KR20070037207A - 분리판 및 이를 채용한 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단면적이 변화하는 형상의 유로를 갖는 분리판을 채용한 연료전지에 관한 것으로, 연료와 산화제의 전기화학적인 반응에 의해 전기 에너지와 열을 발생하는 연료전지에 사용되며, 상기 연료전지의 전해질막-전극 접합체와 대면하는 분리판에 있어서, 표면에 유로가 형성되고, 상기 유로의 단면적은 일단에서 타단으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하기 때문에, 애노드 전극에서 발생하는 이산화탄소가 상기 유로를 통해 지나가면서 상기 혼합연료가 애노드전극에 접하는 면적이 줄어드는 것을 상쇄할 수 있고 상기 유로에서의 유동저항을 감소시킬수 있어서 보다 작은 동력을 갖는 연료공급장치를 사용할 수 있어서 보다 고효율의 연료전지 운전이 가능하다.
연료전지, 분리판, 유로, 채널, 전해질막전극접합체

Description

분리판 및 이를 채용한 연료전지 {separator and fuel cell using the same}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지를 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분리판을 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판의 사시도,
도 4는 종래의 연료전지에 사용되는 분리판을 나타낸 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
130 : 전기발생부 134 : 전해질막-전극 접합체
135, 235 : 분리판 136, 236 : 유입구
137, 237 : 유출구 138, 238 : 유로
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 단면적이 변화하는 형상의 유로를 갖는 분리판을 채용한 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지에는 순수한 수소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다. 또한 순수한 산소를 직접 연료전지 시스템에 공급할 수도 있고, 공기 펌프등을 이용하여 통상의 공기에 포함된 산소를 공급할 수도 있다.
연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올형 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 유사하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 비교적 저온에서 작동가능하며, 메탄올을 직접 연료로 사용한다. 따라서 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기를 사용하지 않기 때문에, 다른 연료전지보다 콤팩트하게 구성할 수 있다. 따라서 휴대용 전자기기 등의 전원등으로 개발이 활발하다.
직접 메탄올 연료전지에서 전기를 실질적으로 발생시키는 전기발생부는 기본적으로 전해질막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly : MEA) 및 상기 전해질막-전극 접합체의 양측에 설치된 분리판을 포함하는 단위 셀로 이루어진다. 또한 상기 전기발생부는 이러한 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 스택(stack) 구 조를 가질 수도 있다. 상기 전해질막-전극 접합체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 상기 분리판은 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극에 각각 대면하여 설치된다. 상기 분리판은 전도성을 가지는 물질로 제조되기 때문에 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극에서 발생한 전기를 집전하기도 하고, 상기 스택 구조일 경우에는 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극을 직렬로 연결하는 전도체의 역할을 한다. 또한 상기 분리판이 상기 전극들과 대면하는 일측의 표면에는 유로가 형성되어, 상기 유로를 통해 상기 애노드 전극에는 메탄올을, 상기 캐소드 전극에는 산소를 공급한다. 또한 상기 애노드 전극에서는 메탄올이 반응 후 이산화탄소 등이 생성되고, 상기 캐소드 전극에서는 산소가 반응 후 물 등이 생성되는데, 상기 유로를 통하여 상기 이산화탄소나 상기 물과 같은 부산물들을 배출하는 역할도 한다.
도 4는 종래의 연료전지에 사용되는 분리판(335)을 나타낸 사시도이다.
도 4를 참조하면, 종래의 연료전지에 사용하는 분리판(335)의 일측의 표면에는 유로(338)가 형성된다. 유로(338)는 일정한 폭을 가지며 유입구(336)에서 유출구(337)까지 이어져 있다.
유로(338)가 형성된 분리판(335)의 일측면이 애노드 전극(미도시)과 대면하는 경우, 분리판(335)의 유입구(336)를 통해 메탄올이 유입된다. 상기 메탄올은 유로(338)를 따라 유동하면서 상기 애노드 전극에 공급된다. 상기 애노드 전극에서 메탄올의 반응 후 생성되는 이산화탄소는, 미반응한 메탄올과 함께 유로(338)를 따 라 유동하면서 유출구(337)를 통해 배출된다. 그런데 유로(338)를 따라 상기 이산화탄소가 상기 메탄올과 같이 유동하게 되면, 상기 이산화탄소의 부피만큼 상기 메탄올이 상기 애노드 전극과 접하는 면적이 줄게 된다. 또한 상기 이산화탄소의 양은 유출구(337)로 갈수록 늘어나지만 유로(338)의 폭은 일정하기 때문에, 상기 애노드 전극에 공급되는 메탄올의 양이 유출구(337)으로 갈수록 점점 줄어들게 된다. 이와 같이 상기 애노드 전극 표면에 메탄올이 불균일하게 공급되면, 상기 전해질막-전극 접합체에서 발생하는 전류의 양이 표면에 따라 차이가 나게 된다. 이는 전해질막-전극 접합체 자체에서 내부 전류(internal current)가 흐르게 되는 원인이 되며, 연료전지의 출력을 저하시키고 수명을 단축시킨다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 애노드 전극에서 발생하는 기체에 의해 방해받지 않고 애노드 전극 전체에 일정한 연료를 공급할 수 있는 분리판을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연료와 산화제의 전기화학적인 반응에 의해 전기 에너지와 열을 발생하는 연료전지에 사용되며, 상기 연료전지의 전해질막-전극 접합체와 대면하는 분리판에 있어서, 표면에 유로가 형성되고, 상기 유로의 단면적은 일단에서 타단으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 한다.
상기 유로의 단면적은 연속적으로 증가할 수 있고, 상기 유로의 너비는 일단에서 타단으로 갈수록 증가할 수 있으며, 상기 유로의 깊이는 일단에서 타단으로 갈수록 증가할 수 있다. 상기 유로의 타단의 단면적은 상기 유로의 일단의 단면적의 3~4 배일 수 있고, 상기 유로는 상기 분리판의 일측면 또는 양측면에 형성될 수 있다.
상기 유로는 일단에서 타단까지 단일한 선형으로 이어져서 형성될 수도 있고, 일단에서 타단으로 갈수록 분기되어 형성될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지는, 연료를 공급하는 연료공급부. 산화제를 공급하는 공기공급부, 상기 연료 및 상기 산화제를 이용하여 전기를 발생하는 전해질막-전극 접합체 및 상기 전해질막-전극 접합체에 상기 연료 및 상기 산화제를 공급하는 통로를 제공하는 분리막을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 분리막은, 표면에 유로가 형성되고, 상기 유로의 단면적은 일단에서 타단으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 한다.
상기 유로의 단면적은 연속적으로 증가할 수 있고, 상기 유로의 너비는 일단에서 타단으로 갈수록 증가할 수 있으며, 상기 유로의 깊이는 일단에서 타단으로 갈수록 증가할 수 있다. 상기 유로의 타단의 단면적은 상기 유로의 일단의 단면적의 3~4 배일 수 있고, 상기 유로는 상기 분리판의 일측면 또는 양측면에 형성될 수 있다. 상기 유로는 일단에서 타단까지 단일한 선형으로 이어져서 형성될 수 있고, 일단에서 타단으로 갈수록 분기되어 형성될 수도 있다. 상기 연료전지는 직접 메탄올 연료전지일 수 있다.
이하, 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시한 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다.
설명의 편의상 본 발명에 따른 연료전지는 직접 메탄올 연료전지로서, 이하의 설명에서 원료연료라 함은 메탄올을 의미하며, 메탄올과 물의 혼합물을 혼합 연료라 칭한다. 하지만 본 발명은 이에 한정하지 않고 액상의 연료를 사용하는 모든 연료전지에 적용이 가능하다. 한편 연료전지에 사용되는 산화제는 산소를 사용하며, 산소는 별도의 저장 수단에 저장된 순수 산소 가스를 사용할 수 있으며, 외부 공기에 포함된 산소를 사용할 수도 있다. 그러나 이하에서는 외부 공기에 포함된 산소를 사용하는 예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지를 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분리판(135)을 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지 시스템은, 연료용기(110), 연료혼합부(120), 전기발생부(130), 공기공급부(140) 및 물회수장치(150)로 구성된다.
연료용기(110)에 저장된 상기 원료연료는 원료연료 공급관(121)을 통해 연료혼합부(120)에 공급된다. 또한 후술하는 물회수장치(150)에 저장된 물은 연료혼합부(120)와 유체소통 가능하게 연결된 물공급관(123)을 통해 연료혼합부(120)에 공 급된다. 연료혼합부(120)에서는 상기 원료 연료와 상기 물이 혼합된 상기 혼합연료를 생성하며, 전기발생부(130)와 유체소통이 가능하게 연결된 혼합연료 공급관(122)을 통해 전기발생부(130)에 공급된다.
전기발생부(130)는 연료혼합부(120)에서 공급된 상기 혼합연료와 공기공급부(140)를 통해 공급된 산소를 전기화학 반응을 시켜 전기에너지를 발생한다. 전기발생부(130)는 전기에너지를 발생하는 적어도 하나의 단위 연료 전지로써 전해질막-전극 접합체(134)와 분리판(135)을 포함한다. 전해질막-전극 접합체(134)는 상기 혼합연료와 산소를 각각 산화/환원시키고, 분리판(135)은 상기 혼합연료와 산소를 전해질막-전극 접합체(134)로 공급하고 전해질막-전극 접합체(134)에서 발생하는 생성물을 배출한다.
전해질막-전극 접합체(134)는 양측면을 이루는 애노드 전극(132)과 캐소드 전극(133)사이에 전해질막(131)이 개재된 통상적인 전해질막-전극 접합체의 구조를 가질 수 있다. 분리판(135)은 전도성 있는 재질이며 일측면에 유로(138)가 형성된다. 분리판(135)은 애노드전극(132)과 캐소드전극(133)에 각각 접하여 설치되는데, 분리판(135)의 유로(138)가 형성된 일측면이 접한다. 유로(138)는 유입구(136)에서 유출구(137)까지 이어져 있으며, 유로(138)의 너비는 유출구(137)로 가면서 점차 증가한다. 바람직하게는, 유로(138)의 너비는 불연속적으로 넓어지지 않고 연속적으로 넓어지며, 유출구(137)의 폭은 유입구(136)의 폭의 약 3~4 배이다.
상기 구성을 통하여, 상기 혼합연료는 애노드전극(132)에 인접한 분리판(135)의 유입구(136)를 통해 유입된다. 상기 혼합연료는 유로(138)를 따라 유동하 면서 애노드전극(132)에 공급된다. 또한 유로(138)를 통해, 상기 혼합연료가 반응후 생성된 이산화탄소 등의 기체가 미반응 연료와 함께 유출구(137)로 배출된다. 이 때 유로(138)에서 유동하는 이산화탄소에 의해 상기 혼합연료가 애노드 전극(132)과 접하는 면적이 줄더라도, 유로(138)의 폭은 유출구(137)로 갈수록 넓어지기 때문에, 상기 혼합연료가 애노드 전극(132)과 접하는 면적은 유로(138) 전체적으로 보면 일정하게 유지될 수 있다. 또한 유입구(136)측의 너비와 유출구(137)측의 너비가 유사한 경우보다 유로(138)를 통해 유동하는 상기 혼합연료의 저항이 줄어들기 때문에, 상기 혼합연료를 공급하는 동력장치를 보다 저용량으로 채택할 수 있다.
산소는 캐소드전극(133)에 인접한 또다른 분리판(135)의 유입구(136)를 통해 유입되고, 분리판(135)의 유로(138)를 통해 캐소드전극(133)에 공급된다. 캐소드전극(133)에서 반응 후 생성되는 물은 유로(138)를 통해 이동하여 유출구(137)로 배출된다. 이 때에도 유로(138)의 너비는 점차 넓어지기 때문에 반응 후 생성되는 물로 인해 유로(138)가 폐색되지 않고 용이하게 유출구(137)를 통해 배출될 수 있다.
전기발생부(130)의 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 하기 반응식 1과 같다.
애노드전극 반응 : CH30H ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e-
캐소드전극 반응 : 3/2 O2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → 3H2O
전체반응 : CH30H ＋ 3/2 O2 → CO2 ＋ 2H2O
상기 반응식을 참고하면, 상기 혼합연료는 애노드전극(132)에서 이산화탄소, 수소이온 및 전자를 생성한다. 애노드전극(132)에서 생성된 상기 수소이온은 전해질막(131)을 통과하여 캐소드전극(133)으로 이동하고, 상기 수소이온은 캐소드전극(133)에서 산소와 반응하여 물을 생성한다. 애노드전극(132)에서 생성된 상기 전자들은 화학반응의 자유에너지 변화와 함께 외부회로를 통해 이동한다. 한편, 분리판(135)은 전도성이 있는 재질이기 때문에, 캐소드전극(133)과 애노드전극(132)과 접하며 전기를 모으는 집전판 역할을 할 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 분리판(135)은 일측에만 유로(138)가 형성되는 것으로 도시하였지만, 분리판(135)의 양측면에 유로(138)가 형성될 수 있다. 이 경우 분리판(135)의 양측면에 애노드전극(132)과 캐소드전극(133)을 동시에 설치할 수 있고, 애노드전극(132)과 캐소드전극(133)을 직접 직렬로 연결하기 때문에 연료전지의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 분리판(135)의 일측면에는 유로(138)가 하나만 형성된 것으로 도시하였지만, 유로(138)가 다수개 형성될 수 있다. 특히 유로(138)는 단일한 곡선으로 형성되지 않고 유출구(137)로 갈수록 다수로 분기하면서 점차 유로(138)의 너비가 넓어질 수도 있다.
전기발생부(130)에서 생성된 물은 전기발생부(130)와 물회수장치(150) 사이에 유체소통이 가능하게 연결된 물회수관(124)을 통해 물회수장치(150)로 공급된 다. 물회수장치(150)는 유입된 물을 응결하고 저장하며, 연료혼합부(120)와 유체소통이 가능하게 연결된 물공급관(123)을 통해 연료혼합부(120)로 물을 공급한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판(235)의 사시도이다.
도 3의 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판(235)은, 도 2의 본 발명의 실시예에 따른 분리판(135)과 비교하면, 유입구(236)과 유출구(237) 사이에 유로(238)가 이어져있고, 유입구(236)에서 유출구(237)로 갈수록 유로(238)의 너비가 넓어지는 것은 동일하다. 하지만 유로(238)의 형상이 직선 형상을 포함하며, 유입구(236)에서 유출구(237)로 갈수록 유로(238)의 깊이도 점차 깊어진다. 따라서, 유로(238)를 직선으로 가공함으로써 곡선으로 가공하는 것에 비해 보다 용이하게 제작할 수 있다. 또한 유출구(237)로 갈수록 더욱 많은 상기 혼합연료를 공급함으로써 유로(238) 내에서의 유동저항을 더욱 줄일 수 있어서, 유로(238)에 상기 혼합연료를 공급하는데 더욱 용이할 수 있다.
상기 실시예들에 있어서 본 발명에 따른 연료전지는 직접 메탄올 연료전지에 대해 설명하였지만 이에 한정하지 않고, 액체의 연료를 사용하며 그에 대한 반응생성물로 기체가 생성되는 모든 연료전지에 적용할 수 있음은 자명하다.
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.
본 발명에 따르면, 애노드 전극에 상기 혼합 연료를 공급하는 분리판의 유로가 유출구로 갈수록 단면적이 점차 넓어지기 때문에, 분리판의 유출구측에 보다 큰 면적을 통해 보다 많은 양의 상기 혼합연료를 공급할 수 있다. 이에 따라 애노드 전극에서 발생하는 이산화탄소가 상기 유로를 통해 지나가면서 상기 혼합연료가 애노드전극에 접하는 면적이 줄어드는 것을 상쇄할 수 있다. 또한 상기 유로에서의 유동저항을 감소시킬수 있어서 보다 작은 동력을 갖는 연료공급장치를 사용할 수 있다. 따라서 보다 고효율의 연료전지 운전이 가능하다.

Claims (19)

  1. 연료와 산화제의 전기화학적인 반응에 의해 전기 에너지와 열을 발생하는 연료전지에 사용되며, 상기 연료전지의 전해질막-전극 접합체와 대면하는 분리판에 있어서,
    표면에 유로가 형성되고, 상기 유로의 단면적은 일단에서 타단으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로의 단면적은 연속적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 분리판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유로의 너비는 일단에서 타단으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 분리판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유로의 깊이는 일단에서 타단으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 분리판.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유로의 타단의 단면적은 상기 유로의 일단의 단면적의 3~4 배인 것을 특징으로 하는 분리판.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 유로는 상기 분리판의 일측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 분리판.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 유로는 상기 분리판의 양측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 분리판.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 유로는 일단에서 타단까지 단일한 선형으로 이어져서 형성되는 것을 특징으로 하는 분리판.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 유로는 일단에서 타단으로 갈수록 분기되어 형성되는 것을 특징으로 하는 분리판.
  10. 연료를 공급하는 연료공급부;
    산화제를 공급하는 공기공급부;
    상기 연료 및 상기 산화제를 이용하여 전기를 발생하는 전해질막-전극 접합체; 및
    상기 전해질막-전극 접합체에 상기 연료 및 상기 산화제를 공급하는 통로를 제공하는 분리막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지에 있어서,
    상기 분리막은,
    표면에 유로가 형성되고, 상기 유로의 단면적은 일단에서 타단으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유로의 단면적은 연속적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유로의 너비는 일단에서 타단으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 유로의 깊이는 일단에서 타단으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 유로의 타단의 단면적은 상기 유로의 일단의 단면적의 3~4 배인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 유로는 상기 분리판의 일측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 유로는 상기 분리판의 양측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 유로는 일단에서 타단까지 단일한 선형으로 이어져서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 유로는 일단에서 타단으로 갈수록 분기되어 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  19. 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지는 직접 메탄올 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지.
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