(57)【要約】【課題】  カソード電極から付随的に発生される水を空気と分離することができ、装備を追加することなく水と空気を分離できるので携帯用電子機器のみならず低容量電源機器にも活用できる燃料電池用電極及びこれを備えた膜−電極アセンブリ及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】  本発明による燃料電池用電極、燃料電池の燃料極と空気極とを形成する燃料電池用電極であって、電極基材と、電極基材に形成される第１チャンネルと、第１チャンネルの一側の内面に形成され液体を誘導する第１親水性界面と、第１親水性界面と対向するように形成され気体を誘導する第１疎水性界面とを備えることを特徴とする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極基材と、
前記電極基材に形成される第１チャンネルと、
前記第１チャンネルの一側の内面に形成され、液体を誘導する第１親水性界面と、
前記第１親水性界面と対向するように形成され、気体を誘導する第１疎水性界面と
を備える燃料電池用電極。
【請求項２】
前記第１チャンネルの厚みが、１００乃至１１０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極。
【請求項３】
前記第１チャンネルの端部から分岐され形成される第２チャンネルと第３チャンネルとをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極。
【請求項４】
前記第２チャンネルの一側の内面に形成され、前記第１疎水性界面と連結される第２疎水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極。
【請求項５】
前記第２疎水性界面と対向するように前記第２チャンネルの他側の内面に形成され、液体を誘導する第２親水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用電極。
【請求項６】
前記第３チャンネルの一側の内面に形成され、前記第１親水性界面と連結される第３親水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用電極。
【請求項７】
前記第３親水性界面と対向するように前記第３チャンネルの他側の内面に形成され、気体を誘導する第３疎水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用電極。
【請求項８】
前記第２チャンネルの端部から分岐され形成される第４チャンネルと第５チャンネルとをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用電極。
【請求項９】
前記第４チャンネルの一側の内面に形成され、前記第２疎水性界面と連結される第４疎水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電極。
【請求項１０】
前記第５チャンネルの一側の内面に形成され、前記第２親水性界面と連結される第５親水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用電極。
【請求項１１】
膜と、
前記膜の一面に結合されて燃料を酸化させる燃料極と、
前記膜の他面に結合されて酸化剤を還元させる空気極とを備え、
前記燃料極と前記空気極の中の少なくとも一つは、
電極基材と、
前記電極基材に形成される第１チャンネルと、
前記第１チャンネルの一側の内面に形成され、液体を誘導する第１親水性界面と、
前記第１親水性界面と対向するように形成され、気体を誘導する第１疎水性界面とを備えることを特徴とする膜−電極アセンブリ。
【請求項１２】
前記第１チャンネルの厚みが、１００乃至１１０μｍであることを特徴とする請求項１１に記載の膜−電極アセンブリ。
【請求項１３】
前記第１チャンネルの端部から分岐され形成される第２チャンネルと第３チャンネルとをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の膜−電極アセンブリ。
【請求項１４】
前記第２チャンネルの一側の内面に形成され、前記第１疎水性界面と連結される第２疎水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の膜−電極アセンブリ。
【請求項１５】
前記第２疎水性界面と対向するように前記第２チャンネルの他側の内面に形成され、液体を誘導する第２親水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の膜−電極アセンブリ。
【請求項１６】
前記第３チャンネルの一側の内面に形成され、前記第１親水性界面と連結される第３親水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の膜−電極アセンブリ。
【請求項１７】
前記第３親水性界面と対向するように前記第３チャンネルの他側の内面に形成され、気体を誘導する第３疎水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の膜−電極アセンブリ。
【請求項１８】
前記第２チャンネルの端部から分岐され形成される第４チャンネルと第５チャンネルとをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の膜−電極アセンブリ。
【請求項１９】
前記第４チャンネルの一側の内面に形成され、前記第２疎水性界面と連結される第４疎水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の膜−電極アセンブリ。
【請求項２０】
前記第５チャンネルの一側の内面に形成され、前記第２親水性界面と連結される第５親水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の膜−電極アセンブリ。
【請求項２１】
膜と、
前記膜の一面に結合され燃料を酸化させる燃料極と前記膜の他面に結合され酸化剤を還元させる空気極とを備える膜−電極アセンブリと、
前記膜−電極アセンブリの両側面に位置し、気体流路が備えられたセパレータと前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と前記空気極に酸化剤を供給する酸化剤供給部とを備え、
前記燃料極と前記空気極の中の少なくとも一つは、
電極基材と、
前記電極基材に形成される第１チャンネルと、
前記第１チャンネルの一側の内面に形成され、液体を誘導する第１親水性界面と、
前記第１親水性界面と対向するように形成され、気体を誘導する第１疎水性界面と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２２】
前記第１チャンネルの厚みが、１００乃至１１０μｍであることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記第１チャンネルの端部から分岐され形成される第２チャンネルと第３チャンネルとをさらに備えることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記第２チャンネルの一側の内面に形成され、前記第１疎水性界面と連結される第２疎水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記第２疎水性界面と対向するように前記第２チャンネルの他側の内面に形成され、液体を誘導する第２親水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項２４に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記第３チャンネルの一側の内面に形成され、前記第１親水性界面と連結される第３親水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
前記第３親水性界面と対向するように前記第３チャンネルの他側の内面に形成され、気体を誘導する第３疎水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載の燃料電池システム。
【請求項２８】
前記第２チャンネルの端部から分岐され形成される第４チャンネルと第５チャンネルとをさらに備えることを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
前記第４チャンネルの一側の内面に形成され、前記第２疎水性界面と連結される第４疎水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
前記第５チャンネルの一側の内面に形成され、前記第２親水性界面と連結される第５親水性界面をさらに備えることを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用電極及びこれを備えた膜−電極アセンブリ及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯用電子機器の小型化及び多機能化などの急速な変化に従い、電源装置の高効率化及び使用時間の増大に対する要求は、新たな研究分野として多くの努力を要する。これにより、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる燃料電池は、既存の携帯用電源装置の問題点である効率と寿命を画期的に増加させうる新しい代替方法としてその重要性が増加している。
【０００３】
燃料電池とは、メタノール、エタノール及び天然気体のような炭化水素系列の物質内に含まれている水素及び酸素の化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。
【０００４】
燃料電池は、用いられる電解質の種類に応じて、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、高分子電解質型またはアルカリ型燃料電池に分けられる。
【０００５】
これらそれぞれの燃料電池は根本的に同一原理で作動するが、用いられる燃料の種類、運転温度、触媒及び電解質などは互いに異なる。
【０００６】
これらの中で、近年開発されている高分子電解質型燃料電池（Polymer electrolyte membrane fuel cell,以下、ＰＥＭＦＣと呼ぶ）は、他の燃料電池に比して出力特性が優れ、作動温度が低く、迅速な始動及び応答特性を有している。このため、自動車のような移動用電源は勿論、住宅及び公共建物のような分散型電源及び電磁機器用のような小型電源など、その応用範囲が広いという長所を持つ。
【０００７】
燃料電池において、アノード電極には水素または燃料が供給され、カソード電極には酸化剤が供給される。この過程で、アノード電極では水素または燃料の酸化反応が起こり、カソード電極では酸化剤の還元反応が起こることになり、この際生成される電子の移動により電気を発生させ、付随的に熱と水分を発生させる。
【０００８】
生成される水は、即刻的に出口を介して除去されなくてはならなく、除去されない場合、酸素の供給圧が漸次上昇するだけではなく、膜−電極アセンブリ内の高分子電解質膜の含水率が増加するという問題点が発生する。
【０００９】
よって、ＰＥＭＦＣまたは直接メタノール型燃料電池（Direct methanol fuel cell：ＤＭＦＣ）は、発生された水を排出するためにブロア（blower）を用いて強制圧力排出方式を採択している。しかし、強制圧力排出方式は、マイクロチャンネル（micro channel）、あるいはマイクロ（micro）構造物下で、流体と壁との接触が相対的に増加するので流体抵抗が増加することになり構造物の大きさに反比例してその効率が落ちる。
【００１０】
また、マイクロ燃料電池に装着できるファン、あるいは、ブロアが流体表面で作り出せる力はマイクロ構造物の中で作用する場合、相対的に毛細管力に比して非常に小くなる。
【００１１】
従って、小型燃料電池の作動要求条件に応じて理想流動に影響を及ぼす毛細管力を極大化、あるいは極小化させうる要素に対する研究が必要であり、燃料電池から発生される水を別途の装置を追加することなく効果的に排出させることが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、毛細管力を用いて燃料電池から排出される水を空気と分離することにより小型化及び効率性を増大化できる燃料電池用電極及びこれを備える膜−電極アセンブリ及び燃料電池システムを提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一実施形態によれば、燃料電池の燃料極と空気極とを形成する燃料電池用電極であって、電極基材と、電極基材に形成される第１チャンネルと、第１チャンネルの一側の内面に形成され、液体を誘導する第１親水性界面と、第１親水性界面と対向するように形成され、気体を誘導する第１疎水性界面とを備える燃料電池用電極が提供される。
【００１４】
第１チャンネルの厚みは、１００乃至１１０μｍであることが好ましく、第１チャンネルの端部から分岐され形成される第２チャンネルと第３チャンネルとをさらに備えることができる。
【００１５】
第２チャンネルの一側の内面に形成され、第１疎水性界面と連結される第２疎水性界面をさらに備えることができ、第２疎水性界面と対向するように第２チャンネルの他側の内面に形成され、液体を誘導する第２親水性界面をさらに備えることができる。
【００１６】
第３チャンネルの一側の内面に形成され、第１親水性界面と連結される第３親水性界面をさらに備えることができ、第３親水性界面と対向するように第３チャンネルの他側の内面に形成され、気体を誘導する第３疎水性界面をさらに備えることができる。
【００１７】
また、第２チャンネルの端部から分岐され形成される第４チャンネルと第５チャンネルとをさらに備えることができ、第４チャンネルの一側の内面に形成され、第２疎水性界面と連結される第４疎水性界面をさらに備えることができ、第５チャンネルの一側の内面に形成され、第２親水性界面と連結される第５親水性界面をさらに備えることができる。
【００１８】
本発明の他の実施形態によれば、膜と、膜の一面に結合され燃料を酸化させる燃料極と、膜の他面に結合され酸化剤を還元させる空気極とを備え、燃料極と空気極の中の少なくとも一つは、電極基材と、電極基材に形成される第１チャンネルと、第１チャンネルの一側の内面に形成され液体を誘導する第１親水性界面と、第１親水性界面と対向するように形成され気体を誘導する第１疎水性界面とを備えることを特徴とする膜−電極アセンブリが提供される。
【００１９】
第１チャンネルの厚みは、１００乃至１１０μｍであることが好ましく、第１チャンネルの端部から分岐され形成される第２チャンネルと第３チャンネルとをさらに備えることができる。
【００２０】
第２チャンネルの一側の内面に形成され第１疎水性界面と連結される第２疎水性界面をさらに備えることができ、第２疎水性界面と対向するように第２チャンネルの他側の内面に形成され液体を誘導する第２親水性界面をさらに備えることができる。
【００２１】
第３チャンネルの一側の内面に形成され第１親水性界面と連結される第３親水性界面をさらに備えることができ、第３親水性界面と対向するように第３チャンネルの他側の内面に形成され気体を誘導する第３疎水性界面をさらに備えることができる。
【００２２】
また、第２チャンネルの端部から分岐され形成される第４チャンネルと第５チャンネルとをさらに備えることができ、第４チャンネルの一側の内面に形成され第２疎水性界面と連結される第４疎水性界面をさらに備えることができ、第５チャンネルの一側の内面に形成され第２親水性界面と連結される第５親水性界面をさらに備えることができる。
【００２３】
本発明のさらに他の実施形態によれば、膜と、膜の一面に結合され燃料を酸化させる燃料極と、膜の他面に結合され酸化剤を還元させる空気極とを備える膜−電極アセンブリと、膜−電極アセンブリの両側面に位置し気体流路が備えられたセパレータと、燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、空気極に酸化剤を供給する酸化剤供給部とを備え、燃料極と空気極の中の少なくとも一つは、電極基材と、電極基材に形成される第１チャンネルと、第１チャンネルの一側の内面に形成され液体を誘導する第１親水性界面と、第１親水性界面と対向するように形成され気体を誘導する第１疎水性界面とを備えることを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００２４】
第１チャンネルの厚みは、１００乃至１１０μｍであることが好ましく、第１チャンネルの端部から分岐され形成される第２チャンネルと第３チャンネルとをさらに備えることができる。
【００２５】
第２チャンネルの一側の内面に形成され第１疎水性界面と連結される第２疎水性界面をさらにことができ、第２疎水性界面と対向するように第２チャンネルの他側の内面に形成され液体を誘導する第２親水性界面をさらに備えることができる。
【００２６】
第３チャンネルの一側の内面に形成され第１親水性界面と連結される第３親水性界面をさらに備えることができ、第３親水性界面と対向するように第３チャンネルの他側の内面に形成され気体を誘導する第３疎水性界面をさらに備えることができる。
【００２７】
また、第２チャンネルの端部から分岐され形成される第４チャンネルと第５チャンネルとをさらに備えることができ、第４チャンネルの一側の内面に形成され第２疎水性界面と連結される第４疎水性界面をさらに備えることができ、第５チャンネルの一側の内面に形成され第２親水性界面と連結される第５親水性界面をさらに備えることができる。
【００２８】
前述した以外の別の実施形態、特徴、利点が以下の図面、本発明の特許請求の範囲及び発明の詳細な説明により明確になるだろう。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、カソード電極から発生される付随的な水を空気と分離することができ、別途の装置を追加することなく水と空気とを分離できるので携帯用電子機器のみならず低容量電源機器にも活用することができる。
【００３０】
また、毛細管力は自然力であり外部動力を消費しないので、ファンのような外部動力源を必要とする能動素子の使用を最小化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明による燃料電池用電極及びこれを備えた膜−電極アセンブリ及び燃料電池システムの好ましい実施形態を添付図面を参照して詳しく説明するが、添付図面を参照して説明することにおいて、同一であるか対応する構成要素は同一の図面符号を付与し、これに対する重複される説明は略する。
【００３２】
図１は、親水性界面と疎水性界面における液滴の移動を示す概略図であり、図２は、親水性界面と疎水性界面における液滴の接触角を示す断面図である。図１及び図２を参照すると、液滴１、親水性界面２、疎水性界面３が示されている。
【００３３】
本発明は、燃料電池の電極にてマイクロチャンネルの設計範囲を調節して表面の性質を親水性界面と疎水性界面とに分割スパッタリング（sputtering）した後、毛細管力を用いて水と空気とを分離させることにより、小型化及び効率性を増大化できる燃料電池用電極及びこれを備えた膜−電極アセンブリ及び燃料電池システムを提供する。
【００３４】
図１及び図２を参照すると、液滴１が他の物質となす接触角は物質が有する固有特性中の一つである。特に、図２に示されているように、接触する物質に対して表面特性の差がある場合、液滴１の接触角にも差か発生して図１に示されているように、表面張力による圧力差の発生により液滴１が矢印で示すように特定方向へ移動する現象が発生しうる。
【００３５】
前記したような現象は、毛細管現象中の一つであって、液滴１が親水性界面２と疎水性界面３とを有する表面に接触した場合、親水性界面２の表面へ急速に移動する特性があり、このような性質を用いて微細管に水性界面２と疎水性界面３とを有する界面で表面処理した場合、図１及び図２のような現象が発生しうる。
【００３６】
従って、前記のような現象を燃料電池の電極に適用すると、空気極、すなわち、カソード電極から発生する水を容易に空気と分離することができ、装備を追加することなく分離できるので、携帯用電子機器のみならず低容量電源機器にもその活用可能性がある。
【００３７】
図３は、本発明の一実施例による燃料電池用電極において、気液分離を示す流れ図である。図３を参照すると、液滴１、親水性界面１１、２１、３１、疎水性界面１２、２２、３２、第１チャンネル１０、第２チャンネル２０、第３チャンネル３０が示されている。
【００３８】
燃料電池用電極は、一般的に電気化学的反応を行う触媒層と、これを支持する気体拡散層とを含んでなる。気体拡散層は、セパレータと接触形成されていて、セパレータの気体流路を介して触媒層中の触媒に均一に燃料または空気などの反応気体を供給できる気体透過及び拡散機能を果たすことができる。
【００３９】
気体拡散層は、触媒層から反応により生成された水を迅速に気体流路へ排出する水透過機能と、反応に必要であるか反応中に生成された電子を導電する導電機能を果たす電子導電性の機能も行う。
【００４０】
前述した機能を果たすために、気体拡散層としては一般的に多孔性を有する導電性基材を用いる。電極基材としては、カーボンペーパ（carbon paper）、カーボンクロス（carbon cloth）及びカーボンフェルト（carbon felt）などを用いることができる。
【００４１】
本実施例において電極基材とは、触媒層と気体拡散層とを含む。よって、本実施例で提供するチャンネルは、触媒層に形成されることもでき、気体拡散層に形成されることもできる。また、チャンネルは外部の空気と水とを分離するための構造にも適用できる。
【００４２】
本実施例では高分子電解質膜の水分含湿度を一定に保持しながら、カソード電極から形成される水を容易に排出することにより、水により気孔が詰まる現象を防止し、これにより電流密度を向上させうる燃料電池の電極を提供するために電極基材での水の分離が優れた親水性チャンネルを形成する。
【００４３】
図３を参照して、親水性界面１１、２１、３１と疎水性界面１２、２２、３２において、液滴１の接触角の差に応ずる表面張力による圧力差が発生し、これによる液滴１の移動現象を説明すると次のようである。
【００４４】
燃料電池の燃料極と空気極とを形成する燃料電池用電極において、電極を形成する電極基材は、第１チャンネル１０、第２チャンネル２０及び第３チャンネル３０を持つように形成されることができる。
【００４５】
図３の（ａ）に示したように、第１チャンネル１０は、内面に形成され、液体、すなわち本実施例の液滴１を誘導し排出させる親水性界面１１及び親水性界面１１と対向するように形成され気体を誘導し排出させる疎水性界面１２を含む。
【００４６】
第１チャンネル１０は、毛細管であることを特徴とし、第１チャンネル１０の径は１００マイクロメータであることが好ましい。毛細管力は自然力であり外部動力の消費を要しないので、ファンのような外部動力源を要する能動素子の使用を最小化することができる。
【００４７】
液滴１が第１チャンネル１０の中に投入されると、液滴１と親水性界面１１とが接触する接触角と、液滴１が疎水性界面１２と接触する接触角との間に差が発生する。従って、液滴１と親水性界面１１と疎水性界面１２との表面張力による圧力差により図３の（ｂ）に示したように液滴１が親水性界面１１へ移動する。
【００４８】
また、電極は第１チャンネル１０の端部から分岐され形成される第２チャンネル２０と第３チャンネル３０とで形成されることができる。
【００４９】
第２チャンネル２０には、第１チャンネル１０の疎水性界面１２が連続されて形成されることができ、疎水性界面２２と対向して形成され液体を誘導し排出する親水性界面２１を含むことができる。よって、チャンネルの中に親水性界面２１と疎水性界面２２がそれぞれ形成されることができ、第１チャンネル１０、第２チャンネル２０及び第３チャンネル３０にも同様に適用できる。
【００５０】
第３チャンネル３０には、第１チャンネル１０の親水性界面１１が連続されて形成されることができ、親水性界面３１と対向して形成され気体を誘導し排出する疎水性界面３２を含むことができる。
【００５１】
従って、図３の（ｃ）に示したように、第１チャンネル１０の親水性界面１１に沿って移動した液滴１が、第１チャンネル１０から連続された親水性界面３１を形成する第３チャンネル３０へ移動し、結局第３チャンネル３０を介して排出されることができる。
【００５２】
従って、カソード電極を前記のようなチャンネルに形成することにより、カソード電極から発生される水を空気と分離することができる。また、本実施例の好ましい実施形態では、Ｙ字形チャンネルを形成する電極を提供しているが、これに限られず、親水性界面と疎水性界面により気体と液滴とを分離することができ、当業者が容易に製作できるものを使用できることは勿論である。
【００５３】
また、親水性界面と疎水性界面のコーティング工程としては、組成物の粘性に応じてスクリーンプリンティング法、スプレーコーティング法またはドクターブレードを用いたコーティング法、グラビアコーティング法、ディップコーティング法、シルクスクリーン法、ペインティング法、スロットダイコーティング法などを用いることができる。しかし、これらの方法に限定されるものではない。
【００５４】
さらに、親水性界面と疎水性界面とを高分子物質で塗布することができ、金属コーティングで具現することもできる。
【００５５】
図４は、本発明の好ましい他の実施形態による燃料電池用電極において、気液分離を示す断面図である。図４を参照すると、液滴１、親水性界面１１、２１、３１、４１、５１、疎水性界面１２、２２、３２、４２、５２、第１チャンネル１０、第２チャンネル２０、第３チャンネル３０、第４チャンネル４０、第５チャンネル５０が示されている。
【００５６】
図４に示したように、第２チャンネル２０の端部から分岐され形成される第４チャンネル４０と第５チャンネル５０とを形成することができる。第４チャンネル４０には、第２チャンネル２０の疎水性界面２２が連続され形成されることができ、疎水性界面４２と対向して形成される親水性界面４１を形成することができる。
【００５７】
また、第５チャンネル５０は、第２チャンネル２０の親水性界面２１が連続されて形成されることができ、第５チャンネル５０中で親水性界面５１と対向して形成される疎水性界面５２を形成することができる。
【００５８】
多量の液滴１が第１チャンネル１０に投入される場合、表面性質に応じて第１チャンネル１０の親水性界面１１へ移動することができる。第１チャンネル１０の親水性界面１１に沿って移動する液滴１が第３チャンネル３０の親水性界面３１に移動し、また第３チャンネル３０の分岐されたチャンネルの中に形成された親水性界面に沿って移動された後、外部に分離されることができる。
【００５９】
また、第１チャンネル１０から第３チャンネル３０の親水性界面３１に分離されなかった所定の液滴１は、第２チャンネル２０の親水性界面２１に沿って移動され、第２チャンネル２０から分岐される第５チャンネル５０の親水性界面５１に沿って移動して分離されることになる。
【００６０】
従って、チャンネルの分岐を反復して複数のチャンネルを形成することにより、空気中の液滴１をより効果的に分離することができる。
【００６１】
また、図５に示したように、チャンネルの表面処理による親水性界面２と疎水性界面３において、液滴１が親水性界面２及び疎水性界面３に接触することで、接触角の差に応ずる表面張力による圧力差により液滴１が移動することができる。
【００６２】
図６は、燃料電池単位セルを示す分解斜視図である。図６を参照すると、単位セル２００、膜−電極アセンブリ２１０、セパレータ２２０が示されている。
【００６３】
燃料電池スタックは、膜−電極アセンブリ２１０とこの両面に密着されるセパレータ２２０からなった単位セル２００が複数個積層されて電気的に直列接続された形態でありうる。
【００６４】
膜−電極アセンブリ２１０は、高分子電解質膜、すなわち、膜を間に介在し、膜の一面に結合され燃料を酸化させる燃料極と、膜の他面に結合され酸化剤を還元させる空気極とが接着された構造を有し、燃料極であるアノード電極及び空気極であるカソード電極は、高分子電解質膜と接触形成された触媒層と前記触媒層に接触形成された気体拡散層で構成されることができる。
【００６５】
この際、アノード電極では水素または燃料の酸化反応が起こり、カソード電極では酸素の還元反応が起こることｎなり、この際生成される電子の移動により電気を発生させ、熱と水分を付随的に発生させる。
【００６６】
また、内面に形成され液体を誘導し排出させる親水性界面、及び親水性界面と対向するように形成され気体を誘導し排出させる疎水性界面とを含む第１チャンネルを膜−電極アセンブリにおいて電極として具現することができる。
【００６７】
より具体的には、燃料極と空気極の中の少なくとも一つは、電極基材と、電極基材に形成される第１チャンネルと、第１チャンネルの一側の内面に形成され液体を誘導する第１親水性界面と、及び第１親水性界面と対向するように形成され気体を誘導する第１疎水性界面とを含むことができる。
【００６８】
また、第１チャンネルの端部から分岐される第２チャンネルと第３チャンネルとをさらに備えることができる。第２チャンネルには、第１チャンネルの疎水性界面が連続的に形成されることができ、第３チャンネルには、第１チャンネルの親水性界面が連続的に形成されることができる。
【００６９】
また、追加的に第２チャンネルの端部から分岐される第４チャンネルと第５チャンネルとをさらに形成することができる。
【００７０】
よって、カソード電極の電極基材を図４から提供する、毛細管力によるチャンネルで構成することにより、これによる膜−電極アセンブリを具現することができ、親水性界面と疎水性界面との表面特性に応じて液体と気体の分離を具現することができ、ファンなどの外部動力源を要する能動素子の使用を最小化できるので、燃料電池製品の小型化を具現することができる。
【００７１】
また、セパレータ２２０は、燃料電池の反応に必要である燃料をアノード電極に供給し、酸素をカソード電極に供給する気体流路が形成される。
【００７２】
図７は、本発明による電極を備える燃料電池システムを示す概略図である。図７を参照すると、膜−電極アセンブリ３００、セパレータ３０１、電気発生部３１０、燃料供給部３２０、酸化剤供給部３３０が示されている。
【００７３】
燃料電池システムは、膜−電極アセンブリ３００、電気発生部３１０、燃料供給部３２０及び酸化剤供給部３３０を備える。
【００７４】
膜−電極アセンブリ３００は、膜と、膜の一面に結合され燃料を酸化させる燃料極と、膜の他面に結合され酸化剤を還元させる空気極とを備える。
【００７５】
より具体的には、気体拡散層と触媒層とを備える一対の電極と電極との間に高分子電解質膜が位置する。
【００７６】
セパレータ３０１は、膜−電極アセンブリの両側面に位置し、燃料極に燃料を供給し、空気極に酸化剤を供給する気体流路が備えられることができる。電気発生部３１０は燃料電池の電気化学的反応により生成される電気を発生させ、膜−電極アセンブリ３００とセパレータ３０１とを備えることができる。
【００７７】
燃料供給部３２０はアノード電極、すなわち燃料極に燃料を供給し、酸化剤供給部３３０はカソード電極、すなわち空気極に酸化剤を供給する。
【００７８】
この際、燃料極と空気極の中の少なくとも一つは、電極基材と、電極基材に形成される第１チャンネルと、第１チャンネルの一側の内面に形成され液体を誘導する第１親水性界面と、第１親水性界面と対向するように形成され気体を誘導する第１疎水性界面とを備えることができる。
【００７９】
第１チャンネルの厚みは１００乃至１１０μｍであることが好ましく、第１チャンネルの端部は第２チャンネルと第３チャンネルに分岐されることができ、第２チャンネルは第４チャンネルと第５チャンネルに分岐されることができ、複数回分岐されることができることは勿論である。
【００８０】
第２チャンネル、第３チャンネル、第４チャンネル及び第５チャンネルの親水性界面と疎水性界面の構成は、図４の説明と同様であり、燃料電池システムの膜−電極アセンブリにおいての電極は図４により提供されるチャンネルの形態と同様である。
【００８１】
前述した実施例以外の多くの実施例が本発明の特許請求の範囲内に存在する。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】親水性界面と疎水性界面における液滴の移動を示す概略図である。
【図２】親水性界面と疎水性界面における液滴の接触角を示す断面図である。
【図３】本発明の好ましい一実施形態による燃料電池用電極における気液分離を示す流れ図である。
【図４】本発明の好ましい他の実施形態による燃料電池用電極における気液分離を示す断面図である。
【図５】図４による燃料電池用電極の平面図である。
【図６】燃料電池単位セルを示す分解斜視図である。
【図７】本発明による電極を備えた燃料電池システムを示す概略図である。
【符号の説明】
【００８３】
１  液滴
２、１１、２１、３１、４１、５１  親水性界面
３、１２、２２、３２、４２、５２  疎水性界面
１０  第１チャンネル
２０  第２チャンネル
３０  第３チャンネル
４０  第４チャンネル
５０  第５チャンネル
２００  単位セル
２１０、３００  膜−電極アセンブリ
２２０、３０１  セパレータ 
３１０  電気発生部
３２０  燃料供給部
３３０  酸化剤供給部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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