KR20070036483A

KR20070036483A - Direct methanol fuel cell stack having enhanced pipe-coupling structure

Info

Publication number: KR20070036483A
Application number: KR1020050091538A
Authority: KR
Inventors: 최보금
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-03

Abstract

강화된 배관연결 구조를 구비한 직접 메탄올형 연료전지 스택이 개시된다. 개시된 직접 메탄올형 연료전지 스택은 애노드에 공급되는 액체 연료와 캐소드에 공급되는 산화제의 전기화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 전기발생부, 및 전기발생부에 결합되며 나사결합 구조를 갖는 애노드 유입구와 애노드 배출구를 포함한다. 본 발명에 의하면, 가스 압력에 충분히 견딜 수 있는 스택 배관연결 구조를 이용함으로써, 직접 메탄올형 연료전지 스택의 장시간 운전에 따른 열화를 회복시키기 위한 고압 가스를 이용한 회복 처리 공정을 수행할 수 있다.Disclosed is a direct methanol fuel cell stack with an enhanced piping connection structure. The disclosed direct methanol fuel cell stack includes an electric generator for generating electricity by an electrochemical reaction of a liquid fuel supplied to the anode and an oxidant supplied to the cathode, and an anode inlet coupled to the electric generator and having a screwed structure. An anode outlet. According to the present invention, by using the stack pipe connection structure that can sufficiently withstand the gas pressure, it is possible to perform a recovery process using a high-pressure gas for recovering the degradation caused by the long-term operation of the direct methanol fuel cell stack.

직접 메탄올 연료 전지, 스택, 배관, 연결, 회복 처리, recovery Direct methanol fuel cell, stack, plumbing, connection, recovery process, recovery

Description

강화된 배관연결구조를 구비한 직접 메탄올형 연료전지 스택{Direct methanol fuel cell stack having enhanced pipe-coupling structure}Direct methanol fuel cell stack having enhanced pipe-coupling structure

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 강화된 배관연결 구조를 구비한 직접 메탄올형 연료전지 스택을 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view showing a direct methanol fuel cell stack having a reinforced pipe connection structure according to a first embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 강화된 배관연결 구조를 구비한 직접 메탄올형 연료전지 스택의 부분 분해 사시도이다.FIG. 2 is a partially exploded perspective view of a direct methanol fuel cell stack having the reinforced piping connection structure of FIG. 1.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 강화된 배관연결 구조를 구비한 직접 메탄올형 연료전지 스택의 부분 분해 사시도이다.3 is a partially exploded perspective view of a direct methanol fuel cell stack having an enhanced piping connection structure according to a second embodiment of the present invention.

도 4는 도 1의 강화된 배관연결 구조를 구비한 직접 메탄올형 연료전지 스택의 회복 처리를 설명하기 위한 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 개략도이다.FIG. 4 is a schematic diagram of a direct methanol fuel cell system for explaining a recovery process of a direct methanol fuel cell stack having the reinforced piping connection structure of FIG. 1.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100: 연료전지 스택100: fuel cell stack

110: 전기발생부110: electricity generating unit

112: 막전극 어셈블리112: membrane electrode assembly

114: 분리판114: separator

116, 118: 엔드 플레이트116, 118: end plate

122: 애노드 유입구122: anode inlet

132: 애노드 배출구132: anode outlet

142: 캐소드 유입구142: cathode inlet

152: 캐소드 배출구152: cathode outlet

123, 133, 143, 153: 밀봉 부재123, 133, 143, 153: sealing member

124, 134, 144, 154: 커플링 부재124, 134, 144, 154: coupling member

본 발명은 직접 메탄올형 연료전지 스택에 관한 것으로, 특히 강화된 배관연결 구조를 구비한 직접 메탄올형 연료전지 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a direct methanol fuel cell stack, and more particularly, to a direct methanol fuel cell stack having an enhanced piping connection structure.

직접 메탄올형 연료전지는 고분자 전해질막 연료전지의 일종으로 개질기를 사용하지 않고 메탄올 등의 액상 연료를 직접 연료전지의 애노드에서 이용하는 발전 시스템이다. 직접 메탄올형 연료전지는 애노드에 공급되는 연료와 캐소드에 공급되는 산화제, 예컨대, 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시킨다.A direct methanol fuel cell is a type of polymer electrolyte membrane fuel cell and is a power generation system that uses liquid fuel such as methanol directly at the anode of a fuel cell without using a reformer. A direct methanol fuel cell generates electricity by electrochemically reacting a fuel supplied to an anode and an oxidant supplied to a cathode, for example, oxygen in air.

또한 직접 메탄올형 연료전지는 전해질막, 애노드 전극, 캐소드 전극, 분리판(separator), 개스킷 등으로 이루어진 전지 셀 복수개를 적층시킨 스택 구조로 만들어진다. 복수개의 전지 셀을 적층시켜 연료전지 스택을 제작하면, 전지 셀의 개수만큼 연료전지 스택의 출력 전압을 높일 수 있다. 하나의 전지 셀에서 얻을 수 있는 전압이 대략 0.6~1.0V이다.In addition, the direct methanol fuel cell has a stack structure in which a plurality of battery cells including an electrolyte membrane, an anode electrode, a cathode electrode, a separator, a gasket, and the like are stacked. When the fuel cell stack is manufactured by stacking a plurality of battery cells, the output voltage of the fuel cell stack can be increased by the number of battery cells. The voltage that can be obtained in one battery cell is approximately 0.6 to 1.0V.

메탄올과 같은 액체연료를 직접 사용하는 연료전지 스택은 수소함유의 개질 가스를 사용하는 고분자 전해질막 연료전지 방식의 스택과 달리 애노드와 캐소드에 유입 및 배출되는 유체의 압력이 상대적으로 낮기 때문에 배관연결 구조가 비교적 단순하다.Fuel cell stacks that directly use liquid fuels such as methanol, unlike polymer electrolyte membrane fuel cell stacks that use reformed gas containing hydrogen, have relatively low pressure in and out of the anode and cathode. Is relatively simple.

예를 들어, 기존의 직접 메탄올형 연료전지 스택에 있어서 스택과 배관과의 연결 구조로는 유연한 플라스틱 배관을 스택의 유입구(inlet)와 배출구(outlet)에 간단히 끼워맞추는 방식이나 끼워맞춘 후 링 스프링과 같은 탄성 부재로 결합부위를 지지하는 방식이 채용되고 있다.For example, in the conventional direct methanol fuel cell stack, the connection structure between the stack and the pipe can be simply fitted to the inlet and the outlet of the stack, or the ring spring and A method of supporting the engaging portion with the same elastic member is adopted.

한편, 직접 메탄올형 연료전지 스택은 장시간 사용에 따라 내부의 전극에 피독(poisoning), 파울링(fouling), 코킹(coking), 소결(sintering) 등의 열화가 발생된다. 전술한 열화를 그대로 둔 상태에서 스택을 계속 운전하게 되면, 촉매의 비활성화(deactivation)로 인해 효율과 출력이 떨어지고, 스택 내의 촉매 열화가 매우 빨리 진행하게 된다. 따라서, 종래의 직접 메탄올형 연료전지 스택에서는 수명이 짧다는 문제점이 있다.On the other hand, in a direct methanol fuel cell stack, deterioration such as poisoning, fouling, coking, sintering, etc. may occur in an internal electrode according to a long time use. If the stack continues to operate with the above-described deterioration intact, the efficiency and output decrease due to deactivation of the catalyst, and the catalyst deterioration in the stack proceeds very quickly. Therefore, the conventional direct methanol fuel cell stack has a problem of short life.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 스택의 회복을 위하여 일정 기간마다 고압 가스를 이용한 회복 처리 공정을 수행할 수 있는 강화된 배관연결 구조를 구비한 직접 메탄올형 연료전지 스택을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a direct methanol fuel cell stack having an enhanced piping connection structure capable of performing a recovery process using a high pressure gas at regular intervals to recover the stack.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 측면에 의하면, 애노드에 공급되는 액체 연료와 캐소드에 공급되는 산화제의 전기화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 전기발생부, 및 전기발생부에 결합되며 나사결합 구조를 갖는 애노드 유입구와 애노드 배출구를 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택이 제공된다.In order to achieve the above technical problem, according to a preferred aspect of the present invention, is coupled to the electrical generator, and the electrical generator for generating electricity by the electrochemical reaction of the oxidant supplied to the cathode and the liquid fuel supplied to the anode There is provided a direct methanol fuel cell stack comprising an anode inlet and an anode outlet having a screwed structure.

바람직하게, 상기 직접 메탄올형 연료전지 스택은 전기발생부에 결합되며 나사결합 구조를 갖는 캐소드 유입구와 캐소드 배출구를 추가적으로 포함한다.Preferably, the direct methanol fuel cell stack further includes a cathode inlet and a cathode outlet coupled to the electricity generating unit and having a screw coupling structure.

또한, 애노드 유입구, 애노드 배출구, 캐소드 유입구 및 캐소드 배출구 중 적어도 하나는 전기발생부의 표면에서 돌출 설치된다.In addition, at least one of the anode inlet, the anode outlet, the cathode inlet and the cathode outlet is protruding from the surface of the electricity generating section.

또한, 애노드 유입구, 애노드 배출구, 캐소드 유입구 및 캐소드 배출구 중 적어도 하나는 전기발생부의 표면 안쪽으로 매입 설치된다.In addition, at least one of the anode inlet, the anode outlet, the cathode inlet and the cathode outlet is embedded in the surface of the electricity generating section.

또한, 상기 직접 메탄올형 연료전지 스택은 애노드 유입구, 애노드 배출구, 캐소드 유입구 및 캐소드 배출구 중 적어도 하나에 결합되는 밀봉 부재를 추가적으로 포함한다.In addition, the direct methanol fuel cell stack further includes a sealing member coupled to at least one of an anode inlet, an anode outlet, a cathode inlet, and a cathode outlet.

또한, 상기 밀봉 부재는 고무 링을 포함한다.The sealing member also includes a rubber ring.

또한, 상기 직접 메탄올형 연료전지 스택은 애노드 유입구, 애노드 배출구, 캐소드 유입구 및 캐소드 배출구 중 적어도 하나에 결합되는 커플링 부재를 추가적으로 포함한다.In addition, the direct methanol fuel cell stack further includes a coupling member coupled to at least one of an anode inlet, an anode outlet, a cathode inlet, and a cathode outlet.

또한, 상기 커플링 부재는 관 형상으로 이루어지며, 일방향 회전시 양측의 부재를 삽입 결합시키는 일방향 나사결합 구조를 구비한다.In addition, the coupling member has a tubular shape, and has a one-way screwing structure for inserting and coupling members on both sides when rotating in one direction.

또한, 상기 전기발생부는 캐소드 유입구에 나사결합되는 배관에 의해 산화제공급장치에 연결된다.In addition, the electricity generating unit is connected to the oxidant supply device by a pipe screwed to the cathode inlet.

또한, 상기 전기발생부는 애노드 유입구에 나사결합되는 배관에 의해 연료공급장치에 연결된다.In addition, the electricity generating unit is connected to the fuel supply device by a pipe screwed to the anode inlet.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라판 및 이를 채용하는 연료전지를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 설명에서는 설명의 편의상 스택의 체결 수단에 대한 도시 및 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, a bipolar plate and a fuel cell employing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, illustration and detailed description of the fastening means of the stack are omitted for convenience of description.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강화된 배관연결 구조를 구비한 직접 메탄올형 연료전지 스택을 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view showing a direct methanol fuel cell stack having an enhanced piping connection structure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 강화된 배관연결 구조를 구비한 직접 메탄올형 연료전지 스택(이하, 스택이라 한다)(100)은 막전극 어셈블리(membrane-electrode assembly, MEA)(112)와 분리판(114)을 교대로 적층시키고, 적층된 구조체의 그 양측 끝단에 한 쌍의 엔드 플레이트(116, 118)를 위치시킨 후 체결 수단(미도시)에 의해 소정의 체결압으로 체결하여 구성된다.Referring to FIG. 1, a direct methanol fuel cell stack (hereinafter referred to as a stack) 100 having an enhanced piping connection structure may include a membrane-electrode assembly (MEA) 112 and a separator plate 114. ) Is alternately stacked, and a pair of end plates 116 and 118 are positioned at both ends of the stacked structure, and then fastened by a predetermined fastening pressure by a fastening means (not shown).

전술한 스택(100)은 연료전지 스택의 일례이며 기존의 다양한 직접 메탄올형 연료전지 스택으로 구현될 수 있다. 다만, 본 발명에 따른 스택(100)은 적어도 연료가 주입되는 애노드 유입구와, 미반응 연료 등이 배출되는 애노드 배출구가 나사 결합 구조를 구비하는 점에 특징이 있다. 물론, 이러한 본 발명의 특징은 스택(100)의 캐소드 유입구와 캐소드 배출구에 동일하게 적용될 수 있다.The above-described stack 100 is an example of a fuel cell stack and may be implemented as various conventional direct methanol fuel cell stacks. However, the stack 100 according to the present invention is characterized in that at least an anode inlet through which fuel is injected and an anode outlet through which unreacted fuel is discharged are provided with a screw coupling structure. Of course, this feature of the present invention can be equally applied to the cathode inlet and cathode outlet of the stack 100.

보다 상세히 설명하면, 스택(100)은 복수의 막전극 어셈블리(112), 복수의 분리판(114) 및 한 쌍의 엔드 플레이트(116, 118)를 구비하며, 애노드에 공급되는 연료와 캐소드에 공급되는 산화제의 전기화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기발생부(110)를 포함한다. 또한, 스택(100)은 나사결합 구조를 각각 갖는 애노드 유입구(122), 애노드 배출구(132), 캐소드 유입구 및 캐소드 배출구를 포함한다. 캐소드 유입구와 캐소드 배출구는 전기발생부(110)의 배면에 설치되므로 도 1에서는 보이지 않는다.In more detail, the stack 100 includes a plurality of membrane electrode assemblies 112, a plurality of separator plates 114, and a pair of end plates 116 and 118, and supplies the fuel and the cathode to the anode. It includes an electric generator 110 for generating electrical energy by the electrochemical reaction of the oxidant. In addition, the stack 100 includes an anode inlet 122, an anode outlet 132, a cathode inlet, and a cathode outlet, each having a screwed structure. The cathode inlet and the cathode outlet are not visible in FIG. 1 because they are installed on the back of the electricity generating unit 110.

애노드 유입구(122)는 제1 엔드 플레이트(116)의 외측 표면(117)에 돌출 설치된다. 애노드 유입구(122)의 말단부에는 제1 커플링 부재(124)가 나사결합된다. 또한 애노드 배출구(132)도 제1 엔드 플레이트(116)의 외측 표면(117)에 돌출 설치된다. 애노드 배출구(132)의 말단부에는 제2 커플링 부재(134)가 나사결합된다.The anode inlet 122 protrudes from the outer surface 117 of the first end plate 116. The first coupling member 124 is screwed into the distal end of the anode inlet 122. The anode outlet 132 is also protrudingly installed on the outer surface 117 of the first end plate 116. The second coupling member 134 is screwed to the distal end of the anode outlet 132.

이와 유사하게, 캐소드 유입구 및 캐소드 배출구는 막전극 어셈블리(112)와 분리판(114)를 사이에 두고 제1 엔드 플레이트(116)와 대향 배치되는 제2 엔드 플레이트(118)의 외측 표면에 돌출 설치된다. 캐소드 유입구 및 캐소드 배출구의 말단부에는 제3 커플링 부재(144) 및 제4 커플링 부재가 나사결합된다.Similarly, the cathode inlet and cathode outlet are projected on the outer surface of the second end plate 118 disposed opposite the first end plate 116 with the membrane electrode assembly 112 and the separator plate 114 interposed therebetween. do. The third coupling member 144 and the fourth coupling member are screwed to the distal ends of the cathode inlet and cathode outlet.

도 2를 참조하면, 스택(100)은 전기발생부(110)의 두 엔드 플레이트(116, 118) 상에 위치하는 애노드 유입구(122), 애노드 배출구(132), 캐소드 유입구 및 캐소드 배출구를 포함한다. 또한, 스택(100)은 제1 내지 제4 커플링 부재(124, 134, 144, 154)를 포함하며, 애노드 유입구(122)와 제1 커플링 부재(124)와의 사이, 애노드 배출구(132)와 제2 커플링 부재(134)와의 사이, 캐소드 유입구와 제3 커플링 부재(144)와의 사이, 및 캐소드 배출구와 제4 커플링 부재(154)와의 사이에 각각 위치하는 밀봉 부재(123, 133, 143, 153)를 포함한다.2, the stack 100 includes an anode inlet 122, an anode outlet 132, a cathode inlet, and a cathode outlet located on two end plates 116, 118 of the electricity generator 110. . The stack 100 also includes first to fourth coupling members 124, 134, 144, and 154, between the anode inlet 122 and the first coupling member 124, the anode outlet 132. And sealing members 123 and 133 positioned between the second coupling member 134, between the cathode inlet and the third coupling member 144, and between the cathode outlet and the fourth coupling member 154, respectively. , 143, 153).

애노드 유입구(122), 애노드 배출구(132), 캐소드 유입구 및 캐소드 배출구는 그 말단부(122a, 132a)가 각각 나사결합 구조로 이루어진다. 그리고 제1 내지 제4 커플링 부재(124, 134, 144, 154)는 중공부에 형성된 나사결합 구조를 구비한다. 전술한 구성에 의해, 각 유입구 및 배출구는 커플링 부재와 나사결합된다.The anode inlet 122, the anode outlet 132, the cathode inlet and the cathode outlet are end portions 122a and 132a each of which has a screwed structure. The first to fourth coupling members 124, 134, 144, and 154 have a screwing structure formed in the hollow part. By the above configuration, each inlet and outlet are screwed with the coupling member.

밀봉 부재(123, 133, 143, 153)는 애노드 유입구(122), 애노드 배출구(132), 캐소드 유입구 및 캐소드 배출구와 각 커플링 부재(124, 134, 144, 154)와의 사이, 및 각 커플링 부재(124, 134, 144, 154)와 이에 결합되는 배관들과의 사이에서 발생될 수 있는 유체의 누설을 방지한다. 밀봉 부재(123, 133, 143, 153)는 링 형상의 고무 부재로 구현될 수 있다. 이 경우, 밀봉 부재(123, 133, 143, 153)의 크기와 두께는 커플링 부재(124, 134, 144, 154)의 내경과 커플링 부재의 양단에 끼워지는 부재들 간의 간격에 의해 결정된다.Sealing members 123, 133, 143, 153 are provided between the anode inlet 122, the anode outlet 132, the cathode inlet and the cathode outlet, and each coupling member 124, 134, 144, 154, and each coupling. Prevents leakage of fluid that may occur between the members 124, 134, 144, and 154 and the pipes joined thereto. The sealing members 123, 133, 143, and 153 may be embodied in a ring-shaped rubber member. In this case, the size and thickness of the sealing members 123, 133, 143, 153 are determined by the inner diameter of the coupling members 124, 134, 144, 154 and the spacing between the members fitted to both ends of the coupling member. .

전술한 구성에 의하면, 액체 연료를 사용하는 스택(100)의 배관연결 구조가 더욱 높은 압력에 견디도록 강화됨으로써, 액체 연료의 압력보다 상대적으로 높은 압력을 갖는 가스, 예컨대, 고압 수소 가스로 스택(100)의 회복 처리 공정을 수행 할 수 있다. 그것에 의해, 스택의 수명을 연장하고 장시간 운전에 기여할 수 있다.According to the above-described configuration, the piping connection structure of the stack 100 using the liquid fuel is strengthened to withstand higher pressure, so that the stack with a gas having a pressure higher than the pressure of the liquid fuel, for example, a high-pressure hydrogen gas ( 100) can be performed recovery process. This can extend the life of the stack and contribute to long time operation.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료전지 스택(100a)은 막전극 어셈블리(112), 분리판(114), 제1 및 제2 엔드 플레이트(116a, 118a), 제1 내지 제4 커플링 부재(125, 135, 145, 155)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the direct methanol fuel cell stack 100a according to the present embodiment includes the membrane electrode assembly 112, the separator plate 114, the first and second end plates 116a and 118a, and the first to second electrodes. Fourth coupling members 125, 135, 145, and 155.

막전극 어셈블리(112)는 전해질막과 이 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한다. 각 전극은 촉매층과 확산층으로 이루어지는 것이 바람직하다.The membrane electrode assembly 112 includes an electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode located on both sides of the electrolyte membrane. It is preferable that each electrode consists of a catalyst layer and a diffusion layer.

상기 전해질막은 수소이온 전도성이 우수한 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸)(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 더 바람직 하다.The electrolyte membrane may be a perfluoro-based polymer having excellent hydrogen ion conductivity, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, a polyether sulfone-based polymer, a polyether ketone It is preferable to include at least one hydrogen-ion conductive polymer selected from the group consisting of a polyether-etherketone-based polymer and a polyphenylquinoxaline-based polymer, and may include poly (perfluorosulfonic acid) and poly (perfluorocar). Acids), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5' At least one hydrogen selected from the group consisting of -bibenzimidazole) (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole)) and poly (2,5-benzimidazole) It is more preferable to include one conductive polymer.

상기 각 전극의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하는 것이 바람직하다.The catalyst layer of each electrode is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, It is preferred to include at least one metal catalyst selected from the group consisting of one or more transition metals selected from the group consisting of Cu and Zn.

또한 상기 각 전극의 촉매층은 담지체에 담지된 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함할 수도 있다. 담지체는 전도성을 가지는 물질이라면 어느 것이라도 좋으나, 탄소 담지체인 것이 바람직하다.In addition, the catalyst layer of each electrode is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, And at least one metal catalyst selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, and Zn). The carrier may be any material as long as it is conductive, but is preferably a carbon carrier.

상기 각 전극의 확산층은 제1 확산층과 제2 확산층으로 이루어지는 것이 바람직하다.It is preferable that the diffusion layer of each electrode consists of a 1st diffusion layer and a 2nd diffusion layer.

상기 제1 확산층은 전극을 지지하는 역활을 하면서 촉매층으로 반응물을 확산시켜 반응물이 촉매층으로 쉽게 접근할 수 있도록 하는 역활을 한다. 제1 확산층은 제2 확산층에 도포되는 미세기공층으로 구현될 수 있다. 전술한 경우, 미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되 는 1종 이상의 바인더를 더 포함할 수 있다.The first diffusion layer plays a role of supporting the electrode while diffusing the reactants into the catalyst layer so that the reactants can easily access the catalyst layer. The first diffusion layer may be implemented as a microporous layer applied to the second diffusion layer. In the above case, the microporous layer is at least one selected from the group consisting of graphite, carbon nanotubes (CNT), fullerenes (C60), activated carbon, vulcans, Ketjen black, carbon black and carbon nano horns. It is preferable to include a carbon material, and may further include one or more binders selected from the group consisting of poly (perfluorosulfonic acid), poly (tetrafluoroethylene), and florinated ethylene-propylene.

상기 제2 확산층은 연료, 물, 공기 등의 분산을 균일하게 하는 연료분산 작용과 생산되는 전기를 모아주는 집전 작용, 및 촉매층과 제1 확산층의 물질이 유체에 의해 소실되는 것을 막아주는 보호 작용을 한다. 제2 확산층은 탄소천(carbon cloth), 탄소종이(carbon paper)와 같은 탄소 기재로 구현될 수 있다.The second diffusion layer has a fuel dispersing action for uniformly dispersing fuel, water, air, and the like, a current collecting action for collecting generated electricity, and a protective action for preventing the material of the catalyst layer and the first diffusion layer from being lost by the fluid. do. The second diffusion layer may be implemented with a carbon substrate such as carbon cloth and carbon paper.

분리판(114)은 연료와 산화제 등의 유체 유동을 위한 소정 형상의 유로를 구비하며, 막전극 어셈블리(112)의 애노드 전극에 연료를 공급하고 캐소드 전극에 산화제를 공급한다. 분리판(114)은 인접한 막전극 어셈블리(112) 사이에 게재되며 인접한 막전극 어셈블리(112)를 전기적으로 직렬 접속되도록 기능한다.The separator plate 114 includes a flow path having a predetermined shape for fluid flow such as fuel and an oxidant, and supplies fuel to the anode electrode of the membrane electrode assembly 112 and oxidant to the cathode electrode. The separator plate 114 is disposed between the adjacent membrane electrode assemblies 112 and functions to electrically connect the adjacent membrane electrode assemblies 112 in series.

제1 엔드 플레이트(116a)는 막전극 어셈블리(112)와 분리판(114)이 적층된 구조체의 일면에 위치하며, 그 외측 표면(117a)에 홀 형상으로 설치되는 애노드 유입구(121)와 애노드 배출구(131)를 구비한다. 제2 엔드 플레이트(118a)는 상기 구조체를 사이에 두고 제1 엔드 플레이트(116a)에 마주하도록 위치하며, 도 3에 보이지 않지만, 제1 엔드 플레이트(116a)와 유사하게 제2 엔드 플레이트(118a)의 외측 표면에 홀 형상으로 설치되는 캐소드 유입구와 캐소드 배출구를 구비한다.The first end plate 116a is positioned on one surface of the structure in which the membrane electrode assembly 112 and the separator plate 114 are stacked, and has an anode inlet 121 and an anode outlet installed in a hole shape on its outer surface 117a. 131 is provided. The second end plate 118a is positioned to face the first end plate 116a with the structure therebetween, although not shown in FIG. 3, the second end plate 118a is similar to the first end plate 116a. And a cathode inlet and a cathode outlet formed in a hole shape on the outer surface of the.

제1 및 제2 커플링 부재(125, 135)는 애노드 유입구(121) 및 애노드 배출구(131)와 마주하는 끝단에 나사부(125a, 135a)를 구비하며, 홀 형상의 애노드 유입구(121) 및 애노드 배출구(131)에 나사결합한다. 또한, 제1 및 제2 커플링 부재(125, 135)는 외부 배관과의 결합을 위해 나사산이 형성된 중공부(125b, 135b)를 구비한다. 제3 및 제4 커플링 부재(145, 155)는 캐소드 유입구 및 캐소드 배출구와 마주하는 끝단에 나사부(145a, 145b)를 구비하며, 제1 및 제2 커플링 부재(125, 135)의 경우와 유사하게, 캐소드 유입구 및 캐소드 배출구에 나사결합한다. 또한, 제3 및 제4 커플링 부재(145, 155)는 외부 배관과의 결합을 위해 나사산이 형성된 중공부를 구비한다. 전술한 제1 내지 제4 커플링 부재(125, 135, 145, 155)는 외부의 배관과 커플링 및 유입구/배출구가 동일 방향으로 회전할 때 감기도록 나사부의 나사산과 중공부의 나사산이 동일 방향으로 형성된다.The first and second coupling members 125 and 135 have threaded portions 125a and 135a at ends thereof facing the anode inlet 121 and the anode outlet 131, and have a hole-shaped anode inlet 121 and an anode. Screw in the outlet 131. In addition, the first and second coupling members 125 and 135 have threaded hollow portions 125b and 135b for coupling with the external pipe. The third and fourth coupling members 145 and 155 have threads 145a and 145b at the ends facing the cathode inlet and the cathode outlet, and are the same as those of the first and second coupling members 125 and 135. Similarly, it is screwed into the cathode inlet and cathode outlet. In addition, the third and fourth coupling members 145 and 155 may include a hollow portion in which threads are formed to be coupled to the external pipe. The first to fourth coupling members 125, 135, 145, and 155 described above have threads of the screw portion and the threads of the hollow portion in the same direction so that the external pipe, the coupling, and the inlet / outlet are wound when they rotate in the same direction. Is formed.

전술한 구성에 의하면, 제1 실시예의 경우보다 간단한 나사결합 구조를 갖는 연료전지 스택이 제공된다.According to the above configuration, a fuel cell stack having a simple screwing structure is provided than in the case of the first embodiment.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료전지 시스템은 전기발생부(110), 애노드 유입구 및 배출구(122, 132), 캐소드 유입구 및 배출구(142, 152), 커플링 부재(124, 134, 144, 154), 연료저장용기(160), 연료펌프(161), 배관(162, 164, 166, 168), 산화제공급장치(170), 회복처리장치(180) 및 2웨이 밸브(182, 184)를 포함한다.Referring to FIG. 4, the direct methanol fuel cell system according to the present embodiment includes an electric generator 110, anode inlets and outlets 122 and 132, cathode inlets and outlets 142 and 152, and a coupling member 124. , 134, 144, 154, fuel storage container 160, fuel pump 161, piping (162, 164, 166, 168), oxidant supply device 170, recovery processing unit 180 and two-way valve ( 182, 184).

막전극 어셈블리(112)와 분리판(114) 및 엔드 플레이트(116, 118)를 구비한 전기발생부(110), 애노드 유입구 및 배출구(122, 132), 캐소드 유입구 및 배출구(142, 152) 및 커플링 부재(124, 134, 144, 154)는 본 발명에 따른 강화된 배관연결구조를 구비한 직접 메탄올형 연료전지 스택을 구성한다. 이에 대한 상세한 설명 은 도 1 및 도 2를 참조한 상세한 설명으로 갈음한다.An electric generator 110 having the membrane electrode assembly 112, the separator 114, and the end plates 116, 118, anode inlets and outlets 122, 132, cathode inlets and outlets 142, 152, and Coupling members 124, 134, 144 and 154 constitute a direct methanol fuel cell stack with an enhanced piping connection structure according to the present invention. Detailed description thereof will be replaced with the detailed description with reference to FIGS. 1 and 2.

연료저장용기(160)는 메탄올, 에탄올 등의 액체 연료를 저장한다. 연료펌프(161)는 연료전지 스택의 애노드 유입구(122)에 결합되며, 연료저장용기(160)에 저장된 연료를 연료전지 스택의 애노드에 공급한다.The fuel storage container 160 stores liquid fuel such as methanol and ethanol. The fuel pump 161 is coupled to the anode inlet 122 of the fuel cell stack, and supplies fuel stored in the fuel storage container 160 to the anode of the fuel cell stack.

각 배관(162, 164, 166, 168)은 각 커플링 부재(124, 134, 144, 154)에 의해 애노드 유입구 및 배출구(122, 132)와 캐소드 유입구 및 배출구(142, 152)에 나사결합된다. 이러한 나사결합은 고압 가스의 압력을 충분히 견딜 수 있도록 하기 위한 것이다.Each pipe 162, 164, 166, 168 is screwed into the anode inlet and outlet 122, 132 and the cathode inlet and outlet 142, 152 by respective coupling members 124, 134, 144, 154. . This screwing is intended to withstand the pressure of the high pressure gas sufficiently.

산화제공급장치(170)는 연료전지 스택의 캐소드 유입구(142)에 결합되며, 연료전지 스택의 캐소드에 산소를 함유한 공기를 공급한다. 산화제공급장치(170)는 공기 펌프나 송풍기로 구현될 수 있다.The oxidant supply device 170 is coupled to the cathode inlet 142 of the fuel cell stack, and supplies oxygen-containing air to the cathode of the fuel cell stack. The oxidant supply device 170 may be implemented with an air pump or a blower.

회복처리장치(180)는 장시간 사용에 따라 전기발생부(110)의 내부 전극에 발생된 피독(poisoning), 파울링(fouling), 코킹(coking), 소결(sintering) 등의 열화를 부분적으로 제거하고 감소시키기 위한 것이다. 회복처리장치(180)는 고압의 수소 가스로 전기발생부(110)의 내부 전극을 씻어내는 과정을 포함한다. 상기 과정에 의해, 촉매의 비활성화(deactivation)로 인해 효율과 출력이 떨어지는 것을 방지하고, 스택 내의 촉매 열화가 빨리 진행되는 것을 방지한다.The recovery processing unit 180 partially removes deterioration such as poisoning, fouling, coking, sintering, etc. generated in the internal electrode of the electricity generating unit 110 according to a long time use. Is to reduce. The recovery processing apparatus 180 includes a process of washing the internal electrodes of the electricity generating unit 110 with high pressure hydrogen gas. By this process, the efficiency and the output are prevented from falling due to deactivation of the catalyst, and the catalyst deterioration in the stack is prevented from proceeding quickly.

두 2-웨이 밸브(182, 184)는 제1 및 제2 커플링 부재(124)에 의해 애노드 유입구(122)에 연결되는 제1 배관(162)과 애노드 배출구(132)에 연결되는 제2 배관(164) 상에 각각 설치된다. 두 2-웨이 밸브(182, 184)는 스택의 운전시 회복처리장 치(180)로부터 전기발생부(110)로 연결되는 개도를 폐쇄하고, 연료저장용기(160)의 연료가 전기발생부(110)의 애노드에 공급되도록 기능한다. 그리고, 두 2-웨이 밸브(182, 184)는 회복처리장치(180)의 작동시 연료저장용기(160)로부터 전기발생부(110)의 애노드에 연결되는 개도를 폐쇄하고, 회복처리장치(180)의 고압의 가스가 전기발생부(110)에 공급되도록 기능한다.The two two-way valves 182, 184 are connected to the first inlet 122 and the second outlet connected to the anode outlet 132 by the first and second coupling members 124. 164 are respectively installed. The two two-way valves 182 and 184 close the opening connected to the electricity generating unit 110 from the recovery processing unit 180 during operation of the stack, and the fuel of the fuel storage container 160 is supplied to the electricity generating unit 110. Function to feed the anode. In addition, the two-way valves 182 and 184 close the openings connected to the anode of the electricity generating unit 110 from the fuel storage container 160 when the recovery treatment apparatus 180 operates, and the recovery treatment apparatus 180 It functions to supply a high-pressure gas of the power to the electricity generating unit (110).

전술한 바와 같이, 본 발명은 스택 내의 열화된 전극을 회복시키며, 촉매의 열화가 빨리 진행되는 것을 방지하여 스택의 효율과 출력을 회복시키고 스택의 수명을 연장시키는 장점을 가진다.As described above, the present invention has the advantage of restoring the deteriorated electrode in the stack, preventing the deterioration of the catalyst from progressing rapidly, restoring the efficiency and output of the stack, and extending the life of the stack.

한편, 전술한 실시예에서는 스택의 2-웨이 밸브가 애노드측에 설치되고, 회복처리장치가 스택의 애노드 전극을 회복시키는 것을 설명하였지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 두 2-웨이 밸드가 캐소드측에도 설치되고, 회복처리장치가 스택의 캐소드 전극을 회복시키도록 구현될 수 있다.On the other hand, in the above-described embodiment, the two-way valve of the stack is installed on the anode side, and the recovery processing apparatus has been described to recover the anode electrode of the stack, but the present invention is not limited to such a configuration, The cathode is also installed on the cathode side, and the recovery processing device can be implemented to recover the cathode electrode of the stack.

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.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.

전술한 본 발명에 의하면, 가스 압력에 충분히 견딜 수 있는 스택의 배관연결 구조를 제공함으로써, 직접 메탄올형 연료전지 스택의 장시간 운전에 따른 열화를 회복시키기 위한 고압 가스를 이용한 회복 처리 공정을 수행할 수 있다. 아울 러, 직접 메탄올형 연료전지 스택 내의 촉매를 활성화에 적합한 상태로 회복시킴으로써 스택의 수명을 연장시킬 수 있고, 직접 메탄올형 연료전지 시스템의 장시간 안정적인 운전에 기여할 수 있다.According to the present invention described above, by providing a pipe connection structure of the stack capable of sufficiently withstanding the gas pressure, it is possible to perform a recovery process using a high-pressure gas for recovering the deterioration caused by the long-term operation of the direct methanol fuel cell stack have. In addition, by restoring the catalyst in the direct methanol fuel cell stack to a state suitable for activation, it is possible to extend the life of the stack and contribute to long-term stable operation of the direct methanol fuel cell system.

Claims

애노드에 공급되는 액체 연료와 캐소드에 공급되는 산화제의 전기화학적인 반응에 의해 전기를 발생시키는 전기발생부; 및An electricity generator for generating electricity by an electrochemical reaction between the liquid fuel supplied to the anode and the oxidant supplied to the cathode; And

상기 전기발생부에 결합되며 나사결합 구조를 갖는 애노드 유입구와 애노드 배출구를 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택.A direct methanol fuel cell stack coupled to the electricity generating unit and including an anode inlet and an anode outlet having a screw coupling structure.

제 1 항에 있어서,The method of claim 1,

상기 전기발생부에 결합되며 나사결합 구조를 갖는 캐소드 유입구와 캐소드 배출구를 추가적으로 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택.Direct methanol-type fuel cell stack coupled to the electricity generating unit and further comprising a cathode inlet and a cathode outlet having a screw coupling structure.

제 2 항에 있어서,The method of claim 2,

상기 애노드 유입구, 상기 애노드 배출구, 상기 캐소드 유입구 및 상기 캐소드 배출구 중 적어도 하나는 상기 전기발생부의 표면에서 돌출 설치되는 직접 메탄올형 연료전지 스택.And at least one of the anode inlet, the anode outlet, the cathode inlet, and the cathode outlet are protruding from the surface of the electricity generator.

제 2 항에 있어서,The method of claim 2,

상기 애노드 유입구, 상기 애노드 배출구, 상기 캐소드 유입구 및 상기 캐소드 배출구 중 적어도 하나는 상기 전기발생부의 외표면 안쪽으로 매입 설치되는 직접 메탄올형 연료전지 스택.And at least one of the anode inlet, the anode outlet, the cathode inlet, and the cathode outlet are embedded in an outer surface of the electricity generating unit.

제 2 항에 있어서,The method of claim 2,

상기 애노드 유입구, 상기 애노드 배출구, 상기 캐소드 유입구 및 상기 캐소드 배출구 중 적어도 하나에 결합되는 밀봉 부재를 추가적으로 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택.And a sealing member coupled to at least one of the anode inlet, the anode outlet, the cathode inlet, and the cathode outlet.

제 5 항에 있어서,The method of claim 5,

상기 밀봉 부재는 고무 링을 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택.The sealing member is a direct methanol fuel cell stack comprising a rubber ring.

제 2 항에 있어서,The method of claim 2,

상기 애노드 유입구, 상기 애노드 배출구, 상기 캐소드 유입구 및 상기 캐소드 배출구 중 적어도 하나에 결합되는 커플링 부재를 추가적으로 포함하는 직접 메탄올형 연료전지 스택.And a coupling member coupled to at least one of the anode inlet, the anode outlet, the cathode inlet, and the cathode outlet.

제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein

상기 커플링 부재는 관 형상으로 이루어지며, 일방향 회전시 양측의 부재를 삽입 결합시키는 일방향 나사결합 구조를 구비하는 직접 메탄올형 연료전지 스택.The coupling member has a tubular shape, and a direct methanol fuel cell stack having a one-way screwing structure for inserting and coupling members on both sides when rotating in one direction.

제 2 항에 있어서,The method of claim 2,

상기 전기발생부는 상기 캐소드 유입구에 나사결합되는 배관에 의해 산화제 공급장치에 연결되는 직접 메탄올형 연료전지 스택.The electricity generation unit is a direct methanol fuel cell stack connected to the oxidant supply unit by a pipe screwed to the cathode inlet.

제 1 항에 있어서,The method of claim 1,

상기 전기발생부는 상기 애노드 유입구에 나사결합되는 배관에 의해 연료공급장치에 연결되는 직접 메탄올형 연료전지 스택.The electricity generation unit is a direct methanol fuel cell stack connected to the fuel supply device by a pipe screwed to the anode inlet.