KR20040054820A

KR20040054820A - 연료전지시스템 및 전기기기

Info

Publication number: KR20040054820A
Application number: KR10-2004-7008742A
Authority: KR
Inventors: 나카쿠보토루; 에구치켄; 와타나베미츠히로
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-06-25
Also published as: US7615301B2; US20050008918A1; KR100663170B1; AU2002313280A1; US20100028754A1; US8580458B2; EP1471590A1; JP4994571B2; WO2003049223A1; CN100490242C; CA2469473A1; JPWO2003049223A1; CN1613163A

Abstract

휴대가 가능한 소형의 전기기기에 탑재해서 이용되는 연료전지시스템에 있어서, 실질적으로 직방체 형상의 박형의 하우징(2)내에, 1개이상의 연료전지(14)로 이루어진 셀부(1)와, 해당 셀부(1)에 공급되는 연료를 저장하는 연료탱크부(3)와, 해당 연료탱크부(3)의 연료를 셀부(1)에 공급하는 연료공급부(4)와, 해당 셀부(1)에 산화제 가스를 공급하는 개구부(7)를 구비하고, 상기 연료탱크부(3), 상기 연료공급부(4) 및 상기 셀부(1)가 상기 하우징(2)의 대향하는 2개의 짧은 변(83a, 83b)사이에 일방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의해 대용량이고 고출력의 소형 연료전지시스템을 제공할 수 있다.

Description

연료전지 및 전기기기{FUEL BATTERY AND ELECTRIC DEVICE}

종래, 소형의 전기기기를 휴대해서 사용하기 위해서는, 각종의 1차 전지 및 2차 전지가 사용되어 왔다. 그러나, 최근의 소형의 전기기기의 고성능화에 따라, 소비전력이 커져, 소형 경량의 1차 전지로는, 충분한 에너지를 공급할 수 없게 되고 있다. 한편, 2차 전지에 있어서는, 반복해서 충전해서 사용할 수 있다고 하는 이점이 있으나, 1회의 충전으로 사용할 수 있는 에너지는, 1차 전지보다도 휠씬 적다. 그리고, 2차 전지의 충전을 위해서는, 별도의 전원이 필요한 데다가, 충전에는 통상 수십 분에서 수 시간이 걸려, 항상 아무데서나 즉시 사용할 수 있다라고 말하기는 곤란하다.

또, 금후, 전기기기의 더욱 소형, 경량화가 진행되어, 무선의 네트워크환경이 정비됨으로써, 기기를 휴대해서 사용하는 경향이 높아지는 추세이므로, 종래의 1차 전지 및 2차 전지로는 기기의 구동에 충분한 에너지를 공급하는 것이 곤란하다.

이와 같은 문제의 해결책으로서, 소형의 연료전지가 주목되고 있다. 연료전지는, 종래, 대형의 발전기나 자동차용의 구동원으로서 개발이 진행되어 왔다.이것은, 연료전지가, 종래의 발전시스템에 비해서, 발전효율이 높고, 또한, 폐기물이 깨끗하다고 하는 것이 주된 이유이다. 한편, 연료전지시스템이 소형 전기기기의 구동원으로서 유용한 이유로, 체적당 혹은 중량당의 공급가능한 에너지량이 종래의 전지에 비해서, 수 배에서 십 배 가까운 것을 들 수 있다. 또한, 연료만을 교환하면 연속해서 사용이 가능하므로, 다른 2차 전지와 같이 충전 시간이 걸리는 일도 없다.

연료전지시스템에는, 다양한 방식의 것이 발명되어 있으나, 소형 전기기기, 특히 휴대해서 사용하는 휴대용 기기에 대해서는, 예를 들면, 고체 고분자형 연료전지가 적합하다. 이것은, 상온에 가까운 온도에서 사용할 수 있고, 또, 그들의 전해질이 액체가 아니고 고체이므로, 안전하게 휴대할 수 있다고 하는 이점을 지니고 있기 때문이다.

소형 전기기기용의 연료전지시스템의 연료로서는, 메탄올이 검토되고 있다. 이것은, 메탄올이 보존하기 쉽고, 또 입수하기 쉬운 연료인 점이 주된 이유이다.

큰 출력을 얻기 위한 연료전지시스템에는, 수소를 연료로 사용하는 것이 최적이다. 그러나, 수소는 상온에서 기체이고, 소형의 연료탱크속에 고밀도로 수소를 저장하는 것은 매우 곤란하였다.

제 1방법은, 수소를 압축해서 고압가스로서 보존하는 방법이나, 가스의 압력을 20㎫(약 200기압)까지 높여도 체적수소밀도는 18㎎/㎤정도이다.

제 2방법은, 수소를 저온으로 해서, 액체로서 저장하는 방법이다.

제 3방법은, 수소흡장금속합금을 사용해서 수소를 저장하는 방법이다. 이방법에 의하면, 체적당의 흡장량은 크다.

제 4방법은, 메탄올이나 가솔린 등을 연료탱크에 적재하고, 개질해서 수소로 변환해서 사용한다고 하는 방법이다.

제 5방법은, 카본 나노튜브, 그래파이트(graphite) 나노파이버, 카본 나노혼(nanohorn) 등의 탄소계 재료를 사용하는 방법이다. 이들 탄소계 재료에서는, 중량당 약 10중량%의 수소를 흡장할 수 있는 가능성이 있다. 이것에 의해, 예를 들면, 디지틀 카메라의 전원으로서 사용할 경우, 종래의 리튬이온전지를 이용한 경우에 비해서, 3 내지 5배 정도의 촬영이 가능하다.

또, 제 6방법은, 케미컬 하이드라이드(chemical hydride)를 이용하는 방법이다. 케미컬 하이드라이드는 화학반응을 이용해서, 수소를 흡장·방출하는 화합물로, 크게 나누어서 유기계와 무기계의 재료가 있다. 무기계의 케미컬 하이드라이드로서는, 예를 들면, 보로하이드라이드가 있다. 또, 유기계의 케미컬 하이드라이드로서는, 시클로헥산이나 데칼린 등이 있다. 이들 화합물은 5 내지 10중량%정도의 수소를 흡장가능하다.

또, 연료전지시스템의 셀부는 적어도 1개의 연료전지(fuel cell)로 이루어지나, 모바일 기기를 구동하기 위해서는, 통상 5V정도의 발전량이 필요로 된다. 셀(전지) 1매의 발전량은 최대 1V정도이므로, 복수의 셀을 직렬로 연결해서, 소정의 전압을 얻을 필요가 있다.

상기와 같은 연료전지시스템은, 1개이상의 연료전지로 이루어진 셀부, 연료를 저장하기 위한 연료탱크부, 셀부에 연료탱크부의 연료를 공급하기 위한 연료공급부, 셀부에 산화제 가스를 공급하기 위한 개구부, 발전한 전력을 취급하는 배선부 등의 각 부로 구성되어 있다. 그러나, 상기와 같은 연료전지시스템의 각 부의 구성에서는, 소형의 전기기기에 탑재하기 위한 연료전지시스템의 형상, 전지내에 있어서의 각 부의 배치의 구성, 특히 소형화하기 위해 필요한 각 부의 배치의 구성이 고려되어 있지 않았다. 연료전지시스템의 셀부는 적어도 1개의 연료전지로 이루어지나, 모바일기기를 구동하기 위해서는, 통상 5V정도의 발전량이 필요하다. 연료전지 1매의 발전량은 최대 1V정도이므로, 복수의 연료전지를 직렬로 연결해서, 소정의 전압을 얻을 필요가 있다. 복수의 연료전지를 효율좋게 배열하기 위해서, 종래는, 전극과 고분자 전해질막으로 이루어진 MEA(Membrane Electrode Assembly)와 연료의 격벽쪽에 연료 유로를 만들어 넣은 세퍼레이터를 차례로 적층하는 방법이 채용되고 있었다. 또, 세퍼레이터를 도전성 재료로 작성함으로써, 적층한 전지는, 전기적으로 직렬로 연결되어 있었다.

그 구체예를 도 12에 표시한다. 도 12는 종래의 연료전지시스템에 있어서 각 연료전지를 적층한 구성을 표시한 개략단면도이다. 동 도면에 표시한 바와 같이, 연료전지시스템의 셀부(1)는, 1개이상의 연료전지(14)로 이루어지고, 1개의 연료전지(14)는, 한쪽 면에 산화제 극(즉, 산화제 전극)(11)을, 다른 쪽의 면에 연료 극(즉, 연료 전극)(13)을 지니고, 산화제 극(11)쪽에는 공기를 투입하는 산화제 유로(44)가, 연료 극(13)쪽에는 연료를 공급하는 연료 유로(43)가 설치되어 있다. 연료전지시스템은, 상기 1개의 연료전지를 구성단위로 해서, 각 연료전지사이에 세퍼레이터(45)를 개재시켜 적층해서 이루어진 것이다. 이와 같이, 적층된 연료전지의 연료 유로(43)와 산화제 유로(44)사이에는 각 연료전지를 분리하는 각각의 세퍼레이터(45)가 설치되어 있다. 또, 각각의 연료전지(14)에 대해서는, 각각 독립적으로 산화제 유로(44)와 연료 유로(43)가 설치되고, 또, 연료전지(14)의 4매에 대해서 세퍼레이터(45)가 3개 설치되어 있다. 따라서, 연료전지시스템의 전체의 두께는, 연료전지, 산화제 유로, 연료 유로 및 세퍼레이터의 수의 합계로 되므로, 발전용량에 대해서 연료전지시스템의 크기가 커지는 문제가 있었다.

또, 연료전지시스템의 크기에 관해서, 연료전지시스템의 소형화 수단으로서, 2001년 9월에 개최된 2001 Joint International Meeting "the 200th meeting of The Electrochemical Society, Inc. and the 52nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry"에 있어서의 F. B. Prinz 등에 의한 발표, "Planar Interconnection of Multiple Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells by Microfabrication"중에서는, 복수의 연료전지를 동일 평면상에 배치하는 방법도 시도되어 있다. 이 경우, 상기 전지에 의해 발전된 전기를 통합하기 위해, 입체배선 등을 이용해서 직렬로 배선하는 방법이 채용되고 있었다.

그러나, 상기와 같은 연료전지시스템의 구성에서는, 소형의 전기기기에 탑재하기 위한 구성이나, 소형화하는 데 필요한 구성이 고려되어 있지 않았다. 특히, 종래의 연료전지시스템의 연료전지의 적층방법에서는, 연료전지를 작은 용적으로 해서, 적층수를 많게 하면, 연료의 유로가 좁아지므로, 효율좋게 연료를 전지에 공급할 수 없다고 하는 결점을 지니고 있었다.

또, 복수의 연료전지를 동일 평면상에 배치하고, 3차원 배선 등을 이용해서직렬로 배선하는 방법에 있어서는, 통전을 위해 전지에 구멍을 뚫을 필요가 있어, 연료실의 밀봉성이 손상된다고 하는 결점을 지니고 있었다.

본 발명은, 연료전지 및 전기기기에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 연료전지시스템의 일례를 표시한 사시도

도 2A는 도 1의 연료전지시스템의 평면도

도 2B는 도 1의 연료전지시스템의 부분단면 평면도

도 3A는, 본 출원에 의한 제 1발명의 연료전지시스템의 정면도

도 3B는, 본 출원에 의한 제 1발명의 연료전지시스템의 부분단면 정면도

도 4는 도 1의 연료전지시스템의 좌측면도

도 5는 본 출원에 의한 제 1발명의 연료전지시스템의 시스템을 표시한 개략도

도 6A는 본 출원에 의한 제 1발명의 연료전지시스템에 있어서의 셀부와, 연료탱크부와, 개구부의 배치의 관계를 표시한 개략도

도 6B는 본 출원에 의한 제 1발명의 연료전지시스템에 있어서의 셀부와, 연료탱크부와, 개구부의 배치의 관계를 표시한 개략도

도 7은 연료탱크의 개요를 표시한 개략도

도 8은 본 발명의 연료전지를 탑재한 디지틀 카메라를 표시한 개략사시도

도 9A는 본 출원에 의한 제 2발명의 연료전지시스템의 정면도

도 9B는 제 2발명의 연료전지시스템의 부분단면 정면도

도 10은 본 출원에 의한 제 2발명의 셀부의 구성을 표시한 설명도

도 11은 본 출원에 의한 제 2발명의 연료전지시스템의 시스템을 표시한 개요도

도 12는 일반적인 연료전지시스템을 표시한 개략 단면도

도 13A는 전지사이에 설치된 집전부재에 의해 전력을 인출하는 형태를 설명하는 사시도

도 13B는 전지와 집전부재를 적층한 상태의 사시도

도 14A는 집전부재의 평면도

도 14B는 그 전력인출부가 중심으로부터 어긋나 있는 집전부재의 평면도

도 15는 복수의 전지를 병렬접속하는 경우의 전지와 집전부재를 적층한 상태의 사시도

도 16A는 전지와 집전부재와의 적층체가 배선기판에 접속되는 상태를 설명하기 위한 도면

도 16B는 집전부재와 배선기판과의 접속구조를 표시한 도면

도 17은 복수의 전지를 직렬접속할 경우의 전지와 집전부재를 적층한 상태의 사시도

도 18A는 집전부재와 배선기판과의 접속구조를 표시한 도면

도 18B는 배선기판을 표시한 정면도

도 19A는 2개의 전지와 그것을 지지하는 지지부재의 사시도

도 19B는 도 19A의 평면도

도 19C는 도 19B의 19C-19C선에 있어서의 단면도

도 20A는 2개의 전지와 그것을 지지하는 다공질 지지부재의 평면도

도 20B는 도 20A의 20B-20B선에 있어서의 단면도

도 21A는 2개의 전지와 그것을 지지하는 다공질 지지부재의 평면도

도 21B는 도 21A의 21B-21B선에 있어서의 단면도

도 22A는 2개의 전지와 그것을 지지하는 통기구멍을 지닌 지지부재의 평면도

도 22B는 도 22A의 22B-22B선에 있어서의 단면도

도 23A는 2개의 전지와 그것을 지지하는 통기구멍을 지닌 지지부재의 평면도

도 23B는 도 23A의 23B-23B선에 있어서의 단면도

도 24A는 2개의 전지와 그것을 지지하는 구형 지지부재의 평면도

도 24B는 도 24A의 24B-24B선에 있어서의 단면도

도 25는 박형 플렉시블 연료전지시스템을 표시한 사시도

도 26은 2개의 전지를 병렬접속한 경우에 있어서의, 전지와 배선기판과 연료극실 격벽과의 위치관계를 설명하기 위한 도면

도 27은 전지와, 배선기판에의 배선기능을 지닌 도전성 연료극실 격벽과의 위치관계를 설명하기 위한 도면(병렬접속의 경우)

도 28A는 연료극실 격벽(혹은 산화제극실의 단부에 위치하는 지지부재)의 사시도

도 28B는 도 28A의 평면도

도 29는 2개의 전지를 병렬접속하기 위한 배선기판과 그 배선패턴을 설명하기 위한 도면

도 30은 배선기판과의 접속부가 중앙으로부터 어긋나 있는 연료극실 격벽(혹은 산화제극실의 단부에 위치하는 지지부재)의 사시도

도 31은 도 30의 격벽을 이용할 경우에 있어서의 배선기판과 그 배선패턴을 설명하기 위한 도면(2개의 전지를 병렬접속하는 패턴)

도 32는 4개의 전지를 병렬접속할 경우에 있어서의, 전지와 배선기판과 연료극실 격벽과의 위치관계를 설명하기 위한 도면

도 33은 4개의 전지를 병렬접속하기 위한 배선기판과 그 배선패턴을 설명하기 위한 도면

도 34는 4개의 전지를 병렬접속하기 위한 배선기판과 그 배선패턴을 설명하기 위한 도면

도 35는 전지와 절연성 연료극실 격벽과 도전판과의 위치관계를 설명하기 위한 도면

도 36은 2개의 전지를 직렬접속할 경우에 있어서의, 전지와 배선기판과 연료극실 격벽과의 위치관계를 설명하기 위한 도면

도 37은 2개의 전지를 직렬접속할 경우의 배선기판과 그 배선패턴을 설명하기 위한 도면

도 38은, 4개의 전지를 직렬접속할 경우에 있어서의, 전지와 배선기판과 연료극실 격벽과의 위치관계를 설명하기 위한 도면

도 39는 4개의 전지를 직렬접속할 경우의 배선기판과 그 배선패턴을 설명하기 위한 도면

도 40은 전지와 도전성 연료극실 격벽과 절연판과 도전판과의 위치관계를 설명하기 위한 도면

도 41은 2개의 전지사이에 물차단부재를 지닌 셀부의 구성도

도 42는 지지부재중에 물차단부재를 지닌 셀부의 구성도

도 43은 지지부재중에 물차단부재를 지닌 셀부의 구성도

발명의 개시

본 발명은, 이들 과제를 개별적으로 혹은 일시에 해결하는 것이다.

즉, 본 출원에 의한 제 1발명은, 이와 같은 상기 기술의 문제점을 개별적으로 혹은 일시에 개선하기 위해 이루어진 것으로, 특히 연료전지시스템을 구성하는 각 부의 배치관계를 고려해서, 소형화하는 데 최적인 배치의 구성을 발견하는 동시에, 대용량으로, 고출력의 소형의 연료전지시스템 및 이것을 이용한 전기기기를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

즉, 본 발명에 관한 제 1발명은, 휴대가능한 소형의 전기기기에 탑재해서 이용되는 연료전지시스템에 있어서, 실질적으로 직방체 형상의 박형의 하우징내에, 1개이상의 연료전지(fuel cell)로 이루어진 셀부와, 해당 셀부에 공급되는 연료를 저장하는 연료탱크부와, 해당 연료탱크부의 연료를 셀부에 공급하는 연료공급부를 구비하고, 상기 연료탱크부, 상기 연료공급부 및 상기 셀부가 하우징의 두 대향면사이에 일방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료전지시스템에 있어서의 배치의 바람직한 제 1실시형태는, 상기 연료탱크부, 상기 연료공급부 및 상기 셀부가 하우징의 두 대향 측면사이에 일방향으로 배치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연료탱크부, 상기 연료공급부 및 상기 셀부가, 이 순서로, 하우징의 두 대향 측면사이에 배치되어 있는 것이 바람직하다.

또, 상기 셀부의 1개이상의 연료전지가, 하우징의 하부면에 평행하게 되도록 적층되어 배치되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 연료전지시스템에 있어서의 배치의 바람직한 제 2실시형태는, 상기 연료탱크부, 상기 연료공급부 및 상기 셀부가 하우징의 서로 대향하는 상부면과 하부면사이에 일방향으로 배치되어 있는 것이 바람직하다.

또, 상기 셀부가 하우징의 적어도 상부면과 하부면의 어느 한쪽에 대면해서 평행하게 배치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 셀부, 연료공급부, 연료탱크부, 다른 연료공급부 및 다른 셀부가, 이 순서로, 상기 상부면과 하부면사이에 배치되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 연료전지시스템에 있어서는, 상기 하우징이 산화제 가스를 공급하는 개구부를 지니고, 해당 개구부는, 하우징의 적어도 셀부가 있는 부분에 설치되어 있는 것이 바람직하다. 특히, 상기 개구부가 하우징의 상부면, 하부면 및 측면에 설치되어 있는 것이 바람직하다.

또, 발전한 전력을 모아서 얻어진 전력을 외부에 공급하는 배선부를 또 구비하고, 해당 배선부가 상기 연료탱크부가 없는 위치에 설치되어 있는 것이 바람직하다.

상기 연료탱크부가 하우징으로부터 탈착가능하게 설치되어 있는 것이 바람직하다.

상기 연료전지시스템이 고체 고분자형 소형 연료전지시스템인 것이 바람직하다.

본 출원에 의한 제 2발명은, 이와 같은 상기 기술의 문제점을 개별로 혹은 일괄적으로 해결하기 위해 이루어진 것으로, 연료전지시스템의 각 구성 부분을 소형화 및 간소화하고, 또 불필요한 제어·구동유닛을 폐기한 것이며, 구체적으로는, 본 발명의 목적은, 종래의 세퍼레이터를 사용하지 않으므로, 연료전지에 대한 산화제 유로 및 연료 유로의 수를 감소하고, 또한, 연료 유로를 넓게 함으로써 효율 좋게 연료전지시스템에 연료를 공급하고, 또, 복수의 연료전지를 컴팩트하게 일체로 한 소형의 연료전지시스템 및 그것을 이용한 전기기기를 제공하는 데 있다.

즉, 본 발명에 의한 제 2발명은, 한쪽 면에 연료 극을, 다른 쪽 면에 산화제 극을 지닌 연료전지 A와, 한쪽 면에 산화제 극을, 다른 쪽 면에 연료 극을 지닌 연료전지 B를 구비하고, 해당 연료전지 A와 B의 연료 극 끼리 서로 대향하거나, 또는 해당 연료전지 A와 B의 산화제 극 끼리 서로 대향하고, 상기 연료전지 A와 B의 서로 대향하는 연료 극사이에 공통의 연료 유로를 설치하거나, 또는 상기 서로 대향하는 산화제 극사이에 공통의 연료 유로를 설치해서 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료전지시스템은, 상기 연료전지 A와 연료전지 B의 적어도 어느 한쪽의 수는 2개이상이며, 상기 연료전지 A와 상기 연료전지 B는, 해당 연료전지 A와 B의 연료 극 끼리 혹은 산화제 극끼리의 적어도 1종이 대향하도록 교대로 설치되고, 서로 대향하는 상기 연료전지 A와 B의 연료 극사이의 공통의 연료 유로 혹은 서로 대향하는 산화제 극 사이의 공통의 산화제 유로의 적어도 어느 하나가 설치되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 연료전지 A와 연료전지 B의 각각의 수는, 1개이상으로 이루어지고, 해당 연료전지 A와 연료전지 B는 동일한 구조를 지니고, 1종의 연료전지를 반대로 해서 연료 극끼리 서로 대향시키고 산화제 극 끼리 서로 대향시키도록 연료전지를 교대로 적층해서 설치된 것이 바람직하다.

상기 산화제 유로의 산화제와 연료 유로의 연료의 압력차에 의한 연료전지의 변형을 억제하기 위해 산화제 유로에 지지부재가 설치되어 있는 것이 바람직하다.

상기 지지부재가 다공질 재료로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 각 연료전지로부터 발전된 전력을 취출(取出)(즉, 인출)해서, 연료와 접하지 않은 부분에서 전력을 회수하는 배선부를 또 구비하고 있는 것이 바람직하다.

상기 배선부가 연료전지의 바깥쪽에서, 해당 연료전지의 면에 대해서 수직인 방향에 설치되어 있는 것이 바람직하다.

상기 배선부와 접해서, 연료전지시스템의 전력을 해당 연료전지시스템의 외부로 인출하기 위한 전극이 설치되어 있는 것이 바람직하다.

본 출원에 의한 제 3발명은, 한쪽 면에 연료 극을, 다른 쪽 면에 산화제 극을 각각 지닌 복수의 연료전지와; 상기 복수의 연료전지사이에, 각각 상기 복수의 연료전지의 연료 극과 산화제 극에 개별로 설치된, 상기 복수의 연료전지의 개개의 전력을 인출하는 복수의 집전부재와; 상기 복수의 집전부재사이에 설치된, 인접하는 집전전극을 서로 절연하는 절연성 부재를 구비한 연료전지시스템에 있어서, 상기 복수의 연료전지가, 인접하는 연료전지의 연료 극 끼리 혹은 산화제 극 끼리가대향하도록 설치되어 있고, 연료 극 끼리가 서로 대향할 경우에는 서로 대향하는 연료 극사이에 공통의 연료 유로가 설치되거나, 또는, 산화제 극 끼리가 서로 대향할 경우에는 서로 대향하는 산화제 극사이에 공통의 산화제 유로가 설치되어 있고, 상기 복수의 연료전지와, 상기 복수의 집전전극과, 상기 절연성 부재가, 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 집전부재의 형상이, 각각 평판형인 것이 바람직하다.

상기 복수의 집전부재가, 각각 통기성을 지니고 있는 것이 바람직하다.

상기 복수의 집전부재가, 각각 통기구멍을 지니고 있는 것이 바람직하다.

상기 복수의 집전부재에는, A와 B의 2종류가 있고, 집전전극 A가 그 단부에 지닌 전력인출부가 그 집전부재 A의 중앙으로부터 변위되어 있는 집전전극이고, 집전전극 B가 그 단부에 지닌 전극인출부가 집전전극 A의 전력인출부의 변위부와는 반대로 변위되어 있는 집전전극인 것이 바람직하다.

상기 복수의 집전전극은, 집전전극 A가 산화제 극에 접해서 설치되고, 또한, 집전전극 B가 연료 극에 접해서 설치되도록, 설치되어 있는 것이 바람직하다.

상기 복수의 집접전극은, 집전전극 A와 집전전극 B가 교대로 설치되도록, 설치되어 있는 것이 바람직하다.

상기 복수의 집전전극을 서로 전기적으로 접속하는 배선기판을 또 구비하고 있고, 상기 복수의 연료전지가, 상기 복수의 집전전극의 각각의 전극인출부가 상기 배선기판에 연결됨으로써, 서로 전기적으로 접속되어 있는 것이 바람직하다.

상기 절연성 부재중, 산화제 극사이에 설치된 절연성 부재가 지지부재이며,연료 극사이에 설치된 절연성 부재가 연료극실(fuel electrode chamber)과 그 외부를 격리하는 격벽인 것이 바람직하다.

본 출원에 의한 제 4발명은, 한쪽 면에 연료 극을, 다른 쪽 면에 산화제 극을 각각 지닌 복수의 연료전지와; 상기 연료전지의 일단부로부터 비어져 나와 설치되고, 또 상기 산화제 극에 접해서 설치된 복수의 도전성 지지부재와; 상기 연료전지사이에 연료전지의 일단부로부터 비어져 나와서 설치되고, 상기 연료 극에 접해서 설치된, 연료극실과 그 외부를 격리하는 도전성 격벽을 구비하고 있고, 상기 복수의 연료전지가, 인접하는 연료전지의 산화제 극끼리 혹은 연료 극 끼리가 서로 대향하도록 설치되어 있고, 연료 극끼리가 서로 대향할 경우에는 서로 대향하는 연료 극사이에 공통의 연료 유로가 설치되고, 산화제 극끼리가 서로 대향할 경우에는, 서로 대향하는 산화제 극사이에 공통의 산화제 유로가 설치되어 있고, 상기 복수의 연료전지와, 상기 지지부재와, 상기 격벽이 적층되어 있고, 상기 복수의 연료전지의 각각에 의해서 생긴 전력이, 상기 지지부재와 상기 격벽을 통해서 인출되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템이다.

별도의 지지부재를 또 구비하고 있고, 상기 별도의 지지부재가 상기 복수의 연료전지사이에 접해서 설치되어 있는 것이 바람직하다.

상기 별도의 지지부재가 도전성을 지니고 있는 것이 바람직하다.

본 출원에 의한 제 5발명은, 한쪽 면에 연료 극을, 다른 쪽 면에 산화제 극을 각각 지닌 복수의 연료전지와; 연료전지의 일단부로부터 비어져 나와서 설치되고, 또 상기 산화제 극에 도전성 부재를 개재해서 설치된 절연성 지지부재와; 연료전지사이에, 연료전지의 일단부로부터 비어져 나와 설치되고, 상기 연료 극에 도전성 부재를 개재해서 설치된, 연료극실과 그 외부를 격리하는 절연성 격벽을 구비하고 있고; 상기 복수의 연료전지가, 인접하는 연료전지의 산화제 극끼리 혹은 연료 극끼리가 대향하도록 설치되어 있고, 연료 극 끼리가 서로 대향할 경우에는 서로 대향하는 연료 극사이에 공통의 연료 유로가 설치되고, 또는 산화제 극 끼리가 서로 대향할 경우에는 서로 대향하는 산화제 극사이에 공통의 산화제 유로가 설치되어 있고, 상기 복수의 연료전지와, 상기 지지부재와, 상기 격벽이 적층되어 있고, 인접하는 연료전지가, 서로 지지부재와 격벽에 의해서 전기적으로 절연되어 있고, 상기 도전성 부재가, 연료전지의 일단부로부터 비어져 나와 설치되어 있고, 상기 복수의 연료전지의 각각에 의해서 생긴 전력이, 상기 지지부재를 통해서 인출되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템이다.

상기 개별의 지지부재가 절연성을 지니고 있는 것이 바람직하다.

물의 유통을 방해하는 물차단부재를 또 구비하고 있고, 상기 물차단부재가 산화제 극사이에 설치되어, 물이 서로 대향하는 산화제 극의 양쪽에 접하는 것을 억제하는 것이 바람직하다.

또, 상기 연료전지시스템이 고체고분자형 연료전지시스템인 것이 바람직하다.

또한, 본 출원에 의한 다른 발명은, 상기 제 1 또는 제 2발명에 관한 연료전지시스템을 이용해서 이루어진 전기기기이다.

또, 본 발명의 다른 특징 및 효과에 대해서는, 도면을 참조함으로써 상세하게 후술한다.

이하, 본 발명을 다음의 실시형태를 참조해서 상세히 설명한다.

(제 1실시형태)

본 발명의 제 1발명에 의한 본 실시형태의 연료전지시스템은, 디지틀 카메라나 디지틀 비데오 카메라, 프린터 등의 휴대가능한 소형 전기기기에 탑재해서 이용되는 연료전지시스템으로, 실질적으로 직방체 형상의 박형의 하우징내에, 1개이상의 연료전지로 이루어진 셀부와, 해당 셀부에 공급되는 연료를 저장하는 연료탱크부와, 해당 연료탱크부의 연료를 셀부에 공급하는 연료공급부를 구비하고, 상기 연료탱크부, 연료공급부 및 셀부가 하우징의 두 대향면사이에 일방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 실시형태의 연료전지시스템은, 실질적으로 직방체 형상의 박형의 하우징내에, 연료탱크부, 연료공급부 및 셀부를 일방향으로 배치해서, 불필요한 공간을 없게 하여, 대용량, 고출력이 얻어지도록 하우징내에 수용하는 것을 특징으로 한다.

본 실시형태의 연료전지시스템에 있어서는, 소형 전기기기의 구동에 충분한 전력을 공급하도록 연료탱크에 공급하는 연료를 수소로 하고, 또 연료탱크에 연료를 고밀도로 저장하기 위해, 예를 들면, 탄소계 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 탄소계 재료에는 카본 나노튜브, 그래파이트 나노파이버 또는 카본 나노혼이 이용된다. 이 경우, 연료탱크내의 압력은, 수십 기압으로 되므로, 안전성을 확보하기 위해서는 연료탱크의 두께는 1 내지 2㎜일 필요가 있다. 박형의 연료전지시스템을 작성할 경우, 연료탱크의 깊이를 충분히 확보할 수 없다면 연료탱크의 용적이 충분히 확보될 수 없다. 그래서, 셀부 및 연료공급부와 연료탱크부가 하우징내에, 예를 들면, 하우징의 상부 및 하부를 따라서 평면적으로 일방향으로 직렬로 배치함으로써 연료탱크의 깊이를 확보하는 것이 가능하다.

또, 연료전지시스템으로부터 충분한 출력을 얻기 위해서는, 셀부의 연료전지의 표면적을 확보할 필요가 있다. 또, 본 발명의 연료전지시스템에서는 산화제로서 외기를 통기구멍의 개구부로부터 받아들이지만, 효율좋게 발전을 행하기 위해서는, 연료전지에 충분한 외기를 공급할 필요가 있다. 본 발명에 있어서는, 충분한 연료전지의 면적을 확보하고, 또, 효율이 좋은 산화제의 공급을 위해, 연료전지를 하우징의 상부면 및 하부면에 평행하게 되도록 배치하고, 외기를 받아들이기 위한 개구부를 적어도 하우징의 상부면 및 하부면에 구비하고, 또한, 필요하다면, 개구부를 하우징의 측면에도 구비하는 것이 바람직하다.

또, 발전한 전기를 인출하기 쉽도록 셀부로부터 보아서, 외부에 전력을 공급하기 위한 전극이 연료탱크부쪽에 없는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 실시형태의 구성에 있어서는, 연료탱크를 연료전지시스템으로부터 탈착가능한 구성으로 하는 것도 가능하다.

이하, 본 발명을 소형 연료전지의 실시예에 의해 더욱 상세히 설명하나, 본 발명은 소형의 연료전지시스템으로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

이하에 도면에 의거해서 본 실시예를 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 연료전지시스템의 일례를 표시한 사시도, 도 2A는 도 1의 연료전지시스템의 평면도, 도 2B는 도 1의 연료전지시스템의 부분단면 평면도, 도 3A는, 도 1의 연료전지시스템의 정면도, 도 3B는, 도 1의 연료전지시스템의 부분단면 정면도, 도 4는 도 1의 연료전지시스템의 좌측면도, 도 5는 본 출원의 연료전지시스템의 시스템을 표시한 개략도이다. 도 2A 및 도 3A는, 마치 투명한 하우징(2)의 바깥쪽에서부터 본 것처럼 연료전지시스템의 내부의 상태를 표시한 것이다.

도 1에 표시한 본 발명의 연료전지시스템의 외부치수의 일례로서는, 길이(a) 30㎜× 폭(b) 50㎜× 높이(c) 10㎜이며, 통상 컴팩트 디지틀 카메라에 사용되고 있는 리튬이온전지의 크기와 거의 동일하다.

도 8은 본 발명의 연료전지시스템을 탑재하는 디지틀 카메라를 표시한 개략사시도이다. 도 8에 표시한 바와 같이, 본 발명의 소형 전기기기의 1개인 디지틀 카메라(91)는, 소형으로 일체화되어 있으므로, 소형의 연료전지시스템(92)은 휴대기기의 디지틀 카메라에 조립되기 쉬운 형상으로 되어 있다. 또, 연료전지시스템의 박형 직방체 형상은, 두께가 있는 직방체나 원통형의 형상에 비해서, 소형 전기기기에 조립하기 쉽다.

본 발명은, 연료전지시스템을 소형화하고, 또, 대용량 및 고출력을 실현하기 위해, 그 수단으로서, 소형의 하우징의 수용 용적중에서, 충분한 전지용량을 얻기 위한 연료탱크 용적과, 충분한 출력을 얻기 위한 연료전지 면적과, 산화제를 효율좋게 연료전지에 공급하기 위한 통기구멍의 수를 최대로 하는 동시에, 하우징내의 연료탱크부, 연료공급부 및 셀부의 위치관계를 최적으로 한 것이다.

도 1에 있어서, 본 발명의 연료전지시스템은, 디지틀 카메라, 디지틀 비데오 카메라, 소형 프로젝터, 소형 프린터, 노트북형 퍼스널 컴퓨터 등의 휴대가능한 소형 전기기기에 탑재해서 이용되는 연료전지시스템이며, 실질적으로 직방체형상을 지닌 박형의 하우징(2)내에, 4개의 연료전지(14)로 이루어진 셀부(1)와, 해당 셀부(1)에 공급하는 연료를 저장하는 연료탱크부(3)와, 해당 연료탱크부(3)의 연료를 셀부(1)에 공급하기 위한 연료공급부(4)와, 해당 셀부(1)에 산화제 가스를 공급하기 위한 개구부(7)와, 셀부(1)에 의해 발전한 전력을 모아서 일시적으로 축적해서 항상 안정한 전력을 외부에 공급하는 배선부(5)를 구비하고, 상기 연료탱크부(3), 연료공급부(4) 및 셀부(1)가 이 순서로 하우징(2)의 대향하는 2개의 짧은 측면(83a), (83b)사이에 일방향으로 배치되어 이루어진 것이다.

본 발명의 연료전지시스템은, 산화제 가스로서 반응에 이용되는 산소를 외기로부터 받아들이기 위해, 하우징(2)의 상부면(82), 하부면(81) 및 긴 측면(84a), (84b)에 외기를 받아들이기 위한 통기구멍인 개구부(7)를 지닌다. 또, 이 개구부(7)는 생성한 물을 수증기로서 방출하거나, 반응에 의해 발생한 열을 밖으로 방출하는 작용도 하고 있다. 또, 하우징(2)의 한쪽의 짧은 측면(83b)에는배선부(5)가 설치되고, 해당 배선부(5)에는 전기를 인출하기 위한 전극(53)이 설치되어 있다.

한편, 하우징(2)의 내부는, 연료 극(13)과 고분자 전해질막(12)과 산화제 극(11)과 촉매로 이루어진 연료전지(14)(도 5 참조)를 각각 1개이상 포함하는 셀부(1)와, 연료를 저장하는 연료탱크부(3), 연료탱크로부터의 연료를 감압하고, 각 전지의 반응극까지 인도하는 연료공급부(4) 및 각 연료전지(14)에서 발전한 전력을 모으는 배선부(5)에 의해서 구성되어 있다.

도 5는, 도 1에 표시한 본 발명의 연료전지시스템의 시스템을 표시한 개략도이다. 동도면에 있어서, 연료탱크부(3)에 수용되어 있는 연료는, 연료탱크부(3)로부터 연료공급부(4)를 통해서 셀부(1)의 연료전지(14)의 연료 극(13)에 공급된다. 산화제 가스에는 공기가 이용되고, 외기는 통기구멍인 개구부(7)를 통해서 연료전지(14)의 산화제 극(11)에 공급된다. 셀부(1)는 1개이상의 연료전지(14)로 이루어지고, 연료전지(14)는 연료 극(13)과 고분자 전해질막(12)과 산화제 극(11)과 촉매로 구성된다. 이것은, 연료탱크부(3)로부터의 연료와, 외기로부터의 산화제 가스의 공급에 의해 각 연료전지(14)에서 발전한 전력이, 배선부(5)에서 일시적으로 축적되어, 전극(53)으로부터 항상 안정한 발전전력을 외부에 공급하도록 구성되어 있다.

도 6A 및 도 6B는, 본 발명의 연료전지시스템에 있어서의 셀부와 연료탱크부와 개구부의 배치의 관계를 표시한 개략도이다.

도 6A는, 도 1과 마찬가지의 배치를 표시하고, 하우징(2)의 짧은 측면(83a),(83b)사이에, 셀부(1)와 연료공급부(4)와 연료탱크부(3)가 일방향으로 직렬로 배치되고, 또, 연료탱크부(3)는 연료전지(14)의 측면에 존재한다. 또, 각각 개구부(7)를 지니는 하우징(2)의 상부면(82) 및 하부면(81)은 연료전지의 면에 대해서 대향하는 위치에 있다.

도 6B는, 개구부(7)를 연료전지시스템의 하우징(2)의 표면적이 최대로 되는 면에 배치하고, 셀부(1)의 연료전지(14)를 개구부(7)를 지닌 면에 대해서 대향하는 위치에 배치하고, 셀부(1)의 안쪽에 연료탱크부(3)를 배치해서 이루어진 것이다. 셀부(1), 연료공급부(4), 연료탱크부(3), 연료공급부(4) 및 셀부(1)의 순서로 하우징(2)의 상부면(82) 및 하부면(81)사이에 배치되어 있다.

도 6B에 있어서는, 연료전지(14)가 연료탱크부(3)의 양쪽(하우징의 상부면쪽과 하부면쪽)에 배치되어 있으나, 연료전지(14)가, 하우징(2)의 상부면쪽에만 있는 경우, 또는 하우징(2)의 하부면쪽에만 있는 경우라도 된다.

연료전지시스템이 박형인 경우, 연료탱크 용적을 크게 취하기 위해서는, 도 6A의 방식이 유효하다. 한편, 보다 효율좋게, 산화제를 개구부로부터 받아들여, 산화제 극에 공급하기 위해서는, 도 6B의 방식이 유효하다.

본 발명의 연료전지는 기전력 0.8V, 전류밀도 300mA/㎠이고, 단위 전지의 크기는 1.2㎝×2㎝이다. 이 연료전지를 8매 직렬로 연결함으로써, 전지 전체의 출력은 6.4V, 720mA로 4.6W이다.

이하, 본 발명의 연료전지시스템의 각 부위에 대해서 상세하게 설명한다.

먼저, 연료탱크부(3)에 대해서 설명한다. 도 7은, 연료탱크의 개요를 표시한 개략도이다. 본 발명의 연료전지시스템은 연료로서 수소를 사용한다. 연료탱크(31)의 내부에는, 예를 들면, 카본 나노튜브, 그래파이트 나노파이버, 카본 나노혼 등의 수소를 흡장하는 것이 가능한 탄소계 재료(36)가 충전되어 있다. 이들 탄소계 재료(36)는 4㎫의 압력에 있어서, 수소를 10중량% 정도 흡장가능하다. 수소흡장후의 연료탱크의 내압은 4㎫정도의 고압으로 되므로, 연료탱크(31)는, 스테인레스강이나 마그네슘 합금, 티탄 등, 강도가 높은 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 30㎜스퀘어(squre)정도의 연료탱크의 경우, 재료의 두께는, 안전률을 5로 하면, 재료가 스테인레스강의 경우 약 2㎜이상, 티탄의 경우 약 1㎜이상 필요하다. 연료전지나 연료 유로의 체적을 고려해서, 연료탱크의 외부 치수는 2.5㎝×3㎝×1㎝가 바람직하다. 외벽에는 티탄을 사용하고, 티탄 두께를 1㎜로 한다. 이 때, 연료탱크의 중량은 10g정도로 되고, 또, 연료탱크의 체적은 5.2㎤로 된다. 이것은 스테인레스강을 연료탱크의 외벽에 사용한 경우와 비교해서 약 1/3의 중량으로, 1.5배의 용적이다. 연료탱크에 축적되어 있는 에너지는, 약 7.0W·hr이고, 종래의 리튬이온전지의 약 2.5배이다.

또, 연료전지시스템을 모바일기기와 일체형으로 작성하는 것도 가능하다. 또, 연료탱크를 셀부로부터 떼어낼 수 있도록 작성해 놓고, 연료의 교환시에는 연료탱크만을 교환하는 것도 가능하다. 사용자는 연료전지시스템 전체를 교환하고, 연료를 다시 채워넣는 사람이 연료탱크만을 꺼내는 것도 가능하다. 촉매 등의 소모나, 고분자 전해질막의 열화에 대해서, 연료탱크이외의 전지부분만을 교환하는 것도 가능하다.

연료탱크(31)에는, 연료방출구(34)가 있고, 연료탱크를 연료전지시스템으로부터 꺼낼 수 있는 구조로 한 경우, 연료탱크를 연료전지시스템에 부착하면, 연료방출구(34)로부터 셀부(1)에 수소가 공급된다. 그 경우에는, 연료탱크를 꺼낸 때, 연료가 밖으로 누출되지 않도록, 연료방출구(34)에는, 방출밸브(35)를 설치하고, 연료탱크(31)가 연료전지시스템에 장착된 때에만, 밸브가 개방되는 구조로 되어 있다. 연료주입구(32)는 1개의 구멍으로 연료방출구(34)로서 기능하는 것도 가능하다.

다음에, 연료공급부(4)에 대해서 설명한다. 연료에 이용되는 수소는 연료탱크로부터 연료 극(13)에 인도된다. 한편, 산소를 포함하는 외기는 개구부(7)를 통해서 산화제 극(11)에 인도된다. 종래의 자동차용 등에 이용되는 연료전지시스템에서는, 산소를 효율좋게 전지에 공급하기 위해, 개구부와 전지와의 사이에 팬을 설치할 필요가 있었다. 그러나, 본 발명의 소형의 연료전지에 있어서는, 전지의 산화제 극(11)을 개구부(7)에 대해서 평행하게 해서 충분(1㎝이내)히 가깝게, 또, 산화제 극의 면이 연료전지 하우징에 대향하지 않는 전지에 대해서는 수직인 방향에도 개구부를 설치함으로써, 통기를 효율좋게 행하는 것이 가능하다.

하우징(2)으로서는, 소형이고 박형으로 실질적으로 직방체형상인 것이 이용되고, 직방체의 일부에 변형이나 볼록부, 오목부가 있어도 된다. 또, 높이(c) 2 내지 100㎜의 박형의 하우징이 바람직하다. 또, 길이(a)가 5 내지 200㎜, 길이(a): 폭(b) = 1:1 내지 1:20인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 제 2발명을 실시형태에 의해 상세히 설명한다.

(제 2실시형태)

본 발명의 제 2발명에 따른 본 실시형태의 연료전지시스템은, 적어도 1이상의 2종류의 연료전지 A와 연료전지 B를 교대로 적층해서 형성된 것이고, 연료전지 A는 한쪽면에 연료 극을, 다른 쪽면에 산화제 극을 지니고, 연료전지 B는 연료전지 A와는 반대로 한쪽 면에 산화제 극을, 다른 쪽면에 연료 극을 지닌 것이며, 이들 연료전지 A와 연료전지 B의 연료 극이 서로 대향하고, 연료전지 A와 연료전지 B의 산화제 극이 서로 대향하도록 교대로 적층해서 이루어지고, 상기 연료전지 A와 B의 서로 대향하는 연료 극끼리의 사이에 공통의 연료 유로를 설치하고, 또 서로 대향하는 산화제 극끼리의 사이에 공통의 산화제 유로를 설치해서 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같이, 본 발명의 연료전지시스템의 적층방식은, 연료 유로의 양면에 연료전지를 배치함으로써, 연료전지가 종래의 전지의 세퍼레이터로서도 기능하므로, 세퍼레이터가 불필요하다. 이 방식에 의해, 연료 유로의 깊이를 크게 할 수 있고, 예를 들면, 종래의 2배로 될 수 있으므로, 매우 효율좋게 연료를 연료전지에 공급하는 것이 가능하다.

또, 종래의 연료전지시스템과 마찬가지의 깊이의 유로를 이용한 경우, 본 발명의 연료전지시스템에서는, 종래의 연료전지시스템의 세퍼레이터가 없고, 또 연료전지 A와 B의 서로 대향하는 연료 극 끼리의 사이의 연료 유로 및 서로 대향하는 산화제 극 끼리의 사이의 산화제 유로는 공통으로 되므로, 연료 유로 및 산화제 유로의 수를 감소시키는 것이 가능하며, 셀부의 체적을 감소시켜, 종래의 연료전지시스템의 거의 절반으로 하는 것이 가능하다.

또, 본 발명에 있어서는, 산화제 극쪽의 산화제와 연료 극쪽의 연료사이의 압력차에 의한 연료의 누설을 방지하기 위해, 산화제 유로에는 지지부재를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 연료전지시스템은, 종래의 적층방식과 달리, 세퍼레이터를 사용하지 않으므로, 각 연료전지에서 발전한 전기를 별도로 모을 필요가 있다. 본 발명에서는 연료전지의 각 전극으로부터 인출한 전기를 셀부의 바깥쪽에 설치한 배선부에 모은다. 이 방식을 이용하면, 3차원 배선방식에서 문제였던 배선로로부터의 연료의 유실을 방지하는 것이 가능하다.

실시예 2

이하, 도면에 의거해서 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 연료전지시스템의 일례를 표시한 사시도이다. 도 2A는 도 1의 연료전지시스템의 평면도이다. 도 2B는 도 1의 연료전지시스템의 부분단면 평면도이다. 도 9A는 도 1의 연료전지의 정면도이다. 도 9B는 도 1의 연료전지시스템의 부분단면정면도이다. 도 4는 도 1의 연료전지시스템의 좌측면도이다. 도 10은 본 발명에 의한 연료전지시스템의 셀부의 구성을 표시한 설명도이다. 도 11은 본 발명의 연료전지시스템의 시스템을 표시한 개요도이다. 도 2A 및 도 9A는, 마치 투명 하우징(2)의 바깥쪽에서 본 것처럼 하우징의 내부의 상태를 표시한 것이다.

도 1에 표시한 본 발명의 연료전지시스템의 외부치수의 일례를 표시하면, 길이(a) 30㎜× 폭(b) 50㎜× 높이(c) 10㎜이며, 통상 컴팩트 디지틀 카메라에 사용되고 있는 리튬이온전지의 크기와 거의 동일하다.

도 8은 본 발명의 연료전지시스템을 탑재하는 디지틀 카메라를 표시한 개략도이다. 도 8에 표시한 바와 같이, 본 발명의 소형 전기기기의 하나인 디지틀 카메라(91)는, 소형으로 일체화되어 있으므로, 소형의 연료전지시스템은(92)은 휴대기기인 디지틀 카메라에 조립되기 쉬운 형상으로 되어 있다.

본 발명은, 연료전지시스템내에 각 연료전지를 컴팩트하게 수용하고, 또 연료 유로를 넓게 해서 효율좋게 연료 극에 연료를 공급하기 위해, 각 연료전지를 연료 극이 서로 대향하고 또 산화제 극이 서로 대향하도록 적층하고, 연료전지의 서로 대향하는 연료 극 사이에 공통의 연료 유로를 설치하고, 또, 서로 대향하는 산화제 극 사이에 공통의 산화제 유로를 설치한 것이다.

도 1에 있어서, 본 발명의 연료전지시스템은, 2개의 연료전지 A와 2개의 연료전지 B로 이루어진 셀부(1)와, 해당 셀부(1)에 공급하는 연료를 저장하는 연료탱크부(3)와, 해당 연료탱크부(3)의 연료를 셀부(1)에 공급하기 위한 연료공급부(4)와, 해당 셀부(1)에 산화제 가스를 공급하기 위한 통기구멍(7)과, 셀부(1)에 의해 발전한 전력을 모아서 일시적으로 축적해서 항상 안정한 전력을 외부에 공급하는 배선부(5)를 구비한 것이다.

본 발명의 연료전지시스템은, 산화제 가스로서 반응에 이용되는 산소를 외기로부터 받아들이기 위해, 하우징(2)의 상부면(82), 하부면(81) 및 긴 측면(84a), (84b)에 외기를 받아들이기 위한 통기구멍(7)을 지닌다. 또, 이 통기구멍(7)은 생성한 물을 수증기로서 방출하거나, 반응에 의해 발생한 열을 밖으로 방출하는 작용도 하고 있다. 또, 하우징(2)의 한쪽의 짧은 측면(83b)에는 배선부(5)가 설치되고, 해당 배선부(5)에는 전기를 인출하기 위한 전극(53)이 설치되어 있다.

한편, 하우징(2)의 내부는, 연료 극(13)과 고분자 전해질막(12)과 산화제 극(11)과 촉매로 이루어진 연료전지 A 및 B(14A, 14B)(도 11 참조)의 1개이상으로 이루어진 셀부(1)와; 연료를 저장하는 연료탱크부(3); 연료탱크로부터의 연료를 감압하고, 각 전지의 반응극까지 인도하는 연료공급부(4); 및 각 연료전지(14A), (14B)에서 발전한 전력을 모으는 배선부(5)에 의해서 구성되어 있다.

다음에, 도 9A, 도 9B 및 도 10에 의해 본 발명의 연료전지시스템을 설명한다.

도 9A, 도 9B 및 도 10에 있어서, 본 발명의 연료전지시스템은, 2종류의 연료전지 A(14A)와 연료전지 B(14B)를 교대로 적층해서 설치해서 이루어진 것으로, 연료전지 A는 아래쪽 면에 연료 극(13a)을, 위쪽면에 산화제 극(11a)을 지니고, 연료전지 B는 연료전지 A와는 반대로 아래쪽 면에 산화제 극(11b)을, 위쪽 면에 연료 극(13b)을 지녀, 연료전지 A의 연료 극(13a)과 연료전지 B의 연료 극(13b)이 서로 대향하는 한편, 연료전지 A의 산화제 극(11a)과 연료전지 B의 산화제 극(11b)이 서로 대향하도록 서로 중첩되고, 상기 연료전지 A와 B의 서로 대향하는 연료 극(13a)과 연료 극(13b)사이에 공통의 연료 유로(43)가 설치되고, 또 서로 대향하는 산화제 극(11a)과 산화제 극(11b)의 사이에는 공통의 산화제 유로(44)가 설치되어 구성되어 있다.

상기 연료전지 A와 연료전지 B는 마찬가지 구조의 연료전지로서, 한쪽의 연료전지를 반대로 해서 연료 극끼리 서로 대향하고 또 산화제 극끼리가 서로 대향하도록 연료전지를 교대로 적층해서 설치해도 된다. 즉, 연료전지 A를 반대로 하면, 연료전지 A의 연료 극과 산화제 극이 연료전지 B의 연료 극과 산화제 극의 구성으로 된다.

상기 본 발명의 연료전지시스템은, 복수의 연료전지로 발전을 행할 경우, 연료 유로(43)의 상하의 양쪽에 연료전지가 배치되므로, 연료전지가 종래의 연료전지의 세퍼레이터로서도 기능하므로, 세퍼레이터가 불필요하다.

또, 본 발명의 연료전지에서는, 연료전지 A와 B의 서로 대향하는 연료 극끼리의 사이의 연료 유로(43) 및 서로 대향하는 산화제 극끼리의 사이의 산화제 유로(44)는 공통되므로, 연료 유로 및 산화제 유로의 수를 줄이는 것이 가능하고, 셀부의 체적을 감소시켜, 종래의 연료전지시스템의 거의 절반으로 하는 것이 가능하다. 또, 공통의 연료 유로(43)를 이용하면, 연료 유로(43)의 깊이를 크게 하는 것이 가능하여, 종래의 연료전지의 연료 유로의 2배로 할 수 있으므로, 매우 효율좋게 연료를 연료 극에 공급하는 것이 가능하다. 또, 본 실시예에 있어서는, 연료 유로 및 중앙의 산화제 유로의 깊이를 약 2㎜로 하는 것이 가능하므로, 충분히 연료를 효율좋게 공급하는 것이 가능하다. 또, 종래와 마찬가지의 깊이의 유로를 이용한 경우, 본 발명의 적층방식에서는, 셀부의 체적을 절반으로 하는 것이 가능하다.

또, 연료로서는 수소 등의 기체연료나, 케미컬 하이드라이드, 메탄올, 디메틸에테르 등의 액체연료가 이용되고, 산화제로서는 산소, 공기 등이 이용된다.

또, 상기 연료 극에 접하는 연료와 산화제 극에 접하는 산화제의 물질의 차이, 및 산화제 극쪽의 산화제와 연료 극쪽의 연료의 압력차에 의한, 고분자 전해질막과 연료 유로와의 경계로부터의 연료의 누설을 방지하기 위해, 산화제 유로(44)의 양쪽에는 지지부재(46)가 설치되어 있다. 지지부재가 전지의 변형을 억제하므로, 전지의 파손을 방지해서 연료의 누설을 방지하는 것이 가능하며, 또, 전지끼리의 접촉도 방지하는 것이 가능하다. 또한, 지지부재에는, 보다 연료를 쉽게 흐르게 하고, 고분자 전해질막을 균일하게 지지하기 위해, 다공질 구조체를 삽입하는 것도 가능하다. 또, 다공질의 구조체에 유로를 작성하면, 더욱 연료를 효율좋게 공급하는 것이 가능하다. 다공질 재료로서는, 예를 들면, 다공질 카본, 다공질 실리콘 등이 바람직하다.

도 11은, 도 1에 표시한 본 발명의 연료전지시스템의 시스템을 표시한 개요도이다. 동 도면에 있어서, 연료탱크부(3)에 수용되어 있는 연료는, 연료탱크부(3)로부터 연료공급부(4)를 통해서 셀부(1)의 연료전지 A 및 B의 연료 극(13)에 공급된다. 산화제 가스에는 공기가 이용되고, 외기는 통기구멍인 통기구멍(7)을 통해서 연료전지 A 및 B에 공급된다. 셀부(1)는 1개이상의 연료전지 A 및 B로 이루어지고, 해당 연료전지는 각각 연료 극(13)과 고분자 전해질막(12)과 산화제 극(11)과 촉매로 구성된다. 연료탱크부(3)로부터의 연료와, 외기로부터의 산화제 가스의 공급에 의해 각 연료전지에서 발전한 전력은, 직렬배선(51)을 흘러서, 배선부(5)에 일시적으로 축적되고, 전극(53)으로부터 항상 안정한 발전전력을 외부에 공급하도록 구성되어 있다.

다음에, 배선부(5)에 대해서 설명한다. 연료전지시스템의 단일 셀의 기전력은 최대여도 1V정도이므로, 디지틀 카메라 등의 모바일기기를 구동하기 위해서는, 복수의 전지를 직렬로 연결해서, 소정의 전압을 얻을 필요가 있다. 본 발명의 연료전지시스템에서는, 각 전극으로부터 인출한 전기를 연료실의 반대쪽의 배선부(5)의 직렬배선(51)에서 모음으로써, 연료의 밀봉성을 훼손하는 일없이 전력을 인출한다. 특히, 배선부(5)를 연료전지에 대해서 수직인 위치에 배치함으로써, 배선거리를 짧게 해서, 배선을 간소화할 수 있다. 또, 연료전지시스템으로부터 소형 전기기기에 전력을 공급하는 전극을 배선부에 인접해서 배치함으로써, 더욱 배선을 간소화하는 것이 가능하다.

또, 연료로서 수소를 사용하는 연료탱크에, 예를 들면, 그래파이트 나노파이버 등의 탄소계 재료를 사용한 경우, 연료탱크에 축적되어 있는 에너지는, 약 7.0W·hr로, 종래의 리튬이온전지의 약 2.5배이다. 또, 본 발명의 각 연료전지는, 기전력 0.8V, 전류밀도 300mA/㎠이며, 단위 전지의 크기는 1.2㎝×2㎝이다. 이들 연료전지를 8매 직렬로 연결함으로써, 전지 전체의 출력은 6.4V, 720mA에서 4.6W이다.

이하의 실시형태에 있어서는, 연료전지로부터의 전력의 인출, 인출된 전력의 취합 및 지지부재에 의한 복수의 연료전지의 적층체의 강도 유지에 대해서 상세히 설명한다.

(제 3실시형태)

본 발명의 제 3실시형태에 대해서 설명한다. 제 3실시형태는, 인접하는 연료전지의 연료 극끼리가 서로 대향하고, 또 산화제 극 끼리가 서로 대향하는 소위 동일극 대향형의 연료전지의 적층방식에 있어서의 각 연료전지로부터의 전력을 인출하기 위한 구조와, 인출된 전력의 취합을 위한 구조에 특징이 있다.

도 13A는, 연료전지사이에 설치된 집전부재에 의해 전력을 인출하는 형태를 설명하기 위한 사시도이다. 도 13B는, 연료전지와 집전부재를 적층한 상태의 사시도이다. (110)은 집전부재, (111)은 집전부재(110)의 전력인출부(전력출력구), (112)는 집전부재(110)의 통기구멍, (147a), (147b)는, 절연성 부재로서, (147a)는 산화제극실(oxidizer electrode chamber)의 지지부재, (147b)는 연료극실 격벽이다. 집전부재(110)는, 연료전지(14)와 접하도록 설치되어 있고, 연료전지에서 생긴 전력을 모은다. 연료전지의 전력은, 집전전극(110)의 전극인출부(111)로부터 인출된다. 산화제극실의 지지부재(147a)나 연료극실 격벽(147b)은, 인접하는 연료전지가 서로 접촉하도록, 또한, 인접하는 집전부재(110)가 상호 접촉하도록, 연료전지와 다른 연료전지사이에 (각각 산화제극실, 연료극실에 대응해서) 설치되어 있다.

도 14A는, 집전부재(110)의 평면도이다. 집전부재(110)는, 도전성을 지닌 재료로 이루어지고, 산화제 극 및 연료 극의 각각의 고분자 전해질막과 접하지 않는 쪽에 설치되어 있다. 도전성을 지닌 재료로서는, 금속, 그래파이트와 같은 탄소재료 등을 들 수 있다. 재료는, 바람직하게는, 연료에 의해서 오염되거나, 촉매나 전해질막을 오염시키는 일이 없는 재료이다. 이와 같은 바람직한 재료로서는, 예를 들면, 스테인레스강이나 그래파이트 등을 들 수 있다. 집전부재는, 연료나 산화제의 공급의 방해로 되지 않도록 통기성을 지닌다. 통기성을 얻기 위해서, 다공질 부재를 사용하거나, 통기구멍(112)을 형성하거나 하는 것을 들 수 있다. 집전부재는 전력인출부(111)를 지니고 있고, 전기인출부로부터 배선을 행함으로써, 발전한 전기를 취합하는 것이 가능하다. 배선을 적절하게 행함으로써, 복수의 연료전지를 병렬로 접속하거나, 직렬로 접속하거나 할 수 있다.

(제 4실시형태)

제 4실시형태는, 전력인출부가 중심으로부터 벗어나 있는(즉, 어긋나 있는) 집전부재를 이용해서, 이 집전부재와 연료전지와 산화제 극의 지지부재와 연료극실 격벽과의 적층체를 형성하는 실시형태이다.

도 14B는, 그 전력인출부가 중심으로부터 어긋나 있는 집전부재의 평면도이다. 뒤집에서 이용하면, 인출위치를 어긋나게 하는 것이 가능하여, 배선을 효율좋게 행하는 것이 가능하다. 도 14A에 기재된 바와 같이 그 중앙부근에 전극인출부(111)를 지닌 집전전극 대신에, 전력인출부가 중심으로부터 벗어나 있는 집전부재를 이용해서, 이 집전부재와 연료전지와 지지부재와 격벽을 적층하면, 이 적층체는, 도 15에 표시한 바와 같은 상태로 된다.

도 15는, 도 14B에 표시한 전력인출부가 중심으로부터 어긋나 있는 집전부재를 이용해서, 복수의 연료전지를 병렬로 접속할 경우의 연료전지와 집전부재를 적층한 상태의 사시도이다. 동일한 극성의 집전부재(110)는, 이들의 전극인출부(111)가 동일한 쪽에 정렬되도록, 적층되어 있다. 따라서, 오른쪽에 음극, 왼쪽에 양극이 위치되어 있다. 동일한 극성의 전극이 동일한 쪽에 정렬되어 있으므로, 전극의 극성은 용이하게 구별된다.

도 16A는, 도 15에 표시된 바와 같은 연료전지와 집전부재와의 적층체(113)가 배선기판에 접속되는 상태를 설명하기 위한 도면이다. 배선부재(120)는, 전지(14)에 대해서 수직으로 되도록, 적층체(113)의 전극인출부(111)에 접속된다.

도 16B는, 집전부재와 배선기판과의 접속구조를 표시한 도면이다. (122)는 배선기판(120)에 부설되는 배선, (121)은 배선기판(120)에 설치되는 집전부재의 입구이다. 전극인출부(111)는, 배선기판(120)의 입구(121)에 삽입되어, 배선(122)에 의해 복수의 집전부재가 서로 전기적으로 접속된다.

도 16C는, 배선기판을 표시한 정면도이다. 입구(121)를 도면에 표시한 바와 같이 전기적으로 접속함으로써, 복수의 연료전지를 병렬로 접속하는 것이 가능하다. 취합되는 전력은, 양극(53)과 음극(53)에 인도된다. 각 연료전지의 기전력은, 0.8V정도로 작으나, DC/DC변환기 등을 이용해서 변압함으로써, 기기에 최적인 전압에서 전력을 공급하는 것이 가능하다.

(제 5실시형태)

제 5실시형태는, 각 연료전지를 직렬로 접속하는 형태이다.

도 17은, 복수의 연료전지를 직렬로 접속할 경우의 연료전지와 집전부재를 적층한 상태의 사시도이다. 집전부재(110)는 도 17에 표시한 바와 같이 교대로 표리를 달리하도록 적층되어 있다. 도 18A는, 집전부재와 배선기판과의 접속구조를 표시한 도면이다. 도 18B는, 배선기판을 표시한 정면도이다. 도 18B에 표시한 바와 같은 배선패턴을 지닌 배선기판(121)에, 연료전지와 집전부재와의 적층체를 접속함으로써, 각 연료전지를 전기적으로 직렬로 접속하는 것이 가능하다.

또, 집전부재가 충분한 강도를 지닌 경우에 있어서는, 연료탱크의 압력변화 등에 의해, 고분자 전해질막이 파단하거나, 접합부로부터 박리되거나 하는 것을 방지하는 작용을 지닌다.

(제 6실시형태)

제 6실시형태에 대해서 설명한다. 제 6실시형태는, 집전부재를 이용하지 않고, 컴팩트하고 강도가 높은 연료전지의 적층체를 얻기 위한 실시형태이다.

도 19A는, 2개의 연료전지와 그들을 지지하는 지지부재의 사시도이다. 도 19B는, 도 19A의 평면도이다. 도 19C는, 도 19B의 19C-19C선에 있어서의 단면도이다. (146)은 지지부재, (147a)는 산화제극실의 단부에 설치된 지지부재, (147b)는 연료극실 격벽이다. 도 19A에 표시된 바와 같이, 연료극실 격벽(147b)(혹은 지지부재(147b))은, 2개의 연료전지(14)사이에 삽입되어 있고, 다른 지지부재(146)는, 2개의 연료전지(14)사이의 중앙부근에 산발적으로 위치해서, 연료전지(14)를 지지하고 있다.

이 때문에, 집전부재를 지니지 않는 경우에 있어서도, 지지부재(146)가 연료전지의 적층체의 강도를 높이는 것이 가능하다. 도 19A 내지 도 19C에 기재되어 있는 바와 같이, 복수의 블록형상의 지지부재(146)가 산발적으로 배치됨으로써, 2개의 연료전지(14)사이의 연료(혹은 산화제)의 유통은 방해되지 않는다.

제 6실시형태의 연료전지의 적층체는, 집전부재를 지니지 않으므로, 그 만큼 얇게 되어 있다. 또, 지지부재(146)가 연료전지(14)의 표면을 압압하고 있으므로, 연료 등의 압력에 의한 고분자 전해질막의 파단이나 박리가 방지된다.

이와 같이, 평판형의 집전부재를 이용하지 않고, 연료전지사이에 지지부재(146)를 설치함으로써, 연료전지의 적층체의 강도를 충분히 확보하는 것이 가능하므로, 도 25에 표시한 바와 같은 박형 플렉시블 연료전지시스템이 용이하게 제작된다.

또, 연료극실의 격벽(147b)으로서는, 연료가 외부에 누설되지 않도록, 기밀성을 지니는 것이 바람직하다. 산화제극실의 단부에 위치하는 지지부재(146a)로서는, 산화제로서의 외기를 도입할 경우에는, 통기성을 지니는 것이 바람직하다.

도 19A 내지 도 19C에 표시된 제 6실시형태의 연료전지의 적층체의 변형예로서, 도 20A 내지 도 24B를 들 수 있다.

도 20A는, 2개의 연료전지와 그들을 지지하는 다공질 지지부재의 평면도이다. 도 20B는, 도 20A의 20B-20B선에 있어서의 단면도이다. 지지부재(146)로서 다공질 재료가 이용되고 있다. 이 때문에, 연료(혹은 산화제)의 유통이 방해되지 않는다.

도 21A는, 2개의 연료전지와 그들을 지지하는 다공질 지지부재의 평면도이다. 도 21B는 도 21A의 21B-21B선에 있어서의 단면도이다. 지지부재(146)는, 도 19A에 표시된 지지부재(146)보다도 크나, 재료로서 다공질 재료가 이용되고 있으므로, 연료(혹은 산화제)의 유통이 방해되지 않는다.

도 22A는, 2개의 연료전지와 그들을 지지하는 다공질 지지부재의 평면도이다. 도 22B는 도 22A의 22B-22B선에 있어서의 단면도이다. 지지부재(146)는 통기구멍(150)을 지닌다. 이 통기구멍(150)을 통해서 연료(혹은 산화제)가 유통될 수 있으므로, 연료(혹은 산화제)의 유통이 방해되지 않는다.

도 23A는, 2개의 연료전지와 그들을 지지하는 통기구멍을 지니는 지지부재의 평면도이다. 도 23B는 도 23A의 23B-23B선에 있어서의 단면도이다. 지지부재(146)는, 도 19A에 표시된 지지부재(146)보다도 크나, 통기구멍(150)을 지니므로, 연료(혹은 산화제)의 유통은 방해되지 않는다.

도 24A는, 2개의 연료전지와 그들을 지지하는 다공질 지지부재의 평면도이다. 도 24B는 도 24A의 24B-24B선에 있어서의 단면도이다. 지지부재(146)의 형상은 구형이어도 된다.

(제 7실시형태)

제 7실시형태에 대해서 설명한다. 제 7실시형태는, 제 3실시형태의 집전부재와 같은 집전하기 위한 부재를 설치하는 대신에, 연료전지사이의 산화제극실의 단부에 각각 위치하는 지지부재와 연료극실 격벽이 연료전지에서 생기는 전력을 모으기 위한 역할을 겸하는 실시형태이다

도 26은, 2개의 연료전지를 병렬로 접속하는 경우에 있어서의, 연료전지(14)와 배선기판(120a)과 산화제극실의 단부에 위치하는 지지부재(147a)와 연료극실의 격벽(147b)과의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다. (131)은, 배선부재(120a)에 설치된, 지지부재(147a)나 격벽(147b)이 삽입되는 삽입구, (143)은 연료극실, (144)는 산화제극실이다. 2개의 연료전지(14)사이에 연료극실의 격벽(147b)과 지지부재(146)가 삽입되어 있다. 또, 산화제극실의 단부에 위치하는지지부재(147a)와 별도의 지지부재(146)가 연료전지(14)의 또한쪽의 면에 설치되어 있다. 2개의 지지부재(147a)와 1개의 격벽(147b)의 단부의 각각은, 연료전지사이로부터 돌출시켜 놓고(2개의 연료전지가 둘러싸는 공간으로부터 비어져 나와 있음), 각각 배선기판(102a)의 삽입구(131)에 삽입되어 있다.

제 7실시형태에 있어서는, 산화제극실의 지지부재(147a) 및 연료극실의 격벽(147b)으로서 도전성인 것이 이용된다. 이들 지지부재(147a) 및 격벽(147b)을 통해서 연료전지(14)에서 생기는 전력이 배선부재(120a)에 인출된다. 이와 같은 구성에 의해, 산화제극실의 단부에 위치하는 지지부재(147a)와 연료극실의 격벽(147b)은, 인접하는 연료전지끼리의 접촉을 방해하는 동시에, 연료전지에서 생긴 전력을 모으는 역할을 겸하는 것이 가능하다. 또, 연료극실 격벽(147b)과 산화제 극의 단부의 지지부재(147a)와의 접촉을 방지하기 위해, 이들 부재사이에 절연막을 설치해도 된다.

도 27은, 연료전지와, 배선기판에의 배선기능을 지닌 도전성 연료극실 격벽과의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다(병렬접속의 경우). 2개의 연료전지(14)는, 연료극실의 격벽(147b)을 삽입하고 있다. 격벽(147b)의 단부는, 2개의 연료전지가 둘러싸는 공간으로부터 비어져 나와 있다. 2개의 연료전지(14)의 연료 극 끼리는 서로 대향하고 있고, 그 사이에는 연료극실(143)이 형성된다. 연료는 이 연료극실(143)내를 유통하고, 연료전지(14)의 산화제 극을 통해서 발전에 기여한다. 연료전지(14)에 있어서 생기는 전력은, 연료전지(14)의 연료 극에 접촉하는 격벽(147b)을 통해서 인출된다.

도 28A는, 연료극실 격벽(147b)(산화제극실의 단부에 위치하는 지지부재(147a))의 사시도이다. 도 28B는, 도 28A의 평면도이다. 격벽의 형상은 U자형상이며, 정확히 U자 형상의 바닥에 대응하는 부분이 도 26 및 도 27에 표시한 바와 같이 연료전지사이의 공간으로부터 비어져 나온다. U자의 2개의 팔부분으로 둘러싸인 영역은, 연료전지의 적층체의, 연료극실(143)(산화제극실(144))로서 이용되는 영역이다.

도 29는, 2개의 연료전지를 병렬로 접속하기 위한 배선기판(121a)과 그 배선패턴을 설명하기 위한 도면이다. 2개의 산화제극실의 단부에 위치하는 지지부재(147a)와 연료극실의 격벽(147b)은, 각각 삽입구(131)에 삽입된다. 최상단과 최하단의 삽입구(131)는 배선(22)에 의해서 전기적으로 접속된다. 도 26에 표시한 바와 같이, 연료전지의 적층체를 배선기판(121a)에 접속함으로써, 2개의 연료전지(14)를 전기적으로 병렬로 접속하는 것이 가능하다.

(제 8실시형태)

제 8실시형태에 대해서 설명한다. 제 8실시형태는, 배선기판과의 접속부가 중앙으로부터 어긋나 있는 격벽을 이용하는 점에 있어서, 제 7실시형태와 다르다.

도 30은, 배선기판과의 접속부가 중앙으로부터 어긋나 있는 연료극실 격벽(147b)(산화제극실의 단부에 위치하는 지지부재(147a))의 평면도이다. 이 격벽의 형상은, 알파벳의 "y"자를 정확히 뒤집은 바와 같은 형상이다. 2개의 산화제 극의 지지부재(147a)와 1개의 연료 극 격벽(146b)과의 방향을 앞뒤 거꾸로 함으로써, 양극의 접속부와 음극의 접속부의 위치를 좌우로 배치하는 것이 가능하다.

도 31은, 도 30의 격벽을 이용하는 경우에 있어서의 배선기판(120a)과 그 배선패턴을 설명하기 위한 도면이다(이 배선패턴은, 2개의 연료전지를 병렬로 접속하는 패턴임). 따라서, 오른 쪽의 2개의 삽입구는, 배선(122)에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 이들 2개의 삽입구에 각각 삽입되는 2개의 지지부재(147a)는 동일 극성이므로, 2개의 연료전지(14)를 병렬로 접속하는 것이 가능하다. 또, 이 예에 있어서는, 오른쪽의 2개의 삽입구(131)에는 양극의 지지부재(147a)가 삽입되고, 왼쪽의 삽입구(131)에는, 음극의 격벽(147b)이 삽입된다. 동일 극성을 지닌 격벽이 동일한 쪽에 배열되므로, 극성의 구별이 용이하고, 배선(122)의 패턴도 간이하다.

또, 각 연료전지의 기전력이 0.8V정도의 크기로도, DC/DC변환기 등을 이용해서 변압함으로써, 전기기기에 최적인 전압을 연료전지시스템의 외부에 출력하는 것이 가능하다.

제 8실시형태는, 연료전지의 수가 2개인 경우이나 마찬가지의 구성을 전지의 수가 4개인 경우에도 적용하는 것이 가능하다. 즉, 도 30 및 도 31에 표시한 경우와 같다.

도 32는, 4개의 연료전지를 병렬로 접속하는 경우에 있어서의 , 연료전지와 배선기판과 산화제 극의 단부에 위치하는 지지부재와 연료극실 격벽과의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다. 4개의 연료전지(14)와 3개의 지지부재(147a)와 격벽(147b)이 교대로 배치된다.

도 33은, 4개의 연료전지를 병렬로 접속하기 위한 배선기판과 그 배선패턴을설명하기 위한 도면이다. 지지부재(147a) 및 격벽(147b)으로서, 도 28에 표시한 U자 형상의 부재가 이용되면, 3개의 지지부재(147a)의 단부와 2개의 격벽(147b)의 단부(U자 형상의 바닥 부분)에 대응하는 배선기판(120b)의 삽입구(131)의 위치는, 도 34에 표시한 바와 같이 일렬로 된다.

도 34는, 4개의 연료전지를 병렬로 접속하기 위한 배선기판과 다른 배선패턴을 설명하기 위한 도면이다. 위로부터 1, 3 및 5번째의 삽입구(131)는 배선(122)에 의해서 전기적으로 접속되어 있고, 한편, 위에서부터 2 및 4번째의 삽입구(131)는, 전기적으로 접속되어 있다. 이와 같은 구성에 의해, 5개의 연료전지를 용이하게 병렬로 접속하는 것이 가능하다.

도 28B에 표시된 격벽(147b)(혹은 지지부재(147b))대신에, 도 30에 표시한 역 "y"자형의 격벽을 이용하면, 지지부재(147a)의 단부와 격벽(147b)의 단부("y"자형의 발부분)에 대응하는 배선기판(120c)의 삽입구(131)의 위치에 대해서는, 도 34에 표시된 바와 같이 오른쪽과 왼쪽에 각각 동일한 극성의 삽입구가 배열된다. 이 예에서는, 오른쪽의 삽입구는 음극, 왼쪽의 삽입구는 양극이다.

(제 9실시형태)

제 9실시형태에 대해서 설명한다. 제 9실시형태는, 각 연료전지가 병렬로 접속되어 있지 않고 직렬로 접속되어 있는 점에 있어서, 제 8실시형태와 다르다.

도 35는, 연료전지와 절연성의 연료 극 격벽과 도전성 부재와의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 36은, 2개의 연료전지를 직렬로 접속할 경우에 있어서의 연료전지와 배선기판과 연료극실 격벽과의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다. 제 9실시형태에 있어서는, 연료극실 격벽(147b)을 사이에 삽입해서 서로 대향하고 있는 2개의 연료전지(14) 를 서로 절연하기 위해, 격벽(147b)은 절연성의 것이다. 연료전지(14)에 있어서 생기는 전력을 인출하기 위해, 연료전지(14)와 격벽(147b)과의 사이에 도전성 부재(160)가 설치되어 있다. 전력은 이 도전성 부재(160)를 통해서 취출된다. 여기서는, 산화제극실의 단부에 위치하는 지지부재(147a)로서도, 절연성의 것을 이용하고 있다.

도 37은, 2개의 연료전지를 직렬로 접속할 경우의 배선기판과 그 배선패턴을 설명하기 위한 도면이다. (132)는 도전성 부재의 삽입구이다. 도 36에 표시된 절연성의 격벽(147b)과 지지부재(147a)를 이용해서 전지의 적층체를 구성하고, 이들을 배선기판(120d)에 연결하면, 도 37에 표시한 바와 같이 된다. 위쪽의 연료전지(14)와 아래쪽의 연료전지(14)와는 절연되어 있고, 각 연료전지(14)의 연료 극과 산화제 극으로부터는 이들 각각에 접하는 도전성 부재(160)를 통해서 전력이 인출된다. 각 연료전지의 연료 극 끼리는 절연되어 있으므로, 배선(122)에 의해 한쪽의 연료전지(14)의 양극과 다른 쪽의 연료전지의 음극을 접속하는 것이 가능하다. 이 때문에, 2개의 연료전지(14)를 직렬로 접속하는 것이 가능하다.

또, 연료전지의 수가 2개인 경우에 대해서 설명하였으나, 연료전지의 수가 4개인 경우에도 마찬가지로 적용하는 것이 가능하다. 즉, 이것은, 도 38 및 도 39에 표시한 바와 같다.

도 38은, 4개의 연료전지를 직렬로 접속하는 경우에 있어서의 , 연료전지와배선기판(120e)과 지지부재(147a)와 연료극실 격벽(146a)과의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다. 4개의 연료전지(14)와 3개의 절연성의 지지부재(147a)와 2개의 격벽(147b)이 교대로 적층되어 있다. 각 연료전지(14)와 지지부재(147a) 혹은 격벽(147b)과의 사이에는, 도전성 부재(160)가 설치되어 있다. 지지부재와 격벽과는 각각 배선기판(120e)의 삽입구(131)에 삽입되어 있다.

도 39는, 4개의 연료전지를 직렬로 접속하는 경우의 배선기판과 그 배선패턴을 설명하기 위한 도면이다. 도 38에 표시한 전지의 적층체의 3개의 지지부재(147a)와 2개의 격벽(147b)에 대응해서, 삽입구(131)와 도전성 부재 삽입구(132)가 설치되어 있다. 인접하는 연료전지(14)의 서로 대향하는 극은 상호 절연되어 있으므로, 도 39에 표시한 바와 같이, 1개의 연료전지의 양극과 이 1개의 연료전지에 인접하는 다른 연료전지의 음극을 접속함으로써, 5개의 연료전지(14)를 직렬로 접속하는 것이 가능하다.

또, 지지부재(147a)와 격벽(147b)이 절연성이 아니라 도전성인 경우에도, 도 40에 표시한 바와 같은 구성이면, 인접하는 연료전지끼리를 절연시키는 것이 가능하다. 도 40은, 연료전지와 산화제극실의 단부에 위치하는 도전성 지지부재와 연료극 격벽과 절연성 부재와 도전성 부재와의 위치관계를 설명하기 위한 도면이다. (161)은 절연성 부재이다. 도전성 지지부재(147a) 혹은 도전성의 격벽(147b)과 연료전지(14)와의 사이에 절연성 부재(161)가 설치되어 있고, 절연성 부재(161)와 연료전지(14)와의 사이에 도전성 부재(161)가 설치되어 있다. 2개의 연료전지(14)를 서로 절연하는 것이 가능하고, 또, 연료전지에서 생기는 전력을 도전성부재(160)를 통해서 외부로 인출하는 것이 가능하다. 절연성 부재(161)는, 지지부재(147a)와 격벽(147b)의 표면에 도포, 코팅 등의 방법에 의해 형성하는 것이 가능하다. 도전성 부재는, 지지부재와 격벽의 절연성 부재(160)상에, 도포, 코팅, 증착 등에 의해 형성되는 것이 가능하다.

(제 10실시형태)

제 10실시형태에 대해서 설명한다. 제 10실시형태는, 산화제 극에 있어서 생기는 물에 의해서, 산화제 극끼리가 대면하는 상태에서 서로 대항하는 2개의 연료전지가 도통하는 것을 방지하는 실시형태이다.

도 41은, 2개의 연료전지사이에 물차단부재를 지닌 연료전지시스템의 셀부의 구성도이다. (148)은 산화제 극에 있어서 생기는 물을 차단하는 부재이다. 산화제 극의 단부에 위치하는 지지부재(147a)를 샌드위치해서 산화제 극끼리 대면해서 대항하는 전지사이에, 복수의 지지부재(146)가 설치되어 있고, 복수의 지지부재(146)사이에 물차단수단이 설치되어 있다. 한쪽 전지의 산화제 극에서 생성되는 물의 대향하는 전지로의 이동은, 물차단수단에 의해서 저지되는 것이 가능하다. 특히, 그와 같은 부재로서는, 공기의 공급을 방지하지 않는다고 하는 관점에서, 기액분리막 등이 바람직하다.

또, 물차단수단의 변형예로서는, 도 42나 도 43에 표시된 바와 같은 지지부재(146)중에 물차단부재를 지닌 것을 들 수 있다

또, 물을 차단하기 위한 다른 수법으로서는, 지지부재(146)로서 소수성 부재를 사용하는 수법을 들 수 있다. 또, 지지부재(146)로서 소수성의 다공질 재료로이루어진 부재에 있어서, 지지부재의 중앙부의 다공질의 표면적이 큰 것을 사용하는 수법을 들 수 있다. 표면적을 증대시키는 방법으로서는, 구멍의 크기는 변화시키지 않고 구멍의 밀도를 증가시키는 방법이나, 구멍의 크기를 작게 하고 수를 증대시키는 방법을 들 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제 1발명에 의하면, 연료전지시스템을 구성하는 각 부의 배치관계를 특정하였으므로, 소형의 휴대할 수 있는 전기기기에 탑재가능한 대용량, 고출력의 연료전지시스템을 제공하는 것이 가능하다. 또, 연료탱크카트리지만을 교환가능한 연료전지시스템을 제공하는 것이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제 2발명에 의하면, 각 연료전지를 서로 연료 극 끼리 대향하고 또한 산화제 극끼리 대향하도록 적층하고, 연료전지사이에 공통의 연료 유로 및 공통의 산화제 유로를 설치함으로써, 연료 유로를 넓게 해서 효율좋게 연료전지에 연료를 공급하고, 또 복수의 연료전지를 컴팩트하게 만들 수 있는 연료전지시스템을 제공하는 것이 가능하다.

또, 본 발명의 연료전지시스템을 사용함으로써, 디지틀 카메라, 디지틀 비데오 카메라, 소형 프로젝터, 소형 프린터, 노트북형 퍼스널컴퓨터 등의 휴대가능한 소형 전기기기를 제공하는 것이 가능하다.

Claims

휴대가능한 소형의 전기기기에 탑재해서 이용되는 연료전지시스템에 있어서,

실질적으로 직방체 형상을 지닌 박형의 하우징,

1개이상의 연료전지로 이루어진 셀부,

해당 셀부에 공급되는 연료를 저장하는 연료탱크부 및

해당 연료탱크부의 연료를 셀부에 공급하는 연료공급부를 지니고,

상기 셀부와, 연료탱크부와, 연료공급부는 모두 상기 하우징내에 구비되어 있고,

상기 연료탱크부, 연료공급부 및 셀부가 상기 하우징의 두 대향면사이에 일방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항에 있어서, 상기 연료탱크부, 상기 연료공급부 및 상기 셀부가 상기 하우징의 두 대향 측면사이에 일방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 2항에 있어서, 상기 연료탱크부, 상기 연료공급부 및 상기 셀부가, 이 순서로, 상기 하우징의 두 대향 측면사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 셀부의 1개이상의 연료전지가, 상기 하우징의 하부면에 평행하게 되도록 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항에 있어서, 상기 연료탱크부, 상기 연료공급부 및 상기 셀부가, 상기 하우징의 서로 대향하는 상부면과 하부면사이에 일방향으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 5항에 있어서, 상기 셀부가 상기 하우징의 적어도 상부면과 하부면의 어느 한쪽에 대면해서 평행하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 셀부, 연료공급부, 연료탱크부, 다른 연료공급부 및 다른 셀부가, 이 순서로, 상기 상부면과 하부면사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징이 산화제 가스를 공급하는 개구부를 지니고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 8항에 있어서, 상기 개구부는, 상기 하우징의 적어도 셀부가 있는 부분에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 8항 또는 제 9항에 있어서, 상기 개구부가 상기 하우징의 상부면, 하부면 및 측면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항 내지 제 10항중 어느 한 항에 있어서, 발전한 전력을 모아서 얻어진 전력을 외부에 공급하는 배선부를 또 구비하고, 해당 배선부가 상기 연료탱크부가 없는 위치에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항 내지 제 11항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료탱크부가 상기 하우징으로부터 탈착가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
한쪽 면에 연료 극을, 다른 쪽 면에 산화제 극을 지닌 연료전지 A와, 한쪽 면에 산화제 극을, 다른 쪽 면에 연료 극을 지닌 연료전지 B를 구비하고, 해당 연료전지 A와 B의 연료 극 끼리 서로 대향하거나, 또는 해당 연료전지 A와 B의 산화제 극 끼리 서로 대향하고, 상기 연료전지 A와 B의 서로 대향하는 연료 극사이에 공통의 연료 유로를 설치하거나, 또는 상기 연료전지 A와 B의 서로 대향하는 산화제 극사이에 공통의 연료 유로를 설치해서 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 13항에 있어서, 상기 연료전지 A와 연료전지 B의 적어도 어느 한쪽의 수는 2개이상이며, 상기 연료전지 A와 상기 연료전지 B는, 해당 연료전지 A와 B의 연료 극 끼리 혹은 산화제 극끼리의 적어도 1종이 서로 대향하도록 교대로 설치되고, 상기 연료전지 A와 B의 연료 극이 서로 대향하는 사이에 공통의 연료 유로 혹은 산화제 유로가 대향하는 사이에 공통의 산화제 유로의 적어도 어느 하나가 설치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 13항 또는 제 14항에 있어서, 상기 연료전지 A와 연료전지 B의 각각의 수는, 1개이상으로 이루어지고, 해당 연료전지 A와 연료전지 B는 동일한 구조를 지니고, 1종의 연료전지를 반대로 해서 연료 극끼리 서로 대향시키고 산화제 극 끼리 서로 대향시키도록 연료전지를 교대로 적층해서 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 13항 내지 제 15항중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화제 유로의 산화제와 상기 연료 유로의 연료의 압력차에 의한 연료전지의 변형을 억제하기 위해 상기 산화제 유로에 지지부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 16항에 있어서, 상기 지지부재가 다공질 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 13항 내지 제 17항중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 연료전지로부터 발전된 전력을 인출해서, 연료와 접하지 않은 부분에서 전력을 회수하는 배선부를 또 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 18항에 있어서, 상기 배선부가 연료전지의 바깥쪽에서, 해당 연료전지의 면에 대해서 수직인 방향에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 19항에 있어서, 상기 배선부와 접해서, 연료전지시스템의 전력을 해당 연료전지시스템의 외부로 인출하기 위한 전극이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
한쪽 면에 연료 극을, 다른 쪽 면에 산화제 극을 각각 지닌 복수의 연료전지와;

상기 복수의 연료전지사이에, 각각 상기 복수의 연료전지의 연료 극과 산화제 극에 접해서 설치된, 상기 복수의 연료전지의 개개의 전력을 인출하는 복수의 집전부재와;

상기 복수의 집전부재사이에 설치된, 인접하는 집전전극을 서로 절연하는 절연성 부재를 구비한 연료전지시스템에 있어서,

상기 복수의 연료전지가, 인접하는 연료전지의 연료 극 끼리 혹은 산화제 극 끼리가 서로 대향하도록 설치되어 있고, 연료 극 끼리가 서로 대향할 경우에는 서로 대향하는 연료 극사이에 공통의 연료 유로가 설치되거나, 또는 산화제 극 끼리가 서로 대향할 경우에는 서로 대향하는 산화제 극사이에 공통의 산화제 유로가 설치되어 있고,

상기 복수의 연료전지와, 상기 복수의 집전전극과, 상기 절연성 부재가, 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 21항에 있어서, 상기 복수의 집전부재의 형상이, 각각, 평판형인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 21항 또는 제 22항에 있어서, 상기 복수의 집전부재가, 각각, 통기성을 지니고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 23항에 있어서, 상기 복수의 집전부재가, 각각, 통기구멍을 지니고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 21항 내지 제 24항중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 집전부재에는, A와 B의 2종류가 있고, 집전전극 A가 그 단부에 지닌 전력인출부가 그 집전부재 A의 중앙으로부터 변위되어 있는 집전전극이고, 집전전극 B가 그 단부에 지닌 전극인출부가 집전전극 A의 전력인출부의 변위부와는 반대로 변위되어 있는 집전전극인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 25항에 있어서, 상기 복수의 집전전극은, 집전전극 A가 산화제 극에 접해서 설치되고, 또한, 집전전극 B가 연료 극에 접해서 설치되도록, 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 25항에 있어서, 상기 복수의 집접전극은, 집전전극 A와 집전전극 B가 교대로 설치되도록, 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 25항 내지 제 27항중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 집전전극을 서로 전기적으로 접속하는 배선기판을 또 구비하고 있고, 상기 복수의 연료전지가, 상기 복수의 집전전극의 각각의 전극인출부가 상기 배선기판에 연결됨으로써, 서로 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 21항 내지 제 28항중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연성 부재중, 산화제 극사이에 설치된 절연성 부재가 지지부재이며, 연료 극사이에 설치된 절연성 부재가 연료극실과 그 외부를 격리하는 격벽인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
한쪽 면에 연료 극을, 다른 쪽 면에 산화제 극을 각각 지닌 복수의 연료전지와;

상기 연료전지의 일단부로부터 비어져 나와 설치되고, 또 상기 산화제 극에 접해서 설치된 복수의 도전성 지지부재와;

상기 연료전지사이에 연료전지의 일단부로부터 비어져 나와서 설치되고, 상기 연료 극에 접해서 설치된, 연료극실과 그 외부를 격리하는 도전성 격벽을 구비하고 있고;

상기 복수의 연료전지가, 인접하는 연료전지의 산화제 극끼리 혹은 연료 극 끼리가 서로 대향하도록 설치되어 있고, 연료 극끼리가 서로 대향할 경우에는 서로 대향하는 연료 극사이에 공통의 연료 유로가 설치되고, 또는, 산화제 극끼리가 서로 대향할 경우에는, 서로 대향하는 산화제 극사이에 공통의 산화제 유로가 설치되어 있고;

상기 복수의 연료전지와, 상기 지지부재와, 상기 격벽이 적층되어 있고;

상기 복수의 연료전지의 각각에 의해서 생긴 전력이, 상기 지지부재와 상기 격벽을 통해서 인출되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 30항에 있어서, 별도의 지지부재를 또 구비하고 있고, 상기 별도의 지지부재가 상기 복수의 연료전지사이에 접해서 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 31항에 있어서, 상기 별도의 지지부재가 도전성을 지니고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
한쪽 면에 연료 극을, 다른 쪽 면에 산화제 극을 각각 지닌 복수의 연료전지와;

연료전지의 일단부로부터 비어져 나와서 설치되고, 또 상기 산화제 극에 도전성 부재를 개재해서 설치된 절연성 지지부재와;

연료전지사이에, 연료전지의 일단부로부터 비어져 나와 설치되고, 상기 연료 극에 도전성 부재를 개재해서 설치된, 연료극실과 그 외부를 격리하는 절연성 격벽을 구비하고 있고;

상기 복수의 연료전지가, 인접하는 연료전지의 산화제 극끼리 혹은 연료 극끼리가 서로 대향하도록 설치되어 있고, 연료 극 끼리가 서로 대향할 경우에는 서로 대향하는 연료 극사이에 공통의 연료 유로가 설치되고, 또는 산화제 극 끼리가 서로 대향할 경우에는 서로 대향하는 산화제 극사이에 공통의 산화제 유로가 설치되어 있고;

상기 복수의 연료전지와, 상기 지지부재와, 상기 격벽이 적층되어 있고;

인접하는 연료전지가, 서로 지지부재와 상기 격벽에 의해서 전기적으로 절연되어 있고;

상기 도전성 부재가, 연료전지의 일단부로부터 비어져 나와 설치되어 있고;

상기 복수의 연료전지의 각각에 의해서 생긴 전력이, 상기 지지부재를 통해서 인출되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 33항에 있어서, 상기 개별의 지지부재가 절연성을 지니고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 33항 또는 제 34항에 있어서, 물의 유통을 방해하는 물차단부재를 또 구비하고, 상기 물차단부재가 산화제 극사이에 설치되어, 산화제 극에 있어서 생긴 물이 서로 대향하는 산화제 극의 양쪽에 접하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항 내지 제 35항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료전지시스템이 고체 고분자형 연료전지시스템인 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제 1항 내지 제 36항중 어느 한 항에 의한 연료전지시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 전기기기.