KR20070067075A - 연료 전지 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료 전지는 애노드와, 캐소드와, 애노드와 캐소드 사이에 배열되는 전해질 막과, 캐소드와 함께 공기 통로를 형성하는 홈을 갖고 캐소드에 공기를 공급하는 캐소드 통로 판과, 홈의 내부측 표면 상에 배열되고 캐소드로부터 떨어져 있는 친수성 부재를 포함한다.
연료 전지, 애노드, 캐소드, 전해질 막, 캐소드 통로 판, 친수성 부재, 친수성 보조 부재

Description

연료 전지 및 연료 전지 시스템{FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료 전지 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지의 개발은 정보 사회를 뒷받침하는 휴대용 전자 장비의 전원으로서 장려되고 있다. 연료 전지는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: direct methanol fuel cell)에 의해 대표된다. 연료 전지는 대체로 다음과 같이 구성된다.
연료 전지는 기전 부품(electromotive part)으로서 막전극 조립체(MEA: membrane electrode assembly)를 포함한다. MEA는 전해질 막(electrolyte membrane) 및 전해질 막의 양쪽 표면상에 형성되는 전극을 포함한다. 각각의 전극은 촉매 및 전도성 다공성 재료를 함유한다. 한 세트의 연료 전지가 MEA 그리고 그 사이에 개재된 MEA를 갖는 한 쌍의 전도성 통로 판을 포함하도록 구성된다. 각각의 통로 판에는 MEA로 연료 또는 산화제 즉 일반적으로 공기를 공급하는 홈이 제공된다. 연료 전지 적층체가 상하로 복수개의 연료 전지를 적층함으로써 준비된다.
공기 및 연료가 연료 전지로 공급되면, 화학 반응이 연료 전지 내에서 수행되고 그에 의해 전력을 뽑는 것을 가능케 한다. 공기는 공기 펌프를 사용함으로써 연료 전지로 공급되며, 연료는 순환 연료 펌프를 사용함으로써 연료 전지로 공급된 다. 물과 메탄올, 에탄올 또는 프로판올 등의 알코올을 혼합함으로써 준비되는 혼합 용액이 연료로서 사용된다. 예컨대 메탄올 수용액이 연료로서 사용되는 경우에, 연료 전지의 연료 전극, 즉 애노드(anode) 내에서 수행된 반응은 아래에 주어진 반응식 (1)에 의해 표현된다:
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- … (1)
한편, 산화제 전극 즉 캐소드(cathode) 내에서 수행된 반응은 아래에 주어진 반응식 (2)에 의해 표현된다:
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O … (2)
연료 전지 내에서 사용된 전해질 막은 양자(H+)를 선택적으로 전달하는 것을 허용한다. 애노드 상에서 발생된 전자는 연료 전지의 부하(load)로서 전자 장비를 통과하고 그에 의해 캐소드에 도달한다. 이러한 방식으로, 반응은 수립된다. 결론적으로, 총 반응은 메탄올, 물 및 산소 사이에서 수행되고 그에 의해 이산화탄소 및 물을 발생시키는 반응을 표현한다.
전술된 바와 같이, 연료 전지는 연료 및 공기가 그에 대해 공급되고 그에 의해 외부측으로 생성된 물질 및 열을 배출하면서 전력을 뽑는 장치를 대표한다. 그러므로, 높은 출력을 유지시키기 위해, 물질의 유동이 매끄럽게 수행되게 하는 것이 매우 중요하다. 전력 발생에 대한 물질의 유동에서의 부자유성(inconvenience)에 의해 주어진 불리한 효과는 주로 다음과 같다.
구체적으로, 공기 및 연료의 유동 속도가 불충분하면, 반응을 위해 요구된 물질은 충분히 공급되지 않고 그에 의해 출력을 저하시킨다. 반면에, 연료 유동 속도가 과도하게 높은 경우에, 연료는 전해질 막을 통과하고 그에 의해 캐소드에 도달하는데, 이것은 크로스-오버 현상(cross-over phenomenon)으로 호칭되며, 결과적으로 연료 전지의 기전력은 저하되는 경향이 있다. 또한, 공기 유동 속도가 과도하게 높은 경우에, MEA 내에 포함된 전해질 막은 건조되며 추가로 전해질 막의 온도는 저하되고 그에 의해 출력을 저하시킨다. 즉, 안정적으로 높은 출력을 얻기 위해 공기 및 연료의 유동 속도를 적절하게 제어하는 것이 연료 전지에서 중요하다.
일반적인 DMFC에서, 대량의 물이 산화제 전극 상에서 발생된다. 물은 산화제 전극 상에서 발생된 물 그리고 추가로 연료 전극측으로부터 산화제 전극측을 향해 통과하는 물을 포함한다. 예컨대 2 W의 출력을 갖는 DMFC에서, 물이 산화제 전극 상에서 시간 당 약 10 ㏄의 속도로 발생된다. 공기는 복수개의 홈이 제공되는 통로 판을 사용함으로써 산화제 전극으로 공급된다. 공기 통로(홈)는 예컨대 약 1 ㎜ × 1 ㎜의 매우 작은 단면적을 갖는다. 그러므로, 산화제 전극 상에서 발생되거나 연료 전극측으로부터 통과하는 물은 공기 통로 내에서 응결된다. 결과적으로, 수적(water droplet)이 공기 통로 내에 형성되고 그에 의해 빈번하게 공기 통로를 막는다. 이러한 상황에서, 공기의 안정된 공급이 방해되는 것이 가능하다.
예컨대, 각각의 일본 특허 출원 (공개) 제11-97041호 및 일본 특허 출원 (공개) 제2002-20690호에 개시된 기술은 연료 전지 내에 포함된 가스 통로가 물로 막 히는 것을 방지하고자 의도한다.
구체적으로, 위에서 인용된 일본 특허 출원 (공개) 제11-97041호는 수소 가스가 연료로서 사용되는 형태의 중합체 전해질 연료 전지에 관한 것이다. 이러한 종래 기술에서 개시된 연료 전지에서, 친수성 영역(hydrophilic region) 및 발수성 영역(water-repellent region)이 가스 통로의 벽 내에 형성된다. 이러한 연료 전지에서, 수적은 발수성 영역에 의해 반발되고 그에 의해 애노드측 상에 가스 통로를 확보한다.
위에서 인용된 일본 특허 출원 (공개) 제2002-20690호는 가스상 연료가 애노드로 공급되는 형태의 중합체 전해질 연료 전지에 관한 것이다. 이러한 연료 전지에서, 친수성 코팅이 가스 통로를 한정하는 벽 상에 형성된다. 이러한 연료 전지에서, 수적은 친수성 코팅에 의해 팽창되고 그에 의해 얇은 물 층을 형성하고, 그에 의해 가스 통로를 확보한다.
위에서 인용된 중합체 전해질 연료 전지에서, 연료 가스 통로 내에 발생된 수적에 의해 유발된 유체 통로의 막힘을 감소시키는 것이 확실히 가능하다. 그러나, 일본 특허 출원 (공개) 제11-97041호에 개시된 친수성 영역 및 발수성 영역 그리고 일본 특허 출원 (공개) 제2002-20690호에 개시된 친수성 코팅을 공기 통로에 적용하는 경우에, MEA로부터 요구된 것보다 큰 양으로 물이 이탈되고 그에 의해 연료 전지의 출력 특성이 저하되는 문제를 일으킨다.
본 발명의 목적은 수적으로의 공기 통로의 막힘을 억제하는 것을 가능케 하고 또한 우수한 출력 특성을 나타내는 것을 가능케 하는 연료 전지 및 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 태양에 따르면,
애노드와,
캐소드와,
애노드와 캐소드 사이에 배열되는 전해질 막과,
캐소드와 함께 공기 통로를 형성하는 홈을 갖고, 캐소드에 공기를 공급하는 캐소드 통로 판과,
홈의 내부측 표면 상에 배열되고 캐소드로부터 떨어져 있는 친수성 부재를 포함하는 연료 전지가 제공된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면,
애노드와, 캐소드와, 애노드와 캐소드 사이에 배열되는 전해질 막과, 캐소드와 함께 공기 통로를 형성하는 홈을 갖고 캐소드에 공기를 공급하는 캐소드 통로 판과, 홈의 내부측 표면 상에 배열되고 캐소드로부터 떨어져 있는 친수성 부재를 포함하는 연료 전지와,
연료 공급원과,
연료 공급원으로부터 애노드로 액체 연료를 공급하는 연료 공급 수단과,
캐소드 통로 판으로 공기를 공급하는 공기 공급 수단과,
연료 전지로부터 전력을 뽑는 외부 회로를 포함하는 연료 전지 시스템이 제공된다.
도1A는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도1B는 연료 전지의 구성을 개략적으로 도시하는 도1A에 도시된 선 ⅠB-ⅠB를 따른 단면도이다.
도2A는 친수성 부재가 갖춰져 있지 않은 종래의 공기 통로의 구성을 도시하는 평면도이다.
도2B는 본 발명의 실시예에 따른 친수성 부재가 제공된 공기 통로의 구성을 도시하는 평면도이다.
도3A는 공기 통로의 구성을 도시하는 도2A에 도시된 선 ⅢA-ⅢA를 따른 단면도이다.
도3B는 공기 통로의 구성을 도시하는 도2B에 도시된 선 ⅢB-ⅢB를 따른 단면도이다.
도3C는 공기 통로의 구성을 도시하는 도2A에 도시된 선 ⅢC-ⅢC를 따른 단면도이다.
도3D는 공기 통로의 구성을 도시하는 도2B에 도시된 선 ⅢD-ⅢD를 따른 단면도이다.
도4A는 발수성 부재를 도시하는 단면도이다.
도4B는 친수성 부재를 도시하는 단면도이다.
도4C는 도4B에 도시된 친수성 부재보다 높은 친수성을 갖는 친수성 부재를 도시하는 단면도이다.
도5A는 발수성 부재의 표면 상태를 개념적으로 도시하고 있다.
도5B는 친수성 부재의 표면 상태를 개념적으로 도시하고 있다.
도6은 공기 통로의 저부 표면 및 측부 표면 상에 배열되는 친수성 부재를 갖는 공기 통로의 내부측 영역을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도7은 그와 함께 갖춰져 있는 친수성 보조 부재를 갖는 공기 통로의 구성을 도시하는 사시도이다.
도8A는 친수성 부재 및 친수성 보조 부재 중 임의의 부재가 갖춰져 있지 않은 종래의 공기 통로의 습윤 상태를 도시하는 단면도이다.
도8B는 공기 통로의 상태를 도시하는 도8A에 도시된 선 ⅩⅢB-ⅩⅢB를 따른 단면도이다.
도9는 복수개의 친수성 보조 부재가 갖춰져 있는 공기 통로의 구성을 도시하는 사시도이다.
도10A는 그 내에 형성되는 단일의 긴 통로를 갖는 캐소드 통로 판이 갖춰져 있는 연료 전지의 구성을 도시하는 사시도이다.
도10B는 도10A에 도시된 연료 전지의 구성을 도시하는 분해 사시도이다.
도11A는 연료 전지 적층체의 구성을 도시하는 사시도이다.
도11B는 연료 전지 적층체 내에 포함되는 분리기의 구성을 도시하는 도11A에 도시된 선 XIB-XIB를 따른 단면도이다.
도12는 연료 전지 시스템의 예의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도13은 연료 전지 시스템의 또 다른 예의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도14는 연료 전지 시스템의 또 다른 예의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.
도15의 (a)는 그 내에 형성되는 복수개의 병렬 통로를 갖는 캐소드 통로 판의 구성을 도시하는 평면도이다.
도15의 (b)는 백색 화살표에 의해 표시된 방향으로 관찰될 때 도15의 (a)에 도시된 캐소드 통로 판의 구성을 도시하는 측면도이다.
도15의 (c)는 그 내에 형성되는 2개의 병렬 통로를 갖는 캐소드 통로 판의 구성을 도시하는 평면도이다.
도15의 (d)는 백색 화살표에 의해 표시된 방향으로 관찰될 때 도15의 (c)에 도시된 캐소드 통로 판의 구성을 도시하는 측면도이다.
도16은 본 발명의 각각의 예에 대한 연료 전지의 출력 이력을 도시하는 그래프이다.
도17은 각각의 비교예에 대한 연료 전지의 출력 이력을 도시하는 그래프이다.
전술된 문제를 극복하려는 노력에서 수행되는 광범위한 연구의 결과로서, 본 발명의 발명자들은 중요한 연구 결과에 도달하였다. 연구 결과가 이제 도4 및 도5를 참조하여 설명될 것이다. 도5에 도시된 파동형 화살표는 공기의 유동 방향을 표시하며, 직선형 화살표는 수분의 유동 방향을 표시한다.
용어 "친수성"은 수적의 접촉 각도(θ)가 도4B에 도시된 바와 같이 90˚이거 나 도4C에 도시된 바와 같이 90˚ 미만인 상태를 표시한다. 한편, 연료 전지를 위한 통로 판을 형성하는 데 사용되는 일반적인 재료인 탄소의 표면은 "발수성"이다. 물론, 탄소로 형성되는 통로 판이 물을 반발시킨다. 수적이 탄소로 형성된 통로 판에 부착되더라도, 수적의 접촉 각도(θ)는 도4A에 도시된 바와 같이 90˚를 초과한다. 물이 반발되면, 반발은 가스의 통로를 확보하는 데 편리할 것으로 보인다. 그러나, 수적의 형태로 된 물은 외력에 의해 이동되거나, 수적의 표면으로부터 증발되거나, 수적이 도5A에 도시된 바와 같이 부착된 지점에 남아 있다. 수적을 이동시키는 수단에 대해, 가스 스트림을 이용함으로써 수적을 비산시키는 것이 생각될 수 있다. 파이프를 막는 액적은 압축기 또는 송풍기에 의해 압축된 공기 스트림에 의해 용이하게 비산될 수 있다. 그러나, 유체 통로가 완전히 폐쇄되지 않으며 수적의 부근에서의 공간이 개방 상태로 남아 있는 경우에 즉 수적이 이동되지 않더라도 공기 스트림이 겨우 작용되는 경우에, 상당히 높은 유동 속도의 가스 유동이 수적에 가해지지 않으면 수적을 비산시키기 어렵다. 수적은 벽 표면과의 작은 접촉 면적에도 불구하고 큰 두께를 갖고 주위 공기와 작은 접촉 면적을 갖는다는 것이 또한 주목되어야 한다. 이러한 상황에서, 수적의 형태로 된 물은 낮은 증발 속도를 갖는다. 따라서, 수적의 제거는 더욱 더 어려워진다.
증발 속도는 도5B에 도시된 바와 같이 고체 벽 표면에 부착된 수적의 두께가 더 작아지면 증가될 수 있다. 공기 통로 내의 수증기는 벽 표면 상에 응결되고 그에 의해 수적을 형성한다. 부직포 등의 친수성 부재가 공기 통로의 벽에 제공되면, 수적은 친수성 부재에 의해 유인되고 그에 의해 더 얇아지고 팽창된다. 결과 적으로, 수적과 공기 사이의 접촉 면적은 증가된다. 추가로, 수적의 두께는 감소되므로, 수적의 증발은 촉진된다. 이러한 경우에, 친수성 부재는 캐소드와 직접 접촉하지 않는 상태로 배열되어야 한다. 결과적으로, MEA 내의 물은 요구된 것보다 큰 양으로 이탈되지 않고 그에 의해 안정적으로 높은 출력을 유지시킨다.
단일의 긴 통로가 평면 내에서 사행하는 방식으로 형성된 도10에 도시된 구성 대신에 도15의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이 병렬로 배열되는 복수개의 짧은 통로를 포함하는 방식으로 연료 전지 내에 포함된 캐소드 통로 판을 구성하는 것이 가능하다. 병렬로 배열되는 복수개의 짧은 통로를 형성하는 경우에, 압력 손실이 가능한 한 작아진 상태 하에서 기전 부품으로 균일하게 공기를 공급하는 것이 가능하다. 과도하게 MEA 내에 합체된 전해질 막으로부터 물을 이탈시키지 않도록, 온도가 과도하게 저하되지 않도록 그리고 반응을 위해 충분한 양으로 산소를 공급하도록 공기 유동 속도를 제어할 것이 또한 필요하다. 캐소드 통로 판 내에서 유동하는 공기 유동 속도가 저하되면, 발생된 물은 통로 내에서 이슬을 형성하고 그에 의해 통로를 폐쇄한다. 단일의 긴 통로를 사용하는 경우에, 공기를 송풍하는 펌프의 압력에 의해 통로를 폐쇄하는 수적을 비산시키는 것이 가능하다. 한편, 복수개의 짧은 통로가 병렬로 배열되는 경우에, 수적을 비산시키기 어렵다. 응결에 의해 형성되면 수적을 사라지게 하기 어려우므로 유체 통로의 막힘을 제거시키기 어렵다. 결과적으로, 공기는 통로들 중 일부를 통해 유동하지 못하고 그에 의해 연료 전지의 저하된 출력을 유발시킨다. 특히, 물을 함유한 공기는 공기 통로로 배출된다. 결과적으로, MEA 내에서 발생된 모든 물은 공기 통로의 하류 영역 내에 수집되므로 공기 통로는 막히는 경향이 있다. 종래 기술에서, 문제를 극복하기 위해, 물이 응결되는 것을 방지하는 동작 조건을 선택할 것 또는 통로 내의 물이 펌프의 압력에 의해 외부로 압박되도록 단일의 긴 통로를 사용할 것이 필요하였다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 공기 통로가 단일의 긴 통로 또는 병렬로 배열되는 복수개의 짧은 통로로 형성될 수 있는지와 무관하게 물의 응결에 의해 유발된 막힘을 방지하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명은 동작 조건을 선택하지 않고도 우수한 출력 특성을 나타내는 것을 가능케 하는 연료 전지를 제공하는 것을 가능케 한다.
본 발명의 일 실시예가 이제 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다. 부수적으로, 동일 또는 유사한 기능을 나타내는 본 발명의 구성 요소는 첨부 도면에서 동일한 도면 부호에 의해 표시되고 그에 의해 중복 설명을 피한다.
도1A는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 구성을 개략적으로 도시하는 단면도이며, 도1B는 연료 전지의 구성을 개략적으로 도시하는 도1A에 도시된 선 ⅠB-ⅠB를 따른 단면도이다.
도1에 도시된 연료 전지는 캐소드(1), 애노드(2) 그리고 캐소드(1)와 애노드(2) 사이에 배열되는 전해질 막(3)을 포함하는 MEA(4)를 포함한다. 전해질 막(3)이 그 상에 배열된 측면에 대향한 측면 상의 캐소드(1) 상에 캐소드 통로 판(5)이 배열된다. 바꿔 말하면, 캐소드(1)는 캐소드 통로 판(5)과 전해질 막(3) 사이에 개재된다. 후술될 개스킷(gasket)(9)이 MEA(4) 내에 포함된 캐소드(1)의 주연 부분과 캐소드 통로 판(5) 사이에 개재된다. 또한, 전해질 막(3)이 그 상에 배열된 측면에 대향한 측면 상의 애노드(2) 상에 애노드 통로 판(도시되지 않음)이 배열된다. 바꿔 말하면, 애노드(2)는 애노드 통로 판과 전해질 막(3) 사이에 개재된다. 애노드 통로 판은 애노드(2)로 액체 연료를 공급하도록 배열된다.
병렬로 배열되는 복수개의 홈(6)이 캐소드(1)와 대면하도록 위치된 캐소드 통로 판(5)의 표면 상에 형성된다. 이들 홈(6)은 캐소드 통로 판(5)의 하나의 모서리로부터 다른 모서리로 연장하는 방식으로 형성된다. 그 내에 형성된 홈(6)을 갖는 캐소드 통로 판(5)의 개방 표면이 캐소드(1)와 접촉 상태로 되게 함으로써, 공기 통로(7)가 홈(6) 및 캐소드(1)에 의해 형성된다. 공기가 공기 통로(7)의 하나의 모서리로부터 공급되면, 공기는 홈(6)의 개방 부분으로부터 캐소드(1) 내로 공급된다. 친수성 부재(8)가 공기 통로(7)의 그 내부측 영역 내에 제공되고, 캐소드(1)로부터 떨어져 있다. 친수성 부재(8)는 공기 통로(7)의 벽 표면의 영역 내에 제공되고, 기전 부품(4)과 직접 접촉하지 않는 상태에 있다. 바람직하게는, 친수성 부재(8)는 공기 통로(7)의 저부 표면 즉 도1에 도시된 바와 같이 캐소드(1)와 대면하도록 위치된 홈(6)의 그 표면에 대응하는 영역 내에 제공된다.
기전 부품과 직접 접촉하지 않는 상태로 친수성 부재를 배열하는 이유는 다음과 같다.
구체적으로, 친수성 부재가 이전에 인용된 일본 특허 출원 (공개) 제11-97041호에 개시된 친수성 영역 그리고 일본 특허 출원 (공개) 제2002-20690호에 개시된 친수성 코팅과 같은 기전 부품과 접촉하는 방식으로 공기 통로의 벽 상에 형성되면, 캐소드의 가스 확산 층(GDL: gas diffusion layer) 상의 물은 부직포 등의 친수성 부재에 의해 과도하게 흡수되고 그에 의해 막의 습윤 상태를 불균일하게 한다. 결과적으로, 반응을 위해 요구된 막의 전기 저항 그리고 물의 분포는 불균일해지고 그에 의해 연료 전지의 출력 특성을 저하시킨다. 한편, 친수성 부재가 기전 부품과 직접 접촉하지 않는 상태로 형성되면, 기전 부품으로부터 과도하게 큰 양의 물이 이탈되지 않으며, 공기 통로 내에서 응결될 것이고 그 결과 수적이 공기 통로를 막는 과잉의 물을 효과적으로 제거하는 것이 가능하다. 전술된 현상의 예가 이제 도2 및 도3을 참조하여 설명될 것이다. 도3A 내지 도3D의 각각의 도면은 동작 전, 동작의 시작 시 그리고 정상 상태 동작 중의 연료 전지의 상태의 흐름을 도시하고 있다. 도3에서, 흑색의 굵은 화살표는 공기 스트림의 유동 방향을 표시하며, 얇은 화살표는 수분의 유동 방향을 표시한다.
도2A는 친수성 부재가 제공되지 않은 공기 통로(22)를 도시하고 있다. 이러한 경우에, 연료 전지의 동작이 시작되면, 과잉의 물이 도3A 및 도3C에 도시된 바와 같은 동작의 시작 직후에 응결되기 시작한다. 결과적으로, 수적(23)이 발생되며, 그 결과 공기 통로는 연료 전지가 정상 상태 동작으로 진입되기 전에 수적(23)에 의해 막힌다. 도3에 도시된 도면 부호 24는 수적(23)에 의해 막힌 공기 통로를 표시한다. 한편, 도2B는 친수성 부재(8)가 기전 부품과 직접 접촉하지 않는 상태로 형성된 공기 통로(7)를 도시하고 있다. 이러한 경우에, 수적(23)은 도3B 및 도3D에 도시된 바와 같이 연료 전지의 시작 시에 유체 통로(7)를 막을 정도로 급속하게 성장한다. 그러나, 수적(23)은 친수성 부재(8)에 의해 흡수되고 그에 의해 순간적으로 퍼지며, 수적(23)의 하나의 모서리가 친수성 부재(8)와 접촉 상태로 되게 하며, 그 결과 공기 통로(7)는 연료 전지의 정상 상태 동작 중에도 막히는 것이 방지된다. 도3B 및 도3D에 도시된 바와 같은 수적의 성장 및 이동을 반복시키는 모델은 직관에 의해 이해될 수 있다. 그러나, 수적의 성장 및 이동의 현상은 실제로 명확하게 관찰되지 않았다. 실제로, 도2B에 도시된 공기 통로는 수적의 성장을 억제하는 기능을 생성시킬 것으로 보인다. 벽 표면의 부근에서, 수증기가 포화되며 물 확산이 공기 유동 방향으로 발생되기 전에 수분이 친수성 부재에 의해 보유될 것으로 보인다. 결과적으로, 수분 응결은 벽 표면의 부근에서 억제될 것으로 보인다. 도2B에 도시된 바와 같이 친수성 부재가 통로의 입구로부터 출구로 연장하도록 배열되는 것이 바람직하다. 부수적으로, MEA는 도2의 도면으로부터 생략되어 있다.
나아가, 도2B에 도시된 공기 통로가 다음에서 설명될 효과를 생성시키는 것이 가능하다.
구체적으로, 과잉의 물은 친수성 부재를 따라 전달되고 전달 동안에 팽창된 물의 증발에 의해 배출될 수 있다. 추가로, 공기 통로 내에서의 냉각은 증발을 동반하는 열 흡수에 의해 촉진된다. 나아가, 공기 통로 내의 습도는 친수성 부재를 따라 전달되고 전달 동안에 팽창된 물에 의해 균일해질 수 있다. 바꿔 말하면, 하류측에 비해 건조된 상태 하에 있는 공기 통로의 상류측을 가습하는 것이 가능하다. 특히, 공기 통로의 입구의 부근에서의 영역을 가습하는 것이 가능하다. 또한, 과잉의 물을 배출함으로써, GDL의 포화도(saturation ratio)는 균일해질 수 있다. 결과적으로, 평면의 평균 포화도를 상승시키고 그에 의해 전해질 막이 요구된 습도를 유지시키게 하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에서 사용된 친수성 부재는 예컨대 부직포, 직포 및 편포, 친수성 코팅 그리고 친수성 필름을 포함한다. 특히, 친수성 부재로서 친수성이 우수한 부직포를 사용하는 것이 바람직하다. 부직포의 재료는 예컨대 셀룰로오스, 레이온, 비닐론, 폴리에스테르, 아라미드 및 나일론을 포함한다. 특히, 부직포의 재료로서 친수성이 현저하게 우수한 레이온, 셀룰로오스 및 폴리에스테르를 사용하는 것이 바람직하다. 부직포와 동일한 재료가 직포 및 편포의 재료로서 사용될 수 있다. 일본 종이(Japanese paper) 등의 식물 섬유로 형성되는 부직포 또는 종이, 또는 유리 섬유로 형성되는 부직포를 사용하는 것이 또한 가능하다. 이들 부직포는 통로의 저부 표면에 따라 예컨대 레이저에 의해 소정의 크기로 절단될 수 있다. 물이 부직포 내에 저장될 것이 필요하지 않으므로, 부직포는 큰 두께를 가질 것이 필요하지 않다. 부직포의 두께는 전형적으로 공기 통로를 한정하는 홈의 깊이의 1/10 이하이다. 친수성 부재로서 얇은 목재 편 또는 유리를 사용하는 것이 또한 가능하다.
본 발명의 실시예에서 사용된 친수성 필름은 예컨대 MEA 내에 사용되는 전해질 막을 포함한다.
친수성 부재는 접착 테이프 또는 접착제를 사용함으로써 장착될 수 있거나, 열 밀봉, 고정 부재를 사용하는 프레스 또는 인서트 몰딩(insert molding)에 의해 장착될 수 있다. 친수성 부재의 전체 영역에 예컨대 접착제를 도포하는 것이 가능하다. 대체예에서, 예컨대 접착제를 사용함으로써 친수성 부재의 하나의 모서리 부분 및 다른 모서리 부분을 지점-고정(point-fixing)함으로써 공기 통로의 저부 표면에 친수성 부재를 고정하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예에서 사용된 고정 부재는 예컨대 스프링 및 핀을 포함한다. 대체예에서, 고정 부재를 사용하는 경우에, 대향 방향으로 친수성 부재의 하나의 모서리 부분 및 다른 모서리 부분을 견인하고 그에 의해 장력을 이용함으로써 친수성 부재를 고정하는 것이 또한 가능하다. 예컨대 인서트 몰딩에서, 친수성 부재의 재료가 공기 통로를 성형하는 단계에서 공기 통로의 저부 표면을 형성하는 부분 내에 미리 배열되며, 몰드(mold)를 사용하는 공기 통로 형성 그리고 친수성 부재의 부착은 동시에 수행된다.
친수성 코팅은 예컨대 티타늄 산화 필름 및 유리계 무기 필름을 포함한다. 유리계 무기 필름은 예컨대 실리카 필름(SiO2 필름)을 포함한다.
전술된 것과 유사한 효과가 또한 고체의 표면 상에 불규칙부(asperity)를 형성함으로써 얻어질 수 있다. 그러나, 불규칙부의 형성 전의 고체의 원재료의 적어도 표면이 친수성일 것이 필요하다는 것이 주목되어야 한다. 친수성의 정도는 원재료의 표면 상에 불규칙부를 형성함으로써 증가된다.
도1 내지 도3은 통로의 저부 표면에만 장착된 친수성 부재를 갖는 공기 통로에 관한 것이다. 그러나, 본 발명의 실시예는 도1 내지 도3에 도시된 것에 제한되지 않는다. 구체적으로, 공기 통로의 저부 표면뿐만 아니라 또한 공기 통로의 측벽 표면에 친수성 부재를 장착하는 것이 또한 가능하다. 도6은 통로의 저부 표면뿐만 아니라 또한 측벽 표면의 일부에 제공된 친수성 부재를 갖는 공기 통로를 도 시하고 있다.
도6에 도시된 바와 같이, 친수성 부재(61)가 공기 통로의 저부 표면뿐만 아니라 또한 공기 통로의 측벽 표면의 일부(캐소드 통로 판 내에 형성된 홈의 측부 표면의 일부)를 덮는 방식으로 공기 통로(7)에 장착되며, 이 때 친수성 부재가 덮이지 않은 자유 영역이 친수성 부재(61)와 캐소드(1) 사이에 제공된다. 도면에서, 공기 통로는 파선에 의해 표시되며, 친수성 부재 및 기전 부품은 실선에 의해 표시된다.
전술된 바와 같이, 친수성 부재는 본 발명의 실시예에서 캐소드와 직접 접촉하지 않는 상태로 배열되어야 한다. 바꿔 말하면, 친수성 부재는 캐소드(1)로부터 떨어져 있는 상태로 배열되어야 한다. 아래에 주어진 식 (3)은 친수성 부재가 덮이지 않은 전술된 자유 영역의 거리 A (㎜)(또는 높이) 즉 홈의 개방 상부 모서리와 홈의 측벽 표면을 덮는 친수성 부재의 상부 모서리 사이의 거리와 관련된다. 본 발명의 실시예에서, 거리 A (㎜)는 아래에 주어진 식 (3)에 의해 한정된다:
A ≥ 0.1 × B … (3)
여기에서 B는 캐소드 통로 판 내에 형성된 홈의 깊이 (㎜)이다.
친수성 부재의 주연의 일부로부터 연장하는 친수성 보조 부재를 공기 통로에 장착하고 그에 의해 캐소드와 접촉 상태로 되게 하는 것이 가능하다. 친수성 보조 부재가 이제 도7 및 도8을 참조하여 설명될 것이다.
도7에 도시된 바와 같이, 친수성 부재(71)가 공기 통로(7)의 저부 표면에 장착된다. 또한, 친수성 보조 부재(72)가 공기 통로(7)의 출구측에 장착된다. 친수 성 보조 부재(72)의 일측은 친수성 부재(71)와 접촉 상태에 있으며, 대향측은 캐소드(1)와 접촉 상태에 있다. 캐소드(1)는 도7에서 공기 통로(7)의 아래에 위치된다. 부수적으로, 도7에서, 공기 통로는 파선에 의해 표시되며, 친수성 부재 및 친수성 보조 부재는 실선에 의해 표시된다. 도7의 화살표는 수분의 유동 방향을 표시한다.
연료 연지에서, 전해질 막의 내부 저항을 저하시키고 그에 의해 전해질 막을 충분히 습윤시킴으로써 연료 전지의 양호한 출력 특성을 유지시키는 것이 가능하다. 캐소드측 상에서, 공기 통로의 상류 부분(입구측)의 습도는 하류 부분(출구측)의 습도보다 낮은 경향이 있다. 그러므로, 물이 공기 통로의 상류 부분 내의 전해질 막에 의해 비교적 큰 양으로 증발되고 그에 의해 연료 전지의 출력 특성을 저하시키는 경향이 있다. 친수성 보조 부재(72)가 도7에 도시된 바와 같이 공기 통로(7)의 적어도 출구측에 장착되면, GDL 내의 과잉의 물이 공기 통로의 입구측을 향해 유동하게 하고 그에 의해 입구측 상의 건조된 공기를 가습하는 것이 가능하다. 결과적으로, 상류측 상의 영역을 포함하는 MEA의 습윤 상태를 최적화하는 것이 가능하다.
공기 통로(22)의 축을 따른 중심 부분 내에서, 공기는 주로 벽과 접촉되지 않은 상태로 유동하므로 유동 속도는 도8A에 도시된 바와 같이 비교적 높다. 또한, 공기 통로(22)의 축을 따른 중심 부분 내에서, 습도는 도8B에 도시된 바와 같이 낮다. 낮은 습도를 갖는 부분으로 수증기를 공급하기 위해, 수증기가 비교적 이른 단계에서 공기 통로의 입구 내의 공기 스트림과 접촉 상태로 되게 할 것이 필 요하다. 공기 통로의 축을 따른 중심 부분 내의 건조된 공기의 영역이 또한 입구에 대한 하류측 상에 존재한다. 공기 통로의 하류측 상에 위치된 MEA는 비교적 큰 양의 과잉의 물을 갖는다. 물은 친수성 보조 부재(72)에 의해 MEA의 이러한 측면으로부터 흡수되고, 상류측으로 친수성 부재(71)에 의해 공급된다. 특정한 가습에 의해, 건조된 영역은 가능한 한 크게 감소될 수 있다. 도8A의 백색 화살표는 공기 스트림의 유동 방향을 표시하며, 화살표의 크기는 공기 스트림의 유동 속도를 표시한다. 또한, 도8A의 실선의 화살표는 수분의 유동 방향을 표시한다. 도8B에서, 습도 분포는 단색의 계조(degradation)에 의해 표현된다. 도8B의 흑색 부분은 높은 습도를 갖는 영역을 표시하며, 백색 부분은 낮은 습도를 갖는 영역을 표시한다.
친수성 보조 부재의 길이(Y)가 도7에 도시된 공기 통로의 길이(X)의 10% 이상 내지 50% 이하인 것이 바람직하다. 전술된 친수성 보조 부재의 길이(Y)가 공기 통로의 길이(X)의 50%를 초과하면, MEA 내의 물은 친수성 보조 부재에 의해 과도하게 흡수되고 그에 의해 연료 전지의 출력 특성을 저하시키는 경향이 있다. 한편, 전술된 친수성 보조 부재의 길이(Y)가 공기 통로의 길이(X)의 10% 미만이면, 공기 통로의 단면 내의 중심 부분을 충분히 가습하기 어렵다.
친수성 보조 부재는 전술된 친수성 부재와 유사한 재료로 형성될 수 있다. 친수성 보조 부재 및 친수성 부재가 일체로 형성되는 것이 또한 가능하다.
도7은 단지 1개의 친수성 보조 부재가 공기 통로에 장착되는 예를 도시하고 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 특정한 예에 제한되지 않는다. 공기 통로에 복수개의 친수성 보조 부재를 장착하는 것이 또한 가능하다. 도9는 그에 장착되는 복수개의 친수성 보조 부재를 갖는 공기 통로를 도시하는 사시도이다. 도9에서, 공기 통로는 파선에 의해 표시되며, 각각의 친수성 부재 및 친수성 보조 부재는 실선에 의해 표시된다.
도9에 도시된 바와 같이, 친수성 부재(91)와 그리고 MEA(4)와 접촉 상태에 있는 친수성 보조 부재(92)의 면적의 합계는 공기 통로의 상류측 상에서 더 작아지고 하류측 상에서 더 커지고 그에 의해 상류측 상에서의 물 흡수를 감소시키고 하류측 상에서의 물 흡수를 증가시킨다. 도9에서, 캐소드는 공기 통로의 아래에 위치된다. 친수성 보조 부재(92)는 입구의 부근에 드문드문 배열된다. 또한, 친수성 보조 부재(92)는 출구의 부근에 높은 밀도로 배열되고 그에 의해 친수성 보조 부재(92)가 MEA의 더 큰 영역과 접촉 상태로 되게 한다. 이러한 방식으로 복수개의 친수성 보조 부재(92)를 배열함으로써, 상류측 및 하류측 상에서의 습윤 상태를 더 균일하게 하는 것이 가능하다. 도9는 7개의 친수성 보조 부재를 포함하는 예를 도시하고 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 특정한 예에 제한되지 않는다. 이러한 실시예는 3개 이상의 친수성 보조 부재를 배열하는 경우에 적용될 수 있다.
친수성 부재의 길이에 대한 복수개의 친수성 보조 부재의 총 길이의 비율은 도7과 연계하여 전술된 범위 내에 속하도록 설정될 수 있다.
도1 및 도2는 병렬로 연장하는 복수개의 공기 통로를 형성하는 캐소드 통로 판을 포함하는 연료 전지에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 특정한 실시예에 제한되지 않는다. 이러한 실시예가 또한 긴 단일 통로를 형성하는 캐소드 통로 판에 적용될 수 있다. 도10은 긴 단일 통로를 형성하는 캐소드 통로 판을 포함하는 연 료 전지의 구성을 도시하고 있다.
도10B에 도시된 바와 같이, 소정의 간격으로 절곡되는 긴 단일의 홈(102)이 캐소드 통로 판(101)의 하나의 표면 상의 전체 영역 내에 형성된다. 공급 포트(103)가 홈(102)의 하나의 모서리에서 제공되며, 배출 포트(104)가 홈(102)의 다른 모서리에서 제공된다. 캐소드 통로 판(101)은 그 개방 표면이 캐소드(1)와 접촉 상태로 되게 하도록 배열된다. 결과적으로, 긴 단일의 공기 통로가 홈(102)과 캐소드(1) 사이에 형성된다.
애노드 통로 판(105)은 캐소드 통로 판(101)과 구성이 실질적으로 동일하다. 구체적으로, 소정의 간격으로 절곡되는 단일의 긴 홈(106)이 애노드 통로 판(105)의 하나의 표면 상의 전체 영역 내에 형성된다. 공급 포트(107)가 홈(106)의 하나의 모서리에서 제공되며, 배출 포트(108)가 홈(106)의 다른 모서리에서 제공된다. 애노드 통로 판(105)은 그 개방 표면이 애노드(2)와 접촉 상태로 되게 하도록 배열된다. 이러한 방식으로, 긴 단일의 연료 통로가 홈(106)과 애노드(2) 사이에 형성된다.
전해질 막(3)은 캐소드(1) 및 애노드(2) 중 임의의 전극보다 크게 형성된다. 한편, 각각의 캐소드 통로 판(101) 및 애노드 통로 판(105)은 전해질 막(3)과 크기가 실질적으로 동일하다. 절연 개스킷(9)이 캐소드(1)의 주연 부분 내의 전해질 막(3)과 캐소드 통로 판(101) 사이에 개재되고 그에 의해 전해질 막(3)과 캐소드 통로 판(101) 사이의 기밀성 및 액밀성을 유지시킨다. 마찬가지로, 절연 개스킷(109)이 애노드(2)의 주연 부분 내의 전해질 막(3)과 애노드 통로 판(105) 사이 에 개재된다. 각각의 애노드 통로 판(105) 및 캐소드 통로 판(101)은 외부 회로(110)에 연결된다. 전력은 외부 회로(110)에 의해 연료 전지로부터 뽑힌다.
각각의 캐소드 통로 판 및 애노드 통로 판이 예컨대 탄소, 수지 또는 금속으로 형성되는 것이 가능하다.
각각의 캐소드 및 애노드는 촉매 층을 포함한다. 촉매 층은 Pt, Ru의 촉매 금속 또는 이들의 합금이 지지부에 의해 지지되는 지지 촉매 그리고 양자 전도성 물질을 함유한다. 촉매 층은 예컨대 탄소 시트로 형성되는 가스 확산 층(전류 집전기)에 의해 지지된다.
전해질 막은 양자 전도성 물질을 함유한다. 촉매 층 또는 전해질 막 내에 포함된 양자 전도성 물질은 예컨대 나피온(등록 상표, 듀 폰 인코포레이티드에 의해 제조됨)을 포함한다.
연료 전지 적층체가 이제 도11을 참조하여 설명될 것이다.
도11에 도시된 연료 전지 적층체는 상하로 복수개의 연료 전지를 적층함으로써 준비된다. 연료 전지 적층체에서, 도11B에 도시된 분리기(111)가 연료 전지 내에 포함된 MEA(4)와 인접한 연료 전지 내에 포함된 MEA(4) 사이에 배열된다. 분리기(111)는 애노드 통로 판 및 캐소드 통로 판을 포함하는 유닛 구조체에 대응한다. 캐소드(1)와 함께 공기 통로를 형성하는 홈(112)이 분리기(111)의 하나의 표면(도면에서 하부 표면) 상에 형성된다. 또한, 애노드(2)와 함께 연료 통로를 형성하는 홈(113)이 분리기(111)의 다른 표면(도면에서 상부 표면) 상에 형성된다. 친수성 부재(8)는 홈(112)의 저부 표면 상에 배열된다. 연료 전지 적층체의 최외곽 층 상 에 위치된 MEA(4)들 중 하나에서 즉 도면에서 최하부 층 내에 위치된 MEA에서, 전해질 막(3)이 형성된 측면에 대향한 애노드(1)의 그 측면 상에 애노드 통로 판(105)이 배열된다. 마찬가지로, 연료 전지 적층체의 최외곽 층 상에 위치된 MEA(4)들 중 하나에서 즉 도면에서 최상부 층 내에 위치된 MEA에서, 캐소드 통로 판(101)은 전해질 막(3)이 형성된 측면에 대향한 캐소드(1)의 그 측면 상에 배열된다. 판(114)이 각각의 애노드 통로 판(105) 및 캐소드 통로 판(101)의 외부 표면 상에 형성된다. 적층된 연료 전지는 체결 공구(115)에 의해 판(114)들을 체결시킴으로써 고정된다. 각각의 애노드 통로 판(105)의 외부 표면 상의 판(114) 그리고 캐소드 통로 판(101)의 외부 표면 상의 판(114)은 외부 회로(116)에 연결된다. 전력은 외부 회로(116)를 사용함으로써 각각의 연료 전지로부터 뽑힌다.
연료 전지 시스템이 이제 도12 내지 도14를 참조하여 설명될 것이다. 다음의 설명은 메탄올 수용액이 연료로서 사용되는 경우를 포함한다. 그러나, 본 발명의 실시예에서 또 다른 액체 연료를 사용하는 것이 가능하다.
도12에 도시된 연료 전지 시스템은 연료 전지(121), 연료 공급원(122), 연료 공급원(122)으로부터 애노드 통로 판(105) 내에 형성되는 통로(106)로 액체 연료를 공급하는 연료 공급 수단(123), 캐소드 통로 판(101) 내에 형성된 통로(102)로 공기를 공급하는 공기 공급 수단(124) 그리고 연료 전지(121)로부터 전력을 뽑는 외부 회로(110)를 포함한다. 연료 공급원(122)은 연료 카트리지(125), 혼합 탱크(126) 그리고 연료 카트리지(125)로부터 혼합 탱크(126)로 연료를 공급하는 펌프(127)를 포함한다. 연료는 연료 공급 수단(123)에 의해 혼합 탱크(126)로부터 애노드 통로 판(105) 내에 형성된 통로(106)로 공급된다. 연료 공급 수단(123)으로서 펌프를 사용하는 것이 가능하다. 한편, 공기 공급 수단(124)으로서 예컨대 펌프 또는 로터리 베인(rotary vane)이 갖춰져 있는 팬을 사용하는 것이 가능하다. 애노드(2) 내에 남아 있는 물 그리고 캐소드(1) 내에서 발생되고 역류에 의해 애노드(2)로 다시 돌아온 물은 혼합 탱크(126)로 복귀된다. 혼합 탱크(126) 내에서, 연료 카트리지(125)로부터 공급된 연료는 물과 혼합된다. 혼합된 연료는 애노드 통로 판(105)으로부터 애노드(2)로 공급된다. 캐소드(1) 내에 남아 있는 물은 배기 가스와 함께 외부 대기로 수증기의 형태로 배출된다. 애노드(2) 내에서 발생된 이산화탄소를 함유한 폐 가스는 혼합 탱크(126)로부터 외부 대기로 배출된다. 연료 전지 적층체의 형태로 된 연료 전지(121)를 사용하는 것이 가능하다.
도13에 도시된 연료 전지 시스템은 응축기(131)를 포함한다. 애노드(2) 내에 남아 있는 물 그리고 애노드(2) 내에서 발생된 이산화탄소는 응축기(131)에 의해 회수된다. 또한, 캐소드(1) 내에서 발생된 물 그리고 캐소드(1)에 도달하기 위해 애노드(2)로부터 유동하는 물은 공기에 의해 비산되고 그에 의해 액체의 형태로 응축기(131)에 의해 회수된다. 응축기(131) 내에서 응축된 물은 펌프(132)에 의해 혼합 탱크(126)로 복귀된다. 폐 가스는 응축기(131)로부터 외부 대기로 배출된다. 도13에 도시된 연료 전지 시스템에서, 응축기(131) 대신에 가스-액체 분리기를 사용하는 것이 가능하다.
물 순환 시스템이 도12 및 도13의 각각의 도면에 도시된 연료 전지 시스템에서 채용된다. 물 순환 시스템에서, 발생된 물은 높은 메탄올 농도를 갖는 메탄올 수용액과 혼합되고 그에 의해 낮은 메탄올 농도를 갖는 메탄올 수용액을 준비하므로 전력 발생을 위해 적합하며, 이와 같이 얻어진 낮은 메탄올 농도를 갖는 메탄올 수용액은 애노드로 공급된다. 그러므로, 전체의 연료 전지 시스템이 소형화될 수 있기 때문에 물 순환 시스템을 사용하는 것이 편리하다. 카트리지가 연료를 저장하는 데 사용되는 이러한 시스템에서, 높은 메탄올 농도를 갖는 메탄올 수용액이 카트리지 내에 수납될 수 있다. 그러므로, 체적 당 높은 에너지 밀도 그리고 양호한 휴대성을 갖는 소형 시스템을 실현시키는 것이 가능하다.
또한, 도14에 도시된 바와 같이, 물을 회수하지 않는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이 가능하며, 이러한 시스템에서, 낮은 메탄올 농도를 갖는 메탄올 수용액이 연료 카트리지(125) 내에 미리 수납된다. 이러한 시스템에서, 캐소드(1) 내에서 발생된 물은 배기 가스와 함께 수증기의 형태로 외부측으로 폐기된다. 애노드(2) 내에서 발생된 이산화탄소를 함유한 폐 가스가 또한 애노드(2)로부터 외부측으로 직접적으로 폐기된다. 도14에 도시된 연료 전지 시스템에서, 혼합 탱크(126) 및 펌프(127)를 생략하고 그에 의해 연료 공급원으로서 연료 카트리지(125)만을 사용하는 것이 가능하다.
도12 및 도14의 각각의 도면에 도시된 연료 전지 시스템에서, 캐소드(1) 내에서 발생된 물은 배기 가스와 함께 수증기의 형태로 배출된다. 결과적으로, 캐소드(1) 및 공기 통로(102)의 건조가 촉진되는 경향이 있다. 그러므로, 산소의 공급이 전술된 바와 같이 억제되지 않도록 캐소드가 제어된 양으로 물을 보유할 것이 필요하다. 물 배출을 촉진시키는 기술은 이전에 인용된 일본 특허 출원 (공개) 제 11-97041호 및 일본 특허 출원 (공개) 제2002-20690호에 개시되어 있다는 것이 이러한 관계에서 주목되어야 한다. 그러나, 이러한 경우에 캐소드로부터 요구된 것보다 큰 양으로 물이 이탈되기 때문에 이들 종래의 문서에 개시된 기술을 채용하는 것이 바람직하지 않다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 주로 공기 통로를 막는 수적 즉 산소 공급을 억제하는 수적만을 효율적으로 제거하는 것이 가능하다. 수적이 효율적으로 제거되므로, 공기 통로가 본 발명의 실시예에서 확보될 수 있다. 추가로, 기전 부품은 적절하게 물을 보유하게 되며, 이것은 DMFC의 소형화 및 안전한 동작을 위해 효과적이다.
도12 내지 도14는 연료로서 사용되는 메탄올 수용액이 기전 부품으로 직접적으로 공급되는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 특정한 실시예에 제한되지 않는다. 본 발명에서, 물과 메탄올, 에탄올 또는 프로판올 등의 알코올을 혼합함으로써 준비되는 혼합 용액에 의해 연료가 제공되는 것이 가능하다.
공기 통로를 형성하는 복수개의 홈이 병렬로 형성된 도1에 도시된 연료 전지 내에 포함된 캐소드 통로 판을 사용하는 경우에, 수적으로의 공기 통로의 막힘은 단일 통로가 형성된 도10 내지 도14에 도시된 연료 전지 내에 포함된 캐소드 통로 판을 사용하는 경우에 비해 전력 발생에 결정적인 영향을 준다. 특정한 현상이 이제 도15의 (a) 내지 (d)를 참조하여 설명될 것이다. 도15의 (a) 내지 (d)에 도시된 실선의 화살표는 수분의 유동 방향을 표시한다.
도15의 (a) 및 도15의 (b)에 도시된 캐소드 통로 판(151) 내에, 5개의 홈(152a 내지 152e)이 캐소드 통로 판(151)의 하나의 모서리로부터 다른 모서리로 연장하는 방식으로 병렬로 형성된다. 한편, 도15의 (c) 및 도15의 (d)에 도시된 캐소드 통로 판(153) 내에, 2개의 홈(154a, 154b)이 병렬로 형성된다. 각각의 이들 홈(154a, 154b)은 소정의 간격으로 절곡되고 그에 의해 캐소드 통로 판(153)의 하나의 표면의 전체 영역을 덮는다. 도15의 (a) 및 도15의 (b)에 도시된 바와 같이 병렬로 배열되는 복수개의 공기 통로를 포함하는 캐소드 통로 판(151)의 경우에, 공기는 수적으로 막힌 공기 통로 즉 홈(152b, 152c, 154a)에 대응하는 공기 통로를 통해 유동하지 못하며, 공기는 막히지 않은 공기 통로 즉 홈(152a, 152d, 152e, 154b)에 대응하는 공기 통로를 통해서만 유동한다. 공기가 높은 유동 속도로 공급되는 경우에, 물은 통로 내에서 응결되지 않는 경향이 있으므로 공기 통로는 수적으로 막히지 않는 경향이 있다. 또한, 통로가 수적으로 막히더라도, 수적은 통로의 상류 영역에서의 압력 상승에 의해 하향으로 압박되고 그에 의해 막힘을 제거한다. 그러나, 이러한 경우에, 적층체는 높은 유동 속도로 유동하는 공기 스트림에 의해 냉각되고 그에 의해 적층체 온도를 저하시킬 것이 예측된다. 막으로부터 요구된 것보다 큰 양으로 물이 이탈되므로 물이 MEA로부터 손실되고 그에 의해 전력 발생 효율을 저하시키는 것이 가능하다는 것이 또한 주목되어야 한다. 이러한 상황 하에서, 낮은 유동 속도의 공기 하에서 계속적으로 수적으로 막히지 않을 수 있는 통로 구조가 요구된다.
캐소드 통로 판을 형성하는 다공성 카본을 사용하고 그에 의해 통로의 벽이 물을 흡수하게 하는 것이 생각될 수 있다. 그러나, 다공성 탄소는 기계 강도가 치 밀한 탄소보다 열등하다. 그러므로, 다공성 탄소는 체결될 것을 요구하는 적층체의 구조 부재로서의 사용을 위해 적합하지 않다. 친수성 처리가 적용된 표면을 갖는, 다공성이 아닌, 탄소 재료를 사용하는 것이 또한 생각될 수 있다. 그러나, 친수성 처리가 적용된 탄소 재료는 친수성 성질의 지속성에서 문제를 일으킨다. 이러한 상황 하에서, 처리된 재료가 높은 안정성으로 장기간에 걸쳐 친수성 성질을 나타내게 하는 처리 방법은 아직 수립되지 않았다.
본 발명의 실시예에서, 연료 전지의 공기 통로가 공기 공급 수단으로부터 복수개의 공기 통로로 분기되는 경우에도 공기 통로 내에서의 수적의 발생을 억제하는 것이 가능하다. 이러한 상황 하에서, 전력 발생이 수적의 형성에 의해 억제되는 문제를 방지하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예에 의해 생성된 효과는 유동 속도가 높더라도 로터리 베인이 갖춰져 있고 작은 정압을 갖는 작은 팬이 공기 공급 수단으로서 사용되는 경우에 현저해진다.
본 발명의 실시예가 이제 본 발명의 예를 참조하여 설명될 것이다.
(예)
하나의 모서리로부터 다른 모서리로 연장하는 방식으로 그 내에 형성되는 병렬 홈을 갖는 캐소드 통로 판이 준비된다. 홈의 단면적은 1 ㎜ × 1 ㎜의 크기로 되어 있다. 친수성 부재가 홈의 입구로부터 출구로 연장하도록 친수성 부재로서 사용되는 폴리에스테르 부직포가 캐소드 통로 판 내에 형성된 홈의 저부 표면에 부착된다. 친수성 부재를 부착시킬 때, 친수성 부재의 양쪽 모서리는 접착제로 지점-고정된다. 캐소드 통로 판의 개방 표면은 MEA의 캐소드측 상에 적층되고 그에 의 해 공기 통로를 형성한다. 나아가, 애노드 통로 판이 MEA의 애노드측 상에 적층되고, 그에 의해 도1에 도시된 바와 같이 구성된 연료 전지를 제조한다. 4개의 연료 전지가 이러한 방식으로 제조되고 상하로 적층된 후, 체결 공구를 사용함으로써 적층된 구조체를 체결하고 그에 의해 도11에 도시된 바와 같이 구성된 연료 전지 시스템을 조립한다.
연료로서 사용되는 메탄올 수용액이 연료 통로 내로 공급되며, 공기는 10 ㏄/㎠의 유동 속도로 연료 전지 적층체의 공기 통로 내로 공급되고 그에 의해 150 ㎃/㎠의 일정한 전류 하에서 연료 전지를 방전시킨다. 도12에 도시된 연료 전지 시스템은 연료 및 공기의 공급 시스템으로서 그리고 폐 가스의 배출 시스템으로서 사용된다. 연료 전지 적층체 내에 합체된 4개의 연료 전지의 각각의 연료 전지의 전지 전압이 측정되며, 그 출력 이력이 예 1 내지 예 4로서 도16에 도시되어 있다.
(비교예)
친수성 부재가 캐소드 통로 판에 제공되지 않는다는 점을 제외하면, 전술된 예에서와 같이 연료 적층체가 조립 및 동작된다. 연료 전지 적층체 내에 합체된 4개의 연료 전지의 각각의 연료 전지의 전지 전압이 측정되며, 그 출력 이력이 비교예 1 내지 비교예 4로서 도17에 도시되어 있다. 도16 및 도17의 각각의 도면의 그래프에서, 동작 시간 (초)은 횡좌표 상에 플롯되며, 전지 전압 (㎷)은 종좌표 상에 플롯된다. 부수적으로, 비교예 3에서, 흡인은 방전 동작의 시작 후 t1초만큼 연료 전지의 외부측으로부터 공기 통로에 대해 수행된다. 비교예 1에서, 흡인은 비교예 3과 같은 방전 동작의 시작 후 t2초만큼 수행된다. 나아가, 비교예 2에서, 흡인은 비교예 3과 같은 방전 동작의 시작 후 t3초만큼 수행된다. 한편, 흡인은 비교예 4에 대해 연료 전지에서 수행되지 않는다.
도17로부터 명백한 바와 같이, 비교예 1 내지 비교예 4의 각각의 비교예에 대한 연료 전지의 전지 전압은 예 1 내지 예 4의 각각의 예에 대한 연료 전지보다 낮다. 추가로, 전지들 사이에서의 전지 전압의 불균일성은 비교예 1 내지 비교예 4에 대한 연료 전지에서 크다. 그러나, 비교예 1 내지 비교예 3에 대한 연료 전지의 출력은 낮은 출력을 갖는 연료 전지의 캐소드 통로 판을 막는 수적이 외부측으로부터의 흡인에 의해 제거될 때 회복된다. 이것은 비교예 1 내지 비교예 4에 대한 연료 전지의 낮은 출력이 수적으로의 캐소드 통로 판 내에 형성된 공기 통로의 막힘에 의해 유발된다는 것을 명확하게 나타낸다.
한편, 예 1 내지 예 4의 각각의 예에 대한 연료 전지에서, 친수성 부재는 캐소드로부터 떨어져 있는 공기 통로의 내부측 표면 상의 영역에 제공된다. 도16으로부터 명백한 바와 같이, 연료 전지들 사이의 전지 전압의 불균일성은 예 1 내지 예 4에 대한 연료 전지에서 작다. 추가로, 높은 전압의 안정된 출력이 본 발명의 예에 대한 연료 전지로부터 얻어지고, 이것은 본 발명의 예에 대한 연료 전지가 출력 특성 면에서 우수하다는 것을 뒷받침한다.
캐소드와 접촉 상태로 되게 하도록 친수성 부재의 모서리의 일부로부터 연장하는 친수성 보조 부재가 공기 통로의 공기 출구측 상에 형성되는 것을 제외하면 예의 연료 전지와 구성이 실질적으로 동일한 연료 전지에 그리고 친수성 보조 부재의 밀도가 상류측 상에서보다 하류측 상에서 높도록 복수개의 친수성 보조 부재가 제공되는 점을 제외하면 예의 연료 전지와 구성이 실질적으로 동일한 연료 전지에 예와 유사한 시험이 적용된다. 도16에 도시된 것과 유사한 출력 이력을 얻는 것이 가능하며, 이것은 연료 전지가 출력 특성 면에서 우수하다는 것을 뒷받침한다.
추가의 장점 및 변형이 당업자에게 용이하게 착상될 것이다. 그러므로, 본 발명은 그 더 넓은 측면에서 여기에서 도시 및 설명된 특정한 세부 사항 및 대표 실시예에 제한되지 않는다. 따라서, 다양한 변형이 첨부된 청구의 범위 그리고 그 등가물에 의해 한정된 바와 같은 일반적인 발명 개념의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고도 수행될 수 있다.

Claims (20)

  1. 연료 전지이며,
    애노드와,
    캐소드와,
    애노드와 캐소드 사이에 배열되는 전해질 막과,
    캐소드와 함께 공기 통로를 형성하는 홈을 갖고, 캐소드에 공기를 공급하는 캐소드 통로 판과,
    홈의 내부측 표면 상에 배열되고 캐소드로부터 떨어져 있는 친수성 부재와,
    공기 통로의 적어도 공기 출구측 상에 배열되고 친수성 부재의 모서리의 일부로부터 연장하고 그에 의해 캐소드와 접촉 상태로 되게 하는 친수성 보조 부재를 포함하는 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서, 친수성 부재는 캐소드에 대면된 홈의 내부측 표면의 영역 상에 위치되는 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서, 친수성 부재는 캐소드에 대면된 홈의 내부측 표면의 영역 상에 그리고 홈의 내부측 표면의 측벽 또는 측벽들 상에 위치되는 연료 전지.
  4. 19조 보정에 의해 삭제
  5. 제1항에 있어서, 친수성 부재의 모서리의 일부로부터 연장하고 그에 의해 캐소드와 접촉 상태로 되게 하는 복수개의 친수성 보조 부재를 더 포함하며,
    복수개의 친수성 보조 부재는 공기 통로의 하류측 상에서의 친수성 보조 부재의 밀도가 상류측 상에서보다 높도록 배열되는 연료 전지.
  6. 제1항에 있어서, 공기 통로는 공기의 단일 입구 및 단일 출구를 갖는 단일 통로로 형성되는 연료 전지.
  7. 제1항에 있어서, 캐소드 통로 판은 병렬로 배열되는 복수개의 홈을 포함하며, 공기 통로는 각각의 이들 홈과 캐소드 사이에 형성되는 연료 전지.
  8. 제1항에 있어서, 친수성 부재와 수적의 접촉 각도는 90˚ 이하인 연료 전지.
  9. 제1항에 있어서, 친수성 부재는 코팅, 필름, 부직포, 직포 또는 편포로 형성되는 연료 전지.
  10. 제1항에 있어서, 공기 통로의 적어도 공기 출구측 상에 배열되고 친수성 부재의 모서리의 일부로부터 연장하고 그에 의해 캐소드와 접촉 상태로 되게 하는 친수성 보조 부재를 더 포함하며,
    친수성 보조 부재의 길이는 공기 통로의 길이의 10% 이상 내지 50% 이하인 연료 전지.
  11. 연료 전지 시스템이며,
    애노드와, 캐소드와, 애노드와 캐소드 사이에 배열되는 전해질 막과, 캐소드와 함께 공기 통로를 형성하는 홈을 갖고 캐소드에 공기를 공급하는 캐소드 통로 판과, 홈의 내부측 표면 상에 배열되고 캐소드로부터 떨어져 있는 친수성 부재를 포함하는 연료 전지와,
    연료 공급원과,
    연료 공급원으로부터 애노드로 액체 연료를 공급하는 연료 공급 수단과,
    캐소드 통로 판으로 공기를 공급하는 공기 공급 수단과,
    연료 전지로부터 전력을 뽑는 외부 회로와,
    공기 통로의 적어도 공기 출구측 상에 배열되고 친수성 부재의 모서리의 일부로부터 연장하고 그에 의해 캐소드와 접촉 상태로 되게 하는 친수성 보조 부재를 포함하는 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 친수성 부재는 캐소드에 대면된 홈의 내부측 표면의 영역 상에 위치되는 연료 전지 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 친수성 부재는 캐소드에 대면된 홈의 내부측 표면의 영역 상에 그리고 홈의 내부측 표면의 측벽 또는 측벽들 상에 위치되는 연료 전지 시스템.
  14. 19조 보정에 의해 삭제
  15. 제11항에 있어서, 친수성 부재의 모서리의 일부로부터 연장하고 그에 의해 캐소드와 접촉 상태로 되게 하는 복수개의 친수성 보조 부재를 더 포함하며,
    복수개의 친수성 보조 부재는 하류측 상에서의 친수성 보조 부재의 밀도가 상류측 상에서보다 높도록 배열되는 연료 전지 시스템.
  16. 제11항에 있어서, 공기 통로는 단일 입구 및 단일 출구를 갖는 단일 통로로 형성되는 연료 전지 시스템.
  17. 제11항에 있어서, 캐소드 통로 판은 병렬로 배열되는 복수개의 홈을 포함하며, 공기 통로는 각각의 이들 홈과 캐소드 사이에 형성되는 연료 전지 시스템.
  18. 제11항에 있어서, 공기 공급 수단은 로터리 베인이 갖춰져 있는 팬으로 구성되는 연료 전지 시스템.
  19. 제11항에 있어서, 친수성 부재는 코팅, 필름, 부직포, 직포 또는 편포로 형 성되는 연료 전지 시스템.
  20. 제11항에 있어서, 공기 통로의 적어도 공기 출구측 상에 배열되고 친수성 부재의 모서리의 일부로부터 연장하고 그에 의해 캐소드와 접촉 상태로 되게 하는 친수성 보조 부재를 더 포함하며,
    친수성 보조 부재의 길이는 공기 통로의 길이의 10% 이상 내지 50% 이하인 연료 전지 시스템.
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