KR100654145B1 - 연료전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

연료전지는 전극막 구조체(5)와 그 사이에서 전극막 구조체가 끼워지는 한 쌍의 세퍼레이터(9,9)를 포함한다. 전극막 구조체는 전해질막(1),과 전해질막의 양 표면에 형성되고 전극으로 기능하는 한 쌍의 가스 확산층(3,3)을 포함한다. 각각의 세퍼레이터는 가스를 하나의 가스 확산층에 공급하는 가스 흐름 채널(13)을 가진다. 가스 흐름 채널의 외측의 영역에서 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층의 기공율은 가스 흐름 채널에 대면하는 영역의 기공율보다 낮다.

Description

연료전지 및 그 제조방법{FUEL CELL AND RELATED MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 고분자형 전해질 연료전지(polymer electrolyte fuel cell:PEFC) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 수소를 함유하는 연료 가스와 산소를 함유하는 공기와 같은 산화 가스가 전극을 통하여 전기 화학적으로 상호 반응하게 하여 전극의 양 표면상에 형성된 전극으로부터 전기에너지를 얻는데 사용된다. 이러한 연료전지를 구비한 연료전지 구동 차량은 고압수소탱크, 액체수소탱크 및 수소흡수합금탱크와 같은 수소 저장 탱크가 설치된 것으로, 발생하는 수소 가스와 산소가 함유된 공기를 반응 연료전지로 공급하여 구동 바퀴에 연결된 모터를 구동시키는 전기 에너지를 얻으며 배출 물질은 물이 되어 청정 차량을 제공한다.
특히, 고체고분자형 전해질을 가지는 고분자형 전해질 연료전지(PEFC)는 저온에서 작동하면서 취급이 용이하므로, 전기구동차량의 전기공급원으로 관심이 집중된다.
고분자형 전해질 연료전지(PEFC)의 발전장치를 형성하는 전지는 고체고분자형 전해질막과, 고체고분자형 전해질막의 양측면에 형성된 아노드전극 가스 확산층 및 캐소드전극 가스 확산층의 구조로 구성된 전극막 구조체가, 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 끼워진 구조를 갖게 된다.
일본 특허출원 공개 공보 제2001-319667호는 연료전지의 전지속의 가스 확산층, 세퍼레이터 및 가스켓에 관한 것으로, 가스 확산층과 이를 둘러싸는 가스켓 사이의 틈새를 제한하여 가스 확산층과 가스켓의 가스켓 일부 사이의 밀폐성을 개선시키고자 한다.
그러나, 본원 발명자에 의해서 시행된 연구에 따르면, 이러한 구조의 연료전지에 따르면, 가스 확산층과 그 외측에 위치한 가스켓 사이의 틈새를 최소로 줄이면 성능 개선이 기대될 수 있지만, 다공질인 가스 확산층으로 인하여 반응 가스는 세퍼레이터에 형성된 가스 흐름 채널과, 가스켓 사이에 위치한 가스 분산층(gas dispersing layer)의 내부로 흐르며 발전에는 기여하지 않는 것으로 사료된다. 이것은 세퍼레이터의 가스 입구에 공급되는 가스의 일부가 발전반응에는 기여하지 못하고 가스출구로 버려지면서 흐르게 되며, 발전 효율이 저하하는 문제를 발생시킨다.
또, 이러한 전지 구조에서, 가스 확산층이 세퍼레이터상에 위치되면, 가스 확산층은 세퍼레이터에 형성된 가스 흐름 채널 영역을 완전히 덮어야 하고 가스 확산층은 그 자체가 정확하게 위치되어야 하기 때문에, 가스 확산층은 반응 영역보다 크게 설정되어야 하는 가능성이 많다고 사료된다.
도8에는 비교 실시예와 함께 이후에 언급되고 이러한 구조를 기초로 연구되는 연료전지(80)의 구조를 개략적으로 도시하는 부분 횡단면도이다. 또한, 설명의 편의상, 연료전지(80)의 하나의 단위 전지(unit cell)가 분해된 상태로 도시된다.
도 8에 도시한 바와 같이, 전극막 구조체(105)가 전해질막(101)과, 전해질막(101)의 양면에 형성된 2개의 가스 확산층(103,103)으로 구성된다. 전극막 구조체(105)는 세퍼레이터(109,109) 사이에, 즉 캐소드전극 세퍼레이터(109a)와 아노드전극 세퍼레이터(109b) 사이에 끼워지고, 가스켓(107)은 전극막 구조체(105)와 각각의 세퍼레이터(109a,109b) 사이에 위치한다.
여기서, 각각의 세퍼레이터(109a,109b) 상의 가스 흐름 채널(113)과 가스켓(107) 사이의 거리(최단거리)(L)는 수 밀리미터의 값으로 설정되어 가스가 반응 없이 반응 영역의 외측 영역을 통과하지 못하게 하는 비반응 영역을 제공하는 것을 알 수 있다.
한편, 각각의 가스 흐름 채널의 폭이 비반응 영역과 같이 수 밀리미터의 값으로 놓이기 때문에, 이러한 비반응 영역은 적어도 각각의 가스 흐름 채널의 폭보다 넓은 폭에 놓이며 따라서 반응 영역의 표면적이 어느 정도까지 감소되는 것이 불가피하다. 이것은 첫번째로 연료전지의 출력을 강하시킨다. 또, 이러한 비반응 영역이 제공되더라도 다공질 가스 확산층을 통과하는 가스의 흐름 제어를 개선시키기는 어렵게 된다.
본 발명은 본 발명자들이 실행한 이러한 연구를 바탕으로 이루어지며, 특히 본 발명의 목적은 가스 확산층, 가스켓 및 세퍼레이터로 구성되는 연료전지에서 도입된 가스가 반응 영역의 외측 영역을 통해 낭비적으로 흐르는 것을 억제하여, 도입된 가스가 모두 효과적으로 반응하게 하는 연료전지와 그 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 연료전지는 전해질막과, 상기 전해질막의 양측면에 형성되고 각기 전극으로 기능하는 한 쌍의 가스 확산층이 설치된 전극막 구조체와, 상기 전극막 구조체가 그 사이에 끼워지는 한 쌍의 세퍼레이터를 구비하며, 상기 각각의 세퍼레이터는 가스를 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층에 공급하는 가스 흐름 채널을 가지고, 상기 가스 흐름 채널 외측의 영역에서 한 쌍의 가스 확산층 중 상기 연관된 하나의 가스 확산층의 기공율(porosity)은 가스 흐름 채널에 대면하는 영역에서 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층의 기공율보다 낮다.
다시 말해서, 본 발명의 다른 관점에 따르면, 연료전지는 전해질막과, 상기 전해질막의 양측면에 형성되고 각기 전극으로 기능하는 한 쌍의 가스 확산층이 설치된 전극막 구조체와, 상기 전극막 구조체가 그 사이에 끼워지는 한 쌍의 세퍼레이터를 구비하며, 상기 각각의 세퍼레이터는 가스를 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층에 공급하는 가스 흐름 채널을 가지고, 상기 가스 흐름 채널 외측의 영역에서 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층의 기공율을 가스 흐름 채널에 대면하는 영역에서 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 기공율보다 낮추는 낮춤 수단을 구비한다.
한편, 본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 연료전지의 제조방법은
전해질막과, 상기 전해질막의 양측면에 형성되고 각기 전극으로 기능하는 한 쌍의 가스 확산층이 설치된 전극막 구조체를 준비하는 단계와, 한 쌍의 세퍼레이터 사이에 상기 전극막 구조체를 끼워 넣는 단계를 포함하며, 각각의 세퍼레이터는 가스를 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나에 공급하는 가스 흐름 채널을 갖고, 가스 흐름 채널 외측의 영역에서 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층의 기공율을, 가스 흐름 채널에 대면하는 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층의 기공율보다 낮게 하는 단계로 이루어진다.
본 발명의 다른 특징, 장점 및 혜택들이 첨부된 도면을 참조한 다음의 설명으로부터 또한 명백하다.
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시예의 연료전지를 개략적으로 도시하는 부분 횡단면도.
도 2는 본 발명에 따른 제2 실시예의 연료전지를 개략적으로 도시하는 부분 횡단면도.
도 3은 본 발명에 따른 제3 실시예의 연료전지를 개략적으로 도시하는 부분 횡단면도.
도 4는 본 발명에 따른 제4 실시예의 연료전지를 개략적으로 도시하는 부분 횡단면도.
도 5는 본 발명에 따른 제5 실시예의 연료전지의 전극막 구조체를 개략적으로 도시하는 부분 횡단면도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에서 대표적으로 발생하는 표면 압력의 측면에서 가스 확산층의 특성을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 제1 및 제4 실시예와 비교 실시예의 실험 결과를 전류의 측면에서 전압 특성으로 도시하는 도면.
도 8은 비교 실시예의 연료전지의 구조를 개략적으로 도시하는 부분 횡단면도.
본 발명과 비교 예에 따른 각각의 실시예의 연료전지와 그 제조방법은 첨부된 도면을 적절히 참조하여 다음에 상세히 설명된다.
(제1 실시예)
먼저, 도1을 참조하면, 본 발명에 따른 제1 실시예의 연료전지(10)와 그 제조방법들이 상세히 설명된다. 부수적으로, 설명의 편리상, 단지 하나의 연료전지(10)의 단위 전지가 분해된 상태로 도시된다. 또, 본 실시예에 도시된 연료전지(10)의 단위 전지는 표면적 150 mm × 150 mm 의 반응 영역(G)을 가지고 각각의 세퍼레이터의 크기가 200 mm x 200 mm x 2.5 mm인 흑연 판으로 형성되고 가스 흐름 채널들과 냉매흐름 채널들이 형성되고 전해질막과 가스 확산층이 각기 두께 30 ㎛와 280㎛인 구조이다.
도1에 도시한 바와 같이, 전극막 구조체(5)는 전해질막(1)과, 전해질막(1)의 양면에 형성된 2개의 가스 확산층(3,3)으로 형성된다. 가스 확산층(3,3)은 각기 구멍을 가지는 다공질 부재로 제조되고, 하나의 확산층은 수소를 함유하는 연료 가스가 공급되는 아노드전극으로 사용되며 다른 하나의 확산층은 산소를 함유하는 공기와 같은 산화 가스(산화제 가스)가 공급되는 캐소드전극으로서 사용된다.
가스켓(7,7)은 전극막 구조체(5)와 세퍼레이터(9,9)(하나는 캐소드전극 세퍼 레이터(9a)이고 다른 하나는 아노드전극 세퍼레이터(9b)) 사이에 개재하여 이들 사이의 경계 영역에서 둘러싸는 것이 바람직하고 전극막 구조체(5)는 양면을 세퍼레이터(9,9) 사이에 끼워져서 연료전지(10)를 단위 전지의 형태로 형성한다.
특히, 각각의 세퍼레이터(9)는 커팅에 의해 리세스형 가스 흐름 채널(13)들이 형성된 주 표면을 가지며 커팅에 의해 냉매흐름 채널(15)들이 형성된 주 표면의 반대측에 다른 표면을 가진다. 가스켓 리세스(11)들은 가스 흐름 채널(13)들이 형성된 곳보다 더 외측의 영역부의 각각의 세퍼레이터상에 형성된다.
또, 가스 흐름 채널(13)의 최외측 단부와 접촉하는 각각의 세퍼레이터(9)에는 돌출부(21)가 형성되며 돌출부는 세퍼레이터(9)의 주 표면으로부터 전극막 구조체(5)를 향하여 높이(t)만큼 돌출되어 있다. 돌출부(21)는 전극막 구조체(5)의 가스 확산층(3)의 종료 지점보다 내부 영역에서 세퍼레이터(9) 위를 둘러싸는 방식으로 형성된다. 다시 말해서, 돌출부(21)가 형성된 영역은 가스 흐름 채널(13)의 최외측 단부와 가스켓(7) 사이의 위치에 설정되기에 충분하여 돌출부(21)는 (도1의 상부에서 볼 수 있듯이) 지면에 나란한 방향으로 도시된 가스 흐름 채널(13)들이 형성된 가스 흐름 채널 위치 영역(S)을 둘러싼다.
여기서, 각각의 가스 확산층(3)에서 사용되는 다공질 부재는 연료전지(10)가 조립되는 중에 전지의 두께 방향으로 압축력이 가해지면 적당한 기공율을 갖는 동시에 필요한 전도성을 가지는 상태로 사용된다.
도6은 본 실시예의 각각의 가스 확산층(3)의 표면 압력과 두께 사이의 관계를 도시하는 그래프이다. 도면에서는, 가로축은 가스 확산층(3)의 표면 압력(P)을 나타내고 세로축은 가스 확산층(3)의 두께(tD)를 나타낸다. 부수적으로, 이러한 관계는 각각의 실시예 1 내지 5와 유사하다.
도 6에 도시한 바와 같이, 각각의 가스 확산층(3)에 작용하는 표면 압력(p)이 점차로 증가할수록, 이러한 부품의 구멍들은 찌그러져서 가스 확산층(3)의 두께(tD)는 얇아지고 가스 확산층(3)이 얇아지면 가스 확산층(3)의 기공율은 감소한다.
특히, 다공질 가스 확산층(3)은, 표면 압력(p)이 낮게 유지되는 시간 동안 가스 확산층의 두께(tD)는 표면 압력(p)의 증가와 반비례로 감소되지만, 표면 압력(p)이 또한 증가하면 두께(tD)는 보다 적은 감소율로 감소된다. 그리고, 표면 압력(p)이 일정치(B)를 초과하면, 가스 확산층(3)은 찌그러짐(crushing)을 완료하여 표면 압력(p)이 추가로 증가해도 두께(tD)는 거의 변화하지 않는 경향을 나타낸다.
여기서, 다공질 가스 확산층(3)에서, 표면 압력(A)이 가스 흐름 채널 위치 영역(S)에 상응한 반응 영역(발전 영역)(G)에서 가스 확산층(3)에 작용되고 두께는 tA의 값에 도달하는 것으로 가정한다.
그러나, 세퍼레이터(9)의 돌출부(21)에서는, 가스 확산층(3)이 높이(t)(특히, t 는 30㎛ 로 설정됨)만큼 초과해서 압축되고, 그 결과 가스 확산층(3)은 돌출부(21)가 인접하는 영역에서 tA-t 와 동일한 두께를 가진다.
따라서, 돌출부(21)에 대면하는 가스 확산층(3)은 가스 흐름 채널(13)들이 위치한 가스 흐름 채널 위치 영역(S)에 대면하는 반응 영역(G)보다 추가 범위까지 충분하게 압축되어 반응 영역보다 낮은 기공율을 가진다. 부수적으로, 압축되는 가스 확산층(3)의 양은 가스 흐름 채널(13)의 외측에 상응하게 위치한 가스 확산층(3)의 영역을 통과하는 가스의 압력 손실이 반응 영역(G)에 남겨진 가스 확산층(3)의 다른 영역을 통과하는 가스의 압력 손실보다 크게 되게 한다. 보다 바람직하게, 가스 흐름 채널(13)의 외측에 상응하게 위치하는 가스 확산층(3)의 다공질 구조 영역은 두께 tB를 가지는 것이 좋으며, 여기서 가스 확산층(3)의 찌그러짐은 가스가 흐르지 못하는 범위에서 종료된다. 또한, 돌출부(21)의 폭 등은, 돌출부(21)가 가스 확산층(3)에 맞대어질 때 발생되는 표면 압력(p)에 따라 적절히 변경될 수 있다.
또, 아노드전극과 캐소드전극의 모든 세페레이터(9)의 돌출부(21)가 전해질막(1)에 대하여 대칭으로(도1의 도면에 수직하게 연장하는 전해질막(1)의 표면에 대하여 대칭으로) 위치하기 때문에, 가스 확산층(3)은 전해질막(1)의 양측면에서 동일하게 압축되어 가스 확산층(3)의 기공율을 감소시키도록 조절할 수 있다. 다시 말해서, 전해질막(1)이 과도한 외력으로 인하여 변형되지 않고 가스 확산층(3)의 기공율을 감소시키도록 조절하는 것이 가능하다.
상기에 설명된 본 실시예의 구조에서는, 도입되는 반응 가스의 일부가 세퍼레이터에 형성된 가스 흐름 채널들을 따라서 흐르지 않고 반응 영역으로부터 떨어진 영역의 가스 확산층으로 흐르게 하는 경우를 억제하는 능력으로 인하여 도입된 가스의 전체가 실제로 반응할 수 있어 연료전지의 성능을 개선시킬 수 있다.
또, 다공질 부재의 종료부가 수지(resin)로 숨겨지는 방법에 비해서, 본 실시예에서는, 세퍼레이터의 주 표면에 대한 돌출부의 높이가 결정되면 세퍼레이터는 프레스 성형과 같은 방법으로 효과적으로 조립될 수 있어 시간 낭비와 추가 비용이 필요하지 않다.
부수적으로, 본 실시예에서 사용된 단위 전지의 숫자와 특정한 배열의 치수와 구성에 제한이 없음은 물론이고 본 실시예의 연료전지에 유사한 기능을 얻도록 다른 조건을 적용할 수 있음은 당연하다.
(제2 실시예)
다음에는, 도2를 참조하면, 본 발명에 따른 제2 실시예의 연료전지(20)와 그 제조방법이 상세히 설명된다. 또한, 설명의 편의상, 연료전지(20)의 하나의 단위 전지가 분해 상태로서 도시되고 단지 전극막 구조체(5)에 대하여 대칭인 표면에 위치된 2개 중에 하나만의 아노드전극 및 캐소드전극용 세퍼레이터(9,9)가 도시된다. 또한, 제1 실시예와 동일한 부품들은 동일한 참조 부호를 부여하며 설명은 적절히 간략하게 언급되거나 생략된다.
도2에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는 제1 실시예와는 달리, 도1의 제1 실시예의 돌출부(21) 대신에 돌출부(31)가 모서리부(가장자리부)가 둥근 형상(R)으로 형성되는 형상을 가지는 것이 상이하며, 다른 구조는 양 실시예에서 동일하다.
본 실시예의 구조에서는, 가장자리부가 둥근 형상(R)으로 돌출부(31)로부터 제거되기 때문에 가스 확산층(3)이 카본 페이퍼(carbon paper)와 같이 부서지기 쉬운 다공질 부재로 제조되는 경우에도 가스 확산층(3)이 부재에서 발생하는 크랙 등 에 의해 기능이 악화되는 것을 피할 수 있다.
또한, 제1 실시예와 비교해서 가스 확산층의 표면 접촉 영역이 감소해도 연료전지 스택은 제1 실시예에 작용한 하중과 동일한 크기의 하중이 작용하고 압축되어도, 가스 확산층(3)은 증가한 부하가 돌출부(31)에 대면하는 영역에 작용하여 이러한 영역은 또한 감소된 기공율을 가지게 된다.
(제3 실시예)
다음으로, 도3을 참조하면, 본 발명에 따른 제3 실시예의 연료전지(30)와 그 제조방법이 상세히 설명된다. 또한, 설명의 편의상, 연료전지(30)의 하나의 단위 전지가 분해된 상태로 도시되고, 전극막 구조체(5)에 대해 대칭인 표면에 위치한 2개 중 하나의 아노드전극 및 캐소드전극용 세퍼레이터(9,9)가 도시된다. 또, 제1 실시예와 동일한 부품들은 동일한 참조 부호를 지시하며 설명은 적절히 언급되거나 생략된다.
도3에 도시한 바와 같이, 본 실시예는 제1 실시예와는 달리, 도1에 도시된 제1 실시예의 돌출부(21) 대신에 돌출부(41)가 가스 흐름 채널(13)에 인접한 영역과 가스켓(7)에 인접한 다른 영역들 사이와는 높이가 다르게 경사진 표면을 가지며 가스 확산층(3)에 대면한 표면은 가스켓(7)에 인접한 영역에서 다른 영역보다 낮은 높이를 가지고, 나머지 구조는 제1 실시예와 동일하다. 또, 본 실시예에서는, 가스 확산층(3)이 다공질 부재로 형성된 카본 거즈(carbon cloth)로 제조된다.
본 실시예의 구조에서는, 가스 흐름 채널(13)에 인접하게 위치하는 돌출부(41)의 가장 높은 영역이 존재하여, 가스 확산층(3)에 하중이 집합적으로 작용할 수 있도록 하여, 도입된 가스가 가스 흐름 채널(13)로부터 가스켓(7)에 인접한 영역을 향하여 흐르는 것을 또한 효과적으로 피할 수 있다.
(제4 실시예)
다음에는, 도4를 참조하면, 본 발명에 따른 제4 실시예의 연료전지(40)와 그 제조방법이 상세히 설명된다. 또한, 설명의 편의상 연료전지(40)의 하나의 단위 전지만이 분해된 상태로 도시되고 단지 전극막 구조체(5)에 대해 대칭인 표면에 위치한 2개 중 하나의 아노드전극 및 캐소드전극용 세퍼레이터(9,9)가 도시된다. 또한, 제1 실시예와 동일한 부품들은 동일한 참조 부호를 부여하며 설명은 적절히 언급되거나 생략된다.
도4에 도시한 바와 같이, 본 실시예는 제1 실시예와는 달리, 도1에 도시된 제1 실시예와 같은 돌출부(21)가 설치되지 않는 반면에 절연 부재(51)가 가스 확산층(3)에 대면하는 편평한 표면을 갖도록 가스켓(7)의 내부에 위치하는 동시에 절연 부재(52)가 가스 확산층(3)에 대면하는 편평한 표면을 갖도록 가스켓(7)의 외부에 위치하여 가스켓(7)은 절연부재(51,52)에 의해 끼워지고, 나머지 구조는 제1 실시예와 동일하다.
특히, 가스켓(7)의 외부에 위치한 절연 부재(52)의 두께는 단위 전지에 소정의 부하가 작용하는 경우에 가스 확산층(3)의 두께와 동일하게 설정된다. 또한, 가스켓(7)의 내부에 위치한 절연 부재(51)의 두께는 도6을 참조한 제1 실시예에서 사용된 것과 같은 방법으로 설정된다.
이러한 절연 부재(51,52)들은 아노드전극 세퍼레이터와 캐소드전극 세퍼레이 터가 단위 전지의 단락을 방지하는 기능을 가지며 연료전지의 작동 온도(100℃근처)에 대해서 내열성을 가지고 습한 작동에 대해서 가수분해 저항성(hydrolysis-resistant properties)을 가지며 전극막으로부터 발생하는 내산성을 가지는 것이 바람직할 수 있으며, 임의의 열경화성수지 또는 열가소성수지를 사용하여도 조심할 필요가 없다.
또, 절연 부재(51)는 전극막 구조체(5)에 대하여 대칭인 표면에서 아노드전극 및 캐소드전극에 설치되기 때문에, 전극막 구조체(5)의 가스 확산층(3)은 동일하게 압축되어 기공율이 감소하도록 조절할 수 있다. 다시 말해서, 전극막(1)이 과도한 외력으로 인하여 변형될 가능성은 없다.
따라서, 본 실시예의 구조에서는, 비록 가스 확산층이 사용시 임의의 특정값으로 압축되더라도 부하가 어떻게 작용하는지 여부에 따라 가스 확산층의 압축 정도가 변화하여 가스 확산도를 변화시키고 단위 전지의 성능상의 불균일성을 증가시키는 경우에 대해서도 전극막 구조체 사이의 절연 부재는 가스 확산층의 두께 조절 부재로서 사용된다.
따라서, 가스 확산층의 두께 조절 부재로 전극막 구조체 사이의 절연 부재를 사용하는 능력에 의해서, 가스 확산층의 압축도가 임의의 두께를 가지도록 절연 층의 두께를 가스 확산층의 압축된 두께와 동일하게 설정하면 가스확산층이 아무리 심하게 압축되더라도 모든 단위 전지는 각기 균일한 두께를 가지는 가스 확산층을 가질 수 있다.
(제5 실시예)
다음으로, 도5를 주로 참조하면, 본 발명에 따른 제5 실시예의 연료전지(50)와 그 제조방법이 상세히 설명된다. 또한, 설명의 편의상 단지 하나의 전극막 구조체가 도시된다. 제1 실시예와 동일한 부품들은 동일한 참조 번호를 부여하며 설명은 적절히 간략하거나 생략된다.
도5에 도시한 바와 같이, 전극막 구조체(50)는 전해질막(1)과, 전해질막(1)의 양측면에 형성된 2개의 가스 확산층(3)으로 구성된다.
특히, 전극막 구조체(50)의 가스 확산층(3)은 주 표면의 양측면에 대해서 수직한 마주보는 방향으로(도면에서 수직한 마주보는 방향으로) 압축되어 형성되는 각각의 단부(61)를 가진다. 또한, 이러한 압축으로 얻어진 전극막 구조체(50)는 제1 실시예의 구조에서 적용되어, 연료전지가 조립된다. 물론, 이러한 단부(61)들을 가지는 전극막 구조체(50)는 제2 내지 제4 실시예의 구조에도 적용 가능하다는 것에 주목할 것이다.
도6에 도시된 압축 곡선으로 도시한 바와 같이, 단부(61)를 압축시키면 가스 확산층(3)의 두께(tD)에 아무런 변화가 일어나지 않을 때까지 단부(61)를 두께(tB)까지 압축하는 것이 바람직하다. 이러한 특징에 따라서, 연료전지의 단위 전지에 부하를 인가하여 스택으로 조립시키려면 가스 확산층(3)의 두께(tD)가 tA와 같아지도록 설정하는 것만으로 충분하다.
특히, 열경화성 수지의 메탄올 용액이 준비되고 가스 확산층(3)에 함침되어 가스 확산층(3)의 단부(61)의 일부가 수지를 경화시키기 위해 압축 프레스로 120℃ 의 주위 온도에서 2 MPa 의 표면 압력으로 부하가 인가되므로 압축된 단부(61)를 가지는 가스 확산층(3)을 얻을 수 있다. 부수적으로, 가스 확산층(3)의 단부(61)가 보다 증가된 두께로 예비 형성되어 그 후에, 단부(61)가 감소된 기공율을 얻도록 압축되는 반면, 한편으론, 발전 영역에 상응하는 각각의 두께를 값 tA로 저하하도록 설정하는 시도도 가능하다. 이런 경우에는, 이전에 언급된 돌출부(21,31,41,51)를 형성할 필요는 없다.
또, 가스 확산층(3)의 단부(61)의 압축된 영역은 전해질막(1)에 대하여 대칭인 표면에 형성되기 때문에, 가스 확산층(3)은 전해질막(1)에 대하여 동일하게 압축되어 감소된 기공율을 얻을 수 있다. 이것은 효과적으로 전해질막이 소망하지 않은 외력에 의해 변형되지 않게 할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서 언급된 구조에 의해, 전극막 구조체의, 발전을 일으키지 않는 영역에서 예비 압축된 가스 확산층의 사용은, 연료전지에 도입된 가스가 발전에 기여하지 못하는 영역으로 흐르는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
(비교 실시예)
다음으로, 도8을 참조하면, 본 실시예에서 검토된 비교 실시예가 상세히 설명된다. 또한, 설명의 편의상, 연료전지(80)의 하나의 단위 전지만이 분해된 상태로 도시된다. 또, 제1 실시예와 동일한 부품들은 동일한 참조 부호를 부여하며 설명은 적절히 간략하거나 생략된다.
도8에 도시한 바와 같이, 본 비교 실시예에서는, 전극막 구조체(105)가 전해 질막(101)과, 전해질막(101)의 양측면에 형성된 2개의 가스 확산층(103)으로 구성된다. 가스켓(107)은 전극막 구조체(105)와 세퍼레이터(109, 109) 사이에, 즉 캐소드전극 세퍼레이터(109a)와 아노드전극 세퍼레이터(109b) 사이에 위치하고, 전극막 구조체(105)는 캐소드전극 세퍼레이터(109a)와 아노드전극 세퍼레이터(109b) 사이에 끼워진다. 이러한 비교 실시예에서는, 가스 흐름 채널(13)과 가스켓(107) 사이의 최외측 거리(L)가 4.5 mm 값으로 설정되며, 가스 확산층(103)과 가스켓(107) 사이의 간격(S)은 1.2 mm 값으로 설정된다. 그리고, 이러한 조건의 단위 전지 스택은 1.0 MPa 의 표면 압력으로 압축되어 적층된 연료전지가 얻어진다.
도7은 본 발명의 제1 및 제4 실시예와 비교 실시예의 연료전지의 발전 결과를 I-V 특성에 관해 얻어진 실험결과를 도시하는 전류 전압 특성도를 대표적으로 나타내는 도면이다. 도면에서, 가로축은 전류 I를 나타내고 세로축은 전압 V를 나타내며, 곡선(a)은 제1 및 제4 실시예의 연료전지(10,40)의 I-V 특성을 나타내고 곡선(b)은 비교 실시예의 연료전지(80)의 I-V 특성을 나타낸다. 각각의 연료전지(10,40,80)의 작동 조건은 각각의 전지를 80℃의 온도에 설정하고, 수소 가스를 아노드전극의 반응 가스로 사용하며 공기를 캐소드전극의 반응 가스로 사용하고 습도는 수소 가스와 공기 모두가 전지 온도의 80% 포화 증기도의 증기도에 도달하게 설정되어 있다. 또한, 가스 확산층(3,103)은 카본 페이퍼로 제조된다.
도7에 도시한 바와 같이, 제1 및 제4 실시예의 연료전지(10,40)의 I-V 특성은 비교 실시예의 연료전지(80)의 특성보다 또한 개선되었음을 이해할 것이다.
상기에 언급한 본 발명의 각각의 실시예의 구성에 따르면, 전극막 구조체의 가스 확산층의 세퍼레이터의 가스 흐름 채널 외측에 위치한 영역의 기공율은 가스 흐름 채널에 대면하는 영역의 기공율보다 작기 때문에, 반응에 기여하지 못하는 가스 흐름 채널 외측의 영역에서 가스 확산층을 통과하는 가스량은 연료전지의 효율을 증대하는 유익한 효과로 제한될 수 있다.
일본에서 2002년 12월 27일자로 출원된 일본 특허출원 TOKUGAN 2002-382139호의 전체 내용이 본원에 참고로 인용된다.
본 발명은 특정 실시예를 참조로 상기에 설명되었으나, 본 발명은 상기에 언급된 실시예에 제한되지 않는다. 상기에 언급한 실시예의 변경과 변형들이 당분야의 당업자에 의해 개시 내용에 비추어 이루어진다. 본 발명의 범위는 다음의 청구범위를 참조하여 정의된다.
상기에 언급한 바와 같이, 본 발명의 연료전지와 그 제조방법에서는, 세퍼레이터의 가스 흐름 채널 외측에 위치한 영역에서 전극막 구조체의 가스 확산층의 기공율은 가스 흐름 채널에 대면하는 영역의 기공율보다 작게 설정된다. 이러한 구조에서는, 반응에 기여하지 못하는 가스 흐름 채널 외측의 영역에서 가스 확산층을 통과하는 가스량을 제한하여 연료전지의 효율을 높히고 연료전지 구동 차량을 포함하는 광범위의 용도로 기대될 수 있다.

Claims (17)

  1. 전해질막과, 상기 전해질막의 양측면에 형성되고 각기 전극으로 기능하는 한 쌍의 가스 확산층이 설치된 전극막 구조체와,
    상기 전극막 구조체가 그 사이에 끼워지는 한 쌍의 세퍼레이터로서, 상기 각각의 세퍼레이터는 가스를 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층에 공급하는 가스 흐름 채널을 갖는 한 쌍의 세퍼레이터와,
    상기 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층을 가압하도록, 전극막 구조체와 한 쌍의 세퍼레이터 각각의 사이에 끼워지는 가압 부재를 구비하고,
    상기 가스 흐름 채널 외측의 영역에서 한 쌍의 가스 확산층 중 상기 연관된 하나의 가스 확산층의 기공율(porosity)은 가스 흐름 채널에 대면하는 영역에서 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층의 기공율보다 낮은 연료전지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가압 부재가 가스 흐름 채널 외측의 영역에서 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층을 가압하는 연료전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가압 부재가 한 쌍의 세퍼레이터의 각각에서 가스 흐름 채널 외측의 영역에 형성된 돌출부인 연료전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 돌출부가 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층과 가압 접촉을 유지하는 연료전지.
  5. 제3항에 있어서, 상기 돌출부의 모서리는 둥근 부분으로 형성되는 연료전지.
  6. 제3항에 있어서, 상기 돌출부는 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층에 대하여 경사진 경사 표면을 가지는 연료전지.
  7. 제6항에 있어서, 상기 돌출부의 높이는 돌출부가 가스 흐름 채널에 접근할수록 증가하는 연료전지.
  8. 제3항에 있어서, 상기 돌출부는 가스 흐름 채널을 둘러싸는 연료전지.
  9. 제3항에 있어서, 상기 한 쌍의 세퍼레이터의 각각과 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층 사이에 끼워지는 가스켓을 더욱 구비하고, 상기 돌출부는 가스 흐름 채널과 가스켓 사이에 위치되는 연료전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 가압 부재는 전기 절연 부재를 포함하는 연료전지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 가압 부재를 제한하는 제한 부재를 더욱 구비하는 연료전지.
  12. 제11항에 있어서, 한 쌍의 세퍼레이터 각각과 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층 사이에 끼워지는 가스켓을 더욱 구비하고,
    상기 제한 부재는 그 사이에 위치한 가스켓이 마련된 가압 부재 외측 영역에 위치되는 연료전지.
  13. 제1항에 있어서, 상기 가스 흐름 채널의 외측 영역의 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층은 예비 압축되는 연료전지.
  14. 제1항에 있어서, 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층에 대한 가압부재는 전해질막에 대하여 대칭인 표면에 위치되는 연료전지.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 전해질막과, 상기 전해질막의 양측면에 형성되고 각기 전극으로 기능하는 한 쌍의 가스 확산층이 설치된 전극막 구조체를 준비하는 단계와,
    상기 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층을 가압하도록 전극막 구조체와 한 쌍의 세퍼레이터 각각의 사이에 끼워지는 가압 부재와 함께, 각각의 세퍼레이터가 가스를 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나에 공급하는 가스 흐름 채널을 갖는 한 쌍의 세퍼레이터 사이에, 상기 전극막 구조체를 끼워 넣는 단계를 포함하며,
    가스 흐름 채널 외측의 영역에서 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층의 기공율이, 가스 흐름 채널에 대면하는 한 쌍의 가스 확산층 중 연관된 하나의 가스 확산층의 기공율보다 낮은 것인 연료전지의 제조방법.
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