KR100446781B1

KR100446781B1 - 연료전지의 혼합전극 구조

Info

Publication number: KR100446781B1
Application number: KR10-2002-0045070A
Authority: KR
Inventors: 조태희; 박명석; 최홍; 김철환; 이명호; 황용준; 고승태; 허성근
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2004-09-07
Also published as: KR20040011288A

Abstract

본 발명은 연료전지의 혼합전극 구조에 관한 것으로, 본 발명은 전해질막을 사이에 두고 연료극과 공기극을 적층하여 이 연료극과 공기극의 바깥면에 공급하는 연료와 공기가 상기한 연료극과 공기극을 통과하면서 물과 함께 전기를 생성하도록 하는 연료전지에 있어서, 연료극은 전극부를 적어도 두 개 이상으로 분리하고 그 각각의 전극부를 서로 다른 물질로 적층하여 형성함으로써, 제1 전극부에서 반응중에 발생하는 수소기체를 제2 전극부에서 재활용할 수 있고 이를 통해 연료전지스택의 성능을 높이는 동시에 연료의 이용효율을 높일 수 있다.

Description

연료전지의 혼합전극 구조{ELECTRODE STRUCTURE FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 에너지 발생시스템에 관한 것으로, 특히 B화합물(BH₄)을 연료로 하는 연료전지 시스템(BFC; Boron Fuel Cell)에서 연료의 이용효율을 높일 수 있는 연료전지의 혼합전극 구조에 관한 것이다.

인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석 연료에서 얻고 있다. 그러나 이러한 화석 연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 등의 문제점이 있었다.

연료전지는 이러한 화석 연료의 대안으로 제시하는 것으로 통상의 전지(2차 전지)와는 달리 음극(anode)에 연료(수소가스나 탄화수소)를, 양극(cathode)에 산소를 외부로부터 공급하여 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기와 열을 발생하는 전지계로서 실제로는 발전장치라고 볼 수 있다.

연료전지에 의한 발전 방법은 연료의 연소(산화)반응을 거치지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환하는 방법이다.

연료전지를 전해질의 유형에 따라 분류하면, 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 60 ~ 110℃에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 상온 ~ 80 ℃에서 작동하는 고분자 전해질 연료전지, 약 500 ~ 700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 등이 있다.

이러한 연료전지는 도 1에서와 같이 통상 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극(12)과 공기극(13)을 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 수용액 상태의 수소화붕소((BH₄), 실제로는 수소화붕소나트륨(NaBH₄))을 상기한 연료극(12)에 공급하는 연료공급부(20)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극(13)에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(40)를 포함하고 있다.

연료전지스택(10)은 다수 개의 단위셀(single cell)을 적층하여 각각의 단위셀(11)을 긴 체결볼트로 관통 조립하는 것으로, 각 단위셀은 전해질막(11)과, 이 전해질막(11)을 사이에 두고 양측에 고온 고압으로 압착하여 일체로 적층하는 연료극(12)과 공기극(13), 그리고 이 연료극(12)과 공기극(13)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(12)과 공기극(13)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판(separator, 또는 bipolar plate)(14,15)으로 이루어져 있다. 양쪽 끝 단위셀의 바깥면에는 집전전극을 형성하는 집전판(current collector)(16,17)으로 구성하고 있다.

전해질막(11)은 H⁺를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막을 사용하고 있다.

연료극(12)과 공기극(13)은 한 개의 지지체와 이 지지체의 양측면 전체를 적층하는 한 개의 촉매층으로 구성하되 지지체는 금속성의 니켈폼으로 형성하고, 촉매층은 수소저장합금(MH)계열의 금속을 코팅하여 사용하는 것이 바람직하다.

분리판(14,15)은 도 2에서와 같이 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트(graphite)와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(12)과 공기극(13)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(fuel channel)(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(air channel)(Co)를 형성하고 있다. 또, 단위셀들 사이에 설치하는 분리판(14,15)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택(10)의 양측 단부에 설치하는 분리판(14,15)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성하고 있다.

집전판(16,17)은 연료전지스택(10)에서 최종적으로 전기에너지를 취출하기 위한 것으로 통상적인 터미널로서 사용하는 구리재질 등의 전기전도체로 형성하고 있다.

도면중 미설명 부호인 21은 연료공급관, 22는 연료통, 23은 연료펌프, 31은 공기공급관, 32는 공기펌프, M은 멤브레인 조립체이다.

상기와 같은 종래 연료전지스택에 B화합물을 연료로 공급할 때 전기에너지가 발생하는 과정은 다음과 같다.

즉, 분리판(14,15)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)에 공급한 연료와 공기는 각각 연료극(음극,anode)(12)과 공기극(양극,cathode)(13)을 통과하고, 이 과정에서 연료중의 수소가 공기중의 산소와 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 아울러 두 전극 사이에서 전류를 발생한다.

이를 보다 상세히 살펴 보면, 연료극(12)측에서는 연료에서 전기화학적 산화반응인

BH₄ ^-+ 8OH^-→BO₂ ^-+ 6H₂O+ 8e^-이 발생하여 전해질막(11)에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,

공기극(13)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인

2O₂+ 4H₂O+ 8e^-→8OH^-이 발생한다.

이에 따라 연료극(12)과 공기극(13)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 다수개의 단위셀을 적층한 연료전지스택(10)의 양단에 설치한 집전판(16,17)을 통하여 출력하며, 집전판(16,17)에서 출력하는 전류는 부하로 공급하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지스택에 있어서는, 도 2 내지 도 4에서와 같이 연료극(12)을 단일체로 형성하고 있으나 연료전지스택(10)의 내부에 서로 다른 두 종류 이상의 반응물질이 존재할 경우 전극 특성이 다르기 때문에 이 두 물질을 효율적으로 활용하지 못하는 한계가 있었고, 특히 BFC의 경우 수소저장합금으로 된 전극을 사용하면 반응중에 발생하는 수소를 효율적으로 활용하지 못하고 그대로 배출되어 연료를 효율적으로 활용하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 연료전지스택의 내부에 존재할 수 있는 여러 반응물질을 효율적으로 활용함과 아울러 BFC의 경우 반응중에 발생하는 수소를 보다 효율적으로 활용할 수 있는 연료전지의 혼합전극 구조를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 계통도.

도 2는 종래 연료전지스택의 일부를 보인 분해사시도.

도 3 및 도 4은 종래 연료전지스택의 엠이에이(MEA)에 대한 일례를 보인 종단면도 및 정면도.

도 5는 본 발명 연료전지스택의 일부를 보인 사시도.

도 6 및 도 7은 본 발명 연료전지스택의 엠이에이(MEA)에 대한 일례를 보인 종단면도 및 정면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

110 : 전해질막 120 : 연료극

121 : 제1 전극부 122 : 제2 전극부

130 : 공기극

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 전해질막을 사이에 두고 연료극과 공기극을 적층하여 이 연료극과 공기극의 바깥면에 공급하는 연료와 공기가 상기한 연료극과 공기극을 통과하면서 물과 함께 전기를 생성하도록 하는 연료전지에 있어서, 연료극은 전극부를 적어도 두 개 이상으로 분리하고 그 각각의 전극부를 서로 다른 물질로 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 혼합전극 구조를 제공한다.

또, 고분자 전해질막을 사이에 두고 그 양측에 연료극과 공기극을 각각 적층하며 연료극에는 수용액 상태의 수소화붕소(BH₄)를 공급하는 반면 공기극으로는 공기를 공급하여 그 연료와 공기가 상기한 연료극과 공기극을 통과하면서 물과 함께 전기를 생성하도록 하는 연료전지에 있어서, 연료극은 수소저장합금을 촉매층으로 형성하는 제1 전극부와, 백금을 촉매층으로 형성하는 제2 전극부로 분리 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 혼합전극 구조를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 혼합전극 구조를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명 연료전지스택의 일부를 보인 사시도이고, 도 6 및 도 7은 본 발명 연료전지스택의 엠이에이(MEA)에 대한 일례를 보인 종단면도 및 정면도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지스택은 전해질막(110)을 사이에 두고 연료극(120)과 공기극(130)을 배치하되 연료극(120)은 적어도 2개 이상 서로 다른 물질로 된 복수 개의 전극부(121)(122)로 이루어진 것이다.

전해질막(110)은 H⁺를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막을 사용한다.

연료극(120)과 공기극(120)은 지지체와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층으로 이루어진다.

그 중 연료극(120)은 지지체와 촉매층을 각각 복수 개로 분리 형성한 제1 전극부(121)와 제2 전극부(122)로 이루어진다. 제1 전극부(121)는 수용액 상태의 BH₄를 연료로 사용할 수 있도록 지지체를 금속성의 니켈폼으로 형성하고 촉매층을 수소저장합금으로 형성한다. 또, 제2 전극부(122)는 제1 전극부(121)를 거치면서 생성한 수소기체를 연료로 사용할 수 있도록 지지체는 다공성 카본페이퍼 또는 카본크로스로 형성하고 촉매층은 백금을 사용한다.

제1 전극부(121)는 상기한 제2 전극부(122)에 앞서 연료(수용액 상태의 BH₄)와 접촉하도록 후술할 분리판(140)의 연료유로(Cf) 입구에 대응하도록 형성하는 것이 바람직하다. 또, 제1 전극부(121)를 거치면서 발생하는 수소기체의 양이 처음 공급하는 연료의 양 보다 적은 것을 감안할 때 상기한 제1 전극부(121)의 표면적을제2 전극부(122)의 표면적 보다 넓게 형성하는 것이 바람직하다.

제1 전극부(121)와 제2 전극부(122)는 평면상에 연이어 배치하되 제1 전극부(121)를 거친 연료가 곧바로 제2 전극부(122)를 연속하여 통과하도록 각 전극부(121)(122)의 대응면이 서로 접하도록 배치한 상태에서 양측면을 분리판(140) 등으로 연속 압착하여 고정하는 것이 바람직하다.

공기극(130)은 연료극(120)과 마찬가지로 복수 개의 전극부로 형성할 수도 있으나 생산성 측면을 고려할 때 한 개의 지지체와 그 지지체의 양측면에 적층하는 한 개의 촉매층으로 형성하는 것이 바람직하다.

또, 공기극(130)은 연료극(120)의 제1 전극부(121)와 마찬가지로 금속성의 니켈폼으로 지지체를, 수소저장합금으로 촉매층을 형성할 수도 있고, 제2 전극부(122)와 마찬가지로 다공성 카본페이퍼 또는 카본크로스로 지지체를, 백금으로 촉매층을 형성할 수도 있다.

분리판(140)(140)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트(graphite)와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(120)과 공기극(130)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(fuel channel)(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(air channel)(Co)를 형성한다. 또, 단위셀들 사이에 설치하는 분리판(140)(140)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택의 양측 단부에 설치하는 분리판(140)(140)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성한다.

집전판(미도시)은 연료전지스택에서 최종적으로 전기에너지를 취출하기 위한것으로 통상적인 터미널로서 사용하는 구리재질 등의 전기전도체로 형성한다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 혼합전극 구조는 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

즉, 연료극(120)으로는 수용액 상태의 수소화붕소나트륨(NaBH₄)을 공급하는 동시에 공기극(130)으로는 산소를 포함한 공기를 공급하여 연료극(120)의 제1 전극부(121)에서는 전해질막(110)과 반응하면서 이온을 형성한다. 이온은 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 연료극(120)의 제1 전극부(121)에서 전자가 생성하여 공기극(130)으로 이동하면서 전기를 발생시키는 한편, 이 과정에서 새로이 생성한 수소기체는 다시 제2 전극부(122)를 통과하면서 전해질막(110)과 반응하여 이온을 형성하고 이 이온이 역시 전기화학적 반응을 일으키면서 물을 생성함과 함께 전자를 이동시켜 전기를 발생시킨다.

이를 보다 상세히 살펴 보면, 연료극(120)의 제1 전극부(121)측에서는 전기화학적 산화반응인

BH₄ ^-+ 8OH^-→ BO₂ ^-+ 6H₂O+ 8e^-이 발생하여 전해질막(110)에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,

공기극(130)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인

2O₂+ 4H₂O+ 8e^-→ 8OH^-이 발생한다.

이러한 반응을 지속하는 과정 중에 연료극(120)의 제1 전극부(121)측에서는 2H₂O+ NaBH₄→NaBO₂+ 4H₂와 같은 부반응이 발생하면서 연료(NaBH₄수용액)에서 수소기체가 발생한다.

이 수소기체는 다시 제2 전극부(122)를 통과하면서 제1 전극부(121)에서 생성한 H₂의 전기화학적 산화반응

H₂→2H⁺+ 2e^-

이 발생되고, 전해질막(110)에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하게 되며, 공기극(130)에서는 공급된 공기(산소)의 전기화학적 환원반응

4H⁺+ O₂+4e^-→2H₂O

이 발생한다.

이에 따라 연료극(120)과 공기극(130)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 다수개의 단위셀을 적층한 연료전지스택의 양단에 설치한 집전판(미도시)을 통하여 출력하며, 집전판에서 출력하는 전류는 부하로 공급한다.

이렇게 하여, 연료로 수소화붕소(BH₄, 정확하게는 수소화붕소나트륨)을 공급할 때 부반응으로 생성하는 수소기체를 재활용함으로써,

제1 전극부(121)에서는

BH₄ ^-+ 2O₂ → 2H₂O+ BO₂ ^-의 반응중에 1.64V의 전압을 얻고

제2 전극부(122)에서는

2H₂+ O₂→ 2H₂O 의 반응중에 1.23V의 전압을 얻어

총 2.87V의 전압을 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 혼합전극 구조는, 연료극을 서로 다른 물질로 된 복수 개의 전극부로 분리 형성함으로써, 제1 전극부에서 반응중에 발생하는 수소기체를 제2 전극부에서 재활용할 수 있고 이를 통해 연료전지스택의 성능을 높이는 동시에 연료의 이용효율을 높일 수 있다.

Claims

전해질막을 사이에 두고 연료극과 공기극을 적층하여 이 연료극과 공기극의 바깥면에 공급하는 연료와 공기가 상기한 연료극과 공기극을 통과하면서 물과 함께 전기를 생성하도록 하는 연료전지에 있어서,

연료극은 전극부를 적Z어도 두 개 이상으로 분리하고 그 각각의 전극부를 서로 다른 물질로 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 혼합전극 구조.
제1항에 있어서,

연료극은 전극부의 표면적을 서로 다르게 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 혼합전극 구조.
제2항에 있어서,

연료극은 연료와 처음 접촉하는 전극부의 표면적을 나중에 접촉하는 전극부의 표면적 보다 넓게 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 혼합전극 구조.
제1항 내지 제3항에 있어서,

연료극은 서로 다른 전극부를 서로 접하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 혼합전극 구조.
고분자 전해질막을 사이에 두고 그 양측에 연료극과 공기극을 각각 적층하며 연료극에는 수용액 상태의 수소화붕소(BH₄)를 공급하는 반면 공기극으로는 공기를 공급하여 그 연료와 공기가 상기한 연료극과 공기극을 통과하면서 물과 함께 전기를 생성하도록 하는 연료전지에 있어서,

연료극은 수소저장합금을 촉매층으로 형성하는 제1 전극부와, 백금을 촉매층으로 형성하는 제2 전극부로 분리 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 혼합전극 구조.
제5항에 있어서,

연료극은 제1 전극부의 표면적을 제2 전극부의 표면적 보다 넓게 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 혼합전극 구조.
제5항 또는 제6항에 있어서,

연료극은 제1 전극부와 제2 전극부를 서로 접하도록 연속 배치하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 혼합전극 구조.