KR20050086224A

KR20050086224A - Fuel sell system

Info

Publication number: KR20050086224A
Application number: KR1020040012621A
Authority: KR
Inventors: 이동훈; 권호진; 안성진; 서준원; 김주용; 김형준; 은영찬; 조성용
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2005-08-30
Also published as: KR100570687B1

Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지에 사용되는 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a bipolar plate used in a fuel cell.

이를 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택; 수소를 함유한 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 구비되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 구비하고, 상기 바이폴라 플레이트는 상기한 수소와 공기가 유출,입하는 구멍이 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 수소와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 큰 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.To this end, the fuel cell system according to the present invention includes a stack for generating electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen; A fuel supply unit supplying a fuel containing hydrogen to the stack; And an air supply unit for supplying air to the stack, wherein the stack includes an electrode-electrolyte assembly (MEA) and a bipolar plate provided on both sides of the electrode-electrolyte composite. At least one electricity generating unit, wherein the bipolar plate is characterized in that the hole and the outflow and inlet of the hydrogen and air has the same area as the rectangular shape and the contact area of the hydrogen and air is larger than the rectangular shape.

Description

Fuel Cell System {FUEL SELL SYSTEM}

일반적으로 연료 전지는 메탄올이나 천연가스 등과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이 연료 전지는 연소 과정 없이 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가진다.In general, a fuel cell is a power generation system that directly converts chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol or natural gas into electrical energy. This fuel cell is characterized by the simultaneous use of electricity generated by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen and its byproduct heat without the combustion process.

이 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150~200℃ 부근에서 작동되는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동되는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동되는 고체 산화물형 연료전지, 및 상온 내지 100℃ 이하에서 작동되는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 및 전해질 등이 서로 다르다.The fuel cell is a phosphoric acid fuel cell operating at around 150 to 200 ° C, a molten carbonate fuel cell operating at a high temperature of 600 to 700 ° C, and a solid oxide type operating at a high temperature of 1000 ° C or more, depending on the type of electrolyte used. It is classified into a fuel cell and a polymer electrolyte type and an alkaline type fuel cell operated at room temperature to 100 ° C. or lower. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs), which have been recently developed, have excellent output characteristics, low operating temperatures, fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells, methanol, ethanol, By using hydrogen produced by reforming natural gas as a fuel, it has a wide range of applications such as a mobile power source such as a car, a distributed power source such as a house and a public building, and a small power source such as an electronic device.

상기와 같은 고분자 전해질형 연료 전지는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 구성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 스택으로 공급한다. 또한, 연료 전지는 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)를 더 포함한다.The polymer electrolyte fuel cell as described above basically includes a stack, a fuel tank, a fuel pump, and the like to constitute a system. The stack constitutes the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies fuel in the fuel tank to the stack. In addition, the fuel cell further includes a reformer that reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack in the process of supplying the fuel stored in the fuel tank to the stack.

따라서, 이 고분자 전해질형 연료 전지는 연표 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.Therefore, the polymer electrolyte fuel cell supplies fuel in the fuel tank to the reformer by operation of a soft pump, and reforms the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacts the hydrogen gas and oxygen in the stack. Generate electrical energy.

한편, 연료 전지는 수소를 함유한 액상의 연료를 직접 스택에 공급하여 전기를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채택하며, 이 방식에서는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리 개질기를 배제할 수 있다.On the other hand, the fuel cell adopts a direct methanol fuel cell (DMFC) method that generates electricity by directly supplying a liquid fuel containing hydrogen directly to the stack, which is different from a polymer electrolyte fuel cell. The reformer can be ruled out.

도 1은 일반적인 연료 전지 시스템의 스택을 구성하는 전기 생성부를 도시한 분해 사시도이다.1 is an exploded perspective view illustrating an electricity generating unit constituting a stack of a general fuel cell system.

도 1을 참고하면, 상기와 같은 연료 전지에 있어 실질적으로 전기를 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly: MEA)(12)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(16)로 이루어지는 전기 생성부(11)를 수 개 내지 수십 개로 적층한 구조로 이루어진다. 상기 전극-전해질 합성체(12)는 수소 가스와 산소의 화학적인 반응에 의해 실질적으로 전기를 발생시키는 활성 영역(active area)을 구비하며, 이 활성 영역은 전해질막을 사이에 두고 양면에 각각 부착되는 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진다. 각각의 바이폴라 플레이트(16)는 전극-전해질 합성체(12)의 양면에 밀착되어 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 공급하는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시키는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서 바이폴라 플레이트(16)에 의해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되고 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어난다. 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 스택에서는 전기와 열 그리고 물이 발생된다.Referring to FIG. 1, a stack that substantially generates electricity in such a fuel cell is electricity generation consisting of an electrode-electrolyte assembly (MEA) 12 and a bipolar plate 16. It consists of the structure which laminated | stacked the several part 11 to several dozen. The electrode-electrolyte composite 12 has an active area for generating electricity substantially by chemical reaction of hydrogen gas and oxygen, which is attached to both surfaces with an electrolyte membrane therebetween. It consists of an anode electrode and a cathode electrode. Each bipolar plate 16 is in close contact with both sides of the electrode-electrolyte composite 12 to serve as a passage for supplying hydrogen gas and oxygen required for the reaction of the fuel cell and the anode electrode of each electrode-electrolyte composite 12. At the same time serves as a conductor that connects the cathode electrode in series. Therefore, hydrogen gas is supplied to the anode electrode and oxygen is supplied to the cathode electrode by the bipolar plate 16. In this process, an oxidation reaction of hydrogen gas occurs at the anode electrode, and a reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode. The movement of the generated electrons generates electricity, heat and water in the stack.

구체적으로, 각각의 바이폴라 플레이트(16)에는 전극-전해질 합성체(12)의 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하기 위한 제1 유입구(17a)와, 상기한 애노드 전극에서 미반응하고 남은 수소 가스를 배출하기 위한 제1 유출구(17b)와, 전극-전해질 합성체(12)의 캐소드 전극으로 산소를 공급하기 위한 제2 유입구(18a)와, 상기한 캐소드 전극에서 미반응하고 남은 산소를 배출하기 위한 제2 유출구(18b)를 형성하고 있다. 그리고 제1 유입구(17a)와 제1 유출구(17b)를 연결하는 제1 유로채널(17c)과, 제2 유입구(18a)와 제2 유출구(18b)를 연결하는 제2 유로채널(18c)을 형성하고 있다. 여기서 상기한 제1 및 제2 유로채널(17c, 18c) 각각은 바이폴라 플레이트(16)의 어느 한 쪽면과 그 반대면에 형성될 수 있으며, 바이폴라 플레이트(16)의 어느 한 쪽면에 각각 형성될 수도 있다.Specifically, each bipolar plate 16 discharges the first inlet port 17a for supplying hydrogen gas to the anode electrode of the electrode-electrolyte composite 12 and the hydrogen gas remaining unreacted at the anode electrode. A first outlet 17b for discharging, a second inlet 18a for supplying oxygen to the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite 12, and an agent for discharging the remaining unreacted oxygen from the cathode 2, the outlet 18b is formed. And a first flow channel 17c connecting the first inlet 17a and the first outlet 17b and a second flow channel 18c connecting the second inlet 18a and the second outlet 18b. Forming. Here, each of the first and second flow channel channels 17c and 18c may be formed on one side of the bipolar plate 16 and the opposite side thereof, and may be formed on either side of the bipolar plate 16, respectively. have.

이와 같은 연료 전지의 스택은 일반적으로 가동 온도가 60∼80℃를 유지할 때 최적의 작동 성능을 발휘하게 되는 바, 바이폴라 플레이트(16)의 각 유입구(17a, 18a)를 통해 공급되는 수소 가스와 산소를 그 유입구(17a, 18a) 부근에서 스택에서 발생하는 열을 이용하여 일정 온도로 높여 주어야 한다. 그리고 스택에 의해 생산되는 전력을 소모하여 그 스택을 구동하기 위한 기생전력을 줄이기 위해 최소한의 압력으로 상기한 수소 가스와 산소를 전극-전해질 합성체(12)로 공급해야 한다.Such stacks of fuel cells generally exhibit optimal operating performance when the operating temperature is maintained at 60 to 80 ° C., such as hydrogen gas and oxygen supplied through the inlets 17a and 18a of the bipolar plate 16. Is raised to a constant temperature using heat generated in the stack near its inlets 17a and 18a. The hydrogen gas and oxygen described above must be supplied to the electrode-electrolyte composite 12 at a minimum pressure to consume the power produced by the stack and to reduce the parasitic power for driving the stack.

그런데 일반적인 연료 전지에 있어 바이폴라 플레이트(16)는 수소 가스와 산소가 유출입하는 유출입구(17a, 17b, 18a, 18b)가 대략 직사각형의 형상을 취하고 있는 바, 수소 가스와 산소의 접촉 면적을 더욱 증가시켜 유입구(17a, 18a) 부근에서 스택으로부터 발생하는 열을 수소 가스와 산소로 전달하는 능력을 더욱 향상시키고, 상기한 수소 가스와 산소를 최소한의 압력으로 전극-전해질 합성체(12)로 공급함은 물론 전극-전해질 합성체(12)의 활성 영역을 더욱 확장시키기 위한 최적의 유입출구 형상을 선정하여 연료 전지의 효율 및 성능을 꾀할 것이 요구되고 있는 실정이다.However, in the general fuel cell, the bipolar plate 16 has a substantially rectangular shape of the outlet inlets 17a, 17b, 18a, and 18b through which hydrogen gas and oxygen flow in and out, which further increases the contact area between hydrogen gas and oxygen. To further improve the ability to transfer heat generated from the stack to hydrogen gas and oxygen in the inlets 17a and 18a, and to supply the hydrogen gas and oxygen to the electrode-electrolyte composite 12 with minimal pressure. Of course, it is required to select the optimum inlet and outlet shape for further extending the active region of the electrode-electrolyte composite 12 to achieve efficiency and performance of the fuel cell.

본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 창안된 것으로, 그 목적은 바이폴라 플레이트에서 수소 가스와 산소가 유출입하는 유출입구의 형상을 개선하여 전체적인 시스템의 효율 및 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는데 있다.The present invention has been made in view of the above-described points, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of improving the efficiency and performance of the overall system by improving the shape of the outlet inlet through which hydrogen gas and oxygen flow in and out of the bipolar plate. To provide.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택; 수소를 함유한 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane-Electrode assembly: MEA)와 이 전극-전해질 합성체의 양면에 구비되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 구비하고, 상기 바이폴라 플레이트는 상기한 수소와 공기가 유출,입하는 구멍이 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 수소와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 큰 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes a stack for generating electrical energy by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; A fuel supply unit supplying a fuel containing hydrogen to the stack; And an air supply unit for supplying air to the stack, wherein the stack includes an electrode-electrolyte assembly (MEA) and a bipolar plate provided on both sides of the electrode-electrolyte composite. At least one electricity generating unit, wherein the bipolar plate is characterized in that the hole and the outflow and inlet of the hydrogen and air has the same area as the rectangular shape and the contact area of the hydrogen and air is larger than the rectangular shape.

이러한 경우 상기 구멍이 삼각형을 포함하는 다각형으로 이루어지며, 정사각형을 포함하는 다각형으로 이루어질 수 있고, 원형 또는 타원형으로 이루어질 수도 있다.In this case, the hole is made of a polygon including a triangle, it may be made of a polygon including a square, it may be made of a circle or oval.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기한 구멍에 접촉면적 확장부를 구비할 수도 있으며, 상기 접촉면적 확장부가 상기 구멍에 적어도 하나의 요홈을 형성하고 있거나 상기 구멍에 적어도 하나의 돌기를 구비하고 있는 것이 바람직하다.In addition, the fuel cell system according to the present invention may include a contact area expansion part in the hole, wherein the contact area expansion part forms at least one groove in the hole or has at least one protrusion in the hole. It is preferable.

그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC) 방식을 채용하며, 이 경우 상기 스택과 연료 공급부 사이에, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 생성시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급부와 스택에 연결 설치된다.In addition, the fuel cell system according to the present invention employs a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method, and in this case, between the stack and the fuel supply unit, the fuel supplied from the fuel supply unit is reformed to obtain hydrogen. A reformer for generating gas is disposed and connected to the fuel supply unit and the stack.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기한 개질기가 배제된 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다.In addition, the fuel cell system according to the present invention may employ a direct methanol fuel cell (DMFC) method in which the reformer is excluded.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택은, 전극-전해질 합성체를 중심에 두고 그 양측에 배치되는 바이폴라 플레이트로 이루어진 적어도 하나의 전기 생성부를 포함하고, 상기 바이폴라 플레이트는 수소와 공기가 유출,입하는 구멍이 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 수소와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 큰 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a stack of a fuel cell system according to the present invention includes at least one electricity generating unit consisting of a bipolar plate disposed on both sides of an electrode-electrolyte composite, wherein the bipolar plate is hydrogen. The air flows in and out and the air inlet has the same area as the rectangle, and the contact area between the hydrogen and the air is characterized in that the shape larger than the rectangle.

이러한 경우 상기 구멍이 삼각형을 포함하는 다각형으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택은, 상기한 구멍에 접촉면적 확장부를 구비할 수도 있다.In this case, the hole is preferably made of a polygon including a triangle. In addition, the stack of the fuel cell system according to the present invention may include a contact area expansion portion in the above-described hole.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.2 is a schematic diagram showing an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참고하면, 본 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하고, 상기한 개질 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용할 수 있다.Referring to FIG. 2, the system 100 reforms a hydrogen-containing fuel to generate a hydrogen-rich reformed gas, and directly converts chemical energy generated by electrochemically reacting the reformed gas with oxygen to electrical energy. A polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method may be employed.

상기 연료 전지 시스템(100)은, 기본적으로 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 생성하는 개질기(20)와, 개질기(20)에 의해 생성된 개질 가스와 산소의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산 해 내는 스택(30)과, 상기한 연료를 개질기(20)로 공급하는 연료 공급부(40)와, 외부의 공기를 스택(30)으로 공급하는 공기 공급부(50)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 100 basically includes a reformer 20 that reforms a fuel containing hydrogen to generate a hydrogen-rich reformed gas, and chemical reaction energy of the reformed gas and oxygen generated by the reformer 20. A stack 30 for converting electrical energy into electricity, a fuel supply unit 40 for supplying the fuel to the reformer 20, and an air supply unit 50 for supplying external air to the stack 30. It is configured to include.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 생성하기 위한 실질적인 연료라 함은 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등과 같은 탄화 수소 또는 알코올 계열의 수소를 함유한 연료 이 외에 물 및 산소가 더욱 포함된다. 그러나 이하에서는 위와 같은 수소를 함유한 연료와 물의 혼합 연료를 액상의 연료라 정의한다.Substantial fuel for generating electricity in the fuel cell system 100 according to the present invention further includes water and oxygen in addition to a fuel containing hydrocarbons such as methanol, ethanol, natural gas, or hydrogen-based hydrogen. . However, hereinafter, the fuel containing hydrogen and the fuel mixture of water is defined as a liquid fuel.

그리고 본 시스템(100)은 공기 공급부(50)로부터 공급되는 외부 공기 중의 산소와 상기한 개질 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기를 발생시킬 수 있다. 대안으로서 본 시스템(100)은 별도로 저장된 산소 가스와 개질기(20)로부터 개질된 개질 가스를 스택(30)으로 공급하여 이들의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킬 수도 있다. 그러나 이하에서는 전기 생성에 필요한 산소로서 외부의 공기를 그대로 사용하는 후자의 예를 설명한다.In addition, the system 100 may generate electricity by an electrochemical reaction between oxygen in the outside air supplied from the air supply unit 50 and the above-described reformed gas. Alternatively, the system 100 may supply separately stored oxygen gas and reformed gas from the reformer 20 to the stack 30 to generate electrical energy by their electrochemical reaction. However, hereinafter, an example of using the outside air as oxygen required for electricity generation will be described.

또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 수소를 함유한 연료를 직접 스택(30)으로 공급하여 전기를 생산해 낼 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 도 2에 도시한 개질기(20)가 배제된 구조를 가진다. 그러나, 이하에서는 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명할 뿐, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the fuel cell system 100 according to the present invention may employ a direct methanol fuel cell (DMFC) method capable of producing electricity by directly supplying a fuel containing hydrogen to the stack 30. have. Unlike the polymer electrolyte fuel cell, such a direct methanol fuel cell has a structure in which the reformer 20 shown in FIG. 2 is excluded. However, hereinafter, the fuel cell system 100 employing the polymer electrolyte fuel cell method will be described as an example, and the present invention is not necessarily limited thereto.

전술한 바 있는 개질기(20)는 개질 반응에 의해 액상의 연료를 스택(30)의 전기 생성에 필요한 수소 가스로 개질할 뿐만 아니라, 상기한 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 장치이다. 통상적으로 상기한 개질기(20)는 액상의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질부와, 그 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함한다. 개질부는 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고 일산화탄소 저감부는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시킨다. 여기서 개질기(20)는 제1 공급라인(91)에 의해 연료 공급부(40)와 연결 설치되고, 제2 공급라인(92)에 의해 스택(30)과 연결 설치될 수 있다.The reformer 20 described above is an apparatus that not only reforms a liquid fuel into hydrogen gas for generating electricity of the stack 30 by the reforming reaction, but also reduces the concentration of carbon monoxide contained in the reforming gas. Typically, the reformer 20 includes a reforming unit for reforming a liquid fuel to generate a hydrogen-rich reforming gas, and a carbon monoxide reduction unit for reducing the concentration of carbon monoxide from the reforming gas. The reforming unit converts the fuel into hydrogen-rich reforming gas through catalytic reactions such as steam reforming, partial oxidation or autothermal reaction. The carbon monoxide reducing unit reduces the concentration of carbon monoxide from the reformed gas by a method such as a catalytic reaction such as a water gas conversion method, a selective oxidation method, or purification of hydrogen using a separator. Here, the reformer 20 may be connected to the fuel supply unit 40 by the first supply line 91, and may be connected to the stack 30 by the second supply line 92.

연료 공급부(40)는 개질기(20)와 연결 설치되는 것으로서, 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(41)와, 연료 탱크(41)에 연결 설치되는 연료 펌프(43)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(43)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(41)에 저장된 액상의 연료를 그 탱크의 내부로부터 배출시키는 기능을 갖는다. 이 때 연료 공급부(40)와 개질기(20)는 전술한 바 있는 제1 공급라인(91)에 의해 연결 설치될 수 있다.The fuel supply unit 40 is connected to the reformer 20, and includes a fuel tank 41 for storing liquid fuel and a fuel pump 43 connected to the fuel tank 41. The fuel pump 43 has a function of discharging the liquid fuel stored in the fuel tank 41 from the inside of the tank by a predetermined pumping force. At this time, the fuel supply unit 40 and the reformer 20 may be connected by the first supply line 91 as described above.

공기 공급부(50)는 스택(30)과 연결 설치되며, 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하여 스택(30)으로 공급할 수 있는 공기 펌프(51)를 구비한다. 이 때 스택(30)과 공기 공급부(50)는 제3 공급라인(93)에 의해 연결 설치될 수 있다.The air supply unit 50 is installed in connection with the stack 30 and includes an air pump 51 that can suck external air with a predetermined pumping force and supply the external air to the stack 30. In this case, the stack 30 and the air supply unit 50 may be connected and installed by the third supply line 93.

도 3은 도 2에 도시한 스택의 분해 사시도이다.3 is an exploded perspective view of the stack shown in FIG.

도 2 및 도 3을 참고하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(30)은 개질기(20)를 통해 개질된 개질 가스와 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(31)를 구비하고 있다.Referring to FIGS. 2 and 3, the stack 30 applied to the present system 100 induces oxidation / reduction reaction of the reformed gas and the air through the reformer 20 to generate electrical energy. The generator 31 is provided.

각각의 전기 생성부(31)는 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하며, 수소가 풍부한 개질 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode assembly: MEA )(32) 및, 개질 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(32)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(36)를 포함하여 구성된다.Each electricity generating unit 31 refers to a cell of a unit for generating electricity, an electrode-electrolyte assembly (MEA) 32 for oxidizing / reducing hydrogen-rich reformed gas and oxygen in air, and And a bipolar plate 36 for supplying the reforming gas and air to the electrode-electrolyte composite 32.

이러한 전기 생성부(31)는 전극-전해질 합성체(32)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(36)가 각각 배치된다. 이로서 스택(30)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(31)가 연속적으로 배치됨으로써 구성된다. 그리고 스택(30)의 최외곽에는 엔드 플레이트(33)가 위치하고 있다.The electricity generating unit 31 has the electrode-electrolyte composite 32 in the center and bipolar plates 36 are disposed on both sides thereof. As a result, the stack 30 is configured by continuously arranging the plurality of electricity generating units 31 as described above. The end plate 33 is positioned at the outermost side of the stack 30.

전극-전해질 합성체(32)는 양측면을 이루는 애노드 전극(미도시)과 캐소드 전극(미도시) 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 가진다. 즉, 전극-전해질 합성체(32)는 소정의 활성 영역(미도시)을 구비하며, 이 활성 영역의 양측면에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하고, 그 사이에 전해질막이 개재되는 구조로 이루어진다. 애노드 전극은 바이폴라 플레이트(36)를 통해 개질 가스를 공급받는 부분으로서, 개질 가스의 원활한 확산을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDS)과, 산화 반응에 의해 개질 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층으로 구성된다. 캐소드 전극은 바이폴라 플레이트(36)을 통해 공기를 공급받는 부분으로서, 공기의 원활한 확산을 위한 기체 확산층과, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.The electrode-electrolyte composite 32 has a structure of a conventional MEA (Membrane Electrode Assembly) having an electrolyte membrane interposed between an anode electrode (not shown) and a cathode electrode (not shown) forming both sides. In other words, the electrode-electrolyte composite 32 has a predetermined active region (not shown), and includes an anode electrode and a cathode electrode on both sides of the active region, and an electrolyte membrane is interposed therebetween. The anode electrode receives a reformed gas through the bipolar plate 36, and a gas diffusion layer (GDS) for smooth diffusion of the reformed gas and converts the reformed gas into electrons and hydrogen ions by an oxidation reaction. It consists of a catalyst bed. The cathode electrode receives air through the bipolar plate 36, and is composed of a gas diffusion layer for smooth diffusion of air, and a catalyst layer for converting oxygen in the air into electrons and oxygen ions by a reduction reaction. The electrolyte membrane is a solid polymer electrolyte having a thickness of 50 to 200 µm, and has an ion exchange function for transferring hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode to the catalyst layer of the cathode electrode.

각각의 바이폴라 플레이트(36)는 전극-전해질 합성체(32)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 전극-전해질 합성체(32)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착된다. 또한 각각의 바이폴라 플레이트(36)에는 전극-전해질 합성체(32)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 각각 밀착되는 밀착면에 애노드 전극으로 개질 가스를 공급하고, 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 유로 채널(37c, 38c)을 형성하고 있다.Each bipolar plate 36 is disposed on both sides thereof with an electrode-electrolyte composite 32 interposed therebetween, and is in close contact with the anode electrode and the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite 32. In addition, each bipolar plate 36 is provided with a flow channel for supplying a reforming gas to the anode electrode and an air electrode for supplying air to the cathode electrode on a contact surface in close contact with the anode electrode and the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite 32, respectively. 37c and 38c) are formed.

그리고 각각의 엔드 플레이트(33)는 스택(30)의 최외곽에 각각 배치되어 복수의 전기 생성부(31)를 밀착하는 기능을 갖는다. 또한 엔드 플레이트(33)에는 전극-전해질 합성체(32)의 애노드 전극으로 개질 가스를 공급하기 위한 제1 공급관(33a)과, 상기한 전극-전해질 합성체(32)의 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 제2 공급관(33b)과, 전기 생성부(31)에서 최종적으로 미반응 하고 남은 개질 가스를 배출하기 위한 제1 배출관(33c)과, 전기 생성부(31)에서 최종적으로 미반응 하고 남은 공기를 배출하기 위한 제2 배출관(33d)을 구비하고 있다. 여기서 제1 공급관(33a)은 전술한 바 있는 제2 공급라인(92)에 의해 개질기(20)와 연결될 수 있다. 그리고 제2 공급관(33b)은 전술한 바 있는 제3 공급라인(93)에 의해 공기 공급부(50)와 연결될 수 있다.Each end plate 33 is disposed at the outermost side of the stack 30 and has a function of closely contacting the plurality of electricity generating units 31. In addition, the end plate 33 supplies air to the first supply pipe 33a for supplying the reformed gas to the anode electrode of the electrode-electrolyte composite 32 and the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite 32 described above. The second supply pipe 33b for discharging, the first discharge pipe 33c for discharging the reformed gas that is finally unreacted in the electricity generating unit 31 and the remaining unreacted in the electricity generating unit 31 A second discharge pipe 33d for discharging air is provided. Here, the first supply pipe 33a may be connected to the reformer 20 by the second supply line 92 described above. The second supply pipe 33b may be connected to the air supply unit 50 by the third supply line 93 described above.

도 4는 도 3에 도시한 바이폴라 플레이트를 더욱 구체적으로 나타내 보인 사시도이다.4 is a perspective view illustrating the bipolar plate shown in FIG. 3 in more detail.

도 2 내지 도 4를 참고하면, 이 바이폴라 플레이트(36)는 개질 가스가 스택(30)의 제1 공급관(33a)을 통해 각각의 바이폴라 플레이트(36) 사이로 유입되도록 하는 제1 유입구(37a)와, 제1 유입구(37a)를 통과한 개질 가스를 각가의 바이폴라 플레이트(36) 사이에 위치하는 전극-전해질 합성체(32)의 애노드 전극으로 공급하기 위한 제1 유로 채널(37c)과, 전극-전해질 합성체(32)에서 미반응 하고 남은 개질 가스가 스택(30)의 제1 배출관(33c)을 통해 스택(30)의 외부로 유출되도록 하는 제1 유출구(37b)와, 스택(10)의 제2 공급관(33b)을 통해 외부의 공기가 각각의 바이폴라 플레이트(36) 사이로 유입되도록 하는 제2 유입구(38a)와, 제2 유입구(38a)를 통과한 공기를 각각의 바이폴라 플레이트(36) 사이에 위치하는 전극-전해질 합성체(32)의 캐소드 전극으로 공급하기 위한 제2 유로 채널(38c)과, 전극-전해질 합성체(32)에서 미반응 하고 남은 공기가 스택(30)의 제2 배출관(33d)을 통해 스택(30)의 외부로 유출되도록 하는 제2 유출구(38b)를 형성하고 있다.2 to 4, the bipolar plate 36 has a first inlet 37a through which the reformed gas is introduced between the respective bipolar plates 36 through the first supply pipe 33a of the stack 30. A first flow channel channel 37c for supplying the reformed gas passing through the first inlet 37a to the anode electrode of the electrode-electrolyte composite 32 positioned between the bipolar plates 36 and the electrode- The first outlet 37b for allowing the unreacted reformed gas remaining in the electrolyte composite 32 to flow out of the stack 30 through the first discharge pipe 33c of the stack 30, and the stack 10 of the stack 10. The second inlet port 38a through which the outside air flows between the respective bipolar plates 36 through the second supply pipe 33b, and the air passing through the second inlet port 38a between the bipolar plates 36. Second flow path for supplying to the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite 32 located in the A second outlet 38b for allowing the null 38c and the unreacted air remaining in the electrode-electrolyte composite 32 to flow out of the stack 30 through the second discharge pipe 33d of the stack 30. To form.

이 때 바이폴라 플레이트(36)는 상기한 제1 유입구(37a)와 제1 유출구(37b)가 제1 유로 채널(37c)에 의해 서로 연결되고, 상기한 제2 유입구(38a)와 제2 유출구(38b)가 제2 유로 채널(38c)에 의해 서로 연결될 수 있다.At this time, the bipolar plate 36 has the first inlet 37a and the first outlet 37b connected to each other by the first flow channel 37c, and the second inlet 38a and the second outlet ( 38b) may be connected to each other by the second flow channel 38c.

그리고 바이폴라 플레이트(36)는 어느 한 쪽면에 제1 유입구(37a)와 제1 유출구(37b)가 제1 유로 채널(37c)에 의해 서로 연결되고, 이와 반대되는 다른 한 쪽면에 제2 유입구(38a)와 제2 유출구(38b)가 제2 유로 채널(38c)에 의해 서로 연결되는 양면 구조를 가질 수 있다. 대안으로서, 상기한 바이폴라 플레이트(36)는 어느 하나의 플레이트의 한 쪽면에 제1 유입구(37a)와 제1 유출구(37b)가 제1 유로 채널(37c)에 의해 서로 연결되고, 다른 하나의 플레이트의 한 쪽면에 제2 유입구(38a)와 제2 유출구(38b)가 제2 유로 채널(38c)에 의해 서로 연결되는 구조를 가질 수도 있다.The bipolar plate 36 has a first inlet 37a and a first outlet 37b connected to each other by a first flow channel channel 37c on one side thereof, and a second inlet 38a on the other side thereof. ) And the second outlet 38b may have a double-sided structure that is connected to each other by the second flow channel 38c. Alternatively, the bipolar plate 36 has a first inlet 37a and a first outlet 37b connected to each other by a first flow channel channel 37c on one side of one plate, and the other plate. The second inlet 38a and the second outlet 38b may be connected to each other by the second flow channel 38c on one side thereof.

이와 같은 바이폴라 플레이트(36)는 스택(30)의 효율 및 성능을 높이기 위하여, 전극-전해질 합성체(32)의 기체 확산층에서 개질 가스와 공기의 확산 성능을 향상시키며, 유입구(37a, 38a)를 통해 개질 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(32)로 공급하는 압력의 손실을 저감시키고, 유입구(37a, 38a) 부근에서 스택(30) 자체에서 발생하는 열을 유입구(37a, 38a)를 통해 유입되는 개질 가스와 공기로 전달하는 능력을 향상시킴은 물론 전극-전해질 합성체(32)의 활성 영역(active area)을 더욱 확장시킬 필요가 있다.Such a bipolar plate 36 improves the diffusion performance of the reformed gas and air in the gas diffusion layer of the electrode-electrolyte composite 32 in order to increase the efficiency and performance of the stack 30, the inlet (37a, 38a) To reduce the loss of pressure for supplying the reformed gas and air to the electrode-electrolyte composite 32, and heat generated in the stack 30 itself near the inlets 37a and 38a through the inlets 37a and 38a. There is a need to further expand the active area of the electrode-electrolyte composite 32 as well as to improve its ability to deliver incoming reformed gas and air.

이를 위하여 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)의 형상을 종래의 직사각형과 상이한 형상으로 적절히 조절하여 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)에 대한 개질 가스와 공기의 접촉 면적을 증가시킬 필요가 있다. 따라서 본 실시예에는 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)의 형상을 최적화하여 개질 가스와 공기의 접촉 면적을 증가시키는 것이 예시되어 있다.To this end, the shape of the outlet inlets 37a, 37b, 38a, and 38b of the bipolar plate 36 is appropriately adjusted to a shape different from that of a conventional rectangle, so that the reformed gas and air for the outlet inlets 37a, 37b, 38a, and 38b can be It is necessary to increase the contact area. Therefore, in this embodiment, it is illustrated to optimize the shape of the outlet inlets 37a, 37b, 38a, 38b of the bipolar plate 36 to increase the contact area of the reformed gas and air.

본 실시예에 의한 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)는 상기한 개질 가스와 공기가 유출입하는 구멍이 종래의 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 상기한 직사각형 보다 상대적으로 큰 형상으로 이루어진다.The outlet inlets 37a, 37b, 38a, and 38b of the bipolar plate 36 according to the present embodiment have a contact area between the reformed gas and the air while the above-described holes into which the reformed gas and the air flow in and out have the same area as a conventional rectangle. This rectangular shape is made larger than the above-mentioned rectangle.

바람직하게, 상기한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)는 직사각형과 동일한 면적을 가진 조건 하에서 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 상대적으로 큰 삼각형으로 형성한다. 이러한 형상을 갖는 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)는 바이폴라 플레이트(36)의 각 모서리 부분을 따라 위치하는 수평변과 수직변 그리고 수평변과 수직변을 잇는 사선변을 이루고 있다.Preferably, the outlet inlets 37a, 37b, 38a, 38b are formed in a triangle in which the contact area of the reformed gas and air is relatively larger than the rectangle under conditions having the same area as the rectangle. The outlet inlets 37a, 37b, 38a, and 38b having such a shape form a horizontal side and a vertical side located along each corner portion of the bipolar plate 36 and an oblique side connecting the horizontal side and the vertical side.

따라서 직사각형의 유출입구를 갖는 바이폴라 플레이트의 비교예에 있어 유출입구의 장변 길이가 2, 단변 길이가 1인 경우 개질 가스와 공기의 접촉 면적을 A라 하고, 본 실시예에 의한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)의 수평변과 수직변이 2인 경우 개질 가스와 공기의 접촉 면적을 B라고 할 때, 결과적으로 A는 B 보다 만큼 더 크다는 것을 알 수 있다. 이 때 비교예와 실시예에 대한 개질 가스와 공기의 접촉 면적은 유출입구 각각의 단면적을 기준으로 하고 있다.Therefore, in a comparative example of a bipolar plate having a rectangular outlet opening, when the long side length of the outlet inlet is 2 and the short side length is 1, the contact area of the reformed gas and air is A, and the outlet inlet 37a, When the horizontal and vertical sides of 37b, 38a, and 38b) are 2, the contact area of the reformed gas and air is B. As a result, A is greater than B. As big as you can see. At this time, the contact area of the reformed gas and air for the comparative example and the example is based on the cross-sectional area of each outlet inlet.

이로서 상기한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)에 대한 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 직사각형을 갖는 종래의 유출입구 보다 상대적으로 증가하게 되고 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 클수록 이에 대한 마찰 계수가 작아지게 되므로, 개질 가스와 공기를 유입구(37a, 38a)를 통해 전극-전해질 합성체(32)로 공급하는 압력의 손실이 작아짐은 자명한 사실이다. 또한 상기한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)에 대한 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 증가함에 따라 유입구(37a, 38a) 부분에서 스택(30) 자체로부터 발생하는 열을 개질 가스와 공기로 전달하는 능력이 향상되게 된다. 더욱이 상기한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)는 각 모서리 부분을 따라 수평변과 수직변이 위치하고 수평변과 수직변을 잇는 사선변을 이루고 있기 때문에, 종래와 달리 전극-전해질 합성체(32)의 활성 영역(active area)을 더욱 확장시킬 수 있게 된다.As a result, the contact area of the reformed gas and air with respect to the outlet inlets 37a, 37b, 38a, and 38b is relatively increased than that of the conventional outlet inlet having a rectangle. It is apparent that since the decrease in pressure, the loss of pressure for supplying the reformed gas and air to the electrode-electrolyte composite 32 through the inlets 37a and 38a is small. In addition, as the contact area of the reformed gas and air with respect to the outlet inlets 37a, 37b, 38a, and 38b increases, heat generated from the stack 30 itself in the inlets 37a and 38a is converted into reformed gas and air. The ability to communicate will be improved. Furthermore, since the outlet inlets 37a, 37b, 38a, and 38b have horizontal edges and vertical edges positioned along each corner and form oblique edges connecting the horizontal and vertical sides, unlike the conventional art, the electrode-electrolyte composite 32 It is possible to further expand the active area of the.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 대한 바이폴라 플레이트의 변형예들을 나타내 보인 평면 구성도이다.5A to 5D are planar views showing modifications of the bipolar plate according to the embodiment of the present invention.

도 5a를 참고하면, 본 실시예의 제1 변형예로서, 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)가 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 상대적으로 큰 정사각형으로 이루어질 수 있다. 대안으로서, 상기한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)는 위와 같이 정사각형으로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 오각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형으로 이루어질 수도 있다.Referring to FIG. 5A, as a first modification of the present embodiment, the outlet inlets 37a, 37b, 38a, and 38b of the bipolar plate 36 have the same area as the rectangle, and the contact area of the reformed gas and air is larger than the rectangle. It can be made into a relatively large square. As an alternative, the outlets 37a, 37b, 38a, and 38b are not limited to the above, but may be made of polygons such as pentagons, hexagons, and octagons.

도 5b를 참고하면, 본 실시예의 제2 변형예로서, 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)가 직사각형과 동일한 면적을 가지면서 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 직사각형 보다 상대적으로 큰 원형으로 이루어질 수 있다. 대안으로서, 상기한 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)는 위와 같이 원형으로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 도면에 가상선으로 도시한 타원형으로 이루어질 수도 있다.Referring to FIG. 5B, as a second modification of the present embodiment, the outlet inlets 37a, 37b, 38a, and 38b of the bipolar plate 36 have the same area as the rectangle, and the contact area of the reformed gas and air is larger than the rectangle. It can be made in a relatively large circle. As an alternative, the outlets 37a, 37b, 38a, and 38b are not limited to the circular shape as described above, but may be formed in an elliptical shape shown in phantom in the drawing.

도 5c를 참고하면, 본 실시예의 제3 변형예로서, 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)가 상술한 바와 같은 개질 가스와 공기의 접촉 면적을 향상시키기 위한 접촉면적 확장부(39)를 더 구비하고 있다.Referring to FIG. 5C, as a third modified example of the present embodiment, the contact inlets 37a, 37b, 38a, and 38b of the bipolar plate 36 have a contact area for improving the contact area of the reformed gas and air as described above. The expansion part 39 is further provided.

상기한 접촉면적 확장부(39)는 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)가 삼각형으로 이루어지는 것을 기본으로 하면서 모서리 부분의 수평변 및 수직변에 적어도 하나의 요홈(39a)을 형성하고 있다. 상기한 요홈(39a)은 수평변 및 수직변을 따라 오목한 형태로 라운드되게 형성된 반원 형상의 홈을 형성하고 있다.The contact area expansion portion 39 has at least one recess 39a formed on the horizontal and vertical sides of the corner portion while the outlets 37a, 37b, 38a, and 38b have a triangle shape. The recess 39a forms a semicircular groove that is rounded in a concave shape along the horizontal and vertical sides.

도 5d를 참고하면, 본 실시예의 제4 변형예로서, 접촉면적 확장부(69)가 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)에 대해 핀 타입으로 돌출 형성되는 적어도 하나의 돌기(69a)를 구비하고 있다. 상기한 돌기(69a)는 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)가 삼각형으로 이루어지는 것을 기본으로 하면서 모서리 부분의 수평변 및 수직변에 돌출 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5D, as a fourth modification of the present embodiment, at least one protrusion 69a in which the contact area expansion portion 69 protrudes in a pin type with respect to the outlet inlets 37a, 37b, 38a, and 38b is provided. Equipped. The protrusion 69a may be formed to protrude on the horizontal and vertical sides of the corner portion while the outlets 37a, 37b, 38a, and 38b have a triangle shape.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention configured as described above in detail as follows.

우선, 연료 펌프(43)를 가동시켜 연료 탱크(41)에 저장된 액상의 연료를 제1 공급라인(91)을 통해 개질기(20)로 공급한다. 그러면 개질기(20)는 개질 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 수성가스 전환(Water-Gas Shift Reaction: WGS) 촉매 반응 또는 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매 반응을 통해 상기한 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.First, the fuel pump 43 is operated to supply liquid fuel stored in the fuel tank 41 to the reformer 20 through the first supply line 91. The reformer 20 then generates a hydrogen-rich reformed gas from the fuel through a reforming catalytic reaction, and converts the water-gas shift reaction (WGS) catalytic reaction or the selective CO oxidation (PROX) catalytic reaction. Through this to reduce the concentration of carbon monoxide contained in the reformed gas.

이어서, 상기한 개질 가스를 제2 공급라인(92)을 통해 스택(30)의 제1 공급관(33a)으로 공급한다. 그러면 상기한 개질 가스는 바이폴라 플레이트(36)를 통해 전극-전해질 합성체(32)의 애노드 전극으로 공급된다.Then, the reformed gas is supplied to the first supply pipe 33a of the stack 30 through the second supply line 92. The reformed gas is then supplied through the bipolar plate 36 to the anode electrode of the electrode-electrolyte composite 32.

이와 동시에, 공기 펌프(51)를 가동시켜 공기를 제3 공급라인(93)을 통해 스택(30)의 제2 공급관(33b)으로 공급한다. 그러면 공기는 바이폴라 플레이트(36)를 통해 전극-전해질 합성체(32)의 캐소드 전극으로 공급된다.At the same time, the air pump 51 is operated to supply air to the second supply pipe 33b of the stack 30 through the third supply line 93. Air is then supplied through the bipolar plate 36 to the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite 32.

이 때 상기한 개질 가스와 공기는 바이폴라 플레이트(36)의 유입구(37a, 38a)를 통해 전극-전해질 합성체(32)로 공급된다.At this time, the reformed gas and air are supplied to the electrode-electrolyte composite 32 through the inlets 37a and 38a of the bipolar plate 36.

따라서 바이폴라 플레이트(36)의 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)가 개질 가스와 공기의 접촉 면적을 향상시킬 수 있는 최적의 형상으로 이루어져 있기 때문에, 그 유출입구(37a, 37b, 38a, 38b)에서 개질 가스와 공기의 마찰 계수가 작게 작용하게 되어 개질 가스와 공기를 전극-전해질 합성체(32)로 공급하는 압력의 손실이 작아지게 된다. 그리고 바이폴라 플레이트(36)의 유입구(37a, 38a)에 대한 개질 가스와 공기의 접촉 면적이 증가함에 따라 스택(30) 자체에서 발생하는 열을 개질 가스와 공기로 전달하는 능력 즉, 열교환의 능력이 증가하므로, 유입구(37a, 38a)에서의 개질 가스와 공기의 원활한 자연 대류 작용을 향상시켜 열 교환을 더욱 활발하게 유도할 수 있게 된다.Therefore, since the outlet inlets 37a, 37b, 38a, 38b of the bipolar plate 36 have an optimal shape which can improve the contact area of the reformed gas and air, the outlet inlets 37a, 37b, 38a, 38b. ), The friction coefficient of the reformed gas and air acts small, so that the loss of pressure for supplying the reformed gas and air to the electrode-electrolyte composite 32 becomes small. And as the contact area of the reforming gas and air with respect to the inlets 37a and 38a of the bipolar plate 36 increases, the ability to transfer heat generated in the stack 30 itself to the reforming gas and air, that is, the ability of heat exchange As a result, the smooth natural convection action of the reformed gas and air at the inlets 37a and 38a can be improved to induce heat exchange more actively.

상기와 같이 수소가 풍부한 개질 가스를 전극-전해질 합성체(32)의 애노드 전극으로 공급하고, 외부 공기를 전극-전해질 합성체(32)의 캐소드 전극으로 공급하게 되면, 스택(30)은 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 물을 생성하게 된다.When the hydrogen-rich reforming gas is supplied to the anode electrode of the electrode-electrolyte composite 32 as described above, and external air is supplied to the cathode electrode of the electrode-electrolyte composite 32, the stack 30 is then Electricity and water are generated according to the reaction as in Scheme 1.

<반응식 1><Scheme 1>

양극반응: H₂ → 2H⁺+ 2e^- Anode _{^{reaction: H 2 → 2H + + 2e}} -

음극반응: O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂OCathodic _{^{reaction: O 2 + 2H + + 2e}} - → H 2 O

전체반응: H₂ + O₂ → H₂O + 전류Total reaction: H ₂ + O ₂ → H ₂ O + current

반응식 1을 참고하면, 상기한 개질 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면 촉매층에 의해 수소가 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해되고, 프로톤이 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동하게 되고, 전자가 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동되면서 전기를 생성하게 된다. 그리고 캐소드 전극에서는 촉매의 도움으로 물을 생성하게 된다.Referring to Scheme 1, when the reformed gas flows to the anode electrode, hydrogen is decomposed into electrons and protons (hydrogen ions) by the catalyst layer, and protons are moved to the cathode electrode through the electrolyte membrane, and the electrons are transported through an external circuit. As it moves to the cathode, it generates electricity. The cathode produces water with the help of a catalyst.

한편, 전극-전해질 합성체(32)에서 미반응되고 남은 개질 가스가 바이폴라 플레이트(36)의 제1 유출구(37b) 및 스택(30)의 제1 배출관(33c)을 통해 외부로 배출되고, 전극-전해질 합성체(32)에서 미반응되고 남은 공기가 바이폴라 플레이트(36)의 제2 유출구(38b) 및 스택(30)의 제2 배출관(33d)을 통해 외부로 배출되게 된다.Meanwhile, the unreacted and remaining reformed gas in the electrode-electrolyte composite 32 is discharged to the outside through the first outlet 37b of the bipolar plate 36 and the first discharge pipe 33c of the stack 30, and the electrode Unreacted air remaining in the electrolyte composite 32 is discharged to the outside through the second outlet 38b of the bipolar plate 36 and the second discharge pipe 33d of the stack 30.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 전기 생성에 필요한 수소 가스와 산소의 접촉 면적이 증대되는 바이폴라 플레이트의 유출입구 형상을 최적으로 선정함으로서, 활성 영역에 대한 수소 가스와 공기의 확산 성능을 향상시키고, 수소 가스와 공기를 공급하는데 따른 유출입구에서의 압력 손실을 저감시키며, 유입구 부근에서 스택으로부터 발생하는 열을 수소 가스와 산소로 전달하는 능력을 향상시킴은 물론 전극-전해질 합성체의 활성 영역을 더욱 확장시켜 전체적인 시스템의 효율 및 성능을 향상시키는 효과가 있다.As described above, according to the fuel cell system of the present invention, the diffusion of hydrogen gas and air to the active region is optimally selected by selecting an outlet shape of the bipolar plate in which the contact area between hydrogen gas and oxygen required for electricity generation is increased. Electrode-electrolyte composites as well as improved performance, reduced pressure loss at the outlet inlet for supplying hydrogen gas and air, as well as the ability to transfer heat from the stack to hydrogen gas and oxygen near the inlet By further extending the active area of the effect of improving the efficiency and performance of the overall system.

Claims

A stack for generating electrical energy by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen;

A fuel supply unit supplying a fuel containing hydrogen to the stack; And

An air supply for supplying air to the stack,

The stack includes at least one electricity generating unit including an electrode-electrolyte assembly (MEA) and a bipolar plate provided on both sides of the electrode-electrolyte composite.

The bipolar plate is a fuel cell system having a shape in which the hole through which the hydrogen and air flows in and out, has the same area as the rectangle, and the contact area between the hydrogen and the air is larger than the rectangle.

The method of claim 1,

A fuel cell system comprising a polygon in which the hole comprises a triangle.

The method of claim 1,

A fuel cell system comprising a polygon in which the hole comprises a square.

The method of claim 1,

A fuel cell system in which the hole is circular or elliptical.

The method of claim 1,

A fuel cell system having a contact area extension in said hole.

The method of claim 5,

And the contact area extension forms at least one recess in the hole.

The method of claim 6,

And the contact area expansion portion has at least one protrusion in the hole.

The method of claim 1,

And a reformer arranged between the stack and the fuel supply unit to generate hydrogen gas by reforming the fuel supplied from the fuel supply unit and connected to the fuel supply unit and the stack.

The method according to claim 1 or 8,

The fuel cell system is a fuel cell system comprising a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) method.

The method of claim 1,

The fuel cell system is a fuel cell system comprising a direct methanol fuel cell (DMFC) system.

At least one electricity generating portion consisting of a bipolar plate centered on the electrode-electrolyte composite and disposed on both sides thereof,

The bipolar plate is a stack of a fuel cell system having a shape in which a hole through which hydrogen and air flows in and out, has an area equal to a rectangle, and a contact area between hydrogen and air is larger than a rectangle.

The method of claim 11,

A stack of fuel cell systems in which the aperture is comprised of a polygon comprising a triangle.

The method of claim 11,

A stack of fuel cell systems having a contact area extension in said aperture.