KR20230114674A - Hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20230114674A
KR20230114674A KR1020220069566A KR20220069566A KR20230114674A KR 20230114674 A KR20230114674 A KR 20230114674A KR 1020220069566 A KR1020220069566 A KR 1020220069566A KR 20220069566 A KR20220069566 A KR 20220069566A KR 20230114674 A KR20230114674 A KR 20230114674A
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한상범
모용환
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박현석
강은지
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주식회사 보야스에너지
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Abstract

본 발명은 수소 및 과산화수소를 이용하여 전기에너지를 생산하는 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 수소-과산화수소 연료전지는 에너지밀도가 높은 수소와 강력한 산화제인 과산화수소를 이용하여 기존 연료전지 보다 에너지밀도가 높으며 장시간 에너지를 저장할 수 있다. 또한, 수소와 과산화수소를 계속 공급하면, 연속적으로 전기에너지를 생산할 수 있어 비상전원(UPS 등)이나, 우주항공분야 및 군사분야 등에 적용될 수 있다.The present invention relates to a fuel cell for producing electrical energy using hydrogen and hydrogen peroxide and a method for manufacturing the same. It has higher energy density and can store energy for a long time. In addition, if hydrogen and hydrogen peroxide are continuously supplied, electrical energy can be continuously produced, so it can be applied to emergency power sources (UPS, etc.), aerospace and military fields.

Description

수소-과산화수소 연료전지 및 이의 제조방법{Hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell and manufacturing method thereof}Hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell and manufacturing method thereof

본 발명은 수소 및 과산화수소를 이용하여 전기에너지를 생산하는 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell for producing electric energy using hydrogen and hydrogen peroxide and a manufacturing method thereof.

최근 연료전지는 높은 효율과 오염물질의 배출이 적어 청정에너지 전환 장치로서 주목받고 있으며 광범위하게 사용되고 있다. 하지만, 높은 비용과 기술적인 신뢰성의 한계가 상용화에 어려움을 주고 있으며, 특히 연료전지에서 산소극의 산소 환원 반응은 수소극의 수소 산화 반응보다 106배 정도 느리게 일어나게 되므로, 산소극의 산소 환원 활성 반응은 전체 반응속도를 결정하는 주요 요소일 뿐만 아니라, 연료전지 성능을 저하시키는 원인으로 지적되고 있다.Recently, fuel cells are attracting attention as a clean energy conversion device with high efficiency and low emission of pollutants, and are widely used. However, high cost and limitations in technical reliability make commercialization difficult. In particular, since the oxygen reduction reaction of the oxygen electrode in a fuel cell occurs about 10 6 times slower than the hydrogen oxidation reaction of the hydrogen electrode, the oxygen reduction activity of the oxygen electrode Reaction is not only a major factor determining the overall reaction rate, but also pointed out as a cause of deterioration of fuel cell performance.

반면, 수소-과산화수소 연료전지는 열역학적으로 기존 수소-산소 연료전지보다 높은 에너지를 얻을 수 있다. 하지만, 과산화수소는 대부분의 촉매에서 화학적으로 불안정하여 산소와 물로 분해되어 효율적으로 전기에너지를 얻기 어려웠다.On the other hand, hydrogen-hydrogen peroxide fuel cells can obtain higher energy thermodynamically than existing hydrogen-oxygen fuel cells. However, hydrogen peroxide is chemically unstable in most catalysts and decomposes into oxygen and water, making it difficult to efficiently obtain electrical energy.

또한, 기존 연료전지는 음극과 양극에 많은 양의 귀금속 촉매를 사용하게 되며, 특히 양극에 다량의 귀금속촉매를 사용하는 단점이 있다. 비용절감을 위해 단기적으로는 백금 함량을 줄이는 연구가 진행되고 있으나, 장기적인 시각으로 보면 비귀금속 촉매를 개발하는 것이 필수적으로 필요하다. 지난 수 십년 동안 연료전지용 비귀금속 촉매를 개발하고자 하는 많은 노력이 진행되어 왔다. 비록 획기적인 결과는 없었지만 이는 연료전지 상용화를 위한 비귀금속 촉매 연구에 강한 추진력이 되어 왔다. 최근에는 전이금속 합금과 칼코젠화물과 같은 유망한 비귀금속 촉매가 개발되었으나, 아직 백금과 비교하였을 때 반응성이 떨어지므로 이를 향상시키기 위한 노력이 필요하다.In addition, conventional fuel cells use a large amount of noble metal catalysts in the cathode and anode, and in particular, have a disadvantage in that a large amount of noble metal catalyst is used in the anode. In order to reduce costs, research on reducing the platinum content is being conducted in the short term, but from a long-term perspective, it is essential to develop a non-noble metal catalyst. Over the past several decades, many efforts have been made to develop non-noble metal catalysts for fuel cells. Although there were no groundbreaking results, this has been a strong driving force for research on non-precious metal catalysts for commercialization of fuel cells. Recently, promising non-noble metal catalysts such as transition metal alloys and chalcogenides have been developed, but their reactivity is still low compared to platinum, so efforts are needed to improve them.

대한민국 등록특허 제10-0864024호 (2008.10.16. 공개)Republic of Korea Patent No. 10-0864024 (2008.10.16. Publication)

본 발명의 목적은 에너지 밀도가 높은 수소와 강력한 산화제인 과산화수소를 이용하여 에너지 밀도와 에너지 효율이 우수한 수소-과산화수소 연료전지 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell with excellent energy density and energy efficiency using hydrogen with high energy density and hydrogen peroxide, which is a strong oxidizing agent, and a manufacturing method thereof.

본 발명은 산화전극, 전해질막 및 환원전극을 포함하고, 상기 전해질막은 산화전극과 환원전극 사이에 구비되고, 상기 환원전극은 바나듐 액체촉매를 포함하고, 상기 바나듐 액체촉매에 포함된 바나듐 4가 양이온이 과산화수소에 의해 산화되어 바나듐 5가 양이온으로 산화되는 것을 특징으로 하는 수소-과산화수소 연료전지를 제공한다.The present invention includes an oxidation electrode, an electrolyte membrane and a reduction electrode, the electrolyte membrane is provided between the oxidation electrode and the reduction electrode, the reduction electrode includes a vanadium liquid catalyst, and vanadium tetravalent cations included in the vanadium liquid catalyst A hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell characterized in that vanadium 5 is oxidized to a cation by being oxidized by hydrogen peroxide is provided.

또한, 본 발명은 산화전극을 제조하는 단계(제1 단계); 환원전극을 제조하는 단계(제2 단계); 상기 제조된 산화전극에 전해질막을 위치시킨 후 가압하여 산화전극에 압착시키는 단계(제3 단계); 및 상기 제조된 환원전극을 전해질막에 대면하도록 적층시키는 단계(제4 단계)를 포함하고, 상기 환원전극은 바나듐 액체촉매를 포함하고, 상기 바나듐 액체촉매에 포함된 바나듐 4가 양이온이 과산화수소에 의해 산화되어 바나듐 5가 양이온으로 산화되는 것을 특징으로 하는 수소-과산화수소 연료전지의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of manufacturing an anode (first step); manufacturing a cathode (second step); placing an electrolyte membrane on the prepared anode and pressurizing it to compress the anode (third step); and stacking the prepared reduction electrode so as to face the electrolyte membrane (fourth step), wherein the reduction electrode includes a vanadium liquid catalyst, and vanadium tetravalent cations included in the vanadium liquid catalyst are formed by hydrogen peroxide. It provides a method for manufacturing a hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell, characterized in that vanadium 5 is oxidized to a cation.

본 발명에 따른 수소-과산화수소 연료전지는 에너지밀도가 높은 수소와 강력한 산화제인 과산화수소를 이용하여 기존 연료전지 보다 에너지밀도가 높으며 장시간 에너지를 저장할 수 있다. 또한, 수소와 과산화수소를 계속 공급하면, 연속적으로 전기에너지를 생산할 수 있어 비상전원(UPS 등)이나, 우주항공분야 및 군사분야 등에 적용될 수 있다.The hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell according to the present invention uses hydrogen with high energy density and hydrogen peroxide, which is a strong oxidizing agent, to have higher energy density than conventional fuel cells and can store energy for a long time. In addition, if hydrogen and hydrogen peroxide are continuously supplied, electrical energy can be continuously produced, so it can be applied to emergency power sources (UPS, etc.), aerospace and military fields.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소-과산화수소 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바나듐 액체촉매의 산화반응을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소-과산화수소 연료전지의 단위전지 평가결과이다.
1 is a diagram showing the operating principle of a hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a photograph of an oxidation reaction of a vanadium liquid catalyst according to an embodiment of the present invention.
3 is a unit cell evaluation result of a hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.

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

본 발명은 산화전극, 전해질막 및 환원전극을 포함하고, 상기 전해질막은 산화전극과 환원전극 사이에 구비되고, 상기 환원전극은 바나듐 액체촉매를 포함하고, 상기 바나듐 액체촉매에 포함된 바나듐 4가 양이온이 과산화수소에 의해 산화되어 바나듐 5가 양이온으로 산화되는 것을 특징으로 하는 수소-과산화수소 연료전지를 제공한다.The present invention includes an oxidation electrode, an electrolyte membrane and a reduction electrode, the electrolyte membrane is provided between the oxidation electrode and the reduction electrode, the reduction electrode includes a vanadium liquid catalyst, and vanadium tetravalent cations included in the vanadium liquid catalyst It is oxidized by the hydrogen peroxide to provide a hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell characterized in that vanadium 5 is oxidized to a cation.

구체적으로, 상기 수소-과산화수소 연료전지는 연료의 산화반응을 이용하는 산화전극과 산화제의 환원반응을 이용하는 환원전극 및 상기 산화전극과 상기 환원전극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하여 이루어질 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, the hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell may include an oxidation electrode using an oxidation reaction of fuel, a reduction electrode using a reduction reaction of an oxidizing agent, and an electrolyte membrane positioned between the oxidation electrode and the reduction electrode. It is not.

상기 산화전극은 기재와 촉매층을 포함하여 이루어질 수 있다.The oxidation electrode may include a substrate and a catalyst layer.

상기 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료를 확산시켜 촉매층으로 연료가 쉽게 접근할 수 있도록 도와주는 역할을 수행할 수 있으며, 상기 기재로는 도전성 기재를 사용할 수 있다. 구체적으로, 도전성 기재는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천 (carbon cloth), 탄소 펠트 (carbon felt) 또는 금속 천이 사용될 수 있고, 상기 금속 천은 섬유 상태의 금속 천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것 일 수 있다.The substrate may serve to support the electrode and diffuse the fuel into the catalyst layer to facilitate easy access of the fuel to the catalyst layer, and a conductive substrate may be used as the substrate. Specifically, the conductive substrate may be carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth, and the metal cloth is a porous film or polymer fiber composed of a fibrous metal cloth. A metal film may be formed on the surface of the fabric.

상기 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하며, 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌 (Fluorinated ethylenepropylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 및 이들의 코폴리머로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.It is preferable to use a water-repellent material treated with a fluorine-based resin to prevent a reduction in the diffusion efficiency of reactants due to water generated during operation of the fuel cell. The fluorine-based resin includes polytetrafluoroethylene, Polyvinylidene fluoride,  polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkylvinyl ether, polyperfluorosulfonylfluoride alkoxyvinyl ether, fluorinated ethylenepropylene, polychlorotrifluoroethylene and these It may be any one selected from the group consisting of copolymers of, but is not limited thereto.

상기 촉매층은 연료의 산화반응이 효율적으로 진행될 수 있도록 도와주는 역할을 수행하며 촉매를 포함할 수 있다.The catalyst layer serves to help the oxidation reaction of fuel to proceed efficiently and may include a catalyst.

상기 촉매는 당해분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 제한 없이 적용가능하며, 구체적으로 상기 촉매는 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금 (M은 갈륨 (Ga), 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 주석 (Sn), 몰리브덴 (Mo), 텅스텐 (W), 루테늄 (Ru), 로듐 (Rh) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 전이금속) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.As long as the catalyst is generally used in the art, it is applicable without limitation, and specifically, a platinum-based catalyst may be used as the catalyst. The platinum-based catalyst includes platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is gallium (Ga), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), Manganese (Mn), Iron (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Copper (Cu), Zinc (Zn), Tin (Sn), Molybdenum (Mo), Tungsten (W), Ruthenium A catalyst selected from the group consisting of (Ru), rhodium (Rh), and a transition metal selected from the group consisting of combinations thereof) and mixtures thereof may be used, but is not limited thereto.

상기 기재와 촉매층을 포함하는 산화전극은 예를 들어 촉매를 포함하는 슬러리를 기재에 도포하여 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.An anode including the substrate and a catalyst layer may be prepared by, for example, applying a slurry containing a catalyst to a substrate, but is not limited thereto.

상기 환원전극은 탄소 페이퍼 (carbon paper), 탄소 천 (carbon cloth) 및 탄소 펠트 (carbon felt)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 산화전극과는 달리 귀금속 촉매를 사용할 필요가 없다.The cathode may include at least one selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, and carbon felt, and unlike the anode, there is no need to use a noble metal catalyst. .

상기 바나듐 액체촉매는 0.3 내지 1 M의 바나딜 설페이트(VOSO4) 용액과 1 내지 3 M의 황산(H2SO4)용액으로 이루어질 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The vanadium liquid catalyst may be composed of a 0.3 to 1 M vanadyl sulfate (VOSO 4 ) solution and a 1 to 3 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution, but is not limited thereto.

상기 바나듐 액체촉매는 바나듐 4가 양이온이 과산화수소에 의해 산화되어 바나듐 5가 양이온으로 산화될 수 있으며, 상기 바나듐 액체촉매는 바나딜 설페이트일 수 있다.In the vanadium liquid catalyst, vanadium tetravalent cations may be oxidized with hydrogen peroxide to vanadium pentavalent cations, and the vanadium liquid catalyst may be vanadyl sulfate.

상기 바나딜 설페이트는 황산용액에 용해시킨 후 과산화수소와 반응시키면 하기 반응식 3과 같은 반응이 일어날 수 있다.When the vanadyl sulfate is dissolved in a sulfuric acid solution and then reacted with hydrogen peroxide, a reaction shown in Scheme 3 below may occur.

상기 전해질막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The electrolyte membrane may be a cation exchange membrane or an anion exchange membrane, but is not limited thereto.

상기 양이온 교환막은 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The cation exchange membrane is a fluorine-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, a polyethersulfone-based polymer, a polyether ketone-based polymer, It may be any one selected from the group consisting of ether-ether ketone-based polymers and polyphenylquinoxaline-based polymers, but is not limited thereto.

상기 음이온 교환막은 플루오르계 고분자 및 탄화수소계 고분자에서 수산화 이온을 잘 이동시킬 수 있는 양이온을 띄는 작용기를 가진 전해질에서 선택된 것을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The anion exchange membrane may be selected from electrolytes selected from fluorine-based polymers and hydrocarbon-based polymers having a functional group that exhibits a cation capable of easily transporting hydroxide ions, but is not limited thereto.

상기 전해질막은 산화전극과 환원전극을 전기적으로 분리하는 절연체 역할을 함과 동시에 수소-과산화수소 연료전지의 작동 중에 산화전극으로부터 환원전극으로 전자 및/또는 수소 이온을 전달하는 매개체로 작용하며, 산화제 또는 연료를 분리하는 역할을 동시에 수행할 수 있기 때문에 상기 전해질막은 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용하여 제조된 것이 바람직하다.The electrolyte membrane serves as an insulator that electrically separates the anode and the cathode, and at the same time serves as a medium for transferring electrons and/or hydrogen ions from the anode to the cathode during operation of the hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell. Since it can simultaneously perform the role of separating the electrolyte membrane, it is preferable that the electrolyte membrane is manufactured using a polymer having excellent hydrogen ion conductivity.

상기 전해질막은 충분한 전기 전도성을 확보하기 위해 전기 전도층을 더 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The electrolyte membrane may further include an electrical conductive layer to ensure sufficient electrical conductivity, but is not limited thereto.

본 발명의 수소-과산화수소 연료전지는 상기 환원전극으로 바나듐 액체촉매를 공급하기 위한 산화반응기를 더 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The hydrogen-peroxide fuel cell of the present invention may further include an oxidation reactor for supplying a vanadium liquid catalyst to the reduction electrode, but is not limited thereto.

상기 산화반응기는 과산화수소를 포함하고, 상기 과산화수소는 표준환원전위가 1.76 V로 매우 강력한 산화제로서 환원전극에서 환원된 바나듐 4가 양이온이 산화반응기에 공급되면 과산화수소에 의해 다시 산화된 후 환원전극으로 공급된다. 이러한 반응 경로를 통해 수소와 과산화수소를 이용한 고에너지밀도 연료전지를 제공할 수 있다.The oxidation reactor contains hydrogen peroxide, and hydrogen peroxide is a very strong oxidizing agent with a standard reduction potential of 1.76 V. When vanadium tetravalent cations reduced at the reduction electrode are supplied to the oxidation reactor, they are oxidized again by hydrogen peroxide and then supplied to the reduction electrode. . Through this reaction pathway, a high energy density fuel cell using hydrogen and hydrogen peroxide can be provided.

상기 산화전극에서는 연료의 산화반응이 일어난다. 상기 연료는 당해분야에서 일반적으로 사용되는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있으며, 상기 탄화수소 연료는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스일 수 있다.An oxidation reaction of fuel occurs at the oxidation electrode. The fuel may include gaseous or liquid hydrogen or hydrocarbon fuel commonly used in the art, and the hydrocarbon fuel may be methanol, ethanol, propanol, butanol, or natural gas.

상기 수소-과산화수소 연료전지는 산화전극으로 연료를 공급하기 위해 연료 공급구를 더 포함할 수 있다.The hydrogen-peroxide fuel cell may further include a fuel supply port to supply fuel to the anode.

상기 환원전극에서는 바나듐 액체촉매의 환원반응이 일어난다. 구체적으로, 바나듐 5가 양이온이 바나듐 4가 양이온으로 환원되면서 전기 에너지가 발생한다.At the reduction electrode, a reduction reaction of the vanadium liquid catalyst occurs. Specifically, electrical energy is generated as vanadium pentavalent cations are reduced to vanadium tetravalent cations.

본 발명의 수소-과산화수소 연료전지는 산화/환원 반응의 활성화 에너지가 낮은 바나듐을 산화환원쌍으로 사용함으로써 귀금속 촉매를 사용하지 않고 값싼 탄소 소재를 이용하여 에너지 밀도 및 에너지 효율이 높은 수소-과산화수소 연료전지를 제공할 수 있다.The hydrogen-peroxide fuel cell of the present invention is a hydrogen-peroxide fuel cell with high energy density and energy efficiency by using inexpensive carbon materials without using a precious metal catalyst by using vanadium, which has low activation energy of oxidation/reduction reaction, as a redox pair. can provide.

상기 수소-과산화수소 연료전지는 환원전극으로 바나듐 액체촉매를 포함하는 액체형 순환촉매를 공급하기 위해 순환촉매 공급구를 더 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell may further include a circulation catalyst supply port to supply a liquid circulation catalyst including a vanadium liquid catalyst to the reduction electrode, but is not limited thereto.

도 1은 본 발명의 수소-과산화수소 연료전지의 작동원리를 나타낸 도면으로, 상기 산화전극은 일반적인 연료전지와 같은 구조로 형성된 것으로 Pt/C 촉매를 사용하며, 하기 반응식 1과 같은 기존 연료전지와 같은 수소산화반응이 일어나고 이때 발생된 전자와 수소 이온은 도선과 전해질막을 통해 환원전극으로 이동하게 된다. 이와 함께 환원전극에서는 하기 반응식 2와 같이 바나듐 5가 양이온(VO2 +)의 환원반응과 함께 물이 생성되며 전기 에너지와 열 에너지가 발생한다. 이 반응에서 생성된 바나듐 4가 양이온(VO2+)은 산화반응기로 이동하게 된다. 산화반응기에서는 하기 반응식 3과 같이 다시 바나듐 5가 양이온(VO2 +)으로 산화된다. 이와 같은 반응식을 종합해보면 하기 반응식 4와 같이 수소와 과산화수소의 산화 및 환원 반응으로 요약될 수 있으며, 이때 바나듐은 산화 및 환원반응이 반복되며 반응 전/후 변화하지 않고 과산화구소의 환원반응을 돕는 액체 촉매로 작용하게 된다.1 is a view showing the operating principle of a hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell of the present invention, wherein the oxidizing electrode is formed in the same structure as a general fuel cell, uses a Pt/C catalyst, and has the same structure as a conventional fuel cell such as A hydrogen oxidation reaction occurs, and electrons and hydrogen ions generated at this time move to the reduction electrode through the conductive wire and the electrolyte membrane. In addition, at the cathode, water is generated along with the reduction reaction of vanadium pentavalent cations (VO 2 + ) as shown in Reaction Formula 2 below, and electrical energy and thermal energy are generated. Vanadium tetravalent cations (VO 2+ ) generated in this reaction move to the oxidation reactor. In the oxidation reactor, vanadium 5 is oxidized to a cation (VO 2 + ) again as shown in Scheme 3 below. Putting these reaction equations together, they can be summarized as oxidation and reduction reactions of hydrogen and hydrogen peroxide as shown in Reaction Formula 4 below. In this case, vanadium undergoes repeated oxidation and reduction reactions, and does not change before/after the reaction. Liquid that helps the reduction reaction of hydrogen peroxide will act as a catalyst.

[반응식 1][Scheme 1]

산화전극반응 : H2 → 2H+ + 2e- Oxidation electrode reaction: H 2 → 2H + + 2e -

[반응식 2][Scheme 2]

환원전극반응 : 2VO2 + + 4H+ + 2e- → 2VO2+ + 2H2OCathode Reaction: 2VO 2 + + 4H + + 2e - → 2VO 2+ + 2H 2 O

[반응식 3][Scheme 3]

산화반응기 : 2VO2+ + H2O2 → 2VO2 + + 2H+ Oxidation reactor: 2VO 2+ + H 2 O 2 → 2VO 2 + + 2H +

[반응식 4][Scheme 4]

총괄반응 : H2 +H2O2 → 2H2O + Electric energyOverall reaction: H 2 +H 2 O 2 → 2H 2 O + Electric energy

또한, 본 발명은 산화전극을 제조하는 단계(제1 단계); 환원전극을 제조하는 단계(제2 단계); 상기 제조된 산화전극에 전해질막을 위치시킨 후 가압하여 산화전극에 압착시키는 단계(제3 단계); 및 상기 제조된 환원전극을 전해질막에 대면하도록 적층시키는 단계(제4 단계)를 포함하고, 상기 환원전극은 바나듐 액체촉매를 포함하고, 상기 바나듐 액체촉매에 포함된 바나듐 4가 양이온이 과산화수소에 의해 산화되어 바나듐 5가 양이온으로 산화되는 것을 특징으로 하는 수소-과산화수소 연료전지의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of manufacturing an anode (first step); manufacturing a cathode (second step); placing an electrolyte membrane on the prepared anode and pressurizing it to compress the anode (third step); and stacking the prepared reduction electrode so as to face the electrolyte membrane (fourth step), wherein the reduction electrode includes a vanadium liquid catalyst, and vanadium tetravalent cations included in the vanadium liquid catalyst are formed by hydrogen peroxide. It provides a method for manufacturing a hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell, characterized in that vanadium 5 is oxidized to a cation.

상기 제1 단계는 기재 상에 촉매층을 형성하여 산화전극을 제조하는 단계이다. 구체적으로, 촉매를 포함하는 슬러리를 기재에 도포하여 제조할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The first step is a step of manufacturing an oxidation electrode by forming a catalyst layer on a substrate. Specifically, it may be prepared by applying a slurry containing a catalyst to a substrate, but is not limited thereto.

상기 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료를 확산시켜 촉매층으로 연료가 쉽게 접근할 수 있도록 도와주는 역할을 수행할 수 있으며, 상기 기재로는 도전성 기재를 사용할 수 있다. 구체적으로, 도전성 기재는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천 (carbon cloth), 탄소 펠트 (carbon felt) 또는 금속 천이 사용될 수 있고, 상기 금속 천은 섬유 상태의 금속 천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것 일 수 있다.The substrate may serve to support the electrode and diffuse the fuel into the catalyst layer to facilitate easy access of the fuel to the catalyst layer, and a conductive substrate may be used as the substrate. Specifically, the conductive substrate may be carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth, and the metal cloth is a porous film or polymer fiber composed of a fibrous metal cloth. A metal film may be formed on the surface of the fabric.

상기 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하며, 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌 (Fluorinated ethylenepropylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 및 이들의 코폴리머로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.It is preferable to use a water-repellent material treated with a fluorine-based resin to prevent a reduction in the diffusion efficiency of reactants due to water generated during operation of the fuel cell. The fluorine-based resin includes polytetrafluoroethylene, Polyvinylidene fluoride,  polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkylvinyl ether, polyperfluorosulfonylfluoride alkoxyvinyl ether, fluorinated ethylenepropylene, polychlorotrifluoroethylene and these It may be any one selected from the group consisting of copolymers of, but is not limited thereto.

상기 촉매층은 연료의 산화반응이 효율적으로 진행될 수 있도록 도와주는 역할을 수행하며 촉매를 포함할 수 있다.The catalyst layer serves to help the oxidation reaction of fuel to proceed efficiently and may include a catalyst.

상기 촉매는 당해분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 제한 없이 적용가능하며, 구체적으로 상기 촉매는 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금 (M은 갈륨 (Ga), 티타늄 (Ti), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 주석 (Sn), 몰리브덴 (Mo), 텅스텐 (W), 루테늄 (Ru), 로듐 (Rh) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 전이금속) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.As long as the catalyst is generally used in the art, it is applicable without limitation, and specifically, a platinum-based catalyst may be used as the catalyst. The platinum-based catalyst includes platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is gallium (Ga), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), Manganese (Mn), Iron (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Copper (Cu), Zinc (Zn), Tin (Sn), Molybdenum (Mo), Tungsten (W), Ruthenium A catalyst selected from the group consisting of (Ru), rhodium (Rh), and a transition metal selected from the group consisting of combinations thereof) and mixtures thereof may be used, but is not limited thereto.

상기 제2 단계에서 환원전극은 탄소 페이퍼 (carbon paper), 탄소 천 (carbon cloth) 및 탄소 펠트 (carbon felt)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 산화전극과는 달리 귀금속 촉매를 사용할 필요가 없다.In the second step, the cathode may include at least one selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, and carbon felt, and unlike the anode, a noble metal catalyst may be used. no need to use

상기 바나듐 액체촉매는 0.3 내지 1 M의 바나딜 설페이트(VOSO4) 용액과 1 내지 3 M의 황산(H2SO4)용액으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The vanadium liquid catalyst may be composed of a 0.3 to 1 M vanadyl sulfate (VOSO 4 ) solution and a 1 to 3 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution, but is not limited thereto.

상기 환원전극은 바나듐 액체촉매를 포함하고, 상기 바나듐 액체촉매에 포함된 바나듐 4가 양이온이 과산화수소에 의해 산화되어 바나듐 5가 양이온으로 산화될 수 있다.The cathode may include a vanadium liquid catalyst, and vanadium tetravalent cations included in the vanadium liquid catalyst may be oxidized to vanadium pentavalent cations by being oxidized by hydrogen peroxide.

상기 제3 단계는 상기 산화전극의 일면에 전해질막을 위치시킨 후 100 내지 150℃의 온도에서 1.5 내지 3 bar의 압력을 2 내지 10분 동안 가해 압착시킬 수 있다.In the third step, the electrolyte membrane may be placed on one surface of the oxidation electrode and compressed by applying a pressure of 1.5 to 3 bar at a temperature of 100 to 150 ° C for 2 to 10 minutes.

상기 전해질막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The electrolyte membrane may be a cation exchange membrane or an anion exchange membrane, but is not limited thereto.

상기 양이온 교환막은 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The cation exchange membrane is a fluorine-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, a polyethersulfone-based polymer, a polyether ketone-based polymer, It may be any one selected from the group consisting of ether-ether ketone-based polymers and polyphenylquinoxaline-based polymers, but is not limited thereto.

상기 음이온 교환막은 플루오르계 고분자 및 탄화수소계 고분자에서 수산화 이온을 잘 이동시킬 수 있는 양이온을 띄는 작용기를 가진 전해질에서 선택된 것을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The anion exchange membrane may be selected from electrolytes selected from fluorine-based polymers and hydrocarbon-based polymers having a functional group that exhibits a cation capable of easily transporting hydroxide ions, but is not limited thereto.

상기 전해질막은 산화전극과 환원전극을 전기적으로 분리하는 절연체 역할을 함과 동시에 수소-과산화수소 연료전지의 작동 중에 산화전극으로부터 환원전극으로 전자 및/또는 수소 이온을 전달하는 매개체로 작용하며, 산화제 또는 연료를 분리하는 역할을 동시에 수행할 수 있기 때문에 상기 전해질막은 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용하여 제조된 것이 바람직하다.The electrolyte membrane serves as an insulator that electrically separates the anode and the cathode, and at the same time serves as a medium for transferring electrons and/or hydrogen ions from the anode to the cathode during operation of the hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell. Since it can simultaneously perform the role of separating the electrolyte membrane, it is preferable that the electrolyte membrane is manufactured using a polymer having excellent hydrogen ion conductivity.

상기 전해질막은 충분한 전기 전도성을 확보하기 위해 전기 전도층을 더 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The electrolyte membrane may further include an electrical conductive layer to ensure sufficient electrical conductivity, but is not limited thereto.

상기 전해질막의 두께는 10 내지 100 ㎛ 또는 30 내지 70 ㎛일 수 있다.The electrolyte membrane may have a thickness of 10 to 100 μm or 30 to 70 μm.

이하, 본 발명은 하기의 실시예를 통하여 설명하기로 하나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시된 것일 뿐 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described through the following examples, but the following examples are only illustrated to help understanding of the present invention, but the scope of the present invention is not limited.

실시예 1Example 1

본 발명의 수소-과산화수소 단위전지의 막-전극 접합체는 크게 에노드(산화전극), 캐소드(환원전극), 전해질막으로 구성되어있다. 우선 연료인 수소를 산화시키는 전극으로 에노드에 백금이 40% 담지된 Pt/C (40%) GDE(Gas Diffusion Electrode, SGL-39BB)를 사용한다. 크기는 5 cm x 5 cm의 크기의 정사각형으로 잘라 사용하였다. 전해질 막으로는 두께 50 ㎛인 나피온 212를 사용하는데 이때 전해질막의 크기는 단위전지에 부착하여 고정하기 쉽게 8 cm x 8 cm의 크기로 잘랐다. 이렇게 준비된 에노드 전극과 나피온 212 전해질막을 핫프레싱(Hot-pressing method) 기법을 통해 부착하였는데 110 ℃의 온도에서 2 바의 압력을 약 5분 동안 가해 접착시켰다.The membrane-electrode assembly of the hydrogen-peroxide unit cell of the present invention is largely composed of an anode (oxidation electrode), a cathode (reduction electrode), and an electrolyte membrane. First, Pt/C (40%) GDE (Gas Diffusion Electrode, SGL-39BB) with 40% platinum supported on the anode is used as an electrode that oxidizes hydrogen, which is a fuel. The size was used by cutting into a square with a size of 5 cm x 5 cm. As the electrolyte membrane, Nafion 212 having a thickness of 50 μm was used. At this time, the size of the electrolyte membrane was cut into a size of 8 cm x 8 cm for easy fixation by attaching to the unit cell. The prepared anode electrode and the Nafion 212 electrolyte membrane were attached through a hot-pressing method, and were bonded by applying a pressure of 2 bar at a temperature of 110 ° C. for about 5 minutes.

바나듐 5가 양이온을 환원시키는 캐소드 전극 소재로는 탄소 펠트를 사용하였는데 이때 크기는 에노드 GDE와 동일하게 5 cm x 5 cm의 크기의 정사각형으로 잘라 사용하였다. 완성한 반쪽자리 에노드 전극-전해질막 접합체 위에 탄소 펠트 전극을 올리고 단위전지를 조립하였다. 탄소 펠트 전극을 사용하기 위해 액체 용액 주입시 사용되는 셀가이드를 사용하였고 이때 에노드와 캐소드에는 각각 140 ㎛의 가스켓을 사용하여 단위전지를 완성하였다.Carbon felt was used as a cathode electrode material for reducing vanadium 5 cations, and at this time, the size was cut into a square of 5 cm x 5 cm in the same size as the anode GDE. A unit cell was assembled by placing a carbon felt electrode on the completed half anode electrode-electrolyte membrane assembly. In order to use the carbon felt electrode, a cell guide used for liquid solution injection was used, and at this time, a 140 μm gasket was used for the anode and cathode, respectively, to complete the unit cell.

실험예 1Experimental Example 1

본 발명의 수소-과산화수소 연료전지의 에너지밀도를 확인하기 위해, 수소와 다양한 산화제를 사용했을 때 얻을 수 있는 이론적인 에너지 밀도를 계산하였으며, 그 결과를 표 1에 나타냈다.In order to confirm the energy density of the hydrogen-peroxide fuel cell of the present invention, the theoretical energy density that can be obtained when using hydrogen and various oxidants was calculated, and the results are shown in Table 1.

표 1을 살펴보면, 에너지 밀도는 수소와 산화제의 산화수와 화학식량(또는 당량)과 농도, 표준환원전위의 차이에 의해 결정된다. 다양한 산화제들 중 과산화수소는 순도가 35% 정도로 높은 상태로 존재할 수 있으며, 당량이 17g/mole - 정도로 낮기 때문에 에너지 밀도를 최대 731 mWh/g 정도로 얻을 수 있다. 기존 리튬이온 배터리의 에너지 밀도가 200 mWh/g 수준으로 기존 배터리보다 에너지 밀도가 높으며, 장시간 에너지를 저장할 수 있다. 또한 수소와 과산화수소를 계속 공급하면 연속적으로 전기에너지를 생산할 수 있다. 이러한 수소-과산화수소 연료전지는 비상전원이나 우주항공분야 및 군사 분야 등에 적용되어질 수 있다.Referring to Table 1, the energy density is determined by the difference between the oxidation number, formula weight (or equivalent), concentration, and standard reduction potential of hydrogen and an oxidizing agent. Among various oxidizing agents, hydrogen peroxide can exist in a state with a purity as high as 35%, and an energy density of up to 731 mWh/g can be obtained because the equivalent weight is as low as 17 g/mol e - . The energy density of existing lithium-ion batteries is 200 mWh/g, which is higher than conventional batteries and can store energy for a long time. In addition, if hydrogen and hydrogen peroxide are continuously supplied, electrical energy can be continuously produced. These hydrogen-hydrogen peroxide fuel cells can be applied to emergency power sources, aerospace and military fields.

실험예 2Experimental Example 2

본 발명에 사용되는 바나듐 촉매의 활성과 본 발명의 수소와 과산화수소를 이용한 단위전지의 성능을 평가하였고, 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타냈다.The activity of the vanadium catalyst used in the present invention and the performance of the unit cell using hydrogen and hydrogen peroxide according to the present invention were evaluated, and the results are shown in FIGS. 2 and 3 .

도 2는 2M황산 용액에 바나듐 +4가의 VOSO4을 0.5M 농도로 용해시킨 후(왼쪽 파란색 용액) 이온을 과산화수소를 이용하여 산화시켜 +5가의 VO2(SO4)2로 산화시킨 용액의 사진이다. +4가의 바나듐 용액에 과산화수소를 넣으면 과산화수소의 강력한 산화력으로 인해 수초만에 바나듐 +4가 이온이 +5가 이온으로 산화되는 것을 확인하였다.2 is a photograph of a solution obtained by dissolving vanadium +4-valent VOSO 4 at a concentration of 0.5 M in a 2M sulfuric acid solution (left blue solution) and then oxidizing the ions using hydrogen peroxide to +5-valent VO 2 (SO 4 ) 2 . am. It was confirmed that when hydrogen peroxide was added to a +4-valent vanadium solution, vanadium +4-valent ions were oxidized to +5-valent ions in a matter of seconds due to the strong oxidizing power of hydrogen peroxide.

이렇게 산화된 바나듐 +5가 용액과 수소를 이용하여 단위전지의 성능을 평가하였다.The performance of the unit cell was evaluated using the oxidized vanadium +5 valent solution and hydrogen.

도 3은 수소와 과산화수소를 이용하여 산화시킨 바나듐 +5가 이온용액을 이용하여 단위전지의 성능을 평가한 결과이다. 산화전극은 25 cm2 면적의 GDE(Gas diffusion electrode)를 사용하였다. GDE는 Pt/C 촉매가 백금 기준으로 0.4 mg/cm2의 로딩량이며, 카본 페이퍼에 코팅된 제품(SGL-39BB)을 사용하였다. 위에서 설명한 GDE를 Nafion 212 전해질막에 110 ℃에서 5분간 핫프레스(Hot-press)하였으며, 환원전극은 상용 카본섬유를 핫 프레스 없이 조립하여 사용하였다. 3 is a result of evaluating the performance of a unit cell using a vanadium +5 valent ion solution oxidized using hydrogen and hydrogen peroxide. As an anode, a gas diffusion electrode (GDE) with an area of 25 cm 2 was used. For GDE, a Pt/C catalyst with a loading of 0.4 mg/cm 2 based on platinum and coated on carbon paper (SGL-39BB) was used. The GDE described above was hot-pressed on a Nafion 212 electrolyte membrane at 110 ° C. for 5 minutes, and commercially available carbon fibers were assembled and used as a cathode without hot pressing.

산화전극에는 고순도 수소 가스를 500 ml/min의 유량으로 공급하였고, 환원전극에는 과산화수소로 산화시킨 바나듐 수용액을 200 ml/min의 유량으로 공급하였다. 전해질 및 단위전지의 온도를 50 ℃로 가열한 후 연료전지 평가장치를 이용하여 성능을 평가하였다. High-purity hydrogen gas was supplied to the anode at a flow rate of 500 ml/min, and an aqueous vanadium solution oxidized with hydrogen peroxide was supplied to the cathode at a flow rate of 200 ml/min. After heating the temperature of the electrolyte and the unit cell to 50 ℃, the performance was evaluated using a fuel cell evaluation device.

수소-과산화수소 연료전지 평가결과 OCV(Open Circuit Volatage)는 1.05 V 정도로 기존 수소-산소 연료전지보다 0.1 V 정도 높게 측정되었으며, 활성손실(activation loss)가 매우 낮게 관찰되었다. 이로 인해 단위전지 전압 0.8V에서 0.54A/cm2, 432 mW/cm2으로 나타났다. 이와 같은 전력밀도는 기존 수소-산소연료전지보다 높은 수준으로, 상용화 가능성이 매우 높은 시스템이다. As a result of evaluating the hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell, the OCV (Open Circuit Volatage) was measured to be about 1.05 V, which is about 0.1 V higher than that of the existing hydrogen-oxygen fuel cell, and the activation loss was observed to be very low. This resulted in 0.54A/cm 2 and 432 mW/cm 2 at a unit cell voltage of 0.8V. This power density is higher than that of conventional hydrogen-oxygen fuel cells, and it is a system with very high commercialization potential.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by limited examples, the present invention is not limited thereto, and the technical spirit of the present invention and the claims to be described below are made by those skilled in the art to which the present invention belongs. Of course, various modifications and variations are possible within the equivalent range of the scope.

Claims (8)

산화전극, 전해질막 및 환원전극을 포함하고,
상기 전해질막은 산화전극과 환원전극 사이에 구비되고,
상기 환원전극은 바나듐 액체촉매를 포함하고,
상기 바나듐 액체촉매에 포함된 바나듐 4가 양이온이 과산화수소에 의해 산화되어 바나듐 5가 양이온으로 산화되는 것을 특징으로 하는 수소-과산화수소 연료전지.
Including an anode, an electrolyte membrane and a cathode,
The electrolyte membrane is provided between the anode and the cathode,
The reduction electrode includes a vanadium liquid catalyst,
A hydrogen-peroxide fuel cell, characterized in that vanadium tetravalent cations included in the vanadium liquid catalyst are oxidized by hydrogen peroxide to oxidized vanadium 5valent cations.
제 1 항에 있어서,
상기 바나듐 액체촉매는 0.3 내지 1 M의 바나딜 설페이트(VOSO4) 용액과 1 내지 3 M의 황산(H2SO4)용액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소-과산화수소 연료전지.
According to claim 1,
The hydrogen-peroxide fuel cell, characterized in that the vanadium liquid catalyst consists of a 0.3 to 1 M vanadyl sulfate (VOSO 4 ) solution and a 1 to 3 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution.
제 1 항에 있어서,
상기 전해질막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 포함하는 수소-과산화수소 연료전지.
According to claim 1,
The electrolyte membrane is a hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell comprising a cation exchange membrane or an anion exchange membrane.
제 1 항에 있어서,
상기 수소-과산화수소 연료전지는 환원전극으로 바나듐 액체촉매를 공급하기 위한 산화반응기를 추가로 포함하는 수소-과산화수소 연료전지.
According to claim 1,
The hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell further comprises an oxidation reactor for supplying a vanadium liquid catalyst to a reduction electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 수소-과산화수소 연료전지의 에너지 밀도는 600 내지 800 Wh/kg인 것을틀 특징으로 하는 수소-과산화수소 연료전지.
According to claim 1,
The hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell, characterized in that the energy density of the hydrogen-peroxide fuel cell is 600 to 800 Wh / kg.
산화전극을 제조하는 단계(제1 단계);
환원전극을 제조하는 단계(제2 단계);
상기 제조된 산화전극에 전해질막을 위치시킨 후 가압하여 산화전극에 압착시키는 단계(제3 단계); 및
상기 제조된 환원전극을 전해질막에 대면하도록 적층시키는 단계(제4 단계)를 포함하고,
상기 환원전극은 바나듐 액체촉매를 포함하고,
상기 바나듐 액체촉매에 포함된 바나듐 4가 양이온이 과산화수소에 의해 산화되어 바나듐 5가 양이온으로 산화되는 것을 특징으로 하는 수소-과산화수소 연료전지의 제조방법.
manufacturing an anode (first step);
manufacturing a cathode (second step);
placing an electrolyte membrane on the prepared anode and pressurizing it to compress the anode (third step); and
A step (fourth step) of stacking the prepared reduction electrode so as to face the electrolyte membrane,
The reduction electrode includes a vanadium liquid catalyst,
A method of manufacturing a hydrogen-peroxide fuel cell, characterized in that vanadium tetravalent cations included in the vanadium liquid catalyst are oxidized by hydrogen peroxide to oxidize to vanadium 5 valent cations.
제 6 항에 있어서,
상기 바나듐 액체촉매는 0.3 내지 1 M의 바나딜 설페이트(VOSO4) 용액과 1 내지 3 M의 황산(H2SO4)용액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소-과산화수소 연료전지의 제조방법.
According to claim 6,
The vanadium liquid catalyst is a method for producing a hydrogen-peroxide fuel cell, characterized in that consisting of a 0.3 to 1 M vanadyl sulfate (VOSO 4 ) solution and a 1 to 3 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution.
제 6 항에 있어서,
상기 전해질막은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막을 포함하는 수소-과산화수소 연료전지의 제조방법.
According to claim 6,
The electrolyte membrane is a method of manufacturing a hydrogen-hydrogen peroxide fuel cell comprising a cation exchange membrane or an anion exchange membrane.
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100864024B1 (en) 2007-04-26 2008-10-16 삼성전기주식회사 Hydrogen generating apparatus and fuel cell system using the same

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