KR100556764B1 - 연료전지의 전극 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 전극 구조에 관한 것으로, 본 발명은 전해질막과, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 적층하는 복수 개의 전극과, 양쪽 전극의 일 측면에 접하도록 배치하고 각 전극과 접하는 면에 연료유로와 공기유로를 각각 형성하여 B화합물로 된 액상의 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 이온을 발생하도록 하는 복수 개의 분리판과, 분리판의 양쪽 측면에 배치하여 이온이 양쪽 전극 사이를 이동하면서 발생하는 전기를 집전하는 집전판으로 된 연료전지의 단위셀에 있어서, 전극에 다수 개의 이온통과구멍을 형성함으로써, 전자이온가 신속하고 활발하게 이동하는 것은 물론 연료극의 양 측면에 연료가 균일하게 접촉하여 촉매반응이 촉진되면서 전자이온이 발생이 활발하게 되어 연료전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

Description

연료전지의 전극 구조{ANODE STRUCTURE FOR FUEL CELL}

도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 계통도,

도 2는 종래 연료전지의 단위셀을 보인 종단면도,

도 3은 본 발명 연료전지의 단위셀을 보인 종단면도,

도 4는 본 발명 연료전지에서 연료극을 분해하여 보인 사시도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

12 : 전해질막 13 : 연료극

13a : 이온통과구멍 14 : 공기극

15,16 : 분리판 17,18 : 집전판

Cf : 연료유로 Co : 공기유로

본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 에너지 발생시스템에 관한 것으로, 특히 B화합물(BH₄)을 연료로 하는 연료전지 시스템(BFC; Boron Fuel Cell)의 연료극 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 연료극과 공기극을 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 수용액 상태의 수소화붕소((BH₄),실제로는 수소화붕소나트륨(NaBH₄))을 상기한 연료극에 공급하는 연료공급부(20)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공 기극에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(40)를 포함하고 있다.

연료전지스택(10)은 도 2에서와 같이 다수 개의 단위셀(single cell)(11)을 적층한 것으로, 각 단위셀(11)은 전해질막(12)과, 이 전해질막(12)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(13)과 공기극(14), 그리고 이 연료극(13)과 공기극(14)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(13)과 공기극(14)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판(separator, 또는 bipolar plate)(15,16)과, 양측 분리판(15,16)의 외측에 각각 적층하여 집전전극을 형성하는 집전판(current collector)(17,18)으로 구성하고 있다.

전해질막(12)은 H⁺를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막을 사용하고 있다.

연료극(13)과 공기극(14)은 지지체와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층으로 구성하되 지지체는 금속성의 니켈폼으로 형성하고, 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 수소저장합금으로 형성하고 있다.

분리판(15,16)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트(graphite)와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(13)과 공기극(14)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(fuel channel)(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(air channel)(Co)를 형성하고 있다.

또, 단위셀(11)들 사이에 설치하는 분리판(15,16)은 일 측은 연료유로(Cf) 를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택(10)의 양측 단부에 설치하는 분리판(15,16)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성하고 있다.

집전판(17,18)은 연료전지스택(10)에서 최종적으로 전기에너지를 취출하기 위한 것으로 통상적인 터미널로서 사용하는 구리재질 등의 전기전도체로 형성하고 있다.

도면중 미설명 부호인 21은 연료탱크, 22는 연료공급관, 23은 연료펌프, 31은 공기공급관, 32는 공기펌프이다.

상기와 같은 종래 연료전지는 다음과 같이 동작한다.

즉, 분리판(15,16)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)에 공급한 연료와 공기는 각각 연료극(음극,anode)(13)과 공기극(양극,cathode)(14)을 통과하고, 이 과정에서 연료중의 수소가 공기중의 산소와 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 아울러 두 전극 사이에서 전류를 발생한다.

이를 보다 상세히 살펴보면, 연료극(13)측에서는 연료에서 전기화학적 산화반응인

BH₄ ^- + 8OH^- →BO₂ ^- + 6H₂O + 8e^-이 발생하여 전해질막(12)에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,

공기극(14)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인

2O₂ + 4H₂O + 8e^- →8OH^- 이 발생한다.

이에 따라 연료극(13)과 공기극(14)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 다수 개의 단위셀(11)을 적층한 연료전지스택(10)의 양단에 설치한 집전판(17,18)을 통하여 출력하며, 집전판(17,18)에서 출력하는 전류는 부하로 공급하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지스택에 있어서는, 촉매반응에 의해 발생한 이온이 전극을 통과하여 전해질막(12)으로 전달되어야 하나 전극 자체가 이온의 전도를 방해하여 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 촉매반응으로 발생한 이온이 전극을 원활하게 통과할 수 있도록 하는 연료전지의 전극 구조를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 전해질막과, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 적층하는 복수 개의 전극과, 양쪽 전극의 일 측면에 접하도록 배치하고 각 전극과 접하는 면에 연료유로와 공기유로를 각각 형성하여 B화합물로 된 액상의 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 이온을 발생하도록 하는 복수 개의 분리판과, 분리판의 양쪽 측면에 배치하여 이온이 양쪽 전극 사이를 이동하면서 발생하는 전기를 집전하는 집전판으로 된 연료전지의 단위셀에 있어서, 전극에 다수 개의 이온통과구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극 구조를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 전극 구조를 첨부도면에 도시한 일실시예 에 의거하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명 연료전지의 단위셀을 보인 종단면도이고, 도 4는 본 발명 연료전지에서 연료극을 분해하여 보인 사시도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지에서 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극과 공기극을 구비하는 연료전지스택은 다수 개의 단위셀(11)을 적층하여 구성한다.

단위셀(11)은 전해질막(12)과, 이 전해질막(12)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(13)과 공기극(14), 그리고 이 연료극(13)과 공기극(14)의 외측에 적층하여 각각 B화합물의 액상 연료와 공기가 연료극(13)과 공기극(14)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판(15,16)과, 양측 분리판(15,16)의 외측에 각각 적층하여 집전전극을 형성하는 집전판(17,18)으로 이루어진다.

전해질막(12)은 H⁺를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막을 사용하고 있다.

연료극(13)과 공기극(14)은 지지체와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층으로 구성하되 지지체는 금속성의 니켈폼으로 형성하고, 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 수소저장합금으로 형성한다.

연료극(13)은 도 3 및 도 4에서와 같이 그 중앙부위, 즉 후술할 연료측 분리판(15)의 연료유로(Cf)에 접하는 부위에 다수 개의 이온통과구멍(13a)을 형성한다. 이온통과구멍(13a)은 도면에서와 같이 규칙적으로 형성할 수도 있으나 경우에 따라 서는 불규칙하게 형성할 수도 있다. 또, 이온통과구멍(13a)은 이온이 신속하게 이동할 수 있도록 전해질막(12)에 대해 직교하는 방향으로 형성하는 것이 바람직하다.

분리판(15,16)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(13)과 공기극(14)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(Co)를 형성한다.

또, 단위셀(11)들 사이에 설치하는 분리판(15,16)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택(10)의 양측 단부에 설치하는 분리판(15,16)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성한다.

집전판(17,18)은 연료전지스택(10)에서 최종적으로 전기에너지를 취출하기 위한 것으로 통상적인 터미널로서 사용하는 구리재질 등의 전기전도체로 형성한다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

도면중 미설명 부호인 15a 및 15b는 연료입구 및 연료출구이다.

상기와 같은 종래 연료전지는 다음과 같이 동작한다.

즉, 분리판(15,16)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)에 공급한 연료와 공기는 각각 연료극(음극,anode)(13)과 공기극(양극,cathode)(14)을 통과하고, 이 과정에서 연료중의 수소가 공기중의 산소와 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 아울러 두 전극 사이에서 전류를 발생한다.

이를 보다 상세히 살펴보면, 연료극(13)측에서는 연료에서 전기화학적 산화반응인

BH₄ ^- + 8OH^- →BO₂ ^- + 6H₂O + 8e^-이 발생하여 전해질막(12)에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,

공기극(14)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인

2O₂ + 4H₂O + 8e^- →8OH^- 이 발생한다.

여기서, 수용액 상태의 BH₄는 전해질막(12)을 사이에 두고 연료극(13)의 연료유로(Cf)를 따라 흐르면서 확산되는 반면 공기는 공기극(14)의 공기유로(Co)를 따라 흐르면서 확산되고, 이 과정에서 상기한 전기화학적 반응이 일어나 전자이온이 발생하며, 이 전자이온이 양쪽 연료극(13)과 공기극(14) 사이를 이동하면서 전기를 발생하는 것이다.

이때, 연료유로(Cf)에서 액체 용액 중에 있는 다른 전자이온이 연료극(13)의 이온통과구멍(13a)을 통해 이동하여 전해질막을 통과하므로 전자이온의 이동이 보다 신속하고 활발하게 이루어져 연료전지의 성능이 향상될 수 있다.

또, 연료극(13)의 일 측면에 접하여 연료유로(Cf)를 따라 흐르던 연료가 상기한 이온통과구멍(13a)을 통해 타 측면으로 이동함으로써 연료극(13)의 양 측면에 연료가 균일하게 접촉하여 촉매반응이 촉진되고 이로 인해 전자이온이 발생이 활발하게 되어 연료전지의 성능이 더욱 향상될 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 전극 구조는, 전극에 다수 개의 이온통과구멍을 형성함으로써, 전자이온가 신속하고 활발하게 이동하는 것은 물론 연료극의 양 측면에 연료가 균일하게 접촉하여 촉매반응이 촉진되면서 전자이온이 발생이 활발하게 되어 연료전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 전해질막과, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 적층하는 복수 개의 전극과, 양쪽 전극의 일 측면에 접하도록 배치하고 각 전극과 접하는 면에 연료유로와 공기유로를 각각 형성하여 B화합물로 된 액상의 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 이온을 발생하도록 하는 복수 개의 분리판과, 분리판의 양쪽 측면에 배치하여 이온이 양쪽 전극 사이를 이동하면서 발생하는 전기를 집전하는 집전판으로 된 연료전지의 단위셀에 있어서,

   연료유로와 접하는 전극에 다수 개의 이온통과구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극 구조.

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