KR20070040248A - 도전성 전극막 조립체 및 이를 구비한 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극막 조립체 및 이를 구비한 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 선택적 이온투과 특성을 갖는 전해질막과; 상기 전해질막의 양면에 제공된 한 쌍의 전극으로 이루어지고, 상기 전극에는 도전체가 내장되어 있는 것을 특징으로 하므로, 분리판을 저렴한 비전도성 물질로 제작하여 제조원가를 낮출 수 있고 또한 전극막 조립체와 분리판 사이의 접촉저항을 제거하여 전기 발생부의 발전효율을 향상시킬 수 있다.

분리판, 집전체, 다공성 지지층, 확산층, 촉매층

Description

도전성 전극막 조립체 및 이를 구비한 연료전지 시스템{CONDUCTIVE MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 도전성 전극막 조립체를 갖는 연료전지 시스템의 도면;

도 2는 본 발명에 따른 도전성 전극막 조립체를 구성하는 전극의 분해 사시도;

도 3a는 본 발명에 따른 도전성 전극막 조립체를 구성하는 전극의 결합도, 도 3b는 도 3a의 선 A-A를 취한 단면도;

도 4는 본 발명에 따른 도전성 전극막 조립체의 결합 측면도;

도 5는 도 2에 도시된 전극의 변형예를 나타낸 분해 사시도;

도 6은 도 5에 도시된 전극의 결합 단면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 전극막 조립체

12 : 전해질막

14, 16 : 전극

14a, 16a : 다공성 지지층

14b, 16b : 집전체

14c, 16c : 확산층

14d, 16d : 촉매층

100 : 전기 발생부

200 : 연료 공급부

본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 수소와 산소의 전기화학반응이 일어나는 전극막 조립체(MEA)의 전극에 전기 집전체를 내장시켜 발전효율을 향상시킬 수 있는 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, 연료전지 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 구비하여야 하므로 상대적으로 고가인 그라파이트 재질로 제작되고 있다.

바이폴라 플레이트의 재질을 저가의 재질로 선택하는 데에는 바이폴라 플레 이트와 전극막 조립체(MEA)의 사이의 접촉저항의 문제점 등에 의해서 어려움이 있었다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 전극막 조립체(MEA)에 전기 집전체를 내장시키고 또한 바이폴라 플레이트의 재질을 저가의 재질로 선택함으로써 연료전지 시스템의 제조원가를 저렴화시키는 데 있으며 이를 위하여 도전성 전극막 조립체 및 이를 구비한 연료전지 시스템을 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 전극막 조립체는 선택적 이온투과 특성을 갖는 전해질막과; 상기 전해질막의 양면에 제공된 한 쌍의 전극으로 이루어지고, 상기 전극에는 도전체가 내장되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 전극은 순차적으로 적층되어 있는 다공성 지지층과, 확산층과, 촉매층으로 이루어지고, 상기 도전체는 상기 다공성 지지층과 확산층 사이에 내장되고, 바람직하게 상기 도전체는 상기 확산층과 촉매층 사이에 내장된다.

상기 도전체는 상기 전극의 테두리에 대응하는 프레임과, 상기 프레임들을 통전가능하게 연결하는 도전성 와이어와, 상기 프레임의 일측으로부터 외부로 돌출하는 돌기로 이루어진다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은 수소와 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 단위전지가 복수개 제공되어 있는 전기 발생부와, 상기 전기 발생부에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부를 포함하고, 상기 단위전지는 도전체가 내장된 전극이 전해질막의 양측면에 제공되어 있는 전극막 조립체와, 상기 전극막 조립체의 전극에 대면하고 유체소통용 유로를 갖는 분리판으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 분리판은 비전도성 물질로 제작되고, 상기 유로는 양면에 각각 제공된다.

상기 복수개의 단위전지는 적층된 상태로 제공되거나 또는 평면에 배열된 상태로 제공된다.

이하, 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 전극막 조립체 및 연료전지 시스템을 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 하나 이상의 단위전지가 제공되어 있는 전기 발생부(100)과, 전기 발생부(100)에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부(200)와, 전기 발생부(100)에 산소를 공급하는 산소 공급부(미도시)를 갖는다.

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

연료 공급부(200)는 상술된 원연료를 전기 발생부(100)에 직접 공급하는 직접 메탄올 연료전지에 있어서 원연료 공급탱크(미도시)를 포함할 수 있다. 한편, 개질수소를 전기 발생부(100)에 공급하는 고분자 전해질형 연료전지에 있어서, 연료 공급부(200)는 원연료가 저장되어 있는 원연료 저장부(미도시)와, 상기 원연료 저장부로부터 공급되는 원연료에 대한 개질과정을 통해서 얻어지는 수소를 주성분으로 하는 개질연료를 전기 발생부(100)에 공급하기 위한 개질기(미도시)로 구성될 수 있다.

이하에서는 직접 메탄올 연료전지를 기준으로 하여 설명한다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 전기 발생부(100)에 제공된 단위전지는 선택적 이온 투과성을 갖는 고분자막(12)과 고분자막(12)의 양측에 제공된 애노드 전극(16) 및 캐소드 전극(14)으로 이루어진 전극막 조립체(10)(MEA; Membrane Electrode Assembly)와, 애노드 전극(16)과 캐소드 전극(14)에 수소함유연료와 산소를 각각 공급하는 분리판(18)을 갖는다. 미설명 도면번호 20은 유체의 누출을 방지하는 개스켓이다.

고분자막(12)은 애노드 전극(16)의 촉매층(16d; 도 4 참조)에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극(14)의 촉매층에 전달하는 이온교환의 기능과 함께 수소함유연료의 투과를 방지하는 기능을 갖는 전도성 고분자 전해질막으로서 약 50~200㎛ 정도의 두께를 갖는다. 이러한 고분자막(12)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.

전극막 조립체(10)에 있어서, 전극, 예를 들어 캐소드 전극(14)은 카본종이(carbon paper)와 같은 제1다공성 지지층(14a)과, 제1다공성 지지층(14a)에 순차적으로 적층된 촉매물질의 제1확산층(14c)과 제1촉매층(14d)으로 이루어진다. 제1다공성 지지층(14a)은 분리판(18)의 일면에 형성된 산소공급유로(미도시)를 통해 공급되는 산소의 유입경로 뿐만 아니라 하기에 설명되는 바와 같이 제1촉매층(14d)에서 이루어지는 전기화학반응의 부산물인 물(H₂O)의 유출경로를 제공한다. 제1촉매층(14d)에 있어서, 제1다공성 지지층(14a)을 경유하여 제공되는 산소는 하기 반응식 1의 환원반응이 이루어진다.

캐소드 반응: (3/2)O₂ + 6H⁺ + 6e^_ → 3H₂O ‥‥‥‥ (1)

그리고, 제1확산층(14c)은 제1다공성 지지층(14a)과 제1촉매층(14d) 사이에 개재되어 상기 산소공급유로를 통해 공급되는 산소가 제1촉매층(14d)에 균일하게 분산되도록 작용하면서 상기 환원반응을 통해 생성되는 물이 제1다공성 지지층(14a)으로 배출되도록 작용한다.

마찬가지로, 애노드 전극(16)은 카본종이(carbon paper)와 같은 제2다공성 지지층(16a)와, 제2다공성 지지층(16a)에 순차적으로 적층된 촉매물질의 제2확산층(16c)과 제2촉매층(16d)으로 이루어진다(도 4 참조). 제2다공성 지지층(16a)은 분 리판(18)의 일면에 형성된 연료공급유로(미도시)를 통해 공급되는 수소함유연료의 유입경로 뿐만 아니라 하기에 설명되는 바와 같이 제2촉매층(16d)에서 이루어지는 전기화학반응의 부산물인 이산화탄소(CO₂)의 유출경로를 제공한다. 제2촉매층(16d)에 있어서, 제2다공성 지지층(16a)을 경유하여 제공되는 수소함유연료는 하기 반응식 2의 산화반응이 이루어진다.

애노드 반응: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^_ ‥‥‥‥ (2)

그리고, 제2확산층(16c)은 제2다공성 지지층(16a)과 제2촉매층(16d) 사이에 개재되어 상기 연료공급유로를 통해 공급되는 수소함유연료가 제2촉매층(16d)에 균일하게 분산되도록 작용하면서 상기 산화반응을 통해 생성되는 이산화탄소가 제2다공성 지지층(16a)으로 배출되도록 작용한다.

본 발명에 따르면, 다공성 지지층(14a 또는 16a)과 확산층(14c 또는 16c) 사이에는 전도성 물질로 제작된 전기 집전체(14b 또는 16b)가 제공된다. 전기 집전체(14b, 16b)는 프레임 형상의 테두리부(1)와, 테두리부(1)에 통전가능하게 연결되고 메시형(mesh type)의 구조로 이루어진 전도성 와이어(3)와, 테두리부(1)의 일측에 외부로 돌출하고 있는 출력단자로서 작용하는 돌기부(2)로 이루어진다. 테두리부(1)는 그라파이트 또는 탄소 복합재와 같은 전도성 물질 또는 금속재질로 제작될 수 있다. 마찬가지로, 전도성 와이어(3)도 그라파이트 또는 탄소 복합재와 같은 전도성 물질 또는 금속재질로 제작될 수 있다.

따라서, 전기 발생부(100)에 있어서, 애노드 전극(16)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 상기 수소이온은 고분자막(12), 예를 들어 수소이온 교환막을 거쳐 캐소드 전극(14)에 전달되고 전자는 전기 집전체(14b)의 돌기부(2)를 통해서 캐소드 전극(14)으로 전달된다. 캐소드 전극(14)에서는 수소이온과 전자 그리고 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로는, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성한다.

도 5와 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극막 조립체(MEA)의 캐소드 전극(14')은 카본종이(carbon paper)와 같은 다공성 지지층(14a')과, 다공성 지지층(14a')에 순차적으로 적층된 촉매물질의 확산층(14c') 및 촉매층(14d')과, 확산층(14c')과 촉매층(14d') 사이에 제공된 전기 집전체(14b')로 이루어진다. 마찬가지로, 도면에 도시하지는 않았지만, 애노드 전극에 있어서도 전기 집전체는 확산층과 촉매층 사이에 제공될 수 있음을 알 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 전기 발생부(100)의 단위전지에 있어서, 전극막 조립체(10)의 양측에 제공된 분리판(18)은 비전도성 물질로 제작될 수 있다. 따라서, 비전도성 물질의 분리판(18)은 애노드 전극과 캐소드 전극에 수소함유연료와 산소를 각각 공급하면서 애노드 전극과 캐소드 전극에서 각각 생성되는 이산화탄소와 물을 외부로 배출시키도록 작용하고 또한 격벽으로서의 역할을 수행하게 된다. 이와 같이 분리판(18)은 비전도성 물질로 제작되므로 그 제작비용을 절감할 수 있다.

비전도성 물질의 분리판(18)은 그의 하나의 측면에만 유체공급유로, 예를 들어 연료공급유로 또는 산소공급유로가 형성되어 있는 모노폴라 플레이트로 구성되 거나 또는 그의 양측면에 연료공급유로와 산소공급유로가 각각 형성되어 있는 바이폴라 플레이트로 구성될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.

연료 공급부(200)로부터 저농도의 수소함유연료, 예를 들어 물과 혼합되어 희석되어 있는 소정 농도의 메탄올이 전기 발생부(100)에 공급된다. 전기 발생부(100)에 있어서, 분리판(18)의 연료공급유로를 통해서 단위전지 특히 전극막 조립체(10)의 애노드 전극(16)에 용이하게 공급된다. 산소 공급부로부터 공급되는 산소는 전기 발생부(100)에서 분리판(18)의 산소공급유로를 통해서 단위전지 특히 전극막 조립체(10)의 캐소드 전극(14)에 공급된다.

애노드 전극(16)에 있어서, 제2다공성 지지층(16a)과 제2확산층(16c)을 경유하여 제공된 수소함유연료는 제2촉매층(16d)에서 산화되고, 그 결과 수소이온과 전자 및 이산화탄소가 생성된다. 이때, 수소이온은 전해질막(12)을 통해서 캐소드 전극(14)의 제1촉매층(14d)으로 이동하고 이산화탄소는 제2다공성 지지층(16a)을 경유하여 분리판(18)의 연료공급유로를 통해서 외부로 배출된다. 그리고, 전자는 전기 집전체(16b)를 통해서 캐소드 전극(14)의 제1전기 집전체(14b)에 제공된다.

캐소드 전극(14)에 있어서, 제1다공성 지지층(14a)과 제1확산층(14c)을 경유하여 제공된 산소는 제1촉매층(14d)에서 수소이온과 반응하고, 그 결과 물이 생성된다. 이러한 물은 제1다공성 지지층(14a)을 경유하여 분리판(18)의 산소공급유로를 통해서 외부로 배출된다.

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

본 발명에 따르면, 전극막 조립체의 전극에 전기 집전체를 제공함으로써, 분리판을 저렴한 비전도성 물질로 제작하여 제조원가를 낮출 수 있고 또한 전극막 조립체와 분리판 사이의 접촉저항을 제거하여 전기 발생부의 발전효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

1. 선택적 이온투과 특성을 갖는 전해질막과;

   상기 전해질막의 양면에 제공된 한 쌍의 전극으로 이루어지고,

   상기 전극에는 도전체가 내장되어 있는 것을 특징으로 전극막 조립체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전극은 순차적으로 적층되어 있는 다공성 지지층과, 확산층과, 촉매층으로 이루어지고, 상기 도전체는 상기 다공성 지지층과 확산층 사이에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전극막 조립체.
3. 제2항에 있어서,

   상기 도전체는 상기 전극의 테두리에 대응하는 프레임과, 상기 프레임들을 통전가능하게 연결하는 도전성 와이어와, 상기 프레임의 일측으로부터 외부로 돌출하는 돌기로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극막 조립체.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전극은 순차적으로 적층되어 있는 다공성 지지층과, 확산층과, 촉매층으로 이루어지고, 상기 도전체는 상기 확산층과 촉매층 사이에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전극막 조립체.
5. 제4항에 있어서,

   상기 도전체는 상기 전극의 테두리에 대응하는 프레임과, 상기 프레임들을 통전가능하게 연결하는 도전성 와이어와, 상기 프레임의 일측으로부터 외부로 돌출하는 돌기로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전극막 조립체.
6. 수소와 산소의 전기화학반응에 의해서 전기를 생성하는 단위전지가 복수개 제공되어 있는 전기 발생부와;

   상기 전기 발생부에 수소함유연료를 공급하는 연료 공급부를 포함하고,

   상기 단위전지는 도전체가 내장된 전극이 전해질막의 양측면에 제공되어 있는 전극막 조립체를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
7. 제6항에 있어서,

   상기 전극은 순차적으로 적층되어 있는 다공성 지지층과, 확산층과, 촉매층으로 이루어지고, 상기 도전체는 상기 다공성 지지층과 확산층 사이에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
8. 제7항에 있어서,

   상기 도전체는 상기 전극의 테두리에 대응하는 프레임과, 상기 프레임들을 통전가능하게 연결하는 도전성 와이어와, 상기 프레임의 일측으로부터 외부로 돌출 하는 돌기로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
9. 제6항에 있어서,

   상기 전극은 순차적으로 적층되어 있는 다공성 지지층과, 확산층과, 촉매층으로 이루어지고, 상기 도전체는 상기 확산층과 촉매층 사이에 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
10. 제9항에 있어서,

    상기 도전체는 상기 전극의 테두리에 대응하는 프레임과, 상기 프레임들을 통전가능하게 연결하는 도전성 와이어와, 상기 프레임의 일측으로부터 외부로 돌출하는 돌기로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
11. 제6항에 있어서,

    상기 단위전지는 상기 전극막 조립체의 전극에 대면하고 유체소통용 유로를 갖는 분리판을 더 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
12. 제11항에 있어서,

    상기 상기 분리판은 비전도성 물질로 제작된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
13. 제11항에 있어서,

    상기 유로는 상기 분리판의 양면에 각각 제공된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
14. 제6항에 있어서,

    상기 복수개의 단위전지는 적층된 상태로 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
15. 제6항에 있어서,

    상기 복수개의 단위전지는 평면에 배열된 상태로 제공된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.

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