KR20070037205A - 패시브형 연료전지에 사용되는 캐소드 플레이트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외기와 접촉이 용이한 캐소드 플레이트를 장착한 패시브형 연료전지에 관한 것으로, 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 전극-전해질 합성체, 상기 캐소드 전극과 대면하며 전도성이 있는 캐소드 플레이트, 상기 애노드 전극과 대면하며 전도성이 있고 연료공급을 위한 통로가 형성된 애노드 플레이트, 상기 전극-전해질 합성체, 상기 캐소드 플레이트, 상기 애노드 플레이트를 고정하여 설치하는 하우징을 포함하고, 상기 캐소드 플레이트는 중심에 형성된 공간이 테두리에 의해 한정되는 프레임 형상이며, 상기 공간 주위에 금속선이 설치된 것을 특징으로 하기 때문에, 캐소드 전극이 공기중에 용이하게 노출됨으로서 캐소드 전극에서의 산화반응이 용이하게 일어나서 보다 고효율의 연료전지 운전이 가능하다.
직접 메탄올 연료전지, 캐소드 플레이트, 메탄올, 패시브형

Description

패시브형 연료전지에 사용되는 캐소드 플레이트{cathode plate using passive type fuel cell}
도 1은 종래의 패시브형 직접 메탄올 연료전지의 분해 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 연료전지의 분해사시도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시브형 연료전지의 분해사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110, 210 : 캐소드 플레이트 120 : 캐소드 전극
130 : 전해질막 140 : 애노드 전극
150 : 전극-전해질 합성체 160 : 애노드 플레이트
170 : 하우징
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 외기와 접촉이 용이한 캐소드 플레 이트를 장착한 패시브형 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 유사하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 원료연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기를 사용하지 않고, 메탄올을 직접 연료로 사용하기 때문에 보다 콤팩트하게 구성할 수 있다. 또한 비교적 저온에서 동작이 가능하기 때문에 휴대용 전자 기기 등의 전원으로 사용이 가능하다.
직접 메탄올 연료전지에서 전기가 발생하는 부분은 전극-전해질 합성체로서, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 형태로 구성된다. 애노드 전극에는 메탄올이 공급되며, 메탄올은 애노드 전극의 촉매 상에서 물과 반응하여 이산화탄소, 수소이온 및 전자로 분해된다. 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 전자는 외부 전선을 통해 캐소드 전극으로 이동한다. 캐소드 전극에는 통상의 공기에 포함된 산소가 공급되며, 애노드 전극에서 이동되어 온 전자와 수소이온 그리고 산소가 촉매 상에서 반응하여 물을 생성한다. 캐소드 전극과 애노드 전극의 반응이 이루어지면 소정의 전위 차가 애노드 전극 사이에 발생한다. 애노드 전극과 캐소드 전극에서 일어나는 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 아래의 반응식 1과 같다.
애노드 전극 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드 전극 : 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
전 체 : CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O
한편 상기 연료전지에 있어서, 애노드 전극을 메탄올 등 연료가 함수된 부재와 대면시키고 캐소드 전극을 공기중에 노출시킴으로서, 별도의 동력원 없이도 메탄올과 공기 중의 산소를 연료전지에 공급할 수 있다. 이러한 유형의 연료전지를 통상 패시브형 연료전지라고 한다.
도 1은 종래의 패시브형 직접 메탄올 연료전지의 분해 사시도이다.
도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리키며, 도 1의 구성요소 중 설명하지 않은 부분은 후술하는 실시예에서 동일한 참조부호의 구성요소의 설명을 참조한다.
도 1을 참조하면 종래의 패시브형 직접 메탄올 연료전지의 경우, 캐소드 전극(120)과 대면하는 캐소드 플레이트(110)에는 다수의 개구(111)가 타공되어 있다. 개구(111)를 통해 통상의 공기에 포함된 산소를 캐소드 전극(120)에 공급하고, 동시에 캐소드 전극(120)에서 반응 후 생성되는 물을 연료전지 외부로 배출한다. 하 지만, 캐소드 전극(120)에서 발생한 물은 캐소드 플레이트(110)의 개구(111)를 통해 완전히 배출되지 않고 개구(111)에 함수될 수 있다. 그러면 개구(111)에 함수된 물에 의해 개구(111)가 폐색되기 때문에, 캐소드 전극(120)과 접하는 공기의 양이 감소하므로 연료전지의 효율이 감소하게 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 캐소드 전극에서 발생하는 물의 배출이 용이한 캐소드 플레이트를 채용한 패시브형 연료전지를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 패시브형 연료전지는, 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 전극-전해질 합성체, 상기 캐소드 전극과 대면하며 전도성이 있는 캐소드 플레이트, 상기 애노드 전극과 대면하며 전도성이 있고 연료공급을 위한 통로가 형성된 애노드 플레이트, 상기 전극-전해질 합성체, 상기 캐소드 플레이트, 상기 애노드 플레이트를 고정하여 설치하는 하우징을 포함하고, 상기 캐소드 플레이트는 중심에 형성된 공간이 테두리에 의해 한정되는 프레임 형상이며, 상기 공간 주위에 금속선이 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 금속선은 그물 형상으로 설치될 수 있다. 상기 캐소드 플레이트에 대응하는 구조를 갖는 제1프레임을 더 포함하고, 상기 금속선은 상기 캐소드 플레이트 와 상기 제1프레임 사이에 고정될 수 있다.
상기 캐소드 플레이트에는 단자가 형성될 수 있고, 상기 금속선은 이중으로 설치될 수 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올 연료전지의 분해사시도이다.
본 발명에 따른 연료전지는, 캐소드 플레이트(210), 전극-전해질 합성체(150), 애노드 플레이트(160) 및 하우징(170)으로 구성된다.
캐소드 플레이트(210)는 도전성이 있는 재질로 제조되며, 중심에 형성된 빈공간이 테두리(213)에 의해 한정되는 프레임 형상으로 제조된다. 테두리(213) 내측에는 내식성 및 도전성이 있는 금속선(214)이 이중의 그물 형태로 설치된다. 금속선(214)은 테두리(213)에 직접 용접되어 설치되거나, 테두리(213) 내측 부근에 고리(미도시)등을 설치하여 상기 고리에 금속선(214)을 엮어서 설치할 수 있다. 한편 태두리(213)의 일측은 연장되어 단자(211)가 형성되며, 테두리(213)에는 수개의 개구(212)가 타공된다.
전극-전해질 합성체(150)는 양측면을 이루는 캐소드 전극(120)과 애노드 전극(140) 사이에 전해질막(130)이 개재되는, 통상의 연료전지에 사용되는 구조이다. 캐소드 전극(120)은 캐소드 플레이트(210)와 대면하며, 애노드 전극(140)은 후술하 는 애노드 플레이트(160)와 대면한다. 전극-전해질 합성체(150)의 크기 및 형상은 캐소드 플레이트(210)의 테두리(213) 내측의 크기 및 형상과 유사하다.
애노드 플레이트(160)는 내식성 및 도전성이 있는 재질로 제조되며, 애노드 플레이트(160)의 형상 및 크기는 전극-전해질 합성체(150)의 애노드 전극(140)의 형상 및 크기와 유사하다. 애노드 전극(140)과 접하는 애노드 플레이트(160)의 측면에는 채널(162)이 형성되며, 애노드 플레이트(160)의 일측은 연장되어 단자(161)가 형성된다.
하우징(170)은 비전도성의 재질로 제조되며, 중심에는 전극-전해질 합성체(150) 및 애노드 플레이트(160)가 격납될 수 있는 공간이 형성되고, 상기 공간은 벽체(173)가 한정한다. 벽체(173)에는 애노드 플레이트(160)의 단자(161)를 끼워맞춤할 수 있도록 설치홈(171)이 형성되며, 애노드 플레이트(160)의 채널(162)의 양단과 접하는 부분에는 연료가 흐를 수 있는 연료소통구(174)가 각각 양측에 형성된다. 벽체(173)에는 수개의 개구(172)가 형성된다.
상기 연료전지는 캐소드 플레이트(210), 전극-전해질 합성체(150), 애노드 플레이트(160) 및 하우징(170)의 순서대로 적층되며, 캐소드 플레이트(210)와 하우징(170)에 형성된 개구들(212, 172)을 통해 나사(180)와 너트(190)를 이용하여 결합된다.
상기 구성을 통하여, 캐소드 플레이트(210)의 중심부를 통해 노출되고 금속선(214)로 지지되는 캐소드 전극(120)에는 금속선(214)의 극간을 통해 통상의 공기에 포함된 산소가 공급된다. 금속선(214)은 이중으로 설치되기 때문에, 보다 견고 하게 캐소드 전극(120)을 지지할 수 있다. 캐소드 전극(120)에서 생성된 전류는 전도성 있는 금속선(214) 및 캐소드 플레이트(210)를 통해 집전된다. 또한, 하우징(170)의 연료소통구(174)를 통해 애노드 플레이트(160)의 채널(162)로 유입된 연료는 전극-전해질 합성체(150)의 애노드 전극(140)에 공급된다. 애노드 전극(140)에서 발생하는 전류는 전도성 있는 애노드 플레이트(160)를 통해 집전된다. 캐소드 전극(120)에서 반응 후 발생하는 물은 금속선(214)의 극간을 통해 용이하게 배출되며, 이에 따라 캐소드 전극(120)은 공기에 효율적으로 노출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시브형 연료전지의 분해사시도이다.
도 3을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시브형 연료전지는, 전술한 도 2의 캐소드 플레이트(210)의 변형예인 캐소드 플레이트(310)를 채용한다.
캐소드 플레이트(310)는 금속망(312)과 하부판(311)이 부가되며, 캐소드 플레이트(310) 하부에 금속망(312)과 하부판(311)을 일체로 조립함으로써 완성된다. 이를 통하여, 절개부 부근에 금속선을 설치하는 것보다 용이하게 제작할 수 있다. 기타 다른 구조는 전술한 도 2의 연료전지와 유사하므로, 설명의 편의상 생략한다.
본 발명에 따른 캐소드 플레이트를 채용한 패시브형 연료전지 시스템에 의하면, 캐소드 전극에서 생성되는 물이 캐소드 플레이트를 통해 용이하게 배출되기 때문에, 물이 캐소드 플레이트에 머무르면서 캐소드 플레이트를 폐색하지 않는다. 따라서 캐소드 전극이 공기중에 용이하게 노출됨으로서 캐소드 전극에서의 산화반응 이 지속적으로 일어나기 때문에, 보다 고효율의 연료전지 운전이 가능하다.

Claims (5)

  1. 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 전극-전해질 합성체;
    상기 캐소드 전극과 대면하며 전도성이 있는 캐소드 플레이트;
    상기 애노드 전극과 대면하며 전도성이 있고 연료공급을 위한 통로가 형성된 애노드 플레이트;
    상기 전극-전해질 합성체, 상기 캐소드 플레이트, 상기 애노드 플레이트를 고정하여 설치하는 하우징을 포함하고,
    상기 캐소드 플레이트는 중심에 형성된 공간이 테두리에 의해 한정되는 프레임 형상이며, 상기 공간 주위에 금속선이 설치된 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속선은 그물 형상으로 설치되는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캐소드 플레이트에 대응하는 구조를 갖는 제1프레임을 더 포함하고, 상 기 금속선은 상기 캐소드 플레이트와 상기 제1프레임 사이에 고정되는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 캐소드 플레이트에는 단자가 형성되는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속선은 이중으로 설치되는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지.
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KR101008212B1 (ko) * 2008-09-08 2011-01-17 한국과학기술원 고체산화물 연료전지

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