KR20080065533A - 직접 메탄올 연료 전지용 co2 세퍼레이터 - Google Patents

직접 메탄올 연료 전지용 co2 세퍼레이터 Download PDF

Info

Publication number
KR20080065533A
KR20080065533A KR1020070130979A KR20070130979A KR20080065533A KR 20080065533 A KR20080065533 A KR 20080065533A KR 1020070130979 A KR1020070130979 A KR 1020070130979A KR 20070130979 A KR20070130979 A KR 20070130979A KR 20080065533 A KR20080065533 A KR 20080065533A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
membrane
separator
fuel cell
methanol fuel
direct methanol
Prior art date
Application number
KR1020070130979A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100970401B1 (ko
Inventor
마티아스 브로놀드
토어스텐 바우만
마르코 그루너
임마누엘 로젠펠드
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to JP2008000542A priority Critical patent/JP4628431B2/ja
Priority to CN2008100017628A priority patent/CN101237052B/zh
Priority to US11/971,840 priority patent/US8871396B2/en
Publication of KR20080065533A publication Critical patent/KR20080065533A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100970401B1 publication Critical patent/KR100970401B1/ko

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/02Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor characterised by their properties
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0687Reactant purification by the use of membranes or filters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2325/00Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/02Details relating to pores or porosity of the membranes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126Humidifying
    • H01M8/04141Humidifying by water containing exhaust gases
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

본 발명은, 단일층 또는 다중층 막을 구비한 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터로서, (i) 상기 막은 막의 내측에서 이를 마주보도록 위치하는 막의 외측까지 연장되는 복수 개의 확산 채널들을 구비하며, 상기 막의 외측에서 상기 확산 채널들의 평균 직경은 상기 막의 내측에서 상기 확산 채널들의 평균 직경보다 적어도 3배 더 크고; (ii) 상기 막의 내측 표면과 외측 표면 그리고 상기 확산 채널들의 내부 표면은 소수성인 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터를 개시한다.

Description

직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터{CO2 separator for direct methanol fuel cell system}
본 발명은 CO2 세퍼레이터 및 이를 구비한 직접 메탄올 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 연속적으로 주입된 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환하는 갈바니 전지이다. 일반적으로 연료 전지는 막(membrane) 또는 전해질에 의해 분리된 두 개의 전극들로 구성되어 있다. 애노드는 연료, 예컨대 수소, 메탄 또는 메탄올의 흐름에 의해 둘러싸여 있고, 이 연료는 애노드에서 산화된다. 캐소드는 산화제, 예컨대 산소, 과산화수소(hydrogen peroxide) 또는 티오시안산칼륨(potassium thiocyanate)의 흐름에 의해 둘러싸여 있고, 이 연료는 캐소드 전극에서 환원된다. 연료 전지의 유형에 의존해서, 단일 부품을 구현하기 위해 사용되는 물질들은 서로 다르게 선택되어야 한다.
직접 메탄올 연료 전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 약 60-120℃ 정도로 낮은 온도 범위에서 작동하는 저온 연료 전지이다. 이러한 유형의 연료 전지 는 전해질로서 폴리머 막을 사용한다. 사전에 리포밍(reforming)되지 않은 메탄올(CH3OH)이 애노드에서 산화될 물과 함께 애노드에 직접 공급된다. 이산화탄소(CO2)가 폐가스로 애노드에서 형성된다. 산화제로서 캐소드에 공급되는 대기 산소는 수소 이온(H+) 및 전자들과 반응하여 물을 형성한다. 직접 메탄올 연료 전지의 장점은 플라스틱 카트리지에 저장될 수 있는 액상으로 되어 있고, 저장하기 쉬우며, 매우 값싼 에너지원을 사용한다는 데에 있다. 더욱이, 메탄올을 위한 거대하게 확장된 기반 시설이 많은 분야, 예컨대 차량의 전면 유리 와셔 용액에 첨가되는 부동액 첨가제로의 사용에서와 같이 이미 존재하고 있다. 설계에 따라, 이러한 유형의 연료 전지는 몇 mW에서 수 100 kW까지 전력 범위를 제공할 수 있다. 구체적으로, 직접 메탄올 연료 전지는 전기 장치에 있어서 종래의 축전지를 위한 대체물 또는 보충재로서 휴대용으로 사용하는데 적합하다. 직접 메탄올 연료 전지의 전형적인 사용 분야는 통신 및 노트북의 전력 공급이다.
애노드의 촉매에서 메탄올의 산화는 단계적으로 진행되는데, 다양한 중간 생성물을 갖는 여러 반응 경로들이 논의되고 있다. 연료 전지의 고효율을 유지하기 위해서는 전극의 주변 영역에서 반응물을 신속히 제거할 필요가 있다. 소정 온도에 도달되고 기본을 이루는 화학 반응의 결과로서 CO2, 물, 수증기 및 비반응 메탄올의 액체/기체 혼합물이 형성된다.
따라서 CO2 세퍼레이터는 주로 물 관리에 사용되며 평형 상태로부터 CO2를 제거하기 위하여 사용된다. 대체로 CO2 세퍼레이터는 액체/기체 혼합물에 통상적인 바와 같이 공급 라인을 통해 실제 연료 전지에 연결된 별도 장치의 형태로 실행된다. 공간적 거리는 또한 온도 기울기를 초래하며, 물은 서서히 냉각된 액체/기체 혼합물로부터 응축된다. 종래의 CO2 세퍼레이터는 액체 성분과 기체나 증기 성분의 상 혼합물로부터 기체나 증기 성분을 주변 환경으로 배출함으로써 그 혼합물을 분리한다. 본 발명도 또한 이러한 문제에 관한 것이다.
종래의 CO2 세퍼레이터는 액체/기체 혼합물을 분리하기 위하여 다공성 막을 구비하고 있다. 다공성 막의 내측은 액체/기체 혼합물을 향하고 외측은 주위 환경에 접촉한다. 나아가 다공성 막은 보통 소수성 물질로 코팅되어 있거나 그러한 물질로 구성되어 있다. 다공성 막의 내측에서 외측까지 확산 채널들이 연장되어 있으며, 그 채널의 크기는 다공성 막의 내측에 위치한 액상의 물은 침투할 수 없으나 CO2는 다공성 막의 외측까지 확산될 수 있는 정도이다.
종래 기술의 문제점 중의 하나는 액체/기체 혼합물이 CO2 세퍼레이터에 들어갈 때에 그 혼합물의 온도가 대개 60℃ 내지 80℃의 범위에 있어서 이에 상응하게 수증기가 높은 수준으로 액체/기체 혼합물의 기상에 나타난다. 그러나 이러한 액체/기체 혼합물의 기체 성분은 다공성 막을 통과하는 동안에 더욱 냉각되어 물로 응축하게 된다. 이는 확산 채널/구멍들을 막게 되는 결과를 초래하여 다공성 막을 통한 CO2 의 통과를 감소시키거나 최악의 경우에 통과를 완전히 불가능하게 만든다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것이며, 이는 단일층 또는 다중층 막을 갖는 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터에 의해 달성된다.
본 발명은, 단일층 또는 다중층 막을 구비한 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터로서, (i) 상기 막은 막의 내측에서 이를 마주보도록 위치하는 막의 외측까지 연장되는 복수 개의 확산 채널들을 구비하며, 상기 막의 외측에서 상기 확산 채널들의 평균 직경은 상기 막의 내측에서 상기 확산 채널들의 평균 직경보다 적어도 3배 더 크고; (ii) 상기 막의 내측 표면과 외측 표면 그리고 상기 확산 채널들의 내부 표면은 소수성인 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터를 개시한다.
이와 같은 CO2 세퍼레이터를 사용함으로써, 60℃ 내지 80℃ 범위의 온도에서 일어나는 것과 같은 높은 수준의 수증기를 갖는 액체/기체 상 혼합물의 경우에도 시간에 따른 막의 투과성을 충분히 얻게 된다.
본 발명은 막의 확산 채널들은 막의 내측에서 막의 외측으로 확장되어야 한다는 것에 기초하고 있다. 이에 의하여 막의 내측에서 응축된 물이 외측으로 향하도록 힘을 받게 되는 것을 달성할 수 있다. 막의 내측에서 확산 채널들의 직경과 막의 외측에서 확산 채널들의 직경의 비율은 전술한 배수에 의해 결정된다. 특히, 막의 외측에서 확산 채널들의 직경은 특정한 연료 전지 시스템에서 나타나는 작용 압력, 온도 및 혼합물 성분에 따라 달라진다.
확산 채널들의 직경은 막의 내측 및 외측에서 측정되며, 그 값을 결정하기 위해 사용되는 표면에 인접한 막의 영역은, 막의 거칠기에 따라, 막의 내부로 수 ㎛ 연장될 수 있다. 외측에서 보이는 확산 채널들의 구멍들은, 예컨대 광학적 방법에 의해 측정될 수 있다. 일반적으로 구멍 입구는 구형이므로, 개별적 구멍의 대략적인 직경을 결정할 수 있다. 평균값을 결정하는 통계적 평균법을 이용하여 구멍 직경의 산술 평균이 결정되고 이는 전술한 배수를 결정하기 위한 막의 내측 및 외측에서의 확산 채널들의 평균 직경으로 사용된다. 막의 외측에서 확산 채널들의 평균 직경은 내측에서 확산 채널들의 평균 직경보다 3배 내지 300배만큼 더 큰 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명에 의하면, 액체/기체 혼합물과 접촉하게 되는 막의 모든 면적은 정지된 물방울의 접촉각이 90°이상을 나타내는 소수성이 되도록 구성된다. 결과적으로, 막의 표면 에너지는 물방울이 막의 소수성 표면과의 상호작용보다 더 강하게 자신과의 상호작용을 받도록 하여 반데르 발스 결합이 형성되도록 하는 정도로 감소된다. 막의 소수성은 물의 접촉각이 130°이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
접촉각은 액체 방울과 고체 표면 사이에 형성된 각을 말한다. 액체와 고체 사이의 접촉각의 크기는 접촉 영역에서의 물질들 사이의 상호작용에 의존한다. 이 상호작용이 작을수록 접촉각은 크게 된다. 특히, 영의 방정식(Young equation)을 사용하는 정지된 방울법(resting-drop method)이 접촉각을 결정하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 막의 외측은 내측보다 더 소수성이다. 이와 같이 구성함으로써 막의 외측에서 응축되는 방울들과 막의 표면 사이의 접촉각을 최소화하고 이에 의해 막의 표면 영역이 방울들에 의해 막히는 것을 최소화한다. 특히, 막의 내측에서 접촉각은 적어도 130°이고, 막의 외측에서 접촉각은 적어도 135°인 것이 바람직하다. 막의 외측에서의 접촉각이 내측에서의 접촉각보다 1° 내지 10°만큼 더 큰 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 막은 두 개의 층으로 구성되어 있고, 각각은 서로 다른 평균 직경을 갖는 확산 채널들을 갖는다. 막의 내측을 규정하는 제1층은 그 확산 채널들이 막의 외측을 규정하는 제2층의 확산 채널들보다 더 작은 평균 직경을 갖도록 구성되어 있다. 특히, 막의 제1층은 제2층보다 더 큰 소수성을 가질 수 있다. 이러한 다중층 막의 기술적 실행은, 예컨대 서로 다른 기공율과 소수성을 갖는 막들을 라미네이팅함으로써 매우 용이하게 이루어질 수 있다. 두 개의 층보다 더 많은 층을 갖는 막도 그 생산은 복잡하겠지만 충분히 가능하다는 것은 명확하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 막은 표면이 소수성인 프레임으로 장착되어 있다. 막은 프레임 대신에 그물 모양이나 격자 모양의 지지 구조에 의해 장착될 수도 있다. 그러나 막을 프레임으로 장착하는 것이 생산 기술적 측면에서 매우 용이하고, 막의 투과성을 감소시키는 어떠한 지지 요소도 더 이상 막의 전체 능동 영역에 나타나지 않는 점에서 유리하다. 프레임의 일 측은 주변 환경에 접촉되어 있어서 보통 액체/기체 혼합물을 접촉하는 측보다 더 냉각된다. 따라서 프레임의 내부 표면들에서 물의 응축이 일어나게 될 것이다. 프레임용으로 소수성 물질을 선택함으로써 프레임에서 응축되는 물로 막의 여분 영역들이 젖는 것을 최소화하여 이 여분 영역들에서도 막의 투과성을 높게 유지한다. 바람직하게는, 프레임은, 예컨대 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE(polytetrafluoroethylene))과 같은 플루오르를 함유하는 폴리머 물질로 이루어져 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 프레임은 스펀지와 같은 효과를 갖는 다공성 소수성 물질로 이루어져 있다. 이와 같이 구성함으로써, 응축된 물은 프레임을 통해서도 외측으로 확산될 수 있어서 막이 젖게 될 위험성은 더욱 감소되며 프레임 자체도 액체/기체 혼합물의 분리를 뒷받침하게 된다. 최종적으로 본 실시예에 따르면, 소수성 물질의 코팅이나 경계층이 막과 프레임 사이에 배열될 수 있다. 이와 같이 구성하는 것도 막의 여분 영역이 젖게 되는 것을 방지하기 위한 것이다.
본 발명은 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터로서, 내측에서 외측까지 연장되는 복수 개의 확산 채널들을 갖는 막을 구비함으로써, 높은 수준의 수증기를 갖는 액체/기체 상 혼합물의 경우에도 시간에 따른 막의 투과성을 충분히 얻게 되는 효과를 갖는다.
본 발명을 첨부된 도면들과 함께 다음 실시예들을 통해 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 CO2 세퍼레이터가 구비된 직접 메탄올 연료 전지의 구조를 개략적으로 나타낸다. 직접 메탄올 연료 전지의 전기 화학적 공정은 본 발명의 목적에 비추어 상세히 설명될 필요는 없으므로 그 기재를 생략한다. 직접 메탄올 연료 전지의 전기 화학적 공정은 연료 전지 스택(10)에서 진행되는데, 애노드측의 반응물은 CO2와 물을 함유하는 액체/기체 혼합물이다.
공기가 공기 펌프(12)에 의해 캐소드측에 있는 공기 유입구(11)를 통해 연료 전지 스택(10)으로 공급된다. 공급된 공기는 연료 전지 스택(10)의 캐소드측에 있는 공기 배출구(13)로 배출되어 팬(55) 및 열 교환기(50)에 의해 냉각된다. 냉각된 공기와 그로부터 응축된 액체는 열 교환기(50)의 배출구(52)를 통해 열 교환기(50)를 떠나 워터 세퍼레이터(60)로 공급된다. 워터 세퍼레이터(60)는 대응되는 라인을 통해 워터 밸브(61)와 연결되며 워터 펌프(70)와 연결된 라인을 통해 혼합기(22)와 연결된다.
혼합기(22)의 혼합물은 혼합 펌프(23)에 의해 애노드측에 있는 혼합물 유입구(15)를 통해 연료 전지 스택(10)으로 공급된다.
나아가 연료, 즉 메탄올은 연료 탱크(30)와 이에 상응하는 연료 밸브(31)를 통해 혼합기(22)로 공급된다.
끝으로 연료 전지 스택(10)은 애노드측에 있는 혼합물 배출구(16)를 갖는데, 이는 라인을 통해 CO2 세퍼레이터(20)에 연결된다. CO2 세퍼레이터(20)는 액체/기체 혼합물을 분리하는데 사용되는 본 발명에 따른 막(100)을 갖는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 세퍼레이터가 구비하고 있는 막(100)을 확대하여 나타내고 있다. 막(100)의 좌측은 막(100)의 내부를 향하는 면, 즉, 액체/기체 혼합물을 향하는 면을 나타낸다. 이하에서는 이러한 막(100)의 좌측을 내측(200)이라 하고, 이에 상응하게 주변 환경에 접촉하는 막(100)의 우측을 외측(300)이라 한다.
막(100)의 외측(300)에 있는 외측 구멍(301)들과 확산 채널(120)들을 통해 소통하는 다수의 내측 구멍(201)들이 막(100)의 내측(200)에서 확인될 수 있다. 확산 채널(120)의 내측 구멍(201)들의 평균 직경들은 외측 구멍(301)들의 평균 직경들보다 약 3배 정도 작다.
막(100)의 면은 확산 채널(120)들의 내측뿐만 아니라 막의 내측(200) 및 외측(300)에서 소수성이다.
확산 채널(120)들이 내측(200)에서 외측(300)으로 갈수록 넓어지는 것과 확산 채널(120)들의 내측이 소수성인 것의 결합에 의해 음의 온도 기울기로 인해 막(100)에서 응축되는 물방울들을 외측(300)으로 이송시키는 구동력이 달성된다. 왜냐하면, 물방울들과 확산 채널(120)들의 소수성 내측 사이의 상호 반발 작용은 확산 채널(120)들의 구멍 크기가 증가할수록 감소하기 때문이다. 외측(300)으로 향하는 구동력은 기체가 확산 채널(120)들을 통해 외측(300)으로 흐르도록 뒷받침한 다. 이에 의해, 막(100)에서 응축되어 남는 물방울들로 인해 확산 채널(120)들이 막히게 되고 기체 분리 효과가 감소되는 것을 방지하게 된다.
도 2에 나타난 막(100)의 내측(200)에서 접촉각(204)은 액체 방울(205)을 충분히 잡을 수 있도록 130ㅀ보다 더 크게 하고, 막(100)의 외측(300)에서 접촉각(304)은 135ㅀ보다 더 크게 한다. 막(100)의 외측(300)에서 접촉각(304)을 매우 크게 함으로써 외측(300)에서 응축되는 물방울(305)을 거의 이상적인 구형으로 수축시켜 물방울(305)과 외측(300)과의 접촉 면적을 최소화한다. 이러한 방법으로, 물방울들에 의해 막히는 확산 채널(120)들의 수를 최소화하며, 물방울들의 재증발을 위해 그 표면적을 최대화한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 세퍼레이터가 구비하고 있는 다른 형태의 막(100)을 나타낸다. 도 3에 나타난 막(100)은 서로 연결되어 있는 제1층(102)과 제2층(103)을 구비한다.
제1층(102)은 0.2㎛ 내지 2㎛의 직경을 갖는 구멍들을 구비한 펼쳐진 PTFE층으로 이루어져 있다. 제2층(103)은 구멍들을 갖는 PTFE, 폴리에틸렌 또는 폴리에스테르의 직물이나 펠트(felt)로 이루어질 수 있다. 이러한 두 층들은, 예컨대 가열 공정을 이용하여 결합된다.
도 3에 나타난 막(100)에 의해 달성되는 본 발명의 효과는 제2층(103)의 구멍 직경을 제1층(102)의 구멍 직경보다 3배 이상 더 크게 함으로써 달성된다. 바람직하게는, 제1,2층(102)(103)에서 접촉각은 적어도 130°이다. 제2층(103)은 외 측(300)에서 접촉각이 적어도 135°가 되도록 하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 세퍼레이터를 나타낸다. 도 4에 나타난 실시예에서 막(100)은 프레임(310)에 의해 CO2 세퍼레이터(20) 상에 장착된다. 프레임(310)은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 이루어져 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 CO2 세퍼레이터의 일부를 나타낸다. 도 5에 나타난 실시예에서 프레임(310)은 다공성 소수성 물질로 이루어져 있다. 프레임(310)이 주변 환경과 접촉되어 있고 연료 전지 시스템의 내부와 접촉되어 있으므로, 프레임(310)은 막(100)을 통해 배출되는 CO2와 수증기의 기체 혼합물보다 더 낮은 온도가 될 것이다. 특히, 이로 인해 프레임(310)의 영역에서는 물의 응축과 관련된 기체 혼합물의 냉각을 초래하게 될 것이다. 따라서 이러한 프레임(310)의 영역에서는 물방울(305)들에 의한 막(100)의 구멍들의 막힘이 더욱 강하게 될 것이다.
다공성 소수성 물질로 이루어진 프레임(310)의 스펀지 같은 효과에 의하여 물방울(305)들은 화살표로 표시된 바와 같이 막(100)의 외측(300)으로 흡수되며 프레임(310)의 큰 표면적에 의해 증발될 수 있다.
막(100)이 프레임(310)과의 경계면에서 다시 젖는 것을 방지하기 위하여, 예컨대 PTFE로 이루어진 소수성 경계층 또는 코팅(311)이 프레임(310)과 막(100) 사이에 배열될 수 있다.
선택적으로, CO2 세퍼레이터(20)는 막(100) 위와 프레임(310) 위로 공기 흐름의 통과가 가능하도록 설치될 수 있다. 이와 같이 구성함으로써 물과 CO2의 제거가 촉진될 수 있다.
본 발명은 내측에서 외측까지 연장되는 복수 개의 확산 채널들을 갖는 막을 구비한 CO2 세퍼레이터에 관한 것으로서, 직접 메탄올 연료 전지에 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 CO2 세퍼레이터가 구비된 직접 메탄올 연료 전지의 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 세퍼레이터가 구비하고 있는 막을 확대하여 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 세퍼레이터가 구비하고 있는 다른 형태의 막을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 CO2 세퍼레이터를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 CO2 세퍼레이터의 일부를 나타낸다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
10: 연료 전지 스택 11: 공기 유입구
12: 공기 펌프 13: 공기 배출구
15: 혼합물 유입구 16: 혼합물 배출구
20: CO2 세퍼레이터 22: 혼합기
23: 혼합 펌프 30: 연료 탱크
31: 연료 밸브 50: 열 교환기
55: 팬 60: 워터 세퍼레이터
61: 워터 밸브 70: 워터 펌프
100: 막 102: 제1층
103: 제2층 200: 막의 내측
201: 내측 구멍 204: 막의 내측 접촉각
205: 액체 방울 300: 막의 외측
301: 외측 구멍 304: 막의 외측 접촉각
305: 물방울 310: 프레임
311: 경계층 또는 코팅

Claims (10)

  1. 단일층 또는 다중층 막을 구비한 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터로서,
    (i) 상기 막은 막의 내측에서 이를 마주보도록 위치하는 막의 외측까지 연장되는 복수 개의 확산 채널들을 구비하며, 상기 막의 외측에서 상기 확산 채널들의 평균 직경은 상기 막의 내측에서 상기 확산 채널들의 평균 직경보다 적어도 3배 더 크고;
    (ii) 상기 막의 내측 표면과 외측 표면 그리고 상기 확산 채널들의 내부 표면은 소수성인 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 막의 내측에서 접촉각은 적어도 130°이고 상기 막의 외측에서 접촉각은 적어도 135°인 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 막의 외측에서 접촉각은 내측에서의 접촉각보다 1° 내지 10°만큼 더 큰 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막은 두 개의 층으로 이루어져 있으며, 상기 두 개의 층의 각각은 상기 확산 채널들의 평균 직경이 서로 다르게 되어 있는 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 막은 소수성 표면을 갖는 프레임에 장착되어 있는 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프레임은 다공성 소수성 물질로 이루어져 있는 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 막과 상기 프레임 사이에 코팅 또는 경계층을 구비하며, 상기 코팅 또는 경계층은 소수성 물질로 이루어져 있는 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막은 소수성 표면을 갖는 프레임에 장착되어 있는 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 프레임은 다공성 소수성 물질로 이루어져 있는 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 막과 상기 프레임 사이에 코팅 또는 경계층을 구비하며, 상기 코팅 또는 경계층은 소수성 물질로 이루어져 있는 직접 메탄올 연료 전지용 CO2 세퍼레이터.
KR1020070130979A 2007-01-09 2007-12-14 직접 메탄올 연료 전지용 co2 세퍼레이터 KR100970401B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008000542A JP4628431B2 (ja) 2007-01-09 2008-01-07 直接メタノール燃料電池用co2セパレータ
CN2008100017628A CN101237052B (zh) 2007-01-09 2008-01-08 用于直接甲醇燃料电池系统的co2分离件
US11/971,840 US8871396B2 (en) 2007-01-09 2008-01-09 CO2 separator for direct methanol fuel cell system

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP07100262.0 2007-01-09
EP07100262A EP1952875B1 (de) 2007-01-09 2007-01-09 CO2-Separator für eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20080065533A true KR20080065533A (ko) 2008-07-14
KR100970401B1 KR100970401B1 (ko) 2010-07-15

Family

ID=38048025

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070130979A KR100970401B1 (ko) 2007-01-09 2007-12-14 직접 메탄올 연료 전지용 co2 세퍼레이터

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP1952875B1 (ko)
KR (1) KR100970401B1 (ko)
CN (1) CN101237052B (ko)
DE (1) DE502007005183D1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2491728B (en) * 2007-09-26 2013-01-30 Intelligent Energy Ltd Fuel cell system
CN109821367B (zh) * 2019-02-26 2023-11-28 中国华电科工集团有限公司 一种基于固体氧化物燃料电池的co2捕集系统及方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2267486B (en) * 1992-06-02 1996-02-14 British Gas Plc Porous amorphous silica-alumina refractory oxides, their preparation and use as separation membranes
US5871646A (en) * 1992-06-02 1999-02-16 British Gas Plc Porous amorphous silica-alumina refractory oxides, their preparation and use as separation membranes
US5468430A (en) * 1994-05-19 1995-11-21 L'air Liquide S.A. Process of making multicomponent or asymmetric gas separation membranes
US6152986A (en) * 1999-07-07 2000-11-28 Ppg Industries Ohio, Inc. Method of enriching chlorine gas
JP3623409B2 (ja) * 1999-09-30 2005-02-23 株式会社東芝 燃料電池
JP3999423B2 (ja) 1999-10-27 2007-10-31 独立行政法人科学技術振興機構 液体膜による炭酸ガス分離・除湿方法およびその装置
US6793711B1 (en) 1999-12-07 2004-09-21 Eltron Research, Inc. Mixed conducting membrane for carbon dioxide separation and partial oxidation reactions
JP4027218B2 (ja) * 2002-12-13 2007-12-26 キヤノン株式会社 濾過膜の製造方法
US20050028670A1 (en) * 2003-06-09 2005-02-10 Regen Steven L. Ionically crosslinked molecular thin film
CA2573685A1 (en) * 2004-08-03 2006-02-16 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate Membranes for highly selective separations
CN101151760B (zh) 2005-03-24 2010-09-15 富士通株式会社 燃料电池
DE102005016397A1 (de) * 2005-04-08 2006-10-12 Forschungszentrum Jülich GmbH Membran für Gasphasenseparation sowie dafür geeignetes Herstellungsverfahren
KR100696526B1 (ko) * 2005-06-30 2007-03-19 삼성에스디아이 주식회사 직접액체연료전지의 기액 분리장치

Also Published As

Publication number Publication date
CN101237052A (zh) 2008-08-06
CN101237052B (zh) 2012-07-18
EP1952875A1 (de) 2008-08-06
KR100970401B1 (ko) 2010-07-15
DE502007005183D1 (de) 2010-11-11
EP1952875B1 (de) 2010-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2632783C (en) Membrane electrode assembly for fuel cell
CN101176232B (zh) 燃料电池及燃料电池系统
JP4751383B2 (ja) 燃料電池
JP4406616B2 (ja) ダイレクトメタノール型燃料電池
JP4628431B2 (ja) 直接メタノール燃料電池用co2セパレータ
KR20080073644A (ko) 직접 메탄올 연료 전지용 세퍼레이터
US8043765B2 (en) Fuel cell system comprising vapor-phase fuel supplying system
JP5171781B2 (ja) 受動型燃料電池アセンブリ
KR100970401B1 (ko) 직접 메탄올 연료 전지용 co2 세퍼레이터
JP2007157508A (ja) 気液分離装置および気液分離装置を備えた燃料電池発電システム
US8968946B2 (en) Fuel cell systems
JP2009245848A (ja) 燃料電池システム
JP5071378B2 (ja) 燃料電池
KR100612912B1 (ko) 직접액체연료전지용 연료공급장치
US8557453B2 (en) Fuel cell system having water recovering and circulating structure
JP2006024401A (ja) 燃料電池
US8703347B2 (en) Flat fuel cell assembly having gas barrier material layer
KR20070037204A (ko) 회전 가능한 물회수 장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템
JP2006286259A (ja) 発電装置及び加湿装置
KR100718114B1 (ko) 증기상 연료 공급 구조를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20070019498A (ko) 물회수장치를 내장한 연료 탱크를 채용한 연료전지 시스템
US9048466B2 (en) Flat fuel cell assembly with air channel defined by case
KR100981966B1 (ko) 직접 메탄올 연료 전지 시스템용의 결합된 기체/액체 분리 및 혼합 장치, 통합된 액체 관리 장치
KR20070042815A (ko) 연료전지용 연료 카트리지 및 이를 이용한 연료전지 시스템
JP2019186131A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130621

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140701

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150623

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee