KR20040022002A - 직접 메탄올 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 연료를 담는 용기 및 상기 용기로부터 애노드로 상기 연료를 공급하기 위한 수단에 대한 필요성이 제거되어 용이하게 소형화할 수 있으며, 각각의 MEA에 대하여 그리고 각 애노드의 면적 방향에 따라서 연료의 공급량이 균일하게 분포되는 직접 메탄올 연료전지를 제공한다.

본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지는, 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하는 수소이온전도성 전해질 막을 포함하는 MEA; 및 상기 애노드 표면에 배치되며, 연료를 담지하고 담지된 연료를 상기 애노드에 공급할 수 있는 망목구조를 갖는 연료담지 매트릭스를 포함한다.

Description

직접 메탄올 연료전지{Direct methanol fuel cell}

본 발명은 연료전지에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 직접 메탄올 연료전지에 관한 것이다.

연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 화력발전과는 달리 카르노 사이클을 거치지 아니하므로 그 이론적인 발전 효율이 매우 높다. 또한, 화력발전에 비하여 NOx와 CO₂의 배출량 및 소음이 적으므로 연료전지는 환경친화적인 발전장치라 할 수 있다.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 PEM (polymer electrolyte membrane, 고분자 전해질 막) 방식, 인산 (phosphoric acid) 방식, 용융탄산염 (molten carbonate) 방식, 고체산화물 (solid oxide) 방식 등으로 구분될 수 있으며, 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다. 또한, 연료전지는 애노드에 대한 연료 공급방식에 따라, 연료개질기를 통하여 연료를 수소부화가스로 전환시킨 후 애노드에 공급하는 외부개질형과, 연료를 직접 애노드에 공급하는 직접산화형 또는 내부개질형으로 구분될 수 있다. 연료전지에 사용되는 연료로서는 일반적으로 천연가스, 메탄올 등이 사용되고 있으나, 다른 탄화수소질 연료 또는 그 유도체 등이 사용될 수도 있다.

직접 메탄올 연료전지는 일반적으로 연료로서 메탄올 수용액을, 전해질로서 수소이온전도성 PEM을 사용하는 직접산화 방식의 연료전지로 분류될 수 있다. 그러나 메탄올 직접산화방식을 채택하고 있다면, 구성 부품의 재질 또는 형태를 불문하고 직접 메탄올 연료전지의 범주에 속할 것이다.

직접 메탄올 연료전지는 애노드, 캐소드, 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 PEM을 포함하는 MEA(membrane electrode assembly)와, 전기전도체의 역할을 하며 연료 또는 산화제 가스가 전극과 접하면서 흐르도록 하는 채널을 구비하고 있는 바이폴라 플레이트 또는 모노폴라 플레이트를 포함한다. 애노드에는 연료로서 일반적으로 메탄올 수용액이 공급된다. 애노드에서 메탄올과 물이 반응하여 이산화탄소, 수소이온 및 전자(electron)가 생성된다. 생성된 이산화탄소는 전지 외부로 배출되고, 수소이온은 전해질 막을 통해 캐소드 쪽으로 이동하며, 전자는 외부회로를 구성하는 도선 및 부하를 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에는 산화제로서 일반적으로 공기가 공급된다. 캐소드에서는 수소이온과 전자가 공기 중의 산소와 결합되어 물이 생성되고 물은 전지외부로 배출된다. 실제 사용시에는 연료전지는 부하에서 요구하는 전력을 공급하기 위하여 복수의 단위전지를 직렬 및/또는 병렬로배치한 팩(pack)형태로 구성된다. 팩형태의 연료전지는 복수의 단위전지를 적층하는 바이폴라 플레이트(bipolar plate) 방식, 복수의 단위전지를 평면상에 배열한 모노폴라 플레이트(monopolar plate) 방식, 또는 이들을 복합한 방식 등이 사용된다. 바이폴라 플레이트 및 모노폴라 플레이트는 전기전도체의 역할을 하며, 또한 연료 또는 산화제가 전극과 접하면서 흐를 수 있도록 하는 채널을 구비하고 있다.

직접 메탄올 연료전지는 전기에너지를 필요로 하는 모든 분야에 적용될 수 있으며, 특히 휴대용 전원장치로서 유망하다. 현재 휴대용 전원장치로서 널리 사용되는 리튬이온전지, 리튬폴리머전지의 에너지밀도가 각각 약 150 Wh/kg, 약 300 Wh/kg인 반면, 직접 메탄올 연료전지는 약 1,000 Wh/kg에 달하는 에너지밀도를 구현할 수 있다. 또한, 리튬계 2차 전지가 약 3 시간 정도의 충전시간을 필요로 하는 반면 메탄올 연료전지는 단지 수초의 시간 동안 메탄올 수용액 연료를 주입하면 되므로, 메탄올 연료전지는 충전시간 측면에서도 큰 장점을 가지고 있다.

그러나 기존의 직접 메탄올 연료전지는 메탄올 수용액 연료를 담는 용기와 상기 용기로부터 애노드로 메탄올 수용액 연료를 공급하기 위한 수단을 구비하여야 하므로, 2차 전지와 같이 소형화하기가 용이하지 않은 실정이다. 또한, 기존의 직접 메탄올 연료전지에서는, 메탄올 수용액 연료가 바이폴라 플레이트 또는 모노폴라플레이트에 구비된 채널을 통하여 흐를 때, 각 MEA에 대한 불균일한 유량분포가 발생하여, MEA 간의 전압변화(직렬 구성일 경우) 또는 전류변화(병렬 구성일 경우) 및 그에 따른 구성물질의 변화가 발생하고 결국에는 전지의 수명이 단축된다.

본 발명의 기술적 과제는, 연료를 담는 용기 및 상기 용기로부터 애노드로 연료를 공급하기 위한 수단에 대한 필요성이 제거되어 용이하게 소형화할 수 있으며, 또한 각각의 MEA에 대하여 그리고 각 애노드의 전 면적에 걸쳐서 연료의 공급량이 균일하게 분포되는 직접 메탄올 연료전지를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지의 일 구현예이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 대한 전류밀도에 따른 전압강하 특성을 나타내는 그래프이다.

본 발명은, 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하는 수소이온전도성 전해질을 포함하는 MEA(membrane electrode assembly); 및 상기 MEA의 애노드 표면에 배치되며, 연료를 담지하고 담지된 연료를 상기 애노드에 공급할 수 있는 망목구조를 갖는 연료담지 매트릭스를 포함하는 직접 메탄올 연료전지를 제공한다.

이하에서는 먼저 연료담지 매트릭스에 관하여 상세히 설명한다.

상기 연료담지 매트릭스는 메탄올 수용액 연료를 담지할 수 있으며, 연료전지 작동 중에는 상기 담지된 연료를 애노드에 공급할 수 있는 다공성 재질을 갖는다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 연료담지 매트릭스는 망목구조를 형성하는 고분자 지지체를 포함하는 다공성 층일 수 있다. 메탄올 수용액은 상기 고분자 지지체에 의하여 형성된 기공에 담지되어, 상기 고분자 지지체와 수화겔을 형성할 수도 있다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 고분자 지지체는 친수성 단량체 또는 프리폴리머; 및 소수성 단량체 또는 프리폴리머의 공중합체일 수 있다. 상기 공중합체는예를 들면, 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다.

친수성기를 갖는 단량체, 소수성기를 갖는 단량체, 가교제 및 중합개시제를 용매에 녹여서 유리판 위에 도포한 후 약 80 내지 100 ℃의 오븐에 약 1 내지 3시간 방치하면 열경화 반응이 일어나면서 고분자 겔이 생성된다.

상기 친수성 단량체로서는, 예를 들면, 아크릴산, 메타크릴산, 무수말레인산, 아크릴아미드, 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산, 2-아크릴아미도-2-프로판 카르복시산, 스티렌술폰산, 스티렌카르복시산, 비닐피롤리돈, 비닐술폰산, 히드록시에틸아크릴레이트 및 히드록시에틸메타크릴레이트 등이 단독 또는 조합으로 사용될 수 있다.

상기 소수성 단량체로서는, 예를 들면, 알킬 아크릴레이트, 알킬 메타크릴레이트와 같은 아크릴레이트계의 단량체와, 또는 스티렌계의 단량체 등이 단독 또는 조합으로 사용될 수 있다.

상기 가교제로서는, 예를 들면, 디비닐벤젠, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트와 같이 2개 이상의 비닐기를 함유하는 단량체가 이용될 수 있다.

상기 중합개시제로서는, 예를 들면, 벤조일퍼옥사이드 계열과 아조 계열의 아조비스이소부틸니트릴과 같은 열중합개시제가 사용될 수 있다. 또한, 다른 방법으로서, UV조사에 의한 광중합을 통하여 고분자 겔을 형성할 수 도 있으며, 이 경우에는 벤조페논, 아세토페논, 벤조인에테르, 벤질케탈과 같은 광중합개시제가 사용될 수 있다.

상기 용매로서는, 예를 들면, 디메틸포름아미드와 같은 용매가 사용될 수 있다.

소수성 단량체에 비하여 친수성 단량체의 함량이 너무 크면 담지된 연료가 애노드로 원활하게 공급되지 못할 가능성이 있으며, 너무 작으면 담지되는 연료의 양이 감소될 가능성이 있다. 이를 고려하여 상기 공중합체 중의 친수성 단량체 또는 프리폴리머 : 소수성 단량체 또는 프리폴리머의 중량비는 약 1 : 1 ~ 약 1 : 9 정도로 할 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 고분자 지지체는, 예를 들면, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알콜 등과 같이 메탄올 수용액에 의하여 수화될 수 있는 호모-고분자물질을 단독 또는 조합으로 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 폴리에틸렌옥사이드 또는 폴리비닐알콜을 디메틸포름아미드와 같은 용매에 용해시켜 유리판 위에 도포한 후 약 80 내지 약 100 ℃의 오븐에 약 1 내지 약 3시간 동안 방치함으로써 연료담지 매트릭스를 제조할 수 있다.

본 발명의 연료담지 매트릭스는 취급하기에 충분한 기계적 강도를 가지며, 상기 매트릭스의 디멘젼(dimension)은 원하는 출력조건에 따라 다양하게 변화될 수 있다.

상기 고분자 지지체를 메탄올 수용액에 담그면 메탄올 수용액이 고분자 지지체의 네트워크사이에 담지되며, 고분자 지지체는 메탄올 및 물에 의하여 수화될 수 있다.

메탄올 수용액 중의 메탄올 농도가 너무 낮으면 애노드에서의 메탄올 분해반응의 속도가 감소되며, 메탄올의 농도가 너무 높으면 메탄올이 고분자 지지체의 고분자 체인을 파괴하여 연료담지 매트릭스의 기계적 강도를 저하시킬 뿐만아니라 PEM을 통과하는 메탄올의 양이 증가하여 메탄올 크로스오버(crossover)가 발생할 가능성이 있다. 메탄올 크로스오버가 발생하면 전지의 전압 및 전지의 수명이 감소된다. 이러한 점을 고려하여 메탄올 수용액 중의 메탄올의 농도는 약 3 내지 약 50 중량% 정도가 되도록 할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 약 30중량% 정도가 되도록 할 수 있다.

상기 연료담지 매트릭스 내에 담지된 메탄올은 메탄올의 농도구배, 및 메탄올의 지지체와의 친화력 차이에 의하여 애노드로 이동한다. 애노드로 이동하는 메탄올은 애노드의 기체확산층을 통하여 애노드의 촉매층에 도달한다.

상기 연료담지 매트릭스로부터 애노드로의 메탄올의 이동은 애노드의 전 면적에 걸쳐 균일하게 발생하며, 그리하여 메탄올의 분해반응이 애노드의 촉매층에서 균일하게 일어나고, 결국 연료전지의 효율과 수명을 향상시키는 효과도 발생한다.

이하에서는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하는 수소이온전도성 PEM을 포함하는 MEA에 관하여 설명한다. 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지는, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 것이라면 종래에 일반적으로 사용되고 있는 일반적인 MEA 뿐만아니라 향후 개발될 MEA도 사용할 수 있다.

예를 들어, 상기 MEA의 애노드는 기체확산층과 촉매층으로 이루어질 수 있다.

상기 애노드의 기체확산층은, 일반적으로, 도전성 및 80% 이상의 다공도를 갖는 탄소종이(carpon paper) 또는 탄소섬유직물 (carbon fibre fabric)에 소수성고분자인 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 또는 플루오로에틸렌 공중합체를 함침시킨 후 약 340 내지 370 ℃에서 소성시킴으로써 얻어진다. 상기 기체확산층은 연료담지 매트릭스와 접촉하게 된다. 메탄올 수용액 연료가 애노드의 촉매층으로 잘 전달될 수 있도록 하기 위하여, 상기 기체확산층의 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 또는 플루오로에틸렌 공중합체의 함침량을, 메탄올 수용액 연료가 기체확산층에 용이하게 스며들 수 있을 정도로 작게한다.

애노드의 촉매층에 사용되는 촉매는, 일반적으로, 메탄올의 분해반응을 일으킬 수 있는 백금 또는 Pt/Ru와 같은 백금계 합금의 분말을 전도성 탄소분말의 표면에 고르게 담지시킨 형태를 가지고 있다. 상기 촉매의 비표면적을 증가시켜 반응효율을 향상시키기 위해서 카본블랙, 탄소나노튜브(carbon nanotube), 탄소나노혼(carbon nanohorn)등 매우 미분된 형태의 탄소분말이 사용될 수 있다. 상기 촉매; 나피온(Nafion, 듀퐁의 제품)과 같은 수소이온전도성 물질; 및 촉매분산을 증진시키는 용매를 포함하는 촉매잉크를 프린팅(printing), 분무(spray), 롤링(rolling) 또는 브러싱(brushing) 등의 방법으로 기체확산층 위에 도포한 후 건조함으로써 촉매층을 형성한다. 나피온과 같은 수소이온전도성 물질은 촉매층의 기계적 강도를 유지하기 위한 바인더의 역할을 겸한다.

캐소드는, 예를 들면, 기체확산층과 촉매층으로 이루어질 수 있다.

상기 캐소드의 기체확산층은 일반적으로, 도전성 및 80% 이상의 다공도를 갖는 탄소종이(carpon paper) 또는 탄소섬유직물 (carbon fibre fabric)에 소수성 고분자인 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 또는 플루오로에틸렌 공중합체를 함침시킨 후 약 340 내지 370 ℃에서 소성시킴으로써 얻어진다. 상기 캐소드의 기체확산층이 캐소드 촉매층에서 발생된 물에 의하여 플러딩(flooding)되는 것을 방지하기 위하여, 상기 캐소드의 기체확산층은 소수성을 가져야 한다. 이를 위하여 소수성 고분자의 함침량을 약 10 내지 약 30 중량% 정도로 할 수 있다.

캐소드의 촉매층에 사용되는 촉매는 일반적으로 산소의 환원반응을 일으킬 수 있는 백금 분말을 전도성 탄소분말의 표면에 고르게 담지시킨 형태를 가지고 있다. 상기 촉매의 비표면적을 증가시켜 반응효율을 향상시키기 위해서 카본블랙, 탄소나노튜브(carbon nanotube), 탄소나노혼(carbon nanohorn)등 매우 미분된 형태의 탄소분말이 사용될 수 있다. 상기 촉매; 나피온과 같은 수소이온전도성 물질; 및 촉매분산을 증진시키는 혼합용매를 포함하는 촉매잉크를 프린팅(printing), 분무(spray), 롤링(rolling) 또는 브러싱(brushing) 등의 방법으로 기체확산층 위에 도포한 후 건조함으로써 촉매층을 형성한다.

수소이온전도성 전해질 막으로서는, 예를 들면, 수소이온 전도성, 필름을 형성할 수 있을 정도의 기계적 강도 및 높은 전기화학적 안전성을 갖는 물질이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 상기 수소이온전도성 전해질 막의 구체적인 예로서는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체가 있다. 플루오로비닐에테르 모이어티는 수소이온을 전도하는 기능을 갖는다. 상기 공중합체는 듀퐁(Dupont)사에서 나피온(Nafion)이라는 상품명으로 판매되고 있어서 상업적으로 입수가능하다.

이와 같이 얻어진 애노드, 캐소드, 수소이온전도성 전해질 막을 이용하여MEA를 제조한다. MEA는, 애노드의 촉매층 및 캐소드의 촉매층이 수소이온전도성 전해질 막에 접촉하도록 하는 형태로 애노드와 캐소드 사이에 수소이온전도성 전해질 막을 위치시킨 다음, 약 140 ℃ 정도의 온도로 유지되며 유압으로 작동되는 2장의 열판 사이에 넣은 후 약 3톤의 압력으로 약 5분 동안 가열압착함으로써 제조된다.

상기 MEA의 애노드 및 캐소드의 기체확산층 표면에 니켈망을 더 부착하여 전기전도성의 향상을 도모할 수도 있다.

이하에서는, 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지를 구성하는 일 구현예를 설명한다.

도 1을 보면, 연료담지 매트릭스(10)의 상부와 하부에 각각 6개의 MEA가 배치되어 있다. 상부 MEA의 애노드(30)와 하부 MEA의 애노드(31)는 연료담지 매트릭스(10)를 사이에 두고 서로 마주보고 있으며, 상부 MEA와 하부 MEA는 대칭적 구조로 배열되어 있다. 상부의 MEA는 전해질로서 PEM(40)을 공통으로 구비하고 있으며, 하부의 MEA는 전해질로서 PEM(41)을 공통으로 구비하고 있다.

과량의 메탄올이 애노드(30, 31)로 이동할 가능성을 차단하고 애노드에서 발생한 이산화탄소가 더욱 용이하게 방출되도록 하기 위하여, 애노드(30, 31)와 연료담지 매트릭스(10) 사이에 PTFE 필름(20, 21)을 배치할 수 있다. 캐소드(50, 51)와 전지지지체(100) 사이에 PTFE 필름(60, 61)을 배치하여, 외부로부터의 물의 유입을 차단하고, 공기만 선택적으로 캐소드에 공급되도록 할 수 있다. 전지지지체(100)에는 개구부(101)가 다수 설치되어 있으며, 개구부(101)를 통하여 공기가 캐소드에 공급된다. 도 1의 연료전지는 기체확산막(70, 71)을 더 포함할 수 있다. 기체확산막(70, 71)은 공기 중의 산소를 선택적으로 도입하는 반면 수분은 차단하고, 캐소드에서 발생되는 수분을 방출하는 기능을 하며, 기체확산막의 재질로서는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 등으로 이루어지며 다공성 및 소수성을 갖는 막이 사용될 수 있다.

연료담지 매트릭스의 상부 및 하부에 배열된 총 12개의 MEA는, 도 1에 나타나 있지는 않지만, 적절한 전기적 연결 부재에 의하여 직렬 연결, 병렬 연결, 또는 직렬 및 병렬의 복합 연결 구성을 가질 수 있으며, 이는 부하가 요구하는 출력특성에 따라 결정될 수 있다. 또한, 연료담지 매트릭스의 상부 및 하부에 배열되는 MEA의 갯수는 요구되는 출력특성에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 연료담지 매트릭스(10)의 메탄올이 고갈되면, 전지의 용기(200)에 구비된 메탄올 주입구(201)를 통하여 메탄올을 보충할 수 있다.

본 발명의 연료전지의 구성은 상기의 구현예에 한정되지 않으며, 종래의 바이폴라 플레이트를 이용한 적층 방식, 복수의 단위전지를 평면상에 배열한 모노폴라 플레이트 방식, 또는 이들을 복합한 방식 등과 같은 다양한 변형이 가능하다. 다만, 바이폴라 플레이트 및 모노폴라 플레이트의 애노드 접촉면에 연료채널이 반드시 구비될 필요는 없다.

이하에서는, 실시예를 통하여 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지의 효과를 확인하고자 한다.

<실시예>

실시예 1

친수성 단량체로서 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산 2 g, 소수성 단량체로서 메틸메타크릴레이트 3 g, 가교제로서 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 (ethyleneglycoldimethacrylate) 0.05 g, 중합개시제로서 아조비스이소부틸니트릴 (azobisisobuthylnitrile) 0.005 g 을 용매인 디메틸포름아미드 5 g에 용해시켰다. 상기 용액을 스페이서(spacer)로 이격된 두 장의 유리판 사이에 넣고 실링(sealing)한 후 약 80℃ 오븐에서 약 2시간 동안 열중합시켰다. 이렇게 얻어진 연료담지 매트릭스를 3M 농도의 메탄올 수용액으로 함침시켰다.

Pt/Ru가 담지된 카본촉매 분말 및 나피온(Nafion)을 1-프로판올과 2-프로판올의 1:1 중량비 혼합 용매에 투입한 후 약 20분 동안 초음파 조에서 분산시켰다. 이렇게 얻어진 애노드 촉매 잉크를 PTFE가 약 5 중량% 이하로 함침된 카본페이퍼에 스프레이 방식으로 도포한 후 건조함으로써 애노드를 제조하였다. 이때, 건조된 촉매층의 나피온 함량은 약 5 중량%가 되도록 하였다.

Pt가 담지된 카본촉매 분말 및 나피온(Nafion)을 1-프로판올과 2-프로판올의 1:1 중량비 혼합용매에 투입한 후 약 20분 동안 초음파 조에서 분산시켰다. 이렇게 얻어진 캐소드 촉매 잉크를 PTFE가 약 10 내지 약 30 중량% 함침된 카본페이퍼에 스프레이 방식으로 도포한 후 건조함으로써 캐소드를 제조하였다. 이때, 건조된 촉매층의 나피온 함량은 약 10 중량%가 되도록 하였다.

수소이온 전도성 전해질 막은 듀퐁(Dupont)사의 나피온(Nafion) 115를 과산화수소와 황산으로 처리하여 표면의 유기물질을 제거하고 나피온 관능기 중의 나트륨이온을 수소이온으로 치환시킴으로써 준비하였다.

제조된 애노드와 캐소드를 가로 5 cm, 세로 5 cm의 크기로 절단하고, 준비된 수소이온 전도성 전해질 막을 전극 보다 약간 큰 가로 6cm, 세로 6 cm의 크기로 절단한다. 애노드의 촉매층과 캐소드의 촉매층이 수소이온 전도성 전해질 막과 접촉하도록 배열한 후 약 135℃의 온도에서 약 2 톤의 압력을 가하여 약 3분 동안 열압착하여 MEA를 제조하였다. 이렇게 얻어진 MEA의 애노드를 증류수로 약 12시간 정도 함침시켰다.

MEA의 애노드쪽 표면에 3M 농도의 메탄올 수용액을 함유하는 연료담지 매트릭스를 부착시켰다. 캐소드는 대기중에 노출시켜서 공기 중의 산소가 자유롭게 출입할 수 있도록 하였다.

이렇게 준비된 직접 메탄올 연료전지에 전자부하(Electronic load)를 연결하여 전류밀도에 따른 전압강하를 측정하였다.

실시예 2

5M 농도의 메탄올 수용액을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에서 얻은 것과 동일한 직접 메탄올 연료전지에 대하여 전류밀도에 따른 전압강하를 측정하였다.

비교예

상기 실시예 1에서 얻은 것과 동일한 MEA를 사용하여, 애노드에 연료담지 매트릭스를 부착하지 않고, 3M 농도의 메탄올 수용액을 애노드의 표면에 적하시키면서 전류밀도에 따른 전압강하를 측정하였다.

<평가 결과>

실시예 1 및 2 와 비교예에서 측정한 전압강하 곡선을 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타나 있는 바와 같이, 실시예 1 및 2에서의 전류밀도 증가에 따른 전압강하의 정도가 비교예보다 완만함을 알 수 있다. 전압강하 곡선의 기울기가 완만하다는 것은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지가 더 효율적으로 부하변동에 응답할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 실시예 1 및 2에서의 최대전류밀도가 비교예보다 더 크다는 것을 알 수 있다. 최대전류밀도의 향상은 공급전력의 최대치의 향상으로 나타난다.

이러한 사실로부터 연료담지 매트릭스로부터 애노드로의 연료 공급이 원활하게 이루어 지고 있음을 확인할 수 있을 뿐만아니라, 연료담지 매트릭스를 사용하면 메탄올 수용액 연료를 애노드에 흘려주는 경우보다 더 효율적인 연료 공급이 이루어 진다는 것을 확인할 수 있다.

또한, 약 5M 정도의 높은 농도의 메탄올 수용액 연료를 애노드에 직접 적하시키면 메탄올 크로스오버가 발생하여 전지의 특성이 저하된다. 그러나 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 이러한 연료를 연료담지 매트릭스를 통하여 공급하면 메탄올 크로스오버가 발생하지 않을 뿐만아니라 전압강하 특성 및 최대전류밀도가 향상됨을 알 수 있다.

본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지는 별도의 연료통 및 연료공급수단을 필요로 하지 않으므로, 구성이 간단하고 제작이 용이하고 형태변형이 자유로울 뿐만아니라 소형화가 용이하다.

또한, 각각의 MEA에 대한 연료공급량의 균일성 및 각 애노드 내에서의 전 면적에 걸쳐 연료공급량의 균일성이 향상되어 더욱 효율적인 연료전지의 작동을 가능하게 한다.

또한, 메탄올 크로스오버 발생의 염려없이 고농도의 메탄올 수용액을 연료로서 사용할 수 있기 때문에 에너지 밀도 및 출력 밀도가 향상된다.

Claims (11)

1. 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 위치하는 수소이온전도성 전해질 막을 포함하는 MEA(membrane electrode assembly); 및

   상기 애노드의 표면에 배치되며, 연료를 담지하고 담지된 연료를 상기 애노드에 공급할 수 있는 망목구조를 갖는 연료담지 매트릭스를 포함하는 직접 메탄올 연료전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료담지 매트릭스는 고분자 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 고분자 지지체는 친수성 단량체 또는 프리폴리머; 및 소수성 단량체 또는 프리폴리머의 공중합체인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 친수성 단량체 또는 프리폴리머는 아크릴산, 메타크릴산, 무수말레인산, 아크릴아미드, 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산, 2-아크릴아미도-2-프로판카르복시산, 스티렌술폰산, 스티렌카르복시, 비닐피롤리돈, 비닐술폰산, 히드록시에틸아크릴레이트, 히드록시에틸메타크릴레이트 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 소수성 단량체 또는 프리폴리머는 알킬 아크릴레이트 계, 알킬 메타크릴레이트 계, 또는 스티렌 계 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 공중합체 중의 친수성 단량체 또는 프리폴리머 : 소수성 단량체 또는 프리폴리머의 중량비는 1 : 1 ~ 1 : 9 인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지.
7. 제 3 항에 있어서, 상기 고분자 지지체는 친수성 단량체 또는 프리폴리머; 소수성 단량체 또는 프리폴리머; 가교제; 중합개시제; 및 용매를 포함하는 조성물로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지.
8. 제 2 항에 있어서, 상기 고분자 지지체는 메탄올 수용액에 의하여 수화될 수 있는 호모-고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 호모-고분자는 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알콜 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 연료담지 매트릭스는 메탄올 수용액을 담지하고 있으며, 상기 메탄올 수용액의 메탄올 농도는 3 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 연료담지 매트릭스와 상기 애노드 사이에 배치되는 PTFE 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지.