KR101542740B1 - Air-breathing fuel cell system and method for operating the system - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전기생성 반응이 일어나는 애노드, 이온전도막 및 캐소드를 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리와, 상기 멤브레인-전극 어셈블리의 양측에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 전기발생부; 상기 전기발생부에 수소(H2)를 포함하는 연료를 공급하기 위한 연료공급부; 상기 연료공급부로부터 공급되는 상기 연료를 상기 전기발생부에 선택적으로 공급하기 위한 연료공급제어부; 상기 전기발생부에서 발생된 열을 식히기 위한 냉각팬; 상기 전기발생부의 압력이 기준 압력 보다 높아지면 상기 전기발생부 내의 가스를 퍼지하여 압력을 낮추기 위한 압력제어밸브; 및 상기 냉각팬과 상기 연료공급제어부의 구동을 제어하기 위한 연료전지제어부를 포함하는 공기호흡형 연료전지 시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 외부 공기가 바이폴라 플레이트에 형성된 리브 사이의 공간인 채널을 통해 자유롭게 드나들 수 있고, 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 유입된 공기가 캐소드로 직접 유입되어 반응을 일으키는 공기호흡형(air-breathing) 구조를 이루며, 산화제 공급장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고, 소형화가 가능하다.The present invention relates to a membrane-electrode assembly including an anode, an ion-conducting membrane and a cathode, in which an electricity generation reaction takes place, and a bipolar plate provided on both sides of the membrane-electrode assembly; A fuel supply for supplying a fuel containing hydrogen (H 2) to the electricity generating element; A fuel supply control unit for selectively supplying the fuel supplied from the fuel supply unit to the electricity generation unit; A cooling fan for cooling the heat generated in the electricity generating unit; A pressure control valve for purging gas in the electricity generating unit to lower the pressure when the pressure of the electricity generating unit becomes higher than a reference pressure; And a fuel cell control unit for controlling the driving of the cooling fan and the fuel supply control unit, and a method of operating the same. According to the present invention, the external air can freely move through a channel between the ribs formed in the bipolar plate, and the air introduced through the channel of the bipolar plate flows directly into the cathode to generate air- breathing structure, eliminating the need for an oxidizer supply device, thus reducing production cost and power consumption, and enabling miniaturization.

Description

공기호흡형 연료전지 시스템 및 그 운영방법{Air-breathing fuel cell system and method for operating the system}Technical Field [0001] The present invention relates to an air-breathing fuel cell system,

본 발명은 연료전지 시스템 및 그 운영방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 공기가 바이폴라 플레이트에 형성된 리브 사이의 공간인 채널을 통해 자유롭게 드나들 수 있고, 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 유입된 공기가 캐소드로 직접 유입되어 반응을 일으키는 공기호흡형(air-breathing) 구조를 이루며, 산화제 공급장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고, 소형화가 가능한 공기호흡형 연료전지 시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell system and a method of operating the same. More particularly, the present invention relates to a fuel cell system and a method of operating the same. More specifically, To an air breathing type fuel cell system capable of reducing the production price and power consumption and capable of miniaturization, and a method of operating the same. will be.

연료전지는 연료의 산화 반응에 의해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기화학 전지이다. 연료 전지는 청정 에너지원으로서 단위 전지의 적층에 의한 스택(stack) 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있다. Fuel cells are electrochemical cells that convert chemical energy into electrical energy by oxidation of the fuel. Fuel cells are a clean energy source and have the advantage of being able to output a wide range of output with a stack structure by stacking unit cells.

최근 전자기기의 디지털 컨버전스 추세에 맞춰 소비전력이 비약적으로 높아짐에 따라 성능이 높은 연료전지에 대한 수요가 크게 증가하고 있으며, 고효율 및 고용량의 장점을 가지는 이온도전막(Proton Exchange Membrane: PEM) 연료전지가 각광받고 있다. Recently, as the power consumption has increased dramatically in accordance with the trend of digital convergence of electronic devices, there has been a great increase in the demand for high performance fuel cells. Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cells having advantages of high efficiency and high capacity .

그러나, 일반적인 연료전지 시스템은 산소 또는 공기와 같은 산화제를 전기발생부로 공급하는 역할을 하는 공기 펌프와 같은 산화제 공급장치가 필요하며, 따라서 가격과 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있다.However, a general fuel cell system requires an oxidant supply device such as an air pump, which serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generator, thus increasing the price and power consumption and making it difficult to miniaturize.

또한, 종래의 연료전지 시스템은 물 회수장치를 구비하여야 하므로 가격과 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있다.In addition, since the conventional fuel cell system must be provided with a water recovery device, there is a problem that the price and power consumption are high and it is difficult to miniaturize.

또한, 종래의 연료전지 시스템은 연료전지의 원활한 가동을 위해 전기발생부에 냉각수가 흐르기 위한 냉각수관, 냉각수 저장탱크, 냉각수 펌프 등과 같은 부피가 큰 열 회수장치를 구비하여야 하므로 가격 및 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있다.In addition, the conventional fuel cell system requires a bulky heat recovery device such as a cooling water pipe, a cooling water storage tank, and a cooling water pump for allowing the cooling water to flow through the electricity generating part for smooth operation of the fuel cell, There is a difficult problem in downsizing.

또한, 종래의 연료전지 시스템은 별도의 가습 장치를 필요로 하므로 가습 장치를 구동하기 위하여 소비전력 및 가격이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있다.In addition, since the conventional fuel cell system requires a separate humidifying device, there is a problem in that power consumption and cost for driving the humidifying device are increased and it is difficult to miniaturize.

한편, 연료전지는 수소(H2)를 포함하는 원료를 사용하는데, 원료공급원으로서 고압 수소 저장 방식은 휴대용 등에 사용하기는 사실상 불가능하고, 상당한 위험요소를 내재하고 있으며, 고체수소화합물 수소저장합금 또한 자체 무게로 인하여 상용화에 많은 어려움이 있다. On the other hand, a fuel cell uses a raw material containing hydrogen (H 2 ). As a raw material supply source, a high-pressure hydrogen storage method is practically impossible to use in a portable use, etc. and has a considerable risk factor. Due to its own weight, there are many difficulties in commercialization.

이러한 문제를 해결할 수 있는 방법으로 제시되고 있는 수소저장법 중 하나로 수소화합물 또는 수소저장합금이 용해된 용액과 촉매가 접촉하여 수소를 발생시키는 방식이 있다. 이는 수용액 상태로 저장됨으로 매우 안전하며 또한 물 분자를 분해하여 수소를 발생시키므로 수소저장용량이 매우 커 휴대용 기기 또는 중대형 기기에도 적용이 가능하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
One of the hydrogen storage methods proposed to solve this problem is a method in which a solution in which a hydrogen compound or a hydrogen storage alloy is dissolved comes into contact with a catalyst to generate hydrogen. This is very safe because it is stored in the form of an aqueous solution. It also decomposes water molecules and generates hydrogen. Therefore, hydrogen storage capacity is very high and it is applicable to a portable device or a medium and large-sized device.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 외부 공기가 바이폴라 플레이트에 형성된 리브 사이의 공간인 채널을 통해 자유롭게 드나들 수 있고, 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 유입된 공기가 캐소드로 직접 유입되어 반응을 일으키는 공기호흡형(air-breathing) 구조를 이루며, 산화제 공급장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고, 소형화가 가능한 공기호흡형 연료전지 시스템 및 그 운영방법을 제공함에 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an air-breathing type air conditioner in which external air can freely flow through a channel between ribs formed in a bipolar plate, air introduced through a channel of the bipolar plate flows directly into the cathode, The present invention provides an air-breathing type fuel cell system and an operation method thereof, which can reduce the production cost and power consumption without requiring an oxidizer supply device.

본 발명은, 전기생성 반응이 일어나는 애노드, 이온전도막 및 캐소드를 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리와, 상기 멤브레인-전극 어셈블리의 양측에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 전기발생부; 상기 전기발생부에 수소(H2)를 포함하는 연료를 공급하기 위한 연료공급부; 상기 연료공급부로부터 공급되는 상기 연료를 상기 전기발생부에 선택적으로 공급하기 위한 연료공급제어부; 상기 전기발생부에서 발생된 열을 식히기 위한 냉각팬; 상기 전기발생부의 압력이 기준 압력 보다 높아지면 상기 전기발생부 내의 가스를 퍼지하여 압력을 낮추기 위한 압력제어밸브; 및 상기 냉각팬과 상기 연료공급제어부의 구동을 제어하기 위한 연료전지제어부를 포함하며, 상기 바이폴라 플레이트의 제1면에 복수의 리브와 복수의 채널이 구비되고, 제2면은 평평한 플레이트 구조로 이루어지며, 상기 바이폴라 플레이트의 제2면이 상기 애노드에 접촉되게 적층되고, 복수의 리브와 복수의 채널을 구비하는 상기 바이폴라 플레이트의 제1면이 상기 캐소드에 접촉되게 적층되며, 상기 리브와 상기 캐소드가 접촉되고, 상기 리브 사이의 상기 채널을 통해 공급된 공기가 상기 캐소드와 접촉되는 구조를 이루며, 상기 냉각팬에 의해 외부의 찬 공기를 전기발생부에 불어넣어 줌으로써 상기 전기발생부 내의 열을 냉각하는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템을 제공한다.The present invention relates to a membrane-electrode assembly including an anode, an ion-conducting membrane and a cathode, in which an electricity generation reaction takes place, and a bipolar plate provided on both sides of the membrane-electrode assembly; A fuel supply for supplying a fuel containing hydrogen (H 2) to the electricity generating element; A fuel supply control unit for selectively supplying the fuel supplied from the fuel supply unit to the electricity generation unit; A cooling fan for cooling the heat generated in the electricity generating unit; A pressure control valve for purging gas in the electricity generating unit to lower the pressure when the pressure of the electricity generating unit becomes higher than a reference pressure; And a fuel cell control unit for controlling the operation of the cooling fan and the fuel supply control unit, wherein a plurality of ribs and a plurality of channels are provided on a first surface of the bipolar plate, and a second surface has a flat plate structure A first surface of the bipolar plate having a plurality of ribs and a plurality of channels is stacked so as to be in contact with the cathode, a second surface of the bipolar plate is stacked to be in contact with the anode, And the air supplied through the channel between the ribs is in contact with the cathode, and the cold air in the outside is blown into the electricity generating unit by the cooling fan, thereby cooling the heat in the electricity generating unit The present invention also provides an air-breathing fuel cell system.

상기 캐소드의 촉매층에서 생성된 물이 외부로 방출되는 것이 억제되어 상기 애노드로 전달되고, 상기 물이 상기 애노드로 전달되는 과정에서 상기 이온전도막의 수화(hydration) 및 수소 가습이 진행됨으로써 자가가습이 이루어질 수 있다.The water generated in the catalyst layer of the cathode is inhibited from being discharged to the outside and is transferred to the anode. During hydration and hydrogen humidification of the ion conductive membrane in the process of transferring the water to the anode, self-humidification is performed .

상기 캐소드는 소수성 확산층과 촉매층을 포함할 수 있으며, 상기 소수성 확산층은 제1 소수성 확산층 및 제2 소수성 확산층을 포함하는 복수의 소수성 확산층으로 이루어질 수 있다.The cathode may include a hydrophobic diffusion layer and a catalyst layer, and the hydrophobic diffusion layer may include a plurality of hydrophobic diffusion layers including a first hydrophobic diffusion layer and a second hydrophobic diffusion layer.

상기 제1 소수성 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이퍼 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 10∼20중량부 함유되는 것이 바람직하며, 제2 소수성 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이터 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 30∼40중량부 함유되는 것이 바람직하며, 상기 제1 소수성 확산층이 상기 캐소드의 촉매층과 이웃하게 배치되고, 상기 제2 소수성 확산층은 상기 제1 소수성 확산층과 이웃하면서 상기 바이폴라 플레이트의 채널과 이웃하게 배치되며, 상기 캐소드는 전체 기공율이 30∼50% 범위인 것이 바람직하다.Wherein the first hydrophobic diffusion layer is made of a composite material of carbon paper or polytetrafluoroethylene having hydrophobicity in a carbon sheet and the polytetrafluoroethylene is contained in an amount of 10 to 20 parts by weight per 100 parts by weight of carbon paper or carbon sheet And the second hydrophobic diffusion layer is made of carbon paper or a composite material of polytetrafluoroethylene having hydrophobicity on the carbon sheet and the polytetrafluoroethylene is used in an amount of 100 parts by weight or more based on 100 parts by weight of carbon paper or carbon sheet Wherein the first hydrophobic diffusion layer is disposed adjacent to the catalyst layer of the cathode and the second hydrophobic diffusion layer is disposed adjacent to the channel of the bipolar plate adjacent to the first hydrophobic diffusion layer, And the cathode has a total porosity ranging from 30 to 50% It is.

상기 애노드는 소수성 확산층과 촉매층을 포함할 수 있으며, 상기 애노드의 소수성 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이퍼 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 2∼5중량부 함유되는 것이 바람직하다.The anode may comprise a hydrophobic diffusion layer and a catalyst layer, and the hydrophobic diffusion layer of the anode may be made of a material obtained by compositing carbon paper or polytetrafluoroethylene having hydrophobicity in a carbon sheet, wherein the polytetrafluoroethylene is carbon It is preferable that it is contained in an amount of 2 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the paper or the carbon sheet.

상기 리브는 상기 바이폴라 플레이트의 제1면에 일정한 간격을 두고 직선 상태로 돌출되게 구비될 수 있고, 상기 리브는 폭이 1.0∼1.5㎜ 이고 높이는 1.0∼1.5㎜ 인 것이 바람직하며, 상기 리브 사이의 공간으로서 연료 또는 산소가 이동되는 공간을 제공하는 상기 채널은 일정한 간격을 두고 직선 상태로 배치될 수 있고, 상기 리브의 사이의 간격인 상기 채널의 폭은 1.0∼2.0㎜ 인 것이 바람직하다.The ribs may protrude linearly with a predetermined distance from the first surface of the bipolar plate, and the ribs may have a width of 1.0 to 1.5 mm and a height of 1.0 to 1.5 mm, The channels providing the spaces through which the fuel or oxygen are moved may be arranged in a straight line with a predetermined interval and the width of the channels between the ribs is preferably 1.0 to 2.0 mm.

상기 연료공급부는 상기 전기발생부에 수소(H2)를 포함하는 원료를 공급하기 위해 상온에서 수소(H2) 흡방출이 가능한 TiMn2계 수소저장합금 카트리지를 이용할 수 있으며, 상기 TiMn2계 수소저장합금 카트리지는 (Ti1 - xZrx)(Mn2 -y(V,Ni,Fe,Cr)y)2 (여기서, x는 0 이거나 1보다 작은 실수이고 y는 0 이거나 2보다 작은 실수) 수소저장합금으로 이루어질 수 있고, 상기 TiMn2계 수소저장합금 카트리지의 평형수소압은 2≤PH2≤10기압 범위인 것이 바람직하다.The fuel supply unit may use a TiMn 2 -based hydrogen storage alloy cartridge capable of absorbing and discharging hydrogen (H 2 ) at room temperature to supply a raw material containing hydrogen (H 2 ) to the electricity generating unit. The TiMn 2 -based hydrogen The storage alloy cartridge is made of (Ti 1 - x Zr x ) (Mn 2 -y (V, Ni, Fe, Cr) y ) 2 where x is zero or less than 1, y is zero, Hydrogen storage alloy, and the equilibrium hydrogen pressure of the TiMn 2 -based hydrogen storage alloy cartridge is preferably in a range of 2? P H2? 10 atm.

상기 냉각팬을 통해 공급된 공기는 상기 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 멤브레인-전극 어셈블리에 도달하게 되고, 상기 멤브레인-전극 어셈블리를 냉각시킨 후 데워진 공기는 상기 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 외부로 배출되게 구성될 수 있다.The air supplied through the cooling fan reaches the membrane-electrode assembly through the channel of the bipolar plate, and the heated air after cooling the membrane-electrode assembly is discharged to the outside through the channel of the bipolar plate .

또한, 본 발명은, 상기 공기호흡형 연료전지 시스템을 구동하기 위한 운영방법에 있어서, 연료공급부로부터 공급되는 수소(H2)를 포함하는 연료의 압력이 8∼10기압인 경우에 연료공급제어부의 오프 시간을 5∼7분 간격으로 조절하고, 상기 연료공급부로부터 공급되는 수소(H2)를 포함하는 연료의 압력이 4기압 이상이고 8기압 미만인 경우에 상기 연료공급제어부의 오프 시간을 2∼4분 간격으로 조절하며, 상기 연료공급부로부터 공급되는 수소(H2)를 포함하는 연료의 압력이 4기압 보다 작은 경우에 상기 연료공급제어부의 오프 시간을 1∼2분 간격으로 조절하고, 압력제어밸브의 개방 압력을 3∼4기압으로 조절하며, 냉각팬의 제어를 통해 전기발생부의 온도를 30∼50℃로 조절하는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템의 운영방법을 제공한다.
Further, the present invention provides an operating method for driving the air respiratory fuel cell system, wherein when the pressure of the fuel including hydrogen (H 2 ) supplied from the fuel supply unit is 8 to 10 atm, OFF time of the fuel supply control unit is controlled at intervals of 5 to 7 minutes and when the pressure of the fuel including hydrogen (H 2 ) supplied from the fuel supply unit is 4 atm or more and less than 8 atm, And controls the off time of the fuel supply control unit at intervals of 1 to 2 minutes when the pressure of fuel including hydrogen (H 2 ) supplied from the fuel supply unit is less than 4 atmospheres, And the temperature of the electricity generating unit is controlled to 30 to 50 ° C through control of the cooling fan. The present invention also provides a method of operating the air breathing type fuel cell system All.

종래의 연료전지 시스템은 산소 또는 공기와 같은 산화제를 전기발생부로 공급하는 역할을 하는 공기 펌프와 같은 산화제 공급장치가 필요하였다. 그러나, 본 발명의 공기호흡형 연료전지 시스템은 외부 공기가 바이폴라 플레이트에 형성된 리브 사이의 공간인 채널을 통해 자유롭게 드나들 수 있고, 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 유입된 공기는 공기극인 캐소드와 접촉하도록 설계되어 있으므로 캐소드로 유입되어 반응을 일으키게 된다. 따라서, 본 발명의 공기호흡형 연료전지 시스템은 산화제 공급장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고, 소형화가 가능한 장점이 있다. Conventional fuel cell systems require an oxidant supply device, such as an air pump, which serves to supply an oxidant, such as oxygen or air, to the electricity generator. However, in the air breathing type fuel cell system of the present invention, external air can freely pass through a channel between the ribs formed in the bipolar plate, and the air introduced through the channel of the bipolar plate is designed to contact the cathode So that it flows into the cathode and causes a reaction. Therefore, the air breathing type fuel cell system of the present invention has advantages that the production cost and the power consumption can be lowered and the size can be reduced because the oxidant supply device is not needed.

또한, 종래의 연료전지 시스템은 물 회수장치를 구비하여야 하므로 가격과 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템은 캐소드의 촉매층에서 생성된 물(H2O)은 외부로 방출하지 않고 이를 이온전도막의 수화(hydration) 및 수소 가습에 이용할 수 있고 이를 통해 자가가습(self-humidified)형 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)로 기능할 수 있으므로, 물 회수장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고, 소형화가 가능한 장점이 있다. In addition, since the conventional fuel cell system needs to have a water recovery device, it is difficult to miniaturize the fuel cell system due to high price and power consumption. However, in the air respiratory fuel cell system according to the present invention, water (H 2 O Can function as a self-humidified membrane-electrode assembly (MEA) through hydration and hydrogen humidification of the ion conducting membrane without releasing it to the outside, thereby requiring a water recovery device There is an advantage that the production price and power consumption can be lowered and the size can be reduced.

또한, 캐소드의 촉매층에서 생성된 물(H2O)은 외부로 방출하지 않고 이를 이온전도막의 수화(hydration) 및 수소 가습에 이용할 수 있으므로 별도의 가습 장치도 요구되지 않는다.In addition, since water (H 2 O) generated in the catalyst layer of the cathode can be used for hydration and hydrogen humidification of the ion conductive membrane without releasing it to the outside, a separate humidifying device is not required.

또한, 종래의 연료전지 시스템은 연료전지의 원활한 가동을 위해 전기발생부에 냉각수가 흐르기 위한 냉각수관, 냉각수 저장탱크, 냉각수 펌프 등과 같은 부피가 큰 열 회수장치를 구비하여야 하므로 가격 및 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템은 단순히 외부 공기를 불어넣어 줄 수 있는 소형의 냉각팬이 필요할 따름이고 부피를 크게 차지하는 열 회수장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능한 장점이 있다. In addition, the conventional fuel cell system requires a bulky heat recovery device such as a cooling water pipe, a cooling water storage tank, and a cooling water pump for allowing the cooling water to flow through the electricity generating part for smooth operation of the fuel cell, The air breathing type fuel cell system according to the present invention requires a small cooling fan that can simply blow out the outside air and does not require a heat recovery device that takes up a large volume, And it is possible to downsize it.

또한, 본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템의 경우 수소(H2) 유량의 제어를 위해 연료 펌프나 연료 펌프를 구동하기 위한 모터 등과 같은 별도의 장치를 필요치 않으며, 이러한 연료 펌프나 연료 펌프를 구동하기 위한 모터 등과 같은 장치가 필요없으므로 전체 시스템의 크기나 가격 및 소비 전력을 낮출 수 있다. Further, in the case of the air breathing type fuel cell system according to the present invention, there is no need for a separate device such as a fuel pump or a motor for driving the fuel pump for controlling the flow rate of hydrogen (H 2 ) It is possible to reduce the size, price and power consumption of the entire system.

본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템의 운영방법에 의하면, 연료공급제어부, 압력제어밸브 및 냉각팬의 제어를 통해 최적의 운영 조건을 확보할 수 있다.
According to the operating method of the air breathing type fuel cell system according to the present invention, optimum operating conditions can be secured through control of the fuel supply control unit, the pressure control valve, and the cooling fan.

도 1은 공기호흡형 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 리브(rib) 구조를 갖는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 'A' 부분의 확대도로서 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)의 리브(rib) 구조를 자세하게 보여주는 도면이다.
도 5는 멤브레인-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)를 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 7은 바이폴라 플레이트, 멤브레인-전극 어셈블리(MEA) 및 바이폴라 플레이트가 순차적으로 적층된 모습을 보여주는 도면이다. 1 is a schematic view showing an air-breathing type fuel cell system.
FIGS. 2 and 3 are schematic views of a bipolar plate having a rib structure. FIG.
FIG. 4 is an enlarged view of a portion 'A' of FIG. 3, showing in detail the rib structure of a bipolar plate.
5 is a schematic view of a membrane-electrode assembly (MEA).
Figure 6 is a more specific illustration of a membrane-electrode assembly (MEA).
7 is a view showing a bipolar plate, a membrane-electrode assembly (MEA), and a bipolar plate sequentially stacked.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art will be able to fully understand the present invention, and that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is not. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.

도 1은 공기호흡형 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2 및 도 3은 리브(rib) 구조를 갖는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4는 도 3의 'A' 부분의 확대도로서 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)의 리브(rib) 구조를 자세하게 보여주는 도면이다. 도 5는 멤브레인-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 6은 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)를 보다 구체적으로 도시한 도면이다. 도 7은 바이폴라 플레이트, 멤브레인-전극 어셈블리(MEA) 및 바이폴라 플레이트가 순차적으로 적층된 모습을 보여주는 도면이다. 1 is a schematic view showing an air-breathing type fuel cell system. FIGS. 2 and 3 are schematic views of a bipolar plate having a rib structure. FIG. FIG. 4 is an enlarged view of a portion 'A' of FIG. 3, showing in detail the rib structure of a bipolar plate. 5 is a schematic view of a membrane-electrode assembly (MEA). Figure 6 is a more specific illustration of a membrane-electrode assembly (MEA). 7 is a view showing a bipolar plate, a membrane-electrode assembly (MEA), and a bipolar plate sequentially stacked.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 상기 공기호흡형 연료전지 시스템은 멤브레인-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(120) 및 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(130)를 포함하는 전기발생부(100), 수소(H2)를 포함하는 연료를 전기발생부(100)로 공급하는 연료 공급부(300) 및 상기 연료공급부(300)로부터 공급되는 연료를 전기발생부(100)에 선택적으로 공급하기 위한 연료공급제어부(310)를 포함한다. 또한, 상기 공기호흡형 연료전지 시스템은 전기발생부(100)의 압력이 기준 압력 보다 높아지면 전기발생부(100) 내의 가스를 퍼지하여 압력을 낮추기 위한 압력제어밸브(500)를 포함한다. 또한, 상기 공기호흡형 연료전지 시스템은 냉각팬(200)과 연료공급제어부(310)의 구동을 제어하기 위한 연료전지제어부(400)를 포함한다. 1 to 7, the air-breathing type fuel cell system includes an electricity generating unit 100 including a membrane-electrode assembly (MEA) 120 and a bipolar plate 130, A fuel supply unit 300 for supplying fuel including hydrogen (H 2 ) to the electricity generation unit 100 and a fuel supply unit 300 for selectively supplying the fuel supplied from the fuel supply unit 300 to the electricity generation unit 100 And a fuel supply control unit 310. The air breathing type fuel cell system further includes a pressure control valve 500 for purging gas in the electricity generating unit 100 to lower the pressure when the pressure of the electricity generating unit 100 becomes higher than a reference pressure. The air breathing type fuel cell system includes a fuel cell controller 400 for controlling the operation of the cooling fan 200 and the fuel supply controller 310.

공기호흡형 연료전지 시스템은 수소(H2)와 산소(O2)를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 전기발생부(100)를 포함한다. 전기발생부(100)는 수소(H2)와 산소(O2)의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 단위 셀(cell)(110)을 포함한다. 전기발생부(100)는 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위로서 단위 셀(cell)(110)을 구비하며, 복수 개(예컨대, 수 개 또는 수십 개)의 단위 셀들이 연속적으로 적층 배열된 스택(stack)을 이룰 수도 있다. 통상적으로 이러한 단위 셀(110) 하나에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 여러 개의 셀(110)을 직렬로 연결한 스택(stack)의 형태로 사용하게 된다. 이러한 스택은 멤브레인-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(120)와 바이폴라 플레이트(130)를 포함하는 단위 셀(110)이 복수 개(예컨대, 수 개 내지 수십 개)로 적층된 구조를 가진다. 그리고, 전기발생부(100)는 스택의 최 외측에 엔드 플레이트(미도시)가 각각 결합될 수 있다. Air breathing type fuel cell system by the reaction of hydrogen (H 2) and oxygen (O 2) electrochemically comprises electricity generating element 100 that generates electrical energy. The electricity generating unit 100 includes at least one unit cell 110 for generating electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ). The electricity generating unit 100 includes a unit cell 110 as a minimum unit for generating electric energy and a plurality of unit cells such as a stack ). Generally, since the voltage generated by one unit cell 110 is not high enough to be usefully used, the plurality of cells 110 are used in the form of a stack connected in series. This stack has a structure in which a plurality of unit cells 110 (for example, several to several tens) are stacked including a membrane-electrode assembly (MEA) 120 and a bipolar plate 130 . An end plate (not shown) may be coupled to the outermost side of the electricity generating unit 100.

전기발생부(100)의 셀(110)은 멤브레인-전극 어셈블리(120)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(130)를 포함하며, 연료의 산화 반응 및 산소의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다. 상기 전기발생부(100)는 수소와 산소를 산화 및 환원 반응시키는 멤브레인-전극 어셈블리(120)와, 멤브레인-전극 어셈블리(120)의 양측에 구비되어 수소와 산소를 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(130)를 포함한다.The cell 110 of the electricity generating unit 100 includes a membrane electrode assembly 120 and a bipolar plate 130 and serves to generate electricity through oxidation of the fuel and reduction of oxygen do. The electricity generating unit 100 includes a membrane-electrode assembly 120 for oxidizing and reducing hydrogen and oxygen, a bipolar plate 130 for supplying hydrogen and oxygen to both sides of the membrane-electrode assembly 120, .

바이폴라 플레이트(130)는 제1면(136)에 복수의 리브(Rib)(132)와 복수의 채널(134)을 구비한다. 바이폴라 플레이트(130)의 제2면(138)은 평평한 플레이트 구조로 이루어질 수 있다. 리브(132)는 바이폴라 플레이트(130)의 제1면(136)에 일정한 간격을 두고 직선 상태로 돌출되게 구비된다. 리브(132)는 폭(width)이 1.0∼1.5㎜ 정도인 것이 바람직하며, 높이(height)는 1.0∼1.5㎜ 정도인 것이 바람직하다. 리브(132)의 사이의 간격인 채널(134)의 폭은 1.0∼2.0㎜ 정도인 것이 바람직하다. The bipolar plate 130 has a plurality of ribs 132 and a plurality of channels 134 on the first surface 136. The second surface 138 of the bipolar plate 130 may have a flat plate structure. The ribs 132 are provided on the first surface 136 of the bipolar plate 130 so as to protrude in a straight line with a predetermined gap therebetween. The rib 132 preferably has a width of about 1.0 to 1.5 mm and a height of about 1.0 to 1.5 mm. The width of the channel 134, which is the distance between the ribs 132, is preferably about 1.0 to 2.0 mm.

채널(134)은 리브(132) 사이의 공간으로서 연료 또는 산소가 이동되는 공간을 제공한다. 채널(134)은 일정한 간격을 두고 직선 상태로 배치된다. The channel 134 provides a space between the ribs 132 to allow fuel or oxygen to travel. The channels 134 are arranged in a straight line at regular intervals.

바이폴라 플레이트(130)는 흑연 또는 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금 등의 재질로 형성될 수 있다. The bipolar plate 130 may be formed of a material such as graphite or a nickel-chromium (Cr) -based alloy.

바이폴라 플레이트(130)의 제2면(138)이 연료극인 애노드(124)에 접촉되게 적층되며, 복수의 리브(Rib)(132)와 복수의 채널(134)을 구비하는 바이폴라 플레이트(130)의 제1면(136)이 공기극인 캐소드(126)에 접촉되게 적층된다. 리브(132)와 캐소드(126)가 접촉되고, 리브(132) 사이의 채널(134)을 통해 공급된 공기가 캐소드(126)와 접촉되는 구조를 이룬다. 외부 공기가 바이폴라 플레이트(130)에 형성된 리브(132) 사이의 공간인 채널(134)을 통해 자유롭게 드나들 수 있고 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)을 통해 유입된 공기가 캐소드(126)로 직접 유입되어 반응을 일으키는 공기호흡형(air-breathing) 구조를 이룬다.A bipolar plate 130 having a plurality of ribs 132 and a plurality of channels 134 is stacked such that the second surface 138 of the bipolar plate 130 is in contact with the anode 124, The first surface 136 is laminated so as to be in contact with the cathode 126 which is an air electrode. The rib 132 and the cathode 126 are in contact with each other and the air supplied through the channel 134 between the ribs 132 is in contact with the cathode 126. [ External air can freely flow through the channel 134 which is a space between the ribs 132 formed in the bipolar plate 130 and the air introduced through the channel 134 of the bipolar plate 130 can flow into the cathode 126 It has an air-breathing structure that directly influxes and reacts.

상기 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(120)는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 이온전도막(122)을 사이에 두고 애노드("연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)(124)와 캐소드("공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)(126)가 배치되는 구조를 가진다. 상기 멤브레인-전극 어셈블리(120)는 서로 대향하는 캐소드(126) 및 애노드(124)를 포함하며, 이 캐소드(126)와 애노드(124) 사이에 위치하는 이온전도막(122)을 포함한다. The membrane-electrode assembly (MEA) 120 includes an anode (referred to as a "fuel electrode" or an "oxidized electrode") 124 and a cathode (referred to as a "cathode electrode") 120 sandwiching an ion conductive membrane 122 including a proton- Quot; or "reduction electrode") 126 is disposed. The membrane electrode assembly 120 includes a cathode 126 and an anode 124 facing each other and includes an ion conductive membrane 122 positioned between the cathode 126 and the anode 124.

수소를 함유하는 연료는 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(120)의 애노드(124)로 유입된다. 전기발생부(100)의 각 셀(110)에는 바이폴라플레이트(130)의 채널(134)을 통해 산소(O2)가 공급된다. 전기발생부(100)에 수소(H2)와 산소(O2)를 공급하면, 수소(H2)는 애노드(124)에 공급되고 산소(O2)는 캐소드(126)에 공급되게 된다. 수소(H2)는 애노드(124)로 공급되고, 산소(O2)를 포함하는 공기(air)는 캐소드(126)와 접촉하는 바이폴라 플레이트(130)의 해당 채널(134)을 통과하면서 반응을 일으키게 된다. The fuel containing hydrogen enters the anode 124 of the membrane-electrode assembly (MEA) 120. Oxygen (O 2 ) is supplied to each cell 110 of the electricity generating unit 100 through the channel 134 of the bipolar plate 130. When hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are supplied to the electricity generating unit 100, hydrogen (H 2 ) is supplied to the anode 124 and oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode 126. The hydrogen (H 2 ) is supplied to the anode 124 and the air containing oxygen (O 2 ) passes through the corresponding channel 134 of the bipolar plate 130 in contact with the cathode 126, .

상기 이온전도막(122)은 애노드(124)의 촉매층(124a)에서 생성된 수소 이온(H+)을 캐소드(126)의 촉매층(126a)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 한다. 이온전도막(122)은 퍼플루오르화 양자-교환막 물질인 나피온(Nafion)으로 형성되는 것이 바람직하며, 나피온은 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로비닐에테르술폰산의 공중합체이다.The ion conductive membrane 122 serves as an ion exchange function for moving the hydrogen ions (H + ) generated in the catalyst layer 124a of the anode 124 to the catalyst layer 126a of the cathode 126. [ The ion conductive membrane 122 is preferably formed of a perfluorinated quantum-exchange membrane material, Nafion, and Nafion is a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinylether sulfonic acid.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드(124)로 공급되어 애노드(124)의 촉매층(124a)에 흡착되고, 연료가 산화되어 수소 이온(H+)과 전자(e-)를 생성시키고, 이때 발생된 전자(e-)는 외부 회로에 따라 공기극인 캐소드(126)에 도달하며, 수소 이온(H+)은 이온전도막(122)을 통과하여 캐소드(126)로 전달된다. Principle of generating electricity from fuel cells fuel is supplied to the fuel electrode of the anode 124 is adsorbed to the catalyst layer (124a) of the anode 124, the fuel is oxidized to hydrogen ions (H +) and electrons (e -) a The generated electrons e - reach the cathode 126 which is an air electrode according to an external circuit and the hydrogen ions H + pass through the ion conductive membrane 122 and are transferred to the cathode 126.

캐소드(126)로 산소(O2)를 포함하는 공기(air)가 공급되고, 상기 공기, 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 캐소드(126)의 촉매층(126a)에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.The air (air) containing oxygen (O 2) to the cathode (126) is supplied, the air, the hydrogen ions (H +) and electron (e -), the water reacts in the catalyst layer (126a) of the cathode (126) And generates electricity.

캐소드(126)에 산소(O2)를 포함한 공기가, 애노드(124)에 수소를 함유한 연료가 공급되면, 물의 전기분해와 역반응이 진행되면서 전기가 발생하게 된다.When air containing oxygen (O 2 ) is supplied to the cathode 126 and fuel containing hydrogen is supplied to the anode 124, electricity is generated as the reverse reaction to the electrolysis of water proceeds.

애노드(124)와 캐소드(126)에서 일어나는 반응은 다음과 같은 반응식으로 나타낼 수 있다.The reactions occurring in the anode 124 and the cathode 126 can be represented by the following reaction formula.

연료극인 애노드(124)에서는 아래의 반응식 1과 같은 반응이 일어난다.In the anode 124, which is a fuel electrode, the reaction shown in the following reaction formula 1 occurs.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

H2 → 2H+ + 2e- H 2 - & gt ; 2H + + 2e -

공기극인 캐소드(126)에서는 아래의 반응식 2와 같은 반응이 일어난다.In the cathode 126 which is an air electrode, the reaction shown in the following reaction formula 2 occurs.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O

전체 반응은 H2 + 1/2O2 → H2O 와 같이 수소와 산소가 반응하여 물을 생성하는 반응이다.The overall reaction is a reaction in which hydrogen and oxygen react to form water, such as H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O.

캐소드(126)의 촉매층(126a)에서 생성된 물(H2O)은 외부로 방출되지 않고 애노드(124)로 전달된다. 이 과정에서 이온전도막(122)의 수화(hydration) 및 수소 가습이 진행된다. 이와 같이 이온전도막(122)의 수화(hydration) 및 수소 가습을 통해 자가가습(self-humidified)형 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(120)로 기능할 수 있게 된다. The water (H 2 O) generated in the catalyst layer 126a of the cathode 126 is transferred to the anode 124 without being discharged to the outside. In this process, hydration and hydrogen humidification of the ion conductive membrane 122 proceed. Thus, it becomes possible to function as a self-humidified membrane-electrode assembly (MEA) 120 through hydration of the ion conductive membrane 122 and hydrogen humidification.

캐소드(126)의 촉매층(126a)에서 생성된 물(H2O)이 외부로 방출되는 것을 억제하기 위해 캐소드(126)는 소수성(hydrophobicity) 확산층(126b, 126c)과 촉매층(126a)을 포함한다. 소수성 확산층은 제1 소수성 확산층(126b) 및 제2 소수성 확산층(126c)과 같이 적어도 2개의 소수성 확산층으로 이루어지는 것이 바람직하다. The cathode 126 includes hydrophobicity diffusion layers 126b and 126c and a catalyst layer 126a to prevent water (H 2 O) generated in the catalyst layer 126a of the cathode 126 from being discharged to the outside . It is preferable that the hydrophobic diffusion layer comprises at least two hydrophobic diffusion layers such as the first hydrophobic diffusion layer 126b and the second hydrophobic diffusion layer 126c.

제1 소수성 확산층(126b)은 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 시트(carbon sheet)에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)이 복합화된 소재로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 카본 페이퍼 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 10∼20중량부 함유되는 것이 바람직하다. The first hydrophobic diffusion layer 126b is preferably made of a composite material of polytetrafluoroethylene (PTFE) having hydrophobicity in carbon paper or carbon sheet, and the polytetrafluoroethylene It is preferable that ethylene (PTFE) is contained in an amount of 10 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon paper or the carbon sheet.

제2 소수성 확산층(126c)은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 복합화된 소재로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 카본 페이터 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 30∼40중량부 함유되는 것이 바람직하다. The second hydrophobic diffusion layer 126c is preferably made of carbon paper or a composite material of polytetrafluoroethylene (PTFE) having hydrophobicity in the carbon sheet, and the polytetrafluoroethylene (PTFE) It is preferably contained in an amount of 30 to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of the sheet.

제1 소수성 확산층(126b)이 캐소드(126)의 촉매층(126a)과 이웃하게 구비되고, 제2 소수성 확산층(126c)이 제1 소수성 확산층(126b)과 이웃하면서 캐소드(126)의 가장자리(외곽)에 구비되고, 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)과 이웃하게 구비되는 것이 바람직하다.The first hydrophobic diffusion layer 126b is adjacent to the catalyst layer 126a of the cathode 126 and the second hydrophobic diffusion layer 126c is adjacent to the first hydrophobic diffusion layer 126b, And is preferably provided adjacent to the channel 134 of the bipolar plate 130.

이와 같은 캐소드(126)의 소수성 확산층(126b, 126c)에 의하여 캐소드(126)의 촉매층(126a)에서 생성된 물(H2O)은 외부로 방출되지 못하고 애노드(124) 쪽으로 이동하면서 이온전도막(122)의 수화(hydration) 및 수소 가습이 진행되게 된다. The water (H 2 O) generated in the catalyst layer 126a of the cathode 126 is not released to the outside by the hydrophobic diffusion layers 126b and 126c of the cathode 126 and moves toward the anode 124, The hydration and hydrogen humidification of the fuel cell 122 proceed.

또한, 산소(O2)를 포함하는 공기의 원활한 유입과 물의 외부 방출을 억제하기 위해 캐소드(126)의 전체 기공율은 30∼50% 정도의 범위인 것이 바람직하다.The total porosity of the cathode 126 is preferably in the range of about 30 to 50% in order to suppress the smooth inflow of air containing oxygen (O 2 ) and the external emission of water.

애노드(124)는 소수성 확산층(124b)과 촉매층(124a)을 포함한다. 애노드(124)의 소수성 확산층(124b)은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 복합화된 소재로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 카본 페이퍼 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 2∼5중량부 함유되는 것이 바람직하다. The anode 124 includes a hydrophobic diffusion layer 124b and a catalyst layer 124a. The hydrophobic diffusion layer 124b of the anode 124 is preferably made of a material in which carbon paper or polytetrafluoroethylene (PTFE) having hydrophobicity is formed on the carbon sheet, and the polytetrafluoroethylene (PTFE) It is preferable that it is contained in an amount of 2 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the paper or the carbon sheet.

본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템은 캐소드(126)의 촉매층(126a)에서 생성된 물(H2O)은 외부로 방출하지 않고 이를 이온전도막(122)의 수화(hydration) 및 수소 가습에 이용할 수 있으며, 따라서 물 회수장치가 필요 없으므로 소형화가 가능한 장점이 있다. 종래의 연료전지 시스템은 물 회수장치를 구비하여야 하므로 가격 및 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템은 물 회수장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능한 장점이 있다. The air breathing type fuel cell system according to the present invention does not discharge the water (H 2 O) generated in the catalyst layer 126a of the cathode 126 to the outside but does not discharge it to the outside by the hydration of the ion conductive membrane 122, Therefore, there is an advantage that a water recovery device is not necessary, and thus, a miniaturization can be achieved. The conventional fuel cell system requires a water recovery device, so that the price and power consumption are increased and it is difficult to miniaturize. However, the air-breathing type fuel cell system according to the present invention does not require a water recovery device, And can be miniaturized.

또한, 캐소드(126)의 촉매층(126a)에서 생성된 물(H2O)은 외부로 방출하지 않고 이를 이온전도막(122)의 수화(hydration) 및 수소 가습에 이용할 수 있으므로 별도의 가습 장치도 요구되지 않는다.Since water (H 2 O) generated in the catalyst layer 126a of the cathode 126 can be used for hydration and hydrogen humidification of the ion conductive membrane 122 without releasing it to the outside, a separate humidifying device Not required.

한편, 전기화학반응 과정에서는 전기 뿐 아니라 열도 같이 발생한다. 따라서, 연료전지의 원활한 가동을 위해서는 이 열을 계속해서 식혀줄 필요가 있다. 이를 위해 공기호흡형 연료전지 시스템에는 전기발생부(100)에서 발생된 열을 식히기 위한 냉각팬(200)이 구비될 수 있다. 따라서, 별도의 가습 장치 없이 냉각팬(200)에 의해 찬 공기를 전기발생부(100)에 불어넣어 줌으로써 전기발생부(100) 내의 열을 냉각할 수 있다. 냉각팬(200)을 통해 공급된 공기는 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)을 통해 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(120)에 도달하게 되고, 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(120)에서 발생된 열을 식힐 수가 있으며, 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(120)를 냉각시킨 후 데워진 공기는 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)을 통해 외부로 배출되게 된다. On the other hand, in the electrochemical reaction process, not only electricity but also heat is generated. Therefore, it is necessary to cool this heat continuously for the smooth operation of the fuel cell. To this end, the air breathing type fuel cell system may be provided with a cooling fan 200 for cooling the heat generated by the electricity generating unit 100. Therefore, the cold air can be blown into the electricity generating unit 100 by the cooling fan 200 without a separate humidifying device, so that the heat in the electricity generating unit 100 can be cooled. The air supplied through the cooling fan 200 reaches the membrane-electrode assembly (MEA) 120 through the channel 134 of the bipolar plate 130 and is generated in the membrane-electrode assembly (MEA) After cooling the membrane-electrode assembly (MEA) 120, the heated air is discharged to the outside through the channel 134 of the bipolar plate 130.

종래의 연료전지 시스템은 연료전지의 원활한 가동을 위해 전기발생부에 냉각수가 흐르기 위한 냉각수관, 냉각수 저장탱크, 냉각수 펌프 등과 같은 부피가 큰 열 회수장치를 구비하여야 하므로 가격 및 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템은 단순히 외부 공기를 불어넣어 줄 수 있는 소형의 냉각팬(200)이 필요할 따름이고 부피를 크게 차지하는 열 회수장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능한 장점이 있다. The conventional fuel cell system must have a bulky heat recovery device such as a cooling water pipe, a cooling water storage tank, a cooling water pump, etc. for flowing cooling water to the electricity generating part for smooth operation of the fuel cell, The air breathing type fuel cell system according to the present invention requires a small cooling fan 200 that can simply blow out the outside air and does not need a heat recovery device that takes up a large volume, Power can be reduced and miniaturization is possible.

냉각팬(200)의 적절한 제어를 통해 수분 및 열 관리를 수행하여 연료전지 시스템을 운전하는 것이 가능하므로 매우 효율적이고 경제적이다. It is possible to operate the fuel cell system by performing water and heat management through proper control of the cooling fan 200, which is very efficient and economical.

또한, 종래의 연료전지 시스템은 산소 또는 공기와 같은 산화제를 전기발생부로 공급하는 역할을 하는 공기 펌프와 같은 산화제 공급장치가 필요하였다. 그러나, 본 발명의 공기호흡형 연료전지 시스템은 외부 공기가 바이폴라 플레이트(130)에 형성된 리브(132) 사이의 공간인 채널(134)을 통해 자유롭게 드나들 수 있고 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)을 통해 유입된 공기는 공기극인 캐소드(126)와 접촉하도록 설계되어 있으므로 캐소드(126)로 유입되어 반응을 일으키게 된다. 따라서, 본 발명의 공기호흡형 연료전지 시스템은 산화제 공급장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능한 장점이 있다. In addition, a conventional fuel cell system requires an oxidant supply device such as an air pump that serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generator. However, in the air breathing type fuel cell system of the present invention, external air can freely pass through the channel 134, which is a space between the ribs 132 formed in the bipolar plate 130, Is designed to be in contact with the cathode 126, which is an air electrode, and thus flows into the cathode 126 to cause a reaction. Therefore, the air breathing type fuel cell system of the present invention has an advantage that the production cost and the power consumption can be lowered and the size can be reduced because the oxidant supply device is not needed.

연료공급부(300)는 전기발생부(100)에 수소(H2)를 공급하는 역할을 한다. 연료공급부(300)에서 공급되는 수소를 함유하는 연료로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, LNG(liquefied natural gas), LPG(liquefied petroleum gas)와 같은 탄화수소계 연료, 기체 또는 액체 상태의 수소(H2) 등이 사용될 수 있다. The fuel supply unit 300 serves to supply hydrogen (H 2 ) to the electricity generating unit 100. Examples of the hydrogen-containing fuel supplied from the fuel supply unit 300 include a hydrocarbon-based fuel such as methanol, ethanol, propanol, butanol, liquefied natural gas (LNG), liquefied petroleum gas (LPG) 2 ) may be used.

한편, 일반적인 연료전지는 수소(H2)를 포함하는 원료를 사용하는데, 원료공급원으로서 고압 수소 저장 방식은 휴대용 기기 등에 사용하기는 사실상 불가능하며 상당한 위험요소를 내재하고 있다. On the other hand, a typical fuel cell uses a raw material containing hydrogen (H 2 ). As a raw material supply source, a high-pressure hydrogen storage method is practically impossible to use in portable equipment and has a considerable risk factor.

이러한 점을 고려하여 연료공급부(300)는 전기발생부(100)에 수소(H2)를 공급하기 위해 상온에서 수소(H2) 흡방출이 가능한 AB2계 상온용 수소저장합금 카트리지를 이용할 수 있다. The fuel supplier 300 may use an AB 2 system hydrogen storage alloy cartridge for room temperature that can absorb and discharge hydrogen (H 2 ) at room temperature to supply hydrogen (H 2 ) to the electricity generator 100 have.

상기 AB2계 상온용 수소저장합금은 TiMn2계 수소저장합금으로서 상기 A 사이트(site)에는 Ti이 위치하고 여기에 Zr이 선택적으로 포함될 수 있고 상기 B 사이트에는 Mn이 위치하고 여기에 V, Ni, Fe, 및 Cr 중에서 선택된 1종 이상의 금속이 선택적으로 포함될 수 있다. 이와 같은 TiMn2계 수소저장합금은 (Ti1 - xZrx)(Mn2 -y(V,Ni,Fe,Cr)y)2 (여기서, x는 0 이거나 1보다 작은 실수이고 y는 0 이거나 2보다 작은 실수)로 표시될 수 있다. The AB 2 system hydrogen storage alloy for room temperature is a TiMn 2 system hydrogen storage alloy in which Ti is located in the A site and Zr is selectively contained in the A site, Mn is located in the B site, and V, Ni, Fe , And Cr may be optionally included. Such TiMn 2 system hydrogen storage alloys (Ti 1 - x Zr x) (Mn 2 -y (V, Ni, Fe, Cr) y) 2 ( wherein, x is 0 or a real number smaller than 1, and y is 0, or A real number less than 2).

상기 AB2계 상온용 수소저장합금 카트리지를 이용할 경우에 평형수소압의 범위는 2≤PH2≤10기압, 더욱 바람직하게는 3≤PH2≤10기압 범위인 것이 바람직하다. TiMn2계 수소저장합금의 평형수소압 조절은 Ti 대신에 Zr을 일부 치환하거나 Mn 대신에 V, Ni, Fe, 및 Cr 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 일부 치환함으로써 가능하다. When the AB 2 system hydrogen storage alloy cartridge for room temperature is used, the equilibrium hydrogen pressure is preferably in the range of 2? P H2? 10 atmospheres, more preferably 3? P H2? 10 atmospheres. The equilibrium hydrogen pressure control of the TiMn 2 -based hydrogen storage alloy can be achieved by partially replacing Zr instead of Ti or by partially substituting one or more metals selected from V, Ni, Fe, and Cr instead of Mn.

또한, 공기호흡형 연료전지 시스템은 연료공급부(300)로부터 공급되는 연료를 전기발생부(100)에 선택적으로 공급하기 위한 연료공급제어부(310)를 포함한다. 연료공급제어부(310)는 연료의 공급을 선택적으로 온(On)/오프(Off) 할 수 있는 패시브 밸브(Passive Valve) 등이 사용될 수 있다. 연료공급제어부(310)가 개방되면, 연료공급부(300)에서 발생된 수소(H2)를 포함하는 연료가 전기발생부(100)로 공급된다. The air breathing type fuel cell system also includes a fuel supply control unit 310 for selectively supplying fuel supplied from the fuel supply unit 300 to the electricity generation unit 100. The fuel supply controller 310 may be a passive valve that can selectively turn on / off the fuel supply. When the fuel supply control unit 310 is opened, fuel including hydrogen (H 2 ) generated in the fuel supply unit 300 is supplied to the electricity generation unit 100.

본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템의 경우 수소(H2) 유량의 제어를 위해 연료 펌프나 연료 펌프를 구동하기 위한 모터 등과 같은 별도의 장치를 필요치 않으며, 이러한 연료 펌프나 연료 펌프를 구동하기 위한 모터 등과 같은 장치가 필요없으므로 전체 시스템의 크기나 가격 및 소비 전력을 낮출 수 있다. The air breathing type fuel cell system according to the present invention does not require a separate device such as a fuel pump or a motor for driving the fuel pump for controlling the flow rate of hydrogen (H 2 ) A motor, and the like are not required, so that the size, price, and power consumption of the entire system can be lowered.

압력제어밸브(500)는 전기발생부(100)의 압력이 기준 압력 보다 높아지면 전기발생부(100) 내의 가스를 퍼지하여 압력을 낮추는 역할을 한다. 이를 위해 압력제어밸브(500)에는 전기발생부(100)의 압력을 센싱하기 위한 압력 센서와 연결되어 있고 상기 압력 센서를 통해 센싱된 전기발생부(100)의 압력이 기준 압력보다 높으면 압력제어밸브(500)가 개방(open)되게 된다. 압력제어밸브(500)는 개방(open)하거나 닫기(close)를 선택적으로 할 수 있는 패시브 밸브(Passive Valve) 등이 사용될 수 있다. 압력제어밸브(500)가 개방되면, 전기발생부(100) 내의 수소(H2)를 포함하는 연료가 외부로 배출되게 된다. 전기발생부(100)의 압력이 기준 압력 보다 높아지면 압력제어밸브(500)에 의해 전기발생부(100) 내의 가스를 퍼지하여 압력을 낮추어 줌으로써 공기호흡형 연료전지 시스템의 안정성을 확보할 수 있다.The pressure control valve 500 functions to purge the gas in the electricity generating part 100 to lower the pressure when the pressure of the electricity generating part 100 becomes higher than the reference pressure. To this end, the pressure control valve 500 is connected to a pressure sensor for sensing the pressure of the electricity generating part 100. When the pressure of the electricity generating part 100 sensed by the pressure sensor is higher than the reference pressure, (500) is opened. The pressure control valve 500 may be a passive valve that selectively opens or closes the valve. When the pressure control valve 500 is opened, fuel containing hydrogen (H 2 ) in the electricity generating portion 100 is discharged to the outside. When the pressure of the electricity generating part 100 becomes higher than the reference pressure, the pressure in the electricity generating part 100 is lowered by the pressure control valve 500 to lower the pressure, so that the stability of the air breathing type fuel cell system can be secured .

또한, 공기호흡형 연료전지 시스템은 연료전지제어부(400)를 포함한다. 연료전지제어부(400)는 냉각팬(200)의 구동을 제어하는 역할을 할 수 있다. 또한, 연료전지제어부(400)는 연료공급제어부(210)의 구동(또는 온/오프)을 제어하는 역할을 할 수 있다. 또한, 연료전지제어부(400)는 전기발생부(100)에서 발생된 전기를 변환하는 DC(direct current)/AC(alternating current) 컨버터, 보조전원의 구동, 전기발생부(100)에 연결된 회로의 구동 등을 제어하는 역할을 할 수 있다. The air breathing type fuel cell system also includes a fuel cell control unit 400. The fuel cell control unit 400 may control the driving of the cooling fan 200. [ In addition, the fuel cell controller 400 may control the operation of the fuel supply controller 210 (on / off). The fuel cell controller 400 includes a DC (direct current) / AC (alternating current) converter for converting electricity generated in the electricity generator 100, a driving of an auxiliary power source, Driving and the like.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템의 운영방법은, 상기 공기호흡형 연료전지 시스템을 구동하기 위한 운영방법으로서, 연료공급부로부터 공급되는 수소(H2)를 포함하는 연료의 압력이 8∼10기압인 경우에 연료공급제어부의 오프 시간을 5∼7분 간격으로 조절하고, 상기 연료공급부로부터 공급되는 수소(H2)를 포함하는 연료의 압력이 4기압 이상이고 8기압 미만인 경우에 상기 연료공급제어부의 오프 시간을 2∼4분 간격으로 조절하며, 상기 연료공급부로부터 공급되는 수소(H2)를 포함하는 연료의 압력이 4기압 보다 작은 경우에 상기 연료공급제어부의 오프 시간을 1∼2분 간격으로 조절하고, 압력제어밸브의 개방 압력을 3∼4기압으로 조절하며, 냉각팬의 제어를 통해 전기발생부의 온도를 30∼50℃로 조절하는 것을 특징으로 한다.Operating method of an air breathing type fuel cell system in accordance with a preferred embodiment of the present invention is an operating method for driving the air-breathing type fuel cell system, the pressure of the fuel containing hydrogen (H 2) supplied from the fuel supply In the case of 8 to 10 atmospheres, the off-time of the fuel supply control unit is adjusted at intervals of 5 to 7 minutes, and when the pressure of the fuel containing hydrogen (H 2 ) supplied from the fuel supply unit is 4 atm or more and less than 8 atm Wherein the control unit controls the fuel supply control unit to switch the off time of the fuel supply control unit at intervals of 2 to 4 minutes and when the pressure of the fuel including hydrogen (H 2 ) supplied from the fuel supply unit is less than 4 atmospheres, It adjusts the opening pressure of the pressure control valve to 3 to 4 atmospheric pressure and adjusts the temperature of the electricity generating part to 30 to 50 ° C by controlling the cooling fan. It shall be.

이하에서, 상술한 공기호흡형 연료전지 시스템의 운영방법을 더욱 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a method of operating the air-breathing type fuel cell system will be described in more detail.

운영 실험을 위해 다음과 같은 공기호흡형 연료전지 시스템을 제작하였다.For the operation experiment, the following air breathing type fuel cell system was manufactured.

제작된 공기호흡형 연료전지 시스템은, 전기생성 반응이 일어나는 애노드(124), 이온전도막(122) 및 캐소드(126)를 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리(120)와, 멤브레인-전극 어셈블리(120)의 양측에 구비되는 바이폴라 플레이트(130)를 포함하는 전기발생부(100); 전기발생부(100)에 수소(H2)를 포함하는 연료를 공급하기 위한 연료공급부(300); 연료공급부(300)로부터 공급되는 연료를 전기발생부(100)에 선택적으로 공급하기 위한 연료공급제어부(310); 전기발생부(100)에서 발생된 열을 식히기 위한 냉각팬(200); 전기발생부(100)의 압력이 기준 압력 보다 높아지면 전기발생부(100) 내의 가스를 퍼지하여 압력을 낮추기 위한 압력제어밸브(500); 및 냉각팬(200)과 연료공급제어부(310)의 구동을 제어하기 위한 연료전지제어부(400)를 포함한다. The manufactured air-breathing type fuel cell system includes a membrane-electrode assembly 120 including an anode 124, an ion conductive membrane 122 and a cathode 126 where an electricity generation reaction takes place, a membrane-electrode assembly 120, A bipolar plate 130 provided on both sides of the bipolar plate 130; A fuel supply unit 300 for supplying fuel including hydrogen (H 2 ) to the electricity generating unit 100; A fuel supply control unit 310 for selectively supplying fuel supplied from the fuel supply unit 300 to the electricity generation unit 100; A cooling fan 200 for cooling the heat generated in the electricity generating unit 100; A pressure control valve (500) for purging the gas in the electricity generating part (100) to lower the pressure when the pressure of the electricity generating part (100) becomes higher than the reference pressure; And a fuel cell controller 400 for controlling the driving of the cooling fan 200 and the fuel supply controller 310.

바이폴라 플레이트(130)의 제1면에 복수의 리브(132)와 복수의 채널(134)이 구비되고 제2면은 평평한 플레이트 구조로 이루어지며, 바이폴라 플레이트(130)의 제2면이 애노드(124)에 접촉되게 적층되고, 복수의 리브(132)와 복수의 채널(134)을 구비하는 바이폴라 플레이트(130)의 제1면이 캐소드(126)에 접촉되게 적층되며, 리브(132)와 캐소드(126)가 접촉되고, 리브(132) 사이의 채널(134)을 통해 공급된 공기가 캐소드(126)와 접촉되는 구조를 이룬다.A plurality of ribs 132 and a plurality of channels 134 are formed on a first surface of the bipolar plate 130 and a second surface of the bipolar plate 130 is formed of a flat plate structure. And the first surface of the bipolar plate 130 having a plurality of ribs 132 and a plurality of channels 134 is stacked to be in contact with the cathode 126 and the rib 132 and the cathode 134 And the air supplied through the channel 134 between the ribs 132 is brought into contact with the cathode 126. As a result,

냉각팬(200)에 의해 외부의 찬 공기를 전기발생부(100)에 불어넣어 줌으로써 전기발생부(100) 내의 열을 냉각하며, 냉각팬(200)을 통해 공급된 공기는 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)을 통해 멤브레인-전극 어셈블리(120)에 도달하게 되고, 멤브레인-전극 어셈블리(120)를 냉각시킨 후 데워진 공기는 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)을 통해 외부로 배출되게 구성된다.Cooling fan 200 blows external cold air into electricity generating unit 100 to cool the heat in electricity generating unit 100 and air supplied through cooling fan 200 passes through bipolar plate 130, Electrode assembly 120 through the channel 134 of the bipolar plate 130 and the heated air after cooling the membrane-electrode assembly 120 is discharged through the channel 134 of the bipolar plate 130 to the outside do.

캐소드(126)는 소수성 확산층과 촉매층을 포함하며, 소수성 확산층은 제1 소수성 확산층 및 제2 소수성 확산층을 포함하는 복수의 소수성 확산층으로 이루어졌다.The cathode 126 includes a hydrophobic diffusion layer and a catalyst layer, and the hydrophobic diffusion layer comprises a plurality of hydrophobic diffusion layers including a first hydrophobic diffusion layer and a second hydrophobic diffusion layer.

제1 소수성 확산층은 카본 페이퍼에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이퍼 100중량부에 대하여 15중량부 함유되며, 제2 소수성 확산층은 카본 페이퍼에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이터 100중량부에 대하여 35중량부 함유되게 하였다. 제1 소수성 확산층이 캐소드(126)의 촉매층과 이웃하게 배치되고, 제2 소수성 확산층은 제1 소수성 확산층과 이웃하면서 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)과 이웃하게 배치되며, 캐소드(126)는 전체 기공율이 40% 정도 였다.The first hydrophobic diffusion layer is made of a material in which polytetrafluoroethylene having hydrophobicity is added to the carbon paper, the polytetrafluoroethylene is contained in an amount of 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon paper, and the second hydrophobic diffusion layer is made of carbon paper And polytetrafluoroethylene was contained in an amount of 35 parts by weight based on 100 parts by weight of carbon paper. The first hydrophobic diffusion layer is disposed adjacent to the catalyst layer of the cathode 126 and the second hydrophobic diffusion layer is disposed adjacent to the channel 134 of the bipolar plate 130 and adjacent to the first hydrophobic diffusion layer, The total porosity was about 40%.

애노드(124)는 소수성 확산층과 촉매층을 포함하며, 애노드(124)의 소수성 확산층은 카본 페이퍼에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이퍼 100중량부에 대하여 3중량부 함유되게 하였다. The anode 124 comprises a hydrophobic diffusion layer and a catalyst layer, and the hydrophobic diffusion layer of the anode 124 is made of a composite material of polytetrafluoroethylene having hydrophobicity in the carbon paper. The polytetrafluoroethylene is composed of 100 weight parts of carbon paper By weight based on 100 parts by weight of the composition.

리브(132)는 바이폴라 플레이트(130)의 제1면에 일정한 간격을 두고 직선 상태로 돌출되게 구비되고, 리브(132)는 폭이 1.2㎜ 정도 이고 높이는 1.2㎜ 정도 이며, 리브(132) 사이의 공간으로서 연료 또는 산소가 이동되는 공간을 제공하는 채널(134)은 일정한 간격을 두고 직선 상태로 배치되며, 리브(132)의 사이의 간격인 채널(134)의 폭은 1.5㎜ 정도가 되게 하였다. The ribs 132 are formed on the first surface of the bipolar plate 130 so as to protrude linearly with a predetermined distance therebetween. The ribs 132 have a width of about 1.2 mm and a height of about 1.2 mm. The channels 134, which provide a space through which the fuel or oxygen are moved as spaces, are arranged in a straight line at regular intervals and the width of the channel 134, which is the distance between the ribs 132, is about 1.5 mm.

바이폴라 플레이트(130)의 폭은 3.2cm 정도 였고, 길이는 9.5cm 정도 였다. The width of the bipolar plate 130 was about 3.2 cm, and the length was about 9.5 cm.

멤브레인-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(120)와 바이폴라 플레이트(130)를 포함하는 단위 셀(110)이 복수 개(20개)로 적층된 구조를 가졌다. And has a structure in which a plurality (20) of unit cells 110 including a membrane-electrode assembly (MEA) 120 and a bipolar plate 130 are stacked.

이온전도막(122)은 퍼플루오르화 양자-교환막 물질인 나피온(Nafion)으로 형성하였으며, 나피온은 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로비닐에테르술폰산의 공중합체이다.The ion conducting membrane 122 is formed of a perfluorinated quantum-exchange membrane material, Nafion, which is a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ether sulfonic acid.

연료공급부(300)는 전기발생부(100)에 수소(H2)를 포함하는 원료를 공급하기 위해 상온에서 수소(H2) 흡방출이 가능한 TiMn2계 수소저장합금 카트리지를 이용하였으며, TiMn2계 수소저장합금 카트리지는 (Ti1 - xZrx)(Mn2 - yNiy)2 (여기서, x는 0.5 이고 y는 1) 수소저장합금으로 이루어지게 하였다.The fuel supply unit 300 uses a TiMn 2 -based hydrogen storage alloy cartridge capable of absorbing and discharging hydrogen (H 2 ) at room temperature to supply a raw material containing hydrogen (H 2 ) to the electricity generating unit 100, and TiMn 2 The hydrogen storage alloy cartridge is made of a hydrogen storage alloy (Ti 1 - x Zr x ) (Mn 2 - y Ni y ) 2 where x is 0.5 and y is 1.

상기와 같이 구성된 연료전지 시스템에서 상기 AB2계 상온용 수소저장합금 카트리지를 이용할 경우에 평형수소압이 2≤PH2≤10기압 범위가 되도록 전기발생부(100)에 수소(H2) 가스를 연료로 공급한다. In the fuel cell system configured as described above, hydrogen (H 2 ) gas is supplied to the electricity generator 100 so that the equilibrium hydrogen pressure is in the range of 2 ≦ P H2 ≦ 10 atmospheric pressure when the AB 2 system room temperature hydrogen storage alloy cartridge is used Fuel.

전기발생부(100) 내의 수소(H2) 압력은 연료전지 시스템의 성능에 큰 영향을 미친다. 전기발생부(100) 내의 수소(H2) 압력은 연료공급제어부(310)와 압력제어밸브(500)로 조절이 가능하다. The hydrogen (H 2 ) pressure in the electricity generating unit 100 greatly affects the performance of the fuel cell system. The hydrogen (H 2 ) pressure in the electricity generating unit 100 can be controlled by the fuel supply controller 310 and the pressure control valve 500.

또한, 전기발생부(100) 내의 온도는 연료전지 시스템의 성능에 큰 영향을 미친다. 전기발생부(100) 내의 온도가 너무 높으면 전기발생부(100) 내의 물 관리가 어려울 수 있으며, 전기발생부(100) 내의 온도가 너무 낮으면 전기발생부(100) 내에서 촉매활성 반응이 낮아져서 연료전지 시스템의 성능이 낮아질 수 있다. 전기발생부(100) 내의 온도는 냉각팬(200)으로 조절이 가능하다. In addition, the temperature in the electricity generating portion 100 greatly affects the performance of the fuel cell system. If the temperature in the electricity generating portion 100 is too high, water management in the electricity generating portion 100 may be difficult. If the temperature in the electricity generating portion 100 is too low, the catalytic activation reaction in the electricity generating portion 100 is lowered The performance of the fuel cell system may be lowered. The temperature in the electricity generating unit 100 can be controlled by the cooling fan 200.

먼저, 연료공급제어부(310)의 제어를 통한 연료전지 시스템의 운영방법을 살펴본다. First, a method of operating the fuel cell system through the control of the fuel supply controller 310 will be described.

아래의 표 1은 연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력이 8∼10기압(atm)인 경우에 연료공급제어부(310)의 오프 시간(off time)에 따른 전기발생부(100)의 평균 출력을 보여주고 있다. 이때, 전기발생부(100) 내의 온도는 32∼40℃ 범위이고, 압력제어밸브(500)의 개방(open) 조건은 전기발생부(100) 내의 압력이 3기압 이상이다. Table 1 below shows the average output of the electricity generation unit 100 according to the off time of the fuel supply control unit 310 when the hydrogen pressure supplied from the fuel supply unit 300 is 8 to 10 atm. Respectively. At this time, the temperature in the electricity generating part 100 is in the range of 32 to 40 캜, and the pressure of the electricity generating part 100 is 3 atm or higher in the open condition of the pressure control valve 500.

연료공급제어부의 오프 시간(분)OFF time (minutes) of the fuel supply control section 3∼43 to 4 4∼54 to 5 5∼65 to 6 6∼76 to 7 전기발생부의 평균 출력(W)Average power (W) 165165 182182 208208 197197

표 1에 나타난 바와 같이, 연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력이 8∼10기압(atm)인 경우에 연료공급제어부(310)의 오프 시간이 5∼7분 간격일 때 전기발생부(100)는 가장 우수한 평균 출력을 나타내었다. 연료공급제어부(310)의 오프 시간이 3∼4분 간격이거나 4∼5분 간격일 때는 전기발생부(100) 내 과량의 수소압으로 인해 전극 효율이 저하된 것으로 판단된다.As shown in Table 1, when the hydrogen pressure supplied from the fuel supply unit 300 is 8 to 10 atm, when the off time of the fuel supply control unit 310 is 5 to 7 minutes apart, ) Showed the best average power. It is determined that the electrode efficiency has decreased due to excessive hydrogen pressure in the electricity generating unit 100 when the fuel supply control unit 310 is off for 3 to 4 minutes or for 4 to 5 minutes.

아래의 표 2는 연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력이 4기압 이상이고 8기압 미만인 경우에 연료공급제어부(310)의 오프 시간(off time)에 따른 전기발생부(100)의 평균 출력을 보여주고 있다. 이때, 전기발생부(100) 내의 온도는 32∼40℃ 범위이고, 압력제어밸브(500)의 개방(open) 조건은 전기발생부(100) 내의 압력이 3기압 이상이다. Table 2 below shows the average output of the electricity generator 100 according to the off time of the fuel supply controller 310 when the hydrogen pressure supplied from the fuel supplier 300 is equal to or higher than 4 atmospheres and lower than 8 atmospheres . At this time, the temperature in the electricity generating part 100 is in the range of 32 to 40 캜, and the pressure of the electricity generating part 100 is 3 atm or higher in the open condition of the pressure control valve 500.

연료공급제어부의 오프 시간(분)OFF time (minutes) of the fuel supply control section 1∼21-2 2∼32-3 3∼43 to 4 4∼54 to 5 전기발생부의 평균 출력(W)Average power (W) 172172 194194 206206 181181

표 2에 나타난 바와 같이, 연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력이 4기압 이상이고 8기압 미만인 경우에 연료공급제어부(310)의 오프 시간이 2∼4분 간격일 때 전기발생부(100)는 가장 우수한 평균 출력을 나타내었다. 연료공급제어부(310)의 오프 시간이 1∼2분 간격일 때는 전기발생부(100) 내 과량의 수소압으로 인해 전극 효율이 저하된 것으로 판단되며, 연료공급제어부(310)의 오프 시간이 4∼5분 간격일 때는 전기발생부(100) 내 수소 농도의 저하로 인해 전극 효율이 저하된 것으로 판단된다.As shown in Table 2, when the hydrogen pressure supplied from the fuel supply unit 300 is equal to or higher than 4 atmospheres and lower than 8 atmospheres, when the off time of the fuel supply control unit 310 is 2 to 4 minutes apart, Showed the best average power. When the off time of the fuel supply control part 310 is 1 to 2 minutes apart, it is judged that the electrode efficiency is decreased due to excessive hydrogen pressure in the electricity generation part 100. If the off time of the fuel supply control part 310 is 4 It is judged that the electrode efficiency is lowered due to the decrease of the hydrogen concentration in the electricity generating portion 100. [

아래의 표 3은 연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력이 4기압(atm) 미만인 경우에 연료공급제어부(310)의 오프 시간(off time)에 따른 전기발생부(100)의 평균 출력을 보여주고 있다. 이때, 전기발생부(100) 내의 온도는 32∼40℃ 범위이고, 압력제어밸브(500)의 개방(open) 조건은 전기발생부(100) 내의 압력이 3기압 이상이다. Table 3 below shows the average output of the electricity generator 100 according to the off time of the fuel supply controller 310 when the hydrogen pressure supplied from the fuel supplier 300 is less than 4 atm Giving. At this time, the temperature in the electricity generating part 100 is in the range of 32 to 40 캜, and the pressure of the electricity generating part 100 is 3 atm or higher in the open condition of the pressure control valve 500.

연료공급제어부의 오프 시간(분)OFF time (minutes) of the fuel supply control section 0.50.5 1One 22 33 전기발생부의 평균 출력(W)Average power (W) 178178 194194 192192 166166

표 3에 나타난 바와 같이, 연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력이 4기압 미만인 경우에 연료공급제어부(310)의 오프 시간이 1∼2분 간격일 때 전기발생부(100)는 가장 우수한 평균 출력을 나타내었다. 연료공급제어부(310)의 오프 시간이 0.5분 간격일 때는 전기발생부(100) 내 과량의 수소압으로 인해 전극 효율이 저하된 것으로 판단되며, 연료공급제어부(310)의 오프 시간이 3분 간격일 때는 전기발생부(100) 내 수소 농도의 저하로 인해 전극 효율이 저하된 것으로 판단된다.As shown in Table 3, when the hydrogen pressure supplied from the fuel supply unit 300 is less than 4 atmospheres, when the off-time of the fuel supply control unit 310 is 1 to 2 minutes apart, Respectively. When the off time of the fuel supply control part 310 is 0.5 minute, it is determined that the electrode efficiency is decreased due to excessive hydrogen pressure in the electricity generating part 100. If the off time of the fuel supply control part 310 is less than 3 minutes It is judged that the electrode efficiency is lowered due to the decrease of the hydrogen concentration in the electricity generating portion 100. [

압력제어밸브(500)의 제어를 통한 연료전지 시스템의 운영방법을 살펴본다. A method of operating the fuel cell system through the control of the pressure control valve 500 will be described.

아래의 표 4는 압력제어밸브(500)의 개방(open) 압력에 따른 전기발생부(100)의 평균 출력을 보여주고 있다. 이때, 전기발생부(100) 내의 온도는 32∼40℃ 범위이고, 연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력은 2∼10기압(atm)이다. Table 4 below shows the average output of the electricity generating unit 100 according to the open pressure of the pressure control valve 500. At this time, the temperature in the electricity generating portion 100 is in the range of 32 to 40 占 폚, and the hydrogen pressure supplied from the fuel supply portion 300 is 2 to 10 atm.

압력제어밸브의 개방 압력(atm)Opening pressure of pressure control valve (atm) 22 33 44 55 전기발생부의 평균 출력(W)Average power (W) 154154 198198 206206 184184

표 4에 나타난 바와 같이, 연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력이 2∼10기압(atm)인 경우에 압력제어밸브(500)의 개방 압력이 3∼4기압 일 때 전기발생부(100)는 가장 우수한 평균 출력을 나타내었다. 압력제어밸브(500)의 개방 압력이 2기압 일 때는 전기발생부(100) 내의 수소 농도 저하로 전극 효율이 저하된 것으로 판단되며, 압력제어밸브(500)의 개방 압력이 5기압 일 때는 전기발생부(100) 내 과량의 수소압으로 인해 전극 효율이 저하된 것으로 판단된다.As shown in Table 4, when the hydrogen pressure supplied from the fuel supply unit 300 is 2 to 10 atm, when the opening pressure of the pressure control valve 500 is 3 to 4 atmospheres, Showed the best average power. When the open pressure of the pressure control valve 500 is 2 atm, it is judged that the electrode efficiency is lowered due to the decrease of the hydrogen concentration in the electricity generating part 100. When the open pressure of the pressure control valve 500 is 5 atm, It is judged that the electrode efficiency is lowered due to excessive hydrogen pressure in the unit 100.

냉각팬(200)의 제어를 통한 연료전지 시스템의 운영방법을 살펴본다. A method of operating the fuel cell system through control of the cooling fan 200 will be described.

아래의 표 5는 냉각팬(200)의 제어를 통한 전기발생부(100)의 온도에 따른 전기발생부(100)의 평균 출력을 보여주고 있다. 이때, 압력제어밸브(500)의 개방(open) 조건은 전기발생부(100) 내의 압력이 4기압 이상이고, 연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력은 2∼10기압(atm)이다. Table 5 below shows the average output of the electricity generating unit 100 according to the temperature of the electricity generating unit 100 through the control of the cooling fan 200. At this time, the open condition of the pressure control valve 500 is that the pressure in the electricity generating part 100 is 4 atm or higher and the hydrogen pressure supplied from the fuel supplier 300 is 2 to 10 atm.

전기발생부의 온도(℃)Temperature (° C) of electricity generating part ＜28<28 30∼4030 to 40 40∼5040 to 50 ＞50> 50 전기발생부의 평균 출력(W)Average power (W) 154154 198198 206206 184184

표 5에 나타난 바와 같이, 냉각팬(200)의 제어를 통해 전기발생부(100)의 온도가 30∼50℃ 일 때 전기발생부(100)는 가장 우수한 평균 출력을 나타내었다. 이는 적절한 온도와 전극 내 물 밸런스(water balance) 효과로 출력 향상이 있는 것으로 판단된다. 전기발생부(100)의 온도가 28℃ 미만 일 때는 낮은 온도로 전극 활성화가 저하되는 것으로 판단되며, 전기발생부(100)의 온도가 50℃를 초과할 때는 온도 상승으로 전극 내 물 고갈(water depletion)로 인해 출력 저하가 있는 것으로 판단된다. As shown in Table 5, when the temperature of the electricity generating unit 100 is controlled at 30 to 50 ° C through the control of the cooling fan 200, the electricity generating unit 100 has the best average output power. It is considered that there is an output improvement due to the appropriate temperature and the water balance effect in the electrode. When the temperature of the electricity generating part 100 is lower than 28 ° C, it is determined that the electrode activation is lowered at a lower temperature. When the temperature of the electricity generating part 100 is higher than 50 ° C, it is judged that there is a decrease in output due to depletion.

앞서 표 1 내지 표 5를 참조하여 살펴본 바와 같이, 공기호흡형 연료전지 시스템은 연료공급제어부(310), 압력제어밸브(500) 및 냉각팬(500)의 제어를 통해 최적의 운영 조건을 확보할 수 있다. As described above with reference to Tables 1 to 5, the air-breathing type fuel cell system includes a fuel supply control unit 310, a pressure control valve 500, and a cooling fan 500 to ensure optimal operating conditions .

연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력에 따라 연료공급제어부(310)의 오프 시간(off time)을 조절함으로써 전기발생부(100) 내의 최적의 수소압을 형성하여 출력 향상을 도모할 수 있다. 연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력이 8∼10기압(atm)인 경우에 연료공급제어부(310)의 오프 시간을 5∼7분 간격으로 조절함으로써 최상의 출력을 얻을 수 있고, 연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력이 4기압 이상이고 8기압 미만인 경우에 연료공급제어부(310)의 오프 시간을 2∼4분 간격으로 조절함으로써 최상의 출력을 얻을 수가 있으며, 연료공급부(300)로부터 공급되는 수소 압력이 4기압 미만인 경우에 연료공급제어부(310)의 오프 시간을 1∼2분 간격으로 조절함으로써 최상의 출력을 얻을 수가 있다. The off-time of the fuel supply control unit 310 is controlled according to the hydrogen pressure supplied from the fuel supply unit 300 so that the optimal hydrogen pressure in the electricity generation unit 100 is formed to improve the output. The best output can be obtained by adjusting the off time of the fuel supply controller 310 at intervals of 5 to 7 minutes when the hydrogen pressure supplied from the fuel supply unit 300 is 8 to 10 atm, The hydrogen gas supplied from the fuel supply unit 300 is supplied to the fuel supply unit 300 through the fuel supply unit 300, When the pressure is less than 4 atmospheres, the best output can be obtained by adjusting the off time of the fuel supply control unit 310 at intervals of 1 to 2 minutes.

압력제어밸브(500)의 개방 압력을 조절함으로써 전기발생부(100) 내의 최적의 수소압을 형성하여 출력 향상을 도모할 수 있다. 압력제어밸브(500)의 개방 압력을 3∼4기압으로 조절함으로써 최상의 출력을 얻을 수 있다. By adjusting the opening pressure of the pressure control valve 500, the optimum hydrogen pressure in the electricity generating portion 100 can be formed and the output can be improved. By adjusting the opening pressure of the pressure control valve 500 to 3 to 4 atm, the best output can be obtained.

냉각팬(200)의 제어를 통해 전기발생부(100)의 온도를 조절함으로써 출력 향상을 도모할 수 있다. 냉각팬(200)의 제어를 통해 전기발생부(100)의 온도를 30∼50℃로 조절함으로써 최상의 출력을 얻을 수 있다.
The output of the electric generator 100 can be improved by controlling the temperature of the electricity generator 100 through the control of the cooling fan 200. The best output can be obtained by controlling the temperature of the electricity generating unit 100 to 30 to 50 캜 through the control of the cooling fan 200.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, This is possible.

100: 전기발생부
110: 셀
120: 멤브레인-전극 어셈블리
122: 이온전도막
124: 애노드
126: 캐소드
130: 바이폴라 플레이트
132: 리브
134: 채널
200: 냉각팬
300: 연료공급부
310: 연료공급제어부
400: 연료전지제어부
500: 압력제어밸브100:
110: cell
120: Membrane-electrode assembly
122: ion conductive membrane
124: anode
126: Cathode
130: bipolar plate
132: rib
134: channel
200: cooling fan
300: fuel supply unit
310: fuel supply control unit
400: Fuel cell controller
500: Pressure control valve

Claims (9)

전기생성 반응이 일어나는 애노드, 이온전도막 및 캐소드를 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리와, 상기 멤브레인-전극 어셈블리의 양측에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 전기발생부;
상기 전기발생부에 수소(H2)를 포함하는 연료를 공급하기 위한 연료공급부;
상기 연료공급부로부터 공급되는 상기 연료를 상기 전기발생부에 선택적으로 공급하기 위한 연료공급제어부;
상기 전기발생부의 외부에서 상기 전기발생부에서 발생된 열을 식히기 위한 냉각팬;
상기 전기발생부의 압력이 기준 압력 보다 높아지면 상기 전기발생부 내의 가스를 퍼지하여 압력을 낮추기 위한 압력제어밸브; 및
상기 냉각팬과 상기 연료공급제어부의 구동을 제어하기 위한 연료전지제어부를 포함하며,
상기 바이폴라 플레이트의 제1면에 복수의 리브와 복수의 채널이 구비되고, 제2면은 평평한 플레이트 구조로 이루어지며,
상기 바이폴라 플레이트의 제2면이 상기 애노드에 접촉되게 적층되고, 복수의 리브와 복수의 채널을 구비하는 상기 바이폴라 플레이트의 제1면이 상기 캐소드에 접촉되게 적층되며,
상기 리브와 상기 캐소드가 접촉되고, 외부 공기가 상기 리브 사이의 공간인 채널을 통해 자유롭게 드나들 수 있고 상기 리브 사이의 상기 채널을 통해 유입된 상기 외부 공기가 상기 캐소드와 접촉되는 구조를 이루며,
상기 냉각팬에 의해 외부의 찬 공기를 전기발생부에 불어넣어 줌으로써 상기 전기발생부 내의 열을 냉각하는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
A membrane electrode assembly including an anode, an ion conductive membrane and a cathode where an electricity generation reaction takes place; and a bipolar plate provided on both sides of the membrane electrode assembly;
A fuel supply for supplying a fuel containing hydrogen (H 2) to the electricity generating element;
A fuel supply control unit for selectively supplying the fuel supplied from the fuel supply unit to the electricity generation unit;
A cooling fan for cooling the heat generated from the electricity generating unit outside the electricity generating unit;
A pressure control valve for purging gas in the electricity generating unit to lower the pressure when the pressure of the electricity generating unit becomes higher than a reference pressure; And
And a fuel cell control unit for controlling the driving of the cooling fan and the fuel supply control unit,
A plurality of ribs and a plurality of channels are formed on a first surface of the bipolar plate, a second surface is formed of a flat plate structure,
A first surface of the bipolar plate having a plurality of ribs and a plurality of channels is stacked so as to be in contact with the cathode, a second surface of the bipolar plate is stacked to be in contact with the anode,
Wherein the rib and the cathode are in contact with each other, external air can freely move through a channel between the ribs, and the external air introduced through the channel between the ribs is in contact with the cathode,
Wherein the cooling fan blows external cold air into the electricity generating unit to cool the heat in the electricity generating unit.
제1항에 있어서, 상기 캐소드의 촉매층에서 생성된 물이 외부로 방출되는 것이 억제되어 상기 애노드로 전달되고, 상기 물이 상기 애노드로 전달되는 과정에서 상기 이온전도막의 수화(hydration) 및 수소 가습이 진행됨으로써 자가가습이 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
2. The method of claim 1, wherein the water generated in the catalyst layer of the cathode is inhibited from being discharged to the outside and is transferred to the anode. In the process of transferring the water to the anode, hydration and hydrogen humidification And the self-humidifying operation is performed by the self-humidifying operation.
제1항에 있어서, 상기 캐소드는 소수성 확산층과 촉매층을 포함하며, 상기 소수성 확산층은 제1 소수성 확산층 및 제2 소수성 확산층을 포함하는 복수의 소수성 확산층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
The air breathing type fuel cell system according to claim 1, wherein the cathode comprises a hydrophobic diffusion layer and a catalyst layer, and the hydrophobic diffusion layer comprises a plurality of hydrophobic diffusion layers including a first hydrophobic diffusion layer and a second hydrophobic diffusion layer.
제3항에 있어서, 상기 제1 소수성 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이퍼 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 10∼20중량부 함유되며,
제2 소수성 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이터 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 30∼40중량부 함유되며,
상기 제1 소수성 확산층이 상기 캐소드의 촉매층과 이웃하게 배치되고,
상기 제2 소수성 확산층은 상기 제1 소수성 확산층과 이웃하면서 상기 바이폴라 플레이트의 채널과 이웃하게 배치되며,
상기 캐소드는 전체 기공율이 30∼50% 범위인 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
[Claim 4] The polytetrafluoroethylene as claimed in claim 3, wherein the first hydrophobic diffusion layer comprises carbon paper or a composite material of polytetrafluoroethylene having hydrophobicity on a carbon sheet, and the polytetrafluoroethylene is a mixture of 100 parts by weight of carbon paper or carbon sheet To 10 parts by weight,
The second hydrophobic diffusion layer is made of carbon paper or a composite material of polytetrafluoroethylene having hydrophobicity on the carbon sheet, and the polytetrafluoroethylene is contained in an amount of 30 to 40 parts by weight per 100 parts by weight of carbon paper or carbon sheet &Lt; / RTI &
Wherein the first hydrophobic diffusion layer is disposed adjacent to the catalyst layer of the cathode,
Wherein the second hydrophobic diffusion layer is disposed adjacent to the channel of the bipolar plate adjacent to the first hydrophobic diffusion layer,
Wherein the cathode has a total porosity ranging from 30 to 50%.
제3항에 있어서, 상기 애노드는 소수성 확산층과 촉매층을 포함하며, 상기 애노드의 소수성 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이퍼 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 2∼5중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
The method of claim 3, wherein the anode comprises a hydrophobic diffusion layer and a catalyst layer, wherein the hydrophobic diffusion layer of the anode is made of a composite material of carbon paper or polytetrafluoroethylene having hydrophobicity to a carbon sheet, Wherein the ethylene is contained in an amount of 2 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon paper or the carbon sheet.
제1항에 있어서, 상기 리브는 상기 바이폴라 플레이트의 제1면에 일정한 간격을 두고 직선 상태로 돌출되게 구비되고,
상기 리브는 폭이 1.0∼1.5㎜ 이고 높이는 1.0∼1.5㎜ 이며,
상기 리브 사이의 공간으로서 연료 또는 산소가 이동되는 공간을 제공하는 상기 채널은 일정한 간격을 두고 직선 상태로 배치되며,
상기 리브의 사이의 간격인 상기 채널의 폭은 1.0∼2.0㎜ 인 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
2. The bipolar plate according to claim 1, wherein the ribs are provided on the first surface of the bipolar plate so as to protrude in a straight line at a predetermined interval,
The rib has a width of 1.0 to 1.5 mm and a height of 1.0 to 1.5 mm,
The channels providing a space in which fuel or oxygen is moved as the space between the ribs are arranged in a straight line at regular intervals,
And the width of the channel, which is an interval between the ribs, is 1.0 to 2.0 mm.
제1항에 있어서, 상기 연료공급부는 상기 전기발생부에 수소(H2)를 포함하는 원료를 공급하기 위해 상온에서 수소(H2) 흡방출이 가능한 TiMn2계 수소저장합금 카트리지를 이용하며,
상기 TiMn2계 수소저장합금 카트리지는 (Ti1 - xZrx)(Mn2 -y(V,Ni,Fe,Cr)y)2 (여기서, x는 0 이거나 1보다 작은 실수이고 y는 0 이거나 2보다 작은 실수) 수소저장합금으로 이루어지며,
상기 TiMn2계 수소저장합금 카트리지의 평형수소압은 2≤PH2≤10기압 범위인 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
9. The method of claim 1, use of the fuel supply is a hydrogen (H 2) TiMn 2 system hydrogen storage alloy cartridge capable of absorbing emitted at room temperature in order to supply raw material containing hydrogen (H 2) to the electricity generating element,
Wherein the TiMn 2 -based hydrogen storage alloy cartridge is a (Ti 1 - x Zr x ) (Mn 2 -y (V, Ni, Fe, Cr) y ) 2 wherein x is 0 or a real number smaller than 1, A real number less than 2) hydrogen storage alloy,
Wherein the equilibrium hydrogen pressure of the TiMn 2 -based hydrogen storage alloy cartridge is in the range of 2? P H2? 10 atm.
제1항에 있어서, 상기 냉각팬을 통해 공급된 공기는 상기 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 멤브레인-전극 어셈블리에 도달하게 되고, 상기 멤브레인-전극 어셈블리를 냉각시킨 후 데워진 공기는 상기 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 외부로 배출되게 구성되는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
The bipolar plate of claim 1, wherein the air supplied through the cooling fan reaches the membrane-electrode assembly through the channel of the bipolar plate, and the heated air after cooling the membrane- And the air is discharged to the outside.
제1항에 기재된 공기호흡형 연료전지 시스템을 구동하기 위한 운영방법에 있어서,
연료공급부로부터 공급되는 수소(H2)를 포함하는 연료의 압력이 8∼10기압인 경우에 연료공급제어부의 오프 시간을 5∼7분 간격으로 조절하고,
상기 연료공급부로부터 공급되는 수소(H2)를 포함하는 연료의 압력이 4기압 이상이고 8기압 미만인 경우에 상기 연료공급제어부의 오프 시간을 2∼4분 간격으로 조절하며,
상기 연료공급부로부터 공급되는 수소(H2)를 포함하는 연료의 압력이 4기압 보다 작은 경우에 상기 연료공급제어부의 오프 시간을 1∼2분 간격으로 조절하고,
압력제어밸브의 개방 압력을 3∼4기압으로 조절하며,
냉각팬의 제어를 통해 전기발생부의 온도를 30∼50℃로 조절하는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템의 운영방법.An operating method for operating the air-breathing type fuel cell system according to claim 1,
The off-time of the fuel supply control unit is adjusted at intervals of 5 to 7 minutes when the pressure of the fuel containing hydrogen (H 2 ) supplied from the fuel supply unit is 8 to 10 atm,
The off-time of the fuel supply control unit is controlled at intervals of 2 to 4 minutes when the pressure of the fuel including hydrogen (H 2 ) supplied from the fuel supply unit is 4 atm or more and less than 8 atm,
Wherein the fuel supply control unit adjusts the off time of the fuel supply control unit at intervals of 1 to 2 minutes when the pressure of the fuel including hydrogen (H 2 ) supplied from the fuel supply unit is less than 4 atmospheres,
The opening pressure of the pressure control valve is adjusted to 3 to 4 atm,
Wherein the temperature of the electricity generating unit is controlled at 30 to 50 占 폚 through control of the cooling fan.
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