KR20060135267A - 직접액체연료전지의 기액 분리장치 - Google Patents

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Abstract

개시된 직접액체연료전지의 기액 분리장치는: 관의 양단에 설치되며, 상기 관 내의 액체를 선택적으로 투과시키는 액체추출부재; 상기 관의 측면에 형성된 개공부를 커버하도록 부착되어 상기 기체를 선택적으로 투과시키는 기체추출막; 상기 액체 및 기체를 상기 관의 내부로 안내하는 인입구; 상기 액체추출부재의 바깥쪽을 포위하는 챔버; 상기 챔버에 연결되어 상기 챔버 내의 액체를 밖으로 안내하는 배출구;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

직접액체연료전지의 기액 분리장치{Liquid-gas separator for direct liquid feed fuel cell}
도 1은 직접액체연료전지의 기본적인 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 연료전지에 사용되는 기액분리장치의 모형도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기액 분리장치가 적용되는 직접액체 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기액분리장치(100)의 단면도이다.
도 5는 도 4의 기액분리장치(100)의 액체추출부재가 상하로 위치할 때의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 기액분리장치의 원통관 내부의 압력변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 기액분리장치(200)의 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
100, 200: 기액분리장치 110: 원통관
115: 기체추출막 120: 액체추출부재
130: 챔버 132: 배출구
140: 인입구 210: 비드
본 발명은 직접액체 연료전지의 애노드 전극에서 배출된 미반응 액체연료와 이산화탄소를 분리하여 배출하는 기액분리장치에 관한 것이다.
직접액체연료전지(Direct Liquid Feed Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올 등의 유기화합물 연료와 산화제인 산소와의 전기화학반응에 의해 전기를 생성하는 발전장치로서 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올 등 액체연료를 직접 사용하기 때문에 연료개질기(reformer) 등 주변장치가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.
직접액체연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3) 사이에 전해질막(1)이 개재되어 있는 구조를 가진다. 각 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3)의 구조는 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer, 22, 32)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층(21, 31), 그리고 전극 지지체(23, 33)을 구비한다. 전극 반응을 위한 촉매는 저온에서도 우수한 특성을 갖는 백금과 같은 귀금속 촉매가 사용이 되며 반응 부생성물인 일산화탄소에 의한 촉매피독 현상(catalyst poisoning)을 방지하기 위하여 루테늄, 로듐, 오스늄, 니켈등과 같은 전이금속의 합금촉매가 사용된다. 전극 지지체는 탄소종이, 탄소직물 등이 사용되며 연료의 공급과 반응 생성물의 배출이 용이하도록 발수처리(water-proofed)하여 사용한다. 전해질막(1)은 두께가 50-200 ㎛ 인 고분자막으로서 수분 을 함유하며 이온전도성을 갖는 수소이온교환막이다.
직접액체연료전지 중, 메탄올과 물을 혼합 연료로 사용하는 직접메탄올연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, 이하 DMFC)의 전극반응은 연료가 산화되는 애노드 반응과 수소이온과 산소의 환원에 의한 캐소드 반응으로 구성되며 반응식은 다음과 같다.
CH3OH +H2O → CO2 +6 H+ + 6 e- (Anode reaction)
3/2 O2 +6 H+ + 6 e- → 3 H2O (Cathode reaction)
CH3OH + 3/2 O2 → 2 H2O + CO2 (Overall reaction)
산화반응(반응식 1)이 일어나는 애노드 전극(2)에서는, 메탄올과 물의 반응에 의하여 이산화탄소, 수소이온 및 전자가 생성이 되며, 생성된 수소이온은 전해질막(1)을 통해서 캐소드 전극(3)으로 전달된다. 환원반응(반응식 2)이 일어나는 캐소드 전극(3)에서는, 수소이온과 외부 회로를 통해 전달된 전자 그리고 산소 간의 반응에 의해 물이 생성된다. 따라서 DMFC 총괄반응(반응식 3)은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 반응이 된다. 이때, 메탄올 1분자가 산소와 반응하여 2 몰의 물이 생성된다.
이때 사용되는 액체연료는 순수한 메탄올이 아닌 시스템 내부에서 발생하거나 혹은 이미 저장되어있는 물과 혼합되어 사용되어야 하며, 고농도 연료를 사용할 경우 전해질막(수소이온교환막)에서의 연료의 크로스오버(cross-over, 연료가 이온교환막을 통과하는 현상)로 인한 발전 성능감소가 크기 때문에 일반적으로 0.5 ~ 2 M (2 ~ 8 vol.%)의 저농도 메탄올로 희석하여 사용하게 된다.
도 2는 연료전지에 사용되는 기액분리장치의 모형도이다. 휴대용 연료전지에 사용되는 기액분리장치(10)는 특성상 사용하는 위치가 고정되지 않는다. 정상적인 위치(도 2의 A)에서는 애노드 전극으로부터의 희석된 미반응 연료와 이산화탄소가 인입구(inlet)(11)로 들어와서 이산화탄소는 몸체의 천정에 형성된 홀(12)을 통해서 외부로 배출되며, 미반응 연료는 몸체의 하부(lower part)에 형성된 배출구(outlet)(13)를 통해서 연료전지로 회수된다.
그러나, 기액분리장치(10)가 거꾸로 된 상태(도 2의 B)에서는 미반응 연료 및 이산화탄소의 배출구(12,13) 방향이 바뀌게 된다. 따라서, 이산화탄소가 애노드전극으로 들어갈 수 있으며, 또한, 미반응 연료가 외부로 유출될 수 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 사용하는 위치와 관계없이 기액분리기능을 수행하는 기액분리장치 및 그를 구비한 직접액체 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 직접액체연료전지의 기액 분리장치 는: 직접액체연료전지로부터의 액체와 기체를 수납하며, 상기 액체와 기체를 분리하여 배출하는 기액 분리장치에 있어서,
소정의 단면 형상을 가지며, 측면에는 복수의 개공부가 형성된 관;
상기 관의 양단에 설치되며, 상기 관 내의 상기 액체를 선택적으로 투과시키는 액체추출부재;
상기 개공부를 커버하도록 부착되어 상기 기체를 선택적으로 투과시키는 기체추출막;
상기 액체 및 기체를 상기 관의 내부로 안내하는 인입구;
상기 액체추출부재의 바깥쪽을 포위하는 챔버; 및
상기 챔버에 연결되어 상기 챔버 내의 액체를 밖으로 안내하는 배출구;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 액체추출부재는, 100 ㎛ 이하의 기공을 가지는 제1부재이다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 액체추출부재는, 상기 제1부재에 대해서 상기 관 내의 액체의 반대쪽에 설치되며, 상기 제1부재의 기공 보다 큰 기공을 가진 제2부재;를 더 구비한다.
본 발명의 일 국면에 따르면, 상기 제2부재는 상기 챔버 내를 채우도록 형성된다.
상기 기체추출막은, 폴리테트라플루오르에틸렌으로 제조될 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 기체추출막은, 상기 폴리테트라플루오르에틸렌과 다공성 강화부재가 압착되어 형성된다.
상기 관의 내부에는 흡습부재가 더 설치되는 것이 바람직하다.
상기 흡습부재는 소정 직경의 비드일 수 있다.
상기 흡습부재는 비중이 0.95 이하인 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 직접액체연료전지의 기액분리장치의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기액 분리장치가 적용되는 직접액체 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 직접액체연료전지 시스템은 직접액체 연료전지, 예컨대 연료전지 스택(190)과, 애노드 전극으로부터 방출된 희석된 미반응 액체연료와 반응생성물인 이산화탄소를 받아서 이산화탄소는 외부로 방출하고 액체연료는 워터펌프(191)로 스택(190)의 애노드 전극으로 보내는 기액분리장치(100)와, 상기 스택(190)으로 연료탱크(195)의 희석된 액체연료(메탄올)을 이송하는 워터펌프(192)와, 상기 스택(190)으로 공기를 이송하는 블로우(193)를 구비한다. 캐소드 전극에서 생성되는 물은 외부로 방출된다. 한편, 캐소드 전극으로부터 생성된 물은 기액분리장치(100) 또는 연료탱크(195)로 순환될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기액분리장치(100)의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 소정 직경의 원통관(110)의 양단에는 서로 마주보며 소정 거리 이격된 나란한 액체추출부재(liquid extracting member)(120)가 형성되어 있다. 원통관(110)의 측면에는 다수의 개공부(111)이 형성되어 있으며, 상기 개공부 (111)에는 기체추출막(gas extracting membrane)(115)이 형성되어 있다. 그리고, 각 액체추출부재(120)를 기준으로 원통관(110) 내의 액체와 반대쪽에 챔버(130)가 형성되어 있다. 각 챔버(130)에는 배출구(132)이 형성되어서 도 3의 연료전지 스택(190)의 애노드 전극으로 챔버(130) 내의 미반응 연료를 이송시킨다(도 3의 워터 펌프(P)를 사용할 수 있다). 그리고, 원통관(110)에는 외부, 예컨대 연료전지 스택(190)의 애노드전극으로부터의 액체연료와 이산화탄소를 내부로 유인하는 인입구(140)가 형성된다.
상기 액체추출부재(120)는 원통관(110) 내부의 물질과 접촉하는 제1부재(121)와, 챔버(130)를 마주보는 제2부재(122)로 이루어질 수 있다. 제1부재(121)는 100 ㎛ 이하의 기공이 형성된 폼부재일 수 있으며, 제2부재(122)는 100 ㎛ ~ 1 mm 크기의 기공이 형성된 폼 부재일 수 있다. 제1부재(121)는 선택적으로 원통관(110) 내부의 액체연료를 챔버(130) 방향으로 배출시키며, 제2부재(122)는 제1부재(121)의 액체 배출작용을 용이하게 해준다. 상기 제2부재(122)는 상기 챔버(130) 내를 채우도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 기체추출막(115)은 소수성이고 다공성인 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroetylene: PTFE)으로 제조될 수 있다. 상기 기체추출막(115)은 폴리테트라플루오르에틸렌과 통기성 천과 같은 다공성 강화부재(미도시)가 압착되어서 일정한 형상을 유지하는 것이 바람직하다. 상기 기체추출막(115)은 원통관(110) 내의 액체의 배출을 막으며, 기체, 예컨대 이산화탄소의 배출을 허여한다.
상기 액체추출부재(120)의 제1부재(121)는 내부 액체와 마주보는 제1표면 (121a)과, 제2부재(122)와 접촉되는 제2표면(121b)을 가진다. 내부 액체가 제1표면(121a)을 통해서 제1부재(121)로 스며들기 위해서는 제1부재(121)의 제1표면(121a)의 모세관력(F1)을 극복하여야 하며, 제1부재(121)에서 제2부재(122)로 이동하기 위해서는 제2표면(121b)의 모세관력(F2)을 극복하여야 한다. 한편, 액체와 접촉되는 제1표면(121a)에는 모세관력이 발생되지 않으므로, 인입관으로부터의 기체압력(P1)이 제2표면(121b) 모세관력 보다 크면 액체는 접촉된 제1부재(121)를 통과해서 제2부재(122)로 이동되며, 제2부재(122)는 제1부재(121)으로부터의 액체를 받아서 용이하게 챔버(130)로 배출하도록 한다. 한편, 액체와 접촉되지 않는 제1표면(121a)에서는 제1표면(121a) 모세관력이 존재하므로, 기체압력(P1)이 제1표면(121a) 모세관력과 제2표면(121b) 모세관력의 합 보다 커야 제1부재(121)의 기공에 있는 액체가 제2부재(122)를 거쳐서 챔버(130)로 이동될 수 있다. 액체와 접촉되지 않는 영역의 제1부재(121)가 웨팅되는 것은 기액장치의 위치가 변할 때 일어날 수 있으며, 또한, 모세관력에 의해서도 일어날 수 있다. 한편, 원통관(110) 내의 기체는 원통관(130) 내의 내부압력에 따라서 기체추출막(115)을 통해서 대기로 배출된다.
상기 챔버(130)는 금속, 플라스틱 재질 또는 플렉서블 비닐이 사용될 수 있다.
상술한 작용은 두 개의 액체추출부재(120)를 연결하는 축을 중심으로 회전되어도 기액분리장치(100)는 정상적으로 기체 및 액체를 분리할 수 있다.
도 5는 도 4의 기액분리장치의 액체추출부재가 상하로 위치할 때의 단면도이 다. 인입구(140)으로 들어온 기체 및 액체 중 액체는 제1부재(121) 및 제2부재(122)를 통해서 아래의 챔버(130)로 이동하며, 기체는 접촉하는 기체추출막(115)을 통해서 대기로 배출된다.
이와 같이 본 발명에 따른 기액분리장치(100)는 사용하는 위치에 관계없이 기액분리 기능을 수행한다.
도 6은 본 발명에 따른 기액분리장치의 원통관 내부의 압력변화를 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 원통관(110)의 인입구(115)로 워터펌프(P)의 출구를 연결하고 워터펌프(P)의 입구로 배출구(132)를 연결하였다. 공기를 150 ml/min 유속으로 원통관(110)에 주입한 후(stage 1), 워터를 40 ml/min 유속으로 순환시켰다(stage 2). 즉 워터펌프(P)로부터의 액체 및 기체를 원통관(110) 내부로 주입하고, 챔버(130)의 배출구(132)으로부터의 액체를 워터펌프(P)로 순환시켰다. 이어서, 기액 분리장치(100)를 도 5 처럼 회전시켰을 때(stage 3), 원통관(110) 내에서의 공기압력이 일정하게 유지되며 따라서 정상적으로 기액분리가 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 기액분리장치(200)의 단면도이며, 제1 실시예와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 소정 직경의 원통관(110)의 양단에는 서로 마주보며 소정 거리 이격된 나란한 액체추출부재(liquid extracting member)(120)가 형성되어 있 다. 원통관(110)의 측면에는 다수의 개공부(111)이 형성되어 있으며, 상기 개공부(111)에는 기체추출막(gas extracting membrane)(115)이 형성되어 있다. 그리고, 각 액체추출부재(120)를 기준으로 원통관(110) 내의 액체와 반대쪽에 챔버(130)가 형성되어 있다. 각 챔버(130)에는 배출구(132)이 형성되어서 도 3의 연료전지 스택(190)의 애노드 전극으로 챔버(130) 내의 미반응 연료를 이송시킨다(도 3의 워터 펌프(P)를 사용할 수 있다). 그리고, 원통관(110)에는 외부, 예컨대 연료전지 스택(190)의 애노드전극으로부터의 액체연료와 이산화탄소를 내부로 유인하는 인입구(140)가 형성된다.
상기 원통관(110)의 내부에는 과포화상태의 액체를 흡수하는 흡습부재, 예컨대 다수의 비드(210)가 채워져 있다. 상기 비드(210)는 증기상태로 되어서 기체추출막(115)을 통과하는 워터 또는 액체연료를 표면에 흡착함으로써 외부로 배출되는 액체의 양을 줄인다. 상기 비드(210)는 기체와 접촉하므로 바람직하게는 원통관(110) 내부로 유입되는 액체의 비중 보다 낮은 플라스틱 재질로 형성되어서 상기 원통관(110) 내부에 부유된 상태로 존재하는 것이 바람직하다. 원통관(110)으로 유입되는 액체의 대부분은 워터이며, 메탄올의 비중이 0.79이므로, 상기 유입 액체의 비중은 1에 가깝다. 또한 대부분의 플라스틱은 비중이 워터의 비중에 비해 낮으므로 상기 비드(210)의 물질로 이용될 수 있다. 상기 비드(210)는 바람직하게는 비중이 0.95 이하인 플라스틱으로 제조되는 것이 바람직하다.
상기 흡습부재(210)로는 허니컴 구조(미도시)의 플라스틱도 사용이 가능하다.
제2 실시예에 따른 기액분리장치(200)는 상기 비드(210)가 상기 기체추출막(115)으로 통과하는 개스상태의 액체의 양을 감소시키는 점을 제외하고는 제1 실시예의 작용과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
상기한 바와 같이, 본원 발명에 따른 기액분리장치는 사용하는 위치가 수시로 변하는 모바일용 직접액체 연료전지에 사용시,사용하는 위치의 변경에 관계없이 액체를 분리한다. 따라서 상기 기액분리장치를 구비한 연료전지는 사용하는 방향에 관계없이 성능을 발휘한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 직접액체연료전지로부터의 액체와 기체를 수납하며, 상기 액체와 기체를 분리하여 배출하는 기액 분리장치에 있어서,
    소정의 단면 형상을 가지며, 측면에는 복수의 개공부가 형성된 관;
    상기 관의 양단에 설치되며, 상기 관 내의 상기 액체를 선택적으로 투과시키는 액체추출부재;
    상기 개공부를 커버하도록 부착되어 상기 기체를 선택적으로 투과시키는 기체추출막;
    상기 액체 및 기체를 상기 관의 내부로 안내하는 인입구;
    상기 액체추출부재의 바깥쪽을 포위하는 챔버;
    상기 챔버에 연결되어 상기 챔버 내의 액체를 밖으로 안내하는 배출구;를 구비하는 것을 특징으로 하는 직접액체연료전지의 기액분리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체추출부재는, 100 ㎛ 이하의 기공을 가지는 제1부재인 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 액체추출부재는, 상기 제1부재에 대해서 상기 관 내의 액체의 반대쪽에 설치되며, 상기 제1부재의 기공 보다 큰 기공을 가진 제2부재;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2부재는 상기 챔버 내를 채운 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체추출막은, 폴리테트라플루오르에틸렌으로 제조된 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기체추출막은, 상기 폴리테트라플루오르에틸렌과 다공성 강화부재가 압착된 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 관의 내부에는 흡습부재가 더 설치된 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 흡습부재는 소정 직경의 비드인 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 흡습부재는 비중이 0.95 이하인 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
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