KR20080070124A - Fuel cell stack with converging channels - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 및 1b 는 종래의 연료전지의 가습부를 가진 분리판의 단면도이다.1A and 1B are cross-sectional views of a separator plate having a humidifying part of a conventional fuel cell.
도 2는 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 의한 분리판의 상하평면도이다.2 is a top and bottom plan view of a separator according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 미세유로통로를 도시한 요부 확대도이다.3 is an enlarged view illustrating main parts of the micro channel according to the present invention.
도 4는 본 발명과 대비되는 미세유로통로를 형성시에 냉각수의 흐름을 도시한 것이다.Figure 4 shows the flow of cooling water at the time of forming a micro channel passage in contrast to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서의 냉각수의 흐름을 도시한 것이다.Figure 5 illustrates the flow of cooling water in a preferred embodiment according to the present invention.
** 도면의 주요부분의 구체적인 명칭**** Specific Names of Main Parts of Drawings **
1:분리판 10:냉각수 입구홀 11:냉각수 출구홀1: Separator 10: Cooling water inlet hole 11: Cooling water outlet hole
20:연료가스 입구홀 21:연료가스 출구홀 30:산화가스 입구홀20: fuel gas inlet hole 21: fuel gas outlet hole 30: oxidizing gas inlet hole
31:산화가스 출구홀 40:냉각수 유로 50:제1연결홀31: oxidizing gas outlet hole 40: cooling water flow path 50: first connection hole
55:미세유로 통로 60:제2연결홀 70:연료가스유로55: micro-channel passage 60: second connection hole 70: fuel gas channel
본 발명은 연료전지의 스택구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각수 유로와 연료가스 유로 사이에 비대칭의 미세유로통로구조를 구비하여 별도의 가습장치 없이도 가습 효율을 극대화할 수 있으며, 연료전지 스택의 부피와 중량을 감소시킬 수 있는 연료전지의 스택구조에 관한 것이다. The present invention relates to a stack structure of a fuel cell, and more particularly, an asymmetric micro flow path structure between a cooling water flow path and a fuel gas flow path can maximize a humidification efficiency without a separate humidification device. The present invention relates to a stack structure of a fuel cell capable of reducing volume and weight.
연료전지는 연료가 가지는 화학 에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 전기 화학적으로 직접 전기 에너지로 바꾸는 장치로서 자동차의 전원, 레이저 전기기구의 전원 등으로 관심 있게 연구되는 무공해 발전장치이다. 이러한 연료전지의 애노드로 연료 기체인 수소가 공급되고 캐소드로 산화제인 산소가 공급되는 바, 상기 수소와 산소로부터 전자를 분리시켜 이온화를 촉진시키기 위하여 수소와 산소에 수분을 공급하기 위한 가습장치가 연료전지의 애노드와 캐소드에 각각 장착된다. 상기 연료전지는 작동온도, 전해질의 종류에 따라 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cel)와, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)와, 고체고분자 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)로 구분된다. A fuel cell is a device that converts chemical energy of a fuel into electrochemical energy directly in a cell without converting it into heat by combustion, and is a pollution-free power generation device that is researched with interest as a power source of an automobile or a power supply of a laser electric appliance. The hydrogen of the fuel gas is supplied to the anode of the fuel cell and the oxygen of the oxidant is supplied to the cathode. A humidifier for supplying moisture to the hydrogen and oxygen to separate the electrons from the hydrogen and oxygen to promote ionization is fuel. It is mounted on the anode and cathode of the battery, respectively. The fuel cell may be directly connected to a solid oxide fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell, and the like depending on the operating temperature and the type of electrolyte. It is divided into direct methanol fuel cell.
최근에 많이 연구되고 있는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 줄여서 PEMFC)는 상대적으로 높은 출력과 빠른 시동 및 응답 특성을 보이고, 특히 운전온도(80~100℃)가 낮은 장점이 있다. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC for short), which has been studied a lot recently, shows relatively high output, fast start-up and response characteristics, in particular, low operating temperature (80 ~ 100 ℃).
상기의 PEMFC 구조에서, 전기를 발생시키는 막-전극 접합 구조체(Membrane Electrode Assembly)의 전해질 막은 촉매층과 기체 확산층으로 이루어진 전극 사이 에 전해질 막이 부착된 구조를 가진다. 이 전해질 막은 수소 이온의 전도성을 높이기 위하여, 막 표면이 가습이 필요하다. 이를 위하여 외부에 가습 장치를 설치하거나, 스택(stack) 내부에 별도의 가습부분이 있도록 구성한다. In the PEMFC structure, the electrolyte membrane of the membrane-electrode assembly (Membrane Electrode Assembly) that generates electricity has a structure in which an electrolyte membrane is attached between an electrode consisting of a catalyst layer and a gas diffusion layer. In this electrolyte membrane, in order to increase the conductivity of hydrogen ions, the membrane surface needs to be humidified. To this end, a humidifier is installed externally or configured to have a separate humidifying part inside the stack.
상기 고체고분자 연료전지는 전해질로서 양이온교환막을 사용하는데 이러한 양이온교환막에서 연료전지반응을 일으키기 위해서는 수분의 공급이 필수적이다. 이는 수소가 애노드에서 촉매에 의해 수소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 양이온교환막을 통과하여 캐소드의 촉매로 이동되며, 캐소드에서는 공기 중의 산소와 수소 이온과 외부 도선을 통과하여 온 전자와 반응하여 물을 생성하게 된다.이때, 양이온교환막에서 수소 이온의 이동에 관계하는 것은 양이온교환막을 구성하는 고분자물질의 SO3H- 기이며, 이러한 것의 이동량을 좌우하는 것은 양이온교환막 내의 수분의 존재량이다. 따라서, 고체고분자 연료전지의 성능에 대한 양이온교환막 내에 수분의 양을 적정한 수준으로 유지시킬 수 있는 가습의 역할은 매우 크다고 할 수 있다. The solid polymer fuel cell uses a cation exchange membrane as an electrolyte. In order to cause a fuel cell reaction in the cation exchange membrane, supply of water is essential. This means that hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons by the catalyst at the anode, and the hydrogen ions move through the cation exchange membrane to the catalyst of the cathode, where the cathode reacts with oxygen and hydrogen ions in the air and electrons passing through the external conductor. At this time, the movement of hydrogen ions in the cation exchange membrane is related to the SO 3 H- group of the polymer material constituting the cation exchange membrane, and the amount of water in the cation exchange membrane is dependent on the amount of migration of these. Therefore, it can be said that the role of humidification that can maintain an appropriate amount of moisture in the cation exchange membrane for the performance of the solid polymer fuel cell is very large.
고분자 전해질형 연료전지를 구성하는 부분 중 분리판( 혹은 바이폴라 플레이트)은 막-전극 접합 구조체에 산화가스 및 냉각수 그리고 연료가스를 공급하고, 수소와 산소의 전기화학반응 이후 생성된 물을 배수하는 역할을 하며, 이때 생성되는 전자가 이동하는 통로 역할도 한다. 상기의 분리판은 연료기체 유로가 있는 애노드측 분리판과 산화가스 유로가 설계되어 있는 캐소드 분리판, 그리고 상기 두 분리판 사이로 냉각수가 흐르게 구성되어 있으며, 주로 금속(metal)이나 흑연(graphite)으로 제조된다. The separator (or bipolar plate) of the polymer electrolyte fuel cell supplies oxidizing gas, cooling water and fuel gas to the membrane-electrode junction structure, and drains water generated after the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. It also serves as a path through which the generated electrons move. The separator consists of an anode-side separator having a fuel gas flow path, a cathode separator designed with an oxidizing gas flow path, and coolant flows between the two separation plates, and mainly composed of metal or graphite. Are manufactured.
이러한 가습을 위한 종래기술을 도면 1a을 참조하여 살펴보면, 가습형 일체형 분리판(한국 공개특허 제 10-2006-0004269)으로써, 이는 분리판(100)에 가습부 일체형 연료전지 분리판은 연료전지 분리판에 있어서, 1장의 분리판(100) 내에는 연료전지부(110)와 막 가습부(130)가 형성되되, 연료전지부(110)에는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, 이하 MEA)가 놓이게 되고, 막 가습부(130)에는 반응기체 가습을 위한 이온 교환막을 포함하는 여러 종류의 가습용 막(150)이 형성된다. 막 가습부(130) 측에는 연료기체가 공급되는 연료기체 입구부(450)와, 냉각수가 배출되는 냉각수 출구부(550)와, 산화제가 배출되는 산화제 출구부(300)가 각각 배치되고, 연료전지부(110) 측에는 연료기체가 배출되는 연료기체 출구부(400)와, 냉각수가 공급되는 냉각수 입구부(500)와, 산화기체가 공급되는 산화제 입구부(350)가 각각 배치된다. 1장의 분리판에 연료전지부(110)와 막 가습부(130)를 동시에 구성하여, 캐소드에서 생성된 열과 수분을 가습용 막을 통하여 건조상태의 연료기체 입구부에 공급된다. 또한, 연료전지부와 가습부 사이에 분리벽을 설치하여 발생 되는 물이 연료전지부로 흘러들어가지 않게 설계하였다.Looking at the prior art for such a humidification with reference to Figure 1a, a humidified integrated separator (Korea Patent Publication No. 10-2006-0004269), which is a humidification unit integrated fuel cell separator in the
그러나, 스택 내부의 유로의 일부분을 가습부로 구분하여 사용하므로, 연료가스와 막-전극 접합체의 접합 면적이 줄어들고, 상대적으로 횡축이 긴 분리판 제작이 필요하다. 또한 별도의 가습용 막이 필요하므로, 연료부의 전해질막 면적과 더불어 제조해야 하는 막의 총 면적이 증가하게 되어 연료전지의 효율 및 제작비용이 증가되는 문제점이 발생했다.However, since a part of the flow path inside the stack is divided into humidifying parts, a bonding area of the fuel gas and the membrane-electrode assembly is reduced, and a separator having a relatively long horizontal axis is required. In addition, since a separate humidification membrane is required, the total area of the membrane to be manufactured is increased along with the area of the electrolyte membrane of the fuel unit, thereby increasing the efficiency and manufacturing cost of the fuel cell.
또한, 도 1b를 참조하면, 한국 공개 제2003-0018078에서는 산소입구홀 및 출 구홀(253b,255b), 냉각수 입구홀 및 출구홀(253c,255c), 수소입구홀 및 출구홀(253a,255a), 그리고 배수홀(258), 미세관(257)로 이루어진 가습구조를 제공한다. 이를 통하여, 각 분리판의 냉각수 입구홀과 연료가스 입구홀에 다수의 미세관을 형성하여, 별도의 가습장치가 필요 없는 공간 절약형 연료저지 스택을 제공하고자 하였다. In addition, referring to FIG. 1B, in Korean Laid-Open Publication No. 2003-0018078, oxygen inlet and
그러나, 이러한 가습구조는 분리판의 연료가스와 냉각수 입구홀(253c)에 비해 미세관(257)이 지름이 너무 작아 유체의 흐름이 활발하게 일어날 수가 없어, 냉각수가 흘러들어가지 못하는 현상이 발생하여 가습 효율이 떨어지는 문제와, 입구쪽에서의 일시적인 수분의 공급으로 인해 수소의 충분한 가습이 이루어지지 않으며, 연료전지의 열 회수율이 낮은 문제점이 발생하였다. However, in this humidification structure, the diameter of the
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 냉각수 유로와 연료가스 유로 사이에 비대칭의 미세유로통로구조를 구비하여 별도의 가습장치 없이도 가습 효율을 극대화할 수 있으며, 연료전지 스택의 부피와 중량을 감소시킬 수 있는 연료전지의 스택구조를 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an asymmetric micro-channel passage structure between the cooling water flow path and the fuel gas flow path can maximize the humidification efficiency without a separate humidification device, fuel It is to provide a stack structure of a fuel cell that can reduce the volume and weight of the cell stack.
위와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 연료전지 스택구조는,냉각수를 입출시키는 냉각수유로; 상기 냉각수 유로에 균일한 간격으로 이격되어 형성되는 연료가스 유로; 상기 냉각수 유로에 형성된 제1연결홀과 상기 연료 가스 유로에 형성된 제2연결홀을 연결하는 미세유로통로;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above technical problem, the fuel cell stack structure according to the present invention, a cooling water channel for introducing the cooling water; A fuel gas flow path spaced apart from the cooling water flow path at uniform intervals; And a fine flow path connecting the first connection hole formed in the cooling water flow path and the second connection hole formed in the fuel gas flow path.
또한, 본 발명은 상기 미세유로통로는 상기 제1연결홀의 지름이 상기 제2연결홀의 지름보다 큰 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지스택구조를 제공하여 별도의 가습장치의 구성없이도 냉각수로를 통과하는 냉각수만으로 효율적인 가습이 이루어질 수 있도록 한다. In another aspect, the present invention provides a fuel cell stack structure characterized in that the diameter of the first passage hole is larger than the diameter of the second connection hole to pass through the cooling water passage without the configuration of a separate humidifier. Cooling water alone allows efficient humidification.
또한, 본 발명은 상기 냉각수 유로와 상기 연료가스 유로는 하나의 분리판에 형성되며, 상기 분리판의 상면에 형성되는 냉각수를 입출시키는 냉각수입구홀과 출구홀을 연결하는 다수의 냉각수 유로; 상기 분리판의 하면에 형성되는 연료가스를 입출시키는 연료가스 입구홀과 출구홀을 연결하는 다수의 연료가스 유로; 및 상기 냉각수 유로에 형성된 다수의 제1연결홀와 상기 연료가스 유로에 형성된 다수의 제2 연결홀를 연결하는 다수의 미세유로통로;를 포함하여 이루어지되, 상기 미세유로 통로는 상기 제1연결홀의 지름이 상기 제2연결홀의 지름보다 크게 이루어지는 것을 특징으로 하여 별도의 외부 가습부의 존재 없이도 냉각수 유로에서 미세유로통로를 통해 효율적인 가습이 이루어질 수 있도록 한다. .In addition, the present invention is the cooling water flow path and the fuel gas flow path is formed in one of the separation plate, a plurality of cooling water flow path connecting the cooling water inlet hole and the outlet hole for entering the cooling water formed on the upper surface of the separation plate; A plurality of fuel gas flow paths connecting the fuel gas inlet and outlet holes through which the fuel gas formed on the lower surface of the separation plate is introduced; And a plurality of micro passages connecting the plurality of first connection holes formed in the cooling water flow path and the plurality of second connection holes formed in the fuel gas flow path, wherein the micro flow paths have a diameter of the first connection hole. It is characterized in that the larger than the diameter of the second connection hole to enable efficient humidification through the micro-channel passage in the cooling water flow path without the presence of a separate external humidification. .
또한, 본 발명은 상기 냉각수 유로의 지름이 상기 연료가스 유로의 지름보다 큰 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택구조를 제공하여 냉각수의 흐름을 원활히 하여 가습 효율을 높일 수 있게 한다. In addition, the present invention provides a fuel cell stack structure characterized in that the diameter of the cooling water flow path is larger than the diameter of the fuel gas flow path to facilitate the flow of cooling water to increase the humidification efficiency.
또한, 본 발명은 상기 각각의 미세유로 통로 간의 간격이 균일한 간격의 비율로 배치되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택구조를 제공하여 연료전지의 규격이나 사용자의 의도에 따라 간격을 조절하여 냉각수의 흐름을 조절하여 가습의 정도를 조절할 수 있도록 한다. In addition, the present invention provides a fuel cell stack structure characterized in that the interval between each of the micro-channel passage is formed in a ratio of a uniform interval to adjust the interval according to the specification or user's intention of the fuel cell. By controlling the flow of cooling water to control the degree of humidification.
또한, 본 발명은 상기 미세유로통로가 하나 이상의 상기 냉각수 유로 및 상기 연료가스 유로에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택구조를 제공하여 냉각의 정도의 필요에 따라 미세유로통로를 별도의 채널에 더 형성하여 냉각효율을 조절할 수 있도록 한다. In addition, the present invention provides a stack structure of a fuel cell, characterized in that the micro-channel passage is formed in one or more of the cooling water passage and the fuel gas passage to provide a micro-channel passage in a separate channel according to the needs of the degree of cooling It can be further formed to control the cooling efficiency.
또한, 본 발명은 상기 제1연결부의 지름은 상기 냉각수 유로의 지름의 30~60% 이며, 상기 제2연결부의 지름은 연료가스 유로의 지름의 20~30% 인 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택구조를 제공하여 미세유로통로에 의해 냉각수가 연료가스유로에 공급될 수 있는 최적의 효과를 구현할 수 있도록 한다. In addition, in the present invention, the diameter of the first connector is 30 to 60% of the diameter of the cooling water flow path, and the diameter of the second connector is a fuel cell stack, characterized in that 20 to 30% of the diameter of the fuel gas flow path. By providing a structure, it is possible to realize the optimum effect that the cooling water can be supplied to the fuel gas flow path by the micro flow path.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration and operation of the present invention.
본 발명의 바람직한 일 실시예의 구성은 도 3을 통해 도시되는 연료전지의 스택구조에서 냉각수 유로(40)와 연료가스 유로(70)를 연결하는 비대칭 구조의 미세유로통로(55)를 마련하는 것이다. 상기 미세유로 통로(55)의 비대칭 구조란, 상기 냉각수 유로에 형성되는 제1연결홀(50)과 상기 연료가스 유로(70)에 형성되는 제2연결홀(60)의 지름의 크기가 서로 다름(보다 정확하게는 제1연결홀(50)의 지름이 제2연결홀(60)의 지름보다 큼)으로 인해서, 이 서로 다른 지름을 연결하는 미세유로통로가 한쪽으로 갈수록 좁아지는 원뿔 형의 형상을 갖게 되는 구조를 말한다. 이러한 구조를 가지게 되는 상기 미세유로통로(55)는 상기 냉각수 유로의 냉각수의 흐름을 원활하게 미세유로통로로 유입하고, 나아가 연료가스 유로에 노즐에 의해 분무되는 방식으로 냉각수가 분사될 수 있도록 한다.One preferred embodiment of the present invention is to provide a
도 2를 참조하여 상기 비대칭 구조의 미세유로통로가 적용되는 본 발명의 바람직한 실시예의 구성을 살펴보면, 도 2-(a)는 본 발명에 분리판의 냉각수 유로가 형성된 면의 평면단면도이고, 도 2-(b)는 상기 냉각수 유로가 형성된 이면의 연료가스 유로가 형성된 부분의 평면단면도이다.Looking at the configuration of a preferred embodiment of the present invention to which the micro-channel passage of the asymmetric structure is applied with reference to Figure 2, Figure 2- (a) is a planar cross-sectional view of the surface formed with a cooling water flow path of the separator plate, Figure 2 -(b) is a plan sectional view of the part in which the fuel gas flow path in which the cooling water flow path was formed was formed.
도 2-(a)를 참조하면, 상기 냉각수 유로가 형성된 분리판(1)의 상면은 냉각수 입구홀(10),냉각수 출구홀(11), 연료가스 입구홀(20), 연료가스 출구홀(21), 산화제가스 입구홀(30), 산화제가스 출구홀(31)이 형성되며, 상기 냉각수 입구홀(10)과 냉각수 출구홀(11)은 냉각수 유로(40)에 의해 연결되며, 특히 냉각수 유로는 다수의 채널(통로)로 이루어져 있다. 상기 냉각수 유로(40)의 하나의 채널(통로)에는 미세유로통로가 연결되는 제1연결홀(50)이 다수 형성되어 있다. Referring to FIG. 2- (a), the upper surface of the
도 2-(b)를 참조하면, 상기 냉각수 유로가 형성된 분리판의 이면에 형성된 연료가스 유로(70)를 도시한 그림으로, 상기 냉각수 유로가 형성된 분리판의 이면인바, 그 구성의 각각이 대응되는 구조로 이루어져 있으며, 다만, 연료가스입구홀(20)과 연료가스 출구홀(21)이 구불구불한 서펜타인(serpentine)형식으로 연료가스 유로(70)에 의해 연결되어 있으며, 상기 연료가스 유로 중 하나에는 이면의 제1연결홀(50)과 연결되는 제2연결홀(60)이 형성되어 미세유로통로(도 3-(a)의 55)가 상기 제1연결홀(50)과 제2연결홀(60)을 연결한다. Referring to Fig. 2- (b), it is a figure showing a fuel
이를 참조하여, 본 발명의 작용을 설명한다. With reference to this, the operation of the present invention will be described.
분리판의 상면과 그 이면에는 각각 냉각수 유로(40)와 연료가스 유로(70)가 다수 형성되어 있으며, 각각의 다수의 유로 중 하나의 대응되는 채널에는 냉각수 유로의 여러 채널 중 하나에는 제1연결홀(50)이 형성되며, 이와 대응되는 위치의 반대쪽 면의 연료가스 유로중 하나에는 제2연결홀(60)이 형성되어, 상기 제 1연결홀(50)과 제2연결홀(60)을 연결하는 미세유로통로가 형성된다. 이 경우 상기 제1연결홀과 제2연결홀은 지름의 크기가 제1연결홀(50)이 제2연결홀(60) 보다 크며, 따라서, 이 두 홀을 연결하는 미세유로 통로는 제1연결홀(50)쪽에서 제2연결홀(60)쪽으로 가는 통로의 지름의 단면이 점차 좁아지는 비대칭의 구조를 가지게 된다. 또한, 냉각수 유로의 지름은 연료가스 유로의 지름보다 2~3 배 정도 크게 형성한다. 이 경우 냉각수 유로를 흐르는 냉각수가 압력에 의해 제1연결홀을 쉽게 통과해 상대적으로 좁은 제 2연결홀을 지나면서 냉각수가 분무형식으로 분사되는 형태로 연료가스 유로를 가습하게 된다. A plurality of
도 3-(a)를 참조하여, 보다 구체적으로 설명하면, 냉각수 유로(40)와 서펜타인(serpentine) 모양의 연료가스 유로(70) 사이에 미세 유로 통로(55)를 형성한다. 이때, 상기 냉각수 유로(40) 쪽에 연결되는 미세 유로 통로(55)의 단면(제1연결홀(50))과 연료가스 유로 쪽에 연결된 미세 유로 통로의 단면(제2연결홀(60))의 지름의 크기를 비교하면, 제1연결홀(50)의 지름이 더 크게 형성되어, 전체적으로 연결되는 미세유로통로(55)의 모양은 원뿔형상처럼 비대칭적으로 설계되도록 한다. 이는 미세 유로 통로를 통한 냉각수의 흐름이 순간적으로 많이 연료가스 유로관으로 이동하는 것을 막기 위해서이며, 나아가 냉각수의 분무가 효율적으로 이루어지게 하기 위함이다.Referring to Figure 3 (a), in more detail, a
상기 냉각수 유로에서 미세유로통로로 연결된 단면(원모양)은 냉각수 유로관(40)의 지름의 30~60%를 유지함이 바람직하다. 또한, 반대편에 있는 연료가스유로와 연결되는 미세유로의 단면 지름은 연료가스 유로관(70) 지름의 23~30%로 설계함이 바람직하다. 본 발명에서는 냉각수 유로관의 폭이 연료 가스 유로관의 폭보다 2~3배 넓게 설계되어 있다. 냉각수가 흐를 때 미세 연결 통로의 지름이 너무 작으면, 상기 미세 통로 내부에서의 냉각수의 흐름이 관찰되지 않는 종래의 문제점을 극복하기 위한 것이다. The cross section (circular shape) connected to the fine flow path in the cooling water flow path preferably maintains 30 to 60% of the diameter of the cooling water
도 3-(b)의 경우에는 미세유로통로(55)의 간격을 균일하게 조정할 수 있음을 도시한 것이다. 이는 사용자의 의도나 연료전지의 냉각효율의 필요성에 따라 사용자가 조절할 수 있다. 이는 상기 미세유로통로(55)의 위치를 일정한 간격으로 설계할 수 있을 뿐 아니라, 냉각수 입구홀에 가깝도록 더 많은 비율로 미세 유로 통로를 형성할 수도 있다. 이는 냉각수가 상기 냉각수 유로 내부를 흐르면서, 점점 압력 구배가 감소하기 때문에, 동일하게 넓은 간격으로 미세 유로관을 설계했을 경우, 후반부 위치에 있는 미세 연결 통로에서는 연료가스 유로관으로 흘러 들어가는 냉각수의 흐름이 약해진다. 이와 비교하여, 비대칭 미세유로통로(converging channels)의 간격을 좁게 설정하면(미세 유로 통로의 위치가 냉각수 입구홀과 가깝게 설계), 넓은 간격으로 미세 유로 통로를 배치했을 때보다 냉각수의 유동량이 많 아진다. 그러나 설계하고자 하는 연료전지의 구조 및 특성에 따라 연결되는 미세 유로 통로의 간격 및 지름은 조절이 가능하다.In the case of Figure 3 (b) it is shown that the spacing of the
또한, 구동되는 연료전지의 스택 내부의 온도가 80~100℃로 유지되므로, 미세 연결 통로를 통해 분사되는 냉각수가 일부가 증기로 변환되고,이로 인해 연료가스의 습윤 효과는 증대된다. 수소와 산소의 전기화학반응에서 나오는 반응열로 냉각수가 일부 유체 흐름이 상기 미세 연결 유로를 통해 연료가스 유로로 들어갈 때, 기화되어 흐를 수 있기 때문이다.In addition, since the temperature inside the stack of the driven fuel cell is maintained at 80 to 100 ° C., some of the coolant injected through the micro connection passage is converted into steam, thereby increasing the wetting effect of the fuel gas. This is because the heat of reaction from the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen may cause the cooling water to vaporize when some fluid flow enters the fuel gas flow path through the micro-connected flow path.
도 4 및 5를 참조하면, 도 4는 미세유로통로의 형상을 원통형으로 균일한 형상으로 구성할 경우의 냉각수의 흐름과, 도 5는 본 발명에 따른 비대칭형의 미세유로통로의 형상을 구현하여 간격을 조절하는 경우의 냉각수의 흐름을 COMSOL 상의 이미지로 도시한 것이다.(상기 COMSOL은 다중 물리현상 해석이 가능한 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램임.)4 and 5, Figure 4 is the flow of the cooling water when the configuration of the micro-channel passage in a cylindrical uniform shape, Figure 5 implements the shape of the asymmetrical micro-channel according to the present invention The flow of coolant in the case of adjusting the interval is shown as an image on COMSOL. (The COMSOL is a computer simulation program capable of analyzing multiple physical phenomena.)
도 4-(a),(b)는 냉각수 유로와 연료가스 유로 사이에 연결된 미세 유로 통로의 입구와 출구 단면적인 동일한 경우의 COMSOL을 이용한 흐름(streamline) 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. 이 경우의 냉각수 유로와 연료가스 유로의 폭은 각각 2000 μm, 1000 μm이며, 미세 유로 통로의 입구(냉각수 유로와 연결된 부분)의 폭은 200 μm 이고,출구(연료가스 유로와 연결된 부분)의 폭도 200 μm 이다. 또한 도 4-(a)에서의 미세 유로 통로 간의 간격은 500μm 이고, 도 4-(b)에서의 미세 유로 통로 간의 간격은 2000 μm이다. 유체의 흐름 시뮬레이션 결과에서, 냉각수 유로에서 연료가스 유로로의 흐름이 거의 일어나지 않고 있다. 또한 냉각수 입구홀의 위치와의 근접성에 관계없이, 미세 유로 통로 내부에서 냉각수의 흐름의 변화가 거의 발견되지 않음을 볼 수 있다. 이는 냉각수의 흐름에 비해 미세 유로 통로의 폭이 좁아, 상기 미세 통로가 없는 경우와 동일한 효과를 보이며 흐르기 때문이다. 냉각수 유로와 연료가스 유로 내부의 흐름을 살펴봐도 흐르는 형태의 변화는 발견되지 않는다. 상기 COMSOL 시뮬레이션에 적용된 식은 하기와 같은 나비어 스톡스 방정식(Navier Stokes Equation)에 비압축성유체라는 조건을 적용하였다. 4 (a) and 4 (b) show streamline simulation results using COMSOL in the case where the inlet and outlet cross-sections of the microchannel passages connected between the coolant channel and the fuel gas channel are the same. In this case, the widths of the cooling water flow paths and the fuel gas flow paths are 2000 μm and 1000 μm, respectively. 200 μm. In addition, the space | interval between the microchannel passages in FIG. 4- (a) is 500 micrometers, and the space | interval between the microchannel passages in FIG. In the fluid flow simulation results, almost no flow from the cooling water flow path to the fuel gas flow path occurs. In addition, regardless of the proximity to the position of the coolant inlet hole, it can be seen that a change in the flow of the coolant is hardly found inside the microchannel passage. This is because the width of the microchannel passage is narrower than that of the cooling water and flows with the same effect as in the case where there is no micropath. Looking at the flow inside the coolant and fuel gas channels, there is no change in the flow pattern. The equation applied to the COMSOL simulation was applied to the condition of incompressible fluid in the Navier Stokes Equation as follows.
도 5-(a),(b)에서 보여지는 바와 같이, COMSOL 시뮬레이션 상에서, 미세 유로 통로의 입구(제1연결홀)의 폭을 200 μm 에서 1000 μm으로 늘리면, 냉각수 입구홀 쪽에서 가까울 수록 냉각수의 연료가스에로의 흐름 현상이 쉽게 관찰된다.도 5-(a) 는 미세 유로 통로 간의 간격이 좁은 경우(500 μm)의 유속을 보여주고, 도 5-(b)는 간격이 넓은 경우 (2000 μm)의 유속을 나타낸다. 상기 두 도면에서 보여지 듯, 미세 유로 통로의 위치가 냉각수 입구홀 쪽에 가까울수록, 냉각수가 연료가스 유로관으로 이동하는 흐름이 많이 관찰된다. 이는 연료가스를 통한 막-전극 접합체(MEA)의 막의 가습화를 높이게 된다. 도 4의 경우와 달리, 냉각수의 미세 유로 통로 흐름의 영향에 의해, 냉각수 유로 내부와 연료가스 유로의 내부의 흐름의 형태 변화가 관찰된다. 즉 도 4의 경우에 비해 상대적으로 많은 흐름이 연료가스 유 로관으로 흐르고 있음을 보여주고 있다. As shown in FIGS. 5- (a) and (b), in the COMSOL simulation, when the width of the inlet (first connection hole) of the micro flow path is increased from 200 μm to 1000 μm, the closer to the coolant inlet hole, The flow phenomenon to the fuel gas is easily observed. FIG. 5- (a) shows the flow rate when the gap between the microchannel passages is narrow (500 μm), and FIG. 5- (b) shows the gap when the gap is wide (2000). μm). As shown in the above two figures, the closer the position of the fine flow path is closer to the cooling water inlet hole, the more the flow of the cooling water to the fuel gas flow path is observed. This increases the humidification of the membrane of the membrane-electrode assembly (MEA) through the fuel gas. Unlike the case of FIG. 4, the change in the shape of the flow inside the cooling water flow path and the fuel gas flow path is observed by the influence of the flow path of the fine flow path of the cooling water. That is, as shown in FIG. 4, more flows are flowing into the fuel gas flow pipe.
하기의 표-1은 도 4-(a),(b) 및 도 5-(a),(b)의 4가지 실시 예의 각 위치(①, ②, ③) 에서의 유속을 측정한 데이터이다. 결과에서, 도 5 실시 예가 도 4 실시보다 더 빠른 유속을 보이고 있다. 이는 흐르는 유량도 더 많다는 것을 의미한다. 특히, 도 5-(a)의 경우가 최적의 경우임을 알 수 있다. 결국 비대칭 구조의 미세 유로 통로(converging channels)가 냉각수와 연료가스의 초기 유속이 동일할 때, 더 충분히 가습할 수 있다.Table 1 below shows the data for measuring the flow velocity at each position (①, ②, ③) of the four embodiments of FIGS. 4- (a), (b) and 5- (a), (b). In the results, the FIG. 5 embodiment shows a faster flow rate than the FIG. 4 embodiment. This means that there is more flowing flow. In particular, it can be seen that the case of Figure 5 (a) is the optimal case. As a result, asymmetric microconverging channels can be more humidified when the initial flow rates of cooling water and fuel gas are the same.
상술한 본 발명의 구조에 따른 작용상의 효과를 종합하여 보면, 연료가스에서 발생되는 수소 이온의 이동을 원활하게 하고 막-전극 접합 구조체의 막(membrane)의 가습화를 위해, 별도의 가습장치나 내부에 일체형의 가습부를 제작하여 그 기능을 수행하는 기존의 구조와는 달리, 냉각수의 유로에서 직접적으로 연료가스 유로로 이동시켜, 막-전극 접합체의 막(membrane)을 균일하고 지속적인 가습 상태가 되게 한다. 따라서, 연료전지 스택(stack)의 부피 및 중량을 감소시키고 제작 비용이 절감되는 장점을 구현할 수 있다.In view of the above-described effects of the structure of the present invention, in order to facilitate the movement of hydrogen ions generated in the fuel gas and to humidify the membrane of the membrane-electrode junction structure, a separate humidifier or Unlike the existing structure in which an integral humidification part is built and performs its function, it moves directly from the flow path of the cooling water to the fuel gas flow path, so that the membrane of the membrane-electrode assembly is uniformly and continuously humidified. do. Therefore, it is possible to implement the advantage of reducing the volume and weight of the fuel cell stack and reducing the manufacturing cost.
나아가, 기존의 냉각수 및 연료가스 입구홀(매니폴드)에서의 균일한 크기의 미세 유로를 통한 흐름에서는 매니폴드에 비해 매우 작은 지름을 가지는 미세 유로 때문에 균일한 흐름을 흘려 보내기도 어렵지만, 본 발명에서는 냉각수 유로와 비교할 만한 지름을 가지는 미세 유로 통로가 상기 냉각수 유로와 연결되어 있고, 상기 미세 유로 통로의 반대편인 연료가스의 연결 부위에는 상기 냉각수 유로와 연결된 부분보다 작은 폭을 가지는 유로 말단을 형성하고 있다. 이는 기존의 미세 유로 통로에 비해 연료가스 유로로 이동하는 냉각수의 흐름을 원활하게 하여 가습의 효율을 높일 수 있다. (이러한 비대칭 구조의 미세 유로 (converging channels)는 추구하는 연료전지의 스택에 따라, 그 비율을 조절할 수 있다.또한 냉각수가 흐를 수 있는 최적의 미세 유로 통로 비율을 확보하였다.) 또한, 분리판 내부의 냉각수가 미세 유로 통로를 통하여 연료 가스 유로로 흘러들어갈 때, 수소와 산소의 전기화학반응에서 발생 된 열 (80~100℃)에 의해 기화가 되어 냉각수의 연료 가스 유로 내에서의 흐름도 빨라져 막의 가습 효과를 높이도록 할 수 있다.Furthermore, in the flow through the microchannel of uniform size in the existing cooling water and fuel gas inlet hole (manifold), it is difficult to flow the uniform flow due to the microchannel having a very small diameter compared to the manifold. A fine flow passage having a diameter comparable to that of the cooling water flow passage is connected to the cooling water flow passage, and an end portion of the flow passage having a smaller width than the portion connected to the cooling water flow passage is formed at a connection portion of the fuel gas opposite to the cooling flow passage. . This can increase the efficiency of humidification by smoothly flowing the cooling water flowing to the fuel gas flow path as compared to the existing micro-channel passage. (These asymmetrical converging channels can be adjusted according to the stack of fuel cells to be sought. Also, the optimum ratio of microchannel passages through which coolant can flow is obtained.) When the coolant flows into the fuel gas flow path through the micro-channel passage, it is vaporized by the heat (80-100 ° C) generated by the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen, and the flow of the coolant in the fuel gas flow path is accelerated, so that the membrane is humidified. You can increase the effect.
전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.In the detailed description of the invention as described above, specific embodiments have been described. However, various modifications are possible within the scope of the present invention without departing from the scope of the present invention. The technical idea of the present invention should not be limited to the described embodiments of the present invention, and the claims are equivalent to the claims. It must be decided by things.
본 발명에 따르면, 냉각수 유로와 연료가스 유로 사이에 비대칭의 미세유로통로구조를 구비하여 별도의 가습장치 없이도 가습 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, an asymmetric microchannel passage structure is provided between the cooling water channel and the fuel gas channel to maximize the humidification efficiency without a separate humidifier.
또한, 비대칭의 미세유로통로만으로 가습을 구현하여 연료전지 스택의 부피와 중량을 감소시킬 수 있는 효과도 있다. In addition, it is also possible to reduce the volume and weight of the fuel cell stack by implementing the humidification only by the asymmetrical micro-channel passage.
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