KR20060108342A - 연료전지용 세퍼레이터, 이를 채용한 스택 및 연료전지 - Google Patents
연료전지용 세퍼레이터, 이를 채용한 스택 및 연료전지 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20060108342A KR20060108342A KR1020050030512A KR20050030512A KR20060108342A KR 20060108342 A KR20060108342 A KR 20060108342A KR 1020050030512 A KR1020050030512 A KR 1020050030512A KR 20050030512 A KR20050030512 A KR 20050030512A KR 20060108342 A KR20060108342 A KR 20060108342A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- flow path
- separator
- inlet
- fuel
- refractive
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 109
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 45
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 45
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 43
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 42
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims abstract description 39
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 38
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 16
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 9
- 238000003491 array Methods 0.000 abstract description 3
- 238000013021 overheating Methods 0.000 abstract description 3
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 abstract description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 47
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 9
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 8
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 6
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 description 6
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 210000005056 cell body Anatomy 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
- F21S8/00—Lighting devices intended for fixed installation
- F21S8/08—Lighting devices intended for fixed installation with a standard
- F21S8/085—Lighting devices intended for fixed installation with a standard of high-built type, e.g. street light
- F21S8/086—Lighting devices intended for fixed installation with a standard of high-built type, e.g. street light with lighting device attached sideways of the standard, e.g. for roads and highways
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F21V14/00—Controlling the distribution of the light emitted by adjustment of elements
- F21V14/08—Controlling the distribution of the light emitted by adjustment of elements by movement of the screens or filters
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F21V7/00—Reflectors for light sources
- F21V7/04—Optical design
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
- F21W2131/00—Use or application of lighting devices or systems not provided for in codes F21W2102/00-F21W2121/00
- F21W2131/10—Outdoor lighting
- F21W2131/103—Outdoor lighting of streets or roads
-
- 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
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
- Y02B20/72—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps in street lighting
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
본 발명은 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 전극-전해질 합성체의 상호 대웅면에 위치되어 각각 수소를 함유하는 연료 및 산소 또는 산소를 함유하는 산화제의 유동을 위한 유로가 형성되고, 이 유로는 2배열 또는 3배열의 복수개이면서 각 유로가 세퍼레이터의 할당된 구역에서 다굴절을 이루도록 형성된다.
이로 인해, 수소가 함유된 연료 및 산소 또는 산소가 함유된 산화제가 유입되면서 세퍼레이터의 전면적에 대해 고른 유동이 형성되고, 종래의 입구부 및 인접부위에 발생되었던 과열현상이 방지되면서 전체적으로 고른 적정발열이 이루어짐으로써 세퍼레이터의 수명이 종래에 비해 연장되며, 또한 연료 및 산화제의 고른 유동에 의해 전극-전해질 합성체에도 역시 고르게 공급되어 종래의 국부적인 공급에 의한 전극-전해질 합성체의 수명이 단축되는 현상이 방지되는 한편, 소용량의 펌프가 이용되어 소비전력 및 소음이 감소되도록 이루어진 것이다.
연료전지, 세퍼레이터, 스택, 바이폴라 플레이트, 모노폴라 플레이트
Description
도 1은 종래의 세퍼레이터에 형성된 유로가 개략적으로 도시된 측면도이고,
도 2는 도 1에 도시된 세퍼레이터에서의 발열량이 도시된 그래프이며,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 시스템이 개략적으로 도시된 구성도이고,
도 4는 도 3에 도시된 스택이 개략적으로 도시된 분리 사시도이며,
도 5는 도 4에 도시된 세퍼레이터의 유로가 개략적으로 도시된 측면도이고,
도 6은 도 5의 제1변형 예가 개략적으로 도시된 측면도이며,
도 7은 도 5의 제2변형 예가 개략적으로 도시된 측면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100...연료전지 시스템 200...스택,
220...전극-전해질 합성체 220...세퍼레이터,
222...입구부 224...출구부,
226...중간부 230...유로,
300...연료탱크 310...제1펌프,
320...개질기 400...제2펌프.
본 발명은 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세퍼레이터의 유로를 변경하여 연료 또는 산화제의 유동이 원활하도록 하고, 또한 이를 연료전지 시스템에 적용한 것이다.
일반적으로, 연료전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등이 포함된 탄화수소 계열의 물질에 함유되어 있는 수소 및 공기 중의 산소를 연료로 발생하는 전기 화학 반응에 의하여 화학에너지가 전기에너지로 변환되도록 이루어진 시스템이다.
이러한 연료전지는 연소 과정 없이 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 인위적으로 발생되도록 하여 전기 및 그 부산물인 열을 생성할 수 있다.
또한, 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다.
이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하지만, 연료의 종류와 운전 온도, 촉매 및 전해질에 의해 구분된다.
상기 여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 전해질형 연료전지(Polyner Electrolyte Membrance Fuel Cell;PEMFC)는, 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며, 단위면적당 높은 전류밀도(current density)를 얻을 수 있어 타 연료전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮아 현재 자동차 등의 이동용(transportable) 전원, 주택이나 공공건물 등의 분산용 전원 및 전자기기요 등의 소형 전원으로 이용하기 위하여 이에 대한 개발이 활발히 추진되고 있다.
상기와 같은 전해질형 연료전지는 스택(stack, 연료전지 본체라고도 함)과 연료탱크 및 이 연료탱크로부터 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료펌프 및 산소 또는 산소를 포함하는 공기를 공급하기 위한 공기펌프 등이 기본적으로 요구되고, 특히 연료탱크에 저장된 연료가 스택으로 공급되는 과정에서 연료를 개질하여 수소가스를 발생시키고 이 수소가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 포함된다.
따라서, 고분자 전해질형 연료전지는 연료펌프의 펌핑력에 의해 연료탱크에 저장된 연료가 개질기로 공급되고, 이 개질기가 연료를 개질하여 수소가스를 발생시켜 스택으로 공급하게 되며, 이 수소가스 및 공기펌프에 의한 산소 또는 공기를 동시에 공급받는 스택에서 수소가스와 산소의 전기 화학적 반응이 발생되면서 전기에너지가 생산되도록 구성된다.
한편, 연료전지의 종류로는 상기 고분자 전해질형 연료전지에서 개질기가 배제된 구성을 갖는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)도 포 함된다.
이 직접 메탄올형 연료전지 시스템은 상술된 바와 같이 고분자 전해질형 연료전지에서 개질기가 배제되고, 다른 구성요소 및 작동 기능등은 동일하다.
또한, 이러한 연료전지 시스템에서 연료 및 산화제의 공급 방식에 따라 액티브(Active)형과 패시브(Passive)형으로 구분되는데, 상기 액티브형은 연료와 산화제가 별도의 펌프에 의해 공급되도록 구성된 것이고, 상기 패시브형은 별도의 공급용 펌프없이 연료 및 산화제가 공급되도록 구성된 것이다.
상기 고분자 전해질형 연료전지 및 직접 메탄올형 연료전지에서 실질적으로 전기를 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly)와, 당업계에서 바이폴라 플레이트 또는 모노폴라 플레이트로 칭하는 세퍼레이터(Separator)로 이루어지는 단위의 셀이 다수개 적층된 구조로 이루어진다.
또한, 상기 전극-전해질 합성체는 전해질막(Membrane)과, 이 전해질막의 양면에 부착된 애노드 전극과 캐소드 전극이 포함되어 이루어진다.
이러한 전극-전해질 합성체에 연료 및 산화제를 공급하기 위해 전극-전해질 합성체에 세퍼레이터가 장착되고, 이 세퍼레이터는 연료전지의 반응에 필요한 수소를 함유한 연료 및 산소 또는 산소를 함유한 산화제의 통로기능과 더불어, 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시키는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.
따라서, 상기 세퍼레이터를 통해 애노드 전극에는 수소가 함유된 연료가 공급되고, 캐소드 전극에는 산소 또는 산소를 함유한 산화제가 공급되며, 이를 통해 연료와 산화제가 전극-전해질 합성체에서 전기 화학적 반응이 발생하여 전기 에너지가 발생하는 것이다.
이러한 세퍼레이터(10)에는 도 1에서와 같이, 연료 또는 산화제의 유로(20)가 형성되어 있었다.
이 유로(20)는 일반적으로 입구(22)와 출구(24)가 양단부에 연결되고, 세퍼레이터(10)의 전면에 걸쳐 등간격으로 다굴절이 형성된 형상이었다. 물론, 유로(20)는 연속된 하나의 홈으로 이루어졌다.
상기 유로(20)에 연료 또는 산화제가 펌프에 의해 강제적으로 공급되었고, 이로 인해, 유로(20)의 입구(22)측 부위에서 가까울수록 연료 또는 산화제의 유동이 정체됨으로써 심한 부하가 발생되었으며, 이 부하에 의해 발열이 발생되었다.
이러한 발열량에 대해 도 2의 그래프에 도시되었고, 도 2를 참조로 하여 발열에 대해 설명하면, 발열량은 극히 부분적으로 즉, 입구(22) 및 입구(22)와 근접된 부위에서 많은 발열이 발생되었고, 입구(22)에서 점차 멀어져 출구(24)에 이르는 동안 그 발열량이 점차 줄어드는 것을 알수 있다.
상기 연료 또는 산화제에 의해 세퍼레이터(10)의 부위별로 발열량의 차이를 보이는 이와 같은 현상은, 전극-전해질 합성체의 촉매층에 국부적 기능저하를 초래하여 촉매층의 수명을 단축시켰을 뿐만 아니라, 전체적으로 보면 전극-전해질 합성체의 일부위 수명단축에 의한 전극-전해질 합성체의 수명 역시 단축되는 등의 악영향을 주는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 본 발명은, 세퍼레이터에 복수개의 유로가 할당된 구역에서 다굴절되도록 형성됨으로 인해, 수소가 함유된 연료 및 산소 또는 산소가 함유된 산화제가 유입되면서 세퍼레이터의 전면적에 대해 고른 유동이 형성되면서 입구부 및 근접부위에 발생되는 과열현상이 제거되고, 또한 연료 및 산화제가 전극-전해질 합성체에 고르게 공급되면서 종래의 국부적인 과다 공급에 따른 수명 단축이 방지되며, 소용량의 펌프가 이용되어 소비전력 및 소음이 감소되도록 이루어진 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 채용한 연료전지 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 세퍼레이터는, 전극-전해질 합성체의 상호 대응면에 위치되어 각각 수소를 함유하는 연료와 산소 또는 산소를 함유하는 산화제의 유동을 위한 유로가 형성되고, 이 유로는 복수개이면서 각 유로가 세퍼레이터의 할당된 구역에서 다굴절을 이루도록 형성된다.
일예로, 상기 유로는 2배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부와 출구부로 구획하여 하나의 유로는 입구부에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로는 출구부에서 다굴절되도록 형성된다.
다른 일예로, 상기 유로는 2배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부, 중간부, 출구부로 구획하여 하나의 유로는 입구부와 출구부에서 다굴절되도록 형성되 고, 다른 하나의 유로는 중간부에서 다굴절되도록 형성된다.
또 다른 일예로, 상기 유로는 3배열 구조이고, 상기 세퍼페이터를 입구부, 중간부, 출구부로 구획하여 각각의 유로가 입구부와, 중간부, 출구부에서 다굴절되도록 형성된다.
본 발명에 따라 복수개의 유로가 형성된 세퍼레이터를 채용한 스택은, 제공되는 수소를 함유하는 연료와, 산소 또는 산소가 함유된 산화제의 상호 반응에 의해 전기가 발생되는 전극-전해질 합성체;와, 이 전극-전해질 합성체에 제공되는 연료와 산소 또는 산화제의 유동을 위한 유로가 형성되고, 이 유로는 복수개이면서 양단부가 동일한 입구 및 출구와 연결되고 각 유로가 할당된 구역에서 다굴절을 이루도록 형성된 세퍼레이터;가 구비되어 이루어진다.
일예로, 상기 유로는 2배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부와 출구부로 구획하여 하나의 유로는 입구부에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로는 출구보에서 다굴절되도록 형성된다.
다른 일예로, 상기 유로는 2배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부, 중간부, 출구부로 구획하여 하나의 유로는 입구부와 출구부에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로는 중간부에서 다굴절되도록 형성된다.
또 다른 일예로, 상기 유로는 3배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부, 중간부, 출구부로 구획하여 각각의 유로가 입구부와, 중간부, 출구부에서 다굴절되도록 형성된다.
또한, 본 발명에 따라 복수개의 유로가 형성된 세퍼레이터를 채용한 연료전 지 시스템은, 수소가 함유된 연료를 공급하는 연료 펌프;와, 산소 또는 산소가 함유된 산화제를 공급하는 산화제 펌프;와, 상기 연료 펌프와 산화제 펌프로부터 유입된 연료와 산화제가 각각 세퍼레이터의 유로를 통해 유동되면서 전극-전해질 합성체에 의해 반응되어 전기가 발생되도록 이루어진 스택;이 포함되어 이루어지고, 상기 세퍼레이터의 유로는 복수개이면서 각 유로가 세퍼레이터의 다른 구역에서 다굴절을 이루도록 형성된다.
일예로, 상기 유로는 2배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부와 출구부로 구획하여 하나의 유로는 입구부에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로는 출구보에서 다굴절되도록 형성된다.
다른 일예로, 상기 유로는 2배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부, 중간부, 출구부로 구획하여 하나의 유로는 입구부와 출구부에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로는 중간부에서 다굴절되도록 형성된다.
또 다른 일예로, 상기 유로는 3배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부, 중간부, 출구부로 구획하여 각각의 유로가 입구부와, 중간부, 출구부에서 다굴절되도록 형성된다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 채용한 연료전지 시스템을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 시스템이 개략적으로 도시된 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시된 스택이 개략적으로 도시된 분리 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 수소가스와 산소가 전기 화학적으로 반응하여 화학에너지가 전기에너지로 변환되도록 이루어진 스택(200)과, 연료탱크(300)에 저장된 수소를 함유한 연료가 제1펌프(310)에 의해 상기 스택(200)으로 공급되도록 이루어진 연료공급부와, 산소 및 공기를 포함하는 산화제가 제2펌프(400)에 의해 상기 스택(200)으로 공급되도록 이루어진 산화제공급부가 포함되어 이루어진다.
이때, 상기 연료공급부에는 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소가 풍부한 수소 가스를 발생시켜 스택(200)으로 공급하도록 이루어진 개질기(320)가 더 포함되어 이루어진다.
또한, 상기 연료전지 시스템(100)은 스택(200)으로부터 생성된 직류 전기를 교류 전기로 변화시키는 직류, 교류 변압기 및 제어장치와, 발전 과정에서 생성된 열을 방출하기 위한 방열장치(미도시)가 더 포함되어 이루어질 수도 있다.
한편, 도 3에서와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 개질기(320)가 포함된 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell;PEMFC) 방식이 채용되었지만, 다른 한편으로는 상기 개질기(320)가 배재된, 즉 연료가 직접 스택(200)으로 공급되는 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell;DMFC) 방식이 채용될 수도 있다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어 편의상 고분자 전해질형 연료전지를 예로 들 어 설명하기로 한다.
상기 개질기(320)는 열에너지에 의한 화학 촉매반응을 통해 상기 연료로부터 수소가스를 발생시키고, 상기 수소가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 통상적인 개질기(320)의 구조를 갖는다.
좀더 자세히 설명하자면, 상기 개질기(320)는 일 예로, 수증기 개질, 부분산화 또는 자열반응 등의 촉매반응을 통해 상기 연료로부터 수소가스를 발생시키도록 이루어지고, 또한 수성가스 전환방법, 선택적 산화방법 등과 같은 촉매반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 수소가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키도록 이루어진다.
이때, 상기 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 연료가 포함된다.
도 4에서 보는 바와 같이, 상기 스택(200)은 연료에 함유된 수소 가스와 산소를 제공받아 산화 및 환원 반응을 유도하여 최종적으로 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나 이상의 단위전지(240)가 포함되어 이루어진다.
상기 단위전지(240)는 전기를 발생시키는 주요 부분으로서, 수소가스와 산소를 산화/환원시키는 전극-전해질 합성체(MEA:Membrane & Electrode Assembly, 210)와, 이 전극-전해질 합성체(210)에 수소가스 및 산소의 원활한 공급하기 위한 적어도 하나 이상의 세퍼레이트(220)로 이루어진 하나의 단위 셀을 의미한다.
상기 전극-전해질 합성체(210)는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA의 구조로서, 상기 전해질막은 두께가 통상 50∼400㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 공급된 연료로부터 수소 이온만 통과되는 이온 교환의 매개체 기능을 한다.
상기 애노드 전극의 촉매층은 수소가스를 전자와 수소이온으로 변환시키는 층으로, 전자와 수소이온의 원활한 이동을 위한 기체확산층(GDL)과 더불어 애노드 전극을 구성한다.
또한, 상기 캐소드 전극의 촉매층은 공기 중의 산소를 전자와 산소이온으로 변환시키는 층으로, 전자와 산소이온의 원활한 이동을 위한 기체확산층(GDL)과 더불어 캐소드 전극을 구성한다.
한편, 상기 스택(200)은 다음의 반응식 1과 같은 반응에 따라 전기와 열 및 물이 생성된다.
< 반응식 1 >
양극반응 : H2 → 2H+ + 2e-
음극반응 : 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체반응 : 2H2+O2 → 2H20 + 전류 + 열
반응식 1을 참고하면, 세퍼레이트(220)를 통해 전극-전해질 합성체(210)의 애노드 전극으로 공급된 수소가스와, 캐소드 전극으로 공급된 산소 또는 산소가 함유된 공기가 공급되고, 상기 수소가스는 애노드 전극을 흐르면서 전자와 프로톤(수소이온)으로 분해되고, 이 프로톤이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움 으로 캐소드 전극에서 전자와 산소이온 그리고 이동된 프로톤이 합쳐져서 물을 생성하게 된다.
여기서 상기 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동된다.
한편, 상기 세퍼레이터(220)는 전극-전해질 합성체(210)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할과, 전극-전해질 합성체(210)의 산화 및 환원 반응에 필요한 수소가 함유된 연료와 산소 및 산소가 함유된 산화제를 실질적으로 공급하는 통로의 역할을 동시에 수행하게 되는 기능을 가지고, 대략 사각형상의 카본판으로 제조한다.
또한, 상기 세퍼레이터(220)는 연료전지가 패시브형일 때 모노폴라 플레이트(Monopolar plate)를 말하고, 액티브형일 때 바이폴라 플레이트(Biopolar plate)를 말하는 것이다. 이는 상기 세퍼레이터(220)가 모노폴라 플레이트와 바이폴라 플레이트 중 어느 것이 선택되던지 무관하다는 것이다.
이러한 세퍼레이터(220)에는 통로의 역할을 위한 유로(230)가 형성되고, 이 유로(230)는 복수개로 이루어지면서 각 유로(230)는 세퍼레이터(220)의 할당된 일부위에서 다굴절을 이루도록 형성된다. 물론 유로(230)의 양단부는 입구(222a)와 출구(224a)에 연결되어야 함은 당연하다.
이러한 구조의 유로(230)는 세퍼레이터(220)의 전(全)면적에 걸친 유로(230)에서의 발열이 일부위에서 집중되게 발생되는 현상이 방지되도록 하면서 세퍼레이터(220)의 전면적에 걸쳐 고루 분포되어 유동될 수 있도록 하기 위함이다. 물론, 발열량은 전면적에 걸쳐 동일하면 좋다.
상기와 같은 유로(230)을 형성하기 위해 도 5와 도 6 및 도 7과 같은 일예가 있다.
도 5는 도 4에 도시된 세퍼레이터의 유로가 개략적으로 도시된 측면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 세퍼레이터(220)의 유로(230)는 2배열 구조로서, 상기 세퍼레이터(220)를 입구부(222)와 출구부(224)로 2분할 하였을 때, 하나의 유로(231)는 세퍼레이터(220)의 입구부(222)에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로(232)는 세퍼레이터(220)의 출구부(224)에서 다굴절되도록 형성된다.
도 6은 도 5의 제1변형 예가 개략적으로 도시된 측면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 세퍼레이터(220)의 유로(230)는 2배열 구조로서, 상기 세퍼레이터(220)를 입구부(222)와 중간부(226)와 출구부(224)로 3분할 하였을 때, 하나의 유로(233)는 세퍼레이터(220)의 입구부(222)와 출구부(224)에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로(234)는 세퍼레이터(220)의 중간부(236)에서 다굴절되도록 형성된다.
도 7은 도 5의 제2변형 예가 개략적으로 도시된 측면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 세퍼레이터(220)의 유로(220)는 3배열 구조로서, 상기 세퍼레이터(220)를 입구부(222)와 중간부(226)와 출구부(224)로 3분할 하였을 때, 하나의 유로(235)는 세퍼레이터(220)의 입구부(222)에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로(236)는 세퍼레이터(220)의 중간부(226)에서 다굴절되도록 형성되며, 나머지 하나의 유로(237)는 세퍼레이터(220)의 출구부(224)에서 다굴절되도록 형성된다.
도 5 내지 도 7에서 개시된 유로(230)들은, 입구(222a)에서 2배열 및 3배열로 유로(230)가 분리되어 입구(222a)에 대한 유입 압력이 종래에 비해 1/2 및 1/3으로 저하시켜 입구부(222)에서의 발열량을 저감시키고, 이러한 유로(230)들을 통해 연료 또는 산화제가 세퍼레이터(220)의 전면적에 걸쳐 고루 분포되어 유동됨으로써 전극-전해질 합성체(210)에도 고르게 유입될 수 있다.
여기서 다굴절이란, 유로(230)가 좁은 간격으로 인접되게 굴절되어 이루어진 형상으로, 이 부위에서 연료 또는 산화제가 전극-전해질 합성체(210)로 적극적으로 유입되도록 하기 위해 형성된 부위를 일컫는다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 수소가 함유된 연료 및 산소 또는 산소가 함유된 산화제가 유입되면서 세퍼레이터의 전면적에 대해 고른 유동이 형성되고, 이로 인해 종래의 입구부 및 인접부위에 발생되었던 과열현상이 방지되면서 전체적으로 고른 적정발열이 이루어짐으로써 세퍼레이터의 수명이 종래에 비해 연장되며, 또한 연료 및 산화제의 고른 유동에 의해 전극-전해질 합성체에도 역시 고르 게 공급되어 종래의 국부적인 공급에 의한 전극-전해질 합성체의 수명이 단축되는 현상이 방지되는 효과가 있다.
또한, 유로의 입구부에서의 정체현상이 제거됨으로써 종래와 동일한 양의 연료 및 산화제를 공급하기 위한 펌프의 펌핑용량이 감소되어도 무방함은 물론 축소된 부피의 펌프가 사용될 수 있고, 펌프의 용량이 작아지면 소비전력도 감소되면서 펌프에서 발생되는 소음 역시 낮아지는 효과도 있다.
Claims (12)
- 전극-전해질 합성체의 상호 대응면에 위치되어 각각 수소를 함유하는 연료 와 산소 및 산소를 함유하는 산화제의 유동을 위한 유로가 형성되고, 이 유로는 복수개이면서 양단부가 동일한 입구 및 출구와 연결되고 각 유로가 할당된 구역에서 다굴절을 이루도록 형성된 연료전지용 세퍼레이터.
- 제1항에 있어서,상기 유로는 2배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부와 출구부로 구획하여 하나의 유로는 입구부에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로는 출구부에서 다굴절되도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
- 제1항에 있어서,상기 유로는 2배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부, 중간부, 출구부로 구획하여 하나의 유로는 입구부와 출구부에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로는 중간부에서 다굴절되도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
- 제1항에 있어서,상기 유로는 3배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부, 중간부, 출구부로 구획하여 각각의 유로가 입구부와, 중간부, 출구부에서 다굴절되도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
- 제공되는 수소를 함유하는 연료와, 산소 또는 산소가 함유된 산화제의 상호 반응에 의해 전기가 발생되는 전극-전해질 합성체;와,이 전극-전해질 합성체에 제공되는 연료와 산소 또는 산화제의 유동을 위한 유로가 형성되고, 이 유로는 복수개이면서 양단부가 동일한 입구 및 출구와 연결되고 각 유로가 할당된 구역에서 다굴절을 이루도록 형성된 세퍼레이터;가 구비되어 이루어진 스택.
- 제5항에 있어서,상기 유로는 2배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부와 출구부로 구획하여 하나의 유로는 입구부에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로는 출구보에서 다굴절되도록 형성된 것을 특징으로 하는 스택.
- 제5항에 있어서,상기 유로는 2배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부, 중간부, 출구부로 구획하여 하나의 유로는 입구부와 출구부에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로는 중간부에서 다굴절되도록 형성된 것을 특징으로 하는 스택.
- 제5항에 있어서,상기 유로는 3배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부, 중간부, 출구부로 구획하여 각각의 유로가 입구부와, 중간부, 출구부에서 다굴절되도록 형성된 것을 특징으로 하는 스택.
- 수소가 함유된 연료를 공급하는 연료 펌프;산소 또는 산소가 함유된 산화제를 공급하는 산화제 펌프;상기 연료 펌프와 산화제 펌프로부터 유입된 연료와 산화제가 각각 세퍼레이터의 유로를 통해 유동되면서 전극-전해질 합성체에 의해 반응되어 전기가 발생되도록 이루어진 스택;이 포함되어 이루어지고,상기 세퍼레이터의 유로는 복수개이면서 양단부가 동일한 입구 및 출구와 연결되고 각 유로가 할당된 구역에서 밀집되게 다굴절을 이루도록 형성된 연료전지 시스템.
- 제9항에 있어서,상기 유로는 2배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부와 출구부로 구획하여 하나의 유로는 입구부에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로는 출구보에서 다굴절되도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 제9항에 있어서,상기 유로는 2배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부, 중간부, 출구부로 구획하여 하나의 유로는 입구부와 출구부에서 다굴절되도록 형성되고, 다른 하나의 유로는 중간부에서 다굴절되도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
- 제9항에 있어서,상기 유로는 3배열 구조이고, 상기 세퍼레이터를 입구부, 중간부, 출구부로 구획하여 각각의 유로가 입구부와, 중간부, 출구부에서 다굴절되도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050030512A KR100673746B1 (ko) | 2005-04-12 | 2005-04-12 | 연료전지용 세퍼레이터, 이를 채용한 스택 및 연료전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050030512A KR100673746B1 (ko) | 2005-04-12 | 2005-04-12 | 연료전지용 세퍼레이터, 이를 채용한 스택 및 연료전지 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20060108342A true KR20060108342A (ko) | 2006-10-17 |
| KR100673746B1 KR100673746B1 (ko) | 2007-01-24 |
Family
ID=37628159
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020050030512A KR100673746B1 (ko) | 2005-04-12 | 2005-04-12 | 연료전지용 세퍼레이터, 이를 채용한 스택 및 연료전지 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100673746B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100981574B1 (ko) * | 2008-05-26 | 2010-09-10 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 이용하는 연료전지 스택 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001057219A (ja) | 1999-08-19 | 2001-02-27 | Mitsubishi Electric Corp | 燃料電池 |
| JP4475378B2 (ja) | 2003-02-05 | 2010-06-09 | 三菱電機株式会社 | 燃料電池 |
-
2005
- 2005-04-12 KR KR1020050030512A patent/KR100673746B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100981574B1 (ko) * | 2008-05-26 | 2010-09-10 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 세퍼레이터 및 이를 이용하는 연료전지 스택 |
| US8318371B2 (en) | 2008-05-26 | 2012-11-27 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Separator for fuel cell and fuel cell stack using the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100673746B1 (ko) | 2007-01-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20060172163A1 (en) | Fuel cell stack and fuel cell system having the same | |
| US7537851B2 (en) | Fuel cell system including separator having cooling water flow channels | |
| CN100377402C (zh) | 具有改进的冷却结构的电池堆及其燃料电池系统 | |
| EP2061112A1 (en) | Fuel cell stack | |
| US20060228617A1 (en) | Fuel cell stack | |
| EP1995814B1 (en) | Fuel cell stack | |
| KR100673746B1 (ko) | 연료전지용 세퍼레이터, 이를 채용한 스택 및 연료전지 | |
| KR100570753B1 (ko) | 연료 전지 시스템 | |
| KR100560495B1 (ko) | 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템 | |
| KR20070037207A (ko) | 분리판 및 이를 채용한 연료전지 | |
| US7329472B2 (en) | Fuel cell system and stack used thereto | |
| KR100599775B1 (ko) | 연료 전지 시스템 및 이의 스택 | |
| KR101122574B1 (ko) | 연료 전지 시스템, 이에 사용되는 스택 및 세퍼레이터 | |
| KR100599777B1 (ko) | 연료 전지 시스템 및 이의 스택 | |
| KR100599690B1 (ko) | 연료전지 시스템 및 그 스택 | |
| KR100529081B1 (ko) | 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택 | |
| KR100542202B1 (ko) | 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 스택 | |
| KR100599715B1 (ko) | 연료전지 시스템, 스택, 및 세퍼레이터 | |
| KR100627389B1 (ko) | 연료 전지 시스템 및 그 스택 | |
| KR100599773B1 (ko) | 휴대형 전자기기용 연료 전지 시스템 | |
| KR20060020018A (ko) | 연료 전지 시스템, 이에 사용되는 스택 및 세퍼레이터 | |
| KR20060065776A (ko) | 연료 전지 시스템, 스택 및 세퍼레이터 | |
| KR20060110650A (ko) | 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR20060102131A (ko) | 연료 전지용 스택 및 이를 구비한 연료 전지 시스템 | |
| KR20060034426A (ko) | 연료 전지 시스템 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20050412 |
|
| PA0201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20060721 Patent event code: PE09021S01D |
|
| PG1501 | Laying open of application | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20061228 |
|
| GRNT | Written decision to grant | ||
| PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20070117 Patent event code: PR07011E01D |
|
| PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20070117 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
| PG1601 | Publication of registration | ||
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20091229 Start annual number: 4 End annual number: 4 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20101229 Start annual number: 5 End annual number: 5 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20111216 Year of fee payment: 6 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20111216 Start annual number: 6 End annual number: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20121221 Year of fee payment: 7 |
|
| PR1001 | Payment of annual fee |
Payment date: 20121221 Start annual number: 7 End annual number: 7 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee | ||
| PC1903 | Unpaid annual fee |