KR20040000568A - Stack structure for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 외부로 부터 공급되는 수용액상태의 BH4 -와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부반응에 의하여 생성되는 수소가스를 스택의 각각의 셀 사이에서 제거하여 운전효율이 증대되도록 한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction of BH 4 − and air in an aqueous solution supplied from the outside, and more particularly, hydrogen gas generated by a side reaction between the cells of the stack. The present invention relates to a stack structure of a fuel cell fueled with Compound B, which is removed to increase the operating efficiency.
일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질을 중심으로 양쪽에 다공질의 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)이 밀착되어 있고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.In general, a technique related to a fuel cell is known as a device for directly converting energy contained in a fuel into electrical energy, and such a fuel cell generally has a porous anode (ANODE) and a cathode (CATHODE) on both sides of a polymer electrolyte. In close contact with each other, the electrochemical oxidation of hydrogen as a fuel occurs at the anode (anode or anode), and the electrochemical reduction of oxygen as an oxidant at the cathode (reduction electrode or cathode). Is generated.
이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH3OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 가스형태로 사용되거나 고체상태의 BH4 -를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC방식으로 사용되어진다.Hydrogen supplied to such a fuel cell is purified by purifying only hydrogen (H 2 ) from a hydrocarbon-based (CH-based) fuel such as LNG, LPG, CH 3 OH, and gasoline through a desulfurization process → reforming reaction → hydrogen purification process. It is used in the form of BFC or solid state BH 4 - in aqueous solution and used directly as fuel.
상기 BFC방식의 연료전지는 개질기를 사용하지 않고 발전장치인 스택(STACK)의 양극에 수용액상태의 BH4 -를 직접 공급하는 방식으로 전극에서 개질반응이 일어나기 때문에 개질기가 불필요하게 되어 전체 시스템을 간소화 시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.The BFC fuel cell does not require a reformer, and thus reformulates the electrode in a manner of directly supplying BH 4 - in aqueous solution to the anode of the stack, which is a power generation device, so that the reformer is unnecessary, thereby simplifying the entire system. It has a big advantage.
그러나, 상기와 같은 종래의 BH4 -를 연료로 사용하는 연료전지는 용액을 안정화시키기 위하여 첨가되는 Na에 의하여 양극에서 2H2O + NaBH4+ 4H2와 같은 부반응이 발생하며 그와 같은 부반응에 의하여 수소가스가 발생되는데, 그 발생되는 수소가스가 스택의 내측에서 전해질막을 따라 흐르며 연료와 공기의 반응을 저해하여 발전효율을 저하시키는 문제점이 있었으며, 또한 그와 같이 생성되는 수소가스에 의하여 압력강하가 발생되어 여러개의 셀을 적층하여 구성되는 스택을 사용하는 기기에서는 대안으로 펌프의 용량을 증대하여야 하므로 제조원가상승 및 기기의 전체크기가 커지는 문제점이 있었다.However, in the conventional fuel cell using BH 4 − as a fuel, side reactions such as 2H 2 O + NaBH 4 + 4H 2 occur at the anode by Na added to stabilize the solution. Hydrogen gas is generated by the hydrogen gas, and the generated hydrogen gas flows along the electrolyte membrane inside the stack to inhibit the reaction between fuel and air, thereby lowering the power generation efficiency. In a device using a stack formed by stacking a plurality of cells, the capacity of the pump should be increased as an alternative, thereby increasing the manufacturing cost and increasing the overall size of the device.
본 발명의 주목적은 상기와 같은 여러 문제점을 갖지 않는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조를 제공함에 있다.An object of the present invention is to provide a stack structure of a fuel cell using B compound as a fuel that does not have various problems as described above.
본 발명의 다른 목적은 스택의 내부를 흐르는 연료중에 포함된 수소가스를 제거하여 스택의 발전효율을 향상시키도록 하는데 적합한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a stack structure of a fuel cell fueled with B-compound suitable for removing hydrogen gas contained in fuel flowing in the stack to improve power generation efficiency of the stack.
본 발명의 또다른 목적은 기기의 용량증대 및 제조원가상승이 발생되지 않도록 하는데 적합한 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조를 제공함에 있다.It is another object of the present invention to provide a stack structure of a fuel cell fueled with B-compound suitable for preventing the increase in capacity of the apparatus and the increase in manufacturing cost.
도 1은 본 발명의 스택구조가 구비된 B화합물을 연료로 하는 연료전지를 보인 개략구성도.1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell fueled with compound B having a stack structure of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 스택의 단일셀구조를 나타내는 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing a single cell structure of the stack according to the present invention.
도 3은 본 발명의 기액분리기를 보인 단면도.Figure 3 is a cross-sectional view showing a gas-liquid separator of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 스택 12 : 양극10 stack 12 anode
13 : 음극 20 : 연료탱크13: cathode 20: fuel tank
100 : 연료이동라인 101 : 기액분리기100: fuel movement line 101: gas-liquid separator
C,C' : 단일셀C, C ': single cell
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 연료탱크에 저장된 B화합물을 스택의 양극에 공급하고, 공기를 스택의 음극에 공급하며, 그 공급되는 B화합물과 공기의 화학반응으로부터 기전력을 얻는 연료전지에 있어서,In order to achieve the object of the present invention as described above, the fuel cell which supplies B compound stored in the fuel tank to the anode of the stack, supplies air to the cathode of the stack, and obtains electromotive force from the chemical reaction of the supplied B compound and air. To
상기 스택은 다수개의 셀이 적층되어 이루어지고, 그 각각의 셀과 셀 사이에 는 연료가 이동하는 연료이동라인이 설치되며, 그 연료이동라인에는 셀간 이동하는 연료중에 포함되어 있는 수소가스를 제거하기 위한 기액분리기가 설치되어서 구성되는 것을 특징으로 하는 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조가 제공된다.The stack is formed by stacking a plurality of cells, and a fuel movement line for moving fuel is installed between each cell and the cells, and the fuel movement line removes hydrogen gas contained in fuel moving between cells. Provided is a stack structure of a fuel cell fueled with compound B, characterized in that the gas-liquid separator is installed.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a stack structure of a fuel cell using the present invention compound B as a fuel as described above will be described in more detail with reference to embodiments of the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 스택구조를 가지는 B화합물을 연료로 하는 연료전지를 보인 개략구성도이다.1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell fueled with B compound having a stack structure of the present invention.
도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 스택(10)의 일측에 수용액 상태의 BH4 -를 저장하기 위한 연료탱크(20)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(20)와 스택(10)의 양극에는 연료공급라인(30)과 연료회수라인(40)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(30)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(50)가 설치되어 있다.As shown, the overall configuration of the fuel cell 1 is provided with a fuel tank 20 for storing BH 4 − in an aqueous state on one side of the stack 10 for generating electricity, the fuel tank 20 The anode and the stack 10 are connected to the fuel supply line 30 and the fuel recovery line 40, and the fuel supply line 30 is provided with a fuel pump 50 for pumping fuel.
그리고, 상기 스택(10)의 음극에는 공기공급라인(60)과 공기배출라인(70)이설치되어 있는데, 그 공기공급라인(60)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 공기펌프(80)가 설치되어 있다.In addition, the cathode of the stack 10 is provided with an air supply line 60 and an air discharge line 70, the air supply line 60 is provided with an air pump 80 for pumping the supplied air It is.
상기 스택(10)은 전기화학반응이 일어나는 단일셀(SINGLE CELL)(C)을 연속적으로 적층하여 볼트로 조립하여 구성되는데, 도 2를 참고하여 단일셀(C)의 구조를 설명하면, 전해질 막(11)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(12)과 음극(13)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(14)와, 그 막-전극 접합체(14)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(12)과 음극(13)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(15)과, 그 분리판(15)의 양측에 배치되어 양극(12)과 음극(13)의 집전극이 되는 집전판(16)으로 구성되어 있다.The stack 10 is composed of a single cell (SINGLE CELL) (C) that is a continuous electrochemical reaction by stacking and assembling with a bolt, the structure of the single cell (C) with reference to Figure 2, the electrolyte membrane A membrane-electrode assembly (MEA: MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY) 14 formed by bonding the anode 12 and the cathode 13 to diffuse gas on both sides of the membrane 11 and the membrane-electrode assembly 14 A separator 15 is assembled so as to be in close contact with both sides, and forms a flow path of fuel gas and oxygen-containing gas at the anode 12 and the cathode 13, and is disposed on both sides of the separator 15 so that the anode ( 12) and a collector plate 16 serving as a collector electrode of the cathode 13.
상기 막-전극 접합체(14)의 전해질 막(11)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(11)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(12)과 음극(13)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(11)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.The electrolyte membrane 11 of the membrane-electrode assembly 14 is an ion exchange membrane made of a polymer material, and the commercially available electrolyte membrane 11 includes a Nafion membrane of DuPont, which serves as a carrier for hydrogen ions, The anode 12 and the cathode 13 serve to support the platinum (Pt) catalyst layer, and porous carbon paper (CARBON PAPER) or carbon cloth (CARBON CLOTH) is formed on both sides of the electrolyte membrane 11. It is a bonded structure.
상기 분리판(15)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 내측면에는 상기 양극(12)와 음극(13)에 밀착된 상태에서 연료 또는 공기가 흐를도록 유로홈(15a)이 형성되어 있다.The separating plate 15 is formed of a dense carbon plate, and an inner side surface has a flow path groove 15a formed to be in close contact with the positive electrode 12 and the negative electrode 13 so that fuel or air flows. .
상기 집전판(16)은 전기전도성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 수소취성이발생되지 않는 것이 바람직 할 것이며, 구체적으로는 티타늄, 스테인레스, 동 등 상기 요구성능이 만족되는 것이라면 어느 것이라도 좋다.It is preferable that the current collector plate 16 is excellent in electrical conductivity, excellent in corrosion resistance, and does not generate hydrogen embrittlement. Specifically, any of the current collector plates 16 may be used as long as the required performance is satisfied.
또한, 상기 스택(10)의 단일셀(C)과 인접한 다른 단일셀(C')은 연료이동라인(100)에 의하여 각각 연료가 이동될 수 있도록 연결되어 있으며, 그 연료이동라인(100)에는 이동하는 연료중에 포함되어 있는 수소가스를 분리하여 제거하기 위한 기액분리기(101)가 설치되어 있다.In addition, a single cell (C ') adjacent to the single cell (C) of the stack 10 is connected to each other so that the fuel can be moved by the fuel movement line 100, the fuel movement line 100 A gas-liquid separator 101 for separating and removing hydrogen gas contained in the moving fuel is provided.
상기 기액분리기(101)는 도 3에 도시된 바와 같이, 내측에 일정공간부(102)를 가지며 일측에는 유입구(101a)가 형성되고, 타측에는 유출구(101b)가 형성되어 있으며, 상면에는 수소가스를 외부로 배출하기 위한 배출관(103)이 결합되어 있다.As shown in FIG. 3, the gas-liquid separator 101 has a predetermined space portion 102 therein, an inlet 101a is formed at one side thereof, and an outlet 101b is formed at the other side thereof. Discharge pipe 103 for discharging the outside is coupled.
상기와 같이 구성된 본 발명의 스택구조를 가지는 연료전지의 작용효과를 설명한다.The effect of the fuel cell having the stack structure of the present invention configured as described above will be described.
조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 연료펌프(50)를 동작시켜서 연료탱크(20)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH4 -를 연료공급라인(30)을 통하여 스택(10)의 양극에 공급함과 동시에 공기펌프(80)를 동작시켜서 공기공급라인(60)을 통하여 스택(10)의 음극으로 공기가 공급되도록 한다.When the operator operates the switch of the fuel cell 1, the fuel pump 50 is operated in accordance with a control program preset by an electronic controller (not shown) to fuel BH 4 - in an aqueous state stored in the fuel tank 20. The air pump 80 is operated at the same time as supplying to the anode of the stack 10 through the supply line 30 to supply air to the cathode of the stack 10 through the air supply line 60.
상기와 같이 스택(10)에 공급되는 수용액상태의 BH4 -는 유로홈(15a)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(14)의 양극(12) 전면에 확산이 되어 수소의 전기화학적 산화가 진행되고, 공기는 산소함유가스 유로홈(15a)을 따라 흐르며 막-전극 접합체(14)의 음극(13) 전면에 확산되어 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(16)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.As described above, BH 4 − in an aqueous solution state supplied to the stack 10 flows along the flow path groove 15a and diffuses to the entire surface of the anode 12 of the membrane-electrode assembly 14 to undergo electrochemical oxidation of hydrogen. , Air flows along the oxygen-containing gas flow path 15a and diffuses across the cathode 13 of the membrane-electrode assembly 14 to cause electrochemical reduction of oxygen. At this time, electricity is generated due to the movement of electrons. In this case, electricity generated at this time is collected at the current collector plate 16 and used as an energy source.
이때의 반응식은 다음과 같다.The reaction scheme at this time is as follows.
Anode : BH4 -+ 8OH-→BO2 -+ 6H2O + 8e-E0= 1.24 V Anode: BH 4 - + 8OH - → BO 2 - + 6H 2 O + 8e - E 0 = 1.24 V
Cathode : 2O2+ 4H2O + 8e-→BOH-E0= 0.4 V Cathode: 2O 2 + 4H 2 O + 8e - → BOH - E 0 = 0.4 V
Total : BH4 -+ 2O2→2H2O + BO2E0= 1.64 V Total: BH 4 - + 2O 2 → 2H 2 O + BO 2 E 0 = 1.64 V
그리고, 상기와 같이 스택(10)의 단일셀(C)에서 전기화학반응을 하고난 후의 연료는 연료이동라인(100)을 통하여 인접한 다른 단일셀(C')로 이동하게 되는데, 이때 연료가 기액분리기(101)를 통과하게 되며, 이와 같이 기액분리기(101)를 통과하며 연료중에 포함되어 있는 수소가스가 제거된 상태로 순수한 연료만 다음 셀(C')로 공급되어 전기화학반응을 하게 되므로, 수소가스에 의한 효율저하가 방지되어 진다.Then, the fuel after the electrochemical reaction in the single cell (C) of the stack 10 as described above is moved to another adjacent single cell (C ') through the fuel movement line 100, wherein the fuel is gas-liquid As it passes through the separator 101, only the pure fuel is passed through the gas-liquid separator 101 and hydrogen gas contained in the fuel is removed to the next cell C 'to perform an electrochemical reaction. The reduction of efficiency by hydrogen gas is prevented.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 B화합물을 연료로 하는 연료전지의 스택구조는 여러개의 셀이 적층되어 이루어진 스택을 구비하는 연료전지에서 셀과 인접한 다른 셀이 연료가 이동할 수 있도록 연료이동라인으로 연결되고,그 연료이동라인에 수소가스를 분리하기 위한 기액분리기를 설치하여, 스택에서 연료가 셀에서 인접한 다른 셀로 이동할때 수소가스가 분리되도록 함으로써, 수소가스에 의한 스택의 압력손실이 감소되는 효과가 있고, 그와 같은 압력손실을 감안하여 펌프의 불필요한 용량증대를 방지하는 효과가 있어서, 기기 전체의 운전효율이 현격히 향상되는 효과가 있다.As described in detail above, the fuel cell stack structure of the fuel cell B of the present invention has a fuel movement line so that fuel can move to another cell adjacent to the cell in the fuel cell including the stack formed by stacking several cells. And a gas-liquid separator for separating hydrogen gas in the fuel transfer line so that the hydrogen gas is separated when the fuel moves from the stack to another cell in the stack, thereby reducing the pressure loss of the stack by the hydrogen gas. It is effective, and in view of such a pressure loss, there is an effect of preventing the unnecessary capacity increase of the pump, there is an effect that the operating efficiency of the entire apparatus is significantly improved.
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20120827 Year of fee payment: 5 |
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| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130823 Year of fee payment: 6 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |