KR20070063555A

KR20070063555A - 연료 전지 및 발전 방법

Info

Publication number: KR20070063555A
Application number: KR1020077008838A
Authority: KR
Inventors: 마사야 야노; 마사카쯔 스기모토; 타이이치 스기타; 타쿠지 오케유이
Original assignee: 니토 덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-06-19
Also published as: CA2583168A1; US20080248338A1; ATE556449T1; EP1821356B1; WO2006038519A1; CA2583168C; EP1821356A4; EP1821356A1

Abstract

수소 가스의 배출량이 적고 배출 가스 처리나 가스 방출의 문제가 생기기 어렵고, 또한 안정하고 계속하여 효율 좋게 발전을 행할 수 있는 연료 전지 및 그를 이용한 발전 방법을 제공한다. 판상의 고체 고분자 전해질(1)과, 그 캐소드측 전극판(2)과, 애노드측 전극판(3)과, 상기 캐소드측 전극판(2)으로 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급부와, 상기 애노드측 전극판(3)으로 수소 가스를 공급하는 수소 가스 유로부로 형성된 단위 셀(UC)의 단수 또는 복수를 구비한 연료 전지에 있어서, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀(UC)에 있어서, 상기 수소 가스 유로부의 유로 단면적을 상기 애노드측 전극판(3)의 면적의 1% 이하로 하는 것과 함께, 상기 수소 가스 유로부의 배출구에는, 단위 셀(UC)로 공급되는 수소 가스에 대해서 0.02~4체적%의 가스를 배출하는 배출 제어 기구(10)를 설치한다.

연료 전지, 발전, 가스 배출

Description

연료 전지 및 발전 방법{Fuel cell and power generating method}

본 발명은, 수소 가스와 산소 함유 가스를 단위 셀로 공급(자연 공급을 포함)하여서 발전(發電)을 행하는 연료 전지 및 발전(發電) 방법에 관한 것으로서, 특히 휴대 기기에 유용한 기술이다. 또한, 본 발명은, 연료 전지를 이용하여 모바일 퍼스널 컴퓨터, PDA 등의 휴대 전자 기기에 전원을 공급하기 위한 휴대 기기용 전지 구동 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 물 등의 반응액과의 반응으로 발생한 수소 가스를 연료 전지에 연료로서 공급하는 방식의 휴대 기기용 전지 구동 시스템에 관한 것이다.

폴리머 전해질과 같은 고체 고분자 전해질을 사용한 고분자형 연료 전지는, 높은 에너지 변환 효율을 가지며, 박형소형·경량인 것 때문에, 가정용 코제너레이션 시스템이나 자동차용으로 개발이 활발히 되고 있다. 이러한 연료 전지의 종래 기술의 구조로서, 도 17에 보인 것이 알려져 있다(예를 들면, 비특허 문헌 1 참조).

즉, 도 17에 보인 바와 같이, 고체 고분자 전해질막(100)을 사이에 두고 애 노드(101)와 캐소드(102)를 배치하여 설치한다. 더욱, 가스켓(103)을 끼워서 한쌍의 세퍼레이터(104)에 의해 협지(挾持)하여 단위 셀(105)을 구성한다. 각각의 세퍼레이터(104)에는 가스 유로구(流路溝)가 형성되어 있으며, 애노드(101)와의 접촉에 의해, 환원 가스(예를 들면, 수소 가스)의 유로(流路)가 형성되고, 캐소드(102)와의 접촉에 의해, 산화 가스(예를 들면 산소 가스)의 유로가 형성된다. 각각의 가스는, 단위 셀(105) 내의 각 유로를 유통(流通)하면서, 애노드(101)와 캐소드(102)의 내부에 담지(擔持)된 촉매의 작용에 의해 전극 반응(전극에 있어서의 화학 반응)에 제공되어서, 전류의 발생과 이온 전도가 생긴다.

이 단위 셀(105)을 다수 개 적층하고, 단위 셀(105) 끼리를 전기적으로 직렬로 접속하여 연료 전지(N)를 구성하고, 전극(106)은, 적층한 양단(兩端)의 단위 셀(105)로부터 취출(取出)할 수 있다. 이러한 연료 전지(N)는, 깨끗하고 또한 고효율이라고 하는 특징 때문에, 여러 가지 용도, 특히, 전기 자동차용 전원이나 가정용 분산형 전원으로서 주목되고 있다.

한편, 근년의 IT 기술의 활발화에 따라, 휴대 전화, 노트북 개인 컴퓨터, 디지털 카메라 등 모바일 기기가 빈번히 사용되는 경향이 있으나, 이들의 전원은, 대부분 리튬 이온 2차 전지가 사용되고 있다. 그런데, 모바일 기기의 고기능화에 따라 소비 전력이 자꾸 증대하여, 그의 전원용으로서 깨끗하고 고효율인 연료 전지가 주목되어 오고 있다.

이 때문에, 보다 소형화가 가능한 연료 전지로서, 고체 고분자 전해질막/전극 접합체와, 산화제 가스의 유로를 형성한 캐소드측 금속판과, 연료 가스의 유로 를 형성한 애노드측 금속판을 구비하고, 양측(兩側)의 금속판의 주변을 고정핀으로 체결하면서, 그의 내측 주위에 가스 패킹을 개재(介在)시켜 봉지(封止)한 구조의 연료 전지가 제안되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

그러나, 상기의 연료 전지는, 어느 것도, 수소 가스 등의 연료 가스를 공급한 후, 그의 50~80%가 반응으로 소비되며, 남은 연료 가스는 최종 단(段)의 단위 셀로부터 배출되는 구조로 되어 있다. 이 때문에, 연료로서 수소 가스를 이용하는 경우에는, 수소 가스의 배출량이 많게 되고, 그의 배출 가스 처리나 가스 방출의 문제가 생기므로, 코스트나 장치 사이즈 등의 관점으로부터, 휴대 기기 용도에는 부적합하였다.

한편, 하기의 특허 문헌 2에는, 순수 수소 가스를 단위 셀의 애노드측에 공급하여 발전(發電)을 행하면서, 애노드측의 불순물 가스의 농도를 검출하여, 그의 농도가 일정 이상인 경우에, 애노드측으로부터 가스를 퍼지(배출)하는 연료 전지 시스템이 개시되어 있다.

그러나, 이 연료 전지 시스템에서는, 일반적인 연료 전지 셀을 사용하고 있으므로, 예를 들면, 애노드측으로부터의 배출 가스 중의 불순물 가스의 농도가 50% 이상이 되면, 발전 효율이 50% 미만이 되어, 통상의 전력 공급의 용도에는 사용할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 또한, 배출 가스 중의 수소 가스의 농도를 50% 미만으로 저감하여도, 퍼지 가스의 배출량이 많게 되므로, 배출된 수소 가스의 절대량이 많아지게 되는 문제가 있었다.

더욱, 상기의 연료 전지 시스템에서는, 농도의 검출이나 그것에 기초하는 퍼 지 제어는, 장치 구성이 복잡하고 코스트도 높게 되어, 휴대 기기용의 소형·경량의 연료 전지에는 적용이 곤란하였다. 또한, 수소 가스를 단위 셀로부터 배출시키지 않고 전체로 단위 셀에서 소비하는 방법에서는, 단위 셀 내의 수소 가스 유로에 불순물 가스가 농축되고, 발전 개시로부터 단시간에 전지 출력이 저하한다.

그런데, 하기의 특허 문헌 3에는, 물과의 반응에 의해 수소를 생성하는 수소 발생 장치로서, 철 등의 금속을 반응 용기에 수용하고, 이것에 물을 공급하여 반응시키는 수소 발생 장치가 개시되어 있다(예를 들면, 금속으로서 철을 이용한 경우의 반응식은, 3Fe+4H₂O →Fe₃O₄ + 4H₂로 표현된다). 이 장치에서는, 금속을 수용한 반응 용기를 착탈할 수 있도록 하고, 별도로, 수소 가스 등으로 금속의 가열· 환원을 행하도록 하고 있다.

그러나, 이 수소 발생 장치는 대략 일정량의 수소 가스를 공급하는 것을 목적으로 하는 것이고, 수소 가스의 소비량의 변동을 고려한 발명은 아니다. 따라서, 이 수소 발생 장치를 휴대 전자 기기에 적용하고자 하면, 전력의 소비량이 감소한 경우에 쓸모없는 수소 가스가 발생해 버려서, 그의 배출 가스 처리나 발전 효율의 저하의 문제가 생긴다. 또한, 휴대 전자 기기에 편입시키는 것이 가능한 소형·박형화된 연료 전지는, 일반적으로 내압 성능이 낮고, 과잉의 수소 가스에 의해 압력 상승에 의한 전지 파손의 문제가 생기기 쉽다. 이 때문에, 연료 전지의 애노드측을 폐쇄한 시스템으로 하는 것이 가능하지 않고, 수소 가스의 유통(流通) 방식으로 되므로, 배출 가스 처리나 발전 효율의 저하의 문제가 현저하게 된다.

또한, 수소 가스 등의 연료 가스의 소비량의 변동을 고려한 연료 전지 시스템으로서, 연료 가스(반응 가스)의 소비에 따라서, 연료 가스를 저장하는 기체 저장부의 내압이 저하하는 것에 의해서, 액체 저장부의 반응 용액을 반응이 행해지는 반응부로 이동시키는 연료 전지 시스템이 제안되고 있다(예를 들면 특허 문헌 4 등). 이 시스템에서는, 연료 가스의 소비량이 감소해서 기체 저장부의 내압이 상승한 경우에, 반응 용액을 반응부로 이동하는 것을 정지하는 제어도 가능하게 된다.

그러나, 반응 용액의 공급에 대응하는 반응으로 인한 연료 가스의 발생에는 통상 시간 지연이 있으므로, 이 시스템의 경우, 반응 용액의 이동을 정지하여도 기체 저장부의 내압이 계속해서 상승하는 경우가 많다. 이것에 의해서, 특히 휴대 기기 용도의 경우에는, 연료 전지의 내압 성능이 낮아지기 때문에, 전지 파손의 문제가 생기는 경우가 있다. 또한, 상기 시스템에서는 연료 전지의 애노드측으로부터 가스의 배출이 행해지지 않으므로, 애노드측에 불순물 가스가 농축되고, 연료 전지의 발전 효율의 저하를 초래하기 쉬운 구조로 되어 있었다.

비특허 문헌 1:일경메카니칼 별책 「연료 전지 개발 최전선」발행일 2001년 6월 29일, 발행처:일경BP사, 제3장 PEFC, 3.1원리와 특징p46

특허 문헌 1:특개평 8-162145호 공보

특허 문헌 2:특개 2003-243020호 공보

특허 문헌 3:특개 2004-149394호 공보

특허 문헌 4:특개 2004-281384호 공보

[발명의 개시]

[발명이 해결하고자 하는 과제]

그래서, 본 발명의 목적은, 복잡한 제어 기구를 필요로 하지 않고, 수소 가스의 배출량이 적어서 배출 가스 처리나 가스 방출의 문제가 생기기 어렵고, 또한 안정하고 계속하여 효율 좋게 발전을 행할 수 있는 연료 전지 및 그를 이용한 발전 방법을 제공하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 단위 셀 마다에 확실하게 봉지를 행할 수 있고, 이것에 의해서 박형화(薄型化)가 가능하게 되며, 유지성도 용이하게 되고, 또한 각각의 셀의 압력 제어로 보다 높은 발전 효율을 얻을 수 있는 연료 전지를 제공하는 것에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 휴대 기기용의 내압 성능이 낮은 연료 전지에도 대응 가능하고, 불순물 가스의 농축에 의한 발전 효율의 저하가 생기기 어려운 휴대 기기용 전지 구동 시스템을 제공하는 것에 있다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해서 예의 연구한 바, 애노드측의 수소 가스 유로부의 유로 단면적이 충분히 작은 단위 셀을 이용하고, 이것에 공급된 수소 가스에 대하여 0.02~4 체적%의 가스를 배출하면서 발전을 행하는 것에 의해서, 안정하고 계속해서 효율 좋게 발전을 행할 수 있는 것을 발견하여서, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 연료 전지는, 판상(板狀)의 고체 고분자 전해질과, 그 고체 고분자 전해질의 일방측에 배치된 캐소드측 전극판과, 타방측에 배치된 애노드측 전극판과, 상기 캐소드측 전극판에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급부와, 상기 애노드측 전극판에 수소 가스를 공급하는 수소 가스 유로부로서 형성된 단위 셀의 단수 또는 복수를 구비하는 연료 전지에 있어서, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀에 있어서, 상기 수소 가스 유로부의 유로 단면적을 상기 애노드측 전극판의 면적의 1% 이하로 하는 것과 함께, 상기 수소 가스 유로부의 배출구에는, 단위 셀에 공급된 수소 가스에 대하여 0.02~4 체적%의 가스를 배출하는 배출 제어 기구가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료 전지에 의하면, 수소 가스 유로부의 유로 단면적이 전극 면적에 대하여 충분히 작은 단위 셀을 이용하므로, 수소 가스 공급의 선속도(線速度)가 커지게 되고, 고체 고분자 전해질의 거의 전체에서 수소 가스가 소비될 때에, 불순물 가스가 상류측으로 확산되지 않고 하류측으로 농축되므로, 배출 제어 기구에서 미소량의 가스를 배출할 뿐이므로, 단위 셀 내로의 불순물 가스의 축적을 방지할 수 있다. 그때, 배출 제어 기구의 근방에서만 불순물 가스의 농도가 높게 되므로, 단위셀 전체로 보는 경우에, 불순물 가스가 거의 존재하지 않으므로, 발전 효율을 높게 유지할 수 있다. 그 결과, 복잡한 제어 기구를 필요로 하지 않고, 안정하고 계속해서 효율 좋게 발전을 행할 수 있고, 수소 가스의 배출량이 적으므로, 배출 가스 처리나 가스 방출의 문제가 생기기 어렵고, 휴대 기구 용도에 특히 유리한 연료 전지로 된다.

상기에 있어서, 상기 배출 제어 기구는, 일차측의 압력이 일정 이하로 되도록 가스를 배출시키는 압력 제어 밸브(制御弁)인 것이 바람직하다. 수소 가스는 단위 셀에 대해서, 거의 일정량으로 과잉으로 공급되는 것이 많고, 이러한 압력 제어 밸브에 의해서 압력이 일정 이상으로 되면 가스의 일부를 배출시킬 수 있고, 이것을 공급된 수소 가스에 대하여 0.02~4체적%의 배출량으로 조정하는 것이 용이하게 된다. 이러한 압력 제어 밸브는, 소형화하는 것도 가능하고, 이것을 이용하는 것으로 휴대 기기 용도에 유리한 연료 전지로 된다.

즉, 본 발명의 다른 연료 전지는, 판상의 고체 고분자 전해질과, 그 고분자 전해질의 일방측에 배치된 캐소드측 전극판과, 타방측에 배치된 애노드측 전극판과, 상기 캐소드측 전극판의 표면에 배치된 내면측으로의 가스의 유통을 가능하게 하는 캐소드측 금속판과, 상기 애노드측 전극판의 표면에 배치된 내면측으로의 연료의 유통을 가능하게 하는 애노드측 금속판을 구비한 연료 전지이고, 상기 양측의 금속판의 주연(周緣)을 전기적으로 절연한 상태에서 굽힘 프레스에 의해 봉지하고 있는 것과 함께, 상기 애노드측 금속판은 연료의 주입구(注入口)와 배출구(排出口)를 가지고, 그 배출구에는 내면측 공간의 압력을 소정치로 제어하는 압력 제어 밸브를 설치한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 연료 전지에 의하면, 캐소드측 금속판이 캐소드측 전극판으로의 가스의 유통을 가능하도록 하고, 애노드측 금속판이 애노드측 전극판으로의 연료의 유통을 가능하도록 하므로, 각각의 전극판에서 전극 반응을 생기게 할 수 있고, 금속판으로부터 전류를 취출할 수 있다. 또한, 금속판의 주연(周緣)을 전기적으로 절연한 상태에서 굽힘 프레스에 의해서 봉지하고 있으므로, 양자의 단락을 방지하면서 두께를 그다지 증가시키지 않고 단위 셀 마다 확실하게 봉지를 행할 수 있다. 이것에 의해서 유지성도 용이하게 되고, 게다가 도 7에 보이는 종래 구조와 비교해서 셀 부재에 강성이 요구되지 않으므로, 각 단위 셀을 대폭으로 박형화할 수 있다. 그때, 본 발명과 같이 박형화를 위해서 금속판을 이용한 독립의 셀로 하면, 내부력이 지나치게 고압으로 되면, 봉지부로부터 리크(leakage)가 생기기도 하고, 금속판의 변형에 의해 전극판과의 접촉이 불충분하므로, 압력 제어 밸브를 설치하는 것이 유효하게 된다. 또한, 연료의 배출구에 압력 제어 밸브를 설치하는 것으로, 주입구로부터 연료를 일정량 이상 공급할 뿐이므로, 내부압을 거의 일정 압력으로 제어할 수 있고, 가압(加壓)에 의해 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

상기에 있어서, 상기 압력 제어 밸브는, 변좌(弁座, valve set)에 변체(弁體, valving element)를 밀어 붙이는 부세(付勢, power imparting) 수단과, 그의 부세 수단의 부세력(付勢力, power imparting force)을 조절하는 조절 기구와, 변좌를 가지며 변체를 수용하는 변좌 공간과, 그 변좌 공간까지 연통(連通)하며 변체에 의해서 봉쇄 가능한 도입 유로(導入流路)와, 변좌 공간으로부터 외부로 연통(連通)하는 배출 유로(排出流路)를 구비하는 것이 바람직하다.

이 압력 제어 밸브에 의하면, 도입 유로를 봉쇄하는 변체에 대응하는 연료 가스의 압력이 일정 이상으로 되면, 부세 수단의 부세력에 저항하여 변체와 변좌와의 사이에 빈틈이 생기고, 연료 가스가 변좌 공간과 배출 유로를 지나서 외부로 배출되기 때문에, 내부압을 거의 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 변체를 부세하는 부세 수단의 부세력을 조절하는 조절 기구를 구비하므로, 내부압 제어의 설정치를 변화시킬 수 있다. 그래서, 가장 간이(簡易)한 구성으로 압력 제어 밸브를 구성하기 때문에, 압력 제어 밸브를 소형화·박형화할 수 있고(예를 들면 직경 4mm, 높이 5mm도 가능), 연료 전지 전체의 박형화가 용이하게 된다.

또한, 상기 압력 제어 밸브는, 상기 내면측 공간의 압력을 0.02~0.20 MPa의 범위 내의 소정치로 제어 가능한 것이 바람직하다. 이 압력의 범위 내이면, 실시예의 결과가 보이는 바와 같이, 연료 전지의 출력을 향상시킬 수 있고, 게다가 봉지부로부터의 리크(leakage)도 생기기 어렵게 된다.

한편, 본 발명의 발전 방법은, 판상의 고체 고분자 전해질과, 그 고체 고분자 전해질의 일방측에 배치된 캐소드측 전극판과, 타방측에 배치된 애노드측 전극판과, 상기 캐소드측 전극판에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급부와, 상기 애노드측 전극판에 수소 가스를 공급하는 수소 가스 유로부로서 형성된 단위 셀의 단수 또는 복수에, 수소 가스와 산소 함유 가스를 공급해서 발전을 행하는 발전 방법에 있어서, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀에 있어서, 수소 가스의 유동(流動)에 의해서 불순물 가스를 배출구 부근에서 농축하면서, 농축된 불순물 가스의 양이 일정 이하로 되도록 단위 셀로부터 가스를 소량 배출하면서 발전을 행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 발전 방법에 의하면, 수소 가스의 유동(流動)에 의해서 불순물 가스를 배출구 부분에서 농축하면서 발전을 행하므로, 배출구의 근방에서만 불순물 가스의 농도가 높게 되므로, 단위 셀 전체로 본 경우에, 불순물 가스가 거의 존재하지 않는 것이므로, 발전 효율을 높게 유지할 수 있다. 또한, 불순물 가스가 배출구 부근에서 농축되어도, 배출을 행하지 않으면 불순물 가스의 양이 증가해서 발전이 정지하나, 가스를 소량 배출하는 것에 의해서 불순물 가스의 양을 일정 이하로 유지할 수 있다. 그 결과, 복잡한 제어 기구를 필요로 하지 않고, 수소 가스의 배출량이 적어서 배출 가스 처리나 가스 방출의 문제가 생기기 어렵고, 게다가 안정하고 또한 계속하여 효율 좋게 발전을 행할 수 있도록 된다.

상기에 있어서, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀로서, 상기 수소 가스 유로부의 유로 단면적이 상기 애노드측 전극판의 면적의 1% 이하인 것을 사용함과 함께, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위셀에 공급되는 수소 가스에 대해서, 0.02~4체적%의 가스를 그 단위 셀로부터 배출하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 수소 가스 유로부의 유로 단면적이 전극 면적에 대해서 충분히 작은 단위 셀을 사용하므로, 수소 가스 공급의 선속도가 크게 되고, 고체 고분자 전해질의 거의 전체에서 수소 가스가 소비되는 때에, 불순물 가스가 상류측으로 확산하지 않고 하류측에서 농축되므로, 미소량의 가스를 배출할 뿐이므로, 단위 셀 내로의 불순물 가스의 축적을 방지할 수 있다. 그때, 배출구의 근방에만 불순물 가스의 농도가 높게 되므로, 단위 셀 전체에서 본 경우에, 불순물 가스가 거의 존재하지 않으므로, 발전 효율을 높게 유지할 수 있다.

또한, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀에 대해서, 상기 수소 가스 유로부의 유로 단면적을 기준으로 해서 계산된 공급 가스의 선속도(線流速, linear flow rate)가 0.1m/초 이상으로 되도록 수소 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 이것에 의하여, 보다 확실하게 불순물 가스를 상류측으로 확산시키지 않고 하류측에서 농축할 수 있다.

또한, 상기 단위 셀로부터 배출된 가스 중에 함유된 수소 가스의 농도가 50 체적% 미만인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 불순물 가스를 고농도로 효율 좋게 시스템 밖으로 배출할 수 있다.

즉, 본 발명의 휴대 기기용 전지 구동 시스템은, 수소 가스를 애노드측으로 공급해서 발전을 행하는 연료 전지와, 반응액과의 반응으로 수소 가스를 발생시키는 수소 발생제에 의해서 상기 연료 전지에 수소 가스를 공급하는 수소 가스 발생 수단과, 그의 수소 가스 발생 수단으로 반응액을 공급하는 반응액 공급 수단과, 상기 연료 전지로의 수소 가스의 공급량을 조절하는 공급측 조절 기구와, 상기 연료 전지의 애노드측에 설치되어 일차측의 압력이 일정 이상의 경우에 가스의 배출량을 증가시키는 배출측 제어 기구를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 있어서, 「반응액」은 액체에 한정되지 않고 기상(氣相) 상태에서 공급되는 것도 포함한다.

본 발명의 휴대 기기용 전지 구동 시스템에 의하면, 상기와 같은 공급측 조절 기구와 배출측 제어 기구를 구비하기 때문에, 수소 가스의 소비량의 변동이나 반응액 공급 정지 후의 반응 제어 지연 등에 의해, 수소 가스가 연료 전지로 공급 과잉으로 되는 경우에도, 배출측 제어 기구에 의해서 가스의 배출량을 증가시킬 수 있기 때문에, 연료 전지의 내부 압력을 일정 이하로 유지할 수 있다. 또한, 배출측 제어 기구에 의해 가스의 배출이 행해지므로, 애노드측에서 불순물 가스가 농축되기 어렵고, 연료 전지의 발전 효율의 저하가 생기기 어렵다. 그 결과, 휴대 기기용의 내압 성능이 낮은 연료 전지에도 대응 가능하고, 불순물 가스의 농축에 의한 발전 효율의 저하가 생기기 어려운 휴대 기기용 전지 구동 시스템을 제공할 수 있다.

상기에 있어서, 상기 공급측 조절 기구는, 시스템 내의 수소 가스의 압력이 설정 범위로 되도록 제어하는 압력 제어 기구를 가지는 것이 바람직하다. 이와 같이, 시스템 내의 수소 가스의 압력이 설정 범위로 되도록 제어하는 압력 제어 기구를 설치하는 것이므로, 전력의 소비량에 대응하여 과부족 없이 수소 가스가 공급가능한 것이므로, 수소 가스를 지나치게 배출시키지 않고 발전을 행할 수 있고, 배출 가스 처리나 발전 효율의 저하의 문제를 보다 경감할 수 있다.

또한, 상기 반응액 공급 수단은, 유동 조절부를 통해서 상기 수소 가스 발생 수단과 연통하는 저액부(貯液部)를 가지며, 그 저액부로부터의 반응액의 공급을 상기 유동 조절부에서 조절하는 것에 의하여, 상기 수소 가스 발생 수단에 있어서 수소 가스의 발생량을 조절하는 공급측 조절 기구를 구성하고 있는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 상기와 같이 배출측 제어 기구에 의해서 연료 전지의 내부 압력을 일정 이하로 유지할 수 있기 때문에, 유동 조절부에 의해 반응액의 공급을 조절하는 공급측 조절 기구를 설치해서, 수소 가스의 발생량을 조절할 뿐이어도, 압력 제어 및 반응 제어의 관점으로부터 충분한 제어를 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 일예를 보여주는 조립 사시도.

도 2는 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 예를 보여주는 종단면도.

도 3은 복수의 단위 셀로 구성된 본 발명의 연료 전지의 일예를 보여주는 개략 구성도.

도 4는 본 발명의 연료 전지(단위 셀)에 사용한 압력 제어 밸브의 일예를 보여주는 단면도.

도 5는 실시예 1~3, 비교예 1~3, 참고예 1에 있어서 전압의 경시(經時) 변화를 보여주는 그래프.

도 6은 실시예 4에 있어서 가스의 배출량을 변화시킨 경우의 전압의 경시 변화를 보여주는 그래프.

도 7은 실시예 5에 있어서 가스의 배출량을 변화시킨 경우의 전압의 경시 변화를 보여주는 그래프.

도 8은 실시예 6에 있어서 가스의 배출량을 변화시킨 경우의 가스 조성의 변화를 보여주는 그래프.

도 9는 본 발명의 연료 전지에 있어서 카시메 구조의 다른 예를 보여주는 요부(要部).

도 10은 본 발명의 연료 전지(단위 셀)의 다른 예를 보여주는 종단면도이며, (a)는 조립된 사시도, (b)는 종단면도.

도 11은 본 발명의 실시예 등에서 얻은 연료 전지의 전압과 출력의 관계를 보여주는 그래프.

도 12는 본 발명의 휴대 기기용 전지 구동 시스템의 제1 실시 형태의 예를 보여주는 개략 구성도.

도 13은 본 발명의 휴대 기기용 전지 구동 시스템의 제2 실시 형태의 예를 보여주는 개략 구성도.

도 14는 본 발명의 휴대 기기용 전지 구동 시스템의 제3 실시 형태의 예를 보여주는 개략 구성도.

도 15는 본 발명의 휴대 기기용 전지 구동 시스템의 제4 실시 형태의 예를 보여주는 개략 구성도.

도 16은 본 발명의 휴대 기기용 전지 구동 시스템의 제5 실시 형태의 예를 보여주는 개략 구성도.

도 17은 종래의 연료 전지의 일예를 보여주는 조립 사시도.

[부호의 설명]

1 고체 고분자 전해질

2 캐소드측 전극판

3 애노드측 전극판

4 캐소드측 금속판

4c 개구부

5 애노드측 금속판

5c 주입구(注入口)

5d 배출구(排出口)

6 절연 재료

9 유로구(流路溝)

10 압력 제어 밸브(배출 제어 기구)

11 변좌(弁坐)

12 변체(弁體)

13 부세(付勢) 수단

14 조절 기구

15 변좌 공간

16 도입 유로(導入流路)

17 배출 유로(排出流路)

20 수소 가스 발생 수단

21 수소 발생제

30 반응액 공급 수단

32 저액부(貯液部)

35 배관

40 압력 제어 기구

41 압력 조절 수단

50 압력 제어 밸브

FC 연료 전지

IC 공급측 조절 기구

OC 배출측 제어 기구

Sn 최종단

UC 단위 셀

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

(제1 발명의 연료 전지 및 발전 방법)

이하, 제1 발명의 실시의 형태에 있어서, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 제1 발명의 연료 전지의 단위 셀의 일예를 보여주는 조립 사시도이고, 도 2는, 제1 발명의 연료 전지의 단위 셀의 일예를 보여주는 종단면도이다. 도 3은 복수의 단위 셀로 구성된 제1 발명의 연료 전지의 일예를 보여주는 개략 구성도이다.

제1 발명의 연료 전지는, 도 1 ~ 도 3에 보이는 바와 같이, 판상(板狀)의 고체 고분자 전해질(1)과, 그 고체 고분자 전해질(1)의 일방측에 배치된 캐소드측 전극판(2)과, 타방측에 배치된 애노드측 전극판(3)과, 상기 캐소드측 전극판(2)으로 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급부와, 상기 애노드측 전극판(3)으로 수소 가스를 공급하는 수소 가스 유로부로 형성된 단위 셀(UC)의 단수 또는 복수를 구비한다. 본 실시 형태에서는, 도 3에 보이는 바와 같이, 복수의 단위 셀(UC)로서 연료 전지가 구성된 예를 보인다.

우선, 단위 셀(UC)에 대해서 설명한다. 본 실시 형태에서는, 도 1 ~ 도 2에 보이는 바와 같이, 애노드측 금속판(5)에 에칭에 의해 수소 가스의 유로구(9)가 형성된 수소 가스 유로부가 구성되고, 캐소드측 금속판(4)에 공기를 자연 공급하기 위한 개구부(4c)가 형성된 산소 함유 가스 공급부가 구성되어 있는 단위 셀(UC)을 이용하는 예를 보인다. 이와 같이, 금속판(4,5)에 의해서 가스 공급부가 구성되는 것에 의해서, 연료 전지의 박형화·경량화를 꾀할 수 있다.

고체 고분자 전해질(1)로서는, 종래의 고체 고분자막형 전지에 이용되는 것이라면 어느 것도 좋으나, 화학적 안정성 및 도전성의 점(点)으로부터, 초강산인 술폰산기를 가지는 퍼-플루오로 카본(perfluorocarbon) 중합체로 이루어진 양이온 교환막이 적합하게 사용된다. 이와 같은 양이온 교환막으로서는 나피온(Nafion, 등록상표)이 적합하게 사용된다.

그 밖에, 예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소 수지로 이루어진 다공질막에 상기 나피온이나 다른 이온 전도성 물질을 함침(含浸)시킨 것이나, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지로 이루어진 다공질막이나 부직포에 상기 나피온이나 다른 이온 전도성 물질을 담지(擔持)시킨 것도 좋다.

고체 고분자 전해질(1)의 두께는, 얇게 할 수록 전체의 박형화에 유효하나, 이온 전도 기능, 강도, 핸들링(handling)성 등을 고려하면, 10~300㎛가 사용 가능하고, 25~50㎛가 바람직하다.

전극판(2,3)은, 가스 확산층으로서의 기능을 발휘해서, 연료 가스나 산화 가스 및 수증기의 공급·배출을 행함과 동시에, 집전(集電)의 기능을 발휘하는 것이 사용 가능하다. 전극판(2,3)으로서는, 동일 또는 다른 것이 사용 가능하고, 그 의 기재(基材)에는 전극 촉매 작용을 가지는 촉매를 담지시킨 것이 바람직하다. 촉매는, 고체 고분자 전해질(1)과 접하는 내면(2b, 3b)에 적어도 담지 시킨 것이 바람직하다.

전극 기재로서는, 예를 들면, 카본 페이퍼, 카본 섬유 부직포 등의 섬유질 카본, 도전성 고분자 섬유의 집합체 등의 도전성 다공질체(多孔質體)가 사용가능하다. 일반적으로, 전극판(2,3)은, 이와 같은 도전성 다공질체에 불소 수지(fluorine resin) 등의 발수성(撥水性) 물질을 첨가해서 제작된 것이고, 촉매를 담지시킨 경우, 백금 미립자 등의 촉매와 불소 수지 등의 발수성 물질을 혼합하고, 이것에 용매를 혼합하여, 페이스트상 혹은 잉크 상으로 한 후, 이것을 고체 고분자 전해질막과 대향하는 전극 기재의 편면(片面)에 도포하여 형성된다.

일반적으로, 전극판(2,3)이나 고체 고분자 전해질(1)은, 연료 전지에 공급되는 환원 가스와 산화 가스에 따라 설계가 된다. 제1 발명에서는, 산화 가스로서 공기, 순수 산소 등의 산소 함유 가스가 사용됨과 함께, 환원 가스(연료)로서 수소 가스가 사용된다. 제1 발명에서는, 공기가 자연 공급되는 측(側)인 캐소드측 전극판(2)에서는, 산소와 수소 이온의 반응이 생겨서 물이 생성되기 때문에, 관련 전극 반응에 따라 설계를 하는 것이 바람직하다.

수소 가스는, 수소 가스의 배출량을 적게 해서, 안정하고 또한 계속하여 효율 좋게 발전(發電)을 행하는 이유로부터, 수소 가스의 순도 95%이상이 바람직하고, 순도 99% 이상이 보다 바람직하고, 순도 99.9% 이상이 더욱 바람직하다.

촉매로서는, 백금, 팔라듐, 루테늄, 로듐, 은, 니켈, 철, 구리, 코발트 및 몰리브덴으로부터 선택된 적어도 1종의 금속이거나, 또는 그의 산화물이 사용 가능하고, 이들의 촉매를 카본 블랙 등에 미리 담지 시킨 것도 사용 가능하다.

전극판(2,3)의 두께는, 얇게 할 수록 전체의 박형화에 유효하나, 전극 반응, 강도, 핸들링성 등을 고려하면, 50~500㎛가 바람직하다.

전극판(2,3)과 고제 고분자 전해질(1)은, 미리 접착, 융착 등을 행하여 적층 일체화하여 둔 것도 좋으나, 단지 적층 배치되어 있을 뿐이어도 좋다. 이와 같은 적층체는, 박막 전극 조립체(Membrane Electrode Assembly:MEA)로서 입수할 수도 있고, 이것을 사용하여도 좋다.

본 실시 형태에서는, 캐소드측 전극판(2)의 표면에는 캐소드측 금속판(4)이 배치되고, 애노드측 전극판(3)의 표면에는 애노드측 금속판(5)이 배치된다. 또한, 애노드측 금속판(5)에는 수소 가스의 주입구(5c) 및 배출구(5d)가 설치되고, 그의 사이에 유로구(9)가 설치되어 있다.

제1 발명에서는, 산소 함유 가스 공급부에는, 캐소드측으로부터 외부로 수분의 확산을 억제하는 확산 억제 기구가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는 캐소드측 금속판(4)에, 공기 중의 산소를 자연 공급하기 위한 개구부(4c)가 설치되어 있으며, 이것이 확산 억제 기구로서 기능 하는 확산 억제판에 상당하고, 그 확산 억제판을 통해서 공기를 자연 공급시킬 수 있도록 구성하고 있다.

확산 억제판인 캐소드측 금속판(4)에는, 캐소드측 금속판(2)의 면적에 대해서 개구율 10~30%인 개구부(4c)를 설치하는 것이 바람직하다. 이와 같은 개구율로 하는 경우, 이 개구율의 범위 내이면, 개구부(4c)의 개수, 형상, 크기, 형성 위치 등은 어떤 것도 좋다. 또한, 상기의 개구율의 범위 내이면, 캐소드측 전극판(2)으로부터의 집전(集電)도 충분히 행해질 수 있다. 캐소드측 금속판(4)의 개구부(4c)는, 예를 들면 규칙적 또는 랜덤하게 복수의 둥근 구멍이나 슬릿 등을 설치할 수 있다.

금속판(4,5)으로서는, 전극 반응에 악영향이 없는 것이면 어떤 금속도 사용할 수 있고, 예를 들면 스텐레스판,니켈, 구리, 구리 합금 등을 들 수 있다. 다만, 신장(elongation), 중량, 탄성율, 강도, 내부식성(耐腐食性), 프레스 가공성, 에칭 가공성 등의 관점으로부터, 스텐레스판, 니켈 등이 바람직하다. 금속판(4,5)에는, 전극판(2,3)과의 접촉 저항을 저감하기 위하여, 금 도금 등의 귀금속 도금(plating)을 실시하는 것이 바람직하다.

제1 발명에서는, 불순물 가스를 상류측으로 확산시키지 않고 하류측에서 농축하는 관점으로부터, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 단위 셀(UC)에 있어서, 수소 가스 유로부의 유로 단면적을 애노드측 전극판(3)의 면적의 1% 이하로 한다. 이 비율은, 0.5%이하가 바람직하고, 0.2% 이하가 보다 바람직하고, 0.001~0.1%가 더욱 바람직하다. 제1 발명에 있어서, 수소 가스 유로부의 유로 단면적으로는, 전극판(3)이 완전하게 평면이라고 가정한 경우에, 유로(流路)로서 형성된 공간의 유로 방향에 수직한 단면의 면적을 가리킨다. 이 면적이 거의 0이어도, 전극판(3)의 다공질 공극부(空隙部)를 수소 가스가 흐르는 것에 의해, 발전을 할 수 있다. 또한, 애노드측 전극판(3)의 면적으로는, 전극 반응의 유무에 관계하지 않고 애노드 측 전극판(3)의 전체의 면적을 가리킨다.

이와 같이, 유로 단면적을 작게 하기 위해서는, 유로구(流露溝)의 깊이를 작게 하거나, 유로의 길이를 길게 해서 유로의 폭을 작게 하는 것이 유효하다.

상기의 유로 단면적 이외에 있어서는, 애노드측 금속판(5)에 설치된 유로구(9)는, 전극판(3)과의 접촉에 의해 수소 가스 등의 유로가 형성 가능한 것이면 어떤 평면 형상이나 단면 형상이어도 좋다. 다만, 유로 밀도, 적층 시의 적층 밀도, 굴곡성 등을 고려하면, 금속판(5)의 일변(一邊)에 평행한 종구(縱溝, 9a)와 수직인 횡구(橫溝, 9b)를 주로 형성하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 복수개(도시한 예에서는 3개)의 종구(9a)가 횡구(9b)에 직렬 접속되도록 해서, 유로 밀도와 유로 길이의 균형을 취하고 있다.

또한, 이와 같은 금속판(5)의 유로구(9)의 일부(예를 들면 횡구(9b))를 전극판(3)의 외면에 형성하여도 좋다. 전극판(3)의 외면에 유로구를 형성하는 방법으로서는, 가열 프레스나 절삭 등의 기계적인 방법이어도 좋으나, 미세 가공을 알맞게 수행하기 위해서, 레이저 조사에 의한 구(溝) 가공을 행하는 것이 바람직하다. 레이저 조사를 행하는 관점으로부터도, 전극판(2,3)의 기재로서는, 섬유질 카본의 집합체가 바람직하다.

금속판(5)의 유로구(9)에 연통(連通)하는 주입구(5c)는, 1개 또는 복수를 형성할 수 있다. 배출구(5d)는, 1개만 형성하는 것이 바람직하고, 유로구(9)의 하류측단에 설치되는 것이 바람직하다. 배출구(5d)가 유로구(9)의 하류측단에 가까울 수 록, 보다 높은 농도로 농축한 불순물 가스를 효율 좋게 배출하는 것이 가능하게 된다.

또한, 금속판(4,5)의 두께는, 얇게 할 수 록 전체의 박형화에 유효하나, 강도, 신장, 중량, 탄성율, 핸들링성 등을 고려하면 0.1~1mm가 바람직하다.

금속판(5)에 유로구(9)를 형성하는 방법으로서는, 가공의 정밀도나 용이성으로부터, 에칭이 바람직하다. 예를 들면 에칭에 의한 유로구(9)에서는, 폭 0.1~10mm, 깊이 0.05~1mm가 바람직하다. 또한, 유로구(9)의 단면 형상은, 대략 사각형, 대략 사다리꼴형, 대략 반원형, V자형 등이 바람직하다.

금속판(4)에의 개구부(4c)의 형성, 금속판(4, 5)의 외연부의 박막화, 금속판(5)에의 주입구(5c) 등의 형성에 있어서도, 에칭을 이용하는 것이 바람직하다.

에칭은, 예를 들면 드라이 필름 레지스트 등을 이용하여, 금속 표면에 소정 형상의 에칭 레지스트를 형성한 후, 금속판(4,5)의 종류에 따른 에칭액을 이용해서 행하는 것이 가능하다. 또한, 2종 이상의 금속의 적층판을 이용해서, 금속 마다에 선택적으로 에칭을 행하는 것으로서, 유로구(9)의 단면 형상이나 박막화된 외연부의 두께를 보다 높은 정밀도로 제어할 수 있다.

도 2에 보이는 실시 형태는, 금속판(4,5)의 카시메부(caulking part, 외연부)를 에칭에 의해 두께를 얇게 한 예이다. 이와 같이, 카시메부를 에칭해서 적절한 두께로 하는 것으로서, 카시메에 의한 봉지(封止)를 보다 용이하게 행할 수 있다. 이 관점으로부터, 카시메부의 두께로서는 0.05~0.3mm가 바람직하다.

제1 발명에서는, 캐소드측 전극판(2)에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급부와, 애노드측 전극판(3)으로 수소 가스를 공급하는 수소 가스 유로 부가 형성되어 있으면, 유로부 등의 형성 구조는 어떤 것도 좋다. 금속판(4,5)에서 유로부 등을 형성하는 경우에는, 금속판(4,5)의 주변은, 전기적으로 절연한 상태에서 굽힘 프레스에 의해 봉지(封止)한 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는 카시메(고정 마감, caulking)에 의해 봉지되어 있는 예를 보인다.

전기적인 절연은, 절연 재료(6)나 고체 고분자 전해질(1)의 주연부, 또는 그의 양자를 개재시킨 것으로서 행할 수 있다. 절연 재료(6)를 이용하는 경우, 그의 두께로서는, 박형화의 관점으로부터 0.1mm 이하가 바람직하다. 또한, 절연 재료를 코팅하는 것에 의해 한층 더 박형화가 가능하다(예를 들면 절연 재료(6)의 두께 1㎛도 가능).

절연 재료(6)로서는, 시트(sheet) 모양의 수지, 고무, 열가소성 엘라스토머, 세라믹 등이 사용가능하나, 실링성(sealability)을 높이기 위해서, 수지, 고무, 열가소성 엘라스토머 등이 바람직하고, 특히 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 불소 수지, 폴리이미드가 바람직하다. 절연 재료(6)는 금속판(4,5)의 주연에 직접 또는 점착제(粘着劑)를 통해서 첩착(貼着)하기도 하고, 도포하기도 해서, 미리 금속판(4,5)에 일체화하여 둔 것도 가능하다.

카시메 구조로서는,봉지성이나 제조의 용이성, 두께 등의 관점으로부터 도 2에 보인 것이 바람직하다. 즉, 일방의 금속판(5)의 외연부(5a)를 타방의 외연부(4a) 보다 크게 하여 놓고, 절연 재료(6)를 개재시키면서, 일방의 금속판(5)의 외연부(5a)를 타방의 금속판(4)의 외연부(4a)를 협압(挾壓)하도록 꺽어 접은 카시메 구조가 바람직하다. 이 카시메 구조에서는, 프레스 가공 등에 의해서, 금속 판(4)의 외연부(4a)에 단차를 설치해 놓는 것이 바람직하다. 이와 같은 카시메 구조 자체는 금속 가공으로서 공지이고, 공지의 카시메 장치에 의해서, 그것을 형성할 수 있다.

제1 발명의 연료 전지는, 도 1 ~ 도 3에 보이는 바와 같이, 수소 가스 공급의 최종단(Sn)으로 되는 단위 셀(UC)에 있어서, 수소 가스 유로부의 배출구(5d)에는, 최종단(Sn)의 단위 셀(UC)로부터의 가스의 배출량을 제어하는 배출 제어 기구가 설치된다. 본 실시 형태에서는, 배출 제어 기구로서, 일차측의 압력이 일정 이하로 되도록 가스를 배출시키는 압력 제어 밸브(10)를 설치한 예를 보인다.

제1 발명에 있어서, 배출 제어 기구로부터의 가스의 배출은, 간헐적이어도 연속적이어도 좋고, 일정량이어도 배출량이 변화하여도 좋다. 다만, 불순물 가스의 농축 상태를 안정화하고, 발전 효율을 높게 유지하는 관점으로부터, 거의 일정량으로 가스를 배출하는 것이 바람직하다.

제1 발명에 있어서 배출 제어 기구에서는, 최종단(Sn)의 단위 셀(UC)에 공급된 수소 가스(엄밀하게는 불순물 가스도 포함하는 총량)에 대해서 0.02~4체적%, 바람직하게는 0.05~3체적%, 보다 바람직하게는 0.1~2체적%의 가스(불순물 가스를 포함)를 배출하도록 제어한다. 여기서, 가스의 배출량이 변화하는 경우는, 평균치로 구한다. 가스의 배출량이 0.02체적%미만이면, 농축한 불순물 가스가 충분히 배출될 수 없고, 연료 전지의 출력이 경시적(經時的)으로 저하하고, 발전이 단시간에 정지한다. 또한 가스의 배출량이 4체적%를 초과하면, 수소 가스의 배출량이 많아지게 되어, 그 배출 가스 처리나 가스 방출의 문제가 생긴다.

수소 가스의 주입구(5c)로부터 수소 가스를 일정량 이상 공급하면, 내면측 공간의 압력이 상승하고, 압력 제어 밸브(10)에 의해, 내면측 공간(즉, 수소 가스)의 압력을 소정치로 제어할 수 있다. 이것에 의해, 봉지부로부터 누설이나, 금속판(5)과 전극판(3)과의 접촉 불량을 방지하는 것도 가능하다.

압력 제어 밸브(10)로서는, 내면측 공간의 압력을 소정치로 제어할 수 있다면 어떤 형식이어도 좋으나, 구조를 간이화하기 위해서, 자력식(自力式)의 제어 밸브가 바람직하고, 외부 검출형 보다 내부 검출형 쪽이 보다 바람직하다.

본 실시 형태에서는, 도 4에 보이는 바와 같이, 변좌(11)에 변체(12)를 밀어 붙이는 부세 수단(13)과, 그 부세 수단(13)의 부세력을 조절하는 조절 기구(14)와, 변좌(11)를 가지며 변체(12)를 수용하는 변좌 공간(15)과, 그 변좌 공간(15)까지 연통해서 변체(12)에 의해 봉쇄 가능한 도입 유로(16)와, 변좌 공간(15)으로부터 외부로 연통하는 배출 유로(17)를 구비하는 압력 제어 밸브(10)를 사용하는 예를 보인다.

압력 제어 밸브(10)는, 변좌 공간(15)을 형성하는 통(筒) 형상 본체(18)의 연결부(18a)를, 애노드측 금속판(5)의 배출구(5d)에 삽입하여, 단부의 카시메를 행하는 것으로서, 기밀하게 연결하고 있다. 또한, 통 형상 본체(18)의 암나사부(18b)에 조절 기구(14)의 숫나사부(14a)를 나사 결합(나합:螺合)하고 있고, 나사 결합량(나합량:螺合量)에 의해서 부세 수단(13)인 용수철의 길이를 조절하는 것으로서, 부세 수단(13)의 부세력을 조절할 수 있다. 변체(12)는, 예를 들면 금속판(12b)과 실리콘 고무(12a)와의 적층체로 형성되어 있다.

이 압력 제어 밸브(10)에서는, 도입 유로(16)를 봉쇄하는 변체(12)에 대한 수소 가스의 압력이 일정 이상으로 되면, 부세 수단(13)의 부세력에 저항해서 변체(12)와 변좌(11)와의 사이에 빈틈이 생겨서, 수소 가스가 변좌 공간(15)과 배출 유로(17)를 지나서 외부로 배출되기 때문에, 내부압을 거의 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 변체(12)를 부세하는 부세 수단(13)의 부세력을 조절하는 조절 기구(14)를 구비하기 때문에, 내부압 제어의 설정치를 변화시킬 수 있다.

이 압력 제어 밸브(10)에 의하면, 가장 간이한 구조로서 압력 제어 밸브를 구성할 수 있으므로, 압력 제어 밸브를 소형화·박형화할 수 있고(예를 들면 직경 4mm, 높이 5mm도 가능), 연료 전지 전체의 박형화가 용이하게 된다.

제1 발명에서는, 단위 셀(UC)을 1개 또는 복수개 사용할 수 있고, 1개의 단위 셀(UC)을 사용하는 경우, 이것이 수소 가스 공급의 최종단으로 되므로, 이 단위 셀(UC)에 배출 제어 기구가 설치된다. 복수의 단위 셀(UC)을 사용하는 경우, 다음과 같이 구성된다.

전기적으로는, 각각의 단위 셀(UC)은, 직렬로 접속되는 것이 통상이나, 전류값을 우선시켜 병렬로 접속하여도 좋다. 또한, 전압이 부족한 경우에는, 부트업(boot-up) 회로(DC-DC 컨버터)가 필요에 대응하여 접속된다.

수소 가스에 있어서는, 초단(初段)(S1)으로부터 최종단(Sn)까지의 각 단위 셀(UC)이 직렬로 접속되거나, 직렬로 접속한 단위 셀(UC)군을 복수 구성하고 각각의 단위 셀(UC) 군에 병렬로 수소 가스를 공급할 수도 있다. 후자의 경우, 각각의 단위 셀(UC)군의 최종단에 배출 제어 기구가 설치된다. 제1 발명에서는, 불순물 가 스를 최종단(Sn)의 단위 셀(UC)에 효율 좋게 농축하는 관점으로부터, 수소 가스를 직렬로 공급하는 형태가 바람직하다.

도 3에 보인 예에서는, 초단(S1)으로부터 최종단(Sn)까지의 각 단위 셀(UC)이, 수소 공급관(25)에서 직렬로 접속되고, 수소 가스의 공급 수단인 수소 가스 발생 셀(20)로부터 초단(S1)의 단위 셀(UC)로 수소 가스가 공급된다. 공급된 수소 가스는 각각의 단위 셀(UC)에서 소비되면서, 최종단측으로 유동하고, 최종단(Sn)의 단위 셀(UC)의 배출 제어 기구로부터 배출된다.

단위 셀(UC)을 사용할 때, 금속판(5)의 수소 가스의 주입구(5c) 및 배출구(5d)에는, 직접, 수소 가스 공급용의 튜브를 접합하는 것도 가능하나, 연료 전지의 박형화를 행하기 위해서, 두께가 작고, 금속판(5)의 표면에 평행한 파이프를 가지는 튜브 조인트를 설치하는 것이 바람직하다.

수소 가스의 공급 방법으로서는, 상기와 같은 압력 제어 밸브(10)를 이용해서, 내면측 공간의 압력을 알맞게 제어하기 위해서, 화학 반응에 의한 수소 가스를 발생시키는 수소 발생기를 이용하는 방법이 바람직하다. 관련 수소 발생기로서는, 철 나노입자, 알루미늄 분말이나 반응 촉매 또는 그것들을 다공질체로 한 것을 용기 내에 수용한, 가열 수단이나 수분 공급 수단을 더욱 구비한 것을 들 수 있다.

한편, 제1 발명의 발전 방법은, 제1 발명의 연료 전지를 이용해서 알맞게 행할 수 있다. 즉, 제1 발명의 발전 방법은, 판상의 고체 고분자 전해질과, 그 고체 고분자 전해질의 일방측에 배치된 캐소드측 전극판과, 타방측에 배치된 애노드측 전극판과, 상기 캐소드측 전극판에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급부와, 상기 애노드측 전극판에 수소 가스를 공급하는 수소 가스 유로부로 형성된 단위 셀의 단수 또는 복수에, 수소 가스와 산소 함유 가스를 공급하여 발전을 행하는 발전 방법에 있어서, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀에 있어서, 수소 가스의 유동에 의해서 불순물 가스를 배출구 부근에 농축하면서, 농축된 불순물 가스의 양이 일정 이하로 되도록 단위 셀로부터 가스를 소량 배출하면서 발전을 행하는 것을 특징으로 한다.

그때, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀로서, 상기 수소 가스 유로부의 유로 단면적이 상기 애노드측 전극판의 면적의 1% 이하인 것을 사용함과 함께, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀로 공급된 수소 가스에 대해서, 0.02~4체적%의 가스를 그의 단위 셀로부터 배출하면서 발전을 행하는 것이 바람직하다.

그때, 하류측에서 효율 좋게 불순물 가스를 농축하는 관점으로부터, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀에 대해서, 상기 수소 가스 유로부의 유로 단면적을 기준으로 해서 계산되는 공급 가스의 선속도가 0.1m/초 이상으로 되도록 수소 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 공급 가스의 선속도가 0.5m/초 이상이고, 1m/초 이상이다.

또한, 최종단으로 되는 단위 셀(UC)로부터 배출된 가스 중에 함유된 수소 가스의 농도가 50체적% 미만인 것이 바람직하고, 40체적% 미만인 것이 보다 바람직하고, 30체적% 미만인 것이 더욱 바람직하다.

제1 발명에서는, 배출 제어 기구를 설치한 위치에 있어서 수소 가스 유로부 의 압력이, 7KPa 이상이 바람직하다. 이것에 의해서, 캐소드측으로부터의 불순물 가스의 투과를 억제할 수 있고, 배출 억제 기구로부터의 가스의 배출량이 보다 작아도, 발전 효율을 높게 유지할 수 있다.

제1 발명의 연료 전지는, 수소 가스의 배출량이 적어서 배출 가스 처리나 가스 방출의 문제가 발생하기 어려우며, 게다가, 안정하면서 계속해서 효율 좋게 발전을 행할 수 있으므로, 특히, 휴대 전화, 노트북 PC 등의 모바일 기기에 알맞게 사용할 수 있다.

다만, 상기와 같은 배출 가스 처리나 발전 효율의 문제는, 휴대 기기에 한정된 것은 아니므로, 제1 발명은, 자동차용의 연료 전지나 코제너레이션 등의 발전 장치에 넓게 적용할 수 있다.

(제1 발명의 다른 실시 형태)

(1) 전술의 실시 형태에서는, 배출 제어 기구로서, 일차측의 압력이 일정 이하로 되도록 가스를 배출시키는 압력 제어 밸브를 사용하는 예를 보였으나, 제1 발명에 있어서 배출 제어 기구로서는, 단위 셀에 공급된 수소 가스에 대해서 평균치로 0.02~4체적%의 가스를 배출시킬 수 있는 것이면 어느 것도 좋다.

예를 들면, 수동으로 개도(開度) 조정 가능한 밸브, 또는 개도 조정 가능하지 않은 오리피스, 세공(細孔) 등 어느 것도 좋다. 이들을 이용하는 경우, 연속적으로 가스가 배출되나, 간헐적으로 가스가 배출되는 배출 제어 기구여도 좋다. 또한, 정기적으로 일정 시간만 가스를 배출시키는 배출 제어 기구를 설치해서, 압력의 변화와는 무관계하게, 단위 셀로부터 간헐적으로 가스를 배출해도 좋다.

(2) 전술의 실시 형태에서는, 캐소드측 전극판의 면적에 대해서 일정의 개구율로서 개구부를 설치한 확산 억제판(금속판)을 캐소드측 전극판의 표면에 배치해서, 산소 함유 가스 공급부를 형성하는 예를 보였으나, 산소 함유 가스 공급부를, 애노드측과 동일한 모양으로 산소 함유 가스의 유로구에 의해서 구성하여도 좋다. 그 경우, 애노드측 금속판과 동일한 모양으로, 에칭이나 프레스 가공에 의해, 공기 등의 산소 함유 가스의 유로구, 주입구, 배출구를 형성하고, 애노드측 금속판과 동일한 모양으로, 캐소드측 금속판의 주입구로부터 공기 등을 공급하면서 발전을 행할 수 있다. 그때, 캐소드측으로부터 외부로 수분의 확산을 억제하는 방법으로서는, 예를 들면 수분을 함유하는 산소 함유 가스를 공급하는 방법을 들 수 있다.

(3) 전술의 실시 형태에서는, 금속판을 캐소드측 전극판과 애노드측 전극판과의 표면에 배치하여, 산소 함유 가스 공급부와 수소 가스 유로부를 형성하는 예를 보였으나, 금속판에 대신하여, 그외 다른 재료나, 종래로부터 사용되고 있는 각종 세퍼레이터를 사용하는 것도 가능하다.

또한, 전술의 실시 형태에서는, 에칭에 의해 애노드측 금속판에 유로구를 형성하는 예를 보였으나, 제1 발명에서는 프레스 가공, 절삭 등의 기계적인 방법에 의해, 애노드측 금속판에 유로구를 형성하여도 좋다.

(4) 전술의 실시 형태에서는, 캐소드측 금속판의 개구부로부터, 그대로 캐소드측 전극판을 노출시키는 예를 보였으나, 제1 발명에서는, 캐소드측 금속판에, 상기 개구부를 덮도록 소수성의 고분자 다공질막을 적층하여도 좋다. 고분자 다공 질막의 적층은, 캐소드측 금속판의 내측에도 외측에도 좋다.

(5) 전술의 실시 형태에서는, 배출 제어 기구로서, 일차측의 압력이 일정 이하로 되도록 가스를 배출시키는 압력 제어 밸브를 사용하는 예를 보였으나. 배출 제어 기구로서, 2차측의 가스의 유량이 거의 일정하게 되도록 제어하는 배출 제어 기구를 설치하는 것도 가능하다. 그 경우, 배출 가스의 유량을 검출해서 밸브의 개도(開度)를 피드백 제어하는 것이 바람직하다.

(제2 발명의 연료 전지)

이하, 제2 발명의 실시의 형태에 있어서, 도면을 참조하면서 설명한다. 제2 발명의 연료 전지는, 제1 발명의 연료 전지와 동일하고, 도 1 ~ 도 2에서 볼 수 있다.

즉, 제2 발명의 연료 전지는, 도 1 ~ 도 2에 보인 바와 같이, 판상의 고체 고분자 전해질(1)과, 그의 고체 고분자 전해질(1)의 일방측에 배치된 캐소드측 전극(2)과, 타방측에 배치된 애노드측 전극판(3)과, 캐소드측 전극판(2)의 표면에 배치된 내면측으로의 가스의 유통을 가능하도록 하는 캐소드측 금속판(4)과, 애노드측 전극판(3)의 표면에 배치된 내면측으로의 연료의 유통을 가능하도록 하는 애노드측 금속판(5)을 구비하는 것이다. 이하, 제1 발명의 연료 전지와 상위(相違)한 부분에 대해서 설명한다.

전극판(2,3)은, 가스 확산층으로서의 기능을 발휘하여, 연료 가스나, 산화 가스 및 수증기의 공급·배출을 행하는 것과 동시에, 집전(集電)의 기능을 발휘하 는 것이 사용가능하다. 전극판(2,3)으로서는 동일 또는 다른 것이 사용 가능하고, 그의 기재(基材)에는 전극 촉매 작용을 가지는 촉매를 담지 시킨 것이 바람직하다. 촉매는, 고체 고분자 전해질(1)과 접촉하는 내면(2b, 3b)에 적어도 담지 시키는 것이 바람직하다.

일반적으로, 전극판(2,3)이나 고체 고분자 전해질(1)은, 연료 전지에 공급되는 환원 가스와 산화 가스에 따라 설계가 된다. 제2 발명에서는, 산화 가스로서 공기가 사용됨과 함께, 환원 가스로서 수소 가스나 수소 함유 가스가 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 환원 가스에 대신하여, 메탄올이나 디메틸에테르 등을 이용할 수 있다.

예를 들면, 수소 가스와 공기를 사용하는 경우, 공기가 자연 공급되는 측의 캐소드측 전극(2)에서는, 산소와 수소 이온의 반응이 생겨서 물이 생성하므로, 관련 전극 반응에 따라 설계를 하는 것이 바람직하다. 특히, 낮은 작동 온도, 높은 전류 밀도 및 높은 가스 이용율의 운전 조건에서는, 특히 물이 생성하는 공기극(空氣極)에 있어서 수증기의 응축에 의한 전극 다공체의 폐색(플랫팅) 현상이 일어나기 쉽다. 따라서 장기에 걸쳐서 연료 전지의 안정한 특성을 얻기 위해서는, 플랫팅 현상이 일어나지 않도록 전극의 발수성을 확보하는 것이 유효하다.

캐소드측 전극판(2)의 표면에는 캐소드측 금속판(4)이 배치되고, 애노드측 금속판(3)의 표면에는 애노드측 금속판(5)이 배치된다. 본 실시 형태에서는, 애노드측 금속판(4)에는 연료의 주입구(5c) 및 배출구(5d)가 설치되고, 그의 사이에 유로구(9)가 설치되어 있다.

캐소드측 금속판(4)에는, 공기 중의 산소를 공급하기 위한 개구부(4c)가 설치되어 있다. 개구부(4c)는, 캐소드측 전극판(2)이 노출 가능하면, 그의 개수, 형상, 크기, 형성 위치 등은 어떤 것도 좋다. 다만, 공기 중의 산소의 공급 효율과, 캐소드측 전극판(2)으로부터의 집전 효과 등을 고려하면, 개구부(4c)의 면적은 캐소드측 전극판(2)의 면적의 10~50%인 것이 바람직하고, 특히 20~40%인 것이 바람직하다.

캐소드측 금속판(4)의 개구부(4c)는, 예를 들면, 규칙적 또는 랜덤하게 복수의 둥근 구멍이나 슬릿 등을 설치하거나, 또는 금속 메쉬에 의해서 개구부를 설치하여도 좋다.

금속판(4,5)으로서는, 전극 반응에 악영향이 없는 것이면 어떤 금속도 사용가능하고, 예를 들면 스텐레스판, 니켈, 구리, 구리합금 등을 들 수 있다. 다만, 신장(늘어남), 중량, 탄성률, 강도, 내부식성, 프레스 가공성, 에칭 가공성 등의 관점으로부터, 스텐렌스판, 니켈 등이 바람직하다. 금속판(4,5)에는, 전극판(2,3)과의 접촉 저항을 저감시키기 위해서, 금 도금 등의 귀금속 도금을 실시하는 것이 바람직하다.

애노드측 금속판(5)에 설치된 유로구(9)는, 전극판(3)과의 접촉에 의해 수소 가스 등의 유로가 형성가능한 것이면 어떤 평면 형상이나 단면 형상이어도 좋다. 다만, 유로 밀도, 적층 시의 적층 밀도, 굴곡성 등을 고려하면, 금속판(5)의 일변에 평행한 종구(9a)와 수직한 횡구(9b)를 주로 형성하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는 복수개(도시한 예에서는 3개)의 종구(9a)가 횡구(9b)에 직렬 접속 되도록 하여, 유로 밀도와 유로 길이의 균형을 취하고 있다.

또한, 이러한 금속판(5)의 유로구(9)의 일부(예를 들면 횡구(9b))를 전극판(3)의 외면에 형성하여도 좋다. 전극판(3)의 외면에 유로구를 형성하는 방법으로서는, 가열 프레스나 절삭 등의 기계적인 방법으로도 좋으나, 미세 가공을 적절하게 수행하기 위해서, 레이저 조사에 의해 구(溝) 가공을 행하는 것이 바람직하다. 레이저 조사를 수행하는 관점으로부터도, 전극판(2,3)의 기재로서는, 섬유질 카본의 집합체가 바람직하다.

금속판(5)의 유로구(9)에 연통하는 주입구(5c) 및 배출구(5d)는, 각각 1개 또는 복수를 형성할 수 있다. 또한, 금속판(4,5)의 두께는, 얇게 할 수 록 전체의 박형화에 유효하나, 강도, 신장, 중량, 탄성률, 핸들링성 등을 고려하면 0.1~1mm가 바람직하다.

금속판(5)에 유로구(9)를 형성하는 방법으로서는, 가공의 정밀도나 용이성으로부터, 에칭이 바람직하다. 에칭에 의한 유로구(9)에서는, 폭0.1~10mm, 깊이 0.05~1mm가 바람직하다. 또한, 유로구(9)의 단면 형상은, 대략 사각형, 대략 사다리꼴형, 대략 반원형, V자형 등이 바람직하다.

제2 발명에서는, 도 1 ~ 도 2에 보이는 바와 같이, 애노드측 금속판(5)은 연료의 주입구(5c)와 배출구(5d)를 가지며, 그의 배출구(5d)에는 내면측 공간의 압력을 소정치로 제어하는 압력 제어 밸브(10)를 설치하고 있다. 연료의 주입구(5c)로부터 연료를 일정량 이상 공급하면, 내면측 공간의 압력이 상승하고, 압력 제어 밸브(10)에 의해서, 내면측 공간(즉, 연료 가스)의 압력을 소정치로 제어할 수 있 다.

압력 제어 밸브(10)는, 상기 내면측 공간의 압력을 0.02~0.20MPa의 범위 내의 소정치로 제어 가능한 것이 바람직하고, 0.03~0.05MPa의 범위 내의 소정치로 제어 가능한 것이 보다 바람직하다. 압력이 0.02MPa 미만이면, 출력의 향상 효과가 거의 보이지 않고, 압력이 0.20MPa를 초과하면, 봉지부(封止部)로부터 누설이 생기기도 하고, 금속판(5)과 전극판(3)과의 접촉이 불충분하게 되는 경향이 있다.

압력 제어 밸브(10)로서는, 내면측 공간의 압력을 소정치로 제어할 수 있다면 어떤 형식이어도 좋으나, 구조의 간이화를 위해서는, 자력식(自力式)의 제어 밸브가 바람직하고, 외부 검출형 보다 내부 검출형 쪽이 보다 바람직하다. 예를 들면, 도 3에 보이는 바와 같이, 변좌(11)에 변체(12)를 밀어 붙이는 부세 수단(13)과, 그 부세 수단(13)의 부세력을 조절하는 조절 기구(14)와, 변좌(11)를 가지며 변체(12)를 수용하는 변좌 공간(15)과, 그 변좌 공간(15)까지 연통하는 변체(12)에 의해서 봉쇄 가능한 도입 유로(16)와, 변좌 공간(15)으로부터 외부로 연통하는 배출 유로(17)를 구비하는 압력 제어 밸브(10)를 사용할 수 있다.

이 압력 제어 밸브(10)에서는, 도입 유로(19)를 봉쇄하는 변체(12)에 대하여 연료 가스의 압력이 일정 이상으로 되면, 부세 수단(13)의 부세력에 저항하여 변체(12)와 변좌(11)와의 사이에 틈새가 생겨서, 연료 가스가 변좌 공간(15)과 배출 유로(16)를 지나서 외부로 배출되기 때문에, 내부압을 거의 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 변체(12)를 밀어 붙이는 부세 수단(13)의 부세력을 조절하는 조절 기구(14)를 구비하므로, 내부압 제어의 설정치를 변화시킬 수 있다.

제2 발명에서는, 도 2에 보인 것과 같은 단위 셀을 1개 또는 복수개 사용할 수 있으나, 고체 고분자 전해질(1), 한 쌍의 전극판(2,3) 및 한 쌍의 금속판(4,5)으로 단위 셀(UC)을 구성하고, 이 단위 셀에 면상 발열체(面狀發熱體)(10) 등을 접착한 것을 복수 적층하기도 하고, 동일면에 배열하여 사용한 것도 가능하다. 이렇게 하면, 볼트 및 너트의 체결 부품으로 상호 결합하여, 셀 부품에 일정의 압력을 가하지 않고도, 고출력의 연료 전지를 제공할 수 있다.

연료 가스의 공급 방법으로서는, 앞서 기술한 것과 같은 압력 제어 밸브(10)를 사용하여, 내면측 공간의 압력을 0.02~0.20MPa의 범위 내의 소정치 적절하게 제어하기 위해서, 화학 반응에 의해 수소 가스를 발생시키는 수소 발생기를 이용한 방법이 바람직하다. 관련 수소 발생기로서는, 철 나노입자나 반응 촉매 또는 각각을 다공질체로 한 것을 용기 내에 수용한, 가열 수단이나 수분 공급 수단을 더욱 구비한 것을 들 수 있다.

제2 발명의 연료 전지는, 박형화가 가능하게 소형 경량이고 동시에 자유로운 형상 설계가 가능하므로, 특히, 휴대 전화, 노트북 PC 등의 모바일 기기에 적합하게 사용할 수 있다.

(제2 발명의 다른 실시 형태)

(1) 전술(前述)의 실시 형태에서는, 도 2에 보이는 카시메 구조를 채용하는 예를 보였으나, 제2 발명에서는 도 9(a) ~(b)에 보인 바와 같은 카시메 구조를 채용해도 좋다(제1 발명에서도 동일한 모양의 카시메 구조를 채용할 수 있다).

도 9(a)에 보인 카시메 구조는, 양방의 금속판(4,5)의 외연부(4a, 5a)를 꺽어 접은 카시메 구조이다. 이의 예로서는, 금속판(5)에는 단차부를 설치하지 않고, 금속판(4)에만 단차부를 설치한다. 또한, 이 단위 셀에서는, 각각의 전극판(2,3)으로부터 확산한 가스가 혼합하지 않도록, 금속판(4,5)의 각각과 고체 고분자 전해질(1)과의 사이에, 봉지(seal)부재(S)를 개재시키고 있다.

더욱, 도 9(b)에 보인 카시메 구조는, 양방의 금속판(4,5)의 외연부(4a, 5a)를 꺽어 접지 않고, 별도의 금속판(7)에 의해서, 각각의 금속판(4,5)을 절연하는 절연 재료(6a, 6b)를 통해서, 협압(挾壓)한 카시메 구조이다. 이 예에서는, 금속판(4) 및 금속판(5)에, 완만하게 경사지는 단차부를 설치한다. 또한, 카시메 구조에서는, 양자의 금속판(4,5)을 프레스 가공하지 않고 평판 대로 사용하는 것도 가능하다.

(2) 전술의 실시 형태에서는, 에칭에 의해 애노드측 금속판에 유로구를 형성하는 예를 보였으나, 제2 발명에서는, 프레스 가공, 절삭 등의 기계적 방법에 의해, 애노드측 금속판에 유로구를 형성하여도 좋다.

(3) 전술의 실시 형태에서는, 애노드측 금속판에 연료의 유로구를 형성하는 예를 보였으나, 제2 발명에서는, 도 10(a) ~(b)에 보인 것 같이, 애노드측 전극판(3)에, 연료의 유로구(3a)를 형성하여도 좋다. 그 경우, 애노드측 금속판(5)에는 유로구를 설치하지 않는 것도 가능하다.

또한, 이 예에서는, 개구부(4c)를 가지는 측(側)의 캐소드측 전극판(2)에도 유로구(2a)를 형성하였으나, 캐소드측 금속판의 개구부(4c)로부터의 공기의 확산성 을 높일 목적으로, 캐소드측 전극판(2)에도 유로구(2a)를 형성하여도 좋다.

(4) 전술의 실시 형태에서는, 캐소드측 금속판의 개구부로부터, 그대로 캐소드측 전극판을 노출시키는 예를 보였으나, 제2 발명에서는, 캐소드측 금속판에, 상기 개구부를 덮도록 소수성의 고분자 다공질막을 적층하여도 좋다. 고분자 다공질막의 적층은, 캐소드측 금속판의 내측에도 외측에도 좋다.

고분자 다공질막의 평균 구멍 직경은, 통기성을 유지하면서 물방울의 누출을 방지하기 위해서, 0.01~3㎛가 바람직하다. 또한, 고분자 다공질막의 두께는 10~100㎛가 바람직하다. 고분자 다공질막의 재질로서는, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소 수지, 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌 등의 폴리올레핀, 폴레우레탄, 실리콘 수지 등을 들 수 있다.

(5) 전술의 실시 형태에서는, 캐소드측 금속판에 공기를 자연 공급하기 위한 개구부가 형성되어 있는 예를 보였으나, 애노드측 금속판과 동일한 모양으로, 에칭이나 프레스 가공에 의해서, 공기 등의 산소 함유 가스의 유로구, 주입구, 배출구를 형성하여도 좋다. 그 경우, 애노드측 금속판과 동일한 모양으로, 캐소드측 금속판의 주입구로부터 공기 등을 공급하면서 발전을 행한다.

(휴대 기기용 전지 구동 시스템)

이하, 본 발명의 휴대 기기용 전지 구동 시스템의 실시의 형태에 있어서, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 12~ 도 16은, 본 발명의 휴대 기기용 전지 구동 시스템의 제1 실시 형태~ 제5 실시 형태의 예를 보여주는 개략 구성도이다.

본 발명의 휴대 기기용 전지 구동 시스템은, 도 12 ~ 도 16에 보인 바와 같이, 수소 가스의 공급에 의해 수소 가스를 애노드측으로 공급하여 발전을 행하는 연료 전지(FC)와, 반응액과의 반응으로 수소 가스를 발생시키는 수소 발생제(21)에 의해 연료 전지(FC)로 수소 가스를 공급하는 수소 가스 발생 수단(20)과, 수소 가스 발생 수단(20)으로 반응액을 공급하는 반응액 공급 수단(30)과, 상기 연료 전지(FC)로의 수소 가스의 공급량을 조절하는 공급측 조절 기구(IC)와, 상기 연료 전지(FC)의 애노드측에 설치되고, 일차측의 압력이 일정 이상의 경우에 가스의 배출량을 증가시키는 배출측 제어 기구(OC)를 구비한다.

이하, 각 실시 형태를 예로 취하여 상세히 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태에서는, 수소 발생제(21)가 물 또는 수증기와의 반응에서 수소 가스를 발생시키는 경우에 있어서 설명하였으나, 반응액과 수소 발생제(21)의 조합으로서는, 특개2004-281384호 공보에 기재된 것도 사용할 수 있다.

(제1 실시 형태)

본 발명의 제1 실시 형태에서는, 도 12에 보인 바와 같이, 반응액 공급 수단(30)은 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 가열 수단(31)을 가지는 것과 함께, 수소 가스 발생 수단(20)의 상류측에 설치된, 이차측의 압력에 대응하여 유량 조절을 행하는 압력 조절 수단(41)에 의한 압력 제어 기구(40)를 구비하고 있는 예를 보인다. 이 압력 제어 기구(40)는, 연료 전지(FC)로의 수소 가스의 공급량을 조절하는 공급측 조절 기구(IC)로서 기능한다.

즉, 이 예에서는, 가열 수단(31)으로 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 것이므로, 압력 조절 수단(41)의 일차측으로 압력을 발생시키고, 이 압력차에 의해서 가스를 유동시킬 수 있고, 그때, 압력 조절 수단(41)이 이차측의 압력에 대응하여 유량 조절을 행하므로, 시스템 내의 수소 가스의 압력이 설정 범위 내로 되도록 제어되고, 그때 연료 전지(FC)로의 수소 가스의 공급량이 조절된다.

반응액 공급 수단(30)은, 닫힌 공간인 저액부(32)를 가지고 있으며, 물이 저류(貯留)되어 있다. 저액부(32)에는, 주수구(注水口)(33)가 설치되어 있어서, 물의 소비량에 대응해서, 물을 추가 공급할 수 있다. 저액부(32)에는 열전도성이 양호한 금속을 이용하는 것이 바람직하며, 알루미늄이나 스텐레스, 구리 등을 들 수 있다.

가열 수단(31)으로서는, 저액부(32)의 물을 증발시키면 좋고, 필름 상(狀) 저항 가열기, 전자유도(電磁誘導) 가열기 등이 바람직하다. 이들을 사용하는 경우, 발전 초기에는 보조 전지로부터의 전력 공급을 행하면 좋다. 그 밖에, 화학 반응에 의해 발열하는 가열 수단(31) 등 이어도 좋다.

저액부(32)에는, 섬유 집합체나 다공질체를 배치하고, 모관(毛管) 현상에 의해서 소정의 부분에 물이 보지(保持)되도록 하여도 좋고, 이것에 의해 휴대 기기의 사용 상태(기기의 경사나 진동)가 변화하여도, 가열 수단(31)에 의해 안정한 수증기의 발생이 가능하게 된다.

이러한 반응액 공급 수단(30)에 의해서, 수분 조성이 거의 100%의 수증기를 발생시킬 수 있다. 반응액 공급 수단(30)과 수소 가스 발생 수단(20)과는 배관(34) 으로 연결되어 있으며, 발생한 수증기(GH₂O)가 수소 가스 발생 수단(20)으로 공급된다.

수소 가스 발생 수단(20)은, 수분(물 또는 수증기)과의 반응으로 수소 가스를 발생시키는 수소 발생제(21)를 반응 용기(22)내에 구비하고, 이것에 의해서 연료 전지(FC)로 수소 가스를 공급할 수 있다. 수소 발생제(21)의 반응이 가열을 요구하는 경우, 가열 수단(23)이 설치된다.

수소 발생제(21)로서는, 수분과 반응해서 수소를 생성하는 금속 입자가 바람직하고, Fe, Al, Mg, Zn, Si 등으로부터 선택된 1종 이상의 금속의 입자나, 이들 이 부분적으로 산화된 금속의 입자를 들 수 있다. 또한, 산화 반응을 촉진하기 위하여 금속 촉매 등을 첨가하는 것으로서, 보다 저온에서 수소 가스를 발생시킬 수 있다.

수소 발생제(21)는, 반응 용기(22) 내에 금속 입자 그대로 충전(充塡)하는 것도 가능하나, 금속 입자를 결착시킨 다공질체를 사용할 수도 있다. 수소 발생제(21)는, 수증기의 패스(pass, 하류측 공간으로의 리크)가 발생하지 않도록, 수소 발생제(21)의 충전부가 반응 용기(22)의 공간을 구분하도록 배치하는 것도 가능하다. 다만, 연료 전지에 공급하는 연료 가스 중에 수분을 함유시키는 것이 바람직한 경우도 있고, 그 경우 반응 용기(22) 내에 바이 패스를 설치하여, 일부의 수증기를 발생한 수소 가스와 혼합하도록 하는 것이 바람직하다.

가열 수단(23)으로서는, 수소 발생제(21)와 수분의 반응에 필요한 가열이 행해지면 좋고, 필름 상 저항 가열기, 전자유도 가열기 등이 바람직하다. 이들을 사용하는 겨우, 발전 초기에는 보조 전기로부터의 전력 공급을 행하면 좋다. 그 밖에, 화학 반응에 의해 발열하는 가열 수단(23) 등 이어도 좋다.

이러한 수소 가스 발생 수단(20)에 의해서, 수소 성분이 거의 100%(수분은 제외)의 수소 가스를 발생시킬 수 있다. 수소 가스 발생 수단(20)과 연료 전지(FC)와는 배관(24)으로 연결되어 있고, 발생한 수소 가스(H₂)가 연료 전지(FC)의 애노드측 공간(11)으로 공급된다.

본 발명에 있어서 연료 전지(FC)는, 수소 가스를 애노드측으로 공급해서 발전을 행하는 것이다. 연료 전지(FC)는, 일반적으로, 애노드측 공간(또는 유로)(7), 애노드측 전극(3), 전해질막(1), 캐소드측 전극(2), 캐소드측 공간(또는 유로)(8)을 구비한다. 휴대 기기에 이용하는 경우, 특히 부품 수를 줄이는 것이 바람직하므로, 캐소드측 공간(8)은, 대기(大氣) 개방되어 공기 중의 산소를 자연 공급할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 휴대 기기에 적용한 연료 전지(FC)의 구조나 재료 등에 있어서는, 전술(前述)한 제1 발명 또는 제2 발명의 연료 전지를 이용할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 상기와 같은 연료 전지(FC), 수소 가스 발생 수단(20) 및 반응액 공급 수단(30)을 구비하는 휴대 기기용 전지 구동 시스템에 있어서, 도 12에 보이는 바와 같이, 이차측의 압력에 대응하여 유량(流量) 조절(개폐를 포함)을 행하는 압력 조절 수단(41)을, 수소 가스 발생 수단(20)의 상류측에 설치하고, 이것에 의해서, 압력 제어 기구(40)를 구성하고 있다.

압력 조절 수단(41)으로서는, 일반적인 감압 밸브와 동일한 모양의 구조를 취할 수 있고, 예를 들면, 압력 조절 나사로서 부세력이 조절 가능한 용수철과, 그 용수철로서 부세되면서 역방향으로부터 2차측 유로의 압력을 받는 다이어그램과, 다이어그램과 연동하여 2차측의 압력이 일정압 이상의 경우에 밸브를 닫는 밸브부를 구비하는 구조를 들 수 있다. 이러한 구조의 압력 조절 수단(41)을 채용하면, 전기적인 제어를 필요로 하지 않고, 간이한 장치로서 압력 제어 기구(40)를 구성할 수 있다.

이와 같은 압력 제어 기구(40)에 의하면, 연료 전지(FC)에서 소비되는 수소 가스가 감소해서, 시스템 내의 수소 가스의 압력이 상승한 경우에도, 동시에 배관(34)의 압력 조절 수단(41)의 이차측의 압력이 증가해서, 압력 조절 수단(41)이 유량의 감소 또는 정지를 행하는 것에 의해서, 수증기의 공급량이 감소하기 때문에, 수소 가스의 발생량도 감소하고, 그 결과, 시스템 내의 수소 가스의 압력이 설정 범위로 되도록 제어할 수 있다.

상기(上記)에 있어서, 압력 조절 수단(41)이 유량의 감소 또는 정지를 행하므로, 저액부(32)의 온도나 압력이 지나치게 상승하는 경우가 생긴다. 따라서, 저액부(32)의 온도나 압력을 검출해서, 저액부(32)의 온도나 압력이 일정 이하로 되도록 가열 수단(31)을 제어하는 제어 수단을 더욱 설치하는 것이 바람직하다.

도 12에 보이는 예에서는, 압력 조절 수단(41)이, 그것 자체가 2차측의 압력에 대응해서 유량 제어를 행하는 것이나, 별도 압력 검출기가 설치하여, 그것으 로부터 전기 신호 등에 기초해서 이차측의 압력에 대응해서 유량 제어 조절을 행하는 것도 좋다. 그 경우, 압력 검출기는 배관(24)이나 연료 전지(FC)에 설치되어도 좋다.

또한, 본 발명에서는, 도 12에 보인 바와 같이, 배출측 제어 기구(OC)가, 연료 전지(FC)의 캐소드측 공간(또는 유로)(15)에 대응하여 설치되어 있다. 이 배출측 제어 기구(OC)는, 일차측의 압력이 일정 이상이 경우에 가스의 배출량을 증가시키는 것이다. 배출량을 증가시킬 때, 배출 없는 상태로부터 배출을 행해도 좋고, 배출량 자체를 변화시켜도 좋다. 본 발명에서는, 연료 전지(FC)의 단위 셀을 1개 또는 복수개 사용할 수 있으나, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 단위 셀의 배출구(5d)에 대하여, 배출측 제어 기구(OC)가 설치된다.

배출측 제어 기구(OC)로 되는 압력 제어 밸브(50)로서는, 일차측의 압력이 일정 이상의 경우에 가스의 배출량을 증가시킬 수 있는 것이면 어떤 형식이어도 좋으나, 구조를 간이화하기 위해서, 자력식(自力式)의 제어 밸브가 바람직하고, 외부 검출형 보다 내부 검출형 쪽이 보다 바람직하다.

본 실시 형태에서는, 제1 ~ 제2 발명과 동일한 모양으로, 도 6에 보인 바와 같은, 변좌(51)에 변체(52)를 부세하는 부세 수단(53)과, 그 부세 수단(53)의 부세력을 조절하는 조절 기구(54)와, 변좌(51)를 가지는 변체(52)를 수용하는 변좌 공간(55)과, 그의 변좌 공간(55)까지 연통해서 변체(52)에 의해 봉쇄 가능한 도입 유로(56)와, 변좌 공간(55)으로부터 외부로 연통하는 배출 유로(57)를 구비하는 압력 제어 밸브(50)를 이용할 수 있다. 압력 제어 밸브(50)의 상세(詳細)는 전술(前述) 한 대로이다.

(제2 실시 형태)

본 발명의 제2 실시 형태에서는, 도 13에 보인 바와 같이, 반응액 공급 수단(30)은, 저액부(32)와 저액부(32)의 물을 운송하는 압송 수단(36)을 구비함과 함께, 수증기 또는 수소 가스의 유로에 설치한 압력 검출 수단(47)과, 그 압력 검출 수단(47)으로부터의 신호에 기초하여 수소 가스의 압력이 설정치 범위로 되도록 상기 압송 수단(36)을 제어하는 제어 수단(46)에 의해 압력 제어 기구(40)를 구비하고 있는 예를 보인다. 이 경우, 수소 가스의 유로에 설치한 압력 검출 수단(47)으로부터의 신호에 기초하여 압송 수단(36)을 제어하므로, 운송된 물의 양의 변동에 의해서 시스템 내의 수소 가스의 압력이 설정 범위로 되도록 제어할 수 있다.

도시한 예에서는, 수소 가스 발생 수단(20)의 상류측에, 수증기 발생부(37)를 가지고 있다. 특별한 설명없는 구성에 대하여는, 제1 실시 형태와 동일하다.

압송 수단(36)으로서는, 제어 수단(46)으로부터의 조작 신호에 기초하여, 공급량이 조절 가능(발동·정지를 포함)인 것이면 좋고, 예를 들면 구동원을 전기 모터로 하는 튜브형 마이크로 펌프나, 압전 소자를 이용한 마이크로 펌프, 기어 펌프 등을 사용할 수 있다.

압송 수단(36)은, 일단이 저액부(32)에 배치되고, 타단이 수증기 발생부(37)에 접속된 배관(35)에 설치되어 있다.

수증기 발생부(37)는, 내장형의 히터(38)를 구비하고 있어서, 공급된 물을 증발시켜서 수증기를 발생시킬 수 있다. 이것이 배관(34)을 거쳐서 수소 가스 발생 수단(20)으로 공급된다. 수증기 발생부(37)는, 수소 발생제(21)가 저습(低濕)으로 수소 가스를 발생하는 경우나, 수소 가스 발생 수단(20)이 충분한 고습(高濕)인 경우에는, 생략하는 것도 가능하다.

압력 검출 수단(47)은, 가스의 압력을 검출해서 출력 가능한 것이면 좋고, 소형화 가능한 것으로서는, 압전 소자나 차동 트랜스를 이용한 압력 센서가 바람직하다. 또한, 압력 검출 수단(47)으로부터의 신호는, 전기 신호에 한정된 것은 아니고, 압력 변동 등에 의한 신호도 좋다.

압력 검출 수단(47)은, 수소 가스 발생 수단(20)과 연료 전지(FC)를 접속하는 배관(24), 즉 수소 가스의 유로에 설치되어 있거나, 수증기의 유로에 설치되어도 좋다. 각각의 유로는, 배관일 필요는 없고, 연료 전지(FC)의 내부나 수소 가스 발생 수단(20)의 내부의 유로(공간을 포함)에 압력 검출 수단(47)의 검출부를 설치하여도 좋다.

제어 수단(46)은, 압력 검출 수단(47)으로부터의 신호에 기초하여, 수소 가스의 압력이 설정치 범위를 초과하는 경우에는, 압송 수단(36)을 정지 또는 운송량을 감소시키고, 설정치 범위 미만의 경우에는, 압송 수단(36)을 발동(發動) 또는 운송량을 증가시키는 것이다. 당해 제어는, 단순한 온오프 제어여도 좋으나, 보다 복잡한 PID 제어를 행하도록 구성하여도 좋다. 이들의 제어 수단(46)은, 어떤 당업자에게 주지 관용의 기술 수단이다.

한편, 수소 발생제(21)와 반응액의 반응을 보다 저습에서 행하는 것이 가능 한 경우, 물을 증발시키지 않고 수소 가스 발생 수단(20)으로 공급할 수 있다. 이 경우, 가열 수단(38)을 구비한 수증기 발생부(37)를 생략한 구성으로 한다. 또한, 수소 발생제(21)의 가열 수단(23)을 생략하는 것도 가능하다.

(제3 실시 형태)

본 발명의 제3 실시 형태에서는, 도 14에 보인 바와 같이, 반응액 공급 수단(30)은 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 가열 수단(31)을 가짐과 함께, 수소 가스 발생 수단(20)의 하류측에 설치되고, 2차측의 압력에 대응해서 유량 조절을 행하는 압력 조절 수단(41)에 의해서 압력 제어 기구(40)를 구성하고 있는 예를 보인다. 본 발명의 제3 실시 형태는, 압력 조절 수단(41)를 설치하는 위치만이 제1 실시 형태와 상위하다.

이러한 압력 제어 기구(40)에 의하면, 연료 전지(FC)에서 소비되는 수소 가스가 감소해서, 시스템 내의 수소 가스의 압력이 상승한 경우, 압력 조절 수단(41)이 유량의 감소 또는 정지를 행하는 것에 의해서, 시스템 내의 수소 가스의 압력이 설정 범위로 되도록 제어할 수 있다. 그때, 압력 조절 수단(41)의 일차측의 압력이 상승하나, 저액부(32)의 물의 증발량이 적게 되므로, 과잉의 반응액이 수소 가스 발생 수단(20)으로 공급되지 않는다.

다만, 저액부(32)의 습도나 압력이 지나치게 상승하는 경우가 발생하기 때문에, 저액부(32)의 습도나 압력을 검출해서, 저액부(32)의 온도나 압력이 일정 이하로 되도록 가열 수단(31)을 제어하는 제어 수단을 더욱 설치하는 것이 바람직하 다.

(제4 실시 형태)

본 발명의 제4 실시 형태에서는 도 15에 보이는 바와 같이, 전기(前記) 반응액 공급 수단(30)은, 저액부(32)와 저액부(32)의 물을 부압(負壓)에 의해 운송하는 배관(35)을 가지는 것과 함께, 그의 배관(35)에 설치된 2차측의 압력에 대응해서 유량 조절을 행하는 압력 조절 수단(41)에 의해 압력 제어 기구(40)를 구성하고 있는 예를 보인다. 수소 가스를 자연 배출시키지 않고 발전을 행하는 연료전지에서는, 발전에 의해서 수소 가스가 소비되는 것이므로, 애노드측이 부압으로 된다. 상기의 반응액 공급 수단(30)에 의하면, 이 부압으로 저액부(32)의 물을 운송할 수 있고, 그때, 운송 배관(35)에 설치한 압력 조절 수단(41)이 이차측의 압력에 대응해서 유량 조절을 행하기 때문에, 시스템 내의 수소 가스의 압력이 설정 범위로 되도록 제어할 수 있다.

도시한 예에서는, 수소 가스 발생 수단(20)의 상류측에, 수증기 발생부(37)를 가지고 있다. 특별히 설명하지 않는 구성에 있어서는 제1 실시 형태와 동일한 모양이다.

저액부(32)의 물을 부압에 의해서 운송하기 위해서는, 배관(35)의 일단을 물 중에 배치하고, 저액부(32) 공간이 부압으로 되지 않도록, 대기(大氣) 개방하는 등 해서 놓으면 좋다. 그때, 소수성의 다공질막을 통해서 공간과 대기가 연통하는 것이므로, 물의 누설을 방지하면서, 저액부(32)의 공간을 대기압으로 유지할 수 있 다.

수소 가스의 공급에 의해서, 수소 가스를 자연 배출시키지 않고 발전을 행하는 연료 전지(FC)에서는, 수소 가스가 소비되면, 애노드측 공간(11)이 서서히 감압되어 부압으로 된다. 연료 전지(FC)의 상류측에는, 수소 가스 발생 수단(20)과 수증기 발생부(37)가, 배관(24)과 배관(34)을 통해서 기밀하게 접속되어 있고, 애노드측 공간(11)이 부압으로 되면, 배관(35)에 의해 저액부(32)의 물이 수증기 발생부(37)로 운송된다. 수증기 발생부(37)를 설치하지 않는 경우에는, 수소 가스 발생 수단(20)으로 저액부(32)의 물이 운송된다.

압력 조절 수단(41)은, 제1 실시 형태와 동일한 모양의 구조의 감압 밸브가 사용 가능하나, 제4 실시 형태에서는, 일차측이 거의 대기압이므로, 보다 간이한 구조의 밸브 종류를 사용할 수 있다. 예를 들면, 압력 조절 나사로 부세력이 조절 가능한 용수철과, 그 용수철로 부세되면서 역방향으로부터 일차측 유로의 압력을 받고, 이차측의 압력이 일정압 이하의 경우에 밸브를 여는 밸부부를 구비하는 구조를 들 수 있다.

이러한 압력 제어 기구(40)에 의하면, 연료 전지(FC)에서 소비된 수소 가스가 증대(增大)하고, 시스템 내의 수소 가스의 압력이 저하한 경우, 압력 조절 수단(41)이 밸브를 열거나 또는 유량의 증가를 행하는 것에 의해서, 물이 수증기 발생부(37)로 공급되고, 시스템 내의 수소 가스의 압력이 설정 범위로 되도록 제어할 수 있다. 그때, 압력 조절 수단(41)의 이차측의 압력이 일차적으로 상승하나, 상승 전의 압력이 부압(1기압 이하)이므로, 연료 전지(FC)의 내압의 상승은 문제로 되기 어렵다.

한편, 수소 발생제(21)와 반응액과의 반응을 보다 저습에서 행하는 것이 가능한 경우, 물을 증발시키지 않고 수소 가스 발생 수단(20)으로 공급할 수 있다. 그 경우, 가열 수단(39)을 구비한 수증기 발생부(37)를 생략한 구성으로 한다. 또한, 수소 발생제(21)의 가열 수단(23)을 생략한 것도 가능하다.

(제5 실시 형태)

본 발명의 제5 실시 형태에서는, 도 16에 보인 바와 같이, 반응액 공급 수단(30)이, 유동 조절부를 통해서 수소 가스 발생 수단(20)과 연통하는 저액부(32)를 가지며, 그의 저액부(32)로부터의 반응액의 공급을 상기 유동 조절부로 조절하는 것이므로, 상기 수소 가스 발생 수단(20)에 있어서 수소 가스의 발생량을 조절하는 공급측 조절 기구(IC)를 구성하고 있는 예를 보인다.

도시한 예에서는, 유동 조절부가 모관(capillary, 毛管) 유동 부재(26)와 셔터 부재(27)로서 구성되어 있으며, 반응액 공급 수단(30)과 수소 가스 발생 수단(20)이 일체화되어 있다. 특별히 설명하지 않는 구성에 대해서는, 제1 실시 형태와 동일한 모양이다.

반응액 공급 수단(30)의 내부에는, 수소 가스 발생 수단(20)의 반응 용기(22)가 내장되어 있으며, 반응 용기(22)의 외부에, 반응액을 저류하기 위한 저액부(32)가 형성된다. 반응 용기(22) 내의 내부에는 수소 발생제(21)가 충전되어 있으며, 발생한 수소는 버블링관(28, bubbling tube)으로부터 저액부(32)의 반응액 내로 버블링 배출된다. 반응액이 물인 경우, 버블링에 의해 수소 가스에 수분을 공급할 수 있고, 연료 전지(FC)의 고체 전해질(13)의 건조를 방지하는 것에 유리하게 된다.

버블링관(28)의 하단은, 반응 용기(22)의 하단과 거의 동일한 높이로 하는 것이 바람직하고, 그 경우, 저액부(32)의 반응액의 높이가 변화하여도, 반응 용기(22)의 내압과 반응액 공급 수단(30)의 내압이 거의 같으므로, 모관 유동 부재(26)에 대해서 생기는 반응액으로부터의 압력은 거의 변화하지 않는 구조로 된다.

따라서, 모관 유동 부재(26)를 반응액이 침투하는 속도에 의해서, 반응액의 유입 속도를 조절할 수 있다. 이 때문에, 반응 용기(22)의 저면(低面)에 모관 유동 부재(26)를 복수개 설치하여 놓고, 셔터 부재(27)에 의해서, 일부의 모관 유동 부재(26)와의 접촉을 차단하는 것에 의해서, 반응액의 유입 속도를 조절할 수 있다. 또한, 모관 유동 부재(26)의 공극 사이즈나 두께 등을 변경하는 것으로서, 개개의 모관 유동 부재(26)에 있어서 반응액의 유입속도를 조절할 수 있다.

그 결과, 수소 가스의 소비량에 대응해서, 일정 속도로 수소 가스를 발생시킬 수 있고, 이것에 의해서, 수소 가스의 쓸데없는 배출을 적게 할 수 있다.

모관 유동 부재(26)로서는 지류(紙類), 부직포, 직포, 다공질막, 펠트, 세라믹 등의 다공질체 등을 사용할 수 있다. 셔터 부재(27)에는, O링크 등의 봉지재를 설치하는 것에 의해서, 접속 차단시의 봉지성을 보다 높일 수 있다.

유동 조절부로서는, 모관 유동 부재(26)를 사용하는 경우에 한정되지 않고, 유로의 단순한 압축 기구나 유량 조절 밸브 등에도 좋다.

[실시예]

이하, 본 발명의 구성과 효과를 구체적으로 보이는 실시예 등에 따라서 설명한다.

(실시예 1)

내식성을 갖는 SUS(50㎜×26㎜×0.3㎜ 두께)에 구(溝, 홈)(폭 0.8㎜, 깊이 0.2㎜, 간격 1.6㎜, 개체 수 21개), 및 주변 카시메부, 가스 도입, 배출공(排出孔)을 염화 제2철 수용액에 의한 에칭에 의해 마련하고, 이것을 애노드측 금속판으로 하였다. 이 때 애노드측 금속판에 설치된 수소 가스 유로부의 유로 단면적은, 0.16㎣이었다. 동일한 모양으로, 내식성을 가지는 SUS(50㎜×26㎜×0.3㎜ 두께)에 관통공(貫通孔)(0.6㎜Φ, 피치 1.5㎜, 개수 357개, 접촉 영역의 개구율 13%), 및 주변 카시메부, 가스 도입, 배출공을 염화 제2철 수용액에 의한 에칭에 의해 마련하고, 이것을 캐소드측 금속판으로 하였다. 그리고 절연 쉬트(50㎜×26㎜×2㎜ 폭, 두께 80㎛)를 SUS에 맞대었다.

또한, 박막 전극 조립체(49.3㎜×25.3㎜)는, 하기와 같이 하여서 제작하였다. 백금 촉매는, 미국 일렉트로켐 사 제품인 20% 백금 담지 카본 촉매(EC-20-PTC)를 이용하였다. 이 백금 촉매와, 카본 블랙(악조 사 케첸 블랙 EC), 폴리불화비닐리덴(카이나)를, 각각 75중량%, 15중량%, 10중량%의 비율로서 혼합하고, 디메틸포름아미드를 2.5중량%의 폴리불화비닐리덴 용액으로 되도록 한 비율로서, 상기 백금 촉매, 카본 블랙, 폴리불화비닐리덴의 혼합물 중에 넣고, 유발(乳鉢) 중에서 용해·혼합하여, 촉매 페이스트를 제작하였다. 카본 페이퍼(도레이 사 제품 TGP-H-90, 두께 370㎛)를 20㎜×43㎜로 절단하고, 그 위에, 상기와 같이 하여 제작한 촉매 페이스트 약 20㎎을 스패출라에서 도포하고, 80℃의 열풍 순환식 건조기 중에서 건조하였다. 이와 같이 하여서 4㎎의 촉매 조성물이 담지된 카본 페이퍼를 제작하였다. 백금 담지량은, 0.6㎎/㎠이다.

상기와 같이 하여 제작한 백금 촉매 담지 카본 페이퍼와, 고체 고분자 전해질(양이온 교환막)으로서, 나피온 필름(듀폰 사 제품 나피온 112, 25.3㎜×49.3㎜, 두께 50㎛)을 이용하고, 그 양면에, 금형을 이용하여, 135℃, 2MPa의 조건에서 2분 핫프레스하였다. 이렇게 해서 얻어진 박막 전극 조립체를 상기의 SUS 판 2매의 중앙에 끼워 넣고, 도 2에 보이는 것과 같이 카시메 결합시키는 것으로서, 바깥 치수 50㎜×26㎜×1.4㎜뚜께로 하는 박형 소형의 마이크로 연료 전지를 얻을 수 있었다. 이 단위 셀의 수소 가스의 유로부의 유로 단면적은, 애노드측 전극판의 면적에 대해서, 0.019%이었다. 이것을 단위 셀로 하여서, 도 3에 보이는 바와 같이, 3개의 단위 셀을 직렬(가스 및 전기)로 접속하여 연료 전지를 구성하였다.

이 마이크로 연료 전지의 전지 특성을 평가하였다. 연료 전지 특성은, 동양(東陽)테크니칼 제품 연료 전지 평가 시스템을 이용하고, 실온 하에서, 애노드측으로 수소 가스(순도 100%)를 흘리고, 캐소드측은 대기(大氣) 개방으로 하고, 전류 1.0A(전류 밀도 120㎃/㎠)의 일정 운전(運轉)에서 측정하였다. 그때, 수소 가스의 공급 가스 유량은, 최상류의 단위 셀에 대해서 22.8mL/분, 최종단의 단위 셀에 대 해서 7.6mL/분이었다. 또한, 최종단의 단위 셀의 배출구에 압력 제어 밸브를 설치해서, 이것을 조절하는 것으로서(설정 압력 10KPa), 평균 가스 배출량을 0.1mL/분으로 하였다. 결국, 최종단의 단위 셀로 공급된 수소 가스에 대하여 1.3 체적%의 가스를 배출하도록 설정하였다.

그때의 전압의 경시(經時) 변화를 도 5에 나타낸다. 이 결과로부터, 대략 동일한 출력 전압 값을 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있음이 판명되었다.

(비교예 1)

실시예 1에 있어서, 압력 제어 밸브를 설치하지 않고, 최종단의 단위 셀로부터 가스를 배출시키지 않도록 한 것 이외는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연료 전지를 제조하고, 연료전지 특성을 평가하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. 이 결과가 보이는 바와 같이, 단위 셀로부터 가스를 배출시키지 않는 경우, 연료 전지의 출력 전압이 약 20분에서 절반 이하로 되고, 발전이 조기에 정지하는 것이 판명되었다.

(참고예 1)

실시예 1에 있어서, 전류 1.0 A의 일정 운전을 행하면서, 압력 제어 밸브를 설치하지 않고 최종단의 단위 셀로부터의 평균 가스의 배출량을 4.56mL/분(총 공급량의 20체적%)로 한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연료 전지를 제조하고, 연료 전지 특성을 평가하였다. 그 결과를 도 5에서 보인다. 그 결과가 보이는 바와 같이, 참고예 1에서는 실시예 1과 비교해서 약간, 전압이 상승하는 것이므로, 실시예 1과 거의 차이가 없는 것이 판명되었다.

(실시예 2)

실시예 1에 있어서, 전류 0.5A의 일정 운전(최종단의 단위 셀에 대해서 3.8mL/분 공급)을 행하면서, 최종단의 단위 셀에 공급된 수소 가스에 대해서 1.3체적%의 가스를 배출한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연료 전지를 제조하고, 연료 전지 특성을 평가하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. 이 결과가 나타낸 바와 같이, 거의 동일의 출력 전압 값을 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있음이 판명되었다.

(비교예 2)

비교예 1에 있어서, 전류 0.5A의 일정 운전(최종단의 단위 셀에 대해서 3.8mL/분 공급)을 행하면서, 최종단의 단위 셀로부터 가스를 배출하지 않도록 한 것 이외에는, 비교예 1과 동일한 방법으로 연료 전지를 제작하고, 연료 전지 특성을 평가하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. 이 결과가 나타낸 바와 같이, 단위 셀로부터 가스를 배출시키지 않는 경우, 연료 전지의 출력 전압이 약 15분에서 절반 이하로 되고, 발전이 조기에 정지하는 것이 판명되었다.

(실시예 3)

실시예 1에 있어서, 전류 1.5A의 일정 운전(최종단의 단위 셀에 대해서 11.4mL/분 공급)을 행하면서, 최종단의 단위 셀에 공급된 수소 가스에 대하여 1.3체적%의 가스를 배출한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연료 전지를 제조하고, 연료 전지 특성을 평가하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. 이 결과가 나타낸 바와 같이, 거의 동일한 출력 전압 값을 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있음이 판명되었다.

(비교예 3)

비교예 1에 있어서, 전류 1.5A의 일정 운전(최종단의 단위 셀에 대해서 11.4mL/분 공급)을 행하면서, 최종단의 단위 셀로부터 가스를 배출하지 않도록 한 것 이외에는, 비교예 1과 동일한 방법으로 연료 전지를 제작하고, 연료 전지 특성을 평가하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. 이 결과가 나타낸 바와 같이, 단위 셀로부터 가스를 배출시키지 않는 경우, 연료 전지의 출력 전압이 약 30분에서 절반 이하로 되고, 발전이 조기에 정지하는 것이 판명되었다.

(실시예 4)

실시예 1에 있어서, 전류 1.0A의 일정 운전(최종단의 단위 셀에 대해서 7.6mL/분 공급)을 행하면서, 최종단의 단위 셀로부터의 가스의 배출량을 0~12cc/시간으로 변경하는 것 이외는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연료 전지를 제작하고, 연료 전지 특성을 평가하였다. 그 결과를 도 6에 나타낸다. 이 결과가 나타낸 바와 같이, 0.6cc/시간(배출량 0.13체적%) 이하에서는 거의 동일한 출력 전압 값을 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있고, 0cc/시간(0체적%)와의 사이에 임계치가 있는 것이 판명되었다.

(실시예 5)

실시예 1에 있어서, 배출구에 설치한 압력 제어 밸브로 5KPa의 압력으로 설정하고, 전류 1.0A의 일정 운전(최종단의 단위 셀에 대해서 7.6mL/분 공급)을 행하면서, 최종단의 단위 셀로부터의 가스의 배출량을 4.0~8.0cc/시간으로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연료 전지를 제작하고, 연료 전지 특성을 평가하였다. 그의 결과를 도 7에 나타낸다. 이 결과가 나타낸 바와 같이, 7.7cc/시간(배출량 1.7체적%) 이상에서는, 거의 동일한 출력 전압 값을 장기간에 걸쳐서 유지할 수 있고, 5.4cc/시간(1.2체적%)와의 사이에 임계치가 있는 것이 판명되었다.

(실시예 6)

실시예 1에 있어서, 배출구에 설치한 압력 제어 밸브로 5KPa의 압력으로 설정하고, 전류 1.0A의 일정 운전(최종단의 단위 셀에 대해서 7.6mL/분 공급)을 행하면서, 최종단의 단위 셀로부터의 가스의 배출량을 5~15cc/시간으로 변경한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 방법으로 연료 전지를 제작하고, 배출 가스의 조성을 가스크로마토그래피로서 측정하였다. 그의 결과를 도 8에 나타낸다. 이 결과가 나타낸 바와 같이, 5cc/시간~10cc/시간의 경우에는, 배출 가스 중의 수소 가스의 농도 가 50체적% 미만이 되는 것이 판명되었다. 이 결과와 실시예 1과 참고예 1과의 비교로부터, 압력 제어 밸브의 근방에만 불순물 가스가 농축되어 있고, 이 때문에 발전 효율이 높게 되어 있음이 이해된다.

(실시예 7)

니켈판(50㎜×26㎜×0.3㎜두께)에 구(溝, 홈)(폭 0.8㎜, 깊이 0.2㎜, 간격 1.6㎜, 개체 수 21개), 및 주변 박막부(peripheral thin wall part,두께 100㎛), 가스 도입, 배출공을 염화 제2철 수용액에 의한 에칭에 의해 마련하였다. 그 후 주변 박막부에 대해서 프레스 가공을 행하여 단차부(단차 150㎛)와 주연부를 형성하고, 전면(全面)에 금 도금(도금 두께 0.5㎛)하여 애노드측 금속판으로 하였다.

동일한 모양으로, 니켈판(50㎜×26㎜×0.3㎜두께)에 관통공(1.0㎜Φ, 피치 1.5㎜, 개수 350개) 및 주변 박막부, 가스 도입, 배출공을 염화 제2철 수용액에 의한 에칭에 의해 마련하였다. 그 후, 주변 박막부에 대해서 프레스 가공을 행하여 단차부(단차 150㎛)와 주연부를 형성하고, 전면(全面)에 금 도금(도금 두께 0.5㎛)하여 이것을 캐소드측 금속판으로 하였다. 그리고 절연 쉬트(50㎜×26㎜×2㎜ 폭, 두께 80㎛)를 주연부에 맞대었다.

또한, 박막 전극 조립체(49.3㎜×25.3㎜)는, 하기와 같이 하여서 제작하였다. 백금 촉매는, 미국 일렉트로켐 사 제품인 20% 백금 담지 카본 촉매(EC-20-PTC)를 이용하였다. 이 백금 촉매와, 카본 블랙(악조 사 케첸 블랙 EC), 폴리불화비닐리덴(카이나)를, 각각 75중량%, 15중량%, 10중량%의 비율로서 혼합하고, 디메틸포 름아미드를 2.5중량%의 폴리불화비닐리덴 용액으로 되도록 한 비율로서, 상기 백금 촉매, 카본 블랙, 폴리불화비닐리덴의 혼합물 중에 넣고, 유발(乳鉢) 중에서 용해·혼합하여, 촉매 페이스트를 제작하였다. 카본 페이퍼(도레이 사 제품 TGP-H-90, 두께 300㎛)를 20㎜×43㎜로 절단하고, 그 위에, 상기와 같이 하여 제작한 촉매 페이스트 약 20㎎을 스패출라로 도포하고, 80℃의 열풍 순환식 건조기 중에서 건조하였다. 이와 같이 하여서 4㎎의 촉매 조성물이 담지된 카본 페이퍼를 제작하였다. 백금 담지량은, 0.6㎎/㎠이다.

상기와 같이 하여 제작한 백금 촉매 담지 카본 페이퍼와, 고체 고분자 전해질(양이온 교환막)으로서, 나피온 필름(듀폰 사 제품 나피온 112, 25.3㎜×49.3㎜, 두께 25㎛)을 이용하고, 그 양면에, 금형을 이용하여, 135℃, 2MPa의 조건에서 2분간 핫프레스하였다. 이렇게 해서 얻어진 박막 전극 조립체를 상기의 금속판 2매의 중앙에 끼워 넣고, 도 2에 보이는 것과 같이 카시메 결합시키는 것으로서, 바깥 치수 50㎜×26㎜×1.4㎜ 두께로 하는 박형 소형의 마이크로 연료 전지를 얻을 수 있었다.

이 연료 전지의 애노드측 금속판의 배출구에, 도 4에 보이는 구조의 압력 제어 밸브를 설치하여, 내면측 공간의 압력이 0.00MPa, 0.01Mpa, 0.02Mpa, 0.03Mpa, 0.04Mpa 및 0.05Mpa로 되도록 조절 기구를 조절해서, 압력을 제어하였다. 그 때의 연료 전지의 전지 특성을 각각 평가하였다. 연료 전지 특성은, 동양(凍陽)테크니칼 제품 연료 전지 평가 시스템을 이용하고, 실온 하에서, 애노드측에 순수 수소 가스를 흘렸다(캐소드측은 대기 개방으로 하였다). 가스 유량은 0.2L/분으로 하였다. 얻어진 출력 밀도를 도 11에 보인다.

도 11에 보인 결과로부터, 본 발명에서는 0.02MPa~0.05Mpa에서 고출력이 얻어지는 것이 이해되었다.

(실시예 8)

실시예 7과 동일한 연료 전지를 이용하고, 더욱 제어 압력을 높게 하고 있고, 그 때의 전지의 출력과 봉지부로부터의 가스의 리크를 조사하였다. 그 결과, 0.10MPa 부근까지는, 서서히 출력이 증가하고, 0.20MPa를 초과하면 봉지부로부터의 가스의 리크가 생겼다.

Claims

판상의 고체 고분자 전해질과, 그 고체 고분자 전해질의 일방측에 배치된 캐소드측 전극판과, 타방측에 배치된 애노드측 전극판과, 상기 캐소드측 전극판으로 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급부와, 상기 애노드측 전극판으로 수소 가스를 공급하는 수소 가스 유로부로 형성된 단위 셀의 단수 또는 복수를 구비한 연료 전지에 있어서,

수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀에 있어서, 상기 수소 가스 유로부의 유로 단면적을 상기 애노드측 전극판의 면적의 1% 이하로 하는 것과 함께, 상기 수소 가스 유로부의 배출구에는, 단위 셀로 공급되는 수소 가스에 대해서 0.02~4체적%의 가스를 배출하는 배출 제어 기구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제1 항에 있어서, 상기 배출 제어 기구는, 일차측의 압력이 일정 이하로 되도록 가스를 배출시키는 압력 제어 밸브인 것인, 연료 전지.
판상의 고체 고분자 전해질과, 그 고체 고분자 전해질의 일방측에 배치된 캐소드측 전극판과, 타방측에 배치된 애노드측 전극판과, 상기 캐소드측 전극판의 표 면에 배치되고 내면측으로의 가스의 유통을 가능하도록 하는 캐소드측 금속판과, 상기 애노드측 전극판의 표면에 배치되고 내면측으로의 연료의 유통을 가능하도록 하는 애노드측 금속판을 구비하는 연료 전지에 있어서,

상기 양측의 금속판의 주연을 전기적으로 절연한 상태에서 굽힘 프레스에 의해 봉지하고 있음과 함께,

상기 애노드측 금속판은 연료의 주입구와 배출구를 가지고, 그 배출구에는 내면측 공간의 압력을 소정치로 제어하는 압력 제어 밸브를 설치하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제3 항에 있어서, 상기 압력 제어 밸브는, 변좌에 변체를 밀어 붙이는 부세 수단과, 그 부세 수단의 부세력을 조절하는 조절 기구와, 변좌를 가지는 변체를 수용하는 변좌 공간과, 그 변좌 공간까지 연통하여 변체에 의해서 봉쇄가능한 도입 유로와, 변좌 공간으로부터 외부로 연통하는 배출 유로를 구비하는 연료 전지.
제3 항에 있어서, 상기 압력 제어 밸브는, 상기 내면측 공간의 압력을 0.02~0.20MPa의 범위 내의 소정치로 제어 가능한 것인, 연료 전지.
판상의 고체 고분자 전해질과, 그 고체 고분자 전해질의 일방측에 배치된 캐소드 전극판과, 타방측에 배치된 애노드측 전극판과, 상기 캐소드측 전극판에 산소 함유 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급부와, 상기 애노드측 전극판으로 수소 가스를 공급하는 수소 가스 유로부로 형성된 단위 셀의 단수 또는 복수에, 수소 가스와 산소 함유 가스를 공급해서 발전을 행하는 발전 방법에 있어서,

수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀에 있어서, 수소 가스의 유동에 의해서 불순물 가스를 배출구 부근에서 농축하면서, 농축된 불순물 가스의 양이 일정 이하로 되도록 단위 셀로부터 가스를 소량 배출하면서 발전을 행하는 것을 특징으로 하는 발전 방법.
제6 항에 있어서, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀로서, 상기 수소 가스 유로부의 유로 단면적이 상기 애노드측 전극판의 면적의 1% 이하인 것을 사용하는 것과 함께, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀에 공급된 수소 가스에 대해서 0.02~4체적%의 가스를 그 단위 셀로부터 배출하는 것인, 발전 방법.
제6 항에 있어서, 수소 가스 공급의 최종단으로 되는 상기 단위 셀에 대해서, 상기 수소 가스 유로부의 유로 단면적을 기준으로 하여 계산된 공급 가스의 선 속도가 0.1m/초 이상으로 되도록 수소 가스를 공급하는 것인, 발전 방법.
제6 항에 있어서, 상기 단위 셀로부터 배출된 가스 중에 함유된 수소 가스의 농도가 50체적% 미만인, 발전 방법.
수소 가스를 애노드측으로 공급해서 발전을 행하는 연료 전지와, 반응액과의 반응으로 수소 가스를 발생시키는 수소 발생제에 의해 상기 연료 전지로 수소 가스를 공급하는 수소 가스 발생 수단과, 그 수소 가스 발생 수단에 반응액을 공급하는 반응액 공급 수단과, 상기 연료 전지로의 수소 가스의 공급량을 조절하는 공급측 조절 기구와, 상기 연료 전지의 애노드측에 설치되고 일차측의 압력이 일정 이상의 경우에 가스의 배출량을 증가시키는 배출측 제어 기구를 구비하는 휴대 기기용 전지 구동 시스템.
제10 항에 있어서, 상기 공급측 조절 기구는, 시스템 내의 수소 가스의 압력이 설정 범위로 되도록 제어하는 압력 제어 기구를 가지는 것인, 휴대 기기용 전지 구동 시스템.
제10 항에 있어서, 상기 반응액 공급 수단은, 유동 조절부를 통해서 상기 수소 가스 발생 수단과 연통하는 저액부를 가지며, 그 저액부로부터의 반응액의 공급을 상기 유동 조절부로 조절하는 것으로서, 상기 수소 가스 발생 수단에 있어서 수소 가스의 발생량을 조절하는 공급측 조절 기구를 구성하고 있는, 휴대 기기용 전지 구동 시스템.