KR20060017181A

KR20060017181A - Fuel cell system and stack and separator of the same

Info

Publication number: KR20060017181A
Application number: KR1020040065751A
Authority: KR
Inventors: 한규남
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-02-23
Also published as: KR101173857B1

Abstract

본 발명의 목적은 부피를 작게 하면서 내부식성을 가지는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a fuel cell system having a low corrosion resistance and corrosion resistance.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템은, 수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부; 산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부를 다수로 구비하는 스택을 포함하고, 상기 세퍼레이터는, 그 일측에 연료가 공급되는 연료통로를 형성하는 제1 세퍼레이터와, 다른 일측에 공기가 공급되는 공기통로를 형성하는 제2 세퍼레이터를 포함하며, 상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터는 서로 다른 재질로 형성된다.A fuel cell system according to the present invention includes a fuel supply unit for supplying a fuel containing hydrogen; An air supply unit for supplying air containing oxygen; And a stack including a plurality of electricity generating units in which separators are disposed on both sides of the MEA to electrochemically react hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply unit and the air supply unit to generate electrical energy. The separator includes: A first separator forming a fuel passage to which fuel is supplied on one side thereof, and a second separator forming an air passage to which air is supplied to the other side, wherein the first separator and the second separator are formed of different materials. do.

연료전지, 세퍼레이터, 스택, 연료통로, 카본 합성물Fuel cell, separator, stack, fuel passage, carbon composite

Description

Fuel Cell Systems, Stacks, and Separators {FUEL CELL SYSTEM AND STACK AND SEPARATOR OF THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a block diagram schematically showing the overall configuration of a fuel cell system according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 스택의 제1 실시예를 분해 도시한 사시도이다.2 is an exploded perspective view showing a first embodiment of a stack according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 스택의 제1 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도이다.Figure 3 is an exploded perspective view showing a first embodiment of the stack according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제1 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도이다.4 is an exploded perspective view showing a first embodiment of the separator according to the present invention in an exploded manner.

도 5는 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제1 실시예를 조립하여 단면 도시한 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing the assembled first embodiment of the separator according to the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 제1 세퍼레이터의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of the first separator according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 제2 세퍼레이터의 단면도이다.7 is a cross-sectional view of the second separator according to the present invention.

도 8은 본 발명에 따른 스택의 제2 실시예를 분해 도시한 사시도이다.8 is an exploded perspective view of a second embodiment of a stack according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 스택의 제2 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도이다.9 is an exploded perspective view showing a second embodiment of the stack according to the present invention.

도 10은 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제2 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도이다.10 is an exploded perspective view showing a second embodiment of the separator according to the present invention in an exploded manner.

도 11은 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제2 실시예를 조립하여 단면 도시한 단면도이다.11 is a cross-sectional view showing the assembled second embodiment of the separator according to the present invention.

도 12는 본 발명에 따른 세퍼레이터의 일측에 형성된 통로의 제1 실시예의 평면도이다.12 is a plan view of a first embodiment of a passage formed on one side of a separator according to the present invention.

도 13은 본 발명에 따른 세퍼레이터의 일측에 형성된 통로의 제2 실시예의 평면도이다.13 is a plan view of a second embodiment of a passage formed on one side of a separator according to the present invention.

본 발명은 연료 전지 시스템, 이 시스템에 사용되는 스택(stack) 및 세퍼레이터(separator)에 관한 것이다.The present invention relates to fuel cell systems, stacks and separators used in such systems.

일반적으로, 연료 전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기 화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 특히, 연료 전지는 연소 과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가지고 있다.In general, a fuel cell is a power generation that directly converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction caused by hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol or natural gas and oxygen in air as a fuel. System. In particular, the fuel cell is characterized in that it can simultaneously use the electricity generated by the electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidant gas and heat by-products thereof without a combustion process.

근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 PEMFC라 한다)는, 다른 연료 전지에 비하여 출 력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있다.In recent years, polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs), which have been developed in recent years, have excellent output characteristics, low operating temperatures, and fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells. .

상기와 같은 PEMFC가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 필요하다. 따라서, PEMFC는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.In order for the above PEMFC to basically have a system configuration, a fuel cell body (hereinafter referred to as a stack for convenience) called a stack, a fuel tank, and a fuel pump for supplying fuel from the fuel tank to the stack, etc. This is necessary. In the process of supplying the fuel stored in the fuel tank to the stack, a reformer for reforming the fuel to generate hydrogen gas and supplying the hydrogen gas to the stack is further needed. Therefore, PEMFC supplies the fuel stored in the fuel tank to the reformer by the pumping force of the fuel pump, the reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas, and the stack electrochemically reacts the hydrogen gas and oxygen to produce electrical energy. To me.

한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC, 이하 DMFC라 한다) 방식을 채용할 수 있다. 이러한 DMFC는 PEMFC와 달리, 개질기가 배제된다.On the other hand, the fuel cell may employ a direct methanol fuel cell (DMFC, hereinafter referred to as DMFC) that can supply a liquid methanol fuel directly to the stack. This DMFC, unlike PEMFC, excludes the reformer.

상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly : MEA, 이하 MEA라 한다)와 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. MEA는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다.In the fuel cell system as described above, a stack that substantially generates electricity is stacked with several to several tens of unit cells including an electrode-electrolyte assembly (MEA) and a separator. Has a structure. The MEA has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are attached with an electrolyte membrane interposed therebetween.

그리고, 세퍼레이터는 상기 MEA를 사이에 두고 양측에 배치되어, 연료 전지 의 반응에 필요한 산소 가스와 연료 가스가 공급되는 통로의 역할과 각 MEA의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.The separator is disposed on both sides of the MEA, and serves as a passage for supplying the oxygen gas and the fuel gas necessary for the reaction of the fuel cell, and a role of connecting the anode electrode and the cathode electrode of each MEA in series. Perform simultaneously.

따라서, 세퍼레이터에 의해 애노드 전극에는 수소를 함유하는 연료가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소를 함유한 산소 가스가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료 가스의 전기 화학적인 산화가 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소 가스의 전기 화학적인 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.Accordingly, the separator is supplied with a fuel gas containing hydrogen to the anode electrode, while the oxygen electrode containing oxygen is supplied to the cathode electrode. In this process, the electrochemical oxidation of fuel gas occurs at the anode electrode, the electrochemical reduction of oxygen gas occurs at the cathode electrode, and electricity, heat, and water can be obtained together due to the movement of the generated electrons.

이러한 작용을 하는 세퍼레이터는 통상적으로 카본 합성물로 형성되기 때문에 세퍼레이터 자체 및 스택의 부피를 크게 하는 문제점이 있다.Since the separator having such a function is usually formed of a carbon compound, there is a problem of increasing the volume of the separator itself and the stack.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 부피를 작게 하면서 내부식성을 가지는 연료 전지 시스템, 그 스택, 및 세퍼레이터를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system, a stack, and a separator having corrosion resistance while having a small volume.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은,In order to achieve the above object, the fuel cell system according to the present invention,

수소를 함유한 연료를 공급하는 연료 공급부;A fuel supply unit supplying a fuel containing hydrogen;

산소를 함유한 공기를 공급하는 공기 공급부; 및An air supply unit for supplying air containing oxygen; And

상기 연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부를 다수로 구비하는 스택을 포함하며, And a stack including a plurality of electricity generating units in which separators are disposed on both sides of the MEA to electrochemically react hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply unit and the air supply unit to generate electrical energy.

상기 세퍼레이터는, 그 일측에 연료가 공급되는 연료통로를 형성하는 제1 세퍼레이터와, 다른 일측에 공기가 공급되는 공기통로를 형성하는 제2 세퍼레이터를 포함하며,The separator includes a first separator forming a fuel passage through which fuel is supplied to one side thereof, and a second separator forming an air passage through which air is supplied to the other side thereof.

상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터는 서로 다른 재질로 형성된다.The first separator and the second separator are formed of different materials.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 스택은,In addition, the stack of the fuel cell system according to the present invention,

연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 세퍼레이터를 배치한 전기 발생부를 다수로 구비하고,It is provided with a plurality of electricity generating units in which separators are disposed on both sides of the MEA to generate electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply unit and the air supply unit, respectively.

상기 세퍼레이터는 그 일측에 연료가 공급되는 연료통로를 형성하는 제1 세퍼레이터와, 다른 일측에 공기가 공급되는 공기통로를 형성하는 제2 세퍼레이터를 포함하며,The separator includes a first separator forming a fuel passage through which fuel is supplied to one side thereof, and a second separator forming an air passage through which air is supplied to the other side thereof.

또한, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 세퍼레이터는,In addition, the separator of the fuel cell system according to the present invention,

연료 공급부와 공기 공급부로부터 각각 공급되는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키도록 MEA의 양면에 배치되어 전기 발생부를 구성하며,It is arranged on both sides of the MEA to generate electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply unit and the air supply unit, respectively, and constitutes an electricity generating unit,

그 일측에 연료가 공급되는 연료통로를 형성하는 제1 세퍼레이터와, 다른 일측에 공기가 공급되는 공기통로를 형성하는 제2 세퍼레이터를 포함하며,A first separator forming a fuel passage to which fuel is supplied at one side thereof, and a second separator forming an air passage to which air is supplied to the other side thereof;

상기 제1 세퍼레이터는 부피를 작게 하도록 금속으로 형성되고, 제2 세퍼레 이터는 부식을 방지하도록 카본 합성물로 형성된다.The first separator is formed of metal to reduce the volume, and the second separator is formed of carbon composite to prevent corrosion.

상기 제1 세퍼레이터는 수소가 공급되는 MEA의 애노드 전극 측에 위치하고, 제2 세퍼레이터는 산소가 공급되는MEA의 캐소드 전극 측에 위치한다.The first separator is located on the anode electrode side of the MEA to which hydrogen is supplied, and the second separator is located on the cathode electrode side of the MEA to which oxygen is supplied.

상기 제1 세퍼레이터는 판상의 금속을 프레스 가공하여 연료통로를 형성한다. 상기 제2 세퍼레이터는 카본 합성물을 성형하여 공기통로를 형성한다.The first separator presses the plate metal to form a fuel passage. The second separator forms a carbon composite to form an air passage.

상기 제1 세퍼레이터는 스테인레스강 또는 Ti, Al, Cr 중 어느 한 성분이 20%이상 함유된 금속으로 형성된다.The first separator is formed of stainless steel or a metal containing 20% or more of any one of Ti, Al, and Cr.

상기 제1 세퍼레이터의 표면은 금, 은, 도전성 탄소, 무기화합물, 붕화물, 수지 도전층 중 어는 하나와 같은 코팅층을 구비한다.The surface of the first separator includes a coating layer such as any one of gold, silver, conductive carbon, an inorganic compound, a boride, and a resin conductive layer.

상기 제2 세퍼레이터는 탄소분말과 열경화성수지 또는 탄소분말과 열가소성수지로 성형된다.The second separator is formed of carbon powder and thermosetting resin or carbon powder and thermoplastic resin.

상기 탄소분말은 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연, 및 비결정 탄소 중 어느 하나 이상의 혼합물로 형성된다.The carbon powder is formed of a mixture of at least one of artificial graphite, natural graphite, expanded graphite, and amorphous carbon.

상기 제2 세퍼레이터는 금속판과, 이 금속판 위에 사출 성형된 카본 합성물로 형성된다. The second separator is formed of a metal plate and a carbon composite injection-molded on the metal plate.

상기 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터는 접착성 수지에 의하여 일체로 형성된다.The first separator and the second separator are integrally formed of an adhesive resin.

상기 제1 세퍼레이터에 형성된 연료통로와 제2 세퍼레이터에 형성된 공기통로는 서로 동일 방향 또는 직각 방향으로 배치된다.The fuel passage formed in the first separator and the air passage formed in the second separator are disposed in the same direction or at right angles to each other.

상기 제1 세퍼레이터에 형성된 연료통로 또는 제2 세퍼레이터에 형성된 공기 통로는 하나 이상의 개수로 형성된다.The fuel passage formed in the first separator or the air passage formed in the second separator is formed in one or more numbers.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

이 도면을 참조하여 연료 전지 시스템을 설명하면, 이 연료 전지 시스템은, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 그 수소 가스와 외부 공기를 전기 화학적으로 반응시켜 발생되는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 PEMFC 방식을 채용하고 있다는 것을 알 수 있다.Referring to this drawing, a fuel cell system is described. The fuel cell system reforms a hydrocarbon-based fuel such as methanol, ethanol or natural gas to generate a hydrogen-rich reformed gas, and generates the hydrogen gas and external air. It can be seen that the PEMFC method which converts chemical energy generated by chemical reaction directly into electrical energy is adopted.

이 연료 전지 시스템은 상기한 탄화수소 계열의 연료를 개질하여 공급하는 연료 공급부(10), 외부의 공기를 공급하는 공기 공급부(12), 및 상기와 같이 공급되는 수소 가스와 공기의 반응에 따른 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 생산하는 스택(14)을 포함하는 구성으로 이루어진다.The fuel cell system includes a fuel supply unit 10 for reforming and supplying the hydrocarbon-based fuel, an air supply unit 12 for supplying external air, and chemical energy according to the reaction of hydrogen gas and air supplied as described above. Consisting of a stack 14 for producing electricity by converting it into electrical energy.

상기 연료 공급부(10)는 액상의 연료를 직접 스택(14)으로 공급하여 전기를 생산하는 DMFC 방식의 경우, 상기 PEMFC 방식과 달리 개질기(16)가 배제된 구성을 이루게 된다. 이하에서는 상기한 PEMFC 방식을 적용한 연료 전지 시스템을 예로 들어 설명한다. 그러나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The fuel supply unit 10 is configured to remove the reformer 16, unlike the PEMFC method, in the case of the DMFC method of supplying liquid fuel directly to the stack 14 to generate electricity. Hereinafter, the fuel cell system to which the above-described PEMFC method is applied will be described as an example. However, the present invention is not necessarily limited thereto.

먼저, 연료 공급부(10)는 수소를 함유한 액상의 연료를 저장하는 연료 탱크(18)와, 이 연료 탱크(18)에 저장된 연료를 배출시키도록 연료 탱크(18)에 연결 설 치되는 연료 펌프(20)를 구비한다. 이 연료 탱크(18) 및 연료 펌프(20)는 개질기(16)를 개재하여 스택(14)에 연료를 공급할 수 있도록 연결된다.First, the fuel supply unit 10 includes a fuel tank 18 for storing liquid fuel containing hydrogen and a fuel pump connected to the fuel tank 18 so as to discharge fuel stored in the fuel tank 18. 20 is provided. The fuel tank 18 and the fuel pump 20 are connected to supply the fuel to the stack 14 via the reformer 16.

상기 공기 공급부(12)는 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하여 압송하는 공기 펌프(22)를 포함하며, 이 공기 펌프(22)는 스택(14)으로 공기를 공급할 수 있도록 연결된다.The air supply unit 12 includes an air pump 22 that sucks and blows external air with a pumping force, and the air pump 22 is connected to supply air to the stack 14.

본 발명의 연료 전지 시스템에서, 연료는 탑재와 저장이 용이한 탄화수소 계열의 연료, 예컨대, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등을 포함한다. 그러나 상기한 연료는 위와 같은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스에 물이 혼합된 것일 수도 있으며, 이하에서 편의상 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스를 액상의 연료라 한다.In the fuel cell system of the present invention, the fuel includes a hydrocarbon-based fuel that is easy to mount and store, such as methanol, ethanol, natural gas, and the like. However, the fuel may be a mixture of water with methanol, ethanol or natural gas as described above, hereinafter, methanol, ethanol or natural gas is referred to as a liquid fuel for convenience.

상기한 연료 공급부(10)와 공기 공급부(12)로부터 연료 및 공기를 공급받아 스택(14)은 전기를 발생시킨다.The stack 14 generates electricity by receiving fuel and air from the fuel supply unit 10 and the air supply unit 12.

도 2는 본 발명에 따른 스택의 제1 실시예를 분해 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 스택의 제1 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도이다.2 is an exploded perspective view illustrating a first embodiment of a stack according to the present invention, and FIG. 3 is a perspective view illustrating an exploded and rotated first embodiment of the stack according to the present invention.

이 도면들을 참조하여 스택(14)을 설명하면, 이 스택(14)은 개질기(16)를 통하여 공급되는 개질된 수소 가스와 공기 공급부(12)로부터 공급되는 공기를 전기 화학적인 반응으로 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(24)들을 다수로 구비하고 있다. 이 전기 발생부(24)는 각각 전기를 발생시키는 단위의 셀(cell)을 의미하며, 수소 가스와 공기를 산화/환원시키는 MEA(26)와 수소 가스와 공기를 각각 MEA(26)로 공급하는 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 한다)(28)로 형성된다. 이 전기 발생부(24)는 MEA(26)를 중심에 두고 이의 양측에 배치되는 세퍼레이터 (28)로 형성된다. 이와 같은 전기 발생부(24)들을 연속적으로 배치하여 하나의 연료 전지를 구성하게 된다.Referring to the stack 14 with reference to these figures, the stack 14 is used to generate electrical energy by electrochemical reaction of the reformed hydrogen gas supplied through the reformer 16 and the air supplied from the air supply unit 12. It is provided with many electrical generators 24 which generate | occur | produce. The electricity generating unit 24 means a cell of a unit for generating electricity, respectively, and supplies the MEA 26 for oxidizing / reducing hydrogen gas and air, and supplies the hydrogen gas and air to the MEA 26, respectively. It is formed of a separator (also called a bipolar plate) 28. The electricity generating unit 24 is formed of a separator 28 disposed on both sides of the MEA 26 as a center. Such electricity generating units 24 are continuously arranged to form one fuel cell.

상기 MEA(26)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 구조로 이루어진다. 애노드 전극은 세퍼레이터(28)를 통해 수소 가스를 공급받는 부분으로서, 산화 반응에 의해 수소 가스를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer)으로 구성된다. 캐소드 전극은 세퍼레이터(28)를 통해 공기를 공급받는 부분으로서 환원 반응에 의해 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 그 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.The MEA 26 has a conventional structure in which an electrolyte membrane is interposed between an anode electrode and a cathode electrode forming both sides. The anode electrode receives hydrogen gas through the separator 28, and is a catalyst layer for converting hydrogen gas into electrons and hydrogen ions by an oxidation reaction and a gas diffusion layer for smooth movement of electrons and hydrogen ions. It is composed. The cathode electrode receives air through the separator 28 and is composed of a catalyst layer for converting oxygen into electrons and oxygen ions by a reduction reaction, and a gas diffusion layer for smooth movement of electrons and oxygen ions. The electrolyte membrane is a solid polymer electrolyte having a thickness of 50 to 200 µm, and has an ion exchange function for transferring hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode to the catalyst layer of the cathode electrode.

이와 같이 구성되는 전기 발생부(24)는 다음의 반응식과 같은 반응에 따라 전기와 물 그리고 열을 생성시킨다.The electricity generating unit 24 configured as described above generates electricity, water, and heat according to the following reaction formula.

애노드 전극 반응: H₂ → 2H⁺+ 2e^- The anode _{^{reaction: H 2 → 2H + + 2e}} -

캐소드 전극 반응: O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂OThe cathode _{^{reaction: O 2 + 2H + + 2e}} - → H 2 O

전체 반응: H₂ + O₂ → H₂O + 전류 + 열Total reaction: H ₂ + O ₂ → H ₂ O + current + heat

즉, 세퍼레이터(28)를 통해 MEA(26)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되 고 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 이 수소 가스는 애노드 전극으로 흘러 촉매층에서 전자와 수소 이온으로 분해된다. 이 수소 이온이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극에서 전자와 산소 이온 그리고 이동된 수소 이온이 합쳐져 물을 생성한다. 여기서 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동됨에 따라 전기 발생부(24)는 전기를 발생시킨다.That is, hydrogen gas is supplied to the anode electrode of the MEA 26 through the separator 28 and air is supplied to the cathode electrode. This hydrogen gas flows to the anode electrode and decomposes into electrons and hydrogen ions in the catalyst layer. When the hydrogen ions are moved through the electrolyte membrane, electrons, oxygen ions and transferred hydrogen ions are combined at the cathode electrode with the help of a catalyst to generate water. In this case, the electrons generated by the anode electrode do not move through the electrolyte membrane but move to the cathode electrode through an external circuit, so that the electricity generator 24 generates electricity.

상기 스택(14)은 그 일측으로 연료 및 공기가 공급되고 다른 일측으로 미반응 연료 및 공기가 배출되도록 구성된 것을 예시하면서, 일측으로 공급되는 연료 및 공기가 스택(14) 내에서 일측 세퍼레이터(28)에서 다른 세퍼레이터(28)로 어떻게 공급 순환되는 지에 대한 구체적인 구성을 생략하고 있으며, 이에 대한 구성은 공지의 것이 적용될 수 있다.The stack 14 is configured such that fuel and air are supplied to one side thereof and unreacted fuel and air are discharged to the other side, while the fuel and air supplied to one side are disposed on the side separator 28 in the stack 14. In the description of how to circulate the supply cycle to the other separator 28 is omitted, the configuration for this may be known.

도 4는 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제1 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제1 실시예를 조립하여 단면 도시한 단면도이다.4 is an exploded perspective view showing a first embodiment of a separator according to the present invention, Figure 5 is a cross-sectional view showing the assembled first embodiment of a separator according to the present invention.

이 도면들을 참조하여 세퍼레이터(28)를 설명하면, 본 발명의 세퍼레이터(28)는 수소를 포함하는 연료가 공급되는 연료통로(30)를 형성하는 제1 세퍼레이터(28a)와, 산소를 포함하는 공기가 공급되는 공기통로(32)를 형성하는 제2 세퍼레이터(28b)로 구성되어, 그 양측에 연료통로(30)와 공기통로(32)를 각각 구성하고 있다. 즉 하나의 세퍼레이터(28)는 연료통로(30)와 공기통로(32)를 함께 구비한다.Referring to the separator 28 with reference to these drawings, the separator 28 of the present invention is the first separator 28a forming the fuel passage 30 to which the fuel containing hydrogen is supplied, and the air containing oxygen. It consists of the 2nd separator 28b which forms the air path 32 which is supplied, and the fuel path 30 and the air path 32 are comprised in the both sides, respectively. That is, one separator 28 includes a fuel passage 30 and an air passage 32 together.

이 제1, 제2 세퍼레이터(28a, 28b)는 접착성 수지(28c)에 의하여 합착되어 일체로 형성되는 세퍼레이터(28)와 MEA(26)를 포함하는 스택(14)의 부피를 작게 하기 위하여 서로 다른 재질로 형성된다. 즉 제1 세퍼레이터(28a)는 수소를 포함한 연료가 공급되므로 부식의 우려가 적기 때문에 금속으로 형성하여 부피를 작게 하고, 제2 세퍼레이터(28b)는 산소를 포함한 공기가 공급되어 부식의 우려가 많기 때문에 내부식성이 큰 카본 합성물로 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 제1 세퍼레이터(28a)는 연료통로(30)를 형성하여 수소가 공급되는 MEA(26)의 애노드 전극 측에 위치하고, 제2 세퍼레이터(28b)는 공기통로(32)를 형성하여 산소가 공급되는 MEA(26)의 캐소드 전극 측에 위치하는 것이 바람직하다.The first and second separators 28a and 28b are joined to each other in order to reduce the volume of the separator 28 and the stack 14 including the MEA 26 which are integrally formed by being bonded together by the adhesive resin 28c. It is formed of different materials. In other words, since the fuel containing hydrogen is supplied to the first separator 28a, since there is little risk of corrosion, the first separator 28a is formed of metal to reduce the volume. Since the air containing oxygen is supplied to the second separator 28b, there is a high risk of corrosion. It is preferable to form with the carbon composite with high corrosion resistance. That is, the first separator 28a forms the fuel passage 30 and is located on the anode electrode side of the MEA 26 to which hydrogen is supplied, and the second separator 28b forms the air passage 32 to supply oxygen. It is preferably located on the cathode electrode side of the MEA 26.

이 도면을 참조하여 제1 세퍼레이터(28a)를 설명하면, 제1 세퍼레이터(28a)는 판상의 금속을 프레스 가공하여 상기한 연료통로(30)를 형성한다. 이 제1 세퍼레이터(28a)는 스테인레스강으로 형성되거나, Ti, Al, 또는 Cr을 20%이상 함유한 금속으로 형성하여, 산소에 비하여 부식성이 낮은 연료, 즉 수소가 공급되지만 내부식성을 가지게 하는 것이 바람직하다.Referring to the drawing, the first separator 28a will be described. The first separator 28a presses the plate-like metal to form the fuel passage 30 described above. The first separator 28a is made of stainless steel or a metal containing 20% or more of Ti, Al, or Cr so that fuel having a lower corrosive value than oxygen, that is, hydrogen, is supplied but has corrosion resistance. desirable.

더욱이, 이 제1 세퍼레이터(28a)는 그 표면에 금, 은, 도전성 탄소, 무기화합물, 붕화물, 또는 수지 도전층과 같은 코팅층(34)을 구비하여, 내부식성을 향상시키면 더 좋다.In addition, the first separator 28a may further include a coating layer 34 such as gold, silver, conductive carbon, an inorganic compound, a boride, or a resin conductive layer on the surface thereof to further improve corrosion resistance.

이 도면을 참조하여, 제2 세퍼레이터(28b)를 설명하면, 카본 합성물을 성형하여 상기한 공기통로(32)를 형성한다. 이 제2 세퍼레이터(28b)는 탄소분말을 열경 화성수지와 혼합하여 성형하거나, 열가소성수지와 혼합하여 성형함으로써 이의 성형성을 좋게 하고, 공기, 즉 산소가 공급되는 공기통로(32)의 부식을 방지하게 된다. 여기에 사용되는 탄소분말에는 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연, 또 비결정 탄소가 있으며, 이들은 한 가지 또는 두 가지 이상 혼합 사용될 수 있다. 또한, 이 제2 세퍼레이터(28b)는 금속판(36)과 이 금속판(36) 위에 사출 성형된 카본 합성물(38)로 형성될 수도 있다. 이 금속판(36)은 제2 세퍼레이터(28b)의 기계적 강도를 향상시키면서도 공기통로(32)를 통과하는 공기에 의하여 부식되지 않게 하면서, 제2 세퍼레이터(28b)를 카본 합성물(38)로만 성형하는 것에 비하여 두께를 저감시키게 된다.Referring to this figure, the second separator 28b will be described. The carbon composite material is molded to form the air passage 32 described above. The second separator 28b is formed by mixing a carbon powder with a thermosetting resin or by molding with a thermoplastic resin, thereby improving its formability and preventing corrosion of the air passage 32 to which air or oxygen is supplied. Done. Carbon powders used herein include artificial graphite, natural graphite, expanded graphite, and amorphous carbon, which may be used alone or in combination of two or more thereof. In addition, the second separator 28b may be formed of a metal plate 36 and a carbon composite material 38 injection molded on the metal plate 36. The metal plate 36 is formed by forming the second separator 28b only with the carbon compound 38 while improving the mechanical strength of the second separator 28b while preventing corrosion by the air passing through the air passage 32. In comparison, the thickness is reduced.

상기와 같이 구성되는 연로 전지 시스템, 스택(14), 및 세퍼레이터(28)는 다양한 구조로 변형이 가능하므로 상기 구성과 비교하여 몇 가지 구성을 간단히 예시한다.The fuel cell system, the stack 14, and the separator 28 configured as described above can be modified in various structures, and thus, some configurations are simply illustrated in comparison with the above configuration.

도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 스택의 제2 실시예를 분해 도시한 사시도 및 이를 분해하여 회전 도시한 사시도로써 도 2 및 도 3의 제1 실시예에 대응되고, 도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 세퍼레이터의 제2 실시예를 분해하여 회전 도시한 사시도 및 이를 조립하여 단면 도시한 단면도로써, 도 4 및 도 5의 제1 실시예에 대응되며, 양자들의 작용 효과 또한 유사하게 대응된다.8 and 9 are exploded perspective views showing a second embodiment of the stack according to the present invention and a perspective view showing an exploded and rotated view corresponding to the first embodiment of FIGS. 2 and 3, and FIGS. 10 and 11 A perspective view showing an exploded and rotated view of a second embodiment of the separator according to the present invention and a cross-sectional view showing the assembly thereof, which corresponds to the first embodiment of FIGS. .

따라서, 양자의 구성을 비교 설명하면, 제1 실시예의 세퍼레이터(28)는 제1, 제2 세퍼레이터(28a, 28b)에서 동일 방향으로 연료(수소) 및 공기(산소)를 공급하는 데 비하여, 제2 실시예의 세퍼레이터(28)는 제1, 제2 세퍼레이터(28a, 28b)에서 서로 직각 방향으로 연료(수소) 및 공기(산소)를 공급되는 차이가 있으며, 이로 인하여 MEA(26)에서의 전기 화학적 반응이 보다 효과적으로 일어나게 된다. Therefore, when comparing the configurations of both, the separator 28 of the first embodiment supplies the fuel (hydrogen) and air (oxygen) in the same direction from the first and second separators 28a and 28b. The separator 28 of the second embodiment has a difference in that fuel (hydrogen) and air (oxygen) are supplied from the first and second separators 28a and 28b at right angles to each other. The reaction occurs more effectively.

도 12는 본 발명에 따른 세퍼레이터의 일측에 형성된 통로의 제1 실시예의 평면도로써, 상기한 공기를 MEA(26)의 일측으로 공급하는 공기통로(30)가 제1 세퍼레이터(28a)의 일측에, 연료를 MEA(26)의 다른 일측으로 공급하는 연료통로(32)가 제2 세퍼레이터(28b)의 일측에 각각 하나의 라인으로 연속적 형성된 것을 도시한다.12 is a plan view of a first embodiment of a passage formed on one side of a separator according to the present invention, wherein an air passage 30 for supplying the above air to one side of the MEA 26 is provided on one side of the first separator 28a, A fuel passage 32 for supplying fuel to the other side of the MEA 26 is continuously formed in one line on one side of the second separator 28b.

도 13은 본 발명에 따른 세퍼레이터의 일측에 형성된 통로의 제2 실시예의 평면도로써, 상기한 공기통로(30)가 제1 세퍼레이터(28a)의 일측에, 연료통로(32)가 제2 세퍼레이터(28b)의 일측에 각각 복수의 라인으로 연속 형성된 것을 도시한다.FIG. 13 is a plan view of a second embodiment of a passage formed on one side of a separator according to the present invention, in which the air passage 30 is on one side of the first separator 28a, and the fuel passage 32 is on the second separator 28b. It shows what is formed continuously in a plurality of lines on one side of each).

도 13의 실시예는 도 12의 실시예에 비하여 한 통로의 길이를 짧게 하므로 연료 공급부(10)의 연료 펌프(20) 및 공기 공급부(12)의 공기 펌프(22)의 구동에 소요되는 동력을 저감시킬 수 있다.13 reduces the length of one passage as compared with the embodiment of FIG. 12, thereby reducing the power required to drive the fuel pump 20 of the fuel supply unit 10 and the air pump 22 of the air supply unit 12. Can be reduced.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

본 발명에 따른 연료 전지 시스템 및 그 스택과 세퍼레이터에 의하면, 연료 통로와 공기통로를 형성하는 제1, 제2 세퍼레이터를 금속 및 카본 합성물로 각각 성형함으로써 카본 합성물에 의하여 부식을 방지하면서 금속에 의하여 부피를 저감시키는 효과가 있다.According to the fuel cell system, the stack and the separator according to the present invention, the first and second separators forming the fuel passage and the air passage are formed by the metal and the carbon composite, respectively, to prevent corrosion by the carbon composite, thereby preventing volume by the metal. There is an effect to reduce.

Claims

A fuel supply unit supplying a fuel containing hydrogen;

An air supply unit for supplying air containing oxygen; And

And a stack including a plurality of electricity generating units in which separators are disposed on both sides of an electrode-electrolyte composite (MEA) to electrochemically react hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply unit and the air supply unit to generate electrical energy. and,

The separator includes a first separator forming a fuel passage through which fuel is supplied to one side thereof, and a second separator forming an air passage through which air is supplied to the other side thereof.

The first separator and the second separator is formed of a different material.

The method of claim 1,

And the first separator is formed of metal, and the second separator is formed of carbon composite material.

The method of claim 1,

And the first separator is located at the anode electrode side of the MEA to which hydrogen is supplied, and the second separator is located at the cathode electrode side of the MEA to which oxygen is supplied.

The method of claim 1,

And the first separator presses the plate metal to form a fuel passage.

The method of claim 1,

The first separator is formed of a stainless steel or a metal containing at least 20% of any one of Ti, Al and Cr.

The method of claim 1,

The surface of the first separator is a fuel cell system comprising a coating layer, such as any one of gold, silver, conductive carbon, inorganic compound, boride, resin conductive layer.

The method of claim 1,

The second separator is configured to form a carbon composite to form an air passage.

The method of claim 1,

The second separator is formed of carbon powder and thermosetting resin or carbon powder and thermoplastic resin.

The method of claim 8,

The carbon powder is formed of a mixture of any one or more of artificial graphite, natural graphite, expanded graphite, and amorphous carbon.

The method of claim 1,

And the second separator is formed of a metal plate and a carbon composite injection-molded on the metal plate.

The method of claim 1,

And the first separator and the second separator are integrally formed of an adhesive resin.

It is provided with a plurality of electricity generating units in which separators are disposed on both sides of the MEA to generate electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply unit and the air supply unit, respectively.

The first separator and the second separator is a stack of a fuel cell system formed of different materials.

The method of claim 12,

Wherein the first separator is formed of a metal, and the second separator is formed of a carbon composite.

The method of claim 12,

Wherein the first separator is located at the anode electrode side of the MEA to which hydrogen is supplied, and the second separator is located at the cathode electrode side of the MEA to which oxygen is supplied.

The method of claim 12,

The first separator is a stack of a fuel cell system to form a fuel passage by pressing the plate-like metal.

The method of claim 12,

The first separator is a stack of a fuel cell system formed of a stainless steel or a metal containing at least 20% of any one of Ti, Al, and Cr.

The method of claim 12,

The surface of the first separator is a stack of a fuel cell system comprising a coating layer of any one of gold, silver, conductive carbon, inorganic compound, boride, resin conductive layer.

The method of claim 12,

The second separator is a stack of a fuel cell system to form a carbon composite by forming a carbon composite.

The method of claim 12,

And the second separator is formed of a carbon powder and a thermosetting resin or a carbon powder and a thermoplastic resin.

The method of claim 19,

And the carbon powder is formed of a mixture of at least one of artificial graphite, natural graphite, expanded graphite, and amorphous carbon.

The method of claim 12,

And the first separator and the second separator are integrally formed by an adhesive resin.

It is arranged on both sides of the MEA to generate electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen supplied from the fuel supply unit and the air supply unit, respectively, and constitutes an electricity generating unit,

A first separator forming a fuel passage to which fuel is supplied at one side thereof, and a second separator forming an air passage to which air is supplied to the other side thereof;

The separator of the fuel cell system, wherein the first separator and the second separator are formed of different materials.

The method of claim 23,

And the first separator is formed of a metal, and the second separator is formed of a carbon composite material.

The method of claim 23,

And the first separator presses the plate metal to form a fuel passage.

The method of claim 23,

The first separator is formed of a stainless steel or a metal containing at least 20% of any one component of Ti, Al, and Cr.

The method of claim 23,

The surface of the said 1st separator is a separator of a fuel cell system provided with one coating layer among gold, silver, conductive carbon, an inorganic compound, a boride, and a resin conductive layer.

The method of claim 23,

The second separator is a separator of a fuel cell system to form a carbon composite by forming a carbon composite.

The method of claim 23,

And the second separator is formed of carbon powder and thermosetting resin or carbon powder and thermoplastic resin.

The method of claim 30,

The carbon powder is a separator of a fuel cell system formed of a mixture of at least one of artificial graphite, natural graphite, expanded graphite, and amorphous carbon.

The method of claim 23,

The separator of the fuel cell system, wherein the first separator and the second separator are integrally formed by an adhesive resin.

The method of claim 23,

And a fuel passage formed in the first separator and an air passage formed in the second separator are disposed in the same direction or at right angles to each other.

The method of claim 23,

And at least one number of fuel passages formed in the first separator or air passages formed in the second separator.