KR20100022362A - A fuel cell with insulated manifold - Google Patents

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KR20100022362A
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이재근
정성일
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A fuel cell including insulated coolant manifold is provided to prevent the attach of a cation and an electron from cooling water flowing inside a fuel cell stack and to reduce manufacturing costs by simplifying the structure of the fuel cell. CONSTITUTION: A fuel cell including insulated coolant manifold comprises: a fuel cell stack(20) transferring electricity generated from a film-electrode assembly through a separator(24); a fuel supply device supplying reactive gas to the fuel cell stack; and a cooling device to absorb the heat generated from the fuel cell stack. The cooling device comprises the following: a cooling water tank; a pump supplying cooling water to the inside of the fuel cell stack; a cooling water manifold(72) with an electrically insulated inner part flowing the cooling water to the inside of the separator while connected to a cooling water pipe(70); an un-insulated cooling water channel(74) absorbing the heat from the separator while connected to the cooling water manifold; and a heat exchanger receiving the heat absorbed by the cooling water while installed on the cooling water pipe.

Description

절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지{A fuel cell with insulated manifold}A fuel cell with insulated manifold

본 발명은 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지 스택에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 연료전지 스택의 구조상 실제로 전위차가 발생하여 냉각수로 양이온과 전자가 유입되게 되는 분리판 상하단부에 형성되는 냉각수 다지관을 절연처리함으로써 연료전지 스택의 내부를 유동하게 되는 냉각수에 대한 양이온과 전자의 부착이 방지되도록 하는 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack having an insulated cooling water manifold. The present invention relates to a fuel cell stack having an insulated coolant manifold that prevents adhesion of cations and electrons to the coolant that flows inside the fuel cell stack by insulating the branch pipe.

연료전지(fuel cell)는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 에너지 전환 장치로써 일반 배터리와는 달리, 연료 전지는 재충전이 필요 없이 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어 낼 수 있는 발전 시스템으로서, 천연가스/가솔린/메탄올 등의 연료로부터 추출되는 수소와, 공기를 통해 공급되는 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기에너지를 얻게 된다.A fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy of a fuel directly into electrical energy by a chemical reaction. Unlike a general battery, a fuel cell generates electricity as long as fuel is supplied without recharging. As a power generation system, electric energy is obtained through an electrochemical reaction of hydrogen extracted from fuel such as natural gas / gasoline / methanol and oxygen supplied through air.

이와 같은 연료전지는 일반적으로 도 1과 같이 연료전지 스택, 연료공급장치, 냉각장치를 포함하는 구성으로 이루어지는데, 연료전지 스택(stack)은 도 2의 (a)에서와 같이 막-전극 접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)의 형태로 구성된 다수개의 연료전지 셀(cell) 사이에 분리판(separator: 양극판(biopolar plate)로 지칭되기도 함)을 설치하여 상기 막-전극 접합체로부터 발생된 전기가 상기 분리판을 통해 전달되도록 하고, 연료전지 스택의 양단부에 엔드 플레이트(end plate)를 설치하여 엔드 플레이트를 체결구나 공기압으로 가압함으로써 연료전지 스택의 전체구성요소가 일체로 체결되도록 한다. 여기서, 막-전극 접합체는 수소가 공급되어 산화반응하게 되는 산화전극(anode)과 산소가 공급되어 환원반응하게 되는 환원전극(cathode), 수소/산소가 각각의 산화전극/환원전극으로 원활하게 확산되도록 하는 가스확산층 및 상기 산화전극과 환원전극 사이에 위치되는 전해질막을 포함하는 구성으로 이루어진다.Such a fuel cell generally comprises a configuration including a fuel cell stack, a fuel supply device, and a cooling device as shown in FIG. 1. The fuel cell stack includes a membrane-electrode assembly as shown in FIG. The electricity generated from the membrane-electrode assembly is installed by installing a separator (also referred to as a biopolar plate) between a plurality of fuel cell cells configured in the form of MEA: Membrane-Electrode Assembly. It is transmitted through the separation plate, and end plates (end plates) are installed at both ends of the fuel cell stack to fasten the end plate or pressurize the air pressure so that all the components of the fuel cell stack are integrally fastened. Herein, the membrane-electrode assembly smoothly diffuses an anode (anode) through which hydrogen is supplied and is oxidized, a cathode (cathode) through which oxygen is reduced, and hydrogen / oxygen to each anode / reduction electrode. It is made of a configuration including a gas diffusion layer and an electrolyte membrane positioned between the anode and the reduction electrode.

그리고, 분리판은 서로 이웃하는 연료전지 셀의 산화전극과 환원전극이 각각 접촉하게 되는데, 분리판의 일측에는 산화전극으로 수소를 공급하기 위한 수소 채널이 형성되고, 분리판의 타측에는 환원전극으로 산소를 공급하기 위한 산소 채널이 형성된다. 이와 같은 분리판의 수소 채널과 산소 채널로 수소와 산소를 공급하기 위한 장치가 연료공급장치이다.In addition, the separator is in contact with the anode and the cathode of the neighboring fuel cell cells, each side of the separator is formed with a hydrogen channel for supplying hydrogen to the anode, the other side of the separator as a cathode An oxygen channel is formed for supplying oxygen. A device for supplying hydrogen and oxygen to the hydrogen channel and the oxygen channel of the separator is a fuel supply device.

한편, 분리판은 수소와 산소의 산화-환원반응시 발생되는 반응열도 전달받게 되는데, 이와 같은 반응열에 의한 연료전지 스택의 온도상승을 방지하기 위하여 분 리판을 냉각시키는 장치가 냉각장치이다.On the other hand, the separation plate also receives the reaction heat generated during the oxidation-reduction reaction of hydrogen and oxygen, the cooling device is a device for cooling the separation plate in order to prevent the temperature rise of the fuel cell stack by the reaction heat.

이와 같이 연료공급장치는 연료전지 스택으로 수소/산소와 같은 반응기체를 공급하기 위한 장치로서, 연료탱크, 펌프, 개질기를 통해 연료전지 스택으로 수소를 공급하게 되고, 외부로부터 공기를 유입시키는 펌프를 통해 연료전지 스택으로 산소를 공급하게 된다.As such, the fuel supply device is a device for supplying a reactor such as hydrogen / oxygen to the fuel cell stack. The fuel supply device supplies hydrogen to the fuel cell stack through a fuel tank, a pump and a reformer, and introduces a pump that introduces air from the outside. Oxygen is supplied to the fuel cell stack.

그리고, 냉각장치는 연료전지 스택에서 발생되는 열을 흡수하기 위한 장치로서, 냉각수 탱크, 펌프, 냉각수 다지관, 냉각수 채널, 열교환기로 이루어진다.The cooling device is a device for absorbing heat generated from the fuel cell stack and includes a cooling water tank, a pump, a cooling water manifold, a cooling water channel, and a heat exchanger.

여기서, 냉각수 다지관은 연료전지 스택을 이루는 다수개의 분리판 상하단부를 각각 관통하여 형성되는 것으로 냉각수 관로와 연결되어 냉각수를 분리판 내부에 유출입시키는 통로이고, 냉각수 채널은 분리판 내부에 분리판의 상하부을 가로지르며 형성되는 것으로 냉각수 다지관과 연통되어 냉각수를 공급받아 분리판으로 전달되는 열을 흡수하는 통로이다.Here, the cooling water manifold is formed through each of the upper and lower ends of the plurality of separator plates constituting the fuel cell stack, and is connected to the cooling water pipe to allow the coolant to flow into and out of the separator plate. It is formed to traverse and communicates with the cooling water manifold, and receives the cooling water to absorb the heat transferred to the separator plate.

상기와 같이 냉각장치를 포함하는 연료전지와 관련된 기술로는 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0599715호 "연료전지 시스템, 스택, 및 세퍼레이터", 등록번호 제10-0820519호 "연료전지 스택 냉각장치", 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0005139호 "연료전지 스택용 분리판" 등이 현재 안출되어 있다.As a technology related to a fuel cell including a cooling device as described above, Republic of Korea Patent Publication No. 10-0599715 "Fuel cell system, stack, and separator", Registration No. 10-0820519 "Fuel cell stack cooling device ", Published Patent Publication No. 10-2004-0005139," Separation plate for fuel cell stack "and the like have been devised.

그런데, 상기 "연료전지 시스템, 스택, 및 세퍼레이터"와 상기 "연료전지 스택 냉각장치"에서는 연료전지 스택의 내부에 형성되는 냉각수 다지관 및 냉각수 채 널이 전기적으로 절연되지 않아 분리판을 통해 이동하는 전자가 냉각수에 부착되거나, 막-전극 접합체에서 형성된 양이온이 냉각수에 부착되는 현상이 발생하였다.However, in the “fuel cell system, the stack, and the separator” and the “fuel cell stack cooling device”, the coolant manifold and the coolant channel formed inside the fuel cell stack are not electrically insulated, and move through the separator plate. Electrons were attached to the cooling water, or cations formed in the membrane-electrode assembly were attached to the cooling water.

상기와 같이 냉각수에 이온이 부착되면 통전현상이 발생하여 연료전지 스택이 단락(short)되거나, 막-전극 접합체에서 발생된 전기를 냉각수로 흐르게 되며 연료전지의 발전효율이 낮아지므로, 냉각수로부터 이온을 제거하기 위한 이온제거기가 연료전지를 이루는 냉각장치에 설치되었다. 그러나, 이와 같은 이온제거기는 냉각수가 순환되는 냉각수 관로 상에 설치되어 순환하는 냉각수의 압력을 강하시킴에 따라 냉각수를 정해진 유동속도로 순환시키기 위해서는 펌프의 동력을 증대시켜야 했으므로 냉각장치의 펌프에 의해 전력소모가 커지는 문제점이 발생하였다.As described above, when ions are attached to the coolant, electricity is generated to short-circuit the fuel cell stack, or electricity generated from the membrane-electrode assembly flows into the coolant and the power generation efficiency of the fuel cell is lowered. An ion eliminator for removal was installed in the cooling unit of the fuel cell. However, such an ion remover is installed on the cooling water duct in which the cooling water is circulated, and as the pressure of the circulating coolant decreases, the power of the pump has to be increased to circulate the cooling water at a predetermined flow rate. There was a problem of increased consumption.

또한, 이온제거기는 냉각수로부터 이온을 제거하기 위한 필터를 구비하게 되는데, 이와 같은 필터는 소모품으로서 일정기간 사용후 수시로 교체되어야 함에 따라 연료전지의 운용을 위한 유지보수작업에 비용과 시간이 많이 들어가는 문제점이 있었다.In addition, the ion remover is provided with a filter for removing the ions from the cooling water, such a filter is a consumable that must be replaced at any time after a certain period of time, the cost and time required for maintenance work for the operation of the fuel cell. There was this.

그리고, 상기와 같은 종래의 연료전지는 이온제거기가 추가적으로 구비되어야 함에 따라 연료전지를 소형화하는데 한계가 있었다. In addition, the conventional fuel cell as described above has a limitation in miniaturizing the fuel cell as the ion remover must be additionally provided.

한편, 상기 "연료전지 스택용 분리판"은 냉각수에 이온이 부착되지 않도록 하기 위하여 도 2의 (b)에서와 같이 분리판에 형성되는 냉각수 채널(74)의 내부면에 절연물질로 된 코팅층(742)을 형성시켜 전기적으로 절연시킨 기술을 개시하고 있다.On the other hand, the "split plate for fuel cell stack" is a coating layer made of an insulating material on the inner surface of the coolant channel 74 formed in the separator as shown in (b) of FIG. A technique of forming and electrically insulating 742 is disclosed.

그러나, 분리판의 상하부를 가로질러 형성되는 냉각수 채널이 위치하게 되는 분리판 부위는 막-전극 접합체에서 발생된 전자가 이동하는 부위로서, 전자는 냉각수 채널을 관통하여 이동하게 되는데, 이와 같은 냉각수 채널은 하나의 분리판 내부에 형성됨에 따라 냉각수 채널의 양측으로 전위차가 발생하지 않게 되어 냉각수 채널에서는 냉각수로 전자가 부착되는 현상이 실제로는 발생되지 않게 된다.However, the separator plate where the coolant channel formed across the upper and lower portions of the separator is located is a region where electrons generated in the membrane-electrode assembly move, and the electrons move through the coolant channel. Since the potential difference does not occur on both sides of the coolant channel as formed in one separator plate, electrons are attached to the coolant in the coolant channel.

실제로 냉각수를 통한 통전 현상은 분리판의 상하단 부위에 형성된 냉각수 다지관에서 발생된다. 즉, 상기에서 상술한 바와 같이 분리판의 중심을 흐르는 냉각수 유로 양단은 전위차가 없는 반면, 막전극 접합체의 양단에 배치된 분리판와 또 다른 분리판 간에는 전위차가 발생하여 분리판 간에 냉각수로 전자나 양이온이 부착되는 현상이 일어났다. 이에 따라, 냉각수를 통한 통전현상이 발생하게 되어 연료전지의 발전효율이 감소하였고, 냉각수 중의 이온이 분리판에 부착되어 염을 형성하거나 부식을 발생시키게 되었다. In fact, the current flow through the cooling water occurs in the cooling water manifold formed in the upper and lower portions of the separator. That is, as described above, both ends of the cooling water flow path flowing through the center of the separation plate have no potential difference, while a potential difference occurs between the separation plates disposed at both ends of the membrane electrode assembly and another separation plate, so that electrons or cations are used as cooling water between the separation plates. This sticking phenomenon occurred. Accordingly, electricity generation through the cooling water is generated, thereby reducing the power generation efficiency of the fuel cell, and ions in the cooling water are attached to the separator to form salts or cause corrosion.

상기와 같이 상기 "연료전지 스택용 분리판”은 냉각수로에 통전현상을 막거나 이온이 부착되는 것을 방지할 수가 없어 기존의 연료전지와 동일한 문제점을 안고 있었다.As described above, the "split plate for fuel cell stack" had the same problem as the conventional fuel cell because it could not prevent the conduction phenomenon or prevent the ions from adhering to the cooling water passage.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하여, 연료전지 스택의 구조상 실제로 전위차가 발생하여 냉각수로 양이온과 전자가 유입되게 되는 분리판 상하단부에 형성되는 냉각수 다지관을 절연처리함으로써 연료전지 스택의 내부를 유동하게 되는 냉각수에 대한 양이온과 전자의 부착이 방지될 수 있는 새로운 형태의 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Therefore, the present invention improves such a problem of the prior art, by insulating the cooling water manifolds formed at the upper and lower ends of the separator plate through which the potential difference actually occurs due to the structure of the fuel cell stack to allow the positive and negative electrons to flow into the cooling water. It is an object of the present invention to provide a fuel cell having a new type of insulated coolant manifold which can prevent the adhesion of cations and electrons to the coolant that flows through the inside.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 막-전극 접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)의 형태로 구성된 다수개의 연료전지 셀(cell) 사이에 분리판(separator)을 설치하여 상기 막-전극 접합체로부터 발생된 전기가 상기 분리판을 통해 전달되도록 하는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택으로 수소/산소와 같은 반응기체를 공급하기 위한 연료공급장치와, 상기 연료전지 스택에서 발생되는 열을 흡수하기 위한 냉각장치를 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 냉각장치는 냉각수가 저장되는 냉각수 탱크와; 상기 냉각수 탱크와 상기 연료전지 스택 사이에 형성된 냉각수 관로 상에 설치되어 냉각수가 상기 연료전지 스택의 내부로 공급되도록 하는 펌프와; 상기 연료전지 스택을 이루는 다수개의 분리판 상하단부를 각각 관통하여 형성되고, 상기 냉각수 관로와 연결되어 냉각수를 상기 분리판 내부에 유출입시키며, 내부면이 전기적으로 절연처리된 냉각수 다지관과; 상기 분리판 내부에 상기 분리판의 상하부을 가로지르며 형성되고, 상기 냉각수 다지관과 연통되어 냉각수를 공급받아 상기 분리판으로 전달되는 열을 흡수하며, 전기적으로 절연처리되지 않은 냉각수 채널 및; 상기 냉각수 관로 상에 설치되어 상기 냉각수 채널을 통과하여 열을 흡수한 냉각수로부터 열을 전달받는 열교환기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to a feature of the present invention for achieving the above object, by installing a separator between a plurality of fuel cells (cell) in the form of membrane-electrode assembly (MEA) (Meabrane-Electrode Assembly) (MEA) A fuel cell stack for allowing electricity generated from an electrode assembly to be transferred through the separator plate, a fuel supply device for supplying a reactant such as hydrogen / oxygen to the fuel cell stack, and heat generated from the fuel cell stack A fuel cell comprising a cooling device for absorbing water, the cooling device comprising: a cooling water tank in which cooling water is stored; A pump installed on the cooling water pipe formed between the cooling water tank and the fuel cell stack to allow the cooling water to be supplied into the fuel cell stack; A cooling water manifold formed through upper and lower ends of the plurality of separation plates constituting the fuel cell stack, connected to the cooling water pipe, and flowing coolant into and out of the separation plate, the inner surface of which is electrically insulated; A cooling water channel formed in the separator to cross the upper and lower portions of the separating plate, communicating with the cooling water manifold tube, receiving cooling water, absorbing heat transferred to the separating plate, and not being electrically insulated; The heat exchanger is installed on the cooling water pipe and receives heat from the cooling water absorbing heat through the cooling water channel.

이와 같은 본 발명에 따른 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지에서 상기 냉각수 다지관의 내부면은 액상의 절연물질이 도포된 것과 절연물질이 플라즈마 표면처리된 것 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In the fuel cell having the insulated coolant manifold according to the present invention, the inner surface of the coolant manifold is characterized in that it is any one selected from those coated with a liquid insulating material and those with a plasma surface treatment. .

본 발명에 의한 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지에 의하면, 연료전지 스택의 내부를 유동하게 되는 냉각수에 대한 양이온과 전자의 부착이 방지되어 별도로 구비되는 이온제거기와 같은 구성요소 없이도 연료전지의 냉각장치를 구성할 수 있게 된다. 이에 따라, 연료전지의 구성이 단순화되어 연료전지를 소형화할 수 있는 한편 연료전지의 제조비용이 절감된다. 또한, 이온을 제거가기 위한 필터와 같은 소모품의 사용이 필요없어져 연료전지의 유지보수비용도 절감된다. According to the fuel cell having the insulated coolant manifold according to the present invention, the adhesion of cations and electrons to the coolant flowing through the fuel cell stack is prevented, thereby eliminating components such as an ion remover provided separately. The chiller can be configured. As a result, the configuration of the fuel cell can be simplified, and the fuel cell can be miniaturized while the manufacturing cost of the fuel cell is reduced. In addition, there is no need to use consumables such as filters to remove ions, thereby reducing the maintenance cost of the fuel cell.

이와 더불어, 연료전지의 운용과정에서 냉각수 순환을 위한 펌프 운전시 이 온제거기의 의한 압력강하가 발생되지 않아 펌프의 전력소모가 저감되어 운전비가 절감되는 효과도 동시에 가지게 된다.In addition, since the pressure drop of the ion remover does not occur during the operation of the pump for circulating the coolant during the operation of the fuel cell, the power consumption of the pump is reduced, thereby reducing the operating cost.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 3와 도 5에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명에서 일반적인 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 5. On the other hand, in the drawings and detailed description showing and referring to the configuration and operation easily understood by those skilled in the art from a fuel cell having a common insulated coolant manifold, or omitted. In particular, in the drawings and detailed description of the drawings, detailed descriptions and illustrations of specific technical configurations and operations of elements not directly related to technical features of the present invention are omitted, and only the technical configurations related to the present invention are briefly shown or described. It was.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 보여주기 위한 블록도이고, 도 4의 (a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 연료전지 스택의 구성을 보여주기 위한 도면이며, 도 4의 (b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 이루는 연료전지 스택에서 냉각수 다지관이 전기적으로 절연처리된 상태를 보여주기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 이루는 연료전지 스택에서 냉각수 다지관이 전기적으로 절연처리된 분리판의 단면도이다.3 is a block diagram showing a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 4 (a) is a view showing the configuration of a fuel cell stack of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention; 4B is a view illustrating a state in which the coolant manifold is electrically insulated in a fuel cell stack forming a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a preferred embodiment of the present invention. Cross-sectional view of a separator plate electrically insulating the coolant manifold in the fuel cell stack constituting the fuel cell according to the present invention.

본 발명에 따른 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지는 막-전극 접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)의 형태로 구성된 다수개의 연료전지 셀(cell)과 분리판(separator)을 포함하는 구성의 연료전지 스택에서 각각의 분리판에 형성된 냉각수 채널과 연통되어 냉각수를 유출입시키게 되는 냉각수 다지관이 절연처리된 것을 기술적 특징으로 한다.A fuel cell having an insulated coolant manifold according to the present invention has a structure including a plurality of fuel cells and a separator configured in the form of a membrane-electrode assembly (MEA). The fuel cell stack is characterized in that the cooling water manifold which is in communication with the cooling water channels formed in each of the separator plates to inject and cool the cooling water is insulated.

이와 같은 본 발명에 따른 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지는 전위차가 발생되지 않는 분리판 내부에 형성되는 냉각수 채널을 절연처리하던 종래 기술과 달리 연료전지 스택의 구조상 실제로 전위차가 발생하여 냉각수로 양이온과 전자가 유입되게 되는 분리판 상하단부에 형성되는 냉각수 다지관을 절연처리함으로써 연료전지 스택의 내부를 유동하게 되는 냉각수에 대한 양이온과 전자의 부착이 방지된다. Such a fuel cell having an insulated coolant manifold according to the present invention differs from the prior art insulated from a coolant channel formed inside a separator plate in which a potential difference does not occur. By insulating the cooling water manifolds formed at the upper and lower ends of the separator plate through which the cations and the electrons are introduced, cations and electrons are prevented from adhering to the cooling water flowing in the fuel cell stack.

이에 따라 별도로 구비되는 이온제거기와 같은 구성요소 없이도 연료전지의 냉각장치를 구성할 수 있게 되어 연료전지의 구성이 단순화되고, 이온을 제거가기 위한 필터와 같은 소모품의 사용이 필요없어지게 된다. 이와 더불어 이온제거기의 의한 압력강하가 발생되지 않아 냉각수 순환을 위한 펌프 운전시 전력소모가 저감된다.Accordingly, it is possible to configure the cooling device of the fuel cell without a component such as an ion remover separately provided, which simplifies the configuration of the fuel cell and eliminates the use of consumables such as a filter for removing ions. In addition, the pressure drop of the ion eliminator does not occur, thereby reducing the power consumption during the pump operation for cooling water circulation.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지(100)는 도 3과 같이 연료전지 스택(20), 연료공급장치(40), 냉각장치(60)을 포함하여 이루어진다.The fuel cell 100 having the insulated coolant manifold according to the preferred embodiment of the present invention includes a fuel cell stack 20, a fuel supply device 40, and a cooling device 60 as shown in FIG. 3.

연료전지 스택(20)은 도 4의 (a)와 같이 산화전극/환원전극/전해질 막을 포함하는 구성으로 이루어진 다수개의 막-전극 접합체(22)와, 수소/산소가 각각의 산화전극/환원전극으로 원활하게 확산되도록 하는 가스확산층(222)(224)과, 막-전극 접합체(22) 사이에 설치되는 다수개의 분리판(24)과, 막-전극 접합체(22)의 상하단부에 설치되어 막-전극 접합체(22)로 공급되는 수소, 산소와 같은 반응기체가 외부로 누출되지 않도록 하게 되는 개스킷(28)과, 연료전지 스택(20)의 양단부에 위치한 분리판(24)에 각각 접촉되게 설치되어 연료전지 스택(20)에서 발생된 전기를 집적하여 외부로 공급하게 되는 전류 집전판(30) 및, 연료전지 스택(20)의 양단부에 각각 설치되어 서로 체결됨으로써 연료전지 스택(20)을 이루는 구성요소들을 일체로 체결하게 되는 엔드 플레이트(26)를 포함하는 구성으로 이루어진다.The fuel cell stack 20 includes a plurality of membrane-electrode assemblies 22 having a configuration including an anode electrode / reduction electrode / electrolyte membrane as shown in FIG. 4A, and hydrogen / oxygen oxide / reduction electrode. Gas diffusion layers 222 and 224 and the plurality of separators 24 provided between the membrane-electrode assembly 22 and upper and lower ends of the membrane-electrode assembly 22 to be diffused smoothly. -Installed to be in contact with the gasket 28 and the separators 24 located at both ends of the fuel cell stack 20 to prevent the reactor body such as hydrogen and oxygen supplied to the electrode assembly 22 from leaking to the outside. And the current collector plate 30 which integrates electricity generated from the fuel cell stack 20 to be supplied to the outside, and is installed at both ends of the fuel cell stack 20 and fastened to each other to form the fuel cell stack 20. The end plate 26 to fasten the components integrally It consists of a configuration that includes.

여기서, 막-전극 접합체(22)로부터 발생된 전기는 분리판(24)을 통해 전달되게 된다.Here, electricity generated from the membrane-electrode assembly 22 is transferred through the separator 24.

연료공급장치(40)는 연료전지 스택(20)으로 수소/산소와 같은 반응기체를 공급하기 위한 장치로서, 천연가스/가솔린/메탄올 등의 연료가 저장되는 연료탱크(42), 연료탱크(42)로부터 연료를 배출시키기 위한 펌프(44), 천연가스/가솔린/메탄올 등의 연료로부터 수소 가스를 추출하기 위한 개질기(46), 개질기(46)로부터 추출된 수소 가스를 연료전지 스택(20)의 분리판(24)에 형성된 수소 채널(242)로 공급하게 되는 수소가스용 관(50)을 통해 수소를 막-전극 접합체(22)로 전달하게 된다. 이와 동시에 연료공급장치(40)는 외부 공기를 흡입하는 펌프(48)와, 펌프(48)로부터 흡입된 산소를 포함하는 공기를 분리판(24)에 형성된 산소 채널(244)로 공급하게 되는 산소가스용 관(52)을 통해 산소를 막-전극 접합체(22)로 전달하게 된다.The fuel supply device 40 is a device for supplying a reactant such as hydrogen / oxygen to the fuel cell stack 20, and includes a fuel tank 42 and a fuel tank 42 in which fuel such as natural gas / gasoline / methanol is stored. A pump 44 for discharging fuel from the fuel cell, a reformer 46 for extracting hydrogen gas from a fuel such as natural gas / gasoline / methanol, and hydrogen gas extracted from the reformer 46. Hydrogen is transferred to the membrane-electrode assembly 22 through the hydrogen gas pipe 50 which is supplied to the hydrogen channel 242 formed in the separator 24. At the same time, the fuel supply device 40 supplies a pump 48 that sucks outside air and air that includes oxygen sucked from the pump 48 to an oxygen channel 244 formed in the separator 24. Oxygen is transferred to the membrane-electrode assembly 22 through the gas pipe 52.

냉각장치(60)는 연료전지 스택(20)에서 발생되는 열을 흡수하기 위한 장치로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉각장치(60)는 냉각수 탱크(62), 펌프(64), 냉각수 다지관(72), 냉각수 채널(74), 열교환기(68)로 이루어진다.The cooling device 60 is a device for absorbing heat generated from the fuel cell stack 20. The cooling device 60 according to a preferred embodiment of the present invention includes a coolant tank 62, a pump 64, and a coolant. It consists of a branch pipe 72, a coolant channel 74, and a heat exchanger 68.

냉각수 탱크(62)는 냉각수가 저장되는 용기이고, 펌프(64)는 냉각수 탱크(62)와 연료전지 스택(20) 사이에 형성된 냉각수 관로(70) 상에 설치되어 냉각수가 연료전지 스택(20)의 내부로 공급되도록 하는 것이다.The coolant tank 62 is a container in which the coolant is stored, and the pump 64 is installed on the coolant pipe line 70 formed between the coolant tank 62 and the fuel cell stack 20 so that the coolant is in the fuel cell stack 20. To be fed into the.

냉각수 다지관(72)은 연료전지 스택(20)을 이루는 다수개의 분리판(24)의 상하단부를 각각 관통하여 형성되는 것인데, 분리판(24) 상단부와 하단부에 각각 형성된 정해진 크기의 홀이 분리판(24)이 서로 연이어지면서 서로 연통되어 하나의 관로를 형성시킨 것이다. 이와 같은 냉각수 다지관(72)은 냉각수 관로(70) 및 냉각수 채널(74)과 연결되어 냉각수를 분리판(24) 내부에 유입시키거나 분리판(24) 내부의 냉각수를 외부로 배출시키게 된다.Cooling water manifold 72 is formed by passing through the upper and lower ends of the plurality of separation plates 24 constituting the fuel cell stack 20, the holes having a predetermined size formed in the upper and lower ends of the separation plate 24, respectively. (24) are connected to each other while communicating with each other to form a single pipeline. The cooling water manifold 72 is connected to the cooling water pipe 70 and the cooling water channel 74 to introduce the cooling water into the separator plate 24 or discharge the cooling water in the separator plate 24 to the outside.

여기서, 본 발명에 따른 냉각수 다지관(72)은 도 4의 (b)와 도 5에서와 같이 내부면에 절연물질로 이루어진 코팅층(722)이 형성되어 냉각수 다지관(72) 내부가 전기적으로 절연처리되도록 함으로써 냉각수 다지관(72)을 흐르는 냉각수로 전자나 양이온이 부착되는 것이 방지된다.Here, the cooling water manifold 72 according to the present invention is formed with a coating layer 722 made of an insulating material on the inner surface as shown in Figure 4 (b) and Figure 5 to electrically insulate the cooling water manifold 72 By the treatment, electrons and cations are prevented from adhering to the cooling water flowing through the cooling water manifold 72.

상기와 같은 코팅층(722)을 이루는 절연물질로는 테프론(teflon)이 사용되는 것이 바람직한데, 테프론은 우수한 전기적 절연성을 띠는 동시에 화학적으로 매우 안정된 고분자 화합물로서 우수한 화학적 비활성, 내열성, 비점착성을 가짐에 따라 냉각수 다지관(72)이 연료전지 스택(20)으로 공급되는 수소, 산소나 이온 등에 의해 부식되는 것을 방지하기 때문이다.Teflon is preferably used as the insulating material forming the coating layer 722. Teflon has excellent electrical insulation properties and is a chemically very stable polymer compound having excellent chemical inertness, heat resistance, and non-tackiness. This is because the cooling water manifold 72 is prevented from being corroded by hydrogen, oxygen or ions supplied to the fuel cell stack 20.

이와 같이 냉각수 다지관(72)은 전기적 절연성과 동시에 내부식성을 가진 절연물질에 의해 절연처리되는 것이 바람직하다.In this way, the coolant manifold 72 is preferably insulated by an insulating material having electrical insulation and corrosion resistance.

한편, 냉각수 다지관(72) 내부면의 코팅층(722)은 연료전지 스택(20)을 조립하여 일체로 체결하기 전에 액상의 절연물질이 분리판(24) 내부에 형성된 냉각수 다지관(72)에 도포되어 형성되거나, 절연물질이 액상으로 일정량 수용되어 있는 용기에 냉각수 다지관(72)이 형성된 분리판(24) 부위가 담그어져 형성될 수 있다. 그리고, 냉각수 다지관(72) 내부면에 코팅층(722)을 영구적으로 부착시키려 할 경우에는 절연물질을 플라즈마 표면처리하게 된다.On the other hand, the coating layer 722 on the inner surface of the coolant manifold 72 is assembled to the coolant manifold 72 in which the liquid insulating material is formed inside the separator 24 before assembling and integrally coupling the fuel cell stack 20. The coating plate may be formed, or may be formed by dipping a portion of the separator plate 24 in which the cooling water manifold 72 is formed in a container in which a predetermined amount of the insulating material is contained in the liquid phase. When the coating layer 722 is permanently attached to the inner surface of the cooling water manifold 72, the insulating material is plasma-treated.

냉각수 채널(74)은 분리판(24) 내부에 분리판(24)의 상하부을 가로지르며 형성되는 것으로, 냉각수 다지관(72)과 연통되어 냉각수를 공급받아 냉각수가 분리판(24)의 전체면적에 걸쳐 유동하도록 함으로써 분리판(24)으로 전달되는 열을 흡수하게 된다.The coolant channel 74 is formed to cross the upper and lower portions of the separator plate 24 in the separator plate 24. The coolant channel 74 communicates with the coolant manifold 72 to receive the coolant and to supply the coolant to the entire area of the separator plate 24. Flowing over will absorb heat transferred to the separator 24.

여기서, 본 발명에 따른 냉각수 채널(74)은 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0005139호 "연료전지 스택용 분리판"과 달리 전기적으로 절연처리되지 않게 된다.Here, the cooling water channel 74 according to the present invention is not electrically insulated unlike the Patent Publication No. 10-2004-0005139 "dividing plate for the fuel cell stack".

상기와 같이 본 발명에 따른 연료전지(100)는 냉각수 다지관(72)에만 전기적인 절연처리를 하고 냉각수 채널(74)에는 별도의 절연처리를 하지 않게 되는데, 이는 실제로 냉각수로 전자가 부착되는 현상은 분리판(24)의 상하단 부위에 형성된 냉각수 다지관(72)에서 발생되기 때문이다.As described above, the fuel cell 100 according to the present invention is electrically insulated only in the coolant manifold 72 and does not have a separate insulator in the coolant channel 74. In this case, electrons are attached to the coolant. This is because is generated in the cooling water manifold 72 formed in the upper and lower portions of the separation plate 24.

즉, 분리판(24)의 상하부를 가로질러 형성되는 냉각수 채널(74)이 위치하게 되는 분리판(24) 부위는 막-전극 접합체(22)에서 발생된 전자가 이동하는 부위로서, 전자는 냉각수 채널(74)을 관통하여 이동하게 되는데, 이와 같은 냉각수 채널(74)은 하나의 분리판(24) 내부에 형성됨에 따라 냉각수 채널(74)의 양측으로 전위차가 발생하지 않게 되어 냉각수 채널(74)에서는 냉각수로 전자가 부착되는 현상이 실제로는 발생되지 않게 된다.That is, the portion of the separator plate 24 where the coolant channel 74 formed across the upper and lower portions of the separator plate 24 is located is a portion to which electrons generated in the membrane-electrode assembly 22 move, and electrons are cooling water. The coolant channel 74 is moved through the channel 74. As the coolant channel 74 is formed in one separator 24, a potential difference does not occur on both sides of the coolant channel 74, so that the coolant channel 74 In this case, the phenomenon in which electrons adhere to the cooling water does not actually occur.

반면, 막전극 접합체(22)를 중심으로 서로 이웃하는 분리판(24)과 또 다른 분리판(24) 사이에는 전위차가 발생하게 되어 전자나 양이온이 냉각수로 부착되는 현상이 발생되는 것이다. On the other hand, a potential difference is generated between the separator 24 adjacent to each other around the membrane electrode assembly 22 and another separator 24, so that electrons or cations adhere to the cooling water.

상기와 같이 본 발명에 따른 연료전지(100)에서는 분리판(24)의 상하단부에 각각 형성된 냉각수 다지관(72)만이 절연처리됨에 따라, 분리판(24)의 상하부를 가 로질러 넓은 면적에 걸쳐 분포하는 냉각수 채널(74)을 절연처리하는 것에 비하여 절연처리에 따르는 작업량과 비용이 절감되는 효과를 가지게 된다.As described above, in the fuel cell 100 according to the present invention, as only the cooling water manifolds 72 formed at the upper and lower ends of the separator 24 are insulated, they cover the upper and lower portions of the separator 24 in a large area. Compared to insulating the cooling water channels 74 distributed over, the amount of work and cost of the insulated treatment are reduced.

그리고, 본 발명에 따른 연료전지(100)는 냉각수에 대한 이온의 부착이 실제로 방지될 수 있음에 따라 도 1과 같은 종래 연료전지(100')와 달리 이온제거기(66)가 필요없어져 본 발명에 따른 연료전지(100)는 소형화를 도모할 수 있게 된다.In addition, unlike the conventional fuel cell 100 ′ as shown in FIG. 1, the fuel cell 100 according to the present invention can prevent the adhesion of ions to the cooling water, thereby eliminating the need for the ion remover 66. The fuel cell 100 can be miniaturized.

상술한 바와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.As described above, the fuel cell having the insulated coolant manifold according to the embodiment of the present invention is shown according to the above description and the drawings, but this is only an example and is not limited to the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made therein.

도 1은 종래 연료전지의 실시예를 보여주기 위한 블록도;1 is a block diagram showing an embodiment of a conventional fuel cell;

도 2의 (a)는 종래의 연료전지를 이루는 연료전지 스택의 구성을 보여주기 위한 도면;Figure 2 (a) is a view for showing the configuration of a fuel cell stack constituting a conventional fuel cell;

도 2의 (b)는 종래의 연료전지를 이루는 연료전지 스택에서 냉각수 채널이 전기적으로 절연처리된 상태를 보여주기 위한 도면;Figure 2 (b) is a view for showing a state in which the coolant channel is electrically insulated in the fuel cell stack constituting a conventional fuel cell;

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 보여주기 위한 블록도;3 is a block diagram for showing a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention;

도 4의 (a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 연료전지 스택의 구성을 보여주기 위한 도면;4 (a) is a view showing the configuration of a fuel cell stack of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention;

도 4의 (b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 이루는 연료전지 스택에서 냉각수 다지관이 전기적으로 절연처리된 상태를 보여주기 위한 도면;Figure 4 (b) is a view for showing a state in which the coolant manifold electrically insulated in the fuel cell stack constituting the fuel cell according to an embodiment of the present invention;

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 이루는 연료전지 스택에서 냉각수 다지관이 전기적으로 절연처리된 분리판의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of a separator plate electrically insulated from a coolant manifold in a fuel cell stack forming a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

20 : 연료전지 스택 22 : 막-전극 접합체20 fuel cell stack 22 membrane-electrode assembly

222, 224 : 가스확산층 24 : 분리판222, 224: gas diffusion layer 24: separation plate

242 : 수소 채널 244 : 산소 채널242: hydrogen channel 244: oxygen channel

26 : 엔드 플레이트 28 : 개스킷26: end plate 28: gasket

30 : 전류 집전판 40 : 연료공급장치30: current collector plate 40: fuel supply device

42 : 연료탱크 44, 48, 64 : 펌프42: fuel tank 44, 48, 64: pump

46 : 개질기 50 : 수소가스용 관46: reformer 50: tube for hydrogen gas

52 : 산소가스용 관 60 : 냉각장치52: oxygen gas pipe 60: cooling device

62 : 냉각수 탱크 66 : 이온제거기62 coolant tank 66 deionizer

68 : 열교환기 70 : 냉각수 관로68 heat exchanger 70 coolant pipe

72 : 냉각수 다지관 722, 742 : 코팅층72: cooling water manifold 722, 742: coating layer

74 : 냉각수 채널 100, 100' : 연료전지74: cooling water channel 100, 100 ': fuel cell

Claims (2)

막-전극 접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)의 형태로 구성된 다수개의 연료전지 셀(cell) 사이에 분리판(separator)을 설치하여 상기 막-전극 접합체로부터 발생된 전기가 상기 분리판을 통해 전달되도록 하는 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택으로 수소/산소와 같은 반응기체를 공급하기 위한 연료공급장치와, 상기 연료전지 스택에서 발생되는 열을 흡수하기 위한 냉각장치를 포함하는 연료전지에 있어서,Separator is installed between a plurality of fuel cell cells in the form of membrane-electrode assembly (MEA) to transfer electricity generated from the membrane-electrode assembly through the separator. A fuel cell comprising: a fuel cell stack; a fuel supply device for supplying a reactant such as hydrogen / oxygen to the fuel cell stack; and a cooling device for absorbing heat generated from the fuel cell stack. 상기 냉각장치는 냉각수가 저장되는 냉각수 탱크와;The cooling device includes a cooling water tank in which cooling water is stored; 상기 냉각수 탱크와 상기 연료전지 스택 사이에 형성된 냉각수 관로 상에 설치되어 냉각수가 상기 연료전지 스택의 내부로 공급되도록 하는 펌프와;A pump installed on the cooling water pipe formed between the cooling water tank and the fuel cell stack to allow the cooling water to be supplied into the fuel cell stack; 상기 연료전지 스택을 이루는 다수개의 분리판 상하단부를 각각 관통하여 형성되고, 상기 냉각수 관로와 연결되어 냉각수를 상기 분리판 내부에 유출입시키며, 내부면이 전기적으로 절연처리된 냉각수 다지관과;A cooling water manifold formed through upper and lower ends of the plurality of separation plates constituting the fuel cell stack, connected to the cooling water pipe, and flowing coolant into and out of the separation plate, the inner surface of which is electrically insulated; 상기 분리판 내부에 상기 분리판의 상하부을 가로지르며 형성되고, 상기 냉각수 다지관과 연통되어 냉각수를 공급받아 상기 분리판으로 전달되는 열을 흡수하며, 전기적으로 절연처리되지 않은 냉각수 채널 및;A cooling water channel formed in the separator to cross the upper and lower portions of the separating plate, communicating with the cooling water manifold tube, receiving cooling water, absorbing heat transferred to the separating plate, and not being electrically insulated; 상기 냉각수 관로 상에 설치되어 상기 냉각수 채널을 통과하여 열을 흡수한 냉각수로부터 열을 전달받는 열교환기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지.And a heat exchanger installed on the cooling water pipe and receiving heat from the cooling water absorbing heat through the cooling water channel. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 냉각수 다지관의 내부면은 액상의 절연물질이 도포된 것과 절연물질이 플라즈마 표면처리된 것 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 절연처리된 냉각수 다지관을 가진 연료전지.The inner surface of the coolant manifold is a fuel cell having an insulated coolant manifold, characterized in that any one selected from a liquid insulating material is applied and the insulating material is plasma surface treatment.
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