KR20030010236A - Fuel cell stack structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료 전지의 스택 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화학반응이나 가습으로 생성된 물에 함유된 수소를 다시 리사이클시켜 가습후 재사용이 가능하도록 한 연료 전지의 스택 구조에 대한 것이다.The present invention relates to a stack structure of a fuel cell. More particularly, the present invention relates to a stack structure of a fuel cell in which hydrogen contained in water generated by a chemical reaction or humidification is recycled to be reused after humidification.
일반적으로 연료 전지 스택은 수소를 연료로 하여 화학반을 통해 소정의 전압를 얻는 여러개의 단전지를 묶어 만든 것이다.In general, a fuel cell stack is a bundle of a plurality of unit cells that obtain a predetermined voltage through a chemical group using hydrogen as a fuel.
첨부도면 도 2는 상기 단전지를 나타내는 일부를 도시한 것이다. 상기 단전지(10)는 표면에 촉매가 코팅된 막인 MEA(membrane electrode assembly)(13)을 사이에 두고 양측에 각각 양극(11)과 음극(12)이 구비되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이와 같이 이루어진 양극(11)과 MEA(13)사이로 수소를 공급하고, 음극(12)과 MEA(13) 사이로 산소(공기)를 유입시켜 주게 된다.2 is a view illustrating a part of the unit cell. The unit cell 10 has a structure in which a positive electrode 11 and a negative electrode 12 are provided at both sides with a membrane electrode assembly (MEA) 13, which is a film coated with a catalyst on a surface thereof. Hydrogen is supplied between the anode 11 and the MEA 13 formed as described above, and oxygen (air) is introduced between the cathode 12 and the MEA 13.
수소는 MEA(13)의 표면 촉매에 의해 수소 이온과 전자로 분해되고, 수소 양이온은 MEA(13)를 통해 음극(12)으로 투과되어 공기중의 산소 음이온과 결합하여 물을 생성하게 된다. 이러한 화학 반응으로 상기 양극(11)과 음극(12) 사이에서는 소정의 전압이 발생하게 되고, 이렇게 발생된 전압은 상기 양극(11)과 음극(12)의 단부에 장착되는 집전판(미도시됨)을 통해 연료 전지 스택의 전체 전압으로 집전시켜 사용하게 된다.Hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons by the surface catalyst of the MEA 13, and the hydrogen cation is transmitted to the cathode 12 through the MEA 13 to combine with oxygen anions in the air to generate water. Due to this chemical reaction, a predetermined voltage is generated between the anode 11 and the cathode 12, and the generated voltage is a current collector plate (not shown) mounted at the ends of the anode 11 and the cathode 12. ) To collect and use the full voltage of the fuel cell stack.
이때, 전기 발생이 이루어지기 위해서는 양극(11)쪽에 있던 수소 양이온이MEA(13)를 통과하여 음극(12)쪽으로 이동되어야 하는데, 이러한 양이온의 이동을 촉진하기 위해서는 상기 MEA(13)의 표면이 촉촉하게 젖어 있는 상태가 되어야 한다. 이를 위해 수소를 연료 전지 스택에 공급하기 전 충분한 습기를 가질 수 있도록 가습시켜 주게 된다.At this time, in order to generate electricity, the hydrogen cation on the positive electrode 11 side must pass through the MEA 13 to the negative electrode 12. In order to promote the movement of the cation, the surface of the MEA 13 is moist. It must be wet. This is accomplished by humidifying the hydrogen with sufficient moisture before supplying it to the fuel cell stack.
그러나, 종래의 연료 전지 스택은 연료로 공급되는 수소가 화학반응을 일으키면서 물을 생성하게 되고, 또한 화학반응을 일으키는 수소량보다 많은 양을 공급해 주기 때문에 다음과 같은 문제가 발생하게 된다.However, in the conventional fuel cell stack, since hydrogen supplied as fuel generates chemical reactions to generate water, and also supplies more than the amount of hydrogen causing chemical reactions, the following problems occur.
1) 과잉 수소 가스를 연료 전지 스택에 공급하기 때문에 공급된 수소중 화학반응을 일으키지 않은 잔여 수소를 연료전지 스택 외부로 배출시켜야 하기 때문에 수소의 낭비가 커지게 되어 유지비가 많이 들게 된다.1) Since excess hydrogen gas is supplied to the fuel cell stack, residual hydrogen which does not cause a chemical reaction in the supplied hydrogen has to be discharged to the outside of the fuel cell stack, resulting in a large waste of hydrogen and high maintenance costs.
2) 가습된 수소를 공급해 주는 연료 전지 스택의 공급 부분에 비해 수소가 배출되는 연료 전지 스택의 출구측에서 가습 및 화학반응으로 인해 남게 된 가습 수소로 인해 수소를 공급시켜 주는 유로가 막히게 되고, 이는 연료 전지 스택 내에서 수소의 화학반응을 방해하게 되어 효율이 떨어지게 되는 문제가 발생하게 되었다.2) compared to the supply portion of the fuel cell stack supplying the humidified hydrogen, the flow path for supplying hydrogen is blocked by the humidified hydrogen remaining due to the humidification and chemical reaction at the outlet side of the fuel cell stack from which the hydrogen is discharged. Interfering with the chemical reaction of hydrogen in the fuel cell stack has a problem that the efficiency is reduced.
본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출한 것으로, 연료 전지 스택의 출구를 통해 배출되는 수소를 리사이클링시켜 화학반응을 일으키지 않고 외부로 배출되는 수소의 량을 줄여 주고, 또한 연료 전지 스택의 출구측에 적층되어 효율을 떨어뜨리게 되는 물을 제거할 수 있게 하여 연료 전지 스택의 효율을 향상시킬 수 있는 연료 전지의 스택 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of this point, and recycles hydrogen discharged through the outlet of the fuel cell stack to reduce the amount of hydrogen discharged to the outside without causing a chemical reaction, and is also laminated on the outlet side of the fuel cell stack. It is an object of the present invention to provide a stack structure of a fuel cell that can remove water, which can reduce efficiency, thereby improving the efficiency of the fuel cell stack.
도 1은 본 발명에 따르는 스택 구조를 나타내는 개략도,1 is a schematic diagram showing a stack structure according to the present invention;
도 2는 일반적인 연료 전지의 스택 구조의 단전지의 일부를 나타내는 단면도.2 is a cross-sectional view showing a part of a unit cell of a stack structure of a general fuel cell.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명][Description of Symbols for Main Parts of Drawing]
10 : 단전지 11 : 양극10: single cell 11: positive electrode
12 : 음극 13 : MEA(membrane electrode assembly)12: cathode 13: MEA (membrane electrode assembly)
20 : 수소 공급 라인 21 : 가습기20: hydrogen supply line 21: humidifier
22 : 블로어 23 : 분기관22: blower 23: branch pipe
24 : 리턴 파이프 25 : 레귤레이터24: return pipe 25: regulator
26 : 체크 밸브 100 : 연료 전지 스택26: check valve 100: fuel cell stack
110 : 입구측 120 : 출구측110: inlet side 120: outlet side
이를 실현하기 위한 본 발명은, 입구측과 출구측을 갖는 전지 스택과, 수소를 가습시켜 주는 가습기와, 가습된 수소를 입구부를 통해 공급해 주는 블로어와, 수소와 산소를 각각 공급해 주는 공급라인을 포함하는 연료 전지의 스택 구조에 있어서, 상기 수소 공급관에는 연료 전지 스택의 출구의 일측으로 가습되지 않은 수소의 일부를 공급할 수 있도록 분기관이 형성되어 있고, 상기 출구측에는 타측에 가습기와 연관되도록 리턴 파이프가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.The present invention for realizing this includes a battery stack having an inlet side and an outlet side, a humidifier for humidifying hydrogen, a blower for supplying humidified hydrogen through the inlet, and a supply line for supplying hydrogen and oxygen, respectively In the stack structure of the fuel cell, the hydrogen supply pipe is formed with a branch pipe to supply a part of the unhumidified hydrogen to one side of the outlet of the fuel cell stack, the return side is connected to the humidifier to the other side of the outlet side It is characterized by being provided.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 리턴 파이프에는 레귤레이터와 체크 밸브가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment of the present invention, the return pipe is provided with a regulator and a check valve.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and effect of the present invention will be described.
첨부도면 도 1은 본 발명에 따르는 스택 구조를 나타내는 개략도이다. 여기서, 도면부호 100은 연료 전지 스택을 나타낸다.1 is a schematic view showing a stack structure according to the present invention. Here, reference numeral 100 denotes a fuel cell stack.
본 발명은 가습된 수소를 입구측으로 공급받고 화학반응후 남은 잉여 수소를 출구측을 통해 배출하도록 구성된 연료 전지 스택 구조에 있어서, 상기 출구측을 통해 배출되는 수소를 리사이클링이 가능하도록 구성하며, 또한 상기 출구측에 산화반응과 가습으로 얻어진 물에 의해 발생되는 오버플로우딩(overflooding) 현상을막을 수 있게 한 것이다.The present invention provides a fuel cell stack structure configured to supply humidified hydrogen to an inlet side and discharge surplus hydrogen remaining after a chemical reaction through an outlet side, wherein the hydrogen discharged through the outlet side can be recycled. On the outlet side, it is possible to prevent the overflow phenomenon caused by the water obtained by the oxidation reaction and the humidification.
이를 좀 더 상세하게 설명하면, 상기 연료 전지 스택 구조는 다수개의 단전지가 적층된 구조로 이루어진 연료 전지 스택(100)과, 이 연료 전지 스택(100) 내로 수소를 공급시킬 수 있도록 입구측(110)에 연결된 수소 공급 라인(20)을 포함하게 된다. 특히, 상기 수소 공급 라인(20)에는 수소가 소정의 상태로 가습이 이루어지도록 가습기(21)와 블로어(22)가 구비되어 있다.In more detail, the fuel cell stack structure includes a fuel cell stack 100 having a structure in which a plurality of unit cells are stacked, and an inlet side 110 to supply hydrogen to the fuel cell stack 100. It will include a hydrogen supply line 20 connected to. In particular, the hydrogen supply line 20 is provided with a humidifier 21 and a blower 22 to humidify the hydrogen in a predetermined state.
또한, 본 발명은 상기 수소 공급 라인(20)으로부터 출구측(120)으로 가습되지 않은 수소를 공급할 수 있도록 분기관(23)이 구비되어 있다. 상기 분기관(23)으로부터 공급되는 수소는 연료 전지 스택(100)의 입구측(110)에서 출구측(120)을 따라 생성되는 물에 의해 과잉 가습된 수소와 혼합되어 가습 정도를 조절해 주게 된다.In addition, the present invention is provided with a branch pipe 23 to supply the unhumidified hydrogen from the hydrogen supply line 20 to the outlet side 120. Hydrogen supplied from the branch pipe 23 is mixed with excess humidified hydrogen by water generated along the outlet side 120 at the inlet side 110 of the fuel cell stack 100 to adjust the degree of humidification. .
즉, 상기 연료 전지 스택(100)에는 수소 공급 라인(20)과 미도시된 산소 공급 라인을 통해 각각 가습된 수소와 산소가 함유된 공기를 입구측(110)을 통해 공급하게 되는데, 가습되어 공급된 수소와 산소가 연료 전지 스택(100) 내에서 화학 반응을 통해 부산물로서 물이 생성되게 된다. 이러한 물은 가습된 수소의 계속적인 공급으로 인해 점차 심해지게 되는데, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 가습이 이루어지지 않은 수소를 분기관(23)을 통해 공급함으로써, 건조한 수소의 가습과 함께 이 물을 제거하는 효과를 얻게 된다.That is, the fuel cell stack 100 supplies humidified hydrogen and oxygen-containing air through the inlet side 110 through a hydrogen supply line 20 and an oxygen supply line, not shown, respectively. The generated hydrogen and oxygen are produced as water by-products through a chemical reaction in the fuel cell stack 100. This water is gradually worsened due to the continuous supply of humidified hydrogen, in the present invention by supplying hydrogen that is not humidified through the branch pipe 23, as described above, this water together with the humidification of dry hydrogen You get the effect of removing it.
또한, 본 발명은 상기 출구측(120)의 타측, 바람직하기로는 상기 분기관(23)이 연결된 반대쪽에 리턴 파이프(24)가 구비되어 있다. 상기 리턴 파이프(24)는일단이 상기 출구측(120)에 연결되고 타단이 상기 가습기(21)에 연결되어 수소 공급 라인(20)을 통해 유입되는 건조한 수소와 합쳐지게 된다.In addition, the present invention is provided with a return pipe 24 on the other side of the outlet side 120, preferably on the opposite side to which the branch pipe 23 is connected. The return pipe 24 has one end connected to the outlet side 120 and the other end connected to the humidifier 21 to be combined with dry hydrogen introduced through the hydrogen supply line 20.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기 리턴 파이프(24)에는 출구측(120)을 통해 빠져나오는 건조한 수소 및 가습된 과잉 수소의 압력을 균일하게 조절해 주기 위해 레귤레이터(25)를 구비하여 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 리턴 파이프(24)에는 체크 밸브(26)를 구비하여 수소 공급 라인(20)을 통해 가습기(21)로 유입되는 건조한 수소가 출구측(120)으로 역류하는 것을 막아 주는 것이 바람직하다.In a preferred embodiment of the present invention, the return pipe 24 is provided with a regulator 25 to uniformly control the pressure of the dry hydrogen and humidified excess hydrogen coming out through the outlet side 120 desirable. In addition, the return pipe 24 may include a check valve 26 to prevent dry hydrogen flowing into the humidifier 21 through the hydrogen supply line 20 to flow back to the outlet side 120.
따라서, 상기 수소 공급 라인(20)을 통해 제공되는 수소는 대부분 가습기(21)에서, 블로어(22)의 구동됨에 따라, 가습된 상태로 입구측(110)을 통해 연료 전지 스택(100) 내부로 강제 압송되게 되며, 그 중에서 일부는 상기 분기관(23)을 통해 출구(120)으로 제공되게 된다.Therefore, the hydrogen provided through the hydrogen supply line 20 is mostly driven by the blower 22 in the humidifier 21, and thus, in the humidified state, the hydrogen is supplied into the fuel cell stack 100 through the inlet side 110. Forced to be pushed, some of which will be provided to the outlet 120 through the branch pipe (23).
물론, 상기 수소 공급 라인(20)을 통해 공급된 수소는 연료 전지 스택(100)을 통과하는 동안 미도시된 공기와 화학반응을 일으켜서 물을 생성하게 된다. 여기서, 화학반응을 일으키지 않은 수소는 상기 출구측(120)에 분기된 분기관(23)을 통해 공급되는 건조된 수소와 혼합되어 리턴 파이프(24)를 통해 다시 가습기(21)로 리사이클링이 이루어지게 된다.Of course, the hydrogen supplied through the hydrogen supply line 20 generates a chemical reaction with air not shown during the passage through the fuel cell stack 100 to generate water. Here, the hydrogen that does not cause a chemical reaction is mixed with the dried hydrogen supplied through the branch pipe 23 branched to the outlet side 120 to be recycled back to the humidifier 21 through the return pipe 24. do.
이상에서 본 바와 같이 본 발명은 건조한 수소의 일부를 출구측으로 공급하여 반응하지 않은 습한 수소와 화학반응으로 인해 발생된 물에 의해 가습이 이루어지게 하고, 이렇게 가습된 수소는 다시 건조한 수소와 함께 가습기에서 적당한 상태로 가습이 이루어진 다음 연료 전지 스택에 공급되도록 구성함으로써 다음과 같은 효과를 얻게 된다.As described above, the present invention supplies a part of the dry hydrogen to the outlet side to humidify by the unreacted wet hydrogen and water generated by the chemical reaction, so that the humidified hydrogen is again in a humidifier with dry hydrogen By humidifying in a suitable state and then configured to be supplied to the fuel cell stack, the following effects are obtained.
1) 연료 전지 스택에 공급된 수소가스가 리사이클링이 되면 전부 재활용할 수 있게 되어 비용을 절감시킬 수 있게 된다.1) When the hydrogen gas supplied to the fuel cell stack is recycled, all of it can be recycled, thereby reducing costs.
2) 출구측에 적층될 우려가 있는 습한 수소를 건조한 수소와 혼합하여 리턴 파이프를 통해 리사이클링시키기 때문에 연료 전지 스택의 효율을 높일 수 있게 된다.2) The efficiency of the fuel cell stack can be improved because wet hydrogen, which may be deposited on the outlet side, is mixed with dry hydrogen and recycled through the return pipe.
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- 2001-07-26 KR KR1020010045115A patent/KR20030010236A/en not_active Application Discontinuation
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