KR100535421B1 - A direct methanol fuel cell and system thereof - Google Patents
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Abstract
사각, 평판형상의 직접 메탄올 연료 전지의 스택을 원통형으로 설계하여 균일한 농도의 메탄올 수용액을 전극에 공급함과 동시에, 발생된 이산화탄소를 기/액분리를 통해 효과적으로 배출하며, 패키지 측면에서 확장성을 향상시키도록;The cylindrical, flat-shaped stack of direct methanol fuel cells is designed in a cylindrical shape to supply a uniform concentration of methanol aqueous solution to the electrode, and to effectively discharge the generated carbon dioxide through gas / liquid separation and improve the expandability in terms of package. To make;
원통형의 관형상으로 구성되며, 그 외주면에는 연료 공급을 위한 다수개의 관통홀을 형성하며, 그 일단부의 외주면에는 애노드 전극링이 끼워지는 애노드 단자체가 일체로 형성되는 연료 공급관; 상기 연료 공급관이 삽입되도록 원통형의 관형상으로 구성되며, 그 외주면에는 공기 공급을 위한 다수개의 관통홀을 형성하며, 그 일단부에는 내주면을 따라 캐소드 전극링이 장착되는 공기 공급관; 상기 연료 공급관과 공기 공급관 사이에 개재되어 공급되는 연료와 공기중의 산소에 의해 전극 반응이 일어나는 원통형상의 전극 전해질 접합체(MEA); 상기 연료 공급관과 전극 전해질 접합체 및 상기 공기 공급관과 전극 전해질 집합체 사이에 각각 개재되며, 각각 상기 애노드 전극링 및 캐소드 전극링과 연결되고, 상기 전극 전해질 접합체의 전극으로부터 전하를 집전하는 원통형상의 애노드 및 캐소드 집전체; 상기 연료 공급관과 전극 전해질 접합체 및 상기 공기 공급관과 전극 전해질 집합체 사이에 각각 상기 애노드 집전체 및 캐소드 집전체의 양단부에 각각 설치되어 기밀을 유지시켜 주는 다수개의 오링을 포함하여 전체적으로 원통형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료 전지 및 이를 이용한 그 시스템을 제공한다. A fuel supply pipe having a cylindrical tubular shape, the outer circumferential surface of which forms a plurality of through holes for fuel supply, and an anode terminal body to which the anode electrode ring is fitted on the outer circumferential surface of one end thereof; The fuel supply pipe is formed in a cylindrical tubular shape, the outer peripheral surface of the plurality of through-holes for supplying air, one end of the air supply pipe is mounted cathode electrode ring along the inner peripheral surface; A cylindrical electrode electrolyte assembly (MEA) in which an electrode reaction is caused by a fuel interposed between the fuel supply pipe and the air supply pipe and oxygen in the air; A cylindrical anode and cathode interposed between the fuel supply pipe and the electrode electrolyte assembly and the air supply pipe and the electrode electrolyte assembly, respectively, connected to the anode electrode ring and the cathode electrode ring, and collect electric charges from the electrodes of the electrode electrolyte assembly. Current collector; The fuel supply pipe and the electrode electrolyte assembly and between the air supply pipe and the electrode electrolyte assembly are respectively formed at both ends of the anode current collector and the cathode current collector, respectively comprising a plurality of O-rings to maintain the airtight, characterized in that the overall cylindrical shape Provided are a direct methanol fuel cell and a system using the same.
Description
본 발명은 직접 메탄올 연료 전지 및 그 시스템에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 사각, 평판형상의 직접 메탄올 연료 전지의 스택을 원통형으로 설계하여 균일한 농도의 메탄올 수용액을 전극에 공급함과 동시에, 발생된 이산화탄소를 기/액분리를 통해 효과적으로 배출하며, 패키지 측면에서 확장성을 기대할 수 있도록 하는 직접 메탄올 연료 전지 및 그 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a direct methanol fuel cell and a system thereof, and more particularly, to design a rectangular, flat plate-shaped stack of direct methanol fuel cells in a cylindrical shape, supplying a uniform aqueous solution of methanol to the electrode, The present invention relates to a direct methanol fuel cell and a system for effectively discharging carbon dioxide through gas / liquid separation and expecting expandability in terms of packaging.
주지하는 바와 같이, 연료 전지란 수소를 연료로 사용하여 전기를 발생하는 전지로 정의되는데, 일반적인 연소반응과 달리 사용자가 공급해주는 연료(주로 수소)와 공기 중 산소의 전기화학반응으로 전기를 발생시킨다.As is well known, a fuel cell is defined as a cell that generates electricity by using hydrogen as a fuel. Unlike a general combustion reaction, a fuel cell generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel supplied by a user (mainly hydrogen) and oxygen in the air. .
수소를 사용하는 고분자 전해질막 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)의 경우를 예로 들면, anode로 공급된 백금전극 상에서 수소가 전자를 잃고 양이온(H+)만을 통과시키는 전해질막을 통하여 공기(산소)가 공급되는 cathode로 이동하는 동안, 전자는 외부의 회로를 돌아서 cathode로 이동한다. 수소의 양이온(H+), 전자, 그리고 산소가 만나는 최종 목적지인 cathode의 백금전극 상에서는 이들의 결합으로 물이 생성되는 전기화학반응이 일어난다. 이를 화학식으로 표현하면 아래와 같다.For example, in the case of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) using hydrogen, air (oxygen) is passed through an electrolyte membrane in which hydrogen loses electrons and passes only cations (H +) on a platinum electrode supplied as an anode. While the electrons move to the supplied cathode, the electrons move around the external circuit to the cathode. On the platinum electrode of the cathode, the final destination where hydrogen cations (H +), electrons, and oxygen meet, an electrochemical reaction occurs in which water combines with these bonds. If this is expressed as a chemical formula:
Anode 전극 반응: H2 → 2H+ + 2e- Anode electrode reaction: H 2 → 2H + + 2e -
Cathode 전극 반응: (1/2)O2 + 2H+ +2 - →? H2OCathode electrode reaction: (1/2) O 2 + 2H + +2 - →? H 2 O
전체 반응: H2 + (1/2)O2 → H2OTotal reaction: H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
이러한 연료 전지는 고분자 전해질막 연료 전지 이외에 사용되는 연료, 전해질의 종류, 사용 온도 등에 따라 다양한 형태의 연료 전지로 구분될 수 있는데, 특히, 기체 상태의 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질막 연료 전지와 달리, 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)의 경우는 액체 상태의 메탄올 수용액을 anode극의 연료로 직접 사용하기 때문에 연료 개질기 등의 주변장치가 필요 없고, 연료의 저장 및 공급이 용이하여 휴대가 간편하다는 장점이 있어 노트북 컴퓨터, 휴대용 전화기, PDA, 의료기기, 군사용 장비 등에 활용되고 있다. 직접 메탄올 연료 전지의 전기화학반응은 아래와 같은 화학식으로 표현된다.Such fuel cells may be classified into various types of fuel cells according to fuels used in addition to the polymer electrolyte membrane fuel cells, types of electrolytes, operating temperatures, and the like, in particular, polymer electrolyte membrane fuel cells using gaseous hydrogen as a fuel and In contrast, in the case of a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel, a peripheral liquid such as a fuel reformer is not needed because a liquid aqueous methanol solution is directly used as the anode electrode. It is easy to carry and store because it is easy to store and supply, so it is used for notebook computers, mobile phones, PDAs, medical devices, military equipment, and the like. The electrochemical reaction of a direct methanol fuel cell is represented by the following formula.
Anode 전극 반응: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- Anode electrode reaction: CH 3 OH + H2O → CO 2 + 6H + + 6e -
Cathode 전극 반응: (3/2)O2 + 6H+ + 6e- → 3H2OCathode electrodes reaction: (3/2) O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O
전체반응: CH3OH + (3/2)O2 → 2H2O + CO2 Total reaction: CH 3 OH + (3/2) O 2 → 2H 2 O + CO 2
즉, 고분자 전해질막 연료 전지의 전기화학반응과 비교할 때, 직접 메탄올 연료 전지의 큰 특징은 anode극에서 메탄올과 물의 반응으로 이산화탄소와 수소 양이온(H+)이 생성된다는 것이다. In other words, compared with the electrochemical reaction of a polymer electrolyte membrane fuel cell, a major characteristic of the direct methanol fuel cell is that carbon dioxide and hydrogen cations (H +) are produced by the reaction of methanol and water at the anode electrode.
이러한 직접 메탄올 연료 전지의 경우 단위 전지의 이론적 발생 전압은 약 1.2V 정도이지만, 실제 사용하는 조건에서는 0.5V 미만이 되기 때문에 원하는 용량의 전압을 얻기 위해서는 일반적인 다른 연료 전지에서와 같이, 단위 전지를 직렬 연결하여 사용하여야 한다. In the case of such a direct methanol fuel cell, the theoretical generated voltage of the unit cell is about 1.2V, but under actual conditions, the unit cell is less than 0.5V, and thus, in order to obtain a voltage having a desired capacity, the unit cells are serially connected as in other fuel cells in general. It should be connected and used.
도 6의 (A)와 (B)에서 도시한 바와 같이, 직렬 연결하는 방법으로는 대용량의 고분자 전해질 연료 전지에서와 같이 하나의 분리판에 두 극이 존재하는 바이폴라(Bi-polar) 분리판을 사용하여 단위 전지를 적층하는 방법(A)과 한 장의 전해질막에 여러 개의 전극을 배열하여 이들을 직렬 연결하고 하나의 극만 존재하는 모노폴라(Mono-polar) 분리판을 사용하는 방법(B)이 있다. 일반적으로 대용량의 경우에 바이폴라형 스택(A)을 상용하며 소용량의 경우에는 모노폴라형 스택(B)을 사용한다.As shown in (A) and (B) of FIG. 6, a bi-polar separator in which two poles exist in one separator as in a large capacity polymer electrolyte fuel cell is used. A method of stacking unit cells using a single cell, and a method of arranging a plurality of electrodes in one electrolyte membrane, connecting them in series, and using a mono-polar separator having only one pole. . In general, a large amount of bipolar stack (A) is commercially available, and a small amount of a monopolar stack (B) is used.
그러나 상기 바이폴라형 스택의 경우, 사용자가 원하는 용량을 얻기 위하여 단위 전지를 여러 개 적층하는 방법으로 확장이 용이하지만, 소형에 주로 사용되는 모노폴라형 전지는 확장이 용이하지 못하며, 소형 전자기기가 모두 동일한 전압이나 전력을 요구하는 것이 아니기 때문에 모노폴라형 전지의 경우에는 각각의 전자기기에 적용되는 전지가 별도로 개발되어야 하는 단점이 있다.However, in the bipolar stack, it is easy to expand by stacking a plurality of unit cells in order to obtain a desired capacity of the user, but the monopolar battery, which is mainly used for small size, is not easy to expand, and all small electronic devices Since it does not require the same voltage or power, a monopolar battery has a disadvantage in that a battery applied to each electronic device must be developed separately.
또한, 연료 전지 스택에는 균일한 농도의 연료가 공급되어야 하고 발생된 이산화탄소를 용이하게 제거 할 수 있도록 설계되어야 하는데, 현재의 평판형 바이폴라형 스택과 모노폴라형 스택의 경우에는 공급되는 연료의 농도를 균일하게 하기가 어려우며, 발생된 이산화탄소를 제거하는데 한계가 있다.In addition, the fuel cell stack should be supplied with a uniform concentration of fuel and designed to easily remove the generated carbon dioxide. In the case of current flat bipolar stacks and monopolar stacks, the concentration of fuel supplied It is difficult to make uniform, and there is a limit in removing the generated carbon dioxide.
따라서 본 발명은 상기와 같은 단점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 사각, 평판형상의 직접 메탄올 연료 전지의 스택을 원통형으로 설계하여 균일한 농도의 메탄올 수용액을 전극에 공급함과 동시에, 발생된 이산화탄소를 기/액분리를 통해 효과적으로 배출하며, 패키지 측면에서 확장성을 향상시키는 직접 메탄올 연료 전지 및 그 시스템을 제공하는 것이다. Therefore, the present invention has been invented to solve the above disadvantages, the object of the present invention is to design a stack of rectangular methanol, flat plate-shaped direct methanol fuel cell in a cylindrical shape while supplying a uniform aqueous solution of methanol to the electrode, The present invention provides a direct methanol fuel cell and a system for effectively discharging carbon dioxide generated through gas / liquid separation and improving scalability in terms of package.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 직접 메탄올 연료 전지는Direct methanol fuel cell of the present invention for achieving the above object is
원통형의 관형상으로 구성되며, 그 외주면에는 연료 공급을 위한 다수개의 관통홀을 형성하며, 그 일단부의 외주면에는 애노드 전극링이 끼워지는 애노드 단자체가 일체로 형성되는 연료 공급관; 상기 연료 공급관이 삽입되도록 원통형의 관형상으로 구성되며, 그 외주면에는 공기 공급을 위한 다수개의 관통홀을 형성하며, 그 일단부에는 내주면을 따라 캐소드 전극링이 장착되는 공기 공급관; 상기 연료 공급관과 공기 공급관 사이에 개재되어 공급되는 연료와 공기중의 산소에 의해 전극 반응이 일어나는 원통형상의 전극 전해질 접합체(MEA); 상기 연료 공급관과 전극 전해질 접합체 및 상기 공기 공급관과 전극 전해질 집합체 사이에 각각 개재되며, 각각 상기 애노드 전극링 및 캐소드 전극링과 연결되고, 상기 전극 전해질 접합체의 전극으로부터 전하를 집전하는 원통형상의 애노드 및 캐소드 집전체; 상기 연료 공급관과 전극 전해질 접합체 및 상기 공기 공급관과 전극 전해질 집합체 사이에 각각 상기 애노드 집전체 및 캐소드 집전체의 양단부에 각각 설치되어 기밀을 유지시켜 주는 다수개의 오링을 포함하여 전체적으로 원통형상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. A fuel supply pipe having a cylindrical tubular shape, the outer circumferential surface of which forms a plurality of through holes for fuel supply, and an anode terminal body to which the anode electrode ring is fitted on the outer circumferential surface of one end thereof; The fuel supply pipe is formed in a cylindrical tubular shape, the outer peripheral surface of the plurality of through-holes for supplying air, one end of the air supply pipe is mounted cathode electrode ring along the inner peripheral surface; A cylindrical electrode electrolyte assembly (MEA) in which an electrode reaction is caused by a fuel interposed between the fuel supply pipe and the air supply pipe and oxygen in the air; A cylindrical anode and cathode interposed between the fuel supply pipe and the electrode electrolyte assembly and between the air supply pipe and the electrode electrolyte assembly, respectively, connected to the anode electrode ring and the cathode electrode ring, and collecting electric charges from an electrode of the electrode electrolyte assembly. Current collector; The fuel supply pipe and the electrode electrolyte assembly and between the air supply pipe and the electrode electrolyte assembly are respectively formed at both ends of the anode current collector and the cathode current collector, respectively comprising a plurality of O-rings to maintain the airtight, characterized in that the overall cylindrical shape It is done.
상기 공기 공급관의 일단부를 통하여 삽입 설치되어 캐소드 전극링과 연결되도록 외주면을 따라 캐소드 연결 전극링을 일체로 장착하는 캐소드 연결 전극체를 더 포함한다. And a cathode connection electrode body integrally mounted to one end of the air supply pipe and integrally mounting the cathode connection electrode ring along an outer circumferential surface so as to be connected to the cathode electrode ring.
그리고 직접 메탄올 연료 전지 시스템은 상기한 직접 메탄올 연료 전지의 단위 전지를 결합하여 구성한 연료 전지 스택; 상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하기 위한 배관 상의 일측에 구성되어 연료를 펌핑하는 순환펌프; 상기 연료 전지 스택에 연료를 공급하기 위한 배관 상의 타측에 구성되어 기체 및 액체를 분리하여 제거하기 위한 기/액 분리 및 제거부를 포함하는 것을 특징으로 한다. The direct methanol fuel cell system includes a fuel cell stack configured by combining the unit cells of the direct methanol fuel cell described above; A circulation pump configured at one side on a pipe for supplying fuel to the fuel cell stack to pump fuel; It is configured on the other side on the pipe for supplying fuel to the fuel cell stack, characterized in that it comprises a gas / liquid separation and removal for separating and removing gas and liquid.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 직접 메탄올 연료 전지의 단위 전지 구성요소를 나타낸 분해 사시도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 직접 메탄올 연료 전지의 단위 전지의 단면도로써, 본 발명의 실시예에 따른 직접 메탄올 연료 전지의 구성은 도 1과 도 2에서와 같이, 크게 연료인 메탄용 수용액을 공급하는 연료 공급관(1), 및 공기중의 산소를 공급하기 위한 공기 공급관(3), 전극 반응이 일어나는 전극 전해질 접합체(5, MEA; Membrane Electrode Assembly), 상기 전극 전해질 접합체(5)의 전극에서 전하를 집전하는 집전체(7,8)와, 집전체(7,8)를 전기적으로 직렬 연결해주는 전극링(9,11), 그리고 기밀을 유지해주는 다수개의 오링(13,15,17,19)들로 구성된다. 1 is an exploded perspective view showing a unit cell component of a cylindrical direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view of a unit cell of a cylindrical direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention, The structure of the direct methanol fuel cell according to the embodiment includes a fuel supply pipe 1 for supplying an aqueous solution for methane, which is largely a fuel, and an air supply pipe 3 for supplying oxygen in the air, as shown in FIGS. 1 and 2. Membrane Electrode Assembly (MEA) (MEA) in which an electrode reaction occurs, the current collectors 7 and 8 for collecting electric charges at the electrodes of the electrode electrolyte assembly 5, and the current collectors 7 and 8 It consists of electrode rings (9, 11) for connecting in series, and a plurality of O-rings (13, 15, 17, 19) for maintaining airtightness.
상기 연료 공급관(1)은 원통형의 관형상으로 구성되며, 그 외주면에는 연료 공급을 위한 다수개의 관통홀(21)을 형성한다. 상기 연료 공급관(1)의 일단부의 외주면에는 애노드 전극링(9)이 끼워지는 애노드 단자체(23)가 일체로 형성된다. The fuel supply pipe 1 has a cylindrical tubular shape, and a plurality of through holes 21 are formed on the outer circumferential surface of the fuel supply pipe 1. An anode terminal body 23 into which the anode electrode ring 9 is fitted is integrally formed on the outer circumferential surface of one end portion of the fuel supply pipe 1.
상기에서, 연료 공급관(1)의 각 관통홀(21)은 상기 연료 공급관(1)의 외주면을 따라 일정 간격으로 다수열이 형성되어 이루어지며, 상기 애노드 단자체(23) 상의 애노드 전극링(9)은 그 일측 외주면을 따라 결합을 위한 요입부(25)를 형성한다. In the above, each through hole 21 of the fuel supply pipe 1 is formed by forming a plurality of rows at regular intervals along the outer circumferential surface of the fuel supply pipe 1, the anode electrode ring 9 on the anode terminal body 23. ) Forms a concave inlet portion 25 for coupling along one outer peripheral surface thereof.
상기 공기 공급관(3)은 상기 연료 공급관(1)이 삽입되도록 원통형의 관형상으로 구성되며, 그 외주면에는 공기 공급을 위한 다수개의 관통홀(27)을 형성한다. 상기 공기 공급관(3)의 일단부에는 내주면을 따라 캐소드 전극링(11)이 장착된다. The air supply pipe (3) is configured in a cylindrical tubular shape so that the fuel supply pipe (1) is inserted, the outer peripheral surface forms a plurality of through holes for supplying air. One end of the air supply pipe 3 is equipped with a cathode electrode ring 11 along the inner peripheral surface.
상기에서, 공기 공급관(3)의 각 관통홀(27)은 상기 공기 공급관(3)의 외주면을 따라 일정 간격으로 다수열이 형성되어 이루어지며, 상기 공기 공급관(3)의 일단부 내주면 상의 캐소드 전극링(11)은 그 일측 내주면을 따라 결합을 위한 돌기부(29)를 형성하여 이루어진다. In the above, each through hole 27 of the air supply pipe (3) is formed by forming a plurality of rows at regular intervals along the outer peripheral surface of the air supply pipe (3), the cathode electrode on the inner peripheral surface of one end of the air supply pipe (3) The ring 11 is formed by forming a protrusion 29 for coupling along one side inner peripheral surface thereof.
전극 전해질 접합체(5;MEA)는 상기 연료 공급관(1)과 공기 공급관(3) 사이에 개재되어 공급되는 연료와 공기중의 산소에 의해 전극 반응이 일어나도록 구성되는데, 그 구체적인 구성은 내측으로 원통형상의 애노드 전극(31)이 구성되고, 상기 애노드 전극(31)의 외측으로 원통형상의 캐소드 전극(33)이 구성되며, 상기 애노드 전극(31) 및 캐소드 전극(33) 사이에는 전해질 막(35)이 형성되어 이루어진다. The electrode electrolyte assembly 5 (MEA) is configured such that an electrode reaction is caused by oxygen supplied from fuel and air interposed between the fuel supply pipe 1 and the air supply pipe 3. An anode electrode 31 on the upper surface is formed, and a cylindrical cathode electrode 33 is formed outside the anode electrode 31, and an electrolyte membrane 35 is disposed between the anode electrode 31 and the cathode electrode 33. Formed.
상기 집전체(7,8)는 상기 연료 공급관(1)과 전극 전해질 접합체(5) 사이에서 상기 애노드 전극링(9)과 연결되어 상기 전극 전해질 접합체(5)의 애노드 전극(31)으로부터 전하를 집전하는 원통형상의 애노드 집전체(7)가 구성되고, 상기 공기 공급관(3)과 전극 전해질 집합체(5) 사이에는 상기 캐소드 전극링(11)과 연결되어 상기 전극 전해질 접합체(5)의 캐소드 전극(33)으로부터 전하를 집전하는 원통형상의 캐소드 집전체(8)가 구성된다. The current collectors 7 and 8 are connected to the anode electrode ring 9 between the fuel supply pipe 1 and the electrode electrolyte assembly 5 to charge from the anode 31 of the electrode electrolyte assembly 5. A cylindrical anode current collector 7 for collecting current is configured, and the cathode electrode of the electrode electrolyte assembly 5 is connected to the cathode electrode ring 11 between the air supply pipe 3 and the electrode electrolyte assembly 5. A cylindrical cathode current collector 8 that collects electric charges from 33 is configured.
이러한 애노드 및 캐소드 집전체(7,8)는 각각 원통형상의 금속 메쉬로 이루어진다. These anode and cathode current collectors 7 and 8 each consist of a cylindrical metal mesh.
상기 오링(13,15,17,19)은 상기 연료 공급관(1)과 전극 전해질 접합체(5) 및 상기 공기 공급관(3)과 전극 전해질 집합체(5) 사이에 각각 상기 애노드 집전체(7) 및 캐소드 집전체(8)의 양단부에 각각 설치되어 기밀을 유지시켜 주게 된다.The o-rings 13, 15, 17, and 19 are respectively provided with the anode current collector 7 between the fuel supply pipe 1 and the electrode electrolyte assembly 5, and between the air supply pipe 3 and the electrode electrolyte assembly 5. It is provided at both ends of the cathode current collector 8 to maintain airtightness.
구체적으로는, 상기 연료 공급관(1)과 전극 전해질 접합체(5) 사이에서, 상기 애노드 집전체(7)의 양단부에 각각 좌우측 내부 오링(13,15)이 설치되고, 상기 공기 공급관(3)과 전극 전해질 집합체(5) 사이에서, 상기 캐소드 집전체(8)의 양단부에 각각 설치되는 좌우측 외부 오링(17,19)으로 이루어진다. Specifically, between the fuel supply pipe 1 and the electrode electrolyte assembly 5, left and right inner O-rings 13 and 15 are respectively provided at both ends of the anode current collector 7, and the air supply pipe 3 and Between the electrode electrolyte assemblies 5, it consists of left and right outer O-rings 17 and 19 provided at both ends of the cathode current collector 8, respectively.
그리고 도 3에서와 같이, 상기 공기 공급관(3)의 일단부를 통하여 삽입 설치되어 캐소드 전극링(11)과 연결되도록 외주면을 따라 연결 전극링(41)을 일체로 장착하는 캐소드 연결 전극체(40)를 더 구성한다.And, as shown in Figure 3, the cathode connection electrode body 40 is inserted through one end of the air supply pipe (3) integrally mounting the connection electrode ring 41 along the outer peripheral surface to be connected to the cathode electrode ring (11) Configure more.
상기 캐소드 연결 전극체(40)는 2개의 직접 메탄올 연료 전지의 단위 전지를 서로 연결하기 위한 구조로 상기 연결 전극링(41)은 상기 애노드 전극체(23)의 애노드 전극링(9)과 동일한 구성 및 기능을 가지며, 그 일측 외주면을 따라 결합을 위한 요입부(43)를 통하여 상기 캐소드 전극링(11)의 돌기부(29)와 결합되도록 이루어진다. The cathode connection electrode body 40 is a structure for connecting unit cells of two direct methanol fuel cells with each other, and the connection electrode ring 41 has the same structure as the anode electrode ring 9 of the anode electrode body 23. And it has a function, it is made to be coupled to the projection 29 of the cathode electrode ring 11 through the concave inlet portion 43 for coupling along one outer peripheral surface thereof.
따라서, 도 4에서와 같이, 상기와 같은 구성을 갖는 직접 메탄올 연료 전지의 단위 전지를 결합하여 연료 전지 스택(51)를 구성하게 된다. Therefore, as shown in FIG. 4, the unit cell of the direct methanol fuel cell having the above configuration is combined to form the fuel cell stack 51.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 개략적인 구성도로써, 상기와 같은 구성을 갖는 직접 메탄올 연료 전지 시스템은 상기 직접 메탄올 연료 전지의 단위 전지를 결합하여 이루어지는 연료 전지 스택(51)에 연료를 공급하기 위한 배관(53)를 형성하고, 상기 배관(53)상의 일측에는 연료인 메탄올 수용액을 펌핑하는 순환펌프(55)를 구성한다.5 is a schematic configuration diagram of a cylindrical direct methanol fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention, in which a direct methanol fuel cell system having the configuration described above is configured by combining a unit cell of the direct methanol fuel cell. A pipe 53 for supplying fuel to the 51 is formed, and on one side of the pipe 53, a circulation pump 55 for pumping an aqueous methanol solution as a fuel is formed.
상기 연료 전지 스택(51)에 연료를 공급하기 위한 배관(53) 상의 타측에는 기체 및 액체를 분리하여 제거하기 위한 기/액 분리 및 제거부(57)를 설치하는데, 상기 기/액 분리 및 제거부(57)는 기체 및 메탄올 수용액을 포집하는 기액 분리기(59)와, 상기 기액 분리기(59) 내에 포집된 기체가 일정 압력 이상이 되면 배출시키거나, 남아 있는 메탄올 수용액의 배출 및 새로운 메탄올 수용액의 공급시 사용되는 배출기(61) 및 상기 기액 분리기(59) 내의 기상의 압력을 측정하는 압력센서(63)를 포함하여 이루어진다. On the other side of the pipe 53 for supplying fuel to the fuel cell stack 51, a gas / liquid separation and removal unit 57 for separating and removing gas and liquid is installed. Rejection 57 is a gas-liquid separator 59 collecting gas and an aqueous methanol solution, and the gas collected in the gas-liquid separator 59 is discharged when the pressure is above a certain pressure, or discharge of the remaining methanol aqueous solution and a new methanol aqueous solution. And a pressure sensor 63 for measuring the pressure of the gaseous phase in the gas-liquid separator 59 and the discharger 61 used at the time of supply.
따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 직접 메탄올 연료 전지 및 그 시스템을 상기 각 도면을 통하여 그 작동 관계를 설명한다. Therefore, a direct methanol fuel cell having such a configuration as described above and a system thereof will be described with reference to the respective drawings.
즉, 도 2에서와 같이, 연료인 메탄올 수용액은 연료 공급관(1)의 내부 공간부(37)를 통과하여 금속 메쉬로 만들어져 있는 상기 애노드 집전체(7)를 통과하여 애노드 전극(31)으로 유입된다. 이 때, 애노드 전극(31)의 전기화학반응으로 1 mol의 메탄올은 6개의 수소 양이온, 6개의 전자, 그리고 1mol의 이산화탄소를 만든다. That is, as shown in FIG. 2, the aqueous methanol solution as fuel passes through the inner space portion 37 of the fuel supply pipe 1 and passes through the anode current collector 7 made of a metal mesh to flow into the anode electrode 31. do. At this time, 1 mol of methanol produces 6 hydrogen cations, 6 electrons, and 1 mol of carbon dioxide by the electrochemical reaction of the anode electrode 31.
여기서, 생성된 수소 양이온이 전해질막(35)를 통과하여 캐소드 전극(33)으로 이동하는 동안, 생성된 전자는 금속 메쉬로 만들어진 애노드 집전체(7)에서 모아져서 애노드 전극링(9)를 통과하여 이웃한 단위 전지의 캐소드 전극링(미도시)으로 이동된다. Here, while the generated hydrogen cations move through the electrolyte membrane 35 to the cathode electrode 33, the generated electrons are collected in the anode current collector 7 made of a metal mesh and pass through the anode electrode ring 9. The electrode is moved to the cathode electrode ring (not shown) of the neighboring unit cell.
이웃한 단위 전지(도 4참조)의 공기 공급관(3)에도 연료 공급관(1)에 장착된 애노드 전극링(9)과 동일한 도전체인 캐소드 전극링(11)이 설치되는데, 이들은 서로 요철(凹凸)의 형태로 만들어져 전자를 이동시키는 동시에 앞뒤의 단위 전지를 물리적으로 고정시키는 역할을 수행한다.In the air supply pipe 3 of the neighboring unit cell (see FIG. 4), the cathode electrode ring 11, which is the same conductor as the anode electrode ring 9 mounted on the fuel supply pipe 1, is also provided. It is made in the form of to move electrons and at the same time physically fix the front and rear unit cells.
즉, 애노드 전극(31)에서부터 고분자 전해질막(35)를 이동하여 캐소드 전극(33)에 도달된 수소 양이온(H+)은 공기 공급관(3)에 장착된 캐소드 전극링(11)과 접한 금속 메쉬로 된 캐소드 집전체(8)에 도달한 전자와, 공기 공급관(3)의 관통홀(27)을 통과하여 외부로부터 유입된 공기중의 산소와 함께 전기화학반응을 일으키고, 이 때 생성된 물은 공기 공급관(3)의 관통홀(27)을 통과하여 외부로 방출된다.That is, the hydrogen cation (H +) that reaches the cathode electrode 33 by moving the polymer electrolyte membrane 35 from the anode electrode 31 is a metal mesh in contact with the cathode electrode ring 11 mounted on the air supply pipe 3. Electrochemical reaction is carried out together with the electrons reaching the cathode current collector 8, and oxygen in the air introduced from the outside through the through-hole 27 of the air supply pipe 3. It passes through the through hole 27 of the supply pipe 3 and is discharged to the outside.
상기 도 4에서는 2개의 원통형 직접 메탄올 연료 전지의 단위 전지로 구성된 스택(51)과 이 스택에서 전원을 뽑아내는 애노드 전극링(9) 및 캐소드 전극링(11)으로 구성되는 단자를 나타내고 있다.In FIG. 4, a stack 51 consisting of unit cells of two cylindrical direct methanol fuel cells, and an anode electrode ring 9 and a cathode electrode ring 11 for extracting power from the stack are shown.
따라서 도 5에서 도시한 바와 같이, 메탄올 수용액이 순환펌프(55)에 의해 상기 연료 전지 스택(51)으로 흐를 때, 애노드 전극(31)에서 생성된 이산화탄소는 연료 공급관(1)의 관통홀(21)을 통과하여 메탄올이 유입되는 방향과 반대 방향으로 이동하여 기액 분리기(59)의 윗부분에 포집되고, 포집된 기체가 일정 압력 이상이 되면 배출기(61)로 배출되게 된다. Therefore, as shown in FIG. 5, when the aqueous methanol solution flows to the fuel cell stack 51 by the circulation pump 55, the carbon dioxide generated at the anode electrode 31 is passed through the through hole 21 of the fuel supply pipe 1. ) Is moved in a direction opposite to the direction in which methanol is introduced and collected in the upper portion of the gas-liquid separator 59, and is discharged to the discharger 61 when the collected gas is above a predetermined pressure.
이 때, 기액 분리기(59)의 기상의 압력은 압력센서(63)로 측정한다. 또한, 배출기(61)는 메탄올을 모두 소비한 후, 남아있는 수용액을 버리거나 새로운 메탄올 수용액을 공급할 때 이용된다.At this time, the gaseous pressure of the gas-liquid separator 59 is measured by the pressure sensor 63. In addition, the ejector 61 is used to discard the remaining aqueous solution or to supply a fresh methanol aqueous solution after exhausting all the methanol.
즉, 사용자가 메탄올 연료 전지를 사용하게 되는 경우, 배출기(61)에 일정 농도의 메탄올 수용액을 주입하여 원통형 연료 전지 스택(51)의 내부로 메탄올 수용액으로 유입되도록 한다. 메탄올 수용액이 연료 전지 스택(51)의 내부로 유입되어 전력을 발생하게 되는데, 이때 발생된 전력의 일부가 모터를 구동하게 되는 것이다. That is, when a user uses a methanol fuel cell, a predetermined concentration of methanol aqueous solution is injected into the ejector 61 so as to flow into the aqueous methanol solution into the cylindrical fuel cell stack 51. Methanol aqueous solution is introduced into the fuel cell stack 51 to generate electric power, and part of the generated electric power drives the motor.
상기와 같이 본 발명의 직접 메탄올 연료 전지 및 그 시스템에 의하면, 종래 판상의 모노폴라 형태로 만들어지는 직접 메탄올 연료 전지를 원통형으로 만들어 적층이 용이하도록 설계하였으며, 이로부터 사용자가 원하는 용량(전압, 파워)을 얻을 수 있도록 한다.As described above, according to the direct methanol fuel cell and the system of the present invention, the direct methanol fuel cell, which is made in the form of a conventional monopolar form, has a cylindrical shape and is designed to be easily stacked, and from this, a user desired capacity (voltage, power) ).
또한, 메탄올 수용액을 원통의 길이 방향으로 흐르게 하여 전체적으로 폐회로 시스템을 구성하였으며, 이로부터 전체적으로 균일한 농도의 반응물(메탄올 수용액)이 전극에 공급되도록 할 수 있다. In addition, the aqueous methanol solution flowed in the longitudinal direction of the cylinder to form a closed loop system as a whole, from which the reactant (methanol aqueous solution) of a uniform concentration can be supplied to the electrode as a whole.
또한, 생성된 이산화탄소가 폐회로 시스템을 통하여 메탄올 수용액과 흐를 때, 기액 분리기를 통과하도록 하여 이산화탄소가 메탄올 수용액상에서 쉽게 제거되도록 하는 이점이 있다.In addition, when the produced carbon dioxide flows with the aqueous methanol solution through the closed circuit system, it has an advantage that the carbon dioxide is easily removed from the aqueous methanol solution by passing through the gas-liquid separator.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 직접 메탄올 연료 전지의 단위 전지 구성요소를 나타낸 분해 사시도1 is an exploded perspective view showing unit cell components of a cylindrical direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 직접 메탄올 연료 전지의 단위 전지의 단면도, 2 is a cross-sectional view of a unit cell of a cylindrical direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원통형 직접 메탄올 연료 전지의 단위 전지의 캐소드(cathode)측 단자의 사시도 및 단면도, 3 is a perspective view and a cross-sectional view of a cathode terminal of a unit cell of a cylindrical direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 직접 메탄올 연료 전지 스택의 일례에 의한 사시도,4 is a perspective view of an example of a cylindrical direct methanol fuel cell stack according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 원통형 직접 메탄올 연료 전지 시스템의 개략적인 구성도, 및 5 is a schematic structural diagram of a cylindrical direct methanol fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and
도 6은 종래 기술에 따른 (A) 바이폴라 분리판을 사용하는 스택 및 (B) 모노폴라 분리판을 사용하는 스택의 구성도이다.6 is a configuration diagram of a stack using (A) a bipolar separator and a stack using (B) a monopolar separator according to the prior art.
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