KR20200073375A - 수전해 및 연료전지 가역셀 및 이를 가지는 양방향 전환 장치 - Google Patents

수전해 및 연료전지 가역셀 및 이를 가지는 양방향 전환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원통형으로 이루어지고, 메쉬구조나 다공구조가 형성되며, 전도성을 가지는 제 1 분리부재; 상기 제 1 분리부재의 외측에 장착되기 위해 곡률을 이루도록 형성되고, 유연성을 가지며, 양이온 투과를 위한 전해질막부재; 상기 전해질막부재의 외측에 장착되기 위하여 곡률을 이루도록 형성되고, 메쉬구조나 다공구조가 형성되며, 유연성과 전도성을 가지는 제 2 분리부재; 상기 전해질막부재의 내측면과 외측면 중 어느 하나에 형성되어, 상기 제 1 분리부재의 외측면 또는 상기 제 2 분리부재의 내측면에 접촉하고, 상기 전해질막부재와 함께 유연하게 변형되며, 수소극 촉매를 가지는 제 1 전극층; 및 상기 전해질막부재의 내측면과 외측면 중 다른 하나에 형성되어, 상기 제 1 분리부재의 외측면 또는 상기 제 2 분리부재의 내측면에 접촉하고, 상기 전해질막부재와 함께 유연하게 변형되며, 산소극 촉매를 가지는 제 2 전극층;을 포함하도록 한 수전해 및 연료전지 가역셀 및 이를 가지는 양방향 전환 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 유연구조의 분리판과 막-전극 접합체를 포함하는 수전해-연료전지 일체형 가역 연료전지 단위셀 구조에 의해, 연료공급 라인으로 사용하는 플라스틱, 스테인레스스틸 소재의 파이프 구조물 외관에 다수로 연결이 가능하게 됨으로써, 수십에서 수백 와트 수준의 소형 시스템에서 가볍고, 공간 효율이 좋으며, 탄소소재의 부식 문제에서 자유롭도록 한다.

Description

수전해 및 연료전지 가역셀 및 이를 가지는 양방향 전환 장치{Reversible cell for water electrolysis and fuel cell and bidirectional switching apparatus with the same}
본 발명은 수전해 및 연료전지 가역셀 및 이를 가지는 양방향 전환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적층형이 아닌 튜브형에 적용이 가능한 유연구조를 가지며, 높은 과전압이 인가되는 수전해 반응에서 물-탄소 반응에 의한 부식을 방지할 수 있도록 하는 수전해 및 연료전지 가역셀 및 이를 가지는 양방향 전환 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 수전해 혹은 물 전기분해는 연료인 물(H2O)과 전기를 이용하여 결합되어 있는 수소(H2)와 산소(O2)를 분리 생산하는 장치이다. 구체적으로 살펴보면, 애노드(anode)에서는 물이 공급되어 전극 촉매 상에서 촉매와 반응하여, 산소, 수소이온과 전자가 발생한다. 수소 이온은 전해질막을 통해 캐소드(cathode)로 이동하며, 전해질막을 통과한 수소이온이 외부 회로를 통해 이동된 전자와 결합하여 순수한 수소가 생성된다. 이러한 수전해 장치의 반응은 연료전지의 역반응이다.
연료전지는 연료인 수소와 공기중의 산소를 이용하여 전기를 생산하는 장치이다. 연료전지의 주요 구성품인 전극막 접합체(MEA : Membrane Electrode Assembly)는 수소 양이온이 이동 가능한 전해질막과 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있는 촉매층이 마련된다.
가역 연료전지 또는 재생 연료전지(Regenerative Fuel Cell; 이하, 'RFC'라 함)는 전기와 수소 간 양방향 전환을 가능하게 하는 것으로서, 전기화학 에너지 저장의 유망한 후보로 고려되고 있다. 수소->전기->수소의 에너지 변환과 저장이 가능하게 하는 구성 요소로 연료전지와 수전해 장치가 있다. 각각의 기능을 수행하는 장치가 별도로 존재하는 분리된 RFC 형태가 있고, 좀 더 공간효율과 가격, 성능을 높인 일체형 RFC(Unitized Regenerative Fuel Cell, 이하, 'URFC"라 함)가 연구되고 있다.
URFC는 연료전지와 수전해장치가 하나의 유닛에서 사용되기 때문에 연료전지 성능 및 수전해 성능을 복합적으로 감안한 내부 재료와 구조의 선택이 필요하다.
초기 연구에 있어서, 고체고분자막을 활용한 연료전지 연구가 가장 활발하게 연구되고, 상용 구조가 일반적으로 널리 알려졌다. 스택형 연료전지는 내부의 셀 구조물을 강하게 지지해주는 엔드플레이트, 각 셀에서의 연료 공급과 전자의 이동라인인 분리판, 연료인 가스가 효과적으로 전극에 확산되게 해주는 가스 확산층, 카본담지체와 고분산된 백금 나노 촉매의 형태로 이루어지며, 단셀들이 필요한 용량에 맞게 차곡차곡 쌓인 형태를 가진다. 이러한 스택형 연료전지는 콤팩트하고, 연료 누출 위험성이 적은 장점을 가지는 반면, 전체적으로 무겁고, 형상 변형에 어려움이 있다.
고분자 전해질막을 사용하는 URFC 역시, 스택형 연료전지 구조 및 내부재료를 기본으로 연구가 이루어졌으며, 수전해 촉매로 성능이 확인된 이리듐을 백금 촉매와 혼합하여, 수전해-연료전지 복합 성능을 확인하는 것으로부터 출발하였다.
그러나 촉매 담지체로 사용되는 카본 블랙의 경우, 연료전지 성능에는 크게 문제가 없으나, 1.4V 이상의 고전압이 걸리는 수전해 운행에는 탄소가 물과 반응하여, 이산화탄소가 되는 탄소부식반응이 진행된다. 이러한 탄소부식은 산소극쪽에서 발생하며, 촉매층뿐만 아니라 가스확산층으로 사용되는 카본페이퍼 혹은 카본 섬유 그리고 카본 분리판 역시 부식반응 발생이 보고되고 있다.
그래서, 최근 URFC 연구에서 사용되는 단셀 구조를 보면, 티타늄플레이트 분리판, 티타늄 펠트 혹은 티타늄 폼 가스확산층, 그리고 담지체를 포함하지 않는 촉매분말전극이 산소극 재료로 사용되어진다. 그러나, 이러한 경우에도 셀 구조는 기존 연료전지 단셀 스택 구조를 변경하여, 실험에 사용되는 경우가 대부분이다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 적층형 구조가 아닌 튜브형 구조를 구현함으로써, 유연하면서도 간단한 구조를 가지도록 하고, 이로 인해, 적층형 구조의 단점을 해소하여 경량화와 형상 변형이 용이하도록 하며, 높은 과전압이 인가되는 수전해 반응에서 물-탄소 반응에 의한 부식을 방지할 수 있도록 함으로써, 내구성이 뛰어나도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 원통형으로 이루어지고, 메쉬구조나 다공구조가 형성되며, 전도성을 가지는 제 1 분리부재; 상기 제 1 분리부재의 외측에 장착되기 위해 곡률을 이루도록 형성되고, 유연성을 가지며, 양이온 투과를 위한 전해질막부재; 상기 전해질막부재의 외측에 장착되기 위하여 곡률을 이루도록 형성되고, 메쉬구조나 다공구조가 형성되며, 유연성과 전도성을 가지는 제 2 분리부재; 상기 전해질막부재의 내측면과 외측면 중 어느 하나에 형성되어, 상기 제 1 분리부재의 외측면 또는 상기 제 2 분리부재의 내측면에 접촉하고, 상기 전해질막부재와 함께 유연하게 변형되며, 수소극 촉매를 가지는 제 1 전극층; 및 상기 전해질막부재의 내측면과 외측면 중 다른 하나에 형성되어, 상기 제 1 분리부재의 외측면 또는 상기 제 2 분리부재의 내측면에 접촉하고, 상기 전해질막부재와 함께 유연하게 변형되며, 산소극 촉매를 가지는 제 2 전극층;을 포함하는, 수전해 및 연료전지 가역셀이 제공된다.
상기 제 1 또는 제 2 분리부재는, 스테인레스스틸, 티타늄, 알루미늄, 구리 중에서 선택되는 어느 하나의 표면에 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 백금(Pt) 중 어느 하나가 코팅될 수 있다.
상기 산소극 촉매는, 물 배출과 산소 버블 배출이 용이하도록 티타늄 파우더 담지체를 사용할 수 있다.
상기 티타늄 파우더 담지체는, 촉매 물질에 해당하는 백금, 이리듐, 루테늄, 백금-이리듐합금 및 백금-루테늄합금 중에서 적어도 하나 이상을 담지할 수 있다.
상기 산소극 촉매는, 상기 티타늄 파우더 담지체와 물리적으로 혼합되어 담지되고, 나피온 아이오노머 바인더(Nafion sol.)를 이용한 촉매 슬러리 제조 과정에서 일체의 카본물질이 배제되도록 제조될 수 있다.
상기 촉매 물질은, 나노(nano) 또는 마이크로(micro) 사이즈이고, 상기 티타늄 파우더 담지체는, 상기 촉매 물질 크기의 5-200배 크기일 수 있다.
상기 산소극 촉매는, 상기 티타늄 파우더 담지체와 물리적으로 혼합되어 촉매층을 형성할 때, 상기 티타늄 파우더 담지체에 대한 상기 촉매 물질의 담지량이 0.1~1mg/cm2임과 아울러, 상기 티타늄 파우더 담지체의 전체 중량에 대하여 50~99 중량%일 수 있다.
상기 제 1 분리부재의 일단 개구를 차단하도록 마련되는 차단부재; 상기 제 1 분리부재의 타단 개구에 파이프의 연결을 위해 마련되는 피팅부재; 상기 제 1 분리부재의 외측면에 전기적으로 접속되도록 마련되어, 상기 제 2 전극층과는 이격 또는 절연되도록 상기 전해질막부재를 관통함과 아울러, 상기 제 2 분리부재를 절연되도록 관통하여 외측으로 돌출되는 제 1 볼트단자; 및 상기 제 1 분리부재의 외측면에 절연되어 돌출되도록 마련되어, 상기 제 1 전극층과는 이격 또는 절연되도록 상기 전해질막부재를 관통함과 아울러, 상기 제 2 분리부재에 전기적으로 접속되도록 관통하여 외측으로 돌출되는 제 2 볼트단자;를 더 포함힐 수 있다.
상기 제 1 분리부재의 양단 외측에 끼워져서 상기 전해질막부재를 사이에 두고 상기 제 1 및 제 2 분리부재를 서로 격리시키도록 하는 실링부재; 상기 제 2 분리부재로부터 돌출되는 상기 제 1 및 제 2 볼트단자에 삽입되어 상기 제 2 분리부재 상에 설치되고, 절연재질로 이루어지는 고정플레이트; 및 상기 고정플레이트부터 돌출되는 상기 제 1 및 제 2 볼트단자에 나사체결되어 상기 고정플레이트가 상기 제 2 분리부재 상에 고정되도록 하는 고정너트;를 더 포함하고, 상기 전해질막부재 및 상기 제 2 분리부재는, 일측이 길이방향으로 절개되는 원통형으로 이루어지고, 상기 제 1 및 제 2 볼트단자 중 어느 하나가 관통하도록 일측이 개방되는 관통홈이 형성되며, 상기 제 1 및 제 2 볼트단자 중 다른 하나가 관통하도록 관통홀이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 수전해장치와 연료전지간의 양방향 전환을 가능하도록 하고, 다수개가 나란하게 배열되는 가역셀; 상기 가역셀 각각의 제 1 및 제 2 볼트단자를 서로 연결하여, 다수의 가역셀이 배터리 또는 전기기구 측에 직렬로 전기적으로 접속되도록 하는 다수의 접속부재; 상기 다수의 가역셀을 감싸서, 상기 가역셀 각각의 피팅부재가 노출 또는 돌출되도록 하되, 상기 제 2 분리부재 주위에 기밀되는 공간을 제공하는 케이스; 상기 피팅부재 각각에 제 1 가스관을 통해 연결되는 제 1 가스용기; 및 상기 케이스에 제 2 가스관을 통해 연결되는 제 2 가스용기;를 포함하고, 상기 가역셀은, 본 발명의 일측면에 따른 수전해 및 연료전지 가역셀인, 수전해 및 연료전지 양방향 전환 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 수전해 및 연료전지 가역셀 및 이를 가지는 양방향 전환 장치에 의하면, 유연구조의 분리판과 막-전극 접합체를 포함하는 수전해-연료전지 일체형 가역 연료전지 단위셀 구조에 의해, 연료공급 라인으로 사용하는 플라스틱, 스테인레스스틸 소재의 파이프 구조물 외관에 다수로 연결이 가능하게 됨으로써, 수십에서 수백 와트 수준의 소형 시스템에서 가볍고, 공간 효율이 좋은 에너지 공급 전원 시스템으로 사용이 가능하도록 하고, 종래 탄소소재의 부식 문제에서 자유롭도록 하여, 장기 사용 성능이 개선되도록 하며, 이로 인해 분리판 만으로 모자랐던 연료공급의 확산과 전자 이동성능을 티타늄 파우더 촉매 담지체의 마이크로 다공성 막 효과로 확보할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 양방향 전환 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 양방향 전환 장치의 내부를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 양방향 전환 장치의 내부를 다른 방향에서 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 가역셀을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 가역셀을 분해하여 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 양방향 전환 장치를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 수전해 및 연료전지 가역셀에서, 제 2 전극층을 확대한 것으로, 티타늄 파우더 담지체에 분산된 촉매 입자를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 수전해 및 연료전지 가역셀의 수전해 모드에서의 반응과 연료전지 모드에서의 반응을 나타낸 것이다.
도 9는 티타늄 파티클이 티타늄 펠트 위에 실제 로딩되어 있을 때의 확대 사진을 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 양방향 전환 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 양방향 전환 장치의 내부를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 양방향 전환 장치의 내부를 다른 방향에서 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 양방향 전환 장치(10)는 가역셀, 접속부재(210), 케이스(220), 제 1 가스용기(230) 및 제 2 가스용기(240)를 포함할 수 있다. 여기서, 가역셀은 본 발명의 일 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 가역셀(10)이며, 이에 대한 설명으로 대신하기로 한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 가역셀(100)은 수전해장치와 연료전지간의 양방향 전환을 가능하도록 하고, 다수개가 나란하게 배열되는데, 각각은 제 1 분리부재(110), 전해질막부재(120), 제 2 분리부재(130), 제 1 전극층(140) 및 제 2 전극층(150)을 포함할 수 있는데, 산소극 구성품 탄소부식 문제를 발생시키는 카본 재료의 분리판, 가스확산층, 촉매 담지체를 사용하지 않고, 내부식성을 가지는 전기전도성 금속 분리판, 티타늄 파우더 촉매 담지체를 사용하여, 고전위(1.4V 이상)의 내구성을 높이도록 할 수 있다.
제 1 분리부재(110)는 원통형으로 이루어지고, 메쉬구조나 다공(111)구조가 형성되며, 전도성을 가진다. 제 1 분리부재(110)는 제 2 분리부재(130)와 마찬가지로, 일반적인 적층형 연료전지의 엔드플레이트, 집전판, 유로라인 분리판, 가스 확산층, 보조촉매의 기능을 통합적으로 수행하도록 할 수 있다. 또한 제 1 분리부재(110) 역시 유연성을 가지도록 구성될 수 있다. 제 1 분리부재(110)는 일례로, 수소극 분리판으로서, 본 실시례에서처럼 배터리(10)의 전원을 공급받는 수전해 모드에서는 생성되는 수소 기체가 배출되는 통로로 사용될 수 있고, 램프 등의 전기기구(20; 도 6에 도시)에 전원을 공급하기 위한 연료전지 모드에서는 연료인 수소의 공급 채널이 되며, 전자의 이동라인 역할도 수행할 수 있는데, 이에 한하지 않고, 다른 예에 따라 산소극 분리판으로서 역할을 할 수도 있음은 물론이다.
전해질막부재(120)는 제 1 분리부재(110)의 외측에 장착되기 위해 곡률을 이루도록 형성되고, 유연성을 가지며, 양이온 투과를 위한 막부재로 이루어지고, 예컨대 고체고분자형 양이온 투과 전해질막으로 이루어질 수 있다. 전해질막부재(120)는 제 2 분리부재(130) 등과 함께 연성을 가지는 재질로 이루어짐으로써, 튜브 형태의 연료관 외주면에 간단히 부착되도록 할 수 있다.
제 2 분리부재(130)는 전해질막부재(120)의 외측에 장착되기 위하여 곡률을 이루도록 형성되고, 메쉬(131)구조나 다공구조가 형성되며, 유연성과 전도성을 가진다. 제 2 분리부재(130)는 일례로 산소극 분리판으로서, 배터리(10)의 전원을 공급받는 수전해 모드에서는 연료인 물이 외부에서 공급되는 통로역할과 생성되는 산소 기체 방울이 배출되는 통로역할을 할 수 있고, 램프 등의 전기기구(20; 도 6에 도시)에 전원을 공급하기 위한 연료전지 모드에서는 외부 산소 기체의 공급 채널이 되며, 전자의 이동라인 역할도 수행할 수 있는데, 이에 한하지 않고 다른 예에 따라 수소극 분리판으로서 역할을 할 수도 있음은 물론이다.
전해질막부재(120) 및 제 2 분리부재(130)는 일측이 길이방향으로 절개되는 원통형으로 이루어질 수 있고, 제 1 및 제 2 볼트단자(163,164) 중 어느 하나가 관통하도록 일측이 개방되는 관통홈(121,132)이 형성될 수 있으며, 제 1 및 제 2 볼트단자(163,164) 중 다른 하나가 관통하도록 관통홀(122,133)이 형성될 수 있다.
제 1 또는 제 2 분리부재(110,130)는 스테인레스스틸, 티타늄, 알루미늄, 구리 중에서 선택되는 어느 하나의 표면에 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 백금(Pt) 중 어느 하나가 코팅될 수 있다.
제 1 전극층(140)은 전해질막부재(120)의 내측면과 외측면 중 어느 하나에 형성되어, 제 1 분리부재(110)의 외측면 또는 제 2 분리부재(130)의 내측면에 접촉하고, 전해질막부재(120)와 함께 유연하게 변형되며, 수소극 촉매를 가진다. 이로 인해 제 1 전극층(140)은 제 1 분리부재(110)와 전해질막부재(120) 사이에 개재되거나, 제 2 분리부재(130)와 전해질막부재(120) 사이에 개재될 수 있다. 제 1 전극층(140)은 수소극 촉매와 전극 부분으로 구성되되, 촉매로는 카본담지 백금이 사용될 수 있으며, 전해질막부재(120)의 표면에 코팅으로 형성될 수 있다. 제 1 전극층(140)은 촉매-전극 부분을 커버하는 기체 확산층(GDL)으로 얇은 카본섬유가 전극 표면에 함께 결합될 수 있다.
제 2 전극층(150)은 전해질막부재(120)의 내측면과 외측면 중 다른 하나에 형성되어, 제 1 분리부재(110)의 외측면 또는 제 2 분리부재(130)의 내측면에 접촉하고, 전해질막부재(120)와 함께 유연하게 변형되며, 산소극 촉매를 가진다. 이로 인해 제 2 전극층(150)은 제 1 분리부재(110)와 전해질막부재(120) 사이에 개재되거나, 제 2 분리부재(130)와 전해질막부재(120) 사이에 개재될 수 있다. 이러한 제 2 전극층(150)은 본 실시례에서처럼 일례로 전해질막부재(120)의 외측면에 마련될 수 있는데, 예컨대 이리듐, 루테늄, 산화이리듐, 산화루테늄 등의 희토류 금속과 백금이 나피온 솔루션과 혼합되어 전해질막부재(120)에 코팅에 의해 형성될 수 있다.
제 2 전극층(150)에서 산소극 촉매는 물 배출과 산소 버블 배출이 용이하도록 티타늄 파우더 담지체를 사용할 수 있다. 티타늄 파우더 담지체는 비표면적이 넓으면서 입자 내의 기공에 의해 촉매 물질의 담지를 가능하도록 하는데, 예컨대, 촉매 물질에 해당하는 백금, 이리듐, 루테늄, 백금-이리듐합금 및 백금-루테늄합금 중에서 적어도 하나 이상을 담지할 수 있다. 또한, 산소극 촉매는 티타늄 파우더 담지체와 물리적으로 혼합되어 담지될 수 있고, 나피온 아이오노머 바인더(Nafion sol.)를 이용한 촉매 슬러리 제조 과정에서 일체의 카본물질이 배제되도록 제조될 수 있다. 상기의 촉매 물질은 나노(nano) 또는 마이크로(micro) 사이즈일 수 있다. 또한 티타늄 파우더 담지체는 이러한 촉매 물질 크기의 5-200배 크기일 수 있다. 또한 산소극 촉매는 티타늄 파우더 담지체와 물리적으로 혼합되어 촉매층을 형성할 때, 최적의 촉매로서의 기능을 위하여, 티타늄 파우더 담지체에 대한 촉매 물질의 담지량이 0.1~1mg/cm2임과 아울러, 티타늄 파우더 담지체의 전체 중량에 대하여 50~99 중량%일 수 있다. 도 7에서는 제 2 전극층(150)을 확대한 것으로서, 티타늄 파우더 담지체에 분산된 촉매 입자를 나타낸 것이다. 이러한 구조로 인해 제 2 전극층(150)은 전해질막부재(120) 위에 코팅되어 건조과정을 거침으로써 형성된다.
본 발명의 일 실시례에 따른 수전해 및 연료전지 가역셀(100)은 차단부재(161), 피팅부재(162), 제 1 볼트단자(163) 및 제 2 볼트단자(164)를 더 포함할 수 있고, 나아가서, 실링부재(165), 고정플레이트(166) 및 고정너트(167)를 더 포함할 수 있다.
차단부재(161)는 제 1 분리부재(110)의 일단 개구를 차단하도록 마련되는데, 예컨대 제 1 분리부재(110)의 일단 개구에 억지 끼움이나 나사 결합을 비롯하여 다양한 방식에 의해 기밀되게 결합될 수 있고, 일례로 본 실시례에서처럼 일단이 개방되는 용기로 이루어질 수 있다. 이러한 차단부재(161)는 용기 형태를 이루게 되어 동작 모드에 따라 기체 또는 물의 수집이나 공급 등의 역할을 할 수 있다.
피팅부재(162)는 제 1 분리부재(110)의 타단 개구에 파이프, 예컨대 후술하게 될 제 1 가스관(231)의 연결을 위해 마련된다. 피팅부재(162)는 제 1 가스관(231)과의 연결을 매개하는 결합링(162a)이 착탈 가능하게 결합될 수 있다.
제 1 볼트단자(163)는 제 1 분리부재(110)의 외측면에 전기적으로 접속되도록 마련되어, 제 2 전극층(150)과는 이격 또는 절연되도록 전해질막부재(120)를 관통함과 아울러, 제 2 분리부재(130)를 절연되도록 관통하여 외측으로 돌출된다. 이를 위해, 제 1 볼트단자(163)는 예컨대 일부 또는 전부가 도전성 재질로 이루어져서 제 1 분리부재(110) 상에 수직되게 용접이나 볼팅 등에 의해 일체를 이루도록 마련될 수 있으며, 제 1 전극층(140)과는 제 1 분리부재(110)를 매개로 또는 직접 전기적으로 접속될 수 있다. 제 1 볼트단자(163)는 제 2 분리부재(130)와의 절연을 위하여 접촉되는 부분이 절연재질로 이루어지거나, 제 2 분리부재(130)와의 접촉 부분에 별도의 절연부재를 설치함으로써 제 2 분리부재(130)에 절연될 수 있다. 제 1 볼트단자(163)는 이웃하는 다른 수전해 및 연료전지 가역셀(100)의 제 2 볼트단자(164)와 접속부재(210), 예컨대 도전성 와이어 등을 통해서 전기적으로 연결됨으로써, 수전해 및 연료전지 가역셀(100)이 서로 직렬로 연결되도록 할 수 있다.
제 2 볼트단자(164)는 제 1 분리부재(110)의 외측면에 절연되어 돌출되도록 마련되어, 제 1 전극층(140)과는 이격 또는 절연되도록 전해질막부재(120)를 관통함과 아울러, 제 2 분리부재(130)에 전기적으로 접속되도록 관통하여 외측으로 돌출된다. 이를 위해, 제 2 볼트단자(164)는 예컨대 절연재질로 이루어져서 제 1 분리부재(110) 상에 직접 수직되게 억지 끼움이나 나사체결 등을 비롯하여 다양한 방식에 의해 고정되거나, 별도의 절연부재를 매개로 제 1 분리부재(110) 상에 수직되게 고정될 수 있으며, 제 2 전극층(140)과는 제 2 분리부재(130)를 매개로 또는 직접 전기적으로 접속될 수 있다. 제 2 볼트단자(164)는 제 2 분리부재(130)에 전기적으로 접속되기 위하여, 제 2 분리부재(130)에 접촉되는 부분이 도전성재질로 이루어지거나, 제 2 분리부재(130)와의 접촉 부분에 별도의 도전성부재를 설치할 수 있고, 이러한 도전성재질의 접촉부분이나 별도의 도전성부재에 접속부재(210), 예컨대 도전성 와이어 등이 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있으며, 이 외에도 다양한 방식에 의해 선택적 전기 접속을 가능하도록 구성될 수 있다.
실링부재(165)는 제 1 분리부재(110)의 양단 외측에 끼워져서 전해질막부재(120)를 사이에 두고 제 1 및 제 2 분리부재(110,130)를 서로 격리시키도록 하는데, 예컨대 고무나 신축성 합성수지재의 링부재로 이루어질 수 있다. 한편, 제 1 및 제 2 분리부재(110,130) 등의 양단을 실링제나 추가 실링부재를 사용하여 추가적으로 실링 처리될 수 있다.
고정플레이트(166)는 제 2 분리부재(130)로부터 돌출되는 제 1 및 제 2 볼트단자(163,164)에 삽입되어 제 2 분리부재(130) 상에 설치되고, 절연재질로 이루어질 수 있다. 고정플레이트(166)는 제 1 및 제 2 볼트단자(163,164)가 쉽게 삽입되도록 측부가 개방되는 체결홈(166a)이 형성될 수 있다.
고정너트(167)는 고정플레이트(166)부터 돌출되는 제 1 및 제 2 볼트단자(163,164)에 각각 나사체결되어 고정플레이트(166)가 제 2 분리부재(130) 상에 고정되도록 하는데, 필요에 따라서는 접속부재(210)의 전기적 접속을 위해 고정시키는 역할을 할 수도 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 접속부(210)는 가역셀(100) 각각의 제 1 및 제 2 볼트단자(163,164)를 서로 연결하여, 다수의 가역셀(100)이 배터리(10) 또는 전기기구(20; 도 20) 측에 직렬로 전기적으로 접속되도록 할 수 있는데, 예컨대 도전성 재질의 와이어나 도전성 재질의 플레이트 또는 전선 등을 비롯하여 다양한 도전성 연결부재가 사용될 수 있다.
케이스(220)는 다수의 가역셀(100)을 감싸서, 가역셀(100) 각각의 피팅부재(162)가 노출 또는 돌출되도록 하되, 제 2 분리부재(130) 주위에 기밀되는 공간을 제공하도록 한다. 이를 위해 케이스(220)는 피팅부재(162) 각각이 끼워져서 결합되기 위한 제 1 개구(221)가 다수로 형성될 수 있고, 후술하게 될 제 2 가스관(241)이 끼워져서 결합되기 위한 제 2 개구(222)가 형성될 수 있다. 이러한 케이스(220)는 수전해장치 모드 또는 연료전지 모드에 따라 기체 또는 물의 수집이나 공급 등의 역할을 할 수 있다.
제 1 가스용기(230)는 피팅부재(162) 각각에 제 1 가스관(231)을 통해 연결되는데, 예컨대 수전해 모드에서 발생되는 기체, 예컨대 수소 기체를 저장하거나, 연료전지 모드에서 연료로 사용되는 기체, 예컨대 수소 기체를 공급하는 역할을 할 수 있다. 제 1 가스용기(230)는 제 1 가스관(231)과의 연결을 위하여, 상단에 마개(232)가 나사 결합 등과 같이 착탈 가능하게 결합될 수 있으며, 마개(232)에 필요에 따라 밸브 등이 설치될 수 있다.
제 2 가스용기(240)는 케이스(220)에 제 2 가스관(241)을 통해 연결되는데, 예컨대 수전해 모드에서 발생되는 기체, 예컨대 산소 기체를 저장하거나, 연료전지 모드에서 연료로 사용되는 기체, 예컨대 산소 기체를 공급하는 역할을 할 수 있다. 제 2 가스용기(240)는 제 2 가스관(241)과의 연결을 위하여, 상단에 마개(242)가 나사 결합 등과 같이 착탈 가능하게 결합될 수 있으며, 마개(242)에 필요에 따라 밸브 등이 설치될 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 수전해 및 연료전지 가역셀(100)에 의한 수전해 모드에서의 반응과 연료전지 모드에서의 반응을 나타낸다. 이는 아래의 반응식에 해당한다.
FC : 2H2 + O2 -> 2H2O + electricity
Ely : 2H2O + electricity -> 2H2 +O2
수전해 모드에서는 직류 전원(도 1 내지 도 3의 배터리(10)로부터 공급)과 물공급이 이루어지고, 생성되는 것은 산소 기체와 수소 기체가 된다. 그리고 연료전지 모드에서는 공급되는 연료가 수소 기체와 산소 기체가 되고, 그 때 생성되는 것이 직류 전원(전기 수요처인 전기기구(20; 도 6에 도시)의 동작 전원)과 물이다.
도 9를 참조하면, 티타늄 파우더가 티타늄 펠트 위에 실제로 로딩되어 있을 때의 확대 사진을 나타낸 것인데, 전극에서 촉매 담지체로서 역할을 하게 되면, 이러한 형태를 가지게 될 것이기 때문에 예시의 형태로 나타내었다.
이러한 본 발명에 따르면, 원통관 형태의 셀 구조를 고체고분자형 연료전지 및 수전해 장치를 포함하는 일체형 재생 연료전지에 사용하도록 좀 더 유연하고, 간단한 형태로 구성된다. 차단부재(161) 및 피팅부재(162)에 해당하는 원통형 연료 통로 상에 제 1 분리부재(110)가 위치하게 되고, 그 위에 제 1 및 제 2 전극층(140,150)이 양측면에 각각 코팅된 전해질막부재(120)이 막-전극 접합체(MEA)로서 결착되고, 그 위에 제 2 분리부재(130)가 결착된다.
예컨대 제 1 전극층(150)에서의 수소극 전극 촉매로는 카본 담지 백금이 사용될 수 있으며, 솔루션에 분산된 슬러리가 전해질막부재(120) 표면에 코팅될 수 있으며, 촉매-전극 부분을 커버하는 기체 확산층(GDL)으로 얇은 카본섬유가 전극표면에 함께 결합될 수 있다. 종래 스택형태의 연료전지나 수전해 장치에서는 카본페이퍼가 많이 사용되나, 원통형 구조의 특성상 유연성을 가진 카본 섬유쪽이 유리할 것이다. 이러한 기체 확산층이 없더라도 분리판과 전극부분의 접합이 효과적으로 이루어질 수 있다면, 기체 확산층을 사용하지 않더라도 원통형의 특성상 전극 전체적으로 반응은 진행될 것이다. 이 가스확산층 구조체는 분리판의 홈이 없는 부분에서의 연료공급을 효과적으로 하기 위해 존재하게 된다.
최종적으로 결착되는 제 2 분리부재(130), 예컨대 산소극 분리판은 셀 전체의 구조를 지지해 주는 역할과 원통형 구조 내부와 외부를 완벽히 차단할 수 있는 압력을 주어야 한다. 그렇지 않으면 전해질막부재(120)가 내부와 외부의 압력차로 인해 손상을 입을 수 있다. 이에 따라, 원통관 형태의 연료통로 외부에 제 1 및 제2 볼트단자(163,164), 고정플레이트(166), 그리고 고정너트(167)로 제 1 및 제 2 분리부재(110,130) 및 전해질막부재(120)를 단단하게 고정시키도록 한다.
제 2 분리부재(130) 일측 부분에는 DC 전원, 즉 배터리(10; 도 1 내지 도 3 참조) 또는 DC 부하, 즉 전기기구(20; 도 6 참조)와 연결되는 접속부재(210)가 연결된다. 수전해 운전에서는 배터리(10)와 연결되어, 수소와 산소를 생산하며, 연료전지 운전에서는 생산된 전력이 사용될 DC 부하에 해당하는 전기기구(20)와 연결이 된다.
이렇게 조립된 단셀구조가 다수로 연결되면 용량을 점점 키울 수 있고, 내부 연료 공급 라인이 연장되는 구조라서, 간단하면서도 중량효율이 좋은 연료전지 및 수전해 장치로 활용이 가능하다. 수전해 운전의 경우에는 원통 내부 혹은 외부에 물이 공급되어 반응이 시작되며, 연료전지의 경우에는 원통 내부에 수소가 공급이 되고, 외부 공기 중의 산소와 반응하게 된다.
이와 같이 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 배터리 20 : 전기기구
100 : 수전해 및 연료전지 가역셀 110 : 제 1 분리부재
111 : 다공 120 : 전해질막부재
121 : 관통홈 122 : 관통홀
130 : 제 2 분리부재 131 : 메쉬
132 : 관통홈 133 : 관통홀
140 : 제 1 전극층 150 : 제 2 전극층
161 : 차단부재 162 : 피팅부재
162a : 결합링 163 : 제 1 볼트단자
164 : 제 2 볼트단자 165 : 실링부재
166 : 고정플레이트 166a : 체결홈
167 : 고정너트 210 : 접속부재
220 : 케이스 221 : 제 1 개구
222 : 제 2 개구 230 : 제 1 가스용기
231 : 제 1 가스관 231 : 마개
240 : 제 2 가스용기 241 : 제 2 가스관
242 : 마개

Claims (10)

  1. 원통형으로 이루어지고, 메쉬구조나 다공구조가 형성되며, 전도성을 가지는 제 1 분리부재;
    상기 제 1 분리부재의 외측에 장착되기 위해 곡률을 이루도록 형성되고, 유연성을 가지며, 양이온 투과를 위한 전해질막부재;
    상기 전해질막부재의 외측에 장착되기 위하여 곡률을 이루도록 형성되고, 메쉬구조나 다공구조가 형성되며, 유연성과 전도성을 가지는 제 2 분리부재;
    상기 전해질막부재의 내측면과 외측면 중 어느 하나에 형성되어, 상기 제 1 분리부재의 외측면 또는 상기 제 2 분리부재의 내측면에 접촉하고, 상기 전해질막부재와 함께 유연하게 변형되며, 수소극 촉매를 가지는 제 1 전극층; 및
    상기 전해질막부재의 내측면과 외측면 중 다른 하나에 형성되어, 상기 제 1 분리부재의 외측면 또는 상기 제 2 분리부재의 내측면에 접촉하고, 상기 전해질막부재와 함께 유연하게 변형되며, 산소극 촉매를 가지는 제 2 전극층;
    을 포함하는, 수전해 및 연료전지 가역셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 분리부재는,
    스테인레스스틸, 티타늄, 알루미늄, 구리 중에서 선택되는 어느 하나의 표면에 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 백금(Pt) 중 어느 하나가 코팅되는, 수전해 및 연료전지 가역셀.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소극 촉매는,
    물 배출과 산소 버블 배출이 용이하도록 티타늄 파우더 담지체를 사용하는, 수전해 및 연료전지 가역셀.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 티타늄 파우더 담지체는,
    촉매 물질에 해당하는 백금, 이리듐, 루테늄, 백금-이리듐합금 및 백금-루테늄합금 중에서 적어도 하나 이상을 담지하는, 수전해 및 연료전지 가역셀.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 산소극 촉매는,
    상기 티타늄 파우더 담지체와 물리적으로 혼합되어 담지되고, 나피온 아이오노머 바인더(Nafion sol.)를 이용한 촉매 슬러리 제조 과정에서 일체의 카본물질이 배제되도록 제조되는, 수전해 및 연료전지 가역셀.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 촉매 물질은,
    나노(nano) 또는 마이크로(micro) 사이즈이고,
    상기 티타늄 파우더 담지체는,
    상기 촉매 물질 크기의 5-200배 크기인, 수전해 및 연료전지 가역셀.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 산소극 촉매는,
    상기 티타늄 파우더 담지체와 물리적으로 혼합되어 촉매층을 형성할 때, 상기 티타늄 파우더 담지체에 대한 상기 촉매 물질의 담지량이 0.1~1mg/cm2임과 아울러, 상기 티타늄 파우더 담지체의 전체 중량에 대하여 50~99 중량%인, 수전해 및 연료전지 가역셀.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 분리부재의 일단 개구를 차단하도록 마련되는 차단부재;
    상기 제 1 분리부재의 타단 개구에 파이프의 연결을 위해 마련되는 피팅부재;
    상기 제 1 분리부재의 외측면에 전기적으로 접속되도록 마련되어, 상기 제 2 전극층과는 이격 또는 절연되도록 상기 전해질막부재를 관통함과 아울러, 상기 제 2 분리부재를 절연되도록 관통하여 외측으로 돌출되는 제 1 볼트단자; 및
    상기 제 1 분리부재의 외측면에 절연되어 돌출되도록 마련되어, 상기 제 1 전극층과는 이격 또는 절연되도록 상기 전해질막부재를 관통함과 아울러, 상기 제 2 분리부재에 전기적으로 접속되도록 관통하여 외측으로 돌출되는 제 2 볼트단자;
    를 더 포함하는, 수전해 및 연료전지 가역셀.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 1 분리부재의 양단 외측에 끼워져서 상기 전해질막부재를 사이에 두고 상기 제 1 및 제 2 분리부재를 서로 격리시키도록 하는 실링부재;
    상기 제 2 분리부재로부터 돌출되는 상기 제 1 및 제 2 볼트단자에 삽입되어 상기 제 2 분리부재 상에 설치되고, 절연재질로 이루어지는 고정플레이트; 및
    상기 고정플레이트부터 돌출되는 상기 제 1 및 제 2 볼트단자에 나사체결되어 상기 고정플레이트가 상기 제 2 분리부재 상에 고정되도록 하는 고정너트;를 더 포함하고,
    상기 전해질막부재 및 상기 제 2 분리부재는,
    일측이 길이방향으로 절개되는 원통형으로 이루어지고, 상기 제 1 및 제 2 볼트단자 중 어느 하나가 관통하도록 일측이 개방되는 관통홈이 형성되며, 상기 제 1 및 제 2 볼트단자 중 다른 하나가 관통하도록 관통홀이 형성되는, 수전해 및 연료전지 가역셀.
  10. 수전해장치와 연료전지간의 양방향 전환을 가능하도록 하고, 다수개가 나란하게 배열되는 가역셀;
    상기 가역셀 각각의 제 1 및 제 2 볼트단자를 서로 연결하여, 다수의 가역셀이 배터리 또는 전기기구 측에 직렬로 전기적으로 접속되도록 하는 다수의 접속부재;
    상기 다수의 가역셀을 감싸서, 상기 가역셀 각각의 피팅부재가 노출 또는 돌출되도록 하되, 상기 제 2 분리부재 주위에 기밀되는 공간을 제공하는 케이스;
    상기 피팅부재 각각에 제 1 가스관을 통해 연결되는 제 1 가스용기; 및
    상기 케이스에 제 2 가스관을 통해 연결되는 제 2 가스용기;를 포함하고,
    상기 가역셀은,
    청구항 8에 기재된 수전해 및 연료전지 가역셀인, 수전해 및 연료전지 양방향 전환 장치.
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