KR100614963B1 - 휴대용 연료 전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 휴대용 연료 전지 스택에 관한 것으로써, 금속 촉매가 표면에 고르게 분포된 애노드와 캐소드 역할을 하는 전극 사이에 수소 이온인 양성자만을 도전하는 고분자전해질막으로 이루어진 박막전극조립체와, 상기 박막전극조립체의 양면에 형성되는 분리판 및 상기 분리판의 외측에 형성되는 말단판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
연료 전지 스택, 분리판, 미세유로, 박막전극조립체

Description

휴대용 연료 전지 스택{Portable Fuel Cell Stack}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분리판의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분리판의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위연료 전지 스택의 분해도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 포함한 일체화된 초소형 연료전지 시스템의 구성도이다.
{도면의 주요부호에 대한 설명}
6 : 공기의 흐름 7 : 연료의 흐름
100 : 연료 전지 스택 101 : 박막전극조립체
102 : 분리판 103 : 말단판
201 : 연료 공급용 미세유로 형성판
202 : 공기 공급용 미세유로 형성판
203 : 중앙분리판
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 세라믹 및 인쇄회로 기판용 재질을 이용하여 세라믹 적층방법 또는 인쇄회로 기판 제작기술을 이용하여 제조된 연료 전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 수소와 산소의 결합을 이용한 전기 화학적인 방법을 통하여 전기를 발생시킨다. 이 전기 화학적인 방법은 앞서 서술한 박막전극조립체를 통하여 이루어진다. 연료 전지 스택에는 수소와 산소를 포함한 연료 물질을 공급하고 반응 부산물과 과잉연료 및 공기를 배출하기 위한 유로를 포함하고, 발생한 전기의 채집을 위한 다수의 분리판 및 말단판이 포함된다. 통상적으로 연료전지는 연료인 수소와 산소가 공급되는 한 영구적으로 전기를 발생할 수 있으며, 연료로 사용되는 물질은 수소 및 수소를 포함한 탄화 수소류 및 금속-수소화물(Metal hydride)등이 이용될 수 있다.
연료 전지 스택을 구성하고 있는 부분품들은 여러 기능들을 만족시켜야 하며, 이것은 전지의 전기적인 연결뿐만이 아니라 전기를 발생시키기 위한 전기 화학적인 반응이 효율적으로 이루어질 수 있도록 구성됨을 의미한다. 그러므로, 연료 전지 스택을 구성하고 있는 부분품들은 산화/환원 반응에서의 화학적 저항성을 가져야 하며, 연료 전지 스택 및 전류 채집기로써의 역할 수행을 위하여 전기 전도도가 높고 접촉 저항이 낮도록 구성되어야 한다. 그리고, 다양한 형상 및 미세 구조 물의 제작이 가능하도록 가공성 및 조립성이 뛰어나야 하며, 소정의 하중 하에서의 기계적 안정성 및 저렴한 생산비용, 그리고, 경량화 등의 조건이 만족되어야 우수한 연료 전지 부품으로써 널리 사용될 수 있다. 또한, 보다 소형의 연료 전지 시스템을 제조하기 위해서는 연료 전지 스택 자체가 연료 개질기(reformer), 연료 펌프 및 각종 센서들을 일체화하는 것이 중요하다.
현재, 연료 전지 스택의 부분품으로 사용되고 있는 재료는 크게 흑연계 및 금속계로 나누어지며, 앞서 전술한 이상적인 연료 전지 스택의 부분품 재료 특징을 만족시키기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 금속계 부분품은 가공성, 기밀성 및 전기 전도성은 뛰어나지만, 내식성 및 내화학성이 요구 사항을 만족시키기 힘들며, 흑연계는 가공성이 뛰어나고 내화학성 및 낮은 접촉 저항을 그 특징으로 하나 요구하는 기계적 강도에 부합하지 않는다. 그러므로, 금속계 및 흑연계 부분품은 휴대용 연료 전지 스택의 제작을 위한 저가의 초소형 연료 전지의 부분품으로 적합하지 않다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 적층 세라믹 기술 또는 인쇄 회로 기판용 재질을 이용한 인쇄 회로 기판 제작 기술을 이용한 저가의 소형 연료 전지 스택을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 미세 가공 기술을 이용하여 크기 및 성능이 향상된 연료 전지 스택을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 휴대용 연료 전지 스택은, 금속 촉매가 표면에 고르게 분포된 애노드와 캐소드 역할을 하는 전극 사이에 수소 이온인 양성자만을 도전하는 고분자전해질막으로 이루어진 박막전극조립체와, 상기 박막전극조립체의 양면에 형성되는 말단판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 박막전극조립체와 상기 말단판의 사이에는 분리판이 더 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 박막전극조립체와 상기 분리판은 적어도 하나 이상이 교대로 적층되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 분리판 및/또는 말단판은 전도성 물질인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 분리판 및/또는 말단판은 표면에 금속막을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 분리판 및/또는 말단판의 표면에는 연료 및 공기를 공급하고 과잉연료 및 공기와 반응 부산물을 배출하기 위한 유로를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 분리판은 일면에 공기가 이동하기 위한 유로가 형성되고, 타측에 연료가 이동하기 위한 유로가 형성되며, 상기 양면은 중앙분리판에 의해 분리되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 말단판은 일면에 공기가 이동하기 위한 유로나 연료가 이동하기 위한 유로가 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 유로는 입력부와 출력부를 포함하고, 상기 입력부와 출력부를 연결하는 유체통로가 적어도 하나 이상이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 유로는 에칭, 엠보싱, 툴링 중 선택되는 1종의 방법에 의해서 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 유로는 그 단면 형상이 10㎛ ~ 1000㎛ 폭과 10㎛ ~ 1000 ㎛ 깊이 범위의 미세 채널 형태로 제작되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 유로 중 일부는 유로 표면에 액체가 고착되지 않도록 발수처리 되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 유로 중 일부는 액체 연료 사용시 액체의 효율적인 분산 또는 확산을 위하여 친수화 처리되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 유로 중 일부는 연료의 이동시 표면 거칠기에 따른 압력 손실을 줄이기 위하여 표면의 거칠기가 1㎛ 이하로 연마되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 분리판 및 말단판은 세라믹 또는 인쇄 회로 기판용 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 휴대용 연료 전지 스택은 세라믹 적층 방법 또는 인쇄 회로 기판 제작 방법에 의해서 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가 지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.
상기 실시예에서, 연료전지 시스템은 연료 및 연료통(1), 연료 전지 스택(2), 연료처리장치(3), 유체조작기구(4), 제어회로 및 검출회로(5)를 포함한다.
상기 실시예는, 연료전지 시스템 내에서 공기 및 연료 등의 물질이 이동하는 방법과 내부 상호간의 관계를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 연료전지는 연료와 이를 저장하는 연료통(1), 애노드와 캐소드 역할을 하는 두 개의 전극 사이에 수소 이온인 양성자만을 도전하는 고분자 전해질 박막으로 이루어진 박막 전극 조립체와 이를 둘러싸며 분리판의 역할 및 액체 및 기체 전달 통로를 갖춘 세라믹 및 인쇄 회로 기판용 재질로 이루어진 분리판 및 말단판으로 이루어진 연료 전지 스택(2), 그리고 연료를 개질하고 공급하는 연료 처리 장치(3), 연료와 공기 그리고, 반응 부산물들이 원활한 순환을 위해 구비되는 유체조작기구(4) 및 센서를 포함한 검출 회로와 제어 회로, 전압 변환회로를 포함한 회로부(5) 등을 포함한다.
상기 연료전지는 연료(1)에서 얻어지는 수소(7)와 공기에서 얻어지는 산소(6)의 결합을 이용한 전기 화학적인 방법을 통하여 전기를 발생시키며, 이는 연료 전지 스택 내부(2)에 위치한 박막 전극 조립체를 통하여 이루어진다. 통상적으로 연료전지는 연료인 수소와 산소가 공급되는 한 영구적으로 전기를 발생할 수 있으 며, 연료로 사용되는 물질은 수소 및 수소를 포함한 탄화 수소류 및 금속-수소화물 등이 이용될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분리판의 사시도 및 평면도이다.
상기 실시예에서, 분리판(102)은 연료 공급용 미세유로 형성판(201)과 공기 공급용 미세유로 형성판(202) 및 중앙분리판(203)을 포함한다.
상기 실시예는, 각각의 판을 세라믹 및 인쇄회로 기판 재질을 이용하여 세라믹 적층 방법 또는 인쇄 회로 기판 제작 방법으로 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 연료 전지 스택의 분리판(102)은 상부에 연료 공급용 미세유로 형성판(201)과 하부에 공기 공급용 미세유로 형성판(202), 그리고 상기 연료 공급용 미세유로 형성판(201)과 상기 공기 공급용 미세유로 형성판(202)의 사이에 연료와 공기의 혼합을 방지하기 위한 중앙분리판(203)의 세 층으로 구성된다. 상기 세 층은 세라믹 및 인쇄회로 기판용 재질로 형성되며, 상기 재질은 적층 및 소결 또는 압착 및 접착 기술을 이용 가능하게 하여 상기의 방법으로 분리판(102)의 조립을 완료할 수 있다. 적층 및 소결 기술은 일반적인 적층 세라믹의 제조 방법과 동일하여 당업자가 용이하게 구현할 수 있는 공지의 내용이므로 본 발명에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 각 판의 양 꼭지점 부근에는 원형의 홈이 형성되는데, 이는 후술하겠지 만 연료와 공기가 투입되고 배출되는 곳이다. 각 대각선으로 마주보고 있는 홈이 하나의 쌍을 이루어 공기 또는 연료가 입력된 후 배출되는데, 상기 양 꼭지점 중 하나를 입력부라 하고 다른 하나를 출력부라 하면, 입력부로 들어온 공기 또는 연료는 상부 또는 하부판에 형성된 미세유로를 통하여 판 전체를 통하여 이동하고, 상기 이동된 공기 또는 연료는 소정의 반응이 진행된 뒤 출력부로 빠져나간다.
상기 유로에 입력된 공기 또는 연료가 반대판에 유입된 공기 또는 연료와 반응하는 것을 방지하기 위하여 중앙에 중앙분리판(203)이 형성된다. 상기 중앙 분리판(203)은 상기 연료 공급용 미세유로 형성판(201)과 상기 공기 공급용 미세유로 형성판(202) 중 하나에 몰딩되는 것도 바람직하다.
상기 연료 공급용 미세유로나 공기 공급용 미세유로는 적어도 하나 이상의 유로가 평행하게 직선형으로 형성되거나 'ㄹ'자의 형상으로 하나의 유로로 연결되어 입력부와 출력부가 연결되는 것이 바람직하다. 상기 유로의 형상은 상기 연료 공급용 미세유로 형성판(201)과 상기 연료 공급용 미세유로 형성판(202)에 유입된 연료 또는 공기가 최대의 면적을 지나갈 수 있게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 미세유로는 에칭, 엠보싱, 툴링의 방법을 이용하여 그 단면의 형상이 10㎛~1000㎛ 의 폭과 10㎛~1000㎛깊이 범위의 미세 채널로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 유로의 일부는 유로 표면에 액체가 고착되지 않도록 발수처리를 하거나, 액체 연료 사용시 액체의 효율적인 분산 또는 확산을 위하여 친수화처리를 하는 것이 바람직하다. 또한, 연료 이동시 표면 거칠기에 따른 압력 손실을 줄이기 위하여 표면의 거칠기가 1㎛이하로 연마되는 것이 바람직하다.
상기 연료 전지 스택의 분리판(102)은 세라믹 및 인쇄회로 기판용 재질로 형성되므로, 기본적으로 비전도성 물질이나, 내부 비아 및 표면에 금속막을 증착하여 전기적으로 연결되어 각각 전류 채집의 역할을 동시에 수행한다. 특히, 본 발명에 의한 세라믹 및 인쇄 회로 기판용 재질을 이용한 연료 전지 스택은 세라믹 및 인쇄회로 기판 등을 제작하는 대량 생산 기법을 이용하여 제작하므로, 저가의 분리판을 제공할 수 있고, 미세 가공기술을 이용하여 연료 및 공기를 공급하기 위한 유로를 형성하여, 기존의 연료전지에 비해 그 크기 및 성능 개선을 용이하게 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단위 연료 전지 스택의 분해도이다.
상기 실시예에서, 단위 연료 전지 스택은 두 개의 말단판(103)과 하나의 박막전극조립체(101)를 포함한다.
상기 실시예는, 단위 연료 전지 스택이 적층되는 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 세라믹 및 인쇄회로기판용 가공 기술을 이용하여 한 면에 미세유로가 형성된 말단판(102)은 각각 공기(6)가 전달되는 공기공급유로와 연료(7)가 공급되는 연료공급유로(201)가 전술한 가공기술을 이용하여 형성되며, 이를 박막전극조립체(101)의 양면에 각각 조립하여 단위 연료전지를 구성한다. 이때 조립되는 기술은 전술한 바와 같이 적층 세라믹 제조 기법에 사용되는 적층 및 소결 또는 압착 및 접착 기술을 이용한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해도 및 결합도이다.
상기 실시예에서, 연료 전지 스택은 말단판(103)과 복수개의 분리판(102) 및 복수개의 박막전극조립체(101)를 포함한다.
상기 실시예는, 연료 전지 스택을 이루는 각각의 판이 적층되는 순서 및 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 의해 제작된 세라믹 및 인쇄회로기판용 재질의 분리판(102)과 말단판(103), 그리고 박막전극조립체(101)를 이용하여 구성된 5개의 단위연료전지가 직렬로 연결되어 있는 연료 전지 스택의 분해도이다. 마찬가지로 모든 판재의 조립은 전술한 적층 및 소결 기술이나 압착 및 접착 기술을 이용하여 완성된다.
상기 연료 전지 스택의 최외각에는 말단판(103)이 적층된다. 상기 말단판(103)은 좌, 우 양측에 2개가 적층되는데 일측의 말단판에는 공기 및 연료의 유입구가 형성되고 타측에 적층되는 말단판에는 어떠한 구멍도 형성되지 않는 것이 바람직하다. 상기 공기 및 연료의 유, 출입구는 상기 일측 말단판의 양 꼭지점 부근에 총 4개가 형성되는 데 각각 대각선으로 마주보는 한 쌍이 공기(7) 및 연료(6)의 유, 출입을 담당한다.
상기 말단판(103)을 최외각으로 하여, 이후 분리판(102)과 박막전극조립체(101)가 교대로 적층된다. 상기 적층방법은 다음과 같다. 말단판(103)을 적층한 후 분리판(102)을 적층한다. 상기 분리판(102) 상부에 박막전극조립체(101)를 적층하 고, 상기 박막전극조립체(101)의 상부에 분리판(102)을 적층하는데, 적층되는 면은 상기 박막전극조립체(101)의 하부면에 형성된 미세유로 형성판과 다른 유로 형성판이 맞닿도록 적층한다. 즉, 연료 공급용 미세유로 형성판(201) - 박막전극조립체(101) - 공기 공급용 미세유로 형성판(202)의 순서 또는 공기 공급용 미세유로 형성판(202) - 박막전극조립체(101) - 연료 공급용 미세유로 형성판(201)의 순서로 적층하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 소정의 단위연료전지를 적층한 후에는 적층 및 소결 기술이나 압착 및 접착 기술을 이용하여 일체화시킨다.
상기 말단판의 일 면에는 유로가 형성되는 것이 바람직하다. 상기 말단판에 형성되는 유로의 종류는 맞닿는 분리판에 형성된 유로의 종류와 상이한 것이 바람직하다. 상기 말단판에 형성되는 유로는 반드시 필요한 것은 아니다. 어떠한 유로도 형성하지 않고 상기 복수개의 박막전극조립체 및 분리판을 감싸는 것도 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택이 일체화된 사시도이다.
도 6을 참조하면, 연료(6)와 공기(7)는 분리판의 양면에 형성된 공기 및 연료 공급용 미세유로로 공급되게 되고, 각각 공급된 연료(6)와 공기(7)는 상기 박막전극조립체(101)에서 반응 후 전력을 생성한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 및 인쇄회로기판용 재질을 이용한 연료전지를 포함한 일체화된 초소형 연료전지 시스템의 구성도를 나타낸다.
전술한 바와 같이 연료전지시스템은 본 발명에 의한 연료 전지 스택(100)과 함께 탄화수소, 압축 수소, 금속 수소화물 등의 연료(1)와 이를 처리하여 연료전지에 바람직한 형태의 연료(7)로 공급하는 연료 개질기를 포함하는 연료처리장치, 연료(7)와 공기(6) 그리고, 물을 포함한 반응 부산물들(8)이 원활한 순환을 위해 구비되는 유체조작기구 및 센서를 포함한 검출 회로와 제어 회로, 전압 변환회로를 포함한 회로부등으로 이루어져 있다. 본 발명에 의한 세라믹 및 인쇄회로기판용 재질의 연료전지는 동일한 기술을 이용하여 연료개질부를 포함한 연료전지 주변장치에 응용될 수 있으며, 또한, 반도체 기술로 제작된 연료전지 주변장치등과 함께 일체화된 초소형 연료전지 시스템의 구성에 이용될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 반도체 제작을 위해서 널리 사용되고 있는 적층 세라믹 기술 또는, 인쇄 회로 기판용 재질을 이용하여 연료 전지 스택의 대량 생산이 가능하므로, 저가의 연료전지 부품을 제공할 수 있다.
그리고, 미세가공기술을 이용하여 연료 및 공기를 공급/배출하기 위한 유로 를 분리판 및 말단판에 형성하므로, 기존의 연료전지에 비해 그 크기 및 성능 개선을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 연료 개질기 및, 반도체형 센서와 초소형 유체 조작 기구등을 연료 전지 스택에 일체화하면, 기존의 연료전지에 비하여 그 크기가 월등히 작은 연료 전지 시스템을 개발할 수 있다.

Claims (11)

  1. 휴대용 연료 전지 스택에 있어서, 금속 촉매가 표면에 고르게 분포된 애노드와 캐소드 역할을 하는 전극 사이에 수소 이온인 양성자만을 도전하는 고분자전해질막으로 이루어진 박막전극조립체와, 상기 박막전극조립체의 양면에 형성되는 말단판을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료 전지 스택.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 박막전극조립체와 상기 말단판의 사이에는 분리판이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료 전지 스택.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 분리판과 말단판은 적어도 하나 이상이 교대로 적층되는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료 전지 스택.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 분리판 및/또는 말단판은 전도성 물질인 것을 특징으로 하는 휴대용 연료 전지 스택.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 분리판 및/또는 말단판은 표면에 금속막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료 전지 스택.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 분리판 및/또는 말단판의 표면에는 연료 및 공기를 공급하고 과잉연료 및 공기와 반응 부산물을 배출하기 위한 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료 전지 스택.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 분리판은 일면에 공기가 이동하기 위한 유로가 형성되고, 타측에 연료가 이동하기 위한 유로가 형성되며, 상기 양면은 중앙분리판에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료 전지 스택.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 유로는 입력부와 출력부를 포함하고, 상기 입력부와 출력부를 연결하는 유체통로가 적어도 하나 이상이 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료 전지 스택.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 말단판은 일면에 공기가 이동하기 위한 유로나 연료가 이동하기 위한 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료 전지 스택.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 분리판 및/또는 말단판은 세라믹 또는 인쇄 회로 기판용 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료 전지 스택.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 휴대용 연료 전지 스택은 세라믹 적층 방법 또는 인쇄 회로 기판 제작 방법에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 연료 전지 스택.
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