KR101473500B1 - 막 전극 조립체 및 그의 제조 방법 및 이를 이용한 고체 고분자형 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 고분자형 연료 전지에서의 밀봉 신뢰성, 기계적 강도 및 취급성을 향상시키는 막 전극 조립체를 제공한다.
본 발명에 의한 막 전극 조립체는, 고분자 전해질막의 양면에 전극층 및 가스 확산층을 설치한 막 전극 접합체와, 전해질막의 외주연의 전부 및 가스 확산층의 외주연의 적어도 일부에서 전해질막의 측면을 포위하도록 설치된 수지 프레임을 포함하여 이루어진다. 한쪽면측의 가스 확산층 및 전극층은 전해질막의 표면 영역이 남도록 전해질막의 표면 상에 배치되어 있다. 반대면측의 가스 확산층은 전해질막의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 연장되어 있다. 수지 프레임은 상기 표면 영역의 적어도 일부에 고착되어 있다.
막 전극 조립체, 고체 고분자형 연료 전지, 고분자 전해질막, 전극층, 가스 확산층

Description

막 전극 조립체 및 그의 제조 방법 및 이를 이용한 고체 고분자형 연료 전지 {MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND SOLID POLYMER FUEL CELL USING THE SAME}
본 발명은 고체 고분자형 연료 전지를 위한 막 전극 조립체에 관한 것이다.
최근, 고효율의 에너지 변환 장치로서 연료 전지가 주목을 받고 있다. 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서 알칼리형, 고체 고분자형, 인산형 등의 저온 작동 연료 전지와, 용융 탄산염형, 고체 산화물형 등의 고온 작동 연료 전지로 크게 구별된다. 이들 중에서, 전해질로서 이온 전도성을 갖는 고분자 전해질막을 이용하는 고체 고분자형 연료 전지(PEFC)는 조밀한 구조로 고출력 밀도가 얻어지고, 또한 액체를 전해질로 이용하지 않는 것, 저온에서 운전하는 것이 가능한 것 등에 의해 간이한 시스템으로 실현할 수 있기 때문에 정치용, 차량용, 휴대용 등의 전원으로서 주목받고 있다.
고체 고분자형 연료 전지는 고분자 전해질막의 한쪽면을 연료 가스(수소 등)에, 그의 반대면을 산화제 가스(공기 등)에 노출시키고, 고분자 전해질막을 통한 화학 반응에 의해 물을 합성하며, 이에 의해 발생하는 반응 에너지를 전기적으로 취출하는 것을 기본 원리로 하고 있다. 종래의 연료 전지 구조를 나타내는 분해 사시도를 도 1에, 또한 그 조립체의 횡단면도를 도 2에 나타낸다. 도 1 및 도 2에 있어서, 세퍼레이터에 형성된 가스 유로를 거쳐 도입된 반응 가스는, 고분자 전해질막을 통해 다공질 촉매 전극에 있어서 전기 화학 반응을 일으키고, 여기서 생성된 전력은 세퍼레이터를 통과하여 외부로 회수된다. 이 구성에서 분명한 바와 같이, 고분자 전해질막과 다공질 촉매 전극과는 물리적으로 접합되어 있을 필요가 있다. 또한, 고분자 전해질막의 양면에 다공질 촉매 전극을 배치하고, 이것을 열 프레스 등으로 일체 형성한 것을 일반적으로 막 전극 접합체(MEA)라 부른다. MEA는 독립적으로 취급할 수 있고, MEA와 세퍼레이터 사이에 패킹을 배치하여 반응 가스의 외부 누설을 방지하고 있다. 고분자 전해질막은 이온 전도성을 갖지만, 통기성 및 전자 전도성이 없기 때문에, 연료극과 산소극을 물리적이면서 전자적으로 격리하는 기능을 갖는다. 고분자 전해질막의 크기가 다공질 촉매 전극보다 작은 경우에는, MEA의 내측에서 다공질 촉매 전극끼리 전기적으로 단락되고, 또한 산화제 가스와 연료 가스가 혼합(cross leaking)되기 때문에, 전지로서의 기능을 잃게 된다. 이 때문에, 고분자 전해질막의 면적은 다공질 촉매 전극의 면적과 동등하거나 또는 그 이상으로 할 필요가 있다. 여기에서 통상적으로는, 고분자 전해질막을 다공질 촉매 전극의 주연부를 넘어 연장시키고, 그것을 패킹과 세퍼레이터로 협지시킴으로써 가스 밀봉 및 지지 구조를 구성하고 있다.
그런데, 고분자 전해질막은 매우 얇은 필름형 소재이기 때문에 그의 취급이 어렵고, 전극과의 접합시에 복수개의 단전지를 적층하여 스택으로서 조합하는 조립 작업시 등에, 반응 가스의 밀봉에 있어서 중요한 그의 주연부에, 주름이 발생하는 일이 종종 발생한다. 이러한 주름이 발생한 상태의 고분자 전해질막을 이용하여 조립된 단전지, 또는 스택에서는, 주름이 발생한 부위로부터 반응 가스가 누설될 가능성이 높다. 또한, 주름 등이 전혀 없는 상태라도, 고분자 전해질막은 스택을 구성하는 전체 구성 부재 중에서 가장 기계적 강도가 낮은 부재이기 때문에 손상을 받기 쉽다. 따라서, 고체 고분자형 연료 전지의 신뢰성, 보수성 등의 향상을 도모하기 위해서는, 고분자 전해질막 부위를 보강하는 것이 요구된다. 또한, 상술한 바와 같이 고분자 전해질막의 주연부에서의 전기적 단락을 방지하기 위해서, 종래 고분자 전해질막이 전극층의 단부를 넘어 가로로 연장되도록 전극층보다 면적이 큰 전해질막을 조합한 MEA가 제조되고 있다. 그러나, 전해질막과 전극층의 크기가 다른 MEA를 제작하는 경우, 이들을 따로따로 잘라내어 위치 정렬을 할 필요가 있기 때문에, 공정수 증대에 의해 생산성 저하를 초래하게 된다.
가스 확산 전극과 동일한 크기의, 또는 가스 확산 전극보다 큰, 고분자 전해질막을 갖는 MEA의 주연부에 열가소성 중합체를 사출 성형이나 압축 성형 등의 수단으로 적용함으로써, 상기 열가소성 중합체가 가스 확산 지지체의 밀봉 단부의 내부에 함침되고, 또한 가스 확산 지지체 쌍방의 주위 영역과 고분자 전해질막을 감싸고, 따라서 열가소성 중합체의 유체 불침투성 밀봉을 갖는 일체화된 막 전극 조립체를 형성하는 방법이 알려져 있다(일본 특허 공표 제2005-516350호 공보).
또한, 고분자 전해질막을 효과적으로 보강하고, 연료 전지 구조체의 취급 작업성을 대폭 향상시키기 위해서, 고분자 전해질막의 양면에 고정되는 다공질체의 외주연(外周緣)부에 프레임 부재를 압입하여, 다공질체와 프레임 부재를 강고하면 서 확실하게 일체화하는 방법이 알려져 있다(일본 특허 공개 (평)10-199551호 공보).
<발명의 개시>
일본 특허 공표 제2005-516350호 공보에 기재된 방법에 있어서, 가스 확산 전극보다 큰 고분자 전해질막을 갖는 MEA의 주연부에 열가소성 중합체를 사출 성형으로 적용하면, 가스 확산 전극의 주연부를 넘어 연장되는 전해질막이, 사출 성형시의 수지 흐름에 의해 이동하여 표면에 노출되거나, 또는 가스 확산 전극의 엣지 부분의 전해질막 부분에 부하가 걸려 파손이 생기는 등에서 기인하여, 가스가 누설될 우려가 있다. 또한, 일본 특허 공표 제2005-516350호 공보에 기재된 방법에 있어서, 가스 확산 전극과 동일한 크기의 고분자 전해질막을 갖는 MEA의 주연부에 열가소성 중합체를 사출 성형으로 적용한 경우에는, 상술한 문제는 발생하지 않지만, 가스 확산 전극에 열가소성 중합체를 충분히 함침시키는 것이 곤란하기 때문에 열가소성 중합체의 밀봉부와 가스 확산 전극과의 접합이 불충분해진다. 또한, 전해질막과 열가소성 중합체의 밀봉부와의 접합을 충분히 행하는 것도 곤란하기 때문에, 전극 사이의 전기적 단락, 접합부에서의 가스 누설, 셀 파괴 등의 문제가 발생할 우려가 있다.
일본 특허 공개 (평)10-199551호 공보에 기재된 방법에 있어서는, 다공질체의 외주연부에 프레임 부재를 충분히 압입시켜 견고하게 일체화시키는 것이 어렵고, 프레임 부재와 MEA와의 경계면을 확실하게 밀봉하는 것이 매우 곤란하기 때문에, 접합부에서의 가스 누설, 셀 파괴 등의 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 고체 고분자형 연료 전지에서의 밀봉 신뢰성, 기계적 강도 및 취급성을 향상시키는 것에 있다. 본 발명의 다른 목적은 전해질막의 소요 면적의 축소에 의해 고체 고분자형 연료 전지의 제조 비용을 삭감하는 것에 있다. 본 발명의 또다른 목적은 조립 공정수의 삭감에 의해 고체 고분자형 연료 전지의 생산 효율을 높이는 것에 있다.
본 발명에 따르면,
(1) 고분자 전해질막,
상기 전해질막의 한쪽면측에 설치된 제1 전극층,
상기 제1 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 제1 가스 확산층,
상기 전해질막의 다른쪽 면측에 설치된 제2 전극층, 및
상기 제2 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 제2 가스 확산층
을 포함하는 막 전극 접합체와, 상기 전해질막의 외주연의 전부 및 상기 제1 및 제2 가스 확산층의 외주연의 적어도 일부에서 상기 전해질막의 측면을 포위하도록 설치된 수지 프레임을 포함하여 이루어지는 고체 고분자형 연료 전지용 막 전극 조립체로서,
상기 제1 가스 확산층 및 상기 제1 전극층은 상기 제1 가스 확산층의 외주연 전체가 상기 전해질막의 외주연의 범위 내에 수습됨과 동시에 상기 제1 전극층의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 제1 전극층의 외주연과 상기 전해질막의 외주연 사이에 상기 전해질막의 표면 영역이 남도록 상기 전해질막의 표면 상에 배치되어 있고,
상기 제2 가스 확산층은 상기 전해질막의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 표면 영역과는 반대측의 적어도 일부까지 연장되어 있고, 또한
상기 수지 프레임은 상기 표면 영역의 적어도 일부에 고착되어 있는
것을 특징으로 하는 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(2) 상기 수지 프레임이 금형 성형에 의해 설치되어 있는, (1)에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(3) 상기 금형 성형이 사출 성형, 반응 사출 성형 또는 트랜스퍼 성형인, (2)에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(4) 상기 전해질막과 상기 제2 가스 확산층이 동일한 면적을 가지며 서로 완전히 중복되어 있는, (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(5) 상기 전해질막이 면적이 다른 2매의 막으로 이루어지고, 상기 제1 전극층에 접하는 측면의 전해질막과 상기 제1 가스 확산층이 동일한 면적을 가지며 서로 완전히 중복되고, 또한 상기 제2 전극층에 접하는 측면의 전해질막과 상기 제2 가스 확산층이 동일한 면적을 가지며 서로 완전히 중복되어 있는, (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(6) 또한 상기 제1 전극층 및/또는 제2 전극층과, 대응하는 상기 제1 가스 확산층 및/또는 상기 제2 가스 확산층이 동일한 면적을 가지며 서로 완전히 중복되어 있는, (5)에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(7) 상기 수지 프레임에 반응 가스를 위한 유로가 설치되어 있는, (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(8) 상기 수지 프레임에 밀봉용 요철부가 설치되어 있는, (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(9) 상기 수지 프레임에 삽입된 밀봉용 부재가 설치되어 있는, (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(10) 상기 수지 프레임에 2색 성형에 의해 밀봉용 부재가 설치되어 있는, (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(11) 상기 수지 프레임에 세퍼레이터를 위한 위치 결정 수단이 설치되어 있는, (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(12) 상기 수지 프레임의 내부에 보강재가 설치되어 있는, (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(13) 상기 수지 프레임의 외부에 밀봉용 부재가 별도로 설치되어 있는, (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(14) 상기 수지 프레임의 외부에 세퍼레이터를 위한 위치 결정 수단이 별도로 설치되어 있는, (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 막 전극 조립체가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(15) 고분자 전해질막과, 상기 전해질막의 한쪽면측에 설치된 제1 전극층과, 상기 제1 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 제1 가스 확산층과, 상기 전해질막의 다른쪽 면측에 설치된 제2 전극층과, 상기 제2 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 제2 가스 확산층을 포함하는 막 전극 접합체로서, 상기 제1 가스 확산층 및 상기 제1 전극층이, 상기 제1 가스 확산층의 외주연 전체가 상기 전해질막의 외주연의 범위 내에 수습됨과 동시에 상기 제1 전극층의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 제1 전극층의 외주연과 상기 전해질막의 외주연 사이에 상기 전해질막의 표면 영역이 남도록 상기 전해질막의 표면 상에 배치되어 있고, 또한 상기 제2 가스 확산층이 상기 전해질막의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 표면 영역과는 반대측의 적어도 일부까지 연장되어 있는 막 전극 접합체를 준비하는 공정, 및 금형 성형에 의해, 상기 전해질막의 외주연의 전부 및 상기 제1 및 제2 가스 확산층의 외주연의 적어도 상기 제1 및 제2 전극층의 근방을 포위하면서, 상기 표면 영역의 적어도 일부에 고착되도록 수지 프레임을 설치하는 공정
을 포함하여 이루어지는 고체 고분자형 연료 전지용 막 전극 조립체의 제조 방법이 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(16) 상기 금형 성형이 사출 성형, 반응 사출 성형 또는 트랜스퍼 성형인, (15)에 기재된 방법이 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(17) 상기 수지 프레임의 수지를 상기 표면 영역에 향하여 도입하는, (16)에 기재된 방법이 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(18) 고분자 전해질막과, 상기 전해질막의 한쪽면측에 설치된 전극층과, 상기 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 가스 확산층을 포함하는 막 전극 접합 전구체 시트를 준비하는 공정, 상기 막 전극 접합 전구체 시트로부터 면적이 다른 제1 및 제2 막 전극 접합 전구체 유닛을 잘라내는 공정, 및 상기 제1 및 제2 막 전극 접합 전구체 유닛을 그 전해질막끼리 마주 대하여 접합시킴으로써 막 전극 접합체를 형성할 때, 한쪽 전해질막을 상기 한쪽 전해질막의 외주연 전체가 다른쪽 전해질막의 외주연의 범위 내에 수습됨과 동시에 상기 한쪽 전해질막의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 한쪽 전해질막의 외주연과 상기 다른쪽 전해질막의 외주연 사 이에 상기 다른쪽 전해질막의 표면 영역이 남도록 상기 다른쪽 전해질막의 표면 상에 배치하는 공정, 및 금형 성형에 의해, 상기 전해질막의 외주연의 전부 및 상기 가스 확산층의 외주연의 적어도 상기 전극층의 근방을 포위하면서, 상기 표면 영역의 적어도 일부에 고착되도록 수지 프레임을 설치하는 공정
을 포함하여 이루어지는 고체 고분자형 연료 전지용 막 전극 조립체의 제조 방법이 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(19) 제1 전극층과, 상기 제1 전극층의 한쪽면에 설치된 제1 가스 확산층을 포함하는 전극 접합 전구체 시트, 및 고분자 전해질막과, 상기 전해질막의 한쪽면측에 설치된 제2 전극층과, 상기 제2 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 제2 가스 확산층을 포함하는 막 전극 접합 전구체 시트를 준비하는 공정, 상기 전극 접합 전구체 시트로부터 일정 면적의 전극 접합 전구체 유닛을 잘라내는 공정, 상기 막 전극 접합 전구체 시트로부터 상기 일정 면적보다 큰 면적의 막 전극 접합 전구체 유닛을 잘라내는 공정, 상기 전극 접합 전구체 유닛의 제1 전극층과 상기 막 전극 접합 전구체 유닛의 전해질막을 접합시킬 때, 상기 제1 가스 확산층 및 상기 제1 전극층을, 상기 제1 가스 확산층의 외주연 전체가 상기 전해질막의 외주연의 범위 내에 수습됨과 동시에 상기 제1 전극층의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 제1 전극층의 외주연과 상기 전해질막의 외주연 사이에 상기 전해질막의 표면 영역이 남도록 상기 전해질막의 표면 상에 배치하는 공정, 및
금형 성형에 의해, 상기 전해질막의 외주연의 전부 및 상기 제1 및 제2 가스 확산층의 외주연의 적어도 상기 제1 및 제2 전극층의 근방을 포위하면서, 상기 표면 영역의 적어도 일부에 고착되도록 수지 프레임을 설치하는 공정
을 포함하여 이루어지는 고체 고분자형 연료 전지용 막 전극 조립체의 제조 방법이 제공된다.
또한 본 발명에 따르면,
(20) (1) 내지 (14) 중 어느 한 항에 기재된 막 전극 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지가 제공된다.
본 발명에 따르면, 고체 고분자형 연료 전지에서의 밀봉 신뢰성, 기계적 강도 및 취급성이 향상된다. 또한 기계적 강도 및 취급성의 향상에 의해, 연료 전지 스택을 양호한 정밀도로 또한 간이하게 조립하는 것이 가능해진다. 또한 본 발명에 따르면, 전해질막의 소요 면적의 축소에 의해 고체 고분자형 연료 전지의 제조 비용이 삭감된다. 또한 본 발명에 따르면, 조립 공정수의 삭감에 의해 고체 고분자형 연료 전지의 생산 효율이 향상된다.
도 1은 종래의 연료 전지의 구조를 나타내는 대략 분해 사시도이다.
도 2는 종래의 연료 전지의 기본 구조를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 막 전극 조립체를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 4A는 본 발명의 다른 양태에 의한 막 전극 조립체를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 4B는 본 발명의 다른 양태에 의한 막 전극 조립체를 나타내는 대략 횡단 면도이다.
도 4C는 본 발명의 다른 양태에 의한 막 전극 조립체를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 4D는 본 발명의 다른 양태에 의한 막 전극 조립체를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 4E는 본 발명의 다른 양태에 의한 막 전극 조립체를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 양태에 의한 막 전극 조립체를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 막 전극 조립체의 수지 프레임을 부착시키기 전의 막 전극 접합체를 나타내는 대략 횡단면도(A) 및 상면도(B)이다.
도 7은 본 발명에 의한 막 전극 조립체의 제조 공정의 일부를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 8은 수지 프레임에 설치된 추가의 특징부를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 9는 수지 프레임에 설치된 다른 추가의 특징부를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 10은 수지 프레임에 설치된 다른 추가의 특징부를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 11은 수지 프레임에 설치된 다른 추가의 특징부를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 12는 수지 프레임에 설치된 다른 추가의 특징부를 나타내는 대략 횡단면도이다.
도 13은 수지 프레임에 설치된 다른 추가의 특징부를 나타내는 대략 횡단면도이다.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
이하, 도면을 참조하면서 본 발명을 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면은 발명을 이해하기 쉽게 모식적으로 그려진 것이고, 도시하는 각 부재 크기의 상대적인 관계는 실시 양태에서의 실제 크기의 관계를 정확하게 표시한 것은 아님을 유의하기 바란다.
도 3에 본 발명에 의한 일 양태를 나타낸다. 본 발명에 의한 고체 고분자형 연료 전지용 막 전극 조립체 (100)은 고분자 전해질막 (130), 상기 전해질막의 한쪽면측에 설치된 제1 전극층 (120), 상기 제1 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 제1 가스 확산층 (110), 상기 전해질막의 다른쪽 면측에 설치된 제2 전극층 (140), 및 상기 제2 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 제2 가스 확산층 (150)을 포함하는 막 전극 접합체와, 상기 전해질막의 외주연의 전부 및 상기 제1 및 제2 가스 확산층의 외주연의 적어도 일부에서 상기 전해질막의 측면을 포위하도록 설치된 수지 프레임 (160)을 포함하여 이루어진다. 상기 제1 가스 확산층 (110) 및 상기 제1 전극층 (120)은, 상기 제1 가스 확산층 (110)의 외주연 전체가 상기 전해질막 (130)의 외주연의 범위 내에 수습됨과 동시에 상기 제1 전극층 (120)의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 제1 전극층 (120)의 외주연과 상기 전해질막 (130)의 외주연 사이에 상기 전해질막 (130)의 표면 영역이 남도록 상기 전해질막의 표면 상에 배치되어 있다. 상기 제2 가스 확산층 (150)은 상기 전해질막 (130)의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 표면 영역과는 반대측의 적어도 일부까지 연장되어 있고, 또한 상기 수지 프레임 (160)은 상기 표면 영역의 적어도 일부에 고착되어 있다. 제2 가스 확산층 (150)이 고분자 전해질막 (130)의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 표면 영역과는 반대측의 적어도 일부까지 연장되어 있음으로써, 전해질막이 가스 확산층에 의해 보강되어 일정 강도를 갖는 평활면이 제공되기 때문에, 사출 성형법 등의 금형 성형에 의해 수지 프레임을 설치하는 경우에도 전해질막이 휘어지지 않는다. 또한, 고분자 전해질막 (130)의 표면 영역에 수지 프레임 (160)이 고착되어 있음으로써, 제1 및 제2 전극층간의 전기적 단락, 접합부에서의 가스 누설, 셀 파괴 등의 문제가 확실하게 해소된다. 도 3은, 수지 프레임 (160)의 두께가 막 전극 접합체(110 + 120 + 130 + 140 + 150)의 두께보다 얇은 양태를 나타내는 것이지만, 수지 프레임 (160)은 막 전극 접합체와 동등하거나 또는 그 이상의 두께를 가질 수도 있다.
도 4A 내지 도 4E에, 도 3에 나타내는 막 전극 조립체 (100)의 변형 양태를 나타낸다. 도 4A에 나타내는 막 전극 조립체 (100)은, 제1 가스 확산층 (110)의 외주연 전체가 제1 전극층 (120)의 외주연의 범위 내에 수습되는 것을 제외하고, 도 3에 나타내는 막 전극 조립체 (100)과 동등하다. 도 4B에 나타내는 막 전극 조립체 (100)은, 제1 전극층 (120)의 외주연 전체가 제1 가스 확산층 (110)의 외주연의 범위 내에 수습되는 것을 제외하고, 도 3에 나타내는 막 전극 조립체 (100)과 동등하다. 도 4C에 나타내는 막 전극 조립체 (100)은, 제2 전극층 (140)의 외주연 전체가 고분자 전해질막 (130) 및 제2 가스 확산층 (150)의 외주연의 범위 내에 수습되는 것을 제외하고, 도 3에 나타내는 막 전극 조립체 (100)과 동등하다. 도 4D에 나타내는 막 전극 조립체 (100)은, 고분자 전해질막 (130) 및 제2 전극층 (140)의 외주연 전체가 제2 가스 확산층 (150)의 외주연의 범위 내에 수습되는 것을 제외하고, 도 3에 나타낸 막 전극 조립체 (100)과 동등하다. 도 4E에 나타낸 막 전극 조립체 (100)은, 고분자 전해질막 (130)의 외주연 전체가 제2 전극층 (140)의 외주연의 범위 내에 수습되는 것을 제외하고, 도 3에 나타내는 막 전극 조립체 (100)과 동등하다. 도 4A 내지 도 4E에 나타내는 모든 변형 양태에서, 도 3에 나타낸 양태와 동일하게, 제1 전극층 (120)은 제1 전극층 (120)의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 제1 전극층 (120)의 외주연과 상기 전해질막 (130)의 외주연 사이에 상기 전해질막 (130)의 표면 영역이 남도록 상기 전해질막의 표면 상에 배치되어 있다. 또한, 제2 가스 확산층 (150)이 고분자 전해질막 (130)의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 표면 영역과는 반대측의 적어도 일부까지 연장되어 있음으로써, 전해질막 (130)이 가스 확산층 (150)에 의해 보강되어 일정 강도를 갖는 평활면이 제공되기 때문에, 사출 성형법 등의 금형 성형에 의해 수지 프레임을 설치하는 경우에도 전해질막이 휘어지지 않는다. 또한, 고분자 전해질막 (130)의 표면 영역에 수지 프레임 (160)이 고착되어 있음으로써, 제1 및 제2 전극층간의 전기적 단락, 접합부에서의 가스 누설, 셀 파괴 등의 문제가 확실하게 해소된다. 또한, 도 4A 내지 도 4E 중 어느 것도, 수지 프레임 (160)의 두께가 막 전극 접합체(110 + 120 + 130 + 140 + 150)의 두께보다 얇은 양태를 나타내는 것이지만, 수지 프레임 (160)은 막 전극 접합체와 동등하거나 또는 그 이상의 두께를 가질 수도 있다.
도 5에, 도 3에 나타낸 막 전극 조립체 (100)의 다른 변형 양태를 나타낸다. 도 5에 나타내는 막 전극 조립체 (100)은, 고분자 전해질막 (130)이 2층으로 이루어지고, 상기 전해질막의 한쪽 외주연 전체가 상기 전해질막의 다른쪽 외주연의 범위 내에 수습되는 것을 제외하고, 도 3에 나타낸 막 전극 조립체 (100)과 동등하다. 도 5에 나타낸 양태에 따르면, 도 3에 나타낸 양태의 경우와 동일하게, 사출 성형법 등의 금형 성형에 의해 수지 프레임을 설치하는 경우에도 전해질막이 휘어지지 않고, 또한 제1 및 제2 전극층간의 전기적 단락, 접합부에서의 가스 누설, 셀 파괴 등의 문제가 확실하게 해소될 뿐 아니라, 도 7을 참조하면서 후술하는 바와 같이, 막 전극 조립체 (100)의 생산 효율이 향상되는 이익이 있다.
도 6에, 도 3에 나타낸 막 전극 조립체 (100)의 수지 프레임 (160)을 부착시키기 전의 막 전극 접합체의 횡단면도(A) 및 상면도(B)를 나타낸다. 도면 중 「IR」은 사출 성형법 등의 금형 성형에 의해 수지 프레임을 설치하는 경우의 수지 도입 위치의 일례를 나타낸다. 수지 프레임의 수지를, 가스 확산층 (150)에 의해 보강되어 일정 강도를 갖는 전해질막 (130)의 표면 영역을 향해 도입함으로써, 전해질막 (130)이 휘어지지 않고 수지 프레임을 설치할 수 있다. 도 6(B)에 있어서는, 수지 도입 위치 (IR)을 4개소 나타내었지만, 도입 위치 및 그의 수를 모두 나타낸 양태로 한정되지 않고, 예를 들면 IR이 전해질막 (130)의 각 각부(角部)에 위치하는 양태, IR이 4개소보다 적거나 또는 많은 양태 등도 본 발명의 범위에 포함된다.
도 7에, 도 5에 나타낸 막 전극 조립체 (100)의 제조 공정의 일부를 나타낸다. 우선, 고분자 전해질막 (130), 전극층 (120) 및 가스 확산층 (110)을 포함하는 임의의 크기의 막 전극 접합 전구체 시트를 준비한다. 이어서, 이 막 전극 접합 전구체 시트로부터 면적이 다른 제1 및 제2 막 전극 접합 전구체 유닛을 잘라낸다. 그 때, 막 전극 접합 전구체 유닛의 각부에 라운딩 처리(R 처리)를 실시해두는 것이 바람직하다. R 처리의 곡률 반경은, 고분자 전해질막의 유효 면적에 영향을 미치지 않도록 가능한 한 작은 것이 바람직하지만, 0.5 mm보다 작으면, 막 전극 접합 전구체 유닛을 취급할 때에 각부에서 접합이 박리되거나, 또는 금형 성형시에 수지 흐름의 영향에 의해 각부에서 접합이 박리되거나 꺾이거나 할 우려가 있다. R 처리의 곡률 반경은 바람직하게는 0.5 내지 2.0 mm, 보다 바람직하게는 0.7 내지 1.5 mm의 범위 내이다. 그 후, 제1 및 제2 막 전극 접합 전구체 유닛을 그 전해질막 (130)끼리 마주 대하여 접합시킴으로써 막 전극 접합체를 형성한다. 그 때, 한쪽 전해질막을 상기 한쪽 전해질막의 외주연 전체가 다른쪽 전해질막의 외주연의 범위 내에 수습됨과 동시에 상기 한쪽 전해질막의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 한쪽 전해질막의 외주연과 상기 다른쪽 전해질막의 외주연 사이에 상기 다른쪽 전해질막의 표면 영역이 남도록 상기 다른쪽 전해질막의 표면 상에 배치한다. 그 후, 금형 성형에 의해, 상기 전해질막의 외주연의 전부 및 상기 가스 확산층의 외주연의 적어도 상기 전극층의 근방을 포위하면서, 상기 표면 영역의 적어도 일부에 고착되도록 수지 프레임을 설치함으로써(도시하지 않음), 도 5에 나타낸 막 전극 조립체 (100)이 얻어진다. 이와 같이, 고분자 전해질막 (130), 전극층 (120) 및 가스 확산층 (110)을 포함하는 임의의 크기의 막 전극 접합 전구체 시트를 사용함으로써, 전해질막 (130), 및 전극층 (120) 및/또는 가스 확산층 (110)을 개별로 위치 정렬하는 공정이 생략되기 때문에, 고체 고분자형 연료 전지의 생산 효율을 높일 수 있다.
본 발명에 따르면, 금형 성형을 이용함으로써 수지 프레임에 추가의 특징부를 용이하게 설치할 수 있다. 예를 들면, 도 8에 나타낸 바와 같이, 통상은 세퍼레이터에 설치되는 반응 가스를 위한 유로 (200) 및/또는 매니폴드(manifold) (210)을 수지 프레임 (160)에 설치할 수 있다. 또한, 도 9에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(도시하지 않음)에 대한 밀봉부 (300)을 수지 프레임 (160) 자체로 형성할 수도 있다. 또한, 도 10(A)에 나타낸 바와 같이, 금형 성형시에 세퍼레이터(도시하지 않음)에 대한 밀봉 부재 (400)을 인서팅하는 것이나, 도 10(B)에 나타낸 바와 같이, 2색 성형에 의해 밀봉 부재 (410)을 연속해서 설치하는 것도 가능하다. 또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(도시하지 않음)를 위한 위치 결정 부재 (500)을 수지 프레임 (160) 자체로 형성할 수도 있다. 또한, 도 12에 나타낸 바와 같이, 수지 프레임 (160)에 세선, 메쉬, 섬유 등의 보강재 (600)을 인서팅할 수도 있다. 또한, 도 13에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(도시하지 않음)에 대한 밀봉 부재 및/또는 그를 위한 위치 결정 부재 (700)을 수지 프레임 (160)에 외부 삽입하는 것도 가능하다. 이와 같이 수지 프레임에 추가의 특징부를 설치하는 구체적인 방법에 대해서는, 2색 성형을 포함하여, 금형 성형의 기술 분야의 당업자라면 용이하게 이해하며 이것을 실시할 수 있다.
본 발명에 의한 막 전극 조립체에 이용되는 고분자 전해질막은 양성자(H+) 전도성이 높고, 전자 절연성이며 가스 불투과성인 것이면 특별히 한정되지 않고, 공지된 고분자 전해질막일 수 있다. 대표예로서, 불소 함유 고분자를 골격으로 하고, 술폰산기, 카르복실기, 인산기, 포스폰기 등의 기를 갖는 수지를 들 수 있다. 고분자 전해질막의 두께는 저항에 큰 영향을 미치기 때문에, 전자 절연성 및 가스 불투과성을 손상시키지 않는 한, 보다 얇은 것이 요구되고, 구체적으로는 5 내지 50 μm, 바람직하게는 10 내지 30 μm의 범위 내로 설정된다. 고분자 전해질막의 대표예로서는, 측쇄에 술폰산기를 갖는 퍼플루오로 중합체인 나피온(등록 상표)막(듀퐁사 제조) 및 플레미온(등록 상표)막(아사히 가라스사 제조)을 들 수 있다. 또한, 연신 다공질 폴리테트라플루오로에틸렌막에 이온 교환 수지를 함침시킨 보강형 고분자 전해질막인 GORE-SELECT(등록 상표)(재팬 고어 텍스사 제조)를 바람직하게 이용할 수도 있다.
본 발명에 의한 막 전극 조립체에 이용되는 전극층은, 촉매 입자와 이온 교환 수지를 포함하는 것이면 특별히 한정되지 않고, 종래 공지된 것을 사용할 수 있다. 촉매는 통상 촉매 입자를 담지한 도전재로 이루어진다. 촉매 입자로서는, 수소의 산화 반응 또는 산소의 환원 반응에 촉매 작용을 갖는 것일 수 있고, 백금(Pt) 및 그 밖의 귀금속 외, 철, 크롬, 니켈 등 및 이들의 합금을 사용할 수 있다. 도전재로서는 탄소계 입자, 예를 들면 카본 블랙, 활성탄, 흑연 등이 바람직하고, 특히 미분말상 입자가 바람직하게 이용된다. 대표적으로는, 표면적 20 m2/g 이상의 카본 블랙 입자에 귀금속 입자, 예를 들면 Pt 입자 또는 Pt와 다른 금속의 합금 입자를 담지한 것이 있다. 특히, 애노드용 촉매에 대해서는, Pt는 일산화탄소(CO)의 피독에 약하기 때문에, 메탄올과 같이 CO를 포함하는 연료를 사용하는 경우에는, Pt와 루테늄(Ru)의 합금 입자를 이용하는 것이 바람직하다. 전극층 중의 이온 교환 수지는 촉매를 지지하고, 전극층을 형성하는 결합제가 되는 재료이며, 촉매에 의해 생긴 이온 등이 이동하기 위한 통로를 형성하는 역할을 갖는다. 이러한 이온 교환 수지로서는, 먼저 고분자 전해질막에 관련하여 설명한 것과 동일한 것을 사용할 수 있다. 애노드측에서는 수소나 메탄올 등의 연료 가스, 캐소드측에서는 산소나 공기 등의 산화제 가스가 촉매와 가능한 한 많이 접촉할 수 있도록, 전극층은 다공성인 것이 바람직하다. 또한, 전극층 중에 포함되는 촉매량은 0.01 내지 1 mg/cm2, 바람직하게는 0.1 내지 0.5 mg/cm2의 범위 내인 것이 바람직하다. 전극층의 두께는 일반적으로 1 내지 20 μm, 바람직하게는 5 내지 15 μm의 범위 내인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 막 전극 조립체에 이용되는 가스 확산층은 도전성 및 통기성을 갖는 시트 재료이다. 대표예로서, 카본 페이퍼, 카본 직포, 카본 부직포, 카본 펠트 등의 통기성 도전성 기재에 발수 처리를 실시한 것을 들 수 있다. 또한, 탄소계 입자와 불소계 수지로부터 얻어진 다공성 시트를 이용할 수도 있다. 예를 들면, 카본 블랙을, 폴리테트라플루오로에틸렌을 결합제로서 시트화하여 얻어진 다공성 시트를 사용할 수 있다. 가스 확산층의 두께는 일반적으로 50 내지 500 μm, 바람직하게는 100 내지 200 μm의 범위 내인 것이 바람직하다.
전극층과 가스 확산층과 고분자 전해질막을 접합시킴으로써 막 전극 접합체 또는 막 전극 접합 전구체 시트를 제조한다. 접합 방법으로서는, 고분자 전해질막을 손상시키지 않고 접촉 저항이 낮은 치밀한 접합이 달성되는 것이면, 종래 공지된 어떤 방법이라도 채용할 수 있다. 접합시에는, 우선 전극층과 가스 확산층을 조합하여 애노드 전극 또는 캐소드 전극을 형성한 후, 이들을 고분자 전해질막에 접합시킬 수 있다. 예를 들면, 적당한 용매를 이용하여 촉매 입자와 이온 교환 수지를 포함하는 전극층 형성용 코팅액을 제조하여 가스 확산층용 시트 재료에 도공함으로써 애노드 전극 또는 캐소드 전극을 형성하고, 이들을 고분자 전해질막에 핫 프레스로 접합시킬 수 있다. 또한, 전극층을 고분자 전해질막과 조합한 후에, 그 전극층측에 가스 확산층을 조합할 수도 있다. 전극층과 고분자 전해질막을 조합할 때는, 스크린 인쇄법, 분무 도포법, 데칼법(decal method) 등 종래 공지된 방법을 채용할 수 있다.
본 발명에 의한 막 전극 조립체에 이용되는 수지 프레임을 위한 수지 재료는, 연료 전지의 사용 환경에서 충분한 안정성, 구체적으로는 내열성, 내산성, 내가수분해성, 내크리프성(creep resistance) 등을 나타내는 것이 전제 조건이 된다. 또한, 상기 수지 재료는 금형 성형에 적합한 특성을 구비하고 있는 것, 특히 성형시의 유동성이 높은 것이 바람직하다. 또한, 상기 재료가 열가소성 수지인 경우에는, 그의 성형 수축이 작은 것이 바람직하고, 또한 열경화성 수지인 경우에는, 그의 경화 수축이 작은 것이 바람직하다. 열가소성 수지의 구체적인 예로서는, 액정 중합체(LCP), 폴리페닐렌술피드(PPS), 폴리에테르술폰(PES), 폴리술폰(PSF), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리이미드(PI), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리아미드(PA), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄, 폴리올레핀 등의 플라스틱 또는 엘라스토머를 들 수 있다. 열경화성 수지의 구체적인 예로서는, 에폭시 수지, 페놀 수지, 디시클로펜타디엔 수지, 실리콘 고무, 불소 고무, 에틸렌프로필렌디엔 고무(EPDM) 등의 플라스틱 또는 엘라스토머를 들 수 있다.
본 발명에 의한 막 전극 조립체에 이용되는 수지 프레임은 금형 성형에 의해 설치된다. 금형 성형에는, 사출 성형, 반응 사출 성형, 트랜스퍼 성형, 직압 성형, 주형 성형 등이 포함되고, 당업자라면, 이용되는 수지의 성형에 따른 성형법을 적절하게 선택할 수 있다. 수지 프레임이 설치되는 MEA는 수백 μm 수준으로 얇기 때문에, 수지 프레임을 형성하는 금형을 이에 적합하도록 제작할 필요는 있다. 또한, 강도가 낮은 MEA가 클램핑시에 찌부러지는 것을 막기 위해서, 금형에 텔레스코픽(telescopic) 구조를 설치하여 MEA 부분의 두께를 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 클램핑시에 MEA가 어긋나지 않도록 금형에 MEA 고정용 흡인 기구를 설치하는 것이 바람직하다. 특히, 사출 성형, 반응 사출 성형 및 트랜스퍼 성형은 인서트의 배치, 성형, 성형품의 취출 등의 일련의 작업이 전자동으로 가능한 점에서 유용하다.
상술한 바와 같이 하여 얻어진 막 전극 조립체를, 종래 공지된 방법에 따라서 그의 애노드측과 캐소드측이 소정의 측에 오도록 세퍼레이터판 및 냉각부와 교대로 10 내지 100 셀 적층함으로써 연료 전지 스택을 조립할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.
예 1
막 전극 접합체(MEA)의 제조
고분자 전해질막으로서의 크기 15×15 cm, 두께 15 μm의 이온 교환막 GORE-SELECT(등록 상표)(재팬 고어 텍스사 제조)의 한쪽면에, 전극으로서 크기 15×15 cm, 백금 담지량 0.3 mg/cm2의 백금 담지 카본 촉매층 PRIMEA5510(등록 상표)(재팬 고어 텍스사 제조)을 적층하였다. 이어서, 그 전극 위에, 확산층으로서 크기 15×15 cm, 두께 150 μm의 가스 확산층 CARBEL(등록 상표)(재팬 고어 텍스사 제조 CNW10A)을 적층함으로써 막 전극 접합 전구체 시트를 형성하였다. 이어서, 이 막 전극 접합 전구체 시트로부터 52×52 mm과 56×56 mm 크기의 2종의 막 전극 접합 전구체 유닛을 잘라내었다. 52×52 mm의 막 전극 접합 전구체 유닛에 대해서는, 각 각부의 곡률 반경이 1.0 mm가 되도록 라운딩 처리(R 처리)를 실시하였다. 쌍방의 막 전극 접합 전구체 유닛을, 고분자 전해질막끼리 마주 보도록 중심을 합하여 배치하고, 핫 프레스로 열압(160 ℃, 9.8×105 Pa, 5 분간)을 가하여 적층하였다. 그 후, 56×56 mm의 막 전극 접합 전구체 유닛 부분에, 각 각부의 곡률 반경이 2.0 mm가 되도록 R 처리를 실시하여 MEA를 얻었다.
금형의 제조
MEA 주위에 수지 프레임을 성형하기 위한 금형을 제조하였다. 금형은 성형 프레임 크기가 76×76 mm, 두께가 0.35 mm가 되도록 조절하였다. 금형에는, MEA를 과도하게 찌부러뜨리지 않도록 텔레스코픽 구조를 설치하여, MEA의 두께를 비교적 자유롭게 조정할 수 있도록 하였다. 금형에는 또한, 클램핑시에 MEA가 어긋나지 않도록, MEA 고정용 흡인 기구를 설치하였다. 금형의 캐비티에는, 도 6에 나타낸 것과 같은 4개소의 수지 도입 위치 (IR)에 대응하는 4개의 게이트를 설치하였다.
수지 프레임의 사출 성형
상기 금형을 사출 성형기(스미토모 쥬꼬 제조, SE-100D)에 설치하였다. 수지 프레임용 수지(폴리플라스틱스 제조, 벡트라, D408)를 열풍 건조기에서 140 ℃, 4 시간 건조시켰다. 건조시킨 수지를 사출 성형기의 호퍼에 넣고, 수지를 330 ℃로 가열하였다. 금형의 온도가 55 ℃에 도달한 후, 자동 이동 탑재기(유신 세이끼 제조)를 이용하여, 4개의 게이트가 각 수지 도입 위치에 정합하도록 금형 내의 소정의 위치에 MEA를 배치하였다. MEA 고정용 흡인 기구를 작동시켜 금형 내의 MEA를 고정시키고, 그대로 클램핑하였다. 수지를 250 mm/초의 속도로 사출하고, 냉각 후, 상기 자동 이동 탑재기에서 수지 프레임 부착 막 전극 조립체를 취출하였다.
예 2
금형을 제조할 때, 단차 0.005 mm의 요철을 설치한 것을 제외하고, 예 1과 동일하게 실시하여, 도 11에 나타낸 것과 같은 형상의 수지 프레임을 설치한 막 전극 조립체를 제조하였다. 0.005 mm라는 작은 단차라도, 본 발명의 방법에 의해 수지 프레임에 요철 형상을 부여할 수 있음이 확인되었다.
예 3(비교예)
고분자 전해질막으로서의 크기 7.6×7.6 cm, 두께 30 μm의 이온 교환막 GORE-SELECT(등록 상표)(재팬 고어 텍스사 제조)의 양면에, 전극으로서 크기 5×5 cm, 백금 담지량 0.3 mg/cm2의 백금 담지 카본 촉매층 PRIMEA5510(등록 상표)(재팬 고어 텍스사 제조)을 적층하였다. 이어서, 그 각 전극 위에, 확산층으로서 크기 5×5 cm, 두께 150 μm의 가스 확산층 CARBEL(등록 상표)(재팬 고어 텍스사 제조 CNW10A)를 적층함으로써 전해질막 크기 7.6×7.6 cm, 전극 크기 5×5 cm의 MEA를 얻었다. 그 후, 예 1에서 제조한 금형을 이용하여 예 1과 동일하게 수지 프레임의 사출 성형을 행하여 수지 프레임 부착 막 전극 조립체를 얻었다.
예 4(비교예)
고분자 전해질막으로서의 크기 8×8 cm, 두께 30 μm의 이온 교환막 GORE-SELECT(등록 상표)(재팬 고어 텍스사 제조)의 양면에, 전극으로서 크기 8×8 cm, 백금 담지량 0.3 mg/cm2의 백금 담지 카본 촉매층 PRIMEA5510(등록 상표)(재팬 고어 텍스사 제조)를 적층하였다. 이어서, 그 각 전극 위에, 확산층으로서 크기 8×8 cm, 두께 150 μm의 가스 확산층 CARBEL(등록 상표)(재팬 고어 텍스사 제조 CNW10A)를 적층함으로써 전해질막 크기 및 전극 크기 8×8 cm의 막 전극 접합 전구 체 시트를 형성하였다. 이어서, 이 막 전극 접합 전구체 시트로부터 52×52 mm 크기의 MEA를 잘라내었다. 각 각부의 곡률 반경이 1.0 mm가 되도록 라운딩 처리(R 처리)를 실시하였다. 그 후, 예 1에서 제조한 금형을 이용하여 예 1과 동일하게 수지 프레임의 사출 성형을 행하여 수지 프레임 부착 막 전극 조립체를 얻었다.
예 5(비교예)
예 4와 동일한 방법에 의해 52×52 mm의 크기로, 또한 각 각부의 곡률 반경이 1.0 mm가 되도록 라운딩 처리(R 처리)를 실시한 MEA를 제작하였다.
두께 0.35 mm, 외형 76×76 mm의 수지 필름(도레이 제조, 토렐리나)의 중심부에 외형 51.5×51.5 mm의 구멍을 뚫어 수지 프레임을 제작하였다.
상기 MEA에 수지 프레임의 내주가 균등하게 중첩되도록 세팅하고, 핫 프레스로 열압(200 ℃, 9.8×105 Pa, 3 분간)을 가하여 수지 프레임에 MEA를 압입 일체화하고, 수지 프레임 부착 막 전극 조립체를 얻었다.
누설 시험
각 예에서 제조한 막 전극 조립체의 고체 고분자형 연료 전지에서의 밀봉 신뢰성을 확인하기 위해서, 누설 시험을 실시하였다. 누설 시험은 셀을 모방한 지그(jig)에 각 막 전극 조립체를 세팅하고, 전체를 물 중에 침지한 상태에서 막 전극 조립체의 한쪽에 압축 공기를 보내고, 반대측에서의 기포 발생을 확인함으로써 실시하였다. 그 때, 압축 공기의 압력을 0 MPa에서 서서히 상승시켜, 반대측에서 기포가 발생하였을 때의 압력을 누설 압력으로서 기록하였다.
상기 누설 시험에 있어서, 예 1의 막 전극 조립체는 0.3 MPa 이상의 누설 압력을 기록하였다. 그러나, 예 3(비교예), 예 4(비교예) 및 예 5(비교예)의 막 전극 조립체는 승압 직후(압력을 가한 순간)에 기포가 발생하였다.
본 발명에 따르면, 고체 고분자형 연료 전지에서의 밀봉 신뢰성, 기계적 강도 및 취급성이 향상된다. 또한 기계적 강도 및 취급성의 향상에 의해, 연료 전지 스택을 양호한 정밀도로 또한 간이하게 조립하는 것이 가능해진다. 또한 본 발명에 따르면, 전해질막의 소요 면적의 축소에 의해 고체 고분자형 연료 전지의 제조 비용이 삭감된다. 또한 본 발명에 따르면, 조립 공정수의 삭감에 의해 고체 고분자형 연료 전지의 생산 효율이 향상된다.

Claims (20)

  1. 고분자 전해질막,
    상기 전해질막의 한쪽면측에 설치된 제1 전극층,
    상기 제1 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 제1 가스 확산층,
    상기 전해질막의 다른쪽 면측에 설치된 제2 전극층, 및
    상기 제2 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 제2 가스 확산층
    을 포함하는 막 전극 접합체와, 상기 전해질막의 외주연의 전부 및 상기 제1 및 제2 가스 확산층의 외주연의 적어도 일부에서 상기 전해질막의 측면을 포위하도록 설치된 수지 프레임을 포함하여 이루어지는, 고체 고분자형 연료 전지용 막 전극 조립체로서,
    상기 제1 가스 확산층 및 상기 제1 전극층은, 상기 제1 가스 확산층의 외주연 전체가 상기 전해질막의 외주연의 범위 내에 포함됨과 동시에 상기 제1 전극층의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 제1 전극층의 외주연과 상기 전해질막의 외주연 사이에 상기 전해질막의 표면 영역이 남도록 상기 전해질막의 표면 상에 배치되어 있고,
    상기 제2 가스 확산층은 상기 전해질막의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 표면 영역과는 반대측의 적어도 일부까지 연장되어 있고, 또한
    상기 수지 프레임은 상기 표면 영역의 적어도 일부에 고착되어 있는
    것을 특징으로 하는 막 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수지 프레임이 금형 성형에 의해 설치되어 있는 막 전극 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 금형 성형이 사출 성형, 반응 사출 성형 또는 트랜스퍼 성형인 막 전극 조립체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질막과 상기 제2 가스 확산층이 동일한 면적을 가지며 서로 완전히 중복되어 있는 막 전극 조립체.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해질막이 면적이 다른 2매의 막으로 이루어지고, 상기 제1 전극층에 접하는 측면의 전해질막과 상기 제1 가스 확산층이 동일한 면적을 가지며 서로 완전히 중복되고, 또한 상기 제2 전극층에 접하는 측면의 전해질막과 상기 제2 가스 확산층이 동일한 면적을 가지며 서로 완전히 중복되어 있는 막 전극 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 전극층과 상기 제1 가스 확산층이 동일한 면적을 가지며 서로 완전히 중복되어 있거나;
    상기 제2 전극층과 상기 제2 가스 확산층이 동일한 면적을 가지며 서로 완전히 중복되어 있거나; 또는
    상기 제1 전극층과 상기 제1 가스 확산층이 동일한 면적을 가지며 서로 완전히 중복되어 있고, 상기 제2 전극층과 상기 제2 가스 확산층이 동일한 면적을 가지며 서로 완전히 중복되어 있는 막 전극 조립체.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지 프레임에 반응 가스를 위한 유로가 설치되어 있는 막 전극 조립체.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지 프레임에 밀봉용 요철부가 설치되어 있는 막 전극 조립체.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지 프레임에 삽입된 밀봉용 부재가 설치되어 있는 막 전극 조립체.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지 프레임에 2색 성형에 의해 밀봉용 부재가 설치되어 있는 막 전극 조립체.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지 프레임에 세퍼레이터를 위한 위치 결정 수단이 설치되어 있는 막 전극 조립체.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지 프레임의 내부에 보강재가 설치되어 있는 막 전극 조립체.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지 프레임의 외부에 밀봉용 부재가 별도로 설치되어 있는 막 전극 조립체.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수지 프레임의 외부에 세퍼레이터를 위한 위치 결정 수단이 별도로 설치되어 있는 막 전극 조립체.
  15. 고분자 전해질막과, 상기 전해질막의 한쪽면측에 설치된 제1 전극층과, 상기 제1 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 제1 가스 확산층과, 상기 전해질막의 다른쪽 면측에 설치된 제2 전극층과, 상기 제2 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 제2 가스 확산층을 포함하는 막 전극 접합체로서, 상기 제1 가스 확산층 및 상기 제1 전극층이, 상기 제1 가스 확산층의 외주연 전체가 상기 전해질막의 외주연의 범위 내에 포함됨과 동시에 상기 제1 전극층의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 제1 전극층의 외주연과 상기 전해질막의 외주연 사이에 상기 전해질막의 표면 영역이 남도록 상기 전해질막의 표면 상에 배치되어 있고, 또한 상기 제2 가스 확산층이, 상기 전해질막의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 표면 영역과는 반대측의 적어도 일부까지 연장되어 있는 막 전극 접합체를 준비하는 공정, 및
    금형 성형에 의해, 상기 전해질막의 외주연의 전부 및 상기 제1 및 제2 가스 확산층의 외주연의 적어도 상기 제1 및 제2 전극층의 근방을 포위하면서 상기 표면 영역의 적어도 일부에 고착되도록 수지 프레임을 설치하는 공정
    을 포함하여 이루어지는, 고체 고분자형 연료 전지용 막 전극 조립체의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 금형 성형이 사출 성형, 반응 사출 성형 또는 트랜스퍼 성형인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 수지 프레임의 수지를 상기 표면 영역을 향해 도입하는 방법.
  18. 고분자 전해질막과, 상기 전해질막의 한쪽면측에 설치된 전극층과, 상기 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 가스 확산층을 포함하는 막 전극 접합 전구체 시트를 준비하는 공정, 상기 막 전극 접합 전구체 시트로부터 면적이 다른 제1 및 제2 막 전극 접합 전구체 유닛을 잘라내는 공정, 및 상기 제1 및 제2 막 전극 접합 전구체 유닛을 그 전해질막끼리 마주 대하여 접합시킴으로써 막 전극 접합체를 형성할 때, 한쪽 전해질막을, 상기 한쪽 전해질막의 외주연 전체가 다른쪽 전해질막의 외주연의 범위 내에 포함됨과 동시에 상기 한쪽 전해질막의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 한쪽 전해질막의 외주연과 상기 다른쪽 전해질막의 외주연 사이에 상기 다른쪽 전해질막의 표면 영역이 남도록 상기 다른쪽 전해질막의 표면 상에 배치하는 공정, 및
    금형 성형에 의해, 상기 전해질막의 외주연의 전부 및 상기 가스 확산층의 외주연의 적어도 상기 전극층의 근방을 포위하면서, 상기 표면 영역의 적어도 일부에 고착되도록 수지 프레임을 설치하는 공정
    을 포함하여 이루어지는, 고체 고분자형 연료 전지용 막 전극 조립체의 제조 방법.
  19. 제1 전극층과, 상기 제1 전극층의 한쪽면에 설치된 제1 가스 확산층을 포함하는 전극 접합 전구체 시트, 및 고분자 전해질막과, 상기 전해질막의 한쪽면측에 설치된 제2 전극층과, 상기 제2 전극층의 상기 전해질막과는 반대측에 설치된 제2 가스 확산층을 포함하는 막 전극 접합 전구체 시트를 준비하는 공정, 상기 전극 접합 전구체 시트로부터 일정 면적의 전극 접합 전구체 유닛을 잘라내는 공정, 상기 막 전극 접합 전구체 시트로부터 상기 일정 면적보다 큰 면적의 막 전극 접합 전구체 유닛을 잘라내는 공정, 상기 전극 접합 전구체 유닛의 제1 전극층과 상기 막 전극 접합 전구체 유닛의 전해질막을 접합시킬 때, 상기 제1 가스 확산층 및 상기 제1 전극층을, 상기 제1 가스 확산층의 외주연 전체가 상기 전해질막의 외주연의 범위 내에 포함됨과 동시에 상기 제1 전극층의 외주연 전체 둘레에 걸쳐 상기 제1 전극층의 외주연과 상기 전해질막의 외주연 사이에 상기 전해질막의 표면 영역이 남도록 상기 전해질막의 표면 상에 배치하는 공정, 및
    금형 성형에 의해, 상기 전해질막의 외주연의 전부 및 상기 제1 및 제2 가스 확산층의 외주연의 적어도 상기 제1 및 제2 전극층의 근방을 포위하면서, 상기 표면 영역의 적어도 일부에 고착되도록 수지 프레임을 설치하는 공정
    을 포함하여 이루어지는, 고체 고분자형 연료 전지용 막 전극 조립체의 제조 방법.
  20. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 막 전극 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지.
KR1020097004392A 2006-08-03 2007-08-02 막 전극 조립체 및 그의 제조 방법 및 이를 이용한 고체 고분자형 연료 전지 KR101473500B1 (ko)

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