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KR20230025267A - 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택 - Google Patents

관형 고분자 전해질막 연료전지 스택 Download PDF

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KR20230025267A
KR20230025267A KR1020210107586A KR20210107586A KR20230025267A KR 20230025267 A KR20230025267 A KR 20230025267A KR 1020210107586 A KR1020210107586 A KR 1020210107586A KR 20210107586 A KR20210107586 A KR 20210107586A KR 20230025267 A KR20230025267 A KR 20230025267A
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Abstract

본 발명은 원뿔대통 형상으로 형성되어 서로 직렬 연결되는 복수의 연료전지 유닛을 포함하고, 상기 연료전지 유닛의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 인접하는 연료전지 유닛의 양측 중 외경이 상대적으로 큰 타측으로 삽입되어 상기 연료전지 유닛이 서로 직렬 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

관형 고분자 전해질막 연료전지 스택 {TUBULAR POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL STACK}
본 발명은 관형 고분자 전해질막 연료 전지 스택에 관한 것이다.
현재의 연료전지는 엔드 플레이트(end plate), 바이폴라 플레이트(bipolar plate), 개스킷(gasket), MEA(membrane electrode assembly)등으로 구성되어 있으며 반응 가스 및 생성된 물(H2O)의 누출을 막기 위해 밀봉되어 있다. 이 중 엔드 플레이트와 바이폴라 플레이트는 연료 전지 총 중량의 60 ~ 80 %, 총 부피의 80 % 이상을 차지한다. 엔드 플레이트는 지지대 역할과 함께 클램프(clamp) 압력을 전달하는 역할을 하며 강성과 두께가 중요한 요소이어서 MEA 표면에 균일한 압력을 전달하기 위해 부피 및 무게를 줄이는 데 한계가 있다. 바이폴라 플레이트는 양극과 음극에 공급되는 각 가스의 분리, 반응물의 통로 역할을 하여 무게 감소에 한계가 있다. 따라서 유연하고 가벼운 연료전지는 재료 또는 설계 측면의 접근을 통해 구성요소를 단순화하고 모양을 변경하는 방식으로 구현할 수 있다. 설계 측면의 변경이 이루어지는 경우 각 파트를 고정시키는 클램프가 필요하거나 스택을 형성하기 어려운 문제가 존재할 수 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0036372호 (명칭: 연료 전지용 연결재 및 이를 포함하는 구조체, 공개일: 2014.03.26.) 대한민국 등록특허 제10-1707063호 (명칭: 관형 연료 전지 및 그 스택, 등록일: 2017.02.09.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 원뿔대통형 연료전지 유닛의 적용으로 쉽게 연결이 가능하게 하며, 주름관 형상을 적용하여 3D 움직임이 가능한 관형 고분자 전해질막 연료 전지 스택를 고안하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택은 원뿔대통 형상으로 형성되어 서로 직렬 연결되는 복수의 연료전지 유닛을 포함하고, 상기 연료전지 유닛의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 인접하는 연료전지 유닛의 양측 중 외경이 상대적으로 큰 타측으로 삽입되어 상기 연료전지 유닛이 서로 직렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 연료전지 유닛은, 원뿔대통 형상의 집전층, 상기 집전층 상에 권취되어 애노드(Anode) 전극에 공급될 기체 또는 액체를 흡수하는 애노드 확산층, 상기 애노드 확산층 상에 권취되고 전해질막, 애노드 전극 및 캐쏘드(Cathode) 전극을 포함하며 상기 애노드 확산층으로부터 공급된 기체 또는 액체를 상기 애노드 전극에서 이온화하여 상기 전해질막을 통해 상기 캐쏘드 전극으로 이동시키는 전극막합체층 및 상기 전극막합체층 상에 권취되어 상기 전해질막을 통하여 상기 캐쏘드 전극으로 공급된 이온과 화학반응할 기체 또는 액체를 흡수하는 캐쏘드 확산층을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 애노드 확산층은 상기 집전층의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측으로부터 외경이 상대적으로 큰 타측으로 상기 집전층의 일정범위에 권취되고, 상기 전극막합체층은 상기 애노드 확산층 전체범위를 포함하는 초과범위에 권취되며, 상기 캐쏘드 확산층은 상기 전극막합체층의 양측으로부터 각각 일정간격 이격되어 형성된 상기 전극막합체층의 일정범위에 권취되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 전해질막은, 상기 애노드 확산층 및 캐쏘드 확산층으로부터 공급된 기체 또는 액체의 화학반응을 가속하는 촉매가 코팅된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 일 연료전지 유닛의 전극막합체층에 포함된 전해질막이 타 연료전지 유닛의 전극막합체층에 포함된 전해질막과 열경화에 의해 서로 결합되어 연료전지 유닛이 서로 직렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 연료전지 스택은, 가장 마지막에 연결되는 연료전지 유닛의 캐쏘드 확산층 상에 권취되어 외부 장치와 연결되는 말단 집전층을 더 포함 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 집전층 및 말단 집전층은, 메쉬(Mesh) 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 애노드 확산층 및 캐쏘드 확산층은, 벤딩(Bending) 가능한 격자형의 카본 화이버(Carbon Fiber) 막으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 연료전지 스택은, 상기 연료전지 스택의 일 단에 구비되어 인접하는 연료전지 스택을 벤딩가능하게 연결하는 연결유닛을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 연결유닛은, 벤딩가능한 주름관으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 연결유닛의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 일 연료전지 스택의 양측 중 외경이 상대적으로 큰 일측에 삽입되고, 타 연료전지 스택의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 상기 연결유닛의 양측 중 외경이 상대적으로 큰 타측에 삽입되어 상기 연결유닛이 양 연료전지 스택을 연결하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 연결유닛의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 삽입되는 일 연료전지 스택의 집전층은 상기 연결유닛의 주름관 형상과 동일한 형상으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 연결유닛의 전극막합체층에 포함된 전해질막이 이웃한 연료전지 유닛의 전극막합체층에 포함된 전해질막과 열경화에 의해 서로 결합되어 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 관형 고분자 전해질막 연료 전지 스택은, 원뿔대통형 유닛을 기반으로 하여 적층을 하기 쉽고 기존 연료전지의 구성품의 수를 줄이고 부품을 개선하여 작고 가벼운 연료전지 스택을 제작할 수 있다. 또한 주름관 형상을 적용하여 구부릴 수 있고 연료전지 스택의 부피를 줄일 수 있다. 상기 구조는 연료전지뿐만 아니라 유사한 구조를 갖는 전기화학 에너지 저장 및 변환 장치에 적용할 수 있다. 본 연료전지 유닛에는 기체 연료뿐 아니라 액체 연료도 공급될 수 있다. 또한 고분자 전해질막을 이용한 원뿔대통형 유닛 구조, 구부릴 수 있는 연결유닛의 구조 및 이의 관형 스택 구조는 연료전지뿐 아니라 수전해 및
Figure pat00001
전환을 위한 용도로도 사용될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 유닛의 형성 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 유닛의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 형상을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 유닛을 연결한 전후의 출력값을 비교한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1집합층 및 제 2집합층의 형상을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 확산층 및 캐쏘드 확산층의 형상과 리지드(Rigid) 확산층 및 플랙서블(Flexible) 확산층의 출력값을 비교한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연결유닛의 형상 및 연결유닛의 구부러진 정도에 따른 출력값의 변화를 비교한 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택(10)은 원뿔대통 형상으로 형성되어 서로 직렬 연결되는 복수의 연료전지 유닛(100)을 포함하고, 상기 연료전지 유닛(100)의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 인접하는 연료전지 유닛(100)의 양측 중 외경이 상대적으로 큰 타측으로 삽입되어 상기 연료전지 유닛(100)이 서로 직렬 연결될 수 있다.
상기 연료전지 스택(10)은 연료전지 스택(10)의 내부로 연료를 공급할 수 있다. 따라서 연료의 공급을 위하여 별도의 공급로를 구비하지 않을 수 있다.
상기 연료전지 유닛(100)은 원뿔대통형상으로 형성되어 별도의 세퍼레이트 클램프(Separate Clamp) 없이 이웃한 타 원뿔대통형 연료전지 유닛(100)과 결합될 수 있다. 따라서 상기 연료전지 스택(10)은 무게를 가볍게 하여 제작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 연료전지 스택(10)에는 가스 연료뿐만 아니라 액체 연료도 공급될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 유닛의 형성 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 연료전지 유닛(100)은, 원뿔대통 형상의 집전층(110), 상기 집전층(110) 상에 권취되어 애노드(Anode) 전극에 공급될 기체 또는 액체를 흡수하는 애노드 확산층(120), 상기 애노드 확산층(120) 상에 권취되고 전해질막(미도시), 애노드 전극(미도시) 및 캐쏘드(Cathode) 전극(미도시)을 포함하며 상기 애노드 확산층(120)으로부터 공급된 기체 또는 액체를 상기 애노드 전극에서 이온화하여 상기 전해질막을 통해 상기 캐쏘드 전극으로 이동시키는 전극막합체층(130) 및 상기 전극막합체층(130) 상에 권취되어 상기 전해질막을 통하여 상기 캐쏘드 전극으로 공급된 이온과 화학반응할 기체 또는 액체를 흡수하는 캐쏘드 확산층(140)을 포함할 수 있다.
상기 애노드 확산층(120)은 상기 집전층(110)의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측으로부터 외경이 상대적으로 큰 타측으로 상기 집전층(110)의 일정범위에 권취되고, 상기 전극막합체층(130)은 상기 애노드 확산층(120) 전체범위를 포함하는 초과범위에 권취되며, 상기 캐쏘드 확산층(140)은 상기 전극막합체층(130)의 양측으로부터 각각 일정간격 이격되어 형성된 상기 전극막합체층(130)의 일정범위에 권취될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 초과범위는 상기 애노드 확산층(120)의 전체범위보다 초과되는 범위로서, 이웃한 연료전지 유닛(100)의 전극막합체층(130)에 포함된 전해질막과 열경화에 의해 서로 결합되어 연결되는 범위일 수 있다.
상기 원뿔대통형 연료전지 유닛(100)은 원뿔대통형 구조로 이루어져 있어 상기 전극막합체층(130)으로 연료를 균일하게 공급할 수 있다. 따라서 상기 연료전지 스택(10)은 지지대 역할을 위한 엔드 플레이트(End Plate)와 과 연료의 균일한 공급을 위한 플로우 필드 (Flow Field)가 별도로 구비되지 않을 수 있다. 엔드 플레이트와 플로우 필드가 별도로 구비되지 않으므로 상기 연료전지 스택(10)의 부피를 작게 무게를 가볍게 하여 제작할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 전해질막은, 상기 애노드 확산층 및 캐쏘드 확산층으로부터 공급된 기체 또는 액체의 화학반응을 가속하는 촉매가 코팅될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극막합체층(130)은 나피온(Nafion)이 전해질막으로 사용될 수 있다. 구체적으로는 나피온 211 또는 나피온 212 전해질막이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 40 wt.% Pt/C 촉매가 애노드 및 캐쏘드 촉매(미도시)로 사용될 수 있다. 촉매 슬러리(Slurry)는 이소프로필 알콜(Isopropyl Alcohol), 비전해수, 5 wt/% 나피온 이오노머(Nafion Ionomer) 용액 및 촉매를 초음파 처리를 하여 형성될 수 있다. 촉매 슬러리를 나피온 전해질막의 양면에 스프레이 코팅(Spary Coating) 방법으로 도포할 수 있다. 도포된 촉매는 상온에서 24시간 이상 건조시킬 수 있다. 상기 전해질막의 양면에 도포된 촉매의 밀도는 0.3 mgPt/㎠ 로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 집전층(110)은 부채꼴 형상으로 재단할 수 있다. 부채꼴 형상의 집전층(110)은 둥글게 말아서 용접하여 원뿔대형을 형성할 수 있다.
이 후 상기 애노드 확산층(120)과 촉매가 코팅된 상기 전극막합체층(130)이 원뿔대통형의 상기 집전층(110) 상에 권취될 수 있다. 그 후 180℃ 로 가열하여 상기 전해질막의 접합부를 접합할 수 있다. 이어서 상기 캐쏘드 확산층(140)를 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 유닛의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상단의 도면은 상기 연료전지 유닛(100)의 측면도일 수 있다. 하단의 도면은 상기 연료전지 유닛(100)을 평면에 펼쳤을 때의 전개도이며 이것은 부채꼴일 수 있다.
상기 연료전지 유닛(100)의 각 부분은 하기의 계산식에 의하여 도출될 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
여기에서
Figure pat00007
은 원뿔대통 좁은단 반지름,
Figure pat00008
는 원뿔대통 좁은단 삽입부위 반지름,
Figure pat00009
은 애노드 확산층(120)의 두께 및 캐쏘드 확산층(140)의 두께를 합한 두께,
Figure pat00010
은 전극막합체층(130)의 두께,
Figure pat00011
은 제 1집합층(110)의 두께,
Figure pat00012
는 전극길이,
Figure pat00013
는 전극 사이 간격,
Figure pat00014
는 원뿔대통 좁은단 호의 길이,
Figure pat00015
는 원뿔대통 좁은단 삽입부위 호의 길이,
Figure pat00016
는 접합되는 부분 호의 길이,
Figure pat00017
는 원뿔대통 좁은단 삽입부위까지의 부채꼴의 반경,
Figure pat00018
는 부채꼴의 중심각일 수 있다.
여기에서
Figure pat00019
,
Figure pat00020
,
Figure pat00021
와
Figure pat00022
는
Figure pat00023
,
Figure pat00024
와
Figure pat00025
에 의하여 정해질 수 있다. 좁은측 전극의 길이 및 넓은측 전극의 길이
Figure pat00026
는 10 mm 일 수 있다. 좁은측 전극과 넓은측 전극 사이 간격
Figure pat00027
는 3 mm 일 수 있다. 이 간격은 연료전지 유닛의 적층 시 각 연료전지 유닛에 포함된 전해질막을 접합하는 부분일 수 있다. 좁은측 호 길이
Figure pat00028
는 10 mm 일 수 있다. 상기 연료전지 유닛(100)의 원뿔대통형으로의 형성을 위하여 접합되는 부분 호 길이는
Figure pat00029
는 1.5 mm 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 일 연료전지 유닛(100)의 집전층(110)과 이웃한 연료전지 유닛(100)의 집전층(110) 사이에 상기 애노드 확산층(120) 및 캐쏘드 확산층(140)에 할당되는 간격을 최초의 애노드 확산층(120) 및 캐쏘드 확산층(140)의 두께보다 얇게 하여 상기 일 연료전지 유닛(100)의 집전층(110)과 이웃한 연료전지 유닛(100)의 집전층(110)간의 접촉저항을 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 형상을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 연료전지 유닛(100)의 전극막합체층(130)에 포함된 전해질막이 타 연료전지 유닛(100)의 전극막합체층(130)에 포함된 전해질막과 열경화에 의해 서로 결합되어 연료전지 유닛이 서로 직렬 연결될 수 있다. 구체적으로는 상기 전해질막을 180℃로 가열하여 이웃한 연료전지 유닛(100)에 포함된 전해질막과 결합시켜 연료가 새어나가지 않도록 밀봉할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 연료전지 스택(10)은, 가장 마지막에 연결되는 연료전지 유닛(100)의 캐쏘드 확산층(140) 상에 권취되어 외부 장치와 연결되는 말단 집전층(150)을 더 포함할 수 있다. 도 3을 참조하면 상기 말단 집전층(150)은 넓은측 전극의 길이
Figure pat00030
의 길이로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 하나의 상기 연료전지 유닛(100)의 길이는 23 mm 이고 무게는 0.125 g 일 수 있다. 두 개의 연료전지 유닛(100)을 연결하였을 때 길이는 3.6 mm 이고 무게는 0.22 g 일 수 있다. 상기 연료전지 유닛(100) 두 개를 연결하여 연료전지 스택(10)을 형성 시 길이는 13 mm 늘어나고 무게는 0.095 g 증가함을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 유닛을 연결한 전후의 출력값을 비교한 도면이다.
도 5를 참조하면 두 개의 연료전지 유닛(100)을 연결한 연료전지 스택(10)과 다섯 개의 연료전지 유닛(100)을 연결한 연료전지 스택(10) 모두 단위 부피당 출력값에 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 따라서 상기 연료전지 유닛(100)을 연결하여 상기 연료전지 스택(10)을 형성하면 개별 연료전지 유닛(100)을 복수 개 나열한 것보다 단위 부피당 출력값이 크게 되는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1집합층 및 제 2집합층의 형상을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면 상기 집전층(110)은, 메쉬(Mesh) 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 집전층(110)은 스테인레스 스틸(Stainless Steel)로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 집전층(110) 및 말단 집전층(150)은
스테인레스 스틸로 형성될 수 있다. 상기 집전층(110) 및 말단 집전층(150)은 50㎛의 두께로 형성될 수 있고 52%의 오픈(Open) 영역을 가질 수 있다. 상기 집전층(110) 및 말단 집전층(150)의 가장 두꺼운 그리드 라인(Grid Line)폭은 110㎛일 수 있으며 면저항은 61.94mΩ/sq.일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 애노드 확산층 및 캐쏘드 확산층의 형상과 리지드(Rigid) 확산층 및 플랙서블(Flexible) 확산층의 출력값을 비교한 도면이다.
도 7을 참조하면 상기 애노드 확산층(120) 및 캐쏘드 확산층(140)은, 벤딩(Bending) 가능한 격자형의 카본 화이버(Carbon Fiber) 막으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 애노드 확산층(112) 및 캐쏘드 확산층(114)은 마이크로포러스(Microporous) 층 및 카본 페이퍼(Carbon Paper) 층을 포함할 수 있으며 전체 두께는 210㎛ 일 수 있다. 상기 카본 페이퍼에 포함된 카본 화이버막이 프로터 프린터 (Plotter Printer) 에 의하여 격자방향 일정 간격 이격되게 분리되어 상기 애노드 확산층(120) 및 캐쏘드 확산층(140)이 플렉서블(Flexible) 해질 수 있다. 리지드(Rigid) 확산층 및 플렉서블 확산층 비교결과 연료전지 출력값에 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연결유닛의 형상 및 연결유닛의 구부러진 정도에 따른 출력값의 변화를 비교한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 연료전지 스택(10)은,
상기 연료전지 스택(10)의 일 단에 구비되어 인접하는 연료전지 스택(10)을 벤딩가능하게 연결하는 연결유닛(200)을 더 포함할 수 있다.
상기 연결유닛(200)은, 벤딩가능한 주름관으로 형성될수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라면 상기 연결유닛(200)은, 마루 및 골로 형성된 주름관 형상일 수 있다. 주름관 형상을 따라 복수의 삼각형 형상들이 맞닿는 선들이 “마루”와 “골”을 이루어 접힐 수 있다. 도면에서 실선부분이 “마루”이고 점선부분이 “골”일 수 있다. “마루”와 “골”로 접히는 부분 이외의 부분은 평면으로 남을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 삼각형의 형상은 다음 수식에 의하여 형성될 수 있다.
Figure pat00031
Figure pat00032
Figure pat00033
Figure pat00034
Figure pat00035
Figure pat00036
Figure pat00037
Figure pat00038
여기에서
Figure pat00039
은 호 방향으로의 단위체의 개수,
Figure pat00040
는 연결유닛 전체의 부채꼴의 중심각,
Figure pat00041
은 단위체의 먼 꼭짓점까지의 부채꼴의 중심각,
Figure pat00042
는 단위체의 가까운 꼭짓점까지의 부채꼴의 중심각,
Figure pat00043
는 부채꼴의 반지름 선부터 단위체까지의 각도,
Figure pat00044
는 단위체의 긴 방향 중심선(“골”선)과 마주보는 꼭짓점이 이루는 각도,
Figure pat00045
은 부채꼴의 반지름 선으로부터
Figure pat00046
의 각도를 이루는 단위체의 선(“마루”선) 과 단위체의 긴 방향 중심선(“골”선) 사이의 각도,
Figure pat00047
는 단위체 내에서
Figure pat00048
의 엇각,
Figure pat00049
은
Figure pat00050
를 이루는 단위체의 선(“마루”선) 중
Figure pat00051
에 인접한 단위체의 선(“마루”선)과 단위체의 긴 방향 중심선(“골”선) 사이의 각도,
Figure pat00052
는 단위체 내에서
Figure pat00053
의 엇각 일 수 있다.
상기 연결유닛(200)의 구조는 호 방향으로의 단위체의 개수
Figure pat00054
과
Figure pat00055
를 이루는 단위체의 선(“마루”선) 중
Figure pat00056
에 인접한 단위체의 선(“마루”선)과 단위체의 긴 방향 중심선(“골”선) 사이의 각도
Figure pat00057
에 연관된 것을 알 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 호 방향으로의 단위체의 개수
Figure pat00058
은 6 일 수 있다. 애노드 전극의 둘레는 20 mm 일 수 있다.
Figure pat00059
를 이루는 단위체의 선(“마루”선) 중
Figure pat00060
에 인접한 단위체의 선(“마루”선)과 단위체의 긴 방향 중심선(“골”선) 사이의 각도
Figure pat00061
은 30˚일 수 있다. 부채꼴의 반지름 선으로부터
Figure pat00062
의 각도를 이루는 단위체의 선(“마루”선) 과 단위체의 긴 방향 중심선(“골”선) 사이의 각도
Figure pat00063
은 29.46˚일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 연결유닛(200)의 구조는 상기 연료전지유닛(100)과 동일할 수 있다. 상기 연결유닛(200)의 집전층(110)의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측으로부터 외경이 상대적으로 큰 타측으로 상기 집전층(110)의 일정범위에 주름관 형상이 형성될 수 있다. 상기 애노드 확산층(120)은 상기 주름관 형상이 형성된 상기 집전층(110)의 일정범위에 주름관 형상으로 권취될 수 있다. 상기 전극막합체층(130)은 상기 애노드 확산층(120) 전체범위를 포함하는 초과범위에 주름관 형상으로 권취될 수 있다. 상기 캐쏘드 확산층(140)은 상기 전극막합체층(130)의 양측으로부터 각각 일정간격 이격되어 형성된 상기 전극막합체층(130)의 일정범위에 주름관 형상으로 권취될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 연결유닛(200)의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 일 연료전지 스택(10)의 양측 중 외경이 상대적으로 큰 일측에 삽입되고, 타 연료전지 스택(10)의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 상기 연결유닛(200)의 양측 중 외경이 상대적으로 큰 타측에 삽입되어 상기 연결유닛이 양 연료전지 스택을 연결할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 연결유닛(200)의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 삽입되는 일 연료전지 스택(10)의 집전층(110)은 상기 연결유닛(200)의 주름관 형상과 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 상기 연결유닛(200)의 전극막합체층(130)에 포함된 전해질막이 이웃한 연료전지 유닛(100)의 전극막합체층(130)에 포함된 전해질막과 열경화에 의해 서로 결합되어 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 연결유닛(200)이 100% 꺽여서 90˚각도로 구부러졌을 때 상기 연료전지 스택(10)의 발전 출력은 10% 감소할 수 있다. 그러나 상기 연결유닛(200)이 90˚각도로 구부러진 상태로 상기 연료전지 스택(10)이 전자기기에 적용되는 경우 기존의 구부러지지 않는 연료전지 스택(10)은 형태의 제약으로 인하여 적용할 수 없었던 소형 전자기기에도 구부러지는 상기 연료전지 스택(10)은 적용될 수 있다. 구부러지는 상기 연료전지 스택(10) 적용 시 소형 전자기기에 적용될 수 있는 연료전지 유닛(100)의 개수는 구부러지지 않는 상기 연료전지 스택(10) 적용 시보다 많을 수 있다. 따라서 상기 소형 전자기기에 적용되는 연료전지 스택(10)의 발전 출력은 구부러지는 연료전지 스택(10)의 경우가 더 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 연료전지 스택(10)에는 기체 연료뿐 아니라 액체 연료도 공급할 수 있다. 액체 연료 공급 시에는 75 wt.%PtRu/C (Pt 50 wt/%, Ru 25 wt.%)의 촉매가 애노드 촉매로 사용될 수 있다. 60 wt.%Pt/C 촉매가 캐쏘드 촉매로 사용될 수 있다. 애노드 촉매로 도포된 촉매의 밀도는 2 mgPtRu/㎠ 일 수 있다. 캐쏘드 촉매로 도포된 촉매의 밀도는 1 mgPt/㎠ 일 수 있다. 나피온 115 이 전해질막으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 관형 고분자 전해질막 연료 전지 스택은, 원뿔대통형 유닛을 기반으로 하여 적층을 하기 쉽고 기존 연료전지의 구성품의 수를 줄이고 부품을 개선하여 작고 가벼운 연료전지 스택을 제작할 수 있다. 또한 주름관 형상을 적용하여 구부릴 수 있고 연료전지 스택의 부피를 줄일 수 있다. 상기 구조는 연료전지뿐만 아니라 유사한 구조를 갖는 전기화학 에너지 저장 및 변환 장치에 적용할 수 있다. 본 연료전지 유닛에는 기체 연료뿐 아니라 액체 연료도 공급될 수 있다. 또한 고분자 전해질막을 이용한 원뿔대통형 유닛 구조, 구부릴 수 있는 연결유닛의 구조 및 이의 관형 스택 구조는 연료전지뿐 아니라 수전해 및
Figure pat00064
전환을 위한 용도로도 사용될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 연료전지 유닛
110 : 집전층
120 : 애노드 확산층
130 : 전극막합체층(MEA)
140 : 캐쏘드 확산층
150 : 말단 집전층
200 : 연결유닛
10 : 연료전지 스택

Claims (13)

  1. 원뿔대통 형상으로 형성되어 서로 직렬 연결되는 복수의 연료전지 유닛;을 포함하고,
    상기 연료전지 유닛의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 인접하는 연료전지 유닛의 양측 중 외경이 상대적으로 큰 타측으로 삽입되어 상기 연료전지 유닛이 서로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 유닛은,
    원뿔대통 형상의 집전층;
    상기 집전층 상에 권취되어 애노드(Anode) 전극에 공급될 기체 또는 액체를 흡수하는 애노드 확산층;
    상기 애노드 확산층 상에 권취되고 전해질막, 애노드 전극 및 캐쏘드(Cathode) 전극을 포함하며 상기 애노드 확산층으로부터 공급된 기체 또는 액체를 상기 애노드 전극에서 이온화하여 상기 전해질막을 통해 상기 캐쏘드 전극으로 이동시키는 전극막합체층; 및
    상기 전극막합체층 상에 권취되어 상기 전해질막을 통하여 상기 캐쏘드 전극으로 공급된 이온과 화학반응할 기체 또는 액체를 흡수하는 캐쏘드 확산층을 포함하는 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 애노드 확산층은 상기 집전층의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측으로부터 외경이 상대적으로 큰 타측으로 상기 집전층의 일정범위에 권취되고,
    상기 전극막합체층은 상기 애노드 확산층 전체범위를 포함하는 초과범위에 권취되며,
    상기 캐쏘드 확산층은 상기 전극막합체층의 양측으로부터 각각 일정간격 이격되어 형성된 상기 전극막합체층의 일정범위에 권취되는 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전해질막은,
    상기 애노드 확산층 및 캐쏘드 확산층으로부터 공급된 기체 또는 액체의 화학반응을 가속하는 촉매가 코팅된 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  5. 제 4항에 있어서,
    일 연료전지 유닛의 전극막합체층에 포함된 전해질막이 타 연료전지 유닛의 전극막합체층에 포함된 전해질막과 열경화에 의해 서로 결합되어 연료전지 유닛이 서로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 연료전지 스택은,
    가장 마지막에 연결되는 연료전지 유닛의 캐쏘드 확산층 상에 권취되어 외부 장치와 연결되는 말단 집전층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 집전층 및 말단 집전층은,
    메쉬(Mesh) 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 애노드 확산층 및 캐쏘드 확산층은,
    벤딩(Bending) 가능한 격자형의 카본 화이버(Carbon Fiber) 막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 연료전지 스택은,
    상기 연료전지 스택의 일 단에 구비되어 인접하는 연료전지 스택을 벤딩가능하게 연결하는 연결유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 연결유닛은,
    벤딩가능한 주름관으로 형성되는 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 연결유닛의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 일 연료전지 스택의 양측 중 외경이 상대적으로 큰 일측에 삽입되고, 타 연료전지 스택의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 상기 연결유닛의 양측 중 외경이 상대적으로 큰 타측에 삽입되어 상기 연결유닛이 양 연료전지 스택을 연결하는 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 연결유닛의 양측 중 외경이 상대적으로 작은 일측이 삽입되는 일 연료전지 스택의 집전층은 상기 연결유닛의 주름관 형상과 동일한 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 연결유닛의 전극막합체층에 포함된 전해질막이 이웃한 연료전지 유닛의 전극막합체층에 포함된 전해질막과 열경화에 의해 서로 결합되어 연결되는 것을 특징으로 하는 관형 고분자 전해질막 연료전지 스택.
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