KR100723397B1 - 물 재활용 플레이트를 구비하는 연료전지 - Google Patents

물 재활용 플레이트를 구비하는 연료전지 Download PDF

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Abstract

물 재활용 플레이트를 구비하는 연료전지에 관해 개시되어 있다. 개시된 본 발명은 멤브레인(전해질막)과 전극을 포함하는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA) 및 상기 MEA의 캐소드(cathod) 측에 부착되어 상기 캐소드 측에서 발생되는 수증기를 응축하여 상기 캐소드 측에 물을 공급하는 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지를 제공한다.

Description

물 재활용 플레이트를 구비하는 연료전지{Fuel cell comprising water recirculation plate}
도 1은 본 발명의 실시예에 의한, 캐소드 측에서 발생되는 수증기를 응축하여 캐소드 측에 물을 공급하는 플레이트가 구비된 연료전지의 입체도이다.
도 2는 도 1의 플레이트의 캐소드 측과 마주하는 면을 보여주는 입체도이다.
도 3은 도 2에 도시한 플레이트의 일부를 확대한 도면이다.
도 4는 도 3을 4-4'방향으로 절개한 단면도이다.
도 5는 도 3을 5-5'방향으로 절개한 단면도이다.
도 6 및 도 7은 도 1에 플레이트의 표면에 주름이 형성된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 1에 도시한 연료전지에서 캐소드 측에서 발생된 수증기가 플레이트에서 물이 되어 캐소드 측으로 공급되는 과정을 보여주는 단면도이다.
도 9는 본 발명자의 실험을 통해 측정한 전력밀도-동작시간 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명자의 실험을 통해 측정한 전압 및 전력-전류 특성을 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10, 24:애노드(anode) 12, 22:제1 전류 집전체
14,26:멤브레인(전해질막) 16, 30:제2 전류 집전체
18, 28:캐소드(cathode) 20, 32:제1 및 제2 확산층
40:플레이트 40a:돌기
40b:구조물 40c:트랜치
40cb:트랜치 바닥 52:수증기
54:물방울 A1:멤브레인 전극 어셈블리(MEA)
a1:MEA의 일부 영역 S1:플레이트 바깥면
S2:플레이트 안쪽면 T1, T2:제1 및 제2 시간구간
1. 발명의 분야
본 발명은 연료전지에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 캐소드 측에서 발생되는 수증기를 응축하여 캐소드 측에 물을 공급하는 플레이트가 구비된 연료전지에 관한 것이다.
2. 관련기술의 설명
연료전지는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)와 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)로 나눌 수 있다.
DMFC는 PEMFC에 비해 출력밀도는 낮지만, 연료의 공급이 용이하고, 배터리에 비해 높은 출력밀도는 갖기 때문에, 배터리를 대체할 수 있는 가능성이 높은 것으로 알려져 있다. DMFC의 일반적인 스택(stack)은 바이폴라형이지만, PDA나 휴대폰, 노트북 PC용 배터리를 대체하기 위한 스택은 대개 모노폴라형이다.
현재까지 다양한 모노폴라형 DMFC가 소개되고 있는데, 소개된 모노폴라형 DMFC(이하, 종래의 DMFC)에서 플래너형(planar type)은 캐소드(cathode)의 전체면이 외부로 노출되어 있는 바, 캐소드에서 발생된 수증기의 많은 양이 외부로 소실되는 것은 불가피하다. 이에 따라 종래의 DMFC의 경우, 출력 전력밀도를 높이기 어렵다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 캐소드 측에서 증발되는 물을 응축하여 재 사용함으로써 물 손실을 최소화할 수 있고, 출력 전력밀도도 높일 수 있는 플래너형 연료전지를 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 멤브레인(전해질막)과 전극을 포함하는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA) 및 상기 MEA의 캐소드(cathode) 측에 부착되어 상기 캐소드 측에서 발생되는 수증기를 응축하여 상기 캐소드 측에 물을 공급하고, 상기 물에 대해 비흡수성을 갖는 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지를 제공한다.
상기 플레이트에 상기 캐소드 측에서 발생되는 수증기를 모아서 응축할 수 있는 공간이 마련되어 있다.
상기 플레이트에는 끝이 상기 MEA와 접촉되는 돌기가 구비되어 있고, 상기 돌기 둘레의 상기 플레이트는 상기 MEA와 이격되어 있다.
상기 돌기는 격자형태로 배열되어 있다.
상기 돌기는 원뿔, 다각뿔 또는 기둥일 수 있다.
상기 돌기의 표면에 상기 돌기의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝을 향하는 주름 또는 홈이 존재할 수 있다.
상기 플레이트에 상기 MEA에 접촉되지 않고 격자 배열을 이루는 복수의 구조물이 더 구비될 수 있다.
상기 하나의 구조물 둘레에 다수의 상기 돌기가 위치할 수 있다.
상기 플레이트에 상기 돌기와 상기 구조물에 의해 형성되는 트랜치가 존재할 수 있다.
상기 플레이트의 바깥면에 주름이 존재할 수 있다. 이때, 상기 주름은 상기 바깥면 전체 혹은 일부에만 존재할 수 있다.
상기 플레이트의 바깥면의 상기 돌기에 대응하는 위치에 상기 돌기와 같은 형상의 홈이 형성되어 있다.
상기 구조물의 상기 MEA와 마주하는 면은 원형 또는 다각형일 수 있다.
상기 구조물은 원뿔 또는 다각뿔일 수 있다.
이러한 본 발명을 이용하면, 캐소드 측으로 소실되는 물의 양을 최소화 할 수 있고, 플레이트로부터 캐소드 측으로 물을 공급할 수 있는 바, 출력 전력밀도를 높일 수 있으며, 멤브레인의 수화 상태를 수소이온(H+)의 이송에 적합한 적정 상태로 계속 유지할 수 있다. 또한, 상기 플레이트의 구성이 간단하기 때문에, 그 제작이 용이하다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 물 재활용 플레이트를 구비하는 연료전지 을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지는 전해질막인 멤브레인과 전극을 포함하는 MEA(A1)를 포함하고, MEA(A1) 상부면에 부착되는 플레이트(40)를 포함한다. 플레이트(40)는 MEA(A1)의 캐소드 측에서 발생되는 수증기를 응축시켜 상기 캐소드 측에 물을 공급할 수 있는 수단이다. 따라서 플레이트(40)는 물에 대한 비흡수성을 갖고 있어 물을 흡수하지 않는 것이 바람직하다. MEA(A1)는 다양한 구성을 가질 수 있다. 예를 들면, MEA(A1)의 일부 영역(a1)의 구성을 보여주는 1a도에 도시한 바와 같이, MEA(A1)는 순차적으로 적층된 애노드(10), 제1 전류 집전체(12), 멤브레인(membrane)(전해질막)(14), 제2 전류 집전체(16) 및 캐소드(18)를 포함할 수 있다. MEA(A1)는 또한 도 1b에 도시한 바와 같이 순차적으로 적층된 제1 확산층(20), 제1 전류 집전체(22), 애노드(24), 멤브레인(26), 캐소드(28), 제2 전류 집전체(30) 및 제2 확산층(32)을 포함할 수 있다.
MEA(A1)의 이러한 구성을 보면, 플레이트(40)는 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)에 부착됨을 알 수 있다.
도 1에서 참조부호 S1은 플레이트(40)의 바깥면을 나타내고, S2는 MEA(A1)의 캐소드 측과 마주하는 플레이트(40)의 안쪽면을 나타낸다. 플레이트(40)의 안쪽면(S2)에는 도 2에 도시한 바와 같이 복수의 돌기(40a)가 격자 배열을 이루고 있다. 돌기(40a)의 뾰족한 끝은 MEA(A1)에 접촉된다. 돌기(40a)로 인해서 돌기(40a) 둘레의 플레이트(40)의 나머지 부분과 MEA(A1)사이에 공간이 존재하고, 이 공간을 통해서 공기가 캐소드 측으로 유입될 수 있다. 돌기(40a)는 원뿔으로 도시되어 있지만, 이외에 사각뿔, 삼각뿔, 오각뿔 등 다각뿔일 수 있다. 또한, 돌기(40a)는 기둥(pillar)일 수 있는데, 예를 들면 원기둥일 수 있고, 삼각기둥, 사각기둥 등과 같이 다각 기둥일 수도 있다. 돌기(40a)에 길이 방향으로 주름이나 홈이 있을 수 있다. 상기 주름이나 홈은 돌기(40a)의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝을 향해 형성되어 있다.
플레이트(40)의 MEA(A1)와 마주하는 면(S2)에는 돌기(40a)와 함께 복수의 구조물(40b)이 더 구비되어 있다. 구조물(40b)도 돌기(40a)와 마찬가지로 격자배열을 이룬다. 도면에서 구조물(40b)은 사각형으로 도시되어 있지만, 원형이나 삼각형일 수도 있고, 돌기(40a)와 동일한 형태일 수도 있다. 한 개의 돌기(40a)는 네 개의 구조물(40b)에 둘러싸여 있고, 한 개의 구조물(40b)은 다수, 예컨대 네 개의 돌기(40a)에 둘러싸여 있다. 돌기(40a)는 상기한 바와 같은 이격수단이면서 플레이트(40)에 맺히는 물방울이 MEA(A1)로 이동되는 경로로 사용된다. 상기 물방울은 돌기(40a)의 표면을 따라 MEA(A1)의 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)으로 이동된다. 플레이트(40)에는 또한 트랜치(40c)가 존재한다. 트랜치(40c)는 MEA(A1)의 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)으로부터 증발된 수증기가 모이는 공간으로 사용된다. 플레이트(40)에 구조물(40b)이 구비되지 않는 경우, 상기 수증기가 모이는 공간은 돌기(40a)사이의 모든 공간이 될 수 있다. 트랜치(40c)에 모인 수증기는 플레이트(40)와 접촉되면서 응축된다. 이 결과, 돌기(40a)의 표면에 물방울이 맺히고, 상기 물방울은 돌기(40a)의 표면을 타고 MEA(A1)의 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)으로 공급된다. 상기 물방울은 구조물(40b)의 측면에도 맺힌다. 구조물(40b)의 측면에 맺힌 물방울은 구조물(40b)의 그 측면을 따라 돌기(40a)로 이동된 다음, 돌기(40a)의 표면을 따라 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)으로 이동된다. 트랜치(40c)는 도면에서 볼 수 있듯이 이웃한 두 개의 돌기(40a)와 이웃한 두 개의 구조물(40b)이 모여 만들어진 영역이다.
도 3은 도 2의 일부를 확대하여 보여주는데, 도 3을 4-4'방향으로 절개한 도 4와 5-5'방향으로 절개한 도 5를 참조하면, 돌기(40a), 구조물(40b) 및 트랜치(40c)의 형태를 보다 자세히 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 돌기(40a)는 플레이트(40)에서 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)을 향해 형성된 것을 알 수 있다.
도 5를 참조하면, 구조물(40b)은 돌기(40a)보다 낮다. 따라서 구조물(40b)은 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)과 접촉되지 않는다. 이에 따라 구조물(40b)과 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)사이의 공간을 통해서 수증기가 이동될 수 있다. 구조물(40b)은 돌기(40b)와 동일한 형태, 예컨대 돌기(40b)가 도면에서처럼 원뿔인 경우, 구조물(40b)도 원뿔일 수 있다. 또한, 구조물(40b)을 제거하였을 때, 수증기가 응축되어 물방울이 맺히는 단계에서부터 맺힌 물방울이 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)까지 이동되는데 소요되는 시간이 구조물(40b)이 존재할 때의 시간에 비해서 길지 않다면, 구조물(40b)은 제거할 수도 있다.
한편, 트랜치(40c)에 모인 수증기를 신속히 응축하여 돌기(40a)의 표면에 물방울이 맺히게 하기 위해서는 결국 수증기가 접촉되는 플레이트(40)와 돌기(40a)와 구조물(40b)의 온도를 낮추어 수증기가 갖고 있는 열을 플레이트(40) 바깥으로 발산시켜야 한다. 그러므로 플레이트(40), 돌기(40a) 및 구조물(40b)의 온도를 낮추기 위해서 외부 공기와 접촉되는 플레이트(40)의 바깥면의 표면적은 가능한 넓은 것이 좋다. 따라서 도 4의 플레이트(40)의 바깥면(S1)은 도 6에 도시한 바와 같이 올록볼록하게 가공될 수 있다. 또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 플레이트(40) 바깥면(S1)의 돌기(40a)가 형성된 위치에 홈(50)을 형성할 수 있다. 이때, 홈(50)의 형태는 돌기(40a)와 같을 수 있다. 예를 들어, 돌기(40a)가 원뿔이면, 홈(50)도 원뿔 모양으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 플레이트(40)의 평평한 바깥면(S1)을 변형하여 바깥면(S1)의 공기와 접촉되는 면적을 넓게 함으로써, 트랜치(40c)에 모인 수증기가 응축되어 물방울로 되는데 소요되는 시간이 짧아질 수 있다. 이것은 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)과 플레이트(40)사이에서 일어나는 수증기에서 물이 되는 주기가 짧아짐을 의미한다.
본 발명의 연료전지에서 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)과 플레이트(40)사이에서 일어나는 물의 순환 과정은 도 8에서 볼 수 있다.
도 8을 참조하면, 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)로부터 발생되는 수증 기(52)는 플레이트(40)의 트랜치(40c) 내벽, 곧 돌기(40a)의 측면과 바닥(40cb)과 접촉되고, 도 8에는 보이지 않지만, 구조체(40b)와도 접촉된다. 이 결과, 수증기(52)는 응축되어 돌기(40a)의 측면과 같은 트랜치(40c)의 내면에 물방울(54)로 맺히게 된다. 트랜치(40c)의 내면에 맺힌 물방울(54)은 돌기(40a)의 측면을 따라 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)으로 유입된다. 이렇게 플레이트(40)로부터 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)으로 유입되는 물은 멤브레인(14, 26)까지 공급되어 멤브레인(14, 26)의 수화상태를 적정상태로 유지하게 된다. 따라서 애노드(10, 24)에서 발생되는 수소이온(H+)은 멤브레인(14, 26)을 통과해서 캐소드(18, 28)에 원활하게 도달될 수 있다.
수증기(52)가 물방울(54)로 맺히는데 소요되는 시간은 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)과 플레이트(40)사이의 온도차가 클수록 짧다. 그러므로 캐소드(18) 또는 제2 확산층(32)과 트랜치(40c)의 바닥(40cb)사이는 가능한 멀리 이격된 것이 좋다. 곧, 트랜치(40c)의 깊이는 가능한 깊은 것이 좋다. 단, 플레이트(40) 바깥면에 상기한 주름이나 홈이 존재하는 경우, 상기 바깥면의 표면적이 넓기 때문에, 상기 거리나 깊이는 상기 주름이 존재하지 않을 때보다 짧거나 얕을 수 있다.
본 발명자는 상술한 본 발명에 의한 연료전지의 우수성을 확인하기 위한 실험을 실시하였다.
상기 실험에는 도 1의 (1b)에 도시한 바와 같은 구성을 갖는 모노폴라 형태의 연료전지(이하, 테스트 전지)를 만들어 사용하였다. 그리고 상기 실험에서 상기 테스트 전지의 애노드에 공급되는 연료로는 순수 메탄올 증기를 사용하였다. 또한, 캐소드에는 그 측면을 통해서 공기를 공급하였다. 또한, 상기 실험에서 도 2에 도시한 바와 같은 플레이트(40)를 사용하였다.
도 9와 도 10은 상기 실험 결과를 보여준다.
도 9는 상기 실험에서 측정한 상기 테스트 전지의 동작 시간에 따른 출력 전력밀도의 변화를 보여준다.
도 9의 그래프(G1)에서 제1 시간구간(T1)은 플레이트(40)로부터 물이 공급되기 전의 출력 전력밀도의 변화를 나타내고, 제2 시간구간(T2)은 플레이트(40)로부터 물이 공급되기 시작하면서 나타나는 출력 전력밀도의 변화를 나타낸다.
도 9의 그래프(G1)를 참조하면, 연료전지의 동작이 제1 시간구간(T1)에 있을 때의 출력 전력밀도(이하, 제1 전력밀도)에 비해 연료전지의 동작이 제2 시간구간(T2)에 있을 때의 출력 전력밀도(이하, 제2 전력밀도)가 높은 것을 알 수 있다. 수치적으로도 상기 제2 전력밀도가 상기 제1 전력밀도보다 10%-15%정도 높은 것을 알 수 있다.
도 10은 상기 실험에서 측정한 상기 테스트 전지의 전압 및 전력-전류 특성을 보여준다.
도 10에서 제1 그래프(G11)는 플레이트(40)에서 캐소드측으로 물이 공급될 때, 측정한 전압-전류 특성을 나타내고, 제2 그래프(G22)는 플레이트(40)에서 캐소드측으로 물이 공급되지 않을 때, 측정한 전압-전류 특성을 나타낸다. 그리고 제3 그래프(G33)는 플레이트(40)에서 캐소드 측으로 물이 공급될 때 측정한 전력-전류 특성을 나타내고, 제4 그래프(G44)는 플레이트(40)에서 캐소드 측으로 물이 공급되 지 않을 때 측정한 전력-전류 특성을 나타낸다.
도 10의 제1 및 제2 그래프(G11, G22)를 비교하면, 전류가 증가하면서 동일 전압에서 플레이트(40)로부터 캐소드 측으로 물이 공급될 때의 전류는 그렇지 않을 때의 전류보다 크다는 것을 알 수 있다. 그리고 제3 및 제4 그래프(G33, G44)를 비교하면, 같은 전류에서 전력은 플레이트(40)로부터 캐소드 측으로 물이 공급될 때가 그렇지 않을 때보다 크다는 것을 알 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 플레이트(40)를 동일한 목적을 갖는 다양한 형태로 변형할 수 있을 것이다. 또한, MEA(A1)의 구성을 상술한 바와 다르게 할 수 있을 것이며, 상술한 구성에 다른 구성요소를 더 부가할 수도 있을 것이다. 또한, 플레이트(40)의 바깥면(S1)과 트랜치 바닥(40cb)사이에 히트 파이프의 증발부가 위치하도록 히트 파이프를 구비할 수도 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지는 캐소드 측에 부착되어 캐소드 측으로부터 발생되는 수증기를 모아 응축시켜 캐소드 측에 물을 공급하는 플레이트를 구비한다. 따라서 본 발명의 연료전지를 이용하면, 캐소드 측으로 소실되는 물의 양을 최소화 할 수 있고, 플레이트로부터 캐소드 측으로 물을 공급할 수 있는 바, 출력 전력밀도를 높일 수 있으며, 멤브레인의 수화 상태를 수소이온(H+)의 이송에 적합한 적정 상태로 계속 유지할 수 있다. 또한, 상기 플레이트의 구성이 간단하기 때문에, 그 제작이 용이하다.

Claims (14)

  1. 멤브레인(전해질막)과 전극을 포함하는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA); 및
    상기 MEA의 캐소드(cathode) 측에 부착되어 상기 캐소드 측에서 발생되는 수증기를 응축하여 상기 캐소드 측에 물을 공급하고, 상기 물에 대해 비흡수성을 갖는 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트에 상기 캐소드 측에서 발생되는 수증기를 모아서 응축할 수 있는 공간이 마련된 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트에는 끝이 상기 MEA와 접촉되는 돌기가 구비되어 있고, 상기 돌기 둘레의 상기 플레이트는 상기 MEA와 이격된 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 돌기는 격자형태로 배열된 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 돌기는 원뿔, 다각뿔 또는 기둥인 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 돌기의 표면에 상기 돌기의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝을 향하는 주름 또는 홈이 존재하는 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 플레이트에 상기 MEA에 접촉되지 않고 격자 배열을 이루는 복수의 구조물이 더 구비된 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 하나의 구조물 둘레에 다수의 상기 돌기가 위치하는 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 플레이트에 상기 돌기와 상기 구조물에 의해 형성되는 트랜치가 존재하는 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  10. 제 1 항, 제 3 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플레이트의 바깥면에 주름이 존재하는 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 주름은 상기 바깥면 전체 혹은 일부에만 존재하는 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  12. 제 1 항, 제 3 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플레이트의 바깥면의 상기 돌기에 대응하는 위치에 상기 돌기와 같은 형상의 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 구조물은 상기 MEA와 마주하는 면이 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
  14. 제 7 항에 있어서, 상기 구조물은 원뿔 또는 다각뿔인 것을 특징으로 하는 플래너형 연료전지.
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