KR100773532B1 - 센서가 내장된 모노폴라형 막-전극 어셈블리 - Google Patents

센서가 내장된 모노폴라형 막-전극 어셈블리 Download PDF

Info

Publication number
KR100773532B1
KR100773532B1 KR1020060116060A KR20060116060A KR100773532B1 KR 100773532 B1 KR100773532 B1 KR 100773532B1 KR 1020060116060 A KR1020060116060 A KR 1020060116060A KR 20060116060 A KR20060116060 A KR 20060116060A KR 100773532 B1 KR100773532 B1 KR 100773532B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
current collector
cathode
anode
support
electrolyte membrane
Prior art date
Application number
KR1020060116060A
Other languages
English (en)
Inventor
강상균
이재용
박찬호
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020060116060A priority Critical patent/KR100773532B1/ko
Priority to US11/869,065 priority patent/US8192891B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100773532B1 publication Critical patent/KR100773532B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04552—Voltage of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04843—Humidity; Water content of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1097—Fuel cells applied on a support, e.g. miniature fuel cells deposited on silica supports
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

연료전지에 사용되는 모노폴라형 막-전극 어셈블리가 개시된다. 개시된 모노폴라형 막-전극 어셈블리는, 전해질막과, 그 전해질막의 양측에 마련된 캐소드 및 애노드 전극과, 전극과 전해질막에서의 전기 생성 반응으로 생성된 전기의 통전경로를 형성하는 전류집전체 및, 전기 생성 및 통전 과정에서 생기는 내부의 상황 변화를 측정하기 위한 센서를 포함한다. 이러한 구성에 의하면, 막-전극 어셈블리의 온도나 농도 및 전압과 같은 내부 상황을 실시간으로 측정할 수 있기 때문에, 이상 발생 시 그에 대한 조치를 신속하게 취할 수 있게 된다.

Description

센서가 내장된 모노폴라형 막-전극 어셈블리{Monopolar type membrane and electrodes assembly providing sensing element}
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도,
도 2는 본 발명의 연료전지의 전해질막을 보여주는 평면도,
도 3은 도 1의 지지체(supporting body)의 평면도,
도 4 및 도 5는 각각 도 1의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도,
도 6 내지 도 9는 전류집전체에 센서를 설치하는 구성의 변형예를 보인 도면,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도,
도 11은 도 10의 지지체(supporting body)의 평면도,
도 12 및 도 13은 각각 도 10의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다.
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도,
도 15는 도 14의 전해질막의 평면도,
도 16은 도 14의 지지체의 평면도,
도 17 및 도 18은 각각 도 14의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도,
도 19은 본 발명의 제4실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도,
도 20은 도 19의 지지체(supporting body)의 평면도,
도 21 및 도 22은 각각 도 19의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100,200,300,400...막-전극 어셈블리 110,210...전해질막
120,160,220,260...전류집전부 130,230...애노드 전극
170,270...캐소드 전극 S,S1,S2,S3,S4...센서
본 발명은 연료전지에 사용되는 모노폴라형 막-전극 어셈블리(membrane and electrodes assembly;MEA)에 관한 것으로서, 특히 온도나 농도를 측정할 수 있는 센서가 내장된 모노폴라형 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전 기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 즉, 캐소드(cathode)에 산소를 포함한 공기가, 애노드(anode)에 수소를 함유한 연료가 공급되면, 그 사이의 전해질막을 통해 물 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생하게 되는 구조를 가지고 있다. 이와 같이 전해질막과 캐소드 및 애노드 전극 등이 결합된 어셈블리를 막-전극 어셈블리(membrane and electrodes assembly; 이하 MEA라 함)라고 부른다.
한편, 최근 각광을 받고 있는 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 연료를 메탄올로 사용하는 발전장치로서 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올을 연료로 직접 사용하기 때문에 연료개질기 등 주변장치가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.
그리고, 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.
그런데, 지금까지 사용되거나 제안된 모노폴라형 MEA들을 보면, 전기 생성 반응을 원활하게 일으키는 구조만 가지고 있을 뿐, 예컨대 온도 변화나 농도 변화와 같은 내부의 상황 변화를 직접 감지할 수 있는 수단이 전혀 없었다. 따라서, 최적의 연료 공급 및 온도 조건을 결정하기 어렵고, MEA에서 이상이 발생되어도 그것을 인지하고 대응하는 것이 항상 늦게 되어 결과적으로 연료전지의 손상 정도가 커지는 문제가 있었다.
따라서, 이러한 단점을 해소하기 위해서는 각 MEA 내의 상황 변화를 수시로 감시할 수 있는 기능을 구비한 새로운 형태의 MEA가 요구되고 있다.
본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 온도 변화나 농도 변화와 같은 내부의 상황 변화를 수시로 감지할 수 있는 기능을 구비한 모노폴라형 막-전극 어셈블리를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리는, 복수의 셀영역이 형성된 전해질막; 상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 해당되는 복수의 제1개구부와 상기 셀영역과 연관된 복수의 제2개구부가 형성된 애노드 지지체 및 캐소드 지지체; 상기 셀영역의 전류를 집전하는 전류집전부 및 상기 전류집전부의 일측에 연결된 도전부를 갖추고 상기 지지체 상의 상기 셀영역에 각각 설치된 복수의 애노드 전류집전체와 복수의 캐소드 전류집전체; 및, 상기 애노드 전류집전체 및 캐소드 전류집전체 상에 각각 설치된 복수의 애노드 전극 및 복수의 캐소드 전극;을 구비하며, 상기 캐소드 전류집전체의 도전부의 단은 상기 제2개구부를 통해서 인접한 상기 애노드 전류집전체의 도전부의 단과 전기적으로 직렬연결되고, 상기 전류집전체에는 전기생성 및 통전과정에서 생기는 내부의 상황 변화를 측정하는 센서가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 특징에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리는, 복수의 셀영역이 형성된 전해질막; 상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 해당되는 복수의 제1 개구부가 형성된 애노드 지지체 및 캐소드 지지체; 상기 셀영역의 전류를 집전하는 전류집전부 및 상기 전류집전부의 일측에 연결된 도전부를 갖추고 상기 지지체 상의 상기 셀영역에 각각 설치된 복수의 애노드 전류집전체와 복수의 캐소드 전류집전체; 상기 애노드 전류집전체 및 캐소드 전류집전체 상에 각각 설치된 복수의 애노드 전극 및 복수의 캐소드 전극;을 구비하며, 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 직렬연결되고, 상기 전류집전체에는 전기생성 및 통전과정에서 생기는 내부의 상황 변화를 측정하는 센서가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 센서는 상기 전해질막에 접촉되는 저항소자를 포함하여 저항의 변화로부터 온도 변화를 측정하는 것일 수 있고, 또는, 상기 전해질막에 접촉되는 적어도 한 쌍의 저항소자를 포함하여 두 저항소자간의 저항 변화로부터 상기 전해질막에 젖어있는 연료의 농도 변화를 측정하는 것일 수도 있다.
또한, 상기 센서가 각 단위 셀의 캐소드 전극 및 애노드 전극의 발전 전압을 측정하는 소자와, 개회로전압을 측정하는 소자를 포함할 수도 있다.
그리고, 상기 전류집전체의 직렬 연결부에 선택적인 연결이 가능하도록 온/오프 스위치가 마련될 수 있다.
상기 지지체는 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드로 이루어진 그룹 중 선택된 물질로 제조될 수 있으며, 상기 지지체 및 상기 전류집전체는 일체형으로 형성된 플렉서블 인쇄회로기판(FPCB)이 될 수 있다.
또한, 상기 전류집전체는 Ag, Au, Al, Ni, Cu, Pt, Ti, Mn, Zn, Fe, Sn 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹 중 선택된 것으로 만들어질 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이며, 도 2는 본 발명의 연료전지의 전해질막을 보여주는 평면도이며, 도 3은 도 1의 지지체(supporting body)의 평면도이며, 도 4 및 도 5는 각각 도 1의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다.
도 1 내지 도 5를 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.
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.
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.
각 전극(130, 170)은 촉매층, 연료확산부 및 전극지지체로 구성된다.
상기 비전도성 지지체(114, 316)는 폴리에틸렌(Poly ethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride)로도 형성될 수 있다.
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.
도 4 및 도 5는 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, 116)과 일체형으로 만든 후, 전해질막(110)과 접합할 수 있다.
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.
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.
상기 전류집전부(120,160), 도전부(122,162), 터미널(124, 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 대용으 로 폴리아니린(Polyaniline), 폴리피롤 (polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene) 등 전도성 고분자를 사용할 수 있다.
상기 전해질막(110)은 상기 개구부(110a)가 형성되어 있지 않을 수 있다. 이 경우, 전해질막(110)의 폭은 제2개구부의 내측으로 한정될 수 있다.
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.
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 전기적 저항이 없게 된다.
한편, 상기 전류집전체에는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 센서(S)가 설치되어 있다. 이 센서는 상기 전류집전체에 설치된 일종의 저항소자(S)이다. 이 저항소자(S)는 예컨대 서미스터(thermistor)가 될 수 있으며, 전류집전체에 설치된 상태로 일단이 상기 전해질막(110)에 접촉되어 전해질막(110)의 저항을 측정한다. 주지된 바와 같이 서미스터와 같은 저항소자는 온도의 변화에 따라 저항이 민감하게 변하는 소자이므로, 저항 변화를 측정하면 단위 셀 내부의 온도 변화를 알 수 있다.
따라서, 이 저항소자(S)의 저항변화로 셀 내의 온도를 측정하여, 그 결과를 보고 필요 시 신속한 대응을 할 수 있으므로, 연료전지를 항상 양호한 운전 상태로 유지할 수 있게 된다.
이러한 센서는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 한 쌍의 저항소자(S1)(S2)로 구성될 수도 있다. 즉, 저항소자(S1)(S2) 한 쌍이 각각 전해질막(110)에 접촉되는 것으로, 이것은 저항의 변화를 이용하여 MEA에 공급되는 연료의 농도 변화를 측정하기 위한 구성이다. 즉, 한 쌍의 저항소자(S1)(S2)를 통하여 측정되는 저항은 상기 전해질막(110)에 젖어있는 연료의 농도에 따라 그 값이 달라지게 되므로, 두 저항소자(S1)(S2)에 측정되는 저항 차의 변화를 보고 MEA에 공급되는 연료의 농도 변화를 측정할 수 있다. 따라서, 셀 내의 연료 농도 변화에 따른 조치를 신속하게 취할 수 있게 된다. 즉, 이와 같은 구성도 셀 내부의 상황 변화를 실시간으로 감시할 수 있게 해주는 구조가 된다.
그리고, 이렇게 전류집전체에 센서를 설치하는 구성으로는 도 8과 같은 변형예도 가능하다. 여기서는, 캐소드 전극(170)과 애노드 전극(130)의 발전 전압 즉, 정상적으로 부하를 연결하여 전기를 생성할 때의 전압과 무부하상태의 전압인 개회로전압(open circuit voltage;OCV)을 측정하기 위한 소자들(S1~S4)을 전류집전체에 설치한 점에 특징이 있다. 이것은 개회로전압을 기준으로 발전 전압의 변화를 측정하여 연료의 공급 상태를 판단하는데 유효한 구조이다. 즉, 애노드 전극(130)과 캐소드 전극(170)에 발전전압을 측정하는 센서(S1)(S3)와 개회로전압을 측정하는 소자(S2)(S4)를 각각 설치해서, 기준값인 개회로전압에 대해 발전전압이 어떻게 변하는지 등을 측정하도록 하고 있다. 예컨대, 애노드 전극(130)에서의 개회로전압과 발전 전압이 큰 차이를 보이게 되면 연료 공급이 모자란 것이고, 캐소드 전극(170)에서의 개회로전압과 발전 전압이 큰 차이를 보이게 되면 산소 공급이 모자란 것을 의미한다. 따라서, 이러한 전압 변화를 측정하여 연료나 산소의 공급이 원활한지를 바로 측정하고 조치를 취할 수 있게 된다. 참조부호 R은 개회로전압을 측정하기 위해 각 전극(130)(170)에서 분리된 레퍼런스 전극을 나타내며, 상기 개회로전압을 측정하기 위한 센서(S2)(S4)는 이 레퍼런스 전극(R)에 연결되도록 설치된다.
한편, 위에서 설명한 예와 같이 MEA 내에 센서를 설치하여 실시간으로 상황의 변화를 감지할 수 있으면, 예컨대 도 9 같은 제어 구조도 구현할 수 있게 된다. 여기서는 편의 상 각 단위 셀을 블록으로 간략히 표현하였다. 일단, 도면과 같이 여러 단위 셀들을 전기적으로 연결하는 전류집전체의 연결 도전부에 온/오프 스위치(sw1)(sw2)를 설치한다. 그리고, 중간에 있는 셀을 바이패스할 수 있는 라인을 마련하고 거기에도 온/오프 스위치(sw3)를 설치한다. 이렇게 하면, 정상 상태에서는 각 셀 간의 온/오프 스위치(sw1)(sw2)를 모두 온(on)시켜서 사용하고, 만일 중간에 있는 셀에 온도나 농도 또는 전압의 급변으로 인해 문제가 생길 경우 셀 간 스위치(sw1)(sw2)를 오프시키고 바이패스 스위치(sw3)를 연결하여 해당 셀을 통과시킬 수 있게 된다. 따라서, 문제 발생 시 그에 대한 조치를 신속하게 수행할 수 있으며, 온/오프 스위치(sw1)(sw2)(sw3)의 조작을 콘트롤러에서 자동으로 수행하게 하면 자동제어도 가능해지게 된다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이며, 도 11은 도 10의 지지체(supporting body)의 평면도이며, 도 12 및 도 13은 각각 도 10의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다.
도 10 내지 도 13을 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.
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.
각 전극(230, 370)은 촉매층, 연료확산부 및 전극지지체로 구성된다.
상기 비전도성 지지체(214, 316)는 폴리에틸렌(Poly ethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride)로도 형성될 수 있다.
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.
도 12 및 도 13은 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.
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.
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.
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.
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, 본 실시예에서도 전류집전체에 저항소자(S)와 같은 센서를 설치하여 전기 생성이나 통전 과정 중 생기는 내부의 상태 변화를 측정할 수 있도록 구성할 수 있다. 도 12 및 도 13에는 제1실시예에서의 도 4와 같이 저항소자(S)로 온도를 측정하는 구성을 예시한 것이며, 마찬가지로 도 5와 같이 한 쌍의 저항소자(S)로 농도를 측정하거나, 도 8과 같이 4개의 저항소자로 연료의 공급상태를 측정하는 구 성을 동일하게 구현할 수 있다. 해당 전류집전체에 해당 센서를 설치하면 되므로, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이며, 도 15는 본 발명의 연료전지의 전해질막을 보여주는 평면도이며, 도 16은 도 14의 지지체(supporting body)의 평면도이며, 도 17 및 도 18는 각각 도 14의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다.
본 실시예는 전술한 제1실시예를 기본 구조로 한 것으로, 동일부재에 대해서는 같은 참조부호를 사용하였다.
도 14 내지 도 17을 함께 참조하면, 본 발명의 전류집전체가 삽입된 모노폴라형 막-전극 어셈블리(300)는 복수의 셀영역, 예컨대 8개의 셀(제1~8셀) 영역이 형성되는 전해질막(110)을 구비한다. 전해질막(110)의 양면에는 각각 셀영역에 대응하는 복수의 촉매층(111,112)이 형성되어 있다. 그리고, 촉매층(111,112) 상에는 복수의 제1개구부(114a,116a)가 형성된 비전도성 지지체(114,116), 예컨대 폴리이미드(polyimide) 필름이 설치되어 있다.
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.
각 지지체(114,116)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 확산부(131) 및 캐소드 확산부(171)가 설치되어 있 다.
상기 비전도성 지지체(114, 316)는 폴리에틸렌(Poly ethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride)로도 형성될 수 있다.
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.
상기 애노드 전류집전부(120)는 애노드 확산부(131)를 통해서 공급되는 액체연료가 촉매층(111)으로 가는 경로에 배치된다. 애노드 전류집전부(120)는 대략 20~70%의 개구율을 가지도록 메쉬 형성 또는 스트라이프 형상일 수 있다. 상기 개구율의 조절로 촉매층(111)으로 공급되는 액체연료량을 어느 정도 제어할 수 있게 된다.
상기 캐소드 전류집전부(160)는 캐소드 확산부(171)를 통해서 공급되는 산소(또는 공기)가 촉매층(112)으로 가는 경로에 배치된다. 캐소드 전류집전부(120)는 대략 20~70%의 개구율을 가지도록 메쉬 형성 또는 스트라이프 형상일 수 있다. 상기 개구율의 조절로 촉매층(112)에서 생성된 물이 외부로 누출되는 것을 억제할 수 있게 된다.
도 17 및 도 18은 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, 116)과 일체형으로 만든 후, 전해질막(110)과 접합할 수 있다.
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.
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 확산부(170) 및 전해질막(110) 사이에 배치하고, 상기 애노드 전류집전부(120), 도전부(122) 및 단자(124)가 형성된 지지체(114)를 애노드 확산부(131) 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 전기적으 로 연결된다. 따라서, 제1~8셀은 직렬연결된다.
상기 전류집전부(120,160), 도전부(122,162), 터미널(124, 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.
상기 전해질막(110)은 상기 개구부(110a)가 형성되어 있지 않을 수 있다. 이 경우, 전해질막(110)의 폭은 제2개구부의 내측으로 한정될 수 있다.
제3 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.
또한, 본 실시예에서도 전류집전체에 저항소자(S)와 같은 센서를 설치하여 전기 생성이나 통전 과정 중 생기는 내부의 상태 변화를 측정할 수 있도록 구성할 수 있다. 도 17 및 도 18에는 제1실시예에서의 도 4와 같이 저항소자(S)로 온도를 측정하는 구성을 예시한 것이며, 마찬가지로 도 5와 같이 한 쌍의 저항소자(S)로 농도를 측정하거나, 도 8과 같이 4개의 저항소자로 연료의 공급상태를 측정하는 구성을 동일하게 구현할 수 있다. 여기서도 해당 전류집전체에 해당 센서를 설치하면 되므로, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
도 19는 본 발명의 제4실시예에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리의 개략적 단면도이며, 도 20은 도 19의 지지체(supporting body)의 평면도이며, 도 21 및 도 22은 각각 도 19의 막-전극 어셈블리에 삽입된 전류집전체를 보여주는 평면도이다. 본 실시예는 전술한 제2실시예를 기본 구조로 한 것으로, 동일부재에 대해서는 같은 참조부호를 사용하였다.
도 19 내지 도 22를 함께 참조하면, 본 발명의 전류집전체가 삽입된 모노폴라형 막-전극 어셈블리(400)는 복수의 셀영역, 예컨대 8개의 셀(제1~8셀) 영역이 형성되는 전해질막(210)을 구비한다. 전해질막(210)의 양면에는 각각 셀영역에 대응하는 복수의 촉매층(211,212)이 형성되어 있다. 그리고, 촉매층(211,212) 상에는 복수의 제1개구부(214a,216a)가 형성된 비전도성 지지체(214,216), 예컨대 폴리이미드(polyimide) 필름이 설치되어 있다.
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 확산부(231) 및 캐소드 확산부(271)가 설치되어 있다.
상기 비전도성 지지체(214, 216)는 폴리에틸렌(Poly ethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride)로도 형성될 수 있다.
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.
상기 애노드 전류집전부(220)는 애노드 확산부(231)를 통해서 공급되는 액체연료가 촉매층(211)으로 가는 경로에 배치된다. 애노드 전류집전부(220)는 대략 20~70%의 개구율을 가지도록 메쉬 형성 또는 스트라이프 형상일 수 있다. 상기 개구율의 조절로 촉매층(211)으로 공급되는 액체연료량을 어느 정도 제어할 수 있게 된다.
상기 캐소드 전류집전부(260)는 캐소드 확산부(271)를 통해서 공급되는 산소(또는 공기)가 촉매층(212)으로 가는 경로에 배치된다. 캐소드 전류집전부(220)는 대략 20~70%의 개구율을 가지도록 메쉬 형성 또는 스트라이프 형상일 수 있다. 상기 개구율의 조절로 촉매층(212)에서 생성된 물이 외부로 누출되는 것을 억제할 수 있게 된다.
도 21 및 도 22는 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.
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)로부터 연장되어 형성되는 것이 바람직하다.
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(222,262)의 단(222a, 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.
상기 전류집전부(220,260), 도전부(222,262), 터미널(224, 264)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.
제4실시예에 따른 모노폴라 막-전극 어셈블리(400)는 애노드 전류집전부(220) 및 캐소드 전류집전부(260) 사이를 연결하는 도전부(222,262)가 직접 연결 되므로 도전부(222, 262)의 길이가 매우 짧으며, 따라서 전기적 저항이 낮다. 또한, 전류집전부(220,260)가 전해질막(210)과 촉매층 사이에 설치되므로 촉매층에서 생성된 전자가 전극의 연료확산부와 전극 지지체를 통과시 발생되는 전기적 저항이 없게 된다.
또한, 본 실시예에서도 전류집전체에 저항소자(S)와 같은 센서를 설치하여 전기 생성이나 통전 과정 중 생기는 내부의 상태 변화를 측정할 수 있도록 구성할 수 있다. 도 21 및 도 22에는 제1실시예에서의 도 4와 같이 저항소자(S)로 온도를 측정하는 구성을 예시한 것이며, 마찬가지로 도 5와 같이 한 쌍의 저항소자(S)로 농도를 측정하거나, 도 8과 같이 4개의 저항소자로 연료의 공급상태를 측정하는 구성을 동일하게 구현할 수 있다. 여기서도 해당 전류집전체에 해당 센서를 설치하면 되므로, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같이 본 발명에 따른 모노폴라형 막-전극 어셈블리는 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 막-전극 어셈블리의 온도나 농도 및 전압과 같은 내부 상황을 실시간으로 측정할 수 있기 때문에, 최적 조건에서의 운전이 가능하고 이상 발생 시 그에 대한 조치를 신속하게 취할 수 있게 된다.
둘째, 연료전지의 기본 구조인 막-전극 어셈블리의 상황을 항시 감시하고 상황에 따른 적절한 대처를 할 수 있으므로, 연료전지의 조기 손상을 방지하여 수명을 늘일 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (18)

  1. 복수의 셀영역이 형성된 전해질막;
    상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 해당되는 복수의 제1개구부와 상기 셀영역과 연관된 복수의 제2개구부가 형성된 애노드 지지체 및 캐소드 지지체;
    상기 셀영역의 전류를 집전하는 전류집전부 및 상기 전류집전부의 일측에 연결된 도전부를 갖추고 상기 지지체 상의 상기 셀영역에 각각 설치된 복수의 애노드 전류집전체와 복수의 캐소드 전류집전체; 및,
    상기 애노드 전류집전체 및 캐소드 전류집전체 상에 각각 설치된 복수의 애노드 전극 및 복수의 캐소드 전극;을 구비하며,
    상기 캐소드 전류집전체의 도전부의 단은 상기 제2개구부를 통해서 인접한 상기 애노드 전류집전체의 도전부의 단과 전기적으로 직렬연결되고,
    상기 전류집전체에는 전기생성 및 통전과정에서 생기는 내부의 상황 변화를 측정하는 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  2. 복수의 셀영역이 형성된 전해질막;
    상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 해당되는 복수의 제1 개구부가 형성된 애노드 지지체 및 캐소드 지지체;
    상기 셀영역의 전류를 집전하는 전류집전부 및 상기 전류집전부의 일측에 연결된 도전부를 갖추고 상기 지지체 상의 상기 셀영역에 각각 설치된 복수의 애노 드 전류집전체와 복수의 캐소드 전류집전체;
    상기 애노드 전류집전체 및 캐소드 전류집전체 상에 각각 설치된 복수의 애노드 전극 및 복수의 캐소드 전극;을 구비하며,
    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 직렬연결되고,
    상기 전류집전체에는 전기생성 및 통전과정에서 생기는 내부의 상황 변화를 측정하는 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 전해질막에 접촉되는 저항소자를 포함하여, 저항의 변화로부터 온도 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 전해질막에 접촉되는 적어도 한 쌍의 저항소자를 포함하여, 두 저항소자간의 저항 변화로부터 상기 전해질막에 젖어있는 연료의 농도 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서는, 상기 각 단위 셀영역의 캐소드 전극 및 애노드 전극의 발전 전압을 측정하는 소자와, 개회로전압을 측정하는 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전류집전체의 도전부에는 선택적인 연결이 가능하도록 온/오프 스위치가 마련된 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서
    상기 지지체는 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드로 이루어진 그룹 중 선택된 물질로 제조된 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지체 및 상기 전류집전체는 일체형으로 형성된 플렉서블 인쇄회로기판(FPCB)인 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전류집전체는 Ag, Au, Al, Ni, Cu, Pt, Ti, Mn, Zn, Fe, Sn 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹 중 선택된 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  10. 복수의 셀영역이 형성된 전해질막;
    상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 각각 형성된 촉매층;
    상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 해당되는 복수의 제1개구부와 상기 셀영역과 연관된 복수의 제2개구부가 형성된 애노드 지지체 및 캐소드 지지체;
    상기 셀영역의 전류를 집전하는 전류집전부 및 상기 전류집전부의 일측에 연결된 도전부를 갖추고 상기 지지체 상의 상기 셀영역에 각각 설치된 복수의 애노드 전류집전체와 복수의 캐소드 전류집전체;
    상기 애노드 전류집전체 및 캐소드 전류집전체 상에 각각 설치된 복수의 애노드 확산부 및 복수의 캐소드 확산부;를 구비하며,
    상기 캐소드 전류집전체의 도전부의 단은 상기 제2개구부를 통해서 인접한 상기 애노드 전류집전체의 도전부의 단과 전기적으로 직렬연결되고,
    상기 전류집전체에는 전기생성 및 통전과정에서 생기는 내부의 상황 변화를 측정하는 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  11. 복수의 셀영역이 형성된 전해질막;
    상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 각각 형성된 촉매층;
    상기 전해질막의 양면에서 상기 셀영역에 해당되는 복수의 제1 개구부가 형성된 애노드 지지체 및 캐소드 지지체;
    상기 셀영역의 전류를 집전하는 전류집전부 및 상기 전류집전부의 일측에 연결된 도전부를 갖추고 상기 지지체 상의 상기 셀영역에 각각 설치된 복수의 애노드 전류집전체와 복수의 캐소드 전류집전체;
    상기 애노드 전류집전체 및 캐소드 전류집전체 상에 각각 설치된 복수의 애노드 확산부 및 복수의 캐소드 확산부;를 구비하며,
    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 직렬연결되고,
    상기 전류집전체에는 전기생성 및 통전과정에서 생기는 내부의 상황 변화를 측정하는 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 센서는,
    상기 전해질막에 접촉되는 저항소자를 포함하여, 저항의 변화로부터 온도 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서
    상기 센서는,
    상기 전해질막에 접촉되는 적어도 한 쌍의 저항소자를 포함하여, 두 저항소자간의 저항 변화로부터 상기 전해질막에 젖어있는 연료의 농도 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 센서는, 상기 각 단위 셀영역의 캐소드 전극 및 애노드 전극의 발전 전압을 측정하는 소자와, 개회로전압을 측정하는 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  15. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 전류집전체의 도전부에는 선택적인 연결이 가능하도록 온/오프 스위치가 마련된 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  16. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 지지체는 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드로 이루어진 그룹 중 선택된 물질로 제조된 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  17. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 지지체 및 상기 전류집전체는 일체형으로 형성된 플렉서블 인쇄회로기판(FPCB)인 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
  18. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 전류집전체는 Ag, Au, Al, Ni, Cu, Pt, Ti, Mn, Zn, Fe, Sn 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹 중 선택된 것을 특징으로 하는 모노폴라형 막-전극 어셈블리.
KR1020060116060A 2006-11-22 2006-11-22 센서가 내장된 모노폴라형 막-전극 어셈블리 KR100773532B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060116060A KR100773532B1 (ko) 2006-11-22 2006-11-22 센서가 내장된 모노폴라형 막-전극 어셈블리
US11/869,065 US8192891B2 (en) 2006-11-22 2007-10-09 Monopolar type membrane electrode assembly having sensing element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060116060A KR100773532B1 (ko) 2006-11-22 2006-11-22 센서가 내장된 모노폴라형 막-전극 어셈블리

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR100773532B1 true KR100773532B1 (ko) 2007-11-05

Family

ID=39060914

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060116060A KR100773532B1 (ko) 2006-11-22 2006-11-22 센서가 내장된 모노폴라형 막-전극 어셈블리

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8192891B2 (ko)
KR (1) KR100773532B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100356535C (zh) * 2002-07-03 2007-12-19 三井金属矿业株式会社 挠性配线基板及其制造方法
JP6082183B2 (ja) * 2011-12-14 2017-02-15 本田技研工業株式会社 燃料電池の運転方法
CN113481525B (zh) * 2021-06-08 2022-11-15 中国空间技术研究院 电化学反应器及电化学反应系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000025190A (ko) * 1998-10-09 2000-05-06 최수현 단극형 마이크로 연료전지
JP2004103262A (ja) * 2002-09-04 2004-04-02 Hitachi Maxell Ltd 液体燃料電池
KR20040092636A (ko) * 2003-04-24 2004-11-04 한국과학기술연구원 라미네이팅 필름을 이용한 연료전지용 전해질-전극 접합체및 전해질-전극-집전판 접합체

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6239579B1 (en) * 1996-07-05 2001-05-29 Estco Battery Management Inc. Device for managing battery packs by selectively monitoring and assessing the operative capacity of the battery modules in the pack
US5945232A (en) * 1998-04-03 1999-08-31 Plug Power, L.L.C. PEM-type fuel cell assembly having multiple parallel fuel cell sub-stacks employing shared fluid plate assemblies and shared membrane electrode assemblies
US6214487B1 (en) * 1999-02-01 2001-04-10 Motorola, Inc. Integral sensors for monitoring a fuel cell membrane and methods of monitoring
US7074509B2 (en) * 2001-11-13 2006-07-11 Eldat Communication Ltd. Hydrogen generators for fuel cells
DE102004035309A1 (de) * 2004-07-21 2006-02-16 Pemeas Gmbh Membran-Elektrodeneinheiten und Brennstoffzellen mit erhöhter Lebensdauer
TWM266558U (en) * 2004-11-18 2005-06-01 Antig Tech Co Ltd Bipolar fuel cell plate
US7445647B1 (en) * 2005-08-03 2008-11-04 Hydra Fuel Cell Corporation Method for making a single unit fuel cell

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20000025190A (ko) * 1998-10-09 2000-05-06 최수현 단극형 마이크로 연료전지
JP2004103262A (ja) * 2002-09-04 2004-04-02 Hitachi Maxell Ltd 液体燃料電池
KR20040092636A (ko) * 2003-04-24 2004-11-04 한국과학기술연구원 라미네이팅 필름을 이용한 연료전지용 전해질-전극 접합체및 전해질-전극-집전판 접합체

Also Published As

Publication number Publication date
US8192891B2 (en) 2012-06-05
US20090068522A1 (en) 2009-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jiang et al. Effect of contact between electrode and current collector on the performance of solid oxide fuel cells
US8787050B2 (en) Circuit connection control system of fuel cell and method of operating the same
EP1727228A1 (en) Monopolar membrane-electrode assembly
KR101755923B1 (ko) 연료전지 스택 오염 진단 방법 및 시스템
KR101071769B1 (ko) 연료전지용 엔드플레이트의 집전 장치 및 그 제어 방법
US20120043820A1 (en) Fuel cell system having bypass circuit and method of driving the same
KR100773532B1 (ko) 센서가 내장된 모노폴라형 막-전극 어셈블리
KR100784998B1 (ko) 모노폴라형 막-전극 어셈블리
JP5454566B2 (ja) 燃料電池システム、方法、プログラムおよび記録媒体
CA2621418A1 (en) Fuel cell and method for manufacturing same
JP5145778B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法
CN111381176B (zh) 用于控制燃料电池的电池电压的测量的装置及方法
US7014935B2 (en) Solid polymer electrolyte fuel cell stack having specific corrosion resistant cells
JP2009129847A (ja) 燃料電池システム
KR100738061B1 (ko) 모노폴라형 막-전극 어셈블리
KR102673722B1 (ko) 연료전지 냉각성능 측정 시험 장치 및 방법
JP2006114440A (ja) 燃料電池
KR100773530B1 (ko) 모노폴라형 막-전극 어셈블리
US10897053B2 (en) Aging device for fuel cell stack
JP2007157554A (ja) 固体高分子型燃料電池の運転方法およびその運転装置
JP2010009822A (ja) 燃料電池システム
KR20210062192A (ko) 역전압을 완화시킬 수 있는 고내구성 연료전지 시스템
JP2021012831A (ja) 燃料電池制御装置
JP2008235105A (ja) 燃料電池の含水量検出方法およびその装置
JP2010086716A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120921

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130924

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150925

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160922

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170920

Year of fee payment: 11

LAPS Lapse due to unpaid annual fee