KR102794075B1 - Fuel cell apparatus - Google Patents
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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 is characterized by including a channel portion having a first channel portion and a second channel portion arranged spaced apart from the first channel portion to guide the flow of a reaction gas, a first land portion arranged between the first channel portion and the second channel portion, a second land portion arranged between adjacent channel portions, a gas diffusion portion arranged to face the first land portion and the second land portion and receiving a reaction gas from the channel portion, and a discharge performance improving portion provided in the first land portion and forming a pressure gradient in the reaction gas flowing through the channel portion.
Description
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 a building.
일반적으로, 연료전지는 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 전력반응수단으로, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.In general, fuel cells are a power reaction means that continuously produce electrical energy through a chemical reaction of continuously supplied fuel, and continuous research and development is being conducted as an alternative that can solve 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.Fuel cells can be classified into phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuel cells (SOFC), polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), alkaline fuel cells (AFC), and direct methanol fuel cells (DMFC) depending on the type of electrolyte used, and can be applied to various fields such as mobile power sources, transportation, and distributed power generation depending on the type of fuel used, operating temperature, and output range.
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.The ion exchange membrane of the fuel cell has the characteristic of conducting hydrogen ions in proportion to the water content, so a humidified supply gas is used to increase the ion conductivity, and the fuel cell produces water through the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. Accordingly, if water is not properly managed within the fuel cell, the flooding phenomenon occurs, in which water blocks the passage of the reaction gas and the performance rapidly decreases. Therefore, research and development on methods to properly manage water within the fuel cell are necessary.
본 발명의 배경기술은 대한민국 특허등록공보 제10-0599776호(2006.07.05 등록, 발명의 명칭: 연료 전지 시스템 및 그 스택)에 개시되어 있다.The background technology of the present invention is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-0599776 (registered on July 5, 2006, title of the invention: Fuel cell system and stack thereof).
본 발명은 반응가스의 유로에 압력 구배를 부여하여 반응가스의 공급 성능과 수분 배출 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The purpose of the present invention is to provide a fuel cell device capable of improving the supply performance and moisture discharge performance of a reaction gas by providing a pressure gradient to a flow path of a reaction gas.
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-described problem, the fuel cell device according to the present invention includes: a channel portion having a first channel portion and a second channel portion arranged spaced apart from the first channel portion to guide the flow of a reaction gas; a first land portion arranged between the first channel portion and the second channel portion; a second land portion arranged between adjacent channel portions; a gas diffusion portion arranged to face the first land portion and the second land portion and to receive the reaction gas from the channel portion; and an exhaust performance improvement portion provided in the first land portion and forming a pressure gradient in the reaction gas flowing through the channel portion.
또한, 상기 배출성능향상부는 상기 채널부의 연장 방향을 따라 유동하는 상기 반응가스의 유속을 가변시킨다.In addition, the above-mentioned discharge performance improvement section varies the flow rate of the reaction gas flowing along the extension direction of the channel section.
또한, 상기 배출성능향상부는 상기 채널부를 유동하는 상기 반응가스의 일부가 상기 채널부의 연장 방향을 가로지르는 방향으로 흐르도록 유도한다.In addition, the above-described discharge performance improvement section induces a portion of the reaction gas flowing through the channel section to flow in a direction transverse to the extension direction of the channel section.
또한, 상기 배출성능향상부는 상기 제1채널부를 유동하는 상기 반응가스가 상기 제1랜드부를 가로질러 상기 제2채널부로 분산되도록 유도한다.In addition, the emission performance improvement unit induces the reaction gas flowing through the first channel unit to be dispersed across the first land unit to the second channel 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 emission performance improvement unit includes a first emission performance improvement unit that increases the pressure of the reaction gas flowing through the first channel unit; and a second emission performance improvement unit that reduces 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 emission performance-improving portion reduces the cross-sectional area of the first channel portion, and the second emission performance-improving portion expands the cross-sectional area of the second channel portion.
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-improving portion is formed to protrude from the first land portion toward the first channel portion, and the second discharge performance-improving 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.The fuel cell device according to the present invention generates a flow of reaction gas even in an area where a first land portion is formed, where the reaction gas does not easily flow because it comes into contact with the gas diffusion portion, among the entire area of the separator portion by the emission performance improvement portion, thereby expanding the contact area between the reaction gas and the gas diffusion portion, thereby improving the supply performance of the reaction gas.
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 varies the flow rate of the reaction gas flowing along the extension direction of the channel section by the emission performance improving section, thereby supplying the reaction gas at a relatively small flow rate compared to a vehicle fuel cell, and improving the emission performance of moisture in a fuel cell for power generation of buildings where the change in the flow state of the reaction 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.FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a fuel cell device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the configuration of a separator portion according to one embodiment of the present invention.
Figure 3 is a front view schematically showing the configuration of a separator portion according to one embodiment of the present invention.
Figure 4 is a plan view schematically showing the configuration of a separator portion according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 and FIG. 6 are drawings schematically showing the operating state of a fuel cell device according to one 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 attached 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 the lines depicted in the drawing and the size of the components may be exaggerated for the sake of clarity and convenience of explanation. In addition, the terms described below are terms defined in consideration of their functions in the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definitions of these terms should be made based on the contents 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 it is said that a part is "connected (or connected)" to another part, this includes not only cases where it is "directly connected (or connected)" but also cases where it is "indirectly connected (or connected)" with another member in between. In this specification, when it is said that a part "includes (or comprises)" a certain component, this does not mean that other components are excluded, unless specifically stated otherwise, but that it can "include (or comprise)" other components.
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.In addition, the same reference numerals throughout this specification may refer to the same components. Even if the same reference numerals or similar reference numerals are not mentioned or described in a specific drawing, they may be described based on other drawings. In addition, even if a part is not indicated by a reference numeral in a specific drawing, that part may be described based on other drawings. In addition, the number, shape, size, and relative difference in size of detailed components included in the drawings of this application are set for the convenience of understanding, and do not limit the embodiments and may be implemented in various forms.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a fuel cell device according to one 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 one embodiment of the present invention includes a membrane electrode assembly (100), a separator portion (200), a gas diffusion portion (300), and an emission performance improvement portion (400).
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), i.e., hydrogen and oxygen, supplied from a separator portion (200) described below. A membrane-electrode assembly (100) according to one embodiment of the present invention may include a polymer electrolyte membrane capable of moving hydrogen cations (protons), and a catalyst layer composed of an air electrode (cathode) and a fuel electrode (anode) coated on both sides of the polymer electrolyte membrane so that hydrogen and oxygen can react.
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 part (200) is arranged to face the membrane electrode assembly (100) and structurally supports the membrane electrode assembly (100) and the gas diffusion part (300) described later. The separator part (200) is provided so that a reaction gas (G) such as hydrogen and oxygen can flow inside. The separator part (200) supplies the reaction gas (G) to the membrane electrode assembly (100) through the gas diffusion part (300) described later. In addition, the separator part (200) discharges moisture (W) generated by an electrochemical reaction in the membrane electrode assembly (100) to the outside. The separator parts (200) are provided as a pair, and a pair of separator parts (200) are arranged to face both sides of the membrane electrode assembly (100), that is, the air electrode and the fuel electrode of the membrane electrode assembly (100), respectively. 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.FIG. 2 is a perspective view schematically showing the configuration of a separator part according to one embodiment of the present invention, FIG. 3 is a front view schematically showing the configuration of a separator part according to one embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a plan view schematically showing the configuration of a separator part according to one embodiment of the present invention.
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, a separator portion (200) according to one embodiment of the present invention includes a channel portion (210), a first land portion (220), and a second land portion (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 portion (210) forms a part of the outer surface of the separator portion (200) and guides the flow of the reaction gas (G). The channel portion (210) according to one embodiment of the present invention is formed to be concave in a direction away from the membrane electrode assembly (100). The channel portion (210) guides the flow of the reaction gas (G) supplied into the interior of the separator portion (200) and the moisture (W) discharged from the membrane electrode assembly (100). The channel portion (210) is formed so that the surface facing the membrane electrode assembly (100) is open. Accordingly, the channel portion (210) can supply the reaction gas (G) flowing inside it to the membrane electrode assembly (100). The channel portion (210) may be provided in multiple numbers. The multiple channel portions (210) are arranged to be spaced apart from each other by a predetermined interval in a direction transverse to the flow direction of the reaction gas (G). The number of multiple channel sections (210) and the spacing between them can be designed in various ways depending on the size of the separator section (200), etc.
본 발명의 일 실시예에 따른 각각의 채널부(210)는 제1채널부(211), 제2채널부(212)를 포함한다.Each channel section (210) according to one embodiment of the present invention includes a first channel section (211) and a second channel section (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 cross-section in the shape of the letter “ㄷ” with one side open, and the longitudinal direction extends in a direction parallel to the X-axis direction based on FIG. 2. The first channel portion (211) and the second channel portion (212) are arranged parallel to each other at a predetermined interval in the Y-axis direction based on FIG. 2. The size of the cross-sectional area and the extension length of the first channel portion (211) and the second channel portion (212) can be designed in various ways depending on the specifications of the separator portion (200), etc.
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 portion (211) and the second channel portion (212) are formed so that their widths become narrower as they get farther away from the gas diffusion portion (300). More specifically, the first channel portion (211) and the second channel portion (212) may be formed so that they have a trapezoidal shape in which the width of the open side facing the gas diffusion portion (300) is larger than the width of the bottom surface. Accordingly, the first channel portion (211) and the second channel portion (212) can induce the mold to be easily separated in the direction of the Z-axis during press processing of the separator portion (200), thereby improving the processability of the separator portion (200).
제1랜드부(220)와 제2랜드부(230)는 분리판부(200)의 나머지 외관을 형성하며, 후술하는 가스확산부(300)를 지지한다. The first land portion (220) and the second land portion (230) form the remaining outer surface of the separator portion (200) and support the gas diffusion portion (300) described below.
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. According to one embodiment of the present invention, the first land portion (220) is formed to have an approximately flat plate shape and is arranged between the first channel portion (211) and the second channel portion (212) provided in one channel portion (210). The first land portion (220) is connected at both ends to the ends where the first channel portion (211) and the second channel portion (212) face each other in one channel portion (210). The first land portion (220) may be arranged in multiple pieces and individually arranged in each channel portion (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.According to one embodiment of the present invention, the second land portion (230) is formed to have a substantially flat plate shape and is disposed between adjacent channel portions (210). More specifically, the second land portion (230) is disposed between a first channel portion (211) provided in one of the adjacent channel portions (210) and a second channel portion (212) provided in the other one. The second land portion (230) is connected at both ends to the ends where the first channel portion (211) provided in one of the adjacent channel portions (210) and the second channel portion (212) provided in the other one face each other. The second land portions (230) may be provided in multiple pieces and individually disposed between adjacent channel portions (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 separator unit (200). The gas diffusion unit (300) is arranged so that both sides face the membrane electrode assembly (100) and the separator unit (200), respectively. The gas diffusion unit (300) receives a 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) into the channel unit (210). That is, the gas diffusion unit (300) functions as a passage through which the reaction gas (G) and moisture (W) move between the membrane electrode assembly (100) and the separator unit (200). The gas diffusion portion (300) is supported by being in contact with the first land portion (220) and the second land portion (230) provided in the separator portion (200). The gas diffusion portions (300) are provided as a pair and are arranged to face each of the pair of separator portions (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.A gas diffusion unit (300) according to one embodiment of the present invention may include a substrate composed of carbon fibers in the form of fibers and a hydrophobic binder of the polytetrafluoroethylene (PTFE) series, and a microporous layer manufactured by mixing carbon powder such as acetylene black carbon, black pearl carbon, etc. and a hydrophobic agent of the polytetrafluoroethylene series, and then applying the microporous layer to one surface of the substrate. The substrate and the microporous layer are formed as a porous structure having a porosity of a predetermined value. The porosity of the microporous layer may be formed to 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 emission performance improvement unit (400) is provided in the first land unit (220) and forms a pressure gradient in the reaction gas (G) flowing in the channel unit (210) to locally vary the flow rate of the reaction gas (G) flowing along the extension direction of the channel unit (210). Accordingly, the emission performance improvement unit (400) can improve the supply performance of the reaction gas (G) and the discharge performance of moisture (W) in a building power generation fuel cell where the reaction gas (G) is supplied at a relatively small flow rate and the change in the flow state of the reaction gas (G) is not large compared to a vehicle fuel cell.
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 improvement unit (400) induces a part of the reaction gas (G) flowing in the extension direction of the channel unit (210), i.e., in the direction of the X-axis, to flow in the direction crossing the extension direction of the channel unit (210), i.e., in the direction of the Y-axis, by generating a pressure difference in the reaction gas (G) flowing in the adjacent channel unit (210). More specifically, referring to FIG. 3, the discharge performance improvement unit (400) induces the reaction gas (G) flowing in the first channel unit (211) in one channel unit (210) to be dispersed across the first land unit (220) to the second channel unit (212). In this case, the reaction gas (G) can cross the first land unit (220) through the gas diffusion unit (300). Accordingly, the discharge performance improvement part (400) can expand the contact area between the reaction gas (G) and the gas diffusion part (300) by generating the flow of the reaction gas (G) even in the area where the first land part (220) is formed, which is in contact with the gas diffusion part (300) and through which the reaction gas (G) does not easily flow, among the entire area of the separation plate part (200). In addition, the discharge performance improvement part (400) can discharge moisture (W) accumulated in the gas diffusion part (300) in contact with the land part (220) to the channel part (210) by the flow force of the reaction gas (G) in the Y-axis direction.
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, an emission performance improvement unit (400) according to one embodiment of the present invention includes a first emission performance improvement unit (410) and a second emission performance improvement 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 emission performance-improving portion (410) is provided on one side of the first land portion (220) and increases the pressure of the reaction gas (G) flowing through the first channel portion (211). The first emission performance-improving portion (410) according to one embodiment of the present invention is formed to protrude convexly from one side of the first land portion (220) facing the first channel portion (211) toward the first channel portion (211) to reduce the cross-sectional area of the first channel portion (211). In this case, the first emission performance-improving portion (410) may be formed to be curved with a predetermined curvature and may be formed to have a shape in which the 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 emission performance-improving portion (420) is provided on the other side of the first land portion (220) and reduces the pressure of the reaction gas (G) flowing through the second channel portion (212). The second emission performance-improving portion (420) according to one embodiment of the present invention is formed so as to be concave from the second channel portion (212) toward the other surface of the first land portion (220) facing the second channel portion (212) to expand the cross-sectional area of the second channel portion (212). In this case, the second emission performance-improving portion (420) may be formed to be curved at a predetermined curvature and may be formed to have a shape in which the central portion is sharply recessed.
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 emission performance improvement section (410) and the second emission performance improvement section (420) are individually provided on a plurality of first land sections (220). That is, the first emission performance improvement section (410) and the second emission performance improvement section (420) alternately reduce and increase the cross-sectional areas of the first channel section (211) and the second channel section (212) along the Y-axis direction at a certain point in the X-axis direction.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 작동 과정을 상세하게 설명하도록 한다.Below, the operation process of a fuel cell device (1) according to one 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.FIG. 5 and FIG. 6 are drawings schematically showing the operating state of a fuel cell device according to one 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 separation plate portion (200) flows in the direction of extension of the channel portion (210) within the channel portion (210), i.e., in a direction parallel to 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, a pressure gradient is formed in the reaction gas (G) flowing through the first channel section (211) and the second channel section (212) in a direction parallel to the Y-axis direction by the discharge performance improvement section (400), and a local change in flow rate 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 pressure of the reaction gas (G) flowing inside the first channel portion (211), whose cross-sectional area is reduced by the first discharge performance-improving portion (410) that is formed to protrude convexly from one surface of the first land portion (220) toward the first channel portion (211), is formed to be lower than the pressure of the reaction gas (G) flowing inside the second channel portion (212), whose cross-sectional area is expanded by the second discharge performance-improving portion (420) that is formed to recessively sink from the second channel portion (212) toward the other surface of the first land portion (220).
이러한 압력차에 의해 제1채널부(211)를 유동하는 반응가스(G)에는 제2채널부(212)로 유동되려는 유동력이 발생된다.Due to this pressure difference, a flow force is generated in the reaction gas (G) flowing in the first channel section (211) to flow to the second channel section (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 portion of the reaction gas (G) flowing along the first channel section (211) flows in the direction of the Y-axis and is dispersed across the first land section (220) through the gas diffusion section (300) to the second channel section (212).
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) comes into contact with the gas diffusion portion (300) over the entire area of the gas diffusion portion (300) perpendicular to the Z-axis direction, thereby increasing the gas supply efficiency to the membrane electrode assembly (100).
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 section (212) through the gas diffusion section (300) and discharges moisture (W) accumulated in the area of the gas diffusion section (300) in contact with the first land section (220).
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. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom.
따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.Therefore, the technical protection scope of the present invention should be defined by the following patent claims.
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 section 210: Channel section
211: Channel 1 Section 212: Channel 2 Section
220: 1st Land Section 230: 2nd Land Section
300 : Gas diffusion zone
400: Emission performance improvement section 410: 1st emission performance improvement section
420: Second emission performance improvement section G: Reaction gas
W: moisture
Claims (8)
상기 제1채널부와 상기 제2채널부의 사이에 배치되는 제1랜드부;
이웃하는 상기 채널부의 사이에 배치되는 제2랜드부;
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 포함하고,
상기 배출성능향상부는,
상기 제1채널부를 유동하는 상기 반응가스의 압력을 상승시키는 제1배출성능향상부; 및
상기 제2채널부를 유동하는 상기 반응가스의 압력을 감소시키는 제2배출성능향상부;를 포함하고,
상기 제1배출성능향상부는 상기 제1랜드부로부터 상기 제1채널부를 향해 돌출 형성되고,
상기 제2배출성능향상부는 상기 제2채널부로부터 상기 제1랜드부를 향해 오목하게 함몰 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
A channel section comprising a first channel section and a second channel section arranged spaced apart from the first channel section to guide the flow of reaction gas;
A first land portion arranged between the first channel portion and the second channel portion;
A second land section positioned between the adjacent channel sections;
A gas diffusion unit positioned facing the first land unit and the second land unit and receiving the reaction gas from the channel unit; and
It includes a discharge performance improvement section which is provided in the first land section and forms a pressure gradient in the reaction gas flowing in the channel section;
The above emission performance improvement part is,
A first discharge performance improvement unit that increases the pressure of the reaction gas flowing through the first channel unit; and
Including a second discharge performance improvement section that reduces the pressure of the reaction gas flowing through the second channel section;
The above first discharge performance improvement portion is formed by protruding from the first land portion toward the first channel portion,
A fuel cell device characterized in that the second emission performance-improving portion is formed so as to be concave from the second channel portion toward the first land portion.
상기 배출성능향상부는 상기 채널부의 연장 방향을 따라 유동하는 상기 반응가스의 유속을 가변시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
In paragraph 1,
A fuel cell device characterized in that the above-mentioned emission performance improving section varies the flow rate of the reaction gas flowing along the extension direction of the channel section.
상기 배출성능향상부는 상기 채널부를 유동하는 상기 반응가스의 일부가 상기 채널부의 연장 방향을 가로지르는 방향으로 흐르도록 유도하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
In paragraph 1,
A fuel cell device, characterized in that the above-mentioned emission performance-improving portion induces a portion of the reaction gas flowing through the channel portion to flow in a direction transverse to the extension direction of the channel portion.
상기 배출성능향상부는 상기 제1채널부를 유동하는 상기 반응가스가 상기 제1랜드부를 가로질러 상기 제2채널부로 분산되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
In the third paragraph,
A fuel cell device characterized in that the above-mentioned emission performance-improving portion induces the reaction gas flowing through the first channel portion to be dispersed across the first land portion to the second channel portion.
상기 제1배출성능향상부는 상기 제1채널부의 단면적을 축소시키고,
상기 제2배출성능향상부는 상기 제2채널부의 단면적을 확장시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
In paragraph 1,
The above first discharge performance improvement section reduces the cross-sectional area of the first channel section,
A fuel cell device characterized in that the second emission performance improvement unit expands the cross-sectional area of the second channel unit.
상기 제2랜드부의 양면은 각각 상기 제1채널부 및 상기 제2채널부의 연장 방향과 나란하게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.In paragraph 1,
A fuel cell device characterized in that 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.
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