KR100550955B1 - 가습막 일체형 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체 - Google Patents

가습막 일체형 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가습막 일체형 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체에 관한 것으로서, 특히, 막-전극-가스켓 접합체에 가습용 막이 일체화됨으로써, 연료전지의 성능과 효율을 향상시킬 수 있으며, 연료전지의 부대비용과 부피를 줄일 수 있어, 생산비용이 절감될 수 있는 가습막 일체형 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체에 관한 것이다.

Description

가습막 일체형 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체{Membrane-Electrode-Gasket Assembly including Membrane Humidifier for fuel cell}
도 1은 종래의 연료전지 용 막-전극-가스켓 접합체를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가습막 일체형 연료전지 용 막-전극-가스켓 접합체를 도시한 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 막-전극 접합체(MEA) 200 : 가스켓
300 : 연료기체 입구부 350 : 연료기체 출구부
400 : 산화제 입구부 450 : 산화제 출구부
500 : 냉각수 입구부 550 : 냉각수 출구부
600 : 가습용 막 610 : 연료기체 이동통로
630 : 산화기체 이동통로
본 발명은 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체에 관한 것으로서, 특히, 가습용 막이 일체화된 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료인 수소와 산화제인 공기 중의 산소의 전기화학적 반응에 의하여 화학적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치이다.
연료전지는 작동온도 및 전해질의 종류에 따라 알칼리형(AFC), 인산형(PAFC), 용융탄산염 (MCFC), 고체산화물(SOFC) 및 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로 분류된다. 상기 여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC)는, 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 전해질의 증발 위험이 없으며, 단위 면적 당 높은 전류밀도를 얻을 수 있어 타 연료전지에 비하여 출력특성이 월등히 높고 작동 온도가 낮을 뿐 아니라 빠른 시동 및 응답 특성을 갖는다. 이러한 PEMFC 용 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, 이하 MEA)는 촉매와 기체 확산층으로 구성된 전극과 이온 전도성의 고분자 전해질막을 접합한 형태로 구성된다. MEA는 이미 여러 방법을 통하여 기술개발이 이루어져 있는 상태이며, 특히, PEMFC 용 MEA 제조 시 MEA 주위를 테플론과 같은 가스켓용 고분자물질을 부착하여 막-전극-가스켓 접합체(Membrane Electrode-Gasket Assembly, 이하 MEGA)가 사용되고 있다. 이러한, 연료전지 용 막-전극-가스켓 접합체로써, 한국 공개특허 공개번호 제 2003-0055752호의 공보에 제시되어 있다.
한편, 일반적인 종래의 연료전지 용 MEGA를 개략적으로 도 1에 도시하였다. 도 1에 도시한 바와 같이, MEA(100)는 백금 또는 백금-루테늄계 촉매와 탄소종이 도는 탄소천 재질의 기체 확산층으로 구성된 전극과 퍼플루오르 설퍼닉 액시드계 이온 전도성의 고분자 전해질막을 접합한 형태로 구성된다. 이렇게, 구성된 MEGA의 애노드(anode)에는 연료기체, 즉, 수소는 연료기체 입구부(300)로 공급되어 MEA(100)를 지나 연료기체 출구부(350)로 배출된다. 캐소드(cathode)의 산화기체, 즉 산소 혹은 공기는 산화제 입구부(400)로 공급되어 MEA(100)를 지나 산화제 출구부(450)로 배출된다. 냉각수는 MEA(100)를 직접 거치지는 않으나 이 MEA(100)를 지지하는 분리판을 통과하는데 냉각수 입구부(500)에서 공급되어 냉각수 출구부(550)로 배출된다.
PEMFC의 전해질막은 일정 수분을 함유하여야 이온전도성이 높아져 연료전지의 출력을 높일 수 있기 때문에 외부형 가습기를 두거나 막 가습기를 두어 반응기체들이 70 ∼ 90도의 열과 80% 이상의 상대습도를 가지고 공급될 수 있도록 구성되어 있다.
그러나, 전술한 구성의 연료전지용 MEA 또는 MEGA는 다음과 같은 문제가 있다.
연료전지 자동차 등의 동력원으로 사용되는 PEMFC는 수분을 공급하여야만 출력효율을 높일 수가 있기 때문에 외부형 가습기를 두거나 스택모듈 내에 별도의 MEA 대신 가습용 막이 장착된 막 가습부를 두기 때문에 부대비용과 부피를 차지하며, 연료전지의 열회수율이 낮은 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 연료전지의 성능과 효율을 향상시킬 수 있으며, 연료전지의 부대비용과 부피를 줄일 수 있어, 생산비용이 절감될 수 있는 가습막 일체형 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체를 제공하 는데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지용 가습막 일체형 MEGA는 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체에 있어서, 상기 막-전극-가스켓 접합체에는 캐소드의 산화기체가 공급되고 배출되는 산화제 입ㆍ출구부가 각각 형성되고, 애노드의 연료기체가 공급되고 배출되는 연료기체 입ㆍ출구부가 각각 형성되되, 상기 막-전극-가스켓 접합체에는 가습용 막이 일체화된다.
전술한 구성에서, 상기 가습용 막과 상기 막-전극 접합체 사이에는, 상기 산화기체가 상기 막-전극 접합체에 공급되고 미반응 산화기체가 가습용 막에 공급될 수 있도록 산화기체 이동통로와, 상기 연료기체가 가습용 막을 지나 열과 수분을 공급받은 후 상기 막-전극 접합체로 이동 될 수 있도록 연료기체 이동통로가 각각 형성되는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 캐소드에서 생성된 열과 수분을 미반응 산화기체에 의해 가습용 막에 공급하고, 가습용 막은 이러한 열과 수분을 애노드 연료기체에 공급하는 구조를 가짐으로써, 연료전지의 성능과 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 막-전극-가스켓 접합체에 가습용 막이 일체화되어 있으므로, 연료전지의 가습을 위한 부대비용과 부피를 줄일 수 있어, 생산비용이 절감될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
참고적으로, 이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성 에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 하고 별도의 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가습막 일체형 연료전지 용 막-전극-가스켓 접합체를 도시한 개략도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체에 있어서, 막-전극-가스켓 접합체에는 가습용 막(600)이 일체화되어 있다.
막-전극-가스켓 접합체(Membrane Electrode-Gasket Assembly, 이하 MEGA)는 당량 중량이 400-1100 사이의 퍼플루오르 설퍼닉 액시드계의 고분자 전해질막을 가운데 두고 양면에 탄소 지지체에 담지된 백금 또는 백금-루테늄계 촉매가 0.2-0.7mg/cm2 의 양을 테플론으로 방수 처리된 탄소종이 등에 도포하여 제조한 애노드와 캐소드를 고분자 전해질막의 유리전이 온도 이상(120-140??)에서 30초에서 2분간 핫 프레싱법을 이용하여 부착하거나 직접코팅법을 이용하여 전해질막 양면에 직접 부착하여 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, 이하 MEA)(100)를 우선 제조한다.
앞서 제조된 MEA(100)와 기공크기가 수 내지 수백 마이크론 범위의 폴리설폰계를 포함하는 UF 또는 MF 가습용 막의 가장 자리 부분에 테플론계 또는 실리콘계의 가스켓(200)을 고분자 접착물질 등을 이용하여 접착함으로써 MEGA를 완성한다.
이렇게 형성된 MEGA에는 다공성 막으로 이루어진 가습용 막(600)이 일체화된다.
이러한, 다공성 막은 종래에도 개시되어 있으며, 특히, 한국 공개특허 공개 번호 제 2003-068584호의 공보에 상세히 제시되어 있으며, 이것은 본 명세서에 속하는 것으로 한다.
가습막 일체형 연료전지용 MEGA의 캐소드(cathode)측에는 산화기체가 공급되고 배출되도록 산화제 입ㆍ출구부(400,450)가 각각 형성되어 있고, 애노드(anode)측의 연료기체가 공급되고 배출되도록 연료기체 입ㆍ출구부(300,350)가 각각 형성되어 있으며, 냉각수가 공급되고 배출되도록 냉각수 입ㆍ출구부(500,550)가 각각 형성되어 있다.
한편, 막 가습부인 가습용 막(600)과 MEA(100)의 전극 사이에는 산화기체 이동통로(630)와, 연료기체 이동통로(610)가 각각 형성된다.
본 명세서의 도 2에서는 산화기체 이동통로(630)와 연료기체 이동통로(610)를 개략적으로 도시하였지만, 산화기체 이동통로(630)는 산화기체가 공급되는 캐소드(cathode)측에 형성되고, 연료기체 이동통로(610)는 연료기체가 공급되는 애노드(anode)측에 형성됨은 자명하다 할 것이다.
다시 말하면, 산화기체 이동통로(630)와, 연료기체 이동통로(610)는 MEGA의 일면과 타면에 각각 형성되는 것이다.
이하, 전술한 구성을 갖는 본 실시예의 작용을 설명한다.
상기에서 설명하였듯이 MEA(100)와 막 가습부인 가습용 막(600)을 나란히 배치하고, MEA(100)와 가습용 막(600) 주위에 1 내지 4개의 가스켓(200)을 부착함으로써, 가습용 막(600)과 일체화된 MEGA를 완성한다.
이렇게, 완성된 MEGA에 건조된 산화기체가 산화제 입구부(400)를 통하여 MEA(100)의 캐소드에 공급되어, 산화기체의 일부가 전기화학반응에 참여하여 물과 열을 생성하게 되는데, 이때, 미반응 산화기체는 반응열을 흡수한 상태에서 생성수를 가지며, 산화기체 이동통로(630)를 통하여 가습용 막(600)에 공급된다.
이렇게, 미반응 산화기체가 가습용 막(600)에 열과 수분을 공급한 후, 산화제 출구부(450)를 통하여 배출된다.
한편, 건조상태의 연료기체는 연료기체 입구부(300)를 통하여 공급되어, 가습용 막(600)을 지나는 동안 캐소드의 수화된 산화기체로부터 수분과 열을 공급받은 가습용 막(600)에 의해 열과 수분을 공급받는다.
이렇게, 연료기체는 열과 수분을 공급받고 연료기체 이동통로(610)를 지나 MEA(100)의 애노드에 공급된다.
공급된 연료기체의 일부는 전기화학반응에 참여하고, 나머지 미반응 기체는 연료기체 출구부(350)를 통하여 배출된다.
이때, 냉각수는 직접 MEGA 중 전극을 지나지 않고, 냉각수 입구부(500)를 통해 공급되어 냉각수 출구부(550)로 배출된다.
이렇게, 가습용 막(600)이 MEGA에 일체화되어, 캐소드에서 생성된 열과 수분을 미반응 산화기체에 의해 가습용 막(600)에 공급하고, 가습용 막(600)은 이러한 열과 수분을 애노드 연료기체에 공급하는 구조를 가짐으로써, 연료전지의 성능과 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 종래의 외부형 가습기를 가지는 연료전지에 비해, MEGA에 가습용 막(600)이 일체화되어 있으므로, 연료전지의 부대비용과 부피를 줄일 수 있어, 생산 비용이 절감된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 연료전지용 가습용 막 일체형 MEGA에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
MEGA에 가습용 막이 일체화됨으로써, 캐소드에서 생성된 열과 수분을 미반응 산화기체에 의해 가습용 막에 공급하고, 가습용 막은 이러한 열과 수분을 애노드 연료기체에 공급하는 구조를 가짐으로써, 연료전지의 성능과 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 종래의 외부형 가습기를 가지는 연료전지에 비해, MEGA에 다공성 막으로 이루어진 가습용 막이 일체화되어 있으므로, 연료전지의 부대비용과 부피를 줄일 수 있어, 생산비용이 절감될 수 있다.

Claims (2)

  1. 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체에 있어서,
    상기 막-전극-가스켓 접합체에는 캐소드의 산화기체가 공급되고 배출되는 산화제 입ㆍ출구부가 각각 형성되고, 애노드의 연료기체가 공급되고 배출되는 연료기체 입ㆍ출구부가 각각 형성되되,
    상기 막-전극-가스켓 접합체에는 가습용 막이 일체화된 것을 특징으로 하는 가습막 일체형 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가습용 막과 상기 막-전극 접합체 사이에는,
    상기 산화기체가 상기 막-전극 접합체에 공급되고 미반응 산화기체가 가습용 막에 공급될 수 있도록 산화기체 이동통로와,
    상기 연료기체가 가습용 막을 지나 열과 수분을 공급받은 후 상기 막-전극 접합체로 이동 될 수 있도록 연료기체 이동통로가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 가습막 일체형 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체.
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