KR20070101473A - 패시브형 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 패시브형 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부와; 상기 캐소드 전극에 대면하는 판재를 갖고, 상기 판재에는 3~6mm의 직경을 갖는 구멍이 천공되어 있는 것을 특징으로 하므로, 캐소드 전극에 인접하는 상부판에 형성되는 통기공의 크기와 천공율을 구체적으로 한정함으로써 연료전지 시스템의 전류밀도 감소율을 저하시키면서 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

판재, 통기공, 천공율, 직경

Description

패시브형 연료전지 시스템{PASSIVE TYPE FUEL CELL SYSTME}

도 1은 패시브형 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 도면;

도 2는 집전체에 형성된 구멍의 크기에 따른 연료전지 시스템의 성능감소율을 나타낸 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

110 : 하우징

112 : 상부판

112a : 통기공

114 : 연료저장공간

130 : 발전부

132 : 전해질 고분자막

134 : 캐소드 전극

136 : 애노드 전극

본 발명은 캐소드 전극이 대기에 노출되도록 복수개의 구멍이 타공되어 있는 집전체를 갖는 패시브형 연료전지 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게 집전체에 형성된 구멍을 통한 공기유통과 물배출이 용이하도록 최적의 구멍크기 및 타공율을 갖는 집전체를 구비한 패시브형 연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 메탄올 등의 수소함유연료와 공기 등의 산화제 가스를 가스확산전극에서 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 발전 시스템이다. 이러한 연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 여러 개의 형태로 분류될 수 있으며, 이 가운데 직접메탄올 연료전지(DMFC)는 메탄올에 함유되어 있는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해서 전기를 생산한다. DMFC는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 선택적 수소이온 투과특성을 갖는 전도성 고분자막이 개재되어 있는 전극막 조립체(MEA)를 갖는 단위전지를 포함한다.

애노드 전극과 캐소드 전극은 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층과 전극 반응 즉 산화/환원반응이 일어나는 촉매층, 그리고 전극 지지체등을 구성요소로서 포함한다. 애노드 전극에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온, 전자가 생성(산화반응) 되며, 생성된 수소이온은 수소이온교환막을 거쳐 캐소드로 전달된다. 캐소드에서는 수소이온과 외부회로를 통해 전달된 전자 그리고 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 따라서 총괄반응은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 반응이 된다.

한편, DMFC에 있어서, 단위전지의 배열상태, 예를 들어 단위전지가 적층되어 있는 상태와 단위전지가 평면에 배열되어 있는 상태, 즉 캐소드 전극이 대기에 노출되어 있는 상태에 따라서 액티브형과 패시브형으로 각각 분류될 수 있다. DMFC 단위전지의 발생전압은 이론적으로는 1.2V 정도이지만 상온, 상압 조건에서 개회로 전압(open circuit voltage)은 1V 이하가 되며, 실제 작동전압은 활성화 과전압 및 저항 과전압에 의해 전압강하가 일어나기 때문에 0.3 ~ 0.5 V 정도가 된다.

연료전지 시스템의 정상 운전에서 그 출력을 좌우하는 것은 상술된 전기화학적 반응에서 생성된 전자와 이온들의 이동도에 의존하게 된다.

그러나, 연료전지 시스템, 특히 패시브형 연료전지 시스템에 있어서, 정상운전이 이루어지는 동안, 불순물 등이 캐소드 전극과 애노드 전극의 촉매층에 축적되며, 그 결과 연료전지 시스템의 발전효율이 저하되었다.

본 발명은 상술된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 캐소드 전극이 대기에 노출되도록 복수개의 구멍이 타공되어 있는 집전체를 갖는 패시브형 연료전지 시스템에 있어서 상기 구멍을 통한 공기유통과 물배출이 용이하도록 최적의 구멍크기 및 타공율을 유지한 패시브형 연료전지 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 패시브형 연료전지 시스템 은 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부와; 상기 캐소드 전극에 대면하는 판재를 갖고, 상기 판재에는 3~6mm의 직경을 갖는 구멍이 천공되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 구멍의 타공율은 상기 판재의 전체면적에 대해서 50~70%로 유지된다.

상기 판재는 도전성 재질로 제작되고, 상기 전기 발생부에서 생산되는 전기를 집전하는 집전체로 작용한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 패시브형 연료전지 시스템의 스택을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 집전체에 형성된 구멍의 크기에 따른 연료전지 시스템의 성능감소율을 나타낸 그래프이다.

먼저, 본 발명에 따르면, 패시브형 연료전지 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 전기를 생성하는 발전부(130)를 포함한다. 발전부(130)는 선택적 이온투과성을 갖는 전해질 고분자막(132)과, 고분자막(132)의 양면에 각각 제공된 애노드 전극(136) 및 캐소드 전극(134)으로 이루어진 전극막 조립체(MEA)를 구비한 단위전지를 갖는다.

연료전지 시스템은 또한 발전부(130)가 수용되는 수용공간을 갖는 하우징(110)을 갖는다. 하우징(110)은 소정 형상, 예를 들어 직육면체 형상을 갖는다. 하우징(110)에 있어서, 적어도 하나의 측판, 예를 들어 상부판(112)에는 복수개의 통기공(112a)이 천공되어 있고, 통기공(112a)을 통해서 산화제가 하우징(110)의 내 부로 유입된다. 이때, 하우징(110)의 수용공간에 수용되어 있는 발전부(130)의 캐소드 전극(134)은 상부판(112)에 인접하도록 위치하게 된다. 한편, 하우징(110)에 있어서, 발전부(130)의 애노드 전극(136)의 하부에는 수소함유연료가 저장되는 연료저장공간(114)이 형성된다.

하우징(110)의 연료저장공간(114)에는 연료 공급부(미도시)로부터 공급되는 수소함유연료, 예를 들어 물과 혼합되어 희석되어 있는 저농도의 메탄올 용액이 저장된다.

상부판(112)은 발전부(130)에서 생성되는 전기를 집전할 수 있도록 금속성 재질로 제작되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상부판(112)에 천공되어 있는 통기공(112a)은 약 1~10mm, 바람직하게는 약 3~6mm 정도의 직경을 갖는다. 한편, 통기공(112a)은 상부판(112)의 전체면적에 대하여 약 10~80%, 바람직하게는 약 50~70% 정도의 천공율로 형성되는 것이 바람직하다.

[실시예]

통기공(112a)의 크기가 상이한 상부판(112)을 갖는 5개의 패시브형 연료전지 시스템을 준비한다. 통기공(112a)의 크기는 각각 1mm, 2mm, 4mm, 6mm, 10mm로 유지한다. 그리고, 하우징(110)의 연료저장공간(114)에 3몰(mol) 농도의 메탄올 용액을 저장하고, 이때 메탄올 용액은 50℃ 온도에 유지된다.

이 후에, 메탄올에 함유되어 있는 수소와 대기중의 산소 사이에서 전기화학 반응이 이루어지도록 패시브형 연료전지 시스템을 정상운전시킨다. 즉, 하우징(110)의 연료저장공간(114)에 저장되어 있는 메탄올 용액을 발전부(130)의 애노드 전극(136)에 공급하고 또한 대기중의 산소를 상부판(112)의 통기공(112a)를 통해서 발전부(130)의 캐소드 전극(134)에 공급한다. 발전부(130)에 있어서, 메탄올로부터 얻어지는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해서 DC 전기가 생성된다.

발전부(130)의 애노드 전극(136)과 캐소드 전극(134)에서 이루어지는 전기화학반응은 하기 반응식과 같다.

애노드 반응: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^_

캐소드 반응: (3/2)O₂ + 6H⁺ + 6e^_ → 3H₂O

전체 반응: CH₃OH + (3/2)O₂ → 2H₂O + CO₂

즉, 애노드 전극(136)에서는 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소 및 6개의 수소이온과 전자가 생성된다(산화반응). 생성된 수소이온은 고분자막(132), 예를 들어 수소이온 교환막을 거쳐 캐소드 전극(134)에 전달된다. 캐소드 전극(134)에서는 수소이온과, 외부회로를 통해 전달된 전자와, 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응). 전체적으로는, 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하고, 또한 전기를 생성한다. 이때, 생성된 전기는 집전체를 통해서 외부로 제공된다.

상술된 바와 같이 패시브형 연료전지 시스템이 정상적으로 작동되는 동안, 발전부(130)에서 발생되는 전류밀도를 측정한다. 이때, 측정된 전류밀도는 시간 경과에 따라서 감소되었으며 그 결과는 도 2의 그래프와 같다.

도 2를 참조하면, 연료전지 시스템이 정상운전되는 동안 통기공(112a)의 직경에 따라서 연료전지 시스템의 전류밀도(A/㎠)가 상이하게 감소됨을 알 수 있다. 즉, 통기공(112a)의 직경이 6mm인 경우에는 전류밀도 감소율이 16%이고, 이는 5개의 연료전지 시스템에서 가장 양호한 전류밀도 감소율을 나타낸다. 그러나, 통기공(112a)의 직경이 2mm인 경우에는 전류밀도 감소율이 39%이고, 이는 5개의 연료전지 시스템에서 가장 불량한 전류밀도 감소율을 나타낸다.

한편, 통기공(112a)의 직경이 1mm인 경우에 전류밀도는 27% 감소되어 전류밀도의 감소율이 상대적으로 양호하게 나타났다. 그러나, 통기공의 직경이 이와 같이 작은 경우에는 캐소드 전극에서 생성되는 물이 외부로 배출되지 못하게 되고 그 결과 캐소드 전극에서의 공기의 유입경로가 차단된다. 이는 패시브형 연료전지 시스템이 장시간 운전되는 경우에는 전류밀도가 급격하게 감소될 수 있다는 문제점이 야기된다.

또한, 통기공(112a)의 직경이 10mm인 경우에 전류밀도는 9% 감소되어 전류밀도의 감소율이 가장 양호하게 나타났다. 그러나, 통기공의 직경이 이와 같이 큰 경우에는 캐소드 전극과 상부판 사이의 접촉면적이 작아지게 되고, 이는 이들 사이의 접촉저항이 증가하게 된다.

따라서, 통기공의 직경은 상술된 문제점 들을 감안하여 약 3~6mm 정도로 유지하는 것이 바람직하다.

한편, 상부판(112)에 형성되는 통기공(112a)의 천공율은 10~80% 정도로 유지한다. 이는 통기공(112a)의 천공율이 10% 미만으로 유지되어 있으면, 통기공(112a)을 통한 공기의 유입이 상대적으로 작아지게 또한 캐소드 전극(134)에서 형성된 물의 배출이 원활하지 않게 된다. 또한, 통기공(112a)의 천공율이 80%를 초과하게 되면 상부판(112)의 내구성이 약해지는 문제점이 야기된다. 그러나, 더 바람직하게는 통기공(112a)의 천공율을 50~70% 정도로 유지하는 것이 공기의 유입, 물배출 및 내구성을 최적으로 유지할 수 있게 된다.

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 패시브형 연료전지 시스템에 있어서 캐소드 전극에 인접하는 상부판에 형성되는 통기공의 크기와 천공율을 구체적으로 한정함으로써 연료전지 시스템의 전류밀도 감소율을 저하시키면서 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 애노드 전극과 대기에 노출되어 있는 캐소드 전극이 양측에 각각 제공된 멤브레인으로 이루어진 전기 발생부와;

   상기 캐소드 전극에 대면하는 판재를 갖고,

   상기 판재에는 3~6mm의 직경을 갖는 구멍이 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 구멍의 타공율은 상기 판재의 전체면적에 대해서 10~80%로 유지되어 있는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 구멍의 타공율은 상기 판재의 전체면적에 대해서 50~70%로 유지되어 있는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 판재는 도전성 재질로 제작되어 있는 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템.
5. 제4항에 있어서,

   상기 판재는 상기 전기 발생부에서 생성되는 전기를 집전하기 위한 집전체인 것을 특징으로 하는 패시브형 연료전지 시스템.

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