KR100514563B1 - 연료 전지 - Google Patents

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구니히로 나까또
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산요덴키가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 연료 전지는 캐소드 (전극 촉매층) 또는 애노드 (전극 촉매층) 중 적어도 어느 하나에, 집전체와 전극 촉매층 사이에 흡유량이 전극 촉매층에 사용한 촉매 담지 카본의 흡유량보다 큰 카본을 포함하는 가스 확산층을 설치했기 때문에, 외적 요인 등에 의한 셀 전압의 저하를 억제할 수 있고, 셀 온도가 저온 (실온 내지 50 ℃)인 경우에도 셀 전압의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 본 발명의 연료 전지는 가스 확산층의 수통로의 흡수압이 전극 촉매층보다 높고, 캐소드 내의 생성수 및 이동수가 가스 확산층 수통로에 흡수되어 집전체측으로 배출된다. 셀 온도가 낮은 경우, 집전체측으로부터의 물의 증발 속도가 저하되지만, 캐소드 내의 생성수, 이동수는 물리적으로 가스 확산층의 흡수압에 의해 흡인되어 집전체측으로 배출되기 때문에 셀 전압의 저하를 방지할 수 있다.

Description

연료 전지 {Fuel Cell}
본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특히 가습한 반응 가스를 이용하여 발전하는 개량된 가스 확산층을 갖는 고체 고분자형 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지란, 연료 (수소 등)가 갖고 있는 화학 에너지를 전기화학적 반응에 의해 직접 전기 에너지로서 끌어내는 것이다. 이것이 연료 전지의 기본적인 원리이다.
이러한 기본 원리를 어떻게 실현하는가 그 형태에 따라 연료 전지에는 몇가지 종류가 존재한다. 일반적으로는 알칼리형 연료 전지, 고체 고분자형 연료 전지, 인산형 연료 전지, 용융 탄산염형 연료 전지, 고체 전해질형 연료 전지 등을 들 수 있다.
이하, 이들 연료 전지 중 1종인 고체 고분자형 연료 전지 (Polymer Electrolyte Fuel Cell) (이하, "PEFC"라고 칭함)에 대하여 설명한다.
도 4는 PEFC의 셀 (1)의 단면 설명도이다. 애노드측 집전체 (12)와 애노드 (전극 촉매층) (14) 사이에 가스 확산층 (13)이 배치되어 있고, 캐소드측 집전체 (22)와 캐소드 (전극 촉매층) (24) 사이에 가스 확산층 (23)이 배치되어 있다.
전해질막 (10)은 양이온 교환막이다.
애노드측 집전체 (12) (캐소드측 집전체 (22))는, 예를 들면 카본 페이퍼를 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)의 60 질량％ 용액에 함침시킨 후, 이것을 예를 들면 360 ℃에서 1시간 열처리하고, 소정 치수로 성형한 FEP 함유량 30 질량％의 카본 페이퍼이다.
애노드 (14) (캐소드 (24))는 촉매 담지 카본과 이온 전도재와의 혼합물을 포함하는 것이다.
가스 확산층 (13), (23)은 카본 페이퍼에 불소 수지 등으로 발수 처리를 행한 것 및 카본과 불소 수지 등의 발수재를 혼합하여 성형한 것, 또는 불소 수지 등으로 발수 처리한 카본 페이퍼 표면에 카본과 불소 수지 등의 발수재를 혼합한 것을 도포한 것 등이다.
PEFC는 상기 애노드 (14), 캐소드 (24) 각각에 반응 가스를 공급하여 하기 전기화학적 반응 1 및 전기화학적 반응 2의 산화 반응 및 환원 반응에 의해 전력을 발생시키는 것이다.
H2 → 2H++2e- (전기화학적 반응 1)
2H++1/2O2+2e- → H2O (전기화학적 반응 2)
PEFC는 다른 종류의 연료 전지와 비교하여 작동 온도는 비교적 저온이면서 높은 출력을 얻을 수 있는 점을 특징으로 한다.
PEFC에서는 연료와 산화제가 각각 애노드측 및 캐소드측에 도입되면, 애노드 (14)에서 전기화학적 반응 1에 의해 H+ (이하 "프로톤"이라고 함)가 생성되어 전해질막 (10) 중에서 물을 수반하면서 애노드측에서 캐소드측으로 이동한다. 캐소드 (24)에 있어서는, 전기화학적 반응 2에 의해 프로톤과 산소로부터 물이 생성된다. PEFC에서는 프로톤과 함께 생성되는 전자를 애노드 (14)로부터 끌어내어 캐소드 (24)에 삽입시킴으로써 전기 에너지를 얻을 수 있게 되어 있다. 또한, 전해질막 (10)은 습윤한 상태에서 도전성을 나타내기 때문에, 통상 반응 가스는 가습 상태에서 셀 (1)로 공급된다.
셀 (1)을 구성하는 가스 확산층 (13), (23)에는 다음의 4가지 기능이 요구된다.
첫째, 가스 확산성(투과성)이다. 반응 가스가 가스 확산층 (13), (23)을 통과하여 전극 촉매층 (14), (24)의 전극 촉매에 효율적으로 접촉하여 전기화학적 반응을 일으키기 위해 불가결한 기능이다.
둘째, 발수 기능이다. 가스 확산층 (13), (23)의 흡습성이 높으면, 통상 PEFC 발전시에 있어서 가습되어 공급되는 반응 가스 중의 수분 및 반응 생성수가 흡수됨으로써 가스 확산성이 저하되기 때문에, 고성능의 PEFC를 실현하기 위해서는 이 가스 확산층 (13), (23)의 발수 기능도 불가결하다.
세째, 전자 전도 기능이다. 전기화학적 반응에 의해 생성된 전자를 외부 회로로 송출하는 기능 및 외부 회로로부터 전자를 받아 들이기 위해 불가결한 기능이다.
네째, 수분 유지성이다. 수분 유지성이 저하되면 전극 촉매층 (14), (24) 또는 전해질막 (10)이 건조해져 이온 전도성이 저하되기 때문에, 고성능의 PEFC를 실현하기 위해서는 이 수분 유지성도 또한 불가결하다.
이상의 기본적인 4가지 기능을 구비하도록, 종래의 가스 확산층 (13), (23)은 상기와 같이 카본 페이퍼에 불소 수지 등으로 발수 처리를 행한 것 등이 사용되어 왔다.
그러나, PEFC에 있어서는 발전 중의 반응 가스 가습량, 반응 가스 공급량, 셀 온도 등의 외적 요인의 변동으로 셀 전압이 저하되는 방향으로 크게 변하는 경향이 있고, 카본 페이퍼에 불소 수지 등으로 발수 처리를 행하여 제조한 종래의 가스 확산층 (13), (23)을 사용한 셀 (1)에서는, 특히 저온 (실온 내지 50 ℃)인 경우 셀 전압이 저하되는 경향이 현저해진다는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래의 가스 확산층을 개량하여 외적 요인에 의한 셀 전압의 저하를 억제할 수 있는 가스 확산층을 구비한 셀을 갖는 연료 전지를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시 형태인 고체 고분자형 연료 전지 셀의 단면 설명도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시 형태인 고체 고분자형 연료 전지 및 비교예의 고체 고분자형 연료 전지의 전류 밀도에 대한 셀 전압의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 다른 시험 조건에서 행했을 때의 본 발명의 한 실시 형태인 고체 고분자형 연료 전지 및 비교예의 고체 고분자형 연료 전지의 전류 밀도에 대한 셀 전압의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 종래의 고체 고분자형 연료 전지 셀의 단면 설명도이다.
도 1, 도 2에 있어서, 1, 1A는 셀, 10은 전해질막, 12는 애노드측 집전체, 13, 23은 가스 확산층, 14는 애노드 (전극 촉매층), 22는 캐소드측 집전체, 24는 캐소드 (전극 촉매층), 25, 26은 요철을 나타낸다.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
이하 실시예 및 비교예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 전혀 제약되지 않는다.
<실시예 1>
<집전체 (12), (22)의 제조>
집전체 (12), (22)는 카본 페이퍼를 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)의 60 질량％ 용액에 함침시킨 후, 이것을 예를 들면 360 ℃에서 1시간 열처리하고, 소정 치수로 성형하여 제조하였다.
<가스 확산층 (13), (23)의 제조>
가스 확산층 (13), (23)은 흡유량 330 cc/100 g의 BLACK PERRLS 2000과 60 질량％의 PTFE 용액 및 용매로서 케로신을 혼합하여 PTFE 함유량이 30 질량％가 되도록 한 조성물을 공지된 스크린 인쇄법을 이용하여 집전체 (12), (22) 상에 형성하였다.
스크린 인쇄를 행하는 경우, 집전체 (12), (22) 내에 상기 조성물을 진입시켜 집전체 (12), (22)측의 가스 확산층 (13), (23)에 요철 (26)을 형성하기 때문에, 스크린 인쇄면의 뒷면에서 흡인하면서 인쇄를 행하였다. 또한, 스크린 인쇄를 행한 후, 100 메쉬의 스크린(망)을 가스 확산층 (13), (23)의 인쇄면 상부에서 압착시켜 전극 촉매층 (14), (24)측에 요철 (25)를 형성하였다. 그 후, 360 ℃에서 1시간 열처리하고, 소정 치수로 성형하여 가스 확산층 (13), (23)이 설치된 집전체 (12), (22)를 제조하였다.
<전극 촉매층 (14), (24)의 제조>
애노드 (전극 촉매층) (14), 캐소드 (전극 촉매층) (24)는 백금 담지 카본 (Pt/C)과 Nafion (상품명)을 사용하여 Nafion (상품명)의 양이 10 질량％인 조성물을 제조하고, 이 조성물을 사용하여 공지된 스크린 인쇄법으로 가스 확산층 (13), (23)이 설치된 집전체 (12), (22) 상에 형성하였다.
백금 담지 카본 (Pt/C)에 사용한 카본은 가스 확산층 (13), (23)에 사용한 흡유량 330 cc/100 g의 BLACK PERRLS 2000보다 흡유량이 작은 Vulcan XC-72 (흡유량: 174 cc/100 g)를 사용하였다.
전해질막 (10)에는 Nafion (상품명) (112)를 사용하고, 이 막 (10)에 전극 (전극 촉매층) (14), (24)를 접촉시킨 상태에서 핫 프레스법 (온도 150 ℃, 6.9 MPa, 처리 시간 90초)으로 압착하여 셀 (1A)를 제조하였다.
<실험 1>
이와 같이 하여 제조한 셀 (1A)를 사용하여, 하기의 셀 시험 조건으로 전류-전압 특성을 구하는 시험을 행한 결과를 도 2에 나타내었다.
(셀 시험 조건)
전극 면적: 25 ㎠
연료: H2
산화제: 공기
셀 온도: 50 ℃
연료 가습 온도: 50 ℃
산화제 가습 온도: 50 ℃
<실험 2>
상기 셀 (1A)를 사용하여, 하기의 셀 시험 조건으로 전류-전압 특성을 구하는 시험을 행한 결과를 도 3에 나타내었다.
(셀 시험 조건)
전극 면적: 25 ㎠
연료: H2
산화제: 공기
셀 온도: 80 ℃
연료 가습 온도: 80 ℃
산화제 가습 온도: 85 ℃
<비교예 1>
가스 확산층 (13), (23)에 백금 담지 카본 (Pt/C)에 사용한 Vulcan XC-72 (흡유량: 174 cc/100 g)보다 흡유량이 작은 BLACK PERRLS 800 (흡유량: 68 cc/100 g)을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 모두 동일하게 하여 비교를 위한 셀 (1B)를 제조하였다.
이 셀 (1B)를 사용하여 실시예 1과 동일하게 하여 실험 1 및 실험 2를 행하고, 전류-전압 특성을 구한 결과를 도 2 및 도 3에 함께 나타내었다.
도 2로부터 실시예 1의 셀 (1A)는, 셀 온도가 50 ℃인 저온에서 연료 가습 온도 및 산화제 가습량이 50 ℃인 가습 과다 상태에서도 비교예 1의 셀 (1B)보다 양호한 셀 전압을 나타내는 것을 알았다. 특히, 실시예 1의 셀 (1A)는 전류 밀도가 큰 영역에서의 셀 전압의 저하가 작아 효과가 현저하였다.
도 3으로부터 실시예 1의 셀 (1A)는, 셀 온도 80 ℃에서 산화제 가습 온도가 85 ℃인 가습 과다 상태에서도 비교예 1의 셀 (1B)보다 양호한 셀 전압을 나타내는 것을 알았다. 특히, 실시예 1의 셀 (1A)는 전류 밀도가 큰 영역에서의 셀 전압의 저하가 작아 효과가 현저하였다.
또한, 본 실시예에서는 전극 (전극 촉매층) (14), (24)에 Vulcan XC-72 (흡유량: 174 cc/100 g)를 사용했지만, 예를 들면 BLACK PERRLS 1100 (흡유량: 50 cc/100 g)을 전극 (전극 촉매층 (14), (24))에 사용한 경우에는 BLACK PERRLS 800 (흡유량: 68 cc/100 g)을 가스 확산층 (13), (23)에 사용할 수 있다. 이와 같이 가스 확산층 (13), (23)과 전극 (전극 촉매층) (14), (24)에 사용하는 카본의 조합은 적절하게 선택할 수 있다.
<애노드 촉매의 소재>
또한, 본 실시예에서는 애노드 촉매로서 단체인 백금(Pt)을 사용한 예를 나타냈지만, 루테늄(Ru)을 사용할 수도 있고, 그 밖에 금(Au), 은(Ag), 팔라듐 (Pd), 로듐(Rh) 등의 일반적인 촉매 재료 중 1종, 또는 이들의 합금을 사용할 수도 있다. 또한, 상기 촉매 재료에 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 갈륨(Ga), 티탄(Ti), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 주석(Sn) 등의 촉매 재료 중 1종 이상을 더 첨가한 합금을 사용할 수도 있다.
<캐소드 촉매의 소재>
또한, 본 실시예에서는 캐소드 촉매에 단체인 백금(Pt)을 사용한 예를 나타냈지만, 그 밖에 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 바나듐(V), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 갈륨(Ga), 티탄(Ti), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 주석(Sn) 등의 촉매 재료 중 1종 이상을 더 첨가한 합금을 사용할 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는 본 발명의 연료 전지로서 PEFC를 나타냈지만, 본 발명의 연료 전지는 PEFC에 한정되지 않으며, 알칼리형 연료 전지, 인산형 연료 전지 등을 포함하는 것이다.
<실시예 2>
100 메쉬의 스크린(망)을 사용하지 않고, 가스 확산층 (13), (23)에 요철 (25)를 형성하지 않은 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 셀 (1C)를 제조하였다.
<실험 3>
이와 같이 하여 제조한 셀 (1C)를 사용하여 하기의 셀 시험 조건으로 셀 전압을 구하는 시험을 행한 결과를 표 1에 나타내었다.
표 1에는 사용한 스크린(망)의 메쉬 인치, 선 직경(㎛), 두께(㎛), 개구(㎛)를 함께 나타내었다.
(셀 시험 조건)
전극 면적: 25 ㎠
연료: H2
산화제: 공기
셀 온도: 50 ℃
연료 가습 온도: 50 ℃
산화제 가습 온도: 50 ℃
전류 밀도: 500 mA/㎠
<비교예 2>
상기 실험 3의 셀 시험 조건으로 비교예 1에서 제조한 셀 (1B)의 셀 전압을 구하는 시험을 행한 결과를 표 1에 나타내었다.
<실시예 3 내지 10>
표 1에 나타낸 바와 같이 각각 50 내지 400 메쉬의 스크린(망)을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 셀을 제조하고, 상기 실험 3의 셀 시험 조건으로 셀 전압을 구하는 시험을 행한 결과를 표 1에 나타내었다.
표 1로부터 백금 담지 카본(Pt/C)에 사용한 카본으로서, 가스 확산층에 사용한 흡유량 300 cc/100 g의 BLACK PERRLS 2000보다 흡유량이 작은 Vulcan XC-72 (흡유량 174 cc/100 g)를 사용했을 경우, 스크린(망)으로 요철을 부여하지 않은 실시예 2의 경우에도 비교예 2와 비교하여 셀 전압이 향상되는 것을 알았다. 실시예 3 내지 10의 경우, 비교예 2와 비교하여 셀 전압이 향상되었지만, 실시예 5 (80 메쉬) 내지 실시예 9 (300 메쉬)의 경우 셀 전압이 더 향상되었고, 실시예 6 (100 메쉬) 내지 실시예 7 (200 메쉬)의 경우 보다 셀 전압이 향상되는 것을 알았다.
본 발명의 청구항 1에 기재된 연료 전지는 캐소드 (전극 촉매층) 또는 애노드 (전극 촉매층) 중 적어도 어느 하나에, 집전체와 전극 촉매층 사이에 흡유량이 전극 촉매층에 사용한 촉매 담지 카본의 흡유량보다 큰 카본을 포함하는 가스 확산층을 설치했기 때문에, 외적 요인 등에 의한 셀 전압의 저하를 억제할 수 있고, 셀 온도가 저온 (실온 내지 50 ℃)인 경우에도 셀 전압의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 청구항 1에 기재된 연료 전지는 가스 확산층의 수통로의 흡수압이 전극 촉매층보다 높아, 예를 들면 캐소드 내의 생성수 및 이동수는 가스 확산층 수통로에 흡인되어 집전체측으로 배출된다. 셀 온도가 낮은 경우, 집전체측으로부터의 물의 증발 속도가 저하되지만, 예를 들면 캐소드 내의 생성수, 이동수는 물리적으로 가스 확산층의 흡수압에 의해 흡인되어 집전체측으로 배출되기 때문에 셀 전압의 저하를 방지할 수 있는 효과를 발휘한다.
본 발명의 청구항 2에 기재된 연료 전지는, 상기 가스 확산층 중 적어도 한쪽면에 요철을 형성했기 때문에, 가스 확산층과 전극 촉매층 및 가스 확산층과 집전체와의 접촉 면적을 증대시킬 수 있고, 전극 촉매층 내의 생성수, 이동수의 배출성이 더 향상되며, 또한 셀 온도가 낮은 경우에도 가스 확산층으로부터의 물의 증발 속도를 빠르게 할 수 있어 셀 외부로의 물의 배출 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘한다.
본 발명의 청구항 3에 기재된 연료 전지는, 상기 가스 확산층이 발수재와 상기 카본을 포함하기 때문에 예를 들면, 캐소드측으로의 공급수의 양이 과다해진 경우에도 발수재로 형성된 모세관형의 가스 통로에 의해 반응 가스의 확산 통로가 확보되며, 카본으로 형성된 모세관형의 수통로는 촉매 담지 카본보다 흡유량이 큰 카본을 사용하여 형성되어 있기 때문에, 가스 확산층 수통로의 흡수압은 캐소드보다 높아, 캐소드 내의 생성수 및 이동수는 가스 확산층 수통로에 흡인되어 집전체측으로 배출되며, 또한 셀 온도가 낮은 경우에는 집전체측으로부터의 물의 증발 속도가 저하되지만, 캐소드 내의 생성수, 이동수는 물리적으로 가스 확산층의 흡수압에 의해 흡인되어 집전체측으로 배출된다. 또한 셀 온도가 낮은 경우에도 셀 전압의 저하를 방지할 수 있는 효과를 발휘한다.
본 발명의 청구항 4에 기재된 연료 전지는, 상기 발수재의 함유량을 0.5 질량％ 내지 50 질량％의 적절한 범위로 설정했기 때문에, 발수성 모세관 가스 통로가 충분히 형성됨과 동시에 모세관형의 수통로, 전자 전도 통로, 수분 유지부가 충분히 형성된다. 따라서, 예를 들면 캐소드측으로의 공급수의 양이 과다해진 경우에도 발수재로 형성된 모세관형의 가스 통로에 의해 반응 가스의 확산 통로가 보다 적절하게 확보되며, 카본으로 형성된 모세관형의 수통로는 촉매 담지 카본보다 흡유량이 큰 카본을 사용하여 형성되어 있기 때문에, 가스 확산층 수통로의 흡수압은 캐소드보다 높고, 캐소드 내의 생성수 및 이동수는 가스 확산층 수통로에 흡인되어 집전체측으로 보다 적절하게 배출된다. 셀 온도가 낮은 경우, 집전체측으로부터의 물의 증발 속도가 저하되지만, 캐소드 내의 생성수, 이동수는 물리적으로 가스 확산층의 흡수압에 의해 흡인되어 집전체측으로 보다 적절하게 배출되기 때문에, 셀 온도가 낮은 경우에도 셀 전압의 저하를 방지할 수 있는 효과를 발휘한다.
본 발명의 청구항 5 및 청구항 7에 기재된 연료 전지는, 상기 발수재가 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리불화비닐(PVF), 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE)로 이루어지는 군에서 선택된 발수재이기 때문에, 입수가 쉽고 경제적이다.
본 발명의 청구항 6에 기재된 연료 전지는, 상기 요철의 간격이 55 내지 200 ㎛이기 때문에 가스 확산층과 전극 촉매층 및 가스 확산층과 집전체와의 접촉 면적을 효율적으로 증대시킬 수 있고, 전극 촉매층 내의 생성수, 이동수의 배출성이 더향상되며, 또한 셀 온도가 낮은 경우에도 가스 확산층으로부터의 물의 증발 속도를보다 빠르게 할 수 있어 셀 외부로의 물의 배출 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명자들은 종래의 문제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 특정한 흡유량을 갖는 카본을 포함하는 가스 확산층으로서, 바람직하게는 새로운 구조를 갖는 가스 확산층을 사용함으로써 외적 요인 등에 의한 셀 전압의 저하를 억제할 수 있고, 셀 온도가 저온 (실온 내지 50 ℃)인 경우에도 셀 전압의 저하를 억제할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 청구항 1은 애노드측 집전체와 애노드 (전극 촉매층), 전해질막, 캐소드 (전극 촉매층)와 캐소드측 집전체를 배치한 연료 전지에 있어서, 캐소드 (전극 촉매층) 또는 애노드 (전극 촉매층) 중 적어도 어느 하나에, 집전체와 전극 촉매층 사이에 흡유량이 전극 촉매층에 사용한 촉매 담지 카본의 흡유량보다 큰 카본을 포함하는 가스 확산층을 설치한 것을 특징으로 하는 연료 전지에 관한 것이다.
본 발명의 청구항 2는, 청구항 1에 기재된 연료 전지에 있어서 상기 가스 확산층의 적어도 한쪽면에 요철을 형성한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 3은, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 연료 전지에 있어서 상기 가스 확산층이 발수재와 상기 카본을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 4는, 청구항 3에 기재된 연료 전지에 있어서 상기 발수재의 함유량이 0.5 질량％ 내지 50 질량％인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 5 및 청구항 7은, 각각 청구항 3 및 청구항 4에 기재된 연료 전지에 있어서 상기 발수재가 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리불화비닐(PVF), 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE)로 이루어지는 군에서 선택된 발수재인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 6은, 청구항 2에 기재된 연료 전지에 있어서 상기 요철의 간격이 55 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 것이다.
이하에 개량된 가스 확산층을 구비한 셀을 가진 본 발명의 하나의 적용예인 PEFC에 대하여 도면 등을 참조하면서 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 PEFC의 셀 (1A)의 단면 설명도이다. 애노드측 집전체 (12)와 애노드 (전극 촉매층) (14) 사이에 가스 확산층 (13)을, 캐소드측 집전체 (22)와 캐소드 (전극 촉매층) (24) 사이에 가스 확산층 (23)을 배치하고 있다. 가스 확산층 (13), (23)은 전극 촉매층 (14), (24)의 촉매 담지 카본보다 흡유량이 큰 카본을 포함하는 층으로 구성되어 있다.
상기와 같이 본 발명자들은 카본과 불소 수지 등의 발수재를 혼합한 것을 불소 수지 등으로 발수 처리한 카본 페이퍼 표면에 도포한 도 4에 나타낸 종래의 가스 확산층 (13), (23)을 사용한 연료 전지에 있어서, 셀 전압이 저하되는 원인을 규명한 결과, 셀 온도 등의 요인에 의한 반응 생성수, 결로수, 이동수, 역확산수의 전극 (전극 촉매층) (14), (24) 내에서의 체류, 및 반대로 전극 (전극 촉매층) (14), (24) 및 전해질막 (10)의 건조가 원인 중 하나가 된다는 것을 발견하였다.
즉, 셀 온도가 낮은 경우나 셀 (1)로의 공급수의 양이 과다해지면, 전극 (전극 촉매층) (14), (24) 내에 체류한 반응 생성수, 이동수, 역확산수 등에 의해 전극 (전극 촉매층) (14), (24)로의 반응 가스의 공급이 저해되어 셀 전압이 저하되고, 반대로 셀 온도가 높은 경우나 공급수의 양이 너무 적어지면, 셀 (1) 내에 유지된 물이 부족하여 전극 (전극 촉매층) (14), (24) 및 전해질막 (10)이 건조되어 셀 전압이 저하되는 것으로 생각되었다.
이 사실에 기초하여 전극 (전극 촉매층) (14), (24)의 촉매 담지 카본보다 흡유량이 큰 카본을 포함하는 가스 확산층 (13), (23)을 사용했더니, 셀 전압의 외적 요인 등에 의한 저하를 억제할 수 있었다. 이것은 외적 요인의 변동에 의해 전극 (전극 촉매층) (14), (24) 내에서의 물의 체류 및 전극 (전극 촉매층) (14), (24) 및 전해질막 (10)의 건조가 본 발명에서 사용하는 상기 가스 확산층 (13), (23)에 의해 억제되었기 때문이다.
캐소드측에는 반응 생성수가 전극 (전극 촉매층) (24) 내에 체류하기 쉽기 때문에, 적어도 캐소드 (전극 촉매층) (24)에 대하여 본 발명에서 사용하는 상기 가스 확산층 (23)을 설치하면 효과가 현저하게 나타난다.
본 발명에서 사용하는 가스 확산층 (13), (23)은 전극 (전극 촉매층) (14), (24)의 촉매 담지 카본보다 흡유량이 큰 카본과 발수재를 포함하는 것이 바람직하다. 이 카본과 발수재를 조합시킴으로써 모세관형의 수통로와 수분 유지부와 발수성 모세관 가스 통로 및 전자 전도 통로를 가스 확산층 (13), (23) 중에 배치할 수 있다.
상기 발수재의 함유량은 0.5 질량％ 내지 50 질량％인 것이 바람직하며, 1 질량％ 내지 40 질량％인 것이 더욱 바람직하다. 상기 발수재의 함유량이 0.5 질량％ 미만에서는 발수성 모세관 가스 통로의 형성이 불충분해질 우려가 있고, 50 질량％를 초과하면 모세관형의 수통로와 전자 전도 통로 또는 수분 유지부의 형성이 불충분해질 우려가 있다.
발수성 모세관 가스 통로를 형성할 수 있는 바람직한 발수재로서, 구체적으로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체 (FEP), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리불화비닐(PVF), 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE) 등에서 선택되는 불소 수지를 들 수 있다.
모세관형의 수통로와 전자 전도 통로 또는 수분 유지부를 형성하는 바람직한 상기 카본의 구체예로서, 퍼니스 블랙 (대표적인 것으로서 Vulcan XC-72 [캐보트사 제조]), 아세틸렌 블랙 (대표적인 것으로서 덴카블랙 [덴끼 가가꾸 고교사 제조]) 등의 카본 분말을 들 수 있다.
애노드측 집전체 (12) (캐소드측 집전체 (22))는, 예를 들면 카본 페이퍼를 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)의 60 질량％ 용액에 함침시킨 후, 이것을 예를 들면 360 ℃에서 1시간 열처리하고, 소정 치수로 성형하여 FEP 함유량 30 질량％의 카본 페이퍼로 한 것이다.
애노드 (14) (캐소드 (24))는 촉매 담지 카본과 이온 전도재의 혼합물을 포함하는 것이다.
전해질막 (10)은 양이온 교환막이다.
캐소드측으로의 공급수의 양이 과다해진 경우에도, 전극 (전극 촉매층) (24)의 촉매 담지 카본보다 흡유량이 큰 카본과 발수재를 포함하는 가스 확산층 (23) 중의 발수재로 형성된 모세관형의 가스 통로에 의해 반응 가스의 확산 통로가 확보된다. 한편, 상기 카본으로 형성된 모세관형의 수통로는 촉매 담지 카본보다 흡유량이 큰 카본을 사용하여 형성되어 있기 때문에, 가스 확산층 (23) 중의 수통로의 흡수압은 캐소드 (전극 촉매층) (24)의 촉매 담지 카본보다 높고, 캐소드 (전극 촉매층) (24) 내의 생성수 및 이동수는 가스 확산층 (23) 중의 수통로에 흡인되어 캐소드측 집전체 (22)측으로 배출된다.
셀 온도가 낮은 경우, 집전체 (12), (22)측에서의 물의 증발 속도가 저하된다. 그러나, 예를 들면 캐소드 (전극 촉매층) (24) 내의 생성수, 이동수는 물리적으로 가스 확산층 (23)의 흡수압에 의해 흡인되어 캐소드측 집전체 (22)측으로 배출된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 흡수압의 차이를 보다 효과적으로 기능시키기 위해 캐소드 (전극 촉매층) (24)와 가스 확산층 (23)의 계면 및 애노드 (전극 촉매층) (14)와 가스 확산층 (13)의 계면에 각각 요철 (25)를 형성하여 양자의 접촉 면적을 증대시키면, 캐소드 (전극 촉매층) (24) 내의 생성수, 이동수의 배출성이 더 향상된다.
또한, 도 1에 나타낸 바와 같이 셀 온도가 낮은 경우에도 가스 확산층 (13), (23)으로부터의 물의 증발 속도를 빨리하기 위해 가스 확산층 (13), (23)의 집전체 (12), (22)측에 각각 요철 (26)을 설치함으로써 증발 면적을 증대시키고, 셀 (1A) 외부로의 물의 배출 성능을 향상시킬 수 있다.
요철 (25), (26)은 그 간격이 55 내지 200 ㎛인 것이 바람직하며, 90 내지 150 ㎛인 것이 더욱 바람직하다. 요철 (25), (26)의 간격은 볼록부와 인접 볼록부와의 간격, 또는 오목부와 인접 오목부와의 간격을 의미하며, 예를 들면 요철 (25), (26)을 후술하는 실시예와 같이 스크린(망)을 압착시켜 형성하는 경우에는, 요철 (25), (26)의 간격은 사용한 스크린(망)의 선간 간격 (개구)에 상당한다.
종래의 연료 전지는 발전 중의 반응 가스 가습량, 반응 가스 공급량, 셀 온도 등의 외적 요인의 변동으로 셀 전압이 저하되는 방향으로 크게 변하는 경향이 있고, 카본 페이퍼에 불소 수지 등으로 발수 처리를 행하여 제조한 종래의 가스 확산층을 사용한 셀에서는 특히 저온 (실온 내지 50 ℃)인 경우, 셀 전압이 저하되는 경향이 있었지만, 본 발명의 연료 전지는 종래의 가스 확산층을 개량하여 외적 요인에 의한 셀 전압의 저하를 억제할 수 있는 가스 확산층을 구비한 셀을 갖기 때문에, 외적 요인 등에 의한 셀 전압의 저하를 억제할 수 있고, 셀 온도가 저온 (실온 내지 50 ℃)인 경우에도 셀 전압의 저하를 억제할 수 있는 효과를 발휘하기 때문에 그 산업상의 이용 가치가 매우 크다.

Claims (7)

  1. 애노드측 집전체와 애노드 (전극 촉매층), 전해질막, 캐소드 (전극 촉매층)와 캐소드측 집전체를 배치한 연료 전지에 있어서, 캐소드 (전극 촉매층) 또는 애노드 (전극 촉매층) 중 적어도 어느 하나에, 집전체와 전극 촉매층 사이에 흡유량이 전극 촉매층에 사용한 촉매 담지 카본의 흡유량보다 큰 카본을 포함하는 가스 확산층을 설치한 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스 확산층의 적어도 한쪽면에 요철을 형성한 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가스 확산층이 발수재와 상기 카본을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 발수재의 함유량이 0.5 질량％ 내지 50 질량％인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  5. 제3항에 있어서, 상기 발수재가 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 (PCTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리불화비닐(PVF), 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE)로 이루어지는 군에서 선택된 발수재인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  6. 제2항에 있어서, 상기 요철의 간격이 55 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  7. 제4항에 있어서, 상기 발수재가 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 (PCTFE), 폴리불화비닐리덴(PVDF), 폴리불화비닐(PVF), 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE)로 이루어지는 군에서 선택된 발수재인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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