JP4966237B2

JP4966237B2 - 燃料電池及びその製造方法

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Publication number: JP4966237B2
Application number: JP2008081179A
Authority: JP
Inventors: 慧 ▲挺▼ 車; 龍洙 ▲呉▼; 宰赫張; 成漢金; クレイグ、ミエッセ
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-03-26
Also published as: JP2008262909A; KR100853015B1; US8197983B2; US20080261088A1

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

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、を含み、
前記第１セルは、
前記メンブレンに積層される触媒層と、
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触媒層及び前記気体拡散層からなり、
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み、
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燃料電池の製造方法。
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。
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１または請求項２に記載の燃料電池の製造方法。
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１から請求項３の何れか1項に記載の燃料電池の製造方法。
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１から請求項４の何れか1項に記載の燃料電池の製造方法。
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、を含み、
前記第１セルは、
前記メンブレンに積層される触媒層と、
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触媒層及び前記気体拡散層からなり、
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み、
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燃料電池。
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。