KR20070037208A - 원통형 전해질막-전극 합성체 및 이를 채용한 연료전지 - Google Patents

원통형 전해질막-전극 합성체 및 이를 채용한 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액상의 연료를 사용하는 연료전지에 채용한 원통형 구조의 전해질막-전극 합성체에 관한 것으로, 상기 전해질막-전극 합성체는 상기 연료와 직접 접촉하고, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재되며, 원통형 형상인 것을 특징으로 하기 때문에, 전해질막-전극 합성체를 설치할 때 분리판을 생략할 수 있어서 부피와 무게를 보다 줄일 수 있다. 또한 캐소드 전극 전체에 걸쳐 산소가 일정하게 공급되고, 애노드 전극 전체에 걸쳐 연료가 일정하게 공급되기 때문에, 보다 고효율의 연료전지를 가동할 수 있다.
직접메탄올형연료전지, 연료전지, 원통형, 전해질막-전극합성체

Description

원통형 전해질막-전극 합성체 및 이를 채용한 연료전지{cylindrical membrane electrode assembly and fuel cell using the same}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올 연료전지의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올형 연료전지의 전해질막-전극 합성체를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올 연료전지를 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전해질막-전극 합성체를 나타낸 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,200 : 전해질막-전극 합성체 110, 210 : 전해질막
111, 211 : 애노드 전극 112, 212 : 캐소드 전극
130, 230 : 하우징
본 발명은 직접 메탄올 연료전지에 관한 것으로, 특히 원통형 구조의 전해질막-전극 합성체를 채용한 직접 매탄올 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 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 동작이 가능하고, 원료연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기를 사용하지 않고 메탄올을 직접 연료로 사용하기 때문에, 보다 콤팩트하게 구성할 수 있다. 그래서 휴대용 전자 기기 등의 전원으로 사용이 가능하다.
상기 직접 메탄올 연료전지에서 전기가 발생하는 부분은 전해질막-전극 합성체이다. 상기 전해질막-전극 합성체는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재되어 부착된 형태로 구성되며, 일반적으로는 판상형 구조이다. 상기 애노드 전극에는 메탄올이 공급되며, 상기 메탄올은 애노드 전극의 촉매 상에서 물과 반응하여 이산화탄소, 수소이온 및 전자로 분해된다. 상기 수소이온은 상기 전해질 막을 통해 상기 캐소드 전극으로 이동하며, 상기 전자는 외부 전선을 통해 상기 캐소 드 전극으로 이동한다. 상기 캐소드 전극에는 통상의 공기에 포함된 산소가 공급되며, 상기 애노드 전극에서 이동되어 온 상기 전자와 상기 수소이온 그리고 산소가 촉매 상에서 반응하여 물을 생성한다. 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극의 반응이 이루어지면 소정의 전위 차가 발생한다. 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극에서 일어나는 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 아래의 반응식 1과 같다.
애노드 전극 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드 전극 : 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
전 체 : CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O
한편 별도의 연료공급장치 또는 공기공급장치를 부가하지 않고, 상기 애노드 전극을 메탄올과 직접 대면시키고 상기 캐소드 전극을 공기중에 노출시킴으로서, 별도의 동력원 없이도 상기 전해질막-전극 합성체에 메탄올과 공기 중의 산소를 공급할 수 있다. 이러한 유형의 연료전지를 통상 패시브형 직접 메탄올 연료전지(passive type DMFC)라고 한다. 또한 연료공급장치는 생략하지만 공기공급장치는 부가하는 유형의 연료전지를 통상 세미 패시브형 직접 메탄올 연료전지(semi passive type DMFC)라고 한다. 상기 패시브형 직접 메탄올 연료전지 또는 세미 패시브형 연료전지는 별도의 연료공급장치 또는 공기공급장치를 필요로 하지 않아 불필요한 기생 전력의 소모가 적으며, 컴팩트하게 구성할 수 있는 장점이 있다.
한편 상기 패시브형 직접 메탄올 연료전지를 구성하는 경우 상기 전해질막-전극 합성체 하나만으로는 원하는 출력의 전기를 생산할 수가 없다. 따라서 상기 전해질막-전극 합성체 사이에 전도성이 있는 분리판을 개재하여, 수개의 전해질막-전극 합성체를 적층하여 직렬로 연결함으로써, 원하는 출력의 전력을 생산할 수 있다. 하지만 이 경우 상기 분리판이 부가되는 만큼 패시브형 직접 메탄올 연료전지의 부피와 무게가 증가하기 때문에, 콤팩트하게 구성할 수 있는 패시브형 직접 메탄올 연료전지의 장점을 상쇄시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 전해질막-전극 합성체의 형상을 원통형으로 구성하여 분리판을 생략할 수 있는 패시브형 직접 메탄올 연료전지를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전해질막-전극 합성체는, 액상의 연료를 사용하는 연료전지에 사용하는 전해질막-전극 합성체에 있어서, 상기 전해질막-전극 합성체는 상기 연료와 직접 접촉하고, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재되며, 원통형 형상인 것을 특징으로 한다.
상기 전해질막-전극 합성체는 상기 애노드 전극이 외측에 설치되고 상기 캐소드 전극이 내측에 설치될 수 있다. 상기 전해질막-전극 합성체는, 일단이 상기 캐소드 전극과 접하고 타단이 상기 전해질막-전극 합성체의 외부로 돌출하며 도전성 있는 단자를 포함할 수 있다. 상기 단자가 상기 전해질막 또는 상기 애노드전극과 접하는 부분에는 절연재가 개재될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지는, 액상의 연료를 저장하는 하우징, 및 상기 연료와 직접 접촉하고, 상기 하우징에 설치하며, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 적어도 하나의 전해질막-전극 합성체를 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 전해질막-전극 합성체는 원통형 형상인 것을 특징으로 한다.
상기 전해질막-전극 합성체는 상기 애노드 전극이 외측에 설치되고 상기 캐소드 전극이 내측에 설치될 수 있다. 상기 전해질막-전극 합성체는, 일단이 상기 캐소드 전극과 접하고 타단이 상기 전해질막-전극 합성체의 외부로 돌출하는 도전성 있는 단자를 포함할 수 있다. 상기 단자가 상기 전해질막 또는 상기 애노드전극과 접하는 부분에는 절연재가 개재될 수 있다. 적어도 하나 이상의 상기 전해질막-전극 합성체들은 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극이 서로 전기적으로 직렬연결될 수 있다. 상기 연료전지는 상기 애노드 전극이 외기에 노출될 수 있다. 상기 연료전지는 상기 애노드 전극에 외기를 공급하는 공기공급수단을 더 구비할 수 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구 성요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올 연료전지의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올형 연료전지의 전해질막-전극 합성체(100)를 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올 연료전지는 하우징(130), 전해질막-전극 합성체(100) 및 도선(120)으로 구성된다.
전해질막-전극 합성체(100)는 원통형 형상으로 일단은 개구되며, 타단은 폐색된다. 전해질막-전극 합성체(100)는 애노드 전극(111)과 캐소드 전극(112) 사이에 전해질막(110)이 개재되며, 전해질막-전극 합성체(100)의 외측에는 애노드전극(111)이 설치되고, 전해질막-전극 합성체(100)의 내측에는 캐소드전극(112)이 설치된다.
하우징(130)은 비전도성 재질로 제조되며, 내부에 저장되는 액상의 연료에 대하여 내식성을 갖는다. 하우징(130)의 상부면은 적어도 하나의 개구(131)가 타공된다. 개구(131)를 통하여 전해질막-전극 합성체(100)가 하우징(130) 내부에 삽입되고 고정 설치된다. 전해질막-전극 합성체(100)가 개구된 일단은 하우징(130) 외부를 향하고, 폐색된 타단은 하우징(130) 내부에 위치한다. 각각의 전해질막-전극 합성체(100)는 각각의 애노드전극(111)과 캐소드전극(112)이 도선(120)을 통해 서로 전기적으로 연결되어, 전체적으로 직렬로 연결된다. 하우징(130)의 내부에는 연료로써 메탄올이 저장되며, 상기 연료는 전해질막-전극 합성체(100)의 애노드전극 (111)과 접하게 된다.
상기 구성을 통하여, 전해질막-전극 합성체(100)의 캐소드 전극(112)에는 외기와 접하며 산소가 공급되고, 애노드 전극(111)에는 하우징(130)에 저장된 상기 연료와 접하며 공급된다. 캐소드전극(112)과 접하는 공기는 송풍장치(미도시)등을 부가하여 더욱 풍부하게 공급할 수 있다. 이와 같은 원통형의 전해질막-전극 합성체(100)를 설치함으로써, 통상의 평판형 전해질막-전극 합성체를 연결설치할 때 필요한 분리판을 생략할 수 있어, 연료전지의 부피와 무게를 감소시킬 수 있다. 또한 애노드 전극(111)의 전체 면적이 고르게 상기 연료를 공급하고, 캐소드 전극(112)의 전체 면적에 고르게 산소를 공급하기 때문에 보다 고효율의 연료전지를 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올 연료전지를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전해질막-전극 합성체(200)를 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올 연료전지는 단자(214)가 일체로 형성된 전해질막-전극 합성체(200)와 하우징(230)으로 구성된다.
전해질막-전극 합성체(200)는 원통형 구조이며, 일단은 개구되며 타단은 폐색된다. 전해질막-전극 합성체(200)는 애노드 전극(211)과 캐소드 전극(212) 사이에 전해질막(210)이 개재되며, 전해질막-전극 합성체(200)의 외측에는 애노드전극 (211)이 설치되고, 전해질막-전극 합성체(200)의 내측에는 캐노드전극(212)이 설치된다. 전해질막-전극 합성체(200)의 일단에는 전도성 있는 재질로 제조된 단자(214)가 설치된다. 단자(214)의 일단은 캐소드 전극(212)과 접하며, 단자(214)의 타단은 전해질막-전극 합성체(200)의 외부로 돌출된다. 단자(214)가 전해질막(210) 및 애노드 전극(211)과 접하는 곳에는 절연재(213)가 개재된다.
하우징(230)은 비전도성 재질로 제조되며, 내부에 저장되는 액상의 연료에 대하여 내식성을 갖는다. 하우징(230)의 상부면은 적어도 하나의 개구(231)가 타공된다. 개구(231)를 통하여 전해질막-전극 합성체(200)가 하우징(230) 내부에 삽입되지만, 단자(214)는 개구(231)를 통과하지 않고 하우징(230)의 외부에 노출된다. 전해질막-전극 합성체(200)의 개구된 일단은 하우징(230) 외부를 향하고, 폐색된 타단은 하우징(230) 내부에 위치한다. 전해질막-전극 합성체(200)의 단자(214)는 인접한 다른 전해질막-전극 합성체(200)의 애노드전극(211)과 접하도록 설치된다. 단자(214)는 전도성이 있는 재질이기 때문에, 전해질막-전극 합성체(200)는 전체적으로 서로 전기적으로 직렬 연결된다. 하우징(230)의 내부에는 메탄올이 연로로써 저장되며, 상기 연료는 전해질막-전극 합성체(200)의 애노드전극(211)과 접하게 된다. 한편, 하우징의 상부면에는 별도의 단자(215)가 설치되어, 단자(215)가 전해질막-전극 합성체(200)의 애노드전극(211)과 접하여 통전될 수 있도록 한다.
상기 구성을 통하여, 전해질막-전극 합성체(200)를 채용한 패시브형 직접 메탄올 연료전지는, 전술한 전해질막-전극 합성체(100)를 채용한 패시브형 직접 메탄올 연료전지에 비하여, 도선(120; 도 1 참조)을 따로 연결할 필요가 없어 조립이 더욱 용이할 수 있다. 기타 다른 장점은 전술한 전해질막-전극 합성체(100)를 채용한 패시브형 직접 메탄올 연료전지와 유사하다.
본 발명에 따른 전해질막-전극 합성체를 채용한 패시브형 직접 메탄올 연료전지 시스템에 의하면, 전해질막-전극 합성체를 설치할 때 분리판을 생략할 수 있어서 부피와 무게를 보다 줄일 수 있다. 또한 캐소드 전극 전체에 걸쳐 산소가 일정하게 공급되고, 애노드 전극 전체에 걸쳐 연료가 일정하게 공급되기 때문에, 보다 고효율의 연료전지를 가동할 수 있다.

Claims (11)

  1. 액상의 연료를 사용하는 연료전지에 사용하는 전해질막-전극 합성체에 있어서,
    상기 전해질막-전극 합성체는 상기 연료와 직접 접촉하고, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재되며, 원통형 형상인 것을 특징으로 하는 전해질막-전극 합성체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해질막-전극 합성체는 상기 애노드 전극이 외측에 설치되고 상기 캐소드 전극이 내측에 설치되는 것을 특징으로 하는 전해질막-전극 합성체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전해질막-전극 합성체는, 일단이 상기 캐소드 전극과 접하고 타단이 상기 전해질막-전극 합성체의 외부로 돌출하며 도전성 있는 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전해질막-전극 합성체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단자가 상기 전해질막 또는 상기 애노드전극과 접하는 부분에는 절연재가 개재되는 것을 특징으로 하는 전해질막-전극 합성체.
  5. 액상의 연료를 저장하는 하우징; 및
    상기 연료와 직접 접촉하고, 상기 하우징에 설치하며, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 적어도 하나의 전해질막-전극 합성체;를 포함하는 연료전지에 있어서,
    상기 전해질막-전극 합성체는 원통형 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전해질막-전극 합성체는 상기 애노드 전극이 외측에 설치되고 상기 캐소드 전극이 내측에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전해질막-전극 합성체는, 일단이 상기 캐소드 전극과 접하고 타단이 상기 전해질막-전극 합성체의 외부로 돌출하는 도전성 있는 단자를 포함하는 것을 특 징으로 하는 연료전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 단자가 상기 전해질막 또는 상기 애노드전극과 접하는 부분에는 절연재가 개재되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  9. 제8항에 있어서,
    적어도 하나 이상의 상기 전해질막-전극 합성체들은 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극이 서로 전기적으로 직렬연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지는 상기 애노드 전극이 외기에 노출되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  11. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지는 상기 애노드 전극에 외기를 공급하는 공기공급수단을 더 구 비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101008738B1 (ko) * 2008-04-03 2011-01-14 황철민 연료전지 어셈블리
KR20200073375A (ko) * 2018-12-14 2020-06-24 자연에너지연구소 주식회사 수전해 및 연료전지 가역셀 및 이를 가지는 양방향 전환 장치

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