KR100874526B1

KR100874526B1 - 연료 전지 시일 및 연료 전지

Info

Publication number: KR100874526B1
Application number: KR1020070021242A
Authority: KR
Inventors: 다까히로 데라다; 야스따다 나까가와; 유우지 사사끼; 유우이찌 요시다
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2008-12-16
Also published as: CN101093879A; US20080248357A1; KR20070120874A; JP2008004278A

Abstract

본 발명의 과제는 연료의 누설을 저감하는 연료 전지 시일 및 연료 전지를 제공하는 것이다.

연료 전지 시일은 주면에 볼록부를 갖는 제1 시일 부재(11)와, 상기 볼록부 중 적어도 일부를 끼워 맞춤하는 것이 가능한, 주면에 오목부를 갖는 제2 시일 부재(12)로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 연료 전지는 고체 전해질막(106)과, 상기 고체 전해질막(106)의 양 주면측에 각각이 대향 배치되는 제1 및 제2 시일 부재와, 상기 제1 시일 부재(11) 상에 있어서 상기 고체 전해질막(106)과는 반대면측에 배치되는 연료극(105)과, 상기 제2 시일 부재(12) 상에 있어서 상기 고체 전해질막(106)과는 반대면측에 배치되는 산화제극(107)을 갖고, 상기 제1, 제2 시일 부재의 한쪽은 볼록부를 갖고, 상기 제1, 제2 시일 부재 중 어느 다른 한쪽은 상기 볼록부 중 적어도 일부와 끼워 맞춤하는 오목부를 갖고, 상기 제1 및 제2 시일 부재는 상기 고체 전해질막(106)을 통해 서로 끼워 맞춤하는 것을 특징으로 한다.

산화제극, 연료극, 고체 전해질막, 제1 시일 부재, 다공질막, 연료 탱크

Description

연료 전지 시일 및 연료 전지{FUEL CELL SEAL AND FUEL CELL}

도1은 본 발명의 제1, 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 시일의 평면도.

도2는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 것으로, 도1에 나타내는 Z-Z'선에 의한 연료 전지 시일의 단면도.

도3은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 것으로, 도1에 나타내는 Z-Z'선에 의한 연료 전지 시일의 단면도.

도4는 종래의 연료 전지 시일의 면압 분포를 나타내는 도면.

도5는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 연료 전지 시일의 면압 분포를 나타내는 도면.

도6은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 연료 전지 시일의 면압 분포를 나타내는 도면.

도7은 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 연료 전지 시일의 시일 높이에 대한 오목부의 높이의 비율과, 면압의 관계를 나타내는 그래프.

도8은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 고무 경도와 면압의 관계도.

도9는 일반적인 연료 전지의 단면도.

도10은 연료 전지에 있어서의 종래의 연료 전지 시일부의 단면도.

도11은 종래의 연료 전지 시일의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

12, 22, 104 : 연료 전지 시일(산화제극측)

11, 21, 103 : 연료 전지 시일(연료극측)

6, 106 : 고체 전해질막

[문헌 1] 일본 특허 공개 제2004-303727호 공보

본 발명은 연료의 누설을 저감하는 연료 전지 시일 및 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

최근, OA 기기, 오디오 기기, 무선 기기 등의 각종 기기는 반도체 기술의 발달과 함께 소형화되고, 또한 휴대성이 요구되고 있다. 이러한 요구를 만족시키기 위한 전원으로서는, 간편한 일차 전지나 이차 전지 등이 사용되고 있다. 그러나, 일차 전지나 이차 전지는 기능상 사용 시간에 제한이 있고, 이러한 전지를 이용한 OA 기기 등에서는 당연 사용 시간이 한정된다.

일차 전지를 사용한 경우, 전지의 방전이 종료한 후에, 전지를 교환하여 OA 기기 등을 작동하게 할 수는 있지만, 그 중량에 대해 사용 시간이 짧고, 휴대의 기기에는 부적합하다. 또한, 이차 전지에서는 방전이 종료하면 충전할 수 있는 반면, 충전을 위한 전원이 필요하기 때문에 사용 장소가 제한될 뿐만 아니라, 충전에 시간이 걸린다는 결점이 있다. 특히, 이차 전지를 조립한 OA 기기 등에서는, 전지의 방전이 종료해도 전지를 교환하는 것이 곤란하기 때문에, 기기의 사용 시간의 제한은 피하지 못한다. 이와 같이, 각종 소형 기기를 장시간 작동시키기 위해서는, 종래의 일차 전지나 이차 전지의 연장으로는 대응이 어렵고, 보다 장시간의 작동을 위한 전지가 요구되고 있다.

이러한 문제 중 하나의 해결책으로서, 최근 연료 전지가 주목되고 있다. 연료 전지는 연료와 산화제를 공급하는 것만으로 발전할 수 있다는 이점을 가질 뿐만 아니라, 연료만 교환하면 연속하여 발전할 수 있다는 이점을 갖고 있기 때문에, 소형화가 가능하면 소비 전력이 작은 OA 기기 등의 소형 기기의 작동에 매우 유리한 시스템이라 할 수 있다. 특히, 연료로서 알코올 등의 탄화수소계의 액체를 이용하는 연료 전지는, 안전하게 고에너지 밀도의 연료를 휴대할 수 있기 때문에, 전자 기기용의 연료 전지로서 유망하다.

여기서, 연료 전지의 구조에 대해 도9를 이용하여 설명한다. 연료 탱크(101) 상에 다공질막a(102), 연료극(105), 고체 전해질막(106), 산화제극(107), 다공질막b(108)이 차례로 층을 이루고 있다. 또한, 연료 전지의 단부에 있어서, 다공질막a(102)과 고체 전해질막(106) 사이에서 연료극(105)을 갖지 않는 부분에 연료극측 시일(103)을 설치하고 있다. 또한, 연료 전지의 단부에 있어서, 다공질막b(108)과 고체 전해질막(106) 사이에서 산화제극(107)을 갖지 않는 외주 부분에 산화제극측 시일(104)을 설치하고 있다.

연료 전지는 막형의 층을 이루고 있는 구조상, 연료가 누설되기 쉽다. 연료 가 누설되면 비용이 높아질 뿐만 아니라, 전자 기기의 고장에도 연결된다. 따라서 연료극측 시일(103) 및 산화제극측 시일(104)에 의해 누설을 저감하는 연구가 이루어지고 있다. 시일의 형상의 종래의 일례로서 도10이나 도11의 시일 구조를 들 수 있다(도10은 예를 들어 특허 문헌 1 참조).

그러나 종래의 시일 구조에서는 시일끼리 어긋나기 쉬운 구조로 되어 있어, 연료가 누설되어 버린다.

본 발명은 연료의 누설을 저감하는 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 연료 전지 시일의 일 태양으로서, 고체 전해질막에 인접한 상태에서 사용하는 연료 전지 시일에 있어서, 주면에 볼록부를 갖는 제1 부재와, 상기 볼록부 중 적어도 일부를 끼워 맞춤하는 것이 가능한 오목부를 주면에 갖는 제2 부재를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료 전지의 일 태양로서, 고체 전해질막과, 상기 고체 전해질막의 주면에 대향 배치되는 제1 및 제2 연료 전지 시일과, 상기 복수의 연료 전지 시일의 주면에 있어서 고체 전해질막과는 반대면측에 배치되는 연료극과, 상기 연료극과는 반대측의 상기 연료 전지의 주면에 배치되는 산화제극을 갖는 연료 전지에 있어서, 상기 연료 전지 시일은, 상기 고체 전해질막에 인접하고, 또한 주면에 볼록부를 갖는 제1 부재와, 상기 볼록부 중 적어도 일부를 끼워 맞춤하는, 주면에 오목부를 갖는 제2 부재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명을 한다. 본 실시 형태에 있어서, 연료 전지의 기본적인 구조는 도9에 도시하는 것과 마찬가지로 한다. 따라서 동일한 구성 부분에 대해서는, 도9에 도시하는 것과 동일한 부호를 이용하는 것으로 한다. 본 실시 형태에 있어서 연료 전지의 기본적인 구조는, 연료 탱크(101) 상에 다공질막a(102), 연료극(105), 고체 전해질막(106), 산화제극(107), 다공질막b(108)이 층을 이루고 있다. 또한, 이 연료 전지의 단부에 있어서, 다공질막a(102)과 고체 전해질막(106) 사이에서 연료극(105)을 갖지 않는 부분에 연료극측 시일을 설치하고 있다. 또한, 이 연료 전지의 단부에 있어서, 다공질막b(108)과 고체 전해질막(106) 사이에서 산화제극(107)을 갖고 있지 않은 외주 부분에 산화제극측 시일을 설치하고 있다. 본 제1, 제2 실시 형태에서 사용되는 연료 전지 시일은, 그들 산화제극측, 연료극측의 시일에 적용되고, 도9와 동일한 형태의 연료 전지에 조립되는 것이다.

우선, 본 발명의 제1 실시 형태에 대해 설명한다.

도1은, 본 실시 형태에 관한 연료 전지 시일 부착 부재, 즉 연료 전지 시일{연료극측 시일(11), [산화제극측 시일(12)]}을 도시하는 평면도이다. 여기서는 일례로서 연료 전지 시일 형상은, 연료 전지의 외주 형상을 따른 프레임 형상을 하고 있다.

도2는, 연료 전지 시일의 Z-Z'에 있어서의 단면도의 일례이다. 여기서는 연료극측 시일(11)과, 산화제극측 시일(12)이 고체 전해질막(106)을 사이에 두고 대향 배치되어 있다.

여기서, 연료극측 시일(11)은 프레임형 주위 방향으로 연속한 볼록부(11a)를 1개 갖고 있다. 또한, 산화제극측 시일(12)은 프레임형 주위 방향으로 연속한 오목부(12a)를 갖고 있고, 이 오목부(12a)는 연료극측 시일(11)의 볼록부(11a)와 끼워 맞춤하는 것이 가능한 형상이다. 오목부(12a)의 중앙에 볼록부(12b)가 있지만 이것은 고체 전해질막(106)과의 시일성을 향상하기 위해, 접촉 면적을 줄이고 면압을 증가시키는 역할을 하고 있다. 도2에 도시하는 바와 같이 고체 전해질막(106)에 대해 그 상하로부터 가압되어 연료극측 시일(11)과 산화제극측 시일(12)이 압축되었을 때, 고체 전해질막(106)을 통해 이들의 시일이 끼워 맞춤 함으로써 연료극측 시일(11)과 산화제극측 시일(12)이 어긋나기 어려워져, 연료 누설을 경감할 수 있다. 또한 도2에는 연료극측 시일(11), 산화제극측 시일(12)의 단면 형상의 일례가 나타나 있다. 여기서는 산화제극측 시일(12)의 단면 형상에 있어서, 시일 형상의 요소를 구성하는 등의 시일의 높이, 시일의 폭 및 오목부의 높이가 도시되어 있다.

시일 형상의 요소인 (오목부의 높이/시일의 높이)는 0.01 내지 0.5의 범위가 적당하다. 상세한 데이터에 대해 도7을 이용하여 설명을 한다. 도7은 시일의 높이에 대한 오목부의 높이(오목부의 높이/시일의 높이)와 면압과의 관계를 나타낸 도면이다. 이 그래프로부터, (오목부의 높이/시일의 높이) = 0.2, 혹은 그 부근의 수치에서 높은 면압을 얻을 수 있는 것을 알았다. 또한, 본 실시 형태에서는 시일의 폭에 대해 시일의 높이를 0.3으로 했다.

본 실시 형태의 연료극측 시일(11) 및 산화제극측 시일(12)은 탄성을 갖는 재질로 만들어져 있고, 연료 전지의 연료에 대한 내성을 갖는 것을 사용할 수 있다[예를 들어 에틸렌 프로필렌 디엔 고무(EPDM) 등의 고무]. 경도는 도8에 나타내는 바와 같이 20 내지 80도의 범위 중, 경도 약 35도 이상의 것이 좋은 시일성을 나타내는 것을 알았다. 한편, 경도를 지나치게 올리면 시일 반력이 높아져 다른 부재를 변형ㆍ파괴할 가능성이 높아지기 때문에, 경도 60도 이상은 적합하지 않다. 이들로부터, 경도 50도에 가까운 것이 보다 좋은 시일성을 나타내고, 다른 부재를 변형ㆍ파괴하지 않기 때문에 적합한 것을 알았다.

본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명을 한다. 본 실시 형태의 연료 전지의 구조는 제1 실시 형태와 동일한 구조이고, 시일에 있어서도 도2에 도시하는 것과 마찬가지이다. 단, 그 시일 형상은 도2의 Z-Z'의 단면 형상 등에 있어서 다르다.

도3은, 연료 전지에 있어서의 연료 전지 시일을 도시하는 단면도이다. 연료극측 시일(21)과, 산화제극측 시일(22)이 고체 전해질막(106)을 사이에 두고 대향 배치되어 있다. 연료극측 시일(21)은 표면에 복수의 요철 형상을 갖고 있다. 또한, 산화제극측 시일(22)도 표면에 복수의 요철 형상을 갖고 있다. 여기서는 또한, 오목부(또는 볼록부)의 간격은 등간격(즉 요철은 일정한 패턴으로 반복됨)인 것으로 한다. 또한, 연료극측 시일(21), 산화제극측 시일(22)의 요철은 그들 시일의 프레임형 주위 방향에 있어서 연속하여 혹은 단속적으로 설치되어 있다. 연료극측 시일(21)의 표면에 있어서의 요철 형상과, 산화제극측 시일(22)의 표면에 있어서의 요철 형상이 고체 전해질막(6)을 통해 서로 끼워 맞춤하기 때문에 전술한 제1 실시 형태와 마찬가지로 가압되어 압축되었을 때, 이들의 시일은 서로 어긋나 기 어려워진다. 따라서 연료 누설을 경감할 수 있다.

도4 내지 도6을 이용하여, 본 제1, 제2 실시 형태의 효과를 설명한다. 해칭의 밀도가 높을수록 면압이 높은 것을 나타내고 있다. 또한, 동일 밀도의 해칭이라도 압력을 받는 방향으로 길수록 면압이 높은 것을 나타내고 있다.

도4는 종래의 시일 형상에 있어서 상하의 시일이 서로 압축된 경우의 (a) 설계 위치, (b) 설계 위치로부터 10 ％ 어긋난 경우, (c) 설계 위치로부터 20 ％ 어긋난 경우에 있어서의 면압 분포를 나타낸 것이다.

도5는 제1 실시 형태의 시일 형상에 있어서의 시일을 압축한 경우의 (a) 설계 위치, (b) 설계 위치로부터 10 ％ 어긋난 경우, (c) 설계 위치로부터 20 ％ 어긋난 경우에 있어서의 면압 분포를 나타낸 것이다.

도6은 제2 실시 형태의 시일 형상에 있어서의 시일을 압축한 경우의 (a) 설계 위치, (b) 설계 위치로부터 10 ％ 어긋난 경우, (c) 설계 위치로부터 20 ％ 어긋난 경우에 있어서의 면압 분포를 나타낸 것이다. 여기서 말하는 어긋남의 비율이라 함은 시일 폭에 대한 비율이다.

도4의 (a), (b)에 있어서 면압이 발생하는 장소는, 시일에 있어서의 끼워 맞춤면의 중앙부 부근에 집중하고 있고, 그 중에서도 면압이 높은 범위는 좁다. 이것에 비해 도5의 (a), (b), 도6의 (a), (b)에 있어서는, 면압이 높은 부분의 범위가 넓은 것을 알 수 있다. 또한 최고 면압은 도4, 도5 모두 30 ％ 증가하고 있다. 또한, 도4의 (c)에 있어서는 상하의 시일이 끼워 맞춰져 있지 않아 서로 면압을 발생하고 있지 않다. 이것은 초기 어긋남 위치를 20 ％로서 압축한 결과, 보다 어긋 남량이 커지는 방향으로 어긋나 버리기 때문이다. 그러나 도5의 (c), 도6의 (c)에서는 상하의 시일이 부분적으로 끼워 맞춤 함으로써 서로 면압을 발생하고 있어, 연료 누설을 방지하는 것이 가능하다.

따라서 본 제1, 제2 실시 형태를 이용함으로써 시일에 높은 면압을 광범위하게 걸쳐 부여할 수 있고, 양 시일의 맞춤 어긋남의 영향이 적어 효과적으로 연료 누설을 방지할 수 있다. 또한, 특히 제2 실시 형태 등에서는 설계 위치로부터 어긋나 버린 경우라도 별도의 오목부 및 볼록부에 있어서 끼워 맞추기 때문에, 어긋남의 영향이 적어 효과적으로 연료의 누설을 저감할 수 있다.

제1 실시 형태에서는 오목부, 볼록부는 반대라도 좋다. 즉 연료극측 시일(11, 21)이 오목부를 갖고, 산화제극측 시일(12, 22)이 볼록부를 갖는 것으로 해도 좋다.

또한, 제2 실시 형태에서는 요철의 간격은 도3과 같이 등간격이라도 좋지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 연료극측 시일(21) 및 산화제극측 시일(22)은 모두 주위 방향으로 볼록부, 오목부를 혼합하여 갖고 있어도 좋다. 또한, 연료극측 시일(21)의 볼록부 또는 오목부와 산화제극측 시일(22)의 오목부 또는 볼록부가 도3과 같이 동일 위상이라도 좋지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.

제2 실시 형태에서는, 연료극측 시일 및 산화제극측 시일은 제1 실시 형태에서 이용한 것과 같은 재질을 이용할 수 있다.

본 실시 형태는 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서, 적절히 변경 가능하다.

Claims

고체 전해질막에 인접한 상태에서 사용하는 연료 전지 시일에 있어서,

주면에 볼록부를 갖는 제1 시일 부재와,

상기 볼록부 중 적어도 일부를 끼워 맞춤하는 것이 가능한 오목부를, 주면에 갖는 제2 시일 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지 시일.
제1항에 있어서, 상기 제1 시일 부재와 제2 시일 부재는 탄성체로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시일.
제1항에 있어서, 상기 제1 시일 부재 및 상기 제2 시일 부재는 프레임 형상인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시일.
제1항에 있어서, 상기 오목부는 (오목부의 높이/상기 제2 시일 부재의 높이)가 0.01 이상 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시일.
제1항에 있어서, 상기 제1 시일 부재 및 상기 제2 시일 부재는 상기 오목부 및 상기 볼록부를 각각 복수개 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시일.
고체 전해질막과,

상기 고체 전해질막의 양 주면측에 각각이 대향 배치되는 제1 및 제2 시일 부재와,

상기 제1 시일 부재 상에 있어서 상기 고체 전해질막과는 반대면측에 배치되는 연료극과,

상기 제2 시일 부재 상에 있어서 상기 고체 전해질막과는 반대면측에 배치되는 산화제극을 갖고,

상기 제1, 제2 시일 부재의 한쪽은 볼록부를 갖고, 상기 제1, 제2 시일 부재중 어느 다른 한쪽은 상기 볼록부 중 적어도 일부와 끼워 맞춤하는 오목부를 갖고, 상기 제1 및 제2 시일 부재는, 상기 고체 전해질막에 인접하고, 또한 상기 고체 전해질막을 통해 서로 끼워 맞춤하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제6항에 있어서, 상기 제1, 제2 시일 부재는 탄성체로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제6항에 있어서, 상기 제1, 제2 시일 부재는 프레임 형상인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제6항에 있어서, 상기 제1, 제2 시일 부재 중 어느 한쪽에 있어서 상기 오목부는 (오목부의 높이/상기 제1, 제2 시일 부재 중 어느 한쪽의 높이)가 0.01 이상 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제6항에 있어서, 제1, 제2 시일 부재는 상기 오목부 및 상기 볼록부를 각각 복수개 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지.