KR101409180B1 - 공기호흡형 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전기생성 반응이 일어나는 애노드, 이온전도막 및 캐소드를 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리와, 상기 멤브레인-전극 어셈블리의 양측에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 전기발생부와, 상기 전기발생부에 수소(H2)를 포함하는 연료를 공급하기 위한 연료공급부 및 상기 연료공급부로부터 공급되는 연료를 상기 전기발생부에 선택적으로 공급하기 위한 연료공급제어부를 포함하며, 상기 바이폴라 플레이트의 제1면에 복수의 리브와 복수의 채널이 구비되고, 제2면은 평평한 플레이트 구조로 이루어지며, 상기 바이폴라 플레이트의 제2면이 상기 애노드에 접촉되게 적층되고, 복수의 리브와 복수의 채널을 구비하는 상기 바이폴라 플레이트의 제1면이 상기 캐소드에 접촉되게 적층되며, 상기 리브와 상기 캐소드가 접촉되고, 상기 리브 사이의 상기 채널을 통해 공급된 공기가 상기 캐소드와 접촉되는 구조를 이루는 공기호흡형 연료전지 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 외부 공기가 바이폴라 플레이트에 형성된 리브 사이의 공간인 채널을 통해 자유롭게 드나들 수 있고 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 유입된 공기가 캐소드로 직접 유입되어 반응을 일으키는 공기호흡형(air-breathing) 구조를 이루며, 산화제 공급장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능하다.

Description

공기호흡형 연료전지 시스템{Air-breathing fuel cell system}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 공기가 바이폴라 플레이트에 형성된 리브 사이의 공간인 채널을 통해 자유롭게 드나들 수 있고 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 유입된 공기가 캐소드로 직접 유입되어 반응을 일으키는 공기호흡형(air-breathing) 구조를 이루며, 산화제 공급장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능한 공기호흡형 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 산화 반응에 의해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 전기화학 전지이다. 연료 전지는 청정 에너지원으로서 단위 전지의 적층에 의한 스택(stack) 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있다.
최근 전자기기의 디지털 컨버전스 추세에 맞춰 소비전력이 비약적으로 높아짐에 따라 성능이 높은 연료전지에 대한 수요가 크게 증가하고 있으며, 고효율 및 고용량의 장점을 가지는 이온도전막(Proton Exchange Membrane: PEM) 연료전지가 각광받고 있다.
그러나, 일반적인 연료전지 시스템은 산소 또는 공기와 같은 산화제를 전기발생부로 공급하는 역할을 하는 공기 펌프와 같은 산화제 공급장치가 필요하며, 따라서 가격과 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있다.
또한, 종래의 연료전지 시스템은 물 회수장치를 구비하여야 하므로 가격과 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있다.
또한, 종래의 연료전지 시스템은 연료전지의 원활한 가동을 위해 전기발생부에 냉각수가 흐르기 위한 냉각수관, 냉각수 저장탱크, 냉각수 펌프 등과 같은 부피가 큰 열 회수장치를 구비하여야 하므로 가격 및 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있다.
또한, 종래의 연료전지 시스템은 별도의 가습 장치를 필요로 하므로 가습 장치를 구동하기 위하여 소비전력 및 가격이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있다.
한편, 연료전지는 수소(H2)를 포함하는 원료를 사용하는데, 원료공급원으로서 고압 수소 저장 방식은 휴대용 등에 사용하기는 사실상 불가능하며 상당한 위험요소를 내재하고 있으며, 고체수소화합물 수소저장합금 또한 자체 무게로 인하여 상용화에 많은 어려움이 있다.
이러한 문제를 해결할 수 있는 방법으로 제시되고 있는 수소저장법 중 하나로 수소화합물 또는 수소저장합금이 용해된 용액과 촉매가 접촉하여 수소를 발생시키는 방식이 있다. 이는 수용액 상태로 저장됨으로 매우 안전하며 또한 물 분자를 분해하여 수소를 발생시키므로 수소저장용량이 매우 커 휴대용 기기 또는 중대형 기기에도 적용이 가능하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 외부 공기가 바이폴라 플레이트에 형성된 리브 사이의 공간인 채널을 통해 자유롭게 드나들 수 있고 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 유입된 공기가 캐소드로 직접 유입되어 반응을 일으키는 공기호흡형(air-breathing) 구조를 이루며, 산화제 공급장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능한 공기호흡형 연료전지 시스템을 제공함에 있다.
본 발명은, 전기생성 반응이 일어나는 애노드, 이온전도막 및 캐소드를 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리와, 상기 멤브레인-전극 어셈블리의 양측에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 전기발생부와, 상기 전기발생부에 수소(H2)를 포함하는 연료를 공급하기 위한 연료공급부 및 상기 연료공급부로부터 공급되는 연료를 상기 전기발생부에 선택적으로 공급하기 위한 연료공급제어부를 포함하며, 상기 바이폴라 플레이트의 제1면에 복수의 리브와 복수의 채널이 구비되고, 제2면은 평평한 플레이트 구조로 이루어지며, 상기 바이폴라 플레이트의 제2면이 상기 애노드에 접촉되게 적층되고, 복수의 리브와 복수의 채널을 구비하는 상기 바이폴라 플레이트의 제1면이 상기 캐소드에 접촉되게 적층되며, 상기 리브와 상기 캐소드가 접촉되고, 상기 리브 사이의 상기 채널을 통해 공급된 공기가 상기 캐소드와 접촉되는 구조를 이루는 공기호흡형 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 캐소드의 촉매층에서 생성된 물이 외부로 방출되는 것이 억제되어 상기 애노드로 전달되고, 상기 물이 상기 애노드로 전달되는 과정에서 상기 이온전도막의 수화(hydration) 및 수소 가습이 진행됨으로써 자가가습이 이루어진다.
상기 캐소드는 소수성 확산층과 촉매층을 포함하며, 상기 소수성 확산층은 제1 소수성 확산층 및 제2 소수성 확산층을 포함하는 복수의 소수성 확산층으로 이루어질 수 있다.
제1항에 있어서, 상기 제1 소수성 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이퍼 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 10∼20중량부 함유되며, 제2 소수성 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이터 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 30∼40중량부 함유되며, 상기 제1 소수성 확산층이 상기 캐소드의 촉매층과 이웃하게 배치되고, 상기 제2 소수성 확산층은 상기 제1 소수성 확산층과 이웃하면서 상기 바이폴라 플레이트의 채널과 이웃하게 배치될 수 있다.
상기 캐소드는 전체 기공율이 30∼50% 범위인 것이 바람직하다.
상기 애노드는 소수성 확산층과 촉매층을 포함하며, 상기 애노드의 소수성 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이퍼 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 2∼5중량부 함유되는 것이 바람직하다.
상기 리브는 상기 바이폴라 플레이트의 제1면에 일정한 간격을 두고 직선 상태로 돌출되게 구비되고, 상기 리브는 폭이 1.0∼1.5㎜ 이고 높이는 1.0∼1.5㎜ 이며, 상기 리브 사이의 공간으로서 연료 또는 산소가 이동되는 공간을 제공하는 상기 채널은 일정한 간격을 두고 직선 상태로 배치되며, 상기 리브의 사이의 간격인 상기 채널의 폭은 1.0∼2.0㎜ 인 것이 바람직하다.
상기 공기호흡형 연료전지 시스템은, 상기 전기발생부에서 발생된 열을 식히기 위한 냉각팬을 더 포함하며, 상기 냉각팬에 의해 외부의 찬 공기를 전기발생부에 불어넣어 줌으로써 상기 전기발생부 내의 열을 냉각하며, 상기 냉각팬을 통해 공급된 공기는 상기 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 멤브레인-전극 어셈블리에 도달하게 되고, 상기 멤브레인-전극 어셈블리를 냉각시킨 후 데워진 공기는 상기 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 외부로 배출되게 구성될 수 있다.
상기 연료공급부는 상기 전기발생부에 수소(H2)를 포함하는 원료를 공급하기 위해 상온에서 수소(H2) 흡방출이 가능한 TiMn2계 수소저장합금 카트리지를 이용할 수 있다.
상기 TiMn2계 수소저장합금 카트리지는 (Ti1 - xZrx)(Mn2 -y(V,Ni,Fe,Cr)y)2 (여기서, x는 0 이거나 1보다 작은 실수이고 y는 0 이거나 2보다 작은 실수) 수소저장합금으로 이루어질 수 있다.
상기 TiMn2계 수소저장합금 카트리지의 평형수소압은 3＜PH2＜10기압 범위인 것이 바람직하다.
종래의 연료전지 시스템은 산소 또는 공기와 같은 산화제를 전기발생부로 공급하는 역할을 하는 공기 펌프와 같은 산화제 공급장치가 필요하였다. 그러나, 본 발명의 공기호흡형 연료전지 시스템은 외부 공기가 바이폴라 플레이트에 형성된 리브 사이의 공간인 채널을 통해 자유롭게 드나들 수 있고 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 유입된 공기는 공기극인 캐소드와 접촉하도록 설계되어 있으므로 캐소드로 유입되어 반응을 일으키게 된다. 따라서, 본 발명의 공기호흡형 연료전지 시스템은 산화제 공급장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능한 장점이 있다.
또한, 종래의 연료전지 시스템은 물 회수장치를 구비하여야 하므로 가격과 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템은 캐소드의 촉매층에서 생성된 물(H2O)은 외부로 방출하지 않고 이를 이온전도막의 수화(hydration) 및 수소 가습에 이용할 수 있고 이를 통해 자가가습(self-humidified)형 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)로 기능할 수 있으므로, 물 회수장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능한 장점이 있다.
또한, 캐소드의 촉매층에서 생성된 물(H2O)은 외부로 방출하지 않고 이를 이온전도막의 수화(hydration) 및 수소 가습에 이용할 수 있으므로 별도의 가습 장치도 요구되지 않는다.
또한, 종래의 연료전지 시스템은 연료전지의 원활한 가동을 위해 전기발생부에 냉각수가 흐르기 위한 냉각수관, 냉각수 저장탱크, 냉각수 펌프 등과 같은 부피가 큰 열 회수장치를 구비하여야 하므로 가격 및 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템은 단순히 외부 공기를 불어넣어 줄 수 있는 소형의 냉각팬이 필요할 따름이고 부피를 크게 차지하는 열 회수장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템의 경우 수소(H2) 유량의 제어를 위해 연료 펌프나 연료 펌프를 구동하기 위한 모터 등과 같은 별도의 장치를 필요치 않으며, 이러한 연료 펌프나 연료 펌프를 구동하기 위한 모터 등과 같은 장치가 필요없으므로 전체 시스템의 크기나 가격 및 소비 전력을 낮출 수 있다.
도 1은 공기호흡형 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 리브(rib) 구조를 갖는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 'A' 부분의 확대도로서 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)의 리브(rib) 구조를 자세하게 보여주는 도면이다.
도 5는 멤브레인-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)를 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 7은 바이폴라 플레이트, 멤브레인-전극 어셈블리(MEA) 및 바이폴라 플레이트가 순차적으로 적층된 모습을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 공기호흡형 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2 및 도 3은 리브(rib) 구조를 갖는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 4는 도 3의 'A' 부분의 확대도로서 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)의 리브(rib) 구조를 자세하게 보여주는 도면이다. 도 5는 멤브레인-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 6은 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)를 보다 구체적으로 도시한 도면이다. 도 7은 바이폴라 플레이트, 멤브레인-전극 어셈블리(MEA) 및 바이폴라 플레이트가 순차적으로 적층된 모습을 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 상기 공기호흡형 연료전지 시스템은 멤브레인-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(120) 및 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(130)를 포함하는 전기발생부(100), 수소(H2)를 포함하는 연료를 전기발생부(100)로 공급하는 연료 공급부(300) 및 상기 연료공급부(300)로부터 공급되는 연료를 전기발생부(100)에 선택적으로 공급하기 위한 연료공급제어부(310)를 포함한다.
공기호흡형 연료전지 시스템은 수소(H2)와 산소(O2)를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 전기발생부(100)를 포함한다. 전기발생부(100)는 수소(H2)와 산소(O2)의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 단위 셀(cell)(110)을 포함한다. 전기발생부(100)는 전기 에너지를 발생시키는 최소 단위로서 단위 셀(cell)(110)을 구비하며, 복수 개(예컨대, 수 개 또는 수십 개)의 단위 셀들이 연속적으로 적층 배열된 스택(stack)을 이룰 수도 있다. 통상적으로 이러한 단위 셀(110) 하나에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 여러 개의 셀(110)을 직렬로 연결한 스택(stack)의 형태로 사용하게 된다. 이러한 스택은 멤브레인-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)(120)와 바이폴라 플레이트(130)를 포함하는 단위 셀(110)이 복수 개(예컨대, 수 개 내지 수십 개)로 적층된 구조를 가진다. 그리고, 전기발생부(100)는 스택의 최 외측에 엔드 플레이트(미도시)가 각각 결합될 수 있다.
전기발생부(100)의 셀(110)은 멤브레인-전극 어셈블리(120)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(130)를 포함하며, 연료의 산화 반응 및 산소의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다. 상기 전기발생부(100)는 수소와 산소를 산화 및 환원 반응시키는 멤브레인-전극 어셈블리(120)와, 멤브레인-전극 어셈블리(120)의 양측에 구비되어 수소와 산소를 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(130)를 포함한다.
바이폴라 플레이트(130)는 제1면(136)에 복수의 리브(Rib)(132)와 복수의 채널(134)을 구비한다. 바이폴라 플레이트(130)의 제2면(138)은 평평한 플레이트 구조로 이루어질 수 있다. 리브(132)는 바이폴라 플레이트(130)의 제1면(136)에 일정한 간격을 두고 직선 상태로 돌출되게 구비된다. 리브(132)는 폭(width)이 1.0∼1.5㎜ 정도인 것이 바람직하며, 높이(height)는 1.0∼1.5㎜ 정도인 것이 바람직하다. 리브(132)의 사이의 간격인 채널(134)의 폭은 1.0∼2.0㎜ 정도인 것이 바람직하다.
채널(134)은 리브(132) 사이의 공간으로서 연료 또는 산소가 이동되는 공간을 제공한다. 채널(134)은 일정한 간격을 두고 직선 상태로 배치된다.
바이폴라 플레이트(130)는 흑연 또는 니켈(Ni)-크롬(Cr)계 합금 등의 재질로 형성될 수 있다.
바이폴라 플레이트(130)의 제2면(138)이 연료극인 애노드(124)에 접촉되게 적층되며, 복수의 리브(Rib)(132)와 복수의 채널(134)을 구비하는 바이폴라 플레이트(130)의 제1면(136)이 공기극인 캐소드(126)에 접촉되게 적층된다. 리브(132)와 캐소드(126)가 접촉되고, 리브(132) 사이의 채널(134)을 통해 공급된 공기가 캐소드(126)와 접촉되는 구조를 이룬다. 외부 공기가 바이폴라 플레이트(130)에 형성된 리브(132) 사이의 공간인 채널(134)을 통해 자유롭게 드나들 수 있고 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)을 통해 유입된 공기가 캐소드(126)로 직접 유입되어 반응을 일으키는 공기호흡형(air-breathing) 구조를 이룬다.
상기 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(120)는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 이온전도막(122)을 사이에 두고 애노드("연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)(124)와 캐소드("공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)(126)가 배치되는 구조를 가진다. 상기 멤브레인-전극 어셈블리(120)는 서로 대향하는 캐소드(126) 및 애노드(124)를 포함하며, 이 캐소드(126)와 애노드(124) 사이에 위치하는 이온전도막(122)을 포함한다.
수소를 함유하는 연료는 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(120)의 애노드(124)로 유입된다. 전기발생부(100)의 각 셀(110)에는 바이폴라플레이트(130)의 채널(134)을 통해 산소(O2)가 공급된다. 전기발생부(100)에 수소(H2)와 산소(O2)를 공급하면, 수소(H2)는 애노드(124)에 공급되고 산소(O2)는 캐소드(126)에 공급되게 된다. 수소(H2)는 애노드(124)로 공급되고, 산소(O2)를 포함하는 공기(air)는 캐소드(126)와 접촉하는 바이폴라 플레이트(130)의 해당 채널(134)을 통과하면서 반응을 일으키게 된다.
상기 이온전도막(122)은 애노드(124)의 촉매층(124a)에서 생성된 수소 이온(H+)을 캐소드(126)의 촉매층(126a)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 한다. 이온전도막(122)은 퍼플루오르화 양자-교환막 물질인 나피온(Nafion)으로부터 형성되는 것이 바람직하며, 나피온은 테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로비닐에테르술폰산의 공중합체이다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드(124)로 공급되어 애노드(124)의 촉매층(124a)에 흡착되고, 연료가 산화되어 수소 이온(H+)과 전자(e-)를 생성시키고, 이때 발생된 전자(e-)는 외부 회로에 따라 공기극인 캐소드(126)에 도달하며, 수소 이온(H+)은 이온전도막(122)을 통과하여 캐소드(126)로 전달된다.
캐소드(126)로 산소(O2)를 포함하는 공기(air)가 공급되고, 상기 공기, 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 캐소드(126)의 촉매층(126a)에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
캐소드(126)에 산소(O2)를 포함한 공기가, 애노드(124)에 수소를 함유한 연료가 공급되면, 물의 전기분해와 역반응이 진행되면서 전기가 발생하게 된다.
애노드(124)와 캐소드(126)에서 일어나는 반응은 다음과 같은 반응식으로 나타낼 수 있다.
연료극인 애노드(124)에서는 아래의 반응식 1과 같은 반응이 일어난다.
[반응식 1]
H2 → 2H+ + 2e-
공기극인 캐소드(126)에서는 아래의 반응식 2와 같은 반응이 일어난다.
[반응식 2]
1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체 반응은 H2 + 1/2O2 → H2O 와 같이 수소와 산소가 반응하여 물을 생성하는 반응이다.
캐소드(126)의 촉매층(126a)에서 생성된 물(H2O)은 외부로 방출되지 않고 애노드(124)로 전달된다. 이 과정에서 이온전도막(122)의 수화(hydration) 및 수소 가습이 진행된다. 이와 같이 이온전도막(122)의 수화(hydration) 및 수소 가습을 통해 자가가습(self-humidified)형 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(120)로 기능할 수 있게 된다.
캐소드(126)의 촉매층(126a)에서 생성된 물(H2O)이 외부로 방출되는 것을 억제하기 위해 캐소드(126)는 소수성(hydrophobicity) 확산층(126b, 126c)과 촉매층(126a)을 포함한다. 소수성 확산층은 제1 소수성 확산층(126b) 및 제2 소수성 확산층(126c)과 같이 적어도 2개의 소수성 확산층으로 이루어지는 것이 바람직하다.
제1 소수성 확산층(126b)은 카본 페이퍼(carbon paper) 또는 카본 시트(carbon sheet)에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE)이 복합화된 소재로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 카본 페이퍼 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 10∼20중량부 함유되는 것이 바람직하다.
제2 소수성 확산층(126c)은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 복합화된 소재로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 카본 페이터 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 30∼40중량부 함유되는 것이 바람직하다.
제1 소수성 확산층(126b)이 캐소드(126)의 촉매층(126a)과 이웃하게 구비되고, 제2 소수성 확산층(126c)이 제1 소수성 확산층(126b)과 이웃하면서 캐소드(126)의 가장자리(외곽)에 구비되고, 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)과 이웃하게 구비되는 것이 바람직하다.
이와 같은 캐소드(126)의 소수성 확산층(126b, 126c)에 의하여 캐소드(126)의 촉매층(126a)에서 생성된 물(H2O)은 외부로 방출되지 못하고 애노드(124) 쪽으로 이동하면서 이온전도막(122)의 수화(hydration) 및 수소 가습이 진행되게 된다.
또한, 산소(O2)를 포함하는 공기의 원활한 유입과 물의 외부 방출을 억제하기 위해 캐소드(126)의 전체 기공율은 30∼50% 정도의 범위인 것이 바람직하다.
애노드(124)는 소수성 확산층(124b)과 촉매층(124a)을 포함한다. 애노드(124)의 소수성 확산층(124b)은 카본 페이퍼 또는 카본 시트(에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 복합화된 소재로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 카본 페이 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 2∼5중량부 함유되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템은 캐소드(126)의 촉매층(126a)에서 생성된 물(H2O)은 외부로 방출하지 않고 이를 이온전도막(122)의 수화(hydration) 및 수소 가습에 이용할 수 있으며, 따라서 물 회수장치가 필요 없으므로 소형화가 가능한 장점이 있다. 종래의 연료전지 시스템은 물 회수장치를 구비하여야 하므로 가격 및 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템은 물 회수장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능한 장점이 있다.
또한, 캐소드(126)의 촉매층(126a)에서 생성된 물(H2O)은 외부로 방출하지 않고 이를 이온전도막(122)의 수화(hydration) 및 수소 가습에 이용할 수 있으므로 별도의 가습 장치도 요구되지 않는다.
한편, 전기화학반응 과정에서는 전기 뿐 아니라 열도 같이 발생한다. 따라서, 연료전지의 원활한 가동을 위해서는 이 열을 계속해서 식혀줄 필요가 있다. 이를 위해 공기호흡형 연료전지 시스템에는 전기발생부(100)에서 발생된 열을 식히기 위한 냉각팬(200)이 구비될 수 있다. 따라서, 별도의 가습 장치 없이 냉각팬(200)에 의해 찬 공기를 전기발생부(100)에 불어넣어 줌으로써 전기발생부(100) 내의 열을 냉각할 수 있다. 냉각팬(200)을 통해 공급된 공기는 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)을 통해 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(120)에 도달하게 되고, 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(120)에서 발생된 열을 식힐 수가 있으며, 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)(120)를 냉각시킨 후 데워진 공기는 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)을 통해 외부로 배출되게 된다.
종래의 연료전지 시스템은 연료전지의 원활한 가동을 위해 전기발생부에 냉각수가 흐르기 위한 냉각수관, 냉각수 저장탱크, 냉각수 펌프 등과 같은 부피가 큰 열 회수장치를 구비하여야 하므로 가격 및 소비전력이 높아지고 소형화에 어려운 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템은 단순히 외부 공기를 불어넣어 줄 수 있는 소형의 냉각팬(200)이 필요할 따름이고 부피를 크게 차지하는 열 회수장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능한 장점이 있다.
냉각팬(200)의 적절한 제어를 통해 수분 및 열 관리를 수행하여 연료전지 시스템을 운전하는 것이 가능하므로 매우 효율적이고 경제적이다.
또한, 종래의 연료전지 시스템은 산소 또는 공기와 같은 산화제를 전기발생부로 공급하는 역할을 하는 공기 펌프와 같은 산화제 공급장치가 필요하였다. 그러나, 본 발명의 공기호흡형 연료전지 시스템은 외부 공기가 바이폴라 플레이트(130)에 형성된 리브(132) 사이의 공간인 채널(134)을 통해 자유롭게 드나들 수 있고 바이폴라 플레이트(130)의 채널(134)을 통해 유입된 공기는 공기극인 캐소드(126)와 접촉하도록 설계되어 있으므로 캐소드(126)로 유입되어 반응을 일으키게 된다. 따라서, 본 발명의 공기호흡형 연료전지 시스템은 산화제 공급장치가 필요없어 생산 가격 및 소비전력을 낮출 수 있고 소형화가 가능한 장점이 있다.
연료공급부(300)는 전기발생부(100)에 수소(H2)를 공급하는 역할을 한다. 연료공급부(300)에서 공급되는 수소를 함유하는 연료로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, LNG(liquefied natural gas), LPG(liquefied petroleum gas)와 같은 탄화수소계 연료, 기체 또는 액체 상태의 수소(H2) 등이 사용될 수 있다.
한편, 일반적인 연료전지는 수소(H2)를 포함하는 원료를 사용하는데, 원료공급원으로서 고압 수소 저장 방식은 휴대용 기기 등에 사용하기는 사실상 불가능하며 상당한 위험요소를 내재하고 있다.
이러한 점을 고려하여 연료공급부(300)는 전기발생부(100)에 수소(H2)를 공급하기 위해 상온에서 수소(H2) 흡방출이 가능한 AB2계 상온용 수소저장합금 카트리지를 이용할 수 있다.
상기 AB2계 상온용 수소저장합금은 TiMn2계 수소저장합금으로서 상기 A 사이트(site)에는 Ti이 위치하고 여기에 Zr이 선택적으로 포함될 수 있고 상기 B 사이트에는 Mn이 위치하고 여기에 V, Ni, Fe, 및 Cr 중에서 선택된 1종 이상의 금속이 선택적으로 포함될 수 있다. 이와 같은 TiMn2계 수소저장합금은 (Ti1 - xZrx)(Mn2 -y(V,Ni,Fe,Cr)y)2 (여기서, x는 0 이거나 1보다 작은 실수이고 y는 0 이거나 2보다 작은 실수)로 표시될 수 있다.
상기 AB2계 상온용 수소저장합금 카트리지를 이용할 경우에 평형수소압의 범위는 3＜PH2＜10기압 범위인 것이 바람직하다. TiMn2계 수소저장합금의 평형수소압 조절은 Ti 대신에 Zr을 일부 치환하거나 Mn 대신에 V, Ni, Fe, 및 Cr 중에서 선택된 1종 이상의 금속을 일부 치환함으로써 가능하다.
또한, 공기호흡형 연료전지 시스템은 연료공급부(300)로부터 공급되는 연료를 전기발생부(100)에 선택적으로 공급하기 위한 연료공급제어부(310)를 포함한다. 연료공급제어부(310)는 연료의 공급을 선택적으로 온(On)/오프(Off) 할 수 있는 패시브 밸브(Passive Valve) 등이 사용될 수 있다. 연료공급제어부(310)가 개방되면, 연료공급부(300)에서 발생된 수소(H2)를 포함하는 연료가 전기발생부(100)로 공급된다.
본 발명에 따른 공기호흡형 연료전지 시스템의 경우 수소(H2) 유량의 제어를 위해 연료 펌프나 연료 펌프를 구동하기 위한 모터 등과 같은 별도의 장치를 필요치 않으며, 이러한 연료 펌프나 연료 펌프를 구동하기 위한 모터 등과 같은 장치가 필요없으므로 전체 시스템의 크기나 가격 및 소비 전력을 낮출 수 있다.
또한, 공기호흡형 연료전지 시스템은 연료전지제어부(400)를 포함한다. 연료전지제어부(400)는 냉각팬(200)의 구동을 제어하는 역할을 할 수 있다. 또한, 연료전지제어부(400)는 연료공급제어부(210)의 구동(또는 온/오프)을 제어하는 역할을 할 수 있다. 또한, 연료전지제어부(400)는 전기발생부(100)에서 발생된 전기를 변환하는 DC(direct current)/AC(alternating current) 컨버터, 보조전원의 구동, 전기발생부(100)에 연결된 회로의 구동 등을 제어하는 역할을 할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100: 전기발생부
110: 셀
120: 멤브레인-전극 어셈블리
122: 이온전도막
124: 애노드
126: 캐소드
130: 바이폴라 플레이트
132: 리브
134: 채널
200: 냉각팬
300: 연료공급부
310: 연료공급제어부
400: 연료전지제어부

Claims (11)

  1. 전기생성 반응이 일어나는 애노드, 이온전도막 및 캐소드를 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리와, 상기 멤브레인-전극 어셈블리의 양측에 구비되는 바이폴라 플레이트를 포함하는 전기발생부;
    상기 전기발생부에 수소(H2)를 포함하는 연료를 공급하기 위한 연료공급부; 및
    상기 연료공급부로부터 공급되는 연료를 상기 전기발생부에 선택적으로 공급하기 위한 연료공급제어부를 포함하며,
    상기 바이폴라 플레이트의 제1면에 복수의 리브와 복수의 채널이 구비되고, 제2면은 평평한 플레이트 구조로 이루어지며,
    상기 리브는 상기 바이폴라 플레이트의 제1면에 일정한 간격을 두고 직선 상태로 돌출되게 구비되고,
    상기 리브 사이의 공간으로서 연료 또는 산소가 이동되는 공간을 제공하는 상기 채널은 일정한 간격을 두고 직선 상태로 배치되며,
    제1 바이폴라 플레이트의 제2면이 상기 애노드에 접촉되게 적층되고,
    복수의 리브와 복수의 채널을 구비하는 제2 바이폴라 플레이트의 제1면이 상기 캐소드에 접촉되게 적층되며,
    상기 제1 바이폴라 플레이트, 상기 멤브레인-전극 어셈블리(MEA) 및 상기 제2 바이폴라 플레이트가 순차적으로 적층된 구조를 이루고,
    상기 리브와 상기 캐소드가 접촉되고, 상기 리브 사이의 상기 채널을 통해 공급된 공기가 상기 캐소드와 접촉되는 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캐소드의 촉매층에서 생성된 물이 외부로 방출되는 것이 억제되어 상기 애노드로 전달되고, 상기 물이 상기 애노드로 전달되는 과정에서 상기 이온전도막의 수화(hydration) 및 수소 가습이 진행됨으로써 자가가습이 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 캐소드는 소수성 확산층과 촉매층을 포함하며, 상기 소수성 확산층은 제1 소수성 확산층 및 제2 소수성 확산층을 포함하는 복수의 소수성 확산층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 소수성 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이퍼 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 10∼20중량부 함유되며,
    제2 소수성 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이터 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 30∼40중량부 함유되며,
    상기 제1 소수성 확산층이 상기 캐소드의 촉매층과 이웃하게 배치되고,
    상기 제2 소수성 확산층은 상기 제1 소수성 확산층과 이웃하면서 상기 바이폴라 플레이트의 채널과 이웃하게 배치되는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 캐소드는 전체 기공율이 30∼50% 범위인 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 애노드는 소수성 확산층과 촉매층을 포함하며, 상기 애노드의 소수성 확산층은 카본 페이퍼 또는 카본 시트에 소수성을 띠는 폴리테트라플루오로에틸렌이 복합화된 소재로 이루어지고, 상기 폴리테트라플루오로에틸렌은 카본 페이퍼 또는 카본 시트 100중량부에 대하여 2∼5중량부 함유되는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 리브는 폭이 1.0∼1.5㎜ 이고 높이는 1.0∼1.5㎜ 이며,
    상기 리브의 사이의 간격인 상기 채널의 폭은 1.0∼2.0㎜ 인 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전기발생부에서 발생된 열을 식히기 위한 냉각팬을 더 포함하며,
    상기 냉각팬에 의해 외부의 찬 공기를 전기발생부에 불어넣어 줌으로써 상기 전기발생부 내의 열을 냉각하며,
    상기 냉각팬을 통해 공급된 공기는 상기 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 멤브레인-전극 어셈블리에 도달하게 되고, 상기 멤브레인-전극 어셈블리를 냉각시킨 후 데워진 공기는 상기 바이폴라 플레이트의 채널을 통해 외부로 배출되게 구성되는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 연료공급부는 상기 전기발생부에 수소(H2)를 포함하는 원료를 공급하기 위해 상온에서 수소(H2) 흡방출이 가능한 TiMn2계 수소저장합금 카트리지를 이용하는 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 TiMn2계 수소저장합금 카트리지는 (Ti1-xZrx)(Mn2-y(V,Ni,Fe,Cr)y)2 (여기서, x는 0 이거나 1보다 작은 실수이고 y는 0 이거나 2보다 작은 실수) 수소저장합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 TiMn2계 수소저장합금 카트리지의 평형수소압은 3＜PH2＜10기압 범위인 것을 특징으로 하는 공기호흡형 연료전지 시스템.
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