KR20070041719A - 연료 전지용 연료 저장체 - Google Patents

Abstract

휴대 전화, 노트형 PC 및 PDA 등의 휴대용 전자 기기의 전원으로서 이용되는데 매우 적합한 소형의 연료 전지용 연료 저장체를 제공하기 위해, 연료 전지 본체에 분리 가능하게 연결되어 있는 연료 저장체를, 액체 연료를 수용하는 튜브형의 연료 수용 용기와 연료 유출부와 액체 연료의 후단부에 상기 액체 연료를 봉지하는 동시에, 액체 연료의 소비에 따라 이동하는 추종체로 이루어지는 구성으로 하고, 상기 연료 수용 용기 내부가 추종체에 의해 적어도 밀봉된 연료 저장실과 외기로부터는 격절(隔絶) 밀봉된 상태의 상기 추종체를 압압하는 수단이 봉입되어 있는 가압실을 구비한 구조로 한다.

이 구조의 연료 전지용의 연료 저장체는 액체 연료의 비등, 기포의 발생, 연료의 취출 등을 방지할 수 있는 동시에, 연료 전지 본체에 직접 액체 연료를 안정적으로 공급할 수 있다.

Description

연료 전지용 연료 저장체{FUEL CELL-USE FUEL STORING BODY}

본 발명은 연료 전지용 연료 저장체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휴대 전화, 노트형 PC 및 PDA 등의 휴대용 전자 기기의 전원으로 이용되는 소형의 연료 전지용으로 매우 적합한 연료 저장체에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지는 공기 전극층, 전해질층 및 연료 전극층이 적층된 연료 전지 셀과, 연료 전극층에 환원제로서의 연료를 공급하기 위한 연료 공급부와, 공기 전극층에 산화제로서의 공기를 공급하기 위한 공기 공급부로 이루어지고, 연료와 공기중의 산소에 의해 연료 전지 셀 내에서 전기 화학 반응을 일으켜 외부에 전력을 공급하는 전지이고, 여러 가지의 형식의 것이 개발되고 있다.

근래, 환경 문제나 에너지 절약에 대한 의식의 고양에 의해, 깨끗한 에너지원으로서의 연료 전지를 각종 용도로 이용하는 것이 검토되고 있고, 특히 메탄올과 물을 포함하는 액체 연료를 직접 공급하는 것만으로 발전할 수 있는 연료 전지가 주목되어 오고 있다 (예를 들면, 특허문헌 1 및 2 참조).

이들 중에서도 액체 연료의 공급에 모세관력(capillary force)을 이용한 액체 연료 전지 등이 알려져 있다 (예를 들면, 특허문헌 3~7 참조).

이들 각 특허문헌에 기재되어 있는 액체 연료 전지는 연료 탱크로부터 액체 연료를 모세관력으로 연료극에 공급하므로, 액체 연료를 압송하기 위한 펌프를 필요로 하지 않는 등 소형화에 있어서 장점이 있다.

그렇지만, 이와 같은 단순히 연료 저장조에 설치된 다공체 및/또는 섬유 다발체의 모세관력만을 이용한 액체 연료 전지는, 구성상은 소형화에 적합하지만 연료극에 연료가 직접 액체 상태로 공급되기 때문에 소형 휴대 기기에 탑재해 전지부의 전후좌우나 상하가 끊임없이 바뀌는 사용 환경하에서는 장시간의 사용 기간중에 연료의 추종이 불완전해져 연료 공급 차단 등의 폐해가 발생해 전해질층에 대한 연료 공급을 일정하게 하는 것을 저해하는 원인이 되고 있다.

또, 이들 결점의 해결책의 하나로서 예를 들면, 액체 연료를 모세관력에 의해 셀내에 도입한 후, 액체 연료를 연료 기화층으로 기화하여 사용하는 연료 전지 시스템 (예를 들면, 특허문헌 8 참조)가 알려져 있지만, 기본적인 문제점인 연료의 추종성 부족은 개선되고 있지 않다는 과제를 갖고, 또 이 구조의 연료 전지는 액체를 기화시킨 후에 연료로서 이용하는 시스템이기 때문에, 소형화가 곤란해지는 등의 과제가 있다.

이와 같이 종래의 연료 전지용 연료 저장체에서는, 연료극에 직접 액체 연료를 공급할 때에, 연료의 공급이 불안정하고 동작중의 출력치에 변동이 생기거나 안정한 특성을 유지한 채로 휴대 기기에 대한 탑재가 가능한 정도의 소형화는 곤란하다는 것이 현 상황이다.

따라서, 본원 출원인은 미소 탄소 다공체로 이루어지는 연료 전극체의 외표부에 전해질층을 구축하고, 이 전해질층의 외표부에 공기 전극층을 구축함으로써 형성되는 단위 셀이 복수 연결된 연료 전지로서, 상기 각 단위 셀에는 액체 연료를 저장하는 카트리지 구조체로 이루어지는 연료 저장체에 접속되는 침투 구조를 가지는 연료 공급체가 연결되어 액체 연료가 공급되는 직접 메탄올 형 연료 전지를 출원하고 있다 (예를 들면, 특허문헌 9 참조).

이 연료 전지는 지금까지 없는 뛰어난 기능을 가지는 것이지만, 카트리지형 연료 저장체가 가열되어 고온 상태가 되었을 경우에, 액체 연료의 비등, 기포의 발생, 연료의 취출 (spouting) 등이 약간 생기는 등의 과제가 있다.

특허문헌 1 : 일본 특개평 5-258760호 공보 (특허청구범위, 실시예 등)

특허문헌 2 : 일본 특개평 5-307970호 공보 (특허청구범위, 실시예 등)

특허문헌 3 : 일본 특개소 59-66066호 공보 (특허청구범위, 실시예 등)

특허문헌 4 : 일본 특개평 6-188008호 공보 (특허청구범위, 실시예 등)

특허문헌 5 : 일본 특개 2003-229158호 공보 (특허청구범위, 실시예 등)

특허문헌 6 : 일본 특개 2003-299946호 공보 (특허청구범위, 실시예 등)

특허문헌 7 : 일본 특개 2003-340273호 공보 (특허청구범위, 실시예 등)

특허문헌 8 : 일본 특개 2001-102069호 공보 (특허청구범위, 실시예 등)

특허문헌 9 : 일본 특개 2004-63200호 공보 (특허청구범위, 실시예 등)

발명이 해결하고자 하는 과제

본 발명은 상기 종래의 연료 전지용 연료 저장체에서의 과제 및 현재 상태를 감안해 이것을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 연료 저장체가 가열되어 고온 상태가 되어도 액체 연료의 비등, 기포의 발생, 연료의 취출 등을 방지할 수 있는 동시에, 연료 전지 본체에 직접 액체 연료를 안정적으로 공급하고, 게다가 고온 보관시에 있어서도 액체 연료의 손실이 없으며, 또한 연료 전지의 소형화를 이룰 수 있는 연료 전지용 연료 저장체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자들은 상기 종래의 과제 등에 대해서 열심히 검토한 결과, 연료 전지 본체에 분리 가능하게 연결되어 있는 연료 저장체로서, 상기 연료 저장체를, 액체 연료를 수용하는 연료 수용 용기와 연료 유출부와 액체 연료의 후단부에 특정 물성의 추종체를 구비하는 동시에, 상기 연료 수용 용기를 더욱 특정의 구조로 함으로써, 상기 목적의 연료 전지용 연료 저장체를 얻을 수 있는 것에 성공해, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명은 다음의 (1)~(7) 에 있다.

(1) 연료 전지 본체에 분리 가능하게 연결되어 있는 연료 저장체로서, 상기 연료 저장체를, 액체 연료를 수용하는 연료 수용 용기와 연료 유출부와 액체 연료의 후단부에 상기 액체 연료를 봉지하는 동시에, 액체 연료의 소비에 따라 이동하는 추종체로 이루어지는 구성으로 하고, 상기 연료 수용 용기 내부가 추종체에 의해 적어도 밀봉된 연료 저장실과 외기로부터는 격절(隔絶, completely separated) 밀봉된 상태의 상기 추종체를 압압하는 수단이 봉입되어 있는 가압실을 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 연료 저장체.

(2) 가압실에 봉입되는 추종체를 압압하는 수단이 연료 저장실에 봉입된 액체 연료보다도 높은 증기압을 가지는 조성의 휘발성 액체로 이루어지는 상기 (1) 기재의 연료 전지용 연료 저장체.

(3) 가압실에 봉입되는 휘발성 액체는 적어도 가압실의 용적과 연료 저장실의 용적을 합계한 용적을 포화 증기압으로 할 수 있는 양이 봉입되어 있는 상기 (2) 기재의 연료 전지용 연료 저장체.

(4) 가압실에는 공기 치환 가능한 밀폐 밸브가 적어도 하나 구비되어 있는 상기 (1)~(3) 중 어나 하나에 기재된 연료 전지용 연료 저장체.

(5) 밀폐 밸브는 휘발성 액체의 100℃ 에서의 증기압 하에서도 새지 (leak) 않는 밀폐 밸브로 이루어지는 상기 (4) 기재의 연료 전지용 연료 저장체.

(6) 액체 연료가 메탄올액, 에탄올액, 디메틸에테르 (DME), 포름산, 히드라진, 암모니아액, 에틸렌글리콜, 자당 수용액 및 수소화 붕소 나트륨으로부터 선택되는 적어도 1 종인 상기 (1)~(5) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지용 연료 저장체.

(7) 연료 전지 본체는 연료 전극체의 외표부에 전해질층을 구축하고, 상기 전해질층의 외표부에 공기 전극층을 구축함으로써 형성되는 단위 셀이 복수 연결되는 동시에, 상기 단위 셀에는 연료 저장체에 접속되는 연료 공급체가 연결되어 액체 연료가 공급되는 구성이 되는 상기 (1)~(6) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지용 연료 저장체.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 연료 저장체가 가열되어 고온 상태가 되어도 액체 연료의 비등, 기포의 발생, 연료의 취출 등을 방지할 수 있는 동시에, 연료 전지 본체에 직접 액체 연료를 안정적으로 공급하고, 게다가 고온 보관시에 있어서도 액체 연료의 손실이 없으며, 또한 연료 전지의 소형화를 이룰 수 있는 연료 전지용 연료 저장체가 제공된다.

청구항 2~7 의 발명에 의하면, 연료 저장체가 가열되어 고온 상태가 되어도 액체 연료의 비등, 기포의 발생, 연료의 취출 등을 더욱 방지할 수 있는 동시에, 연료 전지 본체에 직접 액체 연료를 더욱 안정적으로 공급하는 동시에, 고온 보관시에 있어서도 액체 연료의 손실이 매우 적은 연료 전지용 연료 저장체를 얻을 수 있게 된다.

도 1(a) 는 본 발명의 제 1 실시형태의 연료 전지용 연료 저장체를 나타내는 개략 사시도, 도 1(b) 는 가압실의 요부를 나타내는 부분 단면도이다.

도 2(a)~(h) 는 본 발명의 제 1 실시형태의 연료 유출부에 구비되는 연료 유출 밸브의 밸브체 구조를 나타내는 것으로, (a) 는 밸브체의 사시도, (b) 는 밸브체의 평면도, (c) 는 밸브체의 종단면도, (d) 는 아답터의 평면도, (e) 는 아답터의 종단면도, (f) 는 아답터에 밸브체를 장전한 상태의 평면도, (g) 는 아답터에 밸브체를 장전한 상태의 종단면도, (h) 는 연료 유출부에 구비되는 연료 유출 밸브의 밸브체 구조를 나타내는 부분 종단면도이다.

도 3 은 도 1 의 연료 전지용 연료 저장체를 연료 전지 본체에 접속해 연료 전지로서 사용한 상태의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.

도 4(a) 및 4(b) 는 연료 전지 셀 (20) 을 설명하는 사시도, 종단면도이다.

도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태의 연료 전지용 연료 저장체를 나타내는 개략 사시도이다.

도 6(a)~(c) 는 본 발명의 제 3 실시형태의 연료 전지용 연료 저장체를 나타내는 것으로, (a) 는 종단면 모양으로 나타내는 개략 부분 단면도, (b) 는 밸브체의 종단면도, (c) 는 사시도이다.

도 7 은 본 발명의 제 3 실시형태의 연료 전지용 연료 저장체의 사용 형태를 나타내는 부분 개략 단면도이다.

도 8 은 도 7 의 연료 전지용 연료 저장체의 사용전의 형태를 나타내는 개략 단면도이다.

부호의 설명

A 연료 전지용 연료 저장체

F 액체 연료

G 휘발성 액체

10 연료 수용 용기

11 연료 유출부

11a 밸브체

12 추종체

13 연료 저장실

14 가압실

발명을 실시하기 위한 최적의 형태

이하에, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하면서 자세하게 설명한다.

도 1 ~ 도 2 는 본 발명의 기본적인 실시형태를 나타내는 연료 전지용 연료 저장체 (A) 의 기본 형태 (제 1 실시형태)를 나타내는 것이다.

본 제 1 실시형태의 연료 전지용 연료 저장체 (A) 는 연료 전지 본체에 분리 가능하게 연결되어 있는 연료 저장체로서, 액체 연료 (F) 를 수용하는 튜브형의 연료 수용 용기 (10) 와, 연료 유출부 (11) 와, 액체 연료 (F) 의 후단부에 상기 액체 연료 (F) 를 봉지하는 동시에, 액체 연료 (F) 의 소비에 따라 이동하는 추종체 (12) 를 구비하는 동시에, 상기 연료 수용 용기 (10) 내부가 추종체 (12) 에 의해 적어도 밀봉된 연료 저장실 (13) 과, 외기로부터는 격절 밀봉된 상태의 상기 추종체 (12) 를 압압하는 수단이 봉입되어 있는 가압실 (14) 을 구비하는 것이다.

상기 튜브형의 연료 수용 용기 (10) 로는 수용되는 액체 연료에 대해 보존 안정성, 내구성, 가스 불투과성 (산소 가스, 질소 가스 등에 대한 가스 불투과성), 나아가 액체 연료의 잔량을 눈으로 확인할 수 있도록 광선 투과성이 있는 것으로 구성되는 것이 바람직하다.

연료 수용 용기 (10) 로는 예를 들면, 광선 투과성이 요구되지 않는 경우라면, 알루미늄, 스테인레스 등의 금속, 합성 수지, 유리 등을 들 수 있지만, 상기한 액체 연료 잔량의 시인성(視認性), 가스 불투과성, 제조나 조립시의 비용 저감 및 제조의 용이성 등에서, 바람직하게는 상기 각 특성을 갖는 폴리프로필렌, 폴리비닐알코올, 에틸렌·비닐알코올 공중합 수지, 폴리아크릴로니트릴, 나일론, 셀로판, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리염화비닐리덴, 폴리염화비닐 등의 단독 혹은 2종 이상의 수지를 포함하는 단층 구조, 2층 이상의 다층 구조로부터의 것을 들 수 있다. 다층 구조의 경우에는 적어도 1층이 상기한 성능 (가스 투과도)을 가지는 수지로 구성되어 있다면, 나머지 층은 통상의 수지로도 실사용상 문제는 없다. 이와 같은 다층 구조의 튜브는 압출 성형, 사출 성형, 공압출 성형 등에 의해 제조할 수 있다.

연료 유출부 (11) 에는 도 2(a)~(h) 에 나타내는 바와 같이, 통 모양의 연료 수용 용기 (10) 의 내부와 외부의 연통을 봉지하는 연료 유출 밸브로 이루어지는 밸브체 (11a) 를 구비하고 있고, 본 실시형태에서는 연료 유출부 (11) 내에 밸브체 (11a) 가 직접 또는 밸브체 아답터를 통해 수납되는 구조로 되어 있다. 이 밸브체 (11a) 는 필기구 등에서 이용되는 부재와 같은 구성으로, 도 2(a)~(c) 에 나타낸 바와 같이, 기압, 온도 변화 등에 의해 연료 수용 용기 (10) 내에 직접 수용되는 액체 연료 (F) 에 후술하는 연료 공급관 주변에서 침입하는 공기 등의 이물을 막는 것이다.

이 밸브체 (11a) 는 액체 연료 공급 부재를 삽입함으로써 연료 수용 용기 (12) 와 내부를 연통시키고, 연료 수용 용기 (10) 내부의 액체 연료 (F) 를 외부에 공급시키는 직선 모양의 슬릿으로 이루어지는 연통부 (11b) 가 형성되는 동시에, 상기 밸브체 (11a) 가 연료 유출부 (11) 또는 밸브체 아답터에 수납되었을 때에, 밸브체 바깥 테두리부 (11c) 에 의해 밸브체 (11a) 가 지름 방향으로 압축됨으로써 상기 연통부 (11c) 에 압축력이 작용하도록 한 것이며, 본 실시형태에서는 도 2(b) 에 나타낸 바와 같이 타원 모양이고, 단경 방향 (Y) 으로 연통부가 되는 슬릿 (11b) 을 마련하고, 장경 방향 (X) 으로 바깥 테두리부 (11c) 를 압축하도록 한 것이며, 슬릿 (11b) 이 닫히는 방향으로 압축력이 작용한다.

또한, 상기 연통부 (11b) 를 직선 모양의 슬릿으로 형성했지만, 액체 연료 공급 부재를 삽입함으로써 연료 수용 용기 (10) 와 내부를 연통시켜, 연료 수용 용기 (10) 내부의 액체 연료 (F) 를 외부에 공급할 수 있는 구조로 되어 있는 것이라면 특별히 한정되지 않고, 십자 모양이나 방사 모양의 슬릿, 슬릿을 복수 형성해 각 슬릿이 동일 개소에서 교차하도록 한 구조, 원공 모양, 사각형 모양이어도 된다. 바람직하게는, 상기 직선 모양의 슬릿이 바람직하다. 또, 바깥 테두리부 (11c) 의 형상은 특별히 한정되지 않고, 상기 형태와 같이 타원 모양 외에, 원형 모양으로 형성할 수 있다.

이 밸브체 (11a) 의 내면측에는 액체 연료 공급 부재를 삽입할 때에 부드럽게 삽입할 수 있도록, 연료 수용 용기 (10) 의 내부를 향해 볼록한 모양의 테이퍼면 (돌기) (11d) 을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 연료 유출부 (11) 에는, 도 2(d),(e) 에 나타내는 바와 같은 아답터 (11e) 가 설치되고, 아답터 (11e) 는 통 모양으로 형성되며, 그 내주면에 스토퍼부 (11f,11f) 가 형성된 본체부 (11g) 와 통 모양으로 형성된 고정 부재 (11h) 로 이루어지고, 스토퍼부 (11f) 와 고정 부재 (11h) 의 사이에서 상기 구성의 밸브체 (11a) 를 협지하여 이루어진 것이다.

밸브체 (11a) 와 아답터 (11e) 의 조합에 관하여, 도 2 에 나타내는 바와 같 이 타원형 모양의 슬릿 밸브와 원형 모양의 아답터의 경우를 들 수 있고, 또는 반대로 원형 모양의 슬릿 밸브와 타원형 모양의 아답터의 경우여도 되는데, 이 경우, 슬릿 밸브의 슬릿 방향을 아답터의 장경으로 하는 것이 필요하다.

이 구조의 밸브체 (11a) 에 의해, 사용 휴지 (미사용) 시에도 공기 등의 이물의 침입을 방지하는 구조로 되어 있다. 이것은 공기 등의 침입에 의해 액체 연료 수용 용기 (10) 내의 압력 증가 등에 의한 연료 누설, 분출 등의 사고를 방지하기 위해서이다.

이 밸브체 (11a), 아답터 (11e) 로는 액체 연료의 누설을 보다 효과적으로 방지하는 점으로부터, 상기 구조 등에서 액체 연료 (F) 에 대해서 기체 투과성이 낮은 재료로 이루어지는 한편, JIS K6262-1997 에서 규정된 압축 영구 왜곡율 (compression set)이 20% 이하인 재료로 구성되는 것이 바람직하다.

이들 밸브체 (11a), 아답터체 (11e) 의 재료로는 수용되는 액체 연료 (F) 에 대해서 보존 안정성, 내구성, 가스 불투과성, 연료 공급관에 밀착할 수 있는 탄성을 갖고, 상기 특성을 갖는 것이라면 특별히 한정되지 않고, 폴리비닐알코올, 에틸렌·비닐알코올 공중합 수지, 폴리아크릴로니트릴, 나일론, 셀로판, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리염화비닐리덴, 폴리염화비닐 등의 합성 수지, 천연 고무, 이소프렌 고무, 부타디엔 고무, 아크릴로니트릴부타디엔 고무, 1,2-폴리부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 부틸 고무, 에틸렌-프로필렌 고무, 클로로술폰화 폴리에틸렌 고무, 아크릴 고무, 에피클로르히드린 고무, 다황화 (polysulfide) 고무, 실리콘 고무, 불소 고무, 우레탄 고무 등의 고무, 열가소성 엘라스토머를 들 수 있고, 통상의 사출 성형이나 가황 성형 등에 의해서 제조할 수 있다.

이용하는 액체 연료 (F) 로는 메탄올과 물로 이루어지는 메탄올액을 들 수 있지만, 후술하는 연료 전극체에서 연료로서 공급된 화합물로부터 효율적으로 수소 이온 (H⁺)과 전자 (e^-) 가 얻어지는 것이라면, 액체 연료는 특별히 한정되지 않고, 연료 전극체의 구조 등에도 따르지만, 예를 들면 디메틸에테르 (DME), 에탄올액, 포름산, 히드라진, 암모니아액, 에틸렌글리콜, 자당 수용액, 수소화 붕소 나트륨 수용액 등의 액체 연료도 이용할 수 있다.

또, 이들 액체 연료의 농도는 연료 전지의 구조, 특성 등에 의해 여러 가지 농도의 액체 연료를 이용할 수 있고, 예를 들면 1~100% 농도의 액체 연료를 이용할 수 있다.

추종체 (12) 는 연료 수용 용기 (10) 에 수용된 액체 연료 (F) 의 후단면에 접촉하여 상기 액체 연료 (F) 를 봉지하는 동시에, 연료 소비에 따라 이동하는 것으로, 연료 수용 용기 (10) 내의 액체 연료가 누출, 증발하여 버리는 것을 방지하는 동시에, 액체 연료로의 공기의 침입을 방지하는 것이다.

이 추종체 (12) 로는 액체 연료 (F) 에 대해 용해, 확산하지 않는 것이 요구된다. 액체 연료 (F) 에 대해 용해, 확산하여 버리는 경우, 연료 저장조가 되는 연료 수용 용기 (10) 내의 액체 연료가 누출, 증발하여 버려 연료 저장조로서의 역할을 다하지 못할 뿐만 아니라, 액체 연료 (F) 에 의해 추종체 (12) 를 구성하는 물 질이 연료 전지 본체의 연료극에 침입하여, 반응에 악영향이 생기는 일이 고려된다. 이들 조건을 감안하여 본 발명에 이용하는 추종체 (12) 의 바람직한 특성 등이 선택된다.

이용할 수 있는 추종체 (12) 로는 상기 특성을 가지는 것이라면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 광유, 폴리글리콜, 폴리에스테르, 폴리부텐, 실리콘유 등의 석유류, 지방족 금속 비누, 변성 클레이, 실리카 겔, 카본 블랙, 천연 또는 합성 고무 및 각종 합성 폴리머 등에 용매를 가함으로써 증점(增粘)시킨 것을 들 수 있다.

바람직한 추종체 (12) 로는 표면 자유 에너지가 액체 연료 (F) 보다 낮은 것이 바람직하고, 상기한 연료 수용 용기 (10), 연료 유출부 (11) 의 밸브체의 경우와 같이, 연료 수용 용기 (10) 와 추종체 (12) 의 틈새에 액체 연료가 침입, 외부에 누설하는 것을 방지할 수 있을 가능성을 높게 할 수 있다. 이들 조건을 감안해, 추종체 (12) 의 재질, 표면 상태 등을 적절히 선택하는 것이 가능하다.

본 실시형태에서는, 연료 수용 용기 (10) 의 내부는 도 1(a) 및 1(b) 에 나타내는 바와 같이, 추종체 (12) 에 의해 적어도 밀봉된 액체 연료 (F) 가 수용되는 연료 저장실 (13) 과 외기로부터는 격절 밀봉된 상태의 상기 추종체 (12) 를 압압하는 수단이 봉입되어 있는 가압실 (14) 을 구비한 구조로 되어 있다.

이 가압실 (14) 은 연료 수용 용기 (10) 의 후단부측에 설치되는 것으로, 추종체 (12) 의 상면과 밀폐 밸브를 구비한 봉지체 (15) 에 의해 형성되는 것이며, 이 양자의 공간부가 가압실이 되는 것이다.

이 가압실 (14) 에는 추종체를 압압하는 수단이 봉입되고 있다. 이 압압 하는 수단으로는 연료 저장실 (13) 에 봉입된 액체 연료 (F) 보다도 높은 증기압을 가지는 조성의 휘발성 액체 (G) 가 봉입된 구성으로 되어 있다.

이하에서, 메탄올 수용액을 액체 연료 (F) 로 하는 경우를 예로 들어 설명하지만, 본 발명의 액체 연료는 이것에 한정되는 것은 아니다.

연료 저장체 (10) 가 가열되었을 때, 가압실 (14) 내에 봉입한 휘발성 액체 (G), 예를 들면 용매 증기의 증발에 의해 추종체 (12) 를 통해 액체 연료 (F) 를 가압하는 것이 가능해진다. 가압실 (14) 내에 공기를 봉입하는 것만으로는, 온도 상승과 함께 공기가 팽창해 추종체 (12) 를 통해 액체 연료 (F) 를 가압하게 되지만, 공기만으로는 가압의 효과가 낮은 것이다.

즉, 가압실의 초기 압력을 101kPa 로 하면, 20℃ → 80℃ 로 온도 상승하여도 그 압력은 122kPa (1.2배) 밖에 되지 않는 것이다. 이때 액체 연료인 메탄올 증기압은 12kPa → 181kPa (10배 이상)으로 변화한다.

이 경우, 액체 연료의 비등을 방지하기 위해서는 가압실 (14) 은 액체 연료의 증기압 이상으로 가압되어 있는 것이 필요하기 때문에, 액체 연료의 증기압보다도 높은 증기압 조성의 액체가 봉입되어 있는 것이 필요하다.

여기서, 본 발명에서 말하는 「증기압」이란, 같은 온도에서 비교했을 때의 물리적인 증기압 그 자체를 가리킨다. 또, 본 발명으로 규정하는 「휘발성 액체」란, 적어도 상온 상압하에서 액체의 물질이며, 20℃의 증기압이 101kPa 이하인 용매를 가리킨다.

일반적으로 있어서 「증기압이 높은 조성의 액체」란, 예를 들면 50wt% 메탄올 수용액을 이용할 때, 이것보다도 고농도의 메탄올은 증기압이 보다 높은 액체라고 할 수 있다.

이하에, 100% 메탄올의 증기압을 하기 표 1 에 나타낸다. 또, 메탄올과 물의 혼합 용매 (메탄올 수용액)의 증기압을 하기 표 2 에 나타낸다.

본 발명에 있어서 「증기압이 높은 조성의 액체」란, 예를 들면 50wt% 메탄올 수용액을 이용할 때, 상기 표 2 에 나타내는 바와 같이 이것보다도 고농도의 메탄올은 증기압이 보다 높은 액체라고 할 수 있다. 또, 메탄올과 물의 혼합 용매 (메탄올 수용액)에서는, 메탄올 농도가 높을수록 각 온도에서의 증기압이 높은 것을 알 수 있다.

또한, 휘발성 액체 (G) 의 증기압은 액체 연료 (F) 의 증기압보다도 클 (혹은 가까울) 필요가 있기 때문에, 어느 메탄올 농도일 때의 증기압보다도 높은 증기압을 가지는 액체 혹은 높은 증기압을 가지는 조성의 액체일 필요가 있다.

이용하는 휘발성 액체 (G) 로는, 바람직하게는 20℃ 의 증기압이 4~100kPa, 더욱 바람직하게는 10~5OKPa 인 조성의 액체인 것이 바람직하다.

20℃ 의 증기압이 4kPa 미만인 액체에서는 연료의 가압에 충분한 압력이 아니고, 한편 100kPa 를 넘는 액체에서는 상온에서 기체이기 때문에, 충전 등의 취급이 곤란해진다.

하기 표 3 에, 본 발명에서 이용할 수 있는 20℃ 의 증기압이 4~100kPa 인 조성의 휘발성 액체의 예를 나타내지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다.

또, 가압실 (14) 에 봉입되는 휘발성 액체 (G) 는 적어도 가압실 (14) 의 용적과 연료 저장실 (13) 의 용적을 합계한 용적을 포화 증기압으로 할 수 있는 양이 봉입되어 있는 것이 바람직하다.

이것에 의해, 액체 연료 (F) 가 얼마 남지 않게 된 상태이더라도, 액체 연료의 비등을 방지할 수 있다. 필요한 휘발성 액체 (G) 의 봉입량의 계산식으로는, 가압실 (14) 의 용적을 Aml, 액체 연료 용량을 Bml, 액체 연료가 있는 온도에서의 증기압 CkPa 로 하면, (A+B) × C / (22.4 × 1000) = Xmol 이다.

이 경우, 휘발성 액체의 분자량을 D, 비중을 E 로 하면, 필요한 휘발성 액체의 양은 X × Dg, X × D × Eml 가 된다.

필요한 휘발성 액체 (G) 의 양은 비교적 적은 양이 된다. 예를 들면, 가압실의 용적이 20ml, 액체 연료 용량이 100ml 인 연료 저장체 (탱크)에, 60wt% 의 메탄올 수용액의 액체 연료를 충전하고, 100℃ 에서의 내열성을 부여하기 위해 100wt% 메탄올을 이용하면, 가압실 (14) 에 충전하는 100wt% 메탄올의 양은 0.19g (0.15ml, 액체 연료에 대해서 0.15%, 수적(數滴) 충전)을 봉입하면 양호하게 된다.

상기 계산을 더욱 상술하면, 60wt% 의 메탄올 수용액의 100℃ 에서의 증기압은 250kPa 이다. 이것 이상의 압력으로 가압할 수 있으면, 충전되는 액체 연료 (F) 의 비등을 방지할 수 있게 된다. 액체 연료가 얼마 남지 않게 되었을 경우를 고려해, 가압실 (14) 과 액체 연료 용량을 합계하면 120ml 가 된다. 이 공간을 250kPa 이상으로 가압할 수 있는 메탄올 양이 필요하다. 공기로 100kPa 가압되어 있으므로 (엄밀하게는 공기도 가열에 의해 가압되어 있다. 100kPa → 127kPa 로 되어 있다.) 나머지 150kPa 분을 메탄올이 가압하게 된다. 100wt% 메탄올의 100℃ 에서의 증기압은 당연히 150kPa 보다도 높기 때문에, 압력에 관해서는 문제 없게 된다. 문제는 양으로 만족할 수 있을까이지만, 120ml 의 공간에 150kPa 의 증기가 있을 때, 그 mol 수는 기체의 상태 방정식, PV = nRT 에 의해 0.00588mol(= 0.188g = 0.15mol)이 된다.

이상에 의해, 가압실 (14) 에 봉입되는 휘발성 액체 (G) 는 적어도 가압실 (14) 의 용적과 연료 저장실 (13) 의 용적을 합계한 용적을 포화 증기압으로 할 수 있는 양이 봉입되어 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해, 용적이나 액체 연료의 종류, 휘발성 액체의 종류에 의해서 변화시킬 수 있다.

본 발명은 상기 메탄올의 예시로 한정되는 것이 아니라, 상기 표 3 에 나타나는 휘발성 액체 등을 이용할 수 있다. 또, 메탄올 수용액을 액체 연료 (F) 로 하는 경우를 예시해 설명했지만, 본 발명의 액체 연료로서 상술한 바와 같이, 디메틸에테르 (DME), 에탄올액, 포름산, 히드라진, 암모니아액, 에틸렌글리콜, 자당 수용액 및 수소화 붕소 나트륨 등의 액체 연료도 각 이미 알려진 각 온도에서의 증기압을 참고로 하여, 상기와 같이 해 각 액체 연료에 바람직한 휘발성 액체 (G) 를 사용할 수 있는 것이다.

상기 밀폐 밸브를 구비한 봉지체 (15) 에 의해 가압실 (14) 을 밀폐해도, 상술한 바와 같이 액체 연료 소비 (F) 에 따라 휘발성 액체 (G) 가 증발함으로써 액체 연료 (F) 를 배출시킬 수 있지만, 휘발성 액체 (G) 의 휘발에 의해 온도가 내려가거나 압력이 일정하게 되지 않거나 하면 부적당하게 되므로, 연료 사용시에는 외부로부터 가압하거나 흡기(吸氣)하거나 할 수 있도록, 봉지체 (15) 에는 개폐할 수 있는 밀폐 밸브가 설치되어 있다.

이 밀폐 밸브는 휘발성 액체의 100℃ 에서의 증기압 하에서도 새지 않는 밀폐 밸브로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 예시한 경우로 고찰하면, 100℃ 의 메탄올은 350kPa 정도가 되므로 공기와 아울러 500kPa 정도의 내압 성능이 있으면 충분하게 된다. 그만큼 높은 목표는 아니기 때문에 어떠한 밸브 구조라도 충분하다고 생각되어, 이 조건을 만족하는 밸브 구조라면 그 구조는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 도 2 에 나타낸 연료 유출부 (11) 에 구비되는 것과 같은 구조가 되는 슬릿 구조의 밸브가 사용될 수 있고, 즉 상기 밀폐 밸브를 구비한 봉지체 (16) 로서 상술한 도 2 에 나타내는 구조가 되는 밸브체 (11a) 를 포함하는 연료 유출부 (11) 를 사용할 수 있고, 또 후술하는 도 6 에 나타내는 밸브〔방향을 반대 (위쪽)으로 한 밸브]도 사용할 수 있다.

이와 같이 구성되는 연료 전지용 연료 저장체 (A) 는 도 3 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 연료 전지 본체 (N) 에 분리 가능하게 연결되어 있어, 사용에 제공되게 된다.

즉, 연료 전지 본체 (N) 는 도 3 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, 미소 탄소 다공체로 이루어지는 연료 전극체 (21) 의 외표부에 전해질층 (23) 을 구축하고, 상기 전해질층 (23) 의 외표부에 공기 전극층 (24) 을 구축함으로써 형성되는 단위 셀 (연료 전지 셀) (20,20)과, 연료 저장체 (A) 에 접속되는 침투 구조를 가지는 연료 공급체 (30) 와, 상기 연료 공급체 (30) 의 종단에 설치되는 사용이 끝난 연료 저장조 (40) 를 구비하고, 상기 각 단위 셀 (20,20) 은 직렬로 연결되어 연료 공급체 (30) 에 의해 연료가 순차 공급되는 구조로 되어 있고, 상기 연료 저장체 (A) 는 교환 가능한 카트리지 구조체로 되어 있어 연료 전지 본체 (N) 의 지지체 (16) 에 삽입되는 구조가 되고 있다.

이 실시형태에서는 도 1, 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 액체 연료 (F) 가 직접 저장되고, 액체 연료 (F) 를 수용하는 연료 수용 용기 (10) 의 하부에 연료 유출부 (11) 에 구비되는 밸브체 (11a) 에 삽입되는 연료 공급체 (30) 에 의해 연료가 공급되는 것이다.

이들 연료 저장체 (A) 의 연료 수용 용기 (10), 연료 유출부 (11) 에 구비되는 밸브체 (11a), 연료 공급체 (30) 는 끼워 맞춤 등에 의해 각각 접합된다. 이때, 각각의 부재가 액체 연료 (F) 의 표면 자유 에너지보다도 높은 경우, 접합부의 간격에 비집고 들어가기 쉬어 액체 연료 (F) 가 누설할 가능성이 높아져 버린다. 그 때문에, 이들 부재의 적어도 액체 연료 (F) 와 접촉하는 벽면에는, 액체 연료의 표면 자유 에너지보다도 낮게 조정되어 있는 것이 바람직하다. 이 조정 방법으로는, 연료 수용 용기 (10) 등의 액체 연료와 접촉하는 벽면에, 실리콘계, 규소 수지 혹은 불소계의 발수제(撥水劑)를 이용한 코팅에 의한 발수막 형성 처리를 실시하는 것에 의해 행할 수 있다.

단위 셀이 되는 각 연료 전지 셀 (20) 은 도 4(a) 및 4(b) 에 나타내는 바와 같이, 미소 기둥 모양의 탄소 다공체로 이루어지는 연료 전극체 (21) 를 가짐과 동시에, 그 중앙부에 연료 공급체 (30) 를 관통하는 관통부 (22) 를 갖고, 상기 연료 전극체 (21) 의 외표부에 전해질층 (23) 이 구축되며, 상기 전해질층 (23) 의 외표부에 공기 전극층 (24) 이 구축되는 구조로 되어 있다. 덧붙여, 각 연료 전지 셀 (20) 은 하나당 이론상 약 1.2V 의 기전력을 발생시킨다.

이 연료 전극체 (21) 를 구성하는 미소 기둥 모양의 탄소 다공체로는 미소한 연통 구멍을 가지는 다공질 구조체이면 되고, 예를 들면 3차원 그물코 구조 혹은 점소결 구조 (point sintered structure)로 이루어지고, 비정질 (amorphous) 탄소와 탄소 분말로 구성되는 탄소 복합 성형체, 등방성 고밀도 탄소 성형체, 탄소 섬유 초지 성형체, 활성 탄소 성형체 등을 들 수 있고, 바람직하게는 연료 전지의 연료극에서의 반응 제어가 용이하고 또한 반응 효율을 한층 더 향상시키는 점에서, 비정질 탄소와 탄소 분말로 이루어지는 미세한 연통 구멍을 가지는 탄소 복합 성형체가 바람직하다.

이 다공질 구조로 이루어지는 탄소 복합체의 제작에 이용하는 탄소 분말로는, 한층 더 반응 효율을 향상시키는 점에서, 고배향성 열분해 흑연 (HOPG), 키쉬 (kish) 흑연, 천연 흑연, 인조 흑연, 카본 나노 튜브, 플러린 (fullerene)으로부터 선택되는 적어도 1종 (단독 또는 2종 이상의 조합)이 바람직하다.

또, 이 연료 전극체 (21) 의 외표부에는 백금-루테늄 (Pt-Ru) 촉매, 이리듐-루테늄 (Ir-Ru) 촉매, 백금-주석 (Pt-Sn) 촉매 등이 상기 금속 이온이나 금속 착체 등의 금속 미립자 전구체를 포함한 용액을 함침이나 침지 처리한 후, 환원 처리하는 방법이나 금속 미립자의 전해 석출법 등에 의해 형성되고 있다.

전해질층 (23) 으로는 프로톤 전도성 또는 수산화물 이온 전도성을 가지는 이온 교환막, 예를 들면 나피온 (Nafion, Du pont사제)을 비롯한 불소계 이온 교환막을 들 수 있는 것 외에, 내열성, 메탄올 크로스오버의 억제가 양호한 것, 예를 들면 무기 화합물을 프로톤 전도 재료로 하고 폴리머를 막 재료로 한 콤퍼지트(복합)막, 구체적으로는 무기 화합물로서 제올라이트를 이용하고 폴리머로서 스티렌-부타디엔계 러버로 이루어지는 복합막, 탄화수소계 그라프트막 등을 들 수 있다.

또, 공기 전극층 (24) 으로는 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 로듐 (Rh) 등을 상술한 금속 미립자 전구체를 포함한 용액 등을 이용한 방법으로 담지시킨 다공질 구조로 이루어지는 탄소 다공체를 들 수 있다.

상기 연료 공급체 (30) 는 연료 저장체 (A) 의 밸브체 (11b) 내에 삽입되어, 상기 액체 연료를 각 단위 셀 (20) 에 공급할 수 있는 침투 구조를 가지는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 펠트, 스펀지 또는 수지 입자 소결체, 수지 섬유 소결체 등의 소결체 등으로 구성되는 모세관력을 가지는 다공체나, 천연 섬유, 짐승의 털 섬유, 폴리아세탈계 수지, 아크릴계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리비닐계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리페닐렌계 수지 등의 1종 또는 2종 이상의 조합으로 이루어지는 섬유 다발체로 이루어지는 것을 들 수 있고, 이들 다공체, 섬유 다발체의 기공율 등은 각 단위 셀 (20) 에 대한 공급량에 따라 적절히 설정되는 것이다.

사용이 끝난 연료 저장조 (40) 는 연료 공급체 (30) 의 종단에 배치되는 것이다. 이때, 사용이 끝난 연료 저장조 (40) 를 연료 공급체 (30) 의 종단에 직접 접촉시켜 사용이 끝난 연료를 직접 흡장체 등에 의해 흡장시켜도 문제 없지만, 연료 공급체 (30) 와 접촉하는 접속부에 중면 (sliver)이나 다공체, 또는 섬유 다발체 등을 중계심(中繼芯, feed)으로서 마련해 사용이 끝난 연료 배출로로 해도 된다.

또, 연료 공급체 (30) 에 의해 공급되는 액체 연료는 연료 전지 셀 (20) 에서 반응에 제공되는 것으로, 연료 공급량은 연료 소비량에 연동하고 있기 때문에, 미반응으로 전지 밖으로 배출되는 액체 연료는 거의 없고, 종래의 액체 연료 전지와 같이, 연료 출구 쪽의 처리계를 필요로 하지 않지만, 운전 상황에 의해 공급 과잉시에 이르렀을 때에는, 반응에 사용되지 않는 액체 연료가 저장조 (40) 에 모아져 조해(阻害, inhibition) 반응을 방지할 수 있는 구조로 되어 있다.

덧붙여, 50 은 연료 저장체 (A) 와 사용이 끝난 연료 저장조 (40) 를 연결하는 동시에, 연료 저장조 (10) 로부터 각 단위 셀 (20,20) 각각에 연료 공급체 (30) 를 통해 직접 액체 연료를 확실하게 공급하는 메쉬 (mesh) 구조 등으로 이루어진 부재이다.

이와 같이 구성되는 연료 저장체 (A) 를 이용한 연료 전지는 연료 저장체 (A) 로부터 연료 공급부가 되는 밸브체 (11b) 에 삽입된 연료 공급체 (30) 에 공급되어 침투 구조에 의해 액체 연료를 연료 전지 셀 (20,20) 내에 도입하는 것이다.

본 발명에서는 연료 전지 본체에 분리 가능하게 연결되어 있는 연료 저장체 (A) 에는 액체 연료 (F) 를 수용하는 튜브형의 연료 수용 용기 (10) 와, 연료 유출부 (11) 와, 액체 연료 (F) 의 후단부에 상기 액체 연료 (F) 를 봉지하는 동시에, 액체 연료 (F) 의 소비에 따라 이동하는 추종체 (12) 를 구비하는 동시에, 상기 연료 수용 용기 (10) 내부가 추종체 (12) 에 의해 적어도 밀봉된 연료 저장실 (13) 과 외기로부터는 격절 밀봉된 상태의 상기 추종체 (12) 를 압압하는 수단이 봉입되어 있는 가압실 (14) 을 구비한 것이므로, 연료 저장체 (A) 가 가열되어 액체 연료 (F) 의 온도가 그 액체 연료 (F) 의 대기압 하에서의 비점 이상이 되었다고 해도, 액체 연료 (F) 를 봉지하고 있는 추종체 (12) 의 반대쪽도 가압실 (14) 내의 상기 추종체 (12) 를 압압하는 수단이 되는 휘발성 액체 (G) 가 가열되어 액체 연료 (F) 의 포화 증기압 이상으로 가압되어 있기 때문에, 액체 연료 (F) 의 비등을 방지할 수 있게 된다. 더욱 상술하면, 본 발명이 되는 액체 연료 (F) 를 추종체 (12) 로 봉지하는 구조의 연료 전지용 연료 저장체 (A) 에 있어서, 연료 수용 용기 (탱크) (11) 의 후단부를 봉지함으로써 액체 연료 (F) 보다도 증기압이 높은 추종체 (12) 를 압압하는 수단이 되는 휘발성 액체 (G) 를 가압실 (14) 내에 봉입해, 봉입한 휘발성 액체 (G) 의 증기압에 의해 추종체 (12) 를 통해 액체 연료 (F) 를 가압할 수 있다. 이것에 의해서, 액체 연료 (F) 의 온도가 대기압 하에서의 비점에 이르러도 비등하는 일 없이, 액체 연료 (F) 의 기화에 의한 연료 저장체 (A) 로부터의 액체 연료의 누설, 증발을 방지할 수 있다. 특히, 메탄올이나 에탄올을 액체 연료로서 사용하는 경우에는 액체 연료의 비점이 낮기 때문에, 이와 같은 비등을 방지하는 본 발명의 구조를 취하는 것이 가장 바람직한 형태가 되는 것이다. 또, 액체 연료 사용시에는 상단의 밀폐 밸브가 되는 역지(逆止) 밸브를 열어 공기 치환하는 것이다.

또, 상기 형태에서는 적어도 연료 전극체 (21) 및/또는 연료 전극체 (21) 에 접하는 연료 공급체 (30) 에 모세관력이 존재해, 이 모세관력에 의해 연료 저장실 (13) 로부터 각 단위 셀 (20,20) 각각에 직접 액체 연료가 역류나 도절을 일으키는 일 없이, 안정적이면서 계속적으로 연료를 공급할 수 있는 것이 된다. 보다 바람직하게는, 연료 전극체 (21) 및/또는 연료 전극체 (21) 에 접하는 연료 공급체 (30) 의 모세관력 < 사용이 끝난 연료 저장조 (40) 의 모세관력으로 설정함으로써, 연료 저장실 (13), 각 단위 셀 (20,20) 로부터 사용이 끝난 연료 저장조까지의 각각에 직접 액체 연료가 역류나 도절을 일으키는 일 없이, 안정적이면서 계속적으로 연료의 흐름을 만들 수 있는 것이 된다.

아울러, 이 연료 전지에서는 펌프나 블로어, 연료 기화기, 응축기 등의 보조기를 특별히 이용하는 일 없이, 액체 연료를 기화하지 않고 그대로 원활히 공급할 수 있는 구조가 되기 때문에, 연료 전지의 소형화를 도모하는 것이 가능해진다.

따라서, 이 형태의 연료 전지에서는, 연료 전지 전체의 카트리지화가 가능해져, 휴대 전화나 노트형 PC 등의 휴대용 전자 기기의 전원으로서 이용할 수 있는 소형의 연료 전지가 제공되는 것이 된다.

덧붙여, 상기 형태에서는 연료 전지 셀 (20) 을 두 개 사용한 형태를 나타냈지만, 연료 전지의 사용 용도에 의해 연료 전지 셀 (20) 의 연결 (직렬 또는 병렬)하는 수를 증가시켜 소요의 기전력 등으로 할 수 있다.

도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태의 연료 저장체 (B) 를 나타내는 것이다. 이하의 실시형태에 있어서, 상기 제 1 실시형태의 연료 전지용 연료 저장체와 같은 구성 및 효과를 발휘하는 것에 대해서는 도 1 과 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.

이 제 2 실시형태는 액체 연료의 소비 속도의 빠른 것이나, 다량의 액체 연료를 탑재하기 위해서, 튜브형 등의 연료 수용 용기 (10) 의 지름을 큰 것을 이용했을 경우에 있어서, 추종체의 추종을 추종 중단을 일으키는 일 없이 양호하게 추종시키는 동시에, 액체 연료 (F) 의 온도가 대기압 하에서의 비점에 이르러도 비등하는 일 없이 액체 연료 (F) 의 기화에 의한 연료 저장체 (A) 로부터의 액체 연료의 누설, 증발을 방지하기 위한 매우 적합한 실시형태를 나타내는 것이다.

본 제 2 실시형태의 연료 저장체 (B) 는, 이용하는 추종체 (12) 에는 통 모양의 추종 보조 부재 (12a) 가 삽입되어 있는 점에서만, 상기 제 1 실시형태와 서로 다른 것이고, 상기 제 1 실시형태와 동일하게 하여 사용에 제공된다.

이 추종 보조 부재 (12a) 로는, 예를 들면 폴리프로필렌, 에틸렌·비닐알코올 공중합 수지, 폴리아크릴로니트릴, 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리염화비닐리덴, 폴리염화비닐, 각종 고무 등으로 구성되는 것을 들 수 있다.

이 추종 보조 부재 (12a) 의 형상으로는, 원주상, 사각 기둥상, 삼각 기둥상, 구상 혹은 연료 저장체 단면과 비슷한 형상 등을 들 수 있고, 그 길이는 추종체의 전체 길이에 대해서 30~70% 로 하는 것이 바람직하다.

이 제 2 실시형태에서의 연료 전지 본체에 분리 가능하게 연결되어 있는 연료 저장체 (B) 에서는 연료의 소비 속도가 빠른 것이나, 튜브형 등의 연료 수용 용기의 지름이 큰 것을 이용했을 경우에도, 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로 연료 전지의 발전에 의한 연료 소비에 따라 추종 보조 부재 (12a) 가 삽입된 추종체 (12) 가 추종 중단을 일으키는 일 없이 이동함으로써 액체 연료의 체적 감소에 대응하게 되고, 게다가 연료 전지의 가동에 의한 연료 저장체 (액체 연료)가 가온되어도, 액체 연료 (F) 를 봉지하고 있는 추종체 (12) 의 반대쪽도 가압실 (14) 내의 상기 추종체 (12) 를 압압하는 수단이 되는 휘발성 액체 (G) 가 가열되어 액체 연료 (F) 의 포화 증기압 이상으로 가압되고 있기 때문에, 액체 연료 (F) 의 비등을 방지할 수 있는 것이 된다.

도 6 은 본 발명의 연료 전지용 연료 저장체의 다른 실시형태 (제 3 실시형태)를 나타내는 것이다. 이 제 3 실시형태의 연료 전지용 연료 저장체 (C) 는 도 6(a)~(c) 에 나타내는 바와 같이, 상기 제 1 실시형태의 연료 유출부 (11) 를 스프링 부재나 바네 부재 등의 탄성체에 의해 닫혀져 액체 연료 공급 부재의 삽입에 의해 열리는 구조의 밸브체 (60) 로 한 점에서만, 상기 제 1 실시형태와 서로 다른 것이다.

이 밸브체 (60) 는 본체부 (61) 에 밸브 수용부 (61a) 를 갖고, 스프링 부재나 바네 부재 등의 탄성체 (62) 에 의해 단면 역T자 모양의 밸브 부재 (63) 가 밸브 수용부 (61) 에 상시 부세(付勢, pressed)되어 닫혀져 있고, 액체 연료 공급 부재 (30) 의 삽입에 의해 열려 액체 연료가 공급되는 구조로 되어 있다. 덧붙여 상단의 봉지체 (16) 는 도 2 의 슬릿 밸브로 이루어지는 밸브체를 가지는 것이다.

이와 같이 구성된 연료 저장체 (C) 를 이용한 연료 전지는 상기 제 1 실시형태와 마찬가지로, 연료 저장체 (C) 로부터 연료 유출부 (11) 가 되는 밸브체 (60) 에 삽입된 연료 공급체 (30) 에 공급되어, 침투 구조에 의해 액체 연료를 연료 전지 셀 (20,20) 내에 도입하는 것이다.

이 실시형태의 연료 저장체 (C) 도 연료 저장체가 가열되어 고온 상태가 되어도, 액체 연료의 비등, 기포의 발생, 연료의 취출 등을 방지할 수 있는 동시에, 연료 전지 본체에 직접 액체 연료를 안정적으로 공급하고, 게다가 고온 보관시에 있어서도 액체 연료의 손실이 없으며, 또한 연료 전지의 소형화를 이룰 수 있다.

도 7 및 도 8 은 연료 전지 본체에 대한 접속의 다른 형태를 나타내는 것이다. 이하의 형태에 있어서, 상기 제 1 실시형태의 연료 전지 본체와 같은 구성 및 효과를 발휘하는 것에 대해서는, 도 1 과 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.

이 형태는 도 7 및 도 8 에 나타내는 바와 같이, 밸브체 (11a) 에 삽입되는 연료 공급관 (31) 을 통해 연료 공급체 (30) 에 접속되는 점 등에서, 상기 제 1 실시형태와 서로 다른 것이다.

덧붙여 도시하지 않지만, 연료 공급체 (30) 의 선단 (도 7, 도 8 의 화살표 방향)에는 상기 제 1 실시형태 (도 3)와 동일하게 연료 전지 셀 (20,20…) 에 직렬 또는 병렬로 접속되는 구조로 되어 있다.

이와 같은 형태의 연료 전지 (D) 에서도 연료 저장체가 가열되어 고온 상태가 되어도 액체 연료의 비등, 기포의 발생, 연료의 취출 등을 방지할 수 있는 동시에, 연료 전지 본체에 직접 액체 연료를 안정적으로 공급하고, 게다가 고온 보관시에 있어서도 액체 연료의 손실이 없으며, 또한 연료 전지의 소형화를 이룰 수 있는 연료 전지용 연료 저장체가 제공된다.

본 발명의 연료 전지용 저장체는 상기 각 실시형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 여러 가지 변경할 수 있는 것이다.

예를 들면, 연료 전지 셀 (20) 은 원주상의 것을 이용했지만, 각주상, 판상의 다른 형상의 것이어도 되고, 또 연료 공급체 (30) 와의 접속은 직렬 접속 외, 병렬 접속이어도 된다.

또, 상기 실시형태에서는 연료 유출부로서 도 2(a)~(h) 에 나타내는 밸브체 (11a) 를 가지는 것을 이용했지만, 기압, 온도 변화 등에 의해 연료 저장조 (10) 내에 직접 수용되는 액체 연료 (F) 에 연료 공급관 (31) 주변에서 침입하는 공기 등의 이물을 막는 것이고, 연료 공급체 (30) 가 삽입되어 액체 연료를 연료 공급체 (30) 에 공급할 수 있는 구조가 되는 것이면, 특별히 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 실시형태에서는 직접 메탄올형의 연료 전지로서 설명했지만, 연료 전지 본체에 분리 가능하게 연결되어 있는 연료 저장체로서, 상기 연료 저장체에는 액체 연료를 수용하는 연료 수용 용기와, 연료 유출부와, 액체 연료의 후단부에 상기 액체 연료를 봉지하는 동시에 액체 연료의 소비에 따라 이동하는 추종체를 구비한 것이라면, 본 발명은 상기 직접 메탄올형의 연료 전지로 한정되는 것은 아니고, 개질형을 포함하는 고분자 개질막형의 연료 전지에도 매우 적합하게 적용할 수 있는 것이고, 또한 대용량 (예를 들면, 100ml 이상) 의 액체 연료를 탑재하는 경우에 튜브형 등의 연료 수용 용기의 지름을 크게 한 경우에는 거기에 수반하여 추종체의 양을 증가시키거나, 또는 제 2 실시형태에서와 같이 추종 보조 부재를 삽입하여 추종체의 추종을 추종 중단을 일으키는 일 없방해하는 일 없이 양호하게 추종시킬 수 있다.

아울러 또한, 연료 전지 본체로서 미소 탄소 다공체로 이루어지는 연료 전극체의 외표부에 전해질층을 구축하고, 상기 전해질층의 외표부에 공기 전극층을 구축함으로써 연료 전지 본체를 구성했지만, 연료 전지 본체의 구조는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 전기 도전성을 가지는 탄소질 다공체를 기재로 하고, 상기 기재의 표면에 전극/전해질/전극의 각 층을 형성한 단위 셀 또는 상기 단위 셀을 2 이상 연결한 연결체를 구비하고, 상기 기재에 연료 공급체를 통해 액체 연료를 침투시키는 구성으로 하는 동시에, 기재의 외표면에 형성되는 전극면을 공기에 노출하는 구조로 이루어지는 연료 전지 본체로 해도 되는 것이다.

다음에, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상술하지만, 본 발명은 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1~2]

하기에 나타내는 구성의 연료 유출부의 밸브체가 서로 다른 연료 저장체를 2 종류 제작하고, 액체 연료 (70wt% 메탄올액, 비중 0.87) 2g, 추종체 0.30g 을 충전했다.

(연료 수용 용기의 구성 : 튜브 1, 실시예 1 및 2 공통)

튜브 1 : 길이 100㎜, 외경 8㎜, 내경 6㎜, 폴리프로필렌제 압출 튜브

(연료 유출부의 구성)

실시예 1 (슬릿 밸브, 도 2 에 준거) :

길이 5㎜, 외경 6㎜, 내경 1㎜, 부틸 고무제, 슬릿 길이 1.5㎜

실시예 2 (밸브 밸브, 도 5 에 준거) :

길이 10㎜, 외경 6㎜, 내경 1㎜, 밸브 본체 (61) : 폴리프로필렌제, 탄성체 (62) : 스테인레스제 스프링, 밸브체 (63) : 폴리프로필렌제

(추종체의 조성, 실시예 1 및 2 공통)

이하의 배합 조성이 되는 겔상 추종체 (비중 0.90)를 이용했다.

광유 : 다이아나 프로세스 오일 MC-W90 (이데미츠 코산사제) 93중량부

소수성 실리카 : 에어로질 R-974D 6중량부

(니폰 에어로질사제, BET 표면적 200㎡/g)

실리콘계 계면활성제 : SILWET FZ-2171 1중량부

(니폰 유니카제)

(봉입하는 휘발성 액체 (G), 실시예 1 및 2 공통)

100% 메탄올 0.1ml

(가압실, 실시예 1 및 2 공통)

0.3ml

(봉지체, 실시예 1 및 2 공통 )

도 2 에 준거

상기 구성의 각 연료 전지용 연료 저장체를 항온조에서 70℃ 에 방치해 평가했는데, 연료 저장체가 가열되어 고온 상태가 되어도 액체 연료의 비등, 기포의 발생, 연료의 취출 등을 방지할 수 있는 동시에, 연료 전지 본체에 직접 액체 연료를 안정적으로 공급하고, 게다가 고온 보관시에 있어서도 액체 연료의 손실이 없는 것을 알았다.

본 발명의 액체 연료 저장체는 노트형 PC 및 PDA 등의 휴대용 전자 기기의 전원으로서 이용되는데 매우 적합한 소형의 연료 전지용으로 이용할 수 있다.

Claims (7)

1. 연료 전지 본체에 분리 가능하게 연결되어 있는 연료 저장체로서, 상기 연료 저장체를, 액체 연료를 수용하는 연료 수용 용기와 연료 유출부와 액체 연료의 후단부에 상기 액체 연료를 봉지하는 동시에, 액체 연료의 소비에 따라 이동하는 추종체로 이루어지는 구성으로 하고, 상기 연료 수용 용기 내부가 추종체에 의해 적어도 밀봉된 연료 저장실과 외기로부터는 격절(隔絶) 밀봉된 상태의 상기 추종체를 압압하는 수단이 봉입되어 있는 가압실을 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 연료 저장체.
2. 제 1 항에 있어서,

   가압실에 봉입되는 추종체를 압압하는 수단이 연료 저장실에 봉입된 액체 연료보다도 높은 증기압을 가지는 조성의 휘발성 액체로 이루어지는 연료 전지용 연료 저장체.
3. 제 2 항에 있어서,

   가압실에 봉입되는 휘발성 액체는 적어도 가압실의 용적과 연료 저장실의 용적을 합계한 용적을 포화 증기압으로 할 수 있는 양이 봉입되어 있는 연료 전지용 연료 저장체.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   가압실에는 공기 치환 가능한 밀폐 밸브가 적어도 하나 구비되어 있는 연료 전지용 연료 저장체.
5. 제 4 항에 있어서,

   밀폐 밸브는 휘발성 액체의 100℃ 에서의 증기압 하에서도 새지 않는 밀폐 밸브로 이루어지는 연료 전지용 연료 저장체.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   액체 연료가 메탄올액, 에탄올액, 디메틸에테르 (DME), 포름산, 히드라진, 암모니아액, 에틸렌글리콜, 자당 수용액 및 수소화 붕소 나트륨으로부터 선택되는 적어도 1 종인 연료 전지용 연료 저장체.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   연료 전지 본체는 연료 전극체의 외표부에 전해질층을 구축하고, 상기 전해질층의 외표부에 공기 전극층을 구축함으로써 형성되는 단위 셀이 복수 연결되는 동시에, 상기 단위 셀에는 연료 저장체에 접속되는 연료 공급체가 연결되어 액체 연료가 공급되는 구성이 되는 연료 전지용 연료 저장체.

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