KR20140031148A - 멤브레인-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 제조 방법 - Google Patents

멤브레인-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 제조 방법 Download PDF

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KR20140031148A
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은 연료 전지(1)를 제조하는 방법에 관한 것으로,
- 중간부에 개구를 포함하는 보강재(131)를 양자 교환 멤브레인 및 상기 멤브레인의 일 면에 배치된 전극에 고정 부착하는 단계로서, 상기 보강재는 상기 양자 교환 멤브레인에 돌출부를 가지고 상기 보강재의 내부 에지가 상기 전극의 가장자리를 커버하도록 부착하는 단계;
- 가스 확산층에 습식 공정에 의해 줄 세공을 형성하는 방법에 의해 상기 가스 확산층의 가장자리에 오목부를 형성하는 단계; 및
- 상기 오목부가 상기 보강재의 내부 에지와 수직이 되도록 상기 가스 확산층을 배치하는 단계;를 포함한다.

Description

멤브레인-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 제조 방법{METHOD FOR FABRICATING A FUEL CELL INCLUDING A MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 양자 교환 막 연료 전지(proton exchange membrane fuel cells)에 관한 것으로, 특히 그러한 연료 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 미래의 대량 생산 자동차뿐만 아니라 다수의 응용예에서 사용되는 전력 공급 시스템으로 사용될 것이다. 연료 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 전기화학적 장치이다. 수소(H2) 또는 분자 수소가 연료 전지의 연료로 사용된다. 수소 가스는 전지의 전극에서 산화 및 이온화되고 공기 중의 산소(O2) 또는 분자 산소가 전지의 다른 전극에서 소모된다. 화학 반응에 의해 캐소드에서 물이 생성되고, 산소가 소모되어 양자와 반응한다. 연료 전지의 큰 장점은 전기를 발생시키는 장소에서 대기 오염물의 방출을 방지한다는 것이다.
PEM(Proton exchange membrane) 연료 전지는 특히 소형이이어서 더 관심의 대상이 되고 있다. 각 전지는 양자만을 통과시키고 전자를 통과시키지 않는 전해질 멤브레인을 갖는다. 이 멤브레인은 제1 면에 애노드를, 제2 면에 캐소드를 포함하여, MEA로 알려진 멤브레인-전극 어셈블리를 형성한다.
애노드에서는, 수소(H2)가 이온화되어 멤브레인을 통과하는 양자를 생성한다. 이 반응에 의해 생성된 전자는 흐름판으로 이동한 후 전지 외부의 전기 회로를 통과하여 전류를 형성한다.
연료 전지는 예컨대 서로 적층된 금속으로 제조된 여러 개의 흐름판들을 포함한다. 멤브레인은 2개의 흐름판 사이에 위치된다. 흐름판은 반응물 및 생성물을 멤브레인으로 및 멤브레인으로부터 가이드하는 채널 및 구멍을 포함한다. 판들은 또한 애노드에서 발생된 전자의 콜렉터를 형성하도록 전기적 전도성을 가진다.
가스 확산층이 전극 및 흐름판 사이에 삽입되고 흐름판과 접촉하게 된다.
연료 전지를 조립하는 방법 및 특히 MEA를 제조하는 방법은 연료 전지의 성능 및 그 수명을 결정하는데 매우 중요하다.
MEA의 성능 및 그 수명 간의 최적의 타협안을 얻기 위하여, 공기의 멤블레인 전극 어셈블리를 제조하는 방법이 현재 선호되고 있다. 이 방법은 잉크에 존재하는 솔벤트에 덜 민감한, 유연한 소수성 지지체상에, 전기 화학적 촉매 잉크 층을 프린트하는 예비 단계를 포함한다. 이 프린팅 지지체는 특히 매우 적은 표면 에너지 및 매우 낮은 거칠기를 갖는다. 전기 화학적 촉매 잉크를 건조시켜서 전극을 형성시킨 후, 그 전극이 핫-프레싱에 의해 멤브레인과 결합된다. 프린팅 지지체에 대한 전극의 낮은 접착력 때문에, 핫-프레싱은 감소된 온도 및 압력하에서 행해진다. 따라서, 핫-프레싱 단계 동안 멤브레인의 열화(deterioration)가 감소된다. 또한, 유연한 지지체 상에 프린트에 의해 형성된 전극은 동질의 두께 및 구성을 가지며, 따라서 핫-프레싱 동안 멤브레인의 열화를 제한한다. 또한, 전극이 건조 후 멤브레인과 결합되므로, 멤브레인은 잉크의 솔벤트와 접촉하도록 배치되지 않고 대응하는 어떤 열화도 겪지 않는다.
US 2008/0105354는 멤브레인/전극을 연료 전지에 조립하는 방법을 기술한다. 형성된 멤브레인/전극 어셈블리는 보강재 또는 서브가스켓을 포함한다. 각 보강재는 전극을 둘러싼다. 보강재들은 폴리머 막으로 형성되고 가스 및 냉각 액체 입구에서 멤브레인/전극 어셈블리를 보강한다. 보강재는 멤브레인/전극 어셈블리의 핸들링을 용이하게 하여 열화를 방지한다. 상기 보강재는 또한 온도 및 습도에 따른 멤브레인의 치수 변화를 제한한다. 실제로, 멤브레인/전극 어셈블리의 열화의 원인인 가스 침투 현상을 제한하기 위해 보강재은 전극의 가장자리에 포개진다.
이 방법에 따르면, 보강재는 폴리머 막의 중간부에 개구를 형성하여 제조된다. 보강재는 일 면에 압력에 민감한 접착제를 포함한다. 멤브레인/전극 어셈블리는 리커버되고 보강재의 개구는 전극과 수직으로 배치된다. 보강재는 전극의 가장자리를 커버한다. 보강재를 접착제에 의해 멤브레인 및 전극의 에지에 고정 부착하기 위해 프레싱이 행해진다. 보강재를 절단해서 가스 및 액체의 입구를 형성한다.
그 후, 가스 확산층이 전극의 커버되지 않는 부분과 접촉되도록 배치된다. 가스 확산층 및 전극 사이의 접촉을 양호하게 하기 위해 핫-프레싱 작업이 자주 실행된다. 멤브레인에 직접적인 전단력을 제한하기 위해 각 가스 확산층의 가장자리가 각 보강재의 적어도 일부를 커버한다. 국부적으로, 전극, 보강재 및 가스 확산층이 포개져 초과 두께를 형성한다. 핫-프레싱 단계 동안, 두께가 증가된 구역은 특히 멤브레인에서 잠재적으로 열화의 원인인 더 높은 국부 압력을 받게 되어, 연료 전지의 수명을 감소시킨다. 핫-프레싱 동안 압력의 비-동질성은 보강재, 가스 확산층 및 전극 간의 간격을 추가적으로 생성하고, 연료 전지의 성능을 열화시킨다.
연료 전지를 설계할 때, 파워의 증가는 일반적으로 전기 화학 전지의 수를 증가시키거나 멤브레인/전극 조립체 및 2극 판의 면적을 증가시킴으로써 달성된다. 이러한 설계는 연료 전지의 무게와 크기 및 가스 확산층의 부피 및 비용을 동일한 비율로 증가시킨다. 많은 적용예에서, 연료 전지의 크기 및 무게는 엄격히 제한되어야 한다.
본 발명은 상기한 문제점들을 하나 이상 해결하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 첨부된 청구항에서 한정된 연료 전지 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 실시예를 통하여 더 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 연료 전지의 개략적 횡단면도;
도 2는 가스 확산층을 제외한 멤브레인/전극 어셈블리의 가장자리의 횡단면도;
도 3은 연료 전지에 결합될 수 있는 가스 확산층의 가장자리의 단면도;
도 4 내지 도 10은 본 발명에 따른 연료 전지 제조 방법 일 실시예의 여러 단계들을 도시한 도면;
도 11은 멤브레인/전극 조립체에 초점을 맞춘 연료 전지의 일 실시예의 개략적 단면도;
도 12는 복수의 전기 화학 전지들 사이의 접촉면의 단면도,
도 13은 연료 전제의 다른 제조 방법의 가스 확산층의 단면도;
도 14는 도 13의 방법 단계의 평면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 멤브레인/전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지(1)의 개략적 단면도이다. 이 연료 전지(1)는 양자 교환 멤브레인 또는 고분자 전해질 멤브레인 형태이다. 예시되어 있지 않지만, 연료 전지는 여러 개로 겹쳐진 전기 화학 전지를 포함할 수 있다. 상기 연료 전지(1)는 각 전지의 입구에 공기로부터 수소(H2)를 공급하는 자동차 연료원을 포함한다. 연료 전지(1)는 또한 각 전지의 입구에 산화제로 사용된 산소를 함유하는 공기를 공급하는 공기원을 갖는다. 각 전지는 또한 배기 채널들을 포함한다. 각 전지는 또한 종래의 냉각 회로를 가질 수 있다.
각 전지는 멤브레인/전극 어셈블리 또는 MEA를 포함한다. 각 멤브레인/전극 어셈블리는 예를 들어 폴리머 멤브레인(100)으로 형성된 전해질 층을 포함한다.
멤브레인/전극 어셈블리는 또한 멤브레인(100)의 양측에 배치된 캐소드(111) 및 애노드(112)를 포함한다. 상기 캐소드(111) 및 애노드(112)는 바람직하게는 적절한 수단(예를 들어, 핫-프레싱)에 의해 멤브레인(100)에 고정된다.
전해액 층은 양자 전도를 가능하게 하는 동시에 전지에 존재하는 가스는 침투하지 못하는 반투성 멤브레인(100)을 형성한다. 이러한 멤브리인(100)은 또한 애노드(112) 및 캐소드(111) 사이에 전자가 통과하지 못하게 된다.
연료 전지(1)는 캐소드(111) 및 애노드(112) 각각의 가장자리에 배치된 보강재 또는 서브가스켓(131 및 132)을 더 포함하다. 상기 보강재(131 및 132)는 멤브레인/전극 어셈블리에서 열화(deterioration)를 야기하는 가스 침투 현상을 제한하기 위해 멤브레인(100)에 돌출부를 갖도록 전극의 가장자리에 포개진다. 보강재(131 및 132)는 일반적으로 폴리머 막으로 형성되고 가스 및 냉각 액체 입구에서 멤브레인/전극 어셈블리를 보강한다. 상기 보강재(131 및 132)는 또한 멤브레인/전극 어셈블리의 핸들링을 용이하게 하여 열화를 방지한다. 상기 보강재(131 및 132)는 또한 멤브레인(100)의 치수 변화를 온도 및 습도의 함수로 제한한다.
각 전지는 각각 캐소드(111) 및 캐소드(111)를 마주하도록 배치된 흐름-유도판(101 및 102)을 포함한다. 각 전지는 캐소드(111) 및 유도판(101) 사이에 배치된 가스 확산층(21)을 포함한다. 각 전지는 또한 애노드(112) 및 유도판(102) 사이에 배치된 가스 확산층(22)을 포함한다. 인접한 전지의 두 개의 유도판들은 종래의 방식의 하나의 2극판을 형성할 수 있다. 상기 유도판은 흐름 채널을 형성하는 양각 면을 포함하는 금속 시트로 형성될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 흐름 채널들(103, 104)이 z 방향을 따라 분포되고, x 방향을 따라 연장된다. 겹쳐 쌓인 전기 화학 전지들은 가장자리의 방수를 보장하고 및 가스 확산층을 각 전극 및 유도판에 대해 가압하기 위하여 압축(알려진 방법으로)된다.
종래 기술에서, 연료 전지(1)가 작동하는 동안, 공기는 MEA 및 유도판(101) 사이로 흐르고, 수소(H2)는 MEA 및 유도판(102) 사이에 흐른다. 애노드(112)에서는 수소(H2)가 이온화되어 MEA를 통과하는 양자를 생성한다. 그 반응에 의해 생성된 전자는 유도판(101)에 수집된다. 그 후, 생성된 전자는 연료 전지(1)에 연결된 전기 부하에 인가되어 전류를 형성한다. 캐소드(111)에서는 산소가 감소되고 양자와 반응하여 물을 형성한다. 애노드 및 캐소드에서의 반응은 다음과 같이 제어된다:
애노드:
Figure pat00001
;
캐소드:
Figure pat00002
연료 전지가 작동할 때, 그 전지가 일반적으로 애노드 및 캐소드 사이에 1V 정도의 DC 전압을 발생시킨다.
도 2는 도 1의 연료 전지의 멤브레인/전극 어셈블리 가장자리의 단면도이다. 더 명확한 도시를 위하여, 가스 확산층은 표시되지 않았다.
이하에서는 보강재(131)가 더 상세히 설명될 것이다. 보강재(132)는 거의 동일한 구조를 가질 수 있다. 보강재(131)는 캐소드(111)의 가장자리를 커버하는 내부 경계부(134)를 갖는다. 내부 경계부(134)에 의한 캐소드(111)의 가장자리의 커버링은 바람직하게는 500 내지 3000㎛ 범위의 너비이다. 상기 내부 경계부(134)는 캐소드(111)에 고정 결합된다. 상기 보강재(131)는 캐소드(111)의 가장자리를 넘어서 연장되어 멤브레인(100) 상에 돌출부를 형성한다. 상기 보강재(131)는 멤브레인(100)에 고정 부착된다. 캐소드(111) 및 멤브레인(100)에 보강재(131)를 고정 부착하는 것은, 예를 들어 캐소드(111)를 보강재(131)에 핫-프레싱하거나 프린팅하는 것과 같은 적합한 수단에 의해 실시될 수 있다. 보강재(131)는 그 중간 부분에 개구(133)를 갖는다. 따라서, 상기 개구(133)로 인해 캐소드(111)의 중간부는 커버되지 않는다.
상기 보강재(131, 132) 및 전극(111, 112)은 일반적으로 균일한 두께를 갖는다. 따라서, 보강재의 내부 경계부 및 전극의 가장자리가 겹침으로써 약간의 국부적 초과 두께부가 생성될 수 있다. 그 초과된 두께는 전극 두께에 대응할 수 있다. 전극들(111 및 112)은 일반적으로 5㎛ 내지 25㎛의 두께 범위를 갖는다. 보강재(131 및 132)는 일반적으로 25㎛ 내지 75㎛의 두께 범위를 갖는다.
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지(1)의 애노드측 또는 캐소드측에 사용될 수 있는 가스 확산층의 일 예의 가장자리 확대 단면도이다.
도시된 가스 확산층(21)은 두 개의 면(214 및 215)을 갖는다. 하나의 면(214)이 유도판(101)과 접촉하게 된다. 다른 면(215)은 보강재(131)의 개구(133)를 통해 전극(여기서는 캐소드(111))과 접촉하게 된다. 가스 확산층(21)은 가장자리에 상기 다른 면(215)에 오목부(211)를 포함한다. 따라서, 상기 다른 면(215)의 중간 부분은 (오목부(211)에 대한) 돌출부를 형성하여, 캐소드(111)와 접촉하기 위해 보강재(131)의 개구(133)를 통과한다.
상기 오목부(211)는 보강재(131)의 내부 경계부(134)와 수직으로 놓인다. 즉, 상기 내부 경계부(134)와 서로 겹쳐지며, 이러한 겹침에 의해 형성되는 국부적인 두께는 제한 또는 제거된다. 이를 위하여, 상기 오목부(211)는 바람직하게는 0.8*Epr 내지 1.1* Epr 범위의 깊이 Pr를 가지며, 여기서 Epr은 내부 경계부(134)에서 보강재(131)의 두께이다. 상기 깊이 Pr은 바람직하게는 25㎛ 내지 75㎛ 범위를 가진다. 가스 확산층(21)은 바람직하게는 그 중간부에서 200㎛ 내지 400㎛ 범위의 두께 Ep를 가진다. 오목부(211)의 두께는 바람직하게는 500㎛ 내지 3000㎛ 범위이다. 오목부(211)의 크기는 바람직하게는 내부 경계부(134)가 상기 면(215)의 중간부까지 연장되지 않거나 또는 형성된 돌출부가 개구(133)내에 하우징되도록 형성된다.
상기 오목부(211) 및 면(215)의 중간부의 연결부에는 바람직하게는 모따기 또는 연결 반경이 제공된다.
핫-프레싱 단계가 있는 경우에 그 단계 동안 국부적 초과 압력을 제한하기 위해, 가스 확산층(21)은 바람직하게는 일 부분(212)과 다른 부분(213)이 정렬되는 일 면(214)을 가진다. 상기 일 부분(212)은 오목부(211)와 수직인 면(214) 부분에 대응한다. 상기 다른 부분(213)은 면(214)의 중간부에 대응한다. 따라서, 상기 면(214)의 레벨은 핫-프레싱 단계 동안 또는 판(101 및 102)의 결합 동안 명확히 균일하다. 상기 면(214)은 바람직하게는 거의 평면이다. 바람직하게는, 상기 가스 확산층(211)은 그 표면이 거의 균일한 구성을 갖는다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 방법의 일 예에 따른 연료 전지(1)의 제조 단계들을 도시한다. 도 4 내지 10을 참조하여 설명되는 방법은 캐소드(111) 측 및/또는 애노드(112) 측 상에 구현될 수 있다.
도 4는 지지체(130)의 평면도이다. 상기 지지체(130)는 바람직하게는 평면 지지체이다. 상기 지지체(130)에서 프리-컷 윤곽부(pre-cut contour)(135)가 형성될 수 있다. 따라서, 프리-컷 윤곽부(135)는 상기 지지체(130)의 가장자리부 및 중간부를 분할한다.
도 5는 상기 지지체(130) 위에 액상의 전기 화학적 촉매 잉크의 용착후 건조하여 전극(110)이 형성된 지지체(130)의 평면도이다. 상기 전극(110)은 적합한 수단에 의해 응고될 수 있다. 형성된 전극(110)은 프리-컷 윤곽부(135)를 넘어 확장된다. 따라서, 가장자리부의 내부 경계부 및 전극(110)의 가장자리 사이에는 겹침이 생긴다.
전기 화학적 촉매 재료는 얻어진 촉매 반응에 적합한 촉매 특성을 갖는다. 전기 화학적 촉매 재료는 금속 원자를 포함하는 입자 또는 나노-입자 형태일 수 있다. 상기 촉매 재료는 특히 금속 산화물을 포함할 수 있다. 전기 화학적 촉매 재료는 플래티늄, 금, 은, 코발트 및 루테늄과 같은 금속일 수 있다.
도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 단계들에 의해 얻어진 지지체(보강재(131)와 같은) 및 캐소드(111) 및 지지체(보강재(132)와 같은) 및 애노드(112)를 사용하여 형성된 연료 전지(1)의 전지 단면도이다. 제조 공정의 본 단계에서, 첫째로 지지체/보강재(131) 및 캐소드(111)를 멤브레인(100)의 일 면에, 둘째로 지지체/보강재(132) 및 애노드(112)를 멤브레인(100)의 다른 면에 고정 부착함으로써 멤브레인/전극 어셈블리가 얻어진다. 따라서, 보강재 및 전극이 동일 핫-프레싱 단계 동안 멤브레인(100)에 고정 부착될 수 있다.
핫-프레싱 단계 동안 전극(110)을 멤브레인(100)에 부착시키기 위해, 맴브레인(100) 및 전극(110)은 바람직하게는 동일한 폴리머 재료를 포함한다. 이러한 폴리머 재료는 바람직하게는 핫-프레싱 온도 이하에서 유리 전이 온도를 갖는다. 이러한 폴리머 재료를 형성하기 위해 사용되는 중합가능한 재료는 상업적 레퍼런스 Nafion DE2020 로 상업적으로 유통되는 이오노머(ionomer)일 수 있다.
핫-프레싱에 의한 부착을 위해, 핫-프레싱 온도는 바람직하게는 100℃ 내지 130℃ 범위, 및 양호하게는 110℃ 내지 125℃ 범위이다.
도 7은 보강재(131 및 132)에 개구(133)를 형성하기 위해 각각의 중간부를 제거(윤곽부(135)를 따라 절단)한 후의 연료 전지(1)의 전지 단면도이다. 상기 개구(133)에 의해 각각 캐소드(111)의 중간부 및 애노드(112)의 중간부가 커버되지 않게된다. 따라서, 전기 화학적 촉매 잉크가 용착된 지지체로부터 보강재가 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제거 단계 후에, 상기 보강재(131 및 132)는 예를 들어 가스 흐름 또는 냉각 액체의 통로를 형성하기 위해 가장자리에 관통-구멍을 절단하는 작업을 거칠 수 있다.
도 8은 가스 확산층(21 및 22)의 배치 후 연료 전지(1)의 전지 단면도이다. 가스 확산층(21)은 개구(133)를 통해 캐소드(111)의 커버되지 않은 부분과 접촉하도록 배치된다. 가스 확산층(21)의 가장자리는 보강재(131)의 내부 에지(134)를 커버한다. 따라서, 보강재(131)의 내부 에지(134)가 가스 확산층(21)의 오목부(211) 내에 하우징된다. 다른 하나의 가스 확산층(22)은 개구(133)를 통해 애노드(112)의 커버되지 않은 부분과 접촉하도록 배치된다. 가스 확산층(22)의 가장자리는 보강재(132)의 내부 경계부(134)를 커버한다. 따라서, 보강재(132)의 내부 경계부(134)가 가스 확산층(22)의 오목부(211) 내에 하우징된다.
도 1에 도시된 연료 전지(1)의 전지를 얻기 위해서는, 가스 확산층(21 및 22)을 구비한 멤브레인/전극 어셈블리가 2개의 흐름-유도 금속판(101 및 102) 사이에 배치될 수 있다.
오목부(211)는 제지용 펄프로 줄 세공 패턴을 형성하는 공지 방법을 사용해서 형성될 수 있다. 오목부(211)를 줄 세공 형태로 포함하는 가스 확산층은 특히 습식 공정에 의해 얻어질 수 있다. 도 9는 오목부(211)를 포함하는 가스 확산층을 습식 공정으로 제조하는 방법의 일 예의 단계를 도시한 개략적 단면도이다.
습식 공정을 사용하는 방법에 따르면, 공지된 구조를 갖는 다공성 지지체(31)에 수용액(12)이 적용된다. 상기 지지체(31)에는 부가 릴리프 기능부(32)(갈바노 릴리프 또는 갈바노로도 불림)가 부착되어 오목부(211)의 형태를 형성한다. 오목부를 가진 가스 확산층의 형성을 위한 지지체(31) 및 부가 릴리프(32)의 결합은 도 10의 평면도에서 도시되어 있다. 초과된 물을 회수하는 장치(34)가 지지체(31) 아래에 배치되고 예를 들어 진공 흡입 장치를 포함한다. 지지체(31)는 수용액(12)에 포함된 물을 필터링하도록 설계되어 지지체(31) 위의 용액의 나머지 성분을 보호한다.
상기 수용액은 탄소 섬유(가스 확산층을 형성에서 공지) 및 결합재 재료(예를 들어, 폴리비닐알코올)을 포함한다. 상기 수용액(12)은 여러 구성을 포함하는 분산 형태를 취할 수 있다.
상기 실시예에서 도시된 바와 같이, 수용액(12)은 예컨대 지지체(31)에 대하여 이동가능한 스프레잉 노즐(33)에 의해 적용될 수 있다. 상기 수용액(12)은 스프레잉 동안 0.02% 이하(예를 들어, 0.01%)의 탄소 섬유의 질량비를 가질 수 있다. 상기 결합재 재료는 예를 들어 형성된 가스 확산층의 질량비로 5 내지 10%를 구성할 수 있다.
수용액(12)이 지지체(31)에 일단 적용되면, 그 용액으로부터 물의 주성분은, 재료가 핸들링 가능할 정도로 응고될 때까지, 지지체(31)를 통해 방출된다. 응고된 요소는 릴리프(32) 형태로 형성된 오목부(211)를 포함한다. 응고된 요소는 그 후 연료 전지(1) 내부에 조립되어야 하는 가스 확산층(21)이 얻어질 때까지 오븐 건조, 프레싱, 함침법 또는 흑연화와 같은 여러 처리 작업을 거칠 수 있다.
응고된 요소는, 특히 응고된 요소가 프레싱 단계를 거칠 때, 형성된 가스 확산층의 오목부의 깊이보다 큰 깊이를 가질 수 있다. 릴리프 기능부(32)의 두께는 바람직하게는 연속된 처리 단계를 고려하여 설정될 것이다. 릴리프의 폭은 바람직하게는 500㎛ 내지 3000㎛의 범위로 되어 형성되는 오목부(211)의 폭을 설정한다.
도 11은 멤브레인/전극 조립체에 초점을 맞춘 연료 전지(1)의 다른 실시예의 개략적 단면도이다. 가스 확산층(21, 22)과 캐소드(111) 및 애노드(112) 사이의 접촉 면는 각각 웨이브 형상을 가진다.
이를 위하여, 캐소드(111)와 접촉한 가스 확산층(21)의 면이 웨이브 형상이다. 유사하게, 애노드(112)와 접촉한 가스 확산층(22)의 면도 웨이브 형상이다. 멤브레인/전극 조립체는 유연하며, 가스 확산층(21, 22)에 의해 웨이브 형상을 가진다.
따라서, 전기 화학 전지의 두께가 약간 증가하고 유도판(101, 102)이 동일한 영역을 가질 때 가스 확산층(21, 22)과 전극(111, 112) 사이의 교환 영역은 증가한다. 이러한 연료 전지(1)는 거의 동일한 부피로 증가된 파워를 가진다. 동일한 가스 확산층을 가지고 증가된 파워가 얻어진다. 가스 확산층(일반적으로 연료 전지의 가장 고가의 부품)의 비용은 거의 동일하다.
도 11의 실시예에서, 웨이브 형상은 x 방향을 따라 P의 주기를 가진다. 주기 P는 바람직하게는 50 내지 250㎛, 더 바람직하게는 75 내지 150㎛ (예컨대 100㎛)를 가진다. 주기 P는 멤브레인/전극 조립체의 두께를 증가시키지 않고 접촉 면적을 증가시킬 수 있도록 충분히 작아야 한다. 또한, 주기 P는 멤브레인/전극 조립체의 초과 변형을 방지할 수 있도록 충분히 커야 한다. 따라서, 전극(111, 112)과 멤브레인(100) 사이의 고정은 변경되지 않는다. 또한, 전극과 각각의 가스 확산층 사이의 접촉은 유지된다.
웨이브 형상은 바람직하게는 균일한 높이 A를 가진다. 이러한 높이는 바람직하게는 15 내지 50㎛, 더 바람직하게는 20 내지 45㎛이다. 이러한 높이는 바람직하게는 가스 확산층의 두께의 5 내지 20%, 더 바람직하게는 5 내지 15%이다. 높이 A는 웨이브 형상의 최고점과 최저점 사이의 깊이다. 높이 A는 가스 확산층과 각 전극 사이의 교환 영역을 상당히 증가시킬 수 있도록 충분히 커야 한다. 또한, 높이 A는 멤브레인/전극 조립체의 초과 변형을 방지할 수 있도록 충분히 작아야 한다. 주기 P와 높이 A의 비는 바람직하게는 2 내지 5 사이이다. 가스 확산층(21, 22)은 바람직하게는 150㎛ 내지 500㎛, 더 바람직하게는 200 내지 300㎛의 두께를 가진다.
이러한 변수들을 가지고, 가스 확산층과 각 전극 사이의 교환 영역이 증가될 수 있다(10% 내지 25%).
웨이브 형태는 바람직하게는 날카로운 에지를 가지지 않으며, 바람직하게는 큰 곡률 반경을 가진다. 이에 따라 멤브레인/전극 조립체는 변경되지 않는다. 전극과 가스 확산층 사이의 균일한 접촉 또한 유지된다. 전극과 가스 확산층 사이의 접촉면은 바람직하게는 돌출된 형태를 가진다.
멤브레인/전극 조립체는, 두께가 35 내지 130㎛일 때, 변경없이 용이하게 형성될 수 있다. 전극(111, 112)의 두께는 바람직하게는 5 내지 15㎛이다. 멤브레인(100)의 두께는 바람직하게는 20 내지 100㎛이다.
도 13 및 도 14는 도 9 및 도 10에 도시된 제조 단계의 다를 실시예를 도시한다. 이 단계 중, 웨이브 형상의 접촉면을 가지는 가스 확산층은 습식 공정에 의해 얻어진다. 지지체(31)는 가스 확산층의 중간부에 웨이브 형상을 형성하는 부가 릴리프 기능부(35)에 의하여 추가적으로 덮힌다. 상기 릴리프 기능부(35)는 적절한 웨이브 형상을 가진 가스 확산층의 중간부에 오목부를 형성한다.
이러한 습식 공정 단계에 의해 얻어진 가스 확산층은 평평한 상단면을 가진다.

Claims (6)

  1. - 중간부에 개구를 포함하는 보강재(131)를 양자 교환 멤브레인 및 상기 멤브레인의 일 면에 배치된 전극에 고정 부착하는 단계로서, 상기 보강재는 상기 양자 교환 멤브레인에 돌출부를 가지고 상기 보강재의 내부 에지가 상기 전극의 가장자리를 커버하도록 부착하는 단계;
    - 가스 확산층에 습식 공정에 의해 줄 세공을 형성하는 방법에 의해 상기 가스 확산층의 가장자리에 오목부를 형성하는 단계; 및
    - 상기 오목부가 상기 보강재의 내부 에지와 수직이 되도록 상기 가스 확산층을 배치하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 줄 세공을 형성하는 단계는, 탄소 섬유 및 결합재를 포함하는 수용액 층을 적용하고, 상기 가스 확산층을 형성하기 위해 상기 수용액의 성분을 응고시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스 확산층은 깊이 25㎛ 내지 75㎛의 오목부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 제조 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 가스 확산층은 폭 500㎛ 내지 3000㎛의 오목부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 확산층은 거의 동질의 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 확산층은 제1 면과 제2 면을 포함하며, 상기 제1 면에는 상기 오목부가 형성되고, 상기 제2 면의 일부는 상기 오목부와 수직으로 놓이고 상기 제2 면의 중간부와 일직선으로 배열되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 제조 방법.






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