KR20070100727A - 전기 화학 에너지 생성 장치 및 이 장치의 구동 방법 - Google Patents

전기 화학 에너지 생성 장치 및 이 장치의 구동 방법 Download PDF

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KR20070100727A
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신이치 우에사카
노리토시 아라키
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소니 가부시끼가이샤
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Abstract

연료의 크로스오버를 저감할 수 있는 전기 화학(電氣化學) 에너지 생성 장치 및, 이 장치의 구동 방법을 제공한다. 대향 전극(對向電極)(5, 7) 사이에 전해질 막(電解質膜)(6)이 협지(挾持; sandwich)되고, 한쪽의 전극(연료극)(5)에서 알콜과 물이 반응하는 것에 의해 전기 화학 에너지를 생성하는 전기 화학 디바이스(연료 전지 셀)(2)와, 상기 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료를 기체 상태로 전기 화학 디바이스(2)의 한쪽의 전극(5) 측에 공급하는 연료 기화부(氣化部)(11)를 가지는, 전기 화학 에너지 생성 장치(예를 들면, 연료 전지 시스템)(1). 본 발명의 전기 화학 에너지 생성 장치(1)를 구동하는 방법으로서, 연료 기화부(11)에 의해서 상기 연료를 기체 상태로 한쪽의 전극(5)에 공급하는, 전기 화학 에너지 생성 장치(1)의 구동 방법.

Description

전기 화학 에너지 생성 장치 및 이 장치의 구동 방법{ELECTROCHEMICAL ENERGY GENERATOR AND ITS DRIVING METHOD}
본 발명은, 전기 화학(電氣化學) 에너지 생성 장치 및 이 장치의 구동 방법에 관한 것이다.
연료 전지는, 연료가 가지는 에너지 밀도의 높이로 인해, 전기 자동차에 한정되지 않고, 노트북 퍼스널컴퓨터나 휴대 전화 등의 모바일 기기의 차세대 배터리로서 기대되고, 많은 연구 기관·기업에서 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
특히, 이온 투과성(透過性)의 전해질 막으로서 고분자 고체 전해질을 이용한, 이른바 고분자 고체 전해질형(電解質型)의 연료 전지는, 비교적 동작 온도가 낮기 때문에, 전기 자동차나, 모바일 기기의 배터리에 매우 적합(好適)하다고 생각되고 있다.
이와 같은 고분자 고체 전해질형의 연료 전지는, 일반적으로, 이온 투과성을 가지는 전해질 막의 양측에, 전극이 설치(設; provide)된 구성을 가지고 있다.
또, 연료 전지에 이용하는 연료로서는, 수소나, 메탄올로 대표되는 알콜 수 용액 등, 여러가지 화학 물질이 검토되고 있다.
특히 그 중에서도, 시스템의 소형화·연료 카트리지의 가요성(可撓性) 등의 관점에서, 메탄올 등의 알콜 수용액으로 이루어지는 연료를 전극에 직접 공급하는 연료 전지가, 모바일 기기용 연료 전지로서 가장 유망시(有望視)되고 있다(예를 들면, 후기(後記)의 특허 문헌 1 참조). 이하, 이와 같은 형태의 연료 전지를 알콜 연료 직접형(直接型) 연료 전지라고 칭(稱)한다.
연료 전지의 셀의 1예로서, 전해질막을 사이에 두고 한쌍의 전극(연료극(燃料極)과 공기극(空氣極))이 형성된 구조를 들 수 있고, 연료극에 메탄올과 물의 혼합액을 연료로서 공급하고, 공기극에 산소 가스 혹은 공기를 공기 가스로서 공급함으로써, 이하에 나타내는 전기 화학 반응에 의해 발전(發電)한다.
연료극: CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
공기극: 3/2O2+6H++6e-→3H2O
전지 반응：CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O
다시말해, 연료극 측에서는 메탄올과 물이 1대(對) 1의 몰(㏖)비(比)로 반응하기 때문에, 연료극 측에 공급하는 메탄올 수용액에서의 메탄올과 물의 혼합비는, 상기의 몰비와 같다(同)고 하는 것이 바람직하다.
[특허 문헌 1] 일본 특개평(特開平) 제3-208260호 공보(제3페이지 오른쪽아래란(右下欄) 1행째∼16행째, 도 1)
그렇지만, 메탄올 연료 직접형 연료 전지에는, 크로스오버라고 하는 문제가 있는 것이 알려져 있다. 이것은, 연료극에 공급한 메탄올이, 연료극에서 모두 반응하지 않고, 전해질막을 투과해서 공기극에 도달하고, 공기극에서 소비되는 현상(現象)이다.
이 크로스오버에 의해서, 본래 발전에 사용되어야 할 메탄올량(量)이 적어지고, 또 역기전력(逆起電力)이 발생해서 전지 전압이 저하하기 때문에, 연료 전지의 출력 밀도 및 에너지 밀도가 저하한다고 하는 문제가 있다.
또, 메탄올과 물을 1대 1의 몰비로 혼합한 바와 같은 고농도 메탄올 수용액을 연료로서 이용한 경우, 크로스오버가 현저(顯著)하고, 발전 특성이 두드러지게(현저하게) 저하하는 것이 알려져 있다.
이 문제를 해결하기 위해서, 메탄올이 투과하기 어려운 전해질 막의 개발이나, 연료 전지 시스템을 궁리(工夫)하는 연구 개발이 이루어지고 있다.
예를 들면, 메탄올을 물로 충분히 희석한 저농도 메탄올 수용액을 연료극에 공급하는 방법이 있다. 그렇지만, 이 방법에서는, 크로스오버를 경감할 수 있지만, 연료 카트리지내의 메탄올량이 대폭(大幅; 큰 폭으로) 저하해 버리기 때문에, 연료 전지 본래의 특성인 고(高)에너지 밀도가 없어져 버린다.
또, 연료 전지 셀의 외부에 보기(補機)를 설치하고, 공기극에서 발전에 수반(伴)해서 생성하는 물을 이 보기로 회수(回收)하고, 그 물로 고농도 메탄올을 희석하며, 얻어진 메탄올 수용액을 연료극 측에 공급하는 방법이 개시되어 있다(예를 들면, 일본 특개(特開) 제2004-146370호 공보). 이 방법에서는, 공기극에서 회수된 물을 이용하므로, 연료 카트리지내에는 고농도 메탄올을 넣을 수 있고, 연료 카트리지를 소형화할 수가 있다. 그렇지만, 연료 전지 셀의 외부에 보기를 설치하지 않으면 안 되므로, 연료 전지 시스템을 소형화하는 것이 곤란하게 된다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 그 목적은, 연료의 크로스오버를 저감할 수 있고, 또 높은 에너지 밀도를 실현할 수 있는 전기 화학 에너지 생성 장치 및, 이 장치의 구동 방법을 제공하는 것에 있다.
즉, 본 발명은, 대향(對向) 전극 사이에 전해질 막이 협지(挾持; sandwich, interpose)되고, 한쪽의 전극에서 알콜과 물이 반응하는 것에 의해 전기 화학 에너지를 생성하는 전기 화학 디바이스와, 상기 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료를 기체 상태로 상기 전기 화학 디바이스의 상기 한쪽의 전극 측에 공급하는 연료 공급부를 가지는, 전기 화학 에너지 생성 장치에 관련된 것이다.
또, 대향 전극 사이에 전해질 막이 협지되고, 한쪽의 전극에서 알콜과 물이 반응하는 것에 의해 전기 화학 에너지를 생성하는 전기 화학 디바이스와, 상기 전기 화학 디바이스의 상기 한쪽의 전극 측에 상기 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료를 공급하는 연료 공급부를 가지는 전기 화학 에너지 생성 장치를 구동하는 방법으로서, 상기 연료 공급부에 의해서 상기 연료를 기체 상태로 상기 한쪽의 전극에 공급하는, 전기 화학 에너지 생성 장치의 구동 방법에 관련된 것이다.
여기서, 본 발명에서의 상기 「알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료」라 함은, 공업용으로서 판매되고 있는 알콜 용액, 구체적으로는 물의 함유율이 1용량% 미만인 알콜 용액도 포함하는 의미이다.
본 발명에 따르면, 상기 연료 공급부에 의해서 상기 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료를 기체 상태로 상기 전기 화학 디바이스의 상기 한쪽의 전극 측에 공급하므로, 상기 알콜을 액체 상태로 공급하는데 비교해서, 혹(或)은 알콜 수용액을 연료로서 공급하는데 비교해서, 연료의 확산성(擴散性) 및 반응성(反應性)이 향상되고, 또 크로스오버를 저감할 수 있으며, 또 높은 에너지 밀도를 얻을 수가 있다. 즉, 전기 화학 에너지 생성 장치의 특성을 향상시킬 수가 있다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른, 연료 전지 시스템으로서 구성된 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치의 모식도(模式圖),
도 2는, 본 발명의 실시형태에 따른, 연료 전지 시스템에서의 연료 전지 셀의 구동시의 모식도,
도 3은, 본 발명의 실시예에 따른, 시간과 연료 공급량의 그래프,
도 4는, 본 발명의 실시예에 따른, 방전 용량과 셀 전압의 관계를 도시하는 그래프,
도 5는, 본 발명의 실시예에 따른, 비교예에 대한 발전 시간과 전류값의 관계를 도시하는 그래프,
도 6은, 본 발명의 실시예에 따른, 발전 시간과 전류값의 관계를 비교해서 도시하는 그래프.
　
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
본 발명에서, 상기 전기 화학 디바이스가 연료 전지로서 구성되어 있는 것이 바람직하고, 상기 연료 전지는, 연료극과, 공기극과, 이들 전극 사이에 협지된 이온 전도성(傳導性)을 가지는 전해질 막으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또, 상기 연료 공급부가, 연료 기화부(氣化部)와 연료 공급량 제어부로 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 상기 연료 기화부에서 상기 연료를 기화하고, 상기 연료 공급량 제어부에서 상기 연료 기화부로의 연료 공급량의 제어 혹은 기화된 상기 연료를 상기 전기 화학 디바이스에 공급하는 양의 제어를 행하는 것이 바람직하다.
또, 상기 연료 공급량 제어부에 의해서, 상기 기체 연료의 반응 필요량이 분할되어 상기 한쪽의 전극에 공급되는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 크로스오버를 최소한으로까지 억제할 수 있고, 연료 전지 시스템 등의 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치의 특성을 보다 향상시킬 수가 있다.
상기와 같이, 상기 전기 화학 디바이스를 상기 연료 전지로서 구성하고, 상 기 연료 공급부에 의해서 상기 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료(예를 들면, 알콜 농도 99.8 용량%)를 기체 상태로 상기 한쪽의 전극(상기 연료극)에 공급하는 경우, 상기 연료극에서 완전하게 상기 알콜을 소비(반응)하는데 필요한 물이 결핍(缺乏; 부족, 모자람)되지만, 본 발명자가 예의(銳意) 검토한 결과, 상기 연료극에 상기 물을 공급하지 않더라도, 상기 공기극에서 전기 화학 반응에 의해 발생한 물이, 농도 구배(濃度勾配)에 의해서 상기 전해질 막을 지나서(통과해서) 상기 연료극 측에 도달하고, 상기 연료극 측에 공급된 상기 알콜과 반응하며, 소망(所望)으로 하는 기전력(起電力)을 취출(取出; extract)할 수 있는 것을 비로소(처음으로) 지견(知見)했다.
즉, 본 발명에 따르면, 상기 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료를 기체 상태로 상기 한쪽의 전극(상기 연료극)에 공급하므로, 상기 알콜을 액체 상태로 공급하는데 비교해서, 혹은 알콜 수용액을 연료로서 공급하는데 비교해서, 연료의 확산성 및 반응성이 향상되고, 또 크로스오버를 저감할 수 있으며, 또 높은 에너지 밀도를 얻을 수가 있다. 즉, 전기 화학 에너지 생성 장치의 특성을 향상시킬 수가 있다.
또, 상기의 종래예와 같이, 연료 전지 셀의 외부에 설치한 보기를 사용하지 않고, 상기 공기극 측에서 발생한 물을 상기 연료극 측의 반응에 이용할 수 있으므로, 연료 전지 시스템 등의 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치를 대폭 소형화할 수가 있다.
또, 상기 연료극에 물을 공급하지 않더라도 효율적인 전기 화학 반응이 진행 하기 때문에, 고농도의 상기 알콜을 연료 카트리지에 축적(蓄積)할 수 있고, 연료 전지 시스템 등의 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치는, 보다 큰 에너지를 안정적으로(안정되게) 취출할 수가 있다.
이하에, 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치의 구성을 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은, 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치의 1예의 모식도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치는 연료 전지 시스템(1)으로서 구성되어 있으며, 구체적으로는, 전기 화학 에너지를 생성하는 상기 전기 화학 디바이스로서의 연료 전지 셀(2)과, 연료 전지 셀(2)에 상기 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료를 공급하는 연료 공급부(3)와, 상기 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료를 저장(貯藏)하는 연료 카트리지(4)를 가진다.
연료 전지 셀(2)은, 연료극(5), 전해질 막(6) 및 공기극(7)이 이 순(順)으로 적층(積層)되어 이루어지는 MEA(Membrane Electrode Assembly)(8)와, 확산층(9)과, 집전체(10)에 의해 구성되어 있다.
전해질 막(6)은, 이온 전도성이 있는 전해질 막으로 이루어지는 것으로 하고, 특별(特)히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 나피온(등록 상표, 듀퐁사제(社製))가 매우 적합한 예로서 들 수 있다. 또, 전해질 막(6)의 막 두께는 20㎛∼200㎛ 정도가 바람직하고, 막두께(膜厚)가 20㎛ 미만이면 상기 연료의 크로스오버량이 증대하는 일이 있고, 한편(一方), 200㎛를 넘(超)으면, 이온 전도성이 저하하 기 쉽고, 기능 저하를 초래(招來)할 가능성이 있다.
확산층(9)은, 예를 들면 카본 페이퍼, 카본 크로스 등의 전기 도전성을 가지고 또한 액체 또는 기체를 투과하는 재료로 이루어지며, 시트모양(狀)인 것이 바람직하다.
집전체(10)는, 전기 도전성이 뛰어난 재료로 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 연료나 공기를 펌프로 MEA(8)에 공급하는 경우, 그들이 지나가는 길(通路)인 유로(流路)가 형성되어 있는 형상(形狀)의 것이나, 메시모양의 형상으로 되어 있는 것이 매우 적합하다.
본 발명에서, 연료 전지 시스템(1) 중(中)에, 연료 전지 셀(2)이 1개(個) 혹은 복수(複數) 배치된 구조이더라도 좋다.
연료 카트리지(4)는, 어떠한 재질의 것이더라도 좋지만, 상기 알콜에 대한 내부식성(耐腐食性)이 있고, 액 누설(液漏) 대책을 행해 둘 필요가 있다.
연료 공급부(3)는, 연료 기화부(11)와, 연료 공급량 제어부(12)로 구성되어 있다.
연료 기화부(11)는, 연료 카트리지(4)로부터 공급된 메탄올 등의 상기 알콜을 기화한다. 기화 방법은 어떠한 방법이도라도 좋으며, 예를 들면 장치가 고온 동작이기 때문에 자연 휘발(自然揮發)이 바람직하지만, 한랭지(寒冷地) 대책으로서 히터를 포함하고, 가열에 의해 기화시키는 구조이더라도 좋다.
연료 공급량 제어부(12)는, 연료 전지 셀(2)의 외부 회로(13)에 설치된 전압계(電壓計)(14) 및 연료 기화부(11)에 접속되어 있고, 연료 기화부(11)에 공급하는 상기 알콜의 양을 제어하는 기구 혹은 연료 전지 셀(2)에 공급하는 상기 기화된 연료의 양을 제어하는 기구를 가지고 있다.
예를 들면, 연료 전지 셀(2)의 구동 중에 있어서 전압계(14)에 의해 순서대로(逐次) 전압을 측정하고, 그 측정값을 연료 공급량 제어부(12)에 송신한다. 그리고, 전압계(14)로부터 보내져 온 전압값이 임의의 값을 하회(下回; 밑돎)하면, 밸브(15a)를 열어서 연료 카트리지(4)로부터 연료 기화부(11)에 상기 연료를 추가 공급하거나, 밸브(15b)를 열어서 연료 기화부(11)로부터 상기 기화된 연료를 연료극(5) 측에 추가 공급하거나 한다. 또, 연료 기화부(11) 내의 상기 기화된 연료의 양이 감소하면, 밸브(15a)를 열어서 연료 카트리지(4)로부터 연료 기화부(11)에 상기 연료를 추가 공급하는 것도 가능하다.
또, 연료 공급량 제어부(12)에 의해서, 상기 기화된 연료의 반응 필요량이 분할되어 상기 한쪽의 전극으로서의 연료극(5)에 공급되는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 크로스오버를 최소한으로까지 억제할 수 있고, 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치로서의 연료 전지 시스템(1)의 특성을 보다 향상시킬 수가 있다.
연료 전지 셀(2)에서, 연료극(5)에는 상기 연료로서의 예를 들면 메탄올(물은 포함하지 않는다)이 기체 상태로 공급되고, 공기극(7)에는 예를 들면 공기가 공급된다. 이것에 의해, 도 2에 도시하는 바와 같이, 연료극(5)및 공기극(7)에서 각각, 이하에 나타내는 반응이 발생하고, 연료극(5)에서 발생한 플로톤(H+)이 전해질 막(6)을 흐르며, 또 전자(電子)는 외부 회로(13)를 흐르는 것에 의해 배터리로서 기능한다.
연료극: CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
공기극: 3/2O2+6H++6e-→3H2O
이와 같이, 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치를 연료 전지 시스템(1)으로서 구성하고, 연료 공급부(3)에 의해서 상기 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료를 기체 상태로 연료극(5)에 공급하는 경우, 연료극(5)에서 완전히 상기 알콜을 소비(반응)하는데 필요한 물이 결핍되지만, 본 발명자가 예의 검토한 결과, 도 2에 도시하는 바와 같이, 연료극(5)에 물을 공급하지 않더라도, 공기극(7)에서 전기 화학 반응에 의해 발생한 물이, 농도 구배에 의해서 전해질 막(6)을 지나서 연료극(5) 측에 도달하고, 연료극(5)에 공급된 상기 기화된 알콜과 반응하며, 소망의(원하는) 기전력을 취출할 수가 있는 것을 비로소 지견했다.
즉, 본 발명에 따르면, 상기 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료를 기체 상태로 연료극(5)에 공급하므로, 상기 알콜을 액체 상태로 공급하는데 비교해서, 혹은 알콜 수용액을 연료로서 공급하는데 비교해서, 연료의 확산성 및 반응성이 향상되고, 또 크로스오버를 저감할 수가 있으며, 또 높은 에너지 밀도를 얻을 수가 있다. 즉, 연료 전지 시스템(1) 등의 전기 화학 에너지 생성 장치의 특성을 향상시킬 수가 있다.
또, 상기의 종래예와 같이, 연료 전지 셀의 외부에 설치한 보기를 사용하지 않고, 공기극(7)에서 발생한 물을 연료극(5) 측의 반응에 이용할 수 있으므로, 연료 전지 시스템(1) 등의 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치를 대폭 소형화할 수가 있다.
또, 연료극(5)에 물을 공급하지 않더라도 효율적인 전기 화학 반응이 진행하기 때문에, 고농도의 상기 알콜을 연료 카트리지(4)에 축적할 수 있고, 연료 전지 시스템(1) 등의 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치는, 보다 큰 에너지를 안정적으로 취출할 수가 있다.
[실시예]
이하, 실시예에 의거해서 본 발명을 구체적으로 설명한다.
예 1
상기 전기 화학 디바이스로서, 도 1에 도시하는 바와 같은 연료 전지 셀(2)을 제작(作製)했다.
연료극(5)은, Pt와 Ru의 비(比)가 소정의 비로 이루어지는 촉매와, 나피온(등록 상표) 분산 용액을 소정의 비로 혼합해서 제작했다. 또, 공기극(7)은, Pt를 카본 분말에 담지(擔持; support)시킨 촉매와, 나피온 분산 용액을 소정의 비로 혼합해 제작했다.
다음에, 상기와 같이 해서 제작한 연료극(5) 및 공기극(7)을, 막두께 약 90㎛의 고분자 고체 전해질 막(듀퐁사제, Nafion1135(등록 상표))에 150도(度), 0.2kN의 조건에서 10분간 핫 프레스하고, MEA(8)를 제작했다.
이 MEA(8)를, 두께 280㎛의 카본 페이퍼(토레이(TORAY) 주식회사제, 상품명 HGP-H-090) 및, 티탄 메시 사이에 끼워넣고(挾入), 연료 전지 셀(2)을 제작했다. 여기서, 카본 페이퍼는 확산층(9), 티탄 메시는 집전체(10)에 상당(相當)한다.
그리고, 연료극(5) 측에 인접(隣接)해서 연료 기화부(11)로서의 여과지(濾紙)를 배치(配)하고, 이 여과지에 상기 연료로서의, 실질적으로 물을 포함하지 않는 메탄올(농도 99.8용량%: 이하, 마찬가지)을 스며들게 하고(染入), 여과지에 스며든 상기 메탄올이 자연 휘발하고, 이 기화된 메탄올이 연료극(5)에 공급되도록 구성했다.
또, 시린지(syringe)를 이용해서, 여과지에 스며들게 하는 상기 메탄올의 양을 제어할 수 있도록 했다. 이와 같이, 시린지를 이용해서, 여과지에 스며들게 하는 상기 메탄올의 양을 제어하는 부분이, 연료 공급량 제어부(12)에 상당한다. 구체적으로는, 연료 전지 셀(2)의 구동 중에 있어서 전압계(14)에 의해 순서대로 전압을 측정하고, 그 측정값을 연료 공급량 제어부(12)에 송신했다. 그리고, 전압계(14)로부터 보내져 온 전압값이 임의의 값을 하회하면, 시린지를 이용해서 소정량(예를 들면, 3㎕)의 상기 메탄올을 여과지에 스며들게 했다. 단, 본 실험예에서는, 연료 공급량 제어부(12)에 의해, 여과지에 공급하는 상기 메탄올의 양을 제어하고 있지만, 연료 전지 셀(2)에 대해서, 연료 기화부(11)로부터 공급하는 상기 기화된 메탄올의 양을 제어해도 좋다.
즉, 본 실험예에서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 연료 공급량 제어부(12) 에 의해서, 상기 기화된 메탄올의 반응 필요량을 분할해서 연료극(5)에 공급했다. 여기서, 여과지(연료 기화부(11))에 공급한 메탄올의 총량은 50㎕였다.
예 2
도 3에 도시하는 바와 같이, 시린지에 의해서 여과지(연료 기화부(11))에 공급하는 메탄올량을 제어하지 않고 , 예 1에서 사용한 것과 같은 양(同量)(50㎕)의 메탄올을 한번에 여과지에 공급한 것 이외는, 예 1과 마찬가지로 해서 연료 전지 시스템(1)을 제작했다.
또한, 예 1 및 예 2에서, 연료극(5)에는 기화된 메탄올만을 공급하고, 메탄올을 소비하는데 필요한 물은, 전혀 연료극(5)에는 공급하지 않았다.
그리고, 예 1 및 예 2의 연료 전지 시스템에 대해서 평가를 행했다.
연료 전지 셀을 전기 화학 측정 장치(솔라트론사제, 상품명 멀티스탯 1480)에 연결하고(잇고), 연료 전지 셀에 흐르는 전류의 양이 일정값(100㎃)으로 되도록 제어하고, 연료 전지 셀의 셀 전압을 순서대로 판독(讀取; read)했다. 결과를 도 4에 아울러(倂) 도시한다.
비교예 1
메탄올(500㎕)을 액체 상태로 공급하도록 구성한 것 이외는, 예 1과 마찬가지로 해서 연료 전지 시스템(1)을 제작했다.
비교예 2
물과 메탄올의 혼합액(몰비로 1:1, 물 446㎕+메탄올 1000㎕)을 액체 상태로 공급하도록 구성한 것 이외는, 예 1과 마찬가지로 해서 연료 전지 시스템(1)을 제 작했다.
상기와 같이 해서 제작한 비교예 1및 2의 연료 전지 시스템에 대해서 평가를 행했다. 구체적으로는, 연료 전지의 전압을 0.3V로 되도록 해서, 전류값을 순서대로 측정했다. 결과를 도 5에 나타낸다.
도 4로부터 분명한 바와 같이, 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치를 연료 전지 시스템으로서 구성하고, 여과지(연료 기화부(11))로부터 메탄올을 기체 상태로 연료극(5)에 공급하고, 연료극(5)에 물을 공급하지 않았음에도 불구하고, 연료 전지 셀이 연속해서 장시간(長時間) 발전할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이것은, 공기극(7)에서 전기 화학 반응에 의해 발생한 물이, 농도 구배에 의해 전해질 막(6)을 지나서 연료극(5) 측에 도달하고, 연료극(5)에 공급된 상기 기화된 메탄올과 반응했기 때문이다.
즉, 본 발명에 따르면, 메탄올 등의 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 상기 연료를 기체 상태로 연료극(5)에 공급하므로, 상기 알콜을 액체 상태로 공급하는데 비교해서, 혹은 알콜 수용액을 공급하는데 비교해서, 연료의 확산성 및 반응성이 향상되고, 또 크로스오버를 저감 할 수 있으며, 연료 전지 시스템(1) 등의 전기 화학 에너지 생성 장치의 특성을 향상시킬 수가 있었다.
이에 대해, 도 5로부터 분명한 바와 같이, 상기 알콜을 액체 상태로 공급한 비교예 1이나, 고농도의 알콜 수용액을 공급한 비교예 2는, 크로스오버가 현저하고, 대부분 발전하지 않았다.
또, 상기의 종래예와 같이, 연료 전지 셀의 외부에 설치한 보기를 사용하지 않고, 공기극(7)에서 발생한 물을 연료극(5) 측의 반응에 이용할 수 있으므로, 연료 전지 시스템(1) 등의 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치를 대폭 소형화할 수 있었다.
또, 예 1은, 연료 공급량 제어부(12)에 의해서 여과지(연료 기화부(11))에 공급하는 메탄올의 양(量)을 제어했으므로, 즉 상기 기화된 연료의 반응 필요량을 분할해서 연료극(5)에 공급했으므로(도 3), 예 2와 같이, 메탄올의 총량을 한번(一度)에 연료 기화부(11)에 공급한데 비해서 크로스오버를 최소한으로까지 억제할 수 있고, 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치로서의 연료 전지 시스템의 특성을 보다 향상시킬 수가 있었다.
예 3
메탄올(20㎕)을 기체 상태로 공급하도록 구성한 것 이외는, 예 1과 마찬가지로 해서 연료 전지 시스템(1)을 제작했다.
비교예 3
물과 메탄올의 혼합액(물 465㎕+메탄올 35㎕)을 액체 상태로 공급하도록 구성한 것 이외는, 예 1과 마찬가지로 해서 연료 전지 시스템(1)을 제작했다.
상기와 같이 해서 제작한 예 3 및 비교예 3의 연료 전지 시스템에 대해서 평가를 행했다. 구체적으로는, 연료 전지의 전압을 0.3V로 되도록 해서, 전류값을 순서대로 측정하고, 에너지 밀도를 산출했다. 결과를 도 6 및 하기(下記) 표 1에 나타낸다.
[표 1]
Figure 112007050131629-PCT00001
도 6 및 상기 표 1로부터 분명한 바와 같이, 예 3은, 메탄올 등의 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 상기 연료를 기체 상태로 연료극(5)에 공급했으므로, 저농도 알콜 수용액을 액체 상태로 공급한 비교예 3과 비교해서, 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있고, 연료 전지 시스템(1) 등의 전기 화학 에너지 생성 장치의 특성을 향상시킬 수가 있었다.
이상, 본 발명을 실시형태 및 실시예에 대해서 설명했지만, 상술한 예는, 본 발명의 기술적 사상(思想)에 의거해서 여러 가지로 변형이 가능하다.
예를 들면, 본 발명에 의거하는 전기 화학 에너지 생성 장치에서, 상기 전기 화학 디바이스의 형상, 재질 등은 적당히 선택가능하다. 또, 본 발명에 의거하는 장치를 구성하는 상기 연료 공급부(상기 연료 기화부 및 상기 연료 공급량 제어부), 상기 연료 카트리지, 상기 전기 화학 디바이스 등의 설치 위치도 특별히 한정되지 않는다.
또, 상기 연료로서 메탄올을 사용한 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은, 메탄올 연료에 한정된 것은 아니다.
본 발명은, 전기 화학 에너지 생성 장치 및 이 장치의 구동 방법에 관한 기술분야 등에 이용가능하다.

Claims (10)

  1. 대향(對向) 전극 사이에 전해질 막(膜)이 협지(挾持; sandwich, interpose)되고, 한쪽의 전극에서 알콜과 물이 반응하는 것에 의해 전기 화학(電氣化學) 에너지를 생성하는 전기 화학 디바이스와, 상기 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료를 기체 상태로 상기 전기 화학 디바이스의 상기 한쪽의 전극 측에 공급하는 연료 공급부를 가지는, 전기 화학 에너지 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료 공급부가, 연료 기화부(氣化部)와 연료 공급량 제어부로 이루어지는, 전기 화학 에너지 생성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연료 공급량 제어부에 의해서, 상기 기체 연료의 반응 필요량이 분할되어 상기 한쪽의 전극에 공급되는, 전기 화학 에너지 생성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 알콜이 자연 휘발(自然揮發)되어 공급되는, 전기 화학 에너지 생성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기 화학 디바이스가 연료 전지로서 구성되어 있는, 전기 화학 에너지 생성 장치.
  6. 대향 전극 사이에 전해질 막이 협지되고, 한쪽의 전극에서 알콜과 물이 반응하는 것에 의해 전기 화학 에너지를 생성하는 전기 화학 디바이스와, 상기 전기 화학 디바이스의 상기 한쪽의 전극 측에 상기 알콜로 이루어지고 또한 실질적으로 물을 포함하지 않는 연료를 공급하는 연료 공급부를 가지는 전기 화학 에너지 생성 장치를 구동하는 방법으로서, 상기 연료 공급부에 의해서 상기 연료를 기체 상태로 상기 한쪽의 전극에 공급하는, 전기 화학 에너지 생성 장치의 구동 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료 공급부가, 연료 기화부와 연료 공급량 제어부로 이루어지고, 상기 연료 기화부에서 상기 연료를 기화하고, 상기 연료 공급량 제어부에서 상기 연료 기화부에의 연료 공급량의 제어 혹(或)은 기화된 상기 연료를 상기 전기 화학 디바이스에 공급하는 양(量)의 제어를 행하는, 전기 화학 에너지 생성 장치의 구동 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료 공급량 제어부에 의해서, 상기 기체 연료의 반응 필요량을 분할해 서 상기 한쪽의 전극에 공급하는, 전기 화학 에너지 생성 장치의 구동 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 알콜을 자연 휘발해서 공급하는, 전기 화학 에너지 생성 장치의 구동 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 전기 화학 디바이스를 연료 전지로서 구성하는, 전기 화학 에너지 생성 장치의 구동 방법.
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