KR20070036686A - 연료 셀 - Google Patents

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마띠유 로이
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Abstract

본 발명에 따르면 친수성 폴리머층으로 커버된 연료 배터리 셀이 제공되며 일 실시예에 따르면, 친수성 폴리머층은 수분이 생성되는 셀의 영역에 가깝게(close) 배치된다. 또한, 일 실시예에 따르면, 친수성 폴리머층은 다공성이거나 또는 산소와 같은 가스가 통과할 수 있도록 구멍들(openings)을 갖는다. 또한, 일 실시예에 따르면, 소수성(hydrophobic) 물질이 친수성 폴리머 층을 커버한다.
연료 셀, 친수성, 소수성, 전해질

Description

연료 셀{FUEL CELL}
도1은 잘 알려진 연료 배터리 셀의 단면을 도시한 도면이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료 배터리 셀의 단면을 도시한 도면이다.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 배터리 셀의 단면을 도시한 도면이다.
본 발명은 연료 셀에 관한 것이다.
도1은 마이크로 전자공학 기술을 이용하여 형성된 연료 셀의 일례가 도시된 도면이다. 상기 셀은 얇은 제 1 절연층(2)과 두꺼운 제 2 절연층(3)이 코팅된 실리콘 웨이퍼(1) 상에 형성된다. 제 2 절연층(3)의 소정부분에 개구부가 형성된다. 이러한 개구부내에는 서포트(4), 제 1 촉매층(5), 전해질(6), 제 2 촉매층(7)이 연속적으로 증착된다. 제 1 절연층(2) 상에 형성된 전극(10)은 서포트(4) 상에서 하부(lower) 배터리 셀 표면과 접촉을 가능케 한다. 제 2 절연층(3)의 개구부(11)는 전극(10)에 대한 접근을 가능케 한다.
상부전극(12)은 상부 촉매층(7)과 접촉이 가능하다. 전극(10, 12)에는 개구부가 제공되며, 채널(13)들은 실리콘 웨이퍼(1)에 형성되는데, 금속화된 하부표면에서 개구부의 반대편에 형성된다. 하부 전극(10)과 상부 전극(12)은 각각 애노드(anode) 콜렉터와 캐소드(cathode) 콜렉터를 형성한다.
전해질(6)은 예를 들어, 고체 상태의 Nafion과 같은 폴리머 애시드(polymer acid)이며, 촉매층들은 예를 들면, 카본-기초 및 플래티늄-기초의 층들이다. 이와같은 것들은 단지 실시예에 대한 일례일 뿐이다. 다양한 타입의 연료 셀들이 도1에 도시된 바와같이 구성될 수 있음은 잘 알려져 있다.
연료 셀을 작동하기 위해서, 하부 표면 측에서 수소가 H2 화살표를 따라 주입되며, 공기(산소를 운반)가 상부 표면 측에서 주입된다. 수소는 촉매층(5) 레벨에서 "분해" 되어 한편으로는 전해질(6)로 직접 향하는 H+ 양자(proton)들을 형성하고, 다른 한편으로는 셀의 외부에 의해 애노드 콜렉터(10)로 향하는 전자들을 형성한다. H+ 양자들은 전해질(6)을 가로질러 제 2 촉매(7)에 다다르며, 이곳에서 산소 및 전자들과 재결합하는데, 산소 및 전자들은 캐소드 콜렉터를 통해 셀의 외부에서 유입된다. 잘 알려진 방식에 따르면 이러한 구조하에서, 양의 전압이 캐소드 콜렉터(12)(즉, 산소측면) 에서 얻어지며, 음의 전압이 애노드 콜렉터(10)(즉, 수소측면) 에서 얻어진다.
이러한 타입을 갖는 연료셀의 단점은 전해질이 사용에 의해 건조되며(desiccate) 그리고 셀의 성능이 저하되는 것이다.
본 발명의 목적은 건조되지 않는 전해질을 포함하여 이루어진 연료셀을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 간단한 구조를 갖는 이러한 연료셀을 제공하고자 하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는 친수성(hydrophilic) 폴리머층으로 커버(cover)된 연료 배터리 셀을 제안한다.
전술한 바와같은 연료 배터리 셀에 대한 일 실시예에 따르면, 친수성 폴리머층은 수분이 생성되는 셀의 영역에 가깝게(close) 배치된다.
전술한 바와같은 연료 배터리 셀에 대한 일 실시예에 따르면, 친수성 폴리머층은 다공성이거나 또는 산소와 같은 가스가 통과할 수 있도록 구멍들(openings)을 갖는다.
전술한 바와같은 연료 배터리 셀에 대한 일 실시예에 따르면, 소수성(hydrophobic) 물질이 친수성 폴리머 층을 커버한다.
전술한 바와같은 연료 배터리 셀에 대한 일 실시예에 따르면, 소수성 물질은 이러한 가스에 대해 다공성이거나 또는 산소와 같은 가스가 통과할 수 있도록 적어도 하나의 구멍들(openings)을 갖는다.
전술한 바와같은 연료 배터리 셀에 대한 일 실시예에 따르면, 친수성 폴리머층은 뜨거워지면 전도성을 갖는다(thermally conductive).
전술한 바와같은 연료 배터리 셀에 대한 일 실시예에 따르면, 친수성 폴리머 층은 탄소 나노튜브들을 포함한다.
전술한 바와같은 연료 배터리 셀에 대한 일 실시예에 따르면, 소수성 물질의 층은 뜨거워지면 전도성을 갖는다(thermally conductive).
전술한 바와같은 연료 배터리 셀에 대한 일 실시예에 따르면, 소수성 물질의 층은 탄소 나노튜브들로 형성된다.
전술한 바와같은 연료 배터리 셀에 대한 일 실시예에 따르면, 상기 셀은, 제1 및 제 2 촉매층들 사이에 위치한 전해질과, 제 1 및 제 2 촉매층들은 애노드 콜렉터와 캐소드 콜렉터에 각각 연결되며, 제 1 촉매층 레벨에서 셀의 후면 표면으로 유입되는 수소와 제 2 촉매층 레벨에서 셀의 전면 표면으로 유입되는 산소, 상기 전면 표면에서 제 2 촉매층 상에 배치되어 산소를 통과시키는 상기 친수성 폴리머층을 포함하여 이루어진다.
앞서 말한것과 같은, 그리고 또 다른 본 발명의 목적들, 특징들 그리고 장점들은, 첨부된 도면들과 연계되어 다음에서 기술될 특정한 실시예들에 대한 비 제한적인 서술을 통해 상세히 설명될 것이다.
명확성을 위해, 도면들에서 동일한 구성요소들은 동일한 참조번호로 지정되었으며, 또한 집적회로에 관한 표현에서는 통상적인 바와같이 다양한 도면들은 정확한 비율에 의한 것은 아니다.
연료 배터리 셀의 건조를 막기 위하여, 본 발명에서는 셀에 의해 자연적으로 발생한 수분을 간직하고 있다. 사실, H+ 양자들이 캐소드 콜렉터를 통해 유입된 산소 및 전자들과 재결합할 때, 상부 촉매층(7) 레벨에서 물(water)이 형성된다. 이 러한 물이 증발하는 것을 피하기 위해서, 본 발명에서는 친수성 폴리머층을 상부 촉매층(7)에 가깝게 배치하였다. 이러한 친수성 폴리머층은 셀 내부를 습기찬 환경으로 유지할 수 있게 하며, 특히 전해질(6) 레벨에서 습기찬 환경을 유지할 수 있게 한다.
도2는 도1에 도시된 연료 셀의 모든 구성요소들을 포함하여 이루어진 연료 셀의 단면을 도시한 도면이다. 본 발명의 일 양상에 따르면, 친수성 폴리머층(20)이 상부 촉매층(7) 위에 위치하고 있다. 친수성 폴리머층(20)은 상부전극(12)의 일 부분을 덮고 있는데, 상부전극(12)은 상부 촉매층(7)의 위에 뿐만 아니라 상부 촉매층(7)과 인접하여 위치한 제 2 절연층(3)의 일부분 위에 위치하고 있다. 제 2 절연층(3)상에 위치한 상부전극(12)의 일부분은 억세스(access)가 용이하도록 노출되어 있다. 유사하게, 개구부(11) 역시 하부전극(10)에 대한 억세스가 가능하도록 자유롭게 놓여져있다.
더 나아가, 공기를 특히, 산소를 상부 촉매층(7)쪽으로 통과시키기 위하여, 친수성 폴리머층(20)은 다공성인 것이 바람직하다. 일례로 다공성의 친수성 폴리머층은 예를 들면, 수산기 그룹들을 작용기로 갖는 덩어리진 폴리에틸렌(agglomerated polyethylene functionalized by hydoxyl groups)으로 형성될 수 있다. 상기 폴리머층이 다공성이 아닌 경우에는, 폴리머층에 구멍들을 형성하여 이를 통해 산소가 드나들 수 있다.
더 나아가, 배터리 셀에 의해 발생된 수분의 증발을 억제하기 위한 다른 방법은, 셀을 냉각(cool down)시키는 것이다. 왜나하면, 셀의 온도가 증가할수록 수 분의 증발 역시 증가하기 때문이다. 연료 셀에 의해 발생한 열을 잘 방사시키기 위해서, 열 전도도가 좋은 친수성 폴리머층이 선택되는 것이 바람직하다.
이와같은 목적을 위해, 탄소 나노튜브들을 함유한 친수성 폴리머층이 사용될 수도 있다. 탄소 나노튜브들은 열 전도체로서 매우 우수하기 때문에, 탄소 나노튜브들이 작은 양만 존재하여도 매우 우수한 열 방사를 제공할 수 있다.
도3은 도2에 도시된 셀의 구성요소와 동일한 구성요소를 포함하여 이루어진 연료 배터리 셀의 단면을 도시한 도면이다. 이러한 셀은 친수성 폴리머층(20)을 덮는 소수성층(30)을 더 포함하여 이루어진다. 소수성층(30)은, 연료 셀에 의해 발생한 수분의 증발을 더욱 더 억제할 수 있다.
소수성층(30)은 산소를 통과시키기 위해 다공성 물질로 구성되는 것이 바람직하다. 그렇지 않은 경우, 소수성 폴리머층(30)의 구멍이 상부 촉매층(7) 상에 제공되어야 하는 바, 이는 연료 배터리 셀의 동작을 위해 필요한 산소가 흐를 수 있게 하기 위함이다.
산소의 흐름을 위한 다공성의 소수성층의 일례로서, 탄소 나노튜브들로 구성된 층이 있다. 이러한 층은 또한, 연료 셀에 의해 발생한 열에 대한 매우 우수한 열 방사 성능을 제공한다.
물론, 본 발명은, 이 발명이 속한 기술분야의 당업자라면 능히 생각할 수 있는 다양하며, 대체가능하며, 향상되며 그리고 수정된 양상들을 가질 수 있다. 특히, 전술한 도면등른 하나의 연료 배터리 셀을 보여준다. 실제로는, 동일한 웨이퍼(1) 상에는 매우 많은 숫자의 셀들(원하는 사용예에 따라 직렬/병렬로 집적될 수 있는)이 형성될 수 있다.
더 나아가, 본 발명은, 연료 셀이 발생한 수분을 간직하고 있는 것이 유용한 다양한 타입의 연료 셀에 적용될 수 있다.
이와같은 대체예들, 수정예들, 향상된 예들은 개시된 본 발명의 일부분으로 의도되며, 본 발명의 기술적 사상과 스코프내의 것으로 의도된다. 따라서, 상술한 바와같은 설명은 단지 일례일 뿐이며, 이에 제한되지 않는다. 본 발명은 후술할 특허청구범위와 그 등가물에 의해서만 제한될 뿐이다.
본 발명에 따르면, 건조되지 않는 전해질을 포함하여 이루어진 연료셀을 제공할 수 있으며 또한, 간단한 구조를 갖는 이러한 연료셀을 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 친수성 폴리머층(20)으로 커버된 연료 배터리 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    사용에 의해 수분이 발생되며, 상기 친수성 폴리머층(20)은, 수분이 발생되는 셀의 소정영역과 밀접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 배터리 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 폴리머층(20)은 다공성이며 또는 산소와 같은 가스의 통과를 가능케 하기 위해 구멍들을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 배터리 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    소수성 물질의 층(30)이 상기 친수성 폴리머층(20)을 커버하는 것을 특징으로 하는 연료 배터리 셀.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 소수성 물질층(30)은 이러한 가스를 위해 다공성이거나 또는 산소와 같은 가스의 통과를 가능케 하기위해 적어도 하나의 구멍을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 배터리 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 폴리머층(20)은 열적으로 전도성인 것을 특징으로 하는 연료 배터리 셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 친수성 폴리머층(20)은 탄소 나노튜브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 배터리 셀.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 소수성 물질의 층(30)은 열적으로 전도성인 것을 특징으로 하는 연료 배터리 셀.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 소수성 물질의 층(30)은 탄소 나노튜브들로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 배터리 셀.
  10. 제1항에 있어서,
    제 1 및 제 2 촉매층들(5, 7) 사이에 위치한 전해질(6)과 -여기서, 제 1 및 제 2 촉매층들은 애노드 콜렉터와 캐소드 콜렉터에 각각 연결되며-;
    상기 제 1 촉매층 레벨에서 셀의 후면 표면으로 유입되는 수소와;
    상기 제 2 촉매층 레벨에서 셀의 전면 표면으로 유입되는 산소와; 그리고
    상기 전면 표면에서 상기 제 2 촉매층 상에 배치되어 산소를 통과시키는 상기 친수성 폴리머층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 배터리 셀.
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