KR20040062949A - 연료 전지용 전극의 제조 방법 - Google Patents

연료 전지용 전극의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

양전극층(20)과 음전극층(19)과 이들 사이에 개재되는 이온 교환막(21)을 갖는 연료 전지용 전극이 제공된다. 이온 교환막을 용액으로 하여, 양 및 음전극 중 어느 일측의 전극용 용액이 건조되기 전에 이온 교환막용 용액을 도포한 후, 이온 교환막용 용액이 미건조 상태에서 타측 전극용 용액을 도포한다. 각 층이 미건조 상태이기 때문에 각층의 밀착성이 향상된다. 이온 교환막을 용액으로 함으로써 도막을 얇게 성형할 수 있게 된다.

Description

연료 전지용 전극의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING ELECTRODE FOR FUEL CELL}
도33 및 도34는 종래의 연료 전지용 전극을 도시하고 있다. 이 연료 전지용 전극(700)은 음극층(수소극)(701)과 양극층(산소극)(702) 사이에 이온 교환막(703)을 배치하고, 음극층(701)에 포함하는 촉매에 수소 분자(H2)를 접촉시키고, 양극층(702)에 포함하는 촉매에 산소 분자(O2)를 접촉시켜 전자(e-)를 화살표와 같이 흐르게 함으로써 전류를 발생시킨다. 전류가 발생할 때에 수소 분자(O2)와 산소 분자(O2)로부터 물(H2O)이 생성된다.
도34에 도시한 바와 같이, 연료 전지용 전극(700)은 1쌍의 확산층(704, 705) 각각의 내측에 바인더층(706, 707)을 갖는다. 이들 바인더층(706, 707)은 그 내측에 각각 음극층(701) 및 양극층(702)을 갖는다. 이들 음극층(701) 및 양극층(702)사이에 이온 교환막(703)이 위치한다.
이 연료 전지용 전극(700)을 제조하기 위해서는, 우선 확산층(704)에 바인더층(706)용 용액을 도포함과 동시에 확산층(705)에 바인더층(707)용 용액을 도포하고, 도포한 바인더층(706, 707)을 소성함으로써 바인더층(706, 707)을 고화한다.
다음에, 고화된 바인더층(706)에 음극층(701)의 용액을 도포함과 동시에 고화된 바인더층(707)에 양극층(702)의 용액을 도포하고, 도포한 음ㆍ양극층(701, 702)을 건조시킴으로써 음ㆍ양극층(701, 702)을 고화한다.
이어서, 고화된 음극층(701)에 시트 형상의 이온 교환막(703)을 얹고, 계속해서 이온 교환막(703)에 양극층(702)이 고화된 확산층(705)을 얹어 7층의 다층 구조를 형성한 후, 이 다층 구조를 화살표와 같이 가열 압착함으로써 전극 구조를 형성한다.
상기 기술한 바와 같이, 연료 전지용 전극(700)은 이온 교환막(703)으로서 시트를 사용하고 있고, 추가로 바인더층(706), 음극층(701), 양극층(702), 바인더층(707)의 각각의 층을 고화된 상태에서 가열 압착하기 때문에, 각각의 층의 경계에 밀착 불량 부분이 발생할 우려가 있다.
연료 전지용 전극의 각 층에 밀착 불량 부분이 발생하면, 전류를 효율적으로 발생시키기 어려워져서, 제조 라인의 검사 단계에서 이들 전극이 폐기 처분이나 수복 처분되며, 이 점이 생산성을 높이는 데 방해가 되고 있다.
또한, 이온 교환막(703)으로서 시트를 사용하고 있기 때문에, 이온 교환막(703)의 취급성을 고려하면 이온 교환막(703)을 어느 정도 두껍게 할 필요가있다. 따라서, 전극을 얇게 하기가 어렵고, 이 점이 연료 전지의 소형화를 도모하는 데 방해가 된다.
따라서, 각각의 층의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 또 이온 교환막의 성능 저하를 방지할 수 있고, 또한 이온 교환막을 얇게 할 수 있는 것이 요망된다.
상기 연료 전지의 양ㆍ음극 중에는 용도에 따라 다각형(예컨대, 8각형)의 것을 채택한 것이 있다.
도35a 및 도35b는 종래의 연료 전지를 구성하는 다각형의 이온 교환막의 성형 방법을 도시한 도면으로서, 음극(701)에 이온 교환막(703)을 도포하는 예를 설명한다.
도35a에 있어서, 카본 페이퍼로 다각형(8각형)의 음극(701)을 형성하고, 이 음극(701)을 재치대(715)에 얹는다. 이어서, 스크린 인쇄기(716)를 재치대(715)의 일단(715a)측에서 타단(715b)측을 향해 화살표와 같이 이동한다.
이 스크린 인쇄기(716)는 양단에 다리부(716a, 716a)를 구비하고, 각각의 다리부(716a, 716a)에 걸쳐 토출부(716b)를 구비하고, 스크린 인쇄기(716)의 토출부(716b)가 음극(701)의 상측에 도달하였을 때에 토출부(716b)로부터 이온 교환막용 수지 용액을 토출한다.
도35b에 있어서, 스크린 인쇄기(716)를 위치 E1 내지 위치 E2 사이에서 이동할 때에, 스크린 인쇄기(716)의 토출부(716b)로부터 음극(701)에 이온 교환막용 슬러리(수지 용액)(718)를 도포한다. 이어서, 이 음극의 외측에 도포한 슬러리(718)를 제거한 후, 음극(701) 표면상의 수지 용액을 건조시켜 다각형의 이온 교환막을 얻는다.
스크린 인쇄기(716)로 슬러리(718)를 도포할 때에는, 도35a에 도시한 바와 같이 토출부(716b)를 화살표와 같이 이동시키면서 토출부(716b)로부터 슬러리(718)를 토출시키기 때문에, 슬러리(718)의 도포 영역(719)은 도35b에 나타낸 바와 같이 직사각형이 된다. 따라서, 음극(701) 외측의 여분의 복수의 영역(719a)(즉, 직사각형의 코너부)에도 슬러리(718)를 도포하게 되어, 이들 불필요한 영역(719a)에 도포한 슬러리(718)를 회수할 필요가 있다. 이 회수 작업에 시간이 걸리고, 이 점이 생산성을 높이는 데 방해가 되었다.
한편, 연료 전지의 성능을 확보하기 위해 이온 교환막(703)(도33 참조)의 표면을 평탄하게 성형할 필요가 있다. 따라서, 스크린 인쇄기(716)로 슬러리(718)를 도포할 때에는 토출부(716b)의 전역으로부터 슬러리(718)를 균일하게 토출할 필요가 있다.
그러나, 토출부(716b)와 같이 비교적 폭이 넓은 부위로부터 전역에 걸쳐 슬러리(718)를 균일하게 토출하기 위해서는, 스크린 인쇄기(716)의 토출 정밀도를 한층 더 높일 필요가 있다. 그러므로, 스크린 인쇄기(716)의 설비비가 높아지고, 이 점이 연료 전지의 비용을 내리는 데 방해가 되었다. 따라서, 슬러리를 불필요한 영역에 도포하는 것을 방지할 수 있고, 또한 이온 교환막을 비교적 간단히 평탄하게 성형할 수 있는 연료 전지용 이온 교환막의 성형 방법이 요망된다.
도36a 및 도36b는 종래의 연료 전지를 구성하는 이온 교환막의 다른 성형 방법의 개략도이다.
도36a에 있어서, 기판(713)에 음극(701)을 도포한 전극판(714)을 준비하고, 이 전극판(714)을 재치대(715)에 재치한다. 이어서, 도포한 음극(701)이 건조되기 전에 스크린 인쇄기(716)를 화살표와 같이 이동한다. 이 스크린 인쇄기(716)는 상부에 토출부(716b)를 갖고, 스크린 인쇄기(716)의 토출부(716b)가 전극판(714)[기판(713)이나 음극(701)]의 상측에 도달하였을 때에 토출부(716b)로부터 이온 교환막용 수지 용액을 토출한다.
도36b에 있어서, 스크린 인쇄기(716)를 위치 P1 내지 위치 P2 사이에서 이동할 때에, 스크린 인쇄기(716)의 토출부(716b)로부터 전극판(714)[기판(713)이나 음극(701)]에 이온 교환막용 수지 용액(712)을 도포함으로써 전극판(714)을 수지 용액(712)으로 덮는다. 이어서, 이 수지 용액을 건조시켜 이온 교환막(703)을 얻는다.
그런데, 스크린 인쇄기(716)로부터 전극판(714)에 수지 용액(712)을 도포하면서 위치(P1)에서 화살표와 같이 이동할 때에, 음극(701)의 표면에 화살표 a와 같이 전단력이 발생한다. 또한, 스크린 인쇄기(716)로부터 전극판(714)에 수지 용액(712)을 도포할 때에 음극(701)은 미건조 상태에 있다.
이와 같이, 음극(701)의 표면에 화살표 a와 같이 전단력이 발생하면, 발생한 전단력으로 음극(701)의 표층부(701a)가 어긋날 우려가 있다. 음극(701)의 표층부(701a)가 어긋난 제품은 폐기 처분 또는 개수할 필요가 있고, 이 점이 생산성을 높이는 데 방해가 된다. 따라서, 음극 등의 전극에 이온 교환막을 성형할 때에 전극의 표층부의 어긋남을 방지하는 것이 요망된다.
본 발명은 양ㆍ음극간에 이온 교환막을 배치하고, 음극의 촉매에 수소를 접촉시킴과 동시에 양극의 촉매에 산소를 접촉시킴으로써 발전하는 연료 전지용 전극의 제조 방법에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 연료 전지를 도시한 분해 사시도이다.
도2는 도1에 도시한 연료 전지용 전극의 단면 구조를 도시한 도면이다.
도3a 내지 도3f는 도1에 도시한 제1 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 제1 제조 방법의 공정을 도시한 도면이다.
도4a 내지 도4e는 도1에 도시한 제1 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 제2 제조 방법의 공정을 도시한 도면이다.
도5는 제1 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 제조 방법에 있어서 가열 건조하는 일례를 도시한 도면이다.
도6a 및 도6b는 제1 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 공극 용적과 농도 과전압의 관계를 설명한 그래프이다.
도7은 본 발명의 제2 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 단면 구조를 도시한 도면이다.
도8a 내지 도8h는 도7에 도시한 제2 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 제조 방법의 공정을 도시한 도면이다.
도9는 본 발명의 제3 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 단면 구조를 도시한 도면이다.
도10a 내지 도10i는 도9에 도시한 제3 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 제조 방법의 공정을 도시한 도면이다.
도11은 본 발명의 제4 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 단면 구조를 도시한 도면이다.
도12a 내지 도12g는 도11에 도시한 제4 실시예에 관한 연료 전지용 전극의제조 방법의 공정을 도시한 도면이다.
도13은 본 발명의 제5 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 단면 구조를 도시한 도면이다.
도14a, 도14b 및 도14c는 도13에 도시한 제5 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 제조 방법의 공정의 일부를 도시한 도면이다.
도15는 본 발명의 제6 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 단면 구조를 도시한 도면이다.
도16a 내지 도16h는 도15에 도시한 제6 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 제1 제조 방법의 공정을 도시한 도면이다.
도17a 및 도17b는 도15에 도시한 제6 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 제2 제조 방법의 공정의 일부를 도시한 도면이다.
도18은 제7 실시예에 관한 연료 전지용 전극을 갖는 연료 전지의 분해 사시도이다.
도19는 도18에 도시한 연료 전지용 이온 교환막의 단면도이다.
도20은 도19에 도시한 연료 전지용 이온 교환막의 제1 성형 방법을 실시하기 위한 성형 장치의 사시도이다.
도21은 도20에 도시한 성형 장치의 단면도이다.
도22a 내지 도22j는 본 발명에 관한 연료 전지용 이온 교환막의 제1 성형 방법의 공정을 도시한 도면이다.
도23은 도19에 도시한 연료 전지용 이온 교환막의 제2 성형 방법을 실시하기위한 성형 장치의 단면도이다.
도24는 도19에 도시한 연료 전지용 이온 교환막의 제3 성형 방법을 실시하기 위한 성형 장치의 사시도이다.
도25는 도24에 도시한 성형 장치의 평면도이다.
도26은 도24에 도시한 성형 장치의 단면도이다.
도27a 내지 도27j는 도19에 도시한 연료 전지용 이온 교환막의 제3 성형 방법의 공정을 도시한 도면이다.
도28a 및 도28b는 본 발명에 관한 연료 전지용 이온 교환막의 제3 성형 방법의 특징을 비교예와 비교한 도면이다.
도29는 연료 전지용 이온 교환막의 제4 성형 방법을 실시하기 위한 이온 교환막 성형 장치의 단면도이다.
도30은 본 발명의 제8 실시예의 전극을 갖는 연료 전지의 분해 사시도이다.
도31은 도30에 도시한 연료 전지용 이온 교환막을 도시한 단면도이다.
도32a 내지 도32g는 도31에 도시한 연료 전지용 이온 교환막의 성형 방법의 공정을 도시한 도면이다.
도33은 종래의 연료 전지의 개략을 도시한 도면이다.
도34는 도33에 도시한 연료 전지를 구성하는 전극의 구성을 도시한 도면이다.
도35a 및 도35b는 도33에 도시한 종래의 연료 전지용 전극을 구성하는 이온 교환막의 성형 방법을 도시한 도면이다.
도36a 및 도36b는 종래의 연료 전지용 전극을 구성하는 이온 교환막의 다른 성형 방법을 도시한 도면이다.
본 발명자들은 각각의 층 사이에 밀착 불량 부분이 발생하는 것은, 앞의 도막이 고화된 후에 다음 용액을 도포하여 그 용액이 앞의 도막에 스며들지 않고, 결과적으로 밀착 불량이 발생하는 것이 그 원인임을 밝혀냈다.
따라서, 앞의 도막이 마르기 전에 다음 용액을 포갠 결과, 용액이 앞의 도막에 스며들어 밀착성이 현저하게 높아짐을 알 수 있었다.
마찬가지로, 시트 형상의 이온 교환막에 용액을 도포한 경우에도, 용액이 시트 형상의 이온 교환막에 스며들지 않고, 결과적으로 밀착 불량이 발생하는 것이 그 원인임을 밝혀냈다.
따라서, 본 발명에 있어서는 연료 전지를 구성하는 양ㆍ음극 중 어느 일측의 전극용 용액을 시트상에 도포하여 일측 전극층을 형성하는 단계와, 이 일측 전극층이 건조되기 전에 그 일측 전극층상에 이온 교환막용 용액을 도포하여 이온 교환막을 형성하는 단계와, 이 이온 교환막이 건조되기 전에 그 이온 교환막상에 타측 전극용 용액을 도포하여 타측 전극층을 형성하는 단계와, 이들 일측 전극층, 타측 전극층 및 이온 교환막을 건조시킴으로써 고화하는 단계로 이루어진 연료 전지용 전극의 제조 방법이 제공된다.
즉, 본 발명에 있어서는 이온 교환막에 용액을 채택하고, 전극용 용액 및 이온 교환막용 용액을 각각 미건조 상태로 도포하면, 경계에서 혼합이 발생한다. 이에 따라, 1쌍의 전극 및 이온 교환막의 각 층의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는것을 방지할 수 있기 때문에, 이온 교환막에 있어서의 반응 효율을 양호하게 유지할 수 있다.
여기에서, 이온 교환막에 시트를 사용한 경우, 시트 형상 이온 교환막의 취급성을 적절하게 유지하기 위해서는 이온 교환막을 어느 정도 두껍게 할 필요가 있다. 따라서, 전극 구조를 얇게 하기가 어렵고, 이 점이 전극 구조의 소형화를 도모하는 데 방해가 된다.
본 발명에 있어서는, 이온 교환막을 용액으로 하고, 이온 교환막을 용액의 상태로 취급할 수 있도록 하였다. 이온 교환막을 용액으로 함으로써, 취급시에 이온 교환막의 두께를 규제할 필요는 없다. 따라서, 이온 교환막을 얇게 할 수 있게 되어 전극 구조를 최대한 얇게 할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 바람직하게는 상기 건조는 하중을 가하지 않고 행하는 것이 좋다. 즉, 전극용 용액 및 이온 교환막용 용액을 각각 미건조 상태에서 도포하고, 각각의 용액을 도포한 후에 하중을 가하지 않고 건조시킨다. 이에 따라, 이온 교환막에 하중을 가할 필요가 없기 때문에, 하중으로 인해 이온 교환막의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
그리고 본 발명에 있어서는, 바람직하게는 상기 양ㆍ음극의 전극층 중 음극층을 상기 이온 교환막의 하측에 형성하고, 양극층을 이온 교환막의 상측에 형성하는 것이 좋다. 미건조 전극층상에 이온 교환막용 용액을 도포하면, 이온 교환막용 용액이 중력의 영향으로 하측으로 흘러 전극층에 침투할 우려가 있다. 이온 교환막용 용액이 전극층에 침투하면, 침투한 용액으로 전극층의 공극이 감소할 우려가있다. 따라서, 연료 전지용 전극 구조를 제조할 때에 양ㆍ음의 전극층 중의 양극층을 이온 교환막의 하측에 배치하면, 양극층의 공극이 이온 교환막용 용액으로 감소하여 발전에 의해 생성된 생성수를 양극측 확산층에서 연료 전지의 외부로 효율적으로 배출할 수 없음이 우려된다. 생성수를 효율적으로 배출하지 못하면, 수소나 산소의 반응 가스를 적절하게 공급하는 것이 방해 받기 때문에, 농도 과전압이 높아져서 연료 전지의 발전 성능을 양호하게 유지하기가 어려워진다.
여기에서 「농도 과전압」이란, 전극에 있어서의 반응 물질 및 반응 생성물의 보급 및 제거의 속도가 느려서 전극의 반응을 방해 받을 때에 나타나는 전압 저하를 말한다. 즉, 농도 과전압이 높아진다는 것은 전압 저하량이 증가한다는 것이다. 따라서, 상기 기술한 바와 같이 본 발명에 있어서는 이온 교환막의 상측에 양극층을 형성하도록 하였다. 양극층을 이온 교환막의 상측에 배치함으로써, 이온 교환막용 용액이 중력의 영향으로 음극층에 침투하는 것을 방지할 수 있고, 양극층의 공극이 이온 교환막용 용액으로 감소하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 발전에 의해 생성된 생성수를 양극층에서 양극측 확산층으로 유도하여 양극측 확산층의 공극을 통해 적절하게 배출할 수 있고, 연료 전지에 발생하는 농도 과전압을 낮게 억제할 수 있다.
상기 양극용 용액은 바람직하게는 분무 상태로 도포하는 것이 좋다. 양극용 용액의 도포압이 높은 경우에는 양극용 용액을 도포할 때에 이온 교환막용 용액이 양극층으로 침투할 우려가 있다. 이온 교환막용 용액이 양극층으로 침투하면, 이온 교환막용 용액이 양극측 확산층에 도달하여 이온 교환막용 용액으로 양극측 확산층의 공극이 감소할 우려가 있다. 따라서, 양극용 용액을 분무 상태로 도포함으로써, 이온 교환막에 불필요한 도포압을 가하지 않고, 즉 양극용 용액을 최소의 도포압으로 도포하도록 하였다. 이와 같이 이온 교환막에 불필요한 도포압을 가하지 않고 양극용 용액을 도포함으로써, 이온 교환막용 용액이 양극층으로 침투하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 이온 교환막용 용액으로 양극층의 공극이 감소하는 것을 방지하여 양극층의 공극을 한층 더 적절하게 확보할 수 있다. 이에 따라, 발전에 의해 생성된 생성수를 양극층에서 양극 확산층까지 유도하여 양극측 확산층의 공극을 통해 한층 더 잘 배출할 수 있으므로 연료 전지에 발생하는 농도 과전압을 낮게 억제할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 건조는 원적외선에 의해 상기 전극의 내부로부터 가열함으로써 행하고, 따라서 이온 교환막용 용액의 전극으로의 과도한 침투를 방지하도록 하였다. 이와 같이, 일측 전극층, 이온 교환막 및 타측 전극층을 원적외선을 사용하여 가열 건조함으로써, 이온 교환막을 표면에서 내부까지 전체에 걸쳐 신속하게 건조시킬 수 있으므로 이온 교환막의 용액이 일측 전극층이나 타측 전극층으로 침투하는 것을 억제할 수 있다. 이온 교환막용 용액이 전극층으로 침투하는 것을 억제함으로써, 이온 교환막용 용액으로 전극층의 공극을 막는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 발전에 의해 생성된 생성수를 전극층의 공극에서 확산층까지 유도하여 확산층의 공극을 통해 적절하게 배출할 수 있다.
바람직하게는 본 발명에 있어서 양ㆍ음 전극층용 용액은 이온 교환막용 용액에 사용하는 용매보다 기화 온도가 높은 용매를 사용하는 것이 좋다. 이와 같이,전극용 용액에 이온 교환막용 용액에 사용하는 용매보다 기화 온도가 높은 용매를 사용하면, 이온 교환막을 전극층에 우선시켜 확실하게 건조시킬 수 있다. 따라서, 이온 교환막용 용액이 전극층으로 침투하는 것을 한층 더 효율적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 상기 어느 일측의 전극층을 이온 교환막으로부터 떨어진 면측의 제1층과, 이온 교환막에 접촉하는 면측의 제2층의 2층으로 나누고, 제2층의 기공율을 제1층의 기공율보다 작아지도록 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 제2층의 기공율을 작게 함으로써 제2층에 이온 교환막의 용액이 침투하는 것을 억제할 수 있고, 이온 교환막용 용액으로 전극층의 공극이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
상기 제2층의 기공율은 바람직하게는 70 내지 75%이다. 제2층의 기공율을 70% 미만으로 하면, 기공율이 지나치게 작아져서 이온 교환막의 용액을 제2층에 적정량 침투시키지 못할 우려가 있다. 따라서, 이온 교환막과 제2층의 밀착성을 양호하게 유지하기가 어려워 반응의 유효 면적을 확보하지 못할 우려가 있다. 그러므로, 활성화 과전압이 높아져서 전류를 효율적으로 발생시키지 못할 우려가 있다. 따라서, 제2층의 기공율을 70% 이상으로 설정하여 이온 교환막과 제2층의 밀착성을 양호하게 유지하도록 하였다.
그리고 「활성화 과전압」이란, 전극에 있어서의 반응이 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에, 이 활성화 에너지를 보충하기 위해 나타나는 전압 저하를 말한다. 즉, 활성화 과전압이 높아진다는 것은 전압 저하량이 증가한다는 것이다.
한편, 제2층의 기공율이 75%를 넘으면, 기공율이 지나치게 커져서 이온 교환막의 용액을 제2층으로 과대하게 침투시킬 우려가 있다. 따라서, 일측 전극층의 기공이 이온 교환막의 용액으로 감소하여 발전에 의해 생성된 생성수를 일측 전극층의 기공을 통해 적절하게 배출할 수 없다. 그러므로, 수소나 산소의 반응 가스를 적절하게 공급하는 것을 방해 받아 농도 과전압이 높아져서 연료 전지의 발전 성능을 양호하게 유지하기가 어려워진다. 따라서, 제2층의 기공율을 75% 이하로 설정하여 생성수를 적절하게 배수할 수 있도록 하였다.
그리고, 상기 제1층의 기공율은 76 내지 85%인 것이 바람직하다. 제1층의 기공율을 76% 미만으로 하면, 기공율이 지나치게 작아서 생성수를 효율적으로 배수하기가 어렵다. 그러므로, 수소나 산소의 반응 가스를 적절하게 공급하는 것을 방해 받아 농도 과전압이 높아져서 연료 전지의 발전 성능을 양호하게 유지하기가 어려워진다. 따라서, 제1층의 기공율을 76% 이상으로 설정하여 생성수를 적절하게 배수할 수 있도록 하였다.
한편, 제1층의 기공율이 85%를 넘으면, 기공율이 지나치게 커져 생성수의 보수성이 저하되어 제1층이 건조해져서 이온의 전도를 저해할 우려가 있다. 그러므로, 저항 과전압이 높아져서 전류를 효율적으로 발생시키지 못할 우려가 있다. 따라서, 제1층의 기공율을 85% 이하로 설정해서 저항 과전압을 억제하여 전류를 효율적으로 발생시킬 수 있도록 한다.
그리고 「저항 과전압」이란, 전극내의 전기 저항에 비례해서 발생하는 전압 저하를 말한다. 즉, 저항 과전압이 높아진다는 것은 전압 저하량이 증가한다는 것이다.
본 발명의 방법에 있어서는, 상기 제2층의 기공율을 제1층의 기공율보다 작게 하기 위해, 바람직하게는 제2층용 용액을 제1층용 용액보다 높은 분무 에너지로 도포한다. 따라서, 제2층의 농도는 제1층의 농도보다 높아지고, 제2층의 기공율은 제1층의 기공율보다 작아진다.
그리고 본 발명에 있어서는, 상기 제2층의 기공율을 제1층의 기공율보다 작게 하기 위해, 제2층용 용액 중에 함유하는 전극의 입경을 제1층용 용액 중에 함유하는 전극의 입경보다 작게 함으로써, 제2층용 용액의 농도를 제1층용 용액의 농도보다 높게 하도록 해도 된다.
본 발명의 방법에 있어서는, 바람직하게는 상기 일측 전극층을 형성하는 단계 전에 일측 전극측 확산층을 형성하는 단계를 포함하고, 이 일측 전극측 확산층이 건조되지 않은 상태에서 상기 일측 전극층이 적층되어 형성되고, 추가로 타측 전극층을 형성한 후에 타측 전극측 확산층을 형성하는 단계를 포함하고, 이 타측 전극층이 미건조인 상태에서 그 타측 전극측 확산층이 적층된다.
바람직하게는 상기 일측 전극측 확산층은 양극측 카본 페이퍼와 양극측 바인더층으로 구성되고, 타측 전극측 확산층은 음극측 카본 페이퍼와 음극측 바인더층으로 구성된다.
이 양극측 바인더층용 용액으로서는 바람직하게는 용매로서 물을 포함함과 동시에 발수성을 가지면서 또한 융점이 150℃ 이하인 저융점 수지를 포함한다.
일반적으로는 연료 전지의 외부로 생성수를 효율적으로 배출할 수 있도록 발수성을 갖는 수지[폴리4불화에틸렌, 예컨대 상품명「테프론」(등록상표)]를 포함한 용액을 양극측 카본 페이퍼상에 도포하여 양극측 카본 페이퍼에 발수성을 부여하고 있다. 그러나, 폴리4불화에틸렌의 융점은 350℃로서 양ㆍ음극층이나 이온 교환막과 비교해 높기 때문에, 양ㆍ음극층이나 이온 교환막과는 별도로 폴리4불화에틸렌만을 개별적으로 소성하고, 폴리4불화에틸렌을 소성한 후, 양ㆍ음극층이나 이온 교환막을 건조시킬 필요가 있다. 그러므로, 연료 전지용 전극을 제조할 때, 폴리4불화에틸렌을 소성하는 건조 공정과, 양ㆍ음극층이나 이온 교환막을 건조시키는 건조 공정의 2회의 건조 공정이 필요해져서 상기 전극의 제조에 수고가 든다.
따라서, 건조 공정을 줄이기 위해 상기 기술한 바와 같이 본 발명에 있어서는 발수성을 갖는 수지로서 상기 폴리4불화에틸렌 대신에 융점이 150℃ 이하인 저융점 수지를 사용하도록 하였다. 즉, 발수성을 갖는 수지의 융점이 150℃를 넘으면 융점 온도가 지나치게 높아서 양ㆍ음극층이나 이온 교환막과 함께 발수성을 갖는 수지를 소성하지 못할 우려가 있다. 그러므로, 발수성을 갖는 수지를 150℃ 이하의 저융점 수지로 함으로써, 양ㆍ음극층이나 이온 교환막을 건조시킬 때에 발수성을 갖는 수지를 함께 소성할 수 있도록 하였다.
이와 같이 양ㆍ음극층이나 이온 교환막을 건조시킬 때에 발수성을 갖는 수지를 함께 소성할 수 있으면, 발수성을 갖는 수지(즉, 양극측 확산층)가 건조되기 전에 양극측 확산층에 양극층의 용액을 도포할 수 있으므로 양극측 확산층과 양극층의 경계를 적절하게 혼합시킬 수 있다.
여기에서, 양극측 카본 페이퍼의 표면은 요철면이기 때문에, 양극측 카본 페이퍼의 오목부에 양극측 바인더층의 용액(특히, 발수성을 갖는 수지)을 도포하기가 어렵다.
따라서, 본 발명에 있어서는 상기 기술한 바와 같이 양극측 바인더층용 용액에 용매로서 물을 포함시키도록 하였다. 물은 분산 능력이 우수하기 때문에, 물을 용매로 사용함으로써 저융점 수지나 카본을 용매에 적절하게 혼합시킬 수 있다. 따라서, 양극측 바인더층용 용액을 스프레이 또는 잉크젯 등에 의해 분무 형상으로 도포할 수 있으므로, 양극측 바인더층용 용액을 양극측 카본 페이퍼의 오목부에도 적절하게 도포할 수 있다.
저융점 수지의 예로서는, 바람직하게는 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체를 들 수 있다. 이 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체는 용매로서의 물에 분산되는 성질을 갖고 있기 때문에, 150℃의 건조 온도에서 본 발명을 적절하게 실시할 수 있다. 즉, 용매로서의 물이 증발된 후, 물에 분산되어 있던 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체가 융점에 도달하여 녹아 발수성의 효과를 발휘한다.
본 발명에 있어서, 양극측 바인더층용 용액은 유기계 용매를 포함하고 있다. 유기계 용매는 용해 능력이 우수하기 때문에, 발수성을 갖는 수지를 용매에 적절하게 녹일 수 있다. 그리고, 카본은 유기계 용매에 분산 또는 혼합되어 있다. 여기에서, 유기계 용매의 건조 온도는 70 내지 80℃ 정도가 상정되기 때문에, 양ㆍ음극층이나 이온 교환막을 건조시킬 때, 발수성을 갖는 수지를 남기고 유기계 용매를증발시킬 수 있으므로 발수성을 갖는 수지를 함께 소성할 수 있다. 이와 같이, 양ㆍ음극층이나 이온 교환막을 건조시킬 때에 발수성을 갖는 수지를 함께 소성할 수 있기 때문에, 발수성을 갖는 수지(즉, 양극측 확산층)가 건조되기 전에 양극측 확산층에 양극층 용액을 도포할 수 있으므로 양극측 확산층과 양극층의 경계를 적절하게 혼합시킬 수 있다.
상기 기술한 바와 같이, 유기계 용매는 용매 능력이 우수하여 이 유기계 용매를 사용함으로써 발수성을 갖는 수지를 용매에 적절하게 녹일 수 있다. 이에 따라, 양극측 바인더층용 용액을 스프레이나 잉크젯 등에 의해 분무하여 도포할 수 있으므로, 양극측 바인더층용 용액을 양극측 카본 페이퍼 표면의 오목부에도 적절하게 도포할 수 있다.
그리고, 본 발명의 상기 양극측 바인더층용 용액은 유기계 용매에 용융 가능하며 또한 발수성을 갖는 수지를 포함하고 있다. 이 유기계 용매에 용융 가능하며 또한 발수성을 갖는 수지로서는, 바람직하게는 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리불화비닐리덴, 플루오로올레핀·탄화수소계 올레핀 공중합체, 플루오로아크릴레이트 공중합체 또는 플루오로에폭시 화합물을 들 수 있다.
그리고 본 발명에 있어서는, 양극측 확산층 및 음극측 확산층 중 일측의 바인더층상에 양ㆍ음극층의 일측을 형성하고, 이 일측 극층상에 이온 교환막을 형성하고, 이 이온 교환막상에 타측 극층을 형성하고, 이 타측 극층상에 타측 바인더층을 형성하고, 이 타측 바인더층상에 타측 카본 페이퍼를 배치하고, 타측 바인더층과 타측 카본 페이퍼를 적절하게 밀착시키기 위해 타측 바인더층용 용액에 접착성이 우수한 접착성 수지를 포함시킨다. 접착성 수지로서는 바람직하게는 이온 교환 수지가 사용된다.
본 발명에 있어서는, 추가로 상기 일측 확산층을 형성한 후, 이 일측 확산층이 건조되기 전에 그 일측 확산층의 상면을 가압함으로써, 일측 확산층의 상면을 평탄하게 형성하는 단계를 포함하고 있다. 이와 같이 일측 확산층의 상면을 평탄하게 함으로써, 그 확산층상에 음극층을 평탄하게 도포할 수 있고, 또한 음극층상에 이온 교환막을 평탄하게 도포할 수 있다. 따라서, 이온 교환막을 평탄하게 형성함으로써, 이온 교환막상에 도포한 양극층과 음극층이 단락하는 것을 방지할 수 있다.
이 일측 확산층은 바인더를 스프레이에 의해 카본 페이퍼로 된 시트에 도포하도록 하면, 카본 페이퍼의 오목부에 바인더를 도포할 수 있으므로 바람직하다. 이에 따라, 카본 페이퍼 전역에 바인더를 도포하여 발수 효과를 얻을 수 있으므로, 수소 분자와 산소 분자의 반응으로 생성된 생성수를 양호하게 배출할 수 있다.
그리고 본 발명에 있어서는, 연료 전지를 구성하는 양ㆍ음극 중 어느 일측의 전극에 슬러리를 형성하여 연료 전지용 이온 교환막을 성형하는 방법으로서, 어느 일측의 전극을 기대에 재치함과 동시에 이 일측 전극에 플러스 전하를 부여시키는 공정과, 상기 이온 교환막용 슬러리에 마이너스 전하를 부여시킨 상태에서 슬러리 노즐을 통해 슬러리를 분무시킴과 동시에 이 슬러리 노즐을 상기 일측 전극을 따라 이동시키고, 분무한 슬러리를 전극에 도포하는 공정과, 이 도포한 슬러리를 건조시키는 공정으로 이루어진 연료 전지용 이온 교환막의 성형 방법이 제공된다.
이와 같이 본 발명에 있어서, 양 또는 음의 전극에 플러스 전하를 부여시킴과 동시에 이온 교환막용 슬러리에 마이너스 전하를 부여시킨 상태에서 슬러리 노즐을 통해 분무함으로써 슬러리의 도포 불균일을 방지할 수 있다. 이에 따라, 슬러리를 음극에 적절하게 도포할 수 있으므로 이온 교환막을 평탄하게 성형할 수 있다.
일측 전극이 다각형일 때에는 바람직하게는 이 일측 전극의 폭이 좁은 부위에서 슬러리 노즐을 그 전극에 접근시키고, 그 전극의 폭이 넓은 부위에서 슬러리 노즐을 그 전극으로부터 멀어지도록 하는 것이 좋다. 전극의 폭이 좁은 부위에서 슬러리 노즐을 전극에 접근시킴으로써, 슬러리 노즐을 통해 분무하는 슬러리의 폭을 좁게 해서 전극의 좁은 부위로부터 슬러리가 불거져 나오지 않도록 할 수 있다. 전극의 폭이 넓은 부위에서 슬러리 노즐을 전극에서 멀리 함으로써, 슬러리 노즐을 통해 분무하는 슬러리의 폭을 넓게 해서 전극의 넓은 부위를 슬러리로 도포할 수 있다. 이와 같이 슬러리 노즐의 높이를 전극의 폭에 맞춰 조정함으로써, 예컨대 전극의 좁은 부위에서 슬러리가 전극으로부터 불거져 나오지 않도록 할 수 있으므로 불필요한 영역에 슬러리를 도포하는 것을 방지한다.
본 발명은 또한 연료 전지를 구성하는 다각형상의 양ㆍ음극 중 어느 일측의 전극에 슬러리를 형성하여 연료 전지용 이온 교환막을 성형하는 방법으로서, 일측 전극을 기대에 재치하는 단계와, 상기 이온 교환막용 슬러리를 분무하는 복수의 슬러리 노즐을 지그재그 형상으로 배치하는 단계와, 복수의 슬러리 노즐을 일측 전극의 표면상을 수평 이동시키면서 분무한 슬러리를 일측 전극 표면에 도포하는 단계와, 도포한 슬러리를 건조시키는 단계를 갖고 있는 연료 전지용 이온 교환막의 성형 방법이 제공된다.
이와 같이 이 성형 방법에 의하면, 복수의 슬러리 노즐을 사용하고, 슬러리의 도포중에 일부 슬러리 노즐이 전극에서 벗어났을 때에는 이들 슬러리 노즐을 통해 슬러리를 분무하지 않도록 한다. 이에 따라, 전극에서 벗어난 영역에 슬러리를 도포하지 않도록 할 수 있다.
그리고, 복수의 슬러리 노즐을 통해 이온 교환막용 슬러리를 분무하여 전극에 이온 교환막을 성형하도록 하고 있기 때문에, 각각의 슬러리 노즐로부터의 슬러리 분무량을 개별적으로 조정할 수 있다. 이에 따라, 각각의 슬러리 노즐의 분무 정밀도를 필요 이상으로 높이지 않아도 이온 교환막의 표면을 비교적 간단히 평탄하게 성형할 수 있다.
또한, 슬러리 외주 부분에서 분무 상태의 흐트러짐이 발생하는 것을 방지하기 위해, 복수의 슬러리 노즐을 지그재그 형상으로 배치하여 인접하는 슬러리의 외주 부분이 서로 겹치지 않도록 배치한다. 그러나, 복수의 슬러리 노즐이 일측 전극의 표면상을 따라 이동할 때에는 그 외주 부분의 도포량을 보충하기 위해 도포된 슬러리의 외주 부분에서 서로 겹치도록 하여 외주 부분의 도포량을 보충하도록 한다. 이에 따라, 외주 부분의 도포량과 중앙 부분의 도포량이 균일해져서 평탄한 이온 교환막이 얻어진다.
본 발명의 성형 방법은, 바람직하게는 일측 전극을 기대(基臺)에 재치한 후,일측 전극의 외주를 따라 가이드프레임 부재를 배치하는 단계를 포함하고, 이 가이드프레임 부재로 슬러리의 도포 영역을 규제하도록 한다. 이와 같이 가이드프레임 부재로 슬러리의 도포 영역을 규제하면, 슬러리를 원하는 형상으로 간단히 성형할 수 있으므로 이온 교환막의 둘레 가장자리를 수고를 들이지 않고 적절하게 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 있어서는, 연료 전지를 구성하는 양ㆍ음극 중 어느 일측의 전극에 슬러리를 형성하여 연료 전지용 이온 교환막을 성형하는 방법으로서, 어느 일측의 전극을 재치대에 재치하는 단계와, 이 일측 전극의 외주를 따라 외측 규제벽 부재를 배치함으로써, 이 외측 규제벽 부재에 의해 일측 전극을 둘러싸는 단계와, 이 일측 전극의 상측에 배치되는 분무 장치로부터 기체를 포함한 수지 용액을 분무함과 동시에 이 분무 장치를 상기 일측 전극의 표면을 따라 이동함으로써 일측 전극에 수지 용액을 도포하는 단계로 이루어진 연료 전지용 이온 교환막의 성형 방법이 제공된다.
이와 같이 이 성형 방법에 있어서는, 전극의 상측에 분무 장치를 배치하고, 이 분무 장치로부터 수지 용액을 분무하여 전극에 수지 용액을 도포함으로써 전극에 전단력이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 기체를 포함한 수지 용액을 분무함으로써 분무압을 억제할 수 있다. 이에 따라, 수지 용액을 전극에 도포할 때에 전극의 표면이 어긋나는 것이 방지된다.
또한, 기체를 포함시킨 수지 용액을 분무함으로써 전극의 둘레 가장자리에 수지 용액을 분무할 때에 전극의 둘레 가장자리에 발생하는 분무압, 즉 전단력을작게 억제할 수 있다. 이에 따라, 전극에 발생하는 전단력을 작게 억제할 수 있으므로 전극의 표층부가 어긋나는 것을 방지할 수 있다.
그리고 외측 규제벽 부재에 의해 전극을 둘러쌈으로써, 수지 용액을 전극 표면에 도포하였을 때에 수지 용액을 외측 규제벽 부재를 따라 성형할 수 있다. 따라서, 이온 교환막의 둘레 가장자리를 적절하게 형성할 수 있다.
그리고 본 발명에 있어서는, 연료 전지를 구성하는 양ㆍ음 중 어느 일측의 전극용 용액을 시트상에 도포하여 형성되는 일측 전극층과, 이 일측 전극층이 건조되기 전에 그 일측 전극층상에 이온 교환막용 용액을 도포하여 형성되는 이온 교환막과, 이 이온 교환막이 건조되기 전에 그 이온 교환막상에 타측 전극용 용액을 도포하여 형성되는 타측 전극층으로 이루어지고, 상기 일측 전극층은 상기 이온 교환막에서 떨어진 면측의 제1층과, 그 이온 교환막에 접촉하는 면측의 제2층으로 구성되고, 제2층의 기공율이 제1층의 기공율보다 작아지도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극이 제공된다.
상기 제2층의 기공율은 70 내지 75%이고, 상기 제1층의 기공율은 76 내지 85%인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 있어서는, 제2층용 용액중에 함유하는 전극의 입경을 제1층용 용액중에 함유하는 전극의 입경보다 작게 하여 상기 제2층의 기공율을 제1층의 기공율보다 작게 하도록 해도 된다.
이하, 본 발명의 몇 가지 바람직한 실시예에 대해 첨부한 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
도1에 도시한 바와 같이, 연료 전지 유닛(10)은 복수(도면에 도시한 예에서는 2개)의 연료 전지(11, 11)로 이루어진다. 도1에 도시한 제1 실시예에 관한 연료 전지(11)는 연료 전지용 전극(이하, 간단히 전극이라 함)(12)을 구성하는 음극측 확산층(시트, 13)의 외측에 배치되는 음극측 유로 기판(31)과 전극(12)을 구성하는 양극측 확산층(16)의 외측에 배치되는 양극측 유로 기판(34)을 갖는다.
음극측 확산층(13)에 음극측 유로 기판(31)을 적층하여 음극측 유로 기판(31)에 형성되어 있는 복수의 유로 홈(31a)을 음극측 확산층(13)으로 덮음으로써, 수평한 복수의 수소 가스 유로(32)가 형성된다. 양극측 확산층(16)에 양극측 유로 기판(34)을 적층하여 양극측 유로 기판(34)에 형성되어 있는 복수의 유로 홈(34a)을 양극측 확산층(16)으로 덮음으로써, 수직인 복수의 산소 가스 유로(35)가 형성된다. 이 복수의 수소 가스 유로(32)와 복수의 산소 가스 유로(35)는 서로 직각이 되도록 배치된다.
전극(12)은 음극측 확산층(13) 및 양극측 확산층(16)의 내측에 각각 바인더를 통해 일측 전극층으로서의 음극층(19) 및 타측 전극층으로서의 양극층(20)을 갖고, 이들 음극층(19)과 양극층(20) 사이에 개재되는 이온 교환막(21)을 갖는다.
이와 같이, 구성한 연료 전지(11)를 분리기(36)를 통해 복수개 가짐으로써 연료 전지 유닛(10)이 구성된다.
연료 전지 유닛(10)에 의하면, 수소 가스 유로(32)에 수소 가스를 공급함으로써 음극층(19)에 포함하는 촉매에 수소 분자(H2)를 흡착시킴과 동시에 산소 가스 유로(35)에 산소 가스를 공급함으로써 양극층(18)에 포함하는 촉매에 산소 분자(O2)를 흡착시킨다. 이에 따라, 전자(e-)를 화살표와 같이 흐르게 하여 전류를 발생시킬 수 있다. 그리고, 전류를 발생시킬 때에는 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)로부터 생성수(H2O)가 발생한다.
도2는 도1에 도시한 제1 실시예에 관한 연료 전지용 전극(12)의 단면 구조를 도시하고 있다.
제1 실시예의 전극(12)은 음극측 확산층(13) 및 양극측 확산층(16)의 내측에 각각 음극층(19) 및 양극층(20)을 갖고, 이 음극층(19)과 양극층(20) 사이에 이온 교환막(21)을 갖는다.
음극측 확산층(13)은 음극측 카본 페이퍼(14)와 음극측 바인더층(15)으로 이루어진 시트이다.
양극측 확산층(16)은 양극측 카본 페이퍼(17)와 양극측 바인더층(18)으로 이루어진 시트이다.
음극측 바인더층(15)을 구성하는 바인더는 카본불소수지로서 친수성이 우수하다. 양극측 바인더층(18)을 구성하는 바인더는 발수성이 우수한 카본폴리머이다. 카본폴리머는 폴리테트라플루오로에틸렌의 골격에 술폰산을 도입한 것이 해당한다.
음극층(19)은 음극용 용액에 촉매(22)를 혼합하고, 용액을 도포한 후에 건조시켜 고화한 것이다. 음극층(19)의 촉매(22)는 탄소(23)의 표면에 촉매로서 백금-루테늄 합금(24)을 담지한 것으로서, 백금-루테늄 합금(24)에 수소 분자(H2)를 흡착시킨다.
양극층(20)은 양극용 용액에 촉매(25)를 혼합하고, 용액을 도포한 후에 건조시켜 고화한 것이다. 양극층(20)의 촉매(25)는 탄소(26)의 표면에 촉매로서 백금(27)을 담지한 것으로서, 백금(27)에 산소 분자(O2)를 흡착시킨다.
이온 교환막(21)은 음극층(19) 및 양극층(20) 사이에 용액의 상태로 도포한 후, 음극의 용액 및 양극의 용액과 함께 건조시킴으로써 음극층(19) 및 양극층(20)과 일체로 고화함으로써 형성된다.
이어서, 본 발명의 제1 실시예에 관한 전극(12)의 제조 방법에 대해 도3a 내지 도3g에 기초하여 설명한다.
도3a에 있어서, 카본 페이퍼(14)상에 바인더층(15)이 형성된 시트 형상의 음극측 확산층(13)을 준비한다.
도3b에 있어서, 바인더층(15)상에 음극용 용액을 도포하여 음극층(19)을 형성한다.
도3c에 있어서, 음극층(19)이 건조되기 전에 음극층(19)상에 이온 교환막(21)용 용액을 도포하여 이온 교환막(21)을 형성한다.
도3d에 있어서, 이온 교환막(21)이 건조되기 전에 이온 교환막(21)상에 양극층(20)용 용액을 도포하여 양극층(20)을 형성한다.
도3e에 있어서, 양극층(20)이 건조되기 전에 양극층(20)상에 카본 페이퍼(17)와 바인더층(18)으로 이루어진 양극측 확산층(16)을 형성한다.
이어서, 음극층(19), 이온 교환막(21), 양극층(20)이 건조되기 전에 각각의 층(19, 20) 및 막(21)에 하중을 가하지 않고 각각의 층(19, 20) 및 막(21)을 함께 건조시킨다.
도3f에 있어서, 음극층(19), 이온 교환막(21), 양극층(20)을 고화하여 음극층(19), 이온 교환막(21), 양극층(20)을 고화한 상태로 적층한다.
이와 같이, 제1 실시예에 관한 전극(12)의 제조 방법에 의하면, 이온 교환막(21)에 용액을 채택하고, 음극층(19)용 용액, 이온 교환막(21)용 용액, 양극층(20)용 용액을 미건조 상태에서 도포함으로써, 각각의 경계에서 인접하는 용액 끼리를 적절하게 혼합시킨다. 이에 따라, 바인더층(15)과 음극층(19) 사이의 경계, 음극층(19)과 이온 교환막(21) 사이의 경계, 이온 교환막(21)과 양극층(20) 사이의 경계 및 양극층(20)과 바인더층(18) 사이의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있으므로 전극(12)에 있어서의 반응 효율을 양호하게 유지할 수 있다.
그리고, 음극층(19), 이온 교환막(21), 양극층(20)의 미건조 상태에서 각각의 용액을 도포하고, 각각의 용액을 도포한 후에 하중을 가하지 않고 건조시킨다. 이에 따라, 이온 교환막(21)을 고화할 때에 이온 교환막(21)에 하중을 가할 필요가 없기 때문에, 이온 교환막(21)의 성능이 하중의 영향으로 저하되는 것을 방지할 수 있다.
추가로, 이온 교환막(21)을 용액으로 함으로써 이온 교환막(21)을 용액의 상태로 취급할 수 있기 때문에, 취급성의 관점에서 이온 교환막(21)의 두께를 규제할 필요는 없다. 따라서, 이온 교환막(21)을 얇게 할 수 있게 되어 전극(12)을 얇게 할 수 있다.
이어서, 제1 실시예의 연료 전지용 전극에 관한 제조 방법의 변형예에 대해 도4a 내지 도4e에 기초하여 설명한다. 그리고, 제1 실시예의 전극과 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
도4a에 있어서, 시트 형상의 음극측 확산층(13)을 배치한다. 즉, 음극측 확산층(13)의 카본 페이퍼(14)를 세팅한 후, 이 카본 페이퍼(14)상에 바인더층(15)용 용액을 도포한다.
도4b에 있어서, 바인더층(15)이 건조되기 전에 바인더층(15)의 상면을 따라 스프레이(41)를 화살표와 같이 이동하면서 분사구(42)를 통해 음극층(19)용 용액을 분무 형상으로 분무함으로써, 바인더층(15)상에 음극층(19)용 용액을 도포하여 음극층(19)을 형성한다.
이 음극층(19)용 용액에는 도2에 도시한 이온 교환막(21)용 용액에 사용하는 용매보다 기화 온도가 높은 용매를 사용하고 있다.
여기에서 일례로서 음극층(19)상에 도포하는 이온 교환막(21)용 용액에는 알코올계 용매를 사용하고, 음극층(19)의 용액에 알코올계 용매보다 기화 온도가 높은 에틸렌글리콜 또는 N·메틸·2피롤리돈(NMP)을 용매로서 사용한다. 음극층(19)의 용액에 이온 교환막(21)용 용액에 사용하는 용매보다 기화 온도가 높은 용매를 사용한 이유에 대해서는 후술한다.
도4c에 있어서, 음극층(19)이 건조되기 전에 음극층(19)의 상면을 따라 코터(45)를 화살표와 같이 이동하면서 음극층(19)상에 이온 교환막(21)용 용액을 도포하여 이온 교환막(21)을 형성한다. 구체적으로는, 코터(45)의 블레이드(57a)를 음극층(17)의 상면에서 상측으로 소정 간격을 두고 상면에 평행하게 배치하고, 이 블레이드(45a)를 음극층(19)의 상면을 따라 화살표와 같이 이동하면서 블레이드(45a)에 의해 이온 교환막(21)용 용액을 일정 두께로 고르게 함으로써 이온 교환막(21)을 형성한다.
이와 같이 이온 교환막(21)에 용액을 채택하고, 음극층(19)이 건조되기 전에 음극층(19)상에 이온 교환막(21)용 용액을 도포함으로써, 음극층(19)과 이온 교환막(21)의 경계에서 상호간의 용액을 효과적으로 혼합시킬 수 있다.
음극층(19)상에 이온 교환막(21)용 용액을 도포함으로써, 이온 교환막(21)용 용액이 중력의 영향으로 화살표와 같이 하측으로 흘러 음극층(19)에 침투한다. 이로 인해 음극층(19)의 공극이 감소할 우려가 있으나, 음극층(19)의 공극은 어느 정도 감소해도 연료 전지의 성능에 영향을 미치지 않는다.
도4d에 있어서, 이온 교환막(21)이 건조되기 전에 이온 교환막(21)의 상면을따라 스프레이(41)를 화살표와 같이 이동하면서 분사구(44)를 통해 양극층(20)용 용액을 분무 형상으로 분사함으로써, 이온 교환막(21)상에 양극층(20)용 용액을 도포하여 양극층(20)을 형성한다.
그리고, 이온 교환막(21)의 상면에 양극층(20)용 용액을 스프레이(43)를 사용해서 도포하는 이유에 대해서는 후술한다.
상기 양극층(20)의 용액에는 음극층(19)의 용액과 마찬가지로 이온 교환막(21)용 용액에 사용하는 알코올계 용매보다 기화 온도가 높은 용매를 사용한다. 일례로서 양극층(20)의 용액에 알코올계 용매보다 기화 온도가 높은 에틸렌글리콜 또는 N·메틸·2피롤리돈(NMP)을 용매로서 사용한다. 양극층(20)의 용액에 이온 교환막(21)용 용액에 사용하는 용매보다 기화 온도가 높은 용매를 사용한 이유에 대해서는 후술한다.
도4e에 있어서, 양극층(20)이 건조되기 전에 양극층(20)상에 양극측 확산층(16, 도2 참조)을 구성하는 바인더층(18)용 용액을 도포하여 바인더층(18)을 형성한다.
이어서, 도3e와 마찬가지로 바인더층(18)에 양극측 카본 페이퍼(17)를 얹음으로써, 바인더층(18) 및 카본 페이퍼(17)에 의해 시트 형상의 양극측 확산층(16)을 형성한다. 그 후, 바인더층(15), 음극층(19), 이온 교환막(21), 양극층(20), 바인더층(18)이 건조되기 전에 각각의 층(15, 19, 20, 18) 및 막(21)에 하중을 가하지 않고, 각각의 층(15, 19, 20, 18) 및 막(21)을 함께 건조시킨다.
마지막으로, 도3f와 마찬가지로 바인더층(15), 음극층(19), 이온교환막(21), 양극층(20), 바인더층(18)을 고화하여 바인더층(15), 음극층(19), 이온 교환막(21), 양극층(20), 바인더층(18)을 고화한 상태에서 일체로 적층한다. 이것으로 연료 전지용 전극(12)이 얻어진다.
이상과 같이 제1 실시예 및 변형예에 의하면, 이온 교환막(21)의 상측에 양극층(20)을 형성함으로써 양극층(20)을 이온 교환막(21)의 상측에 배치할 수 있다. 따라서, 이온 교환막(21)용 용액이 양극층(20)으로 침투하는 것을 방지할 수 있으므로 양극층(20)의 공극이 이온 교환막(21)용 용액으로 감소하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 발전에 의해 생성된 생성수를 양극층(20)의 공극을 통해 양극측 확산층(16)까지 유도하여 양극측 확산층(16)을 통해 적절하게 배출할 수 있기 때문에, 연료 전지에 발생하는 농도 과전압을 낮게 억제할 수 있다.
추가로 변형예의 제조 방법에 의하면, 양극층(20)을 형성할 때에 양극층(20)용 용액을 스프레이법에 의해 도포함으로써, 이온 교환막(21)이나 양극층(20)에 불필요한 도포압을 가하지 않고, 즉 양극층(20)용 용액을 최소의 도포압으로 도포할 수 있다. 즉, 이온 교환막(21)이나 양극층(20)에 불필요한 도포압을 가하지 않고 양극층(20)용 용액을 도포함으로써, 이온 교환막(21)용 용액이 양극층(20)으로 침투하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 이온 교환막(21)용 용액으로 양극층(20)의 공극이 감소하는 것을 방지하여 양극층(20)의 공극을 한층 더 적절하게 확보할 수 있다. 이에 따라, 발전에 의해 생성된 생성수를 양극층(20)의 공극을 통해 양극측 확산층(16)까지 유도하여 양극측 확산층(16)의 공극을 통해 한층 더 적절하게 배출할 수 있기 때문에, 연료 전지에 발생하는 농도 과전압을 낮게 억제할 수 있다.
그리고, 변형예에서는 이온 교환막(21)의 상면에 양극층(20)용 용액을 스프레이(43)를 사용해서 도포하였으나, 양극층(20)용 용액의 도포는 스프레이(43)로 한정되지 않고, 잉크젯 방식을 채택할 수도 있다. 요는 양극층(20)용 용액을 분무 형상으로 도포할 수 있는 방법이면 된다.
여기에서, 스프레이는 용액을 분무 형상으로 도포하고, 잉크젯은 용액을 토출시켜 도포하는 특징이 있다. 스프레이는 분무 범위가 비교적 넓어 도포시간을 짧게 할 수 있으나, 미도포 부분을 확보하기 위해 마스킹 처리가 필요해진다. 일반적으로 마스킹 처리부에 부착된 용액은 회수가 어렵다.
한편, 잉크젯은 도포 범위를 정확하게 좁힐 수 있기 때문에, 미도포 부분에 마스킹 처리를 실시할 필요가 없어 용액을 유효하게 사용할 수 있다. 단, 잉크젯은 도포 범위가 좁기 때문에 스프레이와 비교해서 도포 속도가 떨어진다.
그리고, 변형예에서는 음극측 바인더층(15)의 상면에 스프레이(41)를 사용하여 음극층(19)용 용액을 도포하는 예에 대해 설명하였으나, 그 외의 도포 수단으로 음극층(17)용 용액을 도포할 수도 있다.
또한, 변형예에서는 음극층(19)의 상면에 코터(45)를 사용하여 이온 교환막(21)용 용액을 도포하는 예에 대해 설명하였으나, 그 외의 도포 수단으로 이온 교환막(21)용 용액을 도포할 수도 있다.
추가로 연료 전지용 전극(12)의 제조 방법에 의하면, 이온 교환막(21)용 용액이 음극층(19)이나 양극층(20)에 침투하여 음극층(19)이나 양극층(20)의 공극을 막는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 연료 전지의 발전에 의해 생성된 생성수를 음·양극층(19, 20)[특히, 양극층(20)]의 공극을 통해 양극측 확산층(16)[카본 페이퍼(17) 및 바인더층(18)]까지 유도하여 양극측 확산층(16)의 공극을 통해 적절하게 외부로 배출할 수 있기 때문에, 연료 전지에 발생하는 농도 과전압을 낮게 억제할 수 있다.
그리고, 음극층(19)의 용액이나 양극층(20)의 용액에 이온 교환막(21)용 용액에 사용하는 용매보다 기화 온도가 높은 용매를 사용함으로써, 이온 교환막(21)을 음극층(19)이나 양극층(20)에 우선시켜 확실하게 건조시킬 수 있다. 이에 따라, 이온 교환막(21)용 용액이 음극층(19)이나 양극층(20)에 침투하는 것을 한층 더 효과적으로 억제하여 이온 교환막(21)용 용액이 음극층(19)이나 양극층(20)에 침투하여 음극층(19)이나 양극층(20)의 공극을 막는 것을 방지할 수 있다.
제1 실시예 및 그 변형예에서는, 연료 전지용 전극(12)을 제조할 때에 음극층(19)을 하측에 배치하고, 양극층(20)을 상측에 배치한 예에 대해 설명하였으나, 이것으로 한정되지 않고 양극층(20)을 하측에 배치하고, 음극층(19)을 상측에 배치할 수도 있다.
이어서, 각 층을 건조시킬 때에 도5에 도시한 바와 같이 인위적으로 가열하여 건조시키는 예에 대해 설명한다.
즉, 음극층(19), 이온 교환막(21) 및 양극층(20)이 건조되기 전에 음극층(19), 이온 교환막(21) 및 양극층(20)에 하중을 가하지 않고, 함께 원적외선 건조 장치(전자파 가열용 장치)(61)에 의해 내부로부터 가열함으로써 건조시킨다. 원적외선 건조 장치(61)는, 적외 영역의 전자파 중 파장이 긴 적외선을 말하며, 파장이 약 50 내지 1000㎛인 파장 영역의 원적외선을 이용한 가열 장치이다.
이 원적외선 건조 장치(61)는 물체의 내부를 효율적으로 가열할 수 있기 때문에, 음극층(19), 이온 교환막(21) 및 양극층(20)을 함께 원적외선 건조 장치(61)에 의해 건조시킴으로써, 이온 교환막(21)을 내부에서 표면까지 전체에 걸쳐 신속하게 건조시킬 수 있다. 이에 따라, 이온 교환막(21)의 용액이 음극층(19)이나 양극층(20)에 침투하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 이온 교환막(21)용 용액으로 음극층(19)이나 양극층(20)의 공극을 막는 것을 방지할 수 있다.
도6a 및 도6b는 본 발명에 관한 연료 전지용 전극의 공극 용적과 농도 과전압의 관계를 설명한 그래프이다.
그래프 중, 실험예 1은 이온 교환막(21)용 용액에 알코올계 용매를 사용하고, 양극층(20)의 용액에 알코올계 용매보다 기화 온도가 높은 에틸렌글리콜 또는 N·메틸·2피롤리돈(NMP)을 용매로서 사용한 것이다. 실험예 1은 음극층(19), 이온 교환막(21) 및 양극층(20)의 건조로서 통상의 열풍 건조 장치를 사용하였다. 즉, 실험예 1은 상기 기술한 실시의 일부[에틸렌글리콜 또는 N·메틸·2피롤리돈(NMP)]를 채택하였다.
실험예 2는 실험예 1의 용매인 에틸렌글리콜 또는 N·메틸·2피롤리돈(NMP)을 채택함과 동시에 음극층(19), 이온 교환막(21) 및 양극층(20)의 건조에 원적외선 건조 장치(61)를 사용하였다.
비교예는 실험예 1 및 2의 용매인 에틸렌글리콜 또는 N·메틸·2피롤리돈(NMP)을 채택하지 않고, 또한 실험예 2의 원적외선 건조 장치를사용하지 않고 통상의 열풍 건조 장치를 사용하였다.
도6a의 그래프에 있어서, 비교예는 양극층(20)의 공극 용적이 가장 작고, 실험예 1은 비교예보다 양극층(20)의 공극 용적을 크게 확보할 수 있고, 실험예 2는 실험예 1보다 양극층(20)의 공극 용적을 크게 확보할 수 있다. 즉, 실험예 2는 양극층(20)의 공극률을 가장 크게 확보할 수 있다.
도6b의 그래프에 있어서, 비교예는 양극층(20)의 공극 용적이 가장 작기 때문에, 연료 전지의 농도 과전압이 가장 커져서 연료 전지의 전압 저하가 가장 커진다.
실험예 1은 양극층(20)의 공극 용적이 비교예보다 크기 때문에, 연료 전지의 농도 과전압은 비교예보다 작아져서 연료 전지의 전압 저하를 비교예보다 작게 억제할 수 있다.
실험예 2는 양극층(20)의 공극 용적이 실험예 1보다 크기 때문에, 연료 전지의 농도 과전압은 실시예 1보다 작아져서 연료 전지의 전압 저하를 최소로 억제할 수 있다.
이에 따라, 실험예 1과 같이 이온 교환막(21)용 용액에 알코올계 용매를 사용하고, 양극층(20)의 용액에 알코올계 용액보다 기화 온도가 높은 에틸렌글리콜 또는 N·메틸·2피롤리돈(NMP)을 용매로 사용하여 연료 전지의 전압 저하를 비교적 적절하게 억제할 수 있음을 알 수 있다.
그리고, 실시예 2와 같이 실험예 1의 용매인 에틸렌글리콜 또는 N·메틸·2피롤리돈(NMP)을 채택함과 동시에 음극층(19), 이온 교환막(21) 및 양극층(20)을원적외선 건조 장치(61)에 의해 건조시킴으로써, 연료 전지의 전압 저하를 가장 효율적으로 최소로 억제할 수 있음을 알 수 있다.
그리고, 상기 실시예에서는 음극층(19)을 하측에 배치하고, 양극층(20)을 상측에 배치한 예에 대해 설명하였으나, 음극층(19)을 상측에 배치하고, 양극층(20)을 하측에 배치해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한 원적외선 건조 장치(61)를 사용한 실시예에 있어서, 원적외선 건조 장치(61) 대신에 예컨대 마이크로웨이브 건조 장치를 사용할 수도 있다. 마이크로웨이브 건조 장치는 파장이 약 1×104내지 30×104㎛의 파장 영역인 마이크로웨이브를 이용한 가열 장치이다.
그리고, 원적외선 건조 장치(61)나 마이크로웨이브로 한정하지 않고, 파장이 50 내지 30×104㎛인 전자파를 사용한 가열 수단을 사용하여 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이온 교환막(21)을 원적외선 건조 장치(61)(전자파 건조 장치)만으로 가열 건조시키는 예에 있어서는, 원적외선 건조 장치(61)와 열풍 건조 장치를 조합하여 사용할 수도 있다.
상기 실시예에서는 이온 교환막(21)용 용액에 알코올계 용매를 사용하고, 음극층(19) 및 양극층(20) 양측의 용액에 알코올계 용매보다 기화 온도가 높은 에틸렌글리콜 또는 N·메틸·2피롤리돈(NMP)을 용매로서 사용한 예에 대해 설명하였으나, 이것으로 한정하지 않고, 양극층(20)의 용액에만 알코올계 용매보다 기화 온도가 높은 에틸렌글리콜 또는 N·메틸·2피롤리돈(NMP)을 용매로서 사용해도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 그 이유는 연료 전지를 사용해서 전류를 발생시킬 때에 생성된 생성수는 양극측 확산층(카본 페이퍼)을 투과시켜 연료 전지의 외부로 배출되기 때문에, 양극층(20)에 공극을 확보해 두면, 생성수를 연료 전지의 외부로 배출할 수 있기 때문이다.
이어서, 양극층을 2개의 층으로 한 제2 실시예에 관한 연료 전지용 전극에 대해 도7에 기초하여 설명한다. 제1 실시예에 나타낸 부재와 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여 설명한다.
이 실시예의 연료 전지용 전극(62)은 음극측 확산층(13) 및 양극측 확산층(16)의 내측에 각각 음극층(19) 및 양극층(60)을 갖고, 이들 음극층(19) 및 양극층(60) 사이에 이온 교환막(21)을 갖는다.
음극측 확산층(13)은 음극측 카본 페이퍼(14) 및 음극측 바인더층(15)으로 이루어진 시트이다. 양극측 확산층(16)은 양극측 카본 페이퍼(17) 및 양극측 바인더층(18)으로 이루어진 시트이다.
음극측 바인더층(15)을 구성하는 바인더는 친수성이 우수한 카본불소수지이다. 양극측 바인더층(18)을 구성하는 바인더는 발수성이 우수한 카본폴리머이다. 카본폴리머는 폴리테트라플루오로에틸렌의 골격에 술폰산을 도입한 것이 해당한다.
음극층(19)은 음극용 용액에 촉매(22)를 혼합하고, 용액을 도포한 후에 건조시켜 고화한 것이다. 음극층(19)의 촉매(22)는 탄소(23)의 표면에 촉매로서 백금-루테늄(24)을 담지한 것으로서, 백금-루테늄(24)에 수소 분자(H2)를 흡착시키는 것이다.
양극층(60)은 이온 교환막(21)에서 떨어진 면측[즉, 양극측 확산층(16)에 접촉하는 면측]의 제1층(60a)과 이온 교환막(21)에 접촉하는 면측의 제2층(60b)의 2층으로 나누고, 또한 기공율이 다음식 (1)로 정의될 때에 제2층(60b)은 제1층(60a)보다 작은 기공율로 한 것이다.
(1)
단, 진비중이란 내부에 공극이나 기공을 갖지 않는 상태의 재료의 비중을 말한다. 또한, 부피비중이란 공극이나 기공을 포함하는 재료에 대해 일정한 밀도 분포를 이루는 것으로 본 경우의 비중을 말한다.
제1층(60a)은 제1층(60a)용 용액에 촉매(25)를 혼합하고, 용액을 도포한 후에 건조시켜 고화한 것이다. 제1층(60a)의 촉매(25)는 탄소(26)의 표면에 촉매로서 백금(27)을 담지시키고, 이 백금(27)에 산소 분자(O2)를 흡착시키는 것이다.
제2층(60b)은 제1층(60a)과 마찬가지로 제2층(60b)용 용액에 촉매(25)를 혼합하고, 용액을 도포한 후에 건조시켜 고화한 것이다. 제2층(60b)의 촉매(25)는 탄소(26)의 표면에 촉매로서 백금(27)을 담지시키고, 이 백금(27)에 산소 분자(O2)를 흡착시키는 것이다.
이 제2층(60b)은 제1층(60a)의 촉매(25)와 비교하여 촉매(25)를 조밀하게 배치하여 제2층(60b)의 기공율을 제1층(60a)보다 작게 한 것이다. 구체적으로는 제2층(60b)의 기공율을 70 내지 75%로 하고, 제1층(60a)의 기공율을 76 내지 85%로 하였다.
여기에서, 제2층(60b)의 기공율을 70 내지 75%로 설정한 이유에 대해 설명한다.
제2층(60b)의 기공율을 70% 미만으로 하면, 기공율이 지나치게 작아져서 이온 교환막(21)의 용액을 제2층(60b)에 적정량 침투시키지 못할 우려가 있다. 그러므로, 이온 교환막(21)과 제2층(60b)의 밀착성을 양호하게 유지하기가 어렵다. 따라서, 제2층(60b)의 기공율을 70% 이상으로 설정하여 이온 교환막(21)과 제2층(60b)의 밀착성을 양호하게 유지하도록 하였다.
제2층(60b)의 기공율이 75%를 넘으면, 기공율이 지나치게 커져서 이온 교환막(21)의 용액이 제2층(60b)에 과대하게 침투할 우려가 있다. 그러므로, 양극층(60)의 기공이 이온 교환막(21)의 용액으로 감소하여 발전에 의해 생성된 생성수를 양극층(60)의 기공을 통해 적절하게 배출할 수 없다. 따라서, 제2층(60b)의 기공율을 75% 이하로 설정하여 생성수를 적절하게 배수할 수 있도록 하였다.
이어서, 제1층(60a)의 기공율을 76 내지 85%로 설정한 이유에 대해 설명한다.
제1층(60a)의 기공율을 76% 미만으로 하면, 기공율이 지나치게 작아져서 생성수를 효율적으로 배수하기가 어렵다. 따라서, 제1층(60a)의 기공율을 76% 이상으로 설정하여 생성수를 적절하게 배수할 수 있도록 하였다.
제1층(60a)의 기공율이 85%를 넘으면, 기공율이 지나치게 커져서 생성수의 보수성이 저하되고, 제1층(60a)이 건조하여 이온의 전도를 저해할 우려가 있다. 그러므로, 저항 과전압이 높아져서 전류를 효율적으로 발생시키지 못할 우려가 있다. 따라서, 제1층(60a)의 기공율을 85% 이하로 설정하여 저항 과전압을 억제하여 전류를 효율적으로 발생시키도록 하였다.
이온 교환막(21)은 양극층(60)[상세하게는 제2층(60b)] 및 음극층(19) 사이에 용액의 상태로 도포한 후, 음극층(19) 및 양극층(60)과 함께 건조시킴으로써 음극층(19) 및 양극층(60)과 일체로 고화한 것이다.
이어서, 도7에 나타낸 제2 실시예에 관한 연료 전지용 전극(12)의 제조 방법에 대해 도8a 내지 도8h에 기초하여 설명한다.
도8a에 있어서, 시트 형상의 양극측 확산층(16)을 배치한다. 즉, 양극측 확산층(16)의 카본 페이퍼(17)를 세팅한 후, 이 카본 페이퍼(17)상에 바인더층(18)용 용액을 도포한다.
도8b에 있어서, 바인더층(18)이 건조되기 전에 바인더층(18)의 상측에서 스프레이(41)를 화살표 ①과 같이 이동하여 바인더층(18)상에 양극층(60) 중의 제1층(60a)용 용액을 분사구(42)를 통해 도포한다. 이에 따라, 바인더층(18)에 제1층(60a)을 형성한다.
여기에서, 기공율을 상기 기술한 식 (1)로 정의할 때, 제1층(60a)의 기공율을 76 내지 85%로 하였다.
제1층(18a)이 건조되기 전에 제1층(60a)의 상측에서 스프레이(41)를 계속적으로 화살표 ①과 같이 이동하여 제1층(60a)상에 양극층(60) 중의 제2층(60b)용 용액을 분사구(42)를 통해 도포한다. 이에 따라, 제1층(60a)상에 제2층(60b)을 형성한다.
제2층(60b)의 용액으로서는 제1층(60a)의 용액과 동일한 것을 사용하고, 제2층(60b)용 용액의 스프레이압, 즉 분무압(분무 에너지)을, 제1층(60a)용 용액의 스프레이압, 즉 분무압(분무 에너지)보다 높게 설정하였다. 구체적으로는 기공율을 상기 식 (1)로 정의할 때에 제2층(60b)의 기공율을 70 내지 75%로 하였다. 제2층(60b)용 용액의 분무압을 높게 설정함으로써 용액의 분무 속도도 상승한다.
이와 같이 제2층(60b)용 용액을 제1층(60a)용 용액보다 높은 분무 에너지로 도포함으로써, 제2층(60b)의 농도를 제1층(60a)의 농도보다 높게 하여 제2층(60b)의 기공율을 제1층(60a)의 기공율보다 작게 할 수 있다.
그리고 제2 실시예에 관한 전극의 제조 방법에서는, 제1층(60a)의 용액 및 제2층(60b)의 용액을 각각 동일한 스프레이(41)에 의해 분무 형상으로 도포한 예에 대해 설명하였으나, 이것으로 한정하지 않고, 제1층(60a)의 용액과 제2층(60b)의 용액을 각각 개별 스프레이를 사용하여 각각의 스프레이압(분무압)을 변경함으로써 용액을 도포할 수도 있다.
그리고, 제2층(60b)용 용액의 분무 에너지를 제1층(60a)용 용액의 분무 에너지보다 높게 설정하는 수단으로서, 분무압 대신에 스프레이(41)의 분사구(42)를 도포면에 접근시킴으로써 분무 에너지를 높게 할 수도 있다.
도8c에 있어서, 제2층(60b)용 용액의 분무압을 제1층(60a)용 용액의 분무압보다 높게 설정함으로써, 제2층(60b)의 촉매(25)를 제1층(60a)의 촉매(25)보다 조밀하게 배치할 수 있다. 이에 따라, 기공율을 상기 식 (1)로 정의할 때, 제2층(60b)을 제1층(60a)보다 작은 기공율로 형성할 수 있다.
도8d에 있어서, 양극층(60)을 구성하는 제2층(60b)이 건조되기 전에 제2층(60b)의 상측에서 코터(45)를 화살표 ②와 같이 이동하여 제2층(60b)상에 이온 교환막(21)용 용액을 도포하여 이온 교환막(21)을 형성한다.
여기에서, 상기 기술한 바와 같이 제2층(60b)의 기공율은 제1층(60a)의 기공율보다 작게 설정되어 있기 때문에, 이온 교환막(21)의 용액이 제2층에 침투하는 것이 억제된다. 이에 따라, 이온 교환막(21)용 용액으로 양극층(60)의 기공이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
여기에서, 제2층(60b)의 기공율을 70% 이상으로 설정하여 이온 교환막(21)과 제2층(60b)의 밀착성을 양호하게 유지하도록 한다. 제2층(60b)의 기공율을 75% 이하로 설정하여 생성수를 적절하게 배수하기 위한 기공을 확보한다.
그리고, 제1층(60a)의 기공율을 76% 이상으로 설정하여 생성수를 적절하게 배수하기 위한 기공을 확보하고, 제1층(60a)의 기공율을 85% 이하로 설정함으로써 저항 과전압을 억제하여 전류를 효율적으로 발생할 수 있도록 한다.
도8e에 있어서, 이온 교환막(21)이 건조되기 전에 이온 교환막(21)의 상측에서 스프레이(43)를 화살표 ③과 같이 이동하여 이온 교환막(21)상에 음극층(19)용 용액을 분사구(44)를 통해 도포한다. 이에 따라, 이온 교환막(21)에 음극층(19)을 형성한다.
도8f에 있어서, 음극층(19)이 건조되기 전에 음극층(19)상에 음극측 확산층(13)(도7 참조)을 구성하는 바인더층(15)의 용액을 도포한다.
도8g에 있어서, 바인더층(15)에 음극측 카본 페이퍼(14)를 얹음으로써, 바인더층(15) 및 카본 페이퍼(14)에 의해 시트 형상의 음극측 확산층(13)을 형성한다.
이어서, 바인더층(18), 양극층(60), 이온 교환막(21), 음극층(19), 바인더층(15)이 건조되기 전에, 바인더층(18), 양극층(60), 이온 교환막(21), 음극층(19), 바인더층(15)에 하중을 가하지 않고, 바인더층(18), 양극층(60), 이온 교환막(21), 음극층(19), 바인더층(15)을 함께 건조시킨다.
도8h에 있어서, 바인더층(18), 양극층(60), 이온 교환막(21), 음극층(19), 바인더층(15)을 고화함으로써, 바인더층(18), 양극층(60), 이온 교환막(21), 음극층(19), 바인더층(15)을 고화한 상태에서 일체로 적층한다. 이것으로 도7에 나타낸 실시예의 연료 전지용 전극(62)의 제조 공정이 완료된다.
이와 같이, 제2 실시예에 관한 연료 전지용 전극(62)의 제조 방법에 의하면, 바인더층(18), 양극층(60), 이온 교환막(21), 음극층(19), 바인더층(15)의 미건조 상태에서 각각의 상면에 용액을 도포함으로써 각각의 경계에서 인접하는 용액끼리를 적절하게 혼합시킬 수 있다.
따라서, 바인더층(18)과 양극층(60; 제1층(60a), 제2층(60b)) 사이의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 양극층(60)과 이온 교환막(21) 사이의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이온 교환막(21)과 음극층(19) 사이의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 추가로 음극층(19)과 바인더층(15) 사이의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 연료 전지용 전극(62)에 있어서의 반응 효율을 양호하게 유지할 수 있다.
추가로, 이온 교환막(21)을 용액으로 함으로써 이온 교환막(21)을 용액의 상태로 취급할 수 있기 때문에, 취급성의 관점에서 이온 교환막(21)의 두께를 규제할 필요는 없다. 따라서, 이온 교환막(21)을 얇게 할 수 있게 되어 연료 전지용 전극(62)을 얇게 할 수 있다.
이어서, 제3 실시예에 관한 연료 전지용 전극에 대해 도9에 기초하여 설명한다. 그리고, 도7에 나타낸 제2 실시예의 연료 전지용 전극과 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙이며 그 설명은 생략한다.
제3 실시예에 관한 연료 전지용 전극(72)은 양극측 확산층(16) 및 음극측 확산층(13)의 내측에 각각 양극층(70)(일측 전극층) 및 음극층(19)(타측 전극층)을 갖고, 이들 음극층(19) 및 양극층(70) 사이에 이온 교환막(21)을 갖는다. 즉, 제3 실시예의 연료 전지용 전극(72)은 제2 실시예의 연료 전지용 전극(62)과 비교해서 양극층(70)이 다를 뿐, 그 외의 구성은 제2 실시예와 동일하다. 이하, 양극층(70)에 대해 설명한다.
양극층(70)은 이온 교환막(21)에서 떨어진 면측[즉, 양극측 확산층(16)에 접촉하는 면측]의 제1층(70a)과 이온 교환막(21)에 접촉하는 면측의 제2층(70b)의 2층으로 나누고, 또한 기공율이 다음 식 (1)로 정의될 때에 제2층(70b)은 제1층(70a)보다 작은 기공율로 한 것이다.
(1)
제1층(70a)은 도7에 나타낸 제2 실시예의 제1층(60a)과 마찬가지로 제1층(70a)용 용액에 촉매(25)를 혼합하고, 용액을 도포한 후에 건조시켜 고화한 것이다. 제1층(70a)의 촉매(25)는 탄소(26)의 표면에 촉매로서 백금(27)을 담지한 것으로서, 백금(27)에 산소 분자(O2)를 흡착시키는 것이다. 이 탄소(26)의 입경은 D1이다.
제2층(70b)은 제2층(70b)용 용액에 촉매(71)를 혼합하고, 용액을 도포한 후에 건조시켜 고화한 것이다. 제2층(70b)의 촉매(71)는 탄소(73)의 표면에 촉매로서 백금(74)을 담지한 것으로서, 백금(74)에 산소 분자(O2)를 흡착시키는 것이다. 이 탄소(전극)(73)의 입경은 D2이다. 이 입경(D2)은 제1층(70a)을 구성하는 탄소(26)의 입경(D1)과 비교해서 작은 직경으로 형성된다.
이와 같이, 제2층(70b)을 구성하는 탄소(73)의 입경(D2)을 제1층(70a)을 구성하는 탄소(26)의 입경(D1)보다 작게 설정함으로써, 제1층(70a)을 구성하는 탄소(26)와 비교해서 제2층(70b)을 구성하는 탄소(73)을 조밀하게 배치할 수 있다. 이에 따라, 제2층(70b)의 기공율을 제1층(70a)보다 작게 할 수 있다. 구체적으로는 제2층(70b)의 기공율을 70 내지 75%로 하고, 제1층(70a)의 기공율을 76 내지 85%로 하였다.
제2층(70b)의 기공율을 70 내지 75%로 하고, 제1층(70a)의 기공율을 76 내지85%로 한 이유는, 도7에서 설명한 제2 실시예의 제2층(60b)의 기공율을 70 내지 75%로 하고, 제1층(60a)의 기공율을 76 내지 85%로 한 이유와 동일하므로 그 설명을 생략한다.
이어서, 도9에 나타낸 제3 실시예에 관한 연료 전지용 전극(72)의 제조 방법에 대해 도10a 내지 도10i에 기초하여 설명한다.
도10a에 있어서, 시트 형상의 양극측 확산층(16)을 배치한다. 즉, 양극측 확산층(16)의 카본 페이퍼(17)를 세팅한 후, 이 카본 페이퍼(17)상에 바인더층(18)용 용액을 도포한다.
도10b에 있어서, 바인더층(18)이 건조되기 전에 바인더층(18)의 상측에서 스프레이(75)를 화살표 ④와 같이 이동하여 바인더층(18)상에 양극층(70) 중의 제1층(70a)용 용액을 분사구(75a)를 통해 도포한다. 이에 따라, 바인더층(18)에 제1층(70a)을 형성한다.
여기에서, 기공율을 상기 기술한 식 (1)로 정의할 때, 제1층(70a)의 기공율을 76 내지 85%로 하였다.
도10c 및 도10d에 있어서, 제1층(70a)이 건조되기 전에 제1층(70a)의 상측에서 스프레이(76)를 계속적으로 화살표 ⑤와 같이 이동하여 제1층(70a)상에 양극층(70) 중의 제2층(70b)용 용액을 분사구(76a)를 통해 도포한다. 이에 따라, 제1층(70a)상에 제2층(70b)을 형성한다. 여기에서, 제2층(70b)의 용액은 탄소(73)의 입경(D2)을 제1층(70a)의 탄소(26)의 입경(D1)보다 작게 설정함으로써, 제1층(70a)의 용액을 구성하는 탄소(26)와 비교해서 제2층(70b)을 구성하는탄소(73)을 조밀하게 배치할 수 있다. 이에 따라, 제2층(70b)의 기공율을 제1층(70a)보다 작게 할 수 있다. 즉, 제2층(70b)의 촉매(71)를 제1층(70a)의 촉매(25)보다 조밀하게 배치할 수 있다. 구체적으로는 기공율을 상기 식 (1)로 정의할 때, 제2층(70b)의 기공율을 70 내지 75%로 하였다.
도10e에 있어서, 양극층(70)을 구성하는 제2층(70b)이 건조되기 전에 제2층(70b)의 상측에서 코터(77)를 화살표 ⑥과 같이 이동하여 제2층(70b)상에 이온 교환막(21)용 용액을 도포하여 이온 교환막(21)을 형성한다.
이 단계에서, 양극층(70)을 이온 교환막(21)에서 떨어진 면측의 제1층(70a)과 이온 교환막(21)에 접촉하는 면측의 제2층(70b)의 2층으로 나누고, 제2층(70b)의 기공율을 70 내지 75%로 하고, 제1층(70a)의 기공율을 76 내지 85%로 하여 제2층(70b)의 기공율을 제1층(70a)보다 작아지도록 하였다. 이와 같이 제2층(70b)의 기공율을 작게 함으로써 제2층(70b)에 이온 교환막(21)의 용액이 침투하는 것을 억제할 수 있어, 이온 교환막(21)용 용액이 제2층(70b)에 침투하는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라, 이온 교환막(21)용 용액으로 양극층(70)의 기공이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
제2층(70b)의 기공율이 70% 이상이면 이온 교환막(21)과 제2층(70b)의 밀착성을 양호하게 유지할 수 있고, 제2층(70b)의 기공율을 75% 이하로 하면 생성수를 적절하게 배수할 수 있다.
제1층(70a)의 기공율을 76% 이상으로 설정하여 생성수를 적절하게 배수하는 기공을 확보하도록 하고, 제1층(70a)의 기공율을 85% 이하로 설정하여 저항 과전압을 억제하여 전류를 효율적으로 발생할 수 있도록 하였다.
도10f에 있어서, 이온 교환막(21)이 건조되기 전에 이온 교환막(21)의 상측에서 스프레이(78)를 화살표 ⑦과 같이 이동하여 이온 교환막(21)상에 음극층(19)용 용액을 분사구(78a)를 통해 도포한다. 이에 따라, 이온 교환막(21)에 음극층(19)을 형성한다.
도10g에 있어서, 음극층(19)이 건조되기 전에 음극층(19)상에 음극측 확산층(13)(도9 참조)을 구성하는 바인더층(15)의 용액을 도포한다.
도10h에 있어서, 바인더층(15)에 음극측 카본 페이퍼(14)를 얹음으로써, 바인더층(15) 및 카본 페이퍼(14)에 의해 시트 형상의 음극측 확산층(13)을 형성한다.
이어서, 바인더층(18), 양극층(70), 이온 교환막(21), 음극층(19), 바인더층(15)이 건조되기 전에, 바인더층(18), 양극층(70), 이온 교환막(21), 음극층(19), 바인더층(15)에 하중을 가하지 않고, 바인더층(18), 양극층(70), 이온 교환막(21), 음극층(19), 바인더층(15)을 함께 건조시킨다.
도10i에 있어서, 바인더층(18), 양극층(70), 이온 교환막(21), 음극층(19), 바인더층(15)을 고화함으로써, 바인더층(18), 양극층(70), 이온 교환막(21), 음극층(19), 바인더층(15)을 고화한 상태에서 일체로 적층한다. 이에 따라, 연료 전지용 전극(72)의 제조 공정이 완료된다.
이와 같이 제3 실시예에 관한 연료 전지용 전극(72)의 제조 방법에 의하면, 바인더층(18), 양극층(70), 이온 교환막(21), 음극층(19), 바인더층(15)의 미건조상태에서 각각의 상면에 용액을 도포함으로써 각각의 경계에서 인접하는 용액끼리를 적절하게 혼합시킬 수 있다. 따라서, 바인더층(18)과 양극층(70)[제1층(70a), 제2층(70b)] 사이의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 양극층(70)과 이온 교환막(21) 사이의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이온 교환막(21)과 음극층(19) 사이의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 추가로 음극층(19)과 바인더층(15) 사이의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있어 연료 전지용 전극(72)에 있어서의 반응 효율을 양호하게 유지할 수 있다.
제2 및 제3 실시예에서는 양극층(60, 70)을 하측에 배치함과 동시에 음극층(19)을 상측에 배치한 예에 대해 설명하였으나, 양극층(60, 70)을 상측에 배치함과 동시에 음극층(19)을 하측에 배치해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
제2 실시예에 관한 전극의 제조에서는 양극층(60)의 제1, 제2층(60a, 60b)을 스프레이로 도포하고, 제3 실시예에 관한 전극의 제조에서는 양극층(70)의 제1, 제2층(70a, 70b)을 스프레이로 도포한 예에 대해 설명하였으나, 각 층은 스프레이로 한정하지 않고, 잉크젯 방식을 채택하여 도포할 수도 있다. 요컨대 각 층용 용액을 분무 형상으로 도포할 수 있으면 된다.
도11은 본 발명의 제4 실시예에 관한 연료 전지용 전극(112)의 단면 구조를 도시하고 있다. 제1 실시예의 연료 전지용 전극과 동일 구조의 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여 설명한다.
이 제4 실시예의 연료 전지용 전극(112)은 음극측 확산층(113) 및 양극측 확산층(116)의 내측에 각각 음극층(19) 및 양극층(20)을 갖고, 이들 음극층(19) 및 양극층(20) 사이에 이온 교환막(21)을 갖는다.
양극측 확산층(116)은 일측 카본 페이퍼인 양극측 카본 페이퍼(117)와 일측 바인더층인 양극측 바인더층(118)으로 이루어진 시트이다.
음극측 확산층(113)은 타측 카본 페이퍼인 음극측 카본 페이퍼(114)와 타측 바인더층인 음극측 바인더층(115)으로 이루어진 시트이다.
음극측 바인더층(115)의 용액은, 일례로서 입상의 카본(115a)과 접착성이 우수한 접착성 수지(115b)로서의 이온 교환 수지를 포함한다. 접착성 수지(15b)로서의 이온 교환 수지는 일례로서 퍼플루오로계 이온 교환 수지가 있다. 이 퍼플루오로계 이온 교환 수지로서는 예컨대 듀폰사 제조의 상품명「나피온」, 아사히가라스사 제조의 상품명「프레미온」, 아사히가세이사 제조의 상품명「아시프렉스」로서 시판되고 있는 것을 들 수 있다.
음극측 바인더층(115)에 접착성 수지(115b)를 포함시킨 이유는 다음과 같다.
즉, 연료 전지용 전극(112)을 제조할 때에 일례로서 양극측 바인더층(118)상에 양극층(20), 이온 교환막(21) 및 음극층(19)을 차례로 적층하고, 음극층(19) 위에 음극측 바인더층(115)을 적층한다. 따라서, 음극측 카본 페이퍼(114)와 음극측 바인더층(115)의 접착성을 높이기 위해서는 가압 공정이 필요하게 되는데, 음극측 바인더층(115)에 접착성 수지(115b)를 포함시킴으로써 음극측 카본 페이퍼(114)와 음극측 바인더층(115)의 밀착성을 적절하게 유지하도록 하였다.
접착성 수지(115b)로서 이온 교환 수지를 사용한 이유는 다음과 같다.
즉, 접착성 수지(115b)로서 이온 교환 수지를 채택함으로써, 음극측 바인더층(115)의 용액을 음극층(19)의 용액과 동종의 재료로 하였다. 이에 따라, 음극측 바인더층(115)의 용액에 포함된 이온 교환 수지와 음극층(19)의 용액에 포함된 이온 교환 수지가 적절하게 혼합되어 음극측 바인더층(115)과 음극층(19)의 밀착성을 적절하게 유지할 수 있다.
양극측 바인더층(118)의 용액은, 일례로서 입상의 카본(118a)과 발수성이 우수한 수지(118b)로서의 불화 비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체와 용매로서의 물을 갖는다.
양극측 바인더층(118)의 발수성을 갖는 수지(118b)의 융점을 150℃ 이하로 설정하였다. 발수성을 갖는 수지(118b)의 융점이 150℃를 넘으면, 온도가 너무 높아서 음극측 바인더층(115), 양·음의 전극층(20, 19)이나 이온 교환막(21)과 함께 발수성을 갖는 수지(118b)를 소성하지 못할 우려가 있다.
따라서, 발수성을 갖는 수지(118b)를 150℃ 이하의 저융점 수지로 함으로써, 음극측 바인더층(115), 양·음의 전극층(20, 19)이나 이온 교환막(21)을 적층한 후, 발수성을 갖는 수지(118b)를 음극측 바인더층(115), 양·음의 전극층(20, 19)이나 이온 교환막(21)과 함께 건조시킬 수 있도록 하였다.
융점이 150℃ 이하인 발수성이 우수한 수지(저융점 수지)(118b)로서는, 예컨대 상기 기술한 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체를 들 수 있다. 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체는 용매로서의 물에 분산되는 성질을 갖고 있다. 이 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체는, 용매로서의 물이 증발된 후, 융점에 도달하여 녹아 발수성의 효과를 발휘한다.
양극측 바인더층(118)의 발수성을 갖는 수지(118b)의 융점을 100℃ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체는 물에 녹지 않기 때문에, 용매로서 물을 사용한 경우에는 물을 건조시킴과 동시에 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체를 용융시키기 위해 융점이 100℃ 이상 필요해지기 때문이다.
양극측 바인더층(118)의 용액은 용매로서 물을 포함한다. 물은 분산 능력이 우수하기 때문에 물을 용매로서 사용함으로써 발수성이 우수한 수지(저융점 수지)(118b)나 카본(118a)을 물에 적절하게 혼합시킬 수 있다.
이에 따라, 양극측 바인더층(118)용 용액을 스프레이나 잉크젯 등에 의해 분무 상태로 양극측 카본 페이퍼(117)에 도포할 수 있다. 따라서, 양극측 바인더층(118)용 용액을 표면이 요철 상태인 양극측 카본 페이퍼(117)의 오목부에 적절하게 도포할 수 있다.
따라서, 양극측 카본 페이퍼(117)의 표면 전역에 양극측 바인더층(118)용 용액을 양호하게 도포할 수 있고, 양극측 카본 페이퍼(117)의 표면 전역에 발수성을 갖는 수지(118b)를 침투시켜 양극측 카본 페이퍼(117)의 발수성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 연료 전지용 전극(112)을 구성하는 음극층(19)은 음극용 용액에 촉매(22)를 혼합하고, 용액을 도포한 후에 건조시켜 고화한 것이다. 음극층(19)의촉매(22)는 카본(23)의 표면에 촉매로서 백금-루테늄 합금(24)을 담지한 것으로서, 백금-루테늄 합금(24)에 수소 분자(H2)를 흡착시킨 것이다.
양극층(20)은 양극용 용액에 촉매(25)를 혼합하고, 용액을 도포한 후에 건조시켜 고화한 것이다. 양극층(20)의 촉매(25)는 카본(26)의 표면에 촉매로서 백금(27)을 담지한 것으로서, 백금(27)에 산소 분자(O2)를 흡착시킨 것이다.
이온 교환막(21)은 음극층(19) 및 양극층(20) 사이에 용액의 상태로 도포한 후, 음극층(19) 및 양극층(20)과 함께 건조시킴으로써 음극층(19) 및 양극층(20)과 일체로 고화한 것이다.
이어서, 도11에 나타낸 제4 실시예에 관한 연료 전지용 전극(112)의 제조 방법에 대해 도12a 내지 도12g에 기초하여 설명한다.
도12a에 있어서, 시트 형상의 양극측 확산층(116)을 배치한다. 즉, 양극측 확산층(116)의 양극측 카본 페이퍼(117)를 세팅한 후, 양극측 카본 페이퍼(117)의 상측에서 스프레이(151)를 화살표와 같이 이동하면서 스프레이(151)의 분사구(151a)를 통해 양극측 바인더층(118)용 용액을 분무 형상으로 분사함으로써 양극측 바인더층(118)을 형성한다.
여기에서, 양극측 바인더층(118)의 용액에는 분산 능력이 우수한 물을 용매로서 포함하고 있기 때문에, 저융점 수지(118b)나 카본(118a)을 용매에 적절하게 혼합시킬 수 있다. 이에 따라, 양극측 바인더층(118)용 용액을 분무 상태로 도포할 수 있게 되어 양극측 카본 페이퍼(117)의 오목부에 양극측 바인더층(118)용 용액을 적절하게 도포할 수 있다.
따라서, 도12a에 도시한 바와 같이 양극측 카본 페이퍼(117)의 표면 전역에 양극측 바인더층(118)용 용액을 양호하게 도포할 수 있다. 이에 따라, 양극측 카본 페이퍼(117)의 표면 전역에 발수성을 갖는 수지(118b)를 침투시켜 양극측 카본 페이퍼(117)의 발수성을 향상시킨다.
도12b에 있어서, 양극측 바인더층(118)이 건조되기 전에 양극측 바인더층(118)상에 양극층(20)의 용액을 도포하여 양극층(20)을 형성한다. 이에 따라, 양극측 바인더층(118)과 양극층(20)의 경계를 적절하게 혼합시켜 밀착성을 높일 수 있다.
도12c에 있어서, 양극층(20)이 건조되기 전에 양극층(20)상에 이온 교환막(21)의 용액을 도포하여 이온 교환막(21)을 형성한다. 이에 따라, 양극층(20)과 이온 교환막(21)의 경계를 적절하게 혼합시켜 밀착성을 높일 수 있다.
도12d에 있어서, 이온 교환막(21)이 건조되기 전에 이온 교환막(21)상에 음극층(19)의 용액을 도포하여 음극층(19)을 형성한다. 이에 따라, 이온 교환막(21)과 음극층(19)의 경계를 적절하게 혼합시켜 밀착성을 높일 수 있다.
도12e에 있어서, 음극층(19)이 건조되기 전에 음극층(19)상에 음극측 바인더층(115)의 용액을 도포하여 음극측 바인더층(115)을 형성한다. 이에 따라, 음극층(19)과 음극측 바인더층(115)의 경계를 적절하게 혼합시켜 밀착성을 높일 수 있다.
여기에서, 음극측 바인더층(115)의 용액에는 접착성이 우수한 접착성 수지(115b)로서 이온 교환 수지가 포함되어 있다. 이 이온 교환 수지는 음극층(19)의 용액에 포함되어 있는 이온 교환 수지와 동종의 재료로서, 음극측 바인더층(115)의 용액에 포함된 이온 교환 수지와 음극층(19)의 용액에 포함된 이온 교환 수지를 적절하게 혼합할 수 있다. 이에 따라, 음극측 바인더층(115)에 양극층(20), 이온 교환막(21) 및 음극층(19)의 무게가 가해지지 않아도 음극측 바인더층(115)과 음극층(19)의 밀착성을 양극측 바인더층(118)과 양극층(20)의 밀착성과 마찬가지로 적절하게 유지할 수 있다.
도12f에 있어서, 음극측 바인더층(115)에 음극측 카본 페이퍼(114)를 얹음으로써, 음극측 바인더층(115) 및 음극측 카본 페이퍼(114)에 의해 시트 형상의 음극측 확산층(113)이 형성된다.
이어서, 양극측 바인더층(118), 양·음의 전극층(20, 19), 이온 교환막(21) 및 음극측 바인더층(115)에 가중을 가하지 않고(즉, 종래 기술과 같이 가열 압착하지 않고), 양·음의 전극층(20, 19), 이온 교환막(21)을 건조시킬 때에 양극측 바인더층(118) 및 음극측 바인더층(115)을 함께 소성한다.
양극측 바인더층(118)의 발수성을 갖는 수지(118b)를 150℃ 이하의 저융점 수지로 함으로써, 양·음의 전극층(20, 19)이나 이온 교환막(21)을 건조시킬 때에 양극측 바인더층(118) 및 음극측 바인더층(115)을 함께 소성할 수 있게 된다. 이에 따라, 종래의 양극측 바인더층(118)만을 소성하는 건조 공정을 제거할 수 있기 때문에, 건조 공정을 줄여 연료 전지용 전극을 효율적으로 제조할 수 있다.
도12g에 있어서, 양극측 바인더층(118), 양극층(20), 이온 교환막(21), 음극층(19), 음극측 바인더층(115)을 고화한 상태에서 일체로 적층한다. 이에 따라, 도11에 나타낸 제4 실시예에 관한 연료 전지용 전극(112)의 제조 공정이 완료된다.
이상과 같이, 제4 실시예에 관한 연료 전지용 전극(112)의 제조 방법에 의하면, 이온 교환막(21)에 용액을 채택하고, 양극층(20)이 건조되기 전에 양극층(20)상에 이온 교환막(21)용 용액을 도포함으로써, 양극층(20)과 이온 교환막(21)의 경계에서 상호간의 용액을 효과적으로 혼합시킬 수 있다.
그리고, 이온 교환막(21)이 건조되기 전에 이온 교환막(21)상에 음극층(19)용 용액을 도포함으로써, 이온 교환막(21)과 음극층(19)의 경계에서 상호간의 용액을 효과적으로 혼합시킬 수 있다.
그리고, 양·음의 전극층(20, 19)이나 이온 교환막(21)을 함께 건조시킴으로써, 양·음의 전극층(20, 19)이나 이온 교환막(21)의 경계를 효과적으로 혼합시킨 상태에서 고화시킬 수 있다. 이에 따라, 양·음의 전극층(20, 19)이나 이온 교환막(21)의 각 층의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 이온 교환막(21)에 있어서의 반응 효율을 양호하게 유지할 수 있다. 이에 따라, 연료 전지용 전극(112)에 있어서의 반응 효율을 양호하게 유지할 수 있다.
추가로 이온 교환막(21)을 용액으로 함으로써, 이온 교환막(21)을 용액의 상태로 취급할 수 있기 때문에, 취급성의 관점에서 이온 교환막(21)의 두께를 규제할 필요는 없다. 따라서, 이온 교환막(21)을 얇게 할 수 있게 되어 연료 전지용 전극(112)을 얇게 할 수 있다.
도13은 본 발명의 제5 실시예에 관한 연료 전지용 전극(212)의 단면 구조를 도시하고 있다. 도11에 나타낸 제4 실시예에 관한 연료 전지용 전극과 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여 설명한다.
이 제5 실시예에 관한 연료 전지용 전극(212)은 음극측 확산층(113) 및 양극측 확산층(216)의 내측에 각각 음극층(19) 및 양극층(20)을 갖고, 이 음극층(19) 및 양극층(20) 사이에 이온 교환막(21)을 갖는다.
양극측 확산층(216)은 일측 카본 페이퍼인 양극측 카본 페이퍼(217)와 일측 바인더층인 양극측 바인더층(218)으로 이루어진 시트이다.
양극측 바인더층(218)의 용액은, 일례로서 입상의 카본(218a)과 유기계 용매에 용융 가능하고 또한 발수성이 우수한 수지(이하,「발수성 수지」라 함)(218b)와 유기계 용매를 갖는다.
발수성 수지(218b)로서는, 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리불화비닐리덴(PVDF), 플루오로올레핀·탄화수소계 올레핀 공중합체, 플루오로아크릴레이트 공중합체, 플루오로에폭시 화합물에서 일종 또는 복수종 선택한 수지가 사용된다.
발수성 수지(218b)로서의 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리불화비닐리덴, 플루오로올레핀·탄화수소계 올레핀 공중합체, 플루오로아크릴레이트 공중합체, 플루오로에폭시 화합물은, 양극측 바인더층(218)의 용액에 포함되어 있는 유기계 용제에 녹는 성질을 갖고 있기 때문에, 본 발명을 적절하게 실시할 수 있다.
여기에서, 유기계 용매로서는 알코올계 용제, 케톤계 용제 및 에스테르계 용제 중 적어도 일종을 들 수 있다.
양극측 바인더층(218)용 용액에 포함시킨 유기계 용매는 용해 능력이 우수하기 때문에, 유기계 용매를 사용하여 발수성 수지(218b)를 유기계 용매에 적절하게 녹일 수 있다. 카본(218a)은 유기계 용매에 분산 또는 혼합되어 있다.
이어서, 제5 실시예에 관한 연료 전지용 전극(212)의 제조 방법에 대해 도14a, 도14b 및 도14c에 기초하여 설명한다.
도14a에 있어서, 시트 형상의 양극측 확산층(216)을 배치한다. 즉, 양극측 확산층(216)의 양극측 카본 페이퍼(217)를 세팅한 후, 양극측 카본 페이퍼(217)의 상측에서 스프레이(151)를 화살표와 같이 이동하면서 스프레이(151)의 분사구(151a)를 통해 양극측 바인더층(218)용 용액을 분무 형상으로 분사함으로써 양극측 바인더층(218)을 형성한다.
여기에서, 양극측 바인더층(218)의 용액에는 용해 능력이 우수한 유기계 용매를 포함하고 있기 때문에, 발수성을 갖는 수지(218b)를 유기계 용매에 적절하게 녹일 수 있다. 이에 따라, 양극측 바인더층(218)용 용액을 분무 상태로 도포할 수 있게 되어 양극측 카본 페이퍼(217) 표면의 오목부에 양극측 바인더층(218)용 용액을 적절하게 도포할 수 있다.
따라서, 양극측 카본 페이퍼(217)의 표면 전역에 양극측 바인더층(218)용 용액을 양호하게 도포할 수 있다. 이에 따라, 양극측 카본 페이퍼(217)의 표면 전역에 발수성을 갖는 수지(218b)를 침투시켜 양극측 카본 페이퍼(217)의 발수성을 향상시킨다.
도14b에 있어서, 양극측 바인더층(218)이 건조되기 전에 양극측 바인더층(218)상에 양극층(20)의 용액을 도포하여 양극층(20)을 형성한다. 이에 따라, 양극측 바인더층(218)과 양극층(20)의 경계를 적절하게 혼합시켜 밀착성을 높일 수 있다.
도14c에 있어서, 제4 실시예의 연료 전지용 전극에 관한 제조 방법과 마찬가지로, 양극층(20)이 건조되기 전에 양극층(20)상에 이온 교환막(21)의 용액을 도포하여 이온 교환막(21)을 형성한다. 이에 따라, 양극층(20)과 이온 교환막(21)의 경계를 적절하게 혼합시켜 밀착성을 높일 수 있다.
이하, 제4 실시예의 연료 전지용 전극에 관한 제조 방법 중, 도12d 내지 도12g에 나타낸 방법과 마찬가지로, 이온 교환막(21)이 건조되기 전에 이온 교환막(21)상에 음극층(19)의 용액을 도포하여 음극층(19)을 형성한다.
이어서, 음극층(19)이 건조되기 전에 음극층(19)상에 음극측 바인더층(115)의 용액을 도포하여 음극측 바인더층(115)을 형성한다. 계속해서, 음극측 바인더층(115)이 건조되기 전에 음극측 카본 페이퍼(114)를 재치한다.
이와 같이 양극측 확산층(216), 양·음의 전극층(20, 19), 이온 교환막(21) 및 음극측 확산층(113)을 적층한 후, 양극측 바인더층(218), 양·음의 전극층(20, 19), 이온 교환막(21) 및 음극측 바인더층(115)에 가중을 가하지 않고(즉, 종래 기술과 같이 가열 압착하지 않고), 양·음의 전극층(20, 19), 이온 교환막(21)을 건조시킬 때에 양극측 바인더층(218) 및 음극측 바인더층(115)을 함께 소성한다.
여기에서, 유기계 용매의 건조 온도는 70 내지 80℃ 정도가 상정되기 때문에, 양·음극층(20, 19)이나 이온 교환막(21)을 건조시킬 때에 발수성 수지(218b)를 남기고 유기계 용매를 날려 버릴 수 있어 발수성 수지(218b)를 함께 소성할 수 있게 된다. 이에 따라, 제4 실시예의 연료 전지용 전극에 관한 제조 방법과 마찬가지로, 종래 필요했던 양극측 바인더층(218)만을 소성하는 건조 공정을 제거할 수 있기 때문에, 건조 공정을 줄여 연료 전지용 전극을 효율적으로 제조할 수 있다.
상기 실시예의 제조 방법에 의하면, 양극측 바인더층(218)용 용액에 용해 능력이 우수한 유기계 용매를 포함시킴으로써 발수성 수지(218b)를 유기계 용매에 적절하게 녹일 수 있다.
그리고, 양·음극층(20, 19)이나 이온 교환막(21)을 건조시킬 때에 발수성 수지(218b)를 함께 소성할 수 있기 때문에, 발수성 수지(218b)[즉, 양극측 확산층(216)]가 건조되기 전에 양극측 확산층(216)에 양극층(20)의 용액을 도포할 수 있으므로 양극측 확산층(216)과 양극층(20)의 경계를 적절하게 혼합시킬 수 있다.
또한, 용해 능력이 우수한 유기계 용매를 사용함으로써 발수성 수지(218b)를 유기계 용매에 적절하게 녹일 수 있다. 이에 따라, 양극측 바인더층(218)용 용액을 스프레이나 잉크젯 등에 의해 분무 형상으로 도포할 수 있으므로 양극측 바인더층(218)용 용액을 양극측 카본 페이퍼(217) 표면의 오목부에도 적절하게 도포할수 있다. 따라서, 양극측 카본 페이퍼(217)의 표면 전역에 양극측 바인더층(218)용 용액을 양호하게 도포할 수 있기 때문에, 양극측 카본 페이퍼(217)의 표면 전역에발수성 수지(218b)를 침투시켜 양극측 카본 페이퍼(217)의 발수성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 제4 및 제5 실시예의 연료 전지용 전극의 제조 방법에서는, 양극측 확산층(116, 216)을 하측에 배치함과 동시에 음극측 확산층(113)을 상측에 배치한 예에 대해 설명하였으나, 음극측 확산층(113)을 하측에 배치하고 양극측 확산층(116, 216)을 상측에 배치할 수도 있다. 이 경우, 음극측 바인더층(115)에 포함시킨 접착성 수지(115b)를 양극측 바인더층(118, 218)에 포함시킨다. 이와 같이 양극측 바인더층(118, 218)에 접착성 수지(115b)를 포함시킴으로써, 양극측 카본 페이퍼(117, 217)와 양극측 바인더층(118, 218)의 밀착성을 적절하게 유지할 수 있다.
도15는 본 발명의 제6 실시예에 관한 연료 전지용 전극의 단면 구조를 도시하고 있다. 도2에 나타낸 제1 실시예의 연료 전지용 전극과 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여 설명한다.
연료 전지용 전극(312)은 음극측 확산층(313) 및 양극측 확산층(316)의 내측에 각각 음극층(19) 및 양극층(20)을 갖고, 이 음극층(19)과 양극층(20) 사이에 이온 교환막(21)을 갖는다.
음극측 확산층(313)은 음극측 카본 페이퍼(314)와 음극측 바인더층(315)으로 이루어진 시트이다.
양극측 확산층(316)은 양극측 카본 페이퍼(317)와 양극측 바인더층(318)으로 이루어진 시트이다.
음극측 바인더층(315)은, 예컨대 입상의 카본(315a)과 발수성이 우수한 수지(예컨대, 불소 수지)(315b)를 갖고, 음극층(19)에 인접하는 상면(315c)을 평탄하게 형성한 층이다.
양극측 바인더층(318)은, 예컨대 입상의 카본(318a)과 발수성이 우수한 수지(예컨대, 불소 수지)(318b)를 갖는다.
음극층(19)은 음극용 용액에 촉매(22)를 혼합하고, 용액을 도포한 후에 건조시켜 고화한 것이다. 음극층(19)의 촉매(22)는 카본(23)의 상면에 촉매로서 백금-루테늄 합금(24)을 담지한 것으로서, 백금-루테늄 합금(24)에 수소 분자(H2)를 흡착시킨 것이다.
양극층(20)은 양극층용 용액에 촉매(25)를 혼합하고, 용액을 도포한 후에 건조시켜 고화한 것이다. 양극층(20)의 촉매(25)는 카본(26)의 상면에 촉매로서 백금(27)을 담지한 것으로서, 백금(27)에 산소 분자(O2)를 흡착시킨 것이다.
이온 교환막(21)은 음극층(19) 및 양극층(20) 사이에 용액의 상태로 도포한 후, 음극층(19) 및 양극층(20)과 함께 건조시킴으로써 음극층(19) 및 양극층(20)과 일체로 고화한 것이다.
이어서, 본 발명의 제6 실시예에 관한 연료 전지용 전극(312)의 제조 방법에 대해 도16a 내지 도16h에 기초하여 설명한다.
도16a에 있어서, 시트 형상의 음극측 확산층(313)을 배치한다. 즉, 음극측 확산층(313)의 카본 페이퍼(314)를 세팅한 후, 카본 페이퍼(314)의 상측에서 스프레이(351)를 화살표 ①과 같이 이동하면서 스프레이(351)의 분사구(351a)를 통해 바인더[즉, 카본(315a) 및 불소 수지(315b)]를 분사한다.
여기에서, 카본 페이퍼(314)는 상면이 요철면으로 형성되어 있으나, 스프레이(351)를 사용하여 카본(315a) 및 불소 수지(315b)를 분무 형상으로 하여 카본 페이퍼(314)의 상면에 도포할 수 있으므로, 카본 페이퍼(314)의 오목부에도 카본(315a) 및 불소 수지(315b)를 확실하게 도포할 수 있다. 이에 따라, 카본 페이퍼(314)의 전역에 불소 수지(315b)를 침투시켜 카본 페이퍼 전역에 대해 발수 효과를 얻는다.
도16b에 있어서, 바인더층(315)이 건조되기 전에 바인더층(315)의 상면(315c)을 따라 롤러(354)를 화살표 ②와 같이 회전시키면서 롤러(354)를 화살표③과 같이 이동한다. 이에 따라, 바인더층(315)의 상면(15c)은 평탄해진다.
도16c에 있어서, 상면을 평탄하게 한 바인더층(315)상에 바인더층(315)이 건조되기 전에 음극층(19)의 용액을 도포하여 음극층(19)을 형성한다. 평탄한 바인더층(315)의 상면(315c)에 음극층(19)의 용액을 도포하여 음극층(19)을 형성하기 때문에 음극층(19)의 상면은 평탄해진다.
도16d에 있어서, 음극층(19)이 건조되기 전에 이온 교환막(21)의 용액을 도포함으로써 이온 교환막(21)을 형성한다. 평탄한 음극층(19)상에 이온 교환막(21)의 용액을 도포하여 이온 교환막(21)을 형성하기 때문에 이온 교환막(21)의 상면은 평탄해진다.
도16e에 있어서, 평탄한 상면의 이온 교환막(21)상에 이온 교환막(21)이 건조되기 전에 양극층(20)의 용액을 도포하여 양극층(20)을 형성한다. 평탄한 이온 교환막(21)상에 양극층(20)의 용액을 도포하여 양극층(20)을 형성하기 때문에 양극층(20)의 상면은 평탄해진다.
이와 같이 이온 교환막(21)을 평탄하게 형성할 수 있기 때문에, 이온 교환막(21)상에 도포하는 양극층(20)과 이온 교환막(21) 아래에 도포한 음극층(19)을 확실하게 떼어 놓을 수 있으므로 양극층(20)과 음극층(19)의 단락을 방지할 수 있다.
도16f에 있어서, 양극층(20)상에 양극층(20)이 건조되기 전에 양극측 바인더층(318)의 바인더[즉, 카본(318a) 및 불소 수지(318b)]를 도포하여 양극측 바인더층(318)을 형성한다.
도16g에 있어서, 양극측 바인더층(318)에 양극측 카본 페이퍼(317)를 얹음으로써, 바인더층(318) 및 카본 페이퍼(317)에 의해 시트 형상의 양극측 확산층(316)을 형성한다.
이어서, 음극층(19), 이온 교환막(21) 및 양극층(20)이 건조되기 전에 음극층(19), 이온 교환막(21) 및 양극층(20)에 하중을 가하지 않고, 음극층(19), 이온 교환막(21) 및 양극층(20)을 함께 건조시킨다.
도16h에 있어서, 음극층(19), 이온 교환막(21) 및 양극층(20)을 고화함으로써, 음극층(19), 이온 교환막(21) 및 양극층(20)을 일체로 적층한다. 이에 따라, 도15에 나타낸 제6 실시예에 관한 연료 전지용 전극(312)의 제조 공정이 완료된다.
이와 같이, 이 제6 실시예에 관한 연료 전지용 전극(312)의 제조 방법에 의하면, 이온 교환막(21)에 용액을 채택하고, 음극층(19)이 건조되기 전에 음극층(19)상에 이온 교환막(21)용 용액을 도포함으로써, 음극층(19)과 이온 교환막(21)의 경계에서 상호간의 용액을 효과적으로 혼합시킬 수 있다.
이온 교환막(21)이 건조되기 전에 이온 교환막(21)상에 양극층(18)용 용액을 도포함으로써, 이온 교환막(21)과 양극층(20)의 경계에서 상호간의 용액을 효과적으로 혼합시킬 수 있다. 그리고, 이들 건조되지 않은 양·음극층(20, 19) 및 건조되지 않은 이온 교환막(21)을 함께 건조시킴으로써, 양·음극층(20, 19) 및 건조되지 않은 이온 교환막(21)의 경계를 효과적으로 혼합시킨 상태에서 고화시킬 수 있다. 따라서, 양·음극층(20, 19) 및 이온 교환막(21)의 각 층의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 이온 교환막(21)에 있어서의 반응 효율을 양호하게 유지할 수 있다. 이에 따라, 연료 전지용 전극(312)에 있어서의 반응 효율을 양호하게 유지할 수 있다.
이어서, 제6 실시예의 연료 전지용 전극(312)의 다른 제조 방법에 대해 도17a 및 도17b에 기초하여 설명한다.
도17a에 있어서, 도16a에서 나타낸 실시예와 마찬가지로 음극측 확산층(313)의 카본 페이퍼(314)를 세팅한 후, 카본 페이퍼(314)의 상측에서 스프레이(351)를 화살표 ①과 같이 이동하면서 스프레이(351)의 분사구(351a)를 통해 바인더[즉, 카본(315a) 및 불소 수지(315b)]를 분사한다.
이와 같이 스프레이(351)를 사용함으로써 카본 페이퍼(314)의 오목부에도 카본(315a) 및 불소 수지(315b)를 확실하게 도포할 수 있다. 이에 따라, 카본 페이퍼(314)의 전역에 불소 수지(315b)를 침투시켜 카본 페이퍼 전역에 대해 발수 효과를 얻을 수 있다.
도17b에 있어서, 바인더층(315)이 건조되기 전에 바인더층(315)의 상면(315c)에 가압 플레이트(356)를 화살표 ④와 같이 밀착시킴으로써 바인더층(315)의 상면(315c)을 평탄하게 할 수 있다.
바인더층(315)의 상면(315c)을 평탄하게 하는 수단으로서는, 롤러(354) (도16b 참조)나 가압 플레이트(356)로 한정되지 않고, 본 발명에서는 그 외의 수단을 사용할 수도 있다.
도15에 나타낸 제6 실시예에서는, 음극층(19)을 하측에 배치함과 동시에 양극층(20)을 상측에 배치한 예에 대해 설명하였으나, 음극층(19)을 상측에 배치함과 동시에 양극층(20)을 하측에 배치해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
그리고 상기 실시예에 관한 방법에서는, 음극측 카본 페이퍼(314)의 상면에 바인더[즉, 카본(315a) 및 불소 수지(315b)]를 도포할 때에 스프레이(351)에 의해 상기 바인더를 분무 형상으로 하여 도포하는 예에 대해 설명하였으나, 스프레이 대신에 잉크젯 방식 등의 그 외의 분무 도포 방식을 채택할 수도 있다.
스프레이 및 잉크젯은 용액을 분무 형상으로 도포하는 점에서 동일하나, 스프레이는 분무 범위가 비교적 넓어 도포 시간을 짧게 할 수 있으므로 바람직하다.
도18은 본 발명의 제7 실시예에 관한 연료 전지용 전극을 갖는 분해 사시도로 도시된 연료 전지를 도시하고 있다.
연료 전지 유닛(400)은 복수(도시한 예에서는 2개)의 연료 전지(411, 411)로구성되어 있다. 연료 전지(411)는 음극(전극, 412)에 연료 전지용 이온 교환막(간단히 이온 교환막이라 함)(414)을 형성하고, 이 이온 교환막(414)에 양극(전극) (416)을 포개고, 음극(412)의 외측에 음극측 유로 기판(421)을 배치하고, 양극(416)의 외측에 양극측 유로 기판(424)를 배치한 것이다. 이 연료 전지(411)를 분리기(426)를 통해 복수개(2개) 구비함으로써 연료 전지 유닛(400)을 구성한다.
음극(412)에 음극측 유로 기판(421)을 적층하여 음극측 유로 기판(421)의 유로 홈(421a)을 음극(412)으로 덮음으로써 수소 가스 유로(422)를 형성한다. 양극(416)에 양극측 유로 기판(424)을 적층하여 양극측 유로 기판(424)의 유로 홈(424a)을 양극(416)으로 덮음으로써 산소 가스 유로(25)를 형성한다.
수소 가스 유로(422)에 수소 가스를 공급하여 음극(412)에 포함하는 촉매에 수소 분자(H2)를 흡착시킴과 동시에, 산소 가스 유로(425)에 산소 가스를 공급함으로써, 양극(16)에 포함하는 촉매에 산소 분자(O2)를 흡착시킨다. 이에 따라, 전자(e-)는 화살표와 같이 흘러 전류가 발생한다. 전류가 발생할 때에 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)로부터 생성수(H2O)를 얻는다.
도19는 도18에 도시한 이온 교환막(414)의 단면 구조를 도시하고 있고, 음극(412)을 이온 교환막(414)으로 덮은 상태를 도시하고 있다.
음극(412)은 카본 페이퍼로부터 다각형(예컨대 8각형)으로 형성한 시트로서,내부에 촉매를 포함하고, 이 촉매에 수소 분자(H2)를 흡착시킨다. 여기에서, 카본 페이퍼란 탄소섬유로 이루어진 종이를 말한다. 도18에 도시한 양극(416)은 음극(412)과 마찬가지로 카본으로 형성한 시트로서, 내부에 촉매를 포함하고, 이 촉매에 산소 분자(O2)를 흡착시킨다.
이온 교환막(414)은 음극(412)의 표면(412a)에 수지 용액(이하,「슬러리」라 함)을 도포하고, 도포후, 건조시켜 얻은 다각형(예컨대, 8각형)의 수지막이다. 수지 용액으로서는 예컨대 HC계 폴리머 용액을 들 수 있다. 「슬러리」란, 수지와 액체를 혼합하여 형성한 용액을 말한다.
도20은 이온 교환막의 성형 장치(430)를 도시하고 있다.
이온 교환막의 성형 장치(430)는, 8각형의 음극(412)(도18 및 도19 참조)을 재치하는 기대(431)와, 이 기대(431)에 세팅하여 음극(412)을 둘러싸는 가이드프레임 부재(433)와, 이 가이드프레임 부재(433)의 상측에 설치된 분무기(440)를 갖는다.
기대(431)는 음극(412)에 플러스 전하를 부여하기 위한 플러스 전하 부여 수단(432)을 갖는다.
가이드프레임 부재(433)는 음극(412)의 외주(412b)(도19 참조)를 따른 8각형의 내주면(434)을 갖고, 이 내주면(434)을 따른 회수 홈(435)을 갖고, 이 회수 홈(435)에 연이어 통하도록 형성된 회수공(436)을 갖는다. 내주면(434)에는 코팅제(도시 생략)가 도포된다.
분무기(440)는 슬러리 노즐(41)을 갖는다. 이 슬러리 노즐(441)은 화살표와 같이 이동 가능하게 지지되어 있다. 슬러리 노즐(41)은 마이너스 전하 부여 수단(442)을 갖는다. 이 슬러리 노즐(441)의 선단부(441a)를 통해 분무 형상 슬러리가 분무된다.
슬러리 노즐(441)의 선단부(441a)의 분무구 형상은 분무구로부터 분무된 분무상 슬러리가 타원형이 되도록 형성된다.
마이너스 전하 부여 수단(442)은 슬러리 노즐(441)에서 분무된 분무 형상 슬러리에 마이너스의 전하를 부여한다.
분무기(440)는 슬러리 노즐(441)을 위치(P1)에서 위치(P4)까지 이동할 때, 위치(P1) 내지 위치(P2)의 제1 범위(전극의 폭이 좁은 부위; E1)에서 화살표와 같이 만곡형상으로 상향 구배로 상승시키고, 위치 P2 내지 위치 P3의 제2 범위(전극의 폭이 넓은 부위; E2)에서 화살표와 같이 수평하게 이동시키고, 위치 P3 내지 위치 P4의 제3 범위(전극의 폭이 좁은 부위; E3)에서 화살표와 같이 만곡형상으로 하향 구배로 하강시킨다.
그리고 슬러리 노즐(441)의 이동은 이것으로 한정되지 않고, 음극(412)의 형상에 대응시켜 임의로 설정할 수 있다.
도21은 본 발명에 관한 이온 교환막의 성형 장치를 도시하고 있다.
슬러리 노즐(441)로부터 분무 형상 슬러리(451)를 분무하면서 위치 P1 내지 위치 P2의 제1 범위(E1)에서 슬러리 노즐(41)을 화살표와 같이 만곡형상으로 상향 구배로 상승하고, 위치 P2 내지 위치 P3의 제2 범위(E2)에서 슬러리 노즐(441)을화살표와 같이 수평하게 이동하고, 위치 P3 내지 위치 P4의 제3 범위(E3)에서 슬러리 노즐(441)을 화살표와 같이 만곡형상으로 하향 구배로 하강한다.
위치 P1 내지 위치 P2의 제1 범위(E1)에 있어서, 음극(412)의 폭은 도20에 도시한 바와 같이 최소폭(W1)에서 최대폭(W2)까지 서서히 커진다. 따라서, 슬러리 노즐(441)을 위치 P1 내지 위치 P2의 제1 범위(E1)에서 이동할 때에는 슬러리 노즐(441)을 높이(H1)의 위치에서 화살표와 같이 만곡형상으로 상향 구배로 상승시킨다. 이에 따라, 슬러리 노즐(441)로부터 분무하는 분무 형상 슬러리의 폭을 음극(412)의 폭에 대응시켜 변화시켜서 음극(412)에서 슬러리가 불거져 나오지 않도록 할 수 있다.
그리고, 슬러리 노즐(441)로부터 분무하는 분무 형상 슬러리(451)의 분무량을 슬러리 노즐(41)의 상승에 맞춰 증가시킨다. 이에 따라, 분무 형상 슬러리(451)를 음극(412)에 균일하게 도포할 수 있다.
또한, 위치 P2 내지 위치 P3의 제2 범위(E2)에 있어서는 도20에 도시한 바와 같이 음극(412)의 폭은 최대폭(W2)으로 일정하다. 따라서, 슬러리 노즐(441)을 위치 P2 내지 위치 P3의 제2 범위(E2)에서 이동하기 위해서는, 슬러리 노즐(441)을 최대 높이(H2)로 유지하면서 수평하게 이동시킨다. 이에 따라, 슬러리 노즐(441)로부터 분무하는 분무 형상 슬러리의 폭을 음극(412)의 최대폭(W2)에 대응시켜 넓혀서 음극(412)의 최대폭(W2)을 분무 형상 슬러리로 도포할 수 있다.
그리고, 제2 범위(E2)에 있어서 슬러리 노즐(441)로부터 분무하는 분무 형상 슬러리(451)의 분무량을 최대로 설정한다. 이에 따라, 분무 형상 슬러리(451)를제1 범위(E1)의 슬러리에 맞춰 음극(412)에 균일하게 도포할 수 있다.
또한, 위치 P3 내지 위치 P4의 제3 범위(E3)에 있어서는 도20에 도시한 바와 같이 음극(412)의 폭은 최대폭(W2)에서 최소폭(W1)까지 서서히 작아진다. 따라서, 슬러리 노즐(441)을 위치 P3 내지 위치 P4의 제3 범위(E3)에서 이동할 때에 슬러리 노즐(441)을 최대 높이(H2)에서 최소 높이(H1)의 위치까지 화살표와 같이 만곡형상으로 하향 구배로 하강시킨다. 이에 따라, 슬러리 노즐(441)로부터 분무하는 분무 형상 슬러리(451)의 폭을 음극(412)의 폭에 대응시켜 변화시켜서 음극(412)에서 분무 형상 슬러리(451)가 필요 이상으로 불거져 나오지 않도록 할 수 있다.
그리고, 슬러리 노즐(441)로부터 분무하는 분무 형상 슬러리(451)의 분무량을 슬러리 노즐(441)의 하강에 맞춰 감소시킨다. 이에 따라, 분무 형상 슬러리(451)를 제1 범위(E1) 및 제2 범위(E2)의 슬러리에 맞춰 음극(412)에 균일하게 도포할 수 있다.
이와 같이, 슬러리 노즐(441)의 높이를 음극(412)의 폭에 맞춰 조정함으로써, 예컨대 음극(412)의 좁은 부위에서 분무 형상 슬러리(451)를 음극(412)에서 불거져 나오지 않도록 할 수 있으므로 불필요한 영역에 분무 형상 슬러리(451)를 도포하는 것을 방지할 수 있다.
추가로, 슬러리 노즐(441)의 높이의 변동에 맞춰 분무 형상 슬러리(451)의 분무량을 변화시킴으로써, 음극(412)의 표면(412a)에 슬러리(52)를 균일한 두께로 도포할 수 있다. 이에 따라, 이온 교환막(414)(도19 참조)의 표면을 평탄하게 성형할 수 있으므로 연료 전지의 품질을 안정시킬 수 있다.
슬러리 노즐(441)이 위치(P1) 또는 위치(P4)에 위치하면, 분무 형상 슬러리(451)의 외주 부위(451a)가 가이드프레임 부재(433)의 내주벽(434)의 외측으로 불거져 나오지만, 불거져 나온 분무 형상 슬러리의 외주 부위(451a)는 회수 홈(435)에 의해 회수된다.
이어서, 연료 전지용 이온 교환막의 제1 성형 방법에 대해 도22a 내지 도22j에 기초하여 설명한다.
도22a에 있어서, 카본 페이퍼로부터 다각형상의 음극(전극)(412)을 형성하고, 음극(412)을 기대(431)에 재치한다. 이어서, 플러스 전하 부여 수단(432)을 조정하여 음극(412)에 플러스 전하를 부여한다.
도22b에 있어서, 음극(412)을 둘러싸도록 가이드프레임 부재(433)를 배치한다. 이어서, 마이너스 전하 부여 수단(442)을 조정하여 슬러리 노즐(441)로부터 분무하는 분무 형상 슬러리(451)(도21 참조)에 마이너스 전하를 부여하도록 한다.
도22c에 있어서, 슬러리 노즐(441)이 대기 위치(P0)로부터 화살표 ①과 같이 수평 이동하여 제1 분무 위치(P1)에 도달하면, 슬러리 노즐(441)로부터 분무 형상 슬러리(451)가 분무된다.
도22d에 있어서, 슬러리 노즐(441)을 선단부(441a)가 음극(412)의 표면(412a)에서 높이(H1)가 되도록 낮게 배치함으로써, 도22c에 도시한 바와 같이 분무 형상 슬러리(451)의 폭(W3)을 음극(12)의 일단 폭(최소폭; W1)보다 약간 커지게 설정할 수 있다. 이에 따라, 분무 형상 슬러리(451)가 음극(412)에서 필요 이상으로 불거져 나오지 않도록 한다.
가이드프레임 부재(433)의 내주벽(434)의 외측으로 불거져 나온 분무 형상 슬러리(451)의 외주 부위는 회수 홈(435)에 의해 회수된다.
도22e에 있어서, 슬러리 노즐(441)로부터 분무 형상 슬러리(451)를 분무한 상태에서, 슬러리 노즐(441)을 위치 P1에서 위치 P2까지 화살표 ②와 같이 이동한다.
도22f에 있어서, 슬러리 노즐(441)은 위치 P1 내지 위치 P2의 제1 범위(E1)에서 만곡형상으로 상향 구배로 상승하기 때문에, 슬러리 노즐(441)의 선단부(441a)의 높이(H3)는 슬러리 노즐(441)의 이동에 따라 서서히 상승한다. 따라서, 도22e에 도시한 바와 같이 슬러리 노즐(441)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(451)의 폭(W5)을 음극(412)의 경사부의 폭(W4)에 맞춰 서서히 크게 할 수 있다. 이에 따라, 분무 형상 슬러리(451)를 음극(412)에서 필요 이상으로 불거져 나오지 않도록 할 수 있다.
가이드프레임 부재(433)의 내주벽(434)의 외측으로 불거져 나온 분무 형상 슬러리(451)의 외주 부위는 회수 홈(435)을 통해 회수된다.
추가로 슬러리 노즐(441)의 상승에 따라 분무 형상 슬러리(451)의 분무량을 서서히 증가시키도록 제어하면, 도22f에 도시한 바와 같이 음극(412)의 표면(412a)에 슬러리(452)는 균일한 두께로 도포된다.
도22g에 있어서, 슬러리 노즐(441)로부터 분무 형상 슬러리(451)를 분무한 상태에서, 슬러리 노즐(441)을 위치 P2에서 위치 P3까지 화살표 ③과 같이 이동한다.
도22h에 있어서, 슬러리 노즐(441)은 위치 P2 내지 위치 P3의 제2 범위(E2)에서 최대 높이(H2)가 된 상태로 수평 이동한다. 따라서, 도22g에 도시한 바와 같이 슬러리 노즐(441)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(451)의 폭(W6)을 음극(412)의 최대폭(W2)보다 약간 크게 한 상태로 유지할 수 있다. 이에 따라, 분무 형상 슬러리(451)에 의해 음극(412)의 최대폭 전체를 도포할 수 있다.
가이드프레임 부재(433)의 내주벽(434)의 외측으로 불거져 나온 분무 형상 슬러리(451)는 회수 홈(435)을 통해 회수된다.
추가로 최상위(H2)의 슬러리 노즐(441)로부터 분무 형상 슬러리(451)를 분무하기 위해, 분무 형상 슬러리(451)의 분무량을 최대까지 증가하도록 제어하면, 도22h에 도시한 바와 같이 슬러리(452)는 음극(412)의 표면(412a)상에 균일한 두께로 도포된다.
도22i에 있어서, 슬러리 노즐(441)로부터 분무 형상 슬러리(451)를 분무한 상태에서, 슬러리 노즐(441)을 위치 P3에서 위치 P4까지 화살표 ④와 같이 이동한다.
도22j에 있어서, 슬러리 노즐(441)은 위치 P3 내지 위치 P4의 제3 범위(E3)에서 화살표 ④와 같이 만곡형상으로 하향 구배로 하강한다. 슬러리 노즐(441)의 선단부(441a)는 최대 높이(H2)에서 최소 높이(H1)까지 슬러리 노즐(441)의 이동에 따라 서서히 하강한다. 따라서, 도22i에 도시한 바와 같이 슬러리 노즐(441)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(451)의 폭(W3)을 음극(412)의 타단 폭(최소폭; W1)에 맞춰 서서히 작게 할 수 있다. 이에 따라, 분무 형상 슬러리(451)는 음극(412)에서 필요 이상으로 불거져 나오지 않는다.
가이드프레임 부재(433)의 내주벽(434)의 외측으로 불거져 나온 분무 형상 슬러리(451)는 회수 홈(435)을 통해 회수된다.
추가로 슬러리 노즐(441)의 하강에 따라 분무 형상 슬러리(451)의 분무량을 서서히 줄이도록 제어함으로써, 슬러리(452)는 음극(412)의 표면(412a)상에 균일한 두께로 도포된다.
이와 같이 슬러리 노즐(441)이 위치(P4)에 도달함으로써 슬러리(452)의 도포 공정은 완료된다. 도포 공정의 완료후, 음극(412)에 도포한 슬러리(452)를 건조시킴으로써 이온 교환막(414)(도19 참조)을 성형한다.
상기 제1 이온 교환막 성형 방법에 의하면, 음극(412)에 플러스 전하를 부여함과 동시에 슬러리 노즐(441)로부터 분무하는 슬러리(451)에 마이너스 전하를 부여함으로써, 슬러리(452)의 도포 불균일을 방지할 수 있다. 이에 따라, 도19에 도시한 이온 교환막(414)을 균일한 두께로 성형할 수 있다.
추가로 가이드프레임 부재(433)에 의해 슬러리(452)의 도포 영역을 규제함으로써, 슬러리(452)를 원하는 형상으로 간단히 성형할 수 있다. 따라서, 수고를 들이지 않고 이온 교환막(414)의 둘레 가장자리(414a)를 적절하게 형성할 수 있다.
이어서, 제2 이온 교환막의 성형 방법에 대해 도23에 기초하여 설명한다. 그리고, 도23에 도시한 제2 성형 방법을 실시하기 위한 성형 장치에 있어서, 도21에 도시한 제1 성형 방법을 실시하기 위한 성형 장치(430)와 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여 설명한다.
도23에 도시한 이온 교환막의 성형 장치(460)는, 음극(412)을 재치하는 기대(431)와, 이 기대(431)에 세팅하여 음극(412)을 둘러싸는 가이드프레임 부재(463)와, 이 가이드프레임 부재(463)의 상측에 설치된 분무기(440)를 구비한다.
가이드프레임 부재(463)는 음극(412)의 외주(412b)를 따른 형상의 내주면(64)을 갖는다. 이 내주면(464)을 따르도록 회수 홈(465)이 형성된다. 이 회수 홈(465)에 연이어 통하는 회수로(466)가 형성되어 있다. 이 흡입 유로(466)를 통해 회수 홈(465)에 흡입 수단(도시생략)이 연이어 통한다. 내주면(464)에는 코팅제가 도포된다.
회수 홈(465)에 흡입 수단을 연이어 통하게 함으로써 회수 홈(465)에 고인 슬러리를 흡인할 수 있기 때문에, 슬러리를 한층 더 간단하게 회수할 수 있다. 따라서, 연료 전지의 생산성을 한층 더 높일 수 있다.
상기 제1 및 제2 성형 방법에서는 음극(12)에 슬러리(52)를 도포하는 예에 대해 설명하였으나, 양극(16)에 슬러리(52)를 도포해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이어서, 제3 이온 교환막의 성형 방법을 실시하기 위한 성형 장치에 대해 도24 내지 도26에 기초하여 설명한다. 그리고, 제3 이온 교환막 성형 장치의 설명에 있어서, 도21에 도시한 제1 성형 방법을 실시하기 위한 성형 장치(430)와 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여 설명한다.
제3 이온 교환막 성형 장치(530)는, 도19에 도시한 8각형의 음극(412)을 재치하는 기대(431)와, 이 기대(431)에 세팅하여 음극(412)을 둘러싸는 가이드프레임 부재(433)와, 이 가이드프레임 부재(433)의 상측에 배치된 분무 장치(540)를 갖는다.
기대(431)는 음극(412)에 플러스 전하를 부여하기 위한 플러스 전하 부여 수단(432)을 갖는다.
가이드프레임 부재(433)는 음극(412)의 외주(412b)(도19 참조)를 따르도록 형성된 8각형의 내주면(434)과, 이 내주면(434)을 따르도록 형성된 회수 홈(435)과, 이 회수 홈(435)에 연이어 통하도록 형성된 회수공(436)을 갖는다. 내주면(434)에는 코팅제(도시 생략)가 도포된다.
분무 장치(540)는 지그재그 형상으로 배치된 복수의 슬러리 노즐(541a 내지 541j)을 갖는다. 복수의 슬러리 노즐(541a 내지 541j)은 화살표와 같이 이동 가능하게 지지된다. 각각의 슬러리 노즐(541a 내지 541j)은 마이너스 전하 부여 수단(442)에 의해 마이너스 전하가 부여된다. 즉, 마이너스 전하 부여 수단(442)은 각각의 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로부터 분무하는 슬러리에 마이너스 전하를 부여한다.
복수의 슬러리(541a 내지 541j)는 슬러리를 분무하는 상태와 슬러리를 분무하지 않는 상태로 개별적으로 전환 가능하게 구성된다.
도25를 참조하건대, 복수의 슬러리 노즐(541a 내지 541j)은 일례로서 제1 슬러리 노즐 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로 이루어지고, 이들 슬러리 노즐(541a 내지 541j)을 지그재그 형상으로 배치한 것이다.
제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j) 중 제3 내지 제8 슬러리 노즐(541c 내지 541h)을 거리(L1)에 있어서 분무 상태로 하여, 음극(412)의 중앙에 위치하는 제1 영역(545)을 도포할 수 있다.
제3 슬러리 노즐(541c)의 외측에 위치하는 제2 슬러리 노즐(541b)과, 제8 슬러리 노즐(541h)의 외측에 위치하는 제9 슬러리 노즐(541i)을 거리(L2)에 있어서 분무 상태로 하여, 제1 영역(545)의 양 외측의 제2 영역(546, 546)을 도포할 수 있다.
그리고, 제2 슬러리 노즐(541b)의 외측에 위치하는 제1 슬러리 노즐(541a)과, 제9 슬러리 노즐(541i)의 외측에 위치하는 제10 슬러리 노즐(541j)을 거리(L3)에 있어서 분무 상태로 하여, 제2 영역(546, 546) 외측의 제3 영역(547, 547)을 도포할 수 있다.
도26은 도24 및 도25에 도시한 이온 교환막의 성형 장치를 단면으로 도시하고 있다. 도25에 도시한 바와 같이 지그재그 형상으로 배치한 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로부터 각각 제1 내지 제10 분무 형상 슬러리(551)가 분무되어 음극(412)에 슬러리(552)가 도포된다.
여기에서, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로부터 분무된 분무 형상 슬러리(551)는 각각의 외주 부위(551a)의 도포량이 소량으로 된다. 그러므로, 외주 부위(551a)의 도포량을 중앙 부위(551b)의 도포량과 균일하게 하기 위해서는, 외주 부위(551a)의 도포량을 보충할 필요가 있다. 따라서, 외주 부위(551a)의 도포량을 보충하는 방법으로서, 인접하는 분무 형상 슬러리(551, 551)의 외주부위(551a, 551a) 끼리를 서로 포개는 것을 생각할 수 있다.
그러나, 인접하는 분무 형상 슬러리(551, 551)의 외주 부위(551a, 551a)끼리 서로 간섭하면, 간섭한 외주 부위(551a, 551a)에 흐트러짐이 발생하여 슬러리(552)를 적절하게 도포할 수 없다. 따라서, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)을 지그재그 형상으로 배치하여 인접하는 분무 형상 슬러리(551, 551)의 외주 부위(551a, 551a)끼리 서로 간섭하는 것을 방지하도록 하였다.
즉, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)이 화살표로 나타낸 방향으로 이동하기 전의 초기 상태에서는, 도25에 도시한 바와 같이 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로부터 분무된 각각의 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)가 서로 포개지지 않도록 상기 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)은 배치된다.
그러나, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)을 이동시키면, 인접하는 분무 형상 슬러리(551, 551)의 일측을 먼저 음극(412)의 표면에 도포하고, 도포한 슬러리(552)의 외주 부위에 타측 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)를 도포함으로써, 인접하는 분무 형상 슬러리(551, 551)에 흐트러짐을 발생시키지 않고, 인접하는 분무 형상 슬러리(551, 551)의 외주 부위(551a, 551a) 끼리를 서로 포갠 상태로 도포할 수 있다.
이와 같이 분무 형상 슬러리(551)에 흐트러짐을 발생시키지 않고, 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a) 끼리를 서로 포갠 상태로 도포함으로써, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)의 도포량을 각각의 분무 형상 슬러리(551)의 중앙 부위(551b)의 도포량과 균일하게 할 수 있다.
즉, 인접하는 슬러리 노즐(541a 내지 541j)의 간격(S1)은, 제2, 제4, 제6, 제8, 제10 슬러리 노즐(541b, 541d, 541f, 541h, 541j)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(51a)와, 제1, 제3, 제5, 제7, 제9 슬러리 노즐(541a, 541c, 541e, 541g, 541i)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)를 중첩량(S2)으로 서로 포개서 도포 가능하게 설정되어 있다.
이어서, 연료 전지용 이온 교환막의 제3 성형 방법에 대해 도27a 내지 도27j에 기초하여 설명한다.
도27a에 있어서, 카본 페이퍼로부터 다각형상의 음극(전극)(412)을 형성하고, 이 음극(412)을 기대(431)에 재치한다. 이어서, 플러스 전하 부여 수단(32)을 조정하여 음극(412)에 플러스 전하를 부여한다.
도27b에 있어서, 음극(412)을 둘러싸도록 가이드프레임 부재(433)를 배치한다. 이어서, 마이너스 전하 부여 수단(42)을 조정하여 제1 내지 제10 슬러리 노즐(41a 내지 41j)로부터 분무하는 분무 형상 슬러리(551)(도26 참조)에 마이너스 전하를 부여한다.
도27c에 있어서, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)이 대기 위치(P0)로부터 화살표 ①과 같이 수평 이동하여 제1 분무 위치(P1)에 도달하였을 때, 제3 내지 제8 슬러리 노즐(541c 내지 541h)로부터 분무 형상 슬러리(551)(도27d 참조)를 분무한다.
도27d는 도27c의 D-D선을 따른 단면도이다. 도27d에 있어서, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)을 계속해서 음극(412)을 따라 수평 이동함으로써, 제4, 제6, 제8 슬러리 노즐(541d, 541f, 541h)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)로 도포한 표면에, 제3, 제5, 제7 슬러리 노즐(541c, 541e, 541g)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)를 포개서 도포한다. 이에 따라, 제3 내지 제8 슬러리 노즐(541c 내지 541h)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)의 도포량을 각각의 분무 형상 슬러리(551)의 중앙 부위(551b)의 도포량과 균일하게 할 수 있다.
한편, 도포량을 균일하게 유지하기 위해 제3, 제8 슬러리 노즐(541c, 541h)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)는 외주 부위(551a)를 가이드프레임 부재(433)의 내주벽(434)의 외측으로 불거져 나오도록 하고 있다. 이 불거져 나온 외주 부위(551a)는 회수 홈(435)을 통해 회수된다.
도27e에 있어서, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)이 제1 분무 위치(P1)로부터 화살표②와 같이 수평 이동하여 제2 분무 위치(P2)에 도달하였을 때, 제3 내지 제8 슬러리 노즐(541c 내지 541h)로부터의 분무 형상 슬러리(551)(도27f 참조)의 분무를 계속하게 한 채로 제2, 제9 슬러리 노즐(41b, 41i)로부터 분무 형상 슬러리(551)를 분무한다.
도27f는 도27e의 F-F선을 따른 단면도이다. 도27f에 있어서, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)을 계속해서 음극(412)을 따라 수평 이동함으로써, 제2, 제4, 제6, 제8 슬러리 노즐(541b, 541d, 541f, 541h)로부터 분무한 분무 형상슬러리(551)의 외주 부위(551a)로 도포한 표면에, 제3, 제5, 제7, 제9 슬러리 노즐(541c, 541e, 541g, 541i)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)를 포개서 도포한다. 이에 따라, 제2 내지 제9 슬러리 노즐(541b 내지 541i)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)의 도포량을 각각의 분무 형상 슬러리(551)의 중앙 부위(551b)의 도포량과 균일하게 할 수 있다.
한편, 도포량을 균일하게 유지하기 위해 제2, 제9 슬러리 노즐(541b, 541i)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)는 외주 부위(551a)를 가이드프레임 부재(433)의 내주벽(434)의 외측으로 불거져 나오도록 하고 있다. 이 불거져 나온 외주 부위(551a)는 회수 홈(435)을 통해 회수된다.
도27g에 있어서, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)이 제2 분무 위치(P2)로부터 화살표 ③과 같이 수평 이동하여 제3 분무 위치(P3)에 도달하였을 때, 제2 내지 제9 슬러리 노즐(541b 내지 541i)로부터의 분무 형상 슬러리(551)(도27h 참조)의 분무를 계속하게 한 채로 제1, 제10 슬러리 노즐(541a, 541j)로부터 분무 형상 슬러리(551)를 분무한다.
도27h는 도27g의 H-H선을 따른 단면도이다. 도27h에 있어서, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)을 계속해서 음극(412)을 따라 수평 이동함으로써, 제2, 제4, 제6, 제8, 제10 슬러리 노즐(541b, 541d, 541f, 541h, 541j)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)로 도포한 표면에, 제1, 제3, 제5, 제7, 제9 슬러리 노즐(541a, 541c, 541e, 541g, 541i)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(51a)를 포개서 도포한다. 이에 따라, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)의 도포량을 각각의 분무 형상 슬러리(551)의 중앙 부위(551b)의 도포량과 균일하게 할 수 있다.
한편, 도포량을 균일하게 유지하기 위해 제1, 제10 슬러리 노즐(541a, 541j)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)는 외주 부위(551a)를 가이드프레임 부재(433)의 내주벽(434)의 외측으로 불거져 나오도록 하고 있다. 이 불거져 나온 외주 부위(551a)는 회수 홈(435)을 통해 회수된다.
도27i에 있어서, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)이 제4 분무 위치(P4)에 도달하였을 때, 제1, 제10 슬러리 노즐(541a, 541j)로부터 분무 형상 슬러리(551)를 분무하는 것을 정지한다. 이에 따라, 제3 영역(547, 547)의 도포가 완료된다.
이어서, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)이 제5 분무 위치(P5)에 도달하였을 때, 추가로 제2 및 제9 슬러리 노즐(541b, 541i)로부터 분무 형상 슬러리(551)를 분무하는 것을 정지한다. 이에 따라, 제2 영역(546, 546)의 도포가 완료된다.
이어서, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)이 제6 분무 위치(P6)에 도달하였을 때, 추가로 제3 내지 제8 슬러리 노즐(541c 내지 541h)로부터 분무 형상 슬러리(551)를 분무하는 것을 정지한다. 이에 따라, 제1 영역(545)의 도포가 완료된다.
제1 영역(545)의 도포의 완료로 음극(412)에 슬러리(552)를 도포하는 공정을완료한다. 도포 공정의 완료후, 음극(412)에 도포한 슬러리(552)를 건조시킴으로써 이온 교환막(414)(도19 참조)을 성형한다.
제3 성형 방법에 의하면, 복수의 슬러리 노즐(541a 내지 541j)을 사용함으로써, 분무 형상 슬러리(551)의 도포중에 일부의 슬러리 노즐이 음극(412)의 외주(412b)에서 벗어난 경우에는, 벗어난 슬러리 노즐로부터 분무 형상 슬러리(551)를 분무하지 않도록 하였다. 이에 따라, 음극(412)의 외주(412b)에서 벗어난 영역(554)[즉, 가이드프레임 부재(433)의 코너부]에 슬러리(552)를 도포하지 않도록 할 수 있기 때문에, 도포후의 슬러리 회수의 시간을 짧게 할 수 있다.
또한, 복수의 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로부터 각각 개별적으로 분무 형상 슬러리(551)를 분무하여 음극(412)에 도포하도록 하였기 때문에, 각각의 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로부터의 슬러리 분무량을 개별적으로 조정할 수 있다. 이에 따라, 슬러리 노즐(541a 내지 541j)의 분무 정밀도를 필요 이상으로 높이지 않아도 각각의 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로부터의 슬러리 분무량을 개별적으로 조정하는 것만으로 슬러리(552)의 표면을 비교적 간단히 평탄하게 할 수 있다.
그리고, 음극(412)에 플러스 전하를 부여함과 동시에 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로부터 분무하는 슬러리에 마이너스 전하를 부여함으로써, 슬러리(552)의 도포 불균일을 방지할 수 있다. 이에 따라, 도19에 도시한 이온 교환막(414)을 균일한 두께로 성형할 수 있다.
또한 도27c 내지 도27h에서 설명한 바와 같이, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로부터 분무 형상 슬러리(551)를 분무할 때, 제2, 제4, 제6,제8, 제10 슬러리 노즐(541b, 541d, 541f, 541h, 541j)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)로 도포한 표면에, 제1, 제3, 제5, 제7, 제9 슬러리 노즐(541a, 541c, 541e, 541g, 541i)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)를 포개서 도포할 수 있다. 이에 따라, 제1 내지 제10 슬러리 노즐(541a 내지 541j)로부터 분무한 슬러리(551)를 음극(412)에 균일하게 도포할 수 있으므로, 도19에 도시한 이온 교환막(414)의 두께를 균일하게 성형할 수 있다.
추가로, 가이드프레임 부재(433)에 의해 슬러리(552)의 도포 영역(제1, 제2 및 제3 영역)(545, 546, 547)을 규제함으로써, 슬러리(552)를 원하는 형상으로 간단하게 성형할 수 있다. 따라서, 이온 교환막(414)의 둘레 가장자리(414a)를 수고를 들이지 않고 적절하게 형성할 수 있다.
도28a 및 도28b는 본 발명에 관한 연료 전지용 이온 교환막의 성형 방법의 특징을 비교예와 비교한 도면이다. 도28a는 비교예를 도시하고, 도28b는 슬러리 노즐(541a 내지 541j) 중의 일부인 슬러리 노즐(541h, 541i, 541j)을 실시예로서 도시하고 있다.
도28a에 도시한 비교예에 있어서는, 슬러리 노즐(561a 내지 561c)을 직선(563)상에 배치하고, 각각의 슬러리 노즐(561a 내지 561c)로부터 분무 형상 슬러리(562)를 분무하였을 때에 인접하는 분무 형상 슬러리(562)의 외주 부위(562a)끼리 서로 간섭하여 분무 형상 슬러리(562)의 외주 부위(562a)에 흐트러짐이 발생한다. 이에 따라, 슬러리 노즐(561a 내지 561c)을 화살표와 같이 이동해도 슬러리를 균일하게 도포할 수 없으므로, 이온 교환막의 두께를 균일하게 성형할 수 없다.
도28b에 있어서, 각각의 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)끼리 서로 간섭하지 않도록 슬러리 노즐(541h, 541i, 541j)을 지그재그 형상으로 배치한다.
각각의 슬러리 노즐(541h, 541i, 541j)이 화살표 ⑤와 같이 수평 이동하면, 우선 슬러리 노즐(541h, 541j)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)로 음극(412)의 표면을 도포한 후, 슬러리 노즐(541i)로부터 분무한 분무 형상 슬러리(551)의 외주 부위(551a)를 포개서 도포한다. 따라서, 슬러리(552) (도27j 참조)를 균일하게 도포할 수 있으므로, 도19에 도시한 이온 교환막(414)의 두께를 균일하게 성형할 수 있다.
도29는 이온 교환막의 제4 성형 방법을 실시하는 이온 교환막 성형 장치를 도시하고 있다. 이 제4 성형 방법의 설명에 있어서, 도26에서 도시한 제3 성형 방법을 실시하기 위한 성형 장치와 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여 설명한다.
이온 교환막의 성형 장치(570)는 음극(412)을 재치하기 위한 기대(431)와, 이 기대(431)에 세팅하여 음극(412)을 둘러싸는 가이드프레임 부재(573)와, 이 가이드프레임 부재(573)의 상측에 배치된 분무 장치(540)를 갖는다.
가이드프레임 부재(573)는 음극(412)의 외주(412b)를 따르도록 형성된 내주면(574)과, 이 내주면(74)을 따르도록 형성된 회수 홈(575)과, 이 회수 홈(575)에 연이어 통하도록 형성된 흡입 유로(576)를 갖는다. 도시하지 않은 흡입 수단에 의해 회수 홈(575)에 고인 슬러리는 흡입 유로(576)를 통해 회수된다. 상기 내주면(574)에는 코팅제가 도포된다.
이와 같이 회수 홈(575)에 흡입 수단을 연이어 통하게 함으로써, 회수 홈(575)에 고인 슬러리를 흡인할 수 있으므로 슬러리를 한층 더 간단하게 회수할 수 있다. 따라서, 연료 전지의 생산성을 한층 더 높일 수 있다.
그리고, 제3 및 제4 이온 교환막 성형 방법에 있어서 음극(412)에 슬러리(552)를 도포하는 예에 대해 설명하였으나, 이것으로 한정하지 않고, 양극(416)에 슬러리를(552)를 도포해도 된다.
도30은 본 발명의 제8 실시예에 관한 연료 전지용 전극을 갖는 연료 전지의 분해 사시도이다.
이 실시예의 연료 전지 유닛(600)은 복수(도시한 예에서는 2개)의 연료 전지(611, 611)로 구성된다. 연료 전지(611)는 음전극판(612)과, 이온 교환막(615)과, 이온 교환막(615)에 포개지는 양전극판(616)과, 음전극판(612)의 외측에 배치되는 음극측 유로 기판(621)과, 양전극판(616)의 외주에 배치되는 양극측 유로 기판(624)를 갖고 있다. 음전극판(312)은 음기판(613)과 음극(전극)(614)으로 구성된다. 양전극판(616)은 양기판(617)과 양극(전극)(618)으로 구성된다.
이 연료 전지(611)를 분리기(626)를 통해 복수개 구비함으로써 연료 전지 유닛(600)이 구성된다.
음기판(613)에 음극측 유로 기판(621)을 적층하여 음극측 유로 기판(621)의 유로 홈(621a)을 음기판(613)으로 덮음으로써 수소 가스 유로(622)를 형성한다. 양기판(617)에 양극측 유로 기판(624)을 적층하여 양극측 유로 기판(624)의 유로 홈(624a)을 양기판(617)으로 덮음으로써 산소 가스 유로(625)를 형성한다.
수소 가스 유로(622)에 수소 가스를 공급하여 음극(614)에 포함하는 촉매에 수소 분자(H2)를 흡착시킨다. 산소 가스 유로(625)에 산소 가스를 공급하여 양극(618)에 포함하는 촉매에 산소 분자(O2)를 흡착시킨다. 이에 따라, 전자(e-)를 화살표와 같이 흐르게 하여 전류를 발생시킨다. 전류가 발생할 때에 수소 분자(H2)와 산소 분자(O2)로부터 생성수(H2O)를 얻는다.
도31는 도30에 도시한 음전극판(612)와 이온 교환막(615)의 단면을 도시하고 있다. 음전극판(612)은 음기판(613)상에 음극(614)을 형성함으로써 형성된다. 음극(614)의 주위에서 불거져 나온 음기판(613)의 표면 부위(613a)는 이온 교환막(615)으로 덮인다.
음기판(613)은 카본으로 형성한 시트 형상의 카본 페이퍼로서, 일측 면(613b)에 음극(614)이 형성된다. 이 음극(614)에 촉매를 포함하고, 이 촉매에 수소 분자(H2)를 흡착시킨다.
도30에 도시한 양기판(617)은 음극판(613)과 마찬가지로 카본으로 형성한 시트 형상의 카본 페이퍼로서, 일측 면에 양극(618)을 구비한다. 이 양극(618)에 촉매를 포함하고, 이 촉매에 산소 분자(O2)를 흡착시킨다.
이온 교환막(615)은 음극(614) 및 음기판(13) 중 음극(614)의 주위로부터 돌출한 표면 부위(613a)에 수지 용액(예컨대, HC계 폴리머 용액)을 도포한 후, 수지 용액을 건조시켜 얻어진다.
이어서, 도31에 도시한 이온 교환막의 성형 방법에 대해 도32a 내지 도32g에 기초하여 설명한다.
도32a에 있어서, 음기판(기판)(613)에 음극(전극)(614)을 도포한 음전극판(전극판)(612)을 준비하고, 이 음전극판(612)을 재치대(631)에 재치한다.
도32b에 있어서, 음전극판(612)의 외주(612a)를 따라 외측 규제벽 부재(632)를 배치함으로써, 이 외측 규제벽 부재(632)에 의해 음전극판(612)을 둘러싼다. 이 외측 규제벽 부재(632)는 이분할한 좌우의 외측 규제벽 부재(633, 634)로 구성된다. 이분할한 외측 규제벽 부재(633, 634)에 의해 음전극판(612)을 둘러싼 후, 이분할한 외측 규제벽 부재(633, 634)의 내벽(633a, 634a)에 코팅제(635, 635)를 도포한다.
계속해서, 음전극판(612)의 상측[예컨대, 음기판(613)의 일단(13c)의 상측]에 분무 장치(638)를 배치한다. 그 후, 음전극판(612)에 플러스 전하를 부여하도록 플러스 전하 부여 수단(641)을 조정하고, 분무 장치(638)의 노즐(639)로부터 분무하는 수지 용액에 마이너스 전하를 부여하도록 마이너스 전하 부여 수단(642)을 조정한다.
도32c에 있어서, 분무 장치(638)의 노즐(639)로부터 기체를 포함한 수지 용액을 분무한다. 이 분무 형상의 수지 용액(645)은 마이너스 전하 부여 수단(642)에 의해 마이너스 전하가 부여된다. 이 상태에서 분무 장치(638)를 음전극판(612)의 표면상을 따라 화살표①과 같이 이동함으로써, 음기판(613)의 일단(613c)에서 음극(614)의 일단(614a)까지 사이의 음기판(613)의 표면 부위(613a)에 수지용액(646)을 도포한다.
수지 용액(646)을 도포할 때, 분무 형상 수지 용액(645)에 마이너스 전하를 부여함과 동시에 음전극판(612)에 플러스 전하를 부여함으로써, 분무 형상 수지 용액(645)을 적절하게 불균일 없이 음기판(613)의 표면 부위(613a)에 수지 용액(646)을 도포할 수 있다.
도32d에 있어서, 분무 장치(638)를 화살표 ①과 같이 계속해서 이동한다. 이 때, 분무 형상 수지 용액(645)의 분무압이 음극(614)의 일단(614a)의 둘레 가장자리에 발생하지만, 분무 형상 수지 용액(645)에는 기체를 포함시키고 있기 때문에, 분무 형상 수지 용액(645)의 분무압을 억제할 수 있다. 이에 따라, 음극(614)의 일단(614a)의 둘레 가장자리에 수지 용액(646)을 도포할 때, 음극(614)의 일단(614a)의 둘레 가장자리에 발생하는 분무압, 즉 전단력을 작게 억제할 수 있다. 따라서, 음극(614)의 표면층(614b)이 종래 기술과 같이 수평하게 어긋나는 것을 방지할 수 있다.
도32e에 있어서, 분무 장치(638)를 화살표 ①과 같이 계속해서 이동한다. 이 때, 분무 형상 수지 용액(645)의 분무압이 음극(614)의 표면층(614b)에 작용하지만, 이 분무압은 음극(614)의 표면층(614b)에 대해 연직으로 작용하기 때문에, 음극(614)의 표면층(614b)이 종래처럼 수평하게 어긋나는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 분무 장치(638)가 음극(614)의 타단(614c)까지 도달하면, 분무 형상 수지 용액(645)의 분무압이 음극(614)의 타단(614c)의 둘레 가장자리에 작용하지만, 분무 형상 수지 용액(645)에는 기체를 포함시키고 있기 때문에, 분무 형상 수지 용액(645)의 분무압을 억제할 수 있다. 이에 따라, 음극(614)의 타단(614c)의 둘레 가장자리에 수지 용액(646)을 도포할 때, 음극(614)의 타단(614c)의 둘레 가장자리에 작용하는 분무압, 즉 전단력을 작게 억제할 수 있다. 따라서, 음극(614)의 표면층(614b)이 종래처럼 수평하게 어긋나는 것을 방지할 수 있다.
도32f에 있어서, 분무 장치(638)가 음극(614)의 타단(614c)으로부터 기판(613)의 타단(613d)까지 이동함으로써, 음극(614)의 타단(614c)에서 기판(613)의 타단(613d)까지 사이의 기판의 표면 부위(613a)에 수지 용액(646)을 도포한다. 이에 따라, 도포 공정은 완료된다.
외측 규제벽 부재(632)에 의해 음전극판(612)을 둘러쌈으로써, 수지 용액(646)을 도포할 때에 이 수지 용액(646)을 외측 규제벽 부재(632)를 따라 성형할 수 있다. 따라서, 수지 용액(646)의 외주 가장자리, 즉 도31에 도시한 이온 교환막(615)의 외주 가장자리(615a)를 적절하게 형성할 수 있다.
음전극판(612)에 플러스 전하를 부여함과 동시에 분무 장치(638)로부터 분무하는 분무 형상 수지 용액(645)에 마이너스 전하를 부여함으로써, 수지 용액(646)의 도포 불균일을 방지할 수 있어 수지 용액(646)을 균일한 두께로 도포할 수 있다.
또한, 분무 장치(638)를 도32d에 도시한 바와 같이 화살표① 방향으로 이동하는 것만으로 수지 용액(646)의 두께를 균일하게 도포하기가 어려운 경우에는, 수지 용액(646)의 두께가 얇은 부위를 분무 장치(638)에 의해 다시 도포함으로써, 수지 용액(646)의 두께를 균일하게 도포할 수 있다.
그리고 그 외의 방법으로서, 분무 장치(638)로부터의 분무 형상 수지 용액(645)의 토출량을 조정함으로써 수지 용액(646)의 두께를 균일하게 도포한다. 예컨대, 분무 형상 수지 용액(645)을 도포할 때, 수지 용액(646)의 두께가 얇아지는 부위가 존재할 경우에는, 그 부위에서 분무 형상 수지 용액(645)을 다량으로 토출함으로써 수지 용액(646)의 두께를 균일하게 도포한다.
도포 공정의 완료후에는 분무 장치(638)를 수지 용액(646)의 상측에서 퇴피시킨다. 이어서, 외측 규제벽 부재(632)[좌우의 외측 규제벽 부재(633, 634)]를 냉각시킴으로써, 수지 용액(646)의 외주부(646a)가 냉각될 정도로 응고시킨다. 이 상태에서 도32g에 도시한 바와 같이 좌우의 외측 규제벽 부재(633, 634)를 화살표 ②와 같이 재치대(631)에서 제거한다.
좌우의 외측 규제벽 부재(633, 634)의 내벽(633a, 634a)에는 각각 코팅제(635, 635)가 도포되어 있기 때문에, 수지 용액(646)과의 이형성을 적절하게 유지할 수 있다.
추가로, 수지 용액(646)의 외주부(646a)가 냉각될 정도로 응고시킴으로써, 외측 규제벽 부재(632; 좌우의 외측 규제벽 부재(633, 634)를 분리하였을 때에 수지 용액(646)의 외주부(646a)의 변형을 방지할 수 있다.
그리고, 제5 이온 교환막의 성형 방법에서는, 분무 장치(638)를 음전극판(612)의 일단에서 타단을 향해 이동하는 예에 대해 설명하였으나, 이것으로 한정하지 않고, 분무 장치(638)를 이 분무 장치(638)의 중앙[즉, 음극(614)의 중앙]에서 단부를 향해 이동하는 등의 그 외의 이동 방법으로 도포할 수도 있다.
상기 성형 방법에서는 음전극판(612)에 수지 용액(646)을 도포하는 예에 대해 설명하였으나, 이것으로 한정하지 않고, 양전극판(616)에 수지 용액(646)을 도포해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 연료 전지용 전극의 제조 방법에 있어서, 이온 교환막을 용액으로 하고, 양전극층용 용액, 이온 교환막용 용액 및 음전극층용 용액을 각각 미건조 상태에서 도포하도록 하였기 때문에, 용액이 먼저 도포한 도막에 스며들어 각 층의 경계에 밀착 불량 부분이 발생하지 않는다. 또한, 이온 교환막은 용액을 사용해서 도포하기 때문에, 얇게 할 수 있게 되어 전극 구조를 최대한 소형화할 수 있으므로 각종 산업에 사용되는 연료 전지의 제조에 유용하다.

Claims (32)

  1. 연료 전지를 구성하는 양/음극 중 어느 일측의 전극용 용액을 시트상에 도포하여 일측 전극층을 형성하는 단계와,
    상기 일측 전극층이 건조되기 전에, 그 일측 전극층상에 이온 교환막용 용액을 도포하여 이온 교환막을 형성하는 단계와,
    상기 이온 교환막이 건조되기 전에, 그 이온 교환막상에 타측 전극용 용액을 도포하여 타측 전극층을 형성하는 단계와,
    이들 일측 전극층, 타측 전극층 및 이온 교환막을 건조함으로써 고화하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 건조는 하중을 가하지 않고 행하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 양/음극의 전극층 중, 음극층을 상기 이온 교환막의 하측에 형성하고, 양극층을 이온 교환막의 상측에 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양극용 용액은 분무 상태로 도포되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 건조는 원적외선에 의해 상기 전극의 내부로부터 가열함으로써 행하고, 이에 따라 상기 이온 교환막용 용액의 전극으로의 과도한 침투를 방지하도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 양/음전극층용 용액은 상기 이온 교환막용 용액에 사용하는 용매보다 기화 온도가 높은 용매를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 어느 일측의 전극층을, 상기 이온 교환막으로부터 떨어진 면측의 제1층과, 이온 교환막에 접촉하는 면측의 제2층의 2층으로 나누고, 제2층의 기공율이 제1층의 기공율보다 작아지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2층의 기공율은 70 내지 75%인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1층의 기공율은 76 내지 85%인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제2층의 기공율을 제1층의 기공율보다 작게 하기 위해, 상기 제2층용 용액을 상기 제1층용 용액보다 높은 분무 에너지로 도포하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 제2층의 기공율을 제1층의 기공율보다 작게 하기 위해, 상기 제2층용 용액 중에 함유하는 전극의 입경을 상기 제1층용 용액 중에 함유하는 전극의 입경보다 작게 함으로써, 제2층용 용액의 농도를 제1층용 용액의 농도보다 높게 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 일측 전극층을 형성하는 단계 전에, 일측 전극측 확산층을 형성하는 단계를 포함하고, 이 일측 전극측 확산층이 건조되지 않은 상태에서 상기 일측 전극층이 적층되어 형성되고, 추가로 타측 전극층을 형성한 후에 타측 전극측 확산층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 타측 전극층이 미건조인 상태에서 상기 타측 전극측 확산층이 적층되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 일측 전극측 확산층은 양극측 카본 페이퍼와 양극측 바인더층으로 구성되고, 상기 타측 전극측 확산층은 음극측 카본 페이퍼와 음극측 바인더층으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 양극측 바인더층용 용액은 용매로서 물을 포함함과 동시에 발수성을 가지면서 또한 융점이 150℃ 이하인 저융점 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 저융점 수지는 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 양극측 확산층, 양극층, 이온 교환막, 음극층 및 음극측 확산층을 적층할 때에, 음극측 확산층 및 양극측 확산층 중 일측의 카본 페이퍼상에 일측 바인더층을 형성하고, 일측 바인더층상에 양ㆍ음극층의 일측을 형성하고, 이 일측 극층상에 이온 교환막을 형성하고, 이 이온 교환막상에 타측 극층을 형성하고, 이 타측 극층에 타측 바인더층을 형성하고, 이 타측 바인더층상에 타측 카본 페이퍼를 배치하고,
    상기 타측 바인더층용 용액에 접착성이 우수한 접착성 수지를 포함시킨 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 접착성 수지는 이온 교환 수지인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 양극측 바인더층용 용액은 유기계 용매를 포함함과 동시에 상기 유기계 용매에 용융 가능하며 또한 발수성을 갖는 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 유기계 용매에 용융 가능하며 또한 발수성을 갖는 수지는 불화비닐리덴·테트라플루오로틸렌·헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리불화비닐리덴, 플루오로올레핀·탄화수소계 올레핀 공중합체, 플루오로아크릴레이트 공중합체, 플루오로에폭시 화합물에서 선택된 수지인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  20. 제12항에 있어서, 상기 일측 확산층을 형성한 후, 상기 일측 확산층이 건조되기 전에 그 일측 확산층의 상면을 가압함으로써, 일측 확산층의 상면을 평탄하게 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 일측 확산층은 바인더를 스프레이에 의해 시트에 도포하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극의 제조 방법.
  22. 연료 전지를 구성하는 양ㆍ음극 중 어느 일측의 전극에 슬러리를 형성하여 연료 전지용 이온 교환막을 성형하는 방법이며,
    상기 어느 일측의 전극을 기대에 재치함과 동시에, 이 일측 전극에 플러스전하를 부여시키는 단계와,
    상기 이온 교환막용 슬러리에 마이너스 전하를 부여시킨 상태에서 슬러리 노즐을 통해 슬러리를 분무시킴과 동시에, 이 슬러리 노즐을 상기 일측 전극을 따라 이동시키고, 분무한 슬러리를 전극에 도포하는 단계와,
    상기 도포한 슬러리를 건조시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 이온 교환막의 성형 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 일측 전극이 다각형일 때, 상기 일측 전극의 폭이 좁은 부위에서 상기 슬러리 노즐을 그 전극에 접근시키고, 상기 전극의 폭이 넓은 부위에서 슬러리 노즐을 그 전극으로부터 멀어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 이온 교환막의 성형 방법.
  24. 연료 전지를 구성하는 다각형상의 양ㆍ음극 중 어느 일측의 전극에 슬러리를 형성하여 연료 전지용 이온 교환막을 성형하는 방법이며,
    상기 일측 전극을 기대에 재치하는 단계와,
    상기 이온 교환막용 슬러리를 분무하는 복수의 슬러리 노즐을 지그재그 형상으로 배치하는 단계와,
    상기 복수의 슬러리 노즐을 상기 일측 전극의 표면상을 수평 이동시키면서 상기 분무한 슬러리를 일측 전극 표면에 도포하는 단계와,
    도포된 슬러리를 건조시키는 단계를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지용이온 교환막의 성형 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 복수의 슬러리를 전극 표면을 따라 이동할 때, 인접하는 슬러리 노즐로부터 분무한 슬러리의 외주 부분끼리 서로 겹치는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 이온 교환막의 성형 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 일측 전극을 기대에 재치한 후, 상기 일측 전극의 외주를 따라 가이드프레임 부재를 배치하는 단계를 포함하고, 상기 가이드프레임 부재로 상기 슬러리의 도포 영역을 규제하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 이온 교환막의 성형 방법.
  27. 제24항에 있어서, 복수의 슬러리 노즐을 지그재그 형상으로 배치한 후, 일측 전극에 플러스 전하를 부여시키는 단계와, 이온 교환막용 슬러리에 마이너스 전하를 부여시키는 단계를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 이온 교환막의 성형 방법.
  28. 연료 전지를 구성하는 양ㆍ음극 중 어느 일측의 전극에 슬러리를 형성하여 연료 전지용 이온 교환막을 성형하는 방법이며,
    상기 어느 일측의 전극을 재치대에 재치하는 단계와,
    상기 일측 전극의 외주를 따라 외측 규제벽 부재를 배치함으로써, 이 외측규제벽 부재에 의해 상기 일측 전극을 둘러싸는 단계와,
    상기 일측 전극의 상측에 배치되는 분무 장치로부터 기체를 포함하는 수지 용액을 분무함과 동시에, 상기 분무 장치를 상기 일측 전극의 표면을 따라 이동함으로써 일측 전극에 수지 용액을 도포하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 이온 교환막의 성형 방법.
  29. 연료 전지를 구성하는 양ㆍ음 중 어느 일측의 전극용 용액을 시트상에 도포하여 형성되는 일측 전극층과,
    상기 일측 전극층이 건조되기 전에, 그 일측 전극층상에 이온 교환막용 용액을 도포하여 형성되는 이온 교환막과,
    상기 이온 교환막이 건조되기 전에, 그 이온 교환막상에 타측 전극용 용액을 도포하여 형성되는 타측 전극층으로 이루어지고, 상기 일측 전극층은,
    상기 이온 교환막에서 떨어진 면측의 제1층과,
    상기 이온 교환막에 접촉하는 면측의 제2층으로 구성되고, 제2층의 기공율이 제1층의 기공율보다 작아지도록 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극.
  30. 제29항에 있어서, 상기 제2층의 기공율은 70 내지 75%인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극.
  31. 제29항에 있어서, 상기 제1층의 기공율은 76 내지 85%인 것을 특징으로 하는연료 전지용 전극.
  32. 제29항에 있어서, 상기 제2층의 기공율을 제1층의 기공율보다 작게 하기 위해, 제2층용 용액중에 함유하는 전극의 입경을 제1층용 용액중에 함유하는 전극의 입경보다 작게 한 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극.
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