KR100718114B1 - Fuel cell system comprising structure for supplying fuel in vapor phase - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 액체 연료 저장층과 막전극 접합체의 애노드 사이에 제 1 분리막과 완충용액층을 두어, 상기 제 1 분리막의 선택적 투과를 통해 증기 형태의 연료만 완충용액층으로 전달되도록 하고, 상기 완충용액층에서는 고농도의 연료가 저농도의 액체연료로 희석되어 상기 막전극 접합체로 공급하도록 한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, a first separator and a buffer solution layer are disposed between a liquid fuel storage layer and an anode of a membrane electrode assembly, so that only fuel in the form of vapor through selective permeation of the first separator is provided. The present invention relates to a fuel cell system in which a buffer solution layer is delivered to a buffer solution layer, wherein a high concentration of fuel is diluted with a low concentration liquid fuel and supplied to the membrane electrode assembly.
본 발명의 연료 전지 시스템은 연료를 수동 공급 방식으로 공급하므로 시스템의 크기가 작고 불필요한 전력 소모가 없어서 시스템 효율이 높다. 또, 순수한 연료 또는 고농도의 연료 수용액을 저농도로 희석하여 사용할 수 있어 전체 시스템의 에너지 밀도가 높아 소규모의 컴팩트한 전원 공급을 가능하게 하는 효과가 있다. 또한 휴대용 전원으로 사용시 무방향성을 가능하게 하는 장점이 있다.Since the fuel cell system of the present invention supplies fuel by a manual supply method, the system is small in size and there is no unnecessary power consumption, thereby increasing system efficiency. In addition, since a pure fuel or a high concentration of an aqueous fuel solution can be diluted to a low concentration, the energy density of the entire system is high, and there is an effect of enabling a compact and compact power supply. In addition, there is an advantage that enables non-directional when used as a portable power source.
연료 전지, 메탄올, 저농도, 완충용액, 이격, 증기, 분리막 Fuel Cell, Methanol, Low Concentration, Buffer, Separation, Steam, Membrane
Description
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 주요부를 나타낸 개념도이다.1 is a conceptual diagram showing a main part of a fuel cell system according to the present invention.
도 2a 내지 도 2c는 다공성 매체에 형성된 본 발명의 실시예에 따른 채널 구조를 나타낸 개념도이다.2A to 2C are conceptual views illustrating a channel structure according to an embodiment of the present invention formed in a porous medium.
도 3은 다공성 매체에 형성된 본 발명의 실시예에 따른 요철 구조를 나타낸 개념도이다.3 is a conceptual diagram showing an uneven structure according to an embodiment of the present invention formed in a porous medium.
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 일구현예를 나타낸 분해 측단면도이다.Figure 4 is an exploded side cross-sectional view showing one embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 일구현예를 나타낸 측단면도이다.Figure 5 is a side cross-sectional view showing an embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 다른 일구현예를 나타낸 측단면도이다.6 is a side cross-sectional view showing another embodiment of a fuel cell system according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 집전판을 포함하는 연료 전지 시스템의 일구현예를 나타낸 측단면도이다.7 is a side cross-sectional view showing an embodiment of a fuel cell system including a current collector plate according to the present invention.
도 8은 실시예 1 내지 3 및 비교예의 연료 전지 시스템의 성능 시험 결과를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing performance test results of the fuel cell systems of Examples 1 to 3 and Comparative Examples.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 막전극 접합체10: membrane electrode assembly
11 : 양성자 전도막 12a, 12b : 집전체11: proton
13 : 애노드 전극 14 : 캐소드 전극13
20 : 완충용액 카트리지 21 : 완충용액층20: buffer cartridge 21: buffer layer
22 : 완충용액 카트리지 하부 개방부22: buffer cartridge lower opening
23 : 이산화탄소 배출구23: carbon dioxide outlet
30 : 제 1 분리막30: first separator
40 : 연료 카트리지 41 : 연료 저장층40: fuel cartridge 41: fuel storage layer
42 : 연료 카트리지 개방부 43 : 연료 카트리지 상부 덮개42: fuel cartridge opening 43: fuel cartridge top cover
50 : 제 2 분리막50: second separator
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 시스템 효율이 높고 크기가 작아서 에너지 밀도가 높아 소규모의 컴팩트한 전원으로 사용될 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system that can be used as a compact and compact power source due to high system efficiency and small size and high energy density.
연료전지(fuel cell)는 수소 혹은 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따 라, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in a hydrocarbon-based material such as hydrogen or methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy. Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte or alkaline fuel cells, depending on the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, recently developed polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) have superior output characteristics compared to other fuel cells, have a low operating temperature, fast start-up and response characteristics, and are used for mobile power sources such as automobiles. Of course, it has a wide range of applications, such as distributed power supply for homes, public buildings and small power supply for electronic devices.
상기 고분자 전해질막 연료전지 중에서, 연료로서 메탄올 수용액을 사용하는 직접메탄올 연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)는 상온에서 작동될 수 있고 용이하게 소형화 및 밀폐화될 수 있으므로, 무공해 전기자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주사업용 장비, 휴대형 전자기기 등과 같은 다양한 분야의 전력공급원으로서 적용될 수 있다.Among the polymer electrolyte membrane fuel cells, a direct methanol fuel cell (DMFC) using an aqueous methanol solution as a fuel can be operated at room temperature and can be easily miniaturized and encapsulated. It can be applied as a power supply in various fields such as systems, mobile communication equipment, medical equipment, military equipment, space equipment, portable electronic devices, and the like.
상기 DMFC에서 생산되는 전력은 애노드 및 캐소드에서 일어나는 반응 속도에 의해 결정된다. 더욱 구체적으로, 애노드에서는 메탄올 한 분자와 물 한 분자가 참가하여 다음 반응식 1과 같이 메탄올이 산화되고 이산화탄소와 여섯 개의 전자를 생성하는 반응이 일어난다.The power produced in the DMFC is determined by the reaction rate occurring at the anode and the cathode. More specifically, in the anode, a molecule of methanol and a molecule of water participate in a reaction in which methanol is oxidized and carbon dioxide and six electrons are generated as shown in Scheme 1 below.
[반응식 1]Scheme 1
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e -
상기 반응식 1과 같은 애노드 반응에서 메탄올과 물의 양론비가 1 : 1이므로 상기 반응식 1이 애노드에서 지속적으로 일어나게 하기 위해서는 반응물의 공급이 적절한 비율로 유지되도록 하는 것이 중요하다. 실제로는 물이 상기 양론비(1 : 1)보다 많이 공급되도록 하는데, 이는 메탄올의 완전한 산화를 위한 것이다. 만일, 메탄올이 완전히 산화되지 않는다면, 다음 반응식 2 또는 반응식 3과 같은 반응이 발생하여 전력 생성의 효율이 감소하게 된다.Since the stoichiometric ratio of methanol and water is 1: 1 in the anode reaction of Scheme 1, it is important to maintain the feed of the reactants at an appropriate ratio in order for the Scheme 1 to continuously occur at the anode. In fact, more water is supplied than the stoichiometric ratio (1: 1), which is for complete oxidation of methanol. If the methanol is not completely oxidized, a reaction such as the following Scheme 2 or 3 occurs to reduce the efficiency of power generation.
[반응식 2]Scheme 2
CH3OH + H2O → HCOOH + 4H+ + 4e- CH 3 OH + H 2 O → HCOOH + 4H + + 4e -
[반응식 3]Scheme 3
CH3OH → HCHO + 2H+ + 2e- CH 3 OH → HCHO + 2H + + 2e -
상기와 같은 DMFC에 연료를 공급하는 방법은 크게 능동 공급 방식과 수동 공급 방식으로 나눌 수 있다. 능동 공급 방식은 연료를 압송하는 외부적인 공급 수단이 존재하는 것이고, 수동 공급 방식은 상기와 같은 압송 수단 없이 자발적으로 연료가 공급되도록 하는 방식이다.The method of supplying fuel to the DMFC can be largely divided into an active supply method and a passive supply method. In the active supply method, there is an external supply means for pumping fuel, and the passive supply method is a method in which fuel is voluntarily supplied without the above-mentioned transport means.
상기 능동 공급 방식은 캐소드에서 반응하여 생성된 물을 수집하여 애노드에 공급하는 재순환 루프(recirculation loop)에 순수한 메탄올 또는 고농도의 메탄올을 공급하여 애노드에 공급되는 반응 유체의 농도를 적절하게 유지하는 방식이다. 상기 방식은 메탄올 카트리지를 이용함으로써 전체 시스템의 에너지 밀도를 높인다는 장점이 있지만 시스템이 복잡하고, 여러 가지 부수적인 장비가 필요하므로 부피가 커지고, 또한 외부적인 공급 수단의 운용에 에너지를 소모하게 되므로 전력 손실이 발생하는 단점이 있다. 특히, 장치의 소형화 흐름을 따르는 최근의 경향은 전력 공급원에 대하여도 소형화를 요구하지만 상기 능동 공급 방식은 이러한 경향에 잘 맞지 않는 단점이 있다.The active supply method is a method in which pure methanol or a high concentration of methanol is supplied to a recirculation loop in which water generated by reaction at the cathode is collected and supplied to the anode to maintain the concentration of the reaction fluid supplied to the anode properly. . This method has the advantage of increasing the energy density of the entire system by using a methanol cartridge, but the system is complicated and requires a lot of additional equipment, which makes it bulky and consumes energy for the operation of an external supply means. There is a disadvantage that loss occurs. In particular, the recent trend to follow the miniaturization flow of the device requires miniaturization of the power supply, but the active supply method has a disadvantage that does not fit this trend.
이에 반하여 수동 공급 방식은 적절한 소재의 선택 또는 적합한 구조의 설계를 통해 상기와 동일한 목적을 달성하며, 시스템의 단순함이 가장 큰 장점이다. 그러나, 연료 카트리지에 메탄올 뿐만 아니라 반응에 필요한 물이 포함되어야 하기 때문에 부피가 커지는 단점이 있다.On the other hand, the manual feeding method achieves the same purpose through the selection of a suitable material or the design of a suitable structure, the simplicity of the system is the biggest advantage. However, there is a disadvantage in that the fuel cartridge is bulky because the fuel cartridge must include not only methanol but also water required for the reaction.
미국 특허공개 제2004-209136호에서는 캐소드에서 생성된 물을 수동적인 방법을 통해 애노드에 공급함으로써, 상기한 바와 같은 문제점의 해결을 시도한 바 있다. 즉, 막전극 접합체의 캐소드 측에 소수성 세공질 층을 형성시켜 캐소드 측에 생성된 물이 자신의 정수압(靜水壓:hydrostatic pressure)에 의해 애노드 측으로 전달되도록 한 시스템을 개시하고 있다.US Patent Publication No. 2004-209136 has attempted to solve the above problems by supplying water generated at the cathode to the anode by a manual method. That is, a system is disclosed in which a hydrophobic pore layer is formed on the cathode side of a membrane electrode assembly such that water generated on the cathode side is delivered to the anode side by its hydrostatic pressure.
그러나, 이러한 시스템에서는 상기 정수압으로 인해 여러 층으로 구성된 단위셀이 손상될 우려가 높은 단점이 있고, 또한 연료인 메탄올의 안정적인 공급 및 희석에 관하여는 언급이 없기 때문에 이러한 부분에 대하여 개선의 여지가 있다.However, in such a system, there is a high possibility of damaging the unit cell composed of several layers due to the hydrostatic pressure, and there is room for improvement in this part because there is no mention about the stable supply and dilution of the fuel methanol. .
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 시스템 효율이 높고 크기가 작아서 에너지 밀도가 높아 소규모의 컴팩트한 전원으로 사용될 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a fuel cell system that can be used as a compact and compact power source due to high system density and high energy density.
본 발명은 상기 기술적 과제를 이루기 위하여,The present invention to achieve the above technical problem,
(a) 캐소드, 양성자 전도막 및 애노드를 포함하는 막전극 접합체와;(a) a membrane electrode assembly comprising a cathode, a proton conductive membrane and an anode;
(b) 상기 애노드에 면접(面接)하고 캐소드로부터 발생한 액체 물과 연료 증기가 공존하는 완충용액층과;(b) a buffer solution layer in which the anode and the liquid water and fuel vapor coexist in the anode;
(c) 상기 완충용액층과 면접하는 제 1 분리막과;(c) a first separator in contact with the buffer solution layer;
(d) 상기 제 1 분리막과 면접하는 연료 저장층을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.(d) A fuel cell system comprising a fuel storage layer in contact with the first separator.
상기 완충용액층은 캐소드로부터 발생한 액체 물과 연료 증기가 혼합되어 소정의 메탄올 농도로 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 메탄올 농도는 필요한 출력에 따라 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.The buffer solution layer is preferably mixed with liquid water and fuel vapor generated from the cathode to be adjusted to a predetermined methanol concentration. The methanol concentration is preferably to be adjusted according to the required output.
상기 완충용액층은 상기 제 1 분리막과 이격되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 1 분리막은 상기 연료 저장층과 이격되는 것이 바람직하다.The buffer solution layer is preferably spaced apart from the first separator. In addition, the first separator is preferably spaced apart from the fuel storage layer.
상기 완충용액층은 다공성 매체와 상기 다공성 매체에 균일하게 분포된 완충용액을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.The buffer solution layer preferably comprises a porous medium and a buffer solution uniformly distributed in the porous medium.
특히, 상기 다공성 매체의 기공 분포가 이정(二頂:bimodal)형인 것이 더욱 바람직하다. 상기 다공성 매체의 기공 분포의 이정 중 하나가 1 nm 내지 10 ㎛ 사이에 위치하고, 다른 하나가 10 ㎛ 내지 10 mm 사이에 위치하는 것이 더더욱 바람 직하다.In particular, the pore distribution of the porous medium is more preferably bimodal. It is even more preferred that one of the deviations of the pore distribution of the porous medium is located between 1 nm and 10 μm and the other is between 10 μm and 10 mm.
상기 다공성 매체는 친수성인 것이 바람직하다.The porous medium is preferably hydrophilic.
상기 제 1 분리막의 기공 지름은 0.001 ㎛ 내지 50 ㎛인 것이 바람직하고 상기 제 1 분리막의 두께는 1 ㎛ 내지 500 ㎛인 것이 바람직하다. 또한 상기 제 1 분리막은 상기 완충용액층과 이격시키는 것이 바람직하다.The pore diameter of the first separator is preferably 0.001 μm to 50 μm, and the thickness of the first separator is preferably 1 μm to 500 μm. In addition, the first separation membrane is preferably spaced apart from the buffer solution layer.
상기 제 1 분리막은 물보다 메탄올을 증기형태로 더 잘 통과시키는 소재로 된 것이 바람직하고, 상기 제 1 분리막에 대한 메탄올의 확산 계수가 상기 제 1 분리막에 대한 물의 확산 계수보다 3배 이상인 것이 바람직하다. 또한, 서로 다른 기공도와 기공크기 혹은 기체투과도를 갖는 두 가지 이상의 막을 조합하여 적층한 적층막을 제 1 분리막으로서 적용하는 것도 가능하며 상기 적층막의 개별 막을 이격시키는 것이 바람직하다.Preferably, the first separator is made of a material that passes methanol in a vapor form better than water, and the diffusion coefficient of methanol for the first separator is three times or more than the diffusion coefficient of water for the first separator. . In addition, it is also possible to apply a laminated film obtained by combining two or more membranes having different porosity, pore size or gas permeability as a first separator, and to separate individual films of the laminated film.
상기 연료는 메탄올인 것이 바람직하다. 이 때 상기 완충용액층의 메탄올 농도는 0.5 내지 5 M인 것이 바람직하다.The fuel is preferably methanol. At this time, the methanol concentration of the buffer layer is preferably 0.5 to 5 M.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention in more detail.
본 발명의 연료 공급 시스템은 크게 막전극 접합체(10), 완충용액층(21), 제 1 분리막(30) 및 연료 저장층(41)을 포함한다(도 1 참조). 상기 완충용액층(21)은 상기 막전극 접합체(10)의 애노드에 면접(面接)하고, 상기 제 1 분리막(30)은 상기 완충용액층(21)에 면접하며, 상기 연료 저장층(41)은 상기 제 1 분리막(30)에 면접한다.The fuel supply system of the present invention includes a
연료는 초기에 상기 연료 저장층(41)에 액체 상태로 존재하다가 시스템이 작 동되면서 기화되어 확산을 통해 제 1 분리막(30)에 이르게 된다. 상기 연료 저장층(41)은 제 1 분리막(30)과 물리적으로 이격되는 것이 더 바람직한데 이는 액체 상태인 연료가 액체 상태로 제 1 분리막(30)을 통과하여 완충용액층(21)에 전달되는 것을 막기 위해서이다.The fuel initially exists in a liquid state in the
즉, 연료 저장층(41)의 액체상태의 연료는 증기상태로 제 1 분리막(30)을 통과하여 상기 완충용액층(21)에 전달된다.That is, the liquid fuel of the
만일, 상기 연료가 액체 상태로 완충용액층(21)에 전달되면 한꺼번에 너무 많은 양이 전달되게 되어 후술하는 바와 같이 막전극 접합체(10)에 연료를 저농도로 공급하고자 하는 본 발명의 목적을 벗어나게 된다.If the fuel is delivered to the
상기 연료 저장층(41)은 그 자체로 자유 표면(free surface)을 갖는 액체 상태의 연료일 수도 있고, 액체 상태의 연료가 다공성 매체에 균일하게 분포된 것일 수도 있지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 액체 상태의 연료가 다공성 매체에 균일하게 분포되어 있는 경우, 전체 시스템의 방향에 무관하게 안정적인 연료 공급이 가능한 장점이 있어서 바람직하다.The
또한, 상기 연료 저장층(41)은 연료 카트리지(40) 내에 수납하여 사용하는 것이 취급상 편리하기 때문에 바람직하다. 이 때, 상기 연료 카트리지(40)의 상부는 상기 제 1 분리막(30)과 면접하며, 기화된 연료가 통과할 수 있도록 개방부(42)를 형성하는 것이 바람직하다.In addition, the
더욱 바람직하게는 상기 연료 카트리지(40)와 상기 제 1 분리막(30) 사이에 액체 전달 매체를 더 포함할 수 있다. 상기 액체 전달 매체는 기체보다 액체를 특 히 더 잘 전달하는 성질을 갖는 소재이면 되고 특별히 한정되지 않는다. 상기 액체 전달 매체를 얇은 막 형태로 성형하여 사용할 수 있다.More preferably, a liquid delivery medium may be further included between the
연료 저장층(41)은 액체 연료를 방향에 관계없이 담지하고 있을 수 있도록 예를 들면, 폼(foam) 형태의 다공성 부재를 보유하는 것이 바람직하며, 이 때 연료는 특히 한정되는 것은 아니고, 상기 애노드에서 물과 반응하여 전자와 양성자를 생성할 수 있는 것이면 무엇이든 가능하다. 상기 연료의 비한정적인 예를 들면, 수소, 메탄올, 에탄올, 또는 다른 탄화 수소 물질, 또는 이들의 혼합물, 이들의 수용액을 들 수 있다. 본 발명의 연료 전지 시스템이 DMFC인 경우에는 순수한 메탄올일 수도 있고 고농도의 메탄올 수용액일 수도 있다. 고농도의 메탄올 수용액은 농도가 5M 이상인 메탄올 수용액을 의미한다.The
상기 제 1 분리막(30)은 확산되어 도달한 연료의 증기를 완충용액층(21)으로 전달하고 후술하는 완충용액층(21)의 물이 연료 저장층(41)으로 전달되지 않도록 차단하는 역할을 한다. 상기 제 1 분리막(30)의 소재는 특별히 한정되지 않고, 물보다 연료를 더 잘 통과시키는 소재, 바람직하게는 연료는 잘 통과시키면서 물은 잘 통과시키지 않는 소재이면 무엇이든 가능하고 특히 세공질(microporous)의 소재가 적합하다. 더욱 바람직하게는, 상기 제 1 분리막(30)에 대한 물의 확산 계수보다 상기 제 1 분리막(30)에 대한 메탄올의 확산 계수가 3배 이상인 것이 바람직하다. 상기 제 1 분리막(30)에 대한 메탄올의 확산 계수가 상기 제 1 분리막(30)에 대한 물의 확산 계수보다 3배 미만이 되는 경우는 물과 메탄올이 충분히 선택적으로 통과되지 않기 때문에 바람직하지 않다.The
상기 제 1 분리막(30)으로 적합한 소재는, 예를 들면 나피온(Nafion) 112, 115, 117 또는 테프론(teflon)을 활용한 각종 다공성막을 들 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.Suitable materials for the
제 1 분리막(30)의 기공 지름은 0.001 ㎛ 내지 50 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 제 1 분리막(30)은 기공 지름의 분포가 이정형인 것이 더욱 바람직하다. 이 때, 상기 이정 중 하나가 0.001 ㎛ 내지 0.05 ㎛ 사이에 위치하고, 다른 하나가 1 ㎛ 내지 50 ㎛ 사이에 위치하며, 기공 지름이 0.001 ㎛ 내지 0.05 ㎛인 막과 1 ㎛ 내지 50 ㎛인 막을 조합한 층상 구조를 갖는 것이 더욱 바람직하다.The pore diameter of the
제 1 분리막(30)의 기공 지름이 0.001 ㎛ 보다 작으면 연료가 잘 통과하지 못하는 단점이 있고, 제 1 분리막(30)의 기공 지름이 50 ㎛보다 크면 고농도 연료의 전달 속도가 빨라 전극 효율이 떨어지고 또한 연료뿐만 아니라 물도 잘 통과하게 되어 완충용액층(21)의 연료 농도를 저농도로 유지하기 어려워지는 단점이 있다.If the pore diameter of the
상기 제 1 분리막(30)의 두께는 1 내지 500 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 제 1 분리막(30)의 두께가 1 ㎛보다 얇으면 파손되기 쉬워 취급하기 어려워지고, 상기 제 1 분리막(30)의 두께가 500 ㎛보다 두꺼우면 연료의 전달이 원활하지 못하여 제조되는 연료 전지 시스템의 성능이 저하되는 단점이 있다.The thickness of the
상기한 바와 같이, 상기 제 1 분리막(30)은 상기 완충용액층(21)과 이격되어 면접하는 것이 바람직하다. 상기 제 1 분리막(30)을 상기 완충용액층(21)과 이격시키는 것이 바람직한 이유는 완충용액층(21)의 물이 액체 상태로 제 1 분리막(30)을 통과하여 연료 저장층(41)에 전달되는 것을 막기 때문이다. 만일, 상기 물이 액체 상태로 연료 저장층(41)에 전달되면 연료의 농도가 희석되어 연료 공급의 균형이 깨어지기 때문에 전체적인 시스템이 불안정해질 수 있다.As described above, the
일반적으로 DMFC에서 연료로 사용되는 메탄올은 고농도로 막전극 접합체에 공급되지 않고 저농도로 희석시켜 공급된다. 그 이유는 메탄올의 산화시 발생하는 미량의 일산화탄소가 전극의 촉매에 흡착되는 것을 막는 역할을 물이 하는데, 고농도의 메탄올을 공급할 경우 상기와 같은 역할을 하는 물의 양이 적어 촉매가 빨리 피독되기 때문이다. 또한, 고농도의 메탄올을 공급할 경우 미반응 메탄올이 크로스오버되어 전체 전지의 효율이 떨어지는 것은 물론 캐소드의 촉매까지 피독되기 때문이기도 하다.In general, methanol used as fuel in DMFC is not supplied to the membrane electrode assembly at a high concentration, but is supplied at a low concentration. The reason for this is that water prevents the adsorption of trace amounts of carbon monoxide generated during the oxidation of methanol to the catalyst of the electrode, because when the high concentration of methanol is supplied, the amount of water that plays the above role is small and the catalyst is quickly poisoned. . In addition, when a high concentration of methanol is supplied, unreacted methanol crosses over to reduce the efficiency of the entire battery and also poison the cathode catalyst.
상기와 같은 이유로 저농도의 연료 수용액을 공급하기 위해 완충용액층(21)을 둔다. 상기 완충용액층(21)은 제 1 분리막(30)을 통과하여 기상으로 유입되는 연료 증기를 다시 액상으로 바꾸기도 하며 저농도의 연료 혼합물로 전환시킨다. For the same reason as above, the
기상으로 유입된 연료 증기는 액상으로 존재하는 완충용액층(21)의 액체 표면에 충돌함으로써 액체로 응축될 수 있다. 즉, 상기 완충용액층(21)은 기상의 연료 증기와 캐소드에서 발생된 액체상의 물이 존재하게 된다.The fuel vapor introduced into the gaseous phase may be condensed into the liquid by colliding with the liquid surface of the
상기 완충용액층(21)은 초기에는 순수한 물일 수도 있고, 저농도의 연료 혼합물일 수도 있다. 초기에 순수한 물을 사용하는 경우에는 전달되어 들어오는 연료가 확산되어 막전극 접합체(10)까지 공급되는 데 비교적 긴 시간이 걸리기 때문에, 초기에 순수한 물을 사용하는 것보다는 저농도의 연료 혼합물을 사용하는 것이 바 람직하다.The
상기 완충용액층(21)은 그 자체로 자유 표면(free surface)을 갖는 액체 상태일 수도 있고, 바람직하게는 액체 상태의 연료 수용액이 다공성 매체에 균일하게 분포된 것이지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 연료 수용액이 다공성 매체에 균일하게 분포되어 있는 경우, 전체 시스템의 방향에 무관하게 안정적인 연료 공급이 가능한 장점이 있어서 바람직하다.The
또한, 상기 완충용액층(21)은 완충용액 카트리지(20) 내에 수납하여 사용하는 것이 취급상 편리하기 때문에 바람직하다. 이 때, 상기 완충용액 카트리지(20)의 상부는 수납한 완충용액층(21)이 상기 막전극 접합체(10)의 애노드와 충분히 면접할 수 있도록 완전 개방되는 것이 바람직하고, 상기 완충용액 카트리지(20)의 하부는 제 1 분리막(30)을 통과한 연료가 완충용액 층으로 순조롭게 전달될 수 있도록 개방부(22)를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 애노드에서 일어나는 반응에서 생성되는 이산화탄소가 원활하게 배출될 수 있도록 이산화탄소 배출구(23)를 형성하는 것이 바람직하다.In addition, the
상기 다공성 매체는 친수성인 것이 바람직하며, 상기 다공성 매체에 형성되어 있는 기공의 분포는 넓거나 이정(二頂:bimodal) 분포인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 완충용액층(21)은 연료 공급 역할 및 이산화탄소 배출 기능을 모두 수행하여야 하는데, 크기가 작은 기공은 모세관압이 강하여 연료 수용액의 공급에 유리한 반면 작은 크기의 기공을 일정하게 분포시킬 경우 이산화탄소 배출 기능이 미약해지기 때문이다. 즉, 크기가 작은 기공은 모세관압이 강하므로 연료 수용액을 공급하는 역할을 주로 담당하고, 크기가 큰 기공은 상대적으로 모세관압이 약하므로 이산화탄소를 배출하는 역할을 담당하도록 하는 것이다. 이러한 점을 고려하여 상기 다공성매체의 기공 분포에서 이정(二頂) 중 하나는 1 nm 내지 10 ㎛ 사이에 위치하고, 다른 하나는 10 ㎛ 내지 10 mm 사이에 위치하는 것이 바람직하다.The porous medium is preferably hydrophilic, and the distribution of pores formed in the porous medium is preferably wide or bimodal. This is because the
또한, 상기 다공성 매체는 무기 산화물 소재, 고분자 소재 또는 이들의 복합소재일 수 있다.In addition, the porous medium may be an inorganic oxide material, a polymer material or a composite material thereof.
상기 무기 산화물 소재는, 예를 들면, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 타이타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2) 또는 이들의 혼합물일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.The inorganic oxide material may be, for example, but not limited to, silica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), or a mixture thereof.
상기 고분자 소재는 말단에 히드록시기, 카르복실기, 아민기 또는 술폰기를 포함하는 고분자 수지, 폴리비닐알코올계 고분자 수지, 셀룰로오스계 고분자 수지, 폴리비닐아민계 고분자 수지, 폴리에틸렌옥사이드계 고분자 수지, 폴리에틸렌글리콜계 고분자 수지, 나일론계 고분자 수지, 폴리아크릴산계 고분자 수지, 폴리에스테르계 고분자 수지, 폴리비닐피롤리돈계 고분자 수지, 에틸렌비닐아세테이트계 수지, 폴리에틸렌계 고분자 수지, 폴리스티렌계 고분자 수지, 불소계 고분자 수지, 폴리프로필렌계 고분자 수지, 폴리메틸(메타)아크릴레이트계 고분자 수지, 폴리이미드계 고분자 수지, 폴리아미드계 고분자 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 고분자 수지, 또는 이들의 혼합물일 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.The polymer material may be a polymer resin containing a hydroxyl group, a carboxyl group, an amine group or a sulfone group at the terminal, a polyvinyl alcohol polymer resin, a cellulose polymer resin, a polyvinylamine polymer resin, a polyethylene oxide polymer resin, a polyethylene glycol polymer resin , Nylon polymer resin, polyacrylic acid polymer resin, polyester polymer resin, polyvinylpyrrolidone polymer resin, ethylene vinyl acetate resin, polyethylene polymer resin, polystyrene polymer resin, fluorine polymer resin, polypropylene polymer It may be a resin, polymethyl (meth) acrylate polymer resin, polyimide polymer resin, polyamide polymer resin, polyethylene terephthalate polymer resin, or a mixture thereof, but is not limited thereto.
상기 다공성 매체의 기공의 평균 지름은 0.01 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 상 기 기공의 평균 지름이 0.01 ㎛보다 작으면 메탄올의 확산이 미흡하여 원하는 연료전지 성능이 나오지 않을 수 있고, 상기 기공의 평균 지름이 10 ㎛보다 크면 메탄올 공급과 소비의 조화가 깨어질 수 있다.The average diameter of the pores of the porous medium may be 0.01 ㎛ to 10 ㎛. If the average diameter of the pores is smaller than 0.01 μm, the diffusion of methanol may not be sufficient, and the desired fuel cell performance may not be obtained. If the average diameter of the pores is larger than 10 μm, the balance between supply and consumption of methanol may be broken.
특히 상기 다공성 매체는 선택적으로, 상기 다공성 매체 내에서의 메탄올의 이동도가 0.8 × 10-6 g/cm2·sec 내지 4 × 10-6 g/cm2·sec가 되도록 상기 다공성 매체의 기공도 및 굴곡도(tortuosity)가 조절된 것일 수 있다. 여기서 굴곡도는 기공이 얼마나 굴곡성을 가지는지를 나타내는 지표로서 기공 내를 이동하는 분자가 실제로 이동하는 거리를 동일 지점간의 직선 거리로 나누어 계산할 수 있다. 즉, 굴곡도가 1이면 직선의 기공을 의미하고 굴곡도가 1보다 커질수록 굴곡성이 심한 기공을 의미한다.In particular, the porous medium optionally has a porosity of the porous medium such that the mobility of methanol in the porous medium is from 0.8 × 10 −6 g / cm 2 · sec to 4 × 10 −6 g / cm 2 · sec. And tortuosity (tortuosity) may be adjusted. Here, the degree of curvature is an index indicating how flexible the pores can be calculated by dividing the distance that the molecules moving in the pores actually move by the linear distance between the same points. That is, if the degree of curvature is 1, it means a pore of a straight line, and as the degree of curvature is greater than 1, it means a pore that is more flexible.
상기 다공성 매체의 두께는 0.01 mm 내지 10 mm인 것일 수 있다. 상기 다공성 매체의 두께가 0.01 mm보다 얇으면 기계적 강도가 약하여 취급이 어렵고, 상기 다공성 매체의 두께가 10 mm보다 두꺼우면 연료 전지 시스템의 부피가 지나치게 커져 바람직하지 않다.The thickness of the porous medium may be from 0.01 mm to 10 mm. If the thickness of the porous medium is less than 0.01 mm, the mechanical strength is weak and difficult to handle. If the thickness of the porous medium is more than 10 mm, the volume of the fuel cell system is too large, which is not preferable.
특히, 상기 다공성 매체의 두 면 중 상기 애노드와 면접하는 면에 이산화탄소 배출용 채널이 형성되어 있을 수 있다. 상기 채널은 연료 전지 시스템의 규모에 따라 다양한 형태와 구조를 가질 수 있으며 특별히 제한되지 않는다. 상기 채널은, 예를 들면, 도 2a 내지 도 2c에 나타낸 바와 같은 모양을 가질 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.In particular, a channel for discharging carbon dioxide may be formed on a surface of the two surfaces of the porous medium that is in contact with the anode. The channel may have various shapes and structures depending on the size of the fuel cell system and is not particularly limited. The channel may have a shape, for example, as shown in FIGS. 2A-2C, but is not limited thereto.
또한, 상기 다공성 매체의 면 중 상기 제 1 분리막과 면접하는 면에 패턴(pattern)이 형성되어 있을 수 있다. 상기 패턴은 완충용액층으로부터 유입되는 연료가 공급될 수 있는 유효 표면적을 증가시키고 연료의 공급 경로의 길이를 단축시킬 수 있는 효과가 있다. 상기 패턴은 상기 다공성 매체의 면상에 아일랜드가 형성되어 있거나 부분적으로 리세스(recess)가 형성되어 있는 것과 같은 요철 구조일 수 있다. 또한 도 3에 나타낸 것과 같은 구조일 수 있지만 여기에 한정되지 않는다. In addition, a pattern may be formed on a surface of the porous medium that is in contact with the first separator. The pattern has an effect of increasing the effective surface area to which the fuel flowing from the buffer solution layer can be supplied and shortening the length of the fuel supply path. The pattern may be a concave-convex structure such as an island formed on a surface of the porous medium or a recess formed partially. It may also be of the same structure as shown in FIG. 3, but is not limited thereto.
상기 완충용액층(21)의 작용 원리는 다음과 같다.The working principle of the
즉, 상기 완충용액층(21) 내의 메탄올 농도가 낮은 경우에는 완충용액층(21)으로부터 막전극 접합체(10)로 전달되는 메탄올의 양보다 제 1 분리막(30)을 통과하여 완충용액층(21)으로 공급되는 메탄올의 양이 더 많게 되어 메탄올의 농도가 다시 높아지게 된다. 반대로, 상기 완충용액층(21) 내의 메탄올 농도가 높은 경우에는 막전극 접합체(10) 내의 활발한 반응으로 인해 제 1 분리막(30)을 통과하여 완충용액층(21)으로 공급되는 메탄올의 양보다 완충용액층(21)으로부터 막전극 접합체(10)로 전달되는 메탄올의 양이 많게 되어 메탄올의 농도가 다시 낮아지게 된다. 상기와 같은 자기 조정(self regulation)을 통해 상기 완충용액층(21) 내의 메탄올 농도는 거의 일정하게 정상상태(steady state)로 유지된다. 즉, 캐소드로부터 발생한 액체 물과 연료 증기가 혼합되어 소정의 메탄올 농도로 맞추어지게 된다.That is, when the methanol concentration in the
이 때 상기 저농도의 연료 수용액에서 연료의 농도는 정상상태에서 0.5 내지 5.0 M인 것이 바람직하다. 만일 연료의 농도가 0.5 M 미만인 경우는 농도가 너 무 낮아 상기와 같은 자기 조정 과정을 통해 막전극 접합체(10)에서 일정량 이상의 전력을 생산하기까지 걸리는 시간이 너무 길게 되어 바람직하지 않고, 연료의 농도가 5.0 M을 초과하는 경우는 농도가 너무 높아 연료 전지 시스템의 성능의 저하가 일어나게 되고 공급되는 연료를 저농도로 유지한다는 본 발명의 목적을 벗어나게 된다. At this time, the concentration of the fuel in the fuel solution of low concentration is preferably 0.5 to 5.0 M in the steady state. If the concentration of the fuel is less than 0.5 M, the concentration is so low that it takes too long to produce a certain amount of power in the
처음에 완충용액층(21)에 공급된 물만을 사용하여 연료전지를 작동시킬 수도 있지만, 완충용액층(21) 내의 메탄올의 농도를 일정하게 유지하기 위하여 애노드의 반응에서 소모되는 만큼의 물을 완충용액층(21)에 공급하는 것이 바람직하다. 물을 완충용액층(21)에 공급하는 방법은 특별히 한정되지 않으며 당 업계에서 종래에 알려진 기술에 의할 수 있다. 예를 들면, 캐소드에서 생성된 물을 수집하여 전극 외부의 물 순환 통로를 통해 완충용액층(21)으로 재순환시킬 수도 있고, 캐소드에 소수성 막을 형성하여 캐소드에 생성된 물이 캐소드에 축적되면서 발생하는 정수압으로 전해질막 내부를 통과하여 애노드 측으로 물이 확산되도록 할 수도 있다.Although the fuel cell may be operated using only water supplied to the
상기와 같은 방법을 통해 상기 완충용액층 내의 연료를 조절하는 것이 가능하며, 특히, 캐소드로부터 발생한 액체 물을 이용하여 소정의 메탄올 농도로 조절하는 것이 가능하다. 또한, 외부의 부하 회로에서 필요로 하는 출력에 따라 상기 물의 양을 조절하여 연료의 농도를 조절하는 것도 가능하다.It is possible to control the fuel in the buffer layer through the above method, and in particular, it is possible to control to a predetermined methanol concentration using the liquid water generated from the cathode. In addition, it is also possible to adjust the concentration of the fuel by adjusting the amount of water according to the output required by the external load circuit.
상기 완충용액층(21)의 연료 수용액은 모세관압(capillary pressure)에 의해, 밀착하여 면접하는 막전극 접합체(10)의 애노드에 전달된다. 이 때 더욱 원활하고 균일한 연료의 전달을 위해 상기 완충용액층과 상기 애노드 사이에 연료 전달 매체를 더 포함할 수 있다. 상기 액체 전달 매체는 기체보다 액체를 특히 더 잘 전달하는 성질을 갖는 소재이면 되고 특별히 한정되지 않는다. 상기 액체 전달 매체를 얇은 막 형태로 성형하여 사용할 수 있다.The fuel aqueous solution of the
상기 막전극 접합체(10)는 양성자 전도막과 상기 양성자 전도막의 양면에 부착된 캐소드 및 애노드를 포함한다. 양성자 전도막 및 전극(캐소드 및 애노드)의 소재, 성상, 제조방법 등에 있어서는 특히 한정되지 않고 당 업계에 잘 알려진 방법에 의할 수 있다. 상기 완충용액층(21)에서 전달된 연료 수용액은 애노드의 촉매와 접촉하여 상기 반응식 1과 같은 화학반응을 통해 전력을 생산하게 된다.The
본 발명의 연료 전지 시스템의 일구현예를 도 4 및 도 5를 참고하여 설명한다. 다만, 본 발명의 도 1 내지 도 7은 본 발명의 더욱 신속하고 명확한 이해를 위해 치수 등에 있어서 과장되게 도시된 것임을 이해하여야 할 것이다.One embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5. 1 to 7 of the present invention will be understood to be exaggerated in dimensions and the like for a more rapid and clear understanding of the present invention.
도 4에 보인 바와 같이 연료 저장층(41)은 연료 카트리지(40) 내에 수납될 수 있다.As shown in FIG. 4, the
도 5에 보인 바와 같이 상기 연료 카트리지(40)의 상부는 연료 저장층(41)을 제 1 분리막(30)과 이격시키기 위하여 상부 덮개(43)를 구비하는 것이 바람직하다. 다만, 이 때 기화된 연료가 전달될 수 있도록 상기 상부 덮개(43)에 개방부(42)가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 개방부(42)가 형성되어 있는 상기 상부 덮개(43)는 평판에 구멍이 뚫려있는 형태일 수도 있고, 실질적으로 물리적인 이격이 가능한 메쉬(mesh) 형태일 수도 있지만, 연료가 기화되어 상기 제 1 분리막(30)으로 이동할 수 있는 구조이면 되고 특별히 한정되는 것은 아니다.As shown in FIG. 5, the upper portion of the
상기 연료 카트리지(40)의 개방부(42)가 형성된 면에 제 1 분리막(30)을 면접하여 부착시킬 수 있다. 그리고, 상기 연료 카트리지(40)와 면접한 제 1 분리막(30)의 다른 면에 완충용액 카트리지(20)를 면접하여 부착시킬 수 있다.The
또한, 도 4에 보인 바와 같이 완충용액 카트리지(20) 내에 완충용액층(21)이 수납될 수 있다. 상기 완충용액 카트리지(20)의 하부는 완충용액층(21)을 제 1 분리막(30)과 이격시키는 역할을 한다. 다만, 이 때 제 1 분리막(30)을 통과한 연료가 전달될 수 있도록 상기 하부는 개방부(22)를 갖고 있는 것이 바람직하다. 개방부(22)가 형성된 상기 완충용액 카트리지(20)의 하부는 평판에 구멍이 뚫려있는 형태일 수도 있고, 실질적으로 물리적인 이격이 가능한 메쉬(mesh) 형태일 수도 있지만 제 1 분리막(30)을 통과한 연료가 완충용액층(21)으로 이동할 수 있는 구조이면 되고 특별히 한정되는 것은 아니다.In addition, as illustrated in FIG. 4, the
도 5에 보인 바와 같이 상기 완충용액층(21)에 막전극 접합체(10)가 면접할 수 있다. 특히, 상기 막전극 접합체(10)의 애노드가 면접한다. 상기 막전극 접합체(10)의 캐소드 측은 외부의 공기가 공급될 수 있도록 개방부가 형성된 평판을 이용하여 보호할 수 있다. As shown in FIG. 5, the
상기와 같이 상호간에 면접한 각 층을 적절한 체결 수단을 이용하여 결속시킬 수 있다.Each of the layers interviewed with each other as described above can be bound using an appropriate fastening means.
본 발명의 연료 전지 시스템의 다른 일구현예를 도 6을 참고하여 설명한다.Another embodiment of the fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. 6.
연료 카트리지(40)와 제 1 분리막(30)의 구성은 상기 구현예와 동일할 수 있으며, 상기 연료 카트리지(40)와 상기 제 1 분리막(30) 사이에 추가로 별도의 제 2 분리막(50)이 더 포함될 수 있다. 제 2 분리막(50)은 제 1 분리막(30)의 형상을 유지하고 연료가 공급되는 속도를 제 1 분리막(30)과 함께 조절하는 역할을 한다.The configuration of the
상기 제 2 분리막(50)의 소재는 특히 한정되지 않고 기공의 크기가 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 인 것이 바람직하다. 상기 제 2 분리막(50)의 기공의 크기가 1 ㎛ 보다 작으면 기화된 연료가 잘 통과하지 못하는 단점이 있고, 상기 제 2 분리막(50)의 기공의 크기가 10 ㎛ 보다 크면 연료가 공급되는 속도를 조절할 수 없게 되어 제 2 분리막(50)을 더 부가하는 목적을 벗어나게 된다.The material of the
완충용액 카트리지(20)는 상기 구현예와 동일할 수 있으며, 이산화탄소의 배출구(23)를 더 구비할 수 있다.The
상기 이산화탄소 배출구(23)는 상기 완충용액 카트리지(20)의 측면에 설치되는 것이 바람직하며, 필요에 따라 복수개 설치될 수 있고, 설치되는 방향도 일면에만 설치될 수도 있고 여러 면에 대하여 설치될 수도 있다. 상기 이산화탄소 배출구(23)의 지름은 액체인 완충용액이 누설되지 않으면서 기체인 이산화탄소를 배출하기에 적절한 크기이면 된다. 바람직하게는 상기 이산화탄소 배출구(23)의 지름은 0.01 내지 0.5 mm이다. 상기 이산화탄소 배출구(23)의 지름이 0.01 mm보다 작으면 가공하기 어려운 단점이 있고, 상기 이산화탄소 배출구(23)의 지름이 0.5 mm보다 크면 액체인 완충용액이 누설될 위험이 있어 바람직하지 않다.The
상기 연료 전지 시스템은 일반적인 방법과 같이 캐소드 전극 및 애노드 전극 상부 즉 전극의 두 면 중에서 양성자 전도막과 접하지 않는 면에 전류 집전체가 구성될 수 있을 뿐만 아니라, 도 7에 도시한 본 발명의 다른 구현예와 같이 양성자 전도막(11)과 캐소드 전극(14) 사이 및 양성자 전도막(11)과 애노드 전극(13) 사이에 전류 집전체가 구성될 수 있다. 상기 집전체는 전극에서 발생한 전류를 모아서 외부의 회로에 공급하는 역할을 하는 것으로서, 소재에 있어 특별히 한정되지는 않지만 전류를 잘 통하고 내부식성이 우수한 소재가 바람직하다.In the fuel cell system, the current collector may be configured on the cathode electrode and the anode electrode, i.e., in the two surfaces of the electrode, which are not in contact with the proton conductive film, as in the general method. As in the embodiment, a current collector may be configured between the proton
상기 집전체는 양성자 전도막과 전극 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 양성자 전도막과 전극 사이가 위치적으로 반응물의 농도가 가장 높아 전류를 생성하는 전기화학반응이 가장 활발하게 일어나고 따라서 생성되는 전류를 가장 효율적으로 수집할 수 있는 위치이기 때문이다.The current collector is preferably located between the proton conductive film and the electrode. This is because the proton conductive membrane and the electrode are positioned at the highest concentration of the reactant, so that the electrochemical reaction that generates the current occurs most actively and thus the position where the generated current can be collected most efficiently.
또한 연료저장층(41)의 액체연료를 담지할 수 있는 다공성 매체 및 액체연료 확산부를 활용하여 고농도의 메탄올 액체가 증기형태로 바뀌어 제 1 분리막으로 이동하기 전에 전극 전체 면적의 크기로 액체 형태로 우선 확산될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.In addition, by utilizing a porous medium and a liquid fuel diffusion portion capable of supporting the liquid fuel of the
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.Hereinafter, the structure and effects of the present invention will be described in more detail with specific examples and comparative examples, but these examples are only intended to more clearly understand the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.
<실시예 1><Example 1>
연료 카트리지에 순수한 메탄올을 균일하게 분포시킨 다공성 담체를 넣고 상부 덮개로 봉하였다. 상기 다공성 담체는 Foamex®를 사용하였고, 상부 덮개는 폭 0.8 mm의 일자형의 개방부가 다수 형성된 아크릴판을 이용하였다.A porous carrier uniformly distributed with pure methanol was placed in a fuel cartridge and sealed with a top cover. The porous carrier was used as a Foamex ®, an upper cover was used as a line-type opening portion of a width of 0.8 mm formed of a plurality of acrylic plates.
그 위에 200 nm의 기공 크기를 갖는 제 2 분리막을 얹고, 다시 그 위에 나피온117로 된 제 1 분리막을 적층하였다.A second separator having a pore size of 200 nm was placed thereon, and a first separator of Nafion 117 was stacked thereon.
그 위에 완충용액을 담은 완충용액 카트리지를 적층하였는데, 상기 완충용액은 1 M 농도의 메탄올 수용액을 이용하였고, 카본 클로쓰(carbon cloth)에 균일하게 분포시켜서 상기 완충용액 카트리지에 담았다. 상기 완충용액 카트리지에는 이산화탄소 배출구를 4개의 측면에 각각 0.4 mm의 지름으로 형성하였다. 또, 상기 완충용액 카트리지의 하부는 기상의 연료를 통과시키기 위하여 폭 0.8 mm의 일자형 개방부를 다수 형성하였다.A buffer cartridge containing a buffer solution was stacked thereon. The buffer solution was used in an aqueous methanol solution at a concentration of 1 M. The buffer solution was uniformly distributed in a carbon cloth and placed in the buffer cartridge. The buffer cartridge has a carbon dioxide outlet formed on each of four sides with a diameter of 0.4 mm. In addition, the lower portion of the buffer cartridge formed a plurality of straight openings having a width of 0.8 mm to pass gaseous fuel.
상기와 같이 구성한 연료 카트리지, 제 2 분리막/제 1 분리막, 완충용액 카트리지 위에 당 업계에 알려진 통상의 방법으로 제조한 막전극 접합체를 적층하였다. 막전극 접합체의 양성자 전도막으로는 나피온117을 이용하였고, 애노드 촉매로는 백금/루테늄 합금촉매를 이용하고, 캐소드 촉매로는 백금/알루미늄 합금촉매를 이용하였다.The membrane electrode assembly manufactured by a conventional method known in the art was laminated on the fuel cartridge, the second separator / first separator, and the buffer solution cartridge configured as described above. Nafion 117 was used as a proton conductive membrane of the membrane electrode assembly, a platinum / ruthenium alloy catalyst was used as an anode catalyst, and a platinum / aluminum alloy catalyst was used as a cathode catalyst.
상기와 같이 적층된 막전극 접합체 위에 막전극 접합체를 보호하고 공기를 원활하게 공급하기 위해 지름 5 mm의 원형의 개방부가 다수 형성된 아크릴판을 이용하여 덮었다.In order to protect the membrane electrode assembly and smoothly supply air on the laminated membrane electrode assembly, the acrylic plate was formed using a plurality of circular openings having a diameter of 5 mm.
상기와 같이 제조한 연료전지에 대하여 시간에 따른 전력 밀도를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.The results of measuring the power density over time with respect to the fuel cell manufactured as described above are shown in FIG. 8.
<실시예 2><Example 2>
완충용액으로 3 M 농도의 메탄올 수용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실 시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.A fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that a methanol solution having a concentration of 3 M was used as a buffer solution.
상기와 같이 제조한 연료전지에 대하여 시간에 따른 전력 밀도를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.The results of measuring the power density over time with respect to the fuel cell manufactured as described above are shown in FIG. 8.
<실시예 3><Example 3>
제 1 분리막으로 나피온 112를 사용하고 5500 g/m2/24hr의 수증기 투과율을 갖는 두께 45 ㎛의 테프론을 이용한 다공성 막을 층 구조로 설치한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다. A fuel cell was used in the same manner as in Example 1 except that Nafion 112 was used as the first separator and a porous membrane using a layer of 45 μm thick Teflon having a water vapor transmission rate of 5500 g / m 2 / 24hr was installed in a layered structure. Was prepared.
상기와 같이 제조한 연료전지에 대하여 시간에 따른 전력 밀도를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.The results of measuring the power density over time with respect to the fuel cell manufactured as described above are shown in FIG. 8.
<비교예>Comparative Example
상기 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 막전극 접합체의 애노드에 메탄올 수용액이 직접 접촉될 수 있도록 연료 전지 시스템을 구성하였다.The fuel cell system was configured such that an aqueous methanol solution was in direct contact with the anode of the same membrane electrode assembly as used in Example 1 above.
먼저 상기 막전극 접합체의 애노드가 상부로 향하도록 하고 캐소드측은 막전극 접합체를 보호하고 공기를 원활하게 공급하기 위해 지름 5 mm의 원형의 개방부가 다수 형성된 아크릴판을 이용하여 덮었다. 그런 후 상기 애노드의 상부에 3 M 농도의 메탄올 수용액을 담은 연료 카트리지를 상부 덮개 없이 직접 밀착시켜 메탄올 수용액이 직접 애노드로 공급되도록 구성하였다.First, the anode of the membrane electrode assembly is directed upward, and the cathode side is covered using an acrylic plate formed with a large number of circular openings having a diameter of 5 mm to protect the membrane electrode assembly and supply air smoothly. Then, the fuel cartridge containing the aqueous methanol solution of 3M concentration on top of the anode was directly contacted without the top cover was configured to supply the aqueous methanol solution directly to the anode.
상기와 같이 제조한 연료전지에 대하여 시간에 따른 전력 밀도를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.The results of measuring the power density over time with respect to the fuel cell manufactured as described above are shown in FIG. 8.
도 8에 나타난 바와 같이 초기에는 비교예의 전력 밀도가 더 높지만 비교예의 경우에는 전력 밀도가 시간에 따라 급격히 변화할 뿐만 아니라 1시간도 되지 않아 전력 밀도가 급속히 감소함을 알 수 있었다.As shown in FIG. 8, the power density of the comparative example is higher initially, but in the case of the comparative example, the power density not only changes rapidly with time but also less than one hour.
즉, 반응 초기에는 고농도의 메탄올이 원활하게 공급되어 이러한 공급을 바탕으로 반응이 활발하게 일어나므로 막전극 접합체의 온도의 상승에 따라 전력 밀도가 상승하는 것을 관찰할 수 있다. 그러나, 이내 막전극 접합체의 촉매의 피독, 애노드 반응에 필요한 물의 농도저하, 메탄올 크로스오버에 따른 효율 저하 등의 원인에 의해 전력 밀도가 급속히 감소함을 알 수 있었다.That is, in the early stage of the reaction, since a high concentration of methanol is smoothly supplied and the reaction occurs actively based on this supply, it can be observed that the power density increases with the increase of the temperature of the membrane electrode assembly. However, it was found that the power density rapidly decreased due to poisoning of the catalyst of the membrane electrode assembly, a decrease in the concentration of water required for the anode reaction, and a decrease in efficiency due to methanol crossover.
반면, 실시예 1 내지 실시예 3의 경우에는 비록 초기의 전력 밀도는 비교예에 비하여 다소 낮지만 장시간의 사용에도 불구하고 일정한 전력 밀도를 공급할 수 있음을 알 수 있었다. 반응 초기에는 반응에 따라 막전극 접합체의 온도가 상승하여 점차 반응 속도가 빨라지며 여기에 따라 전력 밀도가 상승하는 것을 알 수 있었다. 그런 후, 반응에 의한 발열 속도와 주위와의 냉각 속도가 균형을 이루고, 상기에서 설명한 바와 같은 메탄올 공급에 있어서의 자기 조정(self regulation)이 이루어짐에 따라 일정한 전력 밀도를 보임을 알 수 있었다.On the other hand, in the case of Examples 1 to 3, although the initial power density is somewhat lower than the comparative example, it can be seen that a constant power density can be supplied despite the long time use. In the initial stage of the reaction, the temperature of the membrane electrode assembly increased with the reaction, and the reaction rate was gradually increased, thereby increasing the power density. Then, it was found that the exothermic rate caused by the reaction and the cooling rate with the surroundings were balanced, and a constant power density was exhibited as the self regulation in the methanol supply as described above was achieved.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.Although described in detail with respect to preferred embodiments of the present invention as described above, those of ordinary skill in the art, without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims Various modifications may be made to the invention. Therefore, changes in the future embodiments of the present invention will not be able to escape the technology of the present invention.
본 발명의 연료 전지 시스템은 연료를 수동 공급 방식으로 공급하므로 시스템의 크기가 작고 불필요한 전력 소모가 없어서 시스템 효율이 높다. 또, 순수한 연료 또는 고농도의 연료 수용액을 사용할 수 있어 전체 시스템의 에너지 밀도가 높아 소규모의 컴팩트한 전원 공급을 가능하게 하는 효과가 있다. 또한 액체연료를 증기형태로 공급함으로써 연료 공급의 무 방향성을 갖게 하여 휴대용 전원으로의 실질적 응용을 가능케 한다.Since the fuel cell system of the present invention supplies fuel by a manual supply method, the system is small in size and there is no unnecessary power consumption, thereby increasing system efficiency. In addition, since a pure fuel or a high concentration of fuel aqueous solution can be used, the energy density of the entire system is high, thereby enabling a small and compact power supply. In addition, by supplying the liquid fuel in the form of steam, the fuel supply is non-directional, which enables practical application as a portable power source.
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