KR20060121682A - 증기상 연료 공급 구조를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20060121682A
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Abstract

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 액체 연료 저장층과 막전극 접합체의 애노드 사이에 제 1 분리막과 완충용액층을 두어, 상기 제 1 분리막의 선택적 투과를 통해 증기 형태의 연료만 완충용액층으로 전달되도록 하고, 상기 완충용액층에서는 고농도의 연료가 저농도의 액체연료로 희석되어 상기 막전극 접합체로 공급하도록 한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 연료 전지 시스템은 연료를 수동 공급 방식으로 공급하므로 시스템의 크기가 작고 불필요한 전력 소모가 없어서 시스템 효율이 높다. 또, 순수한 연료 또는 고농도의 연료 수용액을 저농도로 희석하여 사용할 수 있어 전체 시스템의 에너지 밀도가 높아 소규모의 컴팩트한 전원 공급을 가능하게 하는 효과가 있다. 또한 휴대용 전원으로 사용시 무방향성을 가능하게 하는 장점이 있다.
연료 전지, 메탄올, 저농도, 완충용액, 이격, 증기, 분리막

Description

증기상 연료 공급 구조를 포함하는 연료 전지 시스템{Fuel cell system comprising structure for supplying fuel in vapor phase}
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 주요부를 나타낸 개념도이다.
도 2a 내지 도 2c는 다공성 매체에 형성된 본 발명의 실시예에 따른 채널 구조를 나타낸 개념도이다.
도 3은 다공성 매체에 형성된 본 발명의 실시예에 따른 요철 구조를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 일구현예를 나타낸 분해 측단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 일구현예를 나타낸 측단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 다른 일구현예를 나타낸 측단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 집전판을 포함하는 연료 전지 시스템의 일구현예를 나타낸 측단면도이다.
도 8은 실시예 1 내지 3 및 비교예의 연료 전지 시스템의 성능 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 막전극 접합체
11 : 양성자 전도막 12a, 12b : 집전체
13 : 애노드 전극 14 : 캐소드 전극
20 : 완충용액 카트리지 21 : 완충용액층
22 : 완충용액 카트리지 하부 개방부
23 : 이산화탄소 배출구
30 : 제 1 분리막
40 : 연료 카트리지 41 : 연료 저장층
42 : 연료 카트리지 개방부 43 : 연료 카트리지 상부 덮개
50 : 제 2 분리막
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 시스템 효율이 높고 크기가 작아서 에너지 밀도가 높아 소규모의 컴팩트한 전원으로 사용될 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 수소 혹은 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따 라, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용범위가 넓은 장점을 가진다.
상기 고분자 전해질막 연료전지 중에서, 연료로서 메탄올 수용액을 사용하는 직접메탄올 연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)는 상온에서 작동될 수 있고 용이하게 소형화 및 밀폐화될 수 있으므로, 무공해 전기자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주사업용 장비, 휴대형 전자기기 등과 같은 다양한 분야의 전력공급원으로서 적용될 수 있다.
상기 DMFC에서 생산되는 전력은 애노드 및 캐소드에서 일어나는 반응 속도에 의해 결정된다. 더욱 구체적으로, 애노드에서는 메탄올 한 분자와 물 한 분자가 참가하여 다음 반응식 1과 같이 메탄올이 산화되고 이산화탄소와 여섯 개의 전자를 생성하는 반응이 일어난다.
[반응식 1]
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
상기 반응식 1과 같은 애노드 반응에서 메탄올과 물의 양론비가 1 : 1이므로 상기 반응식 1이 애노드에서 지속적으로 일어나게 하기 위해서는 반응물의 공급이 적절한 비율로 유지되도록 하는 것이 중요하다. 실제로는 물이 상기 양론비(1 : 1)보다 많이 공급되도록 하는데, 이는 메탄올의 완전한 산화를 위한 것이다. 만일, 메탄올이 완전히 산화되지 않는다면, 다음 반응식 2 또는 반응식 3과 같은 반응이 발생하여 전력 생성의 효율이 감소하게 된다.
[반응식 2]
CH3OH + H2O → HCOOH + 4H+ + 4e-
[반응식 3]
CH3OH → HCHO + 2H+ + 2e-
상기와 같은 DMFC에 연료를 공급하는 방법은 크게 능동 공급 방식과 수동 공급 방식으로 나눌 수 있다. 능동 공급 방식은 연료를 압송하는 외부적인 공급 수단이 존재하는 것이고, 수동 공급 방식은 상기와 같은 압송 수단 없이 자발적으로 연료가 공급되도록 하는 방식이다.
상기 능동 공급 방식은 캐소드에서 반응하여 생성된 물을 수집하여 애노드에 공급하는 재순환 루프(recirculation loop)에 순수한 메탄올 또는 고농도의 메탄올을 공급하여 애노드에 공급되는 반응 유체의 농도를 적절하게 유지하는 방식이다. 상기 방식은 메탄올 카트리지를 이용함으로써 전체 시스템의 에너지 밀도를 높인다는 장점이 있지만 시스템이 복잡하고, 여러 가지 부수적인 장비가 필요하므로 부피가 커지고, 또한 외부적인 공급 수단의 운용에 에너지를 소모하게 되므로 전력 손실이 발생하는 단점이 있다. 특히, 장치의 소형화 흐름을 따르는 최근의 경향은 전력 공급원에 대하여도 소형화를 요구하지만 상기 능동 공급 방식은 이러한 경향에 잘 맞지 않는 단점이 있다.
이에 반하여 수동 공급 방식은 적절한 소재의 선택 또는 적합한 구조의 설계를 통해 상기와 동일한 목적을 달성하며, 시스템의 단순함이 가장 큰 장점이다. 그러나, 연료 카트리지에 메탄올 뿐만 아니라 반응에 필요한 물이 포함되어야 하기 때문에 부피가 커지는 단점이 있다.
미국 특허공개 제2004-209136호에서는 캐소드에서 생성된 물을 수동적인 방법을 통해 애노드에 공급함으로써, 상기한 바와 같은 문제점의 해결을 시도한 바 있다. 즉, 막전극 접합체의 캐소드 측에 소수성 세공질 층을 형성시켜 캐소드 측에 생성된 물이 자신의 정수압(靜水壓:hydrostatic pressure)에 의해 애노드 측으로 전달되도록 한 시스템을 개시하고 있다.
그러나, 이러한 시스템에서는 상기 정수압으로 인해 여러 층으로 구성된 단위셀이 손상될 우려가 높은 단점이 있고, 또한 연료인 메탄올의 안정적인 공급 및 희석에 관하여는 언급이 없기 때문에 이러한 부분에 대하여 개선의 여지가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 시스템 효율이 높고 크기가 작아서 에너지 밀도가 높아 소규모의 컴팩트한 전원으로 사용될 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 이루기 위하여,
(a) 캐소드, 양성자 전도막 및 애노드를 포함하는 막전극 접합체와;
(b) 상기 애노드에 면접(面接)하고 캐소드로부터 발생한 액체 물과 연료 증기가 공존하는 완충용액층과;
(c) 상기 완충용액층과 면접하는 제 1 분리막과;
(d) 상기 제 1 분리막과 면접하는 연료 저장층을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 완충용액층은 캐소드로부터 발생한 액체 물과 연료 증기가 혼합되어 소정의 메탄올 농도로 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 메탄올 농도는 필요한 출력에 따라 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 완충용액층은 상기 제 1 분리막과 이격되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1 분리막은 상기 연료 저장층과 이격되는 것이 바람직하다.
상기 완충용액층은 다공성 매체와 상기 다공성 매체에 균일하게 분포된 완충용액을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
특히, 상기 다공성 매체의 기공 분포가 이정(二頂:bimodal)형인 것이 더욱 바람직하다. 상기 다공성 매체의 기공 분포의 이정 중 하나가 1 nm 내지 10 ㎛ 사이에 위치하고, 다른 하나가 10 ㎛ 내지 10 mm 사이에 위치하는 것이 더더욱 바람 직하다.
상기 다공성 매체는 친수성인 것이 바람직하다.
상기 제 1 분리막의 기공 지름은 0.001 ㎛ 내지 50 ㎛인 것이 바람직하고 상기 제 1 분리막의 두께는 1 ㎛ 내지 500 ㎛인 것이 바람직하다. 또한 상기 제 1 분리막은 상기 완충용액층과 이격시키는 것이 바람직하다.
상기 제 1 분리막은 물보다 메탄올을 증기형태로 더 잘 통과시키는 소재로 된 것이 바람직하고, 상기 제 1 분리막에 대한 메탄올의 확산 계수가 상기 제 1 분리막에 대한 물의 확산 계수보다 3배 이상인 것이 바람직하다. 또한, 서로 다른 기공도와 기공크기 혹은 기체투과도를 갖는 두 가지 이상의 막을 조합하여 적층한 적층막을 제 1 분리막으로서 적용하는 것도 가능하며 상기 적층막의 개별 막을 이격시키는 것이 바람직하다.
상기 연료는 메탄올인 것이 바람직하다. 이 때 상기 완충용액층의 메탄올 농도는 0.5 내지 5 M인 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 연료 공급 시스템은 크게 막전극 접합체(10), 완충용액층(21), 제 1 분리막(30) 및 연료 저장층(41)을 포함한다(도 1 참조). 상기 완충용액층(21)은 상기 막전극 접합체(10)의 애노드에 면접(面接)하고, 상기 제 1 분리막(30)은 상기 완충용액층(21)에 면접하며, 상기 연료 저장층(41)은 상기 제 1 분리막(30)에 면접한다.
연료는 초기에 상기 연료 저장층(41)에 액체 상태로 존재하다가 시스템이 작 동되면서 기화되어 확산을 통해 제 1 분리막(30)에 이르게 된다. 상기 연료 저장층(41)은 제 1 분리막(30)과 물리적으로 이격되는 것이 더 바람직한데 이는 액체 상태인 연료가 액체 상태로 제 1 분리막(30)을 통과하여 완충용액층(21)에 전달되는 것을 막기 위해서이다.
즉, 연료 저장층(41)의 액체상태의 연료는 증기상태로 제 1 분리막(30)을 통과하여 상기 완충용액층(21)에 전달된다.
만일, 상기 연료가 액체 상태로 완충용액층(21)에 전달되면 한꺼번에 너무 많은 양이 전달되게 되어 후술하는 바와 같이 막전극 접합체(10)에 연료를 저농도로 공급하고자 하는 본 발명의 목적을 벗어나게 된다.
상기 연료 저장층(41)은 그 자체로 자유 표면(free surface)을 갖는 액체 상태의 연료일 수도 있고, 액체 상태의 연료가 다공성 매체에 균일하게 분포된 것일 수도 있지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 액체 상태의 연료가 다공성 매체에 균일하게 분포되어 있는 경우, 전체 시스템의 방향에 무관하게 안정적인 연료 공급이 가능한 장점이 있어서 바람직하다.
또한, 상기 연료 저장층(41)은 연료 카트리지(40) 내에 수납하여 사용하는 것이 취급상 편리하기 때문에 바람직하다. 이 때, 상기 연료 카트리지(40)의 상부는 상기 제 1 분리막(30)과 면접하며, 기화된 연료가 통과할 수 있도록 개방부(42)를 형성하는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 상기 연료 카트리지(40)와 상기 제 1 분리막(30) 사이에 액체 전달 매체를 더 포함할 수 있다. 상기 액체 전달 매체는 기체보다 액체를 특 히 더 잘 전달하는 성질을 갖는 소재이면 되고 특별히 한정되지 않는다. 상기 액체 전달 매체를 얇은 막 형태로 성형하여 사용할 수 있다.
연료 저장층(41)은 액체 연료를 방향에 관계없이 담지하고 있을 수 있도록 예를 들면, 폼(foam) 형태의 다공성 부재를 보유하는 것이 바람직하며, 이 때 연료는 특히 한정되는 것은 아니고, 상기 애노드에서 물과 반응하여 전자와 양성자를 생성할 수 있는 것이면 무엇이든 가능하다. 상기 연료의 비한정적인 예를 들면, 수소, 메탄올, 에탄올, 또는 다른 탄화 수소 물질, 또는 이들의 혼합물, 이들의 수용액을 들 수 있다. 본 발명의 연료 전지 시스템이 DMFC인 경우에는 순수한 메탄올일 수도 있고 고농도의 메탄올 수용액일 수도 있다. 고농도의 메탄올 수용액은 농도가 5M 이상인 메탄올 수용액을 의미한다.
상기 제 1 분리막(30)은 확산되어 도달한 연료의 증기를 완충용액층(21)으로 전달하고 후술하는 완충용액층(21)의 물이 연료 저장층(41)으로 전달되지 않도록 차단하는 역할을 한다. 상기 제 1 분리막(30)의 소재는 특별히 한정되지 않고, 물보다 연료를 더 잘 통과시키는 소재, 바람직하게는 연료는 잘 통과시키면서 물은 잘 통과시키지 않는 소재이면 무엇이든 가능하고 특히 세공질(microporous)의 소재가 적합하다. 더욱 바람직하게는, 상기 제 1 분리막(30)에 대한 물의 확산 계수보다 상기 제 1 분리막(30)에 대한 메탄올의 확산 계수가 3배 이상인 것이 바람직하다. 상기 제 1 분리막(30)에 대한 메탄올의 확산 계수가 상기 제 1 분리막(30)에 대한 물의 확산 계수보다 3배 미만이 되는 경우는 물과 메탄올이 충분히 선택적으로 통과되지 않기 때문에 바람직하지 않다.
상기 제 1 분리막(30)으로 적합한 소재는, 예를 들면 나피온(Nafion) 112, 115, 117 또는 테프론(teflon)을 활용한 각종 다공성막을 들 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
제 1 분리막(30)의 기공 지름은 0.001 ㎛ 내지 50 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 제 1 분리막(30)은 기공 지름의 분포가 이정형인 것이 더욱 바람직하다. 이 때, 상기 이정 중 하나가 0.001 ㎛ 내지 0.05 ㎛ 사이에 위치하고, 다른 하나가 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 사이에 위치하며, 기공 지름이 0.001 ㎛ 내지 0.05 ㎛인 막과 1 ㎛ 내지 50 ㎛인 막을 조합한 층상 구조를 갖는 것이 더욱 바람직하다.
제 1 분리막(30)의 기공 지름이 0.001 ㎛ 보다 작으면 연료가 잘 통과하지 못하는 단점이 있고, 제 1 분리막(30)의 기공 지름이 50 ㎛보다 크면 고농도 연료의 전달 속도가 빨라 전극 효율이 떨어지고 또한 연료뿐만 아니라 물도 잘 통과하게 되어 완충용액층(21)의 연료 농도를 저농도로 유지하기 어려워지는 단점이 있다.
상기 제 1 분리막(30)의 두께는 1 내지 500 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 제 1 분리막(30)의 두께가 1 ㎛보다 얇으면 파손되기 쉬워 취급하기 어려워지고, 상기 제 1 분리막(30)의 두께가 500 ㎛보다 두꺼우면 연료의 전달이 원활하지 못하여 제조되는 연료 전지 시스템의 성능이 저하되는 단점이 있다.
상기한 바와 같이, 상기 제 1 분리막(30)은 상기 완충용액층(21)과 이격되어 면접하는 것이 바람직하다. 상기 제 1 분리막(30)을 상기 완충용액층(21)과 이격시키는 것이 바람직한 이유는 완충용액층(21)의 물이 액체 상태로 제 1 분리막(30)을 통과하여 연료 저장층(41)에 전달되는 것을 막기 때문이다. 만일, 상기 물이 액체 상태로 연료 저장층(41)에 전달되면 연료의 농도가 희석되어 연료 공급의 균형이 깨어지기 때문에 전체적인 시스템이 불안정해질 수 있다.
일반적으로 DMFC에서 연료로 사용되는 메탄올은 고농도로 막전극 접합체에 공급되지 않고 저농도로 희석시켜 공급된다. 그 이유는 메탄올의 산화시 발생하는 미량의 일산화탄소가 전극의 촉매에 흡착되는 것을 막는 역할을 물이 하는데, 고농도의 메탄올을 공급할 경우 상기와 같은 역할을 하는 물의 양이 적어 촉매가 빨리 피독되기 때문이다. 또한, 고농도의 메탄올을 공급할 경우 미반응 메탄올이 크로스오버되어 전체 전지의 효율이 떨어지는 것은 물론 캐소드의 촉매까지 피독되기 때문이기도 하다.
상기와 같은 이유로 저농도의 연료 수용액을 공급하기 위해 완충용액층(21)을 둔다. 상기 완충용액층(21)은 제 1 분리막(30)을 통과하여 기상으로 유입되는 연료 증기를 다시 액상으로 바꾸기도 하며 저농도의 연료 혼합물로 전환시킨다.
기상으로 유입된 연료 증기는 액상으로 존재하는 완충용액층(21)의 액체 표면에 충돌함으로써 액체로 응축될 수 있다. 즉, 상기 완충용액층(21)은 기상의 연료 증기와 캐소드에서 발생된 액체상의 물이 존재하게 된다.
상기 완충용액층(21)은 초기에는 순수한 물일 수도 있고, 저농도의 연료 혼합물일 수도 있다. 초기에 순수한 물을 사용하는 경우에는 전달되어 들어오는 연료가 확산되어 막전극 접합체(10)까지 공급되는 데 비교적 긴 시간이 걸리기 때문에, 초기에 순수한 물을 사용하는 것보다는 저농도의 연료 혼합물을 사용하는 것이 바 람직하다.
상기 완충용액층(21)은 그 자체로 자유 표면(free surface)을 갖는 액체 상태일 수도 있고, 바람직하게는 액체 상태의 연료 수용액이 다공성 매체에 균일하게 분포된 것이지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 연료 수용액이 다공성 매체에 균일하게 분포되어 있는 경우, 전체 시스템의 방향에 무관하게 안정적인 연료 공급이 가능한 장점이 있어서 바람직하다.
또한, 상기 완충용액층(21)은 완충용액 카트리지(20) 내에 수납하여 사용하는 것이 취급상 편리하기 때문에 바람직하다. 이 때, 상기 완충용액 카트리지(20)의 상부는 수납한 완충용액층(21)이 상기 막전극 접합체(10)의 애노드와 충분히 면접할 수 있도록 완전 개방되는 것이 바람직하고, 상기 완충용액 카트리지(20)의 하부는 제 1 분리막(30)을 통과한 연료가 완충용액 층으로 순조롭게 전달될 수 있도록 개방부(22)를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 애노드에서 일어나는 반응에서 생성되는 이산화탄소가 원활하게 배출될 수 있도록 이산화탄소 배출구(23)를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 다공성 매체는 친수성인 것이 바람직하며, 상기 다공성 매체에 형성되어 있는 기공의 분포는 넓거나 이정(二頂:bimodal) 분포인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 완충용액층(21)은 연료 공급 역할 및 이산화탄소 배출 기능을 모두 수행하여야 하는데, 크기가 작은 기공은 모세관압이 강하여 연료 수용액의 공급에 유리한 반면 작은 크기의 기공을 일정하게 분포시킬 경우 이산화탄소 배출 기능이 미약해지기 때문이다. 즉, 크기가 작은 기공은 모세관압이 강하므로 연료 수용액을 공급하는 역할을 주로 담당하고, 크기가 큰 기공은 상대적으로 모세관압이 약하므로 이산화탄소를 배출하는 역할을 담당하도록 하는 것이다. 이러한 점을 고려하여 상기 다공성매체의 기공 분포에서 이정(二頂) 중 하나는 1 nm 내지 10 ㎛ 사이에 위치하고, 다른 하나는 10 ㎛ 내지 10 mm 사이에 위치하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다공성 매체는 무기 산화물 소재, 고분자 소재 또는 이들의 복합소재일 수 있다.
상기 무기 산화물 소재는, 예를 들면, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 타이타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2) 또는 이들의 혼합물일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 고분자 소재는 말단에 히드록시기, 카르복실기, 아민기 또는 술폰기를 포함하는 고분자 수지, 폴리비닐알코올계 고분자 수지, 셀룰로오스계 고분자 수지, 폴리비닐아민계 고분자 수지, 폴리에틸렌옥사이드계 고분자 수지, 폴리에틸렌글리콜계 고분자 수지, 나일론계 고분자 수지, 폴리아크릴산계 고분자 수지, 폴리에스테르계 고분자 수지, 폴리비닐피롤리돈계 고분자 수지, 에틸렌비닐아세테이트계 수지, 폴리에틸렌계 고분자 수지, 폴리스티렌계 고분자 수지, 불소계 고분자 수지, 폴리프로필렌계 고분자 수지, 폴리메틸(메타)아크릴레이트계 고분자 수지, 폴리이미드계 고분자 수지, 폴리아미드계 고분자 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 고분자 수지, 또는 이들의 혼합물일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 다공성 매체의 기공의 평균 지름은 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 상 기 기공의 평균 지름이 0.01 ㎛보다 작으면 메탄올의 확산이 미흡하여 원하는 연료전지 성능이 나오지 않을 수 있고, 상기 기공의 평균 지름이 10 ㎛보다 크면 메탄올 공급과 소비의 조화가 깨어질 수 있다.
특히 상기 다공성 매체는 선택적으로, 상기 다공성 매체 내에서의 메탄올의 이동도가 0.8 × 10-6 g/cm2·sec 내지 4 × 10-6 g/cm2·sec가 되도록 상기 다공성 매체의 기공도 및 굴곡도(tortuosity)가 조절된 것일 수 있다. 여기서 굴곡도는 기공이 얼마나 굴곡성을 가지는지를 나타내는 지표로서 기공 내를 이동하는 분자가 실제로 이동하는 거리를 동일 지점간의 직선 거리로 나누어 계산할 수 있다. 즉, 굴곡도가 1이면 직선의 기공을 의미하고 굴곡도가 1보다 커질수록 굴곡성이 심한 기공을 의미한다.
상기 다공성 매체의 두께는 0.01 mm 내지 10 mm인 것일 수 있다. 상기 다공성 매체의 두께가 0.01 mm보다 얇으면 기계적 강도가 약하여 취급이 어렵고, 상기 다공성 매체의 두께가 10 mm보다 두꺼우면 연료 전지 시스템의 부피가 지나치게 커져 바람직하지 않다.
특히, 상기 다공성 매체의 두 면 중 상기 애노드와 면접하는 면에 이산화탄소 배출용 채널이 형성되어 있을 수 있다. 상기 채널은 연료 전지 시스템의 규모에 따라 다양한 형태와 구조를 가질 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 상기 채널은, 예를 들면, 도 2a 내지 도 2c에 나타낸 바와 같은 모양을 가질 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 다공성 매체의 면 중 상기 제 1 분리막과 면접하는 면에 패턴(pattern)이 형성되어 있을 수 있다. 상기 패턴은 완충용액층으로부터 유입되는 연료가 공급될 수 있는 유효 표면적을 증가시키고 연료의 공급 경로의 길이를 단축시킬 수 있는 효과가 있다. 상기 패턴은 상기 다공성 매체의 면상에 아일랜드가 형성되어 있거나 부분적으로 리세스(recess)가 형성되어 있는 것과 같은 요철 구조일 수 있다. 또한 도 3에 나타낸 것과 같은 구조일 수 있지만 여기에 한정되지 않는다.
상기 완충용액층(21)의 작용 원리는 다음과 같다.
즉, 상기 완충용액층(21) 내의 메탄올 농도가 낮은 경우에는 완충용액층(21)으로부터 막전극 접합체(10)로 전달되는 메탄올의 양보다 제 1 분리막(30)을 통과하여 완충용액층(21)으로 공급되는 메탄올의 양이 더 많게 되어 메탄올의 농도가 다시 높아지게 된다. 반대로, 상기 완충용액층(21) 내의 메탄올 농도가 높은 경우에는 막전극 접합체(10) 내의 활발한 반응으로 인해 제 1 분리막(30)을 통과하여 완충용액층(21)으로 공급되는 메탄올의 양보다 완충용액층(21)으로부터 막전극 접합체(10)로 전달되는 메탄올의 양이 많게 되어 메탄올의 농도가 다시 낮아지게 된다. 상기와 같은 자기 조정(self regulation)을 통해 상기 완충용액층(21) 내의 메탄올 농도는 거의 일정하게 정상상태(steady state)로 유지된다. 즉, 캐소드로부터 발생한 액체 물과 연료 증기가 혼합되어 소정의 메탄올 농도로 맞추어지게 된다.
이 때 상기 저농도의 연료 수용액에서 연료의 농도는 정상상태에서 0.5 내지 5.0 M인 것이 바람직하다. 만일 연료의 농도가 0.5 M 미만인 경우는 농도가 너 무 낮아 상기와 같은 자기 조정 과정을 통해 막전극 접합체(10)에서 일정량 이상의 전력을 생산하기까지 걸리는 시간이 너무 길게 되어 바람직하지 않고, 연료의 농도가 5.0 M을 초과하는 경우는 농도가 너무 높아 연료 전지 시스템의 성능의 저하가 일어나게 되고 공급되는 연료를 저농도로 유지한다는 본 발명의 목적을 벗어나게 된다.
처음에 완충용액층(21)에 공급된 물만을 사용하여 연료전지를 작동시킬 수도 있지만, 완충용액층(21) 내의 메탄올의 농도를 일정하게 유지하기 위하여 애노드의 반응에서 소모되는 만큼의 물을 완충용액층(21)에 공급하는 것이 바람직하다. 물을 완충용액층(21)에 공급하는 방법은 특별히 한정되지 않으며 당 업계에서 종래에 알려진 기술에 의할 수 있다. 예를 들면, 캐소드에서 생성된 물을 수집하여 전극 외부의 물 순환 통로를 통해 완충용액층(21)으로 재순환시킬 수도 있고, 캐소드에 소수성 막을 형성하여 캐소드에 생성된 물이 캐소드에 축적되면서 발생하는 정수압으로 전해질막 내부를 통과하여 애노드 측으로 물이 확산되도록 할 수도 있다.
상기와 같은 방법을 통해 상기 완충용액층 내의 연료를 조절하는 것이 가능하며, 특히, 캐소드로부터 발생한 액체 물을 이용하여 소정의 메탄올 농도로 조절하는 것이 가능하다. 또한, 외부의 부하 회로에서 필요로 하는 출력에 따라 상기 물의 양을 조절하여 연료의 농도를 조절하는 것도 가능하다.
상기 완충용액층(21)의 연료 수용액은 모세관압(capillary pressure)에 의해, 밀착하여 면접하는 막전극 접합체(10)의 애노드에 전달된다. 이 때 더욱 원활하고 균일한 연료의 전달을 위해 상기 완충용액층과 상기 애노드 사이에 연료 전달 매체를 더 포함할 수 있다. 상기 액체 전달 매체는 기체보다 액체를 특히 더 잘 전달하는 성질을 갖는 소재이면 되고 특별히 한정되지 않는다. 상기 액체 전달 매체를 얇은 막 형태로 성형하여 사용할 수 있다.
상기 막전극 접합체(10)는 양성자 전도막과 상기 양성자 전도막의 양면에 부착된 캐소드 및 애노드를 포함한다. 양성자 전도막 및 전극(캐소드 및 애노드)의 소재, 성상, 제조방법 등에 있어서는 특히 한정되지 않고 당 업계에 잘 알려진 방법에 의할 수 있다. 상기 완충용액층(21)에서 전달된 연료 수용액은 애노드의 촉매와 접촉하여 상기 반응식 1과 같은 화학반응을 통해 전력을 생산하게 된다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 일구현예를 도 4 및 도 5를 참고하여 설명한다. 다만, 본 발명의 도 1 내지 도 7은 본 발명의 더욱 신속하고 명확한 이해를 위해 치수 등에 있어서 과장되게 도시된 것임을 이해하여야 할 것이다.
도 4에 보인 바와 같이 연료 저장층(41)은 연료 카트리지(40) 내에 수납될 수 있다.
도 5에 보인 바와 같이 상기 연료 카트리지(40)의 상부는 연료 저장층(41)을 제 1 분리막(30)과 이격시키기 위하여 상부 덮개(43)를 구비하는 것이 바람직하다. 다만, 이 때 기화된 연료가 전달될 수 있도록 상기 상부 덮개(43)에 개방부(42)가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 개방부(42)가 형성되어 있는 상기 상부 덮개(43)는 평판에 구멍이 뚫려있는 형태일 수도 있고, 실질적으로 물리적인 이격이 가능한 메쉬(mesh) 형태일 수도 있지만, 연료가 기화되어 상기 제 1 분리막(30)으로 이동할 수 있는 구조이면 되고 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 연료 카트리지(40)의 개방부(42)가 형성된 면에 제 1 분리막(30)을 면접하여 부착시킬 수 있다. 그리고, 상기 연료 카트리지(40)와 면접한 제 1 분리막(30)의 다른 면에 완충용액 카트리지(20)를 면접하여 부착시킬 수 있다.
또한, 도 4에 보인 바와 같이 완충용액 카트리지(20) 내에 완충용액층(21)이 수납될 수 있다. 상기 완충용액 카트리지(20)의 하부는 완충용액층(21)을 제 1 분리막(30)과 이격시키는 역할을 한다. 다만, 이 때 제 1 분리막(30)을 통과한 연료가 전달될 수 있도록 상기 하부는 개방부(22)를 갖고 있는 것이 바람직하다. 개방부(22)가 형성된 상기 완충용액 카트리지(20)의 하부는 평판에 구멍이 뚫려있는 형태일 수도 있고, 실질적으로 물리적인 이격이 가능한 메쉬(mesh) 형태일 수도 있지만 제 1 분리막(30)을 통과한 연료가 완충용액층(21)으로 이동할 수 있는 구조이면 되고 특별히 한정되는 것은 아니다.
도 5에 보인 바와 같이 상기 완충용액층(21)에 막전극 접합체(10)가 면접할 수 있다. 특히, 상기 막전극 접합체(10)의 애노드가 면접한다. 상기 막전극 접합체(10)의 캐소드 측은 외부의 공기가 공급될 수 있도록 개방부가 형성된 평판을 이용하여 보호할 수 있다.
상기와 같이 상호간에 면접한 각 층을 적절한 체결 수단을 이용하여 결속시킬 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 다른 일구현예를 도 6을 참고하여 설명한다.
연료 카트리지(40)와 제 1 분리막(30)의 구성은 상기 구현예와 동일할 수 있으며, 상기 연료 카트리지(40)와 상기 제 1 분리막(30) 사이에 추가로 별도의 제 2 분리막(50)이 더 포함될 수 있다. 제 2 분리막(50)은 제 1 분리막(30)의 형상을 유지하고 연료가 공급되는 속도를 제 1 분리막(30)과 함께 조절하는 역할을 한다.
상기 제 2 분리막(50)의 소재는 특히 한정되지 않고 기공의 크기가 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 인 것이 바람직하다. 상기 제 2 분리막(50)의 기공의 크기가 1 ㎛ 보다 작으면 기화된 연료가 잘 통과하지 못하는 단점이 있고, 상기 제 2 분리막(50)의 기공의 크기가 10 ㎛ 보다 크면 연료가 공급되는 속도를 조절할 수 없게 되어 제 2 분리막(50)을 더 부가하는 목적을 벗어나게 된다.
완충용액 카트리지(20)는 상기 구현예와 동일할 수 있으며, 이산화탄소의 배출구(23)를 더 구비할 수 있다.
상기 이산화탄소 배출구(23)는 상기 완충용액 카트리지(20)의 측면에 설치되는 것이 바람직하며, 필요에 따라 복수개 설치될 수 있고, 설치되는 방향도 일면에만 설치될 수도 있고 여러 면에 대하여 설치될 수도 있다. 상기 이산화탄소 배출구(23)의 지름은 액체인 완충용액이 누설되지 않으면서 기체인 이산화탄소를 배출하기에 적절한 크기이면 된다. 바람직하게는 상기 이산화탄소 배출구(23)의 지름은 0.01 내지 0.5 mm이다. 상기 이산화탄소 배출구(23)의 지름이 0.01 mm보다 작으면 가공하기 어려운 단점이 있고, 상기 이산화탄소 배출구(23)의 지름이 0.5 mm보다 크면 액체인 완충용액이 누설될 위험이 있어 바람직하지 않다.
상기 연료 전지 시스템은 일반적인 방법과 같이 캐소드 전극 및 애노드 전극 상부 즉 전극의 두 면 중에서 양성자 전도막과 접하지 않는 면에 전류 집전체가 구성될 수 있을 뿐만 아니라, 도 7에 도시한 본 발명의 다른 구현예와 같이 양성자 전도막(11)과 캐소드 전극(14) 사이 및 양성자 전도막(11)과 애노드 전극(13) 사이에 전류 집전체가 구성될 수 있다. 상기 집전체는 전극에서 발생한 전류를 모아서 외부의 회로에 공급하는 역할을 하는 것으로서, 소재에 있어 특별히 한정되지는 않지만 전류를 잘 통하고 내부식성이 우수한 소재가 바람직하다.
상기 집전체는 양성자 전도막과 전극 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 양성자 전도막과 전극 사이가 위치적으로 반응물의 농도가 가장 높아 전류를 생성하는 전기화학반응이 가장 활발하게 일어나고 따라서 생성되는 전류를 가장 효율적으로 수집할 수 있는 위치이기 때문이다.
또한 연료저장층(41)의 액체연료를 담지할 수 있는 다공성 매체 및 액체연료 확산부를 활용하여 고농도의 메탄올 액체가 증기형태로 바뀌어 제 1 분리막으로 이동하기 전에 전극 전체 면적의 크기로 액체 형태로 우선 확산될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
<실시예 1>
연료 카트리지에 순수한 메탄올을 균일하게 분포시킨 다공성 담체를 넣고 상부 덮개로 봉하였다. 상기 다공성 담체는 Foamex®를 사용하였고, 상부 덮개는 폭 0.8 mm의 일자형의 개방부가 다수 형성된 아크릴판을 이용하였다.
그 위에 200 nm의 기공 크기를 갖는 제 2 분리막을 얹고, 다시 그 위에 나피온117로 된 제 1 분리막을 적층하였다.
그 위에 완충용액을 담은 완충용액 카트리지를 적층하였는데, 상기 완충용액은 1 M 농도의 메탄올 수용액을 이용하였고, 카본 클로쓰(carbon cloth)에 균일하게 분포시켜서 상기 완충용액 카트리지에 담았다. 상기 완충용액 카트리지에는 이산화탄소 배출구를 4개의 측면에 각각 0.4 mm의 지름으로 형성하였다. 또, 상기 완충용액 카트리지의 하부는 기상의 연료를 통과시키기 위하여 폭 0.8 mm의 일자형 개방부를 다수 형성하였다.
상기와 같이 구성한 연료 카트리지, 제 2 분리막/제 1 분리막, 완충용액 카트리지 위에 당 업계에 알려진 통상의 방법으로 제조한 막전극 접합체를 적층하였다. 막전극 접합체의 양성자 전도막으로는 나피온117을 이용하였고, 애노드 촉매로는 백금/루테늄 합금촉매를 이용하고, 캐소드 촉매로는 백금/알루미늄 합금촉매를 이용하였다.
상기와 같이 적층된 막전극 접합체 위에 막전극 접합체를 보호하고 공기를 원활하게 공급하기 위해 지름 5 mm의 원형의 개방부가 다수 형성된 아크릴판을 이용하여 덮었다.
상기와 같이 제조한 연료전지에 대하여 시간에 따른 전력 밀도를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.
<실시예 2>
완충용액으로 3 M 농도의 메탄올 수용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실 시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
상기와 같이 제조한 연료전지에 대하여 시간에 따른 전력 밀도를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.
<실시예 3>
제 1 분리막으로 나피온 112를 사용하고 5500 g/m2/24hr의 수증기 투과율을 갖는 두께 45 ㎛의 테프론을 이용한 다공성 막을 층 구조로 설치한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
상기와 같이 제조한 연료전지에 대하여 시간에 따른 전력 밀도를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.
<비교예>
상기 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 막전극 접합체의 애노드에 메탄올 수용액이 직접 접촉될 수 있도록 연료 전지 시스템을 구성하였다.
먼저 상기 막전극 접합체의 애노드가 상부로 향하도록 하고 캐소드측은 막전극 접합체를 보호하고 공기를 원활하게 공급하기 위해 지름 5 mm의 원형의 개방부가 다수 형성된 아크릴판을 이용하여 덮었다. 그런 후 상기 애노드의 상부에 3 M 농도의 메탄올 수용액을 담은 연료 카트리지를 상부 덮개 없이 직접 밀착시켜 메탄올 수용액이 직접 애노드로 공급되도록 구성하였다.
상기와 같이 제조한 연료전지에 대하여 시간에 따른 전력 밀도를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8에 나타난 바와 같이 초기에는 비교예의 전력 밀도가 더 높지만 비교예의 경우에는 전력 밀도가 시간에 따라 급격히 변화할 뿐만 아니라 1시간도 되지 않아 전력 밀도가 급속히 감소함을 알 수 있었다.
즉, 반응 초기에는 고농도의 메탄올이 원활하게 공급되어 이러한 공급을 바탕으로 반응이 활발하게 일어나므로 막전극 접합체의 온도의 상승에 따라 전력 밀도가 상승하는 것을 관찰할 수 있다. 그러나, 이내 막전극 접합체의 촉매의 피독, 애노드 반응에 필요한 물의 농도저하, 메탄올 크로스오버에 따른 효율 저하 등의 원인에 의해 전력 밀도가 급속히 감소함을 알 수 있었다.
반면, 실시예 1 내지 실시예 3의 경우에는 비록 초기의 전력 밀도는 비교예에 비하여 다소 낮지만 장시간의 사용에도 불구하고 일정한 전력 밀도를 공급할 수 있음을 알 수 있었다. 반응 초기에는 반응에 따라 막전극 접합체의 온도가 상승하여 점차 반응 속도가 빨라지며 여기에 따라 전력 밀도가 상승하는 것을 알 수 있었다. 그런 후, 반응에 의한 발열 속도와 주위와의 냉각 속도가 균형을 이루고, 상기에서 설명한 바와 같은 메탄올 공급에 있어서의 자기 조정(self regulation)이 이루어짐에 따라 일정한 전력 밀도를 보임을 알 수 있었다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
본 발명의 연료 전지 시스템은 연료를 수동 공급 방식으로 공급하므로 시스템의 크기가 작고 불필요한 전력 소모가 없어서 시스템 효율이 높다. 또, 순수한 연료 또는 고농도의 연료 수용액을 사용할 수 있어 전체 시스템의 에너지 밀도가 높아 소규모의 컴팩트한 전원 공급을 가능하게 하는 효과가 있다. 또한 액체연료를 증기형태로 공급함으로써 연료 공급의 무 방향성을 갖게 하여 휴대용 전원으로의 실질적 응용을 가능케 한다.

Claims (36)

  1. (a) 캐소드, 양성자 전도막 및 애노드를 포함하는 막전극 접합체와;
    (b) 상기 애노드에 면접(面接)하고 캐소드로부터 발생한 액체 물과 연료 증기가 공존하는 완충용액층과;
    (c) 상기 완충용액층과 면접하는 제 1 분리막과;
    (d) 상기 제 1 분리막과 면접하는 연료 저장층을 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 완충용액층에서의 연료의 농도를 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 필요한 출력에 따라 상기 완충용액층의 물의 양을 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서 상기 완충용액층이 상기 제 1 분리막과 이격된 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서 상기 제 1 분리막이 상기 연료 저장층과 이격된 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 완충용액층이 다공성 매체와 상기 다공성 매체에 균일하게 분포된 완충용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 매체의 기공 분포가 이정(二頂:bimodal)형인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 다공성 매체의 기공 분포의 이정(二頂) 중 하나가 1 nm 내지 10 ㎛ 사이에 위치하고, 다른 하나가 10 ㎛ 내지 10 mm 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 매체가 친수성인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 매체가 무기 산화물 소재, 고분자 소재 또는 이들의 복합소재인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 무기 산화물 소재가 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 타이타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2) 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으 로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 고분자 소재가 말단에 히드록시기, 카르복실기, 아민기 또는 술폰기를 포함하는 고분자 수지, 폴리비닐알코올계 고분자 수지, 셀룰로오스계 고분자 수지, 폴리비닐아민계 고분자 수지, 폴리에틸렌옥사이드계 고분자 수지, 폴리에틸렌글리콜계 고분자 수지, 나일론계 고분자 수지, 폴리아크릴산계 고분자 수지, 폴리에스테르계 고분자 수지, 폴리비닐피롤리돈계 고분자 수지, 에틸렌비닐아세테이트계 수지, 폴리에틸렌계 고분자 수지, 폴리스티렌계 고분자 수지, 불소계 고분자 수지, 폴리프로필렌계 고분자 수지, 폴리메틸(메타)아크릴레이트계 고분자 수지, 폴리이미드계 고분자 수지, 폴리아미드계 고분자 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 고분자 수지, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  13. 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 매체의 기공의 평균 지름이 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  14. 제 6 항에 있어서, 메탄올의 이동도가 0.8 × 10-6 g/cm2·sec 내지 4 × 10-6 g/cm2·sec가 되도록 상기 다공성 매체의 기공도 및 굴곡도(tortuosity)가 조절된 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  15. 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 매체의 두께가 0.01 mm 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  16. 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 매체의 면 중 상기 애노드와 면접하는 면에 이산화탄소 배출용 채널이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  17. 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 매체의 면 중 상기 제 1 분리막과 면접하는 면에 패턴(pattern)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 완충용액층이 완충용액 카트리지 내에 수납되고, 상기 완충용액 카트리지의 상부는 수납된 상기 완충용액층이 상기 애노드와 전체적으로 면접할 수 있도록 완전개방되고, 상기 완충용액 카트리지의 하부는 상기 제 1 분리막과 면접하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 완충용액층과 상기 애노드 사이에 액체 전달 매체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 완충용액 카트리지에 이산화탄소 배출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 완충용액 카트리지의 하부에 개방부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분리막의 기공 지름이 0.001 ㎛ 내지 50 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 제 1 분리막의 기공 분포가 이정형이고, 상기 이정 중 하나가 0.001 ㎛ 내지 0.05 ㎛ 사이에 위치하고, 다른 하나가 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분리막의 두께가 1 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분리막이 물보다 메탄올을 더 잘 통과시키고 액체보다 기체를 더 잘 통과시키는 소재인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분리막에 대한 메탄올의 확산 계수(diffusion coefficient)가 상기 제 1 분리막에 대한 물의 확산 계수보다 3배 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분리막이 기공도 및 기체투과도가 상이한 2 이상의 막을 적층시킨 적층체인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 저장층이 다공성 매체와 상기 다공성 매체에 균일하게 분포된 연료를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 저장층이 연료 카트리지 내에 수납되고, 상기 연료 카트리지가 상기 제 1 분리막과 면접하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 연료 카트리지와 상기 제 1 분리막 사이에 액체 전달 매체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  31. 제 29 항에 있어서, 상기 연료 카트리지가 상기 제 1 분리막과 면접하는 면에 개방부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  32. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 분리막과 상기 연료 저장층 사이에 제 2 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  33. 제 1 항에 있어서, 상기 연료가 메탄올인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 완충용액층의 메탄올 농도가 0.5 내지 5 M인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  35. 제 33 항에 있어서, 상기 연료 저장층의 연료가 순수한 메탄올이거나 5 M 이상의 농도를 갖는 고농도 메탄올 수용액인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  36. 제 1 항에 있어서, 상기 캐소드와 양성자 전도막 사이에 캐소드 집전체(current collector)를 갖고, 상기 애노드와 양성자 전도막 사이에 애노드 집전체를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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