KR100673748B1 - 연료 전지용 연료 조성물 및 이를 이용한 연료 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지용 연료 조성물 및 이를 이용한 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 연료 조성물은 탄화수소계 연료에 수소를 함유하면서 고유의 냄새를 갖는 부취제를 유효량 포함한다. 상기 연료 전지 시스템은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함하는 단위 전지가 하나 이상 적층되어 있는 스택; 수소를 함유한 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급부를 포함하고, 상기 연료는 탄화수소계 연료에 수소를 함유하면서 고유의 냄새를 갖는 부취제를 유효량 포함하는 것이다.

연료 전지, 연료, 부취제, 포름산, 디메틸에테르

Description

연료 전지용 연료 조성물 및 이를 이용한 연료 전지{Fuel Composition for Fuel Cells and Fuel Cell Using the Same}

도 1은 본 발명에 따른 하나의 일예로써 PEMFC 방식의 연료 전지 시스템을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 또 다른 일예로써 DMFC 방식의 연료 전지 시스템을 나타낸 것이다.

본 발명은 연료 전지용 연료 조성물 및 이를 이용한 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 연료의 출력 성능을 향상시킬 수 있으면서 동시에 연료의 누출 상태를 확인할 수 있는 연료 전지용 연료 조성물 및 이를 이용한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.

연료 전지는 전기화학 전지로서 연료 산화 반응에 의한 자유에너지 변화가 전기 에너지로 변환되는 것이다. 연료 전지 시스템은 전해질을 사이에 두고, 애노드와 캐소드로 된 한 쌍의 전극을 배치함으로써, 애노드(연료극)에서는 수소의 전기화학적 산화가 일어나고, 다른 한쪽의 캐소드(공기극)에서는 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이 과정에서 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생되는 시스템이다.

이와 같은 연료 전지는 수소원으로 LNG, NPG, 메탄올, 가솔린 등의 탄화수소계 연료를 개질기에서 개질시켜 수소(H2) 가스만을 정제하여 사용하는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : 이하, PEMFC라 함)와 액체 상태의 메탄올을 직접 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : 이하, DMFC라 함) 두가지 방식이 일반적이다.

상기 PEMFC와 DMFC의 시스템상 차이는 연료가 공급되는 연료 공급부로부터 스택으로 연료를 공급하는 사이에 개질기(reformer)의 존재유무가 차이가 있다.

상기 PEMFC와 DMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택, 수소함유 연료 공급부 및 산소 공급부 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 구성하며, 스택으로 공급된 수소함유 연료와 산소의 전기화학적 반응이 일어나는 장소이다.

다만, PEMFC 시스템의 경우 연료 탱크와 스택 사이에 개질기가 존재하여, 연료를 개질시켜 수소 가스만을 스택에 공급하는 반면, DMFC의 시스템의 경우 연료 탱크에서 나온 액체의 연료가 직접 스택으로 공급된다.

이와 같은 연료 공급 과정에서 연료의 누출은 시스템상 큰 문제점을 야기할 수 있다. 예를 들어, 연료가 메탄올 등의 유기물질이기 때문에 작업환경에 나쁘게 영향을 미칠 수 있으며, 화재의 위험성이 크며, 궁극적으로 연료의 누출은 시스템의 효율을 저하시킬 수 있기 때문에 연료 누출을 항상 모니터링하는 것이 요구된다.

이에 따라, 본 발명자들은 연료 누출을 확인할 수 있는 방법을 연구하면서, 연료중에 연료로서 기능을 하면서도 고유의 냄새를 갖는 물질을 첨가제로서 사용하는 경우, 첨가제 고유의 냄새가 연료 누출을 확인할 수 있으면서, 또한, 첨가제 자체가 또한 연료가 되어서 연료 성능을 개선시킬 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 연료의 출력 성능을 향상시킬 수 있으면서 동시에 연료의 누출 상태를 확인할 수 있는 부취제를 사용한 연료 전지용 연료 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 부취제가 포함된 연료 조성물을 이용한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄화수소계 연료에 수소를 함유하면서 고유의 냄새를 갖는 부취제를 유효량 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 연료 조성물을 제공한다.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 애노드, 전해질 및 캐소드를 포함하는 단위 전지가 하나 이상 적층되어 있는 스택; 수소를 함유한 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급부를 포함하고, 상기 연료는 탄화수소계 연료에 수소를 함유하면서 고유의 냄새를 갖는 부취 제를 유효량 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템을 제공한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 연료 전지용 연료 조성물은 기본적으로 탄화수소계 연료를 포함하고 있으며, 탄화수소계 연료로는 알코올류 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 메탄올이다. 메탄올은 순수한 형태로 사용되지 않고 물로 희석되어 사용되어진다.

본 발명에 따른 연료 전지용 연료 조성물은 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 발생될 수 있는 연료의 누출을 확인할 수 있도록 부취제의 유효량을 메탄올로 구성된 연료중에 첨가한 것이다.

본 명세서에서 언급되는 "부취제"라는 용어는 자체적으로 고유한 향을 가지고 있어 냄새를 발생시킬 수 있는 물질을 의미한다.

상기 부취제로서 사용될 수 있는 물질로는 연료의 전기적 산화능력에 나쁘게 영향을 미치지 않을 뿐만 아니라 오히려 부취제 자체가 연료로서 산화될 수 있는 물질중에서 고유의 향을 갖는 것이 선택될 수 있다. 또한, 부취제가 연료로서 사용될 수 있기 위해서는 DMFC의 경우 전극 촉매 또는 PEMFC의 경우 개질기 촉매에 손상을 가하지 않아 연료 전지의 신뢰성 있는 작동을 방해하지 않아야 한다. 구체적으로 부취제로는 포름산, 디메틸에테르 또는 포름산과 디메틸에테르의 혼합물이 사용될 수 있다. 포름산과 디메틸에테르의 혼합비는 특별히 제한되지 않는다.

상기 부취제는 연료 조성물 총중량에 기초하여 0.01 내지 8중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 부취제가 0.01 중량% 미만으로 사용되는 경우, 연료누출을 확인할 수 있을 정도로 냄새를 발생시키지 않으며, 부취제가 8 중량%를 초과하여 사용되는 경우, 연료누출의 확인은 용이하지만, 연료 자체의 성능을 감소시키고, 이는 결국 시스템의 성능을 감소시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 부취제를 포함하는 연료 조성물의 경우, 메탄올과 물로만 이루어진 연료와 달리, 포름산 또는 디메틸에테르와 같은 별도의 성분이 포함되어 있지만, 기존의 연료 전지 시스템에 그대로 적용될 수 있다. 포름산의 경우 산화능력이 메탄올 이상이기 때문에, 기존의 애노드 또는 개질기에서 분해가 용이하게 일어나지만, 디메틸에테르의 경우, 메탄올보다 화학적으로 안정하여 지올라이트 성분을 사용하여 디메틸에테르의 분해를 촉진할 수 있다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 하나의 일예로써 PEMFC 방식의 연료 전지 시스템을 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 또 다른 일예로써 DMFC 방식의 연료 전지 시스템을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 PEMFC 방식의 연료 전지 시스템은 메탄올 등의 수소를 함유한 연료가 물과 혼합되어 저장되는 연료 혼합 탱크(10), 상기 연료 탱크(10)에 연결되어 공급되는 연료로부터 수소를 만들어내는 개질기(20), 상기 개질기(20)에 연결되어 개질기(20)로부터 발생된 수소(H2)와 별도로 공급되는 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택(30) 및 상기 스택(30)에 연결되어 그 스택(30)에서 얻어진 전기에너지를 교류전기로 변환하는 전력 변환기(40)를 구비한다.

상기 연료 혼합 탱크(10)는 개질기(20)와 연결 설치되어 있으며, 메탄올 공급부(11), 물 공급부(12) 및 부취제 공급부(13)를 구비하여, 메탄올, 물 및 부취제가 연료 혼합 탱크(10)중에서 혼합되어진다. 이때 메탄올과 물의 유량을 밸브를 조절하여 메탄올의 농도를 적절한 범위에 있도록 제어하고, 부취제를 또한 밸브를 조절하여 전체 연료 중량에 기초하여 0.01 내지 8중량% 범위내에서 공급한다. 상기 부취제로 연료가 개질기(20)로 공급되는 과정동안 연료의 누출이 확인될 수 있다.

상기 연료 혼합 탱크(10)에서 혼합된 연료 조성물은 이어서 개질기(20)로 공급된다. 상기 개질기(20)에서는 연료 혼합 탱크(10)를 통해 공급되는 연료 조성물이 유입되어 연료를 스택(30)의 전기 생성에 필요한 수소 가스로 개질할 뿐만 아니라, 상기한 개질 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다. 일반적으로 상기 개질기(20)는 액상의 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 개질부와, 그 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시키는 일산화탄소 저감부를 포함한다. 개질부는 수증기 개질, 부분산화 또는 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고 일산화탄소 저감부는 수성가스 전환방법, 선택적 산화방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소의 농도를 저감시킨다.

상기 개질기(20)의 개질부는 이 분야에 일반적인 것이 사용될 수 있지만, 본 발명에 따른 연료중에 포함될 수 있는 디메틸에테르의 분해를 더욱 촉진시키기 위해 지올라이트 계통의 담체를 이용하여 개질부를 제조하는 것이 바람직하다.

상기 개질기(20)에서 발생한 수소는 이어서 스택(30)으로 공급된다. 상기 스택(30)은 개질기(20)과 연결 설치되며, 별도의 공기 공급부(34)를 구비한다. 상기 스택(30)의 구조는 애노드(31), 전해질막(32) 및 캐소드(33)로 형성된 막/전극 접합체를 가스 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 바이폴러 플레이트 사이에 삽입하여 제조된 단위 전지가 적층되어 있는 것이다.

상기 스택(30)에서의 일어나는 반응은 다음과 같은 과정을 통한다. 즉, 수소 또는 수소함유 연료가 상기 애노드(31)에 공급되면 전기화학적 산화반응이 일어나면서 수소이온 H⁺와 전자 e^-로 이온화되면서 산화된다. 이어서, 이온화된 수소이온은 전해질막(32)을 통하여 캐소드(33)로 이동하고 전자는 애노드(31)를 통해 이동하게 된다. 캐소드(33)로 이동한 수소 이온은 공기 공급부(34)로부터 공급된 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시키고 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.

이와 같이 스택(30)에서 일어나는 반응을 통해 생성되는 전기에너지를 수집하여 교류전기로 전환하는 전류전환기(40)을 통해 전기를 발생시키며, 상기 스택(30)에서 일어나는 반응은 이산화탄소와 물을 부산물로 남긴다. 이때 물은 리사이클되어 물 공급부(12)에서 다시 연료 조성물을 구성할 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 DMFC 방식의 연료 전지 시스템은 메탄올 등의 수소를 함유한 연료가 물과 혼합되어 저장되는 연료 혼합 탱크(10), 상기 연료 탱크(10)에 연결되어 공급되는 수소를 포함한 연료와 별도로 공급되는 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택(30) 및 상기 스택(30)에 연결되어 그 스택(30)에서 얻어진 직류전기를 교류전기로 변환하는 전력 변환기(40)를 구비한다.

상기 연료 혼합 탱크(10)는 스택(30)과 연결 설치되어 있으며, 메탄올 공급부(11), 물 공급부(12) 및 부취제 공급부(13)를 구비하고 있어, 메탄올, 물 및 부취제가 연료 혼합 탱크(10)중에서 혼합되어진다. 이때 메탄올과 물의 유량을 밸브를 조절하여 메탄올의 농도를 대략 1몰의 범위에 있도록 제어하고, 부취제를 또한 밸브를 조절하여 전체 연료 중량에 기초하여 0.01 내지 8중량% 범위내에서 공급한다. 상기 부취제로 연료가 스택으로 공급되는 과정동안 연료의 누출이 확인되어질 수 있다.

상기 연료 혼합 탱크(10)에서 혼합된 연료 조성물은 이어서 스택(30)으로 공급된다. 상기 스택(30)은 혼합 탱크(10)와 연결 설치되며, 별도의 공기 공급부(34)를 구비한다. 상기 스택(30)의 구조는 애노드(31), 전해질막(32) 및 캐소드(33)로 형성된 막/전극 접합체를 가스 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 바이폴러 플레이트 사이에 삽입하여 제조된 단위 전지가 적층되어 있는 것이다.

상기 스택(30)에서의 일어나는 반응은 상기에서 설명된 것과 동일하다.

상기 애노드(31), 전해질막(32) 및 캐소드(33)은 이 분야에 일반적인 것이 사용될 수 있지만, 상기 애노드(31)는 연료중에 포함된 디메틸에테르의 산화를 보다 더 촉진시키기 위하여 애노드(31)의 앞면에 지올라이트층(34)을 이 분야의 일반적인 방법, 예를 들면 코팅과 같은 방법으로 형성시킬 수 있다.

이와 같이 스택(30)에서 일어나는 반응을 통해 생성되는 전기에너지를 수집하여 교류전기로 전환하는 전류전환기(40)을 통해 전기를 발생시키며, 상기 스택(30)에서 일어나는 반응은 이산화탄소와 물을 부산물로 남긴다. 이때 물은 리사이클되어 물 공급부(12)에서 다시 연료 조성물을 구성할 수 있다.

본 발명은 연료 중에 고유한 향을 가지면서 수소와 이산화탄소를 분해될 수 있는 물질을 첨가제로 사용함으로써, 연료의 출력 성능을 향상시킬 수 있으면서 동시에 연료의 누출 상태를 확인할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (11)

1. 탄화수소계 연료에 수소를 함유하면서 고유의 냄새를 갖는 부취제를 0.01 내지 8중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 연료 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 연료는 메탄올인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 연료 조성물.
3. 제 1항에 있어서, 상기 부취제는 포름산인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 연료 조성물.
4. 제 1항에 있어서, 상기 부취제는 디메틸에테르인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 연료 조성물
5. 삭제
6. 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 애노드, 전해질 및 캐소드로 구성된 단위 전지를 하나 이상 포함하는 스택;

   수소를 함유한 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및

   공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급부를 포함하고,

   상기 연료는 탄화수소계 연료에 수소를 함유하면서 고유의 냄새를 갖는 부취제를 0.01 내지 8중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
7. 제 6항에 있어서, 상기 탄화수소계 연료로는 메탄올이 사용되고, 부취제로는 포름산 또는 디메틸에테르가 사용되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
8. 삭제
9. 제 6항에 있어서, 상기 스택과 연료 공급부 사이에, 상기 연료 공급부로부터 공급받은 연료를 개질하여 수소 가스를 생성시키는 개질기가 배치되어 상기 연료 공급부와 스택에 연결 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
10. 제 6항에 있어서, 상기 애노드의 어느 한 면에 지올라이트층이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
11. 제 9항에 있어서, 상기 개질기는 지올라이트 담체를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.

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