KR100723396B1 - 연료 전지용 봉지재, 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법 - Google Patents

연료 전지용 봉지재, 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

연료 전지용 봉지재, 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법에 관하여 개시된다. 개시된 연료전지용 봉지재는, 한쌍의 환형의 얇은 띠로 구성된다. 상기 환형의 얇은 띠는, 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층과 열가소성 수지층이 적층되어 구성된다. 각 환형의 얇은 띠가 상기 각 열가소성 수지층끼리 대향 배치되고, 또한 각 환형의 얇은 띠의 외주부에서 상기 열가소성 수지층끼리 융착된다.

Description

연료 전지용 봉지재, 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법{Sealing member for fuel cell, fuel cell, and method of manufacturing the fuel cell}
도 1은 본 발명의 실시형태의 연료 전지의 일례를 도시한 평면 모식도.
도 2는 도 1의 A-A선에 대응하는 단면 모식도.
도 3은 도 1의 연료 전지의 주요부를 도시한 확대 단면 모식도.
도 4는 도 1의 연료 전지의 주요부에서의 가스의 흐름을 설명하는 확대 단면 모식도.
도 5는 본 발명의 실시형태의 연료 전지의 다른 예를 도시한 확대 단면 모식도.
도 6은 본 발명의 실시형태의 연료 전지의 또다른 예를 도시한 확대 단면 모식도.
도 7은 본 발명의 실시형태인 연료 전지의 제조 방법을 설명하는 공정도.
도 8은 본 발명의 실시형태인 연료 전지의 제조 방법을 설명하는 공정도.
도 9는 본 발명의 실시형태인 연료 전지의 제조 방법을 설명하는 공정도.
도 10은 본 발명의 실시형태인 연료 전지의 제조 방법을 설명하는 공정도.
도 11은 실시예 1∼6 및 비교예 1,2의 연료 전지의 온도 싸이클과 150℃에서의 개회로 전압과의 관계를 도시한 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
1…연료 전지 1a…단위 발전 소자(연료 전지)
2…전해질막 2a…전해질막의 주연부
3…연료극(전극) 4…산소극(전극)
5,6…가스 유로가 부착된 세퍼레이트판
5b,6b…환형 가스켓 10,20…봉지재(연료 전지용 봉지재)
11,21,31,41…환형의 얇은 띠 11a…환형의 얇은 띠의 외주부
11b…환형의 얇은 띠의 내주부 11c…가스 난투과층
11d…열가소성 수지층 21a…별도의 열가소성 수지층
31a…한쪽 환형의 얇은 띠의 외주단
41a…다른 쪽 환형의 얇은 띠의 외주단
(특허문헌 1) 일본특개2004-51728호 공보
(특허문헌 2) 일본특개2005-108565호 공보
(특허문헌 3) 일본특개평5-41225호 공보
본 발명은 연료 전지용 봉지재, 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
연료 전지는, 산소극에 산소 가스를, 연료극에는 수소 가스를 각각 공급하고, 물의 생성 반응인 산소와 수소의 산화 환원 반응에 의해 전기 에너지를 취출하는 디바이스이고, 전해질막과 산소극과 연료극으로 이루어진 복수의 단위 발전 소자가 서로 접속되어 구성되어 있다.
이와 같은 연료 전지에서 발전 효율을 높이려면, 단위 발전 소자 내에서 산소 가스 또는 수소 가스가 반대쪽 극으로 누설되지 않도록 전해질막 자체 및 전해질막의 주연부에 배치되는 봉지재의 각각의 가스 투과성을 낮출 필요가 있다.
또 단위 발전 소자는 보통 한쌍의 세퍼레이트판 사이에 배치함으로써 단위 발전 소자끼리 단락되지 않도록 구성되어 있는데, 인접하는 다른 단위 발전 소자에 대한 산소 가스 또는 수소 가스의 누설을 방지할 필요도 있다.
그래서 종래부터 불소 고무류를 세퍼레이트판의 가스켓에 사용한 기술이 제안되어 있으며, 예를 들면 특허문헌 1에는 가스켓의 재질을 개량하여 수명을 늘린 연료 전지가 개시되어 있다.
또 특허문헌 2에는 가스켓의 단면 형상을 개량한 연료 전지의 봉지(seal) 구조가 제안되어 있다. 그러나 이 특허문헌 2에 기재된 봉지 구조를, 고분자 전해질막을 구비한 연료 전지에 적용하려고 하면, 특히 전해질막의 강도가 불충분한 경우에 전해질막을 한쌍의 가스켓 사이에 끼우면 전해질막이 깨질 우려가 있어 가스 누설을 완전히 방지하지 못할 가능성이 있다.
또한 특허문헌 3에는 액자 모양의 봉지를 여러장 적층하여 전해질막 주위에 배치하여 가스 누설을 저감시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나 봉지끼리 일체로 접합되어 있지 않으면 봉지 사이에 물리적인 틈이 생겨 가스 누설이 일어날 가능성이 있으며, 장기적인 안정성에도 문제가 있다. 또 봉지가 수지 필름 등으로 구성된 경우로서 봉지의 유연성이 높은 경우에는, 단위 발전 소자를 제조할 때 나사 등으로 조임으로써 봉지에 왜곡이 발생하고, 이로써 가스 누설이 일어날 가능성이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 단위 발전 소자 내에서의 가스 누설과, 단위 발전 소자 자체의 가스 누설을 방지할 수 있는 연료 전지용 봉지재 및 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 구성을 채용했다. 본 발명의 연료 전지용 봉지재는, 한쌍의 환형의 얇은 띠로 구성되고, 상기 환형의 얇은 띠는, 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층과 열가소성 수지층이 적층되어 구성되고, 각 환형의 얇은 띠가 상기 각 열가소성 수지층끼리 대향 배치되고, 또한 각 환형의 얇은 띠의 외주부에서 상기 열가소성 수지층끼리 융착되어 있는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명의 연료 전지용 봉지재는, 상기 가스 난투과층의 상기 열가소성 수지층과는 반대쪽에 별도의 열가소성 수지층이 더 적층되어 있는 것이 바람직하다.
상기 구성에 의하면, 봉지재를 구성하는 환형의 얇은 띠를 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층이 구비되어 있기 때문에 환형의 얇은 띠를 투과하려는 가스 누설을 차단할 수 있으며, 특히 연료 전지의 단위 발전 소자 내에서의 가스 누설을 방지할 수 있다. 또 한쌍의 환형의 얇은 띠의 외주부가 서로 융착되어 있기 때문에 환형의 얇은 띠 사이를 투과하려는 가스 누설을 방지할 수 있고, 특히 연료 전지의 단위 발전 소자 자체의 가스 누설을 방지할 수 있다.
다음으로 본 발명의 연료 전지는, 전해질막과, 상기 전해질막을 개재하는 한쌍의 전극과, 상기 전해질막의 주연부를 둘러싸는 환형 봉지재를 구비하여 이루어지며, 상기 환형 봉지재는, 상기 전해질막의 주연부를 그 두께 방향 양쪽에 끼우는 한쌍의 환형의 얇은 띠로 구성되고, 상기 환형의 얇은 띠는, 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층과, 상기 가스 난투과층에 적층된 열가소성 수지층으로 구성되고, 각 환형의 얇은 띠는 상기 각 열가소성 수지층끼리 대향 배치되고, 상기 한쌍의 환형의 얇은 띠의 내주부에 의해 상기 전해질막의 주연부가 끼워짐과 동시에 상기 한쌍의 환형의 얇은 띠의 외주부에서의 상기 열가소성 수지층끼리 상기 전해질막의 주연부 바깥쪽에서 서로 융착되어 있는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명의 연료 전지는, 상기 가스 난투과층의 상기 열가소성 수지층과는 반대쪽에 다른 열가소성 수지층이 더 적층되어 있는 것이 바람직하다.
또 본 발명의 연료 전지는, 한쪽의 상기 환형의 얇은 띠의 외주단이, 다른 쪽의 환형의 얇은 띠의 외주단보다 바깥쪽으로 돌출되어 있는 것이 바람직하다.
또 본 발명의 연료 전지는, 상기 한쌍의 전극의 상기 전해질층과 반대쪽에 가스 유로가 부착된 세퍼레이트판이 각각 배치되고, 상기 각 가스 유로가 부착된 세퍼레이트판에는 환형 가스켓이 각각 설치되고, 상기 환형 가스켓에 의해 상기 환형의 얇은 띠의 상기 외주부가 끼워지는 것이 바람직하다.
또 본 발명의 연료 전지는, 상기 열가소성 수지층이 불소계 열가소성 수지로 이루어진 것이 바람직하다.
또 본 발명의 연료 전지는, 상기 별도의 열가소성 수지층이 불소계 열가소성 수지 또는 불소계 고무로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 구성에 의하면, 봉지재를 구성하는 환형의 얇은 띠에 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층이 구비되어 있기 때문에, 환형의 얇은 띠를 투과하여 한쪽 전극에서 다른 쪽 전극으로 누설되려는 가스의 흐름을 차단할 수 있고, 연료 전지의 단위 발전 소자 내에서의 가스 누설을 방지할 수 있다. 또 한쌍의 환형의 얇은 띠의 외주부가 서로 융착되어 있기 때문에 환형의 얇은 띠 사이를 투과하려는 가스를 차단할 수 있고, 연료 전지의 단위 발전 소자 자체의 가스 누설을 방지할 수 있다.
또 전해질막의 주연부가 환형의 얇은 띠의 내주부에 의해 끼워지고, 또 환형의 얇은 띠의 외주부가 융착되어 있기 때문에 전해질막으로부터의 가스 누설을 완전히 차단할 수 있다.
다음으로 본 발명의 연료 전지의 제조 방법은, 전해질막의 주연부의 두께 방향 양쪽에 한쌍의 환형의 얇은 띠를 겹치는 준비 공정과, 상기 전해질막의 주연부 바깥쪽에서 상기 각 환형의 얇은 띠의 외주부끼리 서로 융착시켜 환형 봉지재를 형성하는 융착 공정으로 구성되고, 상기 한쌍의 환형의 얇은 띠가 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층과, 상기 각 가스 난투과층에 각각 적층된 열가소성 수지층으로 이루어지고, 상기 준비 공정에서 각 환형의 얇은 띠의 각 열가소성 수지층을 상기 전해질막을 향해 배치함과 동시에 상기 융착 공정에서 상기 환형의 얇은 띠의 상기 외주측에 위치하는 상기 열가소성 수지층끼리 융착시키는 것을 특징으로 한다.
다음으로 본 발명의 연료 전지의 제조 방법은, 상기 융착 공정 후에 상기 전해질막의 두께 방향 양쪽에 환형 가스켓을 구비한 한쌍의 가스 유로가 부착된 세퍼레이트판을 각각 배치하고, 상기 각 환형 가스켓에 의해 상기 환형의 얇은 띠의 상기 외주부를 개재하는 세퍼레이트판 설치 공정이 구비되어 있는 것이 바람직하다.
또 본 발명의 연료 전지의 제조 방법은, 상기 열가소성 수지층이 불소계 열가소성 수지로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 구성에 따르면, 전해질막의 주연부에 한쌍의 환형의 얇은 띠를 겹치고 나서 각 환형의 얇은 띠의 외주부를 융착시키기 때문에 환형의 얇은 띠의 내주부에 의해 전해질막이 끼워지고, 또한 환형의 얇은 띠의 외주부가 융착된 연료 전지를 제조할 수 있다. 이 연료 전지에 의하면, 환형의 얇은 띠를 투과하여 한쪽 전극에서 다른 쪽 전극으로 누설되려는 가스의 흐름을 차단할 수 있고, 연료 전지의 단위 발전 소자 내에서의 가스 누설을 방지할 수 있다. 또 한쌍의 환형의 얇은 띠의 외주부를 서로 융착시킴으로써 환형의 얇은 띠 사이를 투과하려는 가스를 차단할 수 있어서 연료 전지의 단위 발전 소자 자체의 가스 누설을 방지할 수 있다. 또 전해질막의 주연부를 환형의 얇은 띠의 내주부에 의해 끼워지고, 또 환형의 얇은 띠의 외주부를 융착시킴으로써 전해질막으로부터의 가스 누설을 완전히 차단할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 더욱이 본 실시형태에서 참조하는 도면은, 본 발명에 관한 연료 전지용 봉지재 및 연료 전지 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 것으로서, 도시되는 각 부의 크기나 두께나 치수 등은 실제 봉지재 및 연료 전지의 치수 관계와는 다를 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시형태의 연료 전지의 일례를 도시한 평면 모식도이고, 도 2는, 도 1의 A-A선에 대응하는 단면 모식도이고, 도 3은, 도 1의 연료 전지의 주요부를 도시한 확대 단면 모식도이다. 도 1에 도시한 평면 모식도는, 도 2에 도시한 가스 유로가 부착된 세퍼레이트판(5),(6)을 없앤 상태에서의 평면도이다.
본 실시형태의 연료 전지(1)는, 예를 들면 작동 온도 80℃∼300℃, 작동 습도가 무가습∼상대 습도 50% 이하의 작동 조건으로 작동하는 것으로서, 도 1 및 도 2에 도시한 단위 발전 소자(1a) 단독으로 구성되거나, 또는 복수개의 단위 발전 소자(1a)가 직렬 또는 병렬로 접속되어 구성되어 있다. 본 실시형태에서는 설명의 편의상 도 1에 도시한 단위 발전 소자(1a) 단독으로 구성된 연료 전지에 대해서 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 연료 전지(1)는 전해질막(2)과, 이 전해질막(2)을 끼운 한쌍의 전극(3),(4)과, 각 전극(3),(4)의 전해질막과 반대쪽에 각각 배치된 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판(5),(6)과, 전해질 막(2)의 주연부(2a)를 둘러싸도록 배치된 환형 봉지재(10)로 개략적으로 구성되어 있다.
전해질막(2)은, 이른바 프로톤 전도성 전해질로 구성된 두께가 20μm∼200μm인 막이다. 이 전해질막(2)은 한쪽 전극에서 생성된 프로톤(수소 이온)을 다른 쪽 전극으로 전도시키는 것이다. 전해질막(2)을 구성하는 프로톤 전도성 전해질로서는, 예를 들면 퍼플루오로형 불소계 술폰산 수지(작동 온도 80∼100℃ 정도), 폴리벤즈이미다졸 또는 그 유도체로 이루어진 기재에 인산을 함침시킨 인산 전해질(작동 온도 100∼300℃ 정도) 등을 예시할 수 있다.
다음으로 전극(3),(4)은 전해질쪽에 배치된 촉매층(3a),(4a)과, 촉매층(3a),(4a)에 적층된 가스 확산층(3b),(4b)으로 구성되어 있다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 가스 확산층(3b),(4b)은 촉매층(3a),(4a)보다 훨씬 크게 형성 되어 있다. 즉 가스 확산층(3b),(4b)의 주연부(3b1),(4b1)가 촉매층(3a),(4a)의 주연부(3a1),(4a1) 보다도 전극층(3),(4)의 두께 방향과 직교하는 방향으로 돌출 되어 있다. 촉매층(3a),(4a)의 두께는 1μm∼300μm의 범위가 바람직하고, 10μm∼200μm의 범위가 보다 바람직하다. 또 가스 확산층(3b),(4b)의 두께는 50μm∼500μm의 범위가 바람직하고, 150μm∼400μm의 범위가 보다 바람직하다.
가스 확산층(3b),(4b)은, 예를 들면 도전성의 다공질 카본 시트 등으로 구성된다. 또 촉매층(3a),(4a)에는, 예를 들면 전극 촉매(촉매)와, 이 전극 촉매를 고화 성형하기 위한 소수성 결착제와 도전재가 포함되어 있다. 촉매층(3a),(4a)을 구성하는 촉매는, 수소의 산화 반응 및 산소의 환원 반응을 촉진하는 금속이라면 특 별히 한정되지 않지만, 예를 들면 납, 철, 망간, 코발트, 크롬, 갈륨, 바라듐, 텅스텐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 백금, 로듐 또는 그들의 합금을 들 수 있다. 이러한 금속 또는 합금을 활성탄에 담지시킴으로써 전극 촉매를 형성할 수 있다.
또 촉매층(3a),(4a)을 구성하는 소수성 결착제로는, 예를 들면 불소 수지를 사용할 수 있다. 불소 수지 중에서도 융점이 400℃ 이하인 것이 바람직하고, 그와 같은 불소 수지로서 폴리사불화에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 폴리불화비닐리덴, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로에틸렌 공중합체, 퍼플루오로에틸렌 등 소수성 및 내열성이 우수한 수지를 사용할 수 있다. 소수성 결착제를 첨가함으로써 발전 반응에 따라 생성된 물에 의해 촉매층(3a),(4a)이 지나치게 젖는 것을 방지할 수 있고, 전극(3),(4) 내부에서의 수소 및 산소의 확산 저해를 방지할 수 있다.
또한 촉매층(3a),(4a)을 구성하는 도전재로서는, 전기 전도성 물질이라면 어떠한 것이라도 좋으며 각종 금속이나 탄소 재료 등을 들 수 있다. 예를 들면 아세틸렌블랙 등의 카본블랙, 활성탄 및 흑연 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 혹은 혼합하여 사용된다.
또 촉매층(3a),(4a)에는, 소수성 결착제 대신에, 또는 소수성 결착제와 함께 전해질막을 구성하는 프로톤 전도성 전해질을 함유시켜도 좋다. 프로톤 전도성 전해질을 첨가함으로써 촉매층(3a),(4a)에서의 프로톤 전도도를 향상시킬 수 있으며 촉매층(3a),(4a)의 내부 저항을 저감시킬 수 있다.
이와 같은 전극(3),(4)에 대해, 예를 들면 전극(3)에 수소 가스를 공급하고, 전극(4)에는 산소를 포함하는 공기를 공급함으로써 전극(3)이 연료극으로서 기능하고, 전극(4)은 산소극으로서 기능한다. 그리고 연료극(3) 측에서 수소가 산화되어 프로톤이 발생하고, 이 프로톤이 전해질막(2)을 전도하여 산소극(4)에 도달하고, 산소극(4)에서 프로톤과 산소가 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 동시에 전기 에너지를 발생시킨다.
다음으로, 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판(5),(6)은 도전성을 가진 금속 등으로 구성되어 있으며 각 전극(3),(4)에 각각 접합되어 있다. 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판(5),(6)의 전극(3),(4)와 대향하는 면에는 가스 유로(5a),(6a)가 각각 형성되어 있다. 그리고 가스 유로(5a)를 통해 연료극이 되는 전극(3)에 수소 가스가 공급되고, 또 가스 유로(6a)를 통해 산소극이 되는 전극(4)에 산소 가스가 공급된다. 더욱이 수소 가스는 탄화수소 또는 알코올의 개질에 의해 발생된 수소가 공급되는 것이어도 좋고, 또 산소 가스는 공기에 포함되는 상태에서 공급되어도 좋다.
또 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판(5),(6)의 전극(3),(4)와 대향하는 면에는 환형 불소 고무 등으로 이루어진 가스켓(5b),(6b)이 배치되어 있다. 이 가스켓(5b),(6b)은 봉지재(10)을 구성하는 환형의 얇은 띠(11),(11)의 외주부(11a),(11a)에 접해 있으며 환형의 얇은 띠(11)의 외주부(11a)는 이 가스켓(5b),(6b)에 끼워진 상태로 되어 있다.
다음으로 도 1∼도 3에 도시한 바와 같이, 봉지재(10)는 한쌍의 환형의 얇은 띠(11),(11)로 구성되어 있다. 각 환형의 얇은 띠(11)는 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층(11c)과 열가소성 수지층(11d)이 적층되어 구성되어 있다. 그리고 봉지재(10)는 한쌍의 환형의 얇은 띠(11),(11)가 각각의 열가소성 수지층(11d),(11d)끼리 대향하도록 배치되어 구성되어 있다.
또 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 봉지재(10)를 구성하는 환형의 얇은 띠(11),(11)에 의해 전해질막(2)의 주연부(2a)가 그 두께 방향 양쪽에 끼워져 고정되어 있다. 보다 상세히 설명하면, 한쌍의 환형의 얇은 띠(11),(11)의 내주부(11b),(11b)에 의해 전해질막(2)의 주연부(2a)가 그 두께 방향 양쪽에 끼워져 있다.
또 각 환형의 얇은 띠(11)의 내주부(11b)가, 전해질막(2)의 주연부(2a)와 가스 확산층(3b),(4b)의 주연부(3b1),(4b1)에 끼워져 고정되어 있음과 동시에 촉매층(3a),(4a)의 주연부(3a1),(4a1)에 맞닿아 있다. 여기에서 환형의 얇은 띠(10)의 두께는, 촉매층(3a),(4b)의 두께와 같거나 전극 층(3a),(4b)의 두께보다 약간 두꺼운 것이 바람직하고, 구체적으로는 6μm∼330μm의 범위가 바람직하고, 13μm∼220μm의 범위가 보다 바람직하다. 환형의 얇은 띠(10)의 두께가 촉매층(3a),(4b)의 두께보다 두꺼우면, 내주부(11b)를 전해질막(2)의 주연부(2a)와 가스 확산층(3b),(4b)의 주연부(3b1),(4b1)에 끼워 확실히 고정시킬 수 있다.
한편 환형의 얇은 띠(11),(11)의 외주부(11a),(11a)는 서로 열융착되어 접합되어 있다. 즉 환형의 얇은 띠(11),(11)의 외주부(11a),(11a)쪽에 위치한 열가소성 수지(11d),(11d)끼리 열융착되고 일체화되어 봉지재(10)가 형성되어 있다.또 각 환형의 얇은 띠(11)의 외주부(11a)에는 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판(5),(6)의 가스켓(5b),(6b)이 접해 있다. 즉 각 환형의 얇은 띠(11)의 외주부(11a)가 가스켓(5b),(6b)을 통해 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판(5),(6)으로 조여져 있으며 이 구성에 의해 전해질막(2), 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판(5),(6), 가스켓(5b),(6b) 및 봉지재(10)에 의해 구획된 부분이 밀폐되어 있다.
여기서, 본 실시형태에서 환형의 얇은 띠(11)의 내주부(11b)란, 환형의 얇은 띠(11)의 내주측으로서 전해질막(2)의 주연부(2a)에 접해 있는 부분을 가리킨다. 한편 환형의 얇은 띠(11)의 외주부(11a)란, 환형의 얇은 띠(11)의 외주측으로서 전해질막(2)의 주연부(2a)에 접해 있지 않은 부분을 말한다.
환형의 얇은 띠(11)는, 상술한 바와 같이 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층(11c)과, 열가소성 수지층(11d)이 적층되어 구성되어 있다. 가스 난투과층(11c)은, 가스 투과성이 매우 낮은 재료로 구성하는 것이 바람직하고, 이 점에서 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄은 모두 가스 난투과층(11c)의 구성 재료로서 적합하다. 또 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄은 비교적 변형되기 쉬우며, 또 변형된 후에도 강도가 대폭 저하되지 않으며, 또한 300℃ 정도의 고온을 견디기 때문에 이러한 점에서도 연료 전지(1)의 봉지재(10)의 구성 재료로서 적합하다. 가스 난투과층(11c)의 두께는 5μm∼329μm의 범위가 바람직하고, 10μm∼190μm의 범위가 보다 바람직하다. 두께가 5μm 이상이면 가스 투과성이 증대되지 않고 봉지재(10)를 통한 가스 누설의 발생 우려가 적어진다. 또 두께가 329μm 이하이면 단위 발전 소자(1a) 자체의 두께를 얇게 할 수 있어서 공간을 절약할 수 있다.
다음으로, 열가소성 수지층(11d)은 환형의 얇은 띠(11),(11)끼리 융착시킬 때에 접착층으로서 기능하는 것으로서, 또 환형의 얇은 띠(11)의 내주부(11b)에서 전해질막(2)와 직접 접하는 것이기 때문에 열가소성을 가짐과 동시에 내열성을 가지며 또한 내식성이 우수한 것이 바람직하다. 이와 같은 열가소성 수지층(11d)으로서는 예를 들면 불소계 열가소성 수지가 바람직하고, 보다 구체적으로는 폴리사불화에틸렌 수지, 폴리사불화에틸렌·6불화프로필렌 공중합체 수지 등이 바람직하다. 또 열가소성 수지층(11d)의 두께는 1μm∼12μm의 범위가 바람직하고 3μm∼10μm의 범위가 보다 바람직하다. 두께가 1μm 이상이면 환형의 얇은 띠(10),(10)끼리 확실히 융착시킬 수 있으며 봉지재(10)를 통한 가스 누설 발생 우려가 적어진다. 또 두께가 12μm 이하이면 단위 발전 소자 자체의 두께를 얇게 할 수 있기 때문에 공간을 절약할 수 있다.
도 4에는, 도 1의 연료 전지의 주요부에서의 가스의 흐름을 모식적으로 나타내었다. 가스의 흐름을 수소 가스를 예로 들어 설명하면, 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판(5)의 가스 유로(5a)로부터 공급된 수소 가스는, 가스 확산층(3b) 내부로 균일하게 확산되어 촉매층(3a)에 공급된다(화살표 B). 촉매층(3a)에서는, 수소 가스의 일부가 산화 반응에 의해 프로톤으로 변환된다. 나머지 수소 가스는 촉매층(3a) 및 가스 확산층(3b)의 내부를 유동하여(화살표 B) 차례대로 촉매층(3a)에서의 산화 반응에 사용된다.
이 때, 가스 확산층(3b)에 공급된 수소 가스의 일부가 그 주연부(3b1)로부터 봉지재(10) 쪽으로 새어나오는 경우가 있다. 이 새어나온 수소 가스는, 봉지재(10) 를 투과하여 산소극(4) 쪽으로 누설될 가능성이 있지만(화살표 C), 봉지재(10)에는 가스 난투과층(11c),(11c)이 구비되어 있기 때문에 수소 가스가 산소극(4) 쪽으로 누설될 염려는 없다.
또 가스 확산층(3b)의 주연부(3b1)에서 봉지재(10) 쪽으로 새어나온 수소 가스는 가스켓(5b)과 봉지재(10)의 사이를 빠져나와 연료 전지(1)(단위 발전 소자)의 외부로 누설될 가능성이 있지만(화살표 D), 봉지재(10)는 그 두께 방향 양쪽에서 가스켓(5b),(6b)에 의해 단단히 조여져 있기 때문에 수소 가스가 연료 전지(1)의 외부로 누설될 염려는 없다.
또한 수소 가스가 환형의 얇은 띠(11),(11)와 전해질막(2)의 접합면을 따라 환형의 얇은 띠(11),(11)의 접합부에서 연료 전지(1)(단위 발전 소자)의 외부로 누설될 가능성이 있지만(화살표 E), 환형의 얇은 띠(11),(11)의 외주부(11a),(11a)가 서로 융착되어 일체화되어 있기 때문에 수소 가스가 연료 전지(1)의 외부로 누설될 염려는 없다.
더우기, 수소 가스가 전해질막(2)을 투과하여 산소극(4) 쪽으로 누설되는 경우는 거의 없다.
이상 수소 가스를 예로 들어 설명했으나, 산소극쪽 산소 가스의 거동에 관해서도 수소 가스의 경우와 동일하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 연료 전지(1)에 의하면, 봉지재(10)를 구성하는 환형의 얇은 띠(11)을 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층(11c)이 구비되어 있기 때문에, 예를 들면 환형의 얇은 띠(11)를 투 과하여 한쪽 전극(3)에서 다른 쪽 전극(4)으로 누설되려는 수소 가스의 흐름을 차단할 수 있고, 연료 전지(1)(단위 발전 소자) 안의 가스 누설을 방지할 수 있다. 또 한쌍의 환형의 얇은 띠(11),(11)의 외주부(11a),(11a)가 서로 융착되어 있기 때문에 환형의 얇은 띠(11),(11) 사이를 투과하려는 가스를 차단할 수 있고, 연료 전지(1)(단위 발전 소자) 자체의 가스 누설을 방지할 수 있다.
또 전해질막(2)의 주연부(2a)가 환형의 얇은 띠(11),(11)의 내주부(11b),(11b)에 의해 끼워지고 또 환형의 얇은 띠(11),(11)의 외주부(11a),(11a)가 융착되어 있기 때문에 전해질막(2)으로부터의 가스의 누설을 완전히 차단할 수 있다.
또 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판(5),(6)의 환형 가스켓(5b),(6b)에 의해 환형의 얇은 띠(11),(11)의 외주부(11a),(11a)가 끼워져 있으며, 이로써 전해질막(2), 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판(5),(6), 가스켓(5b),(6b) 및 봉지재(10)에 의해 구획되는 수소 가스 및 산소 가스의 유통 부분이 밀폐되어 있기 때문에 연료 전지(1)(단위 발전 소자) 자체의 가스 누설을 확실히 방지할 수 있다. 이와 같이 본 발명에서는, 봉지재(10) 자체에 의한 가스 누설 방지 기능과, 봉지재(10)와 환형 가스켓(5b),(6b)에 의한 가스 누설 방지 기능을 상승(相乘)적으로 이용함으로써 연료 전지(1)(단위 발전 소자) 자체의 가스 누설을 확실히 방지할 수 있다.
도 5에는, 본 발명의 실시형태의 연료 전지의 다른 예를 도시한다. 도 5에 도시한 연료 전지의 구성 부재 중 도 1∼4에 도시한 연료 전지의 구성 부재와 동일한 구성 부재에는 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략하거나 또는 간단히 설명한다.
도 5에 도시한 연료 전지의 봉지재와, 도 1∼4에 도시한 연료 전지의 봉지재와의 상이점은, 환형의 얇은 띠에 별도의 열가소성 수지층이 형성되어 있다는 점이다.
즉, 도 5에 도시한 봉지재(20)를 구성하는 환형의 얇은 띠(21)는, 별도의 열가소성 수지층(21a)과, 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층(11c)과, 열가소성 수지층(11d)이 차례대로 적층되어 구성되어 있다. 봉지재(20)는 한쌍의 환형의 얇은 띠(21),(21)가 각각의 열가소성 수지층(11d),(11d)끼리 대향하도록 배치되어 구성되어 있다. 각 환형의 얇은 띠(21)의 두께는 도 1∼도 4에 도시한 환형의 얇은 띠(11)의 두께와 동일하다.
가스 난투과층(11c)은 도 1∼도 4의 경우와 마찬가지로 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 것이 바람직하다. 가스 난투과층(11c)의 두께는 5μm∼205μm의 범위가 바람직하고, 10μm∼200μm의 범위가 보다 바람직하다.
또 열가소성 수지층(11d)은 도 1∼도 4의 경우와 마찬가지로 폴리사불화에틸렌 수지, 폴리사불화에틸렌·6불화프로필렌 공중합체 수지 등으로 이루어진 것이 바람직하다. 또 열가소성 수지층(11d)의 두께는 1μm∼15μm의 범위가 바람직하고 3μm∼10μm의 범위가 보다 바람직하다.
다음으로 별도의 열가소성 수지층(21a)은 불소계 열가소성 수지 또는 불소계 고무가 바람직하고, 보다 구체적으로는 폴리사불화에틸렌 수지, 폴리사불화에틸렌·6불화프로필렌 공중합체 수지 또는 불소계 고무 등이 바람직하다. 이 별도의 열가소성 수지층(21a)의 두께는 1μm∼15μm의 범위가 바람직하고, 3μm∼10μm의 범 위가 보다 바람직하다. 다른 열가소성 수지층(21a)을 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판 쪽에 적층함으로써 봉지재(20)과 환형 가스켓(5b),(6b)과의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
이로써 가스켓(5b),(6b)과 봉지재(20) 사이에서의 가스 누설을 확실히 방지할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 실시형태의 연료 전지의 다른 예를 도시한다. 도 6에 도시한 연료 전지의 구성 부재 중 도 1∼4에 도시한 연료 전지의 구성 부재와 동일한 구성 부재에는 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략하거나 혹은 간단히 설명한다.
도 6에 도시한 연료 전지의 봉지재와, 도 1∼4에 도시한 연료 전지의 봉지재와의 상이점은, 도 6에 도시한 바와 같이 한쪽 환형의 얇은 띠(31)의 외주단(31a)이, 다른 쪽 환형의 얇은 띠(41)의 외주단(41a)보다 바깥쪽으로 돌출되어 있다는 점이다. 즉, 한쪽 환형의 얇은 띠(21)의 폭이, 다른 쪽 환형의 얇은 띠(41)의 폭보다 넓게 설정되어 있으며, 또한 각 환형의 얇은 띠(31),(41)의 내주단(31b),(41b)이 환형의 얇은 띠(31),(41)를 평면시한 경우에 겹치도록 배치되어 있다. 이로써 한쪽 환형의 얇은 띠(31)의 외주단(31a)이, 다른 쪽 환형의 얇은 띠(41)의 외주단(41a)보다 바깥쪽으로 돌출되어 있다.
도 6에 도시한 형태는, 특히 가스 난투과층(11c),(11c)을 알루미늄으로 구성한 경우에 유효하다. 가스 난투과층(11c),(11c)을 알루미늄으로 구성한 경우에는, 각 가스 난투과층(11c),(11c)이 각각 전극(3),(4)에 접촉되어 있기 때문에 가스 난투과층(11c),(11c) 사이에서 전압이 발생한다. 이 가스 난투과층(11c),(11c)을 포 함하는 환형의 얇은 띠는, 상술한 바와 같이 비교적 얇은 부재이기 때문에 각 환형의 얇은 띠의 외주단에서 서로 단락될 염려가 있다.
이와 같은 경우에서, 도 6에 도시한 바와 같이 한쪽 환형의 얇은 띠(31)의 외주단(31a)을 다른 쪽 환형의 얇은 띠(41)의 외주단(41a)보다 바깥쪽으로 돌출시킴으로써, 결과적으로 외주단(31a),(41a)을 이격시켜서 외주단(31a),(41a)끼리의 단락를 방지 할 수 있다.
다음으로, 도 1∼도 3에 도시한 연료 전지의 제조 방법에 대해서, 도 7∼도 10을 참조하여 설명한다. 도 7∼도 10은 연료 전지의 제조 방법을 설명하기 위한 공정도이다. 본 실시형태의 연료 전지의 제조 방법은, 준비 공정과 준비 공정과 세퍼레이트판 설치 공정으로 구성되어 있다.
준비 공정에서는, 우선 도 7에 도시한 바와 같이 전해질막(2)를 준비하고, 이 전해질막(2)의 두께 방향 양쪽에 전극(3),(4)을 배치한다. 또 전해질막(2)의 주연부(2a)의 두께 방향 양쪽에는 한쌍의 환형의 얇은 띠(11),(11)를 배치한다. 환형의 얇은 띠(11)을 배치하는 경우에는 그 내주부(11b)가 전해질막(2)의 주연부(2a)에 겹치도록 배치한다. 또 환형의 얇은 띠(11),(11)의 각 열가소성 수지층(11d),(11d)을 전해질막(2) 쪽을 향해 배치한다.
다음으로 접합 공정에서는, 전해질막(2)을 전극(3),(4)에 끼워 고정한다. 이 때, 전해질막(2)의 주연부(2a)와 가스 확산층(3b),(4b)의 주연부(3b1),(4b1)에 의해 환형의 얇은 띠(11),(11)를 끼워 고정한다. 그리고 전해질막(2)의 주연부(2a)의 바깥쪽으로 돌출된 환형의 얇은 띠(11),(11)의 외주부(11a),(11a)를 열프레스기(P) 에 의해 열융착한다.
도 9에는 열프레스 후의 상태를 도시하였다. 열프레스에 의해 환형의 얇은 띠(11),(11)의 외주부(11a),(11a)에서의 열가소성 수지층(11d),(11d)이 열융착되어 일체화되어 있다. 이와 같이 하여 봉지재(10)가 형성된다.
다음으로 세퍼레이트판 설치 공정에서는, 전극(3),(4)의 전해질막(2)과 반대쪽에 환형 가스켓(5b),(6b)을 구비한 한쌍의 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판(5),(6)을 각각 배치하고, 각 환형 가스켓(5b),(6b)에 의해 환형의 얇은 띠(11),(11)의 외주부(11a),(11a)를 끼워 고정한다.
이와 같이 하여 도 1∼도 3에 도시한 연료 전지(단위 발전 소자)가 제조된다.
상기 구성에 의하면, 전해질막(2)의 주연부(2a)에 한쌍의 환형의 얇은 띠(11),(11)를 겹치고 나서 각 환형의 얇은 띠(11),(11)의 외주부(11a),(11a)를 융착시키기 때문에, 환형의 얇은 띠(11),(11)의 내주부(11b),(11b)에 의해 전해질막(2)이 끼워지고 또한 외주부(11a),(11a)가 융착된 연료 전지(1)을 용이하게 제조할 수 있다.
더우기, 상기 제조 방법에서는 준비 공정시에 전해질막의 두께 방향 양쪽에 전극을 배치했으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 융착 공정 후에 전해질막의 두께 방향 양쪽에 전극을 배치해도 좋다.
[실시예]
(실시예 1)
본 발명에 관한 봉지재를 평가함에 있어서, 발전 단위셀에 해당하는 단위 발전 소자를 이하의 순서에 의해 제작했다.
우선, 85%의 인산에 폴리벤즈이미다졸의 필름을 침적시켜 겔 상태의 고분자 전해질막을 얻었다. 인산의 도핑율은 450%이고, 전해질막의 두께는 75μm였다. 또 전해질막의 크기는 5.4cm×5.4cm의 정사각형으로 했다.
전극은 E-TEK사제 전극(백금 촉매를 30% 담지한 발칸XJ-72를 밀도0.5mg/cm2로 카본 페이퍼 상에 형성한 것)을 사용했다. 전극의 크기는 연료극, 공기극 모두 5cm×5cm의 정사각형으로 했다.
또 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판으로서 가스 유로(홈)를 만든 카본 세퍼레이터(크기 7cm×7cm의 정사각형)을 준비하고, 또 집전체 및 엔드 플레이트를 준비했다. 카본 세퍼레이트의 전극의 대항면이 되는 단부에는 홈을 마련하고, 이 홈에 불소 고무의 가스켓을 배치했다.
다음으로, 가스 난투과층으로서 두께 12μm의 파라계 폴리아미드막을 준비하고, 이 가스 난투과층의 양면에 4불화에틸렌-6불화프로필렌 공중합체 수지(불소 수지)의 수성 분산액을 마이크로 그라비아 인쇄로 도포하고, 1차 건조로 수분을 제거했다. 다음으로 원적외선 히터에 의해 300℃까지 가열하여 불소 수지를 용융하고 가스 난투과층의 일면에 불소 수지로 이루어진 열가소성 수지층을 형성함과 동시에, 동일한 불소 수지로 이루어진 별도의 열가소성 수지층을 형성했다. 각 열가소성 수지층의 두께는 각각 3μm였다.
다음으로, 가스 난투과층/열가소성 수지층으로 이루어진 적층체를 환형의 얇 은 띠로 성형하기 위해 외형을 우선 카본 세퍼레이트와 동일한 7cm×7cm의 정사각형으로 재단하고, 또 4.6cm×4.6cm의 천공 펀치로 구멍을 뚫어 환형의 얇은 띠로 했다.
이 환형의 얇은 띠와 전해질막의 치수 관계로부터, 환형의 얇은 띠의 내주부의 폭은 4mm이고, 외주부의 폭은 8mm가 되고, 내주부와 외주부의 합계폭(환형의 얇은 띠의 폭)은 12mm가 된다. 또 환형의 얇은 띠와 전극과의 치수 관계로부터, 환형의 얇은 띠에 겹치는 전극의 주연부의 폭은 2mm가 된다.
그리고 전해질막의 주연부에 한쌍의 환형의 얇은 띠를 중합시키고, 또 전해질막을 한쌍의 전극 사이에 끼우고 열프레스에 의해 환형의 얇은 띠의 외주부를 열융착시켰다. 그리고 각 전극에 각각 카본 세퍼레이트, 집전체 및 엔드 플레이트를 중합시키고 조임(rigid control)압(5N)으로 조임으로써 실시예 1의 연료 전지의 단위 발전 소자를 제조했다.
(실시예 2)
열가소성 수지층 및 다른 열가소성 수지층의 두께가 각각 5μm인 것 외에는 실시예 1과 동등하게 하여 실시예 2의 연료 전지의 단위 발전 소자를 제조했다.
(실시예 3)
열가소성 수지층 및 다른 열가소성 수지층의 두께가 각각 10μm인 것 외에는 실시예 1과 동등하게 하여 실시예 3의 연료 전지의 단위 발전 소자를 제조했다.
(실시예 4)
가스 난투과층의 일면에 두께 5μm의 4불화에틸렌·6불화프로필렌 공중합체 수지로 이루어진 열가소성 수지층을 형성하여 환형의 얇은 띠를 제조하고, 환형의 얇은 띠의 열가소성 수지를 전해질막을 향해 배치한 것 외에는 실시예 1과 동등하게 하여 실시예 4의 연료 전지의 단위 발전 소자를 제조했다.
(실시예 5)
열가소성 수지층 및 다른 열가소성 수지층의 재질이 폴리사불화에틸렌 수지이고, 두께가 각각 3μm인 것 외에는 실시예 1과 동등하게 하여 실시예 5의 연료 전지의 단위 발전 소자를 제조했다.
(실시예 6)
가스 난투과층에 두께 15mm의 알루미늄박을 사용한 것 외에는 실시예 1과 동등하게 하여 실시예 2의 연료 전지의 단위 발전 소자를 제조했다.
(비교예 1)
크기가 7cm×7cm인 정사각형으로 한 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 전해질막을 조제했다. 또 전극, 카본 세퍼레이트, 집전체 및 엔드 플레이트에 관해서는 실시예 1과 동일한 것을 준비했다. 더우기, 전해질막과 카본 세퍼레이트와의 치수 관계에 의하면, 전해질막과 카본 세퍼레이트는 같은 크기이다.
그리고 전해질막을 한쌍의 전극 사이에 끼우고, 또 각 전극에 각각 카본 세퍼레이트, 집전체 및 엔드 플레이트를 중합시켜 조임압(5N)으로 조임으로써 비교예 1의 연료 전지의 단위 발전 소자를 제조했다.
(비교예 2)
열가소성 수지층 및 다른 열가소성 수지층의 두께가 각각 15μm인 것 외에는 실시예 1과 동등하게 하여 비교예 2의 연료 전지의 단위 발전 소자를 제조했다.
(평가)
연료극에 유량 100ml/min의 수소 가스를 도입하고, 산소극에는 유량 200ml/min의 공기를 도입하고, 단위 발전 소자를 150℃까지 승온시킨 후 4시간 유지하고, 그 후 60℃까지 온도를 내려 4시간 더 유지한 후, 다시 한 번 150℃로 승온시키는 온도 싸이클을 1싸이클로 하여 이 온도 싸이클을 10회 반복했다. 그리고 각 싸이클마다의 연료극 및 산소극 간의 150℃에서의 개회로(開回路) 전압을 측정했다. 도 11에 실시예 1∼6 및 비교예 1,2의 연료 전지의 온도 싸이클과 150℃에서의 개회로 전압과의 관계를 나타낸다.
도 11에 도시한 바와 같이, 실시예 1∼6의 단위 발전 소자에 관해서는, 개회로 전압의 변화가 거의 보이지 않았다. 한편, 비교예 1 및 2에 관해서는 온도 싸이클수의 증가에 따라 개회로 전압이 저하되고 특히 비교예 1의 개회로 전압의 저하가 현저했다. 비교예 1에 관해서는 본 발명에 관한 봉지재를 구비하지 않았기 때문에 단위 발전 소자의 내부에서 가스 누설이 발생하고, 이로써 회로 전압이 대폭 저하되었다고 생각된다. 비교예 2에 관해서는, 본 발명에 관한 봉지재에 사용하는 열가소성 수지층과 비교하여 두꺼운 것을 사용했기 때문에, 열프레스했을 때 열가소성 수지층의 변형이 현저해져 단위 발전 소자의 외부를 향해 가스 누설이 발생하고, 이로써 회로 전압이 저하되었다고 생각된다.
본 발명에 의하면, 단위 발전 소자 내에서의 가스 누설과, 단위 발전 소자 자체의 가스 누설을 방지할 수 있는 연료 전지용 봉지재 및 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 한쌍의 환형의 얇은 띠로 구성되고,
    상기 환형의 얇은 띠는, 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층과 열가소성 수지층이 적층되어 구성되고,
    각 환형의 얇은 띠가 상기 각 열가소성 수지층끼리 대향 배치되고, 또한 각 환형의 얇은 띠의 외주부에서 상기 열가소성 수지층끼리 융착되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 봉지재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 난투과층에서 상기 열가소성 수지층과는 반대쪽에 별도의 열가소성 수지층이 더 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 봉지재.
  3. 전해질막과, 상기 전해질막을 협지하는 한쌍의 전극과, 상기 전해질막의 주연(周緣)부를 둘러싸는 환형 봉지재를 구비하여 이루어지며,
    상기 환형 봉지재는, 상기 전해질막의 주연부를 그 두께 방향 양쪽에 끼우는 한쌍의 환형의 얇은 띠로 구성되고,
    상기 환형의 얇은 띠는, 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층과, 상기 가스 난투과층에 적층된 열가소성 수지층으로 구성되고, 각 환형의 얇은 띠는 상기 각 열가소성 수지층끼리 대향 배치되고,
    상기 한쌍의 환형의 얇은 띠의 내주부에 의해 상기 전해질막의 주연부가 협지됨과 동시에 상기 한쌍의 환형의 얇은 띠의 외주부에서의 상기 열가소성 수지층끼리 상기 전해질막의 주연부 바깥쪽에서 서로 융착되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가스 난투과층에서 상기 열가소성 수지층과는 반대쪽에 별도의 열가소성 수지층이 더 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  5. 제3항에 있어서, 한쪽의 상기 환형의 얇은 띠의 외주단(外周端)이, 다른 쪽의 환형의 얇은 띠의 외주단보다 바깥쪽으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 한쌍의 전극의 상기 전해질층과 반대쪽에 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판이 각각 배치되고, 상기 각 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판에는 환형 가스켓이 각각 설치되고, 상기 환형 가스켓에 의해 상기 환형의 얇은 띠의 상기 외주부가 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 열가소성 수지층이 불소계 열가소성 수지로 이루어진 것을 특징으로 하 는 연료 전지.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 별도의 열가소성 수지층이 불소계 열가소성 수지 또는 불소계 고무로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  9. 전해질막의 주연부의 두께 방향 양쪽에 한쌍의 환형의 얇은 띠를 겹치는 준비 공정과, 상기 전해질막의 주연부 바깥쪽에서 상기 각 환형의 얇은 띠의 외주부끼리 서로 융착시켜 환형 봉지재를 형성하는 융착 공정으로 구성되고,
    상기 한쌍의 환형의 얇은 띠가, 방향족 폴리아미드 또는 알루미늄으로 이루어진 가스 난투과층과, 상기 각 가스 난투과층에 각각 적층된 열가소성 수지층으로 이루어지고,
    상기 준비 공정에서 각 환형의 얇은 띠의 각 열가소성 수지층을 상기 전해질막을 향해 배치함과 동시에 상기 융착 공정에서 상기 환형의 얇은 띠의 상기 외주측에 위치하는 상기 열가소성 수지층끼리 융착시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 융착 공정 후에 상기 전해질막의 두께 방향 양쪽에 환형 가스켓을 구비한 한쌍의 가스 유로가 형성된 세퍼레이트판을 각각 배치하고, 상기 각 환형 가스 켓에 의해 상기 환형의 얇은 띠의 상기 외주부를 협지하는 세퍼레이트판 설치 공정이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
  11. 제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지층이 불소계 열가소성 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제조 방법.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140036575A (ko) * 2012-09-17 2014-03-26 주식회사 동진쎄미켐 연료전지용 막-전극 어셈블리
KR20170126484A (ko) * 2015-03-31 2017-11-17 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법
KR20190132439A (ko) * 2017-04-03 2019-11-27 신와 콘트롤즈 가부시키가이샤 산소, 수소 및 물에 대한 내구성을 가지는 전자 밸브

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4936801B2 (ja) * 2006-06-22 2012-05-23 ヤンマー株式会社 平板固体酸化物型燃料電池
JP5165947B2 (ja) * 2007-07-17 2013-03-21 株式会社東芝 膜・電極接合体およびその製造方法
US8512907B2 (en) 2007-09-27 2013-08-20 Dai Nippon Printing Co., Ltd. Membrane catalyst layer assembly with reinforcing films, membrane electrode assembly with reinforcing films, and polymer electrolyte fuel cells
JP5430099B2 (ja) * 2007-09-27 2014-02-26 大日本印刷株式会社 電解質膜−電極接合体及びこれを用いた固体高分子形燃料電池
JP5396029B2 (ja) 2008-02-21 2014-01-22 東海ゴム工業株式会社 燃料電池用セルおよび燃料電池および燃料電池用セルの製造方法
JP5146012B2 (ja) * 2008-02-29 2013-02-20 日産自動車株式会社 燃料電池用膜電極接合体
KR101009624B1 (ko) * 2008-05-13 2011-01-21 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 막-전극어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
US8211591B2 (en) * 2008-09-11 2012-07-03 GM Global Technology Operations LLC Subgasket window edge design relief
US8227136B2 (en) * 2008-10-30 2012-07-24 GM Global Technology Operations LLC Using ionomer to militate against membrane buckling in the tenting region
JP5577797B2 (ja) * 2010-03-31 2014-08-27 大日本印刷株式会社 触媒層−電解質膜積層体、並びにこれを備える膜−電極接合体及び固体高分子形燃料電池
US8916312B2 (en) * 2010-04-20 2014-12-23 GM Global Technology Operations LLC Bipolar plate assembly with thermoplastic sealant and method therefor
GB201012980D0 (en) * 2010-08-03 2010-09-15 Johnson Matthey Plc Membrane
US20130029195A1 (en) * 2011-07-28 2013-01-31 Zinc Air Incorporated Energy Storage Apparatus and Method of Making Same with Paired Plates and Perimeter Seal
US9076998B2 (en) * 2012-09-12 2015-07-07 GM Global Technology Operations LLC Fuel-cell membrane-subgasket assemblies comprising coated subgaskets, and fuel-cell assemblies and fuel-cell stacks comprising the fuel-cell membrane subgasket assemblies
KR101481354B1 (ko) * 2013-12-30 2015-01-09 현대자동차주식회사 연료전지 mea
JP6349961B2 (ja) * 2014-05-26 2018-07-04 日産自動車株式会社 樹脂フレーム付き膜電極接合体の製造装置および製造方法
KR101915571B1 (ko) 2014-08-01 2018-11-07 지멘스 악티엔게젤샤프트 연료 전지 조립체 및 연료 전지 조립체를 동작시키기 위한 방법
EP3146584B1 (de) 2014-08-01 2019-02-27 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzellenanordnung und verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenanordnung
JP6544229B2 (ja) * 2015-12-24 2019-07-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セル
KR20210015384A (ko) * 2019-08-02 2021-02-10 현대자동차주식회사 연료전지용 탄성체 셀 프레임 및 그 제조방법과 이를 이용한 단위 셀

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05242897A (ja) * 1992-02-26 1993-09-21 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
KR20030086290A (ko) * 2001-03-09 2003-11-07 엔오케이 가부시키가이샤 개스킷
JP2004134218A (ja) 2002-10-10 2004-04-30 Nissan Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池
KR20060060015A (ko) * 2003-08-22 2006-06-02 존슨 맛쎄이 퍼블릭 리미티드 컴파니 막전극 접합체 밀봉 시스템

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4157273A (en) * 1975-03-20 1979-06-05 Phillips Petroleum Company Bonding with a poly(arylene sulfide)-polytetrafluoroethylene adhesive
US4895776A (en) * 1987-03-12 1990-01-23 Ceramatec, Inc. Electrochemical cell utilizing selenium as an electrode-reactant
JPH09199145A (ja) * 1996-01-22 1997-07-31 Toyota Motor Corp 燃料電池および燃料電池の製造方法
JPH11219714A (ja) * 1998-02-03 1999-08-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池
US6790554B2 (en) * 1998-10-08 2004-09-14 Imperial Chemical Industries Plc Fuel cells and fuel cell plates
US6720103B1 (en) * 1999-09-01 2004-04-13 Nok Corporation Fuel cell
JP2004051728A (ja) 2002-07-18 2004-02-19 Uchiyama Mfg Corp フッ素ゴム組成物
CA2464204C (en) * 2003-04-14 2009-08-11 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer electrolyte fuel cell and conductive separator for the same
US20050042489A1 (en) * 2003-07-11 2005-02-24 Kenji Fukuta Laminate useful as a membrane-electrode assembly for fuel cells, production process therefor and a fuel cell provided with the laminate
JP4268850B2 (ja) 2003-09-29 2009-05-27 内山工業株式会社 燃料電池用シール構造
US20050095490A1 (en) * 2003-10-31 2005-05-05 Mittelstadt Laurie S. Fuel cell assembly gasket for fuel containment
WO2005101554A1 (en) * 2004-04-13 2005-10-27 Umicore Ag & Co. Kg Multi-layer membrane-electrode-assembly (ml-mea) and method for its manufacture
US7544219B2 (en) * 2005-01-12 2009-06-09 Lg Chem, Ltd. Gasketed membrane-electrode-assembly and fuel cell system employing the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05242897A (ja) * 1992-02-26 1993-09-21 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池
KR20030086290A (ko) * 2001-03-09 2003-11-07 엔오케이 가부시키가이샤 개스킷
JP2004134218A (ja) 2002-10-10 2004-04-30 Nissan Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池
KR20060060015A (ko) * 2003-08-22 2006-06-02 존슨 맛쎄이 퍼블릭 리미티드 컴파니 막전극 접합체 밀봉 시스템

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140036575A (ko) * 2012-09-17 2014-03-26 주식회사 동진쎄미켐 연료전지용 막-전극 어셈블리
KR20170126484A (ko) * 2015-03-31 2017-11-17 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법
KR20190132439A (ko) * 2017-04-03 2019-11-27 신와 콘트롤즈 가부시키가이샤 산소, 수소 및 물에 대한 내구성을 가지는 전자 밸브
KR102414475B1 (ko) 2017-04-03 2022-06-28 신와 콘트롤즈 가부시키가이샤 산소, 수소 및 물에 대한 내구성을 가지는 전자 밸브

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JP2007157420A (ja) 2007-06-21
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