KR100699073B1 - 전도도 값을 이용하여 실시간으로 포름산 농도 측정 및제어를 수행하는 직접 포름산 연료전지 및 그 운전 방법 - Google Patents

전도도 값을 이용하여 실시간으로 포름산 농도 측정 및제어를 수행하는 직접 포름산 연료전지 및 그 운전 방법 Download PDF

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한종희
임태훈
남석우
윤성필
김형준
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홍성안
오인환
함형철
김영천
이상엽
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Abstract

본 발명에서는 애노드, 고분자 전해질막 및 캐소드로 이루어지는 단위 전지 또는 상기 단위 전지의 스택; 상기 단위 전지의 애노드에 연료인 포름산을 공급하는 포름산 공급부; 상기 단위 전지의 캐소드에 공기 또는 산소를 공급하는 공기 또는 산소 공급부; 상기 포름산 공급부에 연결되고 애노드로 제공될 포름산의 일부를 해리시켜 생성된 수소 이온과 포르메이트 이온의 전도도 값을 실시간으로 측정하는 전도도 측정기; 및 상기 전도도 측정기로부터의 측정된 전도도 값을 수신하고, 이를 미리 설정된 전도도 값의 범위와 대비하여, 상기 측정된 전도도 값이 상기 설정된 전도도 값의 범위를 벗어나지 않도록, 상기 전도도 측정기의 실시간 측정에 대응하여, 애노드로 제공될 포름산의 농도를 실시간으로 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 포름산 연료전지 및 그 운전 방법이 제공된다. 본 발명에 의하여 포름산의 수소 이온과 포르메이트 이온의 전도도 값을 실시간으로 측정하고 측정된 전도도 값을 바탕으로 애노드로 제공되는 포름산의 농도를 실시간으로 제어하는 구성에 의하여, 직접 포름산 연료전지의 성능을 일정하게 유지할 수 있다.
포름산, 농도감지, 농도제어, 전도도, 칼로멜, 직접포름산 연료전지

Description

전도도 값을 이용하여 실시간으로 포름산 농도 측정 및 제어를 수행하는 직접 포름산 연료전지 및 그 운전 방법{Direct formic acid fuel cell carrying out real time evaluation and control of formic acid using conductivity value}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전도도 값을 이용하여 실시간으로 포름산 농도 측정 및 제어를 수행하는 직접 포름산 연료전지의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전도도 값을 이용하여 실시간으로 포름산 농도 측정 및 제어를 수행하는 직접 포름산 연료전지의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에서 사용되는 직접 포름산 연료전지의 포름산 농도 측정용 마이크로 전도도 측정기를 나타내는 개략도이다.
도 4은 본 발명의 제1 실시예에 따른 포름산 농도에 따른 전도도 값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 포름산 농도의 감지응답시간 결과를 보여주는 그래프이다.
*주요 도면 부호의 간단한 설명*
10 : 단위 전지 또는 단위 전지 스택 11 : 캐소드
12 : 애노드 20 : 포름산 저장부
21 : 순수 포름산 저장부 22 : 적정 농도 포름산 저장부
23 : 밸브 24 : 고농도 포름산 카트리지
25 : 물 저장부 30 : 전도도 측정기
31 : 케이블 33 : 본체 덮개
35 : 유리 스템 상의 플라티늄 블랙이 코팅된 판
40 : 제어부 41 : 펌프 구동기
42 : 펌프 43 : 펌프
50 : 이산화탄소 제거기 60 : 공기 공급부
70 : 벌크 컨버터 80 : AC-DC 컨버터
본 발명은 최근 휴대용 전자기기의 차세대 전원으로서 각광을 받고 있는 직접 액체 산화 연료전지 중 특히 직접 포름산 연료전지에 있어서, 전도도 값을 이용하여 실시간으로 포름산의 농도 측정 및 제어를 수행하는 직접 포름산 연료전지 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
본 명세서에 있어서, "고농도의 포름산"이란 순수한 포름산 이외에 희석이 요구될 정도의 농도를 가지는 포름산을 의미하도록 사용된다.
저온연료전지는 환경친화적일 뿐만 아니라 최근 고출력 휴대용 전원의 수요가 급증하고 있는 상황에서 기존의 에너지 시스템(이차전지, 커패시터)을 충분히 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
특히, 저온연료전지 중 직접 메탄올 연료전지는 개질 장치를 필요로 하지 않으며, 시스템이 간단하여 소형화가 가능하다는 이점을 지니고 있다.
그러나, 직접 메탄올 연료전지는 메탄올의 투과 현상으로 인한 캐소드의 오염과 부반응에 의하여 연료전지의 성능 및 내구성이 저하된다는 문제점을 지니고 있다. 나아가, 인체 유해성 물질인 메탄올의 사용 규제로 인하여 설령 메탄올 투과와 관련된 기술적 부분이 해결된다고 하더라도 메탄올 연료전지의 조기 상용화는 어려울 것으로 전망된다.
한편, 최근, 포름산, 에틸렌 글리콜, 디메틸 에테르, 메틸 포르메이트 등과 같이 메탄올의 단점을 극복할 수 있는 대체 액체 연료에 대한 연구가 진행중이다. 이와 같은 액체 연료들은 메탄올과 비교할 때 비록 에너지 밀도는 상대적으로 낮지만(예를 들어, 메탄올이 4690Wh/L인 반면, 포름산은 2086Wh/L이다), 인체에 무해하다는 장점을 지닌다.
나아가, 특히 포름산을 액체 연료로 이용하는 포름산 연료전지의 경우에는 포름산이 수용액 상태에서 수소 이온과 포르메이트 이온으로 해리되기 때문에 포름산 자체가 용액 저항을 최소화할 수 있는 전해질로서 사용가능하다. 또한, 포르메이트 이온과 고분자 전해질막에 형성되어 있는 이온 클러스터와의 반발력으로 인해 메탄올과 달리 포름산의 막투과는 매우 적다. 따라서, 포름산 연료전지는 메탄올 연료전지에서 가장 중요한 문제점으로 인식되어 있는 캐소드 오염 및 부반응이 극히 경미하다는 장점을 지닌다. 더욱이, 포름산 연료전지는 열역학적 평형 전위 값이 높고(약 1.45V) 산화반응속도도 빠르다.
그러므로, 현재 직접 포름산 연료전지를 휴대용 전원시스템으로서 사용하기 위한 연구와 개발이 현재 활발하게 이루어지고 있다[예를 들어, 최근 미국 일리노이즈 대학(University of Illinois at Urbana Champaign)의 Masel 그룹에 의한 다양한 연료극 촉매의 반응성과 포름산 농도에 따른 연료전지 성능, 즉 포름산 연료의 물리화학적 특성에 따른 결과가 보고되어 있다].
하기 반응식들은 직접 포름산 연료전지에 있어서의 애노드 및 캐소드에서의 반응식을 각각 나타내는 것이다.
HCOOH -> CO2 + 2H+ + 2e-
2H+ + 2e- + 0.5O2 -> H2O
상기 반응식들로부터 알 수 있듯이, 애노드에서는 포름산의 전기화학적 산화반응으로 2개의 전자와 수소 이온이 생성되며, 상기 생성된 수소 이온은 고분자 전해질막을 통하여 캐소드로 이동하여 캐소드 측으로 공급된 산소와 반응하여 물을 생성하게 된다. 또한, 상기 생성된 전자는 외부회로를 통하여 애노드로부터 캐소드로 이동하며, 이때, 저항값에 따라서 그 사용범위가 결정된다.
상기 포름산은 직접 산화와 간접 산화 반응의 2가지 경로를 통해 이산화탄소로 산화되는데, 현재까지의 포름산 연료전지의 연구는 포름산의 직접 산화를 위한 최적의 촉매 개발에 초점이 맞추어져 있었다.
그리고, 이와 같은 미시적인 연구가 중점을 이룬 결과 직접 포름산 연료전지를 휴대용 전원으로서 상용화하기 위하여 필요한 전체 공정 시스템에 대한 연구는 아직까지 미비한 수준이다.
특히, 직접 메탄올 연료전지의 시스템과는 다르게 직접 포름산 연료전지의 경우 고농도의 포름산을 사용하는 것이 필수적이지만, 고농도의 포름산 사용을 위한 포름산의 농도 감지 및 제어와 이를 바탕으로 한 포름산 연료전지의 운전 시스템에 대한 개발은 이루어지지 않았다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 포름산을 해리시켜 생성된 수소 이온과 포르메이트 이온의 농도를 실시간으로 감지하고 이를 바탕으로 포름산의 농도를 실시간으로 제어하여 직접 포름산 연료전지의 장기 운전성을 확보할 수 있는 직접 포름산 연료전지 및 그 운전 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적은, 직접 포름산 연료전지에 있어서, 애노드, 고분자 전해질막 및 캐소드로 이루어지는 단위 전지 또는 상기 단위 전지의 스택; 상기 단위 전지의 애노드에 연료인 포름산을 공급하는 포름산 공급부; 상기 단위 전지의 캐소드에 공기 또는 산소를 공급하는 공기 또는 산소 공급부; 상기 포름산 공급부에 연결되고 애노드로 제공될 포름산의 일부를 해리시켜 생성된 수소 이온과 포르 메이트 이온의 전도도 값을 실시간으로 측정하는 전도도 측정기; 및 상기 전도도 측정기로부터의 측정된 전도도 값을 수신하고, 이를 미리 설정된 전도도 값의 범위와 대비하여, 상기 측정된 전도도 값이 상기 설정된 전도도 값의 범위를 벗어나지 않도록, 상기 전도도 측정기의 실시간 측정에 대응하여, 애노드로 제공될 포름산의 농도를 실시간으로 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 포름산 연료전지에 의하여 달성된다.
상기 포름산 공급부는, 순수 또는 고농도의 포름산 저장부; 캐소드로부터 배출된 물 또는 별도의 물 공급부로터의 물이 공급되고, 상기 순수 또는 고농도의 포름산 저장부와 연결되며 농도가 조절된 포름산을 저장하는 적정 농도 포름산 저장부; 상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 순수 또는 고농도의 포름산 저장부로부터 상기 적정 농도 포름산 저장부로 순수 또는 고농도의 포름산을 공급하도록 개폐되는 밸브; 및 상기 적정 농도 포름산 저장부로부터 애노드로 적정 농도의 포름산을 공급하는 펌프;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 적정 농도 포름산 저장부에는 애노드로부터 배출된 포름산이 공급되는 것이 바람직하다.
상기 포름산 공급부는, 순수 또는 고농도의 포름산 저장부; 캐소드로부터 배출된 물 또는 별도의 물 공급부로터 공급된 물이 저장되는 물 저장부; 상기 순수 또는 고농도의 포름산 저장부로부터 공급된 순수 또는 고농도의 포름산 및 상기 물 저장부로부터 공급된 물을 혼합하여 적정 농도의 포름산을 제공하는 혼합기; 상기 제어부의 제어 신호에 따라서, 상기 물 저장부로부터 상기 혼합기로 물을 공급하는 펌프; 상기 제어부의 제어 신호에 따라서, 상기 순수 또는 고농도 포름산 저장부로부터 순수 또는 고농도 포름산을 상기 혼합기로 공급하는 펌프; 및 상기 혼합기로부터 애노드로 적정 농도의 포름산을 공급하는 펌프로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 혼합기에는 애노드로부터 배출된 포름산이 공급되어 함께 혼합되는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 목적은, 직접 포름산 연료전지의 운전 방법에 있어서, 애노드로 제공될 포름산의 일부를 애노드로 제공되기 전 해리시켜 생성된 수소 이온과 포르메이트 이온의 전도도 값을 실시간으로 측정하는 단계(S1); 및 상기 측정된 전도도 값을 설정된 전도도 값의 범위와 대비하여, 상기 측정된 전도도 값이 상기 설정된 전도도 값의 범위를 벗어나지 않도록, 애노드로 제공될 포름산의 농도를 상기 전도도의 실시간 측정에 대응하여 실시간으로 조절한 상태에서, 포름산을 애노드로 제공하는 단계(S2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 포름산 연료전지의 운전 방법에 의하여 달성된다.
상기 방법은, 상기 포름산의 농도 변화 시 상기 전도도 값이 1 내지 5초 내에 일정한 값을 가지도록 대응시키는 것이 바람직하다.
상기 방법은, 상기 전도도의 설정된 범위를 9.5 내지 12 mS/cm로 하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 전도도 값을 이용하여 실시간으로 포름산 농도 측정 및 제어를 수행하는 직접 포름산 연료전지 및 그 운전 방법을 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨 부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예가 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전도도 값을 이용하여 실시간으로 포름산 농도 측정 및 제어를 수행하는 직접 포름산 연료전지의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 직접 포름산 연료전지는, 크게, 애노드(12), 고분자 전해질막 및 캐소드(11)로 이루어지는 단위 전지(10), 상기 단위 전지(10)의 애노드(12)에 연료인 포름산을 공급하는 포름산 공급부, 상기 단위 전지(10)의 캐소드(11)에 공기(또는 산소; 이하 같다)를 공급하는 공기 공급부(60), 전도도 측정기(30) 및 상기 전도도 측정기(30)에 의하여 측정된 전도도 값을 수신하여 포름산 농도 제어를 수행하는 제어부(40)로 이루어진다.
상기 포름산 공급부는 포름산 저장부(20)를 포함한다. 상기 포름산 저장부(20)는 순수(또는 고농도; 이하 같다) 포름산 저장부(21)와, 상기 전도도 측정기가 연결된 버퍼 영역(buffer zone)인 적정 농도 포름산 저장부(22), 상기 순수 포름산 저장부(21)로부터 순수 포름산이 상기 적정 농도 포름산 저장부(22)로 이동하도록 하기 위한 제어부(40)에 연결된 개폐 밸브(23)로 구성된다.
상기 적정 농도 포름산 저장부(22)에는 상기 캐소드(11)로부터 배출된 물/공기 중 공기가 제거된 물이 유입되도록 할 수 있으며, 나아가, 필요에 따라 적정 농도 조절을 위한 별도의 물 공급부를 상기 적정 농도 포름산 저장부(22)에 연결하여 설치하는 것도 가능하다.
한편, 상기 애노드(12)로부터 배출된 포름산/이산화탄소 중 이산화탄소 제거기(50)에 의하여 이산화탄소가 제거된 포름산이 유입되도록 할 수 있다.
상기 적정 농도 포름산 저장부(22)에는 펌프(42)가 연결되며, 상기 펌프(42)는 상기 제어부(40)에 연결되는 펌프 구동기(41)를 통하여 구동되도록 연결된다.
이때, 상기 순수 포름산 저장부(21)의 부피는 예컨대 270cc로 하는 것이 전체 시스템의 크기와 화학적 에너지 출력을 고려할 때 적절하고[예컨대, 100% 포름산의 몰농도는 21.74M(mol/L)이며 이 경우 화학적 에너지 밀도는 2086Wh/L이므로 270cc인 경우 화학적 에너지는 563.22Wh가 된다], 적정 농도 포름산 저장부(22)의 부피도 시스템의 크기와 공급량 및 화학적 에너지 출력을 고려하여 30cc로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 공기 공급부(60)는 에어 펌프로 구성되며, 상기 에어 펌프는 제어부(40)에 의하여 제어되어 상기 캐소드(11)로 공기 공급을 적정 유량으로 수행한다. 상기 펌프의 부피는 40 내지 60cc가 바람직하고, 1.5 내지 3.0W의 전력을 소비하여 1.5 내지 6.8L/min의 공기를 캐소드에 공급하는 것이 바람직하다.
상기 제어부(40)는 센싱 및 콘트롤 유니트(sensing/control unit)로서 PCB 보드로 구성된다.
한편, 상기 단위 전지(10)의 캐소드(11) 및 애노드(12)에는 버크 컨버터(70)와 AC-DC 컨버터(80)가 각각 연결되며, 이들은 상기 제어부(40)에 또한 연결된다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 직접 포름산 연료전지의 운전 방법을 상술하면, 우선, 상기 전도도 측정기(30)는 상기 적정 농도 포름산 저장부(22)로부터 포 름산의 일부를 추출하고 물과의 반응을 통하여 해리시켜 생성된 수소 이온과 포르메이트 이온으로부터 실시간으로 전도도 값을 측정한다.
상기 전도도 측정기(30)로부터 측정된 전도도 값은 상기 제어부(40)로 수신된다.
상기 제어부(40)에서는 상기 수신된 값을, 예를 들어, 포름산의 4 내지 11M 농도에 해당하는 전도도 9.5 내지 12 mS/cm와 같이 미리 설정된 전도도 값의 범위와 대비하여, 상기 수신된 전도도 값이 상기 설정된 전도도 값의 범위를 벗어나지 않도록, 상기 전도도 측정기의 실시간 측정에 대응하여 상기 밸브(23)의 개폐를 조절한다.
한편, 상기 제어부(40)는 이에 연결된 펌프 구동기(41)를 통하여 펌프(42)를 작동시켜 적정 농도 포름산 저장부(22)로부터 적정 농도 포름산을 애노드(12)로 제공함으로써, 직접 포름산 연료전지의 성능을 일정하게 유지하며 운전할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전도도 값을 이용하여 실시간으로 포름산 농도 측정 및 제어를 수행하는 직접 포름산 연료전지의 개략도이다
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 직접 포름산 연료전지는, 크게, 애노드(12), 고분자 전해질막 및 캐소드(11)로 이루어지는 단위 전지 스택(10), 상기 단위 전지 스택(10)의 애노드(12) 측에 연료인 포름산을 공급하는 포름산 공급부, 상기 단위 전지(10)의 캐소드(11) 측에 공기를 공급하는 공기 공급부(60), 상기 포름산 공급부로부터 공급되는 포름산의 전도도를 측정하는 전도도 측정기(30) 및 측정된 전도도 값을 바탕으로 포름산 농도 제어를 수행하는 제어 부(40)로 이루어진다.
본 발명의 제2 실시예에서의 포름산 공급부는 고농도(또는 순수; 이하, 같다) 포름산 저장부인 고농도 포름산 카트리지(24), 물 저장부(25), 물과 포름산의 혼합기(26)로 이루어진다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에서는 물과 고농도 포름산을 별도로 저장한 후, 전도도 측정에 대응하여 혼합기(26)에서 물과 고농도 포름산을 적정 농도로 혼합한다. 이때, 상기 물, 고농도 포름산 또는 적정 농도로 혼합된 포름산을 각각 이송하기 위하여 마이크로 펌프(43)가 각각 설치되고, 마이크로 펌프(43)는 제어부(40)에 연결된다.
상기 마이크로 펌프(43)는 30 내지 50cc의 부피를 가지는 것이 바람직하며, 0.5 ~ 1.5W의 전력을 소비하여 15 ~ 40cc/min의 유량을 공급할 수 있는 것이 바람직하다.
상기 물 저장부(25)는 캐소드(11)로부터 배출된 물/공기가 유입되고, 여기서 공기는 배출된다. 물론 제1 실시예의 경우와 같이 별도의 물 공급부를 추가로 설치하는 것도 가능하다.
한편, 상기 애노드(12)로부터 배출된 포름산/이산화탄소는 이산화탄소 제거기(50)에 의하여 이산화탄소가 제거되며 제거된 이산화탄소는 물 저장부(25)로 이동된 후 가스로 배출되도록 할 수 있다. 그리고, 상기 이산화탄소가 제거된 애노드(12)로부터의 포름산은 상기 혼합기(26)로 다시 유입되도록 할 수 있고, 이때, 상기 유입되는 포름산의 농도를 측정하기 위한 전도도 측정기(30)가 추가로 설치될 수 있다.
상기 혼합기(26)에는 마이크로 펌프(43)가 연결되며, 상기 펌프(43)에 의하여 상기 혼합기(26) 내의 적정 농도 포름산은 애노드(12) 측으로 공급된다.
상기 공기 공급부(60)는 제1 실시예와 마찬가지로 공기를 일정 유량으로 캐소드(11) 측에 공급하는 에어 펌프이다.
제2 실시예에 따른 직접 포름산 연료전지의 운전을 상술하면, 상기 혼합기(26)에 연결된 전도도 측정기(30)는 상기 애노드(12)로 제공될 포름산의 일부를 해리시켜 생성된 수소 이온과 포르메이트 이온의 전도도 값을 실시간으로 측정하고, 측정된 데이터를 제어부(40)로 제공한다.
상기 제어부(40)에서는 상기 전도도 측정기(30)로부터의 측정된 전도도 값을 수신하고 이를 미리 설정된 전도도 값의 범위(예를 들어, 제1 실시예와 같은 9.5 내지 12 mS/cm)와 대비하여 상기 측정된 전도도 값이 상기 설정된 전도도 값의 범위를 벗어나지 않도록 상기 전도도 측정기의 실시간 측정에 대응하여 각 펌프(43)를 조절함으로써 물과 고농도 포름산을 혼합기(26)로 공급하여 포름산의 농도를 실시간으로 제어한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들의 직접 포름산 연료전지에서는 전도도 측정기(30)로 측정된 전도도 값을 바탕으로 순수 또는 고농도 포름산, 캐소드로부터의 물, 애노드로부터의 미반응 포름산을 적절하게 혼합하여 농도를 제어한다.
상기 실시예들의 직접 포름산 연료전지의 운전에 있어서의 전도도 측정은 실시간 감지가 가능한 감도성을 가지며, 나아가 그 전도도 측정기로서 내충격성, 내 화학성, 내후성을 가지는 것을 사용한다.
도 3은 본 발명의 실시예들에서 사용되는 직접 포름산 연료전지의 포름산 농도 측정용 마이크로 전도도 측정기 구조를 나타내는 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예들에서 사용되는 전도도 측정기(30)는 케이블(31)에 연결된 예컨대 35mm의 길이를 가지고 직경이 5mm인 본체를 가지는 측정기(30)로서, 상기 측정기(30)의 내부에는 전도도 측정을 위하여 유리 스템 상의 플라티늄 블랙이 코팅된 판(35)이 각각 대향하여 놓인다. 상기 측정기(30)의 본체 덮개(33)는 에폭시 수지로 이루어진다. 본 발명에서는 상기와 같은 마이크로 전도도 측정기를 연료인 포름산 공급부의 출구(애노드로 공급되는 측의 출구)에 장착함으로써 애노드로 공급되는 가능한 최대로 혼합된 포름산의 농도를 감지하게 된다.
한편, 본 발명에서는 포름산 용액의 온도에 따른 신뢰성 있는 전도도 값을 측정하기 위하여, 포름산 저장조 온도를 감지한 후 감지된 온도를 기초로 쿨링 팬을 작동시켜 포름산 저장조의 온도를 제어한 상태에서 전도도 값을 측정하는 것이 바람직하다. 이 경우 용액의 감응성을 최대한으로 높이기 위하여 용액과 마이크로 전도도 측정기의 접촉을 원활하게 하는 구조로 제조하여 사용할 수 있다. 상기와 같은 구조로서는 예컨대 센서의 말단 접촉부분이 숟가락 형상으로 구부려진 구조가 가능하다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 포름산 농도에 따른 전도도 값의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 포름산 농도의 감지 응답시간 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 포름산의 농도가 변함에 따라서 전도도 값은 1 내지 5초 내에서 안정성을 나타내는 것을 관찰하였다. 15.0M 및 2.0M의 경우가 있었지만 적정 농도 범위는 4 내지 11M이고, 이에 대응하는 전도도는 9.5 내지 12 mS/cm이었다. 상기 전도도 측정의 신뢰도는 95% 이상이었다. 이와 같이, 본 발명에서는 포름산 농도 변화를 높은 신뢰도로 5초 이내 예컨대 1 내지 5초의 범위에서 민감하게 측정 및 제어하여 일정한 포름산 농도를 유지할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 포름산이 수용액 상에서 수소 이온과 포르메이트 이온으로 해리되는 현상을 이용하여 전도도 값을 측정함으로써 포름산 농도를 실시간으로 측정하고 이를 바탕으로 포름산의 농도를 실시간으로 제어하여 직접 포름산 연료전지를 일정한 성능으로 운전할 수 있도록 한다. 나아가, 상기 전도도 측정 시 온도 변화나 농도 변화에도 높은 신뢰성을 가지도록 할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 포름산 농도 측정용 마이크로 전도도 측정기는 강산에 내구성을 지니고 있으며 온도변화 및 농도변화에 높은 신뢰성을 가진다. 또한, 이를 이용하여 포름산의 수소 이온과 포르메이트 이온의 전도도 값을 실시간으로 측정하고 측정된 전도도 값을 바탕으로 애노드로 제공되는 포름산의 농도를 실시간으로 제어하는 구성에 의하여, 직접 포름산 연료전지의 성능을 일정하게 유지할 수 있다. 나아가, 상기와 같은 본 발명은 직접 포름산 연료전지와 유사한 여타의 액체 연료전지 시스템에 있어서 최적 연료 농도 조절을 위한 참고자료로 이용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 직접 포름산 연료전지에 있어서,
    애노드, 고분자 전해질막 및 캐소드로 이루어지는 단위 전지 또는 상기 단위 전지의 스택;
    상기 단위 전지의 애노드에 연료인 포름산을 공급하는 포름산 공급부;
    상기 단위 전지의 캐소드에 공기 또는 산소를 공급하는 공기 또는 산소 공급부;
    상기 포름산 공급부에 연결되고 애노드로 제공될 포름산의 일부를 해리시켜 생성된 수소 이온과 포르메이트 이온의 전도도 값을 실시간으로 측정하는 전도도 측정기; 및
    상기 전도도 측정기로부터의 측정된 전도도 값을 수신하고, 이를 미리 설정된 전도도 값의 범위와 대비하여, 상기 측정된 전도도 값이 상기 설정된 전도도 값의 범위를 벗어나지 않도록, 상기 전도도 측정기의 실시간 측정에 대응하여, 애노드로 제공될 포름산의 농도를 실시간으로 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 포름산 연료전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 포름산 공급부는,
    순수 또는 고농도의 포름산 저장부;
    캐소드로부터 배출된 물 또는 별도의 물 공급부로터의 물이 공급되고, 상기 순수 또는 고농도의 포름산 저장부와 연결되며 농도가 조절된 포름산을 저장하는 적정 농도 포름산 저장부;
    상기 제어부의 제어 신호에 따라 상기 순수 또는 고농도의 포름산 저장부로부터 상기 적정 농도 포름산 저장부로 순수 또는 고농도의 포름산을 공급하도록 개폐되는 밸브; 및
    상기 적정 농도 포름산 저장부로부터 애노드로 적정 농도의 포름산을 공급하는 펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 포름산 연료전지.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적정 농도 포름산 저장부에 애노드로부터 배출된 포름산이 공급되는 것을 특징으로 하는 직접 포름산 연료전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 포름산 공급부는,
    순수 또는 고농도의 포름산 저장부;
    캐소드로부터 배출된 물 또는 별도의 물 공급부로터 공급된 물이 저장되는 물 저장부;
    상기 순수 또는 고농도의 포름산 저장부로부터 공급된 순수 또는 고농도의 포름산 및 상기 물 저장부로부터 공급된 물을 혼합하여 적정 농도의 포름산을 제공하는 혼합기;
    상기 제어부의 제어 신호에 따라서, 상기 물 저장부로부터 상기 혼합기로 물 을 공급하는 펌프;
    상기 제어부의 제어 신호에 따라서, 상기 순수 또는 고농도 포름산 저장부로부터 순수 또는 고농도 포름산을 상기 혼합기로 공급하는 펌프; 및
    상기 혼합기로부터 애노드로 적정 농도의 포름산을 공급하는 펌프로 구성되는 것을 특징으로 하는 직접 포름산 연료전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 혼합기에 애노드로부터 배출된 포름산이 공급되어 함께 혼합되는 것을 특징으로 하는 직접 포름산 연료전지.
  6. 직접 포름산 연료전지의 운전 방법에 있어서,
    애노드로 제공될 포름산의 일부를 애노드로 제공되기 전 해리시켜 생성된 수소 이온과 포르메이트 이온의 전도도 값을 실시간으로 측정하는 단계(S1); 및
    상기 측정된 전도도 값을 설정된 전도도 값의 범위와 대비하여, 상기 측정된 전도도 값이 상기 설정된 전도도 값의 범위를 벗어나지 않도록, 애노드로 제공될 포름산의 농도를 상기 전도도의 실시간 측정에 대응하여 실시간으로 조절한 상태에서, 포름산을 애노드로 제공하는 단계(S2);를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 포름산 연료전지의 운전 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 포름산의 농도 변화 시 상기 전도도 값이 1 내지 5초 내에 일정한 값을 가지도록 대응시키는 것을 특징으로 하는 직접 포름산 연료전지의 운전 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 전도도의 설정된 범위를 9.5 내지 12 mS/cm로 하는 것을 특징으로 하는 직접 포름산 연료전지의 운전 방법.
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