(57)【要約】      （修正有）【課題】中空部を形成して、燃料及び副産物の移動を円滑にし燃料電池の性能を向上させることができるガス拡散層とその製造方法を提供する。【解決手段】作動温度が１００℃以下である燃料電池用セルのガス拡散層３０内部に上下方向に中空された中空部を、特定パターンを有する枠を利用するか、マイクロニードル２１またはマイクロレンズ２２を利用して形成することで、ガス拡散層内部の拡散抵抗を下げ、前記中空部を通じて燃料及び反応物が容易に移動でき、燃料分圧が低い状況でも反応が円滑に起こり、燃料電池の性能を向上させることができる。【選択図】図１０
2009032692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層５０と、前記電解質層５０の両側面に接触形成される触媒層４０、ガス拡散層３０とからなり、水素と接触される燃料極６０及び酸素または空気と接触される空気極７０からなって、前記電解質層５０を通じてカチオンが伝達されるか、作動温度が１００℃以下である燃料電池用セル１００において、
前記燃料電池用セル１００は、前記ガス拡散層３０の内部に、上下方向に中空された中空部３１が形成されることを特徴とする燃料電池用セル。
【請求項２】
前記中空部３１は、複数形成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用セル。
【請求項３】
前記中空部３１は、所定角度傾いて形成されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用セル。
【請求項４】
前記燃料電池用セル１００は、前記中空部３１同士が連通することを特徴とする、請求項２または３に記載の燃料電池用セル。
【請求項５】
燃料電池のガス拡散層を製造する方法において、
前記ガス拡散層の製造方法は、
ａ)ガス拡散層３０の内部に、上下方向に連通する中空部３１が形成されるように、前記中空部３１に対応する形態の枠１０を製造する段階Ｓａと、
ｂ)前記枠１０にガス拡散層３０の材料を入れて乾燥し、ガス拡散層３０を製造する段階Ｓｂと、
ｃ)前記枠１０を除去する段階Ｓｃと、を含んで形成されることを特徴とするガス拡散層の製造方法。
【請求項６】
前記ａ)段階は、
ａ−１)枠１０を形成する板材１１を製造する段階Ｓａ−１と、
ａ−２)前記板材１１の上面に酸化膜１２を形成する段階Ｓａ−２と、
ａ−３)前記酸化膜１２の上面に減光剤１３(PR；Photoresist)を塗布する段階Ｓａ−３と、
ａ−４)前記減光剤１３が塗布された板材１１の上に特定パターンを有するマスクを形成して、紫外線を照射し、減光剤１３にパターンを形成する段階Ｓａ−４と、
ａ−５)エッチングして、前記酸化膜１２にパターンを形成する段階Ｓａ−５と、
ａ−６)前記減光剤１３を除去する段階Ｓａ−６と、
ａ−７)エッチングして板材１１にパターンを形成する段階Ｓａ−７と、
ａ−８)前記酸化膜１２の除去段階Ｓａ−８と、を含めて形成することを特徴とする、請求項５に記載のガス拡散層の製造方法。
【請求項７】
前記ａ−４)段階において、光の照射角度を調節して、前記中空部３１が一定角度傾くように形成されることを特徴とする、請求項６に記載のガス拡散層の製造方法。
【請求項８】
前記ｂ)段階において、
前記ガス拡散層３０の材料は、パウダー、繊維(Fiber)、またはスラリーの形態であることを特徴とする、請求項７に記載のガス拡散層の製造方法。
【請求項９】
燃料電池の燃料極または空気極を形成するガス拡散層の製造方法において、
ｉ)一定厚さを有するガス拡散層３０を製造する段階Ｓｉと、
ｉｉ)第１の乾燥段階Ｓｉｉと、
ｉｉｉ)前記ガス拡散層３０の一側面に複数個の突出部が形成された中空部３１を利用して、複数の中空部３１を形成する段階Ｓｉｉｉと、
ｉｖ)第２の乾燥段階Ｓｉｖと、を含むことを特徴とする、ガス拡散層の製造方法。
【請求項１０】
前記中空部形成部材２０は、マイクロニードル２１(Micro Needle)またはマイクロレンズ２２(Micro Lens)であることを特徴とする、請求項９に記載のガス拡散層の製造方法。
【請求項１１】
請求項５乃至１０のいずれか一つの項に記載の方法により製造されたガス拡散層。
【請求項１２】
請求項１１に記載のガス拡散層３０を含む燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス拡散層に中空部を形成して、燃料及び副産物の移動を円滑にすることができ、燃料電池の性能を向上させることができるガス拡散層、これの製造方法、及び前記方法により製造されたガス拡散層を含む燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池(Fuel Cell)は、酸化により生じる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電池であって、水素、酸素のように、地球上に豊かに存在する物質から電気エネルギーを発生させる、新しい親環境的未来型エネルギー技術である。
【０００３】
燃料電池は、空気極(Cathode)に酸素が供給されて、燃料極(Anode)に水素が供給され、水の電気分解逆反応形態に電気化学反応が進行されて、電気、熱、及び水が発生し、公害を誘発することなく、高効率で電気エネルギーを生産する。
【０００４】
このような燃料電池は、従来の熱機関において限界として作用しているカルノーサイクル(Carnot Cycle)の制限から自由であるため、４０％以上の効率を上げることができ、上述のように、排出される物質が水だけであるため、公害の恐れもなく、従来の熱機関とは異なり、機械的に運動する部分が不要であるため、小型化が可能で且つ騒音がないなど、様々な長所を有している。したがって、燃料電池に係わる各種技術及び研究が活発に進行されている。
【０００５】
燃料電池は、その電解質の種類によって、リン酸燃料電池(PAFC、Phosphoric Acid Fuel Cell)、溶融炭酸塩燃料電池(MCFC、Molten Carbonate Fuel Cell)、固体酸化物燃料電池(SOFC、Solid Oxide Fuel Cell)、高分子電解質燃料電池(PEMFC、Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)、メタノール燃料電池(DMFC、Direct Methanol Fuel Cell)、アルカリ燃料電池(AFC、Alkaline Fuel Cell)など、６種類程度が実用化または計画中にある。各燃料電池の特徴を下記の表に要約した。
【０００６】
【表１】
2009032692.tif 000003
【０００７】
上記の表から分かるように、各燃料電池は、その出力範囲及び主要用途などが様々であって、目的に応じ、適合した燃料電池を選択することができる。この中でも、高分子電解質燃料電池(PEMFC)は、他の燃料電池に比べ、著しく低い温度で作動が可能であり、高い効率及び電流密度が得られるだけではなく、製作が容易であるという長所があって、輸送用動力源、即ち新概念の自動車のような手段に利用できるという点で、その効用が極めて大きいと言える。
【０００８】
前記高分子電解質燃料電池の作動原理を示した概念図であって、空気極に酸素が供給されて、燃料極に水素が供給される。この時の反応は、下記の式に従う。
燃料極(Anode)反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極(Cathode)反応：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ→Ｈ２Ｏ
【０００９】
上記のような特徴を有する高分子電解質燃料電池は、前記燃料極を通じて供給される燃料(水素及び酸素)が触媒層に円滑に移動できなければならず、触媒層と電解質層の反応から生じた電流が円滑に移動できなければならない。
【００１０】
したがって、前記燃料極のガス拡散層(Gas Diffusion Layer, GDL)は、電気伝導性のよいグラファイトからなって電流を伝達し、内部の気孔を通じて燃料及び副産物(水分)を伝達する。
【００１１】
図１は、現在ガス拡散層として広く利用される炭素布(Carbon cloth)の微細構造を(a)に示して、炭素紙(Carbon Paper)の微細構造を(b)に示した。
【００１２】
前記図１に示されたように、ガス拡散層は、内部の気孔を通じて燃料及び反応物が移動されるが、その移動経路が不規則的になっており、燃料の拡散のための移動抵抗が高くて、触媒層へ円滑に移動できない問題点がある。
【００１３】
また、均一な燃料電池の性能を期待し難く、特に、高電流領域では、大きな損失が発生する問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記のような問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、特定パターンを有する枠でガス拡散層を製造するか、マイクロニードルまたはマイクロレンズを利用して、中空部が形成されたガス拡散層を製造することにより、燃料及び反応物が円滑に移動でき、燃料電池の性能を向上させて、均一な性能が期待できるガス拡散層、これの製造方法、及び前記方法により製造されたガス拡散層を含む燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するための本発明の燃料電池用セルは、電解質層と、前記電解質層の両側面に接触形成される触媒層、ガス拡散層とからなり、水素と接触される燃料極及び酸素または空気と接触される空気極からなって、前記電解質層を通じてカチオンが伝達されるか、作動温度が１００℃以下である燃料電池用セルにおいて、前記燃料電池用セルは、前記ガス拡散層３０内部に、上下方向に中空された中空部が形成されることを特徴とする。  
【００１６】
また、前記中空部は、複数形成されることを特徴とし、前記中空部は、所定角度傾いて形成されることを特徴として、前記燃料電池用セルは、前記中空部同士が連通することを特徴とする。
【００１７】
一方、本発明のガス拡散層の製造方法は、燃料電池のガス拡散層を製造する方法において、前記ガス拡散層の製造方法は、ａ)ガス拡散層の内部に、上下方向に連通する中空部が形成されるように、前記中空部に対応する形態の枠を製造する段階と、ｂ)前記枠にガス拡散層の材料を入れて乾燥し、ガス拡散層を製造する段階と、ｃ)前記枠を除去する段階と、を含んで形成されることを特徴とする。
【００１８】
また、前記ａ)段階は、ａ−１)枠を形成する板材を製造する段階と、ａ−２)前記板材の上面に酸化膜を形成する段階と、ａ−３)前記酸化膜の上面に減光剤(PR；Photoresist)を塗布する段階と、ａ−４)前記減光剤が塗布された板材の上に特定パターンを有するマスクを形成して、紫外線を照射し、減光剤にパターンを形成する段階と、ａ−５)エッチングして、前記酸化膜にパターンを形成する段階と、ａ−６)前記減光剤を除去する段階と、ａ−７)エッチングして板材にパターンを形成する段階と、ａ−８)前記酸化膜の除去段階と、を含めて形成することを特徴とし、前記ａ−４)段階において、光の照射角度を調節して、前記中空部が一定角度傾くように形成されることを特徴とする。
【００１９】
また、前記ｂ)段階において、前記ガス拡散層の材料は、パウダー、繊維(Fiber)、またはスラリーの形態であることを特徴とする。
【００２０】
一方、本発明の他のガス拡散層の製造方法は、燃料電池の燃料極または空気極を形成するガス拡散層の製造方法において、ｉ)一定厚さを有するガス拡散層を製造する段階と、ｉｉ)第１の乾燥段階と、ｉｉｉ)前記ガス拡散層の一側面に複数個の突出部が形成された中空部を利用して、複数の中空部を形成する段階と、ｉｖ)第２の乾燥段階と、を含むことを特徴とする。
【００２１】
また、前記中空部形成部材は、マイクロニードル(Micro Needle)またはマイクロレンズ(Micro Lens)であることを特徴とする。
【００２２】
一方、本発明のガス拡散層は、上述の方法により製造されることを特徴とする。
【００２３】
さらに、本発明の燃料電池は、前記ガス拡散層を含んで形成されることを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
［実施例］
以下、上述のような特徴を有する本発明のガス拡散層、これの製造方法、及び前記製造方法により製造されたガス拡散層を含む燃料電池を、図面を参照し詳細に説明する。
【００２５】
本発明のガス拡散層３０は、様々な方法を通じて中空部３１を形成することにより、物質の拡散抵抗を下げ、円滑に移動できるようにして、以下、中空部３１を形成する具体的な方法について説明する。
【００２６】
図２は、本発明によるガス拡散層の製造方法のブロック図であって、本発明のガス拡散層３０の製造方法は、 燃料電池の 燃料極を形成するガス拡散層を製造する方法において、前記ガス拡散層の製造方法は、ａ)枠１０の製造段階Ｓａと、ｂ)ガス拡散層３０の製造段階Sbと、ｃ)枠１０の除去段階Ｓｃと、を含んで形成されることを特徴とする。
【００２７】
前記枠１０の製造段階Ｓａにおいて、前記枠１０は、前記ガス拡散層３０の内部に、上下方向に連通する中空部３１が形成されるように、前記中空部３１に対応する形態を有して、前記枠１０は、様々な方法により形成できる。
【００２８】
図３は、本発明によるガス拡散層３０の製造を示した概略図であって、製作された枠１０にガス拡散層３０を製造し、上下方向に連通する中空部３１が形成されたガス拡散層３０を形成して、前記枠１０を除去することにより、ガス拡散層３０を製造することができる。
【００２９】
前記中空部３１の直径及び数は、ガス拡散層３０の強度を低下させない範囲内で行わなければならない。
【００３０】
図４は、本発明によるガス拡散層３０を示した斜視図であって、本発明のガス拡散層の製造方法は、中空部３１が一定角度傾くように形成することができる。前記図４に示された形態は、中空部３１の左・右一対が対称に形成された例を示して、本発明のガス拡散層３０は、多様に形成できる。
【００３１】
前記ガス拡散層３０の材料は、パウダー、繊維、またはスラリー形態のものが利用可能であり、前記ガス拡散層３０の製造段階Ｓｂにおいて、必要に応じて温度及び圧力が加えられる。
【００３２】
図５は、本発明によるガス拡散層３０の製造方法において、枠１０の製造段階を示したブロック図であり、図６は、前記図５に示したブロック図の各段階を説明した概略図であって、前記枠１０を製造する具体的な方法を提示する。
【００３３】
前記枠１０の製造段階Ｓａは、ａ−１)前記枠１０を形成する板材１１を製造する段階Ｓａ−１と、ａ−２)前記板材１１の上面に酸化膜１２を形成する段階Ｓａ−２と、ａ−３)前記酸化膜１２の上面に減光剤１３を塗布する段階Ｓａ−３と、
ａ−４)特定パターンを有するマスクを形成して、紫外線を照射し、減光剤１３にパターンを形成する段階Sa-4と、ａ−５)前記酸化膜１２にパターンを形成する段階Ｓａ−５と、ａ−６)前記減光剤１３を除去する段階Ｓａ−６と、ａ−７)板材１１にパターンを形成する段階Ｓａ−７と、ａ−８)前記酸化膜１２の除去段階Ｓａ−８と、を含めて形成することを特徴とする。
【００３４】
前記板材１１としては、シリコンウェハーが、前記酸化膜１２としては、ＳｉＯ２が、前記減光剤１３としては、Ｓｕ−８が利用でき、条件に応じて多様に利用できることは自明である。
【００３５】
さらに、前記減光剤１３は、紫外線により溶けられる陽性減光液及び紫外線により硬化される陰性減光液のいずれも使用できる。
【００３６】
前記減光剤１３のパターン形成段階Ｓａ−４において、前記マスクは、特定パターンを有するように形成され、前記紫外線を一部領域のみを通過するようにすることにより、前記減光剤１３、酸化膜１２、及び板材１１に特定パターンが形成されるようにする。
【００３７】
また、前記減光剤１３のパターン形成段階Ｓａ−４において、光の照射方向を調節して、一定角度傾いたパターンを形成することができる。
【００３８】
一方、中空部３１の形成されたガス拡散層３０を製造する他の方法として、図７を参照して説明すると、 燃料電池の燃料極を形成するガス拡散層の製造方法において、ｉ)一定厚さを有するガス拡散層３０を製造する段階Ｓｉと、ｉｉ)第１の乾燥段階Ｓｉｉと、ｉｉｉ)前記ガス拡散層３０の一側面に複数個の突出部が形成された中空部形成部材２０を利用して、複数の中空部３１を形成する段階Ｓｉｉｉと、ｉｖ)第２の乾燥段階Ｓｉｖと、を含むことを特徴とする。
【００３９】
前記ガス拡散層３０の製造段階Ｓｉは、繊維、スラリー、またはパウダーの形態の材料を利用してガス拡散層３０を製造する段階であって、この際、必要に応じて圧力が加えられ得る。
【００４０】
前記ｉｉ）第１の乾燥段階Ｓｉｉは、スラリーが一定強度を有するように乾燥する段階であって、前記中空部形成部材２０により中空部３１が容易に形成できるように、１５０〜２００℃の温度で行うことが好ましい。
【００４１】
前記ｉｉｉ）中空部３１の形成段階Ｓｉｉｉにおいて、前記中空部形成部材２０は、前記図８に示されたようなマイクロニードル２１が利用でき、前記マイクロニードル２１だけではなく、一側に複数個の突出部が形成され、ガス拡散層３０の内部に中空部３１を形成できるものであれば、制限なく利用可能である。
【００４２】
図９は、本発明によるガス拡散層３０の中空部３１の形成前と形成後を示した写真であって、前記図９に示されたように、本発明のガス拡散層の製造方法は、前記ガス拡散層３０に複数の整列された中空部３１を形成して、既存の多孔性材質が有する利点と共に、燃料及び副産物がさらに円滑に移動できるようにする。
【００４３】
図１０は、本発明による中空部形成部材２０の例を示した断面図であって、前記図１０(ａ)のように、半球状の突出部を有するマイクロレンズ２２が利用でき、前記図１０(ｂ)のように、突出部の形状が異なっているマイクロニードル２１が利用できる。
【００４４】
図１１は、本発明による燃料電池用セル１００の概略図であって、本発明の燃料電池用セル１００は、 電解質層５０と、前記電解質層５０の両側面に接触形成される触媒層４０、ガス拡散層３０とからなり、水素と接触される燃料極６０及び酸素または空気と接触される空気極７０からなって、前記電解質層５０を通じてカチオンが伝達されるか、作動温度が１００℃以下である燃料電池用セル１００において、前記燃料電池用セル１００は、前記ガス拡散層３０の内部に、上下方向に中空された中空部３１が形成されることを特徴とする。
【００４５】
燃料電池用セル１００のうち、電解質層５０を通じてカチオンが伝達されるか、作動温度が１００℃以下である種類は、現在、直接メタノール燃料電池または高分子電解質燃料電池が挙げられて、本発明の燃料電池用セル１００は、１００℃以下の条件によって、液状の水が存在し、前記中空部３１を通じて円滑に排出され得る。
【００４６】
前記中空部３１は、様々な形態に形成でき、前記図１１の(ａ)に示したように、上下方向に複数形成できて、所定角度傾いて形成されるか、それぞれの中空部３１が連結されて、相互連通するように形成できる。
【００４７】
上述のように、本発明の燃料電池用セル１００は、前記燃料極６０を通じて燃料が円滑に供給されるようにするだけではなく、前記空気極７０及び燃料極６０に形成される水分の除去をさらに円滑にして、その効率をさらに高めることができるようになる。
【００４８】
(実施例１)
[ガス拡散層の製造]
炭素繊維を２３０℃温度の空気雰囲気で安定化させて、１２５０〜１３００℃の窒素雰囲気で炭素含有率９０％以上に炭素化(Carbonization)させた後、炭素化された炭素繊維を、炭素繊維重量を基準に、バインダー(Polyvinyl alcohol)１０ｗｔ％、分散剤０．０１ｗｔ％、水２２ｗｔ％を混ぜてスラリー化する。
【００４９】
スラリー化された炭素繊維に、フェノール樹脂(Phenolicresin)１１ｗｔ％とソルベント１５ｗｔ％とを添加した後、１５０℃に加熱して、スラリーを１７５℃に昇温した後、５００ｋｐａで加圧し、ガス拡散層３０を製造する。 
【００５０】
製造されたガス拡散層３０を常温で２０時間乾燥した後、マイクロニードル２１を利用して中空部３１を形成し、２０００℃の窒素雰囲気で２０時間乾燥して、ガス拡散層３０を製造した。
【００５１】
本発明を詳細にまたは特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
【００５２】
［発明の効果］
本発明のガス拡散層、これの製造方法、及び前記方法により製造されたガス拡散層を含む燃料電池は、特定パターンを有する枠を利用するか、マイクロニードル、またはマイクロレンズを利用して、ガス拡散層に中空部を形成することにより、ガス拡散層内部の拡散抵抗を下げ、前記中空部を通じて燃料及び反応物が容易に移動でき、燃料分圧が低い状況でも反応が円滑に起こり、均一な燃料電池の性能を期待できるだけではなく、性能を向上させることができるという長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】一般的なガス拡散層を示した写真である。
【図２】本発明によるガス拡散層の製造方法のブロック図である。
【図３】本発明によるガス拡散層の製造を示した概略図である。
【図４】本発明によるガス拡散層を示した斜視図である。
【図５】本発明によるガス拡散層の製造方法において、枠の製造段階を示したブロック図である。
【図６】図５に示したブロック図の各段階を説明した概略図である。
【図７】本発明によるガス拡散層の製造方法の他のブロック図である。
【図８】本発明によるガス拡散層の製造方法のマイクロニードルを示した写真である。
【図９】本発明によるガス拡散層の中空部の形成前・形成後を示した写真である。
【図１０】本発明による中空部形成部材の例を示した断面図である。
【図１１】本発明による燃料電池用セルの概略図である。
【符号の説明】
【００５４】
Ｓａ〜Ｓｃ、Ｓｉ〜Ｓｉｖ、Ｓａ−１〜Ｓａ−８    本発明における気体酸化物の製造方法の各段階
１０    枠
１１    板材
１２    酸化膜
１３    減光剤
２０    中空部形成部材
２１    マイクロニードル
２２    マイクロレンズ
２３    突出部
３０    ガス拡散層
３１    中空部
４０    触媒層
５０    電解質層
６０    燃料極
７０    空気極
１００    燃料電池用セル
【図２】
2009032692.tif 000004
【図７】
2009032692.tif 000005
【図１】
2009032692.tif 000006
【図３】
2009032692.tif 000007
【図４】
2009032692.tif 000008
【図５】
2009032692.tif 000009
【図６】
2009032692.tif 000010
【図８】
2009032692.tif 000011
【図９】
2009032692.tif 000012
【図１０】
2009032692.tif 000013
【図１１】
2009032692.tif 000014
【外国語明細書】
2009032692000001.pdf