KR101063461B1 - 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

연료 전지가 개시된다. 전해질 막(electrolyte membrane), 전해질 막의 일면에 형성되는 애노드(anode), 및 타면에 형성되는 캐소드(cathode)를 구비하는 막 전극 접합체(MEA, membrane-electrode assembly), 및 표면에 유로가 형성되고, 유로가 막 전극 접합체를 향하도록 막 전극 접합체에 적층되는 보조 전원을 포함하는 연료 전지(fuel cell)가 제공된다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 막 전극 접합체에서 발생되는 전기 에너지의 급격한 변화를 보전(補塡)할 수 있음과 동시에, 연료 전지의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
연료 전지, 보조 전원

Description

연료 전지{Fuel cell}
본 발명은 연료 전지에 관한 것이다.
최근, 휴대용 전자 기기가 소형화되고, 기능이 다양해짐에 따라, 전자 기기에 전기 에너지를 공급하는 전원의 고효율화와 사용 시간의 증대가 요구되고 있다. 이에, 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 연료 전지(fuel cell)는 기존의 휴대용 전원의 문제점인 효율과 수명을 획기적으로 증가 시킬 수 있는 새로운 대체 방법으로 그 중요성이 증가되고 있다.
종래 기술에 따른 연료 전지는, 애노드(anode), 캐소드(cathode) 및 전해질 막으로 구성되는 막 전극 접합체(membrane electrode assembly)의 산화 및 환원 반응을 통하여, 전기 에너지를 발생시킨다.
그러나, 이와 같은 종래 기술에 따르면, 막 전극 접합체의 전기 에너지 생산이 불균일한 문제가 있고, 이를 방지하기 위해 별도의 보조 장치를 부가하는 경우 연료 전지의 사이즈가 증가하는 문제가 있다.
본 발명은, 막 전극 접합체에서 발생되는 전기 에너지의 급격한 변화를 보전(補塡)하면서도, 사이즈가 감소되는 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전해질 막(electrolyte membrane), 전해질 막의 일면에 형성되는 애노드(anode), 및 타면에 형성되는 캐소드(cathode)를 구비하는 막 전극 접합체(MEA, membrane-electrode assembly), 및 표면에 유로가 형성되고, 유로가 막 전극 접합체를 향하도록 막 전극 접합체에 적층되는 보조 전원을 포함하는 연료 전지(fuel cell)가 제공된다.
이 때, 보조 전원은 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery)일 수 있다.
또한, 보조 전원은, 유로가 애노드를 향하도록 애노드에 적층될 수 있다.
그리고, 캐소드에 적층되며, 캐소드로 외부 공기가 공급되도록 개구부가 형성되는 엔드 플레이트(end plate)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 막 전극 접합체에서 발생되는 전기 에너지의 급격한 변화를 보전(補塡)할 수 있고, 연료 전지의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 연료 전지의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 적층이라 함은, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지(100)를 나타낸 분해 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지(100)를 나타낸 단면도이다.
본 실시예에 따르면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전해질 막(electrolyte membrane, 112), 전해질 막(112)의 일면에 형성되는 애노드(anode, 114), 및 타면에 형성되는 캐소드(cathode, 116)를 구비하는 막 전극 접합체(MEA, membrane-electrode assembly, 110), 및 표면에 유로(122)가 형성되고, 유로(122)가 막 전극 접합체(110)를 향하도록 막 전극 접합체(110)에 적층되는 보조 전원(120)을 구비하는 연료 전지(fuel cell, 100)가 제시된다.
이와 같은 본 실시예에 따르면, 보조 전원(120)을 사용함으로써, 막 전극 접합체(110)에서 발생되는 전기 에너지의 급격한 변화를 보전(補塡)할 수 있고, 한 쌍의 엔드 플레이트 중 전부 또는 일부를 보조 전원(120)으로 대체함으로써, 연료 전지(100)의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 각 구성에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
막 전극 접합체(110)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전해질 막(112), 전해질 막(112)의 일면에 형성되는 애노드(114), 및 타면에 형성되는 캐소드(116)를 구비한다. 즉, 막 전극 접합체(110)는, 애노드(114) 및 캐소드(116)와, 이들 사이에 개재되는 전해질 막(112)으로 이루어져, 화학 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 것이다.
여기서, 전해질 막(112)은, 애노드(114)와 캐소드(116) 사이에 개재되어 애노드(114)의 산화 반응에 의하여 발생되는 수소 이온을 캐소드(116)로 이동시킬 수 있으며, 고분자 물질이 이용될 수 있다.
또한, 애노드(114)는, 전해질 막(112)의 일면에 형성되며 수소 또는 메탄올과 같은 연료를 공급 받아 애노드(114)의 촉매층에서 산화 반응을 일으켜 수소 이온과 전자를 발생시키고, 캐소드(116)는, 전해질 막(112)의 타면에 형성되며 산소 및 애노드(114)에서 발생된 수소 이온과 전자를 공급 받아 캐소드(116)의 촉매층에서 환원 반응을 일으켜 물을 발생시킨다.
애노드(114) 및 이와 대응되는 캐소드(116)에서는 연료의 종류에 따라 다음의 화학식 1 또는 2과 같은 화학 반응이 일어나 전기 에너지를 발생시킬 수 있으며, 여기서, 화학식 1은 애노드(114)에 공급되는 연료가 수소인 경우이며, 화학식 2는 애노드(114)에 공급되는 연료가 메탄올인 경우를 제시한 것이다.
애노드(114): H2 -> H+ + 2e-
캐소드(116): O2 + 4H+ + 4e- -> H2O
전반응: 2H2 + O2 -> H2O
애노드(114): CH3OH + H2O -> CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드(116): 1.5O2 + 6H+ + 6e- -> 3H2O
전반응: CH3OH + 1.5O2 -> CO2 + 2H2O
한편, 보조 전원(120)은, 표면에 유로(122)가 형성되고, 유로(122)가 막 전극 접합체(110)를 향하도록 막 전극 접합체(110)에 적층된다. 이와 같이, 보조 전원(120)을 사용하여 하이브리드(hybrid) 형태의 연료 전지(100)를 구현함으로써, 막 전극 접합체(110)에서 발생되는 전기 에너지의 급격한 변화를 보조 전원(120)을 통해 보전(補塡)할 수 있다.
이 때, 보조 전원(120)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 보조 전원(120)의 외부 케이스(case)에는, 상술한 연료가 공급되는 유로(122)가 형성되며, 이 유로(122)가 막 전극 접합체(110)의 애노드(114)를 향하도록 애노드(114)에 적층된다.
일반적으로 막 전극 접합체(110)는, 양면에 한 쌍의 엔드 플레이트(end plate)가 적층되는데, 본 실시예의 경우, 엔드 플레이트 중 애노드(114) 측의 엔드 플레이트를 보조 전원(120)으로 대체함으로써, 연료 전지(100)의 전체 사이즈를 감소시킬 수 있는 것이다.
본 실시예의 경우, 한 쌍의 엔드 플레이트 중, 애노드(114) 측의 엔드 플레이트만을 보조 전원(120)으로 대체하는 경우를 일 예로서 제시하였으나, 이외에도, 캐소드(116) 측의 엔드 플레이트를 보조 전원(120)으로 대체하거나, 애노드(114) 및 캐소드(116) 측 모두의 엔드 플레이트를 보조 전원(120)으로 대체할 수 있으며, 이 역시 본 발명의 권리범위에 해당됨은 물론이다.
이 때, 보조 전원(120)으로, 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery)를 사용할 수 있다. 이와 같은 리튬 폴리머 전지는, 다양한 사이즈 및 형상으로 제조할 수 있고 두께도 2mm 이하로 제작할 수 있으므로, 결과적으로 연료 전지(100)에 있어 형상의 자유도를 증가시키고, 사이즈를 감소시킬 수 있다.
한편, 엔드 플레이트(130)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드(116)에 적층되며, 캐소드(116)로 외부 공기가 공급되도록 개구부(132)가 형성된다. 즉, 캐소드(116)에 적층되는 엔드 플레이트(130)에는, 캐소드(116)에 외부 공기가 공급되도록 개구부(132)가 형성되는 것이다.
이와 같이 개구부(132)가 형성된 엔드 플레이트(130)를 막 전극 접합체(110)의 캐소드(116)에 적층함으로써, 별도의 부가 장치 없이도 자연 대류에 의해 외부의 공기로부터 산소를 공급 받아 연료 전지(100)가 작동될 수 있으므로, 연료 전지(100) 전체의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지를 나타낸 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지를 나타낸 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 연료 전지(fuel cell)
110: 막 전극 접합체(MEA, membrane-electrode assembly)
112: 전해질 막(electrolyte membrane)
114: 애노드(anode) 116: 캐소드(cathode)
120: 보조 전원 122: 유로
130: 엔드 플레이트(end plate) 132: 개구부

Claims (3)

  1. 전해질 막(electrolyte membrane), 상기 전해질 막의 일면에 형성되는 애노드(anode), 및 타면에 형성되는 캐소드(cathode)를 구비하는 막 전극 접합체(MEA, membrane-electrode assembly); 및
    표면에 유로가 형성되고, 상기 유로가 상기 막 전극 접합체를 향하도록 상기 막 전극 접합체에 적층되는 보조 전원을 포함하고,
    상기 보조 전원의 외부 케이스에 상기 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지(fuel cell).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 전원은 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery)인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보조 전원은, 상기 유로가 상기 애노드를 향하도록 상기 애노드에 적층되며,
    상기 캐소드에 적층되며, 상기 캐소드로 외부 공기가 공급되도록 개구부가 형성되는 엔드 플레이트(end plate)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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