KR20070036501A - 연료전지 시스템 및 이에 사용하기 위한 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자막 및 상기 고분자막의 양측에 제공된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체와, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 각각에 대면하는 상태로 제공된 한 쌍의 분리판을 갖고 수소와 산소의 화학반응을 통해서 전기를 생성하는 단위전지가 적층되어 있는 전기 발생부와; 상기 전기 발생부의 양단부에 대면하는 상태로 제공된 한 쌍의 엔드 플레이트로 이루어지고, 상기 전기 발생부의 최외곽에 위치하여 상기 엔드 플레이트에 대면하는 분리판의 대향면에는 도전층이 제공되어 있는 스택 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 단위전지에서 생성되는 전기를 집전하기 위한 집전체를 요구하지 않고 또한 엔드 플레이트와의 접촉저항을 감소시킴으로써 연료전지 시스템의 크기를 감소시키고 또한 발전효율을 향상시킬 수 있다.

분리판, 바이폴라 플레이트, 엔드 플레이트, 집전 플레이트, 도전층

Description

연료전지 시스템 및 이에 사용하기 위한 스택{FUEL CELL SYSTEM AND STACK USING THEREFOR}

도 1은 본 발명에 따른 스택을 갖는 연료전지 시스템의 구성도;

도 2는 본 발명에 따른 스택의 구성도;

도 3a는 바이폴라 플레이트의 단면도, 도 3b는 도전층이 내재된 집전 플레이트의 단면도;

도 4는 본 발명에 따른 집전 플레이트에 내재되어 있는 도전층이 엔드 플레이트에 대면하고 있는 상태를 나타낸 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 스택

12 : 전극막 조립체

14 : 바이폴라 플레이트

16 : 집전 플레이트

17 : 도전층

18 : 엔드 플레이트

20 : 연료 공급부

30 : 공기 공급부

본 발명은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 전기 발생부에서 생성된 전기 에너지를 집전할 수 있는 집전 플레이트를 상기 전기 발생부의 최외곽에 갖는 스택 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 연료; 또는 수소와 같은 수소함유연료로부터 얻어진다.

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. 세퍼레이터는 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 갖고 있으며, 최외곽의 세퍼레이터와 엔드 플레이트 사이에는 단위전지에서 생성된 전기를 외부 부하로 보내기 위한 집전판이 개재된다.

이러한 구조의 스택에 있어서, 집전체와 세퍼레이트 사이의 접촉 저항이 크고 또한 집전체의 개재에 의해서 스택의 크기가 커진다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 최외곽의 바이폴라 플레이트와 엔드 플레이트를 직접 접촉시키면서 이들 사이의 접촉 저항을 감소시키고 또한 집전체를 요구하지 않아 스택의 크기를 감소시킬 수 있고 또한 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있는 스택 및 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기 발전부와, 상기 전기 발전부의 양측에 제공된 한 쌍의 엔드 플레이트를 갖는 스택과; 상기 스택에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부와; 상기 스택에 산소를 공급하는 산소 공급부로 이루어지고, 상기 전기 발전부는 상기 엔드 플레이트에 대면하는 대향면에 도전층을 갖고 상기 대향면의 반대측에 수소함유연료 또는 산소를 공급하기 위한 공급유로가 형성되어 있는 집전 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 도전층은 상기 집전 플레이트의 대향면에 도전성 물질을 코팅함으로써 형성되는 코팅층으로 이루어지고, 상기 도전성 물질은 금, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 황동 또는 은 등으로 구성되는 도전성 금속; 도전성 탄소; 도전성 수지 또는 도전성 화합물로 이루어질 수 있다.

상기 도전층은 상기 대향면에 형성된 소정 형상의 채널에 상기 도전성 물질로 충진시킴으로써 형성되는 충진 구조를 갖는다.

상기 엔드 플레이트에 의해서 상기 전기 발전부를 압착상태로 유지하기 위한 체결부재를 더 포함하고, 상기 체결부재는 상기 엔드 플레이트를 관통하고 양단부에 나사가 가공되어 있는 관통봉과, 상기 관통봉의 양단부에 나사체결되는 너트로 이루어진다.

상기 수소함유연료는 메탄올, 에탄올의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄의 탄화수소계 연료; 액화천연가스의 천연가스계 연료로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 원연료 또는 수소이고, 바람직하게 상기 연료 공급부는 상기 원연료를 개질하여 수소를 얻기 위한 개질기를 더 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 스택은 고분자막 및 상기 고분자막의 양측에 제공된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체와, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 각각에 대면하는 상태로 제공된 한 쌍의 분리판을 갖고 수소와 산소의 화학반응을 통해서 전기를 생성하는 단위전지가 적층되어 있는 전기 발생부와; 상기 전기 발생부의 양단부에 대면하는 상태로 제공된 한 쌍의 엔드 플레이트로 이루어지고, 상기 전기 발생부의 최외곽에 위치하여 상기 엔드 플레이트에 대면하는 분리판의 대향면에는 도전층이 제공되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 분리판의 적어도 일측면에는 수소함유연료 또는 산소가 공급되는 공급유로가 형성되어 있고, 바람직하게 상기 분리판은 상기 애노드 전극에 대면하는 일측면에 수소함유연료가 공급되는 연료공급유로가 형성되어 있고 상기 캐소드 전극에 대면하는 타측면에 산소가 공급되는 산소공급유로가 형성되어 있는 바이폴라 플레이트이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 대하여 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 의미한다. 상기 수소는 바람직하게 상술된 원연료를 개질함으로써 얻어질 수 있다. 따라서, 연료 공급부(20)는 수소함유연료는 메탄올, 에탄올 등의 알코올계 연료; 메탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소계 연료; 또는 액화천연가스 등의 천연가스계 연료와 같은 원연료를 저장하는 연료 저장부(미도시)로만 구성될 수 있거나 또는 상기 연료 저장부 이외에 상술된 원연료를 수소로 개질하기 위한 개질기(미도시)로 구성될 수 있다.

도 2를 참조하면, 스택(10)은 고분자막(12a)과, 고분자막(12a)의 양측에 제공된 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 제조되며, 수소함유연료에 함유된 수소가스를 산화시켜 수소이온(H⁺)과 전자(e^-)를 발생시키는 애노드 전극(12b)과, 산소환원반응을 통해서 물을 생성시키는 캐소드 전극(12c)으로 구분된다.

또한, 스택(10)은 전극막 조립체(12)의 양측에 각각 대면하는 상태로 설치되어 수소가스와 산소가스를 공급하는 분리판(14)으로 구성된 단위전지(10a~10n)가 복수개 제공된다. 분리판(14)은 이에 한정되지는 않지만, 도 3a에 도시된 바와 같이, 인접하는 전극막 조립체(12) 사이에 개재되어 일면에는 수소함유연료를 공급하는 연료공급유로(14a)가 형성되어 있고 타면에는 산소가스를 공급하는 산소공급유로(14b)가 형성되어 있는 바이폴라 플레이트로 이루어질 수 있다.

도 2를 다시 참조하면, 애노드 전극(12b)과 캐소드 전극(12c) 각각의 일측면에는 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(14a)가 형성되는 반면에 캐소드 전극(12c)에 대면하는 바이폴라 플레이트(14)의 타면에는 공기중의 산소가 유입되는 산소공급유로(14b)가 형성된다.

따라서, 바이폴라 플레이트(14)의 일면에 대면한 상태로 제공되는 애노드 전극(12b)은 바이폴라 플레이트(14)의 일면에 형성된 연료공급유로(14a)를 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 산소공급유로(14b)를 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.

또한, 스택(10)은 전기 발생부(A)의 양단에 제공된 엔드 플레이트(18)를 갖는다. 스택(10)의 일측에 제공된 엔드 플레이트(18)의 외부면에는 이에 한정되지는 않지만 수소함유연료가 유입되는 연료 유입부와, 스택(10) 내부의 단위전지(10a~10b)에서 생성되는 D.C 전기를 외부로 급전하기 위한 출력단자가 제공된다. 스택(10)의 타측에 제공된 엔드 플레이트(18)의 외부면에는 공기가 유입되는 공기 유입부와, 이산화탄소(CO₂) 및 물(H₂O)을 각각 외부로 배출하기 위한 배출부가 제공된다.

한편, 스택(10)에 있어서, 복수개의 단위전지가 적층되어 있는 부분은 설명의 편의상 전기 발생부(A)라 한다.

이때, 본 발명에 따르면, 전기 발생부(A)의 최외곽에 위치하는 바이폴라 플레이트는 도 3b에 도시된 바와 같이 엔드 플레이트(18)에 대면하는 일면에 도전층(17)이 제공되는 반면에 전극막 조립체(12)에 대면하는 타면에 공급유로(16b)가 형 성되어 있는 집전 플레이트(16)로 구성된다.

즉, 전기 발생부(A)의 최외곽에 위치하는 집전 플레이트(16)는 엔드 플레이트(18)에 대면하는 상태로 제공된다. 그리고, 엔드 플레이트(18)에 대면하는 집전 플레이트(16)의 대향면에는 도전층(17)이 위치하는 반면에 상기 대향면의 반대편에는 공급유로(16b)가 위치한다. 공급유로(16b)는 대면하는 전극에 따라서 연료공급유로 또는 산소공급유로로서 작용한다. 예를 들어, 애노드 전극(12b)에 인접하는 공급유로(16b)는 수소함유연료를 공급하는 연료공급유로로서 작용하는 반면에 캐소드 전극(12c)에 인접하는 공급유로(16b)는 산소를 공급하는 산소공급유로로서 작용한다.

도전층(17)은 집전 플레이트(16)의 일면 전체에 코팅되어 있는 코팅층(미도시)으로 형성되거나 또는 도 4에 도시된 바와 같이 집전 플레이트(16)의 일면에 형성된 채널을 충진하고 있는 구조로 형성될 수 있다. 도전층(17)을 구성하고 있는 재료는 엔드 플레이트(18)와의 접촉 저항을 낮출 수 있는 도전성 물질, 예를 들어 이에 한정되지는 않지만 금, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 황동 또는 은 등으로 구성되는 도전성 금속; 도전성 탄소; 도전성 수지 또는 도전성 화합물로 이루어질 수 있다. 도 4에 도시된 충진 구조의 도전층(17)에 있어서, 상기 채널은 집전 플레이트(16)의 표면을 소정의 패턴으로 에칭함으로써 형성되거나 또는 판상의 금속을 프레스 가공함으로써 형성될 수 있다.

상술된 바와 같은 구성요소로 이루어진 스택(10)은 전기 발생부(A)에 공급되는 수소함유연료 및 공기의 누출을 방지하고 또한 전지로서의 구조를 형성하기 위 하여 전기 발생부(A)를 구성하는 단위전지들을 소정의 압력으로 가압하여 하나로 체결시키 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(A)는 엔드 플레이트(18)에 의해서 압착된 상태로 유지된다.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.

연료 공급부(20)로부터 수소함유연료가 스택(10), 특히 전기 발생부(A)를 구성하는 애노드 전극(12b)에 공급되고 산소 공급부(30)로부터 산소가 스택(10), 특히 전기 발생부(A)를 구성하고 있는 캐소드 전극(12c)에 공급되면, 애노드 전극(12b)에서의 수소산화반응과 캐소드 전극(12c)에서의 산소환원반응에 의해서 전기와 물이 생성된다. 이때, 전기는 전기통전이 가능하게 서로 연결되어 있는 바이폴라 플레이트(14)와 집전 플레이트(16)에 형성되어 있는 도전층(17)을 경유하여 엔드 플레이트(18)에 제공된 출력단자를 통해서 외부 부하로 급전된다. 그리고, 물은 엔드 플레이트(18)에 제공된 배출부를 통해서 배출된다.

본 발명에 따르면, 단위전지에서 생성되는 전기를 집전하기 위한 집전체를 요구하지 않고 또한 엔드 플레이트와의 접촉저항을 감소시킴으로써 연료전지 시스템의 크기를 감소시키고 또한 발전효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (20)

1. 수소와 산소의 화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기 발전부와, 상기 전기 발전부의 양측에 제공된 한 쌍의 엔드 플레이트를 갖는 스택과;

   상기 스택에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부와;

   상기 스택에 산소를 공급하는 산소 공급부로 이루어지고,

   상기 전기 발전부는 상기 엔드 플레이트에 대면하는 대향면에 도전층을 갖고 상기 대향면의 반대측에 수소함유연료 또는 산소를 공급하기 위한 공급유로가 형성되어 있는 집전 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 도전층은 상기 집전 플레이트의 대향면에 도전성 물질을 코팅함으로써 형성되는 코팅층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
3. 제2항에 있어서,

   상기 도전성 물질은 금, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 황동 또는 은으로 구성되는 도전성 금속인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
4. 제2항에 있어서,

   상기 도전성 물질은 도전성 탄소인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
5. 제2항에 있어서,

   상기 도전성 물질은 도전성 수지인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
6. 제2항에 있어서,

   상기 도전성 물질은 도전성 화합물인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 도전층은 상기 대향면에 형성된 소정 형상의 채널에 상기 도전성 물질로 충진시킴으로써 형성되는 충진 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
8. 제1항에 있어서,

   상기 엔드 플레이트에 의해서 상기 전기 발전부를 압착상태로 유지하기 위한 체결부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
9. 제8항에 있어서,

   상기 체결부재는 상기 엔드 플레이트를 관통하고 양단부에 나사가 가공되어 있는 관통봉과, 상기 관통봉의 양단부에 나사체결되는 너트로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
10. 제1항에 있어서,

    상기 전기 발전부는 고분자막 및 상기 고분자막의 양측에 제공된 전극으로 이루어진 전극막 조립체와, 상기 전극에 대면하는 상태로 제공된 분리판으로 이루어진 단위전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
11. 고분자막 및 상기 고분자막의 양측에 제공된 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진 전극막 조립체와, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 각각에 대면하는 상태로 제공된 한 쌍의 분리판을 갖고 수소와 산소의 화학반응을 통해서 전기를 생성하는 단위전지가 적층되어 있는 전기 발생부와;

    상기 전기 발생부의 양단부에 대면하는 상태로 제공된 한 쌍의 엔드 플레이트로 이루어지고,

    상기 전기 발생부의 최외곽에 위치하여 상기 엔드 플레이트에 대면하는 분리판의 대향면에는 도전층이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 스택.
12. 제11항에 있어서,

    상기 분리판의 적어도 일측면에는 수소함유연료 또는 산소가 공급되는 공급유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스택.
13. 제11항에 있어서,

    상기 분리판은 상기 애노드 전극에 대면하는 일측면에 수소함유연료가 공급되는 연료공급유로가 형성되어 있고 상기 캐소드 전극에 대면하는 타측면에 산소가 공급되는 산소공급유로가 형성되어 있는 바이폴라 플레이트인 것을 특징으로 하는 스택.
14. 제11항에 있어서,

    상기 엔드 플레이트에 의해서 상기 전기 발전부를 압착상태로 유지하기 위한 체결부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스택.
15. 제14항에 있어서,

    상기 체결부재는 상기 엔드 플레이트를 관통하고 양단부에 나사가 가공되어 있는 관통봉과, 상기 관통봉의 양단부에 나사체결되는 너트로 이루어진 것을 특징으로 하는 스택.
16. 제11항에 있어서,

    상기 도전층은 상기 엔드 플레이트에 대면하는 분리판의 대향면에 도전성 물질을 코팅함으로써 형성되는 코팅층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 스택.
17. 제16항에 있어서,

    상기 도전성 물질은 금, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 황동 또는 은으로 구성 되는 도전성 금속인 것을 특징으로 하는 스택.
18. 제16항에 있어서,

    상기 도전성 물질은 도전성 탄소, 도전성 수지 또는 도전성 화합물인 것을 특징으로 하는 스택.
19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 도전층은 상기 대향면에 형성된 소정 형상의 채널에 상기 도전성 물질로 충진시킴으로써 형성되는 충진 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 스택.
20. 제1항에 있어서,

    상기 연료 공급부는 상기 원연료를 개질하여 수소를 얻기 위한 개질기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.

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