KR20050004729A - 직접 메탄올 연료전지용 메탄올 개질기의 구조 - Google Patents

직접 메탄올 연료전지용 메탄올 개질기의 구조 Download PDF

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Abstract

에너지문제와 환경문제가 대두되면서 에너지효율이 70-80% 까지 이를 수가 있고 환경오염이 적은 연료전지를 개발하려는 노력이 이루어져 고분자 전해질막 연료전지((Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 출력밀도가 500mW-600mW/cm2에 이르고 직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 출력밀도가 200mW/cm2까지 이르고 있다. DMFC는 출력 밀도면에서 PEMFC보다 낮지만 연료로서 메탄올을 직접 애노드에 공급하므로 연료공급체계가 단순하고 전체구조가 간단하여 소형화가 가능하므로 500W 이하의 휴대용전원으로서 베터리를 대체 할 수 있는 가능성이 매우 높은 것으로 여겨지고 있다. 그러나 DMFC에서는 메탄올 수용액을 연료로 사용하고 있기 때문에 메탄올 수용액이 전해질 막을 투과하는 크로스오우버 현상이 수반되어 전지의 성능을 떨어뜨리는 가장 큰 기술적 문제로 대두되고 있다.
본 발명은 DMFC에서의 크로스오우버 현상을 완화시킬 수 있는 연료개스 개질기를 제공하는데 있다. 즉, 유로에 촉매막을 형성시키고 유로를 병렬로 적층 하여 메탄올의 농도가 낮은 연료개스를 더 많이 통과 시키므로서 수소이온 및 전자의 발생을 높임과 동시에 전해질 막에 도달되는 메탄올의 농도를 줄이는 방법을 제공하고 촉매막이 형성된 유로를 직렬로 적층 하여 유로를 길게 하므로서 주입된 연료개스에서 수소이온 및 전자의 발생효율을 높임과 동시에 전해질 막에 도달되는 메탄올의 농도를 줄일 수 있는 방법을 제공한다.

Description

직접 메탄올 연료전지용 메탄올 개질기의 구조{The structure of methanol reformer for direct methanol fuel cell(DMFC)}
에너지 고갈문제와 환경문제가 대두되면서 에너지효율이 높고 환경오염이 적은 연료전지를 개발하려는 노력이 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 연료전지의 장점은 수소 등의 연료를 직접 산화시켜 전기를 발생시키기 때문에 운전과정에서 소음이 매우 낮으며 오염물이 거의 발생되지 않는 깨끗한 전기를 생산한다는 것이다. 에너지 효율은 리튬 이온전지에 비해 에너지 발생효율이 훨씬 높고 전기를 발생시키는 과정에서 열이 발생하므로 열까지 활용할 경우 효율을 70-80% 이상으로 높이는 고효율 발전이 가능하다. 연료전지는 전해질의 종류에 따라 여러 종류가 있으나 현제 휴대용 소형전원용으로는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)와 직접 메탄올 연료전지(Direct methanol fuel cell, DMFC)가 중점적으로 연구되고 있다. 연료전지의 종류 및 각각의 특징은 다음 표에 나타내었다.
DMFC와 PEMFC는 같은 구성요소로 되어 있으며 DMFC의 개략적인 구조는 도면11 및 도면12와같다. DMFC는 연료로서 메탄올을 직접 애노드에 공급하므로 연료공급체계가 단순하고 전체구조가 간단하여 소형화가 가능하다. 출력밀도는 200mW/cm2정도로서 PEMFC의 500mW-600mW/cm2에 비해 낮지만 리튬이온 베터리 보다는 높은 출력 밀도를 갖기 때문에 500W 이하의 휴대용전원으로서 베터리를 대체 할 수 있는 가능성이 매우 높은 것으로 여겨지고 있다. 또한 DMFC의 성능이 200-300 mW/cm2의 정도가 되면 PEMFC와 경쟁이 가능한 것으로 평가되고 있어서 자동차 엔진용으로도 사용가능성이 매우 높다. 현제 휴대용 전자기기에는 리튬이온 배터리가 주로 사용되고 있는데 재충전 속도가 느리고 무겁고 비싸며 패기시 공해를 유발시키는 문제점이 있기 때문에 폐기시 공해를 발생시키지 않으며 카트리지 형태의 메탄올 저장용기만 교환하면 무제한 사용가능한 DMFC가 전원용량, 사용편이성, 수명 등에서 기존 베터리를 대체할 수 있는 유리한 조건을 가지고 있다.
DMFC의 주요 구성요소는 도11 및 도12에 나타낸 바와 같이 고분자 전해질 막(100), 촉매층(101,102)과 지지 확산층(103, 104)으로 이루어진 애노드(anode)전극 및 캐소드(cathode)전극, 분리판(105,106), 양단 지지판(111,112), 가스켓(107,108,109,110)으로 이루어져 있다. 특히 촉매층이 형성된 애노드와 캐소드 두 전극을 고분자 전해질 막에 접합시킨 것을 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, MEA)라고 하며 DMFC의 핵심부이다.
전극은 촉매층(101,102)과 촉매층을 지지하는 지지체(103,104)로 구성되어 있다. 지지체(103,104)는 촉매층 지지, 집전체(current collector), 기체 확산의 기능 및 반응과정에서 생성된 가스의 출구 기능이 발휘되어야 하므로 전도성 물질이어야 되고 반응기체와 생성기체가 잘 통과하도록 기공을 가져야 한다. 현제 다공성의 전도성 탄소종이 또는 탄소천 등이 지지층(103, 104)의 재료로 주로 사용되고 있다. DMFC의 작동온도는 약 150 ℃ 정도로서 작동온도가 낮다는 장점이 있으나 대신 촉매를 사용하여 전극반응을 촉진해 주어야 한다. 촉매에 의한 전기화학적 반응에 의해 수소이온이 발생되므로 촉매층(101,102)은 전기화학적으로 활성이 높은 물질이어야 하고 두께가 얇고 균일하여 접촉저항 및 물질전달 저항을 최소화 해야 한다. 또한 원활한 반응이 이루어지도록 기체, 액체, 금속촉매간의 삼상계면이 넓게 형성되어야 한다. 촉매물질로는 백금(Pt)이 활용되고 있는데 다공질 전도성 탄소질 지지체(103,104) 위에 코팅된다. 또한 성능을 떨어뜨리는 원인이 되는 일산화탄소(CO)에 의한 촉매층 피독현상을 완화시키기 위하여 백금에 주석(Sn), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 텅스텐(W), 이리듐(Ir) 등의 금속을 첨가하는 촉매개발이 이루어지고 있고 Pt-Ru 합금 촉매가 주로 주목받고 있다.
연료전지에서 이온 교환막은 화학적으로 가혹한 조건이 요구되므로 높은 화학적 안전성을 지니고 있는 고체고분자 전해질 막(100)이 이용되고 있으며 애노드에서 생성된 수소이온을 캐소드로 이동시키기 위한 수소이온 전도성, 애노드와 캐소드 사이에 통전되지 않도록 절연체로서의 기능, 가스가 새어 나가지 않도록 하기위한 가스켓 기능을 가지고 있어야 한다. DMFC에서는 메탄올 수용액을 연료로 사용하고 있기 때문에 메탄올 수용액이 삼투압에 의해 전해질 막(100)을 투과하는 현상(크로스오우버)을 수반되는데 이를 최소화시키기 위한 방안이 가장 큰 기술적 과제로 대두되고 있다.
분리판(105, 106)은 유로(114, 115)가 형성되어 있어서 애노드측에서는 연료인메탄올을 공급하여 주고 캐소드측에서는 환원제인 산소를 공급하여 주는 역할을 하며 이 유로를 통해 산화.환원 반응에서 발생되는 개스가 배출된다. 또한 분리판(105, 106)은 전기 전도성 판으로서 애노드(101, 103) 측의 분리판(105)은 애노드에서 생성된 전자를 캐소드(102, 104)측의 분리판(106)에 전도해 주기 위한 집전체 역할을 하며 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)를 지지해주는 역할도 한다.
가스켓(107,108,109,110)은 작동 중에 연료전지 내에서 반응기체가 외부로 유출되거나 혼합가스 되지 않도록 밀봉하는 역할을 한다. 양 끝단의 지지판(111,112)은 단위전지의 양끝에서 조임볼트(113)에 의해 MEA, 분리판, 가스켓을 밀착시켜 고정하는 역할을 한다.
실제의 연료전지 스택은 전지의 용량을 늘리기 위해 단위전지를 여러 개 적층하여 구성하며 접촉저항을 줄이기 위해 양 끝단 지지판(111, 112)을 조임볼트(113)로 압착하여 조립하며 이 외에도 연료공급 및 공기 공급장치, 열과 발생가스 배출 및 처리장치, 전력변환기 등으로 이루어진다.
연료전지에서 일어나는 산화환원 반응과정에 대한 간략한 설명은 다음과 같다. 연료공급구(116)로 공급된 메탄올 수용액은 애노드(산화전극)의 촉매층(101)에서 식 1과 같이 전기화학적인 반응에 의해 메탄올이 산화되어 이산화 탄소(CO2), 소소이온(H+), 전자(e-)가 생성된다. 발생된 이산화 탄소는 알칼리 전해질과 반응하므로 DMFC에서는 반드시 산성전해질(acidic electrolyte)을 사용해야 한다. 애노드의 촉매층에서 생성된 전자는 전해질 막(100)이 절연체이므로 다공질의 전도성 지지 확산층(103)을 통해 분리판(105)에 집전되어 외부회로를 타고 흘러 캐소드 측 분리판(106)으로 이동하면서 화학반응을 통해 얻어진 자유에너지의 변화량을 전기에너지로 전환시키게 된다. 캐소드(환원전극)의 촉매층(102)에서는 전해질 막(100)을 통해서 전달된 수소이온(H+)과 산소 공급구(118)로 유입되어 지지 확산층(104)을 통해 공급된 산소는 식 2와 같은 환원반응이 일어나 물(H2O)이 생성된다. 산화환원반응에서 발생된 가스들은 확산 지지층(105,106)을 통과해 유로(114,115)에 도달되어 연료배출구(117) 및 열화기체 배출구(119)를 통해 외부로 배출된다. 전체반응은 식 3에 표현되는 바와 같이 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소가 생기고 1.18 V 의 전위차를 발생시킨다. 이론적으로는 애노드 전위가 가역수소전극에 대해 0.046 V 이상이 되면 자발적으로 메탄올의 산화반응이 일어나며 캐소드 전위가 1.23 V 이하 가 되면 산소 환원반응이 자발적으로 일어나야 하지만 실제로는 크로스오우버 및 촉매층 피독현상과 같은 활성손실(kinetic loss)과 전지내부의 저항손실(ohmic loss)이 발생되어 이상적인 열역학 값에서 벗어나서 애노드의 전위는 이론치보다 더 높아 지고 캐소드의 전위는 더 낮아진다.
애노드의 반응식 : CH3OH + H2O -> CO2+ 6H++ 6e-, E0= 0.046 V -- 식 1
캐소드의 반응식 : 1.5O2+ 6H++ 6e--> 3H2O , E0= 1.23 V ---- 식 2
전체 반응식 : CH3OH + 1.5O2+ H2O -> CO2+ 3H2O , E0=1.18 V ---- 식 3
DMFC의 연료극의 촉매로서 백금(Pt)을 사용할 경우 백금과 메탄올과의 반응은 다음과 같이 수소이온이 한 개씩 분리되는 반응이 순차적으로 일어 난다고 생각되고 있다.
Pt + CH3OH -> Pt-CH2OH + H++ e- --- 식 4
Pt-CH2OH -> Pt-CHOH + H++ e- --- 식 5
Pt-CHOH -> Pt-COH + H++ e- --- 식 6
Pt-COH -> Pt-CO + H++ e- --- 식 7
Pt-CO +H2O -> Pt-CO2+ 2H++ 2e- --- 식 8
촉매의 피독현상을 완화시키기 위해 사용되고 있는 2 성분 촉매 가운데 가장 활성이 높고 기능이 우수한 것이 백금-루테늄(Pt-Ru)계이다. 루테늄은 백금보다 0.2-0.3 V 낮은 전위에서 물로부터 함산소종을 만들어 백금표면의 피독물 산화를 돕는 것으로 알려지고 있다. 즉, 백금은 메탄올 흡착을 촉진하고 루테늄은 피독물(CO 등)의 산화를 촉진하며 다음과 같은 반응이 일어난다고 생각되어 지고 있다.
Ru + H2O -> Ru-OH + H++ e---- 식 9
Ru-OH + CO -> Ru + CO2+ H++ e----식 10
상기한 바와 같이 DMFC의 장점은 작동온도가 약 150 ℃ 정도로서 낮고 저장과운반이 곤란한 수소를 쓰지 않고 메탄올을 쓰기 때문에 카트리지 형태의 메탄올 용기를 교환하면 무제한 사용가능하며 개질가스를 만드는 장치가 간단하여 휴대용 전원장치로서 가장 적합하다는 것이다. 반면 DMFC의 단점은 출력밀도가 200mW/cm2정도로서 PEMFC의 출력밀도 보다 훨씬 낮고, 양 전극의 촉매 물질로서 백금이 사용되므로 비용이 많이 든다는 점이다. 또한 애노드(연료극)의 촉매가 반응과정에서 생성되는 CO나 HCO에 오염되어 촉매로서의 전기화학적 기능이 저하되는 촉매층 피독현상과 애노드에 공급되는 메탄올이 전해질 막을 통과하는 크로스오우버 현상이 발생하여 출력밀도가 낮아진다는 것이다. 따라서 DMFC의 출력밀도를 높이기 위해서 전해질 막 성능향상, 촉매물질개발, 전극구조 및 막-전극 접합체의 구조개선에 대한 연구가 필요하다.
다음은 DMFC의 출력을 높이기 위해 제시된 방안들이다. 출력밀도를 향상시키기 위해서 수소 와 산소의 산화 및 환원 반응영역 즉, 전해질, 촉매, 연료(수소, 메탄올)의 3 상 계면을 증가시키기 위해 막-전극 접합체의 촉매층을 포함한 두 전극 및 고분자막이 톱니바퀴 구조의 3 차원으로 반복되는 형상으로 되어 있고 두 전극이 서로 정확히 맞물려 접합되어 있는 막전극 접합체의 구조를 제시 하였다. 또한 고분자 전해질 막의 두께를 감소시켜 이온전도에 대한 저항을 감소시켜 출력밀도를 향상시키는 방안을 제시 하였다(대한민국 특허 등록번호 10-0409042). 또한 연료 및 환원 가스를 유도하는 분리판의 유로를 기존의 크기보다 미세하게 가공하므로서 반응 가스가 촉매층으로 대류, 확산되는 것을 촉진시키며 농도 및 온도의 분포를 균일하게 하여 출력 밀도를 높이고 연료전지의 경량화 및 소형화를 제공하기 위한 방법으로 제시되었다. (대한민국특허등록번호 10-0434779). 또 다른 방법으로는 전극 지지체에 이온교환막을 직접 형성시킴으로서 두께가 얇고 표면적이 넓은 촉매층 및 3 상계면 영역을 확보하여 반응기체와 촉매의 반응면적을 증대시켜 막-전극 접합체 의 성능을 향상 시키므로서 연료전지의 전력밀도를 증가시키는 방법을 제시하였다 (대한민국특허등록번호 10-0398113). 크로스오우버 현상을 줄이기 위해서는 이온 전도성 고분자 전해질 막의 특성을 개선할 목적으로 전해질 막의 마이크로 체널 안에 전도성 무기나노입자를 함침시켜 메탄올의 통로를 줄임으로서 메탄올의 크로스오우버 현상을 줄임과 동시에 수소이온전도성을 증가시켜 연료전지의 전력밀도를 증가시킬 수 있음을 제시하였다(대한민국특허등록번호 10-0413801).
본 발명은 DMFC에서의 크로스오우버 현상을 완화시킬 수 있는 연료개스 개질기를 제공하는데 목적이 있으며 본 발명과 관련된 연료개스 개질기를 구성하기 위한 다음과 같은 기술적 요소들을 제공하는데 목적이 있다. 즉, 유로에 확산 방지막을 곁들인 촉매막 구조 및 코팅공정, 확산방지막의 재료와 그 특성파악, 유로를 직렬 또는 병렬로 적층하기 위한 금속 베이스기판 접합조건 특히 프로젝션 통전가열 용접 조건, 유로를 직렬 또는 병렬로 적층하기 위한 접합순서, 유로를 직렬 또는 병렬로 적층하였을 때 유로의 기밀성을 유지시켜 줄 수 있는 격벽의 유형설계와 관련된 기술적 요소들을 제공하는데 목적이 있다.
도11 : 종래의 직접메탄올 연료전지(DMFC)에 대한 단위전지의 단면 개략도
도12 : 종래의 직접메탄올 연료전지(DMFC)에 대한 단위전지의 결합된 단면 개략도
도21 : 본 발명에서 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서의 하층 개략도
도22 : 본 발명에서 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서의 중간층 개략도
도23 : 본 발명에서 병렬 유로적층구조에서의 상층 개략도
도31 : 본 발명에서 격벽이 유로 사이에 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서의 하층 개략도
도32 : 본 발명에서 격벽이 유로 사이에 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서의 중간층 개략도
도41 : 본 발명에서 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서의 하층 개략도
도42 : 본 발명에서 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서의 중간층Ⅰ개략도
도43 : 본 발명에서 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서의 중간층Ⅱ 개략도
도44 : 본 발명에서 직렬 유로적층구조에서의 상층 개략도
도51 : 본 발명에서 격벽이 유로 사이에 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서의 하층 개략도
도52 : 본 발명에서 격벽이 유로 사이에 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서의 중간층Ⅰ 개략도
도53 : 본 발명에서 격벽이 유로 사이에 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서의 중간층Ⅱ 개략도
도61 : 본 발명에서 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서의 입체 조립도
도62 : 본 발명에서의 실시 예2에 따른 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 조립한 전체조립 입체도
도71 : 본 발명에서 격벽이 유로사이에 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서의 입체 조립도
도72 : 본 발명에서의 실시 예3에 따른 격벽이 유로 사이에 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층 구조에서 전체조립 입체도
도81 : 본 발명에서 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서의 입체 조립도
도82 : 본 발명에서의 실시 예4에 따른 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 전체조립 입체도
도91 : 본 발명에서 격벽이 유로 사이에 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서의 입체 조립도
도92 : 본 발명에서의 실시 예5에 따른 격벽이 유로 사이에 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층 구조에서의 전체조립 입체도
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
100 : 고분자 전해질 막
101 : 애노드(Anode)
102 : 캐소드(Cathode)
103 : 애노드 지지 확산층
104 : 캐소드 지지 확산층
105, 106 : 분리판(Separator)
107, 108, 109, 110 : 가스켓
111, 112 : 지지판
113 : 조임 볼트
114 : 연료(메탄올) 유로
115 : 기체(산소) 유로
116 : 연료 공급구
117 : 연료 배출구
118 : 기체(산소) 공급구
119 : 열화기체 배출구
200 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조의 하층 베이스기판
201, 202 : 병렬 유로적층구조에서 유로와 평행하게 베이스기판 면상에 새겨진 격벽
203 : 병렬 유로적층구조에서 하층 베이스기판 면상의 유로
204 : 병렬 유로적층구조에서 유로 면상에 코팅된 촉매막
205 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조의 중간층 베이스기판
206, 207 : 병렬 유로적층구조에서 유로와 평행하게 중간층의 베이스기판 면상에 새겨진 격벽
208 : 병렬 유로적층구조에서 중간층의 베이스기판 면상의 유로
209 : 병렬 유로적층구조에서 유로 면상에 코팅된 촉매막
210 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조의 중간층 베이스기판의 배면 촉매층
211 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 상층 베이스기판
212 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 상층 베이스기판의 배면 촉매층
300 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 하층 베이스기판
301, 302, 303, 304, 305, 306, 307 : 병렬 유로적층구조에서 유로와 엇갈리게 하층 베이스기판 면상에 새겨진 격벽
308 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 하층베이스기판 면상의 유로
309 : 병렬 유로적층구조에서 하층 유로 면상에 코팅된 촉매막
310 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 중간층 베이스기판
311, 312, 313, 314, 315, 316, 317 : 병렬 유로적층구조에서 유로와 엇갈리게 중간층 베이스기판 면상에 새겨진 격벽
318 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 중간층 베이스기판 면상의 유로
319 : 병렬 유로적층구조에서 중간층 유로 면상에 코팅된 촉매막
320 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 중간층 베이스기판의 배면 촉매층
400 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조의 하층 베이스기판
401 : 직렬 유로적층구조에서 유로와 평행하게 하층 베이스기판 면상에 새겨진 격벽
402 : 직렬 유로적층구조에서 하층 베이스기판 면상의 유로
403 : 직렬 유로적층구조에서 하층의 유로 면상에 코팅된 촉매막
404 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅰ의 베이스기판
405 : 직렬 유로적층구조에서 유로와 평행하게 중간층Ⅰ의 베이스기판 면상에 새겨진 격벽
406 : 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅰ의 베이스기판 면상의 유로
407 : 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅰ의 유로 면상에 코팅된 촉매막
408 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅰ의 베이스기판
배면 촉매층
409 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조의 하층 베이스기판의 유로와 중간층Ⅰ베이스기판의 유로를 연결하는 통로
410 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅱ의 베이스기판
411 : 직렬 유로적층구조에서 유로와 평행하게 중간층Ⅱ의 베이스기판 면상에 새겨진 격벽
412 : 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅱ의 베이스기판 면상의 유로
413 : 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅱ의 유로 면상에 코팅된 촉매막
414 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅱ의베이스기판 배면 촉매층
415 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조의 중간층Ⅰ의 유로와 중간층Ⅱ 베이스기판의 유로를 연결하는 통로
416 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조의 상층 베이스기판
417 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 상층의 베이스기판 배면 촉매층
500 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 하층 베이스기판
501, 502, 503, 504, 505, 506, 507 : 직렬 유로적층구조에서 유로와 엇갈리게 베이스기판 면상에 새겨진 격벽
508 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 하층 베이스기판 면상의 유로
509 : 유로 면상에 코팅된 촉매막
510 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅰ 베이스기판
511, 512, 513, 514, 515, 516 : 직렬 유로적층구조에서 유로와 엇갈리게 중간층Ⅰ의 베이스기판 면상 에 새겨진 격벽
517 : 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅰ의 베이스기판 면상의 유로
518 : 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅰ의 유로 면상에 코팅된 촉매막
519 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅰ의 베이스기판 배면 촉매층
520 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조의 하층 베이스기판의 유로와 중간층Ⅰ베이스기판의 유로를 연결하는 통로
521 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅱ의 베이스기판
522, 523, 524, 525, 526, 527 : 직렬 유로적층구조에서 유로와 엇갈리게 중간층Ⅱ의 베이스기판 면상에 새겨진 격벽
528 : 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅱ의 베이스기판 면상의 유로
529 : 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅱ의 유로 면상에 코팅된 촉매막
530 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 중간층Ⅱ의 베이스기판 배면 촉매층
531 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조의 중간층Ⅰ의 유로와 중간층Ⅱ 베이스 기판의 유로를 연결하는 통로
600 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 하층(도21), 중간층(도22),상층(도23)을 조립한 전체구조에서의 연료 주입구
601 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 하층(도21), 중간층(도22), 상층(도23)을 조립한 전체구조에서 개질개스 배출구
602 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 전체조립 하였을 때 기판사이에서 융착되어 유로를 측면밀폐시킨 격벽의 형상
700 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 하층(도31), 중간층(도32), 상층(도23)을 조립한 전체구조에서의 연료 주입구
701 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 하층(도31), 중간층(도32), 상층(도23)을 조립한 전체구조에서 개질개스 배출구
702 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조에서 전체조립 하였을 때 기판사이에서 융착되어 유로를 측면밀폐시킨 격벽의 형상
800 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 하층(도41), 중간층Ⅰ(도42), 중간층Ⅱ(도43), 상층(도44)을 조립한 전체구조에서의 연료 주입구
801 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 하층(도41), 중간층Ⅰ(도42), 중간층Ⅱ(도43), 상층(도44)을 조립한 전체구조에서 개질개스 배출구
802 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 전체조립 하였을 때 기판사이에서 융착되어 유로를 측면밀폐시킨 격벽의 형상
900 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 하층(도51), 중간층Ⅰ(도52), 중간층Ⅱ(도53), 상층(도44)을 조립한 전체구조에서의 연료 주입구
901 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 하층(도51), 중간층Ⅰ(도52), 중간층Ⅱ(도53), 상층(도44)을 조립한 전체구조에서 개질개스 배출구
902 : 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조에서 전체조립 하였을 때 기판사이에서 융착되어 유로를 측면밀폐시킨 격벽의 형상
본 발명은 DMFC에 적용할 수 있는 연료개스 개질기의 구조에 관한 것이다. 본 발명의 구성요소는 격벽과 유로 및 촉매막이 형성된 베이스 기판으로 이루어지며 전체 조립형상은 이들 베이스 기판을 다중으로 적층하여 유로가 병렬 또는 직렬로 연결되도록 하는 것이다.
베이스 기판상의 격벽은 베이스기판 접합 조립시 유로의 기밀성을 유지하기 위한 것이다. 베이스기판을 접합할 때는 프로젝션 용접(projection welding) 방법을 이용하는데 베이스 기판 사이에 순간 고 전류를 흐르게 하면 격벽을 통해 두 베이스기판 사이에 전류가 흐르게 되는데 이때 국소적으로 격벽이 순간가열 용융되어 두 층 사이에 접합이 이루어진다. 이와 같이 베이스 기판상의 격벽을 따라 두 층 사이에 접합이 이루어지면 유로를 따라 형성된 격벽이 유로의 측면을 폐쇄하여 유로의 기밀성이 유지 된다. 접합했을 때 유로를 폐쇄할 수 있는 베이스기판 상의 격벽의 유형은 도21의 201과 202, 도41의 401, 도42의 405와 같이 유로와 평행하게 형성되어 있는 유형과 도31의 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 도51의 501, 502, 503, 504, 505, 506, 507, 도52의 511, 512, 513, 514, 515, 516 같이 유로와 엇갈리게 형성되어 있는 유형이 있다. 유로의 형상은 도21의 203 및 도22의 208과 도31의 308 및 도32의 318과 같이 유로를 병렬적층하기 위한 형상과 도41의 402와 도42의 406과 도43의 412와 같이 유로를 직렬적층하기 위한 형상이 있다. 따라서 베이스기판의 형상은 두 가지의 유로 형상에 대해서 두 가지의 격벽의 형상을 적용시킨 다음과 같은 네 가지 유형이 있다.
<1. 유로와 평행하게 새겨진 격벽구조를 가진 병렬 유로적층을 위한 베이스기판>
하층은 도21과 같고, 중간층은 도22과 같으며, 상층은 도23과 같다. 중간층의 배면(도22의 밑면도)에는 하층의 유로의 형상(도21의 203)과 같은 촉매층(210)이 형성되어 있고 상층의 배면(도23의 밑면도)에는 중간층의 유로의 형상(도2-2의 208)과 같은 촉매층(212)이 형성되어 있다.
<2. 유로와 엇갈리게 새겨진 격벽구조를 가진 병렬 유로적층을 위한 베이스기판>
하층은 도31같고, 중간층은 도32와 같으며, 상층은 도23과 동일하며 중간층의 배면(도32의 밑면도)에는 하층의 유로의 형상(도31의 308)과 같은 촉매층(320)이 형성되어 있다.
<3. 유로와 평행하게 새겨진 격벽구조를 가진 직렬 유로적층을 위한 베이스기판>
하층은 도41과 같고, 중간층Ⅰ은 도42와 같으며, 중간층Ⅱ는 도43과 같으며, 상층은 도44와 같다. 중간층Ⅰ의 배면(도42의 밑면도)에는 하층의 유로의 형상(도41의 402)과 같은 촉매층(408)이 형성되어 있고, 중간층Ⅱ의 배면(도43의 밑면도)에는 중간층Ⅰ유로의 형상(도42의 406)과 같은 촉매층(414)이 형성되어 있고, 상층의 배면(도44의 밑면도)에는 중간층Ⅱ의 유로의 형상(도43의 412)과 같은 촉매층(417)이 형성되어 있다. 또한 도41로 표시한 하층의 유로(402)와 도42로 표시한 중간층Ⅰ의 유로(406) 및 도43으로 표시한 중간층Ⅱ의 유로(412)는 도82에 표시한 바와 같이 입구(800)에서 출구(801)까지 격벽 401, 405, 411로 유로의 측면이 폐쇄되어 중간층Ⅰ에 통로 409와 중간층Ⅱ에 통로 415가 열려 있어서 하층의 유로와 중간층Ⅰ의 유로 및 중간층Ⅱ의 유로가 직렬로 연결된다.
<4. 유로와 엇갈리게 새겨진 격벽구조를 가진 직렬 유로적층을 위한 베이스기판>
하층은 도51과 같고, 중간층Ⅰ은 도52와 같으며, 중간층Ⅱ는 도53과 같으며, 상층은 도44와 동일하다. “3. 유로와 평행하게 새겨진 격벽구조를 가진 직렬 유로적층을 위한 베이스기판”과 비교해서 하층과 중간층Ⅰ 및 중간층Ⅱ에 형성된 유로 508, 517, 529 형상, 중간층Ⅰ과 중간층Ⅱ의 배면에 형성된 촉매층 519, 530의 형상, 중간층Ⅰ의 통로 520과 중간층Ⅱ의 통로 531의 형상은 동일하다. 그러나 격벽의 형상은 이와 달라서 도92에 표시한 바와 같이 입구(900)에서 출구(901)까지 격벽 501, 502, 503, 504, 505, 506, 507, 511, 512, 513, 514, 515, 516, 522, 523, 524, 525, 526, 527가 유로의 측면을 폐쇄하여 직렬로 연결된다.
베이스기판상의 유로는 연료개스의 통로로서 연료개스의 개질이 이루어지는 공간이다. 본 발명에서는 유로에 연료의 개질 즉, 수소개스 및 수소이온의 발생을 촉진하는 촉매가 코팅되어 있으므로 연료개스가 유로를 통과하는 동안 연료개스가 촉매층과 다중 접촉하여 수소이온의 발생효율이 높아지도록 유로를 적층한 연료개질기를 제시 한다. 촉매물질은 Pt 및 백금표면의 피독물 산화를 돕는 것으로 알려진 Ru를 첨가한 Pt-Ru계 물질을 사용하였다. 유로를 병렬적층한 연료개질기는 상대적으로 연료개스의 농도가 낮고 단위 시간당 더 많은 량의 연료를 통과시 킬 경우에 적용할 수 있다.
유로 및 격벽은 베이스기판 한쪽 면에만 형성되어 있기 때문에 두 베이스기판을 접합할 때 유로 및 격벽이 형성되어 있는 면과 다른 베이스기판의 유로 및 격벽이 형성되어 있지 않은 배면이 접합되게 된다. 따라서 유로의 사면에 대해서 모든 면에 촉매층이 형성되기 위해서는 베이스기판의 유로 및 격벽이 형성되어 있지 않은 배면에도 도22의 210, 도면23의 212, 도32의 320, 도42의 408, 도43의 414, 도44의 417, 도52의 519, 도53의 530과 같은 형상으로 촉매층을 형성시킨다. DMFC의 작동온도는 150 ℃ 정도로 다른 연료전지의 작동온도에 비해 낮은 장점을 가지고 있으나 작동시 금속 베이스기판과 베이스기판 상에 형성된 촉매층 사이의 상호 확산문제는 피할 수가 없다. 가열조건 하에서는 계면에서의 상호확산이 급격히 진행되므로 시간이 지남에 따라 촉매층 표면의 성분에도 영향을 미치므로 확산문제는 작동시간이 길어짐에 따라 촉매로서의 기능을 저하시키는 문제를 야기시킨다. 따라서 베이스기판과 촉매층 계면에서 발생되는 상호확산을 방지하기 위해서 촉매층을 형성시키기 전에 베이스기판 상에 확산 방지막으로서 전기전도성 물질인 Ti, Zr, W, Mo, Ti-N 계, Ta-N 계, W-N 계, Mo-N 계 등을 코팅하여 베이스기판-확산 방지막-촉매막의 구조가 이루어지도록 한다. 확산 방지막과 촉매막을 코팅할 때는 유로의 형상을 한 마스크를 이용하여 유로에만 코팅막이 형성되도록 한다. 특히 확산 방지막이 격벽에 코팅이 되면 접합조립시에 용융접합되는 것을 저해하므로 주의해야 한다.
연료개스는 베이스기판의 유로를 통과 하는 동안 촉매층에서의 전기화학적 작용에 의해 수소개스, 수소이온 및 전자를 발생시키므로 베이스기판은 발생된 전자에 대한 집전체의 역할과 지지체로서의 역할을 한다. 베이스기판의 재료는 전기전도성, 가공성, 접합조립시에 접합성을 고려할 때 금속재료를 사용하여야 하며 Al과 Cu가 가장 적합하다. 본 발명에서도 Al과 Cu를 베이스기판의 재료로 사용하였다
<실시 예1 : 촉매물질 코팅>
촉매물질로서 Pt(Melting Point 1768.4°C)를 단독으로 사용할 경우 텅스텐 도가니를 이용하여 통전가열방식으로 코팅하고, Pt-Ru(Melting Point 2334°C) 합금촉매를 사용할 경우에도 Pt와 Ru 각각을 텅스텐 도가니를 이용하여 통전가열방식으로 코팅한다. 코팅 공정순서는 다음과 같다. 베이스기판의 재료는 Al 및 Cu이고 확산방지막은 TiN에 대한 것이다.
1. 베이스기판 가공(격벽, 유로) 및 유로 형상의 마스크 가공
2. 유기물 세척(세제세척→TCE 가열세척→아세톤세척→알콜세척)
3. TiN 코팅용 진공챔버에 마스크가 부착된 베이스기판 장착, 진공챔버는 N2라인 및 H2라인이 부착된 Ti 스퍼터링 챔버(배면코팅을 해야 되는 베이스기판은 윗면과 아랫면 모두 마스크가 부착)
4. 표면의 탄화물 및 산화물제거(진공배기→베이스기판 할로겐 램프가열(Al : 600℃,Cu : 500℃)→ H220-30 Torr 주입)
5. TiN 코팅(N2분위기에서 Ti 스퍼터링 코팅)
6. 배면코팅을 해야 되는 베이스기판은 윗면과 아랫면의 방향을 바꾸어 동일하게 TiN 코팅
7. 촉매코팅용 진공챔버에 윗면과 아랫면 모두 마스크가 부착되고 TiN이 코팅된 베이스기판 장착
8. 기본진공배기(도가니 및 촉매물질 탈개스 가열 병행)
9. 촉매물질코팅- Pt와 Ru 각각의 도가니에 대해서 가열전류에 대한 Pt와 Ru의 각각의 증착량 측정
- Pt 증착 : 가열전류 및 증착시간을 조정하여 두께 정량증착
- Pt-Ru 합금증착 : Pt와 Ru 각각의 도가니에 대해서 가열전류 및 증착시간을 조정 하여 두께 정량증착 및 Pt와 Ru의 성분비조정
10. 배면코팅을 해야 되는 베이스기판은 윗면과 아랫면의 방향을 바꾸어 동일하게 촉매물질코팅
<실시 예2 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조 조립(도61, 도62)>
하층은 도21와 같고, 중간층은 도22과 같으며, 상층은 도23과 같다. 도21, 도22, 도23에 대한 입체도는 도61과 같다. 병렬 유로적층구조에서 더 많은 유량을 통과하기 위한 적층구조에서는 중간층의 수를 더하여 적층하면 된다. 중간층을 2 개 적층한 전체조립도가 도62이다.
동일한 구조 및 재질의 베이스기판에 대해서 접합상태를 좌우하는 접합조건은 전류, 통전시간, 격벽의 표면청정상태이다. 특히 전류와 통전시간이 결정된 상태에서 재현성 있는 조립을 하기위해서는 격벽의 표면청정상태가 필수적이다. 가열순간 격벽의 표면에 형성되는 산화막은 접합을 저해 하므로 산화방지를 위해서 분위기 개스로서 Ar, N2, H2를 사용한다. 접합조건 및 순서는 다음과 같다.
<접합조건>
1. 도61에서 확대도의 201 및 202에 표시한 바와 같이 격벽의 단면의 형상 및 치수는 밑변이 1.5mm 인 정삼각형이다.
2. 격벽 201의 총길이는 250 mm 이고 202의 총길이는 190 mm이다.
3. 베이스기판의 재료는 Al과 Cu 이다.
4. 분위기 개스 조건은 Ar와 H2의 50 : 50 혼합개스이고 1기압이다(밀폐된 부스에 장착 테이블 및 전극설치).
5. 용접시 전극의 압착압력은 2 kg/cm2이다.
6. 가열전류 및 통전시간은 Al에 대해서는 2000 A 및 5ms(밀리 초)이고, Cu에 대해서는 3100 A 및 10 ms이다.
<접합순서>
1 차 접합 : 도61에서 하층(도21)과 중간층(도22)을 접합하여 1 차 접합 유니트를 조립한다. 이때 중간층 윗면의 격벽에 전극이 접촉되면 격벽이 손상되므로 격벽이 접촉되지 않고 면이 접촉되도 전극의 형상을 갖춘다.
2 차 접합 : 1 차 접합 유니트에 또 다른 중간층을 접합하여 2 차 접합 유니트를 조립한다. 1 차 접합과 마찬가지로 중간층 윗면의 격벽이 손상되지 않도록 면이 접촉되는 전극의 형상을 갖춘다.
3 차 접합 : 2 차 접합 유니트에 상층(도23)을 접합하여 도6-2와 같이 네 개의 층이 접합된 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조의 조립을 완성한다.
<실시 예 3 : 격벽이 유로 사이에 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조의 조립(도면71,도 72)>
하층은 도31과 같고, 중간층은 도32와 같으며, 상층은 도23과 같다. 도31, 도32에 대한 입체도는 도71과 같다. 중간층을 2 개 적층한 전체조립도가 도72이다.
<접합조건>
1. 도71에서 확대도의 301, 302, 307에 표시한 바와 같이 격벽의 단면의 형상 및 치수는 밑변이 1.5mm 인 정삼각형이다.
2. 도31에서 격벽 301, 303, 305의 총길이는 150 mm 이고 302, 304, 306, 307의 총길이는 120 mm 이다.
3. 가열전류 및 통전시간은 Al에 대해서는 1500 A 및 5 ms, Cu에 대해서는 2500 A 및 10 ms이다.
베이스기판의 재료, 분위기 개스 조건, 용접시 압착압력은 전과 동일하다.
<접합순서>
1 차 접합 : 도71에서 하층(도31)과 중간층(도32)을 접합하여 1 차 접합 유니트를 조립한다. 이때 중간층 윗면의 격벽에 전극이 접촉되지 않고 면이 접촉되도록 전극의 형상을 갖춘다.
2 차 접합 : 1 차 접합 유니트에 또 다른 중간층을 접합하여 2 차 접합 유니트를조립한다. 이때 중간층 윗면의 격벽이 손상되지 않도록 면이 접촉되는 전극의 형상을 갖춘다.
3 차 접합 : 2 차 접합 유니트에 상층(도23)을 접합하여 도72와 같이 네 개의 층이 접합된 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 병렬 유로적층구조의 조립을 완성한다.
<실시 예4 : 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조의 조립(도8-1. 도8-2)>
하층은 도41과 같고, 중간층Ⅰ은 도42와 같고, 중간층Ⅱ는 도43같으며, 상층은 도44와 같다. 도41, 도42, 도43, 도44에 대한 입체도는 도81과 같다. 직렬 유로적층구조에서 유로의 길이를 더하기 위해서는 중간층의 수를 더하여 적층하면 된다. 중간층을 2 개 적층한 전체조립도가 도82이다.
<접합조건>
1. 도81에서 확대도의 401에 표시한 바와 같이 격벽 단면의 형상 및 치수는 밑변이 1.5mm인 정삼각형이다.
2. 격벽 401의 총길이는 430 mm 이다.
3. 가열전류 및 통전시간은 Al에 대해서는 2000 A 및 5 ms이고, Cu에 대해서는 3000 A 및 10 ms이다.
베이스기판의 재료, 분위기 개스 조건, 용접시 압착압력의 조건은 전과 동일하다.
<접합순서>
1 차 접합 : 도81에서 하층(도41)과 중간층Ⅰ(도42)을 접합하여 1 차 접합 유니트를 조립한다. 이때 중간층Ⅰ 윗면의 격벽에 전극이 접촉되지 않고 면이 접촉되도록 전극의 형상을 갖춘다.
2 차 접합 : 1 차 접합 유니트에 중간층Ⅱ(도43)를 접합하여 2 차 접합 유니트를 조립한다. 이때 중간층Ⅱ 윗면의 격벽이 손상되지 않도록 면이 접촉되는 전극의 형상을 갖춘다.
3 차 접합 : 2 차 접합 유니트에 상층(도44)을 접합하여 도8-2와 같이 네 개의 층이 접합된 격벽이 유로와 평행하게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조의 조립을 완성한다.
<실시 예5 : 격벽이 유로 사이에 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조의 조립(도면91, 도92)>
하층은 도51과 같고, 중간층Ⅰ은 도52와 같고, 중간층Ⅱ는 도53과 같으며, 상층은 도44와 같다. 도51, 도52, 도53에 대한 입체도는 도91과 같다. 중간층을 2 개 적층한 전체조립도가 도92이다.
<접합조건>
1. 도91에서 확대도의 501, 502, 507에 표시한 바와 격벽의 단면의 형상 및 치수는 밑변이 1.5mm인 정삼각형이다.
2. 도51에서 격벽 501, 503, 505의 총길이는 145 mm 이고 502, 504, 506, 507의총길이는 120 mm 이다.
3. 가열전류 및 통전시간은 Al에 대해서는 1500 A 및 5 ms 이고, Cu에 대해서는 2500 A 및 10 ms 이다. 베이스기판의 재료, 분위기 개스 조건, 용접시 압착압력은 전과 동일하다.
<접합순서>
1 차 접합 : 도91에서 하층(도51)과 중간층Ⅰ(도52)을 접합하여 1 차 접합 유니트를 조립한다. 이때 중간층Ⅰ 윗면의 격벽에 전극이 접촉되지 않고 면이 접촉되도록 전극의 형상을 갖춘다.
2 차 접합 : 1 차 접합 유니트에 중간층Ⅱ(도53)를 접합하여 2 차 접합 유니트를 조립한다. 이때 중간층Ⅱ 윗면의 격벽이 손상되지 않도록 면이 접촉되는 전극의 형상을 갖춘다.
3 차 접합 : 2 차 접합 유니트에 상층(도44)을 접합하여 도92과 같이 네 개의 층이 접합된 격벽이 유로와 엇갈리게 면상에 새겨진 직렬 유로적층구조의 조립을 완성한다.
유로에 촉매막을 형성시키고 연료개스가 유로를 통과하는 동안 수소이온을 발생시켜 이온농도를 높 임과 동시에 전해질 막에 도달되는 메탄올의 농도를 낮추어 메탄올의 크로스오우버 현상을 완화시키 므로서 전력밀도를 높일 수 있는 방법을 제공한다. 즉, 유로를 병렬로 적층하여 상대적으로 메탄올의 농도가 낮은 연료개스를 단위시간당 더 많은 량을 통과시키므로서 수소이온 및 전자의 발생을 높임과 동시에 전해질 막에 도달되는 메탄올의 농도를 줄이는 방법을 제공하고 촉매막이 형성된 유로를 직렬로 적층 하여 유로를 길게 하므로서 주입된 연료개스에서 수소이온 및 전자의 발생효율을 높임과 동시에 전해질 막에 도달되는 메탄올의 농도를 줄일 수 있는 방법을 제공한다.
또한 촉매막이 형성된 유로를 적층하기 위해서 베이스기판을 용접조립 할 때 프로젝션 통전가열 방법을 적용하므로서 조립시 용이한 방법을 제공한다.

Claims (20)

  1. 연료가 통과할 때 그 경로가 최대가 되도록 유로가 도21의 203과 같은 형상을 갖는 것을 특징으로 하고 국소적으로 그 면상에 촉매물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 병렬 유로적층을 위한 베이스기판
  2. 적층시에 유로의 기밀성유지를 위한 격벽이 도21의 201, 202와 같이 유로와 평행하게 새겨진 것을 특징으로 하고 도61에서 확대도의 201 및 202에 표시한 바와 같이 그 단면이 정삼각형을 포함한 삼각형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 병렬 유로적층을 위한 베이스기판의 격벽
  3. 적층시에 유로의 기밀유지를 위한 격벽이 도31의 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307와 같이 유로 사이에 엇갈리게 새겨진 것을 특징으로 하고 도71에서 확대도의 301, 302, 307에 표시한 바와 같이 그 단면이 정삼각형을 포함한 삼각형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 병렬 유로적층을 위한 베이스기판의 격벽
  4. 적층시에 도62에서 확대도에 표시한 바와 같이 촉매물질로 코팅된 사면으로 유로가 측면밀폐되도록 중간층의 배면(도22의 밑면도)과 상층의 배면(도23의 밑면도)에 유로의 형상(203, 208)과 같이 촉매물질(210,212)로 코팅하는 것을 특징으로 하는 병렬 유로적층을 위한 베이스기판
  5. 연료가 통과할 때 그 경로가 최대가 되도록 유로가 도41의 402, 도42의 406, 도43의 412와 같은 형상을 가지며, 직렬 유로적층구조(도 82)에서 연료주입구(800)로 주입된 연료개스가 하층과 중간층들을 직렬로 통과하도록 통로 409 및 415를 갖는 것을 특징으로 하고 국소적으로 유로 면상에 촉매물질이 코팅된 것을 특징으로 하는 직렬 유로적층을 위한 베이스기판
  6. 적층시에 유로의 기밀성유지를 위한 격벽이 도41의 401, 도42의 405, 도43의 411과 같이 유로와 평행하게 새겨진 것을 특징으로 하고 도8-1에서 확대도의 401에 표시한 바와 같이 그 단면이 정삼각형을 포함한 삼각형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 직렬 유로적층을 위한 베이스기판의 격벽
  7. 적층시에 유로의 기밀성유지를 위한 격벽이 도51의 501, 502, 503, 504, 505, 506, 507, 도52의 511, 512, 513, 514, 515, 516, 도53의 522, 523, 524, 525, 526, 527과 같이 유로 사이에 엇갈리게 새겨진 것을 특징으로 하고 도9-1에서 확대도의 501, 502, 507에 표시한 바와 같이 그 단면이 정삼각형을 포함한 삼각형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 직렬 유로적층을 위한 베이스기판의 격벽
  8. 적층시에 도82의 확대도 및 도92의 확대도에 표시한 바와 같이 촉매물질로 코팅된 사면으로 유로가 밀폐되도록 중간층Ⅰ 배면(도42의 밑면도, 도52의 밑면도)의 408및 519, 중간층Ⅱ 배면(도43의 밑면도, 도53의 밑면도)의 414 및 530, 상층의 배면(도44의 밑면도)의 417과 같이 촉매물질로 코팅하는 것을 특징으로 하는 직렬 유로적층을 위한 베이스기판
  9. 유로가 청구항1과 같은 특징을 갖고 격벽이 청구항2와 같은 특징을 갖는 베이스기판을 이용하여 유로가 병렬로 적층되도록 하층은 도21, 중간층은 도22, 상층은 도23로 하여 최소한 이들 3개의 층을 적층하여 접합 조립하는 것을 특징으로 하는 DMFC에 적용되는 연료개질기
  10. 유로가 청구항1과 같은 특징을 갖고 격벽이 청구항2와 같은 특징을 갖는 베이스기판을 이용하여 유로가 병렬로 적층되도록 하층이 도21, 중간층이 도22, 상층이 도23이 되도록 하되 중간층이 2 개 이상의 층이 적층되도록 하여 도면62와 같이 총 4 개 이상의 층을 적층하여 접합조립하는 것을 특징으로 하는 DMFC에 적용되는 연료개질기
  11. 유로가 청구항1과 같은 특징을 갖고 격벽이 청구항3과 같은 특징을 갖는 베이스기판을 이용하여 유로가 병렬로 적층되도록 하층은 도31, 중간층은 도32, 상층은 도23으로 하여 최소한 이들 3개의 층을 적층하여 접합 조립하는 것을 특징으로 하는 DMFC에 적용되는 연료개질기
  12. 유로가 청구항1과 같은 특징을 갖고 격벽이 청구항3과 같은 특징을 갖는 베이스기판을 이용하여 유로가 병렬로 적층되도록 하층이 도31, 중간층이 도32, 상층이 도23이 되도록 하되 중간층이 2 개 이상의 층이 적층되도록 하여 도72과 같이 총 4 개 이상의 층을 적층하여 접합 조립하는 것을 특징으로 하는 DMFC에 적용되는 연료개질기
  13. 베이스기판의 유로가 청구항5와 같은 특징을 갖고 격벽이 청구항6과 같은 특징을 갖는 베이스기판을 이용하여 유로가 직렬로 적층되도록 하층은 도41, 중간층Ⅰ은 도42, 중간층Ⅱ는 도43, 상층은 도44로 하여 최소한 이들 4개의 층을 적층하여 도8-6과 같이 접합 조립하는 것을 특징으로 하는 DMFC에 적용되는 연료개질기
  14. 베이스기판의 유로가 청구항5와 같은 특징을 갖고 격벽이 청구항6과 같은 특징을 갖는 베이스기판을 이용하여 유로가 직렬로 적층되도록 하층은 도41), 중간층Ⅰ은 도42, 중간층Ⅱ는 도43, 상층은 도44가 되도록 하되 중간층Ⅰ와 중간층Ⅱ를 반드시 한 유니트로 하여 이 유니트를 2 개 이상 적층되도록 하여 총 6 개 이상의 층을 적층하여 접합 조립하는 것을 특징으로 하는 DMFC에 적용되는 연료개질기
  15. 베이스기판의 유로가 청구항5와 같은 특징을 갖고 격벽이 청구항7과 같은 특징을 갖는 베이스기판을 이용하여 유로가 직렬로 적층되도록 하층이 도51, 중간층Ⅰ이 도52, 중간층Ⅱ가 도53, 상층이 도44가 되게 하여 최소한 이들 4개의 층을 적층하여 접합 조립하는 것을 특징으로 하는 DMFC에 적용되는 연료개질기
  16. 베이스기판의 유로가 청구항5와 같은 특징을 갖고 격벽이 청구항7과 같은 특징을 갖는 베이스기판을 이용하여 유로가 직렬로 적층되도록 하층이 도51, 중간층Ⅰ이 도52, 중간층Ⅱ이 도면53, 상층이 도면44가 되도록 하되 중간층Ⅰ와 중간층Ⅱ를 반드시 한 유니트로 하여 이 유니트를 2 개 이상 적층되도록 하여 총 6 개 이상의 층을 적층하여 접합 조립하는 것을 특징으로 하는 DMFC에 적용되는 연료개질기
  17. 재료를 Al 또는 Cu를 이용하는 것을 특징으로 하는 베이스기판
  18. 촉매막과 베이스기판 사이의 확산방지막으로서 Ti, Zr, W, Mo, Ti-N 계, Ta-N 계, W-N 계, Mo-N계 를 코팅하는 것을 특징으로 하는 촉매막 구조
  19. 하층과 중간층 및 상층을 접합조립 하는데 있어서 프로젝션 저항가열 용접을 이용하여 접합하는 것을 특징으로 하는 조립방법
  20. 청구항19에서 접합 용접시 산화방지 분위기 개스로서 Ar, N2, H2를 사용하는 것을 특징으로 하는 용접방법
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