KR100682865B1 - 물 회수 시스템 및 이를 구비한 직접액체 연료전지 - Google Patents

물 회수 시스템 및 이를 구비한 직접액체 연료전지 Download PDF

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최경환
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Abstract

본 발명은 직접액체 연료전지의 물 회수시스템과, 상기 물 회수시스템을 구비한 직접액체 연료전지에 관하여 개시한다.
개시된 물 회수시스템은, MEA의 캐소드 전극으로부터의 물을 회수하여 애노드 전극으로 공급하는 물 회수 시스템에 있어서, 상기 캐소드 전극 상에 배치된 제1부재 및 상기 제1부재를 지지하는 제1 지지플레이트; 상기 애노드 전극 상에 배치된 제2부재와 상기 제2부재를 지지하는 제2 지지플레이트;를 구비하며, 상기 제1부재 및 제2부재는 상기 MEA의 멤브레인에 형성된 슬릿을 통하여 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

물 회수 시스템 및 이를 구비한 직접액체 연료전지{Water recovery system and direct liquid feed fuel cell having the same}
도 1은 직접연료전지의 단위 셀 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 직접액체 연료전지의 물 회수시스템의 구성을 보여주는 개략적 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물 회수시스템이 적용되는 직접액체 연료전지의 분리 사시도 및 단면도이다.
도 5는 도 3의 일부의 분리 사시도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물 회수시스템을 구비한 단위 셀 모듈의 성능곡선을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 직접액체연료전지의 물 회수 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 캐소드 전극에서 생성된 물을 애노드 전극에 공급되는 액체연료와 혼합시켜서 사용하는 직접액체연료전지의 물 회수 시스템에 관한 것이다.
직접액체연료전지(Direct Liquid Feed Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올 등의 유기화합물 연료와 산화제인 산소(공기내의 산소)와의 전기화학반응에 의해 전기를 생성하는 발전장치로서 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올 등 액체연료를 직접 사용하기 때문에 연료개질기(reformer) 등 주변장치가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.
직접액체연료전지의 단위 셀은 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3) 사이에 전해질막(1)이 개재되어 멤브레인 전극 어셈블리(membrane electrode assembly: MEA) 구조를 형성한다. 각 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3)의 구조는 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer, 22, 32)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층(21, 31), 그리고 전극 지지체(23, 33)를 구비한다.
직접액체연료전지 중, 메탄올과 물을 혼합 연료로 사용하는 직접메탄올연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, 이하 DMFC)의 전극반응은 연료가 산화되는 애노드 반응과 수소이온과 산소의 환원에 의한 캐소드 반응으로 구성되며 반응식은 다음과 같다.
CH3OH +H2O --> CO2 +6H+ + 6e- (Anode reaction)
3/2O2 +6H+ + 6e- --> 3H2O (Cathode reaction)
CH3OH + 3/2O2 --> 2H2O + CO2 (Overall reaction)
산화반응(반응식 1)이 일어나는 애노드 전극(2)에서는, 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소, 6개의 수소이온 및 전자가 생성이 되며, 생성된 수소이온은 수소이온교환막(1)을 거쳐 캐소드 전극(3)으로 전달된다. 환원반응(반응식 2)이 일어나는 캐소드 전극(3)에서는, 수소이온과 외부 회로를 통해 전달된 전자 그리고 산소 간의 반응에 의해 물이 생성된다. 따라서 DMFC 총괄반응(반응식 3)은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 반응이 된다.
DMFC의 단위 셀의 발생전압은 이론적으로는 1.2 V 정도이지만 상온, 상압 조건에서 개회로 전압(open circuit voltage)은 1 V 이하가 되며, 실제 작동전압은 활성화 과전압및 저항 과전압에 의한 전압강하가 일어나기 때문에 0.3 ~ 0.7 V 정도가 된다. 따라서 원하는 용량의 전압을 얻기 위해서는 여러 장의 단위 셀을 직렬로 연결하여야 한다.
고농도 연료를 사용할 경우 전해질막(수소이온교환막)에서의 연료의 크로스오버(cross-over, 연료가 이온교환막을 통과하는 현상)로 인한 발전 성능감소가 크기 때문에 일반적으로 액체연료는 순수한 메탄올이 아닌 시스템 내부에서 발생하거나 혹은 이미 저장되어있는 물과 혼합되어 사용하게 된다. 그러나, 저농도의 메탄올을 연료탱크에 저장하여 사용할 경우, 연료탱크의 부피가 커지기 때문에 소형 연료전지 시스템에는 적용하기가 어렵다.
휴대기기용 소형 연료전지로는 다수의 단위셀이 형성된 모노폴라 타입의 직접액체연료전지가 사용될 수 있다. 그러나, 고 에너지 밀도를 위해서 고농도, 예컨대 순수한 메탄올 연료를 사용할 수 있으며, 메탄올 연료의 희석을 위해서 캐소드 전극으로부터의 물을 회수하여 애노드 전극으로 공급하는 물 회수 시스템이 필요하다.
본 발명 목적은 직접액체 연료전지의 물 회수시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 물 회수시스템을 구비한 직접액체 연료전지를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 직접액체 연료전지의 물 회수 시스템은:
MEA의 캐소드 전극으로부터의 물을 회수하여 애노드 전극으로 공급하는 물 회수 시스템에 있어서,
상기 캐소드 전극 상에 배치된 제1부재 및 상기 제1부재를 지지하는 제1 지지플레이트;
상기 애노드 전극 상에 배치된 제2부재와 상기 제2부재를 지지하는 제2 지지플레이트;를 구비하며,
상기 제1부재 및 제2부재는 상기 MEA의 멤브레인에 형성된 슬릿을 통하여 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 MEA에는 복수의 단위셀이 형성되어 있으며, 상기 슬릿은 상기 MEA의 길이방향으로 형성되어 있다.
상기 제1부재 및 제2부재는 각각 상기 슬릿에 대응하는 메인부재와, 상기 메인부재에서 상기 전극 방향으로 연장된 복수의 사이드 부재를 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제1 및 제2 지지플레이트에는 상기 사이드 부재가 삽입되는 그루브가 형성되어 있으며,
상기 제1 및 제2 지지플레이트에는 상기 메인부재를 가이드하는 가이드가 돌출되어 형성될 수 있다.
상기 제1 지지플레이트에는 외부 공기를 통과시키는 통로가 형성되어 있으며, 상기 통로는 상기 그루브와 접촉되지 않는 것이 바람직하다.
상기 제2 지지플레이트에는 액체연료를 통과시키는 통로가 형성되어 있으며, 상기 통로는 상기 그루브와 접촉되지 않는 것이 바람직하다.
상기 제1 지지플레이트 상에는 공기는 통과시키고 상기 애노드 전극에서 생성된 물의 외부 유출을 방지하는 공기투과막이 더 설치될 수 있다.
상기 제1 및 제2 지지플레이트는 소수성 부재이며, 상기 제1 및 제2 부재는 다공성 물질으로 형성될 수 있다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 물 회수시스템을 구비한 직접액체 연료전지는:
멤브레인의 양면에 서로 대응되는 복수의 애노드 전극 및 캐소드 전극이 형 성된 MEA; 및
상기 MEA의 캐소드 전극으로부터의 물을 회수하여 애노드 전극으로 공급하는 물 회수 시스템을 구비하는 직접액체 연료전지를 구비하며,
상기 물 회수시스템은;
상기 캐소드 전극 상에 배치된 제1부재 및 상기 제1부재를 지지하는 제1 지지플레이트;
상기 애노드 전극 상에 배치된 제2부재와 상기 제2부재를 지지하는 제2 지지플레이트;를 구비하며,
상기 제1부재 및 제2부재는 상기 MEA의 멤브레인에 형성된 슬릿을 통하여 연결되는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 직접액체연료전지의 물 회스 시스템의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 직접액체 연료전지의 물 회수시스템의 구성을 보여주는 개략적 도면이다. 도 2를 참조하면, 멤브레인(110)의 양면에 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(130)이 형성되어 있다. 멤브레인(110), 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(130)은 멤브레인 전극 어셈블리(membrane electrode assembly: MEA)를 형성한다.
MEA의 양측에는 물회수부(140,150)가 설치되어 있다. 캐소드 전극(130)에서 생성된 물은 캐소드측 물회수부(150)로 이동되며, 캐소드측 물회수부(150)는 애노드측 물회수부(140)에 물을 이송한다. 애노드측 물회수부(140)는 애노드 전극(120) 에 물을 공급하며, 이때 물회수부(140)를 바이패스한 연료탱크(160)로부터의 연료와 상기 물이 혼합되어서 애노드 전극(120)으로 공급된다. 외부 공기는 캐소드측 물회수부(150)를 바이패스해서 캐소드 전극(130)으로 공급된다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물 회수시스템이 적용되는 직접액체 연료전지의 분리 사시도 및 단면도이며, 도 5는 도 3의 일부의 분리 사시도이다.
도 3 내지 도 5를 함께 참조하면, 본 발명에 따른 물 회수시스템은, MEA의 캐소드 전극(230)으로부터 물을 회수하여 애노드 전극(220)으로 공급한다. MEA에는 복수의 단위셀, 예컨대 12개의 단위셀이 형성되어 있다. 물 회수시스템은, 캐소드 전극(230) 상에 배치된 제1부재(231) 및 상기 제1부재(231)를 지지하는 제1 지지플레이트(236)와, 상기 애노드 전극(220) 상에 배치된 제2부재(221)와 상기 제2부재(221)를 지지하는 제2 지지플레이트(226)를 구비한다. 제1부재(221) 및 제2부재(231)는 연결되어 있다.
상기 제1 및 제2부재(231, 221)는 다공성 물질, 예컨대 스폰지로 형성될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 지지플레이트(236, 226)은 소수성 부재 또는 소수성 처리된 재질일 수 있다. 상기 MEA의 멤브레인(110)에는 길이방향으로 슬릿(112)이 형성되어 있으며, 상기 제1부재(231)는 상기 슬릿(112)을 통과하면서 상기 제2부재(221)와 접촉된다. 즉, 상기 캐소드 전극(230)에서 생성된 물을 상기 제1부재(231)가 흡수하여 상기 제2부재(221)로 이송한다.
상기 제1부재(231) 및 제2부재(221)는 각각 상기 슬릿(221)에 대응하는 메인 부재(232, 222)와, 상기 메인부재(232, 222)에서 전극방향으로 연장된 복수의 사이드 부재(233, 223)를 구비한다.
상기 제1 지지플레이트에(236)는 외부공기를 통과시키는 통로, 예컨대 다수의 통기홀(237)이 형성되어 있으며, 상기 메인가이드(232)의 위치를 고정시키는 가이드(234)가 수직으로 형성되어 있다. 또한, 제1 지지플레이트(236)에는 상기 사이드 부재(233)를 고정시키는 그루브(235)이 형성되어 있다.
상기 제2 지지플레이트(226)에는 액체연료를 통과시키는 통로, 예컨대 다수의 홀(227)이 형성되어 있다. 또한, 제2 지지플레이트(226)에는 상기 사이드 부재(223)를 고정시키는 그루브(225)이 형성되어 있다. 상기 홀들(227)은 상기 그루브(225)과 연결되지 않는 것이 바람직하다. 즉, 연료가 물이 흡수된 제2부재(221)와 접촉되지 않는 것이 연료공급면에서 바람직하다. 즉, 상기 홀들(227)은 상기 그루브들(225) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제1 지지플레이트(236) 상에는 공기는 통과시키고 상기 캐소드 전극(230) 상에서 생성된 물의 외부 유출을 방지하는 공기투과막(260), 예컨대 다공성 PTFE 막이 더 설치될 수 있다. 참조번호 270은 연료탱크로서 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 물 회수시스템의 작용을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
공기투과막(260)을 통과한 공기는 제1 지지플레이트(236)에 형성된 통기홀(237)을 통해서 캐소드 전극(230)으로 공급된다. 캐소드 전극(230)에서 생성된 물 은 제1부재(231)의 사이드 부재(233)에 흡수되어서 제1부재(231)의 메인부재(232)를 통해서 제2부재(221)의 메인부재(222)를 통해서 사이드 부재(223)로 이송되며, 제2 지지플레이트(226)의 홀(227)로 공급되는 액체연료와 혼합되어서 애노드 전극(220)으로 공급된다. 따라서, 본 발명에 따른 물 회수시스템은 캐소드 전극(230)에서 생성된 물을 애노드 전극(220) 쪽으로 이송하여 고농도의 액체연료와 혼합하여 사용할 수 있게 한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물 회수시스템을 구비한 단위 셀 모듈의 성능곡선을 나타낸 것이다. 순수한 메탄올 연료를 사용하였으며, 초기부터 5-6시간 소정의 성능을 발휘하는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 물 회수시스템의 작용으로 순수한 메탄올과 회수된 물이 혼합되어서 애노드 전극으로 공급되는 것을 보여준다.
상기한 바와 같이, 본원 발명에 따른 직접액체연료전지의 물 회수시스템은 캐소드 전극에서 생성된 물을 직접 애노드 전극으로 이송하여 연료탱크로부터 공급된 액체연료와 혼합하여 사용하므로, 상기 연료탱크에는 고농도의 액체연료를 저장하여 사용할 수 있다. 따라서 연료전지의 소형화에 기여할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (16)

  1. MEA의 캐소드 전극으로부터의 물을 회수하여 애노드 전극으로 공급하는 물 회수 시스템에 있어서,
    상기 캐소드 전극 상에 배치된 제1부재 및 상기 제1부재를 지지하는 제1 지지플레이트;
    상기 애노드 전극 상에 배치된 제2부재와 상기 제2부재를 지지하는 제2 지지플레이트;를 구비하며,
    상기 제1부재 및 제2부재는 상기 MEA의 멤브레인에 형성된 슬릿을 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 직접액체연료전지의 물 회수시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 MEA에는 복수의 단위셀이 형성되어 있으며, 상기 슬릿은 상기 MEA의 길이방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 물 회수시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1부재 및 제2부재는 각각 상기 슬릿에 대응하는 메인부재와, 상기 메인부재에서 상기 전극 방향으로 연장된 복수의 사이드 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 물 회수시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 지지플레이트에는 상기 사이드 부재가 삽입되는 그루브가 형성되어 있으며,
    상기 제1 및 제2 지지플레이트에는 상기 메인부재를 가이드하는 가이드가 돌출되어 형성된 것을 특징으로 하는 물 회수시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 지지플레이트에는 외부 공기를 통과시키는 통로가 형성되어 있으며, 상기 통로는 상기 그루브와 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는 물 회수시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 지지플레이트에는 액체연료를 통과시키는 통로가 형성되어 있으며, 상기 통로는 상기 그루브와 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는 물 회수시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 지지플레이트 상에는 공기는 통과시키고 상기 애노드 전극에서 생성된 물의 외부 유출을 방지하는 공기투과막이 더 설치된 것을 특징으로 하는 물 회수시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 지지플레이트는 소수성 부재이며, 상기 제1 및 제2 부재는 다공성 물질으로 형성된 것을 특징으로 하는 물 회수시스템.
  9. 멤브레인의 양면에 서로 대응되는 복수의 애노드 전극 및 캐소드 전극이 형성된 MEA; 및
    상기 MEA의 캐소드 전극으로부터의 물을 회수하여 애노드 전극으로 공급하는 물 회수 시스템을 구비하는 직접액체 연료전지를 구비하며,
    상기 물 회수시스템은;
    상기 캐소드 전극 상에 배치된 제1부재 및 상기 제1부재를 지지하는 제1 지지플레이트;
    상기 애노드 전극 상에 배치된 제2부재와 상기 제2부재를 지지하는 제2 지지플레이트;를 구비하며,
    상기 제1부재 및 제2부재는 상기 MEA의 멤브레인에 형성된 슬릿을 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 물 회수시스템을 구비하는 직접액체 연료전지.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 슬릿은 상기 MEA의 길이방향으로 형성되어 있으며, 상기 단위셀들은 상기 슬릿의 양측에 형성된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제1부재 및 제2부재는 각각 상기 슬릿에 대응하는 메인부재와, 상기 메인부재에서 상기 전극 방향으로 연장된 복수의 사이드 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 지지플레이트에는 상기 사이드 부재가 삽입되는 그루브가 형성되어 있으며,
    상기 제1 및 제2 지지플레이트에는 상기 메인부재를 가이드하는 가이드가 돌출되어 형성된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 지지플레이트에는 외부 공기를 통과시키는 통로가 형성되어 있으며, 상기 통로는 상기 그루브와 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 지지플레이트에는 액체연료를 통과시키는 통로가 형성되어 있으며, 상기 통로는 상기 그루브와 접촉되지 않는 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 지지플레이트 상에는 공기는 통과시키고 상기 애노드 전극에서 생성된 물의 외부 유출을 방지하는 공기투과막이 더 설치된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 지지플레이트는 소수성 부재이며, 상기 제1 및 제2 부재는 다공성 물질으로 형성된 것을 특징으로 하는 직접액체 연료전지.
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