중앙 냉각 방식의 원통형 고분자 연료전지{Circular Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell with Centre Forced Cooling}

본 발명은 원통형 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 내부에서 발생되는 열분포를 더욱 고르게 할 수 있으며 연료전지 내부로 유입되는 공기의 흐름을 원활하며, 연료전지에서 생성된 물의 배출이 쉬워 에너지 효율이 높은 중앙 냉각 방식의 원통형 고분자 연료전지에 관한 것이다.

고분자전해질 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 solid polymer electrolyte fuel cell(SPEFC), solid polymer fuel cell(SPFC), polymer electrolyte fuel cell(PEFC), 또는 proton-exchange membrane fuel cell(PEMFC) 등의 다양한 이름으로 불리고 있다. 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮은 고분자전해질 연료전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다. 특히 전해질로 고분자막을 사용하므로 전해질 손실이 없고, 기존의 확립된 기술인 수소 개질기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 연료전지 본체 재료로 여러 가지를 사용할 수 있는 동시에, 부피와 무게도 작동원리가 같은 인산 연료전지에 비해 작다. 이러한 특성 이외에도 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 고분자전해질 연료전지는 무공해 차량의 동력원, 현지설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다. 그러나 고분자전해질 연료전지는 낮은 온도에서 작동되므로 폐열을 활용할 수 없고 고온에서 작동되는 개질기와 연계하기가 어렵다는 문제점이 있으며 전극촉매로 Pt를 사용하기 때문에 반응기체 내에서의 CO 허용치가 낮고 제조비용을 줄이기 위해서 촉매 함침량을 크게 낮추어야 하는 한다는 어려움이 있다. 또한 전해질로 사용하는 고분자막의 값이 매우 비싸고 운전 중에 고분자막의 수분함량 조절이 어렵다는 단점이 있다.

고분자전해질 연료전지는 원래 1960 년대에 Gemini 우주선과 같이 특수 목적으로 사용되었으나, 1980 년대 말에 이르러 무공해 차량의 동력원으로 활용될 것이 기대됨에 따라 다시 활기를 찾게 되어 현재 전세계적으로 이에 대한 연구개발이 활발히 진행되어 오고 있다. 특히 Green Round (기후변화협약)를 통한 CO ₂ 의 총량 규제, 저공해 자동차 의무 판매를 통한 자동차 배기가스의 규제 등이 임박해 옴에 따라 각국의 자동차 회사들은 연료전지 자동차와 같은 무공해 자동차의 개발이 급박하게 되었다. 연료전지 자동차는 환경친화성, 연료효율성 및 연료공급 편리성을 겸비한 자동차로서 차세대 자동차 중에서도 가장 실용화의 가능성이 큰 것으로 평가되고 있다. 또한 자동차용 연료전지 시스템이 실용화될 경우 자동차로 인한 환경오염과 에너지 소비문제를 완화시켜 줄 수 있을 뿐만 아니라 건물 및 일부지역의 현지설치형 소규모 발전, 잠수함 및 이동통신 등과 같은 군수용 발전에 곧바로 활용될 수 있다.

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)의 단위전지는 주로 과불소화 술폰산 고분자(perfluorinated sulfonic acid polymer)인 양성자 전도성 고분자 전해질을 중심으로 하여 연료극(anode)과 공기극(cathode)으로 구성된다. 세부구조는 고분자전해질 막에 촉매층(catalyst layer, CL)이 코팅되어있는 촉매코팅 전해질 막(catalyst coated membrane, CCM), 수소 및 산소가스를 전극촉매에 고루 분산시켜주는 가스확산층(gas diffusion layer, GDL) 및 미세기공층(micro-porous layer, MPL), 고분자 전해질 연료전지(PEFC) 스택(stack)에서 연료극(anode), 공기극(cathode)들을 분리하는 분리판(bipolar plate, BP) 등으로 구성되어 있다.

전기화학반응은 연료극 및 공기극 촉매층에서 일어나며, 예를 들어, 연료극에서는 수소가 산화(Hydrogen oxidation reaction, HOR)하여 2개의 수소이온, 2개의 전자가 발생하고 공기극에서는 전해질 막을 통하여 이동되어온 수소이온과 외부회로를 통하여 이동되어온 전자가 산소를 환원시켜 물이 되는 전극 반응에 의하여 전기를 발생시킨다.

종래기술의 연료전지는 스택체결의 압력이 가스 확장층(Gas Diffusion Layer) 과 분리판(bipolar plate)의 접점부분에 가해졌다. 접촉 저항을 줄이기 위해서 높은 체결압력이 필요했다. 그러나, 분리판 유로의 압력 손실과 전기 화학 반응으로 생기는 열의 확장으로 인해서 고르지 않는 열 분포를 가지고 스택 구조으로 인한 높은 열부분(hot spot)으로 인한 연료전지 스택의 수명 단축이라는 문제점이 존재해 왔다. 체적화된 유로와 새로운 디자인으로 일정한 열분포와 가스의 고른 분포를 통해 혁신적인 연료전지 스택의 개발이 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 연료전지 내부에서 발생되는 열분포를 고르게 하여 열관리의 문제점이 해결된 중앙 냉각 방식의 원통형 고분자 연료전지를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 원통형으로 구성하여 판 사이의 접촉저항을 감소시켜 에너지 밀도가 높은 원 중앙 냉각 방식의 원통형 고분자 연료전지를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 중공형의 원판으로 일면에 연료가스 공급유로가 형성되고, 상기 연료가스 공급유로에 연료가스를 공급하기 위한 가스공급부가 형성된 제 1 분리판, 상기 분리판의 연료가스 공급유로가 형성된 면과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스를 전달시키는 음극확산층, 상기 음극확산층과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스의 산화반응과 산소의 환원반응이 일어나는 고분자 전해질 막을 포함하는 멤브레인 층, 상기 멤브레인 층과 대향하도록 형성되며, 상기 멤브레인 층에 산소를 전달시키는 양극확산층 및 중공형의 원판으로 일면에 공기 공급유로가 형성되며, 상기 공기 공급유로가 형성된 면과 상기 양극확산층이 대향하도록 형성되는 제 2 분리판을 포함하는 원통형 연료전지 어셈블리를 제공한다.

상기 연료가스 공급유로는, 상기 중공의 축을 중심으로 상기 제 1 분리판과 동일한 원주방향으로 형성된 적어도 두 개 이상의 연료 유로가 형성될 수 있다.

상기 가스공급부는, 상기 제 1 분리판의 일측에 형성된 적어도 두 개 이상의 홀(hole)일 수 있다.

상기 가스공급부의 홀(hole)은, 상기 제 1 분리판의 외곽에 인접하여 형성되며, 원주방향으로 서로 동일한 거리만큼 이격될 수 있다.

상기 가스공급부는, 상기 홀(hole)과 수직하며 상기 제 1 분리판의 축 방향으로 형성되어, 각각의 상기 유로에 상기 연료가스를 공급하는 가이드유로를 포함할 수 있다.

상기 공기 공급유로는, 상기 제 2 분리판의 축을 중심으로 방사형으로 형성된 적어도 두 개 이상의 공기유로가 형성될 수 있다.

상기 공기 공급유로는, 상기 제 2 분리판의 중공을 통해 공기가 유입될 수 있다.

상기 가스공급부는, 상기 제 1 분리판, 상기 음극확산층, 상기 멤브레인 층, 상기 양극확산층, 상기 제 2 분리판을 관통하여 형성될 수 있다.

상기 제 1 분리판과 상기 음극확산층 사이 및 상기 제 2 분리판과 상기 양극확산층 사이에 형성된 테프론 층을 더 포함할 수 있다.

상기 테프론 층은, 상기 연료가스 및 공기의 흐름을 방해하지 않도록 형성될 수 있다.

상기 제 1 분리판 및 제 2 분리판은, 그라파이트로 형성될 수 있다.

상기 제 1 분리판 및 제 2 분리판은, 원하지 않는 유체가 유입되거나, 유출되는 것을 방지하기 위한 밀봉링을 더 할 수 있다.

또한 본 발명은, 중공형의 원판으로 일면에 연료가스 공급유로가 형성되고, 타면에 공기 공급유로가 형성되며, 상기 연료가스 공급유로에 연료가스를 공급하기 위한 가스공급부가 형성된 제 1 분리판, 상기 분리판의 연료가스 공급유로가 형성된 면과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스를 전달시키는 음극확산층, 상기 음극확산층과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스의 산화반응과 산소의 환원반응이 일어나는 고분자 전해질 막을 포함하는 멤브레인 층, 상기 멤브레인 층과 대향하도록 형성되며, 상기 멤브레인 층에 산소를 전달시키는 양극확산층 및 중공형의 원판으로 일면에 공기 공급유로가 형성되고, 타면에 연료가스 공급유로가 형성되며, 상기 공기 공급유로가 형성된 면과 상기 양극확산층이 대향하도록 형성되는 제 2 분리판을 포함하는 원통형 연료전지 어셈블리를 적어도 두 개 이상 직렬로 적층시키는 원통형 연료전지 스택을 제공한다.

본 발명인 중앙 냉각 방식의 원통형 고분자 연료전지의 일실시예에 따르면, 기존의 직각형태의 유로설계에서 벗어나 유로내부 유체의 마찰을 최소화할 수 있어 연료전지 내부의 열분포를 고르게 할 수 있다.

또한, 원통형 연료전지 어셈블리를 원통형으로 구성하여 분리판과 압축판의 접촉 저항을 더욱 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 어셈블리를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 어셈블리의 제 1 분리판을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 어셈블리의 제 1 분리판 가스공급부의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 어셈블리의 제 2 분리판을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 어셈블리의 제 2 분리판 가스공급부의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 어셈블리의 음극확산층, 멤브레인 층 및 양극확산층이 테프론층과 접합된 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 스택의 조립도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 스택의 사시도이다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 원통형 연료전지 어셈블리 및 원통형 연료전지 스택에 대해 상세하게 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당해 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 함을 밝혀두고자 한다.

또한, 연료전지 어셈블리(assembly)은 연료전지의 단위 셀(cell)을 의미하는 것으로, 연료전지 어셈블리를 다수 결합하여 연료전지 스택(stack)이 형성되는 것으로, 이는 고분자 연료전지의 하위개념임을 밝혀두고자 한다.

본 발명은, 중공형의 원판으로 일면에 연료가스 공급유로가 형성되고, 타면에 공기 공급유로가 형성되며, 상기 연료가스 공급유로에 연료가스를 공급하기 위한 가스공급부가 형성된 제 1 분리판, 상기 분리판의 연료가스 공급유로가 형성된 면과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스를 전달시키는 음극확산층, 상기 음극확산층과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스의 산화반응과 산소의 환원반응이 일어나는 고분자 전해질 막을 포함하는 멤브레인 층, 상기 멤브레인 층과 대향하도록 형성되며, 상기 멤브레인 층에 산소를 전달시키는 양극확산층 및 중공형의 원판으로 일면에 공기 공급유로가 형성되며, 상기 공기 공급유로가 형성된 면과 상기 양극확산층이 대향하도록 형성되는 제 2 분리판을 포함하는 원통형 연료전지 어셈블리를 제공한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 어셈블리에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 어셈블리를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 원통형 연료전지 어셈블리(10)는 제 1 분리판(100), 음극확산층(200), 멤브레인 층(300), 양극확산층(400), 제 2 분리판(500)을 포함할 수 있다.

도 2 및 도 3을 추가적으로 참조하면, 제 1 분리판(100)은 중공형의 원판으로 일면에 연료가스 공급유로(110)가 형성되어 상기 연료가스 공급유로(110)에 연료가스를 공급하기 위한 가스공급부(120)가 형성된다. 상기 제 1 분리판(100)은 상기 연료가스 공급유로(110)는 제 1 분리판(100)의 중공의 축을 중심으로 상기 제 1 분리판(100)과 동심원을 형성하며 지름이 서로 상이하게 형성된다. 이때, 상기 연료가스 공급유로(110)는 적어도 두 개 이상의 연료 유로(111)로 형성된다.

상기 가스공급부(120)는 제 1 분리판(100)의 일측에 형성된 적어도 두 개 이상의 홀(hole)로 형성된다. 상기 가스공급부(120)는 연료가스 공급유로(110)에 연료가스인 수소 또는 메탄가스 등의 연료가 될 수 있는 가스를 공급하며, 상기 가스공급부(120)의 홀(hole)은 상기 제 1 분리판(100)의 외곽에 인접하여 형성되며, 원주방향으로 서로 동일한 거리만큼 이격되어 형성된다. 본 실시예에서 상기 가스공급부(120)는 제 1 분리판(100)의 일측과, 이와 반대방향인 제 1 분리판(100) 타측에 형성된다. 상기 가스공급부(120)는 연료가스 공급유로(110)에 연료가스를 고르게 공급하기 위하여 서로 동일한 거리만큼 이격되어 형성되는 것이 바람직하지만, 이에 제한되지 않는다.

상기 가스공급부(120)는 연료가스를 공급하기 위한 가이드유로(112)를 포함할 수 있다. 상기 가이드유로(112)는 상기 홀(hole)과 수직한 방향으로, 상기 제 1 분리판(100)의 중공의 축 방향을 향하여 형성되고 각각의 연료가스 공급유로(110)에 상기 연료가스를 공급한다.

상기 가이드유로(112)는 제 1 분리판(100)의 외측방향에 비해 제 1 분리판(100)의 내측방향이 좁게 형성된다. 이때, 가스공급부(120)의 홀(hole)은 연료가스 공급유로(110)에 연료가스를 고르게 공급하기 위하여 제 1 분리판(100) 외측에 가깝도록 형성된다.

상기 제 1 분리판(100)에서 공급된 연료가스로 전류를 생산하기 위하여 제 1 분리판(100)의 연료가스 공급유로(110)와 접합하여 형성된 음극확산층(200), 멤브레인 층(300) 및 양극확산층(400)이 순서대로 서로 접하여 형성된다. 상기 음극확산층(200), 멤브레인 층(300) 및 양극확산층(400)은 서로 인접하여 형성되며, 중공형의 원판으로 형성된다. 상기 음극확산층(200), 멤브레인 층(300) 및 양극확산층(400) 또한 제 1 분리판(100)과 동일한 형상으로 가스공급부(120)의 연료가스가 이동하기 위한 적어도 두 개 이상의 홀(hole)이 형성된다. 상기 음극확산층(200), 멤브레인 층(300) 및 양극확산층(400)은 제 2 분리판(500)을 설명한 후, 더욱 상세하게 설명한다.

도 4 및 도 5를 추가적으로 참조하면, 제 2 분리판(500) 또한 제 1 분리판(100), 음극확산층(200), 멤브레인 층(300) 및 양극확산층(400)과 동일한 형상인 중공형의 원판으로 일면에 공기 공급유로(510)가 형성되며, 상기 공기 공급유로(510)가 형성된 면과 상기 양극확산층(400)이 대향하도록 형성된다. 상기 공기 공급유로(510)는 상기 제 2 분리판(500) 중공의 축을 중심으로 방사형으로 형성된 적어도 두 개 이상의 공기 공급유로(510)가 형성된다. 상기 공기 공급유로(510)는 제 2 분리판(500)의 중공방향에서 제 2 분리판(500)의 외부로, 또는 제 2 분리판(500)의 외부에서 제 2 분리판(500)의 중공방향으로 유체가 흐를 수 있도록 형성된다. 제 2 분리판(500) 또한 가스공급부(120)의 홀(hole)이 형성되며, 상기 가스공급부(120)의 홀(hole)을 통해 연료가스가 공기 공급유로(510)로 유입되는 것을 방지하기 위한 밀봉링(530)을 포함할 수 있다. 상기 밀봉링(530)은 오링(O-ring)으로, 제 2 분리판(500)의 밀봉홈(520)에 장착될 수 있다.

양극판(bipolar plate) 또는 유로판 (flow field plate)으로 불리는 제 1 분리판(100) 및 제 2 분리판(500)은 연료전지 스택의 핵심부품으로서 연료전지 스택의 한쪽 면에는 양극(anode)용 가스유로가, 다른 쪽 면에는 음극(cathode)용 연료가스 유로가 형성되 있는 전기전도성 판이다. 제 1 분리판(100) 및 제 2 분리판(500)은 양극(anode) 및 음극(cathode) 쪽으로 각각 연료와 산화제를 공급해주는 통로를 제공해 주는 동시에, 전지운전 중에 생기는 물을 제거해주는 통로 역할을 한다. 따라서 분리판 재료는 전기전도도가 높고, 기체투과도가 낮으며, 기계적 강도가 우수하고, 화학적으로 안정해야 하며, 가벼운 재료가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 그라파이트가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

음극확산층(200) 및 양극확산층(400)은 멤브레인 층(300)으로 연료가스 및 산화제를 확산시켜 멤브레인 층(300)으로 연료가스 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 음극확산층(200) 및 양극확산층(400)로는 도전성 기재를 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbonfelt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한 상기 음극확산층(200) 및 양극확산층(400)은 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylenepropylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.

상기 멤브레인 층(300)은 CCM(Catalyst Coated Membrane)일 수 있으며, 상기 음극확산층(200) 과 양극확산층(400) 사이에 형성되고, 상기 수소의 산화반응과 상기 산소의 환원반응이 일어나는 부분이다.

상기 멤브레인 층(300)은 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다.

바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 수소이온 전도성 고분자를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(mphenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자� � 사용할 수 있다.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 멤브레인 층(300)은 촉매층(Catalyst Layer)을 포함할 수 있으며, 상기 촉매층(미도시)은 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 촉매를 포함한다.

상기 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수 도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.

상기 촉매층(미도시)은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수 있다.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 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) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자� �� 포함하는 것을 사용할 수 있다.

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산, 소르비톨(Sorbitol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 원통형 연료전지 어셈블리(10)는 제 1 분리판(100)과 음극확산층(200) 사이에 형성된 제 1 테프론층(610) 및 양극확산층(400)과 제 2 분리판(500) 사이에 형성된 제 2 테프론층(620)을 더 포함할 수 있다. 양극확산층(400)과 접합된 제 2 테프론층(620)은 도 6에 도시하였으며, 상기 제 1 테프론층(610) 및 제 2 테프론층(620)은 테프론(Teflon)으로 형성될 수 있다. 테프론(Teflon)은 미국 듀퐁사제로 폴리불화에틸렌계 합성섬유의 상품명으로, 테트라플루오로에틸렌의 유화중합에 의해 미분 상으로 얻을 수 있다. 미분체를 가열, 가압하여 제품으로 하나, 성형도 가능하며, 내약품성이 뛰어나고 넓은 온도범위에서도 특성이 변화하지 않는 특징이 있다. 또한, 불연성이고 내후성도 좋으며, 비점착성으로 마찰계수가 작고, 전기특성도 양호하며, 내약품성이 뛰어나 넓은 온도범위(약 -50~260℃)에서 사용할 수 있는 물질이다. 상기 원통형 연료전지 어셈블리(10)의 음극확산층(200), 멤브레인 층(300) 및 양극확산층(400)은 약한 물질로 구성되어 이를 위해 상기 제 1 테프론층(610) 및 제 2 테프론층(620)이 형성된다. 상기 상기 제 1 테프론층(610) 및 제 2 테프론층(620)은 음극확산층(200), 멤브레인 층(300) 및 양극확산층(400)을 지지하는 역할을 하면서 가열가압되며, 이에 따라 음극확산층(200)과 멤브레인 층(300) 및 멤브레인 층(300)과 양극확산층(400)은 더욱 접합력이 향상될 수 있다.

또한 본 발명은, 중공형의 원판으로 일면에 연료가스 공급유로가 형성되고, 타면에 공기 공급유로가 형성되며, 상기 연료가스 공급유로에 연료가스를 공급하기 위한 가스공급부가 형성된 제 1 분리판, 상기 분리판의 연료가스 공급유로가 형성된 면과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스를 전달시키는 음극확산층, 상기 음극확산층과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스의 산화반응과 산소의 환원반응이 일어나는 고분자 전해질 막을 포함하는 멤브레인 층, 상기 멤브레인 층과 대향하도록 형성되며, 상기 멤브레인 층에 산소를 전달시키는 양극확산층 및 중공형의 원판으로 일면에 공기 공급유로가 형성되고, 타면에 연료가스 공급유로가 형성되며, 상기 공기 공급유로가 형성된 면과 상기 양극확산층이 대향하도록 형성되는 제 2 분리판을 포함하는 원통형 연료전지 어셈블리를 적어도 두 개 이상 직렬로 적층시키는 원통형 연료전지 스택을 제공한다.

이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 스택에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 스택의 조립도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 스택의 사시도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 스택(20)은 제 1 분리판(100), 음극확산층(200), 멤브레인 층(300), 양극확산층(400), 제 2 분리판(500)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 원통형 연료전지 스택(20)은 상기 제 1 분리판(100), 음극확산층(200), 멤브레인 층(300), 양극확산층(400), 제 2 분리판(500)을 포함하는 원통형 연료전지 어셈블리(10)를 적어도 두 개 이상 차례대로 적층시키며, 상기 적층된 적어도 두 개 이상의 원통형 연료전지 어셈블리(10)의 양측에 상기 적어도 두 개 이상의 원통형 연료전지 어셈블리(10)를 고정시키기 위한 고정부(800)가 형성된다. 이때, 상기 제 1 분리판(100) 및 제 2 분리판(500)은 중공형의 원판으로 일면에 연료가스 공급유로가 형성되고, 타면에 공기 공급유로가 형성되며, 공급유로에 연료가스를 공급하기 위한 가스공급부가 형성된 동일한 형상을 가진다. 따라서, 음극확산층(200), 멤브레인 층(300) 및 양극확산층(400) 사이에 하나의 분리판을 적층시켜 원통형 연료전지 스택(20)을 제조하는 것이 가능하다. 또한, 제 2 분리판(500) 및 양극확산층(400) 사이에 밀봉을 위한 밀봉링(700)을 더 포함할 수 있다.

고정부(800)는 적어도 두 개 이상의 원통형 연료전지 어셈블리(10)를 고정시킬 수 있으며, 이를 통해 모듈화 된 원통형 연료전지 스택(20)이 제공된다. 상기 고정부(800)는 적어도 두 개 이상의 원통형 연료전지 어셈블리(10)에 공기를 공급하기 위하여 중공부(810)가 형성되며, 상기 중공부(610)에 공기를 주입하여 공기 공급유로에 공기가 유입된다. 또한, 상기 고정부(800)는 가스공급부(120)의 홀(hole)이 형성되어 상기 고정부(800)를 관통하여 연료가스가 연료가스 공급유로로 공급된다.

상기와 같이 공기 공급유로가 방사형으로 형성되어 연료전지 어셈블리(10)의 내부에서 형성된 물이 외부로 잘 배출되고, 종래의 직각의 유로에서 벗어나 유로 내에서 유체의 마찰을 최소화 할 수 있으며, 원통형 연료전지 스택(20)의 중공을 통해 공기가 유입되어 원통형 연료전지 스택(20)의 외부로 공기가 배출되는 구조로 원통형 연료전지 스택(20)의 열분포를 더욱 고르게 할 수 있다. 또한, 종래의 직사각형 모양 대신 원통형으로 구성하여 각각의 구성판들의 접촉저항을 더욱 감소시킬 수 있다.

10: 연료전지 어셈블리
20: 연료전지 스택
100: 제 1 분리판
200: 음극확산층
300: 멤브레인 층
400: 양극확산층
500: 제 2 분리판