KR20080100804A - 연료전지용 막전극 접합체, 고분자 전해질형 연료전지용셀, 고분자 전해질형 연료전지 및 막전극 접합체의제조방법 - Google Patents

연료전지용 막전극 접합체, 고분자 전해질형 연료전지용셀, 고분자 전해질형 연료전지 및 막전극 접합체의제조방법 Download PDF

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Abstract

고분자 전해질막의 노출을 방지할 수 있는 연료전지용 막전극 접합체를 제공한다. 고분자 전해질막(5A), 및 상기 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부로부터 내측의 양 표면에 촉매층(5B)과, 상기 촉매층으로부터 둘레 가장자리가 돌출된 확산층(5C)이 적층된 한 쌍의 전극층(5D)을 구비하고, 상기 확산층(5C)의 돌출 부분과 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부의 사이에 간극(5F)이 형성되어 있는 막전극 접합체 본체부(5)와, 상기 고분자 전해질막(5A)의 둘레 가장자리부를 한 쌍의 전극층(5D)에 대하여 소정의 간격(40)으로 사이에 두고, 또한, 상기 고분자 전해질막(5A)의 바깥쪽 가장자리를 둘러싸도록 형성된 프레임(6)과, 상기 프레임의 양면 각각에 있어서 열가소성 수지로 이루어지는 개스킷(7)을 구비한다. 상기 개스킷(7)은, 상기 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 상기 막전극 접합체 본체부의 둘레 가장자리부를 전체 둘레에 걸쳐 피복하는 환상부(7A)와, 상기 간극(5F) 내를 충전하는 간극 충전부(7B)를 구비한다.
연료전지, 막전극 접합체, 고분자 전해질막

Description

연료전지용 막전극 접합체, 고분자 전해질형 연료전지용 셀, 고분자 전해질형 연료전지 및 막전극 접합체의 제조방법{FUEL BATTERY MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY, POLYMER ELECTROLYTE FUEL BATTERY CELL, POLYMER ELECTROLYTE FUEL BATTERY, AND MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY MANUFACTURING METHOD}
본 발명은, 연료전지에 이용되는 막전극 접합체, 막전극 접합체의 제조방법 및 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것이다. 특히, 막전극 접합체 본체부의 둘레 가장자리부(周緣部)에 개스킷(gasket)이 접합된 막전극 접합체, 고분자 전해질형 연료전지용 셀, 고분자 전해질형 연료전지 및 막전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다.
고분자 전해질형 연료전지(이하, PEFC라고 한다)는, 수소를 함유하는 연료 가스와 공기 등 산소를 함유하는 산화제 가스를 전기 화학적으로 반응시킴으로써, 전력과 열을 동시에 발생시키는 장치이다.
PEFC는, 일반적으로는, 셀을 적층시켜 구성되어 있다. 한 개의 셀은, 막전극 접합체를 한 쌍의 판상의 도전성의 세퍼레이터, 구체적으로는, 애노드 세퍼레이터(anode separator)와 캐소드 세퍼레이터(cathode separator)로 사이에 끼워 구성되어 있다. 막전극 접합체는, 막전극 접합체 본체부와, 이 막전극 접합체 본체부의 둘레 가장자리부에 연장되어 있어 막전극 접합체 본체부를 포위하여 설치된 프레임(frame)을 구비하고 있다. 막전극 접합체 본체부는, 고분자 전해질막과 이 양면에 형성된 한 쌍의 전극층에 의해 구성되어 있다. 그리고 전극층의 양면에, 각각 연료 가스와 산화제 가스가 접촉하여, 전기 화학 반응이 발생한다. 한편, 프레임은, 개스킷을 구비하고 있고, 이 개스킷과 세퍼레이터의 사이가 밀봉되어, 연료 가스 및 산화제 가스의 외부로의 누출이 차단 혹은 억제되고 있다.
이러한 구성을 갖는 연료전지 셀로서는, 예를 들면, 일본 공개특허공보 2001-155745호나 일본 특허공보 제3368907호에 개시되어 있다. 일본 공개특허공보 2001-155745호에 개시되어 있는 연료전지 셀은, 막전극 접합체 본체부의 단면(端面)을 피복하여 상기 단면을 밀봉하도록 성형된 개스킷에 대해서 개시되어 있다. 그러나, 상기 개스킷으로는, 전극층의 둘레 가장자리부에 과부족 없이 균일하게 밀착하는 밀봉재를 설치하는 데 수고를 필요로 해서, 대량 생산에는 적합하지 않다. 또한, 개스킷이 막전극 접합체 본체부의 전극층의 단면을 피복하고 있기 때문에, 상기 개스킷으로 피복된 단면의 부분은 발전(發電)에 기여하지 않아, 효율을 저하시키는 문제가 생긴다.
이 때문에, 막전극 접합체 본체부의 전극의 단부(端部)를 피복하지 않도록 개스킷을 설치함으로써, 상기 개스킷에 의해 전극층의 전면(全面)을 발전에 이용할 수 있다. 일본 특허공보 제3368907호의 도 3에 개시되어 있는 막전극 접합체는, 전극층과 개스킷(가스 밀봉재)의 사이에 간극을 형성한 막전극 접합체에 대해서 개시한다.
(발명이 해결하려고 하는 과제)
그러나, 일본 특허공보 제3368907호의 도 3에 개시되어 있는 막전극 접합체에서는, 막전극 접합체 본체부를 구성하는 고분자 전해질막이 상기 간극으로부터 표면에 노출된다. 고분자 전해질막이 표면에 노출되면 연료 가스와 산화제 가스의 압력차에 의해 전해질막이 찢어져서 가스의 밀봉 기능을 잃게 되는 것이 개시되어 있다. 이 때문에 일본 특허공보 제3368907호에서는, 상기 고분자 전해질막이 노출되는 부분에 시트상의 보호층을 형성하고 있다.
그러나, 상기 보호층은, 고분자 전해질막의 표면의 전극층 둘레 가장자리까지 간극 없이 형성하는 것은 제조상 곤란해서, 전극층의 아래쪽에 일부를 삽입하도록 해서 형성되고 있다(일본 특허공보 제3368907호의 도 2 참조). 이렇게 보호층을 형성함으로써, 고분자 전해질막의 강도는 향상되지만, 상기 고분자 전해질막과 전극층이 직접 접촉하지 않는 부분에 있어서는, 발전에 기여할 수 없고, 결과적으로 발전 효율의 향상으로는 이어지지 않는다.
이와 같은 문제를 해소하기 위해 출원인은, 앞서 한 출원(2005-105742호, 미공개)에 있어서, 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 실질적으로 고리 모양으로 형성된 환상부(環狀部) 및 상기 환상부로부터 프레임의 안쪽 가장자리부 및 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부의 위를 통해서 전극층의 측면에 접합하도록 연신되어 형성된 연신부(延伸部)를 갖는 개스킷의 구조에 대해서 개시했다. 이 구성에 의해, 상기 출원의 도 6(d)에 나타낸 바와 같이, 고분자 전해질막이 표면에 노출되는 일 없이, 상기 문제가 해소된다.
그러나, 전극층은, 통상 1층 구조로 구성되어 있지 않고, 고분자 전해질막의 위에 촉매층, C층, 가스 확산층이 적층된 다층 구조이다. 그리고, 촉매층의 유효 이용을 도모하기 위해서, 통상 가스 확산층은 촉매층보다도 크게 구성되어 있어, 촉매층의 둘레 가장자리로부터 돌출되도록 배치된다. 그리고, 상기 가스 확산층의 돌출 부분에 의해, 전극층의 측면은 동일 평면으로 구성되어 있지 않고, 실제는 이 부분이 개스킷에 의해 피복되는 일 없이, 고분자 전해질막이 노출된 상태가 된다. 상기 확산층의 돌출 부분의 아래쪽에 위치하는 간극은, 확산층을 통과한 연료 가스와 산화제 가스가 깊이 들어가서, 상기 간극을 통과하여 연료 가스와 산화제 가스가 누출되는 원인도 되고 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제는, 상기 문제를 해소하기 위해, 고분자 전해질막의 노출을 방지할 수 있는 연료전지용 막전극 접합체, 고분자 전해질형 연료전지용 셀, 고분자 전해질형 연료전지 및 막전극 접합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해서, 아래와 같이 구성되어 있다.
본 발명의 제1형태에 의하면, 고분자 전해질막과 이 고분자 전해질막의 양 표면의 둘레 가장자리부로부터 내측의 중앙 영역에, 각각 촉매층과 이 촉매층보다도 면적이 크고 상기 촉매층으로부터 둘레 가장자리가 돌출된 확산층이 적층된 한 쌍의 전극층을 구비하고, 상기 확산층의 돌출 부분과 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부의 사이에 간극이 형성된 막전극 접합체 본체부와,
상기 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부를 상기 한 쌍의 전극층에 대하여 소정의 간격으로 사이에 두고, 또한, 상기 고분자 전해질막의 바깥쪽 가장자리를 둘러싸도록 형성된 판상의 열가소성 수지제의 프레임과,
상기 프레임의 양면 각각에 설치된 열가소성 수지제의 개스킷을 구비하고,
상기 개스킷은, 상기 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 설치되고, 상기 프레임의 안쪽 가장자리로부터 상기 간격을 피복하는 환상부와, 상기 환상부에 설치되어 상기 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 연장되어 있는 리브(rib)와, 상기 확산층의 돌출 부분과 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부의 사이의 간극 내를 충전하는 간극 충전부를 포함하는 연료전지용 막전극 접합체를 제공한다.
본 발명의 제2형태에 의하면, 제1형태에 있어서, 상기 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 연장되어 있는 리브가 설치되어 있는 위치는, 상기 프레임에 끼워지는 상기 고분자 전해질막의 바깥쪽 둘레 끝(外周端)보다도 내측이 되도록 구성되어 있는 연료전지용 막전극 접합체를 제공한다.
본 발명의 제3형태에 의하면, 제1형태에 있어서, 상기 확산층은, 상기 돌출 부분의 돌출 폭이, 상기 확산층의 두께 폭보다 짧은 연료전지용 막전극 접합체를 제공한다.
본 발명의 제4형태에 의하면, 제1형태에 있어서, 상기 확산층은, 상기 돌출 부분의 단면이 상기 촉매층 쪽이 짧아지는 방향으로 테이퍼(taper) 모양으로 구성되어 있는 연료전지용 막전극 접합체를 제공한다.
본 발명의 제5형태에 의하면, 제1형태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 양 표면에 각각 형성된 전극층은, 그 위치가 표리면(表裏面)에서 각각 어긋나게 배치되어 있어, 상기 간격의 위치가 표리 방향에서 다른 연료전지용 막전극 접합체를 제공한다.
본 발명의 제6형태에 의하면, 제1형태에 있어서, 상기 프레임은, 연료 가스, 산화제 가스를 각각 막전극 접합체 본체부에 공급하기 위한, 매니폴드 구멍 쌍을 구비하고 있고, 상기 개스킷의 환상부는, 상기 매니폴드 구멍의 주위에 형성되어 있는 연료전지용 막전극 접합체를 제공한다.
본 발명의 제7형태에 의하면, 제1형태의 막전극 접합체와, 이 막전극 접합체를 사이에 두도록 설치된 애노드 세퍼레이터 및 캐소드 세퍼레이터를 포함하고,
상기 애노드 세퍼레이터 및 캐소드 세퍼레이터는, 상기 막전극 접합체 본체부의 주위에 형성된 환상부에 맞닿는 환상부 당접(當接) 부분이, 상기 환상부의 외곽형상과 같은 형상으로 형성되어, 상기 환상부와 상기 환상부 당접 부분의 사이에 간극이 생기지 않도록 구성되어 있는 고분자 전해질형 연료전지용 셀을 제공한다.
본 발명의 제8형태에 의하면, 제7형태의 고분자 전해질형 연료전지용 셀을 2개 이상 적층하여 구성되어 있는 고분자 전해질형 연료전지를 제공한다.
본 발명의 제9형태에 의하면, 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부로부터 내측의 양 표면에 촉매층을 형성하고, 이 촉매층의 표면에 이 촉매층보다도 큰 면적을 갖고 상기 촉매층으로부터 둘레 가장자리가 돌출되어 형성된 확산층을 적층 상태로 배치하여, 상기 확산층의 돌출 부분과 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부의 사이에 간극이 형성되어 있는 막전극 접합체 본체부를 제작하고,
제1금형과 제2금형의 사이에 열가소성 수지를 흘려 넣어, 프레임 안쪽 가장자리에 평탄부가 형성된 프레임 모양의 성형 부재를 성형하고,
상기 막전극 접합체 본체부의 둘레 가장자리부가 상기 평탄부에 위치하도록 상기 막전극 접합체 본체부가 상기 성형 부재의 프레임 내에 배치되고, 상기 성형 부재가 감합(嵌合)된 상태의 제1금형에 제3금형을 접합하여, 상기 제1금형과 상기 제3금형의 사이에 열가소성 수지를 흘려 넣어, 상기 막전극 접합체 본체부가 접합된 상태의 프레임을 성형하고,
상기 막전극 접합체 본체부가 접합된 프레임을 사이에 끼우면서, 제4금형 및 제5금형을 접합하여, 상기 제4금형과 제5금형의 사이에 용융 수지를 흘려 넣고, 상기 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 형성되어, 상기 프레임의 안쪽 가장자리로부터 상기 확산층의 바깥쪽 가장자리까지를 피복하는 환상부와, 상기 환상부에 설치되어 상기 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 연장되어 있는 리브와, 상기 확산층의 돌출 부분과 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부의 사이의 간극 내를 충전하는 간극 충전부를 포함하는 개스킷을 성형하는 막전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 형성되어, 프레임의 안쪽 가장자리로부터 확산층의 바깥쪽 가장자리까지를 피복하는 환상부가 존재하기 때문에, 프레임과 확산층의 사이에 간극이 형성되는 일이 없다. 또한, 환상부는, 프레임의 안쪽 가장자리로부터 확산층의 바깥쪽 가장자리까지 형성되어 있어서, 확산층을 피복하지 않기 때문에, 연료 가스 및 산화제 가스에 접촉 가능한 확산층의 표면 면적을 좁히지 않고, 발전 효율을 높게 유지할 수 있다.
게다가, 확산층과 고분자 전해질막의 사이의 간극을 충전하는 간극 충전부가 형성되어 있기 때문에, 프레임측으로부터 보내지는 연료 가스 및 산화제 가스가 확산층을 통과하여 확산층의 돌출 부분으로부터 고분자 전해질막의 사이의 간극으로 흘러들어가는 일이 없고, 촉매층에 접촉하는 일 없이 숏컷(shortcut)하는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 연료 이용률을 향상시킬 수 있어서, 안정된 발전을 실행할 수 있다. 또한, 환상부의 맨 윗면에 리브를 설치함으로써, 막전극 접합체와 세퍼레이터의 사이의 밀폐성을 높일 수 있다.
또한, 환상부의 맨 윗면에 설치된 리브에 의해, 세퍼레이터와 각 전극 접합체의 사이의 밀폐성을 높일 수 있다. 또한, 리브가 설치되어 있는 위치가, 고분자 전해질막의 둘레 끝(周端)보다도 내측에 설치됨으로써, 세퍼레이터와의 조합시에 리브에 가해지는 압력에 의해 프레임이 고분자 전해질막을 압압(押壓)하여, 고분자 전해질막과 프레임간의 간극으로부터 연료 가스 또는 산화제 가스가 반대 측면으로 숏컷하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 이들과 다른 목적과 특징은, 첨부된 도면에 대한 바람직한 실시형태에 관련된 다음 기술(記述)로부터 명백해진다. 이 도면에 있어서는,
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 고분자 전해질형 연료전지의 모식적인 구 조를 나타내는 일부 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선단면에 있어서의 셀의 적층 단면(斷面)을 나타내는 일부 분해 단면도이다.
도 3은 도 1의 막전극 접합체의 애노드 세퍼레이터측의 표면 구조를 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 1의 막전극 접합체의 캐소드 세퍼레이터측의 표면 구조를 나타내는 평면도이다.
도 5A는 막전극 접합체의 개스킷과 전극층의 경계부분에 있어서의 단면 사시도이다.
도 5B는 막전극 접합체 본체부의 전극층의 구성을 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 5C는 변형예에 따른 막전극 접합체 본체부의 전극층의 구성을 나타내는 부분 확대 단면도이다.
도 6은, 도 3 및 도 4의 VI-VI 선단면에 있어서, 막전극 접합체의 각 제조 공정을 개략적으로 나타내는 제조 공정도이다.
도 7A는 변형예에 따른 막전극 접합체의 부분 단면 확대도이다.
도 7B는 다른 변형예에 따른 막전극 접합체의 부분 단면 확대도이다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
본 발명의 기술을 계속하기 전에, 첨부 도면에 있어서 같은 부품에 대해서는 같은 참조부호를 첨부하고 있다. 이하, 도면을 참조해서 본 발명에 있어서의 제1실시형태를 상세히 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제1실시형태의 고분자 전해질형 연료전지의 구조를, 일부를 분해해서 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이 고분자 전해질형 연료전지(PEFC)(100)는, 셀(10)을 적층시켜서 구성되어 있다. 또한, 도시하지 않았지만, 셀(10)의 양단의 최외층에는, 집전판, 절연판, 엔드 플레이트(end plate)가 부착되고, 셀(10)은 양단으로부터, 볼트 구멍(4)을 체결하는 체결볼트와 너트(도시하지 않음)로 체결되어 구성되어 있다. 본 실시형태에서는, 셀(10)은 60개 적층되고, 볼트 구멍(4)에 체결되는 볼트와 너트는 체결력 10kN으로 체결되어 있다.
셀(10)은, 막전극 접합체(1)의 양면 둘레 가장자리부의 프레임(6), 더 정확히는, 개스킷(7)을 한 쌍의 도전성 세퍼레이터, 구체적으로는 애노드 세퍼레이터(2) 및 캐소드 세퍼레이터(3)로 끼워서 구성되어 있다. 이것에 의해, 막전극 접합체 본체부(5)의 전극층의 가장 외측에 형성된 확산층(5C)(도 2 참조)이 세퍼레이터(2, 3)의 표면과 맞닿아, 애노드 세퍼레이터(2)의 연료 가스 유로구(21)의 확산층 당접부(21A) 및 캐소드 세퍼레이터(3)의 산화제 가스 유로구(31)의 확산층 당접부(31A)와 확산층(5C)에서, 연료 가스 유로구 및 산화제 가스 유로구가 획정된다. 이것에 의해, 확산층 당접부(21A)를 유통(流通)하는 연료 가스는 애노드 세퍼레이터(2)측의 확산층(5C)에 접촉하여 PEFC(100)의 전기 화학반응을 일으킨다. 또한, 적층된 셀(10)에 있어서는, 인접한 막전극 접합체 본체부(5)가 서로 전기적으로 직 렬, 또는 병렬로 접속된다.
세퍼레이터(2, 3) 및 막전극 접합체(1)의 둘레 가장자리부, 즉, 프레임(6)에 연료 가스 및 산화제 가스가 유통되는 각각 한 쌍의 관통 구멍, 즉, 연료 가스 매니폴드 구멍(12, 22, 32) 및, 산화제 가스 매니폴드 구멍(13, 23, 33)이 형성되어 있다. 셀(10)이 적층된 상태에서는, 이들 관통 구멍이 적층되어, 연료 가스 매니폴드 및 산화제 가스 매니폴드를 형성한다.
그리고, 애노드 세퍼레이터의 내측의 주면(主面)에는, 한 쌍의 연료 가스 매니폴드 구멍(22, 22) 사이를 연결하도록 해서 연료 가스 유로구(21)가 형성되어 있다. 캐소드 세퍼레이터(3)의 내측의 주면에는, 한 쌍의 산화제 가스 매니폴드 구멍(33, 33) 사이를 연결하도록 해서 산화제 가스 유로구(31)가 형성되어 있다. 즉, 산화제 가스 및 연료 가스가, 각각 한쪽의 매니폴드, 즉 공급측의 매니폴드로부터, 유로구(流路溝)(21, 31)로 분기(分岐)되어, 각각의 다른 쪽의 매니폴드, 즉, 배출측의 매니폴드로 유통되도록 구성된다.
그리고, 연료 가스 유로구(21)는, 셀(10)의 조립 상태에 있어서, 확산층(5C)과 맞닿는 표면에 형성되어 있는 확산층 당접부(21A), 및 확산층(5C)에 맞닿는 표면과 확산층(5C)의 주위에 대향하는 표면의 사이에 걸쳐 형성되어 있는 한 쌍의 연락부(연락용 유로구)(21B)를 포함하여 구성된다. 마찬가지로 해서, 산화제 가스 유로구(31)는, 셀(10)의 조립 상태에 있어서 확산층(5C)과 맞닿는 표면에 형성되어 있는 확산층 당접부(31A), 및 확산층(5C)에 맞닿는 표면과 확산층(5C)의 주위에 대향하는 표면의 사이에 걸쳐서 형성되어 있는 한 쌍의 연락부(연락용 유로구)(31B) 를 포함하여 구성된다. 여기에서는, 연락부(21B, 31B)는, 한 쌍의 매니폴드 구멍(22, 33)과 확산층 당접부(21A, 31A)를 연결하도록 형성되어 있다. 이것에 의해, 산화제 가스와 연료 가스는, 각각 공급측의 연료 가스 매니폴드 구멍(22) 및 산화제 가스 매니폴드 구멍(33)으로부터 연락부(21B, 31B)로 분기되어 유입되고, 각각 확산층 당접부(21A, 31A)에서 확산층(5C)과 접촉하여, 전기 화학반응을 일으킨다. 그리고, 이들의 잉여 가스나 반응 생성 성분은, 배출측의 연료 가스 매니폴드 구멍(22) 및 산화제 가스 매니폴드 구멍(33)에 접속되어 있는 연락부(21B, 31B)를 경유해서 배출측의 연료 가스 매니폴드 구멍(22) 및 산화제 가스 매니폴드 구멍(33)으로 배출된다.
막전극 접합체(1)의 프레임(6)의 양측 주면에는 개스킷(7)이 설치되어 있다. 개스킷(7)은, 산화제 가스와 연료 가스가, 소정의 유로구(21, 31)로부터 유로구(21, 31) 밖으로 유출되지 않도록 설치되어 있다. 즉, 개스킷(7)은, 매니폴드 구멍(12, 13, 14)의 주위 및 프레임의 주위를 포위하도록 해서 설치되어 있다. 또한, 여기에서는, 애노드 세퍼레이터(2)측에서는, 셀(10)의 조립 상태에 있어서, 연료 가스 유로구(21)의 연락부(21B)가 맞닿는 위치에는, 개스킷(7)이 설치되지 않고, 또한, 연료 가스 매니폴드 구멍(12)과 막전극 접합체 본체부(5)가 일체로 포위되도록 개스킷(7)이 설치되어 있다. 마찬가지로, 캐소드 세퍼레이터(3)측에서는, 셀(10)의 조립 상태에 있어서, 산화제 가스 유로구(31)의 연락부(31B)가 맞닿는 위치에는, 개스킷(7)은 설치되어 있지 않고, 또한, 산화제 가스 매니폴드 구멍(12)과 막전극 접합체 본체부(5)의 사이를 유통하는 연료 가스 및 산화제 가스 매니폴드 구멍(13)과 막전극 접합체 본체부(5)의 사이를 유통하는 산화제 가스의 지장이 되지 않고, 또한, 개스킷(7)에 의해, 연료 가스 유로구(21) 및 산화제 가스 유로구(31) 밖으로의 누출이 방지된다.
또한, 도 1에 있어서는, 설명의 형편상 개스킷(7), 세퍼레이터(2, 3)의 확산층 당접부(21A, 31A)의 유로구(21, 31)의 사행(蛇行) 구조에 대해서는 개략 구성으로서 나타내고 있다.
또한, 매니폴드는, 소위 외부 매니폴드에 의해 구성되어 있어도 좋다. 외부 매니폴드의 구성을 채용할 경우는, 막전극 접합체(1) 및 세퍼레이터(2, 3)에는, 연료 가스 매니폴드 구멍(12, 22, 32) 및 산화제 가스 매니폴드 구멍(13, 23, 33)은 형성되지 않고, 연료 가스 유로구(21) 및 산화제 가스 유로구(31)의 연락부(21B, 31B)가 각각의 세퍼레이터(2, 3)의 단면(端面)까지 연신된다. 그리고, 연료 가스 및 산화제 가스를 각각 공급하는 배관이, 각각의 세퍼레이터(2, 3)의 단면으로 분기되어 접합되어 구성된다. 외부 매니폴드의 경우, 개스킷(7)은 연료 가스 유로구(21) 및 산화제 가스 유로구(31)의 연락부(21B, 31B) 각각의 주위를 따라 프레임(6)의 단면까지 연신되어 설치된다.
또한, 세퍼레이터(2, 3) 및 막전극 접합체(1)의 둘레 가장자리부에, 연료 가스 매니폴드 구멍(12, 22, 32) 및 산화제 가스 매니폴드 구멍(13, 23, 33)과 마찬가지로, 냉각수가 유통되는 두 쌍의 매니폴드를 형성하는 물 매니폴드 구멍(14, 24, 34)이 형성되어 있다. 이것에 의해서, 셀(10)이 적층된 상태에서는, 이들 매니폴드 구멍은 각각 적층되어 두 쌍의 물 매니폴드가 형성된다.
도 2는, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선단면에 있어서의 셀의 적층 단면을 일부를 분해하여 나타내는 단면도이다. 막전극 접합체 본체부(5)는, 수소 이온을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질막(5A) 및 고분자 전해질막(5A)의 양면에 형성된 한 쌍의 전극층(5D), 즉 애노드와 캐소드의 전극층으로 구성된다. 전극층(5D)은, 촉매층(5B)과 확산층(5C)의 2층 구성이다. 촉매층(5B)은, 통상, 백금속 금속 촉매를 담지한 카본 분말을 주성분으로 하여 고분자 전해질막(5A)의 표면에 형성된다. 확산층(5C)은, 촉매층(5B)의 외면에 형성되는 통풍성과 전자 도전성을 아울러 가진다. 또한 촉매층(5B)은, 도시하지 않은 C층과 백금 카본층의 2층 구조로 되어 있어도 좋다.
또한, 확산층(5C)은 촉매층(5B)의 둘레 가장자리로부터 돌출되도록 구성되어 있다(도 5A 참조). 이와 같이 확산층(5C)이 촉매층(5B)보다도 돌출되어 형성되어 있는 것은, 촉매층(5B)의 표면 전체에 연료 가스 또는 산화제 가스를 널리 퍼지게 하기 위해서이다. 즉, 확산층(5C)이 촉매층(5B)보다도 통상 크게 구성되어 있음으로써, 촉매층(5B)의 표면 전체를 확산층(5C)과 접촉시킬 수 있고, 촉매층(5B)의 전면에 걸쳐 연료 가스 또는 산화제 가스를 널리 퍼지게 할 수 있다.
애노드 세퍼레이터(2) 및 캐소드 세퍼레이터(3)는, 평판상이며, 막전극 접합체(1)와 접촉하는 쪽의 면, 즉 내면은, 막전극 접합체(1)의 형상, 더 구체적으로는, 프레임(6)과 막전극 접합체 본체부(5)의 두께의 차이에 의한 단차(段差)에 따르도록 하여, 중앙부가 사다리꼴 모양으로 돌출되도록 단차(25, 35)를 가지고 있다. 여기에서, 애노드 세퍼레이터(2) 및 캐소드 세퍼레이터(3)는, 도카이 카본 주식회사제 글래시 카본(두께 3mm)을 이용하고 있다. 세퍼레이터(2, 3)에서는, 각종 매니폴드 구멍(22, 23, 24, 32, 33, 34), 볼트 구멍(4)이 상기 세퍼레이터(2, 3)의 두께 방향으로 관통하고 있다.
또한, 세퍼레이터(2, 3)의 내면에는, 연료 가스 유로구(21), 산화제 가스 유로구(31)가 형성되고, 세퍼레이터(2, 3)의 배면에는, 물 유로구(50)가 형성되어 있다. 각종 매니폴드 구멍(22, 23, 24, 32, 33, 34), 볼트 구멍(4), 연료 가스 유로구(21), 물 유로구(50) 등은, 절삭 가공 혹은 성형 가공에 의해 형성된다.
여기에서, 물 유로구(50)는 두 쌍의 물 매니폴드 구멍(24, 34) 사이를 연결하도록 형성된다. 즉, 물이 각각 한쪽의 매니폴드, 즉 공급측의 매니폴드로부터 물 유로구(50)로 분기되어, 각각 다른 쪽의 매니폴드, 즉, 배수측의 매니폴드로 유통되도록 구성된다. 이에 따라, 물의 전열능력에 의해 셀(10)을 전기 화학 반응에 적합한 소정의 온도로 유지할 수 있다. 또한 연료 가스 및 산화제 가스와 마찬가지로 해서, 세퍼레이터(2, 3) 및 막전극 접합체(1)의 둘레 가장자리부에 물 매니폴드 구멍(14, 24, 34)을 형성하지 않고, 냉각되는 배급로를 외부 매니폴드 구조로 해도 좋다. 게다가, 세퍼레이터(2, 3)의 배면에 물 유로구(50)를 형성하지 않고 인접하는 셀의 사이로 냉각수가 순환되는 냉각 유닛을 삽입하여 셀(10)을 적층하도록 구성해도 좋다.
개스킷(7)은 탄성체로 구성되어, 막전극 접합체(1) 및 세퍼레이터(2, 3)가 압압됨으로써 변형되고, 이것에 의해, 막전극 접합체 본체부(5)의 주위 및 매니폴드 구멍(14)의 주위가 밀봉된다. 또한, 연료 가스 매니폴드 구멍(12) 및 산화제 가스 매니폴드 구멍(13)에 있어서도 마찬가지로 해서 개스킷(7)에 의해, 각각의 매니 폴드 구멍의 주위가 밀봉된다. 또한, 막전극 접합체 본체부(5)의 주위에는, 전극층(5D)과의 사이에 막전극 접합체 본체부 주위 간극(40)이 형성된다. 개스킷(7)은, 후술한 바와 같이, 상기 막전극 접합체 본체부 주위 간극(40)도 밀봉한다.
프레임(6)의 양 표면의 개스킷(7)의 환상부(7A)가 연장되어 있는 부분에는, 홈부(6A)가 형성되어 있어, 상기 홈부(6A)를 메우도록 환상부(7A)가 형성되어 있다. 상기 홈부(6A)에 의해서 개스킷(7)과 프레임(6)의 접합성을 향상시킬 수 있다.
여기에서, 프레임(6)은, 열가소성 수지로 구성된다. 이 열가소성 수지는, PEFC(100)의 운전 온도 이하에서, 화학적으로 청정하고 안정하며, 적당한 탄성률과 비교적 높은 가중 변형 온도를 가진다. 예를 들면, 세퍼레이터(2, 3)의 연료 가스 유로구(21) 및 산화제 가스 유로구(31)의 폭이 1∼2mm 정도, 또한 프레임(6)의 두께가 약 1mm 이하인 경우, 프레임(6)의 압축 탄성률은 적어도 2000MPa 이상인 것이 바람직하다. 여기에서, 탄성률이란, JIS-K7181에서 규정하는 압축 탄성률 측정법에 의해 측량된 압축 탄성률을 말한다. 또한, PEFC(100)의 운전 온도는 일반적으로는 90℃ 이하이므로, 프레임(6)의 변형 하중 온도는 120℃ 이상인 것이 바람직하다. 또한, 프레임(6)은 화학적 안정성의 관점에서, 비정성 수지가 아니라 결정성 수지가 바람직하고, 그 중에서도 기계적 강도가 크고 또한, 내열성이 높은 재료가 바람직하다. 예를 들면, 소위 수퍼 엔지니어링 플라스틱 그레이드(super engineering plastic grade)인 것이 적당하고, 폴리페닐렌 설파이드(PPS, polyphenylene sulfide), 폴리에테르에테르케톤(PEEK, polyetheretherketone), 결정 폴리머(LCP, liquid-crystal polymer), 폴리에테르 니트릴(PEN, polyether nitrile) 등을 예시 할 수 있다. 이들은, 수천에서 수만MPa의 압축 탄성률과, 150℃ 이상의 변형 하중 온도를 지니고 있어서 적당한 재료이다. 또한, 범용되고 있는 수지 재료라도, 예를 들면, 유리 필러가 충전된 폴리프로필렌(GFPP, glass filler polypropylene) 등은, 비충전의 폴리프로필렌(압축 탄성률 1000∼1500MPa)의 수 배의 탄성률을 갖고, 또한 150℃에 가까운 변형 하중 온도를 지니고 있어서, 적절하게 사용할 수 있다. 본 실시형태에 있어서는, 열가소성 수지인 유리 필러 첨가 PPS(다이니폰 잉크 주식회사 DIC-PPS FZ1140-B2)가 이용되고 있다.
또한, 개스킷(7)은, 열가소성 수지 또는 열가소성 엘라스토머(elastomer)로 구성된다. 상기 열가소성 수지 또는 열가소성 엘라스토머는, PEFC(100)의 운전 조건하에서 화학적으로 안정하고, 특히 가수분해를 일으키지 않는 등의 내열수성(耐熱水性)을 가진다. 예를 들면, 개스킷(7)의 압축 탄성률은 200MPa 이하인 것이 바람직하다. 적당한 재료는, 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리부틸렌(polybutylene), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴아미드(polyacryl amide), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리우레탄(polyurethane), 실리콘, 플루오르 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT, polybutyleneterephthalate), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethyleneterephthalate), 신디오택틱·폴리스티렌(SPS, syndiotactic polystyrene), 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리술 폰(polysulfone), 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리아릴레이트(polyarylate), 폴리아미드이미드(polyamideimide), 폴리에테르이미드(polyetherimide) 및 열가소성 폴리이미드 등으로 이루어지는 군에서 선택된다. 이것에 의해, PEFC(100)의 체결 하중에 있어서 양호한 밀봉성을 확보할 수 있다. 본 실시형태에 있어서는, 폴리올레핀계 열가소성 엘라스토머인 산토프렌 8101-55(Advanced Elastomer System사제)를 이용하고 있다.
애노드 세퍼레이터(2) 및 캐소드 세퍼레이터(3)의 배면에는, 각종 매니폴드 구멍의 주위에, 내열성의 재료로 이루어지는 스퀴즈드 패킹(squeezed packing) 등의 일반적인 밀봉 부재(9)가 설치되어 있다. 이것에 의해, 인접하는 셀(10)의 사이에 있어서, 각종 매니폴드 구멍(22, 23, 24, 32, 33, 34)의 셀(10) 사이의 연접부(連接部)에서의 연료 가스, 산화제 가스 및 물의 유출이 방지된다.
도 3은, 도 1의 막전극 접합체의 애노드 세퍼레이터측의 표면 구조를 나타내는 평면도이며, 도 4는, 도 1의 막전극 접합체의 캐소드 세퍼레이터측의 표면 구조를 나타내는 평면도이다. 양 도면에 있어서, 일점쇄선(一点鎖線)은, 셀(10)의 조립 상태에 있어서, 애노드 세퍼레이터(2) 및 캐소드 세퍼레이터(3)의 연료 가스 유로구(21) 및 산화제 가스 유로구(31)가 당접 또는 대향하는 위치를 나타내고 있다.
도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 막전극 접합체(1)는, 막전극 접합체 본체부(5)의 둘레 가장자리부에 프레임(6)이 설치되고, 프레임의 양 주면 및 고분자 전해질막(5A)의 둘레 가장자리부(5E)에 걸쳐서 개스킷(7)이 설치되어 있다.
프레임(6)은, 막전극 접합체 본체부(5)의 고분자 전해질막(5A)을 사이에 두고(도 2 참조), 또한 상기 고분자 전해질막(5A)의 바깥쪽 가장자리에 접합되어 있는 사각형의 프레임이다. 프레임(6)에는, 상기한 바와 같이, 상기 프레임을 두께 방향으로 관통하도록, 한 쌍의 연료 가스 매니폴드 구멍(12)과 한 쌍의 산화제 가스 매니폴드 구멍(13)과, 두 쌍의 물 매니폴드 구멍(14)과, 프레임(6)의 모서리부 근방에 4개의 볼트 구멍(4)이 형성되어 있다. 본 실시형태에 있어서는, 프레임(6)은, 외형 치수가 200mm×180mm, 개구부(26)의 치수가 124mm각인, 사각형 평판상으로 구성되어 있으며, 프레임(6)의 두께는 0.8mm이다.
개스킷(7)은, 한 쌍의 연료 가스 매니폴드 구멍(12)과, 한 쌍의 산화제 가스 매니폴드 구멍(13)과, 두 쌍의 물 매니폴드 구멍(14)을 포위하고, 또한, 막전극 접합체 본체부(5)의 확산층(5C)을 포위하는 환상부(7A)를 구비한다. 도 3에 나타낸 바와 같이 애노드 세퍼레이터(2)측에서는, 연료 가스 매니폴드 구멍(12)과 막전극 접합체 본체부(5)가 일체로 포위되도록 환상부(7A)가 형성되고, 도 4에 나타낸 바와 같이 캐소드 세퍼레이터(3)측에서는, 산화제 가스 매니폴드 구멍(13)과 막전극 접합체 본체부(5)가 포위되도록 환상부(7A)가 형성되어 있다. 이것에 의해, 연료 가스 유로구(21) 및 산화제 가스 유로구(31)의 바깥으로의 연료 가스 및 산화제 가스의 유출이 차단된다. 또한, 이 경우, 개스킷(7)의 환상부(7A)는 연료 가스 유로구(21) 및 산화제 가스 유로구(31)의 연락부(21B, 31B)의 유로 저항을 생기게 하지만, 연락부(21B, 31B)에 맞닿는 환상부(7A)가, 각각의 세퍼레이터(2, 3)의 단차(25, 35)가 형성되어 있는 부분에 위치하고 있고, 각각의 세퍼레이터(2, 3)에 형 성된 홈의 깊이가 충분히 있어서, 연료 가스 및 산화제 가스의 유로의 지장은 되지 않는다. 또한, 셀(10)의 조립 상태에 있어서, 연료 가스 유로구(21) 및 산화제 가스 유로구(31)의 연락부(21B, 31B)가 맞닿는 위치에, 개스킷(7)의 환상부(7A)를 형성하지 않아도 좋다. 이 경우는, 연료 가스 유로구(21) 및 산화제 가스 유로구(31)의 연락부(21B, 31B)의 유로 저항을 더욱 경감시킬 수 있다.
도 5A는, 막전극 접합체의 개스킷과 전극층의 경계부분에 있어서의 단면 사시도이다. 환상부(7A)와 막전극 접합체 본체부(5)의 전극층(5D)의 사이는, 간극 없이 밀착되도록 세퍼레이터(2, 3)의 단차(25, 35)가 형성되어 있다.
개스킷(7)의 환상부(7A)는, 상술한 바와 같이, 프레임(6)의 각각의 주면에 있어서, 프레임(6)의 안쪽 가장자리를 따라 둘레 가장자리부(5E) 위를 피복하는 고리 모양으로 형성되어 있고, 환상부(7A)의 표면(71)은, 애노드 세퍼레이터(2) 및 캐소드 세퍼레이터(3)의 단차(25, 35)를 따르는 형상으로 구성되어 있어서, 막전극 접합체와 세퍼레이터(2, 3)가 조합될 때, 환상부의 표면과 세퍼레이터(2, 3)의 표면의 사이에 간극이 생기지 않도록 구성되어 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 확산층(5C)이 촉매층(5B)의 둘레 가장자리로부터 돌출된 부분은, 고분자 전해질막(5A)과의 사이에서 간극이 형성된다. 상기 간극에도, 후술한 바와 같이 개스킷(7)의 간극 충전부(7B)가 형성되어 있다.
이와 같이 환상부(7A)를 구성하여, 프레임(6)과 전극층(5D)과의 간극인 막전극 접합체 본체부 주위 간극(40)을 완전히 밀봉함으로써, 각각의 매니폴드로부터 연료 가스 유로구(21) 및 산화제 가스 유로구(31)를 통과하지 않고 막전극 접합체 본체부 주위 간극(40)을 통과하여 연료 가스 및 산화제 가스가 다른 쪽의 매니폴드로 흘러들어 가는 것을 완전히 방지할 수 있다. 또한, 환상부(7A)의 형상을 애노드 세퍼레이터(2) 및 캐소드 세퍼레이터(3)의 단차(25, 35)를 따르는 형상으로 함으로써 막전극 접합체(1)와 애노드 세퍼레이터(2) 및 캐소드 세퍼레이터(3)의 사이에 간극을 생기게 하지 않고, 연료 가스 및 산화제 가스의 누설을 방지할 수 있다.
게다가, 전극층(5D)의 간극을 충전하는 간극 충전부(7B)에 의해, 확산층(5C)과 촉매층(5B)의 크기의 차에 의해 생기는 간극을 통과하여 연료 가스 또는 산화제 가스가 숏컷하는 것이 방지된다. 이 간극을 간극 충전부(7B)에 의해 충전함으로써, 이 간극을 통과하여 연료 가스 또는 산화제 가스가 이동하는 것을 방지한다.
개스킷(7)의 환상부(7A)의 맨 윗면에는, 그 연장되어 있는 방향을 따라 연장되도록 리브(7C)가 형성되어 있다. 이 리브(7C)는, 셀(10)의 조립 상태에 있어서, 맞닿는 세퍼레이터에 의해 눌러 찌부러진다. 그 결과, 셀(10)의 체결력이 리브(7C)의 부분으로 집중되기 때문에, 각 매니폴드 구멍(12, 13, 14) 및 막전극 접합체 본체부(5)의 주위를 더 확실히 밀봉할 수 있다. 즉, 각 매니폴드 구멍(12, 13, 14)을 통과하는 유체는, 고압이 되고, 리브(7C)를 설치함으로써 개스킷(7)의 밀봉을 더 확실히 하여, 매니폴드 구멍(12, 13, 14)으로부터의 누설을 방지할 수 있다.
또한, 리브(7C)가 설치되어 있는 위치(B)는, 프레임(6)으로 지지되고 있는 고분자 전해질막(5A)의 바깥쪽 끝(外端)(A)보다도 중앙 쪽이다. 이렇게 리브(7C)의 위치를 더 중앙 쪽으로 함으로써, 상기 누르는 압력이 고분자 전해질막(5A)이 형성되어 있는 위치로 집중되어, 고분자 전해질막(5A)과 프레임(6) 사이의 간극으로부 터 연료 가스 또는 산화제 가스가 반대 측면으로 숏컷하는 것을 방지할 수 있다.
간극 충전부(7B)는, 상기한 바와 같이, 확산층(5C)의 돌출부와 고분자 전해질막(5A)의 사이의 간극을 충전하는 부위이다. 간극 충전부(7B)는, 후술한 바와 같이, 개스킷(7)을 사출성형으로 성형할 때에, 상기 간극으로, 용융 수지가 침입함으로써 형성된다. 그러므로, 이하에 설명하는 대로, 확산층(5C)의 돌출부의 돌출 폭은 후술하는 바와 같이 소정의 값을 가지는 것이 바람직하다.
이어서 막전극 접합체(1)의 제조방법을 설명한다. 먼저 막전극 접합체 본체부(5)는, 고분자 전해질막(5A)의 중앙부 양면에 각각 촉매층(5B)을 형성하고, 그 위에 확산층(5C)을 형성한다. 그때, 확산층(5C)은, 촉매층(5B)의 둘레 가장자리로부터 돌출되도록 형성된다. 도 5B는, 막전극 접합체 본체부(5)의 전극층의 구성을 나타내는 부분 확대 단면도이다.
촉매층(5B)은, 예를 들면, 아래와 같이 해서 형성된다. 케첸블랙 EC(KETJEN BLACK INTERNATIONAL사제 퍼니스 블랙, 비표면적 800m2/g, DPB 급유량 360ml/100g)에, 백금을 중량비 1:1의 비율로 담지시킨다. 이어서, 이 촉매분말 10g에 물 35g 및 수소 이온 전도성 고분자 전해질의 알코올 분산액(아사히가라스 주식회사제, 9％FSS) 59g을 혼합하여, 초음파 교반기를 이용해서 분산시켜, 촉매층 잉크를 제작한다. 그리고, 이 촉매층 잉크를 고분자 전해질막(5A)의 양 주면에 20㎛의 두께로 스프레이 도공하고, 그 후 115℃에서 20분간 열처리하여, 촉매층(5B)이 형성된다. 또한, 스프레이 도공을 할 때에는, 고분자 전해질막(5A)에 120mm×120mm의 개구부 를 갖는 마스크를 피복해 간다. 여기에서, 고분자 전해질막(5A)으로는, 외경 치수가 140mm각, 두께 50㎛의 퍼플루오로카본술폰산막(DUPONT Nafion117(등록상표))이 이용되고 있다.
이어서, 촉매층(5B) 위에 확산층(5C)을 형성한다. 확산층(5C)은, 미세한 구멍부를 다수 갖는 다공질체로 구성되어 있다. 이에 따라, 연료 가스 혹은 산화제 가스가 구멍부에 침입함으로써, 그 가스가 확산되어, 촉매층(5B)에 도달하기 쉽게 된다. 본 실시형태에 있어서는, 123mm의 탄소 섬유포(JAPAN GORE-TEX사제 Carbel CL400, 두께 400㎛)를 촉매층(5B)이 도포되어 있는 고분자 전해질막(5A)의 양 주면에 피복한다. 그리고, 이 탄소 섬유포를 압력 0.5MPa, 135℃, 5분간의 조건으로 핫프레스(hot press)함으로써, 고분자 전해질막(5A)의 양 주면의 촉매층(5B) 위에 접합하도록 하여 확산층이 형성된다.
도 5B에 나타낸 바와 같이, 확산층(5C)의 돌출 폭(A)은, 확산층(5C)의 두께 폭(B)보다 짧아지는 정도인 것이 바람직하다. 확산층(5C)의 돌출 폭(A)을 확산층(5C)의 두께 폭(B)보다 짧게 함으로써, 후술하는 개스킷(7)의 형성 공정(도 6(d) 참조)에 있어서, 확산층(5C) 아래쪽에 형성되는 간극(5F)으로 개스킷(7)을 구성하는 열가소성 엘라스토머를 사출 주입하기 쉬워져, 간극 충전부(7B)의 형성을 쉽게 한다. 즉, 돌출 폭(A)이 커지면, 간극(5F)의 깊이 폭이 커져서, 간극(5F)의 안쪽까지 열가소성 엘라스토머가 주입되기 어렵다. 또한, 열가소성 엘라스토머의 사출 압력에 의해, 상기 확산층의 돌출부가 고분자 전해질막(5A) 쪽으로 변형되기 쉬워져서, 간극(5F)의 열가소성 엘라스토머의 주입구가 좁아진다. 이것에 의해, 간극 충 전부(7B)의 형성이 어려워진다.
또한, 도 5C에 나타낸 바와 같이, 개스킷의 환상부(7A)는, 확산층(5C)의 표면에 일부 피복되도록 구성되어 있어도 좋다. 이 피복부(7D)는, 확산층(5C)의 돌출 부분 위에만 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
이어서 막전극 접합체 본체부(5)의 둘레 가장자리부(5E)에 프레임(6)을 형성한다. 도 6은, 도 3 및 도 4의 VI-VI 선단면에 있어서, 막전극 접합체의 각 제조 공정을 개략적으로 나타내는 제조 공정도이다.
먼저, 제1공정에 있어서, 프레임(6)의 일부인 성형 부재(6C)가 성형된다. 도 6(a)에 나타낸 바와 같이, 제1금형(T1)과 제2금형(T2)이 접합된 후, 제1금형(T1)과 제2금형(T2)의 간극으로, 성형 부재(6C), 즉 프레임(6)의 열가소성 수지가 사출 등에 의해 흘러 들어가, 성형 부재(6C)가 성형된다. 성형 부재(6C)에는, 프레임 내 가장자리에 막전극 접합체 본체부(5)의 둘레 가장자리부(5E)가 배치되는 평탄부(6C1)가 형성되어 있다.
여기에서, 제1금형(T1)은, 프레임부(T1C)가 성형 부재(6C), 즉, 프레임(6)의 하반면(下半面)의 형상에 대응하는 형상을 갖도록 구성되어 있다. 또한, 제1금형(T1)의 프레임 내 부분에는, 막전극 접합체 본체부(5)의 둘레 가장자리부(5E)를 배치할 수 있는 평탄부(T1B)가 구성되어 있다. 요컨대, 평탄부(T1B)는, 프레임부(T1C)의 프레임 안쪽 가장자리 측으로부터, 성형 부재(6C) 즉, 프레임(6)의 프레임면(S)과 대략 평행으로 연장되는 맨 윗면을 가진다. 또한, 제1금형(T1)의 프레임 내의 부분에는 막전극 접합체 본체부(5)를 평면 위에 수용해서 배치할 수 있는 오 목부(T1A)가 형성되어 있다. 즉, 오목부(T1A)는, 평탄부(T1B)의 맨 윗면이 연신되어 구성되는 제1금형(T1)의 프레임 내 부분에 있어서, 확산층(5C)의 바깥쪽 가장자리보다도 수 밀리 정도 연신되어 있는 넓이이고, 저부(底部)는 평탄부(T1B)의 맨 윗면을 기준으로 해서, 막전극 접합체 본체부(5)의 촉매층(5B) 및 확산층(5C)의 두께 정도의 깊이의 평면으로 되어 있다.
제2금형(T2)은, 프레임부(T2C)가 성형 부재(6C), 즉 프레임(6)의 상반면(上半面)을 성형하도록 구성되어 있다. 단, 제2금형(T2)의 프레임 내 가장자리 부분에는, 막전극 접합체 본체부(5)의 둘레 가장자리부(5E)를 배치할 수 있도록, 평탄부(T2B)가 구성되어 있다. 즉, 평탄부(T2B)는, 제1금형(T1)의 평탄부(T1B)의 맨 윗면과 맞닿고, 프레임 바깥쪽 가장자리를 향해서 막전극 접합체(1)의 둘레 가장자리부(5E)의 넓이 이상까지 연신되는 맨 윗면을 갖는다.
프레임부(T1C, T2C)에는, 개스킷(7)의 설치 위치, 즉, 매니폴드 구멍(12, 13, 14)을 포위하고, 또한 프레임(6)의 프레임 내를 포위하는 위치에 볼록부(T1D, T2D)가 형성된다. 여기에서는, 볼록부(T1D, T2D)의 단면(斷面)은 깊이가 약 0.5mm, 폭이 약 0.5mm이다. 이것에 의해, 성형 부재(6C) 즉, 프레임(6)에 홈부(6A)가 성형된다. 또한, 프레임부(T1C, T2C)가 볼록부(T1D, T2D)를 갖지 않도록 구성되어, 프레임(6)의 완성 후에 절삭 가공에 의해서 홈부(6A)가 형성되도록 가공해도 좋다.
또한, 프레임부(T1C, T2C)는, 매니폴드 구멍(12, 13, 14)을 형성하는 형상을 갖는다. 이것에 의해, 매니폴드 구멍(12, 13, 14)은 성형 가공에 의해 형성된다. 또한, 프레임부(T1C, T2C)가 매니폴드 구멍(12, 13, 14)의 형상을 갖지 않도록 구 성되어, 프레임(6)이 절삭 가공 혹은 천공(punching) 가공에 의해 매니폴드 구멍(12, 13, 14)이 형성되도록 가공해도 좋다.
이어서, 제2공정에 있어서는, 제2금형(T2)이 성형 부재(6C)로부터 제거되어, 막전극 접합체 본체부(5)가, 제1금형(T1)에 감합(嵌合)되어 있는 성형 부재(6C)의 프레임 내의 평면 위에 배치되고, 또한 평탄부(6C1)에 막전극 접합체 본체부(5)의 둘레 가장자리부(5E)가 배치된다. 자세하게는, 도 6(b)에 나타낸 바와 같이, 성형 부재(6C)의 평탄부(6C1)에 막전극 접합체 본체부(5)의 주위에 연장되어 있는 보호막으로 피복된 고분자 전해질막(5A)이 위치하고, 또한, 확산층(5C)이 제1금형(T1)의 오목부(T1A)에 위치하도록 해서 배치된다. 이것에 의해, 막전극 접합체 본체부(5)는 평면 상태로 배치된다.
그리고, 제3공정에 있어서는, 막전극 접합체 본체부(5)가 접합된 프레임(6)이 제작된다. 자세하게는, 도 6(c)에 나타낸 바와 같이, 막전극 접합체 본체부(5)가 배치된 성형 부재(6C)가 감합되어 있는 제1금형(T1)에 제3금형(T3)이 접합된다. 여기에서, 제3금형(T3)은, 제1금형과 마찬가지로 해서, 확산층(5C)과 간섭하는 위치에, 확산층(5C)과 제3금형(T3)이 접촉하도록 오목부(T3A)가 형성되어 있다. 즉, 오목부(T3A)는, 오목부(T1A)와 동일한 형상이다. 이것에 의해 제3공정에 있어서 제3금형(T3)과 확산층(5C)이 간섭하지 않으므로, 막전극 접합체 본체부(5)의 손상을 방지할 수 있다.
그리고, 제1금형(T1) 및 제3금형(T3)의 간극, 즉, 막전극 접합체 본체부 고정부(6D)의 위치로 프레임(6)의 열가소성 수지가 사출 등에 의해 흘러 들어가고, 성형 부재(6C)와 일체화해서 프레임(6)이 성형된다. 여기에서, 제3금형(T3)은, 성형 부재(6C)의 평탄부(6C1)의 부분이 프레임(6)의 상반면의 형상이 되도록 구성되어 있다. 즉, 제3금형(T3)의 프레임부(T3B)와 성형 부재(6C)의 사이에 형성되는 간극에 막전극 접합체 본체부 고정부(6D)가 구성된다. 그리고, 성형 부재(6C)의 평탄부(6C1)에 배치되어 있는 막전극 접합체 본체부(5)의 둘레 가장자리부(5E)는 유입되는 수지 재료의 열에 의해, 막전극 접합체 본체부 고정부(6D)와 성형 부재(6C)의 평탄부(6C1)의 사이에 융착(融着)된다. 이것에 의해 막전극 접합체 본체부(5)가, 프레임(6)에 접합된다.
그리고, 제4공정에 있어서, 막전극 접합체 본체부(5)가 접합된 프레임(6)에 개스킷(7)이 형성되어 막전극 접합체(1)가 제작된다. 도 6(d)에 나타낸 바와 같이, 막전극 접합체 본체부(5)가 접합된 프레임(6)은 제1금형(T1) 및 제3금형(T3)으로부터 떨어지고, 제4금형(T4) 및 제5금형(T5)의 사이에 배치되어, 양 금형이 닫혀진다. 제4금형(T4) 및 제5금형(T5)과 프레임(6)의 간극으로 개스킷(7)의 열가소성 수지 혹은 열가소성 엘라스토머가 사출 등에 의해 흘러 들어가, 프레임(6)의 양 표면에 개스킷(7)이 성형된다. 여기에서, 제4금형(T4) 및 제5금형(T5)에는, 개스킷의 환상부의 성형이 되는 형상이 구성되어 있다. 또한, 개스킷(7)의 환상부(7A)는, 프레임(6)의 안쪽 가장자리로부터 막전극 접합체 본체부(5)에 형성된 전극층(5D)과의 사이(40)에 형성되고, 상기 부위에 용융 수지인 열가소성 엘라스토머가 사출될 때에, 확산층(5C)과 고분자 전해질막(5A)의 사이에 존재하는 간극(5F)으로 침입한다. 이것에 의해, 상기 부분에 간극 충전부(7B)가 형성된다.
이상과 같이 본 실시형태에 따른 막전극 접합체(1)의 제조방법은, 막전극 접합체(1)가 제2공정에 있어서 막전극 접합체 본체부(5)를 배치하는 것 이외는 성형 가공이다. 따라서, 막전극 접합체(1)는 성형기 내에서 제조되고, 제2공정에서는 미리 제작된 막전극 접합체 본체부(5)를 성형기 내에 반입해서 배치하는 것만으로 제조할 수 있다. 따라서, 본 실시형태에 관한 제조방법은, 연료 가스 및 산화제 가스의 이용 효율이 높은 막전극 접합체(1)의 대량 생산에 적합하다.
또한, 슬라이드 금형 또는 회전 금형을 이용함으로써, 한 개의 성형기 내에서 제1공정부터 제3공정을 연속해서 실행하는 것이 가능하다. 이것에 의해, 공정이 더욱 간소화되어, 막전극 접합체(1)의 양산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 간극 충전부(7B)를 형성하기 쉽게 하기 위해서, 막전극 접합체 본체부(5)의 전극층(5D)의 변형예를 나타낸다. 도 7A는 변형예에 따른 막전극 접합체의 부분 단면 확대도이다. 이 예에서는, 확산층(5C)은, 그 단면(端面)(51)을 테이퍼 모양으로 구성하고 있다. 이렇게 확산층(5C)의 단면을 테이퍼 모양으로 구성함으로써, 확산층(5C)과 고분자 전해질막(5A)의 사이의 간극(5F)의 용융 수지의 침입구가 넓어져, 상기 간극으로 용융 수지가 침입하기 쉬워진다. 따라서, 간극 충전부(7B)가 더욱 용이하게 형성된다.
도 7B는, 새로운 변형예에 따른 막전극 접합체의 부분 단면 확대도이다. 이 변형예에서는, 전극층(5D)의 위치가 고분자 전해질막(5A)의 표리측에서 위치가 어긋나게 구성되어 있다. 또한, 이 경우도 프레임(6)의 안쪽 가장자리와 전극층(5D)의 사이의 막전극 접합체 본체부 주위 간극(40)의 폭이 표리측에서 균일히 되도록, 프레임(6)의 안쪽 가장자리의 위치를 표리측에서 변화시키는 구성으로 하고 있다. 이렇게, 전극층(5D)의 위치를 고분자 전해질막(5A)의 표리측에서 겹치지 않도록 함으로써, 개스킷(7)의 성형시에 용융 수지의 사출 압력을 높게 했을 경우, 고분자 전해질막(5A)에 압력이 가해지는 위치를 겹치지 않게 할 수 있고, 고분자 전해질막(5A)에 부하되는 손상이 경감되어, 그 결과, 생산량의 향상으로 연결된다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 그 외 여러 가지의 형태로 실시 가능하다.
본 발명은, 고분자 전해질형 연료전지의 조립 상태에 있어서, 막전극 접합체 본체부 둘레 가장자리에 있어서의 연료 가스 및 산화제 가스의 흐름을 차단할 수 있고, 나아가서는 연료 가스 및 산화제 가스의 이용 효율을 높일 수 있기 때문에, 열전병합 시스템(cogeneration system)이나 전기 자동차 등에 이용되는 연료전지로서 유용하다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 그 외 여러 가지의 형태로 실시할 수 있다.
또한, 상기 다양한 실시형태 가운데 임의의 실시형태를 적당히 조합함으로써, 각각이 가지는 효과를 나타내도록 할 수 있다.
본 발명은, 첨부 도면을 참조하면서 바람직한 실시형태에 관련하여 충분히 기재되어 있지만, 이 기술이 숙련된 사람들에 있어서는 여러 가지의 변형이나 수정은 명백하다. 이와 같은 변형이나 수정은, 첨부한 청구의 범위에 의한 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 한도에서, 그 중에 포함된다고 이해되어야 한다.

Claims (9)

  1. 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막의 양 표면의 둘레 가장자리부(周緣部)로부터 내측의 중앙 영역에, 각각 촉매층과 상기 촉매층보다도 면적이 크고 상기 촉매층으로부터 둘레 가장자리가 돌출된 확산층이 적층된 한 쌍의 전극층을 구비하고, 상기 확산층의 돌출 부분과 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부의 사이에 간극이 형성된 막전극 접합체 본체부와,
    상기 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부를 상기 한 쌍의 전극층에 대하여 소정의 간격으로 사이에 두고, 또한, 상기 고분자 전해질막의 바깥쪽 가장자리를 둘러싸도록 형성된 판상의 열가소성 수지제의 프레임과,
    상기 프레임의 양면 각각에 설치된 열가소성 수지제의 개스킷(gasket)을 구비하고,
    상기 개스킷은, 상기 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 설치되고, 상기 프레임의 안쪽 가장자리로부터 상기 간격을 피복하는 환상부(環狀部)와, 상기 환상부에 설치되어 상기 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 연장되어 있는 리브(rib)와, 상기 확산층의 돌출 부분과 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부의 사이의 간극 내를 충전하는 간극 충전부를 포함하는 연료전지용 막전극 접합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 연장되어 있는 리브가 설치되어 있는 위치는, 상기 프레임에 끼워지는 상기 고분자 전해질막의 바깥쪽 둘 레 끝(外周端)보다도 내측이 되도록 구성되어 있는 연료전지용 막전극 접합체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 확산층은, 상기 돌출 부분의 돌출 폭이, 상기 확산층의 두께 폭보다 짧은 연료전지용 막전극 접합체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 확산층은, 상기 돌출 부분의 단면(端面)이 상기 촉매층 쪽이 짧아지는 방향으로 테이퍼(taper) 모양으로 구성되어 있는 연료전지용 막전극 접합체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 양 표면에 각각 형성된 전극층은, 그 위치가 표리면(表裏面)에서 각각 어긋나게 배치되어 있어, 상기 간격의 위치가 표리 방향에서 다른 연료전지용 막전극 접합체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 프레임은, 연료 가스, 산화제 가스를 각각 막전극 접합체 본체부에 공급하기 위한, 매니폴드 구멍 쌍을 구비하고 있고, 상기 개스킷의 환상부는, 상기 매니폴드 구멍 쌍의 주위에 형성되어 있는 연료전지용 막전극 접합체.
  7. 제1항에 기재된 막전극 접합체와, 상기 막전극 접합체를 사이에 두도록 설치된 애노드 세퍼레이터(anode separator) 및 캐소드 세퍼레이터(cathode separator) 를 포함하고,
    상기 애노드 세퍼레이터 및 캐소드 세퍼레이터는, 상기 막전극 접합체 본체부의 주위에 형성된 환상부에 맞닿는 환상부 당접(當接) 부분이, 상기 환상부의 외곽형상과 동일한 형상으로 형성되어, 상기 환상부와 상기 환상부 당접 부분의 사이에 간극이 생기지 않도록 구성되어 있는 고분자 전해질형 연료전지용 셀.
  8. 제7항에 기재된 고분자 전해질형 연료전지용 셀을 2개 이상 적층하여 구성되어 있는 고분자 전해질형 연료전지.
  9. 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부로부터 내측의 양 표면에 촉매층을 형성하고, 상기 촉매층의 표면에 상기 촉매층보다도 큰 면적을 갖고 상기 촉매층으로부터 둘레 가장자리가 돌출되어 형성된 확산층을 적층 상태로 배치하여, 상기 확산층의 돌출 부분과 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부의 사이에 간극이 형성되어 있는 막전극 접합체 본체부를 제작하고,
    제1금형과 제2금형의 사이에 열가소성 수지를 흘려 넣어, 프레임 안쪽 가장자리에 평탄부가 형성된 프레임 모양의 성형 부재를 성형하고,
    상기 막전극 접합체 본체부의 둘레 가장자리부가 상기 평탄부에 위치하도록 상기 막전극 접합체 본체부가 상기 성형 부재의 프레임 내에 배치되고, 상기 성형 부재가 감합(嵌合)된 상태의 제1금형에 제3금형을 접합하여, 상기 제1금형과 상기 제3금형의 사이에 열가소성 수지를 흘려 넣어, 상기 막전극 접합체 본체부가 접합 된 상태의 프레임을 성형하고,
    상기 막전극 접합체 본체부가 접합된 프레임을 사이에 끼우면서, 제4금형 및 제5금형을 접합하여, 상기 제4금형과 제5금형의 사이에 용융 수지를 흘려 넣고, 상기 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 형성되어, 상기 프레임의 안쪽 가장자리로부터 상기 확산층의 바깥쪽 가장자리까지를 피복하는 환상부와, 상기 환상부에 설치되어 상기 프레임의 안쪽 가장자리를 따라 연장되어 있는 리브와, 상기 확산층의 돌출 부분과 고분자 전해질막의 둘레 가장자리부의 사이의 간극 내를 충전하는 간극 충전부를 포함하는 개스킷을 성형하는 막전극 접합체의 제조방법.
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