KR20070023927A - Direct oxidation fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 일 실시예에 따른 카르복실산 첨가 방법을 나타낸 도면.1 is a view showing a carboxylic acid addition method according to an embodiment of a fuel cell system of the present invention.
도 2는 본 발명의 연료 전지 시스템의 다른 실시예에 따른 카르복실산 첨가 방법을 나타낸 도면.2 illustrates a method of adding a carboxylic acid according to another embodiment of a fuel cell system of the present invention.
도 3은 본 발명의 연료 전지 시스템의 또 다른 실시예에 따른 카르복실산 첨가 방법을 나타낸 도면.3 illustrates a method of adding a carboxylic acid according to another embodiment of a fuel cell system of the present invention.
도 4는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.4 schematically shows the structure of a fuel cell system of the present invention;
도 5는 본 발명의 실시예 1의 연료 전지 시스템의 0.4V 출력 밀도를 다양한 온도에서 측정한 결과를 나타낸 그래프.Figure 5 is a graph showing the results of measuring the 0.4V output density of the fuel cell system of Example 1 of the present invention at various temperatures.
도 6은 비교예 1의 연료 전지 시스템의 0.4V 출력 밀도를 다양한 온도에서 측정한 결과를 나타낸 그래프.6 is a graph showing the results of measuring 0.4V output density of the fuel cell system of Comparative Example 1 at various temperatures.
도 7은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 연료 전지 시스템의 0.3V 출력 밀도를 30℃ 온도에서 측정한 결과를 나타낸 그래프.7 is a graph showing the results of measuring 0.3V output density of the fuel cell systems of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention at a temperature of 30 ° C.
도 8은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 연료 전지 시스템의 0.3V 출력 밀도를 50℃ 온도에서 측정한 결과를 나타낸 그래프.8 is a graph showing the results of measuring 0.3V output density of the fuel cell systems of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 of the present invention at a temperature of 50 ° C.
도 9는 본 발명의 실시예 1 및 2와 비교예 1 내지 2의 연료 전지 시스템의 0.3V 출력 밀도를 30℃ 온도에서 측정한 결과를 나타낸 그래프.9 is a graph showing the results of measuring the 0.3V output density of the fuel cell systems of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention at a temperature of 30 ° C.
도 10은 본 발명의 실시예 1 및 2와 비교예 1 내지 2의 연료 전지 시스템의 0.3V 출력 밀도를 50℃ 온도에서 측정한 결과를 나타낸 그래프.10 is a graph showing the results of measuring the 0.3V output density of the fuel cell systems of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention at a temperature of 50 ° C.
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고출력을 낼 수 있는 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a direct oxidation fuel cell system, and more particularly to a direct oxidation fuel cell system capable of high output.
[종래 기술][Prior art]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 반응속도가 느려서 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도가 낮고, 출력이 낮으며, 많은 양의 전극 촉매를 사용하여야 하나, 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮으며 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a slower reaction rate and has a lower energy density, a lower output, and a larger amount of electrode catalyst than the polymer electrolyte fuel cell. However, the liquid fuel is easy to handle and the operating temperature is high. Has the advantage of being low and in particular not requiring a fuel reformer.
본 발명의 목적은 고출력을 낼 수 있는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a direct oxidation fuel cell system capable of producing high output.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 것인 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료 및 산화제의 전기화학적반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하고, 또한 연료 및 카르복실산을 포함하고, 상기 애노드 전극으로 연료 및 카르복실산을 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes at least one membrane-electrode assembly and a separator comprising an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, A fuel supply and an oxidant comprising at least one electricity generating unit for generating electricity through an electrochemical reaction of a fuel and an oxidant, and comprising a fuel and a carboxylic acid, and supplying fuel and carboxylic acid to the anode electrode. Provided is a direct oxidation fuel cell system including an oxidant supply unit for supplying an electricity generation unit.
상기 애노드 전극은 카르복실산 분해 개질 촉매층 산화촉매층 및 상기 카르 복실산 분해 개질 촉매층과 상기 산화촉매층 사이에 위치하는 전극 기재를 포함할 수 있다.The anode electrode may include a carboxylic acid decomposition reforming catalyst layer oxidation catalyst layer and an electrode substrate positioned between the carboxylic acid decomposition reforming catalyst layer and the oxidation catalyst layer.
또한, 상기 연료 공급부로부터 연료 및 카르복실산을 공급받아 상기 카르복실산을 수소로 개질하여 연료 및 수소를 상기 애노드 전극으로 공급하는 카르복실산 개질기를 더욱 포함할 수도 있다.The fuel supply unit may further include a carboxylic acid reformer that receives fuel and carboxylic acid from the fuel supply unit and reforms the carboxylic acid with hydrogen to supply fuel and hydrogen to the anode electrode.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 직접 산화형 연료 전지에 관한 것으로서, 이 전지는 일반적으로 액체 연료를 애노드 전극에 공급하여 애노드 전극에서 산화 반응에 의하여 수소 이온을 발생시키고, 이 수소 이온이 캐소드의 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다. 따라서 전체적인 반응 속도가 느려서 전력 출력이 낮으며, 과량의 금속 촉매를 사용하는 문제가 있었다.BACKGROUND OF THE
본 발명에서는 이러한 직접 산화형 연료 전지의 출력을 높이기 위해서 스택에 공급되는 연료에 수소를 공급하기 위한 물질로서, 카르복실산을 사용하였다. 이러한 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부와 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 하며, 적어도 하나의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 이 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. In the present invention, carboxylic acid is used as a substance for supplying hydrogen to the fuel supplied to the stack in order to increase the output of such a direct oxidation fuel cell. The fuel cell system of the present invention includes at least one electricity generating portion, a fuel supply portion, and an oxidant supply portion. The electricity generation unit serves to generate electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, and includes at least one membrane-electrode assembly and a separator. The membrane-electrode assembly includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other, and includes a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode.
상기 연료 공급부는 상기 애노드 전극으로 연료 및 카르복실산을 공급하고, 상기 산화제 공급부는 상기 전기 발생부로 산화제를 공급하는 역할을 한다.The fuel supply unit supplies fuel and carboxylic acid to the anode, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generator.
이어서, 상기 각 구성에 대하여 보다 자세하게 설명하도록 한다.Next, each configuration will be described in more detail.
상기 연료 공급부는 상기 애노드 전극으로 연료 및 카르복실산을 공급하는 역할을 한다. 본 발명에 있어서 상기 연료란 메탄올, 에탄올, 디메톡시에탄 등의 직접 산화형 연료 전지에서 일반적으로 사용되는 탄화수소 연료를 의미하며, 이 연료들은 액상 상태로 또는 기상 상태로 사용하여도 무방하다. 아울러, 일반적으로 액상 상태로 사용하는 경우에는 액상 연료의 산화 반응의 활성을 증가시키기 위하여 물을 혼합하여 사용할 수 있다.The fuel supply unit serves to supply fuel and carboxylic acid to the anode electrode. In the present invention, the fuel refers to a hydrocarbon fuel generally used in a direct oxidation fuel cell such as methanol, ethanol, dimethoxyethane, etc., and these fuels may be used in a liquid state or a gaseous state. In addition, in the case of using a liquid phase in general, water may be used in combination to increase the activity of the oxidation reaction of the liquid fuel.
상기 카르복실산은 개질 반응을 통해 수소를 생성시킬 수 있는 물질로서, 이 카르복실산으로는 포름산, 아세트산 또는 프로파논산(propanoic acid)을 사용할 수 있다.The carboxylic acid is a substance capable of generating hydrogen through a reforming reaction, and formic acid, acetic acid or propanoic acid may be used as the carboxylic acid.
상기 카르복실산은 0.001 내지 1M의 농도로 사용하는 것이 바람직하다. 카르복실산을 0.001M 농도보다 작을 경우 카르복실산을 사용하는 의미가 없으며, 1M 농도보다 클 경우, 연료 전지의 에너지 밀도가 저하되어 바람직하지 않다.The carboxylic acid is preferably used at a concentration of 0.001 to 1M. When the carboxylic acid is less than 0.001M concentration, it is not meant to use carboxylic acid, and when the carboxylic acid is higher than 1M concentration, the energy density of the fuel cell is lowered, which is not preferable.
본 발명의 연료 전지 시스템에서 상기 애노드 전극은 카르복실산 분해 및 개질 촉매 코팅층이 일면에 형성된 전극 기재와 개질 촉매 코팅층과 대향하는 전극 기재의 다른 일면에 위치하는 산화촉매층을 포함한다. In the fuel cell system of the present invention, the anode electrode includes an electrode substrate having a carboxylic acid decomposition and reforming catalyst coating layer formed on one side and an oxidation catalyst layer located on the other side of the electrode substrate facing the reforming catalyst coating layer.
상기 카르복실산 분해 및 개질 촉매 코팅층은 Pt, Pd, Ru, Au, Rh, Fe, Cu 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함한다. 상기 촉매로는 상기 담체에 담지되지 않은 블랙(black) 타입의 촉매를 사용할 수도 있고, 담체에 담지된 타입의 촉매를 사용할 수도 있다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다.The carboxylic acid decomposition and reforming catalyst coating layer includes a catalyst selected from the group consisting of Pt, Pd, Ru, Au, Rh, Fe, Cu and alloys thereof. As the catalyst, a black type catalyst not supported on the carrier may be used, or a catalyst type supported on the carrier may be used. As the carrier, carbon such as acetylene black, denka black, carbon black, ketjen black, activated carbon, and graphite may be used, or inorganic fine particles such as alumina, silica, titania, zirconia, etc. may be used. It is used.
상기 카르복실산 분해 및 개질 촉매 코팅층은 약 5㎛ 이하의 두께가 적절하다.The carboxylic acid decomposition and reforming catalyst coating layer is suitable for a thickness of about 5㎛ or less.
상기 카르복실산 분해 및 개질 촉매 코팅층은 연료 및 카르복실산이 스택에서 애노드 전극에 공급될 때, 상기 코팅층을 통과함에 따라 카르복실산을 산화시켜 H2 가스로 개질시키는 역할을 한다.The carboxylic acid decomposition and reforming catalyst coating layer serves to oxidize the carboxylic acid to H 2 gas as it passes through the coating layer when fuel and carboxylic acid are supplied to the anode electrode in the stack.
또한, 본 발명의 연료 전지 시스템은 연료 공급부로부터 연료 및 카르복실산을 공급받아, 카르복실산을 개질시켜 H2 가스를 생성하여, 이 H2 가스를 연료와 함께 스택의 애노드 전극에 공급하는 카르복실산 개질기를 더욱 포함할 수도 있다. 이 개질기에는 상기 카르복실산 분해 및 개질 코팅층에 사용된 촉매를 그대로 사용할 수 있다.In addition, the fuel cell system of the present invention is a carboxylic which when supplied with fuel and carboxylic acid from the fuel supply unit, by modifying the carboxylic acid to produce the H 2 gas supplied to the anode electrode of the stack with the H 2 gas and the fuel It may further comprise an acid modifier. In this reformer, the catalyst used in the carboxylic acid decomposition and reforming coating layer may be used as it is.
이와 같이 카르복실산을 연료 전지 시스템에 사용하여, 카르복실산으로부터 생성되는 수소 가스가 연료와 함께 애노드 전극에 주입되므로, 첨가되는 수소 자체가 전기 출력을 높이는 연료로 사용될 뿐만 아니라 연료에서 수소를 만들어내는 반응을 가속시키는(homogeneous catalytic reaction) 촉진제로서의 기능을 함께 한다. 따라서, 연료의 산화 반응이 빨라 연료로부터 수소 이온이 생성되는 전환율이 빨라, 종래 애노드 전극에서 미반응한 연료가 캐소드 전극 쪽으로 넘어가 산화되는 연료의 크로스오버(crossover) 현상을 급격하게 줄일 수 있다.In this way, the carboxylic acid is used in the fuel cell system so that the hydrogen gas generated from the carboxylic acid is injected into the anode electrode together with the fuel, so that the added hydrogen itself is used not only as a fuel for increasing the electric output but also to produce hydrogen in the fuel It functions as an accelerator to accelerate the reaction (homogeneous catalytic reaction). Therefore, the oxidation reaction of the fuel is fast and the conversion rate at which hydrogen ions are generated from the fuel is fast, so that the crossover phenomenon of the fuel in which the unreacted fuel is oxidized from the conventional anode electrode to the cathode electrode can be drastically reduced.
또한, 수소가 첨가됨에 따라 연료의 pH가 산성(pH 5.6 이하)을 나타낸다. In addition, the pH of the fuel shows acidic (pH 5.6 or less) as hydrogen is added.
상기 산화촉매층에서 촉매로는 금속 촉매를 사용하며, 그 예로는 백금 또는 백금과 전이 금속을 포함하는 2원계 내지 4원계 합금을 사용할 수 있다. 상기 전이 금속으로는 루테늄, 크롬, 구리 또는 니켈을 사용할 수 있다. 이중에서, 직접 산화형 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 같은 합금 촉매를 주로 사용하고 있다. 또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다. In the oxidation catalyst layer, a metal catalyst is used as the catalyst, and examples thereof include platinum or a binary to quaternary alloy containing platinum and a transition metal. Ruthenium, chromium, copper or nickel may be used as the transition metal. Among them, an alloy catalyst such as platinum-ruthenium is mainly used in the direct oxidation fuel cell in order to prevent catalyst poisoning caused by CO generated during the anode electrode reaction. In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbon such as acetylene black, denka black, activated carbon, ketjen black, graphite may be used, or inorganic fine particles such as alumina, silica, titania, zirconia may be used, but carbon is generally used.
본 발명에서 카르복실산을 첨가하는 방법을 첨부된 도 1 내지 도 3을 참고하여 설명하기로 한다. 카르복실산을 첨가하는 일 실시예를 도 1에 나타내었으며, 도 1에 나타낸 것과 같이, 연료와 카르복실산을 하나의 연료 공급부(1)에서 혼합하여 스택(5)의 애노드 전극(54)에 주입하고, 스택(5)의 캐소드 전극(56)에 산화제인 산소 함유 가스(7)를 주입한다. 이때, 카르복실산은 카르복실산 분해 및 개질 코팅층(54c)을 통과하면서 H2 가스로 개질되어, 전극 기재(54b)를 연료와 함께 통과하 여 촉매층(54a)에서 H+를 생성한다. 또한 이때, 생성되는 전자(e-)의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 상기 생성된 H+는 고분자 전해질 막(58)을 통하여 상기 캐소드 전극(56)으로 이동하여 캐소드 전극(56)에 주입된 산소와 반응하여 H2O를 생성하고, 연료 전지 전체 반응에서 생성되는 H2O와 CO2는 배출한다.A method of adding carboxylic acid in the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. An embodiment of adding carboxylic acid is shown in FIG. 1, and as shown in FIG. 1, fuel and carboxylic acid are mixed in one
카르복실산을 첨가하는 다른 실시예를 도 2에 나타내었으며, 도 2에 나타낸 것과 같이, 연료와 카르복실산을 하나의 연료 공급부(10)에서 카르복실산 개질기(13)를 통과하여 스택(15)의 애노드 전극에 주입하고, 스택(15)의 캐소드 전극에 산화제인 산소 함유 가스(17)를 주입한다. 상기 카르복실산은 상기 카르복실산 개질기(13)를 통과하면서, H2 가스로 개질되어 연료와 함께 스택(15)의 애노드 전극에 주입되어, H2O를 생성하고, 연료 전지 전체 반응에서 생성되는 H2O와 CO2는 배출한다.Another embodiment of adding carboxylic acid is shown in FIG. 2, and as shown in FIG. 2, fuel and carboxylic acid are passed through a
카르복실산 첨가 방법의 또 다른 실시예를 도 3에 나타내었으며, 도 3에 나타낸 것과 같이, 연료와 카르복실산을 하나의 연료 공급부(30)에서 스택(35)의 애노드 전극(356)에 주입하고 스택(35)의 캐소드 전극(356)에 산화제인 산소 함유 가스(37)를 주입하여 전기를 생성하고, 생성되는 H2O와 CO2는 배출한다.Another embodiment of the carboxylic acid addition method is shown in FIG. 3, and as shown in FIG. 3, fuel and carboxylic acid are injected into the
상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는역할을 한다. 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 이 막-전극 어셈블리 양측에 위치하는 세퍼레이터를 포함한다. 상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 일반적으로 하나 이상 포함하며, 하나 이상의 전기 발생부를 통칭하여 스택(stack)이라 한다. The electricity generation unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant. The electricity generating unit includes a membrane electrode assembly and a separator positioned at both sides of the membrane electrode assembly. The electricity generating unit generally includes at least one membrane-electrode assembly and a separator, and the at least one electricity generating unit is collectively referred to as a stack.
상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 상기 애노드 전극과 캐소드 전극은 일반적으로 전극 기재(backing layer)에 촉매층이 형성된 구성된 구조를 가진다. 상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper)나 탄소 천(carbon cloth)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The membrane-electrode assembly includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode. The anode electrode and the cathode electrode generally have a structure in which a catalyst layer is formed on an electrode backing layer. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffuses the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. A conductive substrate is used as the electrode substrate, and carbon paper or carbon cloth may be used as a representative example, but is not limited thereto.
상기 촉매층에서 촉매로는 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 사용하며, 그 예로는 백금 또는 백금과 전이 금속을 포함하는 2원계 내지 4원계 합금을 사용할 수 있다. 상기 전이 금속으로는루테늄, 크롬, 구리 또는 니켈을 들 수 있다. As the catalyst in the catalyst layer, a so-called metal catalyst which catalyzes the related reaction (oxidation of fuel and reduction of oxidant) is used. For example, platinum or a binary or quaternary alloy containing platinum and transition metal may be used. Can be. Examples of the transition metal include ruthenium, chromium, copper or nickel.
연료 전지에서 애노드 전극과 캐소드 전극에 사용되는 촉매로는 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화형 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 애노드 전극에서는 백금-루테늄 같은 합금 촉매를 주로 사용하고 있다. In the fuel cell, the same material may be used as the catalyst used for the anode electrode and the cathode electrode, but in the direct oxidation fuel cell, in order to prevent catalyst poisoning due to CO generated during the anode electrode reaction, The anode electrode mainly uses an alloy catalyst such as platinum-ruthenium.
또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다. In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbon such as acetylene black and graphite may be used, or inorganic fine particles such as alumina and silica may be used. Generally, carbon is widely used.
상기 고분자 전해질 막으로는 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가지며, 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. 상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. 일반적으로 상기 고분자 전해질 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.As the polymer electrolyte membrane, a polymer having an ion exchange function of transferring hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode to the catalyst layer of the cathode electrode and having excellent hydrogen ion conductivity may be used. Representative examples thereof include a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain. Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone It may include at least one selected from a polymer, a polyether-etherketone-based polymer or a polyphenylquinoxaline-based polymer, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene with fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) may be used. To 200 μm Has a thickness.
상기 세퍼레이터에는 애노드 전극으로 연료를 공급하고, 캐소드 전극으로 산화제를 공급하기 위한 유로 채널이 형성되어 있으며, 금속 또는 흑연으로 형성된다.The separator is provided with a flow channel for supplying fuel to the anode and supplying an oxidant to the cathode, and formed of metal or graphite.
상기 산화제 공급부는 상기 전기 발생부로 산화제를 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소 또는 이를 포함하는 공기를 사용할 수 있다. The oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generator. As the oxidant, oxygen or air containing the same may be used.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 도 4에 개략적으로 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 4에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 산화제를 확산 방식으로 공급하는 타입의 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.The structure of the fuel cell system of the present invention having such a configuration is schematically shown in FIG. 4, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 4 shows a system for supplying fuel and an oxidant to an electric generator using a pump, the fuel cell system of the present invention is not limited to such a structure, but a fuel cell of a type for supplying an oxidant in a diffusion manner. Of course, it can also be used for system architecture.
본 발명의 연료 전지 시스템(600)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(68)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급원(60)과, 산화제를 상기 전기 발생부(68)로 공급하는 산화제 공급원(69)을 포함하여 구성된다.The
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(60)는 연료를 저장하는 연료 탱크(62)와, 연료 탱크(62)에 연결 설치되는 연료 펌프(64)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(64)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(62)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.In addition, the
상기 전기 발생부(68)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(69)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(63)를 구비하며, 이러한 전기 발생부(68)가 적어도 하나 모여 스택(67)을 구성한다.The
상기 전기 발생부(68)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(65)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 바이폴라 플레이트(64,66)를 포함하는 단위 셀(68)로 구성된다.The
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
(실시예 1)(Example 1)
Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 및 Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량%와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 사용하여 애노드 전극용 촉매 조성물 및 캐소드 전극용 촉매 조성물을 각각 제조하였다. Anode using 88 wt% Pt-Ru black (Johnson Matthey) and Pt black (Johnson Matthey) catalyst and 12 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) at 5 wt% concentration as binder Catalyst compositions for electrodes and catalyst compositions for cathode electrodes were prepared, respectively.
상기 애노드 전극용 촉매 조성물을 0.2mg/cm2의 탄소 함량을 갖는 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하고, 상기 캐소드 전극용 촉매 조성물을 1.3mg/cm2의 탄소 함량을 갖는 탄소지 전극 기재에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 촉매 로딩량은 8mg/cm2로 하였다.Applying the catalyst composition for the anode electrode on a carbon paper electrode substrate having a carbon content of 0.2mg / cm 2 to produce an anode electrode, the catalyst composition for the cathode electrode on a carbon paper electrode substrate having a carbon content of 1.3mg / cm 2 It was applied to prepare a cathode electrode. At this time, the catalyst loading in the anode electrode and cathode electrode was 8mg / cm 2 .
제조된 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설포네이트) 고분자 전해질 막을 이용하여 단위 전지를 제조하였다.A unit cell was prepared using the prepared anode and cathode electrodes and a commercial Nafion 115 (perfluorosulfonate) polymer electrolyte membrane.
상기 단위 전지를 이용하여 스택을 제조하고, 1M 메탄올과 1M 포름산을 이 스택에 공급하여 도 3의 나타낸 구조의 연료 전지 시스템을 구동하였다.A stack was prepared using the unit cell, and 1M methanol and 1M formic acid were supplied to the stack to drive a fuel cell system having the structure shown in FIG.
(실시예 2)(Example 2)
1M 포름산 대신 0.1M 포름산을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that 0.1 M formic acid was used instead of 1 M formic acid.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
포름산을 주입하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was conducted except that no formic acid was injected.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
메탄올을 주입하지 않고, 1M 포름산만을 주입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that only 1 M formic acid was injected without methanol injection.
(비교예 3)(Comparative Example 3)
0.1M 포름산을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Comparative Example 2 was carried out except that 0.1 M formic acid was used.
* 온도 특성* Temperature characteristic
상기 실시예 1 및 비교예 1의 연료 전지 시스템의 0.4V 출력 밀도를 상온(25℃), 50℃, 60℃ 및 70℃에서 측정한 결과를 하기 표 1 및 도 5와 도 6에 각각 나타내었다.The 0.4V output density of the fuel cell systems of Example 1 and Comparative Example 1 was measured at room temperature (25 ° C), 50 ° C, 60 ° C and 70 ° C, and the results are shown in Table 1 and FIGS. .
상기 표 1 및 도 5와 도 6에 나타낸 것과 같이, 포름산을 메탄올 연료와 함께 애노드 전극에 주입한 실시예 1의 연료 전지 시스템이 메탄올만 주입한 비교예 1의 연료 전지 시스템에 비해 출력 밀도가 향상되었으며, 특히 고온에서의 출력 밀도 향상율이 매우 높음을 알 수 있다.As shown in Table 1 and FIGS. 5 and 6, the fuel cell system of Example 1 in which formic acid is injected into the anode electrode together with methanol fuel improves the output density compared to the fuel cell system of Comparative Example 1 in which only methanol is injected. In particular, it can be seen that the power density improvement rate is particularly high at high temperatures.
* 포름산 사용 유무* Use of formic acid
상기 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 연료 전지 시스템의 0.3V 및 0.4V 출력 밀도를 30℃ 및 50℃에서 각각 측정한 후, 그 결과를 하기 표 2 및 3에 각각 나타내었다. 또한, 0.3V 출력 밀도를 30℃에서 측정한 결과를 도 7에 그리고 50℃에서 측정한 결과를 도 8에 각각 나타내었다. 하기 표 2 및 3에서, 증가율은 비교예 1에 대한 실시예 1의 출력 밀도 증가율을 나타낸다.After measuring 0.3V and 0.4V output densities of the fuel cell systems prepared according to Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 at 30 ° C and 50 ° C, respectively, the results are shown in Tables 2 and 3, respectively. It was. In addition, the result of measuring 0.3V power density at 30 degreeC is shown in FIG. 7, and the result of measuring at 50 degreeC is shown in FIG. In Tables 2 and 3 below, the rate of increase represents the rate of increase in power density of Example 1 relative to Comparative Example 1.
상기 표 2 및 표 3과 도 7 및 도 8에 나타낸 것과 같이, 메탄올만 사용한 비교예 1에 비하여 포름산을 사용한 비교예 2의 연료 전지 시스템이 30℃ 및 50℃ 그리고 0.3V 및 0.4V에서 출력 밀도가 다소 상승하긴 하였으나, 메탄올과 포름산을 동시에 사용한 실시예 1의 연료 전지 시스템이 비교예 2보다도 월등히 높음을 알 수 있다.As shown in Table 2 and Table 3 and FIGS. 7 and 8, the fuel cell system of Comparative Example 2 using formic acid, compared to Comparative Example 1 using only methanol, has an output density at 30 ° C. and 50 ° C. and 0.3 V and 0.4 V. Although slightly increased, it can be seen that the fuel cell system of Example 1 using methanol and formic acid at the same time is significantly higher than that of Comparative Example 2.
* 포름산 농도 효과* Formic acid concentration effect
상기 실시예 1 및 2와 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 연료 전지 시스템의 0.3V 및 0.4V 출력 밀도를 30℃ 및 50℃에서 각각 측정하여, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 아울러, 0.3V 출력 밀도를 30℃에서 측정한 결과를 도 9에 그리고 0.3V 출력 밀도를 50℃에서 측정한 결과를 도 10에 각각 나타내었다. The 0.3V and 0.4V output densities of the fuel cell systems prepared according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3 were measured at 30 ° C. and 50 ° C., respectively, and the results are shown in Table 4 below. In addition, the results of measuring 0.3V output density at 30 ° C. are shown in FIG. 9 and the results of 0.3V output density at 50 ° C. are shown in FIG. 10, respectively.
상기 표 4에 나타낸 것과 같이, 포름산만 사용한 비교예 1 및 포름산만을 사용한 비교예 2 및 3의 연료 전지 시스템은 50℃의 고온에서는 출력 밀도가 현저하게 감소하는 반면에, 메탄올과 포름산을 함께 사용한 실시예 1 및 2의 전지에서는 저농도를 사용하여도 고온에서도 출력 밀도가 향상됨을 알 수 있다.As shown in Table 4, the fuel cell systems of Comparative Example 1 using only formic acid and Comparative Examples 2 and 3 using only formic acid significantly reduced the output density at a high temperature of 50 ° C, while using methanol and formic acid together. In the batteries of Examples 1 and 2, it can be seen that the output density is improved even at a high temperature even at a low concentration.
또한, 25℃, 즉 저온에서의 출력이 비교예 1 내지 3에 비하여 실시예 1 내지 2가 현저하게 높음을 알 수 있다. 이 결과에 따라 연료 및 산화제 공급을 펌프를 사용하지 않는 확산 방식의 직접 산화형 연료 전지에 적용하기 용이할 것을 예측할 수 있다.In addition, it can be seen that Examples 1 to 2 are significantly higher than those of Comparative Examples 1 to 3 at 25 ° C, that is, at low temperatures. Based on these results, it can be predicted that the fuel and oxidant supply will be easy to apply to the diffusion type direct oxidation fuel cell without using a pump.
본 발명의 직접 산화형 연료 전지 시스템은 카르복실산을 연료와 함께 애노드 전극에 공급하여 고출력을 나타낼 수 있다.The direct oxidation fuel cell system of the present invention can exhibit high power by supplying carboxylic acid along with fuel to the anode electrode.
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