KR20090099450A - Cell unit for a fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료 전지용 셀 유닛 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell cell unit and a method of manufacturing the same.
최근, 휴대용 전자 기기가 소형화되고, 기능이 다양해짐에 따라, 전자 기기에 전기 에너지를 공급하는 전원의 고효율화와 사용 시간의 증대가 요구되고 있다. 이에, 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 연료 전지(fuel cell)는 기존의 휴대용 전원의 문제점인 효율과 수명을 획기적으로 증가 시킬 수 있는 새로운 대체 방법으로 그 중요성이 증가되고 있다.In recent years, as portable electronic devices have been miniaturized and functions have been diversified, there has been a demand for higher efficiency of power sources for supplying electrical energy to electronic devices and increased use time. Therefore, the fuel cell (fuel cell) that converts chemical energy directly into electrical energy is increasing in importance as a new alternative method that can significantly increase the efficiency and lifespan of the problem of the existing portable power source.
종래 기술에 따르면, 막 전극 접합체(membrane electrode assembly)의 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)에, 별개의 집전체(current collector)가 적층된다.According to the prior art, separate current collectors are stacked on the anode and cathode of the membrane electrode assembly.
그러나, 이와 같은 종래 기술에 따르는 경우, 애노드 및 캐소드와 집전체 간의 접촉 저항이 증가되는 문제가 있으며, 애노드 및 캐소드와, 집전체 간에, 이러한 접촉 저항을 감소시키기 위한 균일한 압력을 가하기 위하여 두꺼운 엔드 플레이트를 사용할 필요가 발생하여 연료 전지 전체의 사이즈가 증가되는 문제가 있었다.However, according to this prior art, there is a problem in that the contact resistance between the anode and the cathode and the current collector is increased, and a thick end is applied between the anode and the cathode and the current collector to apply a uniform pressure to reduce such contact resistance. There is a problem that the need to use the plate increases the size of the entire fuel cell.
본 발명은, 애노드 및 캐소드와, 집전체 간의 접촉 저항이 감소되어 집전 효율이 증가되고, 연료 전지를 소형화시킬 수 있는 연료 전지용 셀 유닛 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a fuel cell cell unit and a method of manufacturing the same that can reduce the contact resistance between the anode and the cathode and the current collector, thereby increasing current collection efficiency and miniaturizing the fuel cell.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전해질 막, 전해질 막의 일면에 형성되는 애노드(anode)와 타면에 형성되는 캐소드(cathode)를 구비하는 전극 유닛(electrode unit), 및 전극 유닛의 기공(pore)에 전도성 물질이 코팅(coating)되어 형성되는 다공성 집전체(porous current collector)를 포함하는 연료 전지용 셀 유닛(cell unit a for fuel cell)이 제공된다.According to an aspect of the present invention, an electrode unit having an electrolyte membrane, an anode formed on one side of the electrolyte membrane, and a cathode formed on the other side thereof, and conductive in the pores of the electrode unit A cell unit for fuel cell is provided that includes a porous current collector formed by coating a material.
이 때, 전극 유닛은 복수개이고, 복수의 전극 유닛을 전기적으로 연결시키는 리드(lead)를 더 포함할 수 있다.In this case, the electrode unit may be plural and further include a lead electrically connecting the plurality of electrode units.
그리고, 리드는, 복수의 전극 유닛을 전기적으로 직렬 연결시킬 수 있다.The lead can electrically connect the plurality of electrode units in series.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전해질 막의 일면에 애노드를 형성하고 타면에 캐소드를 형성하여 전해질 막의 양면에 전극 유닛을 형성하는 단계, 및 전극 유닛의 기공에 전도성 물질을 코팅하여 다공성 집전체를 형성하는 단계를 포함하는 연료 전지용 셀 유닛 제조 방법이 제공된다.In addition, according to another aspect of the present invention, forming an anode on one side of the electrolyte membrane and a cathode on the other side to form an electrode unit on both sides of the electrolyte membrane, and coating a conductive material on the pores of the electrode unit to form a porous current collector Provided is a method of manufacturing a cell unit for a fuel cell, which includes forming the fuel cell.
이 때, 다공성 집전체를 형성하는 단계는, 잉크젯 방식으로 전극 유닛에 전도성 물질을 도포하는 단계, 및 전도성 물질을 건조 및 소결하는 단계를 포함할 수 있다.In this case, the forming of the porous current collector may include applying a conductive material to the electrode unit in an inkjet manner, and drying and sintering the conductive material.
또한, 전극 유닛은 복수개이고, 전해질 막을 제공하는 단계 이후에, 복수의 전극 유닛을 전기적으로 연결하는 리드를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the electrode unit may be a plurality, and after the providing of the electrolyte membrane, may further include forming a lead for electrically connecting the plurality of electrode units.
한편, 리드를 형성하는 단계는, 잉크젯 방식으로 전해질 막에 전도성 물질을 도포하는 단계, 및 전도성 물질을 건조 및 소결하는 단계를 포함할 수 있다.Meanwhile, the forming of the lead may include applying a conductive material to the electrolyte film by an inkjet method, and drying and sintering the conductive material.
이 때, 다공성 집전체를 형성하는 단계와 리드를 형성하는 단계는 동시에 수행될 수 있다.In this case, the forming of the porous current collector and the forming of the lead may be simultaneously performed.
본 발명의 실시예에 따르면, 애노드 및 캐소드와, 집전체 사이에 작용하는 접촉 저항이 감소되어 집전 효율이 증가되고, 성능 감소 없이 엔드 플레이트의 두께를 감소시킬 수 있어, 연료 전지의 사이즈를 감소시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the contact resistance acting between the anode and the cathode and the current collector is reduced, so that the current collecting efficiency can be increased, and the thickness of the end plate can be reduced without reducing the performance, thereby reducing the size of the fuel cell. Can be.
본 발명에 따른 연료 전지용 셀 유닛 및 그 제조 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Embodiments of a cell unit for a fuel cell and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the accompanying drawings, the same or corresponding components are given the same reference numerals, and Duplicate explanations will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지용 셀 유닛의 일 실시예를 나타낸 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지용 셀 유닛의 일 실시 예를 나타낸 측면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 연료 전지용 셀 유닛(cell unit for a fuel cell, 100), 전해질 막(110), 전극 유닛(electrode unit, 120), 애노드(anode, 122), 캐소드(cathode, 124), 다공성 집전체(porous current collector, 130), 리드(lead, 140) 가 도시되어 있다.1 is a plan view showing an embodiment of a fuel cell cell unit according to an aspect of the present invention, Figure 2 is a side view showing an embodiment of a fuel cell cell unit according to an aspect of the present invention. 1 and 2, a cell unit for a
본 실시예에 따르면, 애노드(122) 및 캐소드(124)로 이루어지는 전극 유닛(120)의 기공에 전도성 물질을 코팅하여 미세한 기공을 갖는 다공성 집전체(130)를 형성함으로써, 전극 유닛(120)과 다공성 집전체(130) 간의 접촉 저항을 감소시켜, 동일한 면적에서 전극 유닛(120)으로부터 전자를 모으는 집전 효율이 보다 향상될 수 있는 연료 전지용 셀 유닛(100)이 제시된다.According to the present exemplary embodiment, the conductive material is coated on the pores of the
또한, 집전 효율이 증가됨에 따라, 연료 전지에 사용되는 엔드 플레이트의 두께를 감소시킬 수 있어, 연료 전지를 소형화할 수 있는 연료 전지용 셀 유닛(100)이 제시된다.In addition, as the current collection efficiency is increased, the thickness of the end plate used for the fuel cell can be reduced, and the fuel
또한, 전해질 막(110)에 형성되는 리드(140)를 이용하여 복수의 전극 유닛(120)을 전기적으로 직렬 연결함에 따라, 전극 유닛(120)의 전기적 연결을 위하여 별도의 연성 기판(flexible substrate) 등을 사용할 필요가 없으므로, 간단한 구조로 형성되어 보다 높은 전압이 요구되는 전자 기기에 이용될 수 있는 연료 전지용 셀 유닛(100)이 제시된다.In addition, as the plurality of
전해질 막(110)은, 애노드(122)와 캐소드(124) 사이에 개재되어 애노드(122)의 산화 반응에 의하여 발생되는 수소 이온을 캐소드(124)로 이동시킬 수 있으며, 고분자 물질이 이용될 수 있다.The
전극 유닛(120)은, 애노드(122)와 캐소드(124)로 이루어질 수 있으며, 전해질 막(110)의 표면에 복수개로 형성될 수 있다. 즉, 애노드(122)는, 전해질 막(110)의 일면에 형성되며 수소와 같은 연료를 공급 받아 애노드(122)의 촉매층에서 산화 반응을 일으켜 수소 이온과 전자를 발생시킬 수 있고, 캐소드(124)는, 전해질 막(110)의 타면에 형성되며, 산소, 애노드(122)에서 발생된 전자 및 애노드(122)로부터 전해질 막(110)을 통해 전달된 수소 이온을 공급 받아, 캐소드(124)의 촉매층에서 환원 반응을 일으켜 물 분자를 발생시킬 수 있다.The
이와 같은 산화, 환원 반응을 통하여 화학 에너지에서 직접적으로 전기 에너지를 얻을 수 있으며, 애노드(122) 및 캐소드(124)에서의 화학 반응은 다음의 화학식 1과 같다.Through such oxidation and reduction reactions, electrical energy can be directly obtained from chemical energy, and chemical reactions at the
캐소드(124): O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2OA cathode (124): O 2 + 4H + + 4e - -> 2H 2 O
전반응: 2H2 + O2 -> 2H2OPrereaction: 2H 2 + O 2- > 2H 2 O
한편, 전극 유닛(120)은 전해질 막(110)의 양면에 복수로 형성될 수 있으므로, 이를 전기적으로 직렬 연결하는 경우, 바이폴라 스택(bipolar stack) 구조와 같이 전체 두께를 증가시킬 필요 없이 높은 전압을 얻을 수 있다.On the other hand, since the
이 때, 전극 유닛(120)의 전기적 직렬 연결을 위하여 후술할 리드(140)를 이 용할 수 있으며, 이에 대하여는 리드(140)를 제시하는 부분에서 자세히 설명하도록 한다.In this case, the
다공성 집전체(130)는, 전극 유닛(120)과 전기적으로 연결되도록 전극 유닛(120), 즉, 애노드(122)와 캐소드(124)의 가스 확산층에 형성된 기공 표면에 전도성 물질이 코팅되어 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 애노드(122)의 촉매층에서 일어나는 산화 반응에 의하여 전자가 발생될 수 있으며, 이 전자는 애노드(122)의 가스 확산층을 지나 다공성 집전체(130)에 모일 수 있고, 리드(140)를 통해 캐소드(124) 측의 다공성 집전체(130)로 이동하고, 캐소드(124)의 가스 확산층을 지나 환원 반응을 일으킨다.The porous
이 때, 다공성 집전체(130)가 전극 유닛(120)의 기공에 직접 형성됨으로써, 전극 유닛(120)과 다공성 집전체(130) 간의 접촉 저항이 감소된다. 이에 따라, 다공성 집전체(130)는 동일한 면적에서 전극 유닛(120)으로부터 전자를 모으는 집전 효율이 보다 향상될 수 있다.At this time, since the porous
또한, 이와 같이 다공성 집전체(130)를 이용하여 집전 효율이 증가됨에 따라, 연료 전지에 요구되는 엔드 플레이트의 두께를 감소시킬 수 있어, 연료 전지의 부피를 소형화할 수 있다.In addition, as the current collector efficiency is increased by using the porous
다공성 집전체(130)는 잉크젯 방식을 이용하여 전극 유닛(120)에 전도성 물질을 도포하고, 이 전도성 물질을 건조, 소결함으로써 형성될 수 있으며, 여기서, 전도성 물질은 금을 포함하는 물질을 이용할 수 있고, 예를 들어, 100나노미터 이하인 나노 입자(nanoparticle)를 이용할 수 있다. 이 때, 전도성 물질로는 전도성 카본 블랙 등도 사용될 수 있다.The porous
즉, 전극 유닛(120)에, 예를 들어, 100나노미터 이하인 금 입자 등의 전도성 물질을 얇게 도포하여, 전극 유닛(120)의 기공에 전도성 물질을 코팅하고, 이를, 예를 들어, 섭씨 100도 내지 1000도로 건조 및 소결하면, 결과적으로 전극 유닛(120)의 기공과 상응하는 미세한 기공을 갖는 다공성 집전체(130)가 형성될 수 있다.That is, a conductive material such as gold particles, for example, 100 nanometers or less, is thinly applied to the
이와 같이, 잉크젯 방식을 이용하여 다공성 집전체(130)를 전극 유닛(120)에 직접 형성함에 따라, 다공성 집전체(130)가 전극 유닛(120)에 밀착되므로, 애노드(122) 및 캐소드(124)와, 집전체 사이에 작용하는 접촉 저항이 감소될 수 있고, 이에 따라, 집전 효율이 증가될 수 있다.As such, as the porous
이 때, 다공성 집전체(130)의 전기 전도성과 전극 유닛(120)의 유체 흐름성 사이의 균형을 유지하도록, 코팅되는 전도성 물질의 양이 조절되어야 한다. 즉, 다공성 집전체(130)를 형성하기 위해 전극 유닛(120)에 코팅되는 전도성 물질의 양이 증가할수록, 다공성 집전체(130)의 전기 전도성이 증가하여 더욱 효과적으로 전자를 모을 수 있는 반면, 전극 유닛(120)의 기공이 좁아져 연료 또는 산소 등의 유체의 흐름을 방해하게 되므로, 이들 전기 전도성과 유체 흐름성이 최적화되도록, 전극 유닛(120)의 기공에 코팅되는 전도성 물질의 양을 조절할 필요가 있는 것이다.At this time, the amount of the conductive material to be coated should be controlled to maintain a balance between the electrical conductivity of the porous
또한, 전도성 물질이 전극 유닛(120)에 침투하여 촉매층 또는 전해질 막(110)이 손상되는 것을 방지하기 위하여, 전도성 물질과 전극 유닛(120) 간의 친수성-친유성 밸런스(HLB, hydrophile-lipophile balance)이 조절되어야 한다. 이 는, 전극 유닛(120)에 대하여 전도성 물질이 원하는 젖음성(wetting property)을 가지도록, 전도성 물질로 이루어진 잉크를 변화시키거나, 전극 유닛(120)에 표면 처리 등을 가함으로써 가능하다.In addition, in order to prevent the conductive material from penetrating the
리드(140)는, 전해질 막(110)에 다공성 집전체(130)와 연결되도록 형성되어 복수의 전극 유닛(120)을 전기적으로 연결시킬 수 있다. 리드(140)를 이용하여 동일 평면 상에 배치되는 복수의 전극 유닛(120)을 전기적으로 연결시킴으로써, 전극 유닛(120)의 전기적 연결을 위하여 별도의 연성 기판(flexible substrate) 등을 사용할 필요가 없어 전체 두께를 줄일 수 있으므로, 바이폴라 스택(bipolar stack) 구조로 연료 전지를 구성하는 것보다 연료 전지를 소형화할 수 있다.The
이 경우, 리드(140)는 전해질 막(110) 이외에도 전해질 막(110) 상에 형성되는 별도의 보호층에도 형성될 수 있으며, 공급되는 연료 및 산소가 새는 것을 방지하기 위해 애노드(122) 및 캐소드(124)를 둘러싸며 전해질 막(110) 상에 적층되는 개스킷(gasket) 등이 보호층으로 이용될 수 있다.In this case, the
또한, 리드(140)는, 복수의 전극 유닛(120)이 전기적으로 직렬 연결되도록, 서로 다른 전극 유닛(120)의 애노드(122)와 캐소드(124)를 전기적으로 연결시킬 수 있다. 즉, 전해질 막(110)의 양면에 전극 유닛(120)이 격자 구조 등으로 배치될 수 있고, 어느 한 전극 유닛(120)의 애노드(122)와 이와 다른 전극 유닛(120)의 캐소드(124)를 리드(140)를 통하여 연결함으로써, 복수의 전극 유닛(120)이 전기적으로 직렬을 이룰 수 있는 것이다.In addition, the
리드(140)를 이용하여 복수의 전극 유닛(120)을 전기적으로 직렬 연결함에 따라, 발생되는 전기 에너지의 전압을 높일 수 있으므로, 보다 높은 전압이 요구되는 전자 기기에 이용될 수 있으며, 이 경우, 전압을 높임에 따른 두께 변화가 없으므로, 두께의 제약 없이 전압을 조절할 수 있다.As the plurality of
리드(140)는, 다공성 집전체(130)와 마찬가지로 잉크젯 방식을 이용하여 형성할 수 있으며, 전도성 물질을 전해질 막(110) 또는 전해질 막(110) 상에 형성되는 개스킷 등의 보호층에 잉크젯 방식으로 도포하고, 이 전도성 물질을 건조, 소결함으로써 형성될 수 있다.Like the porous
이 때, 리드(140)는 다공성 집전체(130)를 잉크젯 방식으로 형성할 때 동시에 형성할 수도 있으며, 따라서, 리드(140)를 형성하기 위한 전도성 물질 역시 다공성 집전체(130)와 마찬가지로, 예를 들어, 100나노미터 이하인 금 입자를 이용할 수 있고, 예를 들어, 섭씨 100도 내지 1000도로 조건에서 건조 및 소결을 할 수 있다. 이 때, 전도성 물질로는 전도성 카본 블랙 등도 사용될 수 있다.In this case, the
잉크젯 방식을 이용하여 리드(140)를 형성함에 따라, 보다 정밀하게 연료 전지용 셀 유닛(100)을 제조할 수 있고, 리드(140)를 다공성 집전체(130)와 동시에 형성함에 따라, 제조 공정을 단순화할 수 있고, 제조비를 낮출 수 있다.By forming the
다음으로, 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지용 셀 유닛 제조 방법의 일 실시예에 대하여 설명하도록 한다.Next, an embodiment of a fuel cell cell unit manufacturing method according to another aspect of the present invention will be described.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지용 셀 유닛 제조 방법의 일 실시예를 나타낸 순서도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전 지용 셀 유닛 제조 방법 일 실시예의 각 공정을 나타낸 평면도이며, 도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지용 셀 유닛 제조 방법 일 실시예의 각 공정을 나타낸 측면도이다.Figure 3 is a flow chart showing an embodiment of a fuel cell cell unit manufacturing method according to another aspect of the present invention, Figures 4 to 6 are each process of the fuel cell cell unit manufacturing method according to another aspect of the present invention 7 to 9 are side views illustrating each step of a method for manufacturing a fuel cell cell unit according to another aspect of the present invention.
도 3 내지 도 9를 참조하면, 연료 전지용 셀 유닛(200), 전해질 막(210), 전극 유닛(220), 애노드(222), 캐소드(224), 다공성 집전체(230), 리드(240)가 도시되어 있다.3 to 9, the fuel
본 실시예에 따르면, 애노드(222) 및 캐소드(224)로 이루어지는 전극 유닛(220)의 기공에 전도성 물질을 코팅하여 미세한 기공을 갖는 다공성 집전체(230)를 형성함으로써, 전극 유닛(220)과 다공성 집전체(230) 간의 접촉 저항을 감소시켜, 이에 따라, 동일한 면적에서 전극 유닛(220)으로부터 전자를 모으는 집전 효율을 보다 향상시킬 수 있는 연료 전지용 셀 유닛(200)을 제조하는 방법이 제시된다.According to the present exemplary embodiment, the conductive material is coated on the pores of the
또한, 잉크젯 방식을 이용하여 다공성 집전체(230)를 전극 유닛(220)에 직접 형성함에 따라, 다공성 집전체(230)가 전극 유닛(220)에 밀착되므로, 애노드(222) 및 캐소드(224)와, 집전체 사이에 작용하는 접촉 저항이 감소될 수 있고, 이에 따라, 집전 효율을 증가시킬 수 있는 연료 전지용 셀 유닛(200) 제조 방법이 제시된다.In addition, as the porous
또한, 전해질 막(210)에 복수의 전극 유닛(220)을 전기적으로 직렬 연결하는 리드(240)를 형성함에 따라, 전극 유닛(220)의 전기적 연결을 위하여 별도의 연성 기판(flexible substrate) 등을 사용할 필요가 없으므로, 간단한 구조로 형성되어 보다 높은 전압이 요구되는 전자 기기에 이용될 수 있는 연료 전지용 셀 유 닛(200)을 제조하는 방법이 제시된다.In addition, as the
또한, 잉크젯 방식을 이용하여 리드(240)를 형성하고, 이를 다공성 집전체(230)를 형성하는 공정과 동시에 수행함에 따라, 보다 정밀하고 저렴하게 연료 전지용 셀 유닛(200)을 제조하는 방법이 제시된다.In addition, by forming the
먼저, 도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이, 전해질 막(210)의 일면에 애노드(222)를 형성하고 타면에 캐소드(224)를 형성하여 전해질 막의 양면에 전극 유닛(220)을 형성한다(S110).First, as shown in FIGS. 4 and 7, the
여기서, 전해질 막(210)은, 애노드(222)와 캐소드(224) 사이에 개재되어 애노드(222)의 산화 반응에 의하여 발생되는 수소 이온을 캐소드(224)로 이동시킬 수 있으며, 고분자 물질이 이용될 수 있다.Here, the
전극 유닛(220)은, 애노드(222)와 캐소드(224)로 이루어질 수 있고, 전해질 막(210)의 표면에 복수개로 형성될 수 있다. 즉, 애노드(222)는, 전해질 막(210)의 일면에 형성되며 수소와 같은 연료를 공급 받아 애노드(222)의 촉매층에서 산화 반응을 일으켜 수소 이온과 전자를 발생시킬 수 있고, 캐소드(224)는, 전해질 막(210)의 타면에 형성되며 이러한 수소 이온, 산소 및 애노드(222)에서 발생된 전자를 공급 받아 캐소드(224)의 촉매층에서 환원 반응을 일으켜 물 분자를 발생시킬 수 있다.The
이와 같은 산화, 환원 반응을 통하여 화학 에너지에서 직접적으로 전기 에너지를 얻을 수 있으며, 애노드(222) 및 캐소드(224)에서의 화학 반응은, 본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지용 셀 유닛(200)의 일 실시예에서 제시한 화학식 1과 같 다.Through such oxidation and reduction reactions, electrical energy may be directly obtained from chemical energy, and chemical reactions at the
한편, 전극 유닛(220)은 전해질 막(210)의 양면에 복수로 형성될 수 있으므로, 이를 전기적으로 직렬 연결하는 경우, 바이폴라 스택(bipolar stack) 구조와 같이 전체 두께를 증가시킬 필요 없이 보다 높은 전압을 얻을 수 있으며, 이 때, 전극 유닛(220)의 전기적 직렬 연결을 위하여 후술할 리드(240)를 이용할 수 있고, 이에 대하여는 리드(240)를 형성하는 공정을 제시하는 부분에서 다시 설명하도록 한다.On the other hand, since the
다음으로, 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이, 전극 유닛(220)의 기공에 전도성 물질을 코팅하여 다공성 집전체(230)를 형성한다(S120). 전술한 바와 같이, 애노드(222)의 촉매층에서 일어나는 산화 반응에 의하여 전자가 발생될 수 있으며, 이 전자는 애노드(222)의 가스 확산층을 지나 다공성 집전체(230)에 모일 수 있고, 리드(240)를 통해 캐소드(224) 측의 다공성 집전체(230) 및 캐소드(224)의 가스 확산층을 지나 캐소드(224)의 촉매층에서 환원 반응을 일으킬 수 있다.Next, as shown in FIGS. 5 and 8, the porous
이와 같이, 애노드(222) 및 캐소드(224)의 가스 확산층에 형성되는 기공 표면에 전자를 모으기 위한 다공성 집전체(230)를 형성하는 것으로, 이러한 다공성 집전체(230)를 형성하는 공정은 다음과 같이 나누어 설명할 수 있다.As such, by forming the porous
먼저, 잉크젯 방식으로 전극 유닛(220)에 전도성 물질을 도포한다(S122). 잉크젯 방식으로 전도성 물질을 얇게 도포하여, 전극 유닛(220)의 다공성 표면에 전도성 물질을 코팅하는 공정으로, 전도성 물질은 금을 포함하는 물질을 이용할 수 있고, 예를 들어, 100나노미터 이하인 나노 입자를 이용할 수 있다. 이 경우, 전도 성 카본 블랙 등도 전도성 물질로 이용될 수 있다.First, a conductive material is coated on the
이 때, 전술한 실시예에서 설명한 바와 같이, 다공성 집전체(230)의 전기 전도성과 전극 유닛(220)의 유체 흐름성 사이의 균형을 유지하도록, 코팅되는 전도성 물질의 양이 조절되어야 하고, 전도성 물질이 전극 유닛(220)에 침투하여 촉매층 또는 전해질 막(210)이 손상되는 것을 방지하기 위하여, 전도성 물질과 전극 유닛(220) 간의 친수성-친유성 밸런스(HLB, hydrophile-lipophile balance)가 조절되어야 한다.At this time, as described in the above-described embodiment, the amount of the conductive material to be coated should be controlled so as to maintain a balance between the electrical conductivity of the porous
이후, 전도성 물질을 건조 및 소결한다(S124). 예를 들어, 섭씨 100도 내지 1000도에서 전도성 물질을 건조 및 소결할 수 있으며, 이에 따라, 전극 유닛(220)의 기공에 밀착되어, 전극 유닛(220)의 기공과 상응하는 미세한 기공을 갖는 다공성 집전체(230)가 형성될 수 있다.Thereafter, the conductive material is dried and sintered (S124). For example, the conductive material may be dried and sintered at 100 degrees Celsius to 1000 degrees Celsius, and thus may be in close contact with the pores of the
이와 같이, 잉크젯 방식을 이용하여 다공성 집전체(230)를 전극 유닛(220)에 직접 형성함에 따라, 다공성 집전체(230)가 전극 유닛(220)에 밀착되므로, 애노드(222) 및 캐소드(224)와, 집전체 사이에 작용하는 접촉 저항이 감소될 수 있고, 이에 따라, 집전 효율이 증가될 수 있다.As such, as the porous
즉, 다공성 집전체(230)가 전극 유닛(220)의 기공에 직접 형성됨으로써, 전극 유닛(220)과 다공성 집전체(230) 간의 전기적 접촉 저항이 감소된다. 이에 따라, 동일한 면적에서 전극 유닛(220)으로부터 전자를 모으는 집전 효율을 보다 향상시킬 수 있다.That is, since the porous
또한, 이와 같이, 다공성 집전체(230)를 이용하여 전기적 접촉 저항을 감소 시킴에 따라, 연료 전지의 성능 감소 없이 연료 전지에서 사용되는 엔드 플레이트의 두께를 감소시킬 수 있어, 연료 전지를 소형화할 수 있다.In addition, as the electrical contact resistance is reduced by using the porous
한편, 본 실시예의 경우, 전해질 막(210)에 전극 유닛(220)을 형성하는 공정(S110)을 수행한 이후, 전극 유닛(220)에 다공성 집전체(230)를 형성하는 공정(S120)을 수행하는 경우를 일 예로서 제시하였으나, 이외에도, 전극 유닛(220)에 다공성 집전체(230)를 형성하는 공정(S120)을 수행한 이후에, 이렇게 다공성 집전체(230)가 형성된 전극 유닛(220)을 전해질 막(210)에 형성하는 공정(S110)을 수행할 수도 있으며, 이 역시, 본 발명의 권리 범위에 포함됨은 물론이다. 이와 같은 변형예의 경우, 공정의 순서만 바뀌었을 뿐 공정의 세부 사항은 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.Meanwhile, in the present exemplary embodiment, after performing the step S110 of forming the
다음으로, 도 6 및 도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 전극 유닛(220)을 전기적으로 연결하는 리드(240)를 형성한다(S130). 리드(240)는, 전해질 막(210)에 다공성 집전체(230)와 연결되도록 형성되어 복수의 전극 유닛(220)을 전기적으로 연결시킬 수 있고, 리드(240)를 형성하는 공정은 다공성 집전체(230)와 마찬가지로 잉크젯 방식을 이용하여 형성할 수 있으며, 다음과 같이 나누어 설명할 수 있다. Next, as shown in FIGS. 6 and 9, the
먼저, 잉크젯 방식으로 전해질 막(210)에 전도성 물질 도포한다(S132). 즉, 전도성 물질을 전해질 막(210)에 잉크젯 방식으로 도포할 수 있으며, 이 경우, 전도성 물질은 전해질 막(210) 이외에도 전해질 막(210) 상에 형성되는 별도의 보호층에도 도포할 수 있으며, 공급되는 연료 및 산소가 새는 것을 방지하기 위해 애노드(222) 및 캐소드(224)를 둘러싸며 전해질 막(210) 상에 적층되는 개스킷 등이 보 호층으로 이용될 수 있다.First, a conductive material is applied to the
이후, 전도성 물질을 건조 및 소결한다(S134). 전도성 물질을 건조하고 소결하여 다공성 집전체(230)와 연결되도록 형성되는 리드(240)가 형성될 수 있다.Thereafter, the conductive material is dried and sintered (S134). A lead 240 may be formed to dry and sinter the conductive material to be connected to the porous
이 때, 리드(240)는 다공성 집전체(230)를 잉크젯 방식으로 형성할 때 동시에 형성할 수도 있으며, 따라서, 리드(240)를 형성하기 위한 전도성 물질 역시 다공성 집전체(230)와 마찬가지로, 예를 들어, 100나노미터 이하인 금 입자를 이용할 수 있고, 예를 들어, 섭씨 100도 내지 1000도로 조건에서 건조 및 소결을 할 수 있다. 이 때, 전도성 카본 블랙 등도 전도성 물질로 이용될 수 있다.At this time, the
이와 같이, 잉크젯 방식을 이용하여 리드(240)를 형성함에 따라 보다 정밀하게 연료 전지용 셀 유닛(200)을 제조할 수 있으며, 리드(240)를 다공성 집전체(230)와 동시에 형성함에 따라, 제조 공정을 단순화하여 제조비를 절감할 수 있다.As such, as the
전술한 바와 같이, 리드(240)는, 복수의 전극 유닛(220)이 전기적으로 직렬 연결되도록, 서로 다른 전극 유닛(220)의 애노드(222)와 캐소드(224)를 전기적으로 연결시킬 수 있다. 즉, 전해질 막(210)의 양면에 전극 유닛(220)이 격자 구조 등으로 배치될 수 있고, 어느 한 전극 유닛(220)의 애노드(222)와 이와 다른 전극 유닛(220)의 캐소드(224)를 리드(240)를 통하여 연결함으로써, 복수의 전극 유닛(220)이 전기적으로 직렬을 이룰 수 있는 것이다.As described above, the
리드(240)를 이용하여 동일 평면 상에 배치되는 복수의 전극 유닛(220)을 전기적으로 연결시킴으로써, 전극 유닛(220)의 전기적 연결을 위하여 별도의 연성 기 판(flexible substrate) 등을 사용할 필요가 없어, 전체 두께를 줄일 수 있으므로 바이폴라 스택(bipolar stack) 구조로 연료 전지를 구성하는 것보다 연료 전지를 소형화할 수 있다.By electrically connecting the plurality of
또한, 리드(240)를 이용하여 복수의 전극 유닛(220)을 전기적으로 직렬 연결함에 따라, 발생되는 전기 에너지의 전압을 높일 수 있으므로, 보다 높은 전압이 요구되는 전자 기기에 이용될 수 있고, 전압을 높임에 따른 두께의 변화가 없으므로, 두께의 제약 없이 전압을 조절할 수 있다.In addition, as the plurality of
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.Many embodiments other than the above-described embodiments are within the scope of the claims of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지용 셀 유닛의 일 실시예를 나타낸 평면도.1 is a plan view showing an embodiment of a fuel cell unit according to an aspect of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지용 셀 유닛의 일 실시예를 나타낸 측면도.Figure 2 is a side view showing an embodiment of a fuel cell cell unit according to an aspect of the present invention.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지용 셀 유닛 제조 방법의 일 실시예를 나타낸 순서도.Figure 3 is a flow chart showing an embodiment of a fuel cell cell unit manufacturing method according to another aspect of the present invention.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지용 셀 유닛 제조 방법 일 실시예의 각 공정을 나타낸 평면도.4 to 6 is a plan view showing each step of the fuel cell cell unit manufacturing method one embodiment according to another aspect of the present invention.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지용 셀 유닛 제조 방법 일 실시예의 각 공정을 나타낸 측면도.7 to 9 are side views showing each step of an embodiment of a method for manufacturing a fuel cell cell unit according to another aspect of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100: 연료 전지용 셀 유닛 110: 전해질 막100:
120: 전극 유닛 122: 애노드(anode)120: electrode unit 122: anode
124: 캐소드(cathode) 130: 다공성 집전체124: cathode 130: porous current collector
140: 리드(lead)140: lead
Claims (8)
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