JP2008262909A - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】体積の不要な増加や複雑な流路を具現する必要がなくて、付加設備を簡素化でき、電気抵抗を低減できる燃料電池及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明は、メンブレンの両面に所定間隔で離隔されて結合され、一面にアノード、他面にカソードが位置する第1セルと第2セルとを電気的に接続させて燃料電池を製造する方法であって、第1セル20と第2セル30との間のメンブレン10に貫通ホール40を穿孔する段階と、貫通ホール40を通して第1セル10のアノード20aと第2セル30のカソード20bとを伝導性部材50を用いて互いに電気的に接続させる段階と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は燃料電池及びその製造方法に関する。
燃料電池において、個別セルが出せる出力電圧は電気化学反応により定められる値であるため、電子製品に必要とされる作動電圧を供給するためにはDC−DCコンバータ(DC−DC converter)を使用するか、各個別セルを直列に接続して出力電圧を高めることが必要である。
各個別セルの接続方法に応じて、燃料電池はバイポーラスタック(bipolar stack)とモノポーラスタック(monopolar stack)とに分けられる。
図5は従来技術に係る燃料電池の断面図であって、バイポーラスタック構造を示している。中、大型燃料電池の場合、ほとんどがバイポーラースタックの形態を採用している。図5に示すように、メンブレン1に接して形成されるアノード2、3及びカソード2、4を含むセルと分離板(図示せず)とが交互に積み上げられている。
バイポーラスタック構造は燃料電池の体積が大きくなるため、中大型燃料電池に多く適用されており、携帯用電磁機器用に用いられる電源の形態は薄いのでバイポーラスタック構造の燃料電池を採用する場合、厚さが厚くなるため、小型化が難しくなり高出力の具現が困難であるという問題点がある。
したがって、バイポーラスタック構造の問題点を解決するためにモノポーラスタック構造の燃料電池により具現することができる。モノポーラスタック構造の燃料電池は、体積当りの出力密度を高めることができ、外部動力がなくても燃料供給が可能であり、比較的形態を自由に製作できるという長所があるため、小型燃料電池に多く応用されている。かかる、モノポーラスタック構造は、バンデッド(banded)構造とフリップフロップ(flip-flop)構造とに分けられる。バンデッド構造はメンブレンを横切る接続が必要である反面、フリップフロップ構造は単層接続だけを有する簡単な形態である。
ところで、バンデッド構造は、燃料と空気との供給方法は単純化できるが、電極を直列に接続するための複雑な付加設備を要するという問題点がある。
フリップフロップ構造は隣接している単位電池の間で一つの電極を共有することにより、自然に直列接続のスタックを作ることができる。しかし、このような形態の燃料電池は燃料と空気の供給流路が非常に複雑になるという短所がある。
こうした従来技術の問題点を解決するために、本発明は、高い出力電圧を得ることができ、体積の不要な増加や複雑な流路を抑えることができる追加的な付加設備を要しない燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
前記の課題を解決するために、本発明の一実施形態によれば、メンブレンの両面に所定間隔で離隔されて結合され、一面にアノード、他面にカソードが位置する、第1セルと第2セルとを電気的に接続して燃料電池を製造する方法であって、メンブレンの第1セルと第2セルとの間に貫通ホールを穿孔する段階と、貫通ホールを通して第1セルのアノードと第2セルのカソードとを伝導性部材を用いて互いに電気的に接続させる段階と、を含む燃料電池製造方法が提供される。
第1セルはメンブレンに積層される触媒層を含み、アノードとカソードとは触媒層を含むことができる。また、第1セルは触媒層に積層される気体拡散層をさらに含み、アノードとカソードとは気体拡散層を含むことができる。気体拡散層はカーボンペーパー(carbon paper)、カーボン布地(carbon cloth)、及びカーボンフェルト(carbon felt)からなる群より選ばれる少なくとも何れか一つを含むことができ、貫通ホールはレーザー(laser)ドリリングで形成されることができる。
接続段階は、第1セルのアノードに電気的に接続され、貫通ホールをカバーするように、メンブレンの一面に第1伝導性テープを付着する段階と、第2セルのカソードに電気的に接続され、貫通ホールをカバーするようにメンブレンの他面に第2伝導性テープを付着する段階を含むことができる。第2伝導性テープ付着段階の後、第1伝導性テープと第2伝導性テープとを圧着して互いに電気的に接続させる段階をさらに含むことができる。第1伝導性テープは、白金、銅、及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも何れか一つを含むことができる。また、第1伝導性テープ付着段階は、第2セルのアノードと電気的に絶縁されるように第1伝導性テープを付着する段階を含むことができる。
本発明の他の実施形態によれば、メンブレンの一面にアノード、他面にカソードが位置する第1セルと第2セルとの間のメンブレンに貫通ホールを穿孔し 貫通ホールを通して第1セルのアノードと第2セルのカソードとを互いに電気的に接続させる伝導性部材を含む燃料電池が提供される。
伝導性部材は、第1セルのアノードに電気的に接続され、メンブレンの一面に付着される第1伝導性テープと、第2セルのカソードに電気的に接続され、メンブレンの他面に付着されて貫通ホールを通して第1伝導性テープと電気的に接続する第2伝導性テープと、を含むことができる。
第1伝導性テープは、白金、銅、及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも何れか一つを含むことができる。第1セルはメンブレンに積層される触媒層を含み、アノードとカソードとは触媒層を含むことができ、第1セルは触媒層に積層される気体拡散層をさらに含み、アノードとカソードとは気体拡散層を含むことができる。また、気体拡散層はカーボンペーパー、カーボン布地、及びカーボンフェルトからなる群より選ばれる少なくとも何れか一つを含むことができる。前述した以外の他の実施形態、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から、より明確になるだろう。
本発明の好ましい実施形態によれば、伝導性テープを用いて平板型燃料電池の電気的接続を具現することができ、体積の不要な増加を抑えることができ、セル間の電気的接続手段の複雑な流路を具現する必要がないという長所がある。
また、メンブレンを横切る接続を具現することから発生し得る燃料の流出現象を防止することができ、伝導性テープを圧着して貫通ホールの内を満たすことにより電気的抵抗を低減できる。
更に、伝導性テープを電極に付着する方法が簡単だけでなく、ペーストの印刷後に硬化工程のような高い温度を要しないため、高い温度によるメンブレンの損傷を防止することができる。
以下、本発明に係る印刷回路基板及びその製造方法の好ましい実施形態を添付図面を用いて詳細に説明し、添付図面を用いて説明することに当たって、同一かつ対応する構成要素は、同一の図面符号を付し、これに対する重複説明は省略する。
図1は本発明の好ましい一実施形態による燃料電池製造方法を示す順序図であり、図2は本発明の好ましい一実施形態による燃料電池製造方法を示す工程図である。 図2を参照すると、メンブレン10、第1セル20、第2セル30、アノード20a、カソード20b、触媒層21a,21b、気体拡散層22a,22b、貫通ホール40、第1伝導性テープ50a、第2伝導性テープ50b、及び圧着された伝導性テープ50が示されている。
本発明は、直列に接続する複数のセルの間の貫通ホールに伝導性テープを付着して圧着することにより、互いに電気的に接続するようになり、燃料電池の体積の不要な増加を抑えることができ、複雑な流路を具現する必要のない燃料電池の製造方法を提供する。
すなわち、本実施形態により燃料電池を製造するためには、先ず、段階100で、メンブレン10の両面に所定間隔で離隔されて結合され、一面にアノード20a、他面にカソード20bが位置して電気的に接続する第1セル20と第2セル30とを提供する。図2の(a)に示すように、第1セル20及び第2セル30はメンブレン10に積層される触媒層21a,21b、及び触媒層21a,21bに積層される気体拡散層22a,22bを含み、アノード20aとカソード20bとは触媒層21a,21b及び気体拡散層22a,22bからなることができる。
触媒層21a,21bの役割は、燃料電池の酸化反応により、燃料を電子と水素イオンとに変換させることができ、気体拡散層22a,22bは、酸化反応後の電子と水素イオンとを円滑に移動させることができる。
気体拡散層22a,22bはカーボンペーパー、カーボン布地、及びカーボンフェルトからなる群より選ばれる少なくとも何れか一つを含むことができる。
次に、段階110で、図2の(b)に示すように、第1セル20と第2セル30との間のメンブレン10に貫通ホール40を穿孔する。貫通ホール40はレーザードリリングで形成することができる。
次に、段階120で、貫通ホール40を通して第1セル20のアノード20aと第2セル30のカソード20bとを伝導性部材を用いて互いに電気的に接続させる。本実施形態では伝導性部材として伝導性テープを用いたが、燃料電池の抵抗を低減でき、プレーティング(plating)またはペーストの印刷後、硬化させる工程と異なって高い温度を要しない伝導性部材であれば何でも使用できる。
接続方法は、段階122で、図2の(c)に示すように、第1セル20のアノード20aに電気的に接続され、第2セル30のアノード20aとは電気的に絶縁されて、貫通ホール40をカバーするように、メンブレン10の一面に第1伝導性テープ50aを付着する。
また、段階124で、第2セル30のカソード20bに電気的に接続され、第1セル20のカソード20bとは電気的に絶縁されて、貫通ホール40をカバーするように、メンブレン10の他面に第2伝導性テープ50bを付着する。
第1伝導性テープ50a及び第2伝導性テープ50bは、白金、銅、及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも何れか一つを含むことができる。
最後に、段階126で、図3の(d)に示すように、第1伝導性テープ50aと第2伝導性テープ50bとを圧着して互いに電気的に接続させる。したがって、第1セル20のアノード20aと第2セル30のカソード20bとを電気的に接続させることができ、メンブレン10周辺の電気的ブリッジ(bridge)を別に必要としなくなり、燃料及び空気の供給流路を簡素化できる。
また、伝導性テープ50a,50bを第1セル20と第2セル30との間に付着して圧着することにより、平板型燃料電池の電気的接続を具現することができ、体積の不要な増加を抑えることができ、セル間の電気的接続手段の複雑な流路を具現する必要がなくなるという長所がある。
平板型燃料電池において、メンブレン内にホールを形成してメンブレンの両側のアノードとカソードとを接続する方法は、ホールに形成された電気的通電物質を用いて電気的接続を具現することができる。従来の燃料電池は、電極の電気的接続のために高温硬化を要する導電性ペーストを通電物質として使用したが、これは、燃料電池を製作する際に、メンブレンに問題を起こす要因になった。
本実施形態の伝導性テープ50a,50bはメンブレン10を横切るため、発生し得る燃料流出の問題を防止でき、伝導性テープ50a,50bを付着することは高い温度を要しないため、メンブレン10を損傷させることもない。
また、アノード20aとカソード20bとを伝導性テープ50a,50bで簡単に付着することにより、電極を直列に接続するための複雑な付加設備を要しなく、また、貫通ホール40の一面と他面とに付着した第1伝導性テープ50a及び第2伝導性テープ50bを圧着することにより、貫通ホール40内に伝導性テープ50a,50bが満たされて電極間の電気的抵抗を低減できる。
さらに、平板に具現できる燃料電池において、複数のセルを直列に形成して出力電圧を高めることができるため、作動電圧に必要とされるDC−DCコンバータを要しない。
図3は本発明の好ましい他の実施形態に係る燃料電池製造方法を示す工程図である。図3を参照すると、メンブレン100、第1セル200、第2セル300、アノード210a、カソード210b、貫通ホール400、第1伝導性テープ500a、第2伝導性テープ500b、及び圧着された伝導性テープ500が示されている。
図3の(a)に示すように、メンブレン100の両面に所定間隔で離隔されて結合され、一面にアノード210a、他面にカソード210bが位置する第1セル200と第2セル300とを提供する。図3に示されているように、複数のセルを具現できることは勿論である。
第1セル200はアノード210a、メンブレン100、及びカソード210bから形成される。アノード210aとカソード210bとはメンブレン100に積層される触媒層からなり、触媒層は多孔性のカーボン伝導性テープで形成されることができる。
図3の(b)に示すように、第1セル200と第2セル300との間のメンブレン100に貫通ホール400を穿孔した後、図3の(c)に示すように、貫通ホール400を通して第1セル200のアノード210aと第2セル300のカソード210bとを伝導性部材を用いて互いに電気的に接続させる。
接続方法は、図3の(c)に示すように、第1セル200のアノード210aに電気的に接続され、第2セル300のアノード210aとは電気的に絶縁されて、貫通ホール400をカバーするように、メンブレン100の一面に第1伝導性テープ500aを付着する。
また、第2セル300のカソード210bに電気的に接続され、第1セル200のカソード210bとは電気的に絶縁されて、貫通ホール400をカバーするように、メンブレン100の他面に第2伝導性テープ500bを付着する。
第1伝導性テープ500a及び第2伝導性テープ500bは、白金、銅、及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも何れか一つを含むことができる。
最後に、図3の(d)に示すように、第1伝導性テープ500aと第2伝導性テープ500bとを圧着して互いに電気的に接続させる。本実施形態では、気体拡散層を除いた触媒層のみで電極を形成することにより、さらに薄くて柔軟な膜電極アッセンブリ(MEA:membrane electrode assembly)を具現することができる。
図4は本発明の前述の好ましい一実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。図4を参照すると、メンブレン10、第1セル20、第2セル30、アノード20a、カソード20b、触媒層21a,21b、気体拡散層22a,22b、圧着された伝導性テープ50が示されている。
メンブレン10の一面にアノード20a、他面にカソード20bが位置し、アノード20aとカソード20bとは触媒層21a,21b及び気体拡散層22a,22bから形成される。
アノード20aは燃料極または酸化電極と言い、水素または燃料が供給されて酸化反応が起こり、水素イオンと電子とを発生させる。
カソード20bは空気極または還元電極と言い、酸化剤が供給されて酸化剤の還元反応が起こり、アノード20aから発生された電子の移動により電気を発生させ、熱と水分とを付随的に発生させる。
アノード20aとカソード20bは、メンブレン10に積層される触媒層21a,21bと、触媒層21a,21bに接して形成される気体拡散層22a,22bから構成される。膜電極アッセンブリはメンブレン10を隔ててアノード20aとカソード20bとが結合された構造であり、酸化反応により燃料を電子及び水素イオンに変換させる触媒層21a,21bと、電子及び水素イオンの円滑な移動のための気体拡散層22a,22bとを含む。
メンブレン10の両面に結合されたアノード20aとカソード20bとを一つのセルとして、第1セル20及び第2セル30を形成することができ、複数のセルを具現することもできる。
圧着された伝導性テープ50を用いて、第1セル20と第2セル30とを電気的に接続させる。伝導性テープ50は、第1セル20のアノード20aに電気的に接続され、メンブレン10の一面に付着される第1伝導性テープと、第2セル30のカソード20bに電気的に接続され、メンブレン10の他面に付着され、貫通ホールを通して第1伝導性テープと電気的に接続する第2伝導性テープと、を含むことができる。
第1伝導性テープと第2伝導性テープとを圧着して互いに電気的に接続させると、圧着された伝導性テープ50を具現できる。一方、伝導性テープ50は、白金、銅、及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも何れか一つを含むことができる。
本実施形態では電気的接続手段として伝導性テープを使用したが、第1セル20及び第2セル30を電気的に接続させることができ、接続する際に高い温度を要しなく、燃料電池の体積を増加させることがなくて、付加的設備を要しない伝導性部材を使用する手段であれば、何でも用いることができる。
伝導性テープ50を第1セル20と第2セル30との間に付着して圧着することにより、平板型燃料電池の電気的接続を具現することができ、体積の不要な増加を抑えることができ、セル間の電気的接続手段の複雑な流路を具現する必要がないという長所がある。
また、メンブレン10を横切る接続を具現するこことにより、発生し得る燃料の流出現象を防止することができ、伝導性テープ50を圧着することにより、貫通ホール内が満たされて電気的抵抗を低減できる。
伝導性テープ50を電極に付着する方法は簡単だけでなく、ペーストの印刷後、硬化のような高い温度を要しないため、高い温度によるメンブレン10を損傷を防止できる。前述したの実施形態以外の多い実施形態が本発明の特許請求範囲内に存在する。
本発明の好ましい一実施形態による燃料電池製造方法を示す順序図である。 本発明の好ましい一実施形態による燃料電池製造方法を示す工程図である。 本発明の好ましい他の実施形態による燃料電池製造方法を示す工程図である。 本発明の好ましい一実施形態による燃料電池を示す断面図である。 従来技術による燃料電池の断面図である。
符号の説明
10、100 メンブレン
20、200 第1セル
30、300 第2セル
20a、210a アノード
21a、21b 触媒層
22a、22b 気体拡散層
20b、210b カソード
40、400 貫通ホール
50a、500a 第1伝導性テープ
50b、500b 第2伝導性テープ
50、500 圧着された伝導性テープ

Claims (15)

  1. メンブレンの両面から所定間隔で離隔されて結合され、一面にアノード、他面にカソードが位置する第1セルと第2セルとを電気的に接続して燃料電池を製造する方法であって、
    前記第1セルと前記第2セルとの間の前記メンブレンに貫通ホールを穿孔する段階と、
    前記貫通ホールを通して前記第1セルのアノードと前記第2セルのカソードとを伝導性部材を用いて互いに電気的に接続させる段階と、
    を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
  2. 前記第1セルは、前記メンブレンに積層される触媒層を含み、前記アノードと前記カソードとは前記触媒層を含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の製造方法。
  3. 前記第1セルは、前記触媒層に積層される気体拡散層をさらに含み、前記アノードと前記カソードとは前記気体拡散層を含むことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池の製造方法。
  4. 前記気体拡散層は、カーボンペーパー(carbon paper)、カーボン布地(carbon cloth)、及びカーボンフェルト(carbon felt)からなる群より選ばれる少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池の製造方法。
  5. 前記貫通ホールはレーザードリリングで形成されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の製造方法。
  6. 前記接続段階は、
    前記第1セルのアノードに電気的に接続され、前記貫通ホールをカバーするように、前記メンブレインの一面に第1伝導性テープを付着する段階と、
    前記第2セルのカソードに電気的に接続され、前記貫通ホールをカバーするように、前記メンブレインの他面に第2伝導性テープを付着する段階と、
    を含むことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の製造方法。
  7. 前記第2伝導性テープ付着段階の後、
    前記第1伝導性テープと前記第2伝導性テープとを圧着して互いに電気的に接続させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池の製造方法。
  8. 前記第1伝導性テープは、白金、銅、及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池の製造方法。
  9. 前記第1伝導性テープ付着段階は、前記第2セルのアノードと電気的に絶縁されるように前記第1伝導性テープを付着する段階を含むことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池の製造方法。
  10. メンブレンの一面にアノード、他面にカソードが位置する第1セルと第2セルとの間の前記メンブレンに穿孔される貫通ホールと、
    前記貫通ホールを通して前記第1セルのアノードと前記第2セルのカソードとを互いに電気的に接続させる伝導性部材と、
    を含むことを特徴とする燃料電池。
  11. 前記伝導性部材は、
    前記第1セルの前記アノードに電気的に接続され、前記メンブレンの一面に付着される第1伝導性テープと、
    前記第2セルの前記カソードに電気的に接続され、前記メンブレンの他面に付着されて、前記貫通ホールを通して前記第1伝導性テープと電気的に接続する第2伝導性テープと、
    を含むことを特徴とする請求項10に記載の燃料電池。
  12. 前記第1伝導性テープは、白金、銅、及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする請求項11に記載の燃料電池。
  13. 前記第1セルは、前記メンブレンに積層される触媒層を含み、前記アノードと前記カソードとは前記触媒層を含むことを特徴とする請求項10に記載の燃料電池。
  14. 前記第1セルは前記触媒層に積層される気体拡散層をさらに含み、前記アノードと前記カソードとは前記気体拡散層を含むことを特徴とする請求項13に記載の燃料電池。
  15. 前記気体拡散層は、カーボンペーパー、カーボン布地、及びカーボンフェルトの少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする請求項14に記載の燃料電池。
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