KR100526368B1 - 직접형 연료 전지 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 기전부로 구성되는 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 관한 것으로 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적은 안정된 연료 공급을 수행할 수 있다.
애노드 촉매층을 포함하는 애노드극과, 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극과, 상기 애노드극 및 상기 캐소드극의 사이에 배치되는 전해질막을 구비하는 기전부 단위를 적어도 2개 구비하는 동시에, 연료가 수용되어 있는 연료 용기와, 상기 기전부 단위로 연료를 공급하기 위한 연료 유로를 구비한 직접형 연료 전지 발전 장치에 있어서, 상기 연료 유로(3)가 연료 용기로부터 제1 기전부 단위와 제2 기전부 단위를 경유하여 다시 제1 기전부 단위로 환류(還流)되는 유로이며, 그 사이에 유로의 분기가 이루어지지 않는 경로를 가지고 있다.

Description

직접형 연료 전지 발전 장치 {DIRECT-TYPE FUEL CELL POWER GENERATION APPARATUS}
본 발명은, 연료로서 메탄올 또는 메탄올 수용액 등을 사용하는 직접형 연료 전지 발전 장치에 관한 것으로, 특히 연료가 통류되는 유로판의 유로의 형상을 개량하는 것으로 안정된 출력이 얻어지는 것에 관한 것이다.
연료 전지는 전기 화학 반응에 의해 수소, 탄화수소 혹은 알콜 등의 연료가 갖는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서, 고효율 또한 저공해형의 발전 장치로 각광 받고 있다.
이 연료 전지중, 이온 교환 수지막을 전해질로 이용하는 고체 고분자형 연료 전지는 전기 자동차용 전원이나 주택용 전원으로서 근년에 개발이 가속화되고 있는 연료 전지이다. 이 고체 고분자형 연료 전지는 애노드 전극측에 수소를 포함하는 연료 가스, 캐소드 전극측에 산소 가스 혹은 공기를 공급한다. 애노드 전극·캐소드 전극에 있어서 각각 (식I) 및 (식II)에 도시하는 반응을 일으켜 기전력이 발생한다.
애노드 전극 : 2H2 → 4H+ + 4e- (식I)
캐소드 전극 : O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (식II)
즉, 애노드 전극 내부의 촉매에 의해 수소로부터 전자와 프로톤이 생성되고, 전자는 외부 회로로 취출된다. 프로톤이 프로톤 도전성 전해질막 내를 전도하여 캐소드 전극에 도달하면 캐소드 전극 내부의 촉매상에서 전자 및 산소와 반응하여 물이 생성된다. 이와 같은 전기 화학 반응에 의해 발전이 수행된다.
한편, 근년에는 직접형 메탄올 연료 전지가 주목을 끌고 있다. 도58에 직접형 메탄올 연료 전지에 있어서의 기전부 단위의 구조를 도시한다. 직접형 메탄올 연료 전지의 구성은 프로톤 도전성 전해질막(7)(예를 들면, 퍼플루오로카본슬폰산계 이온 교환막으로, 듀폰사 제조 Nafion 등이 바람직하게 이용된다)을 애노드 전극(3)과 캐소드 전극(6)으로 협지한 것으로 되어 있다. 각각의 전극은 기판(1, 5)과 촉매층(2, 4)으로 구성되어 있으며, 촉매층은 퍼플루오로카본슬폰산 수지에 촉매 또는 촉매가 담지(擔持)된 카본 블랙 등이 분산되어 구성된다. 촉매는 일반적으로 귀금속 촉매 혹은 그 합금으로, 카본 블랙 등의 담체에 담지하여 이용되는 경우가 많다. 애노드 전극의 촉매로는 Pt - Ru합금, 또는 캐소드 전극의 촉매로는 Pt가 바람직하게 이용된다. 이 연료 전지를 구동시키려면 애노드 전극측에 메탄올과 물, 캐소드 전극에 산소 가스 혹은 공기를 공급함으로써, 애노드 전극·캐소드 전극 각각에서 (식III), (식IV)에 도시하는 반응이 발생한다.
애노드 전극 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- (식III)
캐소드 전극 : (3/2)O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O (식IV)
즉, 애노드 전극 촉매층중의 촉매에 의해 메탄올과 물로부터 전자와 프로톤과 이산화탄소가 생성되고, 생성된 이산화탄소는 대기중에 방출된다. 전자는 전류로서 외부로 취출된다. 또한, 프로톤은 프로톤 도전성 전해질막을 이동하여 캐소드 전극에 도달하여 전자 및 산소와 반응하여 물이 생성된다. 이 전기 화학 반응에 의거하여 발전이 이루어진다.
이 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 있어서는 개방 회로 전압이 통상 0.6V 내지 0.8V이며, 부하 전류를 동반하는 실제의 발전에 있어서는 0.5V 부근의 전압까지 저하된다. 그래서, 전자 회로나 전기 기기의 동작이 보상되는 전압을 얻기 위하여 여러 개의 기전부 단위를 전기적으로 접속할 필요가 생긴다. 따라서, 이들 여러 개의 기전부 단위를 적층(스택)하고, 이들에 대하여 균등하게 연료를 공급하기 위한 유로 형상이나 배관이 필요하게 되어, 여러가지 제안이 나오고 있다. 이렇게 많은 유로 또는 배관의 구성을 크게 나누면, 연료가 수용되어 있는 연료 용기로부터 인도되고 있는 배관이나 유로를 기전부 단위의 개수만큼 분기시킨 병렬형 유로로 하고 있는 것과, 하나의 유로가 여러 개의 기전부 단위를 순회하는 직렬형 유로의 2가지로 나눌 수 있다.
그러나, 전자에서는 유로의 분기나 배관에 기인한 각 기전부 단위에 대한 연료 공급 상태의 분산이 발생하기 쉬워, 그 분산을 감소시키기 위한 한층 더한 고안을 필요로 한다. 또한, 후자에 있어서도 축차 복수의 기전부 단위로 연료가 소비되어 버리기 때문에, 유로 전반에 위치하는 기전부 단위와 유로 후반에 위치하는 기전부 단위에서의 연료 농도차에 따른 출력의 차이를 일으켜, 이들에 있어서도 그 차이를 감소시키기 위한 면밀한 유로 형상의 설계가 필요하게 된다.
또한, 복수의 기전부 단위와 유로판을 스택화하는 방법으로는 기전부 단위의 애노드 전극 또는 캐소드 전극이 한 방향으로 갖추어지도록 교대로 적층시키는 바이폴라 구조가 널리 채용되고 있다. 이 바이폴라 구조에서는 기전부 단위를 사이에 끼운 유로판을 전기 양도체 부재로 형성하여 한장의 유로판의 한면에 연료용 유로를 설치하여 연료를 공급하고, 또 한면에 산화제용 유로를 설치하여 산화제를 공급하고, 이 유로판을 기전부 단위를 단순히 교대로 적층시키는 것만으로 전기적인 직렬 상태를 용이하게 얻을 수 있다. 즉, 복수의 기전부 단위로부터의 전기적 출력을 직렬로 하기 위한 전기 배선을 생략할 수 있기 때문에, 스택 구조를 간략화시킬 수 있다.
그러나, 실제로는 기계적 강도 혹은 공간적 제약이 보상되는 적층수의 스택 단위를 여러 개 병렬로 배치하고, 각각을 전기적으로 접속하는 수단이 취해지는 경우가 많다. 예를 들면, 도전성인 유로판끼리를 절연성 부재로 서로 절연시켜 집합시키는 구조가 제안되고 있다.
이 바이폴라형 스택의 소형화를 수행하기 위해서는, 기전부 단위 그 자체에 의존하는 요소를 제외하면 유로판 자체의 박형화가 가장 효과적이어서 구조적 및 재료적 관점에서 검토가 이루어지고 있다.
구조적으로 유로판의 두께를 박형화하기 위해서는 애노드 및 캐소드 유로의 깊이를 얕게 하는 방법, 및 애노드/캐소드 유로를 나누는 층의 두께를 얇게 하는 방법을 생각할 수 있다. 전자에 관해서는 유로에서의 압력 손실에 의해 제한되는데, 펌프로의 부담을 무시하기만 하면 이론적으로는 매우 얇게 할 수 있지만, 실제로는 펌프에 소비되는 전력을 포함하는 시스템 전체에서의 발전 효율이나 공작 정밀도를 고려해야만 한다. 후자에 관해서는 재질의 연료나 산화제에 대한 투과성에 제한되어, 박막화함에 따라 재료의 강도가 제한이 된다.
또한, 재료적 관점에서 유로판을 박형화하는 시도도 이루어지고 있다. 통상, 유로판 재질로는 전기 도전성을 갖는 재료로서 카본이 이용되는 경우가 많은데, 순수한 카본에서는 강도, 투과성, 공작 정밀도와 같은 관점에서 1 내지 2mm 이하의 두께로 하는 것은 불가능하다. 따라서, 다소의 수지를 침투시키거나 혼합시킴으로써 상기 특성을 향상시킨 것이 이용된다. 그러나, 카본 이외의 비도전성 성분의 비율을 높게 하면 전기적 저항이 높아질 뿐만 아니라, 일반적으로는 박형 성형에 적합한 수지 또는 플라스틱에서의 강도에 필적할 만한 특성을 지니게 하기는 어렵다.
이에, 상기한 카본제 유로판에 있어서의 강도나 투과성의 문제를 해결한다는 점에서 금속을 유로판으로 이용하는 것도 제안되고 있다. 그러나, 유로판은 연료나 산화제 및 전극부와 접하여 전류를 취출하는 부분이기 때문에, 유로판 재료로 이용하는 금속은 충분한 내식성을 가져야만 한다. 화학적 관점에서 이용 가능한 금속은 금, 백금, 로듐, 이리듐, 루테늄 등의 귀금속이지만, 이들 금속 재료를 이용한 유로판을 공업상 응용한다는 것은 코스트면에서 생각하기 어렵다. 따라서, 통상 금속 유로판을 형성하는 데에 있어서는 약간 내식성을 갖는 이금속인 티탄이나 일부 합금 등을 기재(基材)로 하고, 그 표면 전면에 상기 귀금속계 금속에 의한 코팅을 실시하는 수법을 취하고 있다. 그러나, 이와 같이 작성한 유로판에 있어서도 전극 체결시에 핀홀 정도의 흠이 발생하면 그 부분으로부터 부식이 진행된 것으로 생각되어, 상기 코스트면도 감안한다면, 유로판 재료로서 금속보다 카본을 이용하는 편이 현상에서는 유리하다고 생각된다.
이상에서 기술한 바와 같이, 바이폴라형 스택을 박형화하는 시도는 구조 및 재료의 관점에서 여러가지로 시도되고 있으나, 현상을 크게 개선시키기에는 이르지 못했다. 이와 같은 상황에 있어서, 스택을 구조적으로 박형화하는 방법의 하나로, 하나의 유로판에 산화제 또는 연료만을 공급하고, 유로판 양면에 캐소드 전극 또는 애노드 전극만을 설치하는 모노폴라형의 스택 구조도 근년에 제안되었다.
모노폴라 구조에서는 바이폴라 구조에 비해 기전부 단위의 양극의 방향이 스택 적층 방향으로 갖추어져 있지 않기 때문에, 적층하는 것만으로 간단히 복수 기전부 단위에 따른 전기적 직렬 상태 구성할 수 없다는 결점이 있다. 한편, 한장의 유로판에는 산화제나 연료중 어느 한쪽만이 공급되므로, 표리의 유로를 독립시킬 필요가 없고, 따라서 표리 유로를 나누는 두께만큼 배제시킬 수 있다는 점에서 구조적으로 유리해진다. 또한, 바이폴라 구조와 같은 깊이 상당의 유로라도 습윤 주위부 길이가 짧아진다는 점에서 유로의 압력 손실이 내려갈 것으로 예상되어, 유로 깊이를 더욱 얕게 할 수 있게 된다.
이에, 특히 소형화의 요구가 강한 휴대 정보 단말용 연료 전지 발전 장치의 스택 구조로는 모노폴라형 스택 구조가 유망하다. 나아가, 이와 같은 응용을 생각한 경우, 기화기나 개질기 등의 보충기를 필요로 하지 않는 직접형 메탄올 연료 전지가 이용될 가능성이 높아, 직접형 메탄올 연료 전지 용도 모노폴라형 스택 구조의 제안이 기대되고 있다.
여기서, 직접형 메탄올 연료 전지에서는 애노드 전극에 있어서 메탄올 수용액의 소비가 수행됨에 따라 동일한 애노드 전극에서 반응 생성물인 이산화탄소가 기포로 발생한다. 또한, 발생하는 기체의 이산화탄소의 체적은 공급되는 액체의 메탄올 수용액에 비해 몇 배의 체적이며, 유로중에서의 이산화탄소의 체적 팽창은 유로 중에서의 메탄올 수용액의 흐름을 저해하는 큰 원인이 된다. 일단, 유로 내부에서의 메탄올 수용액의 흐름의 저해가 일어나면, 애노드 전극에 있어서 연료 공급률속을 일으켜 고부하 전류 밀도를 뺄 수 없게 되어 버린다.
즉, 이 사실은 직접형 메탄올 연료 전지의 출력 저하를 의미하며, 유로 내부에 체류하는 이산화탄소가 없어질 때까지 출력이 회복되는 일은 없다. 이 기액 2층류의 문제는 캐소드 전극측의 유로에서도 일어날 수 있는데, 기체에 비해 액체의 체적 변화율이 작은 점, 또한 벽간 마찰력이 큰 점 등의 이유로 캐소드 전극측의 유로 내부에서 발생하는 문제보다 훨씬 심각하다. 즉, 연료로서 기체인 수소를 애노드 전극에 공급하며, 나아가 기체 생성물을 생성할 일이 없는 고체 고분자형 연료 전지(PEM, PEFC)보다 액체 연료를 공급하는 직접형 메탄올 연료 전지에 있어서 심각한 문제가 되고, 이 관점에서의 유로 설계가 직접형 메탄올 연료 전지 용도 모노폴라형 유로판을 제안하는 데에 있어서 중요한 포인트가 된다.
이에, 먼저 직접형 메탄올 연료 전지에 있어서, 유로 내부에서의 메탄올 수용액의 원활한 흐름을 실현하기 위해서는 유로 단면을 작게 하는 것이 일반적으로 수행되고 있다. 이는 유로를 흐르는 연료의 유속을 실효적으로 증대시킴으로써, 유로 내부에 발생하는 이산화탄소를 압출하기 쉽게 하기 위해서이다. 아울러, 유로 단면을 작게 한 상태에서 연료가 기전부 단위의 전면에 골고루 전달되도록 하기 위해서는 가는 유로가 몇 번이나 접힌 형상을 이루는 서펜타인형 유로가 직접형 메탄올 연료 전지의 유로로서 자주 이용된다.
특히, 이 서펜타인형 유로는 바이폴라형 유로판으로 용이하게 형성할 수 있기 때문에, 바이폴라형 유로판을 형성할 때에 서펜타인형 유로를 채용하는 경우가 많다. 아울러, 발전 효율을 올리기 위하여, 기전부 단위와 메탄올 수용액이 접하는 면적을 크게 하도록, 역행하여 이웃하는 유로를 나누는 빗형 볼록부의 폭을 좁게 하는 일이 수행된다.
그러나, 발전 효율을 올리기 위하여 극단적으로 빗형 볼록부의 폭을 좁게 하면, 기전부 단위 전극의 가장 외측의 집전부는 다공질이기 때문에, 그곳으로부터 팽창하는 이산화탄소의 기포가 이웃하는 유로를 단락하여 유로의 진행 방향으로 질서 바르게 압력이 부하되지 않게 되어 버린다. 이에 따라, 단락된 이산화탄소의 기포가 통과되지 않게 된 유로 부분에는 연료가 체류된다는 문제를 일으킨다. 반대로, 연료의 단락이 일어나면 이산화탄소의 체류라는 문제를 일으켜 버린다. 따라서, 일반적으로는 빗형 볼록부 구조의 폭은 대략 1mm 전후를 기본으로 설계되는 일이 많다.
즉, 직류형 메탄올 연료 전지에 있어서의 바이폴라형 유로판에 적절한 연료 공급을 수행하기 위해서는 빗형 볼록부 구조의 폭이 1mm 정도의 서펜타인형 유로를 채용하는 것이 바람직하다. 아울러, 적절한 압력에 의해 기전부 단위의 전극면을 유로판에 압박시킬 필요가 있다.
그러나, 모노폴라형 유로에 대하여 동일한 유로 구조를 이용할 수는 없다. 왜냐하면, 유로판의 양면을 관통하도록 만들어진 서펜타인형 유로에 있어서는 빗형 볼록부 구조가 유로판의 주위로부터 극히 작은 1군데 부분에서만 떠있는 상태가 되어, 바이폴라형 유로판에서는 그다지 문제가 되지 않는 유로 내의 압력에 있어서도 쉽게 이산화탄소나 연료의 단락을 일으키기 때문이다. 또한, 이 문제를 해결하는 방법은 여전히 제안되지 않고 있으며, 근년 연구가 수행되고 있는 모노폴라형 유로의 유로 형상으로는 직선의 복수의 유로가 평행하게 나열되어 있을 뿐인 단순한 구조를 이용하는 데에 그치고 있다. 이에, 발전 효율을 향상시키기 위한 유로 형상 및 그 형상을 실현시키기 위한 유로판 구조, 재료의 제안이 기대되고 있다.
이상에 들은 바와 같은 모노폴라 구조의 문제는 형성이 용이한 금속제 유로판의 경우에 있어서도 마찬가지이며, 또한 유로판의 절단면이 매우 많아지는 만큼 내식성 처리의 균일성을 올리기가 더욱 어려워진다. 또한, 바이폴라 구조와 마찬가지로, 기전부 단위를 유로판 평면 방향으로 병렬 배열시키는 데에 있어서는 절연 부재를 통한 복잡한 구조를 취하지 않을 수 없다.
[특허문헌 1]
특허 공개 평11-67258호 공보
상술한 직접형 메탄올 연료 전지는 다음과 같은 문제가 있었다. 즉, 직접형 메탄올 연료 전지에 있어서는 액체 연료인 메탄올의 에너지 밀도의 높이면에서 휴대 전자 기기의 전원으로 기대되고 있으며, 또한 연료가 액체라는 점에서도 연료 가압의 필요가 없으며, 나아가 수소를 연료로 하는 고체 고분자형 연료 전지에 비해 유로와 기전부 단위의 간극으로부터의 연료 누출의 가능성도 적다. 따라서, 고체 고분자형 연료 전지의 연료 공급용 유로와는 달리 비교적 복잡한 유로 구조나 유로 배치가 가능하다고 생각되지만, 여전히 병렬형 유로와 직렬형 유로의 각각의 문제점을 해결한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 있어서의 유로 구조가 제안되지 않고 있다.
아울러, 집전을 위한 카본을 주체로 한 유판을 채용하는 한은 유로판 1장당의 박형화를 수행하기 위한 카본재의 개량과 개발의 필요성, 평면 방향에서의 병렬화를 위한 절연성 부재를 이용한 일체 성형화 기술의 필요성, 복수 종류의 부재가 제조 공정에서 필요로 하는 번잡성 등으로 인해 휴대 기기용 소형 연료 전지 발전 장치의 신속한 개발과 생성의 장애가 된다.
이에, 본 발명은 복수의 기전부 단위로 구성되는 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 있어서, 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적어지며 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있는 직접형 연료 전지 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해 본 발명의 직접형 연료 전지 발전 장치는 다음과 같이 구성되어 있다.
(1) 전해질막을 애노드 촉매층을 포함하는 애노드극과 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극을 협지하여 형성된 복수의 기전부 단위로 이루어지는 기전부 단위군과, 이들 기전부 단위군의 애노드극에 당접하여 배치되는 동시에 내부에 연료가 통류되는 제1 유로가 형성된 제1 유로판과, 상기 기전부 단위군의 캐소드극에 당접하여 배치되는 동시에 내부에 산화제가 통류되는 제2 유로가 형성된 제2 유로판을 구비하는데, 상기 제1 유로는 그 입구로부터 출구에 걸쳐 분기되는 일 없이 상기 기전부 단위군의 모든 애노드극에 접촉하도록 통과하는 동시에, 적어도 하나의 기전부 단위의 애노드극에는 여러 번 접촉하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
(2) 전해질막을 애노드 촉매층을 포함하는 애노드극과 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극을 협지하여 형성된 복수의 기전부 단위로 이루어지는 기전부 단위군과, 이들 기전부 단위군의 캐소드극에 당접하여 배치되는 동시에 내부에 산화제가 통류되는 제1 유로가 형성된 제1 유로판과, 상기 기전부 단위군의 애노드극에 당접하여 배치되는 동시에 내부에 연료가 통류되는 제2 유로가 형성된 제2 유로판을 구비하는데, 상기 제1 유로는 그 입구로부터 출구에 걸쳐 분기되는 일 없이 상기 기전부 단위군의 모든 캐소드극에 접촉하도록 통과하는 동시에, 적어도 하나의 기전부 단위의 캐소드극에는 여러 번 접촉하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 직접형 액체 연료 전지 발전 장치로서, n은 상기 기전부 단위군이 갖는 기전부 단위의 수, s는 상기 제1 유로가 각 기전부 단위를 각각 통과하는 횟수, h는 유로 영역의 수이며 n과 s의 곱, br, m(1 ≤ m ≤ n, 1 ≤ r ≤ s)는 상기 유로 영역에 할당된 번호이며 h 이하의 자연수, Zbr, m은 각 유로 영역의 유로 공급구로부터의 거리, Lo는 상기 제1 유로의 실효적인 길이를 나타낼 때,
를 총족시키는 것을 특징으로 한다.
(4) 전해질막을 애노드 촉매층을 포함하는 애노드극과 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극을 협지하여 형성된 제1 및 제2 기전부 단위층과, 제1 기전부 단위군의 애노드극에 당접하여 배치되는 동시에 연료가 통류되는 제1 유로가 형성된 제1 유로판과, 한쪽 면측에 상기 제1 기전부 단위군의 캐소드극에 당접하여 산화제가 통류되는 제2 유로가 형성되는 동시에, 다른 쪽 면측에 상기 제2 기전부 단위군의 캐소드극에 당접하며 산화제가 통류되는 제3 유로가 형성된 제2 유로판과, 상기 제2 기전부 단위군의 애노드극에 당접하여 배치되는 동시에 연료가 통류되는 제4 유로가 형성된 제3 유로판과, 외부와의 접속에 이용되는 외부 전극을 구비하는데, 상기 제1 내지 제3 유로판은 절연 부재로 구성되며, 상기 제1 내지 제3 유로판에는 상기 제1 및 제2 기전부 단위층의 애노드극 및 캐소드극 상호간 또는 상기 외부 전극을 도통하는 도전부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
(5) 전해질막을 애노드 촉매층을 포함하는 애노드극과 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극을 협지하여 형성된 제1 및 제2 기전부 단위군과, 제1 기전부 단위군의 캐소드극에 당접하여 배치되는 동시에 산화제가 통류되는 제1 유로가 형성된 제1 유로판과, 한쪽 면측에 상기 제1 기전부 단위군의 애노드극에 당접하여 연료가 통류되는 제2 유로가 형성되는 동시에, 다른 쪽 면측에 상기 제2 기전부 단위군의 애노드극에 당접하며 연료가 통류되는 제3 유로가 형성된 제2 유로판과, 상기 제2 기전부 단위군의 캐소드극에 당접하여 배치되는 동시에 산화제가 통류되는 제4 유로가 형성된 제3 유로판과, 외부와의 접속에 이용되는 외부 전극을 구비하는데, 상기 제1 내지 제3 유로판은 절연 부재로 구성되며, 상게 제1 내지 제3 유로판에는 상기 제1 및 제2 기전부 단위층의 애노드극 및 캐소드극 상호간 또는 상기 외부 전극을 도통하는 도전부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
(6) 상기 (4) 또는 (5)에 기개된 직접형 액체 연료 전지 발전 장치로서, 상기 제1 유로판은, 상기 유로가 상기 유로판의 평면 방향에서 굴곡 또는 사행하는 형상으로 형성된 반응 유로와, 상기 제1 유로판의 두께 방향에서 관통하는 관통 유로를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
(7) 상기 (4) 또는 (5)에 기재된 직접형 액체 연료 전지 발전 장치로서, 상기 제1 내지 제3 유로판은 각 유로의 단면 형상을 유지하기 위한 보강 부재가 유로 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
(8) 상기 (7)에 기재된 직접형 액체 연료 전지 발전 장치로서, 상기 보강 부재는 상기 유로 단면 면적의 50% 이하의 단면적이며, 또한 0.2mm 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
(9) 상기 (7) 또는 (8)에 기재된 직접형 액체 연료 전지 발전 장치로서, 상기 보강 부재는 상기 도전부의 일부를 형성하고 있는 것을 특징으로 한다.
(10) 상기 (4) 또는 (5)에 기재된 직접형 액체 연료 전지 발전 장치로서, 상기 유로판은 상기 유로중 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극에 접촉하고 있는 부분 상호간에 터널형으로 형성된 관통부를 가지며, 그 관통부의 출구 또는 입구가 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극의 단부로부터 상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 내측 방향 0.5mm 이상 1.0mm 이내의 범위에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
(11) 상기 (4) 또는 (5)에 기재된 직접형 액체 연료 전지 발전 장치로서, 상기 유로판은 상기 유로중 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극에 접촉하고 있는 부분과, 상기 유로의 공급구 또는 배출구 사이에 터널형으로 형성된 관통부를 가지며, 그 관통부의 출구 또는 입구가 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극의 단부로부터 상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 내측 방향 0.5mm 이상 1.0mm 이내의 범위에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
(12) 상기 (4) 또는 (5)에 기재된 직접형 액체 연료 전지 발전 장치로서, 상기 유로판은 복수의 절연성 수지 부재를 접합함으로써 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
(13) 상기 (4) 또는 (5)에 기재된 직접형 액체 연료 전지 발전 장치로서, 상기 절연 부재는 폴리에테르이미드 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리슬폰 수지, 폴리에테르슬폰 수지, 멜라민·페놀 수지, 실리콘 수지, 폴리카보네이트 수지, 내열 비닐에스테르 수지, 비스페놀F형 에폭시 수지, 페놀노보락형 에폭시 수지, 페놀 수지, 디아릴프탈레이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리부틸렌텔레프탈레이트 수지중 어느 하나, 혹은 서로 다른 복수의 수지 부재의 조합에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
(14) 상기 (4) 또는 (5)에 기재된 직접형 액체 연료 전지 발전 장치로서, 상기 유로판에는 상기 연료 또는 상기 산화제를 일시적으로 저장하는 공간이 일체 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
(15) 애노드 촉매층을 포함하는 애노드극과, 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극과, 상기 애노드극과 상기 캐소드극 사이에 배치되는 전해질막을 구비하는 기전부 단위를 적어도 2개 구비하는 동시에, 연료가 수용되어 있는 연료 용기와, 상기 기전부 단위에 산화제 또는 연료를 공급하기 위한 유로가 형성된 유로판을 구비하는데, 상기 유로가 상기 연료 용기로부터 제1 기전부 단위와 제2 기전부 단위를 경유하여 다시 제1 기전부 단위로 환류되는 유로이며, 그 사이에 분기가 이루어지지 않는 유로를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.
[제1 실시 형태]
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 기전부 단위를 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(100)를 도시하는 사시도, 도2의 (a) 내지 (d)는 이 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(100)의 요부를 도시하는 도면으로, (a)는 도면중 상측에 위치하는 절연성 유로판(101)의 상면도, (b)는 도면중 상측에 위치하는 절연성 유로판(101)의 저면도, (c)는 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(100)를 (a), (b)에 있어서의 α1-α1선의 위치에서 절단하여 화살표 방향으로 본 단면도, (d)는 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(100)를 (a), (b)에 있어서의 α2-α2선에서 절단하여 화살표 방향으로 본 단면도이다.
도2중 101이 절연성 유로판(연료측), 102가 절연성 유로판(산화제측), 103이 연료 유로, 104가 연료 유로 공급구, 105가 연료 유로 배출구, 106이 연료 이면의 유로 덮개체, 107이 수지성 봉지재, 108a, 108b가 기전부 단위, 109가 공기 유로, 110이 유로가 기전부 단위(108a,108b)에 면하지 않도록 유로 덮개체(106)측으로 굴곡시킨 유로 부분, 111이 전류 인출용 금속제 박막을 도시하고 있다. 또한, 기전부 단위(108a, 108b)는 전술한 도58에 도시한 구조가 채용되고 있다. 또한, 도2중 103a 내지 103h는 연료 유로(103)중 개개의 영역을 나타내고 있다.
이 발전부 요부의 연료 유로 공급구(104)에는 연료 펌프(도시 않음)를 통해 연료 공급 수단에 접속되어 연료가 공급되도록 되어 있다. 또한, 공기 유로(109)에는 공기 등의 산화제를 공급하기 위한 이것도 공기 펌프(도시 않음)가 접속되고, 또한 전류 인출용 금속제 박막(111)에는 이것도 전극 단자(도시 않음)가 접속되어 연료 전지 발전 장치를 구성하고 있다. 공기를 공급하는 공기 유로(109)의 형상은 종래의 병렬형 유로와 동일하다(도15 참조).
이와 같이 구성된 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에서는 다음과 같이 하여 발전이 수행된다. 즉, 연료 공급 수단으로부터 공급되는 메탄올 수용액 등의 연료는 연료 유로 공급구(104)로부터 공급된다. 이어서, 연료는 기전부 단위(108a)에 면하는 연료 유로(103)를 영역 103a, 103b, 103c를 순차 통과하고, 아울러 기전부 단위(108b)에 면하는 연료 유로(103)를 영역 103d, 103e, 103f, 103g의 순서로 통과하고, 나아가 기전부 단위(108a)에 면하는 영역(103h)을 경유하여 연료 유로 배출구(105)로부터 계외로 배출된다. 이와 같이 연료가 영역 103a, 103b, 103c, 103h를 통과하는 동안은 기전부 단위(108a)의 애노드 전극 기판에 연료를 공급하고, 영역 103d, 103e, 103f, 103g를 통과하는 동안은 기전부 단위(108b)에 연료를 공급하게 된다.
이와 같은 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 있어서는, 제1 기전부 단위(108a)와 제2 기전부 단위(108b)에 연료를 공급하는 연료 유로(103)에 있어서, 연료 유로(103)의 분기를 형성하지 않고 제1 기전부 단위(108a)로부터 제2 기전부 단위(108b)를 통과한 연료 유로(103)는 다시 제1 기전부 단위(108a)로 연료를 공급하도록 순환된다. 그리고, 복수의 기전부 단위(108a, 108b)에 있어서 연료 공급량이 거의 동등해지도록 연료 유로(103)와 기전부 단위(108a, 108b)의 발전 요소의 접촉 면적을 조정함으로써, 발전 출력의 안정성을 개선시킬 수 있다.
도3의 (a)는 상술한 유로판(101)의 제1 변형예에 관한 유로판(131)의 저면도이다. 도3의 (a)중, 131이 유로판, 132가 기전부 단위(108)의 전극부가 배치되는 부분, 133 및 134가 연료 유로(135)의 공급구 또는 배출구, 135가 연료 유로이다. 이들 유로 형상에 있어서는, 첫번째 기전부 단위의 전극부에 대하여 연료의 공급을 수행한 후 다른 기전부 단위의 전극에 공급을 수행하고, 아울러 그 후 연료 유로의 분기를 수행하지 않고 다시 첫번째 또는 기타 기전부 단위에 공급을 수행하고 있다. 본 실시예에 있어서도 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(100)와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도3의 (b)는 상술한 유로판(101)의 제2 변형예에 관한 유로판(141)의 저면도이다. 도3의 (b)중 141이 유로판, 142가 기전부 단위(108)의 전극부가 배치되는 부분, 143 및 144가 연료 유로(145)의 공급구 또는 배출구, 145가 연료 유로이다. 이들 유로 형상에 있어서는, 첫번째 기전부 단위의 전극부에 대하여 연료의 공급을 수행한 후 다른 기전부 단위의 전극부에 공급을 수행하고, 아울러 그 후 연료 유로의 분기를 수행하지 않고 다시 첫번째 또는 기타 기전부 단위에 공급을 수행하고 있다. 본 변형예에 있어서도 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(100)와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제1 실시 형태에 있어서 기전부 단위로의 연료의 공급량은 기전부 단위에서의 전류 밀도와 동일한 점에서 중량 보존칙에 따라 식(3)과 같이 기술할 수 있다.
단, 식(3)에서의 Z는 연료 유로의 유로 공급구로부터의 거리(cm), S는 기전부 단위의 면적(㎠), Lo는 실효적인 연료 유로의 전장(cm), So는 유로 단면적(㎠), J는 전류 밀도(A/㎠), ρ는 위치 Z에 있어서의 연료 밀도(g/㎤), ρo는 초기 연료 밀도(g/㎤), u는 연료 유로 내에 있어서의 연료의 유속(cm/sec), F는 페러데이 정수이며 96487C/mol로 하고, 메탄올 분자량을 32, 물의 분자량을 18, 1반응당 얻어지는 전자수를 6으로 하였다. 식(3)의 답은 식(4)에 의해 주어진다.
식(4)에 있어서의 연료 농도는 후술하는 식(5)에 의해 메탄올 수용액 연료의 몰 농도C(mol/l)와 결부되어 최종적으로 식(6)이 도출된다. 단, 희석되지 않은 메탄올의 밀도를 0.8g/㎤로 하였다.
도4는 직접형 메탄올 연료 전지의 기전부 단위에 있어서의 전류 전압 특성의 메탄올 수용액의 초기 농도에 대한 의존성을 도시한 특성도이다. 측정시의 조건은 온도 70℃, 메탄올 수용액 연료의 유속은 0.07cm/min, 공급 공기의 유속은 11cm/min이며, 연료 유로의 길이 또는 연료 농도의 변화를 무시할 수 있는 면적의 기전부 단위를 이용하였다. 이 도4에 도시한 전류 전압 특성의 연료 농도 의존성에서, 연료 농도의 차이가 10% 이내의 범위인 경우 한계 부하 전류 밀도의 50 ± 10%의 부하 전류치에 있어서의 전압치의 차이는 무시할 수 있다는 것이 이해되는데, 식(6)에 따라 유로 공급구로부터의 거리의 변화는 연료 농도의 변화분 △C = Co - C와 동일치인 것을 이해할 수 있으며, 즉 일정 연료 농도 기전부 단위에 있어서의 유로장이 10% 달라도 한계 부하 전류 밀도의 50 ± 10%의 부하 전류치에 있어서의 전압치의 차이는 무시할 수 있다고 생각할 수 있다.
또한, 연료 전지 발전 장치를 가능한 한 적은 연료에 의해 장시간 구동하기 위해서는 공급한 연료가 갖는 전기량중 외부 회로로 취출되는 발전량의 비율, 즉 연료 이용 효율을 향상시킬 필요가 있다. 그러나, 식(6)에서도 알 수 있듯이, 연료 유로중의 연료 농도의 감소는 유로 공급구로부터의 거리에 비례하며, 연료 공급구로부터 배출구에 이르기까지의 연료 이용 효율이 높아지면 높아질수록 연료 유로 후반에 위치하는 기전부 단위에 있어서의 출력이 현저히 저하되는 것은 명확하다. 즉, 이는 연료 유로 후반부에 있어서의 연료 농도의 현저한 감소(10% 이상의)가 한계 부하 전류 밀도의 감소와 연결되기 때문이다. 따라서, 모든 기전부 단위에 공급되는 연료의 농도차를 작게 할 고안이 필요한데, 후술하는 연료 유로의 전극부로의 할당 방법을 이용하면 각 기전부 단위에 공급되는 연료 농도의 평균을 기전부 단위간에서 근접시킬 수 있게 된다.
도5의 (a), (b)는 식(2)에 정의된 연료 유로의 할당 방법을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 또한, 도5의 (c)에 대해서는 후술한다. 도5의 (a), (b)중 151은 기전부 단위, 152는 분할된 실효적인 유로 영역, 153은 실효적이지 않은 유로 영역, 154는 분할된 기전부 단위의 영역, 155는 연료 유로의 연료 공급구, 156은 연료 유로의 연료 배출구이다. 또한, 도5의 (a)는 br, m의 분할된 실효적인 연료 유로의 영역에 대한 대응 관계를 나타내고 있으며, 도5의 (b)는 Lbr, m의 분할된 실효적인 유로 영역에 대한 대응 관계를 도시하고 있다.
도5의 (a), (b)중 유로 폭은 모든 장소에서 같으며, n은 유로가 연료를 공급하는 기전부 단위의 수이며, m은 그 중의 임의의 기전부 단위를 나타낸다. s는 연료 유로가 각 기전부 단위를 통과하는 횟수를 나타내며, 모든 기전부 단위에서 동등한 값을 취한다. 즉, 연료 유로는 각 기전부 단위에서 s개의 영역으로 분할되게 되고, 전체에서는 ns(=h)개의 영역으로 분할되게 된다. 여기서, 연료 유로에 연료가 공급되고 있는 경우에 도면중 ns개의 전극부의 영역은 모두 애노드 전극이다. 또한, 연료 유로 대신에 공기 유로로한 경우에는 공기(산화제)가 공급되게 되고, 이 경우에는 ns개의 전극부의 영역은 모두 캐소드 전극이 된다.
수열 br, m은 1 이상 h 이하의 자연수로, h개로 분할된 영역에 대하여 도5의 (a)에 기재한 바와 같이 할당된 번호를 도시하고 있다. 도5의 (a)에 있어서 연료 유로는 첫번째 영역(b1, 1)을 경유한 후 2번째 영역(b1, 2)을 경유하고, 나아가 3번째 영역(b1, 3)을 경유하며, 이것을 n번째 영역까지 반복한다. 그후 마지막으로 경유한 n번째의 기전부 단위에 있어서의 다른 영역(b2, n)을 경유하고, 그곳을 기점으로 반대 순서로 각 영역을 경유하여 처음의 기전부 단위로 되돌아간다. 도5의 (a)에 있어서는 이를 s/2회 반복하고 있으며, 따라서 s는 짝수인 경우이다.
또한, 수열 br, m은 식(7)의 점화(漸化)식을 만족시키는 것이 나타내어진다. 일반적으로 이 식(7)의 답은 식(8)로 쓸 수 있으므로, 식(8)에 식(7)을 대입한 식(9)에 의해 상술한 식(2)가 도출된다.
식(6)에 도시되는 바와 같이, 연료 유로중의 연료 농도의 농도는 유로 공급구로부터의 거리에 비례하여 감소한다. 따라서, 각 기전부 단위에 공급되는 연료 농도의 차이를 작게 하기 위해서는 각 기전부 단위를 통과하는 유로 영역 1에서 s의 유로 공급구로부터의 평균 거리의 기전부 단위마다의 차이를 작게 하면 된다. 이에, 임의의 기전부 단위 m(1 ≤ m ≤ n)으로 분할되는 유로 영역r(1 ≤ r ≤ s)의 연료 공급구로부터의 실효적 길이를 식(10)에 의해 정의한다.
단, Lbr, m은 기전부 단위 m에 의해 분할되는 유로 영역(r)의 길이이다. 나아가, 기전부 단위 m에 유로로부터 공급되는 실효적인 연료 농도는 기전부 단위 m을 통과하는 s개의 유로 영역에서 평균 낼 필요가 있다. 이에, 이 기전부 단위 m에 공급되는 실효적인 연료 농도는 식(10)에서 정의되는 Zbr, m을 s개의 유로 영역에 관하여 평균 낸 길이에 의해 결정된다고 생각해도 좋다. 이 기전부 단위 m과 유로 공급구와의 실효적 길이 Zm을 식(11)에 의해 정의한다.
아울러, 가장 이상적으로는 모든 Lbr, m을 같은 길이로 설계하여 유로의 배분을 수행하면 된다. 이 동일한 길이로 설정된 Lbr, m을 Le로 두면 식(11)에 식(10)을 대입한 식은 이하의 식(12)와 같이 다시 쓸 수 있다.
여기서, <Zm>은 모든 Lbr, m이 Le로 되었을 때의 m번째의 기전부 단위에 있어서의 Lbr, m의 평균을 나타낸다. 아울러, 이 <Zm>을 n개의 기전부 단위에 관하여 평균한 길이를 <Z>라고 한다면 <Z>는 식(13)으로 정의되며, 실제로 계산을 수행하면 식(14)에 의해 주어진다는 것이 나타내어진다.
아울러, Le에 모든 유로 영역의 수 sn(= h)를 곱한 길이를 실효적인 유로의 전장으로서 Lo를 이용하여 나타내면, 식(15)와 같이 Le를 쓸 수 있다. 아울러, 식(15)에서 정의되는 <Z>는 식(16)으로 쓸 수 있다.
여기서, 모든 전극 단위 m에 있어서의 유로 공급구로부터의 실효적 길이의 평균 <Zm>이 후술하는 식(17)의 부등식을 만족시킨다고 하면, 식(18)로 나타내어지는 바와 같이 임의의 기전부 단위 m, m'에 대한 <Zm>, <Zm'>의 차이는 <Z>의 10% 이내의 차이에 들게 된다. 따라서, 상기 의론에서도 알 수 있듯이, 기전부 단위마다의 농도차도 n개의 기전부 단위로 공급되는 연료 농도의 평균치의 10% 이내에 수납되게 된다. 이 사실은 모든 기전부 단위로부터 얻어지는 출력이 거의 동등해진다는 것을 의미하며, 안정된 높은 출력의 연료 전지 발전 장치를 제공할 수 있게 된다.
다음으로, 직접형 메탄올 연료 전지의 기전부 단위의 형성에 대하여 설명한다. 공지의 프로세스{R. Ramakumar et al. J. Power Sources 69(1997) 75}에 의해 애노드용 촉매(Pt : Ru = 1 : 1) 담지 카본 블랙과 캐소드용 촉매(Pt) 담지 카본 블랙을 형성하였다. 촉매 담지량은 카본(100)에 대하여 중량비로 애노드는 30, 캐소드는 15로 하였다.
상기 프로세스로 형성한 애노드용 촉매 담지 카본 블랙에 퍼플루오로카본슬폰산 용액(Dupon사 Nafion용액 SE-20092)과 이온 교환수를 첨가하여 상기 촉매 담지 카본 블랙을 분산시켜 페이스트를 제조하였다. 애노드 집전체로서의 발수 처리 완료 카본 페이퍼 TGPH-120(E-TEK사 제조)의 위에 페이스트를 550μm 도포하고 건조시켜 애노드 촉매층을 형성함으로써 애노드 전극을 얻었다.
상기 프로세스에 있어서 형성한 캐소드용 촉매 담지 카본 블랙에 퍼플루오로카본슬폰산 용액(Dupon사 Nafion용액 SE-20092)과 이온 교환수를 가하여 상기 촉매 담지 카본 블랙을 분산시켜 페이스트를 제조하였다. 캐소드 집전체로서의 발수 처리 완료 카본 페이퍼 TGPH-090(E-TEK사 제조) 위에 페이스트를 225μm 도포한 후 건조시켜 캐소드 촉매층을 형성함으로써 캐소드 전극을 얻었다.
애노드 전극의 애노드 촉매층과 캐소드 전극의 캐소드 촉매층 사이에 전해질막으로서 시판의 퍼플루오로카본슬폰산막(Dupon사 Nafionl17)을 배치하고 이들에 핫 프레스(125℃, 5분간, 50kg/㎠)를 실시함으로써, 애노드 전극, 전해질막 및 캐소드 전극을 접합하여 기전부 단위를 얻었다. 기전부 단위중의 애노드 촉매층의 단면적은 10㎠이었다. 또한, 기전부를 절단하여 단면적을 전자 현미경으로 관할한 바, 애노드 촉매층의 두께(L)는 105μm이고 캐소드 촉매층의 두께는 50μm이었다. 또한, 이 전자 현미경 관찰에 의해 애노드 전극과 전해질막과 캐소드 전극의 접합 상태가 양호하다는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로, 형성한 기전부 단위의 평가에 대하여 설명한다. 형성한 기전부 단위를 평가용 세퍼레이터에 장착하고 70℃로 유지하면서 전류 전압 특성의 평가를 수행하였다. 단, 운전 조건은 메탄올 수용액 유속 0.01cm/min, 공기 유속 10cm/min, 메탄올 수용액 농도는 0.5M, 1.0M, 1.25M, 1.5M, 1.75M, 2.0M, 2.5M의 범위에서 측정을 수행하였다. 그 결과, 도4에서 얻어진 전류 전압 특성과 거의 동등한 결과를 얻었다. 동일한 평가 방법에 의해 거의 동등한 전류 전압 특성이 얻어지는 것을 확인한 단면적 10㎠의 기전부 단위를 100장 형성하고 본 발명의 실시 형태에 있어서의 실험에 이용하였다.
[제2 실시 형태]
도6은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(200)의 요부를 도시하는 도면으로, (a)는 도면중 상측에 위치하는 절연성 유로판(201)의 저면도, (b)는 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(200)를 (a)에 있어서의 β1-β1선 위치에서 절단하여 화살표 방향으로 본 단면도, (c)는 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(200)를 (a)에 있어서의 β2-β2선에서 절단하여 화살표 방향으로 본 단면도이다.
도6중 201이 절연성 유로판(연료측), 202가 절연성 유로판(산화제측), 203이 연료 유로, 204가 연료 유로 공급구, 205가 연료 유로 배출구, 206이 유로 이면의 유로 덮개체, 207이 수지성 봉지재, 208a, 208b가 기전부 단위, 209가 공기 유로, 210이 유로가 기전부 단위(208a, 208b)에 면하지 않도록 유로 덮개체(206)측으로 굴곡시킨 유로 부분, 211이 전류 인출용 금속제 박막을 도시하고 있다. 또한, 기전부 단위(208a, 208b)는 전술한 도58에 도시한 구조가 채용되고 있다. 또한, 연료 유로(203)는 2개의 기전부 단위(208a, 208b)를 교대로 유통하도록 구성한 예이다(이하, 이와 같은 유로의 구성을 '교대형 유로'라 칭한다).
직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(200)에서는, 연료가 연료 유로 공급구(204)로부터 계 내로 공급되고, 기전부 단위 208a와 208b에 교대로 연료가 공급되도록 연료 유로를 형성하고, 연료 유로 배출구(205)로부터 배출된다. 한편, 산화제는 공기 유로(209)를 유통하고 기전부 단위 표면에서 발전이 수행된다. 이 실시 형태에 있어서, 연료 유로(203)는 기전부 단위(208a)에 연료를 공급한 후 기전부 단위(208b)에 연료를 공급하고, 나아가 기전부 단위(208a)로 되돌아가 연료를 공급한다. 이하, 기전부 단위 208a와 208b에 교대로 연료를 공급하면서 연료 유로 배출구(205)로부터 배출된다. 이와 같이 연료 유로(203)를 구성함으로써, 연료는 기전부 단위 208a 및 208b에 거의 균등하고 안정되게 연료를 공급할 수 있기 때문에, 그 출력은 더욱 안정되게 된다.
이 실시 형태에 있어서, 식(2)의 조건을 용이하게 충족시킬 수 있게 하기 위해서는, 유로를 굴곡시키는 횟수 s는 짝수이며 또한 큰 것이 바람직하고, 홀수인 경우에는 s가 커질수록 <Zm>과 <Z>의 차이가 작아지므로, 특히 s ≥ 5인 것이 바람직하다.
상기 2개의 실시 형태에 있어서는 기전부 단위가 2개인 예를 나타냈으나, 3개 이상의 기전부 단위를 갖는 발전 장치에 있어서도 동일한 수법으로 발전 출력의 안정성을 개선시킬 수 있다.
또한, 식(2)의 조건을 충족시킬만한 유로 형상의 일 예를 도7 내지 도10에 도시한다. 이들 도면중 271은 유로판, 272는 기전부 단위의 전극부가 배치되는 부분, 273 및 274는 유로의 공급구 또는 배출구, 275는 유로를 도시하고 있다. 도10의 (a) 내지 (c)에 있어서는 유로판 양면에 2개씩의 기전부 단위가 설치되어 있으며, 유로의 양면을 관통하는 유로의 관통구(276)를 경유하여 양면의 기전부 단위에 대하여 교대로 연료 또는 산화제를 공급하게 된다.
각 분단된 유로의 거리가 크게 달라지는 경우에도 식(1) 및 식(2)의 조건을 충족시킬 수 있는 유로의 설계 또는 할당을 수행하면 되고, 유로 폭이 영역마다 서로 다른 경우에도 영역마다 길이에 대하여 유로 전체에서의 유로 폭의 평균에 대한 비율을 곱함으로써 환산하여 대용해도 된다. 예를 들면, 유로가 굴곡되는 부분을 도5의 (a)와 같은 전극부 범위의 외측이 아니라 내측에 배치한 경우에도 도5의 (c)에 도시되는 바와 같이 유로를 구분하여 할당할 수 있다.
아울러, 모노폴라형 유로판에 이용될만한 유로판의 양면에 배치된 기전부 단위에 대하여 연료 또는 산화제를 공급하는 유로판에 있어서도 후술의 실시예 7 등과 같이 본 실시 형태에 기재된 유로 구조의 효과를 발휘시킬 수 있다.
(실시예 1)
상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(100)에 대하여 다음의 조건 하에서의 발전 시험을 수행하였다. 즉, 메탄올 수용액 연료의 초기 농도를 3mol/l, 유로판 농도 70℃, 연료 유량을 0.02cm/min, 공기 유량을 20cm/min으로 하였다. 이 조건을 이후 실시예 1의 운전 조건이라 칭한다.
도11은 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(100)의 전류 전압 특성의 결과를 도시하는 도면이다. 이 도11에서 알 수 있듯이, 유로 공급구측의 기전부 단위에 있어서의 한계 부하 전류 밀도는 약 95mA/㎠이며, 유로 배출구측의 기전부 단위에서는 77mA/㎠가 된다는 것이 관측되었다. 따라서, 양자를 전기적으로 직렬로 접속한 경우에는 실질적으로 77mA/㎠의 부하 전류가 얻어지고, 후술하는 비교예 1의 종래의 직렬형 유로를 채용한 경우에 비해 약 10%의 한계 부하 전류 밀도의 향상이 확인되었다. 이 사실은 유로판(101)이 종래의 직렬형 유로에 비해 연료 공급이 좋아진 것을 나타내고 있다.
(실시예 2)
실시예 1의 운전 조건에서 전류 전압 특성을 측정한 결과를 도12에 도시한다. 이 도12에 도시된 바와 같이, 유로 공급구측의 기전부 단위(1)의 한계 부하 전류 밀도의 값은 약 90mA/㎠이며, 유로 배출구측의 기전부 단위(2)에서의 값은 약 87mA/㎠인 것을 알 수 있었다. 따라서, 양자를 전기적으로 직렬로 접속한 경우에는 실질 87mA/㎠의 부하 전류가 얻어지고, 후술하는 비교예 1의 종래의 직렬형 유로를 채용한 경우에 비해 약 24%의 한계 부하 전류 밀도의 향상이 확인되었다. 또한, 본 실시예 및 실시예 1에 있어서의 유로판에서는 모두 실효적인 분할된 8개의 유로 영역의 길이는 모두 동등하게 되어 있는데, 본 실시예에서는 <Z1> - <Z2> = 0인 식(1)의 조건을 충족시키고 있지만, 실시예 1에서는 ｜<Z> - <Zm>｜ = 1/5<Z>로 조건을 충족시키고 있지 않다. 즉, 실시예 2에서 사용된 유로판은 식(1)을 충족시키도록 설계되어 있으므로, 실시예 1에서 형성된 유로판보다 한계 부하 전류 밀도의 큰 향상이 있었을 것으로 생각된다.
(비교예 1)
기전부 단위를 2개 구비하고 종래의 직렬형 유로를 채용하여 도13의 (a) 내지 (c)에 도시하는 바와 같이 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 구성하였다. 도13에 있어서 도6과 동일 기능 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.
본 비교예 1에서는 산화제를 공급하기 위한 유로(280)로는 병렬형 유로를 이용하였다. 실시예 1의 운전 조건 아래 비교예 1의 스택부의 발전 시험을 수행한 결과 도14에 도시하는 전류 전압 특성이 얻어졌다. 도14에 도시된 바와 같이, 유로 공급구측의 기전부 단위(208a)의 한계 부하 전류 밀도의 값이 약 100mA/㎠이며, 유로 배출구측의 기전부 단위(208b)에서는 약 70mA/㎠이다. 따라서, 양자를 전기적으로 직렬로 접속한 경우에는 70mA/㎠의 부하 전류밖에 얻어지지 않았다.
(비교예 2)
기전부 단위를 2개 구비하고 종래의 병렬형 유로를 채용하여 도15의 (a) 내지 (c)에 도시하는 바와 같이 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 구성하였다. 또한, 도15에 있어서 도6과 동일 기능 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.
이 연료 전지 발전 장치를 실시예 1의 운전 조건에서 발전시킨 결과, 도16에 도시한 전류 전압 특성이 얻어졌다. 도16은 2개의 기전부 단위를 전기적으로 직렬인 회로로 하고 75mA/㎠의 부하 전류를 취하여 경시 변화를 추적한 것이다.
또한, 도16에는 실시예 2의 유로판을 이용한 연료 전지 발전 장치를 운전시킨 경우의 부하 전류 특성도 아울러 도시한다. 도16의 양 플롯에 있어서의 규칙적인 세세한 변동은 온도 제어기에 따른 것이다. 도16에서, 종래의 병렬형 유로를 이용했을 때에는 2개의 기전부 단위에 대한 연료 공급량의 편중에 따른 출력의 불안정성이 보이고 있지만, 실시예 2에서 형성한 유로판을 이용한 경우에는 안정된 출력이 운전 시간과 상관없이 얻어지고 있다는 것을 알 수 있다. 이 결과는, 종래의 병렬형 유로에서는 배관이 분기된 부분에서 연료가 균일하게 흐르기 않게 되었기 때문에 안정된 출력이 얻어지지 않았으나, 본 발명의 유로판을 채용하면 배관의 분기가 없기 때문에 균일하게 연료 공급을 수행할 수 있으므로 안정된 출력이 얻어진다는 것을 나타내고 있다.
(비교예 3)
도17은 비교예 3에 있어서의 발전 시험의 결과를 도시하는 도면이다. 비교예 3은 실시예 2에서 형성한 유로판과 동일한 유로 형상인데, 기전부 단위(1)측을 통과하는 실효적인 유로의 전장에 대하여 기전부 단위(2)측을 통과하는 실효적인 유로의 전장이 20% 짧은 유로를 형성하며, 기전부 단위를 2개 구비한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 구성하였다.
실시예 2에 있어서의 도12와 비교하여 양 기전부 단위간에서의 한계 부하 전류 밀도의 차이가 커져 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 2개의 기전부 단위를 통과하는 실효적인 유로장이 서로 다르기 때문에 생긴 결과로, 연료 유로로부터 각 기전부 단위로 공급되는 평균 메탄올 농도가 동등해지는 유로 형상을 이용했다고 해도, 각 기전부 단위에 공급되는 메탄올의 절대량이 20% 달라져 버렸기 때문이다. 따라서, 식(1)을 도출할 때에도 가정한 바와 같이, 또한 유로 설계를 용이하게 하기 위해서라도 각 기전부 단위에 따라 분할되는 유로 영역의 실효적인 길이는 동등해지도록 구성되어야 한다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)에 따르면, 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적어지고 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 되어 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제4 실시 형태]
도18은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)를 도시하는 측면도, 도19는 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)를 도시하는 도면으로, (a)는 사시도, (b)는 횡단면도, 도20의 (a) 내지 (e)는 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)를 분해하여 도시한 도면으로, 적의 단면도도 도시하고 있다.
직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)는, 도18중 상방으로부터 제1 유로판(310), 제1 기전부층(320), 제2 유로판(330), 제2 기전부층(340), 제3 유로판(350)이 적층된 적층체를 스테인리스재로 만든 후판(厚板)(360, 361) 사이에 끼고 볼트(362)로 체결하여 형성되어 있다. 또한, 370 내지 373은 금속제 단자를 도시하고 있으며, 각각 후술하는 카본재(311, 351)에 접속되어 있다. 아울러, 374는 강선을 도시하고 있으며, 금속제 단자(371)와 금속제 단자(372)를 도통시키고 있다.
제1 유로판(310)은 2개의 정방 형상의 카본재(311)를 열 경화형 에폭시 수지(312)에 의해 절연하도록 일체 성형되어 있다. 카본재(311)의 면적 및 형상은 설치되는 후술하는 기전부 단위와 동일하다. 또한, 하면에는 오목 홈형으로 형성된 연료용 제1 유로(313)가 형성되어 있다. 아울러, 연료 공급구(314), 연료 배출구(315), 산화제 공급구(316), 산화제 배출구(317)가 형성되고, 각각 파이프(318a 내지 318d)가 접속되어 있다.
제1 기전부층(320)은, 기전부 단위를 구성하는 2조의 전해질막(321)과, 이들 전해질막(321)을 사이에 끼듯이 설치된 애노드 촉매층을 포함하는 애노드극(322) 및 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극(323)과, 아울러 이들을 사이에 끼는 실리콘 고무 수지제 씰 부재(324)를 구비하고 있다. 또한, 애노드극(322)은 도면중 상측, 캐소드극(323)은 도면중 하측에 배치되어 있다.
실리콘 고무 수지제 씰 부재(324)는 유로 또는 기전부 단위의 측면으로부터 연료 또는 산화제가 누출되는 것을 방지하기 위하여 유로의 공급구 및 배출구 및 기전부 단위의 전극 부분을 절취하여 형성되어 있다. 실리콘 고무 수지제 씰 부재(324)의 두께는 애노드 전극(322) 및 캐소드 전극(323)의 두께보다 0.1mm 두꺼운 것을 이용하며 전해질막(321)을 이들 사이에 끼도록 하였다.
또한, 병렬 배열되는 애노드 전극(322)끼리 또는 캐소드 전극(323)끼리의 간격은 제1 유로판(310)의 2개의 카본재(311)간의 거리와 동일하게 하였다.
제2 유로판(330)은 바이폴라형 유로판으로, 2개의 정방 형상의 카본재(331)를 열 경화형 에폭시 수지(332)에 의해 절연하도록 일체 성형되어 있다. 카본재(331)의 면적 및 형상은 설치되는 후술하는 기전부 단위와 동일하다. 또한, 상면에는 오목 홈형으로 형성된 산화제용 제2 유로(333) 및 하면에는 오목 홈형으로 형성된 연료용 제3 유로(334)가 형성되어 있다.
제2 기전부층(340)에는 2개의 기전부 단위가 설치되어 있다. 제2 기전부층(340)은, 기전부 단위를 구성하는 2조의 전해질막(341)과, 이들 전해질막(341)을 사이에 끼듯이 설치된 애노드 촉매층을 포함하는 애노드극(342) 및 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극(343)과, 아울러 이들을 사이에 끼는 실리콘 고무 수지제 씰 부재(344)를 구비하고 있다. 또한,애노드극(342)은 도면중 상측, 캐소드극(343)은 도면중 하측에 배치되어 있다.
실리콘 고무 수지제 씰 부재(344)는 유로 또는 기전부 단위의 측면으로부터 연료 또는 산화제가 누출되는 것을 방지하기 위하여 유로의 공급구 및 배출구 및 기전부 단위의 전극 부분을 절취하여 형성되어 있다. 실리콘 고무 수지제 씰 부재(344)의 두께는 애노드 전극(342) 및 캐소드 전극(343)의 두께보다 0.1mm 두꺼운 것을 이용하고 전해질막(341)을 이들 사이에 끼도록 하였다.
또한, 병렬로 배열되는 애노드 전극(342)끼리 또는 캐소드 전극(343)끼리의 간격은 제1 유로판(310)의 2개의 카본재(311)간의 거리와 동일하게 하였다.
제3 유로판(350)은 2개의 정방 형상의 카본재(351)를 열 경화형 에폭시 수지(352)에 의해 절연하도록 일체 성형되어 있다. 카본재(351)의 면적 및 형상은 배치되는 기전부 단위와 동일하다. 또한, 상면에는 오목 홈형으로 형성된 산화제용 제4 유로(353)가 형성되어 있다.
연료 펌프(도시 않음)로부터 보내져 온 연료는 파이프(318a)를 통해 연료 공급구(314)에 공급되고, 제1 유로(313)와 제3 유로(353)를 통해 연료 배출구(315)로부터 파이프(318b)를 통해 전지 밖으로 배출된다. 즉, 애노드 전극(322, 342)에 연료가 공급된다. 또한, 공기 펌프(도시 않음)로부터 보내져 온 산화제는 파이프(318c)를 통해 산화제 공급구(316)에 공급되고, 제2 유로(343)와 제4 유로(353)를 통해 산화제 배출구(317)로부터 파이프(318d)를 통해 전지 밖으로 배출된다. 즉, 캐소드 전극(323, 343)에 산화제가 공급된다.
(실시예 3)
상술한 바와 같은 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)에 있어서는, 연료와 산화제를 공급하면 4개의 기전부 단위가 전기적으로 직렬 접속으로 되어 있기 때문에, 금속제 단자(370, 373)로부터 전자 부하 장치에 의해 전기적 출력이 얻어진다. 또한, 직경 0.1mm의 금선을 각 기전부 단위의 애노드 전극과 캐소드 전극에 접촉시켜 스택의 외측으로 인출하여 각 기전부 단위마다의 전압을 측정하였다.
직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)의 운전은 실시예 1의 운전 조건과 거의 동일하다. 단, 기전부 단위의 개수가 실시예 1의 2배로 되어 있는 만큼 산화제 및 연료의 공급량은 2배로 하였다. 즉, 메탄올 수용액 연료의 초기 농도를 3mol/l, 유로판 온도 70℃, 연료 유량을 0.04cm/min, 공기 유량을 40cm/min으로 하였다. 이후, 이 운전 조건을 실시예 3의 운전 조건이라 부르기로 한다.
도21은 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)의 전류 전압 특성을 도시하는 도면이다. 도21에서 알 수 있듯이, 평면 방향으로 병렬로 배열되는 기전부 단위끼리의 출력차는 작아서, 후술하는 비교예 4 및 비교예 5의 종래의 직렬형 유로 및 병렬형 유로에 비해 균일한 연료 공급이 수행되고 있다는 것을 나타내고 있다.
그러나, 상하에 위치한 기전부 단위의 조간에서 한계 부하 전류 밀도의 값에 큰 차이가 발생하였다. 이는 스택의 연료 공급구 및 산화제 공급구로부터 배관을 2개로 분기함으로써 상하의 기전부 단위의 조에 연료 또는 산화제의 공급을 수행하고 있기 때문에, 상하 기전부 단위의 조로의 연료 및 산화제의 공급이 불균등해진 것으로 생각된다.
(비교예 4)
도22의 (a) 내지 (c)는 기전부 단위를 4개 구비한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 직렬형 유로가 형성된 유로판(390 내지 392)을 도시하는 도면이다. 또한, 유로판(391)은 바이폴라형이다. 도22에서 도20과 동일 기능 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다.
비교예 4에 있어서, 연료 공급구측의 기전부 단위로부터 얻어지는 한계 부하 전류 밀도의 값에 비해 배출구측의 기전부 단위에서 관측되는 한계 부하 전류 밀도의 값은 약 30% 정도 저하된다는 것을 알 수 있었다. 또한, 상하 기전부 단위의 조에 관해서도 한계 부하 전류치에 큰 차이가 발생하고 있는 것을 알았다. 이 결과는, 유로 형상이 종래의 직렬형 유로를 채용하고 있다는 점과, 상하 방향으로 배관의 분기를 수행하고 있다는 2점으로 인해 발생했다고 생각된다.
(비교예 5)
도24 및 도25는 비교예 5로서 기전부 단위를 4개 구비한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 병렬형 유로가 형성된 유로판(393 내지 395)을 도시하는 도면이다. 이들 도면에서 도20과 동일 기능 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 유로판(394)은 바이폴라형이다.
유로 형상으로 병렬형을 이용하였으므로, 배관을 분기시키는 만큼 유로판(393 내지 395)의 짧은 변 방향의 폭을 약간 넓게 하고, 그와 동시에 기전부 단위의 전해질막(321, 341)과 실리콘 고무 수지제의 씰 부재(324, 344)의 폭도 마찬가지로 넓게 하였다.
도26은 이와 같이 구성한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 관하여 실시예 3의 운전 조건에서 전류 전압 특성을 측정한 결과를 도시하는 도면이다. 이 도면에서도 알 수 있듯이, 모든 기전부 단위에 관하여 전압이 불안정해질 뿐만 아니라, 상하 기전부 단위의 조에 관해서도 한계 부하 전류에 큰 차이가 발생하였다. 이 결과는, 종래의 병렬형 유로에서는 배관의 분기 부분에 있어서 균일한 연료 공급을 수행할 수 없었기 때문에 발생한 결과라고 생각된다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)에 따르면, 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적이지며 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 되어 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제4 실시 형태]
도27은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(400)를 도시하는 측면도, 도28은 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(400)의 유로판(410, 430, 450)을 도시하는 평면도로, 적의 단면도도 도시하고 있다.
직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(400)는, 도27중 상방으로부터 제1 유로판(410), 제1 기전부층(420), 제2 유로판(430), 제2 기전부층(440), 제3 유로판(450)이 적층된 적층체를 스테인리스재로 된 후판(460, 461) 사이에 끼고, 볼트(462)로 체결하여 형성되어 있다. 또한, 470 내지 473은 금속제 단부를 도시하고 있다. 아울러, 474는 강선을 도시하고 있으며, 금속제 단자(470)와 금속제 단자(472)를 도통시키고 있다.
제1 유로판(410)은 아크릴 수지로 형성되어 있으며, 그 표면에는 두께 20μm이며 폭 2mm의 금 리본(411 및 412)이 설치되어 있다. 또한, 하면에는 오목 홈형으로 형성된 연료용 제1 유로(413)가 형성되어 있다. 아울러, 연료 공급구(414), 연료 배출구(415), 산화제 공급구(416), 산화제 배출구(417)가 형성되고 각각 파이프(418a 내지 418d)가 접속되어 있다.
금 리본(411 및 412)은 각 기전부 단위로부터 전류를 취출하기 위하여 각 기전부 단위의 거의 중앙에 위치하고, 또한 유로(413)에 있어서의 통류 방향과 수직인 위치 관계가 되도록 유로판(410)의 상면·한쪽 측면·하면에 배치되어 있다. 상술한 금 리본(411 및 412)이 측면을 통해 제1 유로판(410)의 표리에 돌려 넣어짐으로써, 기전부 단위끼리의 전기적 직렬 상태가 가능해진다.
또한, 금 리본(411 및 412) 대신에 다른 도전 부재를 이용해도 된다. 예를 들면, 백금, 루테늄, 로듐, 이리듐 등의 재료인 것이 바람직하고, 비금속을 기재로 이용하는 경우에는 티탄 등의 위에 약 10μm 두께의 상기 귀금속으로 덮음으로써 대용할 수도 있다.
제1 기전부층(420)은 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)의 제1 기전부층(320)과 동일하게 구성되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
제2 유로판(430)은 바이폴라형 유로판으로, 아크릴 수지로 형성되어 있으며, 그 표면에는 두께 20μm이며 폭 2mm의 금 리본(431 및 432)이 설치되어 있다. 또한, 상면에는 오목 홈형으로 형성된 산화제용 제2 유로(433) 및 하면에는 오목 홈형으로 형성된 연료용 제3 유로(434)가 형성되어 있다.
금 리본(431 및 432)은 각 기전부 단위로부터 전류를 취출하기 위하여 각 기전부 단위의 거의 중앙에 위치하고, 또한 유로(433, 434)에 있어서의 통류 방향과 수직인 위치 관계가 되도록 유로판(430)의 상면·한쪽 측면·하면에 배치되어 있다. 즉, 금 리본(431 및 432)이 측면을 통해 제2 유로판(430)의 표리에 돌려 넣어짐으로써, 기전부 단위끼리의 전기적 직렬 상태가 가능해진다.
제2 기전부층(440)은 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)의 제2 기전부층(340)과 동일하게 구성되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
제3 유로판(450)은 아크릴 수지로 형성되어 있으며, 그 표면에는 두께 20μm이며 폭 2mm의 금 리본(451 및 452)이 설치되어 있다. 또한, 상면에는 오목 홈형으로 형성된 연료용 제4 유로(453)가 형성되어 있다. 상술한 금 리본(451 및 452)이 측면을 통해 제3 유로판(450)의 표리에 돌려 넣어짐으로써, 기전부 단위끼리의 전기적 직렬 상태가 가능해진다.
이와 같이 구성된 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(400)에서는 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)와 마찬가지로 연료 및 산화제가 공급·배출된다. 그리고, 4개의 기전부 단위가 전기적인 직렬 접속으로 되어 있기 때문에, 금속제 단자(470, 473)로부터 전자 부하 장치에 의해 전기적 출력이 얻어졌다.
(실시예 4)
도29는 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(400)를 상술한 실시예 3의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면이다. 도29에 도시하는 바와 같이, 실시예 4에 있어서는 후술하는 실시예 5 및 실시예 6의 종래의 직렬형 유로 및 나열형 유로를 사용한 경우에 비해 안정된 출력이 얻어진다는 것을 알 수 있다. 이 결과는 균일한 연료 공급이 수행되고 있다는 것을 나타내고 있다.
아울러, 전류 전압 특성의 결과는 동일한 유로 구조를 카본 재료로 형성한 스택부에 관하여 측정한 실시예 3의 실험 결과(도21)와 동등하며, 기전부의 극히 일부에만 도전 부재를 접촉시키는 것만으로 카본재를 이용하는 것에 조금도 뒤지지 않는 발전 운전이 가능하다는 것이 실증되었다. 이것은, 기전부 단위로부터 전기적 출력을 인출하기 위하여 도전부가 전극에 접촉하는 부분은 반드시 전극 전면의 가능한 한 넓은 범위일 필요는 없으며, 즉 유로판 그 자체를 절연성 부재로 형성하고, 일부에 도전성 부재를 설치하는 것만으로 충분히 전류를 취출할 수 있다는 것을 실증하고 있으며, 특히 큰 전류의 출력을 필요로 하지 않는 소형 휴대용 전자 기기용 연료 등을 위한 전지 발전 장치에 충분히 적용 가능하다는 것을 나타내고 있다.
아울러, 종래의 적층 구조와 같이 카본재를 절연성 수지와 함께 일체 성형하여 유로판을 형성하는 경우, 카본 부재와 절연성 수지의 일체화에 있어서 부재간의 어긋남이나 경도의 차이에 따른 유로의 극간이 발생하는 것을 생각할 수 있다. 또한, 대량 생산에 적합한 틀에 의한 성형이 가능한 카본 수지 복합 재료를 전기 도전부로 이용하는 경우에는 주위의 절연성 수지 부재와의 열 팽창율이나 변형 온도 등의 차이를 고려해야 하고, 가령 일체 성형한 후에 절삭에 의해 유로를 형성하는 경우에도 카본재를 일부라도 포함하기 때문에 높은 경도의 공구를 이용할 필요가 있다.
그러나, 카본재를 포함하지 않는 수지만으로 바이폴라형 유로판을 형성하는 경우에는 종래 수행되어 온 사출 성형의 단 1번의 공정으로 형성하면 된다. 아울러, 스택 적층 방향으로의 전기적 직렬 구조에 의한 배선의 간략화라는 바이폴라형 유로판의 우위성은, 박형화가 중요한 휴대형 전기 기기용 연료 전지의 경우에는 작아지고, 오히려 동일 평면 방향으로 기전부 단위를 배열시키기 위한 유로판끼리의 절연을 취하기 위한 개발이 중요해진다. 이 점에 있어서, 본 실시 형태에서의 유로판을 이용하면 도전성 부분과 이들을 서로 절연시키기 위한 절연부를 일체 성형한 복잡한 유로판을 형성할 필요가 없고, 나아가 수지를 이용함에 따른 성형성의 용이함, 즉 용이한 박형화가 가능해진다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(400)에 따르면 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적어지며 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 되어 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제5 실시 형태]
도30은 본 발명의 제5 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(500)(도시 않음)에 조립된 제1 내지 제3 유로판(510, 530, 550)을 도시하는 도면이다. 각 유로판의 재료로서 절연성 수지인 아크릴 수지를 채용하였다. 비교예 4의 경우와 동일한 형상인 종래의 직렬형 유로를 구비한 바이폴라형 유로판(510, 530, 550)을 이용하여 구성하였다. 도면중 511, 512, 531, 532, 551, 552는 실시예 4와 동일하게 배치된 금 리본, 513, 533, 534, 553은 유로를 도시하고 있다.
(실시예 5)
도31은 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(500)를 상술한 실시예 3의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면이다. 실시예 5에서도 비교예 4에서 도시한 것과 동일한 출력 특성이 얻어졌다. 즉, 유로판(510, 530, 550)을 절연성 수지 부재로 형성하고, 기전부의 극히 일부에만 도전 부재를 접촉시키는 것만으로도 카본재를 이용하는 것에 조금도 뒤지지 않는 발전 운전이 가능하다는 것을 실증할 수 있었다.
단, 연료의 공급구측 기전부 단위의 한계 부하 전류 밀도에 비해 배출구측 기전부 단위의 한계 부하 전류 밀도가 약 30% 정도 저하되어 있는 것을 알았다. 이는 비교예 4의 스택에 관한 실험 결과(도23 참조)에서도 관측되고 있으며, 유로판 재료의 문제가 아니라 유로 구조를 반영한 결과라고 생각된다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(500)에 따르면 기전부 단위마다의 출력 편중이 적어지고 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 되어 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제6 실시 형태]
도32는 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(600)를 도시하는 도면으로, (a)는 종단면도, (b)는 (a)에서의 -선에서 절단하여 화살표 방향으로 본 단면도, 도33의 (a) 내지 (c)는 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(600)에 조립된 제1 내지 제3 유로판(610, 630, 650)을 도시하는 도면이다.
직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(600)는 도32중 상방으로부터 제1 유로판(610), 제1 기전부층(620), 제2 유로판(630), 제2 기전부층(640), 제3 유로판(650)이 적층 형성되어 있다.
절연성 수지인 아크릴 수지를 유로판의 부재로 채용하고, 유로가 비교예 5의 경우와 같은 형상인 병렬형이며 스프라이프 형상인 유로판을 이용하였다. 또한, 도전 부재의 설치 방법에 관해서는 실시예 4와 동일하게 수행하였다.
각 유로판의 재료로 절연성 수지인 아크릴 수지를 채용하였다. 비교예 4의 경우와 동일한 형상인 종래의 직렬형 유로를 구비한 바이폴라형 유로판(610, 630, 650)을 이용하여 구성하였다. 도면중 611, 612, 631, 632, 651, 652는 금 리본, 613, 633, 634, 653은 유로를 도시하고 있다. 또한, 금 리본(611, 612, 631, 632, 651, 652)은 유로판(610, 630, 650)의 긴 변을 따라 배치되어 있다.
제1 기전부층(620)은 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)의 제1 기전부층(320)과 동일하게 구성되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 또한, 제2 기전부층(640)은 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(300)의 제2 기전부층(340)과 동일하게 구성되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
(실시예 6)
도34는 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(600)를 상술한 실시예 3의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면이다. 도34에서 알 수 있듯이, 비교예 5에서 도시된 것과 동일한 출력 특성을 얻을 수 있다. 즉, 유로를 절연성 수지 부재로 형성하고, 기전부의 극히 일부에만 도전 부재를 접촉시키는 것만으로 카본재를 이용하는 것에 조금도 뒤지지 않는 발전 운전이 가능하다는 것을 실증할 수 있었다.
단, 비교예 2 및 비교예 5에 나타낸 바와 같이 동일 평면상에 설치된 2개의 기전부 단위에 대한 연료 공급량의 편중에 따른 출력의 불안정성이 보였다. 이 결과는 유로 구조를 반영한 결과이며, 아크릴 재료를 이용했기 때문에 생긴 결과가 아닌 것으로 생각된다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(600)에 따르면 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적어지고 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 되어 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제7 실시 형태]
도35는 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(700)를 도시하는 측면도, 도36은 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(700)를 도시하는 도면으로, (a)는 사시도, (b)는 단면도, 도37의 (a) 내지 (c)는 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(700)에 조립된 제1 내지 제3 유로판(710, 730, 750)을 도시하는 도면이다.
절연성 수지인 아크릴 수지를 재료로 하고 교대형인 유로 형상을 갖는 모노폴라형 유로판을 사용하였다. 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(700)는, 도36중 상방으로부터 제1 유로판(710), 제1 기전부층(720), 제2 유로판(730), 제2 기전부층(740), 제3 유로판(750)이 적층된 적층체를 스테인리스재로 만든 후판(760, 761) 사이에 끼고 볼트(762)로 체결하여 형성된다. 또한, 770a 내지 770h는 금속제 단자를 도시하고 있다.
제1 유로판(710)은 금 리본(711, 712)을 구비하고 있다. 하면에는 오목 홈형으로 형성된 연료용 제1 유로(713)가 형성되어 있다. 아울러, 연료 공급구(714), 연료 배출구(715), 산화제 공급구(716), 산화제 배출구(717)가 형성되며 각각 파이프(718a 내지 718d)가 접속되어 있다.
제1 기전부층(720)은 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(700)의 제1 기전부층(320)과 동일하게 구성되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
제2 유로판(730)은 모노폴라형 유로판으로, 아크릴재에 의해 형성되어 있다. 상면에는 오목 홈형으로 형성된 산화제용 제2 유로(733) 및 하면에는 오목 홈형으로 형성된 연료용 제3 유로(734)가 형성되어 있다.
또한, 제2 기전부층(740)은 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(700)의 제2 기전부층(740)과 동일하게 구성되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
제3 유로판(750)은 금 리본(751, 752)을 구비하고 있다. 상면에는 오목 홈형으로 형성된 산화제용 제4 유로(753)가 형성되어 있다.
아울러, 771a 내지 771e는 동선을 도시하고 있는데, 동선(771a)은 금속제 단자(770a, 770b) 상호간, 동선(771b)은 금속제 단자(770c, 770e) 상호간, 동선(771c)은 금속제 단자(770d, 770f) 상호간, 동선(771d)은 금속제 단자(770g, 770j) 상호간, 동선(771e)은 금속제 단자(770h, 770j) 상호간을 도통시키고 있다.
연료 펌프(도시 않음)로부터 보내져 온 연료는 파이프(718a)를 통해 연료 공급구(714)에 공급되고, 제1 유로(713)와 제3 유로(753)를 통해 연료 배출구(715)로부터 파이프(718b)를 통해 전지 밖으로 배출된다. 즉, 애노드 전극(722, 742)에 연료가 공급된다. 또한, 공기 펌프(도시 않음)로부터 보내져 온 산화제는 파이프(718c)를 통해 산화제 공급구(716)에 공급되고, 제2 유로(734)와 제4 유로(753)를 통해 산화제 배출구(717)로부터 파이프(718d)를 통해 전지 밖으로 배출된다. 즉, 캐소드 전극(723, 743)에 산화제가 공급된다.
도면중 711, 712, 751, 752는 금 리본, 713, 733, 734, 753은 유로를 도시하고 있다. 아울러, 연료 공급구(714), 연료 배출구(715), 산화제 공급구(716), 산화제 배출구(717)가 형성되며 각각 파이프(718a 내지 718d)가 접속되어 있다.
4개의 기전부간에 위치하는 모노폴라형 유로판에 관해서는, 유로는 유로판을 표리에서 관통하고 있으며, 유로에는 공급구로부터 연료를 공급하였다. 기전부 단위 1개당의 유로의 깊이가 실시예 3에서의 유로의 깊이와 동등해지도록 모노폴라형 유로판의 두께를 실시예 3에서의 유로 깊이의 2배로 하였다.
각 기전부 단위로부터 전기적 출력을 인출하기 위한 금 리본(711, 712, 751, 752)은 실시예 4와 동일한 두께와 폭이지만, 모로폴라형 유로판에 관해서만은 표리에서 절연된 상태로 하기 위하여 유로판의 표리에 돌려 넣지 않았다. 아울러, 모노폴라형 유로판의 4개의 금 리본간의 전기적 배선을 수행하기 위하여, 도35에 도시하는 바와 같이 스택 형성시에 직경 0.1mm의 금선(771a 내지 771e)을 유로판 단부에 있어서 금 리본(711, 712, 751, 752)과 실리콘 고무 수지제 씰재의 사이에 삽입하였다.
기전부 단위는 모노폴라형 유로판(730)에 대하여 애노드 전극이 향하도록 설치하고, 애노드 전극이 접하는 유로에 연료가 공급되도록 파이프(718a)에 연료를 공급하고, 파이프(718c)로부터 산화제를 공급하였다. 또한, 각 기전부 단위간을 전기적으로 접속하고 있는 금선을 이용하여 각 기전부 단위마다의 전압을 측정하였다.
(실시예 7)
도38은 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(600)를 상술한 실시예 3의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면이다. 실시예 2, 3 및 실시예 4와 마찬가지로 교대형 유로의 효과가 잘 반영되고 있다는 것을 확인하였다. 아울러, 모노폴라형 유로판(730)의 표리에 설치되어 있는 기전부 단위간의 출력차가 실시예 3 및 실시예 4에 비해 매우 작게 되어 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 실시예 3 및 실시예 4의 경우에서는 분기된 2개의 유로에 의해 2개의 기전부 단위의 조에 연료가 공급되고 있는 것에 대하여, 실시예 7에서는 분기되지 않은 하나의 유로에 의해 4개의 기전부 단위에 대하여 연료 공급이 수행됨에 따라 개선되었다고 생각된다. 즉, 모노폴라형 유로판(730)에 있어서도 교대형 유로가 효과적이라는 것이 실증되고 그 정당성이 확인되었다.
모노폴라형 유로판(730)에 있어서 유로판의 양면에서 관통하고 있는 형상을 취하는 유로(733)를 채용함으로써, 유로판 양면에 설치되어 있는 기전부 단위로의 산화제 또는 연료의 공급량을 거의 균일하게 하는 것이 가능하다는 것이 본 실시예 및 후술의 실시예 8과 실시예 11의 결과에서 확인되었다. 이 결과는 본 발명에 있어서의 청구항 4의 정당성을 나타내는 결과이다. 아울러, 그 유로 형상을 병렬형 형상이 아니라, 본 실시예나 후술의 실시예 8에 나타내어진 교대형 유로로 대표되는 굴곡되어 사행하는 형상을 채용함으로써, 연료 및 산화제의 보다 안정된 공급을 수행할 수 있다는 것을 알 수 있다.
즉, 본 실시 형태에 관한 유로판을 이용함으로써, 유로에서의 압력 손실의 저감에 따른 보조 기구 부하의 부담, 발전시 생성물의 체류 방지, 연료 및 산화제의 공급과 배출구 위치 등 연료 전지 발전 장치 전체의 운전 효율을 충분히 고려한 유로 형상을 유연하게 설계할 수 있게 된다. 아울러, 교대형 유로를 갖는 유로판을 채용함으로써, 본 실시예에서 도시한 바와 같은 복수중의 어느 하나의 기전부 단위에 있어서도 균일하고 안정된 출력을 얻을 수 있게 된다는 것이 확인되었다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(700)에 따르면 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적어지고 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 되어 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제8 실시 형태]
도39는 본 발명의 제8 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(800)(도시 않음)를 도시하는 평면도 및 요부 단면도로, (a)는 제1 유로판(810), (b)는 제2 유로판(830), (c)는 제3 유로판(850)이다.
실시예 7과 마찬가지로, 절연성 수지인 아크릴 수지를 유로판의 부재로서 채용하고 직렬형 유로를 구비한 도35와 같은 모노폴라형 유로판을 형성하여 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 구성하였다. 도면중 811, 812, 831, 832, 851, 852는 금 리본, 813, 833, 853은 유로를 도시하고 있다.
(실시예 8)
도40은 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(800)를 상술한 실시예 3의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면이다. 도40에서 알 수 있듯이, 비교예 1이나 비교예 4 및 실시예 5와 마찬가지로, 연료의 공급구측 기전부 단위의 한계 부하 전류 밀도에 비해 배출구측 기전부 단위의 한계 부하 전류 밀도가 약 30% 정도 저하되었으나, 실시예 7과 마찬가지로, 모노폴라형 유로판의 표리에 설치되어 있는 기전부 단위의 2개의 조간에서의 출력차가 작아지는 것이 확인되었다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(800)에 따르면 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적어지고 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 되어 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제9 실시 형태]
도41은 본 발명의 제9 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(900)(도시 않음)에 조립된 유로판(930)을 도시하는 평면도 및 단면도를 적의 도시한 것이다.
절연성 수지인 아크릴 수지를 이용하여 모노폴라형 유로판(930)을 형성하였다. 도면중 933은 교대형 유로를 도시하고 있다. 또한, 유로(933) 내에는 보강 부재(934)가 설치되어 있다. 보강 부재(934)는 유로 깊이의 약 75%만큼의 두께를 가지고 있다.
(실시예 9)
도42는 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(900) 및 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(700)를 각각 70℃에서의 75mA/㎠의 부하 전류로 1시간의 연속 운전을 수행한 경우의 전류 전압 특성을 비교하여 도시하는 도면이다. 도42에서 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(700)에 있어서는 불규칙적인 전압 출력의 변동이 있는 것이 확인되었다. 이 원인을 해명하기 위하여, 실리콘 고무 수지의 시트를 모노폴라형 유로판의 상부에 위치하는 기전부 단위의 조의 더미로서 스택에 끼워 모노폴라형 유로판의 가시화를 수행하였다. 그 결과, 스택 형성시의 유로판 연직 방향으로부터의 체결 압력과, 운정중의 기전부 단위의 두께 방향의 팽창 등에 의해 유로를 형성하는 빗형 구조부가 크게 기울거나 또는 약간 틀어져, 연료가 공급되고 있는 모노폴라형 유로판의 유로중에 생성된 이산화탄소의 기포가 유로를 단락시키고 있다는 것이 판명되었다. 이에 따라, 유로의 일부 영역에 이산화탄소의 기포가 불규칙적으로 체류하고, 나아가 기전부 단위의 일부 영역에 불규칙하게 공급 부족이 일어나는 것을 알았다.
직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(900)에서는 상술한 바와 같이 보강 부재(934)가 형성되어 있다는 점에서, 도42에 보이는 바와 같은 불규칙적인 전압 출력의 변동 진폭을 대책 이전의 50% 정도로 감소시킬 수 있다는 것이 확인되었다.
[제10 실시 형태]
도43은 본 발명의 제10 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1000)(도시 않음)에 조립된 유로판(1030)을 도시하는 평면도 및 단면도를 적의 도시한 것이다.
절연성 수지인 아크릴 수지를 이용하여 모노폴라형 유로판(1030)을 형성하였다. 도면중 1033은 직렬형 유로를 도시하고 있다. 또한, 유로(1030) 내에는 보강 부재(1034)가 설치되어 있다. 보강 부재(1034)는 유로 깊이의 약 75%만큼의 두께를 가지고 있다.
(실시예 10)
실시예 9와 동일한 발전 운전 시험을 실시예 8에 채용한 직렬형 유로가 형성된 모노폴라형 유로판에서도 수행하고, 나아가 도43과 같이 보강 부재(1030)의 형성에 의해 빗형 홈 조부(造部)의 대책을 수행한 유로판과의 비교를 수행하였다. 그 결과, 실시예 9와 마찬가지로 대책 이전에 나타나던 전압 변동이 대책 이전의 약 40%로 감소된다는 것이 확인되었다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1000)에 따르면 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적어지고 또한 안정된 연료 공급을 수행하는 것이 가능해져 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제11 실시 형태]
도44는 본 발명의 제11 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1100)(도시 않음)에 조립된 유로판을 도시하는 도면으로, 제1 내지 제3 유로판(1110, 1130, 1150)을 도시하는 도면이다. 각 유로판의 재료로서 절연성 수지인 아크릴 수지를 채용하였다. 병렬형 유로를 구비한 모노폴라형 유로판(1130)을 이용하고 있다. 도면중 1111, 1112, 1131, 1132, 1151, 1152는 금 리본, 1113, 1133, 1153은 유로를 도시하고 있다. 또한, 1134는 보강 부재를 도시하고 있다.
직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(600)에 채용한 것과 같은 병렬형 유로는 빗형 홈 조부가 유로판 주위로부터 지지되지 않게 되기 때문에, 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(700)나 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(800)와 같이 유로판의 표리를 관통하는 형상으로는 형성할 수 없다. 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1100)에서는 보강 부재(1134)를 설치함으로써, 유로판의 표리를 관통하는 형상으로 유로 형성이 가능해졌다.
(실시예 11A)
도45는 상술한 직접형 메탄올 연료 발전 장치(1100)를 상술한 실시예 9(또는 실시예 10)의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면이다. 도45에서 알 수 있듯이, 실시예 6과 마찬가지로 동일 평면상에 설치된 2개의 기전부 단위에 대한 연료 공급량의 편중에 따른 출력의 불안정성이 보이기는 했지만, 실시예 7 및 실시예 8과 마찬가지로 상하 기전부 단위의 조간에서의 출력차가 감소되는 것이 확인되었다.
또한, 실시예 9 및 실시예 10과 마찬가지로, 유로중에 형성된 보강 부재에 의해 체결시나 발전시에 있어서의 유로의 어긋남을 억제하여 유로간의 단락이나 폐색을 방지할 수 있게 된다는 것이 판명되었으나, 더불어 외부 매니폴드를 구비하지 않은 스트라이프형 유로를 형성하는 경우에도 유로를 나누는 유로 내의 섬형 부분이 유로판 주변으로부터 완전히 빠져 버리는 것을 방지하는 것에도 매우 유용하다는 것을 알 수 있었다.
(실시예 11B)
도46은 상술한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1100)를 상술한 실시예 9 또는 실시예 10의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면이다. 실시예 9에서는 온도 70℃, 전류 밀도 75mA/㎠의 1시간의 연속 운전을 수행했을 때에 도42에 도시하는 바와 같이 약 50%의 전압 출력 변동의 감소를 달성하였으나, 여전히 약간의 전압 출력의 변동이 관측되었다. 이에 관하여, 가시화된 상태에서 동일 조건의 연속 운전을 수행해 보면 유로중에서 발생한 이산화탄소의 기포가 보강 부재에서 걸려 체류하는 것이 전압 출력의 규칙적인 변동의 원인이라는 것이 판명되었다.
이에, 실시예 9에서 채용한 유로판의 보강 부재의 두께를 유로 깊이에 대하여 단계적으로 얕게 한 것을 몇 가지 형성하여 전압 출력의 변동과의 의존성을 조사하는 시도를 수행하였다.
유로의 깊이에 대하여 보강 부재의 두께가 약 50 내지 40% 이하가 됨으로써, 전압의 변동이 급격하게 작아지는 것이 명확해지고, 또한 유로의 가시화 운전에 있어서도 같은 정도 두께 이하에 있어서 보강 부재에 의한 1초 이상의 이산화탄소의 체류를 일으키지 않게 된 것이 확인되었다.
아울러, 이 보강 부재에 따른 이산화탄소의 기포의 체류는 유로 단면에 대하여 보강 부재의 단면이 수직이면 수직일수록 발생하기 쉽고, 보다 이산화탄소의 기포의 체류를 감소시키기 위해서는 연료 또는 산화제의 진행하는 방향면에 대항하는 보강 부재의 단면 형상을 예각으로 하는 것이 바람직하다는 것도 알았다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1100)에 따르면 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적어지고 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 되어 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제12 실시 형태]
도47은 본 발명의 제12 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1200)(도시 않음)에 조립된 유로판(1230)을 도시하는 도면이다.
유로판(1230)은 금 리본(1231, 1232)이 보강 부재(1234)에 밀착되도록 하고, 나아가 시아노아크릴레이트계 접착제에 의해 밀착시켰다. 밀착시킬 때, 기전부 단위에 접하는 금 리본(1231, 1232) 부위가 접착제에 의해 피복되지 않도록 접착제는 보강 부재의 부분에만 도포하였다. 또한, 1233은 유로를 도시하고 있다.
(실시예 12)
상술한 실시예 11B에 있어서의 모노폴라형 유로판을 이용한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(11100)에서는 70℃, 전류 밀도 75mA/㎠의 1시간의 연속 운전을 수행하면 금 리본(1131, 1132)이 유로 중앙 방향으로 느슨해지고, 그 느슨해짐에 따라 이산화탄소 기포의 체류가 일어나는 것이 확인되고 있다. 또한, 상기 운전을 몇 차례 반복한 후 기전부 단위의 팽창·수축에 의해 드물게 금 리본(1131, 1132)의 단열이 일어난다는 것도 확인되었다.
(실시예 13)
직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1200)에 있어서는 온도 70℃에서의 75mA/㎠의 부하 전류로 1시간의 연속 운전을 몇 십 차례 반복한 경우에도 금 리본의 변형이나 어긋남이 일어나지 않아, 도전 부재의 문제점에 따른 전압 출력의 변동이나 출력 저하를 방지하는 것에 성공하였다.
기전부로부터의 집전을 도전 부재에서 수행하는 경우에는 도전 부재를 유로판 평면 방향에서 끌어다 돌려야 하지만, 기전부에 접하는 상황이라는 점에서 귀금속 또는 귀금속에 코팅된 비금속 부재 또는 비교적 저항이 높아지기 쉬운 카본을 도전 부재로서 이용할 필요가 있다. 그러나, 도전 부재 돌리기가 길어지면 길어질수록 귀금속인 경우에는 코스트가 높아지고 카본재인 경우에는 전기 저항을 무시할 수 없게 된다. 즉, 도전 부재는 되도록 짧은 거리로 설치할 필요가 있어, 본 실시예와 같이 유로를 횡단시키지 않을 수 없는 상황이 일어난다. 이와 같은 경우, 발전시에 있어서의 도전 부재끼리의 단락 등의 오동작을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 기전부 단위의 표면을 불필요하게 도전 부재로 덮어버리는 것도 피할 수 있다는 것이 확인되었다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1200)에 따르면 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적어지고 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있어 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제13 실시 형태]
도48의 (a), (b)는 본 발명의 제13 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1300)(도시 않음)에 조립된 유로판(1330)을 도시하는 평면도 및 단면도를 적의 도시하는 도면, 도49는 관통부 형성 이전의 유로판, 도50의 (a) 내지 (c)는 관통부 형성 공정을 도시하는 단면도이다.
유로판(1330)은 교대형 유로(1333)를 가지고 있으며, 유로 내부에는 보강 부재(1334)가 설치되어 있다. 도48의 (a)에 도시하는 바와 같이, 동일한 기전부 단위층에 형성된 기전부 단위층끼리의 사이에는 애노드 전극이나 캐소드 전극에 덮이지 않은 부위(Q)가 몇 밀리 정도 있다. 이 부위(Q)에서는 반응이 이루어지지 않으므로, 유로(1333)를 유로판(1330) 표면에 노출시킬 필요는 없다. 따라서, 유로판(1330)에 경계벽(1335)을 남긴 후 경계벽(1335)에 터널형 관통부(1336)를 형성한다. 이때 관통부(1336)의 출구 또는 입구를 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 단부로부터 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 전극 내측 방향으로 1.0mm의 위치가 되도록 형성하였다.
관통부(1336)의 형성 방법은 도49 및 도50의 (a)에 도시하는 바와 같이 기전부 단위끼리의 경계가 되는 경계벽(1335)을 남기고 유로(1333)를 형성한다. 동시에 공급구(1333a), 배출구(1333b)를 형성한다. 다음으로, 도49의 (b)와 같이 경계벽(1335) 측면으로부터 관통공을 드릴에 의해 절삭하여 관통부(1336)를 형성한다.
(실시예 13)
이와 같이 구성된 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1330)에 따르면, 유로의 폐색이나 유로간에서의 단락 또는 연료 및 산화제의 노출이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 즉, 기전부 단위에 있어서는 운전중에 전해질막이 팽윤하여 씰 부재가 왜곡되는 경우가 있다. 이로 인해, 동일 기전부 단위층 내에서 이웃하는 기전부 단위끼리의 사이에 위치하는 유로의 폐색이나, 반대로 기전부 단위의 단부가 유로를 가로지르는 선상에 있어서의 연료 또는 산화제의 단락이 일어날 우려가 있다. 이에 따라, 출력의 저하를 일으킨다는 것을 알았다.
한편, 터널형 구조의 입구 및 출구를 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 단면에 맞추어 유로판을 형성한 바, 전극의 단면과 실리콘 고무 수지 씰 부재 단면의 접촉부에 생긴 극간을 지나 이웃하는 유로간에서 산화제 및 연료가 단락되는 현상이 발생하였다.
고로, 터널형 구조의 입구 및 출구는 애노드 전극 및 캐소드 전극의 내측에 위치하고 있는 것이 바람직하지만, 형성되는 위치가 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 내부 방향으로 깊어지면 깊어질수록 유로의 캐소드 전극에 면해있는 면적이 작아져 발전 효율이 나빠진다고 생각된다.
이에, 실험에 따르면 0.5mm 내측에 입구 및 출구를 형성한 경우에는 장시간의 운전 시험 후에 전해질막이나 실리콘 고무 수지 씰재의 신축에 의해 드물게 연료 및 산화제의 단락 현상이 보이는 경우가 있었다. 아울러 1mm 내부에 형성한 경우에 있어서는 전혀 문제가 관측되지 않았다.
이들 점에서, 관통부의 입구 및 출구는 애노드 전극 및 캐소드 전극의 내부 방향에서 약 1.0mm 전후에 위치하는 것이 바람직하고, 주위 1mm 폭 면적에서의 연료 공급 로스를 무시할 수 없는 작은 면적의 애노드 전극 또는 캐소드 전극을 채용하는 경우에 있어서도 단락이나 누출을 방지하기 위하여 0.5mm 정도 내측에 위치하는 것이 바람직하다는 것을 알았다.
교대형 유로의 형상에 관하여, 그 특징을 보다 효과적으로 발휘하기 위해서는 동일 평면상에 병렬로 배열되는 복수의 기전부 단위 또는 전극간을 몇 번이나 왕복 또는 거치는 것이 바람직하다고 결론지어진다. 그러나, 그 결과로서 유로가 실리콘계 또는 테프론계 부재를 이용한 씰재에 면할 가능성이 많아지고, 특히 본 실시예에서 도시된 바와 같은 유로에 있어서의 터널형 구조를 형성하는 것이 교대형 유로 형상의 특징을 더욱 발휘시키는 데에 있어서 중요하다는 것을 알았다.
또한, 이와 같은 터널형 구조는 유로판의 공급구 또는 배출구와 전극 사이에 위치하는 유로 부분에 대해서도 유효하다는 것을 알았다. 나아가, 이와 같은 터널형 구조는, 카본과 같은 위험 부재에 대하여 적용하는 것은 견뢰성의 관점에서 현실적이지 않고, 상술한 절연성 수지 부재를 이용하는 경우 유효성이 현저해지는 것이다.
도51, 52는 유로판에 경계벽을 설치하고, 그 경계벽에 관통부를 설치한 변형예를 도시하는 평면도이다. 또한, 이들 도면중 1360은 유로, 1361, 1362는 공급구 또는 배출구, 1363은 보강 부재, 1364는 경계벽으로 내부에 관통부(도시 않음)가 설치되어 있으며 복수의 유로(1360)를 결합하고 있다. 또한, 1370은 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 유로판에 접해 있는 범위를 도시하고 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1300)에 따르면 기전부 단위마다의 편중이 적어지고 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 되어 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제14 실시 형태]
도53은 본 발명의 제14 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1400)에 조립된 유로판을 도시하는 도면이다.
도53의 (a), (b)는 관통부를 갖는 유로판(1400)을 도시하는 도면이다. 유로판(1400)은 2개의 수지로 만든 판형 부재(1410, 1420)를 접합함으로써 형성할 때의 일 예를 도시한 것이고, 도53의 (b)는 도53(a)의 2개의 판형 부재(1410, 1420)를 접착하여 붙임으로써 형성된 유로판(1400)의 완성도이다. 판형 부재(1410)는 부재 본체(1411)를 가지며, 이 부재 본체(1411)에는 조립 후에 유로판(1400)의 각 부분이 되는 부위가 형성되어 있다. 1412는 배출구 및 공급구를 형성하기 위한 공부(孔部) 형성부, 1413은 경계벽 형성부, 1414는 보강부 형성부, 1415는 유로 형성부, 1416은 빗형 구조부 형성부이다.
마찬가지로, 판형 부재(1420)는 부재 본체(1421)를 가지며, 이 부재 본체(1411)에는 조립 후에 유로판(1400)의 각 부분이 되는 분위가 형성되어 있다. 1422는 배출구 및 공급구를 형성하기 위한 공부 형성부, 1423은 경계벽 형성부, 1424는 보강부 형성부, 1425는 유로 형성부, 1426은 빗형 구조부 형성부이다.
또한, 판형 부재(1410, 1420)의 유로 형성부(1415, 1425)는 양자를 접합할 때에 경상(鏡像)을 이루도록 형성된다. 경계벽 형성부(1413) 부분의 두께는 부재 본체(1411)의 두께보다 얇고, 판형 부재(1410, 1420)가 접합되는 면의 반대측 면에 있어서 판형 부재(1410, 1420)의 표면과 동일 평면을 이루도록 형성된다. 유로 형성부(1415)의 폭은 유로 형성부(1425)와 같은 폭으로 형성하고, 두께는 부재 본체(1411) 두께의 절반 이하이며 강도가 충분한 두께 이상인 것이 바람직하다.
경계벽 형성부(1413)는 판형 부재(1410, 1420)의 양방에 형성되어 있어도 되지만, 양쪽 두께 합계의 두께로 4601a나 4601b중 어느 한쪽에만 형성되어 있어도 된다. 단, 보강부 형성부(1414, 1424)의 합계 두께는 부재 본체(1411, 1421) 두께의 합계의 절반 이하이며 0.2mm 이상으로 하고, 접합되는 면측에서 동일 표면이 되도록 형성되는 것이 바람직하고, 판형 부재(1410, 1420)의 양쪽에 보강 부재 형성부(1414, 1424)를 형성하는 경우에는 판형 부재(1410, 1420)의 접합되는 면에 있어서 판형 부재(1410, 1420)의 표면과 동일 평면을 이루도록 형성하는 것이 바람직하다.
이들 판형 부재(1410, 1420)를 접착하여 접합시키는 데에 있어서는 내약품성과 내열성 및 내수성을 고려하여 시아노아크릴레이트계 및 폴리머어레이형의 열 경화성 수지에 의한 접착제의 사용이 바람직하고, 이어서 열 경화형 에폭시 수지성 접착제 등도 판형 부재(1410, 1420) 재질과 접착제의 접합성이나 운전 상황에 따라 선택해도 된다. 또한, 유로의 폐색을 방지하기 위하여 판형 부재(1410, 1420)의 접착면측의 가장 표면측에 균일 또한 가능한 얇게 접착제가 도포되는 것이 바람직하다.
관통부를 갖는 유로판에 있어서는 유로의 폐색이나 유로간의 단락 또는 연료 및 산화제의 누출 등이 해소된 것이 확인되었으나, 한편으로 관통되어 있는 구멍의 단면이 유로 깊이보다 작은 직경의 원 형상이기 때문에, 실시예 12 및 실시예 13에서 관측된 바와 같은 이산화탄소 기포의 체류에 따른 현저한 전압 출력의 변동이 관측되었다. 이산화탄소 기포의 체류는 적어도 10초 이상이며, 가장 길 때 1시간 운전하는 동안에 30분 이상 이산화탄소 기포에 따른 출력 저하가 확인되었다. 이 사실은, 실시예 13의 유로판에 있어서의 관통부의 단면적이 좁기 때문에 기포가 막힌 것으로 생각된다.
따라서, 관통부의 단면적을 넓게 할 필요가 있는데, 실시예 13과 같이 유로판 형성 후 드릴을 이용하여 관통공을 뚫는 방법으로는 기술적으로 곤란하다. 또한, 사출 성형을 이용한다고 해도, 성형 이전에 희망하는 단면 형상의 부재를 설치하고 성형 후에 뽑기 때문에, 기전부 단위의 수가 많아지면 많아질수록 또한 유로의 굴곡 횟수가 늘어날수록 관통부를 형성하기 위한 공정이나 수고가 매우 번잡해질 것으로 생각된다.
이에, 본 실시 형태에 따른 유로판(1400)에 따르면, 사출 성형에 의해 형성한 관통부를 가지지 않은 부재의 최저 2개 1조의 접착만으로 견뢰한 터널 구조를 갖는 유로판을 형성하는 것이 용이하게 가능해진다. 또한, 부재끼리를 접착하는 데에 있어서는 내약품성과 내열성 및 내수성을 고려하여 시아노아크릴레이트 및 폴리머아로이형 열 경화성 수지에 따른 접착제의 사용이 바람직하다.
(실시예 14)
아크릴을 유로판 부재로 이용하여 이상과 같이 형성하여 도46(c)와 같이 도전 부재(1430)를 형성한 모노폴라형 유로판(1400)에 있어서는 소망하는 관통부를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 이 유로판(1400)을 이용한 유로의 가시화 수행 하에서의 1시간의 연속 발전 운전에 있어서는 기포의 체류가 길어도 10초 이하가 되어 양호한 발전 상태가 얻어졌다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 유로판(1400)에 따르면 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적이지고 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 되어 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제15 실시 형태]
도54의 (a), (b)는 제15 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 관통부가 형성되어 있는 유로판(1500)을 도시하는 도면이다. 유로판(1500)은 3개의 수지로 만든 판형 부재(1510, 1520, 1530)를 접합시킴으로써 형성할 때의 일 예를 도시하는 것으로, 도53의 (b)는 도53(a)의 판형 부재(1510 내지 1530)를 접착하여 붙임으로써 형성된 유로판의 완성도이다.
유로판의 한층 더한 박형화를 수행하는 경우에는 터널형 구조를 형성하기도 곤란해지는 경우가 있지만, 도전성을 필요로 하는 유로판의 경우와 달리, 부식이나 극도의 박판 형성법을 고려할 필요가 없는 절연성 수지제 박막을 유로판 전면에 밀착시켜 구비시킬 수 있다.
도54는 터널형 구조가 형성된 유로판을 3개의 판형 부재(1510 내지 1530)를 접합시킴으로써 형성할 때의 일 예를 도시한 것으로, 도54(b)는 도54(a)의 3개의 부재를 접착하여 붙임으로써 형성된 유로판의 완성도이다.
판형 부재(1520)는 도54(b)의 유로판을 형성할 때의 유로의 기부(基部)가 되는 역할을 지니며, 판형 부재(1510, 1530)는 관통부를 형성하기 위한 덮개의 역할을 주로 갖는다. 도면중 1511, 1521, 1531은 공급구 형성부 또는 배출구 형성부, 1512, 1522, 1532는 유로 형성부, 1523은 유로의 보강 부재, 1514, 1524, 1534는 관통구 형성부, 1515, 1525, 1535는 빗형 구조 형성부, 1536은 관통부가 형성되는 경계벽이다.
판형 부재(1510, 1530)의 두께는 판형 부재(1520) 두께의 절반 이하이며 강도가 충분한 두께 이상인 것이 바람직하고, 보강 부재(1523)의 두께는 완성된 유로판 두께의 절반 이하이며 0.2mm 이상인 것이 바람직하다.
이들 판형 부재(1510 내지 1530)를 접합하여 붙이는 데에 있어서의 접착제와 접착 방법은 실시예 14의 경우와 동일하며, 판형 부재(1520)의 양면에 접착제를 도포하여 접착하는 것이어도 판형 부재(1510, 1530)의 접착면측에 접착제를 도포하는 것이어도 된다.
이상과 같은 공정에 의해 유로판의 기부가 되는 부재에 두께 1.5mm 아크릴 수지를, 덮개가 되는 부분에 두께 약 0.2mm 폴리이미드 수지 필름을 이용하여 형성된 유로판에 있어서,
(실시예 15A)
1시간의 연속 발전 운전중 몇 초 이상의 이산화탄소 기포의 체류가 보이지 않고 양호한 발전 상태를 유지할 수 있었다.
(실시예 15B)
실시예 15A에 채용한 유로판을 아크릴 수지로 형성하여 이용하고, 70℃에서 75mA/㎠의 부하 전류로 연속 운전한 바, 도55와 같이 약 3시간 전후에 차츰 출력 저하가 확인되었고, 6시간 후에는 거의 출력이 얻어지지 않게 되었다. 운전 종료 후 스택을 해체한 바, 온도에 따른 부재의 변형에 의해 메탄올 수용액 연료 및 공기의 공급이 전혀 정상적으로 수행되지 않게 되었다는 것이 판명되었다.
이에 열 변형 온도를 140 내지 150℃로 갖는 폴리카보네이트 수지를 이용하여 실시예 15와 같은 형상의 유로판을 형성하고 70℃에서 75mA/㎠ 부하 전류로 연속 운전을 수행했지만, 도55와 같이 약 200시간의 연속 운전 후에 10% 정도의 출력 저하가 확인되었다. 스택의 해체 후 유로판의 상황을 확인한 바, 기전부 단위에 구비되어 있는 카본 페이퍼에 의한 세세한 요철이 유로판 표면에 발생도어 있는 것이 확인되고, 유로판 전체에 근소한 왜곡도 발생되었다는 것이 확인되었다.
아울러, 보다 높은 열 변형 온도를 갖는 폴리에테르이미드 수지나 폴리이미드 수지에 있어서는 도55에 도시되는 바와 같이 300시간 이상의 연속 운전에서도 5% 정도의 출력 저하밖에 관측되지 않았다. 스택 해체 후 유로판의 표면에서는 아무런 손상이나 변화가 보이지 않았으며, 또한 약 5%의 출력 저하는 기전부 단위 그 자체의 출력 저하에 따른 것이라는 것이 통상의 카본제 유로판을 이용한 결과로부터 명확해졌다.
이상의 결과에서, 적어도 운전 온도보다 100℃ 이상 높은 열 변형 온도를 갖는 수지 부재에 있어서만 장기에 걸쳐 안정된 운전을 수행하는 것이 가능한 연료 전지용 유로판을 형성할 수 있다는 것이 명확해졌다.
이제까지 기술한 유로판에 사용하는 수지 부재로는 발전이 수행되는 온도에 충분히 견딜 수 있는 것일 필요가 있다. 이는 발전시의 스택이나 연료 온도에 대한 장기적인 열 변형을 무시할 수 있기를 바라는 것이 하나의 이유이기는 하지만, 보다 중요한 점으로, 실제의 발전 운전시에 있어서 기전부 단위의 캐소드 전극 표면의 온도는 스택이나 연료 온도보다 더욱 높고, 연료 전지 발전 장치의 운전 조건에 따라서는 스택 내부 표면 온도보다 100℃의 상승을 나타내는 경우가 있다. 이는 유로판이 바로 기전 부재에 접해있는 것을 고려한다면, 적어도 100℃ 이상 높은 점에 열 변형 온도를 갖는 수지 부재를 유로판으로 이용해야 한다는 것을 나타내는 것이다.
따라서, 연료 및 스택 환경 온도가 40 내지 50℃라고 하는 경우에, 확실하게 140℃ 이상의 온도에서 열 변형 온도를 갖는 폴리에테르이미드 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리슬폰 수지, 폴리에테르슬폰 수지, 멜라민·페놀 수지, 실리콘 수지를 우선 바람직한 유로판용 수지 부재로 하고, 다음으로 더욱 실온에 가까운 연료 전지의 운전 조건에서는 폴리카보네이트 수지, 내열 비닐에스테르 수지, 비스페놀F형 에폭시 수지, 페놀노보락형 에폭시 수지, 페놀 수지, 디아릴프탈레이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리부틸렌텔레프탈레이트 수지 등을 적용시키는 것이 바람직하다. 또한, 이 이외의 온도에 있어서도 스택의 표면 온도보다 100℃ 이상 높은 수지 부재를 유로판으로 이용하는 것이 바람직하다고 결론지어진다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(150)에 따르면 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적어지고 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 되어 안정된 출력을 얻을 수 있다.
[제16 실시 형태]
도56은 본 발명의 제16 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1600)를 도시하는 도면으로, (a)는 종단면도, (b)는 횡단면도, 도57의 (a) 내지 (e)는 도56에 있어서의 δ1-δ1 내지 δ5-δ5에 있어서의 단면도이다.
직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1600)는 도49와 같이 유로판(1622 내지 1624)을 배관 및 연료 탱크와 일체가 되도록 실시예 15에서 채용한 유로판을 후술하는 바와 같이 장기의 안정성이 실증된 폴리에테르이미드 수지를 이용하여 형성하였다.
직접형 메탄올 연료 전자 발전 장치(1600)는, 광체(1610)와, 이 광체(1610)에 유지된 스택부(1620)와, 스택부(1620)에 연료 및 산화제를 공급하기 위한 공급부(1630)와, 광체(1610)에 대하여 착탈 가능하게 설치된 연료 및 산화제의 탱크부(1650)를 구비하고 있다.
스택부(1620)는 수평 방향으로 2개의 기전부 단위를 배열시킨 기전부 단위의 조를 하나의 모노폴라형 유로판(1623)의 표리에 설치하고 있으며, 이 유로판(1623)에 대해서는 메탄올 수용액 연료를 공급하고 있다. 또한, 모노폴라형 유로판(1623)과 4개의 기전부 단위의 상하에 배치되어 있는 유로판(1624, 1624)은 기전부 단위가 배치되는 면에만 유로(1622a, 1624a)가 형성되어 공기가 공급된다.
스택부의 가장 표면에 단열재를 구비한 체결판(1621)이 설치되고, 도시되지 않은 체결구에 의해 스택에 포함되어 있는 씰 부재에 의한 씰이 수행된다.
이와 같이 구성된 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1600)에서는 다음과 같이 하여 동작한다. 즉, 송기 펌프(1631)에 의해 스택부(1610)로 보내어지고, 모노폴라형 유로판의 가장 외측에 형성되어 있는 공기 공급용 공급로(1632)를 지나, 스택 적층 방향으로 관통하는 부분(1633)에서 상하의 유로판(1622, 1624)의 유로로 분기된다. 기전부 단위 부분을 통과한 공기와 수증기는 다시 다른 관통구(1634)에 있어서 모노폴라형 유로판의 가장 외부의 배출로(1635)에 합류하여 메탄올 수용액 연료를 일시 유지하기 위한 공간(1636)으로 유입된다.
한편, 메탄올 수용액 연료는 송액용 펌프(1641)에 의해 공간(1636)으로부터 보내어지고, 연료 송액로(1637)를 통과하여 스택을 거친 후 다시 이산화탄소와 함께 공간(1636)으로 유입된다. 공간(1636)에는 고농도 메탄올 카트리지(1651)로부터 고농도 메탄올 공급용 펌프(1638)에 의해 고농도 메탄올을 공급하기 위한 공급로(1737)가 형성되어 있다.
(실시예 16)
운전에 있어서는 메탄올 수용액 연료의 초기 농도를 3mol/l로 하고, 연료 유량을 0.04cm/min, 공기 유량을 40cm/min으로 하였다. 운전의 결과, 스택 부분의 온도는 50℃ 전후의 온도로 밖에 상승되지 않았지만, 공급된 공기 및 메탄올 수용액 연료의 누출은 전혀 관측되지 않았고, 또한 공간(4907) 등을 포함한 유로판(4902) 등에도 왜곡 등은 확인되지 않은 채로 300시간의 연속 운전을 수행하는 것이 가능하다는 것이 확인되었다.
일반적으로 연료 전지 발전 장치에 있어서는 연료 용기와 배관과 스택을 독립된 구성 요소로 다루고, 펌프 등의 다른 요소도 포함하여 이들을 조합함으로써 전체를 구성한다. 그러나, 휴대형 전자 기기 용도로 응용되는 연료 전지 발전 장치에 있어서는 구조의 간략화와 동시에 장치의 박형화를 진행시킬 필요가 발생한다. 고로, 내포되는 스택에 관해서도 적층수를 대폭 내려 장치의 두께와 수직인 방향에 대하여 기전부 단위의 평면 방향이 평행해지도록 기전부를 병렬로 배열시키는 것이 바람직하다. 이는 동시에 스택과의 연료 또는 산화제의 공급이나 배출을 수행하기 위한 배관에 있어서도 박형화를 실시할 필요성을 발생시키고, 또한 유로판이 박형화되기 때문에 유로판 측면과의 배관을 실시하는 것도 극단적으로 곤란해진다는 것을 의미한다. 나아가, 박형화되기 때문에 장치의 견뢰성을 유지하는 것도 어려워진다. 연료 용기나 배관은 수지제인 것이 바람직하며 또한 그것으로 충분하지만, 장치 전체의 박형화로 특화하지 않으면 안 되는 상황에서는 각 구성 요소를 독립하여 형성할 때에 스택의 연료 또는 산화제의 공급구 혹은 배출구와 연료 용기나 배관을 접속하기 위한 구조나 전체의 견뢰성을 올리기 위한 구조도 충분히 고려해야만 한다.
한편, 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1600)에 있어서는 유로판의 연장으로서 배관이나 연료 용기의 일부를 작성하는 것, 즉 탱크나 배관을 유로판과 같은 수지 부재에 의한 일체 성형으로 형성하는 것이 가능해져, 구성 부품 점수의 대폭 삭감과, 일체화에 따른 연료 전지 발전 장치의 구조적 견뢰성이 용이성과 동시에 얻어져 생산성을 대폭 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 유로판을 카본을 주체로 하는 재질이나 금속에 의해 형성하고 있는 경우에는 매우 곤란하다는 점에서, 유로판(1622 내지 1624)의 재료는 수지재인 것이 요구된다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치(1600)에 따르면 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적어지고 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 되어 안정된 출력을 얻을 수 있게 된다.
또한 상술한 실시 형태 및 실시예에 있어서는 연료 유로에 대해서만 교대형으로 하고 있지만, 공기 유로에 대해서도 교대형으로 해도 된다. 또한, 연료 유로와 공기 유로를 양쪽 모두 교대형으로 해도 된다.
또한, 본 발명은 상기 실시 형태 그대로 한정되는 것이 아니라, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소를 변경해서 구체화할 수 있다. 또한, 상기 실시 형태에 개시되어 있는 복수의 구성 요소의 적의 조합에 의해 여러 발명을 형성할 수 있다. 예를 들면, 실시 형태에 나타난 전 구성 요소에서 몇 개의 구성 요소를 삭제해도 된다. 아울러, 서로 다른 실시 형태에 걸친 구성 요소를 적의 조합해도 된다.
본 발명에 따르면, 복수의 기전부 단위로 구성되는 적접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 있어서, 기전부 단위마다의 출력의 편중이 적어지고 또한 안정된 연료 공급을 수행할 수 있게 된다.
도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 도시하는 사시도.
도2는 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치의 요부를 도시하는 도면.
도3은 동 유로판의 제1 변형예에 관한 유로판을 도시하는 저면도.
도4는 직접형 메탄올 연료 전지의 기전부 단위에 있어서의 전류 전압 특성의 메탄올 수용액의 초기 농도에 대한 의존성을 도시하는 특성도.
도5는 연료 유로의 할당 방법을 모식적으로 도시하는 설명도.
도6은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치의 요부를 도시하는 도면.
도7은 유로판의 변형예를 도시하는 평면도.
도8은 유로판의 변형예를 도시하는 평면도.
도9는 유로판의 변형예를 도시하는 평면도.
도10은 유로판의 변형예를 도시하는 도면.
도11은 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치의 전류 전압 특성의 결과를 도시하는 도면.
도12는 실시예 1의 운전 조건에 있어서 전류 전압 특성을 측정한 결과를 도시하는 도면.
도13은 직렬형 유로를 이용한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 도시하는 도면.
도14는 실시예 1의 운전 조건 아래 비교예 1의 전류 전압 특성을 도시하는 도면.
도15는 병렬형 유로를 이용한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 도시하는 도면.
도16은 실시예 1의 운전 조건에 있어서의 전류 전압 특성을 도시하는 도면.
도17은 비교예 3에 있어서의 발전 시험의 결과를 도시하는 도면.
도18은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 도시하는 측면도.
도19는 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 도시하는 도면으로, (a)는 사시도이고, (b)는 횡단면도.
도20은 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 분해하여 도시하는 도면.
도21은 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치의 전류 전압 특성을 도시하는 도면.
도22는 기전부 단위를 4개 구비한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 직렬형 유로가 형성된 유로판을 도시하는 도면.
도23은 비교예 4의 스택에 관한 실험 결과를 도시하는 도면.
도24는 비교예 5로서 기전부 단위를 4개 구비한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 병렬형 유로가 형성된 유로판을 도시하는 도면.
도25는 비교예 5로서 기전부 단위를 4개 구비한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 병렬형 유로가 형성된 유로판을 도시하는 도면.
도26은 실시예 3의 운전 조건에 있어서 전류 전압 특성을 측정한 결과를 도시하는 도면.
도27은 본 발명의 제4 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 도시하는 측면도.
도28은 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치의 유로판을 도시하는 평면도.
도29는 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 실시예 3의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면.
도30은 제5 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 제1 내지 제3 유로판을 도시하는 도면.
도31은 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 실시예 3의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면.
도32는 본 발명의 제6 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 도시하는 도면으로, (a)는 종단면도이고, (b)는 (a)에 있어서의 -선에서 절단하여 화살표 방향으로 본 단면도.
도33은 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 제1 내지 제3 유로판을 도시하는 도면.
도34는 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 실시예 3의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면.
도35는 본 발명의 제7 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 도시하는 측면도.
도36은 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 도시하는 도면으로, (a)는 사시도이고, (b)는 단면도.
도37은 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 제1 내지 제3 유로판을 도시하는 도면.
도38은 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 실시예 3의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면.
도39는 본 발명의 제8 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 도시하는 평면도 및 요부 단면도.
도40은 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 실시예 3의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면.
도41은 본 발명의 제9 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 유로판을 도시하는 평면도 및 요부 단면도.
도42는 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치의 전류 전압 특성을 비교하여 도시하는 도면.
도43은 본 발명의 제10 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 유로판을 도시하는 평면도 및 요부 단면도.
도44는 본 발명의 제11 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 유로판을 도시하는 도면.
도45는 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 실시예 9의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면.
도46은 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 실시예 9의 운전 조건으로 운전했을 때의 전류 전압 특성을 도시하는 도면.
도47은 본 발명의 제12 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 유로판을 도시하는 도면.
도48은 본 발명의 제13 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 유로판을 도시하는 평면도 및 요부 단면도.
도49는 관통부 형성 이전의 유로판을 도시하는 도면.
도50은 관통부 형성 공정을 도시하는 단면도.
도51은 경계벽에 관통부를 설치한 유로판의 변형예를 도시하는 평면도.
도52는 경계벽에 관통부를 설치한 유로판의 변형예를 도시하는 평면도.
도53은 본 발명의 제14 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 유로판을 도시하는 도면.
도54는 본 발명의 제15 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 조립된 관통부가 형성되어 있는 유로판을 도시하는 도면.
도55는 동 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치에 있어서의 전류 전압 특성을 도시하는 도면.
도56은 본 발명의 제16 실시 형태에 관한 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치를 도시하는 도면으로, (a)는 종단면도이고, (b)는 횡단면도.
도57은 도56에 있어서의 σ1-σ1 내지 σ5-σ5에 있어서의 단면도.
도58은 일반적인 기전부 단위의 구성을 모식적으로 도시하는 설명도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 직접형 메탄올 연료 전지 발전 장치
101 : 절연성 유로판
102 : 절연성 유로판
103 : 연료 유로
104 : 연료 유로 공급구
105 : 연료 유로 배출구
106 : 유로 덮개체
107 : 수지성 봉지재
108a, 108b : 기전부 단위
109 : 공기 유로

Claims (15)

  1. 전해질막을 애노드 촉매층을 포함하는 애노드극과 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극을 협지하여 형성된 복수의 기전부 단위로 이루어지는 기전부 단위군과,
    이들 기전부 단위군의 애노드극에 당접하여 배치되는 동시에 내부에 연료가 통류되는 제1 유로가 형성된 제1 유로판과,
    상기 기전부 단위군의 캐소드극에 당접하여 배치되는 동시에 내부에 산화제가 통류되는 제2 유로가 형성된 제2 유로판을 구비하는데,
    상기 제1 유로는 그 입구로부터 출구에 걸쳐 분기되는 일 없이 상기 기전부 단위군의 모든 애노드극에 접촉하도록 통과하는 동시에, 적어도 하나의 기전부 단위의 애노드극에는 여러 번 접촉하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  2. 전해질막을 애노드 촉매층을 포함하는 애노드극과 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극을 협지하여 형성된 복수의 기전부 단위로 이루어지는 기전부 단위군과,
    이들 기전부 단위군의 캐소드극에 당접하여 배치되는 동시에 내부에 산화제가 통류되는 제1 유로가 형성된 제1 유로판과,
    상기 기전부 단위군의 애노드극에 당접하여 배치되는 동시에 내부에 연료가 통류되는 제2 유로가 형성된 제2 유로판을 구비하는데,
    상기 제1 유로는 그 입구로부터 출구에 걸쳐 분기되는 일 없이 상기 기전부 단위군의 모든 캐소드극에 접촉하도록 통과하는 동시에, 적어도 하나의 기전부 단위의 캐소드극에는 여러 번 접촉하도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, n은 상기 기전부 단위군이 갖는 기전부 단위의 수, s는 상기 제1 유로가 각 기전부 단위를 각각 통과하는 횟수, h는 유로 영역의 수이며 n과 s의 곱, br, m(1 ≤ m ≤ n, 1 ≤ r ≤ s)는 상기 유로 영역에 할당된 번호이며 h 이하의 자연수, Zbr, m은 각 유로 영역의 유로 공급구로부터의 거리, Lo는 상기 제1 유로의 실효적인 길이를 나타낼 때,
    를 총족시키는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  4. 전해질막을 애노드 촉매층을 포함하는 애노드극과 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극을 협지하여 형성된 제1 및 제2 기전부 단위군과,
    제1 기전부 단위군의 애노드극에 당접하여 배치되는 동시에 연료가 통류되는 제1 유로가 형성된 제1 유로판과,
    한쪽 면측에 상기 제1 기전부 단위군의 캐소드극에 당접하여 산화제가 통류되는 제2 유로가 형성되는 동시에, 다른 쪽 면측에 상기 제2 기전부 단위군의 캐소드극에 당접하며 산화제가 통류되는 제3 유로가 형성된 제2 유로판과,
    상기 제2 기전부 단위군의 애노드극에 당접하여 배치되는 동시에 연료가 통류되는 제4 유로가 형성된 제3 유로판과,
    외부와의 접속에 이용되는 외부 전극을 구비하는데,
    상기 제1 내지 제3 유로판은 절연 부재로 구성되며,
    상기 제1 내지 제3 유로판에는 상기 제1 및 제2 기전부 단위층의 애노드극 및 캐소드극 상호간 또는 상기 외부 전극을 도통하는 도전부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  5. 전해질막을 애노드 촉매층을 포함하는 애노드극과 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극을 협지하여 형성된 제1 및 제2 기전부 단위군과,
    제1 기전부 단위군의 캐소드극에 당접하여 배치되는 동시에 산화제가 통류되는 제1 유로가 형성된 제1 유로판과,
    한쪽 면측에 상기 제1 기전부 단위군의 애노드극에 당접하여 연료가 통류되는 제2 유로가 형성되는 동시에, 다른 쪽 면측에 상기 제2 기전부 단위군의 애노드극에 당접하며 연료가 통류되는 제3 유로가 형성된 제2 유로판과,
    상기 제2 기전부 단위군의 캐소드극에 당접하여 배치되는 동시에 산화제가 통류되는 제4 유로가 형성된 제3 유로판과,
    외부와의 접속에 이용되는 외부 전극을 구비하는데,
    상기 제1 내지 제3 유로판은 절연 부재로 구성되며,
    상게 제1 내지 제3 유로판에는 상기 제1 및 제2 기전부 단위층의 애노드극 및 캐소드극 상호간 또는 상기 외부 전극을 도통하는 도전부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제1 유로판은, 상기 유로가 상기 유로판의 평면 방향에서 굴곡 또는 사행하는 형상으로 형성된 반응 유로와, 상기 제1 유로판의 두께 방향에서 관통하는 관통 유로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 유로판은 각 유로의 단면 형상을 유지하기 위한 보강 부재가 유로 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  8. 제8항에 있어서, 상기 보강 부재는 상기 유로 단면 면적의 50% 이하의 단면적이며, 또한 0.2mm 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 보강 부재는 상기 도전부의 일부를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  10. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 유로판은 상기 유로중 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극에 접촉하고 있는 부분 상호간에 터널형으로 형성된 관통부를 가지며, 그 관통부의 출구 또는 입구가 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극의 단부로부터 상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 내측 방향 0.5mm 이상 1.0mm 이내의 범위에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  11. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 유로판은 상기 유로중 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극에 접촉하고 있는 부분과, 상기 유로의 공급구 또는 배출구 사이에 터널형으로 형성된 관통부를 가지며, 그 관통부의 출구 또는 입구가 상기 애노드 전극 또는 상기 캐소드 전극의 단부로부터 상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 내측 방향 0.5mm 이상 1.0mm 이내의 범위에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  12. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 유로판은 복수의 절연성 수지 부재를 접합함으로써 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  13. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 절연 부재는 폴리에테르이미드 수지, 폴리이미드 수지, 폴리아미드이미드 수지, 폴리슬폰 수지, 폴리에테르슬폰 수지, 멜라민·페놀 수지, 실리콘 수지, 폴리카보네이트 수지, 내열 비닐에스테르 수지, 비스페놀F형 에폭시 수지, 페놀노보락형 에폭시 수지, 페놀 수지, 디아릴프탈레이트 수지, 폴리아미드 수지, 폴리부틸렌텔레프탈레이트 수지중 어느 하나, 혹은 서로 다른 복수의 수지 부재의 조합에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  14. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 유로판에는 상기 연료 또는 상기 산화제를 일시적으로 저장하는 공간이 일체 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
  15. 애노드 촉매층을 포함하는 애노드극과,
    캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드극과,
    상기 애노드극과 상기 캐소드극 사이에 배치되는 전해질막을 구비하는 기전부 단위를 적어도 2개 구비하는 동시에, 연료가 수용되어 있는 연료 용기와,
    상기 기전부 단위에 산화제 또는 연료를 공급하기 위한 유로가 형성된 유로판을 구비하는데,
    상기 유로가 상기 연료 용기로부터 제1 기전부 단위와 제2 기전부 단위를 경유하여 다시 제1 기전부 단위로 환류되는 유로이며, 그 사이에 분기가 이루어지지 않는 유로를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 직접형 액체 연료 전지 발전 장치.
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