KR20030068584A - 전극 모듈 - Google Patents

전극 모듈 Download PDF

Info

Publication number
KR20030068584A
KR20030068584A KR10-2003-7009234A KR20037009234A KR20030068584A KR 20030068584 A KR20030068584 A KR 20030068584A KR 20037009234 A KR20037009234 A KR 20037009234A KR 20030068584 A KR20030068584 A KR 20030068584A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode module
fuel
membrane
fuel cell
electrode
Prior art date
Application number
KR10-2003-7009234A
Other languages
English (en)
Inventor
호리카와노리카즈
Original Assignee
소니 가부시키가이샤
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
Application filed by 소니 가부시키가이샤 filed Critical 소니 가부시키가이샤
Publication of KR20030068584A publication Critical patent/KR20030068584A/ko

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • 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
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • 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
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • 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
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
    • 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
    • H01M8/0289—Means for holding the electrolyte
    • H01M8/0293—Matrices for immobilising electrolyte solutions
    • 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
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • 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
    • 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
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H01M8/025—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form semicylindrical
    • 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)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

본 발명은, 연료 전지 및 이 연료 전지를 구성하는 전극 모듈이다. 전극 모듈(EM)은, 무가습의 조건 하에서 프로톤을 전도할 수 있는 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막(11)을 소정 형상의 테두리 몸체(20)로 지지한 것이다. 연료 전지(30)는, 전극 모듈(EM)과, 이 전극 모듈(EM)의 적어도 한 쪽에 냉각용의 통로를 구비한다. 전극 모듈(EM)은, 전해질막(11)을 지지하는 테두리 몸체(20)와, 촉매를 담지시킨 다공성의 연료 투과 재료막(17)과, 촉매층과 소수성 물질 입을 담지시킨 다공성의 산소 투과 재료막(18)으로 구성된다. 이 연료 전지는, 연료 가스를 가습하는 일 없이, 건조한 환경이나 넓은 동작 온도 조건에서 운전이 가능하며, 또한 동일한 모듈로, 작은 용량에서부터 대용량의 전지까지 스케일을 조정할 수 있는 전지를 구성할 수 있다.

Description

전극 모듈{ELECTRODE MODULE}
일반적으로, 연료 전지는, 셀(cell)을 복수 접속하여 스택으로 하고, 이것에 가습(加濕) 수단을 설치하여 구성하고 있다. 셀을 구성하는 전극 어셈블리(MEA)라 불리우는 전극 모듈(101)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 전해질막(102)의 연료측에 부착된 Pt 등의 촉매층(103), Pt 등의 촉매 입자를 접합면에 담지(擔持)시킨 다공성의(porous) 탄소 섬유 시트 등의 연료(104) 및 전해질막(102)의 산소측(공기측)에 부착된 Pt 등의 촉매층(105)과 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 소수성 물질 입(粒)을 접합면에 담지시킨 다공성이며 소수(疏水) 효과를 가지는 탄소 섬유 시트 등의 산소 투과 재료막(106)으로 구성된다.
그리고, 전해질막(102)에는, 퍼플루오로술폰산 수지{예를 들면 나피온(상표:듀퐁사)} 등의 이온 교환막을 사용하여, 물 분자의 반송(搬送) 작용으로 캐소우드 측에 프로톤을 이송하고 있었다.
그러나, 전해질막(102)에 퍼플루오로술폰산 수지를 사용한 경우에는, 퍼플루오로술폰산 수지의 동작 온도의 한계가 상한 80도 정도라는 것, 물을 개재시킬 필요가 있는 등의 제약이 있었다. 그 때문에, 연료 가스 및 산소(공기)는, 가습할 필요가 있으며, 또한 연료 전지의 운전 시에는, 화학 반응에 의해 생성수(生成水)가 생기기 때문에, 전지로서 기능시키기 위해서는 막의 수분 관리, 연료 가스의 유량 (流量)의 최적화나 물의 컨트롤 등의 번잡한 관리가 필요하였다.
연료 전지를 사용하여 발전(發電)하기 위해서는, 연료 전지 본체에 안정적으로 연료 가스를 공급하기 위한 보조기가 필요하게 된다. 예를 들면, 도시하지 않지만, 수증기를 발생시키기 위한 수증기 발생기나, 연료 가스를 가습하기 위한 가습기 등이 필요하다. 또한, 평판형 셀 구조를 가지는 연료 전지라면, 전지 본체에 연료 가스의 흐름을 컨트롤하고, 생성수나 가스로부터의 석출수를 배제하기 위한 압력차를 발생시키는 홈 형상을 가지는 세퍼레이터(110, 111, 112)가 필요하여, 연료 전지의 코스트의 저감이라는 점에서 문제가 있었다. 또, 세퍼레이터(110)와 세퍼레이터(112) 사이에는, 물 투과막(113)이 개재된다.
본 발명은, 전극 모듈 및 연료 전지 및 전지 스택(stack)에 관한 것으로, 특히 작은 용량의 전지에서부터 대용량의 것까지, 스케일을 조정할 수 있는 전지의 실현이 가능한 전극 모듈 및 연료 전지 및 전지 스택에 관한 것이다.
도 1은, 종래의 고체 고분자형 연료 전지의 구조를 모식적으로 도시하는 도면.
도 2는, 본 발명의 하나의 실시예를 도시하는 연료 전지의 단면도.
도 3은, 전극 모듈의 외관을 도시하는 사시도.
도 4a 및 도 4b는, 풀러렌 분자를 모체로 해서 프로톤 해리성의 기를 구비한 하나의 예로서의 폴리수산화풀러렌의 구조도.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는, 풀러렌 분자를 모체로 해서 프로톤 해리성의 기를 구비한 하나의 예를 도시하는 모식도.
도 6은, 탄소 클러스터(cluster)의 예를 도시하는 설명도.
도 7은, 개방단(開放端)을 가지는 탄소 클러스터의 예를 도시하는 설명도
도 8은, 다이어몬드 구조를 가지는 탄소 클러스터의 예를 도시하는 설명도.
도 9는, 각종 클러스터가 결합한 탄소 클러스터의 예를 도시하는 설명도.
도 10은, 자기(自己) 가습형 전해질막의 구성을 설명하는 도면.
도 11은, 본 발명에 관련되는 전극 모듈의 다른 예의 외관을 도시하는 사시도.
도 12는, 도 3에 도시한 전극 모듈의 저면도.
도 13은, 도 11에 도시한 전극 모듈의 저면도.
도 14는, 본 발명에 관련되는 연료 전지의 다른 예를 도시하는 단면도.
도 15는, 본 발명에 관련되는 연료 전지의 또 다른 예를 도시하는 단면도.
도 16은, 본 발명에 관련되는 연료 전지의 하나의 예를 도시하는 평면도.
도 17은, 본 발명에 관련되는 연료 전지의 개략단면도.
도 18은, 본 발명에 관련되는 스택의 평면도.
도 19는, 본 발명에 관련되는 스택의 하나의 예를 도시하는 개략단면도.
도 20은, 본 발명에 관련되는 연료 전지의 다른 예를 도시하는 분해사시도.
도 21은, 도 20에 도시하는 연료 전지의 변형예를 나타내는 공기측 플레이트의 이면(裏面) 측을 씰 프레임(seal frame)에서 본 저면도.
도 22는, 본 발명에 관련되는 연료 전지의 또 다른 예를 도시하는 측면도.
도 23은, 전극 모듈 사이의 전기적 접속 상태를 도시하는 단면도.
도 24는, 셀의 구성예를 도시하는 단면도.
도 25는, 셀의 다른 구성예를 도시하는 단면도.
도 26은, 셀의 또 다른 구성예를 도시하는 단면도.
도 27은, 세퍼레이터를 배설한 연료 전지의 또 다른 예를 도시하는 개략단면도.
본 발명의 목적은, 동일한 모듈로, 작은 용량에서부터 대용량의 전지까지 스케일을 조정할 수 있는 전지를 실현할 수 있는 전극 모듈 및 연료 전지 및 전지 스택을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 연료 가스를 가습하는 일 없이, 건조한 환경이나 넓은 동작 온도 조건에서 운전 가능한 전극 모듈 및 연료 전지 및 전지 스택을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 대량 생산 프로세스에 매우 적합하고, 대폭적인 코스트 저감을 도모할 수 있는 전극 모듈 및 연료 전지 및 전지 스택을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전극 모듈에 무가습의 조건 하에서 프로톤을 전도할 수 있는 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막을 사용하여, 특성이나 성능이 최적화되고, 수분(물)이나 가스의 정밀한 컨트롤을 불필요로 하는 연료 전지를 제공하는 것에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 제안되는 본 발명에 관련되는 전극 모듈에 의하면, 무가습의 조건 하에서 프로톤을 전도할 수 있는 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막을 테두리 몸체로 지지하였다. 이와 같이, 테두리 몸체로 전해질막을 보지(保持;보존하고 유지)하고 있기 때문에, 얇은 막의 취급이 용이해진다. 얇은 막에 대하여 다른 막을 적층(積層)할 때에 막의 취급이 용이해진다. 테두리 몸체를 다른 부재로의 취부(取付) 접착면으로 함으로써, 연료측과 산소측의 분리 및 봉인(seal)이 확실해진다.
이 때, 프로톤 전도체는, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료를 모체로 해서 프로톤 해리성의 기를 도입하여 구성하는 것이다. 여기서 「프로톤(H+)의 해리」란, 「전리에 의해 프로톤이 (관능기로부터) 이탈되는 것」을 의미하며, 「프로톤 해리성의 기」란, 「프로톤이 전리에 의해 이탈될 수 있는 관능기」를 의미한다. 이 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료를 모체로 해서 프로톤 해리성의 기를 도입하여 구성하기 때문에, 종래 공지의 퍼플루오로술폰산 수지 등의 이온 교환막과 달리, 외부로부터 수분의 보급을 할 필요가 없어 시스템을 간략하게 할 수 있다. 프로톤의 전송에 물을 개재시키지 않아도 되기 때문에, 건조한 환경에서, 폭넓은 온도 범위에서 사용이 가능하며, 상기와 같은 소망 형상의 테두리 몸체를 이용함으로써, 각종 형상의 전기 기기의 형상에 충분히 대응할 수 있게 된다. 상기 탄소질 재료는, 풀러렌 분자이면 매우 바람직하다. 또한, 전해질막은 결합제를 함유하여 형성하도록 해도 좋다.
테두리 몸체에는 전극막과의 컨택트부를 형성하면 좋다. 이와 같이 컨택트부를 형성함으로써, 소정 위치에서의 도통(道通)을 확보하는 것이 가능하게 된다. 테두리 몸체가 도전체로 구성되고, 테두리 몸체와 다른 전기 접속 부재가 전기적으로 접속되도록 구성하면 좋다. 이와 같이 구성하면, 테두리 몸체 자체가 도통 가능해지기 때문에, 테두리 몸체의 소망 위치에서 도통을 확보하는 것이 가능하게 된다.
테두리 몸체가 절연체로 구성되어 있는 경우, 테두리 몸체가 외부 부재와의 전기적 접촉을 취하기 위한 부분을 전극용 금속층의 일부로서 설치하도록 구성하면 매우 바람직하다. 이와 같이 구성하면, 테두리 몸체 자체가 절연체이기 때문에, 전해질막과 테두리 몸체 사이의 절연을 도모할 필요가 없어진다.
더욱이, 테두리 몸체는, 복합 재료로 형성하는 것이 가능하며, 이 복합 재료는, 적어도 유리재와 에폭시 수지를 함유하여 구성되면 매우 바람직하다. 이와 같이 복합 재료로 구성하면, 테두리 몸체의 경량화와 강도 유지를 충분히 도모하는 것이 가능해진다. 복합 재료에 사용하는 재료를 선택함으로써, 테두리 몸체에 대해다른 부품과의 접착, 봉인 기능 등을 가지게 하는 것이 가능해진다.
전해질막에는 전극막과 촉매층이 스패터링(spattering), 도금, 페이스트 도포의 어느 것인가를 적어도 포함하는 막 성형 프로세스에 의해 형성하면 매우 바람직하다. 전해질막이 테두리 몸체에 의해 보지되어 있으며, 또한 프로톤 전도체는, 풀러렌 분자를 모체로 해서 프로톤 해리성의 기를 구비하여 구성하고 있으므로, 직접 전해질막에 대하여, 스패터링, 도금, 페이스트 도포 등의 막 성형 기술을 이용하는 것이 가능해져서, 복수 층의 성막(成膜)이 용이해진다.
더욱이, 전극막과 촉매층은, 교호(交互)로 겹쳐 쌓아 적어도 2층 이상의 다층 막으로서 구성할 수도 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 제안되는 본 발명에 관련되는 전극 모듈은, 전해질막을 지지하는 테두리 몸체와, 촉매를 담지시킨 다공성의 연료 투과 재료막과, 촉매층과 소수성 물질 입을 담지시킨 다공성의 산소 투과 재료막을 구비하며, 연료 투과 재료막과 산소 투과 재료막의 적어도 한쪽 막이, 테두리 몸체의 테두리 내 치수에 대해 막이 펼쳐지는 측은 크게, 반대측은 작게 하였다.
이와 같이 전극 모듈을 형성하면, 테두리 내에 한쪽의 막이 위치하게 되며, 테두리 내에 위치하는 막에는, 직접 접촉하지 않도록 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 관련되는 연료 전지는, 전해질막을 지지하는 테두리 몸체와, 촉매를 담지시킨 다공성의 연료 투과 재료막과, 촉매층과 소수성 물질 입을 담지시킨 다공성의 산소 투과 재료막을 구비한 전극 모듈과, 그 전극 모듈의 적어도 한쪽 편에 냉각수의 통로를 구비하여 이루어진다.
보다 상세하게는, 본 발명에 관련되는 연료 전지는, 전해질막을 지지하는 테두리 몸체와, 전해질막의 양측에 설치된 전극용의 금속층과 촉매층, 촉매를 담지시킨 다공성의 연료 투과 재료막과, 촉매층과 소수성 물질 입을 담지시킨 다공성의 산소 투과 재료막을 구비한 전극 모듈과, 전극 모듈의 적어도 한쪽 편에 형성된 냉각수의 통로를 구비한다.
이와 같이 연료 전지를 형성하면, 전극 모듈의 외측부터 냉각하는 것이 가능하게 되어, 전극 모듈의 과열을 방지하는 것이 가능해진다.
이 연료 전지에서, 전극 모듈은, 연료 투과 재료막과 산소 투과 재료막의 적어도 한쪽 막이, 테두리 몸체의 테두리 내 치수에 대해 막이 펼쳐지는 측은 크게, 반대측은 작게 하면 매우 바람직하다. 이와 같이 연료 전지를 형성하면, 테두리 몸체 내에 한쪽 막이 위치하게 되고, 이 테두리 몸체 내에 위치하게 되는 막과는 직접 접촉하지 않도록 형성하는 것이 가능하게 된다.
더욱이, 본 발명에 관련되는 전지 스택은, 본 발명에 관련되는 임의의 연료 전지를 복수 층 중합시키고, 케이스 몸체(筐體) 내에 배치하여, 여압(與壓) 플레이트를 개재하여 상기 전해질막을 지지하는 테두리 몸체의 부분으로 압력을 가하여 고정된 것이다.
이와 같이 전지 스택을 형성하면, 스택을 압착할 때에, 테두리 몸체의 부분에서 압력을 받는 것이 가능해지기 때문에, 막 자체에 압력이 가해지는 것을 방지할 수가 있게 된다.
더욱이 또한, 본 발명에 관련되는 전지 스택은, 본 발명에 관련되는 임의의연료 전지를 복수 층 중합시키고, 각 연료 전지 사이에 냉각수의 통로를 형성하여 케이스 몸체 내에 배치하며, 여압 플레이트를 개재하여 상기 전해질막을 지지하는 테두리 몸체 부분으로 압력을 가해 고정시킨 것이다.
이와 같이 전지 스택을 형성함으로써, 상술한 연료 전지 내의 냉각에 더하여, 100℃ 전후로 되는 반응 온도에 의한 과열을 연료 전지 사이의 냉각을 가함으로써, 연료 전지의 외주(外周) 측부터 수냉(水冷)시킬 수가 있다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 관련되는 전극 모듈, 연료 전지, 전지 스택에 의하면, 동일 모듈을 사용하여 작은 용량의 전지에서부터, 대용량의 것까지 스케일을 조정할 수 있는 전지를 실현하는 것이 가능하게 된다. 이 전극 모듈은, 생성수나 열의 분산, 전기적 접속이나 냉각 등을 최적화하는 치수 구조로 하는 것이 가능하고, 대량 생산 프로세스에 적합하여, 대폭적인 코스트의 저감을 기대할 수 있다.
즉, 본 발명에 관련되는 전극 모듈, 연료 전지, 전지 스택에 의하면, 수분 컨트롤이 간단하고, 전해질 막의 강도를 유지할 수 있는 것이며, 또한 100℃로 운전하도록 구성하면, 수분을 증발시킬 수가 있다. 더욱이, 형상이 안정되어 있기 때문에 가공이 용이하다. 게다가, 도금, 도포, 막으로서 필림으로 취급할 수 있도록 구성할 수 있다. 또한 전해질 막의 표면 자체에 표면 처리 가공을 할 수가 있다. 거기서는, 스패터링, 미세 가공, 반도체, 에칭 가공 등이 가능하다.
더욱이 또한, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 제안되는 본 발명에 관련되는 연료 전지는, 공기 공급이 가능한 공기측 플레이트와, 공기측 플레이트에 기밀성(氣密性)을 가지고 취부되어 산소와 접촉하는 면을 구비한 적어도 하나의 전극 모듈과, 전극 모듈의 산소와 접촉하는 면과 반대측의 면에 설치된 연료측과 접촉하는 면을 밀폐시키는 밀폐 플레이트와, 밀폐 플레이트와 전극 모듈의 연료측과 접촉하는 면과의 사이에 연료 가스를 주입하는 주입구를 설치하여 이루어지는 셀을 구비한다.
또한, 본 발명에 관련되는 연료 전지는, 공기 공급이 가능한 공기측 플레이트와, 공기측 플레이트에 기밀성을 가지고 취부되어 산소와 접촉하는 면을 구비한 적어도 하나의 전극 모듈과, 산소와 접촉하는 면과 반대측의 면에 설치된 연료측과 접촉하는 면으로 이루어지는 구성 부재를 구비하며, 구성 부재의 연료측과 접촉하는 면을 서로 스페이서를 개재하여 대향시키고, 이들 대향면에 연료 가스를 공급하여 이루어지는 셀을 구비한다.
더욱이 또한, 본 발명에 관련되는 연료 전지는, 공기 공급이 가능한 공기측 플레이트와, 공기측 플레이트에 기밀성을 가지고 취부되어 산소와 접촉하는 면을 구비한 적어도 하나의 전극 모듈과, 산소와 접촉하는 면과 반대측의 면에 설치된 연료측과 접촉하는 면으로 이루어지는 복수의 구성 부재를 구비하며, 복수의 구성 부재의 연료측과 접촉하는 면을 서로 소정 간격으로 배설(配設)된 스페이서를 개재하여 대향시켜서 복수 열 형성하고, 이들 대향면에 연료 가스를 공급하여 이루어지는 셀을 구비한다.
이와 같은 구성을 구비하는 본 발명에 관련되는 연료 전지는, 양산성이 높은 동일 모듈로 여러 가지 용량의 전지를 구성할 수 있어서, 전지 코스트의 저감을 도모할 수가 있다.
또한, 공기측 플레이트와, 전극 모듈과, 밀폐 플레이트는, 각각 소망의 형상을 하고 있으며, 적어도 공기측 플레이트, 전극 모듈, 밀폐 플레이트가 외형 형상을 개략 동일하게 할 수도 있다.
이와 같이 구성하면, 소정의 전기 기기, 예를 들면 텔레비젼 수상기, 비디오테이프레코더, 휴대카메라, 디지털비디오카메라, 디지탈카메라, 휴대형이나 거치형 (据置型)을 포함한 퍼스널컴퓨터, 팩시밀리, 휴대전화를 포함한 정보 단말, 프린터, 네비게이션 시스템, 그 외의 OA 기기, 조명 장치, 가정용 전기 기기 등의 형상에 맞추어, 최적 형상의 연료 전지를 제공하는 것이 가능하게 된다.
전극 모듈이 복수 있는 경우의 복수 전극 모듈 사이의 전기적 접속은, 전극 모듈이 부착되는 공기측 플레이트 면에 설치된 접속용 패턴에 의해 이루어지며, 전극 모듈을 구성하는 전극막의 일부를 상기 접속용 패턴에 접촉시키고, 프레임과는 반대면에 접촉하는 컨택트 기능을 구비한 지지체를 개재하여, 다른 전극 모듈의 접속용 패턴에 접촉시킴으로써 접속을 확보하면 매우 바람직하다. 이것에 의해, 셀을 가능한 한 얇게 하여 접속을 확보하는 것이 가능하게 된다.
또한, 전극 모듈의 양측 위치에는, 연료 가스 및 공기의 통로를 구비한 세퍼레이터가 배설되도록 하면 매우 바람직하다. 이것에 의해, 전극 모듈 측으로 효율 좋게 연료 가스나 공기를 공급하는 것이 가능하게 된다.
각 플레이트 중 적어도 하나는 플렉서블(flexible) 시트로 구성해도 좋다. 플렉서블(flexible) 시트로 형성함으로써, 어느 정도의 변형 하중에 대해서 견딜 수 있는 것으로 되며, 플렉서블 시트 측에서 위치 맞춤이나, 조립 오차 등을 흡수하는 것이 가능하게 된다.
또한, 전극 모듈은, 무가습의 조건 하에서 프로톤을 전도할 수 있는 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막을 테두리 몸체로 지지하여 구성하면 좋다. 이 프로톤 전도체는, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료를 모체로 해서 프로톤 해리성의 기를 도입하여 구성된다. 여기서 「프로톤(H+)의 해리」란, 「전리에 의해 프로톤이(관능기로부터) 이탈되는 것」을 의미하며, 「프로톤 해리성의 기」란, 「프로톤이 전리에 의해 이탈될 수 있는 관능기」를 의미한다. 또, 탄소질 재료는, 풀러렌 분자이면 좋고, 전해질막은 결합제를 함유한 것이어도 좋다. 그리고 결합제를 이용하면, 결합제에 의해 결착되어, 강도가 충분한 프로톤 전도체를 형성할 수 있다.
이와 같이, 이 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료를 모체로 해서 프로톤 해리성의 기를 도입하여 구성하기 때문에, 종래 공지의 퍼플루오로술폰산 수지 등의 이온 교환막과 달리, 외부로부터 수분의 보급을 할 필요가 없고 시스템을 간략하게 할 수 있다. 프로톤의 전송에 물을 개재시키지 않아도 되기 때문에, 건조한 환경에서, 폭넓은 온도 범위에서 사용이 가능하며, 세퍼레이터를 간소화시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 테두리 몸체에는 상기 전극막과의 컨택트부가 형성되어 있으면 좋다. 이와 같이 구성함으로써, 전기적 접속이 용이해진다.
또한, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 제안되는 본 발명에 관련되는 연료 전지는, 공기 공급이 가능한 공기측 플레이트와, 공기측 플레이트에 기밀성을 가지고 취부되어 산소와 접촉하는 면을 구비한 적어도 하나의 전극 모듈과, 산소와접촉하는 면과 반대측의 면에 설치된 연료측과 접촉하는 면으로 이루어지는 복수의 구성 부재를 구비하며, 복수의 구성 부재의 연료측과 접촉하는 면을 서로 소정 간격으로 배설된 스페이서를 개재하여 대향시켜서 복수 열을 형성하고, 이들 대향면에 연료 가스를 가압하여 공급해서, 공기측과의 기압차가 생기도록 구성하여 이루어지는 셀을 구비한다.
이와 같이 구성함으로써, 복수 층으로 연속한 셀의 배설이 용이해지며, 작은 용량에서부터 큰 용량까지, 스케일이 다른 연료 전지를 제공하는 것이 가능하게 된다. 더구나, 공기측 플레이트와, 전극 모듈은, 각각 소망의 형상을 하고 있으며, 적어도 공기측 플레이트, 전극 모듈이 외형 형상을 개략 동일하게 함으로써, 전기 기기에 맞춘 연료 전지를 제공하는 것이 가능하게 된다.
더욱이, 가압된 연료 가스의 공급은, 압력을 일정하게 조절하고, 연료 가스의 소비에 의한 감압을 보충하도록 공급량을 제어하도록 구성함으로써, 연료 가스의 사용이 진행됨에 따라, 가스압이 변화하지 않도록 구성하는 것이 가능하게 되어, 출력을 일정하게 보지하는 것이 가능해진다.
본 발명의 또 다른 목적, 본 발명에 의해 얻을 수 있는 구체적인 이점은, 이하에 설명되는 실시예의 설명으로부터 더 한층 명확해질 것이다.
이하, 본 발명의 하나의 실시의 태양(態樣)을 도면에 의거하여 설명한다.
우선. 본 발명이 적용된 연료 전지의 전극 모듈(EM)을 설명한다.
전극 모듈(EM)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 무가습의 조건 하에서 프로톤을 전도할 수 있는 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막(11)을 소정 형상의 테두리 몸체(20)로 지지한 것이다.
본 예의 프로톤 전도체는, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료를 모체로 해서 프로톤 해리성의 기를 도입하여 구성된다. 예를 들면 탄소질 재료는, 풀러렌 분자가 매우 바람직하다. 또한 전해질막은 결합제를 함유하도록 구성할 수도 있다.
이어서, 테두리 몸체(20)에 대해서 더 설명한다. 테두리 몸체(20)는, 도 2에도시하는 바와 같이, 도전체에 의해 형성되며, 상하의 양면에 금속층(13, 14)과의 컨택트부가 형성되어 있다. 테두리 몸체(20)는, 다른 전기 접속 부재와 전기적으로 접속되어 있다.
테두리 몸체(20)는, 절연체에 의해 형성해도 좋다. 이 경우, 테두리 몸체 (20)는, 전해질막(11)의 한쪽 면 측에 설치되는 전극용 금속층(14)의 일부를 외부 부재와의 전기적인 접촉을 도모하기 위한 부분으로서 구성한다.
테두리 몸체(20)는, 복합 재료로 형성할 수가 있다. 이 복합 재료는, 적어도 유리재와 에폭시 수지를 함유하여 구성하면 매우 바람직하다.
전해질막(11)의 양면에는, 금속층(13, 14)과 촉매층(15, 16)이 스패터링, 도금, 페이스트 도포의 어느 것인가를 적어도 포함하는 막 성형 프로세스에 의해 형성하는 것이 가능하다.
금속층(13, 14)과 촉매층(15, 16)은, 교호로 겹쳐 쌓아 적어도 2층 이상의 다층 막으로서 구성할 수가 있다.
본 발명에 관련되는 전극 모듈(EM)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 전해질막 (11)을 지지하는 테두리 몸체(20)와, 촉매를 담지시킨 다공성의 연료 투과 재료막 (17)과, 촉매층과 소수성 물질 입을 담지시킨 다공성의 산소 투과 재료막 (18)을 구비한다. 연료 투과 재료막(17)과 산소 투과 재료막(18)의 적어도 한쪽 막은, 테두리 몸체(20)의 테두리 내 치수(X)에 대해 막이 펼쳐지는 측을 크게, 반대측을 작게 형성하고 있다. 이 때 전해질막(11)의 양측에, 전극용의 금속층(13, 14)과, 수소 가스를 프로톤으로 해리시켜, 그 프로톤의 투과를 보다 확실히 확보하는 것이가능해지리라 생각되는 촉매층(15, 16)을 부가시켜도 좋다.
본 발명의 연료 전지(30)는, 후술하는 도 18 및 도 19에 도시하는 바와 같이, 전극 모듈(EM)과, 이 전극 모듈(EM)의 적어도 한쪽 편에 냉각용의 통로를 구비하여 구성된다. 전극 모듈(EM)은, 전해질막(11)을 지지하는 테두리 몸체(20)와, 촉매를 담지시킨 다공성의 연료 투과 재료막(17)과, 촉매층과 소수성 물질 입을 담지시킨 다공성의 산소 투과 재료막(18)으로 구성된다. 그리고, 냉각용 세퍼레이터 (63)와 스페이서(62)에 의해 냉각용의 통로(64)가 형성된다.
이 때, 전극 모듈(EM)은, 연료 투과 재료막(17)과 산소 투과 재료막(18)의 적어도 한쪽 막이, 상기 테두리 몸체(20)의 테두리 내 치수(X)에 대해 막이 펼쳐지는 측은 크게, 반대측은 작게 하고 있다.
또한, 전지 스택(50)은, 상기 각 연료 전지(30)를 복수층 중합시키고, 케이스 몸체(51) 내에 배치하며, 여압 플레이트(54)를 개입시켜, 전해질막(11)을 지지하는 테두리 몸체(20) 부분으로 압력을 가하여 고정시켜 형성한다.
더욱이, 전지 스택(50)은 상기 각 연료 전지(30)를 복수 층 중합시키고, 각 연료 전지(30) 사이에 냉각수의 통로를 형성하여 케이스 몸체(51) 내에 배치하며, 여압 플레이트(54)를 개재하여 상기 전해질막(11)을 지지하는 테두리 몸체(20) 부분으로 압력을 가하여 고정시켜 구성한다.
실시예
이하, 본 발명의 더욱 구체적인 실시예를 도면에 의거하여 설명한다. 또, 이하에 설명하는 부재, 배치 등은 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 취지의 범위 내에서 여러 가지로 변형시킬 수 있는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 예의 연료 전지의 전극 모듈(EM)은, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 무가습의 조건 하에서 프로톤을 전도할 수 있는 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막(11)을 소정 형상의 테두리 몸체(20)로 지지한 것이다. 본 예의 프로톤 전도체는, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료를 모체로 해서 프로톤 해리성의 기를 도입하여 구성된다. 예를 들면, 탄소질 재료는, 풀러렌 분자이면 좋고, 또한 전해질막은 결합제를 함유한 것이어도 좋다.
프로톤 전도체로서, 폴리수산화풀러렌{C60(OH)12}은, 도 4a, 도 4b에 도시하는 바와 같이, 풀러렌에 복수의 수산기를 부가한 구조를 가진 것의 총칭이며, 통칭 「풀러레놀(Fullereno1)」이라 불리우고 있다. 당연한 일이지만, 풀러레놀은 1992년에 Chiang 등에 의해 최초로 합성예가 보고되었다(Chiang,L.Y.; Swirczewski,J. W.; Hsu,C.S.; Chowdhury,S.K.; Cameron,S.; Creegan, K.J.Chem.Soc, Chem. Commun .1992,1791). 그 이후, 일정량 이상의 수산기를 도입한 풀러레놀은, 특히 수용성이라는 특징이 주목되며, 주로 바이오 관련의 기술 분야에서 연구되어 왔다.
풀러레놀은, 도 5a에서 개략 도시하는 바와 같이 응집체로 하고, 서로 근접한 풀러레놀 분자(도면 중에서, ｏ는 풀러레놀 분자를 나타낸다.)의 수산기끼리 상호 작용이 생기도록 한다. 이 응집체는 매크로(macro)한 집합체로서 높은 프로톤 전도 특성(바꿔 말하면, 풀러레놀 분자의 페놀성 수산기로부터의 H+의 해리성)을 발휘한다.
프로톤 전도체는, 상기 풀러레놀 이외에, 예를 들면 복수의 -OSO3H기를 가지는 풀러렌의 응집체를 프로톤 전도체로서 사용하는 것이어도 좋다. OH기가 OSO3H기로 치환된 도 5b에 도시하는 바와 같은 폴리수산화풀러렌, 즉 황산수소에스테르화풀러레놀은, 역시 Chiang 등에 의해 1994년에 보고되어 있다(Chiang,L.Y.; Wang, L.Y.; Swirczewski,J.W.; Soled,S.; Cameron,S.J. 0rg. Chem. 1994,59,3960). 황산수소에스테르화된 풀러렌에는, 하나의 분자 내에 OSO3H기만을 함유하는 것도 있고, 혹은 이 기와 수산기를 각각 복수 가지게 한 것도 좋다.
상술한 풀러렌 유도체를 다수 응집시켰을 때, 그것이 벌크(bulk)로서 나타내는 프로톤 전도성은, 분자 내에 원래 함유되는 대량의 수산기나 OSO3H기로부터 유래하는 프로톤이 이동에 직접 관여하기 때문에, 분위기로부터 수증기 분자 등을 기원으로 하는 수소, 프로톤을 취해들일 필요는 없고, 또한 외부로부터의 수분의 보급, 특히 외기로부터 수분 등을 흡수할 필요도 없으며, 분위기에 대한 제약은 없다. 또한, 이들 유도체 분자의 기본이 되고 있는 풀러렌은, 특히 구(求) 전자성의 성질을 가지며, 이 사실이 산성도가 높은 OSO3H기뿐만 아니라, 수산기 등에서도 수소 이온의 전리의 촉진에 크게 기여하고 있다고 생각된다.
또한, 하나의 풀러렌 분자 중에 꽤 많은 수산기 및 OSO3H기 등을 도입할 수가 있기 때문에, 전도에 관여하는 프로톤의 전도체 체적 당의 수밀도(數密度)가 매우 많아진다.
본 예의 프로톤 전도체는, 그 대부분이, 풀러렌의 탄소 원자로 구성되어 있기 때문에, 중량이 가볍고, 변질되기도 어려우며, 또한 오염 물질도 함유되어 있지 않다. 풀러렌의 제조 코스트도 급격히 저하되고 있다. 자원적, 환경적, 경제적으로 봐서 풀러렌은 다른 어떤 재료보다 나으며, 이상에 가까운 탄소계 재료라고 생각된다.
더욱이, 프로톤 해리성의 기는, 상술한 수산기나 OSO3H기로 한정할 필요는 없다. 즉, 이 해리성의 기는, 식 -XH로 표현되며, X는 2가의 결합수(結合手)를 가지는 임의의 원자 혹은 원자단이면 좋다. 더욱이는, 이 기는, 식 -OH 또는 -YOH로 표현되며, Y는 2가의 결합수를 가지는 임의의 원자 혹은 원자단이면 좋다.
구체적으로는, 프로톤 해리성의 기로서는, 상기 -OH, OSO3H 이외에 -COOH, -SO3H, -OPO(OH)2의 어느 것인가가 바람직하다.
더욱이, 본 예에서는, 풀러렌 분자를 구성하는 탄소 원자에, 프로톤 해리성의 기와 함께, 전자흡인기, 예를 들면, 니트로기, 카르보닐기, 카르복실기, 니트릴기, 할로겐화알킬기, 할로겐 원자(불소, 염소 등) 등이 도입되어 있는 것이 바람직하다. 도 5c에, -OH 이외에 Z를 도입한 풀러렌 분자를 도시한다. 이 Z는, 구체적으로는, -NO2, -CN, -F, -C1, -COOR, -CHO, -COR, -CF3, -SO3CF3등이다. 여기서, R은 알킬기를 나타낸다. 이와 같이 전자흡인기가 병존하고 있으면, 그 전자 흡인 효과 때문에, 상기 프로톤 해리성의 기로부터 프로톤이 해리되기 쉬워진다.
단, 풀러렌 분자에 도입하는 프로톤을 해리할 수 있는 기의 수는, 풀러렌 분자를 구성하는 탄소수의 범위 내에서 임의로 좋지만, 바람직하게는 5개 이상으로 하는 것이 좋다. 또, 풀러렌의 π전자성을 남기고, 유효한 전자 흡인성을 발휘하기 위해서는, 상기의 기의 수는, 풀러렌을 구성하는 탄소수의 절반 이하가 바람직하다.
프로톤 전도체에 사용되는 풀러렌 유도체를 합성하려면, 풀러렌 분자의 분말에 대해, 예를 들면 산 처리나 가수분해 등의 공지의 처리를 적절히 조합하여 행함으로써, 풀러렌 분자의 구성 탄소 원자에 소망의 프로톤 해리성의 기를 도입하면 된다.
보다 구체적으로 설명한다면, 폴리수산화풀러렌의 합성은, 문헌(Chiang, L . Y.; Wang,L.Y.; Swirczewski,J.W.; Soled,S.; Cameron,S.J. 0rg. Chem. 1994,59, 3960)을 참고로 하여 행하였다. C70을 약 15% 함유하는 C60/C70풀러렌 혼합물의 분말 2g을 발연황산 30㎖ 중에 투하하고, 질소 분위기 중에서 60℃로 유지하면서 3일간 교반하였다. 얻어진 반응물을, 빙욕(氷浴)에서 냉각시킨 무수 디에틸에테르 중에 조금씩 투하하여, 그 침전물을 원심분리로 분별하고, 더욱이 디에틸에테르로 3회, 및 디에틸에테르와 아세트니트릴의 2:1 혼합액으로 2회 세정한 후, 40℃에서 감압 중에서 건조시켰다. 더욱이, 이 건조물을 60㎖의 이온교환수 중에 넣고, 85℃에서 질소에 의한 버블링(bubbling)을 행하면서 10시간 교반하였다. 반응 생성물은 원심분리에 의해 침전물을 분리하고, 이 침전물을 더욱이 순수한 물로 수회 세정하여, 원심분리를 반복한 후에, 40℃에서 감압 건조시켰다. 이와 같이 하여 얻어진 갈색분말의 FT-IR 측정을 행한 바, 상기 문헌에 나타나 있는 C60(OH)12의 IR 스펙트럼과 거의 일치하며, 이 분말이 목적 물질인 폴리수산화풀러렌으로 확인되었다.
또한 폴리수산화풀러렌 응집 펠럿의 제조는, 이어서, 폴리수산화풀러렌의 분말 90㎎을 취하고, 직경 15㎜의 원형 펠럿 형상이 되도록 한쪽 방향으로 프레스를 가하였다. 이 때의 프레스압은 약 7톤/㎠였다. 그 결과, 이 폴리수산화풀러렌의 분말은, 바인더 수지 등을 일절 함유하지 않음에도 불구하고 성형성이 우수하고, 용이하게 펠럿화할 수 있었다. 그 펠럿은 두께가 약 300미크론이다.
폴리수산화풀러렌황산수소에스테르{전(全) 에스테르화}의 합성도, 마찬가지로 상기의 문헌을 참고로 하여 행하였다. 폴리수산화풀러렌의 분말 1㎎을 60㎖의 발연황산 중에 투하하고, 실온에서 질소 분위기 하에서 3일간 교반하였다. 얻어진 반응물을, 빙욕 내에서 냉각시킨 무수 디에틸에테르 중에 조금씩 투하하고, 그 침전물을 원심분리로 분별하며, 더욱이 디에틸에테르로 3회, 및 디에틸에테르와 아세트니트릴의 2:1 혼합액으로 2회 세정한 후, 40℃에서 감압 하에서 건조시켰다. 이와 같이 하여 얻어진 분말의 FT-IR 측정을 실시한 바, 상기 문헌 중에 나타나 있는, 모든 수산기가 황산수소에스테르화된 것의 IR 스펙트럼과 거의 일치하며, 이 분말이 목적 물질이라고 확인할 수 있었다.
또한, 폴리수산화풀러렌황산수소에스테르 응집 펠럿의 제조는, 폴리수산화풀러렌황산수소에스테르의 분말 70㎎을 취하고, 직경 15㎜의 원형 펠릿 형상이 되도록 한쪽 방향으로 프레스를 가하였다. 이 때의 프레스압은 약 7톤/㎠였다. 그 결과, 이 분말은 바인더 수지 등을 일절 함유하지 않음에도 불구하고, 성형성이 우수하여, 용이하게 펠럿화할 수가 있었다. 이 펠럿은 두께가 약 300미크론이다.
더욱이, 폴리수산화풀러렌황산수소에스테르(부분 에스테르화)의 합성은, C70을 약 15% 함유하는 C60/C70풀러렌 혼합물의 분말 2g을 발연황산 30㎖ 중에 투하하고, 질소의 분위기 중에서, 60℃로 유지하면서 3일간 교반하였다. 얻어진 반응물을, 빙욕 내에서 냉각시킨 디에틸에테르 중에 조금씩 투하하였다. 단, 이 경우의 디에틸에테르는 탈수 처리를 행하지 않은 것을 사용하였다. 얻어진 침전물을 원심분리로 분별하고, 더욱이 디에틸에테르로 3회, 및 디에틸 에테르와 아세트니트릴의 2:1 혼합액으로 2회 세정한 후, 40℃에서 감압 하에서 건조시켰다. 이와 같이 하여 얻어진 분말의 FT-IR 측정을 행한 바, 상기 문헌에 나타나 있는, 부분적으로 수산기와 OSO3H기를 함유하는 풀러렌 유도체의 IR 스펙트럼과 거의 일치하며, 이 분말이 목적 물질이라고 확인할 수 있었다.
더욱이 또한, 폴리수산화풀러렌황산수소에스테르 응집 펠럿의 제조는, 일부가 황산수소에스테르화된 폴리수산화풀러렌의 분말 80㎎을 취하고, 직경 15㎜의 원형 펠럿 형상이 되도록 한쪽 방향으로 프레스를 가하였다. 이 때의 프레스압은 약 7톤/㎠였다. 그 결과, 이 분말은 바인더 수지 등을 일절 함유하지 않음에도 불구하고 성형성이 우수하며, 용이하게 펠럿화할 수가 있었다. 이 펠럿은 두께가 약 300미크론이었다.
또, 상기의 예에서는, 프로톤 전도체의 막으로서는, 폴리수산화풀러렌으로된 막을 사용하였지만, 프로톤 전도체의 막은 이에 한정되는 것은 아니다. 폴리수산화풀러렌은, 풀러렌 분자를 모체로 해서, 그 구성 탄소 원자에 수산기를 도입한 것이지만, 모체로서는 풀러렌 분자에 한정되지 않고 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료이면 좋다.
이 탄소질 재료에는, 탄소 원자가, 탄소-탄소간 결합의 종류에 상관없이, 수개에서 수백개 결합하여 형성되어 있는 집합체인 탄소 클러스터나, 튜브 형상 탄소질(통칭 카본 나노 튜브)이 함유되어도 좋다.
전자인 탄소 클러스터에는, 도 6에 도시하는 바와 같은, 탄소 원자가 다수개집합하여 이루어지는, 구체(球體) 또는 장구(長球), 또는 이들과 유사한 닫힌 면 구조를 가지는 여러 가지 탄소 클러스터가 있다. 또한, 도 7에 도시하는 바와 같은, 그들 탄소 클러스터의 구(球) 구조의 일부가 결손하여, 구조 중에 개방단을 가지는 탄소 클러스터, 도 8에 도시하는 바와 같은, 대부분의 탄소 원자가 SP3 결합한 다이어몬드 구조를 가지는 탄소 클러스터, 더욱이는 도 9에 도시하는 바와 같은, 이들 클러스터끼리 여러가지로 결합한 탄소 클러스터가 함유되어 있어도 좋다.
이러한 종류의 모체에 도입하는 기로서는, 수산기에 한정되지 않고, -XH, 보다 바람직하게는 -YOH로 표현되는 프로톤 해리성의 기라면 좋다. 여기서 X 및 Y는 2가의 결합수를 가지는 임의의 원자 혹은 원자단이며, H는 수소 원자, O는 산소 원자이다. 구체적으로는, 상기 -OH 이외에, 황산수소에스테르기 -OSO3H, 카르복실기 -COOH, 그 외에 -SO3H, -OPO(OH)2의 어느 것인가가 바람직하다.
여기서, 상기 프로톤 전도체로서, 상기 풀러렌 유도체를 사용한 경우, 이 프로톤 전도체가 실질적으로 풀러렌 유도체만으로 이루어지거나, 혹은 결합제에 의해 결착되어 있는 것이 바람직하다. 그리고 풀러렌 유도체를 가압 성형하여 얻어지는 막 형상의 상기 풀러렌 유도체만으로부터 전해질막을 형성하거나, 결합제에 의해 결착되어 있는 풀러렌 유도체를 프로톤 전도체로서 사용해도 좋다. 이와 같이 결합제를 사용하면, 결합제에 의해 결착되어, 강도가 충분한 프로톤 전도체를 형성할 수 있다.
여기서, 결합제로서 사용 가능한 고분자 재료로서는, 공지의 성막성을 가지는 폴리머의 1종 또는 2종 이상이 사용되며, 그 프로톤 전도체 중의 배합량은, 통상, 40중량% 이하로 억제한다. 40중량%를 넘으면, 수소 이온의 전도성을 저하시킬 위험이 있기 때문이다.
이와 같은 구성의 프로톤 전도체도, 상기 풀러렌 유도체를 프로톤 전도체로서 함유하기 때문에, 상술한 실질적으로 풀러렌 유도체만으로 이루어지는 프로톤 전도체와 마찬가지의 수소 이온 전도성을 발휘할 수가 있다.
게다가, 풀러렌 유도체 단독의 경우와 달리 고분자 재료로부터 유래하는 성막성이 부여되어 있으며, 풀러렌 유도체의 분말 압축 성형품에 비해, 강도가 크고, 또한 가스 투과 방지능을 가지는 유연한 이온 전도성 박막(두께는 통상 300㎛ 이하)으로서 사용할 수가 있다.
또, 상기 고분자 재료로서는, 수소 이온의 전도성을 가능한 한 저해(풀러렌 유도체와의 반응에 의함)하지 않고, 성막성을 가지는 것이라면, 특별히 한정은 하지 않는다. 통상은 전자 전도성을 가지지 않고, 양호한 안정성을 가지는 것이 사용된다. 그 구체예를 들면, 폴리플루오로에틸렌, 폴리불화비닐리덴, 폴리비닐알코올 등이 있으며, 이것들은 뒤이어 설명되는 이유로부터도, 바람직한 고분자 재료이다.
우선, 폴리플루오로에틸렌이 바람직한 것은, 다른 고분자 재료에 비해, 소량의 배합량으로 강도가 보다 큰 박막을 용이하게 성막할 수 있기 때문이다. 이 경우의 배합량은, 3중량% 이하, 바람직하게는 0.5∼1.5중량%로 소량으로 해결되며, 박막의 두께는 통상, 1OO㎛에서 1㎛까지 얇게 할 수 있다.
또한, 폴리불화비닐리덴이나 폴리비닐알코올이 바람직한 것은, 보다 우수한 가스 투과 방지능을 가지는 이온 전도성 박막이 얻어지기 때문이다. 이 경우의 배합량은 5∼40중량%의 범위로 하는 것이 좋다.
폴리플루오로에틸렌이든, 폴리불화비닐리덴이나 폴리비닐알코올이든 간에, 그것들의 배합량이 상술한 각각의 범위의 하한치를 밑돌면, 성막에 악영향을 미치는 일이 있다.
본 발명에 사용하는 각 풀러렌 유도체가 결합제에 이해 결착되어 이루어지는 프로톤 전도체의 박막을 얻으려면, 가압 성형이나 압출 성형을 비롯하여, 공지의 성막법을 사용하면 좋다.
더욱이, 프로톤 전도체는, 폴리염화비닐, 염화비닐계 공중합체, 폴리에틸렌, 폴리프로피렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리페닐렌옥사이드, 퍼플루오로술폰산계 수지 및 이들의 유도체로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 수지와, 풀러렌 유도체를 함유하여 형성하는 것도 가능하다.
이 경우, 상기 수지의 함유량은, 50중량% 이하가 바람직하며, 그 함유량이 50중량%를 넘으면, 프로톤의 전도성을 저하시킬 우려가 있기 때문이다.
상술한 바와 같이 프로톤 전도체가, 상기 수지를 함유하도록 구성하면, 성형성을 가지며, 보다 강도가 높은 박막화를 실현하는 것이 가능해진다. 따라서, 막의 강도 및 가스 투과 방지능이 우수하며, 또한 내산성 및 내열성 등이 양호한 박막으로서 사용할 수가 있다.
폴리염화비닐 및 폴리염화비닐계 공중합체는, 내산성이 우수하고, 또한 내열성도 양호하며, 바람직한 수지이다. 여기서, 염화비닐계 공중합체는, 염화비닐-염화 비닐리덴 공중합체 및 염화비닐-아세트산비닐 공중합체 등, 염화비닐과 공중합성 모노머와의 공중합체이다.
폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리페닐렌 옥사이드는, 내산성이 양호한 수지이다.
폴리카보네이트는 투명성의 비결정(非結晶) 수지이며, 내열성 및 저온 특성이 우수하며, 넓은 온도 범위에서의 사용에 견딜 수 있다. 또한, 내충격성도 우수하다.
퍼플루오로술폰산계 수지는, 내산성 및 내열성이 우수하며, 또한, 내후성(耐候性)이 양호한 수지이기 때문에, 가혹한 온도나 장기에 걸친 광선 폭로(曝露) 하에서도, 그 특성에 큰 변화는 가져오지 않는다.
이와 같이 프로톤 전도체에 상기 수지를 함유시키면, 프로톤(H+)의 해리에의해, 프로톤 전도체의 산성도가 현저하게 크게 된 경우에 있어서도, 산화 열화되기 어렵고, 내구성이 우수하여, 프로톤 전도성 박막으로서 매우 바람직하게 사용될 수가 있으며, 더욱이 상온을 포함한 넓은 온도역(溫度域)에 걸쳐 고전도성을 발휘하는 것이 가능하다.
또한, 프로톤 전도체는, 졸-겔 법에 의해 작성한 프로톤(수소 이온)의 고전도성 유리여도 좋다. 이 고전도성 유리는, 예를 들면, 인산-규산염((P2O5-SiO2)계 유리이며, 금속 알콕시드 원료를 가수분해하여 겔을 제작하여, 500∼800℃에서 가열하여 유리로서 제작할 수 있다. 이 유리에는 2 나노미터 정도의 미세 구멍이 있고, 거기에 수분이 흡착되어, 프로톤의 이동이 촉진되는 것이다.
더욱이, 프로톤 전도체는, 유기 무기 하이브리드(hybrid) 이온 교환막이어도 좋다. 이것은, 폴리에틸렌옥사이드(PEO)나 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리테트라메틸렌옥사이드(PTMO) 등과 실리카가 분자 레벨로 결합한 복합막이며, 모노도데실포스페이트(MDP)나 1,2-텅스토인산(PWA) 등을 프로톤 전도성 공여제로서 도프한 것이다.
또한, 프로톤 전도체는, 자기(自己) 가습형 전해질막이어도 좋다. 이 막은, 예를 들면 도 10에 도시하는 바와 같이, 막 중에 극미량의 백금 초미립자 촉매와 산화물, 예를 들면 TiO2나 SiO2등의 초미립자를 고분산시키고 있다. 크로스오버 (crossover)해 오는 수소와 산소를 역이용하여 백금 촉매 상에서 물을 생성시키고, 그 생성수를 산화물 초미립자에 흡착 보수(保水)시킴으로써, 막을 내부로부터 가습하여 함수율을 높게 유지한 것이다. 그리고, 입자경 1∼2㎚의 극미량의 백금 초미립자(0.09㎎/㎠)와 입자경 5㎚의 TiO2초미립자(건조 Nafion 중량의 3%)를 고분산시킨 Pt-TiO2분산막을 전해질에 사용하면, 완전히 외부 무가습의 상태에서도, 극히 안정되고 고성능(0.4∼0.6V이며 약 0.6W/㎠)인 전지 운전이 가능하게 된다.
상술한 어느 변형예에 의해서도, 프로톤의 전도에 가습이 불필요하며, 본 발명에서의 효과에 변함은 없다.
이상과 같이, 전해질막으로서, 무가습의 조건 하에서 프로톤을 전도할 수 있는 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막(11)을 사용하면, 수소 가스의 가습이 불필요하여, 가습기를 설치할 필요가 없으며, 가습기를 위한 설치 스페이스를 설치하는 일이 없기 때문에, 세퍼레이터를 복잡한 형상으로 할 필요가 없고, 연료 전지를 컴팩트한 구성으로 하는 것이 가능하다.
상술한 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막을 사용한 연료 전지의 전극 모듈(EM)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
본 예의 연료 전지의 전극 모듈(EM)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 전해질막(11)과, 이 전해질막(11)을 지지하는 테두리 몸체(20)를 구비하고 있다. 본 예에서는, 설명의 편의상, 상방측을 연료측으로 하고, 하측을 산소측으로 하지만, 산소측과 연료측은 구성을 역으로 하는 것도 가능하다.
테두리 몸체(20)는, 도 3에 도시하는 바와 같은, 도너츠 형상의 테두리 몸체, 또는 도 11에 도시하는 바와 같은 직사각형 형상의 테두리 몸체, 그 외의 형상의 테두리 몸체, 예를 들면 다각형 형상이나, 자유 외형 형상으로 구성할 수가 있다. 이와 같이 테두리 몸체(20)의 형상에 대해서는, 연료 전지의 전극 모듈(EM)을 적용하는 전기 기기(비도시)에 맞춘 형상을 적절히 선택할 수 있도록 함으로써, 소정의 전기 기기, 예를 들면, 텔레비젼 수상기, 비디오테이프레코더, 휴대형 비디오카메라, 디지털비디오카메라, 디지탈카메라, 휴대형이나 거치형을 포함한 퍼스널컴퓨터, 팩시밀리, 휴대전화를 포함한 정보 단말, 프린터, 네비게이션 시스템, 그 외의 OA 기기, 조명장치, 가정용 전기기기 등의 형상에 따라 적합한 것으로 할 수가 있다. 테두리 몸체(20)의 두께는, 본 예에서는 0.2∼0.3㎜의 것을 사용하고 있지만, 이에 한하지 않으며, 보다 얇은 쪽이 바람직하다.
테두리 몸체(20)의 재질은, 금속 재료, 복합 재료, 적층 재료 등을 사용할 수가 있다. 금속 재료로서는 비철 금속인 알루미늄, 철계(鐵系) 금속, 각종 합금 재료로 이루어지는 것을 사용할 수가 있다.
복합 재료로서는, 유리 재료와 에폭시 수지로 이루어지는 것, 합성 수지와 각종 금속 분말로 이루어지는 것, 강화 플라스틱, 엔지니어링 플라스틱 등의 각종 복합 재료를 사용할 수가 있다.
적층 구조로서는, 도전성 재료의 층, 비도전성 재료의 층, 반도체의 층 등을 복수 층으로 한 것 등의 구조로 할 수가 있다.
상술한 어느 재료들에 있어서도, 테두리 몸체(20) 그 자체가 도전성을 가지도록 형성하거나, 비도전성 혹은 절연성으로 하는 것이 가능하다.
이 테두리 몸체(20)에는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 전해질막(11)이 첩착(貼着;붙여서 장착)된다. 본 예에서는, 전해질막(11)을 테두리 몸체(20)의 형상으로 형성하여 일정한 텐션(tension)을 가지게 하고, 테두리 몸체(20)의 한쪽에 접착제를 도포하여 첩착하고 있다. 테두리 몸체(20)과 전해질막(11)의 접합은, 테두리 몸체(20)에 전해질막(11)을 첩착한 후에, 테두리 몸체(20)의 외형 형상에 맞추어, 전해질막(11)을 절단해도 좋다. 더욱이, 전해질막(11)을 습식 등에 의해 이형(離型) 시트 위에 도포하고, 성형 후에 테두리 몸체(20) 위로 옮기는 프로세스를 취해도 좋다. 이와 같이, 테두리 몸체(20)라고 하는 구조체에 전해질막(11)을 펼침으로 인해 얇은 막의 취급이 용이해진다.
테두리 몸체(20)에 전해질막(11)을 첩착할 때, 접착제(12)로서 절연성인 것을 사용함으로써, 테두리 몸체(20)와 전해질막(11) 사이의 절연을 도모할 수가 있다. 또한 동시에, 접착제(12)에 의해 씰(seal) 성을 확보할 수가 있다.
전해질막(11)의 상하 양면에는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 전극용의 금속층(13, 14)과 촉매층(15, 16)이 부착된다. 촉매층(15, 16)은, 수소 가스를 프로톤으로 해리시키고, 그 프로톤을 투과시키는 것으로 생각되고 있다. 그러나, 상세한 메카니즘은 확정되어 있지 않다. 본 예에서의 금속층(13, 14)과 촉매층(15, 16)의 형성은, 주로 스패터링에 의해 행해진다.
그러나, 금속층(13, 14)과 촉매층(15, 16)의 형성은, 스패터링 뿐만이 아니라, 각종 성막 수단을 이용할 수가 있다. 예를 들면, 전극용의 금속층(13, 14)은, 도전성을 높이기 위해 도금이나 페이스트 도포의 막 성형 프로세스를 이용할 수도 있다.
본 예의 전극용의 금속층(13, 14)은, 예를 들면, 대략 100㎚의 두께로 성막되며, 촉매층(15, 16)은 약 20㎚의 두께로 성막된다. 그리고, 이들 전극용의 금속층(13, 14)과 촉매층(15, 16)을 교호로 겹쳐 쌓아 다층 막으로 할 수도 있다.
또한, 전극용의 금속층(13, 14)을 격자 패턴 형상으로 겹쳐 쌓고, 부분적으로 두께를 늘리도록 구성한다. 이와 같이, 금속층(13, 14)은 수소의 투과를 방해하지 않도록 패턴 형성한다. 상술한 바와 같이 부분적으로 두께를 늘리면, 도전성을 높이는 것이 가능해 질 뿐만 아니라, 수소 가스를 프로톤으로 해리시켜, 그 프로톤의 투과를 보다 확실히 확보하는 것이 가능해 질 것으로 생각된다.
전극용의 금속층(13, 14)으로서는, 각종 전도성의 금속을 사용하는 것이 가능하지만, 바람직하게는 금(Au)이 좋다. 또한 촉매층(15, 16)으로서는 플래티나 (Pt)가 바람직하다.
전극용의 금속층(13, 14)과 촉매층(15, 16)이 부착된 전해질막(11)에는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 다공성의 구조를 가지는 기능 시트층(탄소 섬유 시트 등, 이하 「시트층」이라 한다.)(17, 18)이 양측(연료측과 산소측)에 부착된다. 이 시트층(17, 18)은, 전극용의 금속층(13, 14)의 보지, 강도 향상을 위한 기능과, 각각의 가스(수소, 산소)를 분산적으로, 보다 잘 촉매에 보내어 전기 화학 반응을 일으키기 쉽게, 또한 생성물(물)을 제거하는 기능을 가진다.
산소측의 시트층(18)의 전해질막(11) 측에서의 접착면 측에는, 산소용 촉매를 담지시켜 둠으로써, 효율 좋게 산소 이온과 보내져 온 프로톤을 반응시키는 것이 가능하다. 더욱이, 이 면에는 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 소수성 코팅이 되어, 생성된 물을 접합면 부근으로부터 퍼내고, 시트층 중에 분산시켜, 시트층의 표면으로부터 빠져나가게 하는 작용을 한다.
전극 모듈(EM)은, 상술한 2개의 시트층(17, 18)과, 전극용의 금속층(13, 14)과 촉매층(15, 16)이 부착된 전해질막(11)을 압접(壓接)하여 일체로 하여 형성된다. 이들 압접은, 50∼100㎏/㎠ 정도로 행해진다. 이 때, 각 막 자체에 직접 힘이 가해지지 않도록, 테두리 몸체(20)의 내측의 치수에 대해 한쪽은 크게 한쪽은 작게 치수를 취하고 있다.
즉, 연료 투과 재료막{시트층(17) 등}과 산소 투과 재료막{시트층(18) 등}의 적어도 한쪽 층이, 전극 모듈(EM)을 구성하는 테두리 몸체(20)의 테두리 내 치수에 대해 전해질막(11)이 펼쳐지는 측은 크게 반대측은 작게 하여 형성되어 있다. 본 예에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 한 쪽의 막으로서, 산소측인 금속층(14), 촉매층(16), 시트층(18)이, 테두리 몸체(20) 내의 공간에 위치하도록, 치수(X) 내에 들어가도록 형성하고, 다른 쪽의 막으로서, 연료측의 막인 금속층(13), 촉매층 (15), 시트층(17)이 전해질막(11)이 펼쳐지는 쪽에 위치하도록 형성되어 있다. 따라서, 본 예에서는, 연료측의 막인 금속층(13), 촉매층(15), 시트층(17)이 산소측인 금속층(14), 촉매층 (16), 시트층(18)보다 크게 형성되어 있다.
이와 같이 전극 모듈(EM)에 각종 막을 적층 형성하고, 더욱이 연료측의 시트층(17)의 전해질막(11)과의 접착면 측에, 수소용 촉매 입자(Pt 등)를 담지시킴으로써, 연료 가스(수소)를 보다 넓은 면적에서 접촉 가능하게 할 수가 있으며, 프로톤을 보다 많이 생성하여 전해질막(11)에 보낼 수가 있게 된다. 또, 상기 시트층(17,18)은, 반응 가스가 충분이 공급되는 경우에는, 반드시 설치할 필요는 없고, 없어도 지장은 없는 것이다.
또한, 테두리 몸체(20)가 도전성인 경우, 전해질막(11)은 절연체{본 예의 경우는 접착제(12)}를 사이에 끼우는 형태로 접착되고, 내측(본 예에서는 산소 전극측)의 금속층(14)과, 연료 전극측(외측)의 금속층(13)과의 사이에서 전지극을 형성할 수가 있다. 이 때, 테두리 몸체(20)와 금속층(14)은 접촉하도록 전해질막(11) 위에 금속층(14)을 성막한다. 또, 절연은, 상기 예에 한정되지 않고, 접착용의 양면 테이프의 접착제를 보지하는 기재(基材)를 절연체로 형성함으로써, 절연성을 확보하도록 구성할 수도 있다.
한편, 도 2에 도시하는 테두리 몸체가 도전체인 예와 달리, 테두리 몸체(20)가 절연체인 경우, 도 12 혹은 도 13에서 하나의 예로서 도시하는 바와 같이, 금속층(14)을 연장하여, 테두리 몸체(20)에 노견(露見;노출)시키고, 이 연장된 금속층 (14)의 일부분을 사용하여, 외부 부재와의 전기적 접촉을 확보하도록 구성한다. 또, 도 12 및 도 13의 예는 하나의 예이기 때문에, 금속층(14)의 연장 형상 등은, 적당히 선택하여 형성할 수가 있다.
또한, 도 14에 도시하는 바와 같이, 테두리 몸체(20)가 절연체인 경우, 시트층(17, 18)의 외측에 각각 구멍(13a, 14a)이 형성된 금속층(13)과 금속층(14)을 설치하고, 이들 산소 전극측의 금속층(14)과 연료 전극측의 금속층(13) 사이에 전지극을 형성하도록 구성해도 좋다.
또한, 도 15에 도시하는 바와 같이, 공기(A)측과 연료(E)측의 분리를 위해,테두리 몸체(20)와 타(他) 부재를 접착제(12) 등을 사용하여 접합할 수도 있다. 이 경우에는, 타 부재는 공기측과 연통(連通)시키고 있다.
도 16 및 도 17은, 연료 전지(30)를 나타내는 것이며, 본 예의 연료 전지 (30)는, 상술한 전극 모듈(EM)의 양측에 연료 가스 및 공기의 유로(流路)(32)를 구비한 세퍼레이터(31)을 배설하고, 그 양측에 스페이서(33)를 배설하고 있다. 또 본 예에서는, 도 17 중의 상측을 공기(산소)측으로 하고 있다.
스페이서(33)에는, 도 16에 도시하는 바와 같이, 연료 가스인 수소의 입구 (33a)와 출구(33b)가 형성되고, 동시에 공기(산소)의 입구(33c)와 출구(33d)가 형성되어 있다.
도 18 및 도 19는, 앞서 설명한 연료 전지를 이용한 전지 스택(50)의 하나의 예를 도시하는 것이며, 이 예에서는 직사각형 형상을 한 것을 도시하고 있지만, 앞서 설명한 바와 같이 테두리 몸체(20)는 소망 형상의 것을 적절히 사용할 수가 있는 것이며, 따라서, 전지 스택(50)의 형상에 대해서도, 적용하는 전기 기기의 형상 등에 맞추어 각종으로 변경하는 것이 가능하다.
본 예의 전지 스택(50)은, 상술한 연료 전지(30)를 복수 층 중합시킨 것이며, 복수 층 중합시킨 연료 전지(30){본 예에서는, 3개의 연료 전지(30)를 이용한 예를 도시하고 있다}를 케이스 몸체(51)로 보지한 것이다. 본 예의 케이스 몸체 (51)는, 몸통부(52)와, 몸통부(52)의 개구 양측을 덮는 덮개부(53)와, 여압 플레이트(54)와, 연료 가스(수소)의 도입구(55)와, 연료 가스(수소)의 배출구(56)와, 공기(산소)의 도입구(57)와, 공기(산소)의 배출구(58)와, 압착 수단(59)과, 냉각수의입구(60)와, 출구(61)를 구비하고 있다.
본 예의 전지 스택(50)을 구성하는 각 연료 전지(30) 사이에는, 덮개부(53)에 설치된 냉각수의 입구(60)로부터 도입되는 냉각수가 유통되는 냉각용의 통로 (64)가 형성되어 있다. 본 예에서는, 냉각용 세퍼레이터(63)와 스페이서(62)에 의해 냉각용 통로(64)가 형성된다. 이 냉각용의 통로(64)를 유통하는 냉각수로 열 교환을 하여, 연료 전지(30)의 온도를 조절하고 있다. 그리고, 열 교환된 냉각수는 출구(61)로부터 배출되도록 구성된다(도 18 참조).
그리고, 몸통부(52)의 개구 단부에는, 플랜지부(52a)가 형성되어 있으며, 이 플랜지부(52a)와 덮개부(53)를 작은 나사 등의 고정구, 용접, 접합 등을 이용한 압착 수단(59)에 의해 연결하여 밀봉하고, 케이스 몸체(51)를 형성하는 구성으로 하고 있다. 이 때, 케이스 몸체(51) 내의 각 연료 전지(30)를 충분히 밀착시키기 위해, 덮개부(53)와 몸통부를 연결할 때, 여압 플레이트(54)를 개재하여 압접하도록 하고 있다. 또, 상기 전해질막(11)을 지지하는 테두리 몸체(20) 부분으로 압력을 받도록 구성하고 있기 때문에, 연료 전지(30) 내의 각 층(막)에, 불필요한 압력이 직접 가해지지 않도록 구성할 수 있다.
비도시된 연료 가스 저류부 혹은 수소 함유 금속, 연료 가스 봄베, 연료 가스 발생 장치 등으로부터 공급되는 연료 가스(수소)는, 전지 스택(50)의 도입구 (55)로부터 도입되어, 각 연료 전지(셀)(30)의 가스 도입 측으로 인도되며, 각 연료 전지(30)에서 사용됨과 동시에, 각 연료 전지(30)를 통과한 연료 가스(수소)는, 전지 스택(50)의 배출구(56)로부터 배출된다. 이 배출된 연료 가스는, 도시되지 않은 순환 경로에 의해 소정 농도의 연료 가스로 조정되고, 재차 전지 스택(50)의 도입구(55)에 도입되도록 구성되어 있다.
마찬가지로, 공기측(산소측)은 공기(산소)의 도입구(57)로부터 도입되어, 각 연료 전지(30)의 산소 전극측으로 인도되며, 각 연료 전지(30)를 통과한 후, 전지 스택(50)의 공기(산소)의 배출구(58)로부터 배출된다.
이 때, 본 예의 전지 스택에서는, 전해질막(11)이 실온을 사이에 끼고, 저온에서부터 고온에서 가동 가능하기 때문에, 반응에 의해 생기는 물은, 연료 전지 (30)의 온도가 어느 정도 높고(예를 들면 100℃ 정도), 생성되는 수분이 증기로서 공기와 함께 배출시키는 것이 가능하다.
이상과 같이 구성함으로써, 연료 전지 내에서의 냉각 외에, 연료 전지의 외주 측부터의 냉각을 행하는 것이 가능하게 되며, 다수의 연료 전지를 적층함으로써, 대용량의 연료 전지를 제공하는 것이 가능해진다. 또한, 생성되는 수분은, 연료 전지의 발열에 의해 기화되어, 도입되는 공기와 함께 배출시킬 수가 있다.
이어서, 상술한 바와 같이 구성된 전극 모듈(EM) 및 각종 막을 이용하여 구성되는 셀(C)을 설명한다. 이 셀(C)은, 본 발명에 관련되는 연료 전지를 구성하는 것으로서, 도 20에 도시하는 바와 같이, 공기측 플레이트(40)와 밀폐 플레이트(50)에 의해 밀폐되어 협지(狹持;사이에 낌)되어 있다. 도 20에 도시하는 예에서는, 2개의 전극 모듈(EM) 및 각종 막을 사용하고 있으며, 공기측 플레이트(40)는, 공기 공급이 가능하도록, 공기측 전극에 공기를 공급하는 개구부 또는 구멍부(41)가 설치되어 있다. 또한 공기측 플레이트(40)의 한쪽 면에는, 전기적 접촉을 취하기 위한 회로 패턴(비도시)이 설치되어 있다.
이 공기측 플레이트(40)에 복수의 전극 모듈(EM) 및 각종 막을, 기밀성을 유지하여 취부하고, 각 공기측 전극은 공기측 플레이트(40)에 설치된 개구부 또는 구멍부(41)를 통해서만 공기가 공급된다. 한편, 밀폐 플레이트(50)는, 전극 모듈(EM) 및 각종 막의 연료측과 접촉하는 면을 밀폐시키는 것이다.
본 예에서는, 공기측 플레이트(40)와 밀폐 플레이트(50) 외에, 씰(seal) 프레임(60)을 사용하고 있다. 이 씰 프레임(60)의 전후(도 20에서는 상하)에서 전극 모듈(EM) 및 각종 막을 끼우도록 공기측 플레이트(40)와 밀폐 플레이트(50)로 밀폐하고 있다. 본 예의 씰 프레임의 폭 Y는, 공기측 플레이트(40)와 전극 모듈(EM) 및 각종 막과 밀폐 플레이트(50)를 중합시킨 폭과, 거의 같은 폭으로 하고 있다.
씰 프레임(60)에는, 밀폐 플레이트(50)와 전극 모듈(EM) 및 각종 막의 연료측과 접촉하는 면과의 사이에 연통(連通)하는 개구(開口)(도시되어 있지 않지만, 본 예에서는 연료측에 치우쳐 형성되어 있다)를 설치하고, 이 개구와 연통하는 주입구(61)를 설치하며, 이 주입구(61)로부터 연료 가스가 주입되도록 형성되어 있다. 연료 가스, 예를 들면 수소가 주입되면, 각 전극 모듈(EM)의 연료측 전극은 연료 가스의 분위기에 노출되어, 전해질막에서 프로톤 교환 반응이 일어난다.
도 20에 도시하는 실시예에서, 공기측 플레이트(40)와 밀폐 플레이트(50)와 씰 프레임(60)을 사용하고 있지만, 이것들은, 일부 혹은 전부를 플렉서블 시트로 형성하는 것이 가능하다. 플렉서블 시트는, 염화비닐 수지(PVC), 폴리프로필렌 수지(PP), 폴리페닐렌술피드(PPS), 내열성 수지, 예를 들면 폴리이미드 수지 등의 시트나 필름 등, 연료 전지의 사용 환경ㆍ동작 조건에 맞추어, 적절히 선택하는 것이 가능하다. 또 이하의 예에서도, 마찬가지로 플렉서블 시트를 사용하는 것이 가능함은 물론이다.
도 21은, 도 20에 도시하는 예의 변형예를 나타내는 공기측 플레이트의 이면을 씰 프레임에서 본 개략 설명도이며, 도 21의 예에서는, 전극 모듈(EM) 및 각종 막을 4개 설치한 예에 사용되는 것으로서, 이와 같은 전극 모듈(EM)에 배치 위치에 맞추어 공기측 플레이트(40)의 개구부 또는 구멍부(41)를 형성한 것이다. 또한, 도 21의 예에서는, 상기 전극 모듈(EM)이 복수 있는 경우의 복수 전극 모듈(EM) 사이의 전기적 접속을 나타내고 있으며, 전극 모듈(EM)이 부착되는 공기측 플레이트 (40)의 이면 측에 전기 접속용의 접속용 패턴이 형성되고, 이 접속용 패턴의 단부 (41a)에서 도통이 시도된 예를 도시하는 것이다.
도 22는, 다른 연료 전지의 측면도이며, 이 도 22의 예는, 2매의 플렉서블 시트(71, 72)로 전극 모듈(EM) 및 각종 막을 밀봉한 예를 도시하는 것이다. 본 예에서의 셀(C)의 내부 구성은, 상술한 도 20이나 도 21에 도시하는 구성예 외에, 후술하는 도 23∼도 26의 예일지라도 좋음은 물론이다.
도 23은, 전극 모듈(EM) 사이의 전기적 접속을 설명하는 것이며, 본 예에서는, 공기측 플레이트(40)와 밀폐 플레이트(50)에 의해 전극 모듈(EM) 및 각종 막을 보지하지만, 이들 공기측 플레이트(40)와 밀폐 플레이트(50) 사이에, 산소와 접촉하는 면과 반대측의 면에 설치된 연료측과 접촉하는 면으로 이루어지는 지지 부재 (70)를 개재시킨 예를 도시하는 것이다.
본 예의 지지 부재(70)는, 단면이 개략 L자 형상을 하고 있지만, 이것은 전극 모듈(EM) 및 각종 막을 면(71a)으로 지지하기 위한 것이며, 형상 등에 대해서는, 지지 기능이 있으면 된다. 또한 지지 부재(70)는 컨택트 기능을 가지고 있으며, 전극 모듈(EM)의 접합면에 설치된 접속용 패턴(81)이 형성되어 있다. 본 예에서는, 구성이 명확해지도록 공기측 플레이트(40)와 전극 모듈(EM)을 이간(離間)시켜서 도시하고 있다. 그리고, 전극 모듈(EM)의 전해질막(11)의 일부를 상기 접속용 패턴(81)에, 도전성을 가지는 접착제(12) 및 도전체로 이루어지는 테두리 몸체(20)를 개재하여 접촉시키고, 지지 부재(70)를 개재하여, 다른 접속용 패턴(81)에 접촉하도록 구성하고 있다. 또, 지지 부재(70)는 컨택트 기능을 가지도록 구성하고 있지만, 다른 수단에 의해 접속을 하도록 구성할 수도 있다.
도 24는, 셀의 구성예를 도시하는 설명 단면도이며, 테두리 몸체(20)가 연료측의 막을 테두리 몸체의 치수보다 작게 한 전극 모듈(EM)의 예를 도시하고 있는 것이며, 전극 모듈(EM)을 취부한 공기측(산소측) 플레이트(40), 혹은 플렉서블 시트를 두 개, 연료측을 대향시켜, 즉 2매를 서로 등(背)을 맞대게 하여 구성하고, 각 단부를 씰 부재(90)로 봉인(seal)하여 밀폐 구조로 한 구성을 나타내는 것이다. 또한, 도 24 중의 91은 스페이서이며, 92는 스페이서겸 연료 가스의 노즐 연통관이다.
즉, 공기측을 외측으로 하고, 연료측을 내측으로 하여, 연료 가스를 내측으로부터 주입한다. 이로 인해, 연료 가스를 셀(C)의 중앙으로부터 주입하는 것만으로, 양측 전극 모듈(EM) 및 각종 막 측으로 연료 공급이 가능하게 되어, 컴팩트한셀(C)로 하는 것이 가능하다. 이와 같이, 전극 모듈(EM) 및 각종 막의 연료측과 접촉하는 면을 테두리 몸체(20) 및 스페이서(91)를 개재하여 서로 대향시키고, 이들 대향면에 연료 가스를 공급하도록 구성하고 있다.
도 25는, 셀의 구성예를 도시하는 설명 단면도이며, 상술한 도 24와는 반대로, 앞서 설명한 도 2와 마찬가지 구성의 전극 모듈(EM) 및 각종 막을 사용한 예를 나타내는 것이다. 본 에에서는, 스페이서(94) 및 스페이서겸 연료 가스의 노즐 연통관(95)을 이용하여 전극 모듈(EM) 및 각종 막 사이에 연료 가스를 위한 공간을 형성하고 있다. 또, 본 예에서는, 주입구(61)의 내측에 도통 가능한 관체 (管體)(63)를 사용하고 있으며, 이 관체(63)의 일부(63a)는 각각 전극용의 금속층 (13)과 접촉하고 있다. 또한, 금속층(13)은, 도통성이 있는 씰 부재(90)와 접촉시키거나(테두리 몸체가 절연성이 있는 경우), 테두리 몸체(20)가 도전체인 경우에는, 테두리 몸체(20)와 도통성이 있는 씰 부재(90)와의 접촉에 의해 도통을 시도하고 있다.
본 예의 금속층(13)(도 24에서는 비도시됨)은, 도 2와 마찬가지로 전해질막 (11)과 시트층(18)과의 사이에 형성되어 있지만, 접속 부분은 전해질막(11)의 일부에 구멍 등을 형성하고, 노즐관 측에서 접속하도록 구성하는 것도 가능하다.
본 예에서는, 관체(63)와, 도통성이 있는 씰 부재(90)와의 사이에서 접속하고 있다.
도 26은, 셀의 구성예를 도시하는 모식적으로 나타내는 단면도이며, 이 예에서는, 2중화되며, 동시에 연속한 구성의 셀(C)을 나타내는 것이다. 즉, 본 예에서는, 도 25에 도시한 예와 마찬가지의 구조를 연속시킨 것이다.
본 예의 전극 모듈(EM) 및 각종 막은, 앞서 설명한 도 25와 마찬가지의 구성을 가지고 있다. 인접하는 전극 모듈(EM) 및 각종 막 사이에 스페이서(96)를 개재하여 복수 열을 형성하고, 이들 전극 모듈(EM) 및 각종 막의 연료측의 대향면에, 연료 가스를 공급하여 연료 전지를 형성한 것이다. 본 예에서는, 스페이서(96)가 앞서 설명한 도 23에 도시한 바와 같이, 전극 모듈(EM)을 면(97)으로 지지하고, 동시에 공기측(산소측) 플레이트(40) 사이에 위치하여 2중화한 각 전극 모듈(EM) 및 각종 막의 사이에 개재되어 있다. 또, 전기적 접촉이나 연료 가스의 공급, 노즐 등에 대해서는, 상기 각 실시예에 기재한 수단을 그대로 적용할 수가 있다.
또한, 연료 가스를 가압하여 공기측과의 기압차가 생기는 운전 조건으로 하는 것도 가능하며, 이와 같은 조건인 경우, 가스압을 전극 모듈(EM)의 테두리 몸체 (20)와 연료측 시트층(17)에서 받고, 또한 공기측 플레이트(40)와 전극의 틈새를 최소로 함으로써, 굴곡을 제한하며, 전해질막(11)으로의 힘의 분산을 도모하는 방향으로 각 전극 모듈을 배치한다.
그리고, 연료측의 밀폐된 공간에 가압된 연료 가스를 보내들여, 압력을 일정하게 조절하여, 가스의 소비에 의한 감압을 보충하도록 공급량을 제어하는 방식을 취하고 있다.
또한, 공기측 플레이트(40)와, 전극 모듈(EM)과, 밀폐 플레이트(50)는, 각각 소망 형상을 하고 있으며, 적어도 공기측 플레이트(40), 전극 모듈(EM), 밀폐 플레이트(50)가 외형 형상을 개략 동일하게 하는 것도 가능하다.
이와 같이 구성하면, 소정의 전기 기기, 예를 들면 텔레비젼 수상기, 비디오테이프레코더, 휴대형카메라, 디지털비디오카메라, 디지털카메라, 휴대형이나 거치형을 포함한 퍼스널컴퓨터, 팩시밀리, 휴대전화를 포함한 정보 단말, 프린터, 네비게이션 시스템, 그 외의 OA 기기, 조명 장치, 가정용 전기 기기 등의 형상에 맞추어, 최적 형상의 연료 전지를 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 27은, 세퍼레이터를 배치한 연료 전지의 개략 단면을 도시하는 것이며, 본 예의 연료 전지는, 앞서 설명한 전극 모듈(EM)의 양측의 위치에 연료 가스 및 공기의 통로(32)를 구비한 세퍼레이터(31)를 배설하고, 그 양측에 스페이서(33)를 배설한 구성예를 나타내는 것이다. 또, 도 27 중, 34는 프레임들이며, 세퍼레이터 (31) 및 프레임(34)으로 전극 모듈(EM) 및 각종 막을 에워싸 형성하고 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 무가습의 조건 하에서 프로톤을 전도할 수 있는 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막을 사용하고 있기 때문에, 도미노 효과에 의한 프로톤 이송을 가능하게 할 수 있으며, 퍼플루오로술폰산 수지와 달리, 물의 가습이 불필요하게 되고, 가스의 가습이나 막의 수분 관리, 정밀한 가스 유량이나 가습용의 물의 컨트롤이 불필요하여, 시스템을 간략화할 수 있고 전지 코스트를 저감시킬 수 있다.
게다가, 무가습의 조건 하에서 프로톤을 전도할 수 있는 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막은 표면 가공이 용이하고, 온도 범위가 넓다고 하는 특성을 가지고 있기 때문에, 전극 모듈이 심플한 구성이기 때문에 양산성이 풍부하여 코스트 저감을 도모할 수 있다.
더욱이, 본 발명은, 전해질막을 테두리 몸체로 보지하고 있기 때문에, 전해질막이 어셈블리로서 취급하기 쉽게 되며 복수 개를 실장(實裝)함으로써 용이하게 전기 용량을 바꿀 수 있으며, 작은 용량에서부터 대용량의 전지까지 스케일의 조정이 가능한 전지를 실현할 수가 있다. 이와 같이, 본 발명에 의하면, 대량 생산 프로세스에 매우 적합하고, 대폭적인 코스트 저감을 도모할 수 있는 전극 모듈 및 연료 전지 및 전지 스택을 실현할 수 있다.
더욱이 또한, 본 발명에 관련되는 전극 모듈은, 무가습의 조건 하에서 프로톤을 전도할 수 있는 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막을 테두리 몸체로 지지하며, 특히 프로톤 전도체는, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료를 모체로 해서 프로톤 해리성의 기를 도입하고, 탄소질 재료가, 풀러렌 분자로 하거나, 결합제를 함유하는 것으로 함으로써, 연료 가스에 관한 수분을 정밀하게 제어할 필요가 없으며, 결합제를 사용한 경우에는 결합제에 의해 결착되고, 강도가 충분한 프로톤 전도체로 되어, 보다 세퍼레이터를 간소화시키는 것이 가능하게 된다.

Claims (35)

  1. 무가습의 조건 하에서 프로톤을 전도할 수 있는 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막을 테두리 몸체로 지지한 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 프로톤 전도체는, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료를 모체로 해서 프로톤 해리성의 기를 도입하여 이루어지는 것인 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 탄소질 재료는, 풀러렌 분자인 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 전해질막은 결합제를 함유하는 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 테두리 몸체에는 상기 전극막과의 컨택트부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 테두리 몸체가 도전체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 테두리 몸체와 다른 전기 접속 부재가 전기적으로 접속되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 테두리 몸체가 절연체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 테두리 몸체가 외부 부재와의 전기적 접촉을 취하기 위한 부분을 전극용 금속층의 일부로서 설치한 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 테두리 몸체는 복합 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 복합 재료는, 적어도 유리재와 에폭시 수지를 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 전해질막에는, 전극막과 촉매층이 스패터링, 도금, 페이스트 도포의 어느 것인가를 적어도 포함하는 막 성형 프로세스에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  13. 제 12항에 있어서, 전기 전극막과 촉매층은, 교호(交互)로 겹쳐 쌓아 적어도 2층 이상의 다층 막으로 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  14. 전해질막을 지지하는 테두리 몸체와,
    촉매를 담지시킨 다공성의 연료 투과 재료막과,
    촉매층과 소수성(疏水性) 물질 입(粒)을 담지시킨 다공성의 산소 투과 재료막을 구비하며,
    상기 연료 투과 재료막과 산소 투과 재료막의 적어도 한쪽 막이, 상기 테두리 몸체의 테두리 내 치수에 대해 막이 펼쳐지는 측은 크게 반대측은 작게 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  15. 전해질막을 지지하는 테두리 몸체와,
    전해질막의 양측에 설치된 전극용의 금속층과 촉매층과,
    촉매를 담지시킨 다공성의 연료 투과 재료막과,
    촉매층과 소수성 물질 입을 담지시킨 다공성의 산소 투과 재료막을 구비하며,
    상기 연료 투과 재료막과 산소 투과 재료막의 적어도 한쪽 막이, 상기 테두리 몸체의 테두리 내 치수에 대해 막이 펼쳐지는 측은 크게 반대측은 작게 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극 모듈.
  16. 전해질막을 지지하는 테두리 몸체와, 촉매를 담지시킨 다공성의 연료 투과 재료막과, 촉매층과 소수성 물질 입을 담지시킨 다공성의 산소 투과 재료막을 구비한 전극 모듈과,
    상기 전극 모듈의 적어도 한쪽 편에 냉각수의 통로를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  17. 전해질막을 지지하는 테두리 몸체와, 전해질막의 양측에 설치된 전극용의 금속층과 촉매층과, 촉매를 담지시킨 다공성의 연료 투과 재료막과, 촉매층과 소수성 물질 입을 담지시킨 다공성의 산소 투과 재료막을 구비한 연료 전지의 전극 모듈과,
    상기 전극 모듈의 적어도 한쪽 편에 형성된 냉각용의 통로를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서, 상기 전극 모듈은, 연료 투과 재료막과 산소 투과 재료막의 적어도 한쪽 막이, 상기 테두리 몸체의 테두리 내 치수에 대해 막이 펼쳐지는 측은 크게 반대측은 작게 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  19. 제 16항 또는 제 17항에 기재된 연료 전지를 복수 층 중합(重合)하여, 케이스 몸체(筐體) 내에 배치하고, 여압 플레이트를 개재하여 상기 전해질막을 지지하는 테두리 몸체 부분으로 압력을 가하여 고정시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지 스택.
  20. 제 16항 또는 제 17항에 기재된 연료 전지를 복수층 중합하고, 각 연료 전지의 사이에 냉각수의 통로를 형성하여 케이스 몸체 내에 배치하며, 여압 플레이트를 개재하여 상기 전해질막을 지지하는 테두리 몸체 부분으로 압력을 가하여 고정시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 전지 스택.
  21. 공기 공급이 가능한 공기측 플레이트와,
    상기 공기측 플레이트에 기밀성(氣密性)을 가지고 취부되며 산소와 접촉하는 면을 구비한 적어도 하나의 전극 모듈과,
    상기 전극 모듈의 상기 산소와 접촉하는 면과 반대측의 면에 설치된 연료측과 접촉하는 면을 밀폐하는 밀폐 플레이트와,
    상기 밀폐 플레이트와 상기 전극 모듈의 연료측과 접촉하는 면과의 사이에 연료 가스를 주입하는 주입구를 설치하여 이루어지는 셀(cell)을 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  22. 공기 공급이 가능한 공기측 플레이트와, 그 공기측 플레이트에 기밀성을 가지고 취부되며 산소와 접촉하는 면을 구비한 적어도 하나의 전극 모듈과,
    상기 산소와 접촉하는 면과 반대측의 면에 설치된 연료측과 접촉하는 면으로이루어지는 구성 부재를 구비하며,
    상기 구성 부재의 연료측과 접촉하는 면을 서로 스페이서를 개재하여 대향시키고, 이들 대향면에 연료 가스를 공급하여 이루어지는 셀을 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  23. 공기 공급이 가능한 공기측 플레이트와, 그 공기측 플레이트에 기밀성을 가지고 취부되며 산소와 접촉하는 면을 구비한 적어도 하나의 전극 모듈과,
    상기 산소와 접촉하는 면과 반대측의 면에 설치된 연료측과 접촉하는 면으로 이루어지는 복수의 구성 부재를 구비하며,
    상기 복수의 구성 부재의 연료측과 접촉하는 면을 서로 소정 간격으로 배설된 스페이서를 개재하여 대향시켜 복수 열 형성하고, 이들 대향면에 연료 가스를 공급하여 이루어지는 셀을 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  24. 제 21항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공기측 플레이트와, 상기 전극 모듈과, 상기 밀폐 플레이트는, 각각 소망의 형상을 하고 있으며, 적어도 공기측 플레이트, 전극 모듈, 밀폐 플레이트가 외형 형상을 개략 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  25. 제 21항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 모듈이 복수 있는 경우의 복수 전극 모듈 사이의 전기적 접속은, 전극 모듈이 붙여지는 공기측 플레이트의 면에 설치된 접속용 패턴에 의해 이루어지고, 전극 모듈을 구성하는 전극막의 일부를 상기 접속용 패턴에 접촉시키며, 상기 프레임과는 반대면에 접촉하는 컨택트 기능을 구비한 지지체를 개재하여, 다른 전극 모듈의 접속용 패턴에 접촉시킴으로써 접속을 확보하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  26. 제 21항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 모듈의 양측 위치에는, 연료 가스 및 공기의 통로를 구비한 세퍼레이터가 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  27. 제 21항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 플레이트 중 적어도 하나는 플렉서블(flexible) 시트인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  28. 제 21항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극 모듈은, 무가습의 조건 하에서 프로톤을 전도할 수 있는 프로톤 전도체를 함유하는 전해질막을 테두리 몸체로 지지한 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 프로톤 전도체는, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질 재료를 모체로 해서 프로톤 해리성의 기를 도입하여 이루어지는 것인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  30. 제 29항에 있어서, 상기 탄소질 재료는, 풀러렌 분자인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  31. 제 28항에 있어서, 상기 전해질막은 결합제를 함유하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  32. 제 28항에 있어서, 상기 테두리 몸체에는 상기 전극막과의 컨택트부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  33. 공기 공급이 가능한 공기측 플레이트와, 그 공기측 플레이트에 기밀성을 가지고 취부되며 산소와 접촉하는 면을 구비한 적어도 하나의 전극 모듈과,
    상기 산소와 접촉하는 면과 반대측의 면에 설치된 연료측과 접촉하는 면으로 이루어지는 복수의 구성 부재를 구비하며,
    상기 복수의 구성 부재의 연료측과 접촉하는 면을 서로 소정 간격으로 배설된 스페이서를 개재하여 대향시켜서 복수 열을 형성하고, 이들 대향면에 연료 가스를 가압하여 공급하며, 공기측과의 기압차가 생기도록 구성하여 이루어지는 셀을 구비한 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  34. 제 33항에 있어서, 상기 공기측 플레이트와, 상기 전극 모듈은, 각각 소망의 형상을 하고 있으며, 적어도 공기측 플레이트, 전극 모듈이 외형 형상을 개략 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  35. 제 33항에 있어서, 상기 가압된 연료 가스의 공급은, 압력을 일정하게 조절하고, 연료 가스의 소비에 의한 감압(減壓)을 보충하도록 공급량을 제어시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
KR10-2003-7009234A 2001-01-19 2002-01-16 전극 모듈 KR20030068584A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2001-00012531 2001-01-19
JPJP-P-2001-00012532 2001-01-19
JP2001012532 2001-01-19
JP2001012531 2001-01-19
PCT/JP2002/000250 WO2002058176A1 (fr) 2001-01-19 2002-01-16 Module d'electrode

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20030068584A true KR20030068584A (ko) 2003-08-21

Family

ID=26608028

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2003-7009234A KR20030068584A (ko) 2001-01-19 2002-01-16 전극 모듈

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20040140201A1 (ko)
JP (2) JP4576792B2 (ko)
KR (1) KR20030068584A (ko)
CN (1) CN1265490C (ko)
WO (1) WO2002058176A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10396383B2 (en) 2017-01-24 2019-08-27 Korea Institute Of Science And Technology Membrane electrode assembly and fuel cell comprising the same

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4581253B2 (ja) * 2001-01-26 2010-11-17 株式会社エクォス・リサーチ ガスセンサ
JP3663629B2 (ja) * 2002-04-22 2005-06-22 ソニー株式会社 電気化学的水素流量制御装置
US7641882B2 (en) * 2003-09-30 2010-01-05 Massachusetts Institute Of Technology Fullerenic structures and such structures tethered to carbon materials
US7851100B2 (en) * 2004-10-08 2010-12-14 Panasonic Corporation MEA-gasket assembly and polymer electrolyte fuel cell using same
WO2006090464A1 (ja) * 2005-02-24 2006-08-31 Octec, Inc. 固体高分子型燃料電池及び製造方法
JP4677604B2 (ja) * 2005-09-21 2011-04-27 国立大学法人山梨大学 燃料電池セルおよび燃料電池反応計測装置
FR2913417B1 (fr) * 2007-03-06 2009-11-20 Ceram Hyd Procede et unite de stockage d'hydrogene
FR2916906B1 (fr) * 2007-05-28 2009-10-02 Ceram Hyd Soc Par Actions Simp Membrane echangeuse protonique et cellule comportant une telle membrane
CN100588016C (zh) * 2007-05-29 2010-02-03 大连隆信工程塑料有限公司 直接醇类燃料电池膜电极集合体集成方法
FR2928492B1 (fr) * 2008-03-06 2011-10-21 Ceram Hyd Materiau pour un dispositif electrochimique.
JP5273541B2 (ja) * 2008-12-11 2013-08-28 独立行政法人日本原子力研究開発機構 高分子型燃料電池セル
US8940461B2 (en) * 2010-03-25 2015-01-27 GM Global Technology Operations LLC Method for membrane electrode assembly fabrication and membrane electrode assembly
WO2012099855A2 (en) 2011-01-17 2012-07-26 Marelle, Llc Water-soluble functionalized fullerenes
WO2012099113A1 (ja) * 2011-01-17 2012-07-26 住友化学株式会社 膜電極接合体および燃料電池
KR102389981B1 (ko) * 2015-06-30 2022-04-25 주식회사 미코파워 연료전지용 프레임 및 이를 포함하는 연료전지 스택 구조물

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3218410A1 (de) * 1982-05-15 1983-11-17 Accumulatorenwerke Hoppecke Carl Zoellner & Sohn GmbH & Co KG, 5790 Brilon Galvanisches element, insbesondere metall-luft-zelle
US4788764A (en) * 1986-03-11 1988-12-06 Eltech Systems Corporation Method of making a unitized electrode assembly
JP3079742B2 (ja) * 1992-02-21 2000-08-21 富士電機株式会社 固体高分子電解質型燃料電池
JP3242737B2 (ja) * 1993-03-10 2001-12-25 三菱電機株式会社 燃料電池、電気化学的除湿デバイス及び電気化学デバイスの製造方法
JPH0765847A (ja) * 1993-08-24 1995-03-10 Kansai Electric Power Co Inc:The 固体高分子電解質型燃料電池
JP3805495B2 (ja) * 1996-09-24 2006-08-02 松下電器産業株式会社 固体高分子型燃料電池
JP2000323159A (ja) * 1999-05-11 2000-11-24 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子型燃料電池
JP3466960B2 (ja) * 1999-05-20 2003-11-17 東京瓦斯株式会社 保持薄板枠付き平板型単電池及びそれを用いた燃料電池
GB9914499D0 (en) * 1999-06-22 1999-08-25 Johnson Matthey Plc Non-woven fibre webs
JP4538867B2 (ja) * 1999-06-28 2010-09-08 株式会社豊田中央研究所 高分子電解質複合膜
CA2380120C (en) * 1999-07-19 2010-10-26 Sony Corporation Proton conducting material and method for preparing the same, and electrochemical device using the same
US6566004B1 (en) * 2000-08-31 2003-05-20 General Motors Corporation Fuel cell with variable porosity gas distribution layers
US6632554B2 (en) * 2001-04-10 2003-10-14 Hybrid Power Generation Systems, Llc High performance cathodes for solid oxide fuel cells
US6670305B2 (en) * 2001-05-09 2003-12-30 The University Of Chicago Free-standing monolithic catalyst with micro-scale channel dimensions

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10396383B2 (en) 2017-01-24 2019-08-27 Korea Institute Of Science And Technology Membrane electrode assembly and fuel cell comprising the same

Also Published As

Publication number Publication date
US20040140201A1 (en) 2004-07-22
JPWO2002058176A1 (ja) 2004-05-27
WO2002058176A1 (fr) 2002-07-25
WO2002058176A9 (fr) 2002-11-14
JP2009212090A (ja) 2009-09-17
CN1265490C (zh) 2006-07-19
JP4576792B2 (ja) 2010-11-10
CN1491445A (zh) 2004-04-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2009212090A (ja) 電極モジュール及び燃料電池並びに電池スタック
US8389173B2 (en) Method for activating fuel cell
KR100879875B1 (ko) 연료전지용 엔드 플레이트 및 이를 이용한 공기호흡형연료전지 스택
JP4890787B2 (ja) 燃料電池及びその製造方法
CN100438187C (zh) 高温燃料电池系统
KR100673754B1 (ko) 스택 및 이를 채용한 연료 전지 시스템
NL1021701C2 (nl) PEM-brandstofcel.
US20130065154A1 (en) Hydrocarbon composite electrolyte membrane for fuel cell
KR100656632B1 (ko) 액체 연료 공급형 연료전지
JPWO2002027831A1 (ja) 燃料電池及びその製造方法
JP2001110428A (ja) 高分子電解質型燃料電池
JP2002216803A (ja) 燃料電池及びその製法並びに使用方法
JP4635306B2 (ja) プロトン伝導体及び電気化学デバイス
US7378175B2 (en) Fuel cell and small electric equipment
US20100248069A1 (en) Fuel cell
JP4892776B2 (ja) 燃料電池
JP2002134154A (ja) 燃料電池を備えた電気で駆動される装置
JP5535773B2 (ja) 固体高分子型燃料電池用膜−電極構造体
US8481225B2 (en) Membrane electrode assembly, manufacturing method thereof and fuel cell
JP2002216780A (ja) 電極部材及び電極部材を用いた電池並びに電極部材の製造方法
KR20090032772A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
JP2002216791A (ja) 燃料電池及び燃料電池モジュール並びにスタック
JP2002127991A (ja) 情報収集装置
US20050158605A1 (en) Fuel cell and electronic device using it
JP2001185162A (ja) 燃料電池とその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application