KR20090031001A - 연료 전지 스택 - Google Patents

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김성진
한지성
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료 전지 스택의 물맺힘 방지 장치에 관한 것으로, 특히 초극세사 섬유를 사용하여 MEA의 캐소드 전극에 맺히는 물방울을 제거하기 위한 연료 전지 스택에 관한 것이다.
본 발명의 연료 전지 스택은, 수소 이온를 전달하는 전해질판과, 상기 전해질판의 일면에 형성된 애노드와, 상기 전해질판의 타면에 형성된 캐소드를 포함하는 막-전극 접합체; 상기 애노드로의 연료 유입을 위한 경로가 형성된 애노드 집전체; 상기 캐소드로의 산화제 유입을 위한 경로가 형성된 캐소드 집전체; 및 상기 캐소드 집전체 상에 위치하는 초극세사 섬유 재질로 이루어진 물 제거판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
연료 전지, 초극세사, 물 맺힘 방지, 물제거, 스택

Description

연료 전지 스택{Fuel Cell Stack}
본 발명은 연료 전지 스택의 물맺힘 방지 기능이 있는 연료 전지 스택에 관한 것으로, 특히 초극세사 섬유를 사용하여 MEA의 캐소드 전극에 맺히는 물방울을 제거하기 위한 연료 전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 상기 수소는 순수한 수소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 상기 산소는 순수한 산소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.
연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올형 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 동일하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
상기 연료전지 중 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 연료로서 수소 대신에 액상의 고농도 메탄올을 물과 혼합한 후 직접 연료로 사용한다. 직접 메탄올형 연료전지는 수소를 직접 연료로 사용하는 연료전지보다 출력밀도가 낮지만, 연료로 사용하는 메탄올의 체적당 에너지 밀도가 높고 저장이 용이하여 저출력 및 장시간 운전이 요구되는 상황에서 유리한 장점이 있다. 또한 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기 등의 부가적인 장치가 불필요하기 때문에 소형화에 매우 유리하다.
또한, 직접 메탄올형 연료전지는 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 접하는 애노드(anode) 전극과 캐소드(cathode) 전극으로 이루어지는 전극-전해질 합성체(Membrane Electrode Assembly : MEA)를 구비한다. 전해질막으로는 플루오르화 중합체등을 사용하는데, 플루오르화 중합체는 메탄올이 지나치게 빠르게 스며들어, 농도가 높은 메탄올을 연료로 사용하는 경우 반응하지 않은 메탄올이 전해질막을 투과해 버리는 크로스오버(crossover) 현상이 발생된다. 따라서 메탄올의 농도를 낮추기 위하여 메탄올과 물을 혼합한 혼합연료를 연료전지 시스템에 공급하게 된다.
한편, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 물질을 개질하여 생성된 수소를 사용하며 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가진다. 따라서 자동차와 같은 이동용 전원은 물론 주택이나 공공건물과 같은 분산용 전원 및 휴대용 전자기기와 같은 소형이동기기용 전원 등으로 이용할 수 있어 그 응용범위가 넓은 장점이 있다.
한편, 고분자 전해질형 연료전지는 수증기 개질(Steam Reforming : SR), 수성가스 전환(Water Gas Shift : WGS) 등의 촉매 반응을 통해 전기 생성에 필요한 수소가 풍부한 개질가스로 전환할 뿐만 아니라, 이러한 개질가스에 포함되어 연료 전지의 촉매를 피독시키는 일산화탄소를 제거한다. 상기 촉매반응에는 물이 필요하기 때문에, 상기 개질기에 유입되는 연료에는 물을 혼합하여 혼합연료로 공급한다.
도 1은 간략한 구조로 연료 전지 시스템을 도시한다. 도시한 연료 전지 시스템은 연료 탱크의 연료를 직접 스택으로 공급하는 구조를 가지지만, 직접 메탄올 연료 전지의 경우 스택에 수소 대신 메탄올이 공급되는 구조 및 캐소드의 미반응 연료를 회수하기 위한 리사이클 탱크를 더 구비할 수 있으며, PEM 연료 전지의 경우 부탄 등에서 수소 가스를 발생시키기 위한 개질기 및 스택 전해질막에 공급되는 수소가스를 수화시키기 위한 수화부를 더 구비할 수 있다.
도시한 전지 시스템은, 수소 함유 연료를 저장하는 연료 탱크(20); 수소와 산소의 전기화학 반응으로 발전하는 연료 전지 스택(10); 상기 연료 전지 스택(10)의 출력을 외부 부하(90)로 전달하기 위한 전력 변환 장치(40); 2차 전지로 이루어진 배터리(50); 및 연료 탱크(20)에서 스택(10)으로의 펌프(60)를 비롯 한 연료 전지 시스템의 각 구성요소의 동작을 제어하는 구동 제어부(30)를 포함한다.
연료 전지 스택(10)은 통상 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(BP : Bipolar Plate)로 이루어진 단위 연료 전지가 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 여기서, 막-전극 접합체는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.
도 1을 참조하면, 연료 전지 스택(10)의 막-전극 접합체는 고분자 전해질막, 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함한다. 수소 기체 또는 수소를 함유한 연료가 애노드 전극에 공급되면 애노드 전극에서 전기화학적 산화반응이 일어나면서 수소 이온(H+)과 전자 (e-)로 이온화되며 산화된다. 이온화된 수소 이온은 애노드 전극에서 고분자 전해질막을 통해 캐소드 전극으로 이동하고, 전자는 외부 부하(90)를 통해 애노드 전극에서 캐소드 전극으로 이동한다. 캐소드 전극으로 이동한 수소 이온은 외부에서 공급되는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시킨다. 그리고 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생된다.
한편, 상기 연료 전지 스택(10)은 양단 또는 최외곽에 위치하는 집전부(미도시)를 통해 소정 전위차를 갖는 전기 에너지를 외부 부하(90)에 공급한다. 일례로, 외부 부하(90)는 노트북 컴퓨터, PDA(Personal Digital Assistant), PMP(Portable Multimedia Player) 등과 같은 휴대용 전자기기를 포함한다. 그리고 연료 전지 스택(10)은 사용하고 남은 연료와 반응 생성물을 배출한다. 남은 연료는 재활용 수단에 의해 연료로 재활용될 수 있고, 이산화탄소 등의 반응 생성물은 대기중으로 배출된다.
일반적으로 상기 전력 변환 장치(40)는 DC/DC 컨버터이나, 외부 부하가 교류 전원을 사용하는 장치인 경우에는 DC/AC 컨버터로 대체될 수도 있다. 상기 전력 변환 장치(40)는 구현에 따라서는 비단 외부 부하에 대해서만 출력을 수행할 뿐만 아니라 상기 배터리(50) 및/또는 구동 제어부(30)에도 일정한 전압의 충전 전원 또는 구동 전원을 공급할 수 있다.
상기 배터리(50)는 적어도 1회 이상 충방전이 가능한 2차 전지를 적용 가능하지만, 연료 전지 시스템의 원할한 동작을 보장하기 위해서는 충분한 회수의 충방전이 가능한 것으로 적용하는 것이 바람직하다.
상기 연료 전지 스택(10)과 전력 변환 장치(40) 사이의 전력 전달 경로 및 상기 전력 변환 장치(40)와 외부 부하(90) 사이의 전력 전달 경로를 도면에서는 하나의 라인으로 표시하였지만, 실제로는 플러스 라인과 마이너스 라인의 1쌍의 라인으로 구현된다.
그런데, 연료 전지 시스템을 가동하는 중에 상기 연료 전지 스택을 구성하는 막-전극 접합체, 특히 캐소드 전극에 물방울이 맺힐 수 있는데, 상기 막-전극 접합체에 맺힌 물방울은 발전 효율을 저해하는 등의 악영향을 끼친다. 이와 같이 연료 전지 스택의 전극 특히 캐소드 전극에 맺히는 물방울을 제거하기 위하여 다공성 물질을 전극에 덧대는 방식의 연료 전지 스택이 다수 제안된 바 있다.
그러나, 지금까지 제안되었던 기술은, 다공성 물질에 흡수된 물을 제거하는 방법이 미비하거나, 흡수된 물을 제거하기 위하여 상기 다공성 물질에 복잡한 통기구를 형성하게 되어 상기 다공성 물질의 제작비용을 증대시키는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 스택의 전극에 물방울이 맺히는 것을 방지하면서 물을 효과적으로 제거할 수 있는 연료 전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 스택의 유체 흐름을 방해하지 않으면서, 스택에서 생성되는 물을 효과적으로 제거할 수 있는 연료 전지 스택을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 가장 저렴한 비용으로 스택에서 생성되는 물을 효과적으로 제거할 수 있는 연료 전지 스택을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 연료 전지 스택은, 수소 이온을 전달하는 전해질판과, 상기 전해질판의 일면에 형성된 애노드와, 상기 전해질판의 타면에 형성된 캐소드를 포함하는 막-전극 접합체; 일면에 연료 유입을 위한 경로가 형성되며, 타면에 산화제 유입을 위한 유로가 형성되며, 서로 다른 막-전극 접합체의 애노드 및 캐소드 사이에 위치하는 바이폴라 플레이트; 및 상기 바이폴라 플레이트의 일면 또는 양면에 상기 경로의 벽과 동일한 패턴으로 형성되며, 초극세사 섬유 재질로 이루어진 물 제거판를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지 스택은, 수소 이온을 전달하는 전해질판과, 상기 전해질판의 일면에 형성된 애노드와, 상기 전해질판의 타면에 형성된 캐소드를 포함하는 막-전극 접합체; 상기 애노드로의 연료 유입을 위한 경로가 형성된 애노드 집전체; 상기 캐소드로의 산화제 유입을 위한 경로가 형성된 캐소드 집전체; 및 상기 캐소드 집전체 상에 위치하는 초극세사 섬유 재질로 이루어진 물 제거판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 따른 본 발명의 연료 전지 스택을 실시함에 의해, 스택의 전극에 맺히는 물방울 효과적으로 흡수하고, 흡수된 물을 효과적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 스택의 유체 흐름을 방해하지 않으면서, 스택에서 생성되는 물을 효과적으로 제거할 수 있는 효과도 있다.
또한, 본 발명은 가장 저렴한 비용으로 스택에서 생성되는 물을 효과적으로 제거할 수 있는 효과도 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
예컨대, 하기 실시예에서는 다중 연료 전지 셀을 가지는 경우로 구체화하여 설명하였지만, 단일 연료 전지 셀을 가지는 경우에도 본 발명의 사상이 적용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속함은 자명하다.
( 실시예 1)
도 2a 및 2b는 본 발명 일실시예에 따른 적층형 연료 전지 스택을 도시하고 있다.
도 2a를 참조하면, 본 실시예의 연료전지 스택은 전해질막(110)과 그 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 이루어지는 복수의 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembrly, MEA)와, 복수의 막-전극 접합체 사이에 위치하는 바이폴라 플레이트(150)를 구비한다.
비록 도면에서는 2개의 막-전극 접합체만을 표현하였지만, 실제로는 다수개의 막-전극 접합체와 바이폴라 플레이트(150)가 교대로 적층된 구조를 가지며, 양 끝단에 위치하는 막-전극 접합체에는 반쪽 바이폴라 플레이트(150a, 150b)와 엔드 플레이트(116)가 구비된다.
도시한 막-전극 접합체는, 수소 이온을 전달하는 전해질판(110)과, 상기 전해질판의 일면에 형성된 애노드와, 상기 전해질판의 타면에 형성된 캐소드로 이루어지며, 상기 막-전극 접합체의 캐소드 쪽 일면과 상기 바이폴라 플레이트(150) 사이에는 상기 캐소드에 연료를 공급하는 유로의 벽과 동일한 패턴으로 형성되며, 초극세사 섬유 재질로 이루어진 물 제거판(120)이 위치한다. 구현에 따라서는 상기 막-전극 접합체의 캐소드 쪽 일면과 상기 바이폴라 플레이트(150) 사이에도 상기 애노드의 공기 경로의 벽과 동일한 패턴으로 형성되며, 초극세사 섬유 재질로 이루어진 물 제거판을 더 배치할 수도 있다.
도시한 연료전지 스택은 전해질막(110)과 바이폴라 플레이트(150)와의 사이에 위치하는 가스킷(114), 막-전극 접합체와 바이폴라 플레이트의 적층 구조에 소정의 체결압을 제공하기 위한 한 쌍의 엔드 플레이트(116), 및 한 쌍의 엔드 플레이트(116)를 연결하기 위한 체결 수단(117)을 구비한다.
각 구성요소를 구체적으로 설명하면, 막-전극 접합체는 연료와 산화제의 산화 및 환원 반응을 유도하여 전기에너지를 발생시킨다. 애노드 전극은 연료를 산화반응에 의해 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층(112a)과 연료와 이산화탄소의 원활한 이동과 전자의 이동을 위한 확산층(112b)을 구비할 수 있다. 캐소드 전극은 산화제, 예컨대, 공기 중의 산소를 환원반응에 의해 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층(113a)과 공기의 원활한 이동과 생성된 물의 원활한 배출을 위한 확산층(113b)을 구비한다.
그리고 전해질막(110)은 그 두께가 50∼200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층(112a)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층(113a)으로 이동시키는 이온교환 기능을 가진다. 한편, 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 확산층(112b, 113b)은 그 표면에 코팅되며 연료 또는 산화제를 각 촉매층(112a, 113a)으로 원활하게 분배 공급하기 위한 미세기공층(112c, 113c)을 더 구비할 수 있다.
상기 전해질막(110)은 수소이온 전도성이 우수한 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸)(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것도 바람직하다.
상기 촉매층(112a, 113a)은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 확산층(112b, 113b)은 연료, 물, 공기 등의 분산을 균일하게 하는 연료분산 작용과 생산되는 전기를 모아주는 집전 작용, 및 촉매층(112a, 113a)이 유체에 의해 소실되는 것을 막아주는 보호 작용을 한다. 확산층(112b, 113b)은 탄소천(carbon cloth), 탄소종이(carbon paper)와 같은 탄소 기재로 구현될 수 있다.
상기 미세기공층(112c, 113c)은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활 성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함할 수 있다.
가스킷(114), 엔드 플레이트(116) 및 체결 수단(117)은 막-전극 접합체와 세퍼레이터의 적층 구조를 기밀하게 결합하기 위한 수단으로써, 기존의 다양한 재질, 형태 및 구조를 갖는 수단이 이용될 수 있다.
바이폴라 플레이트(150)는 인접한 막-전극 접합체를 전기적으로 직렬 연결시키는 전도체의 기능뿐 아니라 막-전극 접합체의 산화반응과 환원반응에 필요한 연료와 산화제를 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다.
2개의 막-전극 접합체 사이에 위치하는 바이폴라 플레이트(150)는, 일면에 애노드측 플레이트가, 타면에 캐소드측 플레이트가 형성된 일체형 구조를 가지며, 전체 스택의 양단에 위치하는 바이폴라 플레이트(150)는 애노드측 플레이트(150a)와 캐소드측 플레이트(150b) 중 하나만 형성된 구조를 가진다.
연료가 메탄올 수용액인 경우, 전술한 연료전지 스택(110)의 반응을 반응식으로 나타내면 다음과 같다.
애노드: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드: 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
전체 반응: CH3OH + 3/2O2 + H2O → CO2 + 3H2O + 전기 + 열
반응식 1을 참고하면, 바이폴라 플레이트에 형성된 유로(152)를 통해 막-전극 접합체의 애노드 전극으로 메탄올 수용액이 공급되고, 공기 경로(154)를 통해 캐소드 전극으로 공기가 공급되면, 메탄올 수용액은 애노드 전극으로 흐르면서 촉매층에서 전자와 수소 이온 등으로 분해된다. 수소 이온은 전해질막(110)을 통하여 이동하고 캐소드 전극에서 생성된 산소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 합쳐져서 물을 생성한다. 그리고, 애노드와 캐소드에서는 애노드 유출물(미반응 연료, 이산화탄소 등)과 캐소드 유출물(물, 공기 등)이 배출된다. 상기 과정에 의하면, 외부 도선을 통하여 이동하는 전자에 의해 전기가 생성되며, 혼합연료와 산소의 화학적인 반응에 의해 부수적으로 열이 발생하게 된다.
상기와 같이 캐소드에서는 주반응이 물이 생성되는 반응인데, 생성된 물은 수증기 형태를 가져서 연료 전지 외부로 용이하게 빠져나가는 것이 바람직한데, 실제적으로는 많은 양의 물이 캐소드에 응결된다. 캐소드에 응결되는 물은 캐소드 촉매에 악영향을 주고, 캐소드와 공기와의 접촉 면적을 줄임으로써, 발전효율을 떨어뜨리게 된다.
본 실시예의 경우 캐소드에 물이 응결되는 부분 가까이에 초극세사 섬유 재질의 물 제거판(120)이 존재하기 때문에, 상기 응결된 물은 물 제거판(120)을 형성하는 초극세사 섬유에 바로 흡수된다.
상기 물 제거판(120)은 도 2a에 도시한 바와 같이 바이폴라 플레이트의 캐소드 공기 경로(154)의 벽면과 동일한 패턴으로 제작하거나, 도 2b에 도시한 바와 같이 바이폴라 플레이트의 캐소드 공기 경로(154)의 벽면과 동일한 패턴에서 일부에 빈 공간(122')을 두는 패턴으로 제작할 수 있다.
후자의 경우는 상기 빈 공간(122')을 통해 바이폴라 플레이트와 캐소드가 전도적으로 접촉되도록 하기 위한 것이다. 초극세사 섬유 재질의 물 제거판의 탄성력 및 바이폴라 플레이트, 캐소드 확산층의 자체적인 탄성력에 의해, 별 다른 추가 구조 없이도 상기 빈 공간(122')으로 바이폴라 플레이트 및 캐소드 확산층의 일부가 돌출되어 전도적으로 접촉하게 된다.
전자의 경우가 물 흡수 능력이 더 우수하지만, 이 경우는 물 제거판을 전도성 초극세사 섬유 재질로 구현하여야 하므로, 제조 비용면에서 불리하다. 상기 전도성 초극세사 섬유 재질은 모든 섬유 재질을 전도성 초극세사로 제작하거나, 비전도성 초극세사 섬유와 전도성 섬유가 혼합된 형태로 제작할 수 있다.
비록, 상기 도 2a 및 2b에서는 캐소드측에만 물 제거판을 구비하였지만, 구현에 따라서는 애노드와 캐소드 양측에 물 제거판을 구비할 수 있다. 전자의 경우의 캐소드측 물 제거판의 일실시예를 도 3a에, 애노드측 물 제거판의 일실시예를 도 3b에 도시하였고, 후자의 경우의 캐소드측 물 제거판의 일실시예를 도 3c에, 애노드측 물 제거판의 일실시예를 도 3d에 도시하였다.
상기 물 제거판(120, 120')은 열을 발생하는 스택 내에 존재하고, 소정의 패턴으로 상기 바이폴라 플레이트의 캐소드 공기 경로 내 공기 흐름을 방해하고 있지 않으므로, 상기 물 제거판(120, 120')이 그 흡수용량이 다 될 정도로 물을 흡수하였어도, 스택의 열에 의해 기화되어 상기 캐소드 공기 경로(154)를 통해 외부로 용이하게 배출된다.
( 실시예 2)
도 4에 도시한 바와 같은 본 실시예의 연료 전지 스택은, 수소 이온을 전달하는 전해질판(210)과, 상기 전해질판의 일면에 형성된 애노드와, 상기 전해질판의 타면에 형성된 캐소드를 포함하는 막-전극 접합체; 상기 애노드로의 연료 유입을 위한 경로가 형성된 애노드 집전체(232); 상기 캐소드로의 산화제 유입을 위한 경로가 형성된 캐소드 집전체(234); 및 상기 캐소드 집전체(234) 상에 위치하는 초극세사 섬유 재질로 이루어진 물 제거판(220)을 포함한다.
도시한 단층형 다중셀 스택은 5개의 개별적인 단위 셀로 이루어지며, 각 단위 셀을 구성하는 막-전극 접합체는 상기 5개의 단위 셀 영역을 모두 포함하며 일체형으로 제조될 수 있는 액체 또는 고체 상태의 전해질막(210), 및 상기 5개의 단위 셀 영역 별로 구분되어(즉, 전기적으로 차단되어) 상기 전해질막(210) 양면에 위치하는 애노드/캐소드 전극으로 이루어진다. 상기 5개의 애노드 전극은 상기 전해질막(210)의 동일한 일면에 형성되며, 상기 5개의 캐소드 전극은 상기 전해질막(210)의 동일한 타면에 형성된다.
상기 물 제거판(220)도 흡수된 물에 의한 단락을 방지하기 위해 각 단위 셀별로 구분되도록 구현하는 것이 바람직하다.
상기 막-전극 접합체는 전해질막(210) 상에, 애노드 전극에 대응되는 애노드 촉매층 및 캐소드 전극에 대응되는 캐소드 촉매층을 포함한다. 연료 전지에서 수소 기체 또는 수소를 함유한 연료가 애노드 촉매층에 공급되면 전기화학적 산화 반응이 일어나면서 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 이온화되며 산화된다.
이온화된 수소 이온은 애노드 촉매층에서 고분자 전해질막을 통해 캐소드 촉매층으로 이동하고, 전자는 애노드 촉매층에서 외부 부하를 경유하여 캐소드 촉매층으로 이동하게 된다. 캐소드 촉매층으로 이동한 수소 이온은 외부에서 공급되는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시킨다. 그리고 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생된다.
상기 구조의 단층형 다중셀 스택은 고분자 전해질형 연료 전지와 직접 메탄올형 연료 전지에 적용될 수 있다. 직접 메탄올형 연료 전지의 전기화학적 반응을 반응식으로 나타내면 상기 반응식 1과 같다.
일반적인 연료 전지와 마찬가지로, 상기 전해질막은 고분자 전해질막으로서, 나피온(Nafion, DuPont사 제조의 상품명), 프레미온(Flemion, Asahi Glass사 제조의 상품명), 아시프렉스(Asiplex, Asahi Chemical사 제조의 상품명) 및 다우 XUS(Dow XUS, Dow Chemical사 제조의 상품명) 전해질막과 같은 퍼플루오로술포네이트 아이오노머막(perfluorosulfonate ionomer membrane) 등의 불소계 전해질막 또는 탄화수소계 전해질막이 사용될 수 있다.
상기 애노드 집전판(232)의 일면에는 상기 막-전극 접합체(110)의 애노드 전극이 밀착되며, 그 타면에는 상기 애노드측 집전판(232)을 경유하여 상기 애노드 전극으로 연료를 전달하기 위한 유로의 일벽을 형성하는 애노드 프레임(240)이 배치될 수 있다. 패시브 연료 전지 시스템의 경우 상기 애노드 프레임(240)은 다공성 또는 해면질 재질이 체워진 챔버로 구현할 수 있으며, 액티브(또는 세미 패시브) 연료 전지 시스템의 경우에는 연료 탱크로부터 펌프에 의해 스택으로 유입되는 연료를 각 5개의 단위 셀로 분배하기 위한 분류용 챔버로 구현할 수 있다.
상기 캐소드 집전판(234)의 일면에는 상기 막-전극 접합체(110)의 캐소드 전극이 밀착되며, 그 타면에는 본 발명의 사상에 따라 초극세사 섬유 재질의 물 제거판(220)이 밀착되는데, 상기 물 제거판(220)은 단순히 외부 공기가 유입/출 가능한 보호 프레임인 캐소드 프레임(250)에 의해 고정된다.
본 실시예의 상기 물 제거판(220)도, 상기 캐소드 집전판(234)에 형성된 공기 통로의 벽과 동일한 패턴을 가지도록 구현하는 것이 캐소드로의 공기 유통을 저해하지 않는 점에서 바람하며, 각 단위 셀 간의 단락을 방지하기 위해 상기 물 제거판(220)은 절연 재질로 구현하는 것이 바람직하다.
본 실시예의 경우에도 캐소드에 물이 응결되는 부분 가까이에 초극세사 섬유 재질의 물 제거판(220)이 존재하기 때문에, 상기 응결된 물은 물 제거판(120)을 형성하는 초극세사 섬유에 바로 흡수된다.
상기 물 제거판(220)이 그 흡수용량이 다 될 정도로 물을 흡수하였어도, 상기 물 제거판(220)이 외부로 노출되어 있기 때문에 흡수된 물이 스택의 열에 의해 기화되어 공기중으로 용이하게 배출된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 일반적인 연료 전지 시스템의 간략한 구조를 도시한 블록도.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 적층형 연료 전지 스택을 도시한 단면도.
도 3a 및 3b는 도 2a의 연료 전지 스택에 적용되는 물 제거판의 일실시예를 도시한 평면도.
도 3c 및 3d는 도 2b의 연료 전지 스택에 적용되는 물 제거판의 일실시예를 도시한 평면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평판형 연료 전지 스택을 도시한 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
110, 210 : 전해질막
120, 120', 220 : 물 제거판
150 : 바이폴라 플레이트 114 : 가스킷
116 : 엔드 플레이트 117 : 체결 수단
232 : 애노드 집전체 234 : 캐소드 집전체

Claims (7)

  1. 수소 이온을 전달하는 전해질판과,
    상기 전해질판의 일면에 형성된 애노드와,
    상기 전해질판의 타면에 형성된 캐소드를 포함하는 막-전극 접합체;
    일면에 연료 유입을 위한 경로가 형성되며, 타면에 산화제 유입을 위한 유로가 형성되며, 서로 다른 막-전극 접합체의 애노드 및 캐소드 사이에 위치하는 바이폴라 플레이트; 및
    상기 바이폴라 플레이트의 일면 또는 양면에 상기 경로의 벽과 동일한 패턴으로 형성되며, 초극세사 섬유 재질로 이루어진 물 제거판
    를 포함하는 연료 전지 스택.
  2. 제1항에 있어서, 상기 물 제거판은,
    전도성 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  3. 제1항에 있어서, 상기 물 제거판은,
    상기 바이폴라 플레이트와 상기 애노드 또는 캐소드와 전기적 접촉을 허용하기 위한 빈 공간이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  4. 수소 이온을 전달하는 전해질판과,
    상기 전해질판의 일면에 형성된 애노드와,
    상기 전해질판의 타면에 형성된 캐소드를 포함하는 막-전극 접합체;
    상기 애노드로의 연료 유입을 위한 경로가 형성된 애노드 집전체;
    상기 캐소드로의 산화제 유입을 위한 경로가 형성된 캐소드 집전체; 및
    상기 캐소드 집전체 상에 위치하며 초극세사 섬유 재질로 이루어진 물 제거판을 포함하는 연료 전지 스택.
  5. 제4항에 있어서, 상기 물 제거판은,
    상기 캐소드 집전체 경로의 벽과 동일한 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 애노드 집전체 상에 위치하여 상기 연료 유입을 위한 경로의 일벽을 형성하는 애노드 프레임을 더 포함하는 연료 전지 스택.
  7. 제4항에 있어서
    상기 물 제거판 상에 위치하여, 상기 물 제거판을 결합시키기 위한 캐소드 프레임을 더 포함하는 연료 전지 스택.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114232014A (zh) * 2021-12-15 2022-03-25 中国科学院大连化学物理研究所 一种双极板和固体氧化物电解池堆及其应用

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