KR0123735B1 - 인산형 연료전지 - Google Patents

인산형 연료전지

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Abstract

본 발명은 운전시간의 경과에 따른 전해질의 감소분을 간단하고도 편리한 방법으로 보충해 주는 전해질 저장소를 구비한 인산형 연료전지에 관한 것이다. 즉, 인산 전해질을 보유하는 매트릭스, 기체확산전극으로 되는 양극과 음극으로 구성되는 단위전지가 분리판을 개재하여 복수로 적층된 인산형 연료전지에 있어서, 상기 분리판에 내인산성의 친수성 재료 및 인산을 필수 구성성분으로 하는 조성물이 충전된 전해질 저장소가 설치된 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지에 의하면, 매트릭스내 인산이 항상 적절한 수준으로 유지되는 것이 가능하기 때문에, 연료전지의 성능 열화를 억제하여 장기 성능 안정화에 기여할 수 있으며, 반응기체인 수소와 산소의 직접 반응을 방지하여 폭발 위험성을 배제시킬 수 있으므로 연료전지 시스템 안정성 향상에도 효과가 있다. 또한, 인산 전해질 공급을 위한 외부장치가 필요없으므로 연료전지 시스템을 소형화시킬 수 있고 인산에 의한 연료전지 부품의 부식을 억제할 수 있어 수명을 연장시킨다는 효과도 있다.

Description

인산형 연료전지
제1도는 통상적인 인산형 연료전지의 작동원리를 설명하는 모식도이고,
제2도는 본 발명에 따라 전해질 저장소가 설치된 인산형 연료전지의 구성을 보여주는 모식도이고,
제3도는 본 발명의 연료전지에서 전해질 저장소의 동작을 보여주는 모식도로서, (a)는 매트릭스내에 인산이 과다하게 존재할 경우, (b)는 매트릭스내에 인산이 부족할 경우 인산 전해질의 흐름을 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 분리판 2 : 양극(수소극)
3 : 음극(산소극) 4 : 매트릭스
5 : 부하 A : 분리판
B : 기체 유통로 C : 인산저장소
D : 내인산성의 친수성 재료와 인산의 혼합물
E : 매트릭스
본 발명은 인산형 연료전지에 관한 것으로서, 상세하게는 운전시간의 경과에 따른 전해질의 감소분을 간단하고도 편리한 방법으로 보충해 주는 전해질 저장소를 구비함으로써, 장기간에 걸친 연료전지의 성능저하를 억제하고 안전성을 확보할 수 있는 인산형 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 갖고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다. 전기 에너지가 연소 등이 아닌 전기화학반응에 의하여 발생되므로 열효율이 높을 뿐 아니라 환경오염원의 생성이 적고 소음 등의 발생이 없다는 장점이 있는 반면, 고온에서 동작하는데 따르는 전해질의 증발 및 재료의 열화 등과 같은 단점도 있다. 이러한 연료전지는 전력용발전설비, 항공우주기지의 전원, 해상 또는 해안에 있어서의 무인시설의 전원, 고정 또는 이동무선의 전원, 자동차용 전원, 가정용 전기기구의 전원 또는 레저용 전기기구의 전원 등으로 관심있게 검토되고 있다.
연료전지를 전해질형에 따라 분류하면, 200℃ 부근에서 작동되는 인산형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 작동되는 알칼리 전해질형 연료전지, 고온(약 500 내지 700℃)에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동되는 고체 전해질형 연료전지 등이 있다.
이중에서 가장 상품화에 근접한 것이 인산형 연료전지인데, 양극(수소극) 및 음극(산소극), 이들 사이에서 전해질을 함유 지지하는 매트릭스로 구성된다. 인산형 연료전지의 활성전극성분은 백금 및 백금계 합금으로서 결합제인 테프론(polytetrafluoroethylene : PTFE)과 함께 표면적이 큰 카본기재위에 담지(impregnation)되어 형성되는데, 다공성의 카본기재가 구조적 지지체 역할을 한다. 전해질 매트릭스는 미세 실리콘 카바이드 등의 분말에 결합제로서 테프론 등의 플루오로카본계 수지를 혼합하여 형성되는 매트릭스에, 수소 양이온 운반 매질을 제공하는 전해질로소 진한 인산을 함침시켜 형성된다.
제1도는 통상적인 인산형 연료전지의 작동원리를 설명하는 모식도이다. 단위전지는 전해질로서 인산을 보유하는 다공질의 절연재로 되는 매트릭스(4), 기체확산전극인 양극(2) 및 음극(3)으로 구성되는데, 이러한 단위전지가 분리판(1)을 개재하여 복수로 적층됨으로써 전지를 형성하게 된다. 양극(2)으로 수소가 공급되어 기체확산전극을 통과하면서 백금계 촉매에 의해 수소 양이온과 전자로 분리되고, 수소 양이온은 산소가 공급되는 음극(3)으로 전해질을 통하여 이동한다. 역시 기체확산전극으로 된 음극(3)에서는 외부 회로를 통하여 양극에서 발생한 전자가 전달되고 산소가 공급되는데, 수소 양이온과 산소가 전기화학적으로 반응하여 물이 생성된다. 이때 양극(2)과 음극(3)을 연결한 외부 전선으로 전자가 흐르게 되면서 전기를 발생시키게 되는 것이다.
종래 인산형 연료전지는 전지운전중에 인산 전해액이 증발되거나, 밀봉부분으로부터 누출되거나, 기체의 유통에 따라 비산된다든가 하는 이유로 감소되어 매트릭스내에 전해질이 부족하게 되는 문제가 있다. 전해질이 부족하게 되면 연료전지의 내부저항이 증가되고 반응기체의 크로스오버(Cross-over)현상이 일어나서 전지의 성능이 현격히 저하될 뿐 아니라, 반응기체의 직접 반응에 의하여 폭발 등이 일어날 수도 있다는 안전성 문제도 발생되게 된다. 따라서 연료전지를 장시간 동안 성능의 열화가 적으면서도 안전하게 운전하려면 필요할때마다 전해질을 보충해 줄것이 요구된다. 반면에 전해질이 과다하게 존재하게 되면 전극의 플러딩(flooding)현상이 발생하여 역시 전지성능이 저하되므로, 이 경우에는 전해질을 효과적으로 제거하여 줄것이 요구된다.
종래의 연료전지에 있어서는 인산 전해질의 감소를 방지하기 위하여 각 분리판의 일면에 인산을 보급해주는 저장소(reservoir)를 설치하여 각 셀의 매트릭스에 인산을 보급해주는 구성으로 되어 있다. 이러한 구성에 있어서는 보급할 수 있는 인산의 양이 분리판에 설치된 저장소의 용적에 제한을 받게 되는데, 연료전지의 수명으로서 현재 요구되는 40,000시간 이상의 장시간 동안 소실되는 인산을 보급해주기 위해서는 대용적의 저장소를 설치할 것이 요구되며, 이에 따라 분리판 뿐 아니라 전지 전체를 대형화하지 않으면 안된다는 결점이 있다.
상기와 같은 종래의 연료전지의 결점을 해소하기 위한 방법으로서 일본국 공개특허공보 소58-165265호에서는 분리판에 설치된 저장소에 인산을 외부로부터 보급해주는 것에 의하여 장시간 동안 매트릭스에 인산이 보충되도록 하는 방법을 개시하고 있다. 또한 일본국 공개특허공보 소58-164152호에서는 인산을 초음파 진동장치 등을 이용하여 안개화시킨 후 송풍기를 통해 연료기체 공급 파이프로 보내어 전지내로 공급하는 방법을 개시하고 있기도 하다.
그러나 상기 선행 기술중, 인산을 안개화시켜 전지 내부로 보내는 방법은, 안개화된 인산이 연료공급 파이프나 매니홀드 등 원하지 않는 부위에 응축되어 연료전지 부품을 부식시켜 전지의 수명이 단축될 우려가 있다. 또한 분리판에 인산 저장소를 설치하여 외부로부터 인산을 공급하는 방법은, 인산의 밀봉이 불완전할 경우에는 인산이 외부로 누출되어 연료전지 부품을 부식시킬 위험이 있을 뿐 아니라, 인산이 과다하게 공급되어 플러딩현상에 의하여 전지성능이 저하될 가능성도 있다. 게다가 상기의 두가지 방법은 모두 인산공급을 위하여 외부장치가 필요하기 때문에 연료전지 시스템 전체가 대형화 된다는 문제도 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 고려하여, 인산형 연료전지에 있어서 전해질의 감소로 인한 성능 열화를 억제하기 위하여 전해질을 보급하되, 연료전지 구성부품의 부식위험성 및 전해질의 플러딩현상을 야기하지 않으면서도, 외부장치를 설치하지 않고 보다 간단하고 효율적으로 전해질을 안정하게 보급할 수 있도록 구성된 인산형 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인산형 연료전지는 인산 전해질을 보유하는 매트릭스, 기체확산전극으로 되는 양극과 음극으로 구성되는 단위전지가 분리판을 개재하여 복수로 적층된 인산형 연료전지에 있어서, 상기 분리판에 내인산성의 친수성 재료 및 인산을 필수 구성성분으로 하는 조성물이 충전된 전해질저장소가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기에서 내인산성의 친수성 재료로서는 탄화규소(SiC) 분말 또는 휘스커 결정, 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3) 및 산화주석(SnO2) 등으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 사용하는 것이 바람직하고, 이들 내인산성의 친수성 재료와 인산의 혼합비는 중량비로서 1 : 1 내지 10인 것이 바람직하다. 또한, 상기 전해질 저장소는 발수성의 재료로 코팅 처리하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 인산형 연료전지의 각 분리판에 전해질 저장소를 설치하여 인산을 내인산성의 친수성 재료와 혼합하여 충전시킴으로써, 매트릭스내 인산 양의 부족 또는 과다에 따라 전해질 저장소내의 인산이 모세혈관현상에 의하여 공급되거나 또는 매트릭스내 인산을 회수하여 저장할 수 있도록 한 것이다.
이하 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따라 전해질 저장소가 설치된 인산형 연료전지의 구성을 보여주는 모식도이다. 분리판(A)에는 기체 유통로(B)가 있어 수소 및 산소 등의 기체가 유통된다. 분리판(A) 윗면에 홈을 파서 인산 전해질 저장소(C)를 설치하는데, 이때 홈의 깊이는 폭보다 작게 한다. 다음에는 인산 전해질이 분리판(A)에 흡수되지 않도록 하기 위하여 저장소(C)를 발수제로 코팅처리하는 것이 바람직한데, 이때 발수제로는 PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 또는 FEP(불화에틸렌프로필렌)을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 이어서 내인산성의 친수성 재료로서 탄화규소(SiC) 분말 또는 휘스커 결정, 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3) 및 산화주석 (SnO2) 등으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를, 85% 이상의 강인산과 중량비로서 1 : 1 내지 10의 비율로 혼합된다. 상기 내인산성의 친수성 조성물(D)을 앞서 설치한 저장소(C) 홈에 충전하여 본 발명의 인산형 연료전지를 제작한다.
제3도는 본 발명의 연료전지에서 전해질 저장소의 동작을 보여주는 모식도로서, (a)는 매트릭스내에 인산이 과다하게 존재할 경우, (b)는 매트릭스내에 인산이 부족할 경우 인산 전해질의 흐름을 나타낸다. 제3도(a)에서와 같이, 매트릭스(E)내에 인산 전해질이 과다하게 존재할 경우에는 매트릭스(E)내의 인산 전해질이 모세관현상에 의해 인산 저장소(C) 홈내로 이동하게 되고, 반대로 (b)에서와 같이 매트릭스(E)내에 인산 전해질이 부족하게 되면, 인산 저장소(C) 홈내의 인산 전해질이 모세관현상에 의해 매트릭스(E)로 이동하게 된다.
즉, 본 발명의 전해질 저장소가 설치된 연료전지에 있어서는 , 인산 전해질이 매트릭스내에서 플러딩되는 일이 없이 전해질 저장소로부터 항상 적절한 수준으로 공급될 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 인산형 연료전지의 분리판에 전해질 저장소로서 홈을 형성하여 내인산성의 친수성 재료와 인산의 혼합물을 충전시킨 본 발명의 연료전지에 의하면, 매트릭스내 인산이 항상 적절한 수준으로 유지되는 것이 가능하기 때문에, 전해질 부족으로 인한 내부저항의 증가 및 전해질 과다에 의한 플러딩현상에 따른 반응 면적의 감소를 방지할 수 있게 되고, 이에 따라 연료전지의 성능 열화를 억제하여 장기 성능 안정화에 기여할 수 있다. 또한 반응기체인 수소와 산소의 직접 반응을 방지하여 폭발 위험성을 배제시킬 수 있으므로 연료전지 시스템 안정성 향상에도 효과가 있다. 더욱이 본 발명의 연료전지는 인산 전해질 공급을 위한 외부장치가 필요없으므로, 연료전지 시스템을 소형화시킬 수 있게 될 뿐 아니라, 인산에 의한 연료전지 부품의 부식을 억제할 수 있기 때문에 수명을 연장시킨다는 효과도 있다.

Claims (5)

  1. 인산 전해질을 보유하는 매트릭스, 기체확산전극으로 되는 양극과 음극으로 구성되는 단위전지가 분리판을 개재하여 복수로 적층된 인산형 연료전지에 있어서, 상기 분리판에 내인산성의 친수성 재료 및 인산을 필수 구성성분으로 하는 조성물이 충전된 전해질 저장소가 설치된 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지.
  2. 제1항에 있어서, 내인산성의 친수성 재료가 탄화규소(SiC) 분말 또는 휘스커 결정, 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3) 및 산화주석(SnO|2)로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 내인산성의 친수성 재료와 인산의 혼합비가 중량비로서 1 : 1내지 10인 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지.
  4. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질 저장소가 발수성의 재료로 코팅처리되는 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 발수성의 재료가 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 불화에틸렌프로필렌(FEP)인 것을 특징으로 하는 인산형 연료전지.
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