KR100696700B1 - Direct oxidation fuel cell system - Google Patents

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KR100696700B1 KR1020060035303A KR20060035303A KR100696700B1 KR 100696700 B1 KR100696700 B1 KR 100696700B1 KR 1020060035303 A KR1020060035303 A KR 1020060035303A KR 20060035303 A KR20060035303 A KR 20060035303A KR 100696700 B1 KR100696700 B1 KR 100696700B1
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손인혁
한상일
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

Provided is a direct oxidation fuel cell system to allow a suitable amount of carboxylic acid to be added simply to fuel to improve the output power of a system. The direct oxidation fuel cell system comprises at least one electricity generation part(3) which comprises a membrane electrode assembly(3c) and a separator(3a, 3b) and generates electricity; a fuel supply part(7) which comprises a pH sensitive polymer membrane(24), a first supply part(26) containing the fuel divided by the pH sensitive polymer membrane, and a second supply part(22) containing carboxylic acid and supplies fuel and carboxylic acid to the electricity generation part; an oxidant supply part(9) which supplies an oxidant to the electricity generation part; and a water separation part(17) which is supplied with the reaction product generated at the electricity generation part and separates water from the reaction product to circulate it to the fuel supply part.

Description

직접 산화형 연료 전지 시스템{DIRECT OXIDATION FUEL CELL SYSTEM}Direct Oxidation Fuel Cell System {DIRECT OXIDATION FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.1 is a schematic representation of a fuel cell system of the present invention;

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고출력을 낼 수 있는 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a direct oxidation fuel cell system, and more particularly to a direct oxidation fuel cell system capable of high output.

[종래 기술][Prior art]

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. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel 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. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

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.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.

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.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a slower reaction rate and has a lower energy density, a lower output, and a larger amount of electrode catalyst than the polymer electrolyte fuel cell. However, the liquid fuel is easy to handle and the operating temperature is high. Has the advantage of being low and in particular not requiring a fuel reformer.

본 발명의 목적은 고출력을 낼 수 있는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a direct oxidation fuel cell system capable of producing high output.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하는 전기 발생부, pH 감응 고분자 막을 포함하는 연료 공급부, 산화제 공급부 및 물 분리부를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a direct oxidation type fuel cell system including an electric generator including at least one membrane-electrode assembly and a separator, a fuel supply including a pH-sensitive polymer membrane, an oxidant supply and a water separator. do.

상기 연료 공급부는 pH 감응(sensitive) 고분자 막으로 구획된 연료를 포함하는 제1 공급부와 카르복실산을 포함하는 제2 공급부를 포함한다. The fuel supply includes a first supply comprising a fuel partitioned with a pH sensitive polymer membrane and a second supply comprising a carboxylic acid.

상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 또한 상기 전기 발생부는 연료 및 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다.The membrane-electrode assembly includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode. In addition, the electricity generating unit serves to generate electricity through the electrochemical reaction of the fuel and the oxidant.

상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 물 분리부는 상기 전기 발생부의 캐소드 전극에서 발생되는 반응 생성물이 공급되며, 상기 반응 생성물 중에서 물을 분리하여, 분리된 물을 다시 상기 연료 공급부로 공급하는, 즉 다시 순환시키는 역할을 한다.The oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generation unit, and the water separation unit is supplied with a reaction product generated at the cathode electrode of the electricity generation unit, separates water from the reaction product, and separates the separated water again. It serves to feed the fuel supply, that is to circulate again.

상기 애노드 전극은 카르복실산 분해 개질 촉매를 더욱 포함할 수도 있다.The anode electrode may further comprise a carboxylic acid decomposition reforming catalyst.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

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.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a direct oxidation fuel cell, which generally supplies hydrocarbon fuel to an anode electrode to generate hydrogen ions by an oxidation reaction at the anode electrode, which reacts with the oxygen of the cathode to produce water. Generate electricity while generating Therefore, the overall reaction rate is low, the power output is low, there was a problem using an excess metal catalyst.

본 발명에서는 이러한 직접 산화형 연료 전지의 출력을 높이기 위해서 스택에 공급되는 연료에 수소를 공급하기 위한 물질로서, 카르복실산을 사용하였으며, 또한 이러한 카르복실산을 미량만 사용하여도 높은 출력을 얻을 수 있으므로, 간단한 방법으로 연료에 적정량을 공급하는 방법을 이용하였다. In the present invention, a carboxylic acid is used as a material for supplying hydrogen to the fuel supplied to the stack in order to increase the output of such a direct oxidation fuel cell, and a high output can be obtained by using only a small amount of such carboxylic acid. Therefore, the method of supplying an appropriate amount to fuel by the simple method was used.

이러한 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공 급부 및 산화제 공급부를 포함한다. 또한 이러한 직접 산화형 연료 전지의 경우 애노드 전극에서 탄화수소 연료의 산화 반응을 촉진하여 에너지 밀도를 증가시키기 위하여 탄화수소 연료와 함께 물을 공급하는데 전지 반응 중 캐소드 전극에서 발생되는 물을 상기 연료 공급부로 공급하여 연료와 혼합하여 애노드 전극에 공급되도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 직접 산화형 연료 전지 시스템은 물 분리부를 포함한다. Such a fuel cell system of the present invention includes at least one electricity generating portion, a fuel supply portion and an oxidant supply portion. In addition, in the case of the direct oxidation fuel cell, water is supplied together with the hydrocarbon fuel in order to increase the energy density by promoting the oxidation reaction of the hydrocarbon fuel at the anode, and water generated at the cathode electrode during the cell reaction is supplied to the fuel supply unit. It is desirable to mix it with fuel so that it is supplied to the anode electrode. Thus, the direct oxidation fuel cell system of the present invention includes a water separator.

이하 본 발명의 연료 전지 시스템의 각 구성 요소에 대하여 설명한다.Hereinafter, each component of the fuel cell system of the present invention will be described.

본 발명의 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부에 공급하는 역할을 하는 것으로서, pH 감응 고분자 막을 포함하며, 이 pH 감응 고분자 막에 의해 연료를 포함하는 제1 공급부와 카르복실산을 포함하는 제2 공급부로 나뉘어 구성된다.The fuel supply unit of the present invention serves to supply fuel to the electricity generation unit, and includes a pH sensitive polymer membrane, and the second supply unit includes a first supply unit including fuel and a carboxylic acid by the pH sensitive polymer membrane. It is divided into supply parts.

상기 pH 감응 고분자 막은 상기 제1 공급부의 pH에 따라 상전이가 발생되어, 제1 공급부의 pH가 7을 넘는 경우, pH 감응 고분자 막이 와해되어 카르복실산이 제1 공급부로 공급될 수 있다. 이러한 pH 감응 고분자로는 폴리퍼플루오로설포네이트, 폴리비닐아세테이트 프탈레이트, 메타크릴산 폴리머, 하이드록시프로필 메틸셀룰로즈 프탈레이트, 셀룰로오즈 프로피오네이트 프탈레이트, 유드라짓 L, 유드라짓 S 등을 1종 이상 사용할 수 있다.The pH-sensitive polymer membrane may be phase-transformed according to the pH of the first supply part. When the pH of the first supply part exceeds 7, the pH-sensitive polymer membrane may be broken and carboxylic acid may be supplied to the first supply part. Such pH-sensitive polymers include polyperfluorosulfonate, polyvinylacetate phthalate, methacrylic acid polymer, hydroxypropyl methylcellulose phthalate, cellulose propionate phthalate, Eudragit L, Eudragit S, and the like. Can be used.

상기 제1 공급부에 이러한 pH 감응 고분자 막이 위치하므로 연료를 공급하기 시작한 때의 제1 공급부의 pH는 약 7의 중성에서는 pH 감응 고분자 막이 와해된 상태로 존재하여, 카르복실산이 제2 공급부로부터 제1 공급부로 공급이 가능하다. 카르복실산의 제1 공급부로의 공급이 진행됨에 따라 제1 공급부의 pH가 점점 낮아 지고, pH가 5 미만이 되면 pH 감응 고분자 막이 고체로 상전이되므로 카르복실산이 제1 공급부로 공급되는 것이 중단된다. 또한 이 연료와 첨가제의 혼합물이 계속 상기 전기 발생부의 애노드 전극으로 공급되고, 연료 전지의 반응으로 인해 캐소드 전극에서 생성되는 물이 제1 공급부로 공급되면 제1 공급부의 pH가 점점 올라가 다시 중성 상태가 유지되면서 pH 감응 고분자 막이 와해되므로 카르복실산이 다시 제1 공급부로 공급되게 된다.Since the pH sensitive polymer membrane is located in the first supply portion, the pH of the first supply portion at the time of starting to supply fuel is present in the neutral state of the pH sensitive polymer membrane at about 7 so that the carboxylic acid is released from the second supply portion. Can be supplied to the supply section. As the supply of the carboxylic acid to the first supply portion proceeds, the pH of the first supply portion gradually decreases, and when the pH is less than 5, the supply of the carboxylic acid to the first supply portion is stopped because the pH-sensitive polymer membrane is phased into a solid. . In addition, when the mixture of the fuel and the additive is continuously supplied to the anode electrode of the electricity generating unit, and the water generated at the cathode electrode is supplied to the first supply unit due to the reaction of the fuel cell, the pH of the first supply unit gradually increases, and the neutral state is again increased. While maintaining the pH sensitive polymer membrane is decomposed, the carboxylic acid is fed back to the first supply.

결과적으로, 카르복실산을 연료에 일정량으로 계속 공급시킬 수 있으며, 또한 그 첨가량을 정밀하게 조절하면서 간단하게 첨가할 수 있다. As a result, the carboxylic acid can be continuously supplied to the fuel in a constant amount, and can be simply added while precisely controlling the addition amount.

본 발명에서 사용한 카르복실산은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표현되는 것이 바람직하다.The carboxylic acid used in the present invention is preferably represented by the following general formula (1) or (2).

[화학식 1][Formula 1]

CeHf(COOH)g C e H f (COOH) g

(상기 화학식 1에서, e는 1 내지 3이고, f는 1 내지 7이고, g는 1 내지 1의 정수임)(In Formula 1, e is 1 to 3, f is 1 to 7, g is an integer of 1 to 1)

[화학식 2][Formula 2]

CaHbXO2 C a H b XO 2

(상기 화학식 2에서, a는 2 내지 8의 정수이고, b는 3 내지 17의 정수이고, X는 할로겐임)(In Formula 2, a is an integer of 2 to 8, b is an integer of 3 to 17, X is a halogen)

보다 바람직한 예로는 포름산, 아세트산, 프로파논산(propanoic acid), 부타 논산(butanoic acid) 및 할로겐화 알킬 카르복신산(halogenated alkyl carboxylic acid)을 1종 이상 사용할 수 있으며, 포름산이 가장 바람직하다.As a more preferred example, formic acid, acetic acid, propanoic acid, butanoic acid and one or more halogenated alkyl carboxylic acids may be used, and formic acid is most preferred.

상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 하며, 적어도 하나의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 이 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. The electricity generation unit serves to generate electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, and includes at least one membrane-electrode assembly and a separator. The membrane-electrode assembly includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other, and includes a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode.

상기 산화제 공급부는 상기 전기 발생부로 산화제를 공급하는 역할을 하며, 상기 물 분리부는 상기 전기 발생부의 캐소드 전극에서 발생되는 반응 생성물이 공급되며, 상기 반응 생성물 중 물을 분리하여, 이 물을 상기 연료 공급부로 다시 공급하여 순환시키는 역할을 한다.The oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generation unit, and the water separation unit is supplied with a reaction product generated at the cathode electrode of the electricity generation unit, and separates water from the reaction product, thereby supplying the water to the fuel supply unit. It serves to circulate by feeding it back.

이어서, 상기 각 구성에 대하여 보다 자세하게 설명하도록 한다.Next, each configuration will be described in more detail.

연료 공급부는 상기 애노드 전극으로 연료 및 카르복실산을 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. 본 발명에서 상기 연료에는 카르복실산을 포함하지 않는다. 아울러, 일반적으로 액상 상태로 사용하는 경우에는 액상 연료의 산화 반응의 활성을 증가시키기 위하여 물을 혼합하여 사용할 수 있다.The fuel supply part serves to supply fuel and carboxylic acid to the anode electrode. In the present invention, the fuel refers to a hydrocarbon fuel generally used in a direct oxidation fuel cell such as methanol, ethanol, dimethoxyethane, etc., and these fuels may be used in a liquid state or a gaseous state. In the present invention, the fuel does not include carboxylic acid. In addition, in the case of using a liquid phase in general, water may be used in combination to increase the activity of the oxidation reaction of the liquid fuel.

상기 카르복실산은 개질 반응을 통해 수소를 생성시킬 수 있는 물질로서, 이 카르복실산으로는 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표현되는 것이 바람직하다.The carboxylic acid is a substance capable of generating hydrogen through a reforming reaction, and the carboxylic acid is preferably represented by the following Chemical Formula 1 or Chemical Formula 2.

[화학식 1][Formula 1]

CeHf(COOH)g C e H f (COOH) g

(상기 화학식 1에서, e는 1 내지 3이고, f는 1 내지 7이고, g는 1 내지 1의 정수임)(In Formula 1, e is 1 to 3, f is 1 to 7, g is an integer of 1 to 1)

[화학식 2][Formula 2]

CaHbXO2 C a H b XO 2

(상기 화학식 2에서, a는 2 내지 8의 정수이고, b는 3 내지 17의 정수이고, X는 할로겐임)(In Formula 2, a is an integer of 2 to 8, b is an integer of 3 to 17, X is a halogen)

보다 바람직한 예로는 포름산, 아세트산, 프로파논산(propanoic acid), 부타논산(butanoic acid), 할로겐화 알킬 카르복신산(halogenated alkyl carboxylic acid) 을 들 수 있다.More preferred examples include formic acid, acetic acid, propanoic acid, butanoic acid, and halogenated alkyl carboxylic acid.

본 발명의 연료 공급부는 pH 감응 고분자 막을 포함하며, 이 pH 감응 고분자 막에 의해 연료를 포함하는 제1 공급부와 카르복실산을 포함하는 제2 공급부로 나뉘어 구성된다.The fuel supply portion of the present invention includes a pH sensitive polymer membrane, which is divided into a first supply portion containing fuel and a second supply portion containing carboxylic acid.

상기 pH 감응 고분자 막은 상기 제1 공급부의 pH에 따라 상전이가 발생되어, 제1 공급부의 pH가 7을 넘는 경우, pH 감응 고분자 막이 와해되어 카르복실산이 제1 공급부로 공급될 수 있다. 이러한 pH 감응 고분자로는 폴리퍼플루오로카르복실산, 폴리비닐아세테이트 프탈레이트, 메타크릴산 폴리머, 하이드록시프로필 메틸셀 룰로즈 프탈레이트, 셀룰로오즈 프로피오네이트 프탈레이트, 유드라짓 L, 유드라짓 S 등을 1종 이상 사용할 수 있다.The pH-sensitive polymer membrane may be phase-transformed according to the pH of the first supply part. When the pH of the first supply part exceeds 7, the pH-sensitive polymer membrane may be broken and carboxylic acid may be supplied to the first supply part. Such pH-sensitive polymers include polyperfluorocarboxylic acid, polyvinylacetate phthalate, methacrylic acid polymer, hydroxypropyl methylcellulose phthalate, cellulose propionate phthalate, Eudragit L, Eudragit S, and the like. 1 or more types can be used.

상기 제1 공급부에 이러한 pH 감응 고분자 막이 위치하므로 연료를 공급하기 시작한 때의 제1 공급부의 pH는 약 7의 중성에서는 pH 감응고분자 막이 와해된 상태로 존재하여, 카르복실산이 제2 공급부로부터 제1 공급부로 공급이 가능하다. 카르복실산의 제1 공급부로의 공급이 진행됨에 따라 제1 공급부의 pH가 점점 낮아지고, pH가 5 미만이 되면 pH 감응 고분자 막이 고체로 상전이되므로 카르복실산이 제1 공급부로 공급되는 것이 중단된다. 또한 이 연료와 첨가제의 혼합물이 계속 상기 전기 발생부의 애노드 전극으로 공급되고, 연료 전지의 반응으로 인해 캐소드 전극에서 생성되는 물이 제1 공급부로 공급되면 제1 공급부의 pH가 점점 올라가 다시 중성 상태가 유지되면서 pH 감응 고분자 막이 와해되므로 카르복실산이 다시 제1 공급부로 공급되게 된다.Since the pH sensitive polymer membrane is located in the first supply portion, the pH of the first supply portion at the time of supplying fuel is present in the neutral state of the pH sensitive polymer membrane at about 7, so that the carboxylic acid is released from the second supply portion. Can be supplied to the supply section. As the supply of the carboxylic acid to the first supply portion proceeds, the pH of the first supply portion gradually decreases, and when the pH is less than 5, the supply of the carboxylic acid to the first supply portion is stopped because the pH-sensitive polymer membrane phase changes into a solid. . In addition, when the mixture of the fuel and the additive is continuously supplied to the anode electrode of the electricity generating unit, and the water generated at the cathode electrode is supplied to the first supply unit due to the reaction of the fuel cell, the pH of the first supply unit gradually increases, and the neutral state is again increased. While maintaining the pH sensitive polymer membrane is decomposed, the carboxylic acid is fed back to the first supply.

결과적으로, 카르복실산을 연료에 일정량으로 계속 공급시킬 수 있으며, 또한 그 첨가량을 정밀하게 조절하면서 간단하게 첨가할 수 있다. As a result, the carboxylic acid can be continuously supplied to the fuel in a constant amount, and can be simply added while precisely controlling the addition amount.

본 발명의 연료 전지 시스템에서 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)을 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 일반적으로 하나 이상 포함하며, 하나 이상의 전기 발생부를 통칭하여 스택(stack)이라 한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응 과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.In the fuel cell system of the present invention, the electricity generating portion includes a membrane-electrode assembly and a separator (also called a bipolar plate). The membrane-electrode assembly includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other, and includes a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode. The electricity generating unit generally includes at least one membrane-electrode assembly and a separator, and the at least one electricity generating unit is collectively referred to as a stack. The electricity generation unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant.

상기 애노드 전극은 전극 기재와 촉매층을 포함한다.The anode electrode includes an electrode substrate and a catalyst layer.

상기 촉매층은 연료 산화 촉매를 포함하며, 그 대표적인 예로 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W 및 Rh으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 그 대표적인 예로는 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 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 들 수 있다.The catalyst layer includes a fuel oxidation catalyst, and representative examples thereof are platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn At least one catalyst selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, and Rh). Representative examples include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / And at least one selected from the group consisting of Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W.

상기 촉매층은 또한 카르복실산 산화 촉매를 더욱 포함할 수 있다. 상기 카르복실산 산화 촉매로는 팔라듐, 금, 구리, 알루미늄, 철 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 사용할 수 있으며, 팔라듐이 바람직하다.The catalyst layer may further comprise a carboxylic acid oxidation catalyst. As the carboxylic acid oxidation catalyst, one or more metals selected from the group consisting of palladium, gold, copper, aluminum, iron, and alloys thereof may be used, and palladium is preferable.

상기 카르복실산 산화 촉매는 카르복실산을 산화시켜 수소를 발생시키는 역할을 하는 것으로서, 이와 같이 본 발명의 애노드 전극은 카르복실산 산화 촉매를 더욱 포함하므로, 탄화수소 연료와 함께 카르복실산을 연료 전지 시스템에 제공하는 것을 가능하게 하여 고출력 전지를 제공할 수 있다. 즉, 카르복실산이 연료 전지 시스템에 제공되면, 카르복실산은 애노드 전극의 카르복실산 산화 촉매에 의하 여 H2를 생성하며, 이 H2가 전기 출력을 높이는 연료로서 이용되고 또한 연료에서 수소를 만들어내는 반응을 가속시키는 촉진제로서의 기능을 함께 하므로, 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 있고, 고출력 전지를 제공할 수 있다.The carboxylic acid oxidation catalyst serves to oxidize the carboxylic acid to generate hydrogen. Thus, since the anode electrode of the present invention further includes a carboxylic acid oxidation catalyst, the carboxylic acid together with the hydrocarbon fuel is used as a fuel cell. It is possible to provide to the system to provide a high output battery. That is, the carboxylic acid when provided in the fuel cell system, the carboxylic acid to produce a W H 2 thing by acid oxidation catalyst of the anode electrode, and using the H 2 is a fuel to increase the electrical output also produce hydrogen from a fuel Since the inner side functions as an accelerator to accelerate the reaction, the oxidation reaction of the fuel is fast and the conversion rate at which hydrogen ions are generated from the fuel is fast. ) Phenomenon can be drastically reduced, and a high output battery can be provided.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 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. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs or activated carbon may be used, or alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used. In the case of using the noble metal supported on the carrier as a catalyst, a commercially available commercially available product may be used, or the noble metal supported on the carrier may be prepared and used. Since the process of supporting the precious metal on the carrier is well known in the art, detailed descriptions thereof will be readily understood by those skilled in the art even if the detailed description is omitted.

상기 촉매층은 또한 바인더를 포함한다. 이 바인더로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 사용할 수 있다.The catalyst layer also includes a binder. As the binder, a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain can be used.

상기 고분자 수지로는 퍼플루오로설포네이트 등과 같은 플루오로계 고분자, 폴리아미드계 고분자, 폴리에테르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 등과 같은 수소 이온 전도성 고분자를 1종 이상 사용할 수 있다. 상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를Na으로 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.The polymer resin may be a fluoro-based polymer such as perfluorosulfonate, a polyamide-based polymer, a polyether-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, or a polyphenylene sulfide-based polymer. At least one hydrogen ion conductive polymer such as polysulfone polymer, polyether sulfone polymer, polyether ketone polymer, polyether ether ketone polymer or polyphenylquinoxaline polymer may be used. The hydrogen ion conductive polymer may replace H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in an ion exchange group at the side chain end. In case of replacing H by Na in the ion-exchange group of the side chain terminal, NaOH is substituted when preparing the catalyst composition and tetrabutylammonium hydroxide when tetrabutylammonium is used. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

상기 바인더는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비이온 전도성 고분자와 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.The binder may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a nonionic conductive polymer for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

상기 비이온 전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene), 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 도데실벤젠술폰산 및 소르피 톨(sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.The nonionic conductive polymer may be polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer ethylene / tetrafluoroethylene, At least one selected from the group consisting of chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymers, polyvinylidene fluorides, copolymers of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene, dodecylbenzenesulfonic acid and sorbitol Can be used.

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. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffuses the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. A conductive substrate is used as the electrode substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer composed of metal cloth in a fibrous state). The metal film formed on the surface of the fabric formed of fibers (referred to as metalized polymer fiber) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 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 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), 플루오로에틸렌 폴리머 등이 사용될 수 있다. In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. As the fluorine-based resin, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene, fluoroethylene polymer, or the like may be used.

또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. In addition, a microporous layer may be further included to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. The binder resin may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or copolymers thereof and the like can be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like may be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

본 발명의 캐소드 전극은 상술한 애노드 전극의 구성에서 카르복실산 산화 촉매를 포함하지 않은 것을 제외하고는 애노드 전극과 동일한 구성을 갖는다.The cathode electrode of the present invention has the same configuration as the anode electrode except that the carboxylic acid oxidation catalyst is not included in the above-described configuration of the anode electrode.

또한 본 발명의 막-전극 어셈블리에서 고분자 전해질 막은 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 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. In addition, the polymer electrolyte membrane in the membrane-electrode assembly of the present invention is generally used as a polymer electrolyte membrane in a fuel cell, and any one made of a polymer resin having hydrogen ion conductivity may be used. Representative examples thereof include a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain.

상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴 리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 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. Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone It may include one or more selected from a polymer, a polyether-ether ketone-based polymer or a polyphenylquinoxaline-based polymer, more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally marketed as Nafion), Poly (perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) Or at least one selected from -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) Can be.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를Na으로 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.In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium. In case of replacing H by Na in the ion-exchange group of the side chain terminal, NaOH is substituted when preparing the catalyst composition and tetrabutylammonium hydroxide when tetrabutylammonium is used. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

상기 세퍼레이터에는 애노드 전극으로 연료를 공급하고, 캐소드 전극으로 산화제를 공급하기 위한 유로 채널이 형성되어 있으며, 금속 또는 흑연으로 형성된다.The separator is provided with a flow channel for supplying fuel to the anode and supplying an oxidant to the cathode, and formed of metal or graphite.

상기 산화제 공급부는 상기 전기 발생부로 산화제를 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소 또는 이를 포함하는 공기를 사용할 수 있다. The oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generator. As the oxidant, oxygen or air containing the same may be used.

또한 상기 물 분리부는 상기 전기 발생부의 캐소드 전극에서 발생되는 반응 생성물이 공급되며, 상기 반응 생성물 중 물을 분리하고, 이 분리된 물을 상기 연 료 공급부의 제1 공급부로 다시 공급하는 역할을 한다.In addition, the water separation unit is supplied with the reaction product generated from the cathode electrode of the electricity generation unit, and serves to separate the water of the reaction product, and to supply the separated water back to the first supply of the fuel supply unit.

본 발명의 연료 전지 시스템 및 그 작동 원리를 첨부된 도 1을 참고하여 설명하기로 한다. 본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5), 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(9)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system and its operating principle of the present invention will be described with reference to FIG. 1. The fuel cell system 1 of the present invention includes at least one electricity generation unit 3 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, a fuel supply unit 5 for supplying the fuel, and an oxidant. It comprises a oxidant supply unit (9) for supplying to the electricity generating section (3).

또한, 상기 연료 공급부(7)는 pH 감응 고분자 막(24), 이 pH 감응 고분자 막(24)에 의해 구획된 연료를 저장하는 제1 공급부(26)와 카르복실산을 저장하는 제2 공급부(22)를 포함한다.In addition, the fuel supply unit 7 includes a pH sensitive polymer membrane 24, a first supply unit 26 for storing fuel partitioned by the pH sensitive polymer membrane 24, and a second supply unit for storing carboxylic acid ( 22).

상기 연료 공급부(7)는 연료 탱크(15)와 이 연료 공급부(7)에 연결 설치되는 연료 펌프(13)를 구비하며, 상기 연료 펌프(15)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(15)에 저장된 연료를 상기 연료 공급부(7)로 배출시키는 기능을 하게 된다. 연료 펌프(13) 및 연료 공급부(7)의 작동 조건은 콘트롤 보드(control board, 30)에 의해 적절하게 조절될 수 있다The fuel supply unit 7 includes a fuel tank 15 and a fuel pump 13 connected to the fuel supply unit 7, and the fuel pump 15 is connected to the fuel tank 15 by a predetermined pumping force. The fuel stored in the discharged to the fuel supply unit 7 is to function. The operating conditions of the fuel pump 13 and the fuel supply 7 can be appropriately adjusted by the control board 30.

연료 펌프(13)를 통하여 상기 제1 공급부(26)로 연료가 주입되면, 제2 공급부(22)에 있던 카르복실산이 pH 감응 고분자 막(24)을 통하여 주입되어, 연료와 카르복실산 혼합물이 형성된다.When fuel is injected into the first supply part 26 through the fuel pump 13, the carboxylic acid in the second supply part 22 is injected through the pH sensitive polymer membrane 24, so that the fuel and the carboxylic acid mixture are injected. Is formed.

상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(3c)와 이 막-전극 어셈블리(3c)의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(3a, 3b)로 구성되며, 이러한 전기 발생부(3)가 적어도 하나 모여 스 택(20)을 구성한다.The electricity generator 3 is a membrane-electrode assembly 3c for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant, and separators 3a and 3b for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly 3c. It is configured, the electricity generating unit 3 is at least one gather to constitute a stack (20).

상기 연료와 카르복실산 혼합물이 상기 막-전극 어셈블리(3c)의 애노드 전극에 공급된다. 이어서, 막-전극 어셈블리(3c)의 캐소드 전극에 산화제인 산소 함유 가스를 산화제 공급부(9)의 산화제 펌프(7)를 이용하여 주입한다. The fuel and carboxylic acid mixture is supplied to the anode electrode of the membrane-electrode assembly 3c. Subsequently, an oxygen-containing gas, which is an oxidant, is injected into the cathode of the membrane-electrode assembly 3c using the oxidant pump 7 of the oxidant supply unit 9.

이때, 카르복실산은 카르복실산 산화 촉매에 의해 H2 가스로 개질되고, 이 H2 가스와 연료는 탄화수소 산화 촉매에 의해 H+ 및 전자(e-)를 생성한다. 또한 이때, 생성되는 전자(e-)의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 상기 생성된 H+는 고분자 전해질 막을 통하여 상기 캐소드 전극으로 이동하여 캐소드 전극에 주입된 산소와 반응하여 H2O를 생성하고, 연료 전지 전체 반응에서 생성되는 H2O와 CO2는 물 분리부(17)에서 분리되어 CO2는 외부로 배출되고, 생성된 H2O는 다시 연료 공급부(7)의 제1 공급부(26)로 공급되어 순환된다. At this time, the carboxylic acid is reformed into H 2 gas by the carboxylic acid oxidation catalyst, and the H 2 gas and the fuel generate H + and electrons (e ) by the hydrocarbon oxidation catalyst. In this case, electrical energy is generated by the movement of generated electrons (e ). The generated H + is moved to the cathode electrode through the polymer electrolyte membrane to react with the oxygen injected into the cathode to produce H 2 O, H 2 O and CO 2 generated in the entire fuel cell reaction is a water separation unit ( Separated from 17), CO 2 is discharged to the outside, and the generated H 2 O is supplied to the first supply part 26 of the fuel supply part 7 and circulated again.

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. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 및 Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량%와 바인더로 5 중량% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 사용하여 애노드 전극용 촉매 조성물 및 캐소드 전극용 촉매 조성물을 각각 제조하였다. Anode using 88 wt% Pt-Ru black (Johnson Matthey) and Pt black (Johnson Matthey) catalyst and 12 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) at 5 wt% concentration as binder Catalyst compositions for electrodes and catalyst compositions for cathode electrodes were prepared, respectively.

상기 애노드 전극용 촉매 조성물을 0.2mg/cm2의 탄소 함량을 갖는 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하고, 상기 캐소드 전극용 촉매 조성물을 1.3mg/cm2의 탄소 함량을 갖는 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 촉매 로딩량은 8mg/cm2로 하였다.Applying the catalyst composition for the anode electrode on a carbon paper electrode substrate having a carbon content of 0.2mg / cm 2 to produce an anode electrode, the catalyst composition for the cathode electrode on a carbon paper electrode substrate having a carbon content of 1.3mg / cm 2 It was applied to prepare a cathode electrode. At this time, the catalyst loading in the anode electrode and cathode electrode was 8mg / cm 2 .

제조된 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설포네이트) 고분자 전해질 막을 이용하여 단위 전지를 제조하였다.A unit cell was prepared using the prepared anode and cathode electrodes and a commercial Nafion 115 (perfluorosulfonate) polymer electrolyte membrane.

상기 단위 전지를 이용하여 스택을 제조하였다. 이어서, 폴리퍼플루오로설포네이트 pH 감응 고분자 막으로 구획된 메탄올을 저장하는 제1 공급부와 포름산을 저장하는 제2 공급부를 포함하는 연료 공급부와 상기 스택을 이용하여 통상의 방법으로 연료 전지 시스템을 제조하였다.The stack was prepared using the unit cell. Subsequently, a fuel cell system was manufactured by a conventional method using the stack and a fuel supply including a first supply for storing methanol partitioned with a polyperfluorosulfonate pH sensitive polymer membrane and a second supply for storing formic acid. It was.

상기 연료 전지 시스템을 구동시킨 결과 구동 초기에는 상기 제2 공급부에 저장되어 있던 포름산이 상기 제1 공급부의 연료로 공급되다가, 시간이 지남에 따라 상기 제1 공급부의 pH가 점점 낮아져 상기 pH 감응 고분자 막이 고체로 상전이되어 포름산 공급이 중단되었다. 이어서, 연료 전지를 더욱 구동시키면, 다시 상기 제1 공급부의 pH가 높아져서 pH 감응 고분자 막이 와해되어 포름산 공급이 시작되었다.As a result of driving the fuel cell system, formic acid stored in the second supply unit is initially supplied to the fuel of the first supply unit, and as time passes, the pH of the first supply unit is gradually lowered to form the pH-sensitive polymer membrane. The phase transition to a solid stopped the formic acid supply. Subsequently, when the fuel cell was further driven, the pH of the first supply portion was increased again, and the pH sensitive polymer membrane was broken to start formic acid supply.

본 발명의 직접 산화형 연료 전지 시스템은 출력을 향상시킬 수 있는 카르복 실산을 적당한 양으로 간단하게 연료에 첨가할 수 있어 고출력 연료 전지를 제공할 수 있다.The direct oxidation type fuel cell system of the present invention can simply add a carboxylic acid capable of improving the output to a fuel in an appropriate amount to provide a high output fuel cell.

Claims (11)

서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 것인 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;And at least one membrane-electrode assembly and a separator comprising an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, wherein the membrane comprises an electrode reaction and a reduction reaction of the oxidant. At least one electricity generating unit for generating electricity through; pH 감응 고분자 막, 이 pH 감응 고분자 막으로 구획된 연료를 포함하는 제1 공급부와 카르복실산를 포함하는 제2 공급부를 포함하며, 상기 전기 발생부로 연료 및 카르복실산을 공급하는 연료 공급부;a fuel supply unit for supplying fuel and carboxylic acid to the electricity generation unit, the fuel supply unit including a pH sensitive polymer membrane, a first supply unit including a fuel divided by the pH sensitive polymer membrane, and a second supply unit including carboxylic acid; 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부; 및An oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit; And 상기 전기 발생부에서 발생된 반응 생성물이 공급되고, 이 반응 생성물에서 물을 분리하여 상기 연료 공급부로 순환시키는 물 분리부The reaction product generated in the electricity generation unit is supplied, and the water separation unit for separating the water from the reaction product to circulate to the fuel supply unit 를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템.Direct oxidation fuel cell system comprising a. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 pH 감응 고분자 막은 폴리퍼플루오로카르복실산, 폴리비닐아세테이트 프탈레이트, 메타크릴산 폴리머, 하이드록시프로필 메틸셀룰로즈 프탈레이트, 셀룰로오즈 프로피오네이트 프탈레이트, 유드라짓 L, 유드라짓 S 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템.The pH sensitive polymer membrane is polyperfluorocarboxylic acid, polyvinylacetate phthalate, methacrylic acid polymer, hydroxypropyl methylcellulose phthalate, cellulose propionate phthalate, Eudragit L, Eudragit S and combinations thereof Direct oxidation fuel cell system comprising a polymer selected from the group consisting of. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 카르복실산은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표현되는 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템.The carboxylic acid is a direct oxidation fuel cell system that is represented by the following formula (1) or (2). [화학식 1][Formula 1] CeHf(COOH)g C e H f (COOH) g (상기 화학식 1에서, e는 1 내지 3이고, f는 1 내지 7이고, g는 1 내지 1의 정수임)(In Formula 1, e is 1 to 3, f is 1 to 7, g is an integer of 1 to 1) [화학식 2][Formula 2] CaHbXO2 C a H b XO 2 (상기 화학식 2에서, a는 2 내지 8의 정수이고, b는 3 내지 17의 정수이고, X는 할로겐임)(In Formula 2, a is an integer of 2 to 8, b is an integer of 3 to 17, X is a halogen) 제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 카르복실산은 포름산, 아세트산, 프로파논산(propanoic acid), 부타논산(butanoic acid), 할로겐화 알킬 카르복신산(halogenated alkyl carboxylic acid) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템.The carboxylic acid is a direct oxidation fuel selected from the group consisting of formic acid, acetic acid, propanoic acid, butanoic acid, halogenated alkyl carboxylic acid, and combinations thereof. Battery system. 제4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 카르복실산은 포름산인 직접 산화형 연료 전지 시스템.Wherein said carboxylic acid is formic acid. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 애노드 전극은 연료 산화 촉매를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템.The anode electrode is a direct oxidation fuel cell system comprising a fuel oxidation catalyst. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 애노드 전극은 카르복실산 산화 촉매를 더욱 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템.And said anode electrode further comprises a carboxylic acid oxidation catalyst. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 카르복실산 산화 촉매는 팔라듐, 금, 구리, 알루미늄, 철, 이들의 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템.Wherein said carboxylic acid oxidation catalyst is selected from the group consisting of palladium, gold, copper, aluminum, iron, alloys thereof, and combinations thereof. 제8항에 있어서, The method of claim 8, 상기 카르복실산 산화 촉매는 팔라듐을 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템.Wherein said carboxylic acid oxidation catalyst comprises palladium. 제6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 연료 산화 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, Zn, Sn, Mo, W 및 Rh으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 직접 산화형 연료 전지 시스템.The fuel oxidation catalyst is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu And at least one transition metal selected from the group consisting of Zn, Sn, Mo, W, and Rh). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료는 탄화수소 연료인 직접 산화형 연료 전지 시스템. Wherein said fuel is a hydrocarbon fuel.
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