KR20180026478A - 고체 고분자형 연료 전지 - Google Patents

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KR20180026478A
KR20180026478A KR1020187002590A KR20187002590A KR20180026478A KR 20180026478 A KR20180026478 A KR 20180026478A KR 1020187002590 A KR1020187002590 A KR 1020187002590A KR 20187002590 A KR20187002590 A KR 20187002590A KR 20180026478 A KR20180026478 A KR 20180026478A
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아야노부 호리노우치
겐타로 가지와라
사토루 시모야마
도모유키 호리구치
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도레이 카부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 특히 습도가 높은 발전 조건에 있어서, 또한 세퍼레이터로서 병렬형을 사용한 경우에 있어서도, 양호한 물의 배출성을 갖고, 높은 발전 성능을 발휘할 수 있는, 홈을 갖는 가스 확산 전극 기재를 사용한 고체 고분자형 연료 전지를 제공하는 것을 과제로 한다. 본 발명은, 탄소 섬유 부직포를 기재로 하는 가스 확산 전극과, 병렬식의 직선 형상 유로가 형성된 세퍼레이터를 갖는 고체 고분자형 연료 전지로서, 당해 탄소 섬유 부직포는, 직선 형상의 리지부와 직선 형상의 홈부가 교대로 반복되는 파형판 형상의 요철을 갖고, 또한 리지부와 홈부의 광투과성이 동등하고, 가스 확산 전극과 세퍼레이터는, 탄소 섬유 부직포의 요철 형성면이 세퍼레이터의 유로 형성면과 대향하고, 또한 리지부 및 홈부의 연장 방향이 세퍼레이터의 유로의 연장 방향과 일치하도록 배치되어 이루어지는 고체 고분자형 연료 전지이다.

Description

고체 고분자형 연료 전지
본 발명은, 탄소 섬유 부직포를 가스 확산 전극으로서 사용한 고체 고분자형 연료 전지에 관한 것이다.
연료와 산화제를 반응시킴으로써 발전하는 연료 전지 시스템 중, 특히 고체 고분자형 연료 전지는 100℃ 정도의 비교적 저온에서 발전 가능하고, 또한 출력 밀도가 높다. 그 때문에, 전동 모터로 주행하는 자동차의 전원이나, 가정용 코제너레이션 시스템 등에서 사용되고 있다.
통상, 고체 고분자형 연료 전지는 수소를 포함하는 연료 가스와 산소를 포함하는 산화제 가스가 전해질막으로 나뉘어 있다. 연료 가스가 공급되는 측을 애노드측, 산화제 가스가 공급되는 측을 캐소드측이라고 칭한다. 애노드측의 세퍼레이터의 유로에 공급된 연료 가스는, 세퍼레이터와 접하는 가스 확산 전극 안으로 확산되고, 가스 확산 전극의 다른 한쪽 면(세퍼레이터와 접하는 측과 반대의 면)에 배치된 애노드 촉매층에서 전자와 프로톤으로 분리된다. 전자는 촉매층의 카본 입자나 가스 확산 전극을 구성하는 탄소 섬유를 통해서 연료 전지의 외부의 부하(장치)와 접속되어 있음으로써 직류 전류를 취출할 수 있다. 이 전자는 캐소드의 가스 확산 전극을 통해서, 애노드 촉매층에서 발생한 프로톤은 전해질막을 통해서 캐소드 촉매층으로 이동한다. 또한, 캐소드측의 세퍼레이터의 유로에는 산소를 포함하는 산화제 가스가 공급되고, 세퍼레이터와 접하는 가스 확산 전극 기재 안으로 확산되고, 가스 확산 전극의 다른 한쪽 면에 배치된 캐소드 촉매층에서 프로톤, 전자와 함께 물을 생성한다. 생성된 물은, 촉매층으로부터 가스 확산 전극 기재를 통해서 캐소드측의 세퍼레이터의 홈으로 이동하고, 세퍼레이터의 유로 안을 지나서 연료 전지 밖으로 배출된다.
여기서, 반응으로 생성된 물이 촉매층이나 가스 확산 전극의 공극을 막아, 수소나 공기의 수송을 방해해 버리면, 높은 발전 효율을 얻을 수 없게 된다. 이 현상은 일반적으로 「플러딩」이라고 불린다. 플러딩을 방지하기 위해서는, 반응으로 생성된 물을 적극적으로 배출하는 것이 필요하다. 특히 세퍼레이터의 유로에 도달한 물을 신속하게 계 밖으로 배출하는 것이 중요하다.
세퍼레이터의 유로 안의 물의 배출을 촉진하는 기술로서는, 세퍼레이터의 유로와 대향해서 설치되는 가스 확산 전극에 홈 등의 요철을 형성하는 것이 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 내지 4에는, 가스 확산 전극에 홈이나 관통 구멍을 형성하여, 물의 통과성을 향상시키는 기술이 제안되어 있다.
일본특허공표 평11-511289호 일본특허공개 제2013-20843호 일본특허공개 제2003-17076호 일본특허공개 제2006-139921호
세퍼레이터에는, 분지가 없는 1개의 연속된 유로로 연료 가스를 공급하는 직렬식의 유로를 갖는 것과, 중앙 유로로부터 연료 가스를 분배하는 분지 유로를 구비한 병렬식의 유로를 갖는 것이 있다. 직렬식의 유로를 갖는 세퍼레이터는, 병렬식의 것과 비교해서 유로 내를 통과하는 가스의 유속이 크다. 그 때문에, 유로 내에 고인 물을 연료 가스에 의해 계 밖으로 배출하는 것이 용이하게 되어, 플러딩 현상이 일어나기 어렵다. 한편, 직렬식의 유로에서는 유로 내에 가스를 흘리기 위해서 고압이 필요해져서, 시스템 비용이 높아진다. 그 때문에, 현재는 병렬식의 유로를 갖는 세퍼레이터를 사용한 경우에도 양호한 발전을 행할 수 있는 연료 전지 시스템이 요구되고 있다.
그러나, 본 발명자들의 검토에 의하면, 병렬식의 유로를 갖는 세퍼레이터를 사용한 경우, 습도가 높은 조건에 있어서는 특허문헌 1 내지 4에 기재된 기술만으로는 플러딩 현상을 충분히 억제할 수 없고, 안정된 발전을 행할 수 없는 것을 알 수 있었다. 본 발명은, 병렬식의 유로를 갖는 세퍼레이터를 사용하면서도, 습도가 높은 발전 조건에서도 물의 배출성이 양호하며, 높은 발전 성능을 유지할 수 있는 고체 고분자형 연료 전지를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 탄소 섬유 부직포를 기재로 하는 가스 확산 전극과, 병렬식의 직선 형상 유로가 형성된 세퍼레이터를 갖는 고체 고분자형 연료 전지로서, 당해 탄소 섬유 부직포는, 직선 형상의 리지부와 직선 형상의 홈부가 교대로 반복되는 파형판 형상의 요철을 갖고, 또한 리지부와 홈부의 광투과성이 동등하고, 당해 가스 확산 전극과 당해 세퍼레이터는, 탄소 섬유 부직포의 요철 형성면이 세퍼레이터의 유로 형성면과 대향하고, 또한 리지부 및 홈부의 연장 방향이 세퍼레이터의 유로의 연장 방향과 일치하도록 배치되어 이루어지는 고체 고분자형 연료 전지이다.
본 발명의 고체 고분자형 연료 전지는, 병렬식의 유로를 갖는 세퍼레이터를 사용하고 있음에도 불구하고, 고습도 조건 하에서도 배수성이 우수하기 때문에, 플러딩을 억제하면서 안정된 발전을 행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 고체 고분자형 연료 전지의 셀 구성의 단면 모식도이다.
도 2는 직사각형파 형상의 요철을 갖는 탄소 섬유 부직포의 단면 모식도이다.
도 3은 실시예 1에서 제작한 탄소 섬유 부직포의 정립(正立) 관찰상이다.
도 4는 실시예 1에서 제작한 탄소 섬유 부직포의 도립(倒立) 관찰상이다.
도 5는 비교예 1에서 제작한 탄소 섬유 부직포의 정립 관찰상이다.
도 6은 비교예 1에서 제작한 탄소 섬유 부직포의 도립 관찰상이다.
도 7은 패러렐형(Parallel)의 유로를 갖는 세퍼레이터의 유로 형상을 도시하는 모식도이다.
도 8은 멀티 패러렐형(Multi-parallel)의 유로를 갖는 세퍼레이터의 유로 형상을 도시하는 모식도이다.
도 9는 대향 빗살형(Interdigitated)의 유로를 갖는 세퍼레이터의 유로 형상을 도시하는 모식도이다.
[탄소 섬유 부직포]
탄소 섬유 부직포란, 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포를 불활성 가스 분위기 하에서 가열해서 탄화시킨 것이다. 탄소 섬유란, 탄소 섬유 전구체 섬유를 불활성 가스 분위기에서 가열해서 탄화시킨 것이다. 부직포란, 웹의 구성 섬유를 기계적인 교락, 가열에 의한 융착, 결합제에 의한 접착과 같은 방법으로 고정시킨 것이다. 또한, 웹이란 탄소 섬유 전구체 섬유를 적층해서 시트 형상으로 한 것이다. 또한, 탄소 섬유 전구체 섬유에 대해서는 후술한다. 웹으로서는, 건식의 패러렐 레이드 웹또는 크로스 레이드 웹, 에어 레이드 웹, 습식의 초조 웹, 압출법의 스펀본드 웹, 멜트블로우 웹, 일렉트로스피닝 웹 등을 사용할 수 있다. 또한, 이들 웹을 시트 형상으로 한 탄소 섬유 부직포로서는, 웹을 기계적으로 교락시킨 것, 가열해서 융착시킨 것, 결합제로 접착시킨 것 등을 들 수 있다.
탄소 섬유의 섬유 직경이 작을수록, 탄소 섬유 부직포가 높은 겉보기 밀도를 달성하기 쉽고, 도전성이나 열전도가 우수한 탄소 섬유 부직포가 얻어진다. 한편, 탄소 섬유 부직포의 평균 구멍 직경이 작아져서, 탄소 섬유 부직포의 배수성이나 가스 확산성은 저하되는 경향이 있다. 탄소 섬유의 섬유 직경은, 탄소 섬유 부직포의 용도에 따라서 적절히 결정해야 한다. 탄소 섬유의 섬유 직경은, 일반적인 가스 확산 전극으로서 사용하는 경우에는 3 내지 30㎛가 바람직하고, 5 내지 20㎛가 보다 바람직하다.
탄소 섬유 부직포의 평균 구멍 직경은 40㎛ 이상인 것이 바람직하고, 45㎛ 이상이 보다 바람직하고, 50㎛ 이상이 더욱 바람직하다. 평균 구멍 직경의 상한은 특별히 한정되지 않는다. 평균 구멍 직경은 100㎛ 이하가 바람직하고, 80㎛ 이하가 보다 바람직하다. 평균 구멍 직경이 40㎛ 이상이면, 가스의 확산과 배수에서 높은 성능이 얻어진다. 또한, 평균 구멍 직경이 100㎛ 이하이면, 드라이 아웃을 방지하기 쉽다. 또한, 본 명세서에 있어서, 탄소 섬유 부직포의 평균 구멍 직경이란 수은 압입법에 의해 측정되는 값을 의미한다. 수은의 표면 장력 σ를 480dyn/㎝, 수은과 탄소 섬유 부직포의 접촉각을 140°로 해서 계산한 값이다. 수은 압입법에 의한 측정은, 예를 들어 PoreMaster(등록상표)(Quantachrome사 제조) 등을 사용하여 측정할 수 있다.
또한, 탄소 섬유 부직포를 구성하는 탄소 섬유끼리의 접점에 결합제로서 탄화물이 부착되어 있으면, 탄소 섬유끼리의 접점에서 접촉 면적이 커져서, 우수한 도전성과 열전도성이 얻어진다. 이러한 결합제를 부여하는 방법으로서는, 탄화 처리 후의 탄소 섬유 부직포에 열경화성 수지를 함침 또는 스프레이하고, 불활성 분위기 하에서 다시 가열 처리하는 방법을 들 수 있다. 이 경우, 열경화성 수지로서는 페놀 수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 푸란 수지 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도 페놀 수지를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 후술하는 바와 같이, 열가소성 수지를 탄소 섬유 전구체 부직포에 혼면해 두는 방법도 바람직하게 사용된다.
탄소 섬유 부직포의 표면에는, 직선 형상의 리지부와 직선 형상의 홈부가 교대로 반복되는 파형판 형상의 요철(이하, 간단히 「파형판 형상의 요철」 또는 「요철」이라고 하는 경우가 있다)이 형성되어 있다. 또한, 본 명세서에 있어서 「파형판 형상의 요철」이란, 정현파 형상, 직사각형파 형상, 삼각파 형상, 톱니파 형상 등의 단면 형상을 갖는 요철을 포함하는 것으로 한다.
이하, 당해 파형판 형상의 요철의 형태에 대해서 설명한다. 본 명세서에 있어서는, 탄소 섬유 그 자체에 의한 표면 요철의 영향을 배제하기 위해, 특별히 언급한 경우를 제외하고, 탄소 섬유 부직포를 두께 방향으로 1㎫로 가압했을 때의 탄소 섬유 부직포의 두께(이하, 간단히 「가압 시 두께」라고 하는 경우가 있다)와 동일한 두께가 될 때까지 탄소 섬유 부직포의 요철 형성면을 트리밍했다고 가정한 경우의 형상에 대해서 묘사하는 것으로 한다. 가압 시 두께는, 2.5㎝×2.5㎝로 커트한 탄소 섬유 부직포를, 표면이 3㎝ 이상×3㎝ 이상이고 두께가 1㎝ 이상인 금속판 사이에 끼우고, 탄소 섬유 부직포에 대하여 1㎫의 압력을 부여해서 구하는 것으로 한다.
파형판 형상의 요철의 존재는, 예를 들어 광학 현미경으로 탄소 섬유 부직포의 요철 형성면측으로부터 초점을 변화시켜서 촬영한 화상을 심도 합성에 의해 3차원 표시하는 것이나, 레이저 현미경으로, 탄소 섬유 부직포의 요철 형성면측으로부터, 500㎛ 내지 5㎜의 시야에서 레이저 스캔해서 화상을 취하여, 형상 해석 소프트웨어를 사용해서 기울기 보정을 행하고, 높이에 따라서 색을 바꾸어서 표시함으로써 판단할 수 있다.
또한, 이하의 설명에 있어서 「단면」이란, 특별히 언급하지 않는 한, 직선 형상의 홈부 및 리지부의 연장 방향으로 수직인 방향의 탄소 섬유 부직포의 단면을 의미하는 것으로 한다.
파형판 형상의 요철은 탄소 섬유 부직포의 양면에 형성되어 있어도 된다. 본 발명에 있어서는, 탄소 섬유 부직포를 가스 확산 전극으로 한 경우에 세퍼레이터와의 접촉면에 발생하는 물방울의 배출성을 높이는 효과를 발휘할 수 있으면 충분하기 때문에, 한쪽 면에만 요철이 형성되어 있으면 충분하고, 또한 제조상으로도 바람직하다. 그 때문에, 본 명세서에서는, 한쪽 면에만 요철이 형성된 탄소 섬유 부직포에 대해서 설명하고, 설명 중에서는 당해 요철이 형성된 면을 「요철 형성면」 또는 「상면」, 그 반대의 요철이 형성되어 있지 않은 면을 「요철 비형성면」 또는 「하면」이라고 칭하기로 한다. 또한, 이하 특별히 언급하지 않는 한, 탄소 섬유 부직포의 하면을 아래로 해서 수평하게 정치한 상태를 가정해서 설명하는 것으로 한다. 요철이 양면에 형성되어 있는 경우에는, 관찰 대상으로 하는 요철 형성면의 반대측 면에 형성된 요철의 리지부의 선단을 지나는 평면을 하면이라고 생각하는 것으로 한다.
도 2는 본 발명에서 사용하는 탄소 섬유 부직포의 일 형태의 단면을 도시하는 모식도이다. 도 2에 도시하는 탄소 섬유 부직포는, 직사각형파 형상의 단면을 갖는 요철이 형성되어 있다. 여기서, 도 2 중 Pg는 홈부의 형성 피치, Wg는 홈부의 폭, Wr은 리지부의 폭, H1은 탄소 섬유 부직포의 두께, H2는 요철의 높이(홈부의 저부로부터 리지부의 선단까지의 높이)이다. 본 명세서에 있어서는, 파형판 형상의 요철 높이 H2의 1/2의 점을 지나는 평면 M을 상정하고, 당해 평면 M보다 아래에 존재하는 부분을 홈부, 위에 존재하는 부분을 리지부라 칭하기로 한다. 리지부의 폭 Wg는, 탄소 섬유 부직포 단면에 있어서의 평면 M에 의한 리지부의 절단면의 폭이고, 홈부의 폭 Wr은 평면 M에 의한 홈부의 절단면의 폭이다.
도 2에 도시하는 탄소 섬유 부직포는, 직사각형파 형상의 단면을 갖고, 홈부 및 리지부의 단면은 모두 직사각형상을 이루고 있다. 즉, 홈부 및 리지부의 벽면은 하면과 대략 수직으로 형성되어 있다. 홈부 및 리지부의 벽면은, 하면의 수선 방향으로부터 경사를 갖고 있어도 된다. 즉, 홈부 및 리지부의 단면은 사다리꼴 형상을 이루는 것이어도 되고, 대략 반원 형상(U자 형상)을 이루는 것이어도 된다.
요철의 높이(H2)는 20㎛ 이상인 것이 바람직하고, 50㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다. 요철의 높이(H2)의 상한은, 탄소 섬유 부직포로서의 강도를 유지하는 것이 가능한 한 특별히 한정되지 않는다.
홈부의 형성 피치(Pg)는 20㎛ 내지 2000㎛로 하는 것이 바람직하다. 홈부의 형성 피치가 20㎛ 이상이면, 탄소 섬유 부직포 표면과 물방울의 접촉 면적을 작게 하는 효과를 얻기 쉽다. 홈부의 형성 피치가 2000㎛ 이하이면, 물방울이 홈부에 빠지는 일이 없어, 리지부 표면을 이동하기 쉬워진다. 여기서, 홈부의 형성 피치란, 인접하는 홈부의 중심선끼리의 거리의 평균값이다. 홈부의 형성 피치는 홈부의 연장 방향과 직교하는 방향의 탄소 섬유 부직포의 요철 형성 부분의 폭을 홈부의 개수로부터 산출할 수 있다. 탄소 섬유 부직포 표면의 물방울의 이동성을 향상시키는 관점에서, 홈부의 형성 피치는 100㎛ 내지 1000㎛로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 홈부의 형성 피치는, 후술하는 세퍼레이터의 유로의 형성 피치보다 작으면, 물방울의 이동이 용이하게 되어 바람직하다.
또한, 탄소 섬유 부직포의 요철 형성면의 평면도에서 보면, 리지부의 면적에 대한 홈부의 면적의 비(홈부 면적 비율: Wg/Wr)가 작을수록 물방울이 홈부에 머무르지 않고 리지의 표면 상을 이동해서 배출되기 쉬워진다. 그 때문에, 홈부 면적 비율은 0.9 이하인 것이 바람직하다. 또한, 홈부 면적 비율을 작게 함으로써, 세퍼레이터와 기재의 접촉 면적이 증대하여, 도전성이나 열전도성이 향상된다. 그 때문에, 홈 면적 비율은 0.7 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 탄소 섬유 부직포 표면과 물방울의 접촉 면적을 작게 하는 효과를 얻기 쉬운 점에서, 홈부 면적 비율은 적어도 0.1 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 홈부와 리지부의 광투과성이 동등한 탄소 섬유 부직포를 사용한다. 또한, 홈부와 리지부의 광투과성이 동등한 것은, 후술하는 실시예의 제1항에 기재된 방법에 의해 판단하기로 한다.
탄소 섬유 부직포의 구멍에 액체를 통과시킬 때의 압력(P)은 하기의 영·라플라스의 식으로부터 구할 수 있다. P=-(2gLcosq)/r
여기서, gL은 액체의 표면 장력, q는 액체의 구멍의 주위면 상의 접촉각, r은 구멍 직경이다. 영·라플라스의 식은, 구멍 직경이 다른 2개의 구멍이 인접해서 존재하고 있는 경우, 구멍 직경이 큰 쪽의 구멍을 우선적으로 액체가 통과하는 것을 나타내고 있다.
탄소 섬유 부직포의 홈부와 리지부의 광투과성이 동등한 경우로서는, 홈부와 리지부의 단위 면적당 중량이 동등한 경우나, 섬유 배향성의 상위에 의해 동등해지는 경우, 섬도의 상위에 의해 동등해지는 경우 등을 들 수 있다. 홈부와 리지부의 광투과성이 동등한 경우, 홈부의 밀도는 상대적으로 높아지고, 리지부의 밀도는 상대적으로 낮아진다. 즉, 홈부의 평균 구멍 직경은 리지부의 평균 구멍 직경보다 작다. 이 경우, 영·라플라스의 식을 고려하면, 촉매층에 있어서 발생한 물은, 홈부보다 리지부를 우선적으로 통과하고, 최종적으로 리지부로부터 우선적으로 세퍼레이터측으로 배출된다. 여기서, 후술하는 바와 같이 탄소 섬유 부직포의 홈부가 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선부와 대략 병행이 되도록 배치되어 있음으로써, 리지부로부터 배출된 물은, 연료 가스의 풍압에 의해 가스 확산 전극의 리지부의 표면을 리지부의 연장 방향을 따라 이동하는 것이 용이하게 된다.
가스 확산 전극의 발수 성능을 더욱 높이기 위해서는, 추가로 탄소 섬유 부직포에 발수제를 부여하는 것이 바람직하다. 발수제는, 탄소 섬유 부직포 표면의 물방울 접촉각을 증대시키는 효과를 갖는 물질이면 특별히 한정되지 않는다. PTFE, FEP, PVDF 등의 불소계 수지, PDMS 등의 실리콘 수지를 예시할 수 있다.
탄소 섬유 부직포는 발수제의 부여에 의해, 요철 형성면의 물방울 접촉각이 100도 이상으로 되어 있는 것이 바람직하다. 연료 전지에 있어서의 배수성 향상의 관점에서는 발수성은 높은 편이 바람직하기 때문에, 요철 형성면의 물방울 접촉각은 120도 이상으로 하는 것이 바람직하고, 140도 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.
상기와 같은 요철을 형성한 탄소 섬유 부직포의 하면(막전극 복합체를 구성한 경우에 전해질막과 대향하는 면)에, 추가로, 불소 수지와, 카본 블랙 등의 탄소 재료를 포함하는 마이크로 다공성층을 형성하는 것도, 배수성을 향상시키는 데 있어서 바람직하다. 마이크로 다공성층에 포함되는 불소 수지는, 도전성과 강도를 양립시키는 관점에서, 탄소 재료에 대하여 1 내지 80 중량%가 바람직하고, 10 내지 70중량%가 보다 바람직하고, 20 내지 60중량%가 더욱 바람직하다.
고체 고분자형 연료 전지의 단셀은, 도 1에 도시된 바와 같이, 전해질막(1)과, 전해질막(1)의 양측에 배치된 촉매층(2)과, 추가로 그 양측에 배치된, 애노드측 및 캐소드측의 가스 확산 전극(4)과, 추가로 그 양측에 배치된 한 쌍의 세퍼레이터(5)를 갖는다.
본 발명의 고체 고분자형 연료 전지에서는, 세퍼레이터(5)는, 병렬식의 직선 형상 유로(51)가 형성된 것이다. 병렬식의 유로란, 중앙 유로로부터 연료 가스를 분배하는 분지 유로를 구비한 유로이며, 분지가 없는 1개의 연속된 유로인 직렬식 이외의 유로 형상을 의미한다. 또한, 직선 형상 유로란, 유로의 전체 길이의 80% 이상이 세퍼레이터의 일단부로부터 타단부까지 거의 연속된 직선부로서 형성되어 있는 유로 형상을 의미한다. 이러한 병렬식의 직선 형상 유로로서는, 도 7에서 나타낸 바와 같은 패러렐형(Parallel), 도 8에서 나타낸 바와 같은 멀티 패러렐형(Multi-parallel) 또는 도 9에서 나타낸 바와 같은 대향 빗살형(Interdigitated)의 유로를 들 수 있다. 도 7 내지 도 9에 있어서는, 각 도면 중 세로 방향으로 형성되어 있는 유로 부분이 직선부에 닿는다. 본 발명의 효과를 얻기 위해서는, 패러렐형 또는 멀티 패러렐형의 유로를 갖는 세퍼레이터를 사용하는 것이 특히 바람직하다.
본 발명에 있어서는, 탄소 섬유 부직포를 기재로 하는 가스 확산 전극(4)의 요철 형성면이 세퍼레이터(5)의 유로 형성면과 대향하고, 또한 탄소 섬유 부직포의 홈부(41) 및 리지부(42)가 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선부(51)의 형성 방향과 대략 병행이 되도록 배치되어 있다. 탄소 섬유 부직포의 홈부와 세퍼레이터 유로의 직선부가 대략 병행이 되도록 배치되어 있는 경우, 연료 가스의 풍압의 방향이 탄소 섬유 부직포의 홈부의 연장 방향과 일치한다. 그 때문에, 리지부 표면에 집약된 물방울은 홈부에 빠지거나 걸리는 일이 적어져서, 용이하게 리지부 표면을 이동할 수 있다. 한편, 탄소 섬유 부직포의 홈부가 세퍼레이터 유로의 직선부와 대략 수직이 되도록 배치되어 있는 경우, 연료 가스의 풍압의 방향이 홈부의 연장 방향과 일치하지 않는다. 그 때문에, 리지부 표면의 물방울은 홈부에 빠지거나 걸려, 이동하기 어려워진다. 여기서, 탄소 섬유 부직포의 홈부 및 리지부가 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선부와 대략 병행하다는 것은, 탄소 섬유 부직포의 직선 형상의 리지부 또는 홈부의 연장 방향과, 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선부의 형성 방향이 이루는 각이 30° 이하인 것을 의미한다.
여기서, 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선부의 형성 방향이 이루는 각은 20° 이하인 것이 바람직하고, 10° 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 세퍼레이터의 유로의 형성 피치가 탄소 섬유 부직포의 홈부의 형성 피치보다 크면, 물방울의 이동이 용이해져서, 바람직하다.
또한, 탄소 섬유 부직포의 홈부 또는 리지부의 연장 방향과 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선 부분의 형성 방향이 교차하면, 리지부에 집약된 물방울의 이동이 세퍼레이터의 유로 비형성 부분에 의해 차단된다. 그 때문에, 탄소 섬유 부직포의 홈부 또는 리지부의 연장 방향과 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선 부분의 형성 방향이 교차하지 않도록 배치하는 것이 바람직하다.
<고체 고분자형 연료 전지의 제조 방법>
본 발명의 고체 고분자형 연료 전지는, 일례로서 이하의 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.
가스 확산 전극 기재에 사용하는 탄소 섬유 부직포는, 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포를 탄화 처리함으로써 얻어진다. 탄소 섬유 전구체 섬유란, 소성에 의해 탄소 섬유화하는 섬유이다. 탄소 섬유 전구체 섬유는, 탄화율이 15% 이상인 섬유인 것이 바람직하고, 30% 이상인 섬유인 것이 보다 바람직하다. 본 발명에 사용되는 탄소 섬유 전구체 섬유는 특별히 한정되지 않는다. 탄소 섬유 전구체 섬유로서는 불융화한 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 섬유(PAN계 내염 섬유), 불융화한 피치계 섬유, 폴리비닐알코올계 섬유, 셀룰로오스계 섬유, 불융화한 리그닌계 섬유, 불융화한 폴리아세틸렌계 섬유, 불융화한 폴리에틸렌계 섬유, 폴리벤조옥사졸계 섬유 등을 들 수 있다. 그 중에서도 강신도가 높고, 가공성이 좋은 PAN계 내염 섬유를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 탄화율은 이하의 식으로부터 구할 수 있다.
탄화율(%)= 소성 후 중량/소성 전 중량×100
탄소 섬유 전구체 섬유 부직포는, 탄소 섬유 전구체 섬유에 의해 형성된 웹을, 교락, 가열 융착, 결합제 접착 등에 의해 결합해서 패브릭 형상으로 한 것이다. 웹으로서는, 건식의 패러렐 레이드 웹 또는 크로스 레이드 웹, 에어 레이드 웹, 습식의 초조 웹, 압출법의 스펀본드 웹, 멜트블로우 웹, 일렉트로스피닝 웹을 사용할 수 있다. 용액 방사법으로 얻은 PAN계 섬유를 불융화해서 웹화하는 경우에는, 균일한 시트를 얻기 쉬운 점에서, 건식 웹 또는 습식 웹을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 공정에서의 형태 안정성을 얻기 쉬운 점에서, 건식 웹을 기계적으로 교락시킨 부직포가 특히 바람직하다.
또한, 전술한 바와 같이, 탄소 섬유 부직포의 탄소 섬유끼리의 교점에 결합제로서 탄화물이 부착되어 있으면 도전성과 열전도성이 우수한 점에서 바람직하다. 이러한 탄소 섬유 부직포는, 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포에 탄화물 전구체를 부여해 둠으로써 제조할 수 있다. 탄화물 전구체를 부여시키는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포에 탄화물 전구체 용액을 함침 또는 스프레이하는 방법이나, 미리 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포에 탄화물 전구체가 되는 열가소성 수지제 섬유를 혼면해 두는 방법을 들 수 있다.
탄소 섬유 전구체 섬유 부직포에 탄화물 전구체 용액을 함침 또는 스프레이하는 경우에는, 페놀 수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지, 푸란 수지와 같은 열경화성 수지를 사용할 수 있다. 그 중에서도 탄화 수율이 높은 점에서 페놀 수지가 특히 바람직하다. 단, 열경화성 수지 용액을 함침한 경우에는, 탄화 공정에서 탄소 섬유 전구체 섬유와 결합제 수지의 수축 거동의 차이가 발생함으로써, 탄소 섬유 부직포의 평활성이 저하되기 쉽다. 또한 건조 시에 탄소 섬유 부직포 표면에 용액이 이동하는 마이그레이션 현상도 발생하기 쉽기 때문에, 균일한 처리가 어려워지는 경향이 있다.
이에 반해, 미리 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포에 결합제가 되는 열가소성 수지제 섬유를 혼면해 두는 방법은, 탄소 섬유 전구체 섬유와 결합제 수지의 비율을 부직포 내에서 균일하게 할 수 있고, 탄소 섬유 전구체 섬유와 결합제 수지의 수축 거동의 차이도 발생하기 어려운 점에서, 가장 바람직한 방법이다. 이러한 열가소성 수지제 섬유로서는, 비교적 저렴한 폴리에스테르 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유가 바람직하다.
결합제의 배합량은, 탄소 섬유 부직포의 강도, 도전성, 열전도성의 향상을 위하여, 탄소 섬유 전구체 섬유 100질량부에 대하여, 0.5질량부 이상인 것이 바람직하고, 1질량부 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 배수성 향상을 위해서, 80질량부 이하인 것이 바람직하고, 50질량부 이하인 것이 보다 바람직하다.
계속해서, 탄소 섬유 전구체 섬유의 프레스를 행한다. 이때의 가열 온도는, 탄소 섬유 전구체 섬유의 부직포 구조체에 형성한 프레스의 형태 안정성의 점에서 160℃ 내지 280℃가 바람직하고, 180℃ 내지 260℃가 보다 바람직하다.
직선 형상의 홈부 및 리지부가 교대로 배치된 파형판 형상의 요철은, 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포의 단계에서 표면에 요철을 형성하고, 그 후 탄화함으로써 형성된다. 구체적으로는, 형성하려고 하는 요철에 대응하는 부형 부재를 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포의 표면에 압박하는 방법, 즉 엠보스 가공에 의해 요철을 형성하는 것이 바람직하다. 엠보스 가공의 방법으로서는, 홈부에 대응하는 볼록 형상이 형성된 엠보싱 롤과 플랫 롤로 연속 프레스하는 방법이나, 마찬가지의 볼록 형상을 형성한 플레이트와 플랫 플레이트로 배치 프레스하는 방법을 들 수 있다.
이와 같이, 부형 부재를 상기 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포의 표면에 압박하는 방법에 의해 홈부를 형성한 탄소 섬유 부직포는, 홈부와 리지부의 광투과성이 동등해진다. 그 때문에, 전술한 바와 같이 반응에 의해 발생한 물을 리지부 표면에 우선적으로 집약할 수 있다. 집약된 물은, 연료 가스의 풍압에 의해 리지부 표면을 이동하고, 용이하게 계 밖으로 배출되게 된다.
한편, 탄소 섬유 부직포를 레이저나 바늘 등으로 깎아서 가공하는 방법, 워터 제트 펀칭법 등의 고압 액체 분사법에서는, 홈부의 광투과성이 리지부의 광투과성보다 작아진다. 이 경우, 리지부보다 홈부를 우선적으로 물이 통과하고, 최종적으로 물이 홈부에 집약되게 된다. 물이 홈부에 집약되는 경우, 리지부에 집약된 경우와 비교해서 물방울이 연료 가스에 의한 풍압을 받기 어려워, 배출이 어렵기 때문에, 플러딩 현상이 발생하기 쉬워진다.
이어서, 요철을 형성한 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포를 탄화 처리한다. 탄화 처리의 방법은 특별히 한정되지 않고 탄소 섬유 재료 분야에 있어서의 공지된 방법을 사용할 수 있다. 불활성 가스 분위기 하에서의 소성이 바람직하게 사용된다. 불활성 가스 분위기 하에서의 소성은, 대기압에서, 질소나 아르곤과 같은 불활성 가스를 공급하면서, 800℃ 이상으로 가열함으로써 행하는 것이 바람직하다. 탄화 처리의 온도는, 우수한 도전성과 열전도성을 달성하기 위해서는 1500℃ 이상이 바람직하고, 1900℃ 이상이 보다 바람직하다. 한편, 가열로의 운전 비용의 관점에서는, 3000℃ 이하인 것이 바람직하다. 탄소 섬유 부직포를 고체 고분자형 연료 전지의 가스 확산 전극으로서 사용하는 경우, 탄화 처리 후에 두께가 30 내지 400㎛, 밀도가 0.2 내지 0.8g/㎤가 되도록 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포의 형태나 탄화 처리 조건을 조정하는 것이 바람직하다.
[발수 처리]
발수제의 부여는, 이들 발수제를, 용융 함침, 용액이나 분산액을 사용한 프린트, 전사, 함침 등의 방법으로 탄소 섬유 부직포에 부여함으로써 행할 수 있다. 또한, 물방울 접촉각은, 온도 20℃, 습도 60%의 환경에서, 탄소 섬유 부직포의 요철 형성면 위에 10μL의 물방울을 10점 적하해서 측정한 평균값으로 한다. 물방울 접촉각은, 예를 들어 자동 접촉각계 DMs-601(교와 가이멘 가가꾸(주)사 제조)에 의해 측정할 수 있다.
[마이크로 다공성층]
마이크로 다공성층은, PTFE 등의 불소 수지와 카본 블랙 등의 탄소 재료에 계면 활성제와 물 등을 첨가한 페이스트를, 바 코트나 다이 코트 방식에 의해 탄소 섬유 부직포의 하면에 도포하고, 건조하고, 소결함으로써 형성할 수 있다.
[고체 고분자형 연료 전지]
고분자 전해질막의 양측에 촉매층을 형성하고, 추가로 그 양측에, 상기와 같이 제작한 탄소 섬유 부직포를 배치해서 접합하거나, 고분자 전해질막의 양측에, 상기와 같이 제작한 탄소 섬유 부직포에 촉매층을 형성한 것을 배치해서 접합함으로써, 탄소 섬유 부직포를 기재로 하는 가스 확산 전극을 갖는 막전극 접합체를 얻을 수 있다. 또한, 추가로 당해 막전극 접합체의 양측에 병렬식의 직선 형상 유로가 형성된 세퍼레이터를, 탄소 섬유 부직포의 요철 형성면이 상기 세퍼레이터의 유로 형성면과 대향하고, 또한 탄소 섬유 부직포의 홈부 및 리지부가 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선부의 형성 방향과 대략 병행이 되도록 배치함으로써, 고체 고분자형 연료 전지를 얻을 수 있다.
실시예
실시예 및 비교예 중의 데이터는 이하의 방법으로 측정하였다.
1. 홈부와 리지부의 광투과성의 동등성
하면이 광학 현미경의 스테이지 위에 접하도록 탄소 섬유 부직포를 놓고, 광을 요철 형성면으로부터 조사하고, 직사각형의 관찰 시야로 한 상태에서 홈부 및 리지부가 그 직사각형의 긴 변과 평행해지도록 관찰 시야 내에 각각 4개 내지 10개 포함된 상태에서 촬영한다(정립 관찰상). 그 후, 탄소 섬유 부직포의 하면측으로부터 하면에 대하여 수직으로 광을 조사하고, 요철 형성면측으로부터 마찬가지 시야 범위를 촬영한다(도립 관찰상).
도립 관찰상에서는, 홈부와 리지부의 광투과성이 다른 경우, 홈부와 리지부에서 광의 투과율이 다르기 때문에, 홈부가 밝고, 리지부가 어두운 명암이 관찰된다.
이어서, 화상 처리 소프트웨어를 사용해서 도립 관찰상의 명도의 평균값을 산출하고, 그 평균값을 평균 명도로 한다. 여기에서의 명도는 RGB 컬러 모델에서 0 내지 255의 256단계로 표현한 수치이다.
또한, 도립 관찰상 중에 존재하는 각 홈부에 있어서, 홈부의 폭 방향으로, 홈부의 중심선을 중심으로 해서 홈부의 폭의 절반의 길이를 트리밍한 범위의 명도를 측정하고, 그 평균값을 홈부의 명도라 한다.
또한, 리지부도 마찬가지로, 리지부의 중심선을 중심으로 해서 리지부의 폭의 절반의 길이를 트리밍한 범위의 명도를 측정하고, 그 평균값을 리지부의 명도라 한다.
상기와 같이 관찰을 행하여, 관찰 시야의 평균 명도와, 당해 관찰 시야 내에 포함되는 각 홈부 및 리지부의 명도를 비교한다. 이것을 100개의 홈부 및 리지부에 대해서 행하고, 평균 명도보다 명도가 높은 홈부가 65개 이상 존재하고, 또한 평균 명도보다 명도가 낮은 리지부가 65개 이상 존재한 경우, 리지부와 홈부의 광투과성은 동등하지 않다라고 한다. 또한, 마찬가지로, 평균 명도보다 명도가 낮은 홈부가 65개 이상 존재하고, 또한 평균 명도보다 명도가 높은 리지부가 65개 이상 존재한 경우도, 리지부와 홈부의 광투과성은 동등하지 않다라고 한다. 그리고, 상기의 어느 것에도 들어맞지 않는 경우에는, 홈부와 리지부의 광투과성은 동등하다고 판단한다.
2. 발전 성능
각 실시예, 비교예에 있어서 제작한 고체 고분자형 연료 전지를 사용하고, 셀 온도를 60℃, 수소극과 공기극의 노점을 67.5℃로 하고, 각각의 극의 배압을 100㎪로 하였다. 통상 시험은, 수소 가스 유량을 0.05L/분, 산소 가스 유량을 0.2L/분으로 하고, 전류 밀도를 0.2mA/㎠로 했을 때의 전압값을 측정했다.
[실시예 1]
PAN계 내염사의 권축사를 수 평균 섬유 길이 76㎜로 절단한 후, 카딩, 크로스 레이어링으로 시트화한 후, 바늘 밀도 300개/㎠의 니들 펀치를 행하여 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포를 얻었다. 편면에 직선 형상의 홈 형상을 부여한 금속 플레이트(홈의 폭 420㎛, 묘의 폭 420㎛, 홈부의 형성 피치 840㎛, 오목부의 깊이 90㎛, 요철 형상은 직사각형파 형상)를 PAN계 내염사 부직포 위에 마운트하고, 220℃, 1㎫의 조건에서 4분간 프레스하여, 금속 플레이트의 홈 형성면을 마운트한 측의 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포 표면에 금속 플레이트의 홈을 반영한 부직포를 얻었다. 이어서, 불활성 분위기 하에서, 2400℃에서 4시간 소성함으로써, 한쪽 면에 직선 형상의 홈부가 형성된 탄소 섬유 부직포를 얻었다. 홈부의 폭, 형성 피치, 홈부 면적비는 표 1에 기재된 바와 같다.
얻어진 탄소 섬유 부직포를, 상기 1.에 따라서 정립법으로 관찰하면, 기재 표면에 홈을 확인할 수 있고, 또한 홈부와 리지부의 광투과성은 동등했다. 실시예 1에서 제작한 탄소 섬유 부직포의 정립 관찰상 및 도립 관찰상을, 각각 도 3, 도 4에 도시한다. 도 3의 정립 관찰상에 있어서는, 관찰 시야 범위 내의 장축 방향에 대하여 직선 형상의 홈이 동일 방향으로 연장되어 있고, 관찰 시야 범위 내의 단축 방향으로 약 800㎛의 피치로 5개 홈이 존재하였다. 도 4의 도립 관찰상에서는, 홈을 시인할 수 없었다.
이와 같이 제작한 탄소 섬유 부직포에, 고형분 농도 3wt%로 조정한 PTFE의 수분산액을 PTFE 고형분 부착량이 5wt%가 되도록 함침 부여하고, 열풍 건조기를 사용해서 130℃에서 건조시켜서, 380℃에서 10분간 가열함으로써 발수제를 부여하여, 발수 처리를 실시하였다. 홈 형성면의 물방울 접촉각은 140°이고, 발수재가 충분한 양 부여되어 있는 것을 확인했다.
계속해서, 이 발수 처리를 실시한 탄소 섬유 부직포의 요철 비형성면에 마이크로 다공성층의 부여를 행하였다. 먼저, 아세틸렌 블랙(덴끼 가가꾸 고교(주) 제조 "덴카블랙"(등록상표)), PTFE 수지(다이킨 고교(주) 제조 "폴리프론"(등록상표) D-1E), 계면 활성제(나카라이테스크(주) 제조 "TRITON"(등록상표) X-100), 정제수를 사용해서, 아세틸렌 블랙/PTFE 수지/계면 활성제/정제수=7.7질량부/2.5질량부/14질량부/75.6질량부의 비로 혼합한 도액을 제조했다. 그 후, 당해 도액을 탄소 섬유 부직포의 하면에 다이 코터에 의해 도공하여, 120℃에서 10분 가열 건조시킨 후, 380℃에서 10분간 소결하였다.
이어서, Nafion(등록상표)(듀퐁사 제조)을 포함하는 불소계 전해질막의 양면에, 백금 담지 탄소가 Nafion을 포함하는 촉매층(백금량 0.2㎎/㎠)을 핫 프레스에 의해 접합하여, 촉매층 피복 전해질막(CCM)을 제작했다. 이 CCM의 양면에, 상기와 같이 제작한 2매의 가스 확산 전극을 배치하고 다시 핫 프레스를 행하여, 막전극 접합체(MEA)로 하였다. 이때, 가스 확산 전극 기재는, 마이크로 다공성층을 갖는 면이 촉매층측과 접하도록 배치했다.
이 MEA와, 도 7에서 나타나는 패러렐형의 병렬식의 직선 형상 유로(폭 1000㎛, 피치 2000㎛, 깊이 500㎛)가 형성된 세퍼레이터를, 가스 확산 전극의 홈부 및 리지부의 연장 방향과 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선부의 형성 방향이 이루는 각이 10° 이하가 되도록 배치하여, 발전 면적 5㎠인 고체 고분자형 연료 전지(단셀)로 하였다.
[실시예 2]
실시예 1에 있어서, 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포의 편면에 직선 형상의 홈 형상을 금속 플레이트에서 부여할 때, 사용한 금속 플레이트의 홈의 폭을 420㎛, 묘의 폭을 210㎛, 홈부의 형성 피치를 630㎛, 오목부의 깊이 90㎛로 변경한 것 이외에, 실시예 1과 마찬가지 방법으로 고체 고분자형 연료 전지(단셀)을 제작했다.
[실시예 3]
실시예 1에 있어서, 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포의 편면에 직선 형상의 홈 형상을 금속 플레이트에서 부여할 때, 사용한 금속 플레이트의 홈의 폭을 210㎛, 묘의 폭을 420㎛, 홈부의 형성 피치를 630㎛, 오목부의 깊이 90㎛로 변경한 것 이외에, 실시예 1과 마찬가지 방법으로 고체 고분자형 연료 전지(단셀)을 제작했다.
[실시예 4]
탄소 섬유 부직포에 마이크로 다공성층의 형성을 행하지 않은 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 고체 고분자형 연료 전지를 제작했다.
[실시예 5]
가스 확산 전극의 홈부 및 리지부의 연장 방향과 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선부의 형성 방향이 이루는 각을 10° 이상 20° 이하가 되도록 배치한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 고체 고분자형 연료 전지를 제작했다.
[실시예 6]
가스 확산 전극의 홈부 및 리지부의 연장 방향과 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선부의 형성 방향이 이루는 각을 20° 이상 30° 이하가 되도록 배치한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 고체 고분자형 연료 전지를 제작했다.
[비교예 1]
3차원 교락을 갖는 PAN계 전구체 섬유 스테이플을 카딩 가공하여, 웹을 제작하고, 이것을 소정의 매수 중첩한 후, 연속적으로 노즐로부터의 고압 수류를 두께 방향으로 통과시켜서, 섬유를 교락시켜 부직포를 제작했다. 이 가공 시에 있어서, 노즐 구멍의 사이즈나 수류의 위치 및 간격을 조정하여 연속 가공함으로써 편면에 직선 형상의 홈(홈부의 폭 500㎛, 리지부의 폭 150㎛, 홈부의 형성 피치 650㎛, 오목부의 깊이 50㎛)을 형성시킨 탄소 섬유 전구체 섬유 부직포를 제작했다. 이어서, 불활성 분위기 하에서, 2400℃에서 4시간 소성함으로써, 한쪽 면에 직선 형상의 홈이 형성된 탄소 섬유 부직포를 얻었다. 비교예 1에서 제작한 탄소 섬유 부직포의 정립 관찰상 및 도립 관찰상을, 각각 도 5, 도 6에 나타낸다. 도 6의 도립 관찰상에 있어서는, 관찰 시야 범위 내의 장축 방향에 대하여 직선 형상의 홈이 동일 방향으로 연장되어 있는 것을 시인할 수 있고, 관찰 시야 범위 내의 단축 방향으로 약 650㎛의 피치로 6개 홈이 존재하고 있는 것을 알 수 있다.
이 탄소 섬유 부직포를 가스 확산 전극 기재로서 사용하여, 실시예 1과 마찬가지 방법으로 고체 고분자형 연료 전지를 제작했다.
[비교예 2]
탄소 섬유 부직포의 홈부의 연장 방향과 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선 부분의 형성 방향이 이루는 각이 80° 이상이 되도록 배치한 것 이외에는 비교예 1과 마찬가지로 하여 고체 고분자형 연료 전지를 제작했다.
[비교예 3]
탄소 섬유 부직포의 홈부의 연장 방향과 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선 부분의 형성 방향이 이루는 각이 80° 이상이 되도록 배치한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 고체 고분자형 연료 전지를 제작했다.
[비교예 4]
탄소 섬유 부직포의 홈부의 연장 방향과 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선 부분의 형성 방향이 이루는 각이 80° 이상이 되도록 배치한 것 이외에는, 실시예 2와 마찬가지로 하여 고체 고분자형 연료 전지를 제작했다.
[비교예 5]
탄소 섬유 부직포의 홈부의 연장 방향과 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선 부분의 형성 방향이 이루는 각이 80° 이상이 되도록 배치한 것 이외에는, 실시예 3과 마찬가지로 하여 고체 고분자형 연료 전지를 제작했다.
[비교예 6]
탄소 섬유 부직포의 홈부의 연장 방향과 병렬형의 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선 부분의 형성 방향이 이루는 각이 50° 이상이 되도록 배치한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 고체 고분자형 연료 전지를 제작했다.
[비교예 7]
탄소 섬유 부직포의 홈부의 연장 방향과 병렬형의 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선 부분의 형성 방향이 이루는 각이 70° 이상이 되도록 배치한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 고체 고분자형 연료 전지를 제작했다.
각 실시예, 비교예에서 제작한 탄소 섬유 부직포의 형태 및 당해 탄소 섬유 부직포를 가스 확산 전극 기재로서 사용한 고체 고분자형 연료 전지의 발전 성능평가의 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
1 : 전해질막
2 : 촉매층
3 : 마이크로 다공성층
4 : 가스 확산 전극
41 : 홈부
42 : 리지부
5 : 병렬형 세퍼레이터
51 : 직선 형상 유로(직선부)

Claims (8)

  1. 탄소 섬유 부직포를 기재로 하는 가스 확산 전극과, 병렬식의 직선 형상 유로가 형성된 세퍼레이터를 갖는 고체 고분자형 연료 전지로서,
    상기 탄소 섬유 부직포는, 직선 형상의 리지부와 직선 형상의 홈부가 교대로 반복되는 파형판 형상의 요철을 갖고, 또한 상기 리지부와 상기 홈부의 광투과성이 동등하고,
    상기 가스 확산 전극과 상기 세퍼레이터는, 상기 탄소 섬유 부직포의 요철 형성면이 상기 세퍼레이터의 유로 형성면과 대향하고, 또한 상기 홈부 및 상기 리지부가 상기 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선부의 형성 방향과 대략 병행이 되도록 배치되어 이루어지는, 고체 고분자형 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세퍼레이터의 유로의 형성 피치가 상기 탄소 섬유 부직포의 홈부의 형성 피치보다 큰, 고체 고분자형 연료 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄소 섬유 부직포의 홈부 면적 비율이 0.1 내지 0.9인, 고체 고분자형 연료 전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 섬유 부직포의 홈부의 형성 피치가 20㎛ 내지 2000㎛인, 고체 고분자형 연료 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 섬유 부직포는 발수제가 부여된 것인, 고체 고분자형 연료 전지.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 섬유 부직포의 요철 형성면의 물방울 접촉각이 100도 이상인, 고체 고분자형 연료 전지.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 형상이 패러렐형, 멀티 패러렐형 또는 대향 빗살형인, 고체 고분자형 연료 전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 섬유 부직포의 홈부 또는 리지부의 연장 방향과 상기 세퍼레이터의 직선 형상 유로의 직선 부분의 형성 방향이 교차하지 않도록 배치되어 이루어지는, 고체 고분자형 연료 전지.
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