KR20220057773A - 튜브형 연료전지 및 이를 이용한 튜브형 연료전지 스택 - Google Patents

튜브형 연료전지 및 이를 이용한 튜브형 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 튜브형 연료전지 및 이를 이용한 튜브형 연료전지 스택은 내부에 연료와 공기 중 어느 하나가 공급되는 튜브형 내부전극과, 상기 내부전극의 외주면에 상기 내부전극의 길이방향을 따라 나선형으로 촘촘히 감아진 엠이에이 스트립과, 상기 엠이에이 스트립을 둘러싸며, 상기 연료와 공기 중 나머지 하나가 외부에서 공급되는 외부전극을 포함한다.
이와 같이 본 발명을 이용하면, 간소한 방법으로 전해질층을 치밀하게 형성할 수 있고 기계적 강도가 충분히 확보될 수 있는 장점이 있다.

Description

튜브형 연료전지 및 이를 이용한 튜브형 연료전지 스택 {Tube type fuel cell and Fuel cell stack using the same}
본 발명은 연료전지가 튜브형으로 형성된 튜브형 연료전지 및 이를 이용한 튜브형 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 연료전지는 지속적으로 연료와 산소 공급을 받아서 화학반응을 통해 지속적으로 전기를 공급한다.
그 핵심 구성요소는 아노드(anode), 캐소드(cathode), 전해질이다. 아노드에서는 산화작용이 일어나면서 (+)전기를 띄는 수소이온과 전자를 방출한다. 여기서 발생한 전자가 외부 도선을 통해 아노드에서 캐소드로 이동하면서 직류 전류가 발생한다. 그리고 전해질은 (+)전기를 띄는 수소이온이 연료전지의 두 극 사이에 이동이 가능하게 하는 역할을 한다. 캐소드에서는 이동해 온 수소이온과 도선을 통해 이동한 전자, 외부에서 공급된 공기 중 산소와 결합하여 수증기를 만들어 배출한다.
연료전지는 효율이 높고, 용량 조절이 가능하며, 다양한 연료를 사용할 수 있고, 배출물질이 친환경 물질에 가깝고, 계속해서 충전이 가능하여 차세대 에너지로서 각광받고 있는 분야이다.
그러나 연료전지는 그 형태에 따라 평판형과 튜브형으로 나눌 수 있다. 평판형의 경우, 연료와 공기 혼합을 방지하기 위한 밀봉구조가 별도로 요구되며, 열충격 저항성이 낮다는 문제점이 지적되고 있다. 튜브형의 경우, 연료와 공기 혼합 방지를 위한 별도의 밀봉 방지책이 필요없고 열충격 저항성이 높다.
그러나 튜브형의 경우 치밀한 전해질 증착을 위해서 전기화학증착법(EVD) 등 복잡한 제조방법이 요구되는 문제점이 있다.
한편 대한민국 등록특허공보 제10-1277885호(등록일자;2013년06월17일)에는 '튜브형 연료전지 및 그 제조방법'이 개시되어 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1277885호(등록일자;2013년06월17일)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전해질층을 스트립 형태로 만들어서 튜브형 내부전극에 나선형으로 감아 간소하고 치밀하게 전해질층을 형성할 수 있는 튜브형 연료전지를 만들고, 상기 튜브형 연료전지들을 복수개 연결하여 형성한 튜브형 연료전지 스택을 제공하는데 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 튜브형 연료전지는, 내부에 연료와 공기 중 어느 하나가 공급되는 튜브형 내부전극과; 상기 내부전극의 외주면에 상기 내부전극의 길이방향을 따라 나선형으로 촘촘히 감아진 엠이에이 스트립과; 상기 엠이에이 스트립을 둘러싸며, 상기 연료와 공기 중 나머지 하나가 외부에서 공급되는 외부전극을 포함한다.
상기 엠이에이 스트립은 상기 내부전극에 밀접되는 내부촉매층과, 상기 외부전극과 밀접되는 외부촉매층과, 상기 내부촉매층과 외부촉매층 사이에 개재되며 전해질로 이루어지는 멤브레인을 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 튜브형 연료전지 스택은, 상기 튜브형 연료전지들과; 상기 튜브형 연료전지의 양쪽 끝단에 각각 배열되며, 각각 상기 튜브형 연료전지의 끝단에 결합되는 결합부들 및 상기 결합부를 통해 상기 내부전극의 내부로 상기 연료 또는 공기를 안내하는 가이드 통로와, 상기 내,외부전극에 연결되는 내,외부전선이 배선되는 내,외부 배선로가 형성된 한 쌍의 프레임을 포함한다.
상기 프레임의 결합부는 상기 내부전극의 내부에 끼워질 수 있는 돌기형으로 이루어질 수 있다.
튜브형 연료전지 스택은 상기 튜브형 연료전지들과 한쌍의 프레임이 상호 결합되어 튜브형 연료전지 단위스택을 형성하고, 상기 튜브형 연료전지 단위스택들의 하부가 끼워져 복수개의 튜브형 연료전지 단위스택을 일체로 지지하는 랙 프레임(rack frame)을 더 구비한다.
상기 랙 프레임에는 각각의 튜브형 연료전지 단위스택이 상하방향으로 끼워져 결착될 수 있도록 결합홈이 복수개 형성되어 있고, 상기 랙 프레임과 튜브형 연료전지 단위스택은 상호 결착됨과 동시에 전기 연결이 가능토록, 상기 랙 프레임에는 전기 배선이 구성되고, 랙 프레임의 결합홈마다 튜브형 연료전지 단위스택과 접촉되는 부분에 전기 배선에 연결된 전기 단자가 구성되며, 상기 튜브형 연료전지 단위스택에도 상기 랙 프레임의 전기 단자와 접속되며 튜브형 연료전지 단위스택의 내,외부전선과 연결된 전기 단자가 구성될 수 있다.
또한 랙 프레임에는 튜브형 연료전지 단위스택과 결착됨과 동시에 튜브형 연료전지 단위스택의 가이드 통로와 연통될 수 있는 가이드 통로가 형성되어 튜브형 연료전지 단위스택으로 연료 또는 공기가 랙 프레임을 통해 공급 또는 회수될 수 있도록 형성될 수 있다.
본 발명은 엠이에이 스트립을 튜브형 내부전극에 감아서 치밀한 전해질층을 간소하게 만들 수 있고, 복수개의 튜브형 연료전지를 프레임 및 랙 프레임을 통해 복수개 연결하여 일체로 형성함과 동시에 전기의 통전 및 연료나 공기의 공급 및 회수가 원활하게 이루어져 효율적인 연료전지를 구성할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 연료전지의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지의 엠이에이 스트립 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지의 일부 종단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지의 전해질층 형성단계 일부를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 연료전지 스택 일부를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 프레임의 일부 단면도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3을 참조하면 본 발명에 따른 튜브형 연료전지(10)는 내부전극(2)과, 엠이에이 스트립(MEA : Membrane Electrode Assembly)(4)과, 외부전극(6)을 포함한다. 내부전극(2)과 외부전극(6)은 선택적으로 애노드와 캐소드 중 어느 하나가 될 수 있는데, 이하 설명의 편의를 위해 내부전극(2)을 애노드로, 외부전극(6)을 캐소드로 한정하여 설명한다.
내부전극(2)은 일자형 튜브형으로 형성되어 전체적인 튜브형상을 유지시킨다. 내부전극(2)은 애노드와 캐소드 중 어느 하나가 되며 내부 공간에 연료와 공기 중 어느 하나가 공급된다. 즉 내부전극(2)은 애노드일 경우 내부 공간에 수소 등 연료가 공급된다.
엠이에이 스트립(4)은 그 두께 방향을 따라, 내부전극(2)에 밀접되는 내부촉매층(4a)과, 외부전극(6)과 밀접되는 외부촉매층(4b)과, 내부촉매층(4a)과 외부촉매층(4b) 사이에 개재되며 전해질로 이루어진 멤브레인(4c)을 포함할 수 있다. 내부촉매층(4a)은 애노드인 내부전극(2)의 산화작용을 촉진시킨다. 외부촉매층(4b)은 캐소드인 외부전극(6)의 환원작용을 촉진시킨다. 멤브레인(4c)은 내부전극(2)과 외부전극(6) 사이에서 수소이온의 이동이 용이한 전해질로 이루어진다.
엠이에이 스트립(4)은 얇고 긴 형태로 형성된다. 엠이에이 스트립(4)은 내부전극(2)의 반경 등에 따라 폭이 결정될 수 있으며 예컨대 도시된 바와 같이 두께에 비해 폭이 넓은 형태일 수 있다. 엠이에이 스트립(4)의 횡단면은 엠이에이 스트립(4)과 내부전극(2), 외부전극(6)이 치밀하게 밀접될 수 있도록 사각단면으로 형성될 수 있다.
이러한 엠이에이 스트립(4)이 그 내부촉매층(4a)이 내부전극(2)의 외주면에 맞닿은 상태로 내부전극(2)의 길이방향을 따라 리본처럼 나선형으로 촘촘히 감긴 형태로 전해질층이 형성될 수 있다. 따라서 전해질층이 치밀하게 형성될 수 있고, 또한 요구되는 기계적 강도 및 열충격 저항성이 충분히 확보될 수 있다.
나아가 엠이에이 스트립(4)은 내부전극(2)의 길이방향을 따라 서로 맞닿는 면이 접착제(5)에 의해 접착되는 접착면을 이루어짐으로써 보다 치밀하게 전해질층이 형성될 수 있다.
한편 엠이에이 스트립(4)은 내부촉매층(4a), 외부촉매층(4c)의 바깥쪽 표면에 각각 적층 형성된 가스확산층(GDL : Gas Diffusion Layer)(미도시)이 더 포함된다. 가스확산층은 엠이에이 스트립(4)과 내부전극(2), 외부전극(6)과의 전기적 접촉을 형성하는 것으로, 카본과 같은 소재로 형성될 수 있다.
외부전극(6)은 외부 공기가 공급되어 환원 작용이 이루어지는 캐소드이다. 외부전극(6)은 엠이에이 스트립(4)의 외부촉매층(4b)에 밀접되도록 엠이에이 스트립(4)을 둘러싼다. 외부전극(6) 또한 엠이에이 스트립(4)과 마찬가지로 스트립으로 형성되어 엠이에이 스트립(4)의 외주면에 내부전극(2)의 길이방향을 따라 나선형으로 감긴 형태로 이루어질 수 있다. 이때 외부전극(6) 또한 내부전극(2)의 길이방향을 따라 서로 맞닿도록 촘촘하게 감긴 형태일 수 있다. 이와 같이 나선형으로 감긴 형태의 외부전극(6)은 보강재 역할도 할 수 있는데, 나아가 엠이에이 스트립(4)과 반대방향으로 감긴 형태로 이루어짐으로써 보강 역할이 보다 강화될 수 있다.
도 4를 참조하면 상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브형 연료전지(10)의 제조방법을 상세히 설명하면, 다음과 같다.
먼저 준비단계에서는 상술한 바와 같이 긴 띠 형태의 엠이에이 스트립(4)을 준비한다. 이때 내부전극(2)의 길이방향을 따라 엠이에이 스트립(4)의 서로 맞닿는 면이 접착제(5)에 의해 접착될 수 있도록 엠이에이 스트립(4)의 일측면에는 접착제(5)가 도포되는 공정이 더 포함될 수 있다.
다음 전해질층 형성단계는 엠이에이 스트립(4)을 튜브형 내부전극(2)의 외주면에 내부전극(2)의 한쪽 끝에서 다른쪽 끝을 향해 내부전극(2)의 길이방향을 따라 리본 감듯이 나선형으로 촘촘히 감는다. 이때 엠이에이 스트립(4)은 그 내부촉매가 내부전극(2)의 외주면에 맞닿도록 하며, 내부전극(2)의 길이방향을 따라 엠이에이 스트립(4) 간 맞닿는 면을 접착제(5)에 의해 접착시킴으로써 전해질층이 빈틈없이 치밀하게 형성될 수 있고 엠이에이 스트립(4)이 나선형으로 감긴 형태가 유지될 수 있다.
다음 외부전극(6)층 형성단계는 엠이에이 스트립(4)처럼 긴 띠와 같은 스트립 형태로 만들어진 외부전극(6)을 엠이에이 스트립(4)과 마찬가지로 전해질층 외주면에 내부전극(2)의 길이방향을 따라 나선형으로 감는 과정을 이루어질 수 있다. 이때 외부전극(6)은 내부전극(2)의 길이방향을 따라 촘촘이 감길 수 있고, 내부전극(2)의 길이방향을 따라 서로 맞닿는면이 접착제(5)에 의해 접착될 수 있다. 외부전극(6)은 엠이에이 스트립(4)과 반대방향으로 감길 수 있다.
이와 같이 엠이에이 스트립(4), 외부전극(6)을 나선형으로 감아서 전해질층, 외부전극층을 형성하게 되면, 제조과정이 간소하고 용이하며, 구조적 간섭 및 마찰로 인한 미세 크랙이 생길 염려가 없어 품질이 향상될 수 있고, 요구되는 기계적 강도가 충족될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면 상기와 같이 구성된 본 발명의 튜브형 연료전지(10)를 다음과 같이 스택(stack) 구조화할 수 있다.
본 발명에 따른 튜브형 연료전지 단위 스택(30)은 상술한 바와 같은 복수개의 튜브형 연료전지(10)들과, 복수개의 튜브형 연료전지(10)들을 일체로 결속시키며 견실하게 지지하는 한 쌍의 프레임(20)을 포함한다.
복수개의 튜브형 연료전지(10)들은 그 직교방향을 따라 일렬로 배열될 수도 있고, 전후로 지그재그 형태로 배열될 수 있고, 이외 다양하게 배열될 수 있다.
한 쌍의 프레임(20)은 튜브형 연료전지(10)의 길이방향을 따라 양쪽으로 분리되어 튜브형 연료전지(10)의 양쪽 끝단에 각각 배열되어 결합된다. 프레임(20)은 복수개의 튜브형 연료전지(10)의 배열방향을 따라 길게 형성된다.
프레임(20)에는 튜브형 연료전지(10)의 끝단에 결합되는 결합부(22)가 복수개 형성된다. 프레임(20)의 결합부(22)는 튜브형 연료전지(10)의 내부전극(2) 내부에 끼워질 수 있는 돌기형으로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 프레임(20)과 튜브형 연료전지(10)의 탈착이 간소하고 용이하게 이루어질 수 있고, 내부전극(2)의 양쪽 끝단이 각각 밀봉될 수 있다.
프레임(20)에는 결합부(22)를 통해 내부전극(2)의 내부로 연료 또는 공기 공급을 안내하는 가이드 통로(24)가 형성될 수 있으며, 이에 따라 별도의 연료, 공기 공급 구성을 필요없게 된다.
또한 프레임(20)에는 내,외부전극(6)에 연결되는 내,외부전선(미도시)이 배선되는 내,외부 배선로(미도시)가 형성됨으로써 전선 정리가 용이하게 이루어질 수 있다.
이와 같이 구성되는 튜브형 연료전지 단위스택(30)은 복수개가 일체로 조합되어 하나의 튜브형 연료전지 스택을 구성한다. 즉 튜브형 연료전지 스택은 상술한 바와 같은 튜브형 연료전지 단위스택(30) 복수개로 이루어진다. 이때 튜브형 연료전지 스택은 복수개의 튜브형 연료전지 단위스택(30)을 일체로 지지할 수 있는 랙 프레임(rack frame)(40)을 포함할 수 있다. 랙 프레임(40)은 튜브형 연료전지 스택 하측에 결착될 수 있다. 랙 프레임(40)에는 각각의 튜브형 연료전지 단위스택(30)이 상하방향으로 끼워져 결착될 수 있도록 결합홈(42)이 복수개 형성될 수 있다.
나아가 랙 프레임(40)과 튜브형 연료전지 단위스택(30)과 결착됨과 동시에 전기 연결이 가능토록, 랙 프레임(40)에는 전기 배선이 구성되고, 랙 프레임(40)의 결합홈(42)마다 튜브형 연료전지 단위스택(30)과 접촉되는 부분에 전기 배선에 연결된 전기 단자(44)가 구성될 수 있다. 랙 프레임(40)의 전기 단자(44)는 홈(40a)에 내장되어 표면만 노출될 수 있다. 튜브형 연료전지 단위스택(30)에도 랙 프레임(40)과의 결착시 랙 프레임(40)의 전기 단자(44)와 접속되며 튜브형 연료전지 단위스택(30)의 내,외부전선과 연결된 전기 단자(미도시)가 구성될 수 있다. 랙 프레임(40)의 전기 단자(44)와 튜브형 연료전지 단위스택(30)의 전기 단자는 패널 형태로 이루어질 수 있다.
또한 랙 프레임(40)에는 튜브형 연료전지 단위스택(30)과 결착됨과 동시에 튜브형 연료전지 단위스택(30)의 가이드 통로(24)와 연통될 수 있는 가이드 통로(미도시)가 형성되어 튜브형 연료전지 단위스택(30)으로 연료 또는 공기가 랙 프레임(40)을 통해 공급 또는 회수될 수 있다. 랙 프레임(40)의 결합홈(42)마다 튜브형 연료전지 단위스택(30)과 접촉되는 부분에 랙 프레임(40)의 가이드 통로와 연결되는 연결구(46)가 복수개 형성될 수 있다. 랙 프레임(40)의 연결구(46)에는 선택적 개폐 가능토록 스위치(48)에 의해 조작되는 밸브(미도시)가 구성될 수 있다. 튜브형 연료전지 단위스택(30)에도 랙 프레임(40)과의 결착시 랙 프레임(40)의 연결구(46)와 연통되며 튜브형 연료전지 단위스택(30)의 가이드 통로(24)와 연결된 연결구(미도시)가 구성될 수 있다.
따라서 랙 프레임(40)을 통해 간단하게 튜브형 연료전지 단위스택(30)에 전기, 연료 내지 공기공급/회수가 가능하며, 튜브형 연료전지 단위스택(30)의 교체가 용이하다.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
2; 내부전극 4; 엠이에이 스트립
6; 외부전극 10; 튜브형 연료전지
20; 프레임 22; 결합부
24; 가이드 통로 30; 튜브형 연료전지 단위스택
40; 랙 프레임

Claims (6)

  1. 내부에 연료와 공기 중 어느 하나가 공급되는 튜브형 내부전극과;
    상기 내부전극의 외주면에 상기 내부전극의 길이방향을 따라 나선형으로 촘촘히 감아진 엠이에이 스트립과;
    상기 엠이에이 스트립을 둘러싸며, 상기 연료와 공기 중 나머지 하나가 외부에서 공급되는 외부전극을 포함하는 튜브형 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 엠이에이 스트립은 상기 내부전극에 밀접되는 내부촉매층과, 상기 외부전극과 밀접되는 외부촉매층과, 상기 내부촉매층과 외부촉매층 사이에 개재되며 전해질로 이루어지는 멤브레인을 포함하는 튜브형 연료전지.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항의 튜브형 연료전지들과;
    상기 튜브형 연료전지의 양쪽 끝단에 각각 배열되며, 각각 상기 튜브형 연료전지의 끝단에 결합되는 결합부들 및 상기 결합부를 통해 상기 내부전극의 내부로 상기 연료 또는 공기를 안내하는 가이드 통로와, 상기 내,외부전극에 연결되는 내,외부전선이 배선되는 내,외부 배선로가 형성된 한 쌍의 프레임을 포함하는 튜브형 연료전지 스택.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 프레임의 결합부는 상기 내부전극의 내부에 끼워질 수 있는 돌기형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 튜브형 연료전지 스택.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 튜브형 연료전지들과 한쌍의 프레임이 상호 결합되어 튜브형 연료전지 단위스택을 형성하고,
    상기 튜브형 연료전지 단위스택들의 하부가 끼워져 복수개의 튜브형 연료전지 단위스택을 일체로 지지하는 랙 프레임(rack frame)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는
    튜브형 연료전지 스택.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 랙 프레임에는 각각의 튜브형 연료전지 단위스택이 상하방향으로 끼워져 결착될 수 있도록 결합홈이 복수개 형성되어 있고,
    상기 랙 프레임과 튜브형 연료전지 단위스택은 상호 결착됨과 동시에 전기 연결이 가능토록, 상기 랙 프레임에는 전기 배선이 구성되고, 랙 프레임의 결합홈마다 튜브형 연료전지 단위스택과 접촉되는 부분에 전기 배선에 연결된 전기 단자가 구성되며, 상기 튜브형 연료전지 단위스택에도 상기 랙 프레임의 전기 단자와 접속되며 튜브형 연료전지 단위스택의 내,외부전선과 연결된 전기 단자가 구성되고,
    또한 랙 프레임에는 튜브형 연료전지 단위스택과 결착됨과 동시에 튜브형 연료전지 단위스택의 가이드 통로와 연통될 수 있는 가이드 통로가 형성되어 튜브형 연료전지 단위스택으로 연료 또는 공기가 랙 프레임을 통해 공급 또는 회수될 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는
    튜브형 연료전지 스택.



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