KR20020074046A - Monopolar cell pack of direct methanol fuel cell - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A monopolar cell pack for the direct methanol fuel cell is provided, to prevent the loss of fuel, to simplify the internal electric circuit, to reduce the loss due to the resistance and to allow the carbon dioxide, by-product to be discharged smoothly. CONSTITUTION: The monopolar cell pack comprises an upper plate(301) and a lower plate(302) separated by a certain space; an ion exchange membrane(101) which is positioned between the two plates and has a primary face and a secondary face corresponding the primary face, wherein the two faces contain a plurality of unit cell ranges; a plurality of primary anodes(121) set in the unit cell range of the primary face and a plurality of primary cathodes(131) arranged in the unit cell range adjacent to the each primary anode; a plurality of secondary cathodes corresponding to the each primary anodes and a plurality of secondary anodes corresponding to the each primary cathodes, wherein the cathodes and the anodes are set in the unit cell range of the secondary face; a primary anode current collection plate and a second anode current collection plate which are set in the upper plate of the primary and secondary anodes and contains a fuel passing range(151a); a primary cathode current collection plate and a second cathode current collection plate which are set in the upper plate of the primary and secondary cathodes and contains an air passing range; a plurality of primary conductive parts which connect the primary anode and the primary cathode adjacent each other in the primary face electrically; and a plurality of secondary conductive parts which connect the secondary anode and the secondary cathode adjacent each other in the secondary face electrically and connects the cells positioned in the unit cell ranges in serial.

Description

직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩{Monopolar cell pack of direct methanol fuel cell}Monopolar cell pack of direct methanol fuel cell

본 발명은 직접메탄올 연료전지의 셀팩에 관한 것으로 상세히는 셀 간의 연결회로가 단순화되고 부생성물의 효과적인 배출이 가능한 직접메탄올 연료전지의 셀팩에 관한 것이다.The present invention relates to a cell pack of a direct methanol fuel cell, and more particularly, to a cell pack of a direct methanol fuel cell capable of simplifying a connection circuit between cells and enabling effective discharge of by-products.

직접 메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell :DMFC 이하 DMFC로 표기)는 화석 에너지를 대체할 수 있는 미래의 청정 에너지원으로서, 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높다. 또한 상온에서 작동가능하고, 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동 통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주 사업용 장비 등에 사용될 수 있어서 그 응용 분야가 매우 다양하다.Direct Methanol Fuel Cell (DMFC, hereinafter referred to as DMFC) is a future clean energy source that can replace fossil energy and has high power density and energy conversion efficiency. In addition, since it can operate at room temperature, and can be miniaturized and sealed, it can be used in pollution-free automobiles, household power generation systems, mobile communication equipment, medical equipment, military equipment, space business equipment, and the like, and its application fields are very diverse.

직접 메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell :DMFC 이하 DMFC로 표기)는 메탄올과 산소의 전기화학적 반응으로 부터 전기를 생산한다. 이러한 DMFC의 단위 전지 즉, 셀(cell)은 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드(2)와 캐소드(3) 사이에 수소이온교환막(1)이 개재되어 있는 구조를 가진다. 수소 이온 교환막(1)은 50 내지 200㎛의 두께를 가지며 고체 고분자 전해질로 되어 있다. 이러한 셀의 애노드(2)와 캐소드(3)는 모두 연료의 공급 및 확산을 위한 지지층과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층으로 이루어져 있다.Direct Methanol Fuel Cells (DMFCs are referred to as DMFCs) generate electricity from the electrochemical reaction of methanol and oxygen. As shown in FIG. 1, the unit cell of the DMFC, that is, a cell, has a structure in which a hydrogen ion exchange membrane 1 is interposed between the anode 2 and the cathode 3. The hydrogen ion exchange membrane 1 has a thickness of 50 to 200 µm and is made of a solid polymer electrolyte. Both the anode 2 and the cathode 3 of the cell consist of a support layer for the supply and diffusion of fuel and a catalyst layer in which the oxidation / reduction reaction of the fuel takes place.

상기 애노드(2)와 캐소드(3)의 지지층은 카본 페이퍼 또는 탄소천이 적용되며 액체 연료인 메탄올의 공급과 반응 생성물인 물의 배출이 용이하도록 방수처리(wet-proofed) 처리되어 있다.The support layer of the anode 2 and the cathode 3 is coated with carbon paper or carbon cloth and is wet-proofed to facilitate the supply of methanol as a liquid fuel and the discharge of water as a reaction product.

애노드(2)에서는 공급된 메탄올, 에탄올 또는 이소프로필 알콜 등과 물의 반응에 의하여 수소이온, 전자 및 이산화탄소가 발생(산화반응)이 되며, 생성된 수소이온은 수소이온교환막을 거쳐 캐소드로 전달된다. 캐소드(3)에서는 수소이온과 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응).In the anode 2, hydrogen ions, electrons, and carbon dioxide are generated (oxidation reaction) by reaction of supplied methanol, ethanol or isopropyl alcohol and water, and the generated hydrogen ions are transferred to the cathode through a hydrogen ion exchange membrane. In the cathode 3, hydrogen ions and oxygen react to generate water (reduction reaction).

아래의 반응식1 및 2는 상기와 같은 애노드와 캐소드에서의 반응을 나타내보이며, 반응식 3은 단위셀 전체의 반응식을 나타낸다.Schemes 1 and 2 below show the reaction at the anode and cathode as described above, and Scheme 3 shows the reaction scheme of the entire unit cell.

단위 셀의 발생전압은 이론상 1.2V 내외이기 때문에 요구되는 소정의 고전압을 발생시키기 위해서는 여러장의 단위 셀을 적층하고 전기적으로는 직렬로 연결하여 목적하는 전압을 얻도록 되어 있다. 이때 각 단전지에 연료 및 공기를 공급하고 발생된 전기를 집전하기 위해 적층한 셀의 수량만큼의 유로(Flow Field)와 집전판인 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)가 적용된다. 이때 유로는 금속성 망상체(Metal Mesh)등을 사용하기도 하나, 주로 전기전도성이 있고 기체의 밀폐가 가능한 일정 두께 이상의 집전판인 흑연블록(Graphite Block)에 유로를 가공하여 새겨 넣은 구조를 사용한다.Since the generation voltage of the unit cell is about 1.2V in theory, in order to generate a desired high voltage, several unit cells are stacked and electrically connected in series to obtain a desired voltage. At this time, a flow field and a bipolar plate, which is a collector plate, are applied as many as the number of stacked cells to supply fuel and air to each unit cell and to collect electricity generated. In this case, the channel may use a metallic mesh, but mainly uses a structure in which a flow path is processed and engraved into a graphite block, which is a current collector plate having a predetermined thickness or more, which is electrically conductive and capable of sealing gas.

그러나 이와 같은 방법을 사용하는 경우 적층한 스택의 최외각 단전지로부터 스택 안쪽의 단전지에 이르기까지 연료 및 산소를 연속적이면서 서로 혼합되지 않도록 공급하기위해 복잡한 유로의 설계가 필요하고, 이러한 이유로 공급되는 액체혹은 기체가 누설될 우려가 많다. 또한, 집전판을 여러장 쌓아야 하므로 밀폐화가 힘들고, 스택의 크기와 무게를 줄이기 힘들어지므로 결과적으로 출력 밀도에 영향을 미친다. 그리고 스택의 최외각과 중간 부분의 내부 저항, 온도 및 가습 정도등이 균일하지 않게 되므로 단위전지들이 부분적으로 고부하가 걸리는 현상으로 스택의 수명이 단축될 수 도 있다. 고출력의 스택의 경우에는 이러한 단점들을 감수하더라도 기존의 적층 방식 스택이 유리하겠으나, 전자기기 응용등의 저출력용도의 경우 이러한 단점들을 보완한 단전극(Monopolar) 셀팩의 구조가 유리하다.However, this method requires a complex flow path design to supply fuel and oxygen continuously and unmixed from the outermost unit cell of the stacked stack to the unit cell inside the stack. There is a risk of liquid or gas leakage. In addition, it is difficult to encapsulate it because it is necessary to stack several current collector plates, and it is difficult to reduce the size and weight of the stack, which in turn affects the power density. In addition, since the outermost part of the stack and the internal resistance of the middle portion, the temperature and the degree of humidification are not uniform, the unit batteries may be partially loaded, which may shorten the life of the stack. In the case of high output stacks, the conventional stacking stack may be advantageous even if these disadvantages are taken into account, but in the case of low power applications such as electronic devices, a monopolar cell pack structure that compensates for these disadvantages is advantageous.

종래의 모노폴라형 셀팩 구조는 도 2a 및 그 단면도인 도 2b에 예시적으로 도시된 바와 같이 이온교환막(1a)의 일측면에 애노드(2a)들이 배치되고, 그 반대측면에는 상기 각 애노드(2a)에 대응하게 캐소드(3a)들이 배치되어 있다. 따라서, 각 셀을 전기적으로 직렬 연결을 위해서는 인접한 셀의 애노드(2a)와 캐소드(3a)의 연결 도선(4)이 애노드(2a)와 캐소드(3a) 사이의 이온교환막(1a)을 통과해야 한다. 따라서, 이와 같은 경우 이온교환막(1a)에는 상기 연결도선의 통과를 위한 통로 또는 홀이 형성되어야 한다. 그러나 이러한 통로 또는 홀은 연료의 누설을 야기시킬 가능성이 있기 때문에 이 부분이 실링되어야 한다. 이온교환막(1a)을 통과하지 않는 경우는 연결 도선이 셀팩 외부로 우회하여야 한다. 이와 같이 연결도선이 셀팩의 외부로 우회하는 경우에는 연결도선의 길이가 길어지고 따라서 연결도선의 선저항 증가에 따른 전류손실이 발생되고, 이 역시 연료의 누설을 야기시킬 가능성이 있기 때문에 이부분이 실링되어야 한다. 또한 이러한 종래의 셀팩은 집전판과 애노드 및 캐소드간의 콘택트 상태가 좋지 못하며, 접촉면이 넓지 않기 때문에 접촉저항에 의한 전류손실이 발생된다. 종래 셀팩의 결점은 부생성물인 CO2가스의 배출을 위한 배출통로가 없기 때문에 CO2가스에 의한 연료공급의 방해 및 이에 따른 전극의 반응성이 떨어진다.In the conventional monopolar cell pack structure, anodes 2a are disposed on one side of the ion exchange membrane 1a as exemplarily shown in FIG. 2A and a cross-sectional view of FIG. 2B, and the anodes 2a are disposed on opposite sides thereof. Cathodes 3a are arranged in correspondence with " Therefore, in order to electrically connect each cell in series, the connecting lead 4 of the anode 2a and the cathode 3a of the adjacent cell must pass through the ion exchange membrane 1a between the anode 2a and the cathode 3a. . Therefore, in this case, a passage or a hole for passing the connecting wire should be formed in the ion exchange membrane 1a. However, these passages or holes must be sealed because of the potential for fuel leakage. When not passing through the ion exchange membrane 1a, the connecting lead must be bypassed to the outside of the cell pack. In this case, when the lead wire is bypassed to the outside of the cell pack, the length of the lead wire becomes longer, and thus a current loss occurs due to an increase in the lead resistance of the lead wire, which also causes fuel leakage. It must be sealed. In addition, such a conventional cell pack has a poor contact state between the current collector plate, the anode and the cathode, and the current loss due to the contact resistance is generated because the contact surface is not wide. The drawback of the conventional cell pack is that there is no discharge passage for discharging the by-product CO 2 gas, which hinders the fuel supply by the CO 2 gas and thus the reactivity of the electrode.

도 3은 종래 단전극형 셀팩의 일례로서는 미국특허 5,925,477에 개시된 셀팩(10)을 개략적으로 도시한 것이다.FIG. 3 schematically illustrates a cell pack 10 disclosed in US Pat. No. 5,925,477 as an example of a conventional single electrode cell pack.

도 3을 참조하면, 단위 셀을 1렬이 배치되고, 인접한 셀의 대향된 부분이 상호 겹쳐지게 한 상태에서, 각 셀의 캐소드(13, 13a) 각각이 인접한 셀의 애노드(12a)에 도전체(14, 14a)들에 의해 전기적으로 직렬 연결되어 있다. 이러한, 구조는 유로가 마련되어 있는 흑연판(Graphite Plate)에 연료공급을 위한 연료 유동영역(flow field)을 형성해야 하고, 전극간의 연료 유동을 위해 셀 외부에서의 연료 경로가 별도로 설계되어야 하고, 전기화학적 반응이 일어나는 애노드 및 캐소드 등의 전극 자체가 굽혀져야 하는 구조이기 때문에 전극의 수명은 물론 제조공정에도 문제가 있다.Referring to FIG. 3, in a state in which one unit cell is disposed and the opposing portions of adjacent cells overlap each other, each of the cathodes 13 and 13a of each cell is connected to the anode 12a of the adjacent cell. (14, 14a) are electrically connected in series. Such a structure must form a fuel flow field for supplying fuel to a graphite plate provided with a flow path, and a fuel path outside the cell must be separately designed for fuel flow between electrodes, and Since the electrodes themselves, such as anodes and cathodes, in which chemical reactions occur, must be bent, there is a problem in the manufacturing process as well as the lifetime of the electrodes.

본 발명의 제1의 목적은 셀간의 전기적 연결구조가 단순화된 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩을 제공하는 것이다.It is a first object of the present invention to provide a single electrode cell pack for a direct methanol fuel cell, in which the electrical connection structure between the cells is simplified.

본 발명의 제2의 목적은 셀 내부의 연료 누설이 효과적으로 억제된 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩을 제공하는 것이다.A second object of the present invention is to provide a single-electrode cell pack for a direct methanol fuel cell in which fuel leakage in a cell is effectively suppressed.

본 발명의 제3의 목적은 셀 내부에서 발생된 가스의 배출이 효과적으로 이루어질 수 있는 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩을 제공하는 것이다.It is a third object of the present invention to provide a single-electrode cell pack for a direct methanol fuel cell that can effectively discharge gas generated inside a cell.

도 1은 직접 메탄올 연료전지의 기본적인 구조를 보이는 도면이다.1 is a view showing the basic structure of a direct methanol fuel cell.

도 2a는 종래 단전극형 연료전지에서 단위 셀간의 전기적 연결 구조를 보이는 평면도이다.2A is a plan view illustrating an electrical connection structure between unit cells in a conventional single electrode fuel cell.

도 2b는 도 2a의 D - D 선 단면도이다.FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line D-D of FIG. 2A.

도 3은 종래 단전극형 셀팩의 일례를 개략적으로 도시한다.Figure 3 schematically shows an example of a conventional single-electrode cell pack.

도 4는 본 발명에 따른 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩에서 셀간의 전기적 연결구조를 보이는 개념적 평면도이다.4 is a conceptual plan view showing an electrical connection structure between cells in a single electrode cell pack for a direct methanol fuel cell according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩에서 셀간의 전기적 연결구조를 보이는 개념적 저면도이다.5 is a conceptual bottom view showing an electrical connection structure between cells in a single electrode cell pack for a direct methanol fuel cell according to the present invention.

도 6은 도 4의 A - A 선 단면도이다.6 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.

도 7은 본 발명에 따른 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩의 보다 구체적인 구조를 보이는 주요 구성부품의 입체적 배치도이다.Figure 7 is a three-dimensional layout of the major components showing a more specific structure of a single electrode cell pack for direct methanol fuel cell according to the present invention.

도 8은 완성된 본 발명에 따른 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩의 개략적 사시도이다.8 is a schematic perspective view of a single electrode cell pack for a direct methanol fuel cell according to the present invention.

도 9는 도 8에 도시된 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지용 단전극 셀팩의 분해 사시도이다.9 is an exploded perspective view of a single electrode cell pack for a direct methanol fuel cell according to the present invention shown in FIG. 8.

도 10은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지용 단전극 셀팩에 적용되는 하판의 사시도이다.10 is a perspective view of a lower plate applied to a single electrode cell pack for a direct methanol fuel cell according to the present invention.

도 11은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지용 단전극 셀팩에 적용되는 상판의 내면을 보인 평면도이다.11 is a plan view showing an inner surface of a top plate applied to a single electrode cell pack for a direct methanol fuel cell according to the present invention.

도 12는 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지용 단전극 셀팩에 적용되는 하판의 내면을 보인 평면도이다.12 is a plan view showing an inner surface of a lower plate applied to a single electrode cell pack for a direct methanol fuel cell according to the present invention.

도 13는 도 11의 B-B 선 및 도 12의 C-C 선 단면도이다.FIG. 13 is a cross-sectional view taken along line B-B of FIG. 11 and line C-C of FIG.

도 14는 도 13에서 "D" 부분의 확대 단면도이다.FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view of a portion “D” in FIG. 13.

도 15는 도 8의 E - E 선 단면도이다.15 is a cross-sectional view taken along the line E-E of FIG.

도 16과 도 17은 제1전류집전부재와 제2전류집전부재가 설치되는 상판과 하판의 각 내면을 보인 사시도이다.16 and 17 are perspective views illustrating respective inner surfaces of the upper plate and the lower plate on which the first current collecting member and the second current collecting member are installed.

도 18은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지용 단전극 셀팩의 성능을 보인 그래프이다.18 is a graph showing the performance of a single electrode cell pack for a direct methanol fuel cell according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 참조부호 설명* Explanation of the reference numerals for the main parts of the drawings

301: 상판301: top plate

301a: 연료공급영역303: 공기공급영역301a: fuel supply area 303: air supply area

301b: 제2가스배출채널301b: second gas discharge channel

302: 하판302: bottom plate

302a: 연료공급영역305: 공기공급영역302a: fuel supply area 305: air supply area

302b: 제2가스배출채널302b: second gas discharge channel

201: 상부 가스켓202: 하부가스켓201: upper gasket 202: lower gasket

101: 이온교환막101: ion exchange membrane

121: 제1애노드122: 제2애노드121: first anode 122: second anode

131: 제1캐소드132: 제2캐소드131: first cathode 132: second cathode

150: 제1전류집전부재150: first current collecting member

151: 제1애노드 집전판 152: 제1캐소드 집전판151: first anode current collector 152: first cathode current collector

141a: 제1도전부151a: 연료 통과영역141a: first conductive portion 151a: fuel passage region

152a: 공기 통과영역151b: 제1가스배출채널152a: air passage area 151b: first gas discharge channel

160: 제2전류집전부재160: second current collector member

161: 제2애노드 집전판162: 제2캐소드 집전판161: second anode current collector 162: second cathode current collector

142a:제2도전부161a:연료통과영역142a: second conductive portion 161a: fuel passage area

162a:공기 통과영역163a, 164a:단자부162a: Air passage area 163a, 164a: Terminal part

161b: 제1가스배출채널161b: first gas discharge channel

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면,In order to achieve the above object, according to the present invention,

소정 간격을 유지하는 상판과 하판;An upper plate and a lower plate maintaining a predetermined interval;

상기 상판과 하판의 사이에 마련되는 것으로, 제1면과 제1면에 대응하는 제2면을 가지며, 상기 제1면과 제2면에 다수의 단위 셀 영역을 갖는 이온교환막과;An ion exchange membrane provided between the upper plate and the lower plate, the second plate having a first surface and a second surface corresponding to the first surface, and having a plurality of unit cell regions on the first and second surfaces;

상기 이온 교환막의 제1면의 단위 셀 영역마다 설치되는 다수의 제1애노드 및 각 제1애노드에 인접한 단위 셀 영역에 배치되는 다수의 제1캐소드와;A plurality of first anodes provided for each unit cell region of the first surface of the ion exchange membrane and a plurality of first cathodes disposed in the unit cell region adjacent to each first anode;

상기 이온 교환막의 제2면의 단위 셀 영역마다 설치되는 것으로 상기 각 제1애노드들에 대응하는 다수의 제2캐소드 및 상기 제1캐소드 각각에 대응하는 다수의 제2애노드와;A plurality of second cathodes corresponding to each of the first anodes and a plurality of second anodes corresponding to each of the first cathodes, each unit cell region of the second surface of the ion exchange membrane;

상기 제1애노드 및 제2 애노드의 상면에 설치되며, 각각에 연료 통과영역형성된 제1애노드 집전판 및 제2애노드 집전판과,A first anode current collector plate and a second anode current collector plate disposed on upper surfaces of the first anode and the second anode, respectively, and having a fuel passage region formed thereon;

상기 제1캐소드 및 제2 캐소드의 상면에 설치되며, 각각에 공기 통과영역이 형성된 제1캐소드 집전판 및 제2캐소드 집전판과,A first cathode current collector plate and a second cathode current collector plate disposed on upper surfaces of the first cathode and the second cathode, respectively, and having air passage regions formed therein;

상기 이온교환막의 제1면에서 인접한 제1애노드와 제1캐소드를 전기적으로 상호 연결하는 다수의 제1도전부와;A plurality of first conductive parts electrically connecting the first anode and the first cathode adjacent to each other on the first surface of the ion exchange membrane;

상기 이온교환막의 제2면에서 인접한 제2애노드와 제2캐소드를 전기적으로 상호 연결하여 상기 단위 셀영역 들에 마련되는 셀들을 전기적으로 직렬 연결하는 다수의 제2도전부를;구비하는 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩이 제공된다.A plurality of second conductive parts electrically connecting the second anode and the second cathode adjacent to each other on the second surface of the ion exchange membrane to electrically connect the cells provided in the unit cell regions; A single electrode cell pack is provided.

상기 본 발명에 따른 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 상판 및 하판에 상기 제1,제2애노드에 대한 연료공급을 위한 연료공급영역 및 상기 제1, 제2캐소드에 대한 공기 공급을 위한 공기 공급영역이 마련된다.According to a preferred embodiment of the single-electrode cell pack for direct methanol fuel cell according to the present invention, the fuel supply region for the fuel supply to the first and second anodes on the upper plate and the lower plate and the first and second cathodes An air supply area for air supply is provided.

상기 제1,제2애노드 및 제1,제2캐소드와 각각에 대응하는 제1, 제2애노드 집전판은 상기 상판 및 하판에 마련되는 연료 공급 영역에 대응하는 크기를 가지며, 상기 제1, 제2캐소드 집전판은 상기 상판 및 하판에 마련되는 공기 공급 영역에 대응하는 크기를 가진다.The first and second anodes and the first and second cathodes, respectively, and the first and second anode current collector plates respectively corresponding to the fuel supply regions provided in the upper and lower plates, respectively, The two-cathode current collector plate has a size corresponding to the air supply region provided in the upper plate and the lower plate.

상기 제1도전부는 상기 이온교환막의 제1면에 배치되는 각 제1애노드 및 이와 전기적으로 연결되는 제1캐소드와 일체적으로 형성되며, 제2도전부는 상기 이온교환막의 제2면에 배치되는 각 제2애노드 및 이와 전기적으로 연결되는 제2캐소드와 일체적으로 형성된다.The first conductive portion is integrally formed with each first anode disposed on the first surface of the ion exchange membrane and the first cathode electrically connected thereto, and the second conductive portion is formed on the second surface of the ion exchange membrane. It is formed integrally with the second anode and the second cathode electrically connected thereto.

상기 상판의 내면에는 제1전류집전판이 삽입되는 집전체삽입홈이 형성되고, 상기 하판의 내면에는 제2애노드집전체, 제2캐소드집전체 및 이를 연결하는 제2도전부가 인입되는 집전체 삽입홈 및 도전부 삽입홈이 형성된다.A current collector insertion groove into which a first current collector plate is inserted is formed on an inner surface of the upper plate, and a current collector insertion groove into which a second anode current collector, a second cathode current collector, and a second conductive part connecting the same are introduced into an inner surface of the lower plate. And a conductive portion insertion groove is formed.

제1애노드 집전판 및 제2애노드 집전판의 각 내면에는 제1애노드 및 제2애노드에서 발생된 부생성물의 배출을 위한 다수의 제1가스배출 채널이 형성되며, 상기 상판과 하판의 내면에 상기 각 제1가스배출채널과 연결되는 다수의 제2가스배출채널이 형성된다.A plurality of first gas discharge channels are formed on each inner surface of the first anode current collector plate and the second anode current collector plate for discharging the by-products generated at the first anode and the second anode, and the upper and lower plates are formed on the inner surfaces of the upper plate and the lower plate. A plurality of second gas discharge channels connected to each first gas discharge channel are formed.

이하 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명에 따른 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of a single electrode cell pack for direct methanol fuel cell according to the present invention will be described in detail.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩에서 셀간의 전기적 연결구조를 보이는 개념적 평면도 및 저면도이며, 도 6은 도 4의 A - A 선 단면도이다.4 and 5 are a schematic plan view and a bottom view showing the electrical connection structure between the cells in the single-electrode cell pack for direct methanol fuel cell according to the present invention, Figure 6 is a cross-sectional view taken along line A-A of FIG.

도 4를 참조하면, 이온교환막(101)의 상면인 제1면에 다수의 제1애노드(121)가 1열로 배치되고 제1애노드(121)의 배열에 나란하게 다수의 제1캐소드(131)가 1열로 배치된다. 즉, 상기 각 제1애노드(121) 및 각 제1캐소드(131)는 단위 셀영역에 배치된다.Referring to FIG. 4, a plurality of first anodes 121 are arranged in one row on a first surface, which is an upper surface of the ion exchange membrane 101, and a plurality of first cathodes 131 are arranged in parallel with an array of the first anodes 121. Are arranged in one column. That is, each of the first anode 121 and each first cathode 131 is disposed in the unit cell region.

도 5를 참조하면, 이온교환막(101)의 저면인 제2면에 제2애노드(122)가 1열로 배치되고, 제2애노드(122)의 배열에 나란하게 다수의 제2캐소드(132)가 1열로 배치된다.Referring to FIG. 5, the second anodes 122 are arranged in one row on the second surface, which is the bottom surface of the ion exchange membrane 101, and the plurality of second cathodes 132 are arranged side by side in the arrangement of the second anodes 122. It is arranged in one column.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1면에 배치된 제1애노드(121)와 제2면에 형성된 제2캐소드(132)가 대응하게 배치되고, 제1면에 배치된 제1캐소드(131)가 제2면에 배치된 제2애노드(122)에 대응하게 배치된다.As shown in FIG. 6, a first anode 121 disposed on the first surface and a second cathode 132 formed on the second surface are correspondingly disposed, and the first cathode 131 disposed on the first surface. ) Is disposed corresponding to the second anode 122 disposed on the second surface.

상기 제1애노드(121)와 이에 대응하는 제2캐소드(132) 및 제1캐소드(131) 및 이에 대응하는 제2애노드(122)는 그 들 각각의 사이에 위치하는 이온교환막(101) 부분과 함께 단위 셀을 구성한다.The first anode 121, the corresponding second cathode 132, the first cathode 131, and the corresponding second anode 122 may be formed between the portions of the ion exchange membrane 101 located between them. Together, unit cells are formed.

도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 이온교환막(101)의 제1면에서 각 제1애노드(121) 및 이에 인접한 각 제1캐소드(131)은 제1도전부(141)에 의해 전기적으로 연결된다. 그리고, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 이온교환막(101)의 제2면에서 각 제2애노드(122)는 이 대각선 방향에서 인접한 제2캐소드(132)와 제2도전부(142)에 의해 전기적으로 연결된다.As shown in FIGS. 4 and 6, each of the first anode 121 and each of the first cathodes 131 adjacent thereto on the first surface of the ion exchange membrane 101 is electrically connected by the first conductive portion 141. Is connected. As shown in FIG. 5, each of the second anodes 122 on the second surface of the ion exchange membrane 101 is electrically connected by the second cathode 132 and the second conductive portion 142 adjacent to each other in the diagonal direction. Is connected.

이러한 전기적 연결 구조에 따르면, 상기 단위 셀 영역의 셀들이 전기적으로 직렬 접속된 구조를 가진다. 즉, 따라서 상기 애노드 및 캐소드 들은 이온교환막(101)의 제1면과 제2면에 위치하는 제1, 제2도전부들에 의한 지그재그형 결선 구조에 의해 직렬연결된다. 이때에 상기 제1도전부(141) 및 제2도전부(142)는 종래와 같이 이온교환막(101)을 통과하지 않고 제1면 및 제2면에 각각 위치한다. 이러한 구조는 제1면과 제2면에 제1애노드 및 제1캐소드 그리고 제2애노드 및 제2캐소드를 분산 배치함으로써 가능해진다.According to such an electrical connection structure, the cells of the unit cell region are electrically connected in series. That is, the anode and the cathode are thus connected in series by a zigzag connection structure by the first and second conductive parts positioned on the first and second surfaces of the ion exchange membrane 101. At this time, the first conductive portion 141 and the second conductive portion 142 are positioned on the first and second surfaces, respectively, without passing through the ion exchange membrane 101 as in the prior art. This structure is made possible by distributing the first anode and the first cathode and the second anode and the second cathode on the first and second surfaces.

도 4 내지 도 6에서는 각 애노드 및 캐소드에 접촉되는 집전판이 생략되어 있다. 실제적으로는 각 제1,제2애노드 및 제1, 제2캐소드에 표면에 후술하는 집전판이 설치되고, 이 집전판에 상기 제1, 제2도전부(141, 142)들이 각각 연결되며, 이러한 구조는 뒤에서 상세히 설명된다.4 to 6, current collectors in contact with each anode and cathode are omitted. In reality, a current collector plate described below is installed on each of the first and second anodes and the first and second cathodes, and the first and second conductive parts 141 and 142 are connected to the current collector plate, respectively. The structure is described in detail later.

도 7은 본 발명에 따른 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩의 보다 구체적인 구조를 보이는 주요 구성부품의 입체적 배치도이다.Figure 7 is a three-dimensional layout of the major components showing a more specific structure of a single electrode cell pack for direct methanol fuel cell according to the present invention.

도 7을 참조하면, 전술한 바와 같은 구조로 애노드 및 캐소드가 배치된 이온교환막(101)의 상하면, 즉 제1면과 제2면쪽에 애노드 집전체 및 캐소드 집전체가 일체화된 전류집전부재가 배치된다.Referring to FIG. 7, a current collector member in which an anode current collector and a cathode current collector are integrated is disposed on the upper and lower surfaces of the ion exchange membrane 101 in which the anode and the cathode are disposed in the above-described structure. do.

도 7에서 이온교환막(101)의 상방에 위치하는 제1전류집전 부재(150)는, 제1애노드(121)에 대응하는 제1애노드 집전판(151)과 제1캐소드(131)에 대응하는 제1캐소드 제1집전판(152) 및 이들 사이의 제1도전부(141a)가 일체적으로 형성된 직사각형의 형태를 가진다. 상기 제1애노드 집전판(151) 및 제1캐소드 집전판(152)에는 관통공 형태의 연료 통과영역(151a) 및 공기 통과영역(152a)가 다수 밀집되게 형성되어 있다.In FIG. 7, the first current collector member 150 positioned above the ion exchange membrane 101 corresponds to the first anode current collector plate 151 and the first cathode 131 corresponding to the first anode 121. The first cathode first collector plate 152 and the first conductive portion 141a therebetween have a rectangular shape integrally formed. In the first anode current collector plate 151 and the first cathode current collector plate 152, a plurality of fuel passage regions 151 a and air passage regions 152 a in the form of through holes are formed to be densely packed.

한편, 이온 교환막(101)의 하방인 제2면 쪽에 위치하는 제2전류집전 부재(160)은 제2애노드(122)에 대응하는 제2애노드 집전판(161)과 제2캐소드(132)에 대응하는 제2캐소드 집전판(162) 및 이들 사이의 제2도전부(142a)가 일체적으로 형성된 구조를 가진다. 전술한 바와 같이 제2도전부(142a)는 제2애노드 집전판(161)과 제2캐소드 집전판(162) 을 대각선 방향으로 전기적으로 연결한다.On the other hand, the second current collector member 160 positioned below the second surface of the ion exchange membrane 101 is connected to the second anode collector plate 161 and the second cathode 132 corresponding to the second anode 122. The corresponding second cathode current collector plate 162 and the second conductive portion 142a therebetween are integrally formed. As described above, the second conductive part 142a electrically connects the second anode current collector 161 and the second cathode current collector 162 in a diagonal direction.

한편, 상기와 같은 직렬적인 연결 구조의 양측 최종단에 위치하는 제2캐소드(132) 및 제2애노드(122)에는 독립적인 제2캐소드 집전판(163) 및 제2애노드 집전판(164)이 접촉된다. 상기 독립적인 제2캐소드 집전판(163) 및 제2애노드 집전판(164)의 단부에는 외부로의 전기적 연결을 위한 단자부(163a, 164a)가 연장 형성되어 있다. 상기 제2애노드 집전판(161, 164)에는 관통공형 연료통과영역(161a)이 다수 형성되어 있고, 제2캐소드 집전판(162, 163)에는 관통공형 공기 통과영역(162a)가 다수 형성되어 있다.Meanwhile, an independent second cathode current collector plate 163 and a second anode current collector plate 164 are disposed at the second cathode 132 and the second anode 122 positioned at both ends of the serial connection structure as described above. Contact. Terminal portions 163a and 164a for electrical connection to the outside are formed at ends of the independent second cathode current collector plate 163 and the second anode current collector plate 164. The second anode current collector plates 161 and 164 have a plurality of through-hole fuel passage regions 161a, and the second cathode current collector plates 162 and 163 have a plurality of through-hole air passage regions 162a formed therein. .

상기 전류집전부재는 전류의 집전뿐 아니라 연료 또는 산소의 공급통로의 역할을 한다. 애노드집전판에 연료통과홀이 형성되고, 캐소드 집전판에는 공기통과홀이 형성된다. 상기 연료통과홀의 크기는 메탄올 등과 같은 액체가 통과할 때 표면장력을 이기고 통과할 만큼 크게 하여 연료가 전류집전체 위에 모이는 것을 방지한다. 이때 연료통과홀의 직경은 1.5 mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 공기통과홀의 경우 전극과 공기가 충분히 캐소드에 접촉하도록 각 캐소드당의 숫자를 크게 하여 원활한 전극반응이 일어나도록 한다.The current collecting member serves not only to collect current but also to supply fuel or oxygen. A fuel passage hole is formed in the anode collector plate, and an air passage hole is formed in the cathode collector plate. The size of the fuel passage hole is large enough to pass through the surface tension when the liquid such as methanol passes through to prevent the fuel from collecting on the current collector. At this time, the diameter of the fuel passage hole is preferably at least 1.5 mm. In the case of the air passage hole, the number of electrodes per cathode is increased so that the electrode and the air are sufficiently in contact with the cathode so that a smooth electrode reaction can occur.

도 8은 완성된 본 발명에 따른 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩의 개략적 사시도이며, 도 9는 그의 분해 사시도이다.FIG. 8 is a schematic perspective view of a completed single electrode cell pack for a direct methanol fuel cell according to the present invention, and FIG. 9 is an exploded perspective view thereof.

상판(301)과 하판(302)의 사이에 상부 가스켓(201), 이온교환막(101), 하부가스켓(202)이 순차적으로 적층되어 있고, 볼트(105a)와 너트(105b)에 의해 상기 적층구조물이 하나로 결합되어 있다.The upper gasket 201, the ion exchange membrane 101, and the lower gasket 202 are sequentially stacked between the upper plate 301 and the lower plate 302, and the laminated structure is formed by a bolt 105a and a nut 105b. This one is combined.

도 9에 도시된 바와 같이, 상, 하부 가스켓(201, 202)에는 이온교환막(101)의 상하면 즉 제1면에 위치하는 제1애노드(121) 및 제1캐소드(131) 및 제2면에 형성되는 제2애노드(122) 및 제2캐소드(132)에 대응하는 관통공(201a, 202a)들이 다수 형성되어 있다.As shown in FIG. 9, the upper and lower gaskets 201 and 202 may be formed on the upper and lower surfaces of the ion exchange membrane 101, that is, on the first anode 121 and the first cathode 131 and the second surface. A plurality of through holes 201a and 202a corresponding to the second anode 122 and the second cathode 132 are formed.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 상판(301)에는 상기 제1애노드 집전판(151)의 연료통과영역(151a)에 대응하는 사각의 관통공 형상의 연료공급영역(301a)이 다수 1열로 형성되어 있고, 이에 나란하게 제1캐소드 집전판(152)의 공기통과영역(152a)에 대응하는 다수의 공기공급홀(303a)을 갖는 공기공급영역(303)이 일렬로 다수 배치되어 있다.8 and 9, the upper plate 301 has a plurality of rectangular through hole-shaped fuel supply regions 301a corresponding to the fuel passage region 151a of the first anode current collector plate 151. A plurality of air supply regions 303 are formed in a row and have a plurality of air supply holes 303a corresponding to the air passage regions 152a of the first cathode current collector plate 152. .

도 10에 도시된 바와 같이, 상기 하판(302)의 저면에도 상기와 같은 구조의 연료공급영역(302a) 및 공기공급영역(305)이 형성된다. 하판(302)에서의 연료공급영역(302a)은 이온교환막(101)의 제2면에 설치되는 제2애노드 집전체(161)의 연료통과영역(161a)에 대응하게 사각 관통공 형상으로 형성되며, 다수의 공기공급홀(305a)을 가지는 각 공기공급영역(305)은 제2캐소드 집전체(162)의 공기통과영역(162a)에 대응하게 형성된다.As shown in FIG. 10, the fuel supply region 302a and the air supply region 305 having the above structure are formed on the bottom surface of the lower plate 302. The fuel supply region 302a in the lower plate 302 is formed in a rectangular through hole shape corresponding to the fuel passage region 161a of the second anode current collector 161 provided on the second surface of the ion exchange membrane 101. Each air supply region 305 having a plurality of air supply holes 305a is formed to correspond to the air passage region 162a of the second cathode current collector 162.

도 11은 상판(301)의 내면을 보인 평면도이며, 도 12는 하판(302)의 내면을 보인 평면도이다. 그리고 도 13는 도 11의 B-B 선 및 도 12에 C-C 선 단면도이며, 도 14는 도 13에서 "D" 부분의 확대 단면도이다.FIG. 11 is a plan view showing the inner surface of the upper plate 301, and FIG. 12 is a plan view showing the inner surface of the lower plate 302. FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line B-B of FIG. 11 and a line C-C in FIG. 12, and FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view of the portion “D” in FIG. 13.

도 11 및 도 12를 참조하면, 상판(301)과 하판(302)의 각 내면에 제1전류집전부재(150) 및 제2전류집전부재(160)가 다수 나란하게 결합되어 있다.11 and 12, a plurality of first current collector members 150 and second current collector members 160 are coupled to each inner surface of the upper plate 301 and the lower plate 302 in parallel.

도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이 제1전류집전부재(150) 및 제2전류집전부재(160)의 제1애노드 집전판(151) 및 제2애노드 집전판(161)의 표면에 길이방향으로 연장된 제1가스배출채널(151b, 161b)이 형성되어 있다. 또한, 상판(301)과 하판(302)의 가장자리 부분에 상기 제1가스배출채널(151b, 161b)과 연결되는 제2가스배출채널(301b, 302b)가 형성되어 있다. 상기 제1가스배출채널(151b, 161b)은 제1, 제2애노드(121, 122)에 접촉되는 제1, 제2애노드 집전체(151, 161)의 내면에 형성되며, 상기 제2가스배출채널(301b, 302b)는 제1, 제2애노드(121, 122)로 부터 발생된 부생성물인 CO2가스를 외부로 배출한다. 상기 제1가스배출채널(151b, 161b)는 상기 제1,제2애노드 집전체(151, 161)의 연료통과영역(151a, 161a)들의 사이에 형성된다.As shown in FIGS. 11 and 12, the first current collector 150 and the second current collector 160 of the second current collector 160 are longitudinally disposed on the surfaces of the second anode current collector 151 and the second anode current collector 161. The first gas discharge channels 151b and 161b extending to the top surface are formed. In addition, second gas discharge channels 301b and 302b connected to the first gas discharge channels 151b and 161b are formed at edges of the upper plate 301 and the lower plate 302. The first gas discharge channels 151b and 161b are formed on the inner surfaces of the first and second anode current collectors 151 and 161 in contact with the first and second anodes 121 and 122 and the second gas discharges. The channels 301b and 302b discharge CO 2 gas, which is a by-product generated from the first and second anodes 121 and 122, to the outside. The first gas discharge channels 151b and 161b are formed between the fuel passage regions 151a and 161a of the first and second anode current collectors 151 and 161.

도 13와 도 14에 도시된 바와 같이 제1,제2애노드 집전체(151, 161)는 상판(301)과 하판(302)의 내면에 삽입되어 그 표면이 상판(301)과 하판(302)의 내면과 같은 평면 상에 위치한다.As shown in FIGS. 13 and 14, the first and second anode current collectors 151 and 161 are inserted into the inner surfaces of the upper plate 301 and the lower plate 302 so that the surfaces thereof are the upper plate 301 and the lower plate 302. Located on the same plane as the inner surface of the.

도 15는 도 8의 E - E 선 단면도로서 이해 되기 쉽게 과장되게 표현되었다.FIG. 15 is exaggeratedly expressed as a cross-sectional view taken along line E-E of FIG. 8.

도 15를 참조하면, 상판(301)과 하판(302)의 사이에 상부가스켓(201), 이온교환막(101) 및 하부 가스켓(202)이 밀착되어 있다. 상기 상부 가스켓(201) 및 하부 가스켓(202)은 이온교환막(101)의 제1면과 제2면에 부착된 제1애노드(121), 제1캐소드(131) 및 제2애노드(122), 제2캐소드(132)의 가장자리 부분을 밀폐하고 있다. 그리고, 제1애노드(121) 및 제1캐소드(131)는 제1전류집전부재(150)의 제1애노드집전판(151) 및 제1캐소드 집전판(152)에 밀착되어 있으며, 제2애노드(122), 제2캐소드(132)는 제2전류집전부재(160)의 제2애노드집전판(161) 및 제2캐소드집전판(162)에 각각에 밀착되어 있다. 제1, 제2애노드(121, 122)에 대한 메탄올, 에탄올 등의 연료는 상판(301) 및 하판(302)의 연료공급영역(302, 302a)을 통해 공급되고, 제1, 제2캐소드(131, 132)에 대한 공기는 상판(301) 및 하판(302)의 공기공급영역(303, 305)의 공기공급홀(303a, 305a)을 통해 공급된다.Referring to FIG. 15, an upper gasket 201, an ion exchange membrane 101, and a lower gasket 202 are closely contacted between the upper plate 301 and the lower plate 302. The upper gasket 201 and the lower gasket 202 may include the first anode 121, the first cathode 131, and the second anode 122 attached to the first and second surfaces of the ion exchange membrane 101. The edge portion of the second cathode 132 is sealed. The first anode 121 and the first cathode 131 are in close contact with the first anode current collector plate 151 and the first cathode current collector plate 152 of the first current collector member 150. Reference numeral 122 and the second cathode 132 are in close contact with the second anode current collector 161 and the second cathode current collector 162 of the second current collector member 160, respectively. Fuels such as methanol and ethanol to the first and second anodes 121 and 122 are supplied through the fuel supply regions 302 and 302a of the upper plate 301 and the lower plate 302, and the first and second cathodes ( Air to the 131 and 132 is supplied through the air supply holes 303a and 305a of the air supply regions 303 and 305 of the upper plate 301 and the lower plate 302.

도 16과 도 17은 제1전류집전부재(150)와 제2전류집전부재(160)가 설치되는 상판(301)과 하판(302)의 각 내면을 보인 사시도이다. 도 15와 도 16에 도시된 바와 같이 제1전류집전부재(150)와 제2전류집전부재(160)의 각 표면이 상판(301)과 하판(302)의 각 내면에 일치될 수 있도록 상기 제1전류집전부재(150)와 제2전류집전부재(160)가 삽입되는 집전판 삽입홈(301c, 302c)이 형성되어 있다. 또한 하판(302)에는 제2전류집전체(160)에서 제2애노드 집전판(161)과 제2캐소드 집전판(162)와 일체적으로 형성되는 이들을 전기적으로 상호 연결하는제2도전부(142a)가 삽입되는 도전부 삽입홈(302d)이 형성되어 있다.16 and 17 are perspective views illustrating respective inner surfaces of the upper plate 301 and the lower plate 302 on which the first current collecting member 150 and the second current collecting member 160 are installed. As shown in FIGS. 15 and 16, the surfaces of the first current collecting member 150 and the second current collecting member 160 may coincide with respective inner surfaces of the upper plate 301 and the lower plate 302. Current collector plate insertion grooves 301c and 302c into which the first current collector member 150 and the second current collector member 160 are inserted are formed. In addition, the lower plate 302 includes a second conductive portion 142a which electrically interconnects those formed integrally with the second anode current collector 161 and the second cathode current collector plate 162 in the second current collector 160. Is inserted into the conductive portion insertion groove 302d.

<< 셀을 구성하는 부품의 제조 과정>><< manufacturing process of the parts constituting the cell >>

애노드 및 캐소드 제조Anode and cathode manufacturing

연료확산층은 발수처리된 탄소 종이위에 카본블랙(carbon black), IPA 및 60 wt.% PTFE(Polytetrafluoroethylene)를 혼합하여 만든 슬러리를 스퀴징하여 제조한 후, 120℃ 오븐에서 2시간 건조하였다. 촉매 슬러리는 PtRu 블랙 촉매(애노드) 또는 Pt 블랙 촉매(캐소드)와 IPA 용액 및 5% 나피온(Nafion) 용액을 혼합한 후 균일한 분산을 위해 초음파처리 하여 제조하였다. 균일하게 분산된 촉매 슬러리를 연료확산층위에 스퀴징한 후 80℃ 오븐에서 2시간 건조하여 전극을 제조하였다.The fuel diffusion layer was prepared by squeezing a slurry made by mixing carbon black, IPA, and 60 wt.% PTFE (Polytetrafluoroethylene) on a water-repellent carbon paper, followed by drying in an oven at 120 ° C. for 2 hours. The catalyst slurry was prepared by mixing PtRu black catalyst (anode) or Pt black catalyst (cathode) with IPA solution and 5% Nafion solution and sonicating for uniform dispersion. The uniformly dispersed catalyst slurry was squeezed onto the fuel diffusion layer and then dried in an oven at 80 ° C. for 2 hours to prepare an electrode.

막/전극 제조Membrane / Electrode Manufacturing

전해질막은 나피온(Nafion) 115 멤브레인을 사용하였으며 H2SO4, H2O2에서 전처리 한 후 겔 드라이어(Gel-dryer)에서 건조시켰다. 애노드와 캐소드 전극은 각각 2*1 cm2의 크기로 자른 후 전해질막의 한쪽면에 각각 6장씩 2열로 배열하고 반대쪽면에 애노드와 캐소드 전극이 한쌍을 이루도록 배열한 후 125℃, 9 Metric ton의 조건에서 5분간 열압착(hot-pressing) 하여 12 셀 막/전극 어셈블리를 제작하였다.Nafion 115 membrane was used as the electrolyte membrane and pre-treated in H 2 SO 4 , H 2 O 2 and dried in a gel-dryer. The anode and cathode electrodes are cut into 2 * 1 cm 2 , and each of them is arranged in two rows of six sheets on one side of the electrolyte membrane and the anode and cathode electrodes are arranged in pairs on the opposite side. A 12 cell membrane / electrode assembly was fabricated by hot-pressing for 5 minutes at.

셀팩의 제조 및 테스트Cellpack Manufacturing and Testing

12 셀 이온교환막을 전류집전체에 의해 전기적 회로가 구성된 셀팩에 넣고 볼트로 조여 셀 팩을 제작하였다. 연료의 공급은 연료저장부(Fuel storage)로부터 모세관력(wicking)에 의해 공급되며 산소는 전극에 접해있는 전류집전체의 공기공급홀을 통해 공급된다. 셀팩의 작동은 상온, 상압에서 이루어지며 별도의 송풍장치(blower)없이 자연적으로(air-breathing) 형으로 동작한다. 셀팩의 전기화학적 특성과 성능은 포텐셔스탯/갈바노스탯(Potentiostat/Galvanostat)으로 측정하였다.The 12-cell ion exchange membrane was placed in a cell pack configured with an electrical circuit by a current collector, and tightened with a bolt to fabricate a cell pack. The fuel is supplied by capillary force (wicking) from the fuel storage and the oxygen is supplied through the air supply hole of the current collector in contact with the electrode. The operation of the cell pack is performed at room temperature and pressure and operates in an air-breathing form without a separate blower. The electrochemical properties and performance of the cell packs were measured by potentiostat / galvanostat.

도 18은 2*1 cm2 크기의 전극 12장을 이온교환막의 제1면과 제2면에 적층하여 제작한 모노폴라형 셀팩의 성능을 보인 그래프로서, 연료는 5 M 메탄올을 사용하였으며 상온, 상압에서 자연적인 공급(air-breathing) 조건으로 운전하였다. 셀팩은 최대 성능은 3.6 V (0.3V per cell)에서 150 mA (75 mA/cm2) 이었고, 3.3 V에서 최대출력 551 mW 를 얻었다.18 is 2 * 1 cm2 A graph showing the performance of a monopolar cell pack fabricated by stacking 12 electrodes of the size on the first and second surfaces of the ion exchange membrane. driving in breathing conditions. CellPack has a maximum performance of 150 mA (75 mA / cm) at 3.6 V (0.3 V per cell)2) And a maximum output of 551 mW at 3.3 V was obtained.

종래의 모노폴라형 셀팩은 단위 셀을 연결하는 전기적 접소부재가 이온교환막을 통과하도록 되어 있어서 액체 연료의 누설 문제가 발생된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 전극을 직렬로 연결하면 회로가 전해질막을 통과하지 않고 각 단위 셀간의 전기적 접속이 이온교환막의 제1면과 제2면에서 각각 이루어지기 때문에 종래와 같이 이온교환막을 통과하지 않게 되고 따라서 이러한 구조에 의한 연료의 누설이 발생되지 않는다. 이러한 본원 발명의 특징은 결과적으로 내부 전기적 회로가 매우 간단해진다는 것이다. 또한 전류집전체가 애노드 및 캐소드의 일부분이 아닌 그 전체에 접촉해 있기 때문에 접촉저항을 상당히 줄일 수 있어 저항에 따른 손실을 크게 줄일 수 있다. 전류집전체에 설치된 가스 배출통로를 통해 반응 부생성물인 이산화탄소를 원활하게 배출함으로써 셀팩의 성능특성을 향상시킬 수 있다.In the conventional monopolar cell pack, the electrical contact member connecting the unit cells passes through the ion exchange membrane, thereby causing a problem of leakage of liquid fuel. However, according to the present invention, when the electrodes are connected in series, the circuit does not pass through the electrolyte membrane and the electrical connection between the unit cells is made on the first and second surfaces of the ion exchange membrane, respectively, so that the electrode does not pass through the ion exchange membrane as conventionally. Therefore, fuel leakage by this structure does not occur. This feature of the present invention results in a very simple internal electrical circuit. In addition, since the current collector is in contact with the anode and the cathode instead of the entire part, the contact resistance can be considerably reduced, thereby greatly reducing the loss due to the resistance. Performance characteristics of the cell pack can be improved by smoothly discharging carbon dioxide, a reaction byproduct, through a gas discharge passage installed in the current collector.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위 한해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely illustrative, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined only by the appended claims.

Claims (10)

소정 간격을 유지하는 상판과 하판;An upper plate and a lower plate maintaining a predetermined interval; 상기 상판과 하판의 사이에 마련되는 것으로, 제1면과 제1면에 대응하는 제2면을 가지며, 상기 제1면과 제2면에 다수의 단위 셀 영역을 갖는 이온교환막과;An ion exchange membrane provided between the upper plate and the lower plate, the second plate having a first surface and a second surface corresponding to the first surface, and having a plurality of unit cell regions on the first and second surfaces; 상기 이온 교환막의 제1면의 단위 셀 영역마다 설치되는 다수의 제1애노드 및 각 제1애노드에 인접한 단위 셀 영역에 배치되는 다수의 제1캐소드와;A plurality of first anodes provided for each unit cell region of the first surface of the ion exchange membrane and a plurality of first cathodes disposed in the unit cell region adjacent to each first anode; 상기 이온 교환막의 제2면의 단위 셀 영역마다 설치되는 것으로 상기 각 제1애노드들에 대응하는 다수의 제2캐소드 및 상기 제1캐소드 각각에 대응하는 다수의 제2애노드와;A plurality of second cathodes corresponding to each of the first anodes and a plurality of second anodes corresponding to each of the first cathodes, each unit cell region of the second surface of the ion exchange membrane; 상기 제1애노드 및 제2 애노드의 상면에 설치되며, 각각에 연료 통과영역형성된 제1애노드 집전판 및 제2애노드 집전판과,A first anode current collector plate and a second anode current collector plate disposed on upper surfaces of the first anode and the second anode, respectively, and having a fuel passage region formed thereon; 상기 제1캐소드 및 제2 캐소드의 상면에 설치되며, 각각에 공기 통과영역이 형성된 제1캐소드 집전판 및 제2캐소드 집전판과,A first cathode current collector plate and a second cathode current collector plate disposed on upper surfaces of the first cathode and the second cathode, respectively, and having air passage regions formed therein; 상기 이온교환막의 제1면에서 인접한 제1애노드와 제1캐소드를 전기적으로상호 연결하는 다수의 제1도전부와;A plurality of first conductive parts electrically connecting the first anode and the first cathode adjacent to each other on the first surface of the ion exchange membrane; 상기 이온교환막의 제2면에서 인접한 제2애노드와 제2캐소드를 전기적으로 상호 연결하여 상기 단위 셀영역 들에 마련되는 셀들을 전기적으로 직렬 연결하는 다수의 제2도전부를;구비하는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩.A plurality of second conductive parts electrically connecting the second anode and the second cathode adjacent to each other on the second surface of the ion exchange membrane to electrically connect the cells provided in the unit cell regions; Single-electrode cell packs for direct methanol fuel cells. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 상판 및 하판에 상기 제1, 제2애노드에 대한 연료공급을 위한 연료공급영역 및 상기 제1, 제2캐소드에 대한 공기 공급을 위한 공기 공급영역이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩.The upper and lower plates are provided with a fuel supply region for supplying fuel to the first and second anodes and an air supply region for supplying air to the first and second cathodes. Electrode cell pack. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제1,제2애노드 및 제1,제2캐소드와 각각에 대응하는 제1, 제2애노드 집전판은 상기 상판 및 하판에 마련되는 연료 공급 영역에 대응하는 크기를 가지며, 상기 제1, 제2캐소드 집전판은 상기 상판 및 하판에 마련되는 공기 공급 영역에 대응하는 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료 전지용 단전극 셀팩.The first and second anodes and the first and second cathodes, respectively, and the first and second anode current collector plates respectively corresponding to the fuel supply regions provided in the upper and lower plates, respectively, The two-cathode current collector has a size corresponding to the air supply region provided in the upper plate and the lower plate, the single-electrode cell pack for direct methanol fuel cell. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 제1도전부는 상기 이온교환막의 제1면에 배치되는 각 제1애노드 및 이와 전기적으로 연결되는 제1캐소드와 일체적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 전지용 단전극 셀팩.And the first conductive part is integrally formed with each of the first anode disposed on the first surface of the ion exchange membrane and the first cathode electrically connected thereto. 제 1 항 내재 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 제2도전부는 상기 이온교환막의 제2면에 배치되는 각 제2애노드 및 이와 전기적으로 연결되는 제2캐소드와 일체적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 전지용 단전극 셀팩.And the second conductive portion is integrally formed with each second anode disposed on the second surface of the ion exchange membrane and a second cathode electrically connected thereto. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 제2도전부는 상기 이온교환막의 제2면에 배치되는 각 제2애노드 및 이와 전기적으로 연결되는 제2캐소드와 일체적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 전지용 단전극 셀팩.And the second conductive portion is integrally formed with each second anode disposed on the second surface of the ion exchange membrane and a second cathode electrically connected thereto. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3 and 6, 상기 상판의 내면에는 제1전류집전부재가 삽입되는 집전체삽입홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 전지용 단전극 셀팩.The inner surface of the upper plate is a single electrode cell pack for direct methanol battery, characterized in that the current collector insertion groove is formed is inserted into the first current collector member. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3 and 6, 상기 하판의 내면에는 제2애노드집전체, 제2캐소드집전체 및 이를 연결하는 제2도전부가 인입되는 집전체 삽입홈 및 도전부 삽입홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 전지용 단전극 셀팩.The inner surface of the lower plate is a single anode cell pack for a direct methanol battery, characterized in that the second anode current collector, the second cathode current collector, and a current collector insertion groove and a conductive portion insertion groove into which the second conductive portion connecting thereto is formed. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3 and 6, 제1애노드 집전판 및 제2애노드 집전판의 각 내면에는 제1애노드 및 제2애노드에서 발생된 부생성물의 배출을 위한 다수의 제1가스배출 채널이 형성되며, 상기 상판과 하판의 내면에 상기 각 제1가스배출채널과 연결되는 다수의 제2가스배출채널이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 전지용 단전극 셀팩.A plurality of first gas discharge channels are formed on each inner surface of the first anode current collector plate and the second anode current collector plate for discharging the by-products generated at the first anode and the second anode, and the upper and lower plates are formed on the inner surfaces of the upper plate and the lower plate. A single electrode cell pack for a direct methanol battery, characterized in that a plurality of second gas discharge channels connected to each first gas discharge channel are formed. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3 and 6, 상기 상판과 이온교환막 사이 및 상기 하판과 이온교환막의 사이에 상기 제1,제2애노드 및 제1, 제2캐소드등에 대응하는 관통공을 가지는 상부가스켓 및 하부 가스켓이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 전지용 단전극 셀팩.An upper gasket and a lower gasket having a through hole corresponding to the first, second anode and the first, second cathode, etc. are provided between the upper plate and the ion exchange membrane and between the lower plate and the ion exchange membrane. Single electrode cell pack for methanol battery.
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