KR100756668B1 - 집전용 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 피씨비를 이용하여 집전을 할 수 있도록 한, 집전용 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지에 관한 것이다.

본 발명의 연료전지는, 전해질막(31)과; 전해질막(31)의 양 면에 각각 밀착 배열된 다수의 연료극(32)및 공기극(33)과; 연료극(32) 및 공기극(33) 각각의 외면에 겹쳐지며, 다수의 통공(H)을 가진 다수의 판상 도전체(34)와; 연료극측 및 공기극측 도전체(34)들과 각각 접속되며, 일측에 연결단자(35B)를 가진 한 쌍의 피씨비(35)(35') 등으로 구성된다.

본 발명의 집전용 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지는, 집전을 위한 배선이 단순화되어 소형화에 유리하며, 단위 셀들의 연결 작업이 획기적으로 간편해지는 장점이 있다.

연료전지, 피씨비, 집전체, 직접 메탄올 연료전지, 모노폴라, 바이폴라, 연료극, 공기극

Description

집전용 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지{Monopolar-type direct methanol fuel cell with PCB}

도 1은 종래 바이폴라형 직접 메탄올 연료전지의 분해 사시도.

도 2는 종래 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지를 보인 것으로,

(가)는 사시도이고,

(나)는 단면도이다.

도 3은 본 발명 일실시예의 사시도.

도 4는 본 발명 일실시예의 분해 측면도.

도 5는 본 발명 연료전지를 구성하는 일실시예 도전체의 평면도.

도 6은 본 발명 연료전지를 구성하는 일실시예 피씨비의 평면도.

도 7은 본 발명 연료전지를 구성하는 피씨비의 일실시예 연결도.

도 8은 본 발명 연료전지를 구성하는 피씨비의 다른 실시예 연결도.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

31. 전해질막 32. 연료극

33. 공기극 34. 도전체

35,35'. 피씨비 35A,35'A. 접속단자

35B,35'B. 연결단자 35C,35'C. 접촉단자

35D,35'D. 연결회로

H. 통공 S. 대향면

S1. 비접촉면 S2. 접촉면

본 발명은, 전해질막의 양 면 각각에 서로 평행한 다수의 연료극과 공기극이 밀착 배열된 모노폴라(monopolar)형 직접 메탄올 연료전지에서, 통공들이 형성된 판상의 도전체를 각 전극에 밀착시키고, 양 면의 도전체들을 한 쌍의 피씨비(PCB)로 각각 연결한 후 도전체와 피씨비를 통하여 전기를 집전할 수 있도록 함으로써, 피씨비의 회로 구성에 따라 연료전지의 연결 상태 즉, 출력을 자유롭게 변화시킬 수 있도록 한, 집전용 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지에 관한 것이다.

연료전지란, 연료의 산화로 인해 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 전지로서, 산화·환원반응을 이용한다는 점에 있어서는 보통의 화학전지와 동일하나, 폐쇄계 내에서 전지 반응을 하는 화학전지와는 달리, 반응물이 연속적으로 외부에서 공급되면서 반응 생성물은 연속적으로 계외로 배출되는 하나의 발 전 장치 역할을 수행한다

가장 대표적인 것으로는, 수소―산소 연료전지가 있으며, 이러한 연료전지들은 모두 알칼리 수용액을 전해질로 이용하고 순수한 수소와 산소를 반응물로 사용하였는 바, 알칼리 전해질을 사용하는 연료전지를 제 1세대, 귀금속 촉매를 사용하지 않은 고온형의 용융탄산염 연료전지를 제2세대, 그리고 보다 높은 효율로 발전 가능한 고체 전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라 한다.

연료전지는 화석 연료를 개질시킨 수소를 주성분으로 하는 수소 가스와 공기 속의 산소를 이용한 수소―공기 연료전지로서, 에너지 변환 효율이 우수하고 공해 요인이 전무하며 기존의 화력발전 등을 대체할 수 있기 때문에 실용화를 위한 개발 연구가 급속히 진행되고 있다.

그러나, 수소를 사용하는 연료전지는 수소 취급에 따른 어려움이 있으며, 메탄올 등의 액체 연료를 사용하는 경우에는 이로부터 수소를 만들어내기 위한 개질 장치가 필요로 되는 등 부대 설비가 커지게 되는 문제가 있으며, 일정 규모 이상의 발전 설비로나 개발이 가능할 뿐 소형화가 불가능하거나 매우 어렵다.

따라서, 메탄올과 물을 적정 비율로 혼합한 알콜 연료를 사용할 수 있는 직접 메탄올 연료전지가 개발되었다.

상기 직접 메탄올 연료전지는, 전해질막의 양 면에 연료극과 공기극이 결합된 구조로서, 연료극 측으로 공급된 연료와 물이 반응하여 수소 이온과 전자를 생성하고, 생성된 수소 이온과 전자는 각각 전해질막과 외부 회로를 통하여 공기극 측으로 이동한 후 수소 이온과 전자가 산소와 결합하여 물을 생성시키는 과정을 통 하여 전기 에너지가 발생하게 된다.

상기와 같은 직접 메탄올 연료전지는, 가스가 아닌 액체 상태의 연료인 메탄올을 사용하여 안전할 뿐 아니라, 소형화와 경량화가 가능하기 때문에 최근에는 휴대용 배터리로서 집중적으로 개발되고 있는데, 그 구조에 따라 바이폴라(bipolar)형과 모노폴라형으로 구분된다.

즉, 직접 메탄올 연료전지에서 하나의 연료극과 공기극 즉, 단위 셀로부터 얻을 수 있는 전위는 약 1.2볼트 정도로 매우 약하기 때문에, 실제 사용할 수 있는 전력을 얻기 위해서는 여러 개의 단위 셀이 필요로 되는데, 연료극과 공기극을 차례로 적층한 구조를 바이폴라형이라 하며, 한 장의 전해질막 양 면에 다수의 연료극과 공기극을 각각 배열한 구조를 모노폴라형이라 한다.

그러나, 바이폴라형의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 전류집전체(11), 연료극(12), 전해질막(13), 공기극(14) 및 전류집전체(11)가 순차적으로 반복 적층되면서 다수의 단위 셀이 직렬 연결되는 구조로서, 연료극(12)과 전류 집전체(11) 사이로 연료가 공급되고 공기극(14)과 전류 집전체(11) 사이로는 공기가 통과하면서 전극 반응이 일어나게 된다.

따라서, 적층된 다수의 연료극과 공기극 각각에 연료와 공기를 함께 공급하기 위한 연료 펌프, 송풍기 등의 부대 장치가 필요하게 될 뿐만 아니라, 다수 단위 셀의 적층에 의해 그 두께가 두꺼워질 수 밖에 없기 때문에, 연료전지를 휴대 가능할 정도의 소형으로 제작하기에는 거의 불가능하게 된다.

이때, 상기 전류 집전체(11)의 양 면에는 유로(channel, 도면 미도시)가 형 성되며, 각 면의 유로를 따라 연료와 공기가 흐르게 된다.

상기와 같은 바이폴라형 구조 즉, 적층 구조의 단점을 해결하기 위하여 개발된 것이 모노폴라형으로서, 모노폴라형은, 도 2에 도시된 바와 같이, 한장의 전해질막(21)을 중심으로 그 일측 면에는 다수의 연료극(22)이, 타측 면에는 다수의 공기극(23)이 각각 밀착 결합된 구조이다.

상기 모노폴라형은, 평면적이 증가하기는 하나 그 두께가 바이폴라형에 비하여 현저히 얇아질 뿐만 아니라, 공기극들과 연료극들이 각각 동일 평면 상에서 함께 노출되어 연료 펌프나 송풍기 등의 부대 설비를 필요로 하지 않기 때문에, 소형화에 가장 적합한 구조가 된다.

그러나, 전해질막의 각 면에 다수의 동일극이 배열되기 때문에, 바이폴라형과 달리, 전극들을 연결하는 방법이 쉽지 않은 단점이 있다.

즉, 실험실적으로는 전선을 이용하여 전극들을 연결할 수도 있으나, 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지를 소형화하여 실제 사용하기 위해서는 전선으로서 전극들을 연결하기가 쉽지 않다.

특히, 매우 얇은 시트 상의 전해질막을 중심으로 그 양 면에 밀착된 전극들 역시 그 두께가 매우 얇기 때문에 전선으로 전극들을 연결하기가 쉽지 않을 뿐 아니라, 전극들의 연결 형태 즉, 직렬 연결, 병렬 연결 및 혼합 연결 방식 중에서 어느 하나를 자유롭게 선택하여 연결하기가 즉, 효율적인 집전이 매우 어려운 문제가 있다.

본 발명은, 종래의 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지가 가지고 있는 집전의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로, 다양한 연결회로의 내장이 가능한 피씨비들 중 필요에 따라 적절한 연결회로를 가지고 있는 피씨비를 선택하여 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지의 전극들을 자유롭고 신속하게 직렬, 병렬 또는 혼합 연결할 수 있는, 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은, 통공들이 천공된 판상의 도전체와, 전기적 연결회로가 내장된 피씨비에 의하여 달성된다.

본 발명의 집전용 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지는, 피씨비 내부에 내장된 연결회로에 따라 전극들의 연결을 자유롭게 변화할 수 있도록 하는 동시에, 전선을 이용한 종래의 일반적인 연결 방법과 같이 전극들 주위로 전선들이 복잡하게 배선되지 않도록 함에 기술적 특징이 있다.

상기와 같은 본 발명의 연료전지는, 전해질막과; 전해질막의 일측 면에 밀착되는 다수의 연료극과; 연료극들과 1:1 대응하여 전해질을 중심으로 위치가 일치하도록 전해질의 타측 면에 밀착되는 다수의 공기극과; 각 전극의 외면 전체에 밀착되며, 다수의 통공이 관통 형성되는 집전체로서의 판상 도전체와; 전해질 각 면의 전극들에 각각 밀착되는 다수 도전체의 모든 일측단에 각각 접촉하는 접속단자들을 가지며, 접속단자들의 연결회로가 내장되고, 일측에 연결단자가 구비된 한 쌍의 피 씨비 등으로 구성되는 바, 각각을 살펴 보면 다음과 같다.

전해질막은, 나피온(Nafion) 등으로 이루어진 120∼130㎛ 두께의 막으로서, 이 전해질막을 통하여 수소 이온이 연료극에서 공기극으로 이동하게 된다.

연료극과 공기극은, 서로 1:1 대응하여 형성하는 단위 셀의 전극 역할을 하게 되며, 각각 Pt+Ru/C 및 Pt/C 등으로 이루어진 두께 100∼300㎛정도의 시트로서, 상기 전해질막의 양 면에 각각 일렬로 배열된다.

도전체는, 예를 들어, 구리, 니켈, 금 등의 금속으로 만들어진 두께 100㎛ 정도의 판체로서, 각 전극의 외면 전체에 밀착되어 집전체로서의 역할을 하게 되는 바, 각 전극이 연료나 공기 등과 접촉할 수 있도록 0.5∼3mm 정도되는 다수의 통공들이 관통 형성된다.

즉, 각 도전체의 통공들을 통하여 연료나 공기가 각 전극으로 공급되는 동시에 물 등과 같은 전극 반응물이 전극으로부터 도전체 외부로 배출될 수 있게 된다.

피씨비는, 집전체인 상기 도전체들을 각종 방법으로 연결하는 전선의 역할을 하는 것으로, 연료극측 도전체들의 일측단 모두에 접속되는 연료극측 피씨비와, 공기극측 도전체들의 일측단 모두에 접속되는 공기측 피씨비로 구성되며, 각각의 일측에는 전원단자의 역할을 하는 연결단자가 구비된다.

그리고, 각 피씨비에는, 필요에 따라, 다양한 연결회로가 내장될 수 있는데, 예를 들어, 서로 짝을 이루는 연료극과 공기극이 3쌍 구비되고, 각 피씨비에는 연료극측 도전체들 또는 공기극측 도전체들을 모두 연결하는 연결회로가 각각 내장되며, 두 피씨비가 전기적으로 접촉하지 않는다고 하면, 두 장의 피씨비에 각각 구비 된 두 연결단자로부터는 3개의 단위 셀을 병렬 연결한 전기를 얻을 수 있게 된다.

또한, 상기 두 장의 피씨비는 부분적으로 서로 직접 밀착되는 바, 각각의 밀착면이 밀착시 서로 상대측과 전기적으로 접속되는 다수의 접촉단자를 각각 구비함으로써, 연료극측의 도전체와 공기극측의 도전체를 전기적으로 연결할 수도 있다.

즉, 연료극과 공기극을 직렬로 연결할 수도 있다.

상기와 같이 피씨비에 접촉단자를 구비하거나 내장된 연결회로를 변화시킴으로써, 동일 평면 상에 배열된 단위 셀들을 구성하는 연료극들과 공기극들을 복잡한 배선으로 직접 연결하는 대신, 단위 셀들이 배열된 평면을 벗어난 일측에서 더욱 다양한 방법으로 단위 셀들을 손쉽게 연결할 수 있게 된다.

상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.

도 3에 본 발명 일실시예 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지의 사시도를, 도 4에 분해 측면도를 도시하였다.

도시된 바와 같이 본 발명의 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지는,

나피온 등으로 이루어진 전해질막(31)과;

상기 전해질막(31)의 일측 면에 일정 간격으로 밀착 배열된 다수의 연료극(32)과;

상기 각 연료극(32)의 위치와 일치하는 전해질막(31)의 타측 면 부위에 밀착 배열된 다수의 공기극(33)과;

상기 각 연료극(32) 및 각 공기극(33)의 외면에 겹쳐지는 다수의 판상 도전체(34)와;

상기 연료극(32)측 도전체(34)들의 일측단부와 각각 전기적으로 접속하는 다수의 접속단자(35A)가 구비되며, 내부에 접속단자(35A)들의 연결회로가 내장되고, 일측에 연결단자(35B)를 가진 연료극(32)측 피씨비(35)와;

상기 공기극(33)측 도전체(34)들의 일측단부와 각각 전기적으로 접속하는 다수의 접속단자(35'A)가 구비되며, 내부에 접속단자(35'A)들의 연결회로가 내장되고, 일측에 연결단자(35'B)를 가진 공기극(33)측 피씨비(35') 등을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 도전체(34)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 디수의 통공(H)이 형성된 금속 판체이다.

그리고, 전해질막(31)의 양 면에 각각 밀착된 연료극(32)과 공기극(33)에 각각 밀착된 연료극(32)측 도전체(34)들과 공기극(33)측 도전체(34)들은 서로 접촉되어서는 안되는 바, 각 도전체(34)는 전극인 연료극(32)이나 공기극(33)보다 작지 않은 평면적을 갖는 동시에 전해질막(31)을 벗어나지 않는 크기로 하는 것이 바람직하다.

또한, 피씨비(35)(35')는 도전체(34)들과 전기적으로 연결되는 동시에 두 피씨비(35)(35')가 서로 접촉할 수도 있어야 하는 바, 도 6에 도시된 바와 같이, 두 피씨비(35)(35')의 대향면(S)은, 전해질막(31)과 겹쳐짐으로써 서로 접촉하지 않는 비접촉면(S1)과, 전해질막(31)을 벗어남으로써 서로 접촉하게 되는 접촉면(S2)으로 구분된다.

이때, 단위 셀들의 연결 방법에 따라, 상기 피씨비(35)(35')의 각 접촉면(S2)에는 서로 전기적 접속이 가능한 다수의 접촉단자(35C)(35'C)가 구비될 수도 있다.

상기와 같이 본 발명의 연료전지는, 한 쌍의 피씨비(35)(35')에 의해 연료극(32)들과 공기극(33)들의 연결 방법이 자유롭게 선택될 수 있는 바, 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 각 피씨비(35)에 내장된 연결회로(35D)(35'D)가 도전체(34)들과 접촉되는 각각의 접속단자(35A)(35'A)들 및 연결단자(35B)(35B')만을 연결하는 경우에는 단위 셀들이 병렬 연결되는 상태가 된다.

그리고, 도 8에 도시된 바와 같이, 두 피씨비(35)(35')의 각 대향면(S) 중 각각의 접촉면(S2)에, 두 피씨비(35)(35')의 밀착시, 서로 상대측과 전기적으로 접속되는 접촉단자(35C)(35'C)들을 각각 구비하고, 각 접촉단자(35C)(35'C)들과 접속단자(35A)(35'A)들을 1:1 대응하여 연결되도록 하는 동시에 각 접촉단자(35C)(35'C)들 중의 하나를 연결단자(35B)(35'B)와 연결되도록 내장된 연결회로(35D)(35'D)를 구성하며, 연료극(32)측 접속단자(35A)들과 공기극(33)측 접속단자(35'A)들이 도면 상의 점선과 같이 접촉하도록 함으로써, 단위 셀들을 직렬로 연결할 수도 있다.

또한, 상기와 같이 본 발명의 연료전지는, 각 피씨비(35)(35')에 내장되며, 접속단자(35A)(35'A)와 접촉단자(35C)(35'C) 및 연결단자(35B)(35'B)를 전기적으로 연결하는 연결회로(35D)(35'D)에 따라 단위 셀들이 자유롭게 병렬, 직렬 또는 혼합 연결될 수 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지를 실제 사용하기 위해서는 연료를 주입할 수 있는 연료 저장 공간이 구비된 케이스, 밀봉재 등 기타의 다수 구성 요소들이 필요로 되나, 본 발명은 연료극과 공기극으로부터의 집전 구조에 특징이 있는 바, 전기를 발생시키고 집전하는데 직접적으로 필요로 되는 기본적 요소만을 설명하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지는, 피씨비에 의해 단위셀들이 전기적으로 연결되기 때문에 연료전지의 배선이 단순화되어 소형화에 유리할 뿐 아니라, 단위 셀들의 연결 작업이 손쉽고 간편해지며, 피씨비에 내장된 연결회로에 따라 단위 셀들을 다양한 구조로 연결 가능하기 때문에 소량 다품종 생산에 적합함은 물론, 대량 생산시 다수의 전극을 연결하기 위한 배선 공정이 생략되기 때문에 획기적인 공정 단순화와 생산성 향상이 가능한 장점이 있다.

Claims (4)

1. 전해질막의 양 면에 각각 다수의 연료극과 공기극이 밀착된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지에 있어서,

   시트상의 전해질막(31)과;

   상기 전해질막(31)의 일측 면에 밀착 배열된 다수의 연료극(32)과;

   상기 각 연료극(32)의 위치와 일치하는 전해질막(31)의 타측 면 부위에 밀착 배열된 다수의 공기극(33)과;

   상기 각 연료극(32) 및 각 공기극(33)의 외면에 겹쳐지며, 다수의 통공(H)을 가진 다수의 판상 도전체(34)와;

   상기 연료극(32)측 각 도전체(34)와 접촉하는 다수의 접속단자(35A)가 구비되며, 내부에 연결회로(35C)가 내장되고, 일측에 연결단자(35B)를 가진 연료극(32)측 피씨비(35)와;

   상기 공기극(33)측 각 도전체(34)와 접촉하는 다수의 접속단자(35'A)가 구비되며, 내부에 연결회로(35'C)가 내장되고, 일측에 연결단자(35'B)를 가진 공기극(32)측 피씨비(35') 등을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 집전용 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지.
2. 제 1항에 있어서, 상기 도전체(34)의 평면적은, 연료극(32) 또는 공기극(33) 의 평면적보다 작지 않은 것을 특징으로 하는 집전용 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지.
3. 제 1항에 있어서, 상기 연료극측 및 공기극측 피씨비(35)(35')의 각 대향면(S)은, 전해질막(31)과 겹쳐지는 비접촉면(S1)과, 전해질막(31)과 겹쳐지지 않는 접촉면(S2)으로 구분되는 것을 특징으로 하는 집전용 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지.
4. 제 3항에 있어서, 상기 두 피씨비(35)(35')의 각 접촉면(S2)에는 서로 전기적 접속이 가능한 다수의 접촉단자(35C)(35'C)가 각각 구비된 것을 특징으로 하는 집전용 피씨비가 결합된 모노폴라형 직접 메탄올 연료전지.

Images