KR20200129912A - 연료전지 장치 - Google Patents

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KR20200129912A KR1020190055023A KR20190055023A KR20200129912A KR 20200129912 A KR20200129912 A KR 20200129912A KR 1020190055023 A KR1020190055023 A KR 1020190055023A KR 20190055023 A KR20190055023 A KR 20190055023A KR 20200129912 A KR20200129912 A KR 20200129912A
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Abstract

본 발명에서는 연료전지에서 공기 전달 성능이 향상되고, 기체확산층에 작용되는 하중이 분산되어 내구성이 향상되며, 기체확산부에 대해 평탄한 접촉 부분이 확보되어 기체확산층의 파손 및 변형이 방지되는 연료전지 장치가 소개된다.

Description

연료전지 장치 {FUEL CELL APPARATUS}
본 발명은 연료전지스택에 공급되는 연료가 유통되는 연료전지 장치에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 따라서, 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않기 때문에 종래의 발전장치보다 발전 효율이 높고 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없다. 또한, 연료전지는 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송전 설비의 초기 투자비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
이러한 연료전지를 이용한 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 연료인 LNG, 석탄가스, 메탄올 등을 수소로 개질하여 수소가 많은 연료가스로 만드는 연료변환기(Reformer), 발전된 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키는 전력 변환기 및 제어기 등으로 구성된다. 이때, 연료전지 스택은 적층된 수백 장의 셀(Cell)들로 구성되어 있으며, 물, 연료, 공기 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다. 기본적으로 각 셀은 전해질(Electrolyte)에 의하여 분리된 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)의 두 전극으로 구성되며, 각 셀은 분리판(Separator)에 의하여 분리된다.
최근에는 연료전지스택의 성능 향상을 위해, 공기극 유로에 다공성 유로를 적용하고 있다. 그러나 다공성 유로의 경우 제작 형상에 따라 날카로웃 엣지 부분이 발생되며, 날카로운 엣지 부분의 경우 연료전지스택의 체결 과정에서 기체확산층의 변형이나 파손을 발생시켜 품질 문제가 발생될 수 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 2010-170984 A (2010.08.05)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 공기극 유로 내에서 공기의 이동이 원활하도록 하며 기체확산층의 손상이 방지되는 연료전지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 연료전지 장치는 연료전지의 기체확산층; 기체확산층과 이격 배치되고, 공기가 유통되는 베이스판; 및 폭방향으로 연장되게 형성되며 공기가 통과되는 제1개구부가 형성되고, 일단부와 타단부가 각각 기체확산층 및 베이스판으로 연장되며, 길이방향을 따라 이격되어 배열된 다수의 제1유통부와, 폭방향으로 연장되게 형성되고 공기가 통과되는 제2개구부가 형성되며 제1유통부의 일단부 또는 타단부를 길이방향을 따라 교대로 연결하는 다수의 제2유통부가 구성된 유로형성부재;를 포함하며, 유로형성부재는 측면의 형상이 제1유통부와 제2유통부에 의해 다각형의 패턴이 반복되는 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.
다수의 제1유통부는 기체확산층과 베이스판이 마주하는 방향으로 경사를 가지고 연장되되 길이방향을 따라 교차 반복되게 배치된 것을 특징으로 한다.
제1유통부는 교차 반복되게 배치됨에 따라 일단부 간의 간격 및 타단부 간의 간격이 상이하고, 제2유통부는 단부 간의 간격이 긴 부분에 연결된 것을 특징으로 한다.
유로형성부재는 측면의 형상이 꼭짓점이 기체확산층을 향하는 삼각형과 꼭짓점이 베이스판을 향하는 삼각형이 반복되는 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
유로형성부재에서 제2유통부가 길이방향을 따라 연장된 형태로 형성되어 제2유통부에 의한 평탄한 부분이 확보되는 것을 특징으로 한다.
제1유통부에는 폭방향으로 다수의 제1개구부가 이격 배치되고, 제1개구부에는 하나 이상의 제1구획부가 공간을 가로지르도록 연장된 것을 특징으로 한다.
제1구획부는 제1개구부의 중심을 가로지르도록 연장된 것을 특징으로 한다.
제2유통부에 의해 일단부 또는 타단부가 서로 연결되는 각 제1유통부에서, 어느 하나의 제1유통부에 형성된 제1개구부의 제1구획부와 다른 하나의 제1유통부에 형성된 제1개구부의 제1구획부는 서로 다른 방향으로 연장된 것을 특징으로 한다.
제1개구부는 사각 형태로 형성되며, 제1구획부는 다수로 구성되고 서로 다른 방향에서 제1개구부의 중심을 가로지르도록 연장된 것을 특징으로 한다.
다수의 제1구획부는 제1개구부의 중심에서 직교하도록 연장되고, 제2유통부에 의해 일단부 또는 타단부가 서로 연결되는 각 제1유통부에서, 어느 하나의 제1유통부에 형성된 제1개구부의 제1구획부와 다른 하나의 제1유통부에 형성된 제1개구부의 제1구획부는 상호 매칭되지 않도록 기울어지게 배치된 것을 특징으로 한다.
제2유통부에는 폭방향으로 다수의 제2개구부가 이격 배치되고, 제2개구부에는 하나 이상의 제2구획부가 공간을 가로지르도록 연장된 것을 특징으로 한다.
제2구획부는 제2개구부의 중심을 가로지르도록 연장된 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 장치에 따르면, 연료전지에서 공기 전달 성능이 향상되고, 기체확산층에 작용되는 하중이 분산되어 내구성이 향상되며, 기체확산부에 대해 평탄한 접촉 부분이 확보되어 기체확산층의 파손 및 변형이 방지된다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 장치를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 장치를 나타낸 도면.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 장치를 설명하기 위한 정면도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 장치를 나타낸 도면.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 장치를 설명하기 위한 정면도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지 장치에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 장치를 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 장치를 설명하기 위한 정면도이고, 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 장치를 나타낸 도면이며, 도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 장치를 설명하기 위한 정면도이다.
본 발명에 따른 연료전지 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지의 기체확산층(100); 기체확산층(100)과 이격 배치되고, 공기가 유통되는 베이스판(200); 및 폭방향으로 연장되게 형성되며 공기가 통과되는 제1개구부(311)가 형성되고, 일단부(3a)와 타단부(3b)가 각각 기체확산층(100) 및 베이스판(200)으로 연장되며, 길이방향을 따라 이격되어 배열된 다수의 제1유통부(310)와, 폭방향으로 연장되게 형성되고 공기가 통과되는 제2개구부(321)가 형성되며 제1유통부(310)의 일단부(3a) 또는 타단부(3b)를 길이방향을 따라 교대로 연결하는 다수의 제2유통부(320)가 구성된 유로형성부재(300);를 포함한다.
본 발명은 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응이 동시에 일어나는 전기화학 반응으로 전기 에너지를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 연료전지는 다수의 셀이 적층되어 구성된다. 여기서, 셀은 전해질에 의하여 분리된 연료극과 공기극의 두 전극을 포함하여 구성되고, 각 전극 사이에는 막전극접합체가 구비되며, 막전극접합체의 외측에는 기체확산층(100)이 구비된다.
한편, 베이스판(200)은 기체확산층(100)과 이격 배치되고, 이격 공간으로 공기가 통과되도록 구성된다. 이러한 베이스판(200)은 금속 재질로 이루어질 수 있다.
이러한 기체확산층(100)과 베이스판(200) 사이에는 유로형성부재(300)가 마련되며, 유로형성부재(300)를 통해 기체확산층(100)과 베이스판(200) 사이로 공기가 유통된다.
본 발명은 유로형성부재(300)에 관한 것으로, 유로형성부재(300)는 다수의 제1유통부(310)와 제1유통부(310)를 연결하는 제2유통부(320)로 구성된다. 이러한 제1유통부(310)와 제2유통부(320)는 폭방향으로 연장된 판형 프레임으로 구성될 수 있고, 제1유통부(310)에는 제1개구부(311)가 형성되고 제2유통부(320)에는 제2개구부(321)가 형성됨으로써, 제1개구부(311)와 제2개구부(321)를 통해 공기가 유통될 수 있다.
특히, 제1유통부(310)는 길이방향을 따라 이격 배치되고, 일단부(3a)가 기체확산층(100)으로 연장되고 타단부(3b)가 베이스판(200)으로 연장되며, 서로 다른 제1유통부(310)의 일단부(3a) 또는 타단부(3b)가 제2유통부(320)에 의해 연결됨으로써, 제1유통부(310)와 제2유통부(320)는 일체로 구성된다. 여기서, 제2유통부(320)의 경우 길이방향을 따라 서로 인접한 제1유통부(310)의 일단부(3a) 또는 타단부(3b)를 교대로 연결함으로써, 유로형성부재(300)는 측면의 형상이 제1유통부(310)와 제2유통부(320)에 의해 다각형의 패턴이 반복되는 형태로 이루어진다.
이로 인해, 유로형성부재(300)는 기체확산층(100)과 베이스판(200) 사이에 개재된 상태에서, 하중 지지력이 확보되고, 공기가 원활히 이동되도록 할 수 있다.
상술한 본 발명에 대해서 구체적으로 설명하면, 도 1에서 볼 수 있듯이, 다수의 제1유통부(310)는 기체확산층(100)과 베이스판(200)이 마주하는 방향으로 경사를 가지고 연장되되 길이방향을 따라 교차 반복되게 배치될 수 있다.
여기서, 다수의 제1유통부(310)는 교차 반복되게 배치됨에 따라 일단부(3a) 간의 간격 및 타단부(3b) 간의 간격이 상이하고, 제2유통부(320)는 단부 간의 간격이 긴 부분에 연결될 수 있다. 즉, 도 1에서 볼 수 있듯이, 제1유통부(310)는 경사를 가지고 연장되되 길이방향을 따라 교차 반복되게 배치됨 따라, 일단부(3a) 간의 간격이 짧은 구간(T1)과 상대적으로 긴 구간(T2)이 반복되고, 타단부(3b) 간의 간격도 짧은 구간(T3)과 상대적으로 긴 구간(T4)이 반복되도록 배치된다. 여기서, 제2유통부(320)는 제1유통부(310)의 일단부(3a) 간의 간격이 상대적으로 긴 구간(T2)과 타단부(3b) 간의 간격이 상대적으로 긴 구간(T4)에 연결되도록 배치될 수 있다. 이로 인해, 유로형성부재(300)의 측면 형상은 꼭짓점(E1)이 기체확산층(100)을 향하는 삼각형(A1)과 꼭짓점(E2)이 베이스판(200)을 향하는 삼각형(A2)이 반복되는 형태를 가질 수 있다.
이와 같이, 유로형성부재(300)는 길이방향으로 배열된 다수의 제1유통부(310)가 경사를 가지고 사선을 그리면서 연장되되 사선방향이 교차되도록 배치되고, 제2유통부(320)는 제1유통부(310)에 연결되되 제1유통부(310)의 단부 간 간격이 긴 부분에 연결됨으로써, 측면 형상이 삼각형 형태를 이룬다. 이렇게, 삼각형 형태의 유로형성부재(300)에 의해, 연료전지스택의 조립시 발생되는 체결 하중이 균일하게 분산되고 하중이 안정적으로 지지된다.
또한, 유로형성부재(300)에서 제2유통부(320)가 길이방향을 따라 연장된 형태로 형성됨으로써, 제2유통부(320)에 의한 평탄한 부분이 확보되어 기체확산층(100) 또는 베이스판(200)과 접촉되는 부위에 대해 변형 및 파손이 방지된다.
이처럼, 본 발명의 유로형성부재(300)는 측면의 형상이 삼각형이 반복되는 형태를 이룸으로써, 구성부품의 변형 및 파손이 방지되고, 제1유통부(310)에 형성된 제1개구부(311) 및 제2유통부(320)에 형성된 제2개구부(321)에 의해 공기의 이동이 원활히 수행될 수 있다.
한편, 제1유통부(310)에는 폭방향으로 다수의 제1개구부(311)가 이격 배치되고, 제1개구부(311)에는 하나 이상의 제1구획부(312)가 공간을 가로지르도록 연장될 수 있다. 이렇게, 제1유통부(310)에는 다수의 제1개구부(311)가 이격 배치됨에 따라 공기의 유통량이 확보되고, 제1개구부(311)에는 제1구획부(312)가 공간을 가로지르록 연장됨으로써, 공기의 이동이 원활히 수행될 수 있다. 또한, 제1구획부(312)는 제1개구부(311)의 공간을 채워줌에 따라 유로형성부재(300)의 전체 강성이 증대된다.
즉, 도 2 내지 3에 도시된 바와 같이, 제1구획부(312)는 제1개구부(311)의 중심을 가로지르도록 연장될 수 있다. 이렇게, 제1구획부(312)가 제1개구부(311)의 중심을 가로지르도록 연장됨으로써, 제1유통부(310)의 강성이 균일하게 확보되어 작용되는 하중이 균일하게 분산된다.
이러한 제1구획부(312)는 수평방향 또는 수직방향으로 제1개구부(311)의 중심을 가로지르도록 연장될 수 있으며, 바람직하게 기체확산층(100)과 베이스판(200)이 마주하는 방향으로 연장될 수 있다. 또한, 제1구획부(312)는 다수로 구성되고 제1개구부(311)의 중심을 가로지르는 'x'형태 또는 '+' 형태로 형성될 수 있다.
또한, 제2유통부(320)에 의해 일단부(3a) 또는 타단부(3b)가 서로 연결되는 각 제1유통부(310)에서, 어느 하나의 제1유통부(310)에 형성된 제1개구부(311)의 제1구획부(312)와 다른 하나의 제1유통부(310)에 형성된 제1개구부(311)의 제1구획부(312)는 서로 다른 방향으로 연장될 수 있다.
즉, 어느 하나의 제1유통부(310)에 형성된 제1개구부(311)의 제1구획부(312)가 수평방향으로 연장된 경우 다른 하나의 제1유통부(310)에 형성된 제1개구부(311)의 제1구획부(312)는 수직방향으로 연장됨으로써, 제1유통부(310)의 강성확보와 더불어 공기가 확산되면서 원활히 이동되게 할 수 있다.
구체적으로, 제1개구부(311)는 사각 형태로 형성되며, 제1구획부(312)는 다수로 구성되고 서로 다른 방향에서 제1개구부(311)의 중심을 가로지르도록 연장될 수 있다. 이렇게, 제1개구부(311)는 사각 형태로 형성됨에 따라 공기가 유통되는 공간이 확보되며, 제1구획부(312)가 다수로 구성되어 제1유통부(310)의 강성이 증대된다.
또한, 도 4 내지 5에 도시된 바와 같이, 다수의 제1구획부(312)는 제1개구부(311)의 중심에서 직교하도록 연장되고, 제2유통부(320)에 의해 일단부(3a) 또는 타단부(3b)가 서로 연결되는 각각의 제1유통부(310)에서, 어느 하나의 제1유통부(310)에 형성된 제1개구부(311)의 제1구획부(312)와 다른 하나의 제1유통부(310)에 형성된 제1개구부(311)의 제1구획부(312)는 상호 매칭되지 않도록 기울어지게 배치될 수 있다.
즉, 도 4 및 도 5에서 볼 수 있듯이, 제1구획부(312)는 다수로 구성되고 제1개구부(311)의 중심에서 직교하도록 연장되는 형태로 형성됨 따라 'x'형태 또는 '+' 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 제1구획부(312)는 어느 하나의 제1유통부(310)에 형성된 제1개구부(311)의 제1구획부(312)와 다른 하나의 제1유통부(310)에 형성된 제1개구부(311)의 제1구획부(312)는 상호 매칭되지 않도록 기울어지게 배치됨으로써, 길이방향을 따라 제1구획부(312)가 'x'형태와 '+'형태가 교차 반복될 수 있다.
이렇게, 다수의 제1구획부(312)는 제1개구부(311)의 중심에서 직교하도록 연장됨에 따라 90도로 이격되고, 각 제1유통부(310)에 대해 45도 간격으로 기울어지게 교차됨으로써, 제1유통부(310)의 강성이 확보되고 공기가 확산되어 원활히 이동된다.
한편, 도 2 및 도 4에서 볼 수 있듯이, 제2유통부(320)에는 폭방향으로 다수의 제2개구부(321)가 이격 배치되고, 제2개구부(321)에는 하나 이상의 제2구획부(322)가 공간을 가로지르도록 연장될 수 있다.
이렇게, 제2유통부(320)에는 다수의 제2개구부(321)가 이격 배치됨에 따라 공기의 유통량이 확보되고, 제2개구부(321)에는 제2구획부(322)가 공간을 가로지르록 연장됨으로써, 공기의 이동이 원활히 수행될 수 있다. 또한, 제2구획부(322)가 제2개구부(321)의 공간을 채워줌에 따라 유로형성부재(300)의 전체 강성이 증대된다.
이러한 제2구획부(322)는 제2개구부(321)의 중심을 가로지르도록 연장됨으로써, 제2유통부(320)의 강성이 균일하게 확보된다.
이러한 제2구획부(322)는 다수로 구성되고 제2개구부(321)의 중심을 가로지르는 'x'형태 또는 '+' 형태로 형성될 수 있다. 이로 인해, 제2유통부(320)를 통과하는 공기의 확산 성능이 향상되고 물 배출성의 확보를 위한 공간이 확보된다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지 장치에 따르면, 연료전지에서 공기 전달 성능이 향상되고, 기체확산층(100)에 작용하는 하중이 분산되며, 기체확산부에 대해 평탄한 접촉 부분이 확보되어 기체확산층(100)의 파손 및 변형이 방지된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100:기체확산층 200:베이스판
300:유로형성부재 310:제1유통부
311:제1개구부 312:제1구획부
320:제2유통부 321:제2개구부
322:제2구획부

Claims (12)

  1. 연료전지의 기체확산층;
    기체확산층과 이격 배치되고, 공기가 유통되는 베이스판; 및
    폭방향으로 연장되게 형성되며 공기가 통과되는 제1개구부가 형성되고, 일단부와 타단부가 각각 기체확산층 및 베이스판으로 연장되며, 길이방향을 따라 이격되어 배열된 다수의 제1유통부와, 폭방향으로 연장되게 형성되고 공기가 통과되는 제2개구부가 형성되며 제1유통부의 일단부 또는 타단부를 길이방향을 따라 교대로 연결하는 다수의 제2유통부가 구성된 유로형성부재;를 포함하며,
    유로형성부재는 측면의 형상이 제1유통부와 제2유통부에 의해 다각형의 패턴이 반복되는 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    다수의 제1유통부는 기체확산층과 베이스판이 마주하는 방향으로 경사를 가지고 연장되되 길이방향을 따라 교차 반복되게 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제1유통부는 교차 반복되게 배치됨에 따라 일단부 간의 간격 및 타단부 간의 간격이 상이하고, 제2유통부는 단부 간의 간격이 긴 부분에 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    유로형성부재는 측면의 형상이 꼭짓점이 기체확산층을 향하는 삼각형과 꼭짓점이 베이스판을 향하는 삼각형이 반복되는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    유로형성부재에서 제2유통부가 길이방향을 따라 연장된 형태로 형성되어 제2유통부에 의한 평탄한 부분이 확보되는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1유통부에는 폭방향으로 다수의 제1개구부가 이격 배치되고, 제1개구부에는 하나 이상의 제1구획부가 공간을 가로지르도록 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    제1구획부는 제1개구부의 중심을 가로지르도록 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제2유통부에 의해 일단부 또는 타단부가 서로 연결되는 각 제1유통부에서, 어느 하나의 제1유통부에 형성된 제1개구부의 제1구획부와 다른 하나의 제1유통부에 형성된 제1개구부의 제1구획부는 서로 다른 방향으로 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    제1개구부는 사각 형태로 형성되며,
    제1구획부는 다수로 구성되고 서로 다른 방향에서 제1개구부의 중심을 가로지르도록 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    다수의 제1구획부는 제1개구부의 중심에서 직교하도록 연장되고,
    제2유통부에 의해 일단부 또는 타단부가 서로 연결되는 각 제1유통부에서, 어느 하나의 제1유통부에 형성된 제1개구부의 제1구획부와 다른 하나의 제1유통부에 형성된 제1개구부의 제1구획부는 상호 매칭되지 않도록 기울어지게 배치된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    제2유통부에는 폭방향으로 다수의 제2개구부가 이격 배치되고, 제2개구부에는 하나 이상의 제2구획부(322)가 공간을 가로지르도록 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    제2구획부는 제2개구부의 중심을 가로지르도록 연장된 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
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