KR20160140731A - 연료 전지용 집전체 및 연료 전지 - Google Patents

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KR20160140731A
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타카히로 히가시노
마사토시 마지마
츠토무 이와키
마사히로 야나기다
테츠오 사카이
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
고쿠리츠켄큐카이하츠호진 상교기쥬츠 소고켄큐쇼
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Abstract

고체 고분자 전해질층(2) 및 이 고체 고분자 전해질층(2)을 사이에 두도록 형성된 한 쌍의 전극층(3, 4)을 갖는 막 전극 접합체(5)와, 상기 각 전극층(3, 4)에 적층된 집전체(8, 9)와, 상기 각 전극층(3, 4)에 가스를 공급하는 가스 유로(10, 11)를 구비하여 구성되는 연료 전지에 이용되는 상기 집전체(8, 9)로서, 상기 전극층(3, 4)에 적층되어, 유동하는 가스를 상기 전극층(3, 4)에 공급시킴과 함께, 상기 전극층(8, 9)과 도통시켜지는 금속 다공질체(6a, 7a)를 구비하고, 상기 금속 다공질체(6a, 7a)는, 적어도 상기 전극층(8, 9)측에, 내식성 및 발수성을 갖는 수지에 고정된 도전성 입자를 포함하는 도전층을 구비하여 구성된다.

Description

연료 전지용 집전체 및 연료 전지{COLLECTOR FOR FUEL CELLS, AND FUEL CELL}
본 발명은, 고분자 재료로 형성된 고체 고분자 전해질층을 구비하는 고체 고분자형 연료 전지에 매우 적합한 집전체 및 이 집전체를 이용하여 구성된 연료 전지에 관한 것이다.
고체 고분자형 연료 전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)는, 불소 수지 등의 고분자막으로 형성된 고체 고분자 전해질층의 일측에 산소를 포함하는 기체가 작용시켜지는 제1 전극층(공기극(air electrode))을 형성하는 한편, 타측에 수소를 포함하는 기체 연료가 작용시켜지는 제2 전극층(연료극(fuel electrode))을 형성한 막 전극 접합체(MEA: Membrance Electrode Assembly)를 구비하여 구성된다. 고체 고분자형 연료 전지는, 다른 형식의 연료 전지에 비해 저온에서 작동하기 때문에, 자동차용의 에너지원이나 가정용 전원으로서 실용화되어 있다.
고체 고분자형 연료 전지에서는, 상기 제1 전극층에는, 산소를 포함하는 가스, 통상 공기가 작용시켜진다. 한편, 제2 전극층에는 수소 등을 포함하는 연료 가스가 작용시켜져, 발전(發電)이 행해진다. 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층에는, 전기를 취출하기 위한 집전체가 적층되어 형성되어 있다.
상기 집전체는, 각 전극층에 전기적으로 접속되어, 각 전극과의 사이에서 전자를 교환할 수 있도록, 도전성 재료로 형성된다. 또한, 하나의 막 전극 접합체로 구성되는 단전지(a cell)(단위 셀)의 작동 전압은 1V 이하이고, 필요로 하는 출력에 대응하여 단전지를 직렬로 적층하고, 나아가서는 병렬로 접속하여 구성함으로써, 필요한 출력 전압이나 전류를 얻도록 구성된다. 통상, 도전성의 세퍼레이터를 개재하여 복수의 단전지가 적층되고, 상기 각 세퍼레이터에, 탄소판을 이용한 경우에는, 가스를 각 전극층에 공급하기 위해, 홈 형상의 가스 유로가 형성된다.
한편, 상기 고체 고분자형의 연료 전지에 있어서는, 전해질로서 물을 포함시킨 이온 교환막이 사용되고, 전극층의 근방이 부식 환경에 놓여진다. 특히, 공기가 유동시켜지는 제1 전극층의 근방은 심한 산성 부식 환경이 되어, 스테인리스 등의 금속제의 집전체를 상기 제1 전극층에 직접 접촉시켜 도통시키면, 상기 집전체가 부식된다. 또한, 집전체에 금속을 사용한 경우에, 미량이라도 금속이 용출되면, 이온 교환막에 악영향을 끼치는 경우가 있다. 이 때문에, 카본으로 형성된 집전체가 이용되는 경우도 많다. 또한, 막 전극 접합체의 손상을 방지함과 함께 집전체로서 기능시키기 위해, 카본 섬유를 부직포 형상으로 가공하여 카본 다공질체로 한 카본 시트가 각 전극층을 덮도록 형성된다. 상기 각 전극층과 상기 세퍼레이터가 상기 카본 시트를 통하여 전기적으로 접속됨과 함께, 상기 카본 시트의 외측에 형성된 가스 유로를 흐르는 가스가, 상기 카본 시트의 공극을 통하여 각 전극으로 확산되어 작용하도록 구성되어 있다. 또한, 상기 카본 시트가, 전극층에서 생기는 물에 젖어 버리면 가스 확산 성능이 저하되기 때문에, 불소 수지에 의해 발수 처리가 행해지고 있다.
일본공개특허공보 2011-129265호 일본공개특허공보 2010-067453호 일본공개특허공보 2012-132083호 일본공개특허공보 2012-149282호 일본공개특허공보 2007-035437호 일본공개특허공보 2007-149357호
상기 카본 시트나 카본제의 세퍼레이터를 구성하는 탄소 재료는, 내(耐)약품성이 우수하지만, 금속에 비하면 도전성의 점에서 뒤떨어진다. 즉, 카본의 전기 저항은 일반 금속보다 1∼3자릿수 정도 크고, 연료 전지의 모든 구성 부재, 즉 카본 시트나 홈이 있는 카본제 세퍼레이터를 이용하면, 방전 전압이 낮아져, 연료 전지의 효율을 높일 수 없다는 문제가 있다.
또한, 탄소 재료는, 금속 재료에 비해 강도가 낮기 때문에, 필요한 강도를 갖는 카본 시트를 채용하는 경우, 기공률(porosity)이 작아져 가스 투과성도 낮아진다. 또한, 기공률이나 기공경(pore diameter)이 균일하지 않기 때문에, 전극층의 표면 전역에 대하여 균일하게 가스를 공급하여 작용시킬 수 없어, 각 전극층의 성능을 충분히 발휘시킬 수 없다는 문제가 있다.
또한, 가스를 공급·배출시키는 홈을 세퍼레이터에 형성하는 경우, 전극층으로 균일하게 가스를 공급하기 위해서는, 상기 홈의 폭을 좁게 하고, 또한 홈의 깊이를 깊게 설정하고, 또한, 단위면적당의 홈이 차지하는 비율을 크게 설정하여, 세퍼레이터 표면의 홈이 차지하는 비율을 크게 설정하는 것이 바람직하다. 그런데, 홈을 형성하는 비율을 크게 설정할수록, 상기 카본 시트와의 접촉 면적이 저하된다. 이 때문에, 접촉 저항이 커져 도전성이 저하되고, 연료 전지의 효율을 저하시킨다. 또한, 세퍼레이터에 정밀도가 높은 홈을 형성하는 경우, 공정이 복잡해져 제조 비용이 증가한다는 문제도 있다.
또한, 세퍼레이터와 막 전극 접합체를 일체화할 때의 가압에 의해, 홈을 형성한 세퍼레이터가 카본 시트로 파고들어 상기 홈이 얕아진다. 이러한 카본 시트의 변형 등에 의해 가스의 공급이 저해될 우려도 있다. 또한, 산소 공급원으로서 공기를 이용하는 경우, 산소 소비 후에 남은 질소 성분을 반응 부분으로부터 신속하게 제거하는 것이 바람직하고, 가스의 전극으로의 공급과 함께 배출 제거도 중요하다. 이 때문에, 가스의 배출로를 확보하는데 있어서도 문제이다.
본 발명은, 도전성이 높고, 또한 필요한 내식성을 확보할 수 있음과 함께, 전극층에 가스를 균일하게 공급할 수 있는 집전체를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
본 발명은, 고체 고분자 전해질층 및 이 고체 고분자 전해질층을 사이에 두도록 형성된 한 쌍의 전극층을 갖는 막 전극 접합체와, 상기 각 전극층에 적층된 집전체와, 상기 각 전극층에 가스를 공급하는 가스 유로를 구비하여 구성되는 연료 전지에 이용되는 상기 집전체에 있어서, 상기 전극층에 적층되고, 유동하는 가스를 상기 전극층에 공급시킴과 함께, 상기 전극층과 도통(conduction)시켜지는 금속 다공질체를 구비하고, 상기 금속 다공질체는, 적어도 상기 전극층측에, 내식성 및 발수성을 갖는 수지에 고정된 도전성 입자를 포함하는 도전층을 구비하여 구성된다.
금속 다공질체로 이루어지는 집전체를, 전극층에 확실히 도통시킬 수 있음과 함께, 상기 금속 다공질체의 전극층 근방에 있어서의 부식을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 집전체가 적용되는 고체 고분자형 연료 전지의 개요를 나타내는 단면도이다.
도 2는 집전체를 구성하는 금속 다공질체의 일 예를 나타내는 현미경 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 집전체가 적용되는 다른 형태의 고체 고분자형 연료 전지의 단면도이다.
도 4는 실시예 1에 따른 집전체의 구조를 개략적으로 나타내는 확대 단면도이다.
도 5는 도 4에 나타내는 집전체의 주요부의 확대도이다.
도 6은 실시예 1에 따른 집전체를 이용한 연료 전지와, 비교예에 따른 집전체를 이용한 연료 전지의 성능 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예 2에 따른 집전체의 구조를 개략적으로 나타내는 확대 단면도이다.
도 8은 도 7에 나타내는 집전체의 주요부의 확대도이다.
도 9는 실시예 2에 따른 집전체를 이용한 연료 전지와, 비교예에 따른 집전체를 이용한 연료 전지의 성능 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 실시예 3에 따른 집전체의 구조를 개략적으로 나타내는 확대 단면도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
〔본 발명의 실시 형태의 개요〕
본 실시 형태에 따른 집전체가 적용되는 연료 전지는, 고체 고분자 전해질층 및 이 고체 고분자 전해질층을 사이에 두도록 형성된 한 쌍의 전극층을 갖는 막 전극 접합체와, 상기 각 전극층에 적층된 집전체와, 상기 각 전극층에 가스를 공급하는 가스 유로를 구비하여 구성되는 연료 전지에 이용되는 상기 집전체에 있어서, 상기 전극층에 적층되고, 유동하는 가스를 상기 전극층에 공급시킴과 함께, 상기 전극층과 도통시켜지는 금속 다공질체를 구비하고, 상기 금속 다공질체는, 적어도 상기 전극층측에, 내식성 및 발수성을 갖는 수지에 고정된 도전성 입자를 포함하는 도전층을 구비하여 구성된다.
상기 도전층을 형성함으로써, 상기 금속 다공질체가 전극층에 직접 접촉하는 일이 없어진다. 이 때문에, 상기 금속 다공질체의 전극층 근방에 있어서의 부식을 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 종래의 카본 시트를 이용하는 일 없이 연료 전지를 구성하는 것이 가능해져, 전극층과 집전체 사이의 도전성을 높일 수 있다. 또한, 상기 도전성 입자를 통하여 상기 전극층과 상기 금속 다공질체가 도통시켜지기 때문에, 상기 금속 다공질체와 상기 전극층을 직접 접촉시키는 일 없이, 충분한 도전성을 확보할 수 있다.
내식성 및 발수성을 갖는 상기 수지로서, 여러 가지의 내식성 수지를 채용할 수 있다. 예를 들면, 불소 수지 등을 채용할 수 있다. 상기 불소 수지로서, 여러 가지의 불소 수지나 그 공중합체를 채용할 수 있다. 예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 외에, 테트라플루오로에틸렌-알킬비닐에테르 공중합체, 사불화 에틸렌-육불화 프로필렌 공중합체, 일부에 크롤기를 남긴 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리 불화 비닐리덴(PVdF), 폴리 불화 비닐(PVF) 등을 채용할 수 있다. 발수성, 가격의 관점에서, 폴리테트라플루오로에틸렌을 채용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 발수성을 발현시키기 위한 열처리는, 300∼400℃의 온도로 행할 수 있다.
상기 도전성 입자로서, 내식성을 갖는 여러 가지의 입자를 채용할 수 있다. 예를 들면, 탄소 분말, 백금, 은 등의 입자를 채용할 수 있다.
비용면에서, 도전성 입자로서 탄소 분말을 채용하는 것이 바람직하다. 탄소 분말로서, 예를 들면, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙(Ketjen black)(등록상표), 활성탄, 하드 카본, 흑연 등을, 단독으로 또는 혼합하여 이용할 수 있다. 도전성 입자를 분산시킨 상기 수지 슬러리의 제작이나 전기 저항의 관점에서 흑연 분말 단독이나 이것을 주(主)재료로 하는 것이 바람직하다. 상기 도전성 입자의 입자경은, 1∼200㎛, 바람직하게는 5∼150㎛의 것을 채용할 수 있다.
상기 도전층은, 여러 가지의 수법에 따라 형성할 수 있다. 예를 들면, 도전성 입자로서 탄소 입자를 채용하고, 이것을 불소 수지로 금속 다공질체의 표면에 고정하는 경우, 금속 다공질체의 한쪽의 면에, 탄소 분말과 불소 수지 디스퍼전을 주로 하는 슬러리를 도포 부착하는 수법을 채용할 수 있다. 이 슬러리에는 결착성을 높이기 위해, 폴리올레핀 에멀전이나 폴리비닐알코올 수용액 등을 첨가할 수 있다.
상기 도전층은, 상기 금속 다공질체의 각 기공의 표면에 치밀하게 형성할 수도 있고, 다공질 형상의 도전층을 형성할 수도 있다. 치밀한 도전층은, 각 도전성 입자 사이의 극간에, 상기 수지가 충전된 형태가 된다. 한편, 다공질 형상의 도전층은, 인접하는 각 도전성 입자가, 상기 수지를 개재하여 연결된 형태를 구비한다. 상기 다공질 형상의 도전층은, 배합되는 수지량을, 도전성 입자 사이에 형성되는 극간을 채우는 양보다 적게 설정함으로써 형성할 수 있다. 예를 들면, 다공질 형상의 도전층을 형성하는 경우, 수지의 배합 비율을, 도전성 입자의 배합 비율에 대하여 3∼10중량％로 하는 것이 바람직하다.
치밀한 도전층을 형성하는 경우, 상기 금속 다공질체의 기공 표면에, 가스를 유동시키기 위해 필요한 기공률을 확보할 수 있는 두께로 형성할 수 있다. 한편, 다공질 형상의 도전층을 형성하는 경우, 금속 다공질체의 기공을 메우도록 도전층을 형성할 수 있다. 예를 들면, 전극층에 적층되는 측의 다공질체의 표면 전체에, 상기 다공질체의 기공을 덮도록 도전층을 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 도전층은, 가스를 전극 표면으로 확산하여 작용시키는 확산층으로서 기능한다. 이 때문에, 확산층으로서 기능하는 기공률을 구비하는 다공질 형상으로 형성된다. 확산층으로서 기능하는 상기 도전층을 형성함으로써, 금속 다공질체와 상기 전극층 표면 사이의 거리를 보다 크게 설정하는 것이 가능해져, 금속 다공질체의 산화를 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 전극층 표면과 상기 도전층의 접촉면이 커지기 때문에, 도전성이 높아져, 연료 전지의 성능을 높일 수 있다. 또한, 금속 다공질체의 골격이 상기 도전층으로 파고든 상태가 되기 때문에, 도전층-금속 다공질체 사이의 도전성도 향상한다. 다공질 형상의 도전층을 채용하는 경우, 확산층으로서 기능하는 기공률(30∼50％)로 설정된다. 여기에서 「기공률」이란, 다음 식으로 산출되는 값을 나타내는 것으로 한다.
기공률=[1-{다공질체의 중량÷(다공질체의 체적×소재(material) 밀도)}]
상기 도전층을 형성하는 구체적 수법으로서, 예를 들면, 흑연 분말 단독으로, 혹은 하드 카본과의 혼합 분말에, 불소 수지 디스퍼전과, 필요에 따라서 카르복시메틸셀룰로오스(CMC)와 같은 증점제를 더하고, 거기에 결착성 향상을 위해 폴리에틸렌 에멀전을 더하여 슬러리를 조정할 수 있다. 이것을, 금속 다공질체의 전극층과 접하는 면에 도포 부착한다. 그 후 불소 수지의 발수성을 나타나게 하기 위해 열처리를 행한다. 불소 수지의 열처리는 공기 중 350∼400℃로 가열함으로써 행할 수 있다. 니켈 합금으로 형성된 금속 다공질체를 채용하는 경우, 산화를 방지하기 위해, 수소를 포함하는 분해 암모니아 가스 등의 분위기하에서 가열하는 것이 바람직하다.
상기 금속 다공질체로서, 낮은 전기 저항률을 가짐과 함께, 내식성이 높은 재료로 형성된 것을 채용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 니켈, 니켈계 합금을 채용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 니켈 크롬, 니켈 주석, 니켈 텅스텐, 니켈 티탄, 니켈 코발트 등의 니켈계 합금을 채용할 수 있다.
상기 금속 다공질체의 형태는 특별히 한정되는 일은 없다. 예를 들면, 상기 금속 다공질체로서, 외각(outer shell)과, 심부(core portion)를 갖는 골격을 구비하고, 상기 골격이 일체적으로 연속되는 3차원 그물코 구조를 구비함과 함께, 상기 심부가, 중공, 도전성 재료, 또는, 이들 쌍방으로 구성되어 있는 것을 채용하는 것이 바람직하다. 또한, 제조 수법도 특별히 한정되는 일은 없고, 예를 들면, 발포 수지나 수지제 부직포에 니켈 도금을 행한 후에 수지를 소각 제거하고, 어닐링하여 니켈 다공질체로 하고, 추가로 얻어진 니켈 다공질체를 크롬, 주석, 텅스텐 등으로 합금화하여 제작할 수 있다. 또한, 이 니켈 다공질체 혹은 니켈 합금 다공질체의 단위면적당의 중량으로서 300∼1000g/㎡의 것을 채용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속 다공질체에 의해, 가스를 상기 전극층의 면 방향으로 유동시키는 가스 유로를 구성할 수도 있다. 상기 금속 다공질체를 가스 유로로서 이용함으로써, 가스를 전극층에 균일하게 공급시키는 것이 가능해진다. 또한, 전극층 근방에서 생기는 수분이나 잔여의 가스를 원활하게 배출하는 것도 가능해진다. 여기에서 「면 방향」이란, 전극층의 두께 방향과 직교하는 방향을 나타내는 것으로 한다.
또한, 상기 금속 다공질체를 가스 유로로서 기능시킴으로써, 단전지를 다수 적층한 경우에 장치 전체의 치수를 저감시키는 효과가 크다. 또한, 가스의 공급이나 배출을 원활하게 행할 수 있기 때문에, 연료 전지의 장(長)수명화도 실현할 수 있다.
상기 금속 다공질체를 가스 유로로서 기능시키는 경우, 50∼85％의 기공률을 가짐과 함께, 기공경이 150∼500㎛인 금속 다공질체를 채용하는 것이 바람직하다. 상기 금속 다공질체에 가스 유로의 기능을 갖게 하는 경우는, 금속 다공질체 자체가 세퍼레이터에 형성되는 종래의 홈에 상당하게 되지만, 세퍼레이터 표면의 50％에 홈을 형성하는 경우와 비교하면, 금속 다공질체의 기공률은 상기 홈을 형성한 비율보다 크고, 또한, 상기 홈에 비하면 골격 부분이 가늘기 때문에, 가스 유로의 두께를 얇게 설정하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 세퍼레이터에 형성한 종래의 홈은 1000㎛ 정도의 깊이가 필요했지만, 500㎛ 정도의 두께를 갖는 금속 다공질체를, 종래의 카본 시트 및 가스 유로로서 기능시킬 수도 있다.
상기 금속 다공질체의 기공률이 85％를 초과하면, 가스의 공급·배출용으로서는 적합하지만, 골격이 적어지기 때문에 전극층이나 세퍼레이터 사이의 전기 저항이 커져, 방전 전압의 향상은 기대할 수 없다. 한편, 기공률이 50％ 미만인 경우, 가스의 유동성이 저하된다. 또한, 가스의 유동성을 확보하기 위해, 금속 다공질체의 기공경은, 150㎛보다 크게 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 가스 유로로서의 기능과, 전극층으로의 가스의 확산 기능의 쌍방을 확보하려면, 기공경을 500㎛ 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 금속 다공질체의 가스 확산 전극과 접하는 측 이외에는, 기공률을 높게 설정하여 가스 유로로서 기능시키도록 구성할 수도 있다.
상기 금속 다공질체를, 종래의 카본 시트와 동일하게, 전극 표면에 가스를 확산하여 작용시키기 위한 확산층으로서 기능시킬 수 있다. 이 경우, 전극층 근방에 있어서의 금속 다공질체(도전층을 포함함)의 기공률을 30∼50％로 설정함과 함께, 기공경을 10∼100㎛로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 기공률이 30％ 미만인 경우 가스의 유동 저항이 커져, 충분한 양의 가스를 각 전극층에 작용시킬 수 없다. 한편, 기공률이 50％를 초과하면, 가스의 확산 작용이 저하되어, 전극층에 균일하게 가스를 공급할 수 없어진다. 마찬가지로, 기공경이 10㎛ 미만인 경우, 가스의 유동 저항이 커져 충분한 양의 가스를 각 전극층에 작용시킬 수 없다. 한편, 기공경이 100㎛를 초과하면, 전극층에 균일하게 가스를 공급할 수 없어진다.
집전체로서의 상기 기공률 및 상기 기공경은, 금속 다공질체 자체의 기공률 및 기공경을 조정함으로써 설정할 수도 있고, 상기 도전층이나 나중에 설명하는 수지층의 두께 등을 조정함으로써 설정할 수도 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 상기 도전층을, 상기 금속 다공질체의 기공을 메우도록 형성하거나, 기공을 덮도록 형성하여, 확산층으로서 기능시킬 수도 있다. 이 경우, 상기 도전층의 기공률이나 기공경이 상기와 같이 설정된다.
상기 금속 다공질체를 형성하는 수법의 일 예를 이하에 상술한다. 또한, 이하의 설명은, 가스 유로로서 기능하는 집전체를 구성하는 금속 다공질체를 형성하는 경우의 예이다. 우선, 얻어지는 니켈 다공질체의 기공률이 60∼85％가 되도록, 기공률이 대략 동(同) 정도의 발포 수지 혹은 수지제 부직포 등의 수지 다공질체를 준비한다. 이러한 기공률은, 범용의 알칼리 2차 전지의 니켈극에 사용되는 바와 같은 93∼96％와 같은 고(高)기공률의 다공질체를 형성하고, 롤러 프레스기 등으로 두께 조정하여 필요한 기공률로 설정할 수 있다. 상기 발포 수지로서는 폴리우레탄이 가격의 점에서 바람직하다. 부직포로서는 폴리올레핀제의 것을 채용할 수 있다. 또한, 폴리에틸렌 섬유와 폴리프로필렌 섬유를 혼합하고, 폴리에틸렌의 융점이 낮은 성질을 이용하여, 상기 폴리프로필렌 섬유의 교차점을 용융한 폴리에틸렌으로 연결하여 구성되는 부직포에서는, 60％ 이상의 기공률을 갖는 부직포를 형성할 수 있다.
상기 3차원 구조의 수지 다공질체를 채용하는 경우, 도전성을 부여하기 위해, 무전해 니켈 도금 혹은 흑연 등 도전성 분말의 도포 부착 등을 행한다. 그 후, 전해 니켈 도금을 행하여 3차원 구조의 니켈 다공질체로 한다. 다음으로, 이 다공질체의 강도를 높이기 위해, 산소를 포함하는 분위기 중에서, 발포 수지 등을 소각·제거한 후, 수소를 포함하는 분위기 중에서 가열함으로써, 어닐링, 소결하여 3차원 구조의 니켈 다공질체를 제조한다.
니켈 도금한 부직포의 경우는, 발포 수지보다 기계적 강도가 크기 때문에, 발포 수지와 같이 소각·제거하지 않고, 상기 부직포를 남긴 채로 사용할 수도 있다. 또한, 내식성을 보다 향상시키기 위해 니켈-주석, 니켈-크롬, 니켈-텅스텐 등의 각 합금화를 행하는 경우는, 수지의 융점을 초과하는 온도 처리가 필요하기 때문에, 부직포를 이용한 경우에도, 발포 형상 니켈과 동일하게 수지를 소각 제거해 두는 것이 필요하다. 어느 다공질체의 경우에도 니켈 단독 및 니켈 합금의 단위면적당의 중량에 대해서는, 강도나 도전성을 고려하여, 300∼1000g/㎡, 바람직하게는 400∼750g/㎡로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 기공률은, 50∼85％, 두께는 0.5∼1㎜로 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속 다공질체의 일부 또는 전부에, 상기 내식성 및 발수성을 갖는 수지로 형성된 수지층을 형성할 수 있다. 상기 내식성을 갖는 수지층은, 여러 가지의 내식성 수지로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상술한 도전층을 구성하는 불소 수지 등을 이용하여 상기 수지층을 구성할 수 있다.
상기 수지층을 형성함으로써, 상기 금속 다공질체의 내식성을 확보할 수 있다. 또한, 상기 수지층을 형성함으로써, 금속 다공질체의 금속 골격이, 상기 전극층이나 상기 고체 고분자 전해질층으로 파고들어 손상시키는 것을 방지할 수도 있다.
또한, 상기 수지층에 발수성을 갖게 함으로써, 가스에 첨가하는 수증기나 전기 화학 반응에 의해 생성되는 물에 의해, 상기 수지층의 표면이 수분으로 덮이거나, 기공이 막히거나 하는 일이 없어져, 전지 특성을 안정화할 수 있다. 상기 수지층에 발수성을 갖게 하기 위해, 내식성 수지에 발수 성분을 첨가할 수 있다. 또한, 상기 불소 수지를 채용하는 경우, 충분한 발수성을 확보할 수 있다. 상기 불소 수지로 형성되는 수지층은, 불소 수지 디스퍼전을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 수지층을, 금속 다공질체의 적어도 전극층측에 형성함으로써, 전극층 근방의 부식을 방지할 수 있다. 또한, 금속 다공질체의 전체에 상기 수지층을 형성할 수도 있다. 이 경우, 세퍼레이터 등의 집전 부재와 접촉하는 부분에 불소 수지층이 존재하면, 이 부분의 도전성이 저해된다. 이 때문에, 상기 금속 다공질체의 상기 전극층측과 반대측에 연마면을 형성하여, 상기 집전 부재와 접속하는 것이 바람직하다.
또한, 가스 유로를 구성하는 금속 다공질체의 기공경이 작은 경우(100∼300㎛)에는, 가스의 유동성을 확보하기 위해, 발수성의 수지층을 금속 다공질체의 전체에 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 기공경이 큰 경우(300∼800㎛)에는, 생성수(水)에 의한 가스의 유동이 방해되는 정도가 적어, 전극층 근방에만 발수성의 수지층을 형성하면 충분하다. 또한, 니켈 단체로부터 금속 다공질체를 형성하는 경우, 필요한 내식성을 확보하기 위해, 상기 수지층을 니켈 다공질체의 전체에 형성하는 것이 바람직하다.
상기 금속 다공질체의 전체에 발수성의 수지층을 형성함으로써, 가스 유로에 가스의 흐름을 방해하는 바와 같은 물방울의 생성을 막을 수 있다. 또한, 금속 다공질체의 골격의 내식성이 향상되기 때문에 연료 전지의 수명을 늘릴 수 있다.
상기 금속 다공질체의 전체에 수지층을 형성하는 경우, 상기 도전층을 형성함과 동시에 형성할 수도 있고, 따로따로 형성해도 좋다. 예를 들면, 상기 금속 다공질체의 전체에 불소 수지 디스퍼전을 함침시킨 후, 불소 수지를 열처리하기 전에 탄소 분말을 포함하는 불소 수지 디스퍼전 슬러리를 금속 다공질체의 한쪽 편에 도포 부착하고, 그 후 열처리하는 수법을 채용할 수 있다. 또한, 다른 수법으로서, 금속 다공질체에 불소 수지 디스퍼전을 함침시켜 열처리한 후, 금속 다공질체의 편면을 연마하고 나서 탄소 분말을 포함하는 불소 수지 디스퍼전 슬러리를 도포 부착하여, 재차 열처리하는 수법을 채용할 수 있다. 이 수법을 채용하면, 탄소 분말과 불소 수지층을 균일하게 도포 부착하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 전극층 근방 이외의 금속 다공질체로 수지층을 형성하는 경우, 불소 수지 디스퍼전 중의, 불소 수지 성분을 2∼30중량％로 하는 것이 바람직하다.
상기 금속 다공질체의 상기 전극층에 접촉시켜지는 측과 반대측의 표면은, 수지층이나 산화물을 제거하기 위해, 연마면을 형성하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 금속 다공질체와, 세퍼레이터 등의 집전 부재의 전기적인 접촉성이 향상되고, 연료 전지의 방전 특성이 향상된다.
통상, 상기 전극층은, 백금계 촉매를 담지한 탄소·불소 수지층으로 구성되어 있고, 고체 고분자 전해질층을 구성하는 이온 교환막과 일체화되어 있다. 상기 이온 교환막은, 금속 이온과 접하면 이온 교환능이 저하되는 경우가 많다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 이온 교환막은, 상기 전극층 및 상기 수지층에 의해 격리된 상태가 되어, 고체 고분자 전해질층이 금속 이온의 악영향을 받는 확률은 현격히 감소한다. 또한, 금속 다공질체의 전체에 수지층을 형성함으로써, 이온 교환막에 끼치는 영향은 더욱 감소한다.
또한, 상기 수지층은, 전극층에 이용되는 발수제의 경우와 달리, 전기 화학 반응에 관여하는 일은 없기 때문에, 수지층을 두껍게 형성해도, 전극층이나 세퍼레이터 등의 집전 부재 사이의 전기 저항이 증가하는 일도 없다. 이 때문에, 금속 다공질체의 금속 용출의 정도를 더욱 저하시킬 수 있다. 또한, 금속 다공질체는, 골격의 표면이 탄소 재료보다 평활한 점에서, 수지층에 의해 금속 다공질체 표면을 확실히 피복하는 것이 가능해져, 금속 다공질체에, 전극층 근방에서 생긴 생성수에 의한 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있다.
또한, 고체 고분자 전해질층으로서 이용되는 이온 교환막에는, 일반적으로 술폰기를 갖는 재료가 채용되어 있고, 반응 생성물인 물이, 막으로부터 나오는 매우 얼마 안 되는 술폰기에 의해 약산성이 되는 경우가 있다. 이것에 대하여, 상기 수지층을 형성함과 함께, 금속 다공질체를, 니켈-주석, 니켈-크롬, 니켈-텅스텐 등의 각 합금으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 합금은, 니켈 다공질체를 형성한 후에, 합금화할 수 있다.
복수의 단전지를 적층하여 구성되는 연료 전지에 있어서는, 이들 단전지를 일체화하기 위해 압력이 가해진다. 본 실시 형태에서는, 상기 수지층이 형성되어 있기 때문에, 상기 금속 다공질체가 전극층으로 파고들어, 막 전극 접합체를 손상시킬 우려도 없어진다.
〔실시 형태의 상세〕
이하, 본 발명에 따른 집전체를 구비하는 연료 전지의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도 1에, 본 실시 형태에 따른 집전체가 장착되는 일반적인 고체 고분자형 연료 전지(101)의 구조를 개념적으로 나타낸다. 본 실시 형태는, 금속 다공질체를 종래의 카본 시트를 대신하는 가스 확산 시트로서 이용한 경우의 실시 형태이다. 또한, 도 1에는, 하나의 셀 구조(단전지)를 나타내고 있지만, 발전의 전압을 높이기 위해 복수의 셀 구조가 두께 방향으로 복수 적층되어 연료 전지가 구성된다.
연료 전지(101)는, 고체 고분자 전해질층(2)을 사이에 두도록 하여, 공기극으로서의 제1 전극층(3)과, 연료극로서의 제2 전극층(4)이 적층 형성된 막 전극 접합체(5)를 구비하여 구성된다. 상기 고체 고분자 전해질층(2)을 구성하는 이온 교환 수지로서, 예를 들면, 나피온(Nafion)(등록상표)으로 형성된 고분자막이 이용된다.
상기 제1 전극층(3) 및 상기 제2 전극층(4)은, 상기 고체 고분자 전해질층(2)의 표리의 소정 영역에, 카본 등의 담체에 백금 촉매 등의 촉매를 보유지지시켜, 이것을, 상기 이온 교환 수지 등을 포함하는 결착제 등에 의해 막 형상으로 적층 형성하여 구성된다. 본 실시 형태에서는, 제1 전극층(3) 및 제2 전극층(4)에, 백금 촉매 약 0.5㎎/㎠가 담지된 것을 채용하고 있다. 상기 고체 고분자 전해질층(2)의 가장자리부를 제외한 소정의 영역에 상기 제1 전극층(3) 및 제2 전극층(4)이 일체적으로 적층 형성되어 있다.
상기 막 전극 접합체(5)의 한쪽의 외측에는, 제1 가스 확산 시트(6a)와 제1 집전 부재(6b)를 구비하는 집전체(8)가 형성됨과 함께, 다른 한쪽의 외측에, 제2 가스 확산 시트(7a)와 제2 집전 부재(7b)를 구비하는 집전체(9)가 형성된다. 본 실시 형태에 따른 상기 집전 부재(6b, 7b)는 카본 등의 도전성 재료로 형성되어 있다. 또한, 상기 집전 부재(6b, 7b)의 내면에 홈을 형성함으로써, 가스를 유동시키는 제1 가스 유로(10)와 제2 가스 유로(11)가 형성되어 있다.
상기 가스 확산 시트(6a, 7a)는, 도전성을 갖는 금속 다공질체(30)로 형성되어 있고, 상기 가스 유로(10, 11)를 흐르는 가스를 각 전극층(3, 4)으로 확산하여 공급시키도록 구성되어 있다. 또한, 상기 각 전극층(3, 4)과 상기 집전 부재(6b, 7b)를 전기적으로 접속하여 도통시키도록 구성되어 있다.
상기 막 전극 접합체(5)의 양측에, 상기 가스 확산 시트(6a, 7a) 및 집전 부재(6b, 7b)를 적층함과 함께, 전극층(3, 4)이 형성되어 있지 않은 주연부를 개스킷(15, 16)으로 시일하여, 상기 연료 전지(101)가 구성되어 있다.
상기 제1 가스 유로(10)에는 산화제로서의 산소를 포함하는 공기가 도입되고, 상기 제1 전극층(3)에 상기 제1 가스 확산 시트(6a)를 통하여 산소가 공급된다. 상기 제2 가스 유로(11)에는, 연료로서의 수소를 포함하는 연료 가스가 도입되고, 상기 제2 전극층(4)에 상기 제2 가스 확산 시트(7a)를 통하여 수소가 공급된다. 또한, 연료로서 상기 제2 가스 확산 시트(7a) 등에 형성한 촉매에 의해 수소가 분해 생성되는 것을 채용할 수도 있다.
예를 들면, 프로톤 도전성의 연료 전지에 있어서는, 상기 제2 전극층(4)에 있어서, H2→2H++2e-의 반응이 생긴다. 한편, 제1 전극층(3)에 있어서는, 1/2O2+2H++2e-→H2O의 반응이 생긴다. 이에 따라, 수소 이온이 제2 전극층(4)으로부터 고체 고분자 전해질층(2)을 통과하여 제1 전극층(3)으로 이동함과 함께, 전자가 제2 전극층(4)으로부터 상기 제2 가스 확산 시트(7a), 제2 집전 부재(7b), 제1 집전 부재(6b), 제1 가스 확산 시트(6a)를 통하여 제1 전극층(3)으로 흘러, 전력이 얻어진다. 또한, 상기 연료 전지(101)는, 도시하지 않은 가열 장치에 의해 소정 온도로 가열된다.
상기 집전체(8, 9)를 구성하는 가스 확산 시트(6a, 7a)는, 금속 다공질체(30)로 형성되어 있다. 본 실시 형태에 따른 금속 다공질체(30)는, 제1 전극층(3) 및 제2 전극층(4)에 접촉하여 배치되기 때문에, 환기성 및 내식성을 갖는 재료로 형성된다.
이하, 상기 금속 다공질체(30)의 제조 수법에 대해서 설명한다. 우선, 다공질 우레탄 시트(시판품: 기공경 150∼500㎛, 두께 1.4㎜, 기공률 96％)에 도전 처리를 행한다. 상기 도전 처리는, 니켈을 무전해 도금하거나, 혹은, 카본 입자를 도포 등 함으로써 도전성 재료를 적층하여 행할 수 있다. 상기 도전 처리를 끝낸 우레탄 시트를, 대기 중에서 800℃로 소각 제거한 후, 환원성 분위기 중에 있어서 1000℃로 열처리하여 환원 처리를 행하고, 니켈 다공질체를 형성한다. 상기 수법에 의해, 단위면적당 중량이 400g/㎡이고, 기공경 150∼500㎛, 두께 1.4㎜의 니켈 다공질체가 얻어진다.
다음으로, 상기 니켈 다공질체에 크로마이징 처리를 행함으로써 내식성을 부여한다. 예를 들면, 크롬 분말과 할로겐화물, 알루미나를 혼합한 침투재(크롬: 90％, NH4Cl: 1％, Al2O3: 9％)를, 상기 니켈 다공질체에 충전하고, 수소 가스 등의 환원성 분위기하에서 800℃로 가열함으로써, 니켈 다공질체에 크롬을 첨가하여 합금화한다. 상기 가열 시간을 조절함으로써, 크롬 함유량을 조절할 수 있고, 필요한 내식성을 갖는 니켈-크롬 합금으로 이루어지는 금속 다공질체를 얻을 수 있다.
예를 들면, 크롬의 첨가량을, 10∼50중량％로 설정할 수 있다. 또한, 크롬의 첨가량은, 3∼40중량％로 설정하는 것이 바람직하고, 또한, 20∼40중량％로 설정하는 것이 보다 바람직하다. 크롬의 첨가량이 지나치게 적으면 내식성이 저하된다. 한편, 크롬의 첨가량이 지나치게 많으면, 니켈과의 사이에서 금속간 화합물이 형성되어 강도가 저하된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 가스 확산 시트(6a, 7a)로서 이용되는 금속 다공질체(30)에, 니켈-크롬 합금으로 형성된 금속 다공질체를 채용했지만, 니켈만, 니켈 크롬계 합금, 니켈 주석계 합금 또는 니켈 텅스텐계 합금으로 형성할 수도 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 상기 금속 다공질체(30)는, 외각과, 심부를 갖는 골격(30a)을 구비하고, 상기 골격(30a)이 일체적으로 연속되는 3차원 그물코 구조를 구비함과 함께, 상기 심부가, 중공, 도전성 재료, 또는, 이들 쌍방으로 구성된 것이 채용되어 있다. 상기 구조의 금속 다공질체(30)는, 수지 다공질체로 형성할 수 있기 때문에, 필요한 기공률이나 필요한 공경을 구비하는 것을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 골격이 3차원 그물코 구조로 형성되어 있기 때문에, 기공률이 큰 금속 다공질체를 형성할 수 있다. 또한, 각 기공(30b)의 공경을 대략 일정하게 형성할 수 있기 때문에, 가스의 확산성이 높고, 전극층에 대하여 가스를 균일하게 공급시킬 수 있는 가스 확산 시트(6a, 7a)를 구성할 수 있다.
상기 금속 다공질체(30)로 형성된 가스 확산 시트(6a, 7a)는, 전기 저항률이 종래의 카본 시트에 비해 작다. 이 때문에, 전극층(3, 4)과 집전 부재(6b, 7b) 사이의 전기 저항을, 종래의 카본 시트에 비해 대폭으로 저감시키는 것이 가능해져, 연료 전지(101)의 발전 효율을 높일 수 있다.
또한, 금속 다공질체(30)는, 종래의 카본 시트보다 기공률을 크게 설정할 수 있기 때문에, 전극층(3, 4)에 공급하는 가스의 유량을 증대시킬 수 있다. 또한, 각 기공의 지름을 카본 시트보다 균일하게 설정할 수 있기 때문에, 가스를 전극층에 대하여 균일하게 공급시킬 수 있다. 이 때문에, 발전 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 상기 금속 다공질체(30)의 상기 전극층(3, 4)에 적층되는 측의 표면에, 내식성 및 발수성을 갖는 수지(40)에 고정된 도전성 입자(32)를 포함하는 도전층(31)을 형성하고 있다. 본 실시 형태에 따른 상기 도전층(31)은, 도 5에 나타내는 바와 같이, 상기 전극층(3, 4)의 표면과, 금속 다공질체(30)의 편면의 사이에, 상기 도전성 입자(32)가 접촉하여 이어짐과 함께, 이들 도전성 입자(32)를, 상기 수지(40)가 연결 고정시켜 구성되는 다공질 형상으로 형성되어 있다. 상기 도전층(31)은, 상기 금속 다공질체(30)의 편면과 상기 전극층(3, 4)의 표면 사이의 거리가 H=100∼1000㎛가 되도록 형성할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 상기 수지(40)로서 불소 수지가 채용되어 있음과 함께, 흑연 분말을 도전성 입자(32)로서 채용하고 있다. 구체적으로는, 주된 입경이 5∼10㎛의 흑연 미(微)분말을 이용함과 함께, 카르보닐니켈을 증점제로서 포함하는 불소 수지(PTFE) 10중량％ 수성(水性) 디스퍼전을, 불소 수지가 상기 흑연 분말에 대하여 7중량％가 되도록 더하고, 또한, 흑연의 분산성을 향상시키기 위해 비(非)이온 계면활성제를 전체의 1중량％가 되도록 더하여 슬러리로 했다. 이것을 상기 금속 다공질체(30)의 전극층에 접하는 면에 도포했다. 도포량은 70g/㎡로 했다. 첨가한 불소 수지에 발수성을 갖게 하기 위해, 도포 후의 금속 다공질체(30)를, 공기 중 380℃에서 60분간 가열하여 열처리를 행하였다. 이에 따라, 상기 금속 다공질체(30)의 편면에, 기공률이 30∼50％, 두께(H)가 100∼1000㎛인 다공질 형상의 도전층(31)이 형성된다.
상기 도전층(31)을 형성함으로써, 상기 금속 다공질체(30)와 전극층(3, 4)이 직접 접촉하는 일이 없어진다. 또한, 전극층(3, 4)의 근방에 있어서의 부식 환경으로부터 상기 금속 다공질체(30)를 격리할 수 있기 때문에, 상기 금속 다공질체(30)의 부식을 방지할 수 있다.
한편, 도전성 입자로서의 상기 흑연 분말(32)을 통하여, 상기 전극층(3, 4)과 상기 금속 다공질체(30)가 도통시켜지기 때문에, 이들의 사이의 충분한 도전성을 확보할 수 있다. 또한, 상기 금속 다공질체(30)의 전기 전도도는, 종래의 카본 시트에 비해 높기 때문에, 연료 전지의 효율을 대폭으로 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 상기 금속 다공질체(30)로 이루어지는 가스 확산 시트(6a, 7a)와 상기 집전 부재(6b, 7b)의 접촉 저항을 저감시키기 위해, 상기 금속 다공질체(30)가 상기 집전 부재(6b, 7b)와 접촉하는 부분에는, 연마면(33)이 형성되어 있다.
상기 금속 다공질체(30)는, 기공의 크기를 일정하게 할 수 있고, 또한, 기공경을 균일하게 형성할 수 있기 때문에, 가스 유로(10, 11)를 유동하는 가스를, 전극층(3, 4)에 균일하게 공급시키는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 다공질 형상의 상기 도전층(31)은, 금속 다공질체(30)의 전극층측 표면을 덮도록 형성되어 있고, 가스를 전극층(3, 4)으로 확산하여 공급하는 확산층으로서 기능하도록 구성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 불소 수지에 의해 도전성 입자(32)를 연결하고 있기 때문에, 상기 도전층(31)은 발수성을 구비한다. 이 때문에, 전극층(3, 4)의 표면에 있어서 생성된 물이 원활하게 배출되고, 도전층(31) 중의 기공이 막힐 우려도 적다. 이 결과, 연료 전지의 성능을 안정적으로 발휘시킬 수 있다.
도 10에, 제3 실시 형태에 따른 집전체의 주요부 확대 단면도를 나타낸다.
제3 실시 형태는, 금속 다공질체(30)의 전극층에 적층되는 편면 근방의 기공의 표면에, 소정 두께의 도전층(31)을 형성한 것이다. 본 실시 형태에 따른 도전층(31)은, 접촉되어 이어지는 도전성 입자 사이의 극간을 메우도록, 내식성 및 발수성을 갖는 수지(34a)가 형성되어 있다.
한편, 상기 도전층(31)은, 제1 실시 형태와 같은 상기 금속 다공질체의 편면을 덮는 바와 같은 형태로는 형성되어 있지 않고, 금속 다공질체의 상기 전극층(3, 4)의 측에 개구하는 기공 형태를 보유지지한 상태로, 상기 도전층(31)이 형성되어 있다.
상기 실시 형태에 있어서도, 전극층(3, 4)의 표면으로부터, 금속 다공질체(30)를 떼어 놓고 형성할 수 있다. 또한, 금속 다공질체(30)의 전극층 근방이 실질적으로 내식성 및 발수성의 수지층으로 덮이게 되기 때문에, 금속 다공질체(30)의 부식을 방지할 수 있다.
〔실시예〕
이하, 금속 다공질체를 이용하여 구성된 집전체를 구비하는 실시예에 따른 연료 전지와, 종래의 카본 시트를 이용하여 구성된 집전체를 구비하는 비교예에 따른 연료 전지를 제작하고, 성능 시험을 행하였다.
(실시예에 따른 장치 구성의 개요)
도 3에 실시예에 따른 집전체가 장착되는 연료 전지(201)의 구성의 개요를 나타낸다. 상기 연료 전지(201)는, 막 전극 접합체(25)의 일측에 제1 집전체(28)가 형성되는 한편, 타측에 제2 집전체(29)가 적층되어 형성된다. 상기 제1 집전체(28)와 상기 제2 집전체(29)는, 전극층(23, 24)에 적층되는 제1 및 제2 시트 형상 다공질 집전체(26a, 27a)와, 상기 제1 및 제2 시트 형상 다공질 집전체(26a, 27a)의 외측에 각각 적층되는 판 형상의 제1 집전 부재(세퍼레이터)(26b) 및 제2 집전 부재(세퍼레이터)(27b)를 구비하여 구성되어 있다. 상기 막 전극 접합체(25)의 주위에는, 상기 제1 및 제2 시트 형상 다공질 집전체(26a, 27a)를 둘러싸도록 개스킷(15, 16)이 설치되어 있다. 본 실시예에 따른 상기 제1 및 제2 시트 형상 다공질 집전체(26a, 27a)는, 가스를 면 방향으로 유동시키는 가스 유로(20)와, 가스를 각 전극층(23, 24)으로 확산하여 유동시키는 가스 확산층(21)을 구비하여 구성되어 있다. 또한, 도 3에서는, 각 전극층(23, 24)의 두께를 생략하여 표현하고 있다. 상기 구성의 연료 전지(201)에, 이하에 설명하는 실시예 1 및 실시예 2에 따른 시트 형상 금속 다공질체를 장착하고, 가스를 유동시켜 발전 성능을 비교했다.
〔실시예 1에 따른 다공질 집전체〕
(실시예 1에 따른 다공질 집전체의 제작)
실시예 1에 따른 제1 시트 형상 다공질 집전체(26a) 및 제2 시트 형상 다공질 집전체(27a)는, 발포 형상 니켈-주석 합금을 채용하고, 도 4에 나타내는 바와 같이, 금속 다공질체(30)의 전극층(23, 24)에 접하는 면을 덮도록, 도전성 입자로서의 탄소 입자(32)를 고정한 도전층(31)을 형성하여 구성되어 있다.
실시예 1에서는, 도전성이 우수한 가스 유로(20)를 구성하기 위해, 금속 다공질체(30)를 형성하기 위한 발포 수지로서 기공률 80％의 폴리우레탄 시트를 이용했다. 이것을 두께 1.5㎜의 시트로 재단하고, 니켈 전해 도금에 필요한 도전성을 부여하기 위해, 무전해 니켈 도금을 행하였다. 구체적으로는, 염화 제1 주석의 염산 수용액에서 발포 우레탄 수지 시트를 처리한 후에, 염화 팔라듐의 염산 수용액에서 촉매를 첨가하고, 황산 니켈 수용액에 침지하고, 차아인산 나트륨으로 니켈로 환원되는 수법을 채용했다. 또한, 니켈의 단위면적당의 중량을 8g/㎡로 했다.
그 다음으로, 전해 도금을 술파민산욕(浴)에서 행하였다. 구체적으로는, 술파민산 니켈 450g/리터, 염화 니켈 5g/리터, 붕산 30g/리터를 주로 한 욕조를 이용하고, 200㎃/㎠로 통전하여 니켈 전해 도금을 행하였다. 니켈의 단위면적당의 중량은 300g/㎡로 했다. 니켈 도금은 공지의 술파민산욕을 이용하여 행하였다. 상기 발포 수지에 니켈 도금을 행한 다공질체를 750℃의 공기 중에서 가열하여 우레탄 수지 등을 연소 제거했다. 그 후, 산화한 니켈의 환원과 어닐링을 위해, 수소 분위기 중, 850℃로 가열 처리하여 발포 형상의 니켈 다공질체를 제조했다. 얻어진 3차원 골격을 갖는 발포 형상의 니켈 다공질체의 기공률은 약 80％였다.
상기 니켈로 이루어지는 금속 다공질체에, 주석을 첨가하여 합금을 형성했다. 구체적으로는, 발포 형상의 니켈 다공질체에, 단위면적당의 중량이 100g/㎡가 되도록 주석 도금을 행하고, 열처리에 의해 주석을 확산시키고, 주석의 함유량이, 대략 30중량％인 발포 형상의 니켈-주석 합금으로 이루어지는 시트 형상 금속 다공질체를 제작했다. 주석 도금욕으로서, 황산 제1 주석 55g/리터, 황산 100g/리터, 크레졸술폰산 100g/리터, 젤라틴 2g/리터, β 나프톨 1g/리터의 조성을 갖는 것을 이용했다. 또한, 전류 밀도는 10㎃/㎠로 했다. 도금 후에 주석을 확산하여 합금화하기 위해, 수소 분위기 중에서, 550℃에서 10분간 가열했다. 이 가열로 합금화가 균일하게 진행되고 있는 것을 확인했다.
(도전층의 형성)
상기 발포 형상의 니켈-주석 합금으로 이루어지는 금속 다공질체(30)의 전극층에 접하는 면에, 상기 탄소 입자(32)를 불소 수지로 고정함으로써, 상기 도전층(31)을 형성했다. 구체적으로는, 주된 입경이 5∼10㎛의 흑연 미분말을 이용하여, 카르보닐니켈을 증점제로서 포함하는 불소 수지(PTFE) 10중량％ 수성 디스퍼전을 불소 수지가 흑연 분말에 대하여 7중량％가 되도록 더하고, 흑연의 분산성을 향상시키기 위해 비이온 계면활성제를 전체의 1중량％가 되도록 더하여 슬러리로 했다. 이것을 발포 형상의 니켈-주석 합금으로 이루어지는 시트 형상 금속 다공질체의 상기 전극층(23, 24)에 접하는 면에 도포했다. 도포량은 70g/㎡로 했다. 첨가한 불소 수지에 발수성을 갖게 하기 위해, 공기 중 380℃에서 60분간 가열하여 불소 수지의 열처리를 행하였다. 이에 따라, 금속 다공질체(30)의 전극 적층면에, 두께가 H=300㎛이고, 기공률이 45％인 다공질 도전층(31b)을 형성했다.
상기 탄소 입자(32)를 불소 수지로 고정한 도전층(31)을 형성한 니켈-주석 합금으로 이루어지는 금속 다공질체(30)를 롤러 프레스기에 의해, 두께를 650㎛의 두께로 두께 조정하여, 가스 확산층(21) 및 가스 유로(20)를 겸비하는 시트 형상 다공질 집전체(26a, 27a)를 형성했다. 이 시트 형상 다공질 집전체(26a, 27a)의 다공질 도전층(31b)으로 이루어지는 가스 확산층(21)의 부분의 기공률은 40％, 니켈-주석 합금으로 이루어지는 가스 유로(20)의 부분의 기공률은 75％로 설정했다. 또한, 상기 도전층의 두께(H)는 200㎛로 설정했다.
이 탄소 입자(32)를 고정한 도전층(31)을 형성한 시트 형상 다공질 집전체(26a, 27a)를 5×5㎝로 재단하여, 도 3에 나타내는 단전지를 구성했다. 집전 부재(세퍼레이터)(26b, 27b)로서 흑연판을 이용하고, 네 모서리를 볼트·너트에 의해 체결하여 고정하여, 각 구성 재료의 접촉성의 향상과 함께 수소, 공기의 셀로부터의 누출을 방지했다. 또한, 실제의 연료 전지는, 단전지를 복수 적층하여 구성되기 때문에, 세퍼레이터의 흑연판의 두께는 1∼1.5㎜ 정도이지만, 본 실시예에 있어서는, 체결에 견디는 강도로 하기 위해 두께를 약 10㎜인 것을 채용하여 연료 전지를 구성했다.
〔비교예〕
비교예로서, 상기 실시예 1과 동일한 막 전극 접합체를 채용함과 함께, 불소로 코팅한 카본 시트를 가스 확산층으로서 채용하고, 이것을 제1 전극층 및 제2 전극층에 겹쳐 적층했다. 또한, 가스 유로를 구성하는 홈을 형성한 흑연판(두께 20㎜)을 세퍼레이터로서 채용했다. 가스 유로로서의 상기 홈은, 깊이 1㎜, 홈 사이의 폭을 1㎜로 하고, 판 표면에서의 홈이 차지하는 비율을 50％로 했다. 또한, 상기 카본 시트로서, 기공률이 약 50％인 카본 시트를 채용했다. 또한, 카본 시트의 발수 처리에 이용된 불소 수지 함유량은 약 15％이다.
〔성능 시험의 개요〕
실시예 1에 따른 연료 전지 및 비교예에 따른 제2 전극층(연료극)(24)에 수소, 제1 전극층(공기극)에 공기를 공급하여, 그 방전 특성을 조사했다. 또한, 각 가스의 공급은 부하에 따라서 조정하는 장치를 이용하고, 주위 온도는 25℃의 환경하에서, 수소 유량 300㏄/분, 공기 유량 1500㏄/분, 가습 온도 80℃, 셀 가열 온도 80℃로 했다.
〔시험 결과〕
도 6은, 실시예 1에 따른 각 연료 전지와, 비교예에 따른 연료 전지의 전류-전압 특성이다. 도 6에서 분명한 바와 같이, 전류 밀도가 500㎃/㎠ 이상인 방전 전류 영역에 있어서, 연료 전지의 셀 전압이, 비교예에 따른 연료 전지보다, 실시예 1에 따른 연료 전지 쪽이 높다.
실시예 1에 따른 연료 전지에서는, 가스 유로(20)가, 금속 다공질체(니켈-주석 합금)로 형성되어 있기 때문에, 실시예 1에 따른 연료 전지에 있어서의 집전체(28, 29)의 도전 성능이, 비교예에 따른 연료 전지의 흑연보다 2자릿수 정도 우수하다. 또한, 실시예 1에 따른 연료 전지에 있어서의 가스 유로(20)의 기공률이 약 75％로 설정되어 있기 때문에, 비교예에 따른 연료 전지의 흑연판의 홈의 형성 영역의 비율인 50％보다 크다. 이 때문에, 수소 및 공기 각각의 전극층(23, 24)으로의 공급이 원활하게 행해짐과 함께, 방전 후의 공기의 일산(escape)이나 생성수의 제거도 원활하게 행해진다. 이 결과, 실시예 1에 따른 연료 전지에 있어서는, 비교예에 따른 연료 전지에 비해, 고(高)방전으로 높은 전압을 나타낸 것으로 생각된다.
또한, 방전 전류 밀도 750㎃/㎠로 3000시간 연속 방전을 행한 결과, 실시예 1에 따른 연료 전지에서는 방전 전압의 저하는 없었지만, 비교예에 따른 연료 전지에서는, 5％ 저하되었다. 방전을 중지하여 10시간 방치 후에, 재차 750㎃/㎠로 방전했더니, 비교예에 따른 연료 전지도 저하 전의 전압을 나타냈다. 이것은, 방전 생성물의 물이 세퍼레이터의 홈에 일부 남음으로써, 가스의 전극으로의 공급이 저해되었기 때문으로 생각된다. 실시예 1에 따른 연료 전지에 있어서, 전압의 저하가 없었던 것은, 비교예에 따른 연료 전지보다 가스 유로(20)의 기공률이 크고, 또한, 기계적인 가공으로 형성한 홈과 달리, 다공질체로 이루어지는 가스 유로(20)가 형성되어 있기 때문에 기공이 가스 유로 전체에 균일하게 존재하고, 생성수가 가스 유로에 머물러 가스의 흐름을 저해하는 일이 없기 때문이라고 생각된다.
또한, 방전 특성을 평가한 후에, 상기 각 연료 전지를 분해하여 조사했더니, 비교예에 따른 연료 전지에서는, 홈의 폭 부분이 카본 페이퍼로 파고들고 있어, 가스 유로의 단면을 감소시키고 가스의 흐름을 저해하고 있었다. 한편, 실시예 1에 따른 연료 전지에서는, 가스 확산층으로서 기능하는 부분과 가스 유로로서 기능하는 부분이, 모두 금속 다공질체로 구성되어 있기 때문에, 비교예에 따른 연료 전지에서와 같은 가스 유로가 좁아진다는 현상은 생기지 않는다.
[실시예 2]
실시예 2에 따른 연료 전지를 제작하여, 상기 실시예 1에서 설명한 비교예에 따른 연료 전지와의 성능을 비교했다.
(장치의 전체 구성)
실시예 2에 따른 장치는, 실시예 1과 동일한 전체 구성을 구비한다.
(금속 다공질체의 제작)
실시예 2에 있어서는, 수지제의 부직포계를 선택하고, 이것에 니켈 도금을 행하여 시트 형상 다공질 집전체(26a, 27a)를 형성했다.
수지제 부직포의 재료로서 널리 생산되고 있으며, 염가인 폴리올레핀를 선택했다. 상기 부직포는, 심(core)성분이 폴리프로필렌(PP), 초(sheath)성분이 폴리에틸렌(PE)으로 형성된 섬유로 구성된 심초형 복합 섬유가 채용되어 있고, 폴리프로필렌과 폴리에틸렌의 비가 4:6으로 설정됨과 함께, 섬유가 접하는 부분을 연화점이 낮은 상기 폴리에틸렌이 용융시킴으로써, 기공률이 높은 부직포가 제작된다. 실시예 2에서는, 상기 섬유를 분산시켜 슬러리로 하고, 상법의 습식 초조(pulp molding)법에 의해 섬유 웹(web)을 형성했다. 이 섬유 웹을 140℃로 드라이어에 의해 열처리하고, 심초형 복합 섬유의 초성분을 융착시켜 면 밀도 50g/㎡, 기공률 80％, 두께 1.5㎜의 부직포를 제작했다. 또한, 상기 부직포의 기공률은 약 50％이다.
상기 부직포에 도전성을 부여하기 위해, 부직포 시트에 흑연 분말을 부착하여 도전층을 형성했다. 구체적으로는, 주된 입자의 입경이 5∼10㎛인 흑연 분말을 이용하고, 이것을 아크릴산·스티렌계 공중합체 수지의 수계 에멀전 중에 침지하고, 건조하여 부직포 골격에 흑연을 분산 부착시켰다. 여기에서는 흑연 분말 200g을 10중량％의 상기 에멀전 900g 중에 분산시킨 용액에 부직포를 침지하고, 끌어올린 후 100℃로 건조하여 도전층을 형성했다.
이것에 와트욕을 이용하여 니켈 전해 도금을 행하였다. 황산 니켈 330g/리터, 염화 니켈 50g/리터, 붕산 40g/리터를 주성분으로 한 도금욕을 이용했다. 이 방법으로 단위면적당의 중량 350g/㎡의 니켈 도금을 행하였다. 이 3차원 골격을 갖는 부직포 형상 니켈 다공질체의 기공률은, 실시예 1에 따른 발포 형상의 니켈 다공질체와 동일하게 약 80％였다.
실시예 2에서는, 실시예 1에 따른 발포 형상 수지와 달리, 폴리올레핀계 부직포의 기계적인 강도가 큰 점에 주목하여, 부직포를 남긴 상태로 연료 전지를 구성했다. 또한, 실시예 1과 동일하게, 상기 니켈 도금 부직포 형상 다공질체를 고온의 공기 중에서 가열하여 수지 등을 연소 제거한 후, 일부 산화한 니켈의 환원과 어닐링을 위해, 수소 분위기 중에서 가열 처리하여, 섬유를 제거한 부직포 형상 니켈 다공질체를 제작할 수도 있다.
실시예 1에서는, 고체 고분자형 연료 전지의 생성수 등에 의한 부식을 억제하기 위해, 니켈 다공질체를 합금화했지만, 실시예 2에서는, 합금화는 행하지 않고, 부직포 형상의 금속 골격의 전체에 내식성 향상을 위해 불소 수지로 구성된 수지층(34)을 형성하는 구성을 채용했다. 즉, 도 7에 나타내는 바와 같이, 실시예 2에서는, 시트 형상 다공질 집전체(26a, 27a)의 전체에 수지층(34)을 형성함과 함께, 전극층측에 도전성 입자인 탄소 입자(32)를 고정한 다공질 도전층(31b)을 형성했다.
수지층(34)을 형성하기 위해, 시판의 60중량％의 불소 수지(PTFE) 디스퍼전을 희석하여 12중량％ 수성 디스퍼전으로 하고, 이 중에 부직포 형상 3차원 니켈 다공질체를 침지한 후, 끌어올려 90℃로 건조시키고, 그 후, 디스퍼전 중의 계면활성제를 제거하기 위해 수세하고, 동일하게 90℃로 건조했다. 그 후, 전극층측의 수지층을, 연마에 의해 제거했다.
그 다음으로, 이 불소 수지로 이루어지는 수지층(34)을 형성한 부직포 형상 니켈의 전극층과 접하는 면, 즉, 전극층측의 상기 수지층을 제거한 면에, 탄소 입자(32)를 고정한 다공질 도전층(31b)을 형성했다. 탄소 입자(32)로서, 주된 입경이 5∼15㎛인 흑연 분말을 이용하고, 증점제로서 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 불소 수지(PTFE) 10중량％ 수성 디스퍼전을, 불소 수지가 흑연 분말에 대하여 7중량％가 되도록 더하고, 흑연의 분산성을 향상시키기 위해 비이온 계면활성제를 전체의 1중량％가 되도록 더하여 슬러리로 했다. 이것을 부직포 형상 니켈 다공질체의 전극층(23, 24)에 접하는 면에 도포했다. 도포량은 70g/㎡로 했다. 그 후, 3차원 니켈 다공질체의 골격 표면에 도포된 수지층(34) 및 탄소 입자(32)를 고정하는 도전층(31)에 발수성을 갖게 하기 위해, 공기 중에 있어서 380℃에서 30분간, 열처리를 행하였다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 제2 실시 형태에서는, 전극 및 집전 부재와 대향하는 면을 제외한 금속 다공질체(30)의 표면의 전체에 수지층(34)이 형성되어 있다. 이 구성에서는, 금속(니켈)이 심부이고, 수지층이 외각이다. 심부는, 니켈 외에, 니켈 크롬계 합금, 니켈 주석계 합금 또는 니켈 텅스텐계 합금 등으로 형성해도 좋다. 또한, 도 8에 나타내는 바와 같이, 전극층(23, 24)측에는, 상기 전극층(23, 24)에 도전성 입자(32)가 접하도록, 다공질 도전층(31b)이 형성되어 있다. 상기 다공질 도전층(31b)은, 실시예 1에 따른 도전층과 동일하게, 도전성 입자(32)를 수지(40)가 연결한 다공질 형태를 구비하고, 상기 다공질 도전층(31b)이, 도전층(31)을 구성하고 있다. 실시예 2에서는, 상기 수지층(34)이, 두께 50㎛로 형성되어 있음과 함께, 상기 다공질 도전층(31b)이, H=100∼150㎛로 형성되어 있다.
상기 수지층(34) 및 다공질 도전층(31b)을 포함하는 도전층(31)을 형성함으로써, 부직포의 두께가 약 1.6㎜로 증가했다. 이것을, 롤러 프레스기에 의해, 700㎛의 두께로 두께 조정했다. 탄소 입자(32)를 고정한 다공질 도전층(31b)의 두께 조정 후의 두께는, 니켈 다공질체의 골격 내에 침입한 부분도 포함하여 약 50㎛이고, 나머지의 650㎛가 니켈 다공질체(30)에 수지층(34)을 형성한 골격이 되었다. 이 시트 형상 다공질 집전체(26a, 27a)의 다공질 도전층(31b)을 형성한 부분의 기공률은 약 35％, 니켈 다공질체의 골격 중앙부의 기공률은 75％였다. 그 다음으로, 상기 니켈 다공질체의 집전 부재(세퍼레이터)(26b, 27b)에 접하는 표면을 버프 연마함으로써 연마면(33)을 형성했다.
상기 도전층(31) 및 수지층(34)을 형성한 부직포 형상 니켈로 구성된 금속 다공질체를 5×5㎝로 재단하여, 가스 확산층(21)과 가스 유로(20)를 구비하는 시트 형상 다공질 집전체(26a, 27a)로 하여, 도 3에 나타내는 바와 같이 적층하여 연료 전지를 구성했다. 또한, 연료 전지는, 네 모퉁이를 볼트·너트에 의해 체결하여, 각 구성 재료의 접촉성의 향상과 수소, 공기의 셀로부터의 누출을 방지한 것은 실시예 1과 동일하다.
〔성능 시험의 개요〕
평가 장치나 방전 특성의 조건은, 실시예 1의 경우의 조건과 동일하게 했다. 또한, 주위 온도는 25℃이지만, 작동 온도는 75℃로 했다.
〔시험 결과〕
도 9에, 실시예 2에 따른 연료 전지와, 비교예에 따른 연료 전지의 전류-전압 특성을 나타낸다. 도 9에서 분명한 바와 같이, 전류 밀도가 500㎃/㎠ 이상인 방전 전류 영역에 있어서, 셀 전압이, 비교예에 따른 연료 전지보다, 실시예 2에 따른 연료 전지 쪽이 높다.
실시예 2에 따른 연료 전지에서는, 실시예 1과 동일하게, 가스 유로(20)가 니켈 다공질체로 구성되어 있고, 도전성의 점에서 이들이 모두 탄소로 형성된 비교예에 따른 연료 전지보다 우수하다. 또한, 가스 유로의 기공률이 70％로서, 비교예에 따른 연료 전지의 집전 부재(세퍼레이터)에 형성한 홈으로 이루어지는 가스 유로의 50％보다 크다. 이 때문에, 수소 및 공기가 전극으로 원활하게 공급되고, 또한, 방전 후의 잔존 공기나 수증기의 배출이 원활하게 행해짐으로써, 실시예 2에 따른 연료 전지의 성능이 높아졌다고 생각된다.
또한, 방전 전류 밀도 750㎃/㎠로 5000시간 연속 방전을 행한 결과, 실시예 2에 따른 연료 전지에서는 방전 전압의 저하는 없었지만, 비교예에 따른 연료 전지에서는 초기의 전압에 대하여 7％ 저하했다. 또한, 방전을 중지하여, 10시간 방치 후에, 재차 750㎃/㎠로 방전했더니, 비교예에 따른 연료 전지도 저하 전의 전압을 나타냈다. 이것은, 실시예 1에서의 비교예와 동일하게, 방전 생성물의 물이 집전 부재(세퍼레이터)의 홈에 일부 남은 것에 의한 가스의 전극으로의 공급이 저해되었기 때문이라고 생각된다. 또한, 실시예 2의 경우, 작동 온도가 실시예 1보다 낮게 설정되었기 때문에 생성수의 잔류량이 많아, 전압 저하의 정도가 약간 많았던 것으로 생각된다. 실시예 2에 따른 연료 전지에 있어서, 전압의 저하가 없었던 것은, 비교예에 따른 연료 전지보다 가스 유로의 기공률이 크고, 또한, 기계적인 가공으로 형성한 홈과 달리, 기공이 가스 유로 전체에 균일하게 존재함으로써, 생성수가 가스의 흐름을 저해하지 않는 것이 그 이유라고 생각된다.
또한, 상기의 방전 특성 평가 후에, 연료 전지를 분해하여 조사했더니 비교예에 따른 연료 전지에서는, 가스 유로를 구성하는 집전 부재(세퍼레이터)의 홈의 폭 부분이 카본 시트로 파고들고 있어, 가스의 흐름을 저해하고 있었다. 한편, 실시예 2에 따른 연료 전지에서는, 가스 확산층을 구성하는 부분과 가스 유로를 구성하는 부분이, 모두 금속 다공질체로 구성되어 있기 때문에, 비교예와 같은 현상이 생기는 일이 없다.
본 발명의 범위는, 상술의 실시 형태에 한정되는 일은 없다. 이번에 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시로서, 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는, 상술한 의미가 아니라, 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
발전 성능의 높은 연료 전지를 구성할 수 있는 집전체를 제공할 수 있다.
2 : 고체 고분자 전해질층
3 : 제1 전극층(공기극)
4 : 제2 전극층(연료극)
5 : 막 전극 접합체
6a : 제1 가스 확산 시트
6b : 제1 집전 부재
8, 9 : 집전체
7a : 제2 가스 확산 시트
7b : 제2 집전 부재
10 : 제1 가스 유로
11 : 제2 가스 유로
15 : 개스킷
16 : 개스킷
20 : 가스 유로
21 : 가스 확산층
25 : 막 전극 접합체
23 : 제1 전극층(공기극)
24 : 제2 전극층(연료극)
26a : 제1 시트 형상 다공질 집전체
26b : 집전 부재(세퍼레이터)
27a : 제2 시트 형상 다공질 집전체
27b : 집전 부재(세퍼레이터)
28 : 제1 집전체
29 : 제2 집전체
30 : 금속 다공질체
30a : 골격
30b : 기공
31 : 도전층
31b : 다공질 도전층
32 : 도전성 입자(탄소 입자)
33 : 연마면
34 : 수지층
34a : 내식성 및 발수성을 갖는 수지
101, 201 : 연료 전지

Claims (10)

  1. 고체 고분자 전해질층 및 상기 고체 고분자 전해질층을 사이에 두도록 형성된 한 쌍의 전극층을 갖는 막 전극 접합체와, 상기 각 전극층에 적층된 집전체와, 상기 각 전극층에 가스를 공급하는 가스 유로를 구비하여 구성되는 연료 전지에 이용되는 상기 집전체로서,
    상기 전극층에 적층되어, 유동하는 가스를 상기 전극층에 공급시킴과 함께, 상기 전극층과 도통시켜지는 금속 다공질체를 구비하고,
    상기 금속 다공질체는, 적어도 상기 전극층측에, 내식성 및 발수성을 갖는 수지에 고정된 도전성 입자를 포함하는 도전층을 구비하는, 연료 전지용 집전체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도전층은 다공질 형상인, 연료 전지용 집전체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 다공질체의 일부 또는 전부에, 상기 내식성 및 발수성을 갖는 수지로 형성된 수지층을 구비하는, 연료 전지용 집전체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내식성 및 발수성을 갖는 수지가 불소 수지를 포함하여 형성되어 있음과 함께,
    상기 도전성 입자가 탄소 분말인, 연료 전지용 집전체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 다공질체의 상기 전극층측과 반대측에 연마면이 형성되어 있음과 함께,
    상기 연마면에 접속된 집전 부재를 구비하는, 연료 전지용 집전체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 다공질체가, 가스를 상기 전극층의 면 방향으로 유동시키는 가스 유로를 구성하고 있는, 연료 전지용 집전체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 다공질체는, 니켈, 니켈 크롬계 합금, 니켈 주석계 합금 또는 니켈 텅스텐계 합금으로 형성되어 있는, 연료 전지용 집전체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 다공질체는, 외각(outer)과, 심부(core portion)를 갖는 골격을 구비하고,
    상기 골격이 일체적으로 연속하는 3차원 그물코 구조를 구비함과 함께,
    상기 심부가, 중공, 도전성 재료, 또는, 이들 쌍방으로 구성되어 있는, 연료 전지용 집전체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 다공질체의 기공률이 50∼85％임과 함께, 기공경이 150㎛∼500㎛인 한편,
    상기 도전층의 기공률이 30∼50％임과 함께, 기공경이 10㎛∼100㎛인, 연료 전지용 집전체.
  10. 제1항에 기재된 연료 전지용 집전체를 구비하는 연료 전지.
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