핸드폰 전지로서의 직접메탄올 연료전지 시스템의 개발

이상현, 전세근, 최후곤*, 남재도, 이영관, 조성민, 정찬화

성균관대 응용화학부, 성균관대 산업공학부*

Development of DMFC System for a Cellular-Phone Application

Sanghyun Lee, Seh-Keun Jeon, Hoo-Gon  Choi^, Sung M. Cho, Jae-Do Nam, Youngkwan Lee and Chan-Hwa Chung

School of Chemical Engineering and Applied Chemistry Sungkyunkwan University, School of System Management Engineering Sungkyunkwan University^

서론

연료전지는 전기화학반응에 의해 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접전기 에너지로 변환시키는 일종의 직류발전 장치로서 디젤발전, 증기가스 터빈장치 등의 다른 발전장치에 비해 발전효율이 높고 소음 및 유해 배기가스 등에 의한 문제점이 적은 장점을 가지고 있다. 직접메탄올 연료전지는 연료의 값이 싸고 취급이 용이하며 운전온도가 낮기 때문에 초소형화가 가능하다. 특히 직접메탄올 연료전지는 장기간의 통화 대기가 불가능한 리튬이온 전지를 대신 할 수 있으리라 기대되어지고 있다[1].

본 연구의 목표는 직접메탄올 연료전지를 이용하여, 현재 시판되고 있는 핸드폰을 가동시키는 것이다. 핸드폰은 대기모드 일 때, 100-150mW, 통화중일 때 300-1800mW의 전력을 소모한다. 본 연구에서는 통화중 300mW의 전력을 소모하는 핸드폰을 목표로 실험을 진행하였다. 이를 위하여 실제 핸드폰의 운전조건인 상온, 상압에서 단위전지의 성능 테스트를 실시하였고,  System의 개선을 통하여 성능향상과 소형화를 시도하였다[2].

실험 및 결과

Membrane Eletrode Assembly(MEA)제조

Anode의 촉매로는 백금(Pt)과 함께 사용하였을 때 CO의 추가 산화반응을 가장 잘 유도하는 것으로 알려진 Ru를 사용한 합금 촉매를 5-7mg/cm2 사용하였으며, Cathode촉매로는 산소 환원 촉매인 백금(Pt)을 5-7mg/cm2사용하였다. 각 촉매에는 삼상계면 증가를 통해 단위전지의 성능을 향상시키기 위하여 촉매 중량 대비 15wt% NAFION ionomer를 첨가 하여 촉매층을 만들었다. 촉매층을 지지하기 위해 Carbon Cloth를 지지체로 사용하였다. Carbon Cloth로 구성되어진 지지체는 기체 확산층의 역할을 하기가 어려워, Carbon powder를 이용하여 별도로 기체 확산층을 만들어 주어야 하며, 수분에 의한 flooding 현상을 줄이기 위해 Carbon Cloth에 발수 처리를 하였다. 지지체 위에 촉매층을  painting방법을 이용하여 도포하여 전극을 제조 하였다.  전극을 고분자 전해질막으로 쓰인 NAFION 117위에, 140℃, 600psi/cm2의 조건에서 Hot Pressing하여 MEA를 제조하였다.[3]

그림 1.  MEA 단면

Single Cell Test

MEA는 실제 핸드폰의 구동 조건이 되는 Air Breathing, Static feeding 방식으로, 2.5M MeOH, 17℃의 조건에서 실험을 진행하였다. Single Cell의 Power density와 Voltage는 그림2와 그림3에 도시하였다. 최고 전력은 9mW/cm2이었고, MEA하나가 36mW의 전력을 갖는다.

그림 2. Single Cell I-V Curve

그림 3. Single Cell Power Density Curve

Multi Flat Pack 제조 및 Test

현재 시판중인 핸드폰은 3.6V에서 작동하고, 대기모드일 때의 전력소비량은 100mW, 통화모드일 때에는 300mW의 전력이 소비된다. 본 연구에서 제작한 단위전지 12개를 직렬로 연결한다면, 427mW의 전력을 가지게 되어 핸드폰을 구동  시킬 수 있으리라 기대되어진다. 이에 Multi Flat Pack을 제조하였고, 그림 4에 개략도와 실물사진을 나타내었다.

그림 4 Muti Flat Pack의 개략도와 실물도

Multi Flat Pack은 7.5cm×11.5cm×3cm의 크기를 가지고 있는데, 각 면에 Single Cell이 6개씩 위치하게 되며, 이를 Current Collector를 이용하여 각 셀을 직렬로 연결하였다. Multi Flat Pack안에는 Methanol 희석용액이 저장되어 있으며, Convection을 통하여 연료가 Anode전극으로 공급되어지고, 바깥쪽에는 공기중의 산소가 Cathode전극으로 전달된다. 6개의 Single Cell을 연결한 Multi Flat Pack으로 실험한 결과를 아래 그림 5, 그림 6에 도시하였다. 실험결과 24시간동안 활성화하였을 때, 핸드폰의 대기 모드의 전력량을 가지는 것으로 알 수 있었다. 하지만 실험 도중 내부 Methanol이 System상의 문제로 인해 누수 되는 현상이 발생하였는데, 이로 인하여  Methanol Crossover가 발생하게 되어, 기전력을 떨어뜨리는 결과를 낳았다. System을 개선하여, 누수되는 현상을 제거해 준다면, 본 연구의 목표인 핸드폰 구동이 가능한 300mW이상의 전력을 얻을 수 있으리라 기대되어진다.

그림 5. Multi Flat Pack I-V Curve

그림 6. Multi Flat Pack Power Density

Multi Pocket Cell

본 연구에서는 위의 Multi Plat Pack과 병행하여 아래 그림7에 도시한 것과 같은 Multi Pocket Cell형태도 실험하고 있다. Multi Pocket Cell은 2개의 단위전지가 하나의 Pocket을 이루고, 6개의 Pocket이 하나의 Stack을 구성한다. Pocket은 Reservoir를 접착성을 가지는 고분자 Film으로, 제작하여 위의 Multi Flat Pack이 가지는 누수문제를 간단하게 해결 할 수 있고, 전체의 크기를 3cm×5cm×4cm이하로 혁신적으로 줄일 수 있으리라 여겨진다.

그림 7. Pocket Stack Design

결론

핸드폰에 전원을 공급할 수 있도록 하기 위해, 직접메탄올 연료전지의 단위전지 및 Stack을 제작하였다. 본 연구에서 제작한 직접 메탄올 연료전지는 아직까지 Li-ion 전지와 비교하여, 운전시간에서는 우위를 점하고 있으나, 생산 원가가 고가라는 것과 소형화하지 못하였는데 문제점을 가지고 있다. 이런 문제를 해결하기 위해서는 단위전지의 성능을 현재의 성능인 9mW/cm2보다 향상시킬 필요가 있는데, 이는 본 연구팀에서 병행하여 연구중인 Methanol  Crossover를 억제하는 고분자 전해질막의 연구와 시스템디자인 개선 등으로 해결되리라 기대한다.

참고문헌

[1] A. J. Appleby, and F. R .Foulkes, "Fuel Cell HandsBook", Vol. 1, Van Nostrand Reinhold, N.Y., Ch.8, 1989

[2] S. R. Narayanan, T. I. Valdez and F. Clara "Design and Development of Miniature Direct Methanol Fuel Cell Power Sources for Cellular Phone Applications" 2000 Fuel Cell seminar, Portland, Oregon, 2000, 795-798

[3] 김지래, 최경환, 임찬, 장혁, Proceedings of Fuel Cells Symposium 2000 in Korea, SK(주) 대덕기술원, 2000, 76-77