JP5228200B2

JP5228200B2 - 燃料カートリッジ及びこれを備えた燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP5228200B2
Application number: JP2008287030A
Authority: JP
Inventors: ジャンジェ−ヒュク; チャヒエ−ヨン; キムソン−ハン
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-11-07
Also published as: JP2009259770A; KR101039848B1; KR20090108864A; US20090258266A1

Description

本発明は、燃料カートリッジ及びこれを備えた燃料電池発電システムに関する。

燃料電池は、燃料（水素、ＬＮＧ、ＬＰＧ、メタノールなど）と空気との化学エネルギーを電気化学的反応により直接電気及び熱に変換させる装置である。従来の発電技術が燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動、発電機駆動過程を用いていたことと異なって、燃料電池は燃焼過程や駆動装置がないため、効率が高くかつ環境問題を誘発しない新概念の発電技術である。

燃料電池中、小型携帯用電子機器に適用するために研究している燃料電池としては、水素を燃料として使用する高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell、ＰＥＭＦＣ）及び、メタノール直接型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell、ＤＭＦＣ）のように液体燃料を直接燃料として使用する直接液体燃料電池などがある。水素を燃料として使用するＰＥＭＦＣは出力密度は高いが、水素を供給するための装置を別途に設ける必要があり、水素を供給するために水素貯蔵タンクなどを用いると体積が大きくなり、また保管に危険である。

従来の高分子電解質型燃料電池の燃料である水素を発生させるための方法としては、アルミニウムの酸化反応、金属ボロハイドライド系の加水分解及び金属電極体反応に分けられ、中でも、水素発生を効率的に調節できる金属電極体を用いた方法がある。これは主にマグネシウムの電極がＭｇ２＋イオンにイオン化することにより得られた電子が導線を介して他の金属体に接続され水の分解反応により水素を発生させる方法であって、接続された導線の短絡、使用される電極体間の間隔及びサイズにより水素の発生を調節することができる。

しかし、従来技術による水素発生方法によると、水素発生時に電解質水溶液が燃料電池スタック（stack）へ逆流する問題があり、電解質水溶液が完全に消費されて水素発生が停止された場合、燃料電池に再度水素を供給するのが煩わしいことであった。
このために、水素発生時に水溶液逆流現象を防止でき、水素発生終了時に簡単に入れ替えできる燃料カートリッジ及びこれを用いた燃料発電システムが要求されつつある。
日本特開２００７−１２２８９５号韓国特開２００４−０００１１３８号

本発明は、電解質水溶液の逆流現象を抑制でき、水素発生効率を増加できる燃料カートリッジを提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、電気エネルギーの発生効率を増加でき、より容易かつ効果的に電気エネルギーを生産できる燃料電池発電システムを提供することにある。

本発明の一実施形態によれば、電解質水溶液と反応して水素を発生させる水素発生部と、水素発生部を囲み、発生された水素を電解質水溶液と分離して外部に放出する気液分離膜と、気液分離膜を開閉するキャップと、を含む燃料カートリッジが提供される。

気液分離膜は、フレキシブルな材質からなることができる。
気液分離膜は、多数の気孔が形成された疎水性物質を含むことができる。
気液分離膜は、フッ素樹脂であるＰＴＦＥを含むことができる。
水素発生部は、電子を発生させる酸化電極及び、酸化電極から電子を受けて水素を発生させる還元電極を含むことができる。
キャップには、酸化電極及び還元電極を外部に電気的に接続させる接続端子が形成されてもよい。

また、本発明の他の実施形態によれば、ハウジングと、ハウジングに固定され、水素の化学エネルギーを変換させて電気エネルギーを生成する膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ハウジングの内部に収容され、膜電極接合体に水素を供給する燃料カートリッジと、ハウジングの内部が密閉されるようにハウジングに固定されるカバーと、を含み、燃料カートリッジは、電解質水溶液と反応して水素を発生させる水素発生部と、水素発生部を囲み、発生された水素を電解質水溶液から外部に放出する気液分離膜と、気液分離膜を開閉するキャップと、を含むことを特徴とする燃料電池発電システムが提供される。

気液分離膜は、フレキシブルな材質からなることができる。
気液分離膜は、多数の気孔が形成された疎水性物質を含むことができる。
気液分離膜は、フッ素樹脂であるＰＴＦＥを含むことができる。
水素発生部は、電子を発生させる酸化電極及び、酸化電極から電子を受けて水素を発生させる還元電極含むことができる。
キャップには、酸化電極及び還元電極を外部に電気的に接続させる接続端子が形成されてもよい。
カバーには、接続端子と電気的に接続され、酸化電極及び還元電極の通電を制御する制御回路が形成されることができる。

ハウジングには、膜電極接合体が外部空気と接するように開口部が形成されてもよく、水素を燃料カートリッジから膜電極接合体に移動できるようにする流路が形成されてもよい。

本発明の一実施形態による燃料カートリッジを用いると、水素発生時に起こり得る電解質水溶液の逆流現象を防止でき、電解質水溶液の損失を最小化して水素発生効率を増加させることができる。

また、本発明の他の実施形態による燃料電池発電システムを用いると、燃料カートリッジの水素発生効率が増加されるほど電気エネルギーの発生効率が増加され、燃料カートリッジの交換が簡単であるため、より容易かつ効果的に電気エネルギーを生産することができる。

以下、本発明による燃料カートリッジ及びこれを備えた燃料電池発電システムの実施例を添付図面に基づいて詳細に説明し、添付図面を参照して説明するに当たって、同一かつ対応する構成要素は、同一の図面符号を付し、これに対する重複説明は省略する。

また、「固定」とは、各構成要素が物理的に直接接触する場合だけではなく、他の構成が各構成要素の間に介在され、その他の構成に構成要素がそれぞれ接触している場合も含む概念として用いられている。

図１は、本発明の一実施形態による燃料カートリッジの一実施例の水素発生原理を示す概略図であり、図２は本発明の一実施形態による燃料カートリッジの一実施例を示す斜視図である。

図１及び図２を参照すると、燃料カートリッジ１００、水素発生部１１０、酸化電極１１２、還元電極１１４、気液分離膜１２０、キャップ１３０、接続端子１４０が示されている。

本実施例では、水素発生時に起こり得る電解質水溶液の逆流現象を防止でき、電解質水溶液の損失を最小化して水素発生効率を増加できる燃料カートリッジ１００を提供する。

水素発生部１１０は、電解質水溶液と反応して水素を発生させることができる。すなわち、水素発生部１１０は電解質水溶液内に配置され、電子を発生させる酸化電極１１２及び、酸化電極１１２からの電子を受けて水素を発生させる還元電極１１４を含むことができる。以下、図１を参照して、酸化電極１１２と還元電極１１４との間の反応について説明する。

酸化電極１１２は活性電極であって、電解質水溶液中に電子を発生させることができる。酸化電極１１２は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）からなってもよく、この酸化電極１１２と水素とのイオン化傾向の差から、酸化電極１１２が電解質水溶液中に電子を出してマグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）に酸化される。

この時、生成された電子は酸化電極１１２と電気的に接続されている還元電極１１４に移動されることができる。したがって、酸化電極１１２は電子を生成するほど消耗される。また、酸化電極１１２は後述する還元電極１１４に比べて相対的にイオン化傾向が大きい金属からなることができる。

還元電極１１４は不活性電極であって、酸化電極１１２とは異なって消耗されないため、酸化電極１１２の厚さより薄く実現することができる。還元電極１１４は、電解槽水溶液内に配置され、酸化電極１１２から発生された電子を受けて水素を発生させることができる。還元電極１１４は、例えば、ステンレススチール（Stainless Steel）からなってもよく、電子と反応して水素を発生させることができる。すなわち、還元電極１１４における化学反応は、水が酸化電極１１２から移動してきた電子を受けて水素に分解される反応である。酸化電極１１２及び還元電極１１４における化学反応は下記の一般式（１）のようになる。

（化１）
酸化電極１１２：Ｍｇ→Ｍｇ^２＋＋２ｅ⁻
還元電極１１４：２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→Ｈ_２＋２（ＯＨ）⁻ （１）
全反応：Ｍｇ＋２Ｈ_２Ｏ→Ｍｇ（ＯＨ）_２＋Ｈ_２

一方、電解質水溶液には、ＬｉＣｌ、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＫＮＯ_３、ＮａＮＯ_３、ＣａＣｌ_２、ＭｇＣｌ_２、Ｋ_２ＳＯ_４、Ｎａ_２ＳＯ_４、ＭｇＳＯ_４、及びＡｇＣｌの１種または２種以上を組合して使用してもよく、電解質水溶液が水素イオンを含んでもよい。

本実施例では、水素発生部１１０が酸化電極１１２及び還元電極１１４で構成された場合を一例として挙げたが、以外にもアルミニウム（Ａｌ）などの金属自体と水との反応を用いて水素を発生させる場合なども本発明の水素発生部１１０に含まれることは明らかである。

気液分離膜１２０は、水素発生部１１０を囲み、水素発生部１１０より発生された水素を電解質水溶液と分離して外部に放出することができる。気液分離膜１２０は、多数の気孔が形成された疎水性物質、すなわち、フッ素樹脂であるＰＴＦＥを含むことができ、水素発生部１１０を囲んでいるので、内側に電解質水溶液が供給され水素が発生されると、電解質水溶液は通過させず、水素を分離して全面を通して外部に放出させることができる。

また、気液分離膜１２０は、フレキシブルな材質からなってもよく、この場合、内側に電解質水溶液が供給される前には体積が小さいため、携帯し易くかつ保管が容易である。

また、気液分離膜１２０の内側には、上述した電解質物質と、酸化電極１１２及び還元電極１１４の間の反応が効果的に起こるように補助する添加剤とが収容されていてもよく、この場合、使用者により気液分離膜１２０の内側に純水が供給されると、純水は酸化電極１１２及び還元電極１１４との反応を容易にする電解質水溶液になることができる。

キャップ１３０は、気液分離膜１２０の内側に電解質水溶液が供給されるように気液分離膜１２０を開閉することができる。すなわち、キャップ１３０は、気液分離膜１２０を開閉することにより、空いている気液分離膜１２０の内側に水素発生のための電解質水溶液を供給し、これを密閉することができる。

ここで、キャップ１３０には、酸化電極１１２及び還元電極１１４を外部に電気的に接続させる接続端子１４０が形成されてもよく、これにより、外部装置は接続端子１４０を介して酸化電極１１２及び還元電極１１４との通電を調節して水素発生時間や発生量を調節することができる。ここで、外部装置は、燃料電池発電システムの一部であってもよく、これについては燃料電池発電システムを説明する一実施例で後述する。

次に、本発明の他の実施形態による燃料電池発電システムの一実施例について説明する。
図３は、本発明の他の実施形態による燃料電池発電システムの一実施例を示す斜視図であり、図４及び図５は、本発明の他の実施形態による燃料電池発電システムの一実施例が適用された携帯電話を示す斜視図である。

図３〜図５を参照すると、燃料電池発電システム２００、水素発生部２１０、酸化電極２１２、還元電極２１４、気液分離膜２２０、キャップ２３０、接続端子２４０、制御回路２４５、ハウジング２５０、開口部２６０、流路２６５、膜電極接合体２７０、燃料カートリッジ２８０、カバー２９０、携帯電話２９５が示されている。

本実施例では、燃料カートリッジ２８０の水素発生効率が増加するほど、電気エネルギー発生効率が増加され、燃料カートリッジ２８０の交換が簡単であるため、より容易かつ効果的に電気エネルギーを生産できる燃料電池発電システム２００を提供する。

本実施例において、水素発生部２１０、酸化電極２１２、還元電極２１４、気液分離膜２２０、キャップ２３０、及び接続端子２４０で構成された燃料カートリッジ２８０の構成及び作用は前述の実施例と同一または対応するので、これに対する詳細な説明は省略し、以下では、前述の実施例との差異点である制御回路２４５、ハウジング２５０、開口部２６０、膜電極接合体２７０、カバー２９０について説明する。

ハウジング２５０の内部には燃料カートリッジ２８０が収容されることができ、ハウジング２５０は後述するカバー２９０により密閉できる。すなわち、ハウジング２５０とカバー２９０とにより内部が密閉されるので、燃料カートリッジ２８０の気液分離膜２２０の全面を通して水素が放出されても、水素を損失することなく効率的に電気エネルギーを生産することができる。

一方、ハウジング２５０には、膜電極接合体２７０が外部空気と接するように開口部２６０が形成されてもよく、これにより、別途の空気供給装置がなくても自然対流により膜電極接合体２７０のカソードに空気が供給されるので、より小型化された燃料電池発電システム２００を実現することができる。

また、ハウジング２５０には、水素が燃料カートリッジ２８０から膜電極接合体２７０に移動されるようにする流路２６５が形成されてもよく、これにより、燃料カートリッジ２８０より発生された水素がハウジング２５０に形成されている流路２６５に沿ってアノードに効果的に供給されることになる。

膜電極接合体２７０は、ハウジング２５０の内面に固定され、水素の化学エネルギーを変換させて電気エネルギーを生成することができ、アノード及びカソードと、これらの間に介在される電解質膜とを含むことができる。

ここで、電解質膜は、アノードとカソードとの間に介在され、アノードの酸化反応により発生される水素イオンをカソードに移動させる役割を担い、高分子物質を利用できる。
また、アノードは電解質膜の一面に形成され、水素などの燃料が供給されるとアノードの触媒層から酸化反応が起こって水素イオン及び電子を発生させることができ、カソードは電解質膜の他面に形成され、酸素及びアノードより発生された電子の供給を受けてカソードの触媒層から還元反応が起こって酸素イオンを発生させることができる。
このような酸化・還元反応により化学エネルギーから直接電気エネルギを得ることができ、アノード及びカソードにおける化学反応は下記一般式（２）のようになる。

（化２）
アノード：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ（２）
全反応：２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ

カバー２９０は、ハウジング２５０の内部が密閉されるようにハウジング２５０に固定されることができる。すなわち、前述したように、燃料カートリッジ２８０をハウジング２５０の内部に収容し、カバー２９０でハウジング２５０を密閉することにより、水素の損失を防止することができる。

また、燃料カートリッジ２８０での反応が終わって水素が発生されない場合には、カバー２９０を開いて簡単に燃料カートリッジ２８０を取り出した後に電解質水溶液が供給された新たな燃料カートリッジ２８０をハウジング２５０の内部に入れてカバー２９０で密閉することにより、簡単に電気エネルギーを生産し続けることができる。

一方、カバー２９０には、接続端子２４０に電気的に接続され、酸化電極２１２及び還元電極２１４の通電を制御する制御回路２４５が形成されることができる。すなわち、カバー２９０が閉じると、接続端子２４０と制御回路２４５とが電気的に接続され、接続端子２４０と電気的に接続されている酸化電極２１２及び還元電極２１４は制御回路２４５により通電が制御され水素発生時間や発生量を調節することができる。

本実施例による燃料電池発電システム２００は、携帯電話２９５などの携帯用機器に適用でき、図４及び図５に示すように、従来のバッテリー（battery）の代わりに使用されることができる。
前述した実施例以外の多様な実施例が本発明の特許請求範囲内に存在する。

本発明の一実施形態による燃料カートリッジの一実施例の水素発生原理を示す概略図である。本発明の一実施形態による燃料カートリッジの一実施例を示す斜視図である。本発明の他の実施形態による燃料電池発電システムの一実施例を示す斜視図である。本発明の他の実施形態による燃料電池発電システムの一実施例が適用された携帯電話を示す斜視図である。本発明の他の実施形態による燃料電池発電システムの一実施例が適用された携帯電話を示す斜視図である。

符号の説明

１００燃料カートリッジ
１１０水素発生部
１１２酸化電極
１１４還元電極
１２０気液分離膜
１３０キャップ
１４０接続端子

Claims

金属からなり、前記金属がイオン化することにより電子を発生させる酸化電極と、前記酸化電極からの前記電子を受けて水素を発生させる還元電極と、を含み、前記酸化電極と前記還元電極とが電解質水溶液と接触する水素発生部と、
前記水素発生部および前記電解質水溶液を内側に収容し、前記電解質水溶液を供給するための供給口が形成され、前記水素発生部から発生された水素を前記電解質水溶液と分離して外部に放出する気液分離膜（liquid-gas separation membrane）と、
前記供給口に結合され、前記気液分離膜の内側を密閉するキャップ（cap）と、
を含む燃料電池発電システム用の燃料カートリッジ（fuel cartridge）。
前記気液分離膜は、その全面を通して前記水素発生部から発生された水素を外部に放出する請求項１に記載の燃料カートリッジ。
前記気液分離膜が、フレキシブル（flexible）な材質からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料カートリッジ。
前記気液分離膜が、多数の気孔が形成された疎水性物質を含むことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料カートリッジ。
前記気液分離膜が、フッ素樹脂であるＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）を含むことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の燃料カートリッジ。
前記キャップには、前記酸化電極及び前記還元電極を外部に電気的に接続させる接続端子が形成されることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の燃料カートリッジ。
ハウジング（housing）と、
前記ハウジングに固定され、水素の化学エネルギーを変換して電気エネルギーを生成する膜電極接合体（ＭＥＡ、membrane electrode assembly）と、
前記ハウジングの内部に収容され、前記膜電極接合体に前記水素を供給する燃料カートリッジと、
前記ハウジングの内部が密閉されるように前記ハウジングに固定されるカバー（cover）と、を含み、
前記燃料カートリッジが、
金属からなり、前記金属がイオン化することにより電子を発生させる酸化電極と、前記酸化電極からの前記電子を受けて水素を発生させる還元電極と、を含み、前記酸化電極と前記還元電極とが電解質水溶液と接触する水素発生部と、
前記水素発生部および前記電解質水溶液を内側に収容し、前記電解質水溶液を供給するための供給口が形成され、前記水素発生部から発生された水素を前記電解質水溶液と分離して外部に放出する気液分離膜と、
前記供給口に結合され、前記気液分離膜の内側を密閉するキャップと、
を含むことを特徴とする燃料電池発電システム。
前記気液分離膜は、その全面を通して前記水素発生部から発生された水素を外部に放出する請求項７に記載の燃料電池発電システム。
前記気液分離膜が、フレキシブルな材質からなることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の燃料電池発電システム。
前記気液分離膜が、多数の気孔が形成された疎水性物質を含むことを特徴とする請求項７から請求項９の何れかに記載の燃料電池発電システム。
前記気液分離膜が、フッ素樹脂であるＰＴＦＥを含むことを特徴とする請求項７から請求項１０の何れかに記載の燃料電池発電システム。
前記キャップには、前記酸化電極及び前記還元電極を外部に電気的に接続させる接続端子が形成されることを特徴とする請求項７から請求項１１の何れかに記載の燃料電池発電システム。
前記カバーには、前記接続端子と電気的に接続されて前記酸化電極及び前記還元電極の通電を制御する制御回路（control circuit）が形成されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池発電システム。
前記ハウジングには、前記膜電極接合体が外部空気と接するように開口部が形成されることを特徴とする請求項７から請求項１３の何れかに記載の燃料電池発電システム。
前記ハウジングには、前記水素を前記燃料カートリッジから前記膜電極接合体に移動させる流路が形成されることを特徴とする請求項７から請求項１４の何れかに記載の燃料電池発電システム。