KR20060059461A - Fuel cell system and stack of the same - Google Patents
Fuel cell system and stack of the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR20060059461A KR20060059461A KR1020040098560A KR20040098560A KR20060059461A KR 20060059461 A KR20060059461 A KR 20060059461A KR 1020040098560 A KR1020040098560 A KR 1020040098560A KR 20040098560 A KR20040098560 A KR 20040098560A KR 20060059461 A KR20060059461 A KR 20060059461A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- separator
- stack
- cooling passage
- heat carrier
- electricity
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 다수의 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어진 스택과, 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원과, 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원과, 상기 전기 발생부에 히트 캐리어를 제공하는 히트 캐리어 공급원을 포함하며,A fuel cell system according to the present invention includes a stack having an aggregate structure by a plurality of electricity generating units, a fuel supply source for supplying hydrogen to the electricity generation unit, an oxygen supply source for supplying oxygen to the electricity generation unit, and the electricity generation A heat carrier source for providing a heat carrier to the portion,
상기 스택은 서로 이웃하는 전기 발생부 사이에 상기 히트 캐리어를 통과시키기 위한 쿨링 통로를 형성하며, 이 경우 상기 쿨링 통로는 상기 전기 발생부에 대하여 수소와 산소의 주입부 측으로부터 배출부 측으로 갈수록 상기 히트 캐리어의 유동 면적이 점차 작아지는 구조로 되어 있다.The stack forms a cooling passage for passing the heat carrier between neighboring electricity generating units, in which case the cooling passage is gradually heated from the injection side of the hydrogen and oxygen to the discharge side with respect to the electricity generation unit. It is a structure in which the flow area of a carrier becomes small gradually.
연료전지, 스택, 전기발생부, 열, 냉각, 연료공급원, 산소공급원, 히트캐리어, 히트캐리어공급원, 쿨링통로Fuel cell, stack, electricity generation, heat, cooling, fuel supply, oxygen supply, heat carrier, heat carrier supply, cooling passage
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시한 스택의 제1 실시예를 분해 도시한 사시도이다.2 is an exploded perspective view showing a first embodiment of the stack shown in FIG.
도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.3 is a cross-sectional view of the coupling cross-sectional view of FIG.
도 4는 도 2에 도시한 세퍼레이터의 쿨링 통로를 나타내 보인 평면 구성도이다.4 is a plan view showing the cooling passage of the separator shown in FIG.
도 5는 도 1에 도시한 스택의 제2 실시예를 분해 도시한 사시도이다.5 is an exploded perspective view illustrating a second embodiment of the stack illustrated in FIG. 1.
도 6은 도 5에 도시한 쿨링 플레이트의 쿨링 통로를 나타내 보인 평면 구성도이다.FIG. 6 is a plan view illustrating the cooling passage of the cooling plate illustrated in FIG. 5.
본 발명은 연료 전지 시스템 및 그 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스택의 냉각 구조를 개선한 연료 전지 시스템 및 그 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system and a stack thereof, and more particularly, to a fuel cell system and a stack thereof in which the cooling structure of the stack is improved.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소의 전기 화학적인 반응 을 통해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.As is known, a fuel cell is a power generation system that generates electrical energy through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol and natural gas.
상기와 같은 연료 전지 시스템은 전기를 실질적으로 발생시키기 위한 스택을 구비한다. 이 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 당업계에서 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 칭하는 세퍼레이터(Separator)로 이루어지는 단위의 셀을 수 개 내지 수십 개로 연속 배치한 구조로 이루어진다. 이 때 상기 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 수소와 산소를 MEA로 공급하는 수소통로 및 산소통로를 형성하고 있다.Such a fuel cell system has a stack for substantially generating electricity. The stack consists of several to tens of cells in a continuous arrangement of units consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator called a bipolar plate in the art. At this time, the separator forms a hydrogen passage and an oxygen passage for supplying hydrogen and oxygen required for the reaction of the fuel cell to the MEA.
이러한 연료 전지 시스템은 수소와 산소의 환원 반응에 의하여 소정 온도의 열이 발생하게 되는 바, 스택을 적정한 구동 온도로 유지하여야 전해질막의 안정성을 보장하고 성능 저하를 방지하게 된다. 이를 위해 스택은 내부에 쿨링 통로를 구비하고, 이 쿨링 통로를 통하여 저온의 히트 캐리어 예컨대, 공기 또는 냉각수를 흘려 스택 내부에서 발생되는 열을 냉각시킨다.In such a fuel cell system, heat of a predetermined temperature is generated by a reduction reaction of hydrogen and oxygen, so that the stack must be maintained at an appropriate driving temperature to ensure stability of the electrolyte membrane and prevent performance degradation. To this end, the stack has a cooling passage therein and cools heat generated in the stack by flowing a low temperature heat carrier such as air or cooling water through the cooling passage.
그런데 종래의 연료 전지 시스템에 의하면, 스택의 구동시 수소 통로와 산소 통로의 배출부 측 보다는 주입부 측의 MEA에서 수소와 산소의 반응이 활발하게 이루어지는 바, 전체 스택에 대해 세퍼레이터의 주입부 측과 배출부 측에서 온도 편차가 발생하게 된다. 그리고 종래의 연료 전지 시스템에 의한 냉각 구조에 있어 상기 쿨링 통로는 스택의 열 발생 부위에 대한 히트 캐리어의 단위 면적당 접촉 면적이 동일하도록 형성되고 있다. 이로 인해 전술한 바와 같은 전체 스택의 온도 편차를 줄일 수 없게 되어 결과적으로 스택의 냉각 효율 및 성능이 저하되는 문제점이 있다.However, according to the conventional fuel cell system, when the stack is driven, hydrogen and oxygen are actively reacted in the MEA at the injection side rather than at the discharge side of the hydrogen passage and the oxygen passage. Temperature deviation occurs on the discharge side. In the cooling structure of the conventional fuel cell system, the cooling passage is formed such that the contact area per unit area of the heat carrier with respect to the heat generating portion of the stack is the same. As a result, the temperature variation of the entire stack as described above cannot be reduced, resulting in a decrease in cooling efficiency and performance of the stack.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 스택의 냉각 효율 및 성능을 향상시키도록 스택의 내부로 히트 캐리어를 통과시키는 쿨링 통로의 구조를 개선한 연료 전지 시스템 및 그 스택을 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 and a stack having improved structure of a cooling passage for passing a heat carrier into the stack to improve the cooling efficiency and performance of the stack. There is.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 다수의 전기 발생부로 이루어지는 것으로서, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 히트 캐리어를 통과시키는 쿨링 통로를 형성하며, 이 경우 상기 쿨링 통로는 상기 전기 발생부에 대하여 수소와 산소의 주입부 측으로부터 배출부 측으로 갈수록 상기 히트 캐리어의 유동 면적이 점차 작아지는 구조로 되어 있다.The stack for a fuel cell system according to the present invention for achieving the above object is composed of a plurality of electricity generating unit for generating electrical energy through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, between the neighboring electricity generating unit A cooling passage for passing the heat carrier is formed, and in this case, the cooling passage has a structure in which the flow area of the heat carrier gradually decreases from the injection portion side of the hydrogen and oxygen to the discharge portion side with respect to the electricity generating portion.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 구성되고, 상기 세퍼레이터의 상측에 상기 주입부를 형성하고, 하측에 상기 배출부를 형성할 수 있다.In the stack for a fuel cell system according to the present invention, the electricity generating unit is composed of a separator (Separator) in close contact with both sides of the membrane-electrode assembly (MEA) in the center, the upper side of the separator The injection part may be formed, and the discharge part may be formed at a lower side.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 상기 세퍼레이터에 상기 쿨링 통로를 형성할 수 있다. 이 경우 상기 쿨링 통로는 상기 세퍼레이터의 일면과 이 세퍼레이터에 대향 밀착되는 이웃하는 세퍼레이터의 접면에 채널 형태로 형성되어 두 채널이 합쳐져 하나의 구멍을 이루며, 상기 세퍼레이터의 MEA 반대측에 형성되는 것이 바람직하다. In addition, in the stack for a fuel cell system according to the present invention, the cooling passage may be formed in the separator. In this case, the cooling passage is formed in the form of a channel on one surface of the separator and the adjacent surface of the neighboring separator that is in close contact with the separator so that the two channels are combined to form one hole, and the separator is formed on the opposite side of the MEA.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택은, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부의 세퍼레이터 사이에 개재되는 쿨링 플레이트를 포함하고, 상기 쿨링 플레이트에 상기 쿨링 통로를 형성할 수도 있다.In addition, the stack for a fuel cell system according to the present invention may include a cooling plate interposed between separators of the electricity generation unit adjacent to each other, and may form the cooling passage in the cooling plate.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템용 스택에 있어서, 상기 쿨링 통로는 한 쪽 단부에 유입구를 형성하고 다른 한 쪽 단부에 유출구를 형성하며, 상기 유입구가 상기 세퍼레이터의 주입부 측에 위치하고 상기 유출구가 상기 세퍼레이터의 배출부 측에 위치하는 구조로 되어 있다. 이 경우 상기 쿨링 통로는 상기 유입구에서 유출구로 갈수록 히트 캐리어의 유동 경로가 점차 좁아지도록 구성되는 것이 바람직하다.In the stack for a fuel cell system according to the present invention, the cooling passage forms an inlet at one end and an outlet at the other end, the inlet is located on the inlet side of the separator and the outlet is the It is a structure located on the discharge part side of a separator. In this case, the cooling passage is preferably configured such that the flow path of the heat carrier gradually narrows from the inlet to the outlet.
아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 다수의 전기 발생부에 의한 집합체 구조로 이루어진 스택과, 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급원과, 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급원과, 상기 전기 발생부에 히트 캐리어를 제공하는 히트 캐리어 공급원을 포함하며,In addition, the fuel cell system according to the present invention for achieving the above object, the stack consisting of the aggregate structure of a plurality of electricity generating unit, a fuel supply source for supplying hydrogen to the electricity generating unit, and oxygen to the electricity generating unit An oxygen source for supplying and a heat carrier source for providing a heat carrier to the electricity generating unit,
상기 스택은 서로 이웃하는 전기 발생부 사이에 상기 히트 캐리어를 통과시키기 위한 쿨링 통로를 형성하며, 이 경우 상기 쿨링 통로는 상기 전기 발생부에 대하여 수소와 산소의 주입부 측으로부터 배출부 측으로 갈수록 상기 히트 캐리어의 유동 면적이 점차 작아지는 구조로 되어 있다.The stack forms a cooling passage for passing the heat carrier between neighboring electricity generating units, in which case the cooling passage is gradually heated from the injection side of the hydrogen and oxygen to the discharge side with respect to the electricity generation unit. It is a structure in which the flow area of a carrier becomes small gradually.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 히트 캐리어로서 공기를 사용하는 것이 바람직하다. In the fuel cell system according to the present invention, it is preferable to use air as the heat carrier.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 그 양측에 밀착 배치되는 세퍼레이터(Separator)로 구성되고, 상기 세퍼레이터의 상측에 상기 주입부를 형성하고, 하측에 상기 배출부를 형성할 수 있다.In addition, in the fuel cell system according to the present invention, the electricity generating unit is composed of a separator (Separator) arranged in close contact with both sides of the membrane-electrode assembly (MEA), the upper side of the separator An injection part may be formed, and the discharge part may be formed at a lower side.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 쿨링 통로는 상기 세퍼레이터의 일면과 이 세퍼레이터에 대향 밀착되는 이웃하는 세퍼레이터의 접면에 채널 형태로 형성되어 두 채널이 합쳐져 하나의 구멍을 이루는 구조로 되어 있다.In the fuel cell system according to the present invention, the cooling passage is formed in a channel shape on one surface of the separator and a contact surface of a neighboring separator that is in close contact with the separator so that the two channels are combined to form one hole. .
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 서로 이웃하는 상기 전기 발생부 사이에 개재되는 쿨링 플레이트를 포함하고, 상기 쿨링 플레이트에 상기 쿨링 통로를 형성할 수도 있다.In addition, the fuel cell system according to the present invention may include a cooling plate interposed between the electricity generating units adjacent to each other, and may form the cooling passage in the cooling plate.
그리고 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 연료 공급원이 상기 전기 발생부로 수소 가스를 공급하거나 액상의 연료를 공급하는 구조로 되어 있다.The fuel cell system according to the present invention has a structure in which the fuel supply source supplies hydrogen gas or the liquid fuel to the electricity generating unit.
또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 상기 산소 공급원이 상기 전기 발생부로 공기를 공급하는 구조로 되어 있다.Moreover, the fuel cell system which concerns on this invention is a structure which the said oxygen supply source supplies air to the said electricity generating part.
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 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략 적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)을 설명하면, 이 연료 전지 시스템(100)은, 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스와 산화제 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell; PEMFC) 방식을 채용한다.Referring to this drawing, the
이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 전기를 발생시키기 위한 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유한 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 통칭한다. 그러나 본 실시예에서 설명하는 연료는 편의상 액상으로 이루어진 연료라고 정의한다.In such a
그리고 본 시스템(100)은 수소 가스와 반응하는 산화제 가스로서 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 후자의 예를 설명한다.The
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택(16)과, 전술한 바 있는 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택(16)으로 공급하는 연료 공급원(10)과, 공기를 스택(16)으로 공급하는 산소 공급원(12)을 포함한다.The
이 스택(16)은 연료 공급원(10)과 산소 공급원(12)에 연결 설치되어 이 연료 공급원(10)으로부터 상기 수소 가스를 공급받고, 산소 공급원(12)으로부터 공기를 공급받아 상기 수소 가스 중의 수소와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지로 구성된다.The
상기한 연료 공급원(10)은 전술한 바 있는 연료를 저장하는 연료 탱크(22)와, 소정의 펌핑력으로 연료 탱크(22)에 저장된 연료를 배출시키는 연료 펌프(24)와, 연료 탱크(22)로부터 연료를 공급받아 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고 상기 수소 가스를 스택(16)으로 공급하는 개질기(18)를 포함한다.The
그리고 산소 공급원(12)은 소정 펌핑력으로 공기를 흡입하고, 이 공기를 스택(16)으로 공급하는 통상적인 구조의 공기 펌프(26)를 포함하고 있다.The
상기 연료 공급원(10)에 있어 개질기(18)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기 구조를 갖는다. 부연 설명하면, 상기 개질기(18)는 수증기 개질, 부분 산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 그리고 상기 개질기(18)는 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다. 상기와 같은 개질기(18)는 통상적인 개질기의 구성으로 이루어질 수 있으므로 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.
대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 상기한 연료를 직접 스택(16)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 위와 같은 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 연료 공급원(10)에 있어 연료 탱크(22)와 연료 펌프(24)를 구비할 뿐, 개질기(18)를 필요로 하지 않는다. 이하에서는 고분자 전해질형 연료 전지 방식을 채용한 연료 전지 시스템(100)을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Alternatively, the
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템(100)의 작용시 개질기(18)를 통해 발생되는 수소 가스와 공기 펌프(26)에 의해 흡입되는 공기를 스택(16)으로 공급하게 되면, 상기 스택(16)에서는 수소 가스 중의 수소와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.When the
본 발명에 있어 상기한 스택(16)을 구성하는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Embodiments constituting the
도 2는 도 1에 도시한 스택의 제1 실시예를 분해 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 결합 단면 구성도이다.FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating a first embodiment of the stack illustrated in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional configuration diagram of FIG. 2.
이 도면을 참조하여 스택(16)을 설명하면, 본 시스템(100)에 적용되는 스택(16)은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)(이하, 'MEA'라고 한다.)(32)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트'라고도 한다.)(34)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 전기 발생부(30)를 포함하여 이루어진다. 따라서 위와 같은 전기 발생부(30)를 복수로 구비하고 이들을 연속적으로 밀착 배치함으로써 본 실시예에 의한 전기 발생부(30)의 집합체 구조인 스택(16)을 형성할 수 있다.
Referring to the
상기 MEA(32)는 일면에 애노드 전극이 위치하고 다른 일면에 캐소드 전극(도시하지 않음)이 위치하며, 상기 두 전극 사이에 전해질막(도시하지 않음)을 구비하는 구조로 이루어져 있다. 여기서 상기 애노드 전극은 수소 가스를 산화 반응시켜 수소를 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온을 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 그리고 전해질막은 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로 형성되어, 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.The
그리고 세퍼레이터(34)는 MEA(32)를 사이에 두고 서로 밀착 배치되어, 개질기(18: 도 1)로부터 공급되는 수소 가스와 공기 펌프(26: 도 1)에 의해 공급되는 공기를 MEA(32)의 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 공급하는 기능 외에, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다. 이 때 상기 세퍼레이터(34)는 MEA(32)에 밀착되는 면의 반대쪽 면이 이웃하는 전기 발생부(30)의 세퍼레이터(34)의 MEA(32) 반대쪽 면에 대향 밀착되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이에 더하여 상기 각각의 세퍼레이터(34)에는 MEA(32)의 애노드 전극으로 수소 가스를 공급하기 위한 수소 통로(36)와, MEA(32)의 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 공기 통로(38)을 형성하고 있다. 그리고 상기 각각의 세퍼레이터(34)에는 수소 통로(36)와 공기 통로(38)로 수소 가스와 공기를 주입시키기 위한 주입부(39a)와, 각각의 통로(36, 38)를 통과하면서 MEA(32)에 대하여 반응하고 남은 수소 가스와 공기를 배출시키기 위한 배출부(39b)를 형성하고 있다. 이 때 상기 수소 가스와 공기를 수소 통로(36)와 공기 통로(38)를 통해 중력 방향으로 유동시키는 점을 감안할 때, 상기 주입부(39a)는 세퍼레이터(34)의 상측에 형성되고, 상기 배출부(39b)는 세퍼레이터(34)의 하측에 형성되는 것이 바람직하다.The
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시 전체 스택(16)의 전기 발생부(30)에서는 전술한 바 있는 수소와 산소의 환원 반응에 의해 열이 발생하게 된다. 이 열은 MEA(32)를 건조시켜 스택(16)의 성능을 저하시키는 요인으로 작용한다.During the operation of the
이에 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 히트 캐리어를 스택(16) 내부로 순환시켜 전기 발생부(30)에서 발생하는 열을 냉각시키는 구조로 이루어진다.Accordingly, the
이를 위하여, 본 시스템(100)은 상기 히트 캐리어를 스택(16) 내부로 공급하는 히트 캐리어 공급원(14)과, 히트 캐리어 공급원(14)으로부터 공급되는 히트 캐리어를 상기 전기 발생부(30)로 흘려 줄 수 있도록 서로 이웃하는 전기 발생부(30) 사이에 형성되는 쿨링 통로(41)를 구비한다.To this end, the
히트 캐리어 공급원(14)은 히트 캐리어를 흡입하여 이 히트 캐리어를 전기 발생부(30)로 공급하는 구조로 이루어진다. 본 발명에서 상기 히트 캐리어는 액체 상태의 냉각수일 수도 있으나 기체 상태인 것이 보다 더 바람직하다. 따라서 자연 상태에서 쉽게 취할 수 있고 구동 중 스택(16) 내부의 온도 보다 낮은 공기가 히트 캐리어로 사용될 수 있다. 이에 상기 히트 캐리어 공급원(14)은 소정 회전력으로 공기를 흡입하여 이 공기를 전기 발생부(30)로 공급하는 팬(28)을 포함한다. 이 때 상기 팬(28)은 도 3에 가상선으로 도시한 바와 같이, 스택(16) 전체를 감싸는 하우징(17)에 설치되어 스택(16) 전체로 공기를 분출시키는 것이 바람직하다.The heat
그리고 상기 쿨링 통로(41)는 서로 이웃하는 전기 발생부(30)에 대해 상호 대향 밀착되는 세퍼레이터(34)의 밀착면에 각각 형성되는 채널(41a)에 의하여 형성될 수 있다. 이 때 상기 채널(41a)은 하나의 전기 발생부(30)에 대해 세퍼레이터(34)의 MEA(32)에 밀착되는 면의 반대쪽 면과, 이 세퍼레이터(34)에 대향 밀착되는 이웃하는 전기 발생부(30)의 세퍼레이터(34) 접면에 각각 형성될 수 있다. 따라서 하나의 전기 발생부(30)의 세퍼레이터(34)와, 이 전기 발생부(30)에 이웃하는 다른 하나의 전기 발생부(30)의 세퍼레이터(34)가 서로 마주 보는 형태로 밀착되는 과정에서 상기 채널(41a)이 합체됨으로써 본 실시예에 의한 쿨링 통로(41)를 형성할 수 있다. 이렇게 형성되는 쿨링 통로(41)는 세퍼레이터(34)의 MEA(32) 반대측에 형성되어, MEA(32)의 전 영역, 즉 활성 영역과 비활성 영역에 걸쳐 냉각 작용하므로 우수한 냉각 성능을 가진다.In addition, the
도 4는 도 2에 도시한 세퍼레이터의 쿨링 통로를 나타내 보인 평면 구성도이다.4 is a plan view showing the cooling passage of the separator shown in FIG.
도 2 및 도 4를 참고하면, 본 실시예에 의한 상기 쿨링 통로(41)는 전체 스택(16)에 대한 세퍼레이터(34)의 주입부(39a)와 배출부(39b)를 기준으로, 이 주입부(39a)에서 배출부(39b)를 향하는 방향으로 다수 형성되며, 상기한 방향을 따라 히트 캐리어의 유동 단면적이 점차 작아지는 구조로 되어 있다.2 and 4, the
그리고 상기 쿨링 통로(41)는 한 쪽 단부를 통해 히트 캐리어를 주입하고, 다른 쪽 단부를 통해 상기 히트 캐리어를 배출시키는 구조로 이루어진다. 즉, 상기 쿨링 통로(41)는 서로 밀착되는 세퍼레이터(34)의 어느 한 쪽 가장자리변에 상기 히트 캐리어를 주입시키기 위한 다수의 유입구(41b)를 형성하고, 상기 가장자리변에 대응되는 다른쪽 가장자리변에 상기 히트 캐리어를 배출시키기 위한 다수의 유출구(41c)를 형성하고 있다. 이 때 상기 유입구(41b)는 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측에 위치하고, 상기 유출구(41c)는 세퍼레이터(34)의 배출부(39b) 측에 위치하는 것이 바람직하다. 따라서 본 실시예에 의한 상기 쿨링 통로(41)는 유입구(41b)의 단면적이 유출구(41c)의 단면적 보다 크며, 이 유입구(41b)에서 유출구(41c)로 갈수록 히트 캐리어의 유동 경로가 점차 좁아지는 형태로 이루어진다.The
상기 쿨링 통로(41)를 위와 같은 구조로 형성하는 이유는, 스택(16)의 구동시 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측에서 수소와 산소의 산화/환원 반응이 활발하게 이루어지는 바, 이에 따라 전체 스택(16)에 대해 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측과 배출부(39b) 측에서 온도 편차가 발생하기 때문에, 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측과 배출부(39b) 측에 대한 히트 캐리어의 단위 면적당 접촉 면적을 변화시켜 전체 스택(16)의 온도 분포를 균일하게 유지시키기 위함이다.The reason why the
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용을 살펴 보면, 스택(16)을 통해 전기를 발생시키는 도중, 전기 발생부(30)에서는 수소와 산소의 환원 반응에 의하여 열이 발생하게 된다. 이 때 상기 스택(16)은 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측에서 수소와 산소의 산화/환원 반응이 활발하게 이루어지기 때문에, 전체 스택(16)에 대해 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측과 배출부(39b) 측 에서 온도 편차가 발생하게 된다.Looking at the operation of the
이러한 상태에서 히트 캐리어 공급원(14)을 통해 본 실시예에 의한 쿨링 통로(41)로 히트 캐리어를 흘려 주게 되면, 상기 히트 캐리어는 쿨링 통로(41)를 통과하면서 상기한 열을 냉각시킨다.In this state, when the heat carrier flows through the
이 때 본 실시예에 의한 상기 쿨링 통로(41)는 유입구(41b)에서 유출구(41c)로 갈수록 히트 캐리어의 유동 경로가 점차 좁아지는 형태를 취하고 있기 때문에, 이 쿨링 통로(41)를 통해 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측을 통과하는 히트 캐리어와 세퍼레이터(34)에 대한 실질적인 접촉 면적이 증대되고, 상기 쿨링 통로(41)를 통해 세퍼레이터(34)의 배출부(39b) 측을 통과하여 유출구(41c)를 통해 배출되는 히트 캐리어와 세퍼레이터(34)에 대한 실질적인 접촉 면적이 감소된다.At this time, the
따라서 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 스택(16) 전체에 대해 세퍼레이터(34)의 주입부(39a) 측에서 발생하는 열 에너지와 히트 캐리어에 대한 단위 시간당 열 교환량을 극대화시키고, 세퍼레이터(34)의 주입부(39b) 측에서 발생하는 열 에너지와 히트 캐리어에 대한 단위 시간당 열 교환량을 감소시킴으로써 전체적인 스택(16)의 온도 분포를 균일하게 유지시킬 수 있게 된다.Therefore, according to the
도 5는 도 1에 도시한 스택의 제2 실시예를 분해 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시한 쿨링 플레이트의 쿨링 통로를 나타내 보인 평면 구성도이다.FIG. 5 is an exploded perspective view illustrating a second embodiment of the stack illustrated in FIG. 1, and FIG. 6 is a plan view illustrating a cooling passage of the cooling plate illustrated in FIG. 5.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 스택(16A)은 서로 이웃하는 전기 발생부(30A)의 세퍼레이터(34A) 사이에 쿨링 플레이트(43)를 설치하고, 이 쿨링 플레이트(43)에 히트 캐리어를 유통시키기 위한 쿨링 통로(45)를 형성하는 구조로 되어 있 다. 이러한 쿨링 플레이트(43)는 상기 전기 발생부(30A)의 전기 발생시 세퍼레이터(34A)로 전달되는 열을 방출시키는 방열판의 기능을 하게 된다. 상기 쿨링 플레이트(43)는 열전도성을 갖는 알루미늄, 구리, 철 소재 등으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 쿨링 통로(45)는 전체 스택(16A)에 대한 히트 캐리어의 원활한 유통을 위해 쿨링 플레이트(43)의 서로 대응되는 어느 한 쪽 가장자리 변에서 다른 한 쪽 가장자리 변으로 관통 형성될 수 있다.Referring to the drawings, in the
구체적으로, 상기 쿨링 통로(45)는 쿨링 플레이트(43)의 상단측 가장자리변에 히트 캐리어를 주입시키기 위한 다수의 유입구(45a)를 형성하고, 이에 대응되는 하단측 가장자리변에 상기 히트 캐리어를 배출시키기 위한 다수의 유출구(45b)를 형성하고 있다. 전기 실시예와 마찬가지로, 상기 쿨링 통로(45)의 유입구(45a)는 전체 스택(16A)에 대한 세퍼레이터(34A)의 주입부(39a) 측에 위치하고, 유출구(45b)는 세퍼레이터(34A)의 배출부(39b) 측에 위치한다. 그리고 상기 쿨링 통로(45)는 전기 실시예에서와 같이, 유입구(45a)의 단면적이 유출구(45b)의 단면적 보다 크며 유입구(45a)에서 유출구(45b)로 갈수록 히트 캐리어의 유동 경로가 점차 좁아지는 형태를 취하고 있다.Specifically, the
본 실시예에 의한 스택(16A)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.Since the rest of the configuration and operation of the
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 범 위에 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.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템에 의하면, 세퍼레이터에 대하여 히트 캐리어의 접촉 면적이 변화되도록 구성되는 쿨링 통로를 형성함에 따라, 스택 전체의 온도 편차를 줄여 스택의 냉각 효율 및 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.According to the fuel cell system according to the present invention, by forming a cooling passage configured to change the contact area of the heat carrier with respect to the separator, it is possible to further improve the cooling efficiency and performance of the stack by reducing the temperature variation of the entire stack.
Claims (16)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020040098560A KR101181821B1 (en) | 2004-11-29 | 2004-11-29 | Fuel cell system and stack of the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020040098560A KR101181821B1 (en) | 2004-11-29 | 2004-11-29 | Fuel cell system and stack of the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20060059461A true KR20060059461A (en) | 2006-06-02 |
KR101181821B1 KR101181821B1 (en) | 2012-09-11 |
Family
ID=37156647
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020040098560A KR101181821B1 (en) | 2004-11-29 | 2004-11-29 | Fuel cell system and stack of the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR101181821B1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019509603A (en) * | 2016-03-22 | 2019-04-04 | ループ エナジー インコーポレイテッド | Design of fuel cell flow field for temperature control |
US11060195B2 (en) | 2012-08-14 | 2021-07-13 | Loop Energy Inc. | Reactant flow channels for electrolyzer applications |
US11489175B2 (en) | 2012-08-14 | 2022-11-01 | Loop Energy Inc. | Fuel cell flow channels and flow fields |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002020690A (en) * | 2000-07-04 | 2002-01-23 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Hydrophilic coated film, its production process and solid polymer electrolyte fuel cell and heat exchanger using it |
-
2004
- 2004-11-29 KR KR1020040098560A patent/KR101181821B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11060195B2 (en) | 2012-08-14 | 2021-07-13 | Loop Energy Inc. | Reactant flow channels for electrolyzer applications |
US11489175B2 (en) | 2012-08-14 | 2022-11-01 | Loop Energy Inc. | Fuel cell flow channels and flow fields |
JP2019509603A (en) * | 2016-03-22 | 2019-04-04 | ループ エナジー インコーポレイテッド | Design of fuel cell flow field for temperature control |
US11901591B2 (en) | 2016-03-22 | 2024-02-13 | Loop Energy Inc. | Fuel cell flow field design for thermal management |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR101181821B1 (en) | 2012-09-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20060172163A1 (en) | Fuel cell stack and fuel cell system having the same | |
US7879504B2 (en) | Fuel cell stack having improved cooling structure | |
US20060154125A1 (en) | Stack for fuel cell and fuel cell system with the same | |
JP2005340207A (en) | Fuel cell system and stack for fuel cell | |
KR100542200B1 (en) | Fuel cell system | |
US7041407B2 (en) | Separator plate structure for fuel cell stack | |
US20040209140A1 (en) | Fuel cell stack | |
US20060046118A1 (en) | Fuel cell stack having improved cooling structure | |
US20030194591A1 (en) | Fuel cell stack | |
US7329472B2 (en) | Fuel cell system and stack used thereto | |
KR101181821B1 (en) | Fuel cell system and stack of the same | |
KR100637490B1 (en) | Stack for fuel cell and fuel cell system with the same | |
KR101181850B1 (en) | Fuel cell system | |
KR101181838B1 (en) | Stack for fuel cell and fuel cell system with the same | |
KR20150078781A (en) | Fuel cell stack | |
KR101147233B1 (en) | Fuel cell system and stack of the same | |
KR100637506B1 (en) | Fuel cell system and stack | |
KR101135481B1 (en) | Stack for fuel cell and fuel cell system with the same | |
KR100627389B1 (en) | Fuel cell system and stack of the same | |
KR101433933B1 (en) | separator module and fuel cell stack comprising it | |
JP2008004309A (en) | Fuel cell device | |
KR20060065776A (en) | Fuel cell system, stack and separator | |
KR20060082210A (en) | Stack for fuel cell and fuel cell system with the same | |
KR20060082303A (en) | Fuel cell system | |
KR20070042652A (en) | Fuel cell stack |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E90F | Notification of reason for final refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20150820 Year of fee payment: 4 |
|
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |