KR20040100137A - 연료전지용 스택의 연료공급구조 - Google Patents

Abstract

본 발명 연료전지용 스택의 연료공급구조는 스택(100)의 적층몸체(101) 외부 하측에 연료공급 메니폴드(102)와 공기회수 메니폴드(103)를 설치하고, 상측에 연료회수 메니폴드(104)와 공기공급 메니폴드(105)를 설치하며, 바이폴라 플레이트(106)의 전,후면에 다수개의 연료유로홈(110)과 공기유로홈(미도시)을 형성하고, 상기 연료유로홈의 상,하측에 버퍼부(120)을 형성하며, 상기 연료유로홈(110)의 폭을 중심부에서 외측으로 갈수록 넓게 하거나 또는 연료유로홈(110)의 벽체(110a) 하단부에 연료분배블록(130)을 각각 형성하여, 연료공급 메니폴드(102)로 공급된 연료가 버퍼부(120)에 채워진 뒤 연료유로홈(110)에 균일하게 공급되고, 그 공급된 연료가 전면에 균일한 반응이 진행되어진다.

Description

연료전지용 스택의 연료공급구조{FUEL SUPPLY STRUCTURE FOR FUEL CELL BIPOLAR PLATE}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이폴라 플레이트의 연료유로홈을 따라 연료가 하측에서 상측으로 흐르도록 함과 아울러 각 유로홈에 연료가 균일하게 분배되도록 한 연료전지용 스택의 연료공급구조에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지(Fuel Cell)는 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 종래 BFC(Boron Fuel Cell)의 개략적인 구성이 도 1에 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)는 전기를 발생하는 스택(10)의 일측에 연료 를 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 여러개의 셀(C)이 적층되어 이루어진 적층몸체(11)의 상부 일측에는 각 셀(C)에 연료를 공급하기 위한 연료공급 메니폴드(12)가 설치되어 있고, 타측에는 공기를 공급하기 위한 공기공급 메니폴드(13)가 설치되어 있으며, 하부 일측에는 상기 연료공급 메니폴드(12)의 대각선 방향으로 연료회수 메니폴드(14)가 설치되어 있고, 공기공급 메니폴드(13)의 대각선 방향으로 공기회수 메니폴드(15)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 셀(C)은 전해질 막(21)의 양측면에 전극(22)이 부착되어 이루어진 막-전극 접합체(23)의 양측에 바이폴라 플레이트(24)가 밀착되어 구성되어 있다.

또한, 상기 바이폴라 플레이트(24)는 전면에 상기 연료공급 메니폴드(12)에 서 공급되는 연료가 연료회수 메니폴드(14) 방향으로 흐르도록 다수개의 연료유로홈(31)이 "┗┒"형으로 형성되어 있고, 후면에도 동일한 형상으로 공기유로홈(32)이 형성되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있는 종래 연료전지는 조작자가 연료전지의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 연료펌프(5)를 동작시켜서 연료탱크(2)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^-연료가 연료공급라인(3)을 통하여 연료공급 메니폴드(12)로 공급되고, 그와 같이 연료공급 메니폴드(12)로 공급된 연료는 스택(10)의 바이폴라 플레이트(24)에 형성된 다수개의 연료유로홈(31)으로 공급되어 지며, 그와 같이 공급된 연료는 연료유로홈(31)을 따라 흐르며 전면에 확산되어 전기화학적인 산화가 진행된 후 다시 하측의 연료회수 메니폴드(14)로 배출되어 진다.

또한, 공기펌프(8)에 의하여 펌핑되어 공기공급라인(6)으로 공급되는 공기는 상기 공기공급 메니폴드(13)로 공급되어진 후 스택(10)의 셀(C)에 공급되어 바이폴라 플레이트(24)의 후면에 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.

이때의 반응식은 다음과 같다.

BH₄ ^-+ 2O₂→2H₂O + BO₂ ^-E₀= 1.64 V 이다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지의 스택은 연료가 상측에 설치된 연료공급 메니폴드(12)를 통하여 공급되어 연료유로홈(31)을 따라 하측으로 흐르며 반응이 진행되는데, 이와 같이 연료가 상측에서 하측으로 흐르기 때문에 연료가 여러개의 연료유로홈(31)에 균일하게 분배되지 못하여 반응효율을 향상시키는데 한계가 있는 문제점이 있었다.

또한, 반응중에 발생되는 수소가스가 원할하게 배출되지 못하여 활발한 반응을 저해하는 문제점이 있었다.

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

본 발명의 다른 목적은 연료가 균일하게 분배되고, 반응중 발생되는 수소가스가 원할하게 배출되어 활발한 반응이 일어나도록 하는데 적합한 연료전지용 스택의 연료공급구조를 제공함에 있다.

도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 개략구성도.

도 2는 종래 스택의 구조를 개략적으로 보인 사시도.

도 3은 도 2의 A-A' 단면도.

도 4는 단위셀의 구조를 보인 종단면도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 연료공급구조를 가지는 연료전지의 스택을 개략적으로 보인 사시도.

도 6는 도 5의 B-B'를 절취한 단면도.

도 7은 본 발명의 다른 실시예를 보인 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 연료탱크 100 : 스택

101 : 적층몸체 102 : 연료공급 메니폴드

103 : 공기회수 메니폴드 104 : 연료회수 메니폴드

105 : 공기공급 메니폴드 110 : 연료유로홈

120 : 버퍼부 130 : 연료분배블록

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 하부에 설치되는 연료공급 메니폴드 및 공기회수 메니폴드와, 상부에 설치되는 연료회수 메니폴드 및 공기공급 메니폴드로 구성되며, 상기 바이폴라 플레이트에 형성된 연료유로홈의 상,하측에 연료분배 및 수소배출을 위한 버퍼부가 형성됨과 아울러 중심부의 연료유로홈 보다 외측으로 갈수록 점차적으로 연료유로홈의 간격이 커지도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 유로구조가 제공된다.

또한, 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 하부에 설치되는 연료공급 메니폴드 및 공기회수 메니폴드와, 상부에 설치되는 연료회수 메니폴드 및 공기공급 메니폴드로 구성되며, 상기 바이폴라 플레이트에 형성된 연료유로홈의 상,하측에 연료분배 및 수소배출을 위한 버퍼부가 형성됨과 아울러 균일하게 연료가 유입될 수 있도록 연료유로홈의 벽체 하단부에 각각 연료분배블록을 설치하여 연료유입구의 폭이 감소되도록 한 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 발명의 일실시예에 따른 연료공급구조를 가지는 연료전지용 스택의 사시도이고, 도 6은 도 5의 B-B' 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 스택(100)은 여러개의 셀(C)이 적층되어 이루어진 적층몸체(101)의 하부 일측에는 각 셀(C)에 연료를 공급하기 위한 연료공급 메니폴드(102)가 설치되어 있고, 타측에는 공기를 회수하기 위한 공기회수 메니폴드(103)가 설치되어 있으며, 상부 일측에는 상기 연료공급 메니폴드(102)의 대각선 방향으로 연료회수 메니폴드(104)가 설치되어 있고, 공기회수 메니폴드(103)의 대각선 방향으로 공기공급 메니폴드(105)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 셀(C)은 막-전극 접합체(미도시)의 양측에 바이폴라 플레이트(106)가 밀착되어 구성되는데, 그 바이폴라 플레이트(106)의 전면에는 상기 연료공급 메니폴드(102)에 하단부가 연통되고 연료회수 메니폴드(104)에 상단부가 연통되는 연료유로홈(110)이 일자형으로 여러개 형성되어 있고, 그 일자형의 연료유로홈(110)들의 상,하측에는 연료분배 및 수소배출이 용이하도록 버퍼부(120)이 형성되어 있으며, 그 연료유로홈(110)들을 연료의 균일한 분배를 위해 중간에서 외측으로 5%정도의 비율로 폭이 점차증가되도록 형성되어 있고, 후면에도 공기가 지나는 공기유로홈(미도시)이 형성되어 있다.

즉, 중앙부의 연료유로홈(110)의 폭을 ℓ이라고 하면 그 다음 양쪽의 연료유로홈(110)의 폭은 1.05ℓ, 그 다음 양측의 연료유로홈(110)의 폭은 1.05²ℓ로 형성하며, 그와 같이 외측으로 갈수록 연료유로홈(110)의 폭인 점차적으로 크게 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 연료를 연료공급라인(3)을 통하여 연료공급 메니폴드(102)로 공급되고, 그와 같이 연료공급 메니폴드(102)로 공급된 연료는 스택(100)의 셀(C)에 형성된 하측의 버퍼부(120)에서 채워진 후 다수개의 연료유로홈(110)으로 일시에 공급되어 지며, 그와 같이 일시에 연료유로홈(110)으로 공급된 연료는 중심부에서 외측으로 갈수록 점차적으로 폭이 넓게 형성된 일자형의 연료유로홈(110)에 균일하게 분배되어 상측으로 흐르며 전면에 확산되어 전기화학적인 산화가 진행되고, 이와 같은 반응중에 발생되는 수소가스는 연료와 함께 상측의 버퍼부(120)로 배출된 후 연료회수 메니폴드(104)를 통하여 외부로 배출되어 진다.

또한, 공기펌프(8)에 의하여 펌핑되어 공기공급라인(6)으로 공급되는 공기는 상기 공기공급 메니폴드(105)로 공급되어진 후 스택(100)의 셀(C)에 일시에 공급되어 바이폴라 플레이트(106)의 후면에 형성된 공기유로홈(미도시)을 따라 하측으로 흐르며 전기화학적인 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(미도시)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

즉, 본 발명에서는 버퍼부(120)에 채워진 연료가 각 연료유로홈(110)이 균일하게 공급된 상태로 전기화학적인 반응이 진행되기 때문에 셀(C)의 바이폴라 플레이트(106)의 전면에서 균일한 반응이 이루어진다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예를 보인 단면도로서, 도시된 바와 같이, 기본적인 구조는 도 6의 실시예와 동일하다.

다만, 본 실시예에서는 연료유로홈(110)의 폭은 동일하게 형성하되, 그 연료유로홈(110)의 벽체(110a) 하단부에 연료 유입을 규제하여 전체 연료유로홈(110)에 균일한 연료분배가 이루어질 수 있도록 연료분배블록(130)이 각각 형성되어 있다.

즉, 연료유로홈(110)으로 연료가 유입되는 유입구(131)의 폭이 연료유로홈(110)의 폭 보다 좁게 형성되어 있다.

이와 같이 연료분배블록(130)들이 형성된 본 실시예에서도 일실시예에서와 마찬가지로 어느 특정 연료유로홈(110)으로 연료가 집중적으로 공급되는 것이 연료분배블록(130)에 의해 규제되므로 연료유로홈(110)에 연료가 균일하게 분배되어 반응이 진행되기 때문에 바이폴라 플레이트(106)의 전면에 균일한 반응이 진행되는 효과가 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 스택의 연료공급구조는 적층몸체의 하측에 연료공급 메니폴드와 공기회수 메니폴드를 설치하고, 상측에 연료회수 메니폴드와 공기공급 메니폴드를 설치하며, 바이폴라 플레이트의 전면과 후면에 다수개의 연료유로홈과 공기유로홈을 각각 형성하고, 그 연료유로홈의 상,하측에 연료분배 및 수소가스배출을 위한 버퍼부를 형성하며, 상기 연료유로홈들을 중심부에서 외측으로 갈수록 점차적으로 폭이 증가되도록 하거나, 연료유로홈의 벽체 하단부에 연료분배블록을 각각 형성하여, 연료공급 메니폴드로 공급된 연료가 버퍼부에서 분배되어 여러개의 연료유로홈에 균일하게 분배되어 공급되도록 함으로써, 균일한 반응이 이루어지는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 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 하부에 설치되는 연료공급 메니폴드 및 공기회수 메니폴드와, 상부에 설치되는 연료회수 메니폴드 및 공기공급 메니폴드로 구성되며, 상기 바이폴라 플레이트에 형성된 연료유로홈의 상,하측에 연료분배 및 수소배출을 위한 버퍼부가 형성됨과 아울러 중심부의 연료유로홈 보다 외측으로 갈수록 점차적으로 연료유로홈의 간격이 커지도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 유로구조.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 연료유로홈은 일자형으로 여러개 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택의 연료공급구조.
3. 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 하부에 설치되는 연료공급 메니폴드 및 공기회수 메니폴드와, 상부에 설치되는 연료회수 메니폴드 및 공기공급 메니폴드로 구성되며, 상기 바이폴라 플레이트에 형성된 연료유로홈의 상,하측에 연료분배 및 수소배출을 위한 버퍼부가 형성됨과 아울러 균일하게 연료가 유입될 수 있도록 연료유로홈의 벽체 하단부에 각각 연료분배블록을 설치하여 연료유입구의 폭이 감소되도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택의 연료공급구조.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 연료유로홈은 일자형으로 여러개 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택의 연료공급구조.