KR100829897B1 - 절곡막을 가진 양성자교환막 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미래에너지로 각광받는 연료전지, 그중 양성자교환막 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)에 관한 것으로, 기존의 PEMFC에 비해 반응물을 숄더영역으로 쉽게 접근시키고 이에 따라 균일한 국소전류밀도 분포와 온도분포 및 높은 출력전압을 낼 수 있다.

본 발명은 종래의 양성자교환막 연료전지처럼 막이 직선 형태가 아니라 인접한 숄더(shoulder)의 높이차에 따라 구부러진 형태이다. 기존 양성자교환막 연료전지에서는 국소전류밀도 분포가 일정해 짐에 따라 고전류밀도에서 성능이 낮아지는 문제점이 있었는데, 본 발명은 절곡막을 통하여 이를 해결하였뿐 아니라 일정한 온도분포를 만들어 줌으로써 전지의 열비틀림을 방지할 수 있다.

연료전지, 양성자교환막 연료전지, 숄더높이, 절곡막(deflected membrane)

Description

절곡막을 가진 양성자교환막 연료전지{PEMFC with deflected membranes}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양성자교환막 연료전지 단위셀의 단면도이다.

도 2는 도 1의 부분사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 양성자교환막 연료전지의 상단분리판의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 양성자교환막 연료전지의 하단분리판의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 양성자교환막 연료전지의 MEA의 단면도이다.

도 6은 양성자교환막 연료전지의 성능곡선 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 양성자교환막 연료전지의 개념도이다.

도 8은 절곡막의 기울어짐에 따른 출력전압 그래프이다.

도 9는 절곡막의 기울어짐에 따른 국소전류밀도 그래프이다.

도 10은 절곡막의 기울어짐에 따른 국소온도분포 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 상단분리판 12,14: 상단숄더

16: 연료채널 18,20: 하단숄더

22: 공기채널 24: 하단분리판

26: MEA 28: 연료극 기체확산층

30: 공기극 기체확산층 32: 연료극촉매층

34: 절곡막 36: 공기극촉매층

본 발명은 양성자교환막 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저온에서 사용이 가능하여 빠른 시동시간과 함께 높은 출력밀도를 가져 자동차나 휴대용 기기들의 동력원으로 각광받고 있는 양성자교환막 연료전지(PEMFC)에 관한 것이다.

최근 선진국의 주요 자동차 제작사와 부품회사들이 연료전지 자동차의 상용화를 위하여 경쟁과 협력을 통해 개발을 서두르고 있다.

연료전지 자동차는 에너지원으로 연료전지를 사용하는 것으로 연료전지는 공기중의 산소와 연료 중의 수소를 이용하여 전기화학적으로 전기를 발생시키는 것으로 연료와 공기를 외부에서 공급하여 전지의 용량에 관계없이 계속 발전을 할 수 있는 시스템이다.

연료전지는 연료의 화학에너지를 열에너지로의 변환없이 직접 전기에너지로 변환시키기 때문에 효율이 매우 높고 공해가 거의 없는 이상적인 발전시스템이다.

수송분야에서의 석유 에너지절약과 환경공해문제 그리고 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위해서는 엔진의 고효율화와 더불어 대체연료의 이용과 공해물질의 저감 기술이 필요하다.

이와 같은 요구를 만족시킬 수 있는 것이 연료전지 자동차로 연료전지를 엔진으로 이용하는 기술이 이미 상당히 진전되어 있으며. 최근에 발표된 양성자교환막 연료전지(고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC))를 이용한 시범 자동차와 선진국의 집중적인 개발 계획을 통해 앞으로 10년 내에 연료전지를 이용한 자동차의 출현이 기대되고 있다.

연료전지는 자동차 동력기관으로 적용할 경우 기존의 내연기관에 비해 연비를 2배 이상 향상시킬 수 있으며 공해물질의 발생도 거의 없는 장점이 있다.

또한 성능저하 없이 다양한 대체 연료를 사용할 수 있어 석유에너지 절감과 대체에 기여할 수 있다.

1959년 Grubb에 의하여 처음으로 고분자전해질막이 전기화학전지의 고체전해질 및 분리막으로 응용되는 것이 제안된 후에 고체고분자 연료전지(Proton-Exchange-Membrane Fuel Cell (PEMFC))는 60년대 초에 Gemini 우주선의 전력원으로 응용되었으며 70년대와 80년대 초에는 수소를 대량생산하기 위한 물 전기분해전지의 개발에 응용되어 많은 관심을 불러 일으켰다.

80년대 중반부터 에너지와 환경에 관련된 관심이 높아지면서 고체고분자 연 료전지를 연료전지에 건물 및 일부지역의 현지 설치형 소규모 발전, 무공해 차량의 동력원, 우주선용 전원, 이동형 전원, 군사용전원 등 매우 다양한 분야에 응용하는 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.

양성자교환막 연료전지는 다른 연료전지와 비교하여 높은 에너지 효율(부피 및 무게), 부식성 액체가 없는 안전한 고체전해질, 낮은 작동온도 및 신속한 시동, 장기적 안정성 및 긴 수명, 제작 용이성, 다양한 재료 선택의 장점을 가지고 있다.

특히,양성자교환막 연료전지는 다른 연료전지들보다 낮은 온도에서 작동된다. 작동온도는 전해질로 사용하는 고분자막의 열적 안정성 및 전도도에 따라 결정되며 보통 80℃ 정도이고 더 우수한 막을 사용하면 10-20℃ 정도 더 높일 수 있다.

연료전지 스택은 전기화학반응이 일어나는 단위전지(single cell)를 수십 또는 수백개 적층한 구조로 이루어져 있다. 연료극, 공기극, 고분자전해질막, 전해질막/전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA), 바이폴라판으로 단위 전지가 구성된다. 단위전지가 적층된 스택은 구성요소간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝의 조임판을 조임쇠나 공기압으로 압착하게 된다. 양쪽 끝의 조임판에는 반응기체의 출구 및 입구, 냉각구 순환구, 전기출력용 소켓이 설치되어 있다.

양성자교환막 연료전지의 성능은 작동시 흐르는 전류밀도에 따라 도 6과 같이 변하게 된다.

이러한 그래프를 분극 곡선(Polariztion curve) 또는 성능 곡선(Perfomance curve)이라고 하며 작동 전류 밀도에 대한 생성 전압을 나타내고 있다.

양성자교환막 연료전지의 성능을 저하시키는 손실은 크게 활성화 손 실(activation losses), 저항 손실(Ohmic losses) 그리고 농도 손실(concentration losses)로 나눌 수 있는데 전류 밀도의 크기에 따라 각각의 손실의 크기가 달라지게 된다.

전류밀도가 낮을 때에는 연료극과 공기극에서 수소와 산소가 수소 이온, 산소 이온으로 분리되는 과정에서 활성화 손실이 크게 영향을 미치게 된다. 활성화 손실은 수소 분자와 산소 분자를 이온으로 분리하기 위해 필요한 활성화 에너지로 인해 발생하는 손실이다.

일반적으로 이러한 활성화 에너지는 반응의 종류에 따라 거의 일정한 값을 가지게 된다. 이 때 반응물의 분압(partial pressure)과 온도가 이러한 활성화 손실의 크기를 조절하는데 중요한 역할을 하게 된다.

전류밀도가 중간 영역일 때는 저항 손실이 주된 영향을 미치게 된다. 저항 손실은 전극과 전해질 막 사이의 계면, 전해질 내부, 그리고 집전체(current collector)등에서 전자와 이온의 이동에 대한 저항의 영향으로 발생하게 된다.

저항 손실 역시 물질의 특성과 온도에 의해서 영향을 받는다. 반응이 활발해져 고전류밀도 영역에서는 반응물이 채널의 끝 부분에서 거의 고갈되기 때문에 전압 강하가 발생하는 데 이를 농도 손실(concentration losses)이라 한다.

이러한 작동환경에 따른 각 구간의 손실의 감소는 PEMFC의 성능 향상과 밀접한 연관이 있는데 이를 위해 물 관리의 필요성이 대두되고 있다. PEMFC의 성능과 관련하여 물은 양면성을 지니고 있다. 만일 반응 과정 중 온도가 높아져 수분이 증발하여 물이 부족하게 되면 막의 수소 이온 전도도가 떨어지게 되어 막의 수축을 유발하여 막과 전극 사이에 저항손실을 증가시키게 되며, 반대로 물이 너무 많으면 기체확산층(GDL)의 기공 사이에 물이 차게 되어 이후의 반응율을 감소시켜 농도 손실을 증가시킨다.

이처럼 PEMFC의 반응물로 생성되는 물을 너무 적지도, 많지도 않게 하는 효율적인 물 관리는 그 성능을 결정하는 데 매우 중요한 인자이다.

또한 기하학적, 물리적으로 매우 다양한 변수들은 PEMFC를 상용화하는데 큰 장애물이다. 전세계적으로 PEMFC의 성능 향상을 위한 많은 연구가 행해졌고, 그 결과 채널과 숄더의 폭을 변화시키거나 연료와 공기의 흐름을 복잡하게 만들기 위해 채널안에 장애물을 배치하거나 채널의 단면을 변화시키는 것이 전지 성능에 큰 영향을 미친다는 것이 밝혀졌다.

본 특허의 목적은 종래의 양성자교환막 연료전지와 비교하여 균일한 국소전류밀도 분포와 온도분포를 가지며 더 높은 출력전압을 낼 수 있는 양성자교환막 연료전지를 제공하는 데에 있다.

균일한 국소전류밀도 분포는 고전류밀도에서 출력이 낮아지던 기존 양성자교환막 연료전지의 문제점을 해결해 주고 균일한 온도분포는 전지의 열비틀림을 방지해준다.

또한 적절한 기울어짐의 경우 과전압(overpotential)으로 인한 산소농도손실 이 최소가 되어 기존에 비해 높은 출력전압을 낼 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 짧은 상단숄더와 긴 상단숄더가 교대로 형성된 상단분리막; 상기 짧은 상단숄더와 대응하는 긴 하단숄더와 상기 긴 상단숄더에 대응하는 짧은 하단숄더가 교대로 형성된 하단분리막; 및 상기 상단분리막과 하단분리막 사이에 상향의 기울어짐과 하향의 기울어짐이 반복적으로 형성된 MEA를 포함하여, 상기 MEA의 상측의 연료채널에 흐르는 연료와 상기 MEA의 하측의 공기채널에 흐르는 공기의 접촉면적을 증가시키는 양성자교환막 연료전지이다.

상기 MEA는 상측에 연료극 기체확산층과 하측에 공기극 기체확산층이 형성되고, 상기 연료극 기체확산층과 상기 공기극 기체확산층 사이에 연료극촉매층, 절곡막, 및 공기극촉매층이 위에서부터 차례로 적층된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 MEA는 곡면을 가지며 기울어짐이 형성된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 짧은 상단숄더와 긴 하단숄더의 길이의 합은 상기 긴 상단숄더와 짧은 하단숄더의 길이 합과 동일한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 양성자교환막 연료전지 단위셀의 단면도이고, 도 2는 도 1의 부분사시도이다.

상기 양성자교환막 연료전지 단위셀은 크게, 상단분리판(10)과, 하단분리판(24), 그리고 상기 상단분리판(10)과 하단분리판(24)을 경계짓는 MEA(Membrane Electrode Assembly)(26)를 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 MEA(26)를 중심으로 상측에는 상단연료채널(16), 하측에는 하단연료채널(22)이 형성된다.

상기 상단분리판(10)에는 상기 MEA(26)와 접하는 상단숄더(12,14)가 하향으로 형성되고, 상기 하단분리판(24)에도 상기 MEA(26)와 접하는 하단숄더(18,20)가 상향으로 형성된다.

여기서, 숄더란 분리판(bipolar plate)의 좌우 벽을 가르킨다.

상기 상단숄더(12,14)는 서로 길이가 다르며, 또한 하단숄더(18,20) 역시 서로 길이가 다르다. 이 때, 짧은 상단숄더(12)와 긴 하단숄더(18)의 길이의 합은 긴 상단숄더(14)와 짧은 하단숄더(20)의 길이의 합과 동일하다.

따라서, 상기 상단숄더(12,14)와 상기 하단숄더(18,20)의 사이에 개재하는 상기 MEA(26)는 좌우 숄더의 높이가 달라서 경사지게 형성된다.

상기 MEA(26)가 기울어지면 연료와 공기가 접촉할 수 있는 면적이 증가하여 반응물(연료와 공기)들이 효과적인 반응을 할 수 있으므로, 전지의 성능이 향상될 수 있다.

상기 MEA(26)는 상기 상단분리판(10) 및 상기 하단분리판(24)을 조임으로써 압축된다.

도 3 및 도 4는 상기 상단분리판(10) 및 상기 하단분리판(24)의 전체적인 모습을 나타낸다.

즉, 도 1 및 도 2에 도시된 양성자교환막 연료전지 단위셀이 횡방향으로 연속적으로 배치되어서, 하나의 양성자교환막 연료전지를 이룬다.

상기 상단분리판(10)에는 짧은 상단숄더(12)와 긴 상단숄더(14)가 교대로 형성되며, 마찬가지로 하단분리판(10)에는 긴 하단숄더(18)와 짧은 하단숄더(20)가 교대로 형성된다.

이 때, 짧은 상단숄더(12)의 하측으로는 긴 하단숄더(18)가 대응되고, 긴 상단숄더(14)의 하측으로는 짧은 하단숄더(20)가 대응된다.

그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 MEA(26)는 상측의 연료극 기체확산층(28)과 하측의 공기극 기체확산층(30) 사이에 연료극촉매층(32), 절곡막(deflected membranes)(34), 공기극촉매층(36)이 위에서부터 순서대로 적층되어 형성된다.

그리고, 상기 MEA(26)는 상기 상단분리판(10)의 상단숄더(12,14)와 상기 하단분리판(24)의 하단숄더(18,20)의 높이 변화에 맞추어 도 5에 도시된 바와 같이 상측경사와 하측경사가 반복적으로 형성된다.

따라서, 상기 MEA(26)의 상측으로 형성된 연료채널(16)에는 연료가 흐르고, 상기 MEA(26)의 하측으로 형성된 공기채널(22)에서는 연료가 흐르게 되며, 상기 MEA(26)에서 상기 연료와 공기가 반응하여 전기를 발생시키게 된다.

즉, 상기 양성자교환막 연료전지는 연료인 수소와 산화물인 산소가 PEM(proton exchange membrane)이라 불리는 상기 절곡막(34)에서 화학반응이 이루어져 전류를 생성하게 된다.

상기 절곡막(34)은 나피온(Nafion)이라 불리는 술폰플로오르에틸렌 혼성중합체(sulphonated fluoroethylene copolymer)로 이루어져 있으며 일반적으로 물에 의해 수화(saturated)되는 특성을 지니고 있다.

상기 연료극촉매층(32)에서 연료인 수소가 수소 이온과 전자로 분리된다. 수소 분자로부터 분리된 전자는 외부 회로를 통해 상기 곡기극촉매층(36)으로 이동하여 상기 공기 중의 산소를 산소 이온으로 변환시킨다.

이를 통해 생성된 수소 이온과 산소 이온은 상기 절곡막(34)에서 서로 결합하여 물분자를 이루며 상기 공기극촉매층(36)으로 이동한다.

상기와 같은 절곡막(34)을 새로운 채널 유동장의 개념으로 나타내면 도 7과 같다.

본 발명의 체널과 종래 채널의 주된 차이점은 연료와 공기가 흐르는 채널의 좌우 숄더의 높이가 다르다는 것이다.

그 결과 막과 기체확산층, 촉매층은 모두 연료극, 공기극 숄더의 높이차에 따라 구부러진다. 이러한 인접한 숄더의 높이차는 도 8에서 보는 것처럼 '기울어짐'으로 정의할 수 있다.

여기서, 숄더-채널의 비는 임의로 줄 수 있다.

상기 절곡막(34)의 기울어짐은 직선형으로 꺾인것이 아니라 곡선형태일수도 있다. 또, 반드시 막의 두께가 일정할 필요는 없고 달라질수 있다. 그리고, 숄더 및 채널 단면의 형태는 제한되지 않으며, 채널 양옆 숄더의 폭은 같을 필요는 없다.

본 발명의 새로운 기하학적 개념에서 전지의 성능이 다양한 기울어짐 경우(0 - 기본 경우, 9, 26, 37, 47, 50도)의 출력 전압이 도 8에 도시되어 있다.

이 때의 조건은 표1,2에 간략히 나타내었다.

MEA의 기울기가 없을 때와 비교하여 보면, 37도 기울어졌을 때 출력전압이 약 20% 증가하였음을 볼 수 있다. 기울어짐이 커짐에 따라 공기극 과전압(COP, cathode overpotential)은 감소하지만 동시에 저항손실은 증가하므로 손실을 고려해보면 최대 출력전압을 나타내는 기울이가 존재하며, 그 기울기는 37도이며 표 1 및 2에 조건에서는 채널-숄더 폭 비가 1.67정도에 해당된다.

더구나 기울어짐이 증가하면 숄더 방향으로 확산되는 반응물의 양이 늘어나므로 전지전체에 걸쳐 국소 전류밀도분포가 일정해지고(도 9 참조), 고전류밀도에서 출력이 작아지는 문제가 해결된다.

또한 기울어짐이 증가할수록 열전도도가 높고 고정된 온도가 가해지는 분리판(bipolar plate)과 막의 거리가 가까워짐으로 인해 일정한 온도분포가 나타나는데 이는 전지의 열비틀림을 막아준다.(도 10 참조)

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명을 통하여 종래의 양성자교환막 연료전지와 비교하여 균일한 국소전류밀도 분포와 온도분포를 가지며 더 높은 출력전압을 낼 수 있는 양성자교환막 연료전지를 제작할 수 있다.

Claims (4)

1. 짧은 상단숄더와 긴 상단숄더가 교대로 형성된 상단분리막;

   상기 짧은 상단숄더와 대응하는 긴 하단숄더와 상기 긴 상단숄더에 대응하는 짧은 하단숄더가 교대로 형성된 하단분리막; 및

   상기 상단분리막과 하단분리막 사이에 상향의 기울어짐과 하향의 기울어짐이 반복적으로 형성된 MEA를 포함하여, 상기 MEA의 상측의 연료채널에 흐르는 연료와 상기 MEA의 하측의 공기채널에 흐르는 공기의 접촉면적을 증가시키는 양성자교환막 연료전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 MEA는 상측에 연료극 기체확산층과 하측에 공기극 기체확산층이 형성되고, 상기 연료극 기체확산층과 상기 공기극 기체확산층 사이에 연료극촉매층, 절곡막, 및 공기극촉매층이 위에서부터 차례로 적층된 것을 특징으로 하는 양성자교환막 연료전지.
3. 제1항에 있어서, 상기 MEA는 곡면을 가지며 기울어짐이 형성된 것을 특징으로 하는 양성자교환막 연료전지.
4. 제1항에 있어서, 상기 짧은 상단숄더와 긴 하단숄더의 길이의 합은 상기 긴 상단숄더와 짧은 하단숄더의 길이 합과 동일한 것을 특징으로 하는 양성자교환막 연료전지.

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