KR100785001B1 - 메탄올을 직접 연료로 사용하는 연료전지 - Google Patents

Abstract

메탄올을 직접 연료로 사용하는 연료전지인 DMFC(direct methanol fuel cell)가 개시된다. 개시된 DMFC는 애노드와 전해질막 및 캐소드가 적층된 MEA와, 애노드를 감싸며 그 애노드에 공급될 메탄올이 통과하는 공급홀이 형성된 스페이서 및, 공급홀 출구와 애노드 사이에 설치되어 메탄올을 제한적으로 통과시키는 메탄올투과부재를 구비하고 있다. 이러한 구조의 DMFC는 스페이서의 공급홀 출구와 애노드 간의 간격을 종래처럼 크게 벌리지 않고도 메탄올투과부재를 이용하여 연료의 제한적 공급이 가능해지기 때문에, 연료 과잉 공급에 따른 크로스 오버 등의 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

Description

메탄올을 직접 연료로 사용하는 연료전지{Direct methanol fuel cell}

도 1은 종래 DMFC의 셀 구조를 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 DMFC의 셀 구조를 도시한 도면,

도 3은 도 2에 도시된 셀 구조 중 메탄올투과부재를 도시한 도면,

도 4a 및 도 4b는 메탄올투과부재로서 다공성 기판만 설치한 경우와, 다공성 기판에 메탄올투과성용액을 코팅해서 설치한 경우의 DMFC 출력 특성을 각각 나타낸 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

110...애노드 120...전해질막

130...캐소드 140...스페이서

141...공급홀 150...메탄올투과부재

151...다공성 기판 152...메탄올투과성용액(코팅층)

본 발명은 메탄올을 직접 연료로 사용하는 연료전지[이하 DMFC(direct methanol fuel cell)라 함]에 관한 것으로서, 특히 모터나 펌프를 사용하지 않고 연료인 메탄올을 공급하는 수동형 DMFC(passive DMFC)에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 이러한 연료전지 중 DMFC는 메탄올을 직접 애노드에 연로로서 공급하여 캐소드에 공급된 산소와의 반응으로 전기를 생성시키는 장치로서, 대개 도 1에 도시된 바와 같은 셀 구조를 갖는다.

도시된 바와 같이 애노드(11)와 캐소드(13)가 전해질막(12)을 사이에 두고 마주하게 배치되어 있고, 캐소드(13)는 산소의 공급원인 공기가 항상 접촉될 수 있도록 그대로 외기에 노출되어 있다. 그리고 애노드(11)는 스페이서(14)에 의해 감싸져 있으며, 이 스페이서(14)에 형성된 공급홀(14a)을 통해 기화된 메탄올이 애노드(11)로 공급된다. 이때 애노드(11)에서는 하기의 화학식 1과 같은 반응이 일어나면서 전자가 생성되며, 그 전자는 이동 경로(15)를 따라 캐소드(13)로 이동하여 화학식 2의 반응을 일으키게 된다. 바로 그 이동 경로(15)에 부하(16)를 걸면 생성된 전기를 이용한 일을 할 수 있게 되는 것이다. 여기서, 애노드(11)와 캐소드(13) 및 전해질막(12) 조립체를 통상 MEA(membrane and electrodes assembly;10)라고 부른다.

CH₃OH + H₂O ↔ CO₂ + 6H⁺ + 6e^-

O₂ + 6H⁺ + 6e^- ↔ 3H₂O

한편, 메탄올을 애노드(11)에 공급하는 방법으로는 액체 상태의 메탄올을 펌프로 공급하는 방법도 있고, 상온에서 자연 기화되는 성질을 이용하여 기화된 메탄올이 자연스럽게 애노드(11)로 가도록 유도하는 방법이 있는데, 후자를 수동형이라고 부르며 여기에서 설명하는 구조도 이 수동형 DMFC에 해당된다.

그런데, 이와 같이 스페이서(14)의 공급홀(14a)을 통해 기화된 메탄올이 자연스럽게 애노드(11)에 공급되도록 하다보면, 그 공급되는 양이 잘 조절되지 못하는 문제가 생긴다. 즉, 연료 공급이 시작되면 기화된 메탄올이 스페이서(14)의 공급홀(14a)을 통해 계속해서 들어가게 되는데, 그 양이 너무 많으면 크로스오버(cross-over)에 의한 메탄올의 연소 반응이 많이 일어나게 되어 셀이 심하게 과열될 수가 있다. 즉, 메탄올의 공급량이 너무 많아지면, 메탄올이 전해질막(12)을 투과하여 캐소드(13)로 넘어가는 현상(이를 크로스오버라 함)이 빈발하게 되며, 이렇게 캐소드로 넘어간 메탄올은 산소와 반응하여 연소해버리기 때문에 셀의 온도가 급격히 올라가게 된다. 물론, 공급량이 너무 적어도 정상적으로 전기 생성이 안 되는 문제가 생기겠지만, 대개는 공급 과잉에 의한 과열이 더 문제가 되고, 또 과열이 심해지면 셀이 손상될 수 있기 때문에 주의가 필요하다.

따라서, 기존에는 메탄올의 과다 공급을 막기 위해서 스페이서(14)의 두께를 두껍게 하여 공급홀(14a)의 출구에서부터 애노드(11)에 이르는 거리(D)를 멀게 하는 방식이 사용되었다. 즉, 공급홀(14a)의 출구에서 멀어질수록 기화된 메탄올의 농도가 점차 낮아지므로, 가능한 한 그 거리를 멀리해서 애노드(11)로의 연료 과다 공급을 억제하도록 한 것이다.

그러나, 이렇게 하면 스페이서(14)의 두꺼운 두께 때문에 단위 셀의 부피가 커지게 되어 연료 전지 전체의 크기도 커지는 단점이 생긴다. 즉, 연료의 과잉 공급을 억제하기 위해서는 공급홀(14a) 출구에서 애노드(11)까지의 거리(D)를 가능한 한 멀게 해야 하는데, 그것은 곧 장치의 크기를 크게 하는 원인이 되는 것이다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 스페이서(14)의 두께를 너무 두껍게 하지 않으면서도 연료의 과잉 공급을 적절히 막을 수 있는 방안이 요구되고 있다.

본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 장치의 크기를 너무 크게 하지 않으면서도 연료의 과잉 공급을 적절히 억제할 수 있도록 그 연료 공급 구조가 개선된 DMFC를 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 DMFC는, 애노드와 전해질막 및 캐소드가 적층된 MEA; 상기 애노드를 감싸며 그 애노드에 공급될 메탄올이 통과하는 공급홀이 형성된 스페이서; 및, 상기 공급홀 출구와 애노드 사이에 설치되어 메탄올을 제한적으로 통과시키는 메탄올투과부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 메탄올투과부재는 다공성 기판에 메탄올투과성용액을 코팅해서 만들 수 있다.

또한, 상기 다공성 기판은 다공질 세라믹이 될 수 있으며, 상기 메탄올투과성용액은 불소계 폴리머와 탄화수소계 폴리머 중 어느 하나가 될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명에 따른 DMFC의 셀 구조를 도시한 것이다.

일단, 본 발명의 DMFC도 애노드(110)와 전해질막(120) 및 캐소드(130)가 적층된 MEA(100)와, 애노드(110)를 감싸는 스페이서(140)를 구비하는 셀 구조를 기본적으로 구비하고 있다. 따라서, 스페이서(140)의 공급홀(141)을 통해 애노드(110)로 공급된 메탄올과, 외기에 노출된 캐소드(130)로 들어온 산소가 전술한 바와 같은 화학반응을 일으켜서 전기를 생성하게 된다.

그런데, 본원발명에서는 상기 스페이서(140)와 애노드(110) 사이에 메탄올을 제한적으로 투과시키기 위한 메탄올투과부재(150)가 설치되어 있다. 즉, 기존처럼 공급홀(141)로 들어온 메탄올 기체가 애노드(110)로 바로 공급되는 것이 아니라, 이 메탄올투과부재(150)를 통과한 일부만이 애노드(110)로 공급되는 것이다. 이와 같은 메탄올투과부재(150)를 두는 이유는 메탄올의 과잉 공급을 억제함으로써, 굳이 공급홀(141) 출구와 애노드(110) 간의 거리를 크게 벌리지 않더라도 적절히 제한된 양이 애노드(110)에 공급되도록 하기 위한 것이다.

이러한 메탄올투과부재(150)는 도 3에 도시된 바와 같이 예컨대, 다공질 세라믹과 같은 단단한 다공성 기판(151) 위에 일명 나피온 이오노머(nafion ionomer)라고도 불리는 메탄올투과성용액(152)을 코팅하여 만들 수 있다. 상기 나피온 이오노머는 불소계 폴리머를 주성분으로 이루어진 것으로, 메탄올을 완전히 차단하지도 않고 완전히 통과시키지도 않는 중간 성질을 가지고 있다. 나피온 이오노머 이외에 탄화수소계 폴리머를 주성분으로 하는 이오노머에서도 같은 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 이러한 메탄올투과성용액(152)을 기판(151)에 코팅하면, 그 코팅 정도에 따라 메탄올의 통과량이 달라지게 된다. 메탄올투과성용액(152)의 코팅은 상기 다공성 기판(151)에 해당 용액을 스프레이하여 진행할 수 있는데, 당연히 스프레이되는 용액의 양이 많으면 코팅량도 많아지고 그 반대이면 코팅량도 적어지게 된다. 따라서, 메탄올의 통과량을 아주 적게 하고 싶은 경우에는 용액의 코팅량을 많게 하고, 그 반대인 경우는 코팅량을 적게 하면 된다. 그리고, 기판(151)을 상기와 같은 단단한 세라믹 대신에 전해질막(120)과 같이 유연한 막 부재로 선택할 수도 있지만, 그렇게 되면 시간이 지남에 따라 막 부재가 쉽게 늘어나고 부풀기 때문에 전체의 두께가 두꺼워지면서 뒤틀림이 일어나게 되며, 메탄올을 투과하는 성질도 부위별로 크게 달라지게 된다. 따라서, 단단한 세라믹 재질을 기판(151)으로 사용하는 것이 안정적이다.

이와 같은 메탄올투과부재(150)를 스페이서(140)와 애노드(110) 사이에 설치한 상태에서 메탄올이 공급홀(151)을 통해 들어오면, 그 메탄올은 메탄올투과부재(150)의 다공성 기판(151)에 형성된 미세한 기공을 통과하게 되며, 다시 그 기판(151)에 형성된 메탄올투과성용액(152)의 코팅층을 통과하게 된다. 여기서 메탄올 기체의 일정 부분의 통과가 제한되며, 일부만이 메탄올투과부재(150)를 다 통과해서 애노드(110)에 닿을 수 있게 된다.

따라서, 공급홀(151)과 애노드(110) 간 거리를 크게 벌리지 않고도 메탄올의 공급 과잉을 적절히 막을 수 있기 때문에, 장치를 콤팩트하게 만들 수 있게 된다.

한편, 경우에 따라서는 메탄올투과성용액(150)을 코팅시키지 않고 상기 다공성 기판(151)만 설치하는 방안도 생각할 수 있다. 물론, 다공성 기판(151)도 메탄올을 통과량을 일부 제한하는 기능을 하기 때문에 그렇게 하면 용액 코팅 공정이 생략될 수 있기는 하지만, 메탄올투과성용액(152)이 코팅된 경우와 비슷한 효과를 내려면 기판(151) 두께를 더 두껍게 해야 하는 단점이 있다. 실험에 의하면, 다공성 기판(151) 두께 3mm 짜리에 메탄올투과성용액(152) 1mg/㎠을 코팅시키는 것이, 같은 기판(151) 두께를 0.5mm 더 두껍게 하는 것과 거의 비슷한 효과를 내는 것으로 나타났다. DMFC의 셀 구조에서 0.5mm를 더 두껍게 하는 것은 장치를 콤팩트하게 만드는데 상당한 장애요인이 될 수 있다. 따라서, 기판(151)에 메탄올투과성용액(152)를 코팅해서 사용하는 것이 바람직하다. 도 4a 및 도 4b는 다공성 기 판(151)만 설치한 경우와, 같은 두께의 기판(151)에 메탄올투과성용액(152)을 코팅한 부재를 설치한 경우의 DMFC 출력 특성을 비교해보인 그래프인데, 기판(151)만 사용한 경우(도 4a)에는 전기 출력도 낮고 온도도 너무 높게 나타나지만, 메탄올투과성용액(152)을 코팅한 경우(도 4b)에는 전기 출력이 기판(151)만 사용한 경우의 거의 2배정도 나오고 온도는 절반 이하로 낮아져서 전체적으로 매우 안정화된 것을 알 수 있다. 그것은 크로스 오버가 줄어들고 공급된 메탄올이 대부분 전기를 생성하는데 안정적으로 소비되기 때문으로 추정된다. 여기서는 기판(151)만 사용된 경우와 기판(151)에 메탄올투과성용액(152)을 코팅한 경우를 비교했지만, 종래처럼 공급홀(141)과 애노드(110) 사이에 아무 것도 없는 경우와 비교하면 그 차이가 더욱 클 것은 자명한 일이다.

따라서, 이와 같이 메탄올투과부재(150)를 설치하면 장치를 크게 하지 않고도 메탄올의 과잉 공급에 따른 문제를 해결할 수 있는 DMFC가 구현될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 DMFC는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 스페이서의 공급홀 출구와 애노드 간의 간격을 종래처럼 크게 벌리지 않고도 메탄올의 제한적 공급이 가능해지기 때문에, 연료 과잉 공급에 따른 크로스 오버 등의 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

둘째, 스페이서와 애노드의 간격을 좁힐 수 있으므로 장치의 콤팩트화에 유리하다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적 인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (4)

1. 애노드와 전해질막 및 캐소드가 적층된 MEA;

   상기 애노드를 감싸며 그 애노드에 공급될 메탄올이 통과하는 공급홀이 형성된 스페이서;

   상기 공급홀 출구와 애노드 사이에 설치되어 메탄올을 제한적으로 통과시키는 메탄올투과부재;를 포함하는 DMFC.
2. 제1항에 있어서,

   상기 메탄올투과부재는 다공성 기판에 메탄올투과성용액을 코팅한 것을 특징으로 하는 DMFC.
3. 제2항에 있어서,

   상기 다공성 기판은 다공질 세라믹인 것을 특징으로 하는 DMFC.
4. 제2항에 있어서,

   상기 메탄올투과성용액은 불소계 폴리머와 탄화수소계 폴리머 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 DMFC.

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