KR101015934B1 - 연료 전지 - Google Patents

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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 전해질막(12)의 전면 및 이면에 각각 양극층(13) 및 음극층(14)을 배치하여, 음극층의 촉매에 수소를 접촉시키고, 양극층의 촉매에 산소를 접촉시켜 발전하는 연료 전지를 제공한다. 양극층은 전해질, 카본(36, 37), 카본에 담지된 촉매(38), 조공재 및 발수성 수지의 성분을 포함한다. 산소와 수소 이온 사이의 반응이 진행되기 쉬운 부위인 양극층의 전해질막 근방(34)에서는, 전해질/카본의 중량비 및 촉매의 담지량을 많게 한다. 생성수가 체류하기 쉬운 부위에서는 조공재 및 발수성 수지의 양을 많게 한다.

Description

연료 전지{FUEL CELL}
본 발명은, 전해질막의 전면 및 이면에 각각 양극층 및 음극층을 배치하여, 음극층의 촉매에 수소를 접촉시키고, 양극층의 촉매에 산소를 접촉시킴으로써 발전하는 연료 전지에 관한 것이다.
이런 유형의 연료 전지는 도 15, 도 16 및 도 17에 도시되어 있다.
도 15를 참조하면, 종래 기술의 연료 전지(100)는 전해질막(101)과, 이 전해질막(101)의 전면 및 이면에 각각 배치된 양극층(102) 및 음극층(103)과, 상기 양극층(102)에 배치된 양극 확산층(104)과, 음극층(103)에 배치된 음극 확산층(105)과, 양극 확산층(104)의 외면에 마련된 산소 가스 유로(106)와, 음극 확산층(105)의 외면에 마련된 수소 가스 유로(도시하지 않음)로 구성되어 있다.
산소 가스는 산소 가스 유로(106)의 공급측(106a)으로부터 배출측(106b)으로 흐른다.
산소 가스 유로(106)에 산소 가스를 흐르게 하고, 수소 가스 유로에 수소 가스를 흐르게 한 결과로서, 수소(H2)가 음극층(103) 내의 촉매에 접촉하고, 산소(O2)가 양극층(102) 내의 촉매에 접촉하여, 전류를 발생시킨다.
도 16에 도시한 바와 같이, 음극층(103)(도 15 참조) 내의 반응으로 생성된 수소 이온(H+)은 화살표로 도시된 바와 같이 전해질막(101)을 통과하여 양극층(102)으로 흐른다.
그리고, 산소 가스 유로(106)(도 15 참조)로부터 양극층(102) 내로 산소 가스를 공급함으로써, 산소 가스는 양극층(102)을 통하여 전해질막(101)을 향해서 흐른다.
따라서, 수소 이온(H+)과 산소(O2)가 반응하여 생성수(H2O)가 생성된다. 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응은 특히 전해질막(101)과 그 계면(108) 근처의 양극층(102)의 영역, 즉 파선 해칭으로 나타낸 "충분한 촉매 반응 영역"(102a)에서 진행된다.
생성된 생성수(H2O) 중 일부의 생성수는 전해질막(101)으로 복귀되어, 그 전해질막(101)을 습윤 상태로 유지하며, 이로써 발전 효율을 높일 수 있다.
나머지 생성수(H2O) 중 일부는 화살표 a로 도시된 바와 같이 양극층(102) 내측으로부터 양극 확산층(104)으로 배출되고, 나머지 생성수(H2O)는 화살표 b로 도시된 바와 같이 양극층(102) 내부를 통하여 자중에 의해 하강한다. 이 때문에, 양극층(102)의 하측(102b)에 생성수(H2O)가 고이는 경향이 있으며, 이것이 연료 전지의 발전 효율을 높이는 데에 장해가 되고 있었다.
도 17에 도시된 바와 같이, 산소 가스 유로(106)의 공급측(106a)으로부터 배출측(106b)으로 화살표로 도시된 바와 같이 산소 가스가 흐른다.
양극층(102)으로부터 양극 확산층(104)으로 유출되는 생성수(H2O) 중 일부의 생성수는 증발하여 산소 가스 유로 속으로 발산하여, 산소 가스 유로(106) 내의 산소 가스에 의해 운반된다.
산소 가스는 산소 가스 유로(106)의 굴곡부(106c, 106c)에서 고이기 쉬우므로, 산소 가스 유로(106)의 배출측(106b), 즉 양극층(102)의 하측(102b)에서, 산소 가스의 유량이 감소하는 경향이 있다.
이 때문에, 산소 가스 유로(106)의 배출측(106b)에서는, 산소 가스 유로 속으로 발산된 생성수를 효율적으로 배출하기 어려워, 생성수가 배출측(106b)에 고이기 쉽고, 이것이 연료 전지의 발전 효율을 높이는 데에 장해가 되고 있었다.
도 16에서 설명한 바와 같이, 특히 "충분한 촉매 반응 영역"(102a)에서 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응을 진행시키고, 양극층 내의 전해질량을 전해질막측에서 많게 한 연료 전지가, 예컨대 일본 특허 공개 평8-088008호 공보에서 제안되어 있다.
이 연료 전지에 따르면, 전해질막(101)과의 계면(108) 근방에서 양극층(102) 내에 다량의 전해질이 포함되어, 양극층(102)과 전해질막(101) 사이의 계면(108)에서 수소 이온(H+)의 도전성을 높일 수 있게 된다.
그리고, 도 16 및 도 17에서 설명한 바와 같이, 생성수가 고이는 것이 발전 효율을 높이는 데에 장해가 되는 것을 고려하여, 생성수(H2O)를 양극층(102) 내측으로부터 효율적으로 배출하도록 한 연료 전지가, 예컨대 일본 특허 공개 2002-298859호 공보에서 제안되어 있다.
이 연료 전지에 따르면, 하부(102b)를 제외한 양극층(102)의 표면에 발수성 수지가 포함되므로, 생성수가 하부(102b)로부터 용이하게 유출되어 그 하부(102b)에 생성수가 고이는 것을 막을 수 있게 된다.
또한, 전해질막(101)을 습윤 상태로 유지함으로써 발전 효율을 높이기 위하여, 전해질막(101)의 수분 함량을 적절하게 유지하도록 한 연료 전지가, 예컨대 일본 특허 공개 2002-042823호 공보에서 제안되어 있다.
이 연료 전지에 따르면, 산소 가스 유로(106)의 공급측(106a)에서 생성수의 배출을 억제하고, 산소 가스 유로(106)의 배출측(106b)에서 생성수의 배출을 촉진시킴으로써, 전해질막의 수분 함량을 적절하게 유지할 수 있게 된다.
여기서, 산업 분야에 있어서 연료 전지의 이용 가능성을 더욱 넓이기 위해서는, 연료 전지의 성능을 높이는 것 외에, 연료 전지의 비용을 억제하는 것이 중요하다.
그러나, 일본 특허 공개 평8-088008호의 연료 전지에서와 같이, 전해질막과의 계면 근방에서 전해질량을 다량으로 포함하는 조처만으로는, 연료 전지의 성능을 더욱 높이면서 연료 전지의 비용을 내리기가 어렵다.
또한, 일본 특허 공개 2002-298859호의 연료 전지에서와 같이, 하부를 제외한 양극층의 표면에 발수성 수지를 포함시키는 조처만으로는, 연료 전지의 성능을 더욱 높이면서 연료 전지의 비용을 내리기가 어렵다.
그리고, 일본 특허 공개 2002-042823호의 연료 전지에서와 같이, 산소 가스 유로의 공급측에서 생성수의 배출을 억제하고, 산소 가스 유로의 배출측에서 생성수의 배출을 촉진시키는 조처만으로는, 연료 전지의 성능을 더욱 높이면서 연료 전지의 비용을 내리기가 어렵다.
따라서, 발전 효율이 우수하고, 또한 비용을 억제할 수 있는 연료 전지가 요구되고 있다.
연료 전지의 발전 효율을 높이는 실험을 실행하는 중에, 본원 발명자들은, 양극층 내에, 산소 가스를 쉽게 도입할 수 있는 장소와, 산소 가스를 쉽게 도입할 수 없는 장소가 있다는 것을 발견했다. 또한, 본 발명자들은 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응이 진행되기 쉬운 부위나, 그러한 반응이 천천히 진행되는 부위가 있다는 것을 발견했다. 또한, 생성수가 고이기 쉬운 부위가 있다는 것을 발견했다.
이를 더 자세히 검토하면, 발전 반응이나 생성수의 고임은 양극층의 전해질막측으로부터 양극 확산층을 향해 점차 변화되는 경향이 있고, 또한 산소 가스 유로의 공급측으로부터 배출측을 향해서 점차 변화되는 경향이 있다는 것을 알았다. 또한, 양극층을 연직 위치로 사용할 때에, 발전 반응이나 생성수의 고임은 양극층의 상측으로부터 하측을 향하여 점차 변화되는 경향이 있는 것도 알았다.
이들 관점에서, 양극층 내의 성분, 즉 전해질, 촉매 및 조공재 등을 전해질막측으로부터 양극 확산층을 향해서 점차 변화시키고, 연직 방향의 상부로부터 하부를 향해서 점차 변화시키고, 산소 가스 유로의 공급측으로부터 배출측을 향해서 점차 변화시킴으로써 상기 과제를 해결할 수 있다는 전망을 얻었다.
따라서, 본 발명은, 전해질막과, 이 전해질막의 전면 및 이면에 각각 배치되고 연직 방향으로 배향되어 있는 양극층 및 음극층과, 상기 양극층 상에 배치된 양극 확산층과, 상기 음극층 상에 배치된 음극 확산층과, 상기 양극층의 외면에 형성된 산소 가스 유로와, 상기 음극층의 외면에 형성된 수소 가스 유로를 구비하며, 상기 양극층은 전해질, 카본, 카본에 담지된 촉매, 조공재 및 발수성 수지를 포함하며, 이들 전해질/카본의 중량비, 촉매의 담지량, 조공재의 양, 그리고 발수성 수지의 양은 상기 전해질막측으로부터 상기 양극 확산층의 방향으로 점차 변화하고, 상기 연직 방향의 상부로부터 하부 방향으로 점차 변화하며, 상기 산소 가스 유로의 공급측으로부터 배출측을 향하여 점차 변화하는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 제공한다.
따라서, 본 발명에 있어서, 전해질/카본의 중량비, 촉매의 담지량(카본에 담지된 촉매의 양을 의미함), 조공재의 양 및 발수성 수지의 양은 양극층의 전해질막측으로부터 양극 확산층을 향해서 점차 변화된다. 또한, 전해질/카본의 중량비, 촉매의 담지량, 조공재의 양 및 발수성 수지의 양은 양극층의 연직 방향 상부로부터 하부를 향해서 점차 변화된다. 또한, 전해질/카본의 중량비, 촉매의 담지량, 조공재의 양 및 발수성 수지의 양은 상기 산소 가스 유로의 공급측으로부터 배출측을 향해서 점차 변화된다.
이러한 조처에 의해, 양극층의 성분은 산소 가스의 도입 상태에 따라서, 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응 상태에 따라서, 그리고 생성수의 배수 상태에 따라서 점차 변화될 수 있다. 이러한 방식으로, 양극층을 구성하는 성분은 양극층의 여러 부위에 따라 적절하게 포함될 수 있어서, 여러 부위에 있어서의 발전 효율을 높이고, 또한 생성수의 배수성을 적절하게 조정할 수 있다.
또한, 양극층을 구성하는 성분을 양극층의 여러 부위에 따라 적절하게 포함시킴으로써, 성분들이 지나치게 포함되는 것이 방지된다. 이러한 조처에 의해, 양극층을 구성하는 성분의 함유량을 필요한 최소 한도로 억제할 수 있어, 비용의 저감화를 도모할 수 있다.
본 발명에 있어서, 바람직하게는, 양극층에 포함되는 전해질/카본의 중량비 및 촉매의 담지량은 전해질막측으로부터 양극 확산층을 향해서 감소하고, 상기 양극층의 연직 방향의 상부로부터 하부를 향해서 감소하며, 또한 산소 가스 유로의 공급측으로부터 배출측을 향해서 감소하고, 또한 양극층에 포함되는 조공재의 양 및 발수성 수지의 양은 전해질막측으로부터 양극 확산층을 향해서 증가하고, 상기 양극층의 연직 방향의 상부로부터 하부를 향해서 증가하며, 또한 산소 가스 유로의 공급측으로부터 배출측을 향해서 증가한다.
여기서, 발전 반응은 특히 전해질막과 양극층 사이의 경계에서 진행되고, 경계로부터 양극 확산층을 향해서 서서히 느려지게 된다. 또한, 발전 반응이 특히 양극층의 상부에서 진행되고, 상부로부터 하부를 향해서 서서히 느려지게 된다. 또한, 발전 반응은 특히 산소 가스 유로의 공급측에서 진행되고, 공급측으로부터 배출측을 향해서 서서히 느려지게 된다. 따라서, 전해질/카본의 중량비 및 촉매의 담지량이 다량으로 필요한 부위에는 이들 성분이 다량으로 포함되어, 해당 부위의 발전 효율을 높일 수 있다. 또한, 전해질/카본의 중량비 및 촉매의 담지량이 단지 소량으로만 필요한 부위에는 이들 성분이 소량으로 되어, 이들 성분을 지나치게 포함하게 되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 조처에 의해, 양극층을 구성하는 성분의 함유량을 필요한 최소 한도로 억제할 수 있어, 비용의 저감화를 도모할 수 있다.
다른 한편으로, 전해질막의 수분 함량을 확보하기 위해서, 전해질막의 근처에서 생성수의 배수를 억제할 필요가 있다. 그러나, 양극층 내부로부터 생성수를 배수하기 위해서, 양극 확산층의 부근에서는 배수성을 높일 필요가 있다. 생성수는 양극층의 하부에 고이는 경향이 있기 때문에, 양극층의 상부로부터 하부를 향해서 배수성을 서서히 높일 필요가 있다. 또한, 생성수는 산소 가스 유로의 배출측에 고이는 경향이 있기 때문에, 공급측으로부터 배출측을 향해 배수성을 서서히 높일 필요가 있다.
따라서, 조공재의 양 및 발수성 수지의 양은 전해질막 부근으로부터 양극 확산층을 향해 증가하고, 연직 방향 상부로부터 하부를 향해 증가하며, 또한 산소 가스 유로의 공급측으로부터 배출측을 향해서 증가하게 된다. 이러한 조처에 의해, 조공재의 양 및 발수성 수지의 양을 양극층의 각 부위마다 적절하게 포함시켜, 여러 부위에 있어서 생성수의 배수성을 적절하게 조정할 수 있다. 따라서, 조공재 및 발수성 수지는 이들 성분이 대량으로 필요한 부분에는 대량으로 포함되고, 이들 성분이 단지 소량으로만 필요한 부분에는 이들 성분을 소량으로 포함시켜, 이들 성분을 지나치게 포함하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 바람직하게는, 양극층이 전해질막에 접촉하는 면에서, 전해질/카본의 중량비, 촉매의 담지량, 조공재의 양, 발수성 수지의 양은 균일하게 된다.
전해질막의 근방에서는 충분한 촉매 반응이 요구된다. 또한, 촉매 반응을 충분히 진행시키기 위하여, 전해질막측의 수분 함량을 확보할 필요가 있다. 따라서, 전해질막의 근방에서는, 양극층의 성분이 각각 균일하게 포함되어, 충분한 촉매 반응이 가능하고, 또 전해질막의 수분 함량이 확보된다. 이러한 조처에 의해, 전해질막의 근방에서의 발전 반응을 충분히 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 하나의 셀을 상세하게 도시한 연료 전지의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 셀의 일부 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 양극층에 포함되는 성분들의 양을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4a는 양극층의 전해질막 근방에 있어서의 카본 및 촉매의 담지량을 나타내고, 도 4b는 전해질막 근방으로부터 양극 확산층을 향하는 카본 및 촉매의 담지량을 나타낸 도면이다.
도 5a는 양극층의 상부로부터 하부를 향해서 포함되는 카본 및 촉매의 담지량을 나타내고, 도 5b는 산소 가스 유로의 공급측으로부터 배출측을 향하는 카본 및 촉매의 담지량을 도시한 도면이다.
도 6a∼도 6e는 여러 조성물의 전해질/카본의 중량비, 조공재의 비율, 조공 작용 휘발성 용매의 비율, 발수성 수지의 비율, 및 촉매의 비율을 나타내는 그래프이다.
도 7a∼도 7g는 제1 실시예의 양극층을 분할함으로써 얻은 블록의 조성물을 나타낸 모식도이다.
도 8은 제1 실시예의 전해질막, 양극층 및 양극 확산층을 도시하는 개략 사시도이다.
도 9는 도 8에 있어서 화살표 9의 방향에서 본 도면으로, 산소와 수소 이온 사이의 반응 및 생성수의 상태를 도시한 모식도이다.
도 10은 도 8에 있어서 화살표 10의 방향에서 본 도면으로, 산소와 수소 이온 사이의 반응 및 생성수의 상태를 도시한 모식도이다.
도 11a 및 도 11b는 도 8에 있어서 화살표 11의 방향에서 본 도면으로, 전해질/카본의 중량비 및 촉매의 담지량, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매와 발수성 수지의 양을 도시한 모식도이다.
도 12a∼도 12c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 양극층의 성분량을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 연료 전지의 양극층을 제조하기 위한 코팅 장치를 도시한 도면이다.
도 14a∼도 14d는 도 13에 도시한 코팅 장치를 이용하여 양극층을 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
도 15는 종래 기술의 연료 전지(하나의 셀)를 도시한 사시도이다.
도 16은 도 15에 도시한 연료 전지의 부분 단면도로, 산소와 수소 이온 사이의 반응 및 생성수의 상태를 도시한 도면이다.
도 17은 도 15에 도시한 산소 가스 유로를 따라서 생성수가 체류하는 상태를 도시한 도면이다.
이제 첨부 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 전체를 사시도로 도시하고, 그 연료 전지의 하나의 셀을 분해도로 도시하고 있다. 도 1에 도시된 연료 전지(10)는 복수의 셀(11)을 함께 겹겹이 쌓음으로써 구성되어 있다.
각 셀(11)은, 양극층(13) 및 음극층(14)을 전해질막(12)의 전면/이면에 각각 배치하고, 양극층(13)에 양극 확산층(15)(도 2 참조)을 배치하고, 음극층(14)에 음극 확산층(16)(도 2 참조)을 배치하고, 양극 확산층(15)의 외면에 세퍼레이터(17) 를 설치함으로써 양극 확산층(15)과 세퍼레이터(17)에 의해 산소 가스 유로(18)(도 2 참조)를 형성하고, 음극 확산층(16)의 외면에 세퍼레이터(19)를 설치함으로써 음극 확산층(16)과 세퍼레이터(19)에 의해 수소 가스 유로(20)(도 2 참조)를 형성한 구조를 갖고 있다. 상기 양극층(13) 및 음극층(14), 양극 확산층(15) 및 음극 확산층(16), 세퍼레이터(17, 19)는 연직 방향으로 배향되도록 배치되어 있다.
부호 21, 22는 시일을 지시한다. 전해질막(12)과 세퍼레이터(17) 사이에 시일(21)을 개재시킴으로써, 전해질막(12)과 세퍼레이터(17) 사이의 간극이 밀봉된다. 전해질막(12)과 세퍼레이터(19) 사이에 시일(22)을 개재시킴으로써, 전해질막(12)과 세퍼레이터(19) 사이의 간극이 밀봉된다.
도 2는 도 1에 도시한 셀의 부분 단면도를 도시하고 있다.
전해질막(12)의 한 쪽의 면에 양극층(13)을 배치하고, 이 양극층(13) 상에 양극 확산층(15)을 더 배치한다. 세퍼레이터(17)는 양극 확산층(15)의 외면에 설치된다. 산소 가스 유로(18)는 양극 확산층(15)과, 세퍼레이터(17)에 형성된 홈(17a)으로 형성된다.
산소 가스 유로(18)에 산소 가스를 공급한 결과로서, 산소(O2)는 화살표 (1)로 도시한 바와 같이 양극 확산층(15)을 통하여 양극층(13)으로 들어가고, 양극층(13) 내측으로부터 전해질막(12)으로 들어간다.
음극층(14) 내의 반응으로 생성된 수소 이온(H+)은 화살표 (2)로 도시한 바와 같이 전해질막(12)을 통과하여 양극층(13)으로 들어간다.
수소 이온(H+)과 산소(O2)가 반응하여, 생성수가 생성된다. 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응은 특히 전해질막(12)과의 계면(23) 근방의 양극층(13)의 영역에서 진행된다.
생성된 생성수 중 일부의 생성수는 전해질막(12)으로 복귀한다. 이는 전해질막(12)을 습윤 상태로 유지하기 위한 것이다.
나머지 생성수 중 일부는 양극층(13) 내측으로부터 양극 확산층(15)으로 유출되고, 그 외의 나머지 생성수는 자중에 의해 양극층(13) 내부를 통하여 하강한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 양극층(13)은 전해질막(12)과 양극 확산층(15) 사이에 배치되어 있다. 산소 가스 유로(18)(도 2도 참조)는 양극 확산층(15)의 외면을 따라 마련된다.
이해를 쉽게 하기 위해서, 산소 가스 유로(18)를 사행 유로로서 하여 설명한다.
산소 가스 유로(18)에서, 산소 가스는 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 흐른다.
양극층(13)은 주로 전해질, 카본, 카본에 담지된 촉매, 조공재, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지를 포함하고 있다.
전해질은 예컨대 불소계 화합물이며, 촉매는 예컨대 백금이다.
조공재는 양극층(13)의 공극율을 변화시키기 위한 것으로, 조공재의 양을 증 가시킴으로써 공극율을 높일 수 있다. 공극율을 조정함으로써, 산소 가스의 확산성과 생성수의 배수성을 제어할 수 있다. 이 조공재는 예컨대 도전성을 갖는 침형 탄소 섬유이다. 조공 작용 휘발성 용매는 예컨대 부탄올(부틸 알콜)이 해당한다.
발수성 수지는 예컨대 테트라플루오로에틸렌이다.
전해질, 카본 및 이 카본에 담지된 촉매는 발전 반응에 영향을 끼치며, 이들 물질이 많은 양으로 존재하면 발전 반응이 증가하고, 이들 물질이 적은 양으로 존재하면 발전 반응이 감소한다.
조공 작용 휘발성 용매는 건조 중의 휘발에 의해 기공을 형성하여, 조공재와 동일한 역할을 하는 것이다. 발수성 수지는 생성수의 배수성을 높인다.
즉, 조공재, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지는 생성수의 배수성에 영향을 끼치며, 이들 물질이 감소하면 배수성이 낮아지고, 이들 물질이 증가하면 배수성이 높아진다.
전해질/카본의 중량비 및 카본에 담지된 촉매의 양(이하, 「촉매의 담지량」이라고 함)은 제1 화살표 25로 나타내는 바와 같이 전해질막(12)측으로부터 양극 확산층(15)측을 향해서 점차 감소한다.
전해질/카본의 중량비 및 촉매의 담지량은 제2 화살표 26으로 나타내는 바와 같이 연직 방향의 상부로부터 하부를 향해서 점차 감소한다.
또한, 전해질/카본의 중량비 및 촉매의 담지량은 제3 화살표 27로 나타내는 바와 같이 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 점차 감소한다.
조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 제4 화살표 30으로 나타내는 바와 같이 전해질막(12)측으로부터 양극 확산층(15)을 향해서 점차 증가한다.
또한, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 제5 화살표 31로 나타내는 바와 같이 양극층(13)의 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해서 점차 증가한다.
또한, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 제6 화살표 32로 나타내는 바와 같이 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 점차 증가한다.
다른 한편으로, 전해질막(12)에 접촉하는 면(34)(파선 해칭으로 나타내는 영역)에서는, 전해질/카본의 중량비, 촉매의 담지량, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양을 균일하게 했다.
도 4a는 양극층(13) 중에서 전해질막에 접촉하는 면(34)(도 3도 참조)에서의 카본과 카본에 담지된 촉매의 상태를 나타내고, 도 4b는 양극층(13)에 있어서, 전해질막(12)측으로부터 양극 확산층(15)을 향해서 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량이 점차 감소된 상태를 나타내고 있다.
도 4a에 있어서, 전해질막에 접촉하는 면(34), 즉 전해질막(12)의 근방에서는 충분한 촉매 반응이 요구된다.
따라서, 전해질막(12) 근방의 양극층(13)에서 충분한 촉매 반응을 가능하게 하기 위해서, 대직경의 카본(36), 소직경의 카본(37), 이들 카본(36, 37)에 담지된 촉매(38)는 다량으로 또한 균일하게 양극층(13)에 포함된다.
구체적으로는, 촉매(38)가 대직경의 카본(36)의 표면에 조밀한 상태로 담지되고, 촉매(38)는 소직경의 카본(37)의 표면에 조밀한 상태로 담지된다. 이들 카본(36, 37)은 전해질막에 접촉하는 면(34)에 조밀하게 포함된다.
전해질막에 접촉하는 면(34), 즉 전해질막(12)(도 2, 도 3 참조)의 근방에서는, 촉매 반응을 충분히 진행시키기 위하여, 전해질막(12)의 수분 함량을 확보할 필요가 있다. 따라서, 전해질막에 접촉하는 면(34)에 있어서, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 소량으로, 또 균일하게 포함된다. 이러한 조처에 의해, 전해질막(12)의 근방에서 발전 반응을 충분히 높일 수 있다.
도 4b에 있어서는, 촉매(38)가 대직경의 카본(36)의 표면에 조밀한 상태로 담지되고, 촉매(38)가 소직경의 카본(37)의 표면에 조밀한 상태로 담지된다.
상기 카본(36, 37)은, 전해질막(12) 부근으로부터 양극 확산층(15)을 향해서 조밀한 상태로부터 희박한 상태로 되도록 양극층(13)에 포함된다. 즉, 양극층(13)에 있어서, 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량은 제1 화살표 25로 나타내는 바와 같이 전해질막(12) 부근으로부터 양극 확산층(15)을 향해서 점차 감소한다.
여기서, 양극층(13)의 전해질막(12) 부근에서는, 생성수의 배수성을 억제하여 전해질막(12)의 수분 함량을 확보할 필요가 있다. 한편, 양극층(13)의 양극 확산층(15) 부근에서는, 생성수의 배수성을 높게 하여 양극층(13) 내의 생성수를 효율적으로 배수할 필요가 있다. 따라서, 양극층(13)에 포함하는 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 제4 화살표 30 방향으로 나타내는 바와 같이 양극층(13)의 전해질막(12)측으로부터 양극 확산층(15)을 향해서 점차 증가한다.
도 5a 및 도 5b는 양극층(13)에 포함되는 성분의 연직 방향의 상태를 나타내고 있다.
도 5a는 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량을 양극층(13)의 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해서 점차 감소시킨 상태를 나타내고 있다.
구체적으로는, 대직경의 카본(36)의 표면에 조밀한 상태로 담지된 촉매(38)는 양극층(13)의 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해 점차 감소하도록 포함되고, 대직경의 카본(36)의 표면에 희박한 상태로 담지된 촉매(38)는 양극층(13)의 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해 점차 증가하도록 포함된다.
따라서, 양극층(13)에 있어서, 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량은 제2 화살표 26으로 나타내는 바와 같이 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해 점차 감소한다.
이제, 양극층(13)의 하부(13b)에는 생성수가 자중에 의해 모이기 쉽다. 이 때문에, 양극층(13)의 하부(13b)에서는 생성수의 배수성을 높게 하여 생성수를 효율적으로 배수할 필요가 있다. 따라서, 양극층(13)에 포함되는 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 양극층(13)의 연직 방향 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해서 점차 증가한다.
도 5b는 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량이 산소 가스 유로(18) 의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 점차 감소하는 상태를 나타내고 있다.
구체적으로는, 대직경의 카본(36)의 표면에 조밀한 상태로 담지된 촉매(38)가 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)에 포함되고, 대직경의 카본(36)의 표면에 희박한 상태로 담지된 촉매(38)가 산소 가스 유로(18)의 중간 부분(18c)에 포함되고, 촉매(38)를 담지하고 있지 않은 대직경의 카본(36)이 산소 가스 유로(18)의 배출측(18b)에 포함된다. 즉, 양극층(13)에 있어서, 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량은 제3 화살표 27(도 3 참조)로 나타내는 바와 같이 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 점차 감소한다.
양극층(13) 내의 생성수의 일부는 산소 가스 유로(18) 속으로 발산하여, 산소 가스와 함께 이동한다.
산소 가스는 산소 가스 유로(18)의 굴곡부(18d)에서 체류하기 쉽고, 산소 가스 유로(18)의 배출측(18b)에서 산소 가스의 유량이 감소하기 쉽다. 따라서, 생성수는 산소 가스 유로(18)의 배출측(18b)에 고이기 쉽다. 이 때문에, 산소 가스 유로(18)의 배출측(18b)에서 생성수의 배수성을 높게 하여, 생성수를 효율적으로 배수할 필요가 있다. 따라서, 양극층(13)에 포함하는 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 제6 화살표 32(도 3 참조)로 나타내는 바와 같이 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해 점차 증가한다.
도 4b, 도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량은 양극층(13)의 전해질막(12)측으로부터 양극 확산층(15)을 향해 감 소하고, 또한 양극층(13)의 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해 감소하고, 또한 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 감소한다.
이와 같이 하여, 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량이 다량으로 필요한 부위에는 이들 성분이 다량으로 포함되어, 이들 부위에서의 발전 효율이 높아진다.
또한, 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량이 단지 소량으로만 필요한 부위에는 이들 성분이 소량으로 포함된다. 따라서, 이들 성분을 지나치게 포함하는 것이 방지된다. 이러한 조처에 의해, 양극층(13)을 구성하는 성분의 함유량을 필요한 최소 한도로 억제할 수 있다.
다른 한편으로, 조공재의 양 및 발수성 수지의 양은 양극층(13)의 전해질막(12)측으로부터 양극 확산층(15)의 방향으로 증가하고, 양극층(13)의 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)의 방향으로 증가하고, 또한 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 증가한다.
즉, 조공재의 양 및 발수성 수지의 양을 양극층(13)의 각 부위마다 적절하게 포함함으로써, 이들 부위에 있어서 생성수의 배수성이 적절하게 조정된다. 이러한 조처에 의해, 조공재의 양 및 발수성 수지의 양이 다량으로 필요한 부위에는 이들 성분이 다량으로 포함되어, 이들 부위의 발전 효율을 높일 수 있다.
또한, 조공재의 양 및 발수성 수지의 양이 단지 소량으로만 필요한 부위에는, 이들 성분이 소량으로 포함되어, 이들 성분이 과도하게 포함되는 것을 방지한다. 이러한 조처에 의해, 양극층을 구성하는 각 성분의 함유량을 필요한 최소한으로 억제할 수 있다.
실시예
이제 연료 전지의 구체예를 도 6a∼도 7g에 기초하여 설명한다. 양극층의 조성물로서, A∼J의 10 종류를 준비했다. 조성물 A∼J는 표 1, 도 6a∼도 6e에 자세히 설명되어 있다.
Figure 112005050336006-pct00001
- 조공재 및 발수성 수지의 비율은 고형분 중의 비율이다.
- 조공 작용 휘발성 용매의 비율은 용매 중의 비율이다.
여기서, 표 1에 나타낸 조공재와 발수성 수지의 양은 고형분 중의 비율이다. 여기서, 고형분 중의 비율은 전극을 형성하는 단위체적당 전체 고형분 중량 중에서 각 재료가 점유하는 중량의 비율을 의미한다.
조공 작용 휘발성 용매의 비율은 용매 중의 비율을 나타낸다. 용매 중의 비율은 단위체적당 전극을 형성할 때에 이용하는 전체 용매 중량 중에서 조공 작용 휘발성 용매의 중량 비율을 의미한다.
조성물 A의 성분으로서는, 전해질/카본의 중량비를 2.0, 조공재의 비율을 5.0, 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 0, 발수성 수지의 비율을 0, 촉매의 담지 비율을 49.1로 하였다.
조성물 B의 성분으로서는, 전해질/카본의 중량비를 1.8, 조공재의 비율을 7.3, 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 7.5, 발수성 수지의 비율을 4.8, 촉매의 담지 비율을 48.1로 했다.
조성물 C의 성분으로서는, 전해질/카본의 중량비를 1.6, 조공재의 비율을 9.5, 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 14.0, 발수성 수지의 비율을 9.4, 촉매의 담지 비율을 47.2로 하였다.
조성물 D의 성분으로서는, 전해질/카본의 중량비를 1.4, 조공재의 비율을 11.6, 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 19.9, 발수성 수지의 비율을 13.7, 촉매의 담지 비율을 46.2로 했다.
조성물 E의 성분으로서는, 전해질/카본의 중량비를 1.2, 조공재의 비율을 13.6, 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 25.1, 발수성 수지의 비율을 17.9, 촉매의 담지 비율을 45.7로 했다.
조성물 F의 성분으로서는, 전해질/카본의 중량비를 1.0, 조공재의 비율을 15.5, 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 29.8, 발수성 수지의 비율을 21.9, 촉매의 담지 비율을 44.6으로 했다.
조성물 G의 성분으로서는, 전해질/카본의 중량비를 0.9, 조공재의 비율을 17.3, 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 32.8, 발수성 수지의 비율을 23.6, 촉매의 담지 비율을 43.1로 했다.
조성물 H의 성분으로서는, 전해질/카본의 중량비를 0.8, 조공재의 비율을 19.1, 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 35.6, 발수성 수지의 비율을 25.2, 촉매의 담지 비율을 41.0으로 했다.
조성물 I의 성분으로서는, 전해질/카본의 중량비를 0.7, 조공재의 비율을 20.8, 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 38.1, 발수성 수지의 비율을 26.7, 촉매의 담지 비율을 38.4로 했다.
조성물 J의 성분으로서는, 전해질/카본의 중량비를 0.6, 조공재의 비율을 22.4, 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 40.6, 발수성 수지의 비율을 28.2, 촉매의 담지 비율을 35.3으로 했다.
도 6a는 표 1에 나타낸 각 조성물에 대한 양극층에 함유하는 전해질/카본의 중량비를 나타내고 있다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 전해질/카본의 중량비를 0.6∼2.0의 범위로 설정했다(표 1도 참조).
전해질/카본의 중량비가 0.6 미만이면, 전해질에 의한 카본의 피복이 적어져, 충분한 반응을 얻을 수 없다. 한편으로, 전해질/카본의 중량비가 2.0을 넘으면, 전해질 성분이 지나치게 많아져 생성수의 확산 경로를 막고, 또한 보수성(保水性)이 지나치게 높아져, 충분한 반응을 얻을 수 없다. 이러한 이유로, 양극층에 함유하는 전해질/카본의 중량비를 0.6∼2.0의 범위로 설정했다.
도 6b는 표 1에 도시한 각 조성물에 대한 양극층에 함유하는 조공재의 비율을 나타내고 있다.
도 6b에 도시한 바와 같이, 조공재의 비율을 5.0∼22.4 wt%의 범위로 설정했다(표 1도 참조).
조공재의 비율이 5.0 wt% 미만이 되면, 산소 가스의 확산성이 불충분하게 되어, 충분한 발전 반응을 얻기가 어렵다. 다른 한편으로, 조공재의 비율이 22.4 wt%를 넘으면, 양극층(13) 내의 바인더량이 부족하여, 양극층(13)의 강도를 확보하는 것이 어렵다. 또한, 양극층(13) 내의 바인더량이 부족하기 때문에, 양극층(13) 내의 성분의 결합이 불충분하게 되는 경우도 발생할 수 있다. 이러한 이유로, 양극층에 함유하는 조공재의 비율을 5.0∼22.4 wt%의 범위로 설정했다.
도 6c는 표 1에 나타낸 각 조성물에 대한 양극층에 함유하는 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 나타내고 있다.
도 6c에 도시한 바와 같이, 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 0∼40.6 wt%의 범위로 설정했다(표 1도 참조).
전해질막(12)에 접촉하는 면(34)의 근방에서는 보수성이 필요하기 때문에, 조공 작용 휘발성 용매의 비율의 하한을 0 wt%로 했다. 한편, 조공 작용 휘발성 용매의 비율이 40.6 wt%를 넘으면, 조공재와 마찬가지로, 양극층(13) 내의 바인더량이 부족하게 되어, 양극층(13)의 강도를 확보하기가 어렵다. 또한, 양극층(13) 내의 바인더량이 부족하기 때문에, 양극층(13) 내의 성분의 결합이 불충분하게 되는 경우도 발생할 수 있다. 이들 이유로, 양극층에 함유하는 조공 작용 휘발성 용매의 비율을 0∼40.6 wt%의 범위로 설정했다.
도 6d는 표 1에 나타낸 각 조성물에 대한 양극층에 함유하는 발수성 수지의 비율을 나타내고 있다.
도 6d에 도시한 바와 같이, 발수성 수지의 비율을 0∼28.2 wt%의 범위로 설정했다(표 1도 참조).
전해질막(12)에 접촉하는 면(34)의 근방에서는 보수성이 필요하기 때문에, 발수성 수지의 비율의 하한을 0 wt%로 했다. 한편, 발수성 수지의 비율이 28.2 wt%를 넘으면, 수지량이 지나치게 증가하여 빈 구멍의 형성을 방해할 우려가 있다. 따라서, 양극층에 함유하는 발수성 수지의 비율을 0∼28.2 wt%의 범위로 했다.
바인더 기능으로서 전해질(이온 교환 수지)과 발수성 수지의 양을 일정하게 제어하였다.
도 6e는 표 1에 나타낸 각 조성물에 대한 양극층에 함유하는 촉매의 담지 비율을 나타내고 있다.
도 6e에 도시하는 것과 같이, 촉매의 담지 비율을 35.3∼49.1 wt%의 범위로 설정했다(표 1도 참조).
촉매의 담지 비율이 35.3 wt% 미만이 되면, 촉매의 총량이 반응에 필요한 것보다 작아지게 되어, 무반응 산소가 생긴다. 한편, 촉매의 담지 비율이 49.1 wt%를 넘으면, 촉매량이 너무 많아져서, 일부 촉매가 반응에 기여하지 않는다. 이러한 이유로, 양극층에 함유하는 촉매의 담지 비율을 35.3∼49.1 wt%의 범위로 설정했다.
도 7a∼도 7g는 제1 전해질막에 따른 양극층을 구성하는 조성물의 배열을 나타내고 있다. 도 7a는 양극층(13)을 도시하며, 양극층(13)이 측면도로 보았을 때 3행(Y1, Y2, Y3), 5열(X1, X2, X3, X4, X5)로 구획되고, 또한 전해질막(12)측으로부터 양극 확산층(15)의 방향으로 Z1 영역, Z2 영역, 및 Z3 영역의 3개의 영역으로 구획되어, 45개의 블록으로 구획된 예를 도시하고 있다. 양극층(13)의 각 블록을 특정하기 위해서, 예컨대 해칭으로 표시된 블록을 Z3(X1-Y1)으로 표시한다. 그 밖의 블록에 대해서도 마찬가지로 표시한다.
도 7b, 도 7c 및 도 7d는 Z1, Z2 및 Z3의 영역의 조성물을 나타내고 있다. A∼J로 표시된 조성물은 표 1을 참고로 설명한 조성물이다.
도 7b는 Z1 영역, 즉 전해질막에 접촉하는 양극층의 영역이며, 블록 Z1(X1-Y1)∼블록 Z1(X5-Y3)의 15개의 블록 전부에 있어서는 조성물을 표 1에 A로 나타낸 것으로 하였다.
전해질막에 접촉하는 양극층의 영역에서는 충분한 촉매 반응이 요구된다. 따라서, 양극층(13) 중에서 전해질막(12)의 근방에서 충분한 촉매 반응을 가능하게 하기 위해서, 도 4a를 참고로 설명한 바와 같이 전해질/카본의 중량비나 촉매의 담지량을 많으면서 또 균일하게 포함시켰다.
또한, 전해질막에 접촉하는 영역에서는, 촉매 반응을 충분히 진행시키기 위하여, 전해질막(12)의 수분 함량을 확보할 필요가 있다. 따라서, 전해질막의 근방에서, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 소량으로, 또 균일하게 포함된다.
도 7c는 Z2 영역을 나타내고 있다. Z2의 영역에 있어서, 블록 Z2(X1-Y1), 블록 Z2(X2-Y1) 및 블록 Z2(X3-Y1)의 3개의 블록에 있어서는 B를 조성물로 했다.
블록 Z2(X4-Y1), 블록 Z2(X5-Y1) 및 블록 Z2(X5-Y2)의 3개의 블록에 있어서는 C를 조성물로 했다.
블록 Z2(X2-Y2), 블록 Z2(X3-Y2) 및 블록 Z2(X4-Y2)의 3개의 블록에 있어서는 D를 조성물로 했다.
블록 Z2(X1-Y2), 블록 Z2(X1-Y3) 및 블록 Z2(X2-Y3)의 3개의 블록에 있어서는 E를 조성물로 했다.
블록 Z2(X3-Y3), 블록 Z2(X4-Y3) 및 블록 Z2(X5-Y3)의 3개의 블록에 있어서는 F를 조성물로 했다.
도 7d는 Z3의 영역을 나타내고 있다. 즉, 양극 확산층에 접촉하는 영역에서, 블록 Z3(X1-Y1) 및 블록 Z3(X2-Y1)의 2개의 블록에 있어서는 C를 조성물로 했다.
블록 Z3(X3-Y1) 및 블록 Z3(X4-Y1)의 2개의 블록에 있어서는 D를 조성물로 했다.
블록 Z3(X5-Y1) 및 블록 Z3(X5-Y2)의 2개의 블록에 있어서는 E를 조성물로 했다.
블록 Z3(X3-Y2) 및 블록 Z3(X4-Y2)의 2개의 블록에 있어서는 F를 조성물로 했다.
블록 Z3(X1-Y2) 및 블록 Z3(X2-Y2)의 2개의 블록에 있어서는 G를 조성물로 했다.
블록 Z3(X1-Y3) 및 블록 Z3(X2-Y3)의 2개의 블록에 있어서는 H를 조성물로 했다.
블록 Z3(X3-Y3) 및 블록 Z3(X4-Y3)의 2개의 블록에 있어서는 I를 조성물로 했다.
블록 Z3(X5-Y3)에 있어서는 J를 조성물로 했다.
이러한 조처에 의해, 양극층(13)의 Z2 영역 및 Z3 영역을 구성하는 성분 중에서, 전해질/카본의 중량비와 촉매의 담지량은 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 점차 감소하도록 양극층(13)에 포함되게 된다. 따라서, 전해질/카본의 중량비와 촉매의 담지량이 다량으로 필요한 블록에는 이들 성분이 다량으로 포함되고, 단지 소량만이 필요한 블록에는 이들 성분이 소량으로 포함될 수 있다.
또한, 양극층(13)의 Z2 영역 및 Z3 영역을 구성하는 블록의 성분 중에서, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 점차 증가하도록 양극층(13)에 포함된다. 따라서, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양이 다량으로 필요한 블록에는 이들 성분이 다량으로 포함되고, 단지 소량만이 필요한 블록에는 이들 성분이 소량으로 포함될 수 있다.
양극층(13)의 Z2 영역 및 Z3 영역을 구성하는 블록의 성분 중에서, 전해질/카본의 중량비와 촉매의 담지량은 양극층(13)의 연직 방향에 있어서 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해서 점차 감소하도록 양극층(13)에 포함된다. 따라서, 전해질/카본의 중량비나 촉매의 담지량이 다량으로 필요한 블록에는 이들 성분이 다량으로 포함되고, 단지 소량으로만 필요한 블록에는 이들 성분이 소량으로 포함될 수 있다.
또한, 양극층(13)의 Z2 영역 및 Z3 영역을 구성하는 블록의 성분 중에서, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 양극층(13)의 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해 점차 증가한다. 따라서, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양이 다량으로 필요한 블록에는 이들 성분이 다량으로 포함되고, 단지 소량으로만 필요로 하는 블록에는 이들 성분이 소량으로 포함될 수 있다.
도 7e, 도 7f 및 도 7g는 Y1 영역, Y2 영역, Y3 영역의 각 블록의 조성물의 배열 상태를 나타내고 있다. 즉, 도 7a의 상면으로부터 본 각 영역을 나타내고 있다.
도 7e는 Y1 영역, 즉 양극층(13)의 상부를 구성하는 영역이며, 전해질막(12)측에서 블록 Y1(X1-Z1)∼블록 Y1(X5-Z1)의 5개의 블록 모두를 표 1에 나타낸 조성물 A로 했다.
블록 Y1(X1-Z2), 블록 Y1(X2-Z2) 및 블록 Y1(X3-Z2)의 3개의 블록에 있어서는 B를 조성물로 했다.
블록 Y1(X4-Z2), 블록 Y1(X5-Z2), 블록 Y1(X1-Z3) 및 블록 Y1(X2-Z3)의 4개의 블록에 있어서는 C를 조성물로 했다.
블록 Y1(X3-Z3) 및 블록 Y1(X4-Z3)의 2개의 블록에 있어서는 D를 조성물로 했다.
블록 Y1(X5-Z3)은 D를 조성물로 했다.
도 7f는 Y2의 영역을 도시하고 있다. Y2의 영역에 있어서, 블록 Y2(X1-Z1)∼블록 Y2(X5-Z1)의 5개의 블록 전부는 표 1에 나타낸 A를 조성물로 했다.
블록 Y2(X1-Z2)는 E를 조성물로 했다.
블록 Y2(X2-Z2), 블록 Y2(X3-Z2) 및 블록 Y2(X4-Z2)의 3개의 블록은 조성물을 D로 했다.
블록 Y2(X5-Z2)는 조성물을 C로 했다.
블록 Y2(X1-Z3) 및 블록 Y2(X2-Z3)의 2개의 블록은 조성물을 G로 했다.
블록 Y2(X3-Z3) 및 블록 Y2(X4-Z3)의 2개의 블록을 조성물을 F로 했다.
블록 Y2(X5-Z3)의 블록은 조성물을 E로 했다.
도 7g는 Y3의 영역, 즉 양극층(13)의 하부를 구성하는 영역을 나타내고 있다. 이 Y3의 영역에 있어서, 전해질막(12) 측의 블록 Y3(X1-Z1)∼블록 Y3(X5-Z1)의 5개의 모든 블록을 표 1에 나타낸 조성물을 A로 했다.
블록 Y3(X1-Z2) 및 블록 Y3(X2-Z2)의 2개의 블록에 있어서는 E를 조성물로 했다.
블록 Y3(X3-Z2), 블록 Y3(X4-Z2) 및 블록 Y3(X5-Z2)의 3개의 블록은 조성물 F로 했다.
블록 Y3(X1-Z3) 및 블록 Y1(X2-Z3)의 2개의 블록에 있어서는 H를 조성물로 했다.
블록 Y3(X3-Z3) 및 블록 Y3(X4-Z3)의 2개의 블록에 있어서는 I를 조성물로 했다.
블록 Y3(X5-Z3)은 J를 조성물로 했다.
이러한 조처에 의해, Y1 영역∼Y3 영역을 구성하는 각 블록의 성분 중에서, 전해질/카본의 중량비와 촉매의 담지량은 전해질막(12)으로부터 양극 확산층(15)을 향해서 점차 감소하도록 양극층(13)에 포함되었다. 따라서, 전해질/카본 중량비와 촉매의 담지량이 다량으로 필요한 블록에는 이들 성분이 다량으로 포함되고, 소량만 필요한 블록에는 이들 성분이 소량으로 될 수 있다.
또한, Y1 영역∼Y3 영역을 구성하는 각 블록의 성분 중에서, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양을 전해질막(12)으로부터 양극 확산층(15)을 향해서 점차 증가하도록 양극층(13)에 포함하였다. 따라서, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양이 다량으로 필요한 블록에는 이들 성분을 다량으로 포함하고, 소량만 필요로 하는 블록에는 이들 성분을 소량으로 할 수 있다.
다음으로, 도 8∼도 11b을 기초로 하여 도 7a∼도 7g에 도시하는 양극층(13)을 갖는 연료 전지(10)의 작용에 관해서 설명한다.
도 8은 전해질막(12) 상에 양극층(13)을 배치하고, 양극층(13)에 양극 확산층(15)을 배치한 상태의 제1 실시예의 연료 전지(10)를 도시하고 있다.
도 9는 화살표 9 방향에서 본 도 8에 도시한 연료 전지(10)의 모식도이며, 산소와 수소 이온의 반응을 도시하고 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 산소(O2)가 화살표 (3)으로 도시한 바와 같이 양극 확산층(15)을 거쳐 양극층(13) 내로 진입하고, 진입한 산소(O2)는 양극층(13) 내측으로부터 전해질막(12)으로 들어간다.
한편, 음극층(14)(도 2 참조) 내의 반응에서 생성된 수소 이온(H+)이 전해질막(12)을 통과하여, 화살표 (4)로 도시된 바와 같이 양극층(13)으로 진입한다. 따라서, 수소 이온(H+)과 산소(O2)가 반응하여, 생성수가 생성된다.
수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응은 특히 전해질막(12)에 접촉하는 양극층(13)의 면(34)(파선 해칭으로 나타낸 영역)에서 진행된다.
따라서, 전해질막(12)에 접촉하는 양극층(13)의 면(34)에 있어서는, 전해질/카본의 중량비가 크고, 촉매의 담지량이 다량으로 포함되는 동시에, 균일하게 포함된다. 따라서, 전해질막(12)에 접촉하는 면(34)에 있어서, 전극 반응을 충분히 촉진시킬 수 있다.
또한, 전해질막(12)에 접촉하는 면(34)에 있어서는, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양을 소량으로 포함하는 동시에, 균일하게 포함하여, 전해질막(12)에 접촉하는 면(34)의 배수성을 억제했다.
결과적으로, 수소 이온(H+)과 산소(O2)가 반응하여, 생성된 생성수가 화살표 (5)로 지시된 바와 같이 양극층(13) 내로 들어갈 때에, 일부의 생성수는 화살표 (6)으로 지시된 바와 같이 전해질막(12)을 향하여 복귀한다.
이러한 조처에 의해, 전해질막(12)을 적절한 습윤 상태로 유지하여, 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응을 한층 촉진시키는 것이 가능하다.
수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응은 전해질막(12) 측으로부터 양극 확산층(15)의 방향으로 점차 억제된다. 따라서, 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응 상태에 따라서, 전해질/카본의 중량비 및 촉매의 담지량을 제1 화살표 25로 나타낸 바와 같이 전해질막(12) 측으로부터 양극 확산층(15)의 방향으로 점차 감소시켰다. 따라서, 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응에 악영향을 끼치지 않으면서, 전해질, 카본 및 촉매의 담지량을 줄일 수 있다.
또한, 생성수를 화살표 (7)로 지시된 바와 같이 양극 확산층(15)을 향해서 밀어내기 위해서, 양극 확산층(15)의 배수성을 전해질막(12) 측으로부터 양극 확산층(15)을 향해서 점차 높일 필요가 있다. 따라서, 배수성에 대응하여, 양극층(13)에 포함되는 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양을 제4 화살표 30으로 나타낸 바와 같이, 양극층(13)의 전해질막(12) 측으로부터 양극 확산층(15)의 방향으로 점차 증가시켰다. 따라서, 생성수의 배수성에 악영향을 끼치지 않으면서, 전체적으로 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양을 줄일 수 있다.
도 10은 도 8에 도시한 연료 전지(10)를 화살표 10 방향에서 본 모식도이며, 산소와 수소 이온의 반응 및 생성수의 배수 상태를 도시하고 있다.
도 3에서 도시한 바와 같이, 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)은 양극층(13)의 상부(13a)에 위치하고, 배출측(18b)은 하부(13b)에 위치한다. 결과적으로, 양극 확산층(15)을 거쳐 양극층(13) 내로 화살표 (3)으로 지시한 바와 같이 들어가는 산소(O2)의 양은 양극층(13)의 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)의 방향으로 점차 감소한다. 그 결과, 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응은 양극층(13)의 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)의 방향으로 점차 억제된다.
따라서, 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응 상태에 대응하여, 전해질/카본의 중량비 및 촉매의 담지량을 제2 화살표 26으로 나타내는 바와 같이 양극층(13)의 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)의 방향으로 점차 감소시켰다. 따라서, 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응에 악영향을 끼치지 않으면서, 전해질, 카본, 촉매의 담지량을 줄일 수 있다.
또한, 양극층(13) 내의 생성수는 화살표 (8)과 같이 양극 확산층(15)으로 유출되고, 그 외의 생성수는 자중에 의해 화살표 (9)와 같이 양극층(15) 내측을 통하여 하강한다. 이 때문에, 하강한 생성수를 양극층(13)의 하부(13b)로부터 양극 확산층(15)으로 화살표와 같이 유출시킬 필요가 있다. 결과적으로, 생성수를 양극 확산층(15)을 향해서 효율적으로 밀어내기 위해서, 양극층(13)의 배수성을 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해서 점차 증가시킬 필요가 있다.
그에 따라, 배수성에 대응하여, 양극층(13)에 포함되는 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양을, 제5 화살표 31로 나타내는 바와 같이 상부(13a)로부터 하부(13b)의 방향으로 점차 증가시켰다. 따라서, 생성수의 배수성에 악영향을 주는 일없이, 전체적으로 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양을 줄일 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 도 8의 화살표 11의 방향에서 본 모식도이며, 도 11a는 전해질/카본의 중량비 및 촉매의 담지량을 나타내고, 도 11b는 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양을 나타내고 있다.
도 11a에 도시한 바와 같이, 산소 가스는 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 흐른다. 산소 가스 유로(18) 내에서 흐르는 산소 가스는 굴곡부(18d)에서 체류하기 쉬워, 산소 가스 유로(18)의 배출측(18b)을 향하여 점차 감소하는 경향이 있다. 이 때문에, 양극 확산층(15)을 거쳐 양극층(13)(도 10 참조) 내로 진입하는 산소(O2)의 양은 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 점차 감소한다. 그 결과, 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응은 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 점차 억제된다.
이에 따라, 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응 상태에 대응하여, 전해질/카본의 중량비 및 촉매의 담지량을 제3 화살표 27로 나타낸 바와 같이 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 점차 감소시켰다. 이로써, 수소 이온(H+)과 산소(O2) 사이의 반응에 악영향을 주는 일없이, 전체적으로 전해질, 카본, 촉매의 담지량을 줄일 수 있다.
또한, 양극층(13)(도 10 참조) 내의 생성수의 일부는 산소 가스 유로(18) 속으로 발산하여, 산소 가스와 함께 이동한다.
한편, 산소 가스는 산소 가스 유로(18)의 굴곡부(18d)에서 체류하기 쉽고, 산소 가스 유로(18)의 배출측(18b)에서 산소 가스의 유량이 감소하기 쉽고, 생성수가 산소 가스 유로(18)의 배출측(18b)에 고이기 쉽다. 이 때문에, 산소 가스 유로(18)의 배출측(18b)에서 생성수의 배수성을 높게 하여, 생성수를 효율적으로 배수할 필요가 있다.
그에 따라, 도 11b에 도시한 바와 같이, 양극층(13)에 포함되는 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양을 제6 화살표 32로 나타내는 바와 같이 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)으로 점차 증가시켰다. 따라서, 생성수의 배수성에 악영향을 주는 일없이, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양을 전체적으로 줄일 수 있다.
도 9∼도 11b를 참고로 설명한 바와 같이, 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)(도 4a∼도 5b 참조)의 담지량이 다량으로 필요한 부위에는 이들 성분이 다량으로 포함되어, 각 부위에 있어서의 발전 효율을 높일 수 있다.
또한, 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량을 소량만 필요로 하는 양극층(13)의 부분에는 이들 성분이 소량으로 포함되어, 이들 성분을 지나치게 포함하는 것을 방지한다.
이러한 조처에 의해, 양극층(13)을 구성하는 성분의 함유량을 필요한 최소한으로 억제할 수 있다.
한편, 조공재의 양 및 발수성 수지의 양이 다량으로 필요한 부분에는 이들 성분을 다량으로 포함시켜, 양극층의 각 부위에 있어서의 배수성을 높인다.
또한, 조공재의 양 및 발수성 수지의 양이 소량만 필요로 하는 양극층(13)의 부분에는 이들 성분을 소량 포함시켜, 이들 성분이 지나치게 포함되는 것을 방지한다.
이러한 조처에 의해, 양극층(13)을 구성하는 각 성분의 함유량을 필요한 최소한으로 억제할 수 있다.
다음으로, 도 12a∼도 12c에 기초하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지에 관해서 설명한다. 제2 실시예의 설명에 있어서는, 제1 실시예와 동일 부재에 대해서는 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.
도 12a는 양극층(13) 중에서 전해질막에 접촉하는 면(34)(도 3도 참조)에서의 카본 및 카본에 담지된 촉매의 상태를 나타내고 있다.
전해질막에 접촉하는 면(34), 즉 전해질막(12) 근방의 양극층에서는 충분한 촉매 반응이 요구된다.
따라서, 양극층(13) 중의 전해질막(12) 근방에서 충분한 촉매 반응을 가능하게 하기 위해서, 대직경의 카본(36) 및 이 카본(36)에 담지된 촉매(38)는 다량으로, 균일하게 전해질(12) 근방의 양극층(13)에 포함된다. 구체적으로는, 촉매(38)가 대직경의 카본(36)의 표면에 조밀한 상태로 담지되고, 이들 대직경의 카본(36)이 전해질막에 접촉하는 면(34)에 조밀하게 포함된다.
전해질막에 접촉하는 면(34)에서의 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 제1 실시예와 같은 식으로 조정한다.
도 12b는 양극층(13)에 있어서, 전해질막(12) 근방으로부터 양극 확산층(15)의 방향으로 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량을 점차 감소시킨 상태를 나타내고 있다. 구체적으로는, 양극층(13)에 있어서, 전해질/카본의 중량비 및 대직경의 카본(36)의 표면에 담지한 촉매(38)를 제1 화살표 25로 나타내는 바와 같이 전해질막(12) 부근으로부터 양극 확산층(15)의 방향으로 점차 감소시킨다.
조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양을 양극층(13)의 전해질막(12) 측으로부터 양극 확산층(15)의 방향으로, 제1 실시예와 같은 식으로 조정한다.
도 12c는 양극층(13)의 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해서 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량을 점차 감소시킨 상태를 나타내고 있다.
구체적으로는, 대직경의 카본(36)의 표면에 담지되는 촉매(38)를 양극층(13)의 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해서 점차 줄이는 식으로 양극층(13)에 포함시켰다. 따라서, 양극층(13)에 있어서, 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량은 제2 화살표 26으로 나타내는 바와 같이 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해서 점차 감소한다.
양극층(13)의 연직 방향에 있어서의 상부(13a)로부터 하부(13b)에 이르는 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 제1 실시예와 같은 식으로 조정한다.
이어서, 도 13 및 도 14a∼도 14d에 기초하여 본 발명의 연료 전지의 제조 방법에 대해서 설명한다. 여기서는 이해를 쉽게 하기 위해서, 조공 작용 휘발성 용매의 설명은 생략하지만, 조공 작용 휘발성 용매는 조공재와 마찬가지로 도포되는 것으로 한다.
도 13은 연료 전지의 양극층을 도포하는 도포 장치를 나타내고 있다.
도포 장치(50)는 유지 부재(51)와, 이 유지 부재(51)의 말단부(51a)로부터 차례로 유지된 전극용 슬러리 도포기(52), 전해질 도포기(57), 조공재 도포기(58), 발수성 수지 도포기(59)를 구비한다.
전극용 슬러리 도포기(52)는 제1 전극용 슬러리 도포기(53)와, 제2 전극용 슬러리 도포기(54)와, 제3 전극용 슬러리 도포기(55)로 이루어진다.
제1 전극용 슬러리 도포기(53)는 탱크(61) 내에 다량의 촉매를 포함한 제1 전극 슬러리를 유지하고 있다. 탱크(61) 내의 피에조 펌프(62)를 구동하면, 제1 전극용 슬러리는 노즐(63)을 통하여 화살표의 방향으로 액적으로 비산된다.
제2 전극용 슬러리 도포기(54)는 탱크(65) 내에 중간양의 촉매를 포함한 제2 전극 슬러리를 유지하고 있다. 탱크(65) 내의 피에조 펌프(66)를 구동하면, 제2 전극용 슬러리는 노즐(67)을 통하여 화살표의 방향으로 액적으로 비산된다.
제3 전극용 슬러리 도포기(55)는 탱크(68) 내에 소량의 촉매를 포함한 제3 전극 슬러리를 유지하고 있다. 탱크(68) 내의 피에조 펌프(69)를 구동하면, 제3 전극용 슬러리는 노즐(71)을 통하여 화살표 방향으로 액적으로 비산된다.
전해질 도포기(57)는 탱크(72) 내에 전해질 슬러리를 유지하고 있다. 탱크(72) 내의 피에조 펌프(73)를 구동하면, 전해질 슬러리는 노즐(74)을 통하여 화살표 방향으로 액적으로 비산된다.
조공재 도포기(58)는 탱크(76) 내에 조공재 슬러리를 유지하고 있다. 탱크(76) 내의 피에조 펌프(77)를 구동하면, 조공재 슬러리는 노즐(78)을 통하여 화살표 방향으로 액적으로 비산된다.
발수성 수지 도포기(59)는 탱크(81) 내에 발수성 수지 슬러리를 유지하고 있다. 탱크(81) 내의 피에조 펌프(82)를 구동하면, 발수성 수지 슬러리는 노즐(83)을 통하여 화살표 방향으로 액적으로 비산된다.
이 도포 장치(50)에 의하면, 상기 도포기(53, 54, 55, 57, 58, 59)에 각각의 피에조 펌프(62, 66, 69, 73, 77, 82)를 사용함으로써, 슬러리를 각 노즐(63, 67, 71, 74, 78, 83)로부터 액적으로 비산시킬 때에, 슬러리는 분산되지 않고서 입자상으로 부착될 수 있다.
상기 피에조 펌프(62, 66, 69, 73, 77, 82)는 피에조 소자를 펌프의 구동원으로 이용하는 펌프이다.
상기 도포 장치(50)에 이동 수단을 구비하고 유지 부재(51)를 연속적으로 이동함으로써, 연속적인 도포를 실행하도록 도포 장치(50)를 양극 확산층(15)을 따라서 이동시킬 수 있다.
도 14a∼도 14d는 본 발명에 따른 연료 전지를 제조할 때의 공정을 나타내고 있다.
도 14a에 있어서, 양극 확산층(15)을 배치하고, 양극 확산층(15) 상에 도포 장치(50)를 배치하고, 도포 장치(50)를 대기 위치(P)로부터 화살표 A와 같이 이동시킨다.
도포 장치(50)의 이동과 함께, 제3 전극용 슬러리 도포기(55)의 피에조 펌프(69)를 구동하여, 탱크(68) 내의 제3 전극용 슬러리를 노즐(71)로부터 화살표로 도시한 바와 같이 액적으로 비산시킨다. 그 결과, 희박한 상태로 표면에 촉매(38)를 담지한 대직경의 카본(36)이 양극 확산층(15) 상에 도포된다.
동시에, 조공재 도포기(58)의 피에조 펌프(77)를 구동하여, 탱크(76) 내의 조공재 슬러리를 노즐(78)로부터 화살표로 도시한 바와 같이 다량으로 액적으로 비산시킨다. 또한, 발수성 수지 도포기(59)의 피에조 펌프(82)를 구동하여, 탱크(81) 내의 발수성 수지 슬러리를 노즐(83)로부터 화살표로 도시한 바와 같이 다량으로 액적으로 비산시킨다.
이러한 조처에 의해, 희박한 상태로 표면에 촉매(38)를 담지한 대직경의 카본(36)과 함께, 조공재 및 발수성 수지가 양극 확산층(15) 상에 각각 다량으로 도포된다.
도포 장치(50)의 1회의 도포 완료 후에는, 도포 장치(50)가 대기 위치(P)로 복귀한다.
다음으로, 도 14b에 도시한 바와 같이, 도포 장치(50)는 대기 위치(P)로부터 화살표 B와 같이 이동한다.
도포 장치(50)의 이동과 함께, 제2 전극용 슬러리 도포기(54)의 피에조 펌프(66)를 구동하여, 탱크(65) 내의 제2 전극용 슬러리를 노즐(67)로부터 화살표와 같이 중간의 양, 즉 제1 전극용 슬러리보다도 많은 양을 액적으로 비산시킨다. 이러한 조처에 의해, 촉매(38)를 중간 정도의 밀도로 표면에 담지한 대직경의 카본(36)은 촉매(38)를 희박한 상태로 표면에 담지한 대직경의 카본(36) 상에 중간의 양, 즉 제1 전극용 슬러리의 양보다도 많은 양으로 도포된다.
동시에, 전해질 도포기(57)의 피에조 펌프(73)를 구동하여, 탱크(72) 내의 전해질 슬러리를 노즐(74)로부터 화살표로 도시한 바와 같이 액적으로 비산시킨다. 또한, 조공재 도포기(58)의 피에조 펌프(77)를 구동하여, 탱크(76) 내의 조공재 슬러리를 노즐(78)로부터 화살표로 도시한 바와 같이, 1회째의 조공재 슬러리의 양보다도 적은 양으로 액적으로 비산시킨다. 아울러, 발수성 수지 도포기(59)의 피에조 펌프(82)를 구동하여, 탱크(81) 내의 발수성 수지 슬러리를 노즐(83)로부터 화살표로 지시된 바와 같이, 도 14a에서 설명한 1회째의 발수성 수지 슬러리의 양보다도 적은 양으로 액적으로 비산시킨다.
그 결과, 희박한 상태로 촉매(38)를 담지한 대직경의 카본(36)상에는, 촉매(38)를 중간 정도의 조밀한 상태로 표면에 담지한 대직경의 카본(36)과 함께, 조공재 및 발수성 수지가 소량으로 도포된다.
도포 장치(50)의 2회의 도포 완료 후에도, 도포 장치(50)는 대기 위치(P)로 복귀한다.
또한, 도 14c에 도시한 바와 같이, 도포 장치(50)는 대기 위치(P)로부터 화살표 C로 도시한 바와 같이 이동한다.
도포 장치(50)의 상기 이동과 함께, 제1 전극용 슬러리 도포기(53)의 피에조 펌프(62)를 구동하여, 탱크(61) 내의 제1 전극용 슬러리를 노즐(63)로부터 화살표와 같이 다량으로, 즉 제2 전극용 슬러리의 양보다도 많은 양으로 액적으로 비산시킨다.
그 결과, 촉매(38)를 조밀한 상태로 표면에 담지한 대직경의 카본(36)은 촉매(38)를 중간 정도의 조밀한 상태로 표면에 담지한 대직경의 카본(36) 상에 제2 전극용 슬러리의 양보다도 다량으로 도포된다.
동시에, 전해질 도포기(57)의 피에조 펌프(73)를 구동하여, 탱크(72) 내의 전해질 슬러리를 노즐(74)로부터 화살표와 같이, 1회째의 전해질 슬러리의 양보다도 다량으로 액적으로 비산시킨다.
이러한 조처에 의해, 도 12b에 도시한 바와 같이, 양극층(13)에 있어서 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량은 전해질막(12) 부근으로부터 양극 확산층(15)의 방향으로 점차 감소하게 포함될 수 있다.
또한, 양극층(13)에 있어서 조공재의 양과 발수성 수지의 양은 전해질막(12) 부근으로부터 양극 확산층(15)의 방향으로 점차 증가하도록 함유될 수 있다.
마지막으로, 도 14d에 도시한 바와 같이, 촉매(38)를 조밀한 상태로 표면에 담지한 대직경의 카본(36)을 복수 개 배치함으로써 형성된 상면(84) 위에서 코터(90; coater)가 화살표 D와 같이 이동한다. 이 코터(90)를 이용하여, 촉매(38)를 조밀한 상태로 담지한 대직경의 카본(36)의 상면(84) 상에 전해질막(이온 교환막)(12)용의 페이스트를 도포하여 전해질막(12)을 형성한다.
구체적으로는, 코터(90)의 블레이드(91)를 카본(36)의 상면(84)의 위로 소정 간격을 두고 상면(84)에 평행하게 배치한다. 이 블레이드(91)가 상면(84)을 따라서 화살표 D와 같이 이동함에 따라, 상기 블레이드(91)에 의해 전해질막(12)의 페이스트가 일정한 두께로 퍼지게 되어, 전해질막(12)을 형성한다.
도 14a∼도 14d에 도시한 공정에서는, 양극층(13)의 전해질막(12) 측으로부터 양극 확산층(15)의 방향으로, 그 양극층(13) 내의 전해질/카본의 중량비 및 촉매(38)의 담지량을 점차 감소시키고, 또한 양극층(13) 내의 조공재의 양, 발수성 수지의 양을 점차 증가시키고 있는 예에 관해서 설명했지만, 이 도포 공정에 마스킹을 이용함으로써, 도 7a 및 도 7b에 도시하는 바와 같이, 양극층(13)을 복수의 블록(일례로서, 45개의 블록)마다 성분을 다르게 하여 도포하는 것도 가능하다.
도포 장치(50)에 피에조 펌프(62, 66, 69, 73, 77, 82)를 사용함으로써, 슬러리를 분산시키지 않으면서 슬러리를 노즐로부터 입자상으로 이송할 수 있다. 따라서, 도 7a∼도 7g에 도시하는 것과 같이, 양극층(13)을 복수의 블록으로 분할하는 때에는, 이들 블록에 상당하는 도포부를 구비함으로써, 마스킹을 이용하지 않고 양극층(13)의 각 블록마다 성분을 임의로 결정하는 것이 가능하다.
또한, 도포 장치(50)에는 각 성분마다 탱크를 개별적으로 설치하여, 피에조 펌프(62, 66, 69, 73, 77, 82)에 의해 도포를 행하고 있기 때문에, 양극층(13)을 구성하는 복수의 블록에 있어서의 성분은 단계적 변화가 아니라, 연속적으로 변화될 수 있게 된다.
이 도포 장치(50)를 이용하여 도 14a∼도 14d에 도시하는 도포 공정을 실시함으로써, 도 3에 도시한 바와 같이, 양극층(13)의 성분 중에서 전해질/카본의 중량비 및 카본에 담지된 촉매의 양(촉매의 담지량)은 제1 화살표 25와 같이 전해질막(12) 부근으로부터 양극 확산층(15)의 방향으로 점차 감소할 수 있게 된다.
또한, 전해질/카본의 중량비 및 상기 촉매의 담지량은 제2 화살표 26과 같이 양극층(13)의 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해서 점차 감소할 수 있게 된다.
또한, 전해질/카본의 중량비 및 상기 촉매의 담지량은 제3 화살표 27과 같이 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 점차 감소할 수도 있게 된다.
그리고 또한, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 제4 화살표 30과 같이 전해질막(12) 부근으로부터 양극 확산층(15)을 향해서 점차 증가할 수도 있게 된다.
또한, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 제5 화살표 31과 같이 양극층(13)의 연직 방향의 상부(13a)로부터 하부(13b)를 향해서 점차 증가할 수도 있게 된다.
또한, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양은 제6 화살표 32와 같이 산소 가스 유로(18)의 공급측(18a)으로부터 배출측(18b)을 향해서 점차 증가할 수도 있게 된다.
아울러, 전해질막(12)에 접촉하는 면(34)(파선 해칭으로 나타내는 영역)에서, 전해질/카본의 중량비, 촉매의 담지량, 조공재의 양, 조공 작용 휘발성 용매 및 발수성 수지의 양을 균일하게 하는 것이 가능하게 된다.
상기 실시예에서는, 도포 장치(50)에 피에조 펌프(62, 66, 69, 73, 77, 82)를 이용한 예에 대해서 설명했지만, 도포 장치(50)로서 통상의 잉크젯을 채용할 수도 있다. 잉크젯은 도포 범위를 좁혀 들어갈 수 있기 때문에, 양극층(13)을 구성하는 복수의 블록에 적절하게 슬러리를 도포할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, 도포 장치(50)의 각 슬러리 도포기(53, 54, 55, 57, 58, 59)에 분사용의 노즐(63, 67, 71, 74, 78, 83)을 개별적으로 설치하여, 슬러리를 각 노즐로부터 개별적으로 액적으로 비산시키는 예에 대해서 설명했지만, 다른 예로서, 분사용의 각 노즐(63, 67, 71, 74, 78, 83)을 서로 연통시켜, 연통된 노즐 내에서 각 슬러리를 혼합시킨 후, 혼합 상태의 슬러리를 액적으로 비산시키는 것도 가능하다.
양극층의 전해질막 근방에서의 발전 효율을 높여, 산소와 수소 이온의 반응 에 의해 생성된 생성수를 효율적으로 배수할 수 있어, 비용적으로 저렴한 연료 전지를 얻기 때문에, 각종 산업 분야 및 가정에서 사용되는 연료 전지로서 유용하다.

Claims (3)

  1. 전해질막과,
    상기 전해질막의 전면 및 이면에 각각 배치되고 연직 방향으로 배향되어 있는 양극층 및 음극층과,
    상기 양극층 상에 배치된 양극 확산층과,
    상기 음극층 상에 배치된 음극 확산층과,
    상기 양극층의 외면에 형성된 산소 가스 유로와,
    상기 음극층의 외면에 형성된 수소 가스 유로
    를 구비하며, 상기 양극층은 전해질, 카본, 카본에 담지된 촉매, 조공재 및 발수성 수지를 포함하며,
    상기 양극층에 포함되는 상기 전해질/카본의 중량비와 상기 촉매의 담지량은 상기 전해질막측으로부터 상기 양극 확산층의 방향으로 감소하고, 상기 양극층의 연직 방향의 상부로부터 하부 방향으로 감소하며, 상기 산소 가스 유로의 공급측으로부터 배출측을 향해서 감소하고,
    상기 양극층에 포함되는 상기 조공재의 양 및 발수성 수지의 양은 상기 전해질막측으로부터 상기 양극 확산층의 방향으로 증가하고, 상기 양극층의 연직 방향의 상부로부터 하부 방향으로 증가하며, 상기 산소 가스 유로의 공급측으로부터 배출측을 향해서 증가하는 것인 연료 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 전해질막에 접촉하는 상기 양극층의 면에서, 상기 전해질/카본의 중량비, 촉매의 담지량, 조공재의 양, 발수성 수지의 양이 균일한 것인 연료 전지.
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