KR100773531B1 - Monopolar membrane-electrode assembly having protruded current collector - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 돌출된 전류집전부를 구비한 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a monopolar membrane-electrode assembly having a protruding current collector according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 연료전지의 전해질막을 보여주는 평면도이다. 2 is a plan view showing an electrolyte membrane of a fuel cell of the present invention.
도 3은 도 1의 지지체(supporting body)의 평면도이다. 3 is a plan view of the supporting body of FIG.
도 4는 전류집전부의 돌출부를 보여주는 일부 평면도이다. 4 is a partial plan view showing the protrusion of the current collector.
도 5 및 도 6은 각각 도 1의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다.5 and 6 are plan views showing current collectors inserted into the membrane electrode assembly of FIG. 1, respectively.
도 7a 및 도 7e는 본 발명의 돌출부 및 홈을 형성하는 방법을 단계별로 도시한 도면이다. 7A and 7E illustrate step by step methods of forming protrusions and grooves of the present invention.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 돌출된 전류집전부를 구비한 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이다. 8 is a schematic cross-sectional view of a monopolar membrane-electrode assembly having a protruding current collector according to a second 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 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다.10 and 11 are plan views illustrating current collectors inserted into the membrane electrode assembly of FIG. 8, respectively.
본 발명은 휴대용 전자기기의 전원으로 사용하기 위한 모노폴라형 직접액체 연료전지의 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 촉매 상에 배치되며 돌출된 형상의 전류집전부를 구비한 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 a portable electronic device, and more particularly, to a monopolar membrane-electrode disposed on a catalyst and having a protruding current collector. It is about assembly.
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 위치함으로써 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 사용함으로써 재료 선택의 제한이 있었 고, 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 was a limitation of 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.
한편, 수화(hydration) 및 탈수화(dehydration)가 되는 전해질막은 수축 및 팽창이 되므로 고정된 전극과의 접촉저항을 증가시킨다. 따라서, 전해질막과 전극을 고정하는 수단이 필요하다. On the other hand, the electrolyte membrane that is hydration and dehydration is contracted and expanded, thereby increasing the contact resistance with the fixed electrode. Therefore, a means for fixing the electrolyte membrane and the electrode is required.
본 발명의 목적은, 전극의 촉매층 상에 전류 집전부를 형성함으로써 전자의 이동거리를 단축하여 저항을 최소화하며, 상기 전류 집전부 상에 돌출부를 형성함으로써 전해질막 또는 촉매층을 고정하는 돌출부가 형성된 전류집전부를 구비한 막-전극 어셈블리의 구조를 제공하는 것이다. An object of the present invention is to minimize the resistance by shortening the moving distance of electrons by forming a current collector on the catalyst layer of the electrode, the current is formed by the projection to fix the electrolyte membrane or catalyst layer by forming a protrusion on the current collector It is to provide a structure of a membrane-electrode assembly having a current collector.
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 돌출된 전류집전부를 구비한 모노폴라형 막-전극 어셈블리는: In order to achieve the above object, a monopolar membrane-electrode assembly having a protruding current collector according to an embodiment of the present invention includes:
복수의 셀영역이 형성된 전해질막;An electrolyte membrane in which a plurality of cell regions are formed;
상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 해당되는 복수의 제1개구부와 상기 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 전류집전체 및 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 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 셀영역 상에서 복수의 집전라인으로 이루어져 전류를 집전하는 전류집전부; 및Each current collector includes a current collector configured to collect current by forming a plurality of current collector lines on the cell region; And
상기 전류집전부의 일측에 연결된 도전부;를 구비하며, And a conductive part connected to one side of the current collector,
대응되는 상기 캐소드 전류집전체 및 애노드 전류집전체의 상기 도전부의 단이 대응되는 상기 제2개구부를 통하여 전기적으로 직렬연결되며, Corresponding terminals of the cathode current collector and the anode current collector are electrically connected in series through corresponding second openings,
상기 전해질막의 양면의 각 셀영역에는 상기 집전라인에 대응되는 제1홈이 형성되어 있으며, 상기 집전라인에는 상기 제1홈과 맞물리는 제1돌출부가 형성된 것을 특징으로 한다. Each cell region on both sides of the electrolyte membrane is formed with a first groove corresponding to the current collecting line, and the first projection is formed in the current collecting line to be engaged with the first groove.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극에서 상기 상기 전류집전부에 대응되게 형성된 제2홈;이 더 형성되어 있으며, 상기 전류집전부에는 상기 제2홈과 맞물리는 제2돌출부가 더 형성된다.According to an aspect of the present invention, the cathode and the anode electrode in the second groove formed to correspond to the current collector; is further formed, the current collector is a second protrusion that is engaged with the second groove Is further formed.
본 발명에 따르면, 상기 제1돌출부 및 제2돌출부는 20~50 ㎛ 높이로 형성된다. According to the present invention, the first protrusion and the second protrusion are formed to have a height of 20 to 50 μm.
본 발명에 따르면, 상기 지지체는 비전도성 고분자로 제조될 수 있으며, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드로 이루어진 그룹 중 선택된 물질로 제조될 수 있다. According to the invention, the support may be made of a non-conductive polymer, it may be made of a material selected from the group consisting of polyimide, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride.
본 발명에 따르면, 상기 지지체 및 상기 전류집전체는 일체형으로 형성된 플렉서블 인쇄회로기판(FPCB)일 수 있다. According to the present invention, the support and the current collector may be a flexible printed circuit board (FPCB) formed integrally.
상기 전류집전체는 Ag, Au, Al, Ni, Cu, Pt, Ti, Mn, Zn, Fe, Sn 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹 중 선택된 금속으로 제조될 수 있다. The current collector may be made of a metal selected from the group consisting of Ag, Au, Al, Ni, Cu, Pt, Ti, Mn, Zn, Fe, Sn, and alloys thereof.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 돌출된 전류집전부를 구비한 모노폴라형 막-전극 어셈블리는: In order to achieve the above object, a monopolar membrane-electrode assembly having a protruding current collector 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;A plurality of anode current collectors and a plurality of cathode current collectors respectively provided in the cell region on the support;
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 셀영역 상에서 복수의 집전라인으로 이루어져 전류를 집전하는 전류집전부; 및Each current collector includes a current collector configured to collect current by forming a plurality of current collector lines on the cell region; And
상기 전류집전부의 일측에 연결된 도전부;를 구비하며, And a conductive part connected to one side of the current collector,
상기 캐소드 전류집전체의 도전부의 단 및 상기 애노드 전류집전체의 도전부의 단은 각각 해당 지지체의 외부로 노출되게 설치되어서 상기 캐소드 전류집전체의 도전부의 단 및 상기 애노드 전류집전체의 도전부의 단이 전기적으로 직렬연결되며, 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 Electrically connected in series,
상기 전해질막의 양면의 각 셀영역에는 상기 집전라인에 대응되는 제1홈이 형성되어 있으며, 상기 집전라인에는 상기 제1홈과 맞물리는 제1돌출부가 형성된 것을 특징으로 한다. Each cell region on both sides of the electrolyte membrane is formed with a first groove corresponding to the current collecting line, and the first projection is formed in the current collecting line to be engaged with the first groove.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 돌출된 전류집전부를 구비한 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the monopolar membrane-electrode assembly having a protruding current collector according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 돌출된 전류집전부를 구비한 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이며, 도 2는 본 발명의 연료전지의 전해질막을 보여주는 평면도이며, 도 3은 도 1의 지지체(supporting body)의 평면도이며, 도 4는 전류집전부의 돌출부를 보여주는 일부 평면도이며, 도 5 및 도 6은 각각 도 1의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a monopolar membrane-electrode assembly having a protruding current collector 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 FIG. 1 is a plan view of the supporting body of FIG. 1, FIG. 4 is a partial plan view showing the protrusion of the current collector, and FIGS. 5 and 6 are plan views showing the current collector inserted into the membrane-electrode assembly of FIG. 1, respectively. .
도 1 내지 도 6을 함께 참조하면, 본 발명의 전류집전체가 삽입된 모노폴라형 막-전극 어셈블리(100)는 복수의 셀영역, 예컨대 8개의 셀(제1~8셀) 영역이 형성되는 전해질막(110)을 구비한다. 전해질막(110)의 양면에는 각각 셀영역에 대응하는 복수의 제1개구부(114a,116a)가 형성된 비전도성 지지체(114,116), 예컨대 폴리이미드(polyimide) 필름이 설치되어 있다. 1 to 6, the monopolar membrane-electrode assembly 100 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
지지체(114,116)에는 제2~제7셀영역과 제1셀영역 또는 제8셀영역과 각각 연관된 제2개구부(114b,116b)가 더 형성되어 있다. 그리고, 전해질막(110)에는 상기 제2개구부(114b,116b)에 대응되는 개구부(110a)가 더 형성될 수 있다. The
각 지지체(114,316)에서 각 셀영역 상에는 애노드 전류집전부 (120)(A1~A8)와 캐소드 전류집전부(160)(C1~C8)가 형성되어 있다. 애노드 집전부(120) 및 캐소드 집전부(160) 상에는 애노드 전극(130) 및 캐소드 전극(170)이 설치되어 있다. The anode current collectors 120 (A1 to A8) and the cathode current collectors 160 (C1 to C8) are formed on each cell region in each of the
각 전극(130, 370)은 촉매층, 연료확산부 및 전극지지체로 구성된다. Each
상기 비전도성 지지체(114, 316)는 폴리에틸렌(Poly ethylene), 폴리프로필 렌(polypropylene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride)로도 형성될 수 있다. The
애노드 전류집전부(120)(A1~A8)와 캐소드 전류집전부 (160)(C1~C8)는 격자 형태의 금속 메쉬일 수도 있다. 애노드 전류집전부(120)의 일측에는 도전부(122)가 형성되어 있으며, 캐소드 전류집전부(160)의 일측에는 도전부(162)가 형성되어 있다. 각 전류집전체는 전류집전부와 해당하는 도전부를 구비한다. The anode current collectors 120 (A1 to A8) and the cathode current collectors 160 (C1 to C8) may be grid metal meshes. The
상기 애노드 전류집전부(120)에는 전해질막(110) 및 애노드 전극(130) 방향으로 각각 제1돌출부(127) 및 제2돌출부(128)가 형성되어 있다. 그리고, 상기 제1돌출부(127) 및 제2돌출부(128)를 마주보는 전해질막(110)의 일면 및 애노드 전극(130)에는 각각 제1홈(117) 및 제2홈(138)이 형성되어 있다. 상기 제1돌출부(127)는 상기 제1홈(117)에 맞물린다. 상기 제2돌출부(128)는 상기 제2홈(138)에 맞물리게 형성된다. 상기 제1돌출부(127) 및 제2돌출부(128)는 전해질막(110)의 수축 및 팽창에 의한 이동을 막으며, 따라서 전해질막(110) 및 전극(130) 사이의 접촉저항을 감소시킨다. The anode
제1돌출부(127) 및 제2돌출부(128)는 전류집전부(120)의 집전라인(121)의 양면에 돌출되게 형성된다. 도 4를 참조하면, 집전라인(121)이 메쉬형상으로 형성되어 있으며, 제1돌출부(127) 및 제2돌출부(128)도 집전라인(121)과 같은 형태로 메쉬형태로 형성되어 있다. 상기 집전라인(121)은 도전부(122)에서 일방향으로 연장된 라인 형상일 수 있다. 상기 제1돌출부(127) 및 제2돌출부(128)는 라인 형상으로 형성될 수 있으며, 또한, 점 형상으로 형성될 수도 있다. The
제1돌출부(127) 및 제2돌출부(128)는 전해질막(110)과 전극(130)의 두께에 따라 다르지만, 전해질막(110)의 두께의 대략 20% 높이로 형성될 수 있다. 전해질막(110)의 두께가 대략 50~200 ㎛ 인 경우, 제1돌출부(127) 및 제2돌출부(128)의 높이는 대략 10~50 ㎛ 이 되는 것이 바람직하다. The
상기 캐소드 전류집전부(160)에는 전해질막(110) 및 캐소드 전극(170) 방향으로 각각 제1돌출부(167) 및 제2돌출부(168)가 형성되어 있다. 제1돌출부(167) 및 제2돌출부(168)는 전류집전부(160)의 집전라인(161)의 양면에 돌출되게 형성된다. 도 4를 참조하면, 집전라인(121)이 메쉬형상으로 형성되며, 그리고, 상기 제1돌출부(167) 및 제2돌출부(168)를 마주보는 전해질막(110)의 일면 및 캐소드 전극(170)에는 각각 제1홈(117) 및 제2홈(168)이 형성되어 있다. 상기 제1돌출부(167)는 상기 제1홈(117)에 맞물린다. 상기 제2돌출부(168)는 상기 제2홈(138)에 맞물리게 형성된다. 상기 제1돌출부(167) 및 제2돌출부(168)는 전해질막(110)의 수축 및 팽창에 의한 이동을 막으며, 따라서 전해질막(110) 및 전극(170) 사이의 접촉저항을 감소시킨다. The cathode
제1돌출부(167) 및 제2돌출부(168)는 제1돌출부(127) 및 제2돌출부(128)와 실질적으로 동일하게 형성될 수 있으므로, 상세한 설명은 생략한다. Since the
도 5 및 도 6는 지지체(114, 116)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(114, 316)과 일체형으로 만든 후, 전해질막(110)과 접합할 수 있다. 5 and 6 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(122)와 캐소드 전류집전부(C8)에 연결된 도전부(162)는 각각 외부로의 전기적 연결을 위한 단자 (124, 364)가 연결된다. 상기 단자(124, 364)는 상기 애노드 전류집전부(A1)에 연결된 도전부(122)와 캐소드 전류집전부(C8)에 연결된 도전부(162)으로부터 연장되어 형성되는 것이 바람직하다. The
제1셀의 캐소드 전류집전부(C1)의 도전부(162)의 단(162a)은 지지체(116)에 형성된 제2개구부(116b)에 위치하며, 제2셀의 애노드 집전부(A2)의 도전부(122)의 단(122a)은 지지체(114)에 형성된 제2개구부(114b)에 위치한다. 상기 캐소드 전류집전부(160), 도전부(162), 단자(164)가 형성된 지지체(116)를 캐소드 전극(170) 및 전해질막(110) 사이에 배치하고, 상기 애노드 전류집전부(120), 도전부(122) 및 단자(124)가 형성된 지지체(114)를 애노드 전극(130) 및 전해질막(110) 사이에 배치한 다음, 상기 지지체(114,116)에 형성된 개구부(114b,116b)을 정렬한 상태에서 125 ℃, 3 톤압력으로 3분간 핫프레싱(hot-pressing) 한 후, 상기 도전부(122,162)의 단(122a, 162a)을 제2개구부(114b,116b)와 개구부(110a)를 통해서 스팟 웰더(spot welder) 또는 초음파 웰더(ultrasonic welder)로 접합하여 전기적으로 연결한다. 이와 같이 각 셀의 애노드 전류집전부(A2~A8)는 제2개구부(114b, 316b) 및 개구부(110a)를 통해서 인근 셀의 캐소드 전류집전부(C1~C7)와 전기적으로 연결된다. 따라서, 제1~8셀은 직렬연결된다. The
상기 전류집전부(120,160), 도전부(122,162), 터미널(124, 164)은 전기전도 도가 1 S/cm 이상인 금속이 사용될 수 있다. 상기 금속으로 각각 Ag, Au, Al, Ni, Cu, Pt, Ti, Mn, Zn, Fe, Sn 및 이들의 합금이 사용될 수 있다. 상기 금속 대용으로 폴리아니린(Polyaniline), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 등 전도성 고분자를 사용할 수 있다. The
상기 전해질막(110)은 상기 개구부(110a)가 형성되어 있지 않을 수 있다. 이 경우, 전해질막(110)의 폭은 제2개구부의 내측으로 한정될 수 있다. The
제1 실시예의 막-전극 어셈블리의 양면에 각각 수소연료공급부 및 산소(또는 공기) 공급부를 설치하면 연료전지를 제조할 수 있으며, 이러한 기술은 당업계에서 잘 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략한다. When the hydrogen fuel supply unit and the oxygen (or air) supply unit are respectively provided on both sides of the membrane electrode assembly of the first embodiment, a fuel cell can be manufactured. Since such a technique is well known in the art, a detailed description thereof will be omitted.
도 7a 및 도 7e는 본 발명의 돌출부 및 홈을 형성하는 방법을 단계별로 도시한 도면이며, 제1실시예의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다. 전류집전부 상에 돌출부가 라인 형상으로 형성된 것을 예로 도시하였다. 7A and 7E illustrate step by step methods of forming the protrusions and grooves of the present invention. The same reference numerals are used for components substantially the same as the components of the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted. As an example, the protrusions are formed in a line shape on the current collector.
도 7a을 참조하면, 10mm 간격으로 폭과 깊이가 각각 10 ㎛인 홈(191)이 있는 SUS 재질 또는 폴리 카보네이트 재질로 된 지지판(190)을 준비한다.Referring to FIG. 7A, a
지지판(190) 위에 상기 홈(191)에 끼워지게 만든 돌출부(127,128)를 구비한 애노드 전류집전체를 올려놓아서 애노드 전류집전체를 지지판(190)에 고정한다. 상기 애노드 전류집전체는 지지체 상에 전류집전체가 삽입된 FPCB일 수도 있다. An anode current
도 7b를 참조하면, 전류 집전체를 고정한 지지판(190) 상에 전해질막을 만 들기 위한 고분자 용액을 테이프 캐스팅(tape casting) 방법을 이용하여 코팅한다. 코팅한 고분자막(193)의 두께는 30-40 ㎛로 형성할 수 있다. 이어서, 상온에서 고분자막(193)을 건조한 후, 지지판(190)을 고분자막(193)으로부터 제거한다. Referring to FIG. 7B, a polymer solution for making an electrolyte membrane is coated on a
도 7c를 참조하면, 지지판(190) 상에 전류집전체를 덮도록 촉매용 PtRu 슬러리를 테이프 캐스팅 방법으로 코팅한다. 촉매층의 두께는 20 ㎛로 형성할 수 있다. 상온에서 촉매층(194)을 건조한다. Referring to FIG. 7C, the catalyst PtRu slurry is coated by a tape casting method to cover the current collector on the
도 7d를 참조하면, 상기 과정을 반복하되, 애노드 전류집전체 대신에 캐소드 전류집전체를 사용하고, 촉매층(195)의 형성을 위해서는 Pt 슬러리를 사용한다. 고분자막(196) 상에 캐소드 전류집전체 및 촉매층(195)이 배치된다. Referring to FIG. 7D, the process is repeated, but a cathode current collector is used instead of an anode current collector, and a Pt slurry is used to form the
도 7e를 참조하면, 애노드 전류집전체를 포함하는 고분자막(193)과, 캐소드 전류집전체를 포함하는 고분자막(196)을 고분자 전해질 막의 유리화 온도(glass temppwrature) 이상, 예컨대 130 ℃ 이상에서 5ton의 압력으로 융착한다. Referring to FIG. 7E, the
상술한 제조방법에서 지지판(190)을 사용하지 않고 리소그라피 기술로 전해질막에 홈을 형성한 후, 돌출부가 형성된 FPCB를 결합할 수도 있다. In the above-described manufacturing method, after the grooves are formed in the electrolyte membrane by the lithography technique without using the
제1 실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리(100)는 애노드 전극(130) 및 캐소드 전극(170) 사이를 전기적으로 연결하는 도전부가 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 전 기적 저항이 없게 된다. 또한, 돌출부가 전해질막(110)을 고정하므로 전해질막(110)의 변형이 방지된다. In the monopolar membrane-electrode assembly 100 according to the first embodiment, the conductive part electrically connecting the
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 돌출된 전류집전부를 구비한 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이며, 도 9는 도 8의 지지체(supporting body)의 평면도이며, 도 10 및 도 11은 각각 도 8의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다.FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a monopolar membrane-electrode assembly having a protruding current collector in accordance with a second embodiment of the present invention, FIG. 9 is a plan view of the supporting body of FIG. 11 is a plan view illustrating a current collector inserted into the membrane electrode assembly of FIG. 8, respectively.
도 8 내지 도 11을 함께 참조하면, 본 발명의 전류집전체가 삽입된 모노폴라형 막-전극 어셈블리(200)는 복수의 셀영역, 예컨대 8개의 셀(제1~8셀) 영역이 형성되는 전해질막(210)을 구비한다. 전해질막(210)의 양면에는 각각 셀영역에 대응하는 복수의 제1개구부(214a,116a)가 형성된 비전도성 지지체(214,116), 예컨대 폴리이미드(polyimide) 필름이 설치되어 있다. 8 to 11, the monopolar membrane-electrode assembly 200 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(214,316)에서 각 셀영역 상에는 애노드 전류집전부 (220)(A1~A8)와 캐소드 전류집전부(260)(C1~C8)가 형성되어 있다. 애노드 집전부(220) 및 캐소드 집전부(260) 상에는 애노드 전극(230) 및 캐소드 전극(270)이 설치되어 있다. The anode current collectors 220 (A1 to A8) and the cathode current collectors 260 (C1 to C8) are formed on each cell region in each
각 전극(230, 370)은 촉매층, 연료확산부 및 전극지지체로 구성된다. Each
상기 비전도성 지지체(214, 316)는 폴리에틸렌(Poly ethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride)로도 형성될 수 있다. The nonconductive supports 214 and 316 may also be formed of polyethylene, polypropylene, and polyvinyl chloride.
애노드 전류집전부(220)(A1~A8)와 캐소드 전류집전부 (260)(C1~C8)는 격자 형태의 금속 메쉬일 수도 있다. 애노드 전류집전부(220)의 일측에는 도전부(222)가 형성되어 있으며 도전부(222)의 단은 지지체(214) 외부로 노출되게 연장되어 있다. 캐소드 전류집전부(260)의 일측에는 도전부(262)가 형성되어 있으며, 도전부(262)의 단은 지지체(216)의 외부로 노출되게 연장되어 있다. 각 전류집전체는 전류집전부와 해당하는 도전부를 구비한다. The anode current collectors 220 (A1 to A8) and the cathode current collectors 260 (C1 to C8) may be metal grids in the form of lattice. A
상기 애노드 전류집전부(220)에는 전해질막(210) 및 애노드 전극(230) 방향으로 각각 제1돌출부(227) 및 제2돌출부(228)가 형성되어 있다. 그리고, 상기 제1돌출부(227) 및 제2돌출부(228)를 마주보는 전해질막(210)의 일면 및 애노드 전극(230)에는 각각 제1홈(217) 및 제2홈(238)이 형성되어 있다. 상기 제1돌출부(227)는 상기 제1홈(217)에 맞물린다. 상기 제2돌출부(228)는 상기 제2홈(238)에 맞물리게 형성된다. 상기 제1돌출부(227) 및 제2돌출부(228)는 전해질막(210)의 수축 및 팽창에 의한 이동을 막으며, 따라서 전해질막(210) 및 전극(230) 사이의 접촉저항을 감소시킨다. First and
제1돌출부(227) 및 제2돌출부(228)는 전류집전부(220)의 집전라인(221)의 양면에 돌출되게 형성된다. 제1돌출부(227) 및 제2돌출부(228)는 집전라인(221)과 같은 형태로 메쉬형태, 또는 라인 형상, 또는 점 형상으로 형성될 수 있다. The
제1돌출부(227) 및 제2돌출부(228)는 전해질막(210)과 전극(230)의 두께에 따라 다르지만, 전해질막(210)의 두께의 대략 20% 높이로 형성될 수 있다. 전해질막(210)의 두께가 대략 50~200 ㎛ 인 경우, 제1돌출부(227) 및 제2돌출부(228)의 높이는 대략 10~50 ㎛ 이 되는 것이 바람직하다. The
상기 캐소드 전류집전부(260)에는 전해질막(210) 및 캐소드 전극(270) 방향 으로 각각 제1돌출부(267) 및 제2돌출부(268)가 형성되어 있다. 제1돌출부(267) 및 제2돌출부(268)는 전류집전부(260)의 집전라인(261)의 양면에 돌출되게 형성된다.그리고, 상기 제1돌출부(267) 및 제2돌출부(268)를 마주보는 전해질막(210)의 일면 및 캐소드 전극(270)에는 각각 제1홈(217) 및 제2홈(268)이 형성되어 있다. 상기 제1돌출부(267)는 상기 제1홈(217)에 맞물린다. 상기 제2돌출부(268)는 상기 제2홈(238)에 맞물리게 형성된다. 상기 제1돌출부(267) 및 제2돌출부(268)는 전해질막(210)의 수축 및 팽창에 의한 이동을 막으며, 따라서 전해질막(210) 및 전극(270) 사이의 접촉저항을 감소시킨다. In the cathode
도 10 및 도 11은 지지체(214, 116)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(214, 316)과 일체형으로 만든 후, 전해질막(210)과 접합할 수 있다. 10 and 11 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(222)와 캐소드 전류집전부(C8)에 연결된 도전부(262)는 각각 외부로의 전기적 연결을 위한 단자 (224, 364)가 연결된다. 상기 단자(224, 364)는 상기 애노드 전류집전부(A1)에 연결된 도전부(222)와 캐소드 전류집전부(C8)에 연결된 도전부(262)으로부터 연장되어 형성되는 것이 바람직하다. The
제1셀의 캐소드 전류집전부(C1)의 도전부(262)의 단(262a)은 지지체(216) 외부로 연장되어 있으며, 제2셀의 애노드 집전부(A2)의 도전부(222)의 단(222a)은 지지체(214) 외부로 연장되어 있다. 상기 캐소드 전류집전부(260), 도전부(262), 단자(264)가 형성된 지지체(216)를 캐소드 전극(270) 및 전해질막(210) 사이에 배치하고, 상기 애노드 전류집전부(220), 도전부(222) 및 단자(224)가 형성된 지지체(214)를 애노드 전극(230) 및 전해질막(210) 사이에 배치한 다음, 125 ℃, 3 톤압력으로 3분간 핫프레싱(hot-pressing) 한 후, 상기 도전부(222,162)의 단(222a, 162a)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
상기 전류집전부(220,160), 도전부(222,162), 터미널(224, 164)은 전기전도도가 1 S/cm 이상인 금속이 사용될 수 있다. 상기 금속으로 각각 Ag, Au, Al, Ni, Cu, Pt, Ti, Mn, Zn, Fe, Sn 및 이들의 합금이 사용될 수 있다. 상기 금속 대용으로 폴리아니린(Polyaniline), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 등 전도성 고분자를 사용할 수 있다. The
제2 실시예에 따른 모노폴라 막-전극 어셈블리(200)는 애노드 전류집전부(220) 및 캐소드 전류집전부(260) 사이를 연결하는 도전부(222, 362)가 직접 연결되므로 도전부(222, 262)의 길이가 매우 짧으며, 따라서 전기적 저항이 낮다. 또한, 전류집전부(220, 360)가 전해질막(210)과 촉매층 사이에 설치되므로 촉매층에서 생성된 전자가 전극의 연료확산부와 전극 지지체를 통과시 발생되는 전기적 저항이 없게 된다. 또한, 돌출부들이 해당 전해질막을 고정하므로 전해질막의 변형을 방지할 수 있다. In the monopolar membrane-electrode assembly 200 according to the second embodiment, the
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 돌출부는 전해질막의 변형을 방지한다. 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 protrusion of the present invention prevents deformation of the electrolyte membrane.
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 (8)
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KR1020060116044A KR100773531B1 (en) | 2006-11-22 | 2006-11-22 | Monopolar membrane-electrode assembly having protruded current collector |
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Citations (3)
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KR20060121684A (en) * | 2005-05-24 | 2006-11-29 | 삼성에스디아이 주식회사 | Monopolar membrane-electrode assembly |
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