KR100812403B1 - 전기화학 디바이스 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 관계하는 전기화학 디바이스는, 표면의 적어도 일부에 촉매가 형성된 탄소질 재료로 이루는 가스 확산전극과 가스 확산전극의 한 방향의 면에 접촉되어 설치된 전해질막을 갖춘다. 탄소질재료의 내부 전해질막과 접촉하는 부분에 형성되어 있는 촉매의 양이, 전해질막측에 있어서, 전해질막측과는 반대측 보다도 작게 됨으로써 촉매의 이용효율이 상당히 높게 되고, 전기화학 디바이스 에너지효율을 높이는 것이 가능하다.

Description

전기화학 디바이스 및 그 제조방법{Electrochemical device and method of manufacturing the device}
본 발명은, 전기화학 디바이스 및 그 제조방법에 관한 것이고, 특히, 촉매의 이용효율이 높은 전기화학 디바이스 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이제까지, 자동차 등의 에너지원으로서 또는 전력제조 등의 에너지원으로서, 가솔린, 경유 등의 화석연료가 광범위하게 사용되어 왔다. 그 중 화석연료의 이용에 따라서, 비약적인 산업발전을 실현하지만, 그 반면 심각한 환경파괴의 위협에 방치되고, 더욱이, 화석연료의 고갈 우려가 생기며 그 장기적인 안정공급에 의문이 던져지는 사태가 되고 있다.
그래서, 수소는 물에 포함되어 지구상에 무진장에 존재하고 있는 위에, 물질양 주위에 포함되어 화학 에너지 양이 커지고, 또한, 에너지원으로서 사용하는 때에 유해물질과 지구온난화 가스 등을 방출하지 않는 등의 이유에서, 화석연료 대신에 깨끗하고, 동시에 무진장한 에너지원으로서, 큰 주목을 모으고 있다.
특히, 수소 에너지로부터 전기 에너지를 추출할 수 있는 전기 에너지 발생장치 연구개발이 한창 행해지고 있으며, 대규모발전에서, 현지에서는 자가발전, 더욱이는 자동차용전원으로서의 응용이 기대되고 있다.
수소에너지로부터 전기 에너지를 추출하기 위한 전기 에너지 발생장치, 즉, 연료전지는, 수소가 공급되는 수소전극과, 산소가 공급되는 산소전극을 가지고 있다. 수소전극에 공급된 수소는, 촉매의 작용으로서, 프로톤(양자)과 전자에 해리되어, 전자는 수소전극의 집전체로 모이고, 다른 방향 프로톤은 산소전극에 옮겨진다. 수소전극으로 모여진 전자는, 부하를 경유하고, 산소전극에 옮겨진다. 한편, 산소전극에 공급된 산소는, 촉매의 작용이며, 수소전극으로부터 옮겨진 프로톤 및 전자 결합하고, 물을 생성한다. 이와같이 하여, 수소전극과 산소전극의 사이에 기전력이 생기며, 부하에 전류가 흐른다.
이와 같이, 수소 에너지로부터 전기 에너지를 추출하는 연료전지에 있어서는, 수소전극과 산소전극의 사이에 기전력을 발생시키기 위해서는, 수소전극에 있어서는 수소를 프로톤(양자)과 전자 해리하는 것이 필요하며, 한편, 산소전극에 있어서는 프로톤, 전자 및 산소를 반응시켜 물을 생성하는 것이 필요하다. 따라서, 수소전극에 있어서는 수소의 프로톤과 전자와의 해리를 촉진하는 촉매층이 필요하게 되고, 산소전극에 있어서는 프로톤, 전자 및 산소의 결합을 촉진하는 촉매층이 필요하게 된다.
그 중 촉매층은, 수소전극측에 있어서는 수소와 접촉하게 되고, 산소전극측에 있어서는 산소와 접촉하게 되고, 상술된 작용을 초래하는 것이기 때문에, 촉매층이 효과적으로 작용하기 위해서는, 촉매층에 포함되는 촉매와 수소내지는 산소가 효율적으로 접촉할 필요가 있다. 즉, 촉매층에 포함되는 촉매와 수소내지는 산소와의 접촉효율이 나빠지고, 사용하는 촉매의 양에 비교해 충분히 촉매작용을 얻 을 수 있다. 이 때문에, 에너지 생성효율이 악화된다는 문제가 발생해 버린다.
이와 같은 문제는, 연료전지용 수소전극 및 산소전극 뿐만 아니라, 공기전지 등의 다른 전기화학 디바이스에 사용되는 가스 확산전극에 있어서도 같은 모양으로 생기는 문제이다.
본 발명은, 상술된 것과 같은 실정에 감안하여 제안된 것이며, 본 발명의 목적은 촉매와 원료가스가 효과적으로 접촉할 수 있고, 이것에 있어서 에너지의 효율이 높아진 전기화학 디바이스 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해 제안되는 본 발명에 관계되는 전기화학 디바이스는, 표면의 적어도 일부에 촉매가 형성된 탄소질재료로 이루는 가스 확산전극과 가스 확산전극의 한 방향의 면에 접촉되어 설치된 전해질막을 갖추고, 탄소질재료의 내부 전해질막과 접촉하는 부분에 형성되어 있는 촉매의 양이, 전해질막측에 있어서 전해질막측과는 반대측 보다도 작게한 것이다.
본 발명에 관계되는 전기화학 디바이스는, 탄소질재료의 내부 전해질막과 접촉하는 부분은, 전해질막측의 쪽이 전해질막측과는 반대측 보다도 촉매의 양이 적고, 촉매가 전해질막에 있어서 덮어지는 것이 적고, 촉매와 원료가스를 효과적으로 접촉할 수 있다. 이와같이, 에너지 효율이 높아진 전기화학 디바이스를 제공할 수 있다.
본 발명에 관계되는 전기화학 디바이스는, 연료전지이며 또는 공기전지이다.
본 발명에 있어서 사용되는 탄소질재료는, 복수의 섬유형 카본의 집합체로 이루는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 더욱이, 섬유형 카본은 적어도 바늘형 흑연을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 섬유형 카본은 적어도 카본 나노 튜브를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서 촉매는, 백금, 백금합금, 팔라듐, 마그네슘, 티탄, 망간, 랜턴, 바나듐, 지르코늄, 니켈-랜턴합금, 티탄-철합금, 이리듐, 로듐 및 금으로 이루는 군 보다 선택된 1의 재료로 이룬다.
또한, 본 발명에 관계되는 전기화학 디바이스 제조방법은, 탄소질재료로 이루는 시트를 성형하는 시트성형 공정과, 시트의 한 방향의 면으로부터 기상성막법에 있어서 촉매층을 형성하는 촉매형성 공정과, 시트의 다른 방향의 면에 전해질막을 붙여 설치하는 부착공정을 갖춘다.
본 발명 방법은, 시트 한 방향의 면으로부터 기상성막법에 있어서 촉매층을 형성하는 것과 함께, 시트의 다른 방향의 면에 전해질막을 붙여 설치하고 있는 것에서, 시트의 내부 전해질막과 접촉하는 부분은, 전해질막측의 쪽이 전해질막측과는 반대측 보다도 촉매의 양이 적으며, 전해질막에 있어서 덮어지는 촉매를 저감할 수도 있다. 이와같이, 촉매와 원료 가스를 효과적으로 접촉시키는 것에서, 에너지의 효율이 높아진 전기화학 디바이스를 제조하는 것이 가능하다.
본 발명 방법에 있어서 사용되는 탄소질재료는, 복수의 섬유형 카본의 집합체로 이루는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 더욱이, 섬유형 카본은 적어도 바늘형 흑연을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 섬유형 카본은, 적어도 카본 나노 튜브를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관계되는 제조방법에 있어서, 시트 성형공정은 섬유형 카본을 분산액 중에 도입된 것을 여과하는 것이다.
본 발명방법에 사용된 기상성막법은, 스퍼터링법, 진공증착법, 펄스 레이져 디포지션법의 어느 것이 사용된다.
본 발명방법은, 더욱이 촉매형성공정 후, 시트 한 방향의 면에 탄소질재료를 형성하는 공정을 갖춘다. 이 공정을 갖추는 경우에, 시트의 기계적 강도를 높이는 것이 가능하다.
본 발명의 더욱이 다른 목적은, 본 발명에 있어서 얻어지는 구체적인 이점은, 아래에 설명되는 실시예의 설명으로부터 한층 명백해질 것이다.
도 1은, 본 발명이 적용된 연료전지의 개략구성을 보여주는 도이다.
도 2는, 프로톤 전도체부와 산소전극 혹은 수소전극과의 계면을 확대하여 보여주는 약단면도이다.
도 3은, 본 발명이 적용된 공기전극의 개략구성을 보여주는 도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명이 적용된 연료전지는, 도 1에 보여지는 바와 같이, 산소전극(1)과, 연료전극으로 되는 수소전극(2)과, 산소전극(1) 및 수소전극(2)에 협지된 전해질막으로 되는 프로톤 전도체부(3)를 갖추고 있다. 산소전극(1)은, 섬유형 카본 집 합체로 이루는 전극기체(4)와 그 표면에 형성된 촉매층(5)에 따라서 구성되고, 같은 모양에, 수소전극(2)은, 섬유형 카본 집합체로 이루는 전극기체(6)와 그 표면에 형성된 촉매층(7)에 따라서 구성되어 있다. 촉매의 종류에 있어서는, 백금, 백금합금, 팔라듐, 마그네슘, 티탄, 망간, 랜턴, 바나듐, 지르코늄, 니켈-랜턴합금, 티탄-철합금, 이리듐, 로듐, 금 등이 있고, 바람직한 것은, 백금 및 백금합금이다.
산소전극(1)의 전극기체(4)에서는, 도 1에 보여진 바와 같이, 정극 리드(8)가 도출되고, 수소전극(2)의 전극기체(6)에서는 부극리드(9)가 도출되어 있으며, 이들 정극 리드(8) 및 부극 리드(9)는, 도시되지 않은 부하에 접속된다. 산소전극(1)측에 있어서는, 공기(10)가 도입구(11)로부터 유로(12)에 공급되고, 배출구(13)으로부터 배출된 것과 같이 구성되어 있으며, 수소전극(2)측에 있어서는, 수소공급원(14) 보다 공급된 수소(15)가, 도입구(16)에서 유로(17)에 공급되고, 배출구(18)로부터 배출된 것과 같이 구성되어 있다.
도입구(16)에서 유로(17)에 공급된 수소(15)는, 섬유형 카본 집합체로 이루는 전극기체(6)를 경유하여 그 표면에 형성된 촉매층(7)에 달하고, 촉매작용에 따라서 프로톤과 전자에 해리된다. 이와 같은 전자는, 전극기체(6)를 경유한 부극리드(9)로 이동하고, 도시되지 않은 부하에 공급되고, 프로톤은, 프로톤 전도체부(3)를 경유한 산소전극(1)측에 이동한다. 한편, 도입구(11)로부터 유로(12)에 공급된 산소(10)는, 섬유형 카본 집합체로 이루는 전극기판(4)을 경유하여 그 표면에 형성된 촉매층(5)에 달하고, 촉매작용에 따라서, 프로톤 전도체부(3) 보다 공급된 프로톤 및 정극 리드(8)를 경유한 부하 보다 공급되는 전자와 결합하여 물 이 된다. 이와 같이 하여, 소망의 기전력이 추출된다.
여기서, 프로톤 전도체부(3)는, 수소(15)의 투과를 방지할 수 있도록 프로톤을 투과 시키는 막이며, 그 재료는 특히 한정되지 않고, 탄소를 주성분으로 하는 탄소질재료의 모체로서, 여기에 프로톤 해리성의 기가 도입되어 있는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 더욱이, 「프로톤 해리성의 기」와 「프로톤 전이에 의해 이탈 시 얻어지는 관능기」인 것을 의미한다.
프로톤 전도체부(3)의 모체가 되는 탄소질재료에는, 탄소를 주성분으로 하는 것이라면, 임의의 재료를 사용하는 것이 가능하고, 프로톤 해리성의 기를 도입한 후에, 이온 도전성이 전자전도성 보다도 큰 것이 필요하다. 여기서, 모체가 되는 탄소질 재료로서는, 구체적으로는, 탄소원자의 집합체로서 탄소 클러스터와 카본 튜브를 포함한 탄소질재료를 들 수 있다.
탄소 클러스터에는 여러가지의 것이 있으며, 쿠라렝과, 쿠라렝 구조의 적어도 일부에 개방단을 가지는 것의 다이아몬드 구조를 가지는 것 등이 알맞다.
물론 이것에 한하여 프로톤 해리성의 기를 도입한 후에 이온 도전성이 전자도전성 보다도 큰 것이라면 어떠한 것이라도 좋다.
프로톤 전도체부(3)의 모체가 되는 탄소질 재료로서는, 쿠라렝을 선택하는 것이 가장 바람직하고, 이것에 프로톤 해리성의 기, 예를 들면 -OH기, -OSO3H기, -COOH기, -SO3H기, -OPO(OH)2기가 도입된 재료를 프로톤 전도체부(3)의 재료로서 사용하는 것이 바람직하다.
프로톤 전도체부(3)의 재료로서 상기 탄소를 주성분으로 하는 탄소질재료를 모체로 하는 재료 이외의 재료, 예를 들면, 파울올혼스루혼산수지 등을 이용하는 것도 좋다.
수소공급원(14)에서는, 수소용기, 수소흡장합금 혹은 탄소질수소흡장재료를 사용하는 것이 있고, 탄소질수소흡장재료에 있어서는, 쿠라렝, 카본 나노 파이버, 카본 나노 튜브, 탄소 그을음, 나노 캡슐, 버킹오니온, 카본 파이버 등을 들 수 있다.
도 2는, 프로톤 전도체부(3)와 산소전극(1) 혹은 수소전극(2)과의 계면을 확대하여 보여준 약단면도이다.
도 2에 보여진 바와 같이, 산소전극(1) 혹은 수소전극(2)을 구성하는 전극기체(4, 6)는, 복수의 섬유형 카본(30)의 집합으로서 구성되고, 그 표면에는 촉매(31)가 단지되어 있다. 또한, 섬유형 카본(30)의 내부 프로톤 전도체부(3)에 접속되어 있는 것에 대해서는, 그 일부가 프로톤 전도체부(3)의 내부에 매설하며, 당해 매설되어 있는 부분에 있어서는, 촉매(31)의 형성량이 노출되어 있는 부분보다도 작게되어 있다. 더욱, 당해 매설되어 있는 부분에 있어서는, 촉매(31)가 형성되어 있지 않은 것이 바람직하지만, 현실은, 매설되어 있는 부분에 있어서 촉매(31)를 완전히 배제하는 것은 곤란하기 때문에, 도 2에 보여진 바와 같이, 매설되어 있는 부분에 있어서 촉매(31)의 양이 저감하는 것은 좋다.
이와 같이, 본 실시형태에 의한 연료전지에 있어서는, 산소전극(1) 혹은 수소전극(2)이 복수의 섬유형 카본(30) 집합에 의해 구성되고, 그 표면에 촉매(31)가 단지되어 있는 한편, 섬유형 카본(30)의 내부 프로톤 전도체부(3)에 의해 덮어져 있는 부분에서는, 당해 덮어져 있는 부분에 있어서 촉매(31)의 형성량이 노출되어 있는 부분보다도 작기 때문에, 촉매(31)의 이용효율이 상당히 높다.
즉, 섬유형 카본(30)중, 프로톤 전도체부(3)에 있어서 덮어져 있는 부분에는, 당해 덮어져 있는 부분은 산소(10) 혹은 수소(15)와 접촉되지 않기 때문에, 당해 부분에 촉매(31)를 형성하여도 촉매로서의 작용을 다하지 않는 바, 본 실시형태에 의한 연료전지에 있어서는, 이와 같은 부분에 있어서 촉매(31)의 형성량이 저감되어 있기 때문에, 촉매(31)의 이용효율이 상당히 높다. 이 때문에, 연료전지의 에너지 생성효율을 높이는 것이 가능하다.
다음으로, 본 발명에 관계되는 연료전지의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 산소전극(1) 및 수소전극(2)을 제작하도록 소정의 면적을 가진 필터와 섬유형 카본이 혼입된 분산액을 준비한다. 섬유형 카본으로서는 카본 나노 튜브와 바늘형 흑연이 거론되지만, 섬유형 카본으로서 카본 나노 튜브를 선택한 경우, 이것은 상당히 미세한 섬유형 물질이기 때문에, 서로 연결되어 있는 반면, 밀도가 높기 때문에 가스 투과성이 줄어드는 난점이 있다.
한편, 섬유형 카본으로서 바늘형 흑연을 선택한 경우, 바늘형 흑연은 카본 나노 튜브와 비교하여 큰 섬유형(바늘형) 물질이기 때문에, 가스 투과성은 충분히 높지만 서로 연결되기 어렵다라는 난점이 있다. 따라서, 상기 분산액에 혼입 해야 할 섬유형 카본으로서는, 카본 나노 튜브와 바늘형 흑연을 소정의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.
여기서, 카본 나노 튜브는, 직경이 약수 나노 미터 이하, 대표적으로는 1.2 - 1.7 나노 미터 정도의 튜브형 탄소질이며, 단층의 튜브로 이루는 싱글 월 카본 나노 튜브(SWCNT)와 둘 이상의 층이 동심원적으로 무겁게 되어 있는 멀티 월 카본 나노 튜브(MWCNT)의 두 종류가 알려져 있다. 그 길이는, 특히 한정되지 않지만, 대표적으로는, 수 마이크로 미터 정도이다. 또한, 카본 나노 파이버는, 카본 나노 튜브의 내부 그 직경이 특히 큰 것을 말하고, 대표적에는, 그 직경은 수 나노 미터 이상, 거대한 것에는 1 마이크로 미터에 달한다. 이하의 설명에 있어서, 「카본 나노 튜브」와 「카본 나노 파이버」를 포함한 것이 있다.
카본 나노 튜브는, 그래파이트(흑연)의 로드를 사용한 아크 방전법에 있어서 생성할 수도 있다.
필터에 있어서는, 분산액을 여과 시, 여기에 혼입된 카본 나노 튜브 및 바늘형 흑연을 채집가능하다면 좋고, 글라스 섬유로 이루는 필터를 사용한 것이 바람직하다. 또한, 분산액에 있어서는, 물, 메탄올, 에탄올 등의 알코올류 및 톨루엔의 혼합액에, 미량의 수산화 나트륨을 첨가한 혼합액을 사용하는 것이 좋다. 여기서, 수산화 나트륨은, 카본 나노 튜브 및 바늘형 흑연의 응집을 방지하는 역할을 다한다.
다음으로, 필터를 사용하여, 분산액을 여과한다. 이것에 의해, 필터의 표면에는 카본 나노 튜브 및 바늘형 흑연의 혼합체가 퇴적한다. 이 때, 카본 나노 튜브 및 바늘형 흑연은 어느 것도 섬유질로 이루는 것에서 필터의 표면에 있어서 다수의 카본 나노 튜브 및 바늘형 흑연끼리 서로 연결되어 일체화된 시트형이 된다. 이 때, 뒤의 공정으로 행하는 촉매(31)의 형성을 효과적으로 행하는 것은, 시트 자체의 기계적 강도가 부족하지 않은 한에 있어서, 당해 시트를 되도록 얇게 형성하는 것이 기대된다.
다음으로, 필터의 표면에 형성된 시트형의 카본 나노 튜브 및 바늘형 흑연의 집합체를 필터의 표면으로부터 벗기고, 이것을 스퍼터링용의 찬바 내에 도입한다.
다음으로, 스퍼터링용의 찬바 내에 있어서, 시트형의 카본 나노 튜브 집합체에 대해, 스퍼터링법 보다 촉매(31)를 성막한다. 촉매의 종류에는, 백금, 백금합금, 팔라듐, 마그네슘, 티탄, 망간, 랜턴, 바나듐, 지르코늄, 니켈-렌턴 합금, 티탄-철합금, 이리듐, 로듐, 금 등이 있지만 바람직한 것은 백금 및 백금합금이다. 이 때, 스퍼터링법에 의하면, 시트형의 카본 나노 튜브 집합체의 내부, 타킷에 대하여 노출되어 있는 부분에의 촉매(31)가 형성된다. 즉, 그늘이 되어 있는 부분에는 실질적으로 촉매(31)는 형성되지 않는다. 여기서는, 스퍼터링에 있어서 타킷에 향해 있는 면을 시트의 「표면」으로 정의하고, 반대 면을 「이면」으로 정의한다.
다음으로, 이러한 시트에, 프로톤 전도체부(3)에 사용되어 있는 재료와 같은 프로톤 전도체료를 도포한다. 예를 들면, 프로톤 전도체부(3)의 재료에서, 쿠라렝에 프로톤 해리성의 기로 이루는 -OH기가 도입된 재료(쿠라렝)를 사용한 경우, 이러한 시트에 쿠라렝을 도포한다.
이것에 의해, 산소전극(1) 및 수소전극(2)이 완성된다.
다음으로, 이와같이 하여 완성된 산소전극(1) 및 수소전극(2)의 이면에 프로 톤 전도체부(3)를 협지하고, 산소전극(1)측에는, 공기(10)의 도입구(11), 유로(12) 및 배출구(13)를 설치, 수소전극(2)측에는 수소(15)의 도입구(16), 유로(17) 및 배출구(18)를 설치하는 것에 있어서, 본 실시형태에 의한 연료전지가 완성된다.
본 발명에 이러한 방법에 의하면, 시트의 표면으로부터 촉매(31)를 스퍼터링으로 되어 있기 때문에, 시트의 이면에는 실질적으로 촉매(31)가 형성되지 않는다. 이 때문에, 이러한 시트를 산소전극(1) 및 수소전극(2)으로 하고, 그 이면에는 프로톤 전도체부(3)를 협지한 연료전지를 구성하면, 산소전극(1) 및 수소전극(2)을 구성하는 섬유형 카본(30)의 내부, 프로톤 전도체부(3)에 있어서 덮어진 부분에서의 촉매(31)의 양을 저감하는 것이 가능하다. 이것에 의해, 촉매(31)의 이용효율이 상당히 높게 되기 때문에, 촉매(31)의 사용량에 대해서도, 연료전지의 에너지 생성효율을 높이는 것이 가능하다.
다음으로, 본 발명의 바람직하고 또한 다른 실시형태에 대하여 설명한다.
도 3은, 본 발명의 바람직하고 또한 다른 실시형태에 이러한 공기전지의 개략구성을 보여주는 도면이다.
도 3에 보여진바와 같이, 본 실시형태에 이러한 공기전지(공기-아연전지)는, 공기극(21)과, 부극(22)과, 공기극(21) 및 부극(22)에 협지된 전해질(23)로 덮어져 있다. 공기극(21)은, 섬유형 카본의 집합체로 이루는 전극기체와 그 표면에 형성된 촉매층에 따라서 구성되어 있고, 부극(22)은, 두께가 100 마이크로미터의 아연판에 따라서 구성되어 있다. 또한, 공기극(21)의 전극기체에서는 정극 리드(24)가 도출되고, 부극(22)에서는 부극 리드(25)가 도출되어 있고, 이것의 정 극 리드(24) 및 부극 리드(25)는, 도시되지 않은 부하에 접속되어 있다.
공기극(21), 부극(22) 및 이것에 협지된 전해질(23)은, 두께가 3 밀리미터의 테프론판(26a 및 26b)에 있어서 협지되어 있고, 이것의 테프론판(26a 및 26b)은, 볼트(27a 및 27b)에 있어서 고정되어 있다. 더욱이, 테프론판(26b)에는, 공기극(21)에 공기를 공급하기 위한 복수의 공기공(28)이 형성되어 있다. 공기공(28)의 직경은, 1.5 밀리미터이다.
이와 같은 구성을 이루는 공기전지는, 다음 방법으로 제작할 수 있다.
우선, 상술한 각 실시형태에 의한 방법에 의해, 섬유형 카본 집합체의 표면에 촉매층을 형성하는 것에 따라서 공기극(21)을 제작한다. 이 공기극(21)의 이면에, 전해질(23)로서 염화아연의 수용액을 겔화 시킨 것을 두께 약 50 마이크로 미터로 도포하고, 거듭, 부극(22)을 접합한다. 그리고, 이 접합체의 양면을 테프론판(26a 및 26b)에 단단히 끼워 넣고, 볼트(27a 및 27b)에 의해 고정한다. 이것에 의해 공기전지가 완성된다.
이와 같이 하여, 제조된 공기전지는, 공기극(21)에 있어서는 식(1)에 보여지는 반응이 진행되고, 부극(22)에 있어서는 식(2)에 보여진 반응이 진행된다.
O2 + 2HO2 + 4e- → 4OH- ···(1)
Zn + 2OH- → Zn(OH)2 + 2e- ···(2)
따라서, 전체로서는 식(3)에 보여지는 반응이 진행하는 것이며, 소정의 기전력을 얻을 수 있다.
1/2O2 + Zn + H2O → Zn(OH)2 ···(3)
본 실시형태에 이러한 공기전지에 있어서도, 공기극(21)을 구성하는 섬유형 카본중에서, 그 표면이 전해질(23)에 의해 덮어진 부분에 대하여는, 촉매의 형성양이 노출되어 있는 부분 보다도 적기 때문에, 촉매의 이용효율이 상당히 높아진다. 이 때문에, 본 실시형태에 이러한 공기전지의 에너지 효율을 높이는 것이 가능하게 된다.
본 발명은, 상기의 실시형태에 한정되지는 않고, 본 발명의 요지를 변경하지 않은 것으로 범위의 여러가지 변경이 가능하고, 그것도 본 발명에 포함되는 것이다.
예를 들면, 상술한 실시형태에 있어서는, 시트형의 섬유형 카본 집합체의 표면에 촉매를 형성하는 방법으로서 스퍼터링법을 사용하고 있고, 섬유형 카본 표면에 촉매를 형성하는 방법으로서는, 스퍼터링법에 한정되지 않고, 다른 방법, 예를 들면, 진공증착법과 펄스 레이져 디포지션법등 다른 기상성막법을 사용하는 것도 좋다.
또한, 상술의 실시형태에 있어서는, 촉매를 형성한 섬유형 카본 집합체로 이루는 시트를 그대로 산소전극(1) 및 수소전극(2)으로 하고 있지만, 당해 시트의 표면에 카본 시트를 붙여 설치하고, 이것에 있어서 산소전극(1) 및 수소전극(2)을 구성해도 상관없다. 섬유형 카본 집합체로 이루는 시트는, 상술한 대로, 얇게 형성하는 것이 바람직하기 때문에, 그 물리적 강도가 부족할 우려가 있고, 시트의 표면에 카본 시트를 붙여 설치하면, 강도를 높이는 것이 가능하다. 더욱이, 섬유형 카본 집합체로 이루는 시트의 표면에, 촉매(31)를 스퍼터링한 후, 섬유형 카본(30)이 포함된 분산액을 이용한 여과를 계속해서 함으로서, 당해 시트의 표면에 더욱 섬유형 카본 집합체를 집적시키고 산소전극(1) 및 수소전극(2)으로도 좋다.
더욱이, 제작된 연료전지의 연료가스로서, 수소가스를 사용하고 있지만, 연료가스로서는 수소가스에 한정되지 않고, 다른 연료가스, 예를 들면, 메탄올을 기화시킨 가스를 이용하는 것도 좋다. 이 경우, 메탄올을 기화시킨 가스가 공급된 부극에 있어서는, 식 (4)에 보여지는 반응이 진행되고, 공기가 공급되는 산소전극(1)(정극)에 있어서는 식 (5)에 보여지는 반응이 진행된다.
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- ···(4)
6H+ + 3/2O2 +6e- → 3H2O ···(5)
따라서, 전체로서는 식 (6)에 보여지는 반응이 진행하게 되고, 소정의 기전력을 얻을 수 있다.
CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O ···(6)
단, 연료가스로서의 메탄올을 기화시킨 가스를 사용한 경우, 물 외에 이산화 탄소가 생성된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 가스 확산전극이 복수의 섬유형 카본 집합으로서 구성되고, 섬유형 카본의 내부 전해질막에 의하여 덮어져 있는 부분에 있어서는, 촉매의 형성량이 노출되어 있는 부분보다도 적기 때문에, 촉매의 이용효율이 상당히 높고, 이것에 의해, 전기화학 디바이스의 에너지 효율을 높이는 것이 가능하다

Claims (16)

  1. 전기화학 디바이스에 있어서,
    제 1의 표면 영역과 제 2의 표면 영역을 포함하는 섬유 탄소질 재료의 한 표면의 적어도 일부에 형성된 촉매와, 상기 섬유 탄소질 재료로 구성되는 가스 확산전극과,
    상기 가스 확산전극의 상기 제 1의 표면 영역에 접촉하여 설치된 프로톤 전도체부를 갖추고,
    상기 제 1의 표면 영역에 형성된 상기 촉매의 적어도 한 부분이, 상기 제 2 표면 영역에 형성된 상기 촉매의 적어도 한 부분보다 작은 것을 특징으로 하는 전기화학 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전기화학 디바이스가 연료전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 디바이스.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전기화학 디바이스가 공기전지인 것을 특징으로 하는 전기화학 디바이스.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 섬유 탄소질 재료는 적어도 섬유 구조를 가지는 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 디바이스.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 섬유 탄소질 재료가 적어도 관 구조를 가지는 탄소 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 디바이스.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매가, 백금, 백금합금, 팔라듐, 마그네슘, 티탄, 망간, 랜턴, 바나듐, 지르코늄, 니켈, 랜턴합금, 티탄-철합금, 이리듐, 로듐, 금 및 그들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 한 개의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학 디바이스.
  7. 전기화학 디바이스에 있어서,
    섬유 탄소질 재료의 한 표면의 적어도 일부에 형성된 촉매와, 상기 섬유 탄소질 재료로 구성되는 가스 확산전극과,
    상기 가스 확산전극을 포함하는 프로톤 전도체부를 구비함으로써, 상기 섬유 탄소질 재료의 적어도 한 부분이 상기 프로톤 전도체부내에 내장되며,
    상기 촉매의 적어도 한 부분이, 상기 내장된 부분과, 상기 프로톤 전도체부내에 내장되지 않은 상기 섬유 탄소질 재료의 적어도 한 부분에 형성되며,
    상기 촉매의 양이, 상기 프로톤 전도체부내에 내장되지 않은 상기 섬유 탄소질 재료의 상기 한 부분보다 상기 섬유 탄소질 재료의 내장된 부분이 작은 것을 특징으로 하는 전기화학 디바이스.
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