KR20080045416A - Method of driving direct oxidation fuel cell system - Google Patents

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Abstract

A method for driving a direct oxidation fuel cell system is provided to prevent a power reduction problem over time in the direct oxidation fuel cell system, thereby improving life characteristics of the fuel cell. A direct oxidation fuel cell system includes: at least one electricity generation part(101) which comprises a membrane-electrode assembly having an anode electrode and a cathode electrode placed to face each other, and a polymer electrolyte membrane placed between the anode and cathode electrodes, and separators placed on both sides of the membrane-electrode assembly, and generates electricity through oxidation of fuel and reduction of an oxidant; a fuel supply part(102) which supplies fuel to the electricity generation parts through a fuel pump(130); and an oxidant supply part(103) which supplies an oxidant to the electricity generation part. A method for driving the direct oxidation fuel cell system includes a step of performing driving under the condition capable of supplying fuel in a stoichiometry of 3-10 when a ratio of the actual amount of fuel supplied to the theoretical amount of fuel supplied is stoichiometry.

Description

직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법{METHOD OF DRIVING DIRECT OXIDATION FUEL CELL SYSTEM} METHOOD OF DRIVING DIRECT OXIDATION FUEL CELL SYSTEM}

도 1은 본 발명의 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면. 1 is a view schematically showing the structure of a direct oxidation fuel cell system of the present invention.

도 2는 본 발명의 실시예 1, 2, 4 및 비교예 1, 2에 따라 제조된 직접 산화형 연료 전지의 사용시간에 따른 전압 및 출력 밀도를 측정하여 나타낸 그래프. Figure 2 is a graph showing the measurement of the voltage and output density according to the use time of the direct oxidation fuel cell prepared according to Examples 1, 2, 4 and Comparative Examples 1, 2 of the present invention.

[산업상 이용 분야] [Industrial use]

본 발명은 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 CO2 배출을 용이하게 하여 직접 산화형 연료전지에서의 시간에 따른 출력 감소 문제를 방지하고, 이에 따라 연료전지의 수명특성을 개선할 수 있는 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for driving a direct oxidizing fuel cell system, and more particularly, to facilitate CO 2 emission, thereby preventing a problem of output reduction with time in a direct oxidizing fuel cell. The present invention relates to a method of driving a direct oxidation fuel cell system capable of improving characteristics.

[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. 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.

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. 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 Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우를 직접 메탄올형 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). The use of methanol as fuel in the direct oxidation fuel cell 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 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, in particular, it does not require a fuel reformer.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일면 "공기극" 또는 "환원 전극"이라 한다)이 위치하는 구조를 가진다.In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity comprises several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a structure laminated to several tens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called a “fuel electrode” or an “oxide electrode”) and a cathode electrode (one side “air electrode” or “reduction electrode”) with a polymer electrolyte membrane including a hydrogen ion conductive polymer therebetween. ) Is located.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 환원극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 상기 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.  The principle of generating electricity in a fuel cell is that fuel is supplied to an anode electrode, which is a fuel electrode, adsorbed to a catalyst of the anode electrode, and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. Reaching the cathode electrode, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode electrode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while generating water.

본 발명의 목적은 CO2 배출을 용이하게 하여 직접 산화형 연료전지에서의 시간에 따른 출력 감소 문제를 방지하고, 이에 따라 연료전지의 수명 특성을 개선할 수 있는 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법을 제공하는 것이다.Disclosure of Invention An object of the present invention is to drive CO 2 emissions, thereby preventing a problem of power reduction over time in a direct oxidation fuel cell, and thus driving a direct oxidation fuel cell system that can improve the life characteristics of the fuel cell. To provide.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나 이상의 전기 발생부, 연료 펌프를 통해 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부, 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법에 있어서, 이론적 연료 공급량에 대한 실제 연료 공급량의 비를 화학양론(stoichiometry)이라고 할 때, 3 내지 10의 화학양론으로 연료를 공급하는 조건하에서 구동하는 공정을 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법을 제공한다. 이때 상기 전기 발생부는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리; 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함한다. In order to achieve the above object, the present invention provides at least one electricity generating unit for generating electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant, a fuel supply unit for supplying fuel to the electricity generating unit through a fuel pump, and an oxidant In the method of driving a direct oxidation type fuel cell system including an oxidant supply unit for supplying to the electricity generating unit, when the ratio of the actual fuel supply to the theoretical fuel supply is stoichiometry, the stoichiometry is 3 to 10. A method of driving a direct oxidation fuel cell system including a step of driving under a fuel supply condition is provided. In this case, the electricity generating unit includes a membrane-electrode assembly including an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode; And separators positioned on both sides of the membrane-electrode assembly.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

직접 산화형 연료 전지는 캐소드 전극에 산화제를, 애노드 전극에 연료를 주입하여 전기화학적 반응을 유도하여 전기를 발생시키는 시스템으로, 전기화학적 반응의 결과로 캐소드 전극 쪽에서는 물이 생성되어 배출되고, 애노드 전극 쪽에서는 CO2가 발생되어 배출된다. 이때 산화제와 연료의 주입 방식에 따라 액티브 타입(active type)과 패시브 타입(passive type, 또는 air breathing 타입이라 함)으로 구분할 수 있다. 액티브 타입은 산화제 공급시 펌프를 사용하여 공급하는 방식인 반면, 패시브 타입의 경우 이같은 장비없이 대류(convection)현상에 의하여 산화제가 캐소드 전극으로 공급되며, 또한 연료 또한 일반적으로 확산 현상에 의하여 애노드 전극에 공급되게 된다. 이에 따라 패시브 타입의 연료전지의 경우 캐소드 전극에 산화제를 공급하고 물을 배출시키는 역할을 하는 주변 장치(Balance of plant: 이하 "BOP"라 함)인 산화제 압축기(Oxidant compressor)가 없고, 애노드 전 극에 연료를 공급하고 CO2를 배출시키는 BOP인 연료 공급 펌프가 없다. 따라서 이러한 일련의 반응이 원활하게 일어나기 어려울 뿐더러, 반응 생성물인 물 및 CO2 배출의 문제로 인해 막-전극 어셈블리의 출력특성이 감소하게 된다. 일반적으로 패시브 타입의 직접 산화형 연료전지에 있어서 막-전극 어셈블리의 시간 변화에 따른 출력 특성을 살펴보면 30분 내지 1시간 사이에 30 내지 50% 정도 출력 특성이 감소된다. A direct oxidation fuel cell is a system that generates electricity by inducing an electrochemical reaction by injecting an oxidant into a cathode electrode and fuel into an anode electrode, and water is generated and discharged from the cathode electrode side as a result of the electrochemical reaction. CO 2 is generated and discharged from the electrode side. At this time, it can be divided into active type (active type) and passive type (called passive type, or air breathing type) according to the injection method of the oxidant and fuel. The active type is a method of supplying the oxidant by using a pump. In the case of the passive type, the oxidant is supplied to the cathode electrode by convection without such equipment, and the fuel is also generally supplied to the anode electrode by diffusion. Will be supplied. Accordingly, in the case of the passive fuel cell, there is no oxidant compressor, which is a peripheral device (Balance of plant: BOP), which supplies an oxidant to the cathode and discharges water. There is no fuel supply pump, a BOP that fuels and releases CO 2 . Therefore, this series of reactions are difficult to occur smoothly, and the output characteristics of the membrane-electrode assembly are reduced due to the problem of releasing water and CO 2 , which are reaction products. In general, in the passive type direct oxidation type fuel cell, the output characteristics of the membrane-electrode assembly with time change are reduced by 30 to 50% between 30 minutes and 1 hour.

이에 대해 본 발명에서는 캐소드 전극측에 연료 공급을 위한 펌프를 포함하고, 상기 펌프의 연료 공급을 최적 조건으로 설정하여 연료 전지를 구동함으로써, 애노드 전극의 유량을 증가시켜 생성물인 CO2 배출을 용이하게 하여 직접 산화형 연료전지에서의 시간에 따른 출력 감소 문제를 방지하고, 이에 따라 연료전지의 수명 특성을 개선할 수 있었다. On the other hand, the present invention includes a pump for supplying fuel to the cathode electrode side, and by setting the fuel supply of the pump to the optimum conditions to drive the fuel cell, by increasing the flow rate of the anode electrode to facilitate the discharge of CO 2 as a product Therefore, it was possible to prevent the power reduction problem over time in the direct oxidation fuel cell, thereby improving the life characteristics of the fuel cell.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법은, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나 이상의 전기 발생부, 연료 펌프를 통하여 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부, 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법으로서, 이론적 연료 공급량에 대한 실제 연료 공급량의 비를 화학양론(stoichiometry)이라고 할 때, 상기 3 내지 10의 화학양론으로 연료를 공급하는 조건하에서 구동하는 공정을 포함한다. That is, the driving method of the direct oxidation type fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes at least one electricity generation unit for generating electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, and the fuel through the fuel pump. A method of driving a direct oxidation fuel cell system comprising a fuel supply unit for supplying an electricity generator and an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generator, wherein the ratio of the actual fuel supply to the theoretical fuel supply is called stoichiometry. In this case, the step of driving under the conditions of supplying fuel at the stoichiometry of the 3 to 10.

보다 바람직하게는, 상기 연료 전지는 3 내지 6의 화학양론으로 연료를 공급 하는 조건하에서 구동하는 것이 좋다. 화학양론이 3 미만이면 CO2 배출이 및 연료의 공급에 있어 바람직하지 않고, 10을 초과하면 메탄올 크로스오버가 증가하여 출력이 급감하므로 바람직하지 않다. More preferably, the fuel cell may be operated under conditions for supplying fuel with stoichiometry of 3 to 6. If the stoichiometry is less than 3, CO2 emission is not preferable for supplying fuel and if it is more than 10, methanol crossover is increased and output is drastically reduced, which is not preferable.

또한 상기 연료 전지는 상온 내지 50℃의 온도 범위에서 구동하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 30℃ 내지 50℃의 온도 범위에서 구동하는 것이 좋다. 상온이란 통상적으로 당업자에게 알려진 15℃를 의미한다. 연료전지의 구동 온도 범위가 상온보다 낮을 경우 캐소드 전극에서의 플러딩(flooding)으로 운전 안정성이 저하되어 바람직하지 않고, 50℃를 초과할 경우 멤브레인이 건조되어 출력이 감소하므로 바람직하지 않다. In addition, the fuel cell is preferably driven at a temperature range of room temperature to 50 ° C, more preferably at a temperature range of 30 ° C to 50 ° C. Room temperature means 15 ° C usually known to those skilled in the art. When the driving temperature range of the fuel cell is lower than room temperature, it is not preferable because the operation stability is lowered by flooding at the cathode electrode, and when the temperature exceeds 50 ° C, the membrane is dried and the output is decreased, which is not preferable.

또한 상기 연료는 1 내지 10M의 농도로 사용되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 2M 내지 5M의 농도로 사용되는 것이 바람직하다. 연료의 농도가 1M 미만이면 농도가 낮아 연료 공급에 있어 바람직하지 않고, 10M을 초과하면 메탄올 크로스오버가 증가해 출력이 급감하므로 바람직하지 않다. In addition, the fuel is preferably used at a concentration of 1 to 10M, more preferably at a concentration of 2M to 5M. If the concentration of the fuel is less than 1M, the concentration is low, which is not preferable for fuel supply. If the concentration of the fuel is more than 10M, the methanol crossover increases and the output decreases rapidly, which is not preferable.

본 발명의 일 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명의 연료 전지 시스템은 연료를 펌프(130)을 통하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내고 있으나, 본 발명의 연료전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며 펌프를 사용하지 않고, 확산 방식을 이용하는 시스템 구조에 사용할수도 있음은 당연한 일이다. A schematic structure of a direct oxidation fuel cell system according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. 1. Referring to Figure 1 in more detail as follows. However, although the fuel cell system of the present invention represents a system for supplying fuel to the electricity generation unit through the pump 130, the fuel cell system of the present invention is not limited to this structure, and does not use a pump, but uses a diffusion method. Of course, it can also be used in system architecture.

본 발명의 일 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(101)와, 상기 전기 발생부로 연료 펌프(130)를 통해 연료를 공급하는 연료 공급부(102)와, 상기 전기 발생부(101)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(103)를 포함하여 구성된다. The direct oxidation fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention includes at least one electric generator 101 for generating electrical energy through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, and a fuel pump to the electricity generator. And a fuel supply unit 102 for supplying fuel through the 130, and an oxidant supply unit 103 for supplying an oxidant to the electricity generating unit 101.

상기 전기 발생부(101)는 막-전극 어셈블리, 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터(바이폴라 플레이트, 전류 집전체라고도 함, 110)를 포함하며, 상기 전기 발생부의 최외각 애노드 전극측의 세퍼레이터(110)는 연료 공급부(102)와 연결된다. The electricity generating unit 101 includes a membrane-electrode assembly and a separator (bipolar plate, also referred to as a current collector, 110) located on both sides of the membrane-electrode assembly, and the outermost anode electrode side of the electricity generating unit The separator 110 is connected to the fuel supply unit 102.

상기 전기 발생부(101)에서 연료 공급부(102)와 연결되지 않는 면에는 산화제 공급부(103)가 위치한다. 상기 산화제 공급부(103)는 세퍼레이터의 역할을 하면서, 다수의 통기공(140)을 통하여 상기 전기 발생부(101)로 산소 또는 공기와 같은 산화제를 공급하는 역할을 한다. The oxidant supply unit 103 is positioned on the surface of the electricity generating unit 101 that is not connected to the fuel supply unit 102. The oxidant supply unit 103 serves as a separator and supplies an oxidant such as oxygen or air to the electricity generating unit 101 through a plurality of vent holes 140.

상기 연료 공급부(102)는 연료를 저장하는 연료 탱크(120), 및 상기 연료 탱크에 연결 설치되는 연료 펌프(130)를 포함하며, 상기 전기 발생부(101)에 연결 설치되어 펌프의 구동력에 의하여 연료를 상기 전기 발생부(101)로 공급할 수 있다. The fuel supply unit 102 includes a fuel tank 120 for storing fuel, and a fuel pump 130 connected to the fuel tank. The fuel supply unit 102 is connected to the electricity generating unit 101 and is driven by a driving force of the pump. Fuel may be supplied to the electricity generating unit 101.

또한 상기 전기 발생부에서의 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. In addition, the membrane-electrode assembly in the electricity generating unit includes an anode electrode and a cathode electrode located opposite each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode.

보다 상세하게는, 상기 막-전극 어셈블리에서의 애노드 전극 및 캐소드 전극중 적어도 하나는 전극 기재, 및 촉매층을 포함한다. More specifically, at least one of the anode electrode and the cathode electrode in the membrane-electrode assembly includes an electrode substrate and a catalyst layer.

상기 전극 기재는 연료 전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 하는 것이다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrate serves to support the fuel cell electrode while spreading the fuel and the oxidant to the catalyst layer so that the fuel and the oxidant can easily access the catalyst layer. The electrode substrate is a conductive substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer fiber composed of metal cloth in a fibrous state). The metal film is formed on the surface of the cloth formed with)) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리된 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 캐소드 전극의 촉매층에서 전기 화학적으로 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material, since it is possible to prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by the electrochemically generated water in the catalyst layer of the cathode when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene or copolymers thereof can be used.

상기 전극 기재 위에는 촉매층이 형성된다. A catalyst layer is formed on the electrode substrate.

상기 촉매층은 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 것으로, 촉매를 포함한다.The catalyst layer catalyzes the associated reaction (oxidation of fuel and reduction of oxidant) and includes a catalyst.

상기 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상 기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 사용할 수 있다. 이와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 바람직하다. 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.As the catalyst, any one that can be used as a catalyst may participate in the reaction of the fuel cell, and as a representative example, a platinum-based catalyst may be used. Platinum-based catalysts include platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloys, platinum-osmium alloys, platinum-palladium alloys, and platinum-M alloys (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni). , A transition metal selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, and combinations thereof), and mixtures thereof. As described above, the anode electrode and the cathode electrode may use the same material, but in order to prevent the catalyst poisoning caused by CO generated during the anode electrode reaction in the direct oxidation fuel cell, a platinum-ruthenium alloy catalyst is used as the anode. It is more preferable as an electrode catalyst. Specific examples include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, Pt / Ru / Sn / W, and mixtures thereof may be used.

또한 이러한 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노와이어, 카본나노볼, 또는 활성탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 또는 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.In addition, such a catalyst may be used as the catalyst itself (black), or may be used on a carrier. As the carrier, carbon-based materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball, or activated carbon may be used, and alumina, silica, zirconia, Or inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.  The catalyst layer may further include a binder resin for improving the adhesion of the catalyst layer and the transfer of hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있 는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있고, 보다 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다. It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder resin, more preferably a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. Any polymer resin can be used. Preferably, a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether A hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, copolymers thereof, and mixtures thereof, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly ( Perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5 , 5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole), copolymers thereof and mixtures thereof Line in county made up Which may be the hydrogen-ion conductive polymer.

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다. The binder resin may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a nonconductive compound for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로 프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산, 소르비톨(Sorbitol), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 보다 바람직하다. Examples of the non-conductive compound include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoro propylene (PVdF-HFP), dode More preferably, they are selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid, sorbitol, copolymers thereof and mixtures thereof.

또한, 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리은 전극 기재에서의 반응물의 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer: 미도시)이 더욱 형성될 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring) 등을 포함할 수 있다. In addition, the membrane-electrode assembly according to the present invention may further be formed with a microporous layer (not shown) to enhance the diffusion effect of the reactants on the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring, and the like.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, 또는 N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드 등을 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. As the binder resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, and the like may be preferably used. The solvent may be ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, or the like. Alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like can be preferably used. The coating process may be a screen printing method, a spray coating method or a coating method using a doctor blade or the like depending on the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

또한 상기와 같은 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리는 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. In addition, the membrane-electrode assembly including the electrode includes a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode.

상기 고분자 전해질 막으로는 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용하는 것이 바람직하다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 들 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. It is preferable to use a polymer having excellent hydrogen ion conductivity as the polymer electrolyte membrane. Representative examples thereof may be any 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. Preferably, a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether Ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, copolymers thereof, and mixtures thereof, and more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally Nafion). Commercially available), poly (perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m -Phenylene) -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole), their air Group consisting of coalescing and mixtures thereof Can be selected from.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.It is also possible to substitute H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in the cation exchanger of such a hydrogen ion conductive polymer. In the cation exchanger at the side chain terminal, when Na is replaced with Na, tetrabutylammonium hydroxide is used when tetrabutylammonium is used, and K, Li or Cs may be substituted with an appropriate compound. Can be. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 산화형 연료 전지를 구동시키면, 산화제 공급부로부터 전기 발생부의 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 또한 연료 공급부로부터 연료 펌프를 통해 전기 발생부의 애노드 전극에 연료가 공급된다. 이와 같이 전기 발생부의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 공급된 연료 및 산화제로부터 유도된 전기화학적 반응에 의해 전기가 발생되게 된다. When driving the direct oxidation fuel cell according to the embodiment of the present invention having the structure as described above, the oxidant is supplied from the oxidant supply unit to the cathode electrode of the electricity generation unit, and the anode electrode of the electricity generation unit through the fuel pump from the fuel supply unit Is supplied with fuel. As such, electricity is generated by an electrochemical reaction induced from the fuel and the oxidant supplied to the cathode electrode and the anode electrode of the electricity generating unit.

이때, 상기 직접 산화형 연료 전지는 이론적 연료 공급량에 대한 실제 연료 공급량의 비를 화학양론(stoichiometry)이라고 할 때, 상기 3 내지 10의 화학양론으로 연료를 공급하는 조건하에서 구동하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 상기 연료 펌프는 3 내지 6의 화학양론으로 연료를 공급하는 조건하에서 구동하는 것이 바람직하다. In this case, when the ratio of the actual fuel supply to the theoretical fuel supply is stoichiometry, the direct oxidation fuel cell is preferably operated under the condition of supplying fuel at the stoichiometry of 3 to 10. Preferably, the fuel pump is preferably operated under conditions of supplying fuel with stoichiometry of 3 to 6.

또한 상기 직접 산화형 연료 전지는 상온 내지 50℃의 온도 범위에서 구동하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 30 내지 50℃의 온도 범위에서 구동하는 것이 좋다. In addition, the direct oxidation fuel cell is preferably driven in a temperature range of room temperature to 50 ℃, more preferably in a temperature range of 30 to 50 ℃.

이때 연료로는 기체 또는 액체 상태의 탄화수소 연료를 사용할 수 있으며, 대표적으로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스 등을 들 수 있다. 보다 바람직하게는 메탄올을 사용할 수 있다. 상기 연료는 1 내지 10M의 농도로 사용되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 2M 내지 5M의 농도로 사용되는 것이 바람직하다. 연료의 농도가 1M 미만이면 농도가 낮아 연료 공급에 있어 바람직하지 않고, 10M을 초과하면 메탄올 크로스오버가 증가해 출력이 급감하므로 바람직하지 않다.In this case, the fuel may be a gaseous or liquid hydrocarbon fuel, and examples thereof include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas. More preferably, methanol can be used. The fuel is preferably used at a concentration of 1 to 10M, more preferably at a concentration of 2M to 5M. If the concentration of the fuel is less than 1M, the concentration is low, which is not preferable for fuel supply. If the concentration of the fuel is more than 10M, the methanol crossover increases and the output decreases rapidly, which is not preferable.

상기와 같은 구동 방법으로 직접 산화형 연료전지를 구동함으로써, CO2 배출 을 용이하게 하여 직접 산화형 연료전지에서의 시간에 따른 출력 감소 문제를 방지하고, 이에 따라 연료전지의 수명 특성을 개선할 수 있었다. 이러한 효과는 패시브 타입의 직접 산화형 연료 전지에서 보다 극대화될 수 있다. By driving the direct oxidation fuel cell by the above driving method, it is possible to facilitate the emission of CO 2 to prevent the problem of output reduction with time in the direct oxidation fuel cell, thereby improving the life characteristics of the fuel cell. there was. This effect can be maximized in passive type direct oxidation fuel cells.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 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 by the following examples.

(참고예) (Reference example)

캐소드 전극용 촉매로서 Pt/C 촉매 88 중량%와 바인더로 5 중량% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 사용하여 캐소드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다. PtRu/C 촉매를 사용한 것을 제외하고는 상기와 동일한 방법으로 실시하여 애노드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다. A catalyst composition for the cathode electrode was prepared using 88 wt% of a Pt / C catalyst as a cathode electrode and 12 wt% of Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) at a concentration of 5 wt% as a binder. . A catalyst composition for the anode electrode was prepared in the same manner as above except that the PtRu / C catalyst was used.

상기 캐소드 전극용 촉매 조성물 및 애노드 전극용 촉매 조성물을 스프레이 코팅기(spray coater)를 이용하여 각각 상업용 연료전지용 고분자 전해질 막(Nafion 115 Membrane, 듀폰사제)의 일면에 도포하여 캐소드 전극 촉매층 및 애노드 전극 촉매층을 형성하였다. 이때, 캐소드 전극의 촉매층 및 애노드 전극의 촉매층에서의 촉매로딩량은 각각 6mg/cm2 및 1.5mg/cm2로 하였다. The cathode electrode catalyst composition and the anode electrode catalyst composition were respectively applied to one surface of a commercial fuel cell polymer electrolyte membrane (Nafion 115 Membrane, manufactured by DuPont) using a spray coater to apply a cathode electrode catalyst layer and an anode electrode catalyst layer. Formed. At this time, the catalyst loading amounts in the catalyst layer of the cathode electrode and the catalyst layer of the anode electrode were 6 mg / cm 2 and 1.5 mg / cm 2 , respectively.

상기 촉매층이 형성된 고분자 전해질 막 양면에 각각 가스켓을 지지대로 사용하여 E-Tek사의 ELAT 전극 기재를 적층한 후 120℃에서 7분간 열간 압연하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다. 막-전극 어셈블리의 활성 표면적(Active area)은 25cm2 로 하였다. 상기 막-전극 어셈블리를 하나 이상 적층하여 전기 발생부를 제조하였다. Using a gasket as a support on each side of the polymer electrolyte membrane on which the catalyst layer was formed, an ELAT electrode substrate of E-Tek was laminated, and hot rolled at 120 ° C. for 7 minutes to prepare a membrane-electrode assembly. The active area of the membrane-electrode assembly was 25 cm 2 . At least one membrane-electrode assembly was stacked to manufacture an electricity generator.

상기 전기 발생부의 애노드 전극쪽에 연료 펌프 및 연료 탱크를 포함하는 연료 공급부를 부착시키고, 캐소드 전극 쪽은 개방시켜 직접 산화형 연료 전지를 제조하였다. A fuel supply unit including a fuel pump and a fuel tank was attached to the anode electrode side of the electricity generating unit, and the cathode electrode side was opened to manufacture a direct oxidation fuel cell.

(실시예 1) (Example 1)

상기 참고예에서 제조된 직접 산화형 연료전지에 대하여, 상온에서 캐소드 전극쪽을 대기중에 개방하여 산화제를 대류 방식(convection type)으로 공급하였으며, 테스트 스테이션(test Station, WonAtech사제)을 이용하여 3M의 MeOH를 3의 화학양론으로 정량 펌프를 통해 애노드 전극쪽으로 공급하여 연료 전지를 구동하였다. For the direct oxidation type fuel cell manufactured in the above reference example, the cathode was opened in the air at room temperature, and the oxidant was supplied in a convection type, and the test station (Test Station, manufactured by WonAtech) was used. MeOH was supplied to the anode electrode through a metering pump with a stoichiometry of 3 to drive the fuel cell.

(실시예 2) (Example 2)

상기 참고예에서 제조된 직접 산화형 연료전지에 대하여 상온에서 캐소드 전극쪽을 대기중에 개방하여 산화제를 대류 방식으로 공급하였으며, 테스트 스테이션(test Station, WonAtech사제)을 이용하여 3M의 MeOH를 4의 화학양론으로 정량 펌프를 통해 애노드 전극쪽으로 공급하여 연료 전지를 구동하였다. For the direct oxidation type fuel cell prepared in the reference example, the cathode electrode side was opened in the air at room temperature to supply the oxidant in a convection manner, and 3M MeOH was chemically treated using a test station (manufactured by WonAtech). On the contrary, the fuel cell was driven by feeding it toward the anode electrode through a metering pump.

(실시예 3) (Example 3)

상기 참고예에서 제조된 직접 산화형 연료전지에 대하여 상온에서 캐소드 전극쪽을 대기중에 개방하여 산화제를 대류 방식으로 공급하였으며, 테스트 스테이 션(test Station, WonAtech사제)을 이용하여 3M의 MeOH를 5의 화학양론으로 정량 펌프를 통해 애노드 전극쪽으로 공급하여 연료 전지를 구동하였다. For the direct oxidation type fuel cell prepared in the reference example, the cathode electrode side was opened in the air at room temperature to supply the oxidant in a convection manner, and 3M MeOH of 5 was tested using a test station (test station, manufactured by WonAtech). The stoichiometry of the fuel cell was driven by feeding it to the anode electrode through a metering pump.

(실시예 4) (Example 4)

상기 참고예에서 제조된 직접 산화형 연료전지에 대하여 캐소드 전극쪽을 대기중에 개방하여 산화제를 대류 방식으로 공급하였으며, 테스트 스테이션(test Station, WonAtech사제)을 이용하여 3M의 MeOH를 6 화학양론으로 정량 펌프를 통해 애노드 전극쪽으로 공급하여 연료 전지를 구동하였다. For the direct oxidation fuel cell prepared in the reference example, the cathode electrode side was opened in the air to supply the oxidant in a convection manner, and 3M MeOH was determined by 6 stoichiometry using a test station (manufactured by WonAtech). The fuel cell was driven by feeding the pump toward the anode electrode.

(실시예 5) (Example 5)

상기 참고예에서 제조된 직접 산화형 연료전지에 대하여 30℃에서 캐소드 전극쪽을 대기중에 개방하여 산화제를 대류 방식으로 공급하였으며, 테스트 스테이션(test Station, WonAtech사제)을 이용하여 1M의 MeOH를 4의 화학양론으로 정량 펌프를 통해 애노드 전극쪽으로 공급하여 연료 전지를 구동하였다. For the direct oxidation fuel cell manufactured in the reference example, the cathode electrode side was opened in the air at 30 ° C. in the air to supply the oxidant in a convection manner, and 1 M of MeOH was added using a test station (test station, manufactured by WonAtech). The stoichiometry of the fuel cell was driven by feeding it to the anode electrode through a metering pump.

(실시예 6) (Example 6)

상기 참고예에서 제조된 직접 산화형 연료전지에 대하여 50℃에서 캐소드 전극쪽을 대기중에 개방하여 산화제를 대류 방식으로 공급하였으며, 테스트 스테이션(test Station, WonAtech사제)을 이용하여 5M의 MeOH를 6의 화학양론으로 정량 펌프를 통해 애노드 전극쪽으로 공급하여 연료 전지를 구동하였다. For the direct oxidation type fuel cell prepared in the reference example, the cathode was opened at 50 ° C. in the air to supply the oxidant in a convection manner, and 5 M of MeOH was added using a test station (test station, manufactured by WonAtech). The stoichiometry of the fuel cell was driven by feeding it to the anode electrode through a metering pump.

(비교예 1) (Comparative Example 1)

상기 참고예에서 제조된 직접 산화형 연료전지에 대하여 상온에서 캐소드 전극쪽을 대기중에 개방하여 산화제를 대류 방식으로 공급하였으며, 테스트 스테이 션(test Station, WonAtech사제)을 이용하여 3M의 MeOH를 1의 화학양론으로 정량 펌프를 통해 애노드 전극쪽으로 공급하여 연료 전지를 구동하였다. For the direct oxidation type fuel cell manufactured in the reference example, the cathode electrode side was opened in the air at room temperature to supply the oxidant in a convection manner, and 3M MeOH of 1 was tested using a test station (test station, manufactured by WonAtech). The stoichiometry of the fuel cell was driven by feeding it to the anode electrode through a metering pump.

(비교예 2) (Comparative Example 2)

상기 참고예에서 제조된 직접 산화형 연료전지에 대하여 상온에서 캐소드 전극쪽을 대기중에 개방하여 산화제를 대류 방식으로 공급하였으며, 테스트 스테이션(test Station, WonAtech사제)을 이용하여 3M의 MeOH를 2의 화학양론으로 정량 펌프를 통해 애노드 전극쪽으로 공급하여 연료 전지를 구동하였다. For the direct oxidation fuel cell manufactured in the reference example, the cathode electrode side was opened in the air at room temperature to supply an oxidant in a convection manner, and 3M MeOH was chemically treated using a test station (manufactured by WonAtech). On the contrary, the fuel cell was driven by feeding it toward the anode electrode through a metering pump.

상기 실시예 1, 2, 4 및 비교예 1, 2의 연료전지에 대하여 전지 전압이 0.33V가 되는 전류를 인가하여 30분동안 정전압 조건에서 시간에 따른 전압 강하 현상을 측정하였다. 결과를 도 2에 나타내었다. The voltage drop over time was measured for 30 minutes under constant voltage conditions by applying a current having a battery voltage of 0.33 V to the fuel cells of Examples 1, 2, and 4 and Comparative Examples 1 and 2. The results are shown in FIG.

도 2에서 비교예 2의 분당 연료의 공급유량은 0.069ml/min이었으며, 실시예 1의 경우 0.104ml/min, 및 실시예 2의 경우 0.138ml/min이었다.In FIG. 2, the flow rate of fuel per minute of Comparative Example 2 was 0.069 ml / min, 0.104 ml / min for Example 1, and 0.138 ml / min for Example 2.

측정결과, 0.33V에서의 비교예 1의 출력밀도는 21 mW/cm2, 비교예 2의 경우 23 mW/cm2, 실시예 1의 경우 20 mW/cm2, 실시예 2의 경우 18 mW/cm2, 실시예 4의 경우 21 mW/cm2을 나타내었다.As a result, the output density of Comparative Example 1 at 0.33V was 21 mW / cm 2 , 23 mW / cm 2 for Comparative Example 2 , 20 mW / cm 2 for Example 1, 18 mW / for Example 2 In the case of cm 2 , example 4, 21 mW / cm 2 was shown.

도 2에 나타난 바와 같이, 본원 발명의 화학양론 범위내로 연료가 공급되도록 설정되어 구동한 실시예 1, 2 및 4의 연료전지는 시간의 경과에 따른 전압 강하 정도가 비교예 1 및 2에 비해 현저히 감소되었음을 확인할 수 있었다. 이로부터 이로부터 출력 밀도의 감소 정도도 현저히 향상되어 직접 산화형 연료전지의 수명 특성이 개선됨을 예상할 수 있었다. As shown in FIG. 2, the fuel cells of Examples 1, 2, and 4, which are set and driven to supply fuel within the stoichiometric range of the present invention, have a significantly lower voltage drop over time than Comparative Examples 1 and 2. It was confirmed that the decrease. From this, the reduction of the output density was also significantly improved, and the life characteristics of the direct oxidation fuel cell could be expected to be improved.

실시예 3, 5 및 6의 연료전지에 대해서도 상기와 동일한 방법으로 실시하여 출력밀도를 측정하였다. 그 결과 실시예 1에서와 동등 수준의 출력밀도를 나타내었다.The fuel densities of Examples 3, 5 and 6 were also carried out in the same manner as described above to measure the output density. As a result, the same power density as in Example 1 was shown.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

본 발명의 연료전지 구동 방법은 CO2 배출을 용이하게 하여 직접 산화형 연료전지에서의 시간에 따른 출력 감소 문제를 방지하고, 이에 따라 연료전지의 수명 특성을 개선할 수 있다. The fuel cell driving method of the present invention facilitates the emission of CO 2 to prevent the problem of power reduction with time in the direct oxidation fuel cell, thereby improving the life characteristics of the fuel cell.

Claims (7)

서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리; 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나 이상의 전기 발생부; A membrane-electrode assembly comprising an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode; And at least one electricity generating unit including separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly and generating electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant. 연료 펌프를 통하여 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit through a fuel pump; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법으로서, A driving method of a direct oxidation fuel cell system comprising an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generation unit, 이론적 연료 공급량에 대한 실제 연료 공급량의 비를 화학양론(stoichiometry)이라고 할 때, 3 내지 10의 화학양론으로 연료를 공급하는 조건하에서 구동하는 공정을 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법. A method of driving a direct oxidation fuel cell system comprising a step of operating under a condition of supplying fuel at a stoichiometry of 3 to 10 when the ratio of the actual fuel supply to the theoretical fuel supply is stoichiometry. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 구동 방법은 3 내지 6의 화학양론으로 연료를 공급하는 조건하에서 구동하는 공정을 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법. And the driving method includes driving under a condition of supplying fuel at stoichiometry of 3 to 6. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 연료 전지의 구동 온도는 상온 내지 50℃인 것인 직접 산화형 연료 전 지 시스템의 구동 방법. The driving temperature of the fuel cell is a method of driving a direct oxidation fuel cell system is a room temperature to 50 ℃. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 연료는 기체 또는 액체 상태의 탄화수소 연료인 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법. And the fuel is a gaseous or liquid hydrocarbon fuel. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 연료는 메탄올인 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법. And the fuel is methanol. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 연료는 1 내지 10M의 농도로 사용되는 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법. And the fuel is used at a concentration of 1 to 10M. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 연료 전지 시스템은 패시브 타입 연료 전지 시스템인 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법.And the fuel cell system is a passive fuel cell system.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100196800A1 (en) * 2009-02-05 2010-08-05 Markoski Larry J High efficiency fuel cell system
US8163429B2 (en) * 2009-02-05 2012-04-24 Ini Power Systems, Inc. High efficiency fuel cell system
US9065095B2 (en) 2011-01-05 2015-06-23 Ini Power Systems, Inc. Method and apparatus for enhancing power density of direct liquid fuel cells

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