KR100728789B1 - 직접 산화형 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지는, 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 애노드부재 및 캐소드부재를 밀착되게 배치하여 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지와 수분을 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성 유닛을 포함하며, 상기 캐소드부재는 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 면으로부터 대기와 접촉하는 면을 향하여 직경이 점차 확장되게 형성되는 복수의 통기공들과, 상기 대기와 접촉하는 면에 형성되어 상기 통기공들에서 응집되는 수분을 배출시키기 위한 물 배출라인과, 상기 물을 흡착하는 친수성을 지니면서 상기 물 배출라인에 형성되는 흡착부재를 포함한다.
연료전지, 직접산화형, 직접메탄올형, 막-전극어셈블리, MEA, 애노드부재, 캐소드부재, 통기공, 확장, 수분, 물배출라인, 흡착부재

Description

직접 산화형 연료 전지 {DIRECT OXYDATION FUEL CELL}
도 1은 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 결합 단면 구성도이다.
도 3은 도 1에 도시한 캐소드부재의 평면 구성도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1에 도시한 흡착부재 부위를 나타내 보인 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 결합 단면 구성도이다.
도 7은 도 5에 도시한 캐소드부재의 평면 구성도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
본 발명은 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)에 관한 것으 로서, 보다 상세하게는 연료, 및 산소의 직접적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 별도로 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxydation Fuel Cell)(당 업계에서는 통상적으로 "직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)" 라고도 한다.)로 구분될 수 있다.
고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하에서는, 편의상 "스택" 이라 한다)로서 구성되며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.
직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 이러한 직접 산화형 연료 전지는 이의 구성별 종류에 따라, 펌프나 팬에 의존하지 않고 무부하 상태에서 공기를 제공받는 패시브(Passive) 방 식과, 펌프나 팬의 구동력에 의해 공기를 제공받는 액티브(Active) 방식으로서 구성될 수 있다.
이 중에서, 패시브 방식에 의한 직접 산화형 연료 전지는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly)(이하에서는, "MEA" 라고 한다.)를 중심에 두고 이의 양측에 밀착되게 배치되는 애노드판과, 캐소드판으로서 구성된다. 여기서, 캐소드판은 공기를 MEA로 유통시키기 위한 복수의 통기공들을 가지면서 대기 중으로 노출되게 설치된다. 그리고, 이러한 통기공들은 캐소드판의 전도성에 영향을 미치지 않는 정도의 동일한 직경으로서 캐소드판을 관통하여 형성되고 있다. 즉, 캐소드판은 MEA에 밀착되는 접촉면이 전도성에 영향을 미치지 않는 정도의 기준 접촉 면적을 유지하면서 MEA에 밀착되게 배치된다.
그런데, 종래의 패시브 방식에 의한 직접 산화형 연료 전지는 MEA에 의한 공기의 환원 반응을 통해 수증기 형태의 수분을 발생시키게 되는 바, 캐소드판이 대기 중으로 노출되게 구성됨에 따라 수증기 형태의 수분이 캐소드판의 통기공들에서 비교적 낮은 온도의 대기와 접촉하면서 응축되고, 이러한 응축수가 캐소드판의 통기공들에서 응집되면서 표면 장력의 작용에 의해 이 통기공들을 막게 된다. 이로 인해, 종래의 직접 산화형 연료 전지는 대기 중의 공기가 응축수에 막혀 캐소드판의 통기공들로 원활하게 공급되지 못하게 됨에 따라, 연료 전지 전체의 성능 효율 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.
한편, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 종래의 직접 산화형 연료 전지는 통기공들의 전체 직경을 늘리는 방식으로 캐소드판을 구성하는 경우도 있는 바, 이 러한 경우는 MEA에 대한 캐소드판의 접촉 면적이 기준 접촉 면적 보다 작아지게 됨에 따라 캐소드판에 대한 전자의 이동이 원활하게 이루어지지 않게 된다. 이로 인해, 종래의 직접 산화형 연료 전지는 전자의 이동으로 인해 발생되는 전위차가 감소됨에 따라 결과적으로는 전기 에너지의 출력 성능이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 캐소드판의 전도성에 영향을 미치지 않으면서 캐소드판의 통기공들에서 응집되는 수분을 용이하게 배출시킬 수 있는 직접 산화형 연료 전지를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지는, 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 애노드부재 및 캐소드부재를 밀착되게 배치하여 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지와 수분을 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성 유닛을 포함하며, 상기 캐소드부재는 대기 중의 공기를 유통시키기 위한 복수의 통기공들과, 상기 통기공들에 연결되게 형성되어 상기 통기공들에서 응집되는 수분을 배출시키기 위한 물 배출라인과, 상기 물을 흡착하는 친수성을 지니면서 상기 물 배출라인에 형성되는 흡착부재를 포함한다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 캐소드부재는 상기 대기와 접촉하는 면의 접촉 면적과 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 면의 접촉 면적이 서로 동일하게 구성될 수 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 물 배출라인은 상기 캐소드부재의 대기와 접촉하는 면에 중력 방향을 따라 홈 형태로서 형성될 수 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 물 배출라인은 상기 통기공들에 연결되는 분기라인들과, 상기 분기라인들에 연결되는 합류라인으로서 구성될 수 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 흡착부재는 상기 물 배출라인에 매립되게 형성될 수 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 흡착부재는 상기 물 배출라인에 코팅되게 형성될 수도 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 흡착부재는 폴리에테르, 폴리알코올, 폴리아마이드, 폴리술폰산, 폴리카르복실산, 및 셀룰로오스로 이루어지는 군에세 선택되는 어느 하나의 친수성 수지로서 형성될 수 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 애노드부재는 상기 연료를 유통시키기 위한 유로를 포함하며, 상기 유로가 사행(蛇行: meander)의 채널 형태로서 이루어질 수 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지는, 상기 애노드부재, 및 상기 캐소드부재가 서로 다른 극성의 전류를 집전하는 집전판으로서 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지는, 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 애노드부재 및 캐소드부재를 밀착되게 배치하여 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지와 수분을 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성 유닛을 포함하며, 상기 캐소드부재는 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 면으로부터 대기와 접촉하는 면을 향하여 직경이 점차 확장되게 형성되는 복수의 통기공들과, 상기 대기와 접촉하는 면에 형성되어 상기 통기공들에서 응집되는 수분을 배출시키기 위한 물 배출라인과, 상기 물을 흡착하는 친수성을 지니면서 상기 물 배출라인에 형성되는 흡착부재를 포함한다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 캐소드부재는 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 밀착면의 접촉 면적이 상기 대기와 접촉하는 면의 접촉 면적 보다 크게 구성될 수 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 통기공들은 상기 캐소드부재의 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 면에 소정의 직경으로서 형성되는 제1 부분과, 상기 제1 부분으로부터 연장되면서 상기 캐소드부재의 대기와 접촉하는 면을 향해 직경이 점차 확장되게 형성되는 제2 부분으로서 구성될 수 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 통기공들은 테이퍼 형상으로서 형성될 수도 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 물 배출라인은 상기 통기공들을 서로 연결하는 홈 형태로서 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 물 배출라인은 상기 제2 부분을 서로 연결하는 홈 형태로서 형성될 수 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 물 배출라인은 상기 통기공들에 연결되는 분기라인들과, 상기 분기라인들에 연결되는 합류라인으로서 구성될 수 있 다. 더욱 구체적으로, 상기 물 배출라인은 상기 제2 부분에 연결되는 분기라인들과, 상기 분기라인들에 연결되는 합류라인으로서 구성될 수 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 흡착부재는 상기 물 배출라인에 매립되게 형성될 수 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 흡착부재는 상기 물 배출라인에 코팅되게 형성될 수도 있다.
상기 직접 산화형 연료 전지에 있어서, 상기 흡착부재는 친수성 수지로서 형성될 수 있다.
이하, 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.
도 1은 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 결합 단면 구성도이다.
이 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지(100)를 설명하면, 이 직접 산화형 연료 전지(100)는 연료 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키고, 이 전기 에너지를 소정의 전자기기로 출력시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 직접 산화형 연료 전지(100)는 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올계 연료, 및 대기 중의 공기를 직접적으로 제공받아 연료 중에 함유된 수소의 산화 반 응, 및 공기 중에 함유된 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 통상적인 패시브(passive) 타입의 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로서 구성될 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 실시예에 의한 직접 산화형 연료 전지(100)는 연료 공급장치(도면에 도시되지 않음) 또는 연료의 모세관 작용 또는 농도차 등에 의해 연료를 공급받고, 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 대기 중의 공기를 제공받아 이 연료와 공기의 산화 반응, 및 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성 유닛(90)을 포함하여 구성된다.
바람직하게, 본 실시예에 의한 직접 산화형 연료 전지(100)는 전기 생성 유닛(90)을 평면적으로 배치하여 구성되는 플레이트 타입의 연료전지로서 이루어진다. 도면에서, 본 실시예에 의한 연료 전지(100)는 단일의 전기 생성 유닛(90)으로서 도시되고 있으나, 이는 본 발명을 설명하기 위하여 도면을 편의상 간략화한 것에 불과하며, 대안으로서 전기 생성 유닛(90)을 복수로 구비하고 이들 전기 생성 유닛(90)을 연속적으로 배치함으로써 본 실시예에 의한 연료 전지(100)를 구성할 수도 있다.
상술한 바와 같은 직접 산화형 연료 전지(100)에 있어, 전기 생성 유닛(90)은 기본적으로, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly)(이하에서는, "MEA" 라고 한다.)(10)와, 이 MEA(10)를 중심에 두고 이의 양측에 밀착되게 배치되는 애노드부재(40), 및 캐소드부재(60)를 포함하여 구성된다.
본 실시예에서, MEA(10)는 일면에 제1 전극층(11)을 형성하고, 다른 일면에 제2 전극층(12)을 형성하며, 이들 전극층(11, 12) 사이에 멤브레인(Membrane)(13)을 형성하여 구성된다. 이 때, 애노드부재(40)는 제1 전극층(11)에 밀착되게 배치되며, 캐소드부재(60)는 제2 전극층(12)에 밀착되게 배치된다.
여기서, 제1 전극층(11)은 애노드부재(40)를 통해 연료를 공급받고 이 연료에 함유된 수소를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키는 기능을 하게 된다. 멤브레인(13)은 제1 전극층(11)에서 수소로부터 분리된 수소 이온을 제2 전극층(12)으로 이동시키는 기능을 하게 된다. 그리고, 제2 전극층(12)은 제1 전극층(11)으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 캐소드부재(60)를 통해 제공되는 산소를 환원 반응시켜 수분, 및 열을 발생시키는 기능을 하게 된다.
본 실시예에서, 애노드부재(40)는 MEA(10)의 제1 전극층(11)과 상호 밀착되게 배치되는 플레이트 타입의 전도성 메탈 소재로서 이루어지며, 연료를 MEA(10)의 제1 전극층(11)으로 분산 공급하는 기능 외에, 제1 전극층(11)에서 수소로부터 분리된 전자를 뒤에서 더욱 설명하는 캐소드부재(60)로 이동시키는 전도체로서의 기능을 하게 된다.
이를 위해 애노드부재(40)는 연료를 MEA(10)의 제1 전극층(11)으로 유통시키기 위한 유로(42)를 구비하는 바, 이 유로(42)는 MEA(10)의 제1 전극층(11)에 대응하는 영역에 채널 형태로서 형성된다. 바람직하게, 유로(42)는 MEA(10)의 제1 전극층(11)과 마주하는 애노드부재(40)의 일면에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되며 이의 양단을 교호적으로 연결하여 사행(蛇行: meander)의 형상으로서 형성되고 있다.
이에 더하여, 애노드부재(40)는 상술한 바와 같이 캐소드부재(60)로 전자를 이동시키는 전도체로서의 기능을 하게 되는 바, 캐소드부재(60)와 서로 다른 극성의 전류를 집전하는 집전판(41)으로서 구성될 수 있다.
본 실시예에서, 캐소드부재(60)는 대기 중으로 노출되면서 MEA(10)의 제2 전극층(12)과 상호 밀착되게 배치되는 플레이트 타입의 전도성 메탈 소재로서 이루어진다. 이 캐소드부재(60)는 공기의 자연 확산 또는 대류 작용에 의해 대기 중의 공기를 MEA(10)의 제2 전극층(12)으로 분산 공급하는 기능 외에, 애노드부재(40)로부터 전자를 받는 전도체로서의 기능을 하게 된다.
이를 위해 캐소드부재(60)는 대기 중의 공기를 MEA(10)의 제2 전극층(12)으로 유통시키기 위해 MEA(10)의 제2 전극층(12)에 대응하는 영역에 대하여 캐소드부재(60)의 플레이트를 관통하는 복수의 통기공들(63)을 형성하고 있다.
여기서, 상기 복수의 통기공들(63)은 종래에서와 같이 캐소드부재(60)의 MEA(10)에 밀착되는 면(A)(이하에서는, 편의상 "제1 면" 이라고 한다.)으로부터 대기와 접촉하는 면(B)(이하에서는, 편의상 "제2 면" 이라고 한다.)을 향해 동일한 직경으로서 형성된다. 즉, 캐소드부재(60)는 MEA(10)의 제2 전극층(12)에 접촉되는 제1 면(A)의 접촉 면적과, 대기와 접촉하는 제2 면(B)의 접촉 면적이 서로 동일한 구조로서 이루어진다.
구체적으로, 통기공들(63)은 캐소드부재(60)의 제1 면(A)에 대해 소정의 직경을 가진 제1 개구(63a), 및 캐소드부재(60)의 제2 면(B)에 제1 개구(63a)와 동일한 직경을 가진 제2 개구(63b)를 포함하며, 제1 개구(63a)와 제2 개구(63b)가 상호 연통되게 형성된다.
이에 더하여, 캐소드부재(60)는 상술한 바와 같이 애노드부재(40)로부터 전자를 받는 전도체로서의 기능을 하게 되는 바, 애노드부재(40)와 서로 다른 극성의 전류를 집전하는 집전판(61)으로서 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 직접 산화형 연료 전지(100)의 작용시, MEA(10)의 제2 전극층(12)에서는 산소의 환원 반응에 의해 수증기 형태의 수분을 발생시키는 바, 캐소드부재(60)가 대기와 접촉하게 구성됨에 따라 수증기 형태의 수분은 캐소드부재(60)의 통기공들(63)에서 비교적 낮은 온도의 대기와 접촉하면서 응축이 일어나게 된다.
이러는 과정에서, 상기한 응축수는 캐소드부재(60)의 통기공들(63)에서 응집되면서 표면 장력의 작용에 의해 이 통기공들(63)을 막게 되는 바, 이로 인해 대기 중의 공기는 통기공들(63)을 통해 MEA(10)의 제2 전극층(12)으로 원활하게 공급되지 못하게 된다.
이에, 본 실시예에 의한 직접 산화형 연료 전지(100)는 통기공들(63)에서 응집되는 수분을 용이하게 배출시키기 위해, 통기공들(63)에 서로 연결되게 형성되는 물 배출라인(70)과, 이 물 배출라인(70)에 형성되는 흡착부재(80)를 포함하고 있다.
본 실시예에서, 물 배출라인(70)은 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, 캐소드부재(60)의 제2 면(B)에 통기공들(63)의 제2 개구(63b)를 서로 연결하는 홈 형태로서 형성되며, 직립하게 스탠딩되는 캐소드부재(60)를 기준할 때 중력 방향을 따 라 형성되고 있다.
바람직하게, 물 배출라인(70)은 각 통기공들(63)의 제2 개구(63b)로부터 사선 방향으로 분기되어 하향 경사지게 형성되는 분기라인들(71)과, 캐소드부재(60)의 수직 방향(중력 방향)을 따라 형성되면서 이들 분기라인(71)과 서로 연결되는 합류라인(72)으로서 형성될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 의한 캐소드부재(60)는 제1 면(A)이 통기공들(63)의 제1 개구(63a)에 의해 종래와 같은 접촉 면적으로서 MEA(10)의 제2 전극층(12)에 밀착되게 배치되면서 제2 면(B)에 통기공들(63)의 제2 개구(63b)를 서로 연결하는 물 배출라인(70)을 구비함에 따라, MEA(10) 제1 전극층(11)과 제2 전극층(12)을 직렬로 연결시켜 주는 전도성에 영향을 미치지 않으면서 통기공들(63)에서 응집되는 수분을 물 배출라인(70)을 통해 통기공들(63)의 외측으로 용이하게 배출시킬 수 있게 된다.
본 실시예에서, 흡착부재(80)는 통기공들(63)에서 응집되는 수분을 물 배출라인(70)을 통해 더욱 용이하게 배출시키기 위한 것으로서, 물 배출라인(70)에서 상기한 수분을 흡수 및 저장하는 이른바 심지(wick)로서의 기능을 하게 된다.
이러한 흡착부재(80)는 도 4a에 도시한 바와 같이, 물 배출라인(70)의 홈 영역에 충진되어 이 물 배출라인(70)에 매립되게 형성될 수 있으며, 도 4b에 도시한 바와 같이 물 배출라인(70)의 홈 영역에 막 형태로서 코팅되게 형성될 수도 있다.
바람직하게, 흡착부재(80)는 물을 용이하게 흡착하여 저장할 수 있는 통상적인 친수성 수지(Hydrophilic Resin) 예컨대, 폴리에테르, 폴리알코올, 폴리아마이 드, 폴리술폰산, 폴리카르복실산, 및 셀룰로오스 등으로서 형성될 수 있다. 대안으로서, 이러한 흡착부재(80)는 다공성을 지닌 통상적인 카본 소재로서 형성될 수도 있으며, 수분을 용이하게 흡착할 수 있는 통상적인 지오라이트(Zeolite) 또는 산화인(P2O5)으로서 형성될 수도 있다.
따라서, 본 실시예에서는 통기공들(63)을 서로 연결하는 물 배출라인(70)에 흡착부재(80)를 형성함에 따라, 통기공들(63)에서 응집되는 수분을 흡착부재(80)가 흡착하면서 이 수분을 물 배출라인(70)을 통해 더욱 용이하게 배출시킬 수 있게 된다. 이에 더하여, 본 실시예에서는 통기공들(63)에서 응집되는 수분을 흡착부재(80)로서 흡착함에 따라, 연료 전지(100)가 로테이션 되더라도 이 연료 전지(100)의 방향에 상관없이 상기한 수분을 물 배출라인(70)을 통해 용이하게 배출시킬 수 있게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 직접 산화형 연료 전지(100)의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 연료는 애노드부재(40)의 유로(42)를 따라 유통되면서 MEA(10)의 제1 전극층(11)으로 분산 공급된다. 그러면, MEA(10)의 제1 전극층(11)에서는 연료의 산화 반응에 의해 이 연료 중에 함유된 수소를 전자와 수소 이온(프로톤)으로 분리시킨다. 이 때, 수소 이온은 MEA(10)의 멤브레인(13)을 통해 제2 전극층(12)으로 이동되고, 전자는 멤브레인(13)을 통과하지 못하고 애노드부재(40)를 통해 캐소드부재(60)로 이동된다.
이러는 과정을 거치면서, 본 실시예에 의한 직접 산화형 연료 전지(100)는 상기한 전자의 이동으로 인해 전류를 발생시키게 되고, 애노드부재(40) 및 캐소드부재(60)가 전류를 집전하는 집전판(41, 61)로서 구성되는 바, 소정 전위차를 갖는 전기 에너지를 출력시킬 수 있게 된다.
이와 동시에, 대기 중의 공기는 자연 확산 또는 대류 작용 등에 의해 캐소드부재(60)의 통기공들(63)을 통과하여 MEA(10)의 제2 전극층(12)으로 분산 공급된다. 그러면, MEA(10)의 제2 전극층(12)에서는 멤브레인(13)을 통해 이동된 수소 이온, 애노드부재(40)를 통해 이동된 전자, 및 통기공들(63)을 통해 제공되는 공기의 환원 반응에 의해 열, 및 수분을 발생시키게 된다.
이 과정에서, 상기한 수분은 캐소드부재(60)의 통기공들(63)에서 응집되는 바, 본 실시예에서는 캐소드부재(60)의 제2 면(B)에 통기공들(63)의 제2 개구(63b)를 서로 연결하는 물 배출라인(70), 및 이 물 배출라인(70)에 형성되는 흡착부재(80)를 구비하고 있기 때문에, 이 흡착부재(80)가 통기공들(63)에서 응집되는 수분을 흡착 및 저장하면서 이 수분을 물 배출라인(70)을 통해 별도의 포집수단(도면에 도시하지 않음)으로 배출시킬 수 있게 된다.
따라서, 본 실시예에 의한 직접 산화형 연료 전지(100)는 상기한 수분에 의해 캐소드부재(60)의 통기공들(63)이 막히는 등의 폐단을 방지할 수 있다. 이로써, 대기 중의 공기는 캐소드부재(60)의 통기공들(63)을 통해 MEA(10)의 제2 전극층(12)으로 원활하게 공급될 수 있게 된다.
특히, 본 실시예에서 캐소드부재(60)는 제1 면(A)이 통기공들(63)의 제1 개 구(63a)에 의해 종래와 같은 접촉 면적으로서 MEA(10)의 제2 전극층(12)에 밀착되게 배치되므로, 제1 전극층(11)과 제2 전극층(12)을 직렬로 연결시켜 주는 전도성에 영향을 미치지 않으면서 상술한 바와 같은 작용에 의하여 통기공들(63)에 응집되는 수분을 용이하게 배출시킬 수 있게 된다. 이에 더하여, 본 실시예에서는 통기공들(63)에서 응집되는 수분을 흡착부재(80)로서 흡착함에 따라, 연료 전지(100)가 로테이션 되더라도 이 연료 전지(100)의 방향에 상관없이 상기한 수분을 물 배출라인(70)을 통해 용이하게 배출시킬 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 6은 도 5의 결합 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 직접 산화형 연료 전지(200)는 전기 실시예의 구조를 기본으로 하면서, 통기공들(163)의 직경이 제1 면(A)으로부터 제2 면(B)을 향하여 점차 확장되는 구조로서 이루어지는 캐소드부재(160)를 구성할 수 있다. 이는 통기공들(163)에서 물 방울로서 응집되는 수분의 표면 장력을 약화시킴으로써 이 수분을 더욱 용이하게 배출시키기 위함이다.
본 실시예에서, 통기공들(163)은 캐소드부재(160)의 제1 면(A)에 소정의 직경으로서 형성되는 제1 부분(163a)과, 제1 부분(163a)으로부터 연장되면서 캐소드부재(160)의 제2 면(B)을 향하여 직경이 점차 확장되는 제2 부분(163b)으로서 형성된다. 즉, 캐소드부재(160)는 MEA(110)의 제2 전극층(112)에 밀착되는 면(A)의 접촉 면적이 대기와 접촉하는 면(B)의 접촉 면적 보다 큰 구조로서 이루어진다.
구체적으로, 캐소드부재(160)의 통기공들(163)에 있어, 제1 부분(163a)은 캐 소드부재(160)의 제1 면(A)에 형성되는 소정 직경의 개구를 가지면서 제2 면(B)을 향해 동일한 직경으로 소정 깊이 만큼 형성된다. 그리고, 제2 부분(163b)은 제1 부분(163a)으로부터 연장되게 형성되는 바, 캐소드부재(160)의 제2 면(B)을 향해 점차 확장되는 직경을 가지면서 캐소드부재(160)의 제2 면(B)에 제1 부분(163a)의 직경 보다 큰 직경을 가진 개구를 형성한다.
따라서, 본 실시예에 의한 캐소드부재(160)는 통기공들(163)의 제2 부분(163b)이 제1 부분(163a)으로부터 제2 면(B)을 향해 그 직경이 점차 확장되게 형성됨에 따라, 제2 부분(163b)에서 응집되는 수분의 표면 장력을 약화시킴으로써 이 수분을 통기공들(163)의 외측으로 용이하게 배출시킬 수 있게 된다. 이에 더하여, 캐소드부재(160)는 제1 면(A)이 통기공들(163)의 제1 부분(163a)에 의해 종래와 같은 접촉 면적으로서 MEA(110)의 제2 전극층(112)에 밀착되게 배치되는 바, MEA(110)의 제1 전극층(111)과 제2 전극층(112)을 직렬로 연결시켜 주는 전도성에 영향을 미치지 않으면서 통기공들(163)에서 응집되는 수분을 용이하게 배출시킬 수 있게 된다.
이러한 연료 전지(200)에 있어, 캐소드부재(160)는 도 7에 도시한 바와 같이, 전기 실시예에서와 같은 물 배출라인(170)이 제공되는 바, 이 물 배출라인(170)은 캐소드부재(160)의 제2 면(B)에 통기공들(163)의 제2 부분(163b)을 서로 연결하는 홈 형태로서 형성된다. 이러한 물 배출라인(170)은 각 통기공들(163)의 제2 부분(163b)으로부터 사선 방향으로 분기되어 하향 경사지게 형성되는 분기라인들(171)과, 캐소드부재(160)의 수직 방향(중력 방향)을 따라 형성되면서 이들 분기 라인(171)과 서로 연결되는 합류라인(172)으로서 형성될 수 있다.
이에 더하여, 본 실시예에서는 전기 실시예에서와 같이 상기한 물 배출라인(170)에 형성되는 흡착부재(180)가 제공되는 바, 이 흡착부재(180)는 물 배출라인(170)의 홈 영역에 매립되게 형성될 수 있으며, 물 배출라인(170)의 홈 영역에 막 형태로서 코팅되게 형성될 수도 있다(도 7 참조).
따라서, 본 실시예에서는 캐소드부재(160)의 제2 면(B)에 통기공들(163)의 제2 부분(163b)를 서로 연결하는 물 배출라인(170), 및 이 물 배출라인(170)에 형성되는 흡착부재(180)를 구비함에 따라, 이 흡착부재(180)가 통기공들(163)에서 응집되는 수분을 흡착 및 저장하면서 이 수분을 물 배출라인(170)을 통해 별도의 포집수단(도면에 도시하지 않음)으로 용이하게 배출시킬 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 직접 산화형 연료 전지(300)는 통기공들(263)의 직경이 제1 면(A)으로부터 제2 면(B)을 향해 점차 확장되는 테이퍼 형상으로서 이루어지는 캐소드부재(260)를 구성할 수 있다.
구체적으로, 캐소드부재(260)의 통기공들(263)은 제1 면(A)에 대해 소정의 직경을 가진 제1 개구(263a), 및 제2 면(B)에 제1 개구(263a)의 직경 보다 상대적으로 큰 직경을 가진 제2 개구(263b)를 포함하며, 제1 개구(263a)와 제2 개구(263b)가 상호 연통되는 테이퍼 형상으로서 형성된다.
따라서, 본 실시예에 의한 캐소드부재(260)는 제1 면(A)이 통기공들(263)의 제1 개구(263a)에 의해 종래와 같은 접촉 면적으로서 MEA(210)의 제2 전극층(212)에 밀착되게 배치된다. 그러면서, 캐소드부재(260)는 통기공들(263)이 제1 면(A)으로부터 제2 면(B)을 향해 그 직경이 점차 확장되는 테이퍼 형상으로서 형성됨에 따라, 제2 개구(263b)에서 응집되는 수분의 표면 장력을 약화시킴으로써 이 수분을 통기공들(263)의 외측으로 용이하게 배출시킬 수 있게 된다.
이에 더하여, 본 실시예에 의한 직접 산화형 연료 전지(300)는 캐소드부재(260)의 제2 면(B)에 통기공들(263)의 제2 개구(263b)를 홈 형태로서 연결하는 물 배출라인(270), 및 이 물 배출라인(270)에 형성되는 흡착부재(280)를 구비하는 바, 이러한 물 배출라인(270) 및 흡착부재(280)의 구성 및 작용은 전기 실시예에서와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지에 의하면, 캐소드부재가 전도성에 영향을 미치지 않는 접촉 면적을 유지하면서 MEA에 밀착되게 배치되고, 캐소드부재의 통기공들에서 응집되는 수분을 용이하게 배출시킬 수 있는 구조로서 이루어지므로, 전기 에너지의 출력 성능은 그대로 유지하면서 캐소드부재의 통기공들이 수분에 의해 막히는 등의 폐단을 방지할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 의하면, 대기 중의 공기를 캐소드부재의 통기공들을 통해 MEA로 원활하게 공급할 수 있게 되므로, 연료 전지 전체의 성능 효율 및 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 애노드부재 및 캐소드부재를 밀착되게 배치하여 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지와 수분을 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성 유닛
    을 포함하며,
    상기 캐소드부재는,
    대기 중의 공기를 유통시키기 위한 복수의 통기공들과, 상기 통기공들에 연결되게 형성되어 상기 통기공들에서 응집되는 수분을 배출시키기 위한 물 배출라인과, 상기 물을 흡착하는 친수성을 지니면서 상기 물 배출라인에 형성되는 흡착부재를 포함하는 직접 산화형 연료 전지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 캐소드부재는,
    상기 대기와 접촉하는 면의 접촉 면적과 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 면의 접촉 면적이 서로 동일하게 구성되는 직접 산화형 연료 전지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 물 배출라인은 상기 캐소드부재의 대기와 접촉하는 면에 중력 방향을 따라 홈 형태로서 형성되는 직접 산화형 연료 전지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 물 배출라인은 상기 통기공들에 연결되는 분기라인들과, 상기 분기라인들에 연결되는 합류라인으로서 구성되는 직접 산화형 연료 전지.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 상기 물 배출라인에 매립되게 형성되는 직접 산화형 연료 전지.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 상기 물 배출라인에 코팅되게 형성되는 직접 산화형 연료 전지.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 폴리에테르, 폴리알코올, 폴리아마이드, 폴리술폰산, 폴리카르복실산, 및 셀룰로오스로 이루어지는 군에세 선택되는 어느 하나의 친수성 수지로서 형성되는 직접 산화형 연료 전지.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 애노드부재는,
    상기 연료를 유통시키기 위한 유로를 포함하며, 상기 유로가 사행(蛇行: meander)의 채널 형태로서 이루어지는 직접 산화형 연료 전지.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 애노드부재, 및 상기 캐소드부재가 서로 다른 극성의 전류를 집전하는 집전판으로서 구성되는 직접 산화형 연료 전지.
  10. 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 애노드부재 및 캐소드부재를 밀착되게 배치하여 연료, 및 산소의 반응에 의해 전기 에너지와 수분을 발생시키는 적어도 하나의 전기 생성 유닛
    을 포함하며,
    상기 캐소드부재는,
    상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 면으로부터 대기와 접촉하는 면을 향하여 직경이 점차 확장되게 형성되는 복수의 통기공들과, 상기 대기와 접촉하는 면에 형성되어 상기 통기공들에서 응집되는 수분을 배출시키기 위한 물 배출라인과, 상기 물을 흡착하는 친수성을 지니면서 상기 물 배출라인에 형성되는 흡착부재를 포함하는 직접 산화형 연료 전지.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 캐소드부재는,
    상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 밀착면의 접촉 면적이 상기 대기와 접촉하는 면의 접촉 면적 보다 큰 직접 산화형 연료 전지.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 통기공들은,
    상기 캐소드부재의 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 면에 형성되는 제1 부분과,
    상기 제1 부분으로부터 연장되면서 상기 캐소드부재의 대기와 접촉하는 면을 향해 직경이 점차 확장되게 형성되는 제2 부분으로서 구성되는 직접 산화형 연료 전지.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 통기공들은 상기 캐소드부재의 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 면으로부터 상기 캐소드부재의 대기와 접촉하는 면을 향해 직경이 점차 확장되는 형태로서 이루어지는 직접 산화형 연료 전지.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 물 배출라인은 상기 통기공들을 서로 연결하는 홈 형태로서 형성되는 직접 산화형 연료 전지.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 물 배출라인은 상기 제2 부분을 서로 연결하는 홈 형태로서 형성되는 직접 산화형 연료 전지.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 물 배출라인은 상기 통기공들에 연결되는 분기라인들과, 상기 분기라인들에 연결되는 합류라인으로서 구성되는 직접 산화형 연료 전지.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 물 배출라인은 상기 제2 부분에 연결되는 분기라인들과, 상기 분기라인들에 연결되는 합류라인으로서 구성되는 직접 산화형 연료 전지.
  18. 제14 항 또는 제15 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 상기 물 배출라인에 매립되게 형성되는 직접 산화형 연료 전지.
  19. 제14 항 또는 제15 항에 있어서,
    상기 흡착부재는 상기 물 배출라인에 코팅되게 형성되는 직접 산화형 연료 전지.
  20. 제10 항에 있어서,
    상기 흡착부재가 다공성을 지닌 친수성 수지로서 형성되는 직접 산화형 연료 전지.
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