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KR20080099021A - 연료전지용 엔드 플레이트 및 이를 이용한 공기호흡형연료전지 스택 - Google Patents

연료전지용 엔드 플레이트 및 이를 이용한 공기호흡형연료전지 스택 Download PDF

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KR20080099021A
KR20080099021A KR1020070044598A KR20070044598A KR20080099021A KR 20080099021 A KR20080099021 A KR 20080099021A KR 1020070044598 A KR1020070044598 A KR 1020070044598A KR 20070044598 A KR20070044598 A KR 20070044598A KR 20080099021 A KR20080099021 A KR 20080099021A
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노길태
장석락
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Abstract

본 발명은 복수 셀들 간의 배선을 위한 외부 돌출 부분을 생략할 수 있는 구조를 구비한 연료전지용 엔드 플레이트 및 이것을 이용하는 공기호흡형 연료전지 스택에 관한 것이다. 본 발명의 공기호흡형 연료전지 스택은 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 이들 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질을 구비한 막전극집합체; 및 막전극집합체에 접하는 엔드 플레이트를 포함하되, 엔드 플레이트가, 막전극집합체에 접하는 일면, 일면과 배향하는 타면, 및 일면과 타면을 연결하는 측면들을 갖는 절연성 몸체, 그리고 절연성 몸체의 일면에 위치하며 캐소드 또는 애노드 전극에 접하는 집전부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
연료전지, 공기호흡(air breathing), 엔드 플레이트(end plate), 커런트 컬렉터(current collector), 인쇄회로기판

Description

연료전지용 엔드 플레이트 및 이를 이용한 공기호흡형 연료전지 스택{End plate for fuel cell stack and air breathing type fuel cell stack using the same}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기호흡형 연료전지 스택의 사시도.
도 2는 도 1의 연료전지 스택의 분해 사시도.
도 3은 도 2의 연료전지 스택의 미들 플레이트를 아래쪽에서 방향에서 바라본 사시도.
도 4a는 도 2의 미들 플레이트를 Ⅰ-Ⅰ 선을 따라 절개한 단면도.
도 4b는 도 2의 캐소드 엔드 플레이트를 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 절개한 단면도.
도 4c는 도 2의 캐소드 엔드 플레이트를 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 절개한 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10a, 10b : 막전극집합체(membrane electrode assembly; MEA)
20 : 미들 플레이트(middle plate)
30 : 엔드 플레이트(end plate)
40 : 개스킷(gasket)
50 : 체결수단
본 발명은 시스템을 간소화하고 박형화할 수 있는 공기호흡형 연료전지 스택 및 이 스택에 채용되는 엔드 플레이트에 관한 것이다.
최근 휴대폰, MP3 플레이어, PMP(portable multimedia player), 노트북 등과 같은 휴대용 전자기기(mobile device)가 널리 보급되고 있다. 휴대용 전자기기는 사용자의 요구에 따라 더욱 소형화되고 고성능화되고 있다. 그러나 현재의 휴대용 전자기기는 멀티미디어 통신, 디지털 멀티미디어 방송 시청 등의 첨단 기능을 뒷받침할 수 있는 충분한 전력 공급이 이루어지지 못하고 있는 실정이다.
현재 대부분의 휴대용 전자기기는 리튬 이온 전지를 주전원공급장치로 사용하고 있다. 리튬 이온 전지는 1회 충전시 평균 사용 시간이 노트북의 경우 평균 6시간, 휴대폰의 경우 평균 2-3일 정도 사용할 수 있는 용량을 갖는다. 그러나, 최근 휴대용 전자기기의 멀티미디어 기능이 강화되면서 기기 구동에 사용되는 전력 소모량이 증가하고, 작동지속 시간이 크게 단축되면서 새로운 전원공급장치 개발의 필요성이 대두되고 있다.
연료전지는 연료 예컨대 수소의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되면서 직류 전류를 생산하는 전지이다. 연료전지는 기존 리튬 이온 전지보다 오래 지속되고 재충전이 용이하여 휴대용 전자기기용 전원공급장치로서 주목받고 있다.
휴대용 전자기기용 전원공급장치로써 적합한 연료전지로는 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte fuel cell, PEFC)가 있으며, 고분자 전해질형 연료 전지는 사용되는 연료의 형태에 따라 고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell or proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)와 직접 메탄올형 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)로 구분할 수 있다. 고분자 전해질막 연료전지는 고체 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며 단위면적당 높은 전류밀도를 얻을 수 있고, 게다가 다른 종류의 연료전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고 작동 온도가 낮은 장점이 있다. 그리고 직접 메탄올형 연료전지는 연료 개질기를 사용하지 않고 메탄올과 같은 액상연료를 직접 이용하며, 100℃ 미만의 온도에서 작동되는 장점이 있다.
전술한 고분자 전해질형 연료전지는 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 이들 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질막으로 이루어진 막전극집합체(membrane electrode assembly, MEA)를 포함하며, 상기 막전극집합체를 사이에 두고 애노드 전극으로 연료를 공급하기 위한 연료 유동 유로를 구비한 애노드 세퍼레이터(separator)와 캐소드 전극으로 산화제를 공급하기 위한 산화제 유동 유로를 구비한 캐소드 세퍼레이터가 샌드위치 형태로 적층된 스택(stack) 구조를 구비한다. 애노드 및 캐소드 세퍼레이터는 연료전지의 구조 및 방식에 따라 서로 다른 구조를 구비할 수 있으며, 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로도 불린다.
또한 전술한 고분자 전해질형 연료전지는 연료 및 산화제 공급 방식에 따라 액티브 타입의 연료전지와 패시브 타입의 연료전지로 구분할 수 있다. 액티브 타입의 연료전지는 애노드에 연료를 강제 공급하고 캐소드에 산화제를 강제 공급하기 위한 주변장치(balance of plants, BOP)를 구비한 연료전지를 말하고, 패시브 타입 의 연료전지는 대기 중의 순환 공기를 이용하여 캐소드에 산화제를 공급하는 구조를 구비한 연료전지를 말한다. 패시브 타입의 연료전지는 소위 공기호흡형 연료전지로 불린다. 공기호흡형 연료전지는 산화제를 공급하기 위한 장치를 구비하지 않으므로 소형화에 더욱 유리하고 소음이 작은 장점이 있다.
그러나 공기호흡형 연료전지도 아직까지는 사용자의 요구에 부합하도록 요구되는 출력과 부피 면에서 더욱 소형화될 필요성이 있다. 게다가 공기호흡형 연료전지는 통상 복수의 단위전지를 전기적으로 직렬 접속하기 위한 연결 부분이 캐소드 커런트 컬렉터와 애노드 커런트 컬렉터로부터 외부로 각각 돌출되는데 이러한 돌출 부분은 장치의 부피를 증가시킬 뿐 아니라 추가적인 절연 공정이 필요하기 때문에 제작 공정이 복잡해지는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 캐소드 집전체와 엔드 플레이트를 일체화함으로써 부피를 작게 하면서 조립 공정을 간소화할 수 있는 공기호흡형 연료전지용 엔드 플레이트를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 엔드 플레이트를 채용함으로써 시스템을 단순화(simplification) 및 소형화(compactization) 할 수 있는 공기호흡형 연료전지 스택을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의하면, 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 전 해질을 구비한 막전극집합체; 및 상기 막전극집합체에 접하는 엔드 플레이트를 포함하되, 상기 엔드 플레이트는, 상기 막전극집합체에 접하는 일면, 상기 일면과 배향하는 타면, 및 상기 일면과 상기 타면을 연결하는 측면들을 갖는 절연성 몸체; 및 상기 일면에 위치하며 상기 캐소드 전극에 접하는 집전부를 구비하는 공기호흡형 연료전지 스택이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질을 구비한 막전극집합체; 상기 애노드 전극에 접하는 애노드측 엔드 플레이트; 및 상기 캐소드 전극에 접하는 캐소드측 엔드 플레이트를 포함하되, 상기 엔드 플레이트들은, 상기 막전극집합체에 접하는 일면, 상기 일면과 배향하는 타면, 및 상기 일면과 상기 타면을 연결하는 측면들을 갖는 절연성 몸체; 및 상기 일면에 위치하며 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극에 접하는 집전부를 구비하는 공기호흡형 연료전지 스택이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 공기호흡형 연료전지 스택의 막전극집합체에 접하는 엔드 플레이트로서, 상기 연료전지 스택의 캐소드 전극과 대향하는 일면, 상기 일면과 배향하는 타면, 및 상기 일면과 상기 타면을 연결하는 측면들을 갖는 절연성 몸체; 상기 일면에 위치하며 상기 캐소드 전극에 접하는 집전부; 상기 타면에 위치하는 연결패드; 및 상기 집전부와 상기 연결패드를 전기적으로 연결하는 배선을 포함하는 연료전지용 엔드 플레이트가 제공된다.
상기 엔드 플레이트는 절연성 몸체에 집전부, 연결패드, 및 배선의 형성을 위한 도전층이 배치된 기판 예컨대 인쇄회로기판으로 구현되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 본 발명을 설명함에 있어서, 도면의 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기호흡형 연료전지 스택의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 공기호흡형 연료전지 스택은 막전극집합체(10a, 10b), 미들 플레이트(20), 엔드 플레이트(30), 및 개스킷(40)을 포함하여 이루어진다. 본 발명의 연료전지 스택은 스택의 폭(W)과 두께(T)를 감소시키고 스택의 조립 공정을 단순화시키기 위하여 막전극집합체(10a, 10b)의 애노드 전극에 접하는 애노드 커런트 컬렉터를 미들 플레이트(20)에 일체화시키고, 캐소드 전극에 접하는 캐소드 커런트 컬렉터를 엔드 플레이트(30)에 일체화시킨 것을 주된 특징으로 한다.
참고로, 기존의 애노드 또는 캐소드 커런트 컬렉터는 통상 애노드 전극 또는 캐소드 전극에 접하며 각 전극에서 생성되는 전기를 수집하고 외부로 돌출된 연결단자를 구비하도록 구성된다. 따라서 기존의 공기호흡형 연료전지 스택은 외부로 돌출된 연결단자로 인하여 불필요하게 부피가 증가하였고, 돌출된 연결단자들을 별도의 전선으로 연결해야 하기 때문에 조립 공정이 복잡해지는 단점이 있었다.
본 실시예의 엔드 플레이트(30)는 하나의 비전도성 기판 또는 적층된 둘 이상의 비전도성 기판들로 이루어진 절연성 몸체에 아래에서 구체적으로 설명되는 집 전부, 연결패드, 및 배선을 위한 도전층을 배열한 구조로 구현된다. 게다가, 본 실시예의 미들 플레이트(20)는 엔드 플레이트(30)와 유사한 구조를 가지면서 연료 유동을 위한 매니폴드(manifold)를 내부에 구비하도록 구현되어 있다.
전술한 미들 플레이트(20)와 엔드 플레이트(30)의 구조는 소위 인쇄회로기판(printed circuit board; PCB)으로 불리는 기판의 구조와 유사하게 에폭시 수지(epoxy resin)나 베이클라이트 수지(bakelite resin) 등의 절연체로 만든 얇은 평평한 기판에 도전층과 배선을 형성하는 방식으로 구현될 수 있다.
도 2는 도 1의 연료전지 스택의 분해 사시도이고, 도 3은 도 2의 연료전지 스택의 미들 플레이트를 아래쪽 방향에서 바라본 사시도이다. 도 2의 연료전지 스택에서는 도 1에 도시된 개스킷이 생략되었고, 도 4a 내지 도 4c에서는 도시의 편의상 체결공이 생략되었다. 도 2, 도 3, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명의 연료전지 스택의 각 구성요소를 상세히 설명하면 다음과 같다.
막전극집합체
막전극집합체(10a, 10b)는 전해질막(12), 상기 전해질막(12)의 일면에 위치하는 캐소드 전극(14), 및 상기 전해질막(12)의 타면에 위치하는 애노드 전극(16)을 구비한다.
전해질막(12)은 애노드 전극(16)의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(14)의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다. 전해질막(12)은 두께가 50~200 ㎛인 고체 고분자 특히 수소이온 전도성 고분자로 제작가능하며, 수소이온 전도성 고분자로는 불소계 고분자, 케톤계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자, 이미드계 고분자, 설폰계 고분자, 스티렌계 고분자, 탄화수소 고분자 등이 있다. 구체적으로 수소이온 전도성 고분자로는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리스티렌, 폴리페닐렌 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전해질막(12)은 수소 이온의 효과적인 투과를 위하여 0.1㎜ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
전해질막(12)의 제조에는 용매를 사용할 수 있는데, 이때 사용가능한 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올 및 부틸알코올의 알코올, 물, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸아세트아마이드(DMAc) 및 N-메틸피롤리돈(NMP)로 이루어진 군에서 선택된 단독 및 2종 이상의 혼합용매가 있다.
캐소드 전극(14)은 도면에 상세히 도시하지 않았지만 촉매층(catalyst layer) 및 지지층(backing layer)을 포함하여 이루어질 수 있다. 유사하게, 애노드 전극(16)도 촉매층 및 지지층을 포함하여 이루어질 수 있다. 지지층은 가스확산층(gas diffusion layer)으로도 불린다.
캐소드 전극(14) 및 애노드 전극(16)의 촉매층은 전해질막(12)의 양면에 접하며 외부로부터 공급되는 연료가 화학적으로 빠르게 산화 반응하고 외부로부터 유입되는 산소가 화학적으로 빠르게 환원 반응할 수 있도록 반응 촉진 역할을 담당한 다. 상기 캐소드 전극(14) 및 애노드 전극(16)의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 다른 한편으로, 상기 캐소드 전극(14) 및 애노드 전극(16)의 촉매층은 담지체에 담지된 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함할 수 있다. 담지체는 전도성을 가지는 물질이라면 어느 것이라도 좋으나, 탄소 담지체인 것이 바람직하다.
캐소드 전극(14) 및 애노드 전극(16)의 지지층은 상기 캐소드 전극(14) 및 애노드 전극(16)의 촉매층을 지지하는 역할을 하면서 연료, 물, 공기 등의 분산 작용과, 생성된 전기의 집전 작용, 및 각 촉매층 물질의 소실 방지 작용을 한다. 전술한 지지층은 탄소천(carbon cloth), 탄소종이(carbon paper)와 같은 탄소 기재로 구현될 수 있다.
또한 막전극집합체(10a, 10b)는 개구부(12a)를 구비하며, 상기 개구부(12a)는 스택 조립시 애노드 전극(16)에 접하는 미들 플레이트(20)의 집전부(22) 일부와 캐소드 전극(14)에 접하는 엔드 플레이트(30)의 집전부(32) 일부가 직접 접촉하도록 작용한다.
또한 막전극집합체(10a, 10b)는 각각 단위 전지로 언급될 수 있는 4개의 셀(cell)을 구비하며, 전해질막(12)의 가장자리 영역을 관통하며 스택 조립시 체결수단이 삽입되는 체결공(18)을 구비한다.
본 실시예에 있어서, 도 2에서 볼 때 상부측 막전극집합체(10a)와 하부측 막전극집합체(10b)는 실질적으로 동일하다. 다만, 하부측 막전극집합체(10b)는 또 다른 개구부(12b)를 구비하지 않는다는 점에서 상부측 막전극집합체(10a)와 차이점을 갖는다. 여기서, 또 다른 개구부(12b)는 미들 플레이트(20)의 하부측 셀영역 D에 형성된 셀(cell)과 상부측 셀영역 E에 형성된 또 다른 셀의 전기적 직렬 연결을 위하여 이용된다. 그리고, 상부측 막전극집합체(10a)와 하부측 막전극집합체(10b)는 셀의 전기적 배선 구조에 따라 연결패드 간의 접촉을 위한 개구부의 위치 및 개수에서 차이를 가질 수 있다.
미들 플레이트
미들 플레이트(20)는 절연성 몸체(21), 및 절연성 몸체(21)의 양면에 위치하는 집전부(22)를 포함하여 이루어진다. 미들 플레이트(20)는 상기 양면의 집전부(22)에 각각 접하는 두 개의 막전극집합체(10a, 10b)를 지지하며 막전극집합체(10a, 10b)의 애노드 전극(16)에 연료를 공급하고 애노드 전극(16)과 외부 회로를 전기적으로 연결하도록 작용한다. 미들 플레이트(20)의 하부측 일면은 4개의 셀영역(A, B, C, D)을 구비한 하부측 막전극집합체(10b)와 마주하고, 미들 플레이트(20)의 상부측 일면은 또 다른 4개의 셀영역(E, F, G, H)을 구비한 상부측 막전극집합체(10a)와 마주한다.
미들 플레이트(20)의 절연성 몸체(21)는 애노드 전극(16)에 공급할 기체상 또는 액체상 연료의 분배를 위한 매니폴드(manifold)(도 4a의 참조부호 26 참조)를 내부에 구비하며, 외부의 연료 탱크나 연료공급장치로부터 연료를 공급받기 위한 연료주입구(24)를 구비한다. 절연성 몸체(21)는 내부에 매니폴드를 구비한 중공 박스 구조 또는 복수 층들 사이에 매니폴드가 형성된 적층 구조로 구현될 수 있다.
전술한 절연성 몸체(21)는 비전도성 기판으로 이루어지며, 비전도성 기판으로는 인쇄회로기판의 절연체로 사용되는 소재가 이용될 수 있는데, 이러한 소재로는 에폭시 수지, 베이클라이트 수지 등의 열경화성 수지, 플라스틱 등의 고분자복합재료, 세라믹복합재료, 섬유강화 고분자복합재료 등이 이용될 수 있다.
미들 플레이트(20)의 집전부(22)는 절연성 몸체(21)의 일면과 상기 일면에 마주하는 타면 상에서 복수의 셀영역 A 내지 H에 대응하는 복수의 영역에 각각 위치하는 도전층으로 구현된다. 각 집전부(22)는 막전극집합체(10a, 10b)의 애노드 전극(16)에 접할 때 연료 유동 유로를 형성하기 위한 특정 개구부 패턴(22a)을 구비한다. 본 실시예에서는 일례로써 개구부 패턴(22a)을 구불구불한(meandering) 형상으로 구현하고 있다.
또한 셀영역 A, B, C, E, F 및 G에 대응하여 위치하는 각 집전부(22)는 그 일부가 소정 길이로 연장된 제1 연결패드(22b)를 각각 구비한다. 각 제1 연결패드(22b)는 스택 조립시에 막전극집합체(10a, 10b)의 전해질막(12)의 개구부(12a)를 통해 엔드 플레이트(30)의 집전부들 중 하나에 전기적으로 각각 연결된다. 셀영역 H에 대응하여 위치하는 집전부(22)는 그 일부가 제1 연결패드(22b)보다 길고 절연 성 몸체(21)의 측면에까지 연장되는 제2 연결패드(22c)를 구비한다. 그리고 셀영역 D에 대응하여 위치하는 집전부(22)는 그 일부가 제2 연결패드(22c)보다 길고 절연성 몸체(21)의 일면에서 측면을 경유하여 타면에까지 연장되는 제3 연결패드(22d)를 구비한다. 한편 제3 연결패드(22d)는 절연성 몸체(21)의 측면을 경유하여 연장되지 않고 절연성 몸체(21)의 관통홀을 통해 타면에까지 연장되도록 설치될 수 있으며, 그 말단부에는 셀영역 E를 사이에 두고 마주하는 엔드 플레이트(30)의 집전부(32)와의 전기적 접속을 위하여 돌출부(미도시, 참조부호 32d 참조)를 구비할 수 있다.
전술한 집전부(22)는 절연성 몸체(21)의 일면과 타면 상에 도전성 소재를 코팅하거나 절연성 몸체(21)의 일면과 타면 상에 형성된 홈에 판 형태의 도전성 소재를 삽입하는 방식으로 구현될 수 있다. 판 형태의 도전성 소재 이용시 집전부(22)는 시트(sheet) 형태의 접착제에 의해 절연성 몸체(21)에 접합될 수 있다. 이 경우, 시트상의 접착제는 액체나 기체의 누출을 차단하는 역할을 하도록 설치될 수 있다. 상기 도전성 소재로는 흑연, 카본(carbon), 내식성이 우수한 물질이 표면 코팅된 금속, 및 내식성이 강한 합금이 사용가능하다.
엔드 플레이트
엔드 플레이트(30)는 절연성 몸체(31), 및 절연성 몸체(31)의 일면에 위치하는 집전부(32)를 포함하여 이루어진다. 엔드 플레이트(30)는 집전부(32)에 접하는 막전극집합체(10a, 10b)를 지지하며 캐소드 전극(16)과 외부 회로를 전기적으로 연결한다. 본 실시예에서, 도 2의 하부측에 위치하는 엔드 플레이트(30)는 4개의 셀 영역(A, B, C, D)을 구비한 막전극집합체(10b)와 마주하고, 도 2의 상부측에 위치하는 엔드 플레이트(30)는 또 다른 4개의 셀영역(E, F, G, H)을 구비한 막전극집합체(10a)와 마주한다. 본 실시예에 있어서, 상기 상부측 엔드 플레이트(30)와 상기 하부측 엔드 플레이트(30)는 동일한 구성 및 구조를 구비한다.
엔드 플레이트(30)의 절연성 몸체(31)는 연료전지 스택의 최외측에 위치하며, 대기의 순환 공기(ambient air)가 캐소드 전극(14)에 자유로이 유입될 수 있도록 소정 크기의 공기홀(34)을 구비한다. 공기홀(34)은 각 셀영역에 대응하는 영역에 복수개씩 4개의 그룹으로 나뉘어 설치된다. 공기홀(34)의 크기, 개수, 형상은 연료전지 스택이나 셀영역의 크기에 따라 임의로 조정될 수 있다.
전술한 엔드 플레이트(30)의 절연성 몸체(31)는, 미들 플레이트(20)의 경우와 유사하게, 비전도성 기판으로 이루어지며, 비전도성 기판으로는 인쇄회로기판의 절연체로 사용되는 소재가 이용될 수 있다. 예를 들면, 엔드 플레이트(30)의 절연성 몸체(31)는 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 기판으로 구현될 수 있다. 다른 한편으로, 엔드 플레이트(30)의 절연성 몸체(31)는 종이, 유리섬유, 페놀 계열 수지, 에폭시 계열 수지, 폴리이미드, 폴리에스테르, 세라믹 중 어느 하나 또는 둘 이상의 소재로 구현될 수 있다.
엔드 플레이트(30)의 집전부(32)는, 도 4b 및 도 4c에 더욱 상세히 도시한 바와 같이, 절연성 몸체(31)의 일면 상에서 복수의 셀영역 A 내지 D 또는 E 내지 H에 대응하는 복수의 영역에 각각 위치하는 도전층으로 구현된다. 각 집전부(32)는 절연성 몸체(31)의 공기홀(34)에 대응하는 개구부(32a)를 구비한다. 개구부(32a)의 형상은 공기홀(34)의 형상과 동일하거나 유사하게 되도록 구현되는 것이 바람직하다.
또한 셀영역 A 또는 E에 대응하여 위치하는 집전부(32)는 그 일부가 소정 길이로 연장된 제1 연결패드(32b)를 구비한다. 제1 연결패드(32b)의 중간 부분에는 절연성 몸체(31)를 관통하는 관통홀(36a)을 구비한다. 상기 집전부(32)의 제1 연결패드(32b)는 관통홀(36a) 내에 위치하며 관통홀(36a)을 따라 연장하는 도전층을 통해 절연성 몸체(31)의 타면에 노출되는 하나의 제2 연결패드(32e)와 물리적으로 접속된다. 상기 관통홀(36a)을 따라 연장하는 도전층은 하나의 배선으로 작용한다.
또한 셀영역 B 내지 D 및 F 내지 H에 대응하여 위치하는 각 집전부(32)는 그 일부가 대략 직각으로 구부려져 연장되는 또 다른 연결패드(이하 설명의 편의상 연결배선이라 함)(32c)를 구비한다. 셀영역 B에 대응하여 위치하는 집전부(32)의 연결배선(32c)은 인접한 셀영역 A에 대응하여 위치하는 집전부(32)의 제1 연결패드(32b) 측으로 구부려져 연장되며, 그 굴곡 부분에서 관통홀(36b) 내에 위치하는 도전층을 통해 다른 하나의 제2 연결패드(32e)에 연결되고, 그 말단부에 돌출단자(32d)를 구비한다. 돌출단자(32d)는 스택 조립시 전해질막(12)의 개구부(12a)를 통해 미들 플레이트(20)의 집전부(22)에 접촉한다. 셀영역 C 및 D에 대응하여 위치하는 두 집전부(32)의 연결배선들(32c)은 상기 셀영역 B에 대응하여 위치하는 집전부(32)의 연결배선(32c)과 각각 동일하게 구성되고, 그 굴곡 부분에서 또 다른 관통홀(36c/36d) 내에 위치하는 도전층을 통해 또 다른 제2 연결패드(32e)에 각각 연 결된다. 그리고 셀영역 F, G 및 H에 대응하여 위치하는 세 집전부(32)는 상기 셀영역 B, C 및 D에 대응하여 위치하는 세 집전부(32)와 실질적으로 동일하게 구성된다.
전술한 엔드 플레이트(30)의 집전부들(32)은 절연성 몸체(31)의 일면 상에 도전성 소재를 코팅하거나 절연성 몸체(31)의 일면에 형성된 홈에 고체상의 도전성 소재를 삽입하는 방식으로 구현될 수 있다. 상기 도전성 소재로는 그라파이트, 고분자 및 탄소의 복합체, 및 금속을 전도성 물질로 채택한 복합체 중 어느 하나 또는 둘 이상의 재료가 이용될 수 있다. 다른 한편으로, 엔드 플레이트(30)의 집전부들(32)은 알루미늄, 티타늄, 니켈 및 스테인리스강 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 금속 재료와, 상기 금속 재료의 표면에 코팅되는 코팅층으로 구현될 수 있다. 이 경우, 상기 코팅층은 금, 티타늄 질화물, 납 산화물, 카본, 도전성 고분자 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 재료를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 공기호흡형 연료전지 스택은 도 1에 도시한 바와 같이 개스킷(40)을 포함한다. 개스킷(40)은 막전극집합체(10a, 10b)와 미들 플레이트(20) 사이의 소정 영역에 위치하며 미들 플레이트(20)를 통해 막전극집합체(10a, 10b)의 애노드 전극(16)에 공급되는 연료의 누설과 외부 공기 등의 유입을 차단하며, 특히 연료의 흐름과 반응생성물의 흐름을 관장하는 애노드 전극(16)의 확산층을 외부로부터 밀봉한다. 또한 개스킷(40)은 막전극집합체(10a, 10b)와 엔드 플레이트(30) 사이의 소정 영역에 위치하며 산화제의 흐름과 물의 흐름을 관장하는 캐소드 전극(14)의 확산층을 외부로부터 밀봉한다.
전술한 개스킷(40)은 탄성이 우수하고 열 사이클에 대한 응력의 유지력이 우수한 재료로 이루어지며, 소정 패턴을 갖는 반경화 개스킷 패드로 설치되거나 슬러리 재료를 도포한 후 경화하여 설치되거나 또는 앞서 언급한 두 방식의 조합으로 설치될 수 있다. 개스킷(40)의 재료로는 고무나 고분자를 이용한 재료 예컨대, 에틸렌프로필렌 고무(EPDM), 실리콘, 실리콘계 고무, 아크릴계 고무, TPE(thermoplastic elastomer) 등이 사용가능하다.
또한, 본 발명의 공기호흡형 연료전지 스택은 도 1에 도시한 바와 같이 최외곽에 위치하는 한 쌍의 엔드 플레이트(30)를 마주하는 방향으로 일정 압력으로 누르는 체결 수단(50)을 구비한다. 체결 수단(50)은 스택의 가장자리를 관통하는 볼트, 및 이 볼트의 말단부에 결합하는 너트로 구현되거나 기존에 잘 알려진 다른 체결 수단들 중 어느 하나가 사용될 수 있다.
본 발명의 공기호흡형 연료전지 스택의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.
미들 플레이트(20)로부터 공급되는 연료 또는 수소는 막전극집합체(10a, 10b)의 애노드 전극(16)에서 전기화학적 반응에 의해 수소이온(H+)와 전자(e-)로 이온화되면서 산화된다. 생성된 수소이온은 전해질막(12)을 통해 캐소드 전극(14)으로 이동하게 되고, 전자를 외부 회로를 통해 캐소드 전극(14)으로 이동하게 된다. 캐소드 전극(14)에 도달한 수소이온은 외부로부터 캐소드 전극(14)에 공급되는 산화제 또는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시킨다. 이때, 상기 환원반응에 필요한 전자는 애노드 전극(16)으로부터 캐소드 전극(14)으 로 이동하면서 전기에너지를 발생시킨다.
상기 연료로는 메탄올, 에탄올, 부탄 가스 등의 탄화수소계 연료나 소듐 보로하이드라이드(NaBH4) 또는 순수 수소가 사용될 수 있다. 연료로써 메탄올을 사용하는 경우, 연료전지 스택의 전기화학 반응은 아래의 반응식 1과 같이 나타낼 수 있다.
애노드 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드 : 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
전 체 : CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O
다른 한편으로, 연료로써 순수 수소 또는 수소가 풍부한 개질가스를 연료로 사용하는 경우, 연료전지 스택의 전기화학 반응은 아래의 반응식 2와 같이 개략적으로 나타낼 수 있다.
애노드 : H2(g) → 2H+ + 2e-
캐소드 : 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전 체 : H2 + 1/2O2 → H2O
한편, 전술한 실시예에서는 공기호흡형 연료전지 스택의 소형화 및 고출력을 위하여 미들 플레이트(20)의 양면에 막전극집합체(10a, 10b)와 엔드 플레이트(30)를 각각 배치한 대칭 구조의 스택을 언급하였지만 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명은 단층의 막전극집합체를 사이에 두고 그 양면에 애노드측 엔드 플레이트와 캐소드측 엔드 플레이트가 배치된 구조로 구현될 수 있다. 이러한 경우, 애노드측 엔드 플레이트는 미들 플레이트(20)의 일면에 집전부가 형성하지 않는 구조에 대응될 수 있다.
또한 전술한 공기호흡형 연료전지 스택의 설명에 있어서 막전극집합체(10a, 10b)의 전해질막(12)이 고체 고분자로 이루어진 경우를 예를 들어 언급하였다. 하지만 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 캐소드 전극(14)와 애노드 전극(16) 사이에 위치하는 액체상의 전해질을 포함하여 이루어지는 또 다른 구조의 막전극집합체를 포함한 공기호흡형 연료전지 스택에도 적용가능하다. 액체상의 전해질로는 수산화칼륨(KOH) 용액 등이 이용될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그것들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해지는 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 인쇄회로기판과 유사하게 집전부가 일체화된 엔드 플레이트를 이용함으로써 공기호흡형 연료전지 스택의 폭과 두께를 줄여 소형화(compactization)하며, 용접과 같은 별도의 배선 공정을 생략할 수 있 으므로 조립 공정을 단순화(simplification)하는 장점이 있다. 게다가, 스택의 외부면에 노출된 연결패드를 이용하여 셀 전압을 용이하게 모니터링(monitoring) 할 수 있는 이점도 있다.

Claims (29)

  1. 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질을 구비한 막전극집합체; 및
    상기 막전극집합체에 접하는 엔드 플레이트를 포함하되,
    상기 엔드 플레이트는, 상기 막전극집합체에 접하는 일면, 상기 일면과 배향하는 타면, 및 상기 일면과 상기 타면을 연결하는 측면들을 갖는 절연성 몸체; 및 상기 일면에 위치하며 상기 캐소드 전극에 접하는 집전부를 구비하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트는, 상기 타면에 위치하는 연결패드; 및 상기 집전부와 상기 연결패드를 연결하는 배선을 더 포함하며,
    상기 절연성 몸체에 상기 집전부, 상기 연결패드, 및 상기 배선 형성을 위한 도전층이 삽입 설치되어 이루어지는 공기호흡형 연료전지 스택.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 집전부는 상기 절연성 몸체의 상기 일면에 도전성 소재가 코팅된 코팅층인 공기호흡형 연료전지 스택.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 집전부는 상기 절연성 몸체의 상기 일면에 형성된 홈에 부분적으로 삽입된 판 형태의 도전성 소재로 이루어지는 공기호흡형 연료전지 스택.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 배선은 상기 절연성 몸체의 관통홀 내에 위치하며 상기 관통홀을 따라 연장하는 도전층을 포함하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 배선은 상기 절연성 몸체의 상기 측면을 경유하여 설치되는 공기호흡형 연료전지 스택.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연성 몸체는 상기 캐소드 전극에 산화제를 공급하기 위한 공기홀을 구비하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 집전부는 상기 공기홀에 대응하는 개구부를 구비하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  9. 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질을 구비한 막전극집합체;
    상기 애노드 전극에 접하는 애노드측 엔드 플레이트; 및
    상기 캐소드 전극에 접하는 캐소드측 엔드 플레이트를 포함하되,
    상기 엔드 플레이트들은, 상기 막전극집합체에 접하는 일면, 상기 일면과 배향하는 타면, 및 상기 일면과 상기 타면을 연결하는 측면들을 갖는 절연성 몸체; 및 상기 일면에 위치하며 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극에 접하는 집전부를 구비하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트들은, 상기 타면에 위치하는 연결패드; 및 상기 집전부와 상기 연결패드를 연결하는 배선을 더 포함하며,
    상기 절연성 몸체에 상기 집전부, 상기 연결패드, 및 상기 배선 형성을 위한 도전층이 삽입 설치되어 이루어지는 공기호흡형 연료전지 스택.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 배선은 상기 절연성 몸체의 관통홀 내에 위치하며 상기 관통홀을 따라 연장하는 도전층을 포함하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 배선은 상기 절연성 몸체의 상기 측면을 경유하여 설치되는 공기호흡형 연료전지 스택.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 애노드측 엔드 플레이트의 집전부와 상기 캐소드측 엔드 플레이트의 집전부는 고체 고분자로 이루어진 상기 전해질의 개구부를 통해 직접 접촉하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 캐소드측 엔드 플레이트의 집전부는 상기 집전부로부터 연장된 상기 연결패드의 말단부에 위치하며 상기 애노드측 엔드 플레이트의 집전부를 향하여 돌출된 돌출단자를 구비하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 절연성 몸체는 상기 애노드 전극에 연료를 공급하기 위한 매니폴드를 그 내부에 구비하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 애노드측 엔드 플레이트는 상기 막전극집합체와 상기 캐소드측 엔드 플레이트가 그 양면에 배치되는 미들 플레이트로 이루어지는 공기호흡형 연료전지 스 택.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 집전부는 상기 연료의 유동 유로를 형성하며 상기 매니폴드에 일단이 연결되는 개구부 패턴을 구비하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  18. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 집전부는 그라파이트, 고분자 및 탄소의 복합체, 및 금속을 전도성 물질로 채택한 복합체 중 어느 하나 또는 둘 이상의 재료로 이루어지는 공기호흡형 연료전지 스택.
  19. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 집전부는 알루미늄, 타티늄, 니켈 및 특수 은 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 금속 재료와, 상기 금속 재료의 표면에 코팅되는 코팅층을 구비하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 코팅층은 금, 티타늄 나이트라이드, 납 산화물, 카본, 도전성 고분자 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 재료를 포함하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  21. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 절연성 몸체는 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에테르설폰, 폴리이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트 중 어느 하나 또는 둘 이상의 기판으로 이루어지는 공기호흡형 연료전지 스택.
  22. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 절연성 몸체는 종이, 유리섬유, 페놀 계열 수지, 에폭시 계열 수지, 폴리이미드, 폴리에스테르, 세라믹 중 어느 하나 또는 둘 이상의 소재로 이루어지는 공기호흡형 연료전지 스택.
  23. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 막전극집합체와 상기 엔드 플레이트 사이에 위치하는 하나 이상의 개스킷을 더 포함하는 공기호흡형 연료전지 스택.
  24. 공기호흡형 연료전지 스택의 막전극집합체에 접하는 엔드 플레이트로서,
    상기 연료전지 스택의 캐소드 전극과 대향하는 일면, 상기 일면과 배향하는 타면, 및 상기 일면과 상기 타면을 연결하는 측면들을 갖는 절연성 몸체;
    상기 일면에 위치하며 상기 캐소드 전극에 접하는 집전부;
    상기 타면에 위치하는 연결패드; 및
    상기 집전부와 상기 연결패드를 전기적으로 연결하는 배선을 포함하는 연료전지용 엔드 플레이트.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트는 단층 또는 다층 구조의 상기 절연성 몸체에 상기 집전부, 상기 연결패드, 및 상기 배선의 형성을 위한 도전층이 배치된 인쇄회로기판으로 이루어지는 연료전지용 엔드 플레이트.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 절연성 몸체는 상기 캐소드 전극에 산화제를 공급하기 위한 공기홀을 구비하는 연료전지용 엔드 플레이트.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 집전부는 상기 공기홀에 대응하는 개구부를 구비하는 연료전지용 엔드 플레이트.
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 배선은 상기 절연성 몸체의 관통홀 내에 위치하고 상기 관통홀을 따라 연장하는 도전층을 포함하는 연료전지용 엔드 플레이트.
  29. 제 24 항에 있어서,
    상기 배선은 상기 절연성 몸체의 상기 측면을 경유하여 설치되는 연료전지용 엔드 플레이트.
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