직접메탄올형 연료전지(DMFC) 200127175 이명제

연료전지의 역사 150년의 역사 William Robert Grove 경이 1839년 처음 연료전지라는 말 사용. 이론적인 과정 성립 1920년 독일 연료전지 연구소에서 연료개발의 기반 마련 1932년 Francis T. Bacon 박사가 경제성을 갖춘 니켈전극을 사용하여 연료전지에 기여

연료전지의 역사 1959년 Harry Karl Ihrig가 20마력의 연료전지를 이용한 차량을 처음 개발 1960년 G.E사가 나사와 아폴로에서 연료전지에 기반을 둔 전력원 개발 현재 우주선의 전력 공급뿐 아니라 우주비행사들의 식수도 제공 연료전지는 엄청난 가능성

연료전지의 작동원리 고체고분자형과 비슷한 원리 애노드 - 메탄올과 물이 반응 수소이온과 전자 생성 캐소드 – 수소이온과 전자가 산소와 결합하여 물을 생성

연료전지의 작동원리 전극 반응 Anode : CH3OH + H2O = CO2 + 6H(+)+ 6e(-) 전극 반응   Anode   : CH3OH + H2O      = CO2 + 6H(+)+ 6e(-) Cathode: 1.5O2 + 6H(+) + 6e- = 3H2O Overall  : CH3OH + 1.5 O2    = CO2 + 2H2O,  Eo = 1.18 V

연료전지의 작동원리

연료전지의 작동원리 -일반적인 연료전지에 사용하는 Bipolar형 스택과 마이크로 연료전지에 사용하는 monopolar형 스택의 개념도

DMFC의 장점 및 단점 장점 저장과 운반이 곤란한 수소를 필요로 하지 않는다. 메탄올로부터 수소를 많이 포함하는 개질가스를 만드는 복잡한 장치를 필요로 하지 않는다. 배터리를 대체할 수 있다.

DMFC의 장점 및 단점

DMFC의 장점 및 단점 단점 전극촉매의 성능이 불충분하다. 연료극(아노드)의 촉매가 특히 일산화탄소에 의해 오염된다. 연료극(아노드)의 촉매가 특히 일산화탄소에 의해 오염된다. 메탄올이 전해질 막을 투과해버린다.

DMFC의 중요요소

DMFC의 중요요소 촉매 300도씨 이하에서 작동하는 연료전지에서 전극반응을 촉진해주기 위한 필수요소 백금은 연료극 촉매로 우수한 금속 고체고분자 이온분리막

DMFC의 중요요소 문제점 촉매 반응에서 일산화탄소에 의한 피독 발생 전극에서 백금 등의 귀금속 사용으로 인한 비용 메탄올 수용액이 이온교환막을 투과하는 크로스 오버 현상 발생

전지 본체의 가격구성비

DMFC의 중요요소 해결방안 촉매의 피독을 방지 하기 위해 백금의 표면구조를 개량하거나 루테늄, 주석, 텅스텐 등의 다른 금속 추가 크로스오버현상을 막기 위해 부분 불소막을 사용한다.

연료극 전극촉매의 셀전압 비교 Pt Pt-Mn Pt-Ru Pt-Ru-Mo Pt-Ru-W 셀전압(mV) 150 230 240 250 활성 비교값 1.0 1.5 1.6 1.7 셀전압: 전류값 100mA/cm2에서의 셀 전압, 활성 비교값: Pt의 셀전압으로 규격화, Pt-Ru: E-TEK사 제품, 귀금속 담지량: 0.4 mg/cm2

고성능 단위전지 제작 60W 급 스택 제작

고성능 단위전지 제작 60W급 (70cm2, 19셀) 스택; 2000년

고성능 단위전지 제작 600mW급 모노폴라 스택에 의해 작동되는 LCD 전광판

고성능 단위전지 제작 1 W 급 모노폴라 스택에 의해 작동되는 무전기

기술특허 크로스오버저감형 연료 전지셀 이온교환막을 두 장으로 사용 사이에 발수성 강한 부분을 삽입 2001년

기술특허 에노드에서 메탄올의 전극반응을 균일하게 하도록 하는 역할 을 한다. 2002년

기술특허 삼성종합기술원(2002년) 소형화를 위해 단극형이 유리 애노드와 캐소드를 나란히 조립 직렬전지 형성 메탄올과 공기의 흐름도 원할

기술특허

기술특허

연구개발동향 소형 경량화, 콤팩트화 메탄올의 고 에너지밀도와 저장 용이성, 비용, 연료전지시스템의 간편함으로 주된 개발대상 메탄올의 산화반응속도가 느려 과전압이 수소와 비교하여 커서 셀 전압이 크게 낮아짐 크로스오버로 인한 연료이용률 저하

연구개발동향

연구개발동향 히타치 사 평판 형의 PDA용 DMFC시제품 탄화수소 계의 고체고분자 전해질 막을 개발하여 메탄올 크로스오버를 억제 하여 연료농도를 20~30%로 높이고 있다.

연구개발동향 NEC사 휴대전화용의 1W 출력 시제품 발표 (10셀 직렬 구조, 출력변동을 흡수하기 위한 슈퍼 커패시터 내장, 10%농도의 메탄올을 연료로 사용, 연료와 공기 자연확산으로 공급) 2. 자체 개발한 카본 나노혼을 전극촉매로 사용해 백금사용량을 감소, 성능은 향상

연구개발동향

연구개발동향 도시바사 5~8W의 PDA PC용 DMFC (전압 11V, 평균 12W, 최대 20W출력으로 50cc연료로 5시간을 구동,

연구개발동향

연구개발동향 모토로라사 마이크로 개질기를 사용한 개질형 고체고분자 연료전지 개발 개질형 마이크로연료전지시스템을 위한 시스템 제어기술과 마이크로단열패키지 기술 개발

연구개발동향

연구개발동향 MTI Micro Fuel Cells사 2001년 휴대전화기용 DMFC, PDA, 노트북, PC 등 휴대 전자기기용 연료전지 개발

연구개발동향 카시오사 1. 메탄올개질기를 소형화하여 고체고분자 연료전지를 사용하는 마이크로연료전지 개발 1. 메탄올개질기를 소형화하여 고체고분자 연료전지를 사용하는 마이크로연료전지 개발 (DMFC의 연료크로스오버와 과전압문제해결) 2. 실리콘 웨퍼의 미세가공기술로 초소형 메탄올수증기개질기 개발

연구개발동향

연구개발동향 삼성종합기술원 6시간 가동하는 노트북 PC용 DMFC 40W(12V, 3.4A)를 개발 휴대용 전화기와 PDA용 DMFC도 시제품 발표 Nafion막 대비 메탄올크로스오버를 30%억제시킨 고체고분자 전해질막 개발

연구개발동향

휴대용 연료전지의 국내 기술 로드맵

직접 메탄올 연료전지의 국내 기술수준

전망 마이크로 연료전지가 등장함에 따라 전원의 경쟁 구도 변화가 불가피 마이크로 연료전지로 개발 가능한 소형 연료전지로 직접메탄올 연료전지와 고분자 전해질형 연료전지가 중점적으로 연구 2008년에는 2W급 휴대폰용 연료전지 개발 2012년 50kW급 수송용 연료전지 개발

직접메탄올 연료전지 기술 로드맵

결론 이동성 강화에 따라 이동형 전원시스템에 대한 수요 급증하면서 마이크로 연료전지개발 마이크로 연료전지 중에서도 직접메탄올 연료전지의 개발은 안정성과 가격적인 면 부각 소형화에 가장 적합한 직접메탄올 연료전지 기술은 연료전지의 전망을 밝게 한다.

참고문헌 휴대용 DMFC 시스템 보고서(한국과학기술정보연구원) 한국과학기술정보연구원(www.kisti.re.kr) Direct Methanol Fuel Cells - Progress, Problems and Prospects (S. R. Narayanan*, Thomas Valdez, Jay Whitacre, and S. Surampudi) 연료전지와 태양전지(cafe.naver.com/fuelcell.café)