KR20070042814A - Stack for fuel cell and fuel cell system using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 스택 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지용 스택을 교환할 수 있도록 카트리지형으로 제조함으로써 연료전지 시스템의 교환 없이 스택만 교환하여 다양한 출력과 용량을 필요로 하는 여러 전기/전자 기기에 적용할 수 있으며, 고장 확률이 높은 스택을 시스템으로부터 분리하여 수리 또는 교환의 편의성을 높일 수 있는 연료전지용 스택 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack and a fuel cell system using the same. More particularly, the present invention relates to a fuel cell stack, which is manufactured in a cartridge type so that the fuel cell stack can be replaced. The present invention relates to a fuel cell stack and a fuel cell system using the same, which can be applied to various electric / electronic devices and can increase the convenience of repair or replacement by separating a stack having a high probability of failure from the system.
연료전지 시스템, 스택, 카트리지, 고정 수단, 체결 수단 Fuel cell system, stack, cartridge, fastening means, fastening means
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 스택에 외장재가 부착되기 전의 사시도Figure 2a is a perspective view before the exterior material is attached to the stack for a fuel cell according to an embodiment of the present invention
도 2b는 도 2a의 스택에 외장재가 부착되는 분리 사시도Figure 2b is an exploded perspective view of the exterior member is attached to the stack of Figure 2a
도 3a는 도 2의 체결 수단인 퀵 커플링의 확대 사시도3a is an enlarged perspective view of a quick coupling as the fastening means of FIG.
도 3b는 도 3a의 단면도3B is a cross-sectional view of FIG. 3A
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템이 베이스기판에 결합된 평면도4 is a plan view of a fuel cell system coupled to a base substrate according to an embodiment of the present invention;
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
100 - 스택 105 - 전기발생부100-Stack 105-Electricity Generation
110 - 제 1체결수단 120 - 제 2체결수단110-first fastening means 120-second fastening means
130 - 제 3체결수단 140 - 제 4체결수단130-third fastening means 140-fourth fastening means
150 - 가압 플레이트 160 - 고정 수단150-pressure plate 160-fastening means
160a - 결합용 홈 170 - 외장재160a-Joining Groove 170-Exterior
200 - 연료탱크 210 - 원액펌프200-Fuel Tank 210-Liquid Pump
300 - 연료희석탱크 400 - 연료공급펌프300-Fuel Dilution Tank 400-Fuel Supply Pump
500 - 공기공급부 600 - 주변 장치500-Air Supply 600-Peripheral Equipment
700 - 베이스기판 700-Base Board
140 - 제 4체결수단 140-fourth fastening means
본 발명은 연료전지용 스택 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지용 스택을 교환할 수 있도록 카트리지형으로 제조함으로써 연료전지 시스템의 교환 없이 스택만 교환하여 다양한 출력과 용량을 필요로 하는 여러 전기/전자 기기에 적용할 수 있으며, 고장 확률이 높은 스택을 시스템으로부터 분리하여 수리 또는 교환의 편의성을 높일 수 있는 연료전지용 스택 및 이를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack and a fuel cell system using the same. More particularly, the present invention relates to a fuel cell stack, which is manufactured in a cartridge type so that the fuel cell stack can be replaced. The present invention relates to a fuel cell stack and a fuel cell system using the same, which can be applied to various electric / electronic devices and can increase the convenience of repair or replacement by separating a stack having a high probability of failure from the system.
연료전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxidant contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.
이러한 연료전지는 연료전지 시스템으로 이루어지며, 대표적으로 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: 이하 PEMFC라 한다) 시스템과 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: 이하 DMFC라 한다) 시스템을 들 수 있다.Such a fuel cell is composed of a fuel cell system, and examples thereof include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) system and a direct methanol fuel cell (DMFC) system. Can be.
일반적으로 PEMFC 시스템은 수소와 산소의 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택과, 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 개질기를 포함하여 구성된다. 이러한 PEMFC 시스템은 에너지 밀도가 크고 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 또는 천연가스 등을 개질하기 위한 연료개질장치 등의 부대 설비를 필요로 하게 된다. In general, a PEMFC system includes a stack for generating electrical energy by reaction of hydrogen and oxygen, and a reformer for reforming fuel to generate hydrogen. The PEMFC system has the advantages of high energy density and high output, but requires attention to handling hydrogen gas, and a unit such as a fuel reformer for reforming methane, methanol, or natural gas to produce hydrogen, fuel gas. You need equipment.
이에 비하여 DMFC 시스템은 스택에 직접 메탄올 연료와 산화제인 산소를 공급하여 전기화학반응에 의해 전기를 생성하게 된다. 이러한 DMFC 시스템은 에너지 밀도 및 전력 밀도가 매우 높으며, 메탄올 등 액체연료를 직접 사용하기 때문에 연료개질기(reformer) 등 부대 설비가 필요치 않으며 연료의 저장과 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.In contrast, DMFC systems generate methanol by electrochemical reactions by directly supplying methanol fuel and oxygen as an oxidant to the stack. The DMFC system has a very high energy density and power density, and since it uses liquid fuel such as methanol directly, it does not require any supplementary equipment such as a fuel reformer and has the advantage of easy storage and supply of fuel.
이러한 DMFC 시스템에 있어서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: 이하 MEA라 한다)와 세퍼레이터(seperator)(당업계에서는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라 한다)로 이루어진 단위 셀이 한 개 또는 한개 이상이 적층된 구조를 가진다. 상기 MEA는 애노드 전극(anode electrode)과 캐소드 전극(cathode electrode) 사이에 전해질막(membrane)이 개재되어 형성된다. 또한, 각 애노드 전극과 캐소드 전극의 구조는 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층, 그리고 전극지지체를 구비하여 이루어진다. 상기 촉매층은 저온에서도 우수한 특성을 갖는 백금과 같은 귀금속 촉매가 사용되며, 특히 애노드 전극은 반응 부산물인 일산화탄소에 의한 촉매피독 현상(catalyst poisoning)을 방지하기 위하여 루테늄, 로듐, 오스늄, 니켈 등과 같은 전이금속의 합금촉매가 사용된다. 전극지지체는 탄소종이, 탄소직물 등이 사용되며 연료의 공급과 반응 생성물의 배출이 용이하도록 발수처리(water-proofed)하여 사용한다. 전해질막은 두께가 50~200 ㎛인 고분자막으로서 수분을 함유하며 이온전도성을 갖는 수소이온 교환막이다.In such a DMFC system, a substantially generating stack includes a unit cell consisting of a membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) and a separator (hereinafter referred to as a bipolar plate). One or more have a laminated structure. The MEA is formed by interposing an electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode. In addition, the structure of each anode electrode and the cathode electrode is provided with a fuel diffusion layer (diffusion layer) for the supply and diffusion of fuel, a catalyst layer for the oxidation / reduction reaction of the fuel, and an electrode support. The catalyst layer is a noble metal catalyst such as platinum having excellent properties even at low temperatures, in particular the anode electrode is a transition such as ruthenium, rhodium, osmium, nickel, etc. in order to prevent catalyst poisoning by carbon monoxide as a reaction by-product Metal alloy catalysts are used. The electrode support is made of carbon paper, carbon fabric, etc., and is used after being water-proofed to facilitate fuel supply and discharge of reaction products. The electrolyte membrane is a polymer membrane having a thickness of 50 to 200 μm, which contains moisture and is a hydrogen ion exchange membrane having ion conductivity.
DMFC 시스템의 스택에서의 전극 반응은 공급되는 연료가 산화되는 애노드 반응과 공급되는 공기 중의 산소가 애노드에서 이동되는 수소이온과 반응하여 환원되는 캐소드 반응으로 구성된다. The electrode reaction in the stack of a DMFC system consists of an anode reaction in which the supplied fuel is oxidized and a cathode reaction in which oxygen in the supplied air is reacted with hydrogen ions moved from the anode to be reduced.
산화반응이 일어나는 애노드 전극에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소, 수소이온 및 전자가 생성이 되며, 생성된 수소 이온은 전해질막을 통해서 캐소드 전극으로 전달된다. 환원반응이 일어나는 캐소드 전극에서는 수소이온과 외부 회로를 통해 전달된 전자 및 산소의 반응에 의해 물이 생성된다. 따라서 DMFC의 총괄반응은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 반응이 된다. 이 때 1몰의 메탄올이 산소와 반응하여 2몰의 물이 생성된다.In the anode electrode where the oxidation reaction occurs, carbon dioxide, hydrogen ions and electrons are generated by the reaction of methanol and water, and the generated hydrogen ions are transferred to the cathode electrode through the electrolyte membrane. In the cathode electrode where the reduction reaction occurs, water is generated by reaction of hydrogen ions and electrons and oxygen transferred through an external circuit. Therefore, the overall reaction of DMFC is the reaction of methanol and oxygen to produce water and carbon dioxide. At this time, one mole of methanol reacts with oxygen to produce two moles of water.
한편, 연료공급부, 공기공급부 등 스택을 제외한 주변 장치(Balance Of Plant: 이하 BOP라 한다)는 스택과 영구적으로 결합되어 있다. 따라서, 스택은 특정한 전압을 필요로 하는 전기/전자 기기에만 연결되어 전원을 공급할 수 있게 되어 다른 출력을 필요로 하는 전기/전자 기기에 사용하기 위해서는 연료전지 시스템 전체를 교환해야 한다는 문제점이 발생하게 된다. 또한, 상기 스택은 내부에 연료통로와 공기 통로 및 촉매층 등 복잡하고 정교한 구조로 되어 있어 고장 확률이 높 다. 이러한 구조에서 스택이 고장나면 시스템 전체를 추가적으로 구입해야 한다는 문제점이 발생하게 된다.On the other hand, peripheral devices other than the stack, such as fuel supply unit, air supply unit (hereinafter referred to as BOP) are permanently coupled to the stack. Therefore, the stack can be connected to and supply power only to electrical / electronic devices requiring a specific voltage, causing a problem that the entire fuel cell system needs to be replaced for use in electrical / electronic devices requiring different outputs. . In addition, the stack has a complicated and sophisticated structure such as a fuel passage, an air passage, and a catalyst layer therein, and thus has a high probability of failure. In this structure, if the stack fails, the entire system needs to be purchased additionally.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 연료전지용 스택을 교환할 수 있도록 카트리지형으로 제조함으로써 연료전지 시스템의 교환 없이 스택만 교환하여 다양한 출력과 용량을 필요로 하는 여러 전기/전자 기기에 적용할 수 있으며, 고장 확률이 높은 스택을 시스템으로부터 분리하여 수리 또는 교환의 편의성을 높일 수 있는 연료전지용 스택 및 이를 이용한 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, in particular, by manufacturing a cartridge type to replace the fuel cell stack to replace the stack without the fuel cell system, various electrical / electronics requiring a variety of output and capacity It is an object of the present invention to provide a fuel cell stack and a fuel cell system using the same, which can be applied to a device and can separate a stack having a high probability of failure from a system to increase the convenience of repair or replacement.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 연료전지용 스택은 전해질막을 사이에 두고 상기 전해질막의 양면에 각각 부착되는 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하는 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터를 구비하는 전기발생부; 및 하나 이상의 상기 전기 발생부의 최외곽에서 상기 전기발생부를 밀착시키며, 연료와 공기가 주입되는 입구 및 물과 이산화탄소가 배출되는 출구에 체결 수단을 구비하며, 베이스기판에 착탈될 수 있도록 고정수단이 형성되어 있는 가압 플레이트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. In order to solve the above problems, the fuel cell stack of the present invention includes a membrane-electrode assembly having an anode electrode and a cathode electrode attached to both surfaces of the electrolyte membrane with an electrolyte membrane therebetween, and the membrane-electrode assembly. An electricity generator having separators disposed on both sides; And fastening means in close contact with the electricity generating unit at the outermost portion of the at least one electricity generating unit, an inlet through which fuel and air are injected, and an outlet through which water and carbon dioxide are discharged, and a fixing means is detachable from the base substrate. It is characterized by including a pressing plate which is made.
또한, 상기 체결 수단은 퀵 커플링(quick coupling) 또는 스웨이지 락(swage lock)일 수도 있다. 이 때, 상기 스웨이지 락은 스테인레스 스틸 또는 테프론 (teflon) 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전기발생부는 외장재로 둘러 싸이도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 외장재는 스티로폼, 플라스틱, 고무 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.The fastening means may also be a quick coupling or a swage lock. In this case, the swage lock may be formed of stainless steel or teflon material. In addition, the electricity generating unit may be formed to be surrounded by an exterior material. In addition, the exterior material may be made of any one material of styrofoam, plastic, rubber.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 수소를 함유한 연료를 스택에 공급하는 연료 공급부와, 공기를 상기 스택에 공급하는 공기공급부를 구비하는 주변 장치(Balance Of Plant; BOP); 와 전해질막을 사이에 두고 상기 전해질막의 양면에 각각 부착되는 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하는 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터를 구비하는 전기발생부 및 하나 이상의 상기 전기 발생부의 최외곽에서 상기 전기발생부를 밀착시키며, 연료와 공기가 주입되는 입구 및 물과 이산화탄소가 배출되는 출구에 체결 수단을 구비하는 가압 플레이트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스택; 을 포함하여 이루어지며, 상기 주변 장치(BOP)와 상기 스택은 하나의 베이스기판 위에 장착되며, 상기 스택은 상기 베이스기판과 상기 주변 장치(BOP)로부터 착탈 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the fuel cell system according to the present invention includes a peripheral device having a fuel supply unit for supplying a fuel containing hydrogen to the stack, and an air supply unit for supplying air to the stack (Balance Of Plant; BOP); And an electrode generator having an anode electrode and a cathode electrode attached to both surfaces of the electrolyte membrane with the electrolyte membrane interposed therebetween, and a separator disposed on both sides of the membrane electrode assembly. A stack comprising a pressurizing plate in close contact with the electricity generating unit at an outermost part of the generating unit and including a fastening means at an inlet through which fuel and air are injected and an outlet through which water and carbon dioxide are discharged; The peripheral device (BOP) and the stack is mounted on one base substrate, characterized in that the stack is formed to be detachable from the base substrate and the peripheral device (BOP).
또한, 상기 주변장치(BOP)와 상기 스택은 연결 통로를 통하여 서로 연결되거나, 또는 상기 체결 수단을 통하여 직접 연결되도록 형성될 수도 있다. 또한, 상기 연결 통로는 금속재의 관 또는 플라스틱 튜브일 수 있다.In addition, the peripheral device BOP and the stack may be connected to each other through a connection passage, or may be formed to be directly connected through the fastening means. In addition, the connection passage may be a metal tube or a plastic tube.
또한, 상기 스택은 상기 가압 플레이트에 형성된 고정 수단을 통하여 상기 베이스기판에 결합되도록 이루어질 수 있다. 또한, 상기 체결 수단은 상기에서 기술된 체결 수단 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 또한, 상기 스택은 상기 전기발생 부가 외장재로 둘러 싸여 형성될 수 있다.In addition, the stack may be coupled to the base substrate through a fixing means formed on the pressing plate. In addition, the fastening means may be formed by any one of the fastening means described above. In addition, the stack may be formed by surrounding the electricity generating additional exterior material.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도를 나타낸다. 도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 스택에 외장재가 부착되기 전의 사시도 를 나타내며, 도 2b는 도 2a의 스택에 외장재가 부착되는 분리 사시도를 나타낸다.도 3a는 도 2의 체결 수단인 퀵 커플링의 확대 사시도를 나타내며, 도 3b는 도 3a의 단면도를 나타낸다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템이 베이스기판에 결합된 평면도를 나타낸다. 이하에서는 DMFC를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명이 PEMFC의 경우에도 적용될 수 있음은 물론이다. 다만, PEMFC는 개질기를 필요로 하며, 연료희석탱크를 필요로 하지 않는다는 점에서 차이가 있다.1 shows a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 2A is a perspective view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention before the exterior material is attached, and FIG. 2B is an exploded perspective view of the exterior material attached to the stack of FIG. 2A. FIG. 3A is a fastening means of FIG. 2. An enlarged perspective view of the coupling is shown, and FIG. 3B shows a sectional view of FIG. 3A. 4 is a plan view illustrating a fuel cell system coupled to a base substrate according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the DMFC has been described as an example, but the present invention can be applied to the case of the PEMFC. The difference is that PEMFC requires a reformer and does not require a fuel dilution tank.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 도 1을 참조하면, 스택(100)과 연료탱크(200)와 원액펌프(210)와 연료희석탱크(300) 및 연료공급펌프(400)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 연료전지 시스템은 스택에 공기를 공급하는 공기 공급부(500)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 연료전지 시스템은 베이스기판(700)을 더 포함하여 형성될 수 있다. 여기서, 상기 연료탱크(200)와 원액펌프(210)는 카트리지형 연료 탱크를 사용하는 경우에는 구비되지 않을 수 있다. 또한, PEMFC의 경우에는 개질기가 더 포함되어 형성될 수 있음은 물론이다. 이하에서는 상기 연료탱크(200), 원액펌프(210), 연료희석탱크(300) 및 연료공급펌프(400) 등 은 연료 공급부라 하고, 상기 연료공급부에 공기공급부(500)가 포함된 것은 주변 장치(600)라 하기로 한다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention, referring to FIG. 1, includes a
상기 스택(100)은, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 전기발생부(105)와 제 1체결수단(110) 내지 제 4체결수단(140)과 가압플레이트(150), 고정수단(160) 및 외장재(170)를 포함하여 이루어진다. Referring to FIGS. 2A and 2B, the
상기 전기발생부(105)는 MEA와 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 이루어진 단위 셀이 한 개 또는 두 개 이상이 적층된 구조를 가진다. 상기 MEA는 애노드 전극(anode electrode)과 캐소드 전극(cathode electrode) 사이에 전해질막(membrane)이 개재되어 형성된다. 또한, 각 애노드 전극과 캐소드 전극의 구조는 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층, 그리고 전극 지지체를 구비하여 이루어진다. 상기 애노드는 일측에 형성된 제 1체결수단(110)으로 연료희석탱크(300)로부터 소정 농도로 희석된 연료가 공급되며, 타측에 형성된 제 2체결 수단(120)으로 반응 부산물인 이산화탄소와 미반응 연료가 배출된다. 이 때, 상기 애노드로부터 배출되는 미반응 연료는 애노드와 연료혼합탱크(300)를 서로 연결하는 배관(125)에 의하여 연료희석탱크(300)로 회수된다. 상기 캐소드는 일측에 형성된 제 3체결수단(130)으로 공기가 공급되며 타측에 형성된 제 4체결수단(140)으로 미반응 공기와 반응 부산물인 물이 배출된다. 이 때, 상기 캐소드의 타측에서 배출되는 물은 연료희석탱크(300)로 회수되어 연료원액을 소정 농도로 희석하는 데 사용된다.The
상기 제 1체결수단(110)은, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 퀵 커플링(quick coupling)으로 이루어진다. 이하에서는, 상기 제 1체결수단(110)의 일례로 든 퀵 커플링의 도면 부호를 제 1체결수단(110)의 도면 부호로 그대로 사용하기로 한다.상기 제 1체결수단(110)은 연료희석탱크(300)로부터 소정 농도로 희석된 연료를 전기발생부(105)의 애노드로 공급하기 위한 입구가 되는 부분이다. 상기 제 1체결수단(110)은 상기 가압 플레이트(150)의 일측에 형성된 연료주입용 홀에 직접 연결될 수 있으며, 또한 상기 제 1체결수단(110)은 가압 플레이트(150)에 연료주입용 관을 형성한 후 상기 연료주입용 관의 일측에 연결될 수도 있다. The first fastening means 110, with reference to Figures 3a and 3b, is made of quick coupling (quick coupling). Hereinafter, the reference numeral of the quick coupling as an example of the first fastening means 110 will be used as the reference numeral of the first fastening means 110. The first fastening means 110 is a fuel dilution. It is a portion that serves as an inlet for supplying fuel diluted from the
여기서, 퀵 커플링(110)은 통상적인 커플링 구조를 변경시켜 보다 신속하고 용이하게 분리된 두 부분을 서로 연결할 수 있도록 형성된 체결 수단이다. 상기 퀵 커플링(110)은 서로 분리된 두 부분(111, 115)으로 나뉘어 진다. 상기 퀵 커플링(110)을 구성하는 두 부분 중 일측부(111)는 일측 연결부(112)와 분리용 버튼(113)을 구비하며, 타측부(115)는 타측 연결부(116)와 실링용 링(117)을 구비하여 형성된다. 상기 일측 연결부(112)는 스택(100) 또는 연료공급펌프(400)에 연결될 수 있으며, 바람직하게는 연료공급펌프(400)에 연결된다. 상기 일측 연결부(112)는 타측 연결부(116)에 비해 수 회 사용시 마모가 상대적으로 작으며 변형될 가능성이 적기 때문에 교환없이 반영구적으로 사용하게 되는 연료공급펌프(400) 방향에 연결되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 일측 연결부(112)는 상기 연료공급펌프(400)에 직접 연결될 수 있으며, 또한 상기 연료공급펌프(400)와 연결된 연결 통로(410)의 단부에 연결될 수도 있음은 상기에서 언급한 바와 같다. 마찬가지로, 상기 타측 연결부(116)는 스택(100) 또는 연료공급펌프(400)에 연결될 수 있으며, 바람직하게는 스 택(100)에 연결된다. 상기 타측 연결부(112)는 일측 연결부(116)에 의해 물리게 될 뿐만 아니라, 타측부(115)의 단부에 형성된 실링용 링(117)이 마모될 가능성이 있으므로, 착탈 가능한 스택(100) 쪽에 연결되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 타측 연결부(112)는 상기 스택(100)에 직접 연결될 수 있으며, 또한 상기 가압 플레이트(150)에 형성된 연료 주입용 홀에 연결된 연결 통로(410)의 단부에 연결될 수도 있음은 상기에서 언급한 바와 같다. 상기 일측부(111)와 타측부(115)는 결합시에는 별도의 과정을 거치지 않고 서로 압착시킴으로써 결합된다. 상기 일측부(111)와 타측부(115)는 분리시에는 일측부(111)에 형성된 분리용 버튼(113)을 누르고 서로 반대방향으로 이격시킴으로써 분리된다. 상기 퀵 커플링(110)은 당업계에서 일반적으로 사용되는 체결 수단이므로, 상기 퀵 커플링(110)의 상세한 구조와 작동 방식에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.Here, the
상기 제 1체결수단(110)은 도 3a와 같은 퀵 커플링 이외에도 스웨이지 락(swage lock)과 같은 피팅(fitting)(도면에 도시하지 않음) 등이 사용될 수 있다. 상기 스웨이지 락은 통상적으로 너트와 전(前) 퍼렐(ferrule) 및 후(後) 퍼렐(ferrule)을 구비하여 형성된다. 상기 스웨이지 락은 상기 너트를 회전시켜 조이게 되면, 후 퍼렐이 전 페럴의 하부를 밀어올리게 되어 상기 전 페럴이 통로 내부를 실링시키게 된다. 상기 스웨이지 락의 경우에도 결합 방식은 상기 퀵 커플링의 경우와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 또한, 상기 스웨이지 락은 당업계에서 일반적으로 사용되는 체결 수단이므로, 상기 스웨이지 락의 상세한 구조와 작동 방식에 대해서는 상세한 설명을 생략한다. 또한, 상기 스웨이지 락은 스테인레스 스 틸 또는 테프론(teflon) 재질로 형성될 수 있다. 상기 스웨이지 락은 스택(100) 또는 연료공급펌프(400)에 직접 연결되거나, 금속재의 연결통로를 통해서 연결되는 경우, 스테인레스 스틸 재질이 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 스웨이지 락은 스택(100) 또는 연료공급펌프(400)에 연결된 플라스틱 튜브로 된 연결통로와 연결되는 경우에는 테프론 재질을 사용할 수도 있다. 여기서, 상기 스웨이지 락의 재질을 한정하는 것은 아니다.In addition to the quick coupling of FIG. 3A, the first fastening means 110 may be a fitting (not shown) such as a swage lock. The swage lock is typically formed with a nut, pre-ferrules, and post-ferrules. When the swage lock is tightened by rotating the nut, the rear ferrule pushes the lower portion of the front ferrule so that the front ferrule seals the passage. In the case of the swage lock, the coupling method is the same as that of the quick coupling, and thus a detailed description thereof will be omitted. In addition, since the swage lock is a fastening means generally used in the art, a detailed description of the detailed structure and operation of the swage lock will be omitted. In addition, the swage lock may be formed of stainless steel or teflon material. When the swage lock is directly connected to the
상기 제 2체결수단(120)은 상기 전기발생부(105)의 애노드로부터 미반응연료유입용 배관(125)에 의하여 연료희석탱크(300)로 미반응 연료를 배출하기 위한 출구가 되는 부분이다. 상기 제 3체결수단(130)은 공기공급부(500)로부터 공기공급통로(510)를 통하여 전기발생부(105)로 공기가 주입되는 입구가 되는 부분이다. 상기 제 4체결수단(140)은 상기 전기발생부의 캐소드로부터 배관을 통하여 연료희석탱크(300)로 물이 배출되는 출구가 되는 부분이다. 여기서, 상기 제 2체결수단(120) 내지 제 4체결수단(140)은 결합 위치만 차이가 있을 뿐, 그 종류, 결합방식 및 작용은 상기 제 1체결수단(110)과 유사하므로, 상세한 설명은 생략한다.The second fastening means 120 is a portion that serves as an outlet for discharging unreacted fuel from the anode of the
상기 가압 플레이트(150)는 마주보는 두 장의 금속 플레이트 및 고정수단(160)을 포함하여 이루어져 있으며, 상기 전기발생부(105)를 서로 밀착시켜 기밀이 유지될 수 있도록 하는 부분이다. 상기 가압 플레이트(150)는 최외곽의 바이폴라 플레이트와의 사이에 집전판이 개재되어 형성될 수 있으며, 나사산이 형성된 체결봉과 너트로 가압 플레이트(150)를 조여 스택(100)이 조립된다. 상기 가압 플레이트(150)는 전기발생부(105)에서 발생되는 전기 에너지를 집전하는 집전유니트로 구 성될 수도 있음은 물론이다. 상기 가압 플레이트(150)는 이들 사이에 위치하는 바이폴라 플레이트들 보다 큰 면적을 갖도록 형성된다. 즉, 상기 가압 플레이트(150)는 가장 자리 부분이 바이폴라 플레이트의 가장자리단 외측으로 연장되는 구조로 이루어지고, 바이폴라 플레이트 외측으로 연장된 부분을 통해 결합부가 설치되어 양 가압 플레이트(150)를 조여 결합시키게 된다. 상기 가압 플레이트(150)의 소정의 위치에는 제 1체결수단(110) 내지 제 4체결수단(140)이 직접 결합하여 형성될 수 있으며, 또한 연결통로가 형성된 후 상기 연결 통로의 단부에 상기 제 1체결수단(110) 내지 제 4체결수단(140)이 결합될 수도 있다. 상기 가압 플레이트(150)는 정면 형상이 사각형상 또는 H자 형상으로 형성될 수 있으며, 여기서 상기 가압 플레이트(150)의 정면 형상을 한정하는 것은 아니다. 상기 가압 플레이트(150)와 최외각 바이폴라 플레이트 사이에는 전극인출단자(106, 107)가 형성되며, 상기 전극인출단자(106, 107)는 가압 플레이트(150)의 소정의 위치에 용접 등의 방식으로 별도로 형성될 수도 있음은 물론이다. 상기 전극인출단자(106, 107)는 부하가 걸리는 부분으로, 상기 스택(100)에서 생산한 전기를 외부 회로와 연결시키는 역할을 하는 부분이다.The
상기 고정수단(160)은 상기 스택(100)을 베이스기판(700)에 고정하기 위한 부분이다. 상기 고정수단(160)은 상기 두 개의 가압 플레이트(150)에 각각 형성되며, 바람직하게는 가압 플레이트(150)의 하측 단부에 형성된다. 상기 고정수단(160)은 상기 스택(100)이 베이스기판(700) 상에서 좌우로 유동하지 않을 정도의 길이(도 2a에서 y 방향의 규격)로 형성되며, 상기 고정수단(160)이 충분히 베이스 기판(700) 상에 결합될 수 있을 정도의 폭(도 2a에서 x 방향의 규격)으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 고정수단(160)은 상기 스택(100)이 외부 충격 등에 의해 상기 베이스기판(700)으로부터 분리되지 않을 정도의 두께(도 2a에서 z 방향의 규격)로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 고정수단(160)은 결합용 홈(160a)이 형성된다. 상기 결합용 홈(160a)은 상기 고정수단(160)이 베이스기판(700)과 결합하기 위해 나사 등이 회전 삽입될 수 있도록 내부에 나사산이 형성된 부분이다. 상기 결합용 홈(160a)은 결합 수단에 따라 내부에 나사산이 형성되지 않을 수도 있음은 물론이다. 상기 고정수단(160)은 상기 스택(100)이 필요에 따라 베이스기판(700)에 자유롭게 착탈될 수 있도록 상기 가압 플레이트(150)와 일체형으로 제조될 수 있으며, 상기 가압 플레이트(150)에 용접 등으로 부착될 수도 있다. 상기 고정수단(160)은 평면 형상이 사각형상, 반원형상으로 형성될 수 있으며, 여기서 상기 고정수단(160)의 평면 형상을 한정하는 것은 아니다.The fixing means 160 is a part for fixing the
상기 외장재(170)는, 도 2b를 참조하면, 상기 스택(100)의 상하좌우에 부착된다. 상기 외장재(170)는 스택(100)의 전기발생부(105)를 덮을 수 있도록 상기 전기 발생부(105)에 상응하는 길이와 폭으로 형성된다. 상기 외장재(170)는 다수개의 홀이 형성되어 있다. 상기 스택(100)은 발열반응이 일어나는 부분이므로, 많은 양의 열을 발생하게 된다. 따라서, 상기 외장재(170)는 다수의 홀이 형성되어 있음으로 해서, 상기 스택(100)에서 발생한 열이 외부로 방출될 수 있도록 한다. 상기 외장재(170)는 카트리지형으로 사용할 수 있는 스택(100)의 상품성을 향상시킴은 물론, 사용자가 스택(100)을 다루기에 편리하도록 하고, 상기 전기발생부(105)가 외 부 환경으로부터 손상을 받지 않도록 전기발생부(105)를 보호하는 역할도 하게 된다. 상기 외장재(170)는 전기발생부(105)의 최외곽에 위치하는 바이폴라 플레이트와, 상기 바이폴라 플레이트보다 소정 면적만큼 확장되어 형성되는 가압 플레이트(150)의 면적 차이에 상응하는 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 외장재(170)는 상기 전기발생부(105)와 가압 플레이트(150)의 외부 규격차를 보정해주는 기능도 하게 된다. 따라서, 상기 스택(100)은 외면이 깔끔하고 매끄러운 형상으로 형성되어, 사용자가 다루기에 편리하게 된다. 또한, 상기 외장재(170)는 스티로폼, 플라스틱, 고무 재질로 형성될 수 있으며, 플라스틱으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 외장재(170)는 도 2b에서 도시된 바와 같이 상하좌우 4개의 판을 각각 부착하여 형성할 수 있으며, 또한 플라스틱을 사출성형하여 스택(100)의 외면에 플라스틱 코팅층을 형성할 수도 있다. 여기서 상기 외장재(170)의 제조 방법을 한정하는 것은 아니다. 이 때, 상기 전극인출단자(106, 107)는 외장재(170)의 외부로 노출되도록 형성해야 함은 물론이다.2B, the
상기 베이스기판(700)은, 도 4를 참조하면, 상기 주변 장치(600)와 스택(100)이 상면에 결합될 수 있도록 대략 평판 형상으로 형성된다. 상기 베이스기판(700)은 본 발명에 따른 연료전지 시스템이 하나의 기판 위에 형성될 수 있도록 주변 장치(600)와 스택(100)을 고정시키는 역할을 한다. 이 때, 상기 주변 장치(600)는 상기 베이스기판(700)에 영구 결합될 수 있으며, 또한 착탈 가능하도록 형성될 수도 있음은 물론이다. 다만, 이 경우 상기 주변 장치(600)가 베이스기판(700)에 착탈 가능하도록 되기 위해서는 주변 장치(600)에 별도의 고정 수단이 구비되어야 함은 물론이다. 상기 스택(100)은 고정 수단(160)을 통하여 베이스기판(700)에 결합될 수도 있고, 상기 베이스기판(700)으로부터 분리될 수도 있다. 상기 베이스기판(700)은 플라스틱 또는 목재 등 나사가 자유롭게 결합될 수 있는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 보다 큰 출력과 용량을 필요로 하는 전기/전자 기기의 경우 상기 스택(100)의 규격이 커지게 되므로 상기 베이스기판(700)은 충분한 면적을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 스택(100)의 규격이 변동되는 경우 상기 고정수단(160)이 베이스기판(700)과 결합하는 위치도 변경되므로, 상기 베이스기판(700)은 용이하게 고정 수단(160)이 결합될 수 있도록 형성되어야 한다. 상기 베이스기판(700)은 평면 형상이 다각형상, 원형상으로 형성될 수 있으며 사용환경에 따라 다양한 형상으로 형성될 수도 있음은 물론이다. 따라서, 여기서 상기 베이스기판(700)의 평면 형상을 한정하는 것은 아니다. Referring to FIG. 4, the
상기 주변장치(600)는, 도 1 및 도 4를 참조하면, 연료 공급부(200, 210, 300, 400)와 공기 공급부(500)를 구비한다. 상기 연료 공급부(200, 210, 300, 400)는 연료탱크(200), 원액펌프(210), 연료희석탱크(300) 및 연료공급펌프(400)를 포함하여 이루어진다.1 and 4, the
상기 연료탱크(200)는 연료전지 시스템에서 사용되는 연료의 원액이 저장되며, 일측으로 원액펌프(210)와 원액배관(220)이 순차적으로 연결되어 형성된다. 이 때, 상기 원액펌프(210)는 연료탱크(200)에 직접 연결될 수 있으며 별도의 배관(230)에 의하여 연결될 수 있음은 물론이다. 상기 연료탱크(200)는 사용되는 연료에 따라 메탈올, 에탄올과 같은 연료가 저장된다. 상기 연료탱크(200)는 카트리지 형 희석연료를 사용하는 경우 구비되지 않을 수도 있음은 물론이다.The
상기 원액펌프(210)는 원액배관(220)과 연결되며, 연료탱크(200)의 연료를 공급하게 된다. 상기 원액펌프(210)는 액체를 공급할 수 있는 다양한 펌프가 사용될 수 있으며, 여기서 그 종류를 한정하지 않는다.The
상기 연료희석탱크(300)는 연료탱크(200)로부터 공급되는 연료원액과 스택(100)의 애노드와 캐소드로부터 배출되어 공급되는 미반응 연료와 반응 부산물인 물을 혼합하여 소정 농도의 연료로 희석된 연료를 저장하며, 스택(100)으로 공급하게 된다. 다만, PEMFC의 경우 상기 연료희석탱크(300)는 구비되지 않을 수 있음은 상기에서 언급한 바와 같다. 상기 연료희석탱크(300)는 미반응연료 유입용 배관(125)을 통하여 스택(100)의 애노드로부터 미반응 연료를 유입하게 되며, 원액 배관(220)을 통하여 원액펌프(210)로부터 연료원액을 유입하게 되며, 물 유입관(145)을 통하여 상기 스택(100)으로부터 반응 부산물인 물을 유입하게 되며, 연료공급관(305)을 통하여 희석연료를 연료공급펌프(400)에 공급하게 된다.The
상기 연료공급펌프(400)는 일측으로 연료희석탱크(300)의 연료공급관(305)과 연결되며, 타측으로 연료배관(410)을 통하여 스택(100)의 애노드 측에 연결된다. 따라서, 상기 연료공급펌프(400)는 연료희석탱크(300)의 연료를 연료배관(410)을 통하여 스택(100)의 애노드 측에 공급하게 된다. 상기 연료공급펌프(400)는 원액펌프(210)와 같이 액체의 이송이 가능한 다양한 펌프가 사용될 수 있다.The
상기 공기공급부(500)는 스택(100)의 캐소드의 일측에 연결되어 공기를 강제로 공급하게 된다. 이 때, 상기 공기공급부(500)는 별도의 공기배관(510)을 통하여 캐소드와 연결될 수 있다. 상기 공기공급부(500)는 공기펌프, 에어블로어(air blower)등과 같이 다양한 공기공급수단이 적용될 수 있음은 물론이다.The
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작용에 대해 설명한다.Next, the operation of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 도 4를 참조하면, 스택(100), 주변 장치(600) 및 베이스기판(700)을 포함하여 이루어진다. 상기 스택(100)과 주변 장치(600)는 상기 베이스기판(700) 상에 위치하게 된다. 상기 스택(100)은 제 1체결수단(110) 내지 제 4체결수단(140)과 다수의 연결 통로를 통하여 상기 주변 장치(600)에 연결되어 있다. 상기 스택(100)은 상기 연료전지 시스템의 가동 중 상기 스택(100)에 고장이 발생할 수 있다. 이 경우, 상기 스택(100)은 제 1체결수단(110) 내지 제 4체결수단(140)을 통하여 상기 주변 장치(600)로부터 연결이 제거된다. 이 때, 상기 제 1체결수단(110) 내지 제 4체결수단(140)은 퀵 커플링 또는 피팅과 같이 용이하고 신속하게 연결을 제거할 수 있는 장치로 이루어져 있다. 그 후, 상기 스택(100)은 고정 수단(160)에 결합된 나사 등을 풀어 상기 베이스기판(700)으로부터 분리하게 된다. 분리된 스택(100)은 고장의 원인을 발견하고 그에 따라 수리하여 상기 연료전지 시스템에 재장착하거나, 또는 새로운 스택(100)이 장착될 수 있다. 상기 스택(100)의 장착은 상기에서 언급한 분리 절차의 역순을 따라 이루어질 수 있다. 따라서, 고장의 원인이 상기 스택(100)에만 있는 경우 상기 연료전지 시스템 전체를 교환하지 않고서도 스택(100)만 양품으로 교환함으로써 연료 전지 시스템을 재가동 할 수 있다. 즉, 상기 주변 장치(600)는 별도의 교환 없이 그대로 반영구적으로 사용할 수 있게 된다.Referring to FIG. 4, a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a
또한, 상기 연료전지 시스템은 특정한 전압을 필요로 하는 전기/전자 장치를 사용하다가, 보다 높은 전압 또는 보다 낮은 전압을 필요로 하는 전기/전자 장치를 사용할 필요가 발생하는 경우 유연하게 대처할 수 있다. 먼저, 상기 스택(100)은 제 1체결수단(110) 내지 제 4체결수단(140)을 통하여 상기 주변 장치(600)로부터의 연결이 제거된다. 그 후, 상기 스택(100)은 고정 수단(160)에 결합된 나사 등을 풀어 상기 베이스기판(700)으로부터 분리된 후, 사용하고자 하는 전기/전자 장치의 정격 전압에 대응되는 스택(100)이 재장착된다.In addition, the fuel cell system can flexibly cope with the necessity of using an electric / electronic device requiring a specific voltage and using a higher voltage or a lower voltage. First, the
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.As described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and any person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Various modifications are possible, of course, and such changes are within the scope of the claims.
본 발명에 따른 연료전지 시스템에 의하면, 연료전지용 스택을 교환할 수 있도록 카트리지형으로 제조함으로써 연료전지 시스템의 교환 없이 스택만 교환하여 다양한 출력과 용량을 필요로 하는 여러 전기/전자 기기에 적용할 수 있으며, 고장 확률이 높은 스택을 시스템으로부터 분리하여 수리 또는 교환의 편의성을 높일 수 있는 효과가 있다. According to the fuel cell system according to the present invention, the fuel cell stack is manufactured in a cartridge type so that the fuel cell stack can be replaced, and thus the stack can be applied to various electric / electronic devices requiring a variety of outputs and capacities without replacing the fuel cell system. In addition, the stack having a high probability of failure can be separated from the system to increase the convenience of repair or replacement.
또한, 본 발명의 연료전지 시스템은 하나의 주변 장치로 다양한 전기/전자 기기에 적용할 수 있으며, 보다 적은 비용으로 여러 경우에 유연하게 대처할 수 있어 소비자의 구매의욕을 상승시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the fuel cell system of the present invention can be applied to various electric / electronic devices as one peripheral device, and can flexibly cope with various cases at a lower cost, thereby increasing the consumer's purchase desire.
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KR (1) | KR20070042814A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US12046737B2 (en) | 2022-11-23 | 2024-07-23 | Carbon Energy Inc. | Method, apparatus and system for capturing carbon using fuel cell |
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2005
- 2005-10-19 KR KR1020050098798A patent/KR20070042814A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US12046737B2 (en) | 2022-11-23 | 2024-07-23 | Carbon Energy Inc. | Method, apparatus and system for capturing carbon using fuel cell |
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