KR101117633B1 - 연료전지용 일산화탄소 흡착제, 연료전지용 일산화탄소정화기, 연료전지 시스템 및 일산화탄소 흡착제를 이용한일산화탄소 제거방법 - Google Patents

연료전지용 일산화탄소 흡착제, 연료전지용 일산화탄소정화기, 연료전지 시스템 및 일산화탄소 흡착제를 이용한일산화탄소 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 일산화탄소 흡착제, 연료전지용 일산화탄소 정화기, 연료전지 시스템 및 일산화탄소 흡착제를 이용한 일산화탄소 제거방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 포르피린계 화합물을 포함하는 연료전지용 일산화탄소 흡착제, 이를 포함하는 연료전지용 일산화탄소 정화기, 상기 일산화탄소 정화기를 포함하는 연료전지 및 상기 일산화탄소 흡착제를 이용한 일산화탄소 제거방법에 관한 것이다.
본 발명의 일산화탄소 흡착제는 포르피린계 화합물을 포함하여 일산화탄소에 대한 친화도가 큰 반면, 수소에 대한 친화도가 낮아서 연료전지의 일산화탄소 제거 공정 중에 발생하는 수소 손실을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
연료전지, 일산화탄소, 헤모글로빈, 포르피린계 화합물

Description

연료전지용 일산화탄소 흡착제, 연료전지용 일산화탄소 정화기, 연료전지 시스템 및 일산화탄소 흡착제를 이용한 일산화탄소 제거방법{CARBON MONOXIDE ADSORBENT FOR FUEL CELL, CARBON MONOXIDE REMOVER FOR FUEL CELL, FUEL CELL SYSTEM, AND REMOVAL METHOD USING THE CARBON MONOXIDE ADSORBENT}
도 1은 헤모글로빈의 구조도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시한 일산화탄소 정화기의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시한 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이다.
[산업상 이용분야]
본 발명은 연료전지용 일산화탄소 흡착제, 연료전지용 일산화탄소 정화기, 연료전지 시스템 및 일산화탄소 흡착제를 이용한 일산화탄소 제거방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일산화탄소를 포함하는 개질기체로부터 일산화탄소를 제거 하는 연료전지용 일산화탄소 흡착제와 이를 포함하는 연료전지용 일산화탄소 정화기, 상기 일산화탄소 정화기를 포함하는 연료전지 시스템, 및 일산화탄소 흡착제를 이용한 일산화탄소 제거방법을 제공하는 것이다.
[종래기술]
연료 전지는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소 또는 산소를 포함하는 공기를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라, 150~200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600~700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류되며, 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질이 서로 다르다.
이 중에서 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는, 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료 전지가 기본적으로 시스템의 구성을 갖추기 위해서는, 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하, 편의상 스택이라 칭한다.), 연료 탱크 및 이 연료 탱크로부터 상기 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프 등이 필요하다. 그리고, 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키고 그 수소 기체를 스택으로 공급하는 개질기(reformer)가 더욱 포함된다. 따라서, 고분자 전해질형 연료 전지는 연료 펌프의 펌핑력에 의해 연료 탱크에 저장된 연료를 개질기로 공급하고, 개질기가 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키며, 스택에서 수소 기체와 산소가 전기 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산해 내게 된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다.
막-전극 접합체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트는 연료 전지의 반응에 필요한 수소 기체와 산소가 공급되는 통로의 역할과 각 막-전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극에는 수소 기체가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 기체의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원이 반응이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
통상의 연료전지 시스템에 포함된 일산화탄소 정화기는 주로 백금(Pt), 루테늄(Ru)을 재료로 하는 선택적 산화(Preferential Oxidation : PROX) 촉매를 이용하여 왔다. 이와 같은 일산화탄소 제거용 촉매로는 알루미나에 담지된 백금 촉매가 효과적인 것으로 알려져 있다(H. Igarashi, T. Fujino, 및 M. Watanabe, J. Electroanal. Chem., 391, 119(1995)). 그러나, 상기한 촉매를 사용하여 일산화탄소를 제거하는 경우에는 촉매의 활성이 충분히 높지 못할 뿐만 아니라, 활성이 장시간 유지되지 못하는 문제점이 있다.
한편, 촉매의 성분을 변화시키는 시도도 이루어졌는데, 알루미나에 담지된 루테늄 촉매(S. H. Oh 및 R. M. Sinkecitch, J. Catal., 142, 254 (1993)), 제올라이트에 담지된 백금 촉매(미국 특허 제5,955,395호), 이리듐계 촉매(미국 특허 제6,152,558호), 팔라듐계 촉매(미국 특허 제5,152,012호) 등이 제안되었다. 그러나 상기 촉매들은 일산화탄소 제거 과정에서 일정량의 수소도 함께 산화되어 소모된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 일산화탄소에 대한 친화도가 크고, 수소에 대한 친화도가 낮은 연료전지용 일산화탄소 흡착제, 이를 포함하는 연료전지용 일산화탄소 정화기, 상기 일산화탄소 정화 기를 포함하는 연료전지 시스템 및 상기 일산화탄소 흡착제를 이용한 일산화탄소 제거방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 포르피린계 화합물을 포함하는 연료전지용 일산화탄소 흡착제를 제공한다.
본 발명은 또한, 개질기로부터 개질 기체를 공급받아 일산화탄소의 흡착이 일어나는 제1충진부; 일산화탄소의 탈리가 일어나는 제2충진부; 및 상기 제1충진부와 제2충진부를 순환하는 연료전지용 일산화탄소 흡착제를 포함하며, 상기 연료전지용 일산화탄소 흡착제는 포르피린계 화합물을 포함하는 연료전지용 일산화탄소 흡착제인 연료전지용 일산화탄소 정화기를 제공한다.
본 발명은 또한, 연료 및 물의 혼합연료를 공급하는 연료 공급부; 상기 연료공급부로부터 공급받는 혼합연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키는 개질부; 상기 개질부로부터 공급되는 개질 기체에서 일산화탄소를 제거하고, 수소이온과 전자를 발생시키는 일산화탄소 정화부; 상기 일산화탄소 정화부로부터 공급되는 개질 기체와 외부 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택; 및 상기 외부 공기를 상기 스택, 개질부 및 일산화탄소 정화부로 공급하는 공기 공급부를 포함하며, 상기 일산화탄소 정화부는 포르피린계 화합물을 포함하는 일산화탄소 정화기를 포함하는 것인 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질기체를 제1충진부에 공급함과 동시에, 상기 공기 흐름의 반대 방향으로 포르피린계 화합물을 포함하는 연 료전지용 일산화탄소 흡착제를 흘려보내는 단계; 상기 제1충진부를 통과한 개질기체를 연료전지 스택으로 내보내는 단계; 상기 제1충진부를 통과한 일산화탄소 흡착제를 제2충진부로 보내는 단계; 상기 제2충진부에 공급되는 일산화탄소 흡착제 흐름의 반대방향으로 신선한 공기를 흘려보내는 단계; 상기 제2충진부를 통과한 공기를 외부로 배출하는 단계; 및 상기 제2충진부를 통과한 일산화탄소 흡착제를 제1충진부로 보내는 단계를 하나의 사이클로 하는 일산화탄소 제거 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
헤모글로빈은 철을 함유하는 포르피린 고리와 단백질의 일종인 글로빈으로 되어 있다. 이중에서도 상기 포르피린 고리의 중앙에 위치하는 철(Fe)은 산소와 가역적으로 결합하는 성질이 있어, 생체 내에서는 산소를 운반하는 역할을 한다.
도 1은 헤모글로빈 분자의 구조를 나타내는 그림이다. 도 1에서 보는 바와 같이 헤모글로빈 한 분자는 4개의 폴리펩티드 사슬(12)로 되어 있고, 각각의 폴리펩티드 사슬에는 1개씩의 헴(heme) 그룹(11)이 함유되어 있다. 따라서, 헤모글로빈 한 분자에는 철원자가 4개 함유되고, 철원자 1개에 대해 한 분자씩의 산소가 결합하므로, 헤모글로빈 한 분자에는 산소 4분자가 결합한다.
헤모글로빈은 산소압이 높은 폐나 아가미에서는 산소와 결합하고, 산소압이 낮은 조직에 이르면 산소를 유리한다. 더욱이 산소의 방출은 pH가 낮아짐에 따라 촉진되므로, 이산화탄소가 많고 pH가 낮은 말초조직에서는 산소를 보다 유리하기 쉽게 된다. 이산화탄소는 혈장 속에 녹아 폐에 운반되어 폐호흡으로 체외에 방출되면 pH는 다시 원상태로 돌아가고 헤모글로빈은 다시 산소와 결합한다.
일산화탄소는 생체 내의 헤모글로빈의 산소운반작용에 치명적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 이는 헤모글로빈에 대한 일산화탄소의 반응성이 산소의 반응성보다 약 200배 이상 높기 때문에 일산화탄소가 산소보다 먼저 헤모글로빈과 반응하여 산소의 운반작용을 방해하기 때문이다. 또한, 헤모글로빈은 수소에 대한 친화도가 낮기 때문에 일산화탄소과 헤모글로빈의 반응성을 연료전지에 이용하면, 효과적으로 일산화탄소를 제거함과 동시에 수소 손실을 막아 연료전지의 성능이 저하되는 현상을 막을 수 있다.
그러나, 헤모글로빈 자체를 사용할 경우에는 고온에서 분해되는 문제가 있으며, 이러한 이유로 본 발명에서는 헤모글로빈의 여러 성분 중에서 일산화탄소 및 산소와 결합하는 활성부분인 헴(heme) 그룹 만을 이용하며, 보다 상세하게는 상기 헴그룹에 포함되는 포르피린계 화합물을 이용하여 연료전지용 일산화탄소 흡착제로서 사용한다.
상기 포르피린계 화합물의 바람직한 예로는 프로토포르피린, 메소포르피린, 헤마토포르피린, 듀테로포르피린, 에티오포르피린, 코프로포르피린, 우로포르피린, 로도포르피린, 피로포르피린, 피로에티오포르피린, 클로로필 또는 이들과 히스티딘의 결합체 등이 있으며, 이들 포르피린계 화합물을 1종 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 일산화탄소 흡착제를 포함하는 연료전지용 일산화탄소 정화기는 개질기로부터 개질 기체를 공급받아 일산화탄소의 흡착이 일어나는 제1충진부와 일산화탄소의 탈리가 일어나는 제2충진부를 포함하며, 상기 연료전지용 일산화탄소 흡착제 가 제1충진부와 제2충진부를 순환한다. 이 때, 일산화탄소 흡착제의 순환속도는 특별히 제한되지 아니한다. 다만, 상기 흡착제는 연속적으로 순환하며 흐르는 것이 바람직하며, 순환 속도가 빠를수록 물질전달이 원활하므로 일산화탄소의 흡착 및 분리에 더 바람직하다.
상기 일산화탄소 정화기는 일산화탄소 흡착제와 공기의 접촉량을 높이기 위하여 제1충진부와 제2충진부 내부에 충진재를 더 포함할 수 있다. 상기 충진재는 입자상인 것이 바람직하며, 상기 충진재의 입경은 일산화탄소 정화기의 크기 및 용도에 따라 적절히 조절하여 사용할 수 있다.
상기 충진재의 바람직한 예로는 각종 무기물 입자를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 제올라이트 등과 같은 무기물 입자를 사용할 수 있다.
본 발명의 일산화탄소 정화기는 개질기를 사용하는 통상적인 연료전지 시스템에 적용될 수 있으며, 바람직하게는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)에 적용될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 연료전지 시스템을 설명한다. 그러나 도면은 본 발명을 상세히 설명하기 위한 일 예일뿐, 본 발명의 연료전지 시스템이 도면의 구조에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 연료 및 물의 혼합연료를 공급하는 연료 공급부(110); 상기 연료공급부로부터 공급받는 혼합연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키는 개질부(120); 상기 개질부로부터 공급되는 개질 기체에서 일산화탄소를 제거하고, 수소이온과 전자를 발생시키는 일산화탄소 정화부(130); 상기 일산화탄소 정화부로부터 공급되는 개질 기체와 외부 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택(150) 및 상기 외부공기를 외부 공기를 상기 스택, 개질부 및 일산화탄소 정화부로 공급하는 공기 공급부(140)를 포함하여 구성되며, 상기 일산화탄소 정화부는 상기 일산화탄소 정화기를 포함한다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 연료전지 시스템의 구성에 대하여 각각 설명한다.
연료 공급부(110)는 연료를 저장하는 제1탱크(111)와, 물을 저장하는 제2탱크(112)와, 제1탱크(111)에 저장된 연료와 제2탱크(112)에 저장된 물을 소정 펌핑력으로 배출시키도록 각각의 탱크(111, 112)와 연결 설치되는 연료 펌프(113)를 구비한다.
그리고 상기 공기 공급부(140)는 외부의 공기를 흡입하여 스택(150), 개질부(120) 및 일산화탄소 정화부(130)로 각각 공급하기 위한 것이다. 상기 공기 공급부(150)는 소정의 펌핑력으로 외부의 공기를 흡입하는 공기 펌프(151)를 포함한다.
본 발명의 연료전지 시스템에 사용되는 개질부(120)는 연료전지에 사용되는 통상적인 개질기를 포함할 수 있으며, 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키는 개질기(121)와, 그 수소 기체로부터 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 제거기(122)( 본 발명의 '연료전지용 일산화탄소 정화기'와 구별하기 위하여 '일산화탄소 제거기'라는 용어를 사용한다. 또한, 상기 일산화탄소 제거기의 배치는 도 2에 도시된 것에 한정되지 않는다.)를 모두 포함하거나, 또는 상기 일산화탄소 제거기(122)를 포함하지 않을 수도 있다.
상기 개질기(121)는 연료를 수증기 개질, 부분산화, 자열 반응 등의 촉매 반응을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환하는 것으로서, 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 유도하여 연소열을 발생시키는 발열부와, 상기한 연소열을 전달받아 연료의 개질 촉매 반응을 유도하여 수소 기체를 발생시키는 흡열부로 구성될 수 있다.
상기 발열부는 연료 및 공기와 접촉하여 산화 연소 반응을 일으키는 산화촉매가 포함되며, 상기 산화촉매의 예로는 백금(Pt), 루테늄(Ru) 또는 코발트(Co) 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 흡열부에는 상기 연소열을 전달받아 액상의 연료와 물의 혼합연료를 증발시키고, 개질 촉매반응에 의해 수소 기체를 발생시키는 개질촉매를 포함하며, 상기 개질촉매의 예로는 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt), 루테늄(Ru) 또는 코발트(Co) 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 개질부(120)에 포함될 수 있는 일산화탄소 제거기(122)는 개질부(120) 내에서 발생한 일산화탄소를 제거하는 것으로서, 개질기(121)와 일체형 또는 분리형으로 개질부(120)에 포함될 수 있으며, 수성가스 전환 방법, 선택적 산화 방법 등과 같은 촉매 반응 또는 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법 으로 일산화탄소를 제거할 수 있다.
본 발명의 연료전지 시스템은 상기 개질기에 포함되는 일산화탄소 제거기(122)와는 구별되는 일산화탄소 정화부(130)를 별도로 포함하며, 상기 일산화탄소 정화부는 상기 포르피린계 화합물을 포함하는 연료전지용 일산화탄소 흡착제를 이용하여 일산화탄소를 제거하는 일산화탄소 정화기(131)를 포함한다.
도 3은 도 2에 도시한 일산화탄소 정화기의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 일산화탄소 정화기(131)에는 제1충진부(132)에 개질 기체 도입부(133a) 및 개질 기체 배출부(133b)가 형성되어 있어서, 개질기에서 발생한 개질 기체가 제1충진부(132)를 통과하도록 되어 있다. 또한, 제1충진부(132)에는 일산화탄소 흡착제가 흘러 지나갈 수 있도록 일산화탄소 흡착제 도입부(134a) 및 일산화탄소 흡착제 배출부(134b)가 형성되어 있다.
제2충진부(135)는 일산화탄소 흡착제로부터 일산화탄소를 탈리시키는 부분으로서, 일산화탄소를 흡착한 흡착제가 제2충진부를 통과할 수 있도록 일산화탄소 흡착제 도입부(134c)와 일산화탄소 흡착제 배출부(134d)가 형성되어 있고, 일산화탄소를 포함하지 아니하는 신선한 공기를 공급하는 공기 도입부(136a)와 탈리된 일산화탄소가 배출되는 공기배출부(136b)가 형성되어 있다. 상기 제2충진부의 공기배출부에는 탈리된 일산화탄소를 산화시키기 위한 산화장치(137)가 장착될 수도 있다. 상기 산화장치에는 통상적인 산화촉매를 사용할 수 있다.
또한, 상기 제1충진부(132)와 제2충진부(135)의 온도를 조절하기 위하여 별 도의 가열기(도면에는 미도시)를 장착하거나, 열전 온도 조절기(thermostat)(도면에는 미도시) 등을 이용하여 개질기의 반응열을 이용할 수 있다.
상기 제1충진부(132)와 제2충진부(135) 사이에는 제1충진부의 일산화탄소 흡착제 배출부(134b)와 제2충진부의 일산화탄소 흡착제 도입부(134c)를 연결하여 일산화탄소를 흡착한 일산화탄소 흡착제가 흘러지나갈 수 있도록 되어 있는 제1연결부(138a)와, 제2충진부(135)의 일산화탄소 흡착제 배출부(134d)와 제1충진부(132)의 일산화탄소 흡착제 도입부(134a)를 연결하여 일산화탄소가 제거된 일산화탄소 흡착제가 흘러지나갈 수 있도록 되어 있는 제2연결부(138b)가 형성되어 있다.
상기 포르피린계 화합물을 포함하는 연료전지용 일산화탄소 흡착제는 상기 제1충진부(132), 제1연결부(138a), 제2충진부(135), 및 제2연결부(138b)의 내부를 순서대로 순환하며 일산화탄소를 제거하는 역할을 한다.
또한, 상기 일산화탄소 정화기는 일산화탄소 흡착제와 공기의 접촉량을 높이기 위하여 제1충진부와 제2충진부 내부에 충진재(139)를 더 포함할 수 있으며, 상기 충진재는 제올라이트 등과 같은 무기물 입자인 것이 바람직하다.
도 4는 도 2에 도시한 스택의 구조를 도시한 분해 사시도이다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 연료전지 시스템의 스택(150)은 개질부(120)를 통해 개질된 수소 기체와 공기 공급부(140)로부터 공급되는 외부 공기의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전기 생성부(151)를 구비한다.
각각의 전기 생성부(151)는 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하며, 수소 기체와 공기 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(152)와, 수소 기체와 공기를 막-전극 접합체(152)로 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(156)로 이루어진다.
이러한 전기 생성부(151)는 막-전극 접합체(152)를 중심에 두고 이의 양측에 바이폴라 플레이트(156)가 각각 배치된다. 이처럼, 스택(150)은 위와 같은 복수의 전기 생성부(151)가 연속적으로 배치됨으로써 구성된다.
여기서 스택(150)의 최외측에 각각 위치하는 바이폴라 플레이트(156)는 엔드 플레이트(153)라고 정의할 수 있다.
상기 막-전극 접합체(152)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 구조를 가진다.
애노드 전극은 바이폴라 플레이트(156)를 통해 수소 기체를 공급받는 부분으로, 산화 반응에 의해 수소 기체를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)으로 구성된다.
캐소드 전극은 바이폴라 플레이트(156)을 통해 공기를 공급받는 부분으로, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50~200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
전술한 바 있는 바이폴라 플레이트(156)는 막-전극 접합체(152)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가진다. 그리고 바이폴라 플레이트(156)는 막-전극 접합체(152)의 산화/환원 반응에 필요한 수소 기체와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다. 이를 위해, 바이폴라 플레이트(156)의 표면에는 막-전극 접합체(152)의 산화/환원 반응에 필요한 가스를 공급하는 유로 채널(157)이 형성된다.
보다 구체적으로, 상기한 바이폴라 플레이트(156)는 막-전극 접합체(152)를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 막-전극 접합체(152)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착된다. 그리고 바이폴라 플레이트(156)는 막-전극 접합체(152)의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 각각 밀착되는 밀착면에 애노드 전극으로 수소 기체를 공급하고, 캐소드 전극으로 공기를 공급하기 위한 유로 채널(157)을 형성하고 있다.
각각의 엔드 플레이트(153)는 스택(150)의 최외측에 각각 배치되어 위와 같은 바이폴라 플레이트(156)의 기능을 수행하는 플레이트로서, 막-전극 접합체(152)의 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 어느 하나의 전극에 밀착된다. 그리고 막-전극 접합체(152)에 밀착되는 엔드 플레이트(153)의 밀착면에는 상기한 어느 하나의 전극으로 수소 기체 및 공기 중 어느 하나를 공급하기 위한 유로 채널(157)을 형성하고 있다.
또한 각각의 엔드 플레이트(153)에는 어느 하나의 유로 채널(157)에 일산화탄소 정화기(131)로부터 일산화탄소가 저감된 수소 기체를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(153a)과, 다른 하나의 유로 채널(157)에 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(153b)과, 복수의 단위 셀(151)에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 기체를 외부로 배출시키기 위한 제1배출관(153c)과, 상기한 단위 셀(151)에서 최종적으로 미반응되고 남은 공기를 외부로 배출시키기 위한 제2배출관(153d)을 구비한다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참고하여, 본 발명의 연료전지 시스템의 동작의 예를 설명한다.
본 발명의 연료전지 시스템(100)은 수소를 포함하는 연료를 사용하며, 바람직하게는 LPG, 가솔린, 등유, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 사용할 수 있으며, 더 바람직하게는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등을 사용할 수 있다. 상기 연료는 연료펌프(113)를 통해 물과 함께 혼합된 혼합연료의 상태로 개질부(120)에 공급된다. 상기 혼합연료를 공급받은 개질부(120)에서는 산화 촉매 반응과 개질 촉매반응을 통해 수소 기체를 발생시키며, 상기 발생된 수소 기체를 포함하는 개질 기체를 연료전지 시스템의 스택(150)으로 공급한다.
이 때, 상기 개질 기체에는 수소 기체, 물, 이산화탄소 및 일산화탄소가 포함되게 되며, 이중에서도 일산화탄소는 촉매의 피독으로 인한 문제를 발생시키므로, 일산화탄소 정화부(130)를 거쳐 스택으로 개질 기체가 공급된다.
상기 개질 기체는 제1충진부(132)에 형성된 개질 기체 도입부(133a)를 통하여 일산화탄소 정화기(131)의 제1충진부(132)에 공급되며, 일산화탄소 흡착제 도입부(134a)를 통하여 상기 공기 흐름의 반대 방향으로 상기 포르피린계 화합물을 포 함하는 연료전지용 일산화탄소 흡착제가 흘러간다. 이 과정에서, 흡착제가 일산화탄소를 흡착하고, 일산화탄소가 제거된 개질기체는 개질기체 배출부(133b)를 통하여 연료전지 스택(150)으로 보내진다.
상기 제1충진부(132)에서 일산화탄소를 흡착한 일산화탄소 흡착제는 제1연결부(138a)를 통하여 제2충진부(135)로 보내지게 된다. 제2충진부(135)로 보내진 일산화탄소 흡착제는 제2충진부의 공기 도입부(136a)를 통하여 공급되는 신선한 공기와 접촉되어 일산화탄소와 분리된다.
상기 제2충진부(135)에서 일산화탄소가 제거된 일산화탄소 흡착제는 다시 제2연결부(138b)를 통하여 제1충진부(132)로 보내지며, 이를 하나의 사이클로 하여 연속 순환하면서 일산화탄소를 제거한다.
상기와 같은 방법으로 일산화탄소를 제거하는 본 발명의 일산화탄소 정화기(131)는 연료전지 시스템의 개질부(120)와 연료전지 스택(150) 사이에 위치하며, 개질기(121)로부터 연료전지 스택(150)에 공급되는 수소 가스의 순도를 높이는 역할을 한다.
상기 일산화탄소 정화부(130)를 거쳐 스택(150)에 공급된 개질 기체가 스택(150)의 제1 공급관(153a)을 통해 애노드에 공급되고, 외부의 공기가 제2공급관(153b)을 통해 캐소드로 공급되면, 스택(150)은 다음의 반응식 1의 반응에 따라 전기와 열 그리고 물을 생성하게 된다.
[반응식 1]
애노드반응: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드반응: O2 + 2H+ + 2e- → H2O
전체반응: H2 + O2 → H2O + 전류 + 열
상기 반응식 1을 참고하면, 바이폴라 플레이트(156)을 통해 막-전극 접합체(152)의 애노드 전극으로 수소 가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 상기한 수소 가스가 애노드 전극으로 흐르게 되면 촉매층에서 수소가 전자와 수소이온으로 분해된다. 수소이온이 전해질막을 통하여 이동되면 역시 촉매의 도움으로 캐소드 전극에서 전자와 산소이온 그리고 이동된 수소이온이 합쳐져서 물을 생성한다. 여기서 애노드 전극에서 생성된 전자는 전해질막을 통하여 이동되지 못하고 외부 회로를 통하여 캐소드 전극으로 이동된다. 이러한 과정을 거치면서 전기와 물 그리고 열을 생성하게 된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
도 2에 도시한 구성에 따라 연료 공급부(110), 개질부(120), 일산화탄소 정화부(130), 공기 공급부(140) 및 스택(150)을 포함하는 고분자 전해질형 연료전지 를 제조하였다.
상기 개질부(120)의 개질기(121)는 산화촉매로서 백금(Pt)을 사용하였으며, 수소 기체를 발생시키는 개질촉매로서 니켈(Ni)을 사용하였다.
상기 일산화탄소 정화부(130)에 포함되는 일산화탄소 정화기(131)는 도 2의 구성에 따라 제조되었으며, 프로토포르피린을 일산화탄소 흡착제로 사용하였다.
상기 스택(150)은 통상적으로 사용되는 고분자 전해질형 연료전지의 스택을 사용하였다. 보다 상세하게는 막-전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(152)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(156)로 이루어진 전기 생성부(151)를 포함하며, 상기 막-전극 접합체(152)는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 통상적인 막-전극 접합체의 구조로 제조하였다.
상기 전해질막은 평균 두께가 100 ㎛인 폴리(퍼플루오로술폰산) 전해질막(NafionTM)을 사용하였으며, 애노드 전극 및 캐소드 전극으로는 탄소에 담지된 백금(백금 함량 20 중량%) 촉매를 탄소천에 슬러리 코팅한 것을 사용하였다.
상기 스택의 최외곽에는 각각 엔드 플레이트(153)가 위치하며, 상기 엔드플레이트(153)에는 어느 하나의 유로 채널(157)에 일산화탄소 정화기(131)로부터 일산화탄소가 저감된 개질 기체를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1공급관(153a)과, 다른 하나의 유로 채널(157)에 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2공급관(153b)과, 복수의 단위 셀(151)에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 기체를 외 부로 배출시키기 위한 제1배출관(153c)과, 상기한 단위 셀(151)에서 최종적으로 미반응되고 남은 공기를 외부로 배출시키기 위한 제2배출관(153d)을 형성하였다.
비교예 1
실시예 1의 일산화탄소 정화부를 포함하지 않고, 개질부(120) 내에 개질기(121)와 분리형으로 백금 촉매를 사용한 일산화탄소 제거기(122)를 설치한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 전해질형 연료전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 의해서 제조된 연료전지에 대하여, 연료전지 스택에 공급되는 개질 기체 내의 일산화탄소 및 수소 기체의 함량을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다. 상기 기체의 함량은 기체크로마토그래피(GC:gas chromatography)를 이용하여 측정하였다.
하기 표 1에 기재된 일산화탄소 및 수소기체의 함량은 개질기의 개질부를 통하여 일산화탄소 정화부(실시예 1) 및 일산화탄소 제거기(비교예 1)에 공급되는 기체의 양을 100으로 보았을 때, 일산화탄소 정화부 및 일산화탄소 제거기를 통과한 후의 양을 상대적인 값으로 나타낸 것이다.
[표 1]
구분 실시예 1 비교예 1
일산화탄소 함량(부피%) 0.1 1
수소 기체 함량(부피%) 99 70
기타(이산화탄소 등)(부피%) 0.9 29
상기 표 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 일산화탄소 정화기를 포함하는 실시예 1에 따라 제조된 연료전지는 스택으로 공급되는 개질 기체의 일산화탄소 농도 가 현저히 감소한 것을 알 수 있다.
상기 표 1에서 보는 바와 같이 본발명의 실시예 1의 연료전지에 사용된 일산화탄소 정화기는 일산화탄소를 제거하는 능력이 탁월한 것을 알 수 있다.
본 발명의 일산화탄소 흡착제는 일산화탄소에 대한 친화도가 크고, 수소에 대한 친화도가 낮아서 연료전지의 일산화탄소 제거 공정 중에 발생하는 수소 손실을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.

Claims (12)

  1. 프로토포르피린, 메소포르피린, 헤마토포르피린, 듀테로포르피린, 에티오포르피린, 코프로포르피린, 우로포르피린, 로도포르피린, 피로포르피린, 피로에티오포르피린 및 클로로필로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 포르피린계 화합물을 포함하는 연료전지용 일산화탄소 흡착제.
  2. 삭제
  3. 개질기로부터 개질 기체를 공급받아 일산화탄소의 흡착이 일어나는 제1충진부;
    일산화탄소의 탈리가 일어나는 제2충진부; 및
    상기 제1충진부와 제2충진부를 순환하는 연료전지용 일산화탄소 흡착제
    를 포함하며,
    상기 연료전지용 일산화탄소 흡착제는 프로토포르피린, 메소포르피린, 헤마토포르피린, 듀테로포르피린, 에티오포르피린, 코프로포르피린, 우로포르피린, 로도포르피린, 피로포르피린, 피로에티오포르피린, 클로로필 및 이들과 히스티딘의 결합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 포르피린계 화합물을 포함하는
    연료전지용 일산화탄소 정화기.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1충진부, 및 제2충진부는 무기물 입자로 이루어진 충진재를 더 포함하는 것인 연료전지용 일산화탄소 정화기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 충진재는 제올라이트를 포함하는 것인 연료전지용 일산화탄소 정화기.
  7. 연료 및 물의 혼합연료를 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료 공급부로부터 공급받는 혼합연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키는 개질부;
    상기 개질부로부터 공급되는 개질 기체에서 일산화탄소를 제거하고, 수소이온과 전자를 발생시키는 일산화탄소 정화부;
    상기 일산화탄소 정화부로부터 공급되는 개질 기체와 외부 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 스택; 및
    상기 외부 공기를 상기 스택, 개질부 및 일산화탄소 정화부로 공급하는 공기 공급부
    를 포함하며,
    상기 일산화탄소 정화부는 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 따른 일산화탄소 정화기를 포함하는 것인 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 개질기는 백금(Pt), 루테늄(Ru) 및 코발트(Co)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 산화촉매와 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt), 루테늄(Ru) 및 코발트(Co)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 개질촉매를 포함하는 것인 연료전지 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 스택은 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재된 막-전극 접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)와 바이폴라플레이트로 구성된 전기 생성부를 포함하는 것인 연료전지 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 연료전지 시스템은 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)방식으로 이루어지는 연료전지 시스템.
  11. 수소 및 일산화탄소를 함유하는 개질기체를 제1충진부에 공급함과 동시에, 상기 공기 흐름의 반대 방향으로 일산화탄소 흡착제를 흘려보내는 단계;
    상기 제1충진부를 통과한 개질기체를 연료전지 스택으로 내보내는 단계;
    상기 제1충진부를 통과한 상기 일산화탄소 흡착제를 제2충진부로 보내는 단계;
    상기 제2충진부에 공급되는 상기 일산화탄소 흡착제 흐름의 반대방향으로 신선한 공기를 흘려보내는 단계;
    상기 제2충진부를 통과한 공기를 외부로 배출하는 단계; 및
    상기 제2충진부를 통과한 상기 일산화탄소 흡착제를 제1충진부로 보내는 단계를 하나의 사이클로 하고,
    상기 일산화탄소 흡착제는 프로토포르피린, 메소포르피린, 헤마토포르피린, 듀테로포르피린, 에티오포르피린, 코프로포르피린, 우로포르피린, 로도포르피린, 피로포르피린, 피로에티오포르피린, 클로로필 및 이들과 히스티딘의 결합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 포르피린계 화합물을 포함하는
    일산화탄소 제거 방법.
  12. 삭제
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