KR20070104667A

KR20070104667A - 연료 전지

Info

Publication number: KR20070104667A
Application number: KR1020077021408A
Authority: KR
Inventors: 유이치 요시다
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-10-26
Also published as: CN101147291A; TWI322527B; US7722973B2; WO2006101071A1; TW200644322A; KR100909520B1; EP1863112A1; EP1863112A4; US20090011304A1; JPWO2006101071A1

Abstract

본 발명은 전극막 구조체는 고분자재로 이루어진 고체 전해질막(1)과, 그 양쪽에 적층된 연료극(2) 및 공기극(3)으로 구성되고, 연료극(2)의 배면에는 다공질막(8)이 부착되고, 연료극(2)측의 케이싱(16)과 다공질막(8) 사이에 연료 탱크(12)가 형성되어 있으며, 연료 탱크(12) 내에는 보액 시트(14)가 충전되어 있고, 공기극(3)의 배면에는 공기실(13)이 형성되고, 공기실(13) 내에는 보습 시트(15)가 충전되어 있으며, 공기극(3)측의 케이싱(17)에는 다수의 흡기 구멍(21)이 설치되고 또한 공기극측의 케이싱(17)의 외측 표면에는 돌출부(22)가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지{FUEL CELL}

본 발명은 연료극에서 촉매를 사용하여 액체 연료로부터 분리된 수소 이온을 사용하여, 발전을 실시하는 연료 전지에 관한 것으로, 특히 연료극으로 액체 연료를 공급하기 위해 펌프 등의 능동적인 이송 수단을 사용하지 않는 연료 전지에 관한 것이다.

최근, 노트 퍼스널 컴퓨터나 휴대 전화 등의 각종 휴대용 전자 기기를, 장시간 충전 없이 사용 가능하게 하는 것을 목적으로 하고, 이들의 휴대용 기기의 전원에 연료 전지를 사용하는 시도가 각처에서 진행되고 있다. 연료 전지는 연료와 공기를 공급하는 것만으로 발전(發電)이 이루어지고, 연료만을 보급하면 연속하여 장시간 발전할 수 있다는 특징을 갖고 있으므로, 소형화가 실현되면 휴대용 기기의 전원으로서 매우 유리한 시스템이라고 할 수 있다.

특히, 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC; direct methanol fuel cell)는 에너지 밀도가 높은 메탄올을 연료에 사용하고 메탄올로부터 촉매층 및 고체 전해질막을 사용하여 전류를 직접 취출하므로, 개질기(reformer)가 불필요하여 소형화가 가능하고, 또한 연료의 취급도 수소 가스에 비해 용이한 측면에서, 소형의 휴대용 기기용 전원으로서 유망하다.

DMFC의 연료의 공급 방식으로서는 액체 연료를 기화시켜 블로어 등으로 연료 전지 내에 이송하는 기체 공급형 DMFC, 액체 연료를 그대로 펌프 등으로 연료 전지 내에 이송하는 액체 공급형 DMFC, 또한 이송된 액체 연료를 연료 전지의 내부에서 기화시켜 연료극에 공급하는 내부 기화형 DMFC 등이 알려져 있다.

예를 들어, 일본 공개특허공보 2000-106201호에 기재되어 있는 바와 같이, 내부 기화형 DMFC는 액체 연료를 유지하는 연료 침투층과, 연료 침투층 중에 유지된 액체 연료 중 기화 성분을 확산시키기 위한 연료 기화층을 구비하고, 기화된 액체 연료가 연료 기화층으로부터 연료극에 공급된다. 상기 문헌에서는 액체 연료로서 메탄올과 물이 1:1의 몰비로 혼합된 메탄올 수용액이 사용되고, 메탄올과 물의 쌍방이 가스의 상태로 연료극에 공급된다. 메탄올 수용액을 연료로서 사용하는 이와 같은 연료 전지에 관해서는 메탄올과 물의 기화 속도의 차이에 기인하여 충분한 출력 특성을 얻기 어렵다는 문제가 있다. 그래서, 연료 전지의 출력 특성의 향상 및 한층 더한 소형화를 도모하기 위해, 순메탄올을 연료에 사용하는 연료 전지의 개발이 진행되고 있다.

또한, 주로 모바일 기기에서 사용되는 소형의 연료 전지로서, 연료극으로 액체 연료를 공급하기 위해 연료 펌프 등의 능동적인 이송 수단을 사용하지 않는 패시브(passive)형 연료 전지가 개발되어 있다. 연료 전지를 모바일 기기에서 사용하는 경우, 팬 등의 강제적인 냉각 수단을 채용하기 곤란하므로, 수소와 산소의 결합에 의해 발생한 열을, 자연 공냉에 의해 연료 전지 밖으로 방출하지 않으면 안된다. 가령, 열의 방출이 불충분하여 연료 전지의 온도가 지나치게 상승한 경우에 는, 메탄올 등의 액체 연료가 연료극으로부터 공기극으로 통과하는, 소위 크로스오버의 증대에 의해 발전 효율이 저하되고 전지의 수명이 감소되며, 또한 모바일 기기 본체의 성능에 영향을 미치고, 또는 모바일 기기의 휴대성을 손상시킨다.

본 발명은 이상과 같은 연료극으로 액체 연료를 공급하기 위해 펌프 등의 능동적인 이송 수단을 사용하지 않는 연료 전지에서의 문제점을 감안하여 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은 연료 전지에서 열의 방출 능력을 증대시킴으로써 연료 전지의 온도 상승을 억제하고, 그에 따라 출력 특성의 향상이나 전지 수명의 증대를 도모하는 데에 있다.

본 발명의 연료 전지는

이온 전도성을 구비한 고체 전해질막,

고체 전해질막의 일방측에 적층되고, 액체 연료의 연료 성분이 공급되는 애노드 촉매층을 갖는 연료극,

고체 전해질막의 타방측에 적층되고, 캐소드 촉매층을 갖는 공기극,

연료극의 배면측을 덮도록 설치되고 액체 연료가 저장되는 연료 탱크를 연료극의 배면과의 사이에 형성하는 연료극측 케이싱, 및

공기극의 배면측을 덮도록 설치되고, 공기를 저장하는 공기실을 공기극의 배면과의 사이에 형성하는 공기극측 케이싱을 구비하고,

공기극측 케이싱에, 공기실내에 공기를 취입하기 위한 복수의 흡기 구멍이 설치되고 또한 공기극측 케이싱의 외측 표면에 열의 방산(放散)을 촉진하기 위한 돌출부(fin)가 형성되어 있다.

본 발명의 연료 전지에 의하면 공기극에서 수소와 산소의 결합에 의해 발생한 열은, 공기극으로부터 공기실내의 공기 또는 충전물을 통하여 공기극측 케이싱에 전달되고, 다음에 돌출부의 표면으로부터 주위의 공기에 방산된다. 이와 같이, 공기극측 케이싱의 외측의 표면에 돌출부를 설치함으로써, 주위의 공기에 접하는 공기극측 케이싱의 표면적을 증대시켜 연료 전지로부터 방열되는 열량을 증대시키고, 연료 전지의 온도 상승을 억제할 수 있다.

예를 들어, 상기 돌출부는 서로 평행으로 배치된 리브 형상(줄무늬)의 복수의 볼록부에 의해 구성된다.

이 경우, 바람직하게는 상기 복수의 흡기 구멍은 서로 인접하는 2개의 볼록부로 끼워진 부분에 형성된다. 이와 같이 흡기 구멍을 돌출부 사이의 골짜기간의 부분에 설치함으로써 다수의 돌출부와 배기 구멍을 공기극측 케이싱에 배치할 수 있다. 또한, 이에 의해 공기실로부터 배출되는 공기의 온도를 충분히 저하시킨 후에, 연료 전지의 밖으로 나오게 할 수 있다. 또는, 상기 복수의 흡기 구멍을 이들의 볼록부를 관통하도록 형성할 수도 있다.

바람직하게는 상기 흡기 구멍에는 공기극측 케이싱의 외측을 향하여 단면적이 변화되도록, 내벽면에 단차 또는 경사를 설치한다. 이에 의해, 주위의 공기에 접하는 공기극측 케이싱의 표면적을 더욱 증대시킬 수 있다.

돌출부의 형태에 대한 변형예로서 돌출부를, 이차원적으로 배치된 핀(pin) 형상의 복수의 볼록부에 의해 구성할 수도 있다. 그 경우, 각 흡기 구멍은 서로 인접하는 2~4개의 볼록부 사이에 각각 형성된다. 또는, 각 흡기 구멍을 각 볼록부의 중심을 관통하도록 형성할 수도 있다.

또한, 연료극측 케이싱의 외표부와 공기극측 케이싱 외표부를 고열전도성 필름으로 접속함으로써, 연료 전지 본체로부터 방출되는 열을 공기극에 전달하여 모을 수 있다. 이에 의해, 애노드측의 이상한 온도 상승이 억제되어 크로스오버가 감소되고, 연료 전지 출력을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 연료 전지에 의하면 공기실로부터의 열의 방출 능력이 증대됨으로써 연료 전지의 온도 상승이 억제되고, 그에 따라 연료 전지의 출력 특성의 향상이나 수명의 증대가 실현된다. 또한, 본 발명의 연료 전지에 의하면 연료 전지의 케이싱 및 배출 공기의 온도 상승이 억제되므로, 연료 전지의 모바일 기기로의 적용이 가능해진다.

도 1은 본 발명에 의한 연료 전지의 개략 구성의 일례를 도시한 단면도,

도 2는 본 발명에 의한 연료 전지의 개략 구성의 다른 예를 도시한 단면도,

도 3A는 본 발명의 연료 전지에서의 돌출부 및 흡기 구멍의 형상 및 배치의 일례를 도시한 단면도,

도 3B는 도 3A에 도시된 연료 전지의 평면도,

도 4A는 본 발명의 연료 전지에서의 돌출부 및 흡기 구멍의 형상 및 배치의 다른 예를 도시한 단면도,

도 4B는 도 4A에 도시된 연료 전지의 평면도,

도 5A는 본 발명의 연료 전지에서의 돌출부 및 흡기 구멍의 형상 및 배치의 다른 예를 도시한 부분 단면도,

도 5B는 도 5A에 도시된 연료 전지의 부분 평면도,

도 6A는 본 발명의 연료 전지에서의 돌출부 및 흡기 구멍의 형상 및 배치의 다른 예를 도시한 부분 단면도,

도 6B는 도 5A에 도시된 연료 전지의 부분 평면도,

도 7은 본 발명에 의한 연료 전지의 돌출부의 형태의 다른 예를 도시한 사시도,

도 8A는 본 발명의 연료 전지에서의 돌출부 및 흡기 구멍의 형상 및 배치의 다른 예를 도시한 단면도,

도 8B는 도 8A에 도시된 연료 전지의 평면도,

도 9A는 본 발명의 연료 전지에서의 돌출부 및 흡기 구멍의 형상 및 배치의 다른 예를 도시한 단면도,

도 9B는 도 9A에 도시된 연료 전지의 평면도,

도 10A는 본 발명의 연료 전지에서의 돌출부 및 흡기 구멍의 형상 및 배치의 다른 예를 도시한 단면도, 및

도 10B는 도 10A에 도시된 연료 전지의 평면도이다.

도 1에 본 발명에 기초한 연료 전지의 개략 구성의 일례(단면도)를 도시한다. 도면 중 "1"은 고체 전해질막, "2"는 연료극, "3"은 공기극, "12"는 연료 탱 크, "13"은 공기실, "16"은 연료 탱크측의 케이싱, "17"은 공기실측의 케이싱, "21"은 흡기 구멍, "22"는 돌출부를 나타낸다.

발전부가 되는 전극막 구조체(MEA: Membrane Electrode Assembly)는 고분자재로 이루어진 고체 전해질막(1)과, 그 양측에 적층된 연료극(2)(애노드극) 및 공기극(3)(캐소드극)으로 구성된다. 연료극(2) 및 공기극(3)은 백금·루테늄 합금 촉매가 도포된 카본 페이퍼가 사용되고, 카본 페이퍼의 촉매가 도포된 면이 고체 전해질막(1)과 접촉하는 방향으로 열압착되어 있다. 이와 같이 하여, 고체 전해질막(1), 연료극(2) 및 공기극(3)이 일체화되고, 전극막 구조체가 구성되어 있다.

연료극(2)의 배면(고체 전해질막(1)과 반대측의 면)에는 다공질막(8)이 부착되어 있다. 연료극(2)측의 케이싱(16)과 다공질막(8) 사이에 연료 탱크(12)가 형성되어 있다. 연료극(2)측의 케이싱(16)의 측벽에는 연료 탱크(12) 중에 액체 연료(메탄올)를 보급하기 위한 연료 주입 구멍(18)이 설치되어 있다. 연료 탱크(12) 내에는 보액(保液) 시트(14)가 충전되고, 액체 연료는 보액 시트(14)에 흡수된 상태에서 연료 탱크(12) 내에 저장된다. 액체 연료는 다공질막(8) 내를 통과하여 분산되어 연료극(2)의 각 부에 도달한다.

공기극(3)의 배면(고체 전해질막(1)과 반대측의 면)에는 공기실(13)이 형성되어 있다. 공기극(3)을 항상 습윤한 상태로 유지하기 위해, 공기실(13) 내에는 보습 시트(15)가 충전되어 있다. 공기극(3)측의 케이싱(17)에는 외부로부터 공기를 취입할 수 있도록, 다수의 흡기 구멍(21)이 설치되어 있다. 이에 추가로, 본 발명에 기초하는 연료 전지에서는 공기극(3) 및 공기실(13) 내의 온도 상승을 억제 할 목적으로 공기극측의 케이싱(17)의 외측의 표면에, 다수의 플레이트 형상의 돌출부(22)가 형성되어 있다.

이와 같은 연료 전지에서는 공기극(3)에서 수소와 산소의 결합에 의해 발생한 열은 공기극(3)으로부터 공기실(13) 내의 공기, 습분 및 보습 시트(15)를 통하여 공기극측의 케이싱(17)에 전달되고, 동시에 연료극측(2)의 케이싱(16)으로부터도 공기극측의 케이싱(17)에 전달된다. 공기극측의 케이싱(17)에 전달된 열은, 다음에 돌출부(22)의 표면으로부터 주위의 공기에 방산된다. 이와 같이 돌출부(22)을 설치함으로써, 주위의 공기에 접하는 공기극측의 케이싱(17)의 표면적을 증대시키고, 연료 전지로부터 방출되는 열량을 증대시킬 수 있다.

도 2에 본 발명에 기초하는 연료 전지의 개략 구성의 다른 예(단면도)를 도시한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 막 전극 접합체(MEA)(31)는 캐소드 촉매층(32) 및 캐소드 가스 확산층(34)으로 이루어진 공기극(캐소드극)과, 애노드 촉매층(33) 및 애노드 가스 확산층(35)으로 이루어진 연료극(애노드극)과, 캐소드 촉매층(32)과 애노드 촉매층(33) 사이에 배치되는 프로톤 전도성의 전해질막(36)을 구비하고 잇다.

캐소드 촉매층(32) 및 애노드 촉매층(33)에 함유되는 촉매로서는 예를 들어, 백금족 원소의 단체 금속(Pt, Ru, Rh, Ir, Os, Pd 등), 백금족 원소를 함유하는 합금 등을 들 수 있다. 애노드 촉매에는 메탄올이나 일산화탄소에 대한 내성이 강한 Pt-Ru, 캐소드 촉매에는 백금을 사용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 탄소재료와 같은 도전성 담지체를 사용하는 담지 촉매를 사용해도 또는 무담지 촉매를 사용해도 좋다.

프로톤 전도성 전해질막(36)을 구성하는 프로톤 전도성 재료로서는, 예를 들어 설폰산기를 갖는 불소계 수지(예를 들어, 퍼플루오로설폰산(perfluorosulfonic acid) 중합체), 설폰산기를 갖는 하이드로카본(hydrocarbon)계 수지(예를 들어, 설폰산기를 갖는 폴리에테르케톤(polyether ketone), 설폰화 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone)), 텅스텐산이나 인텅스텐산 등의 무기물 등을 들 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

캐소드 촉매층(32)은 캐소드 가스 확산층(34) 상에 적층되고, 또한 애노드 촉매층(33)은 애노드 가스 확산층(35) 상에 적층되어 있다. 캐소드 가스 확산층(34)은 캐소드 촉매층(32)에 산화제를 균일하게 공급하는 역할을 담당하는 것이지만, 캐소드 촉매층(32)의 집전체(current collector)도 겸하고 있다. 한편, 애노드 가스 확산층(35)은 애노드 촉매층(33)에 연료를 균일하게 공급하는 역할을 수행함과 동시에, 애노드 촉매층(33)의 집전체도 겸하고 있다. 캐소드 도전층(37a) 및 애노드 도전층(37b)은 각각 캐소드 가스 확산층(34) 및 애노드 가스 확산층(35)과 접하고 있다. 캐소드 도전층(37a) 및 애노드 도전층(37b)에는 예를 들어 금 등의 금속 재료로 이루어진 다공질층(예를 들어 메시(mesh))를 각각 사용할 수 있다.

직사각형 틀 형상의 캐소드 시일(seal)재(38a)는 캐소드 도전층(37a)과 프로톤 전도성 전해질막(36) 사이에 위치하고 또한 캐소드 촉매층(32) 및 캐소드 가스 확산층(34)의 주위를 둘러싸고 있다. 한편, 직사각형 틀형상의 애노드 시일 재(38b)는 애노드 도전층(37b)과 프로톤 전도성 전해질막(36) 사이에 위치함과 동시에, 애노드 촉매층(33) 및 애노드 가스 확산층(35)의 주위를 둘러싸고 있다. 캐소드 시일재(38a) 및 애노드 시일재(38b)는 막 전극 접합체(31)로부터의 연료 누출 및 산화제 누출을 방지하기 위한 오링이다.

막전극 접합체(31)의 하방에는 연료극측의 케이싱(16)이 배치되고, 애노드 도전층(37b)과 케이싱(12) 사이에 연료 탱크(39)가 설치되어 있다. 연료 탱크(39) 내에는 액체의 메탄올 또는 메탄올 수용액이 수용되어 있다. 연료 탱크(39)의 개구단에는 연료 기화층으로서 예를 들어 액체 연료의 기화 성분만을 투과시키고 액체 연료는 투과할 수 없는 기액 분리막(40)이 연료 탱크(39)의 개구부를 덮도록 배치되어 있다. 여기에서, 액체 연료의 기화 성분이라는 것은 액체 연료로서 액체의 메탄올을 사용한 경우, 기화한 메탄올을 의미하고, 액체 연료로서 메탄올 수용액을 사용한 경우에는 메탄올의 기화 성분과 물의 기화 성분으로 이루어진 혼합 가스를 의미한다.

기액 분리막(40)과 애노드 도전층(37b) 사이에는 수지제의 프레임(41)이 적층되어 있다. 프레임(41)으로 둘러싸인 공간은 기액 분리막(40)을 확산되어 온 기화 연료를 일시적으로 수용해 두는 기화 연료 수용실(42)(소위 증기 고임)으로서 기능한다. 상기 기화 연료 수용실(42) 및 기액 분리막(40)의 투과 메탄올량 억제 효과에 의해, 한번에 다량의 기화 연료가 애노드 촉매층(33)에 공급되는 것을 회피할 수 있고, 메탄올 크로스오버의 발생을 억제하는 것이 가능하다. 또한, 프레임(41)은 직사각형의 프레임이고, 예를 들어 PET와 같은 열가소성 폴리에스테르 수 지로 형성된다.

한편, 막전극 접합체(31)의 상부에 적층된 캐소드 도전층(37a)의 배면측에는 공기실(43)이 형성되어 있다. 공기극(32, 34)을 항상 습윤한 상태로 유지하기 위해, 공기실(43) 내에는 보습 시트(45)가 충전되어 있다. 공기극측의 케이싱(17)에는 외부로부터 공기를 취입할 수 있도록 다수의 흡기 구멍(21)이 설치되어 있다. 이에 추가로, 공기극(32, 34) 및 공기실(43) 내의 온도 상승을 억제할 목적으로, 공기극측의 케이싱(17)의 외측의 표면에, 다수의 플레이트 형상의 돌출부(22)가 형성되어 있다.

공기극측의 케이싱(17)은 막전극 접합체(31)를 포함하는 적층 구조를 가압하여 그 밀착성을 높이는 역할도 수행하고 있으므로, 예를 들어 SUS304와 같은 금속으로 형성된다. 보습 시트(45)는 캐소드 촉매층(32)에 생성된 물의 증산을 억제하는 역할을 수행하고 또한 캐소드 가스 확산층(34)에 산화제를 균일하게 도입함으로써 캐소드 촉매층(32)으로의 산화제의 균일 확산을 촉진하는 보조 확산층으로서의 역할도 수행하고 있다.

보습 시트(45)는 메탄올에 대해서 불활성이고, 내용해성이 없는 절연 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 절연 재료로서는 예를 들어 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀(polyolefin)를 들 수 있다.

보습 시트(45)는 JIS P-8117-1998에서 규정되는 투기도가 50초/100㎤ 이하인 것이 바람직하다. 이는 투기도가 50초/100㎤를 초과하면, 흡기 구멍(21)으로부터 캐소드로의 공기 확산이 저해되어 고출력을 얻을 수 없을 우려가 있기 때문이다. 투기도의 한층 더 바람직한 범위는 10초/100㎤ 이하이다.

보습 시트(45)는 JIS L-1099-1993 A-1 법에서 규정되는 투기도가 6000g/㎡24h 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 투습도의 값은 JIS L-1099-1993 A-1법의 측정 방법으로 도시되어 있는 바와 같이, 40±2℃의 온도의 값이다. 투습도가 6000g/㎡24h를 초과하면, 캐소드로부터의 수분 증발량이 많아지고 캐소드로부터 애노드로의 물 확산을 촉진하는 효과를 충분히 얻을 수 없을 우려가 있기 때문이다. 또한, 투습도를 500g/㎡24h 미만으로 하면, 과잉량의 물이 애노드로 공급되어 고출력을 얻지 못할 우려가 있으므로, 투습도는 500~6000g/㎡24h의 범위에 있는 것이 바람직하다. 투습도의 한층 더 바람직한 범위는 1000~4000g/㎡24h이다.

상술한 바와 같은 구성의 제 1 실시형태에 관한 직접 메탄올형 연료 전지에 의하면 연료 탱크(39) 내의 액체 연료(예를 들어 메탄올 수용액)이 기화되고, 기화된 메탄올과 물이 기액 분리막(40)을 확산시키고, 기화 연료 수용실(42)에 일단 수용되고, 그곳으로부터 서서히 애노드 가스 확산층(35)을 확산하여 애노드 촉매층(33)에 공급되고, 이하의 반응식 1로 표시되는 메탄올의 내부 개질(reform) 반응을 일으킨다.

또한, 액체 연료로서 순메탄올을 사용한 경우에는 연료 기화층으로부터의 물의 공급이 없으므로, 캐소드 촉매층(32)에 혼입된 메탄올의 산화 반응에 의해 생성 한 물이나 프로톤 전도성 전해질막(36) 중의 수분 등이 메탄올과 반응하여 전술한 상기 반응식 1의 내부 개질 반응이 일어나거나, 또는 전술한 반응식 1에 따르지 않는 물을 사용하지 않는 반응기구에서 내부 개질 반응이 일어난다.

이들 내부 개질 반응에서 생성된 프로톤(H⁺)은 프로톤 전도성 전해질막(36)을 확산하여 캐소드 촉매층(33)에 도달한다. 한편, 케이싱(17)의 흡기 구멍(21)으로부터 취입된 공기는 보습 시트(45)와 캐소드 가스 확산층(34)을 확산하여 캐소드 촉매층(32)에 공급된다. 캐소드 촉매층(32)에서는 하기 반응식 2로 표시한 반응에 의해 물이 생성되는, 즉 발전 반응이 일어난다.

발전 반응이 진행되면 전술한 반응식 2의 반응 등에 의해 캐소드 촉매층(32) 중에 생성된 물이, 캐소드 가스 확산층(34) 내를 확산하여 보습 시트(45)에 도달하고, 보습 시트(45)에 의해 증산을 저해받아 캐소드 촉매층(32) 중의 수분 저장량이 증가한다. 이 때문에, 발전 반응의 진행에 따라서 캐소드 촉매층(32)의 수분 유지량이 애노드 촉매층(33)의 수분 유지량보다도 많은 상태를 만들어 낼 수 있다. 그 결과, 침투압 현상에 의해 캐소드 촉매층(32)에 생성된 물이 프로톤 전도성 전해질막(36)을 통과하여 애노드 촉매층(33)으로 이동하는 반응이 촉진되므로, 애노드 촉매층으로의 물 공급 속도를 연료 기화층에만 의존하고 있었던 경우에 비해 향상시킬 수 있고, 전술한 반응식 1에 나타낸 메탄올의 내부 개질 반응을 촉진시킬 수 있 다. 이 때문에, 출력 밀도를 높게 할 수 있고 또한 그 높은 출력 밀도를 장기간에 걸쳐 유지하는 것이 가능해진다.

도 3A 및 도 3B에 본 발명이 연료 전지에서의 돌출부 및 흡기 구멍의 형상 및 배치의 일례를 도시한다. 도 3A는 단면도, 도 3B는 평면도이다. 또한, 연료 전지의 내부 구조에 대해서는 앞서 도 1 또는 도 2에 도시한 것과 공통이므로, 상기 단면도에서는 생략되어 있다.

상기 예에서는 돌출부(22)는 서로 평행으로 배치된 직사각형 단면의 복수의 리브에 의해 구성되어 있다. 흡기 구멍(21)은 서로 인접하는 2개의 볼록부로 끼워진 각 부분에, 각각 복수개가 일렬로 나열되어 형성되어 있다.

도 4A 및 도 4B에 본 발명의 연료 전지에서의 돌출부 및 흡기 구멍의 형상 및 배치의 다른 예를 도시한다. 도 4A는 단면도, 도 4B는 평면도이다. 또한, 연료 전지의 내부 구조에 대해서는 앞서 도 1 또는 도 2에 도시한 것과 공통이므로 상기 단면도에서는 생략되어 있다.

상기 예에서는 앞에서의 예와 동일하게, 돌출부(22a)와 서로 평행으로 배치된 직사각형 단면의 복수의 리브에 의해 구성되어 있다. 이에 대해서, 흡기 구멍(21a)은 볼록부(22a)의 내부에 볼록부(22a)를 관통하도록 형성되고, 또한 각 볼록부(22a)에 각각 복수개가 일렬로 나열되어 형성되어 있다.

도 5A 및 도 5B에 돌출부 및 흡기 구멍의 형상 및 배치의 다른 예를 도시한다. 도 5A는 단면도(부분), 도 5B는 평면도(부분)이다. 상기 예에서는 케이싱(17)이 두께(t)는 1~5㎜ 정도이고, 이에 대해서 돌출부(22)의 간격(p)은 5~10㎜ 정도, 돌출부의 두께(q)는 0.3~1㎜ 정도, 돌출부의 높이(h)는 5~10㎜ 정도, 흡기 구멍(21)의 직경(d)은 3~8㎜ 정도, 흡기 구멍의 간격(s)은 5~15㎜ 정도이다.

도 6A 및 도 6B에, 돌출부 및 흡기 구멍의 형상 및 배치의 다른 예를 도시한다. 도 6A는 단면도(부분), 도 6B는 평면도(부분)이다. 상기 예에서는 흡기 구멍(21)의 직경이 외측을 향하여 점차 확대되도록, 흡기 구멍의 내주면에 경사가 설치되어 있다. 케이싱(17)의 외측의 표면에서 흡기 구멍(21)의 입구는 돌출부(22)의 밑 부분에 접하고 있다.

도 7에 돌출부의 형상의 다른 예의 사시도를 도시한다. 상기 예에서는 공기극측의 케이싱(17)의 외측의 표면에, 다수의 핀형의 돌출부(24)가 형성되어 있다. 핀형의 돌출부를 채용함으로써, 제조 비용은 증대되지만 돌출부에 의한 방열 성능이 돌출부의 자세의 영향을 받기 어려워지므로, 설계의 자유도가 높아진다.

도 8A, 도 8B에 핀형의 돌출부를 채용한 경우의 흡기 구멍의 배치의 예를 도시한다. 도 8A는 단면도, 도 8B는 평면도이다. 상기 예에서는 흡기 구멍(23)은 4개의 돌출부(24)로 둘러싸인 영역의 중앙에 각각 형성되어 있다. 도 9A, 도 9B에 흡기 구멍의 배치의 다른 예를 도시한다. 도 9A는 단면도, 도 9B는 평면도이다. 상기 예에서는 흡기 구멍(23a)은 2개의 돌출부(24a)의 중간에 각각 형성되어 있다. 도 10A, 도 10B에 흡기 구멍의 배치의 다른 예를 도시한다. 도 10A는 단면도, 도 10B는 평면도이다. 상기 예에서는 흡기 구멍(23b)은 각 돌출부(24b)의 중심을 관통하여 각각 형성되어 있다.

또한, 핀형의 돌출부의 단면 형상은 이들의 예에 나타낸 직사각형 이외에 동 그라미, 각, 긴 원, 판 형상, 육각 등, 또한 별 모양 등 다른 형태인 것도 채용 가능하다.

본 발명의 연료 전지에서 돌출부의 재료는 열전도율이 큰 것이면 좋고, 특정 재료에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 알루미늄(Al) 등의 추출재, 다이캐스트재, 또는 판재로부터의 가공재를 사용할 수 있다. 바람직하게는 또한 그 표면에 알루마이트 처리(양극 산화처리)한 것이 사용된다. 방사율을 높이기 위해서는 특히 표면을 흑색 알루마이트 처리하는 것이 바람직하다. 그 밖에, Cu(구리), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등의 금속 및 이들의 합금 및 질화알루미늄(AlN) 등의 세라믹스를 사용할 수도 잇다.

다음에, 도 5A, 도 5B 및 도 6A, 도 6B에 도시한 형상의 돌출부를 사용한 연료 전지의 평가 시험의 결과에 대해서 설명한다.

첫번째 예로서, 도 5A, 도 5B에 도시된 형상 및 배치의 돌출부를 사용한 연료 전지를 제작했다. 상기 예에서는 케이싱의 두께(t)는 2㎜, 돌출부의 간격(p)은 7㎜, 돌출부의 두께(q)는 0.5㎜, 돌출부의 높이(h)는 10㎜, 흡기 구멍의 직경(d)은 5㎜, 흡기 구멍의 간격(s)은 5㎜이다.

두번째 예로서는 도 6A, 도 6B에 도시된 형상 및 배치의 돌출부를 사용한 연료 전지를 제작했다. 상기 예에서는 케이싱의 두께(t)는 2㎜, 돌출부의 간격(p)은 7㎜, 돌출부의 두께(q)는 0.5㎜, 돌출부의 높이(h)는 10㎜, 흡기 구멍의 직경(d)은 5㎜, 흡기 구멍의 간격(s)은 5㎜이다. 흡기 구멍의 직경이 외측을 향하여 점차 확대되도록 흡기 구멍의 내주면에는 저부에서 돌출부를 향하여 경사가 설치되어 있 다.

이들의 도 5A, 도 5B 및 도 6A, 도 6B에 도시된 형상 및 배치의 돌출부를 사용한 연료 전지, 및 돌출부가 없는 종래형의 연료 전지에 대해서, 연료 전지의 표면 온도 60℃, 환경 온도 20℃에서 방열량을 측정했다. 그 결과, 돌출부가 없는 종래형의 연료 전지의 방열량(상대값)을 1.0으로 한 경우에, 도 5A, 도 5B의 돌출부를 사용한 연료 전지의 방열량은 1.2, 도 6A, 도 6B의 돌출부를 사용한 연료 전지의 방열량은 1.1이었다. 이와 같이, 본 발명의 연료 전지는 종래의 연료 전지에 비해 그 방열 성능이 우수한 것이 확인되었다. 방열 성능이 우수하므로, 공기실로부터의 열의 방출량이 크고, 그 때문에, 연료 전지의 온도 상승이 억제되고, 그 결과 연료 전지의 출력 특성의 향상이나 구명의 증대가 실현된다.

또한, 상기 설명에서는 애노드 촉매층에 공급되는 연료 성분이 연료가 기화된 기체인 경우에 대해서 설명했지만, 상기 연료 성분은 기체에 한정되는 것은 아니고 액체이어도 좋고, 그 대상으로 하는 연료 전지의 구성에 의해 여러 가지 것을 사용할 수 있다. 또한, 연료 탱크 내의 액체 연료에 대해서는 반드시 메탄올 연료에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 에탄올 수용액이나 순에탄올 등의 에탄올 연료, 프로판올 수용액이나 순프로판올 등의 프로판올 연료, 글리콜 수용액이나 순글리콜 등의 글리콜 연료, 디메틸에테르, 포름산, 또는 그 밖의 액체 연료이어도 좋다. 어쨌든, 연료 전지에 맞는 여러 가지 농도, 종류의 것을 사용할 수 있다.

Claims

연료 전지에 있어서,

이온 전도성을 구비한 고체 전해질막,

고체 전해질막의 일방측에 적층되고 액체 연료의 연료 성분이 공급되는 애노드 촉매층을 갖는 연료극,

고체 전해질막의 타방측에 적층되고, 캐소드 촉매층을 갖는 공기극,

연료극의 배면측을 덮도록 설치되고, 액체 연료가 저장되는 연료 탱크를 연료극의 배면과의 사이에 형성하는 연료극측 케이싱, 및

공기극의 배면측을 덮도록 설치되고, 공기를 저장하는 공기실을 공기극의 배면과의 사이에 형성하는 공기극측 케이싱을 구비하고,

공기극측 케이싱에 공기실내에 공기를 취입하기 위한 복수의 흡기 구멍이 설치되고 또한 공기극측 케이싱의 외측의 표면에, 열의 방산을 촉진하기 위한 돌출부(fin)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 1 항에 있어서,

상기 돌출부는 서로 평행으로 배치된 리브 형상의 복수의 볼록부에 의해 구성되고,

상기 복수의 흡기 구멍은 서로 인접하는 2개의 볼록부로 끼워진 부분에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 1 항에 있어서,

상기 돌출부는 서로 평행으로 배치된 리브 형상의 복수의 볼록부에 의해 구성되고

상기 복수의 흡기 구멍은 이들의 볼록부를 관통하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 2 항에 있어서,

상기 흡기 구멍은 공기극측 케이싱의 외측을 향하여 단면적이 변화되도록 내벽면에 단차 또는 경사가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 1 항에 있어서,

상기 돌출부는 2차원적으로 배치된 핀 형상의 복수의 볼록부에 의해 구성되고

상기 각 흡기 구멍은 서로 인접하는 볼록부 사이에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 1 항에 있어서,

상기 돌출부는 2차원적으로 배치된 핀 형상의 복수의 볼록부에 의해 구성되고,

상기 각 흡기 구멍은 각 볼록부의 중심을 관통하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 1 항에 있어서,

상기 연료극측 케이싱의 외표부와, 상기 공기극측 케이싱 외표부가 고열전도성 필름으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 1 항에 있어서,

상기 애노드 촉매층에 공급되는 연료 성분은 액체 또는 기체인 것을 특징으로 하는 연료 전지.