KR19990023358A - 주변냉각시스템이 있는 이온교환막 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각개의 전지가 2개의 2극판, 1개의 막, 막과 친밀 접촉된 2개의 전극, 2개의 도전전류 컬렉터 및 2개의 가스킷을 구비한 기본 전지군으로 구성된 이온교환막 연료전지에 관한 것이다.

2극판은 가스킷의 측면 창문을 통하여 흐르는 냉각매체에 의하여서만 주변을 따라 냉각되며, 바람직하게는 2극판의 재료는 높은 열도전율을 가지고 있다.

Description

주변냉각시스템이 있는 이온교환막 연료전지

프로톤 교환막 연료전지(이후 PEMFC 로 칭함)는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 가장 정적 시스템중의 하나이다.

중간 열단계가 필요없기 때문에 에너지효율은 특히 공급연료의 저발열량에 대하여 60% 까지 높다. 중요한 것은 연료는 순수 또 불활성분에 의해 회석된 수소이며, 산화제는 공기, 농축공기 또는 순수산소이며, 동작온도는 약 70∼80℃이다.

인산, 용해 탄산염 또는 고체산소 연료전지와 같은 다른형의 연료전지에 대하여는 PEMFC는 다음과 같은 장점을 가지고 있다.

­고표면 출력밀도(7KW/㎡ 까지)로 인한 고전류밀도

­가능한 고용량 및 중량출력밀도(0.3÷0.5KW/Kg까지 또는 러터)

­음 및 양극간의 압력 불평형에 대한 허용력

­전온에서의 빠른 시동(0℃ 및 그 이하까지도)

­날카로운 과도상태에의 적응력

이러한 특징에 의해 PEMFC는 고온도열이 필요하지 않을 경우 계속성 장치, 원격무인 발전 및 열병합 발전등의 전기수송 및 고정응용을 위한 바람직한 선택으로 되었다.

PEMFC용으로 다만 만족스러운 연료인 수소는 여러 다른 소스에서 끌어낸다.

일반적으로 수소는 전기분해 공장에서, 전형적으로는 클로르-안칼이 또 클로레이트 공장에서, 상용가스 제조장치에서, 그리고 광택어닐링용 스틸민 등의 수소를 사용하는 공장에서 부산물 또는 폐가스로서 즉시 사용할 수 있다.

정상적으로 이 수소는 보일러에서 태워지며 또는 대기에 새어나오며, 다만 적은 경우지만, 수소는 재상공정에서 높은 가치의 화학제품으로 사용된다.

여러순수도 및 회석도의 수소는 수증기개질 및 열 또는 촉매의 부분적 산화장치에서 하이드로카본 및 알코올등의 여러가지 재료의 변환에 의해 얻을 수 있다.

이 경우에는 가공하지 않은 수소가 카본 디옥사이로 희석되며, 그리고 그것은 수소설파이드 및 /또는 카본 모녹시드등의 불순물을 함유하게 된다. 또한 유사한 테일가스로서 정제소에서 이용할 수 있다.

PEMFC의 장점은 다음과 같은 결점에 의해 상쇄된다:

­상기한 저 동작온도, 즉 60∼80℃는 전기와 열에너지의 열병합발전에 의한 대규모 이용에 대해 PEMFC를 간신히 유익하게 만든다.

­카본 모녹시드등, 또 저동작 온도 때문에 불순물에 의한 촉매의 동작용, 따라서 PEMFC에 공급될 수소함유 수증기는, 예컨데, ppm 범위로 불순물 레벨을 저하시키도록 유도한 선택적 촉매에 의해, 또는 불순물의 물질적 분리에 의해, 즉 팔라듐막 또는 압력스윙흡수 시스템(Pressure Swing absorption systems, PSA)등에 의해 미리 예열되여야 한다.

분명히 이 요구는 PEMFC가 결합된 시스템의 복잡성을 더하여 투지비용을 더 추가하게 한다. 종전방식의 기본전지의 전형적 구조는 도 1에 나타나 있으며, 그 구조는 2극판(17), 이온교환막(22), 전극(20, 21)(일반적으로 설치전에 열과 압력으로 막에 접합된 MEA로서 시중에 공지된 조립체), 주변 밀봉을 한 가스킷(18), MEA에로의 수소와 산소의 동질의 분포 및 가동시에 작은 물방울 형태로 형성된 물의 발출은 보증하도록 유도하고, 선택적으로 소수정으로 된 다공질의 도전 적층판으로 제조된 가스확산기(23)(또한 전류컬렉터로서 구성됨), 동작시 발생된 열을 제거하기 위해 필요하고 수소의 가열치의 약 40%에 이르는 일반적으로 액체인 냉각매체를 공급하고 철수하는 채널(24)으로 구성되여있다.

도 1에 나타낸 기본전지는 필요한 전기출력을 공급할 수 있는 스택을 형성할 수 있도록 함께 조립되었다.

시스템의 우수한 효율을 달성하기 위하여는 여러접촉 영역에서의 극부적인 저항강하 때문에 발생한 전력손실을 최소화시키는 것이 요구되며, 이것은 단부판과 결합봉에 의해 적절한 밀착입력하에 스택을 유지함으로서 달성되며, 이 압력은 통상적으로 10∼20kg/㎠로 구성된다.

여러시장 분석에 의하면, 에어콤프레서, 수소가스, 압력과 플로레이트와 온도제어장치, 중앙제어장치 등의 필요한 보조기재를 구비한 막연료전지, 즉 PEMFC 시스템을 상용상 만족스럽게 하는 것은 전력의 KW당 500∼1000의 범위에서 제공되여 한다고 나타내고 있다.

이 가격은 적어도 연간 1000 시스템의 대규모 자동생산의 경우 성취될 수 있다. 따라서, PEMFC의 모든 구성부품은 기하학적 구성 및 구성재료에 대하여 적당하게 설계되여야 한다.

용이하게 이해할 수 있는 것은 도 1의 2극판은 저가생산을 위한 요구를 만족하게 못하며, 사실 구조내부에 냉각매체를 위한 채널의 존재는 구조를 복잡하게 만든다.

채널을 만들기 위해 필요한 기계적인 작업을 대단히 시간이 소요되며, 매우 비용이 든다.

그런데 적절한 폴리머 또는 금속합금의 구조는 확실히 더 가격 효율적이다.

그러나, 주로 필요한 복잡한 기기 및 너무 긴 제조시간 때문에 만족스러운 시장가격을 용납하는 가격목표를 달성되도록 허용하지 않는다. 또한, 대안은 냉각액체순환에 적합한 내부공간을 남기기 위해 결합된 2개의 셸로 제조된 2극판이다.

이 문제의 해결을 위하여는 용접, 납땜 또는 적절한 가스킷에 의해 형성된 주변 밀봉을 필요로 한다. 또한, 우수한 전기적도 특성은 다수의 접속점에 의해 2개의 셸의 표면간에 보증되여야 한다.

이상의 기술이 간단하다 할지라도, 2개의 셸구조는 만족한 저가제품으로서 고려될 수 없는 것은 분명하다.

본 발명의 주목적은 바로 저가로, 고속생산에 특히 적합하고, 또 이온교환막 연료전지의 사용에 접한한 2극판 구조를 제공함으로서 종전방법의 단점을 승복하는 것이다.

도 1 은 2극판의 개략도

도 2 는 양수직측면을 따라서 있는 냉각시스템이 제공된 본 발명의 2극판의 전면도

도 3 은 도 2의 2극판용 가스킷의 전면도

도 4 는 본 발명에 의한 단위전지의 측면도

도 5 는 여러다른 동작조건에서 본 발명의 2극판의 열구배를 나타낸 도

도 6 은 실시예 1의 연료전지스택의 전류출력의 함수로서 전지전압 작용을 나타내는 도

도 7 은 실시예 1의 스택의 각 기본전지의 전압을 나타내는 도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 수소함유 가스공급 입구구멍

2: 배기가스 제거용 출구구멍

3: 산소함유 가스공급 입구구멍

4: 열화가스 방출출구 구멍

5: 냉각 액체공급 입구구멍

6: 냉각 액체방출 출구구멍

8: 산소 함유가스 공급구멍

9: 열화가스 방출구멍

10: 수소 함유가스 흐름구멍

11: 배기가스 흐름구멍

12: 냉각 액체순환용 창문

13, 14: 배분채널

15, 16: 오목공간

17: 2극판

18: 가스킷

19: 리지(ridge)

20, 21: 전극

22: 이온교환막

23: 가스분사기

24: 냉각액체용 채널

실시예 1의 스택(stack)

본 발명의 2극판은 1개의 엷은 평면판으로 구성되고, 그 엷은 평면판은 수소 및 산소를 함유한 가스를 공급하기 위해, 그리고 배기가스 및 생성된 물을 철수하기 위해, 또 냉각액체의 흐름통로가 2개의 측면을 따라 또는 바람직하게는 엷은 평면판의 2개의 대향 측면을 따라 배치된 냉각액체의 입구 및 출구를 위하 필요한 구멍들을 구비하고 있다.

도 2에서, 2극판(17)은 수소를 함유한 가스를 공급하는 입구구멍(1), 배기가스를 제거하는 출구구멍(2), 산소를 함유한 가스를 공급하는 입구구멍(3), 열화가스를 방출하는 출구구멍(4), 냉각액체를 공급하는 입구구멍(5), 및 냉각액체를 방출하는 출구구멍(6)를 구비하고 있다.

전극막 패키지에 의해, 점유영역은 파선으로 표시되고, 오목공간(16)은 연결봉의 통과를 가능하게 유도한다. 도 2의 2극판은 적절한 공구를 사용하여 엷은 판을 절단하는 단일스텝으로, 또한 연속코일에서, 획득할 수 있다.

가능한 구성재료로서, 기술문헌 및 특허문헌은 다음 대치물을 권유하고 있다.

­흑연

­흑연-폴리머 복합물(미국특허 4,339,322호, Balko 등)

­페라이트 또는 어스텐 나이트형 스테인레스강

­티타늄

­알미늄 및 그의 합금(미국특허 5,482,792호, Faita등)

흑연은 자동절단 스텝을 받을 수 있는 스트립 또는 엷은 판을 가질 수 있는 가능성이 없기 때문에 그의 취성에 의하여 본 발명의 요구조건을 만족할 수 없는 것이 분명하다.

또한, 흑연-폴리머 복합물은 충분히 강하지 않음으로 절단 스텝시 빈번한 판단면을 받게 된다. 사실로 자동생산에 적합한 상용폴리머는 시장에서 손에 넣을 수 있으나, 그의 전기도전율은 너무 낮아서, 전류흐름으로 발생된 저항강하는 연료전지의 전류효율을 분리하게 함으로 만족스럽지 않다.

반대로, 모든 금속재료는 자동절단작업에 적합하며 좋은 전기도전율을 가짐으로 본 발명의 2극판을 제조하는 잠재적 후보자이다.

도 3은 본 발명의 2극판에 결합되는 가스킷(18)을 나타내며, 가스킷(18)은, 각 기본전지의 음극에 수소함유가스를 분배하며 배기가스를 방출하기 위해 관력 배분채널(13,14)과 리지(19)(ridge)(파선)를 가진 구멍(8,9), 산소함유가스와 열화가스의 세로흐름을 위해 리지(19)(파선)를 구비한 구멍(10,11), 냉각 액체의 순환을 위해 외부에로의 누출을 방지하는 리지(파선)를 가진 창문(12), 전극을 수용하도록 유도한 내부 오목공간(15) 및 외부에로의 가스밀폐를 보증하기 위해 리지를 구비한 막(도면 생략)으로 구성되여있다.

도 3에 표시된 가스킷을 수직축에 대해 대칭인 것을 유의해야 한다. 이것은 간단히 180^o회전으로 산소함유 가스를 공급하기 위하여 동일한 가스킷의 사용을 가능하게 한다.

이 경우 배분채널을 가진 구멍(8,9)은 각 단위전지에 산소함유가스를 공급하고, 또 열화가스를 배출하기 위해 제공되여 있으며, 한편 구멍(10,11)은 수소함유가스 및 배기가스의 세로흐름을 위해 제공되여있다.

전극은 확실히 자유영역과 동일 크기를 가지나, 막은 약간 크므로 측면 미끄러짐이 없도록 2개의 인접 가스킷사에서 밀폐되여있다.

도 4에서 분명한 것은 도 2 및 도 3의 부호는 동일소자를 정의 하도록 사용되여있다. 도 4에서, 산소 및 수소 함유가스를 각각 공급하는 전극(20 및 21)은 막(22)과 직접 접촉되고 있다.

기본전지의 여러구성부품이 함께 프레스되면, 공급가스의 흐름 및 배기가스와 생성된 물의 방출을 하게하는 세로채널은 구멍(1,3 및 8,10)과 구멍(2,4 및 9,11)을 중첩하여 형성된다.

구멍(1,8 및 2,9)에 의해 형성된 산소함유가스를 공급하고 잔류가스를 배출하는 세로채널은 전극(20)을 가진 배분채널(13 및 14)에 의해 접속되여 있으며, 한편 구멍(3,10 및 4,11)에 의해 중첩에 의해 형성된 수소함유 가스를 공급하고 잔류가스를 배출하는 세로채널은 동일 배전기에 의해 전극(21)에 접속되여 있다.

냉각매체는 구멍(5)과 창문(12)을 결합하여 형성된 채널을 통하여 흐르며 각 2극판(17)의 시트를 접촉하고 있는 각 창문(12)에 의해 경계가 정해진 공간을 통하여 흐르며 출구구멍(6)과 창문(12)을 중첩하여 형성된 채널을 통하여 방출된다.

열교환을 증대하기 위하여, 특히 냉각매체가 공기와 같은 가스상일때에는, 생산주기의 경제성을 침범함없이, 입구구멍(5)과 출구구멍(6)간의 2극판(17)의 시트부분이, 개시시트에서 2극판을 절단할 때 형성된 파동편 및 핀(fin)을 갖게된다면 유익한 것으로 알려지고 있다.

적합한 냉각액체는 순수물 또는 저점도를 가진 유기액체이다.

장기간 그리고 안정된 성능으로 연료전지에 사용될 수 있게 본 발명의 2극판을 제조하는 적합한 재료는, 다음 테이블에 표시된것같이 광범위 구역내에서 변화되는 열도전율을 고려하여 선택해야 된다.

2극판의 자동생산을 위해 적합한 금속재료의 열도전율(w/m℃)

어스테나이트 스테인레스강 16

페라이트 스테인레스강 26

티타늄 17

알미늄 및 그의 합금 200

통상적으로 열도전율은 종전방법의 2극판에 대해서는 중요하지 않다.

사실 열은 훨신 축소된 두께를 통하여 판벽에 수직으로 이동됨으로 한정된 열구배를 갖는다.

반대로 열도전율은 냉각이 주변영역에서 이루어지는 본 발명의 2극판에 있어서는 주요요소이다.

도 5 는 다음 가정의 구성을 위해 사용된 금속의 열도전율의 함수로서 본 발명의 2극판에 대해 계산된 열구배를 나타낸다.

즉 가정에 있어서 2극판의 길이 및 두께는 3500 암페머/m²의 전류밀도에서 각각 20 및 0.2cm 이고 각 기본전지의 전압은 0.7V(소모 수소의 저발열량의 40%가 제거된 열량에 상응), 그리고 냉각액체의 온도는 50℃이다.

100℃이상에서는 막은 용이하게 전기적 도전율을 현저히 저하시키는 탈수를 하게됨으로, 2극판의 중앙축에 일치되게 극부적으로 있는 최고온도에 상응한 최대구배는 50⁰을 초과할 수 없다.

이 결과에 의해 100w/m℃ 보다 높은 금속의 열도전율을 획득할 수 있는 것을 알게 되었다.

그럼으로 알미늄 및 그의 합금은 특히 적합하며, 페라이트형의 스테인레스강과 같은 저열도전율을 가진 재료 및 티타늄은 최대 경배를 50℃으로 유지하기 위해 2-3cm 로 제한된 폭의 2극판을 필요로 한다.

따라서 이들 재료는 아직 유용할지라도 연료전지에서의 사용에는 실용적이 아니다.

제한된 폭의 문제는 두께를 증대시킴으로서 해결할 수 있다.

그러나 시트의 간단한 절단에 의한 2극판의 제조와 스택중량 및 전체비용을 증가시키지 않는 2극판의 제조에 대한 필요성에 관련된 제한치가 있다.

이 제한치는 아마 약 0.3cm 임으로, 스테인레스강 또는 티타늄으로 된 본 발명의 2극판의 폭은 아직 작다.

또한 폭은 전류밀도를 감소함으로써 증가될 수 있으나, 그러나 그것은 연료전지를 보기 흉하게 만듬으로 만족스럽지 않다.

탄소강,니켈 및 동등과 같이 스테인레스강 및 티타늄보다 높은 전기도전율을 가진 기타금속의 사용이 고려되여 왔으나, 부식문제로 배제되었다.

정확한 시간에 2극판의 구멍뚫기를 일으키는 외에, 더욱 감소된 두께로 만드는 부식은 또한 막을 블록킹하여 나쁘게 그의 전기도전율에 영양을 주는 금속이온을 방출한다.

알미늄 및 그의 합금의 경우에는, 이들 재료로 된 2극판을 가진 연료전지의 장기간 동작에 의해 증명되였음으로 이 문제는 없으며 또는 무시될 수 있다.

2극판의 측면부분에 따라 있는 저동작 온도는 절대적인 요소이며, 사실 그것은 산소함유가스가 알맞은 영역에서는 저전류밀도를 동반하며, 결국에는 가스킷의 기계적 특징을 보존하는데 더욱 도움이 된다.

동작중에는 알미늄 및 그의 합금은 2극판과 막전극 조립체간의 접촉저항을 증가시키는 저도전율 산화막으로 코팅되여 연료전지의 전기적효율을 감소시킨다.

이 문제는 미국특허 5,482,792 호에 제기되여 해결되였으며, 여기에는 2극판과 전극사이에 삽입되고, 영구적 우량 전기적 접촉을 주는 거칠음을 구비한 표면이 특징있는 전류 콜렉터의 사용에 대하여 기술하였다.

다음 실시예는 본 발명의 2극판으로 조립되고, 알미늄 또는 그의 합금으로 제조되고, 그리고 미국특허 5,482,792 호에 기술된 전류콜렉터에 구비한 연료전지스택에 관한 것이다.

실시예 1

다음것으로 구성된 8개의 기본전지를 구비한 1개의 연료전지 스택(stack)을 조립하였다.

-99.9% 의 알미늄으로 제조되고 도 2 에서와 같이 15×15cm 크기와 1cm 의 두께의 활동영역(15)(도 2 에)으로의 구성된 9개의 2극판.

- 15×15cm 의 내부사용공간(15)(도 3 에서)와 0.2cm 의 두께를 가진 도 3 의 16개의 가스킷. 수소 및 산소를 함유한 가스 순환용 구멍, 배분채널 및 냉각액체흐름용 내부사용공간과 창문은 0.02cm 의 두께를 가진 리지기 제공되여 있다.

구조물 재료는 사출성형에 적합한 영가소성 엘라스토머(elastomer)(미국 , Du Pont 사의 Hytrel)이다.

- 1mg/cm²의 농도의 카본지지 플라티나로 구성된 촉매를 가진 미국 E-TEK 사에서 공급된 16개의 ELAT 전극.

- 미국 Du Pont 사에서 공급된 8개의 Nafion 117 : 막.

- 0.2cm 의 두께를 가진 미국특허 5,482,792 호의 실시예 1 에 기술된 것같은 그물 모양의 재료로 제조된 16개의 전류콜렉터(도 2 의 23).

여러 구성물은 15kg/cm²의 접촉압력을 얻기 위해 연결봉에 의해 Anticorodal 100 알미늄합금으로 제조된 2cm 두께의 2개의 단부판 사이에 죄여져 있다.

냉각매체는 50℃의 입구온도 및 60℃ 의 출구온도를 가진 순수물이 있다.

연료전지는 순수수소 및 60% 의 상대습도에 도달하기 위해 가해진 수중기를 가진 공기였으며, 입구가스온도는 60℃ 이고, 한편 공기압력은 3,4, 바(bar)이고 최종으로는 5바 였다.

수소압력은 공기압력보다 약 0.2바 높게 유지되였다.

도 6 은 전류출력의 함수로서 전기전압 작용을 나타내며, 한편 도 7 은 400 암페어/m²의 전류밀도에서 각 기본전지의 전압은 나타낸다.

도 7 은 분명하게 기본전지가 본 발명의 장치의 재상작용을 증명하기 위해 동일 전압에서 동작되는 것을 나타낸다.

다만 2개의 말단전지(1 및 8)는 약간의 저동작온도를 동반하는 높은 열분산 때문에 분명히 약간 낮은치를 나타낸다.

전지는 어떠한 성능의 눈에 보일정도의 부식없이 전 680 시간동안 간혈적으로 동작되였다.

실시예 2

비교목적으로 8개의 단위전지로 된 연료전지는 2극판을 제외하고는 알미늄-실리콘합금(UNI 4514 형)의 압력 다이구조에 의하여 된 실시예 1 과 동일구성품을 사용하여 조립되였다.

2극판은 5mm 의 두께를 가졌으며 순수물흐름을 위해 1개 채널을 결합하였다(도 1 의 24).

본 실시의 연료전지는 미국특허 5,482,792 호에 기술된 것같이 종전방법의 대표물로서 고려된다.

전지는 실시예 1 에서와 동일 조건에서 동작되여, 사실상 동일성능을 획득하였다.

특히 각 기본전지의 전압은 실시예1 의 전압보다 평균치로 5mv 높았다.

이것은 종전방법의 복잡하고 고가의 냉각시스템은 실제로 값싸고, 가볍고 그리고 더욱 간결한 연료를 제공하는 본 발명의 시스템에 대하여 겨우 대수롭지 않은 개량을 얻을수 있게 된다.

종전의 연료전지에 있어서는, 2극판 제조원가가 높으며 냉각시스템용 냉각매체용 채널을 제조하는데 요하는 기계적 작업에 시간이 소요되여 고가등의 결점이 있었으나, 본 발명에서는 특히 이온교환막 연료전지에 사용하기 적합한 매우 저가로 대량 제조할 수 있는 2극판 구조를 제공하고 냉각시스템도 개량함으로써 저가이고 경량이며 간결한 연료전지를 제공하는 것이다.

Claims (9)

1. 2개의 2극판에 의해 범위가 정해진 적어도 1개의 기본전지, 1개의 교환막, 상기막과 밀착접촉된 2개의 전극 및 배분채널을 구비한 2개의 가스킷으로 구성되고, 또 수소 및 산소함유가스를 공급하며, 배기가스 및 생성된 물을 방출하기 위한 세로의 채널 및 냉각매체를 흐르게 하는 채널을 구비한 연료전지에 있어서,

   2극판은 단위전지에 수소 및 산소함유가스를 공급하며, 배기가스 및 생성물을 제거하는 구멍 및 2극판의 주변영역에 제한된 냉각액체의 흐름을 위한 창문을 구비한 평면시트로 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   2극판은 금속제인 것을 특징으로 하는 연료전지.
3. 제 1 항에 있어서,

   냉각 액체흐름을 위한 2극판의 주변영역은 2개의 대향측면에 한정된 것을 특징으로 하는 연료전지.
4. 제 1 항에 있어서,

   2극판의 주변영역은 열교환을 증대시키기 위해 파동편 또는 핀(fin)이 제공된 것을 특징으로 하는 연료전지.
5. 제 1 항에 있어서,

   2극판은 100w/m℃ 보다 높은 열도전율을 가진 것을 특징으로 하는 연료전지.
6. 제 1 항에 있어서,

   2극판은 알미늄 또는 2의 합금으로 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지.
7. 제 1 항에 있어서,

   각 기본전지는 또한 거칠음을 가진 2개의 다공이고 도전적 전류 콜렉터를 구비한 것을 특징으로 하는 연료전지.
8. 제 1 항에 있어서,

   냉각 액체는 순수물, 저 점도유기액체, 공기로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지.
9. 상기 청구항의 연료전지의 2극판을 제조하는 방법에 있어서, 그 방법은 단일스텝으로 적합한 공구에 의해 시트 또는 스트립을 전단하는 것으로 구성된 연료전지의 2극판을 제조하는 방법.