KR100976680B1 - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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츠네아키 다마치
노리마사 야나세
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후미하루 이와사키
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세이코 인스트루 가부시키가이샤
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Abstract

반응 용액을 저장하는 액체 저장부(1)와, 액체 저장부(1)로부터 공급되는 반응 용액으로부터 반응 가스를 생성시키는 반응부(2)와, 반응부(2)로부터 공급되는 반응 가스를 저장하는 기체 저장부(3)와, 고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 기체 저장부(3)로부터 공급되는 반응 가스를 연료로 하여 발전하는 연료 전지와, 액체 저장부(1)의 압력이 반응부(2)의 압력보다도 큰 경우, 반응 용액을 액체 저장부(1)로부터 반응부(2)에 공급하고, 액체 저장부(1)의 압력이 반응부(2)의 압력보다도 작은 경우, 반응 용액의 공급을 정지하는 반응 용액 공급량 조정 수단을 구비하였기 때문에 연료 전지의 구동 상황에 맞추어 반응 용액의 공급량을 제어할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 고체 고분자형 연료 전지를 구동하기 위한 수소나 산소를 공급하기 위한 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
최근의 에너지 문제나 환경 문제의 고조로 인해, 에너지 밀도가 보다 높고, 배출물이 청정한 전원이 요구되고 있다. 연료 전지는, 기존 전지의 수배의 에너지 밀도를 가지는 발전기로서, 발전기로서의 에너지 효율이 높고, 또한, 배출 가스에 포함되는 질소 산화물이나 유황 산화물이 없거나, 또는, 적다는 특징이 있다. 따라서 차세대의 전원 디바이스로서의 요구에 적합한 매우 유효한 디바이스로 일컬어지고 있다. 그 중에서도, 고체 고분자형 연료 전지는 100℃ 이하의 저온에서의 구동이 가능하기 때문에, 기동 특성이 좋고, 특히 정치용(定置用) 분산 전원, 자동차 전원, 휴대기기용 전원으로서 활발히 개발이 진행되고 있다.
고체 고분자형 연료 전지는, 애노드에서의 수소의 산화와, 캐소드에서의 산소의 환원을 전기 화학적으로 동시에 행하여, 양극의 전위차와 전기 화학 반응으로 도출되는 전류로부터 출력을 얻는 장치이다. 종래의 연료 전지는, 반응물을 격납하는 연료 저장부, 반응물을 기체 연료로 개질하기 위한 반응부, 연료 공급로, 연료의 전기 화학 반응에 의해 발전을 하는 애노드 또는 캐소드, 애노드와 캐소드 사 이에서 이온을 전달하기 위한 전해질로 구성된다.
종래부터 이용되어 온 애노드 측 연료로서 다음을 들 수 있다. 수소, 메탄올이나 에탄올 등의 알코올류, 에테르류, 시클로헥산이나 수소화붕소나트륨 등의 케미컬 하이드라이드(chemical hydride)이다. 이들 연료 중 수소 이외에는 모두 액체로 이용되고, 개질기에 의해 수소 가스로 변환된다. 연료 전지에서는 수소종을 취출하는 데에 유효하고, 또한, 연료 운반이나 저장에 적합한 화학 물질을 선정하는 것이 예전부터 과제가 되고 있어, 상기 연료는 현 단계에서는 유효한 연료로서 주목받고 있는 것이다.
또한 캐소드 측의 반응물은 산화제이다. 대표적으로는 산소가 이용되지만, 그 밖에 과산화수소와 같은 과산화물을 이용하는 경우가 있다.
그런데, 연료 전지를 전화(電化) 제품이나 휴대 기기, 자동차 등의 전력 소비 디바이스를 움직이기 위해서는, 연료 전지로부터 전력 소비 디바이스의 부하에 따른 전력을 출력할 필요가 있다. 연료 전지의 출력은, 전극에 대한 수소나 산소와 같은 반응 가스의 공급량에 의해서 결정되는 인자이다. 따라서 과잉양의 반응 가스가 전극 근방에 존재하면, 연료 전지의 출력은 부하에 응답하여 변화할 수 있다. 이 점에서, 전극 근방에 존재할 수소나 산소를 다 쓰기 전에, 적절히 반응 가스를 전극에 공급하면, 전력 소비 디바이스의 부하에 응답한 연료 전지의 운전이 가능하다.
여기서 필요량의 반응 가스를 공급하기 위해서는, 상기 연료나 산화제로부터 반응 가스를 필요량 얻을 필요가 있다. 따라서, 연료 저장부로부터 적량의 연료나 산화제를 반응부에 송액(送液)해야만 한다.
종래, 이상의 연료나 산화제, 반응 가스의 공급에는 펌프나 블로워가 사용되고 있고, 연료 전지의 출력과 전력 소비 디바이스의 부하에 따라서 공급량이 제어되어 왔다(예컨대, 비특허문헌 1 참조).
〈비특허문헌 1〉市村雅弘「휴대형 연료 전지의 기술동향」 NTT Building Techno1ogy Institute 2003(제2-4 페이지, 제3도)
그러나, 애노드, 캐소드에 의하지 않고, 전극으로의 연료, 반응 가스의 공급량을 제어하는 것은 곤란하고, 외부로부터, 또는, 연료 전지로부터, 제어를 위한 에너지를 제어 계통에 입력할 필요가 있다. 따라서 제어를 위한 에너지 소비에 의해, 연료 전지의 출력 중 실효적인 출력이 감소한다는 문제가 있다.
또한 애노드 측의 연료에 수소를 이용하는 경우 중, 반응물을 개질하여 수소를 취출하는 경우, 애노드에서의 수소 사용량에 따라서, 수소 발생량을 제어할 필요가 있다. 수소 발생량을 제어하기 위해서는, 반응 온도나 연료 공급량의 제어가 요구된다. 그 때문에, 반응부나 전극에 히터, 온도 센서, 컨트롤러 등의 온도 제어 시스템을 장착하거나, 연료 공급량을 제어하기 위한 밸브나 컨트롤러를 장착해야 한다. 따라서 상기와 같은 반응량 제어 기구에 의해, 에너지를 더 소비하게 되어, 연료 전지의 실효 출력을 감소시켜 버린다.
이와 동시에, 특히 소형 전자기기에 적용하는 연료 전지에서는, 이들 시스템의 부피분만큼 연료를 탑재할 수 없다. 따라서 연료 전지의 부피 에너지 밀도에 매우 불리하고, 본 시스템의 부피에 따라서는 기존의 전지와 비교하여 부피 에너지 밀도를 저하시켜 버린다는 문제가 있다.
또한 수소 발생량을 제어하는 시스템을 장착하지 않는 경우, 출력되는 전류 상당의 수소량을 넘어 발생한 수소에 의해 연료 전지 내압이 상승한다. 이 경우 고체 고분자 전해질막을 통해서 캐소드 측에 크로스 리크하여, 캐소드의 출력을 저하한다는 문제가 있다.
또한, 이와 같은 수소의 누설은 수소가 유효 이용되지 않고, 에너지 밀도를 저하시킨다는 문제가 있다.
애노드에서의 문제에 대해서 상기하였지만, 캐소드에서도 동일한 문제가 있다. 산화제로부터 산소를 발생하여, 캐소드에 산소를 공급하는 경우, 산소 발생량을 산소 사용량에 따라서 제어할 필요가 있어, 제어를 위해 에너지를 소비하고, 제어 기구의 설치를 위해 부피 에너지 밀도를 줄이게 된다.
본 발명은, 연료 전지의 전극에 적정량의 연료나 산화제를 공급하기 위한 에너지를 저감하고, 공급량의 제어 기구나 반응량의 제어 기구를 작은 부피로 하는 것을 과제로 하여, 상기 문제를 해결하고, 특히 휴대용 연료 전지와 같은 소형 연료 전지에서, 에너지 밀도라는 점에서 유리하고, 소형이며, 안전하고 또한 연료 이용 효율을 높이는 연료 전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는,
반응 용액을 저장하는 액체 저장부와, 액체 저장부로부터 공급되는 반응 용액으로부터 반응 가스를 생성시키는 반응부와, 반응부로부터 공급되는 반응 가스를 저장하는 기체 저장부와, 고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 기체 저장부로부터 공급되는 반응 가스를 연료로 하여 발전하는 연료 전지와, 액체 저장고의 압력이 반응부의 압력보다도 큰 경우, 반응 용액을 액체 저장부로부터 반응부에 공급하여, 액체 저장부의 압력이 반응부의 압력보다도 작은 경우, 반응 용액의 공급을 정지하는 반응 용액 공급량 조정 수단을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구조에 의한 작용을 이하에 설명한다. 반응부에서 반응 가스가 발생하였을 때, 반응부와 기체 저장부의 내압이 상승한다. 이 경우, 반응 용액 공급량 조정 수단에 의해, 반응 용액은 반응부에는 공급되지 않는다. 한편, 연료 전지에서 반응 가스를 소비하였을 때, 반응부와 기체 저장부의 내압이 저하한다. 이 경우, 반응 용액 공급량 조정 수단에 의해, 반응 용액을 반응부에 공급하게 된다.
반응 용액의 공급에 의해 액체 저장부의 내압이 저하하는 경우, 액체 저장부에 가압을 하는 압력 조절 장치를 가지는 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 반응 용액이 액체 저장부로부터 반응부에 공급된 경우라도, 액체 저장부의 내압은, 압력 조절 장치에 의해 신속하게 압력 조절되어, 일정 압력으로 할 수 있게 된다.
반응 용액 공급량 조정 수단이, 액체 저장부로부터 반응부에 반응 가스를 공급하는 액체용 공급로에 설치되고, 반응 용액이 유출하는 것, 또는 반응 가스가 유입하는 것을 방지하는 역지(逆止) 장치로 형성되는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구조에 의한 작용을 이하에 설명한다. 반응부에서 반응 가스가 발생하였을 때, 반응부와 기체 저장부의 내압이 상승한다. 그러나 역지 장치에 의해 액체 저장부(20)에 반응 가스가 유입하는 것을 피할 수 있기 때문에, 액체 저장부의 내압의 상승은 없다. 또한 압력 조절 장치에 의해서, 내압을 일정하게 유지할 수 있다. 이 경우 반응부가 액체 저장부보다 내압이 높기 때문에, 반응 용액의 공급은 정지할 수 있다. 한편, 연료 전지에서 반응 가스를 소비하였을 때, 반응부와 기체 저장부의 내압이 저하한다. 역지 장치는 액체 저장부로부터 반응부로의 대한 반응 용액의 흐름을 저해하지 않으므로, 반응부의 내압이 액체 저장부의 내압보다 저하하였을 때, 그 차압에 의해 반응 용액을 반응부에 공급하게 된다.
반응 용액의 공급량은, 연료 전지의 출력에 의해서 결정된다. 즉, 연료 전지의 출력에 따라서 반응 가스 소비 속도가 변화한다. 반응 가스 소비 속도가 빠를 때, 반응 가스가 발생한 후에 반응 용액을 공급할 수 있는 상황이 되기까지의 시간이 빨라져, 짧은 시간 간격으로 반응 용액을 공급하게 된다. 반대로 반응 가스 소비 속도가 느릴 때에는, 반응 용액의 공급 빈도가 저하한다.
이상과 같이, 본 구조에 의해, 연료 전지의 출력 전력을 직접 검출하지 않고, 연료 전지의 구동 상황에 맞추어 반응 용액의 공급량을 제어할 수 있게 된다. 즉 반응 용액 공급량 제어에 전기적인 제어 신호를 이용하지 않기 때문에, 제어에 관한 전기적인 처리 및 전자 부품을 필요로 하지 않아, 소비 에너지의 감소, 부품 점수의 감소로 이어진다. 또한, 연료 전지의 구동 상황에 맞춘 반응 용액 공급이 가능하기 때문에, 반응 가스의 공급량에 대한 소비량의 비율인 연료 이용 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
이 경우, 반응 가스는 수소나 산소로 대표되는 연료 전지의 연료나 산화제이다. 또한 반응 용액과 반응부에 배치하는 물질의 조합으로서, 하기에 한하지 않지만, 예로서 이하와 같은 것을 들 수 있다. 애노드 측으로는 메탄올이나 에탄올 등의 알코올류, 에테르류, 시클로헥산이나 수소화붕소나트륨으로 대표되는 금속 수소 착화물(錯化物) 등의 케미컬 하이드라이드류, 알루미늄, 마그네슘, 아연, 철, 니켈, 주석 등의 금속으로 이루어지는 군 중 적어도 1종과, 수소를 효율적으로 취출하기 위한 촉매나 촉진제 중 적어도 1종이다. 전자, 후자 중 어느 쪽이나 반응 용액에 이용하여도 되고, 수용액이나 액체로서 유지할 수 있는 것을 반응 용액으로서 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 촉매, 촉진제의 예로서, 알코올류, 에테르류, 시클로헥산 등의 유기 케미컬 하이드라이드류에 대해서는, 백금, 금, 구리, 니켈, 철로 이루어지는 군에 포함되는 1종을 들 수 있다. 또한 무기 케미컬 하이드라이드류에 대해서는, 백금, 금, 구리, 니켈, 철, 티탄, 지르코늄으로 이루어지는 군에 포함되는 1종의 금속이나 그 염이나, 황산, 구연산등의 무기산, 유기산 등, 또한, 알루미늄 그 밖의 금속에 대해서는, 무기산, 수산화물이온을 포함하는 수용액 등을 들 수 있다.
또한, 캐소드 측으로는 과산화수소수 용액으로 대표되는 과산화물 중 적어도 1종과, 이상의 물질로부터 산소를 효율적으로 취출하기 위한 촉매, 예컨대 이산화망간을 들 수 있다.
역지 장치가 액체용 공급로를 개폐하는 것을 특징으로 하고 있다.
이 구조는 바람직하게는, 액체 저장부의 압력이 반응부의 압력보다도 큰 경우, 반응 용액을 액체 저장부로부터 반응부에 공급하고, 액체 저장부의 압력이 반응부의 압력보다도 작은 경우, 반응 용액의 공급을 정지하는 장치이다.
이에 의해, 역지 장치의 구동에 관한 소비 에너지를 없애는 것이 가능해진다. 즉 반응 용액의 공급에 전력이 필요없게 되어, 그 결과, 연료 전지 시스템의 출력 밀도, 에너지 밀도를 향상할 수 있게 된다.
역지 장치가, 반응부로부터 액체 저장부로의 물질의 흐름을 저해하는 제1 역지 밸브임을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 간편하게, 낮은 비용으로 작은 부피의 역지 장치를 제작하는 것이 가능해진다. 역지 밸브로는, 밸브 내를 유동하는 물질의 방향으로 의해 밸브체의 이동이 행해지는 것이라면, 전력 소비가 없기 때문에, 바람직하다. 또한 휴대기기용 연료 전지로는, 바람직하게는, 중간실이 없는 편이 부피상 유리하고, 또한 통풍구가 없는 편이 반응 가스의 누설이 발생하지 않게 된다.
상기와 상이한 역지 장치의 구조로서, 역지 장치가, 액체 저장부와 반응부의 사이에 개재하는 제1 가동벽이고, 반응 가스 발생에 의해 반응부의 압력이 올라간 경우, 반응부의 압력의 힘에 의해서 가동벽을 액체용 공급로를 닫는 방향으로 이동하여, 액체용 공급로를 폐쇄하고, 반응 가스의 소비에 의해 반응부의 압력이 내려간 경우, 가동벽을 액체용 공급로를 여는 방향으로 이동하여, 액체용 공급로를 개방하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 구조는, 반응부와 액체 저장부의 차압에 의해 가동하는 구조이다. 반응부의 압력 변화는 연료 전지의 출력에 의한 것이고, 또한, 액체 저장부는 정압이기 때문에, 반응부와 액체 저장부의 차압은 연료 전지의 운전 상태를 반영한다. 이상에 의해, 연료 전지의 운전 상태에 따라, 반응 용액의 공급량을 자동적으로 또한 소비 전력 없이 제어할 수 있게 된다.
압력 조절 장치가, 외부 물질 인입구를 가지고, 액체 저장부 내에 일 방향으로 반응 용액을 공급하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구조의 작용을 이하에 설명한다. 반응 용액의 공급량에 따라서 액체 저장부의 내압이 저하하면, 연료 전지 시스템 외부와 압력 차가 발생한다. 그러나, 압력차 발생에 따라 외부 물질이 액체 저장부 내로 유입함으로써, 액체 저장부 내는 압력 조절되어, 외부 압력과 동등하게 할 수 있게 된다. 따라서 액체 저장부 내압은 일정하게 유지되므로, 반응 가스 소비 시에 반응부를 액체 저장부 내압보다 저하하는 것이 가능해져, 반응 용액을 공급하는 상황을 만들 수 있게 된다.
외부 물질로는 특별히 구애받지 않으나, 대기, 물, 반응 용액인 것이 보다 바람직하다. 대기로 하면, 액체 저장부 내를 대기압으로 압력 조절할 수 있어, 외부 인입구의 구조를, 연료 전지 외부에 액체 저장부 내의 물질을 유출하지 않는 구조를 가진 관, 구멍으로 할 수 있다. 또한 물 또는 반응 용액으로 하면, 외부 물질 인입구에 접하여, 물이나 반응 용액을 배치하게 된다. 이 경우, 액체 저장부 내로 유입된 물이나 반응 용액을 반응 가스 발생 반응에 이용할 수 있게 되기 때문에, 용량을 향상할 수 있다.
이상에 의해, 반응 용액이 액체 저장부로부터 이동한 경우, 반응 용액 이동량 상당의 외부 물질 도입으로, 액체 저장부 내를 일정한 압력으로 하는 것이 가능해진다. 그 결과 액체 저장부로부터 반응부로, 반복하여 반응 용액을 공급하는 것이 가능해진다.
또한, 이 압력 조절 장치가, 액체 저장부로부터 연료 전지 외부로의 물질의 흐름을 저해하는 제2 역지 밸브를 가지는 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 액체 저장부의 내압을 일정하게 하기 위해서 전력을 소비하지 않은 구조로 할 수 있다. 또한 액체 저장부 내의 액체의 증발이나 유출에 의한 액량의 감소를 방지할 수 있다. 더 간편하게, 낮은 비용으로 작은 부피의 역지 장치를 제작하는 것이 가능해진다.
또는, 압력 조절 장치가, 연료 전지 외부로부터 액체 또는 기체를 공급하는 펌프 또는 팬을 가지는 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 액체 저장부 내를 압력 조절하는 것이 가능해진다. 단, 펌프 또는 팬을 구동하기 위해서 전력을 필요로 한다. 그러나, 반응 용액의 이동을 정지하기 위한 반응 가스의 발생량을 얻기 위한 반응 용액의 이동량은 매우 작기 때문에, 펌프 또는 팬의 구동량도 작아, 소비 전력도 작다.
한편, 펌프 또는 팬의 구동 제어를 하기 위해서는, 액체 저장부 내의 압력을 검출하고, 초기압과의 차를 검출하여, 차압이 없어질 때까지 펌프나 팬을 구동하는 방법이 있다.
또한, 펌프 또는 팬을 액체 저장부의 압력이 소정압 이상이 되도록 제어하면, 반응부 및 기체 저장부의 내압도 액체 저장부의 내압과 평형을 취하도록 반응 용액의 공급량이 제어되고, 그 결과 반응 가스의 발생량을 늘리게 되어, 반응부 및 기체 저장부를 고압으로 할 수 있다. 따라서 본 구조에 의해 연료 전지의 출력을 향상하는 것이 가능해진다.
또 다른 압력 조절 장치의 구조로서, 대기압, 모터의 구동력, 자력, 스프링 등에 의한 액체 저장부 외부의 힘을 받아서 가동하는 제2 가동벽을 액체 저장부의 일부에 구비하고, 제2 가동벽이 액체 저장부의 용적을 변화시켜 액체 저장부의 내압을 일정하게 하는 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 반응 용액이 액체 저장부로부터 반응부로 이동하였을 때에, 제2 가동벽이 액체 저장부의 용적을 저감하는 방향으로 가동한다. 따라서, 연료 전지 외부와 물질의 주고받음 없이, 액체 저장부의 내압을 일정하게 할 수 있어, 액체 저장부 내의 반응 용액의 시간 경과에 따른 열화를 억제할 수 있게 된다.
제2 가동벽의 구동 방법은, 모터, 자석, 스프링에 의한 것이다. 자력을 이용하는 경우, 제2 가동벽과 가동벽 주위의 고정 부위에 자석을 설치하여, 그 반발력에 의해 제2 가동벽을 가중할 수 있다. 스프링을 이용하는 경우도 마찬가지로, 제2 가동벽과 주위의 고정 부위를 연결하여 스프링을 설치하여, 제2 가동벽을 가중하는 것이 가능하다. 이상에 의하면, 전력을 이용하지 않고 액체 저장부의 압력을 증가시킬 수 있다.
모터를 이용하여 구동 제어를 하는 경우, 액체 저장부 내의 압력을 검출하여, 초기압과의 차를 검출하고, 차압이 없어질 때까지 모터를 동작시키는 방법이 있다. 또한 자력을 이용하는 경우, 전자석을 이용하면 흘리는 전류량에 따라서 자력을 변화시킬 수 있으므로, 전류량을 조절하면서 상기 동일 차압이 없어질 때까지 자력을 발생시켜 제2 가동벽을 이동시키는 것이 가능하다. 이상에 의하면, 액체 저장부 내의 압력을 증가시키는 것이 가능하여, 연료 전지의 출력을 향상시키는 것이 가능해진다.
제2 가동벽의 액체 저장부 내부의 면에 대향하는 면이, 대기로 통하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 가동벽면의 구동력이, 액체 저장부 내압과 대기압의 차압이 되어, 액체 저장부로부터 반응 용액이 유출하여 액체 저장부 내압이 저하하여도, 전력을 이용하지 않고서 액체 저장부 내압을 일정하게 되돌릴 수 있게 된다.
또한, 가동벽면의 성질로서, 고무형상의 탄성체이고, 반응 용액의 이동에 의해 제2 가동벽이 휘어, 액체 저장부의 내압을 일정하게 하는 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 가동 부품을 이용하지 않고서 액체 저장부 내압을 일정하게 할 수 있게 되어, 액체 저장부와 가동 부품의 집동부(輯動部)로부터의 반응 용액의 누설을 없애는 것이 가능해진다. 반응 용액의 사용량을 증가시킬 수 있다.
압력 조절 장치가, 액체 저장부와 반응부의 사이에 설치한, 반응 가스가 이동하는 가스 유로인 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 액체 저장부에 반응 가스가 유입하여, 액체 저장부 내압을 유입한 반응 가스의 압력과 동등하게 할 수 있게 된다. 그 결과, 기체 저장부에 공급된 반응 가스가 소비되어, 기체 저장부 및 반응부의 내압이 저하한 경우, 액체 저장부에 유입한 반응 가스의 압력에 의해, 액체 저장부와 반응부의 사이에 차압이 발생하여, 반응 용액을 반응부에 공급할 수 있게 된다.
가스 유로에 감압 장치를 구비하여, 감압 장치가 반응부로부터 액체 저장부에 유입하는 반응 가스의 압력을 소정의 압력으로 감압하는 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 액체 저장부 내압이 감압 장치의 설정 압력이 되어, 반응부 내압을 설정 압력 이상으로 할 수 있다. 감압 장치에 레귤레이터를 이용함으로써, 전력을 소비하지 않고서 액체 저장부 내압을 소정의 압력으로 할 수 있다. 또한 연료 전지 시스템 외부로부터의 물질의 유입이나 가중이 없기 때문에, 연료 전지 시스템을 밀폐할 수 있어, 안정한 디바이스를 구축할 수 있게 된다.
액체용 공급로의 관 직경이, 가스 유로관 직경보다 큰 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 반응 가스가 가스 유로를 통과할 때의 저항이, 반응 용액이 유로를 통과할 때의 저항보다 커진다. 따라서 액체 저장부로부터 반응부로 반응 용액이 유입하는 것이 반응 가스의 유입보다 용이하게 되어, 액체 저장부가 반응부보다 양압(揚厭)이 된 경우 반응 용액이 이동할 수 있게 된다.
또한 유로의 성질로서, 액체용 공급로가 친수성을 가지는 것을 특징으로 하고 있다. 친수성의 부여에는, 예를 들어 TiO2를 분산 도포하는 방법이 있다.
이에 의해, 유로가 반응 용액으로 젖기 때문에, 유로 내에서의 반응 용액 유동에서의 마찰 손실을 저하할 수 있다. 따라서, 반응부와 액체 저장부의 사이의 물질 유동에 관해서, 반응 가스보다 반응 용액 쪽이 유동하기 쉬워진다. 이는, 반응부 내압이 저하하였을 때, 반응 용액이 액체 저장부로부터 반응부로 유동하기 쉬워지는 것으로 이어진다.
또한 유로가 반응 용액으로 젖음으로써, 유로에 기체가 들어가기 어려워진다. 따라서 반응 용액이 액체 저장부로부터 반응부로 이동할 때에 유로에 기체가 침입하지 않아, 반응 용액의 이동을 방해하는 일이 없어진다.
그 한편, 가스 유로의 성질로서, 가스 유로가 소수성을 가지는 것을 특징으로 하고 있다. 소수성의 부여에는, 예컨대 PTFE 등의 발수제를 도포하는 방법이 있다.
이에 의해, 가스 유로에 반응 용액이 들어가기 어려워진다. 따라서 반응 가스가 발생하여 반응부가 액체 저장부보다 압력이 높아진 경우에, 반응 가스가 액체 저장부에 유입하는 것을 방해하지 않는다. 이는, 액체 저장부로부터 반응부로 반응 용액이 이동하였을 때에 액체 저장부의 내압이 저하하더라도, 신속하게 액체 저장부의 내압을 상승할 수 있게 되는 것으로 이어진다.
또한, 액체용 공급로 및 가스 유로가, 각각 액체 및 기체를 투과하는 막, 또는, 다공질 부재인 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 유로 및 가스 유로를 제작하는 것이 용이해진다.
또한, 반응 용액을 저장하는 액체 저장부와, 액체 저장부로부터 공급되는 반응 용액으로부터 반응 가스를 생성시키는 반응부와, 반응부로부터 공급되는 반응 가스를 저장하는 기체 저장부와, 고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 기체 저장부로부터 공급되는 반응 가스를 연료로 하여 발전하는 연료 전지와, 액체 저장부로부터 반응부로 반응 용액을 송액하는 송액 장치를 가지고, 송액 장치가, 반응부로부터 액체 저장부로 반응 용액이 역류하는 것을 방지하고, 반응 가스의 소비에 따라 기체 저장부의 내압이 저하하는 것에 의해 액체 저장부의 반응 용액을 반응부로 이동하는 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 기체 저장부의 내압에 의해 반응 용액을 이동하게 된다. 즉 반응부의 내압에 관계없이, 연료 전지 근방의 반응 가스량이 저하하였을 때에, 반응 용액을 반응부에 보내어, 반응 가스를 발생시킬 수 있게 된다. 특히 반응부에서 부생성물이 발생한 경우, 부생성물 기체 저장부로 이동하는 것을 방지하기 위해 반응부와 기체 저장부의 사이에 반응 가스 투과막을 배치하는 것이 바람직하지만, 이 경우 기체 저장부의 내압이 반응부의 내압에 즉각 대응할 수 없게 된다. 그러나, 본 구조에 의해 기체 저장부 내의 반응 가스가 감소한 경우라도, 액체 저장부로부터 반응부로 반응 용액을 공급하여 반응 가스를 발생시킬 수 있기 때문에, 기체 저장부로의 반응 가스의 공급이 신속하게 행하여지게 된다.
송액 장치가, 액체 저장부로부터 반응부로 이동하는 반응 용액을 격납하는 격납부와, 격납부 이동 기구로 이루어지고, 격납부는 개구부를 구비하는 용기이고, 기체 저장부의 내압 저하에 따라 개구부가 반응부로 이동하는 것에 의해, 격납부와 액체 저장부의 유통을 차단하고, 또한, 격납부와 반응부를 유통하고, 한편, 기체 저장부의 내압 증가에 따라 개구부가 액체 저장부로 이동하는 것에 의해, 격납부와 액체 저장부를 유통하고, 또한, 격납부와 반응부의 유통을 차단하는 구조인 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 기체 저장부의 내압이 액체 저장부의 내압보다 저하하였을 때에, 격납부에 격납된 반응 용액이 액체 저장부로부터 반응부로 공급되게 된다. 그 때, 격납부에 격납된 반응 용액은, 액체 저장부에 역류하는 일은 없다.
자세하게는, 격납부 이동 기구가 제3 가동벽과, 가압 수단을 가지고, 제3 가동벽이, 기체 저장부에 면하여 배치되고, 가압 수단이, 제3 가동벽의 기체 저장부와 대향하는 면에 배치되고, 기체 저장부의 내압이 가압 수단의 압력보다 낮을 때, 제3 가동벽이 기체 저장부 측으로 이동하여, 격납부가 반응부에 접하는 방향으로 이동하고, 기체 저장부의 내압이 가압 수단의 압력보다 높을 때, 제3 가동벽이 가압 수단 측으로 이동하고, 격납부가 액체 저장부에 접하는 방향으로 이동하는 구조인 것을 특징으로 하고 있다.
본 구조의 작용을 이하에 설명한다. 기체 저장부 내압이 가압 수단에 의한 압력보다 높은 경우, 제3 가동벽이 가압 수단 측으로 이동하고, 이에 연동하여 격납부의 개구부가 액체 저장부로 이동하여, 격납부와 액체 저장부가 연결된다. 따라서 격납부 내에 반응 용액을 저장할 수 있게 된다. 한편 기체 저장부 내압이 가압 수단에 의한 압력보다 낮은 경우, 제3 가동벽이 기체 저장부 측으로 이동하고, 이에 연동하여 격납부의 개구부가 반응부로 이동하여, 반응부와 격납부가 연결된다. 따라서, 반응부에 반응 용액을 이동할 수 있게 된다.
이 경우, 격납부와 반응부의 유통구에, 모세관이나 막, 다공성 부재, 천 등을 배치하는 것이 바람직하다. 이것에 의하면 표면 장력에 의해 반응 용액을 격납부로부터 반응부로 이동하는 것을 촉진할 수 있다.
이상에 의해 전력을 사용하지 않고, 기체 저장부의 압력 저하에 의해 반응 용액을 이동할 수 있게 된다.
가압 수단이, 모터, 자력, 스프링, 탄성체에 의한 것을 특징으로 하고 있다.
이 경우, 가압 수단을 실린더 형상으로 하여, 실린더 내의 플런저를 제3 가동벽으로 하는 것이 생각된다. 제3 가동벽의 기체 저장부와 대향하는 면을 상기 부품으로 가중함으로써 기체 저장부 내압과의 밸런스로, 제3 가동벽을 이동할 수 있다.
가압 수단의 압력이, 대기압인 것을 특징으로 하고 있다.
이 경우, 가압 수단을 실린더 형상으로 하여, 실린더 내의 플런저를 제3 가동벽으로 하고, 실린더의 단의 한 쪽을 기체 저장부 내로, 다른 쪽을 액체 저장부 내로 연결하는 구조가 생각된다. 제3 가동벽의 기체 저장부와 대향하는 면을 대기와 유통시킴으로써, 기체 저장부를 대기압 이상으로 하는 가압 수단을 구축할 수 있다.
가압 수단의 압력이, 액체 저장부의 압력인 것을 특징으로 하고 있다.
이 경우, 가압 수단을 실린더 형상으로 하여, 실린더 내의 플런저를 제3 가동벽으로 하고, 실린더의 단의 한 쪽을 기체 저장부 내로, 다른 쪽을 액체 저장부 내로 연결하는 것이 생각된다. 제3 가동벽의 기체 저장부와 대향하는 면에 대한 압력을 액체 저장부 내압으로 함으로써, 기체 저장부 내압을 액체 저장부 내압 이상으로 하는 가압 수단을 구축할 수 있다.
또한, 반응 용액을 저장하는 액체 저장부와, 액체 저장부로부터 공급되는 반응 용액으로부터 반응 가스를 생성시키는 반응부와, 반응부로부터 공급되는 반응 가스를 저장하는 기체 저장부와, 고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 기체 저장부로부터 공급되는 반응 가스를 전기 화학 반응시켜, 연료로서 이용하여 발전하는 연료 전지와, 반응부와 반응 용액을 구획하기 위한 격벽을 구비하고, 격벽과 반응부 중 적어도 한 쪽이 이동 가능하며, 반응부와 반응 용액의 접촉 면적을 변화시키는 방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 반응 가스의 발생과 정지를 할 수 있게 된다. 또한 연료 전지의 출력에 따라서 기체 저장부 내압 저하 속도가 변화하고, 그에 따라 이동 수단에 의한 이동량이 변화하고, 그 결과 반응 용액과 반응 부재의 접촉 면적이 가변이 된다. 따라서 연료 전지의 출력에 따른 반응 가스 발생량의 제어가 가능해진다. 즉 전극에서 필요로 되는 반응 가스가 많은 경우에는, 반응 용액과 반응부의 접촉 면적을 증가시켜, 반응 가스의 발생량을 증가시킬 수 있다.
이 경우 반응 부재에는, 반응 용액과의 접촉으로 반응 가스를 생성할 수 있는 물질을 배치하고 있다. 즉, 반응 용액을 금속 수소 착화합물의 수용액으로 한 경우, 반응부에는 그 촉매를 배치한다. 반대로 반응부에 금속 수소 착화합물 또는 그 수용액으로 한 경우, 반응 용액을 촉매의 수용액으로 한다. 또한, 메탄올을 대표로 하는 알코올류나 에테르류, 시클로헥산을 대표로 하는 유기 케미컬 하이드라이드를 반응 용액으로 하여 수소를 발생시키는 경우에는, 가열이 필요하다. 그래서 반응 부재에 히터를 설치하고, 촉매를 구비함으로써, 수소를 발생시킬 수 있게 된다.
또한, 반응부의 반응 용액 측의 면에 격벽이 배치되고, 격벽의 이동 수단이, 반응부와 상기 반응 용액을 접촉시키는 방향으로 상기 격벽을 가압하는 가압 장치를 가지고, 상기 가압 장치의 압력과 상기 반응 가스의 압력의 차이에 의해 상기 격벽이 이동하고, 상기 반응 가스의 발생과 소비에 의해 발생하는 압력 변화에 의해 이동하는 방향이 변화하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 상기 반응부의 상기 반응 용액 측의 면에 상기 격벽이 배치되고, 상기 반응부의 이동 수단이, 상기 반응부와 상기 반응 용액을 접촉시키는 방향으로 상기 반응부를 가압하는 가압 장치를 가지고, 상기 가압 장치의 압력과 상기 반응 가스의 압력의 차이에 의해 상기 반응부가 이동하고, 상기 반응 가스의 발생과 소비에 의해 발생하는 압력 변화에 의해 이동하는 방향이 변화하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구조는, 반응 가스의 압력 증가 시, 반응부는 격벽에 차단되어 반응 용액과 접하지 않게 되어, 가스 발생이 정지하도록 작용한다.
또한 이 가압 장치에는, 고무나 스프링과 같은 탄성체, 자석, 모터, 정전이나 압전 현상을 이용한 구조를 이용할 수 있다. 또한, 내부에 가스나 액체 등을 넣어 밀폐한 용기의 벽면의 일부를 가동시켜, 격벽 또는 반응 부재에 장착한 구조라도 된다. 전력을 이용하지 않는 부재를 이용하는 쪽이 바람직하지만, 가동부를 가동하는 빈도가 많기 때문에, 전력을 소비하더라도 전력 소비량은 작아도 된다.
반응 부재가 반응 용액에 접촉하기 위한 구조로서, 관통 구멍이 격벽의 일부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 관통 구멍을 통해서 반응 용액을 반응부에 공급할 수 있게 된다.
또한, 고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 반응 가스를 전기 화학 반응하는 연료 전지에서, 반응 가스를 저장하는 저장 탱크와, 반응 가스가 유입하여, 전극에 송기(送氣)하는 기체부와, 저장 탱크로부터 기체부로 반응 가스를 공급하는 가스관과, 가스관에 배치되고, 기체부에 보내는 반응 가스의 압력을 조절하는 감압부를 구비하여, 연료 전지 발전 시의 기체부 내압 저하가, 연료 전지에서의 반응에만 의한 것을 특징으로 하고 있다.
이에 의해, 기체부의 내압과 감압 수단의 출력 전압의 밸런스에 따라서 반응 가스가 기체부에 유입하게 된다. 따라서 연료 전지에서 반응 가스가 소비되어 기체부의 내압이 감소함에 따라, 기체부에 반응 가스를 공급하는 것이 가능해진다.
이상 설명한 것과 같이, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는, 반응 용액을 저장하는 액체 저장부와,
액체 저장부로부터 공급되는 반응 용액으로부터 반응 가스를 생성시키는 반응부와,
반응부로부터 공급되는 반응 가스를 저장하는 기체 저장부와,
고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 기체 저장부로부터 공급되는 반응 가스를 연료로 하여 발전하는 연료 전지와,
액체 저장부의 압력이 반응부의 압력보다도 큰 경우, 반응 용액을 액체 저장부로부터 반응부로 공급하고, 액체 저장부의 압력이 반응부의 압력보다 작은 경우, 반응 용액의 공급을 정지하는 반응 용액 공급량 조정 수단을 구비하여 이루어진다.
이에 의해, 연료 전지의 출력 전력을 직접 검출하지 않고, 연료 전지의 구동 상황에 맞추어 반응 용액의 공급량을 제어할 수 있게 된다. 즉 반응 용액 공급량 제어에 전기적인 제어 신호를 이용하지 않기 때문에, 제어에 관한 전기적인 처리 및 전자 부품을 필요로 하지 않아, 소비 에너지의 감소, 부품 점수의 감소로 이어진다. 또한, 연료 전지의 구동 상황에 맞추어 반응 용액을 공급하는 것이 가능하기 때문에, 반응 가스의 공급량에 대한 소비량의 비율인 연료 이용 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 반응 용액을 저장하는 액체 저장부와, 액체 저장부로부터 공급되는 반응 용액으로부터 반응 가스를 생성시키는 반응부와, 반응부로부터 공급되는 반응 가스를 저장하는 기체 저장부와, 고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 기체 저장부로부터 공급되는 반응 가스를 연료로 하여 발전하는 연료 전지와, 액체 저장부로부터 반응부로 반응 용액을 송액하는 송액 장치를 가지고, 송액 장치가, 반응부로부터 액체 저장부에 반응 용액이 역류하는 것을 방지하고, 반응 가스의 소비에 따라 기체 저장부의 내압이 저하하는 것에 의해 액체 저장부의 반응 용액을 반응부로 이동하게 하고 있다.
이에 의해, 기체 저장부의 내압에 의해 반응 용액을 이동하게 된다. 즉 반응부의 내압에 관계없이, 연료 전지 근방의 반응 가스량이 저하하였을 때에, 반응 용액을 반응부에 보내어, 반응 가스를 발생시킬 수 있게 된다. 특히 반응부에서 부생성물이 발생한 경우, 부생성물이 기체 저장부로 이동하는 것을 방지하기 위해 반응부와 기체 저장부의 사이에 반응 가스 투과막을 배치하는 것이 바람직하지만, 이 경우 기체 저장부의 내압이 반응부의 내압에 즉각 대응할 수 없게 된다. 그러나, 본 구조에 의해 기체 저장부 내의 반응 가스가 감소한 경우라도, 액체 저장부로부터 반응부로 반응 용액을 공급하여 반응 가스를 발생시킬 수 있기 때문에, 기체 저장부로의 반응 가스의 공급이 신속하게 행하여지게 된다.
또한, 반응 용액을 저장하는 액체 저장부와, 액체 저장부로부터 공급되는 반응 용액으로부터 반응 가스를 생성시키는 반응부와, 반응부로부터 공급되는 반응 가스를 저장하는 기체 저장부와, 고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 기체 저장부로부터 공급되는 반응 가스를 전기 화학 반응시켜, 연료로서 이용하여 발전하는 연료 전지와, 반응부와 반응 용액을 구획하기 위한 격벽을 구비하고, 격벽과 반응부 중 적어도 한 쪽이 이동 가능하고, 반응부와 반응 용액의 접촉 면적을 변화시키는 방향으로 이동 가능한 것으로 한다.
이에 의해, 반응 가스의 발생량의 발생과 정지를 할 수 있게 된다. 또한 연료 전지의 출력에 따라서 기체 저장부 내압 저하 속도가 변화하고, 그에 따라서 이동 수단에 의한 이동량이 변화하여, 그 결과 반응 용액과 반응 부재의 접촉 면적이 가변이 된다. 따라서 연료 전지의 출력에 따른 반응 가스 발생량의 제어가 가능해진다.
또한, 고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 반응 가스를 전기 화학 반응하는 연료 전지에서, 반응 가스를 저장하는 저장 탱크와, 반응 가스가 유입하여, 전극에 송기하는 기체부와, 저장 탱크로부터 기체부로 반응 가스를 공급하는 가스관과, 가스관에 배치되어, 기체부에 보내는 반응 가스의 압력을 조절하는 감압부를 구비하고, 연료 전지 발전 시의 기체부 내압 저하가, 연료 전지에서의 반응에만 따르고 있다.
이에 의해, 기체부의 내압과 감압 수단의 출력압의 밸런스에 따라서 반응 가스가 기체부에 유입하게 된다. 따라서 연료 전지에서 반응 가스가 소비되어 기체부의 내압이 감소함에 따라, 기체부에 반응 가스를 공급하는 것이 가능해진다.
이상의 구조에 의해, 연료 전지의 전극에 적정량의 연료나 산화제를 공급하기 위한 에너지를 저감하고, 공급량의 제어 기구나 반응량의 제어 기구의 부피가 작아진다. 따라서, 에너지 밀도라는 점에서 유리하고, 소형이며, 안전하고 또한 연료 이용 효율이 좋은 연료 전지를 제공하는 것이 가능해졌다.
도 1은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 수소 공급량의 제어 방법의 플로우차트이다.
도 3은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 역지 장치에 가동벽을 이용한 경우의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 역지 장치에 가동벽을 이용한 경우의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 역지 장치에 가동벽을 이용한 경우의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치에 역지 밸브를 장착한 경우의 구성도이다.
도 7은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치에 가동벽을 이용한 경우의 구성도이다.
도 8은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치에 가동벽을 이용한 경우의 구성도이다.
도 9는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치에 자석을 이용한 경우의 구성도이다.
도 10은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치에 모터를 이용한 경우의 구성도이다.
도 11은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치에 스프링을 이용한 경우의 구성도이다.
도 12는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치로서 가스 유로를 이용한 경우의 구성도이다.
도 13은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치로서 가스 유로를 이용한 경우의 구성도이다.
도 14는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 기체 저장부의 압력 변화에 따라 반응 용액량을 제어하는 경우의 구성도이다.
도 15는 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 기체 저장부의 압력 변화에 따라 반응 용액량을 제어하는 경우의 구성도이다.
도 16은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 반응 부위의 면적을 가변으로 하여 반응 가스 발생량을 제어하는 경우의 구성도이다.
도 17은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 반응 부위의 면적을 가변으로 하여 반응 가스 발생량을 제어하는 경우의 구성도이다.
도 18은 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 가스 저장 탱크를 이용한 경우의 구성도이다.
이하에, 본 발명을 실시형태에 기초하여 상세히 설명한다.
(실시형태 1)
도 1은, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 구성도이다. 연료 전지 시스템은, 크게 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3), 연료 전지로 이루어진다. 액체 저장부(1)는, 수소를 발생하기 위한 반응 용액을 저장하는 부위이다. 반응 용액은, 액체용 공급로(13)를 통해서, 반응부(2)에 공급된다. 반응부(2)는, 내부에 반응 용액과 접하여 수소를 발생시킬 수 있는 반응물을 구비하여, 반응 용액이 반응부(2)에 공급되면 수소를 발생하는 부위이다. 발생한 수소는 기체 저장부(3)에 공급된다. 기체 저장부(3)는, 반응부(2)로부터 공급된 수소를 일시적으로 저장하는 부위이다. 연료 전지는, 애노드(4a), 고체 고분자 전해질막(4b), 캐소드(4c)로 이루어지고 있고, 기체 저장부(3)의 수소는 애노드(4a)에서 전기 화학적으로 산화되어, 발전된다.
연료 전지는, 소위 고체 고분자형 연료 전지이다. 자세하게는, 수소를 전기 화학 산화하는 애노드 (4a)와 산소를 전기 화학 환원하는 캐소드(4c), 애노드(4a) 와 캐소드(4c)의 사이에 개재하는 고체 고분자 전해질막(4b)으로 구성된다. 여기서 기체 저장부(3)는 고체 고분자 전해질막(4b)에 의해 밀폐되어 있기 때문에, 기체 저장부(3)에 저장된 수소는 외부로 누설하지 않고, 애노드(4a)에서 소비되기만 한다.
액체 저장부(1)에는, 압력 조절 장치(20), 반응부(2)에 반응 용액을 공급하기 위한 액체용 공급로(13)가 설치되어 있고, 액체용 공급로(13)에 제1 역지 밸브(11)가 설치되어 있다. 압력 조절 장치(20)는, 액체 저장부(1)내의 압력을 일정하게 하기 위한 장치로서, 이것에 의해 액체 저장부(1)의 내압이 일시적으로 감소하더라도, 원래의 압력에 되돌리는 것이 가능해진다. 액체 저장부(1)의 내압이 감소하는 요인은, 액체용 공급로(13)를 통하여 반응부(2)로 반응 용액이 공급되는 것이다. 한편, 제1 역지 밸브(11)에 의해, 반응부(2)에서 발생한 수소가 액체 저장부(1)로 유입하는 일은 없다.
본 발명의 수소 공급량의 제어 방법을, 도 2의 플로우차트에 도시하였다.
이에 의하면, 우선 반응 용액을 반응부(2)에 공급하면 수소가 발생하고, 반응부(2)의 압력이 증가함에 따라서, 기체 저장부(3)에 수소가 공급된다. 또한 수소는 기체 저장부(3)로부터 애노드(4a)에 공급된다. 이 때 제1 역지 밸브(13)에 의해 액체 저장부(1)로 수소가 유입하는 것을 피할 수 있어, 압력 조절 장치(20)에 의해 액체 저장부(1)는 압력이 일정해진다. 이상에 의해, 반응부(2)의 압력이 증가하지만, 액체 저장부(1)는 압력이 변화하지 않기 때문에, 액체 저장부(1)가 반응부(2)보다 음압이 되어, 반응 용액이 반응부(2)로 공급되는 것이 정지한다.
다음으로, 수소가 발전에 의해 소비됨으로써, 기체 저장부(3) 및 반응부(2)의 내압이 저하한다. 반응부(2)의 내압이, 액체 저장부(1)의 내압보다 저하하면, 그 압력차를 시정하기 위해서 액체 저장부(1)로부터 반응 용액이 반응부(2)에 공급된다. 이하와 같은 행위가 반복되게 된다.
본 실시예에서는, 구체적으로는, 백금 담지(擔持) 카본층을 촉매층으로서 고체 고분자 전해질막(4c)의 양면에 도포한 막 전극 접합체를 제작하고, 막 전극 접합체를 카본 크로스로 협지한 연료 전지를 이용하였다. 또한 애노드(4a)를 덮는 위치에, 내부에 수소를 저장하는 캐비티를 설치한 부재를 내부의 수소가 외부로 누설되지 않도록 장착하고, 기체 저장부(3)로 하였다. 또한, 액체 저장부(1), 반응부(2)에 아크릴제의 용기를 이용하여, 액체 저장부(1)에 반응 용액으로서 25wt% 수소화붕소나트륨 수용액 4cc를, 반응부(2)에는 수소화붕소나트륨으로부터 수소를 발생시키기 위해서 pH3의 산성 수용액을 수용하였다. 액체 저장부(1)와 반응부(2)의 사이에 액체용 공급로(13)로서 설치하고, 액체용 공급로(13)에 역지 밸브를 장착하였다. 또한, 반응부(2)와 기체 저장부(3)를 연결하여, 기체가 유통하도록 하였다. 상기 조건에서의 누적 수소 발생량은 2.4L이다. 또한 이론적으로는 5.7Ahr의 전기량을 취출할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에서는, 연료 전지는 0.5A 정전류로 10.9시간 발전을 계속할 수 있었다. 이론값에 대한 전류 발생의 효율은 96%였다. 또한, 전류를 다양하게 변화시키면서 연료 전지를 발전한 결과, 전류 발생 효율은 96%이었다. 이 결과는, 본 연료 전지 시스템이 자동적으로, 전력 소비 없이 수소 발생량을 변화시 킨 결과로서, 본 시스템이 다양한 출력에 자동적으로 대응할 수 있음이 명백해졌다.
제1 비교예로서, 상기 수용액을 혼합하여 수소를 발생시키고, 발생시킨 수소를 연료 전지에 송기한 경우, 0.5A의 정전류로 50분 정도 발전하였다. 그러나 수소 발생 반응이 종료하는 것과 거의 동시에 발전하지 않게 되었다. 전류 발생 효율은 7%이었다. 저효율이었던 것은, 발생한 수소가 연료 전지 외부로 누설하여, 수소량이 부족하였기 때문이다.
제2 비교예로서, 펌프로 수소화붕소나트륨 수용액을 미량씩 반응부(2)에 송액하였다. 펌프의 소비 전력은 100㎽이다. 연료 전지의 발전은 9.5시간 계속되고, 전류 발생 효율 84%이었다. 그러나 펌프에서의 전력 소비에 의해, 실제로 사용 가능한 전력량은 이론값의 50%이었다. 또한, 전류를 다양하게 변화시키면서 연료 전지를 발전한 결과, 전류 발생 효율은 74%이었다. 펌프의 전력 소비량을 고려한 실질 전력량은, 이론값의 40%이었다. 전류 발생 효율이 저하한 원인은, 반응 용액의 토출량이 미량이기 때문에, 펌프의 토출량이 안정하지 않은 것, 펌프를 연료 전지의 출력에 맞추어 동작시키는 것이 곤란한 것이다. 또한 펌프로 전력을 소비하기 때문에 연료 전지의 실효 출력이 저하하는 것이 재차 확인되었다.
한편, 본 실시예에서는 수소 발생에 관해서 기술하였지만, 산소 발생 반응에서 이용하는 것이 가능하다. 즉 반응부(2)에 이산화망간을 배치하고, 반응 용액에 과산화수소수를 이용함으로써, 산소 발생을 제어할 수 있다. 이 경우에는 기체 저장부(3)는, 발전부(4)의 캐소드(4c)에 산소를 보내기 위한 일시 보관 부위가 된다.
(실시형태 2)
본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 역지 장치에 가동벽을 이용한 경우의 구성도를, 도 3에 도시한다. 도 3(a)에 반응 용액 이동 정지 시, 도 3(b)에 반응 용액 이동 시의 상태를 도시한다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3), 발전부의 구성, 및, 기능은 실시예 1과 동일하다.
본 실시예에서는, 상기 실시예와 상이한 구조로서, 액체용 공급로(13)에 배치하는 역지 구조에, 제1 가동벽(12)을 이용하였다. 제1 가동벽(12)은, 액체용 공급로(13)에 연결하는 공간 내에 설치되어 있고, 액체용 공급로(13)의 단면적보다 큰 면적을 가지고 있다. 제1 가동벽(12)이 액체 저장부(1) 측으로 이동하였을 때 액체용 공급로(13)를 폐쇄하지만, 반응부(2) 측으로 이동하였을 때 액체용 공급로(13)를 개방한다. 본 구조는 액체 저장부(1)와 반응부(2)의 압력 변화에 따라, 이하와 같이 작용한다.
우선, 반응 용액의 이동이 정지하고 있는 도 3(a)의 경우, 반응부(2)가 액체 저장부(1)보다 고압이다. 따라서, 제1 가동벽(12)이 액체 저장부(1) 측으로 이동하고, 액체용 공급로(13)가 폐쇄되고, 반응 용액의 이동이 정지한다.
다음으로, 반응 용액이 이동하는 도 3(b)의 경우, 액체 저장부(1)가 반응부(2)보다 고압이다. 따라서, 제1 가동벽(12)은 반응부(2) 측으로 이동하고, 액체용 공급로(13)가 개방된다. 이와 동시에 액체 저장부(1)가 반응부(2)보다 고압이기 때문에, 반응 용액이 반응부(2)에 공급된다.
또한, 반응 용액이 반응부(2)에서 수소 발생을 일으키면, 상기가 반복된다.
본 실시예에서는, 반응 용액으로서 염화코발트 수용액을 이용하여, 반응부(2)에 수소화붕소나트륨을 넣어 수소를 발생시키면서, 연료 전지를 운전하였다. 연료 전지의 운전에 따라, 염화코발트 수용액이 반응부(2)로 이동하는 것이 확인되고, 또한, 연료 전지도 연속적으로 운전하였다.
(실시형태 3)
본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 역지 장치에 가동벽을 이용한 경우의 구성도를, 도 4에 도시한다. 도 4(a)에 반응 용액 이동 정지 시, 도 4(b)에 반응 용액 이동 시의 상태를 도시한다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3), 연료 전지의 구성, 및, 기능은 실시예 1과 동일하다.
본 실시예에서는, 상기 실시예와 상이한 구조로서, 액체용 공급로(13)에 배치하는 역지 구조에, 역지 밸브(11) 및 제1 가동벽(12)을 이용하였다. 역지 밸브(11)는, 액체 저장부(1)로부터 반응부(2)의 방향으로 개방하고, 역 방향으로는 폐지한다. 본 구조는 이하와 같이 작용한다.
우선, 반응 용액의 이동이 정지하고 있는 도 4(a)의 경우, 반응부(2)가 액체 저장부(1)보다 고압이다. 따라서, 역지 밸브(11), 제1 가동벽(12)이 가중되지만, 액체 저장부(1) 내는 액체이기 때문에, 제1 가동벽(12)은 이동하지 않는다.
다음으로, 반응 용액이 이동하는 도 4(b)의 경우, 반응부(2)가 액체 저장부(1)보다 저압이기 때문에, 제1 가동벽(12)과 액체용 공급로(13)내의 반응 용액이 반응부(2) 측으로 이동하도록 힘이 작용한다. 그러나, 제1 가동벽(12)보다 반응 용액이 이동하는 쪽이 마찰이 작기 때문에, 반응 용액이 반응부(2)에 공급되고, 그 공급량분만큼 액체 저장부(1)의 용적을 저감하는 방향으로 제1 가동벽(12)이 이동한다.
실시예 2와 같이, 염화코발트 수용액이 반응부(2)로 이동하는 것이 확인되고, 또한, 연료 전지도 연속적으로 운전하였다.
(실시형태 4)
본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 역지 장치에 가동벽을 이용한 경우의 구성도를, 도 5에 도시한다. 도 5(a)에 반응 용액 이동 정지 시, 도 5(b)에 반응 용액 이동 시의 상태를 도시한다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3), 연료 전지의 구성, 및, 기능은 실시예 1과 동일하다.
본 실시예에서는, 상기 실시예와 상이한 구조로서, 제1 가동벽(12)이 액체용 공급로(13)에 수직인 방향으로 슬라이드함으로써, 액체용 공급로(13)를 개폐한다. 제1 가동벽(12)을 이동하기 위해서 다음 구조로 하였다. 액체 저장부(1)와 반응부(2)의 내압을 받아 이동하는 플런저(14)를 액체 저장부(1)와 반응부(2)의 사이에 설치하고, 플런저(14)에 슬라이더(16a), 제1 가동벽(12)에 슬라이더(16b)를 장착하고, 슬라이더(16a)와 슬라이더(16b)가 연동하도록 치차(15)를 설치하였다. 플런저(14)가 움직이면, 슬라이더(16a)는 플런저(14)의 움직임에 맞추어 치차(15)를 회전하고, 그것에 따라 슬라이더(16b)가 슬라이드하여, 그 결과, 제1 가동벽(12)을 이동할 수 있다.
반응부(2)가 액체 저장부(1)보다 고압일 때, 플런저(14)는 액체 저장부(1) 측으로 이동하고, 제1 가동벽(12)은 액체용 공급로(13)를 폐쇄한다 (도 5(a)). 따 라서, 반응 용액이 이동하지 않는다.
한편, 반응부(2)가 액체 저장부(1)보다 저압이 되었을 때, 플런저(14)는 반응부(2) 측으로 이동하여, 제1 가동벽(12)이 액체용 공급로(13)를 개방한다(도 5(b)). 그리고, 액체 저장부(1)와 반응부(2)의 차압에 의해, 반응 용액이 액체용 공급로(13)를 통해서, 반응부(2)에 공급되게 된다.
따라서, 전력 소비 없이, 자동적으로 반응 용액량을 조절하는 연료 전지 시스템을 구축할 수 있었다.
(실시형태 5)
도 6은, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치에 역지 밸브를 장착한 경우의 구성도이다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3), 연료 전지의 구성, 및, 기능은 실시예 1과 같다.
본 실시예에서는 압력 조절 장치를, 외부 물질 인입구(21)와, 외부 물질 인입구(21)에 설치한 제2 역지 밸브(27)로 구성하였다. 반응 용액이 반응부(2)에 공급되는 것에 의한 액체 저장부(1)의 압력 저하를, 연료 전지 시스템 외부로부터 외부 물질 인입구(21)를 통해서 가스, 액체를 액체 저장부(1)에 인입함으로써 억제하여, 액체 저장부(1) 내압을 일정하게 할 수 있게 되었다.
구체적으로는, 액체 저장부에 1㏖/L 수산화나트륨 수용액 50mL을, 반응부(2)에 알루미늄의 박편 5g을 수납하였다. 한편, 이들 물질량의 경우 알루미늄이 미반응으로 잔류해버린다. 그래서, 도시하지 않고 있지만 외부 물질 인입구(21)에 1㏖/L 수산화나트륨 수용액을 넣은 용기를 장착하여, 액체 저장부(1)의 압력 저하에 따라, 수산화나트륨 수용액을 액체 저장부(1)로 이동할 수 있도록 하였다. 이에 의해, 액체 저장부(1)에 수산화나트륨 수용액이 계속 보충되기 때문에, 알루미늄의 박편을 모두 용해하여 수소 발생 반응에 이용할 수 있어, 수소 발생 반응이 종료할 때까지 연료 전지를 계속 발전하였다. 이상과 같이, 본 구조에 의해 전력을 소비하는 디바이스를 이용하지 않고, 자동적으로 액체 저장부(1)를 압력 조절할 수 있어, 그 결과 연료 전지를 계속 구동할 수 있었다. 또한 외부 물질로 반응 용액을 이용함으로써, 발전 시간을 연장할 수 있음이 확인되었다.
(실시형태 6)
도 7은, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치에 가동벽을 이용한 경우의 구성도이다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3), 연료 전지의 구성, 및, 기능은 실시예 1과 동일하다.
본 실시예에서는 압력 조절 장치를, 액체 저장부(1)에 장착한 제2 가동벽(22)으로 하였다. 작용은 이하와 같다. 반응 용액이 액체 저장부(1)로부터 반응부(2)로 이동함에 따라 액체 저장부(1) 내압이 저하하기 때문에, 대기압과 액체 저장부(1) 내압의 차압이 생겨, 제2 가동벽(22)이 액체 저장부의 용적을 저하하는 측으로 이동한다. 이에 의해 액체 저장부(1) 내압은 대기압으로 유지된다.
실제로, 액체 저장부(1) 내에 산성 용액 4mL을, 반응부(2)내에 수소화붕소나트륨 1g을 수납하여 연료 전지를 구동한 바, 자동적으로 반응부(2)에의 산성 용액의 공급량을 조절하여, 액체 저장부(1)내의 산성 용액이 모두 반응부(2)로 이동할 때까지 계속 발전하였다. 발전 시간은 0.5A 정전류로, 10.6시간, 이론값에 대한 전류 발생 효율은 94%이었다. 이상에 의해, 본 구조에 의해 연료 전지의 출력에 맞추어, 자동적으로 반응 용액의 공급량을 제어하여, 반응 용액을 고효율로 발전에 이용할 수 있음이 분명해졌다.
(실시형태 7)
도 8은, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치에 가동벽을 이용한 경우의 구성도이다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3), 연료 전지의 구성, 및, 기능은 실시예 1과 동일하다.
본 실시예에서는 압력 조절 장치로서 액체 저장부(1)에 장착한 제2 가동벽(22)을 탄성체로 하였다. 반응 용액이 액체 저장부(1)로부터 반응부(2)에 이동함에 따라서 액체 저장부(1) 내압이 저하하기 때문에, 대기압과 액체 저장부(1) 내압의 차압이 발생하여, 제2 가동벽(22)이 액체 저장부(1)의 용적을 저하하는 측으로 휜다. 이에 의해 액체 저장부(1) 내압은 대기압으로 유지된다.
(실시형태 8)
도 9는, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치에 자석을 이용한 경우의 구성도이다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3), 연료 전지의 구성, 및, 기능은 실시예 1과 동일하다.
본 실시예에서는 압력 조절 장치로서 액체 저장부(1)에 장착한 제2 가동벽(22)을 자석으로 움직이는 구조로 하였다. 자세하게는, 우선 제2 가동벽(22)의 액체 저장부(1)에 대향하는 면에 자석(23a)을 설치한다. 또한, 이것과 마주 본 위치에 있는 고정 부위에 자석(23b)을 설치하여, 서로 반발하도록 하였다. 그 결과, 반응 용액이 액체 저장부(1)로부터 반응부(2)로 이동함에 따라 액체 저장부(1) 내압이 저하하지만, 제2 가동벽(22)이 자석(23a, 23b)의 반발력으로 가중되어, 액체 저장부(1)의 용적을 저하하는 측으로 이동한다. 이에 의해 액체 저장부(1) 내압은 자력의 반발력과 동등하게 유지된다.
본 구조에서 반응 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 연료 전지의 발전을 행한 바, 결과도 실시예 1과 동일하였다. 따라서, 압력 조절 장치로서 자석을 이용하는 것이 유효함이 확인되었다. ·
(실시형태 9)
도 1O는, 본 발에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치에 모터를 이용한 경우의 구성도이다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3), 연료 전지의 구성, 및, 기능은 실시예 1과 동일하다.
본 실시예에서는 압력 조절 장치로서 액체 저장부(1)에 장착한 제2 가동벽(22)을 모터로 움직이는 구조로 하였다. 자세하게는, 우선 제2 가동벽(22)의 주위의 고정부에 모터(24)를 설치하였다. 또한 제2 가동벽(22)에 슬라이더(26)를 장착하였다. 그리고, 모터(24)의 회전 운동을 슬라이더(26)에 의해 직선 운동으로 변환하여 제2 가동벽(22)을 누르는 구조로 하여, 이에 의해, 액체 저장부(1) 내압을 가압하였다.
(실시형태 10)
도 11은, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치에 스프링을 이용한 경우의 구성도이다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부 (3), 연료 전지의 구성, 및, 기능은 실시예 1과 동일하다.
본 실시예에서는 압력 조절 장치로서 액체 저장부(1)에 장착한 제2 가동벽(22)을 스프링으로 누르는 구조로 하였다. 자세하게는, 우선 제2 가동벽(22)의 액체 저장부(1)에 대향하는 면에 스프링(25)의 일단을 설치한다. 또한, 이들과 마주 보는 위치에 있는 고정 부위에 스프링(25)의 타단을 설치하여, 제2 가동벽(22)를 누르는 구조로 하였다. 그 결과, 반응 용액이 액체 저장부(1)로부터 반응부(2)로 이동함에 따라 액체 저장부(1) 내압이 저하하지만, 제2 가동벽(22)이 스프링(25)으로 가중되어, 액체 저장부(1)의 용적을 저하하는 측으로 이동한다. 이에 의해 액체 저장부(1) 내압은 스프링 하중과 동등하게 유지된다.
여기서 스프링(25)을 이용한 경우, 후크의 법칙에 의해 스프링의 휨량과 가압력이 상관하기 때문에, 일정한 가압력을 얻는 것은 곤란하다. 그러나, 제2 가동벽(22)의 모든 이동량이, 후크의 법칙이 작용하는 범위 이하이면 충분히 기능을 발휘할 수 있다. 본 실시예에서, 반응 조건을 실시예 1과 동일하게 하여 연료 전지의 발전을 행한 결과, 결과도 실시예 1과 동일하였으므로, 압력 조절 장치로서 스프링을 이용하는 것이 유효함이 확인되었다.
(실시형태 11)
도 12는, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치로서 가스 유로를 이용한 경우의 구성도이다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3), 연료 전지의 구성, 및, 기능은 실시예 1과 동일하다.
본 실시예에서는, 반응부(2)로부터 액체 저장부(1)로 수소가 이동하도록, 가 스 유로(30)를 설치하였다. 또한 가스 유로(30)에는 감압 장치(31)를 설치하고, 액체 저장부(1)로 이동할 수소의 압력을 0.1㎫로 하였다. 본 장치의 작용을 이하에 설명한다. 여기서, 반응 용액으로서 30wt% 메탄올수용액을 이용하였다. 또한 도시하지 않고 있지만, 반응부(2)에는 동 촉매와 메탄올 수용액의 기화용의 히터를 메탄올 수용액의 유로를 따라서 장착하였다.
우선 메탄올 수용액이 반응부(2)에 공급되어 수소 발생하기 시작한 당초에는, 반응부(2)의 압력이 높아지고, 반대로 메탄올 수용액의 이동에 의해 액체 저장부(1) 내압이 감소하였다. 그 때문에 가스 유로(30)를 통하여, 반응부(2)로부터 액체 저장부(1)에 수소가 공급된다. 단, 감압 장치(31)가 있기 때문에, 액체 저장부(1)의 내압이 0.1㎫에 도달하면 수소는 이제 공급되지 않게 되었다.
다음으로 연료 전지에서의 수소 소비가 진행되어, 반응부(2)의 내압이 0.1㎫를 하회하면, 액체용 공급로(13)를 통하여 메탄올 수용액이 반응부(2)에 공급되었다. 그 후 상기가 반복되었다. 이상과 같이, 본 구조가 자동적으로 반응 용액의 공급량을 제어하여, 연료 전지를 연속 운전하였음이 확인되었다.
(실시형태 12)
도 13은, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 액체 저장부의 압력 조절 장치로서 가스 유로를 이용한 경우의 구성도이다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3), 연료 전지의 구성, 및, 기능은 실시예 1과 동일하다.
본 실시예에서는, 액체 저장부(1)와 반응부(2)의 사이의 액체용 유로를 액 투과막(32a)으로 하고, 가스 유로(30)를 가스 투과막(32b)으로 하였다. 가스 투과 막(32b)은 압력 손실이 크고, 실시예 11의 감압 장치(31)와 동일한 기능을 발현하기 때문에, 본 구조에서도 실시예 11과 동일한 효과를 발생하는 것이 확인되었다.
(실시형태 13)
본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 기체 저장부의 압력 변화에 의해 반응 용액량을 제어하는 경우의 구성도를, 도 14(a), 14(b)에 도시한다. 도 14(a)에 반응 용액 이동 정지 시, 도 14(b)에 반응 용액이 반응부로 이동하였을 때의 상태를 도시한다. 액체 저장부(1)는, 수소를 발생하기 위한 반응 용액을 저장하는 부위이다. 반응 용액은, 격납부(33)에 일단 수납된 후, 반응부(2)에 공급된다. 반응부(2)는, 내부에 반응 용액과 접하여 수소를 발생시킬 수 있는 반응물을 구비하고, 반응 용액이 반응부(2)에 공급되면 수소를 발생하는 부위이다. 발생한 수소는 기체 저장부(3)에 공급된다. 기체 저장부(3)는, 반응부(2)로부터 공급된 수소를 일시적으로 저장하는 부위이다. 연료 전지는, 애노드(4a), 고체 고분자 전해질막(4b), 캐소드(4c)로 이루어져 있고, 기체 저장부(3)의 수소는 애노드(4a)에서 전기 화학적으로 산화되어, 발전된다.
본 실시예에서는, 격납부(33)를 이동하기 위해서, 격납부 이동 기구를 가지고 있다. 격납부 이동 기구에는, 제3 가동벽(34)을 이용하여, 제3 가동벽(34)의 한 쪽의 면을 기체 저장부(3)의 압력으로 가압하고, 이것과 대향하는 면을 가압 수단(35)에 의해 가압하였다. 가압 수단(35)은, 본 실시예에서는 스프링을 이용하였다. 또한, 제3 가동벽(34)과 격납부(33)가 연동하도록, 연결부(36)를 양자에 장착하였다. 또, 여기에서는 실린더 형상의 용기 내를 제3 가동벽(34)이 이동함으로 써, 기체 저장부(3)로부터 수소가 누설하는 것을 방지하였다.
또한, 반응 용액이 반응부(2) 내로 이동하는 것을 촉진하기 위해서, 반응부(2)내의 격납부(33)의 개구부(38)가 도달하는 부위에, 다공질 부재(37)를 설치하였다. 다공질 부재(37)는, 모관 현상에 의해 반응 용액을 격납부(33)까지 빨아올리는 기능이 있다.
이상의 반응 용액을 이동시키는 기구의 작용을 설명한다. 우선 기체 저장부(3)에 수소가 충분히 존재하여 내압이 높은 경우, 제3 가동벽(34)은 가압 수단(35) 측에 밀어넣어져 있고, 연결부(36)에 의해, 제3 가동벽(34)의 위치에 대응하여 격납부(33)의 개구부(38)의 위치가 액체 저장부(1)와 합치한다. 또한, 차단부(39a)가 격납부(33)와 반응부(2)를 차단한다. 따라서 격납부(33) 내로 반응 용액이 침입하여, 격납된다.
다음으로, 연료 전지의 애노드(4a)에 의해 수소가 소비되어, 기체 저장부(3)의 내압이 가압 수단(35)의 가중보다 저하한 경우, 제3 가동벽(34)이 기체 저장부(3) 측으로 눌린다. 그것에 따라, 연결부(36)에 의해 격납부(33)가 이동하여, 개구부(38)의 위치가 반응부(2)와 합치하게 된다. 또한, 차단부(39b)가 격납부(33)와 액체 저장부(1)를 차단한다. 이에 의해, 우선 격납부(33) 내의 반응 용액은 반응부(2)내의 다공질 부재(37)에 침윤하여, 반응부(2) 내로 이동할 수 있다.
본 실시예에서는, 반응 용액을 수산화나트륨 수용액으로 하고, 반응부 내에 입상의 아연을 구비하였다. 도시하지 않고 있으나, 양자의 반응이 심하기 때문에, 반응 생성물이 기체 저장부(3)로 이동하지 않도록 하기 위해서 반응부(2)와 기체 저장부(3)의 사이에 수소 투과막을 설치하였다. 이 수소 투과막에 의해, 반응부(2)와 기체 저장부(3)의 내압 변화의 응답성이 좋지 않다. 그러나, 기체 저장부(3)의 수소가 소비되어 내압이 저하한 경우에, 격납부(33)가 제3 격벽(34)에 연동하여 움직여, 수산화나트륨 수용액이 반응부(2)에 공급되었다. 그 결과, 반응부(2)에서 수소가 발생하여, 기체 저장부(3)의 수소압의 증가와 연료 전지의 연속 운전이 확인되었다.
(실시형태 14)
본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 기체 저장부의 압력 변화에 의해 반응 용액량을 제어하는 경우의 구성도를, 도 15에 도시한다. 도 15(a)에 반응 용액 이동 정지 시, 도 15(b)에 반응 용액이 반응부로 이동하였을 때의 상태를 도시한다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3),발전부의 구성, 및, 기능은 실시예 13과 동일하다. 또한, 본 실시예에서는, 제3 가동벽(34)을 액체 저장부(1)와 기체 저장부(3)를 연결하여 형성된 실린더 내를 이동한다. 또한, 제3 가동벽(34)과 격납부(33)를 일체화하였다.
격납부(33)에는 개구부(38)가 있고, 개구부(38)의 위치는 액체 저장부(1) 또는 반응부(2)와 합치하여, 이 2개의 부위와 반응 용액의 교환을 한다. 자세하게는, 기체 저장부(3)가 액체 저장부(1) 내압보다 높을 때, 제3 가동벽(34)과 격납부(33)는 액체 저장부(1) 측으로 눌러져, 개구부(38)의 위치가 액체 저장부(1)와 합치한다. 또한, 차단부(39a)가 격납부(33)와 반응부(2)를 차단한다. 따라서 격납부(33)내에 반응 용액이 격납된다. 한편, 수소가 소비되어 기체 저장부(3)가 액체 저장부(1)보다 내압이 낮아지면, 제3 가동벽(34)은 기체 저장부(3) 측으로 이동하고, 이에 따라 격납부(33)는 차단부(39b)에 의해 액체 저장부(1)와 차단되어, 반응부(2)와 개구부(38)가 면하게 된다. 반응부(2)에는 반응 용액의 이동을 촉진하기 위해서 다공질 부재(37)를 배치하였다. 따라서, 격납부(33) 내의 반응 용액을 반응부(2)에 이동하는 것이 가능해진다.
본 실시예에서는, 실시예 13과 같이 수산화나트륨 수용액과 아연을 이용하여, 그 반응 용액의 이동과 연료 전지의 운전을 연속하여 행할 수 있는지의 여부를 평가하였다. 그 결과, 자동적으로 반응 용액을 이동하여, 연료 전지를 계속 운전할 수 있다는 것이 확인되었다.
(실시형태 15) :
본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 반응 부위의 면적을 가변으로 하여 반응 가스 발생량을 제어하는 경우의 구성도를, 도 16에 도시한다. 도 16(a)에 수소 발생 반응 정지 시, 도 16(b)에 수소 발생 시의 상태를 도시한다. 연료 전지는, 애노드(4a), 고체 고분자 전해질막(4b), 캐소드(4c)로 이루어져 있고, 기체 저장부(3)의 수소는 애노드(4a)에서 전기 화학적으로 산화되어, 발전된다. 액체 저장부(1)는, 수소를 발생하기 위한 반응 용액을 저장하는 부위이다. 또한 기체 저장부(3)는 수소를 일시적으로 저장하여, 연료 전지의 애노드(4a)로 보내는 부위이다. 반응 부재(40)는, 액체 저장부(1)의 저면에 설치되어 있, 반응 용액과 접촉함으로써 수소를 발생하는 재료이다. 반응 용액과 반응 부재(40)의 접촉 면적을 가변으로 하기 위해서, 반응 부위(40)의 상부에 이동 가능한 격벽(41)을 설치하였다. 격 벽(41)에는 관통 구멍(43)을 형성하여, 반응 부재(40)와 반응 용액이 접촉하여, 수소를 발생시킬 수 있게 하였다. 또한 액제 저장부(1)내에 발생한 수소를 기체 저장부(3)로 공급하기 위해서 연결관(42)이 설치되어 있다.
격벽(41)의 슬라이드는, 기체 저장부(3)의 압력과 가압 장치(44)의 압력의 차로 행하여진다. 즉, 기체 저장부(3)에 수소가 충분히 존재하여 내압이 높을 때, 격벽(41)의 관통 구멍(43)은 반응 부재(40)와 접하지 않는 위치에 있다. 그러나, 기체 저장부(3)의 수소가 소비되어, 내압이 가압 장치(44)의 압력을 하회하였을 때, 격벽(41)이 이동하여 관통 구멍(43)의 위치가 반응 부재(40)와 겹쳐, 반응 용액이 관통 구멍(43)을 통해서 반응 부재(40)에 공급되어, 수소가 발생한다.
본 실시예에서는, 반응 부재(40)로 마그네슘을 이용하고, 반응 용액으로 황산 수용액을 이용하였다. 연료 전지의 출력이나 수소 발생 반응에 따라서 반응 부재(40)의 위치가 변화하여, 자동적으로 수소 발생 반응의 진행과 정지가 반복됨이 확인되었다.
(실시형태 16)
본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 반응 부위의 면적을 가변으로 하여 반응 가스 발생량을 제어하는 경우의 구성도를, 도 17에 도시한다. 도 17(a)에 수소 발생 반응 정지 시, 도 17(b)에 수소 발생 시의 상태를 도시한다. 액체 저장부(1), 반응부(2), 기체 저장부(3), 발전부의 구성, 및 기능은 실시예 15와 동일하다. 한편, 본 실시예에서는 격벽(41)은 고정이고, 반응 부재(40)가 이동한다. 반응 부재(40) 중, 가압 장치(44)와 접하는 부위와 기체 저장부(3)가 접하는 부위에는, 반응 을 일으키지 않는 비 반응 부재(45)를 설치하였다. 실시예 15와 마찬가지로, 반응 부재(40)가 이동하여, 관통 구멍(43)과 위치가 합치한 경우, 수소를 발생시킬 수 있다. 반응 부재(40)의 이동은, 기체 저장부(3)의 수소압에 의한 것이기 때문에, 이는 연료 전지의 운전 상황과 대응하고 있다.
본 실시예에서는, 반응 용액에 수소화붕소나트륨 수용액, 반응 부재(40)에 루테늄 촉매를 담지한 니켈망을 사용하였다. 연료 전지의 출력이나 수소 발생 반응에 따라서 반응 부재(40)의 위치가 변화하고, 자동적으로 수소 발생 반응의 진행과 정지가 반복됨이 확인되었다.
(실시형태 17) ·
도 18은, 본 발명에 의한 연료 전지 시스템의 가스 저장 탱크를 이용한 경우의 구성도이다. 수소는, 저장 탱크(50)로부터 저장 탱크(50)에 접속된 가스관(52)의 내부를 지나, 감압 수단(51)을 통과한 후 기체 저장부(3)에 도달한다. 수소는, 그 후, 기체 저장부(3)에서 일단이 저장된 후 연료 전지의 애노드(4a)에 보내어져, 발전에 이용된다. 그 때 수소는, 연료 전지 반응에 이용될 뿐이며, 연료 전지 시스템의 외부로 누설하는 일은 없다. 따라서 기체 저장부(3)의 내압은, 연료 전지에서의 수소 소비와, 감압 수단(51)으로부터의 수소의 공급으로 결정되는 인자이다.
구체적으로는, 감압 수단(51)에 레귤레이터를 이용하여, 출력할 수소압을 0.1㎫로 조절하였다. 연료 전지를 운전함으로써, 기체 저장부(3) 내압이 0.1㎫를 하회하였을 때, 레귤레이터로부터 수소가 공급되어, 0.1㎫로 압력 조절되었다. 이 상에 의해, 전력을 이용하지 않고, 수소 압력을 자동적으로 조절하여 연료 전지의 안정한 조건을 창출할 수 있음이 명백해졌다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지에 의하면, 연료 전지의 출력 전력을 직접 검출하지 않고, 연료 전지의 구동 상황에 맞추어 반응 용액의 공급량을 제어할 수 있게 된다. 그 때문에, 제어에 관한 전기적인 처리 및 전자 부품을 구비할 필요가 없어진다. 따라서 소비 에너지의 감소가 가능하게 되고, 부품 점수의 감소에 의해서 경량화할 수 있는 동시에 제조 비용을 저감할 수 있다.

Claims (29)

  1. 반응 용액을 저장하는 액체 저장부와,
    상기 액체 저장부로부터 공급되는 상기 반응 용액으로부터 반응 가스를 생성시키는 반응부와,
    상기 반응부로부터 공급되는 상기 반응 가스를 저장하는 기체 저장부와,
    고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 상기 기체 저장부로부터 공급되는 상기 반응 가스를 연료로 하여 발전하는 연료 전지와,
    상기 액체 저장부의 압력이 상기 반응부의 압력보다도 큰 경우, 상기 반응 용액을 상기 액체 저장부로부터 상기 반응부에 공급하고, 상기 액체 저장부의 압력이 상기 반응부의 압력보다도 작은 경우, 상기 반응 용액의 공급을 정지하는 반응 용액 공급량 조정 수단을 구비하여 이루어지고,
    상기 반응 용액 공급량 조정 수단이, 상기 액체 저장부로부터 상기 반응부에 상기 반응 가스를 공급하는 액체용 공급로에 설치되고, 상기 반응 용액이 역류하는 것, 또는 상기 반응 가스가 유입하는 것을 방지하는 역지 장치로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응 용액의 공급에 의해 상기 액체 저장부의 내압이 저하하는 경우, 상기 액체 저장부에 가압을 하는 압력 조절 장치를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 역지 장치가 상기 액체용 공급로를 개폐하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 역지 장치가, 상기 반응부로부터 상기 액체 저장부로의 물질의 흐름을 저해하는 역지 밸브인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 역지 장치가, 상기 액체 저장부와 상기 반응부의 사이에 개재하는 제1 가동벽이고, 상기 반응 가스 발생에 의해 상기 반응부의 압력이 올라간 경우, 상기 반응부의 압력의 힘에 의해 상기 가동벽을 상기 액체용 공급로를 닫는 방향으로 이동하여, 상기 액체용 유로를 폐쇄하고, 상기 반응 가스의 소비에 의해 상기 반응부의 압력이 내려간 경우, 상기 가동벽을 상기 액체용 공급로를 여는 방향으로 이동시켜, 상기 액체용 유로를 개방하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제2항에 있어서, 상기 압력 조절 장치가, 외부 물질 인입구를 가지고, 상기 액체 저장부 내에 일 방향으로 외부 물질을 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 압력 조절 장치가, 상기 액체 저장부로부터 상기 연료 전지의 외부로의 물질의 흐름을 저해하는 역지 밸브를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 압력 조절 장치가, 상기 연료 전지의 외부로부터 액체 또는 기체를 공급하는 펌프 또는 팬을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 대기압 또는 모터의 구동력 또는 자력 또는 스프링에 의한 상기 액체 저장부 외부의 힘을 받아 가동하는 제2 가동벽을 상기 액체 저장부에 가지고, 상기 액체 저장부의 내압을 일정하게 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 가동벽의 상기 액체 저장부 내부의 면과 대향하는 면이, 대기로 통하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 가동벽이 탄성체인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압력 조절 장치가, 상기 액체 저장부와 상기 반응부의 사이에 설치한, 상기 반응 가스가 이동하는 가스 유로인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 가스 유로에 감압 장치를 가지고, 상기 감압 장치가 상기 반응부로부터 상기 액체 저장부에 유입하는 반응 가스의 압력을 소정의 압력으로 감압하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 액체용 공급로의 관 직경이, 상기 가스 유로관 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 상기 액체용 공급로가 친수성을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  17. 제13항에 있어서, 상기 가스 유로가 소수성을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  18. 제13항에 있어서, 상기 액체용 공급로 및 상기 가스 유로가, 각각 액체 및 기체를 투과하는 막 또는 다공질 부재인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  19. 반응 용액을 저장하는 액체 저장부와,
    상기 액체 저장부로부터 공급되는 상기 반응 용액으로부터 반응 가스를 생성시키는 반응부와,
    상기 반응부로부터 공급되는 상기 반응 가스를 저장하는 기체 저장부와,
    고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 상기 기체 저장부로부터 공급되는 상기 반응 가스를 연료로 하여 발전하는 연료 전지와,
    상기 액체 저장부로부터 상기 반응부에 상기 반응 용액을 송액(送液)하는 송액 장치를 가지고,
    상기 송액 장치가, 상기 반응부로부터 상기 액체 저장부에 상기 반응 용액이 역류하는 것을 방지하고, 상기 반응 가스의 소비에 따라 상기 기체 저장부의 내압이 저하함으로써 상기 액체 저장부의 반응 용액을 상기 반응부로 이동하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 송액 장치가,
    상기 액체 저장부로부터 상기 반응부에 이동하는 상기 반응 용액을 격납하는 격납부와,
    상기 격납부를 이동하는 격납부 이동 기구로 이루어지고,
    상기 격납부는 개구부와 차단부를 구비하는 용기이고,
    상기 기체 저장부의 내압 저하에 따라서 상기 개구부가 상기 반응부에, 상기 차단부가 상기 액체 저장부로 이동함으로써, 상기 격납부와 상기 액체 저장부의 유통을 차단하고, 또한, 상기 격납부와 상기 반응부를 유통하고,
    상기 기체 저장부의 내압 증가에 따라서 상기 개구부가 상기 액체 저장부로, 상기 차단부가 상기 반응부로 이동함으로써, 상기 격납부와 상기 액체 저장부를 유통하고, 또한, 상기 격납부와 상기 반응부의 유통을 차단하는 구조인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 격납부 이동 기구가 제3 가동벽과,
    가압 수단을 가지고,
    상기 제3 가동벽이, 상기 기체 저장부에 면하여 배치되고,
    상기 가압 수단이, 상기 제3 가동벽의 상기 기체 저장부와 대향하는 면에 배치되고,
    상기 기체 저장부의 내압이 상기 가압 수단의 압력보다 낮을 때, 상기 제3 가동벽이 상기 기체 저장부 측으로 이동하고, 상기 격납부가 상기 반응부에 접하는 방향으로 이동하며, 상기 기체 저장부의 내압이 상기 가압 수단의 압력보다 높을 때, 상기 제3 가동벽이 상기 가압 수단 측으로 이동하고, 상기 격납부가 상기 액체 저장부에 접하는 방향으로 이동하는 구조인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 가압 수단이, 모터 또는 자력 또는 스프링 또는 탄성체를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  23. 제21항에 있어서, 상기 가압 수단의 압력이, 대기압인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  24. 제21항에 있어서, 상기 가압 수단의 압력이, 상기 액체 저장부의 압력인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  25. 반응 용액을 저장하는 액체 저장부와,
    상기 액체 저장부로부터 공급되는 상기 반응 용액으로부터 반응 가스를 생성시키는 반응부와,
    상기 반응부로부터 공급되는 상기 반응 가스를 저장하는 기체 저장부와,
    고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 상기 기체 저장부로부터 공급되는 상기 반응 가스를 전기 화학 반응시켜, 연료로서 이용하여 발전하는 연료 전지와,
    상기 반응부와 상기 반응 용액을 구획하기 위한 격벽을 구비하고,
    상기 격벽과 상기 반응부 중 적어도 한 쪽이 이동 가능하고, 상기 반응부와 상기 반응 용액의 접촉 면적을 변화시키는 방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 반응부의 상기 반응 용액 측의 면에 상기 격벽이 배 치되고, 상기 격벽의 이동 수단이, 상기 반응부와 상기 반응 용액을 접촉시키는 방향으로 상기 격벽을 가압하는 가압 장치를 가지고, 상기 가압 장치의 압력과 상기 반응 가스의 압력의 차이에 의해 상기 격벽이 이동하고, 상기 반응 가스의 발생과 소비에 의해 발생하는 압력 변화에 의해 이동하는 방향이 변화하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  27. 제25항에 있어서, 상기 반응부의 상기 반응 용액 측의 면에 상기 격벽이 배치되고, 상기 반응부의 이동 수단이, 상기 반응부와 상기 반응 용액을 접촉시키는 방향으로 상기 반응부를 가압하는 가압 장치를 가지고, 상기 가압 장치의 압력과 상기 반응 가스의 압력의 차이에 의해 상기 반응부가 이동하고, 상기 반응 가스의 발생과 소비에 의해 발생하는 압력의 차이에 의해 이동하는 방향이 변화하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  28. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 반응부가 상기 반응 용액에 접촉하기 위한 관통 구멍을 상기 격벽의 일부에 설치하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  29. 고체 고분자 전해질막에 접합하여 배치되는 전극을 가지고, 반응 가스를 전기 화학 반응하는 연료 전지에 있어서,
    반응 가스를 저장하는 저장 탱크와,
    상기 반응 가스가 유입하여, 상기 전극에 송기(送氣)하는 기체부와,
    상기 저장 탱크와 상기 기체부의 사이에 배치되어, 상기 기체부에 보내는 상기 반응 가스의 압력을 조절하는 감압부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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