KR100572087B1 - 고분자 전해질형 연료전지 - Google Patents
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Abstract
우수한 시일성 및 안정한 출력특성을 가진 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다.
한 쌍의 도전성의 세퍼레이터판 사이에 있어서, 전해질막 전극접합체의 전해질막을 끼우고, 또한 전해질막 전극접합체의 전극과 세퍼레이터판 사이를 시일하는 한 쌍의 시일수단을 사용하는 연료전지에 있어서, 한 쌍의 시일수단을, 면형상으로 전해질막과 접하는 평면형상부분을 가진 평면형상 시일부재와, 선형상으로 전해질막과 접하는 리브를 가진 선형상 시일부재의 조합에 의해 구성하고, 전해질막, 전극 및 한 쌍의 세퍼레이터판이 적층되어 체결될 때, 리브의 적어도 일부가, 전극방향으로 기울여져 들어가는 형상으로 한다.
Description
도 1은 본 발명의 애노드측 세퍼레이터판의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 애노드측 세퍼레이터판의 배면도이다.
도 3은 본 발명의 캐소드측 세퍼레이터판의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 캐소드측 세퍼레이터판의 배면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1의 애노드측 시일용 복합부재의 정면도이다.
도 6은 도 5의 X1-X2선 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1의 캐소드측 시일용 복합부재의 정면도이다.
도 8은 도 7의 Y1-Y2선 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 2의 애노드측 시일부재의 정면도이다.
도 10은 도 9의 Z1-Z2선 단면도이다.
도 11은 실시형태 1의 다른 애노드측 시일용 복합부재의 단면도이다.
도 12는 실시형태 1의 또 다른 애노드측 시일용 복합부재의 단면도이다.
도 13은 실시형태 2의 다른 애노드측 시일부재의 단면도이다.
도 14는 실시예 1의 전지 A 및 비교예 2의 전지 C의 출력특성을 도시한 도면이다.
도 15는 실시예 2의 전지 D의 출력특성을 도시한 도면이다.
도 16은 실시예 3의 전지 E의 출력특성을 도시한 도면이다.
도 17은 실시예 4의 전지 G∼I의 출력특성을 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부소의 설명>
4a, 4b : 필름
5a, 5b : 점착층
10 : 애노드측 세퍼레이터판
11, 21, 41 : 체결용 볼트구멍
12, 22, 32, 42, 52 : 연료가스용 매니폴드구멍
13, 23, 33, 43, 53 : 산화제가스용 매니폴드구멍
14, 24, 34, 44, 54 : 냉각수용 매니폴드구멍
15, 25, 35, 45, 55 : 예비용 매니폴드구멍
12a, 13a, 14a : O링용 홈
12b, 23b : 가스유로
14b, 24b : 냉각수용 유로
20 : 캐소드측 세퍼레이터판
30 : 애노드측 시일용 복합부재
36, 56, 66, 76 : 애노드측 시일부재
36a, 66a, 76a : 리브
36b, 57a, 57b, 66b, 76b : 선단부
37, 57 : 전극 시일부
40 : 캐소드측 시일용 복합부재
46 : 캐소드측 시일부재
본 발명은, 휴대용 전원, 휴대기기용 전원, 전기자동차용 전원 및 가정내 코제너레이션시스템 등에 사용하는 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것이다.
고분자 전해질막을 사용한 연료전지는, 수소를 함유하는 연료가스와, 공기 등의 산소를 함유하는 산화제가스를, 전기화학적으로 반응시킴으로써, 전력과 열을 동시에 발생시킨다. 이 연료전지는, 수소이온을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질막, 및 고분자 전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극, 즉 애노드와 캐소드로 구성된다. 이것을 전해질막전극접합체(MEA)라 한다. 상기 전극은, 백금계 금속촉매를 담지(擔持)한 카본분말을 주성분으로 하고, 고분자 전해질막의 양면에 형성되는 촉매층, 및 상기 촉매층의 바깥면에 형성되는, 통기성과 전자도전성을 더불어 가지는 가스확산층으로 이루어진다.
다음으로, 공급하는 연료가스 및 산화제가스(반응가스)가 외부로 누출되거나, 이들 2종류의 반응가스가 서로 혼합되거나 하지 않도록, 전극의 주위에는, 고분자 전해질막을 끼워 가스켓 등의 시일재가 배치된다. 이 시일재는, 전극 및 고분자 전해질막과 일체화하여 미리 조립되고, 이것을, 전해질막전극 시일재접합체 (MESA)라 한다.
MEA의 바깥쪽에는, 이것을 기계적으로 고정함과 동시에, 인접한 MEA를 서로 전기적으로 직렬로 접속하는 도전성의 세퍼레이터판이 배치된다. 세퍼레이터판은, 전극면에 반응가스를 공급하고, 생성가스나 잉여가스를 운반하기 위한 가스유로를 가진다. 가스유로는, 세퍼레이터판과 별도로 설치할 수도 있지만, 세퍼레이터판의 표면에 홈을 형성하여 가스유로로 하는 방식이 일반적이다.
이 홈에 반응가스를 공급하기 위해서는, 반응가스를 공급하는 배관을, 사용하는 세퍼레이터판의 매수로 분기하고, 그 분기된 끝을 직접 세퍼레이터판 위의 홈에 연결해 넣기 위한 치구가 필요하다. 이 치구를 매니폴드라 하고, 상기와 같은 반응가스의 공급배관으로부터 직접 연결해 넣는 타입을 외부 매니폴드라고 한다. 또한, 이 매니폴드로는, 구조를 보다 간단하게 한 내부 매니폴드라고 하는 형식이 있다. 내부 매니폴드란, 가스유로를 형성한 세퍼레이터판에, 관통한 구멍을 형성하고, 가스유로의 출입구를 이 구멍까지 통과시켜, 이 구멍으로부터 직접 반응가스를 공급하는 것이다.
연료전지는 운전중에 발열하기 때문에, 전지를 양호한 온도상태로 유지하기 위해서는, 냉각수 등으로 냉각할 필요가 있다. 그래서 통상, 단전지 1∼3개마다 냉각수용 유로를 설치한다. 일반적으로는, 세퍼레이터판의 배면에 냉각수용 유로를 설치하여 냉각부로 하는 경우가 많다. 이들 MEA와 세퍼레이터판을 교대로 겹쳐 나가며, 단전지를 10∼200개 적층하여 스택을 얻은 후, 그 스택을 집전판 및 절연판을 통해 끝단판에서 끼워, 체결볼트로 양 끝단에서 고정한다. 이렇게 하여 일반 적인 구조를 가진 고분자 전해질형 연료전지를 얻을 수 있다.
그런데, 상기와 같은 고분자 전해질형 연료전지에 사용되는 시일재는, 세퍼레이터판과 전극을 접촉시키면서, 반응가스를 시일하기 위해서, 높은 치수정밀도, 충분한 탄성 및 충분한 조임값(반지름)을 가진 것이 필요하다. 이 때문에, 종래의 시일재로서는, 수지 또는 고무 등으로 이루어지는 시트형상의 가스켓, 또는 고무로 이루어지는 O링 형상의 가스켓 등이 사용되고 있다.
또한, 최근에는, 예를 들면, 특허문헌 1 및 2에 개시되어 있는 바와 같이, 스택의 체결하중을 저감함으로써 구조부재의 경량화, 간소화 및 저비용화를 이루기 위해서, 가스켓의 시일에 필요한 하중을 저감하는 것이 시도되고 있다. 또한, 가스켓의 단면형상도, O링 형상뿐만 아니라, 삼각형상 또는 반원형상 등으로 하는 것이 시도되고 있다.
O링 형상의 단면을 가지며, 또한 어느 정도 크기의 단면적을 가진 가스켓을 사용하는 경우는, 해당 가스켓을 세퍼레이터판측에 구성하는 것이 시도되고 있다. 그러나, 스택에 있어서는, 다수의 단전지가 적층되어 체결되어 있기 때문에, 신뢰성 좋게 시일성을 확보하기 위해서는, 상기 가스켓으로는 불충분하다고 하는 문제가 있다.
O링 형상의 가스켓을 사용할 경우, 해당 가스켓에 의해 전해질막을 세퍼레이터판에 압착함으로써 시일한다. 그 때문에, 애노드(연료극)와 전해질막과의 사이, 및 캐소드(산화제극)와 전해질막과의 사이의, 2개소에서 시일이 필요하고, 즉 연료가스 시일용 가스켓 및 산화제가스 시일용 가스켓이 필요하며, 시일(seal)해야 하 는 부위가 대형화한다고 하는 문제가 있다.
또한, 0링 형상의 가스켓이 들어가는 홈을 세퍼레이터판의 표면에 형성할 필요가 있고, 그 홈의 치수를 확보하기 위해서 세퍼레이터판을 얇게 할 수 없는 등의 제약이 있다. 이에 따라, 스택의 부피의 증대, 비용의 증대, 및 세퍼레이터판 형상의 복잡화를 초래하여, 세퍼레이터판 가공시에 있어서의 생산수율이 악화하는 원인이 되고 있었다. 이러한 문제점을 해소하기 위해서, 공간을 절약하여 시일하는 것이 시도되고 있다.
또한, 스택을 조립할 때에, 세퍼레이터판상에 MESA 또는 MEA를 배치하고, 더욱 그 MEA 위에 세퍼레이터판, 또는 O링 형상 가스켓과 세퍼레이터판을 배치한다. 이 공정을 반복하여 스택을 얻는다. 그 때, MEA 위에 배치하는 O링 형상 가스켓 또는 세퍼레이터판은, 일반적으로 조립용 치구인 가이드를 사용하여 배치하고 있다. 그러나, 각 부재에는 치수오차가 있어, 전극과, 0링 형상 가스켓 또는 세퍼레이터판과의 조합의 용이함의 관점에서, O링 형상 가스켓과 전극과의 사이에는, 간극(clearance)이 필요하다. 이 간극은, 작업성 또는 제조의 생산수율을 확보하기 위한 것이기도 하다.
이 간극이 작은 경우, 신뢰성 높게 스택을 조립·부착하는 것이 곤란한 경향이 있다. 예컨대, 0링 형상 가스켓이 전극의 일부를 물어, 시일불량이 생긴다. 또한, 전극에 0링 형상 가스켓이 접촉함으로써, 전극에 대하여 과대한 면압(面壓)이 가해져, 전해질막의 파손이나 내구성의 저하 등에 의해 전지성능이 저하할 가능성이 있다.
따라서, 0링 형상 가스켓과 전극과의 사이의 간극을 작게 할 경우에는, 부품치수의 정밀도를 향상시키지 않으면, 생산수율의 저하 및 부품비용의 상승을 초래해 버린다. 특히, 성형 세퍼레이터판을 사용하는 경우에는, 조립·부착시에 사용하는 가이드 등의 가공정밀도에 한계가 있기 때문에, 0링 형상 가스켓과 전극과의 사이의 간극을 저감시키는 것이 곤란하다. 이 때문에, 성형에 의해 세퍼레이터판을 얻은 후, 가이드부분을 후(後)가공으로 추가하고 있으며, 비용을 필요로 하고 있었다.
한편, 조립·부착성을 확보하기 위해서, O링 형상 가스켓과 전극과의 사이의 간극을 크게 하면, 반응가스가 그 간극으로 흘러 들어가, 세퍼레이터판의 가스유로에 반응가스가 흐르지 않게 될 가능성이 있다. 또한, MEA 및 O링 형상 가스켓의 조립 오차 등에 의해 각 단전지마다의 간극에 격차가 생기면, 각 단전지사이의 압력손실에 격차가 생겨 버린다. 이 때, 스택에 있어서 각 단전지의 압력손실에 걸맞는 반응가스가 각각의 단전지에 흐르기 때문에, 반응가스의 유량에 격차가 생긴다. 이 때문에, 각 단전지 사이의 전지성능이 격차, 발전전압의 저하, 내구성의 저하, 및 저출력 운전시 안정성의 저하 등의 폐해가 생겨 버린다. 이들 증상은, 반응가스의 이용률이 비교적 큰 연료가스측에서 현저하였다.
또한, 평평한 형상의 가스켓을 사용하는 경우는, 가스켓이 차지하는 부피를 줄이는 것은 가능하지만, 상기 스택의 조립에 관한 문제나 간극에 관한 문제는, 0링 형상 가스켓의 경우와 마찬가지로 존재한다. 더욱이, 시일에 필요한 면압을 확보하기 위해서는, 과대한 체결력이 필요하다. 따라서, 스택 체결부재의 경량화, 콤팩트화, 저비용화가 곤란하다.
[특허문헌 1] 일본 공개특허공보 평성 11-233128호
[특허문헌 2] 일본 공개특허공보 2002-141082호
따라서, 본 발명은, 스택의 조립·부착시에는, 신뢰성이 높게 단전지를 적층할 수 있고, 또한 스택의 체결시에는, 시일재와 전극과의 사이의 간극을 줄일 수 있어, 뛰어난 시일성 및 안정된 출력특성을 가진 고분자 전해질형 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 연료전지는, 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 배치한 한 쌍의 전극과, 상기 전극을 끼워 상기 전극에 반응가스를 공급하는 가스유로를 가진 한 쌍의 도전성 세퍼레이터판과, 상기 한 쌍의 세퍼레이터판 사이에서 상기 전해질막을 끼우고, 또한 상기 전극과 상기 한 쌍의 세퍼레이터판과의 사이의 기밀을 유지하는 한 쌍의 시일수단을 구비하고,
상기 한 쌍의 시일수단이, 면 형상으로 상기 전해질막과 접하는 평면형상부분을 가진 평면형상 시일부재와, 선 형상으로 상기 전해질막과 접하는 리브를 가진 선 형상 시일부재와의 조합에 의해 구성되며,
상기 전해질막, 상기 전극 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터판이 적층되어 체결될 때, 상기 리브의 적어도 일부가, 상기 전극방향으로 기울여져 들어가는 것을 특징으로 한다.
상기 연료전지에 있어서는, 상기 리브가, 상기 전해질막, 상기 전극 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터판이 적층되어 체결될 때, 상기 리브의 전체가, 상기 전극방향으로 기울여져 들어가도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 리브의 구체적인 형태로서는, 상기 리브가, 상기 전극측으로 구부러져 있고, 상기 전해질막, 상기 전극 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터판이 적층되어 체결될 때, 상기 리브가, 상기 전극측으로 휘어져 만곡되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 리브는, 상기 전극측으로 경사져 있고, 상기 전해질막, 상기 전극 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터판이 적층되어 체결될 때, 상기 리브가, 상기 전극측으로 기울여져 들어가는 것도 바람직하다.
상기 리브가, 상기 적층방향의 단면에 있어서, 상기 전해질막에 접하는 앞끝단에 원 형상 부분을 가지며, 상기 원 형상 부분의 지름이, 실질적으로 상기 전극의 두께의 반 이상인 것이 바람직하다.
상기 리브의, 상기 적층방향에서의 단면이 선 형상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 리브의 상기 적층방향에서의 단면이, 상기 전극측으로 볼록형상이고 또한 상기 전극과 반대측으로 오목형상이며, 상기 전해질막, 상기 전극 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터판이 적층되어 체결될 때, 상기 리브의 일부가 상기 전극측으로 튀어나오는 것이 바람직하다.
상기 한 쌍의 시일부재가 점착층(粘着層)을 가진 것이 바람직하다. 상기 점착층이 내산성을 가진 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 시일성의 확보, 전지성능 저하의 억제, 조립성의 용이화, 체결력의 저감에 의한 스택구성부재의 콤팩트화, 및 시일에 필요한 공간의 콤팩트화에 의한 세퍼레이터판의 박형화가 가능해진다. 또한, 세퍼레이터판에 설치되는 가이드부의 치수 러프(rough)화가 가능하고, 세퍼레이터판 성형후에 가이드부를 가공할 필요가 없어진다. 이에 따라, 얻어지는 연료전지의 신뢰성의 향상, 대량생산시에 있어서의 생산수율의 향상, 콤팩트화, 및 대폭적인 비용저감이 가능해진다.
[발명의 실시형태]
본 발명에 관한 연료전지의 포인트는, 한 쌍의 시일수단이, 평면형상 시일부재와, 선 형상 시일부재로 구성되어 있는 점에 있다.
평면형상 시일부재는, 주로, 세퍼레이터판의 면 방향으로 대략 평행한 평면부분으로 구성된다. 또한, 선 형상 시일부재는, 주로, 세퍼레이터판의 면 방향에 교차하는 방향으로 이어진 리브(rib){립(lip)형상 부분}로 구성되고, 리브의 앞끝단부에서의 선(線)시일부위가, 상기 평면형상 시일부재측에 실질적으로 선 형상으로 접함으로써 시일을 행한다.
그리고, 상기 리브는, 상기 선 형상 시일부재 체결시에 전극측으로 기울여져 들어가는 형상을 가진 점에 특징이 있다. 이로부터, 한 쌍의 시일수단과 세퍼레이터판과 전극을 적층하여, 스택을 체결하여 연료전지를 제작할 때, 실질적으로 상기 리브가, 세퍼레이터판과 전해질막과 끼워져 체결되어 간다. 이 때, 상기 리브를 전극측으로 기울여져 들어가면서 시일성이 발현되어 가고, 체결완료시에는 선 형상 시일부재와 전극과의 빈틈(간극)이, 압착되어 전극측으로 기울여져 들어간 리브에 의해 막힐 수 있다. 체결이 시작되고 있지 않은 각 부재의 조립·부착시에는, 세 퍼레이터판, 시일수단 및 전극의 각 부재끼리가 간섭하지 않도록 간극이 확보되어, 각 부재의 간섭에 의해 야기되는 시일불량 등의 조립불량이 생기지 않는다.
즉, 본 발명에 있어서의 선 형상 시일부재는, 전극과 세퍼레이터판과의 사이에 끼워지기 이전에는, 선(線)시일부위와 전극과의 사이에 충분한 간극을 확보하는 형상을 가지며, 전극과 세퍼레이터판과의 사이에 끼워져 체결된 후에는, 시일 조임값(반지름)을 가진 상태로, 선 형상 시일부재의 리브의 적어도 일부가 전극측을 향하여 기울어져, 해당 선 형상 시일부재와 전극과의 간극에 진입하여, 상기 간극을 줄이는 것이다.
이러한 한 쌍의 시일수단을 사용함으로써, 안정된 시일성을 얻을 수 있고, 시일에 필요한 공간을 줄여, 스택체결하중을 저감시킬 수 있다. 또한, 스택 조립·부착시에는, 특히 선 형상 시일부재와 전극과의 사이의 간극을 충분히 확보할 수 있고, 스택 체결시에는, 선 형상 시일부재의 리브가 전극측으로 만곡하거나, 기울여져 들어감으로써, 조립할 때보다도 간극을 작게 할 수가 있다. 이에 따라, 간극에 반응가스가 유출하는 것을 억제할 수 있고, 안정된 발전성능을 얻을 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 신뢰성이 높은 조립성의 확보에 의한 시일성의 확보와, 간극의 저감에 의한 반응가스의 간극으로의 유출저감, 및 그에 따른 전지성능의 개선이 가능하다. 또한, 조립·부착시에 있어서의 세퍼레이터판에 필요한 가이드부위의 정밀도저감에 의한 세퍼레이터판에의 후(後)가공의 폐지 및 제조시의 생산수율의 향상, 및 그에 따른 비용의 저감, 시일부재가 차지하는 공간의 저감에 의한 전지적층체의 부피의 저감, 스택체결력의 저감에 의한 경량화, 콤팩트화 및 저 비용화가 가능해진다.
또한, 선 형상 시일부재에 있어서는, 선(線)시일부위를 포함하는 리브의, 상기 적층방향에서의 단면이, 전극측으로 볼록 형상이고, 전극과 반대측으로 오목형상을 가진 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 리브가 이러한 단면형상을 가진 것으로, 스택체결시에 적층방향에서 상기 리브에 체결하중이 가해진 경우, 상기 전해질막에 선 형상으로 접하는 동시에, 또한 전극측으로 휘어져 만곡한다. 즉, 상기 리브가 볼록형상으로 만곡하면서, 선형상 시일부재가 스택사이에 체결된다.
그 때문에, 상기 선 형상 시일부재의 탄성에 기초한, 세퍼레이터판 및 전해질막으로의 반력(反力)에 의해서, 시일성이 확보된다. 또한, 선 형상 시일부재와 전극의 간극을 충분히 확보하더라도, 만곡한 리브가 전극방향으로 돌출함으로써, 선 형상 시일부재와 전극과의 사이의 간극을 줄일 수가 있다. 간극이 줄어드는 것에 의해, 간극을 통하여 전극에서 반응하지 않고 흐르고 있는 연료가스 또는 산화제가스를, 본래 흘러야 하는 세퍼레이터판의 유로로 흐르게 할 수 있다.
이에 따라, 상술한 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 신뢰성이 높은 조립성의 확보에 의한 시일성의 확보와, 간극의 저감에 의한 반응가스의 간극으로의 유출저감, 및 그에 따른 전지성능의 개선이 가능하다. 또한, 조립부착시에 있어서의 세퍼레이터판에 필요한 가이드부위의 정밀도 저감에 의한 세퍼레이터판에의 후가공의 폐지 및 제조시의 생산수율의 향상, 및 그에 따른 비용의 저감과, 시일부재가 차지하는 공간의 저감에 의한 전지적층체의 부피의 저감과, 스택체결력의 저감에 의한 경량화, 콤팩트화 및 저 비용화가 가능해진다.
또한, 선 형상 시일부재에 있어서 체결시에 전극측으로 기울여져 들어가는 상기 리브는, 상기 적층방향의 단면에 있어서, 앞끝단부에 원 형상 부분을 가지며, 상기 원형상 부분의 지름이, 실질적으로 상기 전극의 두께의 반 이상인 것이 바람직하다. 한편, 상기 앞끝단부가 상기 전해질막에 선 형상으로 접하는 선(線)시일부위에 해당한다.
이에 따라, 스택을 체결하였을 때, 선 형상 시일부재가 세퍼레이터판 또는 전해질막에 대하여 발생하는 반력이 커져, 보다 안정된 시일성을 확보하는 것이 가능하다. 즉, 선형상 시일부재가 세퍼레이터판과 전해질막에 끼워져 스택이 체결되어 갈 때, 리브가 전극측으로 만곡하거나, 또는 경사지거나, 또는 기울여져 들어가서, 간극을 채우고, 리브의 앞끝단의 원형상 부분은, 세퍼레이터판과 전해질막과 끼워져 압축된다. 그 때, 원형상 부분이 전극두께의 반 이상의 지름을 가지고 있기 때문에, 소정량 압축되면 보다 큰 반력을 발휘한다. 그 때문에, 시일성이 향상하여, 보다 안정된 시일을 얻는 것이 가능해진다.
상기 평면형상 시일부재 및 선 형상 시일부재를 구성하는 재료로서는, 예컨대 불소고무, 폴리이소프렌, 부틸고무, 에틸렌프로필렌고무, 실리콘고무, 니트릴고무, 열가소성 엘라스토머, 액정폴리머, 폴리이미드수지, 폴리 에테르에테르케톤수지, 폴리에테르이미드수지, 폴리페닐렌설파이드수지, 테레프탈아미드수지, 폴리에테르술폰수지, 폴리술폰수지, 신디오탁틱폴리스틸렌수지, 폴리메틸펜텐수지, 변성폴리페닐렌에테르수지, 폴리아세탈수지, 폴리프로필렌수지, 불소수지, 및 폴리에틸렌테레프탈레이트수지 등을 들 수 있다. 이들을 단체, 또는 2종 이상의 복합체로 서 사용하여도 좋다.
상기 평면형상 시일부재 및 선 형상 시일부재의, 전해질막에 접하는 부분 및/또는 세퍼레이터판에 접하는 부분에는, 점착층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상술한 선 형상 시일부재에 있어서의 리브의 앞끝단부(선시일 부위)는, 전해질막에 누름접합되어 시일성을 확보한다. 그 때, 전해질막과 접하는 리브의 앞끝단부에 점착층이 형성되어 있으므로, 시일부재 자체의 반력이 약하더라도, 점착층의 점착력에 의해서 안정한 시일성을 얻을 수 있다.
상기 점착층을 구성하는 재료로서는, 예컨대 스틸렌과 에틸렌부틸렌의 공중합체, 폴리이스부틸렌, 에틸렌프로필렌고무, 및 부틸고무 등을 들 수 있다. 이들은, 단체 또는 2종 이상의 복합체로서 사용하여도 좋다.
또한, 장시간에 있어서의 시일부재의 시일성을 확보하기 위해서, 상기 점착층이 내산성인 것이 바람직하다. 예컨대 수소이온전도성을 가진 전해질막을 사용하는 경우, 점착층과 접하는 전해질막 부분은 이온전도성이 발현한 상태로 산성을 보인다. 그 때문에, 전해질막과 접하고 있는 점착층 부분이 장기간에 걸쳐 안정된 시일성을 얻기 위해서는, 해당 점착층은 내산성을 갖고 있는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하면서 설명한다.
<실시형태 1>
애노드측 세퍼레이터판의 정면도를 도 1에, 그 배면도를 도 2에 나타낸다.
도전성을 가진 애노드측 세퍼레이터판(10)은, 한 쌍의 연료가스용 매니폴드구멍(12), 한 쌍의 산화제가스용 매니폴드구멍(13), 한 쌍의 냉각수용 매니폴드구 멍(14), 및 한 쌍의 예비용 매니폴드구멍(15) 및 4개의 체결용 볼트구멍(11)을 가진다.
애노드측 세퍼레이터판(10)의 애노드에 대향하는 면에는, 한 쌍의 연료가스용 매니폴드구멍(12)에 연결되어 애노드에 연료가스를 공급하는 가스유로(12b)가 설치된다. 가스유로(12b)는, 4개의 홈으로 구성되어 있다.
세퍼레이터판(10)의 배면에는, 한 쌍의 냉각수용 매니폴드구멍(14)을 연결하는 냉각수용의 유로(14b)가 설치된다. 유로(14b)는, 병행하는 6개의 홈에 의해 구성되어 있다. 각 한 쌍의 연료가스용 매니폴드구멍(12), 산화제가스용 매니폴드구멍(13)의 주위를 둘러싸도록 O링을 설치하기 위한 O링용 홈(12a 및 13a)이 형성된다. 또, 냉각수용 매니폴드구멍(14), 예비용 매니폴드구멍(15) 및 냉각수용 유로(14b)의 주위를 둘러싸는 O링용 홈(14a)이 형성된다.
캐소드측 세퍼레이터판의 정면도를 도 3에, 그 배면도를 도 4에 나타낸다.
도전성을 가진 캐소드측 세퍼레이터판(20)은, 한 쌍의 연료가스용 매니폴드구멍(22), 한 쌍의 산화제가스용 매니폴드구멍(23), 한 쌍의 냉각수용 매니폴드구멍(24) 및 한 쌍의 예비용 매니폴드구멍(25), 및 4개의 체결용 볼트구멍(21)을 가진다.
캐소드측 세퍼레이터판(20)의 캐소드에 대향하는 면에는, 한 쌍의 산화제가스용 매니폴드구멍(23)에 연결되어 캐소드에 산화제가스를 공급하는 가스유로(23b)가 설치된다. 가스유로(23b)는, 7개의 홈으로 구성되어 있다.
세퍼레이터판(20)의 배면에는, 한 쌍의 냉각수용 매니폴드구멍(24)을 연결하 는 냉각수용의 유로(24b)가 설치된다. 유로(24b)는, 병행하는 6개의 홈으로 구성되어 있다.
여기서, 도 5에, 애노드측 시일부재로서 사용하는 선 형상 시일부재의 정면도를 나타내고, 도 6에, 도 5에 있어서의 X1-X2선 단면도를 나타낸다. 또한, 도 7에, 캐소드측 시일부재로서 사용하는 평면형상 시일부재의 정면도를 나타내고, 도 8에, 도 7에 있어서의 Y1-Y2선 단면도를 나타낸다. 이 선 형상 시일부재 및 평면형상 시일부재의 조합이, 본 발명의 최대의 특징인 한 쌍의 시일수단이다. 한편, X1-X2선 단면 및 Y1-Y2선 단면은, 연료전지의 적층방향에서의 단면이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 애노드측 세퍼레이터판(10)상에 접착시키는 선 형상 시일부재(30)는, 폴리이미드로 이루어지는 필름(4a), 그 한쪽 면에 리브{립(lip)형상 부분}(36a)를 가진 선 형상의 베이스 시일부재(36), 및 다른 쪽 면에 형성되어 애노드측 세퍼레이터판(10)과 접착하는 점착층(5a)으로 구성되어 있다.
상기 리브(36a)는, 고분자 전해질막과 선 형상으로 접하는 앞끝단부(36b)가 실질적으로 원 형상을 가지며, 상기 베이스 시일부재(36)를 따라 설치된다. 리브(36a)는, 적층전지의 누름방향(적층방향)에 있어서, 선 형상을 가지며, 전극측으로 구부러져 있다. 그리고, 상기 앞끝단부(36b)가 상기 전해질막을 통해 후술하는 캐소드측의 평면형상 시일부재에 선 형상으로 접촉한다. 또한, 앞끝단부(36b)의 원의 지름은, 전극의 두께보다 큰 1mm로 한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 선 형상 시일부재(30)는, 애노드측 세퍼레이터판 에 있어서의 가스유로(12b) 및 한 쌍의 연료가스용 매니폴드구멍(12)의 바깥둘레를 둘러싸며 1개의 폐쇄 루프를 구성하는 제 1 애노드측 시일부와, 산화제가스용 매니폴드구멍(13), 냉각수용 매니폴드구멍(14) 및 예비용 매니폴드구멍(15)을 각각 독립적으로 둘러싸는 매니폴드구멍 시일부(33a, 34a 및 35a)를 가진다. 또한, 베이스 시일부재(36)는, 상기의 캐소드측 세퍼레이터판(20)에 있어서의 연결용 가스유로(23b)의 양측을 둘러싸는 시일부(38c 및 38d)를 가진다.
또한, 선 형상 시일부재(30)는, 애노드를 둘러싸는 전극시일부(37)와, 연료가스용 매니폴드구멍(32)의 바깥쪽 반을 둘러싸는 매니폴드구멍 시일부(32a)와, 상기 전극시일부(37)와 상기 매니폴드구멍 시일부(32a)를 연결하여, 가스유로(12b)의 양측을 둘러싸는 시일부(38a 및 38b)로 이루어진다.
더욱, 선 형상 시일부재(30)는, 연료가스용 매니폴드구멍 시일부(32a)와 산화제가스용 매니폴드구멍 시일부(33a)를 연결하는 시일부(39a), 연료가스용 매니폴드구멍 시일부(32a)와 냉각수용 매니폴드구멍 시일부(34a)를 연결하는 시일부(39b), 산화제가스용 매니폴드구멍 시일부(33a)와 예비용 매니폴드구멍 시일부(35a)를 연결하는 시일부(39c), 냉각수용 매니폴드구멍 시일부(34a)와 예비용 매니폴드구멍 시일부(35a)를 연결하는 시일부(39d)를 가진다.
상기 필름(4a) 및 점착층(5a)은, 상기 베이스 시일부재(36)와 같은 형상이고, 이들이 포개어져 애노드측 선 형상 시일부재(30)가 형성되어 있다.
한편, 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 캐소드측 세퍼레이터판(20)에 접착되는 캐소드측의 평면형상 시일부재(40)는, 폴리이미드로 이루어지는 필름(4b), 그 한쪽 면에 형성된 평판형상의 베이스 시일부재(46) 및 다른 쪽 면에 형성되어 세퍼레이터판과 접착하는 점착층(5b)으로 구성되어 있다.
상기 필름(4b) 및 점착층(5b)은, 캐소드측 세퍼레이터판(20)에 있어서의 각 매니폴드구멍과 대응하는 연료가스용 매니폴드구멍(42), 산화제가스용 매니폴드구멍(43), 냉각수용 매니폴드구멍(44) 및 예비용 매니폴드구멍(45) 및 볼트구멍(41)을 가지며, 캐소드와 대응하는 부분(전극설치부)(47)은 절개되어 있다.
상기 캐소드측의 베이스 시일부재(46)는 평판형상이고, 상기 필름(4b) 및 점착층(5b)과 같은 형상이다.
상기의 애노드측 선 형상 시일부재(30)에 있어서의 점착층(5a)측의 면을 애노드측 세퍼레이터판(10)의 애노드와 대향하는 측의 면에 접착시킴으로써, 애노드측 베이스 시일부재(36)가 애노드측 세퍼레이터판(10)에 고정된다.
한편, 캐소드측의 평면형상 시일부재(40)에 있어서의 점착층(5b)측의 면을 캐소드측 세퍼레이터판(20)의 캐소드와 대향하는 측의 면에 접착시킴으로써, 캐소드측 베이스 시일부재(46)가 캐소드측 세퍼레이터판(20)에 고정된다.
그리고, 전해질막을 통해 상기 캐소드측의 평면형상 시일부재(40)와 상기 애노드측의 선 형상 시일부재(30)를 양 세퍼레이터판으로 끼워, 누름접합함으로써 시일이 이루어진다.
상기의 애노드측의 선 형상 시일부재(30)를 구비한 애노드측 세퍼레이터판(10) 및 캐소드측의 평면형상 시일부재(40)를 구비한 캐소드측 세퍼레이터판(20)으로, 한 쌍의 전극 및 전해질막으로 이루어지는 MEA를 끼움으로써 단전지가 구성된 다. 이 경우, 각각의 전극의 면적은 전해질막의 면적보다도 작고, 전극이 전해질막의 중앙에 위치한다. 그 때문에, MEA의 주변에는 전해질막이 노출하고 있는 상태이다. 이 노출부분이, 상기 선 형상 시일부재(30) 및 평면형상 시일부재(40)에 의해서 끼워진다.
일반적으로는, 가이드 핀을 세운 소정의 조립용 치구를 사용하여 단전지를 조립한다. 이하에 그 조립의 순서의 일례를 나타낸다.
우선, 조립 치구상에, 상기의 캐소드측의 평면형상 시일부재(40)를 구비한 캐소드측 세퍼레이터판(20)을 배치한다. 이어서, MEA를 가이드 핀을 따라 캐소드측 세퍼레이터판(20)상에 배치한다. 또, 애노드측의 선 형상 시일부재(30)를 구비한 애노드측 세퍼레이터판(10)을 MEA 상에 배치한다.
상기와 같은 순서로 단전지를 조립하는 경우, 애노드측 세퍼레이터판(10)을 조립할 때에는, MEA와 애노드측의 선 형상 시일부재(30)와의 위치관계를 눈으로 확인할 수 없다. 그 때문에, 애노드측의 선 형상 시일부재(30)가 조금 어긋나기도 하는 경우가 있다. 그러나, 본 실시형태의 애노드측의 선 형상 시일부재(30)를 사용하면, 단전지의 조립시에 있어, MEA와 애노드측의 선 형상 시일부재(30)에 있어서의 전극시일부(37)와의 사이에, 충분한 간극을 형성할 수 있다. 이 때문에, 애노드측의 선 형상 시일부재(30)가 MEA에 올려 놓여지는 일이 없고, 안정적으로 시일성을 확보할 수가 있다.
또한, 단전지 복수 개를 적층하여 스택을 구성할 때, 스택을 체결하면, 애노드측의 선 형상 시일부재(30)에 있어서 전극측으로 구부러진 형상의 리브(36a)가, MEA에서의 애노드측으로 만곡하고, 애노드를 둘러싸는 전극시일부(37)와 MEA에서의 애노드와의 사이의 간극이 작아진다. 이 때문에, 스택을 사용할 때에는, 간극으로의 반응가스의 유출을 저감할 수 있고, 안정된 발전성능을 얻을 수 있다.
또, 상기 구성의 애노드측의 선 형상 시일부재(30)에 있어서는, 애노드와 산화제가스용 매니폴드구멍(33)이, 매니폴드구멍 시일부(33a) 및 전극시일부(37)에 의해 각각 격리되어 있다. 애노드와 매니폴드구멍(33)은, 매니폴드구멍 시일부(33a) 또는 전극시일부(37)만에 의해 격리되어 있어도 좋다.
또한, 상기 구성의 캐소드측의 평면형상 시일부재(40)는, 캐소드측 세퍼레이터판(20)에 있어서, 캐소드 및 각 매니폴드구멍에 대응하는 부분 이외의 주된 면 전체를 덮는 형상을 갖지만, 애노드측의 선 형상 시일부재(30)에 대응하는 부분만으로 구성하여도 좋다.
또, 상술의 선 형상 시일부재 및 평면형상 시일부재에는, 스택 체결시에 서로 대응하지 않는 부분이 있다. 예를 들면, 도 5에 나타내는 선 형상 시일부재(30)에 있어서, 매니폴드구멍 시일부(32a)는, 연료가스용 매니폴드구멍(32)의 반밖에 둘러싸지 않고, 연료가스용 매니폴드구멍(32)과 애노드와의 사이에는 시일부재가 존재하지 않는다. 이 존재하지 않는 부분에서는, 선 형상 시일부재는 평면형상 시일부재와 서로 대응하지 않는다. 그러나, 스택을 구성할 때에는, 탄성을 가진 시일부재가, 양 세퍼레이터판에 의해 적당한 압력으로 압착되기 때문에, 상기 양 시일부재가 서로 대응하지 않고 있더라도, 시일부재의 한 쪽이 직접 세퍼레이터판에 접촉함으로써 시일할 수 있다.
또한, 상기 존재하지 않는 부분에 커버 플레이트 등의 부재를 설치하고, 해당 부재를 평면형상 시일부재와 대응시켜 시일하더라도 좋다. 예컨대, 도 5의 시일부(38a 및 38b)의 사이에 있어서의 캐소드측 평면형상 시일부재(40)와 서로 대응하는 위치에, 가스유로(12b)의 위쪽을 덮는 커버 플레이트를 설치하더라도 좋다.
또, 실시형태 1의 애노드측 세퍼레이터판(10)에 있어서의 선 형상 시일부재(30)의 리브의 단면형상은, 도 6의 형상에 한정되지는 않는다. 도 11 및 12에 도시한 바와 같이, 전해질막과 선 형상으로 접하는 앞끝단부(66b, 76b)를 가진 리브(66a, 76a)와 같은 형상이더라도 좋다. 이 리브(66a, 76a)는, 스택의 적층방향(누름접합방향)에 대하여 전극측으로 기울어져 있고, 스택의 체결시에 전극측{리브(66a 및 76a)의 왼쪽}으로 기울여져 들어가도록 하는 구성을 가진다.
이 때, 리브(66a, 76a)의 체결후에 있어서의 기울여져 들어가는 각도(도면 오른쪽에 나타내는 기울여 넣기 전(점선)부터 기울여 넣은 후(실선)의 사이에 기울어진 만큼의 각도)를 θ, 리브(66a, 76a)의 길이를 L로 하면, Lsinθ분만큼 전극과 시일부재의 사이의 간극을 감소시키는 것이 가능해진다.
또한, 리브의 앞끝단부(36b)의 단면형상이 실질적으로 원 형상을 이루고 있으며, 본 실시형태에서는 그 지름이 전극의 두께 이상인 것으로, 스택을 체결하였을 때, 시일부재에 의해서 큰 반력을 얻을 수 있어, 안정된 시일을 확보할 수 있다.
리브의 앞끝단부(36b)의 원단면 형상의 지름을 변화시켜, 전극두께의 반 이상의 지름을 가진 경우, 안정된 시일성을 얻기 쉬운 것을 알 수 있다. 통상, 전극 을 세퍼레이터판으로 누름접합시켜 나가는 경우, 전극과 세퍼레이터판과의 접촉저항을 저감하여, 얻어진 전지전압을 효율적으로 출력하기 위해서 10kgf/㎠정도의 면압으로 체결한다. 이 때, 전극은 초기의 두께의 거의 반의 두께까지 압축되어 있는 것을 알 수 있다. 그 때문에, 리브의 앞끝단부(36b)의 지름이 전극 초기두께의 반 이상이면, 체결시에 반력이 커져 시일성이 향상하는 것을 알 수 있다.
또한, 리브의 앞끝단부(36b)의 지름이, 전극의 초기두께의 3배 이상 있는 경우는, 시일성은 얻어졌지만, 세퍼레이터판과 전극과의 접촉저항이 증가하기 때문에, 적층전지의 출력전압이 저하하는 경향이 있다. 그 때문에, 리브의 앞끝단부(36b)의 지름은, 전극 초기두께의 3배 미만인 것이 바람직한 것을 알 수 있다.
<실시형태 2>
다음으로, 다른 실시형태에 관한 애노드측의 선 형상 시일부재의 정면도를 도 9에 나타내고, 도 10에, 도 9에 있어서의 Z1-Z2선 단면도를 나타낸다.
본 실시형태의 애노드측의 선 형상 시일부재(56)에는, 도 5 및 6을 사용하여 상술한 애노드측의 선 형상 시일부재(30)에 있어서의 리브(36a)에 해당하는 리브형상(립형상) 시일부재(56a)만으로 구성된다.
또한, 본 실시형태의 애노드측의 선 형상 시일부재(56)에는, 도 5에 나타내는 선 형상 시일부재(30)의 전극시일부 및 각 매니폴드구멍 시일부(33a, 34a 및 35a)에 해당하는 위치에, 리브형상 시일부재(56a)가 설치된다. 그리고, 리브형상 시일부재(56a)는, 도 9중의 시일부(52a, 53a, 54a, 55a, 57, 58a 및 58b)에 설치된 다.
리브형상 시일부재(56a)는, 스택에 있어서의 적층방향(누름접합방향)에 대하여 전극측으로 구부러진 형상을 가지며, 세퍼레이터판 및 전해질막과 선 형상으로 접하는 앞끝단부(57a, 57b)를 각각 가지고 있다. 그리고, 스택체결시에, 리브형상 시일부재(56a)는 전극방향으로 구부러져 만곡하고, 앞끝단부(57a)는 세퍼레이터판에 고정되고, 앞끝단부(57b)는, 전지조립시에 상기 전해질막을 통해 후술하는 캐소드측의 평면형상 시일부재에 선 형상으로 접촉한다.
또한, 본 실시형태의 애노드측의 선 형상 시일부재(56)로서는, 상기 실시형태 1에 있어서의 선 형상 시일부재(30)에서의 시일부(38c, 38d, 39a, 39b 및 39c)에 해당하는 위치에 얇은 판 형상의 시일부재(56b, 58c, 58d, 59a, 59b 및 59c)가 설치되어 있고, 상기의 각 리브형상 시일부재를 연결하여 일체화하고 있다.
본 실시형태의 더욱 콤팩트한 애노드측의 선 형상 시일부재와, 상기 실시형태 1의 캐소드측 시일부재를 조합하여 사용함으로써, 실시형태 1과 동일한 효과를 얻을 수 있으며, 뛰어난 시일성을 확보할 수가 있다.
또, 실시형태 2의 애노드측 세퍼레이터판상에 있어서의 리브형상 시일부재의 형상은, 도 13과 같은 양 앞끝단부에 전해질막 및 애노드측 세퍼레이터판(10)과 각각 접하는 앞끝단부(87a, 87b)를 가진 직선형상의 리브형상 시일부재(87)와 같은 형상이더라도 좋다.
이 경우, 앞끝단부(87b)는, 점착제에 의해 애노드측 세퍼레이터판(10)에 고정되고, 앞끝단부(87a)는 앞끝단부(87b)보다도 전극측{리브형상 시일부재(87)의 왼 쪽}에 위치한다. 즉, 리브형상 시일부재(87)는, 애노드측 세퍼레이터판(10)상에 있으며, 전극측으로 경사져 있다. 이 때문에, 리브형상 시일부재(87)는, 스택체결시에는, 앞끝단부(87b)를 지점으로 하여 전극측으로 기울여져 들어감으로써, 전극과 리브형상 시일부재의 간극을 줄일 수가 있다.
또, 점착제에는, 예를 들면, 스틸렌과 에틸렌부틸렌의 공중합체를 사용할 수 있다. 스틸렌과 에틸렌부틸렌의 공중합체를 포함하는 톨루엔용액을 시일부재의 소정위치에 도포 후, 50℃의 건조로 속에서 용매의 톨루엔을 제거함으로써, 시일부재에 점착층이 형성된다. 그리고, 이 점착층을 세퍼레이터판에 밀착시킴으로써, 시일부재를 세퍼레이터판에 고정할 수가 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
[실시예]
<실시예 1>
(i) 세퍼레이터판의 제작
등방성 흑연판을 사용하여 기계가공에 의해 실시형태 1의 도 1 및 도 2에 나타내는 애노드측 세퍼레이터판(10) 및 도 3 및 도 4에 나타내는 캐소드측 세퍼레이터판(20)을 제작하였다. 이 때, 세퍼레이터판의 두께는 3mm, 가스유로 및 냉각수유로의 홈은, 3mm 피치로 홈의 폭 1.5mm로 하였다.
(ⅱ) 시일부재의 제작
도 5∼도 8에 나타내는 실시형태 1과 같은 점착층을 구비한 선 형상 시일부재(30) 및 평면형상 시일부재(40)를 제작하였다.
금형에 두께 100㎛의 폴리이미드필름(4a, 4b)을 설치하고, 금형을 조이고, 온도 200℃, 사출압력 150kgf/㎠의 조건으로 불소고무(듀퐁사제의 불소고무, Viton)를 사출성형함으로써, 폴리이미드필름(4a, 4b) 상에 소정의 베이스 시일부재(36, 46)를 형성하였다. 2차 가교는 200℃, 10시간의 조건으로 행하였다. 그 후, 부틸고무로 이루어지는 두께 25㎛의 점착층(5a, 5b)을 폴리이미드필름(4a, 4b) 상에 전사·접합하여, 점착층(5a, 5b)의 표면을 폴리프로필렌제의 이형 필름으로 덮었다.
이 때, 불소고무로 이루어진 베이스 시일부재(36)의 두께는 125㎛, 그 폭은 3mm로 하였다. 또한, 베이스 시일부재(36)의 애노드를 둘러싸는 전극시일부(37)에 있어서의 리브(36a)는, 상기 사출성형시에 상기 베이스 시일부재(36)에 일체적으로 형성하여, 전극측의 앞끝단부로부터 0.7mm의 위치에 설치하였다. 또한, 상기 리브(36a)는, 베이스 시일부재(36)에 대하여 수직방향으로 반경 2.5mm의 곡률로 개방 각도 35ㅀ로 설치하였다. 전극시일부(37) 이외의 리브(36a)에 대해서는, 폭 3mm의 베이스 시일부재(36)의 중앙부에 설치하였다.
한편, 캐소드측의 평면형상 시일부재(40)의 베이스(46)의 두께는, 125㎛으로 하였다. 또한, 평면형상 시일부재(40)에 있어서의 연료가스, 산화제가스, 냉각수 및 예비용의 매니폴드구멍(42∼45), 체결용 볼트구멍(41) 및 전극과 대향하는 부분은 인발프레임에서 뽑았다.
상기 얻어진 점착층(5a, 5b)을 구비한 선 형상 시일부재(30) 및 평면형상 시일부재(40)를, 각각 세퍼레이터판(10 및 20)상에 설치하여, 핫 프레스에 의해 각각 압착시켰다. 핫 프레스의 조건은, 온도가 100℃, 프레스하중이 2000kgf, 가압시간이 1분간으로 하였다.
(ⅲ) MEA의 제작
아세틸렌블랙계의 카본분말에, 평균입자지름 약 30Å의 백금입자를 4:1의 중량비로 담지시켜, 전극용의 촉매분말을 얻었다. 이 촉매분말을 이소프로판올내에 분산시킨 것으로, 퍼플루오로카본술폰산의 분말을 에틸알콜속에 분산시킨 것을 혼합하여, 전극용 페이스트를 얻었다. 스크린인쇄법에 의해, 이 전극용 페이스트를 원료로 하여, 두께 250㎛의 카본부직포의 한쪽 면에 촉매층을 형성하여, 전극을 얻었다. 이 때, 촉매층 형성후의 촉매층 중에 포함되는 백금량은 0.5mg/cm2, 퍼플루오로카본술폰산의 양은 1.2mg/cm2로 하였다.
애노드 및 캐소드로서, 상기 전극을 사용하였다. 즉, 애노드와 캐소드의 구성은 동일하게 하였다. 인쇄한 촉매층을 안쪽으로 하여, 면적이 10Ocm2의 한 쌍의 전극으로 수소이온전도성 고분자 전해질막(듀퐁사제의 Nafion l17)을 끼워, 핫 프레스함으로써, 전해질막전극접합체(MEA)를 제작하였다. 수소이온전도성 고분자 전해질막에는, 퍼플루오로카본술폰산을 25㎛의 두께로 박막화한 것을 사용하였다.
상기 전해질막의 사이즈는, 후술하는 세퍼레이터판의 사이즈와 같게 하고, 전해질막에는, 세퍼레이터판에 있어서의 한 쌍의 연료가스용 매니폴드구멍, 냉각수용 매니폴드구멍, 산화제가스용 매니폴드구멍에 대응하는 구멍을 블랭킹형으로 형성하였다.
(ⅳ) 적층전지의 조립
상기에서 얻어진 애노드측의 선 형상 시일부재(30)를 구비한 애노드측의 세퍼레이터판(10) 및 캐소드측의 평면형상 시일부재(40)를 구비한 캐소드측의 세퍼레이터판(2O)으로, 전극면적 10Ocm2의 MEA를 끼워, 단전지를 구성하였다. 이 때, 애노드측 세퍼레이터판(10)의 O링 홈(12a∼14a)에 O링(3)을 설치하였다. 그리고, 단전지를 적층할 때에는, 세퍼레이터판(10)의 냉각수용의 유로(14b)를 가진 면과, 인접하는 단전지의 세퍼레이터판(20)의 냉각수용의 유로(24b)를 가진 면이, 마주 보도록 포개는 것에 의해, 냉각부를 설치하였다.
단전지의 조립 순서를 이하에 설명한다.
가이드 핀을 세운 소정의 조립용 치구를 두고, 더욱 캐소드측의 평면형상 시일부재(40)를 구비한 캐소드측 세퍼레이터판(20)을 배치하였다. 다음에, MEA를 가이드 핀에 따라 설치하였다. 그 때, MEA에서의 캐소드가 평면형상 시일부재(40)에 있어서의 전극설치부(47)의 둘레가장자리부에 올려 놓여지지 않도록, 신중히 MEA를 캐소드측 세퍼레이터판(20)에 조립부착하였다. 조립용 치구에 설치된 가이드 핀과 조립부착하는 이들 부재의 사이에는 간극을 필요로 한다.
MEA에서의 캐소드와, 캐소드측의 평면형상 시일부재(40)의 사이의 간극는, 한쪽 0.25mm를 확보하였다. 이 때문에, 세퍼레이터판(20)과 가이드 핀과의 사이의 간극을 0.2mm로 설정할 수가 있었다. 또, MEA는 조립할 때의 습도에 의해 크게 치수가 변화하기 때문에, MEA와 가이드 핀과의 사이의 간극을 크게 형성할 필요가 있 다. MEA를 안정적으로 조립부착하기 위해서는, 가이드 핀과 MEA와의 사이의 간극은 1mm 필요하였다.
MEA를 설치한 후에, 애노드측의 선 형상 시일부재(30)를 구비한 애노드측 세퍼레이터판(10)을 조립부착하였다. 이 때, 애노드와 베이스 시일 부재(36)에 있어서의 전극시일부(37)와의 간극을, 0.7mm 확보하였다. 세퍼레이터판(10)은 불투명하고, MEA로의 애노드측 세퍼레이터판(10)의 조립부착상태를 눈으로 인식할 수 없기 때문에, 가이드 핀을 따라서 애노드측 세퍼레이터판(10)을 조립부착하였다.
상기 조립 공정을 반복하여, 단전지를 50개 적층하고, 얻어진 스택의 양 끝단에 집전판과 절연판을 통해 스텐레스강제의 끝단판을 배치하고, 체결 로드에 의해 600kgf의 체결하중으로 스택을 체결함으로써 연료전지를 제작하였다. 이 연료전지를 전지 A로 하였다. 체결 후, 전극시일부(37)의 리브(36a)가 애노드측으로 만곡함으로써, 애노드와 전극시일부(37)의 간극이 거의 없는 상태가 되었다. 이 때, 감압지로 MEA와 세퍼레이터판의 면압을 확인한 결과, MEA에 가해지는 면압은 10kgf/cm2이었다. 이 결과, 시일부재에 있어서의 반력은 10Okgf이고, 충분히 낮은 체결력으로 전지 A를 구성하는 것이 가능함을 알 수 있다.
전지 A에 대하여 가스의 누설 체크를 하였다. 출구측 매니폴드구멍을 완전히 닫고, 입구측 매니폴드구멍으로부터 He가스를 0.5kgf/cm2의 압력으로 유입시켜, 그 때의 유입가스유량을 조사하였다. 공기측, 연료가스측, 냉각수측 모두 가스 누출은 없고, 전지 A는 유체시일성에 문제가 없는 것이 확인되었다.
<비교예 1>
실시예 1에 있어서의 애노드측의 선 형상 시일부재 및 캐소드측의 평면형상 시일부재 대신에, 종래의 평판형상 가스켓을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 같은 방법에 의해 적층전지 B를 제작하였다. 또, 평판형상 가스켓으로서는, 두께 100㎛의 PET제 시트의 양면에, 두께 75㎛의 실리콘고무제 시트를 붙인 것을 사용하였다. 부재의 조립부착은 실시예 1과 같이 조립용 치구를 사용하여 같은 순서로 하였다. 이 때, 평판형상 가스켓과 전극과의 간극은 애노드측 및 캐소드측에서 각각 0.25mm로 하였다.
전지 B에 대하여 실시예 1과 같은 조건으로 가스의 누설 체크를 하였다. 체결하중은 4000kgf에서, MEA에 걸리는 면압이 10kgf/cm2이기 때문에, 체결은 4000kgf로 하였다. 그 결과, 일부의 단전지에 있어서 가스의 외부 누설 또는 산화제 가스측에서 연료가스측으로의 크로스 리크(cross leak), 혹은 그 양쪽이 발생하여, 시일불량이 생겼다.
<비교예 2>
평판형상 가스켓과 애노드 및 캐소드와의 간극을 각각 0.5mm로 한 것 이외에는, 비교예 1과 같은 방법으로 전지 C를 제작하였다. 부재의 조립부착은 실시예 1과 같이 조립용 치구를 사용하여 같은 순서로 하였다.
전지 C에 대하여 실시예 1과 같은 조건으로 가스의 누설 체크를 하였다. 체결하중은 4000kgf에서, MEA에 가해지는 면압이 10kgf/cm2이기 때문에, 체결은 4000kgf로 하였다. 그 결과, 산화제측, 연료가스측, 냉각수측 모두 가스 누설은 없고, 적층전지로서의 유체시일성에 문제가 없는 것을 확인하였다.
누설 체크한 후, 실시예 1 및 비교예 1, 2의 전지 A∼C를 분해하여, 조립부착 상태를 확인하였다. 어느 전지나 MEA에서의 애노드가, 애노드측의 선 형상 시일부재의 중심에서 다소 어긋나 조립부착될 수 있었지만, 실시예 1 및 비교예 2의 전지 A 및 C에서는, 전극의 주위를 시일하는 부위가 전극보다도 충분히 여유를 가진 바깥쪽에 있기 때문에, 조립부착시에 시일성을 충분히 확보하는 것이 가능한 것을 알 수 있다. 한편, 비교예 1의 전지 B에서는, 마찬가지로 전극이 어긋나 있었지만, 전극이 일부에서도 가스켓에 올려져 놓이면 시일성이 손상되고, 시일불량을 생기는 것을 알 수 있다.
단전지를 조립할 때에는, MEA를 설치한 후, 애노드측 세퍼레이터판을 조립부착한다. 이 때, MEA의 애노드가, 애노드측 선 형상 시일부재의 중심에 설치되는 것이 바람직하지만, 조립용 치구의 간극, MEA의 치수오차, 세퍼레이터판의 치수오차의 집적에 의해 위치의 어긋남이 발생한다.
애노드와 애노드측의 선 형상 시일부재와의 조립부착 상태를 시인할 있으면 안정된 조립부착이 가능하지만, 세퍼레이터판은 불투명하기 때문에 시인이 불가능하고 가이드 핀에 따라서 조립부착할 수 있다.
종래의 평판형상 가스켓이면 상정되는 위치 어긋남의 상한부근에서는, 전극이 가스켓에 올려져 놓여져 시일성을 확보할 수 없다. 조립부착성을 향상하기 위해서 간극을 크게 취하면, 반응가스가 그 간극으로 유출하여, 전극에 공급되지 않 게 되기 때문에, 발전성능이 저하하였다.
한편, 본 발명의 시일부재를 사용한 경우는, 치수 어긋남에 의하여 전극이 어긋나더라도, 가스켓과 전극과의 간극이 충분히 있기 때문에 시일성을 확보할 수 있다. 더욱, 조립시에 있어서 스택을 체결하면, 애노드측으로 휘어져 있던 선 형상 시일부재의 리브가, 양 앞끝단부를 지점으로 하여 애노드측에 튀어나오도록 만곡한다. 이 때, 시일부재의 강성으로부터 생기는 반력에 의해 시일부재에는 시일에 필요한 면압이 생긴다. 또한, 전극측으로 만곡하여 튀어나오는 것에 의해, 전극과 시일부재와의 사이의 간극이 감소한다.
또한, 시일부재가 적층방향에 나란하기 때문에, 스택을 체결하였을 때에 전해질막이나 세퍼레이터판으로 전단력이나 휨 모멘트가 작용하지 않는다. 그 때문에, 시일부재 자체나, 전해질막 세퍼레이터판 등으로의 스트레스가 없고, 부재가 파손할 위험성이 없다.
실시예 1의 전지 A 및 비교예 2의 전지 C를 75℃로 유지하여, 애노드측에 70℃의 노점이 되도록 가습·가온한 수소가스를, 캐소드측에 60℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 각각 공급하였다. 그 결과, 어느 쪽의 전지도 전력을 외부에 공급하지 않는 무부하시에는, 50V의 개방전압을 얻었다. 또한, 가스의 크로스 리크(cross leak) 및 쇼트 등의 불량이 없는 것을 확인하였다.
또한, 연료이용률 80%, 전류밀도 0.3A/cm2, 애노드측의 노점 70℃, 산화제가스측의 노점 65℃에서, 산화제이용률을 20%부터 12시간마다 5% 피치로 변경해 나가 는 조건으로 발전을 시작하였다. 그리고, 이 조건에서의 발전의 안정성을 조사하였다. 그 평가결과를 도 14에 나타낸다. 비교예 2의 전지 C에서는, 산화제이용률이 40% 이상으로 출력전압이 불안정해져, 산화제이용률이 50%에서는 출력전압이 저하하였다. 한편, 실시예 1의 전지 A에서는, 산화제이용률이 65%를 넘을 때까지 안정된 출력전압을 얻을 수 있었다.
이로부터, 비교예 2의 전지 C에서의 전극과 평판형상 가스켓과의 사이의 간극의 크기에서는, 간극으로 반응가스가 유입하기 쉬워져, 전지성능을 유지하는 데 필요한 양의 반응가스를 전극으로 공급할 수 없는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 실시예 1의 시일부재를 사용하면 조립부착시에는 전극과 시일부재와의 사이의 간극은 크지만, 전지적층체의 체결시에는 전극과 시일부재와의 사이의 간극이 저감하기 때문에, 반응가스의 간극에의 유입을 저감하여, 전지성능의 저하를 방지할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1의 전지 A는 비교예 1 및 2의 전지 B 및 C보다도 체결력이 대폭 작기 때문에, 연료전지에 사용하는 체결부재자체의 간소화, 수지화 등이 가능하고, 연료전지의 콤팩트화, 저비용화가 가능하다.
또, 0링 형상 가스켓을 사용한 경우와 비교하더라도, 실시예 1에서는 세퍼레이터판에 0링용 홈을 형성할 필요성이 없기 때문에, 그만큼 세퍼레이터판의 두께를 얇게 할 수 있어, 연료전지를 콤팩트하게 할 수 있음은 말할 필요도 없다.
<실시예 2>
불소고무를 사용하여 소정의 금형으로 사출성형함으로써, 실시형태 2와 같은 도 9 및 10에 나타내는 애노드측의 선 형상 시일부재(56)를 제작하였다. 이 때, 선 형상 시일부재(56)에 있어서의 리브형상 시일부재(56a)는, 두께 0.25mm이고, 애노드측 세퍼레이터판에 대하여 수직방향으로 반경 2.5mm의 곡률로, 개방 각도 35˚로 설치하였다. 또한, 애노드측의 선 형상 시일부재(56)에 있어서의 판형상 시일부재(56b)의 두께는 0.15mm, 폭은 3mm로 하였다.
실시예 1의 선 형상 시일부재(30) 대신에, 상기에서 얻어진 선 형상 시일부재(56)를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 부재를 사용하여 아래와 같이 단전지를 제작하였다.
단전지의 조립 순서를 이하에 나타낸다.
가이드 핀을 세운 소정의 조립용 치구를 놓고, 그 위에 캐소드측의 평면형상 시일부재를 구비한 캐소드측 세퍼레이터판을 배치하였다. 다음에, MEA를 가이드 핀에 따라 설치하였다. 그 때, MEA의 캐소드가 캐소드측의 평면형상 시일부재에 있어서의 전극설치부(47)의 둘레가장자리부에 올려 놓여지지 않도록 신중하게 조립부착하였다.
MEA를 설치한 후에, 상기의 애노드측의 선 형상 시일부재(56)를 조립·부착하였다. 이 때, 애노드와 애노드측의 선 형상 시일부재(56)에 있어서의 전극시일부(57)와의 간극을 0.7mm 확보하였다. 그 후, 애노드측 세퍼레이터판(10)을 조립·부착하였다. 애노드측 세퍼레이터판(10)은 불투명하기 때문에, 세퍼레이터판과 가스켓이 접하는 상태를 눈으로 인식할 수 없기 때문에, 가이드 핀에 따라서 조립부착을 하였다.
이렇게 해서 단전지를 50개 적층하여, 얻어진 스택의 양 끝단에 집전판과 절연판을 통해 스텐레스강제의 끝단판을 배치하고, 체결 로드에 의해 600kgf의 체결하중으로 스택을 체결함으로써 연료전지를 제작하였다. 이 연료전지를 전지 D로 하였다. 체결후에는, 리브형상 시일부재(56a)가 애노드측으로 만곡함으로써, 애노드와 전극시일부(57)의 간극이 거의 없는 상태가 되었다. 이 때, 감압지로 MEA와 세퍼레이터판의 면압을 확인한 결과, MEA에 걸리는 면압은 10kgf/cm2이었다. 이 결과, 시일부재에 있어서의 반력은 100kgf이고, 충분히 낮은 체결력으로 적층전지를 구성하는 것이 가능함을 알 수 있다.
전지 D에 대하여 실시예 1과 같은 방법에 의해 가스의 누설 체크를 하였다. 그 결과, 공기측, 연료가스측, 냉각수측 모두 가스 누설은 없고, 전지 D는 유체시일성에 문제가 없는 것이 확인되었다.
누설 체크후, 실시예 2의 전지 D를 분해하여, 구성부재의 조립부착 상태를 조사하였다. MEA에서의 애노드가 애노드측의 선 형상 시일부재의 중심에서 다소 어긋나 조립·부착되어 있지만, 본 실시예의 전지에서는 시일하는 부위가 전극보다도 충분한 여유를 가진 바깥쪽에 있기 때문에, 조립·부착할 때의 전극의 어긋남 범위에서는 시일성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
단전지를 조립할 때에는, 조립용 치구에 MEA를 설치한 후, 애노드측 세퍼레이터판을 조립·부착한다. 이 때, MEA에서의 애노드가 애노드측의 선 형상 시일부재의 중심에 설치되는 것이 바람직하다.
본 실시예의 애노드측의 선 형상 시일부재를 사용한 경우는, 치수의 어긋남에 의하여 전극이 어긋나더라도, 시일부재와 전극과의 사이의 간극이 충분하기 때문에, 시일성을 확보할 수 있다. 또한, 시인에 의한 조립부착이 가능해지기 때문에, 전극이 서로 맞물리는 등에 의한 시일불량도 저감할 수 있다.
또한, 실시예 1의 경우와 같이, 조립시에는 큰 간극도, 스택을 체결할 때에는, 실시예 2의 시일부재의 형상의 효과에 의해, 전해질막과 세퍼레이터판의 시일부를 지점으로 하여 리브형상 시일부재가 전극측으로 만곡한다. 이것은, 리브형상 시일부재의 중심위치가 시일부위보다도 전극측에 있기 때문이다. 이 때, 시일부재의 강성에 의해 생기는 반력에 의해, 시일부위에는 시일에 필요한 면압이 생긴다. 또한, 리브형상 시일부재가 전극측으로 만곡하여 튀어나가는 것에 의해 MEA와 시일부재와의 사이의 간극을 감소시킬 수 있다.
또한, 시일부재가 수직방향(적층방향)으로 나열되어 있기 때문에, 스택을 체결할 때 전해질막이나 세퍼레이터판으로 전단력이나 휨 모멘트가 작용하지 않는다. 그 때문에, 전해질막, 시일부재 및 세퍼레이터판 등에 스트레스가 없고, 부재가 파손할 위험성이 없다.
실시예 2의 전지 D를 75℃로 유지하여, 애노드측에 70℃의 노점이 되 도록 가습·가온한 수소가스를, 캐소드측에 60℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 각각 공급하였다. 그 결과, 전력을 외부에 공급하지 않는 무부하시에는, 50V의 개방전압을 얻었다. 또한, 가스의 크로스 리크(cross leak) 및 쇼트 등의 불량이 없는 것을 확인하였다.
이 전지 D에 대하여 실시예 1과 같은 조건으로 발전을 시작하여, 발전의 안정성을 조사하였다. 그 평가결과를 도 15에 나타낸다. 실시예 2의 전지 D에서는, 산화제이용률이 65%를 넘을 때까지 안정된 출력전압을 얻을 수 있었다. 이로부터, 실시예 2의 연료전지에서는 실시예 1의 경우와 같이, 조립·부착시에는 전극과 시일부재와의 사이의 간극은 크지만, 스택의 체결시에는 시일부재의 형상에 의한 효과에 의해, 전극과 시일부재와의 사이의 간극이 저감하여, 반응가스의 간극으로의 유입을 저감하고, 전지성능의 저하를 방지할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 연료전지의 체결에 필요한 체결력이 대폭 작아도 되기 때문에, 스택의 체결부재의 간소화, 수지화 등이 가능해진다. 즉, 연료전지의 콤팩트화, 저비용화가 가능해진다.
<실시예 3>
실시예 2의 애노드측의 선 형상 시일부재(56)에 있어서의 리브형상 시일부재(56a)의 두께를 0.15mm로 얇게 한 것 이외에는, 실시예 2와 같은 방법에 의해 선 형상 시일부재(56)를 제작하였다.
또한, 선 형상 시일부재(56)를 점착제로 코팅하였다. 점착제에는, 스틸렌과 에틸렌부틸렌의 공중합체를 사용하였다. 스틸렌과 에틸렌부틸렌의 공중합체의 톨루엔용액을 선 형상 시일부재에 도포한 후, 50℃의 건조로 속에서 용매의 톨루엔을 제거하였다.
상기 선 형상 시일부재(56)를 애노드측 세퍼레이터판(10) 상에 설치하여, 더욱 그 위에 테프론 시트를 배치한 상태로 핫 프레스함으로써, 선 형상 시일부재 (56)를 세퍼레이터판(10)에 압착하였다. 이 때, 온도는 100℃, 프레스하중은 2000kgf, 가압시간은 1분간으로 하였다.
상기에서 얻어진 애노드측의 선 형상 시일부재(56)를 구비한 애노드측 세퍼레이터판(10)을 사용한 것 이외에는, 실시예 2와 같은 방법에 의해, 단전지를 제작하였다. 이 단전지를 50개 적층하여, 얻어진 스택의 양 끝단에 집전판과 절연판을 통해 스텐레스강제의 끝단판을 배치하고, 체결 로드에 의해 550kgf의 체결하중으로 스택을 체결함으로써 연료전지를 제작하였다. 이 연료전지를 전지 E로 하였다. 이 때, 감압지로 MEA와 세퍼레이터판의 면압을 확인한 결과, MEA에 걸리는 면압은 10kgf/cm2이었다. 이 결과, 시일부재에 있어서의 반력은 50kgf이고, 매우 낮은 체결력으로 연료전지를 구성하는 것이 가능한 것을 알 수 있다. 또한, 조립부착 상태는 실시예 1 및 2와 같이 양호했다.
전지 E에 대하여, 실시예 1과 같은 방법에 의해 누설 체크를 하였다. 그 결과, 공기측, 연료가스측, 냉각수측 모두 가스 누설은 없고, 연료전지로서의 유체시일성에 문제가 없는 것을 확인하였다.
적층전지의 조립은, MEA를 조립용 치구에 설치한 후, 애노드측 세퍼레이터판을 조립·부착하였다. 이 때, MEA의 애노드가 애노드측의 선 형상 시일부재의 중심에 설치되는 것이 바람직하다.
리브형상 시일부재(56a)를 사용한 경우는, 치수 어긋남에 의해 전극이 어긋난 경우라도, 애노드측의 선 형상 시일부재와 전극과의 사이의 간극이 충분하기 때 문에, 시일성을 확보할 수 있다. 또한, 눈으로 인식하는 것에 의한 연료전지의 조립부착이 가능하게 되기 때문에, 전극이 서로 맞물리는 등에 의한 시일불량도 저감할 수 있다.
<실시예 4>
실시예 3의 점착층을 사용하지 않는 것 이외에는, 실시예 3과 같은 방법에 의해 연료전지를 제작하였다. 이 연료전지를 전지 F로 하였다.
비교예 3의 전지 F에 대하여 실시예 1과 같은 방법에 의해 누설 체크를 하였다. 그 결과, 일부의 단전지에 있어서 가스의 외부 누설 또는 산화제가스측에서 연료가스측으로의 크로스 리크, 또는 그 양쪽이 약간 발생하여, 시일불량이 생길 수 있는 경향이 있었다.
실시예 3에서, 점착층을 사용하는 것에 의해, 본 실시예와 같은 시일반력이 비교적 작은 선 형상 시일부재를 사용한 경우에도 시일성을 확보할 수 있는 것이 확인되었다. 이와 같이 시일에 필요한 반력을 작게 할 수 있으므로, 스택의 체결력을 매우 저감할 수가 있다. 따라서, 스택의 체결부재의 대폭적인 간소화, 수지화 등이 가능해진다. 즉, 연료전지의 콤팩트화, 저비용화가 가능해진다.
또한, 시일반력이 매우 작기 때문에, 전해질막이나 시일부재에 가해지는 스트레스를 저감할 수 있고, 전해질막이나 시일부재의 손상을 막을 수 있어, 장시간의 시일성의 확보가 가능해진다. 또한, 반응가스의 크로스 리크를 방지할 수가 있어, 시일불량에 동반한 가스의 크로스 리크에 의한 전해질막의 손상을 방지할 수 있기 때문에, 내구성도 향상한다.
실시예 3의 전지 E를 75℃로 유지하여, 애노드측에 70℃의 노점이 되 도록 가습·가온한 수소가스를, 캐소드측에 60℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 각각 공급하였다. 그 결과, 전력을 외부에 공급하지 않는 무부하시에는, 50V의 개방전압을 얻었다. 또한, 가스의 크로스 리크 및 쇼트 등의 불량이 없는 것을 확인하였다.
이 전지 E에 대하여 실시예 1과 같은 조건으로 발전을 시작하여, 발전의 안정성을 조사하였다. 그 평가결과를 도 16에 나타낸다. 실시예 3의 전지 E에서는, 산화제이용률이 65%를 넘을 때까지 안정된 출력전압을 얻을 수 있었다. 이로부터, 실시예 3의 연료전지로서는 실시예 2의 경우와 같이, 조립시에는 전극과 선 형상 시일부재와의 사이의 간극은 크지만, 스택의 체결시에는 선 형상 시일부재의 형상에 의한 효과에 의해, 전극과 선 형상 시일부재와의 사이의 간극이 저감하여, 반응가스의 간극에의 유입을 저감하고, 전지성능의 저하를 방지할 수 있는 것을 알 수 있다.
또, 점착제가 내산성을 갖지 않은 경우는, 전해질막과 시일부재의 사이에 PFA 등의 보호시트를 삽입함으로써, 본 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
<실시예 5>
소정의 금형을 사용하여, 실시예 1과 같은 방법에 의해, 실시형태 1에 있어서의 도 11 및 12와 같은 애노드측의 선 형상 시일부재를 제작하였다.
실시예 1에서 사용한 애노드측선형상 시일부재(30) 대신에, 이 선 형상 시일부재를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 방법에 의해 각각 연료전지 G 및 H를 제작하였다.
또한, 소정의 금형을 사용하여, 실시예 2와 같은 방법에 의해, 실시형태 2에 있어서의 도 13과 같은 애노드측의 선 형상 시일부재를 제작하였다. 실시예 2의 애노드측 선 형상 시일부재 대신에, 도 13에 나타내는 선 형상 시일부재를 사용한 것 이외에는, 실시예 2와 같은 방법에 의해 연료전지 I를 제작하였다.
그리고, 전지 G∼I에 대하여 실시예 1과 같은 조건으로 발전을 시작하여, 발전의 안정성을 조사하였다. 그 평가결과를 도 17에 나타낸다. 어느 경우나 실시예 1 또는 2와 같이 안정된 출력특성을 얻을 수 있는 것이 확인되었다.
이상과 같이 본 발명의 고분자 전해질형 연료전지는, 연료전지의 조립시에는, 신뢰성이 높은 조립성을 가지며, 또한 연료전지의 체결시에는, 시일부재와 전극과의 사이의 간극을 저감함으로써, 뛰어난 시일성 및 안정된 출력특성을 가지며, 휴대용 전원, 휴대기기용 전원, 전기자동차용 전원, 및 가정내 코제너레이션시스템 등의 용도에 적용할 수 있다.
Claims (9)
- 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 배치한 한 쌍의 전극과, 상기 전극을 끼워 상기 전극에 반응가스를 공급하는 가스유로를 가진 한 쌍의 도전성의 세퍼레이터판과, 상기 한 쌍의 세퍼레이터판 사이에서 상기 전해질막을 끼우고, 또한 상기 전극과 상기 한 쌍의 세퍼레이터판의 사이의 기밀을 유지하는 한 쌍의 시일수단을 구비하는 연료전지로서,상기 한 쌍의 시일수단이, 면 형상으로 상기 전해질막과 접하는 평면형상부분을 가진 평면형상 시일부재와, 선 형상으로 상기 전해질막과 접하는 리브를 가진 선 형상 시일부재의 조합에 의하여 구성되며,상기 전해질막, 상기 전극 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터판이 적층되어 체결될 때, 상기 리브의 적어도 일부가, 상기 전극방향으로 기울여져 들어가는 것을 특징으로 하는 연료전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전해질막, 상기 전극 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터판이 적층되어 체결될 때, 상기 리브의 전체가, 상기 전극방향으로 기울여져 들어가는 것을 특징으로 하는 연료전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 리브가, 상기 전극측으로 구부러져 있고,상기 전해질막, 상기 전극 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터판이 적층되어 체결될 때, 상기 리브가, 상기 전극측으로 휘어져서 만곡하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 리브가, 상기 전극측으로 경사져 있고,상기 전해질막, 상기 전극 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터판이 적층되어 체결될 때, 상기 리브가, 상기 전극측으로 기울여져 들어가는 것을 특징으로 하는 연료전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 리브가, 상기 적층방향의 단면에 있어서, 상기 전해질막에 접하는 선단에 원형상 부분을 가지며, 상기 원형상 부분의 지름이, 실질적으로 상기 전극의 두께의 반 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 리브의, 상기 적층방향에서의 단면이, 선 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 리브의 상기 적층방향에서의 단면이, 상기 전극측으로 볼록형상이고 또한 상기 전극과 반대측으로 오목형상이며,상기 전해질막, 상기 전극 및 상기 한 쌍의 세퍼레이터판이 적층되어 체결될 때, 상기 리브의 일부가 상기 전극측으로 튀어나온 것을 특징으로 하는 연료전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 시일부재가 점착층을 가진 것을 특징으로 하는 연료전지.
- 제 8 항에 있어서, 상기 점착층이 내산성을 가진 것을 특징으로 하는 연료전지.
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