KR20090104128A - Fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 액체 연료를 이용한 연료 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell using a liquid fuel.
최근, 노트북형 퍼스널 컴퓨터나 휴대전화 등의 각종 휴대용 전자기기를 장시간 충전없이 사용할 수 있게 하기 위해, 이들 휴대용 전자기기의 전원에 연료 전지를 이용하는 시도가 이루어지고 있다. 연료 전지는 연료와 공기를 공급하는 것만으로 발전할 수 있어, 연료를 보급하면 연속적으로 장시간 발전하는 것이 가능하다는 특징을 갖고 있다. 이 때문에, 연료 전지를 소형화할 수 있으면, 휴대용 전자기기의 전원으로서 상당히 유리한 시스템이라고 할 수 있다.In recent years, in order to be able to use various portable electronic devices, such as a notebook type personal computer and a mobile telephone, without charging for a long time, the attempt to use a fuel cell for the power source of these portable electronic devices is made. A fuel cell can generate electricity only by supplying fuel and air, and it is possible to continuously generate electricity for a long time by replenishing fuel. For this reason, if a fuel cell can be miniaturized, it can be said that it is a very advantageous system as a power supply of a portable electronic device.
직접 메탄올형 연료 전지(Direct methanol Fuel Cell: DMFC)는 소형화가 가능하고, 또한 연료의 취급도 용이하기 때문에, 휴대용 전자기기의 전원으로서 유망시되고 있다. DMFC에서의 액체 연료의 공급 방식으로서는, 기체 공급형이나 액체 공급형 등의 액티브 방식, 또한 연료 수용부 내의 액체 연료를 전지 내부에서 기화시켜 연료극에 공급하는 내부 기화형 등의 패시브 방식이 알려져 있다.Direct methanol fuel cells (DMFCs) are promising as power sources for portable electronic devices because they can be downsized and easy to handle fuel. As the liquid fuel supply method in the DMFC, active methods such as a gas supply type and a liquid supply type, and passive systems such as an internal vaporization type in which the liquid fuel in the fuel containing portion is vaporized inside the cell and supplied to the fuel electrode are known.
이들 중, 내부 기화형 등의 패시브 방식은 DMFC의 소형화에 대하여 특히 유리하다. 패시브형 DMFC에 있어서는, 예를 들어 연료극, 전해질막 및 공기극을 갖는 막전극 접합체(연료 전지 셀)를 수지제의 박스형 용기로 이루어진 연료 수용부 상에 배치한 구조가 제안되어 있다(예를 들어 특허문헌 1 참조). 연료 수용부로부터 기화된 연료를 직접 연료 전지 셀에 공급할 경우, 연료 전지의 출력의 제어성을 높이는 것이 중요하게 되지만, 현상의 패시브형 DMFC에서는 반드시 충분한 출력 제어성이 얻어지지는 않는다.Among them, passive systems such as internal vaporization type are particularly advantageous for downsizing the DMFC. In the passive DMFC, a structure in which a membrane electrode assembly (fuel battery cell) having, for example, a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is arranged on a fuel container made of a resin box-shaped container is proposed (for example, a patent). See Document 1). When supplying the vaporized fuel directly from the fuel container to the fuel cell, it is important to increase the controllability of the output of the fuel cell, but in the passive DMFC of development, sufficient output controllability is not necessarily obtained.
한편, DMFC의 연료 전지 셀과 연료 수용부를 유로를 통하여 접속하는 것이 검토되어 있다(특허문헌 2 내지 4 참조). 연료 수용부로부터 공급된 액체 연료를 연료 전지 셀에 유로를 통하여 공급함으로써, 유로의 형상이나 직경 등에 의거하여 액체 연료의 공급량을 조정할 수 있다. 특허문헌 3에는, 연료 수용부로부터 유로에 펌프에 의해 액체 연료를 공급하는 것이 기재되고, 또한 유로에 전기 침투류를 형성하는 전계 형성 수단을 이용하는 것도 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 4에는, 전기 침투류 펌프를 이용하여 액체 연료 등을 공급하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 연료를 순환시키는 구조의 연료 전지에서는 펌프 등을 설치하는 것이 효과적이지만, 패시브형 DMFC와 같이 연료를 순환시키지 않는 구조의 것에 대해서는, 단순히 펌프 등을 설치하여도 연료 소비량이 증대할 뿐이며, 충분한 출력을 얻을 수 없다.On the other hand, connecting the fuel cell of the DMFC and the fuel accommodating portion via a flow path has been studied (see
[특허문헌 1] 국제공개 제2005/112172호 팜플렛[Patent Document 1] International Publication No. 2005/112172
[특허문헌 2] 일본국 공표특허2005-518646호 공보[Patent Document 2] Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-518646
[특허문헌 3] 일본국 공개특허2006-085952호 공보[Patent Document 3] Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-085952
[특허문헌 4] 미국특허공개 제2006/0029851호 공보[Patent Document 4] US Patent Publication No. 2006/0029851
본 발명은 발전에 따른 액체 연료의 감소에 의해 연료 수용부의 내압이 저하되는 것을 억제하고, 펌프의 실질적인 송액 능력을 확보함으로써, 연료 전지 셀에 대한 연료 공급의 안정화, 및 발전 반응의 효율화를 도모하며, 출력 특성이 우수한 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention suppresses a decrease in the internal pressure of the fuel accommodating portion due to the reduction of the liquid fuel due to power generation, and secures a substantial liquid feeding capacity of the pump, thereby stabilizing the fuel supply to the fuel cell and improving the power generation reaction. It is an object of the present invention to provide a fuel cell having excellent output characteristics.
본 발명의 연료 전지는 연료극과, 공기극과, 이들 연료극과 공기극에 의해 삽입 유지된 전해질막을 갖는 막전극 접합체와, 이 막전극 접합체의 연료극 측에 배치된 연료 분배 기구에 펌프를 갖는 유로를 통하여 접속된 연료 수용부를 갖는 연료 공급 기구와, 이 연료 공급 기구의 적어도 펌프보다도 연료 수용부 측의 부분에 설치되고, 연료 수용부의 내압이 저하되었을 때에 외기를 도입하는 내압 조정 기구를 갖는 것을 특징으로 한다.The fuel cell of the present invention is connected via a flow path having a pump to a membrane electrode assembly having a fuel electrode, an air electrode, an electrolyte membrane inserted and held by the fuel electrode and the air electrode, and a fuel distribution mechanism disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly. And a fuel supply mechanism having a fuel containing portion, and an internal pressure adjusting mechanism that is installed at at least a portion of the fuel containing portion than at least a pump of the fuel supplying mechanism and introduces outside air when the internal pressure of the fuel containing portion is lowered.
도 1은 본 발명의 연료 전지의 일례를 나타내는 모식적 단면도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is typical sectional drawing which shows an example of the fuel cell of this invention.
도 2는 연료 분배 기구의 일례를 나타내는 외관도.2 is an external view illustrating an example of a fuel distribution mechanism.
도 3은 압력 조정 기구(비작동 시)의 일례를 나타내는 단면도.3 is a cross-sectional view showing an example of a pressure adjusting mechanism (when not in operation).
도 4는 도 3에 나타낸 압력 조정 기구의 작동 시의 상태를 나타내는 단면도.4 is a cross-sectional view showing a state at the time of operation of the pressure adjusting mechanism shown in FIG. 3.
도 5는 압력 조정 기구(비작동 시)의 다른 예를 나타내는 단면도.5 is a cross-sectional view showing another example of the pressure adjusting mechanism (when not in operation).
도 6은 도 5에 나타낸 압력 조정 기구의 작동 시의 상태를 나타내는 단면도.FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state at the time of operation of the pressure adjusting mechanism shown in FIG. 5. FIG.
도 7은 압력 해방 기구를 갖는 내압 조정 기구(비작동 시)의 일례를 나타내는 단면도.7 is a cross-sectional view showing an example of a pressure-resistant pressure adjusting mechanism (when not operated) having a pressure releasing mechanism.
도 8은 도 7에 나타낸 내압 조정 기구의 내압 조정 기능 작동 시의 상태를 나타내는 단면도.FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state of the pressure-resistant adjustment function of the pressure-resistant adjustment mechanism shown in FIG. 7. FIG.
도 9는 도 7에 나타낸 내압 조정 기구의 압력 해방 기능 작동 시의 상태를 나타내는 단면도.9 is a cross-sectional view showing a state at the time of a pressure releasing function operation of the internal pressure adjusting mechanism shown in FIG. 7.
도 10은 압력 해방 기구를 갖는 내압 조정 기구(비작동 시)의 다른 예를 나타내는 단면도.10 is a cross-sectional view showing another example of the internal pressure adjusting mechanism (when not operated) having a pressure releasing mechanism.
도 11은 도 10에 나타낸 내압 조정 기구의 내압 조정 기능 작동 시의 상태를 나타내는 단면.The cross section which shows the state at the time of the pressure-resistant adjustment function of the pressure-resistant adjustment mechanism shown in FIG.
도 12는 도 10에 나타낸 내압 조정 기구의 압력 해방 기능 작동 시의 상태를 나타내는 단면도.It is sectional drawing which shows the state at the time of the pressure release function operation of the pressure-resistant adjustment mechanism shown in FIG.
도 13은 압력 해방 기구를 갖는 내압 조정 기구(비작동 시)의 다른 예를 나타내는 단면도.13 is a cross-sectional view showing another example of a pressure-resistant pressure adjusting mechanism (not in operation) having a pressure releasing mechanism.
도 14는 도 13에 나타낸 내압 조정 기구의 내압 조정 기능 작동 시의 상태를 나타내는 단면도.It is sectional drawing which shows the state at the time of the pressure-resistant adjustment function of the pressure-resistant adjustment mechanism shown in FIG.
도 15는 도 13에 나타낸 내압 조정 기구의 압력 해방 기능 작동 시의 상태를 나타내는 단면도.It is sectional drawing which shows the state at the time of the pressure release function operation of the pressure-resistant adjustment mechanism shown in FIG.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1: 연료 전지 2: 연료 전지 셀1: fuel cell 2: fuel cell
3: 연료 공급 기구 4: 내압 조정 기구3: fuel supply mechanism 4: internal pressure adjusting mechanism
5: 연료 분배 기구 6: 연료 수용부5: fuel distribution mechanism 6: fuel container
7: 유로 8: 펌프7: euro 8: pump
11: 애노드 촉매층 12: 애노드 가스 확산층11: anode catalyst layer 12: anode gas diffusion layer
13: 애노드(연료극) 14: 캐소드 촉매층13: anode (fuel electrode) 14: cathode catalyst layer
15: 캐소드 가스 확산층 16: 캐소드(공기극/산화제극)15: cathode gas diffusion layer 16: cathode (air electrode / oxidizer electrode)
17: 프로톤(수소 이온) 전도성의 전해질막 40: 케이스17: Proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane 40: case
40c: 외기측 구멍부 40d: 연료 공급 기구측 구멍부40c:
40h: 외기측 구멍부 40i: 연료 공급 기구측 구멍부40h:
41, 45, 46, 50, 51: 밸브체 46d: 관통 구멍41, 45, 46, 50, 51:
46e: 비연료측 개구부(비연료 기구측 개구부)46e: non-fuel side opening (non-fuel mechanism side opening)
46g: 연료 공급 기구측 개구부 47: 필터46g: Opening of the fuel supply mechanism side 47: Filter
50d: 관통 구멍50d: through hole
50e: 비연료측 개구부(비연료 기구측 개구부)50e: non-fuel side opening (non-fuel mechanism side opening)
50f: 측면측 개구부50f: side opening
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 연료 전지의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 1에 나타낸 연료 전지(1)는 발전부를 구성하는 연료 전지 셀(2)과, 이 연료 전지 셀(2)에 연료를 공급하는 연료 공급 기구(3)와, 이 연료 공급 기구(3)에 설치된 내압 조정 기구(4)에 의해 주로 구성되어 있다. 또한, 연료 공급 기구(3)는 연료 분배 기구(5)와, 액체 연료를 수용하는 연료 수용부(6)와, 이들 연료 분배 기구(5)와 연료 수용부(6)를 접속하는 유로(7)와, 이 유로(7) 중에 배치된 펌프(8)로 구성되어 있다. 내압 조 정 기구(4)는 이러한 연료 공급 기구(3) 중 예를 들어 연료 수용부(6)에 설치되어 있다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form for implementing this invention is demonstrated with reference to drawings. 1 is a cross-sectional view showing an example of a fuel cell of the present invention. The
연료 전지 셀(2)은 애노드 촉매층(11)과 애노드 가스 확산층(12)을 갖는 애노드(연료극)(13)와, 캐소드 촉매층(14)과 캐소드 가스 확산층(15)을 갖는 캐소드(공기극/산화제극)(16)와, 애노드 촉매층(11)과 캐소드 촉매층(14)에 의해 삽입 유지된 프로톤(수소 이온) 전도성의 전해질막(17)으로 구성되는 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)를 갖고 있다.The
애노드 촉매층(11)이나 캐소드 촉매층(14)에 함유되는 촉매로서는, 예를 들어 Pt, Ru, Rh, Ir, Os, Pd 등의 백금족 원소의 단체, 백금족 원소를 함유하는 합금 등을 들 수 있다. 애노드 촉매층(11)에는 메탄올이나 일산화탄소 등에 대하여 강한 내성을 갖는 Pt-Ru이나 Pt-Mo 등을 이용하는 것이 바람직하다. 캐소드 촉매층(14)에는 Pt이나 Pt-Ni 등을 이용하는 것이 바람직하다. 다만, 촉매는 이들에 한정되는 것이 아니라, 촉매 활성을 갖는 각종 물질을 사용할 수 있다. 촉매는 탄소 재료와 같은 도전성 담지체를 사용한 담지 촉매, 또는 무담지 촉매의 어느 것이어도 된다.Examples of the catalyst contained in the anode catalyst layer 11 and the
전해질막(17)을 구성하는 프로톤 전도성 재료로서는, 예를 들어 술폰산기를 갖는 퍼플루오로술폰산 중합체와 같은 불소계 수지(나피온(상품명, 듀폰사 제조)이나 플레미온(상품명, 아사히가라스사 제조) 등), 술폰산기를 갖는 탄화수소계 수지 등의 유기계 재료, 또는 텅스텐산이나 인텅스텐산 등의 무기계 재료를 들 수 있다. 다만, 프로톤 전도성의 전해질막(17)이 이들에 한정되지는 않는다.As a proton conductive material which comprises the
애노드 촉매층(11)에 적층되는 애노드 가스 확산층(12)은 애노드 촉매층(11)에 연료를 균일하게 공급하는 역할을 수행하는 동시에, 애노드 촉매층(11)의 집전체도 겸하고 있다. 캐소드 촉매층(14)에 적층되는 캐소드 가스 확산층(15)은 캐소드 촉매층(14)에 산화제를 균일하게 공급하는 역할을 수행하는 동시에, 캐소드 촉매층(14)의 집전체도 겸하고 있다. 애노드 가스 확산층(12) 및 캐소드 가스 확산층(15)은 다공질 기재로 구성되어 있다.The anode gas diffusion layer 12 stacked on the anode catalyst layer 11 serves to uniformly supply fuel to the anode catalyst layer 11 and also serves as a current collector of the anode catalyst layer 11. The cathode gas diffusion layer 15 stacked on the
애노드 가스 확산층(12)이나 캐소드 가스 확산층(15)에는, 필요에 따라 도전층이 적층된다. 이들 도전층으로서는, 예를 들어 Au과 같은 도전성 금속 재료로 이루어진 메시, 다공질막, 박막 등이 이용된다. 전해질막(17)과 연료 분배 기구(5) 및 커버 플레이트(18)의 사이에는 각각 고무제의 O링(19)이 개재되어 있어, 이들에 의해 연료 전지 셀(MEA)(2)로부터의 연료 누설이나 산화제 누설을 방지하고 있다.A conductive layer is laminated on the anode gas diffusion layer 12 or the cathode gas diffusion layer 15 as necessary. As these conductive layers, meshes, porous films, thin films, etc. made of a conductive metal material such as Au are used, for example. Rubber O-
도시를 생략했지만, 커버 플레이트(18)는 산화제인 공기를 도입하기 위한 개구를 갖고 있다. 커버 플레이트(18)와 캐소드(16) 사이에는, 필요에 따라 보습층이나 표면층이 배치된다. 보습층은 캐소드 촉매층(14)에서 생성된 물의 일부가 함침되어 물의 증산을 억제하는 동시에, 캐소드 촉매층(14)으로의 공기의 균일 확산을 촉진하는 것이다. 표면층은 공기의 도입량을 조정하는 것이며, 공기의 도입량에 따라 개수나 크기 등이 조정된 복수의 공기 도입구를 갖고 있다.Although not shown, the
연료 수용부(6)에는, 연료 전지 셀(2)에 대응한 액체 연료가 수용되어 있다. 액체 연료로서는, 각종 농도의 메탄올 수용액이나 순메탄올 등의 메탄올 연료를 들 수 있다. 액체 연료가 반드시 메탄올 연료에 한정되지는 않는다. 액체 연료는, 예를 들어 에탄올 수용액이나 순에탄올 등의 에탄올 연료, 프로판올 수용액이나 순프로판올 등의 프로판올 연료, 글리콜 수용액이나 순글리콜 등의 글리콜 연료, 디메틸에테르, 포름산, 그 밖의 액체 연료이어도 된다. 어쨌든, 연료 수용부(6)에는 연료 전지 셀(2)에 따른 액체 연료가 수용된다.The
연료 전지 셀(2)의 애노드(연료극)(13) 측에는 연료 분배 기구(5)가 배치되어 있다. 연료 분배 기구(5)는 도중에 펌프(8)가 설치된 배관과 같은 액체 연료의 유로(7)를 통하여 연료 수용부(6)와 접속되어 있다. 연료 분배 기구(5)에는 이러한 유로(7)를 통하여 액체 연료가 연료 수용부(6)로부터 도입된다. 유로(7)는 연료 분배 기구(5)나 연료 수용부(6)와 독립된 배관에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연료 분배 기구(5)와 연료 수용부(6)를 적층하여 일체화할 경우, 이들을 연결하는 액체 연료의 유로이어도 된다. 연료 분배 기구(5)는 유로(7)를 통하여 연료 수용부(6)와 접속되어 있으면 된다.The
연료 분배 기구(5)는, 예를 들어 도 2에 나타낸 바와 같이 액체 연료가 유로(7)를 통하여 유입되는 적어도 1개의 연료 주입구(5a)와, 액체 연료나 그 기화 성분을 배출하는 복수개의 연료 배출구(5b)를 갖는 연료 분배판(5c)이다. 연료 분배판(5c)의 내부에는 도 1에 나타낸 바와 같이 연료 주입구(5a)로부터 유도된 액체 연료의 통로로 되는 공극부(5e)가 설치되어 있다. 복수의 연료 배출구(5b)는 연료 통로로서 기능하는 공극부(5e)에 각각 직접 접속되어 있다.For example, as shown in FIG. 2, the
연료 주입구(5a)로부터 연료 분배판(5c)에 도입된 액체 연료는 공극부(5e)에 들어가고, 이 연료 통로로서 기능하는 공극부(5e)를 통하여 복수의 연료 배출구(5b)에 각각 유도된다. 복수의 연료 배출구(5b)에는, 예를 들어 액체 연료의 기화 성분만을 투과시키고, 액체 성분은 투과시키지 않는 기액 분리체(도시 생략)를 배치하여도 된다. 이것에 의해, 연료 전지 셀(2)의 애노드(연료극)(13)에는 액체 연료의 기화 성분이 공급된다. 또한, 기액 분리체는 연료 분배 기구(5)와 애노드(13) 사이에 기액 분리막 등으로서 설치하여도 된다. 액체 연료의 기화 성분은 복수의 연료 배출구(5b)로부터 애노드(13)의 복수 개소를 향하여 배출된다.The liquid fuel introduced into the
연료 배출구(5b)는 연료 전지 셀(2)의 전체에 연료를 공급하는 것이 가능하도록 연료 분배판(5c)의 애노드(13)와 접하는 면에 복수 설치되어 있다. 연료 배출구(5b)의 개수는 1개 이상이면 되지만, 연료 전지 셀(2)의 면 내에서의 연료 공급량을 균일화하기 위해, 0.1 내지 10개/㎠의 연료 배출구(5b)가 존재하도록 형성하는 것이 바람직하다. 연료 배출구(5b)의 개수가 0.1개/㎠ 미만이면, 연료 전지 셀(2)에 대한 연료 공급량을 충분히 균일화할 수 없다. 연료 배출구(5b)의 개수를 10개/㎠를 초과하여 형성하여도, 그 이상의 효과가 얻어지지 않는다.A plurality of
연료 분배 기구(5)로부터 방출된 연료는, 상술한 바와 같이 연료 전지 셀(2)의 애노드(연료극)(13)에 공급된다. 연료 전지 셀(2) 내에 있어서, 연료는 애노드 가스 확산층(12)을 확산하여 애노드 촉매층(11)에 공급된다. 액체 연료로서 메탄올 연료를 이용한 경우, 애노드 촉매층(11)에서 하기 식 (1)에 나타낸 메탄올의 내부 개질 반응이 생긴다. 또한, 메탄올 연료로서 순메탄올을 사용한 경우에는, 캐소드 촉매층(14)에서 생성한 물이나 전해질막(17) 중의 물을 메탄올과 반응시켜 식 (1)의 내부 개질 반응을 발생시킨다. 또는, 물을 필요로 하지 않는 다른 반응 기구에 의해 내부 개질 반응을 발생시킨다.The fuel discharged from the
CH30H + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- …(1) CH 3 0H + H 2 O →
이 반응에서 생성한 전자(e-)는 집전체를 경유하여 외부에 유도되고, 소위 전기로서 휴대용 전자기기 등을 동작시킨 후, 캐소드(공기극)(16)에 유도된다. 또한, 식 (1)의 내부 개질 반응에서 생성한 프로톤(H+)은 전해질막(17)을 거쳐 캐소드(16)에 유도된다. 캐소드(16)에는 산화제로서 공기가 공급된다. 캐소드(16)에 도달한 전자(e-)와 프로톤(H+)은 캐소드 촉매층(14)에서 공기 중의 산소와 하기 식 (2)에 따라 반응하고, 이 반응에 따라 물이 생성된다.The electrons (e − ) generated in this reaction are guided to the outside via the current collector, and then are driven to the cathode (air electrode) 16 after operating portable electronic devices or the like as so-called electricity. In addition, protons (H + ) generated in the internal reforming reaction of formula (1) are induced to the cathode 16 via the
6e- + 6H+ + (3/2)O2 → 3H2O …(2) 6e - + 6H + + (3/2 )
펌프(8)는 연료를 순환시키는 순환 펌프가 아니라, 어디까지나 연료 수용부(6)로부터 연료 분배 기구(5)에 액체 연료를 송액하는 연료 공급 펌프이다. 이러한 펌프(8)에 의해 필요 시에 액체 연료를 송액함으로써, 연료 공급량의 제어성을 높일 수 있다. 연료 분배 기구(5)로부터 연료 전지 셀(2)에 공급된 연료는 발전 반응에 사용되고, 그 후에 순환하여 연료 수용부(6)에 되돌려지지는 않는다. 도 1에 나타낸 연료 전지(1)는 연료를 순환시키지 않기 때문에, 종래의 액티브 방식과는 상이한 것이며, 장치의 소형화 등을 손상시키지 않는다. 또한, 액체 연료 의 공급에 펌프(8)를 사용하고 있어, 종래의 내부 기화형과 같은 순패시브 방식과도 상이하기 때문에, 예를 들어 세미패시브 방식이라고 호칭되는 것이다.The
펌프(8)의 종류는 특별히 한정되지 않지만, 소량의 액체 연료를 양호한 제어성으로 송액할 수 있고, 또한 소형 경량화가 가능하다는 관점에서 로터리 밴 펌프, 전기 침투류 펌프, 다이어프램 펌프, 압착 펌프 등을 사용하는 것이 바람직하다. 로터리 밴 펌프는 모터에 의해 날개를 회전시켜 송액하는 것이다. 전기 침투류 펌프는 전기 침투류 현상을 일으키는 실리카 등의 소결 다공체를 이용한 것이다. 다이어프램 펌프는 전자석이나 압전 세라믹스에 의해 다이어프램을 구동하여 송액하는 것이다. 압착 펌프는 유연성을 갖는 연료 유로의 일부를 압박하여 연료를 세게 훑어 송액하는 것이다. 이들 중, 구동 전력이나 크기 등의 관점에서, 전기 침투류 펌프나 압전 세라믹스를 갖는 다이어프램 펌프를 사용하는 것이 보다 바람직하다.Although the kind of the
펌프(8)의 송액 능력은 연료 전지(1)의 주된 대상물이 소형 전자기기이기 때문에, 10㎕/분 내지 1㎖/분의 범위로 하는 것이 바람직하다. 송액 능력이 1㎖/분을 초과하면 한 번에 송액되는 액체 연료의 양이 지나치게 많아져, 전체 운전 기간에 차지하는 펌프(8)의 정지 시간이 길어진다. 이 때문에, 연료 전지 셀(MEA)(2)로의 연료 공급량의 변동이 커지고, 그 결과로서 출력의 변동이 커진다. 이것을 방지하기 위한 리저버를 펌프(8)와 연료 분배 기구(5) 사이에 설치하여도 되지만, 그러한 구성을 적용하여도 연료 공급량의 변동을 충분히 억제할 수는 없고, 또한 장치 사이즈의 대형화 등을 초래하게 된다.Since the main object of the
한편, 펌프(8)의 송액 능력이 10㎕/분 미만이면, 장치 시동 시와 같이 연료 의 소비량이 증가할 때에 공급 능력 부족을 초래할 우려가 있다. 이것에 의해, 연료 전지(1)의 기동 특성 등이 저하된다. 이러한 점에서, 10㎕/분 내지 1㎖/분의 범위의 송액 능력을 갖는 펌프(8)를 사용하는 것이 바람직하다. 펌프(8)의 송액 능력은 10 내지 200㎕/분의 범위로 하는 것이 보다 바람직하다. 이러한 송액량을 안정적으로 실현하기 위해서도, 펌프(8)에는 전기 침투류 펌프나 다이어프램 펌프를 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 연료 분배 기구(5)로부터 연료 전지 셀(2)로의 연료 공급이 행해지는 구성이면 펌프(8) 대신에 연료 차단 밸브를 배치하는 구성으로 하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 연료 차단 밸브는 유로에 의한 액체 연료의 공급을 제어하기 위해 설치되는 것이다.On the other hand, if the pumping capacity of the
내압 조정 기구(4)는, 예를 들어 연료 수용부(6)에 설치되어 있다. 내압 조정 기구(4)는, 연료 수용부(6)의 내압이 저하되었을 때에, 외기를 도입함으로써 그 내압을 대기압 정도까지 상승시키기 위해 설치되어 있다. 종래, 연료 수용부 내의 액체 연료를 펌프에 의해 연료 전지 셀에 공급한 경우, 발전에 따른 연료 수용부 내의 액체 연료의 감소에 따라 내압이 저하되는 한편, 연료 전지 셀 측은 거의 대기압으로 되어 있기 때문에, 펌프의 실질적인 송액 능력이 저하된다. 이 때문에, 연료 전지 셀로의 연료 공급량이 감소하고, 반드시 충분한 출력이 얻어지지 않는 경우가 있다.The internal
본 발명에 따른 연료 전지(1)에서는, 내압 조정 기구(4)를 설치함으로써, 연료 수용부(6)의 내압이 저하되었을 때에 외기를 도입하여 그 내압을 대기압 정도로 되돌릴 수 있고, 펌프(8)의 실질적인 송액 능력을 회복시킬 수 있다. 이 때문에, 연료 전지 셀(2)로의 연료 공급량을 안정화시킬 수 있고, 안정된 출력 특성을 얻을 수 있다. 또한, 도 1에 나타낸 연료 전지(1)에서는 연료 수용부(6)에 내압 조정 기구(4)를 설치했지만, 내압 조정 기구(4)는 적어도 펌프(8)보다도 연료 수용부(6) 측, 즉, 펌프(8)의 연료 수용부(6) 측의 유로(7) 또는 연료 수용부(6)에 설치되어 있으면 된다.In the
내압 조정 기구(4)는 연료 수용부(6)의 내압이 대기압보다 낮아진 경우에 작동하는 것이 바람직하고, 늦어도 대기압보다 0.02㎫ 낮아졌을 때에 작동하는 것이 바람직하다. 연료 수용부(6)의 내압이 대기압보다 낮아짐에 따라 펌프의 실질적인 송액 능력이 저하되고 있다. 이 때문에, 늦어도 연료 수용부(6)의 내압이 대기압보다 0.02㎫ 낮아졌을 때에 내압 조정 기구(4)가 작동하는 것으로 함으로써, 펌프의 실질적인 송액 능력의 저하를 억제하고, 연료 전지(1)의 출력을 안정화시킬 수 있다. 이하, 내압 조정 기구(4)가 작동할 때의 연료 수용부(6)의 내압을 내압 하한값이라 부른다. 또한, 이 내압 하한값은 대기압보다도 낮은 압력이며, 보다 바람직하게는 대기압보다도0.01㎫ 낮은 압력 이상의 범위에서 펌프(8)의 송액 능력 등에 따라 적절히 설정할 수 있다.The internal
이하, 내압 조정 기구(4)에 대해서 구체적으로 설명한다. 또한, 이하의 내압 조정 기구(4)를 나타내는 각 도면에 대해서는, 모두 도면 중의 우측에 연료 공급 기구(3)(여기서는 연료 수용부(6))가 배치되어 있다. 또한, 이하에서는 연료 공급 기구(3) 측(도면 중의 우측)을 연료 측이라 부르고, 그 반대측(도면 중의 좌측)을 비연료 측이라 불러 설명하고 있다. 또한, 상이한 내압 조정 기구(4) 사이 일지라도, 대략 동일한 기능 또는 구조를 갖는 것에 대해서는 동일한 부호를 첨부하여 설명하고 있다.Hereinafter, the internal
도 3 및 도 4는 내압 조정 기구(4)의 일례를 나타내는 단면도로서, 도 3은 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값보다도 높은 경우에서, 내압 조정 기능이 작동하고 있지 않을 때의 상태를 나타낸 것이며, 도 4는 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값 이하로 되어, 내압 조정 기능이 작동했을 때의 상태를 나타낸 것이다.3 and 4 are cross-sectional views showing an example of the internal
우선, 도 3에 나타낸 바와 같이, 내압 조정 기구(4)는 대략 통 형상의 케이스(40) 내에 대략 축 형상의 밸브체(41)가 배치된 것이다. 대략 통 형상의 케이스(40)는, 예를 들어 비연료 측의 제1 케이스부(40a)와, 이 제1 케이스부(40a)의 연료 측의 내경 측에 일부가 끼워 넣어진 제2 케이스부(40b)로 구성되어 있다. 제1 케이스부(40a)의 내경 측으로서 제2 케이스부(40b)의 비연료 측에는, 제1 케이스부(40a)와 제2 케이스부(40b)의 이음매 부분으로부터의 액체 연료의 누설을 억제하기 위한 예를 들어 고무제의 O링(42)이 설치되어 있다. 또한, 케이스(40)의 비연료 측 및 연료 측의 축심 부분에는, 각각 외기측 구멍부(40c), 연료 공급 기구측 구멍부(40d)가 설치되어 있다. 또한, 케이스(40)는, 상기 고무제 O링(42)을 이음매 부분에 개재시키는 방식 이외에, 초음파 용착 등을 이용하여 이음매 부분을 기밀 밀봉하는 방법도 적합하게 이용할 수 있다.First, as shown in FIG. 3, in the internal
밸브체(41)는 비연료 측에 배치되는 비연료측 축부(41a)와, 연료 측에 배치되는 연료 공급 기구측 축부(41c)와, 이들 사이의 대경부(41b)에 의해 주로 구성되어 있으며, 대경부(41b)의 비연료 측의 외주 부분에는 블레이드부(41d)가 설치되어 있다. 비연료측 축부(41a)는 외기측 구멍부(40c) 내에 삽입되어 있고, 마찬가지로 연료 공급 기구측 축부(41c)는 연료 공급 기구측 구멍부(40d) 내에 삽입되어 있다. 비연료측 축부(41a)의 외경은 외기측 구멍부(40c)의 내경보다도 소경으로 되어 있고, 외기측 구멍부(40c)와 비연료측 축부(41a) 사이는 외기를 유입시킬 수 있도록 간극이 형성되어 있다. 마찬가지로, 연료 공급 기구측 축부(41c)의 외경은 연료 공급 기구측 구멍부(40d)의 내경보다도 소경으로 되어 있고, 연료 공급 기구측 구멍부(40d)와 연료 공급 기구측 축부(41c) 사이는 외기를 유입시킬 수 있도록 간극이 형성되어 있다. 특히, 연료 공급 기구측 축부(41c)에 관해서는, 그 단면 형상이 대략 십자 형상을 갖고 있어 충분히 외기를 유입시킬 수 있도록 구성되어 있고, 또한 축방향에 대하여 센터링(심내기)을 할 수 있게 구성되어 있다.The
대경부(41b)의 비연료 측으로서 비연료측 축부(41a)의 주위에는, 예를 들어 고무제의 O링(43)이 설치되어 있다. 또한, 블레이드부(41d)의 연료 측으로서 대경부(41b) 및 연료 공급 기구측 축부(41c)의 주위에는 스프링(44)이 설치되어 있다. 이 스프링(44)에 의해, 밸브체(41)는 비연료 측으로 눌리고 있다. 이것에 의해, 케이스(40)의 내벽과 대경부(41b)의 비연료 측에 의해 O링(43)이 눌리고 있다. 이렇게 O링(43)이 눌리고 있음으로써, 내압 조정 기능이 작동하고 있지 않을 때는 케이스(40) 내로부터 외기측 구멍부(40c)를 통한 액체 연료의 누설이 억제된다.As the non-fuel side of the
한편, 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값 이하로 되었을 경우, 도 4에 나타낸 바와 같이 연료 수용부(6)의 내압 저하에 의해 밸브체(41)가 연료 측으로 인입된다. 여기에서, 스프링(44)의 반발력은, 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값 이하로 되었을 때에 밸브체(41)가 연료 측으로 인입되는 정도로 조정되고 있다. 또한, 밸브체(41)가 연료 측으로 인입될 때의 연료 수용부(6)의 내압(내압 하한값)은 적절히 설정할 수 있으며, 구체적으로는 스프링(44)의 반발력을 약하게 할수록 그 내압을 높게 할 수 있고, 반발력을 강하게 할수록 그 내압을 낮게 할 수 있다.On the other hand, when the internal pressure of the
도 4에 도시된 바와 같이, 밸브체(41)가 연료 측으로 이동함으로써, O링(43)도 연료 측으로 이동하고, 케이스(40)의 내벽과 O링(43) 사이에 간극이 형성된다. 이 때, 비연료 측에 비하여 연료 측의 압력이 낮아지고 있기 때문에, 외기측 구멍부(40c)로부터 케이스(40) 내로 외기가 도입된다. 외기측 구멍부(40c)로부터 도입된 외기는 케이스(40)의 내벽과 O링(43)의 간극을 통과하고, 다시 케이스(40) 내에서의 블레이드부(41d) 및 대경부(41b)의 외경 측을 통과하며, 최종적으로 연료 공급 기구측 구멍부(40d)와 연료 공급 기구측 축부(41c) 사이를 통과하여 연료 수용부(6)로 도입된다. 그리고, 연료 수용부(6)에 외기가 도입된 결과, 연료 수용부(6)의 내압이 상승하여 내압 하한값을 초과한다.As shown in FIG. 4, when the
연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값을 초과한 후는, 밸브체(41)를 연료 측으로 인입하는 강도가 약해지기 때문에, 도 3에 도시된 바와 같이 다시 스프링(44)의 반발력에 의해 밸브체(41)는 비연료 측으로 눌리고, 케이스(40) 내로부터 외기측 구멍부(40c)를 통한 액체 연료의 누설이 억제된다.After the internal pressure of the
다음으로, 내압 조정 기구(4)의 다른 예에 대해서 설명한다. 도 5 및 도 6은 내압 조정 기구(4)의 다른 예를 나타내는 단면도로서, 도 5는 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값보다도 높은 경우에서, 내압 조정 기능이 작동하고 있지 않을 때의 상태를 나타낸 것이며, 도 6은 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값 이하로 되어, 내압 조정 기능이 작동했을 때의 상태를 나타낸 것이다.Next, another example of the internal
이 내압 조정 기구(4)는, 대략 통 형상의 케이스(40) 내에 대략 축 형상의 밸브체(45)가 배치된 것이다. 케이스(40)는, 예를 들어 비연료 측의 제1 케이스부(40a)와, 이 제1 케이스부(40a)의 연료 측의 내경 측에 일부가 끼워 넣어진 제2 케이스부(40b)로 구성되어 있다. 케이스(40)의 비연료 측 및 연료 측의 축심 부분에는, 각각 외기측 구멍부(40c), 연료 공급 기구측 구멍부(40d)가 설치되어 있다. 외기측 구멍부(40c)의 연료 측의 개구부는 반구 형상의 오목부(40e)로 되어 있다.In this internal
밸브체(45)는, 비연료 측에 설치되고, 비연료 측을 향하여 반구 형상으로 된 반구 형상 축부(45a)와, 반구 형상 축부(45a)의 연료 측에 배치된 반구 형상 축부(45a)보다도 대경인 블레이드부(45d)와, 블레이드부(45d)의 연료 측을 향하여 연장된 연료 공급 기구측 축부(45c)로 이루어진다. 반구 형상 축부(45a)는 오목부(40e)에 끼워 맞춰져 있다. 연료 공급 기구측 축부(45c)는 연료 공급 기구측 구멍부(40d)에 삽입되어 있다. 연료 공급 기구측 축부(45c)의 외경은 연료 공급 기구측 구멍부(40d)의 내경보다도 소경으로 되어 있고, 연료 공급 기구측 구멍부(40d)와 연료 공급 기구측 축부(45c) 사이는 외기를 통과시킬 수 있도록 간극이 형성되어 있다.The
블레이드부(45d)의 연료 측으로서 연료 공급 기구측 축부(45c)의 주위에는 스프링(44)이 설치되어 있으며, 이 스프링(44)에 의해 밸브체(45)는 비연료 측으로 눌리고, 그 반구 형상 축부(45a)가 오목부(40e)에 끼워 맞춰져 있다. 이렇게 반구 형상 축부(45a)가 오목부(40e)에 끼워 맞춰져 있음으로써, 내압 조정 기능이 작동하고 있지 않을 때는 케이스(40) 내로부터 외기측 구멍부(40c)를 통한 액체 연료의 누설이 억제된다.A
한편, 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값 이하로 되었을 경우, 도 6에 나타낸 바와 같이 연료 수용부(6)의 내압 저하에 의해 밸브체(45)가 연료 측으로 인입된다. 밸브체(45)가 연료 측으로 이동함으로써, 오목부(40e)로부터 반구 형상 축부(45a)가 멀어지고, 이들 사이에 간극이 형성된다. 이 때, 비연료 측에 비하여 연료 측의 압력이 낮아지고 있기 때문에, 외기측 구멍부(40c)로부터 케이스(40) 내로 외기가 도입된다. 외기측 구멍부(40c)로부터 도입된 외기는 오목부(40e)와 반구 형상 축부(45a)의 간극을 통과하고, 다시 케이스(40) 내에서의 블레이드부(45d) 및 연료 공급 기구측 축부(45c)의 외경 측을 통과하며, 최종적으로 연료 공급 기구측 구멍부(40d)와 연료 공급 기구측 축부(45c) 사이를 통과하여 연료 수용부(6)로 도입된다. 그리고, 연료 수용부(6)에 외기가 도입된 결과, 연료 수용부(6)의 내압이 상승하여 내압 하한값을 초과한다.On the other hand, when the internal pressure of the
연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값을 초과한 후는, 밸브체(45)를 연료 측으로 인입하는 강도가 약해지기 때문에, 도 5에 도시된 바와 같이 다시 스프링(44)의 반발력에 의해 밸브체(45)는 연료 측으로부터 비연료 측으로 눌리고, 케이스(40) 내로부터 외기측 구멍부(40c)를 통한 액체 연료의 누설이 억제된다.After the internal pressure of the
다음으로, 압력 해방 기구를 갖는 내압 조정 기구(4)에 대해서 설명한다. 압력 해방 기구는 연료 수용부(6)의 내압 상승에 의한 파손을 방지하기 위해, 그 내압을 해방시키는 것이다. 압력 해방 기구는, 그 작동압으로서 연료 수용부(6)의 내압이 대기압보다도 높아졌을 때에 작동하는 것이 바람직하고, 늦어도 0.3㎫로 되었을 때에 작동하는 것이 바람직하다. 연료 수용부(6)의 내압이0.3㎫로 되었을 때에 압력 해방 기구가 작동함으로써, 연료 수용부(6) 등의 파손이 효과적으로 억제된다. 이하, 압력 해방 기구가 작동할 때의 연료 수용부(6)의 내압을 내압 상한값이라 부른다. 또한, 이 내압 상한값은 대기압을 초과하는 압력으로서, 바람직하게는 0.3㎫ 이하의 범위에서 연료 수용부(6)의 강도 등에 따라 적절히 변경할 수 있다.Next, the internal
도 7 내지 도 9는 압력 해방 기구를 갖는 내압 조정 기구(4)(이하, 단순히 내압 조정 기구(4)라고도 함)의 일례를 나타낸 것이며, 한 쌍의 밸브체를 갖고, 그 한쪽 밸브체에 축심에 따른 관통 구멍이 설치된 것이다. 도 7은 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값보다도 높고 내압 상한값보다도 낮으며, 내압 조정 기능 및 압력 해방 기능의 어느 쪽도 작동하고 있지 않을 때의 상태를 나타낸 것이다. 도 8은 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값 이하로 되어, 내압 조정 기능이 작동했을 때의 상태를 나타낸 것이다. 도 9는 연료 수용부(6)의 내압이 내압 상한값 이상으로 되어, 압력 해방 기능이 작동했을 때의 상태를 나타낸 것이다.7 to 9 show an example of the internal pressure adjusting mechanism 4 (hereinafter, also simply referred to as the internal pressure adjusting mechanism 4) having a pressure releasing mechanism, which has a pair of valve bodies, and an axial center on one valve body thereof. Through holes are installed according to. FIG. 7 shows a state when the internal pressure of the
도 7에 나타낸 바와 같이, 내압 조정 기구(4)는, 대략 통 형상의 케이스(40) 내의 비연료 측에 축심을 따라 배치된 제1 밸브체인 밸브체(46) 및 케이스(40) 내의 연료 측에 축심을 따라 배치된 제2 밸브체인 밸브체(41)를 갖고 있다. 케이스(40)는, 예를 들어 비연료 측의 제1 케이스부(40a)와, 이 제1 케이스부(40a)의 연료 측의 내경 측에 일부가 끼워 넣어진 제2 케이스부(40b)와, 제1 케이스부(40a)의 내경 측으로서 제2 케이스부(40b)의 비연료 측에 배치된 대략 통 형상의 제3 케이스부(40f)로 구성되어 있다. 제3 케이스부(40f)의 연료 측과 제2 케이스부(40b)의 비연료 측 사이에는 그 이음매 부분으로부터의 액체 연료의 누설을 억제하기 위한 예를 들어 고무제의 O링(42)이 설치되어 있다. 제3 케이스부(40f)의 비연료 측은 소경으로 된 결합부(40g)로 되어 있다. 케이스(40)의 비연료 측 및 연료 측에는, 각각 외기측 구멍부(40c, 40h), 연료 공급 기구측 구멍부(40d)가 설치되어 있다.As shown in FIG. 7, the internal
밸브체(46)는 비연료측 축부(46a) 및 연료 공급 기구측 축부(46b)를 갖고, 외경 측에 대경의 결합부(46c)가 설치되어 있다. 또한, 밸브체(46)의 내부에는 그 축심을 따라 관통 구멍(46d)이 설치되어 있다. 관통 구멍(46d)은, 비연료 측에 설치되고, 비연료 측으로부터의 이물 혼입을 방지하기 위한 필터(47)가 끼워 넣어진 비연료측 개구부(46e)와, 연료 측에 설치되어 밸브체(41)의 비연료측 축부(41a)가 삽입되는 연료 공급 기구측 개구부(46g)와, 이들 사이에 설치되는 접속 구멍(46f)으로 이루어진다. 연료 공급 기구측 개구부(46g)의 내경은 비연료측 축부(41a)의 외경보다도 대경으로 되어 있고, 이들 사이에는 간극이 형성되어 있다. 또한, 비연료측 개구부(46e)에는 반드시 필터(47)가 끼워 넣어져 있을 필요는 없으며, 비연료측 개구부(46e)의 내경은 접속 구멍(46f)의 내경과 동일한 것이어도 된다.The
비연료측 축부(46a)는 외기측 구멍부(40c)에 삽입되어 있고, 연료 공급 기구측 축부(46b)는 결합부(40g)에 삽입되어 있다. 연료 공급 기구측 축부(46b)의 외 경은 결합부(40g)의 내경보다도 작고, 결합부(40g)와 연료 공급 기구측 축부(46b) 사이에는 간극이 형성되어 있다.The non-fuel
결합부(46c)의 비연료 측으로서 비연료측 축부(46a)의 주위에는 스프링(48)이 설치되어 있으며, 이 스프링(48)의 반발력에 의해 밸브체(46)는 연료 측으로 눌리고 있다. 결합부(46c)의 연료 측으로서 연료 공급 기구측 축부(46b)의 주위에는, 예를 들어 고무제의 O링(49)이 설치되어 있으며, 이 O링(49)은 결합부(46c)와 결합부(40g)에 의해 눌리고 있다. 이렇게 결합부(46c)와 결합부(40g)에 의해 O링(49)이 눌리고 있음으로써, 결합부(40g)와 연료 공급 기구측 축부(46b) 사이를 통한 비연료 측으로의 액체 연료의 유출이 억제된다.As the non-fuel side of the engaging
밸브체(41)는 도 3 및 도 4에 도시된 것과 동일한 것이다. 도 3 및 도 4에 도시된 것과 달리, 비연료측 축부(41a)는 연료 공급 기구측 개구부(46g)에 삽입되어 있다. 또한, O링(43)은 연료 공급 기구측 축부(46b)와 대경부(41b)에 의해 눌리고 있다. 이렇게 연료 공급 기구측 축부(46b)와 대직경부(41b)에 의해 O링(43)이 눌리고 있음으로써, 연료 공급 기구측 개구부(46g)를 통한 비연료 측으로의 액체 연료의 유출이 억제된다.The
연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값 이하로 되었을 경우, 도 8에 나타낸 바와 같이 연료 수용부(6)의 내압 저하에 의해 밸브체(41)가 연료 측으로 인입된다. 또한, 밸브체(41)가 연료 수용부(6)의 내압 저하에 의해 연료 측으로 인입되는 원리에 대해서는, 도 3 및 도 4에서 설명한 원리와 마찬가지이다. 밸브체(41)가 연료 측으로 이동함으로써 O링(43)도 연료 측으로 이동하고, 연료 공급 기구측 축부(46b)와 O링(43) 사이에 간극이 형성된다. 이 때, 비연료 측에 비하여 연료 측의 압력이 낮아지고 있기 때문에, 필터(47)를 통하여 비연료측 개구부(46e) 내로 외기가 도입된다. 비연료측 개구부(46e) 내에 도입된 외기는 연료 공급 기구측 개구부(46g)와 비연료측 축부(41a)의 간극을 통과하고, 다시 연료 공급 기구측 축부(46b)와 O링(43)의 간극을 통과한다. 최종적으로, 외기는 블레이드부(41d) 및 대직경부(41b)의 외경 부분을 통과하여, 연료 공급 기구측 구멍부(40d)와 연료 공급 기구측 축부(41c)의 간극으로부터 연료 수용부(6)로 도입된다. 그 결과, 연료 수용부(6)의 내압이 상승하여 내압 하한값보다도 높아진다.When the internal pressure of the
연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값보다도 높아지면, 밸브체(41)를 연료 측으로 인입하는 강도에 비하여 스프링(44)의 반발력이 강해지기 때문에, 도 7에 도시된 바와 같이 밸브체(41)는 다시 비연료 측으로 눌리고, 관통 구멍(46d)을 통한 액체 연료의 누설이 억제된다.When the internal pressure of the
한편, 연료 수용부(6)의 내압이 내압 상한값 이상으로 되었을 경우, 도 9에 나타낸 바와 같이 연료 수용부(6)의 내압 상승에 의해 밸브체(46)가 비연료 측으로 눌리고, O링(49)과 결합부(40g) 사이에 간극이 형성된다. 여기에서, 스프링(48)의 반발력은, 연료 수용부(6)의 내압이 내압 상한값 이상으로 되었을 때에 밸브체(46)가 비연료 측으로 이동할 수 있게 조정되고 있다. 또한, 밸브체(46)가 비연료 측으로 이동할 때의 연료 수용부(6)의 내압(내압 상한값)은 적절히 설정할 수 있으며, 구체적으로는 스프링(48)의 반발력을 약하게 함으로써 그 내압을 낮게 할 수 있고, 반발력을 강하게 함으로써 그 내압을 높게 할 수 있다.On the other hand, when the internal pressure of the
O링(49)과 결합부(40g) 사이에 간극이 형성됨으로써, 연료 수용부(6) 내의 내압은 차례로 연료 공급 기구측 구멍부(40d)와 연료 공급 기구측 축부(41c)의 간극, 블레이드부(41d)의 외경 측, 결합부(40g)와 연료 공급 기구측 축부(46b) 사이, 결합부(46c)의 외경 측 등을 통하여, 최종적으로 외기측 구멍부(40c)와 비연료측 축부(46a)의 간극, 또는 외기측 구멍부(40h)로부터 그 비연료 측으로 해방된다. 그 결과, 연료 수용부(6)의 내압이 내압 상한값보다도 낮아진다.A gap is formed between the O-
연료 수용부(6)의 내압이 내압 상한값보다도 낮아지면, 밸브체(46)를 비연료 측으로 누르는 강도에 비하여 스프링(48)의 반발력이 강해지기 때문에, 이 스프링(48)의 반발력에 의해 밸브체(46)는 연료 측으로 눌린다. 그 결과, 도 7에 도시된 바와 같이 O링(49)이 결합부(46c)와 결합부(40g)에 의해 눌리고, 이들 사이로부터의 비연료 측으로의 액체 연료의 유출이 억제된다.When the internal pressure of the
도 10 내지 도 12는 압력 해방 기구를 갖는 내압 조정 기구(4)의 다른 예를 나타낸 것이며, 한 쌍의 밸브체를 갖고, 그 한쪽 밸브체에 축심에 따른 관통 구멍이 설치된 것의 다른 예를 나타낸 것이다. 도 10은 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값보다도 높고 내압 상한값보다도 낮으며, 내압 조정 기능 및 압력 해방 기능의 어느 쪽도 작동하고 있지 않을 때의 상태를 나타낸 것이다. 도 11은 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값 이하로 되어, 내압 조정 기능이 작동했을 때의 상태를 나타낸 것이다. 도 12는 연료 수용부(6)의 내압이 내압 상한값 이상으로 되어, 압력 해방 기능이 작동했을 때의 상태를 나타낸 것이다.10-12 show another example of the internal
도 10에 나타낸 바와 같이, 내압 조정 기구(4)는, 대략 통 형상의 케이 스(40) 내의 비연료 측에 축심을 따라 배치된 제1 밸브체인 밸브체(46) 및 케이스(40) 내의 연료 측에 축심을 따라 배치된 제2 밸브체인 밸브체(45)를 갖고 있다. 케이스(40)는, 예를 들어 비연료 측의 제1 케이스부(40a)와, 이 제1 케이스부(40a)의 연료 측의 내경 측에 일부가 끼워 넣어진 제2 케이스부(40b)로 구성되어 있다. 이 제2 케이스부(40b)의 내경은 제1 케이스부(40a)의 내경보다도 소경으로 되어 있으며, 이 제2 케이스부(40b)가 결합부(40g)를 겸하고 있다. 대략 통 형상의 케이스(40)의 비연료 측 및 연료 측에는, 각각 외기측 구멍부(40c, 40h), 연료 공급 기구측 구멍부(40d, 40i)가 설치되어 있다.As shown in FIG. 10, the internal
밸브체(46)는 비연료측 축부(46a) 및 연료 공급 기구측 축부(46b)를 갖고, 외경 측에 대경의 결합부(46c)가 설치되어 있다. 또한, 밸브체(46)의 내부에는 축심을 따라 관통 구멍(46d)이 설치되어 있다. 관통 구멍(46d)은, 비연료 측에 설치되고, 비연료 측으로부터의 이물 혼입을 방지하기 위한 필터(47)가 끼워 넣어진 비연료측 개구부(46e)와, 연료 측에 설치되고, 밸브체(45)의 반구 형상 축부(45a)가 삽입되는 반구 형상의 오목부인 연료 공급 기구측 개구부(46g)와, 이들 사이에 설치되는 접속 구멍(46f)으로 이루어진다.The
필터(47)는 외기측 구멍부(40c)에 삽입되어 있고, 연료 공급 기구측 축부(46b)는 결합부(40g)에 삽입되어 있다. 연료 공급 기구측 축부(46b)의 외경은 결합부(40g)의 내경보다도 작고, 결합부(40g)와 연료 공급 기구측 축부(46b) 사이에는 간극이 형성되어 있다.The
결합부(46c)의 비연료 측으로서 비연료측 축부(46a)의 주위에는 스프링(48) 이 설치되어 있으며, 이 스프링(48)의 반발력에 의해 밸브체(46)는 연료 측으로 눌리고 있다. 결합부(46c)의 연료 측으로서 연료 공급 기구측 축부(46b)의 주위에는, 예를 들어 고무제의 O링(49)이 설치되어 있으며, 이 O링(49)은 결합부(46c)와 결합부(40g)에 의해 눌리고 있다. 이렇게 결합부(46c)와 결합부(40g)에 의해O링(49)이 눌리고 있음으로써, 결합부(46c)와 결합부(40g) 사이를 통한 비연료 측으로의 액체 연료의 유출이 억제된다.As the non-fuel side of the engaging
밸브체(45)는 도 5 및 도 6에 도시된 것과 동일한 것이다. 도 5 및 도 6에 도시된 것과 달리, 반구 형상 축부(45a)는 연료 공급 기구측 개구부(46g)의 반구 형상의 오목부에 끼워 맞춰지도록 하여 삽입되어 있다. 이렇게 연료 공급 기구측 개구부(46g)의 반구 형상의 오목부에 반구 형상 축부(45a)가 끼워 맞춰지도록 하여 삽입되어 있음으로써, 연료 공급 기구측 개구부(46g)로부터의 비연료 측으로의 액체 연료의 유출이 억제된다.The
연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값 이하로 되었을 경우, 도 11에 나타낸 바와 같이 연료 수용부(6)의 내압 저하에 의해 밸브체(45)가 연료 측으로 인입된다. 밸브체(45)가 연료 측으로 이동함으로써, 연료 공급 기구측 개구부(46g)와 반구 형상 축부(45a) 사이에 간극이 형성된다. 이 때, 비연료 측에 비하여 연료 측의 압력이 낮아지고 있기 때문에, 필터(47)를 통하여 비연료측 개구부(46e) 내로 외기가 도입된다. 비연료측 개구부(46e) 내에 도입된 외기는 연료 공급 기구측 개구부(46g)와 반구 형상 축부(45a)의 간극, 대경부(45b)의 외경 측을 통과하여, 최종적으로 연료 공급 기구측 구멍부(40d)와 연료 공급 기구측 축부(45c)의 간극, 또 는 연료 공급 기구측 구멍부(40i)로부터 연료 수용부(6)로 도입된다. 그 결과, 연료 수용부(6)의 내압이 상승하여 내압 하한값보다도 높아진다.When the internal pressure of the
연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값보다도 높아지면, 밸브체(45)를 연료 측으로 인입하는 강도에 비하여 스프링(44)의 반발력이 강해지기 때문에, 도 10에 도시된 바와 같이 밸브체(45)는 다시 비연료 측으로 눌리고, 관통 구멍(46d)을 통한 비연료 측으로의 액체 연료의 누설이 억제된다.When the internal pressure of the
한편, 연료 수용부(6)의 내압이 내압 상한값 이상으로 되었을 경우, 도 12에 나타낸 바와 같이 연료 수용부(6)의 내압 상승에 의해 밸브체(46)가 비연료 측으로 눌리고, O링(49)과 결합부(40g) 사이에 간극이 형성된다. O링(49)과 결합부(40g) 사이에 간극이 형성됨으로써, 연료 수용부(6)의 내압은 차례로 연료 공급 기구측 구멍부(40d)와 연료 공급 기구측 축부(45c)의 간극 또는 연료 공급 기구측 구멍부(40i), 대경부(45b)의 외경 측, O링(49)과 결합부(40g) 사이, 결합부(46c)의 외경 측 등을 통하여, 최종적으로 외기측 구멍부(40c, 40h)로부터 그 비연료 측으로 해방된다. 그 결과, 연료 수용부(6)의 내압이 내압 상한값보다도 낮아진다.On the other hand, when the internal pressure of the
연료 수용부(6)의 내압이 내압 상한값보다도 낮아지면, 밸브체(46)를 비연료 측으로 누르는 강도에 비하여 스프링(48)의 반발력이 강해지기 때문에, 이 스프링(48)의 반발력에 의해 밸브체(46)는 연료 측으로 눌린다. 그 결과, 도 10에 도시된 바와 같이 계 합부(46c)와 결합부(40g) 사이가 O링(49)에 의해 차단되고, 이들 사이로부터의 비연료 측으로의 액체 연료의 유출이 억제된다.When the internal pressure of the
다음으로, 압력 해방 기구를 갖는 내압 조정 기구(4)의 다른 예에 대해서 설 명한다. 도 13 내지 도 15는 압력 해방 기구를 갖는 내압 조정 기구(4)의 다른 예를 나타낸 것이며, 비연료 측에 개구하는 동시에 측면부에 개구하는 관통 구멍을 갖는 제1 밸브체의 그 비연료 측의 개구부에 제2 밸브체가 끼워 넣어진 것의 예를 나타낸 것이다. 도 13은 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값보다도 높고 내압 상한값보다도 낮으며, 내압 조정 기능 및 압력 해방 기능의 어느 쪽도 작동하고 있지 않을 때의 상태를 나타낸 것이다. 도 14는 연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값 이하로 되어, 내압 조정 기능이 작동했을 때의 상태를 나타낸 것이다. 도 15는 연료 수용부(6)의 내압이 내압 상한값 이상으로 되어, 압력 해방 기능이 작동했을 때의 상태를 나타낸 것이다.Next, another example of the internal
도 13에 나타낸 바와 같이, 이 내압 조정 기구(4)는 대략 통 형상의 케이스(40) 내에 제1 밸브체인 밸브체(50) 및 제2 밸브체인 밸브체(51)가 축심을 따라 배치된 것이다. 케이스(40)는 비연료 측의 제1 케이스부(40a)와, 이 제1 케이스부(40a)의 연료 측의 외경 측에 일부가 끼워 넣어진 제2 케이스부(40b)로 이루어진 것이다. 그리고, 제1 케이스부(40a)의 연료 측으로서 제2 케이스부(40b)의 내경 측에는 구획재(40j)가 설치되어 있다. 케이스(40)의 비연료 측에는 외기측 구멍부(40h)가 설치되어 있고, 연료 측에는 연료 공급 기구측 구멍부(40d, 40i)가 설치되어 있다. 또한, 구획재(40j)의 축심 부분에는 축 구멍(40k)이 설치되어 있다.As shown in FIG. 13, in this pressure-
외기측 구멍부(40h)의 연료 측에는, 외기 도입 시에 이물의 혼입을 방지하고, 또한 내압을 해방시킬 때에 액체 연료의 유출을 방지하기 위한 필터(52)가 설치되어 있다. 필터(52)는 반드시 한정되지는 않지만, 예를 들어 기체만을 투과시 키고, 액체는 투과시키지 않는 기액 분리체 등이 적합하게 이용된다. 필터(52)의 재질로서는 LDPE(저밀도 폴리에틸렌), HDPE(고밀도 폴리에틸렌) PP(폴리프로필렌) 등의 올레핀계 수지의 소결체나 다공체, PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 등의 폴리에스테르계 수지의 다공체, PTFE(폴리데트라플루오로에틸렌) 등의 불소계 수지의 다공체나 막, 폴리우레탄 등의 우레탄계 수지의 다공체나 발포체 등이 적합하게 이용된다. 또한, 축 구멍(40k)의 비연료 측에 대향하는 위치에는 밸브체(51)의 돌출을 검지하는 검출 장치(53)가 설치되어 있다. 검출 장치(53)로서는, 예를 들어 밸브체(51)의 충돌에 의해 그 돌출을 검지할 수 있는 압전 소자 등을 적합한 것으로서 들 수 있다.On the fuel side of the
밸브체(50)는 비연료측 축부(50a) 및 연료 공급 기구측 축부(50c)를 갖고, 그 비연료 측의 외경 측에는 대경의 대경부(50b)가 설치되어 있다. 밸브체(50)의 내부에는 관통 구멍(50d)이 설치되어 있으며, 이 관통 구멍(50d)은 비연료 측으로 개구된 비연료측 개구부(50e)와, 측면 측에 개구된 측면측 개구부(50f)를 갖고 있다.The
비연료측 개구부(50e)에는, 연료 수용부(6)의 내압이 내압 상한값 이상으로 되었을 경우에 해제됨으로써 내압을 해방시키는 밸브체(51)가 끼워 맞춰져 있다. 이렇게 비연료측 개구부(50e)에 밸브체(51)가 끼워 맞춰져 있음으로써, 통상은 비연료측 개구부(50e)로부터의 비연료 측으로의 액체 연료의 유출이 억제된다. 또한, 내압 상한값의 조정은, 비연료측 개구부(50e)에 대한 밸브체(51)를 끼워 맞추는 강도를 조정함으로써 행할 수 있다.The
또한, 밸브체(51)는 그 비연료 측의 단부가 구획재(40j)의 축 구멍(40k) 내에 삽입되어 있다. 밸브체(51)의 외경(최대 외경)은 축 구멍(40k)의 내경(최소 내경)보다도 소경으로 되어 있다. 밸브체(51)의 외경이 축 구멍(40k)의 내경보다도 작게 되어 있음으로써, 축 구멍(40k) 내를 밸브체(51)가 이동할 수 있고, 또한 이들 사이로부터 외기를 도입하거나, 또는 내압을 해방시킬 수 있다. 또한, 축 구멍(40k) 내를 밸브체(51)가 슬라이딩할 수 있는 한에 있어서, 밸브체(51)의 외경을 축 구멍(40k)의 내경과 대략 동일한 것으로 할 수 있다. 이 경우에는, 밸브체(51)의 외표면 중 비연료측 개구부(50e)에 끼워 넣어진 부분을 제외한 부분에는, 축방향과 평행한 홈부가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이렇게 밸브체(51)의 외표면에 축방향과 평행한 홈부가 설치되어 있음으로써, 밸브체(51)의 외경과 축 구멍(40k)의 내경이 대략 동일하여도 이 홈부를 통하여 외기를 도입하거나, 또는 내압을 해방시킬 수 있다.Moreover, the edge part of the non-fuel side of the
대경부(50b)의 연료 측에는 밸브체(50)의 주위를 둘러싸도록 스프링(44)이 설치되어 있으며, 이 스프링(44)의 반발력에 의해 밸브체(50)는 비연료 측으로 눌리고 있다. 구획재(40j)와 밸브체(50)의 사이로서 밸브체(51)의 주위에는, 예를 들어 고무제의 O링(55)이 설치되어 있다. 이렇게 O링(55)이 구획재(401)와 밸브체(50)에 의해 눌리고 있음으로써, 밸브체(50)의 외경 측을 통과하여 축 구멍(40k)에 액체 연료가 침입하는 것이 억제된다.The
연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값 이하로 되었을 경우, 도 14에 나타낸 바와 같이 연료 수용부(6)의 내압 저하에 의해 밸브체(50)가 연료 측으로 인입된 다. 밸브체(50)가 연료 측으로 이동함으로써, 구획재(40j)와 O링(55) 사이에 간극이 형성된다. 이 때, 비연료 측에 비하여 연료 측이 압력이 더 낮아지고 있기 때문에, 외기측 구멍부(40h)로부터 케이스(40) 내로 외기가 도입되고, 이 도입된 외기는 축 구멍(40k), 구획재(40j)와 O링(55) 사이, 밸브체(50)의 외경 측을 통과하여, 최종적으로 연료 공급 기구측 구멍부(40d)와 연료 공급 기구측 축부(50c) 사이, 또는 연료 공급 기구측 구멍부(40i)로부터 연료 수용부(6)로 도입된다. 그 결과, 연료 수용부(6)의 내압이 상승하여 내압 하한값보다도 높아진다. 이 때, 외기측 구멍부(40h)의 연료 측에 필터(52)가 설치되어 있기 때문에, 연료 수용부(6)로의 이물 혼입이 억제된다.When the internal pressure of the
연료 수용부(6)의 내압이 내압 하한값보다도 높아지면, 밸브체(50)를 연료 측으로 인입하는 강도에 비하여 스프링(44)의 반발력이 강해지기 때문에, 도 13에 도시된 바와 같이 밸브체(50)는 다시 비연료 측으로 눌리고, 축 구멍(40k)을 통한 액체 연료의 누설이 억제된다.When the internal pressure of the
한편, 연료 수용부(6)의 내압이 내압 상한값 이상으로 되었을 경우, 도 15에 나타낸 바와 같이 연료 수용부(6)의 내압 상승에 의해 비연료측 개구부(50e)로부터 밸브체(51)가 해제되고, 관통 구멍(50d)으로부터 차례로 축 구멍(40k), 필터(52), 외기측 구멍부(40h)를 통하여 내압이 해방된다. 이 때, 필터(52)가 기액 분리체로 이루어진 것이면 외기측 구멍부(40h)로부터 내압만이 해방되고, 액체 연료의 누설은 억제되기 때문에 바람직하다. 또한, 이 내압 조정 기구(4)에 대해서는 일단 해제된 밸브체(51)는 자동적으로 원래의 위치로 되돌아가지는 않는다. 이 때문에, 검출 장치(53)에 의해 밸브체(51)의 해제를 검출하는 것이 바람직하다.On the other hand, when the internal pressure of the
이상, 본 발명의 연료 전지(1)에 대해서 설명했지만, 내압 조정 기구(4)가 배치되는 위치는 연료 수용부(6)에 한정되지 않는다. 예를 들어, 연료 분배 기구(5)와 연료 수용부(6) 사이의 유로(7)이어도 된다. 또한, 유로(7)에 내압 조정 기구(4)를 배치할 경우, 펌프(8)의 실질적인 송액 능력의 저하를 억제하는 관점에서, 펌프(8)의 연료 수용부(6) 측의 유로(7)에 배치된다. 또한, 본 발명은 상기 실시형태 그대로에 한정되지 않아, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 또한, 상기 실시형태에 개시되어 있는 복수의 구성요소의 적절한 조합에 의해, 다양한 발명을 형성할 수 있다. 예를 들어, 실시형태에 개시된 모든 구성요소로부터 몇 개의 구성요소를 삭제하여도 된다. 또한, 상이한 실시형태에 걸친 구성요소를 적절히 조합하여도 된다. 또한, 연료 전지 셀에 공급되는 액체 연료에 있어서도, 모두 액체 연료의 증기를 공급하여도 되지만, 일부가 액체 상태로 공급될 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다.As mentioned above, although the
본 발명의 형태에 따른 연료 전지에서는, 연료 공급 기구에서의 적어도 펌프보다도 연료 수용부 측의 부분에 연료 수용부의 내압이 저하되었을 때에 외기를 도입하는 내압 조정 기구가 설치되어 있다. 이러한 내압 조정 기구가 설치되어 있음으로써, 연료 공급 기구에서의 펌프의 실질적인 송액 능력을 확보할 수 있고, 막전극 접합체로의 연료 공급을 안정화하는 동시에, 발전 반응을 효율화할 수 있으며, 출력 특성이 우수한 것으로 할 수 있다. 이렇게, 본 발명의 형태에 따른 연료 전 지는, 출력 특성이 우수한 것이기 때문에, 각종 장치나 기기의 전원으로서 효과적으로 이용할 수 있다.In the fuel cell according to the aspect of the present invention, an internal pressure adjusting mechanism for introducing outside air is provided in at least a portion of the fuel containing portion at the fuel accommodating portion side than the pump in the fuel supply mechanism. By providing such a pressure-resistant adjustment mechanism, it is possible to secure a substantial liquid feeding capacity of the pump in the fuel supply mechanism, to stabilize the fuel supply to the membrane electrode assembly, to improve the power generation reaction, and to provide excellent output characteristics. It can be done. As described above, the fuel cell according to the aspect of the present invention is excellent in output characteristics, and thus can be effectively used as a power source for various devices and devices.
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