서 연료가 흐르는 상태를 보인 정면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 연료탱크 100 : 스택

101 : 적층몸체 102 : 연료공급공

103 : 공기공급공 104 : 연료배출공

105 : 공기배출공 110 : 연료유로홈

C : 셀

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 연료탱크에 저장된 연료를 스택의 연료극에 공급하고, 공기를 스택의 공기극에 공급하며, 그 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

상기 스택은 막-전극접합체의 양측에 바이폴라 플레이트가 밀착되어 이루어진 셀이 여러개 적층된 적층몸체와, 그 적층몸체의 대각선 방향으로 형성되는 연료공급공과 연료배출공 및 공기공급공과 공기배출공으로 구성되고, 상기 바이폴라 플레이트의 전,후면에는 연료공급공과 공기공급공에 직접 연통되어 일시에 많은 양의 연료가 흐를 수 있도록 다수개의 연료유로홈과 공기유로홈이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택의 연료공급구조가 제공된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 연료전지용 스택의 연료공급구조를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 연료공급구조를 가지는 연료전지의 스택을 보인 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 스택(100)은 여러개의 셀(C)이 적층되어 이루어진 적층몸체(101)의 상단부에는 각 셀(C)에 연료를 공급하기 위한 연료공급공(102)이 형성되어 있고, 타측에는 공기를 공급하기 위한 공기공급공(103)이 형성되어 있으며, 상기 연료공급공(102)의 대각선방향인 하부 일측에는 연료배출공(104)이 형성되어 있고, 그 연료배출공(104)의 타측인 공기공급공(103)의 대각선 방향에는 공기배출공(105)이 형성되어 있다.

그리고, 상기 셀(C)은 막-전극 접합체(미도시)의 양측에 바이폴라 플레이트(106)가 밀착되어 구성되는데, 도 6과 같이, 상기 바이폴라 플레이트(106)의 전면에는 상기 연료공급공(102)에 상단부가 연통되고 연료배출공(104)에 하단부가 연통되도록 연료 유입부와 배출부가 대각선방향에 위치되도록 형성된 다수개의 연료유로홈(110)이 "┗┒"형태로 형성되어 있고, 후면에도 동일한 형상으로 공기유로홈(미도시)이 형성되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 본 발명의 작용효과를 설명한다.

조작자가 연료전지의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 연료펌프(5)를 동작시켜서 연료탱크(2)에 저장되어 있는 연료가 연료공급라인(3)을 통하여 연료공급공(102)으로 공급되고, 그와 같이 연료공급공(102)으로 공급된 연료는 도 7에 화살표로 표시한 것과 같이 스택(100)의 셀(C)에 형성된 다수개의 연료유로홈(110)으로 일시에 공급되어 지며, 그와 같이 일시에 연료유로홈(110)으로 공급된 연료는 "┗┒"형으로 형성된 연료유로홈(110)을 따라 흐르며 전면에 확산되어 전기화학적인 산화가 진행된 후 다시 하측의 연료배출공(104)으로 배출되어 진다.

또한, 공기펌프(8)에 의하여 펌핑되어 공기공급라인(6)으로 공급되는 공기는 상기 공기공급 메니폴드(103)로 공급되어진 후 스택(100)의 셀(C)에 일시에 공급되어 바이폴라 플레이트(102)의 후면에 "┗┒"형으로 형성된 공기유로홈(미도시)을 따라 흐르며 전기화학적인 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(미도시)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

연료로 수용액상태의 BH₄ ^-를 이용하는 경우의 반응식은 다음과 같다.

BH₄ ^-+ 2O₂→2H₂O + BO₂ ^-E₀= 1.64 V

즉, 본 발명에서는 스택(100)의 적층몸체(101)에 형성된 연료공급공(102)과 공기공급공(103)에서 바이폴라 플레이트(102)의 전,후면에 형성된 연료유로홈(110)과 공기유로홈(미도시)에 일시에 연료와 공기를 공급하고, 그와 같이 공급된 연료와 공기가 다수개의 "┗┒"형 유로홈들을 따라 흐르며 연료극과 공기극에서 일시에 전기화학적 반응을 하기 때문에 종래 보다 발전성능이 현격히 향상되어진다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 스택의 연료공급구조는 적층몸체에 연료공급공과 공기공급공을 형성하고, 하측의 대각선 방향으로 연료배출공과 공기배출공을 형성하며, 바이폴라 플레이트의 전면과 후면에 "┗┒"형으로 다수개의 연료유로홈과 공기유로홈을 각각 형성하여, 연료와 공기가 연료공급 메니폴드와 공기공급 메니폴드에서 연료유로홈과 공기유로홈으로 일시에 공급된후 "┗┒"형으로 형성된 다수개의 유로를 따라 흐르며 전기화학적인 반응이 일어나도록 함으로써, 많은 양의 연료와 공기가 일시에 반응이 이루어짐에 따라 연료전기의 발전성능이 현격히 향상되어 지는 효과가 있다.

Claims

연료탱크에 저장된 연료를 스택의 연료극에 공급하고, 공기를 스택의 공기극에 공급하며, 그 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,

상기 스택은 막-전극접합체의 양측에 바이폴라 플레이트가 밀착되어 이루어진 셀이 여러개 적층된 적층몸체와, 그 적층몸체의 대각선 방향으로 형성되는 연료공급공과 연료배출공 및 공기공급공과 공기배출공으로 구성되고, 상기 바이폴라 플레이트의 전,후면에는 연료공급공과 공기공급공에 직접 연통되어 일시에 많은 양의 연료가 흐를 수 있도록 다수개의 연료유로홈과 공기유로홈이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택의 연료공급구조.
제 1항에 있어서, 상기 연료유로홈과 공기유로홈은 입구부와 출구부가 대각선방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택의 연료공급구조.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 연료유로홈과 공기유로홈은 "┗┒"형으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택의 연료공급구조.