KR100726944B1 - Metallic net-structure current collector and monopolar-plate fuel cell pack with the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 연료전지스택의 구조를 설명하기 위한 개략적인 분해도,1 is a schematic exploded view for explaining the structure of a typical fuel cell stack;
도 2와 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 망사형 금속 집전체를 설명하는 도면, 2 and 3 are views illustrating a mesh-type metal current collector according to a preferred embodiment of the present invention;
도 4는 도 2와 도 3에 도시된 본 발명에 따른 망사형 금속 집전체를 채용한 셀연결방법이 적용된 6-셀 연료전지 셀팩을 나타낸 도면이다. 4 is a diagram illustrating a 6-cell fuel cell cell pack to which a cell connection method employing a mesh-type metal current collector according to the present invention shown in FIGS. 2 and 3 is applied.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Explanation of symbols for main parts of drawings *
10A,10B: 제 1 및 제 2커버부재, 10A, 10B: first and second cover members,
12A,12B, 12: 집전체(Current Collector),12A, 12B, 12: Current Collector,
14A:공기(산소)공급부, 14B: 연료공급부,14A: air (oxygen) supply, 14B: fuel supply,
18A,18B: 유로형성부재(Graphite plate),18A, 18B: Graphite plate,
18: MEA(Membrane Electrode Assembly), 18: Membrane Electrode Assembly (MEA),
20,22,24,26: 제 1∼제 4망사형 금속 집전체부재,20,22,24,26: first to fourth mesh type metal current collector members,
28: 전해질막, 30: 다공성필름.28: electrolyte membrane, 30: porous film.
본 발명은 망사형 금속 집전체와 그 집전체를 채용한 단전극 연료전지 셀팩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; DMFC) 또는 고분자 연료전지에 적합하게 적용 가능하면서 망사형 금속 집전체를 이용하여 셀의 전기적 연결구조가 구현되도록 한 망사형 금속 집전체와 그 집전체를 이용한 단전극 연료전지 셀팩에 관한 것이다.The present invention relates to a mesh-type metal current collector and a single electrode fuel cell cell pack employing the current collector, and more particularly, can be suitably applied to a direct methanol fuel cell (DMFC) or a polymer fuel cell. The present invention relates to a mesh-type metal current collector and a single-electrode fuel cell cell pack using the current collector to realize an electrical connection structure of a cell using a mesh-type current collector.
최근에, 연료의 화학반응에 의해 전기에너지를 얻는 연료전지(Fuel Cell)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Recently, research has been actively conducted on fuel cells which obtain electrical energy by chemical reaction of fuel.
그러한 연료전지는 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하기 때문에 에너지변환효율이 높고 환경오염을 유발하는 공해물질을 거의 배출하지 않기 때문에 친환경적인 발전시스템이다. Such a fuel cell is an environmentally friendly power generation system because it converts chemical energy of a fuel directly into electrical energy, and thus has high energy conversion efficiency and emits little pollutants causing environmental pollution.
그 연료전지로는 메탄올을 연료로 사용하는 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; DMFC)와 고분자 연료전지 등이 개시되어 있다.As such fuel cells, direct methanol fuel cells (DMFCs) using methanol as fuel, polymer fuel cells, and the like are disclosed.
그 DMFC는 연료인 메탄올과 산화제로서의 산소와의 반응에 의해 전기를 생성하기 때문에 에너지밀도와 전력밀도가 상당히 높으며 특정의 주변장치(예컨대 연료개질기(Reformer))가 필요하지 않고 연료의 저장 및 공급이 용이하다는 장점을 갖는 발전장치이다.The DMFC generates electricity by the reaction of methanol as a fuel with oxygen as an oxidant, which results in significantly higher energy and power densities, eliminating the need for special peripherals (e.g., reformers), and the storage and supply of fuel. It is a power generator having the advantage of being easy.
도 1은 일반적인 직접메탄올 연료전지의 스택구조를 나타낸다.1 shows a stack structure of a typical direct methanol fuel cell.
도면에 도시된 연료전지스택에 따르면, 해당하는 연료전지의 물리적인 형상 을 유지하기 위한 엔드플레이트(End plate)로서의 제 1 및 제 2커버부재(10A,10B)가 갖추어지고, 그 제 1 및 제 2커버부재(10A,10B)의 내측면에는 전류의 포집을 위한 집전체(Current Collector)(12A,12B)가 배치된다.According to the fuel cell stack shown in the drawing, first and
상기 집전체(12A,12B)는 연료로서의 메탄올과 공기(산소)의 공급에 의해 발전을 행하는 MEA(Membrane Electrode Assembly)(18)의 양측에 제 1 및 제 2유로형성부재(즉, Graphite plate)(16A,16B)를 개재하여 대면된다.The
여기서, 상기 제 1커버부재(10A)상에는 공기(산소)의 주입을 위한 공기(산소)주입부(14A)와 연료의 공급을 위한 연료공급부(14B)가 마련된다. Here, the air (oxygen)
또, 해당하는 연료전지 셀팩의 각 구성요소의 외주변에는 상기 제 1커버부재(10A)와 상기 제 2커버부재(10B)의 외주변에 형성된 나사체결공(10a)에 대응하는 위치마다 나사체결공이 형성되어 나사에 의한 결합이 이루어지게 된다.In addition, screwing is performed on the outer periphery of each component of the corresponding fuel cell cell pack at positions corresponding to the
상기 MEA(18)는 전해질막(Membrane)의 양측에 촉매잉크가 코팅되거나 도포된 제 1 및 제 2의 카본페이퍼(Carbon Paper)가 열간압착되고, 그 제 1 및 제 2카본페이퍼의 외측면에 대면되는 상기 제 1 및 제 2유로형성부재(16A,16B)는 대응하는 카본페이퍼에 공기(즉, 산소)와 연료가 균일하게 공급되도록 하기 위해 공기 및 연료의 공급을 위한 유로가 형성된 예컨대 '탄소계 플레이트'로 형성된다.The
여기서, 해당하는 연료전지 스택에 다수의 연료전지셀이 집적되는 경우 각 셀은 직렬 또는 병렬적인 연결이 필요하기 때문에 유로형성이 필요한 구성요소는 전도성 재질로 형성되어야만 되고, 그러한 전도성 재질로서는 탄소계 재질 또는 금속계 재질로 한정된다. In this case, when a plurality of fuel cell cells are integrated in a corresponding fuel cell stack, each cell needs to be connected in series or in parallel, and thus, a component requiring flow paths must be formed of a conductive material. Or metal-based materials.
또, 도 1에 도시된 상기한 연료전지 스택구조에서, 상기 제 1 및 제 2커버부재(10A,10B)는 해당하는 연료전지 스택의 형태를 유지하기 위한 기능을 가지면서, 예컨대 제 1커버부재(10A)에는 공기(산소)의 공급을 위한 공기공급부(14A)와 연료의 공급을 위한 연료공급부(14B)가 형성되고 그 제 2커버부재(10B)에는 잔여의 공기/연료의 배출을 위한 공기/연료배출부(도시는 생략)가 형성된다.Further, in the fuel cell stack structure shown in FIG. 1, the first and
바람직하게, 상기 제 1 및 제 2집전체(12A,12B)의 내측에는 유체의 실링(Sealing)을 위한 집전체실링부재(12a,12b)가 취부되고, 상기 MEA(18)의 양측에도 유체의 실링을 위한 MEA실링부재(18A,18B)가 제공되며, 그러한 실링구조는 각 구성요소에 대한 실링이 필요한 경우에 배치된다.Preferably, current
여기서, 상기한 도 1의 연료전지 스택구조에서는 연료의 화학반응을 유도하는 공기(산소)를 유입하기 위한 부가적인 구성요소가 필요하게 되어 연료전지의 초소형화가 곤란하게 된다. Here, in the fuel cell stack structure of FIG. 1, an additional component for introducing air (oxygen) for inducing a chemical reaction of the fuel is required, which makes it difficult to miniaturize the fuel cell.
그 점을 고려하여, 연료전지의 초소형화를 위해 단전극방식이 고려되지만, 그 단전극 방식의 경우에는 하나의 면상에 복수개의 전지를 적절하게 연결시키기 위한 구조가 필요하게 된다.In view of this, the single electrode method is considered for miniaturization of the fuel cell. However, the single electrode method requires a structure for properly connecting a plurality of cells on one surface.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 표면에 직접 촉매잉크가 도포 및 코팅된 망사형 금속 집전체에 의해 셀연결구조가 형성되도록 해서 전체적으로 초소형화가 가능하도록 된 망사형 금속 집전체와 그 집전체를 채용한 연료전지셀팩을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described prior art, and has a mesh-type metal in which a cell connection structure is formed by a mesh-type current collector directly coated and coated with a catalyst ink on the surface thereof, thereby making it possible to miniaturize the whole. The object is to provide a current collector and a fuel cell cell pack employing the current collector.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따르면 연료전지셀팩의 제 1 및 제 2커버부재를 통해 출입하는 공기(산소)와 연료에 의해 발전하는 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 양측에 대면되어 전류를 포집하는 집전체에 있어서, 상기 집전체는 애노드와 캐소드에 촉매잉크가 도포/코팅된 된 제 1 내지 제 4 망사형 금속 집전체부재를 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 내지 제 4 망사형 금속 집전체부재의 각 캐소드상에 전해질막을 배치하고, 상기 제 1 내지 제 4 망사형 금속 집전체부재의 중간 절곡위치를 절곡하며, 상기 절곡된 형상에 대하여 다공성 필름으로 커버링하도록 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 제 1망사형 금속 집전체부재는 제 1 애노드와 애노드전극리드가 형성되고, 상기 제 2 망사형 금속 집전체부재에는 상기 제 1 망사형 금속 집전체부재의 상기 제 1 애노드와 일정한 간격을 유지하는 제 2 애노드와, 상기 제 2 애노드에 일체로 연결되면서 상기 제 1 망사형 금속 집전체부재의 상기 제 1의 애노드에 대향하도록 위치되는 제 1 캐소드가 형성되고, 상기 제 3 망사형 금속 집전체부재는 상기 제 2 애노드와 일정한 간격을 유지하는 제 3 애노드와, 상기 제 3 애노드에 일체로 연결되면서 상기 제 2 망사형 금속 집전체부재의 상기 제 2 애노드에 대향하도록 위치되는 제 2 캐소드가 형성되고, 상기 제 4 망사형 금속 집전체부재는 상기 제 3 망사형 금속 집전체부재의 제 3 애노드와 대향되는 제 3 캐소드와 캐소드리드전극이 형성된 것을 포함한 것을 징으로 한다.In order to achieve the above object, according to a preferred embodiment of the present invention on both sides of the air (oxygen) and the MEA (Membrane Electrode Assembly) generated by the fuel through the first and second cover members of the fuel cell pack. In the current collector faced to collect the current, the current collector comprises a first to fourth mesh type metal current collector member, the catalyst ink is coated / coated on the anode and the cathode, the first to fourth An electrolyte membrane is disposed on each cathode of the mesh-type metal current collector member, the intermediate bending position of the first to fourth mesh-type metal current collector members is bent, and is formed to cover the bent shape with a porous film. It is done.
The first mesh type current collector member is formed with a first anode and an anode electrode lead, and the second mesh type metal current collector member maintains a constant distance from the first anode of the first mesh type metal current collector member. A second anode and a first cathode integrally connected to the second anode and positioned to face the first anode of the first mesh type metal current collector member, wherein the third mesh type metal current collector The member is formed with a third anode at regular intervals from the second anode, and a second cathode positioned integrally connected to the third anode and positioned to face the second anode of the second mesh metal current collector member. The fourth mesh type metal current collector member includes a third cathode and a cathode electrode formed to face the third anode of the third mesh type metal current collector member. And a gong.
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바람직하게, 상기 다공성 필름은 상기 제 1∼제 4의 망사형 금속 집전체부재의 애노드와 캐소드에 대해 공기와 연료의 선택적 공급을 위한 크기로 설정된다.Preferably, the porous film is sized for the selective supply of air and fuel to the anode and cathode of the first to fourth mesh type metal current collector members.
본 발명의 다른 실시양태에 따르면, 다공성의 제 1 및 제 2커버부재와, 내부에 연료통이 형성되고 그 연료통에 연료를 주입하기 위한 연료주입구가 갖추어진 연료공급부와, 촉매잉크가 도포/코팅된 각 애노드와 캐소드가 하나의 면에 배치되도록 전해질막을 개재하여 절곡되고 다공성필름에 의해 커버링된 제 1 내지 제 4 망사형 금속 집전체부재로 이루어진 제 1 및 제 2 연료전지로 구성하되, 상기 제 1 및 제 2 연료전지는 각 캐소드와 애노드가 상기 연료공급부로부터의 연료와 상기 제 1 및 제 2 커버부재를 통행하는 공기(산소)에 대면되도록 대응되게 배치된 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, a fuel supply unit having a porous first and second cover members, a fuel container formed therein and a fuel inlet for injecting fuel into the fuel container, and a catalyst ink coated / coated Each of the anode and the cathode is arranged on one surface of the first and second fuel cell consisting of the first to fourth mesh metal current collector member bent through the electrolyte membrane and covered by a porous film, wherein the first And the second fuel cell is disposed so that each cathode and the anode face the fuel from the fuel supply unit and the air (oxygen) passing through the first and second cover members.
상기 제 1망사형 금속 집전체부재는 제 1 애노드와 애노드전극리드가 형성되고, 상기 제 2 망사형 금속 집전체부재에는 상기 제 1 망사형 금속 집전체부재의 상기 제 1 애노드와 일정한 간격을 유지하는 제 2 애노드와, 상기 제 2 애노드에 일체로 연결되면서 상기 제 1 망사형 금속 집전체부재의 상기 제 1의 애노드에 대향하도록 위치되는 제 1 캐소드가 형성되고, 상기 제 3 망사형 금속 집전체부재는 상기 제 2 애노드와 일정한 간격을 유지하는 제 3 애노드와, 상기 제 3 애노드에 일체로 연결되면서 상기 제 2 망사형 금속 집전체부재의 상기 제 2 애노드에 대향하도록 위치되는 제 2 캐소드가 형성되고, 상기 제 4 망사형 금속 집전체부재는 상기 제 3 망사형 금속 집전체부재의 제 3 애노드와 대향되는 제 3 캐소드와 캐소드리드전극이 형성된 것을 포함한 것을 징으로 한다.The first mesh type current collector member is formed with a first anode and an anode electrode lead, and the second mesh type metal current collector member maintains a constant distance from the first anode of the first mesh type metal current collector member. A second anode and a first cathode integrally connected to the second anode and positioned to face the first anode of the first mesh type metal current collector member, wherein the third mesh type metal current collector The member is formed with a third anode at regular intervals from the second anode and a second cathode positioned integrally connected to the third anode and positioned to face the second anode of the second mesh metal current collector member. The fourth mesh type metal current collector member includes a third cathode and a cathode electrode formed to face the third anode of the third mesh type metal current collector member. And a gong.
바람직하게, 상기 다공성 필름은 공기와 연료의 선택적 공급을 위한 크기로 설정된다.Preferably, the porous film is sized for the selective supply of air and fuel.
이하, 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the present invention will be described in detail.
도 2와 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 망사형 금속 집전체를 설명하기 위한 도면이다.2 and 3 are views for explaining a mesh-type metal current collector according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명의 바람직한 실시예의 집전체(12)에 따르면, 제 1망사형 금속 집전체부재(20)에는 제 1 애노드(A1)(20a)와 애노드전극리드(20b)가 형성되고, 제 2망사형 금속 집전체부재(22)에는 상기 제 1 망사형 금속 집전체부재(20)의 상기 제 1 애노드(A1;20a)와 일정한 간격을 유지하는 제 2 애노드(A2;22a)와 그 제 2애노드(A2;22a)에 일체로 연결되면서 상기 제 1망사형 금속 집전체부재(20)의 상기 제 1 애노드(A1;20b)에 대향하도록 위치되는 제 1 캐소드(C1;22b)가 형성된다.According to the
또, 상기 집전체(12)에 따르면, 제 3 망사형 금속 집전체부재(24)에는 상기 제 2애노드(A2;22a)와 일정한 간격을 유지하는 제 3 애노드(A3;24a)와 그 제 3 애노드(A3;24a)에 일체로 연결되면서 상기 제 2 망사형 금속 집전체부재(22)의 상기 제 2 애노드(A2;22a)에 대향하도록 위치되는 제 2 캐소드(C2;24b)가 형성되고, 제 4 망사형 금속 집전체부재(26)에는 상기 제 3 망사형 금속 집전체부재(24)의 제 3애노드(A3;24a)와 대향되는 제 3 캐소드(C3;26a)와 캐소드리드전극(26b)이 형성된다.In addition, according to the
바람직하게, 상기 제 1 ∼제 4 망사형 금속 집전체(20,22,24,26)의 각 애노드(A1,A2,A3;20a,22a,24a)와 각 캐소드(C1,C2,C3;22b,24b,26a)의 영역에는 직접 촉매잉크가 도포 및 코팅된다.Preferably, each anode (A1, A2, A3; 20a, 22a, 24a) and each cathode (C1, C2, C3; 22b) of the first to fourth mesh-type metal
또, 도 2에 예시된 바와 같이, 상기 촉매잉크가 도포 및 코팅된 상기 제 2 ∼제 4 망사형 금속 집전체(22,24,26)의 각 캐소드(C1,C2,C3;22b,24b,26a)상에는 전해질막(28)을 배치하고나서 상기 제 1 ∼제 4 망사형 금속 집전체(20,22,24,26)의 중간절곡위치(도 2에서 '32'참조)를 절곡해주고, 그 절곡된 형상에 대해서는 다공성 필름(30)에 의해 커버링된다(도 3 참조).In addition, as illustrated in FIG. 2, the cathodes C1, C2, C3; 22b, 24b of the second to fourth mesh type metal
여기서, 상기 다공성 필름(30)은 전극을 보호하는 역할과 기공의 크게 따라 상기 애노드(A1,A2,A3)와 캐소드(C1,C2,C3)에 공기 중의 산소와 연료가 선택적으로 공급되도록 하는 역할을 하게 된다.Here, the
따라서, 도 2와 도 3에 도시된 망사형 금속 집전체(12)의 구조에서는 공기(산소) 또는 연료와의 접촉을 위한 각 애노드(A1,A2,A3)와 캐소드(C1,C2,C3)가 하나의 면상에 배치되어진다.Therefore, in the structure of the mesh-shaped metal
도 4는 도 2와 도 3에 도시된 본 발명에 따른 망사형 금속 집전체를 채용한 셀연결방법이 적용된 6-셀 연료전지 셀팩을 나타낸 도면이다. 4 is a diagram illustrating a 6-cell fuel cell cell pack to which a cell connection method employing a mesh-type metal current collector according to the present invention shown in FIGS. 2 and 3 is applied.
즉, 도면을 참조하면 상기 도 2와 도 3에 도시된 구조를 갖는 제 1 및 제 2연료전지(12-1,12-2)가 연료공급부(30)의 양측에 배치되는 바, 그 연료공급부(30)의 내측에는 연료통(30a)이 형성되고, 그 연료공급부(30)의 상측 일면에는 그 연료통(30a)에 연료를 주입하기 위한 연료주입구(30b)가 형성된다.That is, referring to the drawings, the first and second fuel cells 12-1 and 12-2 having the structures shown in FIGS. 2 and 3 are disposed at both sides of the
또, 상기 단전극 연료전지(12-1,12-2)의 타측에는 제 1 및 제 2의 다공성 커버부재(32A,32B)가 배치되어 6-셀연료전지 셀팩이 형성된다.In addition, first and second
바람직하게, 상기 단전극 연료전지(12-1,12-2)는 연료극을 마주보도록 배치하게 되면 상기 연료공급부(30)를 공유하게 되므로 구조의 단순화가 달성된다.Preferably, since the single-electrode fuel cells 12-1 and 12-2 are disposed to face the anode, the
한편, 본 발명은 상기한 예로 한정되지는 않고 발명의 기술적 요지 및 요점을 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.On the other hand, the present invention is not limited to the above examples and various changes and modifications can be carried out within the scope not departing from the technical gist and gist of the invention.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 망사형 금속 집전체와 그 집전체를 채용한 연료전지 셀팩에 의하면 연료전지의 애노드와 캐소드가 하나의 전해질막을 개재하여 하나의 면상에 배치되고 다공성 필름에 의해 커버링되기 때문에 연료전지 셀 팩의 초소형화가 가능하게 된다.As described above, according to the fuel cell cell pack employing the mesh type metal current collector and the current collector according to the present invention, the anode and the cathode of the fuel cell are disposed on one surface via one electrolyte membrane and covered by a porous film. As a result, the fuel cell cell pack can be miniaturized.
더욱이, 다수의 셀을 형성하는 애노드와 캐소드를 커버링하는 다공성 필름의 기공크기를 조절하면 애노드와 캐소드에 대한 공기중의 산소와 연료의 선택적인 공급이 가능하게 된다.Moreover, adjusting the pore size of the porous film covering the anode and cathode forming a plurality of cells enables selective supply of oxygen and fuel in the air to the anode and cathode.
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