KR20050025488A

KR20050025488A - Anode structure for fuel cell

Info

Publication number: KR20050025488A
Application number: KR1020030062716A
Authority: KR
Inventors: 조태희; 박명석; 최홍; 김규정; 이명호; 김철환; 황용준; 고승태; 허성근
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2005-03-14
Also published as: KR100556764B1

Abstract

An electrode structure of a fuel cell is provided to make the movement of electrons generated from a catalyst reaction rapid and active by forming holes for the electrons, to promote the catalyst reaction, and accordingly to improve the performance of the fuel cell. The electrode of a fuel cell comprises a plurality of holes(13a) for ion passage thereon, wherein the fuel cell comprises: an electrolyte membrane(12); electrodes(13,14) on each side of the electrolyte membrane; a plurality of separating panels(15,16) which contact to one side of each electrode and have a fuel flow channel(Cf) and an air flow channel(Co) respectively, so that the fuel and air are independently cycled through its independent channel while generating ions; and a current collector(17,18) formed on each side of the separating panels so that the generated ions can be shifted between the electrodes and generate electricity, wherein the holes are formed on the electrode contacting with a fuel flow channel.

Description

Electrode Structure of Fuel Cell {ANODE STRUCTURE FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 에너지 발생시스템에 관한 것으로, 특히 B화합물(BH₄)을 연료로 하는 연료전지 시스템(BFC; Boron Fuel Cell)의 연료극 구조에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an energy generation system for obtaining electrical energy using a fuel cell, and more particularly, to an anode structure of a fuel cell system (BFC; Boron Fuel Cell) using B compound (BH ₄ ) as a fuel.

인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석 연료에서 얻고 있다. 그러나 이러한 화석 연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 등의 문제점이 있었다.Most of the energy humans are using comes from fossil fuels. However, the use of such fossil fuel has a serious adverse effect on the environment, such as air pollution, acid rain, global warming, and has a problem such as low energy efficiency.

연료전지는 이러한 화석 연료의 대안으로 제시하는 것으로 통상의 전지(2차 전지)와는 달리 음극(anode)에 연료(수소가스나 탄화수소)를, 양극(cathode)에 산소를 외부로부터 공급하여 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기와 열을 발생하는 전지계로서 실제로는 발전장치라고 볼 수 있다.The fuel cell is proposed as an alternative to such fossil fuels. Unlike conventional cells (secondary cells), the fuel cell is supplied with fuel (hydrogen gas or hydrocarbon) to the anode and oxygen to the cathode from the outside to electrolyze water. It is a battery system that generates electricity and heat by undergoing an electrochemical reaction by a reverse reaction, and can be regarded as a power generating device.

연료전지에 의한 발전 방법은 연료의 연소(산화)반응을 거치지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환하는 방법이다.The power generation method using a fuel cell is a method of directly converting an energy difference before and after the reaction into electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen without undergoing combustion (oxidation) reaction of the fuel.

연료전지를 전해질의 유형에 따라 분류하면, 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 60 ~ 110℃에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 상온 ~ 80 ℃에서 작동하는 고분자 전해질 연료전지, 약 500 ~ 700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 등이 있다. If the fuel cell is classified according to the type of electrolyte, the phosphoric acid fuel cell operating at around 200 ° C, the alkaline electrolyte fuel cell operating at 60 to 110 ° C, the polymer electrolyte fuel cell operating at room temperature to 80 ° C, about 500 ~ Molten carbonate electrolyte fuel cells operating at a high temperature of 700 ℃, and solid oxide fuel cells operating at a high temperature of 1000 ℃ or more.

이러한 연료전지는 도 1에서와 같이 통상 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극과 공기극을 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 수용액 상태의 수소화붕소((BH₄),실제로는 수소화붕소나트륨(NaBH₄))을 상기한 연료극에 공급하는 연료공급부(20)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(40)를 포함하고 있다.Such a fuel cell has a fuel cell stack 10 including a fuel electrode and an air electrode to generate electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, as shown in FIG. 1, and boron hydride (BH ₄ in an aqueous solution state including hydrogen). ), In fact, sodium borohydride (NaBH ₄ )), the fuel supply unit 20 for supplying the anode, the air supply unit 30 for supplying air containing oxygen to the cathode, and the fuel cell stack 10 It includes an electrical energy output unit 40 for supplying the electrical energy generated in the load.

연료전지스택(10)은 도 2에서와 같이 다수 개의 단위셀(single cell)(11)을 적층한 것으로, 각 단위셀(11)은 전해질막(12)과, 이 전해질막(12)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(13)과 공기극(14), 그리고 이 연료극(13)과 공기극(14)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(13)과 공기극(14)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판(separator, 또는 bipolar plate)(15,16)과, 양측 분리판(15,16)의 외측에 각각 적층하여 집전전극을 형성하는 집전판(current collector)(17,18)으로 구성하고 있다.The fuel cell stack 10 is formed by stacking a plurality of unit cells 11 as shown in FIG. 2, and each unit cell 11 is formed between an electrolyte membrane 12 and the electrolyte membrane 12. The fuel electrode 13 and the air electrode 14 stacked on both sides of the fuel cell 13 and the air electrode 14, and the fuel and air contact the fuel electrode 13 and the air electrode 14, respectively. Separators or bipolar plates 15 and 16 for circulating, and current collectors 17 and 18 stacked on the outer sides of both separator plates 15 and 16 to form current collecting electrodes, respectively. ).

전해질막(12)은 H⁺를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막을 사용하고 있다.The electrolyte membrane 12 uses a polymer membrane that transfers H ⁺ , such as a polymer ion exchange membrane that exhibits electrical conductivity in a wet state.

연료극(13)과 공기극(14)은 지지체와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층으로 구성하되 지지체는 금속성의 니켈폼으로 형성하고, 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 수소저장합금으로 형성하고 있다. The anode 13 and the cathode 14 are composed of a support and a catalyst layer laminated on both sides of the support, wherein the support is formed of metallic nickel foam, and the catalyst layer is formed of a hydrogen storage alloy suitable for oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. Doing.

분리판(15,16)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트(graphite)와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(13)과 공기극(14)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(fuel channel)(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(air channel)(Co)를 형성하고 있다. The separators 15 and 16 use a metal material such as graphite having good electrical conductivity and high corrosion resistance, and fuel passes through each inner surface of the separator 13 and the cathode 14 in contact with each other. A fuel channel Cf and an air channel Co through which air passes are formed.

또, 단위셀(11)들 사이에 설치하는 분리판(15,16)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택(10)의 양측 단부에 설치하는 분리판(15,16)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성하고 있다.In addition, the separator plates 15 and 16 disposed between the unit cells 11 form a fuel passage Cf on one side and an air passage Co on the other side, and are disposed at both ends of the fuel cell stack 10. The separating plates 15 and 16 to be provided form a fuel passage Cf or an air passage Co only on the inner side surface.

집전판(17,18)은 연료전지스택(10)에서 최종적으로 전기에너지를 취출하기 위한 것으로 통상적인 터미널로서 사용하는 구리재질 등의 전기전도체로 형성하고 있다.The current collector plates 17 and 18 are used to finally take out electrical energy from the fuel cell stack 10 and are formed of an electrical conductor such as a copper material used as a normal terminal.

도면중 미설명 부호인 21은 연료탱크, 22는 연료공급관, 23은 연료펌프, 31은 공기공급관, 32는 공기펌프이다.In the figure, 21 is a fuel tank, 22 is a fuel supply pipe, 23 is a fuel pump, 31 is an air supply pipe, 32 is an air pump.

상기와 같은 종래 연료전지는 다음과 같이 동작한다.The conventional fuel cell as described above operates as follows.

즉, 분리판(15,16)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)에 공급한 연료와 공기는 각각 연료극(음극,anode)(13)과 공기극(양극,cathode)(14)을 통과하고, 이 과정에서 연료중의 수소가 공기중의 산소와 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 아울러 두 전극 사이에서 전류를 발생한다.That is, the fuel and air supplied to the fuel passage Cf and the air passage Co of the separators 15 and 16 pass through the anode (anode) 13 and the cathode (cathode) 14, respectively. In this process, hydrogen in the fuel electrochemically reacts with oxygen in the air to generate water, and generates a current between the two electrodes.

이를 보다 상세히 살펴보면, 연료극(13)측에서는 연료에서 전기화학적 산화반응인Looking at this in more detail, the anode 13 side is the electrochemical oxidation reaction in the fuel

BH₄ ^- + 8OH^-→BO₂ ^- + 6H₂O+ 8e^-이 발생하여 전해질막(12)에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고, _{^{^{BH 4 - + 8OH - → BO}}} 2 - + 6H 2 O + 8e ^- occurs and the electrolyte membrane 12 transfers ions generated by the oxidation / reduction reaction,

공기극(14)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인In the cathode 14, an electrochemical reduction reaction of the supplied air (oxygen) is performed.

2O₂ + 4H₂O+ 8e^-→8OH^- 이 발생한다.2O ₂ + 4H ₂ O + 8e ^{^-} → 8OH ^- this occurs.

이에 따라 연료극(13)과 공기극(14)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 다수 개의 단위셀(11)을 적층한 연료전지스택(10)의 양단에 설치한 집전판(17,18)을 통하여 출력하며, 집전판(17,18)에서 출력하는 전류는 부하로 공급하는 것이었다.Accordingly, electromotive force is generated between the fuel electrode 13 and the air electrode 14, and the electromotive force is collected at both ends of the fuel cell stack 10 in which a plurality of unit cells 11 are stacked. The current output from the current collector plates 17 and 18 was supplied to the load.

그러나, 상기와 같은 종래 연료전지스택에 있어서는, 촉매반응에 의해 발생한 이온이 전극을 통과하여 전해질막(12)으로 전달되어야 하나 전극 자체가 이온의 전도를 방해하여 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.However, in the conventional fuel cell stack as described above, the ion generated by the catalytic reaction must pass through the electrode to the electrolyte membrane 12, but the electrode itself interferes with the conduction of ions, thereby degrading the performance of the fuel cell. there was.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 촉매반응으로 발생한 이온이 전극을 원활하게 통과할 수 있도록 하는 연료전지의 전극 구조를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electrode structure of a fuel cell that allows the ions generated by the catalytic reaction to pass through the electrode smoothly in view of the problems of the conventional fuel cell as described above. .

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 전해질막과, 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 적층하는 복수 개의 전극과, 양쪽 전극의 일 측면에 접하도록 배치하고 각 전극과 접하는 면에 연료유로와 공기유로를 각각 형성하여 연료와 공기가 각각의 유로를 독립적으로 순환하면서 이온을 발생하도록 하는 복수 개의 분리판과, 분리판의 양쪽 측면에 배치하여 이온이 양쪽 전극 사이를 이동하면서 발생하는 전기를 집전하는 집전판으로 된 연료전지의 단위셀에 있어서, 전극에 다수 개의 이온통과구멍을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전극 구조를 제공한다.In order to achieve the object of the present invention, an electrolyte membrane, a plurality of electrodes stacked on both sides with the electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel flow path and an air flow path on the surface in contact with each electrode and disposed in contact with each electrode A plurality of separator plates formed so that fuel and air circulate each flow path independently to generate ions, and current collector plates disposed on both sides of the separator plate to collect electricity generated while ions move between both electrodes. In a unit cell of a conventional fuel cell, there is provided an electrode structure of a fuel cell, wherein a plurality of ion passing holes are formed in the electrode.

이하, 본 발명에 의한 연료전지의 전극 구조를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the electrode structure of the fuel cell according to the present invention will be described in detail based on the embodiment shown in the accompanying drawings.

도 3은 본 발명 연료전지의 단위셀을 보인 종단면도이고, 도 4는 본 발명 연료전지에서 연료극을 분해하여 보인 사시도이다.3 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a unit cell of the fuel cell of the present invention, and FIG. 4 is a perspective view showing the fuel electrode in the fuel cell of the present invention.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지에서 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극과 공기극을 구비하는 연료전지스택은 다수 개의 단위셀(11)을 적층하여 구성한다.As shown in the drawing, the fuel cell stack including the anode and the cathode in order to generate electrical energy by the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the fuel cell according to the present invention is constructed by stacking a plurality of unit cells 11.

단위셀(11)은 전해질막(12)과, 이 전해질막(12)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(13)과 공기극(14), 그리고 이 연료극(13)과 공기극(14)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(13)과 공기극(14)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판(15,16)과, 양측 분리판(15,16)의 외측에 각각 적층하여 집전전극을 형성하는 집전판(17,18)으로 이루어진다.The unit cell 11 includes an electrolyte membrane 12, a fuel electrode 13 and an air electrode 14 stacked on both sides with the electrolyte membrane 12 interposed therebetween, and an outer side of the fuel electrode 13 and the air electrode 14. Stacked on the separators 15 and 16 to allow the fuel and air to circulate while contacting the anode 13 and the cathode 14, respectively, and are laminated on the outside of both separator plates 15 and 16, respectively. It consists of the collector plates 17 and 18 which form an electrode.

연료극(13)과 공기극(14)은 지지체와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층으로 구성하되 지지체는 금속성의 니켈폼으로 형성하고, 촉매층은 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 수소저장합금으로 형성한다.The anode 13 and the cathode 14 are composed of a support and a catalyst layer laminated on both sides of the support, wherein the support is formed of metallic nickel foam, and the catalyst layer is formed of a hydrogen storage alloy suitable for oxidation of hydrogen and reduction of oxygen. do.

연료극(13)은 도 3 및 도 4에서와 같이 그 중앙부위, 즉 후술할 연료측 분리판(15)의 연료유로(Cf)에 접하는 부위에 다수 개의 이온통과구멍(13a)을 형성한다. 이온통과구멍(13a)은 도면에서와 같이 규칙적으로 형성할 수도 있으나 경우에 따라서는 불규칙하게 형성할 수도 있다. 또, 이온통과구멍(13a)은 이온이 신속하게 이동할 수 있도록 전해질막(12)에 대해 직교하는 방향으로 형성하는 것이 바람직하다.As shown in Figs. 3 and 4, the anode 13 forms a plurality of ion passage holes 13a in the center portion thereof, i.e., the portion in contact with the fuel flow path Cf of the fuel side separation plate 15, which will be described later. The ion passing holes 13a may be formed regularly as shown in the drawing, but may be irregularly formed in some cases. In addition, the ion passing holes 13a are preferably formed in a direction perpendicular to the electrolyte membrane 12 so that ions can move quickly.

분리판(15,16)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(13)과 공기극(14)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(Co)를 형성한다.The separators 15 and 16 use a metal material such as graphite having good electrical conductivity and high corrosion resistance, and the fuel passage through which fuel passes through each inner surface of the separator 13 and the cathode 14. The air flow path Co through which Cf) and air pass is formed.

또, 단위셀(11)들 사이에 설치하는 분리판(15,16)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택(10)의 양측 단부에 설치하는 분리판(15,16)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성한다.In addition, the separator plates 15 and 16 disposed between the unit cells 11 form a fuel passage Cf on one side and an air passage Co on the other side, and are disposed at both ends of the fuel cell stack 10. The separating plates 15 and 16 to be provided form a fuel flow path Cf or an air flow path Co only on the inner side surface.

집전판(17,18)은 연료전지스택(10)에서 최종적으로 전기에너지를 취출하기 위한 것으로 통상적인 터미널로서 사용하는 구리재질 등의 전기전도체로 형성한다.The current collector plates 17 and 18 are used to finally take out electrical energy from the fuel cell stack 10 and are formed of an electrical conductor such as a copper material used as a conventional terminal.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.In the drawings, the same reference numerals are given to the same parts as in the prior art.

도면중 미설명 부호인 15a 및 15b는 연료입구 및 연료출구이다.In the drawings, reference numerals 15a and 15b denote fuel inlets and fuel outlets.

여기서, 수용액 상태의 BH₄는 전해질막(12)을 사이에 두고 연료극(13)의 연료유로(Cf)를 따라 흐르면서 확산되는 반면 공기는 공기극(14)의 공기유로(Co)를 따라 흐르면서 확산되고, 이 과정에서 상기한 전기화학적 반응이 일어나 전자이온이 발생하며, 이 전자이온이 양쪽 연료극(13)과 공기극(14) 사이를 이동하면서 전기를 발생하는 것이다.Here, BH ₄ in the aqueous state is diffused while flowing along the fuel passage Cf of the anode 13 with the electrolyte membrane 12 interposed therebetween, while air flows along the air passage Co of the cathode 14. In this process, the above-mentioned electrochemical reaction occurs to generate electron ions, and the electron ions move between both fuel electrodes 13 and the cathode 14 to generate electricity.

이때, 연료유로(Cf)에서 발생하는 전자이온이 연료극(13)의 이온통과구멍(13a)을 통해 이동하므로 전자이온의 이동이 보다 신속하고 활발하게 이루어져 연료전지의 성능이 향상될 수 있다.At this time, since the electron ions generated in the fuel passage Cf move through the ion passage hole 13a of the fuel electrode 13, the electron ions move faster and more actively, thereby improving the performance of the fuel cell.

또, 연료극(13)의 일 측면에 접하여 연료유로(Cf)를 따라 흐르던 연료가 상기한 이온통과구멍(13a)을 통해 타 측면으로 이동함으로써 연료극(13)의 양 측면에 연료가 균일하게 접촉하여 촉매반응이 촉진되고 이로 인해 전자이온이 발생이 활발하게 되어 연료전지의 성능이 더욱 향상될 수 있다.In addition, the fuel flowing in contact with one side of the fuel electrode 13 along the fuel flow path Cf moves to the other side through the above-described ion passage hole 13a, whereby fuel is in uniform contact with both sides of the fuel electrode 13. Catalytic reactions are accelerated and electron ions are generated actively, thereby further improving the performance of the fuel cell.

본 발명에 의한 연료전지의 전극 구조는, 전극에 다수 개의 이온통과구멍을 형성함으로써, 전자이온가 신속하고 활발하게 이동하는 것은 물론 연료극의 양 측면에 연료가 균일하게 접촉하여 촉매반응이 촉진되면서 전자이온이 발생이 활발하게 되어 연료전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.In the electrode structure of the fuel cell according to the present invention, by forming a plurality of ion through holes in the electrode, the electron ions move quickly and actively, as well as the fuel contacts uniformly on both sides of the fuel electrode to promote the catalytic reaction. This occurrence becomes active, which can further improve the performance of the fuel cell.

도 1은 종래 연료전지의 구조를 보인 계통도,1 is a system diagram showing a structure of a conventional fuel cell;

도 2는 종래 연료전지의 단위셀을 보인 종단면도,2 is a longitudinal sectional view showing a unit cell of a conventional fuel cell;

도 3은 본 발명 연료전지의 단위셀을 보인 종단면도,3 is a longitudinal sectional view showing a unit cell of the fuel cell of the present invention;

도 4는 본 발명 연료전지에서 연료극을 분해하여 보인 사시도.Figure 4 is a perspective view showing the decomposition of the anode in the fuel cell of the present invention.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **** Description of symbols for the main parts of the drawing **

12 : 전해질막 13 : 연료극12 electrolyte membrane 13 fuel electrode

13a : 이온통과구멍 14 : 공기극13a: ion passage hole 14: air electrode

15,16 : 분리판 17,18 : 집전판15,16 Separator 17,18 Current collector

Cf : 연료유로 Co : 공기유로Cf: Fuel Euro Co: Air Euro

Claims

An electrolyte membrane, a plurality of electrodes stacked on both sides with the electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel flow path and an air flow path are formed on a surface in contact with each electrode, respectively, so that fuel and air flow through the respective flow paths. In a unit cell of a fuel cell comprising a plurality of separator plates for generating ions while circulating independently, and a collector plate disposed on both sides of the separator plates to collect electricity generated while ions move between both electrodes,

An electrode structure of a fuel cell, wherein a plurality of ion passing holes are formed in the electrode.

The method of claim 1,

The ion passage hole is formed in the electrode in contact with the fuel flow path electrode structure of the fuel cell.