KR100824529B1 - 캐소드 엔드 플레이트 및 이를 이용한 공기호흡형 연료전지스택 - Google Patents

캐소드 엔드 플레이트 및 이를 이용한 공기호흡형 연료전지스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2중 구조의 캐소드 엔드 플레이트 및 이를 이용한 공기호흡형 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 발명의 공기호흡형 연료전지 스택용 캐소드 엔드 플레이트는 복수의 제 1 개구부가 구비된 제 1 플레이트, 및 제 1 플레이트의 일측면에 접하며, 둘 이상의 제 1 개구부를 노출시키는 복수의 제 2 개구부가 구비된 제 2 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 균일한 체결압과 원활한 공기공급 특성을 갖는 공기호흡형 연료전지 스택을 제공할 수 있다.
연료전지 스택, 엔드 플레이트, 2중 구조, 체결압

Description

캐소드 엔드 플레이트 및 이를 이용한 공기호흡형 연료전지 스택{Cathode End Plate And Air Breathing Fuel Cell Stack Using The Same}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기호흡형 연료전지 스택의 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공기호흡형 연료전지 스택의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐소드 엔드 플레이트의 평면도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공기호흡형 연료전지 스택의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : MEA(Membrane Electrode Assembly) 110 : 캐소드 120 : 애노드 130 : 개스킷 140 : 개구부 150 : 제 1 커런트 컬렉터 160 : 관통홀 200 : 제 2 커런트 컬렉터 210 : 유로 250 : 애노드 엔드 플레이트 300 : 캐소드 엔드 플레이트 310 : 제 1 개구부 320 : 제 1 플레이트 330 : 제 2 개구부 340 : 제 2 플레이트 350 : 체결수단 370 : 매니폴드
본 발명은 동일한 두께에서도 균일한 체결압과 충분한 공기의 공급을 받을수 있도록 하는 캐소드 엔드 플레이트(Cathode End Plate) 및 그것을 이용한 공기호흡형 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지로 정의할 수 있으며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산하므로 저공해와 고효율의 이점이 있다. 또한 연료전지는 저장 및 운송이 용이한 석유에너지, 천연가스 및 메탄올 등의 에너지원을 이용하여 연소가 아닌 화학반응에 의해서 전기에너지를 생성하므로 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리 연료전지 등으로 구분할 수 있으며, 각각의 연료전지는 사용되는 연료의 종류, 운전온 도, 촉매 및 전해질은 다르지만 기본적으로는 같은 원리에 의해서 동작한다.
연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 화학반응에 의해서 생성되는 전자의 이동으로 설명할 수 있다. 수소는 애노드 전극에 공급되고 산소는 캐소드 전극에 공급되며, 애노드 전극에서 발생한 수소이온은 전해질막을 통과하여 캐소드 전극으로 이동한 후, 전기화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하고, 애노드 전극에서 발생한 전자가 외부도선을 통해 캐소드 전극으로 이동하면서 전류를 발생시킨다. 또한 애노드 전극과 캐소드 전극의 전기화학적 반응에 의해, 열도 함께 발생한다. 직류전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류 전류로 바뀌어질 수 있으며, 연료전지에서 발생한 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용되고, 그렇지 않을 경우는 배기열로 배출된다.
아래의 반응식 1은 연료전지의 동작원리의 전체적인 반응을 나타낸다.
애노드 : H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 : ½O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체 : H2 + ½O2 → H2O + 전류 + 열
연료전지 스택은 구조에 따라 평판형 스택과 적층형 스택으로 나뉘어진다.
평판형 스택은 각각의 단위전지가 한방향으로 나열되어 있기 때문에 적층형 스택보다 공기의 공급이 원활하게 되지만, 전체적으로 눌러줄 수가 없어 연료전지 스택의 체결압을 모든 부분에서 균일하게 하는데는 어려움이 있으며, 공기의 유입 홀(Hole)에 있어서도 체결압의 불균일이 야기될 수 있다.
체결압이 균일하지 못하면 연료전지 스택 내부로 이물질이 침투하거나 연료전지 스택 내부의 물질이 새어나오는 경우가 생겨 연료전지의 효과적인 구동이 어려워진다.
이 경우, 연료전지 스택의 엔드 플레이트(End plate)의 두께를 두껍게 형성하면 균일한 체결압을 주는 측면에서 유리하다.
하지만, 연료전지 스택은 노트북, PDA, PMP 및 휴대폰 등 모바일기기에 적용하기 위해서는 두께나 크기 면에서 슬림화와 소형화가 필수적으로 수반되어야 하므로 두께를 두껍게 하는데에는 한계가 따르는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은 동일한 두께에서 효과적으로 공기의 투입경로를 확보하고 균일한 체결압을 얻을 수 있는 캐소드 엔드 플레이트를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 캐소드 엔드 플레이트를 이용한 공기호흡형 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 복수의 제 1 개구부가 구비된 제 1 플레이트; 및 제 1 플레이트의 일측면에 접하며, 둘 이상의 제 1 개구부를 노출시키는 복수의 제 2 개구부가 구비된 제 2 플레이트를 포함하는 공기호흡형 연료전지 스택용 캐소드 엔드 플레이트가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 이 전극들 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 MEA; 캐소드 전극으로의 공기공급을 위한 관통홀이 구비된 제 1 커런트 컬렉터; 애노드 전극으로의 연료공급을 위한 유로가 구비된 제 2 커런트 컬렉터; 제 1 커런트 컬렉터, MEA, 및 제 2 커런트 컬렉터의 적층체의 양면을 지지하는 캐소드 엔드 플레이트 및 애노드 엔드 플레이트; 및 캐소드 엔드 플레이트와 애노드 엔드 플레이트를 체결하는 체결수단을 포함하되, 캐소드 엔드 플레이트는 복수의 제 1 개구부가 구비된 제 1 플레이트와, 제 1 플레이트의 내측면에 접하며 둘 이상의 제 1 개구부를 노출시키는 복수의 제 2 개구부가 구비된 제 2 플레이트를 포함하는 공기호흡형 연료전지 스택이 제공된다.
이하, 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공기호흡형 연로전지 스택의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 공기호흡형 연료전지 스택의 분해 사시도이다. 도 2에서는 도시의 편의상 체결수단을 생략하였다.
공기호흡형 연료전지 스택은 연료와 산소를 이용하여 노트북, PDA, 이동통신 단말기 등과 같은 휴대용 전자기기 등에 전기 에너지를 제공하는 발전 시스템으로서 구성된다. 더욱 구체적으로, 연료전지 스택은 연료를 개질하여 얻어진 수소 또는 순수 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 것으로 상기 연료라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체의 연료를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 공기호흡형 연료전지 스택은 MEA(Membrane Electrode Assembly; 100), 제 1 커런트 컬렉터(Current Collector; 150), 제 1 플레이트(320)와 제 2 플레이트(340)로 구성되는 캐소드 엔드 플레이트(300), 제 2 커런트 컬렉터(200), 애노드 엔드 플레이트(250), 및 체결수단(350)으로 이루어진다.
MEA(100)는 전해질막, 캐소드(110), 및 애노드(120)로 이루어진다. 여기서, 캐소드(110)는 캐소드 전극으로, 애노드(120)는 애노드 전극으로 언급될 수 있다. MEA(100)는 애노드(120)로 공급되는 연료와 캐소드(110)로 공급되는 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시킨다.
전해질막은 고체 고분자 특히 수소이온 전도성 고분자로 제작가능하며, 사용가능한 수소이온 전도성 고분자로는 불소계 고분자, 케톤게 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자, 이미드계 고분자, 셀폰계 고분자, 스틸렌계 고분자, 탄화수소 고분자 등이 있다.
캐소드(110)는 촉매층과 미세기공층, 및 지지층을 포함하여 이루어질 수 있다. 이와 유사하게, 애노드(120)도 촉매층, 미세기공층, 및 지지층을 포함하여 이 루어질 수 있다. 캐소드(110) 및 애노드(120)의 촉매층은 공급되는 연료 또는 산화제가 화학적으로 빠르게 반응할 수 있도록 반응 촉진 역할을 담당하며, 미세기공층은 각 촉매층으로 연료 또는 산화제가 골고루 분산 공급되도록 작용하며 특히 캐소드측 미세기공층은 캐소드 촉매층에서 생성된 물을 원활히 배출할 수 있도록 작용한다. 또한 캐소드 및 애노드의 지지층은 촉매층을 지지하는 역할을 하며 연료, 물 및 공기 등의 분산 작용과, 생성된 전기의 집전작용, 및 각 촉매층 물질의 소실 방지 작용을 한다.
MEA(100)는 연료전지 스택의 핵심요소로서 한개의 출력전압은 약 1V이고, 출력전류밀도는 약 300mA/㎠이며 연료전지의 용도별 요구용량에 따라 MEA(100)의 갯수와 면적이 임의로 설계될 수 있다.
제 1 커런트 컬렉터(150)는 스택에서 전기 화학적인 반응에 의해 생성된 전류를 외부 회로에 전달시켜 주는 역할을 하는 것으로써, MEA(100)와 캐소드 엔드 플레이트(300) 사이에 위치한다. 제 1 커런트 컬렉터(150)는 집전장치의 역할을 수행하므로 전도성을 가지며, 외부 공기의 유동과 물의 배출을 위한 제 1 플레이트(320)의 제 1 개구부(310)와 대응되는 관통홀(160)들을 구비한다. 관통홀(160)은 원형, 타원형 및 다각형의 모양으로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 커런트 컬렉터(150)는 유입된 공기의 산소와 반응하지 않아야 한다.
제 2 커런트 컬렉터(200)는 스택에서 전기화학적인 반응에 의해 생성된 전류를 외부 회로에 전달시켜 주는 역할을 하는 것으로써, 집전장치의 역할을 수행하므로 전도성의 물질인 것을 특징으로 하며, 외부에서 유입된 연료가 MEA(100)까지 효 과적으로 유입되도록 연료의 이동로인 유로(210)와 이 유로(210)의 양단에 연결되는 매니폴드(Manifold)를 구비한다. 또한 제 2 커런트 컬렉터는 수소와 반응하지 않고, 낮은 접촉저항과 낮은 저항비 및 좋은 접합특성으로 지니고 있어야 하므로 흑연, 카본, 내식성이 우수한 물질이 표면에 코팅된 금속, 또는 내식성이 강한 합금 등을 재료로 한다.
개스킷(130)은 MEA(100)와 제 1 커런트 컬렉터(150)와의 사이 및 MEA(100)와 제 2 커런트 컬렉터(200)와의 사이에 위치하며, 연료 또는 산화제의 흐름을 관장하는 MEA(100)의 확산층을 밀봉한다. 개스킷(130)은 탄성이 우수하고 열 사이클에 대한 응력의 유지력이 우수한 재료로 이루어지며, 소정 패턴을 갖는 반경화 패드 형태로 사용되거나 슬러리 재료를 도포한 후 경화하는 방식으로 사용될 수 있다. 개스킷(130)의 재료로는 고무나 고분자를 이용한 재료인 에틸렌프로필렌 고무, 실리콘, 실리콘계고무, 아크릴계 고무, 및 TPE(Thermoplastic Elastomer) 등이 사용가능하다.
애노드 엔드 플레이트(250)는 캐소드 엔드 플레이트(300)와 체결되어 연료전지 스택의 전체적인 체결압을 형성하며, 제 2 커런트 컬렉터(200)의 매니폴드에 대응하는 연료 유입 및 유출이 가능한 매니폴드(370)를 구비한다. 애노드 엔드 플레이트(250)는 제 2 커런트 컬렉터(200)와 전기적으로 연결되지 않는 절연성을 구비하며, 재료 자체의 절연성이나 재료 표면의 코팅층에 의한 절연성으로 구현될 수 있다.
캐소드 엔드 플레이트(300)는 공기호흡형 연료전지 스택의 캐소드 전극(110) 쪽 최외곽에 형성되는 것으로서, 구성요소들 간의 접촉저항을 낮추기 위해 체결압을 가해주는 역할을 하며, 본 실시예에서는 2중의 구조로 나누어져 제 1 플레이트(320)와 제 2 플레이트(340)로 구성되어 있다.
제 1 플레이트(320)는 공기의 유입이 행해지는 복수의 제 1 개구부(310)를 포함하고 있으며, 제 1 플레이트(320)는 외부와의 접촉이 요구되기 때문에 스테인레스스틸 또는 금속부재로 형성될 수 있다.
제 2 플레이트(340)는 제 1 플레이트(320)의 내측면에 접하며, 둘 이상의 제 1 개구부(310)를 노출시키는 복수의 제 2 개구부(330)를 포함한다. 제 2 플레이트(340)는 내측에 위치하는 제 1 커런트 컬렉터(150)와 직접적인 접촉이 이루어지므로 비전도성의 절연성 코팅이 되어 있는 금속재질 또는 절연성 고분자 물질로 이루어진다.
전술한 제 1 플레이트(320)는 연료전지 스택의 전체적인 체결압을 향상시켜 주며, 제 2 플레이트(340)는 공기의 유입이 원활하도록 한다.
전술한 캐소드 엔드 플레이트(300)의 두께는 애노드 엔드 플레이트(250)의 두께와 동일하지만, 같은 두께에 비해 더욱 균일한 체결압을 조성할 수 있고, 공기의 유입도 원활하게 할 수 있다.
상기 모든 구성요소들은 체결수단(350)에 의해 체결되며, 체결수단은 절연성 코팅층을 구비하는 볼트와 너트인 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 캐소드 엔드 플레이트의 평면도이며, 본 발명의 캐소드 엔드 플레이트(300)를 구성하는 제 1 플레이트(320)와 제 2 플레이트(340)가 적층되었을 때, 제 1 개구부(310)와 제 2 개구부(330)의 상관관계를 보여준다.
도 3을 참조하면, 제 1 플레이트(320)와 제 2 플레이트(340)를 밀착시키고 제 2 플레이트(340) 측에서 바라보면, 제 1 플레이트(320)에 형성된 하나, 둘 또는 세 개의 제 1 개구부(310)가 제 2 플레이트(340)의 제 2 개구부(330)가 각각에 그룹지어 노출된다. 따라서 제 2 플레이트(340)의 기공율은 제 1 플레이트(320)의 기공율보다 크다.
본 실시예에 따른 2중 구조의 캐소드 엔드 플레이트는 스택을 눌러주는 체결압을 전체적으로 균일하게 만들어 주며, 제 2 플레이트(340)의 기공율이 제 1 플레이트(320)의 기공율보다 커서 캐소드로의 공기 순환을 보다 원활하게 한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공기호흡형 연료전지 스택의 단면도이다. 도 4는 도 1의 I-I'의 선에 따른 연료전지 스택의 단면도에 대응한다.
본 실시예의 공기호흡형 연료전지 스택에 있어, 제 2 플레이트(340)의 제 2 개구부(330)의 크기는 제 1 플레이트(320)와 접하는 일면에서 보이는 크기보다 상기 일면에 대향하는 타면에서 보이는 크기가 더 크며, 제 2 플레이트(340)의 제 2 개구부(330)는 제 1 플레이트(320)의 제 1 개구부(310)를 2개 이상 포함하는 큰 홀(Hole)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이는 원하는 지점들에 체결압을 좀 더 집중시킴으로써 전체적인 체결압 균일도를 향상시키고 제 2 플레이트(340)의 제 2 개구부(330)의 면적을 증가시킴으로써 공기순환을 더욱 원활하게 할 수 있다. 이때, 제 1 커런트 컬렉터(150)의 관통홀(160)은 제 1 플레이트(320)의 제 1 개구부(310)에 대응되는 배열로 구성되며, 제 2 플레이트(340)의 제 2 개구부(330)와 단차부가 형성되지 않도록 그 직경이 제 2 개구부(330) 측으로 증가하는 형태로 구현될 수 있다.
MEA(100)와 제 1 커런트 컬렉터(150) 사이 및 MEA(100)와 제 2 커런트 컬렉터(200) 사이에 개스킷(130)이 구비되어 있다.
제 2 커런트 컬렉터(200)와 애노드 엔드 플레이트(250)에는 연료 유입 및 유출이 가능한 매니폴드(370)가 구비되어 있으며, 제 2 커런트 컬렉터(200)에는 연로의 이동로인 유로(210)가 구비되어 있다.
전술한 모든 구성요소들은 체결수단(350)에 의해 체결되어 있다. 도 4에서는 체결수단이 생략되어 있으며 볼트 등의 체결수단이 끼워지는 홀(350)만을 도시하였다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
그 예로는 모든 개구부와 관통홀의 모양은 원형이 아닌 다른 모양이 될 수 있으며, 엔드 플레이트를 2중 이상의 구조로 구성하여 균일한 체결압과 충분한 공 기 공급을 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 캐소드 엔드 플레이트를 2중 구조로 구성하여 동일한 두께로 공기호흡형 연료전지 스택 전체에 종래의 경우에 비해 균일한 체결압을 적용하면서도, 외부로부터 원활하게 공기를 공급받을 수 있게 하여, 슬림화 또는 소형화의 모바일기기에 적용가능한 공기호흡형 연료전지 스택을 제공할 수 있다.

Claims (15)

  1. 복수의 제 1 개구부가 구비된 제 1 플레이트; 및
    상기 제 1 플레이트의 일측면에 접하며, 둘 이상의 상기 제 1 개구부를 노출시키는 복수의 제 2 개구부가 구비된 제 2 플레이트를 포함하는 공기호흡형 연료전지 스택용 캐소드 엔드 플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 플레이트의 기공율은 상기 제 1 플레이트의 기공율보다 큰 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택용 캐소드 엔드 플레이트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 개구부는 상기 제 1 플레이트와 접하는 일면에서 보이는 크기보다 상기 일면에 대향하는 타면에서 보이는 크기가 더 큰 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택용 캐소드 엔드 플레이트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 플레이트는 스테인레스스틸 또는 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택용 캐소드 엔드 플레이트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 플레이트는 절연성 코팅이 되어있는 금속재질 또는 고분자 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택용 캐소드 엔드 플레이트.
  6. 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 상기 전극들 사이에 위치하는 전해질막을 포함하는 MEA;
    상기 캐소드 전극으로의 공기공급을 위한 관통홀이 구비된 제 1 커런트 컬렉터;
    상기 애노드 전극으로의 연료공급을 위한 유로가 구비된 제 2 커런트 컬렉터;
    상기 제 1 커런트 컬렉터, 상기 MEA, 및 상기 제 2 커런트 컬렉터의 적층체의 양면을 지지하는 캐소드 엔드 플레이트 및 애노드 엔드 플레이트; 및
    상기 캐소드 엔드 플레이트와 애노드 엔드 플레이트를 체결하는 체결수단을 포함하되,
    상기 캐소드 엔드 플레이트는 복수의 제 1 개구부가 구비된 제 1 플레이트와, 상기 제 1 플레이트의 내측면에 접하며 둘 이상의 상기 제 1 개구부를 노출시키는 복수의 제 2 개구부가 구비된 제 2 플레이트를 포함하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 플레이트의 기공율은 상기 제 1 플레이트의 기공율보다 큰 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 개구부는 상기 제 1 플레이트와 접하는 일면에서 보이는 크기보다 상기 일면에 대향하는 타면에서 보이는 크기가 더 큰 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 애노드 엔드 플레이트와 캐소드 엔드 플레이트의 두께는 동일한 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  10. 제 6 항에 있어서,
    제 1 커런트 컬렉터와 제 2 커런트 컬렉터는 전도성 물질인 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 커런트 컬렉터의 관통홀은 상기 제 1 플레이트의 상기 제 1 개구부와 대응되는 배열로 형성된 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 플레이트는 스테인레스스틸 또는 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 플레이트는 절연성 코팅이 되어있는 금속재질 또는 절연성 고분자 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 MEA와 상기 커런트 컬렉터 사이에 개스킷(Gasket) 또는 패킹(Packing)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  15. 제 6 항에 있어서,
    상기 체결수단은 절연성 코팅층을 구비하는 볼트와 너트를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 스택.
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