KR20050121910A

KR20050121910A - Fuel cell system, stack, and separator of the same

Info

Publication number: KR20050121910A
Application number: KR1020040047018A
Authority: KR
Inventors: 조규웅
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2005-12-28
Also published as: KR100599715B1

Abstract

본 발명은 스택의 구조를 단순하게 하고 제조 단가를 저감시키는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system that simplifies the structure of a stack and reduces manufacturing costs.

본 발명의 연료전지 시스템은, 수소가 함유된 연료를 공급하는 연료 공급부; 산소가 함유된 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 스택을 포함하며, 상기 스택은, 상기 연료 공급부에 연결되는 수소 통로와 애노드 전극을 양측에 일체로 구비한 제1 세퍼레이터; 상기 공기 공급부에 연결되는 산소 통로와 캐소드 전극을 양측에 일체로 구비한 제1 세퍼레이터; 및 상기 제1 세퍼레이터의 애노드 전극과 제2 세퍼레이터의 캐소드 전극 사이에 배치되어, 애노드 전극에서 캐소드 전극으로 프로톤을 통과시키는 맴브레인을 포함한다.The fuel cell system of the present invention, the fuel supply unit for supplying a fuel containing hydrogen; An air supply unit for supplying air containing oxygen; And a stack configured to generate electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply unit and the air supply unit, respectively, wherein the stack integrally integrates a hydrogen passage and an anode electrode connected to the fuel supply unit at both sides. A first separator provided; A first separator having integrally an oxygen passage and a cathode electrode connected to the air supply unit at both sides; And a membrane disposed between the anode electrode of the first separator and the cathode electrode of the second separator to pass protons from the anode electrode to the cathode electrode.

Description

Fuel Cell Systems, Stacks, and Separators {FUEL CELL SYSTEM, STACK, AND SEPARATOR OF THE SAME}

본 발명은 연료전지 시스템, 이 연료전지 시스템에 사용되는 스택(stack) 및 세퍼레이터(separator)에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, a stack and a separator used in the fuel cell system.

일반적으로, 연료전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기 화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 특히, 연료전지는 연소 과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가지고 있다.In general, a fuel cell is a power generation that directly converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction generated by using hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol or natural gas as oxygen as a fuel. System. In particular, the fuel cell is characterized in that it can simultaneously use the electricity generated by the electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidant gas and heat by-products thereof without a combustion process.

근래에 개발되고 있는 고분자전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 PEMFC라 한다)는, 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있다.Polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs, hereinafter referred to as PEMFCs), which are being developed in recent years, have excellent output characteristics, low operating temperatures, and fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells.

상기와 같은 PEMFC가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 필요하다. 따라서, PEMFC는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산하게 된다.In order for the above PEMFC to basically have a system configuration, a fuel cell body (hereinafter referred to as a stack for convenience) called a stack, a fuel tank, and a fuel pump for supplying fuel from the fuel tank to the stack, etc. This is necessary. In the process of supplying the fuel stored in the fuel tank to the stack, a reformer for reforming the fuel to generate hydrogen gas and supplying the hydrogen gas to the stack is further needed. Therefore, PEMFC supplies fuel stored in the fuel tank to the reformer by the pumping force of the fuel pump, generates hydrogen gas by reforming the fuel in the reformer, and produces electrical energy by electrochemically reacting hydrogen gas and oxygen in the stack. Done.

한편, 연료전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC, 이하 DMFC라 한다) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 DMFC는 PEMFC와 달리, 개질기가 배제된다.On the other hand, the fuel cell may employ a direct methanol fuel cell (DMFC) method that can supply a liquid methanol fuel directly to the stack. This DMFC, unlike PEMFC, excludes the reformer.

상기와 같은 연료전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly : MEA, 이하 MEA라 한다)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. MEA는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조로 형성된다. 세퍼레이터는 상기 MEA를 사이에 두고 양측에 배치되어, 연료전지의 반응에 필요한 산소 가스와 연료 가스가 공급되는 통로의 역할과 각 MEA의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.In the fuel cell system as described above, a stack that substantially generates electricity is stacked with several to several tens of unit cells including an electrode-electrolyte assembly (MEA) and a separator. Has a structure. The MEA is formed in a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are attached with an electrolyte membrane interposed therebetween. Separators are disposed on both sides with the MEA interposed therebetween, acting as a passage for supplying the oxygen gas and the fuel gas required for the reaction of the fuel cell, and the role of a conductor connecting the anode and cathode electrodes of each MEA in series. Perform.

이 세퍼레이터에 의해 애노드 전극에는 수소를 함유하는 연료가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소를 함유한 공기가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료 가스의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소 가스의 전기 화학적인 환원이 일어난다. 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되고, 부산물인 열과 물이 발생된다.The separator is supplied with a fuel gas containing hydrogen to the anode electrode, while air containing oxygen is supplied to the cathode electrode. In this process, electrochemical oxidation of fuel gas occurs at the anode electrode, and electrochemical reduction of oxygen gas occurs at the cathode electrode. At this time, electricity is generated by the movement of generated electrons, and heat and water, which are by-products, are generated.

상기와 같은 스택 및 연료전지 시스템은 애노드 전극과 캐소드 전극과 같은 집접체와 세퍼레이터를 각각 별도로 제작하여 조립함에 따라 스택의 구조를 복잡하게 하고, 또한 집전체와 세퍼레이터의 제조 단가를 높이는 문제점을 가진다.The stack and fuel cell system as described above has a problem in that the structure of the stack is complicated and the manufacturing cost of the current collector and the separator is increased by separately fabricating and assembling an assembly and a separator such as an anode electrode and a cathode electrode.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 스택의 구조를 단순하게 하고 제조 단가를 저감시키는 연료전지 시스템 및 이 연료전지 시스템에 사용되는 스택 및 세퍼레이터를 제공하는 데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system which simplifies the structure of a stack and reduces manufacturing costs, and a stack and separator used in the fuel cell system.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템은,In order to achieve the above object, the fuel cell system according to the present invention,

수소가 함유된 연료를 공급하는 연료 공급부;A fuel supply unit supplying a fuel containing hydrogen;

산소가 함유된 공기를 공급하는 공기 공급부; 및An air supply unit for supplying air containing oxygen; And

상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 스택을 포함하며,It includes a stack for generating electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply and the air supply, respectively,

상기 스택은,The stack is,

상기 연료 공급부에 연결되는 수소 통로와 애노드 전극을 양측에 일체로 구비한 제1 세퍼레이터;A first separator having integrally a hydrogen passage and an anode electrode connected to the fuel supply unit at both sides;

상기 공기 공급부에 연결되는 산소 통로와 캐소드 전극을 양측에 일체로 구비한 제2 세퍼레이터; 및A second separator having integrally an oxygen passage and a cathode electrode connected to the air supply unit at both sides; And

상기 제1 세퍼레이터의 애노드 전극과 제2 세퍼레이터의 캐소드 전극 사이에 배치되어, 애노드 전극에서 캐소드 전극으로 프로톤을 통과시키는 맴브레인을 포함한다.And a membrane disposed between the anode electrode of the first separator and the cathode electrode of the second separator to pass protons from the anode electrode to the cathode electrode.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 스택은,In addition, the stack of the fuel cell system according to the present invention,

연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 구성되며,Is configured to electrochemically react hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply unit and the air supply unit to generate electrical energy,

또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 세퍼레이터는,In addition, the separator of the fuel cell system according to the present invention,

연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 맴브레인의 양면에 배치되어 전기 발생부를 구성하며,It is arranged on both sides of the membrane to generate electric energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply unit and the air supply unit, respectively, to constitute an electricity generating unit,

상기 연료 공급부에 연결되는 수소 통로와 애노드 전극을 양측에 일체로 구비하여 맴브레인의 일측에 구비되는 제1 세퍼레이터; 및A first separator provided at one side of the membrane by having a hydrogen passage connected to the fuel supply unit and an anode electrode integrally formed at both sides; And

상기 공기 공급부에 연결되는 산소 통로와 캐소드 전극을 양측에 일체로 구비하여 맴브레인의 다른 일측에 구비되는 제2 세퍼레이터를 포함한다.A second separator is provided on the other side of the membrane by integrally provided on both sides of the oxygen passage and the cathode electrode connected to the air supply.

상기 제1, 제2 세퍼레이터는 다공성 금속으로 이루어진다.The first and second separators are made of a porous metal.

상기 제1, 제2 세퍼레이터는 카본 및 바인더 용액 슬러리로 형성되는 코팅층을 구비한다.The first and second separators have a coating layer formed of a slurry of carbon and a binder solution.

상기 제1, 제2 세퍼레이터는 그 상, 하측에 쿨링 채널을 구비하고 있다.The said 1st, 2nd separator is equipped with the cooling channel in the upper and lower sides.

상기 제1, 제2 세퍼레이터는 맴브레인의 반대측에 쿨링 채널을 구비하고 있다.The first and second separators have cooling channels on opposite sides of the membrane.

상기 제1, 제2 세퍼레이터는 그 외곽에 실링층을 구비한다. 이 실링층은 비다공성 및 전도성 물질로 형성된다.The first and second separators have a sealing layer on the outside thereof. This sealing layer is formed of a non-porous and conductive material.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to the present invention.

이 도면을 참조하여 연료전지 시스템을 설명하면, 이 연료전지 시스템은, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 그 수소 가스와 외부 공기를 전기 화학적으로 반응시켜 발생되는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 PEMFC 방식을 채용하고 있다는 것을 알 수 있다.Referring to this drawing, a fuel cell system is described. The fuel cell system reforms a hydrocarbon-based fuel such as methanol, ethanol, or natural gas to generate a hydrogen-rich reformed gas, and generates the hydrogen gas and external air. It can be seen that the PEMFC method which converts chemical energy generated by chemical reaction directly into electrical energy is adopted.

이 연료전지 시스템은 상기한 탄화수소 계열의 연료를 개질하여 공급하는 연료 공급부(10), 외부의 공기를 공급하는 공기 공급부(12), 및 상기와 같이 공급되는 수소 가스와 공기의 반응에 따른 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산하며, 이때 히트 캐리어 공급부(14)로부터 공급되는 히트 캐리어에 의하여 냉각되는 스택(16)을 포함하는 구성으로 이루어진다.The fuel cell system includes a fuel supply unit 10 for reforming and supplying the hydrocarbon-based fuel, an air supply unit 12 for supplying external air, and chemical energy according to a reaction of hydrogen gas and air supplied as described above. Is converted into electrical energy to produce electricity, wherein the stack comprises a stack 16 that is cooled by a heat carrier supplied from the heat carrier supply 14.

상기 연료 공급부(10)는 액상의 연료를 직접 스택(16)으로 공급하여 전기를 생산하는 DMFC 방식의 경우, 상기 PEMFC 방식과 달리 개질기(18)가 배제된 구성을 이루게 된다. 이하에서는 상기한 PEMFC 방식을 적용한 연료전지 시스템을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The fuel supply unit 10 is configured to remove the reformer 18, unlike the PEMFC method, in the case of the DMFC method of supplying liquid fuel directly to the stack 16 to generate electricity. Hereinafter, the fuel cell system to which the PEMFC method is applied will be described as an example. However, the present invention is not necessarily limited thereto.

먼저, 연료 공급부(10)는 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(22)와, 이 연료 탱크(22)에 저장된 연료를 배출시키도록 연료 탱크(22)에 연결 설치되는 연료 펌프(24)를 구비한다. 이 연료 탱크(22) 및 연료 펌프(24)는 개질기(18)를 개재하여 스택(16)에 연료를 공급할 수 있도록 연결된다.First, the fuel supply unit 10 includes a fuel tank 22 for storing liquid fuel containing hydrogen, and a fuel pump connected to the fuel tank 22 to discharge fuel stored in the fuel tank 22 ( 24). The fuel tank 22 and the fuel pump 24 are connected to supply fuel to the stack 16 via the reformer 18.

상기 공기 공급부(12)는 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하여 압송하는 공기 펌프(26)를 포함하며, 이 공기 펌프(26)는 스택(14)으로 공기를 공급할 수 있도록 연결된다.The air supply unit 12 includes an air pump 26 that sucks and blows external air with a pumping force, and the air pump 26 is connected to supply air to the stack 14.

상기 히트 캐리어 공급부(14)는 펌핑력으로 히트 캐리어를 흡입하여 압송하는 펌프(28)를 포함하며, 이 펌프(26)는 스택(16)으로 히트 캐리어를 공급할 수 있도록 연결되어 있다. 본 발명에서 히트 캐리어는 액체 상태의 냉각수일 수도 있으나 기체 상태일 수도 있다. 따라서 자연 상태에서 쉽게 취할 수 있고 구동 중 스택(16) 내부의 온도보다 낮은 온도의 냉각수 및 공기가 히트 캐리어로 사용될 수 있다.The heat carrier supply unit 14 includes a pump 28 that sucks and transports the heat carrier with a pumping force, and the pump 26 is connected to supply the heat carrier to the stack 16. In the present invention, the heat carrier may be a liquid coolant but may also be a gaseous state. Thus, coolant and air at temperatures lower than the temperature inside the stack 16 during operation can be readily used as heat carriers.

본 발명의 연료전지 시스템에서, 연료는 탑재와 저장이 용이한 탄화수소 계열의 연료, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등을 포함한다. 그러나 상기한 연료는 위와 같은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스에 물이 혼합된 것일 수도 있으며, 이하에서 편의상 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스를 액상의 연료라 한다.In the fuel cell system of the present invention, the fuel includes a hydrocarbon-based fuel that is easy to mount and store, such as methanol, ethanol, natural gas, and the like. However, the fuel may be a mixture of water with methanol, ethanol or natural gas as described above, hereinafter, methanol, ethanol or natural gas is referred to as a liquid fuel for convenience.

상기한 연료 공급부(10)와 공기 공급부(12)로부터 연료 및 공기를 공급받는 스택(16)은 전기와 열을 발생시키고, 이때 발생되는 열은 히트 캐리어 공급부(14)로부터 공급되는 히트 캐리어에 의하여 냉각된다.The stack 16 receiving fuel and air from the fuel supply unit 10 and the air supply unit 12 generates electricity and heat, and the generated heat is generated by the heat carrier supplied from the heat carrier supply unit 14. Is cooled.

도 2는 본 발명에 따른 제1 실시예의 스택을 분해 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 제1 실시예의 스택을 분해하여 회전 도시한 사시도이다.Figure 2 is an exploded perspective view showing a stack of the first embodiment according to the present invention, Figure 3 is a perspective view showing an exploded rotation of the stack of the first embodiment according to the present invention.

이 도면들을 참조하여 스택(16)을 설명하면, 이 스택(16)은 개질기(18)를 통하여 공급되는 개질된 수소 가스와 공기 공급부(12)로부터 공급되는 공기를 전기 화학적인 반응으로 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(30)들을 다수로 구비하고 있다.Referring to the stack 16 with reference to these drawings, the stack 16 is the electrical energy of the modified hydrogen gas supplied through the reformer 18 and the air supplied from the air supply 12 to the electrical energy by electrochemical reactions. It is provided with a plurality of electricity generating section 30 to generate.

도 4는 본 발명에 따른 제1 실시예의 세퍼레이터를 조립하여 단면 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 제1 실시예의 세퍼레이터를 연속적으로 조립하여 단면 도시한 단면도이다.FIG. 4 is a cross-sectional view showing the separator of the first embodiment according to the present invention assembled, and FIG. 5 is a cross-sectional view showing the separator of the first embodiment of the present invention continuously assembled.

이 도면을 참조하여 전기 발생부(30)를 설명하면, 이 전기 발생부(30)는 각각 전기를 발생시키는 단위의 셀(cell)을 의미하며, 수소 가스와 공기를 산화/환원시키는 맴브레인(32)과 이의 양측에서 수소 가스와 공기를 각각 맴브레인(32) 측으로 공급하는 제1, 제2 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 한다)(34, 36)로 형성된다. 즉 이 전기 발생부(30)는 맴브레인(32)을 중심에 두고 이의 양측에 배치되는 제1, 제2 세퍼레이터(34, 36)로 형성된다. 이와 같은 전기 발생부(30)들을 도 5에 도시된 바와 같이 연속적으로 배치하여 하나의 연료전지를 구성하게 된다.Referring to the drawings, the electricity generation unit 30 will be described. The electricity generation unit 30 means a cell of a unit for generating electricity, respectively, and a membrane 32 for oxidizing / reducing hydrogen gas and air. ) And first and second separators (also referred to as bipolar plates) 34 and 36 which supply hydrogen gas and air to the membrane 32 side from both sides thereof. That is, the electricity generation unit 30 is formed of first and second separators 34 and 36 which are disposed at both sides of the membrane 32 at the center thereof. Such electricity generating units 30 are continuously arranged as shown in FIG. 5 to form one fuel cell.

상기 맴브레인(32)의 양측면에는 제1, 제2 세퍼레이터(34, 36)에 각각 구비되는 애노드 전극(34a)과 캐소드 전극(36a)이 구비된다. 이 맴브레인(32)와 이를 사이에 두고 그 양측에 구비되는 애노드 전극(34a)과 캐소드 전극(36a)은 통상의 연료전지에서의 MEA를 형성하게 된다.Both sides of the membrane 32 are provided with an anode electrode 34a and a cathode electrode 36a provided in the first and second separators 34 and 36, respectively. The membrane 32 and the anode electrode 34a and the cathode electrode 36a provided on both sides of the membrane 32 form an MEA in a conventional fuel cell.

이러한 구조가 가능하도록, 제1 세퍼레이터(34)는 맴브레인(32)의 일측면에 밀착되는 애노드 전극(34a)을 그 일측에 구비하고, 다른 일측에 연료 공급부(10)에 연결되는 연료통로(38)를 일체로 구비하고 있다. 이 애노드 전극(34a)은 제1 세퍼레이터(34)를 통해 수소 가스를 공급받는 부분으로서, 산화 반응에 의해 수소 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer)으로 구성된다.In order to enable such a structure, the first separator 34 includes an anode electrode 34a close to one side of the membrane 32 on one side thereof, and a fuel passage 38 connected to the fuel supply unit 10 on the other side thereof. ) Is integrally provided. The anode electrode 34a receives hydrogen gas through the first separator 34. The anode electrode 34a is a catalyst layer for converting hydrogen gas into electrons and hydrogen ions by an oxidation reaction and a gas diffusion layer for smooth movement of electrons and hydrogen ions. (Gas Diffusion Layer).

또한, 제2 세퍼레이터(36)는 맴브레인(32)의 다른 일측면에 밀착되는 캐소드 전극(36a)을 그 일측에 구비하고, 다른 일측에 공기 공급부(12)에 연결되는 공기통로(40)를 일체로 구비하고 있다. 이 캐소드 전극(36a)은 제2 세퍼레이터(36)를 통해 공기를 공급받는 부분으로서 환원 반응에 의해 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다.In addition, the second separator 36 includes a cathode electrode 36a close to the other side of the membrane 32 on one side thereof, and an air passage 40 connected to the air supply unit 12 on the other side thereof. Equipped with. The cathode electrode 36a is a portion which receives air through the second separator 36 and is composed of a catalyst layer for converting oxygen into electrons and oxygen ions by a reduction reaction and a gas diffusion layer for smooth movement of electrons and oxygen ions. .

그리고, 상기 맴브레인(32)은 그 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극(34a)의 촉매층에서 생성된 수소 이온(프로톤)을 캐소드 전극(36a)의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.The membrane 32 is a solid polymer electrolyte having a thickness of 50 to 200 μm, and is an ion exchange device for transferring hydrogen ions (protons) generated in the catalyst layer of the anode electrode 34a to the catalyst layer of the cathode electrode 36a. Has the function.

이와 같이 구성되는 전기 발생부(30)는 다음의 반응식과 같은 반응에 따라 전기와 물 그리고 열을 생성시킨다.The electricity generating unit 30 configured as described above generates electricity, water, and heat according to a reaction as in the following reaction formula.

애노드 전극 반응: H₂ → 2H⁺+ 2e^- The anode _{^{reaction: H 2 → 2H + + 2e}} -

캐소드 전극 반응: O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂OThe cathode _{^{reaction: O 2 + 2H + + 2e}} - → H 2 O

전체 반응: H₂ + O₂ → H₂O + 전류 + 열Total reaction: H ₂ + O ₂ → H ₂ O + current + heat

즉, 제1 세퍼레이터(34)를 통해 애노드 전극(34a)으로 수소 가스가 공급되고 제2 세퍼레이터(36)를 통해 캐소드 전극(36a)으로 공기가 공급된다. 이 수소 가스는 애노드 전극(34a)으로 흘러 촉매층에서 전자와 수소 이온으로 분해된다. 이 수소 이온이 맴브레인(32)을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극(36a)에서 전자와 산소 이온 그리고 이동된 수소 이온이 합쳐져 물을 생성한다. 여기서 애노드 전극(34a)에서 생성된 전자는 맴브레인(32)을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극(36a)으로 이동됨에 따라 전기 발생부(30)는 전기를 발생시킨다.That is, hydrogen gas is supplied to the anode electrode 34a through the first separator 34 and air is supplied to the cathode electrode 36a through the second separator 36. This hydrogen gas flows to the anode electrode 34a to be decomposed into electrons and hydrogen ions in the catalyst layer. When the hydrogen ions are moved through the membrane 32, electrons, oxygen ions, and the transferred hydrogen ions at the cathode electrode 36a are combined with the help of a catalyst to generate water. In this case, the electrons generated by the anode electrode 34a are not moved through the membrane 32 but are moved to the cathode electrode 36a through an external circuit, thereby generating electricity.

상기 스택(16)은 그 일측으로 연료 및 공기가 공급되고 다른 일측으로 미반응 연료 및 공기가 배출되도록 구성된 것을 예시하면서, 일측으로 공급되는 연료 및 공기가 스택(16) 내에서 제1, 제2 세퍼레이터(34, 36)에서 제2, 제1 세퍼레이터(36, 34)로 어떻게 공급 순환되는 지에 대한 구체적인 구성을 생략하고 있으며, 이에 대한 구성은 공지의 것이 적용될 수 있다.The stack 16 is configured to supply fuel and air to one side thereof and to discharge the unreacted fuel and air to the other side, while the fuel and air supplied to one side of the stack 16 are first and second in the stack 16. A detailed configuration of how the supply is circulated from the separators 34 and 36 to the second and first separators 36 and 34 is omitted, and a known configuration may be applied thereto.

이 제1 세퍼레이터(34)는 그 일측으로 애노드 전극(34a)을 형성하고 다른 일측으로 연료통로(34)를 형성하여, 연료통로(34)로 공급되는 수소 가스를 애노드 전극(34a)측으로 공급하도록 다공성 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 이 제1 세퍼레이터(34)는 부식을 방지하기 위하여 카본과 바인더 용액이 혼합된 슬러리로 형성되는 코팅층(34b)을 구비한다. 이 코팅층(34b)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제1 세퍼레이터(34) 전 영역에 형성될 수도 있으며, 연료통로(34)에만 형성될 수도 있다.The first separator 34 forms an anode electrode 34a on one side thereof and a fuel passage 34 on the other side thereof to supply hydrogen gas supplied to the fuel passage 34 to the anode electrode 34a side. It is preferable that it consists of a porous metal. In addition, the first separator 34 includes a coating layer 34b formed of a slurry in which carbon and a binder solution are mixed to prevent corrosion. The coating layer 34b may be formed in the entire region of the first separator 34 as shown in FIGS. 4 and 5, or may be formed only in the fuel passage 34.

또한, 제2 세퍼레이터(36)는 그 일측으로 캐소드 전극(36a)을 형성하고 다른 일측으로 송기통로(36)를 형성하여, 공기통로(36)로 공급되는 수소 가스를 캐소드 전극(36a)측으로 공급하도록 다공성 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 이 제2 세퍼레이터(36)는 부식을 방지하기 위하여 카본과 바인더 용액이 혼합된 슬러리로 형성되는 코팅층(36b)을 구비한다. 이 코팅층(36b)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 제2 세퍼레이터(36) 전(全) 영역에 형성될 수도 있으며, 공기통로(36)에만 형성될 수도 있다.In addition, the second separator 36 forms the cathode electrode 36a on one side thereof, and forms the air passage 36 on the other side thereof, and supplies hydrogen gas supplied to the air passage 36 to the cathode electrode 36a side. It is preferably made of a porous metal. In addition, the second separator 36 includes a coating layer 36b formed of a slurry in which carbon and a binder solution are mixed to prevent corrosion. The coating layer 36b may be formed in the entire area of the second separator 36 as shown in FIGS. 4 and 5, or may be formed only in the air passage 36.

또한, 상기 제1, 제2 세퍼레이터(34, 36)는 그 상, 하측(도면 상에서)에 쿨링 채널(42)을 더 구비하고 있다. 이 쿨링 채널(42)은 히트 캐리어 공급부(14)로부터 공급되는 히트 캐리어로 스택(16)에서 전기를 발생시킬 때 부수적으로 발생된 열을 냉각시키게 된다.Moreover, the said 1st, 2nd separators 34 and 36 are further equipped with the cooling channel 42 in the upper side and the lower side (on drawing). The cooling channel 42 cools incidental heat generated when electricity is generated in the stack 16 by heat carriers supplied from the heat carrier supply unit 14.

이와 같이 구성되는 제1, 제2 세퍼레이터(34, 36)는 그 외곽에 실링층(44) 구비한다. 이 실링층(44)은 각각의 전기 발생부(30)를 하나의 셀 단위로 절연하여 맴브레인(32)을 통하여 프로톤이 이동하고 외부 회로를 통하여 전자가 이동될 수 있도록 다수의 전기 발생부(30)를 적층한다. 또한 이 실링층(44)은 쿨링 채널(42)에 실링 구조를 형성한다.The 1st, 2nd separators 34 and 36 comprised in this way are equipped with the sealing layer 44 in the outer side. The sealing layer 44 insulates each of the electricity generating units 30 by one cell unit so that the protons may move through the membrane 32 and the electrons may move through the external circuit. )). The sealing layer 44 also forms a sealing structure in the cooling channel 42.

따라서, 이 실링층(44)은 비다공성 및 전도성 물질로 형성되는 것이 바람직하다.Therefore, the sealing layer 44 is preferably formed of a non-porous and conductive material.

도 6은 본 발명에 따른 제2 실시예의 세퍼레이터를 조립하여 단면 도시한 단면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 제2 실시예의 세퍼레이터를 연속적으로 조립하여 단면 도시한 단면도이다.6 is a cross-sectional view showing the separator of the second embodiment according to the present invention assembled, and FIG. 7 is a cross-sectional view showing the separator of the second embodiment of the present invention continuously assembled.

이 도면들을 참조하여 제2 실시예를 설명하면, 제2 실시예는 제1 실시예와 비교하여 전체적인 구성이 유사하므로 여기서는 전체적인 설명을 생략하고 제1 실시예와 다른 부분에 대하여 설명한다.The second embodiment will be described with reference to the drawings. The second embodiment is similar in overall configuration to that of the first embodiment, and thus, the overall description thereof will be omitted here and a different part from the first embodiment will be described.

제1 실시예는 제1, 제2 세퍼레이터(34, 36)의 상, 하측에 쿨링 채널(42)을 구비하는데 비하여, 제2 실시예는 제1, 제2 세퍼레이터(34, 36)의 맴브레인(32) 반대측에 쿨링 채널(46)을 더 구비하고 있다. 따라서 제1 실시예는 스택(16)의 양측에서 냉각시키는 데 비하여, 제2 실시예는 스택(26)의 내부를 냉각시키므로 제2 실시예는 제1 실시예에 비하여 우수한 냉각 효율을 가진다.The first embodiment includes cooling channels 42 above and below the first and second separators 34 and 36, whereas the second embodiment includes the membranes of the first and second separators 34 and 36. 32) The cooling channel 46 is further provided on the opposite side. The first embodiment thus cools the inside of the stack 26, whereas the second embodiment cools the interior of the stack 26, while the second embodiment has better cooling efficiency than the first embodiment.

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.

상기와 같이 본 발명에 의하면, 다공성 금속의 제1 세퍼레이터에 애노드 전극과 수소 통로를 일체로 형성하고, 다공성 금속의 제2 세퍼레이터에 캐소드 전극과 산소 통로를 일체로 형성하여, 제1, 제2 세퍼레이터를 맴브레인의 양측에 구비함으로써, 스택의 구조를 단순하게 하고 제조 단가를 저감시키는 효과가 있다.According to the present invention as described above, the anode electrode and the hydrogen passage are integrally formed in the first separator of the porous metal, the cathode electrode and the oxygen passage are integrally formed in the second separator of the porous metal, and the first and second separators are formed. By providing both sides of the membrane, there is an effect of simplifying the structure of the stack and reducing the manufacturing cost.

도 2는 본 발명에 따른 제1 실시예의 스택을 분해 도시한 사시도이다.Figure 2 is an exploded perspective view of the stack of the first embodiment according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 제1 실시예의 스택을 분해하여 회전 도시한 사시도이다.3 is an exploded perspective view showing a stack of the first embodiment according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 제1 실시예의 세퍼레이터를 조립하여 단면 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing the separator of the first embodiment according to the present invention assembled.

도 5는 본 발명에 따른 제1 실시예의 세퍼레이터를 연속적으로 조립하여 단면 도시한 단면도이다.Fig. 5 is a cross-sectional view showing the separator of the first embodiment according to the present invention continuously assembled.

도 6은 본 발명에 따른 제2 실시예의 세퍼레이터를 조립하여 단면 도시한 단면도이다.6 is a cross-sectional view showing the assembled separator of the second embodiment according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 제2 실시예의 세퍼레이터를 연속적으로 조립하여 단면 도시한 단면도이다.7 is a cross-sectional view showing the separator of the second embodiment according to the present invention continuously assembled.

Claims

A fuel supply unit supplying a fuel containing hydrogen;

An air supply unit for supplying air containing oxygen; And

It includes a stack for generating electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply and the air supply, respectively,

The stack is,

A first separator having integrally a hydrogen passage and an anode electrode connected to the fuel supply unit at both sides;

A second separator having integrally an oxygen passage and a cathode electrode connected to the air supply unit at both sides; And

And a membrane disposed between the anode electrode of the first separator and the cathode electrode of the second separator to pass protons from the anode electrode to the cathode electrode.

The method of claim 1,

The first and second separators are made of a porous metal fuel cell system.

The method of claim 1,

The first and second separators are fuel cell systems including a coating layer formed of a slurry of carbon and a binder solution.

The method of claim 1,

The first and second separators have a cooling channel above and below the fuel cell system.

The method of claim 1,

The first and second separators have a cooling channel on the opposite side of the membrane.

The method of claim 1,

The first and second separators have a sealing layer on the outside thereof.

The method of claim 6,

The sealing layer is a fuel cell system formed of a non-porous and conductive material.

Is configured to electrochemically react hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply unit and the air supply unit to generate electrical energy,

And a membrane disposed between the anode electrode of the first separator and the cathode electrode of the second separator, the membrane passing a proton from the anode electrode to the cathode electrode.

The method of claim 8,

The first and second separators have a stack of fuel cells having cooling channels above and below them.

The method of claim 8,

And the first and second separators have a cooling channel on an opposite side of the membrane.

The method of claim 8,

The first and second separators are stacked in a fuel cell system having a sealing layer on the outside.

The method of claim 11,

The sealing layer is a stack of fuel cell system formed of a non-porous and conductive material.

It is arranged on both sides of the membrane to generate electric energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply unit and the air supply unit, respectively, to constitute an electricity generating unit,

A first separator provided at one side of the membrane by having a hydrogen passage connected to the fuel supply unit and an anode electrode integrally formed at both sides; And

And a second separator provided on the other side of the membrane integrally provided on both sides with an oxygen passage connected to the air supply unit and a cathode electrode.

The method of claim 13,

The separator of the fuel cell system, wherein the first and second separators are made of a porous metal.

The method of claim 13,

The first and second separators of the fuel cell system having a coating layer formed of a slurry of carbon and binder solution.