KR20230006668A - 연료전지 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 막전극 접합체와 분리판의 사이에 배치되는 기재와, 기재상에 적층되는 미세기공층 및 미세기공층에 구비되고, 기재와 미세기공층의 수분 배출 성능을 향상시키는 와류발생유도부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물 배출 성능이 향상된 연료전지 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 전력반응수단으로, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
연료전지의 이온교환막은 물 함유도에 비례하여 수소이온을 전도하는 특성이 있어 이온전도도를 높이기 위해 가습된 공급 기체를 사용하고 있으며, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적인 반응에 의해 물을 생성한다. 이에 따라 연료전지 내에서 적절한 물 관리가 이루어지지 않으면 물이 반응기체의 통로를 막아 성능이 급격히 하락하는 플러딩(flooding)현상이 일어나게 된다. 따라서 연료전지 내의 물 관리를 적절히 할 수 있는 방안에 대한 연구 및 개발이 필요하다.
한편, 본 발명의 배경기술은 대한민국 특허등록공보 제10-0599776호(2006.07.05 등록, 발명의 명칭: 연료 전지 시스템 및 그 스택)에 개시되어 있다.
본 발명은 칼만와류에 의해 연료전지 내부에 머물고 있는 물을 원활하게 배출시킬 수 있는 연료전지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 연료전지 장치는: 막전극 접합체와 분리판의 사이에 배치되는 기재와; 상기 기재상에 적층되는 미세기공층; 및 상기 기재와 상기 미세기공층 중 적어도 어느 하나에 구비되고, 상기 기재와 상기 미세기공층의 수분 배출 성능을 향상시키는 와류발생유도부;를 포함한다.
또한, 상기 와류발생유도부는 상기 기재로부터 상기 미세기공층으로 유입되는 반응기체의 유동에 간섭되어 칼만와류를 발생시킨다.
또한, 상기 와류발생유도부의 기공률은 상기 미세기공층의 기공률보다 작다.
또한, 상기 와류발생유도부의 기공률은 상기 기재의 기공률보다 작다.
또한, 상기 와류발생유도부는 복수개로 구비되어 상기 기재와 상기 미세기공층 중 적어도 어느 하나의 표면에 소정 패턴을 형성한다.
또한, 상기 소정 패턴은 격자 구조이다.
또한, 상기 와류발생유도부는 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 단면 형상을 갖는다.
본 발명에 따른 연료전지 장치는 와류발생유도부에 의해 기재 및 미세기공층에 머물고 있는 수분이 분리판으로 보다 원활하게 배출되도록 유도할 수 있어 연료전지의 출력 밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 장치는 와류발생유도부의 기공률이 미세기공층의 기공률보다 작게 형성됨에 따라 간단한 구조로 분리판으로부터 유입되는 반응기체에 칼만와류를 발생시킬 수 있어 제작에 따른 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기재, 미세기공층, 와류발생유도부의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 기재, 미세기공층, 와류발생유도부의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 작동 과정을 개략적으로 나타내는 작동도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기재, 미세기공층, 와류발생유도부의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 기재, 미세기공층, 와류발생유도부의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 작동 과정을 개략적으로 나타내는 작동도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 장치의 실시예를 설명하도록 한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 접속)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(또는 구비)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 "포함(또는 구비)"할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 특정 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 그 부호들은 다른 도면을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 특정 도면에 참조 부호가 표시되지 않은 부분이 있더라도, 그 부분은 다른 도면들을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 본 출원의 도면들에 포함된 세부 구성요소들의 개수, 형상, 크기 및 크기의 상대적인 차이 등은 이해의 편의를 위해 설정된 것으로서, 실시예들을 제한하지 않으며 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는 분리판(100), 막전극 접합체(200), 기재(300), 미세기공층(400), 와류발생유도부(500)를 포함한다.
분리판(100)은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 개략적인 외관을 형성하고, 후술하는 막전극 접합체(200), 기재(300), 미세기공층(400)을 구조적으로 지지한다. 분리판(100)은 내부에 다수의 유로가 형성되어 후술하는 막전극 접합체(210)로 수소, 산소 등의 반응가스(G)를 공급하고, 반응에 의해 발생된 수분(W)을 외부로 배출한다. 분리판(100)은 충분한 강성을 확보함과 동시에 내부식성 성능을 갖도록 스테인레스강(stainless steel), 알루미늄합금강(aluminum alloy steel), 니켈합금강(nickel alloy steel) 등의 재질로 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리판(100)은 애노드 분리판(110)과, 애노드 분리판(110)과 소정 간격 이격되어 마주보게 배치되는 캐소드 분리판(120)을 포함할 수 있다.
막전극 접합체(200)는 애노드 분리판(110)과 캐소드 분리판(120)의 사이에 구비되고, 분리판(100)으로부터 공급되는 반응가스(G) 즉, 수소 및 산소의 전기화학적 반응을 유도하여 전기에너지를 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체(200)는 수소 양이온(proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 공기극(cathode)와 연료극(anode)로 구성되는 촉매층을 포함할 수 있다.
기재(300)는 막전극 접합체(200)와 분리판(100)의 사이에 배치된다. 기재(300)는 소정값의 기공률을 갖는 다공성의 구조로 형성된다. 기재(300)는 후술하는 미세기공층(400)과 함께 분리판(100)으로부터 공급되는 반응가스(G)를 막전극 접합체(200)의 촉매층으로 확산시키고, 막전극 접합체(200)로부터 발생되는 수분을 분리판(100)으로 배출시키는 통로로서 기능한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기재, 미세기공층, 와류발생유도부의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 기재, 미세기공층, 와류발생유도부의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기재(300)는 한 쌍으로 구비되어 막전극 접합체(200)와 캐소드 분리판(110) 및 막전극 접합체(200)와 애노드 분리판(120) 사이에 각각 배치될 수 있다. 기재(300)는 화이버(fiber) 형태의 탄소 섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 계열의 소수성 바인더로 구성되며, 이러한 기재(300)의 재료로는 탄소섬유 천(Cloth), 탄소섬유 펠트(Felt) 및 탄소섬유 종이(Paper) 등이 사용될 수 있다.
미세기공층(400)은 기재(300)상에 적층되고, 막접극 접합체(200)와 마주보게 배치된다. 미세기공층(400)은 소정값의 기공률을 갖는 다공성의 구조로 형성되어 기재(300)와 함께 반응가스(G)를 막전극 접합체(200)의 촉매층으로 확산시키고, 막전극 접합체(200)로부터 발생되는 수분을 분리판(100)으로 배출시키는 통로로서 기능한다. 미세기공층(400)은 막전극 접합체(200)의 촉매층과 맞닿아 전극의 접촉 저항을 낮춰주고, 탄소 섬유와 전극간 물리적 응력집중을 완화시켜 고분자 전해질막의 내구성을 개선한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세기공층(400)은 한 쌍으로 구비되어 한 쌍의 기재(300) 상에 각각 적층된다. 미세기공층(400)의 기공률은 기재(300)의 기공률보다 작게 형성된다. 이에 따라 미세기공층(400)은 막전극 접합체(200)로부터 발생된 수분(W)이 모세관압의 차이에 의해 분리판(100)으로 배출되도록 유도할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 미세기공층(400)은 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌 계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조된 후, 기재(300)의 일면에 도포되어 형성될 수 있다.
와류발생유도부(500)는 기재(300)와 미세기공층(400) 중 적어도 어느 하나에 구비되고, 기재(300)와 미세기공층(400)의 수분 배출 성능을 향상시킨다. 보다 구체적으로, 와류발생유도부(500)는 기재(300)로부터 미세기공층(400)으로 유입되는 반응기체(G)의 유동에 간섭되어 칼만와류를 발생시킨다. 칼만와류(Karman Vortex)는 특정 흐름을 가지면서 유동하는 유체가 진행 방향에 놓여진 물체에 간섭되는 경우, 물체의 주변으로 불완전하게 분리되며 설정 주기로 반복되는 소용돌이 모양의 기류를 발생시키는 현상을 의미한다. 이에 따라 와류발생유도부(500)는 기재(300) 및 미세기공층(400)에 머물고 있는 수분이 분리판(100)을 향해 배출되도록 유도할 수 있어 연료전지의 출력 밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생유도부(500)는 미세기공층(400)의 내부에 형성되는 다공성의 구조물로 예시될 수 있다. 와류발생유도부(500)의 기공률은 미세기공층(400)의 기공률보다 작은 값을 갖도록 형성될 수 있다. 이에 따라 와류발생유도부(500)는 기공률의 차이에 의해 반응가스(G)가 와류발생유도부(500)를 기준으로 분리되며 미세기공층(400)으로 유입되도록 유도할 수 있어 칼만와류를 보다 원활하게 발생시킬 수 있다. 와류발생유도부(500)는 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 단면 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 와류발생유도부(500)는 복수개로 구비될 수 있다. 복수개의 와류발생유도부(500)는 미세기공층(400)의 표면 상에서 소정 간격 이격되도록 배치되며 미세기공층(400)의 표면에 소정 패턴을 형성할 수 있다. 이 경우, 소정 패턴은 격자 구조일 수 있다. 와류발생유도부(500)의 패턴간의 피치 또는 패턴의 크기 발생시키고자 하는 칼만와류의 세기 등에 따라 다양하게 설계 변경이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 작동 과정을 상세하게 설명하도록 한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 작동 과정을 개략적으로 나타내는 작동도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 분리판(100)으로부터 공급되는 반응가스(G)는 기재(300), 미세기공층(400)을 순차적으로 거쳐 막전극 접합체(200)로 전달된다.
이 과정에서, 기재(300)로부터 미세기공층(400)을 향해 유동되는 반응가스(G)중 일부는 와류발생유도부(500)와 간섭된다.
와류발생유도부(500)와 간섭된 반응가스(G) 중 일부는 와류발생유도부(500)와 미세기공층(400)의 기공률의 차이에 의해 와류발생유도부(500)를 기준으로 양측으로 분리된다.
보다 구체적으로, 와류발생유도부(500)는 양측으로 반응가스(G)가 서로 다른 회전 방향을 갖고 주기적으로 분리되도록 유도하여 반응가스(G)의 유동에 와류를 발생시킨다.
반응가스(G)는 와류에 의한 운동에너지에 의해 기재(300) 및 미세기공층(400)에 머물고 있는 수분(W)에 외력을 가하고, 수분(W)은 이러한 외력에 연동되어 분리판(100)으로 배출된다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 장치(2)의 구성을 설명하도록 한다.
이 과정에서 설명의 편의를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생유도부(500)는 기재(300)의 내부에 형성되는 다공성의 구조물로 예시될 수 있다. 와류발생유도부(500)의 기공률은 기재(300)의 기공률보다 작은 값을 갖도록 형성될 수 있다. 이에 따라 와류발생유도부(500)는 기공률의 차이에 의해 반응가스(G)가 와류발생유도부(500)를 기준으로 분리되며 기재(300)로 유입되도록 유도할 수 있어 칼만와류를 보다 원활하게 발생시킬 수 있다. 와류발생유도부(500)는 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 단면 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 와류발생유도부(500)는 복수개로 구비될 수 있다. 복수개의 와류발생유도부(500)는 기재(300)의 표면 상에서 소정 간격 이격되도록 배치되며 기재(300)의 표면에 소정 패턴을 형성할 수 있다. 이 경우, 소정 패턴은 격자 구조일 수 있다. 와류발생유도부(500)의 패턴간의 피치 또는 패턴의 크기 발생시키고자 하는 칼만와류의 세기 등에 따라 다양하게 설계 변경이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 장치(3)의 구성을 설명하도록 한다.
이 과정에서 설명의 편의를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생유도부(500)는 기재(300)와 미세기공층(400)의 내부에 형성되는 다공성의 구조물로 예시될 수 있다. 와류발생유도부(500)의 기공률은 미세기공층(400)의 기공률보다 작은 값을 갖도록 형성될 수 있다. 이에 따라 와류발생유도부(500)는 기공률의 차이에 의해 반응가스(G)가 와류발생유도부(500)를 기준으로 분리되며 기재(300)와 미세기공층(400)으로 유입되도록 유도할 수 있어 칼만와류를 보다 원활하게 발생시킬 수 있다. 와류발생유도부(500)는 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 단면 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 와류발생유도부(500)는 복수개로 구비될 수 있다. 복수개의 와류발생유도부(500)는 기재(300)의 표면 상에서 소정 간격 이격되도록 배치되며 기재(300)와 미세기공층(400)의 표면에 소정 패턴을 형성할 수 있다. 이 경우, 소정 패턴은 격자 구조일 수 있다. 와류발생유도부(500)의 패턴간의 피치 또는 패턴의 크기 발생시키고자 하는 칼만와류의 세기 등에 따라 다양하게 설계 변경이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시되는 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1, 2, 3 : 연료전지 장치
100 : 분리판
110 : 애노드 분리판 120 : 캐소드 분리판
200 : 막전극 접합체 300 : 기재
400 : 미세기공층 500 : 와류발생유도부
G : 반응가스 W : 수분
110 : 애노드 분리판 120 : 캐소드 분리판
200 : 막전극 접합체 300 : 기재
400 : 미세기공층 500 : 와류발생유도부
G : 반응가스 W : 수분
Claims (7)
- 막전극 접합체와 분리판의 사이에 배치되는 기재;
상기 기재상에 적층되는 미세기공층; 및
상기 기재와 상기 미세기공층 중 적어도 어느 하나에 구비되고, 상기 기재와 상기 미세기공층의 수분 배출 성능을 향상시키는 와류발생유도부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 와류발생유도부는 상기 기재로부터 상기 미세기공층으로 유입되는 반응기체의 유동에 간섭되어 칼만와류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 와류발생유도부의 기공률은 상기 미세기공층의 기공률보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 와류발생유도부의 기공률은 상기 기재의 기공률보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 와류발생유도부는 복수개로 구비되어 상기 기재와 상기 미세기공층 중 적어도 하나의 표면에 소정 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 소정 패턴은 격자 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 와류발생유도부는 원형, 타원형, 다각형 중 어느 하나의 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210086380A KR102680762B1 (ko) | 2021-07-01 | 2021-07-01 | 연료전지 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210086380A KR102680762B1 (ko) | 2021-07-01 | 2021-07-01 | 연료전지 장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230006668A true KR20230006668A (ko) | 2023-01-11 |
| KR102680762B1 KR102680762B1 (ko) | 2024-07-03 |
Family
ID=84892468
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210086380A KR102680762B1 (ko) | 2021-07-01 | 2021-07-01 | 연료전지 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102680762B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102330810B1 (ko) * | 2020-01-03 | 2021-11-25 | 주식회사 제이앤티지 | 연료전지용 미세다공층, 이를 포함하는 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지 |
-
2021
- 2021-07-01 KR KR1020210086380A patent/KR102680762B1/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102330810B1 (ko) * | 2020-01-03 | 2021-11-25 | 주식회사 제이앤티지 | 연료전지용 미세다공층, 이를 포함하는 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102680762B1 (ko) | 2024-07-03 |
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|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |