KR100861786B1 - 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및연료전지 시스템 Download PDF

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손상영
정창렬
이홍렬
장재혁
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Abstract

연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템이 개시된다. 연료전지의 연료극과 공기극을 형성하는 연료전지용 전극으로서, 전극기재와, 전극기재에 형성되는 제1 채널과, 제1 채널의 일측 내면에 형성되며 액체를 유도하는 제1 친수성계면 및 제1 친수성계면과 대향하도록 형성되며 기체를 유도하는 제1 소수성계면을 포함하는 연료전지용 전극은, 캐소드 전극에서 발생되는 부수전인 물을 공기와 분리할 수 있으며, 추가적인 장비 없이 분리할 수 있어 휴대용 전자기기 뿐만 아니라 저용량 전원기기에도 그 활용 가능성을 가질 수 있다.
전극, 연료전지, 모세관현상, 친수성, 소수성

Description

연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템{Electrode for fuel cell and membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising the same}
도 1은 친수성계면과 소수성계면에서 액체방울의 이동을 나타낸 개략도.
도 2는 친수성계면과 소수성계면에서 액체방울의 접촉각을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 연료전지용 전극에서 기액분리를 나타낸 흐름도.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 연료전지용 전극에서 기액분리를 나타낸 단면도.
도 5는 도 4에 따른 연료전지용 전극의 평면도.
도 6은 연료전지 단위셀을 나타내는 분해 사시도.
도 7은 본 발명의 전극을 포함하는 연료전지 시스템을 나타낸 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 액체 방울 2,11,21,31,41,51 : 친수성계면
3,12,22,32,42,52 : 소수성계면 10 : 제1 채널
20 : 제2 채널 30 : 제3 채널
40 : 제4 채널 50 : 제5 채널
200 : 단위셀 210,300 : 막-전극 어셈블리
220,301 : 세퍼레이터 310 : 전기발생부
320 : 연료공급부 330 : 산화제공급부
본 발명은 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템에 관한 것이다.
휴대용 전자기기의 소형화 및 다기능화된 급속한 변화에 따라 전원장치의 고효율화 및 사용시간의 증대 요구는 새로운 연구분야로서 많은 노력이 필요하다. 이에 따라, 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 연료전지는 기존의 휴대용 전원 장치의 문제점인 효율과 수명을 획기적으로 증가 시킬 수 있는 새로운 대체 방법으로 그 중요성이 증가되고 있다.
연료전지는 메탄올, 에탄올 및 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염 형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지로 분류된다.
이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매 및 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell;PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이용 전원은 물론, 주택 및 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
연료전지에서 애노드 전극에는 수소 또는 연료가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산화제가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는, 수소 또는 연료의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산화제의 환원반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.
생성되는 물은 즉각적으로 출구를 통해 제거되어야 하며, 제거되지 못할 경우, 산소의 공급압이 점차 상승하게 될 뿐만 아니라, 막-전극 어셈블리 내의 고분자 전해질막의 함수율이 증가하는 문제점을 발생시킨다.
따라서, PEMFC 또는 직접 메탄올형 연료전지(Direct methanol fuel cell;DMFC)는 발생된 물을 배출하기 위하여 블로워(blower)를 이용하여 강제압력 배출방식을 취하고 있다. 그러나 강제압력 배출방식은 마이크로채널(micro channel) 혹은 마이크로(micro) 구조물 하에서 유체와 벽 접촉의 상대적 증가에 따른 유체 저항의 증가에 의해서 구조물 크기에 반비계하여 그 효율이 떨어진다.
또한 마이크로 연료전지에 장착할 수 있는 팬(fan) 혹은 블로워가 유체 표면 에서 만들어 낼 수 있는 힘은 마이크로 구조물 안에서 작용할 경우, 상대적으로 모세관력에 비해서 월등히 작아지게 된다.
그러므로, 소형 연료전지 작동 요구조건에 따라 이상 유동에 미치는 모세관력을 극대 혹은 극소 시킬 수 있는 영향 요소들에 대한 연구가 필요하고, 연료전지에서 발생되는 물을 추가적인 장치없이 효과적으로 배출시키는 것이 필요한 실정이다.
본 발명은 모세관력을 이용하여 연료전지에서 배출되는 물을 공기와 분리함으로써 소형화 및 효율성을 증대시킬 수 있는 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지의 연료극과 공기극을 형성하는 연료전지용 전극으로서, 전극기재와, 전극기재에 형성되는 제1 채널과, 제1 채널의 일측 내면에 형성되며 액체를 유도하는 제1 친수성계면 및 제1 친수성계면과 대향하도록 형성되며 기체를 유도하는 제1 소수성계면을 포함하는 연료전지용 전극이 제공된다.
제1 채널의 두께는 100 내지 110 ㎛ 인 것이 바람직하고, 제1 채널의 단부에서 분기되어 형성되는 제2 채널과 제3 채널을 더 포함할 수 있다.
제2 채널의 일측 내면에 형성되며, 제1 소수성계면과 연결되는 제2소수성계면을 더 포함할 수 있고, 제2 소수성계면과 대향하도록 제2 채널의 타측 내면에 형성되며, 액체를 유도하는 제2 친수성계면을 더 포함할 수 있다.
제3 채널의 일측 내면에 형성되며, 제1 친수성계면과 연결되는 제3 친수성계면을 더 포함할 수 있고, 제3 친수성계면과 대향하도록 제3 채널의 타측 내면에 형성되며, 기체를 유도하는 제3 소수성계면을 더 포함할 수 있다.
또한, 제2 채널의 단부에서 분기되어 형성되는 제4 채널과 제5 채널을 더 포함할 수 있고, 제4 채널의 일측 내면에 형성되며, 제2 소수성계면과 연결되는 제4 소수성계면을 더 포함할 수 있으며, 제5 채널의 일측 내면에 형성되며, 제2 친수성계면과 연결되는 제5 친수성계면을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 멤브레인(membrane)과, 멤브레인의 일면에 결합되어 연료를 산화시키는 연료극 및 멤브레인의 타면에 결합되어 산화제를 환원시키는 공기극을 포함하며, 연료극과 공기극 중 적어도 하나는, 전극기재와, 전극기재에 형성되는 제1 채널과, 제1 채널의 일측 내면에 형성되며 액체를 유도하는 제1 친수성계면 및 제1 친수성계면과 대향하도록 형성되며 기체를 유도하는 제1 소수성계면을 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리(membrane electrode assembly)를 제공한다.
제1 채널의 두께는 100 내지 110 ㎛ 인 것이 바람직하고, 제1 채널의 단부에서 분기되어 형성되는 제2 채널과 제3 채널을 더 포함할 수 있다.
제2 채널의 일측 내면에 형성되며, 제1 소수성계면과 연결되는 제2소수성계 면을 더 포함할 수 있고, 제2 소수성계면과 대향하도록 제2 채널의 타측 내면에 형성되며, 액체를 유도하는 제2 친수성계면을 더 포함할 수 있다.
제3 채널의 일측 내면에 형성되며, 제1 친수성계면과 연결되는 제3 친수성계면을 더 포함할 수 있고, 제3 친수성계면과 대향하도록 제3 채널의 타측 내면에 형성되며, 기체를 유도하는 제3 소수성계면을 더 포함할 수 있다.
또한, 제2 채널의 단부에서 분기되어 형성되는 제4 채널과 제5 채널을 더 포함할 수 있고, 제4 채널의 일측 내면에 형성되며, 제2 소수성계면과 연결되는 제4 소수성계면을 더 포함할 수 있으며, 제5 채널의 일측 내면에 형성되며, 제2 친수성계면과 연결되는 제5 친수성계면을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 멤브레인과, 멤브레인의 일면에 결합되어 연료를 산화시키는 연료극 및 멤브레인의 타면에 결합되어 산화제를 환원시키는 공기극을 포함하는 막-전극 어셈블리와, 막-전극 어셈블리의 양 측면에 위치하며 기체 유로가 구비된 세퍼레이터와, 연료극에 연료를 공급하는 연료공급부 및 공기극에 산화제를 공급하는 산화제공급부를 포함하되, 연료극과 공기극 중 적어도 하나는, 전극기재와, 전극기재에 형성되는 제1 채널과, 제1 채널의 일측 내면에 형성되며 액체를 유도하는 제1 친수성계면 및 제1 친수성계면과 대향하도록 형성되며 기체를 유도하는 제1 소수성계면을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공한다.
제1 채널의 두께는 100 내지 110 ㎛ 인 것이 바람직하고, 제1 채널의 단부에서 분기되어 형성되는 제2 채널과 제3 채널을 더 포함할 수 있다.
제2 채널의 일측 내면에 형성되며, 제1 소수성계면과 연결되는 제2소수성계면을 더 포함할 수 있고, 제2 소수성계면과 대향하도록 제2 채널의 타측 내면에 형성되며, 액체를 유도하는 제2 친수성계면을 더 포함할 수 있다.
제3 채널의 일측 내면에 형성되며, 제1 친수성계면과 연결되는 제3 친수성계면을 더 포함할 수 있고, 제3 친수성계면과 대향하도록 제3 채널의 타측 내면에 형성되며, 기체를 유도하는 제3 소수성계면을 더 포함할 수 있다.
또한, 제2 채널의 단부에서 분기되어 형성되는 제4 채널과 제5 채널을 더 포함할 수 있고, 제4 채널의 일측 내면에 형성되며, 제2 소수성계면과 연결되는 제4 소수성계면을 더 포함할 수 있으며, 제5 채널의 일측 내면에 형성되며, 제2 친수성계면과 연결되는 제5 친수성계면을 더 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 잇점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 친수성계면과 소수성계면에서 액체방울의 이동을 나타낸 개략도이고,도 2는 친수성계면과 소수성계면에서 액체방울의 접촉각을 나타낸 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 액체 방울(1), 친수성계면(2), 소수성계면(3)이 도시되어 있다.
본 발명은 연료전지의 전극에서 마이크로 채널의 설계 범위를 조절하며 표면의 성질을 친수성계면과 소수성계면으로 분할 스퍼터링(sputtering)한 후 모세관력을 이용하여 물과 공기를 분리함으로써 소형화 및 효율성을 증대시킬 수 있는 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템을 제공한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 액체 방울(1)이 다른 물질과 이루어 내는 접촉각은 물질이 가지는 고유한 특성 중 하나이다. 특히 도 2에 도시된 바와 같이, 접촉하는 물질에 표면 특성의 차이가 있을 경우 액체 방울(1)의 접촉각에는 차이가 나며, 이로 인해 도 1에 도시된 바와 같이, 표면 장력에 의한 압력 차이의 발생으로 액체 방울(1)이 특정한 방향으로 이동하는 현상을 발생시킬 수 있다.
상기와 같은 현상은 모세관 현상 중의 하나이고, 액체 방울(1)을 친수성계면(2)과 소수성계면(3)을 가진 표면에 접촉하였을 경우, 친수성계면(2)의 표면으로 급속하게 옮겨가는 특성이 있으며, 이러한 성질을 이용하여 미세관에 친수성계면(2)과 소수성계면(3)을 가진 계면의 표면처리를 하였을 경우 도 1 및 도 2와 같은 현상이 발생할 수 있다.
따라서, 상기와 같은 현상을 연료전지의 전극에 적용할 경우, 공기극 즉 캐소드 전극에서 발생하는 물을 용이하게 공기와 분리할 수 있으며, 추가적인 장비 없이분리할 수 있어 휴대용 전자기기 뿐만 아니라 저용량 전원기기에도 그 활용 가능성을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극에서 기액분리를 나타낸 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 액체 방울(1), 친수성계면(11,21,31), 소수성계면(12,22,32), 제1 채널(10), 제2 채널(20), 제3 채널(30)이 도시되어 있다.
연료전지용 전극은 일반적으로 전기화학적 반응에 참여하는 촉매층과 이를 지지하는 기체 확산층으로 이루어진다. 기체 확산층은 세퍼레이터와 접촉 형성되어 있고, 세퍼레이터의 기체 유로로부터 촉매층 안의 촉매로 균일하게 연료 또는 공기 등의 반응기체를 공급하기 위한 기체 투과 및 확산 기능을 할 수 있다.
기체 확산층은 촉매층에서 반응에 의해 생성된 물을 신속하게 기체 유로로 배출하는 물 투과능과 반응에 필요하거나 반응 중 생성된 전자를 도전하는 도전 기능을 하는 전자 도전성의 기능도 수행한다.
상기한 기능을 수행하기 위해 기체 확산층은 일반적으로 다공성이 있는 도전성 기재가 사용되고 있다. 전극 기재로는 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 천(carbon cloth) 및 카본 펠트(carbon felt) 등을 사용할 수 있다.
본 실시예에서의 전극기재라 함은 촉매층과 기체 확산층을 포함하는 것을 뜻한다. 따라서, 본 실시예에서 제공하는 채널은 촉매층에 형성될 수도 있고, 기체 확산층에 형성될 수 있다. 또한 채널은 외부에 공기와 물을 분리하기 위한 구조에도 적용이 가능할 수 있다.
본 실시예에서는 고분자 전해질 막의 수분 함습도를 일정하게 유지하면서도 캐소드 전극에서 형성되는 물을 용이하게 배출되도록 함으로써 물에 의하여 기공이 막히는 현상을 방지하고 이로써 고율에서의 전류밀도를 향상시킬 수 있는 연료전극을 제공하기 위하여 전극 기재에서 물 분리가 우수한 친수성 채널을 형성한다.
도 3을 참조하여 친수성계면(11,21,31)과 소수성계면(12,22,32)에서 액체 방울(1)의 접촉각의 차이에 따른 표면 장력에 의한 압력 차이의 발생에 따라 액체 방울(1)의 이동 현상을 설명하면 다음과 같다.
연료전지의 연료극과 공기극을 형성하는 연료전지용 전극에서, 전극을 형성하는 전극기재는 제1 채널(10), 제2 채널(20) 및 제3 채널(30)로 형성될 수 있다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 채널(10)은, 내면에 형성되며 액체 즉 본 실시예에서는 액체 방울(1)을 유도하여 배출시키는 친수성계면(11) 및 친수성계면(11)과 대향하도록 형성되며 기체를 유도하여 배출시키는 소수성계면(12)을 포함한다.
제1 채널(10)은 모세관인 것을 특징으로 하며 제1 채널(10)의 지름은 100 마이크로미터인 것이 바람직하다. 모세관력은 자연힘으로서 외부 동력의 소비를 필요로 하지 않기 때문에 팬과 같은 외부 동력원이 필요한 능동 소자의 사용을 최소화 할 수 있다.
액체 방울(1)이 제1 채널(10) 안으로 투입 되면, 액체 방울(1)과 친수성계면(11)이 접촉하는 접촉각과 액체 방울(1)이 소수성계면(12)과 접촉하는 접촉각에서 차이가 발생한다. 따라서, 액체 방울(1)과 친수성계면(11)과의 표면장력에 의한 압력 차이에 의해서 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 액체 방울(1)이 친수성계면(11)으로 이동한다.
또한, 전극은 제1 채널(10)의 단부에서 분기되어 형성되는 제2 채널(20)과 제3 채널(30)로 형성될 수 있다.
제2 채널(20)은, 제1 채널(10)의 소수성계면(12)이 연속되어 형성될 수 있고, 소수성계면(22)과 대향하여 형성되며 액체를 유도하여 배출시키는 친수성계면(21)을 포함할 수 있다. 따라서, 채널 안에 친수성계면(21)과 소수성계면(22)이 각각 형성될 수 있으며, 제1 채널(10), 제2 채널(20) 및 제3 채널(30)에도 동일하게 적용될 수 있다.
제3 채널(30)은 제1 채널(10)의 친수성계면(11)이 연속되어 형성될 수 있으며, 친수성계면(31)과 대향하여 형성되며 기체를 유도하여 배출시키는 소수성계면(32)을 포함할 수 있다.
따라서, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 제1 채널(10)의 친수성계면(11)을 따라 이동된 액체 방울(1)이, 제1 채널(10)에서 연속된 친수성계면(31)을 형성하는 제3 채널(30)로 이동하여 마침내 제3 채널(30)을 빠져나갈 수 있도록 한다.
따라서, 캐소드 전극을 상기와 같은 채널로 형성함으로써 캐소드 전극에서 발생되는 물을 공기로부터 분리할 수 있다. 또한, 본 실시예에서의 바람직한 실시예로 Y자형 채널을 형성하는 전극을 제공하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 친수성계면과 소수성계면에 따라 기체와 액체 방울을 분리할 수 있고, 당업자가 용이하게 제작할 수 있는 것이 사용될 수 있음은 물론이다.
또한, 친수성계면과 소수성계면의 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅 법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬랏다이 코팅, 테이트 코팅 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
추가하여 친수성계면과 소수성계면을 고분자 물질로 도포할 수 있고, 금속 코팅으로 구현할 수 있음은 물론이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 연료전지용 전극에서 기액분리를 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면, 액체 방울(1), 친수성계면(11,21,31,41,51), 소수성계면(12,22,32,42,52), 제1 채널(10), 제2 채널(20), 제3 채널(30), 제4 채널(40), 제5 채널(50)이 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 제2 채널(20)의 단부에서 분기되어 형성되는 제4 채널(40)과 제5 채널(50)을 형성할 수 있다. 제4 채널(40)은, 제2 채널(20)의 소수성계면(22)이 연속되어 형성될 수 있고, 소수성계면(42)과 대향하여 형성되는 친수성계면(41)을 형성 할 수 있다.
또한, 제5 채널(50)은, 제2 채널(20)의 친수성계면(21)이 연속되어 형성될 수 있으며, 제5 채널(50) 안에서 친수성계면(51)과 대향하여 형성되는 소수성계면(52)을 형성할 수 있다.
다량의 액체 방울(1)이 제1 채널(10)에 투입될 경우, 표면성질에 따라 제1 채널(10)의 친수성계면(11)으로 이동될 수 있다. 제1 채널(10)의 친수성계면(11)을 따라 이동하는 액체 방울(1)들이 제3 채널(30)의 친수성계면(31)으로 이동하며, 다시 제3 채널(30)의 분기된 채널속에 형성된 친수성계면을 따라 이동된 후, 외부로 분리될 수 있다.
또한, 제1 채널(10)에서 제3 채널(30)의 친수성계면(31)으로 분리되지 못한 소정의 액체 방울(1)들은 제2 채널(20)의 친수성계면(21)을 따라 이동하며, 제2 채널(20)에서 분기되는 제5 채널(50)의 친수성계면(51)을 따라 이동하여 분리될 수 있다.
따라서, 채널의 분기를 반복하여 복수의 채널을 형성함으로써 공기중의 액체 방울(1)을 보다 효과적으로 분리할 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 채널의 표면처리에 따른 친수성계면(2)과 소수성계면(3)에서 액체 방울(1)이 친수성계면(2)에 접촉함으로써 접촉각에 의한 표면 장력에 따른 압력 차이에 따라 액체 방울(1)이 이동할 수 있다.
도 6은 연료전지 단위셀을 나타내는 분해 사시도이다. 도 6을 참조하면, 단위셀(200), 막-전극 어셈블리(210), 세퍼레이터(220)가 도시되어 있다.
연료전지스택(200)은 막-전극 어셈블리(210)와 이의 양면에 밀착하는 세퍼레이터(220)로 이루어진 단위 셀(200)이 복수개 적층되어 전기적으로 직렬 접속된 형태로 이루어질 수 있다.
막-전극 어셈블리(210)는, 고분자 전해질막 즉 멤브레인을 사이에 두고 일면에 결합되어 연료를 산화시키는 연료극과 멤브레인의 타면에 결합되어 산화제를 환원시키는 공기극이 접착된 구조를 가지며, 연료극인 애노드 전극 및 공기극인 캐소드 전극은 고분자 전해질막과 접촉 형성된 촉매층과 상기 촉매층과 접촉 형성된 기 체 확산층으로 구성될 수 있다.
이때, 애노드 전극에서는 수소 또는 연료의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.
또한, 내면에 형성되며 액체를 유도하여 배출시키는 친수성계면 및 친수성계면과 대향하도록 형성되며 기체를 유도하여 배출시키는 소수성계면을 포함하는 제1 채널을 막-전극 어셈블리에서 전극으로 구현할 수 있다.
보다 구체적으로, 연료극과 공기극 중 적어도 하나는, 전극기재와, 전극기재에 형성되는 제1 채널과 제1 채널의 일측 내면에 형성되며 액체를 유도하는 제1 친수성계면 및 제1 친수성계면과 대향하도록 형성되며 기체를 유도하는 제1 소수성계면을 포함할 수 있다.
또한, 제1 채널의 단부에서 분기되는 제2 채널 및 제3 채널을 더 포함할 수 있다. 제2 채널은 제1 채널의 소수성계면이 연속적으로 형성될 수 있으며, 제3 채널은 제1 채널에서 친수성계면이 연속적으로 형성될 수 있다.
또한, 추가적으로 제2 채널의 단부에서 분기되는 제4 채널 및 제5 채널을 더 형성할 수 있음은 물론이다.
따라서, 캐소드 전극의 전극기재를 도 4에서 제공하는 모세관력에 의한 채널로 구성함에 따라, 이에 따른 막-전극 어셈블리를 구현할 수 있고, 친수성계면과 소수성계면의 표면 특성에 따른 액체와 기체의 분리를 구현할 수 있으며, 팬과 같은 외부 동력원의 능동 소자의 사용을 최소화 할 수 있기 때문에 연료전지 제품의 소형화를 구현할 수 있다.
또한, 세퍼레이터(220)는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 기체 유로가 형성된다.
도 7은 본 발명의 전극을 포함하는 연료전지 시스템을 나타낸 개략도이다. 도 7을 참조하면, 막-전극 어셈블리(300), 세퍼레이터(301), 전기발생부(310), 연료공급부(320), 산화제공급부(330)이 도시되어 있다.
연료전지 시스템은 막-전극 어셈블리(300), 전기발생부(310), 연료공급부(320) 및 산화제공급부(330)를 포함한다.
막-전극 어셈블리(300)는 멤브레인과, 멤브레인의 일면에 결합되어 연료를 산화시키는 연료극 및 멤브레인의 타면에 결합되어 산화제를 환원시키는 공기극을 포함한다. 보다 구체적으로, 기체확산층과 촉매층을 구비하는 한쌍의 전극과 전극 사이에 고분자 전해질막이 위치한다.
세퍼레이터(301)는 막-전극 어셈블리의 양 측면에 위치하며 연료극에 연료를 공급하고 공기극에 산화제를 공급하기 위한 기체 유로가 구비될 수 있다. 전기발생부(310)는 연료전지의 전기 화학반응에 의해 생성되는 전기를 발생시키며, 막-전극 어셈블리(300)와 세퍼레이터(301)를 포함할 수 있다.
연료공급부(320)는 애노드 전극 즉 연료극에 연료를 공급하고, 산화제공급부(330)는 캐소드 전극 즉 공기극에 산화제를 공급한다.
이때, 연료극과 공기극 중 적어도 하나는, 전극기재와, 전극기재에 형성되는 제1 채널과, 제1 채널의 일측 내면에 형성되며 액체를 유도하는 제1 친수성계면 및 제1 친수성계면과 대향하도록 형성되며 기체를 유도하는 제1 소수성계면을 포함할 수 있다.
제1 채널의 두께는 100 내지 110 ㎛ 인 것이 바람직하며, 제1 채널의 단부는 제2 채널 및 제3 채널로 분기될 수 있고, 제2 채널은 제4 채널 및 제5 채널로 분기될 수 있으며, 복수회 분기될 수 있음은 물론이다.
제2 채널, 제3 채널, 제4 채널 및 제5 채널의 친수성계면과 소수성계면의 구성은 도 4에서 상술한 바와 동일하고, 연료전지 시스템의 막-전극 어셈블리에서 전극은 도 4에서 제공하는 채널의 형태와 동일하다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 캐소드 전극에서 발생되는 부수적인 물을 공기와 분리할 수 있으며,추가적인 장비 없이 분리할 수 있어 휴대용 전자기기 뿐만 아니라 저용량 전원기기에도 그 활용 가능성을 가질 수 있다.
또한, 모세관력은 자연힘으로서 외부 동력의 소비를 필요로 하지 않기 때문에 팬과 같은 외부 동력원이 필요한 능동 소자의 사용을 최소화 할 수 있다.

Claims (30)

  1. 전극기재와;
    상기 전극기재에 형성되고, 두께가 100 내지 110 ㎛ 인 제1 채널과;
    상기 제1 채널의 일측 내면에 형성되며 액체를 유도하는 제1 친수성계면; 및
    상기 제1 친수성계면과 대향하도록 형성되며 기체를 유도하는 제1 소수성계면을 포함하는 연료전지용 전극.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 채널의 단부에서 분기되어 형성되는 제2 채널과 제3 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 채널의 일측 내면에 형성되며, 상기 제1 소수성계면과 연결되는 제2소수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 소수성계면과 대향하도록 상기 제2 채널의 타측 내면에 형성되며, 액체를 유도하는 제2 친수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제3 채널의 일측 내면에 형성되며, 상기 제1 친수성계면과 연결되는 제3 친수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 친수성계면과 대향하도록 상기 제3 채널의 타측 내면에 형성되며, 기체를 유도하는 제3 소수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 채널의 단부에서 분기되어 형성되는 제4 채널과 제5 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제4 채널의 일측 내면에 형성되며, 상기 제2 소수성계면과 연결되는 제4 소수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제5 채널의 일측 내면에 형성되며, 상기 제2 친수성계면과 연결되는 제5 친수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  11. 멤브레인(membrane)과;
    상기 멤브레인의 일면에 결합되어 연료를 산화시키는 연료극; 및
    상기 멤브레인의 타면에 결합되어 산화제를 환원시키는 공기극을 포함하며,
    상기 연료극과 상기 공기극 중 적어도 하나는,
    전극기재와;
    상기 전극기재에 형성되고, 두께가 100 내지 110 ㎛ 인 제1 채널과;
    상기 제1 채널의 일측 내면에 형성되며 액체를 유도하는 제1 친수성계면; 및
    상기 제1 친수성계면과 대향하도록 형성되며 기체를 유도하는 제1 소수성계면을 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리(membrane electrode assembly).
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 채널의 단부에서 분기되어 형성되는 제2 채널과 제3 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 채널의 일측 내면에 형성되며, 상기 제1 소수성계면과 연결되는 제 2소수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 소수성계면과 대향하도록 상기 제2 채널의 타측 내면에 형성되며, 액체를 유도하는 제2 친수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제3 채널의 일측 내면에 형성되며, 상기 제1 친수성계면과 연결되는 제3 친수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제3 친수성계면과 대향하도록 상기 제3 채널의 타측 내면에 형성되며, 기체를 유도하는 제3 소수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제2 채널의 단부에서 분기되어 형성되는 제4 채널과 제5 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제4 채널의 일측 내면에 형성되며, 상기 제2 소수성계면과 연결되는 제4 소수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제5 채널의 일측 내면에 형성되며, 상기 제2 친수성계면과 연결되는 제5 친수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리.
  21. 멤브레인과, 상기 멤브레인의 일면에 결합되어 연료를 산화시키는 연료극 및 상기 멤브레인의 타면에 결합되어 산화제를 환원시키는 공기극을 포함하는 막-전극 어셈블리와;
    상기 막-전극 어셈블리의 양 측면에 위치하며 기체 유로가 구비된 세퍼레이터와;
    상기 연료극에 연료를 공급하는 연료공급부; 및
    상기 공기극에 산화제를 공급하는 산화제공급부를 포함하되,
    상기 연료극과 상기 공기극 중 적어도 하나는,
    전극기재와;
    상기 전극기재에 형성되고, 두께가 100 내지 110 ㎛ 인 제1 채널과;
    상기 제1 채널의 일측 내면에 형성되며 액체를 유도하는 제1 친수성계면; 및
    상기 제1 친수성계면과 대향하도록 형성되며 기체를 유도하는 제1 소수성계면을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  22. 삭제
  23. 제21항에 있어서,
    상기 제1 채널의 단부에서 분기되어 형성되는 제2 채널과 제3 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제2 채널의 일측 내면에 형성되며, 상기 제1 소수성계면과 연결되는 제2소수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제2 소수성계면과 대향하도록 상기 제2 채널의 타측 내면에 형성되며, 액체를 유도하는 제2 친수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 제3 채널의 일측 내면에 형성되며, 상기 제1 친수성계면과 연결되는 제3 친수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제3 친수성계면과 대향하도록 상기 제3 채널의 타측 내면에 형성되며, 기체를 유도하는 제3 소수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 제2 채널의 단부에서 분기되어 형성되는 제4 채널과 제5 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 제4 채널의 일측 내면에 형성되며, 상기 제2 소수성계면과 연결되는 제4 소수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 제5 채널의 일측 내면에 형성되며, 상기 제2 친수성계면과 연결되는 제5 친수성계면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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