KR20050010653A - 막전극 접합체, 그를 포함하는 연료 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

막전극 접합체, 그를 포함하는 연료 전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20050010653A KR1020030050034A KR20030050034A KR20050010653A KR 20050010653 A KR20050010653 A KR 20050010653A KR 1020030050034 A KR1020030050034 A KR 1020030050034A KR 20030050034 A KR20030050034 A KR 20030050034A KR 20050010653 A KR20050010653 A KR 20050010653A
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Abstract

수소이온 교환막 연료전지, 직접메탄올 연료전지 등의 연료전지에 사용될 수 있는 막전극 접합체, 그를 포함하는 연료 전지 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 막전극 접합체는 양극, 고분자 전해질막 및 음극을 포함하는 적층 구조체에 전도, 전열성 다공판이 적층된 전지 적층체가 소정의 파형(波形)으로 굴곡되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 막전극 접합체의 제조방법은 양극, 고분자 전해질막 및 음극이 적층된 판상의 적층 구조체를 제조하는 과정; 상기 적층 구조체의 양극면 및 음극면에 전도, 전열성 다공판을 적층하여 전지 적층체를 제조하는 과정; 및 상기 전지 적층체를 소정의 파형으로 굴곡시키는 과정을 포함한다.

Description

막전극 접합체, 그를 포함하는 연료 전지 및 그 제조 방법{Membrane and electrode assembly, fuel cell including the same, and method for producing the same}
본 발명은 막전극 접합체 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소이온 교환막 연료전지, 직접메탄올 연료전지 등의 연료전지에 사용될 수 있는 막전극 접합체, 그를 포함하는 연료 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 등의 연료전지는 미래의 청정 에너지원으로서 기존의 리튬 이온 전지 등 2차 전지를 대체할 차세대 전지로 주목 받고 있으며, 선진국들은 이들의 조기 실용화를 목표로 연구개발에 나서고 있다. 연료전지는 물의 전기분해 역반응을 이용하여, 수소와 산소로부터 전기와 물을 생성하는 것으로서, 수소와 산소가 공급되는 한 계속하여 전기를 생산할 수 있으며, 리튬이온 전지 등 통상의 화학 전지와는 달리 교환이나 충전이 불필요하다. 공급된 수소 연료는 음극에서 촉매작용에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분해된 다음, 서로 다른 경로를 거쳐 양극에 도달한다. 이를 구체적으로 설명하면, 수소이온은 전해질을 통하여 양극에 도달하고, 양극에서 공기로부터 공급된 산소와 결합하여, 물 및 열을 발생시키며, 전자는 외부 전기회로를 거쳐 양극에 도달하면서 전기를 발생시킨다. 연료전지는 내부 전해질 또는 사용 연료의 종류에 따라, 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell), 알카리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell), 수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 용융 탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell) 등으로 구분될 수 있다.
이와 같은 연료전지의 핵심적 요소는 막전극 접합체(Membrane and Electrode Assembly: MEA)이다. 막전극 접합체는 이온전도성 막인 고체 고분자 전해질에 의하여 분리된 두개의 촉매화 된 전극들로 구성되며, 일반적으로 전극은 지지층, 확산층 및 촉매층으로 구성된다. 상기 지지층은 집전체의 역할과 연료공급 통로를 제공하는 역할을 하는 것으로서, 일반적으로 탄소천(Carbon Cloth) 또는 탄소종이(Carbon Paper)로 이루어지고, 지지층 위에 도포된 탄소분말이 연료 확산층을 형성하며, 확산층 위에 도포되어 있는 촉매 담지 탄소 분말이 촉매층을 형성한다. 상기 막전극 접합체로 이루어진 단위 전지는 발생전압이 1V 내외로써, 필요한 고전압을 발생시키기 위해서는 여러 장의 단위 전지를 적층하고, 전기적으로 직렬로 연결하여야 한다. 이때 각 단위 전지에 공기 등 연료를 공급하고, 발생된 전기를 집전하기 위해, 유로(Flow Field)를 제공하며 집전판의 역할을 하는 바이폴라판(Bipolar Plate)이 적층한 전지의 수량 만큼 필요하게 된다. 상기 바이폴라판은 일반적으로 전기 전도성이 있고, 기체의 밀폐가 가능한 일정 두께 이상의 흑연블록(Graphite Block)에 유로를 새겨 넣은 구조를 가진다. 그러나 이와 같이 바이폴라판을 이용하여 막전극 접합체를 적층하는 경우, 적층한 스택(Stack)의 최외곽 단위 전지로부터 스택 안쪽의 단위 전지에 이르기까지 수소, 메탄올, 산소 등의 연료를 연속적이면서 서로 혼합되지 않도록 공급하기 위해서는, 복잡한 유로의 설계가 필요하고, 이러한 이유로 공급되는 액체 혹은 기체가 누설될 우려가 많다. 또한 다수의 집전판을 적층하여야 하므로, 밀폐가 힘들고, 스택의 크기와 무게를 줄이기 곤란하며, 결과적으로 출력 밀도를 향상시키기 곤란하다. 또한, 스택의 최외곽과 중간부의 내부 저항, 온도, 가습 정도 등이 불균일하므로, 일부 단위 전지에 고부하가 걸려, 스택의 수명이 단축될 수 도 있다. 고출력이 필요한 대형 스택의 경우에는 이러한 단점들을 감수하더라도 기존의 적층 방식 스택이 유리하나, 전자기기 응용 등 저출력 용도로 사용하는 경우, 이러한 단점이 없는 단전극(Monopolar) 구조가 바람직하다.
도 1은 바이폴라판을 사용하는 통상적인 연료전지의 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 막전극 접합체(2)의 양측면에는 각각 양극과 음극의 바이폴라판(1,3)이 형성되어 있고, 상기 양극과 음극 바이폴라판(1,3) 및 막전극 접합체(2)로 이루어진 단위 전지를 다수 적층하여 스택을 형성한다. 이와 같이 바이폴라판(1,3)을 사용할 경우, 연료 전지의 부피와 무게의 증가로 인하여 출력밀도가 감소하며, 인위적인 유로 형성이나 바이폴라판(1,3)과 막전극 접합체(2) 사이의 불균일한 눌림 현상으로 인하여, 불가피하게 막전극 접합체(2)로 연료가 공급되지 못하는 영역이 존재하므로, 출력저하가 발생할 수 있다. 도 2는 국내 특허공개 제2002-69338호에 개시된 막전극 접합체의 단면도로서, 상기 막전극 접합체는 기체 연료-전해질-촉매의 3상 계면의 면적을 증대시키는 구조를 가지고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 막전극 접합체는 일면은 평판형이며 일면은 요철 형상인 양극과 음극 지지체(102, 110)를 구비하며, 상기 지지체(102, 110)의 요철 형상 면에는 양극과 음극 촉매층(104, 108)이 형성되고, 상기 촉매층(104, 108) 사이에 고분자 전해질막(106)이 형성된다. 그러나 상기 막전극 접합체는 연료와 접하는 지지체(102, 110)의 외면이 평탄하여, 전체 형상이 평판형으로 되어 있으므로 다음과 같은 단점이 있다. 먼저, (i) 막전극 접합체를 적층하기 위해서는 연료의 유로를 제공하고, 집전 역할을 위한 바이폴라판(bipolar plate)이 필요하고, (ii) 막전극 접합체를 제조하는 공정에서 카본 종이(Carbon Paper) 등의 전극을 요철형으로 가공하는 추가적인 공정이 필요하므로 비효율적인 문제점이 있으며, (iii) 전체적으로는 단위 부피당 집적도를 높이는데 한계를 가지고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 단위 부피 당 집적도 및 출력 밀도가 높으므로, 수소이온 교환막 연료전지, 직접메탄올 연료전지 등 연료전지의 연료 이용 효율을 극대화할 수 있으며, 필요에 따라 전압, 전류 등 출력의 조절이 용이한 막전극 접합체 및 그를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 적층 시, 바이폴라판을 사용할 필요가 없으므로, 연료 전지의 전체적인 구조가 간단하고, 적층이 용이한 새로운 구조의 막전극 접합체, 그를 포함하는 연료 전지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 바이폴라판을 사용하는 통상적인 연료전지의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 막전극 접합체의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체를 제조하기 위한 적층 구조체의 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 적층 구조체에 전도, 전열성 다공판을 적층시킨 전지 적층체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5 및 6은 각각 도 4에 도시된 전지 적층체에 사용될 수 있는 전도, 전열성 다공판의 일례를 도시한 도면.
도 7은 도 3에 도시된 적층 구조체에 전도, 전열성 다공판을 적층시킨 전지 적층체의 구조를 보여주는 도면.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체의 구조를 도시한 도면.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체를 포함하는 연료전지의구조를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 막전극 접합체를 포함하는 연료전지의 구조를 도시한 도면.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양극, 고분자 전해질막 및 음극을 포함하는 적층 구조체에 전도, 전열성 다공판이 적층된 전지 적층체가 소정의 파형(波形)으로 굴곡되어 있는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체를 제공한다. 여기서, 상기 소정의 파형은 동일한 패턴이 규칙적으로 나타나거나, 둘 이상의 패턴이 불규칙적으로 동시에 나타나는 것일 수 있으며, 상기 패턴은 지그재그형, 사인파형 또는 펄스형일 수 있다. 또한 상기 전도, 전열성 다공판의 표면 또는 내부에는, 연료의 공급 및 반응 부산물의 배출이 원활히 이루어질 수 있도록, 소정 형상의 유로가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 양극, 고분자 전해질막 및 음극이 적층된 판상의 적층 구조체를 제조하는 과정; 상기 적층 구조체의 양극면 및 음극면에 전도, 전열성 다공판을 적층하여 전지 적층체를 제조하는 과정; 및 상기 전지 적층체를 소정의 파형으로 굴곡시키는 과정을 포함하는 막전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한 소정의 파형(波形)으로 굴곡되어 있으며, 판상의 비다공성전도판에 의하여 직렬로 연결되어 있는 둘 이상의 막전극 접합체; 상기 각각의 막전극 접합체의 양극 및 음극으로 산소 연료 및 수소 연료를 각각 공급하기 위한 산소 연료 유입구 및 수소 연료 유입구; 및 상기 각각의 막전극 접합체의 양극 및 음극에서 발생한 부산물을 배출하기 위한 물배출구 및 부산물 배출구를 포함하는 연료 전지를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 막전극 접합체(Membrane and Electrode Assembly: MEA)를 제조하기 위한 적층 구조체(20)의 단면도로서, 상기 적층 구조체(20)는 양극(22)과 음극(24)의 사이에 고분자 전해질막(26)을 개재시킨 것이다. 상기 양극(22)과 음극(24)은 지지체 위에 촉매층이 형성된 것으로서, 일반적으로 탄소종이(Carbon Paper), 탄소천(Carbon Cloth) 등의 지지체에 금속 촉매를 도포한 것이거나, 금속 촉매를 담지시킨 카본블랙(Carbon Black) 입자를 도포한 것이다. 상기 금속 촉매 물질로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 니켈, 팔라듐, 철, 이리듐 등의 8족 금속을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 일반적으로 백금 또는 백금-루테늄 합금을 사용한다. 상기 고분자 전해질막(26)은 이오노머(Ionomer) 고분자이며, 바람직하게는 폴리벤즈이미다졸(Polybenzimidazol), 술폰화된 폴리스티렌계 고분자, 술폰화된 폴리페닐렌설파이드 등의 고분자 전해질을 단독 또는 혼합하여 제조한 것으로서, 나피온(NafionTM, DuPont사 제품), 플레미온(FlemionTM), 프리미어(PrimeaTM), 아시플렉스(AciplexTM) 등의 상품명으로 상업적으로는 시판되는 제품을 사용할 수도 있다. 상기 양극(22), 음극(24) 및 고분자 전해질막(26)은 열간 압착, 초음파 융착 등의 방법에 의하여 접합될 수 있다.
도 4 내지 7은 상기 적층 구조체(20)에 전도, 전열성 다공판(50)을 적층시킨 전지 적층체(60)의 구조 및 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 상기 전지 적층체(60)의 제조 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 적층 구조체(20)가 감겨져 있는 제1 로울러(52)로부터 적층 구조체(20)를 인출하고, 전도, 전열성 다공판(50)이 감겨져 있는 제2 및 제3 로울러(54, 56)로부터 전도, 전열성 다공판(50)을 각각 인출한 후, 이들을 프레스 로울러(58) 사이로 통과시켜 압착함으로서, 상기 적층 구조체(20)의 양극(22), 음극(24)면에 전도, 전열성 다공판(50)을 접합하여 전지 적층체(60)를 제조할 수 있다.
상기 전도, 전열성 다공판(50)은 음극(24)에서 생성된 전자를 이동시키는 기능과 전극 반응시 발생되는 열을 외부로 배출하는 기능, 다공을 통해 양극(22) 또는 음극(24)으로 연료를 이동시키는 기능, 및 생성된 부산물을 외부로 배출시키는 기능을 하는 것으로서, 이와 같은 기능을 충족하는 한, 다양한 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 전도, 전열성 다공판(50)의 표면 또는 내부에는, 연료의 공급 및 반응 부산물의 배출이 원활히 이루어질 수 있도록, 요철, 구멍 등 소정 형상의 유로가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 도 5은 이와 같은 전도, 전열성 다공판(50)의 일례를 도시한 도면으로서, 도 5에 도시된 전도, 전열성 다공판(50)은 평면상의 다공성 시이트(510)의 표면에 다수의 평행한 돌출부(520)를 형성하여 요철 형태를 이루도록 함으로서, 돌출부(520) 사이의 홈을 따라 연료의 공급과 반응 부산물의 배출이 원활히 이루어지도록 한 것이다.
상기 전도, 전열성 다공판(50)은 전도성, 전열성이 있으면서, 내화학성이 우수하여 연료 등과 반응하지 않고, 가볍고, 성형성이 있으며, 다소 유연성(Flexibility)을 가지는 다양한 재료로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 테플론 등의 고분자 수지에 전도성 카본블랙이나 은, 금, 구리 등의 금속입자를 포함시킨 복합재료, 또는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌 등 도전성 고분자를 단독 또는 혼합한 재질로 이루어질 수 있다. 상기 전도, 전열성 다공판(50)은 이와 같은 소재에 유기 또는 무기발포제를 적용하여 내부에 미세 다공이 형성된 판상의 형태로 제조될 수 있으며, 전지 적층체 제조시의 적층 구조체와의 접착성 등을 고려하여 접합면에는 접착성을 부여할 수도 있다. 도 6은 상기 전도, 전열성 다공판(50)의 다른 예를 도시한 도면으로서, 도 6에 도시된 전도, 전열성 다공판(50)은 평면상의 다공성 시이트(530) 내부에 다수의 터널(540)을 형성함으로서, 터널(540)을 따라 연료의 공급과 반응 부산물의 배출이 원활히 이루어지도록 한 것이다. 도 7은 이와 같은 전도, 전열성 다공판(50)을 적층 구조체(20)의 양극 및 음극에 적층시킨 전지 적층체(60)의 구조를 보여주는 도면으로서, 상기 양극과 음극 방향의 전도, 전열성 다공판(50)은 형태, 친수성 등에서 서로 상이할 수도 있다.
도 8a 내지 8c는 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체(70)의 구조를 도시한 도면이다. 도 8a 내지 8c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 막전극 접합체(70)는 양극, 고분자 전해질막 및 음극을 포함하는 적층 구조체(20)에 전도, 전열성 다공판(50)이 적층된 전지 적층체(60)가 소정의 파형(波形)으로 굴곡되어 있는 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 소정의 파형은 동일한 패턴이 규칙적으로 나타나거나, 둘 이상의 패턴이 불규칙적으로 동시에 나타나도록, 상기 전지 적층체(60)가 굴곡져 있는 것을 의미하는 것으로서, 본 발명에 따른 막전극 접합체(70)는 도 8a에 도시된 바와 같이 지그재그(zigzag)형으로 굴곡져 있거나, 도 8b에 도시된 바와 같이, 사인(sine)파의 형태로 굴곡져 있거나, 도 8c에 도시된 바와 같이, 펄스형 또는 요철형으로 굴곡져 있을 수 있다. 또한 지그재그형, 사인파형, 굴곡형, 요철형 등의 파형 중, 둘 이상의 파형이 하나의 막전극 접합체(70)에 형성되어 있을 수도 있다. 이와 같이 막전극 접합체(70)를 접혀진 구조로 형성함으로써, 연료전지 내 막전극 접합체(70)가 공간적으로 차지하는 영역을 최소화하여, 단위 부피 당 막전극 접합체(70)의 표면적을 증가시키고, 막전극 접합체(70)의 사용 영역을 극대화할 수 있으며, 특히 설치 면적을 최소화하여 바이폴라판이나 모노폴라판을 사용하지 않음에 따른 기계적 문제를 해소할 수 있다. 또한, 기존의 평판형 연료전지에 비해 공간 활용도, 연료 이용률, 출력밀도 등을 향상시키면서도, 막전극 접합체(70)의 출력을 용이하게 조절할 수 있다.
상기 막전극 접합체(70)는 양극, 고분자 전해질막, 음극을 포함하는 적층 구조체(20)에 전도, 전열성 다공판(50)이 적층된 판상의 전지 적층체(60)를 기계 또는 수작업을 통하여 지그재그형, 사인파형, 굴곡형, 요철형 등 소정의 파형으로 변형하여 제조할 수 있다. 상기 전지 적층체(60)를 규칙적 또는 불규칙적으로 변형하는 방법으로는 (i) 소정 형태의 금형을 이용하여 프레스(Press)하여 상기 전지 적층체(60)를 변형하는 방법, (ii) 수작업으로 상기 전지 적층체(60)를 변형하는 방법, (iii) 상기 전지 적층체(60)의 접히는 부분에는 양극 및 음극을 형성하지 않고, 고분자 전해질 막 또는 고분자 전해질 막과 전도, 전열성 다공판(50)만 존재하도록 제조한 후, 기계적 또는 수작업으로 변형하는 방법 등 다양한 방법이 사용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체(70)를 포함하는 연료전지(80)의 구조를 보여주는 도면이다. 도 9에 도시된 연료전지는 서로 인접하는 막전극 접합체(70a, 70b)를 판상의 비다공성 전도판(32c)으로 직렬 연결한 것이다. 본 실시예에 따른 연료전지(80)는 펄스형으로 굴곡져 있으며, 비다공성 전도판(32c)에 의하여 전기적으로 직렬로 연결되어 있는 둘 이상의 막전극 접합체(70a, 70b)를 포함한다. 상기 막전극 접합체(70a, 70b)는 각각 양극(22)과 음극(24) 및 이들의 사이에 개재된 고분자 전해질막(26)으로 이루어지는 적층 구조체(20a, 20b)와, 상기 적층 구조체(20a, 20b)의 양극(22)쪽에 각각 적층된 양극쪽전도, 전열성 다공판(50a, 50b) 및 음극(24)쪽에 각각 적층된 음극쪽 전도, 전열성 다공판(50d, 50e)을 포함한다. 상기 전도, 전열성 다공판(50a, 50b, 50d, 50e)은 도전성을 가지므로 집전체의 역할(즉, 전자 이동 경로)을 함과 동시에, 전극(22, 24)에서 발생된 열을 외부로 배출시키며, 미세한 다공을 가짐으로써 양극(22) 및 음극(24)으로 연료를 공급하고, 양극(22) 및 음극(24)에서 발생한 부산물을 배출하는 유로를 제공하는 기능을 한다.
이때 상기 막전극 접합체(70a, 70b)와 상기 판상의 비다공성 전도판(32c) 사이에는 비다공성 물질(32d)이 형성되어 있을 수 있다. 상기 비다공성 전도판(32c)은 이웃하는 막전극 접합체(70a, 70b)의 양극과 음극을 직렬로 연결하여 전압을 상승시키는 기능 및 양, 음극의 연료 흐름을 분리하는 역할을 한다. 또한 상기 비다공성 물질(32d)은 양, 음극의 연료 흐름을 분리하는 기능을 하는 것으로서, 다양한 소재로 이루어질 수 있으며, 예를 들면, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 테프론 등 고분자 소재나 알루미늄, 구리, 스텐레스 등 금속 소재 등으로 이루어질 수 있다. 그러나 이는 일 예로서 상기 비다공성 물질로는 어떠한 소재도 사용할 수 있다. 도 9에서 도면 부호 90은 막전극 접합체(70a, 70b)가 접혀져 포개진 부분을 나타낸다.
본 실시예에 따른 연료전지(80)는 각각의 막전극 접합체(70a, 70b)의 양극(22)으로 공기 등 산소 연료를 공급하기 위한 산소 연료 유입구(81), 각각의 막전극 접합체(70a, 70b)의 음극(24)으로 수소, 메탄올 등 수소 연료를 공급하기 위한 수소 연료 유입구(82), 각각의 막전극 접합체(70a, 70b)의 양극(22)에서 산소와 수소가 반응하여 발생한 물을 배출하기 위한 물배출구(83), 및 각각의 막전극접합체(70a, 70b)의 음극(22)에서 발생한 반응 부산물 및 미반응 연료를 배출하기 위한 부산물 배출구(84)를 포함한다. 이때 상기 각각의 막전극 접합체(70a, 70b)로 유입되는 연료 및 상기 각각의 막전극 접합체(70a, 70b)로부터 배출되는 부산물이 서로 혼합되지 않도록 별도의 유로를 통하여 각각의 막전극 접합체(70a, 70b)로 유입되거나, 각각의 막전극 접합체(70a, 70b)로부터 유출되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 각각의 막전극 접합체(70a, 70b)에서 전기화학 반응에 의하여 생성된 전기는 한쪽 말단의 막전극 접합체(70a)의 양극(22)에 형성된 양극탭(85) 및 다른쪽 말단의 막전극 접합체(70b)의 음극(24)에 형성된 음극탭(86)에 의하여 연료전지(80) 외부로 인출되어 사용될 수 있다. 이와 같은 연료전지(80)는 소정 형태의 하우징(미도시)에 수용되어 사용될 수 있다.
도 10에 도시한 연료전지는 도 9에 도시한 연료전지와 비교하여, 서로 인접하는 막전극 접합체(70a, 70b)를 판상의 비다공성 전도판(32e)으로 연결하되, 상기 판상의 비다공성 전도판(32e)은 막전극 접합체(70a)의 음극쪽 전도, 전열성 다공판(50d)과 이웃하는 막전극 접합체(70b)의 양극을 직렬로 연결하도록 되어 있는 점과, 상기 판상의 전도판(32e)의 일면에는 인접하는 막전극 접합체(70a, 70b)가 병렬 연결화(예를 들면, 음극-음극 결합) 되는 것을 방지하는 비다공성 부도체 차단막(85a)이 형성되어 있는 점이 상이하다. 도 10에서 미설명 도면 부호들은 도 9에서 설명한 것과 동일한 기능을 하는 부재를 나타낸다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 굴곡된 형태의 막전극 접합체를 이용하면, 단위 전지 및 적층시킨 형태의 연료전지를 간단히 제조할 수 있으며, 연료전지의 높이를 낮추고, 밀도를 높일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지는 내부 전기 회로 및 구조가 상대적으로 간단하므로, 제조 과정이 단순하며, 음극과 양극의 유로 형성을 위한 모노폴라판이나 바이폴라판을 사용하지 않으므로, 셀의 집적도 및 출력 밀도를 경제적으로 높일 수 있고, 안정적인 연료 공급이 가능하다. 또한 굴곡이 가능하고 부드러운 재질의 다공성 전연판을 사용하므로 연료 공급시 발생할 수 있는 펄스(Pulse)에 의하여 또는 기계적 적층 과정에서 막전극 접합체가 찢어지거나 손상되는 현상을 방지할 수 있는 추가적인 장점이 있다.

Claims (12)

  1. 양극, 고분자 전해질막 및 음극을 포함하는 적층 구조체에 전도, 전열성 다공판이 적층된 전지 적층체가 소정의 파형(波形)으로 굴곡되어 있는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소정의 파형은 동일한 패턴이 규칙적으로 나타나거나, 둘 이상의 패턴이 불규칙적으로 동시에 나타나는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 패턴은 지그재그형, 사인파형 및 펄스형으로 이루어진 패턴 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양극 및 음극은 탄소 지지체에 금속 촉매를 도포한 것이거나, 금속 촉매를 담지시킨 카본블랙 입자를 도포한 것이며, 상기 고분자 전해질막은 이오노머 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전도, 전열성 다공판의 표면 또는 내부에는, 연료의 공급 및 반응 부산물의 배출이 원활히 이루어질 수 있도록, 소정 형상의 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전도, 전열성 다공판은 고분자 수지에 전도성 카본블랙이나 금속입자를 포함시킨 복합재료, 또는 도전성 고분자로 이루어진 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고분자 수지는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 테플론 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이며, 상기 도전성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  8. 양극, 고분자 전해질막 및 음극이 적층된 판상의 적층 구조체를 제조하는 과정;
    상기 적층 구조체의 양극면 및 음극면에 전도, 전열성 다공판을 적층하여 전지 적층체를 제조하는 과정; 및
    상기 전지 적층체를 소정의 파형으로 굴곡시키는 과정을 포함하는 막전극 접합체의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전지 적층체를 소정의 파형으로 굴곡시키는 과정은 소정 형태의 금형을 이용하여 상기 전지 적층체를 프레스하여 변형하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조방법.
  10. 소정의 파형(波形)으로 굴곡되어 있으며, 판상의 비다공성 전도판에 의하여 직렬로 연결되어 있는 둘 이상의 막전극 접합체;
    상기 각각의 막전극 접합체의 양극 및 음극으로 산소 연료 및 수소 연료를 각각 공급하기 위한 산소 연료 유입구 및 수소 연료 유입구; 및
    상기 각각의 막전극 접합체의 양극 및 음극에서 발생한 부산물을 배출하기 위한 물배출구 및 부산물 배출구를 포함하는 연료 전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 막전극 접합체와 상기 판상의 비다공성 전도판 사이에는 양, 음극의 연료 흐름을 분리하는 비다공성 물질이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  12. 제10항에 있어서, 상기 막전극 접합체는 각각 양극과 음극 및 이들의 사이에 개재된 고분자 전해질막으로 이루어지는 적층 구조체와, 상기 적층 구조체의 양극쪽에 각각 적층된 양극쪽 전도, 전열성 다공판 및 음극쪽에 각각 적층된 음극쪽 전도, 전열성 다공판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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KR101409509B1 (ko) * 2012-08-10 2014-06-19 삼성전기주식회사 고체산화물 연료전지용 집전체와 이를 적용한 고체산화물 연료전지
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