KR100805529B1 - 연료전지 스택 및 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다수개의 단위 전지셀이 적층된 구조의 연료전지 스택에 관한 것으로, 특히, 연료 효율을 높이고 적절 반응 온도 확보가 용이한 연료전지 스택에 관한 것이다.
BP를 사이에 두고 다수개의 MEA가 적층된 구조를 가지는 본 발명의 연료전지 스택은, 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하며 제1 특성을 가지는 MEA; 및 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하며 제2 특성을 가지는 MEA가 적층된 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 상기 제1 특성을 가지는 MEA는 탄화수소계 MEA이고, 상기 제2 특성을 가지는 MEA는 불소계 MEA로 구현할 수 있다.
불소계, 나피온계, 탄화수소계, MEA, 스택

Description

연료전지 스택 및 연료전지 시스템{Fuel Cell Stack and Fuel Cell System}
도 1은 일반적인 연료전지 스택의 세부 구조를 도시한 분해도.
도 2a 내지 2c는 본 발명에 따른 이종 MEA 혼합 적층 구조를 가지는 연료전지 스택의 실시예들을 간략히 도시한 단면도.
도 3은 도 2c의 연료전지 스택으로 구현한 연료전지 시스템의 구성을 도시한 블록도.
본 발명은 다수개의 단위 전지셀이 적층된 구조의 연료전지 스택에 관한 것으로, 특히, 연료 효율을 높이고 적절 반응 온도 확보가 용이한 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소를 직접 연료 전지에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질 하여 수소를 공급할 수도 있다. 상기 산소는 순수한 산소를 직접 연료 전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.
연료 전지의 작동 메카니즘은, 수소, 천연가스, 메탄올 등과 같은 연료를 애노드에서 산화시켜 전자와 수소이온을 생성시키는 것이다. 애노드에서 생성된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하고, 애노드에서 생성된 전자는 도선을 통하여 외부의 회로에 공급된다. 캐소드에 도달한 수소이온은, 외부 회로를 통하여 캐소드에 도달한 전자, 및 산소 또는 공기 중의 산소와 결합하여 물을 생성한다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 폴리머 전해질막 연료전지 (PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료전지 (PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지 (SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분될 수 있다. 이러한 연료전지의 종류에 따라, 작동온도, 구성 부품의 재질 등이 달라진다.
또한, 연료전지는 애노드에 대한 연료 공급방식에 따라, 연료개질기를 통하여 연료를 수소부화가스로 전환시킨 후 애노드에 공급하는 외부개질형과, 기체 또는 액체 상태의 연료를 직접 애노드에 공급하는 연료직접공급형 또는 내부개질형으로 구분될 수 있다.
연료직접공급형의 대표적인 예가 직접 메탄올형 연료전지 (direct methanol fuel cell: DMFC)이다. DMFC에 있어서, 일반적으로 메탄올 수용액, 또는 메탄올과 물의 혼합증기가 애노드에 공급된다. DMFC는, 외부개질기를 필요로 하지 않으며, 연료의 취급이 용이하기 때문에, 연료전지의 다양한 종류 중에서 소형화 가능성이 가장 높은 종류인 것으로 알려져 있다.
상기 연료 전지의 단위 발전 소자는 막전극 접합체(MEA)인데, 상기 막전극 접합체는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 전해질막의 양면에 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 형성된 구조를 가진다.
직접 메탄올형 연료 전지의 MEA 전기화학적 반응과정은, 연료가 산화되는 애노드 반응과, 수소이온과 산소의 환원에 의한 캐소드 반응으로 구성되며, 반응식 1과 같다.
애노드 전극: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드 전극: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
상기 반응식에 나타난 바와 같이, 애노드에서는 메탄올과 물이 반응하여 이산화탄소, 6개의 수소이온 및 6개의 전자가 생성된다. 생성된 수소이온은, 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 수소이온 전도성 전해질막을 매체로 하여, 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 수소이온, 외부회로를 통해 전달된 전자 및 산소가 반응하여 물이 생성된다. DMFC의 전체 반응은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 것이고, 이 과정에서 메탄올의 연소열에 해당하는 에너지의 상당량이 전기에너지로 전환된다. 이러한 반응을 촉진시키기 위하여, 애노드와 캐소드에는 촉매가 포함된다.
수소이온 전도성 전해질막은 애노드에서 산화반응에 의해 발생한 수소이온이 캐소드로 이동하기 위한 통로 역할을 할 뿐만아니라, 애노드와 캐소드를 분리시키는 격리막(separator)의 역할도 한다.
PEMFC와 DMFC에 있어서, 수소이온 전도성 전해질막으로서는 주로 수소이온 전도성 폴리머막이 사용된다. 일반적으로 수소이온 전도성 폴리머막은 친수성을 가지고 있으며, 적정량의 물을 함습함으로써 이온전도성을 발휘한다.
MEA는 가운데 위치하는 상기 수소이동 전도성 전해질막의 종류에 따라 그 특성이 다양하게 나타나는데, 직접 메탄올형 연료전지에서 현재 널리 사용되는 것으로는 나피온 계열의 전해질막 및 탄화수소(hydrocarbon) 계열의 고분자 전해질막이 있다.
나피온 계열의 전해질막을 사용한 MEA(이하, 나피온계 MEA라 약칭한다)와, 탄화수소 계열의 전해질막을 사용한 MEA(이하, 탄화수소계 MEA라 약칭한다) 서로 대응되는 장단점을 가지고 있다.
나피온계 MEA는 자체적인 발열반응으로 연료전지 반응에 적합한 온도를 유지시킬 수 있는 장점이 있는 반면, 연료로 사용되는 메탄올의 크로스오버가 심하여 고농도 연료를 사용할 수 없어, 연료전지 스택의 배출물과 고농도 연료를 혼합하여 희석 연료를 생성하기 위한 별도의 혼합 탱크가 소요되는 단점이 있다.
탄화수소계 MEA는 연료로 사용되는 메탄올의 크로스오버가 크지 않아 고농도 연료를 사용할 수 있어 전체 시스템의 부피를 절감할 수 있지만, MEA의 연료전지 반응을 위한 온도를 확보하기 위하여 별도의 가열장치가 소요되는 단점이 있다.
위와 같은 나피온계 MEA와 탄화수소계 MEA의 각 단점들을 서로 보완하기 위한 제안으로 일본 공개특허 2006-073235호의 발명이 공개된 바 있다. 제안된 공지 발명에서는 각 MEA의 가운데 위치하는 전해질막을 탄화수소계 전해질막의 양면에 나피온계 전해질막을 접합시킨 것으로 구현하고 있다. 이에 따라 탄화수소계 전해질막에 의해 메탄올 크로스오버를 효과적으로 차단하면서도, 양면의 나피온계 전해질막에 의해 연료전지 반응에 적절한 온도를 확보할 수 있게 된다.
그러나, 제안된 공지 발명의 경우 종래의 단일층 전해질막이 3중층 전해질막으로 대체되어 MEA의 부피증대가 발생되며, 부피증대를 방지하기 위해 3중층 전해질막을 얇게 제작한다면 제조 비용이 크게 증대되는 문제점이 존재한다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저렴한 비용으로 연료의 크로스오버를 효과적으로 차단하면서도 연료전지 반응에 적절한 온도를 확보할 수 있는 연료전지 스택 및 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 서로다른 특성을 가지는 MEA를 조화시켜 보다 성능이 우수한 연료전지 스택 및 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 BP를 사이에 두고 다수개의 MEA가 적층된 구조를 가지는 본 발명의 연료전지 스택은, 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하며 제1 특성을 가지는 MEA; 및 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하며 제2 특성을 가지는 MEA가 적층된 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 상기 제1 특성을 가지는 MEA는 탄화수소계 MEA이고, 상기 제2 특성을 가지는 MEA는 불소계 MEA로 구현할 수 있다.
연료전지 MEA를 구현하기 위한 다양한 전해질막들이 제안되었으나, 아직까지는 어느 전해질막도 비용 및 성능 등을 종합적으로 고려하였을때 유력하지 못하고, 각자 개별적인 장단점을 가진다. 상기 개별적인 장단점 중 단점을 최소화하고 장점을 최대화하기 위해 인용기술 같은 다층 구조의 전해질막이 제안되기도 하였으나, 이들은 모두 비용 증대의 문제점을 가지고 있다.
본 발명에서는 각자 개별적인 장단점을 가지는 다양한 전해질막으로 구성된 각 MEA를 스택으로 제작할 때, 종래기술과 같이 단일종류의 MEA를 사용하지 않고, 2개 이상의 종류의(즉, 개별적인 특성을 가지는) MEA를 혼합 적층하여, 연료전지 스택을 구성할 것을 제안한다.
캐소드 전극 및 애노드 전극 사이에 위치하는 전해질막을 복층 구조로 구현한 인용발명과 비교하였을때, 본 발명은 캐소드 전극, 애노드 전극 전해질막으로 이루어진 MEA를, 2 종류 이상의 것들로 적층하여 연료전지 스택을 구성함에 차이가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
예컨대, 하기 실시예에서는 불소계 전해잘막과 탄화수소계 전해질막의 장점을 가진 전해질막의 요청이 큰 직접메탄올형 연료전지에 대하여 구체화하여 설명하였지만, 이종의 MEA를 적층하여 성능 개선을 도모하는 본 발명의 사상은 적층형 스택을 가지는 모든 연료전지에 적용가능함은 물론이며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
(실시예)
본 실시예의 연료전지 스택을 설명하기에 앞서 현재 직접 메탄올형 연료전지 MEA를 구현하는데 널리 사용되는 불소계 전해질막과 탄화수소계 전해질막에 대하여 살펴보겠다.
불소계 전해질막은, 연료전지의 전해질막을 위한 수소이온 전도성 폴리머로서, 주쇄에 불소화 알킬렌을 갖고 있으며, 불소화비닐 에테르 측쇄의 말단에, 예를 들면 술폰산기, 카르복실산기 등과 같은 양이온교환기를 부분적으로 가지며, 그 대표적인 성분의 상품명을 따서 나피온계 전해질막이라고도 불려진다.
불소계 전해질막으로는, 전도성, 기계적 물성 및 내화학성이 우수한 퍼플루오로설폰산 수지(상품명: Nafion)로 제조된 퍼플루오로설폰산 수지 막이 주로 사용되고 있다. 상기 퍼플루오로설폰산 수지 막의 두께가 두꺼워질수록 치수 안정성 및 기계적 물성은 향상되나, 수지 막의 막저항이 증가하고, 반대로 두께가 감소됨에 따라 수지 막의 저항은 낮아지나, 기계적 물성이 저하될 뿐만 아니라 전지 작동 중에 반응하지 않은 연료 기체 및 액체가 고분자 막을 통과하여 연료의 손실이 발생하고 전지 성능을 저하시키는 문제가 있다.
탄화수소계 전해질막은 고분자 전해질형 연료전지 등 다른 종류의 연료전지에 다양한 성분으로 시험되었던 것인데, 최근에는 직접 메탄올형 연료전지에 적용하려는 시도가 수행되고 있다.
탄화수소계 전해질막으로는, 폴리스티렌, 폴리벤지미다졸, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤 등과 같은 내열성 방향족 탄화수소계 폴리머에 기초한 수소이온 전도성 폴리머; 탄화수소 계통인 술폰화된 폴리이미드(PI) 막, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 막, 술폰화된 폴리포스포진 막, 술폰화된 폴리에테르술폰(PES) 막, 술폰화된 폴리벤지미다졸 막; 복합막인 프리미어 막, 폴리테트라플로로에틸렌/폴리비닐리덴플로라이드-헥사플로로프로필렌-그래프팅-폴리스티렌 공중합체(PTFE/PVDF-HFP-g-PS) 막등이 개발되어 있다.
다음, 연료전지 스택의 일반적인 MEA-BP 적층구조에 대하여 살펴보겠다.
도 1을 참조하면, 일반적인 연료전지 스택은 전해질막(1)과 그 양면에 위치하는 애노드 전극(2) 및 캐소드 전극(3)으로 이루어지는 복수의 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembrly, MEA)와, 복수의 막-전극 접합체 사이에 위치하는 바이폴라 플레이트(5)를 구비한다.
비록 도면에서는 2개의 MEA만을 표현하였지만, 실제로는 다수개의 MEA(1, 2, 3)와 바이폴라 플레이트(5)가 교대로 적층된 구조를 가지며, 양 끝단에 위치하는 막-전극 접합체에는 반쪽 바이폴라 플레이트(5a, 5b)와 엔드 플레이트(6a, 6b)가 구비된다. 상기 바이폴라 플레이트(5, 5a, 5b)에는 연료 및 산화제의 유동을 위한 채널(a1, a2)이 구비된다.
도시한 바와 같이 MEA는 고분자 전해질막(1)의 양면에 애노드 전극(2) 및 캐소드 전극(3)을 접합시켜 형성되며, 애노드 전극(2) 및 캐소드 전극(3)은 통상 금속촉매층(2a; 3a)과 확산층(2b; 3b)으로 각각 구성된다.
도시한 복수개의 MEA(1, 2, 3), 개스킷(4) 및 바이폴라 플레이트(5, 5a, 5b)를 교대로 적층한 후, 이들의 적층 구조의 양단에 엔드 플레이트들(6a, 6b)을 배치한 상태에서, 엔드 플레이트들(6a, 6b)를 체결 부재(7)로 소정 압력하에서 고정시켜 연료전지 스택이 완성된다.
도 2a 내지 2c에 도시한 바와 같은 본 실시예의 연료전지 스택은 불소계 MEA와 탄화수소계 MEA를 혼합 적층하여 구현하였다. 도 2a 내지 2c에서는 간략화하여 MEA만을 도시하였지만, 도 1과 같이 각 MEA 사이에는 BP가 존재함은 물론이다.
두 종류의 MEA를 혼합 적층하는 방법으로 다양한 방법이 있을 수 있는데, 그 중 바람직한 방법들 몇개를 예시하겠다. 연료전지 스택의 양단에는 온도 확보가 용이한 불소계 MEA를 1개 내지 수개 적층하고, 연료전지 스택의 가운데에는 크로스오버가 낮은 탄화수소계 MEA를 적층하는 도 2a의 제1 방법과, 소정 개수의 불소개 MEA와 소정 개수의 탄화수소계 MEA를 교번하여 적층하는 도 2b, 2c의 제2 방법이 있을 수 있다.
제2 방법의 경우에도 연료전지 스택의 양단에는 불소계 MEA가 위치하도록 적층하는 것이 바람직하며, 도 2b와 같이 각각 1개씩의 불소개 MEA와 탄화수소계 MEA를 교번하여 적층하거나, 도 2c와 같이 1개의 불소계 MEA와 2개의 탄화수소계 MEA를 교번하여 적층할 수도 있다. 후자의 경우 하나의 불소계 MEA의 양쪽에 탄화수소계 MEA가 하나씩 위치하여 보다 효율적으로 연료전지 반응온도를 확보하면서도, 크로스오버가 적은 탄화수소계 MEA의 비율을 거의 2:1로 높일 수 있는 장점이 있다.
도시한 바와 같은 불소계 MEA 및 탄화수소계 MEA 각각의 애노드에 연료가 공급되고 캐소드에 산소(공기)가 공급된다.
연료전지의 시동 초기에는 자체 발열반응에 의한 열이 발생하는 불소계 MEA에서는 충분한 발전이 일어나지만, 충분한 연료전지 반응 온도에 도달하지 못한 탄화수소계 MEA는 충분한 발전이 일어나지 않는다. 그러나, 근처에 있는 불소계 MEA에서의 발열반응에 의해 탄화수소계 MEA도 연료전지 반응 온도에 신속히 도달하게 되며, 이때부터는 탄화수소계 MEA에서도 충분한 발전이 일어난다.
본 실시예에 따른 연료전지의 효율을 살펴보면, 메탄올 크로스오버가 심한 불소계 MEA가 존재하지만, 탄화수소계 MEA에 의해 스택에서의 그 비율이 줄어들어있어, 전체 스택이 불소계 MEA로 구현된 경우보다, 메탄올 크로스오버를 현저히 떨어뜨릴 수 있음을 알 수 있다. 또한, 메탄올 크로스오버를 최소화하기 위해서는 연료전지 스택에 포함되는 불소계 MEA의 개수는 최소화시키고, 두께를 두껍게 구현하면된다. 이때 불소계 MEA의 개수가 많지 않으므로 전체 연료전지 스택의 두께 증가 는 그리 크지 않게 된다.
상기 수소 이온 전도성을 갖는 양이온 교환수지로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다.
상기 수소 이온 전도성을 갖는 양이온 교환수지의 대표적인 예로는, 불소계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 들 수 있으며, 불소계 고분자, 폴리벤즈이미다졸계 고분자 또는 폴리설폰계 고분자가 보다 바람직하다.
상기 불소계 고분자의 예로는 하기 화학식 1의 폴리(퍼플루오로설폰산)(상품명: Nafion(E.I. Dupont de Nemours사), Aciplex(Asahi Kasei Chemical), Flemion(Asahi Glass) 및 Fumion(fumatech) 등으로 판매됨), 하기 화학식 2의 플루오로카본 비닐 에테르 또는 하기 화학식 3의 플루오로화 비닐 에테르를 사용할 수 있다. 또는 미국 특허 제 4,330,654 호, 제 4,358,545 호, 제 4,417,969 호, 제 4,610,762 호, 제 4,433,082 호 및 제 5,094,995 호, 제 5,596,676 호 및 제4,940,525 호에 기재된 폴리머를 사용할 수 있다.
Figure 112007015376115-pat00001
(상기 화학식 1에서 X는 H, Li, Na, K, Cs, 테트라부틸암모늄 또는 NR1R2R3R4이고, R1, R2, R3 및 R4는 독립적으로 H, CH3 또는 C2H5이고, m은 1 이상, n은 2 이상, x는 약 5 내지 3.5, 그리고 y는 1,000 이상이다.)
MSO2CFRfCF2O[CFYCF2O]nCF=CF2
(상기 화학식 2에서, Rf는 불소 또는 C1 내지 C10의 퍼플루오로알킬 라디칼이고, Y는 불소 또는 트리플루오로메틸 라디칼이고, n은 1 내지 3의 정수이고, M은 불소, 하이드록실 라디칼, 아미노 라디칼 및 -OMe(Me는 알칼리 금속 라디칼 및 4급 암모늄 라디칼(quaternary ammonium radicals))로 이루어진 군에서 선택되는 것임)
Figure 112007015376115-pat00002
(상기 화학식 3에서, k는 0 또는 1이고, l은 3 내지 5의 정수임)
상기 화학식 1의 구조를 갖는 폴리(퍼플루오로설폰산)(상품명: Nafion)은 사슬 말단의 술폰산기가 수화될 경우 미셀 형태의 구조를 가지는데, 이는 수소 이온 이동을 위한 통로를 제공하고 전형적인 수용액 산과 같은 거동을 보인다. 본 발명에서 양이온 교환 수지로 상기 퍼플루오로설폰산(상품명: Nafion)을 사용할 경우, 측쇄 말단의 이온 교환기(-SO3X)에서, X를 수소, 나트륨, 칼륨, 세슘 등 등 일가 이온 및 테트라부틸암모니움으로 치환할 수 있다.
또한, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자의 구체적인 예로는 폴리벤즈이미다졸, 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리설폰 유도체, 술폰화된 폴리(에테르 에테르 케톤)(sulfonated-poly(ether ether ketone: s-PEEK)), 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리포스파젠 등을 들 수 있다.
또한, 에틸렌, 프로필렌, 플루오로에틸렌 폴리머, 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/ tetrafluoroethylene) 등의 단량체에 폴리스티렌설폰산 고분자가 그래프트(graft)된 형태의 전해질을 사용할 수도 있다.
상기 수소 이온 전도성을 갖는 양이온 교환수지는 당량 중량(equivalent weight)에 따라 수소 이온 전도도를 조절할 수 있다. 한편, “이온 교환수지의 이온 교환비”는 고분자 주쇄(backbone)의 탄소수 및 양이온 교환기의 수에 의하여 결정되는데, 본 발명에서는 이온 교환비가 3 내지 33인 이온 교환수지가 바람직하다. 이는 약 700 내지 2,000의 당량 중량(equivalent weight: EW)에 해당된다.
전해질막의 두께는 500 um ~ 5 um 가 사용가능하면 바람직한 두께로는 200 um ~ 10 um 가 적합하다. 메탄올 연료의 농도는 순수 메탄올 에서 0.01M 에서 사용이 가능하나 보다 바람직한 것은 10M ~ 0.2M 운전에서 적합하다.
도 3은 본 실시예에 따른 연료전지 스택을 구비한 연료전지 시스템을 도시하고 있다. 도시한 시스템은 연료 탱크에 저장된 비교적 고농도의 연료를 바로 연료전지 스택으로 공급하고, 캐소드 배출물은 바로 공기중으로 배기시켜, 캐소드 배출물을 응축하는 응축기나 혼합 탱크를 구비하는 종래기술의 적접 메탄올형 연료전지 시스템에 비해 부피 절감 효과가 크다.
도시한 연료전지 시스템은, 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 제1 특성을 가지는 MEA(예 : 불소계 MEA)와, 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 제2 특성을 가지는 MEA(예 : 탄화수소계 MEA)가 적층된 형태를 가지며, 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지 스택(110); 상기 연료전지 스택으로 공급되는 연료를 저장하는 연료 탱크(120); 및 상기 연료전지 스택(110)에서 생성된 전력을 외부 부하로 전달하기 위한 송전 인터페이스(160)로 이루어진다.
구현에 따라서는, 상기 연료 탱크(120)에 저장된 연료를 상기 연료전지 스택(110)의 애노드 전극으로 전달하기 위한 연료 펌프(140) 및/또는 상기 연료전지 스택(110)으로 외부 공기를 불어넣기 위한 송풍 수단(150)을 더 포함할 수 있다. 이때 부피 증대를 피하기 위해서는 상기 연료 펌프(140)는 다이어프렙 펌프 같은 소형 펌프로 구현하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 송풍 수단(150)은 공기 펌프나 송풍 팬으로 구현할 수 있다.
상기 연료 탱크(120)에는 100%의 메탄올이 아닌, 어느정도 희석된 메탄올이 저장되지만, 이는 연료전지 스택의 MEA를 구성하는 전해질막이 이온전도성을 가지려면 어느 정도의 수분이 필요하기 때문이다.
상기 송전 인터페이스(160)는 연료전지 스택(110)에서 생성되는 전력을 안정화 및/또는 전류/전압을 변환하여 외부 부하(200)로 전달하고, 정전기 등에 의해 외부 부하쪽로부터의 고전압이 인가되는 것을 차단하기 위한 DC to DC 전력 변환기나 DC to AC 전력 변환기로 구현할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 스택(110)이 생성하는 전력을 저장하기 위한 2차 전지(180)를 더포함할 수 있으며, 연료전지 스택(110)의 발전 상태에 따라 상기 연료 펌프(140) 및/또는 송풍 수단(150)을 제어하기 위한 구동 제어부(170)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 구동 제어부(140)나 연료 펌프(140), 송풍 수단(150)을 위한 구동 전력은 상기 송전 인터페이스(160)나 2차 전지(180)로부터 입력받도록 구현할 수 있다.
상기 연료전지 스택(110)은 본 발명의 사상에 따라, 불소계 MEA와 탄화수소계 MEA가 혼합 적층된 구조를 가지고 있으므로, 연료 펌프(120)에 저장된 비교적 고농도의 연료를 직접 전달받더라도, 메탄올의 크로스오버가 많지 않아 발전 효율이 높으며, 불소계 MEA의 자체 발열반응에 의해 연료전지 스택의 전체 온도를 연료전지 반응온도로 신속하게 올릴 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상기 구성의 본 발명에 따른 연료전지 스택 및 이를 구비한 연료전지 스택을 실시함에 의해, 각 MEA의 특성이 조화되어 연료전지 스택의 성능을 개선시키는 효과가 있다.
구체적으로 불소계 MEA와 탄화수소계 MEA를 혼합 적층한 본 발명의 연료전지 스택을 실시함에 의해, 저렴한 비용으로 연료의 크로스오버를 효과적으로 차단하면서도 연료전지 반응에 적절한 온도를 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 경우에는 전해질막을 단일층으로 구현할 수 있으므로, 스택의 부피를 증대시키지 않으면서도 상기 효과를 달성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택을 사용하여 응축기 및 혼합 탱크를 생략하여 구현한 연료전지 시스템은 그 부피를 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. BP를 사이에 두고 다수개의 MEA가 적층된 구조의 연료전지 스택에 있어서,
    애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 제1 특성을 가지는 MEA; 및
    애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 제2 특성을 가지는 MEA가 적층된 연료전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 특성을 가지는 MEA는 탄화수소계 MEA이고,
    상기 제2 특성을 가지는 MEA는 불소계 MEA인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    소정 개수의 상기 탄화수소계 MEA와, 소정 개수의 상기 불소계 MEA가,
    수회 교번되는 방식으로 적층된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    2개의 상기 탄화수소계 MEA와 1개의 상기 불소계 MEA가 교번되며,
    연료전지 스택의 양단에는 불소계 MEA가 위치하는 형태로 적층된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 불소계 MEA는 상기 연료전지 스택의 양단부에 위치하며,
    상기 탄화수소계 MEA는 상기 연료전지 스택의 중심부에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  6. 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 제1 특성을 가지는 MEA와, 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 제2 특성을 가지는 MEA가 적층된 형태를 가지며, 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택으로 공급되는 연료를 저장하는 연료 탱크; 및
    상기 연료전지 스택에서 생성된 전력을 외부 부하로 전달하기 위한 송전 인터페이스
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 캐소드에서 생성된 배출물은 바로 공기중으로 배기되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연료 탱크에 저장된 연료를 상기 연료전지 스택으로 전달하기 위한 연료 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 특성을 가지는 MEA는 탄화수소계 MEA이고,
    상기 제2 특성을 가지는 MEA는 불소계 MEA인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    소정 개수의 상기 탄화수소계 MEA와, 소정 개수의 상기 불소계 MEA가,
    수회 교번되는 방식으로 적층된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    2개의 상기 탄화수소계 MEA와 1개의 상기 불소계 MEA가 교번되며,
    연료전지 스택의 양단에는 불소계 MEA가 위치하는 형태로 적층된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 불소계 MEA는 상기 연료전지 스택의 양단부에 위치하며,
    상기 탄화수소계 MEA는 상기 연료전지 스택의 중심부에 위치하는 것을 특징 으로 하는 연료전지 시스템.
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