KR20070003070A - 직접액체연료전지의 기액 분리장치 - Google Patents

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Abstract

개시된 직접액체연료전지의 기액 분리장치는: 속이 빈 구형 형상의 몸체; 상기 몸체에 형성된 복수의 개공부에 부착되어 상기 몸체 내의 상기 기체를 선택적으로 투과시키는 기체추출막; 상기 몸체에 연결되어 상기 액체 및 기체를 상기 몸체의 내부로 안내하는 인입구; 상기 몸체에 연결되어 내부의 액체를 밖으로 안내하는 배출구; 상기 배출구에 일단이 연결되고, 타단이 상기 액체에 접촉되며, 중공구조인 플렉서블 파이프;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 기액분리장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 기액분리장치의 작용을 설명하는 단면도이다.
도 6은 본 발명에서 사용한 기체추출막의 작용 테스트에 사용된 장치의 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
100: 기액분리장치 110: 몸체
112: 개공부 120: 기체추출막
130: 인입구 140: 배출구
150: 플렉서블 튜브 160: 추
170: 서포트
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 수분을 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 발생하거 나 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 분리장치는: 직접액체연료전지로부터의 액체와 기체를 수납하며, 상기 액체와 기체를 분리 하여 배출하는 기액 분리장치에 있어서:
속이 빈 구형 형상의 몸체;
상기 몸체에 형성된 복수의 개공부에 부착되어 상기 몸체 내의 상기 기체를 선택적으로 투과시키는 기체추출막;
상기 몸체에 연결되어 상기 액체 및 기체를 상기 몸체의 내부로 안내하는 인입구;
상기 몸체에 연결되어 내부의 액체를 밖으로 안내하는 배출구; 및
상기 배출구에 일단이 연결되고, 타단이 상기 액체에 접촉되며, 중공구조인 플렉서블 튜브;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 기체추출막은 적어도 상기 몸체의 외주와 접하는 정다면체의 위치에 형성된다.
상기 정다면체는 정사면체일 수 있다.
상기 기체추출막은, 폴리테트라플루오르에틸렌으로 제조되는 것이 바람직하다.
상기 플렉서블 튜브의 상기 타단에는 소정의 추가 더 설치된 설치된 것이 바람직하다.
상기 추의 비중은 적어도 1 이상이다.
상기 플렉서블 튜브의 길이는 실질적으로 상기 몸체의 직경과 같은 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 직접액체연료전지의 기액분 리장치의 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 액체펌프(191)로 스택(190)의 애노드 전극으로 보내는 기액분리장치(100)와, 상기 스택(190)으로 연료탱크(195)의 희석된 액체연료(메탄올)을 이송하는 액체펌프(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 속이 빈 구형 몸체(110)의 내부에 직접액체연료전지의 애노드 전극으로부터 배출된 미반응된 액체연료와, 반응생성물인 이산화탄소가 혼합되어서 안내되는 인입구(130)가 형성되어 있으며, 인입구(130)와 마주보는 곳에는 액체가 연료전지로 순환되는 것을 안내하는 배출구(140)가 형성되어 있다. 상기 몸체(110)에는 복수의 개공부(112)가 형성되어 있으며, 각 개공부(112)에는 기체를 선택적으로 투과시키는 기체추출막(120)이 부착되어 있다. 상기 배출구(140)에는 상기 몸체(110) 내부에서 일단이 상기 배출구(140)에 연결되며, 타단이 몸체(110) 내의 액체와 접촉하는 중공구조의 플렉서블 튜브(150)가 설치되어 있 다. 참조번호 160은 상기 몸체(110)를 지지하는 서포터이며, 사용되는 연료전지 시스템에 고정하는 데 사용될 수 있다.
상기 개공부(112)는 상기 몸체(110)의 외주와 접하는 정다면체, 예컨대 정사면체의 꼭지점에 해당하는 위치에 적어도 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 개공부(112)가 정사면체의 꼭지점에 위치하는 것은 몸체(110)의 방향이 회전되는 상태로 기액분리장치(100)가 사용되어도, 적어도 하나 이상의 꼭지점에 해당하는 위치의 개공부(112)가 몸체(110) 내의 액체로부터 이격되며, 따라서 몸체(110) 내의 기체는 액체로부터 이격된 위치의 기체추출막(120)을 통해서 외부로 배출될 수 있다.
상기 기체추출막(120)은 소수성이고 다공성인 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroetylene: PTFE), 예컨대 상품명 "Teflon"으로 제조될 수 있다. 상기 기체추출막(120)은 폴리테트라플루오르에틸렌과 통기성 천과 같은 다공성 강화부재(미도시)가 압착되어서 일정한 형상을 유지하는 것이 바람직하다. 상기 기체추출막(120)은 몸체(110) 내의 액체의 배출을 막으며, 기체, 예컨대 이산화탄소 또는 수증기의 배출을 허여한다.
상기 플렉서블 튜브(150)는 고무재질로 제조할 수 있으며, 그 길이는 대략 구형 몸체(110)의 직경과 같은 것이 바람직하다. 그리고, 그 타단에는 비중 1 이상인 추(160)가 설치된다. 몸체(110)로 유입되는 액체의 대부분은 워터이며, 메탄올의 비중이 0.79이므로, 상기 유입 액체의 비중은 1 이하가 된다. 따라서 상기 플렉서블 튜브(150)는 상기 추(160)에 의해서 타단이 몸체(110) 내의 액체에 잠기게 한 다.
도 5는 본 발명에 따른 기액분리장치의 작용을 설명하는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 기액분리장치가 기울어진 방향으로 사용시, 연료전지로부터의 액체가 몸체(110)의 일부를 채운 경우에는 적어도 하나의 개공부(112)가 상기 액체와 이격된 위치에 있으므로 연료전지로부터의 기체인 이산화탄소 및 수증기는 몸체(110) 내의 압력 증가에 따라서 기체추출막(120)을 통해서 외부로 배출된다. 한편, 플렉서블 튜브(150)의 단은 추(160)에 의해서 몸체(110)의 최저부에 위치하게 되며, 액체펌프(도 3의 191)의 가동으로 상기 단을 통과한 액체가 배출구(140)와 연결된 연료전지의 애노드 전극으로 이송된다.
도 6은 본 발명에서 사용한 기체추출막(120)의 작용 테스트에 사용된 장치의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 용기(210)의 하부에 3 mm x 3 mm 크기의 정사각형의 개공된 부분(212)이 형성되어 있으며, 개공부(212)의 하부에는 기체추출막(220)인 소수성 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroetylene: PTFE), 즉 테프론(Teflon)이 부착되어 있다. 용기(210) 내에는 1 M 농도의 메탄올 용액이 18 mm 높이로 채워져 있으며, 메탄올 용액은 미도시된 히터로 80 ℃로 유지되었다. 테스트 결과 상기 개공부(112)에 형성된 기체추출막(220)를 통해서는 메탄올 용액이 유출되지 않는 것을 알 수 있었다.
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 (8)

  1. 직접액체연료전지로부터의 액체와 기체를 수납하며, 상기 액체와 기체를 분리하여 배출하는 기액 분리장치에 있어서,
    속이 빈 구형 형상의 몸체;
    상기 몸체에 형성된 복수의 개공부에 부착되어 상기 몸체 내의 상기 기체를 선택적으로 투과시키는 기체추출막;
    상기 몸체에 연결되어 상기 액체 및 기체를 상기 몸체의 내부로 안내하는 인입구;
    상기 몸체에 연결되어 내부의 액체를 밖으로 안내하는 배출구; 및
    상기 배출구에 일단이 연결되고, 타단이 상기 액체에 접촉되며, 중공구조인 플렉서블 튜브;를 구비하는 것을 특징으로 하는 직접액체연료전지의 기액분리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체추출막은 적어도 상기 몸체의 외주와 접하는 정다면체의 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 정다면체는 정사면체인 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체추출막은, 폴리테트라플루오르에틸렌으로 제조된 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기체추출막은, 상기 폴리테트라플루오르에틸렌과 다공성 강화부재가 압착된 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 플렉서블 튜브의 상기 타단에 설치된 추:를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 추의 비중은 적어도 1 이상인 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 플렉서블 튜브의 길이는 실질적으로 상기 몸체의 직경과 같은 것을 특징으로 하는 기액분리장치.
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