KR100728787B1 - 직접 메탄올형 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료 전지는, 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 애노드부재 및 캐소드부재를 밀착되게 배치하여 상기 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지 및 수분을 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성 유닛을 포함하며, 상기 전기 생성 유닛은 상기 캐소드부재에 형성되어 상기 수분을 흡수하는 흡착부재를 포함한다.
직접메탄올연료전지, DMFC, 전기생성유닛, 막전극어셈블리, 애노드, 캐소드, 수분, 흡수, 흡착, 흡착부재

Description

직접 메탄올형 연료 전지 {DIRECT METHANOL FUEL CELL}
도 1은 본 발명에 따른 직접 메탄올형 연료 전지의 예시적인 실시예를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 미디엄부재를 나타내 보인 평면 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시한 미디엄부재를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시한 애노드부재를 나타내 보인 평면 구성도이다.
도 5는 도 1에 도시한 캐소드부재를 나타내 보인 평면 구성도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료 전지의 전기 생성 유닛을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 직접 메탄올형 연료 전지의 예시적인 다른 실시예를 도시한 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료 전지의 전기 생성 유닛을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
본 발명은 직접 메탄올형 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연 료, 및 산소의 직접적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 별도로 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.
고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하에서는, 편의상 "스택" 이라 한다)로서 구성되며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.
직접 메탄올형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다.
이 중에서, 직접 메탄올형 연료 전지는 이의 구성별 종류에 따라, 펌프나 팬에 의존하지 않고 무부하 상태에서 공기를 제공받는 패시브(Passive) 방식과, 펌프 나 팬의 구동력에 의해 공기를 제공받는 액티브(Active) 방식으로서 구성될 수 있다.
그런데, 종래의 패시브 방식에 의한 직접 메탄올형 연료 전지는 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 대기 중의 공기를 공급받는 단위 셀을 구성하게 되는 바, 연료 전지의 작용시 단위 셀에 의한 공기의 환원 반응으로서 생성되는 수증기 형태의 수분이 대기와 접촉하면서 응축되고, 이 응축수가 공기의 유동 경로를 막게 된다. 이로 인해, 대기 중의 공기가 응축수에 막혀 공기 유동 경로로 원활하게 공급되지 못하게 됨에 따라, 연료 전지 전체의 성능 효율 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 연료, 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 수분을 흡수할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료 전지는, 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 애노드부재 및 캐소드부재를 밀착되게 배치하여 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지 및 수분을 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성 유닛을 포함하며, 상기 전기 생성 유닛은 상기 캐소드부재에 형성되어 상기 수분을 흡수하는 흡착부재를 포함한다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지에 있어서, 상기 흡착부재는 상기 캐소드부재 와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 개재될 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지는, 상기 캐소드부재가 대기 중으로 노출되게 구성될 수 있다. 이 경우 상기 흡착부재는 상기 캐소드부재의 노출면에 밀착되게 배치될 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지에 있어서, 상기 흡착부재는 시트 형태의 다공성 매질로서 형성될 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지에 있어서, 상기 캐소드부재는 상기 막-전극 어셈블리로 공기를 유통시키기 위한 복수의 통기공들을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 흡착부재는 상기 통기공들과 상호 연통되는 복수의 구멍들을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료 전지는, 연료의 흐름을 가능케 하는 매니폴드를 가진 적어도 하나의 단위 영역을 양측면에 구비하는 미디엄부재와, 상기 연료를 유통시키기 위한 제1 유로를 가지면서 상기 미디엄부재를 중심에 두고 상기 단위 영역에 각각 장착되는 애노드부재와, 상기 애노드부재에 각각 밀착되게 배치되는 막-전극 어셈블리와, 공기를 유통시키기 위한 제2 유로를 가지면서 상기 막-전극 어셈블리에 각각 밀착되게 배치되는 캐소드부재와, 상기 캐소드부재에 형성되어 상기 막-전극 어셈블리에 의한 상기 연료, 및 산소의 반응에 의해 생성되는 수분을 흡수하는 흡착부재를 포함한다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지에 있어서, 상기 흡착부재는 상기 캐소드부재와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 개재될 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지는, 상기 캐소드부재가 대기 중으로 노출되게 구성될 수 있다. 이 경우 상기 흡착부재는 상기 캐소드부재의 노출면에 밀착되게 배치될 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지에 있어서, 상기 흡착부재는 시트 형태의 다공성 매질로서 형성되는 다공층과, 상기 다공층의 적어도 한 쪽면에 형성되는 수분 흡착층을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 수분 흡착층은 지오라이트(Zeolite) 또는 산화인(P2O5)으로서 형성될 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지에 있어서, 상기 흡착부재는 상기 캐소드부재와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 개재되며, 상기 수분 흡착층이 상기 막-전극 어셈블리와 밀착되게 배치될 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지에 있어서, 상기 흡착부재는 시트 형태의 다공성 매질로서 형성되는 다공층과, 상기 다공층의 적어도 한 쪽면에 형성되는 수분 흡착층을 포함하며, 상기 수분 흡착층은 상기 캐소드부재의 노출면에 밀착되게 배치될 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지에 있어서, 상기 미디엄부재는 상기 매니폴드와 상호 연통되는 연료 통로를 내부에 형성하여 구성될 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지에 있어서, 상기 미디엄부재는 절연성을 지닌 플레이트 타입으로서 이루어지며, 이의 양측면에 상기 단위 영역이 일정 간격 이격되게 연속적으로 형성될 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지에 있어서, 상기 단위 영역은 상기 미디엄부재 를 중심에 두고 서로 대응하게 형성되며, 상기 애노드부재를 결합하는 결합홈으로서 형성될 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지에 있어서, 상기 제1 유로는 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지에 있어서, 상기 제2 유로는 복수의 통기공으로서 형성될 수 있다. 이 경우 상기 흡착부재는 상기 통기공들과 상호 연통되는 복수의 구멍들을 포함할 수 있다.
상기 직접 메탄올형 연료 전지는, 상기 애노드부재, 및 상기 캐소드부재가 서로 다른 극성의 전류를 집전하는 집전판으로서 구성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 직접 메탄올형 연료 전지의 예시적인 실시예를 도시한 분해 사시도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료 전지(100)를 설명하면, 이 연료 전지(100)는 케이블을 통해 소정의 전자기기와 연결되거나 이 전자기기에 일체로서 장착되어 연료 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고, 이 전기 에너지를 전자기기로 출력시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 직접 메탄올형 연료 전지(100)는 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올계 연료, 및 공기를 직접적으로 제공받아 연료 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다.
더욱 구체적으로, 본 실시예에 의한 직접 메탄올형 연료 전지(100)는 연료 공급장치(도면에 도시되지 않음)에 의해 연료를 공급받고, 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 대기 중의 공기를 제공받아 이 연료와 공기의 산화 반응, 및 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 플레이트 타입의 연료전지 본체(11)로서 이루어진다. 이에 더하여, 본 실시예에 의한 직접 메탄올형 연료 전지(100)는 연료전지 본체(11)의 양측면을 통해 대기 중의 공기를 제공받을 수 있는 구조로서 이루어진다.
상술한 바와 같은 직접 메탄올형 연료 전지(100)의 구성을 살펴 보면, 이 연료 전지(100)는 예시적인 실시예로서 미디엄부재(20), 및 미디엄부재(20)를 중심에 두고 이의 양측에 서로 대응하게 형성되는 복수의 전기 생성 유닛들(30)을 포함하여 구성된다.
본 실시예에서, 미디엄부재(20)는 이의 양측면에 형성되는 전기 생성 유닛들(30)을 분리시키는 이른바 세퍼레이터로서의 기능을 하게 된다. 이 미디엄부재(20)는 전기가 통하지 않는 절연성을 지니면서 양측면으로 연료의 흐름을 가능케 하는 플레이트 타입으로서 이루어진다. 이러한 미디엄부재(20)의 구성은 도 2 및 도 3을 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.
상기한 전기 생성 유닛(30)은 미디엄부재(20)의 양측면에 일정 간격으로 이격되게 형성되며, 연료, 및 공기의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 셀 단위의 연료 전지(fuel cell)로서 구비된다. 이러한 전기 생성 유닛들(30)은 미디엄부재(20)의 양측면에 밀착되게 배치되는 애노드부재(40)와, 이 애노드부재(40)에 각각 밀착되게 배치되는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly)(이하에서는, "MEA" 라고 한다.)(50)와, 이 MEA(50)에 각각 밀착되게 배치되는 캐소드부재(60)를 포함하여 구성된다.
이와 같은 직접 메탄올형 연료 전지(100)의 구성을 더욱 구체적으로 설명하면, 우선, 미디엄부재(20)는 도면에서 장변 방향의 길이가 단변 방향의 길이 보다 긴 대략 직사각형의 형상으로 이루어진다.
본 실시예에서, 미디엄부재(20)는 도 2에 도시한 바와 같이, 이의 양측면에 복수의 단위 영역(21a)이 형성되는 바, 이 단위 영역들(21a)은 미디엄부재(20)의 양측면에 대하여 일정 간격 이격되게 연속적으로 구획 형성되고 있다. 그리고, 이들 단위 영역(21a)에는 뒤에서 더욱 설명하는 애노드부재(40)에 대하여 연료의 흐름을 가능하게 하는 매니폴드(22)를 형성하고 있다. 이에 더하여, 미디엄부재(20)의 내부에는 연료를 유통시키기 위한 연료 통로(23)를 형성하고 있는 바, 이 연료 통로(23)는 매니폴드(22)와 상호 연통되게 형성된다.
상기에서, 단위 영역(21a)은 셀 단위의 전기 생성 유닛(30)이 위치하는 부분으로서, MEA(50)로 연료를 제공하면서 전기 생성 유닛(30)에 의해 연료, 및 공기의 반응이 실질적으로 이루어지는 활성 영역(active area)으로서 형성된다. 이 단위 영역(21a)은 미디엄부재(20)의 양측면에 단변 방향을 따라 형성되는 바, 미디엄부재(20)의 장변 방향을 따라 일정 간격 이격되게 구획 형성된다. 이러한 단위 영역(21a)은 뒤에서 더욱 설명하는 애노드부재(40)를 결합시키기 위한 결합홈(21b)으로서 구비된다. 즉, 단위 영역(21a)은 미디엄부재(20)의 양측면에 대해 결합홈(21b)을 제외한 나머지 부분이 돌출 부분으로서 형성되는 바, 이 돌출 부분 사이의 공간으로서 형성될 수 있다.
그리고, 연료 통로(23)는 미디엄부재(20)의 내부에서 이 미디엄부재(20)의 장변 방향을 따라 형성된다. 이러한 연료 통로(23)는 연료 공급장치(도시되지 않음)에 의해 공급되는 연료를 통과시키는 제1 통로(23a)와, 애노드부재(40)를 거친 연료를 통과시키는 제2 통로(23b)를 구비한다. 이 때, 제1 통로(23a)는 미디엄부재(20)의 하측 가장자리 부분을 따라 형성되며, 제2 통로(23b)는 제1 통로(23a)와 상호 평행을 이루면서 미디엄부재(20)의 상측 가장자리 부분을 따라 형성된다.
본 실시예에서, 매니폴드(22)는 미디엄부재(20)의 각 단위 영역(21a) 내에 형성되는 바, 연료 통로(23)의 제1 통로(23a)와 상호 연통되는 유출구(22a), 및 제2 통로(23b)와 상호 연통되는 유입구(22b)를 구비한다. 이 때, 유출구(22a)는 제1 통로(23a)를 통과하는 연료를 뒤에서 더욱 설명하는 애노드부재(40)의 유로로 유출시키는 기능을 하게 된다. 그리고 유입구(22b)는 애노드부재(40)의 유로를 통과한 연료를 제2 통로(23b)로 유입시키는 기능을 하게 된다.
이에 더하여, 미디엄부재(20)는 연료 통로(23)의 제1 통로(23a)로 연료를 주입시키기 위한 연료 주입부(24)를 일측 단부에 형성하고, 제2 통로(23b)를 통과하 는 연료를 배출시키기 위한 연료 배출부(25)를 다른 일측 단부에 형성하고 있다. 이 때, 연료 주입부(24)는 통상적인 파이프 라인 등을 통해 연료 공급장치(도면에 도시되지 않음)와 연결될 수 있다.
이와 같이 구성되는 미디엄부재(20)는 도 3에 도시한 바와 같이, 서로 양분된 제1 부분(26) 및 제2 부분(27)이 일체로 합체됨으로써, 이 미디엄부재(20)의 내부에 도 2에 도시한 바와 같은 연료 통로(23)를 형성할 수 있다. 즉, 제1 부분(26)의 일면에는 연료 통로(23)의 제1 통로(23a) 및 제2 통로(23b)에 상응하는 제1 홈(26a)을 형성하고 있다. 그리고 제2 부분(27)의 일면에도 연료 통로(23)의 제1 통로(23a) 및 제2 통로(23b)에 상응하는 제2 홈(27a)을 형성하고 있다. 여기서, 제1 부분(26) 및 제2 부분(27)의 다른 일면에는 전술한 바 있는 복수의 단위 영역들(21a)을 형성하고 있다.
따라서, 본 실시예에 의한 미디엄부재(20)는 이와 같은 제1 부분(26) 및 제2 부분(27)의 일면이 서로 마주보는 형태로 함체됨으로써 연료 통로(23)를 내부에 형성할 수 있게 된다.
이하에서는, 미디엄부재(20)의 양측면에 일정 간격으로 이격되게 형성되는 전기 생성 유닛들(30)의 구성을 도 1을 참조하여 자세하게 설명한다.
이러한 전기 생성 유닛들(30)은 MEA(50), MEA(50)를 중심에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 애노드부재(40), 및 캐소드부재(60)에 의해 구성된다.
여기서, MEA(50)는 일면에 제1 전극층(51)을 형성하고, 다른 일면에 제2 전극층(52)을 형성하며, 이들 전극층(51, 52) 사이에 전해질막(53)을 형성하는 통상 적인 MEA로서 구비된다. 제1 전극층(51)은 연료에 함유된 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막(53)은 수소 이온을 제2 전극층(52)으로 이동시키고, 제2 전극층(52)은 제1 전극층(51)으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 산소를 반응시켜 수분, 및 열을 발생시키는 기능을 하게 된다. 이 때, MEA(50)는 애노드부재(40), 및 캐소드부재(60)에 상응하는 크기로서 형성되며, 이의 가장자리 부분에 통상적인 가스켓(도면에 도시되지 않음)을 구비할 수도 있다.
본 실시예에서, 애노드부재(40)는 MEA(50)의 제1 전극층(51)과 상호 밀착되는 것으로서, 미디엄부재(20)의 양측면에 대해 일정 간격을 유지하면서 각각의 단위 영역(21a)에 장착된다.
이러한 애노드부재(40)는 연료를 유통시키면서 이 연료를 MEA(50)의 제1 전극층(51)으로 분산 공급하는 기능 외에, 제1 전극층(51)에 의해 연료에 함유된 수소로부터 분리된 전자를 이웃하는 전기 생성 유닛(30)의 캐소드부재(60)로 이동시키는 전도체로서의 기능을 하게 된다.
이를 위해, 애노드부재(40)는 도 4에 도시한 바와 같이, 연료를 유통시키기 위한 제1 유로(42)를 가지면서 미디엄부재(20)의 단위 영역(21a)에 각각 장착되는 바, 전도성을 지닌 금속 플레이트 형태로서 이루어지며, MEA(50)에 상응하는 크기로서 형성되고, 각 단위 영역(21a)의 결합홈(21b)에 형태의 결합을 이루면서 장착된다.
이에 더하여, 애노드부재(40)는 상술한 바와 같이 이웃하는 전기 생성 유닛(30)의 캐소드부재(60)로 전자를 이동시키는 전도체로서의 기능을 하게 되는 바, 캐소드부재(60)와 다른 극성의 전류를 집전하는 집전판(44)으로서 구성될 수 있다.
이에, 애노드부재(40)에는 도선 등을 통해 상기 이웃하는 전기 생성 유닛(30)의 캐소드부재(60)와 전기적으로 연결되는 단자부(45)를 구비하고 있다. 이 단자부(45)는 애노드부재(40)에 일체로서 형성되며, 미디엄부재(20)의 가장자리 외측으로 연장되게 돌출 형성되는 돌기(46)로서 형성된다. 이 때, 돌기(46)는 애노드부재(40)의 일측 단부로부터 돌출되게 형성되는 바, 이웃하는 애노드부재(40)에 대해 서로 대응되는 단부에 형성된다.
여기서, 제1 유로(42)는 미디엄부재(20)의 제1 통로(23a)로 주입되는 연료를 MEA(50)의 제1 전극층(51)으로 유통시키기 위해, 단위 영역(21a)에 형성되는 매니폴드(22) 즉, 유출구(22a)와 유입구(22b)를 연결하는 복수의 유동 경로로서 형성된다.
이러한 제1 유로(42)는 애노드부재(40)의 플레이트를 관통하는 구멍으로서 형성되는 바, 바람직하게는 애노드부재(40)의 길이 방향을 따라 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되며 이의 양단을 교호적으로 연결하여 사행(蛇行: meander)의 형상으로 형성되고 있다. 이 때, 애노드부재(40)가 단위 영역(21a)의 결합홈(21b)에 장착됨에 따라, 제1 유로(42)의 일측 단부는 매니폴드(22)의 유출구(22a)와 상호 연통되고, 다른 일측 단부는 매니폴드(22)의 유입구(22b)와 상호 연통된다.
본 실시예에서, 캐소드부재(60)는 MEA(50)의 제2 전극층(52)과 상호 밀착되게 배치되는 바, 공기의 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 대기 중의 공기를 유통시키면서 이 공기를 MEA(50)의 제2 전극층(52)으로 분산 공급하는 기능 외에, 이웃 하는 전기 생성 유닛(30)의 애노드부재(40)로부터 전자를 받는 전도체로서의 기능을 하게 된다.
이를 위해, 상기 캐소드부재(60)는 도 5에 도시한 바와 같이, 전도성을 지닌 금속 플레이트로서 형성되며, 대기 중의 공기를 MEA(50)의 제2 전극층(52)으로 분산 공급하기 위한 제2 유로(62)를 형성하고 있다.
여기서, 캐소드부재(60)는 애노드부재(40), 및 MEA(50)에 상응하는 크기로서 형성된다. 그리고, 제2 유로(62)는 플레이트를 관통하는 구멍으로서 형성되는 바, 바람직하게는 이 플레이트를 관통하는 복수의 통기공(63)으로서 형성된다.
이에 더하여, 캐소드부재(60)는, 상술한 바와 같이 이웃하는 전기 생성 유닛(30)의 애노드부재(40)로부터 전자를 받는 전도체로서의 기능을 하게 되는 바, 애노드부재(40)와 다른 극성의 전류를 집전하는 집전판(64)으로서 구성될 수 있다.
이에, 캐소드부재(60)에는 도선 등을 통해 상기 이웃하는 전기 생성 유닛(30)의 애노드부재(40)의 단자부(45)와 전기적으로 연결되는 단자부(65)를 구비하고 있다. 이 단자부(65)는 캐소드부재(60)에 일체로서 형성되며, 미디엄부재(20)의 가장자리 외측으로 연장되게 돌출 형성되는 돌기(66)로서 형성된다. 이 때, 돌기(66)는 캐소드부재(60)의 일측 단부로부터 돌출되게 형성되는 바, 이웃하는 캐소드부재(60)에 대해 서로 대응되는 단부에 형성된다. 즉, 캐소드부재(60)의 돌기(66)는 미디엄부재(20)의 양측면에 대해 애노드부재(40)의 돌기(46)들 사이에 위치하게 된다.
상기와 같이 구성되는 직접 메탄올형 연료 전지(100)의 작용시, MEA(50)의 제1 전극층(51)에서는 애노드부재(40)의 제1 유로(42)를 통해 제공되는 연료의 산화 반응을 통해 이 연료 중에 함유된 수소를 전자와 수소 이온(프로톤)으로 분리한다. 이 때, 수소 이온은 MEA(50)의 전해질막(53)을 통해 제2 전극층(52)으로 이동된다. 그리고, 전자는 MEA(50)의 전해질막(53)을 통과하지 못하고, 애노드부재(40)를 통해 이웃하는 전기 생성 유닛(30)의 캐소드부재(60)로 이동되고, 이 캐소드부재(60)를 통해 MEA(50)의 제2 전극층(52)으로 이동된다.
이와 동시에, MEA(50)의 제2 전극층(52)에서는 전해질막(53)을 통해 이동된 수소 이온, 서로 이웃하는 전기 생성 유닛(30)의 애노드부재(40)와 캐소드부재(60)를 통해 이동된 전자, 및 캐소드부재(60)의 통기공들(63)을 통해 제공되는 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응에 수증기 형태의 수분을 발생시키게 된다.
이러는 과정에서, MEA(50)의 제2 전극층(52)에서 생성되는 수증기 형태의 수분은, 캐소드부재(60)가 대기 중으로 노출됨에 따라, 이 캐소드부재(60)의 통기공들(63)에서 비교적 낮은 온도의 대기와 접촉하면서 응축이 일어나게 된다. 이로 인해 수분이 캐소드부재(60)의 통기공들(63)에 응집되면서 이 통기공들(63)을 막게 되는 바, 대기 중의 공기는 통기공들(63)을 통해 MEA(50)의 제2 전극층(52)으로 원활하게 공급되지 못하게 된다.
이에, 본 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료 전지(100)에 있어, 전기 생성 유닛(30)은 캐소드부재(60)에 형성되는 흡착부재(70)가 제공되는 바, 이 흡착부재(70)는 MEA(50)의 제2 전극층(52)에서 생성되는 수분을 흡수하는 이른 바 필터로서의 기능을 하게 된다.
본 실시예에서, 흡착부재(70)는 도 1 및 도 6에 도시한 바와 같이, 캐소드부재(60)와 막-전극 어셈블리(50) 사이에 개재되는 시트 형태로서 이루어진다.
구체적으로, 이 흡착부재(70)는 시트 형태의 다공성 매질로서 형성되는 다공층(71)과, 이 다공층(71)의 적어도 한 쪽면에 일체로서 형성되는 수분 흡착층(73)을 포함하여 구성된다.
여기서, 다공층(71)은 다공성을 지닌 통상적인 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 클로쓰(carbon cloth) 형태로서 형성되며, 수분 흡착층(73)에 의해 흡착된 수분을 저장하는 저장수단으로서의 기능을 하게 된다. 그리고 수분 흡착층(73)은 바람직하게 다공층(71)의 한 쪽면에 형성되며, 수분을 용이하게 흡수할 수 있는 통상적인 지오라이트(Zeolite) 또는 산화인(P2O5)으로서 형성될 수 있다.
이러한 흡착부재(70)는 캐소드부재(60)와 막-전극 어셈블리(50) 사이에 개재되는 바, 수분 흡착층(73)이 MEA(50)의 제2 전극층(52)에 밀착되게 배치된다. 그리고, 이 흡착부재(70)는 캐소드부재(60)의 통기공들(63)과 상호 연통되는 복수의 구멍들(75)을 형성하고 있다. 이러한 복수의 구멍들(75)들은 대기 중의 공기를 캐소드부재(60)의 통기공들(63)을 통해 MEA(50)의 제2 전극층(52)으로 용이하게 공급하기 위한 것이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료 전지(100)의 작용을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 실시예에 의한 직접 메탄올형 연료 전지(100)는 케이블을 통해 소 정의 전자기기에 연결되거나 이 전자기기에 일체로서 장착되고, 연료전지 본체(11)의 양측면을 통해 전기 생성 유닛들(30)의 캐소드부재(60)가 대기 중으로 노출된 상태에 있다.
이 상태에서, 연료 공급장치(도면에 도시되지 않음)는 연료를 미디엄부재(20)의 제1 통로(23a)로 공급한다. 이 때, 연료는 미디엄부재(20)의 연료 주입부(24)를 통해 제1 통로(23a)로 공급되게 된다.
이어서, 제1 통로(23a)를 통과하는 연료는 매니폴드(22)의 유출구(22a)를 통해 유출되게 되고, 애노드부재(40)의 제1 유로(42)를 따라 유통되면서 MEA(50)의 제1 전극층(51)으로 분산 공급된다. 이 때, 애노드부재(40)의 제1 유로(42)를 따라 유통되면서 MEA(50)의 제1 전극층(51)으로 제공되지 못한 연료는 매니폴드(22)의 유입구(22b)를 통해 미디엄부재(20)의 제2 통로(23b)로 유입되고, 제2 통로(23b)를 통과하면서 연료 배출부(25)를 통해 배출되게 된다.
이러는 과정을 거치는 동안, 각 전기 생성 유닛(30)의 캐소드부재(60)가 대기 중으로 노출됨에 따라, 대기 중의 공기는 자연 확산 또는 대류 작용 등에 의해 캐소드부재(60)의 통기공들(63)을 통과하여 MEA(50)의 제2 전극층(52)으로 분산 공급된다.
따라서, MEA(50)의 제1 전극층(51)에서는 연료의 산화 반응을 통해 이 연료 중에 함유된 수소를 전자와 수소 이온(프로톤)으로 분리한다. 이 때, 수소 이온은 MEA(50)의 전해질막(53)을 통해 제2 전극층(52)으로 이동된다. 그리고, 전자는 전해질막(53)을 통과하지 못하고, 애노드부재(40)를 통해 이웃하는 전기 생성 유닛 (30)의 캐소드부재(60)로 이동된다. 즉, 애노드부재(40)의 단자부(45)와 상기 이웃하는 전기 생성 유닛(30)의 캐소드부재(60)의 단자부(65)가 도선 등을 통해 전기적으로 연결되고 있기 때문에, 전자는 애노드부재(40)를 통해 상기 이웃하는 전기 생성 유닛(30)의 캐소드부재(60)로 이동하게 된다.
이러는 과정을 거치면서, 본 실시예에 의한 직접 메탄올형 연료 전지(100)는 상기한 전자의 이동으로 인해 전류를 발생시키게 되고, 각 전기 생성 유닛(30)의 애노드부재(40) 및 캐소드부재(60)들이 전류를 집전하는 집전판(44, 64)로서 구성되는 바, 소정 전위차를 갖는 전기 에너지를 전자기기로 출력시킬 수 있게 된다.
한편, MEA(50)의 전해질막(53)을 통해 제2 전극층(52)으로 이동된 수소 이온, 애노드부재(40)를 통해 캐소드부재(60)로 이동된 전자, 및 캐소드부재(60)의 통기공들(63)을 통해 MEA(50)의 제2 전극층(52)에 제공되는 공기는 제2 전극층(52)에 의해 환원 반응을 일으키게 된다. 따라서, MEA(50)의 제2 전극층(52)에서는 이와 같은 환원 반응에 의해 열, 및 수분을 발생시키게 된다.
이 상태에서, MEA(50)의 제2 전극층(52)에서 발생되는 수분은, 캐소드부재(60)와 MEA(50) 사이에 흡착부재(70)가 개재되고 있기 때문에, 이 흡착부재(70)에 흡수된다. 즉, 흡착부재(70)의 수분 흡착층(73)이 MEA(50)의 제2 전극층(52)에 밀착되고 있기 때문에, 상기한 수분은 수분 흡착층(73)에 흡착된 상태에서 다공층(71)에 흡수되게 된다. 이 때, 흡착부재(70)의 다공층(71)에 흡수된 수분은 MEA(50)의 제2 전극층(52)에서 발생되는 열에 의해 기화되어 증발되게 된다.
따라서, 본 실시예에 의한 직접 메탄올형 연료 전지(100)는 MEA(50)의 제2 전극층(52)에서 생성되는 수분을 흡착부재(70)를 통해 용이하게 흡수할 수 있으므로, 상기한 수분에 의해 캐소드부재(60)의 통기공들(63)이 막히는 등의 폐단을 방지할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 실시예에 의한 직접 메탄올형 연료 전지(100)는 미디엄부재(20)의 양측면에 복수의 전기 생성 유닛들(30)을 구비하고 이 전기 생성 유닛들(30)의 캐소드부재(60)가 연료전지 본체(11)의 양측면을 통해 대기 중으로 노출되고 있는 예를 설명하고 있으나, 본 발명에서는 반드시 이에 한정되지 않고 적어도 하나의 전기 생성 유닛(30)이 평면적으로 배치되는 연료전지 본체를 구성하고 대기 중의 공기가 이 연료전지 본체의 한 쪽면을 통해 제공되는 모노폴라 타입으로서 이루어질 수도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 직접 메탄올형 연료 전지의 예시적인 다른 실시예를 도시한 분해 사시도이고, 도 8은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료 전지의 전기 생성 유닛을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 직접 메탄올형 연료 전지(200)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 대기 중으로 노출되는 캐소드부재(160)의 노출면에 흡착부재(170)가 밀착되게 배치되는 전기 생성 유닛(130)을 구성할 수 있다.
본 실시예에서, 흡착부재(170)는 전기 실시예에서와 같은 구조를 기본으로 하면서, 수분 흡착층(173)이 캐소드부재(160)의 노출면에 밀착되게 배치된다.
본 실시예에 의한 직접 메탄올형 연료 전지(200) 및 전기 생성 유닛(130)의 나머지 구성 및 작용은 전기 실시예에서와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 연료 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 수분을 흡수할 수 있는 흡착부재를 가진 전기 생성 유닛을 구비함에 따라, 캐소드부재의 통기공들이 수분에 의해 막히는 등의 폐단을 방지할 수 있다. 따라서, 대기 중의 공기를 캐소드부재의 통기공들을 통해 원활하게 공급할 수 있게 되므로, 연료 전지 전체의 성능 효율 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 연료전지 본체의 양측면을 통해 전기 생성 유닛의 캐소드부가 대기 중으로 노출되는 구조로서 이루어지므로, 사용자의 사용 환경에 구애받지 않으면서 캐소드부에 공기를 원활하게 제공함은 물론, 캐소드부에서 발생되는 열을 용이하게 방출시킬 수 있다. 따라서, 전기 에너지의 출력을 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지 본체의 온도 상승에 대한 안전성을 확보할 수 있으므로, 전지의 성능 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 전기 생성 유닛으로 연료를 제공하기 위한 매니폴드를 활성 영역으로서 구성되는 미디엄부재의 단위 영역 내에 형성함에 따라, 전기 생성 유닛의 크기를 줄일 수 있게 된다. 따라서, 연료 전지 전체의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 애노드부재 및 캐소드부재를 밀착되게 배치하여 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지 및 수분을 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성 유닛
    을 포함하며,
    상기 전기 생성 유닛은,
    상기 캐소드부재에 형성되어 상기 수분을 흡수하는 다공성 매질의 흡착부재를 포함하는 직접 메탄올형 연료 전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 상기 캐소드부재와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 개재되는 직접 메탄올형 연료 전지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드부재가 대기 중으로 노출되게 구성되는 직접 메탄올형 연료 전지.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 상기 캐소드부재의 노출면에 밀착되게 배치되는 직접 메탄 올형 연료 전지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 시트 형태의 다공성 매질로서 형성되는 직접 메탄올형 연료 전지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드부재는 상기 막-전극 어셈블리로 공기를 유통시키기 위한 복수의 통기공들을 포함하는 직접 메탄올형 연료 전지.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 상기 통기공들과 상호 연통되는 복수의 구멍들을 포함하는 직접 메탄올형 연료 전지.
  8. 연료의 흐름을 가능케 하는 매니폴드를 가진 적어도 하나의 단위 영역을 양측면에 구비하는 미디엄부재;
    상기 연료를 유통시키기 위한 제1 유로를 가지면서 상기 미디엄부재를 중심에 두고 상기 단위 영역에 각각 장착되는 애노드부재;
    상기 애노드부재에 각각 밀착되게 배치되는 막-전극 어셈블리;
    공기를 유통시키기 위한 제2 유로를 가지면서 상기 막-전극 어셈블리에 각각 밀착되게 배치되는 캐소드부재; 및
    상기 캐소드부재에 형성되어 상기 막-전극 어셈블리에 의한 상기 연료, 및 산소의 반응에 의해 생성되는 수분을 흡수하는 다공성 매질의 흡착부재
    를 포함하는 직접 메탄올형 연료 전지.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 상기 캐소드부재와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 개재되는 직접 메탄올형 연료 전지.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 캐소드부재가 대기 중으로 노출되게 구성되는 직접 메탄올형 연료 전지.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 상기 캐소드부재의 노출면에 밀착되게 배치되는 직접 메탄올형 연료 전지.
  12. 제8 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 시트 형태의 다공성 매질로서 형성되는 다공층과, 상기 다공층의 적어도 한 쪽면에 형성되는 수분 흡착층을 포함하는 직접 메탄올형 연료 전 지.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 수분 흡착층이 지오라이트(Zeolite) 또는 산화인(P2O5)으로서 형성되는 직접 메탄올형 연료 전지.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 흡착부재는,
    상기 캐소드부재와 상기 막-전극 어셈블리 사이에 개재되며, 상기 수분 흡착층이 상기 막-전극 어셈블리와 밀착되게 배치되는 직접 메탄올형 연료 전지.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 시트 형태의 다공성 매질로서 형성되는 다공층과, 상기 다공층의 적어도 한 쪽 면에 형성되는 수분 흡착층을 포함하며,
    상기 수분 흡착층이 상기 캐소드부재의 노출면에 밀착되게 배치되는 직접 메탄올형 연료 전지.
  16. 제8 항에 있어서,
    상기 미디엄부재는 상기 매니폴드와 상호 연통되는 연료 통로를 내부에 형성 하는 직접 메탄올형 연료 전지.
  17. 제8 항에 있어서,
    상기 미디엄부재는 절연성을 지닌 플레이트 타입으로서 이루어지며, 이의 양측면에 상기 단위 영역이 서로 이격되게 연속적으로 형성되는 직접 메탄올형 연료 전지.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 단위 영역은 상기 미디엄부재를 중심에 두고 서로 대응하게 형성되며, 상기 애노드부재를 결합하는 결합홈으로서 형성되는 직접 메탄올형 연료 전지.
  19. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 유로가 사행(蛇行: meander)의 형상으로 이루어지는 직접 메탄올형 연료 전지.
  20. 제8 항에 있어서,
    상기 제2 유로가 복수의 통기공으로서 형성되는 직접 메탄올형 연료 전지.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 상기 통기공들과 상호 연통되는 복수의 구멍들을 포함하는 직접 메탄올형 연료 전지.
  22. 제8 항에 있어서,
    상기 애노드부재, 및 상기 캐소드부재가 서로 다른 극성의 전류를 집전하는 집전판으로서 구성되는 직접 메탄올형 연료 전지.
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