KR100773529B1 - Monopolar membrane-electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전류집전체가 삽입된 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a monopolar membrane-electrode assembly in which a current collector is inserted according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 전해질막을 보여주는 평면도이다. FIG. 2 is a plan view illustrating the electrolyte membrane of FIG. 1.
도 3 및 도 4는 각각 도 1의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다. 3 and 4 are plan views showing current collectors inserted into the membrane electrode assembly of FIG. 1, respectively.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이다. 5 is a schematic cross-sectional view of a monopolar membrane-electrode assembly according to a second embodiment of the present invention.
도 6 및 도 7은 도 5의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다. 6 and 7 are plan views illustrating current collectors inserted into the membrane electrode assembly of FIG. 5.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전류집전체가 통합된 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이다. 8 is a schematic cross-sectional view of a monopolar membrane-electrode assembly incorporating a current collector according to a third embodiment of the present invention.
도 9는 도 8의 지지체(supporting body)의 평면도이다. FIG. 9 is a plan view of the supporting body of FIG. 8. FIG.
도 10 및 도 11은 각각 도 8의 지지체 상에 형성된 전류집전부, 도전부 및 단자를 보여주는 평면도이다. 10 and 11 are plan views illustrating a current collector, a conductive part, and a terminal formed on the support of FIG. 8, respectively.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 모노폴라형 단전지(unit cell) 막-전극 어셈블리(400)의 개략적 분리단면도이다. 12 is a schematic cross-sectional view of a monopolar unit cell membrane-electrode assembly 400 according to a fourth embodiment of the present invention.
도 13은 도 12의 지지체(supporting body)의 평면도이다. FIG. 13 is a plan view of the supporting body of FIG. 12. FIG.
도 14 및 도 15는 각각 도 12의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다.14 and 15 are plan views illustrating current collectors inserted into the membrane electrode assembly of FIG. 12, respectively.
도 16은 본 발명의 제1 실시예에 따라 전해질막과 촉매층 사이에 전류집전체를 삽입한 구조의 연료전지 단위 셀의 성능을 나타내는 그래프이다. 16 is a graph illustrating the performance of a fuel cell unit cell having a current collector inserted between an electrolyte membrane and a catalyst layer according to the first embodiment of the present invention.
본 발명은 휴대용 전자기기의 전원으로 사용하기 위한 모노폴라형 직접액체 연료전지의 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전류집전체가 촉매의 상부 또는 하부에 배치된 모노폴라형 막-전극 어셈블리에 관한 것이다. The present invention relates to a structure of a monopolar direct liquid fuel cell for use as a power source for portable electronic devices, and more particularly, to a monopolar membrane-electrode assembly in which a current collector is disposed above or below a catalyst. will be.
직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 연료인 메탄올과 산화제인 산소와의 반응에 의해 전기를 생성하는 발전장치로서 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올을 연료로 직접 사용하기 때문에 연료개질기 등 주변장치가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다. Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) is a power generating device that generates electricity by the reaction of methanol as fuel and oxygen as oxidant. It has very high energy density and power density, and it uses methanol directly as fuel. It does not require peripherals such as reformers and has the advantage of easy storage and supply of fuel.
모노폴라형 DMFC는 한 장의 전해질막에 복수의 셀을 배열한 후 각 셀을 직렬로 연결하는 방식으로 두께와 부피를 크게 줄일 수 있어서 박형의 소형 DMFC 제작이 가능한 방식이다. Monopolar DMFC is a method of manufacturing a thin DMFC by greatly reducing the thickness and volume by arranging a plurality of cells in one electrolyte membrane and connecting each cell in series.
미국특허 제6,410,180호에는 각 전극 위에 메쉬 타입 전류집전부들과, 전류집전부들을 연결하는 도전부를 개시하고 있다. 그러나, 전극 위에 전류집전부가 위 치함으로써 전극과 전류집전부 사이의 단차가 생겨서 연료의 유출가능성이 있으며, 또한 액체연료가 도전부를 타고 리크될 수 있다. 또한, 전류집전부와 전극 사이의 접촉저항 증가와, 촉매층에서 생성된 전자가 전극의 연료확산부 및 전극지지체를 통과하여 전류집전부로 이동시 생기는 저항 증가가 연료전지의 효율을 저하시킬 수 있다. 또한 촉매 층에서 발생된 전류가 집전체까지 전달되기 위해서는 확산층과 지지층이 모두 전기 전도성을 가지는 물질을 사용함으로서 재료 선택의 제한이 있었고, 이러한 제한은 연료전지의 성능제한과 직접적으로 연관되어 있었다. U.S. Patent No. 6,410,180 discloses a mesh type current collector and a conductive part connecting the current collectors to each electrode. However, the position of the current collector on the electrode causes a step between the electrode and the current collector, so that fuel may leak, and liquid fuel may leak through the conductive portion. In addition, an increase in contact resistance between the current collector and the electrode and an increase in resistance generated when electrons generated in the catalyst layer move through the fuel diffusion part and the electrode support of the electrode to the current collector may reduce the efficiency of the fuel cell. In addition, in order for the current generated in the catalyst layer to be transferred to the current collector, there were limitations in material selection by using a material in which both the diffusion layer and the support layer were electrically conductive, and this limitation was directly related to the performance limitation of the fuel cell.
본 발명의 목적은, 전극의 촉매층 상에 전류 집전체를 형성함으로써 전자의 이동거리를 단축하여 저항을 최소화하고, 전류 집전체 상에 전기 전도성을 가지는 코팅층을 형성함으로써 전류 집전체와 촉매층의 직접 접촉에 의한 전류 집전체의 접착성 증가 및 부식을 방지하기 위한 막-전극 어셈블리의 구조를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to form a current collector on the catalyst layer of the electrode to minimize the resistance by shortening the moving distance of the electrons, and to form a coating layer having electrical conductivity on the current collector to directly contact the current collector with the catalyst layer. It is to provide a structure of the membrane-electrode assembly for preventing the increase of adhesion and corrosion of the current collector by.
본 발명의 다른 목적은, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a fuel cell comprising the membrane-electrode assembly.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리는: In order to achieve the above object, a monopolar membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention is:
복수의 셀영역이 형성된 전해질막;An electrolyte membrane in which a plurality of cell regions are formed;
상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 해당되는 복수의 제1개구부와 상 기 셀영역과 연관된 복수의 제2개구부가 형성된 애노드 지지체 및 캐소드 지지체;An anode support and a cathode support each having a plurality of first openings corresponding to the cell region and a plurality of second openings associated with the cell region on both sides of the electrolyte membrane;
상기 지지체 상에서 상기 셀영역에 각각 설치된 복수의 애노드 전류집전체와 복수의 캐소드 전류집전체; 및A plurality of anode current collectors and a plurality of cathode current collectors respectively provided in the cell region on the support; And
상기 애노드 전류집전체 및 캐소드 전류집전체 상에 각각 설치된 복수의 애노드 전극 및 복수의 캐소드 전극;을 구비하며, And a plurality of anode electrodes and a plurality of cathode electrodes respectively provided on the anode current collector and the cathode current collector.
상기 각 전류집전체는 상기 셀영역의 전류를 집전하는 전류집전부; 및Each of the current collectors includes a current collector for collecting current in the cell region; And
상기 전류집전부의 일측에 연결된 도전부;를 구비하며, And a conductive part connected to one side of the current collector,
상기 전류집전부는 전도성 물질로 코팅되어 있으며, The current collector is coated with a conductive material,
상기 캐소드 전류집전체의 도전부의 단은 상기 제2개구부를 통해서 인접한 상기 애노드 전류집전체의 도전부의 단과 전기적으로 직렬연결된 것을 특징으로 한다. The stage of the conductive portion of the cathode current collector is electrically connected in series with the stage of the conductive portion of the anode current collector adjacent through the second opening.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리는: In order to achieve the above object, a monopolar membrane-electrode assembly according to another embodiment of the present invention is:
복수의 셀영역이 형성된 전해질막;An electrolyte membrane in which a plurality of cell regions are formed;
상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 해당되는 복수의 제1 개구부가 형성된 애노드 지지체 및 캐소드 지지체;An anode support and a cathode support each having a plurality of first openings corresponding to the cell region on both sides of the electrolyte membrane;
상기 지지체 상에서 상기 셀영역에 각각 설치된 복수의 애노드 전류집전체와 복수의 캐소드 전류집전체; 및A plurality of anode current collectors and a plurality of cathode current collectors respectively provided in the cell region on the support; And
상기 애노드 전류집전체 및 캐소드 전류집전체 상에 각각 설치된 복수의 애노드 전극 및 복수의 캐소드 전극;을 구비하며, And a plurality of anode electrodes and a plurality of cathode electrodes respectively provided on the anode current collector and the cathode current collector.
상기 각 전류집전체는 상기 셀영역의 전류를 집전하는 전류집전부; 및Each of the current collectors includes a current collector for collecting current in the cell region; And
상기 전류집전부의 일측에 연결된 도전부;를 구비하며, And a conductive part connected to one side of the current collector,
상기 전류집전부는 전도성 물질로 코팅되어 있으며, The current collector is coated with a conductive material,
상기 캐소드 전류집전체의 도전부의 단 및 상기 애노드 전류집전체의 도전부의 단은 각각 해당 지지체의 외부로 노출되게 설치되어서 상기 캐소드 전류집전체의 도전부 단과 상기 애노드 전류집전체의 도전부의 단이 전기적으로 직렬연결된 것을 특징으로 한다. The stage of the conductive portion of the cathode current collector and the stage of the conductive portion of the anode current collector are respectively exposed to the outside of the support, so that the stage of the conductive portion of the cathode current collector and the conductive portion of the anode current collector are electrically It is characterized in that the serial connection.
본 발명에 따르면, 상기 전도성 물질은 탄소계 소재 또는 전도성 고분자로 형성될 수 있다. According to the present invention, the conductive material may be formed of a carbon-based material or a conductive polymer.
또한, 상기 전도성 물질의 두께가 20 μm 내지 60 μm 인 것이 바람직하다. In addition, the conductive material preferably has a thickness of 20 μm to 60 μm.
본 발명에 따르면, 상기 지지체는 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드로 이루어진 그룹 중 선택된 물질로 제조된다. According to the invention, the support is made of a material selected from the group consisting of polyimide, polyethylene, polypropylene, polyvinylchloride.
상기 지지체 및 상기 전류집전체는 일체형으로 형성된 플렉서블 인쇄회로기판(FPCB)일 수 있다. The support and the current collector may be a flexible printed circuit board (FPCB) formed integrally.
상기 전류집전체는 전기전도도가 1 S/cm 이상인 금속으로 형성될 수 있다. The current collector may be formed of a metal having an electrical conductivity of 1 S / cm or more.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리는: In order to achieve the above object, a monopolar membrane-electrode assembly according to another embodiment of the present invention is:
복수의 셀영역이 형성된 전해질막;An electrolyte membrane in which a plurality of cell regions are formed;
상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 각각 형성된 촉매층;A catalyst layer formed in each of the cell regions on both sides of the electrolyte membrane;
상기 촉매층 상에서 상기 셀영역에 해당되는 복수의 제1개구부와 상기 셀영 역과 연관된 복수의 제2개구부가 형성된 애노드 지지체 및 캐소드 지지체;An anode support and a cathode support having a plurality of first openings corresponding to the cell region and a plurality of second openings associated with the cell region formed on the catalyst layer;
상기 지지체 상에서 상기 셀영역에 각각 설치된 복수의 애노드 전류집전체와 복수의 캐소드 전류집전체; 및 A plurality of anode current collectors and a plurality of cathode current collectors respectively provided in the cell region on the support; And
상기 애노드 전류집전체 및 캐소드 전류집전체 상에 각각 설치된 복수의 애노드 확산부 및 복수의 캐소드 확산부;를 구비하며, And a plurality of anode diffusion parts and a plurality of cathode diffusion parts respectively provided on the anode current collector and the cathode current collector.
상기 각 전류집전체는 상기 셀영역의 전류를 집전하는 전류집전부; 및Each of the current collectors includes a current collector for collecting current in the cell region; And
상기 전류집전부의 일측에 연결된 도전부;를 구비하며, And a conductive part connected to one side of the current collector,
상기 전류집전부는 전도성 물질로 코팅되어 있으며, The current collector is coated with a conductive material,
상기 캐소드 전류집전체의 도전부의 단은 상기 제2개구부를 통해서 인접한 상기 애노드 전류집전체의 도전부의 단과 전기적으로 직렬연결된 것을 특징으로 한다. The stage of the conductive portion of the cathode current collector is electrically connected in series with the stage of the conductive portion of the anode current collector adjacent through the second opening.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 또 다른 실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리는: In order to achieve the above object another monopolar membrane-electrode assembly according to another embodiment of the present invention is:
복수의 셀영역이 형성된 전해질막;An electrolyte membrane in which a plurality of cell regions are formed;
상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 각각 형성된 촉매층;A catalyst layer formed in each of the cell regions on both sides of the electrolyte membrane;
상기 촉매층 상에서 상기 셀영역에 해당되는 복수의 제1 개구부가 형성된 애노드 지지체 및 캐소드 지지체;An anode support and a cathode support formed with a plurality of first openings corresponding to the cell region on the catalyst layer;
상기 지지체 상에서 상기 셀영역에 각각 설치된 복수의 애노드 전류집전체와 복수의 캐소드 전류집전체; 및A plurality of anode current collectors and a plurality of cathode current collectors respectively provided in the cell region on the support; And
상기 애노드 전류집전체 및 캐소드 전류집전체 상에 각각 설치된 복수의 애 노드 확산부 및 복수의 캐소드 확산부;를 구비하며, And a plurality of anode diffusion parts and a plurality of cathode diffusion parts respectively provided on the anode current collector and the cathode current collector.
상기 각 전류집전체는 상기 셀영역의 전류를 집전하는 전류집전부; 및Each of the current collectors includes a current collector for collecting current in the cell region; And
상기 전류집전부의 일측에 연결된 도전부;를 구비하며, And a conductive part connected to one side of the current collector,
상기 전류집전부는 전도성 물질로 코팅되어 있으며, The current collector is coated with a conductive material,
상기 캐소드 전류집전체의 도전부의 단 및 상기 애노드 전류집전체의 도전부의 단은 각각 해당 지지체의 외부로 노출되게 설치되어서 상기 캐소드 전류집전체의 도전부 단과 상기 애노드 전류집전체의 도전부의 단이 전기적으로 직렬연결된 것을 특징으로 한다. The stage of the conductive portion of the cathode current collector and the stage of the conductive portion of the anode current collector are respectively exposed to the outside of the support, so that the stage of the conductive portion of the cathode current collector and the conductive portion of the anode current collector are electrically It is characterized in that the serial connection.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the monopolar membrane-electrode assembly according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이며, 도 2는 본 발명의 연료전지의 전해질막을 보여주는 평면도이며, 도 3 및 도 4는 각각 도 1의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a monopolar membrane-electrode assembly according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view showing an electrolyte membrane of a fuel cell of the present invention, and FIGS. 3 and 4 are membranes of FIG. A plan view showing the current collector inserted in the electrode assembly.
도 1 내지 도 4를 함께 참조하면, 본 발명의 전류집전체(current collecting body)가 삽입된 모노폴라형 막-전극 어셈블리(100)는 복수의 셀영역, 예컨대 8개의 셀영역(제1~8셀)이 형성되는 전해질막(110)을 구비한다. 전해질막(110)의 제1면(111)에서 각 셀영역 상에는 메쉬 형상의 애노드 전류집전부(120)(A1~A8)가 형성되어 있다. 각 애노드 전류집전부(120)의 일측에는 도전부(122)가 형성되어 있다. 상기 애노드 전류집전부(120)와 상기 애노드 전류집전 부(120)에 연결된 도전부(122)는 애노드 전류집전체를 형성한다. 1 to 4, the monopolar membrane-
상기 애노드 전류집전체의 표면에는 전도성 물질(126)이 코팅되어 형성된다. 전도성 물질(126) 상에는 애노드 전극(130)이 설치되어 있다. The surface of the anode current collector is formed by coating a
전해질막(110)의 제2면(112)에서 각 셀영역 상에는 메쉬 형상의 캐소드 전류집전부(160)(C1~C8)가 형성되어 있다. 캐소드 전류집전부(160)의 일측에는 도전부(162)가 형성되어 있다. 상기 캐소드 전류집전부(160)와 상기 전류집전부(160)에 연결된 도전부(162)는 캐소드 전류집전체를 형성한다. Mesh-type cathode current collectors 160 (C1 to C8) are formed on each cell region of the
상기 캐소드 전류집전체의 표면에는 전도성 물질(166)이 코팅되어 형성된다. 전도성 물질(166) 상에는 캐소드 전극(170)이 설치되어 있다. The surface of the cathode current collector is formed by coating a
도 3은 애노드 전류집전부(A1~A8)의 평면도이며, 도 4는 캐소드 전류집전부(C1~C8)의 평면도로서 전해질막과 함께 도시하였으며, 편의상 전도성 물질을 도시하지 않았다. 애노드 전류집전부(A1)의 도전부(122)와 캐소드 전류집전부(C8)의 도전부(162)는 각각 외부로의 전기적 연결을 위한 단자(124, 164)가 연결된다. 상기 단자(124, 164)는 각각 애노드 전류집전부(A1)의 도전부(122)와 캐소드 전류집전부(C8)의 도전부(162)로부터 연장되어 형성되는 것이 바람직하다. FIG. 3 is a plan view of the anode current collectors A1 to A8, and FIG. 4 is a plan view of the cathode current collectors C1 to C8 together with the electrolyte membrane. For convenience, the conductive material is not shown. The
캐소드 전류집전부(C1)의 도전부(162)의 단(162a)은 전해질막(110)에 형성된 개구부(도 2의 110a)을 통해서 제2셀의 애노드 전류집전체(A2)의 도전부(122)의 단(122a)와 전기적으로 연결된다. 즉, 개구부(110a) 내에는 전도성 금속(115)으로 채워져 있다. 이와 같이 각 셀의 애노드 전류집전부(A2~A8)는 개구부(110a)을 통해서 인근 셀의 캐소드 전류집전체(C1~C7)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 제1~8셀 은 직렬연결된다. The
상기 전도성 물질(126,166)은 탄소계 소재 또는 전도성 고분자로 형성된다. 상기 탄소계 소재로는 탄소 분말, 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노혼(nanohorn), 카본 나노링(nanoring), 플러렌(C60)로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다. The
상기 전도성 고분자로는 폴리아니린(Polyaniline), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene)로 이루어진 그룹 중 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. The conductive polymer may be any one selected from the group consisting of polyaniline, polypyrrole, and polythiophene.
상기 전도성 물질(126,166)의 두께는 20 μm 내지 60 μm 인 것이 바람직하다. 상기 전도성 물질(126,166)의 두께가 20 μm 보다 얇은 경우, 전류집전부(120,160)의 보호 효과가 떨어질 수 있으며, 60 μm를 초과하는 경우, 전류집전효율을 감소시킬 수 있다. Preferably, the
상기 전류집전부(120,160), 도전부(122,162), 전도성금속(115), 터미널(124, 164)은 전기전도도가 1 S/cm 이상인 전이금속이 사용될 수 있다. The
상기 금속으로 각각 Ag, Au, Al, Ni, Cu, Pt, Ti, Mn, Zn, Fe, Sn 및 이들의 합금이 사용될 수 있으며, 금속 대용으로 폴리아니린(Polyaniline), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 등 전도성 고분자를 사용할 수 있다. Ag, Au, Al, Ni, Cu, Pt, Ti, Mn, Zn, Fe, Sn and alloys thereof may be used as the metal, and polyaniline, polypyrrole, poly Conductive polymers such as thiophene (polythiophene) can be used.
상기 전도성 물질 및 전류집전체의 형성방법은 전해질막 위에 전도성 물질, 금속을 직접 형성하는 방법과 전류집전체 상에 전도성 물질을 형성한 후, 전해질막 과 접합시키는 방법으로 나눌 수 있다. 스퍼터링 방법과 CVD 증착방법, 전기적 증착(electrodeposition)으로 박막을 형성할 수 있으며, 필요시 상기 박막을 전류집전체 및 전도성 물질의 형상으로 패터닝, 금속에칭하여 형성할 수 있다. The method of forming the conductive material and the current collector may be divided into a method of directly forming a conductive material and a metal on the electrolyte membrane and a method of forming the conductive material on the current collector and then joining the electrolyte membrane. The thin film may be formed by a sputtering method, a CVD deposition method, or an electrodeposition. If necessary, the thin film may be formed by patterning and etching the metal into a shape of a current collector and a conductive material.
제1 실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의(100)는 애노드 전극(130) 및 캐소드 전극(170) 사이를 전기적으로 연결하는 도전부가 전해질막(110)에 형성된 개구부(110a)을 통해서 직접 연결되므로 도전부의 길이가 매우 짧으며, 따라서 전기적 저항이 작아 진다. 또한, 전류집전부(120,160)가 반응계면인 전해질막(110)과 전극(130,170)의 촉매층 사이에 설치되므로, 촉매층에서 생성된 전자가 직접 접촉된 전류집전부에서 집전되므로 종래의 촉매층에서 생성된 전자가 전극의 연료확산부와 전극지지체를 통과하며 발생한 전기적 저항이 없게 된다. The monopolar membrane-
또한, 전도성 물질(126,166)이 전류집전부(120,160)의 부식을 방지할 수 있다. 또한 전류집전부(120,160)가 전도성 물질(126,166)로 코팅됨으로써 촉매층과 전류집전부 사이의 계면저항이 감소되고 전류집전부와 촉매층 (혹은 확산층) 의 접착성이 증가될 수 있다. In addition, the
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리(200)의 개략적 단면도이며, 도 6 및 도 7은 도 5의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이며, 도 1~도 4의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 명칭을 사용하고 상세한 설명은 생략한다. 5 is a schematic cross-sectional view of a monopolar membrane-
도 5 내지 도 7을 함께 참조하면, 본 발명의 전류집전체가 삽입된 모노폴라형 막-전극 어셈블리(200)는 복수의 셀영역, 예컨대 8개의 셀영역(제1~8셀)이 형성 되는 전해질막(210)을 구비한다. 전해질막(210)의 제1면(211)에서 각 셀영역 상에는 메쉬 형상의 애노드 전류집전부(220)(A1~A8)가 형성되어 있다. 각 애노드 전류집전부(220)의 일측에는 도전부(222)가 형성되어 있다. 애노드 전류집전부(220)와 애노드 전류집전부(220)에 연결된 도전부(222)는 애노드 전류집전체를 형성한다. 5 to 7 together, the monopolar membrane-
애노드 전류집전부(220) 상에는 전도성 물질(226)이 코팅되어 형성되어 있으며, 전도성 물질(226) 상에는 애노드 전극(230)이 설치되어 있다. A
전해질막(210)의 제2면(212)에서 각 셀영역 상에는 메쉬 형상의 캐소드 전류집전부(260)(C1~C8)가 형성되어 있다. 캐소드 전류집전부(260)의 일측에는 도전부(262)가 형성되어 있다. 캐소드 전류집전부(260)와 캐소드 전류집전부(260)에 연결된 연결부(262)는 캐소드 전류집전체를 형성한다. On the
캐소드 전류집전부(260) 상에는 전도성 물질(266)이 형성되어 있으며, 전도성 물질(266) 상에는캐소드 전극(270)이 설치되어 있다. A
상기 도전부(222, 262)의 단(222a, 262a)은 각각 전해질막(210)의 외부로 연장되어 있다. 각 전극(230, 270)은 촉매층, 연료확산부 및 전극지지체로 이루어질 수 있다.
도 6은 애노드 전류집전부(A1~A8)의 평면도이며, 도 7은 캐소드 전류집전부(C1~C8)의 평면도이며, 전해질막과 함께 도시하였으며, 편의상 도전성 물질을 도시하지 않았다. 애노드 전류집전부(A1)의 도전부(222)와 캐소드 전류집전부(C8)의 도전부(262)는 각각 외부로의 전기적 연결을 위한 단자(224, 264)가 연결된다. 상기 단자(224, 264)는 각각 애노드 전류집전부(A1)의 도전부(222)와 캐소드 전류집 전부(C8)의 도전부(262)로부터 연장되어 형성되는 것이 바람직하다. FIG. 6 is a plan view of the anode current collectors A1 to A8, and FIG. 7 is a plan view of the cathode current collectors C1 to C8 and is shown together with the electrolyte membrane. For convenience, the conductive material is not shown. The
제1셀의 캐소드 전류집전부(C1)의 도전부(262)의 단(262a)과 제2셀의 애노드 전류집전체(A2)의 도전부(222)의 단(222a)은 전기적으로 연결된다. 상기 단(222a, 262a)은 전도성 금속(215)으로 채워져서 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같이 애노드 전류집전부(A2~A8)는 인근 셀의 캐소드 전류집전체(C1~C7)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 제1~8셀은 직렬연결된다. The
제2 실시예의 전도성 물질, 전류집전체의 재질 등은 제1 실시에의 전도성 물질, 전류집전체와 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. Since the conductive material, the material of the current collector, and the like of the second embodiment are substantially the same as the conductive material, the current collector of the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
제2 실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의(200)는 애노드 전극(230) 및 캐소드 전극(270) 사이를 전기적으로 연결하는 도전부가 전해질막 외부에서 용이하게 연결될 수 있다. 또한, 전류집전부(220,260)가 반응계면인 전해질막(210)과 전극(230,270)의 촉매층 사이에 설치되므로, 촉매층에서 생성된 전자가 직접 접촉된 전류집전부에서 집전되므로 종래의 촉매층에서 생성된 전자가 전극의 연료확산부와 전극지지체를 통과하며 발생한 전기적 저항이 없게 된다. 또한, 전도성 물질(226,266)이 전류집전부(220,260)의 부식을 방지할 수 있다. In the monopolar type membrane-
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이며, 도 9는 도 8의 지지체(supporting body)의 평면도이며, 도 10 및 도 11은 각각 도 8의 지지체 상에 형성된 전류집전부, 도전부 및 단자를 구비하는 전류집전체를 보여주는 평면도이다FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a monopolar membrane-electrode assembly according to a third embodiment of the present invention, FIG. 9 is a plan view of the supporting body of FIG. 8, and FIGS. 10 and 11 are respectively the supports of FIG. 8. A plan view showing a current collector having a current collector, a conductive portion and a terminal formed on the top
도 8 내지 도 11을 함께 참조하면, 본 발명의 전류집전체가 삽입된 모노폴 라형 막-전극 어셈블리(300)는 복수의 셀영역, 예컨대 8개의 셀(제1~8셀) 영역이 형성되는 전해질막(310)을 구비한다. 전해질막(310)의 양면에는 각각 셀영역에 대응하는 복수의 4각 개구부(314a,316a)가 형성된 비전도성 지지체(314,316) 예컨대 폴리이미드(polyimide) 필름이 설치되어 있다. 지지체(314,316)는 전해질막(310)의 바깥으로 연장되게 형성되어 있으며, 이 연장된 영역에는 다수의 개구부(314b,316b)가 형성되어 있다. 각 지지체(314,316)에서 각 셀영역 상에는 애노드 전류집전부 (320)(A1~A8)와 캐소드 전류집전부(360)(C1~C8)가 형성되어 있다. 애노드 집전부(320) 및 캐소드 집전부(360) 상에는 각각 전도성 물질(326,366)이 형성되어 있으며, 전도성 물질(326,366) 상에는 애노드 전극(330) 및 캐소드 전극(370)이 설치된다. 8 to 11, the monopolar membrane-
각 전극(330, 370)은 촉매층, 연료확산부 및 전극지지체로 구성된다. Each
상기 비전도성 지지체(314, 316)은 폴리에틸렌(Poly ethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride)로도 형성될 수 있다. The nonconductive supports 314 and 316 may also be formed of polyethylene, polypropylene, and polyvinyl chloride.
애노드 전류집전부(320)(A1~A8)와 캐소드 전류집전부 (360)(C1~C8)는 메쉬 형상을 포함한 다양한 형상일 수 있다. 애노드 전류집전부(320)의 일측에는 도전부(322)가 형성되어 있으며, 캐소드 전류집전부(360)의 일측에는 도전부(362)가 형성되어 있다. 각 전류집전체는 전류집전부와 해당하는 도전부를 구비한다. The anode current collector 320 (A1 to A8) and the cathode current collector 360 (C1 to C8) may have various shapes including a mesh shape. The
도 10은 애노드 전류집전부(A1~A8)를 포함하는 애노드 전류집전체의 평면도이며, 도 11은 캐소드 전류집전부(C1~C8)를 포함하는 캐소드 전류집전체의 평면도 이다. FIG. 10 is a plan view of an anode current collector including anode current collectors A1 to A8, and FIG. 11 is a plan view of a cathode current collector including cathode current collectors C1 to C8.
도 10 및 도 11을 참조하면, 폴리이미드 필름(314, 316) 위에 전도성 금속으로 이루어진 전류집전체가 함께 형성된 플렉서블 인쇄회로 보드(flexible printed circuit board: FPCB)를 보여준다. 이 경우, 전류집전체를 폴리이미드 필름(314, 316)과 일체형으로 만든 후, 전해질막과 접합할 수 있다. 10 and 11, a flexible printed circuit board (FPCB) in which a current collector made of a conductive metal is formed together on the
애노드 전류집전부(A1)에 연결된 도전부(322)와 캐소드 전류집전부(C8)에 연결된 도전부(362)는 각각 외부로의 전기적 연결을 위한 단자 (324, 364)가 연결된다. 상기 단자(324, 364)는 상기 애노드 전류집전부(A1)에 연결된 도전부(322)와 캐소드 전류집전부(C8)에 연결된 도전부(362)으로부터 연장되어 형성되는 것이 바람직하다.
제1셀의 캐소드 전류집전부(C1)의 도전부(362)의 단(362a)은 지지체(316)에 형성된 개구부(316b)에 위치하며, 제2셀의 애노드 집전부(A2)의 도전부(322)의 단(322a)은 지지체(314)에 형성된 개구부(314b)에 위치한다. 상기 캐소드 전류집전부(360), 도전부(362), 단자(364)가 형성된 지지체(316)를 캐소드 전극(370) 및 전해질막(310) 사이에 배치하고, 상기 애노드 전류집전부(320), 도전부(322) 및 단자(324)가 형성된 지지체(314)를 애노드 전극(330) 및 전해질막(310) 사이에 배치한 다음, 상기 지지체(314,316)에 형성된 개구부(314b,316b)을 정렬한 상태에서 125 ℃, 3 톤압력으로 3분간 핫프레싱(hot-pressing) 한 후, 상기 도전부(322,262)의 단(322a, 362a)을 개구부(314b,316b)을 통해서 스팟 웰더(spot welder) 또는 초음파 웰더(ultrasonic welder)로 접합하여 전기적으로 연결한다. 이와 같이 각 셀 의 애노드 전류집전부(A2~A8)는 개구부(314b, 316b)을 통해서 인근 셀의 캐소드 전류집전부(C1~C7)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 제1~8셀은 직렬연결된다. The
제3 실시예의 전도성 물질, 전류집전체의 재질 등은 제1 실시예의 전도성 물질, 전류집전체와 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. Since the conductive material and the current collector of the third embodiment are substantially the same as the conductive material and the current collector of the first embodiment, detailed descriptions thereof will be omitted.
또한, 제2 실시예의 전극-막 어셈블리와 같이 전해질막(310)에 개구부(314b,316b)가 형성되어 있지 않고 도전부(322,326)가 전해질막(310) 밖으로 연장된 구조를 가질 수도 있다. In addition, as in the electrode-membrane assembly of the second embodiment, the
제3 실시예에 따른 모노폴라 막-전극 어셈블리(300)는 애노드 전류집전부(320) 및 캐소드 전류집전부(360) 사이를 연결하는 도전부(322, 362)가 지지체(314, 316)에 형성된 개구부(314b, 316b)을 통해서 직접 연결되므로 도전부(322, 262)의 길이가 매우 짧으며, 따라서 전기적 저항이 낮다. 또한, 전류집전부(320, 360)가 전해질막(310)과 촉매층 사이에 설치되므로 촉매층에서 생성된 전자가 전극의 연료확산부와 전극 지지체를 통과시 발생되는 전기적 저항이 없게 된다. 또한, 전도성 물질(326,366)이 전류집전부(320,360)의 부식을 방지할 수 있다. In the monopolar membrane-
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 모노폴라형 단전지(unit cell) 막-전극 어셈블리(400)의 개략적 분리단면도이며, 도 13은 도 12의 지지체(supporting body)의 평면도이며, 도 14 및 도 15는 각각 도 12의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다.12 is a schematic separated cross-sectional view of a monopolar unit cell membrane-electrode assembly 400 according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a plan view of the supporting body of FIG. 14 and 15 are plan views showing current collectors inserted into the membrane-electrode assembly of FIG. 12, respectively.
도 12 내지 도 15를 함께 참조하면, 본 발명의 전류집전체가 삽입된 모노폴라형 막-전극 어셈블리(400)는 복수의 셀영역, 예컨대 8개의 셀(제1~8셀) 영역이 형성되는 전해질막(410)을 구비한다. 전해질막(410)의 양면에는 각각 셀영역에 대응하는 복수의 촉매층(411,412)이 형성되어 있다. 그리고, 촉매층(411,412) 상에는 복수의 제1개구부(414a,216a)가 형성된 비전도성 지지체(414,216), 예컨대 폴리이미드(polyimide) 필름이 설치되어 있다. 12 to 15, the monopolar membrane-electrode assembly 400 into which the current collector of the present invention is inserted includes a plurality of cell regions, for example, eight cell (first to eight cell) regions. An
각 지지체(414,416)에서 각 셀영역 상에는 애노드 전류집전부 (420)(A1~A8)와 캐소드 전류집전부(460)(C1~C8)가 형성되어 있다. 애노드 집전부(420) 및 캐소드 집전부(460) 상에는 애노드 확산부(430) 및 캐소드 확산부(470)가 설치되어 있다. The anode current collectors 420 (A1 to A8) and the cathode current collectors 460 (C1 to C8) are formed on each cell region in each
상기 비전도성 지지체(414, 416)는 폴리에틸렌(Poly ethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride)로도 형성될 수 있다. The nonconductive supports 414 and 416 may also be formed of polyethylene, polypropylene, and polyvinyl chloride.
애노드 전류집전부(420)(A1~A8)와 캐소드 전류집전부 (460)(C1~C8)는 격자 형태의 금속 메쉬일 수도 있다. 애노드 전류집전부(420)의 일측에는 도전부(422)가 형성되어 있으며 도전부(422)의 단은 지지체(414) 외부로 노출되게 연장되어 있다. 캐소드 전류집전부(460)의 일측에는 도전부(462)가 형성되어 있으며, 도전부(462)의 단은 지지체(416)의 외부로 노출되게 연장되어 있다. 각 전류집전체는 전류집전부와 해당하는 도전부를 구비한다. The anode current collectors 420 (A1 to A8) and the cathode current collectors 460 (C1 to C8) may be a metal mesh in the form of a lattice. A
상기 애노드 전류집전부(420) 및 캐소드 전류집전부(460)의 표면에는 전도성 물질(426,466)이 코팅되어 있다.
상기 전도성 물질(426,466)은 제1 실시예의 상기 전도성 물질(126,166)과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. Since the
도 4 및 도 15는 지지체(414, 416)인 폴리이미드 필름 위에 전도성 금속으로 이루어진 전류집전체가 함께 형성된 플렉서블 인쇄회로 보드(flexible printed circuit board: FPCB)를 보여준다. 이 경우, 애노드 전류집전체 및 캐소드 전류집전체를 각각 폴리이미드 필름(414, 416)과 일체형으로 제조하고, 전류집전부에 전도성 물질을 코팅한 후, 전해질막(410)과 접합할 수 있다. 4 and 15 show a flexible printed circuit board (FPCB) in which a current collector made of a conductive metal is formed together on a polyimide film as the
애노드 전류집전부(A1)에 연결된 도전부(422)와 캐소드 전류집전부(C8)에 연결된 도전부(462)는 각각 외부로의 전기적 연결을 위한 단자 (424, 464)가 연결된다. 상기 단자(424, 464)는 상기 애노드 전류집전부(A1)에 연결된 도전부(422)와 캐소드 전류집전부(C8)에 연결된 도전부(462)로부터 연장되어 형성되는 것이 바람직하다. The
제1셀의 캐소드 전류집전부(C1)의 도전부(462)의 단(462a)은 지지체(416) 외부로 연장되어 있으며, 제2셀의 애노드 집전부(A2)의 도전부(422)의 단(422a)은 지지체(414) 외부로 연장되어 있다. 상기 캐소드 전류집전부(460), 도전부(462), 단자(464)가 형성된 지지체(416)를 캐소드 전극(470) 및 전해질막(410) 사이에 배치하고, 상기 애노드 전류집전부(420), 도전부(422) 및 단자(424)가 형성된 지지체(414)를 애노드 전극(430) 및 전해질막(410) 사이에 배치한 다음, 125 ℃, 3 톤압력으로 3분간 핫프레싱(hot-pressing) 한 후, 상기 도전부(422,262)의 단(422a, 262a)을 스팟 웰더(spot welder) 또는 초음파 웰더(ultrasonic welder)로 접합하여 전기적으로 연결한다. 이와 같이 각 셀의 애노드 전류집전부(A2~A8)는 인근 셀의 캐소드 전류집전부(C1~C7)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 제1~8셀은 직렬연결된다. The
제4 실시예의 막-전극 어셈블리는 전류집전체들의 연결이 지지체 외부에서 이루어지나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제3 실시예와 같이 지지체에 제2개구부(도 9의 314b, 316b)가 형성되고 전류집전체들의 연결이 이 제2개구부를 통해서도 이루어질 수 있다. In the membrane-electrode assembly of the fourth embodiment, the current collectors are connected to the outside of the support, but are not necessarily limited thereto. That is, as in the third embodiment, the
도 16은 본 발명의 제1 실시예에 따라 전해질막과 촉매층 사이에 전류집전체를 삽입한 구조의 연료전지 단위 셀의 성능을 나타내는 그래프이다. 애노드 전극으로는 3M 메탄올을 공급하였으며, 캐소드 전극으로는 공기를 공급하였다. 출력 파워가 사용시간이 경과시에도 양호하게 나타난 것을 볼 수 있다. 16 is a graph illustrating the performance of a fuel cell unit cell having a current collector inserted between an electrolyte membrane and a catalyst layer according to the first embodiment of the present invention. 3M methanol was supplied to the anode electrode, and air was supplied to the cathode electrode. It can be seen that the output power is good even after the use time has elapsed.
본 발명에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리는 전류집전부 사이의 도전부의 길이가 짧으며, 전류집전부가 직접 전자가 생성되는 촉매층에 접촉되게 설치되므로 저항이 낮아져서 전지 효율이 증가한다. 또한, 전류집전부가 연료와 전극 사이에 설치되지 않으므로 연료의 소통이 원활해지며, 종래의 메쉬 구조는 메쉬를 통해서 액체연료가 리크되는 문제가 있으나 본 발명의 액체연료전지는 전류집전부가 멤브레인과 전극 사이에 박막으로 존재하므로 연료 리크가 거의 발생되지 않는다. 또한, 본 발명의 전도성 물질은 전류집전부와 다른 층과의 접착성을 향상시키며, 전류집전부가 촉매층에 의해 부식되는 것을 방지하므로 장시간 사용할 수 있게 된다. The monopolar membrane-electrode assembly according to the present invention has a short conductive length between the current collectors, and is installed in direct contact with the catalyst layer in which electrons are generated, thereby lowering resistance and increasing battery efficiency. In addition, since the current collector is not installed between the fuel and the electrode, the fuel is smoothly communicated. In the conventional mesh structure, the liquid fuel leaks through the mesh, but the current collector is a membrane in the liquid fuel cell of the present invention. Since there exists a thin film between and an electrode, fuel leak is hardly generated. In addition, the conductive material of the present invention improves adhesion between the current collector and another layer, and prevents the current collector from being corroded by the catalyst layer, so that the conductive material can be used for a long time.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다. Although the present invention has been described with reference to the embodiments with reference to the drawings, this is merely exemplary, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined only by the appended claims.
Claims (14)
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2006
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