KR20050106354A - 연료 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 전해질과, 상기 전해질의 양측에 각각 배치되는 애노드 및 캐소오드와, 상기 애노드 및 상기 캐소오드의 외측에 각각 배치는 애노드측 세퍼레이터 및 캐소오드측 세퍼레이터와, 상기 캐소오드와 상기 캐소오드측 세퍼레이터의 사이에 위치하여, 상기 캐소오드측 세퍼레이터의 부식을 방지하는 매개층을 포함하는 연료 전지를 제공한다.

Description

연료 전지{Fuel Cell}

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발전 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지에 관한 것이다.

연료 전지(Fuel Cell)는 연료가 가진 화학 에너지를 화학반응에 의하여 직접 전기 에너지로 바꾸는 에너지 전환 장치이다. 연료 전지는 종래의 일반 전지(Battery)와는 달리 재충전이 필요 없이 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어 낼 수 있다. 연료 전지는 높은 에너지 효율과 환경 친화성으로 인하여 근래에 관심이 집중되고 있다.

연료 전지는 통상 전해질(electrolyte)을 중심으로 양쪽으로 2개의 전극(electrode) 즉 애노드(anode)와 캐소오드(cathode)가 배치되어 구성된다. 또한, 통상 애노드의 외측에는 상기 애노드를 지지하고 연료가 흐르는 유로를 가지는 애노드측 세퍼레이터가 설치되고, 캐소오드의 외측에는 상기 캐소오드를 지지하고 공기가 흐르는 유로를 가지는 캐소오드측 세퍼레이터가 설치된다. 애노드에는 연료인 수소의 전기화학적 산화 반응이 일어나고 캐소오드에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원 반응이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생하게 된다.

연료 전지에서는 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG), 메탄올, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열)의 다양한 연료가 사용될 수 있다. 통상 연료는 연료 개질기(Fuel Reformer)에서 탈황공정, 개질반응, 수소정제공정을 거쳐 수소로 정제되어 가스 형태로 사용된다. 또한, 수용액 상태의 연료 예를 들어 고체상태의 BH₄ ^-를 수용액 상태로 만들어 연료로 사용하기도 한다(BFC 방식 연료 전지 :Boro Hydride Fuel Cell). BFC 방식 연료 전지는 개질기를 사용하지 않고 애노드에 수용액 상태의 연료를 직접 공급하고 애노드에서 개질반응이 일어나기 때문에 개질기가 불필요하여 연료 전기 시스템을 간소화시킬 수 있다는 이점이 있다.

한편, 연료 전지는 전해질의 종류에 따라서 인산염 연료 전지(Phosphoric Fuel Cell), 용융탄산염 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 알카리인 연료 전지(Alkaline Fuel Cell), 고체산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 분리막 연료 전지(Polymer Membrane Fuel Cell) 등으로 나눌 수 있다.

도 1을 참조하여, 일반적인 연료 전지 시스템을 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시한 바와 같이, 연료 탱크(5)에 저장된 연료는 연료 펌프(3)에 의하여 연료 전지(1)에 공급되며, 공기는 공기 펌프(7)에 의하여 연료 전지(1)에 공급된다. 연료 전지(1)는 단일셀(Unit Cell) 또는 단일셀이 적층된 스택(Stack) 형태로 이루어진다.

도 2 내지 도 4를 참조하여, 종래의 연료 전지의 일 예를 설명하면 다음과 같다. 도 2 및 도 4는 단일셀 연료 전지를 도시한 것이다.

전해질(10)의 양측에는 각각 애노드(30)와 캐소오드(20)가 배치된다. 그리고, 애노드(30)와 캐소오드(20)의 외측에는 각각 세퍼레이터(seperator) (40, 50) 가 배치된다. 애노드(30) 및 캐소오드(20)는 다공성이며 통상 백금(Pt) 촉매를 함유한다.

상술한 바와 같이, 애노드(30)의 외측에는 애노드측 세퍼레이터(50), 캐소오드(20)의 외측에는 캐소오드측 세퍼레이터(40)가 각각 배치된다. 세퍼레이터(40, 50)는 애노드(30) 및 캐소오드(20)를 지지하는 역할을 하며, 통상 격벽(44, 54)에 의하여 형성되는 유로(46, 56)가 각각 형성되다. 상기 유로의 형상은 다양한 형태가 존재할 수 있다. 또한, 세퍼레이터(40, 50)는 단일셀이 적층될 때 각각의 단일셀을 격리시키는 역할을 하게 된다. 한편, 세퍼레이터(40, 50)의 외측에는 각각 별도의 집전판이 설치될 수도 있다.

일반적으로 전해질(10)은 고분자 재료로 이루어진 이온교환막으로 대표적으로 상품화된 전해질막은 듀폰사의 Nafion막이 있으며, 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 한다. 그리고 애노드(30)와 캐소오드(20)는 촉매가 부착된 지지체로서 다공성의 탄소 수지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth)인 것이 일반적이다. 그리고, 세퍼레이터(40, 50)는 치밀질의 카본재 또는 Ni/SUS 재질인 것이 일반적이다.

상술한 연료 전지의 작용을 설명하면 다음과 같다.

연료 전지에 공급된 연료 및 공기는 각각 애노드(30) 및 캐소오드(20)를 흐르면서 다음과 같은 화학 반응이 일어난다.

애노드 : BH₄ ^- + 8OH^- → BO₂ ^- + 6H₂0 + 8e^- E₀ = -1.24V

캐소오드 : 2O₂ + 4H₂0 + 8e^- → 8OH^- E₀ = 0.4V

전체(Total) : BH₄ ^- + 2O₂ → 2H₂0 + BO₂ ^- E₀ = 1.62V

한편, 통상 BH₄ ^-를 안정된 용액으로 만들기 위하여 일정량의 Na가 혼합되며, 애노드(30)에서는 이에 따른 부반응이 일어나 수소 가스가 발생하게 된다. 즉, 애노드(30)에서는 2H₂O + NaBH₄ → NaBO₂ + 4H₂ 반응이 일어난다.

한편, 연료 전지에서는 연료 전지의 크기는 그대로 이면서도 발전 용량 및 성능을 향상시킬 것이 요구되었다. 왜냐하면, 연료 전지는 상술한 장점에도 불구하고 소망하는 발전 용량 및 성능을 얻기 위해서는 그 크기가 일반적으로 커져서 사용하는 용도가 제한 되며 사용이 불편하기 때문이다.

따라서, 연료 전지의 용량 및 성능을 향상시키기 위한 많은 제안이 있다. 예를 들어, 일본 특개평 제10-228914호에서는 전극과 세퍼레이터의 접촉면에 부분적으로 금도금을 하여, 전극과 세퍼레이터 사이의 접촉저항을 줄여 연료 전지의 성능을 향상시키는 것을 제안하고 있다. 이때, 세퍼레이터는 금속재질이 사용되며, 세퍼레이터의 부식을 방지하기 위하여 스테인레스강을 사용하는 것을 제안하고 있다. 그러나, 연료 전지의 용량 및 성능을 향상시키기 위하여 제안된 여러 방식들은 어느 정도 효과는 있지만 현저한 효과는 일반적으로 아니었으며, 더욱 우수한 발전 성능을 가지는 연료 전지가 요구되고 있다.

본 발명의 특징 및 장점들은 뒤따르는 본 발명의 실시예의 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참고하여 더 잘 이해될 수 있으며, 상기 도면들 중:

도 1은 일반적인 연료 전지 시스템의 구성을 도시한 구성도;

도 2는 종래의 연료 전지를 개략적으로 도시한 분해 사시도;

도 3은 도 2의 캐소오드측 세퍼레이터의 일예를 개략적으로 도시한 평면도;

도 4는 도 2의 단면도;

도 5는 도 2의 연료 전지를 전기 회로로 모식화하여 그린 회로도

도 6은 연료 전지에서 나타나는 전압 강하를 도시한 그래프

도 7은 본 발명에 따른 연료 전지의 실시예를 개략적으로 도시한 단면도;

도 8 및 도 9는 종래의 연료 전지와 본 발명에 따른 연료 전지의 발전 성능을 비교한 그래프;

도 10은 본 발명에 따른 연료 전지의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 단면도;

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 연료 전지의 크기를 크게 하지 않고서도 발전 용량 및 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전해질과; 상기 전해질의 양측에 각각 배치되는 애노드 및 캐소오드와; 상기 애노드 및 상기 캐소오드의 외측에 각각 배치는 애노드측 세퍼레이터 및 캐소오드측 세퍼레이터와; 상기 캐소오드와 상기 캐소오드측 세퍼레이터의 사이에 위치하여, 상기 캐소오드측 세퍼레이터의 부식을 방지하는 매개층을 포함하는 연료 전지를 제공한다.

본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 본 발명은 전해질과; 상기 전해질의 양측에 각각 배치되는 애노드 및 캐소오드와; 상기 애노드의 외측에 배치되는 애노드측 세퍼레이터와; 상기 캐소오드의 외측에 배치되는 캐소오드측 세퍼레이터와; 상기 캐소오드와 상기 캐소오드측 세퍼레이터의 사이에 설치되어, 상기 캐소오드를 지지하는 다공성 지지부재와; 상기 캐소오드와 상기 다공성 지지부재의 사이에 위치하여, 상기 다공성 지지부재의 부식을 방지하는 상기 지지부재용 매개층을 포함하는 연료 전지를 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 의하면, 본 발명은 전해질과; 상기 전해질의 양측에 각각 배치되는 애노드 및 캐소오드와; 상기 애노드 및 상기 캐소오드의 외측에 각각 배치는 애노드측 세퍼레이터 및 캐소오드측 세퍼레이터와; 상기 애노드와 상기 애노드측 세퍼레이터의 사이에 위치하여, 상기 애노드측 세퍼레이터의 부식을 방지하는 매개층을 포함하는 연료 전지를 제공한다.

상술한 본 발명에 의하면, 연료 전지의 발전 성능을 향상시키는 것이 가능하므로, 연료 전지의 크기를 크게 하지 않고도 발전 용량을 향상시키는 것이 가능하다.

이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 종래의 연료 전지와 동일한 구성 요소는 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하여 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 연료 전지의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 연료 전지도 종래와 동일하게, 전해질(10), 애노드(30), 캐소오드(20), 애노드측 세퍼레이터(50) 및 캐소오드측 세퍼레이터(40)를 포함하여 구성된다. 다수의 유닛셀이 적층되는 스택형 연료 전지에서는 하나의 세퍼레이터(40, 50)가 일측은 애노드(30)에 타측은 캐소오드(20)에 동시에 접촉하게 되지만, 아래의 설명에서는 설명의 편의상 애노드측 세퍼레이터(50) 및 캐소오드측 세퍼레이터(40)라는 용어를 사용한다.

본 발명자의 연구에 의하면, 연료 전지의 성능을 향상시키기 위해서는 세퍼레이터 특히 캐소오드측 세퍼레이터(40)의 부식을 방지하는 것이 대단히 중요하다는 것을 알아 내었다. 왜냐하면, 도 5에 도시한 바와 같이, 연료 전지가 발전을 할 때 이온은 애노드→전해질→캐소오드로 이동하고, 전자는 애노드(r2)→애노드측 세퍼레이터(r1)→캐소오드측 세퍼레이터(r4)→캐소오드(r3)로 이동하는데, 전자의 이동 경로는 모두 일종의 내부 저항이 된다. 그런데, 도 6에 도시한 바와 같이, 내부 저항이 증가하면 연료 전지의 I-V특성에 의하여 연료 전지의 성능이 저하하기 때문이다. 그런데, 본 발명자의 연구에 의하면, 연료 전지의 운전이 계속되면 통상 캐소오드측 세퍼레이터(40)에 부식(corrosion)이 발생하고 이때 생기는 녹(stain)이 내부 저항 증가의 큰 원인이었다. 즉, 본 발명 이전의 종래 기술에서는 세퍼레이터(40)의 부식 방지가 연료 전지의 성능을 향상시키는 가장 중요한 인자 중의 하나임을 알지 못하였다. 따라서, 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 일본 특개평 10-228914에서는 전극과 세퍼레이터의 접촉면에 부분적으로 금도금을 하여 단순히 접촉 저항을 줄이고, 부식의 방지하기 위해서 세퍼레이터의 재질로서 스테인레스강을 사용하는 것을 제안하고 있다. 그러나, 일반적으로 금속재질의 세퍼레이터를 사용하면 부식을 효과적으로 피하기 어려우며, 특히 캐소오드측 세퍼레이터의 부식이 문제가 된다. 즉, 본 발명자의 연구에 의하면, 연료 전지의 성능을 향상시키기 위해서는 단순한 접촉 저항의 방지보다도 적극적인 부식의 방지가 더욱 효과적인 것이었다.

따라서, 본 발명에서는 연료 전지의 성능을 향상시키기 위하여 세퍼레이터의 부식을 방지하는 것을 제안한다. 캐소오드측 세퍼레이터의 부식을 효과적으로 방지할 수 있는 방법이면 무엇이든지 사용하는 것이 가능하지만 후술하는 실시예와 같은 방식을 사용하는 것이 간단하면서도 효과적인 방법이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 캐소오드측 세퍼레이터(40)와 캐소오드(20)의 사이에는 상기 캐소오드측 세퍼레이터(40)의 부식을 방지하는 매개층(300)이 배치된다. 상기 매개층(300)은 별도로 존재할 수도 있으나, 상기 캐소오드(20)와 이온화 경향이 유사한 물질 중에서 선택된 물질로 이루어지는 코팅층인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 본 발명자의 연구에 의하면, 캐소오드측 세퍼레이터(40)에 발생하는 부식의 주된 원인은 캐소오드(20)와 캐소오드측 세퍼레이터(40)의 이온화 경향의 차이에 기인한 전위차에 의한 것이기 때문이다.

한편, 캐소오드측 세퍼레이터(40)에 형성되는 코팅층(300)은 최소한 캐소오드(20)와 접촉하는 접촉면(302) 및 유로 바닥면(306)에 형성되어야 하며, 유로의 벽면(306)에도 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 일반적으로 캐소오드(20)는 백금촉매를 함유하므로, 상기 코팅층(300)은 백금과 이온화 경향이 같은 또는 유사한 백금, 금, 구리, 니켈 등이 될 수 있으며, 제조 원가, 공정 등을 감안하면 금인 것이 바람직하다.

한편, 애노드측 세퍼레이터(50)에서도 부식이 발생할 수 있으며, 따라서, 애노드측 세퍼레이터(50)에도 상기 애노드측 세퍼레이터(50)의 부식을 방지할 수 있는 매개층(미도시) 예를 들어 코팅층이 형성되는 것이 바람직하다. 물론, 이때도 코팅층은 애노드(30)와 전위차가 나지 않는 물질 중에서 선택된 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명자의 실험 결과, 도 8에 도시한 바와 같이, 백금 촉매를 함유한 캐소오드측 세퍼레이터(40)를 사용하는 연료 전지에서, 다른 조건은 동일한 경우에 금 코팅층이 있은 연료 전지는 코팅층이 없는 종래의 연료 전지에 비하여 약 50%의 발전 성능이 향상시킬 수 있는 것을 확인하였다. 여러 가지 종류의 연료 전지에 대하여 실험한 결과 유사한 경향을 나타내었으므로, 도 8에서는 편의상 1개의 실험 결과만을 도시하였다.

또한, 도 9에 도시한 바와 같이, 금 코팅층이 있는 경우에 IR 손실(I-R loss)가 적어짐을 확인하였다. IR 손실의 경우에도 여러 가지 종류의 연료 전지에 대하여 실험한 결과 유사한 경향을 나타내었으므로, 도 9에서는 편의상 1개의 실험 결과만을 도시하였다.

한편, 본 발명의 원리는 다른 형태의 연료 전지에도 적용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 도 10에 도시한 바와 같이, 캐소오드(20)와 캐소오드측 세퍼레이터(40)의 사이에는 다공성 지지부재(100) 예를 들어 메쉬 부재가 설치될 수 있다. 상기 지지부재(100)도 일반적으로 부식이 발생하며, 이러한 부식을 방지하는 것이 바람직하다. 즉, 지지부재(100)를 금으로 코팅하면 내부 저항이 작아지고 성능이 향상되었다. 물론, 이때, 캐소오드측 세퍼레이터(40) 도 함께 금으로 코팅하면 더욱 효과적이다.

한편, 애노드(30)와 애노드측 세퍼레이터(50)의 사이에도 애노드용 지지부재(80)가 설치될 수 있으며, 애노드용 지지부재(80)에도 동일한 원리를 적용하는 것이 가능하다.

상술한 실시예의 원리는 BFC 방식의 연료 전지에 한정되지 않으며, 다른 연료 전지에도 물론 적용하는 것이 가능하다.

앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지와 범주에서 벗어남 없이 많은 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술된 상세한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

본 발명에 따른 연료 전지에 따르면, 캐소오드측 세퍼레이터 및/또는 애노드측 세퍼레이터에서 발생하는 부식을 효과적으로 방지하여 연료 전지의 내부 저항을 줄여 결국 발전 성능 및 발전 용량을 향상시킬 수 있다.

Claims (12)

1. 전해질과;

   상기 전해질의 양측에 각각 배치되는 애노드 및 캐소오드와;

   상기 애노드 및 상기 캐소오드의 외측에 각각 배치는 애노드측 세퍼레이터 및 캐소오드측 세퍼레이터와;

   상기 캐소오드와 상기 캐소오드측 세퍼레이터의 사이에 위치하여, 상기 캐소오드측 세퍼레이터의 부식을 방지하는 매개층을 포함하는 연료 전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 매개층은 상기 캐소오드에 코팅되는 코팅층인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 코팅층은 상기 캐소오드와 이온화 경향이 유사한 물질 중에서 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 캐소오드는 백금촉매를 함유하며, 상기 매개층은 금인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 연료 전지는 상기 애노드와 상기 애노드측 세퍼레이터의 사이에 위치하여, 상기 애노드측 세퍼레이터의 부식을 방지하는 매개층을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
6. 전해질과;

   상기 전해질의 양측에 각각 배치되는 애노드 및 캐소오드와;

   상기 애노드의 외측에 배치되는 애노드측 세퍼레이터와;

   상기 캐소오드의 외측에 배치되는 캐소오드측 세퍼레이터와;

   상기 캐소오드와 상기 캐소오드측 세퍼레이터의 사이에 설치되어, 상기 캐소오드를 지지하는 다공성 지지부재와;

   상기 캐소오드와 상기 다공성 지지부재의 사이에 위치하여, 상기 다공성 지지부재의 부식을 방지하는 상기 지지부재용 매개층을 포함하는 연료 전지.
7. 제6항에 있어서,

   상기 지지부재용 매개층은 상기 지지부재에 코팅되는 코팅층인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
8. 제7항에 있어서,

   상기 코팅층은 상기 캐소오드와 이온화 경향이 유사한 물질 중에서 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
9. 제6항에 있어서,

   상기 연료 전지는 상기 캐소오드측 세퍼레이터와 상기 다공성 지지부재의 사이에 위치하여, 상기 캐소오드측 세퍼레이터의 부식을 방지하는 매개층을 포함하는 연료 전지.
10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 캐소오드는 백금촉매를 함유하며, 상기 매개층은 금인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
11. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 연료 전지는 상기 애노드와 상기 애노드측 세퍼레이터의 사이에 설치되어, 상기 애노드를 지지하는 다공성 지지부재와; 상기 애노드와 상기 다공성 지지부재의 사이에 위치하여, 상기 다공성 지지부재의 부식을 방지하는 상기 지지부재용 매개층을 포함하는 연료 전지.
12. 전해질과;

    상기 전해질의 양측에 각각 배치되는 애노드 및 캐소오드와;

    상기 애노드 및 상기 캐소오드의 외측에 각각 배치는 애노드측 세퍼레이터 및 캐소오드측 세퍼레이터와;

    상기 애노드와 상기 애노드측 세퍼레이터의 사이에 위치하여, 상기 애노드측 세퍼레이터의 부식을 방지하는 매개층을 포함하는 연료 전지.