KR20040036893A - 연료 전지 및 연료 전지 발전 장치 - Google Patents

연료 전지 및 연료 전지 발전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 세퍼레이터를 사용하지 않고, 유체 공급 기구와 같은 보조기를 갖지 않는 휴대용으로 적합한 콤팩트 전원과 그것을 이용한 휴대용 전자 기기를 제공하는 데 있다. 본 발명에 따르면, 액체의 연료를 산화하는 애노드와 산소를 환원하는 캐소드와 상기 애노드와 상기 캐소드를 절연하는 전해질막을 갖는 연료 전지로서, 연료 전지는 중공 지지체 구조이며, 중공 지지체의 외주면에 애노드, 전해질막, 캐소드를 배치하여 발전부가 구성되고, 중공 지지체 내부에서 연료가 접촉하고, 발전부 외부에서 산소를 함유하는 기체가 접촉하는 구조의 연료 전지, 연료 전지 발전 장치 및 이것을 이용한 전기 기기를 제공할 수 있다.

Description

연료 전지 및 연료 전지 발전 장치{FUEL CELL AND FUEL CELL GENERATOR}
애노드, 전해질막, 캐소드, 확산층으로 구성되며, 애노드에서 연료가 산화되고, 캐소드에서 산소가 환원되는 연료 전지에 관한 것이다. 또한, 이와 같은 연료 전지를 포함하는 발전 장치나, 소형 휴대용 전원 및 이와 같은 전원을 이용한 전기 기기 또는 전자 기기에 관한 것이다.
전자 기술의 진보에 따라 전화기, 노트북 컴퓨터, 오디오·비주얼 기기 또는 모바일용 정보 단말 기기 등의 전기 기기, 전자 기기 및 소형화된 휴대용 전자 기기 등의 급속한 보급이 진행되고 있다.
종래 이러한 휴대용 전자 기기는 일차 전지 또는 이차 전지에 의해 구동하는 시스템이었다. 이차 전지에서는 시일 납 배터리에서 Ni/Cd 전지, Ni/수소 전지, 나아가 Li 이온 전지로 신형 이차 전지의 출현이나 소형화/경량화 및 높은 에너지 밀도화 기술에 의해 발전되어 왔다. 그러나, 이차 전지는 일정량의 전력 사용후에는 충전하는 것이 필수적이어서 충전 설비와 충전 시간이 필요하게 되므로 휴대용 전자 기기의 장시간 연속 구동에는 많은 문제가 남아 있다. 금후, 휴대용 전자 기기는 증가하는 정보량과 그 고속화에 대응하여 보다 높은 에너지 밀도의 전원, 즉 연속 사용 시간이 긴 전원을 필요로 하고 있으며, 충전을 필요로 하지 않는 소형 발전기(마이크로 발전기)의 필요성이 높아지고 있다.
이러한 요청에 대응하는 것으로서 연료 전지 전원이 제안되고 있다. 연료 전지는 연료가 갖는 화학 에너지를 전기 화학적으로 직접 전기 에너지로 변환하는 것이다. 통상의 엔진 발전기 등의 내연 기관을 이용한 것처럼 동력부를 필요로 하지 않고, 소형 발전 디바이스로서의 가능성을 내포하고 있다. 또한, 연료 전지는 연료를 보급하는 것만으로 발전을 계속할 수 있기 때문에, 지금까지의 이차 전지에서처럼 충전을 위해 사용중인 휴대용 전자 기기의 구동을 정지할 필요가 없어진다.
이와 같은 연료 전지중에서 퍼플루오로카본술폰산계의 전해질막을 사용하여 애노드에서 수소 가스를 산화하고, 캐소드에서 산소를 환원하여 발전하는 고체 고분자형 연료 전지(PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cell)는 출력 밀도가 높은 전지로서 알려져 있다.
이 연료 전지를 보다 소형화하기 위하여 예컨대 일본 특허공개평9-223507호에 나타난 바와 같이, 중공사형(中空絲形) 전해질의 내면과 외면에 애노드 및 캐소드 전극을 부설한 원통형 전지의 집합체로 하고, 원통 내부와 외부로 각각 수소 가스와 공기를 공급하는 소형 PEFC 발전 장치가 제안되어 있다.
그러나, 휴대용 전자 기기의 전원에 적용할 경우에는, 연료가 수소 가스이기 때문에 용적 에너지 밀도가 낮아 연료 탱크의 체적을 크게 할 필요가 있다.
또한, 이 시스템에서는 연료 가스나 산화제 가스(공기 등)를 발전 장치로 보내는 장치나, 전지 성능을 유지하기 위하여 전해질막을 가습하는 장치 등의 보조기가 필요하여, 발전 시스템이 복잡한 구조로 전원을 소형화하기에 충분하다고는 할 수 없다.
연료의 체적 에너지 밀도를 높이기 위해서는 액체 연료를 사용하는 것, 연료나 산화제 등을 전지로 공급하는 보조기를 없애는 단순 구성으로 하는 것이 유효하며, 몇가지 제안이 이루어져 있다. 최근의 예로서는 일본 특허공개 제2000-268835호, 특허공개 제2000-268836호 공보에 나타나 있는 바와 같은 메탄올과 물을 연료로 하는 직접형 메탄올 연료 전지(DMFC : Direct methanol Fuel Cell)가 제안되어 있다.
이 발전 장치는 액체 연료 탱크의 외벽측으로 모세관력에 의해 액체 연료를 공급하는 재료를 통하여, 이것에 접하도록 애노드를 배치하고, 추가로 고체 고분자 전해질막, 캐소드를 순차 접합하여 구성되어 있다. 산소는 외기에 접촉하는 캐소드 외표면으로의 산소의 확산에 의해 공급되기 때문에, 이 방식에 의하면, 발전 장치는 연료 및 산화제 가스를 공급하는 보조기를 필요로 하지 않는 간단한 구성으로 되어 있다.
그러나, DMFC는 부하시의 출력 전압이 단위 전지당 0.3∼0.4V이기 때문에, 휴대용 전자 기기 등이 필요로 하는 전압에 대응하는 개수의 연료 전지가 부설된 연료 탱크를 탑재하고 각 전지를 직렬로 접속할 필요가 있다. 따라서, 발전 장치를 소형화하기 위하여, 직렬로 접속된 전지의 수가 증가하면 연료 탱크 용량이 작아지고, 연료 탱크의 수가 직렬로 접속된 전지의 수에 따라서 분산된다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 전력의 사용에 따라 이차 전지와 같이 일정 용량의 전력을소비할 때마다 충전하지 않고, 연료를 보급함으로써 용이하게 발전을 계속할 수 있는 연료 전지 발전 장치로서, 체적 에너지 밀도가 높은 연료를 사용하는 시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 연료 및 산화제 가스를 강제적으로 유통시키는 유체 공급 기구와 같은 보조기를 사용하지 않고, 소형이고 휴대용에 적용할 수 있는 전원과 이것을 이용한 휴대용 전자 기기를 제공하는 데 있다.
도1a는 본 발명에 관한 연료 전지 유닛의 외관 구조도이고, 도1b는 단면 구성도.
도2a는 본 발명에 관한 연료 전지 전원의 외관 구조도이고, 도2b는 단면 구성도.
도3a는 본 발명에 관한 고전압형 연료 전지 유닛의 외관 구조도이고, 도3b는 단면 구성도.
도4는 본 발명에 관한 연료 공급구의 단면 구성도.
도5a는 본 발명에 관한 각통형 연료 전지 유닛의 외관 구조도이고, 도5b는 단면 구성도.
도6은 제1 실시예 및 제2 실시예에 관한 연료 전지 유닛의 전류/전압 특성도.
도7a는 본 발명에 관한 원통형 연료 전지 유닛의 외관 구조도이고, 도7b는 단면 구성도.
도8a는 본 발명에 관한 고전압 원통형 연료 전지 유닛의 외관 구조도이고, 도8b는 단면 구성도.
도9a 및 도9b는 본 발명에 관한 고전압 각통형(角筒型) 연료 전지 유닛의 외관 구조도.
도10a 및 도10b는 본 발명에 관한 고전압 각통형 연료 전지 유닛의 단면 구성도.
도11은 제3 실시예 및 제4 실시예에 관한 고전압형 연료 전지 유닛의 전류/전압 특성도.
도12a 및 도12b는 비교예에 관한 세퍼레이터의 외관 구조도와 단면 구조도.
도13은 비교예에 관한 전지의 적층 구성을 나타내는 도면이다.
도14는 비교예에 관한 전지의 셀 홀더와 체결 밴드의 구성도.
도15a는 비교예에 관한 전원 외관 구조도이고, 도15b는 전원과 연료 탱크의 결합 단면도.
도16은 비교예에 관한 전지의 셀 홀더와 체결 밴드의 구조도.
도17은 비교예에 관한 전원 외관 구조도.
도18은 본 발명에 관한 각통형 연료 전지 유닛으로 구성된 전원의 외관 구조도 및 연료 전지 유닛과 연료 탱크의 결합 단면도.
도19는 본 발명에 관한 각통형 연료 전지 유닛 수납용 셀 홀더의 구조도.
도20a는 본 발명에 관한 원통형 연료 전지 유닛으로 구성된 전원의 외관 구조도이고, 도20b는 연료 전지 유닛과 연료 탱크의 결합 단면도.
도21은 본 발명에 관한 원통형 연료 전지 유닛 수납용 셀 홀더의 구조도.
도22a는 본 발명에 관한 고전압 원통형 연료 전지 유닛으로 구성된 전원의 외관 구조도이고, 도22b는 연료 전지 유닛과 연료 탱크의 결합 단면도.
도23a는 본 발명에 관한 고전압 각통형 연료 전지 유닛으로 구성된 전원의 외관 구조도이고, 도23b는 연료 전지 유닛과 연료 탱크의 결합 단면도.
도24a는 본 발명에 관한 원통형 연료 전지 유닛의 외관 구조도이고, 도24b는 단면 구성도.
도25a는 본 발명에 관한 고전압 각통형 연료 전지 유닛으로 구성된 전원의 외관 구조도이고, 도25b는 연료 전지 유닛과 연료 탱크의 결합 단면도.
도26a는 본 발명에 관한 원통형 연료 전지 유닛으로 구성된 전원의 외관 구조도이고, 도26b는 연료 전지 유닛과 연료 탱크의 결합 단면도.
도27은 본 발명에 관한 원통형 연료 전지 유닛으로 구성된 전원의 연료 탱크와 보조 연료 탱크의 결합 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 중공 지지체
2 : 전해질막
3 : 애노드 전극
4, 22 : 캐소드 전극
5 : 확산층
6 : 애노드 집전판, 애노드 집전체
7, 7a : 캐소드 집전판, 캐소드 집전체
7b : 캐소드 단자판 탭
8 : 다공질층, 다공질부
9 : 연료 배출구
10 : 연료 공급구
11 : 인터커넥터
12 : 상측 덮개
13 : 하측 덮개
14 : 보액재
15 : 애노드 단자판
16 : 개스킷
17 : 체결 밴드
18 : 애노드 단자
19 : 캐소드 단자
20 : 체결 메시
21 : 리브
23 : 적층 전지
24 : 커넥터부
51 : 덮개부 또는 가스 선택 투과막
61 : 제1 실시예에서 제작된 유닛의 전지 성능
62 : 제2 실시예에서 제작된 유닛의 전지 성능
71 : 제3 실시예에서 제작된 유닛의 전지 성능
72 : 제4 실시예에서 제작된 유닛의 전지 성능
81 : 세퍼레이터
82 : 매니폴드
83 : 세퍼레이터 종단면도
84 : 세퍼레이터 횡단면도
85 : 통전 개공부, 발전부 개공부
86 : 매니폴드 개공부
87 : 매니폴드 매립부
88: 홈 매립부
91 : 전해질막/전극 접합체
92 : 라이너
93 : 개스킷
94 : 흡입재
101 : 연료 전지 유닛, 연료 전지 모듈
102 : 연료 탱크
103 : 연료 보급구
104 : 연료
105 : 셀 홀더
106 : 전지 고정판
107 : 보조 연료 탱크
110 : 배기 탱크
111 : 배기구
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 특징은 액체의 연료를 산화하는 애노드와 산소를 환원하는 캐소드와 상기 애노드와 상기 캐소드를 절연하는 전해질막을 갖는 연료 전지에 있어서, 상기 연료 전지는 중공 지지체 구조이며, 상기 중공 지지체의 내부에는 액체 연료를 보유하는 보액재가 배치되고, 외주면에 애노드, 전해질막, 캐소드를 배치하여 발전부가 구성되고, 상기 중공 지지체 내부에서는 상기 연료가 접촉하고, 상기 발전부 외부에서는 상기 산소를 함유하는 기체가 접촉하도록 이루어진 연료 전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 특징은 액체의 연료를 산화하는 애노드와 산소를 환원하는 캐소드와 상기 애노드와 상기 캐소드를 절연하는 전해질막을 갖는 연료 전지로서, 상기 연료 전지는 중공 지지체 구조를 갖고, 상기 중공 지지체의 내부에는 액체 연료를 보유하는 보액재가 배치되고, 외주면에 애노드, 전해질막, 캐소드를 배치하여 구성되는 발전부를 갖는 연료 전지를 복수개 연결한 연료 전지 유닛과, 상기 액체의 연료를 저장하는 용기를 포함하고, 각각의 상기 발전부는 전기적으로접속되고, 상기 용기로부터 상기 액체의 연료가 상기 중공 지지체 구조 내부로 공급되어 발전하는 연료 전지 발전 장치이다.
본 발명에 의한 소형 연료 전지 전원은, 연료를 산화하는 애노드와 산소를 환원하는 캐소드가 전해질막을 통해 구성되는 액체를 연료로 하는 연료 전지에 있어서, 액체 연료를 수납하는 용기를 플랫폼으로 하여 중공 지지체의 외주면에 애노드, 전해질막, 캐소드를 배치한 발전부를 갖는 연료 전지 유닛이 결합되며, 이 연료 전지 유닛이 전기적으로 직렬 또는 병렬로 결합되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
특히, 소요 전류가 비교적 작고, 높은 전압을 필요로 하는 경우에는, 중공 지지체의 외주면에 애노드, 전해질막, 캐소드를 배치한 복수개의 발전부를 갖는 연료 전지 유닛으로 하고, 각 발전부를 도전성 인터커넥터로 직렬로 접속함으로써 고전압화를 도모할 수 있다.
연료는 연료 탱크를 플랫폼으로 하여 결합함으로써 중공 지지체 내부로 강제 공급 기구를 사용하지 않고 공급되며, 이 때 중공 지지체내에 액체 연료를 저장하고, 모세관력에 의해 빨아올리는 재료를 충전함으로써 연료 보급은 더욱 안정화된다. 한편, 중공 지지체의 외주면에 발전부를 갖는 각 연료 전지 유닛은 공기중의 산소의 확산에 의해 산화제가 공급된다. 연료에는 체적 에너지 밀도가 높은 메탄올 수용액을 액체 연료로서 사용함으로써, 동일 용적의 탱크에 수소 가스를 연료로서 이용한 경우에 비하여 보다 긴 시간 발전을 계속할 수 있다.
본 발명에 의한 전원을 이차 전지 탑재의 휴대 전화기, 휴대용 퍼스널 컴퓨터, 휴대용 오디오, 비주얼 기기, 그 외의 휴대용 정보 단말을 휴지시에 충전하기 위해 부설되는 배터리 충전기로서 사용하거나 또는 이차 전지를 탑재하지 않고 직접 내장 전원으로 함으로써 이들 전자 기기는 장시간 사용할 수 있게 되고, 연료의 보급에 의해 연속적으로 사용할 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 의한 실시 형태에 대해 도면을 사용하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 하나의 실시 형태를 구성하는 연료 전지 유닛의 구조를 모식적으로 도1a에 도시하고, 연료 전지 유닛의 외관도를 도1b에 그 하나의 벽 단면 구조를 도시하여 설명한다.
중공의 각형 지지체(1)의 외주부에 애노드 집전체(6)를 피복하고, 그 위에 애노드 전극(3), 전해질(2), 캐소드 전극(4), 확산층(5) 및 캐소드 집전체(7)를 순차 중첩시켜 접합하여 발전부를 형성한다. 이것은 연료 전지, 연료 전지 유닛 또는 유닛 전지로 된다. 후술하겠지만, 이들 연료 전지 유닛이 복수개 결합한 것을 연료 전지 모듈 또는 모듈 전지라 한다.
이 때, 애노드가 접합되는 애노드 집전체를 피복한 중공 지지체(1)의 벽면은 통내로 공급된 액체 연료가 애노드에 접촉하도록 관통형 그물코 형상 또는 관통형 다공질 벽면 구조를 채택하고 있다. 복수개의 연료 전지 유닛으로 구성된 연료 전지 모듈(101)을 플랫폼으로 하여 연료 탱크(102)에 연료 공급구, 연료 배출구(9, 10)를 결합한 전원의 구성을 도2a에, 연료 전지 유닛과 연료 탱크를 결합하였을 때의 단면도를 도2b에 나타낸다.
연료 탱크(102)에는 상부에 연료 공급구(103)를 구비하고 있고, 내부에는 메탄올 수용액을 연료(104)로서 보유하고 있다. 이렇게 함으로써 연료는 중공 지지체 내부로 강제 공급 기구를 사용하지 않고 공급된다. 이 때 중공 지지체 내에 액체 연료를 보유하고, 모세관력에 의해 빨아올리는 재료인 보액재(14)를 충전함으로써 연료 공급은 보다 안정화될 수 있다.
한편, 도1b에 도시한 바와 같이 캐소드 전극(4)은 다공질의 캐소드 집전판(7)과 확산층(5)을 통해 대기중의 산소를 확산에 의해 공급받는 구조로 되어 있어, 산화제 가스의 강제 공급 기구를 사용하지 않고 공급받는다.
메탄올 수용액을 연료로 하는 연료 전지에서는 이하에 나타내는 전기 화학 반응으로 메탄올이 갖고 있는 화학 에너지가 직접 전기 에너지로 변환되는 형태로 발전된다. 애노드 전극측에서는 공급된 메탄올 수용액이 화학식1에 따라 반응하여 탄산 가스와 수소 이온과 전자로 해리된다.
CH3OH + H2O → CO2+ 6H++ 6e-
생성된 수소 이온은 전해질막을 통해 애노드에서 캐소드측으로 이동하고, 캐소드 전극상에서 공기중으로부터 확산되어 온 산소 가스와 전극상의 전자와 화학식2에 따라 반응하여 물을 생성한다.
6H++ 3/2O2+ 6e-→ 3H2O
따라서, 발전에 따른 전체 화학 반응은 화학식3에 나타낸 바와 같이 메탄올이 산소에 의해 산화되어 탄산가스와 물을 생성하고, 화학 반응식은 메탄올의 화염 연소와 동일해진다.
CH3OH + 3/2O2→ CO2+ 3H2O
단위 전지의 개로(開路) 전압은, 대략 1.2V에서 연료가 전해질막을 침투하는 영향으로 인해 실질적으로는 0.85∼1.0V 이며, 특별히 한정되는 것은 아니나, 실용적인 부하 운전하에서의 전압은 0.3∼0.6V 정도의 영역이 선택된다. 따라서, 실제로 전원으로 사용하는 경우에는 부하 기기의 요구에 따라 소정 전압이 얻어지도록 단위 전지를 직렬 접속하여 사용된다. 단전지의 출력 전류 밀도는 전극 촉매, 전극 구조 그 외의 영향으로 변화되는데, 실효적으로 단전지의 발전부 면적을 선택하여 소정 전류가 얻어지도록 설계된다. 또한, 적절하게 병렬로 접속함으로써 전지 용량을 조정할 수 있다.
여기에서, 연료 전지 유닛을 구성하는 지지체는 중공 지지체 구조의 하나인 통형 구조인 것이 특징인데, 그 단면 형상은 각형, 원형 또는 그 외의 형상이어도 콤팩트하게 발전부 면적을 충분히 얻을 수 있는 형상이라면 특별히 제한은 없다.
그러나, 연료 전지 유닛을 규정 용적중에 콤팩트하게 장전하기 위해서는 원통형, 각형은 충전 효율도 양호하고, 연료 전지 발전부를 장착하는 가공성의 면에서도 바람직한 형상이라 할 수 있다.
지지체의 재료는 전기 화학적으로 불활성이고, 사용 환경하에서 내구성을 갖는 박형으로 충분한 강도를 갖는 재료이면 된다. 예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 염화비닐, 폴리아크릴계 수지 그 외의 엔지니어링 수지나 이들을 각종 필러 등으로 강도 보강한 전기 절연성 재료나 생성수 발생 분위기에서의 내식성이 우수한 탄소 재료, 스테인리스계 강 또는 통상의 철, 니켈, 구리, 알루미늄 및 이들 합금의 표면을 내식화 처리한 전기 도전성 재료를 들 수 있다.
또한, 내식성이 떨어지는 비금속을 상기한 수지로 피복한 절연성 재료를 사용하는 것도 유효하다. 어쨌든 형상을 지지하는 강도, 내식성과 전기 화학적으로 불활성인 재료라면 특별히 한정되는 것은 아니다.
통형 지지체 내부는 연료 수송 공간으로서 사용되는데, 통형 지지체 내부에 충전되는 연료 공급을 안정화하는 흡입재는 메탄올 수용액과의 접촉각이 작고, 전기 화학적으로 불활성이며 내식성이 있는 재료이면 되고, 분말 또는 섬유상의 것을 사용하면 된다. 예컨대, 유리, 알루미나, 실리카 알루미나, 실리카, 비흑연계 탄소, 셀룰로오스 등의 섬유나 흡수성 고분자 섬유 등은 충전 밀도가 낮고 메탄올 수용액 저장성이 우수한 바람직한 재료이다.
발전부를 구성하는 애노드 촉매로서 탄소계 분말 담체에 백금과 루테늄 또는 백금/루테늄 합금의 미립자를 분산 담지한 것, 캐소드 촉매로서는 탄소계 담체에 백금 미립자를 분산 담지한 것은 쉽게 제조, 이용할 수 있는 재료이다.
본 발명에 의한 연료 전지의 애노드 및 캐소드의 촉매는 통상의 직접형 메탄올 연료 전지에 사용되는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 전해질막에는 수소이온 도전성을 나타내는 막이 사용된다. 이와 같은 재료로서 폴리퍼플루오로스티렌술폰산, 퍼플로오로카본계 술폰산 등으로 대표되는 술폰화된 불소계 폴리머나 폴리스티렌술폰산, 술폰화 폴리에테르술폰류, 술폰화 폴리에테르에테르케톤류 등의 탄화수소계 폴리머를 술폰화한 재료를 사용할 수 있다. 이들 재료를 전해질막으로서 사용하면 일반적으로 연료 전지를 80℃ 이하의 온도에서 작동할 수 있다.
또한, 텅스텐 산화물 수화물, 지르코늄 산화물 수화물, 주석 산화물 수화물 등의 수소이온 도전성 무기물을 내열성 수지에 미크로 분산한 복합 전해질막 등을 사용함으로써, 보다 고영역까지 작동하는 연료 전지로 할 수도 있다. 어쨌든 수소 이온 전도성이 높고, 메탄올 투과성이 낮은 전해질막을 사용하면 연료의 발전 이용율이 높아지기 때문에, 본 발명의 효과인 콤팩트화 및 장시간 발전을 보다 높은 레벨로 달성할 수 있다.
연료 전지 유닛을 구성하는 발전부는 예컨대 다음과 같은 방법에 의해 제작할 수 있다. 즉, 1) 중공 지지체의 외주면에 도전성 집전판을 도포하여 애노드 접합부의 벽면을 관통공에 의해 다공질화하는 공정, 2) 애노드 촉매와 전해질막과 동일 물질을 미리 휘발성 유기 용매에 용해한 용액을 바인더로서 첨가, 분산하여 페이스트상으로 한 것을 중공 지지체의 다공질 부분에 10∼15㎛의 일정 두께로 도포하여 전극을 형성하는 공정, 3) 그 후, 미리 휘발성 유기 용매에 용해한 전해질 용액을 애노드 전극상에 막 형성후의 두께가 20∼50㎛로 되도록 도포하는 공정, 4)이어서 캐소드 촉매와 전해질막과 동일 물질을 미리 휘발성 유기 용매에 용해한 용액을 바인더로서 혼합 반죽하여 페이스트상으로 한 것을 전해질막상에 10∼50㎛의 일정 두께로 도포하여 전극을 형성하는 공정, 5) 그리고 그 외주부에 탄소계 분말과 소정량의 발수성 분산재, 예컨대 폴리테트라플로오로에틸렌 미립자의 수성분산액을 페이스트상으로 하여 캐소드 전극 표면에 도포하고는 확산층을 형성하는 공정을 거쳐 연료 전지 유닛이 만들어진다.
이 때, 3)의 공정에서 전해질막 부분은 캐소드 면적보다 크게 취하고, 지지체와 전해질막을 밀착시키거나 또는 접착제를 사용하여 접착함으로써 밀봉하는 것이 중요하다. 얻어진 연료 전지 유닛의 캐소드 부분에 도전성 다공질재 또는 네트를 장착하여 캐소드 집전판으로서 단자를 꺼내고, 애노드 집전판으로부터 단자를 꺼낸다.
연료 전지 유닛이 단일 연료 전지로 구성되어 있는 경우에는, 1)의 공정은 필요 없고, 도전성 중공 지지체를 사용하여 직접 애노드 단자를 꺼낼 수 있다. 또한, 발수성 수성 분산재가 백금 촉매 또는 백금·루테늄 합금 촉매의 촉매 독성분이 되는 계면활성제를 함유하고 있는 경우에는, 예컨대 탄소 섬유와 같은 도전성 직포면의 한쪽면에 탄소계 분말과 소정량의 발수성 분산재, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌 미립자의 수성 분산액을 페이스트상으로 하여 도포하고 미리 계면활성제가 분해되는 온도에서 베이킹하고 나서 도포면을 캐소드에 접하도록 장착하여 탄소 섬유 직포를 캐소드 단자로 하는 방법은 유효하다.
그 외에 미리 원통형 전해질막의 내면에 소정 두께의 애노드를 도포하고, 외면에 캐소드, 확산층을 도포한 전극·전해질막 접합체(Membrane Electrode Assembly)를 형성한 것을 통형 지지체에 장착하는 방법이나, 애노드, 전해질막, 캐소드, 발수층을 미리 개별적으로 원통형으로 형성하고, 또는 그 중 몇 개를 조합해서 접합하여 원통형으로 형성한 것을 지지체에 순차 장착하는 방법도 유효하다.
또는, 캐소드 외주면에 확산층을 도포한 전극·전해질막 접합체(Membrane Electrode Assembly)를 통형 지지체의 외주에 감아 전해질막의 이음매를 접합하여 장착하는 방법 등도 유효하다.
그러나, 애노드, 전해질막, 캐소드의 접합은 전극의 반응 계면을 형성하는 공정이기 때문에, 전해질에 애노드와 캐소드를 도포하는 조작으로 미리 접합하는 것이 바람직하다.
어쨌든 연료 전지 유닛이 지지체 표면에 애노드, 전해질막, 캐소드, 발수층의 순으로 겹쳐지고, 애노드/전해질막, 캐소드/전해질막 사이에 충분한 반응 계면을 형성하는 방법이라면 제조 방법에 특별한 제한은 없다. 또한, 캐소드를 형성할 때에 캐소드 촉매, 전해질막과 동일 물질을 미리 휘발성 유기 용매에 용해한 용액에 소정량의 발수성 분산재, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌 미립자를 첨가하여 페이스트상으로 하여 도포함으로써 발수층을 필요로 하지 않는 전지를 구성할 수도 있다.
다음에, 연료 전지 유닛당, 보다 높은 전압을 얻기 위한 구조에 대하여, 이와 같은 연료 전지 유닛의 외관을 도3a에 나타내고, 그 하나의 벽단면 구조를 도3b에 나타내며 상세하게 설명한다.
이 경우에 중공 지지체(1)는 전기적으로 절연성을 갖는 재료로 형성할 필요가 있고, 도전성 애노드 집전판(6)을 도포한 중공 통형 지지체(1)의 발전부를 형성하는 그물코 형상 또는 다공질층(8)은 외주상에 줄무늬 형상으로 복수개 형성된다. 연료 전지 유닛의 상하에는 연료 배출구(9), 공급구(10)가 형성되어 있다. 단위전지의 구성은 지지체 외벽면부터 도전성 다공질의 애노드 집전판(6), 애노드(3), 전해질막(2), 캐소드(4), 확산층(5), 그물코 형상 또는 다공질의 캐소드 집전판(7)의 순으로 겹쳐 형성되고, 캐소드 집전판은 인접하는 애노드 집전판과 인터커넥터(11)를 통해 각 전지가 직렬로 접속된다. 단위 전지의 형성 방법은 앞에 설명한 것과 동일한 방법에 의해 형성된다. 출력 단자는 한쪽 단의 애노드 집전판(6)과 다른쪽 단의 캐소드 집전판(7)으로부터 인출된다.
연료 탱크는 1개 이상의 통형 연료 전지로 구성되는 발전 장치의 플랫폼을 겸하는 구조체이다. 연료 탱크에는 구조 강도와 특히 메탄올 수용액에 대한 내식성을 갖는 재료가 사용된다. 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 염화비닐, 폴리아크릴계 수지 그 외의 엔지니어링 수지나 이들을 각종 필러 등으로 강도 보강한 전기 절연성 재료 또는 스테인리스계 강 또는 통상의 철, 니켈, 구리, 알루미늄 및 이들 합금의 표면을 내식화 처리한 재료를 사용할 수 있다.
또한, 내식성이 떨어지는 비금속(卑金屬)을 상기한 수지로 피복한 재료를 사용하는 것도 유효하다. 연료 탱크에는 복수의 연료 전지 유닛의 연료 공급, 배출공과 결합하는 장착구를 갖는 1개 이상의 연료 보급구를 갖고 있다. 연료 공급, 배출구는 기밀성 기구이면 되며, 그 구조에 관해서는 특별히 제한은 없다. 특히,이 결합이 착탈 가능한 기구라면, 연료 전지 유닛의 일부가 열화 또는 그 외의 문제점을 일으켰을 때에 연료 전지 모듈 전체 또는 특정 연료 전지 유닛을 교환함으로써 장시간에 걸쳐 전원을 사용할 수 있으므로 바람직한 구조라 할 수 있다.
발전시에 연료 전지 유닛내의 메탄올 수용액이 산화되어 탄산 가스를 발생시켜 연료 전지 유닛 배출구에서 연료 탱크로 되돌려 보내 탱크 내압은 높아진다. 또한, 전원이 환경 온도의 변화로 인해 특히 저온에서 고온 환경으로 이동함으로써 연료 탱크내의 내력 상승이 발생한다. 이와 같은 상황을 피하기 위해 연료 보급구에 기체 선택 투과 기구를 설치하는 것이 유효하다.
또한, 또 하나의 실시 형태로서 연료 전지 유닛군의 플랫폼이 되는 연료 탱크 외에 발전 지속 시간을 길게 할 목적에서, 상기 플랫폼에 보조 연료 탱크를 장착 가능한 구조를 채택할 수도 있다. 이 경우에는 플랫폼 탱크에 접수구 기구를, 보조탱크에는 장착구 기구와 기체 선택 투과 기구를 갖는 연료 보급구를 설치한 것을 사용하면 된다.
기체 선택 투과 기구의 구체적인 실시예로서 도4에 단면 구조를 나타낸다. 연료 보급구(53)의 덮개부(51) 사이에 내면이 발수화된 1개 이상의 핀 홀을 형성한 판 또는 다공질의 발수성 판(52)을 끼워 구성된다. 덮개부(51)와 연료 보급구(53)및 연료 보급구와 연료 탱크는 기밀성을 갖는 나사 구조로 고정된다. 발전에 수반하는 탄소 가스의 발생이나 환경 온도의 상승 등으로 탱크내의 가스압이 올라가면 다(多)핀 홀 또는 다공질 판을 통해 기체는 선택적으로 투과, 배출되고 액체 연료는 유출되지 않는다.
본 발명의 특징이 되는 중공 지지체의 외주면에 애노드, 전해질막, 캐소드를 배치한 복수개의 발전부를 갖는 연료 전지 유닛을 제작하고, 각 발전부를 도전성 인터커넥터로 직렬로 접속함으로써 고전압화를 도모하고, 연료 탱크를 플랫폼으로 하여 결합함으로써 중공 지지체 내부에 강제 공급 기구를 사용하지 않고 공급되고, 각 연료 전지 유닛은 그 외면으로부터 공기중의 산소의 확산에 의해 산화제가 공급되고, 연료에는 체적 에너지 밀도가 높은 메탄올 수용액을 액체 연료로서 사용함으로써 오랜 시간 발전을 계속할 수 있는 소형 전원을 실현할 수 있다. 이 소형 전원을 예컨대 휴대 전화기, 노트북 컴퓨터나 휴대용 비디오 카메라의 전원으로서 내장하여 구동할 수 있고, 미리 준비된 연료를 축차 보급함으로써 장시간의 연속 사용이 가능해진다.
또한, 상기 경우보다도 연료 보급의 빈도를 대폭 적게 사용할 목적에서, 이 소형 전원을 예컨대 이차 전지 탑재의 휴대 전화기, 노트북 컴퓨터나 휴대용 비디오 카메라의 충전기와 결합하여 그들 수납 케이스의 일부에 장착함으로써 배터리 충전기로서 사용하는 것은 유효하다. 이 경우, 휴대용 전자 기기 사용시에는 수납 케이스에서 꺼내 이차 전지로 구동하고, 사용하지 않을 때에는 케이스에 수납하여 케이스에 내장된 소형 연료 전지 발전 장치가 충전기를 통해 결합되어 이차 전지를 충전한다. 그럼으로써, 연료 탱크의 용적을 크게 할 수 있어 연료 보급의 빈도는 대폭적으로 줄일 수 있다.
이하, 실시예에 따라 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 취지로 하는 바는 여기에 개시한 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 제 1 실시예를 나타낸다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 각통형 연료 전지 유닛의 외부 구조를 도5a에 도시하고, 그 단면의 구성을 도5b에 도시하여 설명한다.
중공 지지체(1)는 표면을 수산기 함유 폴리아크릴계 수지 클리어 도료(간사이페인트 제조)로 코팅한 두께 0.4㎜의 스테인리스강 SUS304제이고, 외부 치수 4㎜ × 3㎜, 높이 44㎜의 각형 용기이며, 내부에 공극율 85%의 유리 섬유를 보액재(14)로서 충전하였다.
각통은 상하 모두 두께 2㎜의 아크릴판의 덮개(12, 13)를 접착하여 기밀성을 갖게 하였다.
이 각통의 외주면에는 36㎜의 폭으로, 약 1㎜ 직경의 관통공을 형성한 개구율 약 70%의 다공질층(8)이 형성되어 있고, 각통 측면 상하의 비개공부에 외경 3㎜, 내경 2㎜의 연료 배출구(9) 및 공급구(10)가 형성되어 있다.
이 각통의 다공질층(8)을 애노드 집전판(6)이 되는 스테인리스강 SUS316 메시로 덮고, 그 위에 37㎜ 폭으로 각통의 다공질부(8)를 덮도록 백금·루테늄 담지 탄소 촉매에, 건조 질량으로 전해질량이 촉매량의 60wt%에 상당하는 5중량%의 나피온 117 알코올 수용액(물, 이소프로판올, 노멀프로판올이 중량비로 20:40:40인 혼합 용매 : Fluke Chemical사 제조)을 첨가하여 페이스트상으로 혼련(混練)한 것을 60℃에서 3시간 건조시켰을 때의 두께가 30㎛로 되도록 도포하여 애노드(3)를 형성하였다.
약 60℃에서 3시간 건조시킨 후의 백금량은 약 2㎎/㎠이고, 루테늄량은 약 1㎎/㎠였다.
이어서, 60℃ 건조 후, 5중량%의 나피온 117 알코올 수용액을 증발시키고, 약 30중량%까지 농축한 액체를 통형 외주 전면에 전극부의 도포 두께 약 50㎛가 되도록 도포하여 전해질막(2)을 형성하였다.
실온에서 10시간 건조시킨 후 다시 60℃에서 3시간 건조시켜 비전극부 도포 두께를 측정한 결과, 각통 코너부는 약간 두껍게 되어 있지만 평탄부에서는 73∼76㎛의 범위이고, 통전부에서는 대략 전해질막 두께는 45㎛ 정도이다.
형성된 전해질막(2) 상에, 백금 담지 탄소 분말 촉매에 건조 중량으로 나피온 117이 촉매량의 60wt% 상당인 5중량%의 나피온 117 알코올 수용액을 첨가하여 페이스트상으로 혼합 반죽한 것을, 건조시의 두께가 15㎛로 되도록 애노드(3)와 겹치도록 도포하여 60℃에서 3시간 건조시켜 캐소드(4)를 형성하였다. 이 때의 캐소드 백금량은 약 0.8㎎/㎠였다.
이어서, 탄소 분말에 소성 후의 중량으로 40wt%가 되도록 발수제 폴리테트라플루오로에틸렌 미립자의 수분산액(테프론 디스퍼젼 D-1 : 다이킨공업 제조)을 첨가하여 혼합 반죽하고, 페이스트상으로 된 것을 두께 약 100㎛ 공극율 87%의 탄소 섬유 부직포상의 한쪽 면에 두께 약 20㎛가 되도록 도포하고, 실온에서 건조시킨 후에 270℃에서 3시간 베이킹하여 확산층(5)을 형성하였다.
얻어진 확산층(5)을 상기 각통형 연료 전지의 캐소드폭과 동일한 테이프 형상으로 잘라내고, 이것을 각통형 연료 전지의 캐소드상에 이음매가 겹치지 않도록 감아 스테인리스강 SUS316 메시를 캐소드 집전체(7)로서 확산층(5)을 고정하였다.애노드 및 캐소드 집전판(6, 7)의 단부에 연료 전지 유닛의 단자를 결합하였다.
이와 같이 하여 얻어진 각통형 연료 전지 유닛은 연료 충전 용적 약 0.26㎤이고 발전 유효 면적 약 5㎠인 단전지이고, 10wt% 메탄올 수용액을 액체 연료로서 충전하여 측정한 55℃에서의 단위 전지의 초기 특성의 전류/전압 특성은 도6의 곡선 61과 같이 부하 전류 밀도 150㎃/㎠에서 출력 전압 0.30V를 나타냈다. 이와 같은 구조의 연료 전지 유닛을 복수개 실장하여 전원을 구성하는 경우에는, 공기의 확산이 필요 충분한 공간을 형성하는 것만으로 콤팩트하게 배열, 실장할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제2 실시예에 대해 이하에 설명한다.
본 발명의 또 하나의 실시예에 의한 메탄올 수용액을 연료로 한 원통형 구조의 연료 전지 유닛의 외관 구조를 도7a에 나타내고, 그 단면의 구성을 도7b에 나타내며 설명한다.
폴리프로필렌제로 외경 4.5㎜, 내경 3.6㎜, 길이 44㎜의 원통으로, 그 한쪽 단부 외주에 미리 폭 3㎜, 두께 0.2㎜의 구리제 애노드 단자판(15)을 감합하여 중공 원통형 지지체(1)로 하고, 그 외주부에 폴리플루오르화비닐리덴을 바인더로 하는 도전성 탄소 도료를 두께 약 50㎛ 도포하여 애노드 집전판(6)을 형성하였다. 애노드 집전판(6)을 도포한 폭 38㎜의 원통 벽면에는 직경이 약 0.5㎜인 관통공을 개구율 약 65%가 되도록 다공질층(8)을 형성하였다.
원통내에는 공극율 85%의 유리 섬유를 보액재(14)로서 충전하고, 원통의 상하에는 폴리프로필렌제로 외경 3㎜, 내경 2㎜의 연료 배출구(9) 및 공급구(10)를 갖는 두께 2㎜의 덮개(12, 13)를 용착하여 기밀성을 갖게 하였다. 이어서, 백금·루테늄 담지 탄소 촉매에, 건조 질량으로 나피온이 촉매량의 약 60wt% 상당인 5중량%의 나피온 117 알코올 수용액을 첨가하여 페이스트상으로 혼련한 것을 60℃에서 3시간 건조시의 두께가 25㎛가 되도록 44㎜×14㎜, 두께 50㎛의 나피온 117(Du Pont사 제조) 전해질막(2)의 면내 38㎜×12㎜에 스크린 인쇄법으로 도포하여 애노드(3)로 하였다. 약 60℃에서 3시간 건조시킨 후의 백금량은 약 1.3㎎/㎠이고, 루테늄량은 약 0.65㎎/㎠였다.
이어서, 백금 담지 탄소 분말 촉매에 건조 질량으로 나피온이 촉매량의 60wt% 상당인 5중량%의 나피온 117 알코올 수용액을 첨가하여 페이스트상으로 혼합 반죽한 것을 건조시의 두께가 15㎛로 되도록 하여 전해질막(2)의 애노드(3) 도포면에 대응하는 반대측 면에 애노드(3)와 겹치도록 스크린 인쇄법으로 도포하여 60℃에서 3시간 건조시켜 캐소드(4)를 형성하여 전해질막/전극 접합체로 하였다.
이 때, 캐소드 백금량은 약 0.8㎎/㎠였다. 이어서, 탄소 분말에 소성 후의 중량으로 40wt%가 되도록 발수제 폴리테트라플루로오에틸렌 미립자의 수분산액을 첨가하고, 이것을 혼합 반죽하여 페이스트상으로 된 것을 두께 약 100㎛ 공극율 87%의 탄소 섬유 부직포상의 한쪽 면에 두께 약 20㎛가 되도록 도포하고, 실온에서 건조시킨 후에 270℃에서 3시간 베이킹하여 확산층(5)을 형성한다.
전해질막/전극 접합체의 상하 외주의 전해질막이 노출되어 있는 부분 폭 약 2.5㎜에 실리콘계 액상 개스킷(16)을 도포하고, 원통형 중공 지지체(1)의 다공질부(8)를 덮도록 감아 상하단을 점착함과 동시에, 외주부부터 체결하면서 전해질막/전극 접합체의 원통형 지지체(1)의 길이 방향으로 노출된 전해질막 이음매에 미리 5중량%의 나피온 117 알코올 수용액을 약 30중량%까지 농축한 액체를 도포하여 60℃에서 약 3시간 건조시켜 결합한다.
제작된 확산층(5)을 캐소드폭과 동일한 테이프 형상으로 잘라내고, 이것을 원통형 연료 전지의 캐소드상에 이음매가 겹치지 않도록 감아 구리제 메시에 폴리플루오르화비닐리덴을 바인더로 하는 도전성 탄소 도료로 피복한 다공질 캐소드 집전체(7)로 고정하고, 이 메시를 캐소드 단자로 하였다.
또한, 원통형 연료 전지 유닛의 양단 시일부를 고무계 체결 밴드(17)로 체결 고정하였다. 얻어진 원통형 연료 전지 유닛은 연료 충전 용적 약 0.37㎤에서 발전 유효 면적 약 4.5㎠인 단전지이고, 10wt% 메탄올 수용액을 액체 연료로서 충전하여 측정한 55℃에서의 단위 전지의 초기 특성의 전류/전압 특성은 도6의 곡선 62와 같이 부하 전류 밀도 150㎃/㎠에서 출력 전압 0.30V를 나타냈다.
본 실시예와 같이 연료 전지 유닛을 원통형으로 하면, 중공 지지체 외주에 전지 부재를 결합해 가는 공정이 용이해지고, 다공질 캐소드 집전체(7)에 의한 체결이 균일해지며 단위 전지의 출력 전압을 높게 취할 수 있다.
이하, 본 발명의 제3 실시예를 나타낸다.
본 발명의 또 하나의 실시예에 의한 메탄올 수용액을 연료로 한 원통형으로 고전압 타입의 연료 전지 유닛의 외관 구조를 도8a에 나타내고, 그 단면의 구성을 도8b에 나타내며 설명한다.
폴리프로필렌제로 외경 6.4㎜, 내경 5.5㎜, 길이 90㎜로서, 그 양단에서 30㎜의 외주면에 폭 1.5㎜, 높이 50㎛의 2개의 리브(21)를 갖는 중공 원통을 제작하고, 그 상측 원통 단부를 폭 3㎜이고 외경을 6.0㎜로 깍아 들어간 외주에 미리 폭 3㎜, 두께 0.2㎜의 구리제 애노드 단자판(15)을 감합하여 중공 원통형 지지체(1)로 한다. 리브면과 지지체 단부의 애노드 집전판(6)을 제외한 외주면에 수지 테이프로 마스크하고, 남겨진 외주부 표면에 폴리플루오르화비닐리덴을 바인더로 하는 도전성 탄소 도료를 두께 약 50㎛ 도포하여 인터커넥터(11)에 접속하는 애노드 집전판(6)을 형성하였다. 리브의 한쪽 측면과 접하며 폭 25㎜의 3개의 집전판 형성부를 직경이 약 0.5㎜인 관통공을 개구율 약 65%가 되도록 형성하여 다공질부(8)로 하였다. 3개로 구분된 집전부 표면에 제1실시예와 동일한 방법으로 30㎛ 두께의 애노드(3)를 도포한다. 이어서 리브부(21)와 인터커넥터(11)의 애노드 집전부를 마스크하여, 통전부에 형성된 애노드(3)의 상부 및 애노드 집전부의 마스크되어 있지 않는 부분에 제1 실시예와 동일한 방법으로 통전부의 두께가 약 40㎛로 되도록 전해질막(2)을 형성한다.
이어서, 전해질막(2)상의 애노드(3)와 겹치는 위치에 제1 실시예와 동일한 방법으로 두께 15㎛의 캐소드(4)를 형성하고, 제1 실시예와 동일한 방법으로 제작된 확산층(5)과 제2 실시예에서 이용한 것과 동일한 캐소드 집전체(7)를 중첩시켜 외주부를 폴리에틸렌제 체결 메시(20)로 고정하였다.
이어서, 애노드 집전부의 마스크를 제거하여 캐소드(4) 및 확산층(5) 측면에 마스크하고, 애노드 집전부에 니켈 금속 분말을 필러, 폴리 플루오르화 비닐리덴을 바인더로 한 도전성 도료를 부어서 인접하는 캐소드(4) 및 확산층(5) 측면과 전기적으로 결합시킨다.
얻어진 원통형 연료 전지 유닛의 원통내에 공극율 85%의 유리 섬유를 보액재(14)로서 충전하고, 원통의 상하에는 폴리프로필렌제의 외경 3㎜, 내경 2㎜의 연료 배출구(9) 및 공급구(10)를 갖는 두께 2 ㎜의 덮개(12,13)를 용착하여 기밀성을 부여하였다. 애노드 단자판(15)으로부터 애노드 단자(18)를 인출하고, 캐소드 집전판(7)의 하단부로부터 캐소드 단자(19)를 인출하였다. 얻어진 단전지 3직렬의 원통형 연료 전지 유닛은 연료 충전 용적 약 1.8㎤, 발전 유효 면적 약 5㎠의 단전지이고, 10wt%의 메탄올 수용액을 액체 연료로서 충전하였을 때의 55℃, 부하 전류 0.8A의 전압은 도11의 곡선(71)이 나타내는 바와 같이 약 0.98V였다.
이와 같은 구조의 원통형 연료 전지 유닛은 제2 실시예와 마찬가지로 전지 부재의 접합 공정이 용이해짐과 동시에 단위 전지의 출력 전압을 높게 취할 수 있고, 또한 연료 전지 유닛의 출력 전압을 높일 수 있어 전원의 높이를 선택할 수 있는 자유도가 나온다. 특히 부하 전류가 비교적 작고, 고전압을 필요로 하는 경우에 전원을 콤팩트하게 제작할 수 있는 구조이다.
이어서, 본 발명의 제4 실시예를 설명한다.
본 발명의 또 하나의 실시예에 의한 메탄올 수용액을 연료로 하는 각통형이며 고전압 타입의 연료 전지 유닛의 외관 구조를 도9a에, 외주부로부터 체결하는 폴리에틸렌제 메시(20)를 장착하기 전의 외관 구조를 도9b에, 지지체(1)의 한 단면 구성을 도10a에 나타내고, 이에 인접하는 또 하나의 단면 구성을 도10b에 나타내어 설명한다.
도9b에 나타낸 바와 같이, 연료 전지 유닛의 중공 지지체(1)는 외형이 10㎜×10㎜×115㎜이고 두께 1㎜의 폴리프로필렌의 각통으로 구성된다. 각통의 4개의 외측면에는 9㎜×104㎜이고 깊이 200㎛의 오목한 구조의 전지 장착부를 형성하고, 도10a, 10b에 도시한 바와 같이 이 면과 애노드 단자부면에 걸쳐 폴리플루오르화 비닐리덴을 바인더로 하는 도전성 탄소 도료를 두께 약 50㎛ 도포하여 애노드 집전판(6)을 형성하였다.
이어서, 이 전지 장착부면 내의 5㎜×100㎜의 영역을 통전부로 하여 직경이 약 0.5㎜인 관통공을 약 65%가 되도록 다공질부(8)를 형성한다. 각통의 내부에는 공극율이 85%인 유리 섬유를 보호재(14)로서 충전하고, 통의 상하에는 폴리프로필렌제의 외경 5㎜, 내경 4㎜, 그 내부에 공극율 85%의 유리 섬유를 보호재(14)로서 충전한 연료 배출구(9) 및 공급구(10)를 갖는 두께 2㎜의 덮개(12, 13)를 접착하여 기밀성을 부여하였다.
제2 실시예와 동일한 방법으로 애노드 접촉으로서 백금·루테늄 담지 탄소 촉매, 캐소드 촉매에 백금 담지 탄소 분말 촉매, 전해질막에 두께 50㎛의 나피온막 117(DuPont사 제조)을 사용하여, 전해질막(2)의 사이즈가 9㎜×104㎜이고, 그 양면에 사이즈가 5㎜×100㎜이고 두께가 25㎛인 애노드(3)와 두께가 15㎛인 캐소드(4)를 겹쳐서 전해질막/전극 접합체를 제작하였다.
이어서, 전극/전해질막 접합체의 애노드측이 중공 지지체의 전지 장착부에 접하도록 전극/전해질막 접합체의 주변 전해질막과 전지 장착부를 실리콘계 액상 개스킷(16)으로 접착한다. 장착된 캐소드면에 제2 실시예에서 이용한 것과 동일한 확산층(5)과 제2 실시예에서 이용한 것과 동일한 방법으로 제작된 단부에 탭(7b)을설치한 형상의 캐소드 집전체(7a)를 중첩시켜, 전해질막(2)과의 사이에 실리콘계 액상 개스킷(16)을 통해 외주부를 폴리에틸렌제 체결 메시(20)로 고정하였다.
도10b에 도시한 바와 같이, 중공 지지체의 4면에 장착되는 캐소드 집전체(7)의 탭부는 번갈아 상하 역방향으로 겹쳐지고, 각각의 탭은 인접하는 애노드 집전체(7)와 접합하여 단전지가 4직렬의 전지군을 구성한다.
얻어진 통형 연료 전지 유닛은 유효 발전 면적 약 5㎠이고, 10wt% 메탄올 수용액을 액체 연료로서 사용하였을 때의 성능은 작동 온도 60℃에서 도11의 곡선 72가 나타내는 바와 같이 출력 전류 0.5A이고 전압 1.3V의 성능을 나타냈다. 이와 같은 각통형 연료 전지 유닛의 구조는 각통의 각면이 독립하여 전지를 구성하므로 전지 부재의 접합 공정이 용이해짐과 동시에 단위 전지의 출력 전압을 높게 취할 수 있고, 또한 연료 전지 유닛의 출력 전압을 높일 수 있으므로 전원의 높이를 선택할 수 있는 자유도가 나온다. 특히 부하 전류가 비교적 작고, 고전압을 필요로 하는 경우에 전원을 콤팩트하게 제작할 수 있는 구조이다.
*여기에서, 제1 비교예로서 종래의 구조에 기초하는 세퍼레이터 구조의 한쪽 면내 구조와 종단면을 도12a에 도시하고, 다른쪽 면내 구조와 횡단면을 도12b에 도시하고, 전지 적층 구성을 도13에 도시하고, 셀 홀더의 구성을 도14에 도시하고, 단전지를 14직렬로 적층하고, 연료 탱크를 부설하여 구성된 전원 시스템 구조를 도15에 도시하여 설명한다.
세퍼레이터는 50㎜×21㎜이고 두께 3㎜의 흑연화 탄소판을 사용하였다. 세퍼레이터(81)의 저부에는 5㎜×15㎜의 내부 매니폴드(82)가 설치되고, 도12a에 도시한 바와 같이 1㎜ 폭 × 0.8㎜ 깊이 × 39㎜ 길이의 홈을 2㎜ 피치로 구성하고 리브부(21)를 형성하여 매니폴드(82)와 세퍼레이터(81)의 상부 측면을 잇는 연료 공급 홈을 형성하였다. 도12b에 도시한 바와 같이, 다른쪽 면에는 이와 직교하는 방향으로 1㎜ 폭 × 1.4㎜ 깊이 × 21㎜ 길이의 홈을 2mm 피치로 구성한 리브부(21)를 형성하여 세퍼레이터(81)의 측면을 잇는 산화제 공급홈을 형성하였다. 이어서, 전해질막으로서 50㎜×21㎜, 두께 50㎛의 나피온117에 매니폴드 개공부(86)를 설치하고, 제2 실시예와 동일한 방법으로 발전부 36㎜×14㎜의 사이즈로 한쪽 면에 25㎛ 두께의 애노드 및 다른쪽 면에 15㎛ 두께의 캐소드를 도포한 전해질막/전극 접합체(91)를 제작하였다.
애노드 촉매는 백금·루테늄 합금 촉매를 탄소담체에 담지한 것을 사용하고, 캐소드 촉매에는 백금을 탄소담체에 담지한 것을 사용하였다. 애노드의 백금량은 약 1.3㎎/㎠, 루테늄량은 약 0.65㎎/㎠이고, 캐소드의 백금의 양은 약 0.8㎎/㎠였다.
이어서, 세퍼레이터(81)와 같은 사이즈로, 매니폴드 개공부(86)와 발전부 개공부(85)를 형성한 두께 250㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트제 라이너(92)와 두께 400㎛의 네오프렌제 개스킷(16)을 제작하였다. 또한 제1 실시예와 동일한 방법으로 제작한 확산층(5)을 제작하였다.
이어서 세퍼레이터(81)의 연료극측 홈 매립부(88)와 매니폴드 매립부(87)로 구성되는 펄프제 흡입재(94)를 제작하였다. 이들 부품을 도15에 도시한 바와 같이세퍼레이터(81), 흡입재(94), 라이너(92), 개스킷(93), 전해질막/전극 접합체(91), 확산층(5), 라이너(92), 세퍼레이터(81)의 순서를 단위로 14층 적층하고, 약 5㎏/㎠로 프레스 가압하여 적층 전지(23)로 하였다. 이 적층 전지(23)를 도14에 도시한 구조의 SUS 316제의 셀 홀더(105)를 통해 불소계 고무(바이톤; Du Pont사 제조)의 체결 밴드(17)로 도15a에 도시한 바와 같이 체결하여 고정하였다. 연료 탱크(102)는 폴리프로필렌제의 외형 50㎜ 높이 × 21㎜ 길이 × 21㎜ 폭의 사이즈로 두께 0.3㎜인 것을 제작하였다.
도15b에 도시한 바와 같이, 연료 탱크(102)의 중앙부에는 도5에 도시한 구조의 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 장착한 가스 선택 투과 기능을 갖는 나사 덮개식의 연료 보급구(103)를 구비하고, 연료 탱크 내부에 연료(104)로서 메탄올 수용액을 충전하였다.
제작된 적층 전지는 도15b에 도시한 바와 같은 구조로 연료 탱크(102)와 결합하여 도15a에 도시한 바와 같은 구조의 전원을 제작하였다. 얻어진 전원은 약 50㎜ 높이 × 72㎜ 길이 × 21㎜ 폭의 사이즈로 발전부 면적이 약 5㎠, 용량 약 20㎤의 연료 탱크를 구비하고 있다.
운전 온도 60℃에서 부하 전류 0.8A일 때 2.5V의 전압을 나타내고, 세퍼레이터의 공기극측 홈으로 구성되는 전원의 측벽의 개구부 전체면에 팬으로 송풍하면서 발전하였을 때의 전압은 4.1V였다.
이는 전원 부하시에는 세퍼레이터의 공기극측 홈 구조에서는 충분한 공기의 확산에 의한 산소의 공급이 부족하기 때문인 것으로 생각된다. 이 전원의 체적 출력 밀도는 통기 팬을 사용하지 않으면 약 26W/l이고, 통기 팬을 이용한 경우에는 약 43W/l였다. 연료 탱크에 10wt% 메탄올 수용액을 19㎖ 충전하고, 송풍 팬을 사용하여 운전 온도 60℃, 부하 전류 0.8A로 운전한 결과 출력 전압 4.0V에서 약 25분간 계속한 후 전압이 급격히 저하되었다. 따라서 10wt% 메탄올 수용액 연료 1충전에서의 체적 에너지 밀도는 통기 팬을 사용하였을 때에 18Wh/l 였다.
다음에, 제2 비교예로서 세퍼레이터를 이용한 고전압형 전원 구조를 도17에, 셀 홀더의 구조를 도16에 도시하여 설명한다.
전지의 구성재인 세퍼레이터, 흡입재, 라이너, 개스킷, 막/전극 접합체, 확산층은 제1 비교예와 동일한 재료, 동일한 사이즈의 것을 사용하고, 동일한 수순으로 단위 전지가 21셀이 되도록 2세트의 적층 전지(23)를 제작하였다.
이 2세트의 적층 전지를 도16에 도시한 셀 홀더(105)의 전지 고정판(106)상에 전지 저면이 접하도록 삽입하여 제1 비교예와 동일하게 불소계 고무의 체결 밴드(17)로 고정하였다. 연료 탱크(102)는 폴리프로필렌제의 외형 50㎜ 높이 × 21㎜ 길이 × 35㎜ 폭의 사이즈이고, 두께 0.3㎜이다.
도 17에 도시한 바와 같이, 연료 탱크(102)의 상면의 중앙부에는 도5에 도시한 구조의 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 장착한 가스 선택 투과 기능을 갖는 나사 덮개식 연료 보급구(103)를 구비하고 있다. 제작된 적층 전지는 도17에 도시한 바와 같이 제1 비교예와 동일한 기구로 연료 탱크와 결합시키고, 2세트의 적층 전지를 직렬로 결합시켜 전원을 구성하였다.
얻어진 전원은 약 110㎜ 높이 × 110㎜ 길이 × 21㎜ 폭의 사이즈이고, 단전지의 발전부 면적이 약5㎠, 용량 약 34㎤의 연료 탱크(102)를 2개 구비하고 있다. 운전 온도 60℃에서 부하 전류 0.8A일 때 7.4V의 전압을 나타내고, 세퍼레이터의 공기극측 홈으로 구성되는 전원의 측벽의 개공부 전체면에 팬으로 송풍하면서 발전하였을 때의 전압은 13.1V였다. 이는 전원 부하시에는 세퍼레이터의 공기극측 홈 구조에서는 충분한 공기의 확산에 의한 산소의 공급이 부족하기 때문인 것으로 생각된다.
상기 전원의 체적 출력 밀도는 통기 팬을 사용하지 않으면 약 23W/l이고, 통기 팬을 이용한 경우에는 약 41W/l였다. 2개의 연료 탱크에 10wt% 메탄올 수용액을 합계 150㎤ 충전하고, 송풍팬을 사용하여 운전 온도 60℃, 부하 전류 0.8A에서 운전한 결과 출력 전압 약 13V에서 약 30분간 계속한 후 전압이 급격히 저하되었다. 따라서 10wt% 메탄올 수용액 연료 1충전에서의 체적 에너지 밀도는 통기팬을 사용하였을 때에 20Wh/l였다.
이하, 본 발명의 제5 실시예를 설명한다. 본 발명의 실시예에 의한 각통형 메탄올 연료 전지 유닛으로 구성되는 전원 시스템으로서 제1 실시예의 방법으로 제작되고, 내부에 보액재(14)를 충전한 연료 전지 유닛을 직렬로 조합한 전원 구조와, 연료 탱크와의 결합을 설명하기 위한 단면의 구성을 도18에 도시하여 설명한다.
연료 전지 유닛(101)은 14직렬로 도19에 나타내는 구조의 폴리에틸렌제의 통기성을 갖는 셀 홀더(105)에 수납된다. 연료 탱크(102)는 폴리프로필렌제의 외형 50㎜ 높이 × 72㎜ 길이 × 15㎜ 폭의 사이즈이고, 측벽 두께 0.3㎜이다.
도12b에 도시한 바와 같이, 연료 탱크(102)를 플랫폼으로 하여 측벽의 상하와 연료 전지 유닛(10)의 연료 공급구(10), 배출구(9)가 기밀하게 장착되고, 탱크 상면, 중앙부에는 도5에 도시한 구조의 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 장착한 가스 선택 투과 기능을 갖는 나사 덮개식의 연료 보급구(103)를 구비하고, 연료 탱크 내부에 연료(104)로서 10wt%의 메탄올 수용액을 충전하고 있다.
셀 홀더(105)에 장착된 연료 전지 유닛의 캐소드 단자는 인접하는 애노드 단자와 접속되고, 14직렬 접속된 양단을 전원 단자로 한다. 얻어진 전원은 약 50㎜ 높이 × 72㎜ 길이 × 20㎜ 폭의 사이즈이고, 용량 약 50㎤의 연료 탱크를 구비하고, 운전 온도 65℃에서 부하 전류 0.8A일 때 4.2V의 전압을 나타냈다. 이 전원의 체적 출력 밀도는 약 47W/l였다. 연료 탱크에 10wt% 메탄올 수용액을 50㎤ 충전하고, 운전 온도 60℃, 부하 전류 0.8A로 운전한 결과 출력 전압 약 4.2V로 약 60분간 안정되게 발전을 계속할 수 있었다. 따라서 10wt% 메탄올 수용액 연료 1 충전에서의 체적 에너지 밀도는 47Wh/l였다.
본 실시예에 의하면 14개의 연료 전지 유닛을 콤팩트하게 실장할 수 있으므로 종래형의 세퍼레이터를 이용한 전지 구조에서 거의 동일한 체적 출력 밀도였던 제1 비교예에 비해 연료 탱크의 용량을 크게 취할 수 있고, 체적 에너지 밀도는 약 2.5배였다. 각 연료 전지 유닛은 산화제인 공기가 충분히 확산될 수 있는 간격으로 장착되어 있어 제1 비교예의 전원과 같이 공기 공급 보조를 위한 팬을 사용하지 않고 발전할 수 있었다.
이어서 본 발명의 제6 실시예를 설명한다. 본 발명의 또 하나의 실시예에의한 메탄올 연료로 하는 원통형 연료 전지 유닛으로 구성되는 전원 시스템으로서 제2 실시예의 방법으로 제작한 연료 전지 유닛을 14직렬, 2병렬로 조합한 전원 구조를 도20a에 도시하고, 연료 탱크와의 결합을 설명하는 단면 구성을 도20b에 도시한다.
연료 전지 유닛(101)은 14직렬 2병렬로, 도21에 도시한 구조의 셀 홀더(105)에 수납된다. 연료탱크(102)는 폴리프로필렌제의 외형 70㎜ 높이 × 76㎜ 길이 × 22㎜ 폭의 사이즈이고, 측벽 두께 0.3㎜의 플랫폼 구조를 갖는 구조로 되어 있다. 연료 탱크(102)의 플랫폼에는 도20b에 도시한 바와 같이 보액재(14)가 충전되어 있고, 탱크의 상면에는 도5에 나타낸 구조의 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 장착한 가스 선택 투과 기능을 갖는 나사 덮개식의 연료 보급구(103)를 구비하고, 내부에는 연료로서 메탄올 수용액이 충전되어 있다.
도20b에 도시한 바와 같이 각 연료 전지 유닛(101)의 연료 공급구(10)는 플랫폼이 되는 연료 탱크(102)와 기밀하게 결합되고, 연료 전지 유닛군의 상부에는 폴리프로필렌제이며, 외형이 10㎜ 높이 × 76㎜ 길이 × 8㎜ 폭의 사이즈이고 측벽 두께 0.3㎜의 배기 탱크(110)가 각 연료 전지 유닛의 배출구(9)와 기밀하게 장착된다. 배기 탱크(110) 상면에는 도5에 도시한 것과 동일한 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 장착한 나사 덮개식의 가스 선택 투과구인 배기구(111)를 구비하고 있다.
셀 홀더(105)에 수납된 각 연료 전지 유닛의 캐소드 단자는 인접하는 애노드 단자와 접속되어 14직렬, 2병렬로 전기적으로 결합된다. 얻어진 전원은 약 70㎜높이 × 76㎜ 길이 × 22㎜ 폭의 사이즈로 용량 약 55㎤의 연료 탱크를 구비하고 있고, 운전 온도 60℃에서 부하 전류 1.5A일 때 3.6V의 전압을 나타냈다. 이 전원의 체적 출력 밀도는 약 50W/l였다.
연료 탱크에 10wt% 메탄올 수용액을 55㎤ 충전하고, 운전 온도 60℃, 부하 전류 1.5A에서 운전한 결과 출력 전압 약 3.5V로 약 20분간 발전을 계속할 수 있었다.
본 실시예에 의하면 28개의 연료 전지 유닛을 콤팩트하게 실장할 수 있으므로, 종래형 세퍼레이터를 이용한 제1 비교예의 전지 구조에 비하면 발전 면적을 크게 취할 수 있어 큰 부하 전류가 얻어진다. 또한 각 연료 전지 유닛은 산화제인 공기가 충분히 확산될 수 있는 간격으로 장착되어 있으므로 제1 비교예 및 제2 비교예의 전원과 같이 공기 공급 보조를 위한 팬을 사용하지 않고 발전할 수 있었다.
이하, 본 발명의 제7 실시예를 도시한다. 본 발명의 또 하나의 실시예에 의한 원통형 고전압 타입의 메탄올 수용액 연료를 사용하는 연료 전지 유닛으로 구성되는 전원 시스템으로서 제3 실시예의 방법으로 제작된 연료 전지 유닛을 14직렬로 조합한 전원의 외관 구조를 도22a에 도시하고, 플랫폼이 되는 연료 탱크와의 결합의 단면 구성을 도22b에 도시하여 설명한다.
연료 전지 유닛(101)은 제5 실시예에서 설명한 것과 동일한 구조의 폴리에틸렌제의 통기성을 갖는 셀 홀더(105)에 장착되어 전기적으로 직렬로 14개 접속된다. 플랫폼이 되는 연료 탱크(102)는 외형 100㎜ 높이 × 120㎜ 길이 × 13㎜ 폭, 측벽 두께 0.3㎜로 구성된 것을 이용한다. 연료 탱크(102)의 상면에는 도5에 도시한 구조의 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 장착한 가스 선택 투과 기능을 갖는 나사 덮개식의 연료 보급구(103)를 구비하고, 내부에는 연료로서 메탄올 수용액을 충전하고 있다. 연료 탱크(102)의 측벽은 도22b에 도시한 바와 같이 연료 전지 유닛의 연료 공급구(10), 배출구(9)를 통해 기밀하게 장착되어 있다. 얻어진 전원은 약 100㎜ 높이 × 120㎜ 길이 × 21㎜ 폭의 사이즈로 용량 약 145㎤의 연료 탱크를 구비하고 있고, 운전 온도 60℃에서 부하 전류 0.8일 때 13.3V의 전압을 나타냈다. 이 전원의 체적 출력 밀도는 약 42W/l였다. 연료 탱크에 10wt% 메탄올 수용액을 145㎤ 충전하고, 운전 온도 60℃, 부하 전류 0.8A로 운전한 결과 출력 전압 약 13.2V에서 약 65분간 안정되게 발전을 계속할 수 있었다. 따라서 10wt% 메탄올 수용액 연료 1충전에서의 체적 에너지 밀도는 45Wh/l였다.
본 실시예에 의하면 14개의 연료 전지 유닛을 콤팩트하게 실장할 수 있으므로, 종래형의 세퍼레이터를 이용한 전지 구조에서 거의 동일한 크기의 전원을 제작한 제2 비교예에 비해 연료 탱크의 용량을 크게 취할 수 있고, 체적 에너지 밀도는 약 2배가 되었다. 각 연료 전지 유닛은 산화제인 공기가 충분히 확산될 수 있는 간격으로 장착되어 있어 제2 비교예의 전원과 같이 공기 공급 보조를 위한 팬을 사용하지 않고 발전할 수 있었다.
이하, 본 발명의 제8 실시예인 각통형 고전압 타입의 메탄올 수용액을 연료로 하는 연료 전지 유닛으로 구성되는 전원 시스템으로서 제4 실시예의 방법으로 제작된 연료 전지 유닛을 7직렬로 조합한 전원의 외관 구조를 도23a에 도시하고, 플랫폼이 되는 연료 탱크와의 결합을 나타내는 단면 구성을 도23b에 도시하여 설명한다.
7개의 연료 전지 유닛(101)은 제5 실시예에서 설명한 것과 동일한 구조의 폴리에틸렌제의 통기성을 갖는 셀 홀더(105)에 장착되어 전기적으로 직렬로 접속된다. 연료 탱크(102)는 외형 130㎜ 높이 × 80㎜ 길이 × 22㎜ 폭의 두께 1㎜의 폴리프로필렌제이며, 전지 장착하는 플랫폼을 갖는 구조이다. 연료 탱크(102)의 플랫폼에는 도23b에 도시한 바와 같이 보액재(14)가 충전되고, 탱크의 상면에는 도5에 도시한 구조의 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 장착한 가스 선택 투과 기능을 갖는 나사 덮개식의 연료 보급구(103)를 구비하고, 내부에는 연료로서 메탄올 수용액을 충전하고 있다. 각 연료 전지 유닛(101)과 연료 탱크(102)의 플랫폼은 제6 실시예와 동일한 기구로 연료 전지 유닛(101)의 연료 공급구(10)를 통해 기밀하게 결합되어 있다. 연료 전지 유닛군의 상부에는 폴리프로필렌제이며, 외형이 10㎜ 높이 × 80㎜ 길이 × 10㎜ 폭의 사이즈이며, 측벽 두께 0.3 ㎜의 배기 탱크(110)가 각 연료 전지 유닛(10)의 연료 배출구(9)를 통해 기밀하게 장착된다.
배기 탱크(110) 상면에는 도5에 나타낸 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 장착한 나사 덮개식의 가스 선택 투과구인 배기구(111)를 구비하고 있다. 얻어진 전원은 약 130㎜ 높이 × 80㎜ 길이 × 22㎜ 폭의 사이즈이며, 용량 약 110㎤의 연료 탱크를 구비하고 있고, 운전 온도 60℃일 때에 부하 전류 0.8A이고 8.5V의 전압을 나타냈다. 이 전원의 체적 출력 밀도는 약 30W/l였다. 연료 탱크에 10wt% 메탄올 수용액을 110㎤ 충전하고, 운전 온도 60℃, 부하 전류 0.8A로 운전한 결과 출력 전압 약 8.5V에서 약 75분간 안정되게 발전을 계속할 수 있었다.
따라서 10wt% 메탄올 수용액 연료 1충전에서의 체적 에너지 밀도는 37Wh/l 였다. 본 실시예에 의하면 단전지가 4개 직렬로 이루어진 연료 전지 유닛 7개를 콤팩트하게 실장할 수 있으므로, 종래형의 세퍼레이터를 이용한 전지 구조로 전원을 제작한 경우에 비해 연료 탱크의 용량을 크게 취할 수 있고, 체적 에너지 밀도는 약 2배였다. 각 연료 전지 유닛은 산화제인 공기가 충분히 확산될 수 있는 간격으로 장착되어 있으므로 제1 비교예, 제2 비교예의 전원과 같이 공기 공급 보조를 위한 팬을 사용하지 않고 발전할 수 있었다.
본 발명의 제9 실시예인 메탄올 수용액을 연료로 하는 원통형 연료 전지 유닛으로 구성되는 전원 시스템으로서 도 24a에 연료 전지 유닛의 외관 구조를 도시하고, 도24b에 그 단면 구성을 도시하여 설명한다.
스테인리스강 SUS 316제의 외경 5.6㎜, 내경 5.3㎜, 길이 47㎜의 바닥부가 닫힌 원통이며, 그 상부 5㎜에 나사식 커넥터부(24)를 구비한 것을 중공 원통 지지체(1)로 한다. 이 원통의 외벽에 36㎜ 폭에 걸쳐 직경이 약 0.5㎜인 관통공을 개구율이 약 70%가 되도록 다공질부(8)를 형성하였다. 한편, 전해질막(2)으로서 17.5㎜×42㎜의 나피온 117막을 사용하여 제2 실시예와 동일한 방법으로 탄소 담체 부착 백금/루테늄 촉매를 16㎜×36㎜의 사이즈로 두께가 20㎛가 되도록 한쪽 전해질막면에 도포하여 애노드(3)의 전극으로 하고, 애노드 도포부에 대응하는 반대측 면에 탄소 담체 부착 백금 촉매에 이 촉매 중량의 60%의 폴리테트라플루오로에틸렌 분말을 발수제로서 첨가, 혼합한 것을 16㎜×36㎜의 사이즈로 두께가 15㎛가 되도록 도포하여 캐소드 전극(4)으로서 전해질막/전극 접합체를 제작하였다. 얻어진전해질막/전극 접합체의 장변부의 양단에 노출하고 있는 전해질막의 폭 3㎜ 부분에 실리콘계 액상 개스킷(16)을 도포하고, 중공 지지체(1)의 다공질부(8)에 캐소드면이 겹치도록 감아 외주부부터 체결하면서 단변부의 양단에 노출하고 있는 전해질막(2)이 원통 지지체 길이 방향으로 접촉하고 있는 이음매 부분에 미리 30wt%로 농축된 나피온 알코올 용액을 도포, 건조시켜 접합하였다.
중공 원통 지지체에 실장된 전해질막/전극 접합체의 상하 양단의 개스킷(10) 도포부에 대응하는 전해질막(2) 노출면을 고무계의 체결 밴드(17)로 고정시키고, 캐소드(4)의 외주면은 구리제의 메시에 폴리 플루오르화 비닐리덴을 바인더로 하는 도전성 탄소 도료로 피복한 다공질 캐소드 집전체(7)로 체결 고정시킨다. 고정된 캐소드 집전체(17)를 캐소드 단자, 금속제 중공 원통 지지체를 애노드 단자로서 이용한다. 얻어진 연료 전지 유닛은 발전부 면적이 약 5.7㎠이고 중공 원통의 용적은 약 0.8㎤였다. 중공 원통내에 10wt% 메탄올 수용액을 충전하여 약 60℃의 온도에서 연료 전지 유닛의 성능을 평가한 결과 부하 전류 0.8A이고 출력 전압은 0.36V 였다.
본 실시예에 의한 연료 전지 유닛은 단전지로 구성되어 있으므로, 중공 지지체는 내식성의 금속 재료로 구성할 수 있다. 따라서 중공 지지체는 애노드 집전체 및 애노드 단자의 기능을 가지게 되어, 연료 전지 유닛의 구성을 간단하게 할 수 있다.
본 실시예에서 제작된 원통형 연료 전지 유닛을 42직렬로 한 전원의 외관 구조를 도25a에 도시하고, 플랫폼이 되는 연료 탱크와의 결합을 나타내는 단면 구조를 도25b에 도시하여 전원 구성을 설명한다. 연료 탱크(102)는 염화 비닐제이고, 65㎜ 높이 × 43㎜ 폭 × 50㎜ 길이의 외형이고, 저면의 두께가 5㎜이고 그 밖의 벽두께는 1㎜인 구조로 하였다. 연료 탱크 상면에는 도5에 도시한 구조의 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 장착한 가스 선택 투과 기능을 갖는 나사 덮개식의 연료 보급구(103)를 2개 구비하고, 내부에는 연료(104)로서 메탄올 수용액이 충전된다. 연료 탱크(102)의 저면에는 나사식 장착구가 형성되어 연료 전지 유닛(101)의 커넥터부(24)와 기밀하게 결합된다.
전원은 연료 탱크(102)에 장착된 연료 전지 유닛(101)군과 외형이 43㎜ 폭 × 50㎜ 길이 × 3㎜ 두께의 기판(112)을 지지구(113)로 고정시킨 구조로 하였다. 얻어진 전원은 사이즈가 약 111㎜ 높이 × 43㎜ 폭 × 50㎜ 길이이고, 최대 연료 충전 용적은 약 150㎤, 발전 면적 5.7㎠, 42 직렬이다. 이 전원에 10wt% 메탄올 수용액을 연료로서 150㎤ 충전하고, 온도 약 60℃, 부하 전류 1A로 운전한 결과 출력 전압 약 13V에서 50분간 발전을 계속하였다. 따라서 이 전원의 체적 출력 밀도는 54W/l이고, 10wt% 메탄올 수용액 연료 1충전에서의 체적 에너지 밀도는 45Wh/l 였다.
상기 전원은 연료 탱크를 상부에 가지므로, 연료는 항상 연료 전지 유닛 통내에 채워지는 구조로 되어 있어 제5 실시예∼제6 실시예에서 나타낸 바와 같은 연료의 보액재를 충전할 필요가 없다는 특징을 갖는다. 또한, 본 실시예에서도 제2 비교예의 전지에 비해 체적 에너지 밀도는 약 2배 이상으로 할 수 있었다. 각 연료 전지 유닛은 산화제인 공기가 충분히 확산될 수 있는 간격으로 장착되어 있으므로 제1 비교예, 제2 비교예의 전원과 같이 공기 공급 보조를 위한 팬을 사용하지 않고 발전할 수 있었다.
이어서, 본 발명의 제10 실시예가 되는 메탄올 수용액을 연료로 하는 원통형의 연료 전지 유닛으로 구성되는 전원 시스템으로서 도26a에 도시하고, 도26b에 그 단면 구성을 도시하고, 도27에 연료 탱크와 보조 연료 탱크의 결합 단면을 도시하여 설명한다.
연료 전지 유닛(101)은 14직렬, 2병렬로, 도21에 도시한 구조의 셀 홀더(105)에 수납된다. 연료 탱크(102)는 폴리프로필렌제의 외형 20㎜ 높이 × 76㎜ 길이 × 30㎜ 폭의 사이즈이고, 측벽 두께 1㎜의 플랫폼을 구성하고 있다. 연료 탱크(102)의 플랫폼부에는 도26b에 도시한 바와 같이 보액재(14)가 충전되어 있고, 보조 연료 탱크(107)의 플랫폼에는 도27에 도시한 바와 같이 착탈 가능한 구조의 커넥터부(24)를 구비하고 있다. 보조 연료 탱크(107)는 폴리프로필렌제의 외형 49㎜높이 × 76㎜ 길이 × 22㎜ 폭의 사이즈이고, 측벽 두께 1㎜의 구성이고, 그 상면에는 도5에 도시한 구조의 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 장착한 가스 선택 투과 기능을 갖는 나사 덮개식의 연료 보급구(103)를 구비하고, 내부에는 연료로서 메탄올 수용액이 충전되어 있다.
도26b에 도시한 바와 같이, 각 연료 전지 유닛(101)의 연료 공급구(10)는 플랫폼이 되는 연료 탱크(102)와 기밀하게 결합되고, 연료 전지 유닛군의 상부에는 폴리프로필렌제로, 외형이 10㎜ 높이 × 76㎜ 길이 × 8㎜ 폭의 사이즈이고, 측벽 두께 0.3㎜의 배기 탱크(110)가 각 연료 전지 유닛의 배출구(9)와 기밀하게 장착된다. 배기 탱크(110) 상면에는 도5에 도시한 것과 동일한 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 장착한 나사 덮개식의 가스 선택 투과구인 배기구(111)를 구비하고 있다. 셀 홀더(105)에 수납된 각 연료 전지 유닛의 캐소드 단자는 인접하는 애노드 단자와 접속되어 28직렬로 전기적으로 결합된다. 얻어진 전원은 약 70㎜ 높이 × 76㎜ 길이 × 30㎜ 폭의 사이즈이고, 용량 약 31㎤의 연료 탱크를 구비하고 있고, 보조 연료 탱크의 용량은 약 69㎤였다. 운전 온도 60℃에서 발전 시험을 한 결과 부하 전류 0.8A일 때 8.4V의 전압을 나타냈다. 보조 연료 탱크(107)에 10wt% 메탄올 수용액을 65㎤ 충전하고, 운전 온도 60℃, 부하 전류 1.5A로 운전한 결과 출력 전압 약 3.6V에서 약 80분간 발전을 계속할 수 있었다. 그 후, 10wt% 메탄올 수용액을 65㎤ 충전한 보조 연료 탱크를 새로 교환하고 발전하여 운전 온도 60℃, 부하 전류 1.5A로 운전한 결과 출력 전압 약 3.6V에서 약 80분간 계속할 수 있었다. 직접형 메탄올 연료 전지에는 메탄올 수용액이 연료로 사용되지만, 발전에서 연료가 소비되는 양에 추가하여 전해질막을 투과하여 소비된다.
메탄올 및 물의 전해질막 투과량의 비율은 운전 상태에 따라 다르므로, 새로 연료를 탱크에 보충할 때에는 메탄올이 소정 범위의 농도가 되도록 조정할 필요가 있다.
그러나, 본 실시예와 같이 전원에 접속한 연료 탱크의 용량을 비교적 작게 해 두고 보조 탱크를 결합시켜 운전하면 연료의 소비에 수반하여 일정 농도의 연료를 충전한 보조 탱크를 교환하는 것만으로 메탄올 농도를 조정하지 않고 장시간의 사용이 가능하다.
본 발명에 따르면, 소요 전류가 비교적 작고, 높은 전압을 필요로 하는 경우에, 중공 지지체의 외주면에 애노드, 전해질막, 캐소드를 배치한 복수개의 발전부를 갖는 연료 전지 유닛으로 하고, 각 발전부를 도전성 인터커넥터로 직렬로 접속할 수 있기 때문에, 고전압화를 꾀할 수 있고, 또한 소형의 연료 전지 발전 장치를 실현할 수 있다.
연료는 연료 탱크를 플랫폼으로 하여 결합함으로써 중공 지지체 내부로 강제 공급 기구를 사용하지 않고 공급된다. 이 때, 중공 지지체 내에 액체 연료를 저장하고, 모세관력에 의해 빨아올리는 재료를 충전함으로써 연료 보급이 이루어지고, 중공 지지체의 외주면에 발전부를 갖는 각 연료 전지 유닛은 공기중의 산소의 확산에 의해 산화제가 공급되고, 연료, 산화제 공급용 보조기를 필요로 하지 않는 단순한 시스템을 구성할 수 있다.
또한, 연료에는 체적 에너지 밀도가 높은 메탄올 수용액을 액체 연료로서 사용함으로써, 동일 용적의 탱크에 수소 가스를 연료로서 이용한 경우에 비하여 보다 긴 시간 발전을 계속할 수 있고, 연료의 축차 보급에 의해 이차 전지와 같은 충전 시간을 필요로 하지 않는 연속 발전 장치를 실현할 수 있다.
본 발명에 의한 전원을 이차 전지 탑재의 휴대 전화기, 휴대용 퍼스널 컴퓨터, 휴대용 오디오, 비주얼 기기, 그 외의 휴대용 정보 단말에 부설하는 배터리 충전기로서 사용하거나 또는 이차 전지를 탑재하지 않고 직접 내장 전원으로 함으로써 이들 전자 기기는 장시간 사용할 수 있게 되고, 연료의 보급에 의해 연속적으로사용할 수 있게 된다.

Claims (5)

  1. 액체의 연료를 보유 지지하는 지지 부재의 벽면에는 액체의 연료를 산화하는 애노드와 산소를 환원하는 캐소드와 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 형성되는 전해질막을 갖는 복수의 발전부가 형성되고, 각각의 발전부의 애노드측에는 애노드 발전판이, 캐소드측에는 캐소드 발전판이 배치되고, 상기 복수의 발전부에 인접하는 발전부에 배치된 애노드 발전판과 캐소드 발전판이 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 애노드 집전판은 도전성 탄소 도료로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 캐소드 집전판은 도전성 탄소 도료로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 액체의 연료를 산화하는 애노드와 산소를 환원하는 캐소드와 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 형성되는 전해질막을 갖는 복수의 발전부가 배치되는 연료 전지와, 상기 액체 연료를 상기 연료 전지에 공급하는 연료 탱크를 갖고, 상기 연료 탱크에는 기체를 선택적으로 투과시키는 기구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기체를 선택적으로 투과시키는 기구는 내면이 발수화된 하나 이상의 핀 홀을 마련한 판, 또는 다공질의 발수성판을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 장치.
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