KR20230097259A

KR20230097259A - Fuel cell apparatus

Info

Publication number: KR20230097259A
Application number: KR1020210186129A
Authority: KR
Inventors: 박지용; 구영모; 김명환; 조연호; 오근환; 윤선호; 최영진; 임진혁; 황기연
Original assignee: 한국자동차연구원
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-07-03

Abstract

본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 제1채널부 및 제1채널부와 이격되게 배치되는 제2채널부를 구비하여 반응가스의 유동을 안내하는 채널부와, 제1채널부와 제2채널부의 사이에 배치되는 제1랜드부와, 이웃하는 채널부의 사이에 배치되는 제2랜드부와, 제1랜드부 및 제2랜드부와 마주보게 배치되고, 채널부로부터 반응가스를 전달받는 가스확산부 및 제1랜드부에 구비되고, 채널부를 유동하는 반응가스에 압력 구배를 형성하는 배출성능향상부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a fuel cell device, and includes a first channel portion and a second channel portion disposed to be spaced apart from the first channel portion to guide a flow of a reaction gas, and the first channel portion and the second channel portion. A first land portion disposed therebetween, a second land portion disposed between adjacent channel portions, and a gas diffusion portion disposed facing the first land portion and the second land portion and receiving reaction gas from the channel portion. and a discharge performance enhancing unit provided in the first land unit and forming a pressure gradient in the reaction gas flowing through the channel unit.

Description

Fuel cell device {FUEL CELL APPARATUS}

본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건물의 발전에 사용되는 연료전지 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell device, and more particularly, to a fuel cell device used for power generation in buildings.

일반적으로, 연료전지는 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 전력반응수단으로, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.In general, a fuel cell is a power reaction means that continuously produces electrical energy through a chemical reaction of continuously supplied fuel, and continuous research and development is being conducted as an alternative solution to global environmental problems.

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.Depending on the type of electrolyte used, fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells (PAFCs), molten carbonate fuel cells (MCFCs), and solid oxide fuel cells (SOFCs). It can be classified into polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), alkaline fuel cell (AFC) and direct methanol fuel cell (DMFC), and works with the type of fuel used. Depending on temperature, output range, etc., it can be applied to various application fields such as mobile power, transportation, and distributed power generation.

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.Since the ion exchange membrane of a fuel cell has the property of conducting hydrogen ions in proportion to the water content, a humidified supply gas is used to increase the ion conductivity, and the fuel cell generates water through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. do. Accordingly, if proper water management is not performed in the fuel cell, water blocks the passage of the reaction gas, causing a flooding phenomenon in which performance is rapidly deteriorated. Therefore, it is necessary to research and develop methods for properly managing water in a fuel cell.

본 발명의 배경기술은 대한민국 특허등록공보 제10-0599776호(2006.07.05 등록, 발명의 명칭: 연료 전지 시스템 및 그 스택)에 개시되어 있다.The background art of the present invention is disclosed in Korean Patent Registration Publication No. 10-0599776 (registered on July 5, 2006, title of the invention: fuel cell system and its stack).

본 발명은 반응가스의 유로에 압력 구배를 부여하여 반응가스의 공급 성능과 수분 배출 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a fuel cell device capable of improving reaction gas supply performance and moisture discharge performance by applying a pressure gradient to a reaction gas passage.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 연료전지 장치는: 제1채널부 및 상기 제1채널부와 이격되게 배치되는 제2채널부를 구비하여 반응가스의 유동을 안내하는 채널부와; 상기 제1채널부와 상기 제2채널부의 사이에 배치되는 제1랜드부와; 이웃하는 상기 채널부의 사이에 배치되는 제2랜드부와; 상기 제1랜드부 및 상기 제2랜드부와 마주보게 배치되고, 상기 채널부로부터 상기 반응가스를 전달받는 가스확산부; 및 상기 제1랜드부에 구비되고, 상기 채널부를 유동하는 상기 반응가스에 압력 구배를 형성하는 배출성능향상부;를 포함한다.In order to solve the above problems, a fuel cell device according to the present invention includes: a channel portion having a first channel portion and a second channel portion disposed to be spaced apart from the first channel portion to guide a flow of a reaction gas; a first land portion disposed between the first channel portion and the second channel portion; a second land portion disposed between the adjacent channel portions; a gas diffusion unit disposed to face the first land unit and the second land unit and receiving the reaction gas from the channel unit; and an emission performance enhancing unit provided in the first land unit and configured to form a pressure gradient in the reaction gas flowing through the channel unit.

또한, 상기 배출성능향상부는 상기 채널부의 연장 방향을 따라 유동하는 상기 반응가스의 유속을 가변시킨다.In addition, the discharge performance improving unit varies the flow rate of the reaction gas flowing along the extension direction of the channel unit.

또한, 상기 배출성능향상부는 상기 채널부를 유동하는 상기 반응가스의 일부가 상기 채널부의 연장 방향을 가로지르는 방향으로 흐르도록 유도한다.In addition, the discharge performance improving unit induces a portion of the reaction gas flowing through the channel portion to flow in a direction transverse to the extending direction of the channel portion.

또한, 상기 배출성능향상부는 상기 제1채널부를 유동하는 상기 반응가스가 상기 제1랜드부를 가로질러 상기 제2채널부로 분산되도록 유도한다.In addition, the discharge performance improving unit induces the reaction gas flowing through the first channel unit to be dispersed to the second channel unit across the first land unit.

또한, 상기 배출성능향상부는, 상기 제1채널부를 유동하는 상기 반응가스의 압력을 상승시키는 제1배출성능향상부; 및 상기 제2채널부를 유동하는 상기 반응가스의 압력을 감소시키는 제2배출성능향상부;를 포함한다.In addition, the discharge performance enhancing unit may include a first discharge performance enhancing unit for increasing the pressure of the reaction gas flowing through the first channel unit; and a second discharge performance enhancing unit reducing the pressure of the reaction gas flowing through the second channel unit.

또한, 상기 제1배출성능향상부는 상기 제1채널부의 단면적을 축소시키고, 상기 제2배출성능향상부는 상기 제2채널부의 단면적을 확장시킨다.In addition, the first discharge performance improving unit reduces the cross-sectional area of the first channel unit, and the second discharge performance enhancing unit expands the cross-sectional area of the second channel unit.

또한, 상기 제1배출성능향상부는 상기 제1랜드부로부터 상기 제1채널부를 향해 돌출 형성되고, 상기 제2배출성능향상부는 상기 제2채널부로부터 상기 제1랜드부를 향해 오목하게 함몰 형성된다.In addition, the first discharge performance enhancing portion protrudes from the first land portion toward the first channel portion, and the second discharge performance enhancing portion is formed to be recessed from the second channel portion toward the first land portion.

또한, 상기 제2랜드부의 양면은 각각 상기 제1채널부 및 상기 제2채널부의 연장 방향과 나란하게 형성된다.In addition, both sides of the second land portion are formed parallel to the extension directions of the first channel portion and the second channel portion, respectively.

본 발명에 따른 연료전지 장치는 배출성능향상부에 의해 분리판부의 전체 영역 중, 가스확산부와 맞닿아 반응가스가 쉽게 유동되지 못하는 제1랜드부가 형성된 영역에서도 반응가스의 유동을 발생시킴에 따라 반응가스와 가스확산부의 접촉면적을 확장시켜 반응가스의 공급 성능을 향상시킬 수 있다.In the fuel cell device according to the present invention, the flow of the reaction gas is generated even in the area where the first land portion, which is in contact with the gas diffusion portion and does not easily flow, is formed among the entire area of the separator plate by the emission performance improving unit. It is possible to improve the supply performance of the reaction gas by expanding the contact area between the reaction gas and the gas diffusion unit.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 장치는 배출성능향상부에 의해 채널부의 연장 방향을 따라 유동하는 반응가스의 유속을 국부적으로 가변시킴에 따라 차량용 연료전지에 비해 반응가스가 상대적으로 적은 유량으로 공급되고, 반응가스의 유동 상태의 변화가 크지 않은 건물 발전용 연료전지에서의 및 수분의 배출 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, the fuel cell device according to the present invention locally changes the flow rate of the reaction gas flowing along the extension direction of the channel unit by the emission performance improving unit, so that the reaction gas is supplied at a relatively small flow rate compared to the vehicle fuel cell. However, it is possible to improve the emission performance of fuel cells for power generation in buildings where the change in the flow state of the reactant gas is not large.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 5, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 작동 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.1 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a separator unit according to an embodiment of the present invention.
3 is a front view schematically illustrating a configuration of a separating plate unit according to an embodiment of the present invention.
4 is a plan view schematically illustrating a configuration of a separator unit according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are diagrams schematically showing an operating state of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 장치의 실시예를 설명한다.Hereinafter, an embodiment of a fuel cell device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

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.In this process, the thickness of lines or the size of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or operator. Therefore, definitions of these terms will have to be made based on the content throughout this specification.

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.In addition, in this specification, when a part is said to be “connected (or connected)” to another part, this is not only the case where it is “directly connected (or connected)”, but also “with another member in between” It also includes cases where it is indirectly connected (or connected). In this specification, when it is said that a certain part "includes (or includes)" a certain component, this does not exclude other components unless otherwise stated, but "includes (or includes)" other components. It means you can.

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.Also, like reference numerals may refer to like elements throughout this specification. Even if the same reference numerals or similar reference numerals are not mentioned or described in a particular drawing, the numerals may be described based on another drawing. In addition, even if there are parts not marked with reference numerals in specific drawings, the parts can be described based on other drawings. In addition, the number, shape, size, and relative difference of the detailed components included in the drawings of the present application are set for convenience of understanding, and may be implemented in various forms without limiting the embodiments.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.1 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는 막전극 접합체(100), 분리판부(200), 가스확산부(300), 배출성능향상부(400)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , a fuel cell device 1 according to an embodiment of the present invention includes a membrane electrode assembly 100, a separator 200, a gas diffusion unit 300, and an emission performance improving unit 400. do.

막전극 접합체(MEA, Membrane-Electrode Assembly)(100)는 후술하는 분리판부(200)로부터 공급되는 반응가스(G) 즉, 수소 및 산소의 전기화학적 반응을 유도하여 전기에너지를 생성한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체(100)는 수소 양이온(proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 공기극(cathode)과 연료극(anode)으로 구성되는 촉매층을 포함할 수 있다.A Membrane-Electrode Assembly (MEA) 100 generates electrical energy by inducing an electrochemical reaction of a reaction gas (G), that is, hydrogen and oxygen, supplied from a separator 200 to be described later. The membrane electrode assembly 100 according to an embodiment of the present invention includes a polymer electrolyte membrane capable of moving hydrogen cations (protons) and a cathode coated on both sides of the polymer electrolyte membrane so that hydrogen and oxygen can react. and a catalyst layer composed of an anode.

분리판부(200)는 막전극 접합체(100)와 마주보게 배치되고, 막전극 접합체(100)와 후술하는 가스확산부(300)를 구조적으로 지지한다. 분리판부(200)는 수소, 산소 등의 반응가스(G)가 내부를 유동할 수 있도록 구비된다. 분리판부(200)는 후술하는 가스확산부(300)를 통해 막전극 접합체(100)로 반응가스(G)를 공급한다. 또한, 분리판부(200)는 막전극 접합체(100)에서의 전기화학적 반응에 의해 발생된 수분(W)을 외부로 배출한다. 분리판부(200)는 한 쌍으로 구비되며, 한 쌍의 분리판부(200)는 막전극 접합체(100)의 양면 즉, 막전극 접합체(100)의 공기극 및 연료극과 각각 마주보게 배치된다. 분리판부(200)는 충분한 강성을 확보함과 동시에 내부식성 성능을 갖도록 스테인레스강(stainless steel), 알루미늄합금강(aluminum alloy steel), 니켈합금강(nickel alloy steel) 등의 재질로 구비될 수 있다.The separator unit 200 is disposed to face the membrane electrode assembly 100 and structurally supports the membrane electrode assembly 100 and a gas diffusion unit 300 to be described later. The separation plate unit 200 is provided so that a reaction gas (G) such as hydrogen or oxygen can flow therein. The separation plate unit 200 supplies the reaction gas (G) to the membrane electrode assembly 100 through a gas diffusion unit 300 to be described later. In addition, the separator unit 200 discharges moisture (W) generated by an electrochemical reaction in the membrane electrode assembly 100 to the outside. The pair of separators 200 are provided, and the pair of separators 200 face each other with both sides of the membrane electrode assembly 100, that is, the air electrode and the fuel electrode of the membrane electrode assembly 100. The separator 200 may be made of a material such as stainless steel, aluminum alloy steel, or nickel alloy steel to ensure sufficient rigidity and corrosion resistance.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부의 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부의 구성을 개략적으로 나타내는 정면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도이다.Figure 2 is a perspective view schematically showing the configuration of a separator according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a front view schematically showing the configuration of a separator according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a perspective view of the present invention It is a plan view schematically showing the configuration of the separator according to an embodiment.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판부(200)는 채널부(210), 제1랜드부(220), 제2랜드부(230)를 포함한다.Referring to FIGS. 2 to 4 , the separation plate unit 200 according to an embodiment of the present invention includes a channel unit 210 , a first land unit 220 and a second land unit 230 .

채널부(210)는 분리판부(200)의 외관 일부를 형성하며, 반응가스(G)의 유동을 안내한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 채널부(210)는 막전극 접합체(100)로부터 멀어지는 방향으로 오목하게 함몰 형성된다. 채널부(210)는 분리판부(200)의 내부로 공급된 반응가스(G) 및 막전극 접합체(100)로부터 배출되는 수분(W)의 유동을 안내한다. 채널부(210)는 막전극 접합체(100)와 마주보는 면이 개구되어 있도록 형성된다. 이에 따라 채널부(210)는 내부를 유동하는 반응가스(G)를 막전극 접합체(100)로 공급할 수 있다. 채널부(210)는 복수개로 구비될 수 있다. 복수개의 채널부(210)는 반응가스(G)의 유동 방향을 가로지르는 방향으로 소정 간격 이격되게 배치된다. 복수개의 채널부(210)의 개수 및 이격되는 간격은 분리판부(200)의 크기 등에 따라 다양하게 설계 변경이 가능하다.The channel unit 210 forms part of the outer appearance of the separating plate unit 200 and guides the flow of the reaction gas (G). The channel unit 210 according to an embodiment of the present invention is formed concavely in a direction away from the membrane electrode assembly 100 . The channel unit 210 guides the flow of the reaction gas G supplied into the separator 200 and the moisture W discharged from the membrane electrode assembly 100 . The channel unit 210 is formed such that a surface facing the membrane electrode assembly 100 is open. Accordingly, the channel unit 210 may supply the reaction gas G flowing therein to the membrane electrode assembly 100 . A plurality of channel units 210 may be provided. The plurality of channel units 210 are spaced apart at predetermined intervals in a direction transverse to the flow direction of the reaction gas (G). The number of the plurality of channel units 210 and the space between them can be variously changed depending on the size of the separator 200 and the like.

본 발명의 일 실시예에 따른 각각의 채널부(210)는 제1채널부(211), 제2채널부(212)를 포함한다.Each channel unit 210 according to an embodiment of the present invention includes a first channel unit 211 and a second channel unit 212 .

제1채널부(211)와 제2채널부(212)는 일측이 개구된 "ㄷ" 자 형태의 단면을 갖고, 길이 방향이 도 2를 기준으로 X축 방향과 나란한 방향으로 연장된다. 제1채널부(211)와 제2채널부(212)는 도 2를 기준으로 Y축 방향 소정 간격 이격되어 서로 평행하게 배치된다. 제1채널부(211)와 제2채널부(212)의 단면적의 크기, 연장 길이는 분리판부(200)의 규격 등에 따라 다양하게 설계 변경이 가능하다.The first channel portion 211 and the second channel portion 212 have a "c"-shaped cross section with one side opened, and a longitudinal direction extends in a direction parallel to the X-axis direction based on FIG. 2 . The first channel unit 211 and the second channel unit 212 are spaced apart from each other by a predetermined distance in the Y-axis direction with reference to FIG. 2 and are disposed parallel to each other. The size of the cross-sectional area of the first channel unit 211 and the second channel unit 212 and the extension length can be changed in various ways according to the standard of the separating plate unit 200 and the like.

제1채널부(211)와 제2채널부(212)는 가스확산부(300)로부터 멀어질수록 폭이 좁아지게 형성된다. 보다 구체적으로, 제1채널부(211)와 제2채널부(212)는 가스확산부(300)와 마주보는 개구된 측의 폭이 바닥면의 폭보다 큰 사다리꼴의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 이에 따라 제1채널부(211)와 제2채널부(212)는 분리판부(200)의 프레스 가공 시 Z축의 방향으로 금형이 용이하게 분리되도록 유도하여 분리판부(200)의 가공성을 향상시킬 수 있다.The first channel unit 211 and the second channel unit 212 are formed to have a narrower width as the distance from the gas diffusion unit 300 increases. More specifically, the first channel unit 211 and the second channel unit 212 may be formed to have a trapezoidal shape where the width of the open side facing the gas diffusion unit 300 is greater than the width of the bottom surface. . Accordingly, the first channel unit 211 and the second channel unit 212 guide the mold to be easily separated in the Z-axis direction during press processing of the separating plate unit 200, thereby improving the workability of the separating plate unit 200. there is.

제1랜드부(220)와 제2랜드부(230)는 분리판부(200)의 나머지 외관을 형성하며, 후술하는 가스확산부(300)를 지지한다. The first land part 220 and the second land part 230 form the rest of the outer appearance of the separator plate part 200 and support the gas diffusion part 300 described later.

본 발명의 일 실시예에 따른 제1랜드부(220)는 대략 평판 형상을 갖도록 형성되고, 어느 하나의 채널부(210)에 구비되는 제1채널부(211)와 제2채널부(212)의 사이에 배치된다. 제1랜드부(220)는 양단이 각각 어느 하나의 채널부(210)에서 제1채널부(211)와 제2채널부(212)가 서로 마주보는 단부에 각각 연결된다. 제1랜드부(220)는 복수개로 구비되어 각각의 채널부(210)에 개별적으로 배치될 수 있다. The first land part 220 according to an embodiment of the present invention is formed to have a substantially flat plate shape, and the first channel part 211 and the second channel part 212 provided in any one of the channel parts 210 is placed between Both ends of the first land part 220 are respectively connected to ends where the first channel part 211 and the second channel part 212 face each other in any one channel part 210 . The first land unit 220 may be provided in plurality and may be individually disposed in each channel unit 210 .

본 발명의 일 실시예에 따른 제2랜드부(230)는 대략 평판 형상을 갖도록 형성되고, 이웃하는 채널부(210)의 사이에 배치된다. 보다 구체적으로 제2랜드부(230)는 이웃하는 채널부(210) 중 어느 하나에 구비되는 제1채널부(211)와 나머지 하나에 구비되는 제2채널부(212)의 사이에 배치된다. 제2랜드부(230)는 양단이 각각 이웃하는 채널부(210) 중 어느 하나에 구비되는 제1채널부(211)와 나머지 하나에 구비되는 제2채널부(212)가 서로 마주보는 단부에 각각 연결된다. 제2랜드부(230)는 복수개로 구비되어 이웃하는 채널부(210) 사이에 개별적으로 배치될 수 있다. 제2랜드부(230)의 양면은 각각 제1채널부(211) 및 제2채널부(212)의 연장 방향과 나란하게 형성되고, 서로 평행하게 배치된다.The second land part 230 according to an embodiment of the present invention is formed to have a substantially flat plate shape and is disposed between adjacent channel parts 210 . More specifically, the second land unit 230 is disposed between the first channel unit 211 provided in one of the adjacent channel units 210 and the second channel unit 212 provided in the other one. In the second land part 230, the first channel part 211 provided in one of the channel parts 210 adjacent to each other at both ends and the second channel part 212 provided in the other end face each other. connected to each The second land units 230 may be provided in plurality and may be individually disposed between adjacent channel units 210 . Both sides of the second land portion 230 are formed parallel to the extension directions of the first channel portion 211 and the second channel portion 212, respectively, and are disposed parallel to each other.

가스확산부(300)는 막전극 접합체(100) 및 분리판부(200)의 사이에 구비된다. 가스확산부(300)는 양면이 각각 막전극 접합체(100) 및 분리판부(200)와 마주보게 배치된다. 가스확산부(300)는 채널부(210)로부터 반응가스(G)를 전달받고, 전달받은 반응가스(G)를 막전극 접합체(100)의 촉매층으로 확산시킨다. 또한, 가스확산부(300)는 막전극 접합체(100)로부터 발생되는 수분(W)을 채널부(210)로 배출시킨다. 즉, 가스확산부(300)는 막전극 접합체(100)와 분리판부(200)의 사이에서 반응가스(G)와 수분(W)이 이동되는 통로로서의 기능을 수행한다. 가스확산부(300)는 분리판부(200)에 구비되는 제1랜드부(220) 및 제2랜드부(230)에 접촉되어 지지된다. 가스확산부(300)는 한 쌍으로 구비되어 한 쌍의 분리판부(200)와 각각 마주보게 배치된다. The gas diffusion unit 300 is provided between the membrane electrode assembly 100 and the separation plate unit 200 . Both sides of the gas diffusion unit 300 are disposed to face the membrane electrode assembly 100 and the separator unit 200, respectively. The gas diffusion unit 300 receives the reaction gas G from the channel unit 210 and diffuses the received reaction gas G into the catalyst layer of the membrane electrode assembly 100 . In addition, the gas diffusion unit 300 discharges moisture (W) generated from the membrane electrode assembly 100 to the channel unit 210 . That is, the gas diffusion unit 300 functions as a passage through which the reaction gas (G) and moisture (W) are moved between the membrane electrode assembly 100 and the separator 200 . The gas diffusion unit 300 is supported in contact with the first land unit 220 and the second land unit 230 provided on the separator 200 . The gas diffusion units 300 are provided in pairs and disposed to face each other with the pair of separation plate units 200 .

본 발명의 일 실시예에 따른 가스확산부(300)는 화이버(fiber) 형태의 탄소 섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 계열의 소수성 바인더로 구성되는 기재와, 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, 기재의 일면에 도포되는 미세기공층을 포함할 수 있다. 기재와 미세기공층은 소정값의 기공률을 갖는 다공성의 구조로 형성된다. 미세기공층의 기공률은 기재의 기공률보다 작게 형성될 수 있다.The gas diffusion unit 300 according to an embodiment of the present invention includes a substrate composed of a fiber-type carbon fiber and a polytetrafluoroethylene (PTFE)-based hydrophobic binder, and acetylene black carbon. Carbon), black pearls carbon, etc., and a polytetrafluoroethylene-based hydrophobic agent (Hydrophobic Agent) prepared by mixing, and then applied to one side of the substrate may include a microporous layer . The substrate and the microporous layer are formed in a porous structure having a porosity of a predetermined value. The porosity of the microporous layer may be smaller than the porosity of the substrate.

배출성능향상부(400)는 제1랜드부(220)에 구비되고, 채널부(210)를 유동하는 반응가스(G)에 압력 구배를 형성하여 채널부(210)의 연장 방향을 따라 유동하는 반응가스(G)의 유속을 국부적으로 가변시킨다. 이에 따라 배출성능향상부(400)는 차량용 연료전지에 비해 반응가스(G)가 상대적으로 적은 유량으로 공급되고, 반응가스(G)유동 상태의 변화가 크지 않은 건물 발전용 연료전지에서의 반응가스(G)의 공급 성능 및 수분(W)의 배출 성능을 향상시킬 수 있다.The discharge performance improving unit 400 is provided on the first land unit 220 and forms a pressure gradient in the reaction gas G flowing through the channel unit 210 to flow along the extension direction of the channel unit 210. The flow rate of the reaction gas (G) is locally varied. Accordingly, in the emission performance enhancing unit 400, the reaction gas G is supplied at a relatively small flow rate compared to the vehicle fuel cell, and the reaction gas G is not significantly changed in the flow state of the building power generation fuel cell. It is possible to improve the supply performance of (G) and the discharge performance of moisture (W).

배출성능향상부(400)는 이웃하는 채널부(210)를 유동하는 반응가스(G)에 압력차를 발생시킴에 따라 채널부(210)를 연장방향 즉, X축의 방향으로 유동하는 반응가스(G)의 일부가 채널부(210)의 연장 방향을 가로지르는 방향 즉, Y축의 방향으로 흐르도록 유도한다. 보다 구체적으로, 도 3을 참조하면, 배출성능향상부(400)는 어느 하나의 채널부(210)에서 제1채널부(211)를 유동하는 반응가스(G)가 제1랜드부(220)를 가로질러 제2채널부(212)로 분산되도록 유도한다. 이 경우, 반응가스(G)는 가스확산부(300)를 통해 제1랜드부(220)를 가로지를 수 있다. 이에 따라 배출성능향상부(400)는 분리판부(200)의 전체 영역 중, 가스확산부(300)와 맞닿아 반응가스(G)가 쉽게 유동되지 못하는 제1랜드부(220)가 형성된 영역에서도 반응가스(G)의 유동을 발생시킴에 따라 반응가스(G)와 가스확산부(300)의 접촉면적을 확장시킬 수 있다. 또한, 배출성능향상부(400)는 이러한 Y축 방향으로의 반응가스(G)의 유동력에 의해 랜드부(220)와 접촉된 가스확산부(300)에 고여있는 수분(W)을 채널부(210)로 배출시킬 수 있다.The discharge performance improving unit 400 generates a pressure difference between the reaction gas G flowing through the adjacent channel unit 210, thereby extending the channel unit 210, that is, the reaction gas flowing in the direction of the X axis ( A portion of G) is induced to flow in a direction transverse to the extension direction of the channel unit 210, that is, in the direction of the Y axis. More specifically, referring to FIG. 3, the emission performance improving unit 400 is a first land unit 220, the reaction gas (G) flowing through the first channel unit 211 in any one of the channel unit 210 is induced to be distributed to the second channel unit 212 across the . In this case, the reaction gas G may cross the first land part 220 through the gas diffusion part 300 . Accordingly, the emission performance improving unit 400 is formed even in the area where the first land unit 220, which is in contact with the gas diffusion unit 300 and the reaction gas G does not easily flow, is formed among the entire area of the separator plate unit 200. As the flow of the reaction gas G is generated, the contact area between the reaction gas G and the gas diffusion unit 300 can be expanded. In addition, the discharge performance improving unit 400 removes moisture W accumulated in the gas diffusion unit 300 in contact with the land unit 220 by the flow force of the reactive gas G in the Y-axis direction to the channel unit. (210) can be discharged.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배출성능향상부(400)는 제1배출성능향상부(410), 제2배출성능향상부(420)를 포함한다.Referring to FIGS. 2 to 4 , the emission performance enhancing unit 400 according to an embodiment of the present invention includes a first emission performance enhancing unit 410 and a second emission performance enhancing unit 420 .

제1배출성능향상부(410)는 제1랜드부(220)의 일측에 구비되고, 제1채널부(211)를 유동하는 반응가스(G)의 압력을 상승시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1배출성능향상부(410)는 제1채널부(211)와 마주보는 제1랜드부(220)의 일면으로부터 제1채널부(211)를 향해 볼록하게 돌출 형성되어 제1채널부(211)의 단면적을 축소시킨다. 이 경우, 제1배출성능향상부(410)는 소정 곡률로 만곡지게 형성될 수 있고, 중앙부가 뾰족하게 돌출되는 형태를 갖도록 형성될 수 있다.The first discharge performance improving unit 410 is provided on one side of the first land unit 220 and increases the pressure of the reaction gas G flowing through the first channel unit 211 . The first discharge performance improving unit 410 according to an embodiment of the present invention protrudes convexly toward the first channel unit 211 from one side of the first land unit 220 facing the first channel unit 211. formed to reduce the cross-sectional area of the first channel portion 211. In this case, the first discharge performance improving unit 410 may be formed to be curved with a predetermined curvature, and may be formed to have a shape in which a central portion protrudes sharply.

제2배출성능향상부(420)는 제1랜드부(220)의 타측에 구비되고, 제2채널부(212)를 유동하는 반응가스(G)의 압력을 감소시킨다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2배출성능향상부(420)는 제2채널부(212)로부터 제2채널부(212)와 마주보는 제1랜드부(220)의 타면을 향해 오목하게 함몰 형성되어 제2채널부(212)의 단면적을 확장시킨다. 이 경우, 제2배출성능향상부(420)는 소정 곡률로 만곡지게 형성될 수 있고, 중앙부가 뾰족하게 함몰되는 형태를 갖도록 형성될 수 있다.The second discharge performance improving unit 420 is provided on the other side of the first land unit 220 and reduces the pressure of the reaction gas G flowing through the second channel unit 212 . The second discharge performance improving unit 420 according to an embodiment of the present invention is recessed from the second channel unit 212 toward the other surface of the first land unit 220 facing the second channel unit 212. formed to expand the cross-sectional area of the second channel portion 212 . In this case, the second discharge performance improving unit 420 may be formed to be curved with a predetermined curvature, and may be formed to have a shape in which a central portion is sharply depressed.

제1배출성능향상부(410)와 제2배출성능향상부(420)는 복수개의 제1랜드부(220)에 개별적으로 구비된다. 즉, 제1배출성능향상부(410)와 제2배출성능향상부(420)는 X축 방향의 일정 지점에서 Y축 방향을 따라 제1채널부(211)와 제2채널부(212)의 단면적을 교대로 감소 및 증가시킨다.The first discharge performance enhancing unit 410 and the second discharge performance enhancing unit 420 are individually provided in the plurality of first land units 220 . That is, the first discharge performance enhancing unit 410 and the second discharge performance enhancing unit 420 are connected to the first channel unit 211 and the second channel unit 212 along the Y-axis direction at a predetermined point in the X-axis direction. Alternately decrease and increase the cross-sectional area.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 작동 과정을 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, an operating process of the fuel cell device 1 according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 5, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 작동 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.5 and 6 are diagrams schematically showing an operating state of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 분리판부(200)로 공급된 반응가스(G)는 채널부(210)의 내부에서 채널부(210)의 연장 방향 즉, X축 방향과 나란한 방향으로 유동된다.Referring to FIGS. 1 to 6 , the reaction gas G supplied to the separator 200 flows inside the channel 210 in a direction parallel to the extension direction of the channel 210, that is, the X-axis direction. .

반응가스(G)가 X축 방향의 일정 지점을 통과하는 경우, 제1채널부(211)와 제2채널부(212)를 유동하는 반응가스(G)에는 배출성능향상부(400)에 의해 Y축 방향과 나란한 방향으로 압력 구배가 형성되며, 국부적인 유속 변화가 발생된다.When the reaction gas (G) passes through a certain point in the X-axis direction, the reaction gas (G) flowing through the first channel unit 211 and the second channel unit 212 is provided by the emission performance improving unit 400 A pressure gradient is formed in a direction parallel to the Y-axis direction, and a local flow velocity change occurs.

보다 구체적으로, 제1랜드부(220)의 일면으로부터 제1채널부(211)를 향해 볼록하게 돌출 형성되는 제1배출성능향상부(410)에 의해 단면적이 축소되는 제1채널부(211)의 내부를 유동하는 반응가스(G)의 압력은 제2채널부(212)로부터 제1랜드부(220)의 타면을 향해 오목하게 함몰 형성되는 제2배출성능향상부(420)에 의해 단면적이 확장되는 제2채널부(212)의 내부를 유동하는 반응가스(G)의 압력보다 작게 형성된다.More specifically, the first channel portion 211 whose cross-sectional area is reduced by the first discharge performance improving portion 410 protruding convexly from one surface of the first land portion 220 toward the first channel portion 211 The pressure of the reaction gas (G) flowing in the inside of the cross-sectional area is reduced by the second discharge performance improving part 420 formed concavely from the second channel part 212 toward the other surface of the first land part 220. It is formed smaller than the pressure of the reaction gas (G) flowing inside the second channel portion 212 that expands.

이러한 압력차에 의해 제1채널부(211)를 유동하는 반응가스(G)에는 제2채널부(212)로 유동되려는 유동력이 발생된다.The reaction gas (G) flowing through the first channel part 211 due to this pressure difference generates a flow force to flow into the second channel part 212 .

이에 따라 제1채널부(211)를 따라 유동하는 반응가스(G)의 일부는 Y축의 방향으로 유동되며 가스확산부(300)를 통해 제1랜드부(220)를 가로질러 제2채널부(212)로 분산된다. Accordingly, a part of the reaction gas (G) flowing along the first channel unit 211 flows in the Y-axis direction and crosses the first land unit 220 through the gas diffusion unit 300 to the second channel unit ( 212) is distributed.

Y축 방향으로 반응가스(G)가 유동됨에 따라 반응가스(G)는 Z축 방향에 수직한 가스확산부(300)의 전체 면적에 걸쳐 가스확산부(300)와 접촉되며 막전극 접합체(100)로의 가스 공급 효율을 증가시킨다. As the reaction gas (G) flows in the Y-axis direction, the reaction gas (G) contacts the gas diffusion part 300 over the entire area of the gas diffusion part 300 perpendicular to the Z-axis direction, and the membrane electrode assembly 100 ) to increase the gas supply efficiency.

또한, Y축 방향으로 유동되는 반응가스(G)는 가스확산부(300)를 통해 이웃하는 제2채널부(212)로 분산되며 제1랜드부(220)와 접촉된 가스확산부(300)의 영역에 고여있는 수분(W)을 배출시킨다.In addition, the reaction gas (G) flowing in the Y-axis direction is dispersed to the neighboring second channel unit 212 through the gas diffusion unit 300, and the gas diffusion unit 300 in contact with the first land unit 220 The water (W) accumulated in the area of is discharged.

본 발명은 도면에 도시된 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. The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but this is only exemplary, and those skilled in the art can make various modifications and equivalent other embodiments. will understand

따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Therefore, the technical protection scope of the present invention should be determined by the claims below.

1 : 연료전지 장치 100 : 막전극 접합체
200 : 분리판부 210 : 채널부
211 : 제1채널부 212 : 제2채널부
220 : 제1랜드부 230 : 제2랜드부
300 : 가스확산부
400 : 배출성능향상부 410 : 제1배출성능향상부
420 : 제2배출성능향상부 G : 반응가스
W : 수분1: fuel cell device 100: membrane electrode assembly
200: separator part 210: channel part
211: first channel unit 212: second channel unit
220: first land part 230: second land part
300: gas diffusion unit
400: emission performance improvement unit 410: first emission performance improvement unit
420: second emission performance improving unit G: reaction gas
W: Moisture

Claims

a channel unit having a first channel unit and a second channel unit disposed to be spaced apart from the first channel unit and guiding a flow of reaction gas;
a first land portion disposed between the first channel portion and the second channel portion;
a second land portion disposed between the adjacent channel portions;
a gas diffusion unit disposed to face the first land unit and the second land unit and receiving the reaction gas from the channel unit; and
and an emission performance enhancing unit provided in the first land unit and configured to form a pressure gradient in the reaction gas flowing through the channel unit.

According to claim 1,
The fuel cell device according to claim 1 , wherein the emission performance enhancing unit varies a flow rate of the reaction gas flowing along the extending direction of the channel unit.

According to claim 1,
The fuel cell device according to claim 1 , wherein the emission performance enhancing unit induces a portion of the reactive gas flowing through the channel unit to flow in a direction transverse to an extending direction of the channel unit.

According to claim 3,
The fuel cell device according to claim 1 , wherein the emission performance enhancing unit induces the reaction gas flowing in the first channel unit to be dispersed to the second channel unit across the first land unit.

According to claim 1,
The emission performance improvement unit,
a first discharge performance enhancing unit increasing the pressure of the reaction gas flowing through the first channel unit; and
and a second emission performance enhancing unit reducing a pressure of the reaction gas flowing through the second channel unit.

According to claim 5,
The first discharge performance improving unit reduces the cross-sectional area of the first channel unit,
The fuel cell device according to claim 1 , wherein the second emission performance enhancing unit expands a cross-sectional area of the second channel unit.

According to claim 5,
The first discharge performance improving portion protrudes from the first land portion toward the first channel portion,
The fuel cell device according to claim 1 , wherein the second discharge performance improving portion is formed concavely from the second channel portion toward the first land portion.

According to claim 7,
The fuel cell device of claim 1 , wherein both sides of the second land portion are formed parallel to the extension directions of the first channel portion and the second channel portion, respectively.