KR20180035002A - 연료 전지 - Google Patents

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KR20180035002A
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이치승
조장호
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지는 분리판, 분리판 위에 위치하는 친수성 금속 발포체층, 상기 친수성 금속 발포체층 위에 위치하는 소수성 금속 발포체층, 상기 소수성 금속 발포체층 위에 위치하는 기체 확산층 및 상기 기체 확산층 위에 위치하는 막전극 접합체를 포함한다.

Description

연료 전지{Fuel Cell}
본 발명은 연료 전지에 대한 것이다.
고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, PEMFC)는 반응기체로 연료인 수소와 산화제인 산소(또는 공기)를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성한다.
고분자 전해질막 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧고 부하 변화에 대한 빠른 응답 특성을 가지므로 무공해 친환경차량의 동력원, 자가발전용, 군사용 전원등 다양한 분야에서 응용될 수 있다.
통상적으로 연료전지는 요구되는 출력 수준을 충족하기 위해 셀들을 적층하여 조립한 스택 형태로 사용하는데, 차량에 탑재되는 연료전지의 경우에도 높은 출력이 요구됨에 따라 수백 개의 셀들을 스택 형태로 적층하여 그 요건을 충족시키고 있다.
연료전지 스택의 단위 셀 구성에서 가장 안쪽에는 막전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)가 위치하고, 이 MEA는 수소 양이온(proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 전해질막의 양면에 촉매를 도포하여 구성되는 촉매 전극, 즉 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 구성된다.
또한, 막전극 접합체의 바깥 부분, 즉 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥 부분에는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 기체 누출을 방지하는 가스켓(gasket) 등이 적층되고, GDL의 바깥쪽에는 반응기체 및 냉각수, 반응에 의해 생성된 물이 흐르는 유로(flow field)를 제공하는 분리판이 접합된다.
이러한 구성에서 연료전지의 애노드에서는 연료인 수소의 산화반응이 진행되어 수소 이온(proton)과 전자(electron)가 발생하고, 이때 생성된 수소 이온과 전자가 각각 전해질막과 분리판을 통해 캐소드로 이동하게 된다.
이에 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소 이온과 전자, 공기 중 산소가 참여하는 전기화학 반응을 통해 물을 생성하게 되고, 이 전기화학 반응 과정에서 물과 더불어 열이 발생하게 된다. 또한, 전자의 흐름으로부터 전기에너지가 만들어지게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 금속 발포체층 내부에 수분을 유지하면서도 물 배출이 용이하도록 하고, 촉매층에 공기를 원활하게 공급할 수 있는 연료 전지를 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지는 분리판, 상기 분리판 위에 위치하는 친수성 금속 발포체층, 상기 친수성 금속 발포체층 위에 위치하는 소수성 금속 발포체층, 상기 소수성 금속 발포체층 위에 위치하는 기체 확산층, 및 상기 기체 확산층 위에 위치하는 막전극 접합체를 포함한다.
상기 막전극 전합체는 상기 기체 확산층 위에 위치하는 촉매층 및 상기 촉매층 위에 위치하는 전해질막을 포함할 수 있다.
상기 친수성 금속 발포체층의 두께는 0.3 내지 1.0mm일 수 있다.
상기 소수성 금속 발포체층의 두께는 0.3 내지 1.0mm일 수 있다.
상기 연료 전지는 캐소드 가습기를 포함하지 않을 수 있다.
상기 연료전지에서 상기 분리판이 중력방향으로 가장 아래에 위치하고, 상기 친수성 금속 발포체층이 상기 소수성 금속 발포체층보다 중력방향으로 더 아래에 위치할 수 있다.
이상과 같이 일 실시예에 따른 연료 전지는 금속 발포체층 내부에 수분을 유지하면서도 물 배출을 용이하게 할 수 있고, 촉매층에 공기를 원활하게 공급할 수 있으며 캐소드 가습기를 생략할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 연료 전지의 단면도이다.
도 2는 비교예에 따른 연료 전지에서 금속 발포체층이 소수성 금속 발포체층으로만 이루어진 경우를 나타낸 것이다.
도 3은 비교예에 따른 연료 전지에서 금속 발포체층이 친수성 금속 발포체층으로만 이루어진 경우를 나타낸 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 연료 전지에서 건조 공기, 함습 공기 및 수분의 이동 경로를 나타낸 것이다.
도 5는 다른 일 실시예에 따른 연료 전지의 단면도이다.
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.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이제 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 연료 전지의 단면도이다. 도 1을 참고로 하면, 분리판(10)위에 금속 발포체층(20)이 위치한다. 금속 발포체층(20)은 친수성 금속 발포체층(21) 및 소수성 금속 발포체층(22)을 포함한다.
금속 발포체층(20) 위에 기체 확산층(30)이 위치한다. 기체 확산층(30) 위에 촉매층(40)이 위치하고, 촉매층(40) 위에 전해질막(50)이 위치한다. 촉매층(40)과 전해질막(50)을 묶어서 막전극 접합체라고 지칭한다.
일 실시예에 따른 연료 전지는 분리판(10)과 기체 확산층(30) 사이에 금속 발포체층(20)이 위치하며, 금속 발포체층(20)은 친수성 금속 발포체층(21) 및 소수성 금속 발포체층(22)을 포함한다. 이때 친수성 금속 발포체층(21)이 분리판(10)에 접하여 위치하고, 소수성 금속 발포체층(22)은 기체 확산층(30)과 접하고 있다.
일 실시예에 따른 연료 전지에서, 분리판(10)은 연료 전지의 가장 아래에 위치한다. 본 명세서에서 가장 아래라는 의미는, 중력 방향으로 가장 아래 방향에 위치하고 있다는 의미이다. 즉, 친수성 금속 발포체층(21)은 소수성 금속 발포체층(22)보다 중력 방향으로 아래에 위치한다.
일 실시예예서 친수성 금속 발포체층(21)은 배출되는 생성수를 포집하고 공급되는 건조 공기에 수분을 공급한다. 또한, 소수성 금속 발포체층(22)은 전해질막(50)쪽으로 공기를 원활히 공급하고, 생성수를 분리판(10) 쪽으로 원활히 배출한다.
그러면, 이하에서 일 실시예에 따른 연료 전지의 각 구성요소에 대하여 보다 상세히 설명한다.
분리판(10)은 일 실시예에 따른 연료 전지에서 중력 방향으로 가장 아래쪽에 위치한다. 분리판(10)은 연료전지 내에서 단위 셀을 분리하는 동시에 셀 간의 전류 통로가 되는 부분(발생한 전기를 전달하는 부분)이고, 도시되지는 않았으나 분리판에는 유로가 형성되어 냉각수가 통과되는 통로가 될 수 있다. 즉, 분리판(10)에 형성된 유로는 반응기체를 기체 확산층(30)에 전달하기 위한 통로, 냉각수를 통과시키기 위한 통로, 전기화학 반응에 의해 생성되어 기체 확산층(30)을 통해 배출되는 물을 외부로 배출하기 위한 통로가 될 수 있다.
이러한 분리판으로 흑연계 소재로 제작되는 흑연계 분리판과, 스테인리스강 등의 금속 소재로 제작되는 금속계 분리판 등이 사용될 수 있다.
분리판(10) 위에 금속 발포체층(20)이 위치한다. 금속 발포체층(20)은 친수성 금속 발포체층(21) 및 소수성 금속 발포체층(22)을 포함한다.
일 실시예에서 친수성 금속 발포체층(21)의 두께는 0.3 내지 1.0 mm일 수 있다. 또한, 소수성 금속 발포체층(22)의 두께는 0.3 내지 1.0 mm일 수 있다.
일 실시예에서 금속 발포체층(20)은 Ni, Cu, Al, Fe, 스테인레스 스틸, Fe-Ni계 합금, Fe-Ni-Cr계 합금, Fe-Ni-SiC계 합금 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.
일 실시예에서 소수성 금속 발포체층(22)은 상기 금속 발포체층(20)에 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 테트라플루오로에틸렌과 폴리비닐리덴 플루오라이드의 공중합체(copolymers of tetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴 플루오라이드 (polyvinylidene fluoride) 와 같은 소수성 물질로 처리되어 있을 수 있다.
일 실시예에서, 친수성 금속 발포체층(21)은 금속 또는 Si를 함유하는 관능기를 포함할 수 있다. 즉, 친수성 금속 발포체층(21)의 표면층은 Si를 함유하는 관능기를 포함하도록 처리될 수 있다. 친수성 금속 발포체층(21)의 표면층은 추가로 O, N 또는 S를 함유하는 관능기를 포함할 수 있다. 관능기는 실란(SiH4), 테트라메틸실란, 테트라알킬 실란, 실록산, 알루미늄 트리클로라이드 등의 알루미늄 화합물, 지르코늄 t-부톡시드 등의 지르코늄 화합물, 티타늄 테트라클로라이드 등의 티타늄 화합물, 구리 헥사플루오로아세틸아세토네이트(CuHFAC) 등의 구리 화합물 및 테트라메틸주석 등의 주석 화합물을 비롯한 유기금속의 이온화 생성물로부터 유도될 수 있다. 관능기는 추가로 산소, 질소, 이산화질소, 아산화질소, 암모니아 및 이산화황의 이온화 생성물로부터 유도될 수 있다.
친수성 금속 발포체층(21)의 표면층은 상기 언급된 화학적 처리 외에도 금속 발포체 표면 거칠기를 증가시켜 구현을 할 수도 있다. 제조 시 표면 거칠기가 높은 금속 발포체를 이용하거나, 제조된 금속 발포체에 에칭이나 샌드블래스팅과 같은 후 공정을 추가하여 표면 거칠기가 증가된 금속 발포체를 이용하면 친수성을 구현할 수 있다.
친수성 금속 발포체층(21)이 소수성 금속 발포체층(22)보다 중력 방향으로 아래에 위치한다. 즉, 친수성 금속 발포체층(21)은 분리판(10)과 접촉하고 있다. 금속 발포체층(20)이 분리판(10과 기체 확산층(30) 사이에 위치하는 경우 이러한 금속 발포체층은 연료 전지에 요구되는 가습기를 대신할 수 있다. 즉, 연료 전지의 구동을 위해서는 연료 전지의 캐소드에 수분을 공급하는 가습기가 필요하지만, 일 실시예에 따른 연료 전지는 금속 발포체층(20)이 캐소드에서 생성된 수분을 최대로 활용할 수 있도록 하기 때문에, 연료 전지에서 가습기를 생략할 수 있다.
이를 위하여는 금속 발포체층(20) 내에 수분 함유량을 최대화 하는 것이 바람직하다. 그러나, 금속 발포체층(20) 내에 수분 함유량이 지나치게 많은 경우, 공급 공기의 전극으로의 이동을 방해하여 운전 안정성 및 성능이 저하되는 문제가 있다.
일 실시예에 따른 연료 전지는 금속 발포체층(20)이 친수성 금속 발포체층(21) 및 소수성 금속 발포체층(22)을 포함한다. 따라서, 금속 발포체층(20) 내의 수분 함유량을 적정 수준으로 유지하면서도 공급 공기의 이동을 방해하지 않을 수 있다.
도 2는 비교예에 따른 연료 전지에서 금속 발포체층(20)이 소수성 금속 발포체층(22)으로만 이루어진 경우를 나타낸 것이다.
도 2를 참고로 하면, 소수성 금속 발포체층(22)은 촉매층(40)에서 형성된 물의 배출(점선)이 용이하지만, 내부에 수분을 함유하고 유지하지 못한다. 다만, 소수성 금속 발포체층(22) 내부에 수분이 함유되어 있지 않기 때문에 공급 공기의 이동이 쉽다.
도 3은 비교예에 따른 연료 전지에서 금속 발포체층(20)이 친수성 금속 발포체층(22)으로만 이루어진 경우를 나타낸 것이다.
도 3을 참고로 하면, 친수성 금속 발포체층(21)은 촉매층에서 형성된 수분을 함유하고 유지할 수 있지만, 물 배출성이 나쁘다. 따라서 배출되지 않은 물에 의한 범람 현상이 발생할 수 있고, 친수성 금속 발포체층(22) 내부에 함유된 수분에 의해 공기의 이동이 방해받을 수 있다.
그러나 일 실시예에 따른 연료 전지는 친수성 금속 발포체층(21)과 소수성 금속 발포체층(22)을 모두 포함한다. 따라서, 친수성 금속 발포체층(21)에서는 배출된 생성수를 포집하고 공급된 건조 공기에 수분을 공급하며, 소수성 금속 발포체층(22)은 촉매층에 공기를 원활하게 공급하며 생성수를 원활하게 배출한다.
도 4는 일 실시예에 따른 연료 전지에서 건조 공기, 함습 공기 및 수분의 이동 경로를 나타낸 것이다. 도 4를 참고로 하면, 촉매층에서 생성된 수분은 기체 확산층(30)과 소수성 금속 발포체층(22)을 통과하여 친수성 금속 발포체층(21)에서 유지된다.
또한, 건조 공기는 친수성 금속 발포체층(21)을 통과하면서 수분을 함유하게 되고, 이러한 함습 공기는 소수성 금속 발포체층(22) 및 기체 확산층(30)을 통과하여 촉매층(40)에 공급된다.
일 실시에예서, 친수성 금속 발포체층(21)은 소수성 금속 발포체층(22)보다 중력방향으로 아래에 위치한다. 따라서 생성된 수분이 중력에 의해 친수성 금속 발포체층(21)에 보다 잘 모이게 된다.
다음, 소수성 금속 발포체층(22) 위에 기체 확산층(30)이 위치한다. 기체 확산층(30)은 다공성 재질이며, 카본 파이버를 포함할 수 있다. 기체 확산층(30)은 다공성 매질로 구성되어 물질/전자/열 전달의 역할을 수행하며, 특히 촉매층(40)에서 생성된 물을 제거해주는 역할을 한다.
기체 확산층(30) 위에는 촉매층(40)이 위치한다. 촉매층(40)은 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 구성된다. 도 1에서는 하나의 촉매층(40)만 도시되었으나, 촉매층(40)은 전해질막(50)을 사이에 두고 양쪽으로 위치할 수 있다. 촉매층(40)이 애노드인 경우, 촉매층(40)에서는 연료인 수소의 산화반응이 진행되어 수소 이온(proton)과 전자(electron)가 발생하고, 이때 생성된 수소 이온과 전자가 각각 전해질막과 분리판을 통해 캐소드로 이동하게 된다.
또한 촉매층(40)이 캐소드인 경우 애노드로부터 이동한 수소 이온과 전자, 공기 중 산소가 참여하는 전기화학 반응을 통해 물을 생성하게 되고, 이 전기화학 반응 과정에서 물과 더불어 열이 발생하게 된다. 또한, 전자의 흐름으로부터 전기에너지가 만들어지게 된다. 일 실시예에서, 촉매층(40)은 캐소드일 수 있다.
촉매층(40)위에는 전해질막(50)이 위치한다. 전해질막(50)은 수소 양이온(proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막일 수 있다.
이상과 같이 일 실시예에 따른 연료 전지는 분리판(10)과 기체 확산층(30) 사이에 금속 발포체층(20)이 위치하여 연료 전지에서 캐소드 가습기를 제거할 수 있다. 또한 일 실시예에 따른 연료 전지는 금속 발포체층(20)이 친수성 금속 발포체층(21) 및 소수성 금속 발포체층(22)의 이중층 구조로 되어 있어, 금속 발포체층(20) 내부에 수분을 유지하면서도 물 배출이 용이하도록 하고, 공기를 원활하게 공급할 수 있다.
일 실시예에서는, 금속 발포체층(20)이 친수성 금속 발포체층(21)과 소수성 금속 발포체층(22)의 이중층 구조로 적층된 구성에 대하여 설명하였으나, 다른 실시예에서 금속 발포체층(20)은 단일층이며, 친수성 영역 및 소수성 영역을 포함할 수도 있다. 도 5는 본 실시예에 따른 연료 전지를 나타낸 것이다. 도 5를 참고로 하면, 친수성 금속 발포체층과 소수성 금속 발포체층이 명확히 구분되지 않으며, 금속 발포체층(20)이 분리판(10)과 접하는 영역은 친수성을 나타내고, 금속 발포체층(20)이 기체 확산층(30과 접하는 영역은 소수성을 나타낸다.
본 실시예에 다른 연료 전지는 친수성/ 소수성을 나타내게 하기 위한 화학적/ 물리적 처리를 금속 발포체의 각각의 절반의 영역에만 처리하는 방법으로 구현할 수 있다. 즉, 코팅/디핑과 같은 화학적 표면 처리를 금속 발포체의 절반 영역에만 수행하거나, 금속 발포체 표면 거칠기 증가를 위한 에칭이나 샌드 블래스팅을 금속 발포체의 절반 영역에만 수행할 수 있다.
본 실시예에 따른 연료 전지의 경우에도 그 효과는 앞서 설명한 도 1의 실시예에 따른 연료 전지의 효과와 동일하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 분리판
21: 친수성 금속 발포체층
22: 소수성 금속 발포체층
30: 기체 확산층
40: 촉매층
50: 전해질 막

Claims (9)

  1. 분리판;
    분리판 위에 위치하는 친수성 금속 발포체층;
    상기 친수성 금속 발포체층 위에 위치하는 소수성 금속 발포체층;
    상기 소수성 금속 발포체층 위에 위치하는 기체 확산층;
    상기 기체 확산층 위에 위치하는 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지.
  2. 제1항에서,
    상기 막전극 전합체는 상기 기체 확산층 위에 위치하는 촉매층;
    상기 촉매층 위에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료 전지.
  3. 제1항에서,
    상기 친수성 금속 발포체층의 두께는 0.3 내지 1.0 mm인 연료 전지.
  4. 제1항에서,
    상기 소수성 금속 발포체층의 두께는 0.3 내지 1.0 mm인 연료 전지.
  5. 제1항에서,
    상기 연료 전지는 캐소드 가습기를 포함하지 않는 연료 전지.
  6. 제1항에서,
    상기 연료전지에서 상기 분리판이 중력방향으로 가장 아래에 위치하고, 상기 친수성 금속 발포체층이 상기 소수성 금속 발포체층보다 중력방향으로 더 아래에 위치하는 연료 전지.
  7. 분리판;
    분리판 위에 위치하는 금속 발포체층;
    상기 금속 발포체층 위에 위치하는 기체 확산층;
    상기 기체 확산층 위에 위치하는 막전극 접합체를 포함하고,
    상기 금속 발포체층은 친수성 영역 및 소수성 영역을 포함하는 연료 전지.
  8. 제7항에서,
    상기 막전극 전합체는 상기 기체 확산층 위에 위치하는 촉매층;
    상기 촉매층 위에 위치하는 전해질막을 포함하는 연료 전지.
  9. 제7항에서,
    상기 연료전지에서 상기 분리판이 중력방향으로 가장 아래에 위치하고, 상기 금속 발포체층의 친수성 영역이 상기 소수성 영역보다 력방향으로 더 아래에 위치하는 연료 전지.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111129507A (zh) * 2019-12-13 2020-05-08 同济大学 一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用

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CN111129507A (zh) * 2019-12-13 2020-05-08 同济大学 一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用
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