KR20070025161A - 바이폴라 플레이트 및 이를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전도성 물질로 이루어진 전기 통전부와, 상기 전기 통전부를 둘러싸는 보강부로 이루어진 바이폴라 플레이트 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 스택을 구성하는 엔드 플레이트에 대면하는 최외곽 플레이트가 전기 통전부의 테두리를 둘러싸는 보강부를 구비함으로써 집전판의 사용없이도 볼트와 너트의 체결시 강도를 보강하여 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다.

최외곽 플레이트, 엔드 플레이트, 보강부, 전기 통전부

Description

바이폴라 플레이트 및 이를 구비한 연료전지 시스템{BIPOLAR PLATE AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 도면;

도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 연료 공급부의 다른 예를 나타낸 도면;

도 3은 본 발명에 따른 최외곽 플레이트를 구비한 스택을 도시한 도면;

도 4는 본 발명에 따른 최외곽 플레이트와 엔드 플레이트의 대면상태를 나타낸 분해 사시도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 스택

11 : 전기 발생부

12 : 전극막 조립체

16 : 최외곽 플레이트

18 : 엔드 플레이트

20 : 연료 공급부

30 : 공기 공급부

본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 그라파이트 또는 탄소복합체로 이루어지고 유체소통이 가능한 유로가 양면에 형성되어 있는 유로 형성판과, 상기 유로 형성판을 둘러싸고 있는 금속재질의 테두리로 구성된 바이폴라 플레이트 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 화학적인 반응에 의해 전기에너지로 바꾸는 발전장치로서, 전력수요 증가에 따른 전원확보의 어려움과 날로 증가되는 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 연구개발되고 있다. 수소는 대체적으로 메탄올, 에탄올 등의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소계 연료 또는 액화천연가스 등의 천연가스계 연료와 같은 수소함유연료를 개질함으로써 얻어질 수 있다.

연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류된다. 또한, 연 료전지 시스템은 그 종류에 따라서 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.

고분자 전해질형 연료전지와 직접 메탄올 연료전지는 이동전원용으로 널리 연구되고 있다. 이러한 연료전지들은 기본적으로 전기를 생성하기 위한 단위전지가 복수개 적층되어 있는 스택을 갖고 있다. 스택의 기본구조는 엔드 플레이트 사이에 적층되어 있는 복수개의 단위전지가 볼트와 너트에 의해서 체결된 구조로 이루어진다. 단위전지는 전해질막의 양측면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 각각 제공되어 있는 MEA와, 상기 MEA의 양측에 각각 위치하고 유체유동용 채널이 형성되어 있는 세퍼레이터, 즉 바이폴라 플레이트로 이루어진다.

상기 바이폴라 플레이트는 애노드 전극과 캐소드 전극에 수소함유연료와 산소를 각각 공급하면서 애노드 전극과 캐소드 전극에서 각각 생성되는 이산화탄소와 물을 외부로 배출시키도록 작용하고 또한 격벽으로서의 역할 및 단위전지 사이의 도전체로서의 기능을 갖는다.

이때, 단위전지의 양측 최단부에 위치하는 바이폴라 플레이트(이하, '최외곽 플레이트'라 함)와 엔드 플레이트 사이에는 전기를 집전하기 위한 집전판이 제공된다. 그러나, 최외곽 플레이트와 집전체 사이에는 약 300mΩ의 접촉저항이 존재하며, 이는 연료전지 시스템의 발전효율을 저하시키는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 집전체의 사용없이 최외곽 플레이트와 엔드 플레이트를 직접 접촉시킨 경우에는 바이폴라 플레이트의 강도가 약하기 때문에 볼트와 너트에 의한 체결시 바이폴라 플레이트가 체결압력을 충분히 견딜 수 없다는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 최외곽 플레이트와 엔드 플레이트를 직접 접촉시킨 상태에서 볼트와 너트에 의한 체결시 체결압력을 충분히 견딜 수 있는 바이폴라 플레이트 및 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 바이폴라 플레이트는 전도성 물질로 이루어진 전기 통전부와, 상기 전기 통전부를 둘러싸는 보강부로 이루어진다.

상기 전도성 물질은 그라파이트 또는 탄소 복합재로 이루어지고, 상기 보강부는 금속재질로 이루어진다.

상기 전기 통전부는 유체소통이 가능한 유로를 적어도 일면에 갖는다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기 발전부를 갖는 스택과, 상기 스택에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 스택에 산소를 공급하는 산소 공급부로 이루어지고; 상기 전기 발전부는 전도성 물질로 이루어진 전기 통전부와, 상기 전기 통전부를 둘러싸는 보강부로 이루어진 최외곽 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한 다.

이하, 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트 및 연료전지 시스템을 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 하나 이상의 단위전지가 적층되어 있는 스택(10)과, 스택(10)에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부(20)와, 스택(10)에 산소를 공급하는 산소 공급부(30)를 갖는다.

여기에서, 수소함유연료는 메탄올, 에탄올 등의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소계 연료; 액화천연가스 등의 천연가스계 연료와 같은 원연료 또는 수소와 같은 액체 또는 기체 연료를 의미하고, 상기 수소는 바람직하게 상술된 원연료를 개질함으로써 얻어질 수 있다.

연료 공급부(20)는 상술된 원연료를 스택(10)에 직접 공급하는 직접 메탄올 연료전지에 있어서 원연료 공급탱크(미도시)로만 구성될 수 있다. 한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 개질수소를 스택(10)에 공급하는 고분자 전해질형 연료전지에 있어서, 연료 공급부(20)는 원연료가 저장되어 있는 원연료 저장부(22)와, 원연료 저장부(22)로부터 공급되는 원연료에 대한 개질과정을 통해서 얻어지는 수소를 주성분으로 하는 개질연료를 스택(10)에 공급하기 위한 개질기(24)로 구성될 수 있다.

이하에서는 직접 메탄올 연료전지를 기준으로 하여 설명한다.

도 3을 참조하면, 스택(10)은 고분자막(12a)과, 고분자막(12a)의 양측에 제 공된 애노드 전극과 캐소드 전극(12b, 12c)으로 이루어진 전극막 조립체(12)(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 갖는다.

전극막 조립체(12)에 있어서, 전극은 카본종이와 같은 다공성 지지체 위에 촉매물질을 도포시킴으로써 제조된다. 애노드 전극(12b)은 수소함유연료에 함유된 수소가스를 산화시켜 수소이온(H⁺)과 전자(e^-)를 발생시키면서 이러한 산화과정의 부산물로 생성되는 이산화탄소를 외부로 배출시킨다. 캐소드 전극(12c)은 산소와 수소이온의 화학반응이 이루어지면서 이러한 화학반응결과 생성되는 물을 외부로 배출시킨다.

또한, 스택(10)은 인접하는 전극막 조립체(12)의 사이에 대면하는 상태로 개재되어 수소와 산소를 전극막 조립체(12)의 애노드 전극(12b)과 캐소드 전극(12c)에 각각 공급하는 바이폴라 플레이트(14)를 포함한다. 미설명 도면부호 11은 전극막 조립체(12)와 그 양측에 위치하는 바이폴라 플레이트(14)로 구성된 단위전지(11a~11n)의 복수개가 적층되어서 전기를 발생시키는 전기 발생부를 나타낸다.

도 4를 상세히 참조하면, 스택(10)은 전기 발생부(11)의 양측 단부에 위치하는 바이폴라 플레이트(16), 즉 최외곽 플레이트(16)의 외부면에 전기통전이 가능하게 접촉하게 되는 엔드 플레이트(18)를 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 볼트와 너트의 체결시 파손방지 및 양호한 전기통전을 위하여, 최외곽 플레이트(16)는 그라파이트 또는 탄소 복합재와 같은 전도성 물질로 구성되는 전기 통전부(16b)와, 내구성을 보강하기 위하여 전기 통전부(16b)의 테두 리를 둘러싸는 보강부(16a)를 포함한다. 바람직하게, 보강부(16a)는 금속재질로 제작되고 또한 전기 발생부(11)에서 발생되는 전기를 외부 부하에 전달하기 위한 외부단자(16c)를 갖는다. 더 바람직하게, 최외곽 플레이트(16)의 적어도 일면에는 유체소통이 가능한 유로가 제공되고, 상기 유로는 하기에 설명되는 바와 같이 연료공급유로 또는 산소공급유로를 의미한다.

따라서, 전기 발생부(11)에 있어서, 복수개의 단위전지(12)가 적층된 상태에서 엔드 플레이트(18)에 대면하는 최외곽 플레이트(16)가 양단부에 위치한다. 이때, 볼트와 너트의 체결시 엔드 플레이트(18)에 대면하는 최외곽 플레이트(16)는 보강부(16a)에 의해서 강도보강되므로 파손되지 않는다.

도 3을 다시 참조하면, 애노드 전극(12b)과 캐소드 전극(12c) 각각의 외부면에는 수소함유연료와 산소를 각각 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(14)가 대면한 상태로 제공된다. 애노드 전극(12b)에 대면하는 바이폴라 플레이트(14)의 일면에는 수소함유연료가 유동하는 연료공급유로(미도시)가 형성되는 반면에 캐소드 전극(12c)에 대면하는 타면에는 공기중의 산소가 유입되는 산소공급유로(미도시)가 형성된다.

바이폴라 플레이트(14)의 일면에 대면한 상태로 제공되는 애노드 전극(12b)은 상기 일면에 형성된 상기 연료공급유로를 통해 공급되는 수소함유연료를 산화반응에 의해 수소이온과 전자로 변환시키는 촉매층과, 상기 수소함유연료가 상기 촉매층에 균일하게 분산되도록 작용하면서 이산화탄소를 외부로 배출시키는 기체 확산층(GDL; gas diffusion layer)을 갖는다. 유사하게, 바이폴라 플레이트(14)의 타면에 대면한 상태로 제공되는 캐소드 전극(12c)은 상기 타면에 형성된 산소공급유로를 통해 공급되는 산소와 수소이온을 화학반응시키는 촉매층과, 상기 산소가 상기 촉매층에 균일하게 분산되도록 작용하면서 상기 화학반응을 통해 생성되는 물을 외부로 배출시키는 기체 확산층으로 구성된다.

그리고, 고분자막(12a)은 애노드 전극(12b)의 촉매층에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극(12c)의 촉매층에 전달하는 이온교환의 기능과 함께 수소함유연료의 투과를 방지하는 기능을 갖는 전도성 고분자 전해질막으로서 약 50~200㎛ 정도의 두께를 갖는다. 이러한 고분자막(12a)으로서는 예를 들어 퍼플루오로셀포네이트 수지(Nafion)로 제조된 과불화불소산 수지막, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 박막 지지체에 과불화설폰산(perfluorinated sulfonic acid) 등의 수지용액이 코팅되어 있는 막, 다공성의 비전도성 고분자 지지체에 양이온 교환수지 및 무기 실리케이트가 피복되어 있는 막 등이 사용된다.

상술된 바와 같은 구성요소로 이루어진 스택(10)은 전기 발생부(11)에 공급되는 수소함유연료 및 공기의 누출을 방지하고 또한 전지로서의 구조를 형성하기 위하여 전기 발생부(11)를 구성하는 단위전지들을 소정의 압력으로 가압하여 하나로 체결시키기 위한 체결부재(미도시)를 갖는다.

상기 체결부재는 예를 들어 엔드 플레이트(18)의 테두리 부분에 형성된 다수의 관통구멍(미도시)에 각각 관통하는 복수개의 관통봉(미도시)과, 상기 관통봉의 양단부에 형성된 나사부에 나사체결되는 너트(미도시)를 갖는다. 따라서, 상기 관통봉들이 상기 관통구멍을 관통한 상태에서 상기 관통봉의 단부에 형성된 나사부에 너트를 나사체결함으로써 전기 발생부(11)는 엔드 플레이트(18)에 의해서 압착된 상태로 유지된다.

이때, 엔드 플레이트(18)에 대면하는 최외곽 플레이트(16)는 보강부(16a)에 의한 강도보강에 의해서 파손되지 않고 유지되어 연료전지 시스템의 안정성을 향상시킨다.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.

연료 공급부(20)로부터 공급되는 수소함유연료는 스택(10)에서 바이폴라 플레이트(14)의 연료공급유로를 통해서 전기 발생부(11) 특히 전극막 조립체(12)의 애노드 전극(12b)에 용이하게 공급된다. 산소 공급부(30)로부터 공급되는 산소는 스택(10)에서 바이폴라 플레이트(14)의 산소공급유로를 통해서 전기 발생부(11) 특히 전극막 조립체(12)의 캐소드 전극(12c)에 공급된다.

애노드 전극(12b)에서의 수소산화반응에 의해서 수소이온과 이산화탄소가 생성되며 이때 수소이온은 전해질막(12a)을 통해서 캐소드 전극(12c)으로 이동하고 이산화탄소는 바이폴라 플레이트(14)의 연료공급유로를 통해서 외부로 배출된다. 캐소드 전극(12c)에서의 산소환원반응에 의해서 생성되는 물은 캐소드 전극(12c)으로부터 바이폴라 플레이트(14) 측으로 용이하게 이동한 후에 산소공급유로를 통해서 외부로 배출된다. 한편, 애노드 전극(12b)에서 생성되는 전자가 캐소드 전극(12c)으로 이동함으로써 전기가 생성된다. 이때, 개별적인 단위전지(11a~11n)에서 생성되는 전기는 최외곽 플레이트(16)에 집전되고 이 후에 외부단자(16c)를 통해서 외부 부하로 급전된다.

본 발명에 따르면, 스택을 구성하는 엔드 플레이트에 대면하는 최외곽 플레이트가 전기 통전부의 테두리를 둘러싸는 보강부를 구비함으로써 집전판의 사용없이도 볼드와 너트의 체결시 강도를 보강하여 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 전도성 물질로 이루어진 전기 통전부와;

   상기 전기 통전부를 둘러싸는 보강부로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전도성 물질은 그라파이트 또는 탄소 복합재로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
3. 제1항에 있어서,

   상기 전기 통전부는 유체소통이 가능한 유로를 적어도 일면에 갖는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 보강부는 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
5. 제5항에 있어서,

   상기 보강부에는 외부단자가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
6. 수소와 산소의 화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기 발전부를 갖는 스택과, 상기 스택에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 스택에 산소를 공급하는 산소 공급부로 이루어지고,

   상기 전기 발전부는 전도성 물질로 이루어진 전기 통전부와, 상기 전기 통전부를 둘러싸는 보강부로 이루어진 최외곽 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
7. 제6항에 있어서,

   상기 스택은 엔드 플레이트를 더 포함하고, 상기 최외곽 플레이트는 상기 엔드 플레이트에 통전가능하게 접촉하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
8. 제6항에 있어서,

   상기 전도성 물질은 그라파이트 또는 탄소 복합재로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
9. 제6항에 있어서,

   상기 전기 통전부는 유체소통이 가능한 유로를 적어도 일면에 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
10. 제6항에 있어서,

    상기 보강부는 금속재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
11. 제6항에 있어서,

    상기 보강부에는 외부단자가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.

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