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KR20050108047A - 연료전지 - Google Patents

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KR20050108047A
KR20050108047A KR1020040033084A KR20040033084A KR20050108047A KR 20050108047 A KR20050108047 A KR 20050108047A KR 1020040033084 A KR1020040033084 A KR 1020040033084A KR 20040033084 A KR20040033084 A KR 20040033084A KR 20050108047 A KR20050108047 A KR 20050108047A
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KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
anode
fuel cell
cathode
oxidant
Prior art date
Application number
KR1020040033084A
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English (en)
Inventor
권경중
오세영
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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.)
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Publication date
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Priority to KR1020040033084A priority Critical patent/KR20050108047A/ko
Priority to CNA2005100057759A priority patent/CN1697222A/zh
Priority to US11/075,869 priority patent/US20050255371A1/en
Priority to JP2005139001A priority patent/JP2005327726A/ja
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Abstract

본 발명은 전극 촉매층의 촉매 이용률의 저하를 방지할 수 있는 새로운 구조을 갖는 연료전지를 제공한다. 본 발명의 연료전지에 있어서는, 전극이 분리판의 유로를 따라서 존재하고, 분리판의 지주부를 따라서는 존재하지 않기 때문에, 전극의 모든 부분에 있어서 물질전달 사각지대(dead zone)가 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 연료전지에 있어서, 전극의 촉매 이용률은 극대화된다.

Description

연료전지{Fuel cell}
본 발명은, 애노드, 캐소드, 전해질막 및 분리판을 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는, 발전 효율이 높으며 환경친화적이기 때문에, 차세대 에너지 전환 장치로서 각광 받고 있다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 폴리머 전해질막 연료전지 (PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료전지 (PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지 (SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분될 수 있다.
이러한 연료전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라, 작동온도, 구성 부품의 재질 등을 달리하지만, 공통적으로 도 1과 같은 기본적인 구조를 갖는다. 도 1은 통상적인 연료전지의 부분단면을 개략적으로 보여주는 도면이다.
이하에서는 도 1을 참조하여 연료전지의 작동원리를 설명한다. 분리판(100)은 애노드(200)에 공급되는 연료의 흐름을 위한 통로인 연료유로(110)를 갖고 있다. 연료로서는, 예를 들면, 수소, 천연가스와 스팀의 혼합증기, 메탄올 수용액 또는 메탄올과 물의 혼합증기가 사용된다. 연료유로(110)를 따라 흐르는 연료는 애노드(200)로 확산된다. 애노드(200)는 다공성이며 촉매를 함유하고 있다. 애노드에 확산되어 들어간 연료는 촉매와 접촉하여 소정의 전기화학반응을 거치게 된다. 분리판(500)은 캐소드(400)에 공급되는 산화제의 흐름을 위한 통로인 산화제유로(510)를 갖고 있다. 산화제로서는, 예를 들면, 산소, 공기, 또는 산소(또는 공기)와 이산화탄소의 혼합물이 사용된다. 산소(또는 공기)와 이산화탄소의 혼합물은 주로 용융탄산염 연료전지의 산화제로서 사용된다. 산화제유로(510)를 따라 흐르는 산화제는 캐소드(400)로 확산된다. 캐소드(400)는 다공성이며 촉매를 함유하고 있다. 캐소드에 확산되어 들어간 산화제는 촉매와 접촉하여 소정의 전기화학반응을 거치게 된다. 전해질층(300)은, 애노드(200)에서 생성된 이온을 캐소드(400)로 전달하거나, 또는, 캐소드(400)에서 생성된 이온을 애노드(200)로 전달하는 이온전도체의 기능을 한다. 애노드(200)에서 생성된 전자(electron)는 외부회로로 공급된 후 캐소드(400)로 복귀한다.
여러가지 종류의 연료전지의 애노드 및 캐소드의 전기화학반응은 다음과 같다.
<SOFC>
애노드 : H2 + O-2 -----> H2O + 2 e-
캐소드 : 2 e- + 1/2 O2 -----> O-2
<MCFC>
애노드 : H2 + CO3 -2 -----> H2O + CO2 + 2 e -
캐소드 : 1/2 O2 + CO2 + 2 e- -----> CO3 -2
<PAFC 및 PEMFC>
애노드 : H2 -----> 2 H+ + 2 e-
캐소드 : 2 H+ + 1/2 O2 -----> H2O
<DMFC>
애노드 : CH3OH + H2O -----> CO2 + 6 H+ + 6 e-
캐소드 : 6 H+ + 3/2 O2 + 6 e- -----> 3 H2O
도 1과 같은 연료전지의 구조에 있어서, 각 분리판의 유로를 따라 흐르는 반응물이 각 전극에 확산되는 개념도를 도 2에 나타내었다.
대부분의 연료전지에 있어서, 전극은 확산층과 촉매층으로 이루어진다. 확산층은 전자전도성과 다공성을 갖는 재료로 이루어진다. 일반적으로 확산층의 기공은 촉매층의 기공 보다 크다. 도 2를 보면, 애노드(200)는 확산층(210)과 촉매층(220)으로 이루어져 있다. 도 2에는 애노드(200) 만이 보이지만, 캐소드 역시 같은 구조를 갖는다.
확산층(210)은, 연료유로(110)의 바로 아래에 있는 촉매층의 부분 뿐만아니라 분리판(100)의 지주부(supporting portion)(120)의 아래에 있는 촉매층의 부분에도, 연료가 원활하게 공급될 수 있도록 하기 위한 통로를 제공한다. 또한, 확산층(210)은, 연료유로(110)의 바로 아래에 있는 촉매층의 부분 뿐만아니라 분리판(100)의 지주부(supporting portion)(120)의 아래에 있는 촉매층의 부분에서 생성된 생성물이 유로(110)까지 원활하게 배출될 수 있도록 하기 위한 통로를 제공한다.
그러나, 이러한 확산층의 존재에도 불구하고, 연료유로(110)의 바로 아래에 있는 촉매층의 부분과 분리판의 지주부(120)의 아래에 있는 촉매층의 부분에 대한 물질전달속도는 다를 수 밖에 없다. 도 2에 있어서, 경로 a 및 c는 분리판의 지주부(120)의 아래에 있는 촉매층의 부분에 대한 물질전달 경로를 나타내며, 경로 b는 연료유로(110)의 바로 아래에 있는 촉매층의 부분에 대한 물질전달 경로를 나타낸다. 직관적으로 알 수 있는 바와 같이, 경로 a 및 c는 경로 b 보다 길다. 따라서, 경로 a 및 c를 따르는 물질전달속도는 경로 b를 따르는 물질전달속도 보다 느리다.
그리하여, 분리판의 지주부(120)의 아래에 있는 촉매층의 부분의 전류밀도는 연료유로(110)의 바로 아래에 있는 촉매층의 부분의 전류밀도 보다 낮아지게 된다. 이는, 분리판의 지주부(120)의 아래에 있는 촉매층의 촉매 이용률이 저하된다는 것을 의미한다. 촉매 이용률의 저하는 고가의 촉매의 낭비를 의미하며, 연료전지의 제작단가를 상승시키는 중요한 요인이 된다. 이러한 현상은 캐소드에 대해서도 마찬가지로 발생한다.
본 발명은 전극 촉매층의 촉매 이용률의 저하를 방지할 수 있는 새로운 구조을 갖는 연료전지를 제공한다.
본 발명에서는,
애노드; 캐소드; 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 위치하는 전해질막; 일면에 애노드에 연료를 공급하기 위한 연료-플로우필드가 형성되어 있는 분리판; 및 일면에 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 산화제-플로우필드가 형성되어 있는 분리판을 포함하며, 상기 연료-플로우필드는 연료-유로부와 지주부를 포함하고 있고, 상기 산화제-플로우필드는 산화제-유로부와 지주부를 포함하고 있는 연료전지에 있어서,
상기 애노드가 상기 연료-유로부의 패턴과 일치하는 패턴을 갖고 있거나, 상기 캐소드가 상기 산화제-유로부의 패턴과 일치하는 일치하는 패턴을 갖고 있거나, 또는, 상기 애노드 및 상기 캐소드가 각각 상기 연료-유로부의 패턴 및 상기 산화제-유로부의 패턴과 일치하는 패턴을 갖고 있는 연료전지를 제공한다.
본 발명의 연료전지에 있어서, 전극이 분리판의 유로를 따라서 존재하고, 분리판의 지주부를 따라서는 존재하지 않기 때문에, 전극의 모든 부분에 있어서 물질전달 사각지대(dead zone)가 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 연료전지에 있어서, 전극의 촉매 이용률은 극대화된다.
본 발명에 있어서, 분리판(separator or separating plate)이라는 용어는, 바이폴라 플레이트 (bipolar plate), 엔드 플레이트 (end plate) 및 냉각 플레이트 (cooling plate)를 포괄하는 의미로서 사용된다.
당해 기술 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 바이폴라 플레이트는 연료 및 공기가 흐르는 유로(channel)를 구비하고 있으며, MEA(membrane-electrode assembly) 간의 전자이동을 위한 전자전도체역할을 한다. 일반적으로, 바이폴라 플레이트는, 연료와 공기를 분리할 수 있도록 비다공성이며, 전기전도성이 우수하고, 연료전지를 클램핑(clamping)하는 힘을 견딜 정도의 충분한 기계적 강도를 가지며, 내부식성을 갖는다. 당해 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 엔드 플레이트는, 그 일면에만 연료 또는 산화제를 위한 유로가 형성되어 있는 전자전도성 판재로서, 연료전지 스택의 양 말단에 위치하는 MEA에 부착된다. 당해 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 냉각 플레이트는, 그 일면에는 연료 또는 산화제를 위한 유로가 형성되어 있고 다른 면에는 냉각유체를 위한 유로가 형성되어 있는, 전자전도성 판재이다. 본 발명에 있어서, 특별한 표시가 없는 한, 분리판은 바이폴라 플레이트, 엔드 플레이트 및 냉각 플레이트를 포괄하는 넓은 의미로서 사용된다.
본 발명에 있어서, 플로우 필드 (flow field)라는 용어는 유로와 지주부가 모여있는 분리판의 표면영역(surface region)을 의미한다. 유로는, 전극의 반응물 또는 생성물의 공급 및 배출을 위한 통로역할을 하는 것으로서, 분리판의 표면에 파인 홈이다. 지주부는 유로 사이에 위치하며 MEA를 지지하는 부분이다.
본 발명의 연료전지에 있어서, 애노드, 또는 캐소드, 또는 애노드 및 캐소드는, 분리판의 플로우 필드의 전체 면적을 덮은 쉬트형태를 갖는 것이 아니라, 분리판의 플로우 필드의 유로부의 면적에 해당하는 소정의 패턴을 갖는다.
본 발명의 연료전지의 일 구현예에 있어서, 상기 애노드는 상기 연료-플로우필드의 유로부의 패턴과 일치하는 윤곽을 갖고 있고, 상기 연료-플로우필드의 지주부는 상기 전해질막과 접촉하고 있으며, 그에 따라, 상기 애노드는 연료-플로우필드의 유로부 내로 인입되어 있고, 상기 애노드의 에지는 상기 연료-플로우필드의 지주부와 접촉하고 있거나,
또는, 상기 캐소드가 상기 산화제-플로우필드의 유로의 패턴과 일치하는 윤곽을 갖고 있고, 상기 산화제-플로우필드의 지주부는 상기 전해질막과 접촉하고 있으며, 그에 따라, 상기 애노드는 상기 산화제-플로우필드의 유로부 내로 인입되어 있고, 상기 애노드의 에지는 상기 산화제-플로우필드의 지주부와 접촉하고 있거나,
또는, 상기 애노드는 상기 연료-플로우필드의 유로부의 패턴과 일치하는 윤곽을 갖고 있고, 상기 연료-플로우필드의 지주부는 상기 전해질막과 접촉하고 있으며, 그에 따라, 상기 애노드는 연료-플로우필드의 유로부 내로 인입되어 있고, 상기 애노드의 에지는 상기 연료-플로우필드의 지주부와 접촉하고 있으며, 또한, 상기 캐소드가 상기 산화제-플로우필드의 유로의 패턴과 일치하는 윤곽을 갖고 있고, 상기 산화제-플로우필드의 지주부는 상기 전해질막과 접촉하고 있으며, 그에 따라, 상기 애노드는 상기 산화제-플로우필드의 유로부 내로 인입되어 있고, 상기 애노드의 에지는 상기 산화제-플로우필드의 지주부와 접촉할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 기술적 사상은 애노드 또는 캐소드의 어느 한쪽에만 적용될 수 있으며, 또는, 애노드 및 캐소드 양쪽에 적용될 수도 있다. 도 3은 본 발명의 기술적 사상이 애노드와 캐소드 양쪽에 적용된 연료전지의 구현예의 단면도를 보여준다. 도 3의 구현예에 나타나 있는 분리판은 엔드 플레이트 유형의 분리판이다.
도 3을 보면, 전해질층(300)의 일면에 애노드(2000)가 부착되어 있고, 다른 면에는 캐소드(4000)가 부착되어 있다. 애노드측 분리판(100)은 애노드(2000) 위를 덮고 있다. 애노드(2000)는 분리판(100)의 유로부(110)에 맞추어져 있고, 애노드(2000)는 유로부(110) 내로 인입되어 있다. 애노드(2000)의 에지는 지주부(120)의 측면과 접촉하고 있고, 이러한 접촉은 분리판(100)과 애노드(2000)의 전기적 연결을 제공한다. 마찬가지로, 캐소드측 분리판(500)은 캐소드(4000) 위를 덮고 있다. 캐소드(4000)는 분리판(500)의 유로부(510)에 맞추어져 있고, 캐소드(4000)는 유로부(510) 내로 인입되어 있다. 캐소드(4000)의 에지는 지주부(520)의 측면과 접촉하고 있고, 이러한 접촉은 분리판(500)과 캐소드(4000)의 전기적 연결을 제공한다.
양 분리판의 지주부(120, 520)는 전해질층(300)과 접촉하고 있다. 이러한 지주부와 전해질층의 접촉은 개스타이트씰(gas-tight seal)을 제공할 수도 있다. 도 3의 구현예에는 연료전지의 주변부가 생략되어 있지만, 일반적으로 연료전지의 주변부에는 소정의 개스타이트씰 구조가 설치되어 있다. 그러나, 본 발명의 연료전지는, 지주부와 전해질층의 접촉에 의한 개스타이트씰이 형성되기 때문에, 별도의 개스타이트씰 구조를 반드시 필요로 하지 않을 수도 있다.
도 3의 구현예에서는 연료유로부(110)와 산화제유로부(510)가 같은 방향으로 형성되어 있는 것으로 나타나 있으나, 본 발명의 다른 구현예에서는, 연료-유로부(110)와 산화제-유로부(510)는 다른 방향으로 형성되어 있을 수도 있다.
도 4a는, 본 발명에 사용되는 분리판의 평면도로서, 유로 패턴의 일예를 보여준다. 도 4b는, 전극의 평면도로서, 도 4a의 분리판과 짝을 이루는 전극 패턴의 예를 보여준다. 도 4a의 분리판에는, 빗금으로 표시된 지주부(120)와 공백으로 표시된 유로부(110)가 모여있는, 병렬흐름 유형의 플로우 필드가 형성되어 있다. 이러한 분리판과 짝을 이루는 전극의 패턴을 도 4b에 나타냈다. 도 4b에서, 빗금으로 표시된 전극(2000)은, 전해질층(300) 위에 부착되어 있으며, 평행하게 배치된 띠 형태를 갖고 있다.
도 5a는, 본 발명에 사용되는 분리판의 다른 예의 평면도로서, 직렬흐름 유형의 유로 패턴을 보여준다. 도 5b는, 전극의 다른 예의 평면도로서, 도 5a의 분리판과 짝을 이루는 전극 패턴의 예를 보여준다. 도 5a의 분리판에는, 빗금으로 표시된 지주부(120)와 공백으로 표시된 유로부(110)가 모여있는, 직렬흐름 유형의 플로우 필드가 형성되어 있다. 이러한 분리판과 짝을 이루는 전극의 패턴을 도 5b에 나타냈다. 도 5b에서, 빗금으로 표시된 전극(2000)은, 전해질층(300) 위에 부착되어 있으며, 구불거리는 연속띠 형태를 갖고 있다.
도 4a 및 5a에 나타낸 유로 패턴은 예에 불과하고 기타 다양한 유형의 유로 패턴이 사용될 수 있으며, 그러한 다양한 유로 패턴 및 그에 상응하는 전극 패턴이 적용된 연료전지들 역시 본 발명의 범위에 속한다.
도 6은, 본 발명의 연료전지가 적층되어 이루어진, 엔드 플레이트, 바이폴라 플레이트, 쿨링 플레이트가 포함된 연료전지스택을 보여준다. 도 6에서, 분리판은 엔드 플레이트(100, 500), 바이폴라 플레이트 (600), 쿨링 플레이트 (710, 720)로 나타나 있다.
바이폴라 플레이트 유형의 분리판(600)에 있어서, 그 일면에는 애노드에 연료를 공급하기 위한 연료-플로우필드가 형성되어 있고, 그 반대 면에는 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 산화제-플로우필드가 형성되어 있다.
달리 표현하면, 바이폴라 플레이트 유형의 분리판(600)은, 일면에 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 산화제-플로우필드를 갖고 있고, 그 반대 면 애노드에 연료를 공급하기 위한 연료-플로우필드를 갖고 있다.
쿨링 플레이트 유형의 분리판(720)은, 일면에 애노드에 연료를 공급하기 위한 연료-플로우필드를 갖고 있고, 그 반대 면에는 냉각매체의 흐름을 위한 냉각매체-플로우필드를 갖고 있다.
쿨링 플레이트 유형의 분리판(710)은, 일면에 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 산화제-플로우필드를 갖고 있고, 그 반대 면에 냉각매체의 흐름을 위한 냉각매체-플로우필드를 갖고 있다.
본 발명의 연료전지의 일부 구현예에 있어서, 애노드 및 캐소드가 분리판의 유로부 내에만 존재하므로, 애노드 및 캐소드가 기체확산층을 반드시 포함할 필요는 없다. 따라서, 상기 애노드 및 상기 캐소드는 촉매층으로만 이루어져 있을 수도 있다.
이와 달리, 본 발명의 연료전지의 또 다른 구현예에서는, 상기 애노드 및 상기 캐소드가 촉매층과 기체투과층을 포함할 수도 있다. 기체투과층은 전해질층에 부착되어 있는 전극의 촉매층의 유로쪽 표면에 부착된다. 기체투과층은, 촉매층 구성재료가 유실될 가능성을 예방하기 위하여, 촉매층을 피복하는 역할을 한다. 기체투과층의 재료로서는, 예를 들면, 카본페이퍼, 카본섬유, 금속망 등과 같은 전기전도성 기체투과막이 사용될 수 있다.
상기 기체투과층은 유로부와 지주부를 모두 덮는 쉬트형태일 수도 있다. 이 경우에, 조립된 연료전지 내에서, 상기 기체투과층은 유로부의 패턴의 형태를 갖는 요부와 지주부의 패턴의 형태를 갖는 철부를 갖게 된다. 또한, 이 경우에, 상기 기체투과층은 전기전도성을 가져야 한다.
본 발명의 연료전지의 분리판, 애노드, 캐소드 및 전해질층의 재료로서는 연료전지에 기술분야에서 공지된 모든 재료가 사용될 수 있으므로, 여기에서는 더 이상 자세히 설명하지 않는다.
본 발명의 연료전지의 제조에 있어서, 통상적인 연료전지 제조법이 그대로 적용될 수 있다. 다만, 전해질층 위에 유로부 형태의 전극을 프린팅(printing)하는 단계가 추가된다.
이하에서는, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 실시예로 제한되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1 ----- PEMFC의 제조
먼저, 연료-플로우필드를 갖는 분리판과 산화제-플로우필드를 갖는 분리판을 제작하였다. 분리판의 재료로서는 비다공성 그래파이트 플레이트가 사용되었다. 연료-플로우필드와 산화제-플로우필드는 도 4a와 같은 병렬흐름 구조이었다. 유로(110)의 폭과 깊이, 지주부(120)의 폭과 높이는 762 mm로 전부 같았다.
5 중량% Nafion 분산액 (Aldrich사 제품) 40 g 과 Pt/C촉매(죤슨매티사 제품, 백금함량 20 중량%) 3 g 을 혼합하였다. 이렇게 얻은 혼합물에, 15 g의 물과 60 g의 글리세롤을 첨가하여 촉매층 잉크를 제조하였다.
블랭크(테프론 필름) 위에, 연료-플로우필드의 패턴을 갖는 테프론 마스크를 씌운 뒤, 촉매층 잉크를 페인팅법으로 코팅하였다. 또 다른 블랭크 위에, 산화제-플로우필드의 패턴을 갖는 마스크를 씌운 뒤, 촉매층 잉크를 코팅하였다. 이렇게 촉매층이 코팅된 블랭크를 135 ℃의 오븐에서 1 시간 동안 건조하였다.
그 다음에, 연료-플로우필드의 패턴을 갖는 촉매층이 부착된 블랭크, 산화제-플로우필드의 패턴을 갖는 촉매층이 부착된 블랭크를 전해질막(듀퐁사의 Nafion 117)의 양면에, 핫-프레싱(hot-pressing) 방법으로 부착시켰다. 이때, 촉매층들이 전해질막과 접촉하도록 하였다. 핫-프레싱의 공정조건은, 125 ℃의 온도, 80 atm의 압력, 90 초의 가압시간이었다. 그리고 나서, 블랭크를 벗겨내므로써 MEA를 제조하였다.
이렇게 얻은 MEA의 양면에 분리판을 부착하므로써 단위전지를 완성하였다. 이때, 연료-플로우필드의 패턴을 갖는 촉매층에 연료-플로우필드를 갖는 분리판을 설치하였고, 산화제-플로우필드의 패턴을 갖는 촉매층에 산화제-플로우필드를 갖는 분리판을 위치시켰다. 연료-플로우필드의 패턴을 갖는 촉매층이 애노드이고, 산화제-플로우필드의 패턴을 갖는 촉매층이 캐소드이다. 각 촉매층은 각 플로우필드의 유로부에 맞추어 졌다.
비교예 1 ----- PEMFC
촉매층 잉크를, 마스크를 사용하지 않고, 블랭크의 전면에 코팅한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 단위전지를 제작하였다. 따라서, 비교예 1에 있어서 전극은, 유로부의 패턴과 같은 패턴을 갖지 않고, 유로부와 지주부를 모두 덮는 쉬트(sheet) 형태이었다.
실시예 1의 단위전지와 비교예 1의 단위전지의 전극은 촉매층으로만 이루어져 있다. 실시예 1의 단위전지의 전극의 실제 면적과 비교예 1의 단위전지의 전극의 실제 면적은 다르지만, 실시예 1의 단위전지의 전극의 단위면적당 촉매사용량과 비교예 1의 단위전지의 전극의 단위면적당 촉매사용량은 0.35 mg/cm2 으로서 동일하였다.
<평가결과>
80 ℃의 작동온도에서, 연료로서 수소(상대습도 100%)를 사용하고, 산화제로서 공기(상대습도 50%)를 사용하여, 실시예 1과 비교예 1의 단위전지를 작동시켰다. 실시예 1의 단위전지와 비교예 1의 단위전지의 성능곡선을 도 7에 나타내었다.
도 7에 나타난 바와 같이, 동일한 전지전압에서, 실시예 1의 전류밀도가 비교예 1의 전류밀도 보다 매우 높다. 이러한 결과로부터, 본 발명의 연료전지는 매우 향상된 촉매 이용률을 갖는다는 것을 알 수 있다. 역으로, 본 발명의 연료전지는, 기존의 연료전지 보다 작은 양의 촉매를 사용하더라도, 동일한 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 연료전지에 있어서, 전극이 분리판의 유로를 따라서 존재하고, 분리판의 지주부를 따라서는 존재하지 않기 때문에, 전극의 모든 부분에 있어서 물질전달 사각지대(dead zone)가 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 연료전지에 있어서, 전극의 촉매 이용률은 극대화된다. 또한, 본 발명의 연료전지는, 지주부와 전해질층의 접촉에 의한 개스타이트씰이 형성되기 때문에, 별도의 개스타이트씰 구조를 반드시 필요로 하지 않을 수도 있다.
도 1은, 종래의 연료전지의 기본적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는, 도 1의 기본적인 구조를 갖는 연료전지의 반응물 확산 경로를 나타내는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 4a는, 본 발명의 연료전지에 사용되는 분리판의 예를 나타내는 평면도이다.
도 4b는, 본 발명의 연료전지에 사용되는 전극의 예를 나타내는 평면도이다.
도 5a는, 본 발명의 연료전지에 사용되는 분리판의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 5b는, 본 발명의 연료전지에 사용되는 전극의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 6은, 본 발명의 연료전지를 적층하여 얻은 연료전지스택의 일 구현예를 나타내는 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지와 비교예에 따른 연료전지의 성능을 비교하는 그래프이다.

Claims (8)

  1. 애노드; 캐소드; 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이에 위치하는 전해질막; 일면에 애노드에 연료를 공급하기 위한 연료-플로우필드가 형성되어 있는 분리판; 및 일면에 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 산화제-플로우필드가 형성되어 있는 분리판을 포함하며, 상기 연료-플로우필드는 연료-유로부와 지주부를 포함하고 있고, 상기 산화제-플로우필드는 산화제-유로부와 지주부를 포함하고 있는 연료전지에 있어서,
    상기 애노드가 상기 연료-유로부의 패턴과 일치하는 패턴을 갖고 있거나, 상기 캐소드가 상기 산화제-유로부의 패턴과 일치하는 일치하는 패턴을 갖고 있거나, 또는, 상기 애노드 및 상기 캐소드가 각각 상기 연료-유로부의 패턴 및 상기 산화제-유로부의 패턴과 일치하는 패턴을 갖고 있는 연료전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 일면에 애노드에 연료를 공급하기 위한 연료-플로우필드가 형성되어 있는 분리판이, 그 반대 면에 위치하는, 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 산화제-플로우필드를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 일면에 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 산화제-플로우필드가 형성되어 있는 분리판이, 그 반대 면에 위치하는, 애노드에 연료를 공급하기 위한 연료-플로우필드를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 일면에 애노드에 연료를 공급하기 위한 연료-플로우필드가 형성되어 있는 분리판이, 그 반대 면에 위치하는, 냉각매체의 흐름을 위한 냉각매체-플로우필드를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 일면에 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 산화제-플로우필드가 형성되어 있는 분리판이, 그 반대 면에 위치하는, 냉각매체의 흐름을 위한 냉각매체-플로우필드를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 및 상기 캐소드가 촉매층으로만 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 및 상기 캐소드가 촉매층과 기체투과층을 포함하고 있으며, 상기 기체투과층은 상기 촉매층의 표면에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 기체투과층은 유로부와 지주부를 모두 덮는 쉬트형태인 것을 특징으로 하는 연료전지.
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