KR20070037209A - 액상의 연료를 사용하는 연료전지 - Google Patents

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Abstract

지속적인 연료공급이 가능한 액상의 연료를 사용하는 연료전지에 관한 것으로,애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재되어 형성되며, 원통형 구조인 전해질막-전극 합성체, 상기 전해질막-전극 합성체가 설치되며, 내부에 물과 액상의 연료가 혼합된 혼합연료가 저장되는 하우징, 상기 하우징의 하부에 유체소통이 가능하게 설치하는 다공성부재, 상기 다공성부재와 유체소통이 가능하게 설치하며, 내부에는 상기 액상의 연료가 저장되는 원료연료용기를 포함하는 것을 특징으로 하기 때문에, 애노드 전극에서 생성되는 물을 별도로 처리할 필요가 없고, 상기 물을 이용하여 지속적으로 상기 혼합연료를 공급할 수 있기 때문에, 보다 고효율의 연료전지 운전이 가능하다.
직접메탄올연료전지, 패시브형, 원통형, 전해질막전극접합체

Description

액상의 연료를 사용하는 연료전지{fuel cell using liquid fuel}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올 연료전지의 조립도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올형 연료전지의 사시도,
도 3은 도 2의 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올형 연료전지를 절단선 AA'를 따라 절단한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 전해질막-전극 합성체 110 : 전해질막
111 : 애노드전극 112 : 캐소드전극
130 : 하우징 140 : 다공성부재
150 : 원료연료용기
본 발명은 액상의 연료를 사용하는 연료전지에 관한 것으로, 특히 지속적인 연료공급이 가능한 패시브형 직접 메탄올 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올 연료전지, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 전기를 발생하는 작동원리는 유사하지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는, 비교적 저온에서 동작이 가능하고, 원료연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기를 사용하지 않고 메탄올을 직접 연료로 사용하기 때문에, 보다 콤팩트하게 구성할 수 있다. 그래서 휴대용 전자 기기 등의 전원으로 사용이 가능하다.
상기 직접 메탄올 연료전지에서 전기가 발생하는 부분은 전해질막-전극 합성체이다. 상기 전해질막-전극 합성체는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재되어 부착된 형태로 구성되며, 일반적으로는 판상형 구조이다. 상기 애노드 전극에는 메탄올이 공급되며, 상기 메탄올은 애노드 전극의 촉매 상에서 물과 반응하여 이산화탄소, 수소이온 및 전자로 분해된다. 상기 수소이온은 상기 전해질 막을 통해 상기 캐소드 전극으로 이동하며, 상기 전자는 외부 전선을 통해 상기 캐소드 전극으로 이동한다. 상기 캐소드 전극에는 통상의 공기에 포함된 산소가 공급되며, 상기 애노드 전극에서 이동되어 온 상기 전자와 상기 수소이온 그리고 산소가 촉매 상에서 반응하여 물을 생성한다. 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극의 반응이 이루어지면 소정의 전위 차가 발생한다. 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극에서 일어나는 전기화학반응을 반응식으로 나타내면 아래의 반응식 1과 같다.
애노드 전극 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
캐소드 전극 : 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
전 체 : CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O
한편 별도의 연료공급장치 또는 공기공급장치를 부가하지 않고, 상기 애노드 전극을 메탄올과 직접 대면시키고 상기 캐소드 전극을 공기중에 노출시킴으로서, 별도의 동력원 없이도 상기 전해질막-전극 합성체에 메탄올과 공기 중의 산소를 공급할 수 있다. 이러한 유형의 연료전지를 통상 패시브형 직접 메탄올 연료전지(passive type DMFC)라고 한다. 또한 연료공급장치는 생략하지만 공기공급장치는 부가하는 유형의 연료전지를 통상 세미 패시브형 직접 메탄올 연료전지(semi passive type DMFC)라고 한다. 상기 패시브형 직접 메탄올 연료전지 또는 세미 패시브형 연료전지는 별도의 연료공급장치 또는 공기공급장치를 필요로 하지 않아 불필요한 기생 전력의 소모가 적으며, 컴팩트하게 구성할 수 있는 장점이 있다.
상기 패시브형 직접 메탄올 연료전지에 연료를 공급할 때에는 통상적으로는 메탄올에 물을 혼합하여 농도를 낮춘 메탄올을 상기 혼합연료로 공급한다. 고농도 메탄올을 연료로 사용하면 애노드 전극 측에 접하는 상기 메탄올이 반응하지 않고 상기 전해질막을 넘어 반대측의 캐소드 전극으로 넘어가는, 이른바 크로스오버(cross over) 현상이 더욱 발생하기 때문이다. 하지만 통상적으로는 고농도 메탄올만이 공급되기 때문에 별도로 물을 혼합하는 것이 번거로울 수 있고, 따라서 지속적으로 상기 혼합연료를 공급하는데 어려울 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 도출된 것으로, 고농도 메탄올을 공급하더라도 전해질막-전극 합성체에서 발생하는 물과 혼합하여 적절한 농도의 메탄올을 생성하여 지속적으로 공급할 수 있는 패시브형 직접 메탄올 연료전지를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지는, 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재되어 형성되며, 원통형 구조인 전해질막-전극 합성체, 상기 전해질막-전극 합성체가 설치되며, 내부에 물과 액상의 연료가 혼합된 혼합연료가 저장되는 하우징, 상기 하우징의 하부에 유체소통이 가능하게 설치하는 다공성부재, 상기 다공성부재와 유체소통이 가능하게 설치하며, 내부에는 상기 액상의 연료가 저장되는 원료연료용기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전해질막-전극 합성체는 상기 애노드 전극이 외측에 설치되고 상기 캐 소드 전극이 내측에 설치될 수 있고, 상기 전해질막-전극 합성체는 일단이 개구되고, 타단에는 반투막이 설치될 수 있으며, 상기 전해질막-전극 합성체의 상기 타단은 상기 다공성부재와 접할 수 있다. 상기 직접 메탄올 연료전지는 상기 애노드 전극이 외기에 노출되어 산소가 공급될 수 있고, 상기 애노드 전극에 공기를 공급하는 공기공급수단을 더 구비할 수 있다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명을 명확히 하기 위한 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 도면상에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올 연료전지의 조립도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올형 연료전지의 사시도이다.
도 1 및 도 2의 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올 연료전지에 있어, 연료라 함은 통상의 메탄올을 의미하며, 특히 원료연료라 함은 고농도의 메탄올을 의미하고, 혼합 연료라 함은 상기 원료연료와 물의 혼합물을 의미한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올 연료전지는 전해질막-전극 합성체(100)이 고정설치된 하우징(130), 다공성 부재(140) 및 원료연료용기(150)으로 구성된다.
전해질막-전극 합성체(100)는 원통형 구조이고, 전해질막-전극 합성체(100) 의 일단은 개구되며, 타단은 반투막(113)이 설치된다. 전해질막-전극 합성체(100)는 애노드 전극(111)과 캐소드 전극(112) 사이에 전해질막(110)이 개재되는데, 전해질막-전극 합성체(100)의 외측에는 애노드전극(111)이 설치되고, 전해질막-전극 합성체(100)의 내측에는 캐소드전극(112)이 설치된다.
하우징(130)은 비전도성 재질로 제조되며, 내부에 저장되는 상기 혼합연료에 대하여 내식성을 갖는다. 하우징(130)의 하부는 개구되며, 하우징(130)의 상부면에는 적어도 하나의 개구(131)가 타공된다. 개구(131)를 통하여 전해질막-전극 합성체(100)가 하우징(130) 내부에 삽입되고 고정 설치된다. 개구된 전해질막-전극 합성체(100)의 일단은 하우징(130) 외부를 향하고, 반투막(113; 도 3 참조)이 설치된 전해질막-전극 합성체(100)의 타단은 하우징(130) 내부에 위치한다. 각각의 전해질막-전극 합성체(100)는 각각의 애노드전극(111)과 캐소드전극(112)이 도선(120)을 통해 서로 전기적으로 연결되어, 전체적으로 직렬로 연결된다. 하우징(130)의 내부에는 액상의 상기 혼합연료가 저장되며, 상기 혼합연료는 전해질막-전극 합성체(100)의 애노드 전극(111)과 접하게 된다.
다공성부재(140)는 하우징(130)의 하부에 설치되며, 다공성부재(140)의 표면에는 반투막(113)이 설치된 전해질막-전극 합성체(100)의 타단과 대응하는 수개의 홈(141)이 형성된다. 홈(141)은 다공성부재(140)의 중간 부분까지 파여있고, 다공성부재(140)를 하우징(130)의 하부에 설치시에 전해질막-전극 합성체(100)의 타단이 삽입된다.
원료연료용기(150)는 상부가 개구되며 하단에는 소정의 두께로 스페이서 (151)가 설치된다. 다공성부재(140)는 원료연료용기(150)의 상부를 통해 설치되며 스페이서(151)에 의해 지지된다. 스페이서(151)에 의해 형성되는 소정의 공간에는상기 원료 연료가 저장된다. 원료연료용기(150)에는 주입구(미도시)등이 설치되어 상기 원료연료를 추가로 공급할 수도 있고, 상기 원료연료가 담긴 다른 원료연료용기(150)로 교체할 수도 있다.
상기 구성을 통하여, 전해질막-전극 합성체(100)의 캐소드 전극(112)에는 외기가 접하여 산소와 접하게 되고, 애노드 전극(111)에는 하우징(130)에 저장된 상기 혼합연료가 접한다. 또한 다공성부재(140)에는 하우징(130)에 저장된 상기 혼합연료와, 원료연료용기(150)에 저장된 상기 원료연료와, 전술한 작용으로 애노드 전극(111)에서 발생하는 물이 흡습되어 혼합된다. 이러한 과정을 통해 다공성 부재(140)에서 적절한 농도의 상기 혼합연료가 생성되며, 이러한 상기 혼합연료는 하우징(130)에 지속적으로 공급될 수 있다.
도 3은 도 2의 본 발명의 실시예에 따른 패시브형 직접 메탄올 연료전지를 절단선 AA'를 따라 절단한 단면도이다.
도 3을 참조하면 다공성부재(140)의 상부에 상기 혼합연료, 다공성부재(140)의 중심부에 캐소드 전극(112)에서 발생하는 물, 다공성부재(140)의 하부에 상기 원료연료와 접하게 된다. 따라서 다공성부재(140)에는 상기 원료연료, 물, 상기 원료연료가 흡습되어 혼합된다. 한편 다공성 부재(140)와 접하는 전해질막-전극 합성체(100)의 타단에는 반투막(113)이 설치되기 때문에, 삼투현상으로 인하여 물은 반 투막(113)을 통과하여 고농도의 원료연료가 흡습된 다공성부재(140)로 이동할 수 있는 반면에, 다공성부재(140)에 흡습된 고능도의 원료연료 및 혼합연료는 반투막(113)을 통과하지 못한다. 따라서 다공성부재(140)에는 상기 물이 지속적으로 공급될 수 있다. 이처럼 생성된 상기 혼합연료는 하우징(130) 내부에 지속적으로 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 패시브형 직접 매탄올 연료전지에 의하면, 고농도의 원료 연료만 공급하여도 애노드 전극에서 생성되는 물과 상기 혼합연료와 혼합되어 적절한 농도의 상기 혼합연료가 생성될 수 있다. 따라서 패시브형 직접 매탄올 연료전지의 애노드 전극에서 생성되는 물을 별도로 처리할 필요가 없고, 상기 물을 이용하여 지속적으로 상기 혼합연료를 공급할 수 있기 때문에, 보다 고효율의 연료전지 운전이 가능하다.

Claims (6)

  1. 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 전해질막이 개재되어 형성되며, 원통형 구조인 전해질막-전극 합성체;
    상기 전해질막-전극 합성체가 설치되며, 내부에 물과 액상의 연료가 혼합된 혼합연료가 저장되는 하우징;
    상기 하우징의 하부에 유체소통이 가능하게 설치하는 다공성부재;
    상기 다공성부재와 유체소통이 가능하게 설치하며, 내부에는 상기 연료가 저장되는 원료연료용기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해질막-전극 합성체는 상기 애노드 전극이 외측에 설치되고 상기 캐소드 전극이 내측에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전해질막-전극 합성체는 일단이 개구되고, 타단에는 반투막이 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전해질막-전극 합성체의 상기 타단은 상기 다공성부재와 접하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지는 상기 애노드 전극이 외기에 노출되어 산소가 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지는 상기 애노드 전극에 공기를 공급하는 공기공급수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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