KR20070104671A - 연료 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로서, 캐소드 촉매층(2)과 애노드 촉매층(3) 사이에 프로톤 전도성막(6)을 배치한 막전극 접합체(1), 상기 캐소드 촉매층(2)에 공기를 공급하는 공기 도입구(14)를 구비한 외장 케이스(15), 상기 막전극 접합체(1)의 캐소드 촉매층(2)측에 배치한 캐소드 도전층(7a), 상기 막전극 접합체(1)의 애노드 촉매층(3)측에 배치한 애노드 도전층(7b), 및 액체 연료의 기화 성분을 상기 애노드 촉매층(3)에 공급하는 연료를 저장하는 액체 연료 탱크(9)를 구비하는 연료 전지에 있어서,

상기 애노드 도전층(7b) 및 막전극 접합체(1)를 지지한 외장 케이스(15)측으로 누르는 지지 돌기(16)가 액체 연료 탱크(9)의 저부로부터 돌출 설치되어 있는 것을 특징으로 하며, 상기 구성에 의하면 액체 연료의 기화 성분을 애노드 촉매층에 공급하는 방식의 연료 전지이고, 특히 발전부의 변형이 적어 양호한 전지 특성을 발휘할 수 있는 연료 전지를 제공할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지{FUEL CELL}

본 발명은 액체 연료를 기화시킨 기화 연료를 애노드 촉매층에 공급하는 방식의 연료 전지에 관한 것으로서, 특히 발전부의 변형이 적고 양호한 전지 특성을 발휘할 수 있는 연료 전지에 관한 것이다.

최근, 퍼스널컴퓨터, 휴대전화 등의 각종 전자기기는 반도체 기술의 발달과 함께 소형화되고, 연료 전지를 이들 소형기기용 전원에 이용하는 것이 시도되고 있다. 연료 전지는 연료와 산화제로서의 공기를 공급하는 것만으로 발전하는 것이 가능하고, 실질적으로 연료만을 보급하면 장시간 연속해서 발전할 수 있는 이점을 갖고 있으므로, 소형화가 실현되면 휴대전자기기의 작동 전원으로서 매우 유리한 시스템이라고 할 수 있다. 특히 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC; direct methanol fuel cell)는 에너지 밀도가 높은 메탄올을 연료로 이용하고, 메탄올로부터 전극 촉매상에서 직접 전류를 취출시키기 때문에 개질기도 불필요해지므로 소형화가 가능하고, 연료의 취급도 수소 가스를 연료로서 사용하는 전지와 비교하여 용이하므로 소형기기용 전원으로서 유망하다.

상기 DMFC의 연료의 공급 방법으로는 액체 연료를 기화하고 나서 블로어 등으로 연료 전지 내에 보내는 기체 공급형 DMFC, 액체 연료를 그대로 펌프 등으로 연료 전지 내에 보내는 액체 공급형 DMFC, 및 특허문헌 1에 나타낸 내부 기화형 DMFC 등이 알려져 있다.

특허문헌 1에 나타내는 내부 기화형 DMFC는 액체 연료를 유지하는 연료 침투층과, 연료 침투층 중에 유지된 액체 연료 중 기화 성분을 확산시키기 위한 연료 기화층을 구비한 것으로 기화된 액체 연료가 연료 기화층으로부터 연료극으로 공급된다. 특허문헌 1에 기재된 연료 전지에서는 액체 연료로서 메탄올과 물이 1:1의 몰비로 혼합된 메탄올 수용액이 사용되고, 메탄올과 물의 쌍방을 기화 가스 형태로 연료극에 공급하고 있다.

특허문헌 1: 특허공보 제3413111호

이와 같은 특허문헌 1에 나타내는 종래의 내부 기화형 DMFC에 의하면 연질인 발전부가 변형되기 쉽고 집전 특성이 변화되기 쉬우므로 충분히 높은 출력 특성을 얻을 수 없었다. 즉, 발전부를 구성하는 막전극 접합체나 이에 접합되는 도전층이 모두 연탄성(軟彈性) 또는 가요성을 갖는 박체(薄體) 재료나 금속박으로 형성되어 있는 한편, 상기 발전부에 대향하는 액체 연료 탱크의 상부에는 기화 연료를 저장하는 공간이 형성되어 있으므로 외장 케이스와 연료 탱크의 조임 압력을 높게 해도 발전부가 대향하는 액체 연료 탱크의 상부 공간측으로 발전부가 휘어지기 쉬워지고, 발전부를 구성하는 막전극 접합체 내의 부재 상호간의 밀착도가 저하되고, 또 발전부로부터 전류를 취출하는 집전체와의 집전 특성이 변화되어 전지 출력이 저하되기 쉬운 문제점이 있었다.

또한, 상기 발전부의 변형을 방지하기 위해, 강성이 높은 누름판을 애노드 도전층측에 배치한 구성도 실용화되어 있지만, 이 누름판에 의해 연료 전지의 소형화가 곤란해지는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 액체 연료의 기화 성분을 애노드 촉매층에 공급하는 방식을 채용한 연료 전지의 발전부의 변형을 효과적으로 방지할 수 있어 양호한 전지 특성을 발휘할 수 있는 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 연료 전지는 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 프로톤 전도성막을 배치한 막전극 접합체와, 상기 캐소드 촉매층에 공기를 공급하는 공기 도입구를 가진 외부 케이스와, 상기 막 전극 접합체의 캐소드 촉매층측에 배치한 캐소드 도전층과, 상기 막전극 접합체의 애노드 촉매층측에 배치한 애노드 도전층과, 액체 연료의 기화 성분을 상기 애노드 촉매층에 공급하는 연료를 저장하는 액체 연료 탱크를 구비한 연료 전지에 있어서, 상기 애노드 도전층 및 막전극 접합체를 지지하여 외장 케이스측으로 누르는 지지 돌기가 액체 연료 탱크의 저부로부터 돌출되어 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 연료 전지에 의하면 발전부를 구성하는 막전극 접합체나 이에 접합되는 도전층이 지지 돌기에 의해 외장 케이스측으로 눌려지므로 발전부가 대향하는 액체 연료 탱크의 상부 공간측으로 발전부가 휘어지는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 발전부를 구성하는 부재 상호간의 밀착도가 높아진다. 이 때문에 집전 특성이 변화되는 것이 적어 전지 출력 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 연료 전지에 있어서, 상기 지지 돌기의 단면적이 액체 연료 탱크의 단면적에 차지하는 면적 비율이 3~50%의 범위인 것이 바람직하다. 이 지지 돌기의 면적 비율이 3% 미만으로 과소인 경우에는 지지 돌기에 의한 애노드 도전층 및 막전극 접합체를 외장 케이스측으로 누르는 작용이 불충분하고, 발전부의 휘어짐이 해소되지 않으며, 구성 부재 상호의 밀착성이 불충분해지고, 또한 애노드와 캐소드의 전극간의 임피던스가 높아져 전지 특성이 저하된다. 한편, 상기 지지 돌기의 면적 비율이 50%를 초과하는 바와 같이 과대가 되면, 액체 연료 탱크 내에 차지하는 지지 돌기의 체적이 상대적으로 증가되므로 연료 가스의 유통 용적(연료 패스)이 감소되어 연료 공급량도 감소되므로 전지 출력이 저하한다. 따라서, 상기 지지 돌기의 면적 비율은 3~50%의 범위가 되지만, 4~40%의 범위가 더 바람직하고, 5~30%의 범위가 더 바람직하다.

또한, 상기 지지 돌기의 수는 1 개에 한정되지 않고 복수개를 분산하여 입설(立設)하면 좋다. 특히 복수의 애노드 도전층이 형성되는 경우에 그 폭 방향의 각 중앙부에 지지 돌기의 선단부가 접촉되고, 또 이와 같은 지지 돌기가 애노드 도전층의 긴 방향으로 간격을 두고 복수개 배치되도록 구성함으로써, 발전부에 생기는 응력을 발전시키는 것이 가능해지므로 바람직하다. 이 경우, 지지 돌기의 단면적은 각 지지 돌기의 단면적의 합계값을 의미하는 것은 물론이다.

또한, 상기 연료 전지에 있어서, 상기 외장 케이스에 형성된 공기 도입구의 중심축이 상기 지지 돌기의 중심축에서 편이(偏移)하고 있는 것이 바람직하다. 이 공기 도입구의 중심축이 상기 지지 돌기의 중심축과 일치하도록 구성한 경우에는 지지 돌기에 의한 지지 압압력이 외장 케이스에 작용하지 않고, 얇은 발전부를 통해 공기 도입구로부터 벗어나기 쉬워져 발전부의 구성부재 상호를 밀착시키는 압압력이 불충분해지고, 집전성이 악화되어 발전 특성이 저하된다.

또한, 상기 연료 전지에 있어서, 상기 지지 돌기가 액체 연료 탱크로부터 애노드 도전층 방향으로 직경이 축소되어 있는 것이 바람직하다. 이 지지 돌기의 측면의 경사 각도는 중심축선에 대해 1~3도 정도로 충분하다.

상기 지지 돌기는 원기둥 형상, 원추대 형상 또는 사각기둥 형상이면 연료 탱크 내의 연료의 유로 저항을 낮추는 것이 가능하다. 특히 상기 지지 돌기가 액체 연료 탱크로부터 애노드 도전층의 방향으로 직경이 축소되도록 구성함으로써 연료 탱크와 지지 돌기를 사출 성형 등에 의해 일체로 성형한 경우에 지지 돌기에 빠짐각(draft angle)이 형성되므로 성형품을 성형틀에서 용이하게 취출하는 것이 가능해진다.

상기 지지 돌기의 형상으로서는 원기둥 형상, 원추대 형상 또는 사각기둥 형상 등 막전극 접합체를 지지할 수 있는 구조이면, 그 형상은 특별히 한정되지 않는다.

구체적으로는 예를 들면 도 5에 도시한 바와 같이 액체 연료 탱크(9)의 저부로부터 입설되는 복수의 대들보 형상의 돌기판(17)을 우물정(井)자 형상으로 조합해도 좋다. 이 돌기판(17)은 예를 들면 도 6에 도시한 바와 같이 액체 연료 탱크(9)의 저면에 대향하여 액체 연료의 유통 구멍(18)이 복수 형성되어 있고, 또한 저부에는 고정 돌기(19)가 형성되어 있으며, 또한 상부 가장자리부에는 직교하는 다른 돌기판(17)(도 5의 세로 방향의 돌기판)을 끼워 넣기 위한 홈(20)이 형성되어 있다. 상기 돌기판(17)의 하부에 형성된 고정 돌기(19)를 액체 연료 탱크(9)의 저부에 형성된 끼워맞춤 구멍(21)에 끼워맞춤으로써, 돌기판(17)이 액체 연료 탱크(9)에 일체적으로 고정된다.

상기 돌기판(17)에 의한 장착 구조에 의하면 액체 연료 탱크(9) 내의 액체 연료가 유통 구멍(18)을 통해 이동이 자유로우므로 액체 연료의 이동 유로를 충분히 확보할 수 있다.

또한, 막전극 접합체를 지지하는 상기 지지 돌기(16)의 액체 연료 탱크(9)로의 장착 구조로서는 도 7~도 9에 도시한 방식을 채용할 수도 있다. 즉, 도 7에 도시한 바와 같이 지지 돌기(16a)의 하단면에 형성한 고정 돌기(19)를 액체 연료 탱크(9)의 저부에 형성한 끼워맞춤 구멍(21)에 끼워맞춤으로써 지지 돌기(16a)가 액체 연료 탱크(9)에 일체적으로 고정된다.

또한, 도 8에 도시한 바와 같이 입설하는 복수의 지지 돌기(16b)와 이들 지지 돌기(16b)의 배치 간격을 규정하는 기판(22)과, 상기 기판(22)의 배면에 형성된 고정 돌기(19)를 일체로 성형한 성형체를 조제하고, 상기 고정 돌기(19)를 액체 연료 탱크(9)의 저부에 형성한 끼워맞춤 구멍(21)에 끼워맞춤으로써 각 지지 돌기(16b)가 액체 연료 탱크(9)에 일체적으로 고정된다.

또한, 도 9에 도시한 바와 같이 입설하는 복수의 지지 돌기(16c)와, 이들 지지 돌기(16c)의 배치 간격을 규정하는 기판(22a)을 일체로 성형한 성형체를 조제하고, 이 성형체의 기판(22a)을 액체 연료 탱크(9)의 저부에 수지 용착(溶着)시킴으로써 용착부(23)를 통해 기판(22a) 및 각 지지 돌기(16c)가 액체 연료 탱크(9)에 일체적으로 고정되는 구조라도 좋다.

상기 액체 연료 탱크와 지지 돌기를 구성하는 재료로서는 액체 연료 탱크가 수지 또는 금속으로 형성되는 경우에는 금속제 또는 수지제의 지지 돌기를 조합하는 것이 바람직하다. 액체 연료 탱크를 금속으로 형성할 경우에는 금속 프레스 가공, 에칭가공, 절삭 가공 등에 의해 제작된다. 또한, 액체 연료 탱크를 수지로 형성할 경우에는 절삭 가공, 사출 성형 가공 등에 의해 제작된다. 한편, 지지 돌기는 수지 또는 금속 모두 절삭 가공이나 금형 가공 등에 의해 제작된다.

상기 금속 재료로서는 스테인레스강이나 세라믹스 재료 등의 내약품성이 높은 재료를 채용하는 것이 바람직하다. 또한, 통상의 금속재에 내약품성 코팅층을 시공한 재료라도 좋다. 한편, 수지 재료로서는 PPS(폴리페닐렌설피드), PEEK(폴리에테르에테르케톤) 등의 내약품성을 가진 열가소성 플라스틱 재료를 바람직하게 사용할 수 있다.

또한, 상기 연료 전지에 있어서, 상기 캐소드 촉매층에서 생성된 물의 증산(蒸散)을 억지하는 보습판을 상기 외장 케이스와 상기 캐소드 촉매층 사이에 배치하여 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연료 전지에 있어서, 상기 액체 연료는 농도가 50몰%를 초과하는 메탄올 수용액 또는 액체의 메탄올인 것이 바람직하다.

또한, 상기 연료 전지에 있어서, 상기 프로톤 전도성막은 퍼플루오로카본계 수지를 함유하고, 그 두께가 100㎛ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료 전지에 의하면 발전부를 구성하는 막전극 접합체나 이에 접합되는 도전층이 지지 돌기에 의해 외장 케이스측으로 눌려지므로, 발전부가 대향하는 액체 연료 탱크의 상부 공간측으로 발전부가 휘어지는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 발전부를 구성하는 부재 상호간의 밀착도가 높아진다. 이 때문에 집전 특성이 변화되는 것이 적어 전지 출력 특성을 향상시킬 수 있다.

(발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태)

본 발명자들은 발전부의 휘어짐을 방지할 수 있는 전지 구조에 대해 예의 연구를 거듭한 결과, 특히 애노드 도전층 및 막전극 접합체를 지지하여 외장 케이스측으로 누르는 지지 돌기를 액체 연료 탱크의 저부로부터 돌출 설치될 때, 발전부에 대향하는 액체 연료 탱크의 상부 공간측으로 발전부가 휘어지는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 또한 발전부를 구성하는 부재 상호간의 밀착도가 높아지고, 집전 특성이 변화되지 않고 일정하게 유지할 수 있고, 전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다는 지견을 얻었다.

또한, 종래와 같이 상기 발전부의 변형을 방지하기 위해, 내성이 강한 누름판을 별도의 애노드 도전층측에 배치할 필요도 없고, 연료 탱크와 외장 케이스에 의해 발전부를 끼워넣을 수 있는 전지 구조를 간략화할 수 있다는 지견도 얻어졌다.

이하, 본 발명에 따른 연료 전지의 일실시형태인 직접 메탄올형 연료 전지에 대해 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

우선, 제 1 실시형태에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 직접 메탄올형 연료 전지의 구성을 도시한 모식적인 단면도이다. 도 2는 본 실시형태에 따른 연료 전지의 조립 상태를 도시한 사시 분해도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 막전극 접합체(MEA)(1)는 캐소드 촉매층(2) 및 캐소드 가스 확산층(4)으로 이루어진 캐소드극, 애노드 촉매층(3) 및 애노드 가스 확산층(5)으로 이루어진 애노드극, 및 캐소드 촉매층(2)과 애노드 촉매층(3) 사이에 배치되는 프로톤 전도성 전해질막(6)을 구비한다.

캐소드 촉매층(2) 및 애노드 촉매층(3)에 함유되는 촉매로서는 예를 들면 백금족 원소의 단체 금속(Pt, Ru, Rh, Ir, Os, Pd 등), 백금속 원소를 함유하는 합금 등을 들 수 있다. 애노드 촉매에는 메탄올이나 일산화탄소에 대한 내성이 강한 Pt-Ru, 캐소드 촉매에는 백금을 이용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지 않는다. 또한, 탄소 재료와 같은 도전성 담지체를 사용하는 담지 촉매를 사용하거나 또는 무담지 촉매를 사용해도 좋다.

프로톤 전도성 전해질막(6)을 구성하는 프로톤 전도성 재료로서는 예를 들면 설폰산기를 가진 불소계 수지(예를 들면, 퍼플루오로설폰산 중합체), 설폰산기를 가진 하이드로카본계 수지, 텅스텐산이나 인텅스텐산 등의 무기물 등을 들 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 캐소드 촉매층(2)은 캐소드 가스 확산층(4) 하면측에 적층되는 한편, 애노드 촉매층(3)은 애노드 가스 확산층(5)의 상면측에 적층되어 있다. 캐소드 가스 확산층(4)은 캐소드 촉매층(2)에 산화제를 균일하게 공급하는 역할을 담당하지만, 캐소드 촉매층(2)의 집전체도 겸하고 있다. 한편, 애노드 가스 확산층(5)은 애노드 촉매층(3)에 연료를 균일하게 공급하는 역할을 함과 동시에, 애노드 촉매층(3)의 집전체도 겸하고 있다. 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)은 각각 캐소드 가스 확산층(4) 및 애노드 가스 확산층(5)과 접해 있다. 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)에는 예를 들면 금 등의 금속 재료로 이루어진 다공질층(예를 들면, 메쉬)을 각각 사용할 수 있다.

직사각형 틀형상의 캐소드 시일(seal)재(8a)는 캐소드 도전층(7a)과 프로톤 전도성 전해질막(6) 사이에 위치하고, 또한 캐소드 촉매층(2) 및 캐소드 가스 확산층(4)의 주위를 기밀하게 둘러싸고 있다. 한편, 직사각형 틀형상의 애노드 시일재(8b)는 애노드 도전층(7b)과 프로톤 전도성 전해질막(6) 사이에 위치하고, 또한 애노드 촉매층(3) 및 애노드 가스 확산층(5)의 주위를 기밀하게 둘러싸고 있다. 캐소드 시일재(8a) 및 애노드 시일재(8b)는 막전극 접합체(1)로의 액체 누출 및 산화제 누출을 방지하기 위한 오링이다.

막전극 접합체(1)의 하방에는 액체 연료 탱크(9)가 배치되어 있다. 액체 연료 탱크(9) 내의 저부에는 상기 애노드 도전층(7b) 및 막전극 접합체(1)를 지지하여 외장 케이스(15)측으로 누르는 복수개의 지지 돌기(16)가 돌출되어 설치되어 있다. 각 지지 돌기(16)는 액체 연료 탱크(9)로부터 애노드 도전층(7b)의 방향으로 직경이 축소되는 형상으로 형성되어 있다. 이 복수개의 지지 돌기(16)의 기저부(基底部)의 단면적의 합계값이 액체 연료 탱크(9)의 공간부의 단면적에 차지하는 면적 비율은 7%로 되어 있다.

한편, 막전극 접합체(1)의 상면측에는 후술하는 보습판(13)을 통해 외장 케이스(15)가 장착되어 있고, 이 외장 케이스(15)에는 전지 내에 공기를 도입하기 위한 공기 도입구(14)가 첨설되어 있다. 또한, 상기 외장 케이스(15)에 형성된 공기 도입구(14)의 중심축(C1)이 상기 지지 돌기(16)의 중심축(C2)으로부터 편이(偏移)되도록 양자의 위치가 규정되어 있다. 구체적으로는 인접하는 복수의 공기 도입구(14)의 중간 위치에 지지 돌기(16)의 중심축(C2)이 위치하도록 하고, 공기 도입구(14)의 중심축(C1)과 지지 돌기(16)의 중심축(C2)이 일치하도록 양자의 위치가 규정되어 있다.

상기 액체 연료 탱크(9) 내에는 액체의 메탄올 또는 메탄올 수용액 등의 액체 연료(L)가 수용되어 있다. 액체 연료 탱크(9)의 개구단에 액체 연료의 기화 성분만을 투과시키고, 액체 연료는 투과할 수 없는 연료 기화층(17)이 배치되어 있다. 여기서, 액체 연료의 기화 성분이라는 것은 액체 연료로서 액체의 메탄올을 사용한 경우, 기화된 메탄올을 의미하고, 액체 연료로서 메탄올 수용액을 사용한 경우에는 메탄올의 기화 성분과 물의 기화 성분으로 이루어진 혼합 가스를 의미한다.

한편, 막전극 접합체(1)의 상부에 적층된 캐소드 도전층(7a)상에는 캐소드 촉매층에서 생성된 물의 증산을 억지하는 보습판(13)을 적층해도 좋다. 산화제인 공기를 취입하기 위한 공기 도입구(14)가 복수개 형성된 외장 케이스(15)는 보습판(13)상에 적층되어 있다. 외장 케이스(15)는 막전극 접합체(1)를 포함하는 스택을 가압하여 그 밀착성을 높이는 역할도 하고 있으므로, 예를 들면 SUS304와 같은 금속으로 형성된다. 보습판(13)은 캐소드 촉매층(2)에서 생성된 물의 증산을 억지하는 역할을 하고, 또 캐소드 가스 확산층(4)에 산화제를 균일하게 도입함으로써 캐소드 촉매층(2)으로의 산화제의 균일 확산을 재촉하는 보조 확산층으로서의 역할도 하고 있다.

상기 구성을 가진 실시형태에 따른 직접 메탄올형 연료 전지에 의하면 액체 연료 탱크(9) 내의 액체 연료(예를 들면, 메탄올 수용액)가 기화되고, 기화된 메탄올과 물이 기액 분리막(10)을 확산하여 기화 연료 수용실(12)에 일단 수용되고, 그곳에서 서서히 애노드 가스 확산층(5)을 확산하여 애노드 촉매층(3)으로 공급되고, 이하 반응식 1에 나타내는 메탄올의 내부 개질 반응을 생기게 한다.

또한, 액체 연료로서 순수 메탄올을 사용한 경우에는 연료 기화층으로부터의 물의 공급이 없으므로 캐소드 촉매층(2)에 혼입된 메탄올의 산화 반응에 의해 생성된 물이나 프로톤 전도성 전해질막(6) 내의 수분 등이 메탄올과 반응하여 상기 반응식 1의 내부 개질 반응을 생기게 하거나, 또는 상기 반응식 1에 의하지 않은 물을 사용하지 않은 반응 기구에서 내부 개질 반응이 생긴다.

이들 내부 개질 반응으로 생성된 프로톤(H⁺)은 프로톤 전도성 전해질막(6)을 확산하여 캐소드 촉매층(3)에 도달한다. 한편, 외장 케이스(15)의 공기 도입구(14)로부터 취입된 공기는 보습판(13)과 캐소드 가스 확산층(4)을 확산하여 캐소드 촉매층(2)에 공급된다. 캐소드 촉매층(2)에서는 하기 반응식 2에 나타내는 반 응에 의해 물이 생성되는, 즉 발전 반응이 생긴다.

발전 반응이 진행되면 상기 반응식 2의 반응 등에 의해 캐소드 촉매층(2) 내에 생성된 물이 캐소드 가스 확산층(4) 내를 확산하여 보습판(13)에 도달하고, 보습판(13)에 의해 증산이 저해되어 캐소드 촉매층(2) 내의 수분 저장량이 증가한다. 이 때문에 발전 반응의 진행에 따라서 캐소드 촉매층(2)의 수분 유지량이 애노드 촉매층(3)의 수분 유지량 보다도 많은 상태를 만들어낼 수 있다. 그 결과, 침투압 현상에 의해 캐소드 촉매층(2)에 생성된 물이 프로톤 전도성 전해질막(6)을 통과하여 애노드 촉매층(3)으로 이동하는 반응이 촉진되므로 애노드 촉매층(3)으로의 물 공급 속도를 높일 수 있고, 상기 반응식 1에 나타내는 메탄올의 내부 개질 반응을 재촉할 수 있다. 이 때문에 출력 밀도를 높게 할 수 있고, 또한 그 높은 출력 밀도를 장기간에 걸쳐 유지하는 것이 가능해진다.

또한, 액체 연료로서 농도가 50몰%를 초과하는 메탄올 수용액이나 순수 메탄올을 사용함으로써 내부 개질 반응에 캐소드 촉매층(2)으로부터 애노드 촉매층(3)으로 확산되어 온 물이 오로지 사용되게 되고, 애노드 촉매층(3)으로의 물 공급이 안정적으로 실시되므로 메탄올의 내부 개질 반응의 반응 저항을 더 낮출 수 있고, 장기 출력 특성과 부하 전류 특성을 더 향상시킬 수 있다. 또한, 액체 연료 탱크의 소형화를 도모하는 것도 가능하다. 또한, 순수 메탄올의 순도는 95 중량% 이상 100 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

퍼플루오로카본계의 프로톤전도성 전해질막을 사용한 연료 전지의 최대 출력과 프로톤 전도성 전해질막의 두께와의 관계를 조사하면, 프로톤 전도성 전해질막(6)의 두께를 100㎛ 이하의 범위로 함으로써 전지의 최대 출력을 높일 수 있는 것이 확인되고 있다. 이와 같이 프로톤 전도성 전해질막(6)의 두께를 100㎛ 이하로 함으로써 고출력이 얻어지는 이유는 캐소드 촉매층(2)으로부터 애노드 촉매층(3)으로의 물의 확산을 더 재촉하는 것이 가능해졌기 때문이다. 단, 프로톤 전도성 전해질막(6)의 두께를 10㎛ 미만으로 하면 전해질막(4)의 강도가 저하될 우려가 있으므로, 프로톤 전도성 전해질막(6)의 두께는 10~100㎛의 범위로 하는 것이 더 바람직하다. 더 바람직하게는 10~80㎛의 범위이다.

본 실시형태에 따른 연료 전지에 의하면 발전부를 구성하는 막전극 접합체(1)나 그것에 접합되는 도전층(7a, 7b)이 지지 돌기(16)에 의해 외장 케이스(15)측으로 눌려지므로 발전부가 대향하는 액체 연료 탱크(9)의 상부 공간측으로 발전부가 휘어지는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 발전부를 구성하는 부재 상호간의 밀착도가 높아진다. 이 때문에 집전 특성이 변화되는 것이 적고, 전지 출력 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 지지 돌기(16)의 단면적이 액체 연료 탱크(9)의 단면적에 차지하는 면적 비율을 10%로 적정히 설정하고 있으므로, 지지 돌기(16)에 의한 애노드 도전층(7b) 및 막 전극 접합체(1)를 외장 케이스(15)측으로 누르는 작용이 충분히 발휘되고, 발전부의 휘어짐이 해소되어 구성 부재 상호의 밀착성이 충분해지고, 또한 애노드와 캐소드의 전극 사이의 임피던스가 낮아져 전지 특성이 향상된다.

또한, 간격을 두고 복수의 지지 돌기(16)를 분산하여 입설하고 있으므로, 발전부에 생기는 응력을 분산시키는 것이 가능해졌다. 또한, 상기 외장 케이스(15)에 형성된 공기 도입구(14)의 중심축(C1)이 지지 돌기(16)의 중심축(C2)으로부터 편이하도록 배치되어 있으므로, 지지 돌기(16)에 의한 지지 압압력이 얇은 발전부를 통해 공기 도입구(14)로부터 벗어나지 않아 외장 케이스(15)에 효과적으로 작용한다. 따라서, 발전부의 구성부재 상호를 밀착시키는 압압력이 충분해지고 집전성이 저하되는 것이 적다.

또한, 지지 돌기(16)가 액체 연료 탱크(9)로부터 애노드 도전층(7b)으로의 방향으로 직경이 축소되도록 구성되어 있으므로, 액체 연료 탱크(9)와 지지 돌기(16)를 사출 성형 등에 의해 일체로 성형한 경우에 지지 돌기(16)에 빠짐각이 형성되므로 성형품을 성형틀에서 용이하게 취출하는 것이 가능해진다.

본 발명에 의하면 상기 각 실시형태에 한정되지 않고, 캐소드 촉매층(2)에서 생성된 물을 프로톤 전도성막(6)을 통해 상기 애노드 촉매층(3)으로 공급하는 구성을 채용하여 애노드 촉매층(3)으로의 물 공급이 촉진되고, 또한 물 공급이 안정적으로 실시되면 전혀 한정되지 않는다.

또한, 액체 연료 탱크(9)에 수용하는 액체 연료는 반드시 메탄올 연료에 한정되지 않고, 예를 들면 에탄올 수용액이나 순수 에탄올 등의 에탄올 연료, 프로판올 수용액이나 순수 프로판올 등의 프로판올 연료, 글리콜 수용액이나 순수 글리콜 등의 글리콜 연료, 디에틸에테르, 개미산, 또는 그외의 액체 연료라도 좋다. 모두 액체 연료 탱크(9)에는 연료 전지에 따른 액체 연료가 수용된다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

(실시예 1)

〈애노드극의 제작〉

애노드용 촉매(Pt:Ru=1:1) 담지 카본블랙에 퍼플루오로카본설폰산 용액과 물 및 메톡시프로판올을 첨가하고, 상기 촉매 담지 카본블랙을 분산시켜 페이스트를 조제했다. 얻어진 페이스트를 애노드 가스 확산층으로서의 다공질 카본페이퍼에 도포함으로써 두께가 450㎛인 애노드 촉매층을 얻었다.

〈캐소드극의 제작〉

캐소드용 촉매(Pt) 담지 카본블랙에 퍼플루오로카본설폰산 용액과 물 및 메톡시프로판올을 첨가하고, 상기 촉매 담지 카본블랙을 분산시켜 페이스트를 조제했다. 얻어진 페이스트를 캐소드가스 확산층으로서의 다공질 카본페이퍼에 도포함으로써 두께가 400㎛인 캐소드 촉매층을 얻었다.

애노드 촉매층과 캐소드 촉매층 사이에 프로톤 전도성 전해질막으로서 두께가 30㎛이고, 함수율이 10~20 질량%인 퍼플루오로카본설폰산막(nafion막, 듀폰사제)을 배치하고, 이들에 핫프레스를 실시함으로써 막전극 접합체(MEA)를 얻었다. 또한, 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)으로서 소정 형상의 금박을 캐소드 가스 확산층(4) 및 애노드 가스 확산층(5)에 부착했다.

연료 기화층으로서 두께가 100㎛이고, 경도 50°(JIS K 6253)인 실리콘 고무 를 준비했다.

한편, 보습판으로서 두께가 500㎛이고, 투기도가 2초/100㎤(JIS P-8117)이고, 투습도가 4000g/㎡·24h(JIS L-1099 A-1법)인 폴리에틸렌제 다공질 필름을 준비했다.

한편, 폭 방향으로 3도의 경사 각도(빠짐각)로 측면을 형성한 지지 돌기를 복수개 돌출 설치된 액체 연료 탱크를 다수 준비했다. 또한, 각 액체 연료 탱크의 각 지지 돌기의 단면적의 합계값이 액체 연료 탱크의 단면적에 차지하는 면적 비율이 3~65%의 범위로 변화되도록 각 액체 연료 탱크를 조제했다.

얻어진 막 전극 접합체(1), 캐소드 도전층(7a), 애노드 도전층(7b), 보습판(13), 액체 연료 탱크(9), 및 연료 기화층(17)을 적층 고정하여 상기 도 1에 도시한 구조를 가진 실시예에 따른 내부 기화형 직접 메탄올형 연료 전지를 조립했다. 이 때, 연료 탱크에는 순도가 99.9 중량%인 순수 메탄올을 2mL 수용했다.

(비교예 1)

실시예에서 형성한 지지 돌기(16)를 형성하지 않는 점 이외는, 상기 실시예와 동일하게 처리하여 실시예와 동일 크기를 가진 비교예 1에 따른 내부 기화형 직접 메탄올형 연료 전지를 조립했다.

(비교예 2)

실시예에서 형성한 지지 돌기(16)를 형성하지 않는 점 및 애노드 도전층(7b)과 액체 연료 탱크(9) 사이에 강성이 높은 다공 금속판을 개장(介裝)한 점 이외는 실시예와 동일 구조를 가진 비교예 2에 따른 내부 기화형 직접 메탄올형 연료 전지 를 조립했다.

상기 각 실시예에 따른 연료 전지에 의하면 발전부를 구성하는 막전극 접합체(1)나 이에 접합되는 도전층(7a, 7b)이 지지 돌기(16)에 의해 외장 케이스(15)측으로 눌려지므로, 발전부가 대향하는 액체 연료 탱크(9)의 상부 공간측으로 발전부가 휘어지는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 발전부를 구성하는 부재 상호간의 밀착도가 높아지는 결과, 집전 특성이 변화되는 것이 적고, 전지 출력 특성을 향상시킬 수 있다.

한편, 비교예 1에 따른 연료 전지에서는 외장 케이스(15)와 연료 탱크(9)의 조임 압력을 높게 해도 발전부가 대향하는 액체 연료 탱크(9)의 상부 공간측에 발전부의 휘어짐이 경시적으로 진행하여 발전부를 구성하는 부재 상호간의 밀착도가 저하되어 집전 특성이 변화하여 저지 출력이 저하되기 쉬운 전지가 11% 정도 발생하고, 전지 특성의 유지 신뢰성이 저하되는 비율이 많았다.

한편, 비교예 2에 따른 연료 전지에서는 강성이 높은 다공 금속판(누름판)을 애노드 도전층(7b)측에 배치하고 있으므로, 발전부의 변형은 어느 정도는 방지할 수 있지만 이 다공 금속판에 의해 연료 기화 가스의 유통이 저해되어 전지 특성이 평균 실시예와 비교하여 17% 정도 저하되는 것이 판명되었다. 또한, 강성이 높고 두께가 큰 금속판을 필요로 하기 때문에 연료 전지의 소형화·박형화가 곤란해지는 것도 재확인할 수 있었다.

도 3은 각 실시예에 따른 연료 전지를 정격 운전한 경우의 지지 돌기의 면적 비율과 전지 출력의 평균값의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 4는 지지 돌기의 면 적 비율과 전극간의 임피던스의 평균값과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3에 도시한 결과로부터 명확해진 바와 같이, 지지 돌기의 단면적의 합계값이 액체 연료 탱크의 공간부의 단면적에 차지하는 면적 비율을 50% 이하의 범위로 함으로써 지지 돌기를 설치하지 않은 경우와 비교하여 전지 출력 평균값의 저하를 10% 이내로 할 수 있었다.

도 4에 도시한 결과로부터 명확해진 바와 같이, 지지 돌기의 단면적의 합계값이 액체 연료 탱크의 공간부의 단면적에 차지하는 면적 비율을 3% 이상의 범위로 함으로써 전극간의 임피던스를 대폭 저하시키는 것이 가능해진 것이 판명되었다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 실시 단계에서는 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 또한, 상기 실시형태에 개시되어 있는 복수의 구성 요소의 적절한 조합에 의해 여러 가지 발명을 형성할 수 있다. 예를 들면 실시형태에 나타내는 전체 구성 요소의 몇가지 구성 요소를 삭제해도 좋다. 또한, 다른 실시형태에 걸친 구성 요소를 적절히 조합해도 좋다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 직접 메탄올형 연료 전지의 구조예를 도시한 모식적인 단면도,

도 2는 도 1에 도시한 실시형태에 따른 연료 전지의 조립 상태를 도시한 분해 사시도,

도 3은 각 실시예에 따른 연료 전지를 정격 운전한 경우의 지지 돌기의 면적 비율과 전지 출력의 평균값의 관계를 나타내는 그래프,

도 4는 각 실시예에 따른 연료 전지의 지지 돌기의 면적 비율과 전극간의 임피던스의 평균값의 관계를 나타내는 그래프,

도 5는 지지 돌기의 다른 구성예를 도시한 평면도,

도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ의 단면도,

도 7은 지지 돌기를 액체 연료 탱크에 장착하는 구성예를 도시한 단면도,

도 8은 지지 돌기를 액체 연료 탱크에 장착하는 다른 구성예를 도시한 단면도, 및

도 9는 지지 돌기를 액체 연료 탱크로 장착하는 그 외의 다른 구성예를 도시한 단면도이다.

Claims (7)

1. 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 프로톤 전도성막을 배치한 막전극 접합체, 상기 캐소드 촉매층에 공기를 공급하는 공기 도입구를 구비한 외장 케이스, 상기 막전극 접합체의 캐소드 촉매층측에 배치한 캐소드 도전층, 상기 막전극 접합체의 애노드 촉매층측에 배치한 애노드 도전층, 및 액체 연료의 기화 성분을 상기 애노드 촉매층에 공급하는 연료를 저장하는 액체 연료 탱크를 구비하는 연료 전지에 있어서,

   상기 애노드 도전층 및 막 전극 접합체를 지지하여 외장 케이스측으로 누르는 지지 돌기가 액체 연료 탱크의 저부로부터 돌출 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 지지 돌기의 단면적이 액체 연료 탱크의 단면적에 차지하는 면적 비율이 3~50%인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 외장 케이스에 형성된 공기 도입구의 중심축이 상기 지지 돌기의 중심축에서 편이(偏移)되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 지지 돌기가 액체 연료 탱크로부터 애노드 도전층 방향으로 직경이 축소되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 캐소드 촉매층에서 생성된 물의 증산을 억지하는 보습판을 상기 외장 케이스와 상기 캐소드 촉매층 사이에 배치한 것을 특징으로 하는 연료 전지.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 액체 연료는 농도가 50몰%를 초과하는 메탄올 수용액 또는 액체의 메탄올인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 프로톤 전도성막은 퍼플루오로카본계 수지를 함유하고, 그 두께가 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지.

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