KR20080110313A - 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물 및 이를포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템 - Google Patents

고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물 및 이를포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20080110313A
KR20080110313A KR1020070058906A KR20070058906A KR20080110313A KR 20080110313 A KR20080110313 A KR 20080110313A KR 1020070058906 A KR1020070058906 A KR 1020070058906A KR 20070058906 A KR20070058906 A KR 20070058906A KR 20080110313 A KR20080110313 A KR 20080110313A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
polymer electrolyte
fuel cell
weight
electrolyte fuel
Prior art date
Application number
KR1020070058906A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101408885B1 (ko
Inventor
손인혁
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 KR1020070058906A priority Critical patent/KR101408885B1/ko
Priority to US11/979,628 priority patent/US8795925B2/en
Publication of KR20080110313A publication Critical patent/KR20080110313A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101408885B1 publication Critical patent/KR101408885B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/02—Liquid carbonaceous fuels essentially based on components consisting of carbon, hydrogen, and oxygen only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/04—Liquid carbonaceous fuels essentially based on blends of hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/10—Liquid carbonaceous fuels containing additives
    • C10L1/12—Inorganic compounds
    • C10L1/1233—Inorganic compounds oxygen containing compounds, e.g. oxides, hydroxides, acids and salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/10—Liquid carbonaceous fuels containing additives
    • C10L1/12—Inorganic compounds
    • C10L1/1233—Inorganic compounds oxygen containing compounds, e.g. oxides, hydroxides, acids and salts thereof
    • C10L1/1258—Inorganic compounds oxygen containing compounds, e.g. oxides, hydroxides, acids and salts thereof hydrogen peroxide, oxygenated water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/10—Liquid carbonaceous fuels containing additives
    • C10L1/12—Inorganic compounds
    • C10L1/1283—Inorganic compounds phosphorus, arsenicum, antimonium containing compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/10—Liquid carbonaceous fuels containing additives
    • C10L1/12—Inorganic compounds
    • C10L1/1291—Silicon and boron containing compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물 및 이를 포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료 조성물은 연료; 물; 및 H2O2 및 헤테로폴리산을 포함한다.
본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물은 연료 이외에 H2O2 및 헤테로폴리산을 더욱 포함하여, 개질 반응의 온도를 낮출 수 있고, 또한 수소 발생 효율을 증가시킬 수 있어 결과적으로 고출력 전지를 제공할 수 있다.
Figure P1020070058906
과산화수소,헤테로폴리산,PEMFC

Description

고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물 및 이를 포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템{FUEL COMPOSITION FOR POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고출력 전지를 제공할 수 있는 연료 전지용 연료 조성물 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
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, 단 위 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.
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 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있다.
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 “산화 전극”이라 한다)과 캐소드 전극(일명 “공기극” 또는 “환원 전극”이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
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 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
본 발명의 목적은 고출력 전지를 제공할 수 있는 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료 조성물을 포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료; 물; H2O2 및 헤테로폴리산을 포함하는 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물을 제공한다. 상기 H2O2의 함량은 10 내지 60 중량%가 바람직하며, H2O2의 함량은 25 내지 35 중량%가 더욱 바람직하다.
특히, 상기 H2O2의 함량은 사용되는 연료 종류에 따라 변화될 수 있으며, 사용되는 연료의 탄소(Carbon)수/ 과산화수소에서 발생되는 산소(Oxygen) 수의 비율이 0.2 내지 1.2가 되도록 사용하는 것이 바람직하며, 0.5 내지 0.8이 되도록 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 연료는 탄화수소 연료가 바람직하다.
상기 헤테로폴리산으로는 [PMo12O40]3-, [PW12O40]3-, [GeMo12O40]4-, [GeW12O40]4-, [P2W18O62]6-, [SiW12O40]4-, [PMo11O39]7-, [P2Mo5O23]6-, [H2W12O40]6- 및 [PW11O39]7-으로 이루어진 군에서 선택되는 음이온을 포함하는 화합물을 하나 이상 포함하는 것을 사용할 수 있다.
이때 상기 헤테로폴리산의 함량은 연료, 물 및 H2O2의 혼합 중량을 100 중량부로 하였을 때, 0.0001 내지 5 중량부가 바람직하고, 0.001 내지 1 중량부가 더욱 바람직하다.
본 발명은 또한, 연료를 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 연료, 물, H2O2 및 헤테로폴리산을 포함하는 상기 연료 조성물이 공급되어, 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키는 개질부를 포함하는 개질기; 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하며, 상기 개질기에서 발생되는 수소 기체와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부 및 상기 전기 발생부로 산화제를 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물에 관한 것으로서, 이 연료 조성물은 연료, 물, H2O2 및 헤테로폴리산을 포함한다. 본 명세서에서 연료 조성물이란, 연료 전지의 개질기에 공급되는 연료를 말한다.
이때, H2O2의 함량은 10 내지 60 중량%가 바람직하며, 25 내지 35 중량%가 더욱 바람직하다. 즉, 본 발명에서 H2O2의 함량은 10, 11, 12, 13, 14, 15, 15, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 49, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 중량% 범위일 수 있다. H2O2의 함량이 상기 범위에 포함될 때 개질기 저온 구동을 가능하게 할 수 있어 바람직하다.
특히, 상기 H2O2의 함량은 사용되는 연료 종류에 따라 변화될 수 있으며, 상기 연료의 탄소(Carbon)수/ 과산화수소에서 발생되는 산소(Oxygen) 수의 비율은 0.2 내지 1.2가 바람직하며, 0.5 내지 0.8이 더욱 바람직하다. 상기 탄소수란 연료로 에탄올(C2H5OH)을 사용하는 경우 2를 말하며, 상기 산소 수는 과산화수소 1몰로부터 형성되는 산소수, 즉 1/2몰에 해당하므로1을 의미한다.
즉, 본 발명에서 탄소/산소의 몰비는 0.2, 0.3, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2 범위일 수 있다. 탄소와 산소의 비가 이 영역 안에 포함되도록 연료 및 과산화수소를 사용하는 경우, 과산화수소를 사용함에 따른 개질반응 성능이 향상되어 바람직하다.
상기 헤테로폴리산의 대표적인 예로는 [PMo12O40]3-, [PW12O40]3-, [GeMo12O40]4-, [GeW12O40]4-, [P2W18O62]6-, [SiW12O40]4-, [PMo11O39]7-, [P2Mo5O23]6-, [H2W12O40]6- 및 [PW11O39]7-으로 이루어진 군에서 선택되는 음이온을 포함하는 화합물을 하나 이상 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 헤테로폴리산의 양이온으로는 H+이 바람직하다. 이러한 헤테로폴리산은 전자 및 수소 이온 전도성이 매우 높고, 경제적이며 인체에 무해한 물질로서, 개질 연료 조성물에 사용하는 경우, 낮은 온도에서 개질 반응을 가능하게 하여 개질기의 반응 온도를 낮추고, 수소 발생 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, H2O2, 물 및 연료만 포함하는 연료 조성물의 경우, H2O2가 불안정한 상태로 존재함에 따라 자외선 및 온도에 쉽게 분해되는 특징이 있으나, 상기 헤테로폴리산은 H2O2를 안정한 상태로 만드는 안정제의 역할을 하므로, H2O2의 분해를 억제할 수 있다. 또한 헤테로폴리산이 개질기 반응에서 개질 촉매 반응을 활성화하는 효과가 있어 바람직하다.
이러한 역할을 하는 헤테로폴리산의 함량은 연료, 물 및 H2O2의 혼합 중량을 100 중량부로 하였을 때, 0.0001 내지 5 중량부가 바람직하고, 0.001 내지 1 중량부가 더욱 바람직하다. 즉, 본 발명에서 상기 헤테로폴리산은 0.0001, 0.0005, 0.001, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 1, 2, 3, 4, 5 중량부 범위로 사용될 수 있다. 상기 헤테로폴리산의 함량이 0.0001 중량부 미만이면, 헤테로폴리산을 사용함에 따른 효과가 미미하고, 5 중량부를 초과하면, 상대적으로 연료 농도가 낮아져서 에너지 밀도가 저하되어 바람직하지 않다.
본 발명의 연료 조성물에서 연료 및 물의 함량은 적절하게 조절할 수 있다.
상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 연료 조성물은 고분자 전해질형 연료 전지 시스템에 바람직하게 사용될 수 있다. 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지 시스템은 연료 공급부, 개질기, 전기 발생부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 연료 공급부는 연료를 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 개질기는 연료, 물, H2O2 및 헤테로폴리산을 포함하는 본 발명의 연료 조성물이 공급되면, 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키는 역할을 한다. 아울러, 상기 전기 발생부로 공기 또는 산소와 같은 산화제를 공급하는 역할을 한다.
상기 전기 발생부는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 포함하고, 또한 세퍼레이터를 포함한다. 이러한 전기 발생부는 상기 개질기에서 발생되는 수소 기체와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다.
상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극은 전극 기재와 촉매층으로 구성된다. 상기 촉매층에서 촉매로는 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 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 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
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 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 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 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) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 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.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적 으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 고분자와 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.
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), 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.
또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테 르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 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)을 포함할 수 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고분자 전해질 막으로는 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으 로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 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, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 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) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 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 한 다. 일반적으로 상기 고분자 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않고 삼투압 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 시스템(100)은, 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생부(11)를 구비한 스택과, 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 상기 전기 발생부(11)로 공급하는 개질기(30)와, 상기 연료를 개질기(30)로 공급하는 연료 공급부(50)와, 산화제를 상기 개질기(30)와 상기 전기 발생부(11)로 각각 공급하는 산화제 공급부(70)를 포함하여 구성된다.
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 스택을 형성하고, 이 전기 발생부(11)가 복수로 구비되어 본 실시 형태에와 같은 적층 구조의 스택(10)을 형성한다. 여기서 막-전극 어셈블리(12)는 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 수소와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 기능을 하게 된다. 또한 세퍼레이터(16)는 막-전극 어셈블리(12)의 양측에 연료와 산화제를 공급하는 기체 통로를 형성하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 기 능을 하게 된다.
또한, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 가압 플레이트(13)가 위치할 수도 있다. 또는 복수의 전기 발생부(11)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(16)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수도 있다. 또한 가압 플레이트(13)가 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 기능 외에, 세퍼레이터(16)의 고유한 기능을 갖도록 구성할 수도 있다.
상기 가압 플레이트(13)에는 개질기(30)로부터 발생되는 수소 가스를 전기 발생부(11)로 공급하기 위한 제1 주입부(13a)와, 산화제 공급부(70)로부터 공급되는 공기를 전기 발생부(11)로 공급하기 위한 제2 주입부(13b)와, 막-전극 어셈블리(12)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 수소 가스를 배출시키기 위한 제1 배출부(13c)와, 막-전극 어셈블리(12)의 캐소드 전극에서 연료인 수소와 산화제의 결합 반응에 의해 생성된 수분을 함유한 미반응 공기를 배출시키기 위한 제2 배출부(13d)가 형성되어 있다.
상기 개질기(30)는 열 에너지에 의한 화학 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
상기 개질기(30)는 연료와 공기의 산화 촉매 반응을 통해 소정의 온도의 열 에너지를 발생시키는 열원부(31)와, 상기 열 에너지에 의한 수증기 개질(Steam Reforming: SR) 촉매 반응을 통해 연료로부터 수소 가스를 발생시키는 개질 반응 부(32)와, 상기 수소 가스의 산화 반응을 통해 이 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 적어도 하나의 일산화탄소 저감부(33)를 포함한다.
열원부(31)는 관로 형태의 제1 공급라인(91)에 의해 연료)와 연결 설치되고, 관로 형태의 제2 공급라인(92)에 의해 산화제 펌프(71)와 연결 설치되어 액상의 연료와 산화제를 통과시킨다. 이 열원부(31)는 상기 연료와 산화제의 산화 반응을 촉진시켜 상기 열 에너지를 발생시키는 촉매층(도시하지 않음)을 포함한다. 이때, 상기 열원부(31)는 수소 가스와 산화제의 흐름을 가능하게 하는 채널(도시하지 않음)을 형성하고 있는 플레이트 형태로 구비되어 이 채널의 표면에 상기 촉매층이 코팅 형성되어 있는 구조를 갖는다. 또는 상기 열원부(31)는 소정의 내부 공간을 갖는 원통 형태로 구비되어 상기 내부 공간에 촉매층 예컨대, 펠릿 형태로 충전되는 촉매 모듈 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 이루어지는 촉매 모듈을 형성할 수도 있다.
개질 반응부(32)는 상기 열원부(31)로부터 발생되는 열 에너지를 흡열하여, 연료 탱크(51)로부터 공급되는 연료의 수증기 개질 촉매 반응을 통해 상기 연료로부터 수소 가스를 발생시킨다. 이러한 개질 반응부(32)는 관로 형태의 제3 공급라인(93)에 의해 열원부(31)와 연결 설치된다. 그리고 이 개질 반응부(32)에는 상기 연료의 수증기 개질 반응을 촉진하여 상기 수소 가스를 발생시키는 촉매층(도시하지 않음)을 구비하고 있다. 이때 상기 열원부(32)는 연료의 흐름을 가능하게 하는 채널(도시하지 않음)을 형성하고 있는 형태로 구비되어 이 채널의 표면에 상기 촉매층이 코팅 형성된 구조를 갖는다. 또는 상기 열원부(32)는 소정의 내부 공간을 갖는 원통 형태로 구비되어 상기 내부 공간에 촉매층 예컨대, 펠릿 형태로 충전되는 촉매 모듈 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 이루어지는 촉매 모듈을 형성할 수도 있다.
일산화탄소 저감부(33)는 상기 개질 반응부(32)로부터 발생되는 수소 가스와 산화제 펌프(71)로부터 공급되는 산화제의 선택적 산화(Preferential CO Oxidation: PROX) 촉매반응을 통해 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시킨다. 이러한 일산화탄소 저감부(33)는 관로 형태의 제4 공급라인(94)에 의해 개질 반응부(32)와 연결 설치되고, 관로 형태의 제5 공급라인(95)에 의해 산화제 펌프(71)와 연결 설치되어 상기 수소 가스와 산화제를 통과시킨다. 그리고 상기 일산화탄소 저감부(33)에는 상기 수소 가스와 산화제의 선택적 산화 반응을 촉진시켜 상기 수소 가스에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키는 본 발명의 촉매를 포함하는 촉매층(도시하지 않음)을 구비하고 있다. 이 때 상기 일산화탄소 저감부(33)는 상기 수소 가스와 산화제의 흐름을 가능케 하는 채널(도시하지 않음)을 형성하고 있는 플레이트 형태로 구비되고, 이 채널의 표면에 상기 촉매층이 코팅 형성되어 있다. 또는 상기 일산화탄소 저감부(33)는 소정의 내부 공간을 갖는 원통 형태로 구비되어 상기 내부 공간에 촉매층 예컨대, 펠릿 형태로 충전되는 촉매 모듈 또는 허니콤(honey comb) 타입으로 이루어지는 촉매 모듈을 형성할 수도 있다.
이 때 상기 일산화탄소 저감부(33)와 스택(10)의 제1 주입부(13a)는 관로 형태의 제6 공급라인(96)에 의해 연결 설치되는 바, 일산화탄소 저감부(33)에 의해 일산화탄소의 농도가 저감된 수소 가스를 상기 스택(10)의 전기 발생부(11)로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다. 그리고 상기한 일산화탄소 저감부(33)는 열전도성을 갖는 스테인레스스틸, 알루미늄, 구리, 철 등으로 형성될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 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. 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 각각 4mg/cm2로 하였다.
제조된 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 이용하여 단위 전지를 제조하였다.
상기 단위 전지를 이용하여 통상의 방법으로 고분자 전해질형 연료 전지 시 스템을 제조하였다.
이어서, 25몰% 농도의 에탄올(시약급, 용매: 물) 33.5 중량%, 과산화수소 수(H2O2 농도 54.3 중량%, 한솔사) 57.8 중량%, 물 8.7 중량% 및 H3PW12O40 헤테로폴리산을 포함하는 연료 조성물을 상기 고분자 전해질형 연료 전지 시스템의 개질기에 공급하여 연료 전지 시스템을 구동하였다. 이때, 상기 헤테로폴리산의 함량은 에탄올, H2O2 및 물의 혼합 중량을 100 중량부로 하였을 때 0.1 중량부로 하였다.
(실시예 2)
25몰% 농도의 에탄올(시약급, 용매: 물) 35.4 중량%, 과산화수소 수(H2O2 농도 54.3 중량%, 한솔사) 48.7 중량%, 물 15.9 중량%를 포함하고, H3PW12O40 헤테로폴리산을 상기 에탄올, H2O2 및 물의 혼합 중량 100 중량부에 대하여 0.1 중량부로 포함하는 포함하는 연료 조성물을 개질기에 공급한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 3)
25몰% 농도의 에탄올(시약급, 용매: 물) 37.1 중량%, 과산화수소 수(H2O2 농도 54.3 중량%, 한솔사) 41.1 중량%, 물 21.8 중량%를 포함하고, H3PW12O40 헤테로폴리산을 상기 에탄올, H2O2 및 물의 혼합 중량 100 중량부에 대하여 0.1 중량부로 포함하는 포함하는 연료 조성물을 개질기에 공급한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 4)
25몰% 농도의 에탄올(시약급, 용매: 물) 38.5 중량%, 과산화수소 수(H2O2 농도 54.3 중량%, 한솔사) 34.7 중량%, 물 26.8 중량%를 포함하고, H3PW12O40 헤테로폴리산을 상기 에탄올, H2O2 및 물의 혼합 중량 100 중량부에 대하여 0.1 중량부로 포함하는 포함하는 연료 조성물을 개질기에 공급한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 5)
25몰% 농도의 에탄올(시약급, 용매: 물) 39.7 중량%, 과산화수소 수(H2O2 농도 54.3 중량%, 한솔사) 29.3 중량%, 물 31 중량%를 포함하고, H3PW12O40 헤테로폴리산을 상기 에탄올, H2O2 및 물의 혼합 중량 100 중량부에 대하여 0.1 중량부로 포함하는 포함하는 연료 조성물을 개질기에 공급한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 6)
25몰% 농도의 에탄올(시약급, 용매: 물) 40.7 중량%, 과산화수소 수(H2O2 농도 54.3 중량%, 한솔사) 24.6 중량%, 물 34.7 중량%를 포함하고, H3PW12O40 헤테로폴리산을 상기 에탄올, H2O2 및 물의 혼합 중량 100 중량부에 대하여 0.1 중량부로 포함하는 포함하는 연료 조성물을 개질기에 공급한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 7)
25몰% 농도의 에탄올(시약급, 용매: 물) 41.5 중량%, 과산화수소 수(H2O2 농도 54.3 중량%, 한솔사) 20.5 중량%, 물 38 중량%를 포함하고, H3PW12O40 헤테로폴리산을 상기 에탄올, H2O2 및 물의 혼합 중량 100 중량부에 대하여 0.1 중량부로 포함하는 포함하는 연료 조성물을 개질기에 공급한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 8)
25몰% 농도의 에탄올(시약급, 용매: 물) 42.3 중량%, 과산화수소 수(H2O2 농도 54.3 중량%, 한솔사) 16.9 중량%, 물 40.8 중량%를 포함하고, H3PW12O40 헤테로폴리산을 상기 에탄올, H2O2 및 물의 혼합 중량 100 중량부에 대하여 0.1 중량부로 포함하는 포함하는 연료 조성물을 개질기에 공급한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(비교예 1)
H3PW12O40 헤테로폴리산을 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(비교예 2)
H3PW12O40 헤테로폴리산을 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동 일하게 실시하였다.
(비교예 3)
H3PW12O40 헤테로폴리산을 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일하게 실시하였다.
(비교예 4)
H3PW12O40 헤테로폴리산을 사용하지 않은 것을 제외하고는상기 실시예 4와 동일하게 실시하였다.
(비교예 5)
H3PW12O40 헤테로폴리산을 사용하지 않은 것을 제외하고는상기 실시예 5와 동일하게 실시하였다.
(비교예 6)
H3PW12O40 헤테로폴리산을 사용하지 않은 것을 제외하고는상기 실시예 6과 동일하게 실시하였다.
(비교예 7)
H3PW12O40 헤테로폴리산을 사용하지 않은 것을 제외하고는상기 실시예 7과 동일하게 실시하였다.
(비교예 8)
H3PW12O40 헤테로폴리산을 사용하지 않은 것을 제외하고는상기 실시예 8과 동 일하게 실시하였다.
상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 8의 에탄올 전환율 및 수소 선택도를 측정한 결과를 이론치(1몰의 에탄올이 수증기 개질(Steam reforming: SR) 반응을 통하여 생성할 수 있는 최대 수소량 기준)에 대한 상대값으로 계산하여 하기 표 1에 나타내었다. 또한 하기 표 1에 상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 8의 C/O의 비율 및 H2O2, H2O 및 에탄올 사용량도 함께 나타내었다.
C/O 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
무게비 (%) H2O2 57.8 48.7 41.1 34.7 29.3 24.6 20.5 16.9
H2O 8.7 15.9 21.8 26.8 31 34.7 38 40.8
에탄올 33.5 35.4 37.1 38.5 39.7 40.7 41.5 42.3
EtOH 전환율(%) 비교예 1 2 3 4 5 6 7 8
90 100 100 100 95 84 60 50
실시예 1 2 3 4 5 6 7 8
93 100 100 100 97 87 68 61
H 선택도 (%) 비교예 1 2 3 4 5 6 7 8
90 100 110 105 87 60 50 43
실시예 1 2 3 4 5 6 7 8
98 103 115 110 91 68 60 60
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 헤테로폴리산을 더욱 첨가한 실시예 1 내지 8이 헤테로폴리산을 첨가하지 않은 비교예 1 내지 8보다 에탄올 전환율 및 수소 선택도가 증가함을 알 수 있다. 즉, 실시예 1 내지 8의 경우가 에탄올을 개질하는 효과가 비교예 1보다 우수하고 특히 선택적으로 에탄올을 선택적으로수소로 개질하는 효과가 매우 우수함을 알 수 있다.
* 헤테로폴리산 사용량에 따른 효과 실험
(실시예 9)
H3PW12O40 헤테로폴리산의 사용량을 0.0001 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 실시하였다.
(실시예 10)
H3PW12O40 헤테로폴리산의 사용량을 0.0005 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 실시하였다.
(실시예 11)
H3PW12O40 헤테로폴리산의 사용량을 0.001 중량부로 변경한 것을 제외하고는상기 실시예 5와 동일하게 실시하였다.
(실시예 12)
H3PW12O40 헤테로폴리산의 사용량을 1 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 실시하였다.
(실시예 13)
H3PW12O40 헤테로폴리산의 사용량을 2 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 실시하였다.
(실시예 14)
H3PW12O40 헤테로폴리산의 사용량을 5 중량부로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 5와 동일하게 실시하였다.
상기 실시예 9 내지 14의 에탄올 전환율 및 수소 선택도를 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 아울러, 비교를 위하여 비교예 1의 결과도 하기 표 2에 함께 나타내었다. 하기 표 2에서 HPA는 헤테로폴리산을 나타낸다.
비교예 1 실시예 9 실시예 10 실시예 11 실시예 12 실시예 13 실시예 14
HPA 첨가 (중량 %) 0 0.0001 0.0005 0.001 1 2 5
에탄올 전환율(%) 95 95 96 97 99 97 95
H 선택도 (%) 87 88 88 91 100 90 88
상기 표 2에 나타낸 것과 같이, 헤테로폴리산을 첨가한 실시예 9 내지 14의 경우 비교예 1보다 에탄올 전환율 및 수소 선택도가 우수하며, 특히 헤테로폴리산 첨가량이 0.001 내지 2 중량%일 때 그 효과가 매우 우수함을 알 수 있다.
* 헤테로폴리산 첨가에 따른 안정성 실험
시료 1: H2O2 41.1 중량%, 에탄올 37.1 중량%(C/O 0.8) 및 물 21.8 중량%를 혼합하여 제조하였다.
시료 2: H2O2 34.7 중량%, 에탄올 38.5 중량%(C/O 0.8) 및 물 26.8 중량%를 혼합(C/O 0.7)하여 제조하였다.
시료 3: 상기 시료 1에, 시료 1 전체 100 중량부에 대하여 0.001 중량부의 H3PW12O40 헤테로폴리산을 첨가하여 제조하였다.
또한 상기 시료 1 내지 4의 어는 점을 측정한 결과 모두 -25℃가 얻어졌다. 즉, 개질기 저온 가동시 사용되는 물이 결빙되어 작동이 불가능하나, 과산화수소수를 더욱 사용함에 따라 어는 점이 -25℃로 매우 낮아져 저온에서도 작동이 가능함을 알 수 있다. 이는 또한 과산화수소수와 함께 헤테로폴리산을 첨가하였을 때도 동일한 결과를 나타내므로, 헤테로폴리산 첨가에 따라 어는 점이 높아지는 등의 문제점은 발생하지 않음을 알 수 있다.
아울러, 상기 시료 1 내지 4의 온도를 20℃에서 88℃까지 증가시키면서, 과산화수소수의 농도 변화를 측정한 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 하기 표3에서 시료 1 내지 4의 값은 과산화수소수의 중량%를 의미하며, 숙성 시간은 측정 온도에 도달한 후, 유지 시간(retention time)을 의미한다.
온도(℃) 20 30 40 50 60 70 80 88
시료 1 41.4 41.4 39.7 37.4 33.6 30.9 27.3 16.1
시료 3 41.4 41.4 41.4 41.4 41.4 41.1 40.5 39.5
시료 2 34.7 34.7 33.0 31.0 28.5 25.4 28.2 15.4
시료 4 34.7 34.7 34.7 34.7 34.7 34.3 34.0 33.3
숙성시간(분) 10 109 102 100 95 93 90 100
상기 표 3에 나타낸 것과 같이, 헤테로폴리산을 첨가한 시료 3 및 4가 헤테로폴리산을 첨가하지 않은 시료 1 및 2에 비하여, 고온에서도 농도, 즉 중량%가 저온과 동일하게 유지되므로 과산화수소가 분해되지 않고 존재함을 알 수 있다. 따라서 헤테로폴리산을 첨가함에 따라 과산화수소분해로 인한 폭발의 위험성을 제거하여 안정성을 향상시킴을 알 수 있다.
본발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물은 연료 이외에 H2O2 및 헤테로폴리산을 더욱 포함하여, 개질 반응의 온도를 낮출 수 있고, 또한 수소 발생 효율을 증가시킬 수 있어 결과적으로 고출력 전지를 제공할 수 있다.

Claims (18)

  1. 연료;
    물;
    H2O2; 및
    헤테로폴리산
    을 포함하는 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 H2O2의 함량은 10 내지 60 부피%인 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 H2O2의 함량은 25 내지 35 중량%인 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 H2O2의 함량은 상기 연료의 탄소 수/과산화수소에서 발생되는 산소 수의 비율이 0.2 내지 1.2가 되도록 하는 것인 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조 성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 H2O2의 함량은 상기 연료의 탄소 수/과산화수소에서 발생되는 산소 수의 비율이 0.5 내지 0.8이 되도록 하는 것인 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료는 탄화수소 연료인 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 헤테로폴리산은 [PMo12O40]3-, [PW12O40]3-, [GeMo12O40]4-, [GeW12O40]4-, [P2W18O62]6-, [SiW12O40]4-, [PMo11O39]7-, [P2Mo5O23]6-, [H2W12O40]6- 및 [PW11O39]7-으로 이루어진 군에서 선택되는 음이온을 포함하는 화합물을 하나 이상 포함하는 것인 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 헤테로폴리산의 함량은 연료, 물 및 H2O2의 혼합물 100 중량부에 대하 여 0.0001 내지 5 중량부인 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 헤테로폴리산의 함량은 연료, 물 및 H2O2의 혼합물 100 중량부에 대하여 0.001 내지 1 중량부인 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물.
  10. 연료를 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부;
    연료, 물, H2O2 및 헤테로폴리산을 포함하는 연료 조성물이 공급되어, 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키는 개질부를 포함하는 개질기;
    서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하며, 상기 개질기에서 발생되는 수소 기체와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 및
    상기 전기 발생부로 산화제를 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 H2O2의 함량은 10 내지 60 부피%인 고분자 전해질형 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 H2O2의 함량은 25 내지 35 중량%인 고분자 전해질형 연료 전지 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 H2O2의 함량은 상기 연료의 탄소 수/과산화수소에서 발생되는 산소 수의 비율이 0.2 내지 1.2가 되도록 하는 것인 고분자 전해질형 연료 전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 H2O2의 함량은 상기 연료의 탄소 수/과산화수소에서 발생되는 산소 수의 비율이 0.5 내지 0.8이 되도록 하는 것인 고분자 전해질형 연료 전지 시스템.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 연료는 탄화수소 연료인 고분자 전해질형 연료 전지 시스템.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 헤테로폴리산은 [PMo12O40]3-, [PW12O40]3-, [GeMo12O40]4-, [GeW12O40]4-, [P2W18O62]6-, [SiW12O40]4-, [PMo11O39]7-, [P2Mo5O23]6-, [H2W12O40]6- 및 [PW11O39]7-으로 이루어진 군에서 선택되는 음이온을 포함하는 화합물을 하나 이상 포함하는 것인 고분 자 전해질형 연료 전지 시스템.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 헤테로폴리산의 함량은 연료, 물 및 H2O2의 혼합물 100 중량부에 대하여 0.0001 내지 5 중량부인 고분자 전해질형 연료 전지 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 헤테로폴리산의 함량은 연료, 물 및 H2O2의 혼합물 100 중량부에 대하여 0.001 내지 1 중량부인 고분자 전해질형 연료 전지 시스템.
KR1020070058906A 2007-06-15 2007-06-15 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물 및 이를포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템 KR101408885B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070058906A KR101408885B1 (ko) 2007-06-15 2007-06-15 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물 및 이를포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템
US11/979,628 US8795925B2 (en) 2007-06-15 2007-11-06 Fuel composition for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell system including same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070058906A KR101408885B1 (ko) 2007-06-15 2007-06-15 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물 및 이를포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20080110313A true KR20080110313A (ko) 2008-12-18
KR101408885B1 KR101408885B1 (ko) 2014-06-19

Family

ID=40132638

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070058906A KR101408885B1 (ko) 2007-06-15 2007-06-15 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물 및 이를포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8795925B2 (ko)
KR (1) KR101408885B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100823021B1 (ko) * 2006-12-06 2008-04-17 광주과학기술원 액상 연료 조성물 및 그를 이용하는 연료전지
US20110014527A1 (en) * 2009-07-17 2011-01-20 Leroy James Ohlsen Polyoxometalate flow-cell power system
KR101732659B1 (ko) 2016-10-17 2017-05-24 한동하이드로 주식회사 가역 고분자전해질막 연료전지를 이용한 기능수 제조장치

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6503653B2 (en) * 2001-02-23 2003-01-07 General Motors Corporation Stamped bipolar plate for PEM fuel cell stack
JP2002343403A (ja) * 2001-05-16 2002-11-29 Mitsubishi Chemicals Corp 燃料電池の運転方法
WO2005015658A2 (en) * 2003-08-07 2005-02-17 Cbh2 Technologies, Inc. Hypergolic hydrogen generation system for fuel cell power plants
GB0402487D0 (en) * 2004-02-04 2004-03-10 Isis Innovation Catalytic process
US20060024539A1 (en) * 2004-07-29 2006-02-02 Dumesic James A Catalytic method to remove CO and utilize its energy content in CO-containing streams
KR101320387B1 (ko) * 2005-01-25 2013-10-22 삼성에스디아이 주식회사 Ｃｏ 제거 촉매 시스템 및 이를 채용한 연료처리장치
KR100723388B1 (ko) 2005-11-25 2007-05-30 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 연료 조성물 및 이를 이용한 연료전지

Also Published As

Publication number Publication date
US8795925B2 (en) 2014-08-05
KR101408885B1 (ko) 2014-06-19
US20080311447A1 (en) 2008-12-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4786453B2 (ja) 燃料電池カソード用触媒、これを含む膜−電極接合体及び燃料電池システム
KR101309158B1 (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
US9343750B2 (en) Supporter for fuel cell, and electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for a fuel cell, and fuel cell system including same
KR20070050588A (ko) 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매, 이의 제조 방법, 이를포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는연료 전지 시스템
KR20070106200A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR100953617B1 (ko) 연료 전지용 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100814812B1 (ko) 연료 전지 시스템의 개질기용 일산화탄소 산화 촉매, 이의제조 방법, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100728124B1 (ko) 연료 전지 시스템의 개질기용 수성가스 전환 산화 촉매,그의 제조 방법 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20070114494A (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리
KR100903616B1 (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20070098136A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR101309159B1 (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
KR20070099120A (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100976453B1 (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100959117B1 (ko) 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR101408885B1 (ko) 고분자 전해질형 연료 전지용 연료 조성물 및 이를포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템
KR100749497B1 (ko) 연료 전지용 애노드 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리
KR20090055304A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR100709198B1 (ko) 직접 산화형 연료 전지용 스택 및 이를 포함하는 직접산화형 연료 전지 시스템
KR20080045459A (ko) 연료 전지용 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20070099935A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR20070099121A (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20080041846A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR100759432B1 (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
KR100759435B1 (ko) 연료 전지용 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극어셈블리

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
LAPS Lapse due to unpaid annual fee