직접 메탄올 연료전지용 이산화탄소 제거장치 document_id A220623070722

최근 휴대용 전자기기 및 무선통신기기의 급격한 보급으로 인해 휴대용 전원 공급장치 및 청정 에너지원으로서 발전용 연료전지의 개발에 많은 관심과 연구가 진행되고 있다. 연료전지는 연료 가스(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학적으로 반응시켜 생성되는 에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 새로운 발전시스템이다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료전지, 및 직접메탄올 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만, 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등에서 서로 차이점이 있다. 이들 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는 메탄올을 연료로 사용하기 때문에 수소 개질기 등을 사용하지 않아도 되며 저온에서 운전하는 것도 가능하다. 특히, 직접 메탄올 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 연료공급 체계가 단순하고 장치가 간단하여 소형화가 가능하며 보다 컴팩트하게 구성할 수 있다. 이로 인하여 직접 메탄올 연료전지는 가정용, 이동용 장비, 휴대형 전원, 군사용 등 매우 폭넓게 응용할 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 직접 액체 연료전지 중 메탄올과 물을 혼합 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell)는 전극반응으로서 연료가 산화되는 산화반응(애노드 전극 반응), 및 수소이온과 산소의 환원에 의한 환원반응(캐소드 전극 반응)이 일어난다. 상기 산화반응에서는, 메탄올과 물이 반응하여 이산화탄소, 수소이온, 및 전자가 생성되며, 생성된 수소이온은 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 전달된다. 환원반응에서는, 수소이온, 외부 회로를 통해 전달된 전자, 및 별도로 공급된 산소가 반응하여 물이 생성된다. 따라서, 직접 메탄올 연료전지의 총괄반응은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 반응이 된다. 한편, 연료전지는 그 구성에 따라 액티브형과 패시브형으로 구분될 수 있다. 액티브형은 연료가 되는 메탄올이나 공기를 펌프 또는 팬을 사용하여 연료전지에 공급 및 순환시키는 방식으로서 구성은 복잡하지만 큰 전력을 쉽게 얻을 수 있는 잇점이 있다. 반면에, 패시브형은 별도의 공급장치를 사용하지 않고 연료와 공기를 모두 대류나 농도 기울기 등을 이용하여 연료전지에 공급하기 때문에 구성이 단순하여 소형화에 적합한 잇점이 있다. 또한, 이러한 패시브형은 이동용 장비용으로 실온에서 운전되며 액티브형에 비해 얻어지는 전력이 작다. 도 1은 패시브형 연료전지 시스템에서 연료의 순환 및 이산화탄소 제거 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 패시브형 연료전지 시스템은 막전극접합체(100), 전류집전체(110a, 110b), 캐소드 플레이트(120), 연료 저장층(130), 및 이산화탄소 제거장치(200)를 구비한다. 막전극접합체(100)는 전해질 막(101), 및 이 전해질 막(101)을 사이에 두고 전해질 막(101)의 양면에 각각 밀착되게 배치된 캐소드 전극(102)과 애노드 전극(103)으로 구성된다. 도 1을 참조하여 패시브형 직접 메탄올 연료전지 시스템의 작동 과정을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 연료가 연료 저장층(130)으로부터 애노드 전류집전체(110b)를 통해 애노드 전극(103)으로 공급된다. 애노드 전극(103)에서는 산화반응에 의해 수소이온, 전자, 및 이산화탄소가 발생하게 된다. 발생된 전자는 전류집전체(110a, 110b)를 통해 외부회로(미도시)를 거쳐 캐소드 전극(102)으로 이동하게 되며, 캐소드 전극(102)에서는 전해질 막(101)을 통해 애노드 전극(103)으로부터 이동해 온 수소이온과, 상기 전자 및 산소가 만나 이루어지는 환원 반응에 의해 물이 발생하게 된다. 애노드 전극(103)에서 생성된 이산화탄소는 미반응된 메탄올 용액과 함께 이산화탄소 제거장치(200)로 이동하게 되고 이산화탄소는 기액 분리막(미도시)을 통해 외부로 배출되며 메탄올 용액은 연료 저장층(130)으로 이동하여 계속 순환하게 된다. 상기와 같이, 직접 메탄올 연료전지 시스템은 메탄올 용액이 외부에서 연속적으로 공급되고 이에 따라 발생한 이산화탄소가 연속적으로 제거되어야만 시스템의 성능이 유지될 수 있다. 또한, 휴대형이나 이동형 전원으로 사용되기 위해서는 직접 메탄올 연료전지 시스템이 완전한 밀폐형으로 구성되어야 하며 애노드 전극에서 산화반응에 의해 발생하는 이산화탄소를 회수 및 제거하기 위한 장치가 반드시 필요하게 된다. 일반적으로 이산화탄소 제거장치에는 기체인 이산화탄소와 액체인 메탄올 용액이 함께 유입된 후 내장된 기액 분리막을 통해 서로 분리되어 각각 다른 경로로 배출되게 되는데, 종래의 연료전지 시스템, 즉 이산화탄소 제거장치는 놓여진 위치가 소정 위치로부터 소정 각도 기울어지게 되면 유입된 이산화탄소를 원활하게 배출하지 못하게 되는 문제점이 있다.