KR20110019586A - 수소 유로를 공유하는 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 발전 장치 - Google Patents

수소 유로를 공유하는 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 발전 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20110019586A
KR20110019586A KR1020090077187A KR20090077187A KR20110019586A KR 20110019586 A KR20110019586 A KR 20110019586A KR 1020090077187 A KR1020090077187 A KR 1020090077187A KR 20090077187 A KR20090077187 A KR 20090077187A KR 20110019586 A KR20110019586 A KR 20110019586A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
current collector
fuel
cathode
membrane electrode
Prior art date
Application number
KR1020090077187A
Other languages
English (en)
Inventor
이세원
이강인
주종남
박민수
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020090077187A priority Critical patent/KR20110019586A/ko
Publication of KR20110019586A publication Critical patent/KR20110019586A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04208—Cartridges, cryogenic media or cryogenic reservoirs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04216—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes characterised by the choice for a specific material, e.g. carbon, hydride, absorbent
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은, 연료가 흐르도록 하는 유로를 구비하는 연료극 플레이트와, 상기 연료극 플레이트의 양 면에 각각 부착되며 전해질막 및 전극을 구비하는 한 쌍의 막전극 접합체와, 상기 한 쌍의 막전극 접합체의 다른 면에 각각 부착되며 외부 공기가 상기 막전극 접합체와 접할 수 있도록 하는 한 쌍의 공기극 플레이트와, 상기 막전극 접합체와 상기 공기극 플레이트 사이에 형성된 공기극 집전체, 및 상기 막전극 접합체와 상기 연료극 플레이트 사이에 각각 형성된 연료극 집전체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 본 발명에 따른 연료전지에 의하면, 한 개의 연료극 플레이트의 양 면에 두 개의 공기극 플레이트가 각각 접하도록 하여 연료극 플레이트의 유로를 흐르는 연료가 양 쪽에서 산소와 반응할 수 있게 되어, 연료전지의 부피가 크게 증가되지 않고서도 연료전지의 출력이 크게 향상된다.
연료전지, 전류 집전체, 도전성 접착제, 유로

Description

수소 유로를 공유하는 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 발전 장치 {Fuel Cells Sharing Anode Flowfield and Fuel Cell Power Generation Apparatus}
본 발명은 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 발전 장치에 관한 것이다. 좀 더 자세히는 본 발명은 한 개의 연료극 플레이트와 두 개의 공기극 플레이트를 포함하여 수소 유로를 공유하는 연료전지와 이를 구비하는 연료전지 발전 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 발전 장치는 메탄올 등의 수소함유연료와 공기 등의 산화제 가스를 가스확산전극에서 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 발전 장치다. 이는 전력수요 증가에 따른 전원확보의 어려움과 화석 에너지의 사용에 따른 지구환경문제를 해결하기 위한 미래의 청정 에너지원으로서 각광을 받고 있다.
도 1은 일반전인 연료전지 스택의 구조를 나타내는 개략도이다. 단위전지의 전압이 낮기 때문에 전체 전압을 높이기 위해서, 연료전지 발전 장치는 일반적으로 전기를 생성하기 위한 단위전지가 복수 개 적층되어 있는 스택을 갖고 있다. 단위 전지는 전해질막의 양 측면에 연료극(애노드, anode)과 공기극(캐소드, cathode)이 각각 제공되어 있는 막전극 접합체(10, MEA)와, 막전극 접합체(110)의 양측에 각각 위치하고 유체유동용 채널이 형성되어 있는 연료극 플레이트(160)와 공기극 플레이트(150)로 이루어진다. 연료극 플레이트(160)와 공기극 플레이트(150)는 연료극과 공기극에 수소함유 연료와 산소함유 공기를 각각 공급하면서 연료극과 공기극에서 각각 생성되는 이산화탄소, 물 그리고 반응에 참여하지 않는 연료와 공기를 외부로 배출시키도록 작용한다. 한편 단위전지에는 막전극 접합체(110)에서 발생되는 전기를 집전하기 위한 전류 집전체(130, 140)가 제공된다. 집전체(130, 140)는 전기를 집전하는 기능뿐만 아니라 볼트와 너트의 체결 시 플레이트의 취성을 보강하기 위하여 제공된다.
여기서 연료극 플레이트(160)에는 유로가 형성되어 유로에 흐르는 연료(또는 수소)가 공기극 플레이트(150)에 공급되는 공기(또는 산소)와 반응하여 전기를 발생하게 된다. 원활한 생성물의 배출을 위해 연료는 과량이 주입되고, 유로에 흐르는 연료는 연료극 플레이트(160)의 한쪽 면에서만 산소와 반응하게 되므로, 상당수의 연료가 산소와 반응하지 못 하고 유로를 흐르기만 한 후 배출되는 현상이 발생한다.
본 발명의 목적은 한 개의 연료극 플레이트의 양 면에 두 개의 공기극 플레이트가 각각 접하도록 하여 연료극 플레이트의 유로를 흐르는 연료가 양 쪽에서 산소와 반응할 수 있는 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은, 연료가 흐르도록 하는 유로를 구비하는 연료극 플레이트와, 상기 연료극 플레이트의 양 면에 각각 부착되며 전해질막 및 전극을 구비하는 한 쌍의 막전극 접합체와, 상기 한 쌍의 막전극 접합체의 다른 면에 각각 부착되며 외부 공기가 상기 막전극 접합체와 접할 수 있도록 하는 한 쌍의 공기극 플레이트를 포함하는 연료전지를 제공한다.
상기 유로는 상기 연료극 플레이트를 관통하는 슬릿 구조로 형성될 수 있다. 또는 상기 유로는 흐르는 연료가 상기 연료극 플레이트의 양 면에서 반응 가능한 구조로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지는, 상기 막전극 접합체와 상기 공기극 플레이트 사이에 형성된 공기극 집전체, 및 상기 막전극 접합체와 상기 연료극 플레이트 사이에 각각 형성된 연료극 집전체를 더 포함할 수 있다. 상기 공기극 집전체 및 상기 연료극 집전체는 각각, 절연성 필름, 상기 절연성 필름과 상기 막전극 접합체 사이에 개재되는 도전성 접착층, 및 상기 절연성 필름과 상기 도전성 접착층 사이에 개재되는 금속패드를 포함할 수 있다. 상기 전극은 각각 복수의 단위전극으로 구성되 어 있고, 상기 금속패드는 상기 단위전극의 형상에 상응하여 복수의 단위금속패드로 구성될 수 있다. 상기 단위금속패드에는 상기 공기극 집전체 및 상기 연료극 집전체의 바깥쪽으로 돌출된 단자가 형성되고, 상기 단자 중 하나 이상은 상기 막전극 접합체를 사이에 두고 대응하는 단위금속패드에 이웃하는 단위금속패드의 단자와 연결될 수 있다.
한편, 상기 공기극 집전체 및 상기 연료극 집전체에는 복수의 개구부가 형성될 수 있다. 상기 공기극 플레이트는 공기가 통과할 수 있는 에어홀이 형성되어 있고, 상기 공기극 집전체의 개구부는 상기 에어홀에 상응하는 형상이며, 상기 연료극 집전체의 개구부는 상기 유로에 상응하는 형상일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은, 상기에서 기술한 연료전지와, 상기 연료전지에 수소를 포함한 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하는 연료전지 발전 장치를 제공한다. 상기 연료 공급부는 수소저장합금이 구비된 메탈 하이드라이드 카트리지를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지에 의하면, 한 개의 연료극 플레이트의 양 면에 두 개의 공기극 플레이트가 각각 접하도록 하여 연료극 플레이트의 유로를 흐르는 연료가 양 쪽에서 산소와 반응할 수 있게 되어, 연료전지의 부피가 크게 증가되지 않 고서도 연료전지의 출력이 크게 향상된다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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 기술 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
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 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 발전 장치의 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 실시예에 따른 연료전지의 구조를 나타내는 개략도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는 연료가 흐르도록 하는 유로를 구비하는 연료극 플레이트(60)와, 그 양 면에 각각 부착되며 전해질막과 연료극 및 공기극을 구비하는 한 쌍의 막전극 접합체(10)와, 막전극 접합체(10)의 다른 면에 각각 접하는 한 쌍의 공기극 플레이트(50), 그리고 공기극 집전체(30) 및 연료극 집전체(40)를 포함하여 구성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 구조를 나타내는 분해도이다. 도 3을 참조하면, 막전극 접합체(10), 가스켓(20), 집전체(30, 40) 및 플레이트(50, 60)가 도시되어 있다.
막전극 접합체(10)를 중심으로 양측에 각각 가스켓(20), 공기극 집전체(30)와 연료극 집전체(40), 공기극 플레이트(50)와 연료극 플레이트(60)가 순차적으로 위치한다. 막전극 접합체(10)는 실질적으로 연료를 이용하여 전기를 발생시키고, 가스켓(20)은 연료 및 공기의 누출을 방지해주는 역할을 하며, 집전체(30, 40)는 막전극 접합체(10)에서 생성된 전기를 집전하는 역할을 한다. 플레이트(50, 60)는 안쪽으로 압력을 가해 연료전지의 적층 구조를 완성한다.
한 개의 연료극 플레이트(60)의 양 면에 두 개의 공기극 플레이트(50)가 각각 접하도록 하여 연료극 플레이트(60)의 유로를 흐르는 연료가 양 쪽에서 공기극 플레이트(50)를 통해 공급되는 산소와 반응할 수 있게 되어, 연료전지의 부피를 크게 증가시키지 않고서도 연료전지의 출력과 효율이 크게 향상되는 효과를 가진다. 즉, 공기극 플레이트가 한 개인 경우와 비교하여, 최대 파워(W), 단위 면적 당 파워(W/Cm2) 또는 단위 부피 당 파워(W/cc) 등이 증가될 수 있다.
각각의 구성요소와 관련하여 상세한 설명은 이하 도 4 내지 도 9를 참고하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 막전극 접합체(10)의 구조를 도시하는 평면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 막전극 접합체(10)의 구조를 도시하는 측면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 막전극 접합체(10)에는 전해질막(12)과 단위전극(14, 16) 및 단위셀(18)이 도시되어 있다. 막전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)(10)는 연료를 촉매와 반응시켜 실질적으로 전기를 발생시키는 역할을 수행하며, 선택적 수소이온 투과특성을 갖는 전해질막(12)과 전해질 층의 양 측에 제공된 한 쌍의 단위전극, 즉 연료극(산화전극, 애노드, anode)(16)과 공기극(환원전극, 캐소드, cathode)(14)으로 이루어진다.
수소를 연료로 이용하는 고체산화물연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 연료전지의 경우를 예로 들어 각 전극에서 일어나는 화학반응을 설명하면 다음과 같다.
<반응식 1> 연료극: H2 → 2H+ + 2e-
<반응식 2> 공기극: (1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O
<반응식 3> 전체 반응: H2 + (1/2)O2 → H2O
이상의 반응을 통하여 전기를 발생시키고, 공기극(14)에서는 물이 발생된다. 앞서 설명한 바와 같이, 이상의 화학반응은 수소를 연료로 이용한 고체산화물 연료전지의 경우에 일어나는 반응의 일 예를 든 것이며, 연료전지의 유형에 따라 각 전극에서 발생하는 화학반응이 다양할 수 있음은 물론이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 연료극(16), 공기극(14) 및 전해질막(12)으로 구성된 단위셀(18)은 독립된 전지의 역할을 할 수 있다. 평판형 연료전지에서는 한 평면을 여러 개의 단위셀(18)로 나누어 각 단위셀(18)을 직렬로 연결하여 전체 연료전지의 전위차를 높일 수 있다. 이러한 단위셀(18) 구조는 전체 스택 구조에 영향을 미쳐, 도 3에 도시된 바와 같이 단위셀(18)의 모양에 따라, 집전체(30,40), 가스켓(20), 플레이트(50, 60)의 형상이 결정된다.
다음으로 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 공기극 집전체(30) 또는 연료극 집전체(40)를 도시하는 평면도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 공기극 집전체(30) 또는 연료극 집전체(40)의 구조를 도시하는 측면도이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 집전체(30, 40)에는 절연성 필름(32, 42), 금속패드(34, 44), 단자(35, 45), 도전성 접착층(36, 46) 및 개구부(38, 48)가 도시되어 있다.
집전체(30, 40)는 막전극 접합체(10)에서 생성된 전기에너지를 모으는 장치로서, 막전극 접합체(10)의 단위전극(14, 16) 각각에 결합하여 적층 구조를 형성한다.
집전체(30, 40)는 도 6에 도시된 바와 같은 층상 구조를 가지며, 절연성 필름(32, 42)을 기저층으로 하여, 금속패드(34, 44)가 코팅되고 그 위에 도전성 접착층(36, 46)이 형성된다.
절연성 필름(32, 42)은 폴리머와 같은 전기가 통하지 않고 플렉서블(flexible)한 재질이 이용될 수 있는데, 예를 들면 폴리이미드(polyimide)와 같이 내화학성이 좋고 내열온도가 상대적으로 높은 폴리머 필름이 있다.
도전성 접착층(36, 46)은 금속 파우더(metal powder) 또는 금속 와이어(metal wire)가 접착성 에폭시와 섞인 도전성 접착제(conductive adhesive)를 도포하여 형성할 수 있다. 금속 파우더나 금속 와이어는 니켈(Ni)이나 은(Ag)을 포함할 수 있고, 접착력과 전기 전도성을 고려하여 다양한 비율로 에폭시와 조합할 수 있다.
도전성 접착층(36, 46) 자체만으로도 전류가 흐를 수 있으므로, 집전체(30, 40)의 기능을 할 수 있으나, 보다 더 신뢰도 있는 집전체(30, 40)의 구현을 위해 도 5에 도시된 바와 같이 절연성 필름(32, 42) 위에 전기 전도성이 높은 금속패드(34, 44)를 형성하고 그 위에 도전성 접착층(36, 46)을 형성할 수 있다.
금속패드(34, 44)는 금(Au)과 같이 전기 전도성이 높은 물질을 코팅하여 형성할 수 있다. 금속패드(34, 44)는 도면에 도시된 것과 같이 복수개의 단위금속패 드(31, 41)로 구성할 수 있다. 각 단위금속패드(31, 41) 간은 절연성 필름(32, 42)으로 구획 된다.
단위금속패드(31, 41)간에 연결하는 단자(35, 45)를 돌출되는 모양으로 형성할 수 있다. 연료극 집전체(30)와 공기극 집전체(40)를 막전극 접합체(10)를 개재하여 마주보고 적층하면, 공기극 측 단위금속패드(31)의 단자(35) 각각은 해당 공기극과 함께 단위셀(18)을 구성하며 대응하는 연료극이 아닌 그와 이웃하는 연료극 측 단위금속패드(41)의 단자(45)와 서로 겹치게 되어, 이웃하는 단위셀(18) 간에 직렬로 연결이 된다. 다만, 단자(35, 45) 중 하나는 외부의 회로와 연결되어 전류가 흐를 수 있도록 다른 단자와 겹치지 않게 한다.
공기극 집전체(30)는 막전극 접합체(10)에 공기를 공급할 수 있도록 개구부(38)가 형성될 수 있다. 개구부(38)의 크기와 모양은 공기극 플레이트(50)의 에어홀(58)의 크기와 관련이 있으므로, 이후 설명할 공기극 플레이트(50)에서 구체적으로 살펴보기로 한다.
연료극 집전체(40)는 막전극 접합체(10)에 연료인 수소를 공급할 수 있도록 개구부(48)가 형성되어 있어야 한다. 개구부(48)의 크기와 모양은 연료극 플레이트(60)의 유로(68)의 형상과 관련이 있으므로, 이후 설명할 연료극 플레이트(60)에서 구체적으로 살펴보기로 한다.
다음으로 도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 공기극 플레이트(50)를 나타낸 평면도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 연료극 플레이트(60)를 나타낸 평면도이다.
플레이트(50, 60)는 집전체(30,40)의 바깥쪽에 즉, 스택 구조의 최외각에서 스택의 적층 구조에 적절한 압력으로 눌러주는 역할을 하므로, 휨이 적어야 하고, 전기적인 쇼트 현상을 방지하기 위해 절연 처리될 수 있다. 따라서, 플레이트(50, 60)는 알루미늄과 같은 가벼운 금속을 이용할 수 있으나 쇼트를 막기 위해 산화막을 형성하거나 테플론 코팅 등으로 전기적인 절연 처리를 할 수 있다.
도 8을 참조하면 공기극 플레이트(50)에 형성되어 있는 에어홀(58)이 도시되어 있다. 상기 막전극 접합체에서 산소가 필요하므로 산소를 제공하기 위해 공기극에 공기를 주입하는데 인공적인 펌프를 이용하는 방법은 연료전지의 부피가 커지게 되고, 소음이 발생하는 문제점이 있었다.
이에 평판형 스택 구조에서는 적절한 에어홀(58)을 형성하여 대기중의 공기가 주입될 수 있도록 하여 산소를 공급하는 방법을 이용한다. 에어홀(58)은 대기중의 공기를 공기극에 제공하는 역할을 하므로, 적정한 형상과, 개구율로 형성할 필요가 있다. 개구율이란, 막전극 접합체의 공기극(14)의 크기 대비 에어홀(58)의 크기를 의미한다. 또한 도 6에 도시된 바와 같이, 공기극 집전체(30)의 개구부(38)도 에어홀(58)의 형상과 크기에 상응하도록 형성할 수 있다.
도 9를 참조하면, 연료극 플레이트(60)에는 서펜타인(serpentine) 형상의 슬릿과 같은 유로(68)가 형성될 수 있다. 서펜타인 형상이란, 도면에 도시된 바와 같이 구불구불하게 꺾여 있는 형상을 의미한다. 서펜타인 형상 슬릿의 유로(68)를 이용하면, 연료 공급구(64)를 통해 공급되는 연료를 단위셀(18) 각각에 균일하게 공 급할 수 있다.
이러한 유로(68)를 따라 연료가 이동하므로 그에 상응하는 위치에 연료극 집전체(40)의 개구부(48)가 형성될 수 있다. 개구부(48)의 형상은 유로(68)와 같이 서펜타인 형상일 수 있으나, 플렉서블한(flexible) 재질로 형성된 공기극 집전체(40)의 경우 고정의 문제가 있으므로, 도 8에 도시된 바와 같이, 꺾이는 부분은 개구부를 형성하지 아니하고 긴 개구부(48)를 평행하게 여러 개 형성하는 것도 가능하다.
다음으로, 가스켓(20)은 스택 구조에 있어서 필수 구성요소는 아니나, 효율적인 전기발생을 위해서 도 3에 도시된 바와 같이 막전극 접합체(10)와 전류 집전체(30, 40) 사이에 개재할 수 있다.
가스켓(20)은 연료전지에서 연료나 공기가 새지 않도록 밀폐하는 역할을 하므로 탄성을 가지고 있는 소재, 예를 들면 테프론(Teflon), PFA (perfluoroalkoxy) 과 같은 내화학성이 좋으면서 탄성을 가지는 재료가 적당하다. 가스켓(20)은 완벽한 밀폐구조를 위해서 전류 집전체(30, 40)의 금속패드가 형성되지 아니한 부분(도 2 참조)은 전부 가스켓(20)으로 가릴 수 있는 형상으로 하여 단차에 의한 틈이 생기는 것을 방지할 수 있다.
도 2 내지 도 9를 이용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 스택의 각 층상 구조를 살펴보았다. 공기극 플레이트(50)의 에어홀(58)을 통해서 공기가 들어가 공기 극에 산소가 공급되고, 연료극 플레이트(60)의 연료 공급구(64)를 통해 주입된 연료가 유로(68)를 따라 이동하며 연료극에 수소가 공급되어, 전극막 접합체(10)에서 전기에너지가 생산된다. 생성된 전기에너지는 전류 집전체(30, 40)를 통해 집전될 수 있고, 이동이 끝난 수소는 연료 배출구(66)를 통해 배출된다.
이상에서 설명한 스택을 이용하여, 이를 구비하는 연료전지 발전 장치를 제공할 수 있다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전 장치의 개략도이다. 연료 공급부(200)는 연료전지(100)에 수소를 포함한 연료를 공급하고, 공기 공급부(300)는 연료전지(100)에 산소를 공급하는 기능을 수행한다. 연료전지 발전 장치에 이용되는 연료전지(100)의 구조는 전술한 바와 동일하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
연료 공급부(200)는 연료전지의 연료가 되는 수소를 공급하는 역할을 하며, 수조 저장탱크와 같이 직접적으로 수소를 공급하는 것도 가능하나, 수소발생장치일 수 있다. 수소발생장치는 이온화 경향이 다른 전극과 전해질 수용액을 구비하며, 금속의 산화반응을 통해 얻은 전자를 이용해 물로부터 수소를 발생시킨다. 수소발생장치는 수소저장합금을 구비하는 메탈 하이드라이드 카트리지를 포함하여 소형화를 도모할 수 있다.
공기 공급부(300)는 연료전지에 산소를 공급하는 역할을 하므로 공기를 스택에 주입하는 펌프 등이 이용될 수 있다. 다만 공기 공급부(300)는 별도의 구조 없이 공기가 공급되는 어떠한 구성이든 관계없으며, 극단적으로는 생략될 수도 있다. 본 실시예에서는 별도의 공기 공급장치가 없더라도 자연대류를 이용하여 산소가 공급될 수 있으므로, 생략 가능하다.
이상 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경할 수 있으며, 개시된 실시형태들을 조합 또는 치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이 외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것은 명백하다.
도 1은 일반전인 연료전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 구조를 나타내는 분해도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 막전극 접합체(10)의 구조를 도시하는 평면도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 막전극 접합체(10)의 구조를 도시하는 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 공기극 집전체(30) 또는 연료극 집전체(40)를 도시하는 평면도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 공기극 집전체(30) 또는 연료극 집전체(40)의 구조를 도시하는 측면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 공기극 플레이트(50)를 나타낸 평면도이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지에 있어서, 연료극 플레이트(60)를 나타낸 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 발전 장치의 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 막전극 접합체 12: 전해질막
14, 16: 단위전극 18: 단위셀
20: 가스켓(gasket)
30: 공기극 집전체 31, 41: 단위금속패드
32, 42: 절연성 필름 34, 44: 금속패드
35, 45: 단자 36, 46: 도전성 접착층
38, 48: 개구부 40: 연료극 집전체
50: 공기극 플레이트 58: 에어홀
60: 연료극 플레이트 64: 연료 공급구
66: 연료 배출구 68: 유로
100: 연료전지
200: 연료 공급부 300: 공기 공급부

Claims (12)

  1. 연료가 흐르도록 하는 유로를 구비하는 연료극 플레이트와,
    상기 연료극 플레이트의 양 면에 각각 부착되며 전해질막 및 전극을 구비하는 한 쌍의 막전극 접합체와,
    상기 한 쌍의 막전극 접합체의 다른 면에 각각 부착되며 외부 공기가 상기 막전극 접합체와 접할 수 있도록 하는 한 쌍의 공기극 플레이트를
    포함하는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로는 상기 연료극 플레이트를 관통하는 슬릿 구조로 형성되는 연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유로는 흐르는 연료가 상기 연료극 플레이트의 양 면에서 반응 가능한 연료전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막전극 접합체와 상기 공기극 플레이트 사이에 형성된 공기극 집전체, 및
    상기 막전극 접합체와 상기 연료극 플레이트 사이에 각각 형성된 연료극 집전체를
    더 포함하는 연료전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공기극 집전체 및 상기 연료극 집전체는 각각,
    절연성 필름,
    상기 절연성 필름과 상기 막전극 접합체 사이에 개재되는 도전성 접착층, 및
    상기 절연성 필름과 상기 도전성 접착층 사이에 개재되는 금속패드를
    포함하는 연료전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전극은 각각 복수의 단위전극으로 구성되어 있고,
    상기 금속패드는 상기 단위전극의 형상에 상응하여 복수의 단위금속패드로 구성되는 스택.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 단위금속패드에는 상기 공기극 집전체 및 상기 연료극 집전체의 바깥쪽으로 돌출된 단자가 형성되고,
    상기 단자 중 하나 이상은 상기 막전극 접합체를 사이에 두고 대응하는 단위금속패드에 이웃하는 단위금속패드의 단자와 연결되는 연료전지.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 공기극 집전체 및 상기 연료극 집전체에는 복수의 개구부가 형성되는 연료전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공기극 플레이트는 공기가 통과할 수 있는 에어홀이 형성되어 있고,
    상기 공기극 집전체의 개구부는 상기 에어홀에 상응하는 형상이며,
    상기 연료극 집전체의 개구부는 상기 유로에 상응하는 형상 연료전지.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 공기극 집전체와 상기 막전극 접합체의 사이 및 상기 연료극 집전체와 상기 막전극 접합체의 사이에 개재되어 그 사이를 밀폐하는 가스켓을 더 포함하는 연료전지.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 의한 연료전지와,
    상기 연료전지에 수소를 포함한 연료를 공급하는 연료 공급부와,
    상기 연료전지에 공기를 공급하는 공기 공급부를
    포함하는 연료전지 발전 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연료 공급부는 수소저장합금이 구비된 메탈 하이드라이드 카트리지를 포함하는 연료전지 발전 장치.
KR1020090077187A 2009-08-20 2009-08-20 수소 유로를 공유하는 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 발전 장치 KR20110019586A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090077187A KR20110019586A (ko) 2009-08-20 2009-08-20 수소 유로를 공유하는 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 발전 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090077187A KR20110019586A (ko) 2009-08-20 2009-08-20 수소 유로를 공유하는 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 발전 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110019586A true KR20110019586A (ko) 2011-02-28

Family

ID=43776860

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090077187A KR20110019586A (ko) 2009-08-20 2009-08-20 수소 유로를 공유하는 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 발전 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20110019586A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101534553B1 (ko) * 2013-08-13 2015-07-10 주식회사 포스코 연료전지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101534553B1 (ko) * 2013-08-13 2015-07-10 주식회사 포스코 연료전지

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101016445B1 (ko) 스택 및 이를 구비한 연료전지 발전시스템
KR100683786B1 (ko) 직접액체 연료전지 스택
US7166381B2 (en) Air breathing direct methanol fuel cell pack
EP1772920B1 (en) Fuel Cell and Fuel Cell System
KR100879875B1 (ko) 연료전지용 엔드 플레이트 및 이를 이용한 공기호흡형연료전지 스택
US7951506B2 (en) Bipolar plate and direct liquid feed fuel cell stack
JP2012212678A (ja) 燃料電池
US20070231669A1 (en) Design of fuel cell and electrolyzer for small volume, low cost and high efficiency
US8685585B2 (en) Fuel cell and method for connecting current connectors thereto
JP2008077933A (ja) 燃料電池
JP2005174872A (ja) 燃料電池用発電素子およびそれを用いた燃料電池
US20080138695A1 (en) Fuel Cell
KR100824529B1 (ko) 캐소드 엔드 플레이트 및 이를 이용한 공기호흡형 연료전지스택
US7862954B2 (en) Fuel cell
KR20100033618A (ko) 전류집전체 및 연료전지용 스택
JP2009164081A (ja) 燃料電池及びセパレータ・シール構成体
KR20110019586A (ko) 수소 유로를 공유하는 연료전지 및 이를 구비하는 연료전지 발전 장치
JP2006244715A (ja) 複合膜およびそれを用いた燃料電池
CN113383114A (zh) 压缩装置
US8440361B2 (en) Monopolar separator with an insulation layer for a fuel cell system
KR100684781B1 (ko) 스택 및 이를 포함하는 연료 전지 장치
US20230213027A1 (en) Compression apparatus
JP2006344586A (ja) 燃料電池
KR20220170011A (ko) 초박막 튜브형 pem 연료전지
KR101147547B1 (ko) 연료 전지용 집전 플레이트, 이를 구비한 연료 전지 및 연료 전지용 집전 플레이트 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application