수소발생 연료전지 카트리지 document_id A220623068618

연료전지는 연료 및 산화제와 같은 반응물의 화학적 에너지를 직접 직류(DC) 전기로 변환하는 장치이다. 연료전지는 리튬 이온전지와 같은 휴대용 전력저장장치뿐만 아니라 화석연료의 연소와 같은 통상적인 전력발전보다도 더 효율적이어서 그 이용이 증가하고 있다. 일반적으로 연료전지 기술은 알칼리 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물 연료전지 및 효소 연료전지 등 다양한 종류의 연료전지를 포함한다. 오늘날 매우 중요한 연료전지는 일반적으로 여러 종류로 나뉠 수 있는데, (i) 압축 수소(H2)를 연료로서 사용하는 연료전지와, (ii) 연료로서 메탄올(CH3OH) 등의 알콜, 수소화붕소나트륨(NaBH4) 등의 금속 수소화물(metal hydride), 탄화수소(hydrocarbon), 또는 수소연료로 변환된 기타 연료를 사용하는 양자교환막(Proton Exchange Membrane: PEM) 연료전지와, (iii) 비수소 연료를 직접 소비할 수 있는 PEM 연료전지 또는 직접 산화형 연료전지(direct oxidation fuel cell)와, (iv) 고온에서 탄화수소 연료를 직접 전기로 변환하는 고체 산화물형 연료전지(solid oxide fuel cells: SOFC)가 그것이다. 일반적으로 압축수소는 고압 하에 보관되므로 다루기가 어렵다. 또한, 커다란 저장탱크가 일반적으로 요구되어 가전기기에 사용될 만큼 작게 만들 수도 없다. 통상적인 개질 연료전지(reformat fuel cell)는 연료전지 내부에서 연료를 산화제와 반응하는 수소로 변환하기 위하여 개질기(reformer)와 기타 기화 및 부대 시스템을 필요로 한다. 최근에는 가전기기에 유망하도록 개질기나 개질 연료전지가 더 진전되고 있다. 가장 일반적인 직접 산화형 연료전지는 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell) 또는 DMFC이다. 기타 직접 산화형 연료전지는 직접형 에탄올 연료전지(direct ethanol fuel cell)와 직접형 테트라메틸 오소카보네이트 연료전지(direct tetramethyl orthocarbonate fuel cell)를 포함한다. DMFC는 연료전지 내부에서 메탄올이 직접 산화제와 반응하므로 가장 단순하면서도 가장 소형화될 수 있는 연료전지로서, 유망하게 가전기기용 전력으로 적용될 수 있다. 고체 산화물형 연료전지(SOFC)는 고열에서 부탄과 같은 탄화수소 연료를 변환하여 전기를 생산한다. SOFC는 연료전지 반응을 일으키기 위하여 1000℃ 범위의 비교적 고온을 필요로 한다. 연료전지 각각의 종류에 따라 전기를 생산하는 화학반응은 다르다. DMFC의 경우, 각 전극에서의 화학적-전기적 반응 및 직접형 메탄올 연료전지의 전체 반응은 다음과 같다: 애노드에서의 반쪽 반응: CH3OH ＋ H2O → CO2 ＋ 6H+ ＋ 6e- 캐소드에서의 반쪽 반응: 1.5O2 ＋ 6H+ ＋ 6e- → 3H2O 전체 연료전지 반응: CH3OH ＋ 1.5O2 → CO2 ＋ 2H2O 수소이온(H+)은 PEM을 거쳐 애노드로부터 캐소드로 이동하고 자유전자(e-)는 PEM을 통과하지 못하기 때문에, 상기 전자는 외부회로로 흐르게 되고, 이에 따라 외부회로를 통하여 전류가 발생한다. 이 외부회로는 이동전화 또는 휴대전화, 계산기, PDA(personal digital assistant), 랩탑 컴퓨터, 전동공구 등과 같은 많은 유용한 가전기기에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. DMFC는 미국특허 제5,992,008호 및 제5,945,231호에 기술되어 있다. 일반적으로 PEM은 듀퐁사의 Nafion 과 같은 폴리머로 제조되며, 이는 대략 0.05mm 내지 0.50mm 두께범위의 과플루오르화 술폰산 폴리머(perfluorinated sulfonic acid polymer) 또는 기타 적절한 막(membrane)으로 된다. 애노드는 일반적으로 백금-루테늄과 같은 촉매 박막층이 표면에 도포된 테플론화 카본 페이퍼 지지체(Teflonized carbon paper support)로 만들어진다. 캐소드는 일반적으로 백금입자가 상기 막의 일 측면에 부착된 가스 확산 전극으로 된다. 화학적 금속 수소화물 연료전지에 있어서, 수소화붕소나트륨은 다음과 같이 개질되고 반응한다: NaBH4 ＋ 2H2O → (열 또는 촉매) → 4(H2) ＋ (NaBO2) 애노드에서의 반쪽 반응: H2 → 2H+ ＋ 2e- 캐소드에서의 반쪽 반응: 2(2H+ ＋ 2e-) ＋ O2 → 2H2O 이러한 반응에 적합한 촉매로는 백금과 루테늄 및 기타 금속이 있다. 수소화붕소나트륨을 개질하여 생산된 수소연료는 연료전지 내부에서 O2와 같은 산화제와 반응하여 전기(또는 전자의 흐름) 및 물 부산물을 생성한다. 또한, 붕산나트륨(NaBO2) 부산물은 개질 공정으로 생산된다. 수소화붕소나트륨 연료전지는 미국특허 제4,261,956호에 기술되어 있다. 연료전지 응용을 위하여 매우 중요한 특징 중 하나는 연료 저장이다. 또 다른 중요한 특징은 연료 카트리지로부터 연료전지로의 연료 이송을 조절하는 것이다. 상업적으로 유용하기 위해서는, DMFC 또는 PEM 시스템과 같은 연료전지는 소비자들의 일상적인 사용을 만족시키기에 충분한 연료를 저장할 수 있는 용량을 가져야 한다. 예를 들어, 이동전화 또는 휴대전화, 노트북 컴퓨터 및 PDA(personal digital assistant)를 위해서는 연료전지는 현재 배터리만큼 오랫동안, 그리고 바람직하게는 더 길게 이들 기기에 전력을 공급할 필요가 있다. 더구나, 연료전지는 오늘날의 재충전 가능한 배터리에 요구되는 긴 충전시간을 최소화하거나 또는 이를 미연에 방지하기 위하여 쉽게 교체가능하거나 재충전가능한 연료 탱크를 구비하여야 한다. 공지된 수소가스 발생장치(hydrogen gas generator)의 한가지 단점은 일단 반응이 시작되면 상기 가스 발생장치 카트리지가 상기 반응을 제어할 수 없다는 것이다. 이에, 반응물의 공급이 바닥나거나 또는 반응물 원이 수동으로 차단될 때까지 상기 반응은 지속된다. 따라서, 적어도 한 반응물의 반응챔버로의 유동을 자체조절 가능한 수소가스 발생장치를 확보하고자 하는 바람이 있다.