KR20110104862A - 연료 전지 스택 - Google Patents

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김희탁
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김태윤
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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 전해질 막, 상기 전해질 막의 제1 면 상에 위치하는 애노드 전극 및 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대측의 제2 면에 위치하는 캐소드 전극을 포함하는 복수의 막-전극 접합체, 및 상기 막-전극 접합체 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함한다. 이 때, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극은 각각 서로 다른 면적 밀도를 갖는 제1 영역 및 제2 영역으로 구분되는 가스 확산층을 포함한다.

Description

연료 전지 스택 {FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료 전지 시스템의 연료 전지 스택에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 연료(탄화수소계 연료, 수소, 또는 수소 리치 가스)와 산화제(공기 또는 산소)의 전기 화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택에 연료를 공급하는 연료 공급부와, 연료 전지 스택에 산화제를 공급하는 산화제 공급부를 포함한다. 연료 전지 스택은 복수의 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체들 사이에 위치하는 세퍼레이터('바이폴라 플레이트'라고도 함)를 포함한다.
막-전극 접합체는 전해질막과, 전해질막의 일측에 위치하는 애노드 전극과, 전해질막의 타측에 위치하는 캐소드 전극을 포함한다. 세퍼레이터는 애노드 전극을 향한 일면에 연료 채널을 형성하여 애노드 전극에 연료를 공급하고, 캐소드 전극을 향한 일면에 산화제 채널을 형성하여 캐소드 전극에 산화제를 공급한다. 그러면 애노드 전극의 수소 산화 반응과 캐소드 전극의 산소 환원 반응에 의해 전기 에너지가 발생하며, 열과 수분이 부수적으로 발생한다.
연료 전지 스택 작용 시 부수적으로 발생하는 물은 막-전극 접합체의 전 영역에 걸쳐 고르게 발생하지 않고 특정 부위에 집중적으로 발생하며, 전류 밀도가 높을수록 보다 많은 양의 물이 발생한다. 막-전극 접합체 중 물이 많이 발생하는 영역에서는 산화제의 확산이 저하되고, 물이 부족한 영역에서는 막-전극 접합체가 열화되거나 전기 화학적 반응이 일어나지 않게 된다. 그 결과, 막-전극 접합체 전체에서 고른 반응을 유도할 수 없으므로 연료 전지 스택의 성능이 저하된다.
본 발명은 막-전극 접합체 내부에 수분이 고르게 분포하도록 하여 막-전극 접합체 전체에서 고른 전기 화학적 반응을 유도하며, 그 결과 전기 에너지 생성 효율을 높일 수 있는 연료 전지 스택을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 전해질 막, 상기 전해질 막의 제1 면 상에 위치하는 애노드 전극 및 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대측의 제2 면에 위치하는 캐소드 전극을 포함하는 복수의 막-전극 접합체, 및 상기 막-전극 접합체 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함한다. 이 때, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극은 각각 서로 다른 면적 밀도를 갖는 제1 영역 및 제2 영역으로 구분되는 가스 확산층을 포함한다.
상기 가스 확산층은 지지층 및 다공층을 포함할 수 있다.
상기 지지층은 다공성 박막 재료를 포함할 수 있다.
상기 지지층은 탄소 종이, 탄소 천, 탄소 펠트(felt), 다공성 금속판 또는 다공성 금속 매트를 포함할 수 있다.
상기 지지층은 적층된 적어도 두 개의 다공성 박판을 포함할 수 있다.
상기 다공층은 탄소 분말, 탄소 나노막대, 탄소 나노와이어, 탄소 나노튜브, 전도성 금속, 무기물 또는 세라믹 분말을 포함할 수 있다.
상기 제1 영역에서의 상기 지지층은 50g/m2 내지 300g/m2의 면적 밀도를 가질 수 있고, 상기 제2 영역에서의 상기 지지층은 10g/m2 내지 50g/m2의 면적 밀도를 가질 수 있다.
상기 제1 영역에서의 상기 다공층은 30g/m2 내지 100g/m2의 면적 밀도를 가질 수 있고, 상기 제2 영역에서의 상기 다공층은 70g/m2 이하의 면적 밀도를 가질 수 있다.
상기 가스 확산층은 소수성 물질 또는 친수성 물질로 표면 처리될 수 있다.
상기 가스 확산층은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 또는 술포네이티드 테트라플루오로에틸렌(sulfonated tetrafluoroethylene)으로 표면 처리될 수 있다.
상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 크기가 상이할 수 있다.
상기 세퍼레이터에는 산화제 입구 매니폴드 및 산화제 출구 매니폴드가 형성될 수 있고, 상기 산화제 입구 매니폴드에 인접한 상기 제1 영역의 면적 밀도는 상기 제2 영역의 면적 밀도보다 높을 수 있다.
상기 세퍼레이터에는 연료 입구 매니폴드 및 연료 출구 매니폴드가 형성될 수 있고, 상기 연료 입구 매니폴드에 인접한 상기 제1 영역의 면적 밀도는 상기 제2 영역의 면적 밀도보다 높을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 전해질 막, 상기 전해질 막의 제1 면 상에 위치하는 애노드 전극 및 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대측의 제2 면에 위치하는 캐소드 전극을 포함하는 복수의 막-전극 접합체, 및 상기 막-전극 접합체 사이에 개재된 세퍼레이터를 포함한다. 이 때, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극은 각각 면적 밀도가 점진적으로 변하는 가스 확산층을 포함한다.
상기 세퍼레이터에는 산화제 입구 매니폴드 및 산화제 출구 매니폴드가 형성될 수 있고, 상기 캐소드 전극의 상기 가스 확산층의 면적 밀도는 상기 산화제 입구 매니폴드에서 상기 산화제 출구 매니폴드로 향하는 방향을 따라 점진적으로 낮아질 수 있다.
상기 세퍼레이터에는 연료 입구 매니폴드 및 연료 출구 매니폴드가 형성될 수 있고, 상기 애노드 전극의 상기 가스 확산층의 면적 밀도는 상기 연료 입구 매니폴드에서 상기 연료 출구 매니폴드로 향하는 방향을 따라 점진적으로 낮아질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 가스 확산층은 수분 발생량이 적은 영역에서 수분을 가두어 수분 손실을 최소화하고, 수분 발생량이 많은 영역에서 수분 방출량을 높일 수 있다. 따라서, 막-전극 접합체의 전 영역에서 수분 분포를 균일하게 할 수 있다. 그 결과, 캐소드 전극의 전 영역에서 산화제를 균일하게 확산시킬 수 있고, 수분 부족에 따른 막-전극 접합체의 열화를 방지할 수 있으며, 막-전극 접합체 전체에서 고른 전기 화학적 반응을 유도하여 연료 전지 스택의 전기 에너지 생산 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 하나의 막-전극 접합체와 2개의 세퍼레이터를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 막-전극 접합체와 세퍼레이터의 부분 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 연료 전지 스택 중 캐소드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이다.
도 5는 도 3에 도시한 연료 전지 스택 중 애노드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 캐소드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 애노드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 캐소드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 애노드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 캐소드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 애노드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이다.
도 12는 실시예의 막-전극 접합체와 비교예의 막-전극 접합체에 대한 전력 밀도 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 하나의 막-전극 접합체와 2개의 세퍼레이터를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 연료 전지 스택(100)은 서로간 거리를 두고 위치하는 복수의 막-전극 접합체(10)와, 막-전극 접합체들(10) 사이에서 막-전극 접합체들(10)에 밀착 배치되는 복수의 세퍼레이터(20)를 포함한다. 하나의 막-전극 접합체(10)와 이의 양쪽에 배치되는 2개의 세퍼레이터(20)가 전기 에너지를 생성하는 하나의 전기 생성 유닛(단위 셀)을 구성한다.
세퍼레이터(20)는 '바이폴라 플레이트'라고도 불리며, 연료 전지 스택(100)의 최외곽에 한 쌍의 엔드 플레이트(30)가 위치한다. 연료 전지 스택(100)은 2개의 엔드 플레이트(30)를 관통하는 볼트(31)와 같은 체결 수단에 의해 견고하게 조립된다. 엔트 플레이트(30)에는 연료를 공급하는 연료 주입구(32), 산화제를 공급하는 산화제 주입구(33), 미반응 연료를 배출하는 연료 배출구(34), 및 수분과 미반응 공기를 배출하는 산화제 배출구(35)가 형성될 수 있다.
도 1에서는 하나의 엔드 플레이트(30)에 2개의 주입구(32, 33)와 2개의 배출구(34, 35)가 모두 형성된 경우를 도시하였으나, 어느 하나의 엔드 플레이트(30)에 연료 주입구(32)와 산화제 주입구(33)가 형성되고, 다른 하나의 엔드 플레이트(30)에 연료 배출구(34)와 산화제 배출구(35)가 형성되는 구성도 가능하다.
도 3은 도 2에 도시한 막-전극 접합체와 세퍼레이터의 부분 단면도이다.
도 3을 참고하면, 막-전극 접합체(10)는 전해질막(11)과, 전해질막(11)의 일면에 접하는 캐소드 전극(12)과, 전해질막(11)의 다른 일면에 접하는 애노드 전극(13)을 포함한다.
캐소드 전극(12)은 산화제를 공급받는 부분으로서, 환원 반응에 의해 산화제 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층(14)과, 촉매층(14)의 외면에 접하며 전자와 산소 이온의 이동을 원활하게 하는 가스 확산층(15)을 포함한다. 애노드 전극(13)은 연료를 공급받는 부분으로서, 산화 반응에 의해 연료 중의 수소를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층(16)과, 촉매층(16)의 외면에 접하며 전자와 수소 이온의 이동을 원활하게 하는 가스 확산층(17)을 포함한다.
전해질막(11)은 약 5㎛ 내지 약 200㎛의 두께를 가지는 고체 폴리머 전해질일 수 있으며, 애노드 전극(13)의 촉매층(16)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(12)의 촉매층(14)으로 이동시키는 이온 교환 기능을 가진다. 도 2에서 참조 부호 18은 막-전극 접합체(10)를 지지하는 지지 시트를 나타낸다.
세퍼레이터(20)는 일측에 위치하는 막-전극 접합체(10)의 캐소드 전극(12)과 타측에 위치하는 막-전극 접합체(10)의 애노드 전극(13)을 직렬로 연결하는 전도체로 기능한다. 또한, 세퍼레이터(20)는 캐소드 전극(12)을 향한 일면에 산화제 채널(21)을 형성하여 캐소드 전극(12)으로 산화제를 공급하고, 애노드 전극(13)을 향한 일면에 연료 채널(22)을 형성하여 애노드 전극(13)으로 연료를 공급한다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 세퍼레이터(20)의 코너측 가장자리에는 산화제 채널(21)과 연결되는 산화제 입구 매니폴드(23) 및 산화제 출구 매니폴드(24)가 형성된다. 산화제 채널(21)은 산화제 입구 매니폴드(23)와 산화제 출구 매니폴드(24)를 연결하는 오목한 홈으로 이루어진다. 세퍼레이터(20)의 다른 코너측 가장자리에는 연료 채널(22)과 연결되는 연료 입구 매니폴드(25) 및 연료 출구 매니폴드(26)가 형성된다. 연료 채널(22)은 연료 입구 매니폴드(25)와 연료 출구 매니폴드(26)를 연결하는 오목한 홈으로 이루어진다.연료 주입구(32)로 공급된 연료는 연료 주입구(32)와 이어진 연료 입구 매니폴드(25)를 통해 세퍼레이터들(20)의 연료 채널(22)로 분산되어 막-전극 접합체들(10)의 애노드 전극(13)으로 동시에 공급된다. 산화제 주입구(33)로 공급된 산화제는 산화제 주입구(33)와 이어진 산화제 입구 매니폴드(23)를 통해 세퍼레이터들(20)의 산화제 채널(21)로 분산되어 막-전극 접합체들(10)의 캐소드 전극(12)으로 동시에 공급된다. 이로써, 막-전극 접합체(10)에서 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지가 생성된다.
그리고, 막-전극 접합체들(10)의 전기화학적 반응에 사용되지 못한 미반응 연료는 연료 출구 매니폴드(26)를 거쳐 연료 배출구(34)를 통해 연료 전지 스택(100)의 외부로 배출된다. 막-전극 접합체들(10)의 전기화학적 반응에 사용되지 못한 미반응 산화제 및 전기화학적 반응의 부산물로서 발생한 수분은 산화제 출구 매니폴드(24)를 거쳐 산화제 배출구(35)를 통해 연료 전지 스택(100)의 외부로 배출된다.
전술한 구성의 연료 전지 스택(100)은 전기 에너지를 생성하는 과정에서 부수적으로 물과 열이 발생한다. 그런데, 물은 막-전극 접합체(10)의 전 영역에 걸쳐 고르게 발생하지 않고 특정 영역에서 발생하므로, 막-전극 접합체(10) 내부에서 수분 분포가 불균일해진다. 불균일한 수분 분포는 연료 전지 스택(100)의 열화를 유발하고, 전기 에너지 생성 효율을 저하시킨다.
본 실시예의 연료 전지 스택(100)에서 가스 확산층(15, 17)은 적어도 2개의 영역으로 분리되며, 분리된 적어도 2개의 영역에서 서로 다른 면적 밀도(aerial density, 단위 면적당 질량)를 가진다. 가스 확산층(15, 17)은 막-전극 접합체(10) 중 수분이 부족한 영역에서는 수분 손실을 최소화하고, 수분이 많은 영역에서는 수분 배출을 원활하게 하여 막-전극 접합체(10)의 수분 분포를 균일하게 하는 기능을 한다.
도 4는 도 3에 도시한 연료 전지 스택 중 캐소드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이고, 도 5는 도 3에 도시한 연료 전지 스택 중 애노드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이다.
도 3 내지 도 5를 참고하면, 캐소드 전극(12)의 가스 확산층(15)은 산화제 입구 매니폴드(23)와 이웃한 제1 영역(A10)과, 산화제 출구 매니폴드(24)와 이웃한 제2 영역(A20)으로 분리된다. 그리고, 제1 영역(A10)에서 측정되는 가스 확산층(15)의 면적 밀도는 제2 영역(A20)에서 측정되는 가스 확산층(15)의 면적 밀도보다 높다.
애노드 전극(13)의 가스 확산층(17)은 연료 입구 매니폴드(25)와 이웃한 제3 영역(A30)과, 연료 출구 매니폴드(26)와 이웃한 제4 영역(A40)으로 분리된다. 그리고, 제3 영역(A30)에서 측정되는 가스 확산층(17)의 면적 밀도는 제4 영역(A40)에서 측정되는 가스 확산층(17)의 면적 밀도보다 높다.
산화제 입구 매니폴드(23)와 산화제 출구 매니폴드(24)의 위치는 도 4에 도시한 예에 한정되지 않는다. 가스 확산층(15)의 제1 영역(A10)은 산화제 입구 매니폴드(23)의 위치에 관계없이 산화제 입구 매니폴드(23)와 이웃한 영역으로 정의된다. 연료 입구 매니폴드(25)와 연료 출구 매니폴드(26)의 위치 또한 도 5에 도시한 예에 한정되지 않는다. 가스 확산층(17)의 제3 영역(A30)은 연료 입구 매니폴드(25)의 위치에 관계없이 연료 입구 매니폴드(25)와 이웃한 영역으로 정의된다.
전술한 구성의 가스 확산층(15, 17)은, 연료 전지 스택(100) 가동 시 막-전극 접합체(10) 가운데 산화제 출구 매니폴드(24)의 주변 영역과 연료 출구 매니폴드(26)의 주변 영역에서 수분 발생량이 많고, 산화제 입구 매니폴드(23)의 주변 영역과 연료 입구 매니폴드(25)의 주변 영역에서 상대적으로 수분 발생량이 적은 연료 전지 스택(100)에 유효하게 적용될 수 있다.
가스 확산층(15, 17)은 지지층(backing layer)(151, 171)과, 지지층(151, 171)의 일면에 접하는 다공층(micro-porous layer)(152, 172)의 적층막으로 형성된다. 지지층(151, 171)은 탄소 종이, 탄소 천, 탄소 펠트, 다공성 금속판, 및 다공성 금속 매트 등의 다공성 박판 재료를 단독 또는 2개 이상 겹친 형태로 이루어진다. 다공층(152, 172)은 탄소 분말, 탄소 나노막대, 탄소 나노와이어, 탄소 나노튜브, 전도성 금속, 무기물, 및 세라믹 분말 중 적어도 하나를 포함한다.
지지층(151, 171)과 다공층(152, 172)은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)과 같은 소수성 물질로 표면 처리되거나, 술포네이티드 테트라플루오로에틸렌(sulfonated tetrafluoroethylene) 중합체, 즉 나피온 이오노머(Nafion ionomer)와 같은 친수성 물질로 표면 처리될 수 있다. 소수성 표면 처리의 경우 가스 확산층(15, 17)에 물이 고이는 플러딩(flooding) 현상을 방지할 수 있고, 친수성 표면 처리의 경우 막-전극 접합체(10) 내부의 수분 함량을 높일 수 있다.
가스 확산층(15, 17)은 지지층(151, 171)의 면적 밀도를 조절하거나, 다공층(152, 172)의 면적 밀도를 조절하거나, 지지층(151, 171)과 다공층(152, 172)의 면적 밀도를 같이 조절하는 방법으로 제1 영역(A10)과 제2 영역(A20), 또는 제3 영역(A30)과 제4 영역(A40)으로 분리될 수 있다. 지지층(151, 171)과 다공층(152, 172)은 모두 소정의 기공을 가지며, 면적 밀도에 따라 지지층(151, 171)과 다공층(152, 172)의 물 투과도(water permeability)가 변한다.
가스 확산층(15, 17)은 수분 발생량이 적은 제1 영역(A10)과 제3 영역(A30)에서 높은 면적 밀도에 의해 물 투과도를 낮추고, 수분 발생량이 많은 제2 영역(A20)과 제4 영역(A40)에서 낮은 면적 밀도에 의해 물 투과도를 높인다. 따라서, 가스 확산층(15, 17)은 제1 영역(A10)과 제3 영역(A30)에서 수분을 가두어 수분 손실을 최소화하고, 제2 영역(A20)과 제4 영역(A40)에서 수분 방출량을 높인다.
구체적으로, 캐소드 전극(12)의 가스 확산층(15)은 촉매층(14)에서 발생한 수분을 전해질막(11)과 세퍼레이터(20)의 산화제 채널(21) 양쪽으로 전달하는 기능을 한다. 제1 영역(A10)에서는 가스 확산층(15)의 높은 면적 밀도에 의해 산화제 채널(21)을 향한 수분 이동이 감소하여 주로 전해질막(11)으로 수분이 이동한다. 제2 영역(A20)에서는 가스 확산층(15)의 낮은 면적 밀도에 의해 산화제 채널(21)을 향한 수분 이동이 증가하여 수분 방출량이 높아지며, 플러딩 현상을 억제할 수 있다.
그리고, 애노드 전극(13)의 가스 확산층(17)은 촉매층(16)에서 발생한 수분을 세퍼레이터(20)의 연료 채널(22) 쪽으로 전달하는 기능을 한다. 제3 영역(A30)에서는 가스 확산층(17)의 높은 면적 밀도에 의해 연료 채널(22)을 향한 수분 이동이 감소하여 주로 전해질막(11)으로 수분이 이동한다. 제4 영역(A40)에서는 가스 확산층(17)의 낮은 면적 밀도에 의해 연료 채널(22)을 향한 수분 이동이 증가하여 수분 방출량이 높아지며, 플러딩 현상을 억제할 수 있다.
따라서 막-전극 접합체(10)는 전술한 가스 확산층(15, 17)의 작용에 의해 전 영역에서 수분 분포를 실질적으로 균일하게 할 수 있다. 그 결과, 캐소드 전극(12)의 전 영역에서 산화제를 실질적으로 균일하게 확산시킬 수 있고, 수분 부족에 따른 막-전극 접합체(10)의 열화를 방지할 수 있으며, 막-전극 접합체(10) 전체에서 고른 전기 화학적 반응을 유도하여 연료 전지 스택(100)의 전기 에너지 생산 효율을 높일 수 있다.
가스 확산층(15, 17)의 지지층(151, 171)은 제1 영역(A10)과 제3 영역(A30)에서 약 50g/m2 내지 약 300g/m2의 면적 밀도를 가질 수 있으며, 제2 영역(A20)과 제4 영역(A40)에서 약 10g/m2 내지 약 50g/m2의 면적 밀도를 가질 수 있다. 가스 확산층(15, 17)의 다공층(152, 172)은 제1 영역(A10)과 제3 영역(A30)에서 약 30g/m2 내지 약 100g/m2의 면적 밀도를 가질 수 있고, 제2 영역(A20)과 제4 영역(A40)에서 약 70g/m2 이하의 면적 밀도를 가질 수 있다.
한편, 상기에서는 캐소드 전극(12)의 가스 확산층(15)과 애노드 전극(13)의 가스 확산층(17)이 모두 2개의 영역으로 분리된 경우를 설명하였으나, 캐소드 전극(12)의 가스 확산층(15)과 애노드 전극(13)의 가스 확산층(17) 가운데 어느 하나만 2개의 영역으로 분리되는 구성도 가능하다.
또한, 도 4와 도 5에서는 제2 영역(A20)이 제1 영역(A10)보다 크고, 제4 영역(A40)이 제3 영역(A30)보다 큰 경우를 도시하였으나, 가스 확산층(15, 17)의 영역 설정은 도시한 예에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다. 즉, 제1 영역(A10)과 제2 영역(A20)은 같은 크기로 형성되거나 다른 크기로 형성될 수 있고, 제3 영역(A30)과 제4 영역(A40) 또한 같은 크기로 형성되거나 다른 크기로 형성될 수 있다.
또한, 도 4와 도 5에서는 가스 확산층(15, 17)이 2개의 영역으로 분리된 경우를 도시하였으나, 제1 영역(A10)과 제2 영역(A20) 사이, 그리고 제3 영역(A30)과 제4 영역(A40) 사이에 적어도 하나의 추가 영역이 위치할 수 있다. 추가 영역에서 측정되는 가스 확산층(15, 17)의 면적 밀도는 제2 영역(A20) 및 제4 영역(A40)에서 측정되는 가스 확산층(15, 17)의 면적 밀도보다 높고, 제1 영역(A10) 및 제3 영역(A30)에서 측정되는 가스 확산층(15, 17)의 면적 밀도보다 작다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 캐소드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 애노드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이다.
도 6과 도 7을 참고하면, 캐소드 전극(12)의 가스 확산층(115)은 산화제 입구 매니폴드(23)로부터 산화제 출구 매니폴드(24)를 향하여 적어도 한 방향을 따라 점진적으로 낮아지는 면적 밀도를 가진다. 애노드 전극(13)의 가스 확산층(117)은 연료 입구 매니폴드(25)로부터 연료 출구 매니폴드(26)를 향하여 적어도 한 방향을 따라 점진적으로 낮아지는 면적 밀도를 가진다.
가스 확산층(115, 117)은 한 쌍의 장변과 한 쌍의 단변을 가지는 직사각형일 수 있으며, 가스 확산층(115, 117)의 면적 밀도는 장변과 평행한 방향, 단변과 평행한 방향, 및 대각 방향 중 어느 한 방향을 따라 점진적으로 변할 수 있다. 도 6과 도 7에서는 단변과 평행한 방향을 따라 가스 확산층(115, 117)의 면적 밀도가 변하는 경우를 도시하였으나, 면적 밀도가 변하는 방향은 도시한 예에 한정되지 않는다.
가스 확산층(115, 117)의 면적 밀도 변화는, 지지층(151, 171)의 면적 밀도를 조절하거나, 다공층(152, 172)의 면적 밀도를 조절하거나, 지지층(151, 171)과 다공층(152, 172)의 면적 밀도를 같이 조절하는 방법으로 구현될 수 있다. 제2 실시예의 연료 전지 스택에서는 가스 확산층(115, 117)을 보다 세분화하여 면적 밀도를 조절함에 따라, 막-전극 접합체(10)의 전 영역에서 수분 분포를 실질적으로 균일화하는 효과를 더 높일 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 캐소드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이고, 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 애노드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이다.
도 8과 도 9를 참고하면, 캐소드 전극(12)의 가스 확산층(215)은 산화제 입구 매니폴드(23)와 이웃한 제5 영역(A50)과, 산화제 출구 매니폴드(24)와 이웃한 제6 영역(A60)과, 제5 영역(A50)과 제6 영역(A60) 사이에 위치하는 제7 영역(A70)으로 분리된다. 그리고, 제5 영역(A50) 및 제6 영역(A60)에서 측정되는 가스 확산층(215)의 면적 밀도는 제7 영역(A70)에서 측정되는 가스 확산층(215)의 면적 밀도보다 높다. 제5 영역(A50)과 제6 영역(A60)에서 측정되는 가스 확산층(215)의 면적 밀도는 같을 수 있다.
애노드 전극(13)의 가스 확산층(217)은 연료 입구 매니폴드(25)와 이웃한 제8 영역(A80)과, 연료 출구 매니폴드(26)와 이웃한 제9 영역(A90)과, 제8 영역(A80)과 제9 영역(A90) 사이에 위치하는 제10 영역(A100)으로 분리된다. 그리고, 제8 영역(A80) 및 제9 영역(A90)에서 측정되는 가스 확산층(217)의 면적 밀도는 제10 영역(A100)에서 측정되는 가스 확산층(A217)의 면적 밀도보다 높다. 제8 영역(A80)과 제9 영역(A90)에서 측정되는 가스 확산층(217)의 면적 밀도는 같을 수 있다.
전술한 구성의 가스 확산층(215, 217)은, 연료 전지 스택 가동 시 막-전극 접합체(10)의 가운데 영역에서 수분 발생량이 많고, 산화제 입구 매니폴드(23), 산화제 출구 매니폴드(24), 연료 입구 매니폴드(25), 및 연료 출구 매니폴드(26)의 주변 영역에서 상대적으로 수분 발생량이 적은 연료 전지 스택에 유효하게 적용될 수 있다.
가스 확산층(215, 217)의 면적 밀도 변화는 지지층(151, 171)의 면적 밀도를 조절하거나, 다공층(152, 172)의 면적 밀도를 조절하거나, 지지층(151, 171)과 다공층(152, 172)의 면적 밀도를 같이 조절하는 방법으로 구현될 수 있다.
가스 확산층(215, 217)은 상대적으로 건조한 제5 영역(A50), 제6 영역(A60), 제8 영역(A80), 및 제9 영역(A90)에서 수분을 가두어 수분 손실을 최소화하고, 수분 발생량이 많은 제7 영역(A70)과 제10 영역(A100)에서 수분 방출량을 높인다. 따라서, 가스 확산층(215, 217)은 전술한 작용에 의해 막-전극 접합체(10)의 전 영역에서 수분 분포를 균일하게 할 수 있다.
제5 영역(A50) 내지 제10 영역(A100)의 크기는 도 8과 도 9에 도시한 예에 한정되지 않으며 다양하게 변형 가능하다. 또한, 제5 영역(A50)과 제7 영역(A70) 사이, 제6 영역(A60)과 제7 영역(A70) 사이, 제8 영역(A80)과 제10 영역(A100) 사이, 및 제9 영역(A90)과 제10 영역(A100) 사이에 적어도 하나의 추가 영역이 위치할 수 있다. 추가 영역에서 측정되는 가스 확산층(215, 217)의 면적 밀도는 이웃한 두 영역에서 측정되는 두 면적 밀도의 중간값일 수 있다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 캐소드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이고, 도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 애노드 전극의 가스 확산층을 나타낸 개략도이다.
도 10과 도 11을 참고하면, 캐소드 전극(12)의 가스 확산층(315)은 산화제 입구 매니폴드(23)로부터 산화제 출구 매니폴드(24)를 향하여 적어도 한 방향을 따라 점진적으로 낮아진 후 점진적으로 다시 높아지는 면적 밀도를 가진다. 애노드 전극(13)의 가스 확산층(317)은 연료 입구 매니폴드로(25)부터 연료 출구 매니폴드(26)를 향하여 적어도 한 방향을 따라 점진적으로 낮아진 후 점진적으로 다시 높아지는 면적 밀도를 가진다.
가스 확산층(315, 317)의 면적 밀도는 장변과 평행한 방향, 단변과 평행한 방향, 및 대각 방향 중 어느 한 방향을 따라 점진적으로 변할 수 있다. 도 10과 도 11에서는 단변과 평행한 방향을 따라 가스 확산층(315, 317)의 면적 밀도가 변하는 경우를 도시하였으나, 면적 밀도가 변하는 방향은 도시한 예에 한정되지 않는다.
가스 확산층(315, 317)의 면적 밀도 변화는, 지지층(151, 171)의 면적 밀도를 조절하거나, 다공층(152, 172)의 면적 밀도를 조절하거나, 지지층(151, 171)과 다공층(152, 172)의 면적 밀도를 같이 조절하는 방법으로 구현될 수 있다. 제4 실시예의 연료 전지 스택에서는 가스 확산층(315, 317)을 보다 세분화하여 면적 밀도를 조절함에 따라, 막-전극 접합체(10)의 전 영역에서 수분 분포를 균일화하는 효과를 더 높일 수 있다.
전술한 제2 실시예 내지 제4 실시예에 있어서, 캐소드 전극(12)의 가스 확산층(15)과 애노드 전극(13)의 가스 확산층(17) 가운데 어느 하나는 영역 구분이나 점진적인 면적 밀도 변화 없이 일정한 면적 밀도를 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 전술한 영역 설정이나 점진적인 밀도 변화는 캐소드 전극(12)의 가스 확산층(15)과 애노드 전극(13)의 가스 확산층(17) 가운데 어느 하나에만 적용될 수 있다.
도 12는 실시예의 막-전극 접합체와 비교예의 막-전극 접합체에 대한 전력 밀도 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
실시예의 막-전극 접합체에서 캐소드 전극(12)의 가스 확산층(15)은 제1 영역(A10)과 제2 영역(A20)으로 구분되고(도 4 참조), 제1 영역(A10)과 제2 영역(A20)에서 각각 약 174g/m2의 면적 밀도와 약 115g/m2의 면적 밀도를 나타낸다. 비교예의 연료 전지 스택에서 캐소드 전극의 가스 확산층은 약 115g/m2의 단일 면적 밀도를 나타낸다. 여기서, 면적 밀도는 지지층의 면적 밀도와 다공층의 면적 밀도를 더한 값이다.
캐소드 전극의 가스 확산층을 제외하고 실시예의 막-전극 접합체와 비교예의 막-전극 접합체는 같은 구성으로 이루어진다. 전력 밀도 실험은 캐소드 전극에 건조한 산화제를 공급하는 조건에서 진행되었다. 도 12의 그래프를 참고하면, 실시예의 막-전극 접합체는 비교예의 막-전극 접합체 대비 대략 1.58배 높은 전력 밀도를 구현하고 있음을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 본 실시예의 연료 전지 시스템은 전술한 제1 실시예 내지 제4 실시예의 연료 전지 스택 중 어느 하나의 연료 전지 스택을 포함한다.
도 13을 참고하면, 본 실시예의 연료 전지 시스템(200)은 연료 전지 스택(100)과, 연료 전지 스택(100)으로 연료를 공급하는 연료 공급부(40)와, 연료 전지 스택(100)으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(50)를 포함한다.
연료는 메탄올, 에탄올, 액화천연가스, 액화석유가스, 가솔린, 및 부탄 가스와 같이 액체 또는 기체 상태로 존재하는 탄화수소계 연료이며, 산화제는 외부 공기 또는 산소 가스이다.
연료 공급부(40)는 액체 또는 기체 상태의 연료를 저장하는 연료 탱크(41)와, 연료 탱크(41)와 연료 전지 스택(100)을 연결하는 연료 공급관(42)과, 연료 탱크(41)에 연결 설치되는 연료 펌프(43)를 포함한다. 연료 펌프(43)는 소정의 펌핑력으로 연료 탱크(41)에 저장된 연료를 배출시켜 연료 공급관(42)을 통해 연료 전지 스택(100)으로 연료를 공급한다.
산화제 공급부(50)는 연료 전지 스택(100)에 연결되는 산화제 공급관(51)과, 산화제 공급관(51)에 설치되는 산화제 펌프(52)를 포함한다. 산화제 펌프(52)는 소정의 펌핑력으로 외부 공기를 흡입하여 산화제 공급관(51)을 통해 연료 전지 스택(100)으로 산화제를 공급한다. 이 때, 산화제 공급관(51)에는 산화제의 공급량을 조절하는 제어 밸브(도시하지 않음)가 설치될 수 있다.
전술한 연료 전지 시스템(200)은 연료와 산화제의 직접적인 전기 화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 직접 산화형(direct oxidation type)으로 이루어진다. 그러나, 본 발명은 직접 산화형에 한정되지 않으며, 수소 또는 수소 리치 가스와 산화제의 전기 화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 고분자 전해질형(polyer electrode membrane type)으로 이루어질 수 있다.
고분자 전해질형의 경우, 연료 전지 시스템의 연료 공급부는 연료를 개질하여 수소 또는 수소 리치 가스를 발생시키는 개질기(reformer)를 더 포함한다.
상기에서는 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.
100: 연료 전지 스택 10: 막-전극 접합체
11: 전해질막 12: 캐소드 전극
13: 애노드 전극 14, 16: 촉매층
15, 17; 가스 확산층 20: 세퍼레이터
21: 산화제 채널 22: 연료 채널
23: 산화제 입구 매니폴드 24: 산화제 출구 매니폴드
25: 연료 입구 매니폴드 26: 연료 출구 매니폴드
200: 연료 전지 시스템 40: 연료 공급부
50: 산화제 공급부

Claims (16)

  1. 전해질 막, 상기 전해질 막의 제1 면 상에 위치하는 애노드 전극 및 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대측의 제2 면에 위치하는 캐소드 전극을 포함하는 복수의 막-전극 접합체; 및
    상기 막-전극 접합체 사이에 개재된 세퍼레이터;
    를 포함하고,
    상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극은 각각 서로 다른 면적 밀도를 갖는 제1 영역 및 제2 영역으로 구분되는 가스 확산층을 포함하는, 연료 전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 확산층은 지지층 및 다공층을 포함하는, 연료 전지 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 지지층은 다공성 박막 재료를 포함하는, 연료 전지 스택.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 지지층은 탄소 종이, 탄소 천, 탄소 펠트(felt), 다공성 금속판 또는 다공성 금속 매트를 포함하는, 연료 전지 스택.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 지지층은 적층된 적어도 두 개의 다공성 박판을 포함하는, 연료 전지 스택.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 다공층은 탄소 분말, 탄소 나노막대, 탄소 나노와이어, 탄소 나노튜브, 전도성 금속, 무기물 또는 세라믹 분말을 포함하는, 연료 전지 스택.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역에서의 상기 지지층은 50g/m2 내지 300g/m2의 면적 밀도를 갖고, 상기 제2 영역에서의 상기 지지층은 10g/m2 내지 50g/m2의 면적 밀도를 갖는, 연료 전지 스택.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역에서의 상기 다공층은 30g/m2 내지 100g/m2의 면적 밀도를 갖고, 상기 제2 영역에서의 상기 다공층은 70g/m2 이하의 면적 밀도를 갖는, 연료 전지 스택.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스 확산층은 소수성 물질 또는 친수성 물질로 표면 처리된, 연료 전지 스택.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가스 확산층은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene) 또는 술포네이티드 테트라플루오로에틸렌(sulfonated tetrafluoroethylene)으로 표면 처리된, 연료 전지 스택.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 크기가 상이한, 연료 전지 스택.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터에는 산화제 입구 매니폴드 및 산화제 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 산화제 입구 매니폴드에 인접한 상기 제1 영역의 면적 밀도는 상기 제2 영역의 면적 밀도보다 높은, 연료 전지 스택.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 세퍼레이터에는 연료 입구 매니폴드 및 연료 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 연료 입구 매니폴드에 인접한 상기 제1 영역의 면적 밀도는 상기 제2 영역의 면적 밀도보다 높은, 연료 전지 스택.
  14. 전해질 막, 상기 전해질 막의 제1 면 상에 위치하는 애노드 전극 및 상기 전해질 막의 상기 제1 면의 반대측의 제2 면에 위치하는 캐소드 전극을 포함하는 복수의 막-전극 접합체; 및
    상기 막-전극 접합체 사이에 개재된 세퍼레이터;
    를 포함하고,
    상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극은 각각 면적 밀도가 점진적으로 변하는 가스 확산층을 포함하는, 연료 전지 스택.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 세퍼레이터에는 산화제 입구 매니폴드 및 산화제 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 캐소드 전극의 상기 가스 확산층의 면적 밀도는 상기 산화제 입구 매니폴드에서 상기 산화제 출구 매니폴드로 향하는 방향을 따라 점진적으로 낮아지는, 연료 전지 스택.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 세퍼레이터에는 연료 입구 매니폴드 및 연료 출구 매니폴드가 형성되고, 상기 애노드 전극의 상기 가스 확산층의 면적 밀도는 상기 연료 입구 매니폴드에서 상기 연료 출구 매니폴드로 향하는 방향을 따라 점진적으로 낮아지는, 연료 전지 스택.
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