KR20060098240A - 고분자 전해질형 연료 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료 전지는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly)와, 상기 막-전극 어셈블리의 일측에 밀착 배치되어 상기 막-전극 어셈블리로 수소를 공급하는 연료 공급부와, 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일측에 밀착 배치되어 상기 막-전극 어셈블리로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 연료 공급부가 상기 수소를 흡장하고 있는 수소저장부재로서 형성된다.

PEMFC, 고분자, 전해질형, 연료전지, 스택, MEA, 막-전극어셈블리, 연료공급부, 수소저장부재, 수소저장합금, 하우징, 세퍼레이터, 공기공급부, 공기공급판, 다공성부재

Description

고분자 전해질형 연료 전지 {POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질형 연료 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

도 2는 도 1의 개략적인 결합 단면 구성도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분자 전해질형 연료 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

도 4는 도 3의 개략적인 결합 단면 구성도이다.

본 발명은 고분자 전해질형 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직접 메탄올형 연료 전지의 패시브(passive) 타입으로 이루어진 고분자 전해질형 연료 전지에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산화제 가스의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템이다.

이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)로 분류될 수 있다.

상기에서 고분자 전해질형 연료 전지는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 연료 펌프 및 공기 펌프 등을 구비한다. 여기서 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 이 수소 가스를 스택으로 공급한다. 그리고 공기 펌프는 산화제 가스 즉, 공기를 스택으로 공급한다. 그러면 스택에서는 수소 가스 중에 함유된 수소와 공기 중에 함유된 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 출력시킨다.

한편, 직접 메탄올형 연료 전지는 메탄올 또는 에탄올과 같은 액상의 연료와 산화제 가스의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 장치로서 에너지 밀도 및 전력 밀도가 매우 높으며, 고분자 전해질형 연료 전지와 달리 연료를 직접 사용하기 때문에 개질기 등 주변장치가 필요치 않고, 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 전지는 펌프나 팬에 의하여 연료와 산화제 가스를 공급받아 전기 에너지를 발생시키는 액티브형(Active Type) 연료 전지 또는 대류 작용이나 모세관 작용 등에 의하여 연료와 산화제 가스를 공급받아 상기 전기 에너지를 발생시키는 패시브형(Passive Type) 연료 전지로 구성될 수 있다.

그런데, 상기한 연료 전지에 있어 고분자 전해질형 연료 전지를 채용하는 연료 전지 시스템은 개질기, 연료 펌프, 공기 펌프 등을 구비하는 바, 이들을 설치하 기 위한 설치 공간이 필요하므로 전체 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 되는 문제점이 있다.

이에 더하여 상기한 연료 전지 시스템은 연료 펌프, 공기 펌프 등을 구동시키기 위한 별도의 컨트롤러를 구비하는 바, 전체 시스템의 구조와 제어 프로세스가 복잡해지고, 시스템의 부품수가 증가하여 제조 단가가 상승하게 되는 문제점이 있다.

또한, 이와 같은 종래의 연료 전지 시스템은 스택에서 생산되는 전력을 다시 소모하여 연료 펌프, 공기 펌프 등을 구동시키기 때문에, 그 구동에 필요한 만큼의 기생전력을 발생시킨다. 따라서 종래의 연료 전지 시스템은 이러한 기생전력의 증가로 인하여 전체 시스템 성능 및 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로서 직접 메탄올형 연료 전지의 패시브 타입으로 구성되는 고분자 전해질형 연료 전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료 전지는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly)와, 상기 막-전극 어셈블리의 일측에 밀착 배치되어 상기 막-전극 어셈블리로 수소를 공급하는 연료 공급부와, 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일측에 밀착 배치되어 상기 막-전극 어셈블리로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 연료 공급부가 상기 수소를 흡장하 고 있는 수소저장부재로서 형성된다.

본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료 전지에 있어서, 상기 수소저장부재는 수소저장합금과 수소가 반응하여 상기 수소저장합금이 상기 수소를 흡수하여 형성되는 금속수소화물인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료 전지에 있어서, 상기 수소저장부재는 플레이트 형태로 이루어지며, 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 부분을 제외한 나머지 부분에 차단막을 형성할 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료 전지에 있어서, 상기 공기 공급부는 상기 공기를 통과시키는 다공성부재로서 형성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료 전지는, 상기 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 상기 연료 공급부와 공기 공급부를 배치하여 단위 전지를 형성하고, 상기 단위 전지를 복수로 구비하여 이들 단위 전지의 집합체 구조에 의한 스택을 형성할 수 있다.

아울러 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료 전지는, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly)와, 수소의 이동 채널을 가지면서 상기 막-전극 어셈블리의 일측면에 밀착 배치되는 세퍼레이터와, 상기 세퍼레이터에 밀착 배치되어 상기 세퍼레이터로 수소를 공급하는 연료 공급부와, 상기 막-전극 어셈블리의 다른 일측면에 밀착 배치되어 상기 막-전극 어셈블리로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하며,

상기 연료 공급부는, 수소를 흡장하고 있는 수소저장부재와, 상기 수소저장 부재를 내장시키고 이 수소저장부재로부터 방출되는 수소를 상기 수소 이동 채널로 공급하는 하우징을 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료 전지에 있어서, 상기 하우징은 상기 수소저장부재를 내장시키는 수용 공간을 형성하고, 이 수용 공간과 상기 수소 이동 채널을 연통시키는 수소 배출구를 형성할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료 전지에 있어서, 상기 수소저장부재는 수소저장합금과 수소의 반응에 의해 형성되는 금속수소화물 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질형 연료 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

이 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료 전지(100)를 설명하면, 이 연료 전지(100)는 PDA, 이동통신 단말기 등과 같은 휴대용 전자기기에 연결 설치되어 상기 전자기기에 전기 에너지를 제공하는 발전 시스템으로서 구성된다.

바람직하게, 상기 연료 전지(100)는 연료와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 통상적인 고분자 전해질의 멤브레인(membrane)을 채용한 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC) 방식으로 구성된다.

이러한 연료 전지 시스템(100)에 있어 상기 연료라 함은 기체 상태의 수소 가스(이하에서는 '수소'라고 한다.)를 의미하고, 이 수소와 반응하는 산화제 가스로서 산소 가스가 사용될 수 있으며, 자연 대류 작용에 의하여 공급되는 공기를 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 산화제 가스로서 공기를 사용하는 예를 설명한다.

이상에서와 같은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질형 연료 전지(100)는, 통상적인 PEMFC용 전해질막(Membrane)을 가지면서 대류 작용이나 모세관 작용 등에 의하여 수소와 산화제 가스를 공급받아 전기 에너지를 발생시키는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)의 패시브형(Passive Type) 연료 전지로 구성될 수 있다.

이를 위해 상기 고분자 전해질형 연료 전지(100)는 기본적으로, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(이하에서는 'MEA'라고 한다.)(12)와, 이 MEA(12)의 일측에 밀착 배치되어 상기 MEA(12)로 수소를 공급하는 연료 공급부(30)와, 상기 MEA(12)의 다른 일측에 밀착 배치되어 이 MEA(12)로 공기를 공급하는 공기 공급부(50)를 포함하여 구성된다.

여기서 본 실시예에 의한 상기 연료 전지(100)는 MEA(12)를 중심에 두고 이의 양측에 연료 공급부(30)와 공기 공급부(50)를 밀착 배치하여 최소 단위의 연료 전지를 형성할 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 상기한 단위 전지(11)를 복수로 구비하고, 이들 단위 전지(11)들을 연속적으로 밀착 배치하여 상기 단위 전지(11) 들의 집합체 구조에 의한 스택(10)을 형성할 수 있다.

도 1에서 상기한 스택(10)은 복수의 단위 전지(11) 중 어느 하나의 단위 전지(11)를 분해하여 도시하고 있으나, 이는 본 발명을 설명하기 위하여 도면을 편의상 간략화한 것에 불과하며, 실제 상기한 스택(10)은 복수의 단위 전지(11)들이 밀착 배치되는 구조로 이루어진다.

상기에서 MEA(12)는 일면에 애노드 전극이 위치하고 다른 일면에 캐소드 전극(도시하지 않음)이 위치하며, 상기 두 전극 사이에 통상적인 PEMFC용 전해질막(Membrane)이 위치하는 구조로 이루어져 있다. 여기서 상기 애노드 전극은 수소를 산화 반응시켜 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하게 된다. 캐소드 전극은 상기 애노드 전극으로부터 이동된 수소 이온과 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하게 된다. 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다. 이러한 MEA(12)는 통상적인 PEMFC 방식의 MEA 구성으로 이루어질 수 있으므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.

그리고 상기 MEA(12)의 가장자리 부분에는 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 도전체(도시하지 않음)와, 사각 테두리 형태의 가스켓(13)이 부착 형성되고 있다. 여기서 상기 가스켓(13)은 탄력성과 밀착성이 우수한 실리콘 또는 테프론 소재로 형성되는 바, 연료 공급부(30)에 의하여 MEA(12)의 애노드 전극으로 공급되는 수소와, 공기 공급부(50)에 의하여 MEA(12)의 캐소드 전극으로 공급되는 공기가 MEA(12)의 외측으로 새어 나가는 것을 방지하고, MEA(12)에 대한 연 료 공급부(30)와 공기 공급부(50)의 밀착성 및 실링성을 향상시키는 기능을 하게 된다.

도 2는 도 1의 개략적인 결합 단면 구성도로서, 상기한 MEA(12)의 애노드 전극으로 수소를 공급하는 연료 공급부(30)는 수소를 흡장하고 이 수소를 상기 애노드 전극으로 공급하는 구조로 이루어진다.

이를 위한 상기 연료 공급부(30)는 수소저장합금과 수소의 반응에 의해 이 수소저장합금이 수소를 흡수하여 금속수소화물로서 형성되는 수소저장부재(31)를 구비한다.

여기서 상기 수소저장합금은 다량의 수소를 가역적으로 흡수/방출 가능한 합금(대략 금속 원자수의 1~2배의 수소를 저장할 수 있는 합금)으로서, 필립스사(社)에서 개발한 티탄-철, 란탄-니켈, 마그네슘-니켈 등과 같은 공지의 합금으로 이루어진다.

따라서 상기한 수소저장부재(31)는 수소저장합금의 전이 금속 결정이 수소와 반응하면서 수소 분자가 금속 표면에 해리하고, 작은 수소 원자가 금속 결정 구조 내로 이동해 들어가는 방식으로 언급한 바와 같은 금속수소화물로서 형성될 수 있다. 이러한 수소저장부재(31)는 공지 기술의 금속수소화물 구성으로 이루어질 수 있으므로, 본 명세서에서 그 자세한 설명한 생략하기로 한다.

상기에서 수소저장부재(31)는 MEA(12)의 애노드 전극면에 밀착 가능한 플레이트 형태로 이루어지는 바, 이 MEA(12)의 애노드 전극에 밀착되는 면을 통해 상기한 수소저장합금에 흡수된 수소를 애노드 전극으로 방출시킨다.

그리고 상기한 수소저장부재(31)에 있어, MEA(12)의 애노드 전극에 밀착되는 면을 제외한 나머지 부분에는 MEA(12)의 애노드 전극면 외측으로 수소가 방출되는 것을 차단하기 위한 차단막(32)을 형성하고 있다. 이 때 상기 차단막(32)은 테프론, 폴리이미드 등과 같은 폴리머 소재 또는 고무 소재로 형성될 수 있다.

한편, 상기한 MEA(12)의 캐소드 전극으로 공기를 공급하는 공기 공급부(50)는 상기 캐소드 전극에 밀착되는 공기 공급판(51)을 구비하는 바, 이 공기 공급판(51)은 자연 대류 작용에 의하여 공기를 상기 캐소드 전극으로 확산시키는 다공성부재로서 형성된다. 이 때 상기 공기 공급판(51)은 통상적인 다공성 매질 예컨대, 세라믹, 석회석, 활성탄 또는 발포성 스폰지 등과 같은 다공성부재로서 형성될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질형 연료 전지(100)의 작용시, 수소저장부재(31)의 수소저장합금에 흡수 저장되어 있는 수소는 MEA(12)의 밀착면을 통해 방출되어 상기 MEA(12)의 애노드 전극으로 공급된다. 이와 동시에, 공기는 자연 대류 작용에 의하여 다공성부재의 공기 공급판(51)을 통해 MEA(12)의 캐소드 전극으로 공급된다. 그러면 스택(10)의 각 단위 전지(11)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지를 발생시킨다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고분자 전해질형 연료 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 개략적인 결합 단면 구성도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 고분자 전해질형 연료 전지(200)는 MEA(112)와, MEA(112)의 일측에 밀착 배치되는 세퍼레이터(113)와, 이 세퍼레이터(113)에 밀착 배치되어 상기 세퍼레이터(113)로 수소를 공급하는 연료 공급부(130)와, 상기 MEA(112)의 다른 일측에 밀착 배치되어 이 MEA(112)로 공기를 공급하는 공기 공급부(150)를 포함하여 구성된다.

상기에서 세퍼레이터(113)는 MEA(112)의 애노드 전극으로 수소를 공급하기 위한 수소 이동 채널(113a)을 형성하고 있다. 이 때 상기 세퍼레이터(113)는 수소 이동 채널(113a)과 상호 연통하는 매니폴드 타입의 수소 주입구(113b)와 수소 배출구(113c)를 형성하고 있다.

본 실시예에서, 상기 연료 공급부(130)는 전기 실시예에서와 같은 수소저장부재(131)와, 이 수소저장부재(131)를 내장시키는 하우징(133)을 포함한다.

여기서 상기 하우징(133)은 수소저장부재(131)를 수용하는 수용 공간(134)을 형성하고, 수소저장부재(131)로부터 방출되는 수소를 세퍼레이터(113)의 수소 이동 채널(113a)로 배출시키는 수소 배출구(135)를 형성하고 있다. 이 때 상기 수소 배출구(135)는 수소 이동 채널(113a)과 연통하는 관로 형태로서 구비되며, 세퍼레이터(113)의 수소 주입구(113b)와 상호 연결되게 된다.

본 실시예에 의한 상기 고분자 전해질형 연료 전지(200)의 나머지 구성은 전기 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지(200)의 작용시, 수소저장부재(131)의 수소저장합금에 흡수/저장되어 있는 수소는 이 수소저장합금으로부터 방출되게 되는 바, 하우징(133)의 수용 공간(134)에 포집된 상태에서 이 하우징 (133)의 수소 배출구(135)를 통해 배출되고, 세퍼레이터(113)의 수소 주입구(113b)를 통해 수소 이동 채널(113a)로 공급된다. 그러면, 상기한 수소는 수소 이동 채널(113a)을 통해 MEA(112)의 애노드 전극으로 공급된다. 이 때 상기한 수소는 하우징(133)의 수용 공간(134)과 이 수용 공간(134) 외부에 대한 수소의 밀도차에 의하여 수소 배출구(135)를 통해 배출되면서 MEA(112)의 애노드 전극으로 공급될 수 있다.

이와 동시에, 공기는 자연 대류 작용에 의하여 다공성부재의 공기 공급부(150)를 통해 MEA(112)의 캐소드 전극으로 공급된다. 이에 따라, 스택(110)의 각 단위 전지(111)에서는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지를 발생시킨다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 직접 메탄올형 연료 전지의 패시브 타입으로 이루어진 고분자 전해질형 연료 전지로 구성되는 바, 기존의 직접 메탄올형 연료 전지에 비해 반응 에너지가 크기 때문에 소형이면서도 고출력이 가능하다.

또한, 본 발명에 의하면, 종래와 같은 개질기, 연료 펌프, 공기 펌프, 컨트롤러 등을 필요로 하지 않으므로, 연료 전지 전체의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있으며, 연료 전지의 구동에 필요한 제어 프로세스를 간단하게 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 연료 펌프, 공기 펌프 등이 배제되므로 스택에서 발생되는 전력의 소모량을 줄일 수 있다. 따라서 연료 전지의 성능 및 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly);

   상기 막-전극 어셈블리의 일측에 밀착 배치되어 상기 막-전극 어셈블리로 수소를 공급하는 연료 공급부; 및

   상기 막-전극 어셈블리의 다른 일측에 밀착 배치되어 상기 막-전극 어셈블리로 공기를 공급하는 공기 공급부

   를 포함하며,

   상기 연료 공급부는, 상기 수소를 흡장하고 있는 수소저장부재로서 형성되는 고분자 전해질형 연료 전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수소저장부재는, 수소저장합금과 수소가 반응하여 상기 수소저장합금이 상기 수소를 흡수하여 형성되는 금속수소화물인 고분자 전해질형 연료 전지.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 수소저장부재는 플레이트 형태로 이루어지며, 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 부분을 제외한 나머지 부분에 차단막을 형성하는 고분자 전해질형 연료 전지.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 공기 공급부는, 상기 공기를 통과시키는 다공성부재로서 형성되는 고분자 전해질형 연료 전지.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 상기 연료 공급부와 공기 공급부를 배치하여 단위 전지를 형성하고, 상기 단위 전지를 복수로 구비하여 이들 단위 전지의 집합체 구조에 의한 스택을 형성하는 고분자 전해질형 연료 전지.
6. 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly);

   수소의 이동 채널을 가지면서 상기 막-전극 어셈블리의 일측면에 밀착 배치되는 세퍼레이터;

   상기 세퍼레이터에 밀착 배치되어 상기 세퍼레이터로 수소를 공급하는 연료 공급부; 및

   상기 막-전극 어셈블리의 다른 일측면에 밀착 배치되어 상기 막-전극 어셈블리로 공기를 공급하는 공기 공급부

   를 포함하며,

   상기 연료 공급부는, 수소를 흡장하고 있는 수소저장부재와, 상기 수소저장부재를 내장시키고 이 수소저장부재로부터 방출되는 수소를 상기 수소 이동 채널로 공급하는 하우징을 포함하여 구성되는 고분자 전해질형 연료 전지.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 하우징은 상기 수소저장부재를 내장시키는 수용 공간을 형성하고, 이 수용 공간과 상기 수소 이동 채널을 연통시키는 수소 배출구를 형성하는 고분자 전해질형 연료 전지.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

   상기 수소저장부재는 수소저장합금과 수소의 반응에 의해 형성되는 금속수소화물 형태로 이루어지는 고분자 전해질형 연료 전지.

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