KR100708693B1 - 직접액체 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

개시된 직접액체연료 전지 스택은, 전해질막의 양면에 각각 마련되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하는 멤브레인 전극 어레이(MEA)가 적층되고, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극과 각각 마주보도록 설치된 도전성 애노드 플레이트 및 도전성 캐소드 플레이트를 구비한다. 상기 캐소드 플레이트에는 복수의 유로가 형성되어 있으며, 상기 캐소드 플레이트의 일측에는 상기 유로와 수직방향에서 그 상부가 상기 유로의 바닥과 수평으로 형성된 다공성 부재가 설치된 것을 특징으로 한다.

Description

직접액체 연료전지 스택{Direct liquid feed fuel cell stack}
도 1은 직접연료전지의 단위 셀 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 직접액체 연료전지 스택의 개략적 측단면도이다.
도 3은 도 2의 바이폴라 플레이트에서 액체 연료의 유로가 형성된 면의 평면도이다.
도 4는 도 2의 바이폴라 플레이트에서 공기의 유로가 형성된 면에서 바라본 사시도이다.
도 5는 종래의 구조에서의 연료전지 스택의 파워를 플로팅한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 파워를 플로팅한 도면이다.
도 7은 본 발명에 제2 실시예에 따른 바이폴라 플레이트를 도시한 사시도이다.
본 발명은 직접액체연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 캐소드 전극에서 생성된 워터가 산소 공급통로(유로)를 막는 것을 방지하는 구조를 가진 직접액체연료전지스택에 관한 것이다.
직접액체연료전지(Direct Liquid Feed Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올 등의 유기화합물 연료와 산화제인 산소(공기내의 산소)와의 전기화학반응에 의해 전기를 생성하는 발전장치로서 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올 등 액체연료를 직접 사용하기 때문에 연료개질기(reformer) 등 주변장치가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.
직접액체연료전지의 단위 셀은 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3) 사이에 전해질막(1)이 개재되어 멤브레인 전극 어레이(membrane electrode array: MEA) 구조를 형성한다. 각 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3)의 구조는 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer, 22, 32)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층(21, 31), 그리고 전극 지지체(23, 33)를 구비한다.
직접액체연료전지 중, 메탄올과 물을 혼합 연료로 사용하는 직접메탄올연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, 이하 DMFC)의 전극반응은 연료가 산화되는 애노드 반응과 수소이온과 산소의 환원에 의한 캐소드 반응으로 구성되며 반응식은 다음과 같다.
CH3OH +H2O → CO2 +6H+ + 6e- (Anode reaction)
3/2O2 +6H+ + 6e- → 3H2O (Cathode reaction)
CH3OH + 3/2O2 → 2H2O + CO2 (Overall reaction)
산화반응(반응식 1)이 일어나는 애노드 전극(2)에서는, 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소, 6개의 수소이온 및 전자가 생성이 되며, 생성된 수소이온은 수소이온교환막(1)을 거쳐 캐소드 전극(3)으로 전달된다. 환원반응(반응식 2)이 일어나는 캐소드 전극(3)에서는, 수소이온과 외부 회로를 통해 전달된 전자 그리고 산소 간의 반응에 의해 물이 생성된다. 따라서 DMFC 총괄반응(반응식 3)은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 반응이 된다.
DMFC의 단위 셀의 발생전압은 이론적으로는 1.2 V 정도이지만 상온, 상압 조건에서 개회로 전압(open circuit voltage)은 1 V 이하가 되며, 실제 작동전압은 활성화 과전압및 저항 과전압에 의한 전압강하가 일어나기 때문에 0.4 ~ 0.6 V 정도가 된다. 따라서 원하는 용량의 전압을 얻기 위해서는 여러 장의 단위 셀을 직렬로 연결하여야 한다.
직접액체연료전지 스택은 여러 장의 단위 셀이 적층된 것이며, 적층된 단위 셀들은 전기적으로 직렬 연결된 것이다. 단위 셀들 간에는 도전성 플레이트인 바이폴라 플레이트(bipolar plate)(4)가 개재되어 전기적으로 인접한 단위 셀 들을 전기적으로 상호 연결한다. 바이폴라 플레이트의 양면에는 유로채널(41,42)이 형성되 어서 접촉되는 전극에 액체연료 또는 공기를 공급한다.
바이폴라 플레이트(4)의 캐소드 전극과 대면되는 면에는 산소공급원, 예컨대 공기의 통로(유로)가 형성되어 있다. 캐소드 전극에서 생성된 워터가 유로를 막기 때문에 전력 발생량을 감소시키며, 유로에서의 팬(또는 블로어)의 압력손실이 증가될 수 있다.
본 발명 목적은 상기한 종래기술의 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 캐소드 전극에 산소를 공급하는 유로 내의 워터를 용이하게 제거하는 구조를 구비한 직접액체연료전지 스택을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 직접액체연료 전지 스택은:
전해질막의 양면에 각각 마련되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하는 멤브레인 전극 어레이(MEA)가 적층되고, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극과 각각 마주보도록 설치된 도전성 애노드 플레이트 및 도전성 캐소드 플레이트를 구비하는 직접액체연료전지 스택에 있어서,
상기 캐소드 플레이트에는 복수의 나란한 유로가 형성되어 있으며, 상기 캐소드 플레이트의 일측에는 상기 유로가 연장되는 형상으로 상기 유로에 대응되는 홈이 형성된 다공성 부재가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 다공성 부재의 단은 서로 연결되며, 상기 다공성 부재에는 워터펌프가 연결될 수 있다.
상기 유로의 양단은 개방된다.
상기 다공성 부재는 다수의 기공이 형성된 폼 부재인 것이 바람직하다.
상기 캐소드 플레이트에는 상기 유로 사이의 돌출된 부분에 관통하는 연료통로홀이 형성되는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 직접액체연료전지 스택의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 직접액체 연료전지 스택(100)의 개략적 측단면도이다. 직접액체 연료전지 스택(100)에는 다수의 MEA가 수직으로 적층되어 있으며, MEA 사이에는 도전성 플레이트인 바이폴라 플레이트(110)가 배치되어 있다. 각 MEA는 멤브레인(140)을 중앙으로하여 그 양측에 애노드 전극(142) 및 캐소드 전극(144)이 배치되어 있다. 상기 스택의 바깥쪽에는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 각각 접촉하는 도전성 플레이트인 애노드 플레이트(161) 및 캐소드 플레이트(162)가 배치되어 있다. 이 애노드 플레이트(161) 및 캐소드 플레이트(162)는 그 일면 만이 MEA 와 접촉되므로 바이폴라 플레이트(110)의 일면의 형상을 가지며 그 작용은 바이폴라 플레이트(110)와 동일하다. MEA 및 이들 사이의 바이폴라 플레이트(110) 및 애노드 플레이트(161) 및 캐소드 플레이트(162)는 양 고정용 엔드 플레이트(181, 182)에 의해 나사결합되어 고정된다.
상기 바이폴라 플레이트(110)는 두 개의 애노드 플레이트(161) 및 캣드 플레이트(162)의 조합으로 형성될 수도 있다.
참조번호 150은 실링제, 예컨대 가스캣(gasket)이며, 연료통로홀(114a, 114b)로부터의 액체연료가 캐소드 전극(144)과 연통되는 것을 방지한다.
도 3은 도 2의 바이폴라 플레이트에서 액체 연료의 유로가 형성된 면의 평면도이다. 애노드 전극(142)과 접촉하는 엔드 플레이트(161)의 일면 형상도 도 3의 평면도와 동일하다. 바이폴라 플레이트(110)에는 MEA 가 배치되는 전극영역(111)에 복수의 연료채널(112)이 뱀자리(serpentine) 형상으로 상부가 개방되게 형성되어 있다. 전극영역(111) 밖에는 연료채널(112)의 입,출구와 연결되는 매니폴드(113)와, 상기 매니폴드(113)에 연통되어서 액체연료를 공급 또는 배출하는 통로로서 바이폴라 플레이트(110)를 관통하는 연료통로홀(114a,114b)이 형성되어 있다. 상기 매니폴드(113)는 액체연료통로홀(114a,114b)과 복수의 연료채널(111)을 연결한다.
도 4는 도 2의 바이폴라 플레이트에서 공기의 유로가 형성된 면에서 바라본 사시도이다. 공기 유로는 복수의 수직홈인 직선형 유로(115)로 형성되어 있다. 상기 직선형 유로(115)은 캐소드 전극 반응에서 생성된 물을 중력과 위에서 유입되는 공기의 흐름에 의해서 하부 방향으로 이동시키며, 상기 이동된 물은 결국 직선형 유로(115)의 바닥에 액적으로 형성된다.
바이폴라 플레이트(110)의 일측에는 상기 액적을 흡습하는 다공성 부재(170)가 설치된다. 상기 다공성 부재(170)는 그 상부가 상기 직선형 유로(115)의 바닥과 수평으로 설치되어서 그 상부가 상기 액적과 접촉하여 상기 액적을 흡수한다. 상기 다공성 부재의 단은 서로 연결되게 형성되며, 상기 다공성 부재(170)에는 워터펌프(P)가 연결될 수 있다. 워터 펌프(P)로 다공성 부재(170)에 흡습된 워터를 외부로 배출할 수 있다.
상기 액체연료통로홀(114a,114b)은 상기 직선형 유로(115)를 형성하도록 돌출된 부분에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 다공성 부재(170)로는 다수의 기공이 형성된 폼 부재, 예컨대 스폰지, 또는 기공이 형성되게 처리된 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌이 사용될 수 있다.
본 발명의 다공성 부재(170)는 바이폴라 플레이트(110)의 공기 유로를 막지 않도록 형성되어서 유입되는 공기의 흐름을 막지 않으므로 압력손실을 유발하지 않는다.
도 5는 종래의 구조에서의 연료전지 스택의 파워를 플로팅한 도면이다.
도 5를 참조하면, 시간경과에 따라 연료전지 스택의 파워가 감소되었다. 이는 캐소드 플레이트에서의 공기통로가 워터에 의해서 막혀서 일어난 것으로 판단된다. 석션 1 및 석션 2에서 연료전지 스택에 형성된 워터를 제거함에 따라서 순간적으로 파워가 회복되는 것을 볼 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 파워를 플로팅한 도면이다.
도 6을 참조하면, 석션 1 ~4에서 워터펌프로 워터를 제거함에 따라서 연료전지 스택의 파워가 일정하게 높게 유지됨을 알 수 있었다.
도 7은 본 발명에 제2 실시예에 따른 바이폴라 플레이트를 도시한 사시도이며, 제1 실시예의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
공기 유로는 복수의 직선형 유로(115)로 형성되어 있다. 상기 직선형 유로(115)은 캐소드 전극 반응에서 생성된 물을 중력과 위에서 유입되는 공기의 흐름에 의해서 하부 방향으로 이동시키며, 상기 이동된 물은 결국 직선형 유로(115)의 바닥에 액적으로 형성된다.
바이폴라 플레이트(110)의 일측에는 상기 액적을 흡습하는 다공성 부재(270)가 설치된다. 상기 다공성 부재(270)는 바이폴라 플레이트(110)의 일측이 연장되게 형성되도록 설치된다. 다공성 부재(270)에도 상기 직선형 유로(115)이 연장된 홈(275)가 형성되어서 직선형 유로(115)의 하부, 즉 홈(275)과 접촉되는 액적이 유입되는 공기의 흐름과 중력으로 다공성 부재로 흡수된다. 상기 다공성 부재의 단은 서로 연결되게 형성되며, 상기 다공성 부재(270)에는 워터펌프(P)가 연결될 수 있다. 워터 펌프(P)로 다공성 부재(270)에 흡습된 워터를 외부로 배출할 수 있다.
상기 다공성 부재(270)로는 다수의 기공이 형성된 폼 부재, 예컨대 스폰지, 또는 기공이 형성되게 처리된 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌이 사용될 수 있다.
본 발명의 다공성 부재(270)는 바이폴라 플레이트(110)의 공기 통로를 막지 않도록 형성되어서 유입되는 공기의 흐름을 막지 않으므로 압력손실을 유발하지 않는다.
상기한 바와 같이, 본원 발명에 따른 직접액체연료전지 스택은 캐소드 전극과 접촉되는 도전성 플레이트의 일측이 다공성 부재와 연결되면서도 상기 도전성 플레이트에 형성된 공기통로가 상기 다공성 부재에 의해 간섭되지 않으므로 공기통로에 생성되는 액적이 용이하게 다공성 부재로 흡수되며, 따라서 공기 통로에서의 압력손실이 발생되지 않는다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 전해질막의 양면에 각각 마련되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하는 멤브레인 전극 어레이(MEA)가 적층되고, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극과 각각 마주보도록 설치된 도전성 애노드 플레이트 및 도전성 캐소드 플레이트를 구비하는 직접액체연료전지 스택에 있어서,
    상기 캐소드 플레이트에는 양 단이 개방된 복수의 나란한 공기 유로가 형성되어 있으며, 상기 유로의 일 단에 인접하는 상기 캐소드 플레이트의 일측에는 상기 유로의 일 단에서의 상기 유로가 형성된 방향과 수직 방향으로 배치되는 다공성 부재가 설치되며,
    상기 다공성 부재의 일 면은 상기 유로의 바닥면과 동일한 평면을 이루는 것을 특징으로 하는 직접액체연료전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 부재의 단은 서로 연결된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 스택.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다공성 부재의 단에는 워터펌프가 연결된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 스택.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 다수의 기공이 형성된 폼 부재인 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 스택.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드 플레이트에는 상기 유로 사이의 돌출된 부분에 관통하는 연료통로홀이 형성된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 스택.
  7. 전해질막의 양면에 각각 마련되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하는 멤브레인 전극 어레이(MEA)가 적층되고, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극과 각각 마주보도록 설치된 도전성 애노드 플레이트 및 도전성 캐소드 플레이트를 구비하는 직접액체연료전지 스택에 있어서,
    상기 캐소드 플레이트에는 양 단이 개방된 공기 유로가 형성되어 있으며, 상기 유로의 일 단에 인접하는 상기 캐소드 플레이트의 일측에는 상기 유로가 형성된 방향과 수직방향으로 배치되는 다공성 부재가 설치되며,
    상기 다공성 부재는 상기 캐소드 플레이트와 함께 공기를 배출하기 위한 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 직접액체연료전지 스택.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 다공성 부재의 단은 서로 연결된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 스택.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 다공성 부재의 단에는 워터펌프가 연결된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 스택.
  10. 삭제
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 다공성 부재는 다수의 기공이 형성된 폼 부재인 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 스택.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 캐소드 플레이트에는 상기 유로 사이의 돌출된 부분에 관통하는 연료통로홀이 형성된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지 스택.
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