KR20100033618A

KR20100033618A - 전류집전체 및 연료전지용 스택

Info

Publication number: KR20100033618A
Application number: KR1020080092574A
Authority: KR
Inventors: 차혜연; 오용수; 장재혁; 김성한
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2010-03-31
Also published as: US20100075189A1

Abstract

전류집전체 및 연료전지용 스택 이 개시된다. 기판; 기판의 일면에 형성된 양면 접착층; 기판의 타면에 형성된 집전패턴; 및 집전패턴에 형성된 전도성 접착층을 포함하는 전류집전체는 연료전지의 내부 전기저항을 감소 시킬수가 있어 연료전지의 성능이 증대되고, 스택의 층상 구조가 견고하게 결합 가능하여 엔드플레이트의 두께를 얇게 하더라도 연료전지에서 요구되는 체결압력을 제공할 수 있다.

전류집전체, 접착층, 연료전지 스택

Description

전류집전체 및 연료전지용 스택{current collector and stack of fuel cell}

본 발명은 전류집전체 및 연료전지용 스택에 관한 것이다.

　DMB, Navigation 기능 등 다양한 기능이 추가되면서 소형 모바일 기기의 소비 전력이 증가함에 따라　리튬 이온 배터리의 에너지 밀도 보다 높은 전원 소스에 대한 요구 증가되고 있다.

　현재 연료전지는 발전용, 자동차용, 주거용, 모바일 용등으로 개발이 활발히 이루어지고 있으며 소형 연료전지가 핸드폰, PDA, 노트북 등에도 리튬이온 전지의 대안으로 주목받고 있으나, 모바일 연료전지는 특히 사이즈가 작아야 되고, 작은 사이즈에서도 충분한 전력을 얻어야 하므로, 효율이 높아야 하는 문제가 있어 아직 상용화에는 어려움이 있다.

연료전지 시스템은 기본적으로 전기를 생성하기 위한 단위전지가 복수 개 적층되어 있는 스택을 갖고 있다. 스택의 기본구조는 엔드 플레이트 사이에 적층되어 있는 복수 개의 단위전지가 볼트와 너트에 의해서 체결된 구조로 이루어진다. 단위전지는 전해질층의 양측면에 연료극과 공기극이 각각 제공되어 있는 전극막 조립 체(MEA)와, 상기 MEA의 양측에 각각 위치하고 유체유동용 채널이 형성되어 있는 세퍼레이터, 즉 바이폴라 플레이트로 이루어진다.

이 때 전류집전을 위해 엔드플레이트의 안쪽에 전류집전체를 개재할 수 있다. 전류집전체로 니켈(Ni) 등의 금속 매쉬를 주로 사용하게 되는데, 이는 금속의 산화로 인한 연료전지의 성능 감소를 초래한다. 또한, 연료전지 전류집전체가 가스확산층과 접촉이 잘 안 되는 경우 저항이 급속하게 증가하여 연료전지의 성능 감소를 초래한다.

이러한 이유로 최근에는 폴리이미드 필름 위에 구리(Cu) 배선을 형성하여 플렉서블한 전류집전체를 이용하며, 이러한 전류집전체는 전극막 조리립체의 가스확산층과 연료의 유로가 존재하는 엔드 플레이트 사이에 존재하면서 가스 확산층으로부터 전달되어 나오는 전류를 집전하여 필요한 곳으로 전달하는 역할을 한다

도 1은 연료전지 내부에서 전자가 만들어져서 전달되는 과정에서 전기저항의 크기를 나타내는 그래프로, 가스확산층을 통과하는 경우의 저항(R_D)과, 전류집전체를 통과하는 경우의 저항(R_Gr) 그리고 가스확산층과 전류집전체 경계면에서의 저항(R_D/R_Gr)값을 비교한 것이다. 그래프 상으로 가스확산층과 전류집전체의 경계면에서의 전기저항 값이 가장 큰 것으로 나타나며, 이 전기 저항은 연료전지에서 에너지의 손실을 의미한다.

　이 경계면에서의 전기저항값을 줄이는 방법으로 체결압력(Clamping pressure)을 강하게 할수록 줄어들며, 연료전지의 체결 압력을 높이는 방법 중의 하나로 흔히 이용되는 방법 중에 하나가 연료전지의 엔드 플레이트를 두껍게 하는 것이다. 다만, 이 방법은 연료전지의 부피를 크게 상승시키므로 연료전지를 소형화하기가 어렵고 무게가 증가하는 단점이 있다.

본 발명은 연료전지의 소형화를 유지하면서도 내부 전기 저항 값을 줄일 수 있는 연료전지 전류집전체 및 연료전지용 스택을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 기판의 일면에 형성된 양면 접착층; 기판의 타면에 형성된 집전패턴; 및 집전패턴에 형성된 전도성 접착층을 포함하는 전류집전체가 제공된다.

기판은 기체가 통과할 수 있는 개구부가 형성될 수 있고, 집전패턴은 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt) 중 하나 이상을 포함하는 성분으로 이루질 수 있으며, 기판은 연성필름(Flexible film)을 이용할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 한 쌍의 엔드플레이트; 한 쌍의 엔드 플레이트 내측과 일면이 접하는 전류 집전체; 전류 집전체 사이에 개재되며, 전해질층과 전해질층의 양측면에 각각 결합한 공기극과 연료극을 포함하는 전극막 조립체(MEA)를 포함하고, 전류집전체는 기판; 기판의 일면에 형성되고, 엔드플레이트와 접하는 양면 접착층, 기판의 타면에 형성된 집전패턴; 및 집전패턴에 형성되고 전극막 조 립체와 접하는 전도성 접착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택이 제공된다.

전극막 조립체는 복수 개이며, 각 전극막 조립체 사이에 바이폴라 플레이트(bipolar plate)가 개재되어 적층될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지의 내부 전기저항을 감소 시킬수가 있어 연료전지의 성능이 증대되고, 스택의 층상 구조가 견고하게 결합 가능하여 엔드플레이트의 두께를 얇게 하더라도 연료전지에서 요구되는 체결압력을 제공 할 수 있다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체 적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 따른 전류집전체 및 연료전지용 스택의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 전류집전체(10)를 나타낸 단면도이고, 기판(12), 양면 접착층(14), 집전패턴(16), 및 전도성 접착층(18)이 도시되어 있다.

기판(12)은 전류집전체(10)의 기저가 되는 층으로서, 폴리이미드와 같은 연성재질로 이루어진 연성필름을 사용하는 경우 연료전지 스택 구조를 얇고 플렉서블 하게 구현할 수 있다. 전극막 조립체(MEA, 도 3의 20)의 양 면에 위치하므로, 전극막 조립체에 공급될 연료 및 공기가 통과할 수 있는 개구부가 형성될 수 있으며, 이러한 개구부의 형상은 서펜타인(serpentine)형상이나, 회오리 형상 등 전극막 조립체(MEA, 도 3의 20)에 고르게 기체가 공급될 수 있도록 다양하게 변형 가능하다.

기판의 타면에 형성된 양면 접착층(14)은 전류집전체(10)와 접촉하는 면과 그 반대면에도 접착력이 있어, 전류집전체(10)와 엔드플레이트(도 3의 30)의 결합력을 높이는 역할을 한다. 이렇게 엔드플레이트와의 결합력을 높임으로써, 엔드플레이트의 두께를 증가시키지 아니하더라도, 체결압력(Clamping pressure)을 높일 수 있다. 전술한 바와 같이 체결압력이 높을수록 전기저항값이 줄어들어 전류집전체의 성능이 향상된다.

집전패턴(16)은 전류집전체(10)와 전극막 조립체(MEA, 도 3의 20)와 접하는 면에 형성되는 것으로, 실질적으로 전류를 집전하는 역할을 하는 부분이다. 따라서 전기전도도가 높은 물질을 이용함이 바람직하며, 예를 들면 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 비용 측면을 고려할 때, 구리(Cu)나 니켈(Ni)이 바람직하나 부식이 잘되므로, 구리(Cu)나 니켈(Ni)로 집전패턴을 형성하고 부식에 강한 금(Au)이나 백금(Pt)으로 도금을 할 수 있다. 집전패턴(16)의 형상은 기판의 개구부 형상을 고려하여 다양하게 형성할 수 있으며, 면적이 넓을수록 집전 효율이 우수하므로, 기체의 입출과 집전패턴(14)의 면적과의 상관 관계를 고려하여 적절한 패턴의 형상을 설계할 수 있다.

전극막 조립체(도 3의 20)와 집전패턴(16)의 밀착도도 높을수록 스택의 성능 이 우수하게 되므로, 전극막 조립체(도 3의 20)와 접하는 면에도 접착층을 형성함이 바람직하다. 이를 위해 접착력을 제공함과 동시에 전도성이 있는 전도성 접착층(18)을 집전패턴(16) 위에 형성할 수 있다. 전도성 접착층(18)은 접착층으로 인해 집전성능이 감소되는 것을 방지하기 위해 접착층에 금속 입자나 탄소 나노튜브와 같은 전도성 물질을 투입시킬 수 있다.

이상에서 살펴본 층상 구조를 갖는 전류집전체(10)는 엔드플레이트(도 3의 30) 및 전극막 조립체(도 3의 20)와의 결합력을 높임으로써, 전기저항을 낮춰 집전성능이 우수하다.

이하에서는 상기에서 살펴본 전류집전체(10)를 이용한 스택의 구조에 대해 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.

도 3는 본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지용 스택의 일 실시예를 나타낸 단면도로서, 전류집전체(10), 전극막 조립체(MEA, 20), 엔드플레이트(endplate, 30)가 도시되어 있다. 이는 스택의 기본구조로서, 엔드플레이트 한쌍의 사이에 전극막 조립체(MEA, 20)를 개재하고, 전극막 조립체(20)와 엔드플레이트(30)의 사이에 전류집전체(10)를 개재함으로써 형성할 수 있다.

전극막 조립체(20)는 전해질층의 일측에 형성된 연료극과 타측에 형성된 공기극으로 구성되며, 연료극에 수소가 공급되고 공기극에 산소가 공급되며, 수소를 촉매와 반응시켜 에너지를 얻는다.

직접메탄올(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 연료전지의 경우를 예로 들어 각 전극에서 일어나는 화학반응을 설명하면 다음과 같다.

<반응식 1> 연료극: CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e^-

<반응식 2> 공기극: (3/2)O₂ + 6H⁺ + 6e^- → 3H₂O

<반응식 3> 전체 반응: CH₃OH + (3/2)O₂ → 2H₂O + CO₂

이상의 반응을 통하여 전기를 발생시키고, 공기극에서는 물이 발생된다. 앞서 설명한 바와 같이, 이상의 화학반응은 직접메탄올 연료전지의 경우에 일어나는 것이며, 연료전지의 유형에 따라 각 전극에서 발생하는 화학반응이 다양할 수 있음은 물론이다.

엔드플레이트(30)는 스택구조의 최외각에 위치하여, 스택구조를 견고하게 하는 것으로, 두꺼울수록 성능은 우수하게 되나 스택 구조의 두께를 증가시키게 된다. 일반적으로 볼트 등을 이용하여 양 엔드플레이트(30)를 체결하여 스택 구조를 완성한다.

도 4은 본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지용 스택의 다른 실시예를 나타낸 단면도로서, 전류집전체(10), 전극막 조립체(MEA, 20), 엔드플레이트(endplate, 30) 및 바이폴라플레이트(40)가 도시되어 있다.

도 3에 도시된 구성에서 전극막 조립체(20)가 복수인 스택구조로서, 인접하는 전극막 조립체(20)의 사이에 대면하는 상태로 개재되어 수소와 산소를 전극막 조립체(20)의 연료극과 공기극에 각각 공급하는 바이폴라 플레이트(40)를 포함할 수 있다.

이상에서 양면에 접착층이 형성된 전류집전체(10)를 사용한 연료전지용 스택에 대해 살펴보았으며, 이러한 스택을 이용하면 연료전지의 내부 전기저항을 감소 시킬수가 있어 연료전지의 성능이 증대되고, 엔드플레이트의 두께를 얇게 하더라도 연료전지에서 요구되는 체결압력을 제공할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.

도 1은 체결압력과 연료전지 내부의 전기저항의 크기를 비교한 그래프.

도 2은 본 발명의 일 측면에 따른 전류집전체를 나타낸 단면도.

도 3는 본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지용 스택의 일 실시예를 나타낸 단면도.

도 4은 본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지용 스택의 다른 실시예를 나타낸 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 전류집전체

12: 기판

14: 양면 접착층

16: 집전패턴

18: 전도성 접착층

20: 전극막 조립체

30: 엔드플레이트

40: 바이폴라 플레이트

Claims

기판;

상기 기판의 일면에 형성된 양면 접착층;

상기 기판의 타면에 형성된 집전패턴; 및

상기 집전패턴에 형성된 전도성 접착층을 포함하는 전류집전체.
제1항에 있어서,

상기 기판은 기체가 통과할 수 있는 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 전류집전체.
제1항에 있어서,

상기 집전패턴은 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt) 중 하나 이상을 포함하는 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전류집전체.
제1항에 있어서,

상기 기판은 연성필름(Flexible film)인 전류집전체.
한 쌍의 엔드플레이트;

상기 한 쌍의 엔드 플레이트 내측과 일면이 접하는 전류 집전체;

상기 전류 집전체 사이에 개재되며, 전해질층과 상기 전해질층의 양측면에 각각 결합한 공기극과 연료극을 포함하는 전극막 조립체(MEA)를 포함하고,

상기 전류집전체는

기판;

상기 기판의 일면에 형성되고, 상기 엔드플레이트와 접하는 양면 접착층

상기 기판의 타면에 형성된 집전패턴; 및

상기 집전패턴에 형성되고 상기 전극막 조립체와 접하는 전도성 접착층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택.
제5항에 있어서,

상기 기판은 기체가 통과할 수 있는 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택.
제5항에 있어서,

상기 집전패턴은 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt) 중 하나 이상을 포 함하는 성분으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택.
제5항에 있어서,

상기 기판은 연성필름(Flexible film)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 스택.
제5항에 있어서,

상기 전극막 조립체는 복수 개이며

각 전극막 조립체 사이에 바이폴라 플레이트(bipolar plate)가 개재되어 적층된 연료전지용 스택.