KR100783917B1 - 고분자 전해질형 연료전지 - Google Patents

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KR100783917B1
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

연료전지에 공급되는 연료 가스나 산화제 가스의 가습 상태가 변동한다고 해도, 촉매층내의 고분자 전해질 및 고분자 전해질막의 건조의 진행, 및, 플러딩의 발생을 충분히 억제할 수 있고, 애노드 및 캐소드 및 고분자 전해질막의 열화를 억제할 수 있어, 전지 성능의 저하를 용이하고 확실하게 저감할 수 있는 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다. 고분자 전해질막, 고분자 전해질막을 사이에 끼운 애노드 및 캐소드, 애노드에 연료 가스를 공급·배출하는 제1 가스 유로 및 상기 캐소드에 산화제 가스를 공급·배출하는 제 2의 가스 유로를 가진 한 쌍의 세퍼레이터를 구비한 고분자 전해질형 연료전지에 있어서, 애노드 및 캐소드가 서로 대향하는 위치에 각각 절결부를 형성하고, 상기 위치에서 고분자 전해질막이 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 끼워지며, 상기 절결부에서 고분자 전해질막을 가스 투과성의 보강부재로 지지한다.

Description

고분자 전해질형 연료전지{POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL}
본 발명은, 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것이며, 특히 막전극 접합체와 세퍼레이터의 구조를 개선하는 것에 의해 내구성을 향상시킨 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것이다.
양이온(수소이온) 전도성을 가진 고분자 전해질막을 이용한 연료전지는, 수소를 함유한 연료 가스와, 공기 등의 산소를 함유한 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜, 전력과 열을 동시에 발생시킨다.
여기서, 도 11은, 종래의 고분자 전해질형 연료전지에 탑재된 단전지의 기본 구성의 일례를 나타내는 개략적인 단면도이다. 또한, 도 12는, 도 11에 나타낸 단전지(210)에 포함되는 막전극 접합체(MEA)의 기본 구성의 일례를 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 종래의 고분자 전해질형 연료전지의 MEA(200)에는, 수소이온을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질막(201)의 양 면에, 전극 촉매(예를 들면 백금 금속)를 담지한 탄소 분말과, 수소이온 전도성을 가진 고분자 전해질의 혼합물을 포함하여 구성된 촉매층(202a) 및 촉매층(202b)이 형성되어 있다.
촉매층(202a) 및 (202b)의 바깥측에는, 각각 가스 확산층(203a 및 203b)이 배치되어 있으며, 촉매층(202a)과 가스 확산층(203a)이 애노드(가스 확산 전극) (204a)를 구성하고, 촉매층(202b)과 가스 확산층(203b)이 캐소드(가스 확산 전극) (204b)를 구성하고 있다.
그리고, 애노드(204a)의 촉매층(202a)에서는, 식(1):H2→2H++2e-로 나타나는 반응에 의해서 프로톤을 생성하고, 캐소드(204b)의 촉매층(202b)에서는, 산소와 애노드(204a)로부터 이동해 온 프로톤이, 식(2): 1/2O2+2H++2e-→H2O로 나타나는 반응에 의해서 물을 생성한다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 도 12에 나타내는 MEA(200)를 이용한 단전지 (210)에서는, 애노드(204a) 및 캐소드(204b)에 공급되는 연료 가스 및 산화제 가스의 외부로의 누설 방지나, 상기 2종류의 가스의 혼합을 방지하기 위해서, 애노드 (204a) 및 캐소드(204b)의 주위에, 고분자 전해질막(201)을 끼워 지지하도록 하여 가스켓(206a) 및 가스켓(206b)이 배치되어 있다.
한편, 가스켓(206a 및 206b)은, 애노드(204a) 및 캐소드(204b) 및 고분자 전해질막(201)과 일체화하여 미리 조립되며, 이들을 일체화하여 얻어진 구조체를 MEA라 부르기도 한다.
또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 단전지(210)는, 인접한 복수의 단전지를 기계적으로 고정하여 전기적으로 접속하기 위한, 도전성이 있는 판형상의 세퍼레이터(205a) 및 세퍼레이터(205b)를 가진다. 그리고, 세퍼레이터(205a) 및 세퍼레이 터(205b)가 각각 애노드(204a) 및 캐소드(204b)에 접촉하는 측의 주면(主面) 부분에는, 각각 애노드(204a) 또는 캐소드(204b)에 반응 가스(연료 가스 또는 산화제 가스)를 공급하여, 생성 가스나 잉여 가스를 운반하기 위한 가스 유로(207a) 및 가스 유로(207b)가 형성되어 있다.
가스 유로(207a) 및 가스 유로(207b)는, 세퍼레이터(205a) 및 세퍼레이터 (205b)와 별도로 형성할 수도 있지만, 도 11에 나타낸 바와 같이, 홈을 형성하여 가스 유로(207a) 및 (207b)를 구성하는 것이 일반적이다.
또한, 발전(發電)이 이루어지면 MEA(200)는 발열하기 때문에, MEA(200)의 온도를 허용되는 동작 온도로 유지하기 위해서, 냉각수 등의 냉각 유체를 유통시켜 잉여열을 제거하는 것이 이루어진다. 일반적으로는, 세퍼레이터(205a) 및 세퍼레이터(205b)의 적어도 한쪽에서, 가스 유로(207a) 및 가스 유로(207b)가 형성된 면의 반대측 면에, 냉각수 유로(208a) 및 냉각수 유로(208b)를 형성하여 여기에 냉각수 등의 냉각 유체가 흐르도록 하고 있다.
그리고, 냉각수 유로(208a) 및 냉각수 유로(208b)로서는, 복수의 직선형상의 홈과, 인접한 직선형상의 홈의 끝단을 상류측으로부터 하류측으로 연결하는 턴형상의 홈(커브된 형상의 홈)으로 이루어진 서펜타인(serpentine)형의 냉각수 유로가 이용되는 경우가 많고, 각 홈은 등간격으로 형성되어 있는 것이 일반적이다. 또한, 냉각수 유로(208a) 및 (208b)는, 대략 평행한 복수의 직선형상의 홈에 의해 구성되기도 하지만, 이 경우에도 각 홈은 등간격으로 형성되어 있는 것이 일반적이다.
여기서, 고분자 전해질막(201)은, 말단의 술폰산기 부분에 의해서 수소이온 교환능을 발휘하지만, 이 수소이온 교환능을 발휘하기 위해서는 어느 정도의 수분을 유지하고 있을 필요가 있기 때문에, 연료전지에 공급되는 연료 가스 및 산화제 가스 중의 적어도 한쪽을 가습할 필요가 있다. 그런데, 가습하는 가스속의 수분이 많아질수록 가스 유로(207a) 및 가스 유로(207b)가 폐색되는 플러딩 현상에 의해서 전지 성능이 저하해 버린다고 하는 문제가 있었다.
이에 대하여, 예를 들면, 특허문헌 1에서는, 특히 연료 가스 출구 근방에 있어서의 물의 막힘을 억제하고, 안정적으로 작동하는 고체 고분자형 연료전지를 제공하는 것, 특히, 산화제 가스의 흐름 방향에 있어서의 온도 구배를 작게 하여 연료전지의 셀 성능 및 수명 특성의 향상을 도모하는 것을 의도하여, 비전극 영역을 형성하는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1의 도 1 참조).
특허문헌 1에 기재된 고체 고분자형 연료전지를 도 13을 이용하여 개략적으로 설명하면, 연료 가스와 산화제 가스를 단전지(210)의 면내에서 대향시켜 흐르게 하고, 산화제 가스의 가습의 정도를 낮게 하여 공급하는 가스 유로 구조로 한 단전지(210)에 있어서, 물의 폐색이 일어나기 쉬운 애노드(204a)측으로부터 캐소드 (204b)측으로 물의 이동 촉진, 및 애노드(204a) 출구부에서의 물의 폐색 회피와 산화제 가스의 가습을 의도하여, 도 13에 나타낸 바와 같이, 고분자 전해질막(201)이 세퍼레이터(205a) 및 세퍼레이터(205b)와 대향하는 면에서, 애노드(204a) 및 캐소드(204b)를 구비하지 않은 비전극 영역(209a) 및 비전극 영역(209b)을 형성하는 것이 제안되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허공개공보 2000-277128호
그러나, 특히 연료전지를 이용한 코제너레이션 시스템 등에서, 시스템 기동시나 부하변동시 등에 연료 가스나 산화제 가스의 가습 상태가 변동하면, 먼저 애노드(204a) 또는 캐소드(204b)에 과(過)가습부분(상대습도가 100%를 넘어 가스와 응축수가 혼재하는 상태의 부분)이나 저가습부분(상대습도가 100% 미만이 되는 부분)이 형성된다. 이 경우, 그 저가습부분을 가진 애노드(204a) 또는 캐소드(204b)가 열화하거나 고분자 전해질막(201)이 열화하거나 하여, 최종적으로는 연료전지의 성능이 저하해 버리는 경향이 있다고 하는 문제가 있었다.
이러한 문제에 대해서, 예를 들면, 앞서 설명한 특허문헌 1에 기재된 기술을 이용하여, 예를 들면 산화제 가스의 가습량이 저하한 경우에, 산화제 가스 입구측에서 고분자 전해질막(1)의 비전극 영역(209a) 및 비전극 영역(209b)을 통하여 연료 가스측으로부터 산화제 가스측으로 수분이 보급되는 것을 기대할 수 있는 가능성도 있다고 생각된다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술의 경우, 산화제 가스의 가습의 정도를 낮게 하여 공급하는 운전 조건(가습 조건)이기 때문에, 상술의 애노드(204a) 또는 캐소드(204b)의 열화, 고분자 전해질막(201)의 열화를 충분히 방지하는 것이 매우 곤란하다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 기술의 경우, 노점을 전지 온도 이상으로 하는 운전 조건으로 하더라도, 연료 가스와 산화제 가스를 단전지(210)의 면내에서 대향시켜 흐르게 하는 구성이기 때문에, 단전지(210)의 입구 부근에서 반응 가스는 과포화 상태가 되어, 수분이 응축하여 미스트가 단전지(210)의 가스 유로내에 공급 되게 되어, 미스트에 기인한 플러딩 현상이 발생하기 쉬워진다고 하는 문제가 발생한다. 또한, 이 경우, 연료 가스와 산화제 가스를 단전지(210)의 면내에서 대향시켜 흐르게 하는 구성이기 때문에, 연료 가스 및 산화제 가스의 어느 한쪽이 중력 방향에 거슬러 공급되는 구성이 된다. 그 때문에 연료 가스 및 산화제 가스의 어느 한쪽에 포함되는 미스트를 중력 방향에 거슬러 연료전지에 공급하기 위한 잉여의 에너지가 필요하게 되며, 가스 유로(207a) 및 가스 유로(207b)에 있어서의 압력 손실이 증대해 버린다고 하는 문제가 발생한다. 더욱이 이 경우, 플러딩이 일어나기 쉽게 되어, 전지 성능(예를 들면 전지 전압)이 불안정하게 변동하거나 저하하거나 하여 요구되는 정격 특성을 유지하는 것이 곤란해진다(신뢰성도 저하한다).
또한, 상기 특허문헌 1에 기재된 연료전지의 비전극 영역(209a) 및 비전극 영역(209b)에서는, 통상 20∼200㎛의 막두께를 가진 얇은 고분자 전해질막(201)이 노출하게 되고 지지되어 있지 않기 때문에, 고분자 전해질막(201)의 손상이나 열화가 발생하거나, 고분자 전해질막(201)의 양측을 흐르는 연료 가스와 산화제 가스가 반응하지 않고 서로 섞이는 크로스 리크를 일으키거나 해 버려, 연료전지의 성능을 저하시켜 버린다고 하는 문제가 있다.
이에 더하여, 상기 특허문헌 1에서는, 연료 가스와 산화제 가스를 서로 대향시켜 흐르게 하는 대향류를 채택하고 있기 때문에, 고분자 전해질막(201)에 가해지는 스트레스가 증대하여 손상되거나 크로스리크를 일으키거나 할 가능성이 높다고 하는 문제도 있었다.
따라서, 본 발명은, 연료전지에 공급되는 연료 가스나 산화제 가스의 가습 상태가 변동한다고 해도, 촉매층내의 고분자 전해질 및 고분자 전해질막의 건조의 진행, 및, 플러딩의 발생을 충분히 억제할 수 있고, 애노드 및 캐소드 및 고분자 전해질막의 열화를 억제할 수 있으며, 전지 성능의 저하를 용이하고 확실하게 저감할 수 있는 고분자 전해질형 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 연료전지의 전지 효율을 충분히 높게 유지하면서 내구성도 충분히 유지하기 위해서는, 연료전지에 공급되는 연료 가스 및 산화제 가스를 충분히 가습하는, 앞서 설명한 과가습의 조건에서의 작동이 효과적이라고 하는 관점에서, 상술의 과제를 해결하기 위해 예의 검토한 결과, 과가습의 조건에서도 가스 유로내의 수분(특히 액체)을 용이하게 배출할 수 있고, 또한, 양 전극의 촉매층 및 고분자 전해질막내의 수분량을 충분히 유지하여 이들 건조의 진행을 충분히 방지할 수 있는 아래의 구성으로 하는 것이 상술의 목적을 달성함에 있어 극히 효과적임을 발견하여 본 발명에 도달하엿다.
즉, 본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서,
촉매층을 포함한 애노드 및 촉매층을 포함한 캐소드와, 애노드와 캐소드의 사이에 배치되어 있으며, 수소이온 전도성을 가진 고분자 전해질막을 포함한 막전극 접합체와,
막전극 접합체를 끼워 지지하도록 배치되어 있으며, 애노드 측의 주면에 애노드에 연료 가스를 공급·배출하기 위한 연료 가스 입구 및 연료 가스 출구를 가진 제1 가스 유로가 형성되고, 또한, 캐소드 측의 주면에 캐소드에 산화제 가스를 공급·배출하기 위한 산화제 가스 입구 및 산화제 가스 출구를 가진 제2 가스 유로가 형성된 한 쌍의 도전성을 가진 세퍼레이터를 적어도 구비한 단전지를 포함하고 있으며,
단전지가, 한 쌍의 세퍼레이터의 애노드측 및 캐소드측 중의 어느 한쪽의 주면의 법선 방향이 중력 방향과 교차하도록 배치되어 있고,
한 쌍의 세퍼레이터에서, 연료 가스 입구와 산화제 가스 입구가 근방의 위치에 형성되어 있으며, 제1 가스 유로는, 상기 제1 가스 유로내를 연료 가스가 전체적으로 중력에 거스르는 방향으로 흐르지 않고 중력에 따르는 방향으로 흐르도록 형성되어 있고, 또한, 제2 가스 유로는, 상기 제2 가스 유로내를 산화제 가스가 전체적으로 중력에 거스르는 방향으로 흐르지 않고 중력에 따르는 방향으로 흐르도록 형성되어 있으며,
막전극 접합체의 고분자 전해질막의 애노드측의 주면에는, 촉매층이 형성되어 있지 않은 제1 절결부가 형성되어 있고, 막전극 접합체의 고분자 전해질막의 캐소드측의 주면에는, 촉매층이 형성되어 있지 않은 제2 절결부가 형성되어 있으며, 또한, 제1 절결부 및 제2 절결부는, 고분자 전해질막의 애노드측 및 캐소드측 중의 어느 한쪽의 주면의 대략 법선 방향에서 보았을 경우에, 적어도 서로의 일부가 서로 겹치는 위치에 형성되어 있으며,
고분자 전해질막의 제1 절결부에는, 가스 투과성을 가진 제1 보강부재가 배치되어 있고,
고분자 전해질막의 제2 절결부에는, 가스 투과성을 가진 제2 보강부재가 배치되어 있으며,
제1 절결부 및 제2 절결부에 있어서, 고분자 전해질막이 제1 보강부재 및 제2 보강부재에 의해 끼워 지지되도록 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다.
상기와 같은 구성에 의해, 본 발명의 고분자 전해질형 연료전지는, 연료전지에 공급되는 연료가스나 산화제가스의 가습 상태가 변동한다고 해도, 연료 가스의 수분과 산화제 가스의 수분이 고분자 전해질막을 통하여 그 농도 구배를 드라이빙 포스(구동원)로서 서로 왕래시킬 수 있다. 그 때문에, 가습 상태를 양호한 상태(촉매층내의 고분자 전해질 및 고분자 전해질막내의 양호한 이온 전도를 확보할 수 있는 상태)로 유지함과 함께, 이 가습 상태의 밸런스, 즉 공급되는 반응 가스의 가습 밸런스를 유지할 수 있다. 또한, 산화제 가스의 입구 및 환원제 가스의 입구의 위치 관계와, 산화제 가스의 흐름 방향과 환원제 가스의 흐름 방향의 관계를 상기와 같이 하는 것(특허문헌 1에 기재된 산화제 가스의 흐름 방향과 환원제 가스의 흐름 방향과의 관계와는 반대의 관계로 하는 것)에 의해, 촉매층내의 고분자 전해질 및 고분자 전해질막의 건조의 진행, 및, 플러딩의 발생을 충분히 회피할 수 있다. 그 결과, 애노드 및 캐소드 및 고분자 전해질막의 손상 및 열화를 충분히 억제하여 크로스리크를 억제하고, 전지 성능의 저하를 용이하고 확실하게 저감할 수 있는 고분자 전해질형 연료전지를 제공할 수 있다.
[발명의 효과]
본 발명의 고분자 전해질형 연료전지에 의하면, 연료전지에 공급되는 연료 가스나 산화제 가스의 가습 상태가 변동한다고 해도, 촉매층내의 고분자 전해질 및 고분자 전해질막의 건조의 진행, 및, 플러딩의 발생을 충분히 억제할 수 있고, 애노드 및 캐소드 및 고분자 전해질막의 열화를 억제할 수 있어, 전지 성능의 저하를 용이하고 확실하게 저감할 수 있다.
[도 1] 본 발명의 제1 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지에 탑재되는 단전지의 기본 구성의 일례를 나타내는 개략적인 단면도이다.
[도 2] 도 1에 나타내는 단전지(11)에 포함되는 막전극 접합체(MEA)의 기본 구성의 일례를 나타내는 개략적인 단면도이다.
[도 3] 도 2에 나타내는 MEA(10)의 개략적인 사시도이다.
[도 4] 제1 실시형태의 연료전지에 구비된 세퍼레이터(5a)의 제1 가스 유로(8a)측의 주요부 확대 정면도이다.
[도 5] 제1 실시형태의 연료전지에 구비된 세퍼레이터(5b)의 제2 가스 유로(8b)측의 주요부 확대 정면도이다.
[도 6] 제2 실시형태의 연료전지에 탑재된 MEA(30)의 개략적인 사시도이다.
[도 7] 제2 실시형태의 연료전지에 구비된 세퍼레이터(5a)의 제1 가스 유로(8a)측의 주요부 확대 정면도이다.
[도 8] 제2 실시형태의 연료전지에 구비된 세퍼레이터(5b)의 제2 가스 유로(8b)측의 주요부 확대 정면도이다.
[도 9] 본 발명의 실시예의 연료전지 1 및 비교예의 연료전지 3의 전지 전 압(V)을 나타내는 그래프이다.
[도 10] 본 발명의 실시예의 연료전지 2 및 비교예의 연료전지 3의 전지 전압(V)을 나타내는 도면이다.
[도 11] 종래의 고분자 전해질형 연료전지에 탑재된 단전지의 기본 구성의 일례를 나타내는 개략적인 단면도이다.
[도 12] 도 11에 나타내는 단전지(210)에 포함된 막전극 접합체(MEA)의 기본 구성의 일례를 나타내는 개략적인 단면도이다.
[도 13] 종래의 고분자 전해질형 연료전지에 탑재된 단전지의 기본 구성의 일례를 나타내는 개략적인 단면도이다.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
아래에 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 설명한다. 한편, 아래의 설명에서는 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략하기도 한다.
[제1 실시형태]
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지에 탑재된 단전지의 기본 구성의 일례를 나타내는 개략적인 단면도이다. 또한, 도 2는, 도 1에 나타내는 단전지(11)에 포함된 막전극 접합체(MEA)의 기본 구성의 일례를 나타내는 개략 단면도이다. 또한, 도 3은, 도 2에 나타내는 MEA(10)의 개략적인 사시도이다. 또한, 도 4는, 본 실시형태의 연료전지에 구비된 세퍼레이터(5a)의 제1 가스 유로(7a)측의 주요부 확대 정면도이다. 또한, 도 5는, 본 실시형태의 연료전지에 구비된 세퍼레이터(5b)의 제2 가스 유로(7b) 측의 주요부 확대 정면도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지의 MEA (10)에서는, 양이온(수소이온)을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질막(1)의 양면에, 전극 촉매(예를 들면 백금 금속)를 담지한 도전성 탄소 입자로 구성된 촉매체와, 수소이온 전도성을 가진 고분자 전해질과의 혼합물로 구성된 촉매층(제1 촉매층 및 제2 촉매층)(2a) 및 (2b)이 형성되어 있다.
여기서, 고분자 전해질막(1)으로서는, 종래 공지된 것을 이용할 수 있고, 예를 들면 -CF2-로 구성된 주쇄 및 술폰산기(-SO3H)를 말단의 관능기로서 포함한 측쇄를 가진 퍼플로오르카본술폰산으로 이루어진 고분자 전해질막을 이용할 수 있다. 예를 들면, Nafion(미국 Du Pont사 제조), Flemion(아사히 유리(주) 제조) 및 Aciplex(아사히가세이(주) 제조) 등의 상품명으로 판매되고 있는 고분자 전해질막을 사용할 수 있다. 한편, 고분자 전해질막(1)의 막두께는, 일반적으로 20∼200㎛이다.
또한, 촉매층(2a) 및 촉매층(2b)은, 귀금속으로 이루어진 전극 촉매를 담지한 도전성 탄소입자와, 수소이온 전도성을 가진 고분자 전해질에 의해 형성된다. 이 촉매층(2a) 및 (2b)의 형성에는, 귀금속으로 이루어진 전극 촉매를 담지한 도전성 탄소 입자와, 상기 고분자 전해질과, 분산매를 적어도 포함한 촉매층 형성용 잉크를 이용한다.
고분자 전해질로서는, 양이온 교환기로서, 술폰산기, 카르본산기, 포스폰산기, 및 술폰이미드기를 가진 것 등을 바람직하게 들 수 있다. 수소이온 전도성의 관점으로부터, 술폰산기를 가진 것이 특히 바람직하다.
술폰산기를 가진 고분자 전해질로서는, 이온 교환 용량이 0.5∼1.5meq/g 건조 수지인 것이 바람직하다. 고분자 전해질의 이온 교환 용량이 0.5meq/g건조 수지 이상이면, 얻어지는 촉매층의 저항값이 발전시로 상승할 우려가 없기 때문에 바람직하고, 이온 교환 용량이 1.5meq/g건조 수지 이하이면, 얻어지는 촉매층의 함수율이 증대하지 않고, 팽윤하기 어려워져, 세공(細孔)이 폐색할 우려가 없기 때문에 바람직하다. 이온 교환 용량은 0.8∼1.2meq/g건조 수지가 특히 바람직하다.
고분자 전해질로서는, CF2=CF-(OCF2CFX)m-Op-(CF2)n-SO3H로 표시되는 퍼플로오르비닐화합물(m은 0∼3의 정수를 나타내고, n은 1∼12의 정수를 나타내며, p는 0 또는 1을 나타내고, X는 불소 원자 또는 트리플로오르메틸기를 나타낸다.)에 기초한 중합 단위와, 테트라플로오르에틸렌에 기초한 중합 단위를 포함한 공중합체인 것이 바람직하다.
상기 플로오르비닐화합물의 바람직한 예로서는, 아래와 같이 식(1)∼(3)으로 표시되는 화합물을 들 수 있다. 다만, 아래의 식중에서, q는 1∼8의 정수, r은 1∼8의 정수, t는 1∼3의 정수를 나타낸다.
CF2=CFO(CF2)q-SO3H …(1)
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)r-SO3H …(2)
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2)2-SO3H …(3)
또한, 고분자 전해질막(1)의 구성 재료로서, 상술한 고분자 전해질을 이용해도 좋다.
본 발명에서 사용되는 전극 촉매는, 도전성 탄소 입자(분말)에 담지되어 이용되며, 금속 입자로 이루어진다. 상기 금속 입자로서는, 특히 한정되지 않고 여러 가지 금속을 사용할 수 있다. 예를 들면, 백금, 금, 은, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 크롬, 철, 티탄, 망간, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 규소, 아연 및 주석으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 것이 바람직하다.
그 중에서도, 귀금속이나 백금 및 백금과의 합금이 바람직하고, 백금과 루테늄의 합금이, 애노드에서는 촉매의 활성이 안정되기 때문에 특히 바람직하다.
도전성 탄소 입자는 비표면적이 50∼1500m2/g인 것이 바람직하다. 비표면적 50m2/g이상이면, 전극 촉매의 담지율을 높이는 것이 비교적 용이하고, 얻어진 촉매층의 출력 특성이 저하할 우려가 없는 점에서 바람직하고, 비표면적이 1500m2/g이하이면, 세공이 너무 미세하지 않고 고분자 전해질에 의한 피복이 용이해져, 얻어지는 촉매층의 출력 특성이 저하할 우려가 없는 점에서 바람직하다. 비표면적은 200∼900m2/g가 특히 바람직하다.
또한, 전극 촉매의 입자는 평균 입자지름 1∼30nm인 것이 보다 바람직하다. 평균 입자지름 1nm이상의 전극 촉매는 공업적으로 조제가 용이하기 때문에 바람직하고, 또한, 30nm이하이면, 전극 촉매 질량당의 활성이 낮아지지 않고, 연료전지의 비용 상승을 억제할 수 있어 바람직하다.
본 발명에서, 촉매층 형성용 잉크를 조제하기 위해서 이용하는 분산매로서는, 고분자 전해질을 용해 또는 분산 가능(고분자 전해질이 일부 용해한 분산상태도 포함한다)한 알코올을 함유한 액체를 이용하는 것이 바람직하다.
분산매는, 물, 메탄올, 프로판올, n-부틸알코올, 이소부틸알코올, sec-부틸알코올 및 tert-부틸알코올 중의 적어도 1종을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 이들 물 및 알코올은 단독으로도 사용해도 좋고, 2종 이상 혼합해도 좋다. 알코올은, 분자내에 OH기를 1개 가진 직쇄(直鎖)인 것이 특히 바람직하고, 에탄올이 특히 바람직하다. 이 알코올에는, 에틸렌글리콜 모노메틸에테르 등의 에테르 결합을 가진 것도 포함된다.
또한, 촉매층 형성용 잉크는, 고형분 농도 0.1∼20질량%인 것이 바람직하다.
고형분 농도가 0.1질량% 이상이면, 촉매층 형성용 잉크의 분무 또는 도포에 의해 촉매층을 제작함에 있어, 몇번이나 반복하여 분무 또는 도포하지 않아도 소정 두께의 촉매층을 얻을 수 있고 생산 효율이 저하하지 않는다. 또한, 고형분 농도가 20질량% 이하라면, 혼합액의 점도가 지나치게 높아지지 않으므로, 얻어지는 촉매층이 불균일하게 될 우려가 없다.
그 중에서도, 고형분 농도로 1∼10질량%인 것이 특히 바람직하다.
본 발명에서, 촉매층 형성용 잉크는, 종래 공지의 방법에 기초하여 조제할 수 있다. 구체적으로는, 호모지나이저, 호모 믹서 등의 교반기를 사용하거나 고속 회전 제트류 방식을 사용하는 등의 고속 회전을 사용하는 방법, 고압유화장치 등의 고압을 가하여 좁은 부분으로부터 분산액을 압출함으로써 분산액에 전단력을 부여하는 방법 등을 들 수 있다.
본 발명의 촉매층 형성용 잉크를 이용하여 촉매층을 형성할 때에는, 종래 공지된 방법을 이용하면 좋다. 즉, 고분자 전해질막(1) 또는 가스 확산층(3a) 및 (3b)상에 직접 촉매층(2a) 및 (2b)을 형성해도 좋고, 다른 지지체 시트상에 촉매층 (2a) 및 (2b)를 형성하고, 이들을 고분자 전해질막(1) 또는 가스 확산층(3a) 및 (3b)상에 전사해도 좋다.
다음에, 촉매층(2a) 및 (2b)의 바깥측에는, 각각 가스 확산층(제1 가스확산층 및 제2 가스확산층)(3a 및 3b)이 배치되어 있으며, 촉매층(2a)과 가스 확산층(3a)이 애노드(가스확산 전극)(4a)을 구성하고, 촉매층(2b)과 가스 확산층(3b)이 캐소드(가스 확산 전극)(4b)을 구성하고 있다.
가스 확산층(3a) 및 (3b)은, 가스 투과성 및 도전성을 가진 카본 페이퍼나 카본 펠트 등의 종래 공지의 다공질 기재를 이용하여 구성할 수 있고, 상기 다공질 기재로는 종래 공지된 방법에 따라 발수 처리를 실시해도 좋다. 또한, 상기 다공질기재의 면 중에서, 촉매층(2a) 또는 (2b)측의 면에는 종래 공지된 발수성 도전층을 형성해도 좋다.
MEA(10)는, 상기와 같은 고분자 전해질막(1), 촉매층(2a) 및 (2b), 및 가스 확산층(3a) 및 (3b)을 이용하여 후술의 실시예에서 나타낸 바와 같이 제1 절결부 및 제2 절결부를 형성함과 함께 제1 보강부재 및 제2 보강부재를 설치하는 것 이외에는, 종래 공지의 방법(예를 들면 핫 프레스 등)에 따라 제작할 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 도 2에 나타내는 MEA(10)를 이용한 단전지(11)는, 애노드(4a) 및 캐소드(4b)에 공급되는 연료 가스 및 산화제 가스의 외부로의 누출 방지나, 상기 2종류의 가스의 혼합을 방지하기 위해서, 애노드(4a) 및 캐소드(4b)의 주위에, 고분자 전해질막(1)을 끼워 지지하도록 하여 가스켓(6a) 및 가스켓(6b)이 배치된 구성을 가지고 있다.
또한, 단전지(11)는, 인접한 단전지를 기계적으로 고정하고 또한 전기적으로 접속하기 위한, 한 쌍의 도전성을 가진 판형상의 세퍼레이터(5a) 및 세퍼레이터 (5b)를 가진다. 세퍼레이터(5a) 및 세퍼레이터(5b)는, MEA(10)를 끼워 지지하도록 배치되어 있다.
세퍼레이터(5a)가 애노드(4a)에 접촉하는 측의 주면 부분에는, 애노드(4a)에 연료 가스를 공급하여, 생성 가스나 잉여 가스를 운반하기 위한 홈으로 구성된 가스 유로(7a)가 형성되어 있다. 또한, 세퍼레이터(5b)가 캐소드(4b)에 접촉하는 측의 주면 부분에는, 캐소드(4b)에 산화제 가스를 공급하여, 생성 가스나 잉여 가스를 운반하기 위한 홈으로 구성된 가스 유로(7b)가 형성되어 있다.
또한, 도 1, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 고분자 전해질 연료전지의 경우, 단전지(11)가, (Ⅰ)한 쌍의 세퍼레이터(5a) 및 세퍼레이터 (5b)의 애노드(4a)측 및 캐소드(4b)측 중의 어느 한쪽의 주면의 법선 방향(D2 또는 D3)이 중력 방향 D1과 교차하도록 배치되어 있다. 특히, 본 실시형태의 고분자 전 해질 연료전지의 경우, 단전지(11)이, (Ⅴ)상기 법선 방향(D2 또는 D3)이 중력 방향 D1과 대략 수직으로 교차하도록 배치되어 있다.
또한, 도 1, 도 4및 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 고분자 전해질 연료전지의 경우, (Ⅱ)한 쌍의 세퍼레이터(5a) 및 세퍼레이터(5b)에서, 연료 가스 입구구멍(연료 가스 입구)(22)과 산화제 가스 입구구멍(산화제 가스 입구)(25)이 근방의 위치에 형성되어 있다. 또한, (Ⅲ)제1 가스 유로(7a)는, 상기 제1 가스 유로(7a)내를 연료 가스가 전체적으로 중력에 거스르는 방향으로 흐르지 않고 중력에 따르는 방향으로 흐르도록 형성되어 있다. 또한, (Ⅳ)제2 가스 유로(7b)는, 상기 제2 가스 유로(7b)내를 산화제 가스가 전체적으로 중력에 거스르는 방향으로 흐르지 않고 중력에 따르는 방향으로 흐르도록 형성되어 있다.
여기서, 본 발명에서, '연료 가스'로는 수소 가스 등의 환원제 외에 가습용의 수증기 등의 수분, 질소 및 희가스 등의 전극 반응에 관여하지 않는 반응성이 낮은 가스 성분이 함유되어 있어도 된다. '산화제 가스'로는 산소 가스 등의 산화제 외에 가습용의 수증기 등의 수분, 질소 및 희가스 등의 전극 반응에 관여하지 않는 반응성이 낮은 가스 성분이 함유되어 있어도 된다.
또한, '연료 가스가 전체적으로 중력에 거스르는 방향으로 흐르지 않고 중력에 따르는 방향으로 흐르는' 상태란, 연료 가스를 미시적으로 볼 경우에, 연료 가스를 구성하는 가스의 분자가 열운동 등에 의해 중력에 거스르는 방향으로 이동하는 경우가 있어도, 연료 가스를 거시적으로 볼 경우(연료 가스 전체적으로 볼 경우)에 중력에 거스르는 방향으로 흐르지 않고 중력에 따르른 방향으로 흐르는 상태 를 말한다.
또한, '산화제 가스가 전체적으로 중력에 거스르는 방향으로 흐르지 않고 중력에 따르는 방향으로 흐르는' 상태란, 산화제 가스를 미시적으로 볼 경우에, 산화제 가스를 구성하는 가스의 분자가 열운동 등에 의해 중력에 거스르는 방향으로 이동하는 경우가 있어도, 산화제 가스를 거시적으로 볼 경우(산화제 가스 전체적으로 볼 경우)에 중력에 거스르는 방향으로 흐르지 않고 중력에 따르는 방향으로 흐르는 상태를 말한다.
상기 (Ⅰ)∼(Ⅳ)의 구성을 채택함으로써, 고분자 전해질형 연료전지의 전지 성능이나 내구성을 높게 유지하기 위해서 반응 가스의 가습 노점을 높게 하여 과포화 상태(가스와 응축수가 혼재하는 상태)의 가스가 연료전지에 공급되어, 반응에 의해서 생성수가 더 발생하여, 가스 유로내의 수분량이 많아졌다고 해도, 도 4에 나타나는 제1 가스 유로(7a), 도 5에 나타나는 제2 가스 유로(7b)에서는 각각 반응 가스(반응 가스중의 응축수)가 중력에 거스르지 않고 중력을 따라서 원활하게 연료 가스 출구구멍(24)(연료 가스 출구) 및 산화제 가스 출구구멍(26)(산화제 가스 출구)까지 유도된다. 그 때문에, 가스 유로 중간에서의 플러딩의 발생을 충분히 회피할 수 있다. 또한, 상기(Ⅴ)의 구성을 채택함으로써, 중력을 드라이빙 포스로 하는 연료 가스 출구구멍(24) 및 산화제 가스 출구구멍(26)으로의 응축수의 이동을 보다 부드럽게 할 수 있기 때문에, 상기의 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다. 또한 이 (Ⅴ)의 구성을 채택하는 경우에는, 본 발명의 고분자 전해질형 연료전지를 지면 등의 설치면에 배치하기 쉬워진다. 또한 이 효과는, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, (Ⅰ)∼(Ⅴ)의 구성에 더하여, (Ⅵ) 연료 가스 출구구멍(24)과 산화제 가스 출구구멍(26)이 근방의 위치에 형성되어 있는 구성을 채택함으로써, 중력을 드라이빙 포스로 하는 연료 가스 출구구멍(24) 및 산화제 가스 출구구멍(26)으로의 응축수의 이동을 보다 더 부드럽게 할 수 있기 때문에, 보다 더 확실하게 얻을 수 있다.
도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 이 (Ⅰ)∼(ⅤI)의 구성 {다만, (Ⅴ)는 필수는 아니고 바람직한 구성}을 채택함으로써, 제1 가스 유로(7a)에 있어서의 연료 가스의 중력 방향 D1에 따른 개략적인 흐름의 방향 D4(중력 방향 D1에 대략 평행하고, 연료 가스가 위치에너지가 높은 측에 있는 연료 가스 입구구멍(22)으로부터 위치 에너지가 낮은 측에 있는 연료 가스 출구구멍(24)을 향해서 개략적으로 흐르는 방향)와 제2 가스 유로(7b)에 있어서의 산화제 가스의 중력 방향 D1에 따른 개략적인 흐름의 방향 D5(중력 방향 D1에 대략 평행하고, 산화제 가스가 위치 에너지가 높은 측에 있는 산화제 가스 입구구멍(25)로부터 위치 에너지가 낮은 측에 있는 연료 가스 출구구멍(26)을 향해서 개략적으로 흐르는 방향)이 대략 평행하게 된다. 이러한 (Ⅰ)∼(Ⅵ)의 구성{다만, (Ⅴ)는 필수는 아니고 바람직한 구성}의 조건을 만족하는 제1 가스 유로(7a)(애노드의 가스 유로)와 제2 가스 유로(7b)(캐소드의 가스 유로)를, 본 발명에서는 '병행류'의 구성을 가진 제1 가스 유로(7a)(애노드의 가스 유로)와 제2 가스 유로(7b)(캐소드의 가스 유로)라고 한다.
또한, 상기 (Ⅰ)∼(IⅤ)의 구성, 바람직하게는 (Ⅰ)∼(Ⅴ)의 구성, 더욱 더 바람직하게는(Ⅰ)∼(Ⅵ)의 구성을 채택함으로써, 애노드와 캐소드의 전극간에서의 반응 가스간의 차압이 애노드 및 캐소드의 어느 영역에서나 최소가 되도록 할 수 있다. 그 때문에, MEA(10)에 주어지는 역학적(기계적) 스트레스를 충분히 저감할 수 있다. 또한, 만일 MEA(10)에 핀홀이 생겼다고 해도 상술한 반응 가스간의 차압이 작아지기 때문에 크로스리크량을 충분히 억제할 수 있다.
또한, 발전이 이루어지면 MEA(10)는 발열하기 때문에, MEA(10)의 온도를 허용되는 동작 온도로 유지하기 위해서, 세퍼레이터(5a) 및 세퍼레이터(5b)는, 가스 유로(7a) 및 (7b)가 형성된 면의 반대측의 면에, 홈으로 구성된 냉각수 유로(8a) 및 (8b)가 형성된 구성을 가지고 있으며, 여기에 냉각수 등의 냉각 유체가 유통시킨다.
여기서, 본 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지는, 도 1에 나타낸 바와 같이, MEA(10)의 고분자 전해질막(1)의 애노드(4a)측의 주면에는, 애노드(4a)가 형성되어 있지 않은{촉매층(2a)이 형성되어 있지 않은} 제1 절결부(9a)가 형성되어 있다. 또한, MEA(10)의 고분자 전해질막(1)의 캐소드(4b)측의 주면에는, 캐소드(4b)가 형성되어 있지 않은{촉매층(2b)이 형성되어 있지 않은} 제2 절결부(9b)가 형성되어 있다.
또한, 제1 절결부(9a) 및 제2 절결부(9b)는, 고분자 전해질막(1)의 애노드 (4a)측 및 캐소드(4b)측 중의 어느 한쪽의 주면의 대략 법선 방향에서 볼 경우에, 서로의 적어도 일부가 서로 겹치는 위치에 형성되어 있다.
그리고, 고분자 전해질막(1)의 제1 절결부(9a)에는, 가스 투과성을 가진 제1 보강부재(12a)가 배치되어 있다. 또한, 고분자 전해질막(1)의 제2 절결부(9b)에 는, 가스 투과성을 가진 제2 보강부재(12b)가 배치되어 있다. 또한, 제1 절결부(9a) 및 제2의 절결부(9b)에서, 고분자 전해질막(1)이 제1 보강부재(12a) 및 제2 보강부재(12b)에 의해 끼워 지지되도록 지지되어 있다.
보다 상세하게는, 도 1∼3에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지의 애노드(4a) 및 캐소드(4b)는, 도 1∼도 3에 있어서의 좌측 부분에서 제1 절결부(9a) 및 제2 절결부(9b)를 가지며, 각각 가스 확산층(3a) 및 가스 확산층(3b)의 일부가 연장하여 제1 절결부(9a) 및 제2 절결부(9b)에서 제1 보강부재 (12a) 및 제2 보강부재(12b)를 형성하고 있다.
따라서, 본 실시형태의 단전지(11)는, 세퍼레이터(5a) 및 (5b)에 의해서 MEA(10)를 끼워 지지하면, 애노드(4a)측의 세퍼레이터(5a)에서는, 도 4에 나타내는 파선으로 둘러싸인 해칭 부분 Ya에 애노드(4a)가 위치하고, 캐소드(4b)측의 세퍼레이터(5b)에서는 도 8에 나타내는 파선으로 둘러싸인 해칭 부분 Yb에 캐소드(4b)가 위치하도록 구성되어 있다.
그리고, 도 4 및 5에 있어서의 부분 Sa 및 Sb{즉, 제1 가스 유로(7a) 및 제2 가스 유로(7b)의 상류 부분}에는, 각각 제1 보강부재(12a) 및 제2 보강부재(12b)가 위치하고, 고분자 전해질막(1)이 이들 제1 보강부재(12a) 및 제2 보강부재(12b)에 지지되어 세퍼레이터(5a) 및 (5b)에 끼워 지지되고 있다.
이와 같이 고분자 전해질(1)의 제1 절결부(9a) 및 제2 절결부(9b)는 노출되게 되는 것이 아니라 제1 보강부재(12a) 및 제2 보강부재(12b)에 지지되어 세퍼레이터(5a) 및 (5b)에 지지되어 있기 때문에, 앞서 설명한 특허문헌 1에 있어서의 문 제의 발생을 충분히 억제할 수 있다.
제1 보강부재(12a) 및 제2 보강부재(12b)의 두께는, 예를 들면 촉매층(2a) 및 (2b)만큼 얇지 않아도 되지만, 고분자 전해질막(1)의 손상을 억제할 수 있도록, MEA(10)를 세퍼레이터(5a) 및 (5b)로 끼워 지지했을 때에 고분자 전해질막(1)을 지지하면서도 완전하게는 압력이 가해지지 않도록 설계된 구성을 가지고 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 가스 확산층(3a) 및 가스 확산층(3b)의 일부로 제1 보강부재(12a) 및 제2 보강부재(12b)를 구성하고 있기 때문에, 가스 확산층(3a) 및 가스 확산층(3b)을 구성하는 앞서 설명한 다공질기재(예를 들면 카본 페이퍼나 카본 펠트)가 본래적으로 가진 표면의 요철형상 부분을 이용하여(즉, 해당 요철형상 부분의 두께를 고려하여), 제1 보강부재(12a) 및 제2 보강부재(12b)의 두께를 조정할 수 있다.
예를 들면, 가스 확산층(3a) 및 (3b)를 구성하는 다공질기재가 그 표면에 현저한 요철형상 부분을 가진 경우는, 애노드(4a) 및 캐소드(4b)내에 있어서의 가스 확산층(3a) 및 (3b)의 부분의 두께와 제1 보강부재(12a) 및 제2 보강부재(12b)를 구성하는 가스 확산층(3a) 및 (3b)의 부분(연장 부분)의 두께를, 거의 동일하게 할 수도 있다.
이상의 구성에 의해, 본 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지는, 연료전지에 공급되는 연료 가스나 산화제 가스의 가습 상태가 변동했다고 해도, 연료 가스의 수분과 산화제 가스의 수분이 고분자 전해질막(1)을 통하여 그 농도 구배를 드라이빙 포스(구동원)로 하여 서로 왕래시킬 수 있다. 그 때문에, 애노드(4a)측과 캐소드(4b)측에 있어서의 가습 상태를 양호한 상태(촉매층내의 고분자 전해질 및 고분자 전해질막내의 양호한 이온 전도를 확보할 수 있는 상태)로 유지함과 함께, 이 가습 상태의 밸런스, 즉 공급되는 반응 가스의 가습 밸런스를 유지할 수 있다. 또한, 앞서 설명한 (Ⅰ)∼(Ⅳ)의 구성{바람직하게는 (Ⅰ)∼(Ⅴ)의 구성, 더욱 바람직하게는(Ⅰ)∼(Ⅵ)의 구성}에 의해, 촉매층내의 고분자 전해질 및 고분자 전해질막의 건조의 진행, 및, 플러딩의 발생을 충분히 회피할 수 있다. 그 결과, 애노드 (4a) 및 캐소드(4b) 및 고분자 전해질막(1)의 손상 및 열화를 충분히 억제하여, 단전지(고분자 전해질형 연료전지)(11)의 전지 성능의 저하를 용이하고 확실하게 저감할 수 있다.
여기서, 도 4 및 5에 있어서, 제1 보강부재(12a)가 위치하는 제1 절결부의 부분 Sa의 면적 및 제2 보강부재(12b)가 위치하는 제2 절결부의 부분 Sb의 면적에 대하여 설명한다.
본 실시형태에서는, 도 4에 나타내는 세퍼레이터(5a)의 제1 가스 유로(7a)의 전면적을, 도 4에서 파선으로 나타나는 부분(즉, Sa로 표시되는 부분과 Ya로 표시되는 부분의 합계)으로 표시된다고 가정할 경우에, 제1 가스 유로(7a)의 총면적에 대한 제1 절결부{본 실시형태에서는 제1 보강부재(12a)}의 면적의 비율 Ra가 5∼50%인 것이 바람직하다.
마찬가지로, 도 5에 나타내는 세퍼레이터(5b)의 제2 가스 유로(7b)의 전면적을, 도 5에서 파선으로 나타낸 부분(즉, Sb로 표시되는 부분과 Yb로 표시되는 부분의 합계)으로 표시된다고 가정할 경우에, 제2 가스 유로(7b)의 총면적에 대한 제2 절결부{본 실시형태에서는 제2 보강부재(12b)}의 면적의 비율 Rb가 5∼50%인 것이 바람직하다.
상기의 범위로 함으로써, 연료 가스의 수분과 산화제 가스의 수분의 교환능을 충분히 발휘할 수 있다. 가습 밸런스를 확보하여 플러딩을 회피하기 위해서는 최대 50%로 충분하고, 50% 이하라면 잉여의 Sa 및 Sb부분이 생기지 않으므로 바람직하다.
또한, 본 실시형태에서는, 애노드(4a) 및 캐소드(4b)가, 서로 대향하는 위치에 절결부{제1 절결부(9a) 및 제2 절결부(9b)}를 갖기 때문에, 상기 Ra 및 Rb의 값은 대략 일치하고 있는 것이 바람직하다.
상기와 같이, 본 실시형태의 단전지(11)는, 제1 가스 유로(7a) 및 제2 가스 유로(7b)의 상류 부분에서, 고분자 전해질막(1)에 노출하는 부분(즉, 제1 절결부 및 제2 절결부)을 형성함과 함께, 상기 노출 부분에 가스 투과성을 가진 제1 보강부재(12a) 및 제2 보강부재(12b)를 개재시키고, 고분자 전해질막(1)을 제1 보강부재(12a) 및 제2 보강부재(12b)로 지지한 구성을 가지고 있다.
이에 따라, 공급되는 연료 가스나 산화제 가스의 가습 상태가 변동한다고 해도, 제1 의 보강부재(12a) 및 제2 보강부재(12b)의 부분에서 연료 가스의 수분과 산화제 가스의 수분이 평형 상태가 되어, 애노드(4a)측과 캐소드(4b)측의 가습 상태를 가능한 한 일정하게 유지할 수 있다. 그리고, 애노드(4a) 및 캐소드(4b)의 가습 상태를 대략 균일하게 할 수 있어, 고분자 전해질막(1)의 손상 및 열화 및 전지 성능의 저하를 억제할 수 있다.
한편, 도 4는, 애노드(4a)에 연료 가스를 공급·배출하기 위한 제1 가스 유로(7a)를 가진 세퍼레이터(5a)의 개략 평면도이다. 이 세퍼레이터(5a)에는, 연료 가스 입구구멍(22), 연료 가스 출구구멍(24), 및 이들을 연결하는 제1 가스 유로 (7a)가 형성되어 있다.
가스 유로(7a)의 형상으로서는, 특별히 제한은 없지만, 본 실시형태에서는, 복수의 직선형상의 홈과, 인접한 직선형상의 홈의 끝단을 상류측으로부터 하류측으로 연결하는 턴형상의 홈으로 이루어진 서펜타인형의 가스 유로로 구성되어 있다. 또한, 각 홈은 등간격으로 형성된 구성을 가지고 있다.
또한, 도 5는, 캐소드(4b)에 산화제 가스를 공급·배출하기 위한 제2 가스 유로(7b)를 가진 세퍼레이터(5b)의 개략 평면도이다. 이 세퍼레이터(5b)에는, 산화제 가스 입구구멍(25), 산화제 가스 출구구멍(26), 및 이들을 연결하는 제2 가스 유로(7b)가 형성되어 있다.
제2 가스 유로(7b)의 형상으로서도, 특별히 제한은 없지만, 본 실시형태에서는, 복수의 직선형상의 홈과, 인접한 직선형상의 홈의 끝단을 상류측으로부터 하류측으로 연결하는 턴형상의 홈으로 이루어진 서펜타인형의 가스 유로로 구성되어 있다. 또한. 각 홈은 등간격으로 형성된 구성을 가지고 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 발전이 이루어지면 MEA(10)가 발열하기 때문에, MEA(10)의 온도를 허용되는 동작 온도로 유지하기 위해서, 세퍼레이터(5a) 및 세퍼레이터(5b)는, 가스 유로(7a) 및 (7b)가 형성된 면의 반대측 면에 냉각수 유로(8a) 및 (8b)가 형성된 구성을 가지고 있으며, 냉각수 유로(8a) 및 (8b)에 냉각 수 등의 냉각 유체를 흐르게 하는 구성을 가지고 있다.
따라서, 세퍼레이터(5a) 및 (5b)는, 냉각수 입구구멍(21) 및 냉각수 출구구멍(23)을 가지고 있으며, 도 4에 나타내는 세퍼레이터(5a)의 배면 및 도 5에 나타내는 세퍼레이터(5b)의 배면에는, 각각 냉각수 입구구멍(21)과 냉각수 출구구멍 (23)을 연결하는 홈으로 구성된 냉각수 유로(8a) 및 (8b)가 형성된 구성을 가지고 있다.
냉각수 유로(8a) 및 (8b)의 형상으로서는, 특별히 제한은 없지만, 본 실시형태에서는, 예를 들면 복수의 직선형상의 홈과, 인접한 직선형상의 홈의 끝단을 상류측으로부터 하류측으로 연결하는 턴형상의 홈으로 이루어진 서펜타인형의 냉각수 유로를 이용하면 좋다. 각 홈은 등간격으로 형성하면 좋다.
따라서, 예를 들면 도 4에 나타내는 세퍼레이터(5a)의 배면은, 도 5에 나타내는 세퍼레이터(5b)의 표면과 같은 구조를 가지고 있어도 좋고, 반대로, 도 5에 나타내는 세퍼레이터(5b)의 배면은, 도 4에 나타내는 세퍼레이터(5a)의 표면과 동일한 구조를 가지고 있어도 좋다. 이러한 설계는 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 통상적인 방법에 따라서 실시할 수 있다.
[제2 실시형태]
이어서, 본 발명의 고분자 전해질형 연료전지의 제2 실시형태에 대하여 설명한다. 이 제2 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지는, 도 1에 나타낸 제1 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지에 탑재되는 단전지(11)에 있어서의 MEA(10)를 다른 구성으로 바꾼 것으로, MEA 이외의 구성은 제1 실시형태의 고분자 전해질형 연료전 지와 같다.
아래에 제2 실시형태의 단전지(11)에 구비된 MEA(30)(본 발명의 MEA의 제2 실시형태)에 대하여 설명한다.
도 6은, 본 실시형태의 단전지(11)에 탑재되는 MEA(30)의 개략적인 사시도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 MEA(30)에서는, 애노드(34a) 및 (34b)는, 각각 도 6에 있어서의 중앙 부분{즉, 도 7 및 8에 나타내는 제1 가스 유로(7a) 및 제2 가스 유로(7b)의 중류 부분}에서 제1 절결부 및 제2 절결부를 가진다.
그리고, 각각 가스 확산층(33a) 및 (33b)의 일부가 연장하여, 상기 제1 절결부 및 제2 절결부에서 제1 보강부재(42a) 및 제2 보강부재(42b)를 형성하고 있다.
여기서, 도 7은 본 실시형태에서 애노드(4a)에 연료 가스를 공급·배출하기 위한 제1 가스 유로(7a)를 가진 세퍼레이터(5a)의 개략적인 평면도이고, 도 8은 캐소드(4b)에 산화제 가스를 공급·배출하기 위한 제2 가스 유로(7b)를 가진 세퍼레이터(5b)의 개략적인 평면도이며, 각각 상기 제1 실시형태에 있어서의 도 4 및 5에 대응하고 있다.
본 실시형태의 단전지(11)에서 세퍼레이터(5a) 및 (5b)에 의해서 MEA(30)를 끼워 지지하면, 애노드(34a)측의 세퍼레이터(5a)에서는, 도 7에 나타내는 파선으로 둘러싸인 2개의 해칭 부분 Za에 애노드(34a)가 위치하고, 캐소드(34b)측의 세퍼레이터(5b)에서는, 도 8에 나타내는 파선으로 둘러싸인 2개의 해칭 부분 Zb에 캐소드(34b)가 위치한다.
그리고, 도 7 및 8에 있어서의 부분 Sa 및 Sb{즉, 제1 가스 유로(7a) 및 제2 가스 유로(7b)의 중류 부분}에는, 각각 제1 보강부재(42a) 및 제2 보강부재(42b)가 위치하고, 고분자 전해질막(1)이 이들 제1 보강부재(42a) 및 제2 보강부재(42b)에 지지되어 세퍼레이터(5a) 및 (5b)에 끼워 지지되고 있다.
상기와 같이, 본 실시형태의 단전지(11)는, 제1 가스 유로(7a) 및 제2 가스 유로(7b)의 중류 부분에서, 고분자 전해질막(1)에 노출하는 부분(즉, 제1 절결부 및 제2 절결부)를 형성함과 함께, 해당 노출 부분에 가스 투과성을 가진 제1 보강부재(42a) 및 제2 보강부재(42b)를 개재시켜 고분자 전해질막(1)을 세퍼레이터(5a) 및 (5b)로 지지시키는 구성을 가지고 있다.
이상의 구성에 의해, 본 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지는, 연료전지에 공급되는 연료 가스나 산화제 가스의 가습 상태가 변동한다고 해도, 연료 가스의 수분과 산화제 가스의 수분이 고분자 전해질막(31)을 통하여 그 농도 구배를 드라이빙 포스(구동원)로서 서로 왕래시킬 수 있다. 그 때문에, 애노드(34a)측과 캐소드(34b)측에 있어서의 가습 상태를 양호한 상태(촉매층내의 고분자 전해질 및 고분자 전해질막내의 양호한 이온 전도를 확보할 수 있는 상태)로 유지함과 함께, 이 가습 상태의 밸런스, 즉 공급되는 반응 가스의 가습 밸런스를 유지할 수 있다. 또한, 상기 제1 실시형태와 마찬가지로, 앞서 설명한 (Ⅰ)∼(Ⅳ)의 구성 {바람직하게는(Ⅰ)∼(Ⅴ)의 구성, 더욱 바람직하게는 (Ⅰ)∼(Ⅵ)의 구성}에 의해, 촉매층내의 고분자 전해질 및 고분자 전해질막의 건조의 진행, 및, 플러딩의 발생을 충분히 회피할 수 있다. 그 결과, 애노드(34a) 및 캐소드(34b) 및 고분자 전해질막(31)의 손상 및 열화를 충분히 억제하여, 단전지(고분자 전해질형 연료전지)(11)의 전지 성능의 저하를 용이하고 확실하게 저감할 수 있다.
또한, 공급되는 연료 가스나 산화제 가스의 가습 상태가 변동한다고 해도, 제1 보강부재(42a) 및 제2 보강부재(42b)의 부분에서 연료 가스의 수분과 산화제 가스의 수분이 평형 상태가 되어, 애노드(34a)측과 캐소드(34b)측의 가습 상태를 가능한 한 일정하게 유지할 수 있다.
그리고, 애노드(34a) 및 캐소드(34b)의 가습 상태를 대략 균일하게 할 수 있어, 고분자 전해질막(1)의 손상 및 열화 및 전지 성능의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서 제1 보강부재(42a) 및 제2 보강부재(42b)를 고분자 전해질막(1)의 중앙(중류 부분)에 설치하면, 상류 부분에서 생성되는 물이나 가스의 소비에 의한 애노드(34a)와 캐소드(42b)의 수분 밸런스를 균일화시킬수 있음과 함께, 캐소드(34b)측이 생성수에 의해서 과가습 상태가 될 경우에는, 애노드(34a)측으로 물을 이동시켜 플러딩을 보다 확실하게 방지할 수 있다.
그리고, 애노드(34a)와 캐소드(34b)의 가습 상태를 대략 균일하게 할 수 있어, 이에 따라 고분자 전해질막(1)의 손상 및 열화 및 전지 성능의 저하를 충분하게 억제할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상술한 각 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상술의 각 실시형태에서는, 애노드 및 캐소드의 상류 부분에 제1 절결부 및 제2 절결부를 형성하여, 제1 절결부 및 제2 절결부의 부분에서, 가스 확 산층을 연장하여 제1 보강부재 및 제2 보강부재를 형성하는 구성에 대하여 설명했지만, 제1 보강부재 및 제2 보강부재로서는, 예를 들면 금속제의 메쉬, 수지제의 메쉬 등의 가스 투과성을 가진 보강부재를 이용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 고분자 전해질형 연료전지는, 상기 보강부재가, 상기 절결부에서 고분자 전해질막과 세퍼레이터의 사이에 개재하는 것에 의해서, 상기 고분자 전해질막을 지지하고 있는 구성을 가지고 있으면 좋고, 보강부재의 치수나 형상에 대해서는, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 적절히 설계할 수 있다.
예를 들면, 상기 보강부재는 상기 절결부의 전체를 채우고 있어도 좋지만, 상기 절결부의 일부에 설치되어 있어도 좋다. 이 경우, 제1 보강부재 및 제2 보강부재는, 각각 적어도 1점(바람직하게는 복수점)에서 고분자 전해질막(1)을 지지하고 있으면 된다. 이 경우 또한, 제1 보강부재 및 제2 보강부재는, 세퍼레이터의 내면(주면)으로부터 이어지는 기둥형상의 부재(세퍼레이터와 같은 구성 재료로 이루어진 부재이며, 세퍼레이터에 일체화되어 있는 부재)여도 좋다. 이 기둥 형상의 부재인 경우에는 세퍼레이터와 같은 구성 재료로 이루어지기 때문에 기둥 형상의 부재 자체에는 가스 투과성은 없지만, 절결부와 세퍼레이터와의 사이에 형성되는 공간 중 기둥 형상의 부재가 존재하는 부분 이외의 공간(기둥 형상의 부재가 복수 존재하는 경우에는, 각 기둥 형상의 부재문의 공간도 포함한다)이 가스 투과 가능한 공간이 된다.
또한, 상술의 각 실시형태에서는, 제1 가스 유로(7a) 및 제2 가스 유로(7b) 및 냉각수 유로(8a) 및 (8b)의 형상은 서펜타인형인 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위이면 여러 가지 형상을 채택할 수 있다.
제1 가스 유로(7a) 및 제2 가스 유로(7b) 및 냉각수 유로(8a) 및 (8b)를 구성하는 각 홈의 간격 등에 대해서도, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 적절히 설계할 수 있다. 예를 들면, 상기 홈은 등간격으로 형성할 수 있다.
그리고 또한, 상술의 각 실시형태에서는, 고분자 전해질형 연료전지로서 단전지에 대하여 설명했지만, 단전지를 복수개(예를 들면10∼200개) 적층하여 적층체를 구성하고, 상기 적층체를 집전판 및 절연판을 개재하여 한 쌍의 엔드 플레이트로 사이에 끼워, 상기 적층체, 집전판, 절연판 및 엔드 플레이트를 체결용의 볼트 및 너트로 고정하여 사용할 수도 있다.
또한, 상술의 각 실시형태에서는, 애노드측의 세퍼레이터와 캐소드측의 세퍼레이터의 양쪽 모두에 냉각수 유로를 형성했지만, 어느 한쪽의 세퍼레이터에 냉각수 유로를 설치해도 좋고, 또한 상술한 바와 같이 적층체로서 사용할 경우에는, 냉각수 유로를 갖지 않는 애노드측 세퍼레이터 및 캐소드측 세퍼레이터를 포함한 단전지를 사용할 수도 있다.
또한, 예를 들면, 각 단전지간에 냉각수 유로를 형성하지 않고, 예를 들면 단전지 2개마다 냉각수 유로를 형성해도 좋다. 그러한 경우, 한쪽의 면에 연료 가스용의 가스 유로를 가지며, 다른쪽의 면에 산화제 가스용의 가스 유로를 가진, 애노드측 세퍼레이터판과 캐소드측 세퍼레이터판을 겸하는 단일의 세퍼레이터를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 상술의 각 실시형태에서, 가스 확산 전극은, 가스 확산층과 촉매층의 사이에 다른 층을 배치하는 구성(예를 들면, 발수성 및 전자 전도성을 가지고 있으며 가스 확산층과 촉매층의 밀착성을 향상시키기 위한 다른 층을 배치하는 구성)을 가지고 있어도 좋다.
또한, 상술의 각 실시형태에서는, 가스 확산층을 가진 구성의 가스 확산 전극을 구비한 고분자 전해질형 연료전지에 대하여 설명했지만, 본 발명의 고분자 전해질형 연료전지에 탑재되는 가스 확산 전극은 이것에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 효과를 얻을 수 있는 경우에는, 가스 확산 전극을 구비하지 않는 구성의 가스 확산 전극(예를 들면, 촉매층으로 이루어진 가스 확산 전극)이어도 좋다.
[실시예]
이하에, 실시예를 이용하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
≪실시예 1≫
본 실시예에서는, 본 발명의 제1 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지, 즉 도 1에 나타내는 구조를 가진 고분자 전해질형 연료전지(단전지)를 제작했다.
먼저, 도전성 탄소 입자인 아세틸렌 블랙(덴키가가쿠고교(주) 제조의 덴카블랙, 입자지름 35nm)을, 폴리테트라플로오르에틸렌(PTFE)의 수성 디스퍼전(다이킨고교(주) 제조의 D1)과 혼합하여, 건조 중량으로서 PTFE를 20질량% 포함한 발수처리용 잉크를 조제했다.
상기 발수처리용 잉크를, 가스 확산층을 구성하는 다공질기재인 카본 페이퍼(도오레(주) 제조의 TGPH060H) 위에 도포하여 함침시키고, 열풍 건조기를 이용하 여 300℃에서 열처리하여, 가스 확산층(약 200㎛)을 형성했다.
그 다음에, 도전성 탄소 입자인 케첸 블랙(케첸 블랙 인터내셔널(주) 제조의 Ketjen Black EC, 입자지름 30nm) 상에 백금 금속 입자를 담지시켜 얻어지는 촉매체(Pt:50질량%) 66 질량부를, 수소이온 전도성을 가진 결착제인 퍼플로오르카본술폰산아이오노머(미국 Aldrich사 제조의 5질량% Nafion 분산액) 33질량부(고분자 건조 질량)와 혼합하여, 얻어지는 혼합물을 성형하여 촉매층(두께 10∼20㎛)을 형성했다.
상기의 가스 확산층과 촉매층을 이용하여 도 1∼3에 나타내는 구성을 가진 MEA(10)를 제작했다. 한편, 상기의 가스 확산층은, 도 1에 나타내는 제1 절결부 (9a) 및 제2 절결부(9b)에서 제1 보강부재(12a) 및 제2 보강부재(12b)를 구성하도록 한 형상으로 절단했다.
상기와 같이 하여 제작한 가스 확산층 및 촉매층을 이용하여 고분자 전해질막(1)(미국 DuPont사 제조의 Nafion112막)의 양면에, 촉매층(2a) 및 가스 확산층 (3a)으로 이루어진 애노드(4a), 촉매층(2b) 및 가스 확산층(3b)로 이루어진 캐소드 (4b), 및 가스 확산층(3a)의 일부로 구성된 제1 보강부재(12a) 및 가스 확산층(3b)의 일부로 구성된 제2 보강부재(12b)를 접합하여, MEA(10)를 제작했다.
상기와 같이 하여 제작한 MEA(10)의 고분자 전해질막(1)의 바깥둘레부에, 도 4 및 5에 나타내는 세퍼레이터(5a) 및 (5b)에서 파선으로 나타내는 부분에 위치하도록, 고무제의 판형상 가스켓을 접합하여, 후술하는 세퍼레이터(5a) 및 (5b)의 연료 가스 입구구멍(22), 연료 가스 출구구멍(24), 산화제 가스 입구구멍(25), 산화 제 가스 출구구멍(26), 냉각수 입구구멍(21) 및 냉각수 출구구멍(23)에 대응하는 구멍을 형성했다.
세퍼레이터(5a) 및 (5b)는, 20cm×32cm×1.3mm의 바깥치수를 가지며 또한 깊이 0.5mm의 홈으로 구성된 가스 유로(7a) 및 (7b)를 가진 페놀 수지를 함침시킨 흑연판에, 연료 가스 입구구멍(22), 연료 가스 출구구멍(24), 산화제 가스 입구구멍 (25), 산화제 가스 출구구멍(26), 냉각수 입구구멍(21) 및 냉각수 출구구멍(23)을 형성하여 얻어지는, 도 4 및 5 에 나타내는 구성을 가진 세퍼레이터를 이용했다. 또한, 세퍼레이터(5a) 및 (5b)의 배면에는, 가스 유로(7a) 및 (7b)와 같은 형상을 가진 냉각수 유로를 형성했다.
그리고, MEA(10)를 세퍼레이터(5a) 및 (5b)로 끼워 지지하여 고정하여, 본 발명의 제1 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지(연료전지 1)를 제작했다.
≪실시예 2≫
본 실시예에서는, 도 6에 나타내는 구조를 가진 MEA(30)를 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 같이 하여, 본 발명의 제2 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지(단전지)를 제작했다.
실시예 1과 같이 하여 제작한 가스 확산층을, 도 6에 나타내는 제1 보강부재(42a) 및 제2 보강부재(42b)를 포함한 가스 확산층(33a)의 형상을 가지도록 절단했다. 이렇게 해서 제작한 가스 확산층과, 상기 촉매층을 이용하여 고분자 전해질막(1)(미국 DuPont사 제조의 Nafion112막)의 양면에, 촉매층(32a) 및 가스 확산층(33a)으로 이루어진 애노드(34a), 촉매층(32b) 및 가스 확산층(33b)으로 이루어 진 캐소드(34b), 및 가스 확산층(33a)의 일부로 구성된 제1 보강부재(42a) 및 가스 확산층 (33b)의 일부로 구성된 제2 보강부재(42b)를 접합하여, MEA(30)를 제작했다.
그리고, MEA(30)를 세퍼레이터(5a) 및 (5b)로 끼워 지지하여 고정하여, 본 발명의 제2 실시형태의 고분자 전해질형 연료전지(연료전지 2)를 제작했다.
≪비교예≫
제1 절결부(9a) 및 제2 절결부(9b)를 형성하지 않고, 제1 가스 유로(7a) 및 제2 가스 유로(7b)의 전체면을 각각 덮는 애노드 및 캐소드를 설치한 것 이외에는, 실시예 1과 같이 하여 고분자 전해질형 연료전지(연료전지 3)를 제작했다.
[평가 시험 1]
상기와 같이 하여 제작한 연료전지 1∼3를 이용하여 운전 시험을 실시했다.
연료 가스 입구구멍(22)으로부터 제1 가스 유로(28)에 연료 가스로서 수소 가스를 가습하여 공급했다. 이 때, 수소 가스의 노점이 70℃가 되도록 가습했다. 또한, 산화제 가스 입구구멍(25)으로부터 제2 가스 유로(29)에는 산화제 가스로서 공기를 가습하여 공급했다. 공기는, 노점이 40℃, 45℃, 50℃, 55℃, 60℃, 65℃, 70℃, 75℃, 80℃, 85℃ 또는 90℃가 되도록 가습했다. 한편, 연료전지 전체의 온도는 70℃로 하고, 연료 이용율 70%, 산소 이용율 40%로 일정하게 했다.
이상과 같은 조건으로 연료전지 1 및 3의 전지 전압(V)을 측정하여, 결과를 도 9에서 각각 p 및 q로 나타내었다. 세로축은 전지 전압(V)을 나타내고, 가로축은 산화제 가스의 노점(℃)을 나타낸다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 가스 유로의 상류 부분에 절결부를 형성한 본 발명의 연료전지 1에서는, 연료 가스와 산화제 가스의 가습의 정도가 달라졌다고 해도, 수분 밸런스의 효과에 의해, 전지 성능의 차이가 억제되고 있는 것을 알 수 있다.
[평가 시험 2]
또한, 가스 유로의 중류 부분에 절결부를 형성한 본 발명의 연료전지 2와 절결부가 없는 비교용의 연료전지 3을, 공기의 노점을 85℃로 한 것 이외에는 상기와 같은 조건으로 연속하여 운전했다. 이 결과를 도 10에 나타냈다.
연료전지 2는 안정된 전지 성능을 발휘했지만, 연료전지 3에서는 플러딩이 발생하여 전압이 불안정하게 되었다. 이것은, 연료전지 3에서는, 캐소드측에 플러딩이 발생하여 전지 성능이 불안정하게 되고 있는데 비하여, 연료전지 2에서는, 애노드측으로 물이 이동하는 것에 의해서 플러딩이 억제되고 있기 때문이다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 공급되는 연료 가스나 산화제 가스의 가습 상태가 변동한다고 해도, 애노드측과 캐소드측에 있어서의 가습 상태의 밸런스, 즉 공급되는 반응 가스의 가습 밸런스를 유지할 수 있음과 함께 플러딩을 회피할 수 있어, 애노드 및 캐소드 및 고분자 전해질막의 열화를 충분히 억제하여 크로스리크를 억제하고, 전지 성능의 저하를 용이하고 확실하게 억제할 수 있는 고분자 전해질형 연료전지를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 고분자 전해질형 연료전지는, 자동차용의 연료전지나 코제너레이션 시스템용의 연료전지로서 적합하다.

Claims (6)

  1. 촉매층을 포함한 애노드 및 촉매층을 포함한 캐소드와, 상기 애노드와 상기캐소드의 사이에 배치되어 있으며, 수소이온 전도성을 가진 고분자 전해질막을 포함한 막전극 접합체와,
    상기 막전극 접합체를 끼워 지지하도록 배치되어 있으며, 상기 애노드측의 주면(主面)에 상기 애노드에 연료 가스를 공급·배출하기 위한 연료 가스 입구 및 연료 가스 출구를 가진 제1 가스 유로가 형성되고, 또한, 상기 캐소드측의 주면에 상기 캐소드에 산화제 가스를 공급·배출하기 위한 산화제 가스 입구 및 산화제 가스 출구를 가진 제2 가스 유로가 형성된 한 쌍의 도전성을 가진 세퍼레이터를 적어도 구비한 단전지를 포함하고 있으며,
    상기 단전지가, 상기 한 쌍의 세퍼레이터의 상기 애노드측 및 상기 캐소드측 중의 어느 한쪽의 상기 주면의 법선 방향이 중력 방향과 교차하도록 배치되어 있고,
    상기 한 쌍의 세퍼레이터에 있어서, 상기 연료 가스 입구와 상기 산화제 가스 입구가 근방의 위치에 형성되어 있으며, 또한 상기 연료 가스 출구와 상기 산화제 가스 출구가 근방의 위치에 형성되어 있고, 상기 제1 가스 유로는, 상기 제1 가스 유로내를 상기 연료 가스가 전체적으로 중력에 거스르는 방향으로 흐르지 않고 중력에 따르는 방향으로 흐르도록 형성되어 있고, 또한, 상기 제2 가스 유로는, 상기 제2 가스 유로내를 상기 산화제 가스가 전체적으로 중력에 거스르는 방향으로 흐르지 않고 중력에 따르는 방향으로 흐르도록 형성되어 있으며,
    상기 막전극 접합체의 상기 고분자 전해질막의 상기 애노드측의 주면에는, 상기 촉매층이 형성되어 있지 않은 제1 절결부가 형성되어 있고, 상기 막전극 접합체의 상기 고분자 전해질막의 상기 캐소드측의 주면에는, 상기 촉매층이 형성되어 있지 않은 제2 절결부가 형성되어 있으며, 또한, 상기 제1 절결부 및 상기 제2 절결부는, 상기 고분자 전해질막의 상기 애노드측 및 상기 캐소드측 중의 어느 한쪽의 상기 주면의 대략 법선 방향에서 본 경우에, 서로의 적어도 일부가 서로 겹치는 위치에 형성되어 있고,
    상기 고분자 전해질막의 상기 제1 절결부에는, 가스 투과성을 가진 제1 보강부재가 배치되어 있고,
    상기 고분자 전해질막의 상기 제2 절결부에는, 가스 투과성을 가진 제2 보강부재가 배치되어 있으며,
    상기 제1 절결부 및 상기 제 2의 절결부에 있어서, 상기 고분자 전해질막이 상기 제1 보강부재 및 상기 제2 보강부재에 의해 끼워 지지되도록 하여 지지되어 있고,
    상기 위치가, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로의 상류 부분이고,
    상기 제1 가스 유로와 상기 제2 가스 유로가 병행하도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 위치가, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로의 중류 부분인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 애노드 및 상기 캐소드가 각각 상기 촉매층의 바깥측에 배치되는 가스 확산층을 가지고 있으며,
    상기 제1 보강부재 및 상기 제2 보강부재가 상기 가스 확산층의 일부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 가스 유로 및 상기 제2 가스 유로 각각의 총면적에 대한 상기 제1 절결부 및 상기 제2 절결부의 면적의 비율이 5∼50%인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지.
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