KR20090041798A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지의 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a stack of fuel cells.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기 에너지를 생성하는 장치이다. 상기 연료전지는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly;MEA)가 사용된다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소이온(H+)이 전달되는 전해질막(electrolyte membrane)을 사이에 두고 그 양측으로 수소가 공급되는 연료극(anode)과 공기가 공급되는 공기극(cathode)이 배치되어 형성된다. 그리고 상기 MEA의 양측에는 연료유로와 공기유로를 갖는 복수 개의 분리판(bipolar plate)이 각각 배치되어 단위셀(unit cell)을 형성하고, 그 단위셀이 순차적으로 적층되어 스택(stack)을 이루게 된다. In general, a fuel cell is a device that generates electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell uses a membrane electrode assembly (MEA). The membrane-electrode assembly is formed by placing an anode in which hydrogen is supplied to both sides and an anode in which air is supplied, with an electrolyte membrane through which hydrogen ions (H +) are transferred therebetween. A plurality of bipolar plates each having a fuel flow path and an air flow path are disposed on both sides of the MEA to form a unit cell, and the unit cells are sequentially stacked to form a stack. .
상기 스택은 그 출력 전압의 크기에 따라 성능을 평가할 수 있고, 상기 스택의 출력 전압은 각 단위셀의 출력 전압을 합산하여 산출되며, 상기 단위셀의 출력 전압은 서로 대응되는 분리판 사이의 압력 균일도에 따른 접촉밀도에 많은 영향을 받는다. 예컨대, 상기 분리판의 접촉밀도가 낮은 경우에는 전류가 흐르지 않게 되는 반면 상기 분리판의 접촉밀도가 높은 경우에는 가스확산층이 과도하게 압축되어 가스확산이 효율적으로 일어나지 않을 수 있다. 따라서 상기 스택의 출력 전압을 높이기 위해서는 각 단위셀을 이루는 분리판 사이의 접촉밀도를 높이는 것이 무엇보다 중요할 수 있다.The stack can evaluate the performance according to the magnitude of the output voltage, the output voltage of the stack is calculated by summing the output voltage of each unit cell, the output voltage of the unit cell is the pressure uniformity between the corresponding separation plate It is greatly affected by the contact density. For example, when the contact density of the separator is low, no current flows, whereas when the contact density of the separator is high, the gas diffusion layer may be excessively compressed and gas diffusion may not occur efficiently. Therefore, in order to increase the output voltage of the stack, it may be important to increase the contact density between the separators constituting each unit cell.
상기 분리판은 탄소섬유 복합 재료로 된 평판모양으로 형성되고, 그 분리판들의 가장자리 사이에 연료 또는 공기의 누설을 방지하는 사각링 모양의 가스켓이 개재되며, 상기 분리판들의 양측 바깥쪽에는 상기 스택을 지지하도록 평판모양의 하우징 플레이트가 배치되고, 그 하우징 플레이트(housing plate)들의 모서리를 복수 개의 고정봉과 너트로 조여 상기 분리판들을 접촉시켜 상기 단위셀들을 적층하는 것이었다.The separator is formed in the shape of a flat plate made of a carbon fiber composite material, and a rectangular ring-shaped gasket is interposed between edges of the separators to prevent leakage of fuel or air. A flat housing plate is disposed to support the plurality of housing plates, and the edges of the housing plates are tightened with a plurality of fixing rods and nuts to contact the separators to stack the unit cells.
그러나, 종래의 연료전지에 있어서는, 상기 단위셀들을 적층하는 과정에서 상기 가스켓의 경도와 같은 재료적 특성 또는 가공상의 원인으로 인한 불균일한 조도 등으로 인해 그 가스켓과 분리판 사이의 접촉밀도가 낮아질 수 있고 이에 따라 연료 또는 공기의 누설이 발생되어 상기 스택의 성능이 저하될 수 있다. 또, 상기 단위셀들을 적층할 때 상기 단위셀들 사이에 개재되는 가스켓의 특성을 고려하여 체결압을 결정하여야 하므로 그만큼 조립공정이 복잡하게 되는 문제점도 있었다.However, in the conventional fuel cell, the contact density between the gasket and the separator may be lowered due to uneven roughness due to material properties such as hardness of the gasket or processing causes during stacking of the unit cells. As a result, leakage of fuel or air may occur, thereby degrading the performance of the stack. In addition, since the fastening pressure should be determined in consideration of the characteristics of the gasket interposed between the unit cells when the unit cells are stacked, the assembly process is complicated.
본 발명은 상기와 같은 목적을 종래 연료전지가 가지는 문제점을 해결한 것으로, 상기 단위셀들을 적층할 때 분리판들 사이의 실링력을 높이면서도 조립공정을 간소화할 수 있는 연료전지를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.The present invention solves the problems of the conventional fuel cell as described above, to provide a fuel cell that can simplify the assembly process while increasing the sealing force between the separation plate when the unit cells are stacked. There is a purpose.
본 발명의 목적을 해결하기 위하여, 막 형상으로 형성되는 전해질과, 그 전해질의 양측면에 전극이 각각 부착되는 전해질과 전해질막; 및 상기 전해질막의 양측에 배치되어 적층되고, 그 전해질막에 대향되는 면에 유로가 각각 형성되어 수소와 산소가 공급되는 복수 개의 분리판;를 포함하고, 상기 분리판는 그 분리판가 서로 대응되는 면에 액상실링재를 주입할 수 있는 실링홈이 형성되어 이루어지는 연료전지가 제공된다.In order to solve the object of the present invention, an electrolyte formed in a membrane shape, the electrolyte and the electrolyte membrane is attached to the electrode on both sides of the electrolyte; And a plurality of separator plates disposed on both sides of the electrolyte membrane and stacked on opposite sides of the electrolyte membrane, and each of which has a flow path formed thereon to supply hydrogen and oxygen. Provided is a fuel cell in which a sealing groove for injecting a liquid sealing material is formed.
본 발명에 의한 연료전지는, 상기 분리판과 전해질막(또는 분리판)이 접하는 부위에 실링홈을 형성하고 그 실링홈에 상기 액상실링재를 주입, 경화시켜 상기 분리판 사이를 실링하도록 함으로써, 상기 분리판 사이의 틈새를 효과적으로 방지할 수 있고 조립공정을 간소화할 수 있다.In the fuel cell according to the present invention, a sealing groove is formed at a portion where the separator plate and the electrolyte membrane (or separator plate) come into contact with each other, and the liquid sealing material is injected and cured into the sealing groove to seal between the separator plates. The gap between the separators can be effectively prevented and the assembly process can be simplified.
이하, 본 발명에 의한 연료전지를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to an embodiment shown in the accompanying drawings.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지는, 탄화수소 계열의 연료에서 수소를 개질하는 개질기(100)와, 상기 개질기(100)에 연결되어 수소가 공급되는 연료극과 산소가 공급되는 공기극을 가지는 복수 개의 단위셀들(210)이 적층되어 전기와 열을 생산하는 스택(200)과, 상기 스택(200)에 연결되어 전기를 변환하는 전력변환기(300)와, 상기 스택(200)에 열교환 가능하게 연결되어 난방/온수를 발생하는 가정용 난방시스템(400)을 포함한다.As shown in FIG. 1, the fuel cell according to the present invention includes a
상기 스택(200)은 도 2에서와 같이 상기 복수 개의 단위셀(210)이 순차적으로 적층되고, 상기 단위셀들(210)의 양측 끝단에는 그 단위셀들(210)의 적층상태를 지지하는 지지판(220)이 각각 배치되며, 상기 단위셀들(210)을 관통하거나 또는 상기 지지판(220)의 모서리에는 복수 개의 고정봉(231)과 너트(232)로 조여 조립된다.In the
상기 단위셀들(210)은 도 3에 서와 같이 막 형상으로 형성된 전해질(211a)의 양쪽 면에 각각 전극(211b)(211c)이 배치되는 전해질막(211)과, 그 전해질막(211)의 일측에 배치되어 연료유로(212a)가 형성되는 연료극측 분리판(212)과, 상기 전해질막(211)의 타측에 배치되어 공기유로(213a)가 형성되는 공기극측 분리판(213)으로 이루어진다. As shown in FIG. 3, the
상기 전해질막(211)은 사각모양으로 형성되고, 그 전해질(211a)의 넓이가 양쪽 전극(211b)(211c)의 넓이보다 넓게 형성된다. 즉, 상기 전해질(211a)의 중앙부위에 상기 전극(211b)(211c)이 부착되어 상기 전해질(211a)의 가장자리는 상기 양쪽 분리판(212)(213) 사이에 끼워져 고정된다. 상기 전해질(211a)의 넓이는 통상 분리판(212)(213)의 넓이와 동일하게 형성되고, 상기 전극(211b)(211c)의 넓이는 후술할 양쪽 분리판(212)(213)의 연료유로(212e) 또는 공기유로(212f)의 넓이와 대략 동일하거나 약간 넓게 형성된다.The
상기 분리판(212)은 도 4에서와 같이 사각모양으로 형성되고, 그 상측 테두리면에는 연료입구(212a)와 공기출구(212d)가 높이방향으로 관통 형성되는 반면 그 하측 테두리면에는 연료출구(212c)와 공기입구(212d)가 높이방향으로 관통 형성된다. 그리고 상기 분리판(212)의 일측면 중앙부위에는 상기 연료입구(212a)와 연료출구(212c)가 연통되어 연료가 확산되면서 통과하는 연료유로(212e)가 형성되고, 상기 분리판(212)의 타측면 중앙부위에는 상기 공기입구(212b)와 공기출구(212d)가 연통되어 공기가 확산되면서 통과하도록 공기유로(212f)가 형성된다. 상기 연료유로(212e)와 공기유로(212f)는 소정의 깊이로 단차지게 형성된다.The
그리고 상기 분리판(212)의 가장자리, 즉 상기 연료유로(212e)와 공기유로(212f)의 바깥쪽에는 상기 분리판(212)을 적층할 때 그 사이에 개재되어 연료 또는 공기의 누설을 차단하는 액상실링재(240)가 삽입될 수 있도록 실링홈(212g)이 형성된다. 상기 실링홈(212g)은 도 4에서와 같이 전체 연료유로(212e)(212f) 또는 공기유로(21f)를 감쌀 수 있도록 폐회로 모양으로 형성될 수도 있으나, 경우에 따라서는 복수 개로 나뉘어져 형성될 수도 있다. 이 경우 각 실링홈 사이는 연료 또는 공기가 누설되는 것을 최소한으로 줄일 수 있도록 가급적 간격이 최소한으로 작게 형성될 수 있도록 하는 것이 중요하다.When the
그리고 상기 실링홈(212g)은 그 주입구가 상기 분리판(212)의 테두리면으로 관통 형성되는 것이 액상실링재(240)를 주입하는데 바람직할 수 있다. 예컨대, 도 3 또는 도 4에서와 같이 상기 분리판(212)이 사각판 모양인 경우에는 그 각 테두리면에 상기 주입구가 각각 관통되어 형성되도록 할 수 있다. 그리고 상기 실링홈(212g)은 그 일단은 주입구가 관통 형성되는 반면 그 타단은 테두리면으로 관통되지 않도록 하는 것이 액상실링재(240)의 주입시 누설을 방지할 수 있다. 그리고 상기 실링홈(212g)의 단면적은 동일하게 형성하여 실링효과를 균일하게 하는 것이 바람직할 수 있다.In addition, the
상기 액상실링재(240)는 경화후 고온에 강하고 탄성을 가지며 접착성이 있는 재질로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이를 위해, 폴리설파이드, 실리콘, 폴리우레탄 등의 액상고무에 광물질 충진재나 가소제 등을 균일하게 혼입한 것을 사용할 수 있다. The
도면중 213f는 공기유로, 213g는 실링홈이다.In the figure, 213f is an air flow path, and 213g is a sealing groove.
본 발명에 의한 연료전지는 다음과 같은 작용 효과가 있다.The fuel cell according to the present invention has the following effects.
즉, 상기 개질기(100)에서 수소가 정제되어 상기 스택(200)의 연료극측 분리판(212)의 연료유로(212e)로 공급되는 동시에 외부의 공기가 상기 스택(200)의 공기극측 분리판(213)의 공기유로(213f)로 공급되고, 상기 수소에서 분리되는 전자가 상기 전해질막(211)을 통과하여 산소와 반응하면서 전기를 발생시키게 된다.That is, the hydrogen is purified in the
이때, 상기 연료유로(212e)와 공기유로(212f)가 형성되는 양쪽 분리판(212)(213)들 사이가 긴밀하게 밀착되지 못하고 틈새가 발생되는 경우에는 상기 스택의 성능이 급격하게 저하될 수 있으므로 상기 양쪽 분리판과 이에 접하는 전해 질막의 사이에는 실링재를 개재하여야 한다. At this time, when the fuel flow path (212e) and the air separation passage (212f) is formed between the two separation plates (212, 213) are not in close contact with the gap is generated, the performance of the stack can be sharply degraded. Therefore, a sealing material should be interposed between the two separators and the electrolyte membrane in contact with the separator.
이를 위해, 본 발명에서는 도 3 및 도 4에서와 같이 상기 분리판과 전해질막(또는 분리판)이 접하는 부위에 실링홈(212g,213g)을 형성하고 그 실링홈(212g,213g)에 상기 액상실링재(240)를 주입, 경화시켜 상기 분리판(212)(213) 사이를 실링하도록 함으로써, 판상실링재의 재료적 특성이나 가공특성에 의해 발생될 수 있는 분리판 사이의 틈새를 미연에 방지할 수 있다. 또, 상기 액상실링재(240)를 주입하는 공정이 상기 분리판(212)(213)의 적층후 주입함에 따라 실링재의 특성에 관계없이 상기 고정봉의 체결강도를 결정할 수 있어 그만큼 조립공정을 간소화할 수 있다.To this end, in the present invention, as shown in Figs. 3 and 4 to form a sealing groove (212g, 213g) in the contact area with the separator plate and the electrolyte membrane (or separator plate) and the liquid in the sealing groove (212g, 213g) By injecting and curing the sealing
한편, 본 발명에 의한 연료전지의 단위셀을 적층방법은 다음과 같다.Meanwhile, a method of stacking unit cells of a fuel cell according to the present invention is as follows.
도 5에서와 같이, 상기 복수 개의 단위셀들(210)을 적층하고, 그 적층된 단위셀들(210)의 양쪽 바깥쪽에 복수 개의 지지판들(220)을 각각 배치하며, 상기 양쪽 지지판들(220)과 단위셀들(210)을 관통하는 복수 개의 고정봉들(251)과 그 고정봉들(251)에 체결되는 복수 개의 너트들(252)로 조여 상기 스택을 구성할 수 있다.As shown in FIG. 5, the plurality of
또, 도 6에서와 같이, 상기 복수 개의 단위셀들(210)을 적층할 때, 그 단위셀(210)들의 대향면, 또는 상기 분리판(212)(213)들 사이의 대향면에 각각 고정홈(215)과 고정돌기(216)를 형성하여 상호 결합되도록 할 수 있다. 예컨대, 상기 단위셀(또는, 분리판)(210)의 일측면에 횡방향(또는, 종방향)으로 길게 고정홈(215)을 형성하고, 그에 대응되는 단위셀(또는, 분리판)(210)에 상기 고정홈과 대응되도록 고정돌기(216)를 형성한다. 여기서, 상기 고정홈(215)과 고정돌기(216) 는 상호 이격되지 않도록 상기 단위셀(또는,분리판)(210)의 두께방향으로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 분리판을 서로 적층하여 단위셀을 형성하거나 또는 상기 단위셀들을 서로 적층하여 스택을 형성할 때 상기 고정돌기가 고정홈으로 미끄러져 삽입되도록 함으로써 별도의 고정봉이나 고정너트를 사용하지 않고도 용이하게 적층시킬 수 있다. In addition, as shown in FIG. 6, when the plurality of
본 발명은 가정용 연료전지에 대해 살펴보았으나 자동차 등 다른 분야에도 동일하게 적용할 수 있다.Although the present invention has been described with respect to the domestic fuel cell, it can be equally applied to other fields such as automobiles.
도 1은 본 발명 연료전지의 계통도,1 is a system diagram of a fuel cell of the present invention;
도 2는 도 1에 따른 스택을 보인 조립사시도,Figure 2 is an assembled perspective view showing a stack according to Figure 1,
도 3은 도 1에 따른 스택을 보인 분해사시도,3 is an exploded perspective view showing a stack according to FIG. 1, FIG.
도 4는 도 1에 따른 분리판의 평면도,4 is a plan view of the separator according to FIG.
도 5 및 도 6은 도 1에 따른 연료전지에서 단위셀을 적층하는 실시예를 각각 보인 사시도.5 and 6 are respectively a perspective view showing an embodiment of stacking the unit cells in the fuel cell according to FIG.
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