KR100696688B1 - 직접 산화형 연료 전지 장치 - Google Patents
직접 산화형 연료 전지 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR100696688B1 KR100696688B1 KR1020050068551A KR20050068551A KR100696688B1 KR 100696688 B1 KR100696688 B1 KR 100696688B1 KR 1020050068551 A KR1020050068551 A KR 1020050068551A KR 20050068551 A KR20050068551 A KR 20050068551A KR 100696688 B1 KR100696688 B1 KR 100696688B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- fuel
- hydrogen
- fuel cell
- direct oxidation
- electrode
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
- H01M8/04208—Cartridges, cryogenic media or cryogenic reservoirs
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
- H01M8/04216—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes characterised by the choice for a specific material, e.g. carbon, hydride, absorbent
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
- H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
- H01M8/065—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by dissolution of metals or alloys; by dehydriding metallic substances
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1023—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon, e.g. polyarylenes, polystyrenes or polybutadiene-styrenes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1025—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon and oxygen, e.g. polyethers, sulfonated polyetheretherketones [S-PEEK], sulfonated polysaccharides, sulfonated celluloses or sulfonated polyesters
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1027—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having carbon, oxygen and other atoms, e.g. sulfonated polyethersulfones [S-PES]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/103—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having nitrogen, e.g. sulfonated polybenzimidazoles [S-PBI], polybenzimidazoles with phosphoric acid, sulfonated polyamides [S-PA] or sulfonated polyphosphazenes [S-PPh]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
- H01M8/1032—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having sulfur, e.g. sulfonated-polyethersulfones [S-PES]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1039—Polymeric electrolyte materials halogenated, e.g. sulfonated polyvinylidene fluorides
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
본 발명은 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 이 직접 산화형 연료 전지 시스템은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 것인 적어도 하나의 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하고, 상기 애노드 전극으로 연료 및 수소원을 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함한다.
본 발명의 직접 산화형 연료 전지 시스템은 수소를 연료와 함께 애노드 전극에 공급하여 고출력을 나타낼 수 있다.
DMFC,수소,연료,고출력,연료전지
Description
도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 일 실시예에 따른 수소 첨가 방법을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 연료 전지 시스템의 다른 실시예에 따른 수소 첨가 방법을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 연료 전지 시스템의 또 다른 실시예에 따른 수소 첨가 방법을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고출력을 낼 수 있는 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 반응속도가 느려서 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도가 낮고, 출력이 낮으며, 많은 양의 전극 촉매를 사용하여야 하나, 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮으며 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈브리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함 하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고또한 전자가 발생하며, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
본 발명의 목적은 고출력을 낼 수 있는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공한다. 상기 전기 발생부는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다. 또한, 상기 연료 공급부는 연료 및 수소원을 포함하고, 상기 애노드 전극으로 연료 및 수소원을 공급하는 역할을 하고, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공 급하는 역할을 한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 직접 산화형 연료 전지에 관한 것으로서, 이 전지는 일반적으로 탄화수소 연료를 애노드 전극에 공급하여 애노드 전극에서 산화 반응에 의하여 수소 이온을 발생시키고, 이 수소 이온이 캐소드의 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다. 따라서 전체적인 반응 속도가 느려서 전력 출력이 낮으며, 과량의 금속 촉매를 사용하는 문제가 있었다.
본 발명에서는 이러한 직접 산화형 연료 전지의 출력을 높이기 위해서 스택에 공급되는 연료에 수소 가스를 함유시켜 액체 연료와 가스상의 수소가 스택의 애노드 전극에 유입되도록 하였다. 이러한 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부와 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 하며, 적어도 하나의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 포함하고, 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 이 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다.
상기 연료 공급부는 상기 애노드 전극으로 연료 및 수소원을 공급하고, 상기 산화제 공급부는 상기 전기 발생부로 산화제를 공급하는 역할을 한다.
이어서, 상기 각 구성에 대하여 보다 자세하게 설명하도록 한다.
상기 연료 공급부는 상기 애노드 전극으로 연료 및 수소원을 공급하는 역할을 한다. 본 발명에 있어서 상기 연료란 메탄올, 에탄올, 디메톡시에탄 등의 직접 산화형 연료 전지에서 일반적으로 사용되는 탄화수소 연료를 의미하며, 이 연료들은 액상 상태로 또는 기상 상태로 사용하여도 무방하다. 아울러, 일반적으로 액상 상태로 사용하는 경우에는 액상 연료의 산화 반응의 활성을 증가시키기 위하여 물을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 수소원은 수소를 상기 연료와 함께 스택에 공급시킬 수 있는 물질로서, H2 가스 또는 수소 저장 물질을 사용할 수 있다. 수소 저장 물질은 반응에 의하여 수소를 발생시키는 물질을 말하며, 그 대표적인 예로 NaBH4, 수소 저장 탄소 나노 튜브, 수화 금속(metal hydrate) 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 수화 금속에서 금속으로는 Al 또는 Be을 대표적으로 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 간접첨가법은 수소를 수소제조 개질기 층을 거쳐 발생시킬 수 있으며, 애노드 전극에서 캐소드 전극쪽으로 크로스오버된 일부 연료가 캐소드 전극의 촉매 비형성부(예를 들어 유로 플레이트의 리브(rib) 부근)에서 전기화학적으로 산화반응하고, 반응시 생성된 프로톤이 고분자 전해질 막을 통해 애노드 전극측으로 이동하여 애노드 전극에 있는 전자와 결합하여 환원되면서 수소 기체가 생성되는 원리에 의해서도 공급할 수 있다.
상기 수소원의 첨가량은 수소를 기상, 즉 H2 가스로 첨가할 경우, STM(Standard Test Method) 기준으로 액체 연료 100 부피비에 대하여 0.1 내지 10 부피비가 바람직하고, 0.1 내지 5 부피비가 더욱 바람직하다. 상기 STM 기준이란, 가스의 경우 온도 및 압력에 따라 부피의 변화가 많으므로, 이를 고려한 값, 즉 sccm(Standard Cubic Centimeter per Minute, 0℃ 1기압에서 1분동안 방출되는 기체의 양이 1㎤임)를 의미한다.
또한, 수소를 압축된 액상으로 첨가할 경우, 또는 수소 저장 물질로 첨가할 경우 수소로 환산하여 상기 연료 100 중량부에 대하여 1 내지 70 중량부가 되도록 첨가하는 것이 바람직하고, 1 내지 30 중량부가 보다 바람직하다.
상기 수소원의 첨가량이 상기 첨가 범위를 넘어설 경우 액체가 애노드 전극에 공급이 원할하지 않아 출력이 저하되고 미반응 액체 연료에 의해 연료 이용효율이 저하되어 바람직하지 않다.
이와 같이 수소를 연료와 함께 애노드 전극에 주입시킴에 따라 수소 자체가 전기 출력을 높이는 연료로 사용될 뿐만 아니라 연료에서 수소를 만들어내는 반응을 가속시키는) 촉진제로서의 기능을 함께 한다. 따라서, 연료의 산화 반응이 빨라 연료로부터 수소 이온이 생성되는 전환율이 빨라, 종래 애노드 전극에서 미반응한 연료가 캐소드 전극 쪽으로 넘어가 산화되는 연료의 크로스오버(crossover) 현상을 급격하게 줄일 수 있다.
또한, 수소가 첨가됨에 따라 연료의 pH가 산성(pH 5.6 이하)을 나타낸다.
상기 연료와 수소원을 애노드 전극에 주입시키는 방법을 첨부된 도 1 내지 도 3을 참고하여 설명하기로 한다. 도 1 및 도 2에 나타낸 방법은 수소 가스를 주입하는 방법으로서, 직접 첨가법이라 칭하고, 도 3은 수소 저장 물질을 주입하는 방법으로서 간접 첨가법이라 칭한다.
직접 첨가법의 일 실시예를 도 1에 나타내었으며, 도 1에 나타낸 것과 같이, 압축되어 액상 상태로 존재하는 수소와 연료를 하나의 연료부(1)에서 혼합하여 스택(5)의 애노드 전극(54)에 주입하고, 스택(5)의 캐소드 전극(56)에 산화제인 산소 함유 가스(7)를 주입하여 애노드 전극(54)에서 생성된 H+가 고분자 전해질 막(58)을 통하여 상기 캐소드 전극(56)으로 이동하여 캐소드 전극(56)에 주입된 산소와 반응하여 H2O를 생성하고, 연료 전지 전체 반응에서 생성되는 H2O와 CO2는 배출한다. 도 1에서, 도면 부호 3은 질량 흐름 조절기(Mass flow controller, MFC)를 나타낸다.
직접 첨가법의 다른 실시예를 도 2에 나타내었으며, 도 2에 나타낸 것과 같이, 연료(10)에 수소 가스(13)를 직접 첨가하여 스택(15)의 애노드 전극(154)에 주입하고, 스택(15)의 캐소드 전극(156)에 산화제인 산소 함유 가스(17)를 주입하여 H2O를 생성하고, 연료 전지 전체 반응에서 생성되는 H2O와 CO2는 배출한다.
간접 첨가법의 일 실시예를 도 3에 나타내었으며, 도 3에 나타낸 것과 같이, 연료(30)에 수소 저장 물질(33)을 첨가하여, 발생되는 수소와 연료를 함께 스택(35)의 애노드 전극(354)에 주입하고 스택(35)의 캐소드 전극(356)에 산화제인 산소 함유 가스(37)을 주입하여 H2O를 생성하고, 연료 전지 전체 반응에서 생성되는 H2O와 CO2는 배출한다.
상기 전기 발생부는 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다. 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 이 막-전극 어셈블 리 양측에 위치하는 세퍼레이터를 포함한다. 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 일반적으로 하나 이상 포함하며, 이와 같이 하나 이상의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 통칭하여 스택(stack)이라 한다.
상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 상기 애노드 전극과 캐소드 전극은 일반적으로 전극 기재(backing layer)에 촉매층이 형성된 구성된 구조를 가진다. 상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천((섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 촉매층에서 촉매로는 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 사용하며, 그 예로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 연료 전지 시스템은 종래 직접 산화형 연료 전지의 애노드 전극에 사용되는 촉매 로딩량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 전지 제조시 소요되는 비용을 줄일 수 있다.
연료 전지에서 애노드 전극과 캐소드 전극에 사용되는 촉매로는 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화형 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 애노드 전극에서는 백금-루테늄 같은 합금 촉매를 주로 사용하고 있다.
또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수 도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다.
상기 고분자 전해질 막으로는 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가지며, 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 수지를 들 수 있다.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1 종 이상을 포함할 수 있고, 더 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) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. 일반적으로 상기 고분자 전해질 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.
상기 세퍼레이터에는 애노드 전극으로 연료를 공급하고, 캐소드 전극으로 산화제를 공급하기 위한 유로 채널이 형성되어 있으며, 금속 또는 흑연으로 형성된다.
상기 산화제 공급부는 상기 전기 발생부로 산화제를 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소 또는 이를 포함하는 공기를 사용할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 도 5에 개략적으로 나타내었다. 도 5에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않고, 확산 방식, 예를 들어 삼투압 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(59)를 갖는 스택(67)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(51)와, 산화제를 상기 전기 발생부(59)로 공급하는 산화제 공급부(55)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(51)는 연료를 저장하는 연료 탱크(69)와, 연료 탱크(59)에 연결 설치되는 연료 펌프(61)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(61)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(69)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 스택(67)의 전기 발생부(59)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(55)는 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하는 적어도 하나의 공기 펌프(63)를 구비한다.
상기 전기 발생부(59)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(71)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 함유한 공기를 공급하기 위한 세퍼레이터(바이폴라 플레이트)(73,75)로 구성된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey)및 Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량%와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 사용하여 캐소드 전극 및 애노드 전극을 제조하였다. 이때, 캐소드 촉매 및 애노드 촉매에서의 촉매 로딩량은 8mg/cm2로 하였다.
제조된 캐소드 및 애노드 전극과 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 이용하여 단위 전지를 제조하였다.
상기 단위 전지를 이용하여 스택을 제조하고, 1M 메탄올와 물의 혼합 연료를 이 스택에 공급하고, 또한 수소 가스를 0.7ml/min의 주입량으로 스택에 주입하였다.
(실시예 2)
수소 가스 주입량을 2ml/min으로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(비교예 1)
수소 가스 주입을 하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기 실시예 1 내지 실시예 2와 비교예 1의 전지의 0.3V 및 0.4V 출력 밀도를 측정한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
mW/cm2, 50℃ | 비교예 1 | 실시예 1 | 실시예 2 |
0.4V | 35 | 36 | 43 |
0.3V | 39 | 42 | 58 |
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 수소를 메탄올 연료와 함께 애노드 전극에 주입한 실시예 1 및 실시예 2의 전지가 메탄올만 주입한 비교예 1의 전지에 비해 출력 밀도가 향상되었음을 알 수 있다.
본 발명의 직접 산화형 연료 전지 시스템은 수소를 연료와 함께 애노드 전극에 공급하여 고출력을 나타낼 수 있다.
Claims (9)
- 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리와, 세퍼레이터를 포함하며,연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 전기 발생부;연료 및 수소원을 포함하고, 상기 애노드 전극으로 연료 및 수소원을 공급하는 연료 공급부; 및산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 수소원은 H2 또는 수소 저장 물질인 직접 산화형 연료 전지 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 H2는 기상 또는 압축된 액상 상태인 직접 산화형 연료 전지 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 수소 저장 물질은 NaBH4, 수소 저장 탄소 나노 튜브, 수화 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 직접 산화형 연료 전지 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 수소원은 기상 H2이고, 이 기상 H2의 첨가량은 STM 기준으로 상기 연료 100 부피에 대하여 0.1 내지 10 부피비인 직접 산화형 연료 전지 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 수소원은 기상 H2이고, 이 기상 H2의 첨가량은 STM 기준으로 상기 연료 100 부피에 대하여 0.1 내지 5 부피비인 직접 산화형 연료 전지 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 수소원은 액상 H2, 또는 수소 저장 물질이고, 이 액상 H2 또는 수소 저장 물질의 첨가량은 수소로 환산하여 연료 100 중량부에 대하여 1 내지 70 중량부인 직접 산화형 연료 전지 장치.
- 제 7 항에 있어서,상기 수소원은 액상 H2, 또는 수소 저장 물질이고, 이 액상 H2 또는 수소 저장 물질의 첨가량은 수소로 환산하여 연료 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부인 직접 산화형 연료 전지 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 직접 산화형 연료 전지 장치.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020050068551A KR100696688B1 (ko) | 2005-07-27 | 2005-07-27 | 직접 산화형 연료 전지 장치 |
US11/491,441 US7985511B2 (en) | 2005-07-27 | 2006-07-21 | Direct oxidation fuel cell system |
CN2006101375024A CN1929181B (zh) | 2005-07-27 | 2006-07-27 | 直接氧化燃料电池系统 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020050068551A KR100696688B1 (ko) | 2005-07-27 | 2005-07-27 | 직접 산화형 연료 전지 장치 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20070013886A KR20070013886A (ko) | 2007-01-31 |
KR100696688B1 true KR100696688B1 (ko) | 2007-03-20 |
Family
ID=37694700
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020050068551A KR100696688B1 (ko) | 2005-07-27 | 2005-07-27 | 직접 산화형 연료 전지 장치 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US7985511B2 (ko) |
KR (1) | KR100696688B1 (ko) |
CN (1) | CN1929181B (ko) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103820807B (zh) * | 2014-03-04 | 2017-02-08 | 西安交通大学 | 一种产氢发电的装置和方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20020056122A (ko) * | 2000-12-29 | 2002-07-10 | 구자홍 | 연료전지의 연료 공급 장치 |
US6468681B1 (en) * | 1998-06-26 | 2002-10-22 | Kabushikikaisha Equos Research | Fuel cell system |
JP2003123821A (ja) * | 2001-10-15 | 2003-04-25 | Sharp Corp | 燃料電池用カートリッジ |
US6569552B2 (en) * | 2000-02-17 | 2003-05-27 | Denso Corporation | Fuel cell system including fuel cell for generating electric energy by chemical reaction between hydrogen and oxygen |
KR20040009653A (ko) * | 2002-07-24 | 2004-01-31 | 엘지전자 주식회사 | 연료전지의 연료공급장치 |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5773162A (en) * | 1993-10-12 | 1998-06-30 | California Institute Of Technology | Direct methanol feed fuel cell and system |
JP2001085033A (ja) | 1999-09-17 | 2001-03-30 | Isuzu Motors Ltd | 電気化学反応セルおよび該電気化学反応セルの製造方法 |
AU2002215752A1 (en) * | 2000-12-08 | 2002-06-18 | Denis Connor | Methods and apparatuses for gas separation by pressure swing adsorption with partial gas product feed to fuel cell power source |
JP4519375B2 (ja) * | 2001-08-31 | 2010-08-04 | 三菱電機株式会社 | 燃料電池 |
US20040033397A1 (en) * | 2002-08-14 | 2004-02-19 | Ballard Power Systems Inc. | Direct dimethoxymethane and methanol fuel cells |
WO2005008817A1 (ja) * | 2003-07-18 | 2005-01-27 | Gs Yuasa Corporation | 燃料電池システムと燃料電池の燃料切れの検出方法 |
JP2004326386A (ja) * | 2003-04-24 | 2004-11-18 | Mitsubishi Electric Corp | 評価支援装置及び評価支援方法及び評価支援プログラム |
US7314493B2 (en) | 2003-10-17 | 2008-01-01 | The Gillette Company | Fuel composition in fuel cartridges for DMFCs |
KR100571821B1 (ko) | 2003-10-22 | 2006-04-17 | 삼성에스디아이 주식회사 | 직접메탄올 연료전지 및 이를 장착한 휴대용 컴퓨터 |
KR100542228B1 (ko) * | 2004-06-30 | 2006-01-10 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는연료전지 |
-
2005
- 2005-07-27 KR KR1020050068551A patent/KR100696688B1/ko not_active IP Right Cessation
-
2006
- 2006-07-21 US US11/491,441 patent/US7985511B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2006-07-27 CN CN2006101375024A patent/CN1929181B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6468681B1 (en) * | 1998-06-26 | 2002-10-22 | Kabushikikaisha Equos Research | Fuel cell system |
US6569552B2 (en) * | 2000-02-17 | 2003-05-27 | Denso Corporation | Fuel cell system including fuel cell for generating electric energy by chemical reaction between hydrogen and oxygen |
KR20020056122A (ko) * | 2000-12-29 | 2002-07-10 | 구자홍 | 연료전지의 연료 공급 장치 |
JP2003123821A (ja) * | 2001-10-15 | 2003-04-25 | Sharp Corp | 燃料電池用カートリッジ |
KR20040009653A (ko) * | 2002-07-24 | 2004-01-31 | 엘지전자 주식회사 | 연료전지의 연료공급장치 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN1929181B (zh) | 2010-05-12 |
US20070026270A1 (en) | 2007-02-01 |
KR20070013886A (ko) | 2007-01-31 |
US7985511B2 (en) | 2011-07-26 |
CN1929181A (zh) | 2007-03-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100658688B1 (ko) | 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템 | |
KR100684767B1 (ko) | 연료 전지 캐소드용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 연료 전지 시스템 | |
KR100717796B1 (ko) | 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템 | |
KR100684853B1 (ko) | 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템 | |
KR20070119230A (ko) | 연료 전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
KR20070098136A (ko) | 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템 | |
JP2008210581A (ja) | 燃料電池 | |
KR20070099120A (ko) | 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
KR100749497B1 (ko) | 연료 전지용 애노드 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 | |
KR100717747B1 (ko) | 직접 산화형 연료 전지용 스택의 회복 방법 | |
KR100709202B1 (ko) | 혼합 주입형 연료 전지 시스템 | |
KR100696688B1 (ko) | 직접 산화형 연료 전지 장치 | |
KR20080045622A (ko) | 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
KR20070099935A (ko) | 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템 | |
KR20080045461A (ko) | 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
KR20090030665A (ko) | 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
KR20080045416A (ko) | 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법 | |
KR20080041846A (ko) | 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템 | |
KR20070099121A (ko) | 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
KR20070075992A (ko) | 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템 | |
KR100709193B1 (ko) | 직접 산화형 연료 전지용 스택 및 이를 포함하는 직접산화형 연료 전지 시스템 | |
KR20070102196A (ko) | 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템 | |
KR101247774B1 (ko) | 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템 | |
KR20080047078A (ko) | 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성 방법 | |
KR20070024127A (ko) | 연료 전지용 전극, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20120221 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130222 Year of fee payment: 7 |
|
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |