KR100738432B1 - 연료 전지 및 연료 전지 장치 - Google Patents

연료 전지 및 연료 전지 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100738432B1
KR100738432B1 KR1020010017035A KR20010017035A KR100738432B1 KR 100738432 B1 KR100738432 B1 KR 100738432B1 KR 1020010017035 A KR1020010017035 A KR 1020010017035A KR 20010017035 A KR20010017035 A KR 20010017035A KR 100738432 B1 KR100738432 B1 KR 100738432B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel
oxygen
layer
repellent material
diffusion layer
Prior art date
Application number
KR1020010017035A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20010095190A (ko
Inventor
야마모토다이조
고바야시마사후미
야마나겐지
가토히데미
Original Assignee
가부시키가이샤 에쿼스.리서치
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=18612903&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=KR100738432(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by 가부시키가이샤 에쿼스.리서치 filed Critical 가부시키가이샤 에쿼스.리서치
Publication of KR20010095190A publication Critical patent/KR20010095190A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100738432B1 publication Critical patent/KR100738432B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/881—Electrolytic membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 전지 출력의 향상을 도모할 수 있는 연료 전지를 제공한다.
연료 전지(1)는 연료 반응층(41)과 연료 확산층(42)을 구비한 연료극(4)과, 산소 반응층(51)과 산소 확산층(52)을 구비한 산소극(5)과, 연료극(4)과 산소극(5) 사이에 배치된 전해질 층(3)과, 연료극(4)에 접하는 연료극측 전지 틀(7)과, 산소극(5)에 접하는 산소극측 전지 틀(8)을 구비한다. 연료 확산층(42)은 연료 확산층 핵부(421)와 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)과 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)을 구비한다. 산소 확산층(52)은 산소 확산층 핵부(521)와 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)과 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)을 구비한다. 연료 전지(1)에서는 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)과 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)의 발수성이 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)과 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)의 발수성보다 높다.

Description

연료 전지 및 연료 전지 장치{FUEL CELL AND FUEL CELL DEVICE}
도 1은 본 발명의 연료 전지의 실시 형태를 도시하는 모식적인 종단면도.
도 2는 본 발명의 연료 전지 장치의 실시 형태를 도시하는 회로도.
도 3은 실시예에서 연료 전지의 전류 밀도-전압 특성을 나타내는 그래프도.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
1: 연료 전지 21: 반응부
29: 적층체 3: 전해질 층
4: 연료극 41: 연료 반응층
42: 연료 확산층 421: 연료 확산층 핵부
422: 연료극 외측 발수성 재료 함유층
423: 연료극 내측 발수성 재료 함유층
5: 산소극 51: 산소 반응층
52: 산소 확산층 521: 산소 확산층 핵부
522: 산소극 외측 발수성 재료 함유층
523: 산소극 내측 발수성 재료 함유층
7: 연료극측 전지 틀 71: 유로
72: 홈 8: 산소극측 전지 틀
81: 유로 82: 홈
9: 연료 전지 장치 91: 전지 본체
92: 연료 공급 수단 921: 연료원
922: 배관 923: 밸브
93: 산소 공급 수단 931: 배관
94: 물 공급 수단 941: 탱크
942: 배관 943: 펌프
944: 수압 센서 945: 바이패스 라인
946: 밸브 947: 수위 검지 수단
948: 수위 센서 949: 알람
95: 기류 혼합 수단 951: 노즐
952: 공간 96: 재생 수단
961: 배관 962: 재생기
963: 배기 라인 964: 밸브
965: 배관 966: 매니폴드
97: 연료 배기 수단 971: 배관
972: 밸브 98: 출력계
101, 102: 배선 109: 부하
본 발명은 연료 전지 및 연료 전지 장치에 관한 것이다.
현재, 차세대 에너지원으로서 연료 전지가 주목받고 있다. 이 연료 전지는 2 종류의 전극, 즉 연료극과 산소극을 구비하고, 연료극에서 연료를 산화시키며, 산소극에서 산소를 환원시키는 것에 의해 전기를 발생시킨다.
이러한 연료 전지에 있어서 현재, 전지 출력을 향상시키는 것이 큰 과제이다.
본 발명의 목적은 전지 출력의 향상을 도모할 수 있는 연료 전지, 그리고 그러한 연료 전지를 구비한 연료 전지 장치를 제공하는 것에 있다.
위와 같은 목적은 하기 (1) 내지 (18)의 본 발명에 의해 달성된다.
(1) 연료를 확산시키는 연료 확산층을 구비한 연료극과, 산소를 확산시키는 산소 확산층을 구비한 산소극이 전해질 층을 개재하여 배치된 연료 전지로서, 상기 연료 확산층의 발수성이 상기 산소 확산층의 발수성보다 높은 연료 전지.
(2) 연료를 확산시키는 연료 확산층과, 상기 연료 확산층에 접합되어 연료를 반응시키는 연료 반응층을 구비한 연료극과,
산소를 확산시키는 산소 확산층과, 상기 산소 확산층에 접합되어 산소를 반 응시키는 산소 반응층을 구비한 산소극과,
상기 연료극과 상기 산소극과의 사이에 배치된 전해질 층을 구비한 연료 전지로서, 상기 연료 확산층의 발수성이 상기 산소 확산층의 발수성보다 높은 연료 전지.
(3) 상기 연료 확산층 및 상기 산소 확산층은 각각 발수성 재료를 함유하는 발수성 재료 함유층을 1층 이상 구비하고, 상기 연료 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성이 상기 산소 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성보다 높은, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 연료 전지.
(4) 상기 연료 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성 재료 함유량이 상기 산소 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성 재료 함유층보다 큰, 상기 (3)에 기재된 연료 전지.
(5) 상기 연료 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성 재료 함유량은 상기 산소 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성 재료 함유층보다 5 중량% 이상 큰, 상기 (4)에 기재된 연료 전지.
(6) 상기 연료 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성 재료 함유량은 20 내지 80 중량%인, 상기 (3) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지.
(7) 상기 산소 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성 재료 함유량은 15 내지 65 중량%인, 상기 (3) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지.
(8) 상기 연료 확산층 및 상기 산소 확산층의 발수성 재료 함유층은 양자 모두 도전성 재료를 함유하고, 상기 연료 확산층의 발수성 재료 함유층의 도전성 재 료는 상기 산소 확산층의 발수성 재료 함유층의 도전성 재료보다 발수성이 큰, 상기 (3) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지.
(9) 상기 발수성 재료 함유층은 입자상의 도전성 재료에 상기 발수성 재료를 담지시킨 것으로 구성되는, 상기 (3) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지.
(10) 상기 연료 확산층은 그 양면에 발수성 재료 함유층을 구비하는, 상기 (3) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지.
(11) 상기 산소 확산층은 그 양면에 발수성 재료 함유층을 구비하는, 상기 (3) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지.
(12) 상기 연료 확산층 표면의 물과의 접촉각은 상기 산소 확산층 표면의 물과의 접촉각보다 5°이상 큰, 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지.
(13) 상기 연료 확산층 표면의 물과의 접촉각은 100 내지 160°인, 상기 (1) 내지 (12) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지.
(14) 상기 산소 확산층 표면의 물과의 접촉각은 90 내지 150°인, 상기 (1) 내지 (13) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지.
(15) 수소를 연료로 하는, 상기 (1) 내지 (14) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지.
(16) 상기 (1) 내지 (15) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지를 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
(17) 상기 (1) 내지 (15) 중 어느 하나에 기재된 연료 전지를 수납한 전지 본체와, 상기 연료 전지의 연료극에 연료를 공급하는 연료 공급 수단과, 상기 연료 전지의 산소극에 산소 가스를 함유하는 기체를 공급하는 산소 공급 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
(18) 상기 산소극에 물을 공급하는 물 공급 수단을 구비하는, 상기 (17)에 기재된 연료 전지 장치.
발명의 실시 형태
연료 전지의 전지 출력을 향상시킴에 있어서 중요한 것은, 연료 전지 내의 물의 밸런스이다. 전술한 바와 같이 연료 전지에서는, 연료극에서 연료를 산화시키고, 산소극에서 산소를 환원시키는 것에 의해 전기를 발생시킨다. 이 때, 산소극에서는 물이 발생한다. 또, 연료극에서는 수소 이온이 발생한다. 이 수소 이온은 물분자를 동반하여 산소극으로 이동한다. 이에 따라 발전 중의 연료 전지에서는, 산소극에서는 물이 증가하고, 수소극에서는 물이 감소하는 경향이 있다. 그래서, 산소극에서 물이 너무 적어지면, 산소극 내에 산소가 유입하기 어렵게 되고, 산소극으로의 산소의 공급이 불충분하게 된다. 또한, 연료극에서 물이 너무 적어지면, 수소 이온의 발생 효율이 저하된다. 이로 인해 연료 전지의 전지 출력이 저하된다.
본 발명자는 연료 전지의 그러한 전지 출력 저하의 메카니즘에 착상하였다. 그래서, 본 발명자는 연료 전지 내의 물의 밸런스를 잘 유지하고, 산소극 내에서는 물론 연료극 내에서도 물의 양을 적절히 유지하면, 연료 전지의 전지 출력의 저하를 방지하고 전지 출력의 향상을 도모할 수 있다고 판단하여 본 발명을 완성하기에 이른 것이다.
이하, 본 발명을 첨부 도면에 도시한 바람직한 실시 형태에 기초하여 상세히 설명한다.
[1] 연료 전지의 개요
도 1은 본 발명의 연료 전지의 실시 형태를 나타내는 모식적인 종단면도이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 연료 전지(1)는 연료 반응층(41)과 연료 확산층(42)을 구비한 연료극(4)과, 산소 반응층(51)과 산소 확산층(52)을 구비한 산소극(5)과, 상기 연료극(4)과 산소극(5)과의 사이에 배치되고 연료 반응층(41)과 산소 반응층(51)에 접하는 전해질 층(3)과, 연료극(4)에 접하는 연료극측 전지 틀(7)과, 산소극(5)에 접하는 산소극측 전지 틀(8)을 구비한다. 또, 연료 확산층(42)은 연료 확산층 핵부(421)와, 연료극 외측 발수성 재료 함유층 (422)와, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)을 구비한다. 또한, 산소 확산층(52)은 산소 확산층 핵부(521)와, 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)과, 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)을 구비한다.
이 연료 전지(1)에서는, 전해질 층(3)과, 이 전해질 층(3)의 한쪽 면에 접합된 연료 반응층(41)과, 전해질 층(3)의 다른 쪽 면에 접합된 산소 반응층(51)에 의해 화학 반응을 일으켜서 전기를 발생시키는 부분인 반응부(21)가 구성된다. 또, 연료 전지(1)에서는 연료극(4)과, 산소극(5)과, 상기 연료극(4)과 산소극(5) 사이에 배치된 전해질 층에 의해 적층체(29)가 구성된다.
또, 본 명세서에서는 설명의 편의상, 연료 전지(1)에서 전해질 층(3)에 상대 적으로 가까운 위치를 「내측」, 전해질 층(3)에서 상대적으로 먼 위치를 「외측」이라고 한다.
도 1에 도시되어 있는 연료 전지(1)는 수소를 연료로 하는 연료 전지로서, 연료극(4)에 수소를 공급하여 수소를 산화시키고, 산소극(5)에 공기를 공급하여 그 공기 중의 산소를 환원시키는 것에 의해 전기를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 연료 전지(1)에서는 연료 확산층(42)의 발수성을 산소 확산층(52)의 발수성보다 높게 하였다. 보다 구체적으로 설명하면, 본 실시 형태의 연료 전지(1)에서는 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423) 및 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)의 발수성을 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523) 및 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)의 발수성보다 높게 하는 것에 의해 연료 확산층(42)의 발수성을 산소 확산층(52)의 발수성보다 높게 하였다.
그렇게 함으로써 연료 전지(1)에서는 연료 전지(1) 내의 물의 밸런스를 발전에 적합한 상태로 유지할 수 있게 된다. 또, 본 발명의 연료 전지(1)과 같이 연료 확산층(42) 및 산소 확산층(52)의 발수성을 조절하면, 연료 반응층(41) 및 산소 반응층(51)의 전기 저항을 증가시키지 않고 연료 전지(1) 내의 물의 밸런스를 발전에 적합한 상태로 유지할 수 있게 된다.
이하, 연료 전지(1)를 각 구성 요소 별로 상세히 설명한다.
[2] 연료극(4)
연료극(음극; 애너드; 4)은 외측으로부터 순서대로 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)과, 연료 확산층 핵부(421)와, 그리고 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)을 구비하는 연료 확산층(42)과, 그러한 연료 확산층(42)에 접합된 연료 반응층(41)으로 구성되어 있다.
[2.1] 연료 확산층(42)
연료 확산층(42)은 연료극(4)에 공급된 수소를 확산시키고, 연료 반응층(41)에 공급되는 수소의 공급 불균일을 저감시키는 기능을 갖고 있다. 또한, 연료 확산층(42)은 연료 반응층(41)에서 발생한 전기의 통로로 된다. 또, 이 연료 확산층(42)은 후술하는 산소 확산층(52)과 함께 연료 전지(1) 내의 물의 밸런스를 발전에 적당한 상태로 유지하는 역할을 한다.
이러한 관점에서, 본 실시 형태의 연료 전지(1)에서는 연료 확산층(42)의 양면에 발수성의 재료를 함유하는 층을 배치하였다. 이것에 의해 전술한 효과가 보다 효과적으로 얻어지게 된다. 또, 본 명세서에서는 설명의 편의상, 발수성의 재료를 함유하는 층을 통상 「발수성 재료 함유층」이라고 한다.
이하, 연료 확산층(42)을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 확산층(42)은 연료 확산층(42)의 주요부를 이루는 연료 확산층 핵부(핵층; 421)의 양면에 발수성 재료 함유층을 각각 배치한 구성으로 되어 있다. 본 명세서에서는 설명의 편의상, 통상 연료 확산층 (42)의 외측에 배치된 발수성 재료 함유층을 「연료극 외측 발수성 재료 함유층 (422)」, 그리고 연료 확산층(42)의 내측에 배치된 발수성 재료 함유층을 「연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)」이라고 한다.
바꾸어 말하면, 연료 확산층(42)은 연료 확산층 핵부(421)의 외측 면에 연료 극 외측 발수성 재료 함유층(422)이, 연료 확산층 핵부(421)의 내측 면에 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)이 각각 배치된 구성으로 되어 있다.
[2.1.1] 연료 확산층 핵부(421)
연료 확산층 핵부(421)는 연료 확산층(42)의 주요 부분을 이루고 있다. 이 연료 확산층 핵부(421) 내에서 연료극(4)에 공급된 수소는 적당히 확산된다. 또한, 연료 확산층 핵부(421)는 연료 반응층(41)에서 발생한 전기의 통로로 된다. 또, 연료 확산층 핵부(421)는 연료 전지(1)의 강도를 향상시키는 기능을 갖는다.
이 연료 확산층 핵부(421)는, 예컨대 탄소 섬유 직물(예를 들면, 카본클로스, 카본펠트 등), 카본페이퍼 등의 다공질 탄소 재료 등으로 대표되는 다공질성의 도전성 재료 등으로 구성된다. 이에 따라 연료 확산층 핵부(421)는 전술한 기능을 적절히 발휘할 수 있게 된다.
그 중에서도 특히, 연료 확산층 핵부(421)는 카본클로스, 카본펠트 등의 탄소 섬유 직물로 구성하는 것이 바람직하다. 탄소 섬유 직물은 수소의 확산성이 우수하다. 또한, 탄소 섬유 직물은 연료 전지(1)의 강도 향상이라는 점에서도 우수하다.
이 연료 확산층 핵부(421)의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 50∼2000 ㎛ 정도인 것이 바람직하고, 100∼800 ㎛ 정도인 것이 보다 바람직하다. 연료 확산층 핵부(421)가 너무 얇으면, 연료 전지(1)의 강도가 저하되는 경우가 있다. 또한, 연료 확산층 핵부(421)가 너무 얇으면, 연료 확산층 핵부(421)는 수소 가스를 효율적으로 확산시키지 못하게 되는 경우가 있다. 한편, 연료 확산층 핵부(421)가 너무 두꺼우면, 연료 반응층(41)으로의 수소 가스의 공급 효율이 저하되는 경우가 있다.
[2.1.2] 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)
연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)은 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)과 함께, 연료 확산층(42)의 발수성을 조정함에 있어서 중요한 역할을 한다. 또한, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)은 수소 가스 및 전기의 통로로 된다.
이러한 관점에서, 본 실시 형태의 연료 전지(1)의 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)은 발수성을 가진 재료(본 명세서에서는 통상, 단순히 「발수성 재료」라고 한다)와 도전성 재료를 함유한다. 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)이 발수성 재료를 함유하는 것에 의해, 후술하는 효과가 적절히 얻어지도록 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423) 및 연료 확산층(42)의 발수성을 조정하는 것이 용이해진다. 또한, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)이 도전성 재료(예를 들면, 탄소 분말 등의 탄소 재료 등)를 함유하는 것에 의해 연료 확산층(42)은 우수한 도전성이 얻어진다.
이러한 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)은 입자상의 도전성 재료(예를 들면 탄소 분말 등)에 발수성 재료를 담지시켜서 구성하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 수소 가스가 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)을 적절히 투과할 수 있게 된다. 도전성 재료가 입자상인 경우, 그 평균 입경은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.01∼0.1 ㎛ 정도인 것이 바람직하다.
연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)에 함유시키는 발수성 재료로서는, 예컨대 불소 수지(예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체 등), 불화탄소 등의 불소 재료, 실리콘 수지, 폴리에틸렌, 폴리스티렌 등을 들 수 있다.
그 중에서도 특히, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)에 사용하는 발수성 재료로서는, 폴리테트라플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체 등의 불소 수지가 바람직하다. 이것에 의해, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)은 비교적 낮은 발수성 재료의 함유량으로 비교적 높은 발수성이 얻어지게 된다. 이에 따라, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)에 도전성 재료를 비교적 많이 함유시킬 수 있게 되고, 연료 확산층(42)의 도전성을 향상시키기 쉬워진다. 특히, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)에 사용되는 발수성 재료에 폴리테트라플루오로에틸렌을 사용하면, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 수소 가스 투과성이 향상된다.
이러한 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 2∼100 ㎛ 정도인 것이 바람직하고, 5∼50 ㎛ 정도인 것이 보다 바람직하다. 이것에 의해, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)은 전술한 기능, 효과를 보다 적절히 발휘할 수 있게 된다.
[2.1.3] 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)
전술한 바와 같이, 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)은 연료극 내측 발 수성 재료 함유층(423)과 함께, 연료 확산층(42)의 발수성을 조정함에 있어서 중요한 역할을 한다. 또한, 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)은 수소 가스 및 전기의 통로로 된다.
이 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)에 사용되는 재료, 두께 등, 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)의 바람직한 조건에 대해서는, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)에서 설명한 것과 동일하다고 할 수 있으므로 설명을 생략한다.
본 실시 형태의 연료 전지(1)에서는, 이상 설명한 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422), 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 발수성이 후술하는 산소 확산층(52)의 발수성 재료 함유층보다 높다. 이것에 관한 사항에 대해서는 산소극(5)을 설명한 후에 상세히 설명한다.
[2.2] 연료 반응층(41)
연료 반응층(41)은 수소의 산화를 촉진하는 촉매를 함유하고, 연료인 수소를 산화시킬 수 있다.
이 연료 반응층(41)은 수소의 산화를 촉진하는 촉매와, 필요에 따라 촉매를 담지하는 담체와, 이온 교환 수지를 함유한다.
이 촉매에는 예컨대, 백금족 금속(백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rd), 팔라듐 (Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir) 등), 금(Au) 등의 전이 금속, 이들의 금속 합금, 이들 금속과 다른 금속과의 합금 등을 사용할 수 있다.
그 중에서도 특히, 연료 반응층(41)의 촉매에는 백금 또는 백금 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 백금 및 백금 합금은 수소의 산화 촉진 작용이 우수하다. 따라서, 연료극(4)의 촉매에 백금 또는 백금 합금을 사용하면, 연료 전지(1)는 연료극(4)에서 수소를 효율적으로 산화시킬 수 있게 되고, 전지 출력이 향상된다.
이러한 촉매는 입자(미립자)상으로 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 촉매의 비표면적이 증가되고, 수소의 산화 효율이 향상된다.
이 경우, 촉매 입자의 평균 입경은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 1∼1000 nm 정도인 것이 바람직하다. 또한, 촉매 입자의 비표면적은 5∼300 ㎡/g 정도인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 수소의 산화 효율이 보다 향상된다.
촉매를 입자상으로 하는 경우에, 이러한 촉매는 담체에 담지시키는 것이 좋다. 이것에 의해, 연료 반응층(41)은 촉매를 적절히 보유할 수 있게 된다.
이러한 촉매의 담체에는, 예컨대 탄소 분말 등의 탄소 재료 등을 사용할 수 있다. 탄소 재료는 담체의 담지력이 우수하다. 또한, 촉매를 탄소 재료에 담지시키면, 연료 반응층(41)의 도전성이 향상되고, 연료 전지(1)의 내부 저항이 저하된다. 이에 따라, 연료 전지(1)의 전지 출력이 향상된다.
촉매의 담체에 탄소 분말 등의 입자상의 담체를 사용하는 경우, 그 평균 입경은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.01∼1 ㎛ 정도가 바람직하다. 이것에 의해, 담체는 촉매가 우수한 촉매 활성을 발휘할 수 있도록 촉매를 담지할 수 있다.
연료 반응층(41)은 이온 교환 수지를 함유하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 연료 반응층(41)에서 생긴 수소 이온은 전해질 층(3) 내로 원활하게 이동할 수 있게 된다. 이에 따라, 연료 전지(1)는 전기를 보다 효율적으로 발생시킬 수 있게 된다.
이러한 이온 교환 수지에는 후술하는 전해질 층(3)의 설명에서 예시하는 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.
이러한 연료 반응층(41)은 촉매의 종류, 부재료(담체, 이온 교환 수지)의 유무, 종류 등에 따라 약간 다르지만, 촉매를 1∼80 중량% 정도 함유하는 것이 바람직하고, 10∼50 중량% 정도 함유하는 것이 보다 바람직하다. 촉매 함유량이 너무 적으면, 연료 반응층(41)은 수소를 충분히 산화시킬 수 없고, 전지 출력이 저하되는 경우가 생긴다.
또한, 연료 반응층(41)에 촉매를 담지하는 담체를 함유시키는 경우, 연료 반응층(41)은 촉매의 종류, 함유량 등에 따라 약간 다르지만, 담체를 5∼60 중량% 정도 함유하는 것이 바람직하고, 10∼40 중량% 정도 함유하는 것이 보다 바람직하다. 이것에 의해, 담체는 촉매를 보다 적절히 담지할 수 있게 된다. 또, 연료 반응층 (41)의 도전성이 향상되는 경우가 많다.
또한, 연료 반응층(41)에 이온 교환 수지를 함유시키는 경우, 연료 반응층 (41)은 촉매의 종류, 함유량 등에 따라 약간 다르지만, 이온 교환 수지를 5∼60 중량% 정도 함유하는 것이 바람직하고, 10∼40 중량% 정도 함유하는 것이 보다 바람직하다. 이것에 의해, 수소 이온이 전해질 층(3) 내로 보다 원활하게 이동할 수 있게 된다.
이러한 연료 반응층(41)의 두께는 연료 반응층(41)을 구성하는 재료에 따라 약간 다르지만, 1∼100 ㎛ 정도가 바람직하고, 1∼50 ㎛ 정도가 더욱 바람직하다. 연료 반응층(41)을 너무 두껍게 하면, 수소, 수소 이온 등이 연료 반응층(41) 내로 이동하기 어렵게 되는 경우가 있다.
[3] 전해질 층(3)
전해질 층(3)은 전해질을 함유하고, 수소 이온의 이동 촉매로서의 기능을 갖는다.
이 전해질 층(3)은, 예컨대 나피온(등록 상표) 등의 이온 교환 수지(고체 전해질), 황산 등의 전해질 용액을 수분 보유성 재료(예를 들면, 직포, 부직포, 종이 등)에 담지(함침)시킨 것 등으로 구성할 수 있다.
본 발명의 연료 전지(1)에서는 전해질 층(3)을 이온 교환 수지로 구성하면 연료 전지의 전지 출력이 특히 향상된다.
이 전해질 층(3)의 두께는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 1∼1000 ㎛ 정도가 바람직하고, 10∼100 ㎛ 정도가 보다 바람직하다. 전해질 층(3)을 너무 두껍게 하면, 전해질 층(3) 내를 수소 이온이 이동하기 어렵게 되고, 전지 출력의 저하를 일으키는 경우가 생긴다. 한편, 전해질 층(3)을 너무 얇게 하면, 산소극으로의 수소의 투과가 현저해져서 출력 전압의 저하를 일으키는 경우가 생긴다. 또한, 적층체(29)의 기계적 강도가 상대적으로 저하되고, 연료 전지(1)를 차 등에 탑재한 경우, 진동 조건에 따라서는 전해질 층(3)이 단열(斷裂)될 가능성도 있다.
[4] 산소극(5)
산소극(양극; 캐소드; 5)은 외측으로부터 순서대로 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)과, 산소 확산층 핵부(521)와, 그리고 산소극 내측 발수성 재료 함유층 (523)을 구비하는 산소 확산층(52)과, 이러한 산소 확산층(52)에 접합된 산소 반응 층(51)으로 구성된다.
[4.1] 산소 확산층(52)
산소 확산층(52)은 산소극(5)에 공급된 산소를 확산시키고, 산소 반응층(51)에 공급되는 산소의 공급 불균일을 저감시키는 기능을 갖는다. 또한, 산소 확산층(52)은 산소 반응층(51)으로의 전기 통로로 된다. 또, 이 산소 확산층(52)은 연료 확산층(42)과 함께 연료 전지(1) 내의 물의 밸런스를 발전에 적당한 상태로 유지하는 역할을 한다.
이러한 관점에서, 본 실시 형태의 연료 전지(1)에서는 산소 확산층(52)의 양면에 발수성 재료 함유층을 배치하였다. 이것에 의해, 전술한 효과가 보다 효과적으로 얻어지게 된다.
이하, 산소 확산층(52)을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 산소 확산층(52)은 산소 확산층(52)의 주요부를 이루는 산소 확산층 핵부(핵층; 521)의 양면에 발수성 재료 함유층을 각각 배치한 구성으로 되어 있다. 본 명세서에서는 설명의 편의상, 통상 산소 확산층 (52)의 외측에 배치된 발수성 재료 함유층을 「산소극 외측 발수성 재료 함유층 (522)」, 그리고 산소 확산층(52)의 내측에 배치된 발수성 재료 함유층을 「산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)」이라고 한다.
바꾸어 말하면, 산소 확산층(52)은 산소 확산층 핵부(521)의 외측 면에 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)이, 산소 확산층 핵부(521)의 내측 면에 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)이 각각 배치된 구성으로 되어 있다.
[4.1.1] 산소 확산층 핵부(521)
산소 확산층 핵부(521)는 산소 확산층(52)의 주요 부분을 이룬다. 이 산소 확산층 핵부(521) 내에서, 산소극(5)에 공급된 산소는 적당히 확산된다. 또한, 산소 확산층 핵부(521)는 산소 반응층(51)으로의 전기 통로로 된다. 또, 산소 확산층 핵부(521)는 연료 전지(1)의 강도를 향상시키는 기능을 갖는다.
이 산소 확산층 핵부(521)에 사용되는 재료, 두께 등, 산소 확산층 핵부 (521)의 바람직한 조건에 대해서는, 연료 확산층 핵부(421)에서 설명한 것과 동일하다고 할 수 있으므로 설명을 생략한다.
[4.1.2] 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)
산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)은 산소극 외측 발수성 재료 함유층 (522)과 함께, 산소 확산층(52)의 발수성을 조정함에 있어서 중요한 역할을 한다. 또한 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)은 산소 가스 및 전기의 통로로 된다.
이 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)에 사용되는 재료, 두께 등, 후술하는 사항 이외의 바람직한 조건에 대해서는, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)에서 설명한 것과 동일하다고 할 수 있으므로 설명을 생략한다.
[4.1.3] 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)
전술한 바와 같이, 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)은 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)과 함께, 산소 확산층(52)의 발수성을 조정함에 있어서 중요한 역할을 한다. 또한 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)은 산소 가스 및 전기의 통로로 된다.
이 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)에 사용되는 재료, 두께 등, 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)의 바람직한 조건에 대해서는, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(523)에서 설명한 것과 동일하다고 할 수 있으므로 설명을 생략한다.
전술한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지(1)에서는 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522), 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 발수성보다, 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422), 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 발수성이 높다. 이것에 관한 사항에 대해서는 산소 반응층(51)을 설명한 후에 상세히 설명한다.
[4.2] 산소 반응층(51)
산소 반응층(51)은 산소의 환원을 촉진하는 촉매를 함유하여 산소를 환원시킬 수 있다.
이 산소 반응층(51)은 산소의 환원을 촉진하는 촉매와, 필요에 따라 촉매를 담지하는 담체와, 이온 교환 수지를 함유한다.
이 촉매에는 예컨대, 백금족 금속(백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rd), 팔라듐 (Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir) 등), 금(Au) 등의 전이 금속, 이들의 금속 합금, 이들 금속과 다른 금속과의 합금 등을 사용할 수 있다.
그 중에서도 특히, 산소 반응층(51)의 촉매에는 백금 또는 백금 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 백금 및 백금 합금은 수소의 산화 촉진 작용이 우수하다. 따라서, 산소극(5)의 촉매에 백금 또는 백금 합금을 사용하면, 연료 전지(1)는 산소극(5)에서 수소를 효율적으로 산화시킬 수 있게 되고, 전지 출력이 향상된다.
이러한 촉매는 입자(미립자)상으로 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 촉매의 비표면적이 증가되고, 산소의 환원 효율이 향상된다. 이 경우의 산소 반응층(51)의 촉매의 바람직한 조건(평균 입경, 비표면적 등)에 대해서는 연료 반응층(41)의 설명에서 설명한 것과 동일하다고 할 수 있다.
촉매를 입자상으로 하는 경우에, 이러한 촉매는 담체에 담지시키는 것이 좋다. 이것에 의해, 산소 반응층(51)은 촉매를 적당히 보유할 수 있게 된다. 이 담체에 대해서는 연료 반응층(41)의 설명에서 설명한 것과 동일하다고 할 수 있다.
또한, 산소 반응층(51)은 이온 교환 수지를 함유하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 전해질 층(3)에서 이동해 온 수소 이온이 산소 반응층(51) 내로 원활하게 이동할 수 있게 된다. 이에 따라, 연료 전지(1)는 전기를 보다 효율적으로 발생시킬 수 있게 된다. 이 이온 교환 수지에 대해서는 연료 반응층(41)의 설명에서 설명한 것과 동일하다고 할 수 있다.
산소 반응층(51)이 함유하는 촉매, 담체, 이온 교환 수지의 함유량, 산소 반응층(51)의 두께 등, 산소 반응층(51)의 바람직한 조건에 대해서는, 연료 반응층 (41)에서 설명한 것과 동일하다고 할 수 있으므로 설명을 생략한다.
[4.3] 연료 확산층(42)의 발수성과 산소 확산층(52)의 발수성의 상위
[4.3.1]
연료 전지(1)는 연료 반응층(41)에서 수소를 산화시키고, 산소 반응층(51)에서 산소를 환원시키는 것에 의해 전기를 발생시킨다. 이 때, 산소 반응층(51)에서는 물이 발생한다. 또한, 연료 반응층(41)에서는 수소 이온이 발생한다. 이 수소 이온은 물분자를 동반하여 전해질 층(3)을 통해 산소 반응층(51) 내로 이동한다.
이에 따라, 연료 전지(1)는 작동 중, 연료 반응층(41)에서는 물이 감소하고, 산소 반응층(51)에서는 물이 증가하는 경향이 있다. 그런데, 산소 반응층(51)에서 물이 너무 많아지면, 산소는 산소 확산층(52)에서 산소 반응층(51) 내로 이동하기 어렵게 된다. 즉, 산소 반응층(51)에서 물이 너무 많아지면, 산소 반응층(51)에 산소가 공급되기 어렵게 된다. 또한, 연료 반응층(41)에서 물이 과소해지면, 수소 이온의 발생 효율이 저하된다.
따라서, 효율적으로 전기를 발생시키기 위해서는, 연료 전지(1)에서는 산소 반응층(51) 중의 물의 양이 과도하게 증가하는 것을 방지하고, 연료 반응층(41) 중의 물의 양이 과도하게 감소하는 것을 방지할 필요가 있다.
그래서, 본 발명의 연료 전지(1)에서는 연료 확산층(42)의 발수성을 산소 확산층(52)의 발수성보다 높게 하였다.
연료 확산층(42)의 발수성을 산소 확산층(52)의 발수성보다 높게 하면, 다시 말해서 산소 확산층(52)의 발수성을 연료 확산층(42)의 발수성보다 낮게 하면, 산소 반응층(51) 중의 물은 산소 확산층(52)을 통과하여 산소극(5)의 외부로 효율적으로 배출될 수 있게 된다. 또한, 연료 반응층(41) 중의 물은 연료 확산층(42) 내로 진입하기 어렵고, 게다가 연료 확산층(42) 내를 통과하기 어렵게 된다. 이에 따라, 연료 반응층(41) 내에서는 물이 체류하기 쉽게 된다.
따라서, 본 발명의 연료 전지(1)에서는, 산소 반응층(51) 중의 물의 양이 과도하게 증가하는 것을 방지할 수 있게 되고, 또 연료 반응층(41) 중의 물의 양이 과도하게 감소하는 것을 방지할 수 있게 된다. 이에 따라, 본 발명의 연료 전지(1)에서는 연료 반응층(41) 및 산소 반응층(51)에서 반응이 효율적으로 진행되고 전지 출력이 향상된다.
또, 연료 확산층(42) 및 산소 확산층(52)의 발수성을 조정하면, 연료 반응층(41) 및 산소 반응층(51)의 발수성을 그다지 조정하지 않더라도 연료 전지(1) 내의 물의 밸런스를 적절히 유지할 수 있게 된다.
통상, 연료 반응층 및 산소 반응층은 이온 교환 수지를 함유하는 경우가 많다. 따라서, 연료 반응층 및 산소 반응층의 발수성을 조정하기 위해, 예컨대 이들 층에 발수성 재료를 함유시키면 연료 반응층 및 산소 반응층의 도전성은 더욱 저하되어 버린다. 이에 따라, 연료 전지의 내부 저항이 증대되어 높은 전지 출력을 얻기 어렵게 된다.
이에 반해, 연료 확산층 및 산소 확산층에는 통상, 연료 반응층 및 산소 반응층에 배합하는 것과 같은, 도전성을 저하시키는 물질을 함유시킬 필요가 없다. 따라서, 예컨대 연료 확산층 및 산소 확산층의 발수성을 조정하기 위해, 연료 확산층 및 산소 확산층에 발수성 재료를 함유시켜도 연료 확산층 및 산소 확산층의 전기 저항이 대폭적으로 증가하는 일은 방지된다.
즉, 본 발명의 연료 전지(1)와 같이, 연료 확산층(42)의 발수성을 산소 확산층(52)의 발수성보다 높게 하면, 연료 전지(1)의 내부 저항을 대폭적으로 증가시키지 않고, 연료 전지(1) 내의 물의 밸런스를 발전에 적당한 상태로 유지할 수 있게 된다. 이러한 설명은, 본 발명에 있어서 연료 반응층(41)과 산소 반응층(51)의 발 수성에 차이를 두는 것을 배제하는 것은 아니다.
[4.3.2] 연료 확산층(42)의 발수성 재료 함유층과 산소 확산층(52)의 발수성 재료 함유층의 상위
이제, 설명이 번잡해지는 것을 막고 설명을 이해하기 쉽게 하기 위해서, 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)을 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)에 포함시키고, 또한 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)을 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)에 포함시켜 설명한다.
연료 확산층(42)의 발수성과 산소 확산층(52)의 발수성의 상위는 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 발수성과 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 발수성에 차이를 둠으로써 실현하면 된다.
이것에 의해, 연료 확산층(42) 및 산소 확산층(52)의 발수성을 조정하는 것이 용이해진다. 또, 전기를 보다 원활하고 효율적으로 발생시킬 수 있도록, 연료 전지(1) 내부의 물의 밸런스를 조정하는 것이 극히 용이해진다. 또한, 연료 확산층(42) 및 산소 확산층(52) 전체의 전기 저항이 증가하는 것도 적절히 억제할 수 있게 된다.
예컨대, 연료 전지(1)에서는 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 발수성 재료 함유량을 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 발수성 재료 함유량보다 높게 하는 것에 의해, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 발수성을 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 발수성보다 높게 할 수 있다.
이렇게 발수성을 조정하면, 연료 전지(1) 내부의 물의 밸런스가 보다 발전에 적당하게 되도록, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423) 및 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 발수성을 조정하는 것이 용이해진다.
이렇게 발수성을 조정하는 경우, 연료극 내측 발수성 재료 함유량(423)의 발수성 재료 함유량을 산소극 내측 발수성 재료 함유량(523)의 발수성 재료 함유량보다 5 중량% 이상 높게 하는 것이 바람직하고, 10 중량% 이상 높게 하는 것이 보다 바람직하며, 12.5 중량% 이상 높게 하는 것이 보다 더 바람직하다. 이것에 의해, 산소 반응층(51) 중의 물의 양이 과도하게 증가하는 것이 보다 적절히 방지되고, 또한 연료 반응층(41) 중의 물의 양이 과도하게 감소하는 것도 보다 적절히 방지된다.
이와 같은 연료 전지(1)에서는, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 발수성 재료 함유량은 20∼80 중량% 정도인 것이 바람직하고, 30∼70 중량% 정도가 보다 바람직하며, 45∼65 중량% 정도인 것이 보다 더 바람직하다. 이것에 의해, 연료 반응층(41)은 수소 이온이 효율적으로 발생시킬 수 있는 물의 양을 보다 적절히 유지할 수 있게 된다.
또한, 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 발수성 재료 함유량은 15∼65 중량% 정도인 것이 바람직하고, 25∼55 중량% 정도인 것이 보다 바람직하며, 30∼50 중량% 정도인 것이 보다 더 바람직하다. 이것에 의해 산소 반응층(51)은 여분의 물을 보다 적절히 배출시킬 수 있게 된다.
이와 같은 연료 전지(1)에서는, 예컨대 연료극 내측 발수성 재료 함유층 (423)이 함유하는 도전성 재료의 발수성을, 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523) 이 함유하는 도전성 재료의 발수성보다 높게 하는 것에 의해, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 발수성을 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 발수성보다 높게 할 수 있다.
이와 같이 발수성을 조정하면, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423) 및 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 전기 저항의 증대를 극히 적절히 억제하면서, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423) 및 산소극 내측 발수성 재료 함유층 (523)의 발수성을 조정할 수 있게 된다.
또, 도전성 재료의 발수성의 고저는, 예컨대 도전성 재료가 함유하는 친수기의 양, 도전성 재료가 함유하는 소수기의 양 등을 지표로 할 수 있다.
이와 같은 연료 전지(1)에서는, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 두께를 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 두께보다 높게 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 연료극(4)에서는 물이 연료 반응층(41) 내에 보다 적절히 체류하게 되고, 산소극(5)에서는 물이 적절히 산소 반응층(51)으로부터 배출되게 된다.
특히, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 두께를 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 두께보다 5 ㎛ 이상 두껍게 하면, 이러한 효과가 보다 효과적으로 얻어지게 된다.
또한, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 두께 및 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 두께는 같아도 된다. 또, 연료극 내측 발수성 재료 함유층 (423)을 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)보다 얇게 해도 된다.
이와 같은 연료 전지(1)에서는, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423) 및 산 소극 내측 발수성 재료 함유층(523)이 다공질인 경우, 연료극 내측 발수성 재료 함유량(423)의 기공률을 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 기공률보다 낮게 하는 것이 좋다. 이것에 의해, 연료극(4)에서는 물이 연료 반응층(41) 내에 보다 적절히 체류하게 되고, 산소극(5)에서는 불필요한 물이 적절히 산소 반응층(51)에서 배출되게 된다.
이 경우, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 기공률을 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 기공률보다 5% 이상 낮게 하면, 이러한 효과가 보다 효과적으로 얻어지게 된다.
또, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 기공률과 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 기공률은 같아도 된다. 또한, 연료극 내측 발수성 재료 함유층 (423)의 기공률을 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 기공률보다 높게 해도 된다.
연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)이 다공질인 경우, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 기공률은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 20∼70% 정도가 바람직하고, 35∼55% 정도가 보다 바람직하다. 또한, 산소극 내측 발수성 재료 함유량(523)이 다공질인 경우, 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 기공률은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 30∼80% 정도가 바람직하고, 45∼65% 정도가 보다 바람직하다. 이것에 의해, 전술한 효과가 보다 적절히 얻어지게 된다.
연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)을 다공질로 하면, 수소가 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)을 투과하기 쉽게 된다는 이점이 얻어진다. 또한, 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)을 다공질로 하면, 산소가 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)을 투과하기 쉽게 된다는 이점이 얻어진다.
또, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423) 및 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 기공률은 상기 범위 이외의 값이어도 된다는 것은 말할 필요도 없다.
이와 같은 연료 전지(1)에서는, 연료 확산층(42) 표면의 물과의 접촉각은 산소 확산층(52) 표면의 물과의 접촉각보다 5°이상 큰 것이 바람직하고, 10°이상 큰 것이 보다 바람직하다. 이것에 의해, 연료 전지(1)는 전술한 효과를 더욱 효과적으로 얻을 수 있게 된다.
또한, 이와 같은 연료 전지(1)에서는, 연료 확산층(42) 표면의 물과의 접촉각은 100∼160°정도가 바람직하고, 130∼150°정도가 보다 바람직하다. 이것에 의해, 연료 확산층(42)은 물을 보다 적절히 연료 반응층(41) 내에 체류시킬 수 있게 된다.
또, 이와 같은 연료 전지(1)에서는, 산소 확산층(52) 표면의 물과의 접촉각은 90∼150°정도가 바람직하고, 110∼130°정도가 보다 바람직하다. 이것에 의해, 산소 확산층(52)은 물을 보다 적절히 배출시킬 수 있게 된다.
또, 연료 확산층(42)에서는 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 발수성은 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)의 발수성과 동일하게 할 수도 있고, 다르게 할 수도 있다. 또한, 산소 확산층(52)에서 산소극 내측 발수성 재료 함유층 (523)의 발수성은 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)의 발수성과 동일하게 할 수도 있고, 다르게 할 수도 있다.
연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)의 발수성을 F2, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)의 발수성을 F3, 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)의 발수성을 O2, 그리고 연료극 내측 발수성 재료 함유층(523)의 발수성을 O3이라고 하는 경우, 이들 4층의 발수성의 관계는, 예컨대 다음과 같이 조정할 수 있다.
F2=F3＞O3=O2
F2≥F3＞O3＞O2
F3＞F2＞O3≥O2
F2≥F3＞O2＞O3
F3＞F2＞O2＞O3
또, 이들 4층의 발수성 관계는 상기 이외의 것이어도 된다.
도 1에 도시되어 있는 연료 전지(1)와 같이, 연료 확산층(42)이 복수의 발수성 재료 함유층을 갖고 있는 경우, 연료 확산층(42)의 「발수성 재료 함유층의 발수성」은 각 발수성 재료 함유층의 발수성의 평균을 지표로 할 수 있다. 또한, 도 1에 도시되어 있는 연료 전지(1)와 같이, 산소 확산층(52)이 복수의 발수성 재료 함유층을 갖고 있는 경우, 산소 확산층(52)의 「발수성 재료 함유층의 발수성」은 각 발수성 재료 함유층의 발수성의 평균을 지표로 할 수 있다.
또한, 연료 확산층 핵부(421)의 발수성과 산소 확산층 핵부(521)의 발수성에 차이를 두는 것에 의해 연료 확산층(42)의 발수성을 산소 확산층(52)의 발수성보다 높게 해도 된다.
[5] 전지 틀
연료 전지(1)에서는, 이상 설명한 적층체(29)를 끼우듯이 2개의 전지 틀(세퍼레이터)이 배치되어 있다. 구체적으로 설명하면, 연료극(4)에는 연료극측 전지 틀(7)이, 또한 산소극(5)에는 산소극측 전지 틀(8)이 각각 접해 있고, 이들 전지 틀이 적층체(29)를 지지하고 있다.
연료극측 전지 틀(7)은, 예컨대 판에 횡단면 형상이 사각형인 복수개의 홈이 평행하게 형성된 것과 같은 형상을 이루고 있다. 도 1에 도시되어 있는 연료 전지(1)은 이러한 홈(72)이 형성된 면이 연료극(4) 측에 위치하도록 연료극측 전지 틀(7)을 배치하고 있다. 연료 전지(1)에서는 이러한 홈(72)에 의해 수소의 유로(71)가 형성된다. 이 유로(71)를 통해 수소가 연료극(4)에 공급된다.
이와 같은 연료극측 전지 틀(7)에서는, 홈(72)이 형성된 면의 홈(72)이 형성되어 있지 않은 부분이, 연료극(4)에, 보다 구체적으로는 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)에 접하고 있다. 또한, 연료극측 전지 틀(7)은, 예컨대 카본 함유 수지 등의 도체로 구성된다. 따라서, 연료극측 전지 틀(7)은 음극측 단자로서 기능할 수 있다. 이에 따라, 연료 전지(1)에서는 배선(101)을 연료극측 전지 틀(7)에 접속하면 배선(101)이 연료극(4)에 도통하게 된다.
산소극측 전지 틀(8)은, 연료극측 전지 틀(7)과 같은 형상을 이루고 있다. 연료 전지(1)에서는 산소극측 전지 틀(8)에 형성된 홈(82)에 의해 공기의 유로(81)가 형성되어 있다. 이 유로(81)를 통해 공기가 산소극(5)에 공급된다. 또한, 산소극측 전지 틀(8)에서는 홈(82)이 형성된 면의 홈(2)이 형성되어 있지 않은 부분이, 산소극(5)에, 보다 구체적으로는 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)에 접하고 있다. 또한, 이와 같은 산소극측 전지 틀(8)은, 예컨대 연료극측 전지 틀(7)과 같은 재료로 구성된다. 따라서, 산소극측 전지 틀(8)은 양극측 단자로서 기능할 수 있다. 이에 따라, 연료 전지(1)에서는 배선(102)을 연료극측 전지 틀(8)에 접속하면 배선(102)이 연료극(5)에 도통하게 된다.
도 1에 도시되어 있는 연료 전지(1)에서는 홈(72)과 홈(82)이 거의 직교하도록, 연료극측 전지 틀(7) 및 산소극측 전지 틀(8)이 배치되어 있다. 이에 따라, 도 1에 도시되어 있는 연료 전지(1)에서 유로(71)와 유로(81)은 거의 직교하는 것 같은 위치 관계에 있다. 이것에 의해, 수소 및 공기를 공급하는 부재의 구성을 용이하게 할 수 있다. 또, 도 1에서 유로(71)는 지면에 대해 수직 방향으로 연장되어 있고, 유로(81)은 도 1의 상하 방향으로 연장되어 있다.
또, 홈(72)과 홈(82)은 직교하지 않아도 된다.
이와 같은 전지 틀을 적층체(29)에 부착시키면, 연료 전지(1)의 조립, 배선, 연료, 공기의 공급이 용이해진다.
또, 전지 틀은 배치하지 않아도 된다.
[6] 연료 전지(1)의 작용
다음은 연료 전지(1)의 작용을 설명한다. 또, 이하의 설명은 설명을 쉽게 하기 위해서 대표적 예를 들어 설명한다.
우선, 연료극측 전지 틀(7)에 배선(101)의 일 단부를, 그리고 산소극측 전지 틀(8)에 배선(102)의 일 단부를 접속시킨다. 또, 배선(101) 및 (102)의 다른 단부를 부하(109)에 접속시킨다.
이어서, 유로(71)에 수소 가스를, 유로(81)에 공기를 각각 이송한다. 또, 유로(81)에 액체상의 물(냉매)을 이송한다. 이 때, 도 1에서 수소 가스는 지면의 수직 방향으로 유동하고, 공기 및 물은 도면의 상하 방향으로 유동한다. 이 경우, 물의 공급량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.1∼1.0 mg/㎠·sec 정도인 것이 바람직하다.
또, 수소 가스는 가압하여 공급하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 수소 가스의 이용 효율이 향상된다. 이 경우, 수소 가스의 공급 압력은 0.5∼1 kgf/㎠ 정도인 것이 바람직하다. 또, 수소 가스는 가압하여 공급하지 않아도 된다.
유로(71)에 수소 가스를 이송하면, 연료극(4)의 표면에 수소가 공급된다. 이 수소는 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422)에서 연료 확산층(42) 내로 유입된다. 그리고, 이 수소는 연료 확산층(42) 내로 확산하면서, 연료 확산층(42) 내(연료극 외측 발수성 재료 함유층(422), 연료 확산층 핵부(421) 및 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423))를 통해 연료 반응층(41) 내로 도달된다.
또한, 유로(81)에 공기를 이송하면, 산소극(5)의 표면에 산소가 공급된다. 이 산소는 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)에서 산소 확산층(52) 내로 유입된다. 그리고, 이 산소는 산소 확산층(52) 내에서 확산하면서, 산소 확산층(52) 내(산소극 외측 발수성 재료 함유층(522), 산소 확산층 핵부(521) 및 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523))를 통해 산소 반응층(51) 내로 도달된다.
또, 유로(81)에 액체상의 물을 이송하면, 산소극(5)의 표면에 물이 도달하지만, 이 물이 산소극(5) 내로 진입하는 것은 기본적으로 저지된다. 이것은 유로(81) 를 유동하는 물은 물분자가 큰 집합체를 형성하고 있으므로, 다시 말해 큰 클러스터를 형성하고 있으므로 발수성을 가진 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)을 물이 투과하는 것은 극히 곤란하기 때문이다.
본 발명의 연료 전지(1)에서는, 물이 공급되는 측의 전극(산소극; 5)의 표면에 발수성 재료 함유층(산소극 외측 발수성 재료 함유층; 522)이 배치되어 있다. 이에 따라, 연료 전지(1)에서는 산소극(5)의 표면에 물이 대량으로 부착하기 어렵다. 따라서, 본 발명의 연료 전지(1)에서는 산소극(5) 내에 산소가 유입하기 쉽다.
연료 반응층(41) 내에 수소(H2)가 공급되면, 연료 반응층(41)에서는 촉매의 작용에 의해 다음과 같은 반응이 일어난다.
H2 → 2H+ + 2e- (i)
이 때, 연료 반응층(41)에서 생성된 전자(e- )는 연료 반응층(41)으로부터 연료 확산층(42), 연료극측 전지 틀(7), 배선(101), 부하(109), 배선(102), 산소극측 전지 틀(8), 및 산소 확산층(52)을 통해 산소 반응층(51) 내로 이동한다. 이 때, 전자는 부하(109)에서 작업을 수행한다.
또한, 연료 반응층(41)에서 생성된 수소 이온(H+)은 연료 반응층(41)으로부터 전해질 층(3)을 통해 산소 반응층(51) 내로 이동한다.
그리고, 산소 반응층(51)에서는 유로(81)로부터 공급된 산소(O2), 배선을 통 해 온 전자, 그리고 전해질 층(3)을 이동해 온 수소 이온에 의한 하기 반응이 촉매의 작용에 의해 일어난다.
(1/2) O2 + 2H+ + 2e- → H2O (ii)
이 때, 생성된 물(H2O)이 많으면, 산소 반응층(51) 내와 산소 확산층(52) 내의 수압차, 모세관 현상 등에 의해 산소 반응층(51)으로부터 산소 확산층(52)을 통해 산소극(5)의 표면(산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)의 표면)에 배출된다. 이 경우, 산소 확산층(52)을 통과한 물분자는 집합체를 형성하지 않는다. 또는, 집합체를 형성하더라도 그 크기가 작으므로 산소극 내측 발수성 재료 함유층(523) 및 산소극 외측 발수성 재료 함유층(522)을 적절히 투과할 수 있다.
조금 앞으로 돌아가서, 상기 식(i)에 의해 산소 반응층(41)에서 생성된 수소 이온은 연료 반응층(41)으로부터 전해질 층(3)을 통해 산소 확산층(51) 내로 이동한다. 이 때, 수소 이온은 물분자를 동반하여 이동한다. 이에 따라, 연료 반응층(41)에서는 물의 양이 감소하는 경향을 보인다. 그러나, 연료 반응층(41) 내의 물의 양이 어느 정도 적어지면, 산소 반응층(51)과 연료 반응층(41) 간의 물의 농도 차에 의해 산소 반응층(51)으로부터 연료 반응층(41) 내로 물이 이동하게 된다. 또, 본 발명의 연료 전지(1)에서는 연료 반응층(41) 내의 물은 연료 확산층(42) 내에 확산되기 어렵다. 따라서, 연료 반응층(41)에서는 물의 양이 대폭적으로 감소하는 것이 방지된다.
이러한 작용이 일어나므로 연료 전지(1)에서는, 산소 반응층(51)에서는 물의 양이 과다하게 되기 어렵고, 연료 반응층(41)에서는 물의 양이 과소하게 되기 어렵다. 이에 따라, 연료 전지(1)는 효율적으로 전기를 발생시킬 수 있고, 높은 전지 출력이 얻어진다.
또, 상기 식(i) 및 (ii)로 나타낸 반응이 일어남으로 인해, 반응부(21), 그리고 적층체(29)가 발열을 일으키지만, 적층체(29)는 유로(81)에 공급되는 물에 의해 효율적으로 냉각된다.
이상의 설명에서는, 물을 산소극(5) 측에 공급하였으나, 물은 연소극(4) 측에 공급해도 된다. 또한, 연료 전지(1)에 물을 공급하지 않아도 된다.
이상의 설명에서는, 산소극(5)에 공기를 공급하였으나, 산소극(5)에는 산소 분자를 함유하는 기체라면 순 산소 가스 등, 공기 이외의 기체를 공급해도 된다.
[7] 연료 전지(1)의 제조 방법
이상 설명한 연료 전지(1)의 적층체(29)는, 예컨대 전해질 층(3)을 준비하여 이 전해질 층(3)의 한쪽 면에 연료극(4)를 적층시키고, 또한 다른 쪽 면에 산소극(5)을 적층시켜 제조할 수 있다.
[7.1] 연료극(4)의 제작
이하, 연료극(4)의 제조 방법의 한 예를 설명한다.
우선, 연료 확산층 핵부(421)를 준비한다.
이어서, 연료 확산층 핵부(421)의 양면에 연료극 외측 발수성 재료 함유층(422) 및 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423)을 각각 형성시켜 연료 확산 층(42)를 얻는다. 발수성 재료 함유층은, 예컨대 연료 확산층 핵부(421) 위에 발수성 재료 함유층의 구성 재료를 도포, 건조시키고, 가열·가압하여 형성시킬 수 있다. 이 경우, 가열 온도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 330∼400℃ 정도인 것이 바람직하다. 또한, 가압 압력은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 20∼100 ㎏/㎠ 정도인 것이 바람직하다.
그 다음, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423) 위에 연료 반응층(41)을 형성시켜 연료극(4)을 얻는다. 연료 반응층(41)은 예를 들면, 연료극 내측 발수성 재료 함유층(423) 위에 연료 반응층(41)의 구성 재료를 도포, 건조시켜서 형성시킬 수 있다.
[7.2] 산소극(5)의 제작
산소극(5)은 연료극(4)의 제작 방법과 같은 방법으로 제작할 수 있다.
[7.3] 적층체(29)의 제조
적층체(29)는 전해질 층(3)의 한쪽 면에 연료 반응층(41)이 전해질 층(3)에 접하도록 연료극(4)을 적층시키고, 또한 전해질 층(3)의 다른 쪽 면에 산소 반응층(51)이 전해질 층(3)에 접하도록 산소극(5)을 적층시켜서 제조할 수 있다.
예를 들면, 각 층이 이상 설명한 배치가 되도록 연료극(4), 전해질 층(3), 및 산소극(5)를 중첩시키고, 이 중첩체를 가열·가압하여 연료극(4), 전해질 층(3), 그리고 산소극(5)을 적층시킬 수 있다.
이 경우, 가열 온도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 120∼180℃ 정도인 것이 바람직하다. 또한, 가압 압력은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 20∼100 ㎏/ ㎠ 정도인 것이 바람직하다.
[7.4]
그 후, 연료극(4) 및 산소극(5)(적층체 (29))을 연료극측 전지 틀(7) 및 산소극측 전지 틀(8)에 협지시킴으로써 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 연료 전지(1)가 얻어진다.
이상, 본 발명의 연료 전지를 도시된 실시 형태에 기초하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 연료 확산층에서는, 연료 확산층의 한쪽에만 발수성 재료 함유층을 배치해도 된다. 또한, 예를 들면 산소 확산층에서는 산소 확산층의 한 면에만 발수성 재료 함유층을 배치해도 된다. 또한, 예를 들면 발수성 재료 함유층은 배치하지 않아도 된다.
상기 실시 형태에서는 연료에 수소를 사용하였지만, 연료에, 예컨대 메탄올, 히드라진 등을 사용해도 된다.
[8] 연료 전지 장치
이하, 연료 전지(1)를 사용한 연료 전지 장치에 대해서 설명한다.
도 2는 본 발명의 연료 전지 장치의 실시 형태를 도시하는 회로도이다.
도 2에 도시되어 있는 연료 전지 장치(9)는 전술한 연료 전지(1)를 구비하고 있다. 연료 전지 장치(9)는 이러한 연료 장치(1)에 연료 및 산소를 공급하여 발전을 수행할 수 있다. 이하, 연료 전지 장치(9)를 구체적으로 설명한다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지 장치(9)는 연료 전지(1)를 수납 한 전지 본체(91)와, 연료 전지(1)의 연료극(4)에 수소(연료)를 공급하는 연료 공급 수단(92)과, 연료 전지(1)의 산소극(5)에 공기(산소 가스를 함유하는 기체)를 공급하는 산소 공급 수단(93)과, 산소극(5)에 물을 공급하는 물 공급 수단(94)과, 산소극(5)에 공급하는 공기와 물을 혼합하는 기액 혼합 수단(기액 공급 수단; 95)과, 연료 전지(1)에 공급된 물을 재생하는 재생 수단(96)과, 연료극(4)에 공급된 수소를 배기시키는 연료 배기 수단(97)과, 연료 전지(1)의 전지 출력을 검지, 표시하는 출력계(98)를 구비하고 있다.
전지 본체(91)는 연료 전지(1)를 1개 또는 복수개 수납한다.
연료 공급 수단(연료 공급 라인; 92)은 수소를 저류하는 연료원(921)과, 일 단부가 연료 전지(1)의 유로(71)에 접속되고, 다른 단부가 연료원(921)에 접속된 배관(922)과, 배관(922) 위에 배치된 밸브(923)를 구비한다. 연료원(921)은, 예를 들면 봄베로 이루어진다.
산소 공급 수단(산소 공급 라인; 93)은 일 단부가 기액 혼합 수단(95)에 접속되고, 다른 단부가 공기 중에 개방된 배관(931)을 구비한다.
물 공급 수단(물 공급 라인; 94)은 물을 저류하는 탱크(941)와, 일 단부가 기액 혼합 수단(95)에 접속되고, 다른 단부가 탱크(941)에 접속된 배관(942)과, 배관(942) 위에 배치된 펌프(943)와, 펌프(943) 하류측의 배관(942) 위에 배치된 수압 센서(944)와, 배관(942)으로부터 분지되고, 일 단부가 펌프(943)의 하류 측에 접속되며 다른 단부가 펌프(943) 상류 측에 접속된 바이패스 라인(945)과, 바이패스 라인(945) 위에 배치된 밸브(946)와, 탱크(941)에 접속, 배치된 수위 검지 수단(947)을 구비하고 있다. 수위 검지 수단(947)은 탱크(941) 내에 저류된 물의 수위를 검지하고, 감시하는 기능을 갖고 탱크(941) 내에 저류된 물의 수위를 검지하는 수위 센서(948)와, 수위 센서(948)에 접속된 알람(949)을 구비한다.
기액 혼합 수단(95)은 배관(942)의 일 단부가 접속된 노즐(951)과, 연료 전지(1)의 유로(81)에 연통하는 공간(기액 공급실;952)을 구비한다. 또, 산소 공급 수단(93)의 배관(931)은 공간(952)에 연통하고 있다.
재생 수단(재생 라인; 96)은 유로(81)를 통과한 물을 수집하는 매니폴드(하부 매니폴드; 966)와, 유로(81)를 통과한 물과 공기를 분리하는 재생기(공기 중의 물분자를 응축시키는 응축기; 962)와, 일 단부가 매니폴드(966)에 접속되고, 다른 단부가 재생기(962)에 접속된 배관(961)과, 일 단부가 재생기(962)에 접속되고, 다른 단부가 공기 중에 개방된 배기 라인(963)과, 배기 라인(963) 위에 배치된 밸브(964)와, 일 단부가 재생기(962)에 접속되고, 다른 단부가 탱크(941)에 접속된 배관(965)을 구비하고 있다.
연료 배기 수단(연료 배기 라인; 97)은 일 단부가 유로(71)에 접속되고, 다른 단부가 공간(952)에 연통된 배관(971)과, 배관(971) 위에 배치된 밸브(972)를 구비한다.
연료 전지 장치(9)의 이와 같은 구성은 전술한 연료 전지(1)를 작동시키는 데 최적합한 것이다.
또, 연료 공급 수단의 연료원은, 예컨대 수소 흡장(吸藏) 합금 등을 구비한 봄베로 구성할 수 있다. 이 경우, 연료 전지 장치의 구성을 연료 공급 수단의 연료 원과 재생 수단의 재생기를 일체로 구성해도 된다. 이것에 의해, 유로(81)로부터 배출된 공기(물을 함유하는 공기)로 연료원의 수소 흡장 합금을 가온할 수 있게 된다. 그리고, 연료원에 수소 흡장 합금을 구비한 연료 전지 장치에 있어서 유로(81)로부터 배출된 공기로 연료원의 수소 흡장 합금을 가온할 수 있게 되면, 수소가 수소 흡장 합금으로부터 연료 전지(1)에 보다 원활하게 공급되게 된다. 또 이것에 의해, 유로(81)로부터 배출된 공기가 냉각되어 유로(81)를 통과한 물과 공기를 보다 효율적으로 분리할 수 있게 된다.
또, 연료 공급 수단은, 예컨대 연료원에 메탄올을 저류하고, 이 메탄올을 분해하여 수소를 발생시키며, 이 수소를 연료극에 공급하는 것과 같은 구성을 해도 된다.
[9] 연료 전지 장치(9)의 작용
이하, 연료 전지 장치(9)의 작용을 설명한다.
우선, 펌프(943)를 작동시킨다. 또한, 밸브(923)를 소정의 개방도로 개방시킨다. 이어서, 밸브(964)를 소정의 개방도로 개방시킨다.
밸브(923)를 소정의 각도로 개방시키면 연료원(921)으로부터 수소가 배관(922)을 통해 유로(71)로 공급된다.
펌프(943)를 작동시키면, 탱크(941) 내의 물이 배관(942)을 통해 노즐(951)에 공급된다. 이 때, 물의 공급 압력이 수압 센서(944)에서 검지된다. 물의 공급 압력이 높은 경우에, 조작자는 펌프(943)의 파워를 다운시켜 물의 공급 압력을 조정할 수 있다. 또한, 조작자는 밸브(946)를 소정의 개방도로 열고, 바이패스 라인 (945)과의 사이에서 물을 일부 순환시켜서 물의 공급 압력을 조정할 수 있다.
노즐(951)에 공급된 물은 노즐(951)로부터 공간(952) 내에 분무되어 안개 상태(입자상)가 된다.
배관(931)으로부터는 공간(952) 내로 공기가 공급된다.
그리고, 공간(952) 내에서, 노즐(951)로부터 분무된 물과, 배관(931)으로부터 공급된 공기가 혼합된다. 이들 혼합된 물 및 공기는 유로(81)에 공급된다.
그리고, 전지 본체(91) 내에서는, 연료 전지(1)가 연료 공급 수단(92)에 의해 공급된 수소와 산소 공급 수단(93)에 의해 공급된 공기로부터 전기를 발생시킨다.
이 때의 전지 출력의 상태는 출력계(98)에 표시된다.
연료 전지(1)는 물 공급 수단(94)으로부터 공급된 물에 의해 효율적으로 냉각된다.
연료 전지(1)(유로(81))를 통과한 물 및 공기는 매니폴드(966)에서 모아진다.
이 물 및 공기는 배관(961)을 통해 재생기(962) 내로 유입된다.
재생기(962) 내에서는 물과 공기가 분리된다.
또한, 재생기(962) 내에서는 연료 전지(1)로부터 배출된 공기에 함유되어 있는 수소가 제거된다.
그리고, 수소가 제거된 공기는 배기 라인(963)으로부터 배출된다.
재생기(962) 내의 물은 배관(965)을 통해 탱크(941) 내로 재유입된다. 이것 에 의해, 연료 전지(1)에 공급된 물은 재이용되고, 물의 유효 이용이 도모된다. 또, 연료 전지 장치(9)를 이러한 구성으로 하면, 발전에 의해 산소 반응층(51)에서 생성되어 산소극(5)으로부터 배출된 물도 냉각수로서 유효하게 이용될 수 있다.
이러한 연료 전지 장치(9)에서, 탱크(941) 내에 저류된 물의 수위는 수위 센서(948)에 의해 검지된다. 그리고, 탱크(941) 내의 수위가 소정치 이상으로 되는 경우에, 알람(949)은 경고를 발한다. 이에 따라, 연료 전지 장치(9)는 보다 안전하게, 그리고 안심하고 전기를 발생시킬 수 있다.
발전을 종료시키는 경우는, 펌프(943)의 작동을 정지시키고, 밸브(923) 및 밸브(964)를 폐쇄한다. 이것에 의해, 연료 전지 장치(9)의 가동이 정지한다. 그 후, 밸브(972)를 개방하고, 유로(71) 내의 가압을 해제하면 된다. 이것에 의해, 연료 전지 장치(9)의 안전성이 더욱 높아진다.
이와 같이, 연료 전지(1)의 산소극(5) 측에 물을 공급하는 구성으로 하면, 연료 전지 장치(9)의 구성이 용이하게 된다. 또, 연료 전지 장치(9)의 취급성, 안전성이 향상된다.
이상 설명한 연료 전지 장치(9)는 전술한 연료 전지(1)를 구비하고 있으므로 효율적으로 전기를 발생시킬 수 있고, 높은 출력을 얻을 수 있다.
실시예
본 명세서에 있어서 「중량%」는 질량%를 의미한다.
실시예 1
하기에 표시한 구성의 연료 전지를 제작하였다. 이 연료 전지에서는 연료 확 산층의 발수성이 산소 확산층의 발수성보다 높다.
＜연료 전지의 구성＞
≪연료극의 구성≫
◎ 연료 확산층
· 연료 확산층 핵부
☆ 구성 재료 : 카본클로스
☆ 두께 : 360 ㎛
· 연료극 내측 발수성 재료 함유층
☆ 구성 재료 : 탄소 분말(평균 입경 0.03 ㎛; 전기화학 공업사 제품 「덴카블랙」) 50 중량%
폴리테트라플루오로에틸렌 50 중량%
(탄소 분말에 폴리테트라플루오로에틸렌이 담지되어 있다)
☆ 두께 : 30 ㎛
· 연료극 외측 발수성 재료 함유층
☆ 구성 재료 : 탄소 분말(평균 입경 0.03 ㎛; 전기화학 공업사 제품 「덴카블랙」) 50 중량%
폴리테트라플루오로에틸렌 50 중량%
(탄소 분말에 폴리테트라플루오로에틸렌이 담지되어 있다)
☆ 두께 : 30 ㎛
◎ 연료 반응층
☆ 구성 재료 : 백금 촉매(Pt 100 원자%, 평균 입경 2 nm, 비표면 적 100 ㎡/g) 35 중량%
탄소 분말(평균 입경 0.03 ㎛) 50 중량%
나피온(Aldrich사 제품, 특별히 명시되어 있는 것 이 외에는 이하 동일함) 50 중량%
(탄소 분말에 백금 촉매가 담지되어 있다)
☆ 두께 : 20 ㎛
≪전해질 층의 구성≫
☆ 구성 재료 : 나피온 112(Du Pont사 제품)
☆ 두께 : 50 ㎛
≪산소극의 구성≫
◎ 산소 확산층
· 산소 확산층 핵부
☆ 구성 재료 : 카본클로스
☆ 두께 : 360 ㎛
· 산소극 내측 발수성 재료 함유층
☆ 구성 재료 : 탄소 분말(평균 입경 0.03 ㎛; 전기화학 공업사 제품 「덴카블랙」) 65 중량%
폴리테트라플루오로에틸렌 35 중량%
(탄소 분말에 폴리테트라플루오로에틸렌이 담지되어 있다)
☆ 두께 : 20 ㎛
· 산소극 외측 발수성 재료 함유층
☆ 구성 재료 : 탄소 분말(평균 입경 0.03 ㎛; 전기화학 공업사 제품 「덴카블랙」) 65 중량%
폴리테트라플루오로에틸렌 35 중량%
(탄소 분말에 폴리테트라플루오로에틸렌이 담지되어 있다)
☆ 두께 : 20 ㎛
◎ 산소 반응층
☆ 구성 재료 : 백금 촉매(Pt 100 원자%, 평균 입경 2 nm, 비표면 적 100 ㎡/g) 35 중량%
탄소 분말(평균 입경 0.03 ㎛) 35 중량%
나피온 30 중량%
(탄소 분말에 백금 촉매가 담지되어 있다)
☆ 두께 : 20 ㎛
다음과 같이, 연료극을 제작하였다. 우선, 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌을 상기 조성비로 아세트산에틸(분산매, 이하 같음)에 혼합, 분산시켰다. 이어서, 카본클로스(연료 확산층 핵부)의 양면에 이 혼합 분산액을 도포하고 건조시켰다. 이어서, 이 카본클로스를 360℃, 60 ㎏/㎠의 조건에서 핫프레스 처리하였다. 이것에 의해, 상기 두께의 연료 확산층을 얻었다. 이어서, 연료 확산층의 한쪽 면에(한쪽 발수성 재료 함유층 위에) 백금 촉매, 탄소 분말, 그리고 나피온을 상기 조성비로 혼합, 분산시킨 분산매를 도포하여 건조시켰다. 이것에 의해, 연료 확산층 위에 상기 두께의 연료 반응층을 형성시켰다. 즉, 상기 구성의 연료극을 얻었다.
동일한 방법으로, 상기 구성의 산소극을 얻었다.
이어서, '연료 확산층/연료 반응층/전해질 층/산소 반응층/산소 확산층'의 순으로 각 층이 위치하도록, 연료극, 전해질 층, 그리고 산소극을 중첩시켰다. 그 다음, 이 중첩체를 130℃, 40 ㎏/㎠의 조건에서 핫프레스 처리하였다. 이것에 의해, 적층체(실질적인 연료 전지)를 얻었다.
얻은 연료 확산층에서는 연료 확산층 표면의 물과의 접촉각(양면의 평균)은 150°이었다. 또한, 연료극 내측 발수성 재료 함유층의 기공률은 45%이었다. 연료극 외측 발수성 재료 함유층의 기공률은 45%이었다.
또한, 얻은 산소 확산층에서는 산소 확산층 표면의 물과의 접촉각(양면의 평 균)은 150°이었다. 또한, 산소극 내측 발수성 재료 함유층의 기공률은 55%이었다. 산소극 외측 발수성 재료 함유층의 기공률은 55%이었다.
실시예 2
하기에 나타낸 것 이외의 것은 실시예 1과 동일한 연료 전지를 상기한 바와 동일하게 제작하였다. 이 연료 전지에서는 연료 확산층의 발수성이 산소 확산층의 발수성보다 높다.
≪연료극의 구성≫
◎ 연료 확산층
· 연료극 내측 발수성 재료 함유층
☆ 구성 재료 : 탄소 분말(평균 입경 0.03 ㎛; 전기화학 공업사 제품 「덴카블랙」) 50 중량%
폴리테트라플루오로에틸렌 50 중량%
(탄소 분말에 폴리테트라플루오로에틸렌이 담지되어 있다)
☆ 두께 : 30 ㎛
· 연료극 외측 발수성 재료 함유층
☆ 구성 재료 : 탄소 분말(평균 입경 0.03 ㎛; 전기화학 공업사 제품 「덴카블랙」 ) 50 중량%
폴리테트라플루오로에틸렌 50 중량%
(탄소 분말에 폴리테트라플루오로에틸렌이 담지되어 있다)
☆ 두께 : 30 ㎛
≪산소극의 구성≫
◎ 산소 확산층
· 산소극 내측 발수성 재료 함유층
☆ 구성 재료 : 탄소 분말(평균 입경 0.03 ㎛; 캐봇트사 제품 「Vulcan XC-72」) 60 중량%
폴리테트라플루오로에틸렌 40 중량%
(탄소 분말에 폴리테트라플루오로에틸렌이 담지되어 있다)
☆ 두께 : 30 ㎛
· 산소극 외측 발수성 재료 함유층
☆ 구성 재료 : 탄소 분말(평균 입경 0.03 ㎛; 캐봇트사 제품 「Vulcan XC-72」) 60 중량%
폴리테트라플루오로에틸렌 40 중량%
(탄소 분말에 폴리테트라플루오로에틸렌이 담지되어 있다)
☆ 두께 : 30 ㎛
덧붙혀 말하면, 본 실시예에서는, 연료극 내측 발수성 재료 함유층 및 연료극 외측 발수성 재료 함유층의 탄소 분말(전기 화학 공업사 제품 「덴카블랙」)에 는 산소극 내측 발수성 재료 함유층 및 산소극 외측 발수성 재료 함유층의 탄소 분말(캐봇트사 제품 「Vulcan XC-72」)보다 발수성이 높은 것을 사용하였다.
얻은 연료 확산층에서는 연료 확산층 표면의 물과의 접촉각(양면의 평균)은 150°이었다. 또한, 연료극 내측 발수성 재료 함유층의 기공률은 45%이었다. 연료극 외측 발수성 재료 함유층의 기공률은 45%이었다.
또한, 얻은 산소 확산층에서는 산소 확산층 표면의 물과의 접촉각(양면의 평균)은 130°이었다. 또한, 산소극 내측 발수성 재료 함유층의 기공률은 55%이었다. 산소극 외측 발수성 재료 함유층의 기공률은 55%이었다.
비교예
하기에 나타낸 것 이외의 것은 실시예 1과 동일한 연료 전지를 상기한 바와 동일하게 제작하였다. 이 연료 전지에서는 연료 확산층의 발수성과 산소 확산층의 발수성은 동일하다.
≪연료극의 구성≫
◎ 연료 확산층
· 연료극 내측 발수성 재료 함유층
☆ 구성 재료 : 탄소 분말 65 중량%
폴리테트라플루오로에틸렌 35 중량%
☆ 두께 : 30 ㎛
· 연료극 외측 발수성 재료 함유층
☆ 구성 재료 : 탄소 분말 65 중량%
폴리테트라플루오로에틸렌 35 중량%
☆ 두께 : 30 ㎛
≪산소극의 구성≫
◎ 산소 확산층
· 산소극 내측 발수성 재료 함유층
☆ 구성 재료 : 탄소 분말 65 중량%
폴리테트라플루오로에틸렌 35 중량%
☆ 두께 : 30 ㎛
· 산소극 외측 발수성 재료 함유층
☆ 구성 재료 : 탄소 분말 65 중량%
폴리테트라플루오로에틸렌 35 중량%
☆ 두께 : 30 ㎛
평가
각 실시예 및 비교예에서 얻은 적층체에 전지 틀(연료극측 전지 틀 및 산소극측 전지 틀)을 부착하여 연료 전지를 각각 조립하였다.
이어서, 이 연료 전지 2개를 병렬로 전지 본체 내에 수납하였다. 그 다음, 이 전지 본체를 도 2에 도시된 바와 같이 연료 전지 장치에 부착하였다. 즉, 각 실시예(또는 비교예)에서 얻은 연료 전지를 구비한 연료 전지 장치를 얻었다.
이어서, 수소 가스 공급 압력 0.9 kgf/㎠, 산소극으로의 물 공급량 0.66 mg/㎠·sec의 조건에서 연료 전지 장치를 작동시켜 전기를 발생시켰다.
그리고, 각 실시예 및 비교예에서 얻은 연료 전지의 전류 밀도-전압 특성을 측정하였다.
그 결과를 도 3에 도시한다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 연료 전지의 통상의 동작 압력 범위 내에서는 본 실시예의 연료 전지의 전류 밀도는 비교예의 연료 전지의 전류 밀도보다 높았다.
이상의 결과로부터 본 실시예의 연료 전지에 의하면 높은 전지 출력이 얻어진다는 사실이 확인되었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 연료 전지의 전지 출력을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 높은 전지 출력을 얻을 수 있는 연료 전지, 및 연료 전지 장치를 제공할 수 있다.

Claims (18)

  1. 연료를 확산시키는 연료 확산층을 구비한 연료극과, 산소를 확산시키는 산소 확산층을 구비한 산소극이 전해질 층을 개재하여 배치된 연료 전지로서, 상기 연료 확산층의 발수성이 상기 산소 확산층의 발수성보다 높은 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  2. 연료를 확산시키는 연료 확산층과, 상기 연료 확산층에 접합되어 연료를 반응시키는 연료 반응층을 구비한 연료극과,
    산소를 확산시키는 산소 확산층과, 상기 산소 확산층에 접합되어 산소를 반응시키는 산소 반응층을 구비한 산소극과,
    상기 연료극과 상기 산소극과의 사이에 배치된 전해질 층을 구비한 연료 전지로서, 상기 연료 확산층의 발수성이 상기 산소 확산층의 발수성보다 높은 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연료 확산층 및 상기 산소 확산층은 각각 발수성 재료를 함유하는 발수성 재료 함유층을 1층 이상 구비하고, 상기 연료 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성이 상기 산소 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성보다 높은 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 연료 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성 재료 함유량이 상기 산소 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성 재료 함유량보다 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연료 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성 재료 함유량은 상기 산소 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성 재료 함유량보다 5 중량% 이상 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  6. 제3항에 있어서, 상기 연료 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성 재료 함유량은 20 내지 80 중량%인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  7. 제3항에 있어서, 상기 산소 확산층의 발수성 재료 함유층의 발수성 재료 함유량은 15 내지 65 중량%인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  8. 제3항에 있어서, 상기 연료 확산층 및 상기 산소 확산층의 발수성 재료 함유층은 양자 모두 도전성 재료를 함유하고, 상기 연료 확산층의 발수성 재료 함유층의 도전성 재료는 상기 산소 확산층의 발수성 재료 함유층의 도전성 재료보다 발수성이 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  9. 제3항에 있어서, 상기 발수성 재료 함유층은 입자상의 도전성 재료에 상기 발수성 재료를 담지시킨 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  10. 제3항에 있어서, 상기 연료 확산층은 그 양면에 발수성 재료 함유층을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  11. 제3항에 있어서, 상기 산소 확산층은 그 양면에 발수성 재료 함유층을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  12. 제1항에 있어서, 상기 연료 확산층 표면의 물과의 접촉각은 상기 산소 확산층 표면의 물과의 접촉각보다 5°이상 큰 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 연료 확산층 표면의 물과의 접촉각은 100 내지 160°인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  14. 제12항에 있어서, 상기 산소 확산층 표면의 물과의 접촉각은 90 내지 150°인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  15. 제1항에 있어서, 수소를 연료로 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  16. 제1항에 기재된 연료 전지를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  17. 제1항에 기재된 연료 전지를 수납한 전지 본체와, 상기 연료 전지의 연료극에 연료를 공급하는 연료 공급 수단과, 상기 연료 전지의 산소극에 산소 가스를 함유하는 기체를 공급하는 산소 공급 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 산소극에 물을 공급하는 물 공급 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
KR1020010017035A 2000-03-31 2001-03-30 연료 전지 및 연료 전지 장치 KR100738432B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000-98419 2000-03-31
JP2000098419A JP4470271B2 (ja) 2000-03-31 2000-03-31 燃料電池および燃料電池装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20010095190A KR20010095190A (ko) 2001-11-03
KR100738432B1 true KR100738432B1 (ko) 2007-07-11

Family

ID=18612903

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020010017035A KR100738432B1 (ko) 2000-03-31 2001-03-30 연료 전지 및 연료 전지 장치

Country Status (6)

Country Link
US (1) US6797426B2 (ko)
EP (1) EP1139476B2 (ko)
JP (1) JP4470271B2 (ko)
KR (1) KR100738432B1 (ko)
CA (1) CA2342747A1 (ko)
DE (1) DE60136122D1 (ko)

Families Citing this family (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002313359A (ja) * 2001-04-17 2002-10-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体高分子型燃料電池
WO2002095856A2 (de) * 2001-05-18 2002-11-28 Intech Thüringen Gmbh Brennstoffzelle
WO2003056649A1 (fr) * 2001-12-27 2003-07-10 Daihatsu Motor Co., Ltd. Pile a combustible
CA2477800C (en) 2002-04-23 2011-04-19 Mauser-Werke Gmbh & Co. Kg Plastic container
US7297430B2 (en) * 2002-10-01 2007-11-20 Mti Microfuel Cells, Inc. Anode diffusion layer for a direct oxidation fuel cell
US7470483B2 (en) 2002-12-11 2008-12-30 Panasonic Corporation Electrolyte membrane-electrode assembly for fuel cell and operation method of fuel cell using the same
US6928893B2 (en) * 2003-01-15 2005-08-16 General Motors Corporation Method of making a gas diffusion media and quality controls for same
DE602004010444T2 (de) * 2003-02-20 2008-04-30 Jsr Corp. Elektrodenpastenzusammensetzung
JP4397215B2 (ja) * 2003-10-31 2010-01-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP2005174607A (ja) * 2003-12-08 2005-06-30 Aisin Seiki Co Ltd 固体高分子電解質形燃料電池、固体高分子電解質形燃料電池用ガス拡散電極
JP4586358B2 (ja) * 2003-12-11 2010-11-24 株式会社エクォス・リサーチ 燃料電池システム
ATE475203T1 (de) * 2004-03-05 2010-08-15 Umicore Ag & Co Kg Membran-elektrodeneinheit
JP2006120402A (ja) * 2004-10-20 2006-05-11 Toyota Motor Corp 燃料電池
KR100825196B1 (ko) * 2005-03-28 2008-04-24 산요덴키가부시키가이샤 연료 전지
US7722979B2 (en) * 2005-10-14 2010-05-25 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cells with hydrophobic diffusion medium
JP5132316B2 (ja) * 2005-11-01 2013-01-30 Ｊｓｒ株式会社 電極触媒層
KR100695112B1 (ko) * 2005-11-02 2007-03-14 삼성에스디아이 주식회사 두개의 연료저장부를 구비한 직접액체 연료전지 시스템
JP4612569B2 (ja) * 2006-03-20 2011-01-12 本田技研工業株式会社 固体高分子型燃料電池用膜電極構造体
JP2008029962A (ja) * 2006-07-28 2008-02-14 Toyota Motor Corp 撥水性物質を含有するペーストを塗布する装置、方法及び燃料電池の製造方法
JP4953724B2 (ja) * 2006-08-02 2012-06-13 シャープ株式会社 燃料電池および燃料電池システム
JP5135747B2 (ja) * 2006-09-26 2013-02-06 ソニー株式会社 燃料電池および燃料電池システム
JP5118372B2 (ja) 2007-03-28 2013-01-16 株式会社東芝 直接メタノール型燃料電池
JP5131964B2 (ja) * 2007-09-10 2013-01-30 シャープ株式会社 燃料電池
JP2009076423A (ja) * 2007-09-25 2009-04-09 Nippon Soken Inc 燃料電池
WO2009075861A2 (en) * 2007-12-11 2009-06-18 Utc Power Corporation Tailoring liquid water permeability of diffusion layers in fuel cell stacks
JP5300289B2 (ja) * 2008-03-12 2013-09-25 キヤノン株式会社 ガス拡散層、膜電極接合、固体高分子型燃料電池、およびこれらの製造方法
JP5515230B2 (ja) * 2008-03-25 2014-06-11 Ｊｓｒ株式会社 定置または携帯型燃料電池用膜電極接合体、定置または携帯型燃料電池、および、定置または携帯型燃料電池のガス拡散層用樹脂ペースト
JP2010146756A (ja) * 2008-12-16 2010-07-01 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP5388104B2 (ja) * 2009-03-06 2014-01-15 シャープ株式会社 発電体および電子機器
FR2955665B1 (fr) * 2010-01-26 2012-02-24 Commissariat Energie Atomique Dispositif de detection d'eau autonome comprenant une source d'hydrogene
JP5928013B2 (ja) * 2012-03-08 2016-06-01 日産自動車株式会社 電解質膜−電極接合体

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5350643A (en) * 1992-06-02 1994-09-27 Hitachi, Ltd. Solid polymer electrolyte type fuel cell
US5500292A (en) * 1992-03-09 1996-03-19 Hitachi, Ltd. Polymer electrolyte hydrogen-oxygen fuel cell where the polymer electrolyte has a water repellency gradient and a catalytically active component concentration gradiem across oxygen electrode

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0777130B2 (ja) * 1984-04-11 1995-08-16 株式会社日立製作所 燃料電池
JPS6139455A (ja) * 1984-07-31 1986-02-25 Toshiba Corp 燃料電池
US4614025A (en) * 1984-12-26 1986-09-30 Ford Aerospace & Communications Corporation Method for making a lightweight bipolar metal-gas battery
CA2052221C (en) † 1990-11-19 2000-04-11 David S. Watkins Fuel cell electrode assembly with hydrophobic polymer loading
JP2842150B2 (ja) * 1992-06-02 1998-12-24 株式会社日立製作所 固体高分子型燃料電池
JP3331703B2 (ja) * 1993-11-09 2002-10-07 株式会社豊田中央研究所 燃料電池
DE69709784T2 (de) * 1996-02-28 2002-08-08 Johnson Matthey Plc Verwendung von katalytisch aktiven Gasdiffusionselektroden mit Faservliessubstrat in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle
JP3591123B2 (ja) * 1996-03-08 2004-11-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池および燃料電池用電極
JPH11135133A (ja) * 1997-08-28 1999-05-21 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
JP3929146B2 (ja) * 1997-11-07 2007-06-13 松下電器産業株式会社 固体高分子型燃料電池システム
US6103077A (en) † 1998-01-02 2000-08-15 De Nora S.P.A. Structures and methods of manufacture for gas diffusion electrodes and electrode components
US6379827B1 (en) * 2000-05-16 2002-04-30 Utc Fuel Cells, Llc Inerting a fuel cell with a wettable substrate

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5500292A (en) * 1992-03-09 1996-03-19 Hitachi, Ltd. Polymer electrolyte hydrogen-oxygen fuel cell where the polymer electrolyte has a water repellency gradient and a catalytically active component concentration gradiem across oxygen electrode
US5350643A (en) * 1992-06-02 1994-09-27 Hitachi, Ltd. Solid polymer electrolyte type fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
KR20010095190A (ko) 2001-11-03
US6797426B2 (en) 2004-09-28
DE60136122D1 (de) 2008-11-27
CA2342747A1 (en) 2001-09-30
EP1139476A2 (en) 2001-10-04
JP4470271B2 (ja) 2010-06-02
EP1139476B2 (en) 2011-09-14
JP2001283875A (ja) 2001-10-12
EP1139476B1 (en) 2008-10-15
US20010041282A1 (en) 2001-11-15
EP1139476A3 (en) 2004-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100738432B1 (ko) 연료 전지 및 연료 전지 장치
JP6387431B2 (ja) カーボン担持触媒
US6309769B1 (en) Carbon monoxide filter layer
JP5044920B2 (ja) 固体高分子型燃料電池
CA2720056C (en) Fuel cell comprising a catalyst layer
WO2001039307A2 (en) Direct methanol cell with circulating electrolyte
EP2341572A1 (en) Catalyst for solid polymer furl cell, electrode for solid polymer furl cell, and fuel cell
JP2005537618A (ja) 燃料電池電極
JP2006012476A (ja) 燃料電池用膜−電極接合体
KR100528340B1 (ko) 액체연료 혼합장치 및 이를 적용한 직접액체연료 전지
US20040121208A1 (en) Tubular direct methanol fuel cell
JP2009026762A (ja) 濃縮燃料で作動する直接酸化燃料電池システム用の多孔質輸送構造体
JP2006294594A (ja) 燃料電池用電極触媒層、および、これを用いた燃料電池
JP2002231265A (ja) 燃料電池
US6946214B2 (en) Manufacturing method of fuel cell electrode and fuel cell using thereof
JP2007242306A (ja) 燃料電池
WO2013027501A1 (ja) 制御装置および燃料電池システム
JP2006040767A (ja) 固体高分子型燃料電極
JP2006085984A (ja) 燃料電池用ｍｅａ、および、これを用いた燃料電池
JP2011134600A (ja) 膜電極接合体及び燃料電池
JP2005183263A (ja) 多孔質構造体
JP4742395B2 (ja) 燃料電池用空気極
US20060029841A1 (en) High surface area, electronically conductive supports for selective CO oxidation catalysts
JP2006339125A (ja) 固体高分子型燃料電池
JP2009081116A (ja) 燃料電池の膜電極接合体

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
G170 Re-publication after modification of scope of protection [patent]
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20100705

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee