KR101534553B1 - 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는 공기극과 연료극 사이에 전해질막이 배치된 연료전지에 있어서, 상기 공기극은 분할된 복수의 단위양극재를 포함하며, 복수의 상기 단위양극재 각각은 일면이 상기 전해질막과 접하게 제공될 수 있다.

Description

연료전지{Fuel cell}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전해질막과의 열팽창계수 차이에 의한 박리 현상을 방지토록, 공기극이 분할된 복수의 단위양극재를 포함하는 발명에 관한 것이다.

연료전지는 수소를 사용하여 전기를 생산하는데 있어서 가장 효율이 높은 이상적인 에너지 변환장치로 일컬어지고 있으며, 미래 수소사회의 핵심이 되는 기술이 될 것이다. 한편 에너지원과 에너지 저장매체로 화석연료를 사용하는 현 시점에서도 고효율의 친환경적인 에너지전환장치로서의 연료전지는 응용 가능 분야가 다양하고 에너지 절약 및 기타 특수 목적을 위해 현재 세계 각국에서 상용화를 위한 연구가 활발히 진행 중이다.

연료전지(Fuel Cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 에너지 변환 장치이다. 일반적으로 연료전지는 연료극, 공기극 및 상기 연료극과 공기극 사이에 위치하는 전해질막으로 구성된다. 이러한 연료전지는 연료극으로 연료가스가 주입되어 산화되고, 공기극으로 공기가 공급되어 연료극과 공기극 사이에 위치하는 전해질막을 통하여 이온이 이동되어 외부 회로를 경유하는 방식으로 작동된다.

이때 연료극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르게 되며, 이를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 것이다. 따라서 연료전지에서 일어나는 화학반응은 수소와 산소가 만나 물이 되는 반응과 동일하다.

여기서, 상기 공기극은 전류 생성의 효율을 높이기 위해서, 성능이 좋은 양극재를 사용하여야 하며, 성능이 좋은 양극재는 산소공공(Oxygen Vacancy)이 많은 물질이다.

그러나, 이러한 산소공공은 재료의 열팽창계수를 높이기 때문에, 고성능 연료전지를 만들기 위해서는 고 열팽창계수의 양극재를 사용해야 하는 제한이 따른다.

한편, 상기 전해질막과 상기 연료극은 비교적 열팽창계수가 작기 때문에, 고 열팽창계수의 양극재를 사용하는 상기 공기극이 상기 전해질막 상에 형성되기 위해 상온에서 냉각되는 소결과정에서 상기 전해질막과의 열수축 비율의 차이에 의해서 박리(flaking)되는 문제가 발생한다.

이러한 박리현상은 상기 전해질막과 접촉하는 상기 연료극의 일체로 제공되는 면적이 커질수록 심해지는 특징이 있다.

또한, 상기 연료극이 작동 온도에 따라서, 열팽창하는 경우에는 상기 전해질막보다 열팽창 비율이 커지기 때문에, 상기 연료극이 비틀리는 문제도 발생한다.

따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위한 연료전지에 대한 연구가 필요하게 되었다.

본 발명의 목적은 공기극과 전해질막과의 열팽창계수 차이에 의한 열팽창 또는 열수축 비율의 차이에 의해서 발생하는 박리현상 또는 비틀림현상을 방지하는 연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는 공기극과 연료극 사이에 전해질막이 배치된 연료전지에 있어서, 상기 공기극은 분할된 복수의 단위양극재를 포함하며, 복수의 상기 단위양극재 각각은 일면이 상기 전해질막과 접하게 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 단위양극재는 상기 전해질막 전면에 일정 간격으로 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 공기극은 복수의 상기 단위양극재의 타면과 상기 단위양극재 사이의 간극에 형성되는 보강양극재를 더 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 보강양극재는 상기 단위양극재보다 열팽창계수가 작으며, 상기 전해질막의 열팽창계수와 동일할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 공기극은 상기 단위양극재 또는 상기 보강양극재에서 발생한 전자를 수집하도록, 상기 보강양극재에 접하게 형성되는 집전양극재를 더 제공할 수 있다.

본 발명의 연료전지는 공기극이 전해질막과 접하는 부분에 분할된 복수의 단위양극재를 제공함으로써, 상기 전해질막과의 열팽창계수 차이에 의한 박리현상 또는 비틀림현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 공기극은 열팽창계수에 의한 문제가 발생하지 않으므로, 산소공공이 많은 물질을 사용할 수 있기 때문에, 전류 생성 효율을 높여 고성능으로 연료전지를 구성할 수 있는 이점이 발생하게 된다.

도 1은 본 발명의 연료전지를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 연료전지에서 공기극의 단위양극재를 포함하여 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 연료전지에서 공기극의 단위양극재를 포함하여 도시한 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 연료전지에서 공기극의 보강양극재를 포함하여 도시한 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 연료전지에서 공기극의 집전양극재를 포함하여 도시한 측단면도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

본 발명의 연료전지는 전해질막(30)과의 열팽창계수 차이에 의한 박리 현상을 방지토록, 공기극(10)이 분할된 복수의 단위양극재(11)를 제공하는 발명에 관한 것이다.

즉, 본 발명의 연료전지는 공기극(10)이 전해질막(30)과 접하는 부분에 분할된 복수의 단위양극재(11)를 제공함으로써, 상기 전해질막(30)과의 열팽창계수 차이에 의한 박리현상 또는 비틀림현상을 방지할 수 있게 된다.

또한, 상기 공기극(10)은 열팽창계수에 의한 문제가 발생하지 않으므로, 산소공공(Oxygen Vacancy)이 많은 물질을 사용할 수 있기 때문에, 전류 생성 효율을 높여 고성능으로 연료전지를 구성할 수 있게 된다.

구체적으로, 도 1은 본 발명의 연료전지를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 연료전지에서 공기극(10)의 단위양극재(11)를 포함하여 도시한 평면도이며, 도 3은 본 발명의 연료전지에서 공기극(10)의 단위양극재(11)를 포함하여 도시한 측단면도이다.

특히, 도 2의 (a)는 단위양극재(11)를 사각형으로 구성한 실시예를 도시한 것이고, 도 2의 (b)는 단위양극재(11)를 육각형으로 구성한 실시예를 도시한 것이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는 공기극(10)과 연료극(20) 사이에 전해질막(30)이 배치된 연료전지에 있어서, 상기 공기극(10)은 분할된 복수의 단위양극재(11)를 포함하며, 복수의 상기 단위양극재(11) 각각은 일면이 상기 전해질막(30)과 접하게 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 단위양극재(11)는 상기 전해질막(30) 전면에 일정 간격으로 배치될 수 있다.

상기 공기극(10)은 연료전지에서 전자를 받아들이는 양극으로서 작동하는 역할을 하며, 이를 위해서, 단위양극재(11), 보강양극재(12), 집전양극재(13)를 포함할 수 있다.

특히, 공기극(10)의 소재인 양극재가 높은 성능을 발휘하기 위해서는 상기 양극재가 산소공공이 많은 물질로 제공되는 것이 바람직한데, 이러한 산소공공은 재료의 열팽창계수를 높인다.

즉, 상기 산소공공은 공기 속의 산소가 유입될 수 있는 장소로써, 이러한 산소가 많이 존재할 수 있어야, 후술할 연료극(20)에서 방출한 전자를 받아드릴 수 있는 것은 물론, 전자를 발생시킬 수 있는 화학반응이 가능한 산소의 양을 많이 공급할 수 있어 고성능의 연료전지를 구성할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이, 고성능 연료전지을 만들기 위해서는 산소공공이 많은 고 열팽창계수의 양극재를 사용해야 한다.

그러나, 연료전지의 전해질막(30)과 연료극(20)은 상기 공기극(10)에 비하여 열팽창계수가 작으므로 상기 전해질막(30)에 밀착되어 가공되는 공기극(10)의 형성시에 박리 현상이 발생하게 되어 연료전지의 성능을 저하시킨다.

즉, 상기 공기극(10)은 상기 전해질막(30)에 밀착되도록 분사된 후에 상온에서 냉각되어 상기 전해질막(30)과 밀착되어 형성되게 되는데, 상기 공기극(10)을 구성하는 양극재가 상기 전해질막(30)에 비교하여 열팽창계수가 크면, 상온으로 냉각시에 상기 전해질막(30) 보다 더 많이 수축되어 상기 공기극(10)의 면이 갈라져서 떨어져 나가는 박리 현상이 발생하게 되는 것이다.

이러한 박리현상은 공기극(10)의 일체로 형성된 면적이 클수록 발생할 가능성이 더 커지게 되는데, 본 발명은 이러한 원리에 착안하여 상기 단위양극재(11)를 제시한 것이다.

즉, 박리 현상은 상기 양극재의 수축시에 상기 전해질막(30)과의 밀착력이 더 크면 그에 따라 양극재가 갈라지는 현상인데, 상기 양극재의 단위 면적이 작아지면, 상기 전해질막(30)과 밀착하는 부분이 작아져서 밀착력의 집중이 감소되어, 갈라지는 현상을 방지할 수 있는 것이다.

다시 말해, 고 열팽계수를 갖는 양극재의 층을 한 면이 아닌 조각으로 끊어 주어서 열팽창계수 차에 의한 스트레스를 해소시키도록, 상기 단위양극재(11)를 제시한 것이다.

또한, 상기 단위양극재(11)는 상기 전해질막(30)보다 열팽창계수가 크기 때문에, 연료전지의 구동시에 고온 환경에 제시될 수도 있는데, 이때에는 상기 단위양극재(11) 사이의 간극이 상기 단위양극재(11)의 열팽창에 의한 공간을 제공하기 때문에 공기극(10)이 열팽창에 의해 비틀리거나 이탈하는 문제를 방지할 수 있게 된다.

즉, 이러한 조각으로 나누는 방법은 마치 쇠로 만들어진 철도의 라인이 일정한 간격으로 끊어져 있어서 열팽창을 자유로이 해도 휘어짐이 없도록 하는 구조와 비슷한 원리인 것이다.

상기 단위양극재(11)의 형상은 최대한 상기 전해질막(30)의 전면을 덮을 수 있도록, 동일한 형상으로 제공되는 것이 바람직하다. 일례로써, 사각형, 육각형 등의 균일하게 2차원 평면을 채울 수 있는 모양이 있을 수 있으며, 상기 단위양극재(11)의 크기와 간격은 조절하여 면적 손실이 많지 않도록 할 수 있다. 그 밖에, 삼각형 등의 다른 다각형으로도 제시될 수 있다.

한편, 상기 단위양극재(11)는 상기 전해질막(30)의 전면을 최대한 덮기 위해서 일정 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 랜덤하게 배치되면, 상기 전해질막(30)을 효율적으로 덮을 수 없기 때문이다.

상기 단위양극재(11)의 소재로는 BSCF, LSC와 같은 고 열팽창계수를 갖는 양극재가 사용될 수 있으며, 형성 방법은 패턴이 있는 스크린을 통한 인쇄 방법이 사용될 수 있다.

또한, 상기 공기극(10)에는 상기 단위양극재(11) 사이의 간극에 의해 손실되는 화학반응 손실을 방지하기 위해서, 보강양극재(12)가 제공될 수 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 도 4를 참조하여 후술한다.

한편, 상기 공기극(10)의 집전 성능을 향상시키기 위해서, 상기 공기극(10)은 집전양극재(13)도 제공할 수 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 도 5를 참조하여 후술한다.

상기 연료극(20)은 수소계 연료를 공급받아 상기 공기극의 산소와 화학반응에 의해서 전자를 발생시키는 역할을 하며, 상기 전해질막(30)은 상기 연료극(20)과 상기 공기극의 사이에 제공되어 양이온은 통과시키고, 전자가 통과하는 것은 방해하는 역할을 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 연료전지에서 공기극(10)의 보강양극재(12)를 포함하여 도시한 측단면도로써, 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 공기극(10)은 복수의 상기 단위양극재(11)의 타면과 상기 단위양극재(11) 사이의 간극에 형성되는 보강양극재(12)를 더 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 보강양극재(12)는 상기 단위양극재(11)보다 열팽창계수가 작으며, 상기 전해질막(30)의 열팽창계수와 동일할 수 있다.

즉, 상기 보강양극재(12)는 상기 단위양극재(11) 사이에 간극이 존재하여 발생하는 연료전지의 성능저하를 방지하기 위해서 제공될 수 있는 것이다.

여기서, 상기 보강양극재(12)는 상기 단위양극재(11)가 상기 전해질막(30)과 접하는 일면의 반대쪽인 타면에 접하게 제공되는 동시에, 각각의 상기 단위양극재(11) 사이의 간극에 제공됨으로써, 상기 단위양극재(11) 사이의 틈을 메울 수 있게 된다.

이에 의하면, 상기 단위양극재(11) 사이의 간극이 비워져서 집전 성능 내지 화학반응에 의한 전자의 발생을 감소시키는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, 상기 보강양극재(12)는 상기 단위양극재(11)가 상기 전해질막(30)에 비하여 더 많이 열수축 또는 열팽창하는 경우에, 상기 단위양극재(11)의 형상을 유지시키는 지지체로써의 역할도 하게 된다.

즉, 상기 보강양극재(12)는 상기 전해질막(30)과 동일한 열팽창계수를 갖는 소재로 형성될 수 있기 때문에, 상기 전해질막(30)과 같은 비율로 열수축 또는 열팽창하게 된다. 이에 의해, 상기 보강양극재(12)와 상기 전해질막(30) 사이에는 어떤 스트레스도 작용하지 않게 된다.

다만, 상기 단위양극재(11)는 상기 전해질막(30)보다 많은 부피변화가 발생하지만 상기 보강양극재(12)에 의해서 지지되는 것과 동시에, 각각의 작은 단위체로써 제공되기 때문에 상기 전해질막(30)과의 사이에 작용하는 스트레스도 분산되어 부피변화에 의한 박리 현상 내지 비틀림을 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 보강양극재(12)는 상기 단위양극재(11)만으로는 부족한 집전 성능을 보강하기 위해서 두께를 전체적으로 증가시켜주는 역할도 하게 된다.

상기 보강양극재(12)의 소재로는 상대적으로 높은 반응성과 전도도를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 일례로써, 연료전지 전체의 반응과 집전성능을 향상시킬 수 있는 LSCF가 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 연료전지에서 공기극(10)의 집전양극재(13)를 포함하여 도시한 측단면도로써, 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 상기 공기극(10)은 상기 단위양극재(11) 또는 상기 보강양극재(12)에서 발생한 전자를 수집하도록, 상기 보강양극재(12)에 접하게 형성되는 집전양극재(13)를 더 제공할 수 있다.

즉, 상기 공기극(10)의 집전 성능을 향상시키기 위해서, 상기 공기극(10)은 상기 집전양극재(13)도 제공할 수 있는 것이다.

상기 집전양극재(13)는 상기 보강양극재(12)와 직접 접촉하기 때문에, 전자를 집전하여 외부로 전달하는 역할을 할 수 있게 된다.

여기서, 상기 집전양극재(13)는 상기 보강양극재(12)가 상기 단위양극재(11)와 접하는 일면의 반대면인 타면에 제공될 수 있으며, 상기 집전양극재(13)는 LSCF, LC, LCC 등을 소재로 하여 형성될 수 있다.

10: 공기극 11: 단위양극재
12: 보강양극재 13: 집전양극재
20: 연료극 30: 전해질막

Claims (5)

1. 공기극과 연료극 사이에 전해질막이 배치된 연료전지에 있어서,
   상기 공기극은 분할된 복수의 단위양극재; 및
   복수의 상기 단위양극재의 타면과 복수의 상기 단위양극재 사이의 간극에 형성되는 보강양극재;
   를 포함하며,
   복수의 상기 단위양극재 각각은 일면이 상기 전해질막과 접하게 제공되는 연료전지.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단위양극재는 상기 전해질막 전면에 일정 간격으로 배치된 연료전지.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 보강양극재는, 상기 단위양극재보다 열팽창계수가 작으며, 상기 전해질막의 열팽창계수와 동일한 연료전지.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 공기극은, 상기 단위양극재 또는 상기 보강양극재에서 발생한 전자를 수집하도록, 상기 보강양극재에 접하게 형성되는 집전양극재;
   를 더 제공하는 연료전지.

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