KR20040064660A - 연료전지 발전장치와 그것을 이용한 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 세퍼레이터나 유체공급 등의 보조기계를 필요로 하지 않고 휴대용 전원으로서도 적합한 연료전지발전장치를 얻는 데에 있다.
본 발명에 따르면 연료를 산화시키는 애노드와 산소를 환원시키는 캐소드가 전해질막을 거쳐 형성되고, 액체를 연료로 하는 것에 있어서, 연료용기(1)의 벽면에 통기구멍을 1개 이상 구비하고, 또한 상기 연료용기의 벽면에 전해질막, 애노드 및 캐소드를 가지는 단전지를 복수개 설치하여 각각의 단전지를 전기적으로 접속한 연료전지발전장치가 제공된다.

Description

연료전지 발전장치와 그것을 이용한 장치{A FUEL CELL POWER GENERATION EQUIPMENT AND A DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 애노드, 전해질막, 캐소드, 확산층으로 구성되어 애노드에서 연료가 산화되고, 캐소드에서 산소가 환원되는 연료전지발전장치에 관한 것으로, 특히 연료로서 메탄올과 같은 액체연료를 사용한 소형의 휴대용 전원과, 이것을 사용한 휴대용 전자기기에 관한 것이다.
최근의 전자기술이 진보함에 따라 전화기, 노트북 컴퓨터, 오디오·비쥬얼기기, 또는 모바일용 정보단말기기 등이 소형화되어 휴대용 전자기기로서 급속하게 보급이 진행되고 있다.
종래 이와 같은 휴대용 전자기기는 2차전지에 의하여 구동하는 시스템으로, 실납(seal Pb) 배터리로부터 Ni/Cd전지, Ni/수소전지, 나아가서는 Li 이온전지와신형 2차전지의 출현, 소형 경량화 및 고에너지 밀도화에 의하여 발전하여 왔다. 어느 2차전지에 있어서도, 에너지밀도를 높이기 위한 전지활성물질개발이나 고용량 전지구조의 개발이 행하여져 한 번의 충전으로 더욱 사용시간이 긴 전원을 실현하는 노력이 행하여지고 있다.
그러나 2차전지는 일정량의 전력사용후에는 충전이 필수적이고, 충전설비와 비교적 긴 충전시간이 필요하게 되기 때문에 휴대용 전자기기의 장시간 연속구동에는 많은 문제가 남아 있다. 앞으로 휴대용 전자기기는 증가하는 정보량과 그 고속화에 대응하여, 보다 고출력 밀도로 고에너지 밀도의 전원, 즉 연속 사용시간이 긴 전원을 필요로 하는 방향으로 나아가고 있고, 충전을 필요로 하지 않는 소형발전기 (마이크로발전기)의 필요성이 높아지고 있다.
이와 같은 요청에 대응하는 것으로서, 연료전지전원을 생각할 수 있다. 연료전지는 연료가 가지는 화학에너지를 전기화학적으로 직접 전기에너지로 변환하는 것으로, 통상의 엔진발전기 등의 내연기관을 사용한 발전기와 같은 동력부를 필요로 하지 않기 때문에, 소형 발전장치로서의 실현성은 높다. 또 연료전지는 연료를 보급하는 한 발전을 계속하기 때문에 통상의 2차전지 경우와 같은 충전을 위하여 기기의 동작을 일시 정지한다는 것이 불필요하게 된다.
이와 같은 요청 중에서 퍼플루오로 카본술폰산계 수지의 전해질막을 사용하여 애노드에서 수소가스를 산화하고, 캐소드에서 산소를 환원하여 발전하는 고체고분자형연료전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)는 출력밀도가 높은 전지로서 알려져 있다.
이 연료전지를 보다 소형화하기 위하여 예를 들면 일본국 특개평9-223507호 공보에 나타내는 바와 같이 중공사형(中空絲形)의 전해질의 내면과 외면에 애노드 및 캐소드전극을 부설한 원통형 전지의 집합체로 하여 원통 내부와 외부에 각각 수소가스와 공기를 공급하는 소형 PEFC 발전장치가 제안되어 있다. 그러나 휴대용 전자기기의 전원에 적용하는 경우에는 연료가 수소가스이기 때문에 연료의 체적 에너지밀도가 낮아 연료탱크의 체적을 크게 할 필요가 있다.
또 이 시스템에서는 연료가스나 산화제가스(공기 등)를 발전장치로 보내주는 장치나, 전지성능유지를 위해 전해질막을 가습하는 장치 등의 보조기계가 필요하여 발전시스템이 복잡한 구성이 되어 소형화하기 위해서는 충분하다고는 할 수 없다.
연료의 체적 에너지밀도를 올리기 위해서는 액체연료를 사용하는 것, 연료나 산화제 등을 전지에 공급하는 보조기계를 없애어 단순구성으로 하는 것이 유효하게 된다. 이와 같은 것으로서는 일본국 특개2000-268835호, 특개2000-268836호 공보에 메탄올과 물을 연료로 하는 직접형 메탄올 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cel1)가 제안되어 있다.
이 발전장치는 액체연료용기의 외벽측에 모관력에 의하여 액체연료를 공급하는 재료를 거쳐, 이것에 접하도록 애노드를 배치하고, 또한 고체고분자 전해질막, 캐소드를 차례로 접합하여 구성된다.
산소는 외기에 접촉하는 캐소드 외표면으로의 확산에 의하여 공급되기 때문에 이 방식의 발전장치는 연료 및 산화제가스를 공급하는 보조기계를 필요로 하지 않는 간단한 구성이 되어 복수의 전지를 직렬에 조합할 때에는 전기적 접속만으로세퍼레이터라는 단위전지의 결합부품을 필요로 하지 않는 것이 특징이다.
그러나 DMFC는 부하시의 출력전압이 단위전지당 0.3 내지 0.4V 이기 때문에 휴대용 전자기기 등이 필요로 하는 전압에 대응하기 위해서는 연료전지부설의 연료탱크를 복수개 사용하여 각 전지를 직렬로 접속할 필요가 있다. 또 발전장치를 소형화하기 위해서는 전지의 직렬수가 증가하여 단위전지당 연료용기의 용량을 작게 할 필요가 있고, 연료용기의 수가 직렬수에 따라 분산되어 버린다는 과제가 남아 있다.
또 이 산성형 전해질의 연료전지의 작동에 따라 액체연료탱크내에는 애노드의 산화반응으로 생성한 가스를 배출하는 기구를 실현하지 않으면 연속사용이 곤란하게 된다.
본 발명의 목적은, 전력의 사용에 따라 2차전지와 같이 일정용량의 전력을 소비할 때마다 충전하지 않고 연료를 보급함으로써 용이하게 발전을 계속할 수 있는 연료전지발전장치로서, 체적 에너지밀도가 높은 연료를 사용하는 시스템을 제공하는 것에 있다.
또 소정의 전압을 얻기 위하여 애노드, 전해질막 및 캐소드로 이루어지는 단위전지를 도전성의 유체통로구조를 가진 세퍼레이터를 거쳐 적층함으로써, 연료전지발전장치를 구성하여 연료, 산화제 가스를 강제적으로 유통시키는 유체공급기구를 가진 종래형의 연료전지 대신에, 세퍼레이터를 필요로 하지 않는 소형의 연료전지로 유체공급기구와 같은 보조기계를 가지지 않고, 전원이 어떠한 자세이더라도각 단위전지로의 액체연료의 공급이 가능하고, 애노드에서 산화생성한 가스를 연료용기로부터 배출하는 기능을 가지는 휴대용에 적합하고, 콤팩트한 전원, 및 그것을 사용한 휴대용 전자기기를 제공하는 것에 있다.
도 1은 본 발명의 연료용기의 단면구조도,
도 2는 본 발명의 전극/전해질막 접합체의 구성을 나타내는 모식도,
도 3은 본 발명의 연료전지 고정판의 단면도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 통기구멍 단면구조와 수납용기 설치 단면구조의 단면도,
도 5는 실시예 1의 연료전지의 설치부품의 구성도,
도 6은 실시예 1의 연료전지 발전장치의 외관도,
도 7a 및 도 7b는 비교예 1의 세퍼레이터의 외관과 단면의 구성도,
도 8은 비교예 전지의 적층구성을 나타내는 구성도,
도 9는 본 발명도 고전압 각통형 유닛전지의 외판의 구성도,
도 10a 및 도 10b는 비교예 1의 전원 외관구조와 전원/연료탱크의 결합을 나타내는 도,
도 11은 실시예 1의 전극/전해질막 접합체의 구성도,
도 12는 실시예 1의 연료전지 발전장치의 외관도,
도 13은 실시예 1의 연료전지 발전장치의 단면도,
도 14는 비교예 2의 연료전지 발전장치의 외관도,
도 15는 실시예 2의 연료수용용기의 단면도,
도 16은 실시예 2의 연료전지의 설치부품의 구성도,
도 17은 실시예 3의 연료용기의 단면도,
도 18은 실시예 4의 연료전지 발전장치의 외관도,
도 19는 실시예 5의 연료전지 발전장치의 외관도이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 연료용기 2 : 연료전지 설치부
3 : 확산구멍 4 : 인터커넥터
5 : 액체연료 빨아올림재 6 : 연료전지단자
7 : 캐소드 집전판 8 : 연료전지 고정판
9 : MEA (전해질막/전극접합체) 10 : 가스킷
11 : 확산층 12 : 메탄올수용액
13 : 단전지 15 : 통기구멍
16 : 출력단자 17 : 체결밴드
18 : 연료 유지층 19 : 통기구멍 설치구멍
20 : 절연층 21 : 전해질막
22 : 애노드층 23 : 캐소드층
50 : 기액분리막 51 : 통기관
52 : 통기덮개 54 : 리브부
81 : 세퍼레이터 82 : 매니폴드
83 : 세퍼레이터 종단면도 84 : 세퍼레이터 횡단면도
85 : 발전 구멍개방부 86 : 매니폴드 구멍개방부
87 : 매니폴드 매립부 88 : 홈 매립부
89 : 리브부 92 : 라이너
93 : 퍼올림재 94 : 적층전지
102 : 연료탱크 103 : 연료전지 설치부
105 : 셀 홀더
상기 목적을 달성하는 본 발명의 요지는 다음과 같다.
연료를 산화시키는 애노드와 산소를 환원시키는 캐소드가 전해질막을 거쳐 형성되고, 액체를 연료로 하는 연료전지발전장치에 있어서, 연료용기의 벽면에 통기구멍을 1개 이상 구비하고, 또한 상기 연료용기의 벽면에 전해질막, 애노드 및 캐소드를 가지는 단전지를 복수개 설치하여 각각의 단전지를 전기적으로 접속한 연료전지발전장치가 제공된다.
액체연료를 수납하는 용기를 편평형상으로 하고, 그 외벽면에 애노드, 전해질막, 캐소드로 구성되는 단전지가 복수개 설치된다.
특히, 소요전류가 비교적 작고, 높은 전압을 필요로 하는 경우에는, 액체연료를 수납하는 용기의 바깥 둘레면에 애노드, 전해질막, 캐소드로 구성되는 복수의 단전지를 배치하고, 각 단전지를 도전성의 인터커넥터로 직렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 접속함으로써 고전압화를 도모할 수 있다.
연료는 연료용기를 편평형상으로 하여 결합함으로써, 각각의 단전지에 강제적으로 공급하는 보조기계를 설치하는 일 없이 공급된다. 이 때 액체연료용기내에 액체연료를 유지하여 모관력에 의해 빨아 올리는 재료를 충전함으로써 연료보급은 더욱 안정화된다.
한편, 액체연료용기의 외벽면에 발전부를 가지는 각 단전지는, 공기 중의 산소의 확산에 의해 산화제가 공급된다. 연료로는 체적 에너지밀도가 높은 메탄올의 수용액 등을 액체연료로서 사용함으로써, 동일용적의 수납용기에 수소가스를 연료로서 사용한 경우와 비교하여 더욱 장시간의 발전을 계속할 수 있다.
본 발명에 의한 연료전지로 이루어지는 전원을 2차전지 탑재의 휴대전화기, 휴대용 퍼스널컴퓨터, 휴대용 오디오, 비쥬얼기기, 그 밖의 휴대용 정보단말을 휴지시에 충전하기 위하여 부설되는 배터리충전기로서 사용하거나, 또는 2차전지를 탑재하지 않고 직접 내장전원으로 함으로써, 이들 전자기기는 장시간의 사용이 가능해지고, 연료의 보급에 의해 연속적으로 사용하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 사용하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명이 구성하는 액체연료용기의 단면구조의 일례를 나타낸다.
연료용기(1)의 외벽면에는 표면이 절연성인 연료전지 설치부(2)가 복수개 설치되고, 이 전지 설치부(2)의 용기벽은 미리 액체연료가 투과하는 데에 충분한 그물코형상 구조, 다공질층, 또는 슬릿형상의 확산구멍(3)을 형성하고 있다.
연료전지 설치부(2)의 표면에는 인접하는 연료전지와 전기적 접속을 하기 위한 내식성, 도전성을 가지는 재료를 도포, 베이킹하여 애노드측 인터커넥터(4)를 형성하여 둔다. 인터커넥터(4)는 액체연료가 투과하는 데에 충분한 그물코형상 구조, 다공질층 또는 슬릿형상의 확산구멍 구조를 가지고 있다.
연료용기(1)의 내벽면에는 전기화학적으로 불활성인 액체연료 빨아올림재(5)가 설치되어 있다. 연료용기의 벽면에 설치된 연료전지를 전기적으로 직렬 또는직렬과 병렬의 조합으로 접속하여 발전장치 외부로 인출하는 애노드 및 캐소드의 연료전지단자(6)를 설치하여 둔다.
단전지는 도 2에 나타내는 바와 같이 미리 고체의 전해질막(21)의 양면에 애노드층(22) 및 캐소드층(23)을 일체로 접합하여 전해질막/전극접합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)를 형성하여 둔다. 연료전지를 연료용기에 고정하기 위한 연료전지 고정판(8)은, 도 3에 나타내는 바와 같이 전기적으로 절연성인 판을 사용하여, 연료전지와 접촉하는 부분은 공기가 확산하여 연료전지에 공급하는 데에 충분한 그물코형상 구조, 다공질층 또는 슬릿형상의 확산구멍(3)을 가지고 있고, 확산구멍부분의 연료전지와 접하는 면에는 인접하는 연료전지의 애노드측 인터커넥터 (4)와 접속하기 위한 캐소드 집전판(7)을 구비하고 있다.
이 캐소드 집전판(7)의 연료전지에 접하는 부분은, 공기를 공급하는 데에 충분한 확산구멍(3)을 가지게 하고 있다. 발전에 있어서 연료용기(1)내에서는 연료가 산화되어 탄산가스가 발생하게 되나, 이 탄산가스는 도 4a에 나타내는 바와 같은 단면구조의 액 불투과성의 기액 분리기능을 가진 통기구멍(15)을 거쳐 연료용기의 외부로 배출된다.
통기구멍(15)은 통기관(51)과 나사조임방식의 통기덮개(52)로 구성되고, 발수성, 다공질의 기액분리막(50)을 통기덮개으로 고정하는 구조로 되어 있다. 이 통기구멍(15)은 도 4b에 나타내는 단면구조와 같이 연료전지발전장치가 어떠한 자세를 취하여도 1개 이상의 통기구멍이 통기상태가 되도록 연료용기(1)의 복수의 면에 배치된다.
연료전지발전장치의 조립은 도 5에 나타내는 바와 같이 연료용기의 연료전지설치부에 가스킷(10), MEA(9), 가스킷(10), 공기와 생성되는 물의 확산을 용이하게 하기 위하여 탄소섬유직포에 폴리테트라플루오로에틸렌을 미세하게 분산한 다공질의 확산층(11)의 순으로 적층하여 통기구멍 설치구멍(19)을 가지는 연료전지 고정판 (8)을 연료용기(1)에 접착 또는 나사고정 등의 방법으로 고정한다. 이 고정과정에서 캐소드 집전판은 인접하는 연료전지의 애노드측 인터커넥터와 접촉하여 전기적으로 접속되어 시점과 종점부가 출력단자(16)로서 인출된다.
연료전지발전장치의 작동에 있어서, 도 4b에 나타낸 연료보급을 겸한 통기구멍(15)의 뚜껑을 벗겨 여기에서 액체연료, 예를 들면 메탄올수용액이 충전된다. 용기 하면에 설치된 단전지에는 충전된 메탄올수용액이 침투하여 애노드에 안정적으로 공급되고, 상면에 설치된 단전지에는 빨아올림재로부터 빨아 올려져 애노드에 안정적으로 공급되게 된다.
각 단전지의 캐소드는 그물코형상, 다공질 또는 슬릿형상의 관통구멍, 캐소드 집전판과 캐소드 확산층을 거쳐 외기와 접하고 있기 때문에, 공기 중의 산소가 확산공급되고, 발전으로 생성된 물은 확산에서 배제된다.
본 예의 연료전지발전장치의 외관을 도 6에 나타낸다. 통기구멍(15)을 가지는 연료용기(1)는 발전장치의 구조체로서 기능함과 동시에, 그 벽면에 복수의 단전지(13)가 연료전지 고정판(8)으로 고정되고, 전기적으로 직렬 접속된 양쪽 끝을 출력단자(16)로서 외부로 인출하는 구조로 되어 있다.
발전에 있어서 애노드측, 즉 연료용기내에는 연료가 산화되어 탄산가스가 발생하나, 이 탄산가스는 액 불투과성의 기액 분리기능을 가진 통기구멍을 거쳐 연료용기의 외부로 배출된다. 이 통기구멍은 연료용기 벽면에 복수개 설치하여 연료용기가 발전 중에 어떠한 자세를 취하여도 1개 이상의 통기구멍이 연료액체로 막히는 일이 없는 위치에 배치하여 둠으로써, 안정적인 발전동작을 보증하고 있는 것이 특징이다.
본 발명에 의한 연료발전장치는, 연료나 산화제가스 등을 강제적으로 공급하는 설비를 필요로 하지 않고, 용기 벽면에는 단전지가 1층 설치될 뿐으로 전지가 세퍼레이터를 거쳐 복수 적층되는 구조를 취하지 않고, 방열이 충분하기 때문에 강제 냉각기구를 설치할 필요가 없다. 그 때문에 보조기계 동력손실이 없고, 적층을 위한 도전성 세퍼레이터를 필요로 하지 않는 부품점수가 적은 구조로 할 수 있다.
메탄올수용액을 연료로 하는 연료전지에서는 이하에 나타내는 전기화학반응으로 메탄올이 가지고 있는 화학에너지가 직접 전기에너지로 변환되는 형으로 발전된다.
애노드전극측에서는 공급된 메탄올수용액이 반응식 (1)에 따라 반응하여 탄산 가스와 수소이온과 전자로 해리한다.
CH3OH + H2O →CO2+ 6H++ 6e-
생성된 수소이온은 전해질막 중을 애노드로부터 캐소드측으로 이동하여 캐소드전극상에서 공기 중으로부터 확산되어 온 산소가스와 전극상의 전자가 반응식(2)에 따라 반응하여 물을 생성한다.
6H++ 3/2 O2+ 6e-→ 3H2O
따라서, 발전에 따르는 모든 화학반응은 반응식 (3)에 나타내는 바와 같이 메탄올이 산소에 의해 산화되어 탄산가스와 물을 생성하고, 화학반응식은 형식상 메탄올의 화염연소와 동일하게 된다.
CH3OH + 3/2 O2→CO2+ 3H2O
단위전지의 개로전압은 거의 실온 근방에서 1.2V이나, 연료가 전해질막을 침투하는 영향으로 실제적으로는 0.85 내지 1.0V 이고, 특별히 한정되는 것은 아니나, 실용적인 부하운전하에서의 전압은 0.3 내지 0.6V 정도의 영역이 되는 부하전류밀도가 선택된다. 따라서 실제로 전원으로서 사용하는 경우에는 부하기기의 요구에 따라 소정의 전압이 얻어지도록 복수의 단위전지를 직렬 접속하여 사용된다.
단전지의 출력전류밀도는 전극촉매, 전극구조, 그 밖의 영향으로 변화하나, 실효적으로 단전지의 발전부 면적을 선택하여 소정의 전류가 얻어지도록 설계된다.
본 발명에 의한 연료전지발전장치를 구성하는 지지체는, 액체연료를 수용하는 연료용기에 특징이 있고, 그 단면형상은 각진 형, 원형 또는 그 밖의 형상이더라도 콤팩트하게 단전지를 필요한 수만 설치할 수 있는 형상이면 특별히 제한은 없다. 그러나 단전지를 규정된 용적 중에 콤팩트하게 장전하기 위해서는 원통형 또는 각진 형이 설치효율도 좋고, 연료전지 발전부를 설치하는 가공성에 있어서도 바람직한 형상이라 할 수 있다.
지지체의 재료는 전기화학적으로 불활성이고, 사용환경하에서 내구성, 내식성을 가진 박형으로 충분한 강도를 가지는 재료이면 특별히 제한은 없다. 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 염화비닐, 폴리아크릴계 수지, 그 밖의 엔지니어링수지나 이들을 각종 필러 등으로 보강한 전기절연성의 재료, 또는 전지작동 분위기에서의 내식성이 뛰어난 탄소재료, 스테인레스강, 또는 통상의 철, 니켈, 구리, 알루미늄 또는 이들 합금의 표면을 내식화 및 전기절연화처리한 재료를 들 수 있다. 어느 것으로 하더라도 형상을 지지하는 강도, 내식성과 전기화학적으로 불활성인 재료이면 특별히 한정되는 것은 아니다.
연료전지 지지체 내부는, 연료저장 및 수송공간으로서 사용되나, 통형상 지지체 내부에 충전되어 연료공급을 안정화하는 빨아 올림재는, 메탄올수용액과의 접촉각이 작고, 전기화학적으로 불활성으로 내식성이 있는 재료이면 좋고, 분말 또는 섬유형상의 것을 사용하면 좋다. 예를 들면 유리, 알루미나, 실리카알루미나, 실리카, 비흑연계 탄소, 셀룰로스 등의 섬유나, 흡수성 고분자섬유 등은 충전밀도가 낮고, 메탄올수용액 유지성이 뛰어난 재료이다.
발전부를 구성하는 애노드 촉매로서는, 탄소계 분말 담체에 백금과 루테늄 또는 백금/루테늄합금의 미립자를 분산담지한 것, 캐소드촉매로서는, 탄소계 담체에 백금미립자를 분산담지한 것은 용이하게 제조할 수 있는 재료이다. 그러나 본 발명의 연료전지의 애노드 및 캐소드의 촉매는 통상의 직접형 메탄올 연료전지에사용되는 것이면 특별히 제한되는 것은 아니고, 전극촉매의 안정화나 수명화의 장기화를 위해 상기한 귀금속성분에 철, 주석, 희토류 원소 등으로부터 선택된 제 3 성분을 첨가한 촉매를 사용하는 것은 바람직하다.
전해질막으로는 한정적이지 않으나, 수소이온 도전성을 나타내내는 막이 사용된다. 대표적인 재료로서 퍼플루오로 카본계 술폰산수지, 폴리퍼플루오로 스틸렌계 술폰산수지 등으로 대표되는 술폰산화나 알킬렌술폰산화한 불소계 폴리머나 폴리스틸렌류, 폴리술폰산류, 폴리에테르술폰류, 폴리에테르에테르술폰류, 폴리에테르에테르케톤류, 그 밖의 탄화수소계 폴리머를 술폰화한 재료를 사용할 수 있다.
이들 전해질막에서 메탄올의 투과성이 작은 재료는 연료의 이용율을 높게 채용할 수 있고, 연료의 크로스오버에 의한 전지전압의 저하도 없어 바람직한 재료이며, 일반적으로 연료전지를 90℃ 이하의 온도에서 운전할 수 있다. 또 텅스텐산화물 수화물, 지르코늄산화물 수화물, 주석산화물 수화물, 주석산화물 수화물, 규소텅스텐산, 규소몰리브덴산, 텅스토인산, 몰리브도인산 등의 수소이온 도전성 무기물을 내열성수지에 마이크로분산한 복합전해질막 등을 사용함으로써 보다 고온영역까지 운전할 수 있는 연료전지로 할 수도 있다.
어느 것으로 하더라도 수소이온 전도성이 높고, 메탄올 투과성이 낮은 전해질막을 사용하면 연료의 이용율이 높아지기 때문에 본 발명의 효과인 콤팩트화 및 장시간 발전을 더욱 높은 레벨로 달성할 수 있다.
상기한 수화형의 산성전해질막은, 일반적으로 건조시와 습기시에는 팽윤에 의해 막의 변형이 발생하거나, 충분히 이온도전성이 높은 막에서는 기계강도가 충분치 않은 경우가 생긴다. 이와 같은 경우에는 기계강도, 내구성, 내열성이 뛰어난 섬유를 부직포 또는 직포형상으로 코어재료로서 사용하거나, 전해질막 제조시에 이들 섬유를 필러로서 첨가, 보강하는 것은 전지성능의 신뢰성을 높이는 데에 있어서 유효한 방법이다.
또 전해질막의 연료 투과성을 저감하기 위하여 폴리벤즈이미다졸류에 황산, 인산, 술폰산류나 포스폰산류를 도프한 막을 사용할 수도 있다.
단전지를 구성하는 발전부는 상기를 대신하는 또 하나의 예로서, 예를 들면 이하와 같은 방법에 의해 제작할 수도 있다. 즉,
(i) 액체연료용기의 전기절연성 바깥 둘레면에 도전성의 인터커넥터를 도포하여 애노드접합부의 벽면을 관통구멍에 의한 다공질화하는 공정,
(ii) 애노드촉매와 전해질 수지를 미리 휘발성 유기용매에 용해시킨 용액을 바인더로서 첨가, 분산하여 페이스트형상으로 한 것을 액체연료 수납용기의 절삭 다공질부분에 10 내지 50㎛의 일정 두께로 도포하여 전극을 형성하는 공정,
(iii) 애노드 도포부를 마스크하여 절삭부에 밀봉용 가스킷을 도포하여 연료용기와 접합하는 공정,
(iV) 그후 미리 휘발성 유기용매에 용해시킨 전해질 용액을 애노드전극에 접하여 절삭부에 막 형성후의 두께가 20 내지 50㎛ 가 되도록 도포하는 공정,
(V) 이어서 캐소드촉매와 전해질막을 미리 휘발성 유기용매에 용해시킨 용액을 바인더로서 혼련하여 페이스트형상으로 한 것을 전해질막의 위에 10 내지 50㎛의 일정두께로 도포하여 전극을 형성하는 공정,
(Vi) 또한 그 외부에 탄소계 분말과 소정량의 발수성 분산재, 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌미립자의 수성분산액을 페이스트형상으로 하여 캐소드전극 표면에 접합하도록 절삭부에 도포하여 확산층을 형성하는 공정을 거쳐 단전지가 만들어진다. 이 때 (iV)의 공정에서 전해질막 부분은 캐소드면적보다도 크게 하여 가스킷과 전해질막을 밀착시키거나, 또는 접착제를 사용하여 접착함으로써 밀봉하는 것이 중요하다.
얻어진 단전지의 캐소드측 확산층부분에 도전성의 다공질재 또는 네트를 설치하여 캐소드 전류 콜렉터로 하고, 인접하는 단전지로부터의 인터커넥터와 전기적으로 접속하고, 직렬 접속된 양쪽 끝으로부터 단자를 인출한다. 캐소드측에 확산층을 설치하는 것은 연료전지작동시에 생성되는 물의 넘침을 방지함에 있어서 유효한 방법이다.
또 확산층을 제조함에 있어서, 발수성인 수성분산재가 백금촉매 또는 백금·루테늄합금 촉매의 촉매독성분이 되는 계면활성제를 포함하고 있는 경우에는 예를 들면 탄소섬유와 같은 도전성 직포면의 한 쪽에 탄소계 분말과 소정량의 발수성 분산재, 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌 미립자의 수성분산액을 페이스트형상으로 하여 도포하고, 미리 계면활성제가 분해하는 온도에서 소성하고 나서 도포면을 캐소드에 접하도록 설치하여 탄소섬유 직포를 캐소드 전류 콜렉터로 하는 방법은 유효하다.
어느것으로 하더라도 단전지가 지지체 표면에 애노드, 전해질막, 캐소드, 확산층의 순으로 겹쳐져 애노드/전해질막, 캐소드/전해질막 사이에 충분한 반응계면을 형성하는 방법이면 그 제법에 특별한 제한은 없다.
또 캐소드를 형성할 때에 캐소드촉매, 전해질막과 전해질을 미리 휘발성 유기용매에 용해시킨 용액에 소정량의 발수성 분산재, 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌미립자를 가하여 페이스트형상으로 하고, 이것을 도포함으로써 확산층을 필요로 하지 않는 전지를 구성할 수도 있다.
본 발명의 취지인 액체연료 용기를 편평형상으로 하고, 그 바깥 둘레면에 애노드, 전해질막, 캐소드로 구성되는 복수의 단전지를 제작하여 각 단전지를 도전성의 인터커넥터로 직렬로 접속함으로써 고전압화를 도모할 수 있다. 또 연료나 산화제를 강제공급하는 보조기계를 사용하지 않고, 연료전지를 강제냉각하기 위한 보조기계를 사용하지 않고 운전할 수 있고, 연료에는 체적 에너지밀도가 높은 메탄올수용액을 액체연료로서 사용함으로써 장시간의 발전을 계속할 수 있는 소형전원을 실현할 수 있다.
이 소형전원을 예를 들면 휴대전화기, 노트북 컴퓨터나 휴대용 비디오카메라 등의 전원으로서 내장하여 구동할 수 있고, 미리 준비된 연료를 순차적으로 보급함으로써 장시간의 연속사용이 가능하게 된다.
또 상기한 경우보다도 연료보급의 빈도를 대폭 적게 할 목적으로, 이 소형전원을 예를 들면 2차전지 탑재의 휴대전화기, 노트북 컴퓨터나 휴대용 비디오카메라의 충전기와 결합하여 그들 수납케이스의 일부에 설치함으로써, 배터리 충전기로서 사용하는 것은 유효하다. 이 경우 휴대용 전자기기 사용시에는 수납케이스로부터 인출하여 2차전지로 구동하고, 사용하지 않을 때에는 케이스에 수납함으로써 케이스에 내장된 소형 연료전지발전장치가 충전기를 거쳐 접속되어 2차전지를 충전한다. 이렇게 함으로써 연료탱크의 용적을 크게 할 수 있어 연료보급의 빈도는 대폭 적게 할 수 있다.
다음에 본 발명을 실시예에 의거하여 설명한다.
[비교예 1]
도 7은 종래의 구조에 의거하는 세퍼레이터구조를 나타내는 단면도이다. 한쪽의 면내구조와 종단면을 도 7a에, 다른쪽의 면내 구조와 횡단면을 도 7b에 나타내고, 전지적층구성을 도 8에, 셀홀더의 구성을 도 9에, 단전지(18)를 직렬로 2세트 적층하고, 연료용기를 부설하여 구성된 전원시스템구조를 도 10a에, 그리고 적층단의 연료전지와 연료용기와의 접속을 나타내내는 단면구조를 도 10b에 나타낸다.
세퍼레이터(81)는 폭 16mm ×길이 33mm ×두께 2.5mm의 흑연화 탄소판을 사용하였다. 세퍼레이터(81)의 바닥부에는 폭 10mm ×길이 4mm의 내부 매니폴드(82)가 설치되고, 도 7a의 세퍼레이터 횡단면도에서 부호 (84)로 나타내는 바와 같이 폭 1mm ×깊이 0.8mm × 길이 23mm 홈을 1mm 간격으로 구성하여 리브부(84)를 형성하여 매니폴드(82)와 세퍼레이터(81)의 상면을 연결하는 연료공급홈을 설치하였다.
한편, 도 7b와 세퍼레이터 종단면도에 (83)으로 나타내는 바와 같이 세퍼레이터의 다른쪽 면에는 이것과 직교하는 방향으로 폭 1mm ×깊이 1.4mm ×길이 16mm의홈을 1mm간격으로 구성한 리브부(84)를 형성하여 세퍼레이터(21)의 측면을 연결하는 산화제 공급홈을 설치하였다.
애노드층은, 탄소담체상에 백금/루테늄의 원자비가 1/1 인 백금/루테늄합금 미립자를 50wt% 분산담지한 촉매분말과, 30wt% 퍼플루오로 카본술폰산(상품명 : Nafion 117, 듀퐁사 제품) 전해질을 바인더로서 물/알콜혼합용매 [물 : 이소프로판올: 노멀프로판올이 20 : 40 : 40(중량비)인 혼합용매]의 슬러리를 조제하여 스크린인쇄법으로 폴리이미드 필름 위에 두께 약 20㎛의 다공질막으로 형성하였다.
캐소드층은, 탄소담체상에 30wt%의 백금미립자를 담지한 촉매분말과, 전해질을 바인더로서 물/알콜 혼합용매의 슬러리를 조제하여 스크린인쇄법으로 폴리이미드 필름 위에 두께 약 25㎛의 다공질막으로 형성하였다.
이와 같이 하여 제조한 애노드다공질막 및 캐소드다공질막을 각각 폭 1Omm × 길이 20mm로 잘라내어 애노드층 및 캐소드층으로 하였다.
다음에 전해질막으로서 폭 16mm ×길이 33mm ×두께 50㎛의 나피온 117에 매니폴드 구멍개방부(86)를 설치하였다.
애노드층 표면에 5중량%의 나피온 117 알콜수용액 [물 : 이소프로판올 : 노멀프로판올이 20 : 40 : 40(중량비)인 혼합용매 : Fluka Chemika사 제품]을 약 0.5㎖ 침투시킨 후, 상기한 전해질막의 발전부에 접합하고, 약 1kg의 하중을 가하여 3시간 건조한다. 다음에 캐소드층 표면에 5중량%의 상기 나피온 117 알콜수용액 약 0.5㎖ 침투시킨 후, 전해질막에 먼저 접합한 애노드층과 겹치도록 접합하고, 약 1kg의 하중을 가하여 80℃, 3시간 건조함으로써 MEA(9)를 제조하였다.
이어서 세퍼레이터(81)와 동일한 크기로 매니폴드 구멍개방부(86)와 발전부 구멍개방부(85)를 설치한 두께 250㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트제 라이너(92)와,두께 400㎛의 네오프렌제 가스킷(10)를 제작하였다.
다음에 탄소분말에 소성후의 중량으로 40wt%가 되도록 발수제 폴리테트라플루오로에틸렌 미립자의 수성분산액(테플론디스파존 D-1 : 다이킨공업제)을 첨가, 혼련하여 페이스트형상으로 된 것을 두께 약 350㎛, 공극율 87%의 탄소섬유직포상의 한쪽 면에 두께 약 20㎛가 되도록 도포하여 실온에서 건조후, 270℃, 3시간 소성하여 탄소시트를 형성하였다. 얻어진 시트를 상기한 MEA의 전극크기와 동일형상으로 인출하여 확산층(11)을 조제하였다.
다음에 세퍼레이터(81)의 연료극측 홈 매립부(88)와, 매니폴드 매립부(87)로 구성되는 펄프지제의 연료 빨아 올림재(5)를 제작하였다.
이들 부품을 도 8에 나타내는 바와 같이 세퍼레이터(81), 빨아 올림재(5), 라이너(92), 가스킷(10), MEA(9), 확산층(11), 라이너(92), 세퍼레이터(81)의 순서를 단위에 14층 쌓아 올려 약 5kg/㎠로 프레스 가압하여 적층전지(94)로 하였다. 상기 적층전지(94)를 도 9에 나타내내는 구조의 표면을 에폭시계 수지(플렙 ; 도오레·치오콜사 제품)로 절연화한 SUS316제의 홀더(105)를 거쳐 불소계 고무(바이톤 ; 듀퐁사 제품)의 체결밴드(17)로 도 10a에 나타내는 바와 같이 조여 고정하였다.
연료용기(1)는 적층전지 설치부(103)를 가진 폴리프로필렌제의 외형 높이 33mm ×길이 85mm ×폭 65mm의 크기로 측벽두께 2mm의 것을 제작하였다.
도 10b에 나타내는 바와 같이 연료용기(1)의 중앙부에는 도 4a에 나타낸 구조와 동일한 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 기액분리막(50)으로서 설치한 가스선택 투과기능을 가지는 나사덮개(52) 부착 통기관(51)을 통기구멍(15)으로서구비하고, 연료용기 내부에는 연료로서 메탄올수용액(12)이 충전되어 있다. 제작한 2개의 적층전지는 도 10b에 나타내는 바와 같은 구조로, 연료전지 설치부(103)와 결합하여 도 10a에 나타내는 바와 같은 구조의 전원을 제작하였다.
상기 전원은 대략 높이 33mm ×길이 120mm ×폭 65mm의 것으로 발전부 면적이 약 2㎠, 용량 약 150㎖의 연료용기를 구비하고 있다. 운전온도 50℃에서 부하전류 0.2A일 때 5.7V의 전압을 나타내고, 세퍼레이터의 공기극측 홈으로 구성되는 전원의 측벽의 구멍개방부 전면에 팬으로 송풍하면서 발전하였을 때의 전압은 11.8V 이었다. 이것은 전원부하시에는 세퍼레이터의 공기극측 홈구조에서는 충분한 공기의 확산에 의한 산소의 공급이 부족하기 때문이라고 생각된다. 이 전원의 체적출력 밀도는 통기팬을 사용하지 않으면 약 4.4W/ℓ이고, 통기팬을 사용한 경우에는 약 9.2W/ℓ였다.
연료용기에 10wt% 메탄올수용액을 150㎖충전하여 송풍팬을 사용하고, 운전온도 50℃, 부하전류 0.2A으로 운전한 바, 출력전압 11.8V에서 약 4.5시간 계속한 후에 전압이 급속하게 저하하였다. 따라서 10wt% 메탄올수용액 연료를 충전하였을 때의 체적에너지 밀도는 통기팬을 사용하였을 때에 41Wh/ℓ였다.
이 연료전지발전장치는, 적층전지 하부의 매니폴드로부터 액체연료를 빨아 올리고, 적층전지 상부로부터 연료의 산화에 의해 발생하는 탄산가스를 배출하는 구조를 채용하고 있다. 그 때문에 운전시에는 상하전치(上下轉置)나 횡전(橫轉)하면 발전이 계속되지 않는다는 문제를 가지고 있다.
[실시예 1]
도 11에 본 실시예에 의한 MEA의 구조를 나타낸다. MEA는 애노드층(22)과 캐소드층(23)이 전해질막(21)의 양면에 겹치도록 전해질수지를 바인더로서서 접합하여 형성된다.
애노드층은 탄소담체상에 백금/루테늄이 1/1(원자비)인 백금/루테늄합금 미립자를 50wt% 분산담지한 촉매분말과, 30wt% 퍼플루오로 카본술폰산(나피온 117) 전해질을 바인더로서 물/알콜 혼합용매(물 : 이소프로판올 : 노말프로판올이 중량비로 20 : 40 : 40 인 혼합용매)의 슬러리를 조제하여 스크린인쇄법으로 두께 약 20㎛의 다공질막으로 형성하였다.
캐소드층은 탄소담체상에 30wt%의 백금미립자를 담지한 촉매분말과 전해질을 바인더로서 물/알콜혼합 용매의 슬러리를 스크린인쇄법으로 두께 약 25㎛의 다공질막으로 형성하였다.
상기한 애노드다공질막 및 캐소드다공질막을 각각 폭 10mm ×길이 20mm로 잘라내어 애노드층(22) 및 캐소드층(23)으로 하였다. 두께 50㎛의 나피온 117 전해질막 폭 20mm ×길이 30mm를 잘라 내어 애노드층 표면에 5중량%의 나피온 117 알콜수용액(물 : 이소프로판올 : 노멀프로판올이 중량비로 20 : 40 : 40 인 혼합용매 : Fluka Chemika사 제품)을 약 0.5㎖ 침투시킨 후, 전해질막 중앙부에 접합하여 약 1kg의 하중을 가하여 80℃, 3시간 건조한다.
다음에 캐소드층 표면에 5중량%의 나피온 117 알콜수용액(Fluka Chemika사제품)을 약 0.5㎖침투시킨 후, 전해질막 중앙부에 먼저 접합한 애노드층(22)과 겹치 도록 접합하여 약 1kg의 하중을 가하여 80℃, 3시간 건조하여 MEA를 조제하였다.
다음에 탄소분말에 소성후의 중량으로 40wt%가 되도록 발수제 폴리테트라플루오로에틸렌 미립자의 수성분산액(테플론디스파존 D-1 : 다이킨공업 제품)을 첨가, 혼련한 페이스트를 두께 약 350㎛, 공극율 87%의 탄소섬유직포상의 한쪽 면에 두께 약 20㎛가 되도록 도포하여 실온에서 건조후, 270℃, 3시간 소성하여 탄소시트를 형성하였다. 얻어진 시트를 상기한 MEA의 전극크기와 동일한 형상으로 잘라내어 확산층을 조제하였다.
다음에 연료용기 바깥 둘레면에 MEA로 이루어지는 연료전지의 설치방법을 연료전지발전장치의 단면구조를 나타내는 도 13을 사용하여 설명한다.
외형 폭 65mm ×길이 135mm ×높이 25mm로 벽면 두께 2mm의 경질염화비닐제 연료용기(1)의 내벽면에는 두께 5mm, 공극율 85%의 유리섬유매트를 연료 빨아 올림재(5)로서 설치하였다.
연료용기(1)의 외벽면에는 폭 21mm ×길이 31mm ×깊이 0.5mm의 연료전지 설치부(2)를 상하 각각 18개 설치하였다. 각 연료전지 설치부(2)의 애노드접촉부에는 폭 1mm ×길이 10mm의 슬릿을 1mm 간격으로 설치하여 확산구멍(3)으로 하였다. 이 슬릿내에는 연료용기 내벽면에 설치된 연료 빨아 올림재(5)와 접촉하도록 공극율 85%의 유리섬유매트를 충전하였다.
슬릿의 외면에는 인접하는 연료전지의 캐소드 집전판(7)과 전기적으로 접속하기 위한 인터커넥터(4)를 두께 약 50㎛의 니켈의 무전해 도금층을 설치하였다. 얻어진 연료용기의 상하 4구석에는 도 4a와 동일한 구조의 기액분리기능을 구비한통기구멍(15)을 설치하였다.
다음에 연료전지 고정판(8)은 연료용기(1)와 동일한 경질염화비닐제의 두께 2.0mm의 판으로, 각 연료전지의 캐소드에 접하는 면에는 연료용기의 설치부(2)에 설치된 슬릿과 직교하는 방향으로 폭 1.0mm ×길이 20mm의 슬릿을 확산구멍(3)으로서 설치하였다. 이 연료전지 고정판(8)에는 그 슬릿부와 동일한 형상으로 인접한 연료전지의 인터커넥터(4)와 접속을 할 수 있도록 성형한 슬릿부착 니켈제의 캐소드 집전판(7)을 고정하였다.
이 연료용기에 상기한 MEA(9)를 설치함에 있어서, MEA(9)의 양면에 밀봉용 가스킷(10)을 배치한 것을 연료전지 설치부(2)에 배치하고, 그 캐소드측에 확산층 (11)을 배치하여 연료전지 고정판(8)으로 연료용기에 각 전지를 고정하였다. 이 때 연료전지 고정판(8)의 캐소드측의 면에 미리 배치된 캐소드 집전판(7)은 캐소드와 인접한 연료전지의 애노드로부터의 인터커넥터(4)를 전기적으로 접속하여 각 전지를 직렬로 접속한다. 각 연료전지를 접속한 종단부는 연료전지 고정판(8)과 연료용기의 계면으로부터 용기 외부에 전지단자(16)로서 인출된다. 본 실시예에 의한 연료전지발전장치의 외관을 도 12에 나타낸다.
통기구멍(15)을 가지는 연료용기(1)에는 연료전지 고정판(8)에 의해 상하면 36개의 단전지(13)가 설치되고, 출력단자(16)가 설치되어 있다. 이와 같이 하여 연료전지를 설치한 연료용기의 통기구멍(15) 중 하나로부터 10wt%의 메탄올수용액 (12)을 연료로서 용기내에 주입한다. 이 연료전지는 개략 폭 65mm ×길이 135mm × 높이 29mm의 것으로, 연료수납용적은 약 150㎖ 이었다. 또 발전장치는 발전면적 2㎠ , 36 직렬로 구성되어 있다.
이 연료전지발전장치를 온도 50℃, 부하전류 200mA으로 운전한 바, 출력전압은 12.2V였다. 10wt%의 메탄올수용액을 충전하여 부하전류 200mA으로 운전하면 약 4.5시간 발전을 계속할 수 있고, 이 연료전지발전장치의 출력밀도는 약 9.6W/ℓ로, 연료리터당의 체적 에너지밀도는 약 50Wh/ℓ였다.
또 이 운전 중에 발전장치를 상하역전, 또는 횡전한 자세로 운전하여도 특히 출력전압의 변화는 관측되지 않고, 연료용기내의 압력상승도 관측되지 않았다.
이와 같이 액체연료용기 외벽면에 복수의 연료전지를 설치하여 인터커넥터로 직렬 접속함으로써, 세퍼레이터를 거쳐 적층하지 않고 12V급의 고전압형의 소형 연료전지를 실현할 수 있다. 이 때 애노드측을 액체연료 빨아 올림재로 수납용기내와 애노드를 접촉시켜 캐소드가 확산층을 거쳐 외기에 노출됨으로써, 연료송액펌프나 캐소드가스용 팬 등의 보조기계를 필요로 하지 않는 전원이 가능하게 되었다.
특히 연료용기의 복수의 면에 배치된 기액 분리기능을 구비한 통기구멍의 설치에 의해 연료전지가 어떠한 자세를 취하더라도 정상적인 발전이 가능하고, 휴대용발전장치로서 필수적인 특성을 달성할 수 있었다.
[비교예 2]
세퍼레이터를 사용한 저전압형 소형 연료전지발전장치를 도 14를 사용하여 설명한다. 전지의 구성재인 세퍼레이터, 빨아 올림재, 라이너, 가스킷, MEA, 확산층은 비교예 1과 동일한 재료로 동일한 크기의 것을 사용하여 동일한 순서로 단전지가 4셀이 되도록 적층전지(23)를 제작하였다. 이 적층전지를 비교예 1과 같이셀 홀더(105)에 삽입하여 불소계 고무의 체결밴드(17)로 고정하였다.
연료용기(1)는 폴리프로필렌제의 외형이 높이 33mm ×길이 16mm ×폭 65mm의 것으로 측벽 두께 2mm였다.
도 14에 나타내는 바와 같이, 연료용기(1)의 상면의 중앙부에는 도 4a에 나타낸 구조와 마찬가지로 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막을 설치한 통기구멍(15)을 구비하고 있다.
제작된 적층전지(23)는 비교예 1과 동일한 구성으로 연료용기(1)와 결합하여 전원을 구성하였다. 얻어진 전원은 대강 높이 33mm ×길이 82mm ×폭 16mm으로 발전부 면적이 약 2㎠, 용량 약 20㎖의 연료용기(1)를 구비하고 있다.
운전온도 50℃에서 부하전류 0.2A일 때 0.58V의 전압을 나타내고, 세퍼레이터의 공기극측 홈으로 구성되는 전원의 측벽의 구멍개방부 전면에 팬으로 송풍하면서 발전하였을 때의 전압은 1.26V였다. 이것은 전원부하시에는 세퍼레이터의 공기극측홈구조에서는 공기의 확산에 의한 산소의 공급이 부족하기 때문이라고 생각된다. 이 전원의 체적 출력밀도는 통기팬을 사용하지 않으면 약 2.7W/ℓ이고, 통기팬을 사용한 경우에는 약 5.8W/ℓ였다.
10wt% 메탄올수용액을 20㎖충전하여 송풍팬을 사용하여 운전온도 50℃, 부하전류 0.2A으로 운전한 경우의 출력전압은 약 1.26V이고, 약 5시간 계속한 후, 전압이 급속하게 저하하였다. 따라서 1Owt% 메탄올수용액 연료리터당의 체적 에너지밀도는 통기팬을 사용한 경우, 29Wh/ℓ였다.
이 연료전지발전장치는 적층전지 하부의 매니폴드로부터 액체연료를 빨아 올려 적층전지 상부로부터 연료의 산화에 의해 발생하는 탄산가스를 배출하는 구조로 되어 있다. 그 때문에 운전시에 상하전치나 횡전하면 발전이 계속되지 않는다는 문제가 있다.
[실시예 2]
본 실시예에 의한 메탄올을 연료로 한 각기둥형으로 저전압형의 발전장치의 단면구조를 도 15에, 연료전지의 설치방법의 개략을 도 16에 나타낸다. MEA의 조제법은 실시예 1과 거의 동일한 방법으로 행하였다. 폭 30mm ×길이 50mm의 폴리이미드 필름 위의 탄소담체상에 백금/루테늄이 1/1(원자비)인 백금/루테늄합금 미립자를 50wt% 분산담지한 촉매분말과, 30wt% 퍼플루오로 카본술폰산(나피온 117) 전해질을 바인더로서 물/알콜 혼합용매(물:이소프로판올:노멀포르판올이 중량비로 20 : 40 : 40 인 혼합용매)로 이루어지는 슬러리를 스크린인쇄법으로 두께 약 20㎛의 다공질막으로 형성하고, 이것을 90℃, 3시간 건조하여 애노드다공질층으로 하였다.
캐소드다공질층에는 탄소담체상에 30wt%의 백금미립자를 담지한 촉매분말과, 전해질을 바인더로서 물/알콜 혼합용매의 슬러리를 조제하여 스크린인쇄법으로 폭 30mm ×길이 50mm의 폴리이미드 필름 위에 두께 약 25㎛로 형성한 후, 90℃, 3시간 건조하였다.
상기한 애노드다공질막 및 캐소드다공질막을 각각 1O ×1Omm 크기로 잘라내어 애노드층 및 캐소드층으로 하였다. 전해질에는 790g/eq로 폭 28mm ×길이 56mm × 두께 50㎛의 술폰산화 폴리에테르에테르술폰막을 사용하였다.
처음에 애노드층 8매의 각 표면에 5중량%의 나피온 117 알콜수용액(Fluka Chemika사 제품)을 약 0.5㎖침투시켜 이것을 전해질막의 한쪽 면에 균등하게 배치하고, 각 전극을 약 1kg의 하중을 가하여 80℃, 3시간 건조한다.
다음에 캐소드층 표면에 5중량%의 나피온 117 알콜수용액을 약 0.5㎖ 침투시킨 후, 상기 애노드를 접합한 전해질막의 반대측 면에 애노드층과 겹치도록 배치하고, 각 전지에 약 1kg의 하중을 가하여 80℃, 3시간 건조하여 MEA를 조제하였다.
연료용기(1)는, 도 16에 나타내는 바와 같이 외형이 폭 22mm ×길이 79mm × 높이 23mm로 2mm 벽 두께의 경질염화비닐제의 것을 사용하였다. 단면구조는 도 15에 나타내는 바와 같이 연료용기(1)의 상하면에는 폭 16mm ×길이 16mm ×깊이 0.5mm의 연료전지 설치부(2)를 각각 4면 설치하였다. 연료전지 설치부(2)의 중앙부의 폭 1Omm ×길이 1Omm의 부분에 폭 1mm ×길이 1Omm의 연료용기(1) 내부와 관통하는 슬릿을 확산구멍(3)으로서 설치하였다.
이 설치부(2)의 외면에 애노드측 인터커넥터(4)로서 인접하는 연료전지와 전기적 접속을 하기 때문에 두께 O.1mm의 니켈층을 무전해도금법으로 형성하였다. 연료용기(1)의 내벽에는 두께 1mm로 공극율 약 70%의 유리섬유매트를 부착하여 연료 빨아 올림재(5)로 하고, 또한 그 내부를 공극율이 약 85%정도가 되도록 유리섬유를 충전한 저밀도 연료유지층(18)을 설치하였다. 연료용기(1)의 상하면 구석부에는 도 4a에 나타낸 구조의 내경 2mm의 통기구멍(15)을 8개 설치하였다.
연료전지 가압판이 되는 연료전지 고정판(8)은, 도 16에 나타내는 바와 같이 폭 22mm ×길이 79mm ×두께 1mm의 경질염화비닐을 사용하고, 각 연료전지의 캐소드와 접하는 면에 연료용기(1)의 연료전지 설치부(2)의 슬릿과는 직교하는 방향으로 폭 1mm ×길이 10mm의 슬릿을 설치하고, 그 4 구석에는 통기구멍 설치구멍(19)을 설치하였다.
인접하는 연료전지 애노드측의 인터커넥터와 접속하기 위한 니켈제 0.2mm 두께의 슬릿부착 캐소드 집전판(7)을 연료전지 고정판(8)에 설치하였다.
본 연료전지는 도 16에 나타내는 바와 같이, 네오프렌고무제의 애노드측의 가스킷(10), MEA(9), 캐소드측 확산층(11), 네오프렌고무제의 캐소드측의 가스킷 (10), 연료전지 고정판(8)의 순으로 적층하여, 상기 고정판의 바깥 둘레부를 나사고정에 의하여 연료용기(1)에 고정하였다.
연료용기(1)의 상하에 설치된 애노드측 단자(6) 및 캐소드측 단자(6)를 각각 병렬로 접속하여 출력단자(16)로 하였다. 얻어진 연료전지발전장치의 외형은 폭 22mm ×길이 79mm ×높이 27mm이고, 발전면적이 1㎠의 4직렬 ×2병렬 연료전지로 구성되어 있다.
연료용기(1)의 용적은 개략 20㎖이고, 이 연료용기에 통기구멍(15)을 거쳐 10% 메탄올수용액을 충전하여 운전온도 50℃에서 운전한 바, 부하전류 200mA으로 1.3V의 출력전압이 얻어졌다. 또 연료용기에 20㎖의 10% 메탄올수용액을 충전하여 부하전류 200mA으로 연속발전한 바, 1.3V의 출력으로 약 5시간의 안정된 전압이 얻어졌다. 이 전지의 출력밀도는 약 5.5W/ℓ이고, 연료리터당의 체적 에너지밀도는 약 28Wh/ℓ였다.
이 운전 중에 발전장치를 상하역전, 또는 횡전한 자세로 운전하여도 출력전압의 변화는 관측되지 않고, 연료용기내의 압력상승도 관측되지 않았다.
이와 같이 액체연료 용기의 하나의 외벽면에 복수의 연료전지를 설치하여 인터커넥터로 직렬 접속하고, 복수의 면에 설치된 직렬 전지군을 병렬로 함으로써, 세퍼레이터를 거쳐 적층하지 않고 1.3V급의 소형 연료전지를 실현할 수 있다. 이 때 애노드측을 액체연료 빨아 올림재로 수납용기내와 애노드를 접촉시켜 캐소드가 확산층을 거쳐 외기에 노출됨으로써 연료송액펌프나 캐소드가스용 팬 등의 보조기계를 필요로 하지 않는 전원이 얻어졌다.
또한 연료용기내를 저밀도의 연료 빨아 올림재로 충전함으로써, 운전 중에 액체연료의 흔들림을 완화할 수 있었다. 특히 연료용기의 복수의 면에 배치된 기액 분리기능을 구비한 통기구멍의 설치에 의하여 연료전지가 어떠한 자세를 취하더라도 정상적인 발전이 가능하고, 휴대용 발전장치로서 필수적인 특성을 달성할 수 있었다.
[실시예 3]
본 실시예에서는 에폭시계 수지를 피복한 금속제 연료용기를 편평형상으로 하는 연료전지에 대하여 설명한다.
MEA 및 캐소드측 확산층은, 실시예 2와 동일하게 제작하였다. 연료용기(1)는 도 17에 나타내는 바와 같이 외형이 폭 22mm ×길이 79 mm ×높이 23mm이고, 두께 0.3mm의 SUS304제의 연료용기를 제작하였다. 용기는 프레임과 프레스가공된 폭 16mm ×길이 16mm ×깊이 0.5mm로 4면의 연료전지 설치부(2)를 가지는 상하의 덮개로 구성되어 있다.
연료전지 설치부(2)의 중앙에는 폭 10mm ×길이 10mm 인 부분에 폭 0.5mm × 길이 10mm 인 슬릿이 펀칭가공에 의해 확산구멍(3)으로서 설치되어 있다. 상하의 덮개의 코너부에는 기액분리막을 사용하지 않은 SUS304제의 내경 1mm의 통기구멍(15)을 설치하였다. 이들 부재를 사용하여 내부에 공극율이 약 80% 인 유리섬유매트를 연료 빨아 올림재(5)로서 충전한 후, 용접밀봉하여 연료용기(1)로 하였다.
연료용기(1)의 외표면은 액형상 에폭시계 수지도료(플렙: 도오레·티오콜사제품)를 두께 0.1mm로 도포하여 열경화하여 절연층(20)을 형성하였다. 연료전지 설치부(2)의 표면에는 실시예 2와 동일한 형상으로 애노드측 인터커넥터(4)로서 니켈을 무전해도금하였다.
연료전지 고정판에는 실시예 2와 마찬가지로 폭 22mm ×길이 79mm ×두께 1mm의 경질염화비닐을 사용하고, 각 연료전지의 캐소드와 접하는 면에 연료전지 설치부(2)의 슬릿과 직교하는 방향에 폭 1mm ×길이 10mm의 슬릿을 설치하고, 그 4 구석에는 통기구멍(15)을 설치하였다. 이 슬릿을 사용하여 인접하는 연료전지 애노드측의 인터커넥터(4)와 접속하기 위한 두께 0.2mm의 슬릿부착 니켈제의 캐소드 집전판(7)을 설치하였다.
본 연료전지는 실시예 2와 마찬가지로 불소계 고무의 애노드측 가스킷, MEA, 불소계 고무의 캐소드측 가스킷 캐소드측 확산층, 연료전지 고정판의 순으로 적층하고, 상기 고정판의 바깥 둘레부를 두께 1OO㎛의 슬릿부착 열수축성 수지튜브에 의해 체결연료용기에 고정하였다. 연료용기의 상하에 설치된 애노드측 단자 및 캐소드측단자를 각각 직렬로 접속하여 출력단자로 하였다.
얻어진 연료전지발전장치의 외형은 약 폭 22mm ×길이 79mm ×높이 27mm 이고, 발전면적이 1㎠의 8 직렬의 연료전지로 구성되어 있다. 연료용기의 용적은 개략 38㎖였다. 이 연료용기의 통기구멍을 거쳐 10% 메탄올수용액을 연료로서 실린지로 충전하여 운전온도 50℃에서 운전한 바, 부하전류 100mA에서 출력전압 2.6V가 얻어졌다.
또 연료용기에 약 37㎖의 10% 메탄올수용액을 충전하여 부하전류 100mA에서 연속적으로 발전한 바, 2.6V의 출력으로 약 4시간 안정된 전압이 얻어졌다. 이때의 연료전지발전장치의 출력밀도는 약 5.5W/ℓ이고, 연료리터당의 체적 에너지밀도는 약 22Wh/ℓ였다.
이 연료전지는 상하역전, 또는 횡전한 자세로 운전하여도 출력전압의 변화는 관측되지 않고, 액체연료가 새지도 않고, 연료용기내의 압력상승도 관측되지 않았다.
이와 같이 액체연료용기의 하나의 외벽면에 복수의 연료전지를 설치하여 인터커넥터로 직렬 접속하고, 복수의 면에 설치된 직렬 전지군을 병렬로 함으로써, 세퍼레이터를 거쳐 적층하지 않고 2.6V급의 소형 연료전지를 실현할 수 있다. 이 때 애노드측을 액체연료 빨아 올림재로 수납용기내와 애노드를 접촉시켜 캐소드가 확산층을 거쳐 외기에 노출됨으로써, 연료송액펌프나 캐소드가스용 팬 등의 보조기계를 필요로 하지 않는 전원이 가능하게 되었다.
본 실시예에서는 연료용기를 금속재료로 구성하고, 그 표면을 절연처리하고 있기 때문에 용적을 크게 할 수 있다는 특징을 가진다. 또 연료용기내를 비교적고밀도의 연료 빨아 올림재로 충전함으로써, 기액 분리기능을 가지지 않는 작은 개방구멍을 설치하는 것만으로 액체연료의 누설을 방지할 수 있고, 운전 중, 어떠한 자세를 취하더라도 안정된 발전이 가능하였다. 또 상기 발전장치의 생산에 있어서 열수축성 수지튜브를 사용하여 각 연료전지를 용이하게 고정하는 것이 가능하게 되었다.
[실시예 4]
에폭시계 수지를 피복한 금속제 연료용기를 편평형상으로 하는 각통형 메탄올연료전지발전장치에 관하여 설명한다.
MEA는 전극외형이 폭 20mm ×길이 25mm이고, 외형이 폭 24mm ×길이 29mm 인 형상으로 실시예 2와 동일하게 하여 제작하였다. 또 캐소드 확산층은 폭 20mm ×길이 25mm 인 형상으로 실시예 2와 마찬가지로 제작하였다.
연료용기의 외형은 한 변이 28mm, 높이가 190mm, 막 두께 0.3mm의 육각형의 통으로, 각 면에는 폭 24mm ×길이 29mm ×깊이 0.5mm의 연료전지 설치부를 프레스가공하여 육각형인 상하덮개로 구성되어 있다.
연료전지 설치부 중심의 폭 20mm ×길이 25mm의 부분에 폭 0.5mm ×길이 25mm의 슬릿을 0.5mm 간격으로 펀칭가공하였다. 상하의 덮개는 그 주변부에 각 6개의 도 4에 나타내는 바와 같은 기액 분리기능을 구비한 내경 2mm의 통기구멍을 설치하였다. 6각 통내 벽부에 두께 5mm이고, 공극율 약 85%의 유리섬유매트를 설치한 후, 상하의 덮개부를 용접으로 밀봉하여 막았다. 또 연료용기의 외표면은 액형상 에폭시계 수지도료(플렙:도오레·티오콜사 제품)를 두께 O.1mm 도포한 후, 열경화하여 실시예 2와 동일한 형상으로 애노드측 인터커넥터로서 니켈을 무전해도금하였다.
연료전지 가압판이 되는 연료전지 고정판(8)은 실시예 2와 마찬가지로 폭 28mm ×길이 190mm ×두께 1mm의 경질염화비닐을 사용하여, 각 연료전지의 캐소드와 접하는 면에 연료용기 설치부의 슬릿과 직교하는 방향으로 폭 0.5mm ×길이 20mm의 슬릿을 0.5mm 간격으로 설치하였다. 이 슬릿을 사용하여 인접하는 연료전지 애노드측의 인터커넥터와 접속하기 위하여 두께 0.2mm의 슬릿부착 니켈제 캐소드 집전판을 설치하였다.
본 연료전지는 실시예 2와 마찬가지로 불소계 고무의 애노드측 가스킷, MEA, 불소계 고무의 캐소드측 가스킷, 캐소드측 확산층, 연료전지 고정판의 순으로 적층하여 연료전지 고정판의 바깥 둘레부를 두께 1OO㎛의 슬릿부착 열수축제 수지튜브에 의해 조여 연료용기에 고정하였다. 얻어진 연료전지발전장치를 도 18에 나타낸다.
통기구멍(15)을 상하에 각각 6개 가지는 육각기둥의 연료용기(1)의 외벽에는 36개의 단전지(13)가 설치되어 각각 직렬로 접속되고, 출력단자(16)를 연료용기(1)의 외부로 인출하였다. 얻어진 연료전지발전장치의 외형은 한 변이 약 28mm의 육각기둥으로 높이 약 190mm, 발전면적이 5㎠의 36 직렬의 직류 발전장치이다. 연료용기의 내용적은 개략 300㎖였다.
연료용기에 약 300㎖의 10% 메탄올수용액을 충전하여 부하전류 500mA에서 연속발전한 바, 12.1V의 출력으로 약 4시간 안정된 전압이 얻어졌다. 이 때의 출력밀도는 약 15W/ℓ이고, 연료 리터당의 체적 에너지밀도는 60Wh/ℓ였다.
이 연료전지는 상하역전, 또는 횡전한 자세로 운전하여도 출력전압의 변화는 관측되지 않고, 액체연료가 새지도 않고, 연료용기내의 압력상승도 관측되지 않았다.
이와 같이 액체연료 용기의 하나의 외벽면에 복수의 연료전지를 설치하여 인터커넥터로 직렬 접속하고, 복수의 면에 설치된 직렬 전지군을 병렬로 함으로써, 세퍼레이터를 거쳐 적층하지 않고 12V급의 소형 연료전지를 실현할 수 있다. 이 때 애노드측을 액체연료 빨아 올림재로 수납용기내와 애노드를 접촉시키고, 캐소드가 확산층을 거쳐 외기에 노출됨으로써 연료송액펌프나 캐소드가스용 팬 등의 보조기계를 필요로 하지 않는 전원이 가능하게 되었다.
본 실시예에서는 발전면적을 비교적 크게 하여 출력을 올린 점이 특징으로, 운전 중에 어떠한 자세를 취하여도 안정된 발전이 가능하게 된다. 또 발전장치생산에 있어서 열수축성 수지튜브를 사용하여 각 연료전지를 용이하게 고정하는 것이 가능하게 되었다.
[실시예 5]
각진 형이고 고출력형인 메탄올수용액을 연료로 하는 발전장치에 대하여 설명한다. 애노드층은 탄소담체상에 백금/루테늄이 1/1(원자비)인 백금/루테늄합금 미립자를 50wt% 분산담지한 촉매분말과, 30wt% 퍼플루오로 카본술폰산(나피온 117) 전해질을 바인더로서 물/알콜 혼합용매(물:이소프로판올:노말프로판올이 중량비로 20 : 40 : 40 인 혼합용매)로 이루어지는 슬러리를 스크린인쇄법으로 두께 약 20㎛의 다공질막으로 형성하였다.
캐소드층은 탄소담체상에 50wt%의 백금미립자를 담지한 촉매분말과, 건조시 중량이 25wt%가 되도록 폴리테트라플루오로에틸렌수성분산액을 바인더로 한 슬러리를 롤법으로 두께 약 25㎛의 다공질막으로 형성하였다. 이 캐소드층을 290℃, 1시간 공기 중에서 소성하여 수성분산액 중의 계면활성제를 분해하였다.
상기한 애노드다공질막 및 캐소드다공질막을 각각 폭 16mm ×길이 56mm의 크기로 잘라내어 애노드 및 캐소드로 하였다.
다음에 두께 50㎛의 나피온 117 전해질막을 폭 120mm ×길이 180mm로 잘라 내고, 애노드층 표면에 5중량%의 나피온 117 알콜수용액(Fluka Chemika사 제품)을 약 0.5㎖ 침투시킨 후, 접합하여 약 1kg의 하중을 가하여 80℃에서 3시간 건조한다. 다음에 캐소드층 표면에 10중량%의 나피온 117 알콜수용액(Fluka Chemika사 제품)을 건조시 캐소드의 중량환산으로 25wt%가 되도록 침투시킨 후, 전해질막 중앙부에 먼저 접합한 애노드층과 겹치도록 접합하여 약 1kg의 하중을 가하여 80℃, 3시간 건조함으로써 MEA를 제작하였다.
연료용기는 외형이 폭 28mm ×길이 128mm ×높이 24mm이고, 접착제로 부착 가공한 벽 두께 2mm의 경질염화비닐제의 용기이다. 이 육면체 용기의 외벽에는 폭 16mm ×길이 156mm ×깊이 0.1mm의 연료전지 설치용 절삭부를 실시예 2와 마찬가지로 하여 18개 설치하였다.
연료전지 설치부의 중심 폭 16mm ×길이 56mm의 부분에 폭 0.5mm ×길이 16 mm의 슬릿을 0.5mm 간격으로 설치하였다. 연료용기의 최대면적을 가진 2면의 4 구석에는 도 4a와 동일한 기액 분리기능을 구비한 내경 2mm의 통기구멍을 8개 설치하였다.
연료전지 설치용 절삭부에는 실시예 2와 동일한 방법으로 인접하는 연료전지와 전기적으로 직렬 접속하기 위한 애노드측 인터커넥터로서, 니켈의 무전해도금막인 두께 50㎛의 메탈라이징층을 형성하였다. 연료전지 고정판도 실시예 2와 마찬가지로 연료용기 각 외벽면에 맞춘 크기로 캐소드와 접촉하는 부분에는 연료용기에 설치한 슬릿과 직교하는 폭 0.5mm ×길이 56mm의 슬릿을 0.5mm 간격으로 설치하였다.
또한 연료전지 고정판에는 슬릿부착의 캐소드 집전판을 설치하였다. 연료용기 외벽에 설치된 18개의 연료전지는 애노드측 인터커넥터와 인접하는 캐소드 집전판에 의해 직렬로 접속된 출력단자를 인출하였다.
이와 같이 하여 얻어진 각 부재를 애노드측 가스킷, MEA의 순으로 적층하여 연료전지 고정판의 각 연료전지 바깥 둘레부 및 연료용기 바깥 둘레부를 접착제로 접합하였다. 얻어진 연료전지발전장치는 도 19에 나타내는 바와 같이 외형이 대략 폭 28mm ×길이 128mm ×높이 28mm이고, 연료용기(1)의 벽면에 발전면적이 대략 9㎠인 18 직렬의 단전지(13)가 설치되어 출력단자(16)와 상하면에 8개의 기액 분리기능을 구비한 통기구멍(5)을 가지는 직류발전장치이다. 연료용기의 내용적은 개략 59 ㎖였다.
연료용기에 약 55㎖의 10% 메탄올수용액을 충전하여 부하전류 1A에서 연속적으로 발전한 바, 6.1V의 출력으로 약 45분간 안정된 전압이 얻어졌다.
이 연료전지는 상하역전, 또는 횡전한 자세로 운전하여도 출력전압의 변화는 관측되지 않고, 액체연료가 새지도 않고, 연료용기내의 압력상승도 관측되지 않았다.
이와 같이 액체연료용기의 하나의 외벽면에 복수의 연료전지를 설치하여, 인터커넥터로 직렬 접속하고, 복수의 면에 설치된 직렬 전지군을 병렬로 함으로써, 세퍼레이터를 거쳐 적층하지 않고 6V급의 소형 연료전지를 실현할 수 있다. 이때 애노드측을 액체연료 빨아 올림재로 수납용기내와 애노드를 접촉시켜 캐소드가 확산층을 거쳐 외기에 노출됨으로써, 연료송액펌프나 캐소드가스용 팬 등의 보조기계를 필요로 하지 않는 전원이 가능하게 되었다.
본 실시예는 캐소드촉매층에 폴리테트라플루오로에틸렌을 분산시켜 발수성을 가지게 하여 생성물의 확산을 용이하게 함으로써, 확산층을 생략하여도 성능을 저하시키지 않고 구성부품점수를 줄인 구조로 할 수 있다.
상기 기재는 실시예에 대하여 이루어졌으나, 본 발명은 그 정신과 첨부 클레임의 정신과 범위내에서 여러가지의 변경 및 수정을 할 수 있는 것은 당업자에게 분명하다.
본 발명에 의하면 액체연료를 수납하는 용기를 편평형상으로 하고, 그 벽면에 연료전지를 설치하여 상기 전지를 직렬, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 전기적으로 접속한 것을 특징으로 하고 있다.
연료용기를 편평형상으로 하여 연료전지를 설치하고, 상기 용기내에 액체연료유지재를 설치함으로써, 액체연료는 모관력에 의해 빨아 올려져 각 연료전지에 공급된다.
바깥 둘레면에 발전부를 가지는 각 연료전지는 공기 중의 산소(산화제)가 확산구멍을 통하여 공급된다. 이들에 의하여 연료, 산화제 공급용 보조기구를 필요로 하지 않는 단순한 시스템의 연료전지를 실현할 수 있다.
또 액체연료는 체적 에너지밀도가 높은 메탄올수용액을 사용함으로써, 수소가스를 연료로서 사용한 경우와 비교하여 리터당 장시간의 발전을 계속할 수 있고, 연료의 순차 보급에 의해 종래의 2차전지와 같은 충전을 필요로 하지 않는 연속발전장치를 얻을 수 있다.
또한 연료용기의 복수의 벽면에 연료전지를 설치하고, 그들 벽면에는 복수의 기액 분리기능을 가지는 통기구멍을 설치함으로써, 어떠한 자세라도 안정된 발전이 계속 가능한 발전장치를 실현할 수 있다.

Claims (7)

  1. 연료를 산화시키는 애노드와 산소를 환원시키는 캐소드가 전해질막을 거쳐 형성되어 액체를 연료로 하는 연료전지발전장치에 있어서,
    연료용기의 벽면에 통기구멍을 단수 또는 복수개 구비하고, 또한 상기 연료용기의 벽면에 전해질막, 애노드 및 캐소드를 가지는 단전지를 복수개 설치하여 각각의 단전지를 전기적으로 접속한 것을 특징으로 하는 연료전지발전장치.
  2. 연료를 산화시키는 애노드와 산소를 환원시키는 캐소드가 전해질막을 거쳐 형성되어 액체를 연료로 하는 연료전지발전장치에 있어서,
    연료용기 내벽면에 접하여 액체연료 유지재료가 충전되고, 상기 연료용기의 벽면에 기액 분리기능을 가지는 통기구멍을 단수 또는 복수개 구비하고, 또한 상기 연료용기의 외벽면에 전해질막, 애노드 및 캐소드를 가지는 단전지를 복수개 설치하여 각각의 단전지를 전기적으로 접속한 것을 특징으로 하는 연료전지발전장치.
  3. 연료를 산화시키는 애노드와 산소를 환원시키는 캐소드가 전해질막을 거쳐 형성되어 액체를 연료로 하는 연료전지발전장치에 있어서,
    연료용기의 적어도 하나의 대향벽면에 기액 분리기능을 가지는 통기구멍을 복수개 가지고, 연료용기 내벽면에 액체연료 유지재료가 충전되고,
    상기 연료용기의 외벽면에 전해질막, 확산층을 가지는 애노드 및 캐소드를가지는 단전지를 복수개 설치하여 상기 확산층이 액체연료 유지재와 접하고 있어 각 단전지가 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지발전장치.
  4. 연료를 산화시키는 애노드와 산소를 환원시키는 캐소드가 전해질막을 거쳐 형성되어 액체를 연료로 하는 연료전지발전장치에 있어서,
    연료용기의 적어도 하나의 대향하는 벽면에 각각 기액 분리기능을 가지는 통기구멍을 복수개 가지고, 연료용기 내벽면에 액체연료 유지재료가 충전되고, 상기 연료용기의 전기적으로 절연화된 외벽면에 전해질막, 애노드 및 확산층을 가지는 캐소드를 가지는 단전지를 복수개 설치하여 확산층이 액체연료 유지재와 접하여 구성된 단전지의 복수가 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지발전장치.
  5. 메탄올을 산화시키는 애노드와 산소를 환원시키는 캐소드가 전해질막을 거쳐 형성되고, 액체를 연료로 하는 연료전지의 연료용기의 적어도 하나의 대향벽면에 각각 기액 분리기능을 가지는 통기구멍을 복수개 가지고, 연료용기 내벽면에 액체연료 유지재가 충전되고, 상기 연료용기의 전기적으로 절연화된 외벽면에 전해질막, 애노드 및 확산층을 가지는 캐소드로 구성되는 단전지를 복수개 설치하고, 확산층이 액체연료유지재와 접하여 각각의 단전지가 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합 으로 접속되어 있는 연료전지발전장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 충전기.
  6. 메탄올을 산화시키는 애노드와 산소를 환원시키는 캐소드가 전해질막을 거쳐 형성되고, 액체를 연료로 하는 연료전지의 연료용기의 적어도 하나의 대향벽면에 기액 분리기능을 가지는 통기구멍을 복수개 가지고, 연료용기 내벽면에 액체연료 유지재가 충전되어 상기 연료용기의 전기적으로 절연화된 외벽면에 전해질막, 애노드 및 확산층을 가지는 캐소드로 구성된 단전지를 복수개 설치하고, 상기 확산층이 액체연료유지재와 접하여 각각의 단전지가 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 접속되어 있는 연료전지발전장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전원.
  7. 메탄올을 산화시키는 애노드와 산소를 환원시키는 캐소드가 전해질막을 거쳐 형성되고, 액체를 연료로 하는 연료전지의 연료용기의 적어도 하나의 대향벽면에 기액 분리기능을 가지는 통기구멍을 복수개 가지고, 연료용기 내벽면에 액체연료 유지재가 충전되어 상기 연료용기의 전기적으로 절연화된 외벽면에 전해질막, 애노드 및 확산층을 가지는 캐소드로 구성된 단전지를 복수개 설치하고, 상기 확산층이 액체연료 유지재와 접하고, 각각의 단전지가 전기적으로 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬의 조합으로 접속되어 있는 연료전지발전장치에 의해 구동하는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자기기.
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