KR20070114219A

KR20070114219A - 연료 전지와 연료 전지용 촉매층 전극

Info

Publication number: KR20070114219A
Application number: KR1020077024088A
Authority: KR
Inventors: 겐타 오미치; 유이치 사토; 노부야스 네기시
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2007-11-29
Also published as: TW200707830A; EP1881548A1; CN101176228A; US20080096077A1; JPWO2006118107A1; EP1881548A4; WO2006118107A1

Abstract

본 발명은 연료 전지와 연료 전지용 촉매층 전극에 관한 것으로서, 촉매층 전극(12A, 12B)은 이차원 투영면 형상이 직사각형 형상으로 형성되고, 1 개 이상의 모서리 각부에 인접하는 단변(12a)과 장변(12b)의 종단들이 직교하여 만나지 않도록 모서리 각부의 일부를 결락시킨 결락 모서리 각부(13A, 13B)를 갖고, 고체 전해질막(11)에 압착되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지와 연료 전지용 촉매층 전극{FUEL CELL AND CATALYTIC LAYER ELECTRODE FOR FUEL CELL}

본 발명은 안정적이고 양호한 특성을 나타내는 전자기기의 동작에 유효한 평면 형상의 연료 전지 및 그 연료 전지에 액체 연료와 물을 보급하기 위한 연료 전지와 연료 전지용 촉매층 전극에 관한 것이다.

연료 전지는 전지 반응에 의한 생성물이 원칙적으로 물이고, 지구환경으로의 악영향이 거의 없는 깨끗한 발전 시스템으로서 주목받고 있다. 특히 고체 전해질막을 갖고, 액체 연료를 사용하는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)는 휴대 정보 기기에 최적인 연료 전지로서 그 실용화가 기대되고 있다.

예를 들면 특허공보 제3413111호에 기재된 DMFC는 프로톤 전도성을 갖는 고체 전해질막, 이온 교환 수지로 피복된 촉매 담지 카본 미립자를 갖는 촉매층 전극, 및 촉매층 전극에 반응 연료를 공급하고, 또한 전하를 집전하는 가스 확산층으로 이루어지고, 연료와 물로 전하와 프로톤을 생성하는 애노드와, 상기 이온 교환 수지로 피복된 촉매 담지 카본 미립자를 갖는 촉매층 전극과, 촉매층 전극에 산소를 공급하고, 또한 전하를 전도하는 가스 확산층으로 이루어져 프로톤과 산소로 물을 생성하는 캐소드로 형성되는 막전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly) 를 구성 단위 셀로서 갖고, 주변에 액체 연료 탱크를 구비하고, 단수 또는 복수의 단위 셀을 보호 커버로 덮고 있다. 촉매층 전극 내에는 카본 미립자의 이차 입자사이 또는 삼차 입자 사이에 형성되는 미소한 세공(細孔)으로 이루어진 빈 틈부가 존재하고, 반응 가스의 확산 경로로서 기능한다.

DMFC는 높은 이온 도전성을 갖는 고체 전해질막이 개발되고, 고체 전해질막과 동종 또는 이종의 이온 교환 수지로 피복한 촉매 담지 카본 미립자를 전극의 촉매층의 구성 재료로서 사용하고, 촉매층 내의 반응 사이트의 3 차원화가 도모된 것 등에 의해 발전 성능이 크게 향상되고 있다.

그러나, 종래의 DMFC의 MEA10에서는, 도 10에 도시한 바와 같이 촉매층 전극(12)에 모서리 각부(13)가 고체 전해질막(11)으로부터 벗겨지기 쉽고, 발전 반응에 기여할 수 있는 면적이 감소되어 충분한 발전 성능이 얻어지기 어렵다. 촉매층 전극(12)은 카본 페이퍼나 탄소 섬유 등의 펠트질을 기재(基材)로 하는 것이며, 열프레스를 이용하는 라미네트 처리에 의해 고체 전해질막(11)에 압착되어 있지만, 그 접착 강도가 약하므로 이를 전지 본체 내에 조립할 때 모서리 각부(13)로부터 벗겨지는 경우가 있다. 이 때문에 촉매층 전극(12)과 고체 전해질막(11) 사이에서 본래 이루어져할 반응이 이루어지지 않고, 부분적으로 전지 특성이 저해되어 설계 사양대로의 출력을 얻을 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 압착된 촉매층 전극이 고체 전해질막으로부터 벗겨지기 어렵고, 안정적이고 양호한 전지 성능을 갖는 연료 전지와 연료 전지용 촉매층 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 촉매층 전극과 고체 전해질막의 압착에 대해 촉매층 전극의 모서리 각부의 형상에 착안하여 예의 연구한 결과, 고체 전해질막으로부터 벗겨지기 어려운 본 발명의 촉매층 전극을 개발했다.

본 발명에 따른 연료 전지는 고체 전해질막과, 상기 고체 전해질막을 끼워 대향하여 설치된 애노드와 캐소드를 단위 셀로서 구비하고, 상기 단위 셀을 단수 또는 면 방향으로 복수 배치하여 이루어진 휴대 기기용 연료 전지에 있어서, 상기 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽의 촉매층 전극은 90° 이하의 각부를 갖지 않고, 상기 고체 전해질막의 각 면에 각각 일체화되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 애노드 및 캐소드의 각 촉매층 전극은 이차원 투명면 형상이 실질적으로 직사각형 형상이고, 1 개 이상의 모서리 각부에서 인접하는 변의 종단들이 90° 이하의 각도로 만나지 않도록 모서리 각부의 일부를 결락시킨 결락 모서리 각부를 갖고, 상기 고체 전해질막의 각 면에 각각 압착되어 있다.

본 발명에 따른 연료 전지용 촉매층 전극은 고체 전해질막과, 상기 고체 전해질막을 끼워 대향하여 설치된 애노드와 캐소드를 단위 셀로서 구비하고, 상기 단위 셀을 단수 또는 면 방향으로 복수 배치하여 이루어진 연료 전지에 있어서, 상기 애노드 및 캐소드의 한쪽 이상의 촉매층 전극은 90° 이하의 각부를 갖지 않고, 상기 고체 전해질막의 각 면에 각각 일체화되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연료 전지용 촉매층 전극은 상기 연료 전지에 이용되는 촉매층 전극으로서, 이차원 투영면 형상이 실질적으로 직사각형 형상이고, 모서리 각부에서 인접하는 변의 종단들이 90° 이하의 각도로 만나지 않도록 상기 모서리 각부의 일부를 결락시킨 결락 모서리 각부를 갖는 것을 특징으로 한다.

촉매층 전극의 이차원 투영면 형상을 오각형 이상의 다각형으로 하거나, 또는 촉매층 전극의 모서리 각부의 이차원 투영면 형상을 원호로 하는 것이 바람직하다. 전자의 경우는 모서리 각부를 90°를 초과하는 각도(둔각)로 하고, 또한 이차원 투영면에서 결락 모서리 각부를 갖지 않은 진정한 직사각형 형상의 면적의 90% 이상의 면적을 갖는 것으로 하는 것이 바람직하고, 후자의 경우는 모서리 각부의 원호의 곡률 반경(R)을 1mm 이상으로 하고, 또한 이차원 투영면에서 결락 모서리 각부를 갖지 않은 진정한 직사각형 형상의 면적의 90% 이상의 면적을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 목귀질을 과도하게 크게 하거나 원호의 곡률반경을 과도하게 크게 하면 촉매층 전극의 면적 그 자체가 너무 작아져 발전에 필요하게 되는 반응 면적이 부족할 우려가 있기 때문이다. 원 직사각형 면적의 90% 이상이면 그 우려는 실질적으로 없다.

결락 모서리 각부는 이차원 투영면에서 인접하는 변의 종단이 만나는 교점을 정점으로 하고, 상기 교점으로부터 소정 길이 떨어진 곳에서 인접하는 변을 각각 비스듬하게 가로지르는 직선을 저변으로 하는 삼각형 부분을 절제하여 형성하도록 해도 좋고(도 2), 이차원 투영면에서 인접하는 변의 종단이 만나는 교점에서 소정 길이 떨어진 곳에서 인접하는 변이 각각 외접(外接)하는 원호의 외측 부분을 절제하여 형성하도록 해도 좋다(도 3). 이와 같은 결락 모서리 각부는 도 9에 도시한 진정한 직사각형 형상의 촉매층 전극의 모서리 각부를 목귀질 또는 절제함으로써 형성된다.

본 발명은 모서리 각부를 결락시키지 않는 형상의 촉매층 전극을 포함하는 것이다. 예를 들면 이차원 투영면에서 촉매층 전극의 각 변을 바깥쪽으로 만곡(팽출)하는 곡선 형상으로 하면, 인접하는 변의 종단들이 반드시 90°를 초과하는 각도로 만나게 된다(도 4). 변의 곡선 형상에는 진원의 원호, 타원의 원호, 현수선, 사이클로이드, 카디오이드 등 여러 가지 이차원 곡선을 이용할 수 있다. 이와 같은 곡선 형상의 변을 가진 촉매층 전극에서도 또한 모서리 각부를 결락시키면 더 효과를 높일 수 있다(도 5). 또한, 동일 사이즈·동일 형상의 복수의 촉매층 전극을 평행하게 나열하여 1 개의 고체 전해질막에 부착하고, 멀티형 막전극 접합체를 형성하도록 해도 좋다(도 6, 도 7).

「각 촉매층 전극의 이차원 투영면 형상이 실질적으로 직사각형이다」라는 것은 정방형 또는 장방형 또는 네변 중 1 개 이상이 외측으로 만곡(팽출)되는 의사 (擬似) 장방형을 포함하는 것을 의미하고 있다.

또한, 촉매층 전극은 시트 형상의 탄소 함유 기재에 촉매 함유 물질을 도포 또는 함침시킨 것을 압착에 의해 일체 형성하여 얻을 수 있다. 구체적으로는 예를 들면 100~160℃의 온도로 열프레스함으로써 고체 전해질막에 압착시킬 수 있다. 탄소 함유 기재에는 탄소 섬유 또는 카본 페이퍼 등의 펠트 시트가 이용되고, 이와 같은 시트에 소정 성분과 양의 촉매 함유 페이스트를 도포하거나 또는 함침시키고, 고체 전해질막을 사이에 끼워 양면에 페이스트 도포 시트를 부착하고, 이를 열프레스에 의해 일체 성형 압착한다.

도 1은 연료 전지의 구조를 모식적으로 도시한 측단면도,

도 2는 실시예 1의 촉매층 전극을 도시한 평면도,

도 3은 실시예 2의 촉매층 전극을 도시한 평면도,

도 4는 실시예 3의 촉매층 전극을 도시한 평면도,

도 5는 변형예의 촉매층 전극을 도시한 평면도,

도 6은 다극의 촉매층 전극을 갖는 멀티형 막전극 접합체를 도시한 평면도,

도 7은 실시예 4의 촉매층 전극을 도시한 평면도,

도 8은 비교예 2의 촉매층 전극을 도시한 평면도,

도 9는 비교예 1의 촉매층 전극을 도시한 평면도 및

도 10은 종래의 연료 전지의 고체 전해질막에 열프레스 압착된 촉매층 전극을 도시한 측면도이다.

(발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태)

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 여러 가지 형태를 설명한다.

우선, 본 발명의 실시형태에 따른 휴대 기기용 연료 전지의 전체 개요에 대해 도 1을 참조하여 설명한다. 연료 전지(1)는 전체가 보호 커버(20)로 덮여지고, 내부에 단위 셀을 갖는다. 연료 전지(1)는 보호 커버(20)측으로부터 시일 부재(17, 18)를 통해 내부의 단위 셀을 볼트(28)와 너트(29)로 조여 일체화한 것이 다. 누름 부재로서의 시일 부재(17, 18)와 복수개의 스페이서(25)에 의해 연료 전지(1)의 내부에는 여러개의 공간이나 틈이 형성되어 있다. 이들 공간이나 틈 중, 예를 들면 캐소드측의 공간은 물 저장실(26)로서 이용되고, 애노드측의 공간은 연료 저장실(27)로서 이용된다. 캐소드측의 보호 커버(20)에는 복수의 가는 통기 구멍(24)이 형성되고, 공간부(26)에 각각 연통되어 있다.

연료 전지의 단위 셀은 고체 전해질막(11), 애노드 및 캐소드를 구비하고 있다. 애노드와 캐소드는 고체 전해질막(11)을 사이에 끼워 대향 배치되어 있다. 애노드는 애노드 촉매층 전극(12A(12B~12D)) 및 애노드 가스 확산층(14)을 갖는다. 애노드 촉매층 전극(12A(12B~12D))은 가스 확산층(14)을 통해 공급되는 연료를 산화하여 연료로부터 전자와 프로톤을 취출하는 것이며, 촉매층 전극(12A(12B~12D))과 가스 확산층(14)이 적층된 적층 구조를 이루고 있다. 애노드 촉매층 전극(12A(12B~12D))은 예를 들면 촉매를 포함하는 탄소 분말에 의해 구성되어 있다. 촉매에는 예를 들면, 백금(Pt)의 미립자, 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 루테늄(Ru) 또는 몰리브덴(Mo) 등의 천이 금속 또는 그 산화물 또는 이들의 합금 등의 미립자가 이용된다. 단, 촉매를 루테늄과 백금의 합금에 의해 구성하도록 하면 일산화탄소(CO)의 흡착에 의한 촉매의 비활성화를 방지할 수 있으므로 바람직하다.

또한, 애노드 촉매층 전극(12A(12B~12D))은 후술하는 고체 전해질막(11)에 이용되는 수지의 미립자를 포함하는 것이 더 바람직하다. 발생시킨 프로톤의 이동을 용이하게 하기 위해서이다. 가스 확산층(14)은 예를 들면 다공질의 탄소 재료로 이루어진 박막으로 구성되고, 구체적으로는 카본 페이퍼 또는 탄소 섬유 등으로 구성되어 있다. 또한, 가스 확산층(14)의 단부에 도통하는 음극 리드(16b)가 바깥쪽으로 연장되어 있다.

캐소드는 캐소드 촉매층 전극(12A(12B~12D)) 및 캐소드 가스 확산층(15)을 갖는다. 캐소드 촉매층 전극(12A(12B~12D))은 산소를 환원하여 전자와 애노드 촉매층 전극(12A(12B~12D))에서 발생한 프로톤을 반응시켜 물을 생성하는 것이며, 예를 들면 상기 애노드 촉매층 전극(12A(12B~12D)) 및 가스 확산층(14)과 동일하게 구성되어 있다. 즉, 캐소드는 고체 전해질막(11)측에서 차례로 촉매를 포함하는 탄소 분말로 이루어진 캐소드 촉매층 전극(12A(12B~12D))과 다공질 탄소 재료로 이루어진 캐소드 가스 확산층(15)(가스 투과층)이 적층된 적층 구조를 이루고 있다. 캐소드 촉매층 전극(12A(12B~12D))에 이용되는 촉매는 애노드 촉매층 전극(12A(12B~12D))의 촉매와 동일하고, 애노드 촉매층 전극(12A(12B~12D))이 고체 전해질막(11)에 이용되는 수지의 미립자를 포함하는 경우가 있는 것도 애노드 촉매층 전극(12A(12B~12D))과 동일하다. 또한, 캐소드 가스 확산층(15)의 단부에 도통하는 양극 리드(16a)가 바깥쪽으로 연장되어 있다.

계속해서 촉매층 전극(12A(12B~12D))의 여러 가지 형상에 대해 설명한다.

촉매층 전극의 형상은 예를 들면 도 2에 도시한 바와 같이 촉매층 전극(12A)의 이차원 투영면 형상을 오각형 이상의 다각형으로 하거나, 또는 도 3에 도시한 바와 같이 촉매층 전극(12B)의 모서리 각부(13B)의 이차원 투영면 형상을 원호로 할 수 있다. 촉매층 전극(12A)의 경우는 모서리 각부를 90° 이상의 둔각으로 하고, 또한 이차원 투영면에서 결락 모서리 각부를 갖지 않은 진정한 직사각형 형상 의 면적의 90% 이상의 면적을 갖는 것이 바람직하다. 촉매층 전극(12B)의 경우는 모서리 각부의 원호의 곡률 반경(R)을 1mm 이상으로 하고, 또한 이차원 투영면에서 결락 모서리 각부를 갖지 않은 진정한 직사각형 형상의 면적의 90% 이상의 면적을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 목귀질을 과도하게 크게 하거나 원호의 곡률 반경을 과도하게 크게 하면 촉매층 전극의 면적 그 자체가 너무 작아 발전에 필요하게 되는 반응 면적이 부족할 우려가 있기 때문이다. 원래의 직사각형 형상 면적의 90% 이상이면 그 우려는 실질적으로 없다.

결락 모서리 각부(13A)는 도 2에 도시한 바와 같이, 이차원 투영면에서 인접하는 변 종단이 만나는 직교점을 정점으로 하고, 상기 직교점에서 소정 길이 떨어진 곳에서 인접하는 변을 각각 비스듬하게 가로지르는 직선을 저변으로 하는 삼각형 부분을 절제하여 형성하도록 해도 좋다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이 결락 모서리 각부(13B)는 이차원 투영면에서 인접하는 변 종단이 만나는 직교점에서 소정 길이 떨어진 곳에서 인접하는 변이 각각 외접하는 원호의 외측 부분을 절제하여 형성하도록 해도 좋다. 이와 같은 결락 모서리 각부는 도 7에 도시한 진정한 직사각형 촉매층 전극의 모서리 각부를 목귀질 또는 절제함으로써 형성된다.

모서리 각부를 결락시키지 않는 형상의 촉매층 전극을 본 발명에 포함시킬 수 있다. 예를 들면 도 4에 도시한 바와 같이 이차원 투영면에서 촉매층 전극(12C)의 각 변(12a, 12b)을 바깥쪽으로 만곡(팽출)되는 곡선 형상으로 하면 인접하는 변의 종단들이 반드시 90°를 초과하는 각도에서 만나게 된다. 변의 곡선 형상에는 진원의 원호, 타원의 원호, 현수선, 사이클로이드, 카디오이드 등 여러 가 지 이차원 곡선을 이용할 수 있다. 또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 곡선 형상의 변(12a, 12b)을 가진 촉매층 전극(12D)에서도 모서리 각부를 결락시켜 결락 모서리 각부(13D)를 형성하면 더 효과를 높일 수 있다.

고체 전해질막(11)은 애노드 촉매층 전극(12A(12B~12D))에서 발생한 프로톤을 캐소드 촉매층 전극(12A(12B~12D))으로 수송하기 위한 것이며, 전자 전도성을 갖지 않고, 프로톤을 수송하는 것이 가능한 재료에 의해 구성되어 있다. 예를 들면, 폴리퍼플루오로설폰산계의 수지막, 구체적으로는 듀폰사제의 나피온막, 아사히 글래스사제의 프레미온막, 또는 아사히 가세이 고교사제의 아시프렉스막 등에 의해 구성되어 있다. 또한, 폴리퍼플루오로설폰산계의 수지막 이외에도 트리플루오로스틸렌 유도체의 공중합막, 인산을 함침시킨 폴리벤즈이미다졸막, 방향족 폴리에테르케톤설폰산막 또는 지방족 탄화수소계 수지막 등 프로톤을 수송 가능한 고체 전해질막(11)을 구성하도록 해도 좋다.

또한, 1 개의 고체 전해질막(11)상에 복수의 촉매층 전극을 평행하게 나열하여 부착하고, 멀티형 막전극 접합체를 형성하도록 해도 좋다. 본 실시형태에서는 도 6에 도시한 바와 같이 4 개의 촉매층 전극(E1,E2, E3, E4)을 폭 방향(X 방향)으로 등피치 간격으로 평행하게 배치했다. 촉매층 전극(E1~E4)으로서 도 3에 도시한 R 목귀질한 모서리 각부(13B)를 갖고, 또 애스팩트비가 3~8인 촉매층 전극(12B)을 이용했다.

애노드 가스 확산층(14)의 고체 전해질막(11)과 반대측에는 예를 들면 내부에 형성된 액체 연료 저장 공간을 갖는 연료 저장실(27)이 애노드 가스 확산층(14) 에 인접하여 설치되어 있다. 고농도인 액체 연료를 사용하여 연료 전지 체적 효율이 향상되고, 또 연료 전지와 함께 휴대되는 연료 카트리지의 크기와 중량이 작게 억제되는 이점이 있다. 시일 부재(18)를 관통하는 연료 공급구(도시하지 않음)가 연료 저장실(27)에 연통되고, 연료 저장실(27)에 액체 연료가 공급되도록 되어 있다. 이 연료 공급구에는 연료 공급구(21)를 폐쇄하는 덮개체(도시하지 않음)가 착탈 가능하게 장착되어 있다. 연료 저장실(27) 및 덮개체는 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리스틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리카보네이트 등의 액체 연료로 팽윤 등 발생하지 않는 경질의 플라스틱으로 제조되어 있다. 또한, 연료 저장실(27) 및 덮개체를 스테인레스강이나 니켈 금속 등의 내식성이 우수한 금속 재료로 할 수도 있다. 금속 재료에 의해 연료 저장실(27)을 구성할 경우에는 애노드 촉매층 전극(12A)과 캐소드 촉매층 전극(12A)이 단락하지 않도록 연료 저장실(27)을 설치하거나, 또는 단락을 방지하기 위한 도시하지 않은 절연 부재를 삽입할 필요가 있다. 또한, 가스 확산층(14)으로부터 음극 리드(16b)에 전자를 취출하기 위해 보호 커버(20)로부터 가스 확산층(14)을 향해 연장되는 복수의 스페이서(25)(돌기 구조)를 설치함으로써 발전 에너지의 효율적인 이용이 가능해진다. 또한, 음극 리드(16b)는 많은 개구와 틈을 갖고, 가스의 확산을 저해하지 않는 형상으로 한다.

연료 저장실(27)의 내부에는 액체 연료를 함침하여 유지하는 액체 연료 함침 부재를 충전하는 경우가 있다. 액체 연료 함침 부재로서 예를 들면 다공질 폴리에스테르 섬유, 구체적으로는 유니티카제 유니벡스 등이 사용된다. 이 액체 연료 함침부는 애노드 가스 확산층(14)과 연료 개구(도시하지 않음) 사이에 배치되고, 연 료를 적량 애노드에 공급하는 기능을 갖는다. 폴리에스테르 섬유 이외에도 아크릴산계의 수지 등의 각종 흡수성 폴리머에 의해 구성해도 좋고, 스폰지 또는 섬유의 집합체 등 액체의 침투성을 이용하여 액체를 유지할 수 있는 재료에 의해 구성한다. 본 액체 연료 함침부는 본체의 자세에 상관없이 적량의 연료를 공급하는 데에 유효하다. 또한 액체 연료로서는 예를 들면 메탄올 수용액, 에탄올 수용액, 프로판올 수용액이나 순수 프로판올 등의 프로판올 연료, 글리콜 수용액이나 순수 글리콜 등의 글리콜 연료, 디메틸에테르, 개미산 수용액, 개미산 나트륨 수용액, 초산 수용액, 에틸렌글리콜 수용액 등의 수소를 포함하는 유기계 수용액이 이용된다. 그 중에서도 메탄올 수용액은 탄소수가 1이고 반응 시에 발생하는 것이 탄산가스이고, 또한 저온에서의 발전 반응이 가능하고, 산업 폐기물로부터 비교적 용이하게 제조할 수 있으므로 바람직하다. 어느쪽이든 연료 전지에 적응하는 액체 연료가 사용된다. 캐소드측의 보호 커버(20)에는 예를 들면 틈을 통해 캐소드 가스 확산층(15)에 외기를 자연 확산에 의해 공급하기 위한 다수의 통기 구멍(24)이 개구되어 있다. 이들 통기 구멍(24)은 외기가 통과되는 개구를 형성하지만, 외기의 통과를 저해하지 않고, 외부로부터 캐소드 가스 확산층(15)으로의 미소(微小) 또는 바늘 형상의 이물질의 침입·접촉을 방지할 수 있는 형상이 연구되어 있다.

이상, 여러 가지 실시형태를 예로 들어 설명했지만, 본 발명은 상기 각 실시형태에만 한정되지 않고, 여러 가지 변형 및 조합하는 것이 가능해진다.

[실시예 1, 2, 3 및 비교예 1]

카본 페이퍼를 기재로 하고, 이에 촉매 함유 페이스트를 도포하고, 이를 고 체 전해질막의 양면에 각각 부착하고, 이를 열프레스에 의해 일체 성형 압착하고, 각각 소정 형상의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 발전 소자 구조를 얻었다.

실시예 1은 도 2에 도시한 형상의 촉매층 전극(12A), 실시예 2는 도 3에 도시한 형상의 촉매층 전극(12B), 실시예 3은 도 4에 도시한 형상의 촉매층 전극(12C), 비교예 1은 도 9에 도시한 형상의 촉매층 전극(12)을 각각 이용한 결과를 각각 도시했다. 또한, 장변(12b)의 길이(L1)를 40mm, 단변(12a)의 길이(L2)를 30mm로 하고, 실시예 1에서는 결락 모서리 각부(13A)의 목귀질 크기(L3)를 1mm, 실시예 2에서는 결락 모서리 각부(13B)의 원호의 곡률반경(R3)을 1mm, 실시예 3에서는 단변(12a)의 곡률반경(R2)을 100mm, 장변(12b)의 곡률반경(R1)을 200mm로 했다. 또한, 각 실시예 1, 2, 3 및 비교예 1 모두 온도 125℃, 압력 300MPa/㎠의 조건으로 열프레스했다. 열프레스 후의 고체 전해질막/애노드 촉매층 전극/캐소드 촉매층 전극의 합계 두께는 약 1.5mm이었다.

하기 조건으로 각 실시예 1, 2, 3 및 비교예 1의 연료 전지를 각각 발전시키고, 장기 발전 전후의 전지 성능을 비교했다.

전지에 조립 후, 연료를 주입하고, 내부 저항을 측정하여 초기의 내부 저항으로 했다. 그 후, 0.3V 정전압 부하로 500 시간의 장기 발전 시험을 실시했다. 시험 개시 직후의 전력값을 기준으로 할 때의 500 시간 후의 전력값을 유지율로 구했다. 또한, 시험 후의 내부 저항값도 측정하여, 장시간 발전 전후의 내부 저항의 변화를 구했다. 그 시험 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

상기 표 1에서 내부 저항값을 장기 발전 전후 비교해 보면, 비교예 1의 내부 저항값(160mΩ)이 실시예 1, 2, 3의 내부 저항값(95mΩ, 90mΩ, 92mΩ)에 비해 높아지는 것이 판명되었다. 이는 장기 발전 시험에서의 경시 변화에 의해 전극의 밀착 강도가 저하하기 때문에 내부 저항이 증대한 것이라고 생각된다. 또한, 전력 유지율에서도 비교예 1이 51%에 불과한 것에 대해, 실시예 1에서는 85%, 실시예 2에서는 83%, 실시예 3에서는 82%로 각각 높은 유지율을 나타냈다. 이 때문에 각 실시예 1, 2, 3에서는 장기 발전 후에도 전지의 특성을 유지하는 것을 알 수 있다.

[실시예 4 및 비교예 2]

카본페이퍼를 기재로 하고, 이에 촉매 함유 페이스트를 도포하고, 이를 고체 전해질막의 양면에 각각 부착하고, 이를 열프레스에 의해 일체 성형 압착하여, 도 7에 도시한 소정 형상의 실시예 4 및 도 8에 도시한 비교예 2의 막전극 접합체를 각각 얻었다.

실시예 4는 도 2에 도시한 형상의 촉매층 전극(12A)을 3 열 평행하게 나열한 멀티형 막전극 접합체, 비교예 2는 도 9에 도시한 형상의 촉매층 전극(12)을 3 열 나열하여 직렬로 접속한 멀티형 막전극 접합체이다. 또한, 장변(12b)의 길이(L1)를 40mm, 단변(12a)의 길이(L2)를 9mm로 하고, 실시예 4의 결락 모서리 각부의 목귀질 크기(L3)를 1mm로 하고, 전극간의 상호 틈(L5)을 1.5mm, 총폭(L6)을 30mm로 했다. 또한, 실시예 4 및 비교예 2 모두 온도 125℃, 압력 300MPa/㎠의 조건으로 열프레스했다. 열프레스 후의 고체 전해질막/애노드 촉매층 전극/캐소드 촉매층 전극의 합계 두께는 약 1.5mm이었다.

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1과 동일 조건으로 각 연료 전지를 각각 발전시켜 동일한 시험을 실시했다. 그 시험 결과를 하기 표 2에 나타낸다.

상기 표 2에서 내부 저항값을 장기 발전 전후 비교해 보면, 비교예 2의 내부 저항값(380mΩ)이 실시예 4의 내부 저항값(300mΩ)에 비해 높아지는 것이 판명되었다. 이는 장기 발전 시험에서의 경시 변화에 의해 전극의 밀착 강도가 저하하기 때문에 내부 저항이 증대한 것이라고 생각된다. 또한, 전력 유지율에서도 비교예 2가 50%에 불과한 것에 대해, 실시예 4에서는 79%로 높은 유지율을 나타냈다. 이 때문에 실시예 4에서는 장기 발전후에도 전지 특성을 유지하는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의하면 압착된 촉매층 전극이 고체 전해질막으로부터 박리되기 어려워지므로 양호한 전지 성능이 안정적으로 얻어지게 되고, 휴대전화, 노트북, 휴대 게임기 등의 모바일 기기의 전원으로서 편차가 없는 출력 특성을 얻을 수 있다.

본 발명의 연료 전지는 간단한 조작에 의해 전지 기능을 유지·회복시킬 수 있으므로, 휴대 전화, 노트북, 휴대 게임기 등의 모바일 기기에 조립하여 이용되는 전원으로서 매우 이용 단가가 높다.

Claims

고체 전해질막과, 상기 고체 전해질막을 끼워 대향하여 설치된 애노드와 캐소드를 단위 셀로서 구비하고, 상기 단위 셀을 단수 또는 면 방향으로 복수 배치하여 이루어진 연료 전지에 있어서,

상기 애노드 및 캐소드의 한쪽 이상의 촉매층 전극은 90°이하의 각부를 갖지 않고, 상기 고체 전해질막의 각 면에 각각 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 1 항에 있어서,

상기 애노드 및 캐소드의 한쪽 이상의 촉매층 전극은 이차원 투영면 형상이 실질적으로 직사각형 형상이고, 1 개 이상의 모서리 각부에서 인접하는 변의 종단들이 90°이하의 각도에서 만나지 않도록 상기 모서리 각부의 일부를 결락시킨 결락 모서리 각부를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 1 항에 있어서,

상기 촉매층 전극의 이차원 투영면 형상이 오각형 이상의 다각형인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 3 항에 있어서,

상기 다각형의 모서리 각부가 90°를 초과하는 둔각이고, 또한 이차원 투영면에서 결락 모서리 각부를 갖지 않은 진정한 직사각형 형상의 면적의 90% 이상의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 2 항에 있어서,

상기 촉매층 전극의 모서리 각부의 이차원 투영면 형상이 원호인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 5 항에 있어서,

상기 모서리 각부의 원호는 곡률반경이 1mm 이상이고, 또한 삼차원 투영면에서 결락 모서리 각부를 갖지 않은 진정한 직사각형 형상의 면적의 90% 이상의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 2 항에 있어서,

상기 결락 모서리부는 이차원 투영면에서 인접하는 변의 종단이 만나는 교점을 정점으로 하고, 상기 교점으로부터 소정 길이 떨어진 곳에서 인접하는 변을 각각 비스듬하게 가로지르는 직선을 저변으로 하는 삼각형 부분을 절제하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 2 항에 있어서,

상기 결락 모서리 각부는 이차원 투영면에서 인접하는 변의 종단이 만나는 교점으로부터 소정 길이 떨어진 곳에서 인접하는 변이 각각 외접하는 원호의 외측 부분을 절제하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 1 항에 있어서,

상기 애노드 및 캐소드의 적어도 한쪽의 촉매층 전극은 이차원 투영면 형상이 실질적으로 직사각형 형상이고, 1 개 이상의 변은 바깥쪽으로 만곡되는 곡선인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 1 항에 있어서,

상기 촉매층 전극은 압착, 용착 또는 접착 중 어느 하나에 의해 상기 고체 전해질막과 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
제 1 항에 있어서,

상기 촉매층 전극은 시트 형상의 탄소 함유 기재에 촉매 함유 물질을 도포 또는 함침시킨 것을 100∼160℃의 온도로 열프레스함으로써 상기 고체 전해질막에 압착되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
고체 전해질막과, 상기 고제 전해질막을 끼워 대향하여 설치된 애노드와 캐소드를 단위 셀로서 구비하고, 상기 단위 셀을 단수 또는 면 방향으로 복수 배치하 여 이루어진 연료 전지에 사용되는 상기 애노드 및 캐소드의 한쪽 이상의 촉매층 전극에 있어서,

상기 애노드 및 캐소드의 한쪽 이상의 촉매층 전극은 90° 이하의 각부를 갖지 않은 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층 전극.
상기 청구항 1에 기재된 연료 전지에 이용되는 촉매층 전극으로서, 이차원 투영면 형상이 실질적으로 직사각형 형상이고, 모서리 각부에서 인접하는 변의 종단들이 90°이하의 각도에서 만나지 않도록 상기 모서리 각부의 일부를 결락시킨 결락 모서리 각부를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층 전극.