KR20040048308A - 연료 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 보수성이 우수한 가스 확산층을 구비한 연료 전지를 제공하는 것이다.

가스 확산층을 이형 단면 탄소 섬유를 이용하여 구성한다. 이 단면 형상의 예로서, 열십자형, X형, Y형, W형, H형, L형, 별형, 꽃모양 형상 등을 들 수 있다. 가스 확산층을 이형 단면 탄소 섬유로 구성함으로써 돌출부 사이에 협지된 오목부에 있어서 수분을 유지할 수 있고, 보수성이 우수한 가스 확산층을 실현할 수 있다.

Description

연료 전지 {FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 특히 가스 확산층을 구비한 연료 전지에 관한 것이다.

최근, 에너지 변환 효율이 높고, 또한 발전 반응에 의해 유해 물질을 발생하지 않는 연료 전지가 주목을 받고 있다. 이러한 연료 전지 중 하나로서, 100 ℃ 이하의 저온에서 작동하는 고체 고분자형 연료 전지가 알려져 있다.

고체 고분자형 연료 전지는 전해질막인 고체 고분자막을 연료극과 공기극 사이에 배치한 기본 구조를 갖고, 연료극에 수소, 공기극에 산소를 공급함으로써 이하의 전기 화학 반응에 의해 발전한다.

연료극 : H₂→ 2H^＋＋ 2e^－

공기극 : 1/2O₂＋ 2H^＋＋ 2e^－→ H₂O

연료극 및 공기극은 촉매층과 가스 확산층이 적층된 구조로 이루어진다. 각 전극의 촉매층이 고체 고분자막을 협지하여 대향 배치되어 연료 전지를 구성한다. 촉매층은 촉매를 담지한 탄소 입자가 이온 교환 수지에 의해 결착되어 이루어지는 층이다. 가스 확산층은 산소나 수소의 통과 경로가 된다. 발전 반응은 촉매층에 있어서의 촉매, 이온 교환 수지 및 수소의 소위 3상계면에 있어서 진행된다.

연료극에 있어서는 공급된 연료 가스 중에 포함되는 수소가 상기 화학식 1에 나타낸 바와 같이 수소 이온과 전자로 분해된다. 이 중 수소 이온은 고체 고분자 전해질막의 내부를, 공기극을 향해 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 공기극으로 이동한다. 한편, 공기극에 있어서는 공급된 공기에 포함되는 산소가 연료극으로부터 이동해 온 수소 이온 및 전자와 반응하여 상기 화학식 2에 나타낸 바와 같이 물이 생성된다. 이와 같이, 외부 회로에 있어서 연료극으로부터 공기극을 향해 전자가 이동함으로써 전력을 취출할 수 있다.

이러한 고체 고분자형 연료 전지에 있어서, 가스 확산층은 공급되는 수소 가스 또는 공기를 촉매층에 공급하는 역할을 감당한다. 그러나, 과잉의 물 누설에 의해 가스 확산층 속에 물의 막이 생성되면, 가스 투과성이 저하되는 상황이 발생하여 연료 전지의 발전 특성이 저하되어 버린다. 이 가스 투과성의 저하를 억제하기 위해, 카본 페이퍼 등의 다공성 기판, 즉 가스 확산층을 불소 수지 등으로 발수 처리하는 기술이 개시되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

[특허문헌 1]

일본 특허 공개 평10-289723호 공보

그런데 가스 확산층은 가스 투과성의 향상이 요구되는 동시에, 연료 가스나 공기 중에 수증기 또는 액체형으로 포함되는 가습용 수분을 전해질막에 공급하고, 또한 과잉의 가습용 수분이나 반응 생성수 등을 외부로 방출할 필요가 있다. 한편, 전해질막이나 촉매층은 어느 정도 습윤할 필요가 있으므로 그 외측에 위치하는 가스 확산층에는 수분을 유지하는 보수성도 요구된다.

본 발명은 이러한 상황에 비추어 이루어진 것이고, 그 목적은 보수성이나 물 이동성 등이 우수한 가스 확산층 및 이 가스 확산층을 구비한 연료 전지를 제공하는 데 있다.

도1은 실시 형태에 관한 연료 전지의 단면 구조를 개략적으로 도시하는 도면.

도2의 (a)는 열십자형의 단면 형상을 도시하는 도면이고, (b)는 X형의 단면 형상을 도시하는 도면이고, (c)는 Y형의 단면 형상을 도시하는 도면이고, (d)는 W형의 단면 형상을 도시하는 도면이고, (e)는 H형의 단면 형상을 도시하는 도면이고, (f)는 L형의 단면 형상을 도시하는 도면이고, (g)는 별형의 단면 형상을 도시하는 도면이고, (h)는 꽃모양 형상의 단면 형상의 예를 도시하는 도면.

도3은 꽃모양 형상 단면을 설명하기 위한 설명도.

도4는 꽃모양 형상 단면에 있어서의 중심으로부터의 거리비를 설명하기 위한 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료 전지

20 : 고체 고분자 전해질막

22 : 연료극

24 : 공기극

26, 30 : 촉매층

28, 32 : 가스 확산층

50 : 셀

60 : 오목부

62a, 62b : 돌출부

본 발명의 어느 태양은 전해질막과, 이 전해질막에 설치된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 연료 전지이며, 제1 전극 또는 제2 전극 중 적어도 한 쪽은 이형 단면 탄소 섬유를 포함하는 가스 확산층을 구비하는 연료 전지를 제공한다. 이 태양의 연료 전지는 탄소 섬유의 이형 단면에 있어서 수분을 보유함으로써 보수성을 향상시킬 수 있다. 이형 단면 탄소 섬유는 그 단면에 수분을 흡착하기 위한 오목부를 갖는 것이 바람직하다. 오목부를 마련함으로써 가스 확산층의 보수성이 향상되게 된다.

보수성을 유지하기 위해, 이형 단면 탄소 섬유의 이형도가 1.3 이상인 것이바람직하다. 또한 다른 관점으로부터는 이형 단면 탄소 섬유의 단면에 있어서의 중심으로부터 외주까지의 최장 거리(R)와, 최단 거리(r)의 비(R/r)가 1.2 이상인 것이 바람직하다. 이형 단면 탄소 섬유의 단면 형상은 열십자형, X형, Y형, W형, H형, L형, 별형, 꽃모양 형상 중 어느 하나라도 좋다.

여기서 가스 확산층은 이형 단면 탄소 섬유와, 원형 단면 탄소 섬유를 혼재시켜 형성되어도 좋다. 예를 들어 가스 확산층은 이형 단면 탄소 섬유만, 또는 이형 단면 탄소 섬유와 원형 단면 탄소 섬유를 소정의 비율로 혼재시킨 섬유 다발로 이루어지는 직포형으로 형성되어도 좋고, 또한 이형 단면 탄소 섬유만, 또는 이형 단면 탄소 섬유와 원형 단면 탄소 섬유를 소정의 비율로 혼재시켜 부직포형 또는 종이형으로 형성되어도 좋다.

가스 확산층은 가스 투과성을 향상시키기 위해, 불소 수지로 발수 처리되어도 좋다. 발수 처리는 가스 확산층의 표면 또는 내부를 불소 수지로 코팅해도 좋고, 그 표면 또는 내부에 불소 수지 입자가 도포 또는 주입되어도 좋다. 또한 가스 확산층은 물 이동성을 향상시키기 위해, 그 표면 또는 내부에 카본 입자가 도포 또는 주입되어도 좋다.

이상의 연료 전지의 제조 방법 및 가스 확산층으로서 기능하는 연료 전지용 베이스, 또는 그 제조 방법을 표현한 것도 본 발명으로서 유효하다.

도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 전지(10)의 단면 구조를 개략적으로 도시한다. 연료 전지(10)는 평판형의 셀(50)을 구비하고, 이 셀(50)의 양측에는 세퍼레이터(34) 및 세퍼레이터(36)가 설치된다. 본 예에서는 하나의 셀(50)만을나타내지만, 세퍼레이터(34)나 세퍼레이터(36)를 거쳐서 복수의 셀(50)을 적층하여 연료 전지(10)가 구성되어도 좋다. 셀(50)은 고체 고분자 전해질막(20), 연료극(22) 및 공기극(24)을 갖는다. 연료극(22) 및 공기극(24)을「촉매 전극」이라 칭해도 좋다. 연료극(22)은 적층된 촉매층(26) 및 가스 확산층(28)을 갖고, 마찬가지로 공기극(24)도 적층된 촉매층(30) 및 가스 확산층(32)을 갖는다. 연료극(22)의 촉매층(26)과 공기극(24)의 촉매층(30)은 고체 고분자 전해질막(20)을 협지하여 대향하도록 설치된다.

연료극(22)측에 설치되는 세퍼레이터(34)에는 가스 유로(38)가 설치되어 있고, 이 가스 유로(38)를 통해 셀(50)로 연료 가스가 공급된다. 마찬가지로, 공기극(24)측에 설치되는 세퍼레이터(36)에도 가스 유로(40)가 설치되고, 이 가스 유로(40)를 통해 셀(50)에 산화제 가스가 공급된다. 구체적으로는, 연료 전지(10)의 운전시, 가스 유로(38)로부터 연료극(22)으로 연료 가스, 예를 들어 수소 가스가 공급되고, 가스 유로(40)로부터 공기극(24)으로 산화제 가스, 예를 들어 공기가 공급된다. 이에 의해, 셀(50) 내에서 발전 반응이 생긴다. 가스 확산층(28)을 거쳐서 촉매층(26)에 수소 가스가 공급되면, 가스 중의 수소가 프로톤, 즉 수소 이온이 되고, 이 프로톤이 고체 고분자 전해질막(20) 중을 공기극(24)측으로 이동한다. 이 때 방출되는 전자는 외부 회로로 이동하고, 외부 회로로부터 공기극(24)으로 유입된다. 한편, 가스 확산층(32)을 거쳐서 촉매층(30)으로 공기가 공급되면, 공기 중의 산소가 프로톤과 결합하여 물이 된다. 이 결과, 외부 회로에 있어서는 연료극(22)으로부터 공기극(24)을 향해 전자가 흐르게 되어 전력을 취출할 수 있다.

고체 고분자 전해질막(20)은 습윤 상태에 있어서 양호한 이온 전도성을 나타내고, 연료극(22) 및 공기극(24) 사이에서 프로톤을 이동시키는 이온 교환막으로서 기능한다. 고체 고분자 전해질막(20)은 함불소 중합체나 비불소 중합체 등의 고체 고분자 재료에 의해 형성되어, 예를 들어 함불소 중합체로서 술폰산형 퍼플루오르카본 중합체, 폴리술폰 수지, 포스폰산기 또는 카르복실산기를 갖는 퍼플루오르카본 중합체 등을 이용할 수 있고, 또한 비불소 중합체로서, 술폰화 방향족 폴리에테르케톤, 술폰화폴리에테르술폰 등을 이용할 수 있다. 술폰산형 퍼플루오르카본 중합체의 예로서, 나피온(듀퐁사제 : 등록 상표)(112) 등을 들 수 있다.

연료극(22)에 있어서의 가스 확산층(28) 및 공기극(24)에 있어서의 가스 확산층(32)은 공급되는 수소 가스 또는 공기를 촉매층(26) 및 촉매층(30)에 공급하는 기능을 갖는다. 또한 발전 반응에 의해 생기는 전하를 외부 회로로 이동시키는 기능이나, 물이나 미반응 가스 등을 외부로 방출하는 기능도 갖는다. 가스 확산층(28) 및 가스 확산층(32)은 전자 전도성을 갖는 다공성 베이스로 구성되는 것이 바람직하고, 예를 들어 카본 페이퍼나 카본 크로스, 카본 부직포 등으로 구성된다.

연료극(22)에 있어서의 촉매층(26) 및 공기극(24)에 있어서의 촉매층(30)은 다공막으로, 적어도 이온 교환 수지와, 촉매를 담지한 탄소 입자로 구성되는 것이 바람직하다. 담지되는 촉매에는, 예를 들어 백금, 금, 은, 로듐, 루테늄 등의 귀금속 혹은 이들을 포함한 합금 등이 있다. 또한 촉매를 담지하는 탄소 입자에는 아세틸렌 블럭, 케텐 블럭, 퍼니스 블럭, 카본나노튜브 등이 있다.

이온 교환 수지는 탄소 입자에 담지된 촉매와 고체 고분자 전해질막(20) 사이의 프로톤 전도 경로로서의 기능을 갖는다. 따라서, 이온 교환 수지에는 프로톤 전도성이 요구된다. 또한 촉매까지 수소나 산소를 확산시키기 위해, 어느 정도의 가스 투과성이 요구된다. 이온 교환 수지는 고체 고분자 전해질막(20)과 같은 고분자 재료로부터 형성되어도 좋다.

이하, 셀(50)의 제작 방법의 일예를 나타낸다. 우선, 연료극(22) 및 공기극(24)을 제작하기 위해 백금 등의 촉매를, 예를 들어 함침법이나 콜로이드법을 이용하여 탄소 입자에 담지시킨다. 다음에, 촉매를 담지하는 탄소 입자와 이온 교환 수지를 용매에 분산시켜 촉매 잉크를 생성한다. 이 촉매 잉크를 가스 확산층이 되는, 예를 들어 카본 페이퍼에 도포하여 가열, 건조시킴으로써 연료극(22) 및 공기극(24)을 제작한다. 도포 방법은, 예를 들어 브러시 도포, 스프레이 도포, 스크린 인쇄, 닥터블레이드 도포, 전사 등의 기술을 이용해도 좋다. 계속해서, 고체 고분자 전해질막(20)을 연료극(22)의 촉매층(26)과 공기극(24)의 촉매층(30)으로 협지하고, 핫프레스하여 접합한다. 이에 의해, 셀(50)이 제작된다. 고체 고분자 전해질막(20)이나, 촉매층(26) 및 촉매층(30)에 있어서의 이온 교환 수지를 연화점이나 유리 전이가 있는 고분자 재료로 구성하는 경우, 연화 온도나 유리 전이 온도를 초과하는 온도에서 핫프레스를 행하는 것이 바람직하다.

셀(50)의 다른 제작 방법으로서, 이하의 예를 들 수 있다. 촉매 잉크를 직접 고체 고분자 전해질막(20)에 도포하여 가열, 건조시킴으로써 촉매층(26) 및 촉매층(30)을 형성해도 좋고, 도포 방법으로서는, 예를 들어 스프레이 도포 등의 기술을 이용해도 좋다. 이 촉매층(26) 및 촉매층(30)의 외측에 가스 확산층(28) 및 가스 확산층(32)을 배치하여 핫프레스를 행함으로써 셀(50)을 제작해도 좋다. 셀(50)의 또 다른 제작 방법으로서, 촉매 잉크를 테프론 시트 등의 위에 도포하여 가열, 건조시킴으로써 촉매층(26) 및 촉매층(30)을 형성해도 좋고, 도포 방법으로서는, 예를 들어 스프레이 도포나 스크린 인쇄 등의 기술을 이용해도 좋다. 계속해서, 테프론 시트 상에 형성한 촉매층(26) 및 촉매층(30)을 고체 고분자 전해질막(20)에 대향시킴으로써 협지하고, 핫프레스하여 접합한다. 그 후 테프론 시트를 박리하여 촉매층(26) 및 촉매층(30)의 외측에 가스 확산층(28) 및 가스 확산층(32)을 배치해도 좋다.

본 실시 형태에서는 연료극(22) 또는 공기극(24) 중 적어도 한 쪽이 이형 단면 탄소 섬유를 포함하는 가스 확산층(28) 또는 가스 확산층(32)을 구비한다. 이하, 설명의 편의상, 가스 확산층을 공기극(24)에 있어서의 가스 확산층(32)으로 대표시킨다. 가스 확산층(32)은 습윤도가 지나치게 높은 경우에는 물을 외부로 방출하고, 반대로 낮은 경우에는 물을 내부에 유지하는 것이 바람직하다.

「이형 단면 탄소 섬유」라 함은, 열십자형, X형, Y형, W형, H형, L형, 별형 등의 특수한 단면 구조를 갖게 한 탄소 섬유이다. 이 탄소 섬유는, 예를 들어 2 내지 20 ㎛의 굵기를 갖는 것이 바람직하고, 또한 5 내지 12 ㎛ 정도, 또는 8 ㎛ 정도의 굵기가 강도나 두께 제어의 관점으로부터 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서, 용어「이형 단면」은 원형 또는 실질적으로 원형의 단면과 구별하는 의미에 있어서 이용한다. 실질적으로 원형의 단면이라 함은, 단면 형상에 약간의 요철이있지만 전체적으로 원형이고, 이형 단면을 형성한다는 설계 사상을 기초로 제작된 것이 아닌 것을 포함한다. 원형 단면 및 실질적으로 원형의 단면을 갖는 탄소 섬유를 원형 단면 탄소 섬유라 부른다.

도2의 (a) 내지 (h)는 이형 단면 탄소 섬유의 단면 형상의 예를 나타낸다. 구체적으로 도2의 (a)는 열십자형의 단면 형상을 도시하고, 도2의 (b)는 X형의 단면 형상을 도시하고, 도2의 (c)는 Y형의 단면 형상을 도시하고, 도2의 (d)는 W형의 단면 형상을 도시하고, 도2의 (e)는 H형의 단면 형상을 도시하고, 도2의 (f)는 L형의 단면 형상을 도시하고, 도2의 (g)는 별형의 단면 형상을 도시하고, 도2의 (h)는 꽃모양 형상의 단면 형상의 일예를 도시한다. 또한, 이형 단면 탄소 섬유의 단면 형상은 도2의 (a) 내지 (h)에 예시한 것으로 한정되지 않고, 다른 형상을 취해도 좋다.

도3은 도2의 (h)에 도시한 꽃모양 형상 단면을 설명하기 위한 도면이다. 이 꽃모양 형상 단면은 2개의 돌출부(62a) 및 돌출부(62b)와, 오목부(60)를 갖는다. 도시한 바와 같이, 본 예에서는 복수의 오목부가 형성되어 있다. 오목부(60)는 2개의 돌출부(62a) 및 돌출부(62b)에 의해 협지된 영역이다. 즉, 이 단면에 대해 돌출부(62a) 및 돌출부(62b)를 연결하는 접선을 당긴 경우에, 접선의 내측, 즉 섬유측에 있는 영역이 오목부(60)가 된다. 다른 표현을 이용하면, 예를 들어 도시한 단면 형상에 있어서는 오목부(60)의 최하점과, 각각의 돌출부(62a) 및 돌출부(62b)에 있어서의 최고점과의 사이의 선분에 의해 구성되는 각도(α)가 180도보다도 작아진다. 최하점 및 최고점의 정의는 형상에 따라서 적절하게 정해지지만, 본 예에서는 오목부(60)에 있어서 단면의 중심으로부터 최단 거리에 있는 위치를 오목부(60)의 최하점이라 하고, 각각의 돌출부(62a) 및 돌출부(62b)에 있어서 중심으로부터 최장 거리에 있는 위치를 각각의 최고점이라 하고 있다. 또한, 각도(α)는 오목부(60)를 외측으로부터 본 각도에 상당한다. 이상의 것 중 어느 하나의 표현에 해당하는 영역을 오목부(60)라 부른다.

탄소 섬유에 오목부(60)를 형성함으로써, 수분이 이 오목부(60)에 저장되기 쉬워진다. 따라서, 오목부(60)는 수분을 유지하는 역할을 감당하여 가스 확산층(32)의 보수성을 향상시키게 된다. 또한, 도2의 (h)에 도시한 꽃모양 형상 단면에 한정되지 않고, 다른 이형 단면도 마찬가지로 오목부를 갖는 것은 도2의 (a) 내지 (g)의 예로부터도 당업자라면 이해할 수 있는 점이다. 예를 들어, 도2의 (a)에 있어서의 열십자형의 단면 형상에서는 그 교차 부분에 각도를 직각으로 하는 오목부가 형성되어 있다.

가스 확산층(32)은 불소 수지로 발수 처리되어 있어도 좋다. 발수 처리함으로써 가스 확산층(32) 내에서 물의 막화를 방지하여 발수 처리된 영역을 통해 가스의 원활한 공급이 가능해진다. 또한, 가스 확산층(32)은 그 표면 또는 내부에 카본 입자를 도포 또는 주입해도 좋다. 이에 의해, 친수성의 카본 입자로 구성되는 모세관형의 수류로가 형성된다. 촉매층(30)에 있어서 생긴 반응물을 방출하는 경우에는, 이 모세관형 유로를 통해 물을 외부로 유도할 수 있다. 촉매층(30)에 있어서 생긴 반응수는 가스 확산층(32)을 통해 외부로 방출되므로, 촉매층(30)과 가스 확산층(32)의 경계면 부근에 카본 입자를 배치하는 것은 물 이동성 향상의 관점으로부터 유효하다. 또한 탄소 섬유의 단면에 오목부(60)가 형성되어 있으므로, 이 오목부(60)가 수류로로서도 기능하여 가스 확산층(32)의 물 이동성을 더욱 향상시킬 수 있다.

가스 확산층(32)은 이형 단면 탄소 섬유만으로 형성되어도 좋고, 또한 이형 단면 탄소 섬유와 원형 단면 탄소 섬유를 혼재시켜 형성되어도 좋다. 구체적으로, 가스 확산층(32)은 이형 단면 탄소 섬유만, 또는 이형 단면 탄소 섬유와 원형 단면 탄소 섬유를 소정의 비율로 혼재시킨 섬유 다발로 이루어지는 직포형으로 형성되어도 좋고, 또한 이형 단면 탄소 섬유만, 또는 이형 단면 탄소 섬유와 원형 단면 탄소 섬유를 소정의 비율로 혼재시켜 부직포형 또는 종이형으로 형성되어도 좋다. 섬유 다발은 단섬유로 이루어지는 방적사 또는 혼방사 등, 혹은 장섬유로 이루어지는 멀티필라멘트사, 혼직사 등으로 형성된다.

이하, 본 실시 형태에 있어서의 이형 단면의 평가 지표를 예시한다. 이형 단면을 표현하는 하나의 평가 지표로서 단면의 이형도라는 개념을 이용한다. 단면의 이형도는 이하의 식으로 산출된다.

(이형도) ＝ L/Lo ＝ L/(4 × π × S)^1/2

여기서, L은 이형 단면 탄소 섬유의 단면 지름이고, Lo는 이형 단면 탄소 섬유와 동일한 단면적의 실제 원의 지름이고, S는 이형 단면 탄소 섬유의 단면적이다.

본 실시 형태에 있어서의 이형 단면 탄소 섬유는 이미 서술한 바와 같이 물을 흡착하는 오목부를 갖고 있고, 그 이형도는 1.3 이상인 것이 바람직하고, 또한 1.5 이상, 또는 2 이상인 것이 바람직하다. 이형도를 1.3 이상으로 함으로써 물을 흡착하는 역할을 감당하는 오목부를 갖는 탄소 섬유를 얻을 수 있다. 또한, 이형도를 1.5 이상으로 함으로써 오목부에 있어서의 보수성을 더 향상시킬 수 있고, 이형도를 2 이상으로 함으로써 오목부에 있어서의 보수성과 함께 물 이동성도 더 향상시킬 수 있다.

또한, 이형 단면을 표현하는 다른 평가 지표로서, 단면에 있어서의 중심으로부터의 거리비를 이용한다. 도4는 꽃모양 형상 단면에 있어서의 중심으로부터의 거리비를 설명하기 위한 설명도이다. 이형 단면 탄소 섬유의 단면에 있어서의 중심으로부터 외주까지의 최장 거리를 R, 최단 거리를 r이라 한다. 이 때, 최장 거리(R)와 최단 거리(r)의 거리비는 이하의 식으로 산출된다.

(거리비) ＝ R/r

본 실시 형태에 있어서의 이형 단면 탄소 섬유는 물을 흡착하는 오목부를 갖고 있고, 그 거리비는 1.2 이상인 것이 바람직하고, 또한 1.4 이상, 또는 1.8 이상인 것이 바람직하다. 거리비를 1.2 이상으로 함으로써 물을 흡착하는 역할을 감당하는 오목부를 갖는 탄소 섬유를 얻을 수 있다. 또한, 거리비를 1.4 이상으로 함으로써 오목부에 있어서의 보수성을 더 향상시킬 수 있고, 거리비를 1.8 이상으로 함으로써 오목부에 있어서의 보수성과 함께 물 이동성도 더 향상시킬 수 있다.

이하, 카본 확산층이 되는 연료 전지용 베이스, 여기서는 카본 부직포의 제작 방법의 일예를 나타낸다. 우선 아크릴로니트릴계 폴리머를 용제에 용해하여 방사 원액을 생성한다. 이용하는 용제는 유기 용제라도 무기 용제라도 좋다. 방사 방법으로서, 습식 방사법 또는 건식 방사법 모두 이용할 수 있지만, 섬유 단면 형상의 제어가 용이하기 때문에 습식 방사법을 채용해도 좋다.

습식 방사법을 채용하는 경우, 방사 원액을 방사 구금으로부터 응고욕 속에 토출시켜 응고사를 제작한다. 본 실시 형태에 있어서, 방사 구금은 섬유의 이형 단면을 형성하기 위해 준비되고, 예를 들어 꽃모양형 단면을 갖는 섬유를 제작하는 경우, 방사 구금은 소정 형상의 복수의 개방 구멍을 원주 상에 배치한 것을 이용해도 좋다. 또한, 이 원주 중심에 개방 구멍을 더 배치한 것이라도 좋다. 이들 개방 구멍으로부터 방사 원액을 토출시켜 방사 원액이 고화 혹은 응고되기까지의 동안에 각각의 개방 구멍으로부터 토출된 방사 원액을 합류시켜 접합하여 응고사를 제작한다. 또한, 방사 구금은 제작하는 섬유의 이형 단면에 따른 개구를 갖고, 그 개구로부터 방사 원액을 토출시켜 응고사를 제작해도 좋다. 이 응고사를 응고욕으로부터 권취하고, 그 후, 연신, 세정하고 건조시켜 이형 단면 섬유를 제작한다.

이 이형 단면 섬유를 이용하여 부직포를 생성하여 내재화, 탄화 처리함으로써 카본 부직포를 제작한다. 또한, 발수성을 얻기 위해, 이형 단면 섬유를 불소 수지의 용액에 함침시켜 코팅하고, 발수 처리를 실시해도 좋다. 또한 물 이동성을 얻기 위해, 카본 분말과 불소 수지의 혼합 페이스트를 칠해도 좋다. 카본 분말은 카본 블럭이나 아세틸렌 블럭, 인조 흑연 등의 분말이라도 좋다. 카본 부직포는 이형 단면 섬유만으로 제작되어도 좋고, 또한 이형 단면 섬유와 원형 단면 섬유를 소정의 비율로 혼합한 것으로 제작되어도 좋다.

이상, 본 발명을, 실시 형태를 기초로 하여 설명하였다. 본 실시 형태는 예시이고, 그들 각 구성 요소나 각 처리 프로세스의 조합에 다양한 변형예가 가능한 것, 또한 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 점이다. 또한, 상기한 실시 형태에서는 공기극(24)에 있어서의 가스 확산층(32)에 대해 설명하였지만, 연료극(22)에 있어서의 가스 확산층(28)에 대해서도 마찬가지로, 이형 단면 탄소 섬유를 이용하여 구성해도 좋다.

본 발명에 따르면, 보수성 및 물 이동성이 우수한 가스 확산층을 구비한 연료 전지를 제공할 수 있다.

Claims (11)

1. 전해질막과, 이 전해질막에 설치된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 연료 전지이며,

   상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 적어도 한 쪽은 이형 단면 탄소 섬유를 포함하는 가스 확산층을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
2. 제1항에 있어서, 상기 이형 단면 탄소 섬유는 그 단면에 오목부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
3. 제2항에 있어서, 상기 오목부는 가스 확산층에 수분을 유지하는 기능을 갖게 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이형 단면 탄소 섬유의 이형도가 1.3 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이형 단면 탄소 섬유의 단면에 있어서의 중심으로부터 외주까지의 최장 거리(R)와, 최단 거리(r)의 비(R/r)가 1.2 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이형 단면 탄소 섬유의 단면 형상이 열십자형, X형, Y형, W형, H형, L형, 별형, 꽃모양 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 확산층은 이형 단면 탄소 섬유와, 원형 단면 탄소 섬유를 혼재시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 확산층은 이형 단면 탄소 섬유만, 또는 이형 단면 탄소 섬유와 원형 단면 탄소 섬유를 소정의 비율로 혼재시킨 섬유 다발로 이루어지는 직포형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 확산층은 이형 단면 탄소 섬유만, 또는 이형 단면 탄소 섬유와 원형 단면 탄소 섬유를 소정의 비율로 혼재시켜 부직포형 또는 종이형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 확산층은 불소 수지로 발수 처리되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 확산층은 그 표면 또는 내부에 카본 입자를 도포 또는 주입하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.