KR101850651B1 - 캐소드 구조체 및 이를 구비하는 연료전지 단위셀 - Google Patents

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Abstract

수소와 산소의 화학 반응을 이용하여 전기를 발생시키는 연료전지용 캐소드 구조체(cathode structure)가 개시된다. 캐소드 구조체는, 광 투과성 재질로 이루어진 엔드 플레이트와, 엔드 플레이트와 마주하게 배치되며 광투성 재질로 이루어진 분리 플레이트와, 분리 플레이트를 사이에 두고 엔드 플레이트와 마주하게 배치되며 광투과 특성을 갖는 가스 확산 모듈과, 가스 확산 모듈을 사이에 두고 분리 플레이트와 마주하게 배치되며 전기 전도성을 갖는 광촉매층을 포함할 수 있다. 이와 같이, 캐소드 구조체는 광투과 특성을 갖는 엔드 플레이트와 분리 플레이트 및 가스 확산 모듈을 구비함으로써 태양광이 광촉매층에 직접 조사될 수 있으므로, 종래 대비 산소의 환원반응을 보다 활성화시켜 연료전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

캐소드 구조체 및 이를 구비하는 연료전지 단위셀{Cathode structure and unit fuel cell having the same}
본 발명의 실시예들은 캐소드 구조체 및 이를 구비하는 연료전지 단위셀에 관한 것이다. 보다 상세하게는 수소와 산소의 반응에 의해 생성되는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 캐소드 구조체 및 이를 구비하는 연료전지 단위셀에 관한 것이다.
최근 화석 에너지 자원의 고갈과 지구 온난화가 전 세계적으로 심각한 문제로 대두되면서, 화석 에너지를 대체하여 미래의 에너지 문제와 환경오염 문제를 해결할 수 있는 친환경적 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 친환경적 에너지원 중 하나인 연료전지는 연료의 산화에 의해 발생되는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로서, 주로 자동차와 같은 운송 수단의 대체 에너지원으로 연구 개발되고 있다.
고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 연료전지 중 하나로, 수소와 산소의 산화-환원 반응을 통해 전기를 발생시킨다. 고분자 전해질 연료전지는, 수소가 공급되는 애노드(anode) 구조체와, 공기, 즉, 산소가 공급되는 캐소드(cathode) 구조체, 및 애노드 구조체와 캐소드 구조체 사이에 개재된 전해질막을 구비한다.
고분자 전해질 연료전지의 작동원리를 살펴보면, 먼저, 애노드 구조체에 수소를 공급하고 캐소드 구조체에 산소를 공급한다. 수소는 애노드 구조체에서 수소 이온과 전자로 분리되며, 수소 이온은 전해질막을 통과하여 캐소드 구조체 측으로 이동한다. 캐소드 구조체로 이동한 수소 이온은 산소와 반응하여 물을 생성한다. 이때, 애노드 구조체에서 생성된 전자가 외부 회로를 따라 캐소드 구조체로 이동하면서 발생되는 전류에 의해 전기 에너지가 생성된다.
일본공개특허공보 특개2009-26636호 (2009.02.05.)
본 발명의 실시예들은 광촉매를 이용해서 산소와 수소 이온을 생성하여 캐소드 측에서 산소의 환원반응이 보다 활발히 이루어질 수 있는 캐소드 구조체와 이를 구비하는 연료전지 단위셀을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예들에 따르면, 연료전지용 캐소드 구조체(cathode structure)는, 광 투과성 재질로 이루어진 엔드 플레이트와, 상기 엔드 플레이트와 마주하게 배치되며 광투성 재질로 이루어진 분리 플레이트와, 상기 분리 플레이트를 사이에 두고 상기 엔드 플레이트와 마주하게 배치되며 광투과 특성을 갖는 가스 확산 모듈과, 상기 가스 확산 모듈을 사이에 두고 상기 분리 플레이트와 마주하게 배치되며 전기 전도성을 갖는 광촉매층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 연료전지용 캐소드 구조체는, 상기 가스 확산 모듈과 상기 분리 플레이트 사이에 배치되어 상기 광촉매층과 마주하며 전기 전도성을 갖는 투명 전도층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 엔드 플레이트와 상기 분리 플레이트는 투명한 고분자 수지 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 투명 전도층은 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide: TCO)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 광촉매층은, 페로브스카이트(Perovskite)로 이루어진 복수의 지지체와 상기 각 지지체에 결합된 복수의 광촉매 입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 연료전지용 캐소드 구조체는, 상기 분리 플레이트와 상기 투명 전도층 사이에 배치되며 전류를 외부로 전달하는 집전부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 가스 확산 모듈은 중앙 부위에 가스 확산홀이 형성된 가스켓을 구비할 수 있다. 여기서, 상기 가스 확산홀은 상기 가스켓을 관통하여 형성되며 상기 분리 플레이트와 상기 광촉매층 사이에서 가스 확산 공간으로 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 가스 확산 모듈은, 광을 투과시키는 복수의 투과부를 구비하며 상기 광촉매층과 마주하게 배치되고 상기 광촉매층과 상기 분리 플레이트 사이에서 가스를 확산시키는 가스 확산층과, 상기 가스 확산층을 둘러싸며 상기 가스 확산층을 삽입하기 위한 삽입홀을 구비하는 가스켓을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 투과부는 투명한 유리 또는 투명한 고분자 수지 재질로 이루어지거나, 상기 가스 확산층을 관통하는 홀로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 연료전지 단위셀은, 수소가 공급되는 애노드 구조체(anode structure)와, 상기 애노드 구조체와 마주하여 배치되며 산소가 공급되는 캐소드 구조체(anode structure)와, 상기 애노드 구조체와 상기 캐소드 구조체 사이에 배치된 전해질층을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 캐소드 구조체는, 상기 애노드 구조체와 마주하게 배치되며 광 투과성 재질로 이루어진 엔드 플레이트와, 상기 전해질층과 상기 엔드 플레이트 사이에 배치되며 광투성 재질로 이루어진 분리 플레이트와, 상기 전해질층과 상기 분리 플레이트 사이에 배치되고 광투과 특성을 가지며 상기 캐소드 구조체에 제공된 산소를 확산시키는 가스 확산 모듈과, 상기 전해질층과 상기 가스 확산 모듈을 사이에 배치되며 전기 전도성을 갖는 광촉매층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 캐소드 구조체는, 상기 가스 확산 모듈과 상기 분리 플레이트 사이에 배치되어 상기 광촉매층과 마주하며 전기 전도성을 갖는 투명 전도층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 가스 확산 모듈은 중앙 부위에 가스 확산홀이 형성된 가스켓을 구비할 수 있다. 여기서, 상기 가스 확산홀은 상기 가스켓을 관통하여 형성되며 상기 분리 플레이트와 상기 광촉매층 사이에서 상기 산소를 확산시키기 위한 가스 확산 공간으로 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 가스 확산 모듈은, 광을 투과시키는 복수의 투과부를 구비하며 상기 광촉매층과 마주하게 배치되고 상기 광촉매층과 상기 분리 플레이트 사이에서 상기 산소를 확산시키는 가스 확산층과, 상기 가스 확산층을 둘러싸며 상기 가스 확산층을 삽입하기 위한 삽입홀을 구비하는 가스켓을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 연료전지용 캐소드 구조체는, 태양광을 이용하여 산소의 환원반응을 활성화시키기 위한 광촉매층을 구비하고, 광촉매층에 태양광을 제공하기 위해 광투과 특성을 갖는 엔드 플레이트와 분리 플레이트 및 가스 확산 모듈을 구비한다. 이에 따라, 태양광이 광촉매층에 직접 조사될 수 있으므로, 캐소드 구조체는 종래 대비 산소의 환원반응을 보다 활성화시켜 연료전지의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위셀을 설명하기 위한 개략적인 측단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 캐소드 구조체의 분리 플레이트를 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 캐소드 구조체의 가스 확산 모듈을 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 캐소드 구조체의 광촉매층을 설명하기 위한 개략전인 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 단위셀을 설명하기 위한 개략적인 측단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 캐소드 구조체의 가스 확산층을 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명은 하기에서 설명되는 실시예들에 한정된 바와 같이 구성되어야만 하는 것은 아니며 이와 다른 여러 가지 형태로 구체화될 수 있을 것이다. 하기의 실시예들은 본 발명이 온전히 완성될 수 있도록 하기 위하여 제공된다기보다는 본 발명의 기술 분야에서 숙련된 당업자들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하기 위하여 제공된다.
본 발명의 실시예들에서 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 배치되는 또는 연결되는 것으로 설명되는 경우 상기 요소는 상기 다른 하나의 요소 상에 직접 배치되거나 연결될 수도 있으며, 다른 요소들이 이들 사이에 개재될 수도 있다. 이와 다르게, 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 직접 배치되거나 연결되는 것으로 설명되는 경우 그들 사이에는 또 다른 요소가 있을 수 없다. 다양한 요소들, 조성들, 영역들, 층들 및/또는 부분들과 같은 다양한 항목들을 설명하기 위하여 제1, 제2, 제3 등의 용어들이 사용될 수 있으나, 상기 항목들은 이들 용어들에 의하여 한정되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들에서 사용된 전문 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 사용되는 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 또한, 달리 한정되지 않는 이상, 기술 및 과학 용어들을 포함하는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상적인 지식을 갖는 당업자에게 이해될 수 있는 동일한 의미를 갖는다. 통상적인 사전들에서 한정되는 것들과 같은 상기 용어들은 관련 기술과 본 발명의 설명의 문맥에서 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석될 것이며, 명확히 한정되지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 외형적인 직감으로 해석되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들의 개략적인 도해들을 참조하여 설명된다. 이에 따라, 상기 도해들의 형상들로부터의 변화들, 예를 들면, 제조 방법들 및/또는 허용 오차들의 변화는 충분히 예상될 수 있는 것들이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도해로서 설명된 영역들의 특정 형상들에 한정된 바대로 설명되어지는 것은 아니라 형상들에서의 편차를 포함하는 것이며, 도면들에 설명된 요소들은 전적으로 개략적인 것이며 이들의 형상은 요소들의 정확한 형상을 설명하기 위한 것이 아니며 또한 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것도 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위셀을 설명하기 위한 개략적인 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위셀(401)은 수소와 산소의 화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성한다. 상기 연료전지 단위셀(401)은 수소를 직접 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC)를 구성하기 위한 단위셀로 이용될 수 있으며, 상기 고분자 전해질 연료전지는 요구되는 출력을 생성하기 위해 복수의 연료전지 단위셀(401)을 스택(stack) 구조로 구비할 수 있다.
특히, 본 발명의 연료전지 단위셀(401)은 태양광(SL)을 이용하여 산소의 환원반응을 보다 활성화시킴으로써 발전효율을 높일 수 있다.
구체적으로, 상기 연료전지 단위셀(401)은, 산소가 공급되는 캐소드 구조체(cathode structure)(101)와, 상기 캐소드 구조체(101)와 서로 마주하게 배치되며 수소가 공급되는 애노드 구조체(anode structore)(200)와, 상기 캐소드 구조체(101)와 상기 애노드 구조체(200) 사이에 배치되며 상기 애노드 구조체(101)에서 생성된 수소 양이온을 이온 전도하는 전해질층(300)을 포함할 수 있다.
상기 캐소드 구조체(101)는 산소를 공급받으며, 상기 캐소드 구조체(101)에 공급된 산소는 상기 애노드 구조체(200)로부터 상기 전해질층(300)을 통과하여 이동해 온 수소 이온과 상기 애노드 구조체(200)로부터 외부 회로(미도시)를 따라 상기 캐소드 구조체(101)로 이동해 온 전자(electron)와 반응하여 물을 생성할 수 있다.
특히, 상기 캐소드 구조체(101)는 태양광(SL)을 직접 조사받아 광촉매를 이용하여 산소의 환원 반응을 보다 활성화시킬 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 상기 캐소드 구조체(101)의 구성에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 캐소드 구조체의 분리 플레이트를 설명하기 위한 개략적인 평면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 캐소드 구조체의 가스 확산 모듈을 설명하기 위한 개략적인 평면도이며, 도 4는 도 1에 도시된 캐소드 구조체의 광촉매층을 설명하기 위한 개략전인 확대 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 캐소드 구조체(101)는, 상기 애노드 구조체(200)와 마주하게 배치되는 엔드 플레이트(110)와, 상기 전해질층(300)과 상기 엔드 플레이트(110) 사이에 배치되는 분리 플레이트(120)와, 상기 전해질층(300)과 상기 분리 플레이트(120) 사이에 배치되며 상기 캐소드 구조체(101)에 제공된 산소를 균일하게 확산시키는 가스 확산 모듈(150)과, 상기 전해질층(300)과 상기 가스 확산 모듈(150) 사이에 배치된 광촉매층(160)을 포함할 수 있다.
특히, 상기 캐소드 구조체(101)의 엔드 플레이트(110)와 분리 플레이트(120)는 상기 엔드 플레이트(110)를 향해 입사되는 태양광(SL)을 상기 광촉매층(160)에 제공하기 위해 광 투과성 재질로 이루어진다.
본 발명의 일례로, 상기 엔드 플레이트(110)와 상기 분리 플레이트(120)는 아크릴 수지와 같은 투명한 고분자 수지 재질로 이루어질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 캐소드 구조체(101)의 분리 플레이트(120)에는 산소와 수소의 화학적 반응이 이루어지는 상기 연료전지 단위셀(401)의 반응 영역에 산소를 고르게 분포시키기 위한 가스 채널(122)이 형성될 수 있다. 상기 가스 채널(122)은 상기 분리 플레이트(120)에서 상기 전해질층(300)을 향하여 위치하는 제1 면(124)에 형성된다. 도면에는 도시하지 않았으나, 상기 제1 면(124)과 대향하는 상기 분리 플레이트(120)의 제2 면에는 상기 가스 채널(122)로 산소를 유입시키는 가스 유입구와 상기 가스 채널(122) 안의 산소가 배출되는 가스 배출구가 형성될 수 있다.
한편, 상기 캐소드 구조체(101)는 상기 가스 확산 모듈(150)과 상기 분리 플레이트(120) 사이에 배치되는 투명 전도층(130)을 더 구비할 수 있다. 상기 투명 전도층(130)은 전기 전도성을 가지며, 상기 분리 플레이트(120)의 제1 면(124)에 코팅되어 구비될 수 있다. 상기 투명 전도층(130)은 상기 분리 플레이트(120)가 광 투과를 위해 아크릴 수지와 같은 절연 재질로 이루어질 경우 상기 캐소드 구조체(101)의 전기 전도성을 위해 추가적으로 구비될 수 있다. 여기서, 상기 투명 전도층(130)은 도 1에 도시된 것처럼 상기 가스 채널(122)에 제공된 산소를 상기 가스 확산 모듈(150)로 제공하기 위해 상기 가스 채널(122)과 대응하는 부분이 제거될 수 있다.
본 발명의 일례로, 상기 투명 전도층(130)은 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide: ITO)와 같은 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide: TCO)로 이루어질 수 있다.
상기 분리 플레이트(120)와 상기 투명 전도층(130) 사이에는 집전부(current collector)(140)가 배치될 수 있다. 상기 집전부(140)는 상기 캐소드 구조체(101) 내부에서 생성된 전류를 외부로 전달한다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 투명 전도층(130)과 상기 광촉매층(160) 사이에는 상기 가스 채널(122)에 유입된 산소를 상기 광촉매층(160)에 균일하게 확산시키기 위한 상기 가스 확산 모듈(150)이 배치될 수 있다.
상기 가스 확산 모듈(150)은 가스켓(152)을 구비할 수 있으며, 상기 가스켓(152)은 도 3에 도시된 것처럼 띠 형태로 구비될 수 있다. 상기 가스켓(152)은 중앙 부위에 산소를 확산시키고 광을 투과시키기 위한 가스 확산홀(154)이 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 가스 확산홀(154)은 상기 가스켓(152)을 관통하여 형성되며, 상기 분리 플레이트(120)와 상기 광촉매층(160) 사이에서 산소를 확산시키는 가스 확산 공간으로 제공될 수 있다. 상기 가스 채널(122)에 유입된 산소는 상기 가스 확산홀(154)로 유입되어 상기 가스 확산홀(154) 안에서 균일하게 확산되어 상기 광촉매층(160)에 제공될 수 있다. 더불어, 상기 엔드 플레이트(110)와 상기 분리 플레이트(120)를 투과한 태양광(SL)은 상기 가스 확산홀(154)을 통해 상기 광촉매층(160)에 직접 조사될 수 있다. 여기서, 상기 가스켓(152)은 상기 가스 확산홀(154)로 유입된 산소가 상기 캐소드 구조체(101)의 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 가스 확산 모듈(150)과 상기 전해질층(300) 사이에는 상기 광촉매층(160)이 배치될 수 있다. 상기 광촉매층(160)은 수소와 산소의 환원반응을 일으키기 위한 촉매로서, 상기 전해질층(300)의 일면에 구비된다. 상기 광촉매층(160)은 전기 전도성을 가지며, 상기 엔드 플레이트(110)와 상기 분리 플레이트(120) 및 상기 가스 확산 모듈(150)을 투과한 태양광(SL)에 반응하여 산소와 수소 이온을 생성할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 광촉매층(160)은 페로브스카이트(Perovskite)로 이루어진 복수의 지지체(162)와 상기 각 지지체(162)에 결합된 복수의 광촉매 입자(164)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 광촉매 입자(164)는 고분자 염료일 수 있다.
상기 태양광(SL)이 상기 광촉매층(160)에 조사될 경우, 상기 광촉매 입자(164)는 상기 태양광(SL)을 흡수하여 여기 상태가 되어 상기 광촉매 입자(164)의 표면에서 환원반응의 연료인 산소와 수소 이온이 생성될 수 있다. 이렇게 상기 광촉매층(160)은 상기 광촉매 입자(164)의 표면에서 태양광(SL)에 의해 산소의 환원반응이 진행될 수 있으므로, 상기 연료전지 단위셀(401)의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 캐소드 구조체(101)는 태양광(SL)을 이용하여 산소의 환원반응을 활성화시키기 위한 상기 광촉매층(160)을 구비하고, 상기 광촉매층(160)에 태양광(SL)을 제공하기 위해 광투과 특성을 갖는 상기 엔드 플레이트(110)와 상기 분리 플레이트(120) 및 상기 가스 확산 모듈(150)을 구비한다. 이에 따라, 태양광(SL)이 상기 광촉매층(160)에 직접 조사될 수 있으므로, 상기 캐소드 구조체(101)는 종래 대비 산소의 환원반응을 보다 활성화시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 상기 애노드 구조체(200)는 상기 전해질층(300)을 사이에 두고 상기 캐소드 구조체(101)와 대향하여 위치한다. 상기 애노드 구조체(200)는 수소를 공급받으며, 상기 애노드 구조체(200)로 공급된 수소는 환원 반응에 의해 수소 이온과 전자로 나누어진다. 상기 전해질층(300)은 수소 이온만 통과시키기 때문에, 수소 이온만 상기 애노드 구조체(200)로부터 상기 전해질층(300)을 통과하여 상기 캐소드 구조체(101)로 이동하며, 상기 캐소드 구조체(101)로 이동한 수소 이온은 상기 캐소드 구조체(101)에 제공된 산소와 결합하여 물을 생성한다. 상기 애노드 구조체(200)에 남겨진 전자는 상기 외부 회로를 통해 상기 캐소드 구조체(101)로 이동하면서 전기를 발생시킨다.
구체적으로, 상기 애노드 구조체(200)는, 상기 캐소드 구조체(101)의 엔드 플레이트(110)와 대향하여 배치되는 엔드 플레이트(210)와, 상기 전해질층(300)과 상기 엔드 플레이트(210) 사이에 배치되는 분리 플레이트(220)와, 상기 전해질층(300)과 상기 분리 플레이트(220) 사이에 배치되며 상기 애노드 구조체(200)에 제공된 수소를 균일하게 확산시키는 가스 확산 모듈(240)과, 상기 전해질층(300)과 상기 가스 확산 모듈(240) 사이에 배치된 촉매층(250)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 애노드 구조체(200)의 엔드 플레이트(210)와 분리 플레이트(220)는 상기 캐소드 구조체(101)의 엔드 플레이트(110) 및 분리 플레이트(120)와 달리 광 투과성 재질로 이루어지지 않을 수 있으며, 전기 전도성을 확보하기 위해 전기 전도성 재질, 예컨대, 그라파이트(graphite)나 스틸(steel) 재질로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 상기 애노드 구조체(200)는 상기 분리 플레이트(220)가 전기 전도성 재질로 이루어질 수 있기 때문에, 상기 캐소드 구조체(101)의 투명 전도층(130)과 같은 별도의 전극층을 상기 분리 플레이트(220)에 코팅할 필요가 없다.
상기 분리 플레이트(220)는 상기 전해질층(300)을 향하여 배치된 면에 수소가 유입되는 가스 채널(222)이 형성될 수 있다. 외부로부터 제공되는 수소는 상기 가스 채널(222)을 따라 상기 애노드 구조체(200) 내부로 유입되어 상기 반응 영역에 제공될 수 있다.
도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나, 상기 분리 플레이트(220)는 상기 엔드 플레이트(210)를 향해 배치된 면에 상기 가스 채널(222)로 수소를 제공하기 위한 가스 유입구와 상기 가스 채널(222) 안의 수소가 배출되는 가스 배출구가 형성될 수 있다.
상기 분리 플레이트(220) 내부에는 집전부(230)가 구비될 수 있으며, 상기 애노드 구조체(200)의 집전부(230)와 상기 캐소드 구조체(101)의 집전부(140)가 상기 외부 회로에 연결되어 상기 전자가 상기 애노드 구조체(200)로부터 상기 캐소드 구조체(101) 측으로 이동하여 전기를 발생시킬 수 있다.
상기 분리 플레이트(220)와 상기 촉매층(250) 사이에는 상기 가스 채널(222)에 유입된 수소를 상기 촉매층(250)에 균일하게 확산시키기 위한 상기 가스 확산 모듈(240)이 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 가스 확산 모듈(240)은, 상기 가스 채널(222) 안의 수소를 상기 반응 영역에 균일하게 확산시키기 위한 가스 확산층(242)과, 상기 가스 확산층(242)을 고정하기 위한 가스켓(244)을 구비할 수 있다.
상기 가스 확산층(242)은 플레이트 형태로 구비될 수 있으며, 상기 수소를 균일하게 확산시키기 위해 다공성 재질로 이루어질 수 있다. 본 발명의 일례로, 상기 가스 확산층(242)은 카본(carbon) 소재로 이루어질 수 있다.
상기 가스켓(244)은 상기 가스 확산층(242)을 삽입하기 위한 삽입홀(246)을 구비할 수 있으며, 상기 삽입홀(246)은 상기 가스켓(244)의 중앙 부위가 제거되어 형성된다. 상기 가스켓(244)은 상기 캐소드 구조체(101)에 구비된 가스 확산 모듈(150)의 가스켓(152)과 마찬가지로 띠 형태로 구비될 수 있으며, 상기 가스 확산 모듈(240)로 유입된 수소가 외부로 누설되는 것을 방지할 수 있다.
상기 가스 확산 모듈(240)과 상기 전해질층(300) 사이에는 상기 촉매층(250)이 배치될 수 있으며, 상기 촉매층(250)은 상기 전해질층(300)을 사이에 두고 상기 광촉매층(160)과 대향하여 위치한다. 상기 촉매층(250)은 전기 전도성을 가지며, 상기 수소의 환원 반응을 촉진시킨다. 상기 수소의 환원 반응에 의해 상기 촉매층(250)에서 생성된 전자는 상기 가스 확산 모듈(240)을 지나 상기 분리 플레이트(220)로 이동하고 상기 분리 플레이트(220)로부터 상기 외부 회로를 통해 상기 캐소드 구조체(101)측으로 이동할 수 있다.
한편, 상기 캐소드 구조체(101)와 상기 애노드 구조체(200) 사이에는 상기 전해질층(300)이 배치될 수 있다. 상기 전해질층(300)은 고분자 전해질로 이루어질 수 있으며, 멤브레인(membrane) 형태로 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전해질층(300)은 상기 캐소드 구조체(101)의 광촉매층(160)과 상기 애노드 구조체(200)의 촉매층(250)이 데칼 방식이나 스프레이 방식으로 양면에 각각 접합되어 막-전극 어셈블리(Membrane-electrode assembly: MEA) 구조로 구비될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 단위셀을 설명하기 위한 개략적인 측단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 캐소드 구조체의 가스 확산층을 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 단위셀(402)은 캐소드 구조체(102)를 제외하고는 도 1에 도시된 연료전지 단위셀(401)과 동일한 구조를 가지므로, 도 1에 도시된 연료전지 단위셀(401)과 동일한 구성에 대해서는 참조 부호를 병기하고 중복된 설명은 생략한다.
또한, 도 5에 도시된 캐소드 구조체(102)는 가스 확산 모듈(170)을 제외하고는 도 1에 도시된 캐소드 구조체(102)와 동일한 구조를 가지므로, 도 1에 도시된 캐소드 구조체(101)와 동일한 구성에 대해서는 참조 부호를 병기하고 중복된 설명은 생략한다.
상기 가스 확산 모듈(170)은 분리 플레이트(120)에 코팅된 투명 전도층(130)과 광촉매층(160) 사이에 배치되며, 상기 분리 플레이트(120)의 가스 채널(122)에 제공된 산소를 상기 광촉매층(160)에 균일하게 확산시켜 제공한다.
구체적으로, 상기 가스 확산 모듈(170)은, 상기 광촉매층(160)과 상기 투명 전도층(130) 사이에서 산소를 확산시키는 가스 확산층(172)과, 상기 가스 확산층(172)을 고정시키는 가스켓(174)을 구비할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 가스 확산층(172)은 사각 플레이트 형상을 가질 수 있으며, 상기 가스 채널(122) 안의 산소를 균일하게 확산시키기 위해 다공성 재질로 이루어질 수 있다. 본 발명의 일례로, 상기 가스 확산층(172)은 카본 소재로 이루어질 수 있다.
특히, 상기 가스 확산층(172)은 상기 엔드 플레이트(110)와 상기 분리 플레이트(120)를 통과한 태양광(SL)이 상기 광촉매층(160)에 제공되도록 복수의 투과부(72)를 구비할 수 있다. 상기 투과부들(72)은 도 6에 도시된 것처럼 서로 이격되어 배치될 수 있으며, 도 5에 도시된 것처럼 태양광(SL)을 투과시킬 수 있다.
상기 투과부(72)는 광을 투과시킬 수 있는 투명한 유리 또는 투명한 고분자 수지 재질로 이루어지거나, 상기 가스 확산층(172)을 관통하는 홀로 이루어질 수도 있다. 여기서, 상기 투과부(72)가 투명한 유리나 투명한 고분자 수지 재질로 이루어질 경우, 상기 가스 확산층(172)은 상기 투과부(72)가 위치하는 부분이 제거되어 상기 투과부(72)를 삽입 고정하기 위한 홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 일례로, 상기 투과부(72)는 원 형상으로 구비되나, 사각 형상이나 육각 형상 등 다양한 형상으로 구비될 수 있다.
상기 가스켓(174)은 상기 가스 확산층(172)을 삽입하기 위한 삽입홀(74)을 구비할 수 있으며, 상기 삽입홀(74)은 상기 가스켓(174)의 중심 부위가 제거되어 형성될 수 있다. 상기 가스켓(174)은 상기 가스 확산층(172)을 둘러싸는 띠 형태로 구비될 수 있으며, 상기 가스 확산층(172)에 유입된 산소가 상기 캐소드 구조체(102)의 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 상기 가스 확산 모듈(170)의 가스 확산층(172)은 산소를 균일하게 확산시켜 상기 광촉매층(160)에 제공할 수 있으며 이와 함께 상기 엔드 플레이트(110)와 상기 분리 플레이트(120)를 투과한 태양광(SL)을 상기 투과부들(72)을 통해 상기 광촉매층(160)에 제공할 수 있다. 이에 따라, 태양광(SL)이 상기 광촉매층(160)에 직접 조사될 수 있으므로, 상기 캐소드 구조체(102)는 종래 대비 산소의 환원반응을 보다 활성화시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
101, 102 : 캐소드 구조체 110, 210 : 엔드 플레이트
120, 220 : 분리 플레이트 122, 222 : 가스 채널
130 : 투명 전도층 140, 230 : 집전부
150, 170, 240 : 가스 확산 모듈 152, 174, 244 : 가스켓
160 : 광촉매층 172, 242 : 가스 확산층
200 : 애노드 구조체 250 : 촉매층
401, 402 : 연료전지 단위셀

Claims (13)

  1. 광 투과성 재질로 이루어진 엔드 플레이트;
    상기 엔드 플레이트와 마주하게 배치되며 광투성 재질로 이루어진 분리 플레이트;
    상기 분리 플레이트를 사이에 두고 상기 엔드 플레이트와 마주하게 배치되며 광투과 특성을 갖는 가스 확산 모듈; 및
    상기 가스 확산 모듈을 사이에 두고 상기 분리 플레이트와 마주하게 배치되며 전기 전도성을 갖는 광촉매층;
    상기 가스 확산 모듈과 상기 분리 플레이트 사이에 배치되어 상기 광촉매층과 마주하며 전기 전도성을 갖는 투명 전도층; 및
    상기 분리 플레이트와 상기 투명 전도층 사이에 배치되며 전류를 외부로 전달하는 집전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 캐소드 구조체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트와 상기 분리 플레이트는 투명한 고분자 수지 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 캐소드 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전도층은 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide: TCO)로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 캐소드 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광촉매층은, 페로브스카이트(Perovskite)로 이루어진 복수의 지지체와 상기 각 지지체에 결합된 복수의 광촉매 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 캐소드 구조체.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스 확산 모듈은 중앙 부위에 가스 확산홀이 형성된 가스켓을 구비하고,
    상기 가스 확산홀은 상기 가스켓을 관통하여 형성되며 상기 분리 플레이트와 상기 광촉매층 사이에서 가스 확산 공간으로 제공되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 캐소드 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스 확산 모듈은,
    광을 투과시키는 복수의 투과부를 구비하며 상기 광촉매층과 마주하게 배치되고 상기 광촉매층과 상기 분리 플레이트 사이에서 가스를 확산시키는 가스 확산층; 및
    상기 가스 확산층을 둘러싸며 상기 가스 확산층을 삽입하기 위한 삽입홀을 구비하는 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 캐소드 구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 투과부는 투명한 유리 또는 투명한 고분자 수지 재질로 이루어지거나, 상기 가스 확산층을 관통하는 홀인 것을 특징으로 하는 연료전지용 캐소드 구조체.
  10. 수소가 공급되는 애노드 구조체(anode structure);
    상기 애노드 구조체와 마주하여 배치되며 산소가 공급되는 캐소드 구조체(cathode structure); 및
    상기 애노드 구조체와 상기 캐소드 구조체 사이에 배치된 전해질층을 포함하고,
    상기 캐소드 구조체는,
    상기 애노드 구조체와 마주하게 배치되며 광 투과성 재질로 이루어진 엔드 플레이트;
    상기 전해질층과 상기 엔드 플레이트 사이에 배치되며 광투성 재질로 이루어진 분리 플레이트;
    상기 전해질층과 상기 분리 플레이트 사이에 배치되고 광투과 특성을 가지며 상기 캐소드 구조체에 제공된 산소를 확산시키는 가스 확산 모듈;
    상기 전해질층과 상기 가스 확산 모듈을 사이에 배치되며 전기 전도성을 갖는 광촉매층;
    상기 가스 확산 모듈과 상기 분리 플레이트 사이에 배치되어 상기 광촉매층과 마주하며 전기 전도성을 갖는 투명 전도층; 및
    상기 분리 플레이트와 상기 투명 전도층 사이에 배치되며 전류를 외부로 전달하는 집전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 단위셀.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 가스 확산 모듈은 중앙 부위에 가스 확산홀이 형성된 가스켓을 구비하고,
    상기 가스 확산홀은 상기 가스켓을 관통하여 형성되며 상기 분리 플레이트와 상기 광촉매층 사이에서 상기 산소를 확산시키기 위한 가스 확산 공간으로 제공되는 것을 특징으로 하는 연료전지 단위셀.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 가스 확산 모듈은,
    광을 투과시키는 복수의 투과부를 구비하며 상기 광촉매층과 마주하게 배치되고 상기 광촉매층과 상기 분리 플레이트 사이에서 상기 산소를 확산시키는 가스 확산층; 및
    상기 가스 확산층을 둘러싸며 상기 가스 확산층을 삽입하기 위한 삽입홀을 구비하는 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 단위셀.
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