KR20020092359A - 비알칼리성 연료 전지용 연료 - Google Patents

비알칼리성 연료 전지용 연료 Download PDF

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에마뉴엘 펠레드
테어 듀브데바니
아비 멜만
아디 아하론
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라모트 유니버시티 오소리티 퍼 어플라이드 리서치 엔드 인더스트리얼 디벨로프먼트 엘티디.
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Abstract

본 발명은 연료 전지의 연료로서 디메틸 옥살레이트, 에틸렌 글리콜, 그의 옥살산, 글리옥살산, 및 포름산 에스테르, 글리옥실산 및 그의 메틸 에스테르, 글리옥실산 알데히드, 및 폴리(에틸렌 옥살레이트)의 용도, 이들 화합물에 의해 공급되는 연료 전지, 이들 연료 전지를 포함하는 혼합형 전원, 및 용액 중에서 이들의 농도를 측정하기 위한 방법을 기재하고 있다.

Description

비알칼리성 연료 전지용 연료 {Fuels for Non-Alkaline Fuel Cells}
탄화수소 및 지방족 알코올은 완전하게 전기적으로 산화시키기 매우 어려우며 [J. Wang, S. Wasmus, 및 R. F. Savinell, J. Electrochem. Soc. 142, 4218 (1995)], 지방족 알코올 산화의 주생성물은 알데히드 또는 케톤, CO2및 산 또는 에스테르이다. 190 ℃에서도, 중합체-전해질막(PEM) 연료 전지에서 에탄올의 산화는 불완전하고, CO2가 산화 생성물의 40 % 미만인 반면 산화 주생성물 (60 % 초과)은 에탄올이다. 80 % 이상 전기적으로 산화되지 않는 화합물은 효율적인 연료로 생각할 수 없다. 옥살산 [V.S. Bagotzky 및 Y.B. Vasilyev, Electrochemica Acta 9, 869 (1964)]을 제외하고는, C-C 결합을 가진 화합물의 완전한 전기적 산화에 관해서는 발표된 적이 없는 것으로 알고 있다. 연료 전지에서 사용하기 위한 연료를 교시하는 각종 문헌들이 존재한다. 이들 중에서 미국 특허 제5,599,638호는 메탄올, 포름알데히드, 포름산, 디메톡시메탄, 트리메톡시메탄 및 트리옥산의 용도를 언급하고 있다. NASA에서 연료 전지용으로 가능한 연료로서 약 150 가지의 유기화합물을 스크리닝한 결과 [NASA report No. SP-120 (1967), chapter 15, pp. 225 이하], 메탄올만이 효과적인 연료로 확인되었다. 다른 유기 분자들은 산성, 중성 또는 염기성 용액에서 이들의 반전지 포텐셜에 대해 시험하고, 전극의 접압을 상이한 전류 및 온도에서 측정하고, 이론적 산소 전극을 가정하여 1 ㎠ 당 최대 전력을 계산하였다. 스크리닝한 모든 분자는 1 내지 250 mV/㎠ 범위의 최대 전력을 나타내었다. 그러나, 이러한 파라미터는 화합물이 연료로서 우수한 후보자인지에 대해서는 알려주지 않는다. 예를 들면, 우수한 유기 연료로 생각되는 메탄올 및 연료로는 거의 생각할 수 없는 에탄올은 산성 매질에서 최대 전력값이 거의 유사하게 나타난다 (각각 13 및 15 mV/㎠). SP-120 [chapter 16, pp. 262 이하]에서는 에틸렌 글리콜 및 우레아의 성능이 불량한 (30 % KOH 연료 전지) 것으로 보고하고 있다. NASA 보고서에서 언급된 몇몇의 다른 분자들은 글리세롤, 글리옥살 알데히드 및 글리옥실산이다.
본 발명은 연료 전지 및 연료 전지에서 사용하기 위한 유기 연료에 관한 것이다.
본 발명을 더 잘 이해하고 실제로 어떻게 작동할 수 있는지를 보여주기 위하여, 첨부되는 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러가지 실시태양을 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 및 현행 기술에서의 연료의 분극 곡선를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 고체 공급 유기 연료의 개략도이다.
본 발명은 연료 전지용 유기 연료를 제공한다. 본 발명에 따른 유기 연료는 디메틸 옥살레이트(DMO), 에틸렌 글리콜(EG), 그의 옥살산, 글리옥살산 및 포름산 에스테르, 글리옥실산 및 그의 메틸 에스테르, 글리옥실산 알데히드, 및 폴리(에틸렌 옥살레이트)로 이루어진 군에서 선택되며, 폴리(에틸렌 옥살레이트)는 옥살산 및 에틸렌 글리콜의 폴리에스테르이다. 본 발명의 유기 연료는 비알칼리성 연료 전지, 특히 산성 연료 전지에서 깨끗하고 효과적인 산화를 수행한다. 본 발명에 따른 연료로는 디메틸 옥살레이트, 에틸렌 글리콜, 그의 포름산 에스테르, 에틸렌옥살레이트 및 폴리(에틸렌 옥살레이트)가 바람직하다. 본 발명에 따른 연료로는 에틸렌 글리콜 및 디메틸 옥살레이트가 가장 바람직하다. 본 발명의 연료는 연료 전지에서 연로로 사용되는 경우 80 % 이상이 CO2로 전환되고, 비휘발성 부산물이 극소량만 남는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료로 만족스럽게 작용할 수 있는 연료 전지의 비제한적 예로는 액체 공급 연료 전지, 기체 공급 연료 전지, 고온 연료 전지, 고체 산화물 연료 전지, 용융 카르보네이트 연료 전지, 및 양성자 교환 또는 양성자 전도성 막을 사용하는 연료 전지를 들 수 있다. 양성자 교환 또는 양성자 전도성 막을 사용하는 연료 전지, 또는 고체 산화물 연료 전지가 바람직하다.
또한, 본 발명은 연료 전지에서 연료로 사용하기 위한 본 발명의 연료의 혼합물 뿐 아니라 메탄올과 같은 공지된 유기 연료와 본 발명의 연료와의 혼합물을 제공한다.
본 발명의 몇몇 연료는 특히, 승온에서 알칼리성 연료 전지로 유용할 수도 있다. 그러나, 알칼리성 전해질이 사용되는 경우, 중성 환경에서 연료의 불완전한 전기적 산화, 및 불완전 전기적 산화로 인한 카르보네이트 또는 다른 유기염의 축적으로 인해 때때로 교체해 줄 필요가 있을 수 있다.
연료 전지가 본 발명의 연료로 작동되는 경우, 이러한 전지에서는 현재 가장 일반적으로 사용되는 연료인 메탄올로 작동하는 경우의 동일한 연료 전지가 나타내는 것보다 낮은 크로스오버 전류 밀도를 나타낸다. 이론적으로, 크로스오버 전류가 낮은 것은 메탄올과 비교해서 본 발명의 연료의 분자 크기가 크기 때문인 것으로 가정할 수 있다. 분자 크기가 큰 것은 확산 계수가 작은 것과 관련되며, 이는 크로스오버 전류 밀도를 낮게 한다.
또한, 본 발명의 연료는 메탄올 보다 비점이 높아 양성자 전도성 막을 주로 액체상으로 통과하게 된다. 당연히, 액체상의 확산 계수가 기체상의 확산 계수보다 작다.
DMO 및 폴리(에틸렌 옥살레이트)와 같은 본 발명의 고체 연료는 다루기가 더 용이하고 물 중에서 용해도가 더 낮은 것과 같은 여러가지 이유로 메탄올과 같은 액체 연료보다 이로울 수 있다. 따라서, 고체 연료는 크로스오버 전류를 낮게 유지하도록 돕는 저농도를 유지한다. 또한, 예를 들어 비용해성 고체 연료가 연료 저장기로 사용되는 반면, 전지가 작동하고 연료가 소비되는 경우 용해되는 상당량의 고체 연료와 함께 연료 전지의 양극실에서 고체 연료의 포화 용액을 저장하는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 본 발명은 양극, 음극, 상기 양극과 상기 음극 사이에 배치된 양성자 전도성 막, 유기 연료를 양극에 공급하기 위한 수단, 및 산소를 음극에 공급하기 위한 수단을 갖는 직접 산화 연료 전지를 제공하며, 여기서 상기 유기 연료는 디메틸 옥살레이트(DMO), 에틸렌 글리콜(EG), 그의 옥살산, 글리옥살산 및 포름산 에스테르, 글리옥실산 및 그의 메틸 에스테르, 글리옥실산 알데히드, 및 폴리(에틸렌 옥살레이트)로 이루어진 군으로부터 선택된다. 본 발명의 이러한 측면에 따른 전지는 연료가 디메틸 옥살레이트, 에틸렌 글리콜, 그의 옥살산 및 포름산 에스테르, 및 폴리(에틸렌 옥살레이트)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 본 발명의 이러한 측면에 따른 전지는 연료가 에틸렌 글리콜 및 디메틸 옥살레이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 가장 바람직하다.
한 실시태양에 따라, 본 발명의 이러한 측면에 따른 연료 전지는 전지가 작동되는 동안 생성된 CO2가 양극 구획실 또는 연료 탱크에 위치하는 소수성의 얇은 다공성 매트릭스를 통해 방출되어 용액의 손실없이 기체가 방출되는 것을 또한 특징으로 한다.
다른 실시태양에 따라, 본 발명은 본 발명의 연료로 작동하도록 특별히 개조된 연료 전지를 제공한다. 이러한 연료 전지는 산소 환원 촉매외에 연료 산화 촉매를 포함하는 음극을 갖는 것을 특징으로 하며, 촉매의 비제한적 예로는 Pt-Ru, Pt-Sn, Pt-Ru-Sn, Pt-Ag-Ru, Pt-Os 촉매 또는 이들 촉매의 조합이 있다. 음극의 연료 산화 촉매는 막을 관통하는 연료의 산화를 향상시키고, Pt 또는 Pt 합금 촉매에서 통상적인 음극에서의 산소 환원 촉매의 비활성화를 막는다. 환원 촉매 대 산화 촉매의 실제비는 1 % 내지 50 %이고, 5 % 내지 20 % (w/w)가 바람직하거나 또는 산소 전극 1 ㎠ 당 산화 촉매 0.01 내지 5 ㎎이고, 0.05 내지 0.2 ㎎이 바람직하다.
또한, 본 발명은 다른 측면에 따라
(a) 연료 전지의 설정 온도에서 크로스오버 전류 대 연료 농도의 검정 곡선을 만드는 단계;
(b) 상기 연료 전지의 상기 설정 온도에서 크로스오버 전류를 측정하는 단계; 및
(c) 단계 (b)에서 측정된 전류 및 단계 (a)에서 만들어진 검정 곡선으로부터 연료 농도를 산출하는 단계
를 포함하는, 설정 온도에서 신규 연료의 농도를 측정하는 방법을 제공한다.
이 방법은 본 발명의 연료 전지에서 크로스오버 전류가 연료 농도에 직접적으로 비례한다는 사실에 기초한다. 예를 들면, 80 ℃에서 1 M EG의 크로스오버 전류 밀도가 동일한 온도에서 0.5 M EG의 크로스오버 전류 밀도에 약 2배 (각각 41 및 19 mA/㎠)가 되는 것으로 관찰되었고, 60 ℃에서 0.25 M DMSO의 크로스오버 전류 밀도가 동일한 온도에서 0.1 M DMSO의 약 2.5배 (각각 2.5 및 0.9 mA/㎠)가 되는 것으로 관찰되었다. 이러한 사실은 측정된 전류가 이 때의 전압에 무관하다는 것이 확실한 조건 하에서 의미가 있다.
본 발명의 방법은 작동하는 연료 전지에서 연료 용액의 연료 농도를 측정하는데 적용할 수 있다. 작동하는 연료 전지에서 크로스오버 전류를 측정함으로써 수행할 수 있다. 별법으로, 측정을 위한 작은 보조 연료 전지가 제공될 수 있다. 이러한 별법은 측정에 필요한 전압에서 전체 연료 전지를 작동시킬 필요없이 본 발명에 따라 측정하도록 한다. 보조 연료 전지는 연료 전지와 물리적으로 분리되거나, 전지 안에 위치하거나, 전지에 부착되거나, 연료 탱크에 부착될 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 하나 이상의 연료 전지, DC 대 DC 변환기 및 재충전가능한 배터리를 포함하는 혼합형 전원을 제공한다.
직접 메탄올 연료 전지(DMFC) 및 액체 공급 연료 전지(LFFC)는 저전원이다. 그러나, 휴대 전화, 컴퓨터 및 작은 전기 수송기관과 같은 장치들은 단기간에 고전력을 필요로 한다. 이들 및 유사한 분야의 경우, 본 발명에 따른 연료 전지를 작은 고전력의 재충전가능한 배터리와 병용하여 필요할 때 높은 전력을 공급할 수 있다. 이러한 병용은 특히 낮은 크로스오버 전류 때문에 현행 기술의 혼합형 전원에 비하여 이롭다. 현재 DC 대 DC 변환기는 0.7 V에서부터 작동을 시작할 수 있다. 그 결과, DC 대 DC 변환기를 통해 2개 또는 3개와 같이 적은 수의 연료 전지들을 (직렬 연결) 배터리와 병용할 수 있다. 크로스오버 전류 밀도가 충분히 작을 경우, 즉, 15 mA/㎠, 바람직하게는 5 mA/㎠ 미만일 경우, 상기 혼합형 전원은 매우 자주 연료를 얻을 필요가 없다. 따라서, 이러한 혼합형 전원은 본 발명의 연료 전지와 같은 크로스오버 전류 밀도가 낮은 연료 전지를 갖는 것이 바람직하다. 연료 전지는 배터리를 충전시키고, 전력 요구량이 적은 반면 고전력 배터리는 하중이 무겁다. 이처럼 필요한 연료 전지의 수가 적은 것은 납작하고 얇은 연료 전지 시스템의 사용을 가능하게 한다.
본 발명은 본 발명의 연료가 공급되는 이러한 혼합형 전원을 제공한다. 이러한 혼합형 전원이 본 발명의 고체 연료로 공급되는 것이 가장 이롭다.
예를 들면, 휴대 전화에 전력을 공급하기 위하여, 직렬로 연결되고, EG와 같은 본 발명의 액체 연료 또는 DMS와 같은 본 발명의 고체 연료가 공급되는 2개의 얇은 연료 전지, DC 대 DC 변환기 및 작은 고전력 리튬 이온 전지로 구성된 혼합형 전원을 사용할 수 있다.
실시예 1: 여러가지 연료에 대한 분극 곡선을 얻음
탄소 지지 촉매를 대신해서 순수한 금속 촉매를 사용하여 연료 전지를 제조하였다. 다음과 같은 방법으로 음극 촉매 잉크를 제조하였다:
나노 분말 Pt (Pt 블랙, "존슨 매테이(Johnson Matthey)"로부터 구입), 테플론(Teflon)TM에멀젼 및 나피온(Nafion)TM5 % 용액을 다음과 같은 중량비로 합하였다: Pt 60 %, 테플론 에멀젼 25 % 및 나피온 15 %. 먼저, Pt 분말 및 테플론 에멀젼을 15분 동안 초음파로 혼합하였다. 2 초음파 기간 후에, 얻어진 잉크를 하룻밤 이상 자기 교반기 상에 두었다.
다음과 같은 방법으로 양극 촉매 잉크를 제조하였다: Pt:Ru 나노 분말 (Pt:Ru 블랙 50 % "존슨 매테이"로부터 구입) 및 PVDF를 다음과 같은 중량비로 합하였다: 촉매 분말 91 % 및 PVDF 9 %. 프로필렌 카르보네이트를 촉매 부피의 30내지 70 %와 동일한 양으로 가한 다음 시클로펜타논을 가하고, 얻어진 잉크를 하룻밤 이상 교반시켰다.
전극의 제조: 음극 촉매 잉크를 테플론화된 토레이(Toray)TM탄소 섬유지 상에 도포하여 4 ㎎ Pt/㎠를 형성하였다. 잉크 (페이스트 형태)를 여러 층으로 도포하는데, 그다음 층을 도포하기 전에 각 층을 약 1 시간 동안 건조시켰다. 목적하는 촉매량이 얻어질 때까지 이러한 작업을 반복하였다. 동일한 방법으로 5 내지 10 ㎎ 촉매/㎠가 얻어질 때까지 양극 촉매 잉크를 테프론화 되지 않은 토레이TM탄소 섬유지 상에 도포하였다. 전극 모두를 3 M 황산으로 세척한 다음 물로 세척하였다.
음극과 양극을 PCM 양쪽면에 100 내지 300 ㎛의 두께로 서로 평행하게 두고, 85 내지 130 ℃의 온도 및 10 내지 70 ㎏/㎠의 압력 하에 열간 압축시켰다. 도 1은 다음의 조건 하에서 이러한 종류의 연료 전지에 대한 분극 곡선을 나타낸다: 연료 및 3 M H2SO4의 용액을 9 ㎖/분의 속도로 양극을 통해 순환시켰다. 산소는 0.25 atm의 압력으로 음극을 지나 순환시켰다. 전지 온도는 65 ℃이었다. SiO2의 나노크기의 분말 16 % (V/V), PVDF 24 % 및 대표적인 직경이 1.5 ㎚인 기공 부피 60 %로 이루어진 PCM의 두께는 300 미크론이었다. 전지는 0.4 V에서 100 시간에 걸쳐 안정하게 작동하는 것으로 나타났다. 다음과 같은 연료를 시험하였다: 메탄올 (1 M), 옥살산 (0.1 M, 1 M 메탄올을 포함함), 옥살산 (0.1 M), 디메틸 옥살레이트(0.1 M), 에티렌 글리콜 (0.5 M), 및 글리세롤 (0.5 M) (이들 중에서 글리세롤, 옥살산 및 메탄올은 본 발명에 따른 것이 아님). 도면에 나타난 바와 같이, 이러한 조건 하에서는 DMO와 EG의 성능이 가장 우수하였다. 그러나, 이 실험에서는 어떠한 조건도 최적화되지 않았기 때문에 다른 농도 및(또는) 다른 촉매에 의해 질적으로 다른 관찰 결과를 얻을 수 있다는 것을 명심해야 한다.
전류가 3 mA로 떨어질 때까지 일정한 전압에서 연료 용액 50 ㎖를 전기화학적으로 적정하여 연료의 이용율을 측정하였다. 이 전류에서는 약간의 연료만이 산화되지 않은 것으로 평가하였다. 실험 전기 용량을 이론값과 비교하여 이용율을 계산하였다. 적정 곡선을 전류가 0인 점과 외삽하여 더 교정하였다. 이러한 교정으로 이용율 값이 3 내지 6 % 증가하였다 (표 1).
0.2 V에서 연료의 이용율은 DMO의 경우 95 %, EG의 경우 94 %이고 메탄올의 경우는 단지 85 %인 것으로 밝혀졌다 (표 1 참조). 좀더 실제적인 전압인 0.4 V에서 연료 이용율은 EG의 경우 89 %, DMO의 경우 67 %, 메탄올의 경우 81 %인 것으로 밝혀졌다.
연료가 음극면으로 크로스오버되기 때문에, 이러한 연료의 고이용율은 100 %에 가까운 연료가 전기적으로 산화되는 것을 시사한다.
산소 대신에 질소를 음극 구획실로 공급하고 (주변 기압에서) 양극 구획실로 유기 연료-산 용액을 공급함으로써 여러가지 온도에서 연료의 크로스오버 측정을 수행하였다. 전지 전압을 역으로 하였더니; 연료 전극에서 수소가 방출된 반면에, 음극면으로 크로스오버된 연료가 산화되었다. 1 V에서 흐르는 전류가 모든 연료의산화에 대한 한계 전류인 것으로 밝혀졌다.
하기 표 2는 연료 크로스오버 시험의 결과를 요약한 것이다. 크로스오버 전류 밀도는 연료의 투과성, 온도, 농도 및 산화에 관여하는 전극의 총수에 따른다. 1 M 메탄올에 대한 크로스오버 전류 밀도 (80 ℃)는 1 M EG 및 0.25 M DMO의 2배이었다. 그러나, 전극의 수를 고려하고, molㆍs-1ㆍcm-2단위의 연료 플럭스 (80 ℃ 및 확산 조절된 조건 하에서)가 1 M 연료로 일반화된 경우, DMO의 투과율이 거의 메탄올만큼 큰 것에 비해 EG의 투과율 (플럭스)은 메탄올의 1/3인 것을 알 수 있다.
상이한 연료의 이용율 비교
전극의 수 이론적 용량[Ah/g] 0.4 V*에서의 이용율 [%] 0.2 V*에서의 이용율 [%]
Exp. Corr. Exp. Corr.
옥살산 2 0.43 91
메탄올 6 5.03 79 81 82 85
에틸렌 글리콜 10 4.32 83 89 89 94
디메틸 옥살레이트 14 3.18 64 67 93 95
* 2회 이상의 시험한 평균Exp.-실험값; Corr.-보정값, 본문 참조.
상이한 연료의 크로스오버
1. 연료 크로스오버 시험:
온도[℃] 농도[M] 크로스오버 전류 밀도[A/㎠] 연료 플럭스*[molㆍs-1ㆍcm-2]1 ×10-8
디메틸 옥살레이트 60 0.10 0.009 6.7
60 0.25 0.025 7.4
80 0.25 0.038 11
에틸렌 글리콜 80 0.5 0.019 3.9
80 1.0 0.041 4.2
메탄올 80 1.0 0.076 13
* 1 M로 표준화함.
실시예 2: 본 발명에 따른 연료를 나피온 TM 기재 연료 전지에서 사용함
연료 전지 하우징을 글로베테크 인크(Globetech Inc.)에서 구입한 합성 그라파이트 플레이트로부터 제조하여, 여기에 유동장을 조각하였다.
토레이TM페이퍼로부터 구입할 수 있는 탄소 섬유 시트 상에 도포된 백금-루테늄 잉크를 사용하여 양극을 형성하였다. 촉매층은 테프론 (듀폰) 15 %, 나피온TM15 % 및 Pt-Ru 나노분말 (Pt:Ru 블랙 50 % "존슨 매테이"로부터 구입함) 70 %로 이루어졌다. 양극 하중은 5 ㎎/㎠이었다. 사용된 음극은 4 ㎎ Pt/㎠ 및 0.6 ㎎ 나피온/㎠로 이루어진 시판되는 ELAT E-TEKTM이었다. 양극 및 음극은 실시예 1에 기재된 바와 같이 듀폰에서 판매되는 117 나피온 막을 열간 압축하여 막 전극 어셈블리(MEA)를 형성하였다.
냉각시킨 후, MEA를 그라파이트 유동장 사이에 두고, 폴리프로필렌 실링(sealing)을 삽입하고, 전지를 조립하였다.
작동하는 동안 0.1 내지 0.5 M 농도 범위의 옥살산, 디메틸 옥살레이트, 에틸렌 글리콜, 글리세롤로부터 선택된 연료 수용액을 4 내지 15 ㎖/분의 상이한 유속으로 양극을 지나도록 순환시켰다 (Masterflex L/S Cole-Parmer Instrument Co.의 유동 펌프를 사용함).
산소를 주변 온도에서 7 내지 40 ㎖/분의 속도로 음극실에 직접 또는 물 발포기를 통해 공급하였다. 전지를 60 ℃에서 작동시켰다. 분극 곡선이 도 1의 곡선과 유사한 것으로 나타났다.
실시예 3: 고체 공급 유기 연료 전지
도 2는 플라스틱 케이스 (501), 양극 (509), 음극 (511) 및 고체 중합체 전해질막 (510)을 갖는 고체 공급 유기 연료 전지를 도시한다. 막 (510)은 SiO212 %, PVDF 28 % 및 (산 용액이 도입되는) 빈 공간 60 %로 이루어진 WO 99/44245에 기재된 종류의 PCM이다. 양극, 음극 및 MEA는 실시예 1과 같이 제조하였다. 고체 유기 연료를 연료 구멍 (502)을 통해 채우고, 코크 (503)로 봉하였다. 연료를 탱크에서 용해시키고, 다공성 탄소 클로스 (508)에서 하스텔로이(hastelloy) C-276 (캐보트(Cabot)) 네트 (507)를 통해 흡수시켰다. 양극 구획실에서 형성된 이산화탄소는 배기 노즐 (504)을 통해 배출시켰다. 액체 연료가 배기 노즐을 통해 새어나갈 수 있기 때문에 노즐을 소수성의 다공성 박층 (506)으로 씌웠다. 연료 용액은 탱크 중에 남는 반면 기체만이 소수성 층을 통과할 수 있다. 음극을 제2의 하스텔로이 네트 (513)를 통해 공기 중으로 개방시켰다. 음극면으로부터 연료가 새나오는 것을 방지하기 위해, MEA를 개스킷 (512)으로 봉하였다. 커버로서 제2의 하스텔로이 네트 (513)를 전체 어셈블리에 또한 사용하였다. DMO 200 ㎎을 1 M H2SO4용액이 포함된 연료 탱크 중에 용해시켰다. 0.35 V에서 연료 전지는 30 mA를 수송하였다. 크로스오버 전류 밀도는 실온에서 2 mA/㎠이었다.

Claims (24)

  1. 디메틸 옥살레이트, 에틸렌 글리콜, 그의 옥살산, 글리옥살산 및 포름산 에스테르, 글리옥실산 및 그의 메틸 에스테르, 글리옥실산 알데히드, 및 폴리(에틸렌 옥살레이트)로 이루어진 군으로부터 선택된 비알칼리성 연료 전지에서 연료로 사용하기 위한 유기 화합물.
  2. 제1항에 있어서, 디메틸 옥살레이트, 에틸렌 글리콜, 그의 포름산 에스테르, 에틸렌 옥살레이트 및 폴리(에틸렌 옥살레이트), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 제1항에서 정의한 바와 같은 용도의 유기 화합물.
  3. 제1항에 있어서, 에틸렌 글리콜, 디메틸 옥살레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 제1항에서 정의한 바와 같은 용도의 유기 화합물.
  4. 제1항에 있어서, 디메틸 옥살레이트, 폴리(에틸렌 옥살레이트) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 제1항에서 정의한 바와 같은 용도의 유기 화합물.
  5. 제1항에서 정의한 바와 같은 용도의 공지된 연료와 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 유기 화합물과의 혼합물.
  6. 제5항에 있어서, 제1항에서 정의한 바와 같은 용도의 상기 공지된 연료가 메탄올인 혼합물.
  7. 연료 전지가 산성 전해질 연료 전지인, 제1항에서 정의한 바와 같은 용도의 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 화합물.
  8. 연료 전지가 양성자 전도성 막을 갖는, 제1항에서 정의한 바와 같은 용도의 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 화합물.
  9. 제5항에 있어서, 제7항 또는 제8항에서 정의된 바와 같은 용도의 혼합물.
  10. 양극, 음극, 상기 양극 및 상기 음극 사이에 위치하는 양성자 전도성 막, 유기 연료를 양극에 저장하거나 공급하기 위한 수단, 산소를 음극에 공급하기 위한 수단을 가지며, 여기서 상기 유기 연료가 디메틸 옥살레이트, 에틸렌 글리콜, 그의 옥살산, 글리옥살산, 및 포름산 에스테르, 글리옥실산 및 그의 메틸 에스테르, 글리옥실산 알데히드, 및 폴리(에틸렌 옥살레이트)로 이루어진 군으로부터 선택되는, 직접 산화 연료 전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 연료가 디메틸 옥살레이트, 에틸렌 글리콜, 그의 옥살산 및 포름산 에스테르, 폴리(에틸렌 옥살레이트), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 직접 산화 연료 전지.
  12. 제11항에 있어서, 상기 연료가 디메틸 옥살레이트, 에틸렌 글리콜, 그의 포름산 에스테르, 에틸렌 옥살레이트, 폴리(에틸렌 옥살레이트), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 직접 산화 연료 전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 연료가 디메틸 옥살레이트, 에틸렌 글리콜 및 이들의 혼합물로부터 이루어진 군으로부터 선택되는 직접 산화 연료 전지.
  14. 연료 전지가 액체 공급 연료 전지인 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 액체 공급 직접 산화 연료 전지.
  15. 상기 연료가 폴리(에틸렌 옥살레이트), 디메틸 옥살레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 제13항에 따른 액체 공급 직접 산화 연료 전지.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 전지가 작동하는 동안 생성되는 CO2가 양극 구획실 또는 연료 탱크에 위치하는 소수성의 얇은 다공성 매트릭스를 통해 방출되는 것을 또한 특징으로 하는 액체 공급 직접 산화 연료 전지.
  17. 산소 환원 촉매 및 연료 산화 촉매를 포함하는 음극을 갖는 직접 산화 연료 전지.
  18. 제17항에 있어서, 상기 연료 산화 촉매가 Pt-Ru, Pt-Sn, Pt-Ru-Sn, Pt-Ag-Ru, Pt-Os 촉매 및 이들의 임의의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 직접 산화 연료 전지.
  19. 제18항에 있어서, 연료 산화 촉매 대 산소 환원 촉매의 비가 1 % 내지 50 % (중량/중량)인 직접 산화 연료 전지.
  20. 제19항에 있어서, 상기 비가 5 % 내지 20 % (중량/중량)인 직접 산화 연료 전지.
  21. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료가 제5항 또는 제6항에 정의된 바와 같은 혼합물인 직접 산화 연료 전지.
  22. (a) 소정의 연료 전지의 설정 온도에서 크로스오버 전류 대 연료 농도의 검정 곡선을 만드는 단계;
    (b) 상기 소정의 연료 전지의 상기 설정 온도에서 크로스오버 전류를 측정하는 단계; 및
    단계 (b)에서 측정된 크로스오버 전류 및 단계 (a)에서 만들어진 검정 곡선으로부터 연료 농도를 산출하는 단계
    를 포함하는, 설정 온도에서 용액 중 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 화합물인 연료의 농도를 측정하는 방법.
  23. 제10항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 연료 전지, DC 대 DC 변환기 및 재충전가능한 배터리를 포함하는 혼합형 전원.
  24. 제15항에 따른 하나 이상의 연료 전지, DC 대 DC 변환기 및 재충전가능한 배터리를 포함하는 혼합형 전원.
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