KR20180024237A - 원통형 연료전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

원통형 연료전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원통형 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 전도성 있는 소재를 원통형의 형태로 형성시킴으로써 제1전극체를 형성시키는 제1전극체형성단계; 상기 제1전극체형성단계에서 원통형으로 형성된 상기 제1전극체의 외주면에 전해질층을 형성시키는 전해질층형성단계; 상기 전해질층형성단계에서 형성된 상기 전해질층의 외주면 상에 전도성 있는 소재로 제2전극체를 형성시키는 제2전극체형성단계; 및 상기 제1전극체형성단계에서 형성된 상기 제1전극체의 내측공간에, 전력을 형성시키기 위한 연료재를 주입시키는 연료재주입단계;를 포함하므로, 원통형의 연료전지를 제조할 수 있으며, 원통형의 연료전지로 직물조직을 구성할 수 있기 때문에 웨어러블 디바이스 등의 전원공급원으로서 활용될 수 있으므로 연료전지의 활용분야를 확대하여 적용시킬 수 있는 기술이 개시된다.

Description

원통형 연료전지중간체, 원통형 연료전지 및 이의 제조방법{Cylinderical Fuel Cell intermediate, Cylinderical Fuel Cell and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 액체 연료를 이용한 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직물조직을 구성할 수 있는 원통형태로 형성된 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 수소 혹은 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
연료전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 연료전지 스택은 일반적으로 막-전극 접합체 (MEA: Membrane Electrode Assembly)와 세퍼레이터(separator, 또는 bipolar plate)로 이루어진 단위 셀이 수 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 MEA는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, 연료극 또는 산화전극)과 캐소드 전극(일명, 공기극 또는 환원전극)이 밀착된 구조를 가진다. 즉, 전해질 막을 중심으로 양편에 전극(캐소드와 애노드)이 위치하고, 상기 전극은 다시 촉매층, 확산층, 및 지지층을 포함하여 이루어진다.
전극에서 발생된 전류를 모아 외부의 회로로 전달하는 집전체가 지지층의 외곽에 위치하였다. 따라서, 촉매층에서 발생된 전류가 집전체까지 전달되기 위해서는 확산층과 지지층이 전기전도성을 띠어야만 했다. 한편, 확산층과 지지층은 물질을 분배시키기 위해 다공성을 띠거나 생성된 물을 잘 배출하기 위해 소수성을 띠는 것이 바람직한 경우도 있고, 또한 물의 원활한 공급을 위해 친수성 및/또는 함수성을 띨 것이 요구되는 경우도 있었지만, 이러한 성질을 갖는 재료를 선택하는 데 있어서 전기전도성도 함께 가져야 한다는 제한이 있었고 이러한 제한은 연료전지의 성능의 제한과 직접 연관되어 있었다. 종래에는 확산층과 지지층의 재료에 관한 연구에 있어서 전기전도성을 띠면서 상기한 바와 같은 물성을 향상시키는 데만 노력이 집중되었으며, 집전체의 위치를 변화시킴으로써 보다 자유로운 재료 선택을 하고자 하는 노력에 관해서는 알려진 바가 없었다. 또한 종래의 연료전지는 평판형과 같은 모양으로 제조되어 적층된 구조를 가지고 있었기에 연료전지의 형태가 제한적일 수 밖에 없었으며, 이로 인하여 이용 가능한 범위가 제한적일 수 밖에 없는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연료전지의 활용범위를 확대시킬 수 있도록 직물조직을 구성할 수 있는 원통형태로 된 연료전지 및 이의 제조방법을 제공함에 있다. 또한 원통형의 연료전지의 내측 중간에는 액체 혹은 기체 연료를 공급하며, 원통형의 외부로는 공기가 자연적으로 공급되도록 하는 역할을 제공하도록 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지제조방법은 전도성 있는 소재를 원통형의 형태로 형성시킴으로써 제1전극체를 형성시키는 제1전극체형성단계; 상기 제1전극체형성단계에서 원통형으로 형성된 상기 제1전극체의 외주면에 전해질층을 형성시키는 전해질층형성단계; 상기 전해질층형성단계에서 형성된 상기 전해질층의 외주면 상에 전도성 있는 소재로 제2전극체를 형성시키는 제2전극체형성단계; 및 상기 제1전극체형성단계에서 형성된 상기 제1전극체의 내측공간에, 전력을 형성시키기 위한 연료재를 주입시키는 연료재주입단계;를 포함하는 것을 하나의 특징으로 할 수도 있다.
여기서, 상기 제2전극체형성단계 및 상기 연료재주입단계 사이에 실시되는 단계로서, 상기 제1전극체형성단계, 상기 전해질층형성단계 및 상기 제2전극형성단계를 통해 형성된 상기 제1전극체, 상기 전해질층 및 상기 제2전극체를 포함하는 원통형의 연료전지중간체에서 일측단 또는 일측과 타측의 양끝단에 상기 연료재가 누출되지 않도록 막아주는 스터플(stopple)을 형성시키는 스터플형성단계;를 포함하는 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
나아가, 상기 스터플(stopple) 중 적어도 어느 하나에는, 상기 연료재주입단계에서 주입될 상기 연료재가 상기 제1전극체의 내측공간에 주입될 수 있도록 연료주입홀이 마련되어 있는 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
더 나아가, 상기 스터플에는, 상기 제1전극체의 내측공간으로 상기 연료재가 주입될 수 있도록 상기 제1전극체의 내측공간으로부터 외부로 기체가 배출될 수 있는 기체배출홀이 형성된 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
여기서, 상기 전해질층형성단계는, 상기 제1전극체의 외주면에 고분자 전해질 용액을 도포하는 A단계; 및 상기 A단계에서 상기 제1전극체의 외주면에 칠해진 상기 고분자 전해질 용액을 건조 또는 반건조시키는 B단계;를 포함하는 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
나아가, 상기 전해질층형성단계는, 상기 B단계 이후 상기 고분자 전해질 용액이 건조 또는 반건조된 표면에 상기 고분자 전해질 용액을 도포하는 C단계; 및 상기 C단계에서 덧칠해진 고분자 전해질 용액을 건조 또는 반건조시키는 D단계;를 더 포함하는 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
더 나아가, 상기 C단계 및 D단계를 다수회 반복실시하여 상기 전해질층의 두께를 점진적으로 증가시키는-것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지중간체는 전도성이 있으며, 원통형의 형태로 형성된 제1전극체; 전도성이 있으며, 원통형의 형태로 형성되되, 내측에 상기 제1전극체가 위치하며, 내경이 상기 제1전극체의 외경보다 크게 형성된 제2전극체; 및 상기 제1전극체의 외주면과 상기 제2전극체의 내주면 사이에 형성되며, 상기 제1전극체와 상기 제2전극체 사이의 전자이동을 매개하는 전해질층;을 포함하는 것을 하나의 특징으로 할 수도 있다.
여기서, 상기 제1전극체 또는 상기 제2전극체의 일측과 타측의 양끝단에 위치하며, 상기 제1전극체의 내측공간에 채워지는 연료재가 외부로 누출되지 않도록 막아주기 위한 스터플(stopple);을 더 포함하는 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지는 전도성이 있으며, 원통형의 형태로 형성된 제1전극체; 전도성이 있으며, 원통형의 형태로 형성되되 내측에 상기 제1전극체가 위치하며, 내경이 상기 제1전극체의 외경보다 크게 형성된 제2전극체; 상기 제1전극체와 외주면과 상기 제2전극체의 내주면 사이에 형성되며, 상기 제1전극체와 상기 제2전극체 사이에 양이온 또는 전자이동을 매개하는 전해질층; 및 상기 제1전극체 및 상기 제2전극체 사이에 양이온 또는 전자의 이동이 이루어질 수 있도록 상기 제1전극체의 내측공간에 마련된 연료재;를 포함하는 것을 하나의 특징으로 할 수도 있다.
여기서, 상기 제1전극체 및 상기 제2전극체의 일측과 타측의 양 끝단에 마련되어 상기 연료재의 누출을 막아주는 스터플(stopple);을 더 포함하는 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
나아가, 상기 제1전극체는, 섬유집합체에 백금(Pt)-루테늄(Ru)계통의 이원촉매(bimetallic catalyst)가 포함된 다공질의 전도체인 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
더 나아가, 상기 섬유집합체는, 전도성이 있는 다공질의 카본펠트(carbon felt)인 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
또한, 상기 제2전극체는, 섬유집합체에 백금(pt)이 포함된 다공질의 전도체인 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
나아가, 상기 섬유집합체는, 전도성이 있는 다공질의 카본펠트(carbon felt)인 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
또한, 상기 전해질층은,술폰산기를 포함하는 고분자 전해질층인 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
본 발명에 따른 원통형 연료전지 중간체, 원통형 연료전지 및 이의 제조방법에 따른 원통형의 연료전지를 이용하여 직물조직을 구성할 수 있기 때문에 웨어러블 디바이스 등의 전원공급원으로서 활용될 수 있으므로 연료전지의 활용분야를 확대하여 적용시킬 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지를 개략적으로 나타낸 사시단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지를 개략적으로 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지를 이용하여 직물조직으로 구성한 일 형태를 예시적으로 나타낸 사시도면이다.
이하에서는 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 이해할 수 있도록 첨부된 도면을 참조한 바람직한 실시 예를 들어 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지를 개략적으로 나타낸 사시단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지를 개략적으로 나타낸 측단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지 제조방법을 개략적으로 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지를 직물조직으로 구성시킨 예시적 형태를 개략적으로 사시도이다.
설명 및 이해의 편의상 원통형 연료전지에 대하여 먼저 설명한 후에 원통형 연료전지 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지는 제1전극체(120), 제2전극체(140), 전해질층(130) 및 연료재(110)를 포함하여 이루어지며, 바람직하게는 스터플(stopple)(151, 152)을 더 포함하여 이루어진다.
도 1 및 도 2에서 개략적으로 도시된 바와 같이 원통형 연료전지에 포함되는 제1전극체(120), 제2전극체(140), 전해질층(130)은 원통형으로 형성되며, 제1전극체(120)의 내측에 마련된 연료재(110)는 봉과 같은 형태로 형성된다.
제1전극체(120)는 전도성이 있는 소재로 이루어지며, 원통형의 형태로 된 것이 바람직하다. 여기서 제1전극체(120)는 섬유집합체에 백금(Pt)-루테늄(Ru)계통의 이원촉매(bimetallic catalyst)가 포함된 다공질의 전도체인 것이 바람직하다.
여기서 섬유집합체란, 파이버(fiber)로 이루어진 집합물로서, 파이버를 압축(compressed)하여 만들어지는 펠트(felt) 또는 직조되어 만들어지는 텍스타일(textile)을 포함하여 칭하는 것이다.
그리고, 이러한 섬유집합체의 바람직한 예로서 전도성이 있는 다공질의 카본펠트(carbon felt)를 들을 수 있다.
제2전극체(140) 또한 전도성이 있는 소재로 이루어지며, 도면에서 참조되는 바와 같이 원통형의 형태로 되어 있으며, 제2전극체(140)의 내경이 제1전극체(120)의 외경보다 크게 형성되어 제1전극체(120)와 제2전극체(140) 사이가 일정간격 이격되어 있는 것이 바람직하다.
여기서, 제2전극체(140)는 섬유집합체에 백금(Pt)이 포함된 다공질의 전도체인 것이 바람직하다. 그리고, 이러한 섬유집합체의 바람직한 예로서 전도성이 있는 다공질의 카본펠트(carbon felt)를 들을 수 있다.
전해질층(130)은 제1전극체(120)의 외주면과 제2전극체(140)의 내주면 사이에 형성되어 있다.따라서, 전해질층(130) 또한 원통형의 형태로 된 것이 바람직하다. 여기서 전해질층(130)은 제1전극체(120)와 제2전극체(140)와는 달리 다공질이 아닌 밀도 높게 형성된 것이 바람직하다.
전해질층(130)은 산성 고분자물질로 된 것이 바람직하다. 여기서 전해질층(130)으로 이용될 수 있는 바람직한 예를 들면, 술폰산기를 포함하는 고분자물질로 된 전해질층(130)을 들을 수 있다.
연료재(110)는 제1전극체(120) 및 제2전극체(140) 사이에 양이온 또는 전자의 이동이 이루어질 수 있도록 제1전극체(120)의 내측 공간에 봉처럼 마련되어 있는 것이 바람직하다.
이러한 연료재(110)로는 알코올이 사용될 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 메탄올로 이루어진다.
스터플(stopple)(151, 152)은 도 2에서 참조되는 바와 같이, 제1전극체(120) 및 제2전극체(140)의 일측과 타측의 양 끝단에 마련된다. 그리고 이러한 스터플은 연료재(110)의 누출을 막아준다.
이러한 스터플(151, 152)은 비전도성 소재로 이루어진 것이 바람직하다. 예를 들어, PPMA, PTFE, 고무 등과 같은 비전도성 소재로 이루어질 수 있다.
그리고, 스터플(152)에는 메탄올과 같은 연료재(110)가 주입될 수 있도록 연료주입홀(153)이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 연료주입홀(153)을 통해 주입되는 메탄올과 같은 연료재(110)가 좀 더 원활하게 제1전극체(120)의 내측으로 주입될 수 있도록 기체배출홀(미도시)이 마련된 형태도 바람직하다.
기체배출홀이 마련되어 있으면, 연료재(110)가 주입됨에 따라 제1전극체(120)의 내측에 존재하는 공기와 같은 기체가 외부로 방출될 수 있으므로 연료재(110)가 좀 더 수월하게 주입될 수 있다.
이상에서 개략적으로 설명한 바와 같이 원통형 연료전지가 이루어질 수 있다. 참고로, 제1전극체(120)와 제2전극체(140)에는 외부의 전자기기와 접속될 수 있는 단자가 구비되지만, 도면에는 도시되지 않았음을 밝혀둔다.
그리고, 이와 같은 원통형 연료전지는 필요에 따라 다음과 같이 직렬로 연결시키는 것 또한 가능하다. 즉, 하나의 원통형 연료전지의 제1전극체와 다른 하나의 원통형 연료전지의 제2전극체가 전기적으로 연결되고, 하나의 원통형 연료전지의 제2전극체와 다른 하나의 원통형 연료전지의 제2전극체가 전기적으로 연결되는 형태 또한 가능하다.
다음으로, 이상에서 설명한 바와 같은 원통형 연료전지의 제조방법에 대하여 도 3을 더 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지제조방법은 제1전극체형성단계(S110), 전해질층형성단계(S120), 제2전극체형성단계(S130) 및 연료재주입단계(S140)를 포함하여 이루어지며, 여기에 스터플형성단계(S150)를 더 포함하여 이루어질 수도 있다.
<<S110>>
제1전극체형성단계(S110)는 전도성 있는 소재를 원통형의 형태로 형성시킴으로써 제1전극체(120)를 형성시키는 단계이다.
제1전극체(120)는 이원촉매가 포함된 다공질의 전도체로 이루어지는 것이 바람직하다. 좀 더 구체적으로는 섬유집합체에 백금(Pt)-루테늄(Ru)계통의 이원촉매(bimetallic catalyst)가 포함된 다공질의 전도체로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서 섬유집합체란, 파이버(fiber)로 이루어진 집합물로서, 파이버를 압축(compressed)하여 만들어지는 펠트(felt) 또는 직조되어 만들어지는 텍스타일(textile)을 포함하여 칭하는 것이다.
그리고, 이러한 섬유집합체의 바람직한 예로서 전도성이 있는 다공질의 카본펠트(carbon felt)를 들을 수 있다.
여기서 제1전극체(120)는 다음과 같은 방법으로 원통형으로 형성시킬 수도 있다.
다공질 다시 말해서 기공이 형성되어 있으며, 전도성이 있는 소재인 카본펠트에 백금(Pt)-루테늄(Ru) 계통의 이원촉매를 포함하는 용액을 도포한다. 그리고 백금(Pt)-루테늄(Ru) 계통의 이원촉매를 포함하는 용액을 건조시킨다. 백금(Pt)-루테늄(Ru) 계통의 이원촉매를 포함하는 용액이 건조된 카본펠트를 원통형으로 형성시킨다.
여기서, 일정한 직경을 갖는 로드(rod. 미도시)에 카본펠트를 말아줌으로써, 백금(Pt)-루테늄(Ru)계통의 이원촉매(bimetallic catalyst)가 포함된 카본펠트를 원통형의 형태로 형성시키게 된다. 여기서 제1전극체(120)가 원통형의 형태를 유지할 수 있도록 원통형태로 형성시킬 때 가열을 하거나 접착제를 이용할 수도 있다.
여기서, 원통형으로 형성되는 제1전극체(120)의 두께는 200 내지 500 마이크로미터 사이에 해당되는 것이 바람직하다.
<<S120>>
다음으로 전해질층형성단계(S120)는 제1전극체형성단계(S110)에서 원통형으로 형성된 제1전극체(120)의 외주면에 전해질층(130)을 형성시키는 단계이다.
이러한 전해질층형성단계(S120)는 A단계(S121) 및 B단계(S123)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 여기에 C단계(S125) 및 D단계(S127)를 더 포함하여 이루어질 수도 있다.
<S121>
먼저 A단계(S121)는 제1전극체(120)의 외주면에 고분자 전해질 용액을 도포하는 단계이다. 여기서 제1전극체(120)의 외주면에 대한 고분자 전해질 용액의 도포는 다양한 형태로 이루어질 수도 있다. 즉, 고분자 전해질 용액을 제1전극체(120)의 외주면에 도포시킬 수도 있으며, 고분자 전해질 용액 속에 제1전극체(120)를 담금으로써 함침시키는 것 또한 가능하다. 여기서 고분자 전해질 용액 속에 제1전극체(120)를 담그는 방법을 사용하는 경우에는 제1전극체(120)의 양 끝단을 밀봉시킨 후에 고분자 전해질 용액에 담금질을 하는 것이 바람직하다.
그리고 고분자 전해질 용액으로서, 술폰산기를 포함하는 고분자 전해질 용액을 이용하는 것이 바람직하다.
고분자 전해질 용액의 도포는 다음과 같은 예로 이루어질 수도 있다.
5 내지 30 중량% 농도의 술폰산기를 포함하는 고분자 전해질 용액에 제1전극체(120)를 담지하여 딥코팅(dip caoting) 하는 것 또한 바람직하다.
또는 5 내지 30 중량% 농도의 술폰산기를 포함하는 고분자 전해질 용액을 제1전극체(120)의 외주면에 스프레이 코팅시켜주는 것 또한 바람직하다.
이처럼 A단계(S121)에서 제1전극체(120)의 외주면에 고분자 전해질 용액을 도포한다.
<S123>
다음으로 B단계에서는 제1전극체(120)의 외주면에 도포된 고분자 전해질 용액을 건조 또는 반건조시켜주는 단계이다.
고분자 전해질 용액이 건조 또는 반건조됨으로써 형태적으로 안정화된 전해질층(130)이 형성된다. 여기서, 고분자 전해질 용액을 건조 또는 반건조시키는 시간이나 온도 등의 조건은 고분자 전해질 용액의 종류에 따라 적정수준으로 선택되어질 수 있다.
여기서, 반건조라 함은, 용액으로서의 유동성이 상당부분 없어졌지만, 고체로서의 경화된 상태라고 보기에는 무른 상태로서 약간의 유동성이 남아 있는 상태로서 젤과 같은 상태를 말하는 것으로 이해될 수 있다.
A 단계에서 고분자 전해질 용액이 충분한 양으로 도포되어져서 B단계를 통해 필요한 수준의 전해질층(130)이 형성될 수도 있으나, 제조상 요구되는 전해질층(130) 두께를 갖추기 위하여 다음과 같은 C단계(S125) 및 D단계(S127)를 반복적으로 더 거칠 수도 있다.
<S125>
C단계(S125)는 B단계(S123) 이후 고분자 전해질 용액이 건조 또는 반건조된 표면에 고분자 전해질 용액을 재도포하는 단계이다. A단계(S121)에서와 마찬가지로 술폰산기를 포함하는 고분자 전해질 용액으로 재도포하는 것 또한 바람직하다.
<S127>
C단계(S125) 다음에 이루어지는 D단계(S127)는 C단계(S125)에서 덧칠해진 고분자 전해질 용액을 건조 또는 반건조시키는 단계이다.
이와 같은 C단계(S125)와 D단계(S127)를 다수회 반복적으로 실시함으로써 필요한 수준의 전해질층(130)의 두께에 도달하도록 할 수도 있다.
이와 같이 A단계(S121) 내지 D단계(S127)를 거치면서 적정수준의 전해질층(130)을 형성시킬 수 있다. 전해질층(130)은 약 50 마이크로미터 내지 300 마이크로 미터 정도의 두께를 가지고도록 형성시킬 수도 있다.
이와 같이 전해질층(130)이 형성되면 다음과 같은 제2전극체형성단계(S130)로 이어진다.
<<S130>>
제2전극체형성단계(S130)는 전해질층형성단계(S120)에서 형성된 전해질층(130)의 외주면 상에 전도성 있는 소재로 제2전극체(140)를 형성시키는 단계이다. 여기서, 제2전극체(140) 또한 제1전극체(120)와 마찬가지로 원통형으로 형성시켜준다.
좀 더 구체적으로, 제2전극체(140)는 섬유집합체에 백금(Pt)이 포함된 다공질의 전도체인 것이 바람직하다. 여여기서 섬유집합체란, 파이버(fiber)로 이루어진 집합물로서, 파이버를 압축(compressed)하여 만들어지는 펠트(felt) 또는 직조되어 만들어지는 텍스타일(textile)을 포함하여 칭하는 것이다.
그리고, 이러한 섬유집합체의 바람직한 예로서 전도성이 있는 다공질의 카본펠트(carbon felt)를 들을 수 있다.
다공질의 전도체인 카본펠트(carbon felt)에 백금(pt)이 포함된 것으로 원통형의 형태로 형성시키기 위하여, 카본펠트에 백금을 포함하는 용액을 도포한다. 여기서, 스프레이 방식 또는 딥코팅(sip-coating) 방법으로 도포할 수도 있다. 그리고, 도포된 용액을 건조 또는 반건조시킨다.
카본펠트에 도포된, 백금을 포함하는 용액이 건조되면, 전해질층형성단계(S120)에서 형성된 전해질층(130)의 외주면을 둘러싸듯이 말아서 붙일 수 있다. 여기서 전해질층형성단계(S120)에서 형성된 전해질층(130)이 원통형이므로 제2전극체(140) 또한 원통형으로 형성되게 된다.
이와 같은 방법으로 제2전극체(140) 또한 원통형으로 형성될 수 있으며, 제2전극체(140)의 내측에 전해질층(130)과 제1전극체(120)가 있게 된다.
또는 다음과 같은 방법으로 제2전극체(140)를 형성시킬 수도 있다. 전해질층(130)의 외주면에 백금을 포함하는 용액을 도포한다. 스프레이 또는 딥코팅(dip coating) 방법으로 도포할 수 있다. 그리고, 도포된 용액이 건조되면, 카본펠트로 말 듯이 에워싸서 원통형으로 형성시킨다. 여기서 가열 또는 접착제를 이용하여 이음부분을 접합시킴으로써 원통형으로 형성시킬 수도 있다.
이와 같은 방법으로 제2전극체를 형성시킬 수 있다.
한 편, 제1전극체(120), 제2전극체(140) 및 전해질층(130)까지 형성된 상태를 연료전지중간체 라고 칭할 수 있다.
기본적으로 제1전극체(120), 제2전극체(140) 및 전해질층(130)까지 형성시킨 후에는 연료재(110)를 포함시키기만 하면 연료전지가 제조되므로, 제1전극체(120), 제2전극체(140) 및 전해질층(130)까지 형성된 상태를 원통형 연료전지중간체 라고 칭할 수 있다는 것이다. 물론 여기에서 후술할 스터플까지 형성된 상태 또한 원통형 연료전지중간체라고 칭할 수도 있다.
왜냐하면, 메탄올과 같은 연료재(110)가 제1전극체(120)의 내측으로 주입되기 전까지는 연료전지로서의 기능이 발휘될 수 있는 상태가 되기 이전인 상태이기 때문이며, 원통형 연료전지중간체 상태에서 필요시에 바로 연료재(110)를 메탄올을 주입시키기만 하면 바로 연료전지로서 기능을 할 수 있게 되기 때문이다.
따라서, 원통형으로 된 제1전극체(120), 제2전극체(140) 및 전해질층(130)까지 형성되면 원통형 연료전지중간체가 되었다고 볼 수 있다.
그리고 연료재(110)를 주입하기 전에 다음과 같은 스터플형성단계(S150)를 더 거치는 것 또한 바람직하다.
<<S140>>
스터플형성단계(S150)는, 제1전극체(120) 또는 제2전극체(140)의 일측과 타측의 양끝단에 위치하며, 제1전극체(120)의 내측공간에 채워지는 연료재(110)가 외부로 누출되지 않도록 막아주기 위한 스터플(stopple)(151, 152)을 형성시키는 단계이다.
이와 같은 스터플(151, 152)은 앞서 언급한 바와 같이 비전도성 소재로서, 예를 들어 PPMA, PTFE, 고무 등과 같은 비전도성 소재로 이루어질 수 있다.
그리고 앞서 언급한 연료재주입홀(153) 또는 기체방출홀은 스터플(151, 153) 자체를 형성시키는 과정에서 스터플(151, 153))에 형성시킬 수도 있으며, 제1전극체(120) 또는 제2전극체(140)의 양 끝단에 스터플(151, 152)을 형성시킨 후에 사후적으로 연료재주입홀(153)과 기체방출홀을 형성시킬 수도 있다.
<<S150>>
연료재주입단계(S150)는 제1전극체형성단계(S110)에서 형성된 제1전극체(120)의 내측공간에, 전력을 형성시키기 위한 연료재(110)를 주입시키는 단계이다.
여기서 연료재(110)로서 알코올을 사용할 수 있으며 좀 더 바람직하게는 메탄올을 연료재(110)로서 사용할 수 있다.
연료재(110)를 제1전극체(120)의 내측공간에 주입시키는 방법은 여러 가지가 있을 수 있다. 예를 들어, 펌프 혹은 실린지를 이용하여 연료재(110)인 메탄올을 주입시킬 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 연료전지는 웨어러블 디바이스에 적용될 수 있으며, 이를 위하여 도 4에 예시적으로 도시된 바와 같이 원통형 연료전지(10)를 직물조직으로 구성시킬 수도 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예들에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.
110 : 연료재 120 : 제1전극체
130 : 전해질층 140 : 제2전극체
151, 152 : 스터플(stopple)

Claims (16)

  1. 전도성 있는 소재를 원통형의 형태로 형성시킴으로써 제1전극체를 형성시키는 제1전극체형성단계;
    상기 제1전극체형성단계에서 원통형으로 형성된 상기 제1전극체의 외주면에 전해질층을 형성시키는 전해질층형성단계;
    상기 전해질층형성단계에서 형성된 상기 전해질층의 외주면 상에 전도성 있는 소재로 제2전극체를 형성시키는 제2전극체형성단계; 및
    상기 제1전극체형성단계에서 형성된 상기 제1전극체의 내측공간에, 전력을 형성시키기 위한 연료재를 주입시키는 연료재주입단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2전극체형성단계 및 상기 연료재주입단계 사이에 실시되는 단계로서,
    상기 제1전극체형성단계, 상기 전해질층형성단계 및 상기 제2전극형성단계를 통해 형성된 상기 제1전극체, 상기 전해질층 및 상기 제2전극체를 포함하는 원통형의 연료전지중간체에서 일측단 또는 일측과 타측의 양끝단에 상기 연료재가 누출되지 않도록 막아주는 스터플(stopple)을 형성시키는 스터플형성단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지제조방법.

  3. 제 2항에 있어서,
    상기 스터플(stopple) 중 적어도 어느 하나에는,
    상기 연료재주입단계에서 주입될 상기 연료재가 상기 제1전극체의 내측공간에 주입될 수 있도록 연료주입홀이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 스터플에는,
    상기 제1전극체의 내측공간으로 상기 연료재가 주입될 수 있도록 상기 제1전극체의 내측공간으로부터 외부로 기체가 배출될 수 있는 기체배출홀이 형성된 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전해질층형성단계는,
    상기 제1전극체의 외주면에 고분자 전해질 용액을 도포하는 A단계; 및
    상기 A단계에서 상기 제1전극체의 외주면에 칠해진 상기 고분자 전해질 용액을 건조 또는 반건조시키는 B단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전해질층형성단계는,
    상기 B단계 이후 상기 고분자 전해질 용액이 건조 또는 반건조된 표면에 상기 고분자 전해질 용액을 도포하는 C단계; 및
    상기 C단계에서 덧칠해진 고분자 전해질 용액을 건조 또는 반건조시키는 D단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 C단계 및 D단계를 다수회 반복실시하여 상기 전해질층의 두께를 점진적으로 증가시키는-것을 특징으로 하는 원통형 연료전지제조방법.
  8. 전도성이 있으며, 원통형의 형태로 형성된 제1전극체;
    전도성이 있으며, 원통형의 형태로 형성되되, 내측에 상기 제1전극체가 위치하며, 내경이 상기 제1전극체의 외경보다 크게 형성된 제2전극체; 및
    상기 제1전극체의 외주면과 상기 제2전극체의 내주면 사이에 형성되며, 상기 제1전극체와 상기 제2전극체 사이의 전자이동을 매개하는 전해질층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지중간체.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1전극체 또는 상기 제2전극체의 일측과 타측의 양끝단에 위치하며, 상기 제1전극체의 내측공간에 채워지는 연료재가 외부로 누출되지 않도록 막아주기 위한 스터플(stopple);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지중간체.
  10. 전도성이 있으며, 원통형의 형태로 형성된 제1전극체;
    전도성이 있으며, 원통형의 형태로 형성되되 내측에 상기 제1전극체가 위치하며, 내경이 상기 제1전극체의 외경보다 크게 형성된 제2전극체;
    상기 제1전극체와 외주면과 상기 제2전극체의 내주면 사이에 형성되며, 상기 제1전극체와 상기 제2전극체 사이에 양이온 또는 전자이동을 매개하는 전해질층; 및
    상기 제1전극체 및 상기 제2전극체 사이에 양이온 또는 전자의 이동이 이루어질 수 있도록 상기 제1전극체의 내측공간에 마련된 연료재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1전극체 및 상기 제2전극체의 일측과 타측의 양 끝단에 마련되어 상기 연료재의 누출을 막아주는 스터플(stopple);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제1전극체는,
    섬유집합체에 백금(Pt)-루테늄(Ru)계통의 이원촉매(bimetallic catalyst)가 포함된 다공질의 전도체인 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 섬유집합체는,
    전도성이 있는 다공질의 카본펠트(carbon felt)인 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 제2전극체는,
    섬유집합체에 백금(pt)이 포함된 다공질의 전도체인 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 섬유집합체는,
    전도성이 있는 다공질의 카본펠트(carbon felt)인 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 전해질층은,
    술폰산기를 포함하는 고분자 전해질층인 것을 특징으로 하는 원통형 연료전지.
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