KR20050030601A - 연료전지용 용기, 연료전지 및 전자기기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 휴대전자기기용 연료전지로서, 전해질부재를 수납가능하고 소형이며 견고하고, 가스의 균등공급, 용기 내의 온도구배의 균일화, 고효율의 전기접속, 고효율의 발전이 가능한 신뢰성이 있는 연료전지용 용기 및 연료전지를 제공하는 것이다. 연료전지용 용기는 제1 및 제2전극(4, 5)을 갖는 전해질부재(3)를 수용하는 오목부를 갖는 베이스체(6)와, 오목부 저면으로부터 베이스체(6)의 외면에 걸쳐 형성된 제1유체유로(8)와, 오목부 저면에 일단이 배치되고, 타단이 베이스체(6)의 외면으로 도출된 제1배선도체(10)와, 베이스체(6)의 오목부 주위의 상면에 설치되는 덮개체(7)와, 덮개체(7)의 하면으로부터 외면에 걸쳐 형성된 제2유체유로(9)와, 덮개체(7)의 하면에 일단이 배치되고, 타단이 덮개체(7)의 외면으로 도출된 제2배선도체(11)를 갖고, 베이스체(6)의 오목부의 저면 및 덮개체(7)의 하면 중 적어도 한쪽은 전해질부재(3)측으로 볼록하게 되도록 휘어져 있다.

Description

연료전지용 용기, 연료전지 및 전자기기{FUEL CELL CONTAINER, FUEL CELL AND ELECTRONIC EQUIPMENT}
본 발명은 전해질부재를 수용하는 세라믹스로 이루어지는 소형이고 고신뢰성의 연료전지용 용기 및 그것을 이용한 연료전지, 그리고 전자기기에 관한 것이다.
근래, 지금까지보다 저온에서 동작하는 소형 연료전지의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 연료전지에는 이것에 사용하는 전해질의 종류에 따라 고체 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell : 이하 PEFC라 함)나 인산형 연료전지, 또는 고체 전해질형 연료전지라는 것이 알려져 있다.
그 중에서도 PEFC는 작동온도가 80∼100℃정도라는 저온이고,
(1) 출력밀도가 높고, 소형화, 경량화가 가능하다,
(2) 전해질이 부식성이 아니며, 또한 작동온도가 낮기 때문에 내식성의 면에서 전지 구성재료의 제약이 적으므로, 비용저감이 용이하다,
(3) 상온에서 기동할 수 있기 때문에 기동시간이 짧다,
라는 우수한 특징을 가지고 있다. 이 때문에 PEFC는 이상과 같은 특징을 살려서 차량용의 구동전원이나 가정용의 열병합발전시스템(Cogeneration system) 등에의 적용뿐만 아니라, 휴대전화, PDA(Personal Digital Assistants), 노트북, 디지털 카메라나 비디오 카메라 등의 출력이 수W∼수십W의 휴대전자기기용 전원으로서의 용도가 고려되어 왔다.
PEFC는 크게 구별하여, 예를 들면 백금이나 백금-루테늄 등의 촉매미립자가 부착된 탄소전극으로 이루어지는 연료극(캐소드)과, 백금 등의 촉매미립자가 부착된 탄소전극으로 이루어지는 공기극(애노드)과, 연료극과 공기극 사이에 개재된 필름상의 전해질부재(이하, 전해질부재라 함)를 가지고 구성되어 있다. 여기서, 연료극에는, 개질부를 통하여 추출된 수소가스(H2)가 공급되고, 한편, 공기극에는 대기중의 산소가스(O2)가 공급된다. 이것에 의해서 전기화학반응에 의해 소정의 전기에너지가 생성(발전)되고, 부하에 대한 구동전원(전압/전류)으로 되는 전기에너지가 생성된다.
구체적으로는, 연료극에 수소가스(H2)가 공급되면, 다음의 화학반응식(1)에 나타내는 바와 같이, 상기 촉매에 의해 전자(e-)가 분리된 수소이온(프로톤;H+)이 발생하고, 전해질부재를 통하여 공기극측으로 통과함과 아울러, 연료극을 구성하는 탄소전극에 의해 전자(e-)가 취출되어 부하에 공급된다.
3H2 →6H+ + 6e- …(1)
한편, 공기극에 공기가 공급되면, 다음의 화학반응식(2)에 나타내는 바와 같이, 상기 촉매에 의해 부하를 경유한 전자(e-)와 전해질부재를 통과한 수소이온(H+ )과 공기중의 산소가스(O2)가 반응하여 물(H2O)이 생성된다.
6H+ + 3/2O2 + 6e- →3H2O …(2)
이와 같은 일련의 전기화학반응(식 (1) 및 식 (2))은, 대체로 80∼100℃의 비교적 저온의 온도조건에서 진행되며, 전력 이외의 부생성물은 기본적으로 물(H2O)만으로 된다.
전해질부재를 구성하는 이온 도전막(교환막)은, 술폰산기를 갖는 폴리스티렌계의 양이온 교환막, 플루오로카본술폰산과 폴리비닐리덴플루오라이드의 혼합막, 플루오로카본매트릭스에 트리플루오로에틸렌을 그래프트화한 것 등이 알려져 있고, 최근에는 퍼플루오로카본술폰산막(예를 들면, 상품명 「나피온」 듀폰사 제품) 등이 사용되고 있다.
도 4에, 종래의 연료전지(PEFC)의 구성을 단면도로 나타낸다. 도 4에 있어서 21은 PEFC, 23은 전해질부재, 24 및 25는 전해질부재를 끼워지지하도록 전해질부재(23)상에 배치되고, 가스확산층 및 촉매층으로서의 기능을 갖는 한쌍의 다공질 전극, 즉 연료극 및 공기극이며, 26은 가스 세퍼레이터, 28은 연료유로, 29는 공기유로이다.
가스 세퍼레이터(26)는 가스 세퍼레이터(26)의 외형을 형성하는 적층부 및 가스 유입/유출 프레임과, 연료유로(28)와 공기유로(29)를 분리하는 세퍼레이터부와, 이 세퍼레이터부를 관통하도록 설치된, 전해질부재(23)의 연료극(24) 및 공기극(24)에 대응하도록 배치된 전극으로 구성되어 있다. 전해질부재(23)의 연료극(24), 공기극(25)이 전기적으로 직렬 및/또는 병렬로 접속되도록 가스 세퍼레이터(26)를 통하여 다수 적층하여 전지의 최소단위인 연료전지 스택으로 하고, 이 연료전지 스택을 상자체에 수납한 것이 일반적인 PEFC 본체이다.
가스 세퍼레이터(26)에 형성된 연료유로(28)를 통하여 연료극(24)에는 개질기로부터 수증기를 함유하는 연료가스(수소가 풍부한 가스)가 공급되고, 또 공기극(25)에는 공기유로(29)를 통하여 대기중으로부터 산화가스로서 공기가 공급되며, 전해질부재(23)에서의 화학반응에 의해 발전된다.
관련기술로서는, 일본 특허공개 2001-266910호 공보 및 일본 특허공표 2001-507501호 공보가 있다.
그러나, 이러한 고전압, 고용량의 전지로서 종래부터 제안되고 개발되어 있는 연료전지(21)는, 스택구조를 가지고 구성요소가 대면적화된, 대중량이며 대형의 전지이고, 소형전지로서의 연료전지의 이용은 종래에는 거의 고려되어 있지 않다.
즉, 이러한 연료전지(21)에 있어서의 종래의 가스 세퍼레이터(26)에는 이하와 같은 문제가 있다. 즉, 가스 세퍼레이터(26)를 이용하여 전해질부재(23)를 적층한 적층체에 있어서는, 전해질부재(23)의 측면이 외부에 노출되어 있으므로 휴대시의 낙하 등에 의해서 손상을 받기 쉽고, 연료전지(21) 전체의 기계적 신뢰성을 확보하기 어렵다는 문제점이 있다.
또, 휴대전자기기에 연료전지(21)를 탑재하기 위해서는, 종래의 대형연료와는 다른, 콤팩트성, 간편성, 안전성이 우수한 연료전지용 용기가 필요하게 된다. 즉, 범용의 화학전지와 같은 휴대용 전원으로서 적용하기 위해서는, 작동온도까지의 온도상승을 단시간화하기 위하여, 또 열용량을 작게 하기 위하여, 연료전지용 용기를 소형화, 저높이화할 필요가 있다. 그러나, 종래의 연료전지(21)에서는 열용량의 비율의 대부분을 차지하는 가스 세퍼레이터(26)는, 특히 카본판의 표면에 절삭가공으로 유로형성되는 가스 세퍼레이터(26)의 경우 등, 박육화하면 깨지기 쉽기 때문에 수㎜의 두께가 필요하다. 이 때문에 소형화, 저높이화가 곤란하다는 문제도 있다.
또한, 연료전지(21)의 출력전압은 전해질부재(23)의 표리면의 각 전극(24, 25)에 공급되는 가스의 분압에 의해서 결정된다. 즉, 전해질부재(23)에 공급된 연료가스가 가스유로(28)를 진행하여 발전반응에 있어서 소비되면, 연료극(24)의 면상의 연료가스의 분압이 내려가서 출력전압이 내려간다. 이것과 마찬가지로, 공기극도 공기유로(29)를 진행하여 소비되면, 공기극(25)의 면상의 산소의 분압이 내려가서 출력전압이 내려간다. 따라서, 연료가스를 균등하게 공급할 필요가 있다. 그러나, 종래의 연료전지(21)의 가스 세퍼레이터(26)는, 특히 카본판의 표면에 절삭가공에 의해서 유로를 형성하고 있으므로, 박육화하였을 때에는 유로의 홈이 좁아진다. 그 때문에, 유로저항이 커지고 균일한 가스공급이 곤란하다는 문제점도 있다.
또, 복수의 전해질부재(23)와 그 대향하는 연료극(24), 공기극(25)과 가스 세퍼레이터(26)의 조합이, 임의로 효율적으로 직렬접속 또는 병렬접속되어, 전체의 출력전압 및 출력전류가 조정되도록 할 필요가 있다. 그러나, 종래의 연료전지(21)에서는 전해질부재(21)를 사이에 두는 연료극 및 공기극으로부터 전기를 취출하기 위해서는, 외부로 인출하여 접촉하는 방법이나, 또는 가스 세퍼레이터(26)를 도전성 재료로 해서 겹쳐서 직렬접속하는 방법밖에 없고, 소형 연료전지에 있어서는 그것이 곤란하다는 문제점도 있다.
본 발명은, 이상과 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 완성된 것으로, 그 목적은 전해질부재를 수납가능한 소형이고 견고한 연료전지용 용기이며, 또 가스의 균등공급, 연료전지용기 내의 온도구배의 균일화, 고효율적인 전기접속을 이룰 수 있는 신뢰성이 높은 연료전지용 용기 및 그것을 이용한 연료전지를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 한쪽 및 다른쪽 주면에 각각 제1 및 제2전극을 갖는 전해질부재를 수용하는 오목부를 한쪽면측에 갖는 세라믹스로 이루어지는 베이스체와, 상기 전해질부재의 상기 한쪽 주면에 대향하는 상기 오목부의 저면으로부터 상기 베이스체의 외면에 걸쳐서 형성된 제1유체유로와, 상기 전해질부재의 상기 제1전극에 대향하는 상기 오목부의 저면에 일단이 배치되고, 타단이 상기 베이스체의 외면으로 도출된 제1배선도체와, 상기 베이스체의 상기 오목부 주위의 한쪽면에 상기 오목부를 덮어서 부착되는, 상기 오목부를 기밀하게 밀봉하는 덮개체와, 상기 전해질부재의 상기 다른쪽 주면에 대향하는 상기 덮개체의 한쪽면으로부터 상기 덮개체의 외면에 걸쳐서 형성된 제2유체유로와, 상기 전해질부재의 상기 제2전극에 대향하는 상기 덮개체의 한쪽면에 일단이 배치되고, 타단이 상기 덮개체의 외면으로 도출된 제2배선도체를 구비하고 있고, 상기 베이스체의 오목부의 저면 및 상기 덮개체의 한쪽면 중 적어도 한쪽은 상기 전해질부재측으로 볼록하게 되도록 휘어져 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 용기이다.
본 발명에 있어서, 상기 베이스체는 상기 오목부의 저면에 있어서의 휘어짐의 정점과 상기 오목부의 외주부 사이의 높이가 10 내지 150㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 덮개체는 상기 덮개체의 상기 한쪽면에 있어서의 휘어짐의 정점과 상기 한쪽면의 외주부 사이의 높이가 10 내지 150㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 베이스체 및 상기 덮개체 중 적어도 한쪽은, 굽힘강도가 200㎫이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 베이스체 및 상기 덮개체 중 적어도 한쪽은, 상대밀도가 95%이상인 치밀질로 이루어지는 산화알루미늄질 소결체로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 베이스체 및 상기 덮개체 중 적어도 한쪽은, 그 두께가 0.2 내지 5㎜인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1배선도체는 상기 베이스체의 상기 오목부 저면으로부터 돌출되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2배선도체는 상기 덮개체의 한쪽면으로부터 돌출되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1유체유로 및 상기 제2유체유로 중 적어도 한쪽은 그 구멍지름이 0.1mm이상인 것과 아울러 간격을 일정하게 해서 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1유체유로 및 상기 제2유체유로 중 적어도 한쪽은, 그 내벽에 흡습재가 피착(被着)되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 흡습재는 상기 제1유체유로 및 상기 제2유체유로의 횡단면에서의 개구면적에 대하여 10%이하의 면적으로 되는 두께로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 한쪽 및 다른쪽 주면에 각각 제1 및 제2전극을 갖는 전해질부재와, 상술의 연료전지용 용기를 포함하고, 상기 연료전지용 용기의 상기 오목부에 상기 전해질부재를 수용하여, 상기 전해질부재의 상기 한쪽 주면과 상기 제1유체유로의 사이, 및 상기 전해질부재의 다른쪽 주면과 상기 제2유체유로의 사이에서 각각의 유체를 주고받을 수 있도록 상기 한쪽 및 다른쪽 주면을 배치함과 아울러, 상기 제1전극을 상기 제1배선도체에 전기적으로 접속하고, 제2전극을 상기 제2배선도체에 전기적으로 접속하며, 상기 베이스체의 상기 오목부 주위의 한쪽면에 상기 오목부를 덮어서 상기 덮개체를 부착하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지이다.
본 발명은, 전원으로서 상술의 연료전지를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 전자기기이다.
본 발명의 목적, 특색 및 이점은, 하기의 상세한 설명과 도면으로부터 명확해질 것이다.
이하, 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1의 A부분 및 B부분은, 본 발명의 일실시형태의 연료전지용 용기를 사용한 연료전지를 제작하기 위한 공정도이며, 도1의 A부분은 본 발명의 연료전지용 용기에 전해질부재를 수용하기 전의 단면도, 도1의 B부분은 연료전지용 용기에 전해질부재를 수용해서 이루어지는 본 발명의 연료전지의 단면도이다. 도 1의 A부분 및 B부분에 있어서, 1은 연료전지, 2는 연료전지용 용기, 3은 전해질부재, 4는 제1전극, 5는 제2전극, 6은 베이스체, 7은 덮개체, 8은 제1유체유로, 9는 제2유체유로, 10은 제1배선도체, 11은 제2배선도체이다.
본 발명에 있어서의 전해질부재(3)는, 예를 들면 이온 도전막(교환막)의 양 주면상에 애노드측 전극으로 되는 연료극(도시하지 않음)과, 캐소드측 전극으로 되는 공기극(도시하지 않음)이 일체적으로 형성되어 있다. 제1전극(4)은 전해질부재(3)의 한쪽 주면인 하측 주면에, 연료극에 대향하도록 형성된다. 제2전극(5)은 전해질부재(3)의 다른쪽 주면인 상측 주면에, 공기극에 대향하도록 형성된다. 그리고, 전해질부재(3)에서 발전된 전류를 제1전극(4), 제2전극(5)에 흘려보내서 외부로 인출할 수 있게 되어 있다.
이와 같은 전해질부재(3)의 이온 도전막(교환막)은, 퍼플루오로카본술폰산 수지, 예컨대 상품명 「나피온」(듀폰사 제품) 등의 프로톤 전도성의 이온교환수지에 의해 구성되어 있다. 또한, 연료극 및 공기극은 다공질상태의 가스확산 전극이며, 다공질 촉매층과 가스확산층의 양쪽의 기능을 겸비하는 것이다. 이들 연료극 및 공기극은 백금, 팔라듐 또는 이들 합금 등의 촉매를 담지한 도전성 미립자, 예컨대, 카본 미립자를 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 소수성 수지결합제에 의해 유지한 다공질체에 의해 구성되어 있다.
전해질부재(3)의 하측 주면의 제1전극(4) 및 상측 주면의 제2전극(5)은 백금이나 백금-루테늄 등의 촉매미립자가 부착된 탄소전극을 전해질부재(3)상에 열간프레스하는 방법, 또는, 백금이나 백금-루테늄 등의 촉매미립자가 부착된 탄소전극재료와 전해질재료를 분산한 용액의 혼합물을 전해질상에 도포 또는 전사하는 방법 등에 의해서 형성된다.
연료전지용 용기(2)는 한쪽면측인 상면측에 오목부를 갖는 베이스체(6)와 덮개체(7)로 이루어지고, 전해질부재(3)를 오목부의 내부에 탑재하여 기밀하게 밀봉하는 역할을 가지고, 산화알루미늄(Al2O3)질 소결체, 뮬라이트(3Al2O 3ㆍ2SiO2)질 소결체, 탄화규소(SiC)질 소결체, 질화알루미늄(AlN)질 소결체, 질화규소(Si3N4)질 소결체, 유리 세라믹스 소결체 등의 세라믹스 재료로 형성되어 있다.
또한, 유리 세라믹스 소결체는 유리 성분과 필러(filler) 성분으로 이루어지지만, 유리 성분으로서는, 예컨대, SiO2-B2O3계, SiO2-B 2O3-Al2O3계, SiO2-B2O3 -Al2O3-MO계(단, M은 Ca, Sr, Mg, Ba 또는 Zn을 나타낸다), SiO2-Al2O3-M 1O-M2O계(단, M1 및 M2는 동일하거나 또는 다르고 Ca, Sr, Mg, Ba 또는 Zn을 나타낸다), SiO2-B2 O3-Al2O3-M1O-M2O계(단, M1 및 M2는 동일하거나 또는 다르고 Ca, Sr, Mg, Ba 또는 Zn을 나타낸다), SiO2-B2O3-M3 2O계(단, M3은 Li, Na 또는 K를 나타낸다), SiO2-B2O3-Al2O3-M 3 2O계(단, M3은 Li, Na 또는 K를 나타낸다), Pb계 유리, Bi계 유리 등을 들 수 있다.
또한, 필러 성분으로서는, 예컨대, Al2O3, SiO2, ZrO2와 알칼리 토류금속 산화물의 복합산화물, TiO2와 알칼리 토류금속 산화물의 복합산화물, Al2O3 및 SiO2로부터 선택되는 1종이상을 함유하는 복합산화물(예컨대, 스피넬, 뮬라이트, 코디어라이트) 등을 들 수 있다.
연료전지용 용기(2)는 오복부를 갖는 베이스체(6)와 덮개체(7)로 이루어진다. 베이스체(6)의 오목부 주위에 오목부를 덮어서 덮개체(7)를 부착함으로써 오목부를 기밀하게 밀봉한다. 특히, 땜납이나 은납 등의 금속접합재료에 의한 접합, 에폭시수지 등의 수지재료에 의한 접합, 오목부 주위의 상면에 철합금 등으로 만들어진 시일링 등을 접합하여 이음매용접이나 전자빔이나 레이저 등으로 용접하는 방법 등에 의해서 덮개체(7)가 베이스체(6)에 부착된다. 또한, 덮개체(7)에도 베이스체(6)와 마찬가지의 오목부를 형성하여 두어도 좋다.
베이스체(6) 및 덮개체(7)는 각각 두께를 얇게 하고, 연료전지(1)의 저높이화를 가능하게 하기 위해서는 기계적 강도인 굽힘강도가 200㎫이상인 것이 바람직하다.
베이스체(6) 및 덮개체(7)는, 예컨대, 상대밀도가 95%이상인 치밀질로 이루어지는 산화알루미늄질 소결체로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 그 경우이면, 예컨대, 우선 산화알루미늄 분말에 희토류 산화물 분말이나 소결조제를 첨가, 혼합하여, 산화알루미늄질 소결체의 원료분말을 조제한다. 이어서, 그 산화알루미늄질 소결체의 원료분말에 유기 바인더 및 분산매를 첨가, 혼합하여 페이스트화하고, 이 페이스트로부터 닥터 블레이드법에 의해, 또는 원료분말에 유기 바인더를 첨가하고, 프레스 성형, 압연 성형 등에 의해, 소정 두께의 그린시트를 제작한다. 그리고, 이 그린시트에 대하여 금형에 의한 천공법, 마이크로 드릴에 의한 천공법, 레이저광 조사에 의한 천공법 등에 의해, 제1유체유로(8) 및 제2유체유로(9)로서의 관통구멍, 및 제1배선도체(10) 및 제2배선도체(11)를 배치하기 위한 관통구멍을 형성한다.
제1배선도체(10) 및 제2배선도체(11)는 산화를 방지하기 위하여 텅스텐 및/또는 몰리브덴으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 그 경우이면, 예컨대, 무기성분으로서 텅스텐 및/또는 몰리브덴 분말 100질량부에 대해서 Al2O3을 3∼20질량부, Nb2O5를 0.5∼5질량부의 비율로 첨가하여 이루어지는 도체 페이스트를 조제한다. 이 도체 페이스트를 그린시트의 관통구멍 내에 충전하여 관통도체로서의 비어 도체(via conductor)를 형성한다.
이들 도체 페이스트 중에는 베이스체(6)나 덮개체(7)의 세라믹스와의 밀착성을 높이기 위하여 산화알루미늄 분말이나, 베이스체(6)나 덮개체(7)를 형성하는 세라믹스 성분과 동일한 조성물 분말을, 예컨대, 0.05∼2체적%의 비율로 첨가하는 것도 가능하다.
또한, 베이스체(6)나 덮개체(7)의 표층 및 내층에의 제1배선도체(10) 및 제2배선도체(11)의 형성은, 관통구멍에 도체 페이스트를 충전하여 비어 도체를 형성하기 전후 또는 그것과 동시에, 마찬가지의 도체 페이스트를 그린시트에 대해서 스크린 인쇄, 그라비어 인쇄 등의 방법으로 소정 패턴으로 인쇄 도포하여 행해진다.
그 후, 도체 페이스트를 인쇄하여 충전한 소정 매수의 시트상 성형체를 위치맞춤하여 적층 압착한다. 그 후, 이 적층체를, 예컨대 비산화성 분위기중에서, 소성 최고온도가 1200∼1500℃의 온도로 소성하여, 목적으로 하는 세라믹스의 베이스체(6)나 덮개체(7) 및 제1배선도체(10), 제2배선도체(11)를 얻는다.
또한, 세라믹스로 이루어지는 베이스체(6)나 덮개체(7)는 그 두께를 0.2㎜ 이상 5㎜이하로 하는 것이 바람직하다. 두께가 0.2㎜미만에서는 강도가 저하하기 쉽기 때문에, 베이스체(6)에 덮개체(7)를 부착하였을 때에 발생하는 응력에 의해, 베이스체(6) 및 덮개체(7)에 균열 등이 발생하기 쉬워지는 경향이 있다. 한편, 두께가 5㎜를 초과하면, 박형화, 저높이화가 곤란하게 되기 때문에, 소형 휴대기기에 탑재하는 연료전지로서는 부적절하게 되고, 또한, 열용량이 커지기 때문에, 전해질부재(3)의 전기화학반응 조건에 상당하는 적절한 온도로 재빠르게 설정하는 것이 곤란하게 되는 경향이 있다.
제1배선도체(10) 및 제2배선도체(11)는 각각 전해질부재(3)의 제1전극(4) 및 제2전극(5)에 전기적으로 접속되어, 전해질부재(3)에 의해 발전된 전류를 연료전지용 용기(2)의 외부로 취출하기 위한 도전로로서 기능한다.
제1배선도체(10)는, 베이스체(6)의 오목부 저면의 전해질부재(3)의 제1전극(4)에 대향하는 부위에 일단이 배치되고, 타단이 베이스체(6)의 외면으로 도출되어 형성되어 있다. 이와 같은 제1배선도체(10)는, 상술한 바와 같이, 베이스체(6)와 일체적으로 형성되고, 제1배선도체(10)를 제1전극(4)에 접촉시키기 쉽도록 베이스체(6)의 오목부의 저면으로부터 10㎛이상 돌출되도록 형성하는 것이 바람직하다. 이 높이를 얻기 위해서는, 상술한 바와 같이 도체 페이스트를 인쇄 도포하여 형성할 때에, 인쇄 조건을 두껍게 하도록 설정하면 좋다. 또한, 제1배선도체(10)는 제1전극(4)에 대향시켜 복수 배치하여, 제1배선도체(10)에 의한 전기손실을 감소시키는 것이 바람직하고, 제1배선도체(10)의 베이스체(6)의 관통부에 대해서는 50㎛ 이상의 직경으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 제2배선도체(11)는 덮개체(7)의 한쪽면인 하면의 전해질부재(3)의 제2전극(5)에 대향하는 부위에 일단이 배치되고, 타단이 덮개체(7)의 외면으로 도출되어 형성되어 있다. 이와 같은 제2배선도체(11)도, 제1배선도체(10)와 마찬가지로 덮개체(7)와 일체적으로 형성되고, 제2배선도체(11)를 제2전극(5)에 접촉시키기 쉽도록 덮개체(7)의 하면으로부터 10㎛이상 돌출되도록 형성하는 것이 바람직하다. 이 돌출 높이를 얻기 위해서는, 상술한 바와 같이 도체 페이스트를 인쇄 도포하여 형성할 때에, 인쇄 조건을 두껍게 하도록 설정하면 좋다. 또한, 제2배선도체(11)는 제2전극(5)에 대향시켜 복수 배치하여, 제2배선도체(11)에 의한 전기손실을 감소시키는 것이 바람직하고, 제2배선도체(11)의 덮개체(7)의 관통부에 대해서는 50㎛이상의 직경으로 하는 것이 바람직하다.
이들 제1배선도체(10) 및 제2배선도체(11)에는, 그 노출되는 표면에 니켈로 이루어지는 도전성이 좋고, 또한, 내식성 및 납재와의 젖음성이 양호한 금속을 도금법에 의해서 피착시켜 두면, 제1배선도체(10) 및 제2배선도체(11)와, 제1배선도체(10) 및 제2배선도체(11) 및 외부전기회로와의 전기적 접속을 양호하게 할 수 있다. 따라서, 제1배선도체(10) 및 제2배선도체(11)는, 그 노출되는 표면에 니켈로 이루어지는 도전성이 좋고, 또한, 내식성 및 납재와의 젖음성이 양호한 금속을 도금법에 의해서 피착시켜 두는 것이 바람직하다.
그리고, 이들 제1배선도체(10)와 제1전극(4)의 전기적인 접속 및 제2배선도체(11)와 제2전극(5)의 전기적인 접속은, 베이스체(6) 및 덮개체(7)로 전해질부재(3)를 끼워넣음으로써 제1배선도체(10)와 제1전극(4)을 압착 접촉시키고, 제2배선도체(11)와 제2전극(5)을 압착 접촉시켜 전기적 접속시키는 등의 구성에 의해서 행하면 된다.
또한, 제1전극(4)에 대향하는 베이스체(6)의 오목부의 저면에는 제1유체유로(8)가 배치되어 있고, 제2전극(5)에 대향하는 덮개체(7)의 하면에는 제2유체유로(9)가 배치되어 있다. 제1유체유로(8)는 베이스체(6)의 오목부의 저면으로부터 베이스체(6)의 외면에 걸쳐 형성되고, 또한, 제2유체유로(9)는 덮개체(7)의 하면으로부터 덮개체(7)의 외면에 걸쳐 형성되어 있다. 이들 제1 및 제2유체유로(8, 9)는 각각 베이스체(6)나 덮개체(7)에 형성한 관통구멍 또는 홈에 의해서 형성되고, 연료가스, 예컨대 수소가 많은 개질가스, 또는 산화가스 예컨대, 공기 등의, 전해질부재(3)에 공급되는 유체의 통로로서, 또는 반응으로 생성되는 물 등의, 반응 후에 전해질부재(3)로부터 배출되는 유체의 통로로서 형성되어 있다.
제1유체유로(8) 및 제2유체유로(9)로서 베이스체(6) 및 덮개체(7)에 형성되는 관통구멍 또는 홈은, 전해질부재(3)에 균등하게 연료가스나 산화가스 등의 유체가 공급되도록, 연료전지(1)의 사양에 따라 관통구멍의 지름이나 수, 또는 홈의 폭, 깊이, 배치를 결정하면 좋다.
본 발명의 연료전지용 용기(2) 및 연료전지(1)에 있어서는, 제1유체유로(8) 및 제2유체유로(9)는 바람직하게는, 전해질부재(3)에 균일한 압력으로 유체가 흐르게 하기 위하여, 직경 0.1㎜이상의 구경으로 하고, 간격을 일정하게 하여 배치하도록 하면 좋다.
이와 같이 전해질부재(3)의 제1전극(4)이 형성된 하측 주면에 대향시켜 제1유체유로(8)를 형성하고, 제2전극(5)이 형성된 상측 주면에 대향시켜 제2유체유로(9)를 형성함으로써, 전해질부재(3)의 하측 및 상측 주면과 제1 및 제2유체유로(8, 9) 사이에서 유체를 주고받을 수 있게 되고, 그 유체가 각각의 유로를 통해서 공급 또는 배출되게 된다. 그리고, 예컨대, 유체로서 가스를 공급할 경우이면, 전해질부재(3)의 제1전극(4) 및 제2전극(5)에 각각 공급되는 가스분압이 내려가는 일을 없앨 수 있고, 소정의 안정된 출력전압을 얻을 수 있다. 또한, 공급되는 가스분압이 안정되기 때문에 연료전지(1)의 내부압력이 균일화되고, 그 결과, 전해질부재(3)에 생기는 열응력을 억제할 수 있으므로, 연료전지(1)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에 있어서, 베이스체(6)의 오목부의 저면 및 덮개체(7)의 하면 중 적어도 한쪽(본 실시형태에 있어서는 베이스체(6)의 오목부의 저면 및 덮개체(7)의 하면의 양쪽)은 전해질부재(3)측으로 볼록하게 되도록 휘어져 있다. 따라서, 베이스체(6)와 덮개체(7)의 외주부를 접합시킬 때, 제1 및 제2배선도체(10,11)를 전해질부재(3)의 제1 및 제2전극(4,5)에 높은 압력이 가해진 상태로 접촉시킬 수 있다. 이것에 의해 제1 및 제2배선도체(10,11)와 제1 및 제2전극(4,5) 사이에 비접촉부가 발생하는 것을 유효하게 저감시키고, 이들을 양호하게 전기적으로 접속시키는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 전기저항을 작은 것으로 해서 발전효율을 높은 것으로 할 수 있음과 아울러, 베이스체(6)와 덮개체(7)의 외주부 이외의 부위에 제1 및 제2배선도체(10,11)와 제1 및 제2전극(4,5)을 압착시키기 위한 하중을 많이 가할 필요가 없어진다. 이것에 의해, 베이스체(6)나 덮개체(7)에 가해지는 과다한 하중에 의해 연료전지용 용기(2)에 크랙이나 균열 등이 발생하는 것을 유효하게 방지할 수 있다.
또, 베이스체(6)의 오목부의 저면의 휘어짐의 크기는 베이스체(6)의 오목부의 저면에 있어서의 휘어짐의 정점과 오목부의 외주부의 높이가 10∼150㎛의 범위인 것이 좋다. 10㎛보다 작으면, 베이스체(6)와 덮개체(7)의 외주부를 접합시켜, 제1배선도체(10)와 제1전극(4)의 접촉부에 가해지는 압력을 크게 해서 접속신뢰성을 향상시키는 효과가 작게 됨과 아울러, 접촉부에 가해지는 압력이 저하된다. 따라서, 접촉부의 표면거칠기 등에 의해 제1배선도체(10)와 제1전극(4) 사이에 비접촉부가 발생해서 발전효율이 저하되기 쉬워진다. 한편, 150㎛를 초과하면, 베이스체(6)와 덮개체(7)의 외주부를 접합시킬 때, 베이스체(6)의 외주부에 크게 힘을 인가할 필요가 있음과 아울러, 베이스체(6)를 양호하게 전해질부재(3)에 압착시키기 위해, 베이스체(6)의 오목부의 저면의 휘어짐을 크게 교정하게 되므로, 베이스체(6)가 파손되기 쉬워진다.
또, 덮개체(7)의 하면의 휘어짐의 크기는 덮개체(7)의 하면에 있어서의 휘어짐의 정점과 외주부의 높이가 10∼150㎛의 범위인 것이 좋다. 10㎛보다 작으면, 베이스체(6)와 덮개체(7)의 외주부를 접합시켜 제2배선도체(11)와 제2전극(5)의 접촉부에 가해지는 압력을 크게 해서 접속신뢰성을 향상시키는 효과가 작아짐과 아울러, 접촉부에 가해지는 압력이 저하된다. 따라서, 접촉부의 표면거질기 등에 의해, 제2배선도체(11)와 제2전극(5) 사이에 비접촉부가 발생해서 발전효율이 저하되기 쉬워진다. 한편, 150㎛를 초과하면, 베이스체(6)와 덮개체(7)의 외주부를 접합시킬 때, 덮개체(7)의 외주부에 크게 힘을 인가할 필요가 있음과 아울러, 덮개체(7)를 양호하게 전해질부재(3)에 압착시키기 위해, 덮개체(7)의 휘어짐을 크게 교정하게 되므로, 덮개체(7)가 파손되기 쉬워진다.
또한, 제1유체유로(8) 또는 제2유체유로(9)의 내벽에 흡습재가 피착되어 있어도 좋다. 이 경우, 전해질부재(3)에 있어서 전기화학반응으로 생성한 수증기나 물 등을 이 흡습재에 의해 흡수하여 제거할 수 있기 때문에, 공기의 유로가 되는 제1 및 제2유체유로(8, 9)의 폐쇄를 효과적으로 방지할 수 있다. 그 때문에, 제1 및 제2전극(4, 5)의 전극의 표면이 물(H2O)로 덮여지는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 제1 및 제2유체유로(8, 9)를 통하여 대기중으로부터 산화가스로서 공기를 효과적으로 공급할 수 있다. 따라서 전해질부재(3)에서의 전기화학반응을 촉진할 수 있어 고효율의 발전을 행할 수 있게 된다.
상기 흡습재로서는 실리카겔, 알루미나, 백토, 활성탄, 종이, 목분 등의 물(H2O)을 흡수하기 쉬운 재료를 이용하면 좋지만, 특히 실리카겔, 알루미나, 백토 등의 무기분말은 분쇄 등에 의해 분말의 크기를 조정함으로써 물(H2O)의 흡수면적을 조절하기 쉽기 때문에, 소정의 흡습특성을 얻기 쉽다라는 점에서 바람직한 것이다.
흡습재를 제1유체유로(8) 및 제2유체유로(9)의 내벽에 피착시킬 경우, 제1 및 제2유체유로(8, 9)를 통하여 대기중으로부터 산화가스로서 공기의 흐름의 균일성을 유지하는 점에서, 모든 제1 및 제2유체유로(8, 9)에 흡습재를 피착하는 것이 좋다. 또한, 흡습재의 두께는 산화가스로서의 공기를 공급할 때에 압력손실의 영향을 작게 할 필요가 있기 때문에, 제1 및 제2유체유로(8, 9)의 횡단면에서의 개구면적에 대해서 10%이하의 면적으로 되는 두께가 바람직하다.
또한, 공기의 흐름에 의해 흡습재로부터의 수분의 증발을 촉진하기 위해서도, 제1 및 제2유체유로(8, 9)의 내벽 전체에 흡습재를 피착하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 본 발명의 연료전지용 용기(2) 및 연료전지(1)를, 예컨대, 휴대용의 직접형 메탄올 연료전지(DMFC) 등의 소형 타입의 것에 사용하는 경우, 예컨대, 메탄올 10㎖로 수십시간의 운전이 가능하게 됨과 아울러 그 때의 물(H2O)의 생성량으로서도 메탄올 1g의 소비에 대해 1㎖로 미량이 된다. 그 때문에, 흡습재가 흡수한 물(H2O)은 팬을 이용한 송풍에 의해 충분히 증발시킬 수 있는 수분량이 되어, 연속 운전에 지장이 없는 것으로 된다.
이상의 구성에 의해, 도 1에 나타낸 바와 같은 전해질부재(3)를 수납할 수 있는 소형이고 견고한 연료전지용 용기(2)가 얻어지고, 고효율 제어가 가능한 본 발명의 연료전지(1)가 얻어진다.
다음에, 상기 연료전지(1)를 전원으로서 갖는 본 발명의 전자기기에 대해서 설명한다.
본 발명의 전자기기는 전원으로서 상기와 같은 연료전지(1)를 갖고 있는 것이므로, 이상과 같은 본 발명의 연료전지용 용기(2)에 의한 특징을 구비한, 소형, 저높이이고, 또한, 장기에 걸쳐 안정되게 작동시킬 수 있는 안전성이나 편리성이 우수한 전자기기를 얻을 수 있다.
또한, 전원으로서 갖고 있는 연료전지(1)에, 베이스체(6) 및 덮개체(7) 중 적어도 한쪽에, 외부접속용 단자(정극단자 및 부극단자)를 구비시키면, 전자기기의 회로기판에 용이하게 전기적 접속이 가능하게 되고, 착탈이 가능하게 된다. 그 때문에, 특수한 안전설비를 구비한 시설 등에 의하지 않고, 용이하게 연료전지(1)를 새로운 것으로 교환할 수 있고, 전자기기의 편리성을 높은 것으로 할 수 있다.
또한, 연료전지용 용기(2)의 베이스체(6)의 내부에 메탈라이즈법 등에 의해 금속층을 각종 형상, 전기특성으로 형성할 수 있으므로, 베이스체(6)의 내부에 저항이나 커패시턴스나 인덕턴스 등으로서 기능하는 전자회로소자를 형성할 수 있다. 따라서, 예컨대, 연료전지(1)에 평행하게 대용량의 커패시터를 형성함으로써 연료전지(1)로부터 출력되는 전류가 부족한 상태로 된 경우, 부족한 전류분이 보충되어 목표 출력전류에 따른 전류공급을 확보할 수 있다. 또한, 승압회로를 형성할 수 있기 때문에 전자기기에 필요한 전압을 확보할 수 있다.
또한, 이와 같이 베이스체(6)의 내부에 저항이나 커패시턴스나 인덕턴스를 형성할 경우에는, 베이스체(6)는 유리 세라믹스로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 전자기기로서는, 구체적으로는 휴대전화, PDA(Personal Digital Assistants), 디지털 카메라나 비디오 카메라, 게임기 등의 완구 등의 휴대형 전자기기, 또한, 노트형 PC(퍼스널 컴퓨터)를 비롯한 휴대용의 프린터, 팩스 텔레비전, 통신기기, 오디오 비디오 기기, 선풍기 등의 각종 가전제품, 전동공구 등의 전자기기가 있다.
이들 전자기기는 최근 액정표시장치 등을 이용한 동화상 표시의 기능을 부가한 것이 사용되게 되어 왔다. 이와 같은 동화상 표시는 전원의 소비가 매우 크므로, 종래의 축전지를 이용한 전자기기에서는 단시간에 동작 불능으로 되는 것에 대해서, 본 발명의 전자기기는 매우 장시간의 전원을 공급할 수 있는 연료전지(1)를 탑재하고 있어, 동화상 표시를 행하여도 장시간의 동작이 가능하게 된다.
예컨대, 휴대전화의 경우, 중앙처리장치(CPU)와, 제어부와, 랜덤 액세스 메모리(RAM)와, 리드 온 메모리(ROM)와, 사용자에 의해 조작된 데이터를 CPU에 입력하는 입력부와, 안테나와, 안테나로 수신된 신호를 복조하여 제어부에 공급함과 아울러 제어부로부터 공급된 신호를 변조하여 안테나로부터 송신시키는 무선부와, 제어부로부터의 소리울림신호에 기초하여 소리나는 스피커와, 제어부로부터의 제어에 의해 점등, 소등 또는 점멸하는 발광다이오드(LED)와, 제어부로부터 신호에 의해 정보의 표시를 행하는 표시부와, 제어부로부터의 구동신호에 의해 진동하는 진동기와, 사용자의 음성을 음성신호로 변환하여 제어부에 전달하고, 제어부로부터의 음성신호는 음성으로 변환하여 출력하는 송수화부와, 각 부에 전원을 공급하는 전원부로 구성되어 있다. 그 전원부에 본 발명의 연료전지(1) 및 연료전지용기(2)가 조립됨으로써 연료전지(1) 및 연료전지용기(2)가 콤팩트성, 간편성 및 안전성이 우수하고, 연료의 균등공급 및 고효율의 전기접속에 의한 장시간의 전원공급이 가능하게 되기 때문에 휴대전화의 소형, 저높이화 및 경량화가 가능하게 된다.
또한, 최근의 휴대전화가 소형화, 저높이화의 면에서는 충분한 것을 고려하면, 이와 같이 연료전지(1)를 소형, 저높이화함으로써 생긴 공간에, 예컨대, 카메라나 비디오 등의 전화기능 이외의 기능을 갖는 전자부품을 새롭게 조립할 수 있게 되고, 더나은 다기능화를 행할 수 있다.
또한, 새롭게 전자부품을 조립하는 대신에, 주요한 전자회로를 보호하도록 하여 충격흡수재료나 충격방지부재 등을 설치할 수도 있다. 이 경우, 낙하 등에 의해 휴대전화 본체에 충격이 가해졌을 때의 내충격성이나, 우중(雨中)에서의 사용 등의 때의 방수성 등을 종래보다 강고하게 할 수 있는 구조로 할 수도 있다.
또한, 휴대전화 본체 내부의 전기회로부를 작게 할 수 있음으로써 휴대전화 본체의 외형에의 제약이 적어지고, 예컨대, 휴대전화를 노인이나 아이가 잡기 쉬운 형상으로 하는 것 등의 의장성이 우수한 외부형상으로 할 수 있게 된다.
또한, 전원부의 구조를, 상기한 바와 같이 연료전지(1) 및 연료전지용기(2)가 착탈가능하게 되는 구조로 한 경우에는, 예비의 연료전지(1) 및 연료전지용기(2)를 준비해 두면 전지의 완전 방전 등이 발생한 경우에 용이하게 예비의 연료전지(1) 및 연료전지용기(2)로 교환, 또는, 연료전지(1)를 취출하여 연료의 보급이나 교환을 할 수 있으므로, 계속해서 통화 등을 행할 수 있고, 종래의 축전지를 전원으로서 사용하는 것 등에 비해서 편리성이 우수한 것으로 된다.
또한, 교환된 사용이 끝난 연료전지(1)는 연료를 보급함으로써 곧바로 재이용할 수 있으므로, 충전에 비해 사용편리성이 좋고, 또한 자원을 유효하게 이용할 수도 있는 것이 된다. 또한, 자연재해 등에 의한 장기에 걸친 정전 등의 긴급시나 옥외에서도 사용할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 노트형 PC(퍼스널 컴퓨터)의 경우, 퍼스널 컴퓨터 본체와, 퍼스널 컴퓨터 본체에 소정의 데이터를 입력하기 위한 키보드를 수납한 제1하우징과, 키보드에 의해 입력된 데이터 또는 퍼스널 컴퓨터 본체에 의해 처리된 데이터를 표시하기 위한 디스플레이를 수납한 제2하우징을 구비하고, 제2하우징이 제1하우징에 개폐가능하게 설치되어 있고, 또한 각 부에 전원을 공급하는 전원부를 제1하우징에 설치한다는 기본구성으로 이루어지고, 상기 전원부에 연료전지(1) 및 연료전지용기(2)가 조립된다. 이 경우, 상기 휴대전화와 마찬가지로, 본 발명의 전자기기에 조립되는 연료전지(1) 및 연료전지용기(2)가 콤팩트성, 간편성 및 안전성이 우수하고, 연료의 균등공급 및 고효율의 전기접속에 의한 장시간의 전원공급이 가능하게 된다. 따라서, 노트형 PC(퍼스널 컴퓨터) 본체의 소형, 저높이화, 경량화 및 다기능화가 가능하게 됨과 아울러, 디스플레이의 대형화나 고해상도화에 대응하여, 큰 전류를 안정되게, 장기에 걸쳐 공급하는 것도 가능하며, 디스플레이가 보기 쉽고, 또한, 휴대시의 중량이나 용적상의 부담도 적은 등의 편리성이 높은 노트형 PC(퍼스널 컴퓨터)로 할 수 있다.
또한, 전원부의 구조를 연료전지(1) 및 연료전지용기(2)가 착탈가능하게 되는 구조로 한 경우에는 예비의 본 발명의 연료전지(1) 및 연료전지용기(2)를 구비하여 두면, 옥외나 여객기 등의 이동체 내 등의 2차전지만으로 사용하는 상황에 있어서, 종래에 비해 비약적으로 장시간의 전원공급이 가능하게 된다는 이점이 있다. 또한, 이와 같이 공공의 장소에서 사용하는 경우에도 안전성이 우수하므로, 제약을 받는 일없이 사용할 수 있는, 매우 편리성이 우수한 것으로 된다.
또한, 본 발명은 이상의 실시형태의 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위이면, 각종 변경을 행하여도 전혀 지장이 없다. 예컨대, 제1유체유로나 제2유체유로에 대해서는 연료전지(1) 전체를 박형화하기 때문에 베이스체(6) 또는 덮개체(7)의 측면으로부터의 유입구를 형성하도록 하여도 좋다. 이것에 의하면, 특히 휴대전자기기용으로서 소형화를 이루는데에 있어서 유효하게 된다. 또한, 제1 및 제2배선도체(10, 11)에 대해서는 베이스체(6) 및 덮개체(7)의 외면으로 도출되는 타단을, 각각 동일한 측의 측면으로 인출하도록 배치하여도 좋다. 이것에 의하면, 연료전지의 한쪽측면에 배선이나 유로 등을 통합할 수 있고, 소형화와 외부에의 접합부의 보호가 용이하게 되고, 신뢰성이 높은 설계가 가능하게 됨과 아울러 장기간 안정된 작동이 가능한 연료전지가 된다.
또한, 베이스체(6)의 오목부의 내부에는 복수의 전해질부재(3)를 수용하여 이들을 제1 및 제2배선도체(10, 11)에 의해 전기적으로 접속하여 전체적으로 고전압 또는 대전류의 출력을 얻도록 하여도 좋다.
또한, 도 2에 본 발명의 다른 실시형태의 연료전지용 용기 및 연료전지를 단면도로 나타낸다. 연료전지용 용기(2')에 있어서 제1유체유로(8') 및 제2유체유로(9') 중 적어도 한쪽을, 개구부(13)와, 연결부(14)와, 유체의 도입부(15)와, 유체의 배출부(도시하지 않음)로 구성하여도 좋다. 개구부(13)는 오목부 저면 또는 덮개체(7')의 하면에 전해질부재(3)의 한쪽 주면인 하측 주면 또는 다른쪽 주면인 상측 주면에 대향하도록, 동일한 길이이고 동일한 폭의 홈형상의 복수의 개구가 등간격으로 형성된다. 연결부(14)는 베이스체(6') 및 덮개체(7') 중 적어도 한쪽의 내부에 형성된 복수의 개구의 일단끼리 및 타단끼리를 각각 연결한다. 유체의 도입부(15)는 연결부(14)의 한쪽으로부터 베이스체(6') 및 덮개체(7') 중 적어도 한쪽의 외면에 걸쳐 형성된다. 유체의 배출부는 다른쪽으로부터 베이스체(6') 및 덮개체(7') 중 적어도 한쪽의 외면에 걸쳐 형성된다. 또한, 오목부를 갖는 베이스체(6')의 오목부에 전해질부재(3)를 수용하고, 제1 및 제2전극(4, 5)을 제1 및 제2배선도체(10', 11')에 각각 전기적으로 접속하도록 하여 연료전지(1')를 구성하여도 좋다.
이것에 의하면, 유체의 도입부(15)와 연결부(14)에 의해서 복수의 홈형상으로 형성된 개구부(13)로의 유체의 공급이 용이하고, 개구부(13)에 있어서의 복수의 홈형상의 개구는 동일한 길이와 동일한 폭으로 등간격으로 형성되어 있기 때문에, 유체의 유입속도가 빠를 경우에 있어서도 도입부(15)로부터 배출부까지의 거리가 짧게 되어, 유로저항이 작아진다. 그 결과, 전해질부재(3)에 공급되는 유체의 균일 공급성을 향상시킬 수 있고, 대기중으로부터 산화가스로서 공급한 공기를 출입하게 하였을 때, 화학반응에 의해 생성된 물(H2O)을 연속적으로 건조 제거할 수 있게 된다.
또한, 도 3에 본 발명의 또 다른 실시형태의 연료전지용 용기 및 그것을 이용한 연료전지를 단면도로 나타낸다. 연료전지용 용기(2")에 있어서, 복수의 오목부를 갖는 베이스체(6")의 오목부 각각에 전해질부재(3)를 수용함과 아울러, 인접하는 오목부의 단부간에 걸쳐 제3배선도체(16)를 배치하고, 복수의 전해질부재(3)의 제1전극(4) 사이 또는 제1전극(4)과 제2전극(5) 사이를 전기적으로 접속하고, 양단으로 되는 위치에 배치된 전해질부재(3)에 전체적인 출력을 취출하도록 제1배선도체(10") 및 제2배선도체(11")를 각각에 전기적으로 접속하도록 하여, 연료전지(1")를 구성하여도 좋다.
이것에 의하면, 제1∼제3배선도체(10",11",16)에 의해 3차원적으로 자유롭게 배선이 가능하므로, 복수의 전해질부재(3)를 임의로 직렬접속 또는 병렬접속할 수 있게 된다. 그 결과, 전체의 출력전압 및 출력전류를 효율 좋게 조정할 수 있게 되기 때문에, 전해질부재(3)에서 전기화학적으로 생성된 전기를 양호하게 외부로 취출할 수 있는 연료전지용 용기(2") 및 연료전지(1")가 된다.
본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징으로부터 일탈하는 일없이, 다른 여러가지 형태로 실시할 수 있다. 따라서, 상기 실시형태는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 본 발명의 범위는 특허청구의 범위에 나타내는 것으로서, 명세서 본문에는 전혀 구속되지 않는다. 또한, 특허청구의 범위에 속하는 변형이나 변경은 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.
본 발명에 따르면, 연료전지용 용기는 한쪽 및 다른쪽 주면에 각각 제1 및 제2전극을 갖는 전해질부재를 수용하는 오목부를 한쪽면측에 갖는 세라믹스로 이루어지는 베이스체와, 이 베이스체의 오목부 주위의 한쪽면에 오목부를 덮어서 부착되는, 오목부를 기밀하게 밀봉하는 덮개체를 구비하고 있다. 따라서, 연료전지용 용기 내를 기밀하게 밀봉함으로써 기체 등의 유체의 누설이 없고, 이 용기 외에 패키지 등의 용기를 설치할 필요가 없다. 이렇게 하여 효율적으로 동작시킬 수 있는 연료전지를 얻을 수 있음과 아울러, 소형화에도 유효한 것으로 된다. 또, 오목부를 상면에 갖는 세라믹스로 이루어지는 베이스체와 이 오목부를 밀봉하는 덮개체로 형성되는 상자체 내에 복수의 전해질부재를 수납하여 연료전지로 할 수 있으므로, 전해질부재가 용기의 외부에 노출되어 손상을 받거나 하는 일이 없이, 연료전지 전체로서의 기계적 신뢰성이 향상된다. 또, 오목부 및 덮개체로 구성되는 용기 내부에 일단이 배치된 제1 및 제2배선도체 외에는 전해질부재 자체에 불필요한 전기적 접촉을 하지 않아도 되므로, 신뢰성 및 안전성이 높은 연료전지를 얻을 수 있다. 또한, 연료전지용 용기의 구성재료로서 세라믹스를 이용함으로써 각종 가스를 비롯한 유체에 대한 내식성이 우수한 연료전지를 얻을 수 있다.
또, 전해질부재의 한쪽 주면에 대향하는 오목부의 저면으로부터 베이스체의 외면에 걸쳐서 형성된 제1유체유로와, 전재질부재의 다른쪽 주면에 대향하는 덮개체의 한쪽면으로부터 덮개체의 외면에 걸쳐서 형성된 제2유체유로를 구비하고 있다. 따라서, 복수의 각각의 유체유로는 전해질부재를 사이에 두고, 각각 대향하는 내벽면에 설치되어 있기 때문에, 전해질부재에 공급되는 유체의 균일 공급성을 향상시킬 수 있다. 이러한 유체유로에 의하면, 유체가 전해질부재에 대하여 수직으로 흐르기 때문에, 예를 들면 유체가 수소가스와 공기(산소)가스인 경우에, 전해질부재가 하측 및 상측 주면에 각각 갖는 제1 및 제2전극에 공급되는 각 가스분압이 내려가는 일은 없고, 소정의 안정된 출력전압을 얻을 수 있다는 효과가 있다. 또한, 공급되는 유체의 압력, 예를 들면 가스분압이 안정되기 때문에, 연료전지용 용기의 내부온도의 분포가 균일화되고, 그 결과, 전해질부재에 발생하는 열응력을 억제할 수 있어, 연료전지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 각각의 유체유로는 베이스체와 덮개체로 형성된다. 이 때문에, 각 유로의 밀폐성이 우수하고, 본래는 유로적으로 동떨어져야 할 2종류의 원료유체(예를 들면 산소가스와 수소가스 혹은 메탄올 등)가 혼합되어 버림으로써 연료전지로서의 기능이 발현되지 않게 되는 일이 없다. 또, 가연성의 유체가 고온으로 혼합된 후에 인화, 폭발을 일으킬 위험성도 없으므로, 안전한 연료전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 연료전지용 용기는 베이스체의 오목부의 저면 및 덮개체의 하면 중 적어도 한쪽은 전해질부재측으로 볼록하게 되도록 휘어져 있다. 따라서, 베이스체와 덮개체의 외주부를 접합시킬 때, 제1 및 제2배선도체를 전해질부재의 제1 및 제2전극에 높은 압력이 가해진 상태로 접촉시킬 수 있다. 이것에 의해 제1 및 제2배선도체와 제1 및 제2전극 사이에 비접촉부가 발생하는 것을 유효하게 저감시키고, 이들을 양호하게 전기적으로 접속시키는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 전기저항을 작은 것으로 해서 발전효율을 높은 것으로 할 수 있음과 아울러, 베이스체와 덮개체의 외주부 이외의 부위에 제1 및 제2배선도체와 제1 및 제2전극을 압착시키기 위한 하중을 많이 가할 필요가 있다. 이것에 의해, 베이스체나 덮개체에 가해지는 과다한 하중에 의해 연료전지용 용기에 크랙이나 균열 등이 발생하는 것을 유효하게 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연료전지는 본 발명의 연료전지용 용기의 오목부에 전해질부재를 수용하고, 이 전해질부재의 한쪽 주면과 제1유체유로 사이 및 전해질부재의 다른쪽 주면과 제2유체유로 사이에서 각각의 유체를 주고받을 수 있도록 한쪽 및 다른쪽 주면을 배치함과 아울러, 제1전극을 제1배선도체에 전기적으로 접속하고, 제2전극을 제2배선도체에 전기적으로 접속하며, 베이스체의 오목부 주위의 한쪽면에 오목부를 덮어서 덮개체를 부착하여 이루어진다. 따라서, 이상과 같은 본 발명의 연료전지용 용기에 의한 특징을 구비한, 소형, 견고하고, 가스의 균등공급, 연료전지 용기 내의 온도구배의 균일화, 고효율의 전기접속을 이룰 수 있는 신뢰성이 높은 연료전지를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 전자기기는 전원으로서 본 발명의 연료전지를 가지고 있으므로, 이상과 같은 본 발명의 연료전지용 용기에 의한 특징을 구비한, 소형, 저높이이며, 또한 장기에 걸쳐서 안정되게 작동시킬 수 있는 안전성이나 편리성이 우수한 전자기기를 얻을 수 있다.
또, 전원으로서 가지고 있는 연료전지에, 베이스체 및 덮개체 중 적어도 한쪽에 외부접속용 단자(정극단자 및 부극단자)를 구비시키면, 전자기기의 회로기판에 용이하게 전기적 접속이 가능하게 되고, 착탈이 가능해진다. 그 때문에, 특수한 안전설비를 구비한 시설 등에 의하지 않고, 용이하게 연료전지를 새로운 것으로 교체할 수 있으며, 전자기기의 편리성을 높은 것으로 할 수 있다.
또한, 연료전지용 용기의 베이스체의 내부에 메탈라이즈법 등에 의해 금속층을 여러 가지의 형상, 전기특성으로 형성할 수 있으므로, 베이스체 내부에 저항이나 커패시턴스나 인덕턴스 등으로서 기능하는 전자회로소자를 형성할 수 있다. 따라서, 예를 들면 연료전지에 평행하게 대용량의 커패시터를 형성함으로써, 연료전지로부터 출력되는 전류가 부족한 상태로 된 경우, 부족한 전류분이 보충되어 목표 출력전류에 따른 전류공급을 확보하는 것이 가능하다. 또, 승압회로를 형성할 수 있기 때문에, 전자기기에 필요한 전압을 확보하는 것이 가능하다.
도 1의 A부분 및 B부분은 본 발명의 일실시형태의 연료전지용 용기를 사용한 연료전지를 제작하기 위한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태의 연료전지용 용기를 사용한 연료전지를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시형태의 연료전지용 용기를 사용한 연료전지를 나타내는 단면도이다.
도 4는 종래의 연료전지의 단면도이다.

Claims (13)

  1. 한쪽 및 다른쪽 주면에 각각 제1 및 제2전극을 갖는 전해질부재를 수용하는 오목부를 한쪽면측에 갖는 세라믹스로 이루어지는 베이스체;
    상기 전해질부재의 상기 한쪽 주면에 대향하는 상기 오목부 저면으로부터 상기 베이스체의 외면에 걸쳐 형성된 제1유체유로;
    상기 전해질부재의 상기 제1전극에 대향하는 상기 오목부 저면에 일단이 배치되고, 타단이 상기 베이스체의 외면으로 도출된 제1배선도체;
    상기 베이스체의 상기 오목부 주위의 한쪽면에 상기 오목부를 덮어서 부착되는, 상기 오목부를 기밀하게 밀봉하는 덮개체;
    상기 전해질부재의 상기 다른쪽 주면에 대향하는 상기 덮개체의 한쪽면으로부터 상기 덮개체의 외면에 걸쳐 형성된 제2유체유로; 및
    상기 전해질부재의 상기 제2전극에 대향하는 상기 덮개체의 한쪽면에 일단이 배치되고, 타단이 상기 덮개체의 외면으로 도출된 제2배선도체를 구비하고 있고,
    상기 베이스체의 오목부의 저면 및 상기 베이스체의 한쪽면 중 적어도 한쪽은 상기 전해질부재측으로 볼록하게 되도록 휘어져 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 용기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베이스체는 상기 오목부의 저면에 있어서의 휘어짐의 정점과 상기 오목부의 외주부 사이의 높이가 10 내지 150㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 용기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 덮개체는 상기 덮개체의 상기 한쪽면에 있어서의 휘어짐의 정점과 상기 한쪽면의 외주부 사이의 높이가 10 내지 150㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 용기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 베이스체 및 상기 덮개체 중 적어도 한쪽은 굽힘강도가 200㎫이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 용기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 베이스체 및 상기 덮개체 중 적어도 한쪽은 상대밀도가 95%이상인 치밀질로 이루어지는 산화알루미늄질 소결체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 용기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 베이스체 및 상기 덮개체 중 적어도 한쪽은 그 두께가 0.2 내지 5㎜인 것을 특징으로 하는 연료전지용 용기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1배선도체는 상기 베이스체의 상기 오목부 저면으로부터 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 용기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2배선도체는 상기 덮개체의 한쪽면으로부터 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 용기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1유체유로 및 상기 제2유체유로 중 적어도 한쪽은 그 구멍지름이 0.1mm이상임과 아울러 간격을 일정하게 해서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 용기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1유체유로 및 상기 제2유체유로 중 적어도 한쪽은 그 내벽에 흡습재가 피착되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 용기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 흡습재는 상기 제1유체유로 및 상기 제2유체유로의 횡단면에서의 개구면적에 대하여 10%이하의 면적으로 되는 두께로 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 용기.
  12. 한쪽 및 다른쪽 주면에 각각 제1 및 제2전극을 갖는 전해질부재; 및
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 연료전지용 용기를 포함하고,
    상기 연료전지용 용기의 상기 오목부에 상기 전해질부재를 수용하여, 상기 전해질부재의 상기 한쪽 주면과 상기 제1유체유로 사이, 및 상기 전해질부재의 상기 다른쪽 주면과 상기 제2유체유로 사이에서 각각의 유체를 주고받을 수 있도록 상기 한쪽 및 다른쪽 주면을 배치함과 아울러, 상기 제1전극을 상기 제1배선도체에 전기적으로 접속하고, 제2전극을 상기 제2배선도체에 전기적으로 접속하며, 상기 베이스체의 상기 오목부 주위의 한쪽면에 상기 오목부를 덮어서 상기 덮개체를 부착하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  13. 전원으로서 제12항에 기재된 연료전지를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 전자기기.
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