KR100458783B1 - 고체 고분자형 연료전지 - Google Patents

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KR100458783B1
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 고체 고분자 막을 갖는 셀, 상기 셀의 양측에 위치하는 것으로 그 사이에 셀이 개재되는 세퍼레이터, 및 상기 셀과 세퍼레이터 사이에 배치되는 것으로 도전성 다공질 물질을 포함하는 기재 및 상기 기재상에 배치된 슬러리 층을 갖는 확산층을 포함하며, 상기 확산층 각각의 적어도 일부분에 확산층 주 표면과 평행한 방향으로의 가스 투과를 방지하기 위한 가스 배리어를 설치한 고체 고분자형 연료전지에 관한 것이다.

Description

고체 고분자형 연료전지{SOLID POLYMER TYPE FUEL BATTERY}
종래, 고체 고분자형 연료전지로는 셀, 이 셀의 양측에 배치되는 것으로 그 사이에 셀이 개재되는 2개의 세퍼레이터, 및 상기 셀과 세퍼레이터 사이에 배치된 확산층으로 구성되었다.
상기 셀은 고체 고분자 막 및 상기 막의 양측에 배치된 2개의 반응층으로 구성된다. 상기 확산층은 카본지 및 카본지의 한쪽 주 표면에 형성된 슬러리 층으로 구성되어 있다. 상기 셀과 마주하는 세퍼레이터의 표면에는 수소가스 통로용 홈이 형성되고, 세퍼레이터의 다른 쪽 표면에는 공기 통로용 홈이 형성된다.
그러나, 종래의 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터는 연료가스 및 산화가스가 홈의 형상을 따라 유동하지 않고 확산층을 통해 우회한다. 이것은 결과적으로 셀내에 물을 체류시켜 반응 면적의 축소, 발전 성능의 저하 및 셀 손상 위험 등을 초래하는 문제점이 있었다.
한편, 셀내에 체류하는 물을 제거하기 위해서, 세퍼레이터에서의 압력손실을 충분히 크게 하고 대류하는 물을 가스중에 기체로서 거둬들이는 방법이 사용되었다. 이 방법에 따르면 고체 고분자형 연료전지에서의 가스 압력 손실이 커져 가스를 공급하는 압축 장치 등의 보조기기의 소요 동력을 증가시킴으로써 연료전지 시스템의 전체적인 발전효율을 저하시키는 문제가 있었다.
발명의 요약
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 의도된 것으로, 확산층의 적어도 일부분에 확산층 주 표면과 평행한 방향으로의 가스 투과를 방지하기 위한 가스 배리어(gas barrier)를 상기 확산층의 적어도 일부에 설치함으로써 샐내의 물 체류 문제를 피할 수 있고 셀의 전체 표면에 대한 균일한 발전량을 성취할 수 있을 뿐만 아니라 물을 효율적으로 제거할 수 있는 고체 고분자형 연료 전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 고체 고분자 막을 갖는 셀, 상기 셀의 양측에 배치되는 것으로 그 사이에 셀이 개재되는 세퍼레이터, 및 상기 셀과 세퍼레이터 사이에 배치되는 것으로 도전성 다공질 물질을 포함하는 기재 및 상기 기재상의 슬러리 층을 갖는 확산층을 구비하고, 상기 확산층의 적어도 일부에 주 표면의 방향으로 가스 투과 방지용 가스 배리어를 설치한 고체 고분자형 연료전지가 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시 양태에 있어서, 가스 배리어는 가스 배리어 형성부로부터 기재물질을 제거하고 이로부터 형성되는 빈 공간에 고무 또는 수지를 충전시킴으로써 형성되는 가스 불투과성 물질층을 포함한다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시 양태에 있어서, 가스 배리어는 주위보다 두껍게 되도록 가스 배리어 형성부에 형성되는 세퍼레이터 각각의 돌출부, 및 상기 돌출부에 위치하는 도전성 다공질 물질층을 주위와 비교하여 압축시킴으로써 형성된 압축층을 포함한다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시 양태에 있어서, 가스 배리어는 가스 배리어 형성부용 세퍼레이터 각각의 부분에 수지를 함침시킴으로써 형성된 것으로 가스 기밀성을 부여하는 수지 함침층을 포함한다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시 양태에서, 도전성 다공질 물질을 포함하는 기재가 카본지, 카본 크로스 및 카본 부직포 중의 어느 하나를, 플루오로 수지를 사용하여 발수처리시킴으로써 형성된다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시 양태에 있어서, 상기 확산층은 1×10-3내지 5×10-2N/m의 계면 에너지를 갖는다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시 양태에 있어서, 공급 연료 가스의 유량(LA[l/min]) 및 고체 고분자형 연료 전지에서의 압력손실(ΔPA[MPa])은 하기 수학식 1의 관계를 만족시키며, 마찬가지로 고체 고분자형 연료 전지에 공급되는 산화제 가스의 유량(LC[l/min]) 및 고체 고분자형 연료 전지에서의 압력손실(ΔPc [MPa])은 하기 수학식 2의 관계를 만족시킨다:
본 발명의 바람직한 실시 양태에서, 확산층은 1.5×10-4cm/sec/Pa 이상의 가스 투과 속도를 갖는다.
본 발명의 또다른 바람직한 실시 양태에서, 확산층은 45% 이상의 평균 기공률을 갖는다.
본 발명은 고체 고분자형 연료전지(PEFC: Polymer Elecrolyte Fuel Cel1)의 개량에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 PEFC을 개략적으로 설명하는 단면 분해도이다.
도 2는 도 1의 PEFC를 구성하는 셀의 반응거동을 도시한 개념도이다.
도 3은 PEFC용 세퍼레이터를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 1 실시 양태에 따르는 PEFC의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시 양태에 따르는 PEFC의 개략적인 단면도이다.
도 6는 본 발명의 제 3 실시 양태에 따르는 PEFC의 개략적인 단면도이다.
도 7은 공기 전극의 가스의 유량과 압력손실의 관계를 도시한 그래프이다.
도 8은 연료 전극의 가스의 유량과 압력손실의 관계를 도시한 그래프이다.
도 9은 압력손실과 발전전압의 관계를 도시한 그래프이다.
도 10은 확산층의 가스 투과 속도와 발전 전압의 관계를 도시한 그래프이다.
도 11은 확산층의 평균 기공률과 발전전압의 관계를 도시한 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 양태를 설명한다. 그렇지만, 이러한 실시 양태는 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것이 아니다.
우선, 본 발명의 한가지 실시 양태에 관한 고체 고분자형 연료전지(PEFC)에 관해서 도면을 참조하여 설명한다.
제 1 실시 양태
도 1은 본 발명에 따른 고체 고분자형 연료전지의 제 1 실시 양태를 단면으로 분해하여 나타낸다. 이 연료전지(1)는 셀(2), 이 셀(2)의 양쪽 단측에 배치되어 셀(2)을 개재시키는 세퍼레이터(3a 및 3b), 및 상기 셀(2)과 세퍼레이터(3a 및 3b) 사이에 배치된 확산층(4)으로 구성되어 있다.
상기 셀(2)은 고체 고분자 막(5) 및 상기 막(5)의 양측에 배치된 반응층(6a 및 6b)으로 구성되어 있다.
고체 고분자 막(5)은, 예컨대, 퍼플루오로설폰산 소재로 형성되는 막이다.
상기 확산층(4)은 기재라고도 불리는 것이다. 카본지(7) 및 한쪽의 주 표면에 형성된 슬러리 층(8)으로 구성되어 있다. 또한, 카본지는 도전성 다공질 물질이면, 그 외에 탄소 크로스, 탄소 부직포 중의 어느 하나일 수도 있다. 슬러리 층(8)은 예컨대, 친수성 카본블랙, 소수성 카본블랙 및 폴리테트라플루오로에틸렌을 솔벤트 나프타 중에서 혼합하여 슬러리로서 이것을 확산층 표면에 스크린 인쇄하여 소성하여 형성되는 층이다.
한편, 상기 세퍼레이터(3a)의 셀측에는 수소가스를 흐르게 하기 위한 홈(9)이 형성되어 있다. 다른 쪽의 세퍼레이터(3b)에는 공기를 통하게 하기 위한 홈(10)이 형성되어 있다.
상기 셀(2)을 보다 구체적으로 설명하면, 도 2에 도시한 바와 같이 반응층(6a)은 연료 전극(11)과 고체 고분자 막(5)측에 형성된 예컨대 백금 촉매층(12)으로 구성되고, 다른 쪽 반응층(6b)은 공기 전극(13)과 고체 고분자 막(5)측에 형성된 백금 촉매층(12)으로 구성하고 있다. 연료 전극(11)은 백금계 합금 촉매를 카본블랙에 지지한 것으로 전해질 고분자 등의 소재로 구성되어 공기 전극(13)은 백금 합금 촉매를 카본블랙에 지지한 것과 전해질 고분자 등의 소재로 구성되어 있다.
여기에서, 상기 연료 전극(11) 및 공기 전극(13)에서는 하기와 같은 반응이 일어난다:
연료 전극: H2→2H++2e-
공기 전극: 2H++2e-+(1/2)O2→H2O
그런데, 이러한 구성의 연료전지에 있어서, 상기 세퍼레이터(3a)(또는 (3b))의 평면 형상은 도 3에 도시한 바와 같이 홈을 구불구불하게 형성한 형상으로 되어 있다. 즉, 이러한 형상의 세퍼레이터에서는 예컨대 수소가스를 세퍼레이터(3a)의 코너부의 도입 홀(14)로부터 대각선상의 배출 홀(15)로 보낼 때에 가스의 유속을 높여서 홈에 개재된 물을 제거하기 위해서, 예컨대 3회 정도 가스의 방향을 바꾸는 구성으로 되어 있다.
여기에서, 연료 가스 및 산화 가스는 홈의 형상에 따르지 않고 확산층을 통해 우회하여 유동하여, 도 3 중의 점선과 같이 유동함으로써, 셀중에 물이 체류하게 되고 그 부분에서 반응면적이 좁아짐으로써, 발전 성능을 열화시키는 등의 문제가 생기지 않도록 해야 한다.
본 실시 양태에서는, 이러한 문제가 발생하지 않는 구조를 사용하고 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조한다. 여기에서, 상술한 바와 같이, 도 4a는 본 발명의 제 1 실시 양태에 관한 PEFC(고체 고분자형 연료전지)의 한가지 구성인 확산층의 개략적인 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 라인 X-X에 따라 절단한 단면도를 나타낸다. 단, 도 4a에서는 슬러리 층을 도시하지 않고 있다.
확산층을 구성하는 카본지(21)에서는 세퍼레이터(3a)(또는 3b)의 구불구불한 홈(도시하지 않음)을 따라 슬릿(22)이 배치되어 있다. 이 카본지(21)의 슬릿(22)에는 예컨대 고무로 이루어지는 가스 배리어(23)가 설치되어 있다.
상기 가스 배리어(23)를 포함하는 카본지(21)상에는 슬러리 층(8)이 형성되어, 카본지(21)에 의한 확산층(24)이 형성된다. 여기에서, 가스 배리어(23)는 상온 경화형의 실리콘 고무 밀봉재로 이루어져 있다.
본 실시 양태에서는, 슬릿이 형성된 카본지에 액상의 실리콘 고무를 유입시켜 소정의 두께가 되도록 성형하고 실온에서 경화시킴으로써, 가스 배리어를 제작한다.
제 1 실시 양태에 따르면, 세퍼레이터(3a 또는 3b)의 구불구불한 홈(도시하지 않음)을 따라 카본지(기재)(21)에 슬릿(22)을 형성하고, 이 슬릿(22)에 예컨대 고무로 이루어지는 가스 배리어(23)를 설치한 구성으로 되어 있다. 이를 위해서 세퍼레이터를 셀에 조합하여 가스를 구불구불하게 유동하여, 가스의 우회없이, 세퍼레이터의 홈을 따라 유동시킬 수 있다. 따라서, 셀중에 물이 체류하지 않고 셀의 면내에서 균일한 발전량을 성취할 수 있다. 또한, 셀의 면내에서 균일한 가스 유속을 얻을 수 있고, 물 제거를 효율적으로 할 수 있다.
제 2 실시 양태
도 5를 참조한다. 도 5는 본 발명의 제 2 실시 양태에 관한 PEFC의 한가지 구성인 확산층 및 세퍼레이터의 개략적인 단면도를 나타낸다. 이 실시 양태에서, 세퍼레이터(25)는 주위에 비해 두께 방향으로 돌출된 돌출부(26)를 갖는다. 상기 돌출부(26)에 해당하는 카본지(27)는, 주위의 카본지에 비해 압축하여 형성된 압축층(가스 배리어)(28)를 갖고 있다. 상기 압축층(28)을 포함하는 상기 카본지(27)상에는 슬러리 층(8)이 형성되어 있다.
본 제 2 실시 양태에 따르면, 세퍼레이터(25)의 소정의 위치에서 주위와 비교하여 두께 방향으로 돌출한 돌출부(26)를 형성하고 이 돌출부(26)에 해당하는 카본지(27)에 압축층(28)을 형성한 구성으로 되어있다. 이 때문에 제 1 실시 양태와 같이 셀중에 물이 체류하지 않고 셀의 면내에서 균일한 발전량을 성취할 수 있다. 셀 면내에서 균일한 가스유속을 얻을 수 있고 물을 효율적으로 제거할 수 있다.
제 3 실시 양태
도 6을 참조한다. 도 6은 본 발명의 제 3 실시 양태에 관한 PEFC의 한가지 구성인 확산층의 개략적인 단면도를 나타낸다. 이 실시 양태에서는 가스 배리어는 기재의 카본지(21)의 가스 배리어 형성부에 수지, 예컨대 함침된 수지 함침층(가스 배리어)(31)을 형성한다. 여기에서, 수지 함침층(31)은 기밀성을 갖고, 가스가 빠져 나가지 않게 한다. 상기 수지 함침층(31)을 포함하는 카본지(21)상에는 슬러리 층(8)이 형성되어 있다.
이러한 제 3 실시 양태에 따르면, 가스 배리어 형성부에 해당하는 카본지(25)에 기밀성을 갖는 수지 함침층(31)이 형성된 구성으로 되어있다. 이 때문에 제 1 실시 양태와 같이, 셀중에 물이 체류하지 않고 셀의 면내에서 균일하게 발전할 수 있고, 또한 셀의 면 내에서 균일한 가스유속을 얻을 수 있고, 물을 효율적으로 제거할 수 있다.
본 발명자들은 본 발명에 따른 고체 고분자형 연료전지에 관해서, 그 적절한 작동조건 등에 대해, 이하에서 제시한 실시예 및 비교예에 관해서 추가로 검토했다.
실시예 1 및 2와, 비교예 1 및 2
실시예 1 및 2는 공기 전극측의 확산층에 실리콘제 폴리머를 가스 배리어로서 형성한 것을 사용하되, 실시예 1은 세퍼레이터의 홈 개수를 23패스로 한 것이고, 실시예 2는 세퍼레이터의 홈 개수를 30패스로 하여 연료전지를 제작했다.
비교예 1 및 2는 확산층을 그대로 사용하되, 비교예 1은 세퍼레이터의 홈 개수를 10패스로 한 것이고, 비교예 2는 홈개수를 1패스로 사용하여 연료전지를 제작했다.
도 7은 공기 전극측의 가스의 유량과 압력손실의 관계를 나타낸 그래프이다. 비교예 1과 비교예 2를 비교하면, 홈개수를 10패스부터 1패스로 감소시킴으로써 압력손실이 일정유량에 대해 극적으로 커지고, 이에 의해서 물을 제거할 수 있다.
여기에서, 비교예 1과 실시예 1 및 2를 비교하면 세퍼레이터의 홈개수에 의한 압력손실의 차이가 없다. 이것은 실시예 1 및 2에서는 확산층에 가스 배리어층을 형성함으로써, 가스의 정류를 실현할 수 있었기 때문이라고 생각된다.
비교예 2와 실시예 1 및 2를 비교하면, 실시예 1 및 2에서 압력손실이 낮아졌다. 그러나, 가스의 정류작용에 의해 비교예 2와 동등하거나 그 이상으로 물이 효과적으로 배출된다는 것이 확인되었다. 따라서, 실시예 1 및 2에서는 저압력에서 비교예 2와 동등한 발전 성능을 달성할 수 있다.
실시예 3과, 비교예 3 및 4
실시예 3은 연료 전극측의 확산층에 실리콘제 폴리머를 가스 배리어로서 형성한 것을 사용하고, 실시예 3은 세퍼레이터의 홈깊이를 100%(0.3mm 깊이)로 한 것을 제작했다.
비교예 3 및 4는 확산층을 그대로 사용하되, 비교예 3은 세퍼레이터의 홈 깊이를 100%로 하고, 비교예 4는 홈 깊이를 50%로 한 것을 사용하여 연료전지를 제작했다.
도 8은 연료 전극측의 가스의 유량과 압력손실의 관계를 나타낸 그래프이다.
비교예 3과 비교예 4를 실시한 경우, 홈깊이를 100%부터 50%로 함으로써 압력손실이 일정유량에 대하여 극적으로 크게 되어 물을 효과적으로 제거할 수 있었다.
도 8에서 비교예 3과 실시예 3을 비교하면, 실시예 3에서는 세퍼레이터의 홈깊이를 감소시키지 않고 압력손실이 달성되었다. 이것은 확산층에 가스 배리어층을 형성함으로써, 가스의 정류를 실현할 수 있었기 때문이라고 생각된다.
비교예 4와 실시예 3을 비교하면, 실시예 3에서는 압력손실이 낮아져 있다. 그러나, 실제로 발전 평가를 한 결과, 비교예 조건에서와 동일한 발전전압이 얻어지는 경우보다, 물이 효과적으로 배출된다는 것이 확인되었다. 이것은 가스 배리어에 의한 가스의 정류 작용 때문이라고 생각된다. 이와 같이 저압력에서 비교예 4와 동등한 발전성능을 얻을 수 있다.
실시예 4과 비교예 5 및 6
도 9는 각 연료전지에 있어서의 연료 전극측 및 압력손실(연료유량과 1 대 1 대응)과 전압의 관계를 나타내고 있다.
실시예 4에서는 공기 전극측은 실시예 1의 구성으로 하고, 연료 전극측은 실시예 2의 구성으로 하고, 비교예 5에서는 공기 전극측은 비교예 1의 구성으로 하고 연료 전극측은 비교예 1의 구성으로 하고, 비교예 6에서는 공기 전극측은 비교예 2의 구성으로 하고 연료 전극측은 비교예 4의 구성으로서 하여 연료전지를 조립했다.
비교예 5와 같이 연료 전극, 공기 전극과 함께 압력손실이 큰 것(비교예 6에 비해 홈 깊이가 50%임)에서는 압력손실이 비교적 낮은 부분에서 안정된 고전압을 얻을 수 있다. 이것은 적은 가스의 유량이라도 압력손실이 생기는 것, 가스량이 적기 때문에 수증기의 유입이 감소하고 배출해야 하는 수분이 감소함에 따른 것으로 생각된다.
비교예 6과 같이 연료 전극, 공기 전극측과 함께 압력손실이 작은 조건에서는 안정된 고전압을 얻을 수 없고, 안정된 고전압을 얻기 위해서는 압력손실을 크게 해서 대량의 가스를 공급해야 함을 알 수 있다.
한편, 실시예 4에서는 비교예 5 및 6에 비해 매우 적은 가스의 유량으로 최고 전압을 얻을 수 있다. 이것은 확산층의 가스 배리어층의 정류작용에 의해 연료전지내의 물이 효율적으로 배출되기 때문이고, 또한 연료 가스에 포함된 불활성 가스(N2)가 연료전지내에 체류하는 것을 방지하고, 연료전지내의 수소농도가 적당하게 유지되고 있기 때문이라고 생각된다.
본 발명에 따른 가스 배리어를 설치함으로써, 공급되는 연료 가스의 유량(LA[l/min])과 고체 고분자형 연료전지에서의 압력손실(ΔPA[MPa])이 하기 수학식 1의 관계를 만족시키며, 마찬가지로 이 고체 고분자형 연료전지에 공급되는 산화제 가스의 유량(LC[l/min])과 고체 고분자형 연료전지에서의 압력손실(ΔPc [MPa])은 하기 수학식 2의 범위일 때, 바람직하게 셀중에 물이 체류하는 것을 피하고 셀의 면내에서 균일하게 발전할 수 있음과 동시에 물 제거도 효율적으로 할 수 있다:
수학식 1
수학식 2
여기에서, 연료 가스의 유량에 관한 하기 수학식 1의 조건은 도 8의 실시예 3의 결과로부터 작동가능한 최저 압력 손실의 제한치가 실시예 3의 직선보다도 아래에 있다는 사실로부터 유도되는 조건이다:
수학식 1
또한, 산화제 가스량에 관한 수학식 2의 조건은 작동가능한 최저 압력손실의제한치가 도 7의 실시예 1의 직선보다도 아래에 있다는 사실로부터 유도되는 조건이다:
수학식 2
실시예 5
가스 투과 속도가 상이한 카본지의 표면에 카본블랙과 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어지는 슬러리 층을 형성하고, 이것에 세퍼레이터의 홈과 같은 형상으로 실리콘고무를 사용하여 슬릿을 제작했다. 이 가스 확산층을 사용하여 발전시험을 수행하고 확산층의 가스 투과 속도와 발전전압의 관계를 도 10에 나타낸다. 가스 투과 속도가 1.5×10-4m/sec/Pa이하가 되면, 발전전압이 저하되기 시작하여, 0.75×10-4m/sec/Pa에서는 약 10 %의 전압 저하가 나타나고, 0.38×10-4m/sec/Pa에서는 37 %의 전압 저하가 되었다. 이에 따라 확산층의 가스 투과 속도는 1.5× 10-4m/sec/Pa이상인 것이 바람직하다.
실시예 6
평균 기공률이 상이한 카본지의 표면에 카본블랙과 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어지는 슬러리 층을 형성하고, 이것에 세퍼레이터의 홈과 같은 형상으로 실리콘 고무를 사용하여 슬릿을 제작했다. 이 가스 확산층을 사용하여 발전시험을 수행하고 확산층의 가스 투과 속도와 발전전압의 관계를 조사한 결과를 도 11에 나타낸다. 평균 기공률이 40 %이하가 되면, 발전전압이 저하하기 시작하여, 평균 기공률 35 %에서는 약 20 %의 전압 저하가 보이고 평균 기공률 20 %에서는 35 %의 전압저하가 되었다. 이에 따라 확산층의 평균 기공률은 40 % 이상, 바람직하게는 45 % 이상이다.
여기에서, 시험에 사용한 세퍼레이터는 홈 폭이 1.0 mm이고, 융기부 폭이 1.0 mm이고, 홈 깊이가 0.3 mm였다. 이 치수는 전기 화학적 성능과 전극을 지지하기 위한 기계적 강도 조건과의 균형으로부터 결정되는 것이고 용도에 따라 이하의 표 1에 도시한 바와 같이 선택할 수 있다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 바람직한 홈 폭은 0.5 내지 2.5 mm이고 홈 융기부의 폭은 0.5 내지 2.5 mm이고, 홈 깊이는 0.2 내지 3.0 mm이다.
또한, 표 1에서, Run은 시험번호를 나타내고, 예컨대, Run 1은 시험번호 1로서, 0.5mm의 홈의 폭, 2.5mm의 융기부의 폭, 2.0m의 길이를 의미한다.
이상에서, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예로 한정되지 않고, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등물까지 해당된다.
이상에서, 본 발명에 따르면, 확산층의 적어도 일부에 주 표면 방향으로의 가스 투과 방지용 가스 배리어를 설치한 구성으로 함으로써, 셀중에 물이 체류하는것을 피하고 셀의 면내에서 균일한 발전을 할 수 있음과 동시에 물 제거도 효율적으로 실시할 수 있는 고체 고분자형 연료전지를 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 고체 고분자 막을 갖는 셀,
    상기 셀의 양측에 위치되는 것으로 그 사이에 셀이 개재되는 세퍼레이터, 및
    상기 셀과 세퍼레이터 사이에 배치되는 것으로, 도전성 다공성 물질을 포함하는 기재 및 상기 기재상에 배치된 슬러리 층을 갖는 확산층을 포함하며,
    상기 확산층 각각의 적어도 일부분에 확산층 주 표면과 평행한 방향으로의 가스 투과를 방지하기 위한 가스 배리어(gas barrier)가 설치된 고체 고분자형 연료전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    가스 배리어가, 가스 배리어 형성부로부터 기재물질을 제거하고 이로부터 형성되는 빈 공간에 고무 또는 수지를 충전시킴으로써 형성되는 가스 불투과성 물질층을 포함하는 고체 고분자형 연료전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    가스 배리어가, 주위보다 두껍게 되도록 가스 배리어 형성부에 형성하는 세퍼레이터 각각의 돌출부, 및 상기 돌출부에 위치하는 도전성 다공질 물질층을 주위와 비교하여 압축시킴으로써 형성된 압축층을 포함하는 고체 고분자형 연료전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    가스 배리어가, 가스 배리어 형성부용 세퍼레이터 각각의 부분에 수지를 함침시킴으로써 형성된 것으로 가스 기밀성을 부여하는 수지 함침층을 포함하는 고체 고분자형 연료전지.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    도전성 다공질 물질을 포함하는 기재가 카본지, 카본 크로스 및 카본 부직포 중의 어느 하나를, 플루오로 수지를 사용하여 발수처리함으로써 형성되는 고체 고분자형 연료전지.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    확산층이 1×10-3내지 5×10-2N/m의 계면 에너지를 갖는 고체 고분자형 연료전지.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    공급되는 연료 가스의 유량(LA[l/min]) 및 압력손실(ΔPA[MPa])이 하기 수학식 1를 만족시키며, 공급되는 산화제 가스의 유량(LC[l/min]) 및 압력손실(ΔPc [MPa])이 하기 수학식 2의 관계를 만족시키는 고체 고분자형 연료전지:
    수학식 1
    수학식 2
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    확산층이 1.5×10-4cm/sec/Pa 이상의 가스 투과 속도를 갖는 고체 고분자형 연료전지.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산층이 45% 이상의 평균 기공률을 갖는 고체 고분자형 연료전지.
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