KR20230158438A - 연료전지 단위셀 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents
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Abstract
개시된 내용은, 촉매층이 분리판의 유동채널과 대응되는 영역에만 형성됨으로써 가스확산 및 물 배출이 용이하고, 기존 연료전지의 산화 반응에 대한 활성은 그대로 유지하면서 동시에 비용은 절감할 수 있는 연료전지 단위셀 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
이러한 연료전지 단위셀은 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체의 양측 면에 각각 구비되며, 연료 또는 공기가 유동하는 유동채널과 상기 유동채널을 구분하는 리브가 형성된 한 쌍의 분리판을 포함하고, 상기 막 전극 접합체는 서로 대향하며, 촉매층과 가스확산층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 개재되는 고분자 전해질막을 포함하며, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 전극의 촉매층은 상기 분리판의 유동채널과 대응되는 영역에 촉매물질이 전사된 촉매전사부;와 상기 촉매물질이 전사되지 않은 촉매부지부로 구성된다.
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Description
본 명세서에 개시된 내용은 연료전지 단위셀 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시하지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
일반적으로 연료전지는 수소를 공기 중의 산소와 전기화학적으로 반응시키어 전기에너지를 발생시키는 장치로서, 지속적으로 수소와 산소의 공급을 받아서 화학반응을 통해 지속적으로 전기를 생산할 수 있는 일종의 발전장치이다. 이러한 연료전지에서는 도 1에 도시된 바와 같이 캐소드 전극에 산소를 포함하는 공기를 공급하고, 애노드 전극에 수소가스를 포함하는 연료를 공급하며, 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 있는 고분자 전해질막을 통해 물 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생하게 된다. 연료전지의 단위셀에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 전압이 높지 않기 때문에 여러 개의 연료전지 단위셀을 직렬로 연결하여 스택(stack) 형태로 사용하는 것이 보통이다.
전기화학반응에 필요한 공기 및 연료는 각각 연료전지 스택의 엔드플레이트에 형성된 공급관을 통해 분리판에 형성된 유동채널로 공급된다. 이때, 수소와 산소의 반응을 촉진해줄 촉매가 필요한데, 촉매에 포함된 백금은 희소성과 가격이 높기 때문에 연료전지의 가격에 있어서 큰 비중을 차지하고 있다.
따라서, 최근 액체 촉매를 사용하거나 블랙 촉매와 함께 담지 촉매를 사용하고 있다. 일 예로, 특허문헌 1은 백금-루테늄 또는 백금-팔라듐을 탄소계 물질에 담지시킨 담지 촉매를 사용하여 촉매의 사용량을 감소시키는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 특허문헌 1에서는 촉매를 분리판의 활성면적만큼 코팅 제작하므로 촉매의 사용량 저감에 대해서는 그 수준이 미비하고, 막 전극 접합체는 분리판의 리브에 의해 압축되기 때문에 채널에서 촉매까지 연료 또는 공기가 확산되기 어려울 뿐만 아니라 촉매에서 생성된 물도 채널을 통해 배출되기 어려운 문제점이 있다.
촉매의 사용량은 최소화되면서도 가스확산 및 물 배출이 용이한 연료전지 단위셀 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하고자 한다.
또한, 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.
개시된 내용의 일 실시예에 의하면, 연료전지 단위셀은 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체의 양측 면에 각각 구비되며, 연료 또는 공기가 유동하는 유동채널과 상기 유동채널을 구분하는 리브가 형성된 한 쌍의 분리판을 포함하고, 상기 막 전극 접합체는 서로 대향하며, 촉매층과 가스확산층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 개재되는 고분자 전해질막을 포함하며, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 전극의 촉매층은 상기 분리판의 유동채널과 대응되는 영역에 촉매물질이 전사된 촉매전사부와 상기 촉매물질이 전사되지 않은 비촉매전사부로 구성된다.
또한, 상기 촉매물질은 기공을 갖는 복수의 탄소입자 및 상기 탄소입자에 이오노머를 매개로 부착된 활성금속을 포함하되, 상기 활성금속은 백금일 수 있다.
또한, 상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 비촉매전사부에는 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연 및 비결정 탄소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나가 전사될 수 있다.
개시된 내용의 다른 실시예에 의하면, 연료전지 스택은 상기 언급한 연료전지 단위셀을 하나 이상 포함한다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 촉매층이 분리판의 유동채널과 대응되는 영역에만 형성됨으로써 가스확산 및 물 배출이 용이하고, 기존 연료전지의 산화 반응에 대한 활성은 그대로 유지하면서 동시에 비용은 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 연료전지의 작동원리를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 촉매물질을 개략적으로 나타낸 사진이다.
도 4a 내지 도 4c 및 도 5는 도 2에 도시된 연료전지 스택에서 연료전지 단위셀의 다양한 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 명세서에 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 촉매물질을 개략적으로 나타낸 사진이다.
도 4a 내지 도 4c 및 도 5는 도 2에 도시된 연료전지 스택에서 연료전지 단위셀의 다양한 실시예를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 개시된 내용의 바람직한 실시예의 구성 및 작용 효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.
도 2는 본 명세서에 개시된 내용의 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다. 이하, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 연료전지 스택(1)에 대해 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 일 방향으로 정렬된 복수의 연료전지 단위셀(10), 및 상기 복수의 연료전지 단위셀(10) 중 최외곽 연료전지 단위셀(10)의 외면에 배치된 한 쌍의 엔드플레이트(15, 15')를 포함한다.
연료전지 단위셀(10)은 에너지를 발생하는 부재로서, 복수로 구성되어 일 방향으로 정렬될 수 있다.
엔드플레이트(15, 15')는 복수의 연료전지 단위셀(10) 중 최외곽 연료전지 단위셀(10)의 외면에 배치되는 부재로서, 연료 또는 공기가 공급 및 배출되는 공급관과 배출관을 포함할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c, 및 도 5는 도 2에 도시된 연료전지 스택에서 연료전지 단위셀의 다양한 실시예를 나타낸 단면도이다.
본 실시예에 의한 연료전지 단위셀(10)은 막 전극 접합체(100) 및 상기 막 전극 접합체(100)의 양측 면에 각각 구비되며, 연료 또는 공기가 유동하는 유동채널(151)과 상기 유동채널(151)을 구분하는 리브(152)가 형성된 한 쌍의 분리판(150)을 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 분리판(150)과 상기 막 전극 접합체(100) 간의 가장자리에는 한 쌍의 가스켓(155)이 구비될 수 있다.
상기에서 언급한 연료는 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등과 같이 수소를 함유하는 액상 또는 기체 상태로 이루어진 연료를 포함하나 본 실시예에서 설명하는 연료는 액상으로 이루어진 연료를 의미한다. 상기 공기는 연료의 수소가스와 반응하는 산화제로서 산소를 함유하고 있는 공기를 사용할 수 있으며, 별도의 저장수단에 저장된 산소 가스를 사용할 수도 있으나 본 실시예에서는 전자의 예를 설명한다.
막 전극 접합체(100)는 서로 대향하는 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(120)과 상기 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(120) 사이에 개재되는 고분자 전해질막(110)을 포함한다.
애노드 전극(120)은 연료를 산화 반응시켜 수소를 수소이온과 전자로 변환시키고, 캐소드 전극(130)은 공기 중의 산소와 상기 애노드 전극(120)으로부터 이동된 수소이온을 환원 반응시켜 소정 온도의 열과 수분을 발생시킨다. 그리고, 고분자 전해질막(110)은 애노드 전극(120)에서 생성된 수소이온을 캐소드 전극(130)으로 이동시키는 이온 교환 기능을 한다. 고분자 전해질막(110)은 연료전지에서 통상적으로 사용되는 전해질막이면 어느 것이나 사용 가능하나 일 예로, 산소이온 전도성 고체산화물 또는 수소이온 전도 고체 산화물을 사용할 수 있다. 상기 산소이온 전도성 고체산화물로는 지르코니아 세라믹스(ZrO2), 세리아(CeO2) 또는 란타늄-스트론튬-가돌리늄-마그네슘 산화물(LSGM)을 사용할 수 있고, 전기 전도성 고체산화물들은 고온에서의 열적 안정성과 전도성을 향상시키기 위한 목적으로 통상 이트리아(Y2O3), 세리아(CeO2), 스칸디아(Sc2O3) 산화가돌리늄(Gd2O3) 등의 안정화제를 적당량 함유하고 있으며, 더욱 구체적인 예를 들면, YSZ(yttria stabilized zirconia), ScSZ(스칸디아 stabilized zirconia) 및 GDC(gadolinia doped ceria) 등이 사용될 수 있다. 상기 수소이온 전도 고체 산화물로는 2가 양이온 및 3가 양이온 중 적어도 하나로 도핑된 BZ(barium zirconate), BC(barium cerate), SZ(strontium zirconate) 및 SC(strontium cerate) 군으로 이루어진 모 페로브스카이트(parent perovskite) 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 이루어진 막, 또는 틴포스페이트(SnP2O7)에 3가 원소(Al, In 등)을 도핑한 산화물 막, 또는 제올라이트(zeolite)의 형태로 형성된 산화물 막 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(130)은 각각 고분자 전해질막(110) 측에 배치되는 촉매층(121, 131) 및 상기 촉매층(121, 131)과 상기 분리판(150) 간에 구비되는 가스확산층(122, 132)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(130) 중에서 선택되는 적어도 하나의 전극의 촉매층은 상기 분리판(150)의 유동채널(151)과 대응되는 영역에 촉매물질이 전사된 촉매전사부와 상기 촉매물질이 전사되지 않은 비촉매전사부를 포함할 수 있다. 이러한 촉매층은 상기 분리판(150)의 유동채널(151)과 대응되게 촉매물질을 디자인하여 고분자 전해질막(110)에 전사하는 방법으로 형성할 수 있다.
상기 촉매물질은 도 3에 도시된 바와 같이, 기공을 갖는 복수의 탄소입자 및 상기 탄소입자에 이오노머를 매개로 부착된 활성금속을 포함할 수 있으며, 상기 활성금속은 백금일 수 있다. 상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 예로, 도 4a를 참조하면, 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(130)은 각각 고분자 전해질막(110) 측에 배치되는 촉매층(121, 131) 및 상기 촉매층(121, 131)과 상기 분리판(150) 간에 구비되는 가스확산층(122, 132)을 포함하고, 상기 애노드 전극(120)의 촉매층(121)은 상기 분리판(150)의 유동채널(151)과 대응되는 영역에 촉매물질이 전사된 촉매전사부(121-1)와 상기 촉매물질이 전사되지 않은 비촉매전사부(121-2)를 포함할 수 있다.
다른 예로, 도 4b를 참조하면, 애노드 전극(220) 및 캐소드 전극(230)은 각각 고분자 전해질막(110) 측에 배치되는 촉매층(221, 231) 및 상기 촉매층(221, 231)과 상기 분리판(150) 간에 구비되는 가스확산층(222, 232)을 포함하고, 캐소드 전극(230)의 촉매층(231)은 상기 분리판(150)의 유동채널(151)과 대응되는 영역에 촉매물질이 전사된 촉매전사부(231-1)와 상기 촉매물질이 전사되지 않은 비촉매전사부(231-2)를 포함할 수 있다.
또 다른 예로, 도 4c를 참조하면, 애노드 전극(320) 및 캐소드 전극(330)은 각각 고분자 전해질막(110) 측에 배치되는 촉매층(321, 331) 및 상기 촉매층(321, 331)과 상기 분리판(150) 간에 구비되는 가스확산층(322, 332)을 포함하고, 애노드 전극(320) 및 캐소드 전극(330)의 촉매층(321, 331) 각각은 상기 분리판(150)의 유동채널(151)과 대응되는 영역에 촉매물질이 전사된 촉매전사부(321-1, 331-1)와 상기 촉매물질이 전사되지 않은 비촉매전사부(321-2, 331-2)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 촉매층이 분리판(150)의 유동채널(151)과 대응되는 영역에만 형성됨으로써 가스확산 및 물 배출이 용이하고, 기존 연료전지의 산화 반응에 대한 활성은 그대로 유지하면서 동시에 비용을 절감할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에서는 촉매물질이 전사되지 않은 비촉매전사부(421-2, 431-2)에는 탄소가 전사될 수 있다. 이하, 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 애노드 전극(420) 및 캐소드 전극(430)은 각각 고분자 전해질막(110) 측에 배치되는 촉매층(421, 431) 및 상기 촉매층(421, 431)과 상기 분리판(150) 간에 구비되는 가스확산층(422, 432)을 포함하고, 애노드 전극(420) 및 캐소드 전극(430)의 촉매층(421, 431) 각각은 상기 분리판(150)의 유동채널(151)과 대응되는 영역에 촉매물질이 전사된 촉매전사부(421-1, 431-1)와 상기 분리판(150)의 리브(152)와 대응되는 영역에 촉매물질이 아닌 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연 및 비결정 탄소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나가 전사된 비촉매전사부(421-2, 431-2)를 포함할 수 있다. 상기 촉매물질에 대해서는 상기에서 상세하게 설명하였으므로 생략하기로 한다.
개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.
1: 연료전지 스택 10: 연료전지 단위셀
15, 15': 한 쌍의 엔드플레이트 100: 막 전극 접합체
110: 고분자 전해질막 120: 애노드 전극
130: 캐소드 전극 150: 분리판
155: 가스켓
15, 15': 한 쌍의 엔드플레이트 100: 막 전극 접합체
110: 고분자 전해질막 120: 애노드 전극
130: 캐소드 전극 150: 분리판
155: 가스켓
Claims (6)
- 막 전극 접합체; 및
상기 막 전극 접합체의 양측 면에 각각 구비되며, 연료 또는 공기가 유동하는 유동채널과 상기 유동채널을 구분하는 리브가 형성된 한 쌍의 분리판을 포함하고,
상기 막 전극 접합체는,
서로 대향하며, 촉매층과 가스확산층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;과
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 개재되는 고분자 전해질막을 포함하며,
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 전극의 촉매층은 상기 분리판의 유동채널과 대응되는 영역에 촉매물질이 전사된 촉매전사부;와 상기 촉매물질이 전사되지 않은 비촉매전사부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 단위셀.
- 제1항에 있어서,
상기 촉매물질은 기공을 갖는 복수의 탄소입자 및 상기 탄소입자에 이오노머를 매개로 부착된 활성금속을 포함하되, 상기 활성금속은 백금인 것을 특징으로 하는 연료전지 단위셀.
- 제2항에 있어서,
상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 단위셀.
- 제1항에 있어서,
상기 비촉매전사부에는 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연 및 비결정 탄소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나가 전사된 것을 특징으로 하는 연료전지 단위셀.
- 막 전극 접합체; 및
상기 막 전극 접합체의 양측 면에 각각 구비되며, 연료 또는 공기가 유동하는 유동채널과 상기 유동채널을 구분하는 리브가 형성된 한 쌍의 분리판을 포함하고,
상기 막 전극 접합체는,
서로 대향하며, 촉매층과 가스확산층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;과
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 개재되는 고분자 전해질막을 포함하며,
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 각각의 촉매층은 상기 분리판의 유동채널과 대응되는 영역에 촉매물질이 전사된 촉매전사부;와 상기 분리판의 리브와 대응되는 영역에 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연 및 비결정 탄소 중에서 선택되는 적어도 어느 하나가 전사된 비촉매전사부;로 구성되고, 상기 촉매물질은 기공을 갖는 복수의 탄소입자 및 상기 탄소입자에 이오노머를 매개로 부착된 활성금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 단위셀.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 연료전지 단위셀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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|---|---|---|---|---|
| KR20090049193A (ko) | 2007-11-13 | 2009-05-18 | 주식회사 엘지화학 | 2종의 촉매를 포함하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극및 이를 사용하는 막전극 접합체 및 직접메탄올 연료전지 |
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2020
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