JP2010205723A - 燃料電池用ｍｅａ及びこれを含む燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、ＭＥＡで発生する水を排出容易にしながらも、一定の保水性を維持できる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池用膜電極集合体は、適正な量の水分を排出してフラッジング現象を防止でき、電解質膜の保水性を維持できるように、燃料電池用電解質膜と、前記電解質膜の一面に配置されたアノード電極板、及び前記電解質膜の他面に配置されたカソード電極板を含み、前記カソード電極板には周辺より疎水性が大きい疎水部が形成され、前記カソード電極板の推定中央と隣接した内側領域での疎水部の密度は、前記カソード電極板の内側領域より外側に位置される外側領域での疎水部の密度より大きく形成される。
【選択図】図５
【解決手段】本発明の燃料電池用膜電極集合体は、適正な量の水分を排出してフラッジング現象を防止でき、電解質膜の保水性を維持できるように、燃料電池用電解質膜と、前記電解質膜の一面に配置されたアノード電極板、及び前記電解質膜の他面に配置されたカソード電極板を含み、前記カソード電極板には周辺より疎水性が大きい疎水部が形成され、前記カソード電極板の推定中央と隣接した内側領域での疎水部の密度は、前記カソード電極板の内側領域より外側に位置される外側領域での疎水部の密度より大きく形成される。
【選択図】図５
Description
本発明は燃料電池スタック（ｓｔａｃｋ）及び膜電極集合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）に関する。
一般に燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、軽分子量の炭化水素またはアルコールから取り出した水素と別途供給される酸素との化学反応エネルギーから直接電気エネルギーを取り出す発電システムである。
このような燃料電池において、発電単位となるセルは膜電極集合体ＭＥＡとセパレータ（当業界では「二極式プレート」ともいう。）の積層構成であり、この単位セルが数個乃至数十個積層されて出力電圧を高めたスタックに構成される。
このような燃料電池は、大別して高分子電解質膜燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）と、直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）に区分される。
その動作を見ると、先ず高分子電解質膜燃料電池はスタックと呼ばれる燃料電池本体として構成され、燃料改質装置で分離される水素と、空気ポンプなどの稼働によって供給される酸素の電気化学的反応を通して、電気エネルギーを発生する。
直接酸化型燃料電池は高分子電解質膜燃料電池とは異なって、分離水素を使わずに燃料全体を直接に供給して、この燃料中に含まれている水素と、別途に供給される酸素の電気化学的反応を通して電気エネルギーを発生させる構造に構成される。
膜電極集合体ＭＥＡは高分子電解質膜と高分子電解質膜の両面に設けられた一対の電極触媒層と、電極触媒層の外側に設けられた一対のガス拡散層を含む。
燃料電池の作用時にＭＥＡのカソード電極板による酸素の還元反応を通して水が生成されるが、水を円滑に排出しなければ酸化剤ガスの拡散が阻害されるフラッジング現象が生じる問題がある。また、電解質膜とカソード触媒層は一定の保水性を維持して発電効率を向上できる。
このように、フラッジング現象を防止し、電解質膜とカソード触媒層の保水性を維持して効率的な発電ができるが、フラッジング現象と発電効率は矛盾関係にあるため、このような条件を全て満足させるのはかなり難しい。
本発明は前述した問題を解決するために案出され、その目的はＭＥＡで発生する水の排出が容易で、一定の保水性を維持することができる燃料電池スタックを提供することである。
前記の目的を達成するために本発明の例示的な実施形態による燃料電池用膜電極集合体は、燃料電池用電解質膜と、前記電解質膜の一方の面側に配置されたアノード電極板と、前記電解質膜の他方の面側に配置されたカソード電極板を含み、前記カソード電極板には周辺より疎水性が大きい疎水部が形成され、前記カソード電極板の推定中央と隣接した内側領域における前記疎水部の密度は前記内側領域より外側に位置する外側領域における前記疎水部の密度より大きく形成される。
前記疎水部は前記カソード電極板の推定中央から外側に行くほど密度が漸進的に減少するように形成でき、前記カソード電極板は前記疎水部の隣りに位置され、前記疎水部より親水性が大きい親水処理された親水部をさらに含むことができる。
また、前記カソード電極板の内側領域における疎水部の間の間隔は、前記カソード電極板の外側領域での疎水部の間の間隔より小さく形成でき、前記疎水部の間の間隔は推定中央から外側に行くほど漸進的に大きくなるように形成できる。
前記内側領域における前記疎水部の幅が、前記外側領域における前記疎水部の幅より大きく形成でき、前記疎水部は前記カソード電極板の中央から外側につながっている螺旋形で形成できる。また、前記疎水部は複数が前記カソード電極板の推定中央から外側につながっている放射形に形成することもでき、前記疎水部は複数形成され、単位面積当りに占める前記疎水部の合計面積は前記外側領域より前記内側領域の方が多いように形成できる。
前記カソード電極板は前記電解質膜と接するカソード触媒層と前記カソード触媒層の外側に設けられたカソードガス拡散層をさらに含み、前記ガス拡散層には疎水膜が塗布された部分と親水膜が塗布された部分が形成できる。
前記カソード電極板は前記電解質膜と接するカソード触媒層と前記カソード触媒層の外側に設けられたカソードガス拡散層をさらに含み、前記カソードガス拡散層はブラック層（ｂｌａｃｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ）と微細多孔層（ｍｉｃｒｏ ｐｏｒｏｕｓ ｌａｙｅｒ：ＭＰＬ）をさらに含み、前記微細多孔層は疎水処理された疎水多孔層と親水処理された親水多孔層を含むことができる。
本発明の第１実施形態による燃料電池スタックは、膜電極集合体（ＭＥＡ）を中心に置いてその両側にセパレータを密着配置して構成される複数の電気生成ユニットと、前記電気生成ユニット等を加圧支持する加圧プレートを含み、前記膜電極集合体は、電解質膜と、前記電解質膜の一面に配置されたアノード電極板、及び前記電解質膜の他面に配置されたカソード電極板を含み、前記カソード電極板には周辺より疎水性が大きい疎水部が形成され、前記カソード電極板の推定中央と隣接した内側領域における前記疎水部の密度は前記内側領域より外側に位置する外側領域における前記疎水部の密度より大きく形成できる。
前記疎水部は前記カソード電極板の推定中央から外側に行くほど密度が漸進的に減少されてもよく、前記カソード電極板は前記疎水部と隣接するように位置されて前記疎水部より親水性が大きい親水部を含むことができる。
前記カソード電極板は前記電解質膜と接するカソード触媒層と前記カソード触媒層の外側に設けられたカソードガス拡散層をさらに含み、前記ガス拡散層には疎水膜が成膜された部分と親水膜が成膜された部分が形成できる。
前記カソード電極板は前記電解質膜と接するカソード触媒層と前記カソード触媒層の外側に設けられたカソードガス拡散層をさらに含み、前記カソードガス拡散層はブラック層と微細多孔層（ＭＰＬ）をさらに含み、前記微細多孔層は疎水処理された疎水多孔層と親水処理された親水多孔層を含むことができる。
本発明の第２実施形態による燃料電池スタックは、膜電極集合体（ＭＥＡ）を中心に置いてその両側にセパレータを密着配置し構成される複数の電気生成ユニットと、前記電気生成ユニット等を加圧支持する加圧プレートを含み、前記膜電極集合体は、電解質膜と、前記電解質膜の一面に配置されたアノード電極板、及び前記電解質膜の他面に配置されたカソード電極板を含み、前記カソード電極板には周辺より疎水性が大きい疎水部が形成され、前記カソード電極板の推定中央と隣接した内側領域の疎水部は前記内側領域よりさらに外側に位置される外側領域の疎水部より大きい疎水性を有するように形成される。
前記疎水部は前記カソード電極板の推定中央から外側に行くほど疎水性が漸進的に減少するように形成でき、前記内側領域における前記疎水部は前記外側領域における前記疎水部より単位面積当より多くの疎水性物質を含むことができる。
前記カソード電極板は前記疎水部に隣接位置し、前記疎水部より親水性が大きい親水処理された親水部を含み、前記カソード電極板は前記疎水部に隣接位置し、前記疎水部より親水性が大きい親水処理された親水部を含むことができる。
前記カソード電極板は前記電解質膜と接するカソード触媒層と前記カソード触媒層の外側に設けられたカソードガス拡散層をさらに含み、前記ガス拡散層には疎水膜が成膜された部分と親水膜が成膜された部分が形成できる。
前記カソード電極板は前記電解質膜と接するカソード触媒層と前記カソード触媒層の外側に設けられたカソードガス拡散層をさらに含み、前記カソードガス拡散層はブラック層と微細多孔層（ＭＰＬ）をさらに含み、前記微細多孔層は疎水処理された疎水多孔層と親水処理された親水多孔層を含むことができる。
本発明により、内側領域における疎水部の密度を外側領域における疎水部の密度より大きく形成して、膜電極集合体の内側で相対的に多く発生する水分を容易に排出してフラッジング現象を防止でき、外側領域には相対的に疎水部の密度が低くて適当な量の水分を含んで電解質膜の保水性を維持できる。
また、疎水部に隣接するように親水部を形成することによって、電解質膜が保水性を維持するようにして発電効率を向上できる。
また、カソードガス拡散層に疎水膜を塗布したり、カソードガス拡散層を構成するカソードブラック層またはカソード微細多孔層が疎水性を有するように処理して水分を容易に排出でき、プリンティングなどの方法で疎水部を容易にパターニングすることができる。
また、疎水部がカソード電極板の推定中央から外側に行くほど密度が漸進的に減少するように形成することによって適正な量の水分を排出させて、膜電極集合体内の水分を容易に調節することができる。
また、内側領域における疎水性を外側領域における疎水性より大きく形成し、内側領域における親水性を外側領域における親水性より小さく形成して、膜電極集合体の内側で相対的に多く発生する水分を容易に排出してフラッジング現象を防止でき、外側領域には相対的に疎水部の密度が低くて適当な量の水分を含んで電解質膜の保水性を維持できる。
本発明において疎水処理というのは、疎水性を有する物質を表面に成膜したり、疎水性を有する物質を添加して形成することを意味し、親水処理というのは親水性を有する物質を表面に成膜したり、親水性を有する物質を添加して形成することを意味する。
以下、添付図を参照して、本発明の実施形態について本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は多様な形態に具現されながら、ここで説明する実施形態に限られない。
図１は本発明の第１実施形態による燃料電池スタックの構成を示した分解斜視図であり、図２は本発明の第１実施形態による電気生成ユニットを示した分解斜視図である。
図１及び図２を参照して説明すると、本第１実施形態による燃料電池スタック１００は燃料と酸素を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させるセル（ｃｅｌｌ）単位の電気生成ユニット１０を含んで構成される。
本実施形態ではこのような電気生成ユニット１０を複数に具備し、これら電気生成ユニット１０を連続配置することによって電気生成ユニット１０の集合体構造による燃料電池スタック１００を形成できる。
このような燃料電池スタック１００に用いられる燃料は、メタノール、エタノール、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ガソリン、ブタンガスなどのように水素を含む液体または気体燃料を含むことができる。この場合、本発明による燃料電池スタック１００は、電気生成ユニット１０による液体または気体燃料と酸素の直接的な反応を通して電気エネルギーを発生させる直接酸化型燃料電池方式で構成できる。
また燃料の種類や電池方式の互換性を考えると、代案として、本発明による燃料電池スタック１００は通常の改質装置を通して液体または気体燃料からクラッキング（ｃｒａｃｋｉｎｇ）された水素を燃料として用いることができる。この場合、前記燃料電池スタック１００は電気生成ユニット１０による水素と酸素の反応によって電気エネルギーを発生させる高分子電解質膜燃料電池方式で構成できる。
そして、本発明による燃料電池スタック１００は、燃料と反応する酸素として別途の保存手段に保存された純粋な酸素を用いることができ、酸素を含有している空気をそのまま用いることもできる。
このような燃料電池スタック１００において、電気生成ユニット１０は膜電極集合体（ＭＥＡ）２０を中心に置いてその両面にセパレータ（Ｓｅｐａｒａｔｏｒ）１３、１５を密着配置して単一スタック（即ちセル）を形成し、電気生成ユニット１０が複数に備えられて本実施形態のような積層構造の燃料電池スタック１００を形成する。
そして燃料電池スタック１００の最外側には前記複数の電気生成ユニット１０を密着させる加圧プレート３０が位置されてもよい。しかし、本発明がこれに制限されるのではなく、燃料電池スタック１００は前記加圧プレート３０を排除して、複数の電気生成ユニット１０の最外側に位置するセパレータ１３、１５が前記加圧プレートの役割を代行するように構成できる。また、加圧プレート３０が複数の電気生成ユニット１０を密着させる機能以外に、セパレータ１３、１５の固有の機能を有するように構成することもありうる。
セパレータ１３、１５はＭＥＡ２０を間において密着配置され、ＭＥＡ２０の両側に各々水素通路１３ａと空気通路１５ａを形成する。水素通路１３ａは後述するＭＥＡ２０のアノード電極板２６側に位置して、空気通路１５ａはＭＥＡ２０のカソード電極板２７側に位置される。
ここで、前記水素通路１３ａ及び空気通路１５ａは各々セパレータ１３、１５で任意の間隔をおいて直線状に配置され、その両端を交互的に連結してほぼジグザグ状に形成される。もちろん、前記水素通路１３ａ及び空気通路１５ａの配置構造はこれに限定されるのではない。
このような両側セパレータ１３、１５の間に介されるＭＥＡ２０は、所定の面積を有して酸化／還元反応が行われる活性領域２０１を備え、そして前記ＭＥＡ２０は活性領域２０１のエッジ部分と連結される不活性領域２０２を備える。ここで前記不活性領域２０２には活性領域２０１に相応するセパレータ１３、１５の密着面エッジ部分をシーリングするガスケット（図示せず）が設置できる。
図３は本発明の第１実施形態によるＭＥＡを示した側面図であり、図４は図３をＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿って切断して示したＭＥＡの横断面図面である。
図３及び図４を参照して説明すると、ＭＥＡ２０は前記活性領域２０１の両面にアノード電極板２６とカソード電極板２７を具備し、二つの電極板２６、２７の間に電解質膜２１を備えた構造で構成される。
電解質膜２１は厚さが５〜２００μｍの固体ポリマー電解質で形成されて、アノード触媒層２４で生成された水素イオンをカソード触媒層２３に移動させるイオン交換を可能にする。このようなイオン交換を効率的にするためには電解質膜２１が一定の保水性を確保しなければならない。
ＭＥＡ２０の一方の面に形成されるアノード電極板２６は、セパレータ１３とＭＥＡ２０の間に形成される水素通路１３ａを通して水素ガスが提供される部分であり、アノードガス拡散層（ＧＤＬ）２８とアノード触媒層２４を含む。
アノードガス拡散層２８はカーボン紙（ｃａｒｂｏｎ ｐａｐｅｒ）またはカーボンクロス（ｃａｒｂｏｎ ｃｌｏｔｈ）で構成され、アノードガス拡散層２８には複数の孔２８ａが形成される。また、アノードガス拡散層２８は水素通路１３ａを通して伝達される水素ガスを孔２８ａを通してアノード触媒層２４に供給する。アノード触媒層２４では水素ガスを酸化反応させて、変換された電子を隣接のセパレータ１５を通してカソード電極板２７に移動させ、発生された水素イオンを電解質膜２１を通してカソード電極板２７に移動させる。この時、電気生成ユニット１０では前記電子の流れによって電気エネルギーを発生させる。
また、このアノード電極板２６で発生された水素イオンが電解質膜２１を通して移動されるカソード電極板２７は、セパレータ１５とＭＥＡ２０の間に形成される空気通路１５ａを通して酸素が含まれている空気の供給を受ける部分であり、カソードガス拡散層２５とカソード触媒層２３を含む。
カソードガス拡散層２５はカーボン紙またはカーボンクロスで構成され、カソードガス拡散層２５には複数の孔２５ａが形成される。このカソードガス拡散層２５は空気通路１５ａを通して伝達された空気を孔２５ａを通してカソード触媒層２３に供給する。
このカソード触媒層２３では空気中の酸素と前記アノード電極板２６から移動した水素イオン及び電子を還元反応させて、所定温度の熱と水を生成する。
図５は本発明の第１実施形態によるＭＥＡを示した正面図である。
図４及び図５を参照して説明すると、カソード電極板２７には水分を容易に排出し、電解質膜２１が適当な保水性を維持できるように疎水処理された疎水部２０ａと親水処理された親水部２０ｂが形成される。
このために、カソードガス拡散層２５には親水膜２５３と疎水膜２５１が塗布され、親水膜２５３が塗布された親水部２０ｂの間に疎水膜２５１が塗布された疎水部２０ａが配置される。この時、親水膜２５３と疎水膜２５１を形成する物質は一般に親水性または疎水性を有する多様な物質が適用される。
疎水部２０ａは一定のパターンで形成されるが、図５に示したようにＭＥＡ２０の中心から外側につながっている領域が等間隔に配置された放射形で構成できる。
この時、疎水部２０ａはカソード電極板２７の中心と隣接された内側領域２１０での疎水部２０ａの密度は、内側領域２１０より外側に位置する外側領域２３０での密度より大きく形成される。ここで疎水部２０ａの密度というのは全体領域で疎水部２０ａが占める面積の比率を意味する。内側領域２１０と外側領域２３０の設定は燃料電池スタック１００の大きさと運転条件によって多様に設定できる。
このために本実施形態による疎水部２０ａは外側に行くほど幅が漸進的に増加する可変幅部２１１と、可変幅部２１１の外側に位置しながら幅が一定に維持される等幅部２１２を含むが、可変幅部２１１は内側領域２１０に位置し、等幅部２１２は外側領域２３０に位置する。
可変幅部２１１が位置する領域では疎水部２０ａの密度がほとんど一定だが、等幅部２１２が位置する領域では疎水部２０ａの密度が段々減少する。これはカソード電極板２７の中心から遠くなるほど全体領域が距離の２乗に比例して増加するが、等幅部２１２での疎水部２０ａは一定の面積を維持するためである。
図６Ａは１ｃｍ２当１００ｍＡの電流を生産する場合に水分が生成される分布を示した写真であり、図６Ｂは１ｃｍ２当３００ｍＡの電流を生産する場合に水分が生成される分布を示した写真である。
図６Ａ及び図６Ｂで空気は上部から供給されて、燃料は下部から供給される。但し、燃料が上部から供給され空気が下部から供給される場合にもほとんど同じ結果を示す。
図６Ａ及び図６Ｂに示したように水分はＭＥＡの中央部分に相対的に多く発生する。これは上部から供給される空気と下部から供給される燃料が中央部分で接触して反応を起こすためである。従って、中央部分で発生する水分をよく排出しないとフラッジング現象が生じて発電効率が低下する。
しかし、本実施形態のように内側領域２１０での疎水部２０ａの密度が外側領域２３０での疎水部２０ａの密度より大きく形成されると、内側領域で相対的にさらに多く発生する水分を効率的に排出して、空気がカソード触媒層で容易に移動することができる。疎水部２０ａから離脱された水分はセパレータ１５の空気通路１５ａを通して外部に排出される。また、内側領域２１０だけでなく、外側領域２３０にも疎水部２０ａを形成するが相対的に低い密度に形成されて電解質膜２１が適正な保水性を維持できて発電効率が向上される。
本第１実施形態では疎水部２０ａと親水部２０ｂが全て形成されたことを図示しているが、本発明がこれに制限されることはなく、疎水部２０ａだけ形成してもよい。本実施形態によると、疎水部２０ａの密度は内側領域２１０で外側領域２３０より大きく形成されるため、疎水部２０ａだけ形成しても外側領域２３０で疎水部２０ａの密度が低くて適正な水分を維持でき、内側領域２１０では疎水部２０ａの密度が高いが、水分の発生量が多くて疎水部２０ａの間で適正な水分を維持できる。
図７は本発明の第２実施形態によるＭＥＡを示した正面図である。
図７を参照して説明すると、ＭＥＡ４２は疎水処理された疎水部４２ａと疎水部４２ａの間に形成されて親水処理された親水部４２ｂを含み、疎水部４２ａは中心から曲線に乗って回転しながら周縁まで続く螺旋状のパターンに形成される。
疎水部４２ａはカソード電極板の中心から外側に行くほど疎水部４２ａの間の間隔が大きくなるように形成される。つまり、内側領域の疎水部の間の間隔をｗ１とし、内側領域より外側に形成された外側領域の疎水部の間の間隔をｗ２とすると、ｗ２はｗ１より大きく形成される。
そのために内側領域での疎水部密度は、外側領域での疎水部密度より大きく、内側領域で相対的に多く発生される水分は無理なく排出できる。
図８は本発明の第３実施形態によるＭＥＡを示した正面図である。
図８を参照して説明すると、本実施形態によるＭＥＡ４３は疎水処理された疎水部４３ａと疎水部４３ａに隣接形成されて親水処理された親水部４３ｂを含む。
本実施形態による疎水部４３ａはＭＥＡ４３の中心から直線進行して折れ曲がり回転しながら外側まで連結された様に、疎水部４３ａの幅は外側に行くほど漸進的に減少する。そのために内側領域での疎水部４３ａの密度は外側領域での疎水部４３ａの密度より大きく、内側領域で相対的に多く発生する水分を無理なく排出できる。
図９は本発明の第４実施形態によるＭＥＡを示した正面図である。
図９を参照して説明すると、本実施形態によるＭＥＡ４５は疎水処理された疎水部４５ａと疎水部４５ａに隣接形成されて親水処理された親水部４５ｂを含む。
本実施形態による疎水部４５ａはＭＥＡ４５の中心から外側に弧状につながって形成され、複数の疎水部４５ａが等間隔で配置される。疎水部４５ａは同じ幅でＭＥＡの中心から外側まで連結形成されるが、内側領域での疎水部４５ａの密度は内側領域より外側に配置される外側領域での疎水部４５ａの密度より大きくなる。内側から外側に行くほどＭＥＡの面積は距離の２乗に比例して増加するが、疎水部４５ａの面積は増加しないため疎水部４５ａ密度は内部から外側に行くほど漸進的に減少される。従って、内側領域で相対的に多く発生する水分を難なく排出できるだけでなく、適当な水分を維持できて発電効率向上が期待される。
図１０は本発明の第５実施形態によるＭＥＡを示した正面図である。
図１０を参照して説明すると、本実施形態によるＭＥＡ４６は疎水処理された疎水部４６ａと疎水部４６ａに隣接配置され、親水処理された親水部４６ｂを含む。
疎水部４６ａは複数の単位領域で形成され、互いに離隔配置される。ＭＥＡ４６の内側領域に単位面積当り外側領域より多数の疎水部４６ａが位置し、外側領域には相対的に単位面積当りに比して更に少数の疎水部４６ａが配置される。
本実施形態では疎水部４６ａが円形に形成されたことを図示しているが、本発明がこれに制限されるわけではなく、疎水部４６ａは楕円、多角形など多様な形状に形成できる。
このように本実施形態によると内側領域での疎水部４６ａ密度は、外側領域での疎水部４６ａ密度より大きくなって、内側領域で相対的に多く発生される水分を難なく排出できるだけでなく、適切な水分を維持し発電効率の向上も期待できる。
図１１は本発明の第６実施形態によるＭＥＡを示した側面図であり、図１２は図１１でＸＩ-ＸＩ線に沿って切断して示した断面図である。
図１１及び図１２を参照して説明すると、本実施形態によるＭＥＡ５０はアノード電極板６３とカソード電極板６２を具備し、二つの電極板６２、６３の間に電解質膜５１を備えて構成される。
本実施形態によるＭＥＡ５０は、ガス拡散層内に微細多孔層５４、５５とブラック層（ｂｌａｃｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ）５６、５７が形成されたのを除いては前記第１実施形態によるＭＥＡと同じ形状になるので同じ構造に関する重複説明は省略する。
ＭＥＡ５０の一面を形成するアノード電極板６３は電解質膜５１の一面と接するアノード触媒層５２とアノード触媒層５２の外側に形成されたアノードブラック層５６とアノード微細多孔層（ＭＰＬ）５４を含む。
アノード微細多孔層５４はアノード触媒層５２とアノードブラック層５６の間に位置し、アノード微細多孔層５４とアノードブラック層５６がアノードガス拡散層を構成する。
カソード電極板６２は電解質膜５１の一面と接するカソード触媒層５３とカソード触媒層５３の外側に形成されたカソードブラック層５７とカソード微細多孔層（ＭＰＬ）５５を含む。
カソード微細多孔層５５はカソード触媒層５３とカソードブラック層５７の間に位置し、カソード微細多孔層５５とカソードブラック層５７がカソードガス拡散層を構成する。
アノードブラック層５６及びカソードブラック層５７はカーボン紙またはカーボンクロスで構成され、内部に気孔等が形成される。
アノード微細多孔層５４及びカソード微細多孔層５５は黒鉛、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、フラーレン（ｆｕｌｌｅｒｅｎｅ；Ｃ６０）、活性炭素または炭素ナノホーン（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｈｏｒｎ）等で構成され、前記ブラック層５６、５７に形成された気孔より小さな複数の孔を有する。このような微細多孔層５４、５５は気体をより多く分散して、触媒層５２、５３に伝達する役割を果たす。
カソードブラック層５７は空気通路を通して伝達された空気を孔５７ａを通してカソード微細多孔層５５に伝達し、カソード微細多孔層５５は伝えられた空気を更に分散させてカソード触媒層５３に供給する。カソード触媒層５３で空気中の酸素と前記アノード電極板６３から移動された水素イオン及び電子を還元反応させて、所定温度の熱と水を生成する。
この時、生成水を無理なく排出させるためにカソード微細多孔層５５は親水多孔層５５ａ及び疎水多孔層５５ｂを含む。疎水多孔層５５ｂの疎水域間に親水多孔層５５ａが位置し、疎水多孔層５５ｂの疎水域配置は一定のパターンで形成する。疎水多孔層５５ｂはカソード微細多孔層５５を形成するためのスラリーに疎水性物質を添加した後、スラリーをインクジェットまたは各種プリント法でパターニングして形成できる。また、親水多孔層５５ａもカソード微細多孔層５５を形成するためのスラリーに親水性物質を添加した後、スラリーをインクジェットまたは各種プリント法を利用して形成できる。
このように形成された親水多孔層５５ａと疎水多孔層５５ｂの疎水域配置は表面だけ親水性または疎水性を有するのではなく、多孔層全体５４または５５が貫通されるような深みのある親水性または疎水性を有する。本実施形態においては親水多孔層５５ａが親水部を形成しながら疎水多孔層５５ｂが疎水部を形成するが、カソード微細多孔層５５から水分を排出したり、含有していて、水分をさらに容易に調節することができる。疎水多孔層５５ｂに流入された水分は内部に残留できずにセパレータに形成された空気通路を通して外部に排出されるが、そのために疎水多孔層５５ｂを通して空気が自由に移動できる。親水多孔層５５ａに流入された水分は複数の多孔に残留して電解質膜に水分を供給して電解質膜の保水性を向上させる。
本実施形態ではカソード微細多孔層５５に親水部と疎水部が形成されたことを例示しているが、本発明がこれに制限されるのではなく、カソード微細多孔層５５だけでなく、カソードブラック層５７も共に親水または疎水処理できる。この場合、カソードブラック層５７の親水部は親水多孔層５５ａに対応する位置に形成され、カソードブラック層５７の疎水部は疎水多孔層５５ｂに対応する位置に形成される。
また、本実施形態にはカソード電極板６２の中心と隣接した内側領域で疎水多孔層５５ｂの密度は、内側領域より外側に位置される外側領域の密度より大きく形成される。これによって内側領域で多く発生される水を容易に排出することができる。そのための疎水多孔層５５ｂのパターンは前記で説明した多様なパターンで形成できる。
図１３は本発明の第７実施形態によるＭＥＡを示した正面図である。
図１３を参照して説明すると、本実施形態によるＭＥＡ７０は疎水処理された疎水部７１と疎水部７１に隣接形成されて親水処理された親水部７２を含む。このためにカソードガス拡散層に親水性物質と疎水性物質が含まれ、ガス拡散層を形成するブラック層または微細多孔層に疎水性物質または親水性物質が含まれて、これら全てに疎水性物質または親水性物質が含まれてもよい。
疎水性物質及び親水性物質は多様な種類の物質で構成でき、特にその種類を制限しない。
本実施形態による疎水部７１は、ＭＥＡ７０のある周縁から他の周縁につながってほぼ長方形で形成され、疎水部７１の間に長方形の親水部７２が形成される。疎水部７１と親水部７２は互いに等間隔で配置される。
ここでＭＥＡ７０の中心に隣接された内側領域７５での疎水部７１の疎水性は、内側領域７５より外側に位置される外側領域７６での疎水部７１の疎水性より大きく形成される。
これのために内側領域７５の疎水部７１は外側領域７６の疎水部７１より単位面積当より多くの疎水性物質を含み、疎水部７１に含まれている疎水性物質は内側から外側に行くほど漸進的に減少される。そのために疎水部７１の疎水性も内側から外側に行くほど漸進的に減少される。
このように本実施形態により、単位面積当疎水部が占める比率の疎水部の密度は同一であるが、内側領域７５での疎水部７１の疎水性が外側領域７６での疎水部７１の疎水性より大きく形成される。
される親水部７２の親水性より小さく形成される。このために内側領域７５の親水部７２は外側領域７６の親水部７２より単位面積当りもっと少ない親水性物質を含み、親水部７２に含まれている親水性物質は内側から外側に行くほど漸進的に増加される。そのために親水部７２の親水性も内側から外側に行くほど漸進的に減少される。
従って、内側領域７５で相対的に多く発生される水分を容易に排出できるだけでなく、外側領域７６では適当な水分を維持できて発電効率が向上する。
以上、本発明の望ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるのではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付図の範囲内で多様に変形して実施でき、これも本発明の範囲に属するのは当然である。
１００ 燃料電池スタック、
１０ 電気生成ユニット、
１３、１５ セパレータ、
２０ 膜電極集合体（ＭＥＡ）、
３０ 加圧プレート、
２０１ 活性領域、
２０２ 不活性領域、
２０ａ 疎水部、
２０ｂ 親水部、
２１０ 内側領域、
２３０ 外側領域、
２１ 電解質膜、
２６ アノード電極板、
２７ カソード電極板、
２３ カソード触媒層、
２４ アノード触媒層、
２５ カソードガス拡散層、
２８ アノードガス拡散層、
２５１ 親水膜、
２５３ 疎水膜、
５４ アノード微細多孔層、
５５ カソード微細多孔層、
５５ａ 親水多孔層、
５５ｂ 疎水多孔層。
１０ 電気生成ユニット、
１３、１５ セパレータ、
２０ 膜電極集合体（ＭＥＡ）、
３０ 加圧プレート、
２０１ 活性領域、
２０２ 不活性領域、
２０ａ 疎水部、
２０ｂ 親水部、
２１０ 内側領域、
２３０ 外側領域、
２１ 電解質膜、
２６ アノード電極板、
２７ カソード電極板、
２３ カソード触媒層、
２４ アノード触媒層、
２５ カソードガス拡散層、
２８ アノードガス拡散層、
２５１ 親水膜、
２５３ 疎水膜、
５４ アノード微細多孔層、
５５ カソード微細多孔層、
５５ａ 親水多孔層、
５５ｂ 疎水多孔層。
Claims (24)
- 燃料電池用電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面側に積層して配置されたアノード電極板、
前記電解質膜の他方の面側に積層して配置されたカソード電極板
を備え、
前記カソード電極板には周辺より疎水性が大きい疎水部が形成され、
前記カソード電極板の推定中央と隣接した内側領域における前記疎水部の密度は、前記内側領域より外側に配置される外側領域における前記疎水部の密度より大きいことを特徴とする膜電極集合体。 - 前記疎水部は前記カソード電極板の推定中央から電極板面に沿って外側に行くほど密度が漸進的に減少することを特徴とする請求項１に記載の膜電極集合体。
- 前記カソード電極板は、前記疎水部と隣接配置され、前記疎水部より親水性が大きい親水処理された親水部を含むことを特徴とする請求項１に記載の膜電極集合体。
- 前記内側領域における前記疎水部の間の間隔は、前記外側領域における前記疎水部の間の間隔より小さいことを特徴とする請求項１に記載の膜電極集合体。
- 前記疎水部の間の間隔は推定中央から外側に行くほど漸進的に大きくなることを特徴とする請求項１に記載の膜電極集合体
- 前記内側領域における前記疎水部の幅は、前記外側領域における前記疎水部の幅より大きいことを特徴とする請求項１に記載の膜電極集合体。
- 前記疎水部は前記カソード電極板の推定中央から周縁まで連結された螺旋形で形成されることを特徴とする請求項１に記載の膜電極集合体。
- 前記疎水部は複数が前記カソード電極板の推定中央から外側につながった放射形で形成されることを特徴とする請求項１に記載の膜電極集合体。
- 前記疎水部は、複数形成され、単位面積当りに占める前記疎水部の合計面積は前記外側領域より前記内側領域の方が多いことを特徴とする請求項１に記載の膜電極集合体。
- 前記カソード電極板は前記電解質膜と接するカソード触媒層と前記カソード触媒層の外側に設けられたカソードガス拡散層をさらに含み、
前記カソードガス拡散層には疎水膜が塗布された部分と親水膜が塗布された部分が形成されることを特徴とする請求項１に記載の膜電極集合体。 - 前記カソード電極板は前記電解質膜と接するカソード触媒層と前記カソード触媒層の外側に設けられたカソードガス拡散層をさらに含み、
前記カソードガス拡散層はブラック層と微細多孔層をさらに含み、
前記微細多孔層は疎水処理された疎水多孔層と親水処理された親水多孔層を含むことを特徴とする請求項１に記載の膜電極集合体。 - 膜電極集合体を中心に置いてその両側にセパレータを密着配置して構成される複数の電気生成ユニットと、
前記電気生成ユニットを加圧支持する加圧プレートと、
を含み、
前記膜電極集合体は、電解質膜、前記電解質膜の一方の面側に配置されたアノード電極板、及び前記電解質膜の他方の面側に配置されたカソード電極板を含み、
前記カソード電極板には周辺より疎水性が大きい疎水部が形成され、
前記カソード電極板の中央と隣接された内側領域における前記疎水部の密度は、前記内側領域より外側に位置する外側領域における前記疎水部の密度より大きいことを特徴とする燃料電池スタック。 - 前記疎水部は前記カソード電極板の推定中央から外側に行くほど密度が漸進的に減少することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池スタック。
- 前記カソード電極板は、前記疎水部と隣接位置し、前記疎水部より親水性が大きい親水処理された親水部を含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池スタック。
- 前記内側領域における前記疎水部の間の間隔は、前記外側領域における前記疎水部の間の間隔より小さいことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池スタック。
- 前記カソード電極板は前記電解質膜と接するカソード触媒層と前記カソード触媒層の外側に設けられたカソードガス拡散層をさらに含み、
前記カソードガス拡散層には疎水膜が塗布された部分と親水膜が塗布された部分が形成されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池スタック。 - 前記カソード電極板は前記電解質膜と接するカソード触媒層と前記カソード触媒層の外側に設けられたカソードガス拡散層をさらに含み、
前記カソードガス拡散層はブラック層と微細多孔層をさらに含み、
前記微細多孔層は疎水処理された疎水多孔層と親水処理された親水多孔層を含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池スタック。 - 膜電極集合体を中心に置いてその両側にセパレータを密着配置して構成される複数の電気生成ユニットと、
前記電気生成ユニットを加圧支持する加圧プレートと、
を含み、
前記膜電極集合体は、電解質膜、前記電解質膜の一方の面側に配置されたアノード電極板、及び前記電解質膜の他方の面側に配置されたカソード電極板を含み、
前記カソード電極板には周辺より疎水性が大きい疎水部が形成され、
前記カソード電極板の推定中央と隣接した内側領域における疎水部は、前記内側領域より外側に位置する外側領域における疎水部より大きい疎水性を有することを特徴とする燃料電池スタック。 - 前記疎水部は前記カソード電極板の推定中央から外側に行くほど疎水性が漸進的に減少されることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。
- 前記カソード電極板は、前記疎水部と隣接位置し、前記疎水部より親水性が大きい親水処理された親水部を含むことを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。
- 前記内側領域における前記親水部の親水性は、前記外側領域における前記親水部の親水性より小さいことを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池スタック。
- 前記内側領域における前記疎水部は、前記外側領域における前記疎水部より単位面積当りに含まれる疎水性物質の量が多いことを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。
- 前記カソード電極板は前記電解質膜と接するカソード触媒層と前記カソード触媒層の外側に設けられたカソードガス拡散層をさらに含み、
前記ガス拡散層には疎水膜が塗布された部分と親水膜が塗布された部分が形成されることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。 - 前記カソード電極板は前記電解質膜と接するカソード触媒層と前記カソード触媒層の外側に設けられたカソードガス拡散層をさらに含み、
前記カソードガス拡散層はブラック層と微細多孔層をさらに含み、
前記微細多孔層は疎水処理された疎水多孔層と親水処理された親水多孔層を含むことを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池スタック。
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