KR100728121B1 - 직접 산화형 연료 전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 이 연료 전지 시스템은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 전기 발생부, 연료를 이 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하며, 이 산화제 공급부는 탄화수소 연료 산화 촉매가 코팅된 다공성 기판을 포함한다.
본 발명의 직접 산화형 연료 전지 시스템은 탄화수소 연료가 캐소드 전극으로 크로스오버되어 대기쪽으로 누출될 때 캐소드 전극쪽에 위치하는 산화제 공급부에 포함된 탄화수소 연료 산화 촉매가 탄화수소 연료를 산화시키므로 탄화수소 연료의 대기 방출을 방지할 수 있다. 또한, 탄화수소 연료 산화 촉매가 코팅된 다공성 기판을 산화제 공급부에 위치시키므로 외부에서 유입되는 공기 중의 이물질이 캐소드 전극으로 유입되는 것을 방지할 수 있으며 물리적 변형을 방지할 수도 있다.
패시브연료전지,메탄올산화촉매캐소드전극,직접메탄올전지

Description

직접 산화형 연료 전지 시스템{DIRECT OXIDATION FUEL CELL SYSTEM}
도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고출력을 나타낼 수 있으며, 물리적 변형도 일어나지 않는 직접 산화형 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, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane 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 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 반응속도가 느려서 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도가 낮고, 출력이 낮으며, 많은 양의 전극 촉매를 사용하여야 하나, 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮으며 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
본 발명의 목적은 고출력을 나타낼 수 있으며, 물리적 변형도 일어나지 않는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 탄화수소 연료가 캐소드 전극으로 크로스오버됨에 따라 발생되는 문제점을 해결할 수 있는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고출력을 나타낼 수 있는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 전기 발생부, 연료를 이 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하며, 이 산화제 공급부는 탄화수소 연료 산화 촉매가 코팅된 다공성 기판을 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 직접 산화형 연료 전지 시스템은 연료 및 산화제를 펌프를 사용하지 않고 확산 방식으로 공급하는 패시브 타입이 바람직하다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 바람직하게는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하지 않고 확산 방식으로 공급하는 패시브 타입의 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 탄화수소 연료를 사용하는 직접 산화형 연료 전지에서는 탄화수소 연료가 캐소드 전극으로 크로스오버되면 전위차를 낮추고 산화되어 열을 발생하는 부반응을 만드는 문제가 발생된다. 특히 고농도의 탄화수소 연료를 사용하는 패시브 타입의 직접 산화형 연료 전지의 경우, 산화되지 않은 탄화수소 연료가 산화제가 공급되는 세퍼레이터의 통기공을 통하여 대기로 누출 및 기화되는 문제가 발생하는 문제가 있다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위한 직접 산화형 연료 전지 시스템 을 제공하는 것으로서, 본 발명의 직접 산화형 연료 전지 시스템은 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하고, 이 산화제 공급부는 탄화수소 연료 산화 촉매가 코팅된 다공성 기판을 포함한다.
상기 탄화수소 연료 산화촉매로는 Pt, Pd, Ru, Ag, Ir, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있으며 또한 이들을 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 담체로는 Al2O3, 제올라이트, TiO2, SiO2, MnO2, Mn2O3, 또는 지르코니아와 같은 무기물, 또는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있다.
상기 다공성 기판으로는 알루미늄, 스테인레스스틸(SUS) 및 Cu로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함할 수 있다. 또한 다공성 기판의 기공도는 50 내지 90%가 바람직하며, 기공의 크기는 10㎛ 내지 2mm이 바람직하다. 상기 다공성 기판의 기공도가 50% 미만이면, 응축의 문제가 있고, 또한 90% 보다 크면, 물리적 강도가 낮아지고 반응하지 않고 그냥 나가는 통로(bypass)가 되어 바람직하지 않다. 또한 상기 다공성 기판의 기공의 크기가 10㎛ 미만이면, 응축의 문제가 있고, 또한 2mm 보다 크면, 물리적 강도가 낮아지고 반응하지 않고 그냥 나가는 통로(bypass)가 되어 바람직하지 않다.
상기 탄화수소 연료 산화촉매의 코팅양은 다공성 기판 중량의 1 내지 10 중 량%가 적당하다. 탄화수소 연료 산화촉매가 다공성 기판에 코팅되어 있더라도, 탄화수소 연료 산화 촉매 코팅 공정 후, 추후 진행되는 건조 과정에서 다공성 기판의 기공에 존재할 수 있는 탄화수소 연료 산화 촉매는 제거되어, 기공이 막히는 일은 거의 발생하지 않으므로, 본 발명의 다공성 기판의 기공도 및 기공 크기는 유지될 수 있다.
상기 탄화수소 연료 산화 촉매가 코팅된 다공성 기판을 캐소드 전극에 위치하는 세퍼레이터로 사용함에 따라 다공성 기판을 통하여 산화제가 캐소드 전극에 분산 공급되면서, 캐소드 전극 쪽으로 크로스오버된 탄화수소 연료를 산화시켜 CO2와 H2O로 방출시킬 수 있으므로 탄화수소 연료의 누출 및 기화를 방지할 수 있고 또한 산화 반응에서 발생되는 열을 이용해 고출력을 얻을 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템에서 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 하며, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 포함한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서, 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(10)와, 상기 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부(30)와, 상기 전기 발생부(10)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(40)를 포함하여 구성된다.
상기 전기 발생부(10)는 하나 이상의 막-전극 어셈블리를 포함한다. 또한 연료 공급부(30)와 접하는 면에는 세퍼레이터(바이폴라 플레이트, 전류 집전체라고도 함, 16)를 배치하여 구성되며, 연료 공급부(30)와 접하지 않는 면에는 본 발명의 탄화수소 산화 촉매가 코팅된 다공성 기판을 포함하는 산화제 공급부(40)가 위치한다. 상기 다공성 기판을 포함하는 산화제 공급부(40)는 세퍼레이터의 역할을 하면서, 다수의 통기공을 통하여 상기 전기 발생부(10)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부의 역할도 한다.
상기 연료 공급부(30)는 상기 스택(10)에 밀착되게 배치되어, 펌프 등의 구동력에 의존하지 않고, 무부하 상태에서 연료를 상기 스택(10)으로 공급할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(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 8mg/cm2로 하였다.
제조된 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 이용하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
상기 막-전극 어셈블리를 하나 이상 적층하고, 적층된 막-전극 어셈블리를 70℃에서 30분간 건조하여 전기 발생부인 스택을 제조하였다.
상기 스택의 애노드 전극 쪽으로 세퍼레이터를 그 가운데 두고 1M의 메탄올이 담긴 연료 공급부를 위치시키고, 캐소드 전극 쪽에는 Al2O3 담체에 담지된 Pt 메탄올 산화 촉매가 코팅된 다공성 기판을 산화제 공급부로 하여 위치시켰다. 이때, 메탄올 산화 촉매의 코팅양은 5 중량%였고, 다공성 기판의 기공도는 80%였으며, 기공의 크기는 50㎛였다. 또한 다공성 기판은 알루미늄으로 제조된 것을 사용하였다.
제조된 연료 전지는 메탄올이 외부로 누출되지 않으며 또한 고출력을 얻을 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 직접 산화형 연료 전지 시스템은 캐소드 전극으로 크로스오버된 탄화수소 연료를 산화시켜 외부로 누출 또는 기화되는 것을 방지할 수 있으며, 물리적 변형을 야기하지 않고 또한 고출력을 얻을 수 있다.

Claims (8)

  1. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하며,
    상기 산화제 공급부는 탄화수소 연료 산화 촉매가 코팅된 다공성 기판을 포함하는 것인
    직접 산화형 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 탄화수소 연료 산화 촉매는 Pt, Pd, Ru, Ag 및 Ir으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속, 이 금속이 담체에 담지된 것 또는 이들의 혼합물인 직접 산화형 연료 전지 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 담체는 Al2O3, 제올라이트, TiO2, SiO2, MnO2, Mn2O3, 지르코니아, 아세 틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙 및 흑연으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 직접 산화형 연료 전지 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 다공성 기판은 알루미늄, 스테인레스 스틸 및 구리로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 탄화수소 산화 촉매의 코팅량은 상기 다공성 기판 중량의 1 내지 10 중량%인 직접 산화형 연료 전지 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 다공성 기판의 기공도는 50 내지 90%인 직접 산화형 연료 전지 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 다공성 기판은 10㎛ 내지 2mm의 크기를 갖는 기공이 형성된 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 직접 산화형 연료 전지 시스템은 패시브 타입인 직접 산화형 연료 전지 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR19990081883A (ko) * 1996-01-22 1999-11-15 안토니 엘. 스트라우스 촉매 산화적 탈수소화 방법 및 촉매

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