KR100711897B1 - 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템 - Google Patents

물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR100711897B1
KR100711897B1 KR1020060044128A KR20060044128A KR100711897B1 KR 100711897 B1 KR100711897 B1 KR 100711897B1 KR 1020060044128 A KR1020060044128 A KR 1020060044128A KR 20060044128 A KR20060044128 A KR 20060044128A KR 100711897 B1 KR100711897 B1 KR 100711897B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
gas diffusion
cell system
diffusion layer
water recovery
Prior art date
Application number
KR1020060044128A
Other languages
English (en)
Inventor
손인혁
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020060044128A priority Critical patent/KR100711897B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100711897B1 publication Critical patent/KR100711897B1/ko
Priority to US11/797,891 priority patent/US8557453B2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0239—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

본 발명은 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 수소함유연료가 유입되는 애노드 전극과 산화제가 유입되는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 전해질 고분자막으로 이루어진 전극막 조립체를 구비한 전기 발생부를 갖고, 상기 캐소드 전극은 상기 전해질 고분자막에 접촉하여 상기 산화제의 환원반응이 이루어지는 제1촉매층과, 상기 제1촉매층에 산화제를 분산시키는 제1기체 확산층으로 구성되고; 상기 제1기체 확산층의 적어도 일부는 상기 전해질 고분자막에 직접 접촉하는 것을 하므로, 캐소드 전극에서의 화학반응결과 생성되는 물이 전해질 고분자막 통해서 애노드 전극으로 유입되고 또한 물의 증발을 효과적으로 방지함으로써, 물회수효율을 향상시켜 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
기체 확산층, 촉매층, 고분자 전해질막, 물증발 방지부재

Description

물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM HAVING WATER RECOVERING AND CYCLING STRUCTURE}
도 1은 본 발명에 따른 물회수 및 순환구조를 갖는 패시브형 연료전지 시스템의 개략적인 단면도;
도 2는 본 발명에 따른 발전부의 분해 사시도;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 캐소드 전극의 기체 확산막 크기와 촉매층 크기를 비교한 도면;
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐소드 전극의 기체 확산막 크기를 촉매층 크기와 비교한 도면;
도 5는 종래 다른 실시예에 따른 물회수를 구비한 직접메탄올 연료전지의 도면;
도 6은 종래 다른 실시예에 따른 연료전지의 도면;
도 7은 물관리 시스템을 포함한 직접메탄올 연료전지의 도면.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 전기 발생부
102 : 전극막 조립체
104 : 하우징
110 : 전해질 고분자막
122 : 캐소드 전극
122a, 124a : 촉매층
122b, 124b : 기체 확산층
130, 140 : 개스킷
150 : 물증발 방지부재
A : 연료전지 시스템
[특허문헌 1] 일본특허공개공보 제2004-152561호
[특허문헌 2] 일본특허공개공보 제2005-527063호
[특허문헌 3] 대한민국 특허공개공보 제2002-0019588호
[특허문헌 4] 미국특허공보 제6,660,423호
본 발명은 캐소드 전극에서 발생되는 물을 회수하여 재활용할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 캐소드 전극의 촉매층에서 발생되는 물을 기체 확산층을 통해서 전해질 고분자막으로 이동시켜 재활용할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 수소함유연료에 함유되어 있는 수소와 산화제에 함유되어 있는 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 발전 시스템이다. 이러한 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기 발생부와, 상기 전기 발생부에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 전기 발생부에 산화제를 공급하는 산화제 공급부를 구비하고 있다.
상기 전기 발생부는 선택적 이온투과특성을 갖는 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 제공된 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체(MEA)를 구비한 단위전지(unit cell)을 갖는다. 상기 애노드 전극에서는 수소함유연료, 예를 들어 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소, 수소이온 및 전자가 생성되고, 상기 수소이온은 상기 전해질막을 거쳐 캐소드 전극에 전달된다. 상기 캐소드 전극에서는 상기 수소이온과, 외부회로를 통해 전달된 전자와, 산소가 반응하여 물을 생성한다.
상기 캐소드 전극에서 생성되는 물이 원활하게 배출되지 못하는 경우에는 외부로부터 산소의 유입이 차단되어 연료전지 시스템의 발전효율을 저하시키게 된다. 한편, 상기 캐소드 전극에서 생성되는 물을 회수하여 재활용하기 위한 기술이 공지되어 있다.
일본특허공개공보 제2004-152561호에는 공기극으로부터 발생되는 수분자의 일부를 회수하고 일부는 외부로 배출하는 수분회수기구와, 메탄올 수용액을 저장하 는 연료저장탱크와, 상기 수분회수기구로 회수한 물과 연료저장탱크로부터 공급되는 메탄올 수용액을 혼합하는 혼합기를 가지는 다이렉트 메탄올형 연료전지가 개시되어 있다.
일본특허공개공보 제2005-527063호에는 도 5에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 얇은 막 전극 어셈블리(16)와 물회수 및 재순환 시스템(64)이 물회수 및 재순환 채널(53)을 통해서 연통하고 있는 연료전지장치가 개시되어 있다.
그러나, 상술된 특허문헌들의 기술에는 공기극으로부터 물을 효과적으로 회수할 수 있는 구성이 개시되어 있지 않는다.
대한민국 특허공개공보 제2002-0019588호에는 도 6에 도시된 바와 같이 셀내의 고체 고분자막의 습윤성과 가스 확산성을 유지하기 위하여 캐소드(22) 측의 기체 확산층(24)은 캐소드와 접하는 제1층(241)과, 상기 제1층(241)보다도 두껍고, 상기 표면을 따라 산화제 가스가 유통하는 제2층(242)로 이루어진 연료전지가 개시되어 있다. 그러나, 본 특허문헌의 기술은 제1과 제2층을 별도로 구성하여야 하므로, 기체 확산층의 제조비용을 상승시키는 문제점을 수반하고 있다.
미국특허공보 제6,660,423호에는 도 7에 도시된 바와 같이 캐소드 전극(22)에서 생성되는 물을 흡수하기 위한 친수성 실(30)을 갖는 멤브레인 전극 조립체(16)와, 친수성 실(30)과 유체소통이 가능한 물회수 및 순환채널(58)을 포함하는 연료전지 장치가 개시되어 있다. 그러나, 본 특허문헌의 기술을 달성하기 위하여, 캐소드 전극에서 발생되는 물을 회수하기 위하여 별도의 채널을 가공하였으며, 이는 연료전지 시스템의 제조비용 및 제조시간을 증가시키는 문제점을 수반하고 있 다.
본 발명은 상술된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 물을 회수할 수 있는 별도의 채널을 가공하지 않고도 캐소드 전극에서 발생되는 물을 회수하여 애노드 전극 측으로 효과적으로 순환시킬 수 있는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 캐소드 전극에서 발생되는 물이 대기중으로 증발하는 것을 방지하여 물 회수효율을 향상시키면서 애노드 전극측으로 순환시킬 수 있는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템은 수소함유연료가 유입되는 애노드 전극과 산화제가 유입되는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 전해질 고분자막으로 이루어진 전극막 조립체를 구비한 전기 발생부를 갖고, 상기 캐소드 전극은 상기 전해질 고분자막에 접촉하여 상기 산화제의 환원반응이 이루어지는 제1촉매층과, 상기 제1촉매층에 산화제를 분산시키는 제1기체 확산층으로 구성되고; 상기 제1기체 확산층의 적어도 일부는 상기 전해질 고분자막에 직접 접촉하는 것을 특징으로 한다.
상기 애노드 전극은 상기 전해질 고분자막에 접촉하여 상기 수소함유연료의 산화반응이 이루어지는 제2촉매층과, 상기 제2촉매층에 수소함유연료를 분산시키는 제2기체 확산층으로 구성되고; 상기 제2촉매층의 면적은 상기 제2기체 확산층의 면적과 동일하다.
상기 제1기체 확산층의 면적은 상기 제1촉매층의 면적보다 더 크고, 상기 제1기체 확산층의 면적은 상기 제2기체 확산층의 면적보다 크다.
상기 전기 발생부는 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 각각에 설치되어 기체유출을 방지하는 개스킷을 더 포함하고, 상기 개스킷 각각은 상기 제1기체 확산층의 표면과 제2기체 확산층의 표면이 노출되는 개구를 갖는다. 상기 캐소드 전극에 설치된 제1개스킷의 개구는 상기 애노드 전극에 설치된 제2개스킷의 개구보다 크다.
상기 전기 발생부는 상기 캐소드 전극의 제1기체 확산층의 외부면을 덮도록 제공된 물증발 방지부재를 더 포함하고, 상기 물증발 방지부재는 소수성 특성을 갖는 멤브레인으로 구성된다.
상기 멤브레인은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 파플루오르 카본 술폰산, 테트라플루오르에틸렌-페르풀루오르알킬비닐 에테르공중합체(PFA), 폴리테트라플루오르에틸렌-헥사플루오로플르필렌 공중합체(FEP), 폴리크로로트리풀루오르에틸렌(PCTFE), 폴리 불화비닐리덴(PVDF), 폴리 불화비닐(PVF), 테트라플루오르에틸렌-에틸렌 공중합체(FTFE) 등으로부터 선택되는 적어도 하나인 불소 수지이다.
상기 전기 발생부가 수용되는 수용공간을 갖는 하우징을 더 포함하고, 상기 하우징은 상기 애노드 전극에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되는 저장공간 부와, 상기 캐소드 전극을 대기에 직접 노출시키는 통기공을 갖는 상부판을 구비하고; 상기 하우징의 상부판과 상기 캐소드 전극의 제1기체 확산층 사이에는 물증발 방지부재가 제공된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 물회수 및 순환구조를 갖는 패시브형 연료전지 시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 발전부의 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 캐소드 전극의 기체 확산막 크기를 애노드 전극의 확산막 크기와 비교한 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐소드 전극의 확산막 크기를 애노드 전극의 확산막 크기와 비교한 도면이다.
먼저, 연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(alkaline fuel cell) 등으로 분류될 수 있다. 상기 고분자 전해질형 연료전지는 출력특성이 상대적으로 탁월하고 작동온도가 낮을 뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답특성을 갖는 장점에 때문에 최근에 휴대용 발전기의 용도로 널리 개발연구되고 있다. 그러나, 고분자 전해질형 연료전지는 수소를 얻기 위한 개질기를 요구하고 있으며, 이는 연료전지 시스템의 소형화에 대한 한계로 작용하였다. 따라서, 이러한 한계를 극복하기 위하여 수소함유연료로서 메탄올을 직접 사용하는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC)가 개발되었다.
직접 메탄올형 연료전지 시스템에 있어서, 단위전지의 배열상태, 예를 들어 단위전지가 적층되어 있는 상태와 단위전지가 평면에 배열되어 있는 상태에 따라서 액티브형과 패시브형으로 각각 분류될 수 있다. 부가적으로, 패시브형 연료전지에 산화제의 공급량을 증가시키기 위하여 송풍수단을 구비한 세미-패시브형 연료전지가 있다.
이하의 본 발명에 대한 설명이 패시브형 연료전지 시스템에 대해서 적용되지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기 발생부(100)를 포함한다. 전기 발생부(100)는 선택적 이온투과성을 갖는 전해질 고분자막(110)과, 전해질 고분자막(110)의 양면에 각각 제공된 애노드 전극(124) 및 캐소드 전극(122)으로 이루어진 전극막 조립체(102; MEA)를 구비한 단위전지를 갖는다.
연료전지 시스템은 또한 전기 발생부(100)가 수용되는 수용공간을 갖는 하우징(104)을 갖는다. 하우징(104)은 소정 형상, 예를 들어 직육면체 형상을 갖는다.
하우징(104)에 있어서, 적어도 하나의 측판, 예를 들어 상부판(112)에는 복수개의 통기공(112a)이 천공되어 있고, 통기공(112a)을 통해서 산화제, 예를 들어 대기중의 공기가 하우징(104)의 내부로 유입된다. 이때, 하우징(104)의 수용공간에 수용되어 있는 전기 발생부(100)의 캐소드 전극(122)은 상부판(112)에 인접하도록 위치하여 대기에 직접 노출된다.
또한, 하우징(104)에 있어서, 전기 발생부(100)의 애노드 전극(124)의 하부에는 수소함유연료가 저장되는 저장공간(113)이 형성된다. 하우징(104)의 저장공간(113)에는 연료 공급부(미도시)로부터 공급되는 수소함유연료 또는 물과 혼합되어 희석되어 있는 저농도의 수소함유연료가 저장된다.
이하에서는 발명의 이해를 돕기 위하여, 수소함유연료는 물이 혼합되어 있는 메탄올로 한정하고 또한 산화제는 산소로 한정한다.
전극막 조립체(102)에 있어서, 캐소드 전극(122)은 상부판(112)의 통기공(112a)을 통해서 유입되는 산소와 전해질 고분자막(110)을 통해서 애노드 전극(124)으로부터 유입되는 수소이온을 화학반응시키는 제1촉매층(122a)과, 통기공(112a)을 통해서 유입되는 산소가 제1촉매층(122a)에 균일하게 분산되도록 작용하면서 상기 화학반응을 통해 생성되는 물을 외부로 배출시키는 제1기체 확산층(122b)(GDL; gas diffusion layer)으로 구성된다.
유사하게, 애노드 전극(124)은 수소함유연료를 산화반응에 의해 수소이온과 전자로 변환시키는 제2촉매층(124a)과, 상기 수소함유연료가 제2촉매층(124a)에 균일하게 분산되도록 작용하면서 상기 산화반응을 통해서 생성되는 이산화탄소를 외부로 배출시키는 제2기체 확산층(124b)(GDL; gas diffusion layer)을 갖는다.
그리고, 전해질 고분자막(110)은 애노드 전극(124)의 제2촉매층(124a)에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극(122)의 제1촉매층(122a)에 전달하는 이온교환의 기능을 갖는 예를 들어 수소이온 교환막으로서 작용함과 동시에 수소함유연료의 투과(crossover)를 방지하는 기능을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 캐소드 전극(122)에서 발생되는 물을 회수하여 애노드 전극(124)으로 순환시키기 위한 물회수 및 순환구조는 제1기체 확산층(122b)의 적어도 일부가 전해질 고분자막(110)에 직접 접촉하는 구조로 이루어진다.
바람직하게, 제1기체 확산층(122b)의 면적은 제1촉매층(122a)의 면적보다 크게 유지한다. 예를 들어, 제1기체 확산층과 제1촉매층이 4개의 테두리를 갖는 경우에, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 제1기체 확산층(122a' 또는 122a")의 적어도 2개 테두리 또는 4개 테두리가 제1촉매층의 2개 테두리 또는 4개 테두리 이상으로 연장하는 구조를 갖는다.
본 발명에 따른 물회수 및 순환구조를 갖는 전극막 조립체(102)는 소정 치수의 불소계 양이온교환 수지막(예를 들어, 듀퐁사의 나피온)으로 이루어진 전해질 고분자막(110)의 양측면에 애노드 전극(124)과 캐소드 전극(122)을 각각 위치시킨 후 핫 프레스 처리를 실시함으로써 제작된다. 이때, 캐소드 전극(122)에 있어서, 제1기체 확산층(122b)은 그의 적어도 일부가 전해질 고분자막(110)에 직접 접촉할 수 있도록 제1촉매층(122a)보다 큰 면적을 갖는다.
도 1을 다시 참조하면, 상술된 핫 프레스 처리에 의해서 제작된 전극막 조립체(102)의 캐소드 전극(122)에 있어서, 제1기체 확산층(122b)의 양단부는 제1촉매층(122a)을 둘러싸는 상태에서 전해질 고분자막(110)에 직접 접촉하게 된다. 그러나, 애노드 전극(124)에 있어서, 제2기체 확산층(124b)과 제2촉매층(124a)은 거의 유사한 크기를 갖는다. 바람직하게, 애노드 전극(124)의 제2촉매층(124a)은 캐소드 전극(122)의 제1촉매층(122a)과 거의 유사한 크기를 갖지만, 캐소드 전극(122) 의 제1기체 확산층(122b)은 애노드 전극(124)의 제2기체 확산층(124b)보다 큰 크기를 갖는다.
도면번호 130과 140은 전극막 조립체(102)의 애노드 전극(124) 측과 캐소드 전극(122) 측에서 기체가 누설되는 것을 방지하기 위한 개스킷이다.
도 2를 참조하면, 캐소드 전극(122) 측에 위치하는 제1개스킷(130)은 제1기체 확산층(122b)이 노출되는 제1개구(132)를 갖는다. 애노드 전극(124) 측에 위치하는 제2개스킷(140)은 제2기체 확산층(124b)이 노출되는 제2개구(142)를 갖는다. 상술된 바와 같이 캐소드 전극(122)의 제1기체 확산층(122b)은 애노드 전극(124)의 제2기체 확산층(124b)보다 큰 크기를 가지므로, 제1개스킷(130)의 제1개구(132)의 면적은 제2개스킷(140)의 제2개구(142)의 면적보다 크게 유지되는 것이 바람직하다.
상술된 바와 같은 물회수 및 순환구조에 의해서, 제1촉매층(122a)에서의 화학반응결과 생성되는 물은 제1기체 확산층(122b)으로 회수된 후에 전해질 고분자막(110)을 통해서 애노드 전극(124)의 제2촉매층(124a)으로 순환하게 된다.
그 결과, 하우징(104)의 저장공간(113)으로부터 상대적으로 높은 농도의 수소함유연료가 애노드 전극(124)으로 유입되어도, 이러한 수소함유연료는 캐소드 전극(122)으로부터 전해질 고분자막(110)을 통해서 유입되는 물과 혼합되어 그의 농도를 저하시킬 수 있다. 또한, 전해질 고분자막(110)은 제1기체 확산층(122b)으로부터 유입되는 물에 의해서 습윤상태로 유지되어 있으므로, 애노드 전극(124)에서의 화학반응결과 생성되는 수소이온은 원활하게 캐소드 전극(122)으로 이동하게 된 다.
한편, 캐소드 전극(122)이 대기 측에 노출됨으로써 제1기체 확산층(122b)으로부터 물이 증발하게 되어 물회수 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면 물의 증발을 방지하기 위한 물증발 방지부재(150)가 제1기체 확산층(122b)의 외부면을 덮도록 제공한다. 물증발 방지부재(150)는 바람직하게, 캐소드 전극(122)의 제1기체 확산층(122b)과 하우징(104)의 상부판(112) 사이에 개재시킨다. 물증발 방지부재(150)는 소수성 특성을 갖는 멤브레인으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 캐소드 전극(122)의 물이 외부로 증발되는 것을 방지하면서 외부로부터 산화제가 원활하게 유입될 수 있도록 하기 위함이다.
상기 멤브레인은 발수성 수지로서 불소 수지가 적합하다. 예를 들어, 이러한 발수성 수지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 파플루오르 카본 술폰산, 테트라플루오르에틸렌-페르풀루오르알킬비닐 에테르공중합체(PFA), 폴리테트라플루오르에틸렌-헥사플루오로플르필렌 공중합체(FEP), 폴리크로로트리풀루오르에틸렌(PCTFE), 폴리 불화비닐리덴(PVDF), 폴리 불화비닐(PVF), 테트라플루오르에틸렌-에틸렌 공중합체(FTFE) 등으로부터 선택될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템의 동작에 대해서 설명한다.
하우징(104)의 수용공간에 전기 발생부(100)가 장착된 상태에서, 하우징(104)의 저장공간(114)에 저장되어 있는 수소함유연료, 예를 들어 소정 농도의 메탄올은 전기 발생부(100)의 애노드 전극(124)으로 유입되고 또한 외부공기로부터의 산화제, 예를 들어 산소는 하우징(104)의 통기공(112a)를 통해서 물증발 방지부재(150)를 통과하여 전기 발생부(100)의 캐소드 전극(122)으로 유입된다.
애노드 전극(124)에 있어서, 메탄올은 제2기체 확산층(124b)을 통해서 제2촉매층(124a)에 균일하게 분포하게 된다. 또한, 캐소드 전극(122)에 있어서, 산소는 제1기체 확산층(122b)을 통해서 제1촉매층(122a)에 균일하게 분포하게 된다.
이 후에, 전기 발생부(100)의 애노드 전극(124)의 제2촉매층(124a)과 캐소드 전극(122)의 제1촉매층(122a)에서는 하기 반응식과 같은 전기화학반응이 이루어진다.
애노드 반응: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e_
캐소드 반응: (3/2)O2 + 6H+ + 6e_ → 3H2O
전체 반응: CH3OH + (3/2)O2 → 2H2O + CO2
즉, 애노드 전극(124)의 제2촉매층(124a)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 생성되는 수소이온은 전해질 고분자막(110)을 거쳐 캐소드 전극(122)의 제1촉매층(122a)으로 유입된다. 캐소드 전극(122)의 제1촉매층(122a)에서는 애노드 전극(124)으로부터 유입된 수소이온과, 외부회로를 통해 전달된 전자와, 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로는, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하 고, 또한 전기를 생성한다. 이때, 생성된 전기는 집전체(미도시)를 통해서 외부로 제공된다.
그리고, 캐소드 전극(122)의 제1촉매층(122a)에서의 화학반응결과 생성된 물은 제1기체 확산층(122b)으로 회수된 후에 전해질 고분자막(110)을 통해서 애노드 전극(124)의 제2촉매층(124a)으로 유입된다. 이때, 물증발 방지부재(150)에 의해서 제1기체 확산층(122b)으로 회수된 물의 증발이 방지되어 물회수효율을 향상시키게 된다.
본 발명에 따르면, 캐소드 전극에서의 화학반응결과 생성되는 물이 전해질 고분자막 통해서 애노드 전극으로 유입되고 또한 물의 증발을 효과적으로 방지함으로써, 물회수효율을 향상시켜 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (18)

  1. 수소함유연료가 유입되는 애노드 전극과 산화제가 유입되는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 전해질 고분자막으로 이루어진 전극막 조립체를 구비한 전기 발생부를 갖는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 상기 전해질 고분자막에 접촉하여 상기 산화제의 환원반응이 이루어지는 제1촉매층과, 상기 제1촉매층에 산화제를 분산시키는 제1기체 확산층으로 구성되고;
    상기 제1기체 확산층의 적어도 일부는 상기 전해질 고분자막에 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1기체 확산층의 면적은 상기 제1촉매층의 면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 애노드 전극은 상기 전해질 고분자막에 접촉하여 상기 수소함유연료의 산화반응이 이루어지는 제2촉매층과, 상기 제2촉매층에 수소함유연료를 분산시키는 제2기체 확산층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2촉매층의 면적은 상기 제2기체 확산층의 면적과 동일한 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1기체 확산층의 면적은 상기 제2기체 확산층의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 전기 발생부는 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 각각에 설치되어 기체유출을 방지하는 개스킷을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 개스킷 각각은 상기 제1기체 확산층의 표면과 제2기체 확산층의 표면이 노출되는 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 캐소드 전극에 설치된 제1개스킷의 개구는 상기 애노드 전극에 설치된 제2개스킷의 개구보다 큰 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 전기 발생부는 상기 캐소드 전극의 제1기체 확산층의 외부면을 덮도록 제공된 물증발 방지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 물증발 방지부재는 소수성 특성을 갖는 멤브레인으로 구성되는 것을 특 징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 멤브레인은 불소 수지인 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 불소 수지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 파플루오르 카본 술폰산, 테트라플루오르에틸렌-페르풀루오르알킬비닐 에테르공중합체(PFA), 폴리테트라플루오르에틸렌-헥사플루오로플르필렌 공중합체(FEP), 폴리크로로트리풀루오르에틸렌(PCTFE), 폴리 불화비닐리덴(PVDF), 폴리 불화비닐(PVF), 테트라플루오르에틸렌-에틸렌 공중합체(FTFE) 등으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 캐소드 전극의 제1기체 확산층은 대기에 직접 노출되는 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전기 발생부가 수용되는 수용공간을 갖는 하우징을 더 포함하고, 상기 하우징은 상기 애노드 전극에 공급하고자 하는 수소함유연료가 저장되는 저장공간부와, 상기 캐소드 전극을 대기에 직접 노출시키는 통기공을 갖는 상부판을 구비한 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 하우징의 상부판과 상기 캐소드 전극의 제1기체 확산층 사이에는 물증발 방지부재가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 물증발 방지부재는 소수성 특성을 갖는 멤브레인으로 구성되는 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 멤브레인은 불소 수지인 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 불소 수지는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 파플루오르 카본 술폰산, 테트라플루오르에틸렌-페르풀루오르알킬비닐 에테르공중합체(PFA), 폴리테트라플루오르에틸렌-헥사플루오로플르필렌 공중합체(FEP), 폴리크로로트리풀루오르에틸렌(PCTFE), 폴리 불화비닐리덴(PVDF), 폴리 불화비닐(PVF), 테트라플루오르에틸렌-에틸렌 공중합체(FTFE) 등으로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템.
KR1020060044128A 2006-05-17 2006-05-17 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템 KR100711897B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060044128A KR100711897B1 (ko) 2006-05-17 2006-05-17 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템
US11/797,891 US8557453B2 (en) 2006-05-17 2007-05-08 Fuel cell system having water recovering and circulating structure

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060044128A KR100711897B1 (ko) 2006-05-17 2006-05-17 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR100711897B1 true KR100711897B1 (ko) 2007-04-25

Family

ID=38182443

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060044128A KR100711897B1 (ko) 2006-05-17 2006-05-17 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8557453B2 (ko)
KR (1) KR100711897B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010509736A (ja) * 2006-11-07 2010-03-25 ポリフューエル・インコーポレイテッド 燃料電池から生成される液状水の受動的回収
WO2009120976A1 (en) * 2008-03-28 2009-10-01 Polyfuel, Inc. Fuel cell systems using passive recovery of liquid water
CN109860674B (zh) * 2019-01-21 2020-08-25 西安交通大学 一种弹性势能驱动直接甲醇燃料电池及其工作方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10154521A (ja) 1996-09-24 1998-06-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体高分子型燃料電池
JP2002373678A (ja) 2001-06-15 2002-12-26 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池におけるガスの供給方法
KR20040029037A (ko) * 2002-03-25 2004-04-03 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 연료전지용 전해질막-전극접합체 및 그 제조방법
JP2006100267A (ja) 2004-08-30 2006-04-13 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子電解質膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3594533B2 (ja) 2000-05-30 2004-12-02 三洋電機株式会社 燃料電池
US6660423B2 (en) 2000-12-15 2003-12-09 Motorola, Inc. Direct methanol fuel cell including a water management system and method of fabrication
US6727016B2 (en) 2001-08-09 2004-04-27 Motorola, Inc. Direct methanol fuel cell including a water recovery and re-circulation system and method of fabrication
JP2004152561A (ja) 2002-10-30 2004-05-27 Hitachi Ltd ダイレクトメタノール型燃料電池の燃料供給方法
KR100536239B1 (ko) * 2004-04-21 2005-12-12 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템
EP1784878A1 (de) * 2004-08-28 2007-05-16 Umicore AG & Co. KG Verfahren zur herstellung von membran-elektroden-einheiten
WO2006025335A1 (ja) * 2004-08-30 2006-03-09 Asahi Glass Company, Limited 固体高分子形燃料電池用の膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10154521A (ja) 1996-09-24 1998-06-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体高分子型燃料電池
JP2002373678A (ja) 2001-06-15 2002-12-26 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池におけるガスの供給方法
KR20040029037A (ko) * 2002-03-25 2004-04-03 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 연료전지용 전해질막-전극접합체 및 그 제조방법
JP2006100267A (ja) 2004-08-30 2006-04-13 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子電解質膜電極接合体及び固体高分子形燃料電池

Also Published As

Publication number Publication date
US20070269708A1 (en) 2007-11-22
US8557453B2 (en) 2013-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100837924B1 (ko) 연료 전지
US20070134545A1 (en) Membrane electrode assembly for fuel cells and fabrication method thereof
JP2002367655A (ja) 燃料電池
KR100711897B1 (ko) 물회수 및 순환구조를 갖는 연료전지 시스템
US7622213B2 (en) Liquid fuel mixing apparatus and direct liquid feed fuel cell system including the same
JP2007157508A (ja) 気液分離装置および気液分離装置を備えた燃料電池発電システム
JP4658883B2 (ja) 水回収システム、及びそれを具備した直接液体燃料電池
US8968946B2 (en) Fuel cell systems
KR20090003617A (ko) 연료전지 시스템
JP2007299712A (ja) 燃料電池
JP2008146902A (ja) 燃料電池セルおよび燃料電池スタック
JP5028860B2 (ja) 燃料電池
JP2007200826A (ja) 電気化学反応器
KR100649204B1 (ko) 연료 전지 시스템, 스택 및 세퍼레이터
KR100970401B1 (ko) 직접 메탄올 연료 전지용 ｃｏ２ 세퍼레이터
US8703347B2 (en) Flat fuel cell assembly having gas barrier material layer
JP2006286259A (ja) 発電装置及び加湿装置
KR20070036505A (ko) 세미-패시브형 연료전지 시스템
JP2007273326A (ja) 燃料電池セル
JP2010192393A (ja) 燃料電池
KR100550955B1 (ko) 가습막 일체형 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체
JP2008027804A (ja) 燃料電池
JP2007257891A (ja) 水蒸気交換膜、加湿器、燃料電池システム
US9048466B2 (en) Flat fuel cell assembly with air channel defined by case
JP2009123384A (ja) チューブ型燃料電池モジュール

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120326

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130322

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee