KR20130056225A - 연료 전지층, 연료 전지 시스템 및 연료 전지층의 제조 방법 - Google Patents

연료 전지층, 연료 전지 시스템 및 연료 전지층의 제조 방법 Download PDF

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KR20130056225A
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신이치로 이무라
제레미 쉬루튼
제라드 에프. 맥린
진-루이스 이아코니스
마틴 라그로와
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소시에떼 비아이씨
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Abstract

연료 전지층은 평면 배열되는 복수의 막 전극 조립체 및 인접하는 상기 막 전극 조립체의 중 어느 하나의 양극 촉매층과 인접하는 상기 막 전극 조립체의 중 다른 하나의 음극 촉매층을 전기적으로 연결하는 인터커넥터(interconnector)를 포함한다. 각각의 막 전극 조립체는 전해질막, 상기 전해질막의 일면에 형성되는 양극(anode) 촉매층 및 상기 전해질막의 다른 면에, 상기 양극 촉매층과 적어도 일부가 대향하도록 설치되는 음극(cathode) 촉매층을 포함한다. 상기 인터커넥터(interconnector)는, 상기 양극 촉매층을 구성하는 재료 및 상기 음극 촉매층을 구성하는 재료 중 적어도 하나로 형성된다.

Description

연료 전지층, 연료 전지 시스템 및 연료 전지층의 제조 방법{FUEL CELL LAYER, FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR FABRICATING THE FUEL CELL LAYER}
본 발명은 연료 전지층, 연료 전지 시스템 및 연료 전지층의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 평면 배열로 배치된 막 전극 조립체를 가진 연료 전지층, 상기 연료 전지층을 포함하는 연료 전지층 및 상기 연료 전지층의 제조 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 수소와 산소로부터 전기 에너지를 발생시켜 높은 발전 효율을 얻을 수 있는 장치이다. 연료 전지의 주된 특징으로는, 종래의 발전 방식과 같이 열 에너지나 운동 에너지의 상태를 거치지 않는 직접 발전이므로 소규모임에도 불구하고 높은 발전 효율을 기대할 수 있는 점, 질소 화합물 등이 적게 배출되고 소음이나 진동이 작아 친환경적이라는 점 등이 있다. 이처럼, 연료 전지는 연료가 가지는 화학 에너지를 유효하게 이용할 수 있고, 친환경적인 특징이 있다. 따라서 연료 전지는 21세기에 적합한 에너지 공급 시스템으로 기대되며, 우주 산업용, 자동차용, 휴대 기기용 등 대규모 발전에서부터 소규모 발전까지 여러 가지 용도로 사용할 수 있는 장래 유망한 발전 시스템으로 주목받고 있다. 이러한 연료 전지를 실용화 하기 위한 기술 개발이 본격적으로 이루어지고 있다.
특히, 고분자 전해질 연료 전지는, 다른 종류의 연료 전지에 비해 작동 온도가 낮고 높은 출력 밀도를 가진다. 따라서, 최근 고분자 전해질 연료 전지는 휴대 전화, 노트북 크기의 퍼스널 컴퓨터(notebook-size personal computer), PDA, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 전자 사전 또는 전자책과 같은 휴대 기기의 전원에 이용 가능할 것이라 기대되고 있다. 휴대 기기용 고분자 전해질 연료 전지로서, 복수의 막 전극 조립체(단일 셀)이 평면으로 배열된 연료 전지층이 잘 알려져 있다.
본 발명의 목적은 평면형 연료 전지의 제조에 있어서, 필요한 재료의 수를 줄일 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지층은 평면 배열로 배치된 복수의 막 전극 조립체 및 인터커넥터(interconnector)를 포함하고, 각각의 막 전극 조립체는 전해질막, 상기 전해질막의 일면에 형성된 양극(anode) 촉매층 및 상기 전해질막의 다른 면에, 상기 양극 촉매층과 적어도 일부가 대향하도록 설치된 음극(cathode) 촉매층을 포함하고, 상기 인터커넥터는, 서로 인접한 막 전극 조립체의 어느 한쪽의 양극 촉매층과 상기 서로 인접한 막 전극 조립체의 다른 쪽의 음극 촉매층을 전기적으로 연결한다. 상기 인터커넥터(interconnector)는, 상기 양극 촉매층을 구성하는 재료 및 상기 음극 촉매층을 구성하는 재료 중 적어도 하나로 형성된다.
전술한 실시예에 있어서, 상기 인터커넥터는, 상기 인터커넥터와 동일한 재료로 형성되는 상기 양극 촉매층 또는 상기 인터커넥터와 동일한 재료로 형성되는 상기 음극 촉매층과 일체로 형성될 수 있다. 또는 상기 인터커넥터는 상기 양극 촉매층과 일체로 형성되는 부분 및 상기 음극 촉매층과 일체로 형성되는 부분을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지층, 양극 하우징 및 음극 하우징을 포함한다. 상기 연료 전지 시스템은 상기 연료 전지층과 상기 양극 및 음극 하우싱 사이에 배치되는 개스킷 또는 씰층을 더 포함할 수 있다. 상기 음극 하우징은 공기 주입구를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료 전지층의 제조 방법은 전해질막의 일면에 복수의 양극 촉매층의 형성 및 상기 전해질막의 다른 면에 복수의 음극 촉매층의 형성을 동시에 또는 무작위 순서(random order)로 실행함으로써, 평면 배열된 복수의 막 전극 조립체를 형성하는 단계; 및 양극 촉매층의 형성에 수반하여 인접한 막 전극 조립체들의 전해질막을 부분적으로 또는 전체적으로 이격시키는 데 사용되는 스페이스에 상기 양극 촉매층으로서 사용되는 재료가 충진되는 방식으로 또는 음극 촉매층의 형성에 수반하여 상기 스페이스에 촉매층으로서 사용되는 재료가 충진되는 방식으로 인접한 막 전극 조립체 중 한쪽의 양극 촉매층과 인접한 막 전극 조립체 중 다른 쪽의 음극 촉매층을 전기적으로 연결하는 인터커넥터를 형성하거나, 또는 양극 촉매층의 형성에 수반하여 상기 양극 촉매층으로서 사용되는 재료가 상기 스페이스에 충진되고 상기 음극 촉매층의 형성에 수반하여 상기 스페이스에 촉매층으로서 사용되는 재료가 상기 스페이스에 충진되는 방식으로 상기 인터커텍터를 형성하는 단계를 포함한다.
전술한 구성 요소의 임의의 조합 및 재배열 등이 본 발명의 실시예에 의한 모든 효과이며 본 발명의 실시예에 포함된다.
실시예는 이하에서 예시적으로 첨부된 도면을 참조하여 예시적으로 설명되며 이에 한정되지 않는다. 동일한 구성요소는 복수의 도면에서 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지층의 구조를 나타내는 개략 분해 사시도이다.
도 2a는 도 1의 A-A` 선을 따른 연료 전지층의 단면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 인터커넥터 부근의 개략 부분 확대 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지층의 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도이다.
도 4는 전해질막의 개략 사시도이다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지층의 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도이다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지층의 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도이다.
도 7a는 제1 변형예에 따른 연료 전지층의 인터커넥터 부근을 나타내는 개략 부분 확대 단면도이다.
도 7b는 제2 변형예에 따른 연료 전지층의 인터커넥터 부근을 나타내는 개략 부분 확대 단면도이다.
도 7c는 제3 변형예에 따른 연료 전지층의 인터커넥터 부근을 나타내는 개략 부분 확대 단면도이다.
도 7d는 제4 변형예에 따른 연료 전지층의 인터커넥터 부근을 나타내는 개략 부분 확대 단면도이다.
도 8a 내지 8e는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지층의 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도이다.
도 9a는 제5 변형예에 따른 연료 전지층의 제조 방법에서 제1 기판을 나타내는 개략 부분 확대 단면도이다.
도 9b는 제6 변형예에 따른 연료 전지층의 제조 방법에서 제1 기판을 나타내는 개략 부분 확대 단면도이다.
도 10a 내지 10d는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지층의 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도이다.
본 발명에 적합한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 각각의 도면에 나타나는 동일하거나 동등한 구성 요소, 부분 및 공정은 동일한 도면 부호를 사용하고 중복되는 설명은 적절히 삭제한다. 또한, 실시예는 발명을 한정하는 것이 아니라 예시이며, 실시예에 기재되는 모든 특징이나 그 조합은 반드시 발명의 본질적인 것에 한정되지 않는다.
(제1 실시예)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지층의 구조를 나타내는 개략 분해 사시도이다. 도 2a는 도 1의 A-A` 선을 따른 연료 전지층의 단면도이다. 도 2b는 도 2a에 도시된 인터커넥터 부근의 부분 확대 단면도이다. 도 1을 참조하면, 연료 전지 시스템(10)은 연료 전지층(100), 음극 하우징(cathode housing, 50) 및 양극 하우징(anode housing, 52)을 포함한다. 도 1에서 연료 전지층(100) A-A`의 단면은 도 2a에 도시된다.
연료 전지층(100)은 평면 배열되는 복수의 막 전극 조립체(MEA; membrane electrode asssemblie, 120)및 인터커넥터(도 1에 미도시, 130)를 포함한다. 각각의 막 전극 조립체(120)는 전해질막(122), 전해질막(122)의 일면에 설치되는 양극 촉매층(124) 및 전해질막(122)의 다른 면에, 양극 촉매층(124)와 적어도 일부가 대향하도록 설치되는 음극 촉매층(126)을 포함한다.
습윤 상태에서 양호한 이온 전도성을 나타낼 수 있는 전해질막(122)은 양극 촉매층(124)과 음극 촉매층(126) 사이에 양성자(proton)를 이동시키는 이온 교환막으로서 기능한다. 전해질막(122)은 함불소 중합체(fluorine-containing polymer) 또는 불소불포함 중합체(nonfluorine polymer)와 같은 고체 고분자 재료로 형성될 수 있다. 전해질막(122)으로서 사용할 수 있는 재료들은 예를 들어, 술폰산형 퍼플루오르화 카본 중합체(sulfonic acid type perfluorocarbon polymer), 폴리 술폰 수지(polysulfone resin), 인산기 또는 카르복실기를 가지는 퍼플루오르화 카본 중합체 등이 있다. 술폰산형 퍼플루오르화 카본 중합체의 예로서는 나피온 막(Nafion, 듀퐁사 제조, 등록 상표)이 있다. 또한, 불소불포함 중합체의 예로는 술폰화된 방향족 폴리에테르 에텔 케톤(sulfonated aromatic polyether ether ketone), 폴리술폰(polysulfone) 등이 있다. 전해질막(122)의 두께는 예를 들어, 약 10 내지 200mm 일 수 있다.
각각의 막 전극 조립체(120)의 양극 촉매층(124)은 전해질막(122)의 한쪽 표면에 서로 간격을 두고 배치되어 있다 (스페이스 125로 도시됨). 각각의 막 전극 조립체(120)의 음극 촉매층(126)은 전해질막(122)의 다른 쪽 표면에 서로 간격을 두고 배치되어 있다 (스페이스 127로 도시됨). 막 전극 조립체(120, 단일 셀)는 한 쌍의 양극 촉매층(124) 및 음극 촉매층(126), 그리고 상기 양극 촉매층(124)과 음극 촉매층(126) 사이에 게재된 전해질막(122)으로 구성되어 있다. 양극 촉매층(124) 및 음극 촉매층(126)은 다양한 구성으로 배치될 수 있으며, 연료 전지층(100)의 단락을 방지하기 위해 인접한 단일 셀들 사이에 절연된 영역을 포함할 수 있다. 이러한 구성의 예로는 미국 특허출원 공개 제2009/0162722호 "Electrochemical cell assemblies including a region of discontinuity"에 개시되어 있다. 상기 미국 특허출원 공개 제2009/0162722의 전문은 본 명세서에 참조로서 편입된다. 양극 촉매층(125)에는 연료 가스로서 수소가 공급된다. 본 실시예에서는 연료 가스로 수소가 사용되지만 메탄올, 포름산, 부탄 또는 다른 수소 운반체(hydrogen carrier)등이 사용될 수 있다. 음극 촉매층(126)에는 산화제로서 공기가 공급된다. 각각의 단일 셀 또는 막 전극 조립체(120)는 연료(예를 들어, 수소)와 공기 중의 산소의 전기화학 반응을 통해 발전한다.
양극 촉매층(124) 및 음극 촉매층(126) 각각은 이온 교환 재료 및 촉매 입자, 또는 경우에 따라서 탄소 입자를 가질 수 있다. 양극 촉매층(124) 및 음극 촉매층(126)에 함유되는 이온 교환 재료는 촉매 입자와 전해질막(122) 사이의 밀착성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 이온 교환 재료는 또한, 촉매 입자와 전해질막(122) 사이에서 양성자(proton)를 전달하는 역할을 할 수도 있다. 이온 교환 재료는 전해질막(122)과 유사한 고분자 재료로 형성될 수 있다. 촉매 금속으로서는 Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Pt, Os, Ir, 란탄족 계열의 원소 및 악티늄족 계열의 원소들 중으로부터 선택된 원소 또는 하나 이상의 원소들의 합금일 수 있다. 또한 촉매가 공급되는 경우에는, 탄소 입자로서 퍼네스 블랙(furnace black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 케첸 블랙(ketjen black), 카본나노 튜브(carbon nanotube ) 등을 이용할 수 있다. 양극 촉매층(124) 및 음극 촉매층(126)의 두께는 예를 들어 약 10 내지 40mm일 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 실시예에 따른 연료 전지층(100)은 한 쌍의 양극 촉매층(124)과 음극 촉매층(126) 및 상기 양극 촉매층(124)과 음극 촉매층(126) 사이에 게재된 전해질막(122)으로 구성되고, 평면 구조로 배치된 복수의 막 전극 조립체(120)를 포함한다.
도 2a및 도 2b에 나타나듯이,인터커넥터(interconnector, 130)는, 하나의 막 전극 조립체(120)의 양극 촉매층(124)으로부터 인접하는 막 전극 조립체(120)의 음극 촉매층(126)으로의 전기 경로를 제공함으로써 인접한 단일 셀 또는 막 전극 조립체(120)를 전기적으로 연결하는 데 사용되는 부재이다. 인접하는 막 전극 조립체(120)들 사이에는, 인접하는 막 전극 조립체(120)들의 전해질막(122)을 부분적 또는 전체적으로 이격시키는데 사용되는 개구가 마련되어 있다. 인터커넥터(130)는 이러한 개구 내에서 전해질막(122)을 관통하도록 제공된다. 본 실시예에 따른 연료 전지층(100)의 전해질막(122)은 개구로서 개별적인 관통공(122a)을 포함하고(도 4 참조), 상기 인터커넥터(130)는 관통공(122a) 내에 제공된다. 이러한 개구는 인접한 막 전극 조립체(120)의 전해질막(122)을 부분적으로 이격시키는 관통공(122a) 뿐만 아니라, 막 전극 조립체(120)의 폭 방향을 따라 연장되고, 인접한 막 전극 조립체(120) 전체적으로 이격시키는 슬릿(slit) 등을 이용할 수도 있다. 만약 개구가 관통공(122a)인 경우에는, 개구가 슬릿(slit)인 경우에 비하여 연료 전지층(100)의 강도를 높일 수 있다. 또한, 인터커넥터(130)의 형성에 필요한 촉매 재료량을 줄일 수 있다.
인접하는 막 전극 조립체(120)는 인터커넥터(130)에 의해 서로 직렬 연결될 수 있다. 본 실시예에서는, 인접하는 2개의 막 전극 조립체(120)중 하나의 막 전극 조립체(120)의 양극 촉매층(124)의 단부가 인터커넥터(130)까지 연장되고, 인터커넥터(130)의 일단부와 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 다른 하나의 막 전극 조립체(120)의 음극 촉매층(126)의 단부가 인터커넥터(130)까지 연장되고, 인터커넥터(130)의 타단부와 전기적으로 접속되어 있다. 인터커넥터(130)의 폭은, 예를 들면, 약 30 내지 300mm이다.
인터커넥터(130)는 양극 촉매층(124)을 구성하는 재료 및 음극 촉매층(126)을 구성하는 재료 중 적어도 하나로 형성된다. 그 결과, 종래의 평면형 연료 전지의 인터커넥터와 같이 단자용 탭(tab) 등의 별도의 부재를 준비하는 경우에 비하여, 연료 전지층(100)의 제조에 필요한 재료 수를 줄일 수 있다.
또한, 인터커넥터(130)는 동일한 재료로 형성되는 양극 촉매층(124) 또는 동일 재료로 형성되는 음극 촉매층(126)과 일체로 형성될 수 있다. 또는, 인터커넥터(130)는 상기 양극 촉매층(124)과 일체로 형성되는 부분 및 상기 음극 촉매층(126)과 일체로 형성되는 부분을 포함할 수 있다. 그 결과, 종래의 실시예와 비교하여 필요한 부품의 수를 줄일 수 있다. 또한, 종래의 연료 전지에 비해 인터커넥터(130)와 각각의 촉매층 사이의 접촉 저항을 줄일 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이 본 실시예에서는, 인터커넥터(130)가 양극 촉매층(124)을 구성하는 재료와, 음극 촉매층(126)을 구성하는 재료를 포함하고, 양극 촉매층(124)과 일체로 형성되는 부분과 음극 촉매층(126)과 일체로 형성되는 부분으로 구성되어 있다. 구체적으로, 관통공(122a)으로 돌출되는 돌출부 124a가 양극 촉매층(124)의 표면에 형성되고, 관통공(122a)으로 돌출되는 돌출부 126a가 음극 촉매층(126)의 표면에 형성된다. 그리고, 돌출부 124a의 단부와 돌출부 126a의 단부가 관통공(122a) 내에서 연결되어 인터커넥터(130)를 형성한다. 돌출부 124a 및 돌출부 126a의 높이는, 예를 들면 전해질막(122) 폭의 약 절반이고, 돌출부 124a와 돌출부 126a과의 계면은, 전해질막(122)의 폭 방향의 거의 중간에 위치한다.
다른 실시예에서, 인터커넥터(130)가 양극 촉매층(124)의 표면에 형성되는 돌출부 124a로 구성되거나, 또는 음극 촉매층(126)의 표면에 형성되는 돌출부 126a로 구성될 수도 있다. 이와 같은 실시예에서, 돌출부 124a의 단부 또는 돌출부 126a의 단부는 전해질막(122)의 전체 폭을 관통하여 연장될 수 있으며, 음극 촉매층(126) 또는 양극 촉매층(124)의 표면과 각각 연결되어 인터커넥터(130)를 형성할 수 있다.
또한, 도 2b에 도시된 본 실시예에 따르면, 막 전극 조립체(120b)의 양극 촉매층(124) 및 상기 막 전극 조립체(120b)에 인접하게 배치되는 막 전극 조립체(120a)의 음극 촉매층(126)은 평면에서 관찰했을 때, 일부가 서로 중첩될 수 있다. 이러한 실시예에서, 인터커넥터(130)는 막 전극 조립체(120b)의 양극 촉매층(124)과 막 전극 조립체(120a)의 음극 촉매층(126)이 서로 중첩되는 영역에 마련된다. 전술한 바와 같은 구조를 채용함으로써, 관통공(122a)은 양극 촉매층(124) 및 음극 촉매층(126)에 대하여 수직으로 연장될 수 있으며, 따라서 관통공(122a)의 길이를 최단으로 형성할 수 있다. 그 결과, 인터커넥터(130)의 길이를 단축할 수 있으므로, 인터커넥터(130)에서 저항이 증가하는 것을 억제할 수 있고, 인터커넥터(130)의 형성에 필요한 촉매 재료의 양을 줄일 수 있다. 또한, 연료 전지층(100)에서 차지하는 인터커넥터(130)가 연장되는 영역의 면적을 작게 할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)과 종래의 연료 전지 시스템에서 연료 전지층(100)의 크기를 동일하게 한 경우, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)에서 발전 영역의 면적이 증가됨에 따라 발전량을 늘릴 수 있다. 반대로 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)과 종래의 연료 전지 시스템에서 발전량을 동일하게 한 경우에는, 본 실시예에 따른 평면형의 연료 전지 시스템(10)을 더 컴팩트하고 작은 크기로 만들 수 있다. 예를 들면, 연료 전지층(100)의 발전 영역(2개의 씰층(seal, 140)의 사이의 영역)과, 비발전 영역(씰층(140)으로 덮인 영역)의 면적비는,약 7.5: 1 내지 약 5:1 일 수 있다.
양극 촉매층(124)을 구성하는 재료 및 음극 촉매층(126)을 구성하는 재료 중 적어도 하나로 형성된 인터커넥터(130)는 복수의 미세공을 가진다. 그 결과, 양극 촉매층(124)에 연료로서 공급되는 수소가 인터커넥터(130)를 이용하여 음극 촉매층(126) 측으로 이동하고, 또한 음극 촉매층(126)에 산화제로서 공급되는 공기가 인터커넥터(130)를 이용하고 양극 촉매층(124) 측으로 이동하는,소위 크로스 리크(cross leak)가 발생할 우려가 있다. 따라서, 인터커넥터(130) 부근에는, 인터커넥터(130)를 통하여 연료 및 산화제가 다른 촉매 측으로 이동하는 것을 차단하기 위한 씰층(seal, 140)이 마련되어 있다.
씰층(140)은, 수지(resin)와 같이 가스(gas)의 이동을 저해할 수 있는 재료로 형성된다. 씰층(140)이 인접하는 막 전극 조립체(120)의 촉매층과 접할 가능성이 있는 경우에는, 연료 전지층(100)으로의 단락을 막기 위해, 씰층(140)을 절연성 재료로 구성해야 한다. 씰층(140)을 구성하는 재료로서는 예를 들어, 전해질막(122)에도 사용되는 나피온(등록상표)이나, 테플론(Teflon, 등록상표)등의 불소계 수지 등이 있다. 씰층(140)은 다음과 같이 형성된다: 씰층(140)을 구성하는 재료를 함유하는 용액이 인터커넥터(130)의 최상부를 포함하는 인터커넥터(130) 부근의 양극 촉매층(124) 및 음극 촉매층(126)의 표면에 도포된다. 상기 수지 용액이 인터커넥터(130) 내부 및 인터커넥터(130) 부근의 양극 촉매층(124) 및 음극 촉매층(126) 내에 침투되어 상기 씰층(140)이 형성된다. 수지 용액이 침투함으로써, 인터커넥터(130)를 구성하는 재료의 미세공을 채울 수 있으며, 인터커넥터(130) 부근의 양극 촉매층(124)의 미세공 및 인터커넥터(130) 부근의 음극 촉매층(126)의 미세공이 실 재료인 수지로 메워진다. 전술할 구조 및 방법을 채용함으로써, 인터커넥터(130)를 이용한 크로스 리크(cross leak)를 방지할 수 있다
또한, 씰층(140)은 인접하는 양극 촉매층(124)들 사이의 스페이스 125와, 인접하는 음극 촉매층(126)들 사이의 스페이스 127를 채우도록 설치될 수 있다. 씰층(140)으로 스페이스 125 및 스페이스 127을 채움으로써, 발전시에 생성되는 물이 스페이스(125, 127)를 채우는 것을 방지할 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)의 연료 전지층(100)의 크기를 종래의 연료 전지와 동일하게 한 경우, 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)의 발전 영역을 증가됨에 따라, 발전량을 늘릴 수 있다. 본 실시예에 따른 연료 전지 시스템(10)과 종래의 연료 전지 시스템에서 발전량을 동일하게 한 경우에는, 본 실시예에 따른 평면형의 연료 전지층(100)을 더 컴팩트하고 작은 크기로 만들 수 있다.
양극 촉매층(124) 측에 제공되는 씰층(140)은 음극 촉매층(126)의 스페이스 127에 대향하는 영역까지 연장될 수 있음에 유의한다. 또한, 음극 촉매층(126) 측에 제공되는 씰층(140)은 양극 촉매층(124)의 스페이스 125에 대향하는 영역까지 연장될 수 있음에 유의한다. 평면에서 관찰되는 바와 같이, 스페이스 125 및 스페이스 127은 사이에 게재된 영역은 발전에 기여하지 않는다. 따라서, 이 영역 전체에 씰층(140)을 형성하는 것은 각각의 막 전극 조립체(120)의 발전량을 감소시키지 않으면서, 인접한 전극 사이의 단락 및 크로스 리크(cross leak)를 방지할 수 있다.
도 1 및 도 2a에 나타나듯이, 음극 하우징(50)은 음극 촉매층(126)에 대향하는 판상 부재이다. 음극 하우징(50)에는 외부로부터 공기를 주입하기 위한 공기 도입구(51)가 마련될 수 있다. 음극 하우징(50)과 음극 촉매층(126) 사이에는 ,공기가 유통되는 공기실(60)이 형성될 수 있다.
한편, 양극 하우징(52)은 양극 촉매층(124)과 대향하는 판상 부재이다. 양극 하우징(52)과 양극 촉매층(124) 사이에, 연료 저장용의 연료 가스실(62)이 형성될 수 있다. 연료 카트리지(cartridge) 등으로부터 필요에 따라 연료를 보충하기 위해, 양극 하우징(52)에 연료 공급구(미도시)를 형성할 수 있다.
음극 하우징(50) 및 양극 하우징(52)에 사용되는 재료로서는, 페놀(phenol) 수지, 비닐(vinyl) 수지, 폴리에틸렌(Polyethylene) 수지, 폴리프로필렌(polypropylene) 수지, 폴리스티렌(polystyrene) 수지, 요소 수지, 불소 수지 등의 일반적인 플라스틱 수지를 들 수 있다.
개스킷(gasket) 56은 전해질막(122)의 외주부와 양극 하우징(52) 사이에 형성될 수 있다. 개스킷 56에 의해, 연료 가스실(62)의 밀봉성이 높아지고, 연료가 누설되는 것을 방지할 수 있다. 또한,개스킷 57은 전해질막(122)의 외주부와 음극 하우징(50) 사이에 형성될 수 있다.
(연료 전지층의 제조 공정)
제1 실시예에 관련되는 연료 전지층의 제조 방법에 관해서, 도 3a 내지 3C,도 4, 도 5a 내지 도 5d, 및 도 6a 내지 도 6d를 참조하여 설명한다. 도 3a 내지 도 3c, 도 5a 내지 도 5d, 및 도 6a 내지 도 6d는 제1 실시예에 관련되는 연료 전지층의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다. 도 4는 전해질막의 개략 사시도이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 전해질막(122)을 준비한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 전해질막(122)의 소정 위치에 관통공(122a)을 형성하기 위해, 전해질막(122)를 패터닝(patterning)한다. 예를 들어, 전해질막(122)에 레이저광 L을 조사하고, 전해질막(122)의 일부를 선택적으로 제거한다. 이러한 공정에 의해, 도 3c및 도 4에 도시된 바와 같이, 전해질막(122)의 소정 위치에 관통공(122a) 또는 슬릿을 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 관통공(122a)은 레이저광 조사 대신 메커니컬 펀칭(mechanical punching), 다이 커팅(die cutting),다이렉트 몰딩(direct moulding) 등의 다른 방법으로 형성될 수도 있다. 또한, 관통공(122a)의 수,크기 등은 전해질막(122)의 강도와 인접하는 막 전극 조립체(120)들을 연결하는 인터커넥터(130)의 저항에 따라 적절하게 설정할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 전해질막(122)의 관통공(122a) 형성에 추가하여, 도 5a에 도시된 바와 같이, 예를 들어 스프레이(spray) 도포법을 이용하여, 제1 기판(150)의 표면에, 양극 촉매층용 재료(123a)를 도포할 수 있다. 이 과정에 의해,도 5b에 도시된 바와 같이, 제1 기판(150)의 전면에 양극 촉매층용 재료층(123)이 형성된다. 제1 기판(150)은 적어도 표면이 불소 가공 처리될 수 있다.
이 후, 도 5c에 도시된 바와 같이 양극 촉매층용 재료층(123)의 소정 위치에 예를 들어 레이저광 L을 조사하고, 양극 촉매층용 재료층(123)을 선택적으로 제거한다. 이 과정에 의해, 도 5d에 도시된 바와 같이, 제1 기판(150)의 표면에 스페이서 125에 의해 구획되는 복수의 양극 촉매층용 재료층(123)이 형성된다. 제1 기판(150) 표면의 양극 촉매층용 재료층(123)의 형성은, 스크린 인쇄법 등의 종래 공지의 다른 방법을 이용할 수도 있음을 유의한다.
이 후, 도 6a에 도시된 바와 같이, 양극 촉매층용 재료층(123)이 형성된 제1 기판(150)을, 상기 양극 촉매층용 재료층(123)이 전해질막(122)의 일면을 향하도록 배치한다. 또한, 제2 기판(151)을, 음극 촉매층용 재료층(129)이 전해질막(122)의 다른 면을 향하도록 배치한다. 여기서, 제2 기판(152)은, 스페이스 127에 의해 구획되며 제1 기판(150) 상에 양극 촉매층용 재료층(123)을 형성할 때 사용되는 방법과 유사한 방법에 의해 형성되는 복수의 음극 촉매층용 재료층(129)을 포함한다. 제1 기판(150) 상에 형성된 각각의 스페이스 125 및 제2 기판(152) 상에 형성된 각각의 스페이스 127은 관통공(122a)을 사이에 두고 전해질막(122)의 연장 방향으로 배치된다(정렬되게 배치되지는 않음). 이 후, 프레스(press) 장치를 이용하여 제1 기판(150) 및 제2 기판(152)을 전해질막(122)에 압착한다. 그 결과, 양극 촉매층용 재료층(123) 및 음극 촉매층용 재료층(129)가 전해질막(122)에 전사된다. 다른 실시예로서는, 양극 촉매층용 재료층(123) 및 음극 촉매층용 재료층(129)를 임의의 적당한 방법을 이용하여 전해질막(122)에 직접 형성할 수도 있다.
그 결과, 도 6b에 도시된 바와 같이, 전해질막(122)의 일면에 양극 촉매층용 재료층(123)이 전사되어 양극 촉매층(124)이 형성되고, 전해질막(122)의 다른 면에 음극 촉매층용 재료층(129)이 전사되어 음극 촉매층(126)이 형성된다. 또한, 제1 기판(150)을 전해질막(122)에 압착함으로써, 양극 촉매층용 재료층(123)의 일부가 전해질막(122)의 일면측으로부터 관통공(122a) 내에 충진된다. 관통공(122a)내에 충진되는 양극 촉매층용 재료층(123)의 일부는, 양극 촉매층(124)과 일체로 형성되는 돌출부 124a가 된다. 또한 ,제2 기판(152)을 전해질막(122)에 압착함으로써, 음극 촉매층용 재료층(129)의 일부가 전해질막(122)의 다른 면측으로부터 관통공(122a) 내에 충진된다. 관통공(122a)내에 충진되는 음극 촉매층용 재료층(129) 의 일부는, 음극 촉매층(126)과 일체로 형성되는 돌출부 126a가 된다. 돌출부 124a와 돌출부 126a는 관통공(122a) 내에서 연결되고, 이것에 의해 인터커넥터(130)가 형성된다.
이 후,도 6c에 도시된 바와 같이, 포토 리소그래피(photo lithography)법 등을 사용하여 씰층(140)의 패턴(pattern)을 정렬함으로써 음극 촉매층(126) 상에 마스크(mask, 170)를 선택적으로 형성한다. 이러한 실시예에서는 씰층(140)을 구성하는 수지를 함유하는 수지 용액(140a)을 마스크(170)의 개구부 내에 충진하여,수지 용액(140a)을 음극 촉매층(126) 내에 침투시킬 수 있다. 이와 유사하게, 양극 촉매층(124) 상에도 마스크(미도시)를 선택적으로 형성하고, 상기 마스크의 개구부내에 수지 용액(140a)을 충진하여, 수지 용액(140a)을 양극 촉매층(124) 내에 침투시킨다. 수지 용액(140a)은, 예를 들면, 스텐실(stencil) 인쇄법, 스크린 인쇄법,또는 잉크젯(ink jet) 인쇄법 등의 다양한 방법을 적절히 이용하여 충진할 수 있다. 이 후, 수지 용액(140a)을 건조 고화시킨다. 건조 고화에 의한 체적 감소를 고려하고 수지 용액(140a)의 도포량을 조정할 수 있다. 씰층(140)을 형성한 뒤, 마스크를 제거한다.
그 결과, 도 6d에 도시된 바와 같이, 인터커넥터(130)의 미세공 및 인터커넥터(130)의 최상부를 포함하는 인터커넥터(130) 부근의 양극 촉매층(124) 및 음극 촉매층(126)의 미세공을 채우는 씰층(140)이 형성된다. 또한, 씰층(140)은 스페이스 125 및 127을 채우도록 형성된다. 전술한 공정에 의하여, 제1 실시에에 관련되는 연료 전지층(100)을 제조할 수 있다. 또한, 추가적인 공정으로서, 상기 연료 전지층(100)의 양극 촉매층(124) 상에, 개스킷 56을 통해 양극 하우징(52)을 설치하고, 연료 전지층(100)의 음극 촉매층(126) 상에, 개스킷 57을 이용하여 음극 하우징(52)을 설치하여, 연료 전지 시스템(10)을 제조할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 관련되는 연료 전지층(100)은 평면 배열되는 복수의 막 전극 조립체(120)와 인터커넥터(130)를 구비한다. 인터커넥터(130)는,양극 촉매층(124)을 구성하는 재료 및 음극 촉매층(126)을 구성하는 재료 중 적어도 하나에 의해 형성될 수 있다. 그 결과, 종래의 평면형 연료 전지의 인터커넥터와 같이 단자용 탭(tab) 등의 별도의 부재를 준비하는 경우에 비하여, 연료 전지층(100)의 제조에 필요한 재료 수를 줄일 수 있다. 따라서, 연료 전지층(100)의 제조 비용(cost)을 감소할 수 있다.
각각의 인터커넥터(130)는 양극 촉매층(124)과 일체로 형성되는 돌출부 124a 및 음극 촉매층(126)과 일체로 형성되는 돌출부 126a를 서로 결합시킴으로써 형성될 수 있다. 그 결과, 인터커넥터(130)와 각각의 촉매층 사이의 접촉 저항을 줄일 수 있다. 또한, 연료 전지층(100)에서 사용되는 부품의 수를 줄일 수 있어, 연료 전지층(100)의 제조 공정을 간소화할 수 있다.
전해질막(122)은 관통공(122a)을 포함할 수 있으며, 인터커넥터(130)가 관통공(122a) 내에 제공된다. 그 결과, 인접하는 막 전극 조립체(120)들 사이에 배치되는 전해질막(122)의 강도를 유지할 수 있다. 또한, 인터커넥터(130)의 형성에 필요한 촉매 재료의 양을 줄일 수 있으므로, 제조 비용(cost)이 증가하는 것을 억제할 수 있다.
(변형예)
제1 실시예에 관련되는 연료 전지층(100)에 있어서, 씰층(140)의 형상이 변형되는 제1 내지 제4 변형예 관해 이하에서 기술한다. 도 7a는 제1 변형예에 따른 연료 전지층의 인터커넥터 부근을 나타내는 개략 부분 확대 단면도이다. 도 7b는 제2 변형예에 따른 연료 전지층의 인터커넥터 부근을 나타내는 개략 부분 확대 단면도이다. 도 7c는 제3 변형예에 따른 연료 전지층의 인터커넥터 부근을 나타내는개략 부분 확대 단면도이다. 도 7d는 제4 변형예에 따른 연료 전지층의 인터커넥터 부근을 나타내는 개략 부분 확대 단면도이다.
(변형예 1)
도 7a에 도시된 바와 같이 제1 변형예에 따르면, 씰층(140)은 인터커넥터(130), 인터커넥터(130)의 최상부를 포함하는 인터커넥터(130) 부근의 양극 촉매층(124)의 미세공들 및 인터커넥터(130)의 최상부를 포함하는 인터커넥터(130) 부근의 음극 촉매층(126)의 미세공들 메우도록 형성됩니다. 또한, 씰층(140)은 인접하는 양극 촉매층(124)들 사이의 스페이스 125와 마주하는 양극 촉매층(124)의 측벽 및 인접하는 음극 촉매층(126)들 사이의 스페이스 127와 마주하는 음극 촉매층(126)의 측벽을 커버도록 형성된다.
씰층(140)이 스페이스 125 및 127 내에서 측벽을 커버함으로써, 인접하는 촉매층들 간의 단락을 방지할 수 있다. 따라서, 스페이스 125 및 127이 완전히 채워지는 경우와 비교하여, 씰층(140)을 형성하는데 필요한 재료의 양을 줄이면서 동시에 인접하는 촉매층들 사이에 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
(변형예 2)
도 7b에 도시된 바와 같이 제2 변형예에 따르면, 씰층(140)은 인터커넥터(130)의 단부에 인접하는 음극 촉매층(126) 내에 제공되어, 음극 촉매층(126) 측 상의 인터커넥터(130)의 단부를 커버한다. 이러한 씰층(140)은 예를 들어, 수지 용액(140a)을 음극 촉매층(126) 측에서부터 침투시킴으로써 형성될 수 있다. 씰층(140)의 역할은 본 변형예와 같이, 인터커넥터(130)의 단부와 인접하는 음극 촉매층(126)의 미세공을 메우는 역할로 한정되지 않는다. 씰층(140)이 인터커넥터(130)내의 일부의 미세공 또는 인터커넥터(130)의 다른 단부에 인접하여 배치되는 양극 촉매층(124)의 미세공들 중 적어도 하나를 채울 수 있는 한, 크로스 리크(cross leak)의 발생을 억제할 수 있다. 즉, 씰층(140)은, 연료 또는 산화제의 유로를 차단할 수 있도록 제공되면 충분하다.
(변형예 3)
도 7c에 도시된 바와 같이 제3 변형예에 따르면, 씰층(140)은 양극 촉매층(124),인터커넥터(130) 및 음극 촉매층(126) 내에 침투하지 않으면서, 양극 촉매층(124) 및 음극 촉매층(126)의 표면에 형성된다. 이러한 경우에는, 인터커넥터(130) 부근에서 전기 전도성을 손상시키는 일없이 크로스 리크(cross leak)의 발생을 억제할 수 있다. 본 변형예의 씰층(140)은 수지 용액(140a)의 점도를 높게함으로써 형성될 수 있다.
(변형예 4)
도 7d에 도시된 바와 같이 제4 변형예에 따르면, 씰층(140)이 시트 형태의 씰(seal)재로 형성되고, 인터커넥터(130) 상의 양극 촉매층(124) 및 인터커넥터(130) 상의 음극 촉매층(126)의 표면에 제공된다. 이러한 경우에도, 크로스 리크(cross leak)의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 씰층(140)은 또한 스페이스 125 및 127을 커버하도록 제공된다. 이러한 구조는 발전시에 생성된 물이 스페이스 125 및 127로 들어가는 것을 방지할 수 있고, 인접하는 촉매층 간의 단락을 방지할 수 있다.
또한, 제3 변형예 및 제4 변형예와 같이, 씰층(140)을 인터커넥터(130) 내에 또는 촉매층 내에 형성하지 않고, 촉매층의 표면 또는 촉매층들의 표면에 형성하는 경우에는, 씰층(140)은 평면에서 관찰시 인터커넥터(130)와 중첩하는, 양극 촉매층(124)의 표면 및 음극 촉매층(126)의 표면 중 적어도 하나의 영역을 커버하도록 제공되어야 한다.
(제2 실시예)
제2 실시예에 관련되는 연료 전지층(100)의 제조 방법은, 연료 전지층(100)의 제조 방법에 이용하는 제1 기판(150) 및 제2 기판(152)의 형상이 제1 실시예와 상이하다. 연료 전지 시스템(10) 및 연료 전지층(100)의 최종 구조 및 그 제조 공정은 제1 실시예와 기본적으로 동일하다. 제1 실시예와 동일한 구성에 관해서는 동일한 도면 부호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.
도 8a 내지 8E는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지층의 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도이다.
본 실시예에서는 도 8a에 도시된 바와 같이, 표면에 볼록한 부분 150a이 형성된 제1 기판(150)을 이용한다. 볼록한 부분 150a이 형성되는 위치는, 제1 기판(150)이 전해질막(122)에 압착될 때, 관통공(122a)과 대향하는 위치일 수 있다. 예를 들어 스프레이(spray) 도포법을 이용하여, 볼록한 부분 150a이 형성된 측의 제1 기판(150)의 표면에, 양극 촉매층용 재료(123a)를 도포한다. 그 결과, 도 8b에 도시된 바와 같이, 제1 기판(150) 상의 전면에 양극 촉매층용 재료층(123)이 형성된다. 양극 촉매층용 재료층(123)은 볼록한 부분 150a 상에 형성되는 부분이 다른 부분보다 더 높게 돌출된다.
이 후, 도 8c에 도시된 바와 같이, 예를 들어 양극 촉매층(124)의 스페이스 125 형성될 예정인 소정의 영역에 레이저광 L을 조사하고, 양극 촉매층용 재료층(123)을 선택적으로 제거한다. 이러한 공정의 결과, 도 8d에 도시된 바와 같이, 제1 기판(150)의 표면에, 스페이스 125에 의해 구획되는 복수의 양극 촉매층용 재료층(123)이 형성된다.
이 후, 도 8e에 도시된 바와 같이, 양극 촉매층용 재료층(123)이 형성된 제1 기판(150)을, 양극 촉매층용 재료층(123)이 전해질막(122)의 일면을 향하도록 배치한다. 또한, 제1 기판(150)의 양극 촉매층용 재료층(123)의 형성과 동일한 방법에 따라서 음극 촉매층용 재료층(129)이 형성되고, 표면에 볼록한 부분 152a을 가지는 제2 기판(152)을, 음극 촉매층용 재료층(129)이 전해질막(122)의 다른 면을 향하고 배치한다. 이 후, 프레스(press) 장치를 이용하여, 제1 기판(150) 및 제2 기판(152)을 전해질막(122)에 압착한다. 이러한 공정에 의해, 양극 촉매층용 재료층(123) 및 음극 촉매층용 재료층(129)이 전해질막(122)에 전사된다. 이하,제1 실시예와 동일한 방법에 의해, 연료 전지층(100)이 형성된다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에서는, 관통공(122a)에 대응하는 위치에 볼록한 부분을 가지는 기판을 이용하여, 촉매층을 전해질막(122)에 압착한다. 따라서, 보다 신뢰성있게 관통공(122a) 내에 촉매층의 일부를 진입시킬 수 있다. 그 결과, 인터커넥터(130)를 관통공(122a) 내에 빈 공간없이 타이트하게 형성할 수 있다. 즉, 인터커넥터(130)의 단면적을 최대화할 수 있다. 또한, 관통공(122a) 내에 진입하는 돌출부 124a를 돌출부 126a과 확실하게 압착할 수 있다. 따라서 인접하는 막 전극 조립체(120)들을 보다 확실하게 전기적으로 접속시킬 수 있다. 제1 기판(150) 및 제2 기판(152) 중 적어도 하나는 볼록한 부분을 가지고 있는 것이 바람직하다. 그러나, 만약 제1 기판(150) 및 제2 기판(152) 모두가 볼록한 부분을 가지는 경우에는, 보다 확실하게 인접하는 막 전극 조립체(120)들을 전기적으로 접속시킬 수 있다.
(변형예)
제2 실시예에 있어서, 제1 기판(150) 및 제2 기판(152)의 형상에 따라 다음과 같은 변형예를 들 수 있다. 도 9a는 제5 변형예에 따른 연료 전지층의 제조 방법에서 제1 기판을 나타내는 개략 부분 확대 단면도이다. 도 9b는 제6 변형예에 따른 연료 전지층의 제조 방법에서 제1 기판을 나타내는 개략 부분 확대 단면도이다. 도 9(A)및 도 9(B)에서는, 연료 전지층(100)의 제조 방법의 일부만을 나타내고 있다.
(제5 변형예)
도 9a에 도시된 바와 같이 제5 변형예에 따르면, 시트 형태의 씰(seal)층 형성 재료(140b)가 제1 기판(150)의 표면에 설치함으로써, 제1 기판(150)의 표면에 볼록한 부분이 형성된다. 이러한 경우에는, 제1 기판(150)을 전해질막(122, 도 6a참조)에 압착할 때, 양극 촉매층(124) 및 돌출부 124a의 형성과 동시에, 씰층(140)을 형성할 수 있다(도 6b 내지 6D참조). 그 결과 연료 전지층(100, 도 6d참조)의 제조 공정 수를 줄일 수 있다. 제2 기판(152, 도 6a참조)의 형상도 제1 기판(150)과 동일할 수 있다.
(제6 변형예)
도 9b에 도시된 바와 같이 제6 변형예에 따르면, 제1 기판(150)의 표면에 홈부(150b)가 형성되고, 이 홈부(150b) 내에 실(seal)층 형성 재료인 수지 용액(140a)을 충진함으로써, 제1 기판(150)의 표면에 볼록한 부분이 형성된다. 이러한 경우에도, 제5 변형예와 마찬가지로, 양극 촉매층(124) 및 돌출부 124a의 형성과 동시에, 씰층(140)을 형성할 수 있다(도 6b 내지 6D참조). 그 결과 연료 전지층(100, 도 6d참조)의 제조 공정 수를 줄일 수 있다. 제2 기판(152, 도 6a참조)의 형상도 제1 기판(150)과 동일할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 수지 용액(140a)은 어느 정도 높은 점성을 갖는 것이 바람직하다.
(제3 실시예)
제3 실시예에 관련되는 연료 전지층(100)의 제조 방법은, 제조 공정이 제1 실시예와 상이하다. 이하,본 실시예에 관해서 설명한다. 연료 전지 시스템(10) 및 연료 전지층(100)의 구조는 제1 실시예와 기본적으로 동일하다. 제1 실시예와 동일한 구성에 관해서는 동일한 도면 부호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.
도 10a 내지 10D는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료 전지층의 제조 방법의 공정을 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 10a에 도시된 바와 같이, 예를 들어 스프레이(spray) 도포법을 이용하여, 관통공(122a)이 형성되는 전해질막(122)의 일면에, 양극 촉매층용 재료(123a)를 도포한다. 동일하게, 전해질막(122)의 다른 면에, 음극 촉매층용 재료를 도포한다. 따라서, 도 10b에 도시된 바와 같이, 전해질막(122)의 일면 측의 전면에 양극 촉매층(124)이 형성되고, 전해질막(122)의 다른 면 측의 전면에 음극 촉매층(126)이 형성된다. 제3 실시예에서는, 음극 촉매층용 재료보다도 먼저 양극 촉매층용 재료(123a)를 도포하므로, 관통공(122a)에는 양극 촉매층용 재료(123a)만이 충진되어, 인터커넥터(130)를 형성한다.
이 후, 도 10c에 도시된 바와 같이, 음극 촉매층(126)의 소정 위치에 예를 들어 레이저광 L을 조사하여, 음극 촉매층(126)을 선택적으로 제거한다. 동일하게, 양극 촉매층(124)를 선택적으로 제거한다. 도 10d에 도시된 바와 같이, 이러한 공정에 의해 전해질막(122)의 일면 상에 스페이스 125로 구획되는 복수의 양극 촉매층(124)이 형성된다. 또한, 이러한 공저에 의해 전해질막(122)의 다른 면 상에 스페이스 127로 구획되는 복수의 음극 촉매층(126)이 형성된다. 그 결과,평면 배열되는 복수의 막 전극 조립체(120)가 형성된다. 이하, 제1 실시예와 동일한 방법에 의하여, 연료 전지층(100)이 형성된다.
본 실시예의 제조 방법으로 형성되는 연료 전지층(100)도, 제1 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 본 실시예에서는, 기판상에 형성되는 촉매층용 재료층내에 스페이스 125 및 127을 형성하는 경우와 비교하여, 스페이스 125 및 127의 형성이 비교적 어렵지만, 제조에 필요한 장치의 수를 줄일 수 있는 점에서 연료 전지층(100)의 제조 공정의 간략화가 가능하다. 또한, 프레스(press) 장치를 이용하여 전해질막(122)에 촉매층을 압착하지 않기 때문에, 전해질막(122)에 손상을 줄 우려를 감소할 수 있다.
본 발명은, 상술한 각각의 실시예로 한정되는 것이 아니며, 당업자의 지식에 근거하여 각종의 설계 변경 등의 변형을 더하는 것도 가능하고, 이러한 설계 변경 등의 변형이 가해진 실시예도 본 발명의 범위에 포함될 수 있는 것이다.
예를 들어, 상술한 제1 및 2 실시예에서는, 돌출부 124a 및 126a에 의해 인터커넥터(130)을 형성하기 위해 양극 촉매층(124)과 음극 촉매층(126)을 전해질막(122)에 동시에 압착하고 있으나, 이러한 방법 대신, 인터커넥터(130)는 다음과 같이 형성될 수도 있다. 즉, 예를 들어, 양극 촉매층(124)을 먼저 전해질막(122)에 압착하고, 관통공(122a)내에 양극 촉매층(124)을 구성하는 재료를 충진한다. 이 후, 음극 촉매층(126)을 전해질막(122)에 압착한다. 그 결과, 돌출부 124a만으로 구성되는 인터커넥터(130)가 양극 촉매층(124)과 일체로 형성된다. 동일하게, 돌출부 126a만으로 구성되는 인터커넥터(130)를 음극 촉매층(126)과 일체로 형성할 수도 있다.
또한, 전류 집전체(미도시)가 양극 촉매층(124)과 음극 촉매층(126) 각각에 제공될 수 있다.
전술한 상세한 설명에서, 다양한 특징이 기재를 간략하게 하기 위해 그룹화될 수 있다. 이는 청구되지 않고 기재된 특징이 청구항에 필수적이라고 해석되어서는 안된다. 오히려, 본 발명의 주제는 기재된 특정 실시예의 모든 특징들 보다 간략할 수 있다. 따라서, 이하의 청구항은, 각각의 청구항이 별도의 실시예로서의 지위를 갖도록 상세한 설명에 포함되어 있다. 발명의 범위는 첨부된 클레임 및 이러한 클레임의 전체로서 동등한 범위로 참조되어 결정되어야 한다.
요약은 독자가 신속하게 공개된 기술의 특성을 확인할 수 있도록 제공된다. 이는 청구의 범위 또는 의미를 해석하거나 제한하는데 사용되지 않는다는 이해와 함께 제출된다.

Claims (14)

  1. 전해질막, 상기 전해질막의 일면에 배치된 양극(anode) 촉매층, 및 상기 양극 촉매층과 적어도 일부가 대향하도록 상기 전해질막의 다른 면에 배치된 음극(cathode) 촉매층을 포함하는 막 전극 조립체가 복수 개 평면 배열되어 이루어진 복수의 막 전극 조립체; 및
    서로 인접한 막 전극 조립체 중 한쪽의 양극 촉매층과 상기 서로 인접한 막 전극 조립체 중 다른 쪽의 음극 촉매층을 전기적으로 연결하는 인터커넥터(interconnector)
    를 포함하고,
    상기 인터커넥터(interconnector)는, 상기 양극 촉매층을 구성하는 재료 및 상기 음극 촉매층을 구성하는 재료 중 적어도 하나로 형성되는,
    연료 전지층.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인터커넥터는,
    상기 인터커넥터와 동일한 재료로 형성되는 상기 양극 촉매층 또는 상기 인터커넥터와 동일한 재료로 형성되는 상기 음극 촉매층과 일체로 형성되거나, 또는
    상기 양극 촉매층과 일체로 형성되는 부분 및 상기 음극 촉매층과 일체로 형성되는 부분을 포함하는,
    연료 전지층.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 막 전극 조립체는, 상기 전해질막의 일 표면에 각각의 막 전극 조립체의 양극 촉매층들이 서로 이격되어 설치되고 상기 전해질막의 다른 면에 각각의 막 전극 조립체의 음극 촉매층이 서로 이격되어 설치되도록 평면 배열되고,
    상기 전해질막은, 상기 일면으로부터 상기 다른 면까지 연장된 관통공을 포함하며,
    상기 인터커넥터는, 상기 관통공 내에 제공되어 있는,
    연료 전지층.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    서로 인접한 막 전극 조립체 중 한쪽의 양극 촉매층과 상기 서로 인접한 막 전극 조립체 중 다른 쪽의 음극 촉매층은 평면상에서 관찰시 부분적으로 서로 중첩하고,
    상기 인터커넥터는 상기 서로 인접한 막 전극 조립체의 양극 촉매층과 상기 서로 인접한 막 전극 조립체 음극 촉매층이 서로 중첩하는 영역에 설치되는,
    연료 전지층.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인터커넥터를 통해 하나의 촉매층에서 다른 하나의 촉매층으로 연료 및 산소가 이동하는 것을 차단하는 씰(seal)층을 더 포함하는
    연료 전지층.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 씰층은, 상기 인터커넥터를 구성하는 재료의 미세공들, 상기 인터커넥터의 일 단부에 인접한 상기 양극 촉매층의 미세공들, 및 상기 인터커넥터의 타 단부에 인접한 상기 음극 촉매층의 미세공들 중 하나 이상이 상기 씰층에 의해 메워지도록 제공되는,
    연료 전지층.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 씰층은, 상기 양극 촉매층 및 상기 음극 촉매층 중 하나 이상의 표면이 평면상에서 관찰시 상기 인터커넥터와 중첩하는 영역 내에 있는 상기 양극 촉매층 및 상기 음극 촉매층 중 하나 이상의 표면을 커버하도록 설치되는,
    연료 전지층.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 씰층은 인접한 촉매층들 사이의 스페이스를 향하고 있는 촉매층의 측벽을 덮도록 제공되는,
    연료 전지층.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 씰층은 인접한 촉매층들 사이의 스페이스를 메우도록 제공되는,
    연료 전지층.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 연료 전지층;
    상기 음극 촉매층에 인접하여 배치되는 음극 하우징; 및
    상기 양극 촉매층에 인접하여 배치되는 양극 하우징
    을 포함하는
    연료 전지 시스템.
  11. 전해질막의 일면에의 복수의 양극 촉매층의 형성 및 상기 전해질막의 다른 면에의 복수의 음극 촉매층의 형성을 동시에 또는 무작위 순서(random order)로 실행함으로써, 평면 배열되는 복수의 막 전극 조립체를 형성하는 단계; 및
    상기 양극 촉매층의 형성에 수반하여 인접한 막 전극 조립체의 전해질막을 부분적으로 또는 전체적으로 이격시키는 데 사용되는 스페이스에 상기 양극 촉매층으로서 사용되는 재료가 충진되거나 또는 상기 음극 촉매층의 형성에 수반하여 상기 스페이스에 상기 음극 촉매층으로서 사용되는 재료가 충진됨으로써, 인접한 막 전극 조립체 중 한쪽의 양극 촉매층과 상기 인접한 막 전극 조립체 중 다른 쪽의 음극 촉매층을 전기적으로 연결하는 인터커넥터를 형성하거나, 또는 상기 양극 촉매층의 형성에 수반하여 상기 스페이스에 상기 양극 촉매층으로서 사용되는 재료가 충진되고 또 상기 음극 촉매층의 형성에 수반하여 상기 스페이스에 상기 음극 촉매층으로서 사용되는 재료가 충진됨으로써 상기 인터커넥터를 형성하는 단계
    를 포함하는
    연료 전지층의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 양극 촉매층으로서 사용되는 재료가 적층된 제1 기판이 상기 전해질막의 일면을 향하도록 배치되고,
    상기 음극 촉매층으로서 사용되는 재료가 적층된 제2 기판이 상기 전해질막의 다른 면을 향하도록 배치되며,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판을 상기 전해질막에 압착함으로써, 상기 양극 촉매층은 상기 전해질막의 상기 일면 상에 형성되고, 상기 음극 촉매층은 상기 전해질막의 상기 다른 면에 형성되며,
    상기 인터커넥터는 상기 양극 촉매층으로서 사용되는 재료 및 상기 음극 촉매층으로서 사용되는 재료 중 하나 이상을 상기 압착을 통해 상기 스페이스에 충진함으로써 형성되는,
    연료 전지층의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 중 하나 이상은 상기 스페이스에 대응하는 표면 영역에 볼록한 부분을 포함하는,
    연료 전지층의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 볼록한 부분은 상기 기판의 표면에 씰층을 형성하는 재료를 적층함으로써 형성되는,
    연료 전지층의 제조 방법.
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