KR20050109590A - 연료 전지 - Google Patents

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KR20050109590A
KR20050109590A KR1020057017411A KR20057017411A KR20050109590A KR 20050109590 A KR20050109590 A KR 20050109590A KR 1020057017411 A KR1020057017411 A KR 1020057017411A KR 20057017411 A KR20057017411 A KR 20057017411A KR 20050109590 A KR20050109590 A KR 20050109590A
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cathode
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노보루 다니구치
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

보다 발전 효율이 우수하고, 기체 연료에 비해 에너지 밀도가 높은 연료인 액체 또는 고체 연료를 사용하는 것이 가능한, 휴대성, 가반성 (可搬性) 이 우수한 연료 전지를 제공한다.
전해질 (1) 과, 전해질 (1) 을 사이에 끼워 지지하도록 배치된 애노드 (2) 및 캐소드 (3) 를 구비하는 연료 전지로서, 애노드 (2) 에 연료를 공급하는 연료 공급부와, 캐소드 (3) 에 산소를 포함하는 산화제를 공급하는 산화제 공급부와, 연료 전지를 가열하는 전지 가열부를 더 구비하고, 전해질 (1) 은 고체 산화물로 이루어지고, 연료는 상온 상압하에서 액체 또는 고체인 연료 전지로 한다.

Description

연료 전지{FUEL BATTERY}
본 발명은 연료 전지에 관한 것이다.
최근, 깨끗하고 에너지 절약이 가능한 발전 장치로서, 대용량형에서 소용량형까지 용도에 따라 여러 타입의 연료 전지의 개발이 진행되고 있다. 그 중에서도, 고용량의 전지로 하는 것이 가능하다는 특성을 살려, 리튬 이온 전지 대신 휴대전화나 노트북 컴퓨터 등의 이동체용 전원으로서의 실용화가 기대되고 있다. 이동체용의 전원으로는 휴대성, 가반성이 우수한 것이 필요하다.
일반적으로, 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 여러 타입으로 분류된다. 전해질로서 프로톤 전도성을 갖는 고분자막 (예컨대, 퍼플루오로에틸렌술폰산 등. 대표적인 예로는, 듀폰사의 나피온 (R)) 을 사용한 연료 전지 (PEFC) 의 경우, 그 동작 온도는 실온 부근에서 100℃ 정도까지의 범위이다. 또한, 전해질로서 산화물 이온 전도성을 갖는 고체 전해질 (예컨대, 지르코니아계, 산화세륨계, 란탄가레이트계 등의 세라믹스) 을 사용한 연료 전지 (SOFC) 의 경우, 그 동작 온도는 600℃ 이상의 고온이다. 이들 동작 온도는 연료 전지에 사용되는 전해질의 특성에 의해 결정된다.
현재, 휴대형, 가반형의 연료 전지로서 PEFC 의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. PEFC 는 동작 온도가 실온에 가까워, 가열 장치를 생략하는 것이 가능하다. 또한, 수소나 도시가스 등의 기체 연료 외에 메탄올 등의 액체 연료를 사용할 수도 있다 (메탄올을 연료로 사용하는 경우, 특히 DMFC 라 부르는 경우가 있다). 액체 연료는 기체 연료에 비해 에너지 밀도가 높다. 이 때문에, 액체 연료를 사용하는 것이 가능하다면, 보다 휴대성, 가반성이 우수한 연료 전지로 할 수 있다.
한편, SOFC 는 동작 온도가 600℃ 이상으로 높아, 가열 장치 및 단열 구조가 필요하기 때문에, 휴대형, 가반형의 연료 전지로서가 아니라, 주로 정치형(定置型)의 연료 전지로서 개발이 진행되고 있다. 그 때문에, SOFC 에 사용하는 연료로는, 연속적으로 공급할 수 있는 수소나 도시가스 등의 기체 연료가 주로 고려되고 있고, 연료 전지의 구조 및 구성 등도 기체 연료의 사용을 상정하여 설계되어 있다.
휴대성, 가반성이 우수한 연료 전지로 하기 위해서는, 효율 및 에너지 밀도가 우수한 전지인 것 외에, 가능한 한 보기류(補機類)가 적은 것이 필요하다. 그러나, 전해질로서 고분자막을 사용하는 PEFC 에서는, 그 특성상 고분자막의 수분 관리를 행할 필요가 있다. 그것을 위해서는, 예컨대 산화제인 공기를 가습하는 가습 장치가 필요하다. 또한, 액체 연료를 사용한 경우, 고분자막을 통해 연료가 투과하여 (크로스오버), 연료의 이용 효율이 저하할 가능성이 있다. 또한, 동작 온도가 낮기 때문에, 다른 타입의 연료 전지에 비해 발전 효율이 낮고, 연료 및 촉매의 선택폭이 좁은 등의 문제도 있다. 그 밖에, 순수한 수소 이외의 기체 연료를 사용하는 경우는 개질기 (리포머) 가 필요하고, 연료의 개질을 위한 에너지가 별도로 필요하다.
도 1 은, 본 발명의 연료 전지의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 2 는, 본 발명의 연료 전지의 다른 일례를 나타낸 모식도이다.
도 3 은, 본 발명의 연료 전지가 구비하는 전지 가열부의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 4 는, 본 발명의 연료 전지가 구비하는 전지 가열부의 다른 일례를 나타낸 모식도이다.
도 5 는, 본 발명의 연료 전지의 또 다른 일례를 나타낸 모식도이다.
도 6 은, 본 발명의 연료 전지의 또 다른 일례를 나타낸 모식도이다.
도 7 은, 실시예에서 측정한 본 발명의 연료 전지에서의 발전 특성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 8 은, 본 발명의 연료 전지의 또 다른 일례를 나타낸 모식도이다.
도 9 는, 실시예에서 측정한 본 발명의 연료 전지에서의 발전 특성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 10 은, 실시예에서 측정한 본 발명의 연료 전지에서의 발전 특성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 11 은, 본 발명의 연료 전지의 또 다른 일례를 나타낸 모식도이다.
도 12 는, 실시예에서 측정한 본 발명의 연료 전지에서의 발전 특성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 13 은, 본 발명의 연료 전지의 또 다른 일례를 나타낸 모식도이다.
발명의 개시
본 발명은, 기체 연료에 비해 에너지 밀도가 높은 연료인 액체 또는 고체 연료를 사용할 수 있는, 휴대성, 가반성이 우수한 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 연료 전지는, 전해질과, 상기 전해질을 사이에 끼워 지지하도록 배치된 애노드 및 캐소드와, 상기 애노드에 연료를 공급하는 연료 공급부와, 상기 캐소드에 산소를 포함하는 산화제를 공급하는 산화제 공급부와, 상기 연료 전지를 가열하는 전지 가열부를 구비하고, 상기 전해질은 고체 산화물로 이루어지고, 상기 연료는 상온 상압하에서 액체 또는 고체이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시의 형태에 관해 설명한다. 또, 실시형태의 설명에 있어서, 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고 중복되는 설명을 생략하는 경우가 있다.
도 1 에, 본 발명의 연료 전지의 일례를 나타낸다. 도 1 에 나타내는 연료 전지는, 전해질 (1) 과, 전해질 (1) 을 사이에 끼워 지지하도록 배치된 애노드 (2) 및 캐소드 (3) 를 구비하고 있다. 또한, 애노드 (2) 에 연료를 공급하는 연료 공급부의 일부인 석영관 (13) 과, 캐소드 (3) 에 산소를 포함하는 산화제를 공급하는 산화제 공급부의 일부인 석영관 (14) 을 구비하고 있다. 도 1 에 나타낸 바와 같이, 석영관 (13) 을 통해 애노드 (2) 에 연료가, 석영관 (14) 을 통해 캐소드 (3) 에 산화제인 공기가 공급된다. 또한, 도 1 에 나타내는 연료 전지는, 연료 전지를 가열하는 전지 가열부로서 히터 (17) 를 구비하고 있다. 전해질 (1) 은 고체 산화물로 이루어지고, 연료는 상온 상압하에서 액체 또는 고체이다. 또, 본명세서에 있어서, 상온이란 연료 전지가 통상 사용된다고 생각되는 환경 온도, 예컨대 대략 -40℃∼50℃ 의 범위를, 상압이란, 예를 들어 대략 70kPa∼120kPa 정도의 범위를 의미한다.
도 1 에 있어서, 애노드 (2), 캐소드 (3), 석영관 (13 및 14) 은, 알루미나관 (11) 의 내부에 수용되어 있다. 알루미나관 (11) 은, 미반응의 연료, 산화제나, 반응에 의해 생성된 물 등을 배출하는 배출관의 역할도 담당하고 있다. 알루미나관 (14) 은, 애노드 (2) 측, 캐소드 (3) 측의 쌍방에 배치되어 있지만, 각각 전해질 (1) 을 통해 유리 패킹 (12) 에 의해 연결되어 있다. 유리 패킹 (12) 은 애노드 (2) 및 캐소드 (3) 를 외부에서 밀폐하는 역할도 담당하고 있다.
이와 같은 연료 전지로 함으로써, 보다 발전 효율이 우수하고, 기체 연료에 비해 에너지 밀도가 높은 연료인 액체 또는 고체 연료를 사용하는 것이 가능한, 휴대성, 가반성이 우수한 연료 전지로 할 수 있다.
또, 도 1 에 있어서, 설명을 알기 쉽게 하기 위해 해치를 생략한 부분이 있다. 이후의 도면에 있어서도 동일하다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 전해질 (1) 은 산화물 이온 전도성 또는 프로톤 전도성을 갖는 고체 산화물이면 특별히 한정되지 않는다. 그 중에서도, 프로톤 전도성을 갖는 고체 산화물이 바람직하다. 이 경우, 산화물 이온 전도성을 갖는 고체 산화물을 사용한 경우에 비해 동작 온도를 보다 낮게 할 수 있으므로, 보다 휴대성, 가반성이 우수한 연료 전지로 할 수 있다. 또, 본 명세서에서의「동작 온도」란, 연료 전지가 계속하여 발전할 수 있는 온도를 말한다. 「동작 온도」의「온도」란, 예컨대 전해질의 온도이다.
전해질 (1) 의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 평판상 또는 원통상으로 하면 된다. 전해질 (1) 의 형상을 평판상으로 한 경우, 그 주면에 수직인 방향에 대한 두께는, 예컨대 10㎛∼500㎛ 의 범위로 하면 된다. 너무 지나치게 얇은 경우, 연료 또는 산화제가 애노드에서 캐소드로 (캐소드에서 애노드로) 크로스리크할 가능성이 있다. 또한, 너무 지나치게 두꺼운 경우, 이온 전도성이 저하되어 전지로서의 성능이 저하할 가능성이 있다.
본 발명의 연료 전지에서는, 전해질 (1) 이 세륨 (Ce) 및 지르코늄 (Zr) 에서 선택되는 적어도 하나와 바륨 (Ba) 을 포함하고 있어도 된다. 이러한 전해질은 프로톤 전도성이 우수하고, 보다 발전 효율이 우수한 연료 전지로 할 수 있다.
본 발명의 연료 전지에서는, 전해질이 식 Ba(Zr1 - xCex)1- yMyAlzO3 -α 로 나타내는 조성비를 갖고 있어도 된다. 단, 상기 식에 있어서, M 은 Ce 를 제외한 3 가의 희토류 원소 및 In 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소이다. 즉, M 은, Gd, Y, Yb, Sm 및 In 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소이다. 또한, x, y, z 및 α 는 각각 식 0≤x≤1, 0<y<0.4, 0≤z<0.04, 0<α<1.5 로 나타내는 관계를 만족하는 수치이다. 이러한 전해질은 프로톤 전도성이 더욱 우수하여, 보다 발전 효율이 우수한 연료 전지로 할 수 있다. 또한, α는 전해질 중에서의 산소의 결손의 정도를 나타내는 수치이며, 이후에 나타내는 전해질에 있어서도 동일하다.
그 중에서도, 상기 M 이 In, Gd, Y 및 Yb 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 예컨대 전해질이 식 BaCe0 .8Gd0 .2Al0 .02O3 -α, 식 BaZr0 .6Ce0 .2Gd0 .2O3 -α 및 식 BaZr0 .4Ce0 .4In0 .2O3 -α 에서 선택되는 적어도 1 종의 식으로 나타내는 조성비를 가지고 있어도 된다. 이러한 전해질은 프로톤 전도성이 더욱 우수하여, 보다 발전 효율이 우수한 연료 전지로 할 수 있다.
그 밖에, 전해질 (1) 로서 예를 들어, La0 .8Sr0 .2Ga0 .8Mg0 .15Co0 .05O3 -α, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Fe0.05O3-α, La0 .8Sr0 .2Ga0 .8Mg0 .2O3 -α 등을 사용해도 된다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 애노드 (2) 는 공급된 연료를 산화할 수 있는 한 그 형상, 조성 등은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, Pt, Ni, Ru, Ir 및 Pd 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소를 포함하는 촉매 (애노드 촉매) 를 포함하면 된다. 그 중에서도 Pt 를 포함하는 촉매를 사용한 경우, 고효율의 연료 전지로 할 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 캐소드 (3) 는 산소를 환원할 수 있는 한 그 형상, 조성 등은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 조성으로서 Pt 를 포함하는 촉매 (캐소드 촉매) 를 포함하면 된다.
여기서, 애노드 (2) 및 캐소드 (3) 를 형성하는 방법의 일례를 나타낸다. 애노드 (2) 및 캐소드 (3) 의 형성에는, 예컨대 전해질 (1) 의 한쪽 주면에 상기 기술한 애노드 촉매를 포함하는 도료를 도포하고, 다른쪽 주면에 상기 기술한 캐소드 촉매를 포함하는 도료를 도포하면 된다. 도포후, 각각의 촉매의 건조 또는 베이킹을 행함으로써, 전해질의 양 주면에 애노드 (2) 및 캐소드 (3) 가 형성된 적층체를 얻을 수 있다. 이 방법에서는, 전해질의 형상에 따라 애노드 (2) 및 캐소드 (3) 의 형상을 결정할 수 있다.
이와 같이 하여 형성한 적층체를, 연료 또는 산화제의 유로와 집전체를 겸한 한쌍의 세퍼레이터 사이에 끼워 지지하면, 세퍼레이터, 애노드, 전해질, 캐소드, 세퍼레이터의 순으로 적층된 연료 전지로 할 수 있다 (이 상태를 일반적으로「단일 셀」이라 한다). 이 때, 전해질 및 세퍼레이터가 평판상이면 평판형 연료 전지로 할 수 있다. 또한, 상기 단일 셀을 복수 적층하여 스택으로 해도 된다. 단일 셀끼리 전기적으로 직렬 접속되므로, 단일 셀의 적층수를 늘림으로써 연료 전지 전체의 출력 전압을 크게 할 수 있다. 또, 세퍼레이터로는, 예컨대 스테인레스 등의 금속이나 카본 등으로 이루어진 평판을 사용하면 된다. 또한, 애노드 및 캐소드가 형성된 전해질을 한쌍의 세퍼레이터 사이에 끼워 지지할 때에는, 애노드 또는 캐소드와, 세퍼레이터에서의 연료 또는 산화제의 유로가 형성된 면이 접하도록 하면 된다. 이러한 세퍼레이터를 구비한 평판형 연료 전지의 일례를 도 2 에 나타낸다.
도 2 에 나타내는 연료 전지에서는, 애노드, 전해질 및 캐소드로 이루어진 적층체 (4) 는 세라믹으로 이루어진 기판 (5) 에 유지되어 있다. 기판 (5) 에는 4 개의 적층체 (4) 가 유지되어 있고, 각각의 적층체 (4) 의 애노드 및 캐소드의 일부가 기판 (5) 에 형성된 개구부에서 외부로 노출되어 있다. 이 노출되어 있는 부분에 연료 및 산화제가 공급된다. 또한, 기판 (5) 및 적층체 (4) 는 연료 또는 산화제의 유로와 집전체를 겸한 1 조의 세퍼레이터 (18) 사이에 끼워져 지지되어 있다. 세퍼레이터 (18) 에는, 연료 공급관 (20) 및 애노드 배출관 (22) 또는 산화제 공급관 (21) 및 캐소드 배출관 (23) 이 접속되어 있다. 세퍼레이터 (18) 는 박막상 히터 (19) 사이에 끼워져 지지되어 있어, 히터 (19) 에 의해 셀 전체를 가열할 수 있다. 또한, 연료 전지 전체가 단열재 (24) 에 의해 덮여 있다.
또는, 상기와 같이 형성한 적층체를, 애노드실과 캐소드실이 형성된 하우징에, 애노드가 애노드실에 면하도록, 캐소드가 캐소드실에 면하도록 배치하여도 (즉, 적층체에 의해 애노드실과 캐소드실이 분리되어 있다) 연료 전지를 구성할 수 있다. 이 경우, 애노드실에 연료를, 캐소드실에 산화제를 공급하면 된다. 또, 애노드실 및 캐소드실을 형성하는 재료, 애노드실 및 캐소드실의 용적, 형상 등은 특별히 한정되지 않는다. 또한, 상기한 바와 같이 형성한 적층체를 하우징의 내부에 배치하고, 그 때 하우징의 내부를 적어도 2 개의 영역으로 구분하도록 적층체를 배치하여도 연료 전지를 구성할 수 있다. 이 경우, 적층체의 애노드가 면하고 있는 영역에 연료를, 적층체의 캐소드가 면하고 있는 영역에 산화제를 공급하면 된다. 또, 하우징의 재료, 각각의 영역의 용적, 형상 등은 특별히 한정되지 않는다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 연료 공급부는 애노드에 연료를 공급할 수 있는 한 그 구성, 기구 등은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 연료를 저장하는 탱크나 카트리지, 연료를 애노드로 송출하는 펌프, 연료 공급관 등을 사용하여 구성하면 된다. 또, 본 발명의 연료 전지는, 상온 상압하에서 액체 또는 고체인 연료를 사용하므로, 고압 가스나 액체 수소 등을 사용한 연료 전지에 비해 탱크나 펌프를 소형화, 경량화할 수 있다. 그 때문에, 보다 휴대성, 가반성이 우수한 연료 전지로 할 수 있다.
산화제 공급부는, 캐소드에 산화제를 공급할 수 있는 한 그 구성, 기구 등은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 산화제를 저장하는 탱크나 카트리지, 산화제를 캐소드로 송출하는 펌프, 압축기, 산화제 공급관 등을 사용하여 구성하면 된다. 산화제는 산소를 포함하는 한 특별히 한정되지 않고, 예컨대 공기를 사용하면 된다. 산화제로 공기를 사용하는 경우, 산화제를 저장하는 탱크 등을 생략할 수 있다. 또한, 산화제의 압력이 대기압이면 되는 경우에는, 펌프, 압축기 등도 생략할 수 있다.
전지 가열부는, 전지를 가열할 수 있는 한 그 구성, 기구 등은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 히터를 사용하여 구성하면 된다. 그 중에서도, 도 2 에 나타낸 바와 같은 박막상 히터 (19) 를 사용하면, 히터 자신의 용적이 작고, 또한 히터를 보다 자유롭게 배치할 수 있기 때문에, 보다 휴대성, 가반성이 우수한 연료 전지로 할 수 있다. 히터를 배치하는 부분의 형상에 맞춰 변형시키는 것도 용이하다. 박막상 히터 (19) 의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 열전도성을 갖는 박막상 구조체 (33) 의 내부에, 전류를 인가함으로써 발열하는 발열체 (31) 가 배치된 히터 (19) 를 사용하면 된다. 전류는, 예컨대 단자 (32) 를 통해 발열체 (31) 에 인가하면 된다. 구조체 (33) 에 사용하는 재료는 박막상으로 하는 것이 가능하고, 열전도성을 어느 정도 갖는 재료라면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 운모, 세라믹 (예컨대, 실리카, 알루미나) 등을 사용하면 된다. 발열체 (31) 에 사용하는 재료는 특별히 한정되지 않고, 예컨대, 스테인레스, 니크롬, 백금 등을 사용하면 된다. 또, 도 3 에 나타내는 예는, 박막상 히터 (19) 로서 가장 단순한 구조를 갖고 있다. 필요에 따라, 복수의 상이한 특성을 갖는 발열체 (31) 를 포함해도 된다. 또한, 가열하고자 하는 부재에 접하는 면만을 열전도성을 갖는 구조체 (33) 로 하고, 반대측 면에는 단열성의 재료를 배치한 히터 (19) 로 해도 된다.
도 3 에 나타낸 바와 같은 박막상 히터 (19) 는, 연료 전지가 평판형, 원통형에 관계없이 사용할 수 있다. 연료 전지가 원통형인 경우, 전지 가열부로서 원통상 극판의 주위를 발열체 (31) 가 단순히 감은 구조이어도 된다. 이러한 전지 가열부의 일례를 도 4 에 나타낸다. 도 4 에 나타내는 예에서는, 원통상 애노드 (2) (내부에 전해질 및 캐소드가 배치되어 있다) 의 주위를 전지 가열부로서 발열체 (31) 가 감고 있다. 발열체 (31) 에 전류를 인가함으로써 전지를 가열할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 연료 전지에서는 전지 가열부의 구조, 형상 등을 임의로 설정하는 것이 가능하다.
전지 가열부는, 필요에 따라 전지의 어느 부재를 가열해도 된다. 예컨대, 상술한 바와 같이 세퍼레이터를 가열해도 되고, 애노드 및 캐소드 등의 전극을 가열해도 된다. 연료 공급부나 산화제 공급부를 가열해도 된다. 연료 자체를 가열해도 된다. 연료가 고체의 연료인 경우 연료 자체를 가열하는 것이 바람직하다. 연료자체를 가열하는 예는 실시예에 후술한다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 전지 가열부가 연료와 산화제를 반응시키기 위한 촉매를 포함하고 있어도 된다. 이 경우, 연료 및 산화제의 일부를 상기 촉매에 공급하면 전지를 가열할 수 있기 때문에, 전지 가열부가 히터를 포함하는 경우 (히터를 사용하는 경우는 히터용 전력이 필요하다) 에 비해 보다 고효율의 연료 전지로 할 수 있다. 이러한 연료 전지의 일례를 도 5 에 나타낸다.
도 5 에 나타내는 연료 전지에서는, 세퍼레이터 (18) 에 접하도록 촉매층 (30) 이 배치되어 있다. 촉매층 (30) 은, 세퍼레이터 (18) 에서의 애노드 (2) 에 면하고 있는 면, 또는 캐소드 (3) 에 면하고 있는 면과는 반대측의 면에 배치되어 있다. 또한, 애노드 (2) 에서 반응하지 않고 배출된 미반응의 연료와, 캐소드 (3) 에서 반응하지 않고 배출된 미반응의 산화재와의 혼합 가스 (도 5 에서의 연료ㆍ공기 혼합 가스) 를 촉매층 (30) 에 공급할 수 있는 구조를 갖고 있다. 이 때문에, 도 5 에 나타내는 연료 전지에서는, 연료 공급부의 일부인 탱크 (42) 로부터 공급된 연료 중 미사용의 연료와, 산화제 공급부의 일부인 압축기 (27) 로부터 공급된 공기 중 미사용의 공기를 세퍼레이터 (18) 로부터 배출된 후에 혼합하여 촉매층 (30) 에 의해 반응시킬 수 있다. 반응에 의해 발생한 열은 셀의 온도를 상승시키기 위해, 혹은 셀의 온도를 보온하기 위해 사용할 수 있다. 또한, 촉매층 (30) 에서 발생하는 열량은, 연료 및 산화제의 유량을 조절함으로써 제어할 수 있다.
연료와 산화제를 반응시키기 위한 촉매는 특별히 한정되지 않고, 예컨대 Pt, Pd, Rh, Ru 등을 사용하면 된다. 또한, 상기 촉매는, 예컨대 페이스트상으로 하여 전지의 세퍼레이터 위에 도포하면 된다. 또한, 촉매를 충전한 챔버를 제작하고, 그 챔버를 전지에 접하여 배치해도 된다.
촉매에 연료 및 산화제를 공급하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 애노드 및 캐소드에 공급되기 전의 연료 및 산화제의 일부를 분기시켜 촉매에 공급해도 된다. 이 경우, 분기점에 밸브를 배치하면, 필요시에만 촉매에 연료 및 산화제를 공급할 수 있다.
또한, 도 5 에 나타낸 바와 같이, 애노드 및 캐소드로부터 배출된 미사용의 연료 및 산화제를 촉매에 공급해도 된다. 연료 전지에서는, 애노드 및 캐소드에 공급한 연료 및 산화제 전부가 애노드 및 캐소드로 소비할 수 있는 것은 아니다 (공급한 양에 대한 실제 소비량의 비를「이용률」이라 한다). 일반적으로, 전지의 온도가 낮은 시동 직후에는 이용률이 낮고, 미사용의 연료 및 산화제가 많이 발생한다. 또한, 전지의 온도가 낮기 때문에 시동 직후일수록 전지를 가열할 필요가 있다. 이 때문에, 촉매에 미사용의 연료 및 산화제를 공급함으로써 보다 고효율의 연료 전지로 할 수 있다.
촉매층 (30) 이 배치되는 위치는 특별히 한정되지 않는다. 도 5 에 나타내는 예에서는, 촉매층 (30) 은 세퍼레이터 (18) 에 접하도록 배치되어 있지만, 가열하고자 하는 부재에 촉매층 (30) 에서 발생시킨 열을 전도할 수 있는 한, 촉매층 (30) 은 임의의 위치에 배치할 수 있다. 필요에 따라 촉매층 (30) 과 가열하고자 하는 부재 사이에 임의의 재료를 배치해도 된다. 또한, 상기 촉매의 형상도 특별히 한정되지 않고, 도 5 에 나타낸 바와 같이 층상(層狀)으로 형성해도 되고, 괴상 (塊狀), 다공질상으로 형성해도 된다. 또한, 필터 등의 다공질체의 표면에 상기 촉매를 부착, 담지시켜도 된다. 또, 도 5 에는 평판형 연료 전지를 예시했지만, 원통형의 연료 전지에서도 동일하게 촉매층 (30) 을 배치함으로써, 보다 고효율의 연료 전지로 할 수 있다. 예컨대, 도 6 에 나타낸 바와 같이 촉매층 (30) 을 배치해도 된다. 도 6 에 나타내는 예는, 소위 원통 타만 튜브 (Tammann tube) 형의 연료 전지인데, 애노드 배출관과 캐소드 배출관의 역할을 겸한 배출관의 내벽 표면에 촉매층 (30) 이 배치되어 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 캐소드의 배출물로부터, 그 배출물에 포함되는 산화제 또는 물에서 선택되는 적어도 하나를 회수하는 회수부 (캐소드 회수부) 를 더 구비하고 있어도 된다. 물을 회수함으로써 연료 전지로부터 물을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 회수한 물은 연료로서 재이용할 수도 있다. 캐소드 회수부의 기구, 구성 등은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 캐소드의 배출물이 100℃ 이하가 된 상태로 기액 분리 장치를 사용함으로써, 산화제 및/또는 액체가 된 물을 회수할 수 있다. 이러한 연료 전지의 구체예는 실시예에 후술한다.
또한, 본 발명의 연료 전지에 있어서, 애노드의 배출물로부터, 그 배출물에 포함되는 연료, 이산화탄소 및 물에서 선택되는 적어도 1 종을 회수하는 회수부 (애노드 회수부) 를 더 구비하고 있어도 된다. 연료를 회수함으로써 미사용의 연료의 재이용이 가능해지고, 보다 휴대성, 가반성이 우수한 연료 전지로 할 수 있다. 물을 회수함으로써 연료 전지로부터 물을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 회수한 물은 연료로서 재이용할 수도 있다. 또한, 이산화탄소를 회수함으로써 밀폐된 공간에서 사용할 수도 있다. 이 때, 연료와는 별도로 이산화탄소를 회수하면, 재이용하는 연료 중에 발전에 기여하지 않은 가스가 혼입하는 것을 방지할 수 있다. 애노드 회수부의 기구, 구성 등은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 기액 분리 장치를 사용함으로써 기체인 이산화탄소를 회수할 수 있다.
환언하면, 본 발명의 연료 전지에 있어서, 연료 공급부가 애노드의 배출물에 포함되는 미사용의 연료를 애노드에 다시 공급하는 연료 순환부를 더 구비하고 있어도 된다. 또한, 연료 순환부가 애노드의 배출물에 포함되는 이산화탄소를 회수하는 이산화탄소 회수부를 더 구비하고 있어도 된다. 이산화탄소 회수부의 기구, 구성 등은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 상술한 기액 분리 장치나, 수산화 나트륨 등의 염기성의 고체를 충전한 챔버를 사용하면 된다. 또한, 연료 순환부의 기구, 구성 등은 특별히 한정되지 않는다. 이러한 연료 전지의 구체예는 실시예에 후술한다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 연료는 상온 상압하에서 액체 또는 고체인 한 특별히 한정되지 않는다. 상기에 기술했지만, 상온이란, 예컨대 대략 -40℃∼50℃ 의 범위를, 바람직하게는 -20℃∼40℃ 의 범위를 의미한다. 상압이란, 예컨대 대략 70kPa∼120kPa 정도의 범위를 의미한다. 상기 범위는 인간이 행동 가능하다고 (즉 본 발명의 연료 전지가 일반적으로 사용된다고) 추정할 수 있는 환경 온도에 대응하고 있다. 연료는 상기 기술한 전체 범위에서 액체 또는 고체일 필요는 없다. 상기 기술한 범위의 일부에서 액체 또는 고체이어도 된다. 액체와 고체가 혼합된 상태이어도 된다. 예컨대, 부탄은 비점이 -0.5℃ 이고, 20℃, 1 기압에서는 기체이다. 그러나, -0.5℃ 이하에서는 액체가 되고, 또한 20℃ 에서도 약간의 압력을 가하는 것만으로 용이하게 액화한다. 이 때문에, 본 발명의 연료 전지에 사용하는 연료에 첨가할 수 있다. 또, 부탄은 소형이며 경량인 휴대 봄베로서 대량으로 시판되고 있다.
구체적으로는, 연료는 예를 들어 유기 연료와 물의 혼합물이어도 된다. 유기 연료로는, 물과 혼합할 수 있는 한 특별히 한정되지 않고, 예컨대 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 디메틸에테르에서 선택되는 적어도 1 종이면 된다. 이들 저급 알콜류는 물과 용이하게, 또한 임의의 비율로 혼합할 수 있다. 그 중에서도, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 디메틸에테르에서 선택되는 적어도 1 종을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 유기 연료는 메탄올과 같은 독성을 갖지 않기 때문에, 보다 안전성이 우수한 연료 전지로 할 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 연료가 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 트리옥산, 디메톡시메탄, 디메틸에테르, 부탄 및 트리메톡시메탄에서 선택되는 적어도 1 종이어도 된다. 그 중에서도, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 부탄 및 디메틸에테르에서 선택되는 적어도 1 종을 사용하는 것이 바람직하다. 이들 연료는 메탄올과 같은 독성을 갖지 않기 때문에, 보다 안전성이 우수한 연료 전지로 할 수 있다.
본 발명의 연료 전지에 있어서, 연료는 상온 상압하에서 고체이어도 된다. 예를 들어, 탄소수가 12∼26 정도의 범위인 고급 지방족 알콜이어도 되고, 보다 구체적으로는 연료가 도데칸올 및 1-테트라데칸올에서 선택되는 적어도 1 종이어도 된다. 또, 도데칸올 및 1-테트라데칸올은 메탄올과 같은 독성을 갖지 않는다.
또한, 연료가 가솔린, 등유, 경유, 중유 등이어도 된다. 각각, 가솔린, 등유, 경유 혹은 중유로서 시판되고 있는 연료이면 된다. 시판하는 상태에서는 여러가지 첨가물이 혼입되어 있는데, 가솔린은 일반적으로 원유를 정제했을 때 최저 비점 증류분이 30℃∼220℃ 정도이며, 탄소수가 4∼12 정도의 범위의 탄화수소를 포함하는 연료를 말한다. 예컨대, JIS(일본공업규격)-K-2201, JIS-K-2202, JIS-K-2206 에 규정된 연료이다. 등유는 일반적으로 비점이 145℃∼300℃ 정도의 범위의 증류분으로 이루어진 연료를 말한다. 예컨대, JIS-K-2203 에 규정된 연료이다. 경유는 일반적으로 비점이 180℃∼350℃ 정도의 범위의 증류분으로 이루어진 연료를 말한다. 예컨대, JIS-K-2204 에 규정된 연료이다. 중유는 원유로부터 가솔린, 등유, 경유 등을 정제한 후에 남는 잔유를 성분으로 포함하는 연료이며, 예컨대 JIS-K-2205 에 규정된 연료이다.
또한, 연료가 알콜을 포함하는 겔이어도 된다. 구체적인 예로서, 알콜에 포화 아세트산칼슘 용액을 혼합하여 겔화시킨 고형 연료 등을 들 수 있다.
이상, 상기 기술한 본 발명의 연료 전지에서는, 그 동작 온도를 예컨대 100℃∼500℃ 의 범위, 보다 바람직하게는 150℃∼350℃ 의 범위로 할 수 있다. 이 범위는 PEFC 의 동작 온도 영역보다 높기 때문에, PEFC 보다 발전 효율이 우수한 연료 전지로 할 수 있다. 또한, 이 범위는 SOFC 의 동작 온도보다 낮기 때문에, SOFC 에 비해 가열 장치, 단열 장치의 간소화가 가능하고, SOFC 에서는 어려웠던 휴대성, 가반성이 우수한 연료 전지로 할 수 있다.
(실시예)
이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 본 발명은 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
(실시예 1)
본 실시예에서는, 실제로 연료 전지를 제작하고, 연료로서 상온 상압하에서 액체인 메탄올, 에탄올, 프로필알콜, 부틸알콜, 물을 혼합한 메탄올 (물의 함유율이 50중량%) 및 부탄을 사용하여 발전 시험을 하였다. 처음에, 본 실시예에서 사용한 연료 전지의 제작 방법을 나타낸다.
먼저, 전해질로서 프로톤 전도성을 갖는 산화물 (13mmΦ, 두께 220㎛ 의 원반상) 을 제작했다. 구체적으로는, 상기 산화물의 원주상 소결체 (13mmΦ, 두께 10mm) 를 고온 고상법에 의해 제작하고, 절삭 가공 및 연마에 의해 두께 220㎛ 의 전해질을 제작했다. 전해질 (산화물) 의 조성은 BaZr0 .4Ce0 .4In0 .2O3 -α (단, 0<α<0.3) 로 하였다.
다음으로, 제작한 원반상 전해질의 양면에, 촉매로서 백금 페이스트 (다나카귀금속 제조, 모델넘버 TR7905) 를 도포하고 베이킹하여 애노드 및 캐소드를 형성했다. 애노드 및 캐소드의 두께는 각각 약 5㎛ 로 하였다.
다음으로, 상기와 같이 제작한 애노드와 전해질과 캐소드의 적층체를 사용하여, 도 1 에 나타내는 연료 전지를 제작했다. 상기 기술한 바와 같이, 도 1 에 나타내는 연료 전지에서는, 전해질 (1) 의 양면에 애노드 (2) 및 캐소드 (3) 가 형성되어 있고, 전해질 (1) 은 유리 패킹 (12) 을 통해 알루미나관 (11) 사이에 끼워져 지지되어 있다. 애노드 (2) 에는 석영관 (13) 을 통하여 연료가 공급되고, 캐소드 (3) 에는 석영관 (14) 을 통하여 산화제인 공기가 공급된다. 석영관 (13) 및 석영관 (14) 은 각각 연료 공급부 및 산화제 공급부의 일부이다. 또한, 애노드 (2) 및 캐소드 (3) 에는 출력 취출선 (15) 및 전위측정용 리드선 (16) 이 접착되어 있고, 발전에 의해 발생한 전력을 외부로 출력하면서 애노드 (2) 와 캐소드 (3) 사이에 발생한 전압 (셀 전압) 을 측정할 수 있다. 도 1 에 나타내는 연료 전지에서는, 또한 전지 가열부로서 히터 (17) 가 알루미나관 (11) 을 덮도록 배치되어 있다. 알루미나관 (11) 은 상기 기술 하우징의 일종이다.
이렇게 하여 제작한 연료 전지에 대해 발전 시험을 하였다. 이하에 시험 방법을 나타낸다. 먼저, 히터 (17) 에 의해 알루미나관 (11) 의 내부를 350℃ 까지 가열했다. 이 때, 전해질 (1), 애노드 (2) 및 캐소드 (3) 의 온도가 350℃ 가 되도록 하였다 (이러한 상태를 셀의 온도가 350℃ 인 것으로 한다). 다음으로, 연료 및 공기를 석영관 (13) 및 석영관 (14) 에 의해 공급하고, 부하인 전류 밀도와 셀 전압의 관계 (I-V 특성) 를 측정했다. I-V 특성의 결과를 도 7 에 나타낸다.
도 7 에 나타낸 바와 같이, 연료로서 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 물을 혼합한 메탄올 및 부탄을 사용한 각각의 경우에 있어서 발전이 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한, 셀의 온도가 100℃, 150℃, 200℃ 인 경우에 있어서도, 도 7 에 나타내는 결과와 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
또한, 전해질에 사용하는 산화물로서, 그 밖의 프로톤 전도성을 갖는 산화물, 예컨대 BaZr0 .6Ce0 .2Gd0 .2O3 -α, BaZr0 .4Ce0 .4Y0 .2O3 -α, BaZr0 .4Ce0 .4Yb0 .2O3 -α, BaCe0.8Gd0.2O3-α, BaCe0 .8Gd0 .2Al0 .02O3 -α, BaZr0 .4Ce0 .4In0 .2Al0 .02O3 -α, BaZr0.6Ce0.2Gd0.2Al0.02O3-α, BaZr0 .52Ce0 .24Gd0 .24O3 -α, BaZr0 .56Ce0 .24Gd0 .2O3 -α, BaZr0.3Ce0.5In0.2O3-α (단, 상기 모든 조성식에서 0<α<0.3) 를 사용한 경우에 있어서도 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
또, 애노드 및 캐소드에 사용하는 촉매로서 Ru 나 Rh 를 포함한 촉매를 사용한 경우, 전해질의 두께가 10㎛∼500㎛ 의 범위에 있는 경우에 있어서도 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
(실시예 2)
본 실시예에서는, 실제로 연료 전지를 제작하고, 연료로서 물을 혼합한 메탄올 (물의 함유율이 50중량%) 을 사용하여 발전 시험을 하였다. 처음에, 본 실시예에서 이용한 연료 전지의 제작 방법을 나타낸다.
먼저, 전해질로서 프로톤 전도성을 갖는 산화물 (13mmΦ, 두께 220㎛ 의 원반상) 을 제작했다. 구체적으로는, 상기 산화물의 원주상 소결체 (13mmΦ, 두께 10mm) 를 고온 고상법에 의해 제작하고, 절삭 가공 및 연마에 의해 두께 220㎛ 의 전해질을 제작했다. 또, 전해질 (산화물) 의 조성은 BaCe0 .8Gd0 .2Al0 .02O3 -α (단, 0<α<0.3) 로 하였다.
다음으로, 제작한 원반상 전해질의 양면에, 촉매로서 백금 페이스트 (다나카귀금속 제조, 모델넘버 TR7905) 를 도포하고 베이킹하여 애노드 및 캐소드를 형성했다. 애노드 및 캐소드의 두께는 각각 약 2㎛ 로 하였다.
다음으로, 상기와 같이 제작한 애노드와 전해질과 캐소드의 적층체를 사용하여 도 2 에 나타내는 연료 전지를 제작했다. 상기 기술한 바와 같이, 도 2 에 나타내는 연료 전지에서는, 애노드, 전해질 및 캐소드로 이루어진 적층체 (4) 는 세라믹으로 이루어진 기판 (5) 에 유지되어 있다. 기판 (5) 에는 4 개의 적층체 (4) 가 유지되어 있고, 각각의 적층체 (4) 의 애노드 및 캐소드의 일부가 기판 (5) 에 형성된 개구부에서 외부로 노출되어 있다. 이 노출되어 있는 부분에 연료 및 산화제가 공급되기 때문에, 도 2 에 나타내는 연료 전지의 전극 면적은 노출되어 있는 부분의 합계 면적과 같다. 본 실시예에서는 전극 면적을 합계 2㎠ 로 하였다.
또한, 도 2 에 나타내는 연료 전지에 있어서, 기판 (5) 및 적층체 (4) 는 연료 또는 산화제의 유로와 집전체를 겸한 1 조의 세퍼레이터 (18) 사이에 끼워져 지지되어 있다. 세퍼레이터 (18) 에는 연료 공급관 (20) 및 애노드 배출관 (22) 또는 산화제 공급관 (21) 및 캐소드 배출관 (23) 이 접속되어 있다. 또한, 세퍼레이터 (18) 는 박막상 히터 (19) 사이에 끼워져 지지되어 있어, 히터 (19) 에 의해 셀 전체를 가열할 수 있다. 또한, 도 2 에 나타내는 연료 전지는 전체가 실리카를 포함하는 재료로 이루어진 단열재 (24) 에 의해 피복되어 있다. 또, 세퍼레이터 (18) 의 재료로는 스테인레스를 사용했다.
도 2 에 나타내는 연료 전지 전체의 모식도를 도 8 에 나타낸다. 도 8 에 나타낸 바와 같이, 도 2 에 나타내는 연료 전지는 보조 전원 (29) 으로서 2 차 전지를 구비하고 있고, 전지의 기동시에 보조 전원 (29) 으로부터의 전력을 히터 (19) 에 공급할 수 있다. 이 때문에, 보조 전원 (29) 으로부터의 전력에 의해 애노드 (2), 전해질 (1), 캐소드 (3) 로 이루어진 적층체 (4) 를 소정 온도까지 가열한 후 연료 및 산화제인 공기를 공급하여 발전시킬 수 있다. 발전 개시후, 셀의 온도가 발전시에 생기는 열에 의해 유지되도록 되면, 보조 전원 (29) 으로부터 히터 (19) 로의 전력의 공급을 정지하고, 반대로 발전한 전력에 의해 보조 전원 (29) 을 충전해도 된다.
또한, 도 8 에 나타낸 바와 같이, 도 2 에 나타내는 연료 전지는 연료 공급부로서 탱크 (26) 및 펌프 (25) (출력 0.15 mW) 를 구비하고 있다. 탱크 (26) 는 애노드 배출관 (22) 과도 접속되어 있어, 애노드 회수부 및 연료 순환부로서의 역할도 해내고 있다. 또한, 탱크 (26) 는 기액 분리 장치를 구비하고 있어, 애노드의 배출물에 포함되는 이산화탄소만을 외부로 배출할 수 있다. 또, 펌프 (25) 로는 압전식 펌프를 사용하였다.
또한, 동일하게 도 2 에 나타내는 연료 전지는 산화제 공급부로서 압축기 (27) 를 구비하고 있고, 캐소드 회수부로서 탱크 (28) 를 구비하고 있다. 탱크 (28) 는 기액 분리 장치를 구비하고 있어, 캐소드 배출물 중의 공기만을 외부로 배출할 수 있다.
이와 같이 하여 제작한 연료 전지에 대하여, 연료에 메탄올과 물의 혼합물 (물의 함유율은 50질량%) 을 사용하여 발전 시험을 하였다. 이 때, 셀의 온도는 350℃ 로 하고, 부하 전류와 셀 전압의 관계 (도 9 에서의 I-V 특성) 및 부하 전류와 출력의 관계 (도 9 에서의 출력 특성) 를 평가하였다. 결과를 도 9 에 나타낸다. 단, 도 9 에서 횡축은 부하 전류 (mA) 로 한다.
도 9 에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서 최대 1mW 의 출력을 얻을 수 있었다. 이 때, 펌프, 히터, 압축기 등의 보기류의 소비 전력을 빼더라도 약 0.15mW 의 출력을 얻을 수 있었다. 즉, 본 실시예의 연료 전지는, 보기류를 포함하여 자립적인 발전이 가능하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예의 연료 전지는 휴대성, 가반성이 우수한 연료 전지라 할 수 있다.
또, 전해질로서, 실시예 1 에 상술한 전해질을 사용한 경우에도, 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 애노드 및 캐소드에 사용하는 촉매로서 Ru 나 Rh 를 포함한 촉매를 사용한 경우, 전해질의 두께가 10㎛∼500㎛ 의 범위에 있는 경우에 있어서도 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 세퍼레이터의 재질을 보다 전기 저항이 낮은 재료로 한 경우, 보다 출력을 향상시킬 수 있었다.
(실시예 3)
본 실시예에서는, 도 2 에 나타낸 연료 전지의 구성을 일부 변경한 연료 전지를 제작하여 발전 시험을 하였다.
먼저, 전해질로서 프로톤 전도성을 갖는 산화물 (13mmΦ, 두께 220㎛ 의 원반상) 을 제작했다. 구체적으로는, 상기 산화물의 원주상 소결체 (13mmΦ, 두께 10mm) 를 고온 고상법에 의해 제작하고, 절삭 가공 및 연마에 의해 두께 220㎛ 의 전해질을 제작했다. 또, 전해질 (산화물) 의 조성은 BaZr0 .6Ce0 .2Gd0 .2O3 -α (단, 0<α<0.3) 로 하였다.
다음으로, 제작한 원반상 전해질의 양면에, 촉매로서 백금 페이스트 (다나카귀금속 제조, 모델넘버 TR7905) 를 도포하고 베이킹하여 애노드 및 캐소드를 형성했다. 애노드 및 캐소드의 두께는 각각 약 3㎛ 로 하였다.
다음으로 상기와 같이 제작한 애노드와 전해질과 캐소드의 적층체를 사용하여, 도 2 에 나타내는 연료 전지를 제작했다. 단, 본 실시예에서는 히터 (19) 대신 연료와 산화제를 반응시키기 위한 촉매로서 Pt 를 포함하는 촉매층을 배치했다. 또한, 세퍼레이터 (18) 의 재료로는 카본을 사용했다. 본 실시예에서 사용한 연료 전지 전체의 모식도를 도 5 에 나타낸다 (그 밖의 구조 및 전극 면적 등은 실시예 2 와 동일하다).
상술한 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지에서는 세퍼레이터 (18) 에 접하도록 촉매층 (30) 이 배치되어 있다. 이러한 연료 전지에서는, 연료 공급부인 탱크 (42) 로부터 공급된 연료 중 미사용의 연료와, 산화제 공급부인 압축기 (27) 로부터 공급된 공기 중 미사용의 공기를 세퍼레이터 (18) 로부터 배출된 후에 혼합하여 촉매층 (30) 에 의해 반응시킬 수 있다. 반응에 의해 발생한 열은 셀의 온도를 상승시키기 위해, 또는 셀의 온도를 보온하기 위해 사용할 수 있다. 또한, 촉매층 (30) 에서 발생하는 열량은, 연료 및 산화제의 유량을 조절함으로써 제어할 수 있다. 또, 촉매층 (30) 의 면적은 세퍼레이터 (18) 의 면적과 동일하게 하고, 촉매층 (30) 의 두께는 5㎛ 로 하였다.
이와 같이 제작한 연료 전지에 대하여, 연료로서 부탄을 사용하여 발전 시험을 하였다. 처음에, 부탄 및 공기를 공급하여 촉매층 (30) 에서 연소시키고 셀의 온도를 약 350℃ 로 하였다. 다음으로, 부탄 및 공기의 유량을 조정하여 발전 시험을 하였다. 결과를 도 10 에 나타낸다.
도 10 에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 있어서 최대 0.35mW 의 출력을 얻을 수 있었다. 이 때, 펌프 등의 보기류의 소비 전력을 빼더라도 약 0.2mW 의 출력을 얻을 수 있었다. 즉, 본 실시예의 연료 전지는, 보기류를 포함하여 자립적인 발전이 가능하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예의 연료 전지는 휴대성, 가반성이 우수한 연료 전지라 할 수 있다.
또한, 전해질로서, 실시예 1 에 상술한 전해질을 사용한 경우에도 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 애노드 회수부 및/또는 캐소드 회수부를 배치한 경우에도 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 애노드 및 캐소드에 사용하는 촉매로서 Ru 나 Rh 를 포함한 촉매를 사용한 경우, 전해질의 두께가 10㎛∼500㎛ 의 범위에 있는 경우에 있어서도 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
(실시예 4)
본 실시예에서는, 도 1 에 나타낸 연료 전지의 구성을 일부 변경한 연료 전지를 제작하여 발전 시험을 하였다. 또한, 연료로서 상온 상압하에서 고체인 연료 (알콜을 포함하는 겔, 도데칸올 및 1-테트라데칸올) 를 사용했다.
먼저, 전해질로서 프로톤 전도성을 갖는 산화물 (13mmΦ, 두께 220㎛ 의 원반상) 을 제작했다. 구체적으로는, 상기 산화물의 원주상 소결체 (13mmΦ, 두께 10mm) 를 고온 고상법에 의해 제작하고, 절삭 가공 및 연마에 의해 두께 220㎛ 의 전해질을 제작했다. 또, 전해질 (산화물) 의 조성은 BaZr0 .4Ce0 .4In0 .2Al0 .01O3 -α (단, 0<α<0.3) 로 하였다.
다음으로, 제작한 원반상 전해질의 양면에, 촉매로서 백금 페이스트 (다나카귀금속 제조, 모델넘버 TR7905) 를 도포하고 베이킹하여 애노드 및 캐소드를 형성했다. 애노드 및 캐소드의 두께는 각각 약 8㎛ 로 하였다.
다음으로, 상기와 같이 제작한 애노드와 전해질과 캐소드의 적층체를 사용하여, 도 11 에 나타내는 연료 전지를 제작했다. 도 11 에 나타내는 연료 전지는 고체 연료가 봉입된 탱크 (41) 가 히터 (17) 내에 매립되어 있는 것 외에는, 도 1 에 나타내는 연료 전지와 동일하다. 탱크 (41) 는 히터 (17) 내에 매립되어 있기 때문에, 도 11 에 나타내는 연료 전지는 전지 가열부에 의해 연료를 가열할 수 있는 연료 전지이다.
이와 같이 하여 제작한 연료 전지에 대하여, 셀의 온도를 350℃ 로 하여 발전 시험을 하였다. 또, 연료로 사용한 알콜을 포함하는 겔은, 포화 아세트산칼슘 용액에 에탄올을 혼합하여 겔화시킨 고체 연료이다. 발전 시험의 결과를 도 12 에 나타낸다.
도 12 에 나타낸 바와 같이, 연료로서 상온 상압하에서 고형인 도데칸올, 1-테트라데칸올, 알콜을 포함하는 겔을 사용한 경우에도 발전이 충분히 가능하다는 것을 알 수 있다.
또한, 전해질로서, 실시예 1 에 상술한 전해질을 사용한 경우에도 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 애노드 및 캐소드에 사용하는 촉매로서 Ru 나 Rh 를 포함한 촉매를 사용한 경우, 전해질의 두께가 10㎛∼500㎛ 의 범위에 있는 경우에 있어서도 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
(실시예 5)
본 실시예에서는, 실제로 퍼스널 컴퓨터 (PC) 나 휴대전화에 사용되는 전원을 상정하여 시험 제작한 예를 나타낸다. 도 13 에 본 실시예에서 상정한 연료 전지 (51) 를 나타낸다. 도 13 에 나타내는 연료 전지 (51) 는, 셀 (52) 과, 연료 탱크 (57) 와, 연료 전지 (52) 에 연료 탱크 (57) 로부터 연료를 공급하는 펌프 (54) 와, 애노드 회수부 (53) 와, 연료 전지 (52) 에 공기를 공급하는 압축기 (55) 와, 캐소드 회수부 (56) 를 구비하고 있다. 셀 (52) 에는, 도 5 에 나타낸 바와 같은 전해질 (1), 애노드 (2), 캐소드 (3), 세퍼레이터 (5) 및 촉매층 (30) 의 적층체를 사용했다. 또, 연료 전지 (51) 의 사이즈는 30m×30mm×20mm, 셀 (52) 의 전극 면적을 3㎠ 로 하였다.
이와 같이 제작한 연료 전지에 대하여, 전해질로서 실시예 1∼4 에 상술한 산화물을, 애노드 및 캐소드로서 실시예 1∼4 에 상술한 촉매를, 연료로서 실시예 1∼4 에 상술한 연료를 이용한 경우, 보기류를 포함하여 동등 사이즈인 PEFC 에 비해 보다 에너지 변환 효율이 우수하고, 용량이 실질상 1.2 배 정도 큰 연료 전지로 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 용량은 얻어진 I-V 곡선 (전류-전압 특성 곡선)으로부터 산출했다.
본 발명은, 그 의도 및 본질적인 특징에서 일탈하지 않는 한 다른 실시형태에 적용할 수 있다. 이 명세서에 개시되어 있는 실시형태는, 모든 점에서 설명적인 것으로 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는, 상기 설명이 아니라 첨부한 클레임에 의해 나타나 있고, 클레임과 균등한 의미 및 범위에 있는 모든 변경은 그것에 포함된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 보다 발전 효율이 우수하고, 기체 연료에 비하여 에너지 밀도가 높은 연료인 액체 또는 고체 연료를 사용하는 것이 가능한, 휴대성, 가반성이 우수한 연료 전지를 얻을 수 있다.

Claims (21)

  1. 전해질과,
    상기 전해질을 사이에 끼워 지지하도록 배치된 애노드 및 캐소드와,
    상기 애노드에 연료를 공급하는 연료 공급부와,
    상기 캐소드에 산소를 포함하는 산화제를 공급하는 산화제 공급부와,
    상기 연료 전지를 가열하는 전지 가열부를 구비하고,
    상기 전해질은 고체 산화물로 이루어지고,
    상기 연료는 상온 상압하에서 액체 또는 고체인 연료 전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 캐소드의 배출물로부터 상기 배출물에 포함되는 산화제 및 물에서 선택되는 적어도 하나를 회수하는 회수부를 더 구비하는 연료 전지.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드의 배출물로부터 상기 배출물에 포함되는 연료, 이산화탄소 및 물에서 선택되는 적어도 1 종을 회수하는 회수부를 더 구비하는 연료 전지.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 공급부가 상기 애노드의 배출물에 포함되는 미사용의 연료를 상기 애노드에 다시 공급하는 연료 순환부를 포함하는 연료 전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 연료 순환부가 상기 배출물에 포함되는 이산화탄소를 회수하는 이산화탄소 회수부를 더 포함하는 연료 전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 전지 가열부가 상기 연료와 상기 산화제를 반응시키기 위한 촉매를 포함하는 연료 전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 연료 및 상기 산화제가 각각 상기 애노드 및 상기 캐소드로부터 배출된 미사용의 연료 및 산화제를 포함하는 연료 전지.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 전해질이 프로톤 전도성을 갖는 산화물로 이루어진 연료 전지.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 전해질이 세륨 (Ce) 및 지르코늄 (Zr) 에서 선택되는 적어도 하나와 바륨 (Ba) 을 포함하는 연료 전지.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 전해질이 식 Ba(Zr1 - xCex)1- yMyAlzO3 -α 로 나타내는 조성비를 갖는 연료 전지.
    단, 상기 식에 있어서,
    M 은 Ce 를 제외한 3 가의 희토류 원소 및 In 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소이고,
    x, y, z 및 α 는 각각 이하의 식
    0≤x≤1
    0<y<0.4
    0≤z<0.04
    0<α<1.5 의 관계를 만족하는 수치이다.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 M 이 In, Gd, Y 및 Yb 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소인 연료 전지.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 전해질이 식 BaCe0 .8Gd0 .2Al0 .02O3 -α, 식 BaZr0.6Ce0.2Gd0.2O3-α 및 식 BaZr0 .4Ce0 .4In0 .2O3 -α 에서 선택되는 적어도 1 종의 식으로 나타내는 조성을 갖는 연료 전지.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 연료가 유기 연료와 물의 혼합물인 연료 전지.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 유기 연료가 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 디메틸에테르에서 선택되는 적어도 1 종인 연료 전지.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 유기 연료가 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 디메틸에테르에서 선택되는 적어도 1 종인 연료 전지.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 연료가 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 트리옥산, 디메톡시메탄, 트리메톡시메탄, 도데칸올, 디메틸에테르, 부탄 및 1-테트라데칸올에서 선택되는 적어도 1 종인 연료 전지.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 연료가 에탄올, 프로판올, 부탄올, 도데칸올, 디메틸에테르, 부탄 및 1-테트라데칸올에서 선택되는 적어도 1 종인 연료 전지.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 연료가 탄소수가 12 이상 26 이하의 범위의 고급 지방족 알콜인 연료 전지.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 연료가 가솔린, 등유, 경유 및 중유에서 선택되는 적어도 1 종인 연료 전지.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 연료가 알콜을 포함하는 겔인 연료 전지.
  21. 제 1 항에 있어서, 동작 온도가 100℃∼500℃ 의 범위인 연료 전지.
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