KR920009806B1 - 액체연료전지 - Google Patents

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KR920009806B1
KR920009806B1 KR1019840005580A KR840005580A KR920009806B1 KR 920009806 B1 KR920009806 B1 KR 920009806B1 KR 1019840005580 A KR1019840005580 A KR 1019840005580A KR 840005580 A KR840005580 A KR 840005580A KR 920009806 B1 KR920009806 B1 KR 920009806B1
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다까노리 사또오
쓰또무 쓰꾸이
료오따 도이
모도오 야마구찌
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가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼
미다 가쓰시게
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Abstract

내용 없음.

Description

액체연료전지
제1도는 본원 발명의 연료전지의 단(單)셀의 구성을 도시한 사시도.
제2도는 메탄올 탱크에 연료가 들어 있는 상태를 모의적으로 도시한 사시도.
제3도는 메탄올 탱크에 다른 실시예를 도시한 사시도.
제4도는 단셀을 복수개 적층한 연료전지의 사시도.
제5도는 적층형 연료전지에 있어서의 다른 실시예를 도시한 사시도.
제6도는 가스배출구의 구조의 일예를 도시한 단면도.
제7도는 본원 발명의 다른 실시예에 의한 연료공급 및 가스배출 방법을 설명하기 위한 사시도.
제8도는 연료실의 구성을 도시한 사시도.
본원 발명은 액체연료를 사용한 연료전지에 관한 것이며, 특히 단(單)셀을 직렬로 복수개 적층한 적층구조의 액체연료전지에 관한 것이다.
본원 발명은 메탄올, 히드라진 등의 액체연료를 사용하고, 산소, 공기등의 가스형 산화제 또는 과산화수소 등의 액체산화제를 사용한 연료전지에 적용하는데 적합하다.
본원 발명의 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시키 생기는 에너지를 직접 전기에너지로서 취출하는 것이며, 전력용 발전설비, 항공우주기기의 전원, 해상 또는 해안에 있어서의 무인시설의 전원, 고정 또는 이동무선의 전원, 자동차용 전원, 가정전기기구의 전원 또는 레저용 전기기구의 전원 등으로 관심있게 검토되고 있다.
연료전기를 대별하면, 고온(약 500∼700℃)에서 운전되는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃ 근방에서 운전되는 인산전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 운전되는 알카리전해액형 연료전지 또는 산성전해액형 연료전지가 대표적인 것이다.
고온연료전지 및 인산연료전지에 있어서는 연료로서 수소 등의 가스형 연료를 사용하는 일이 많다.
한편, 100℃ 이하에서 사용되는 알카리성 전해액형 연료전지 또는 산성전해액형 연료전지에 있어서는 연료로서 메탄올, 히드라진 등의 액체연료를 사용하는 일이 많다. 또한, 100℃ 이하에서 사용되는 연료전지의 전해질에는 가성(苛性)칼리, 수산화리튬의 수용액 또는 희황산 등을 사용하는 일이 많다.
메탄올, 히드라진 등의 액체연료를 사용한 소위 액체연료전지에 있어서는 전기화학적 반응에 의해서 연료극(燃料極)에 있어서 가스가 발생한다. 메탄올을 사용한 경우에는 탄산가스가 발생하고, 히드라진을 사용한 경우에는 질소가스가 발생한다.
따라서, 연료극에서 생성된 가스를 처리할 필요가 있다. 이 대책으로서, 일본국 특개소 56-979772호 공보에 기재된 발명에 있어서는 연료와 전해액의 혼합물로 이루어진 아놀라이트를 전지의 외부를 통해 연료실에 공급하여 또한 순환시켜서, 연료극에서 생성된 가스를 아놀라이트와 함께 전지의 외부로 인도하고, 거기서 가스만을 분리하여 대기중으로 배출하도록 하고 있다.
일본국 특개소 56-35875호 공보에 기재된 발명에 있어서는 연료 실내에 생성가스만을 통과시키는 기액(氣液)분리층을 형성하고, 생성가스를 이 기액분리층을 통해 전지외부로 배출하도록 하고 있다.
이와 같은 대책은 액체연료전지가 항상 소정의 자세로 사용되고 있을 때에는 유효하다. 그러나, 전지의 자세를 변화시켜 사용하거나 또는 사용 도중에 넘어지거나 해서 자세가 변하는 것에 대하여는 근본적인 대책이 못된다.
액체연료전지를 전기청소기나 잔디 깎는 기계의 전원으로서 사용하거나 할 경우에는, 전지가 넘어지거나 하는 것을 충분히 생각할 수 있다.
전자의 경우에는, 아놀라이트를 순환시키는 배관 및 펄프가 필요해지므로, 연료전지가 넘어졌을 때에는 이들의 접속개소로부터 파손되어 아날라이트가 새어나오거나 또는 펌프가 작동하지 않게 될 우려가 있다.
후자의 경우에도 실제로 전지를 작동시킬 때에는 연료공급구에 별도 연료탱크를 연결해 두는 것이 필요하게 되므로, 역시 넘어지는 것에 의해 접속개소가 파손되어 연료가 새어나오거나 또는 연료가 공급되지 않을 우려가 있다. 더욱이, 후자에 있어서는 연료실내에 기액분리층을 여러개 설치함으로써 연료극과 연료와의 접촉면적이 감소하고, 연료극에 전기화학 반응에 관여하지 않는 부분이 많이 생긴다는 문제도 있다.
본원 발명의 목적은 전지운전시에 있어서의 자세의 제한을 적게 한 액체연료전지를 제공하는데 있다.
본원 발명의 또 다른 목적은 연료극의 연료실측 전체면이 액체연료에 접촉하고, 따라서 연료극 전체가 전기화학적 반응에 관여하도록 한 액체연료전지를 제공하는데 있다.
본원 발명의 또 다른 목적은 산화제실에 산화제를 공급함으로써 즉시 발전을 개시하도록 한 빠른 스타트가 가능한 액체연료전지를 제공하는데 있다.
본원 발명은 연료실 또는 연료탱크의 상하, 보다 바람직한 것은 상하의 대각선을 이루는 위치에 가스만을 투과하고 액체를 투과시키지 않는 기능을 가진 가스배출구를 설치해 두면, 연료전지가 넘어지거나 자세가 변해도 항상 윗쪽에는 가스배출구가 있어서 생성가스를 배출할 수 있다는 착상에 기초하고 있다.
본원 발명에 있어서는, 연료탱크와 연료실을 연결하는 적어도 2개의 통로를 가진다. 이 통로는 연료통로와 연료극에서 발생한 가스의 배출통로의 양쪽을 겸한다.
상기 적어도 2개의 통로는 그 일부가 연료통로로 될 때에 나머지가 가스배출통로로 되도록 상이한 위치에 설치된다. 통로를 2개 설치할 경우에는 상측과 하측에 설치하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 상하에 또한 대각선을 이루는 위치에 설치하는 것이 바람직하다.
상기 적어도 2개의 통로의 각각 및/또는 연료탱크에는 가스를 배기하는 수단을 가진다. 가스배기수단은 상기 적어도 2개의 통로에만 설치해도 되고, 또는 연료탱크에만 설치해도 된다. 물론, 상기 적어도 2개의 통로와 연료탱크의 양쪽에 설치해도 된다. 연료탱크에 설치하는 가스배기수단은 상기 적어도 2개의 통로중의 어느 하나를 통해 연료탱크에 배출된 연료극 생성가스를 대기중에 배출시키기 용이한 위치에 설치하는 것이 바람직하다.
연료탱크에만 가스배기수단을 설치할 경우에는 적어도 2개소에 설치해야 하며, 그 설치위치는 상하가 바람직하며, 보다 바람직하기로는 상하에 또한 대각선을 이루는 위치에 설치하는 것이 바람직하다.
상기 가스배기수단은 기액분리기능을 갖춘 가스배출구를 가진다. 상기 적어도 2개의 통로와 이 통로에 설치한 가스배기수단의 사이, 또는 연료탱크와 이 탱크에 설치한 배기수단과의 사이에는 가스저장수단을 가진다. 이 가스저장수단은 가스배기수단을 포함한 근방의 영역을 액체연료로 채우지 않도록 함으로써 달성된다. 예를 들면, 연료탱크에 가스배기수단을 가진 경우에는 연료탱크내에 가득하게 액체연료를 넣는 것이 아니고, 탱크의 용적보다 적은 양을 넣어서 탱크내의 상측 부분에 액체연료로 채워지지 않은 공간 부분을 형성한다. 이 공간부분에 가스를 저장한다.
연료실과 연료탱크를 연결하는 통로에 가스배기수단을 가지는 경우에도 같으며, 가스배출통로로 되는 통로 전체를 액체연료로 채우는 일이 없도록 하고, 통로내의 상측부분에 공간부분을 형성해서, 거기에 가스를 저장한다.
이와 같이 구성함으로써, 연료전지의 자세의 변화에 대응하여 다른 가스배출구로부터 생성가스를 배기시킬 수 있으며, 연료전지를 모든 자세에서 운전할 수 있다. 더욱이, 연료탱크와 연료실과를 연결하는 적어도 2개의 통로를 연료전지의 자세가 45° 이상 변화했을 때에 다른 통로로부터 연료실에 연료가 공급되도록 해두면 어떠한 자세에서도 연료실에 향상 연료를 공급해 둘 수 있다. 이에 의해서, 산화제실에 산화제를 공급하면 즉시 발전이 개시되고, 빠른 스타트가 가능하게 된다.
가) 연료전지의 구성
일반의 연료전지는 연료실-연료극-전해질층-산화제극-산화제실로 이루어지는 조합을 단셀(單電池)로 하고, 이것을 직렬로 접속하여 원하는 전압을 얻도록 구성된다. 단셀의 기전력이 0.6볼트이면 20개의 단셀을 직렬로 접속하여 기전력 12볼트의 연료전지가 구성된다. 따라서, 각 구성부재는 가급적 얇은 판형상으로 구성되어야 한다.
본원 발명의 연료전지에 있어서는 직렬로 접속한 셀의 한쪽 또는 양쪽의 단부에 연료탱크를 설치한다. 이 연료탱크는 셀에 고정해도 되며, 또는 카세트식으로 해서 착탈가능하게 해도 된다.
연료탱크에는 연료를 연료실에 공급하기 위한 구멍을 2개 이상 형성하고, 또한 45° 이상 기울어진 위치에도 구멍을 존재시킨다. 이와 같이 해서, 연료전지가 45° 이상 기울어졌을 때에 다른 구멍으로부터 연료를 공급할 수 있도록 한다.
본원 발명의 연료전지는 작업자의 어깨에 걸치고 사용할 수 있고, 또한 이와 같은 상태에서 사용되는 일이 많다고 예상된다.
이 경우, 연료전지는 45° 전후 또는 그 이상 기울어질 경우가 많다. 따라서, 45° 이상 기울어져도 운전할 수 있게 해 둘 필요가 있다. 상기 구멍은 상하에 또한 대각선을 이루는 위치에 형성하는 것이 바람직하다. 이 구멍은 연료극에서 생성한 가스를 연료탱크내로 인도하는 가스배출로를 겸한다. 따라서, 윗쪽에 위치하는 구멍이 연료에 의해 막히지 않도록 연료탱크내의 연료의 레벨을 항상 윗쪽에 형성한 구멍의 상면의 위치보다 낮게 유지하는 것이 바람직하다.
연료탱크에 형성한 구멍의 근방에는 위치하는 연료실에도 연료공급구 및 가스배출로를 겸하는 구멍을 통해 연료실로 연료가 공급되고, 또는 생성가스가 배출되도록 한다. 연료실은 일반적으로 카본제 분리기에 요부를 형성함으로써 만들어지므로, 이 분리기에 구멍을 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 함으로써, 연료는 연료탱크내에 하부측에 위치하는 구멍을 통해 연료실에 도달하게 되고, 연료실은 항상 연료탱크내의 액면의 높이와 같은 곳까지 연료로 채워지게 된다.
연료극에서 생성된 가스를 전지외부로 배출하는 배출구는 연료실 또는 연료탱크 또는 연료실과 연료실을 연결하는 통로의 도중의 어느 개소 또는 복수의 개소에 배설할 수 있다. 단, 적층성 연료전지에 있어서는 이미 설명한 바와 같이 단셀의 각 구성부재를 가급적 얇은 판형상으로 하는 것이 바람직하므로, 연료탱크 또는 연료실과 연료탱크를 연결하는 통로의 도중에 가스배출구를 배설하는 것이 바람직하다.
가스배출구는 가스만을 투과하고 액체를 투과하지 않도록 구성할 필요가 있다. 이를 위한 수단으로서, 일본국 특개소 56-97972호 공보에 기재되어 있는 바와 같이 불소계수지, 실리콘계수지, 방수처리한 천 또는 발수성(發水性)을 가진 플라스틱섬유의 부직포(不織布)등으로 된 선택투과막을 사용할 수 있다. 또한, 일본국 특개소 58-35875호 공보에 기재된 발명에 있어서, 기액분리층에 사용되고 있는 재료를 사용할 수도 있다. 단, 본원 발명에 있어서는 가스배출구에도 연료의 액압이 걸리거나 하므로, 기액분리수단의 구성은 보다 한층 신중하게 행한다. 바람직한 기액분리수단은 연료충전부에 놓여진 상태로 장시간 액압이 걸려도 액이 새어나오지 않을 것, 열료미충전부에 놓여진 상태에서 가스압력의 손실을 크게하지 않고 생성가스를 용이하게 배출할 수 있는 기능을 가지고 있는 것이다. 이를 위해서는 발수성을 가진 재질의 섬유를 뭉쳐서 열압착한 것과 같은 시트가 바람직하다. 세사(細絲)를 뭉친 섬유의 직물이나 보풀보풀한 부직포는 기액분리수단으로 사용하는 재료로서는 적당하지 않다. 상기 재료는 후자의 것과 평균 구멍 직경은 같아도 가스투과저항이 작다는 커다란 특징을 가진다.
전술한 기능을 가진 기액분리수단을 연료탱크 또는 연료실 또는 양장를 연결하는 연료통로 겸 가스배출로에 설치하고, 거기에서 생성가스를 배출시키는 구조를 취함으로써, 연료전지의 운전시의 자세에 대한 제한을 적게 할 수 있다.
연료탱크를 셀의 양측에 1개씩 합계 2개 가진 경우에는 1개의 연료탱크에 배설하는 가스배출구의 수는 하나라도 된다. 이 경우에는 대향하는 2개의 연료탱크중 한쪽은 상부, 다른 한쪽은 하부의 위치에 가스배출구를 배설한다. 2개의 연료탱크의 대각선을 이루는 위치에 가스배출구를 배설하도록 하면 더욱 좋다.
또한, 연료탱크를 2개 설치할 경우에는 용적이 다른 연료탱크를 조합하는 것이 바람직하다. 그것도 큰쪽의 연료탱크의 용적을 작은쪽의 연료탱크의 용적의 2배 이상으로 하는 것이 바람직하다. 2개의 연료탱크의 용적이 같으면, 적층형 액체연료전지의 적층방향을 상·하방향으로 하여 운전할 때에 연료의 대부분이 하부측의 연료탱크로 되돌아가 버려서 전지가 작동하지 않게 되든가 또는 셀의 적층수에 비하여 얻어지는 출력이 낮아지며, 또한 전지수명도 짧아진다. 연료탱크의 용적을 상이하게 하면, 용적이 작은쪽의 연료탱크를 하부측에 위치시키면 연료실의 상부측에도 연료를 공급할 수 있게 되어 높은 출력을 얻을 수 있다. 연료탱크를 2개 설치함으로써, 연료극에 있어서 생성되는 가스를 연료탱크가 하나의 경우보다 연료실에서 배출시키기 용이하다는 효과도 얻어진다. 또한, 연료실내의 연료의 액면이 전지의 작동에 따라서 내려가는 것을 지연시킬 수 있는 효과도 얻어진다. 이와 같은 효과를 충분히 발휘하기 위해서, 용적이 작은쪽의 연료탱크의 용적은 큰쪽의 탱크의 용적의 1/5의 크기보다 작게 하지 않는 것이 바람직하다.
전해질에는 액체연료 비투과성의 유기고분자 전해질을 사용해서 연료실내의 연료가 연료극 이외로 가지 않도록 하고, 또한 연료실에는 운전정지시에도 항상 연료가 공급되어 있도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이하면 산화재실에 산화제를 공급하면 즉시 발전이 개시되어 빨리 스타트할 수 있다.
본원 발명에 있어서는, 연료로서 메탄올을 사용할 수 있으나, 이 경우에는 메탄올이 연료극을 투과하여 전해질실에 침입하고, 또한 이것이 산화제극에 도달하여 산화 또는 연소해 버린다.
이것을 방지하기 위해서, 메탄올의 투과를 억제하기 위한 격리벽을 연료극과 전해질실과 사이에 설치하는 것이 바람직하다. 이 격리실로서 예를 들면 이온 교환막이 있다.
나) 전해질
본원 발명의 연료전지에 있어서는, 산성 또는 염기성의 전해질을 사용할 수 있다. 또한, 액체 또는 고체의 전해질을 사용할 수 있다.
단, 액체전해질을 사용한 경우에는 전해액실내에 저당되어야 할 전해질이 액체연료의 사이의 농도구배(句配)에 따른 희석현상에 의해 다공질의 연료극을 통해서, 연료실로 유출하는 현상이 일어난다.
상기의 대책으로서, 연료실에 전해액으로 희석한 연료혼합물(이것을 통상 아놀라이트라 함)을 공급하는 것이 좋다. 이렇게 하면, 전해질의 농도차가 작아져서 전해액실에서 연료실로의 전해질의 유출이 적어진다. 그러나, 전해액으로 연료를 희석한다는 것은 전지 본래의 기능으로서는 불필요한 대책이며, 연료의 농도도 그만큼 작아져서, 연료보다도 전해액을 순환시키기 위해 동력이 소비되고, 에너지효율이 낮아진다. 또한, 강한 부식성의 전해질을 연료와 함께 공급 또는 순환시킨다는 것은 구성재료의 제약외에 사용자에 있어서 불편하다.
고체전해질을 사용하면, 액체의 전해질을 사용한 경우에 있어서의 전술한 문제점을 모두 해소할 수 있다.
고체전해질로서는 폴리스티렌술폰산 등의 유기고분자 전해질을 사용하는 것이 바람직하다.
유기고분자 전해질의 형성방법으로서는 예를 들면 전해질 유지프레임에 이온 교환막을 고정하고, 그 한쪽면 또는 양면에 상기 전해질 조성물을 담지시킨다. 이와 같이하면, 전해질 구조체의 두께가 매우 작아지고, 또한 전지의 조립도 용이해진다.
전해질 유지프레임은 절연물이 적합하고, 예를 들면 각종 플라스틱판 또는 시트, 필름이 있다. 전술한 증조제(增稠制) 또는 스페이서재를 혼입한 전해질 조성물을 사용하면 전극간의 단락을 방지할 수 있다.
다른 방법으로서, 0.1∼5mm 특히 0.3∼2mm의 프레임체에 전술한 유기고분자 전해질 조성물을 건조상태로 또는 페이스트형으로 담지시키면 박형(薄型)의 전해질 구조체가 된다. 산화제극 및/또는 연료극의 대향면에 유기고분자 전해질 조성물을 사용할 때와 같이 높은 조립정밀도는 요구되지 않으며, 기액분리수단에 사용하는 재료에 대한 제한도 적어진다. 액체전해질을 사용했을 때에는 연료전지의 취급상의 실패예를 들면 낙하 또는 장해물에의 충돌에 의해 전지프레임이 파손되었을 때에 전해질이 용이하게 새어나오지만, 고체전해질이라면 외부로 새어나오기 어렵다.
또한, 본원 발명에서 말하는 고체전해질이란 액체성분을 포함하지 않는 의미는 아니고 고분자전해질을 물에 용해하고, 필요에 따라 증조제를 첨가하여 페이스트형으로 한 것도 포함하는 의미로 사용하고 있다.
다) 연료실
연료전지에 있어서의 전기화학적 반응은 메탄올 연료전지를 예로 들면 다음과 같다.
연료극(-극)
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
산화제 극(+극)
3/202+6H++6e-→3H2O
연료극에 있어서의 상기 반응을 유효하게 행하도록 하기 위해서는 연료를 항상 연료극의 최상단까지 접촉시켜 두고, 연료극의 전체면을 반응에 이용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
그러나, 연료실내의 액면의 높이는 연료탱크내의 액면의 높이와 같으며, 연료탱크를 완전하게 채우도록 연료가 들어 있는 것은 아니므로, 연료극의 상부에는 연료에 접촉하지 않는 부분이 생긴다. 또한, 전지의 작동중에 있어서의 연료의 소모도 있으므로, 연료극이 연료와 접촉하는 면적은 서서히 감소한다.
이와 같은 상태에서도 연료가 연료극에 충전되도록 하기 위해서 연료실에 모세관작용으로 연료를 흡상(吸上)할 수 있는 섬유질의 흡상재(吸上材)를 설치하는 것이 유효하다.
흡상재료로서는 예를 들면 종이, 목면, 아스베스트유리 등의 유기 또는 무기섬유기재(基材), 아크릴섬유, 방향족 폴리아미드섬유, 나일론섬유, 폴리아미드이미드섬유, 폴리에스테르섬유, 폴리프로필렌섬유 등의 합성섬유 기재 등을 사용할 수 있다. 재질적으로 특히 바람직한 것은 내산성 또는 내알칼리성의 것이다. 천연유기질섬유 기재를 사용할 경우는 수지바니스로 처리한 것이 유효하다. 물론 수지처리량은 모세관현상을 상실하지 않을 정도로 억제할 필요가 있다. 또한, 섬유질 기재외에 예를 들면 알루미나 또는 실리카 등의 무기분말의 소결체와 같은 다공질판을 사용할 수도 있다. 이 경우, 재질로서는 친수성(親水性)의 것이 보다 바람직하다. 그러나, 본 발명자들의 실험에 따르면 메탄올과 같이 카본에 대해 친화성을 갖는 연료를 포함할 경우는 소수성(疎水性) 재료로도 사용가능한 것을 확인하였다. 모세관재료의 두께는 재질이나 공극밀도의 차이에 의해 일률적으로는 정할 수 없으나, 강도나 내팽윤성(耐膨潤性)의 점에서 10μm 이상이 적당하다.
이 흡상재에 의한 연료공급법은 고체전해질을 사용한 경우에 채용함으로써 효과가 크다. 왜냐하면, 액체전해질을 사용한 메탄올연료전지에서는 연료실에 아놀라이트를 공급하는 것이 필요해지고, 연료실의 희황산의 양은 통상의 연료전지의 경우에 50∼79체적%를 점유하게 된다. 이와 같이, 메탄올의 농도가 낮으므로, 흡상방식으로 하면 연료극의 상단에까지 충분한 양의 연료를 공급하는 것이 어렵다.
이것에 대해서, 고체전해질을 사용한 경우에는 연료실에 메탄올을 단독 또는 반응에 필요한 소량의 물을 첨가한 메탄올을 공급할 수 있으므로, 흡상방식에 의해 연료극의 상단까지 충분히 연료를 공급할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본원 발명의 연료전지에 있어서는 전해질에 고체전해질을 사용하고, 또한 연료흡상방식을 채용하는 것이 가장 바람직하다.
다음에, 본원 발명의 실시예에 대하여 도면에 따라 상세히 설명한다. 제1도는 본원 발명의 일실시예에 의한 메탄올-공기연료전지의 단(單)셀의 구성을 도시한 사시도이다.
단셀은 공기실을 형성하고, 또한 집전체(集電體)를 겸하는 그래파이트제의 분리기(20), 분리기(20)에 인접하여 공기극(21), 이어서 이온교환막(22), 메탄올극(23)에 인접하는 유기고분자 전해질판(24) 및 연료실을 구성하고, 또한 집전체를 겸하는 그래파이트제의 분리기(25)를 순차 중첩하여 구성된다. 분리기(20)에 홈(30)을 형성하여 공기통로로 한다. 메탄올극(23) 및 공기극(21)은 카본블랙 또는 아세틸렌블랙 등의 도전성입자에 백금과 같은 귀금속입자로 이루어지는 촉매활성성분을 담지시키고, 이것을 카본페이퍼 또는 산 또는 알카리에 대해 내식성을 가진 금속망등의 도전성 기재에 도포하는 등 해서 첨착한 것이다. 촉매활성성분은 메탄올극 또는 공기극의 적어도 전해질측에 형성된다.
이 실시예에서는, 메탄올 탱크(27)내의 메탄올을 연료실(25)에 흡상하기 위한 흡상재(26)가 설치되어 있다. 더욱이, 분리기(25)의 메탄올극측과 반대측의 면에 접하도록 메탄올탱크(27)가 설치되어 있다. 메탄올탱크(27)의 연료실(25)측에는 상하의 대각선을 이루는 위치에 각각 구멍(28a),(28b)이 형성되어 있다. 그리고, 분리기(25)의 그들 구멍과 대응하는 위치에도 각각 구멍(29a),(29b)이 형성되어 있다. 이들 구멍은 메탄올의 공급로와 메탄올극에서 생성한 가스의 배출로를 겸한다. 메탄올탱크(27)내의 메탄올은 제1도에 도시한 상태에 있어서, 구멍(28b)의 상면의 높이보다 낮은 위치까지 들어 있다. 이 제1도에 도시한 상태에 있어서, 메탄올탱크(27)내의 메탄올은 구멍(28a)으로부터 구멍(29a)을 통해 연료실로 들어가서 흡상재(26)에 의해 연료실의 상부까지 충전된다. 전기화학적 반응에 의해 메탄올극에서 생성된 가스는 구멍(29b)으로부터 구멍(28b)을 통해 메탄올탱크(27)내로 들어가고, 기액분리수단을 가진 가스배출구(31)에서 전지외부로 배출된다. 그리고, 가스배출구는 도시한 메탄올탱크(27)의 상면에 배설한 외에 저면의 상기 상면측 가스배출구(31)와 대각선을 이루는 위치에도 배설되어 있다.
제1도에 도시한 상태로부터 연료전지의 자세가 180° 전환한 경우에도 전지의 구성은 제1도에 도시한 것과 하등 변화가 없다. 이번에는 메탄올이 구멍(28b)으로부터 구멍(29b)을 통해 연료실로 들어가고, 생성가스가 구멍(29a)으로부터 구멍(29a)을 통해 메탄올탱크로 들어가서 제1도에 있어서의 도시하지 않은 저면측과 가스배출구에서 전지외부로 배출된다.
제1도에 도시한 상태로부터 연료전지의 자세가 90° 변했을 때에, 메탄올탱크 및 연료실의 상부에는 가스배출로로 되는 구멍이 존재하고, 하부에는 메탄올공급로로 되는 구멍이 존재하게 된다. 따라서, 연료전지의 운전을 행할 수 있고, 또한 생성가스의 전지외부로의 배출도 행할 수 있게 된다.
이 실시예에서는, 종래의 메탄올 연료전지와 같이 아놀라이트공급, 순환을 위한 펌프 등의 보조기기가 불필요하다.
제2도는 메탄올탱크(27)내에 메탄올(1)이 들어 있는 상태를 모의적으로 도시한 것이다. 메탄올(1)의 액면의 높이는 구멍(28b)의 상면보다 낮게 할 필요가 있다. 탱크내의 메탄올이 충전되어 있지 않은 구역을 생성가스의 저장에 이용하고, 가스배출 구(31)에서 전지외부로 배출한다.
제3도는 본원 발명의 다른 실시예에 관한 것이다. 이 실시예에서는 메탄올탱크(27)의 한쪽편의 상하에 구멍(28a),(28b)이 형성되어 있다. 이들 구멍은 세로로 길다란 하나의 구멍으로 해도 된다.
이 실시예에 관한 메탄올탱크를 갖춘 연료전지에 있어서는 연료실에 메탄올이 공급되는 측과 생성가스가 배출되는 측이 같다.
그러므로, 메탄올탱크(27)가 제3도에 나타낸 자세 또는 이것을 180° 전환한 자세로 운전될 때에는 좋으나, 90° 변한자세로 운전될 때에는 부적당하다. 따라서, 연료전지를 사용할 때의 자세가 제1도에 도시한 구조의 메탄올탱크를 갖춘 것에 비하여 제한된다.
단, 이 구조의 연료전지는 메탄올 공급계 및 가스배출계를 메탄올탱크의 한쪽편에만 설치하면 되므로, 연료전지를 전체로서 소형화 할 수 있다는 특징이 있다.
그리고, 제3도의 실시예에 있어서는 가스배출구는 반드시 대각선을 이루는 위치에 배설하지 않아도 된다. 도시한 바와 같이 상면 및 저면의 대향하는 위치에 가스배출구를 배설할 수 있다. 또는, 탱크의 측면중 연료실에 접히는 면을 제외한 어느 하나의 면의 상하에 가스배출구를 배설하도록 해도 된다.
제4도는 복수개의 단셀을 직렬로 접속하여 양단에 메탄올탱크를 설치한 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서는 메탄올극과 전해질과 이온교환막을 공기극을 편의상 1매의 판으로 나타내고 있다. 연료실 및 공기실은 하나의 공통의 그래파이트제의 분리기(40)를 사용하여 그 표면에 형성하고 있다. 즉, 그래파이트재 분리기(40)의 한쪽면에 홈(30)을 형성하여 공기통로를 형성하고, 다른쪽 면에 요부를 형성하여 그곳에 연료 흡상재(26)를 설치하고 있다.
단셀을 복수개 적층함으로써, 각각의 분리(40)에 형성한 구멍(29a)(29b)이 연통하고, 메탄올탱크로부터 연료실로 메탄올을 공급하는 통로 및 가스배출로를 형성한다.
이 통로도 포함하여, 단셀의 부품을 형성하든가 또는 이 통로를 포함한 프레임 예를 들면 플라스틱을 가공하여 만든 프레임을 별도로 만들고, 이 프레임내에 단셀의 각 구성부재를 삽입함으로써, 구조적으로 콤팩트한 연료전지를 조립할 수 있다.
단셀을 복수개 적층하면 양측에 판을 맞대어 볼트등의 체결부재로 체결하여, 적층에 의한 단셀 사이의 접촉저항이 높아지지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하지 않고 단셀의 각 구성부재를 접착제에 의해 접착하여 고정하는 것도 가능하다.
제4도에서는 메탄올탱크가 셀을 사이에 두도록 하여 양쪽에 설치되고, 가스배출구는 한쪽의 탱크(27)의 상면과 다른쪽의 탱크(270)의 하면에 각각 한개씩 배설되어 있다. 가스배출구(31)와 (310)는 대각선을 이루는 위치에 있다. 이들 가스배출구(31) 또는 (310)의 어느 한쪽을 분리할 수 있도록 구성해두면, 거기서 연료를 보급할 수 있다.
이와 같이, 메탄올탱크를 2개 설치하는 것은 연료전지를 장시간 운전할 필요가 있어서 연료탱크에 대용량의 것을 사용하지 않으면 안될 경우에 대용량의 탱크를 사용하지 않아도 될 수 있으므로 유리하다. 또한, 연료탱크를 2개 설치하고, 그 한쪽 또는 양쪽을 카트리지 타입으로 해두면 탱크내의 연료가 감소했을 때에 탱크를 새로운 것과 교환해서 연료의 액면높이를 높일 수 있다. 단, 이 경우에는 연료탱크를 셀에서 분리했을 때에 양자의 접속개소에서 셀내의 메탄올이 새어나오거나 또는 탱크내의 나머지 메탄올이 밖으로 새어나오지 않도록 대책을 강구해 둘 필요가 있다. 이 대책으로서는 가스배출구의 경우와 같이 상기 접속개소의 근방의 셀측 및 연료탱크측에 기액분리수단을 설치하는 것이 고려된다.
제4도에 도시한 연료전지에 있어서는 메탄올탱크(27)에 형성한 구멍(28a) 및 메탄올탱크(270)에 형성한 구멍(280a)을 통해 연료실에 메탄올이 공급된다. 한편, 생성가스는 구멍(29b)으로부터 구멍(28b)을 통해 메탄올탱크(27)내의 연료가 충전되어 있지 않은 공간에 저장되고, 가스배출구(31)에서 전자외부로 배출된다.
제4도에 도시한 구조의 연료전지에 있어서는 연료전지의 자세가 변하고, 메탄올탱크(27)가 상측으로 탱크(270)가 하측으로 되었을 경우, 또는 그 반대로 되었을 경우에도 연료전지는 작동하고, 또한 생성가스를 전지외부로 배출할 수 있다.
또한, 연료는 분리기에 형성한 구멍을 통해 연료실에만 공급되게 되어 있으며, 또한 연료실에는 운전정지시에도 항상 연료가 충전되게 구성되어 있다. 따라서, 산화제실에 산화제를 공급하면 즉시 발전이 되어 빨리 스타트할 수 있다.
제5도는 단셀의 직렬로 복수개 적층하고, 양쪽에 연료탱크를 설치한 연료전지의 다른 실시예를 도시한 것이다. 이 실시예에서는 가스배출구(98),(99)를 메탄올탱크에 배설하지 않고 그래파이트제의 분리기를 설치하고, 탱크내의 메탄올을 연료실로 보내는 통로의 도중에 있어서 생성가스를 전지외부로 배출하도록 하고 있다. 이 가스배출구는 반대측면의 하측에도 설치되어 있다.
이와 같이, 가스배출구를 연료공급통로에 형성해도 생성가스의 전지 외부로의 배출을 지장없이 행할 수 있다. 또한, 제5도에 있어서 부호(111) 및 (112)는 어느 것이나 단자를 도시하고 있다.
제6도는 가스배출구의 구조의 일예를 도시한 것이다. 이 실시예에서는 메탄올탱크의 상면에 가스배출구를 배설한 경우가 도시되어 있으나, 하면에 배설하는 경우도 같으며, 분리기에 배설하는 경우에도 이 방식을 적용할 수 있다.
가스배출구는 연료전지의 자세가 제1도 또는 제4도에 도시한 상태로부터 180° 전환하거나 또는 90° 전환해도 액의 누출을 일으키는 일이 없고, 더욱이 액압이 걸린 후에도 생성가스를 전지외부로 배출한 수 있는 것이 필요하다.
이를 위해서는 가스배출구에 기액분리수단을 설치할 필요가 있고, 불소계수지, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 등의 발수성을 가진 섬유를 뭉쳐서 열압착하여 다공질의 시트형으로 하든가 또는 50μm 이하의 극히 얇은 필름형으로 하여 가스배출구에 설치하는 것이 바람직하다.
그러나, 이것을 단독으로 사용한 것으로는 강도적으로 약하고 액압이 걸렸을 때에 파손되어 버린다. 그래서, 제6도와 같이 구성하는 것이 바람직하다.
제6도에서는 액압이 걸려도 강도적으로 견디는 재료로 이루어지는 덮개(6)에 의해서 발수성 다공질막(5)을 보강하도록 하고 있다. 덮개(6)에는 가스를 투과시키기 위한 구멍(6a),(6b),(6c)이 형성되어 있다. 덮개의 재료는 예를 들면 탱크와 같은 재료로 이루어진다. 이 실시예에서는 덮개(6)를 탱크(27)에 나사홈으로 고정하고 있으나, 이것은 탱크내로의 연료입구를 겸하게 한 때문이다.
덮개(6)와 발수성 다공질막(5)의 사이에 다른 다공질의 보강재(7)를 개재시키는 것은 발수성 다공질막의 파괴를 적게 하는데 보다 바람직하다.
제7도는 연료통로 겸 가스배출로를 메탄올극 또는 공기극의 중앙에 배설한 것이다.
이와 같이 함으로써, 연료실내에서의 연료공급과 생성가스배추을 위한 경로를 짧게 할 수 있다.
제8도는 연료실의 구조의 일예를 도시한 것이다. 연료실은 액불침투성의 카본판에 연료를 충전하는 요부를 형성한 것만으로도 된다. 그러나, 이 실시예와 같이 액불침투성의 카본판에 연료를 충전하는 요부를 형성하여 거기에 흡상재(26)를 설치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 흡상재를 사용함으로써 연료극 전체면에 연료를 접촉시킬 수 있다.
이상 도면에 따라 설명하였으나, 본원 발명은 여기에 기재한 것에 한정되는 것은 아니다. 특허청구의 범위에 기재된 범위내에서 여러가지의 변경이 가능하다.
예를 들면 메탄올 연료전지 이외의 액체연료전지에도 작용할 수 있고, 제4도에 도시한 구조의 연료전지에 있어서 연료실의 측면에 메탄올탱크를 설치하도록 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본원 발명에 의하면 연료전지의 자세가 변해도 발전을 행할 수 있고, 또한 연료를 누출시키지 않고 생성가스만을 전지외부로 배출할 수 있다.
또한, 산화제실에 산화제를 공급함으로써 연료전지를 빨리 스타트시킬 수 있다.

Claims (23)

  1. 전해질을 사이에 두고 대향하는 연료극과 산화제극, 상기 연료극에 인접하는 연료실, 상기 산화제극에 인접하는 산화제실 및 상기 연료실에 액체연료를 공급하는 연료탱크를 가진 것에 있어서, 상기 연료극에서 발생한 가스를 상기 탱크로 인도하는 수단과, 상기 탱크내에 형성된 상기 가스를 저장하는 연료 미충전공간 및 상기 연료 미충전공간에 저장된 상기 가스를 탱크외부로 배출하는 배출구를 가진 가스배출수단을 가지고, 상기 가스배출구를 연료전지의 자세가 45° 이상 기울어졌을 때에 다른 배출구로부터 가스가 배출되도록 상이한 위치에 2개 이상 가지며, 또한 상기 가스배출구의 각각에 기액분리수단을 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  2. 제4항에 있어서, 상기 탱크내의 상부와 하부에 상기 가스배출구를 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  3. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 가스배출구를 상하의 대각선을 이루는 위치에 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  4. 전해질을 사이에 두고 대향하는 연료극과 산화제극, 상기 연료극에 인접하는 연료실, 상기 산화제극에 인접하는 산화제실 및 상기 연료실에 액체연료를 공급하는 연료탱크를 가진 것에 있어서, 상기 연료탱크내의 연료 미충전공간과 상기 연료실과를 연결하는 통로 및 이 통로와 대각선을 이루는 위치에 상기 연료탱크내의 연료를 상기 연료실에 공급하는 통로를 가지며, 또한 상기 연료탱크내의 연료 미충전공간 및 그것과 연통하는 통로의 적어도 한쪽 및 상기 연료탱크의 연료충전부 및 그것과 연통하는 통로의 적어도 한쪽에 기액분리수단을 갖춘 가스배출구를 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  5. 제7항에 있어서, 상기 가스배출구를 상기 연료탱크의 상하의 대각선을 이루는 위치에 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  6. 전해질의 사이에 두고 대향하는 연료극과 산화제극, 상기 연료극에 인접하는 연료실, 상기 산화제극에 인접하는 산화제실을 가진 단(單)셀을 직렬로 복수개 접속하고, 상기 연료실에 액체연료를 공급하는 연료탱크를 가진 것에 있어서, 상기 연료탱크내의 연료 미충전공간과 상기 단셀의 연료실과를 연결하는 통로를 가지며, 상기 통로와 상기 연료탱크의 연료 미충전공간부의 적어도 한쪽에 기액분리수단을 갖춘 가스배출구를 가지며, 또한 가스배출구를 연료전지의 자세가 45° 이상 기울어졌을 때에 다른 배출구로부터 가스가 배출되도록 2개 이상 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  7. 제12항에 있어서, 상기 통로보다 하부측에서 또한 상기 통로와 대각선을 이루는 위치에 상기 연료탱크내의 액체연료를 상기 단셀의 연료실의 전부에 공급하는 통로를 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  8. 제13항에 있어서, 상기 연료공급을 위한 통로에 기액분리수단을 가진 가스배출구를 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  9. 제13항에 있어서, 상기 연료탱크의 연료충전부에 기액분리수단을 가진 가스배출구를 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  10. 제15항에 있어서, 상기 가스배출구를 상기 연료탱크의 연료 비충전공간부 또는 그 미충전공간부와 연통하는 통로의 적어도 한쪽에 배설한 가스배출구와 대각선을 이루는 위치에 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  11. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 단셀의 연료실에 연료흡상(吸上)수단을 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  12. 제17항에 있어서, 상기 전해질이 고체전해질로 이루어진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  13. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 단셀의 연료실이 카본제의 분리기에 요부를 형성한 것으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  14. 제19항에 있어서, 상기 카본제의 분리기에 상기 연료탱크의 연료 미충전공간과 상기 연료실과 연결하는 통로를 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  15. 제19항에 있어서, 상기 분리기에 상기 연료탱크내의 연료를 상기 연료실에 공급하기 위한 통로를 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  16. 제15항에 있어서, 이 가스배출구가 상기 연료탱크를 180° 전환했을 때에 연료 미충전공간으로 되는 위치에 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  17. 제18항에 있어서, 상기 액체연료가 메탄올로 이루어진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  18. 전해질을 사이에 두고 대향하는 연료극과 산화제극, 상기 연료극에 인접하는 연료실, 상기 산화제극에 인접하는 연료실을 가진 단셀을 직렬로 복수개 접속하고, 상기 연료실에 액체연료를 공급하는 연료탱크를 가진 것에 있어서, 상기 연료탱크를 상기 단셀이 직렬로 접속된 측의 양단에 가지며, 상기 양단의 연료탱크내의 연료 미충전공간의 적어도 하나와 상기 연료실과를 연결하는 통로를 가지고, 상기 통로 및 이 통로와 연통하는 상기 연료탱크의 연료 미충전공간부의 적어도 한쪽에 기액분리수단을 갖춘 가스배출구를 가지며, 또한 상기 가스배출구를 연료전지의 자세가 45° 이상 기울어졌을 때에 다른 배출구로부터 가스가 배출되도록 상이한 위치에 2개이상 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  19. 제24항에 있어서, 상기 양단의 연료탱크의 적어도 한쪽의 연료충전부와 상기 연료실과를 연결하는 통로를 상기 연료 미충전공간과 연료실과를 연결하는 통로에 대하여 대각선을 이루는 위치에 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  20. 제25항에 있어서, 상기 연료공급을 위한 통로 및 그 통로와 연통하는 상기 연료탱크의 연료충전부의 적어도 한쪽에 기액분리수단을 갖춘 가스배출구를 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  21. 제25항에 있어서, 상기 연료탱크의 한쪽은 상부의 연료 미충전공간부, 다른쪽은 아래쪽의 연료충전부에 각각 상기 가스배출수단을 가지며, 또한 그들의 가스배출수단을 대각선을 이루는 위치에 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  22. 제24항에 있어서, 상기 양단의 연료탱크의 각각의 상부와 하부의 대각선을 이루는 위치에 상기 가스배출구를 가진 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
  23. 제24항에 있어서, 상기 얀단의 연료탱크의 한쪽의 용적이 다른쪽의 용적보다 2∼5배 큰 것을 특징으로 하는 액체연료전지.
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