KR102443179B1 - 튜브형 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 다중 MEA를 구비하는 튜브형 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 연료전지는 튜브형 지지체, 상기 튜브형 지지체를 둘러싸는 내부전극, 상기 내부전극을 둘러싸는 제1 MEA(Membrane Electrode Assembly), 상기 제1 MEA를 둘러싸고, 내주면 및 외주면에 패턴화된 기체유로를 포함하는 중간전극, 상기 중간전극을 둘러싸는 제2 MEA 및 상기 제2 MEA를 둘러싸는 외부전극을 구비한다.

Description

튜브형 연료전지{TUBULAR FUEL CELL}

본 발명은 다중 MEA를 구비하는 튜브형 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다.

연료전지의 핵심 구성요소는 애노드(anode), 캐소드(cathode), 전해질이다. 애노드에서는 산화작용이 일어나면서 (+)전기를 띄는 수소이온과 전자가 방출된다. 여기서 방출된 전자는 외부 도선을 통해 애노드에서 캐소드로 이동하고, 이에 따라 직류 전류가 발생한다.

전해질은 (+)전기를 띄는 수소이온이 연료전지의 두 극 사이를 이동할 수 있도록 한다. 캐소드에서는 전해질을 통해 이동해 온 수소이온과 도선을 통해 이동한 전자 및 외부에서 공급된 산소가 결합되어 수증기가 생성된다.

연료전지는 그 형태에 따라 평판형과 튜브형으로 나눌 수 있다. 먼저 평판형의 경우, 크기, 두께, 길이 등을 자유롭게 변형 가능하다는 장점이 있으나 연료와 공기 혼합을 방지하기 위한 밀봉구조가 별도로 요구되며, 열충격 저항성이 낮다는 문제점이 있다.

튜브형의 경우, 연료와 공기 혼합 방지를 위한 별도의 밀봉 방지책이 필요없고 열충격 저항성이 높다는 장점이 있으나 같은 부피의 평판형보다 부피 에너지 밀도가 적다는 문제점이 있다.

본 발명은 종래의 튜브형 연료전지에 비해 부피 에너지 밀도가 높은 튜브형 연료전지를 구현하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 연료전지는 튜브형 지지체, 상기 튜브형 지지체를 둘러싸는 내부전극, 상기 내부전극을 둘러싸는 제1 MEA(Membrane Electrode Assembly), 상기 제1 MEA를 둘러싸고, 내주면 및 외주면에 패턴화된 기체유로를 포함하는 중간전극, 상기 중간전극을 둘러싸는 제2 MEA 및 상기 제2 MEA를 둘러싸는 외부전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 튜브형 지지체는 상기 기체유로에 기체를 주입하는 주입통로와, 상기 기체유로에서 기체를 배출하는 배출통로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기체유로는 상기 중간전극의 외주면에 길이방향을 따라 홈 형태로 복수 개 형성되는 제1 기체유로, 상기 중간전극의 내주면에 길이방향을 따라 홈 형태로 복수 개 형성되는 제2 기체유로를 포함하고 상기 제1 기체유로와 제2 기체유로는 상호 교차되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기체유로는 상기 중간전극의 외주면에 길이방향을 따라 나선형의 홈 형태로 복수 개 형성되는 제1 기체유로, 상기 중간전극의 내주면에 길이방향을 따라 나선형의 홈 형태로 복수 개 형성되는 제2 기체유로를 포함하고 상기 제1 기체유로와 제2 기체유로는 상호 교차되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기체유로에 수소가 주입될 때, 상기 중간전극에서 산화작용이 일어나면서 (+)전기를 띄는 수소이온과 전자가 방출되고, 상기 방출된 전자는 상기 내부전극 및 외부전극으로 이동함에 따라 직류 전류가 발생되는 것을 특징으로 한다.

상기 외부전극을 둘러쌈으로써 상기 외부전극을 밀봉하는 챔버를 더 구비하는 상기 챔버에는 수소가 주입되고 상기 기체유로에 산소가 주입될 때, 상기 내부전극 및 외부전극에서 산화작용이 일어나면서 (+)전기를 띄는 수소이온과 전자가 방출되고, 상기 방출된 전자는 상기 중간전극으로 이동함에 따라 직류 전류가 발생되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 중간전극의 내주면 및 외주면에 기체유로가 패턴화되어 형성됨에 따라, 중간전극의 내주면과 외주면에 접하는 MEA에 기체를 제공할 수 있어 한정된 영역에서 더 많은 전기화학 반응이 가능하게 하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 연료전지에 MEA를 다중으로 구비함으로써, MEA를 한 개 구비하는 종래의 연료전지보다 더 높은 부피 에너지밀도를 갖는 연료전지를 구현할 수 있는 효과가 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 튜브형 연료전지를 도시한 사시도.
도 2는 튜브형 연료전지의 종단면을 도시한 도면.
도 3 및 도 4는 중간전극을 도시한 사시도.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

본 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다

본 발명은 다중 MEA를 구비하는 튜브형 연료전지에 관한 것이다.

이하 도 1 내지 도 4를 참조하여 일 실시예에 따른 튜브형 연료전지를 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1은 튜브형 연료전지를 도시한 사시도이다.

도 2는 튜브형 연료전지의 종단면을 도시한 도면이다.

도 3 및 도 4는 중간전극을 도시한 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 연료전지(10)는 튜브형 지지체(100), 내부전극(200), 제1 MEA(300), 중간전극(400), 제2 MEA(500) 및 외부전극(600)을 구비할 수 있다. 다만, 도 1 및 도 2에 도시된 튜브형 연료전지(10)는 일 실시예에 따른 것이고, 발명의 구성요소들이 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

튜브형 지지체(100)는 내부공간(110)이 마련된 튜브형태로 형성되어 연료전지를 튜브형상으로 유지시킬 수 있다.

튜브형 지지체(100)는 기체유로(410)에 기체가 주입되는 주입통로(120)와, 기체유로(410)에서 기체가 배출되는 배출통로(130)를 포함할 수 있다. 내부공간(110)과 기체유로(410)에 기체가 주입되는 실시예는 후술하도록 한다.

튜브형 지지체(100)는 탄소와 고분자의 복합소재를 압출성형법, 사출성형법을 적용하여 전기전도성과 기체 유로를 갖는 튜브 형상으로 제작될 수 있다. 전기전도성을 향상시키기 위하여 탄소나노튜브 등의 첨가제를 추가하여 제작될 수 있다. 이와 같이 전도성을 갖는 경우 내부전극(200)은 일체화 되어진다.

전기전도성을 갖지 않는 튜브형 지지체(100)의 경우 내부전극(200)은 튜브형 지지체(100)를 둘러싸며 다수의 클리어 홀(210)이 형성된 다공질의 전도체일 수 있다. 내부전극(200)에 클리어 홀(210)이 형성됨에 따라 유입되는 기체가 클리어 홀(210)을 통해 원활하게 이동할 수 있는 효과가 있다.

이때 내부전극(200)은 일반적으로 전기전도 성질을 가지는 금속 또는 금속합금 재질을 가질 수 있다. 또한, 내부전극(200)은 전기전도성을 갖는 탄소복합재로 튜브형 지지체(100)에 코팅하여 제조될 수 있다.

제1 MEA(300)는 내부전극(200)을 둘러쌀 수 있으며, 내부전극(200)에 밀접되는 내부 가스확산층(IGDL: Inside Gas　Diffusion　Layer), 내부 가스확산층에 밀접되는 내부 촉매층, 중간전극(400)과 밀접되는 외부 가스확산층(OGDL: Outside Gas　Diffusion　Layer), 외부 가스 확산층에 밀접되는 외부 촉매층, 내부 촉매층과 외부 촉매층 사이에 개재되며 고분자 전해질로 이루어진 멤브레인을 포함할 수 있다. 내부 촉매층은 내부전극이 애노드일 때 산화작용을 촉진시키고, 외부 촉매층은 중간전극이 캐소드일 때 환원작용을 촉진시킬 수 있다.

이때 멤브레인은 내부전극(200)과 중간전극(400) 사이에서 수소이온의 이동이 용이한 전해질로 이루어질 수 있다. 내부 가스확산층과 외부 가스확산층은 높은 기체 투과성을 가지며, 각각 내부 촉매층과 외부 촉매층에 기체를 골고루 확산시킬 수 있다.

제2 MEA(500)는 중간전극(400)을 둘러쌀 수 있으며, 중간전극(400)에 밀접되는 내부 가스확산층(IGDL: Inside Gas　Diffusion　Layer), 내부 가스확산층에 밀접되는 내부 촉매층, 외부전극(600)과 밀접되는 외부 가스확산층(OGDL: Outside Gas　Diffusion　Layer), 외부 가스 확산층에 밀접되는 외부 촉매층, 내부 촉매층과 외부 촉매층 사이에 개재되며 고분자 전해질로 이루어진 멤브레인을 포함할 수 있다. 내부 촉매층은 외부전극이 애노드일 때 산화작용을 촉진시키고, 외부 촉매층은 중간전극이 캐소드일 때 환원작용을 촉진시킬 수 있다. 이때 멤브레인은 외부전극와 중간전극 사이에서 수소이온의 이동이 용이한 전해질로 이루어질 수 있다.

또한, 제2 MEA(500)는 중간전극(400)으로 유입된 기체가 외부로 방출되지 못하게 기체를 완전히 밀봉할 수 있다.

제1 및 제2 MEA(300, 500)은 내부전극(200), 중간전극(400), 외부전극(600)과 전기적으로 접촉되며, 카본과 같은 소재로 형성될 수 있다.

도 3을 참조하면 중간전극(400)은 양단면에 패턴화된 기체유로(410)를 포함하며, 제1 MEA(300)를 둘러쌀 수 있다.

중간전극(400)에 기체유로(410)가 패턴화됨에 따라 중간전극(400)이 제1 및 제2 MEA(300, 500)와 밀접되어도 중간전극(400)으로 유입되는 기체가 기체유로(410)를 따라 확산될 수 있다.

일 예로 기체유로(410)는 중간전극(400)의 외주면에 길이방향을 따라 홈 형태로 복수 개 형성되는 제1 기체유로(411)와, 중간전극(400)의 내주면에 길이방향을 따라 홈 형태로 복수 개 형성되는 제2 기체유로(412)를 포함할 수 있다.

다른 예로 도 4를 참조하면 기체유로(410)는 중간전극(400)의 외주면에 길이방향을 따라 나선형의 홈 형태로 복수 개 형성되는 제1 기체유로(411)와 중간전극(400)의 내주면에 길이방향을 따라 나선형의 홈 형태로 복수 개 형성되는 제2 기체유로(412)를 포함할 수 있다. 이에 따라 기체유로(410)로 유입되는 기체가 제1 MEA(300) 및 제2 MEA(500)와 접촉하는 면적이 넓어지고 기체가 기체유로(410) 내에 머무는 시간이 보다 더 길어져 기체가 기체유로(410) 내에서 산화작용 및 환원작용이 일어나는 시간을 증가시킬 수 있다.

이때 제1 기체유로(411)와 제2 기체유로(412)는 상호 교차되어 형성됨에 따라, 중간전극(400)의 두께가 보다 얇게 형성될 수 있다. 한편, 제1 및 제2 기체유로(411, 412)는 일자형 패턴 및/또는 나선형 패턴 이외에도 다양한 패턴으로 형성될 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명은 중간전극(400)의 내주면 및 외주면에 기체유로(410)가 패턴화되어 형성됨에 따라, 중간전극(400)이 밀폐되어도 중간전극(400)에 유입되는 기체가 기체유로(410)를 따라 원활하게 이동할 수 있다.

또한, 기체유로(410)의 패턴화에 의해 기체가 기체유로(410)에 머무는 시간이 길어져 산화/환원 작용이 일어나는 시간을 늘릴 수 있고, 이에 따라 전류 발생량을 증가시킬 수 있다.

중간전극(400)은 다공질의 전도체로 외주면에는 다수의 클리어 홀(420)이 형성되어 기체가 통과될 수 있도록 하여 기체가 골고루 확산되는 효과가 있으며, 중간전극(400)의 재질은 전술한 내부전극(200)과 동일할 수 있다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면 외부전극(600)은 제2 MEA(500)를 둘러싸며 다수의 클리어 홀(610)이 형성된 다공질의 전도체일 수 있다. 외부전극(600)에 클리어 홀(610)이 형성됨에 따라 유입되는 기체가 클리어 홀(610)을 통해 원활하게 이동할 수 있는 효과가 있다.

또한 외부전극(600)의 재질은 전술한 내부전극(200) 및 중간전극(400)과 동일할 수 있다.

본 실시예에서는 전극이 내부전극(200), 중간전극(400), 외부전극(600)으로 총 세 개가 구비되는데, 주입되는 기체에 따라 각 전극은 애노드와 캐소드 중 어느 하나가 될 수 있다.

일 예로 튜브형 연료전지(10)가 공기중에 노출되고, 주입통로(120)를 통해 기체유로(410)에 수소가 주입될 때, 중간전극(400)에서 수소의 산화작용이 진행되면서 전자가 생성된다. 생성된 전자는 내부전극(200) 및 외부전극(600)으로 유입되면서 환원되어 직류 전류를 생산할 수 있다. 다시 말해 중간전극(400)이 애노드가 되고 내부전극(200) 및 외부전극(600)이 캐소드가 될 수 있다.

다른 예로 튜브형 연료전지(10)가 외부전극(600)을 둘러쌈으로써 외부전극(600)을 밀봉하는 챔버(미도시)를 구비하며 챔버에는 수소가 주입되고 기체유로(410)에 산소가 주입될 때, 내부전극(200) 및 외부전극(600)에서 수소의 산화작용이 진행되면서 전자가 생성된다. 생성된 전자는 중간전극(400)으로 유입되면서 환원되어 직류 전류를 생산할 수 있다. 다시 말해 내부전극(200) 및 외부전극(600)이 애노드가 되고 중간전극(400)이 캐소드가 될 수 있다.

본 실시예에서는 튜브형 연료전지(10)가 2개의 MEA를 구비하였으나 이에 한정하지 않고, 산화와 환원이 이루어질 수 있도록 기체의 공급이 이루어 지고 전극이 구비될 때 튜브형 연료전지(10)는 MEA를 보다 더 많이 구비할 수도 있다.

전술한 각 구성요소는 상호 밀접하게 접촉될 수 있다. 각 구성요소를 원통형으로 압박하여 접착할 때, 평판형으로 나사결합하는 것보다 균일한 외력을 가할 수 있어 보다 안정적으로 전기를 발전할 수 있는 효과가 있다.

전술한 바와 같이 본 발명은 연료전지가 산화작용과 환원작용을 하여 직류전지를 발생하는 MEA를 다중으로 구비함으로써, MEA를 한 개 구비하는 종래의 연료전지보다 두 배 높은 전기용량을 가지는 연료전지를 구현할 수 있는 효과가 있다.

구체적으로, 본 발명은 내부전극(200) 및 외부전극(600) 사이에 중간전극(400)을 배치함에 따라, 중간전극(400)과 내부전극(200) 및 중간전극(400)과 외부전극(600) 사이에서 동시에 산화/환원 작용이 발생하게 되어, 종래 MEA를 한 개 구비하는 연료전지보다 두 배 높은 전기용량을 가질 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (8)

1. 튜브형 지지체;
   상기 튜브형 지지체를 둘러싸는 내부전극;
   상기 내부전극을 둘러싸는 제1 MEA(Membrane Electrode Assembly);
   상기 제1 MEA를 둘러싸고, 내주면 및 외주면에 패턴화된 기체유로를 포함하는 중간전극;
   상기 중간전극을 둘러싸는 제2 MEA; 및
   상기 제2 MEA를 둘러싸는 외부전극을 구비하는
   튜브형 연료전지.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 튜브형 지지체는
   상기 기체유로에 기체를 주입하는 주입통로와,
   상기 기체유로에서 기체를 배출하는 배출통로를 포함하는
   튜브형 연료전지.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 기체유로는
   상기 중간전극의 외주면에 길이방향을 따라 홈 형태로 복수 개 형성되는 제1 기체유로,
   상기 중간전극의 내주면에 길이방향을 따라 홈 형태로 복수 개 형성되는 제2 기체유로를 포함하는
   튜브형 연료전지.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 기체유로는
   상기 중간전극의 외주면에 길이방향을 따라 나선형의 홈 형태로 복수 개 형성되는 제1 기체유로,
   상기 중간전극의 내주면에 길이방향을 따라 나선형의 홈 형태로 복수 개 형성되는 제2 기체유로를 포함하는
   튜브형 연료전지.
   
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 제1 기체유로와 상기 제2 기체유로는 상호 교차되어 형성되는
   튜브형 연료전지.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 기체유로에 수소가 주입될 때,
   상기 중간전극에서 산화작용이 일어나면서 (+)전기를 띄는 수소이온과 전자가 방출되고,
   상기 방출된 전자는 상기 내부전극 및 상기 외부전극으로 이동함에 따라 상기 내부전극 및 상기 외부전극에서 직류 전류가 발생되는
   튜브형 연료전지.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 외부전극을 둘러쌈으로써 상기 외부전극을 밀봉하는 챔버를 더 구비하는
   튜브형 연료전지.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 챔버에는 수소가 주입되고 상기 기체유로에 산소가 주입될 때,
   상기 내부전극 및 외부전극에서 산화작용이 일어나면서 (+)전기를 띄는 수소이온과 전자가 방출되고,
   상기 방출된 전자는 상기 중간전극으로 이동함에 따라 상기 중간전극에서 직류 전류가 발생되는
   튜브형 연료전지.

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