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発明の名称 薄板多層型水素燃料電池
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−115677(P2007−115677A)
公開日 平成19年5月10日(2007.5.10)
出願番号 特願2006−255377(P2006−255377)
出願日 平成18年9月21日(2006.9.21)
代理人 【識別番号】100104156
【弁理士】
【氏名又は名称】龍華 明裕
発明者 キム、スン ハン / キム、サン ジン / リー、ロ ウーン / ギル、ジャエ ヒョン / ジャン、ジャエ ヒュク
要約 課題
全ての基板がMEMS技術を用いて製作されるため容易に製作することができ、電流密度が大きい高出力を得ることができ、安全な作動を行うことが出来ることにより、携帯用電子機器のバッテリーのような電源供給装置、或いは携帯用発電器に容易に適用することができる。

解決手段
基板一側に流路が形成され、上記流路には触媒層を形成して燃料を水素に改質させる改質部と、上記改質部の基板を覆う一対の基板が並んで配置され、その内部には触媒層を形成した高温電解質膜が配置され上記改質部の水素を活用して電流を発生させるセル部と、上記セル部の基板一側に並んで基板が配置され、上記基板内部には触媒層を形成した流路が形成され剰余燃料ガスを燃焼させ発熱させる燃焼部と、を含む薄板多層型水素燃料電池を提供する。
特許請求の範囲
【請求項1】
炭化水素化合物を燃料として使用する燃料電池において、
基板一側に流路が形成され、前記流路には触媒層を形成して燃料を水素に改質させる改質部と、
前記改質部の基板を覆う一対の基板が並んで配置され、その内部には触媒層を形成した高温電解質膜が配置され、前記改質部の水素を活用して電流を発生させるセル部と、
前記セル部の基板一側に並んで基板が配置され、前記基板内部には触媒層を形成した流路が形成され剰余燃料ガスを燃焼させ発熱させる燃焼部と、を含むことを特徴とする薄板多層型水素燃料電池。
【請求項2】
前記改質部は、その流路内にCuO/ZnO/Al或いはCu/ZnO/Alの触媒が蒸着され、前記改質部基板の背面には加熱手段を具備することを特徴とする請求項1に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項3】
前記セル部は、右側基板の流路内部に熱線が形成され、該流路を通過する改質ガスを適正温度に維持させ、前記熱線の上には絶縁コーティング層が形成され絶縁が成されることを特徴とする請求項1に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項4】
前記セル部は、右側基板の未反応ガス排出口に連通して一致する未反応ガス貫通口を左側基板に形成して燃焼部側へ未反応改質ガスを移送させることを特徴とする請求項2に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項5】
前記右側基板は、改質ガス移動通路を形成する流路を具備し、集電器の装着のための安着溝を形成することを特徴とする請求項4に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項6】
前記右側基板は、高温電解質膜装着用ガスケット固定溝を形成することを特徴とする請求項5に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項7】
前記左側基板は、空気移動通路を形成する流路を具備し、集電器の装着のための安着溝を形成することを特徴とする請求項4に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項8】
前記左側基板は、高温電解質膜装着用ガスケット固定溝を形成することを特徴とする請求項4に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項9】
前記セル部の高温電解質膜(MEA)は、PBI(Polybenzimidazole)高温電解質膜から成り、その両側にはガスケットを具備して装着されることを特徴とする請求項1に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項10】
前記燃焼部は、前記左側基板の未反応ガス貫通口に連通する未反応ガス流入口を形成し、前記未反応ガス流入口は内部空気流路に形成され、前記空気流路に流入された未反応ガスは触媒との燃焼反応を通じて発熱することを特徴とする請求項1に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項11】
炭化水素化合物を燃料として使用する燃料電池において、
基板一側に流路が形成され、前記流路には触媒層を形成して燃料を水素に改質させる改質部と、
前記改質部の両側から改質部基板を覆う基板が並んで配置され、その内部には触媒層を形成した高温電解質膜が各々配置され前記改質部の水素を活用して電流を発生させる一対のセル部と、
前記一対のセル部の基板外側に各々並んで基板が配置され、前記基板の内部には触媒層を形成した流路が形成され剰余燃料ガスを燃焼させる一対の燃焼部と、を含むことを特徴とする薄板多層型水素燃料電池。
【請求項12】
前記改質部の基板は、一側面に窪んだ流路が形成され、前記流路の一側には燃料導入口が形成され、前記流路には第1改質ガス排出口と第2改質ガス排出口が形成されることを特徴とする請求項11に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項13】
前記一対のセル部のうち一側セル部は、その一側基板部が前記改質部の基板の背面に窪んだ流路を形成することを特徴とする請求項11に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項14】
前記一側基板部は、前記流路の内部に熱線が形成され、その流路を通過する改質ガスを適正温度に維持させ、前記熱線の上には絶縁コーティング層が形成され絶縁が成されることを特徴とする請求項13に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項15】
前記一側基板部は、集電器の装着のための安着溝を形成することを特徴とする請求項13に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項16】
前記一側基板部は、高温電解質膜装着用ガスケット固定溝を形成することを特徴とする請求項13に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項17】
前記一側基板部に対向する他側基板部は、空気移動通路を形成する流路を具備し、集電器の装着のための安着溝を形成することを特徴とする請求項13に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項18】
前記一側基板部に対向する他側基板部は、高温電解質膜装着用ガスケット固定溝を形成することを特徴とする請求項13に記載の薄板多層型水素燃料電池。
【請求項19】
前記一対の燃焼部のうち一側の燃焼部には、その内部流路を密閉型に維持するため右側燃焼部に接合されるガラス蓋を含むことを特徴とする請求項11に記載の薄板多層型水素燃料電池。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、超小型薄板多層型水素燃料電池に関することであって、より詳細にはMEMS技術を適用して水素発生改質器と一体型で結合される薄板多層型の構造を備えることにより、炭化水素化合物燃料の使用が可能で、容易に大量生産で製作可能で、高性能及び高効率の電気生産が可能な薄板多層型水素燃料電池に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的に燃料電池は、高分子燃料電池、直接メタノール燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、リン酸型燃料電池、アルカリ燃料電池など様々な種類があり、このうち携帯用小型燃料電池として最も多く使用されるものとしては、直接メタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell、DMFC)と高分子電解質燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell、PEMFC)等があある。上記DMFCとPEMFC等は、同一の構成要素と材料を使用するが、燃料として各々メタノールと水素を使用することが異なり、これによって、燃料電池の性能や燃料供給システムが相互異なり、また相互比較される長短所がある。
【0003】
最近、DMFC関連研究が活発に進行されつつあるが、これは出力密度面ではPEMFCより低いが、燃料供給体系が簡単で全体構造の小型化が可能で、それによって携帯用機器の電源としてその活用価値が高くなりつつあるためである。
【0004】
一方、水素を燃料として使用する気体型燃料電池は、エネルギー密度が大きいという長所を有するものの、水素ガスの取り扱いに相当の注意が要され、燃料ガスである水素ガスを生産するためにメタンやアルコール等を処理するための燃料改質装置等の他の設備を必要とし、その体積が大きくなるという問題点を有している。
【0005】
これに対して、液体を燃料として使用する液体型燃料電池は、気体型に比べエネルギー密度は低いものの燃料の取り扱いが相対的に容易で、運転温度が低く、特に燃料改質装置を必要としないという特性に起因して、小型、汎用移動用電源として適したシステムと知られている。
【0006】
従って、液体型燃料電池が有しているこのような長所に起因して、液体型燃料電池の代表的な形態である直接メタノール燃料電池(DMFC)に対する多くの研究が遂行され実用化可能性を高めている。
【0007】
上記直接メタノール燃料電池は、メタノールの酸化反応が起きる燃料極反応と酸素の還元反応が起きる空気極反応から得られる起電力の力が発電の根幹となり、この際、燃料極と空気極から起きる反応は下記の通りである。
【0008】
燃料(陽極)極:CHOH+HO→CO+6H+6e
空気(陰極)極:3/2O+6H+6e→3H
全体反応:CHOH+HO+3/2O→CO+3H
【0009】
上記のような反応式に基づき、従来には図1に図示された通り、燃料電池を構成して移動用及び携帯用電源として応用するための研究が主となっている。図1は従来の単位燃料電池300を図示したものとして、これは一般的な固体高分子電解質膜の電解質層(Electrolyte layer)310を中心にその両外側に陽極312aと陰極312bが位置し、これら陽極312aと陰極312bの外側に各々メタノール供給メカニズム330と酸素供給メカニズム340が設置された構造である。
【0010】
上記メタノール供給メカニズム330としては、メタノール貯蔵タンク332とメタノール及び水供給ポンプ334が具備され、上記酸素供給メカニズム340としては酸素圧縮機342を具備する。しかし、上記のような従来の水素燃料電池300はその全体的な体積が大きくなる。
【0011】
これとは異なる従来技術としては、図2に図示された通り、上記DMFCとは異なり直接メタノールを使用せず水素が使用されるPEMFCシステム400が図示されている。
【0012】
このようなPEMFCシステム400は、陽電極412aと陰電極412bを有する電解質膜(Electolyte)410を備え、上記陽電極412aと陰電極412bに各々水素を供給する水素供給系統420と空気を供給する空気供給系統430有する。
【0013】
そして、このようなPEMFCシステム400は、下記のような反応を通じて電気を発生させる。
【0014】
陽(Anode)電極反応:H→2H+2E
陰(Cathode)電極反応:(1/2)O+2H+2e→H
全体反応:H+(1/2)O→H
【0015】
このように水素を使用するPEMFCシステム400はまた、水素貯蔵タンク(未図示)から水素の直接供給を受ける方式と、メタノール等液体燃料を改質(Reforming)して水素を引き出す2つの方式に分けられる。
【0016】
最初の方式は、水素貯蔵容器から水素の供給を受けるべきであるが、水素貯蔵効率が現在技術では非常に低いため携帯電話に使用するほど全体システムを小型化するには困難であると予想される。
【0017】
二番目の方式として、燃料を改質する改質器(Reformer)を使用して水素を供給する方式は、改質器自体を具現することも難しく、改質反応のため普通200℃〜300℃程度の高熱を必要とするため電力消耗が大きく一般的に使用されるNafion等の電解質膜(Membrane)が高い温度に耐えることが出来ない。
【0018】
従って、当業界では、燃料電池に改質器を搭載した改質型水素燃料電池(RHFC−Reformed Hydrogen Fuel Cell)は、携帯電話用など小型情報機器に搭載が不可能な方式と思われ、これに関する小型燃料電池の開発が要求されて来た。
【0019】
図3は、従来の技術による小型燃料電池500が図示されている。これは特許文献1に開示されたものとして、基板内部流路に触媒層を形成してメタノール(pure methanol)を水素に改質させる改質部510を具備し、上記改質部510の後流側に触媒層を形成した複数の電解質膜が各々配置され上記改質部510の水素を活用して電流を発生させるセルスタック部520を含み、上記セルスタック部520を通過した廃ガスが収集され廃熱を回収し、ベント(vent)538を通じて外部へ排出させる廃熱回収室530を具備する。
【0020】
即ち、上記のような小型燃料電池500は、改質部510の後流側に複数のセルスタック部520が配置され、その後流側に廃熱回収室530が配置され一つの一体型燃料電池を成しているが、このような従来の構造は薄板積層構造を有することが出来ず小型の構造を有することが出来なかった。
【0021】
【特許文献1】米国特許US6,569,553号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0022】
本発明は、上記のような従来の問題点を解消するためのものとして、その目的は携帯電話、PDA、キャムコーダー、デジタルカメラ、ノート型パソコン等携帯用電子機器のバッテリーのような電源供給装置、或いは携帯用発電機に適用可能な薄板多層型水素燃料電池を提供することにある。
【0023】
また、本発明の他の目的は、MEMS技術を用いて水素発生改質器と一体型で結合される薄板多層型の構造を備えることにより、メタノールまたはジメチル、エチレンまたはジメチルエーテル(dimethyl−ether:DME)等の炭化水素化合物燃料の使用が可能で、容易に大量生産で製作可能で、高性能及び高効率の電気生産が可能な薄板多層型水素燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0024】
上記のような目的を達成すべく、本発明は、炭化水素化合物を燃料として使用する燃料電池において、基板一側に流路が形成され、上記流路には触媒層を形成して燃料を水素に改質させる改質部と、上記改質部の基板を覆う一対の基板が並んで配置され、その内部には触媒層を形成した高温電解質膜が配置され上記改質部の水素を活用して電流を発生させるセル部と、上記セル部の基板一側に並んで基板が配置され、上記基板内部には触媒層を形成した流路が形成され剰余燃料ガスを燃焼させ発熱させる燃焼部と、を含むことを特徴とする薄板多層型水素燃料電池を提供する。
【0025】
そして本発明は、炭化水素化合物を燃料として使用する燃料電池において、基板一側に流路が形成され、上記流路には触媒層を形成して燃料を水素に改質させる改質部と、上記改質部の両側から改質部基板を覆う基板が並んで配置され、その内部には触媒層を形成した高温電解質膜が各々配置され上記改質部の水素を活用して電流を発生させる一対のセル部と、上記一対のセル部の基板外側に各々並んで基板が配置され、上記基板の内部には触媒層を形成した流路が形成され剰余燃料ガスを燃焼させる一対の燃焼部と、を含むことを特徴とする薄板多層型水素燃料電池を提供する。
【発明の効果】
【0026】
本発明によると、改質部、セル部及び燃焼部を構成する全ての基板がMEMS技術を用いて製作されるため容易に製作することができ、大量生産で製作可能な効果が得られる。
【0027】
そして、改質部とセル部を一体型で連結して炭化水素化合物の燃料を使用することにより電流密度が大きい高出力を得ることができ、速い応答特性を有することが出来る。さらに、常温で安定的に維持される燃料を使用することにより、安全な作動を行うことが出来る。従って本発明は、このような改善効果により携帯電話、PDA、キャムコーダー、デジタルカメラ、ノート型パソコン等携帯用電子機器のバッテリーのような電源供給装置、或いは携帯用発電機に適用可能な効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0028】
以下、添付の図面により本発明を詳細に説明する。本発明の第1実施例による薄板多層型水素燃料電池1は、図4乃至図6に図示された通り、基板12の一側に流路14が形成され、上記流路14には触媒15層を形成して燃料を水素に改質させる改質部10を有する。
【0029】
上記改質部10は、燃料から水素を発生させる部分である。上記のようなメタノール水蒸気改質の場合、一般的にCuO/ZnO/Al或いはCu/ZnO/Alの触媒15を使用する。上記改質部10の改質反応温度は、150℃〜250℃範囲で水素転換率とCO発生濃度、即ち高温電解質膜(Electrolyte)60が耐えられるようにするため2%以下になるよう考慮して選択される。
【0030】
上記改質部10の基板12は、各々Si材料から成るものであって、図7に図示された通り、一側面にジグザグ形態の窪んだ流路14が形成され、上記流路の一側、即ち上部には燃料導入口16が形成され、上記流路14の他側、即ち下部には以後に説明されるセル部30へ改質ガスを排出するための改質ガス排出口18が形成される。
【0031】
そして、上記改質部10の流路14は、略1mm幅の250μm深さを有するもので、上記流路14内にはCuO/ZnO/Al或いはCu/ZnO/Alの触媒15が蒸着されている。また、上記改質部10は、流路14を形成した基板12の背面に電気的抵抗線から成る熱線20を含んで加熱手段を形成する。
【0032】
従って、該流路の燃料導入口16を通じて炭化水素化合物燃料である、例えばメタノール(CHOH)と水(HO)が供給され、150℃〜250℃範囲の反応温度に加熱されると、吸熱反応を伴う改質作用が行われ改質ガス排出口18側には水素ガス(H)と少量の、好ましくは2%未満のCO、水、CO等が排出される。
【0033】
このように上記改質部10は、その内部流路14にメタノール(CHOH)と水(HO)が供給されると、先に高温によって気化され、燃料導入口16から改質ガス排出口18側へ下向移動しながら漸次メタノール水蒸気改質が成され水素を発生させる。
【0034】
そして、本発明は上記のような改質部10に連続して上記改質部10の基板12を覆う一対の基板32a、32bが並んで配置され、その内部には触媒層を形成した高温電解質膜60が配置され、上記改質部10の水素を活用して電流を発生させるセル部30が配置される。
【0035】
上記セル部30は、図8乃至図10に図示されたようなものであって、上記改質部10の基板12に隣接して配置された右側基板32aと、これに対向して配置された左側基板32bを含み、その間には高温電解質膜(MEA)60が配置される。
【0036】
上記セル部30は、図8aに図示された通り、右側基板32aに上記改質部10の改質ガス排出口18に連通する改質ガス入口34が下部側に形成され、このような改質ガス入口34は、上記右側基板32aに形成された窪んだ流路36に連結され、上記流路36は上部側に延長され改質ガス移動通路を形成するものであって、略4〜4.5mm幅の250μm深さを有する。また、上記流路36の上端側には改質ガスの上昇移動中に高温電解質膜(MEA)60での電気発生に所要されない未反応ガスが以後説明される燃焼部80側へ移動されるための未反応ガス排出口38が形成される。
【0037】
また、上記右側基板32aの流路36には内部に熱線(未図示)が形成され、その流路36を通過する改質ガス、即ち大部分の水素気体を適正温度に維持させ、その熱線の上には絶縁コーティング層が形成され絶縁が成されるようなっている。
【0038】
そして、上記のような右側基板32aは、略500μmのガラス基板から成り、上記流路36を覆うよう導電性金属、好ましくは銅鉄網から成る図8bに図示されたような右側集電器(Current Collector)40が付着され、上記右側集電器40は一側に端子40aを形成して、集電された陰極(−)電流を外部へ出力する。上記右側集電器40は、右側基板32aに装着されるために略100μm深さの安着溝42を上記右側基板32aに形成し、その安着溝42内に固定される。
【0039】
また、上記右側集電器40の外側には以後に説明される高温電解質膜(MEA)60装着用ガスケット62aが配置され、上記右側基板32aには上記ガスケット62a装着用固定溝44が略200μm深さで形成されている。
【0040】
上記のような安着溝42と固定溝44を通じて本発明はさらに薄型に維持されることが出来る。
【0041】
上記セル部30は、図9aに図示されたような左側基板32bを有するところ、上記左側基板32bは上記右側基板32aに対向するもので、略1mm厚さのシリコンウェーハから成り、その一側面、即ち右側基板32a側に向いた面に空気流路46を形成する。上記空気流路46は、略4〜4.5mm幅の250μm深さを有するものとして、その下端部側は空気流入口48aを形成し、その上端部側は空気排出口48bを形成する。
【0042】
そして、上記右側基板32bは、上記右側基板32aに重なる場合、右側基板32aの未反応ガス排出口38に連通して一致する未反応ガス貫通口50を形成し、上記空気流路46を覆うよう導電性金属、好ましくは銅鉄網から成る図9bに図示されたような左側集電器(Current Collector)52が付着され、上記左側集電器52は一側に端子52aを形成して集電された陽極(+)電流を外部へ出力する。
【0043】
また、上記左側集電器52は、左側基板32bに装着されるため略100μm深さの安着溝54を上記左側基板32bに形成し、その安着溝54内に固定される。また、上記左側集電器52の外側には以後に説明される高温電解質膜(MEA)60装着用ガスケット62bが配置され、上記左側基板32bには上記ガスケット62b装着用固定溝56が略200μm深さで形成されている。
【0044】
図10には上記のような右側基板32aと左側基板32bとの間に配置される高温電解質膜(MEA)60とガスケット62a、62bが図示されている。
【0045】
上記高温電解質膜(MEA)60は、高温の改質部10から熱の伝達を受けるため高温(120〜220℃)での使用に適したものである。このような高温電解質膜60の代表的な例としてPBI(Polybenzimidazole)高温電解質膜がある。このような高温電解質膜60を使用すると、高温作動時性能低下が減るだけでなく、触媒のCO被毒性に対する耐性(CO Tolerance)が高くなるにつれ、改質部10ではCO除去装置(未図示)を省くことができ非常に有利である。
【0046】
そして、上記のような高温電解質膜60を固定するため、その両側には各々ガスケット(Gasket)62a、62bを装着して固定する。
【0047】
上記のような高温電解質膜60には各々白金または白金/ルテニウム(Pt/Ru)から成る触媒64a、64b層が前後面に形成される。上記触媒64a、64bは、水素のイオン化を促進することにより水素と接する面積が広いほどその出力密度が高くなる。そして、上記のような触媒64a、64bには、各々右側基板32a及び左側基板32bに付着された右側集電器40及び左側集電器52が接触され、各々高温電解質膜60から発生された電流を集電する。
【0048】
また、本発明は上記セル部30の基板32b一側に並んで基板82が配置され、上記基板82内部には触媒84層を形成した流路86が形成され剰余燃料ガスを燃焼させ発熱させる燃焼部80を含む。
【0049】
上記燃焼部80は、図11に図示された通り、略500μmのガラス基板から成り、その一側には上記左側基板32bの未反応ガス貫通口50に連通する未反応ガス流入口88が形成され未反応メタノールと水素、CO、COを含む未反応ガスが流入される。そして、上記未反応ガス流入口88は、略4〜4.5幅の250μm深さを有する空気流路86に形成され、上記空気流路にはその一側に空気流入口88aが形成され、その反対側には空気排出口88bが形成される。
【0050】
このような燃焼部80は、上記流路86内にPt/Al等の触媒84が蒸着等で付着されており、その空気流路86内部へ流入された未反応ガスのメタノールと水素、CO、COを含むガスが反応空気(Reactant Air)と共にPt/Al等の触媒84と燃焼反応を通じて熱を出す。
【0051】
このような場合に発生される熱は、未反応メタノールとガスと空気の量によって異なり、このように燃焼部80から発生された熱は、改質部10及び、これを囲う断熱層(Thermal Insulation Layer)90の温度を均一に維持する。このような燃焼部80は、改質反応に必要な熱を供給する改質部10熱線の効率が良いとシステム簡素化のため除去されることが出来る。
【0052】
そして、本発明は上記改質部10、セル部30及び燃焼部80を各々囲う断熱層90を含むことが出来る。上記断熱層90は、その内部から発生された熱を外部と遮断することにより熱損失を最小化する役割をし、もしその断熱層90の厚さが厚いとシステムが大きくなるため、断熱効率を極大化することが出来る材料と密封方式が採択されるべく、好ましくは真空断熱方式(Vacuum thermal insulation)を適用することが最も優れた効果を得ることが出来る。
【0053】
上記のように構成された本発明の第1実施例による薄板多層型水素燃料電池1は、改質部10の燃料導入口16側に炭化水素化合物燃料であるメタノール(CHOH)と水(HO)が供給され、150℃〜250℃範囲の反応温度で加熱されると、吸熱反応を伴う改質作用が行われ改質ガス排出口18側に水素ガスと少量の、好ましくは2%未満のCO、水、CO等が排出される。
【0054】
そして、このような改質ガスは、セル部30の右側基板32aに設けられた改質ガス入口34を通じて上部側へ移動しながら高温電解質膜(MEA)60の触媒64a層に接触することとなり、このような過程から水素気体は水素イオン(H)と電子(e)に分解され、そのうち水素イオンのみが選択的に高温電解質膜60を通過して移動し、同時に電子(e)は右側集電器40を通じて移動し、この際起きた電子(e)の流れによって電流が生成される。
【0055】
また、高温電解質膜(MEA)60の反対側触媒64b層では、水素イオン(H)が空気流入口48aを通じ流入された空気と反応して水蒸気を生成し空気排出口48bを通じて排出させる。このような過程から発生された電流は左右側集電器40、52を通じて集電処理される。
【0056】
一方、上記のように右側基板32aでは、改質ガスの上昇移動中に高温電解質膜(MEA)60での電気発生に所要されない未反応ガスは未反応ガス排出口38へ上昇移動し、左側基板32bの未反応ガス貫通口50を通じて燃焼部80へ伝達される。
【0057】
そして、上記燃焼部80では、その空気流路内部へ流入された未反応ガスのメタノールと水素、CO、COを含むガスが反応空気(Reactant Air)と共にPt/Al等の触媒と燃焼反応を通じて熱を発生させる。
【0058】
このような場合に発生される熱は改質部10及び、これを囲う断熱層(Thermal Insulation Layer)90内の温度を均一に維持する。
【0059】
上記において本発明は、改質部10、セル部30及び燃焼部80の各基板に対して各層間接合が容易であるようシリコン基板とガラス層を交代で使用している。
【0060】
例えば、本発明において燃焼部80の基板82はガラス層から成り、セル部30の左側基板32bはシリコンウェーハから成り、右側基板32aはガラス層から成り、改質部10の基板12はシリコンウェーハから成る。これら基板の間の結合は、陽極接合法(anodic bonding)または共融接合(Eutectic bonding)を使用することができ、特に、接合温度を低くする必要がある場合には共融接合(Eutectic bonding)を使用する。この際、接合される層(layer)は全てシリコンウェーハで具現されるべきである。
【0061】
図12乃至図14には、本発明による薄板多層型水素燃料電池の変形構造である第2実施例が図示されている。
【0062】
本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池の変形構造100は、基板112一側に流路が形成され、上記流路には触媒層を形成して燃料を水素に改質させる改質部110を含む。
【0063】
上記改質部110は、燃料から水素を発生させる部分である。メタノール水蒸気改質の場合、一般的にCuO/ZnO/Al或いはCu/ZnO/Alの触媒115を使用する。改質反応温度は150℃〜250℃範囲で水素転換率とCO発生濃度、即ち高温電解質膜(Electrolyte)が耐えられるようにするため2%以下と成るよう考慮して選択される。
【0064】
上記改質部110の基板112は、各々Si材料から成るものであって、図7に図示されたことと類似な構造を有し、一側面にジグザグ形態の窪んだ流路114が形成され、上記流路114の一側、即ち上部には燃料導入口116が形成され、上記流路114には中間に第1改質ガス排出口118aとその下部側に第2改質ガス排出口118bが形成される。
【0065】
上記第1改質ガス排出口118aは、以後に説明される右側セル部130に改質ガスを供給しようとするもので、第2改質ガス排出口118bは左側セル部30に改質ガスを供給するためのものである。
【0066】
このような複数の第1及び第2改質ガス排出口118a、118bを除いた上記改質部110は、上記で第1実施例に関して説明した改質器10部分と同一なため、これに対しては詳細な説明を省略する。
【0067】
また、本発明の第2実施例は、上記改質部基板112の両側から改質部基板112を覆う基板が並んで配置され、その内部には触媒64a、64b、164a、164b層を形成した高温電解質膜60、160が各々配置され、上記改質部110の水素を活用して電流を発生させる一対のセル部30、130を有する。
【0068】
上記一対のセル部30、130のうち、図12に図示された左側のセル部30は、第1実施例に関するセル部と同一であるため、これに対する詳細な説明は省略し同一構成要素には同一参照符号を付与して表示する。
【0069】
一方、上記改質部110の右側に形成された右側セル部130は、図15に図示されたような左側基板部132aと図16に図示されたような右側基板部132bを有し、その間には図17に図示されたような高温電解質膜(MEA)160が形成されている。
【0070】
上記左側基板部132aは、図15に図示された通り、上記改質部110の基板112の背面に形成されたものであって、上記改質部110の第1改質ガス排出口118aに連通する改質ガス入口134が上部側に形成され、このような改質ガス入口134は、上記左側基板部132aに形成された窪んだ流路136に連結され、上記流路136は、下部側に移動して改質ガス移動通路を形成するものとして略4〜4.5mm幅の250μm深さを有するものである。また、上記流路136の下端側には改質ガスの上昇移動中に高温電解質膜(MEA)160での電気発生に所要されない未反応ガスが以後に説明される燃焼部180側へ移動されるための未反応ガス排出口138が形成される。
【0071】
また、上記左側基板部132aの流路136には、内部にPt/Ti等から成る熱線120が形成され、その流路136を通過する大部分が改質ガスを適正温度に維持させ、その熱線120の上には絶縁コーティング層が形成され絶縁が成されるようなっている。
【0072】
そして、上記のような左側基板部132aは、上記流路136を覆うよう導電性金属、好ましくは銅鉄網から成る図18aに図示されたような左側集電器(Current Collector)152が付着され、上記左側集電器152は、一側に端子152aを形成して集電された陰極(−)電流を外部へ出力する。上記左側集電器152は、左側基板部132aに装着されるため略100μm深さの安着溝142を上記左側基板部132aに形成し、その安着溝142内に固定される。また、上記左側集電器152の外側には以後説明される高温電解質膜(MEA)160装着用ガスケット162aが配置され、上記左側基板部132aには上記ガスケット162a装着用固定溝144が略200μm深さで形成されている。
【0073】
上記のような安着溝142と固定溝144を通じて本発明はさらに薄型に維持されることが出来る。
【0074】
また、上記右側セル部130は、図16に図示されたような右側基板部132bを有するところ、上記右側基板部132bは上記左側基板部132aに対向するもので、略1mm厚さのガラスから成り、その一側面、即ち左側基板部132a側に向いた面に空気流路146を形成する。上記空気流路146は、略4〜4.5mm幅の250μm深さを有するものとして、その上端部側は空気流入口148aを形成し、その下端部側は空気排出口148bを形成する。
【0075】
また、上記右側基板部132bは上記左側基板部132aに重なる場合、左側基板部132aの未反応ガス排出口138に連通して一致する未反応ガス貫通口150を下端一側に形成しており、上記空気流路146を覆うよう導電性金属、好ましくは銅鉄網から成る図18bに図示されたような右側集電器(Current Collector)140が付着され、上記右側集電器140は、一側に端子140aを形成して集電された陽極(+)電流を外部へ出力する。
【0076】
そして、上記右側集電器140は、右側基板部132bに装着されるため略100μm深さの安着溝154を上記右側基板部132bに形成し、その安着溝154内に固定される。また、上記右側集電器140の外側には以後説明される高温電解質膜(MEA)160装着用ガスケット162bが配置され、上記右側基板部132bには上記ガスケット162b装着用固定溝156が略200μm深さで形成されている。
【0077】
図17には上記のような左側基板部132aと右側基板部132bとの間に配置される高温電解質膜(MEA)160とガスケット162a、162bが図示されている。
【0078】
上記高温電解質膜(MEA)160は、高温の改質部110から熱の伝達を受けるため高温(120〜220℃)での使用に適したものである。このような高温電解質膜160の代表的な例として第1実施例のように、PBI(Polybenzimidazole)高温電解質膜がある。このような高温電解質膜160を使用すると高温作動時性能低下が減るだけでなく、触媒のCO被毒性に対する耐性(CO Tolerance)が高くなるにつれ、改質部110ではCO除去装置(未図示)を省くことができ非常に有利である。
【0079】
そして、上記のような高温電解質膜160を固定するため、その両側には各々ガスケット162a、162bを装着して固定する。
【0080】
上記のような高温電解質膜160には、各々白金または白金/ルテニウム(Pt/Ru)から成る触媒164a、164b層が形成される。上記触媒164a、164bは、水素のイオン化を促進することにより水素と接する面積が広いほど、その出力密度が高くなる。
【0081】
そして、上記のような触媒164a、164bには各々左側基板部132a及び右側基板部132bに付着された左側集電器152及び右側集電器140が接触され各々高温電解質膜160から発生された電流を集電する。
【0082】
即ち、大部分が水素である改質ガスは、左側基板部132aの左上側から流入され流路136に沿って左下側から出て行く。このような流動中に水素(H)が高温電解質膜160の陽極触媒164aと反応し、分離された電子は左側集電器152を通じ出て外部導線を通して流れる。この際、電子を失ったHイオンは高温電解質膜160を通じてイオン伝導され、上記流路136の端から抜け出した改質ガスは、未反応メタノール、未反応水素と改質反応の間生成された一酸化炭素、二酸化炭素ガスを含み、このような未反応ガスは、触媒燃焼反応のため右側燃焼部180へ流入される。
【0083】
一方、上記流路136内には熱線120が形成され、その表面は絶縁(passivation)処理され左側集電器152は水素ガスと反応しないこととなる。
【0084】
また、本発明は上記右側セル部130の右側基板部132b一側に並んで基板182が配置され、上記基板182内部には触媒184層を形成した流路186が形成され剰余燃料ガスを燃焼させ発熱させる右側燃焼部180を含む。
【0085】
上記右側燃焼部180は、図19に図示された通り、略500μmのシリコン基板182から成り、その一側には上記右側基板部132bの未反応ガス貫通口150に連通する未反応ガス流入口188が形成され未反応メタノールと水素、CO、COを含む未反応ガスが流入される。そして、上記未反応ガス流入口188は、略4〜4.5mm幅の250μm深さを有する空気流路186に形成され、上記空気流路186にはその一側、即ち下端に空気流入口188aが形成され、その反対側、即ち上部側には空気排出口188bが形成される。
【0086】
このような燃焼部180は、上記流路186内にPt/Al等の触媒184が蒸着等で付着されており、その空気流路186内部へ流入された未反応ガスのメタノールと水素、CO、COを含むガスが反応空気(Reactant Air)と共にPt/Al等の触媒184と燃焼反応を通じて熱を出す。
【0087】
このような右側燃焼部180は、その流路186を密閉型で維持するため、図19に図示された通り、上記右側燃焼部180に接合されるガラス蓋190を含む。
【0088】
このようなガラス蓋190は、略250μmの厚さを有し流路186を密閉型に維持するよう付着される。
【0089】
上記において本発明の第2実施例は、改質部110、左右側セル部30、130及び左右側燃焼部80、180の各基板に対して各層間接合が容易であるようシリコン基板とガラス層を交代で使用している。
【0090】
例えば、本発明の第2実施例において左側燃焼部80の基板82は、ガラス層から成り、左側セル部30の左側基板32bはシリコンウェーハから成り、右側基板32aはガラス層から成り、改質部110の基板112はシリコンウェーハから成る。また右側セル部130の右側基板部132bはガラスから成り、上記右側燃焼部180はシリコン基板から成り、上記右側燃焼部180を覆うようガラス蓋190が具備される。
【0091】
これら基板の間の結合は、陽極接合法(anodic bonding)または共融接合(Eutectic bonding)を使用することができ、特に接合温度を低める必要がある場合には共融接合(Eutectic bonding)を使用する。この際接合される層は全てシリコンウェーハで具現されるべきである。
【0092】
そして、図12、図14および図20に示すように、本発明は上記改質部110、セル部130及び燃焼部180を各々囲う断熱層200を含むことが出来る。上記断熱層200は、その内部から発生された熱を外部と遮断することにより熱損失を最小化する役割をし、もしその断熱層200の厚さが厚いとシステムが大きくなるため、断熱効率を極大化できる材料と密封方式が採択されるべきであり、好ましくは真空断熱方式(Vacuum thermal insulation)を適用することが最も優れた効果を得ることが出来る。
【0093】
一方、上記燃焼部180から発生される熱は、未反応メタノールとガスと空気の量によって異なり、その熱は改質部110及び、これを囲う断熱層(Thermal Insulation Layer)200の温度を均一に維持する。このような燃焼部180は、改質反応に必要な熱を供給する改質部110の熱線効率が良いとシステム簡素化のため除去されることが出来る。
【0094】
上記のように構成された本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池100は、改質部110の燃料導入口116側に炭化水素化合物燃料であるメタノール(CHOH)と水(HO)が供給され、150℃〜250℃範囲の反応温度に加熱されると、吸熱反応を伴う改質作用が行われ第1及び第2改質ガス排出口118a、118b側に水素ガスと少量の、好ましくは2%未満のCO、水、CO等が排出される。
【0095】
そして、このような改質ガスは、第1改質ガス排出口118aを通じて右側セル部130へ移動され、第2改質ガス排出口118bを通じて左側セル部30へ移動され、上記左側セル部30へ移動された改質ガスは、第1実施例と同一過程を通じて改質が行われた後、電流を生産するためこれに対する詳細な説明は省略する。
【0096】
一方、第1改質ガス排出口118aを通じて右側セル部130へ移動された改質ガスは、図15に図示された通り、右側セル部130の左側基板部132aに設けられた改質ガス入口134を通じて流入され下部側へ移動しながら高温電解質膜(MEA)160の陽極触媒164a層に接触することとなり、このような過程から水素気体は水素イオン(H)と電子(e)に分解され、そのうち水素イオンのみ選択的に高温電解質膜160を通過して移動し、同時に電子(e)は左側集電器152を通じて移動し、この際起きた電子(e)の流れにより電流が生成される。
【0097】
また、上記右側高温電解質膜(MEA)160の反対側陰極触媒164b層では、図16に図示された通り、水素イオン(H)が上部側の空気流入口148aを通じて流入された空気と反応して水蒸気を生成し空気排出口148bを通じて排出させる。このような過程から発生された電流は、左右側集電器140、152を通じて集電処理される。
【0098】
一方、上記のように左側基板部132aでは、改質ガスの上昇移動中に高温電解質膜(MEA)160での電気発生に所要されない未反応ガスは、未反応ガス排出口138へ下降移動し、右側基板部132bの未反応ガス貫通口150を通じて右側燃焼部180の下部へ伝達される。
【0099】
そして、上記右側燃焼部180では、その空気流路186内部へ流入された未反応ガスのメタノールと水素、CO、COを含むガスが流路186に沿って上昇しながら反応空気(Reactant Air)と共にPt/Al等の触媒184と燃焼反応を通じて熱を発生させる。
【0100】
このような場合に発生される熱は、改質部110及び、これを囲う断熱層(Thermal Insulation Layer)200の温度を均一に維持する。
【0101】
上記のように本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池100は、改質部110を通じて左右側セル部30、130に水素気体を供給し、上記左右側セル部30、130から各々電流を発生させ、上記セル部30、130の両側に配置された燃焼部80、180では高温電解質膜60、160を通じて電流を発生させるに必要な温度を提供する。
【0102】
従って、本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池100は、小型の構造を備えながら電流発生効率が高い高性能を維持することとなる。
【0103】
上記で本発明は、特定の実施例に関して図示され説明されたが、当業界において通常の知識を有している者であれば、添付の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域を外れない範囲内で本発明を多様に修正及び変更させることが分かる。しかし、このような修正及び変形構造は全て本発明の権利範囲内に含まれることを明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【0104】
【図1】従来の技術によるDMFC方式の燃料電池を図示した断面図である。
【図2】従来の技術によるPEMFC方式の燃料電池を図示した断面図である。
【図3】従来の技術によるまた異なる方式の燃料電池を図示した分解図である。
【図4】本発明の第1実施例による薄板多層型水素燃料電池を分解して図示した側断面図である。
【図5】本発明の第1実施例による薄板多層型水素燃料電池の基本概念を図示したブロックダイヤグラムである。
【図6】本発明の第1実施例による薄板多層型水素燃料電池の結合構造を図示した断面図である。
【図7】本発明の第1実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備された改質部を図示した斜視図である。
【図8a】本発明の第1実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備されたセル部の詳細図として、右側基板部分を図示した斜視図である。
【図8b】本発明の第1実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備されたセル部の詳細図として、右側集電器を図示した斜視図である。
【図9a】本発明の第1実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備されたセル部の詳細図として、左側基板部分を図示した斜視図である。
【図9b】本発明の第1実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備されたセル部の詳細図として、左側集電器を図示した斜視図である。
【図10】本発明の第1実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備されたセル部の高温電解質膜とガスケットを図示した分解斜視図である。
【図11】本発明の第1実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備された燃焼部を詳細に図示した斜視図である。
【図12】本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池を分解して図示した側断面図である。
【図13】本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池の重要部分結合構造を図示した分解斜視図である。
【図14】本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池の結合側断面図である。
【図15】本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備されたセル部の左側基板部を図示した斜視図である。
【図16】本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備されたセル部の右側基板部分を図示した斜視図である。
【図17】本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備された右側セル部と右側燃焼部の分解組立図である。
【図18a】本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備された右側セル部の集電器を図示した構成図として、右側集電器を図示した斜視図である。
【図18b】本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備された右側セル部の集電器を図示した構成図として、右側集電器を図示した斜視図である。
【図19】本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備された燃焼部とガラス蓋を詳細に図示した分解斜視図である。
【図20】本発明の第2実施例による薄板多層型水素燃料電池に具備された断熱層を図示した外観斜視図である。
【符号の説明】
【0105】
1、100 薄板多層型水素燃料電池
10、110 改質部
15 触媒
16、116 燃料導入口
18、118a、118b 改質ガス排出口
20、120 熱線
30、130 セル部
32a、32b、132a、132b 基板
34、134 改質ガス入口
36、136 流路
38、138 未反応ガス排出口
40、52、140、152 集電器(Current Collector)
42、142 安着溝
60、160 高温電解質膜(MEA)
62a、62b、162a、162b ガスケット
64a、64b、164a、164b 触媒
80、180 燃焼部
86、186 空気流路
88、188 未反応ガス流入口
88a、188a 空気流入口
88b、188b 空気排出口
90、200 断熱層(Thermal Insulation Layer)
300 燃料電池
310 電解質層(Electrolyte layer)
312a 陽極
312b 陰極
330 メタノール供給メカニズム
332 メタノール貯蔵タンク
334 メタノール及び水供給ポンプ
340 酸素供給メカニズム
342 酸素圧縮機
400 PEMFCシステム
420 水素供給系統
430 空気供給系統
500 小型燃料電池
510 改質部
520 セルスタック部
528 ベント(vent)
530 廃熱回収室




 

 


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