KR20150059867A - 연료 전지 - Google Patents

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KR20150059867A KR1020130143474A KR20130143474A KR20150059867A KR 20150059867 A KR20150059867 A KR 20150059867A KR 1020130143474 A KR1020130143474 A KR 1020130143474A KR 20130143474 A KR20130143474 A KR 20130143474A KR 20150059867 A KR20150059867 A KR 20150059867A
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Abstract

연료극 또는 공기극에 결합되어 연료 가스 또는 공기의 전기 화학 반응을 촉진하는 촉매층; 및 상기 촉매층에 상기 연료 가스 또는 공기를 확산시키며, 상기 연료 가스와 상기 촉매층에서의 전기 화학 반응에 의해 생성된 물을 확산시키는 기공을 갖는 가스 확산층을 포함하고, 상기 가스 확산층의 기공 부피에 대해 물이 차지하는 부피의 비율은 0.1 내지 0.4인 연료전지가 소개된다.

Description

연료 전지 {FUELCELL}
본 발명은 무가습 연료 전지 운전 시 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 메탄올, 에탄올, 천연 기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료 전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 각각의 연료 전지들은 근본적으로 그 원리는 동일하나, 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등에 차이가 있다.
고분자 전해질 형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비해 출력 성능이 월등히 높으며, 작동 온도가 낮고, 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며 응용 범위가 넓은 장점이 있다.
연료 전지 시스템에서, 실질적으로 발전하는 연료 전지 스택은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)와 가스 유로가 형성된 세퍼레이터(seperator)로 이루어진 단위 셀들이 적층된 구조를 가진다. 막/전극 접합체는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 갖는다. 막/전극 접합체는 하나의 전해질 막과 두 개의 전극, 촉매층, 가스 확산층의 적층 구조를 갖는다.
수소가 애노드 측에 공급되면 전기 화학적 산화반응이 일어나면서 수소 이온과 전자로 이온화되면서 산화된다. 이온화된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동한다. 캐소드로 이동한 수소 이온은 캐소드로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시키며, 전자의 이동으로 전기 에너지가 생성된다.
가스 확산층(Gas Diffusion Layer;GDL)은 다수의 공극으로 구성되어 연료 전지 반응 가스를 촉매층으로 확산시킬 수 있다. 애노드 측 촉매층은 수소 분자를 수소 원자로 분리하고 이를 다시 수소 이온과 전자로 분해한다. 캐소드 측 촉매층은 공기 속의 산소 분자를 원자로 분리한 뒤 이온화시킨다. GDL은 다수의 섬유를 적층하여 형성되며, 세퍼레이터와 전극/촉매층 사이에 놓인다. 고체(전기 전도 역할) 및 공극(가스 및 물 확산 역할)으로 구성된다. 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt), 그래파이트 페이퍼, 그래파이트 섬유 직포 등이 사용될 수 있다. 또한, GDL은 연료 전지의 전기 화학 반응에서 생성된 물을 외부로 배출시키는 역할을 수행한다. 즉 원료가스가 촉매층에 고르게 전달되도록 하는 이동 통로를 제공하며, 운전 중 촉매층에서 생성된 물의 배출 통로로 이용된다. 공급/생성되는 기상의 물이 GDL의 표면에 응축되지 않도록 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)등으로 발수 처리하여 사용할 수 있다.
그러나, 무가습 운전시 소수성 GDL의 경우 촉매층의 습도를 낮추어 막 전극의 전기 전도도를 크게 감소시키고, 연료 전지의 발전 효율이 급격히 감소하는 문제점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 가스 확산층의 친수/소수성을 조절하여 연료 전지 스택 내의 액상물이 최적의 전기화학 반응을 유지할 수 있는 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지는, 연료극 또는 공기극에 결합되어 연료 가스 또는 공기의 전기 화학 반응을 촉진하는 촉매층; 및 상기 촉매층에 상기 연료 가스 또는 공기를 확산시키며, 상기 연료 가스와 상기 촉매층에서의 전기 화학 반응에 의해 생성된 물을 확산시키는 기공을 갖는 가스 확산층을 포함하고, 상기 가스 확산층의 기공 부피에 대해 물이 차지하는 부피의 비율은 0.1 내지 0.4일 수 있다.
상기 가스 확산층은 상기 가스 확산층 표면에 물이 응축되지 않도록 하는 소수성 코팅층을 가지며, 상기 가스 확산층 표면의 일부는 상기 소수성 코팅층의 결함이 발생한 곳에서 친수 표면일 수 있다.
상기 가스 확산층 표면의 일부는 결함이 발생한 곳에서 친수 표면일 수 있다.
상기 소수성 코팅층의 결함은 상기 코팅층의 코팅 공정에서 발생되며, 상기 코팅층은 원하는 결함 분포에 따라 상이한 코팅 질량 비율로 코팅될 수 있다.
상기 가스 확산층의 전체 표면적 대비 상기 친수 표면이 차지하는 비율은 상기 가스 확산층의 기공 부피 대비 물이 차지하는 부피의 비율과 동일하다.
상기 결함은 상기 가스 확산층의 전체 표면상에 랜덤하게 분포된다.
상기 결함은 상기 가스 확산층상의 전체 표면 중 상기 촉매층 쪽에 분포된다.
상기 결함은 상기 가스 확산층 상의 전체 표면 중 상기 촉매층의 반대편에 분포된다.
상기 코팅층은 상기 가스 확산층을 디핑(dipping)하거나, 플라즈마 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 코팅 또는 잉크젯 코팅 방법에 의해 생성된다.
상기 코팅층의 코팅재는 PTFE, 카본 나노 튜브, 카본 나노 입자, 유기 또는 무기 용재이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지에 따르면, 가스 확산층의 포화율을 조정하여 무가습 상태에서도 더 높은 전기 에너지를 얻을 수 있는 효과가 있다.
구체적으로 결함 없는 소수성의 가스 확산층에 비해 약 100%의 성능을 향상시킬 수 있다.
연료 전지 시스템의 무가습 구현으로 기존 시스템에서 차지하고 있는 가습기의 무게와 부피를 감소시킬 수 있고, 가습기의 가격만큼 원가를 낮추어 성능 및 가격 경쟁력을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 가스 확산층 표면의 결함에 의한 친수 표면의 형성을, 도 1b는 코팅층상의 결함에 의한 친수 표면의 형성을 예시한 도면이다.
도 2는 무가습 연료 전지 운전시, 액상 포화율, 전류 밀도 및 전압과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 내부의 배치를 나타낸 도면이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1a는 가스 확산층 표면의 결함에 의한 친수 표면의 형성을, 도 1b는 코팅층상의 결함에 의한 친수 표면의 형성을 예시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지는 연료극 또는 공기극에 결합되어 연료 가스 또는 공기의 전기 화학 반응을 촉진하는 촉매층, 촉매층에 연료 가스 또는 공기를 확산시키며, 연료 가스와 촉매층에서의 전기 화학 반응에 의해 생성된 물을 확산시키는 기공을 갖는 가스 확산층을 포함할 수 있다.
가스 확산층은 소수성 가스 확산층이며, 가스 확산층 표면에 물이 응축되지 않도록 하는 소수성 코팅층이 소수성 가스 확산층상에 도포될 수 있다. 가스 확산층의 표면 중 소수성 코팅층의 결함이 발생한 곳 또는 가스 확산층 표면 상에 결함이 발생한 곳에서 가스 확산층의 친수 표면이 드러나게 될 수 있다.
즉, 전체적인 가스 확산층의 특성을 소수성으로 유지하나, 코팅 공정상(도 2b) 또는 가스 확산층의 섬유 재질 제조에서 발생하는 결함(도 2a)등을 이용하여 결함이 발생된 곳에서 부분별로 친수성을 유지하게 할 수 있다.
도 2는 무가습 연료 전지 운전시, 액상 포화율, 전류 밀도 및 전압과의 관계를 도시한 그래프이다.
코팅 공정 또는 섬유 재질 제조에서 발생하는 결함을 이용하는 방법에 있어서 핵심이 되는 기술은 친수 표면의 분포를 얼마 정도로 유지할 것인지 여부에 관한 것이다. 도 2는, 동일한 연료 전지에서 가스 확산층(200)의 포화율을 변경시키면서 시험한 결과에 대한 그래프이다.
무가습의 상태에서는 가스 확산층 및 촉매층 내의 물의 양이 절대적으로 부족하므로, 친수 특성이 높을수록 전해질막(membrane)의 전기 저항이 감소하는 바, 더 높은 전기 에너지를 얻을 수 있다.
액상 포화율(s)이란, 가스 확산층(200)을 구성하는 다공성 물질의 기공 부피(Vp)에 대해 액상물이 차지하는 부피(Vw)의 비율이다. 즉, 액상 포화율은 Vw/Vp로 표현될 수 있다. 이러한 액상 포화율은 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이 그 값이 0.1 < s < 0.4인 경우 연료 전지의 발전 성능이 좋다. 여기서, 액상 포화율은 가스 확산층(200)의 전체 표면 대비 친수 표면이 차지하는 비율과 일치한다. 따라서, 가스 확산층(200)의 기공 부피에 대해 물이 차지하는 부피의 비율이 0.1 내지 0.4 사이의 값일 때 연료 전지의 발전 성능이 최대가 되는 것이다.
즉, 가스 확산층(200)의 전체 표면적 대비 친수 표면이 차지하는 비율은 가스 확산층(200)의 기공 부피 대비 물이 차지하는 부피의 비율과 동일할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예들에 따른 연료 전지 내부의 배치를 나타낸 도면이다. 도 3a 내지 도 3c에서 검은 원들은 가스 확산층(200) 표면상에 발생된 결함을 나타낸다.
촉매층(220)과 가스 채널층(230; seperator) 사이에 가스 확산층(200)이 위치할 수 있다. 가스 확산층(200)의 표면상에는 소수성의 코팅층이 위치할 수 있다. 소수성 코팅층(210)의 결함은 코팅층(210)의 코팅 공정에서 발생되며, 코팅층(210)은 원하는 결함 분포에 따라 상이한 코팅 질량 비율로 코팅될 수 있다.
구체적으로, 도 3a에서 결함(205)은 가스 확산층(200)의 전체 표면상에 랜덤하게 분포되며, 도 3b에서 결함(205)은 가스 확산층(200)상의 전체 표면 중 촉매층(220) 쪽에 분포되고, 도 3c에서 결함(205)은 가스 확산층(200)상의 전체 표면 중 촉매층(220)의 반대편 즉, 가스 채널층(230) 쪽에 분포된다.
이러한 결함(205)들은, 가스 확산층(200)상의 표면상에 있는 결함(205)일 수도 있고, 코팅 공정상에서 발생할 수 있는 결함(205)일 수도 있다. 결함(205)에 의해서 가스 확산층(200) 표면상에 친수 표면이 노출된다. 노출된 친수 표면에 따라 친수 비율이 결정되며, 친수 비율은 상술한 바와 같이 0.1 내지 0.4인 경우에 연료 전지의 발전 성능이 가장 높다.
코팅층(210)은 가스 확산층(200)을 디핑(dipping)하거나, 플라즈마 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 코팅 또는 잉크젯 코팅 방법에 의해 형성될 수 있으며, 코팅층의 코팅재는 PTFE, 카본 나노 튜브, 카본 나노 입자, 유기 또는 무기 용재일 수 있다.
소수성 가스 확산층 표면상에 친수 표면을 구현하는데에 있어서, 가스 확산층 표면에의 결함을 이용하여 구현하는 구조일 수 있고, 가스 확산층에 대한 코팅층의 소수성 코팅 질량 비율을 이용하여 도 3b 및 도 3c의 요구되는 특성에 각각 소수성 코팅의 비율이 다른 가스 확산층을 이용할 수 있다. 즉, 도 3b의 경우 촉매층(220)쪽의 코팅 비율이 더 낮아서 결함이 더 잘 일어날 수 있고, 도 3c의 경우 가스 채널층(230) 쪽의 코팅 비율이 더 낮아서 결함이 더 잘 일어날 수 있다.
즉, 가스 확산층(200) 상의 결함이 분포되는 위치를 조정할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
200 : 가스 확산층 210 : 코팅층
220 : 촉매층 230 : 가스 채널층

Claims (10)

  1. 연료극 또는 공기극에 결합되어 연료 가스 또는 공기의 전기 화학 반응을 촉진하는 촉매층; 및
    상기 촉매층에 상기 연료 가스 또는 공기를 확산시키며, 상기 연료 가스와 상기 촉매층에서의 전기 화학 반응에 의해 생성된 물을 확산시키는 기공을 갖는 가스 확산층을 포함하고,
    상기 가스 확산층의 기공 부피에 대해 물이 차지하는 부피의 비율은 0.1 내지 0.4인,
    연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 확산층은 상기 가스 확산층 표면에 물이 응축되지 않도록 하는 소수성 코팅층을 가지며, 상기 가스 확산층 표면의 일부는 상기 소수성 코팅층의 결함이 발생한 곳에서 친수 표면인,
    연료 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 확산층 표면의 일부는 결함이 발생한 곳에서 친수 표면인,
    연료 전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 소수성 코팅층의 결함은 상기 코팅층의 코팅 공정에서 발생되며, 상기 코팅층은 원하는 결함 분포에 따라 상이한 코팅 질량 비율로 코팅되는,
    연료 전지.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 가스 확산층의 전체 표면적 대비 상기 친수 표면이 차지하는 비율은 상기 가스 확산층의 기공 부피 대비 물이 차지하는 부피의 비율과 동일한,
    연료 전지.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 결함은 상기 가스 확산층의 전체 표면상에 랜덤하게 분포되는,
    연료 전지.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 결함은 상기 가스 확산층상의 전체 표면 중 상기 촉매층 쪽에 분포되는,
    연료 전지.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 결함은 상기 가스 확산층 상의 전체 표면 중 상기 촉매층의 반대편에 분포되는,
    연료 전지.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 코팅층은 상기 가스 확산층을 디핑(dipping)하거나, 플라즈마 코팅, 스프레이 코팅, 스크린 코팅 또는 잉크젯 코팅 방법에 의해 생성되는,
    연료 전지.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 코팅층의 코팅재는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 카본 나노 튜브, 카본 나노 입자, 유기 또는 무기 용재인,
    연료 전지.
KR1020130143474A 2013-11-25 2013-11-25 연료 전지 KR101534948B1 (ko)

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