KR20070069212A - 연료 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로서, 캐소드 촉매층(2)과 애노드 촉매층(3) 사이에 프로톤 전도성막(6)을 배치한 막 전극 접합체(1)와, 상기 막 전극 접합체(1)의 캐소드 촉매층측에 배치한 캐소드 도전층(7a)과, 상기 캐소드 촉매층(2)에 공기를 공급하는 공기 도입구(14)를 갖는 외부 케이스(15)와, 상기 막 전극 접합체(1)의 애노드 촉매층측에 배치한 애노드 도전층(7b)과, 상기 애노드 촉매층(3)에 공급하는 액체 연료를 저장하는 액체 연료 탱크(9)를 구비한 연료 전지에 있어서, 상기 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)은 1장의 절연성 필름(16)상에 일체화된 상태로 반으로 접혀져 있고, 반으로 접혀진 내부 공간에 상기 막 전극 접합체(1)가 수용되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지{FUEL CELL}

본 발명은 연료 전지를 기화시킨 기화 연료를 애노드 촉매층에 공급하는 방식의 연료 전지에 관한 것으로서, 특히 조립 작업이 용이하고 도전층으로 이루어진 캐소드용 및 애노드용 집전체를 효율적으로, 또 높은 위치 정밀도로 형성하는 것이 가능한 연료 전지에 관한 것이다.

최근, 퍼스널컴퓨터, 휴대전화 등의 각종 전자기기는 반도체 기술의 발달과 함께 소형화되고, 연료 전지를 이들 소형 기기용 전원에 이용하는 것이 시도되고 있다. 연료 전지는 연료와 산화제를 공급하는 것만으로 발전하는 것이 가능하고, 연료만을 보충 교환하면 연속해서 발전할 수 있는 이점을 갖고 있으므로, 소형화가 실현되면 휴대전화 기기의 작동에 매우 유리한 시스템이라고 할 수 있다. 특히, 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC; direct methanol fuel cell)는 에너지 밀도가 높은 메탄올을 연료로 이용하고, 메탄올로부터 전극 촉매상에서 직접 전류를 취출시키기 위해 개질기도 불필요하므로 특히 소형화가 가능하고, 연료의 취급도 수소가스 연료에 비해 안전하고 용이하므로 소형기기용 전원으로서 유망하다.

DMFC의 연료의 공급 방법으로서는 액체 연료를 기화하고 나서 블로어(blower) 등으로 연료 전지 내에 보내는 기체 공급형 DMFC와, 액체 연료를 그대 로 펌프 등으로 연료 전지 내에 보내는 액체 공급형 DMFC와, 또는 특허문헌 1에 나타낸 내부 기화형 DMFC 등이 알려져 있다.

특허문헌 1에 나타난 내부 기화형 DMFC는 액체 연료를 유지하는 연료 침투층과, 연료 침투층중에 유지된 액체 연료 중 기화 성분을 확산시키기 위한 연료 기화층을 구비한 것으로서, 기화된 액체 연료가 연료 기화층으로부터 연료극(애노드)에 공급된다. 특허문헌 1에서는 액체 연료로서 메탄올과 물이 1:1의 몰비로 혼합된 메탄올 수용액이 사용되고, 메탄올과 물 양쪽을 기화 가스형으로 연료극에 공급하고 있다.

이와 같이 특허문헌 1에 나타난 내부 기화형 DMFC에 의하면 충분히 높은 출력 특성을 얻을 수 없었다. 물은 메탄올에 비해 증기압이 낮고, 물의 기화 속도는 메탄올의 기화 속도에 비해 느리므로, 메탄올도 물도 기화에 의해 연료극에 공급하려고 하면 메탄올 공급량에 대한 물의 상대적인 공급량이 부족하다. 그 결과, 메탄올을 내부 개질하는 반응의 반응 저항이 높아지므로, 충분한 출력 특성을 얻을 수 없게 된다.

특허문헌 1: 특허공보 제3413111호

또한, 상기 특허문헌 1에 나타난 종래의 내부 기화형 DMFC에서는 막전극 접합체의 애노드 촉매층에 애노드 도전층을 배치하는 조작과, 캐소드 촉매층측 캐소드 도전층을 배치하는 조작을 개별로 실시하고 있으므로, 전지의 조립이 번잡해져 조립 공수(工數)의 증가에 따라 제조 원가가 상승되는 문제점이 있었다.

또한, 발전 특성에 따라서 촉매층을 복잡한 형상으로 형성한 경우에는 그 촉매층에 맞춘 형상을 가진 도전층(집전체)을 형성하는 것이 곤란하고, 연료가 통과되는 집전체 부분의 면적을 제어하는 것이 곤란했다. 이 때문에 애노드 촉매층에 공급하는 연료를 일정하게 제어하는 것도 곤란하고, 안정적인 전지 특성을 발휘시킬 수 없는 문제점도 있었다.

또한, 집전체의 형상 및 크기에 큰 편차가 생기기 쉽고, 또한 위치 결정을 용이하게 할 수 없으므로, 도전층의 위치 오차에 따른 단락 등에 의해 전지의 불량률이 높아지는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은 액체 연료의 기화 성분을 애노드 촉매층에 공급하는 방식을 가진 소형 연료 전지의 집전체부의 조립 구조를 간소하게 하고, 특히 조립 작업이 용이하고 도전층으로 이루어진 캐소드용 및 애노드용 집전체를 효율적으로, 또한 높은 위치 정밀도로 형성하는 것이 가능한 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 연료 전지는 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 프로톤 전도성 막을 배치한 막 전극 접합체, 상기 막 전극 접합체의 캐소드 촉매층측에 배치한 캐소드 도전층, 상기 캐소드 촉매층에 공기를 공급하는 공기 도입구를 가진 외부 케이스와, 상기 막 전극 접합체의 애노드 촉매층측에 배치한 애노드 도전층과, 상기 애노드 촉매층에 공급하는 액체 연료를 저장하는 액체 연료 탱크를 구비한 연료 전지에 있어서, 상기 캐소드 도전층 및 애노드 도전층은 1 장의 절연성 필름상에 일체화된 상태로 반으로 접혀져 있고, 반으로 접혀진 내부 공간에 상기 막전극 접합체가 수용되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연료 전지에 있어서, 상기 캐소드 도전층 및 애노드 도전층은 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층의 형상에 대응하여 복수의 도전 패턴으로 이루어지도록 구성할 수도 있다.

또한, 상기 연료 전지에 있어서, 상기 절연성 필름 및 캐소드 도전층에는 공기를 캐소드 촉매층에 공급하는 공기 유통구가 첨설(添設)되어 있고, 상기 공기 유통구의 중심축이 외부 케이스에 형성된 공기 도입구의 중심축과 대략 일치하도록 구성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료 전지에 의하면 캐소드 도전층 및 애노드 도전층이 1장의 절연성 필름상에 일체화된 상태로 형성되어 있으므로, 캐소드 도전층 및 애노드 도전층을 개별로 형성하는 경우와 비교하여 도전층의 형성 공정을 반감시킬 수 있다. 또한, 캐소드 도전층 및 애노드 도전층을 부착한 1장의 절연성 필름이 두개 접혀져 있고, 이 반으로 접혀진 내부 공간에 막 전극 접합체가 수용된 구조이므로 막 전극 접합체의 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층에 높은 위치 정밀도로 대향하도록 캐소드 도전층 및 애노드 도전층을 배치하는 것이 가능해지고, 또한 위치 결정이 용이해지며 도전층의 위치 오차에 따른 단락 등에 의한 전지의 불량률을 저감할 수 있다.

또한, 발전 특성에 따라서 촉매층을 복잡한 형상으로 형성한 경우에도 그 촉매층에 맞춘 형상을 가진 도전층(집전체)을 형성하는 것 및 위치를 결정하는 것이 용이하고, 연료가 통과하는 집전체 부분의 면적을 제어하는 것이 용이해진다. 이 때문에 애노드 촉매층에 공급하는 연료를 일정하게 제어할 수 있고, 안정적인 전지 특성을 발휘시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 직접 메탄올형 연료 전지의 구조예를 도시한 개략적인 단면도,

도 2는 연료 전지의 도전층을 고정하기 위한 절연성 필름의 형상 열을 도시한 평면도,

도 3은 연료 전지의 도전층을 절연성 필름상에 고정한 상태를 도시한 평면도,

도 4는 도전층을 고정한 절연성 필름을 반으로 접어 그 내부 공간에 막 전극 접합체를 수용하는 조작을 도시한 단면도,

도 5는 도전층을 고정한 절연성 필름을 반으로 접어 그 내부 공간에 막 전극 접합체를 수용하여 밀착시켜 형성한 발전부의 단면도, 및

도 6은 발전부의 상하에 각각 외장 케이스 및 연료 탱크를 장착하여 연료 전지를 조립한 상태를 도시한 사시 분해도이다.

본 발명자들은 예의 연구를 거듭한 결과, 액체 연료의 기화 성분을 애노드 촉매층에 공급하기 위한 연료 기화층을 구비한 연료 전지에 있어서, 캐소드 도전층 및 애노드 도전층을 1장의 절연성 필름상에 일체화하여 형성함으로써 캐소드 도전층 및 애노드 도전층을 개별로 형성하는 경우와 비교하여 도전층의 형성 공정을 대 폭 간소화할 수 있는 지견을 얻었다. 또한, 캐소드 도전층 및 애노드 도전층을 일체화한 1장의 절연성 필름을 반으로 접고, 이 반으로 접은 내부 공간에 막 전극 접합체를 수용하는 구조로 함으로써 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층에 대해 높은 위치 정밀도로 대향하도록 캐소드 도전층 및 애노드 도전층을 배치할 수 있고, 또한 위치 결정이 용이해지고 도전층의 위치 오차에 따른 단락 등에 의한 전지의 불량률을 저감할 수 있다는 지견을 얻었다.

이하, 본 발명에 따른 연료 전지의 일 실시형태인 직접 메탄올형 연료 전지에 대해 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 직접 메탄올형 연료 전지의 구성예를 도시한 모식적인 단면도이다.

즉, 본 실시형태에 따른 연료 전지는 캐소드 촉매층(2)과 애노드 촉매층(3) 사이에 프로톤 전도성막(6)을 배치한 막 전극 접합체(MEA)(1)와, 상기 막 전극 접합체(1)의 캐소드 촉매층(2)측에 배치한 캐소드 도전층(7a)과, 상기 캐소드 촉매층(2)에 공기를 공급하는 공기 도입구(14)를 구비한 외부 케이스(15)와, 상기 막 전극 접합체(1)의 애노드 촉매층(3)측에 배치한 애노드 도전층(7b)과, 상기 애노드 촉매층(3)에 공급하는 액체 연료를 저장하는 액체 연료 탱크(9)를 구비한 연료 전지에 있어서, 상기 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)은 1장의 절연성 필름(16)상에 일체화된 상태로 반으로 접혀져 있고, 반으로 접혀진 내부 공간에 상기 막 전극 접합체(1)가 수용되어 구성되어 있다.

또한, 액체 연료 탱크(9)에는 메탄올 등의 액체 연료를 주입하기 위한 액체 주입구(17)가 설치되어 있다. 또한, 절연성 필름(16) 및 캐소드 도전층(7a)에는 공기를 캐소드 촉매층(2)에 공급하는 공기 유통구(18)가 첨설되어 있다.

보다 구체적으로는 도 1에 도시한 바와 같이, 막 전극 접합체(MEA)1는 캐소드 촉매층(2) 및 캐소드 가스 확산층(4)으로 이루어진 캐소드극, 애노드 촉매층(3) 및 애노드 가스 확산층(5)으로 이루어진 애노드극, 및 캐소드 촉매층(2)과 애노드 촉매층(3) 사이에 배치되는 프로톤 전도성 전해질막(6)을 구비한 것이다.

캐소드 촉매층(2) 및 애노드 촉매층(3)에 함유되는 촉매로서는, 예를 들면 백금족 원소의 단체 금속(Pt, Ru, Rh, Ir, Os, Pd 등), 백금족 원소를 함유하는 합금 등을 들 수 있다. 애노드 촉매에는 메탄올이나 산화수소에 대한 내성이 강한 Pt-Ru, 캐소드 촉매에는 백금을 이용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지 않는다. 또한, 탄소 재료와 같은 도전성 담지체를 사용하는 담지 촉매를 사용하거나, 또는 무담지 촉매를 사용해도 좋다.

프로톤 전도성 전해질막(6)을 구성하는 프로톤 전도성 재료로서는, 예를 들면 설폰산기를 가진 불소계 수지(예를 들면, 퍼플루오로설폰산 중합체), 설폰산기를 가진 하이드로카본계 수지, 텅스텐산이나 인 텅스텐산 등의 무기물 등을 들 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

캐소드 가스 확산층(4)은 캐소드 촉매층(2)의 상면측에 적층되고, 또한 애노드 가스 확산층(5)은 애노드 촉매층(3)의 하면측에 적층되어 있다. 캐소드 가스 확산층(4)은 캐소드 촉매층(2)에 산화제를 균일하게 공급하는 역할을 담당하지만, 캐소드 촉매층(2)의 집전체도 겸하고 있다. 한편, 애노드 가스 확산층(5)은 애노 드 촉매층(3)에 연료를 균일하게 공급하는 역할을 함과 동시에, 애노드 촉매층(3)의 집전체도 겸하고 있다. 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)은 각각 캐소드가스 확산층(4) 및 애노드 가스 확산층(5)과 접해 있다. 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)을 구성하는 재료로서는, 예를 들면 금 등의 금속 재료로 이루어진 다공질층(예를 들면, 메시) 또는 박체(箔體)를 각각 사용할 수 있다.

직사각형 틀 형상의 캐소드 시일재(8a)는 캐소드 도전층(7a)과 프로톤 전도성 전해질막(6) 사이에 위치하고, 또한 캐소드 촉매층(2) 및 캐소드 가스 확산층(4)의 주위를 기밀하게 둘러싸고 있다. 한편, 직사각형 틀형상의 애노드 시일재(8b)는 애노드 도전층(7b)과 프로톤 전도성 전해질막(6) 사이에 위치하고, 또한 애노드 촉매층(3) 및 애노드 가스 확산층(5)의 주위를 기밀하게 둘러싸고 있다. 캐소드 시일재(8a) 및 애노드 시일재(8b)는 막 전극 접합체(1)로부터의 연료 누설 및 산화제 누설을 방지하기 위한 O링(O-rings)이다.

막 전극 접합체(1)의 하방에는 액체 연료 탱크(9)가 배치되어 있다. 액체 연료 탱크(9) 내에는 액체의 메탄올 등의 액체 연료(L) 또는 메탄올 수용액이 수용되어 있다. 액체 연료 탱크(9)의 개구단에는 액체 기화층으로서, 예를 들면 액체 연료의 기화 성분만을 투과시키고, 액체 연료를 투과시키지 않는 기액 분리막이 액체 연료 탱크(9)의 개구부를 덮도록 배치해도 좋다. 여기서, 액체 연료의 기화 성분이라는 것은 액체 연료로서 액체의 메탄올을 사용한 경우, 기화된 메탄올을 의미하며, 액체 연료로서 메탄올 수용액을 사용한 경우에는 메탄올의 기화 성분과 물의 기화 성분으로 이루어진 혼합 가스를 의미한다.

한편, 막 전극 접합체(1)의 상부에 적층된 캐소드 도전층(7a)에는 보습판(13)이 적층되어 있다. 산화제인 공기를 취입하기 위한 공기 도입구(14)가 복수개 형성된 외부 케이스(표면층)(15)는 막 전극 접합체(1)를 포함하는 스택(stack)을 가압하여 그 밀착성을 높이는 역할도 하므로, 예를 들면 SUS304와 같은 금속으로 형성된다. 보습판(13)은 캐소드 촉매층(2)에서 생성된 물의 증산을 방지하는 역할을 하고, 또한 캐소드 확산층(4)에 산화제를 균일하게 도입함으로써 캐소드 촉매층(2)으로의 산화제의 균일 확산을 재촉하는 보조 확산층으로서의 역할도 하고 있다.

상기와 같은 연료 전지는 예를 들면, 도 2~도 6에 도시한 공정에 따라서 조립 제조된다. 즉, 우선 애노드용 및 캐소드용 도전층을 일체화하여 고정하기 위해, 도 2에 도시한 소정 형상을 갖고, 가요성을 가진 1장의 절연성 필름(16)을 준비한다. 상기 절연성 필름(16)을 구성하는 재료로서는 전기 절연성을 가진 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 열가소성 폴리에스테르 수지 재료, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤(PEEK:빅터렉스 피엘시사의 상표), 퍼플루오로 수지, 불소 수지, 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리프로필렌(PP), 폴리페니렌설파이드(PPS) 등의 각종 수지 재료를 이용할 수 있다.

계속해서, 도 3에 도시한 바와 같이, 소정의 패턴 형상으로 형성한 금박 등으로 이루어진 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)을 상기 1장의 절연성 필름(16)상에 예를 들면 접착제로 부착하고 일체화하여 고정한다. 또한, 상기 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)은 도금법, 스퍼터링법이나 증착법에 의해 형 성해도 좋다.

또한, 상기 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)은 캐소드 촉매층(2) 및 애노드 촉매층(3)의 형상에 대응하여 복수의 도전 패턴으로 이루어지도록 구성해도 좋다. 이 구성에 의하면 발전 특성에 따라서 촉매층을 복잡한 형상으로 형성한 경우에도 그 촉매층에 맞춘 형상을 가진 도전층(집전체)을 형성하는 것이 용이하고, 연료가 통과하는 집전체 부분의 면적을 제어하는 것이 용이해진다. 이 때문에 애노드 촉매층(3)에 공급하는 연료를 일정하게 제어할 수 있고, 안정적인 전지 특성을 발휘시킬 수 있다.

또한, 캐소드 도전층(7a)을 일체화한 절연성 필름(16)에는 캐소드 촉매층(2)에 공기를 공급하기 위한 공기 유통구(18)가 첨설된다.

계속해서, 도 4에 도시한 바와 같이 프로톤 전도성막(6)의 표면에 캐소드 촉매층(2)을 일체로 형성하는 한편, 내면에 애노드 촉매층(3)을 일체로 형성한 막 전극 접합체(1)를 조제한다. 한편, 상기와 같이 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)을 일체화한 1장의 절연성 필름(16)을 중심부에서 절곡하여 반으로 접고, 반으로 접혀져 형성된 내부 공간에 상기 막 전극 접합체(1)가 수용되어 발전부가 구성된다.

상기와 같이 막 전극 접합체(1)와 각 도전층(7a, 7b)으로 이루어진 발전부는 도 5에 도시한 바와 같이 각 도전층(7a, 7b)이 각각 캐소드 촉매층(2) 및 애노드 촉매층(3)에 밀착한 구조를 가진다.

그리고, 도 6에 도시한 바와 같이 상기와 같이 조립한 발전부의 상부에 공기 도입구(14)를 첨설한 외부 케이스(15)를 장착하는 한편, 발전부의 하부에 액체 연료(L)를 저장한 연료 탱크(9)를 장착함으로써 도 1에 도시한 연료 전지가 효율적으로 제조된다.

여기서, 도 6에 도시한 바와 같이 상기 절연성 필름(16) 및 캐소드 도전층(7a)에 공기를 캐소드 촉매층(2)에 공급하는 공기 유통구(18)를 첨설하고, 또한 이 공기 유통구(18)의 중심축(C2)이 외부 케이스(15)에 형성된 공기 도입구(14)의 중심축(C1)과 대략 일치하도록 구성함으로써 전지 발전부의 공기의 유통이 원활해지고, 전지 반응을 효과적으로 진행시킬 수 있다.

본 실시형태에 따른 연료 전지에 의하면 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)이 1장의 절연성 필름(16)에 일체화된 상태로 형성되어 있으므로, 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)을 개별로 형성하는 경우와 비교하여 도전층의 형성 공정을 대폭 간략화시킬 수 있다.

또한, 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)을 일체화한 1장의 절연성 필름(16)이 반으로 접혀져 있고, 이 반으로 접혀진 내부 공간에 막 전극 접합체(1)가 수용되는 구조이므로, 막 전극 접합체(1)의 캐소드 촉매층(2) 및 애노드 촉매층(3)에 높은 위치 정밀도로 대향하도록 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)을 배치하는 것이 가능해지고, 또한 위치 결정이 용이해져 도전층(7a, 7b)의 위치 오차에 따른 단락 등에 의한 전지의 불량률을 저감할 수 있다.

상기 구성을 가진 실시형태에 따른 직접 메탄올형 연료 전지에 의하면 액체 연료 탱크(9) 내의 액체 연료(예를 들면, 메탄올 수용액)가 기화되고, 기화된 메탄 올과 물이 연료 탱크(9) 내의 상부 공간에 일단 수용되고, 그곳에서 서서히 애노드 가스 확산층(5)을 확산하여 애노드 촉매층(3)에 공급되고, 하기 반응식 1에 나타낸 메탄올의 내부 개질 반응을 생기게 한다.

또한, 액체 연료로서 순(純)메탄올을 사용한 경우에는 연료 탱크(9)로부터의 물의 공급이 없으므로 캐소드 촉매층(2)에 혼입된 메탄올의 산화반응에 의해 생성한 물이나 프로톤 전도성 전해질막(6)중의 수분 등이 메탄올과 반응하여 상기 반응식 1의 내부 개질 반응이 생기거나, 또는 상기 반응식 1을 따르지 않는 물을 사용하지 않은 반응 기구에서 내부 개질 반응이 생긴다.

상기 내부 개질 반응으로 생성된 프로톤(H⁺)은 프로톤 전도성 전해질막(6)을 확산하여 캐소드 촉매층(3)에 도달한다. 한편, 외부 케이스(표면층)(15)의 공기 도입구(14)로부터 취입된 공기는 보습판(13)과 캐소드 도전층(7a)의 공기 유통구(18)를 확산하고, 또한 캐소드 가스 확산층(4)을 확산하여 캐소드 촉매층(2)에 공급된다. 캐소드 촉매층(2)에서는 하기 반응식 2에 나타내는 반응에 의해 물이 생성되는, 즉 발전 반응이 생긴다.

발전 반응이 진행되면, 상기 반응식 2의 반응 등에 의해 캐소드 촉매층(2) 중에 생성된 물이 캐소드 가스 확산층(4) 내를 확산하여 보습판(13)에 도달하고, 보습판(13)에 의해 증산이 저해되고, 캐소드 촉매층(2) 중의 수분 저장량이 증가된다. 이 때문에 발전 반응의 진행에 따라서 캐소드 촉매층(2)의 수분 유지량이 애노드 촉매층(3)의 수분 유지량 보다도 많은 상태를 만들 수 있다. 그 결과, 침투압 현상에 의해 캐소드 촉매층(2)에 생성된 물이 프로톤 전도성 전해질막(6)을 통과하여 애노드 촉매층(3)으로 이동하는 반응이 촉진되므로, 애노드 촉매층으로의 물 공급 속도를 연료 기화층에만 의지하고 있는 경우에 비해 향상시킬 수 있고, 상기 반응식 1에 나타내는 메탄올의 내부 개질 반응을 촉진시킬 수 있다. 이 때문에 출력 밀도를 높게 할 수 있고, 또한 그 높은 출력 밀도를 장기간에 걸쳐 유지하는 것이 가능해진다.

또한, 액체 연료로서 농도가 50몰%를 초과하는 메탄올 수용액이나 순메탄올을 사용함으로써 내부 개질 반응에 캐소드 촉매층(2)으로부터 애노드 촉매층(3)으로 확산되어온 물이 오로지 사용되게 되고, 애노드 촉매층(3)으로의 물 공급이 안정적으로 진행되므로 메탄올의 내부 개질 반응의 반응 저항을 더 저감할 수 있고, 장기 출력 특성과 부하 전류 특성을 더 향상시킬 수 있다. 또한, 액체 연료 탱크의 소형화를 도모하는 것도 가능하다. 또한, 순메탄올의 순도는 95 중량% 이상 10 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료 전지에 사용되는 액체 연료는 반드시 메탄올 연료에 한정되지 않고, 예를 들면 메탄올 수용액이나 순에탄올 등의 에탄올 재료, 디메틸에테르, 개미산, 또는 그외의 액체 연료라도 좋다. 모두 연료 전지에 따른 액체 연 료가 사용되고, 액체 연료 탱크에 수용된다.

여기서, 퍼플루오로카본계의 프로톤 전도성 전해질막을 사용한 경우의 연료 전지의 최대 출력과 프로톤 전도성 전해질막의 두께의 관계를 조사한 결과, 높은 출력 특성을 실현하기 위해서는 프로톤 전도성 전해질막(6)의 두께를 100㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 프로톤 전도성 전해질막(6)의 두께를 100㎛ 이하로 함으로써 고출력이 얻어지는 이유는 캐소드 촉매층(2)으로부터 애노드 촉매층(3)으로의 물의 확산을 더 촉진하는 것이 가능해지기 때문이다. 단, 프로톤 전도성 전해질막(6)의 두께를 10㎛ 미만으로 하면 전해질막(4)의 강도가 저하될 우려가 있으므로, 프로톤 전도성 전해질막(6)의 두께는 10~100㎛의 범위로 설정하는 것이 더 바람직하다. 더 바람직하게는 10~80㎛의 범위이다.

본 발명에서는 상기 각 실시형태에 한정되지 않고, 캐소드 촉매층(2)에서 생성된 물을 프로톤 전도성막(6)을 통해 상기 애노드 촉매층(3)에 공급하는 구성을 채용하여 애노드 촉매층(3)으로의 물 공급이 촉진되고, 또한 물 공급이 안정적으로 실시되는 것이면 전혀 한정되지 않는다.

(실시예)

이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

〈애노드극의 제작〉

애노드용 촉매(Pt:Ru=1:1) 담지 카본 블랙에 퍼플루오로카본설폰산 용액과 물 및 메톡시프로판올을 첨가하고, 상기 촉매 담지 카본 블랙을 분산시켜 페이스트를 조제했다. 얻어진 페이스트를 애노드 가스 확산층(5)으로서의 다공질 카본 페 이퍼에 도포함으로써 두께가 450㎛의 애노드 촉매층(3)을 가진 애노드극을 제작했다.

〈캐소드극의 제작〉

캐소드용 촉매(Pt) 담지 카본블랙에 퍼플루오로카본설폰산 용액과 물 및 메톡시프로판올을 첨가하고, 상기 촉매 담지 카본 블랙을 분산시켜 페이스트를 조제했다. 얻어진 페이스트를 캐소드 가스 확산층(4)으로서의 다공질 카본 페이퍼에 도포함으로써 두께가 400㎛의 캐노드 촉매층(3)을 가진 캐노드극을 제작했다.

애노드 촉매층(3)과 캐소드 촉매층(2) 사이에 프로톤 전도성 전해질막으로서 두께가 30㎛이고, 함수율이 10~20 중량%의 퍼플루오로카본설폰산막(nafion막, 듀폰사제)을 배치하고, 이에 핫프레스를 실시함으로써 도 4에 도시한 막 전극 접합체(MEA)(1)를 얻었다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 가요성 절연성 필름(16)으로서 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름을 준비하고, 캐소드용 및 애노드용 도전층을 평면상에서 인접하도록 전개한 형상으로 잘라냈다. 계속해서, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 막 전극 접합체(MEA)(1)에 형성한 캐소드 촉매층(2) 및 애노드 촉매층(3)의 형상에 대응하는 소정 패턴 형상을 갖고, 금박으로 이루어진 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)을 평면적으로 전개한 도전층 패턴을 준비하고, 상기 도전층 패턴을 가요성 절연성 필름(16)상에 접착제로 부착하여 일체화하여 고정했다. 또한, 일체화한 캐소드 도전층(7a) 및 절연성 필름(16)에는 내부에 산화제로서의 공기를 도입하기 위한 복수의 공기 유통구(18)를 첨설했다.

계속해서, 도 4에 도시한 바와 같이 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)을 부착하고 일체화하여 고정한 1장의 절연성 필름(16)을 중심부에서 절곡하여 반으로 접고, 반으로 접혀져 형성된 내부 공간에 상기 막 전극 접합체(1)가 수용되어 발전부(20)를 구성했다. 이 때 대향하는 캐소드 도전층(7a)과 캐소드 촉매층(2) 및 애노드 도전층(7b)과 애노드 촉매층(3)의 각 패턴의 상대 위치는, 도 5에 도시한 바와 같이 절연성 필름(16)의 절곡 위치에 의해 일의적으로 규정되므로 조합의 위치 결정 정밀도가 높다.

계속해서, 도 5에 도시한 바와 같이 스테인리스강(SUS304)로 이루어지고, 발전부(20)에 공급하는 공기를 취입하는 복수의 공기 도입구(14)를 첨설한 외부 케이스(15)를 준비했다. 여기서, 외부 케이스(15)에 첨설된 공기 도입구(14)의 중심축(C1)이 발전부(20)에 형성된 공기 유통구(18)의 중심축(C2)과 일치하도록 구성했다. 그리고, 발전부(20)의 상부에 외부 케이스(15)를 일체적으로 고정하는 한편, 하부에 연료 탱크(9)를 장착했다. 또한, 연료 주입구(17)로부터 연료 탱크(9)에 순도가 99.9 중량%의 순메탄올을 2mL 주입함으로써, 도 1에 도시한 구조를 가진 내부 기화형 실시예에 따른 직접 메탄올형 연료 전지를 조립했다.

(비교예)

한편, 실시예와 같이 캐소드 도전층 및 애노드 도전층을 1장의 절연성 필름에 부착하여 형성하지 않고, 캐소드 도전층 및 애노드 도전층을 개별로 형성하여 각각 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층에 차례로 적층하여 발전부를 형성한 점 이외는 실시예 1과 동일한 순서로 동일 크기를 가진 비교예에 따른 직접 메탄올형 연료 전지를 조립했다.

실시예에 따른 연료 전지에 의하면 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)이 1장의 절연성 필름(16)상에 부착된 상태로 형성되어 있으므로, 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)을 개별로 형성하는 경우와 비교하여 도전층의 형성 공정을 대폭 간략화시킬 수 있다.

또한, 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)을 일체화한 1장의 절연성 필름(16)이 반으로 접혀져 있고, 이 반으로 접혀진 내부 공간에 막 전극 접합체(1)가 수용된 구조이므로 막 전극 접합체(1)의 캐소드 촉매층(2) 및 애노드 촉매층(3)에 높은 위치 정밀도로 대향하도록 캐소드 도전층(7a) 및 애노드 도전층(7b)을 배치하는 것이 가능해지고, 또한 위치 결정이 용이해져 도전층(7a, 7b)의 위치 오차에 따른 단락 등에 의한 전지의 불량률을 거의 O으로 저감할 수 있다.

이에 대해, 캐소드 도전층 및 애노드 도전층을 개별로 형성하고, 각각 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층에 차례로 적층하여 발전부를 형성한 비교예에 따른 연료 전지에서는 도전층(전극)이 비틀려 위치 결정 정밀도가 저하되기 쉽고, 집전체의 위치 오차에 의한 단락 등의 불량률이 4~6%에도 도달하고, 또한 위치 맞춤에 필요한 작업 시간이 실시예와 비교하여 65%까지 상승했다.

따라서, 본 실시예에 의하면 반으로 접혀진 내부 공간에 막 전극 접합체가 수용된 구조이므로, 막 전극 접합체의 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층에 높은 위치 정밀도로 대향하도록 캐소드 도전층 및 애노드 도전층을 배치하는 것이 가능해지고, 또한 위치 결정이 용이해져 도전층의 위치 오차에 따른 단락 등에 의한 전지 의 불량률을 저감하는 등의 현저한 효과가 발휘되었다.

Claims (3)

1. 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 프로톤 전도성막을 배치한 막전극 접합체와, 상기 막전극 접합체의 캐소드 촉매층측에 배치한 캐소드 도전층과, 상기 캐소드 촉매층에 공기를 공급하는 공기 도입구를 갖는 외부 케이스와, 상기 막 전극 접합체의 애노드 촉매층측에 배치한 애노드 도전층과, 상기 애노드 촉매층에 공급하는 액체 연료를 저장하는 액체 연료 탱크를 구비한 연료 전지에 있어서,

   상기 캐소드 도전층 및 애노드 도전층은 1장의 절연성 필름상에 일체화된 상태로 반으로 접혀져 있고, 반으로 접혀진 내부 공간에 상기 막 전극 접합체가 수용되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 캐소드 도전층 및 애노드 도전층은 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층의 형상에 대응하여 복수의 도전 패턴으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 절연성 필름 및 캐소드 도전층에는 공기를 캐소드 촉매층에 공급하는 공기 유통구가 첨설되어 있고, 이 공기 유통구의 중심축이 외부 케이스에 형성된 공기 도입구의 중심축과 대략 일치하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.

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