KR20230168122A - 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법 - Google Patents
연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230168122A KR20230168122A KR1020230044281A KR20230044281A KR20230168122A KR 20230168122 A KR20230168122 A KR 20230168122A KR 1020230044281 A KR1020230044281 A KR 1020230044281A KR 20230044281 A KR20230044281 A KR 20230044281A KR 20230168122 A KR20230168122 A KR 20230168122A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- gas diffusion
- cover sheet
- diffusion layer
- electrode assembly
- membrane electrode
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 115
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 89
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 59
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 35
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 18
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 158
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 104
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 73
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 description 18
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 17
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 13
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- -1 perfluoroalkyl sulfonic acid Chemical compound 0.000 description 10
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 9
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 9
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 9
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 8
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 8
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 7
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 5
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 5
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 5
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 4
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 229910021397 glassy carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 3
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 229920003207 poly(ethylene-2,6-naphthalate) Polymers 0.000 description 3
- 239000011112 polyethylene naphthalate Substances 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 3
- 229920000219 Ethylene vinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- JHWNWJKBPDFINM-UHFFFAOYSA-N Laurolactam Chemical compound O=C1CCCCCCCCCCCN1 JHWNWJKBPDFINM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000299 Nylon 12 Polymers 0.000 description 2
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 2
- 239000004697 Polyetherimide Substances 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- 229920000491 Polyphenylsulfone Polymers 0.000 description 2
- 229920010524 Syndiotactic polystyrene Polymers 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 229920006351 engineering plastic Polymers 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N fluoromethane Chemical compound FC NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001821 foam rubber Polymers 0.000 description 2
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 2
- 239000006262 metallic foam Substances 0.000 description 2
- 229910021382 natural graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 2
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 2
- 229920001601 polyetherimide Polymers 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 229920013636 polyphenyl ether polymer Polymers 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 229920000571 Nylon 11 Polymers 0.000 description 1
- 229920012266 Poly(ether sulfone) PES Polymers 0.000 description 1
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- OFOBLEOULBTSOW-UHFFFAOYSA-N Propanedioic acid Natural products OC(=O)CC(O)=O OFOBLEOULBTSOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 125000003368 amide group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 239000004715 ethylene vinyl alcohol Substances 0.000 description 1
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- RZXDTJIXPSCHCI-UHFFFAOYSA-N hexa-1,5-diene-2,5-diol Chemical compound OC(=C)CCC(O)=C RZXDTJIXPSCHCI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- VZCYOOQTPOCHFL-UPHRSURJSA-N maleic acid Chemical compound OC(=O)\C=C/C(O)=O VZCYOOQTPOCHFL-UPHRSURJSA-N 0.000 description 1
- 239000011976 maleic acid Substances 0.000 description 1
- FPYJFEHAWHCUMM-UHFFFAOYSA-N maleic anhydride Chemical compound O=C1OC(=O)C=C1 FPYJFEHAWHCUMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012946 outsourcing Methods 0.000 description 1
- 229920002312 polyamide-imide Polymers 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- VZCYOOQTPOCHFL-UHFFFAOYSA-N trans-butenedioic acid Natural products OC(=O)C=CC(O)=O VZCYOOQTPOCHFL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
- H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
- H01M4/8807—Gas diffusion layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
- H01M8/028—Sealing means characterised by their material
- H01M8/0284—Organic resins; Organic polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
연료 전지 (40) 는, 막 전극 접합체와, 제 1 가스 확산층 (14) 과, 제 2 가스 확산층 (17) 과, 지지체 (23) 와, 커버 시트 (22) 를 구비한다. 지지체 (23) 의 단면과 막 전극 접합체의 단면 사이에는 거리 LA (㎜) 를 갖는 공간 (A) 가 형성되어 있다. 커버 시트 (22) 의 탄성률을 E (㎫), 커버 시트 (22) 의 두께를 t (㎜) 로 했을 때, E ＞ 0.048 × LA 4/t3 이 성립된다. 커버 시트 (22) 가 배치되어 있지 않은 제 1 가스 확산층 (14) 의 부위의 공극에 대한 커버 시트 (22) 가 배치된 제 1 가스 확산층 (14) 의 부위 중 적어도 일부의 공극의 저하율은 5 ％ 이상 25 ％ 이하이다.
Description
본 개시는 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법에 관한 것이다.
일본 공개특허공보 2021-144854 에는, 지지 프레임과 막 전극 접합체를 걸치도록 접착제 및 커버 시트가 배치되고, 커버 시트에 가스 확산층이 적층되어 있는 구조가 개시되어 있다. 일본 공개특허공보 2006-216294 에는 판상 부재의 두께가, 세퍼레이터가 접촉하는 가스 확산층의 접촉부의 압축률이 소정의 값이 되도록 구성되어 있는 것이 개시되어 있다. 일본 공개특허공보 2016-170960 에는 돌출부를 형성하는 재료의 영률이 지지 프레임 본체를 형성하는 재료의 영률보다 낮은 것이 개시되어 있다. 일본 공개특허공보 2019-16586 에는 프레임체는 영률이 1 ㎬ 이상인 것이 개시되어 있다.
상기한 기술에서는, 커버 시트를 배치했을 때, 막 전극 접합체, 가스 확산층, 및 커버 시트 자체에 찢어짐이나 시일 불량을 일으킬 우려가 있다. 이것들은 반응 가스의 리크로 이어질 우려가 있다.
본 개시는, 지지체와 막 전극 접합체의 접합에 있어서 커버 시트가 배치되어 있어도, 막 전극 접합체나 가스 확산층의 파손 발생을 억제할 수 있는 연료 전지를 제공한다.
본 개시의 일 양태에 관련된 연료 전지는, 제 1 촉매층, 제 2 촉매층, 및, 제 1 촉매층과 제 2 촉매층 사이에 배치되는 전해질막을 구비하는 막 전극 접합체와, 제 1 촉매층에 적층되고, 외주 단부의 적어도 일부가 막 전극 접합체의 외주단을 초과하여 형성되어 있는 제 1 가스 확산층과, 제 2 촉매층에 적층되어 있는 제 2 가스 확산층과, 막 전극 접합체의 주위에 배치되는 지지체와, 전해질막 및 제 1 촉매층 중 적어도 일방과 지지체를 걸치도록 배치되는 커버 시트를 구비한다. 지지체의 단면과 막 전극 접합체의 단면 사이에는 거리 LA (㎜) 를 갖는 공간이 형성되어 있다. 커버 시트의 탄성률을 E (㎫), 커버 시트의 두께를 t (㎜) 로 했을 때,
E ＞ 0.048 × LA 4/t3
이 성립된다. 커버 시트가 배치되어 있지 않은 제 1 가스 확산층의 부위의 공극에 대한, 커버 시트가 배치된 제 1 가스 확산층의 부위 중 적어도 일부의 공극의 저하율은 5 ％ 이상 25 ％ 이하이다.
상기한 연료 전지는, 제 1 가스 확산층, 막 전극 접합체, 및 제 2 가스 확산층을 사이에 두는 1 세트의 세퍼레이터를 추가로 구비해도 된다. 지지체는 1 세트의 세퍼레이터의 사이를 봉지해도 된다.
본 개시의 일 양태에 관련된 연료 전지의 제조 방법은, 막 전극 접합체 및 지지체에 대해서, 커버 시트를 배치하는 것과, 커버 시트 및 막 전극 접합체에 제 1 가스 확산층을 배치하는 것을 갖는다. 막 전극 접합체는, 제 1 촉매층, 제 2 촉매층, 및, 상기 제 1 촉매층과 상기 제 2 촉매층 사이에 배치되는 전해질막을 구비한다. 지지체는, 막 전극 접합체의 주위에 배치되고, 지지체와 막 전극 접합체의 단면 사이에는 거리 LA (㎜) 의 공간이 형성된다. 커버 시트의 탄성률을 E (㎫), 커버 시트의 두께를 t (㎜) 로 했을 때,
E ＞ 0.048 × LA 4/t3
이 성립된다. 막 전극 접합체 및 지지체에 대해서, 커버 시트를 배치하는 점에서는, 전해질막 및 제 1 촉매층 중 적어도 일방과, 지지체를 걸치도록 커버 시트를 배치한다. 커버 시트 및 막 전극 접합체에 제 1 가스 확산층을 배치하는 점에서는, 제 1 가스 확산층을 가압하여, 커버 시트가 배치되어 있지 않은 제 1 가스 확산층의 부위의 공극에 대한 커버 시트가 배치된 제 1 가스 확산층의 부위 중 적어도 일부의 공극의 저하율을 5 ％ 이상 25 ％ 이하로 한다.
본 개시에 의하면, 지지체와 막 전극 접합체의 접합에 있어서 커버 시트가 배치되어 있어도, 막 전극 접합체나 가스 확산층의 파손 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시형태들의 특징들, 장점들, 그리고 기술적 및 산업적 중요성은 첨부되는 도면들을 참조하여 이하에서 설명될 것이고, 동일한 도면 부호들은 동일한 엘리먼트들을 나타낸다.
도 1 은, 발전 단위 셀 (10) 을 평면에서 바라 본 도면이다.
도 2 는, 발전부 (11) 의 단면으로서, 발전부 (11) 의 층 구성을 설명하는 도면이다.
도 3 은, 외주부 (21) 의 단면으로서, 외주부 (21) 의 층 구성을 설명하는 도면이다.
도 4 는, 도 3 의 일부를 확대한 도면이다.
도 5 는, 시험 방법을 설명하는 도면이다.
도 6 은, 시험 결과를 설명하는 도면이다.
도 7 은, 다른 실시형태를 설명하는 도면이다.
도 8 은, 다른 실시형태를 설명하는 도면이다.
도 9 는, 연료 전지 (40) 를 설명하는 도면이다.
도 10 은, 연료 전지를 제조하는 공정의 일부를 설명하는 도면이다.
도 1 은, 발전 단위 셀 (10) 을 평면에서 바라 본 도면이다.
도 2 는, 발전부 (11) 의 단면으로서, 발전부 (11) 의 층 구성을 설명하는 도면이다.
도 3 은, 외주부 (21) 의 단면으로서, 외주부 (21) 의 층 구성을 설명하는 도면이다.
도 4 는, 도 3 의 일부를 확대한 도면이다.
도 5 는, 시험 방법을 설명하는 도면이다.
도 6 은, 시험 결과를 설명하는 도면이다.
도 7 은, 다른 실시형태를 설명하는 도면이다.
도 8 은, 다른 실시형태를 설명하는 도면이다.
도 9 는, 연료 전지 (40) 를 설명하는 도면이다.
도 10 은, 연료 전지를 제조하는 공정의 일부를 설명하는 도면이다.
1. 발전 단위 셀
도 1 ∼ 도 3 에 일 실시형태에 관련된 발전 단위 셀 (10) 을 설명하는 도면을 나타내었다. 발전 단위 셀 (10) 은, 수소와 산소 (공기) 를 공급함으로써 발전하기 위한 연료 전지의 단위 요소이다. 이와 같은 발전 단위 셀 (10) 이 복수 적층되어 연료 전지를 구성하고 있다. 도 1 은 발전 단위 셀 (10) 을 평면에서 바라 본 도면이다. 도 2 는 발전 단위 셀 (10) 중 발전부 (11) 에 있어서의 층 구성을 설명하는 도면이다. 도 3 은 발전 단위 셀 (10) 중 외주부 (21) 에 있어서의 층 구성을 설명하는 도면이다.
1.1. 발전부
발전부 (11) 는, 예를 들어 도 1 에 점선으로 둘러싼 부분으로서, 발전에 기여하는 부분이다. 발전부 (11) 는, 도 2 에 당해 발전부 (11) 에 있어서의 층 구성 (도 1 의 II-II 단면의 일부) 을 나타낸 바와 같이 복수의 층이 적층되어 이루어진다. 발전 단위 셀 (10) 의 발전부 (11) 중, 도 2 중 전해질막 (12) 보다 위에 있는 일방측이 캐소드 (산소 공급측), 도 2 중 전해질막 (12) 보다 아래에 있는 타방측이 애노드 (수소 공급측) 이다. 캐소드는 전해질막 (12) 측으로부터 캐소드 촉매층 (13) (제 1 촉매층), 캐소드 가스 확산층 (14) (제 1 가스 확산층), 및, 캐소드 세퍼레이터 (15) (제 1 세퍼레이터) 가 이 순으로 적층되어 있다. 한편 애노드는, 전해질막 (12) 측으로부터 애노드 촉매층 (16) (제 2 촉매층), 애노드 가스 확산층 (17) (제 2 가스 확산층), 및, 애노드 세퍼레이터 (18) (제 2 세퍼레이터) 를 이 순으로 구비하고 있다. 또한, 전해질막 (12), 캐소드 촉매층 (13), 애노드 촉매층 (16) 에 의한 적층체를 막 전극 접합체로 부르는 경우가 있다. 막 전극 접합체의 두께는 0.4 ㎜ 정도가 전형적이다. 발전부 (11) 에 있어서의 발전 단위 셀 (10) 의 두께는 1.3 ㎜ 정도가 전형적이다. 각 층은 예를 들어 다음과 같다.
1.1.1. 전해질막
전해질막 (12) 은 습윤 상태에 있어서 양호한 프로톤 전도성을 나타내는 고체 고분자 박막이다. 전해질막 (12) 은, 예를 들어 불소계의 이온 교환막에 의해서 구성된다. 전해질막 (12) 으로는, 예를 들어, 탄소-불소계 고분자를 사용할 수 있다. 탄소-불소계 고분자로는, 구체적으로는 퍼플루오로알킬술폰산계 폴리머 (나피온 (등록 상표)) 등을 들 수 있다. 전해질막 (12) 의 두께는 특별히 한정되지는 않지만, 200 ㎛ 이하여도 되고, 바람직하게는 100 ㎛ 이하여도 되며, 보다 바람직하게는 50 ㎛ 이하여도 된다.
1.1.2. 캐소드 촉매층
캐소드 촉매층 (13) 은, 담체에 담지되어 있는 형태의 촉매 금속이 포함되는 층이다. 예를 들어, 촉매 금속으로는 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 로듐 (Rh), 또는 이것들을 포함하는 합금을 들 수 있다. 담체로는, 탄소 담체, 보다 상세하게는 글래시 카본, 카본 블랙, 활성탄, 코크스, 천연 흑연, 및, 인조 흑연 등으로 이루어지는 탄소 입자를 들 수 있다.
1.1.3. 애노드 촉매층
애노드 촉매층 (16) 도, 캐소드 촉매층 (13) 과 마찬가지로, 담체에 담지되어 있는 형태의 촉매 금속이 포함되는 층이다. 예를 들어, 촉매 금속으로는 Pt, Pd, Rh, 또는 이것들을 포함하는 합금을 들 수 있다. 담체로는, 탄소 담체, 보다 상세하게는 글래시 카본, 카본 블랙, 활성탄, 코크스, 천연 흑연, 및, 인조 흑연 등으로 이루어지는 탄소 입자를 들 수 있다.
1.1.4. 캐소드 가스 확산층
본 형태에서 캐소드 가스 확산층 (14) 은, 예를 들어 도전성을 갖는 다공질체로 구성된 층이다. 캐소드 가스 확산층 (14) 의 보다 구체적인 예로는, 카본 다공체 (카본 페이퍼, 카본 클로스, 유리상 카본 등), 금속 다공체 (금속 메시, 발포 금속) 등을 들 수 있다. 캐소드 가스 확산층 (14) 에는, 필요에 따라서 MPL (마이크로 포러스층) 을 형성해도 된다. MPL 은, 캐소드 가스 확산층 (14) 중 캐소드 촉매층 (13) 측에 도공된 피복상의 박막이다. MPL 은 필요에 따라서 발수성이나 친수성을 갖고 수분을 조정하는 기능을 갖는다. 또 카본 다공체에서 발생되는 보풀 등이 전해질막에 박히는 것을 방지하는 역할이 있다. MPL 로서, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 등의 발수성 수지와 카본 블랙 등의 도전성 재료를 주성분으로 하는 것이 전형적이다.
발전부 (11) 에 있어서의 캐소드 가스 확산층 (14) 의 두께는, 50 ㎛ 이상 250 ㎛ 이하가 바람직하다. 발전부 (11) 에 있어서의 캐소드 가스 확산층 (14) 의 두께가 250 ㎛ 를 초과하면 전자 저항이 높아진다. 발전부 (11) 에 있어서의 캐소드 가스 확산층 (14) 의 두께가 50 ㎛ 보다 얇아지면 캐소드 가스 확산층의 유연성이 부족하여, 발전부 (11) 에 균일한 면압이 얻어지지 않는 경우가 있다. 보다 구체적으로는, 발전부 (11) 에 0.2 ㎫ 이상 2 ㎫ 이하의 면압을 가하여 캐소드 가스 확산층 (14) 의 탄력성 (탄성) 을 이용함으로써 발전부 (11) 에 있어서의 면압을 일정하게 한다. 또, 후술하는 바와 같이, 캐소드 가스 확산층 중 평면에서 보아 커버 시트와 중첩되는 부위에 있어서 두께를 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위에서 얇게 하여 공극을 줄여 (공극 저하율이 5 ％ 이상 25 ％ 이하), 공간 B 를 작게 하는 경우가 있기 때문에, 캐소드 가스 확산층에는 어느 정도의 두께가 필요하다.
1.1.5. 애노드 가스 확산층
애노드 가스 확산층 (17) 은, 예를 들어 도전성을 갖는 다공질체로 구성된 층이다. 보다 구체적인 예로는, 카본 다공체 (카본 페이퍼, 카본 클로스, 유리상 카본 등), 금속 다공체 (금속 메시, 발포 금속) 등을 들 수 있다.
발전부 (11) 에 있어서의 애노드 가스 확산층 (17) 의 두께는, 50 ㎛ 이상 250 ㎛ 이하가 바람직하다. 발전부 (11) 에 있어서의 애노드 가스 확산층 (17) 의 두께가 250 ㎛ 를 초과하면 전자 저항이 높아진다. 발전부 (11) 에 있어서의 애노드 가스 확산층 (17) 의 두께가 50 ㎛ 보다 얇아지면 애노드 가스 확산층의 유연성이 부족하여, 발전부에 균일한 면압이 얻어지지 않는 경우가 있다. 보다 구체적으로는, 발전부에 0.2 ㎫ 이상 2 ㎫ 이하의 면압을 가하여 애노드 가스 확산층 (17) 의 탄력성 (탄성) 을 이용함으로써 발전부에 있어서의 면압을 일정하게 한다. 또, 후술하는 바와 같이, 애노드 가스 확산층 중 평면에서 보아 커버 시트와 중첩되는 부위에 있어서 두께를 5 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하의 범위에서 얇게 하여 공극을 줄여 (공극 저하율이 5 ％ 이상 25 ％ 이하), 공간 B 를 작게 하는 경우가 있기 때문에, 애노드 가스 확산층에는 어느 정도의 두께가 필요하다.
1.1.6. 캐소드 세퍼레이터
캐소드 세퍼레이터 (15) 는 캐소드 가스 확산층 (14) 에 반응 가스 (본 형태에서는 공기) 를 공급하는 부재로서, 캐소드 가스 확산층 (14) 에 대향하는 면에, 복수의 홈 (15a) 을 갖고 있다. 이들 홈 (15a) 이 반응 가스 유로로서 기능한다. 홈 (15a) 의 형상은 반응 가스를 적절히 캐소드 가스 확산층 (14) 에 공급할 수 있다면 특별히 한정되는 것은 아니고, 본 형태와 같이 판상의 부재를 파상으로 형성한 것을 들 수 있다. 판상의 부재의 판두께는 0.1 ㎜ 이상 0.2 ㎜ 이하가 전형적이고, 판상의 부재에 형성된 요철의 높이는 0.5 ㎜ 정도가 전형적이다. 이웃하는 홈 (15a) 사이에는 캐소드 세퍼레이터 (15) 를 협지하여 반대측에 홈 (15b) 이 형성되고, 홈 (15b) 이 냉각수 유로로서 기능한다.
또, 캐소드 세퍼레이터 (15) 에는, 도 1 로부터 알 수 있는 바와 같이, 발전부 (11) 로부터 연장되어 발전부 (11) 의 외측이 되는 위치에서, 홈 (15a), 홈 (15b) 이 연장되는 방향의 일단측이 되는 부위에는 공기 입구공 (Ain), 냉각수 입구공 (Win), 수소 출구공 (Hout) 이 형성되어 있다. 발전부 (11) 로부터 연장되어 발전부 (11) 의 외측이 되는 위치에서, 홈 (15a), 홈 (15b) 이 연장되는 방향의 타단측되는 부위에는 공기 출구공 (Aout), 냉각수 출구공 (Wout), 수소 입구공 (Hin) 이 형성되어 있다. 여기에서 홈 (15a) 은 공기 입구공 (Ain), 공기 출구공 (Aout) 에 연통되어 있다. 홈 (15b) 은 냉각수 입구공 (Win), 냉각수 출구공 (Wout) 에 연통되어 있다.
캐소드 세퍼레이터 (15) 를 구성하는 재료는, 발전 단위 셀의 세퍼레이터로서 사용할 수 있는 임의의 재료여도 되고, 가스 불투과성의 도전성 재료여도 된다. 이와 같은 재료로는, 예를 들어 카본을 압축하여 가스 불투과로 한 치밀질 카본이나, 프레스 성형된 금속판 등을 들 수 있다.
1.1.7. 애노드 세퍼레이터
애노드 세퍼레이터 (18) 는 애노드 가스 확산층 (17) 에 반응 가스 (수소) 를 공급하는 부재로서, 애노드 가스 확산층 (17) 에 대향하는 면에, 복수의 홈 (18a) 을 갖고 있다. 이들 홈 (18a) 이 반응 가스 유로로서 기능한다. 홈 (18a) 의 형상은 반응 가스를 적절히 애노드 가스 확산층 (17) 에 공급할 수 있으면 특별히 한정되는 것은 아니고, 본 형태와 같이 판상의 부재를 파상으로 형성한 것을 들 수 있다. 판상의 부재의 판두께는 0.1 ㎜ 이상 0.2 ㎜ 이하가 전형적이고, 판상의 부재에 형성된 요철의 높이는 0.4 ㎜ 정도가 전형적이다.
이웃하는 홈 (18a) 사이에는 애노드 세퍼레이터 (18) 를 협지하여 반대측에 홈 (18b) 이 형성되고, 이것이 냉각수 유로로서 기능한다.
또, 애노드 세퍼레이터 (18) 에는, 도 1 로부터 알 수 있는 바와 같이, 발전부 (11) 로부터 연장되어 외측이 되는 위치에서, 홈 (18a), 홈 (18b) 이 연장되는 방향의 일단측이 되는 부위에는 공기 입구공 (Ain), 냉각수 입구공 (Win), 수소 출구공 (Hout) 이 형성되어 있다. 발전부 (11) 로부터 연장되어 외측이 되는 위치에서, 홈 (18a), 홈 (18b) 이 연장되는 방향의 타단측이 되는 부위에는 공기 출구공 (Aout), 냉각수 출구공 (Wout), 수소 입구공 (Hin) 이 형성되어 있다. 여기에서 홈 (18a) 은 수소 입구공 (Hin), 수소 출구공 (Hout) 에 연통되어 있다. 홈 (18b) 은 냉각수 입구공 (Win), 냉각수 출구공 (Wout) 에 연통되어 있다.
애노드 세퍼레이터 (18) 를 구성하는 재료는, 발전 단위 셀의 세퍼레이터로서 사용할 수 있는 임의의 재료여도 되고, 가스 불투과성의 도전성 재료여도 된다. 이와 같은 재료로는, 예를 들어 카본을 압축하여 가스 불투과로 한 치밀질 카본이나, 프레스 성형된 금속판 등을 들 수 있다.
1.1.8. 발전부에 의한 발전
이상에서 설명한 발전 단위 셀 (10) 에 의해서 다음과 같이 발전이 행해진다. 수소 입구공 (Hin) 으로부터 애노드 세퍼레이터 (18) 의 홈 (18a) 에 공급된 수소는, 애노드 가스 확산층 (17) 을 통과하여 애노드 촉매층 (16) 에서 프로톤 (H＋) 과 전자 (e-) 로 분해된다. 프로톤은 전해질막 (12) 을 통과하고, 전자는 외부로 연결되는 도전선을 통과하여, 프로톤 및 전자의 각각이 캐소드 촉매층 (13) 에 도달한다. 남은 수소는 수소 출구공 (Hout) 으로부터 배출된다. 캐소드 촉매층 (13) 에는 공기 입구공 (Ain) 으로부터 캐소드 세퍼레이터 (15) 의 홈 (15a), 캐소드 가스 확산층 (14) 을 개재하여 산소 (공기) 가 공급되고 있다. 캐소드 촉매층 (13) 에서는, 프로톤, 전자, 산소에 의해서 물 (H2O) 이 발생된다. 발생된 물, 및, 나머지의 공기는 캐소드 가스 확산층 (14) 을 통과하여 캐소드 세퍼레이터 (15) 의 홈 (15a) 에 도달하여 공기 출구공 (Aout) 으로부터 배출된다. 발전 단위 셀 (10) 에서는 애노드 촉매층 (16) 으로부터 외부로 연결되는 도전선을 통과하는 전자의 흐름을 전류로서 이용한다.
또, 이웃하는 발전 단위 셀 (10) 에서 일방의 발전 단위 셀 (10) 의 캐소드 세퍼레이터 (15) 에 인접하는 타방의 발전 단위 셀 (10) 의 애노드 세퍼레이터 (18) 가 중첩되도록 배치된다. 이로써, 캐소드 세퍼레이터 (15) 의 홈 (15b) 과 애노드 세퍼레이터 (18) 의 홈 (18b) 에 의해서 냉각수 유로가 형성된다. 이 냉각수 유로에 대해서 냉각수 입구공 (Win) 으로부터 냉각수가 공급되고, 공급된 냉각수는 발전 단위 셀 (10) 을 냉각시키고, 냉각수 출구공 (Wout) 으로부터 배출된다.
1.2. 외주부
외주부 (21) 는 도 1 에 점선으로 둘러싸인 발전부 (11) 의 외측이고, 발전 단위 셀 (10) 의 외주부이다. 외주부 (21) 는, 도 3 에 당해 외주부 (21) 에 있어서의 층 구성 (도 1 의 III-III 단면의 일부) 을 나타내는 바와 같이 복수의 층이 적층되어 이루어진다. 도 4 에는 도 3 의 일부를 확대한 도면을 나타내었다.
1.2.1. 외주부의 기본 구조
도 3, 도 4 로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 형태에서 외주부 (21) 는 그 적어도 일부에서 다음과 같은 구성을 구비하고 있다. 전해질막 (12), 애노드 촉매층 (16), 애노드 가스 확산층 (17) 의 단면은 대체로 동일한 위치가 되도록 적층된다. 캐소드 촉매층 (13) 의 단면은 전해질막 (12) 의 단면보다 짧은 (후퇴된) 위치가 되도록 적층되어 있다. 또한 캐소드 가스 확산층 (14) 의 단면은 전해질막 (12) 의 단면보다 돌출된 (진행된) 위치이고, 발전 단위 셀 (10) 을 평면에서 보았을 때 (도 1 의 방향으로부터의 시점, 도 3 에 화살표 Z 로 나타낸 방향의 시선) 지지체 (23) 와 중첩되는 위치까지 연장되어 있다. 지지체 (23) 에 대해서는 뒤에서 설명한다.
캐소드 세퍼레이터 (15) 와 애노드 세퍼레이터 (18) 는, 외주부 (21) 에서도 발전부 (11) 와 마찬가지로 상기한 각 층을 사이에 끼우도록 배치되어 있다. 또, 캐소드 세퍼레이터 (15) 및 애노드 세퍼레이터 (18) 는, 막 전극 접합체, 캐소드 가스 확산층 (14), 애노드 가스 확산층 (17) 의 각 단면보다 돌출되도록 연장되어 있다. 당해 연장된 부위에 있어서 캐소드 세퍼레이터 (15) 와, 애노드 세퍼레이터 (18) 사이에 지지체 (23) 가 배치된다. 또한, 외주부 (21) 에서는 캐소드 세퍼레이터 (15) 및 애노드 세퍼레이터 (18) 모두 유로는 불필요하기 때문에, 홈 (15a), 홈 (18a) 은 형성되어 있지 않다 (단, 도 3 으로부터 알 수 있는 바와 같이, 일부에 홈이 형성되어 있는 것을 막는 것은 아니다.).
지지체 (23) 의 캐소드측을 향하는 면의 단부와 막 전극 접합체의 캐소드측을 향하는 면의 단부를 걸치도록, 커버 시트 (22) 가 배치되어 있다. 커버 시트 (22) 에 대해서는 뒤에서 설명한다.
1.2.2. 지지체
상기한 지지체 (23) 는 발전 단위 셀 (10) 의 외주부 (21) 에 있어서 캐소드 세퍼레이터 (15) 와 애노드 세퍼레이터 (18) 사이를 봉지하여 시일하는 시일 부재로서 기능한다. 지지체 (23) 는 기재 (23a), 및, 기재 (23a) 의 양면 (캐소드 측을 향하는 면, 애노드측을 향하는 면) 의 각각에 배치된 접착층 (23b) 을 구비하고 있다. 접착층 (23b) 이 캐소드 세퍼레이터 (15), 애노드 세퍼레이터 (18) 에 접착됨으로써 발전부 (11) 내를 봉지하여 시일하고 있다. 따라서 캐소드 세퍼레이터 (15) 와 애노드 세퍼레이터 (18) 의 간격은 그 사이에 끼워지는 층에 의해서 변화된다. 도 3, 도 4 로부터 알 수 있는 바와 같이, 지지체 (23) 만이 배치되어 있는 부위에서는 그 일부에서 간격이 좁혀져 있고, 캐소드 세퍼레이터 (15) 와 애노드 세퍼레이터 (18) 사이에 지지체 (23) 를 끼워 고정시키고 있다.
기재 (23a) 는, 전기 절연성 및 기밀성을 갖는 임의의 재료로 형성된다. 이와 같은 재료로는, 결정성의 폴리머, 보다 구체적으로는, 엔지니어링 플라스틱을 들 수 있다. 엔지니어링 플라스틱으로는, 예를 들어 폴리에틸렌나프탈레이트계 수지 (PEN) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트계 수지 (PET), 폴리페닐에테르 (PPE), 폴리페닐술폰 (PPSU), 폴리술폰 (PSU), 폴리에테르술폰 (PES), 폴리에테르에테르케톤 (PEEK), 폴리이미드 (PI), 폴리에테르이미드 (PEI), 폴리아미드이미드 (PAI), 폴리페닐술파이드 (PPS), 신디오택틱 폴리스티렌 (SPS), 나일론계 수지 등을 들 수 있다. 기재 (23a) 의 두께는 특별히 한정되지는 않지만 0.05 ㎜ 이상 0.25 ㎜ 이하인 것이 바람직하다.
접착층 (23b) 은, 접착된 상태에 있어서, 접착성을 갖는 것이면 되고, 여러 가지의 것을 사용할 수 있다. 접착층 (23b) 에 사용되는 접착재로는, 말레산, 무수 말레산을 포함하는 폴리올레핀계 폴리머를 들 수 있다. 보다 구체적으로는 예를 들어 아드마 (등록 상표, 미츠이 화학 주식회사) 를 들 수 있다.
이와 같은 지지체 (23) 는 도 3, 도 4 로부터 알 수 있는 바와 같이, 지지체 (23) 의 단면이 막 전극 접합체, 및, 애노드 가스 확산층 (17) 의 단면에 대해서, 거리가 LA 인 공간 A 를 뚫어 대향하도록 배치된다. 지지체 (23) 는, 발전부 (11) 와는 반대측을 향하여 연장되어 있다. 이 공간 A 에 의해서 지지체 (23) 나 막 전극 접합체 등의 선팽창에 의한 치수 변화를 흡수할 수 있어, 팽창, 수축에 의한 파손의 발생을 억제할 수 있다. 보다 구체적으로는, 이 공간 A 는, 막 전극 접합체 및 애노드 가스 확산층 (17) 과, 지지체 (23) 가 대향하는 방향의 거리 LA 가 0.01 ㎜ 이상 2 ㎜ 이하인 것이 바람직하다. 거리 LA 가 0.01 ㎜ 미만이면 지지체의 치수 변화를 흡수하기가 어려워진다. 거리 LA 가 2 ㎜ 를 초과하면 공간 A 와 캐소드 가스 확산층 (14) 의 차압에 의해서 지지체 (23) 에 변형이나 파손을 발생시켜 시일성이 저하될 가능성이 있다.
1.2.3. 커버 시트
상기한 바와 같이, 지지체 (23) 의 캐소드측을 향하는 면의 단부와 막 전극 접합체의 캐소드측을 향하는 면의 단부를 걸치도록, 커버 시트 (22) 가 배치되어 있다.
커버 시트 (22) 의 일방의 단부는, 지지체 (23) 의 캐소드측의 표면 단부를 덮도록 배치되어 있다. 커버 시트 (22) 의 타방의 단부는, 막 전극 접합체측에서 전해질막 (12) 및 캐소드 촉매층 (13) 중 적어도 일방의 표면 단부를 덮도록 배치되어 있다. 본 형태에서는 커버 시트 (22) 는 전해질막 (12) 및 캐소드 촉매층 (13) 의 양방의 표면 단부를 덮도록 배치되어 있다. 이로써, 외주부 (21) 에 있어서 캐소드와 애노드를 적절히 분리할 수 있다. 따라서 커버 시트 (22) 는 막 전극 접합체측의 단부에서 막 전극 접합체와 캐소드 가스 확산층 (14) 사이에 배치되어 있다.
커버 시트 (22) 는, 연료 전지의 반응 가스를 투과하지 않는 재료가 사용되고 있다. 반응 가스를 투과하지 않는 부재로서, 예를 들어, 폴리프로필렌이나 폴리페닐렌술파이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 나일론, 에틸렌비닐알코올 공중합체 등의 수지로 이루어지는 필름상의 부재를 채용할 수 있다. 특히 내가수 분해성, 전해질막과의 접착 관점에서, 나일론 11, 나일론 12, 나일론 9T, 에틸렌비닐알코올을 들 수 있다. 또 전해질막 (12) 과의 접착성을 높이기 위해서, 아미드기, 에폭시기, 하이드록시기 등을 갖는 등의 첨가제를 첨가해도 된다.
커버 시트 (22) 의, 지지체 (23) 와 중첩되는 부위에 대해서는 지지체 (23) 의 접착층 (23b) 에 의해서 지지체 (23) 에 접착된다. 한편, 커버 시트 (22) 가 막 전극 접합체와 중첩되는 부분에 대해서는, 필요에 따라서 커버 시트 (22) 에 접착층을 형성함으로써, 막 전극 접합체에 접착된다. 단, 커버 시트 (22) 로서 나일론을 사용한 경우에는, 열압착에 의해서 커버 시트 (22) 와 막 전극 접합체를 접착할 수 있기 때문에, 접착층은 필요로 하지 않는 것도 가능하다.
여기에서 커버 시트 (22) 의 일단측을 캐소드 가스 확산층 (14) 과 막 전극 접합체 사이에 배치하면, 커버 시트 (22) 의 두께에 기인하여 도 3, 도 4 에 B 로 나타낸 부위에 공간 (공간 B) 을 발생시킨다. 공간 B 는 커버 시트 (22) 가 두꺼울수록 커지는 경향이 있다.
1.2.4. 파손 억제
발명자가 예의 검토한 결과, 커버 시트 (22) 를 배치했을 때, 상기한 공간 A 및 공간 B 에서 기인하여 커버 시트 (22) 나 애노드 가스 확산층 (17) 이 파손됨 (찢어짐) 으로써 시일 불량이 발생된다는 지견을 얻었다. 이에 대하여 발명자는 다음과 같이 생각하였다.
공간 A 는 지지체 (23) 나 다른 부위의 열팽창에 의한 치수 변화를 흡수하는 공간으로서 필요하다. 한편, 공간 B 는 상기와 같이 커버 시트 (22) 의 배치에 의해서 필연적으로 발생되는 공간이다. 공간 B 가 지나치게 크면 커버 시트 (22), 막 전극 접합체, 가스 확산층 (14, 17) 에 파손을 발생시킬 우려가 있다. 이 파손은 반응 가스의 리크로 이어질 가능성이 있는 점에서, 공간 B 는 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 공간 B 를 작게 하기 위해서 커버 시트 (22) 를 얇게 하는 것이 좋다. 그러나 커버 시트 (22) 를 얇게 하면 커버 시트 (22) 의 강성이 저하된다. 이 때문에, 커버 시트 (22) 를 사이에 두고 공간 A 와 캐소드 가스 확산층 (14) 사이에 발생되는 차압에 의해서 커버 시트 (22) 가 변형되기 쉬워져 파손이 우려된다. 한편으로 커버 시트 (22) 의 재질을 조정하거나 함으로써 강성을 지나치게 높이면, 커버 시트 (22) 가 변형되기 어려워지기 때문에 시일성이 저하된다. 시일성을 유지하기 위해서는 그 재료에 어느 정도의 유연성이 필요해진다. 그래서, 발명자는, 상기 차압에 의한 커버 시트 (22) 의 파손을 억제하면서, 공간 B 를 작게 하여, 추가로 시일성을 확보하는 구조에 의해서 과제를 해결할 수 있다는 생각에 이르렀다. 이하에 구체적으로 나타낸다.
(1) 커버 시트의 탄성률과 두께의 관계
커버 시트의 두께를 t (㎜), 커버 시트의 탄성률을 E (㎫) 로 했을 때, 다음 식 (1) 이 성립되도록 커버 시트 (22) 가 구성되어 있다.
E ＞ 0.048·LA 4/t3 … (1)
여기에서 LA (㎜) 는 상기한 바와 같이, 공간 A 에 있어서, 지지체 (23) 의 단면과 막 전극 접합체 및 애노드 가스 확산층 (17) 의 단면이 대향하는 방향의 거리 (도 4 참조) 이다. 커버 시트 (22) 가 식 (1) 을 만족함으로써 소정의 유연성을 가지면서 강성을 갖는 커버 시트로 할 수 있고, 공간 A 에서 기인하는 차압에 의한 파손을 억제하여, 시일성을 유지하는 것이 가능하다.
도 4 로부터 알 수 있는 바와 같이, 공간 A 와 커버 시트 (22) 의 관계는 거리 LA 의 양단 지지 등분포 하중 (하중은 차압에 기초하는 커버 시트 (22) 에 가해지는 면압) 으로 생각된다. 따라서, 굴곡 δ 을 나타내는 식 (2) 을 적용할 수 있다.
δ = (5·w·L)/(384·E·I) … (2)
여기에서, w 는 하중 (면압), L 은 LA, I 는 커버 시트 (22) 의 두께를 t 로 한 단면 계수 (I = t3/12) 를 나타내고 있다. 이 식 (2) 에 대해서, 하기 시험의 결과인 A2 의 예를 적용시켜 식 (1) 을 얻었다.
이하, 시험의 일부를 나타낸다. 도 5 에 시험에 대해서 설명하기 위한 분해 사시도를 나타내었다. 폭 1 ㎜ × 길이 3 ㎜ 에 압력이 가해지도록 1 ㎜ × 3 ㎜ 의 슬릿 가공한 스테인리스제 기반 (30) 에 동일한 슬릿 가공을 한 발포 고무 (31) 로 커버 시트 (32) 를 사이에 두었다. 이 커버 시트 (32) 에 대해서 발포 고무 (31) 측의 슬릿측으로부터 게이지압 0.07 ㎫, 온도 120 ℃ 에서 압력의 부하와 제하를 반복하는 피로 시험을 행하였다. 사용된 커버 시트 및 결과 (리크가 발생되지 않은 반복 횟수) 를 표 1 에 나타내었다.
도 6 에 식 (1) 의 범위 (해칭 부분) 와, 시험예 A1, A2, B1 ∼ B6 의 위치를 그래프에 나타내었다. 도 6 에서는 가로축에 탄성률, 세로축에 커버 시트 (32) 의 두께를 나타내고 있다. 표 1, 도 6 으로부터 알 수 있는 바와 같이, 식 (1) 을 만족하지 않는 A1, A2 는 적은 횟수로 리크가 발생된 것에 비해서, 식 (1) 을 만족하는 B1 ∼ B6 은 30 만회보다 많이 행해도 리크가 보이지 않았다.
(2) 가스 확산층의 일그러짐
발전부 (11) (커버 시트 (22) 가 배치되어 있지 않은 부위) 의 가스 확산층의 공극에 대한, 도 3, 도 4 에 C 로 나타낸 커버 시트 (22) 가 배치된 부위 (부위 C) 에 있어서의 가스 확산층의 공극의 저하율이 5 ％ 이상 25 ％ 이하이다. 이와 같이 커버 시트 (22) 가 배치된 부위에서 제 1 가스 확산층 (14) 의 두께를 줄이도록 일그러뜨려 배치함으로써 공간 B 를 작게 할 수 있고, 커버 시트 (22) 에 의한 시일성을 유지할 수 있다. 여기에서 부위 C 는, 발전 단위 셀 (10) 을 평면에서 보았을 때, 커버 시트 (22) 의 막 전극 접합체측 선단으로부터 60 ㎛ 까지의 범위와 중첩되는 제 1 가스 확산층 (캐소드 가스 확산층) (14) 의 부위를 의미한다.
캐소드 가스 확산층 (14) 및 애노드 가스 확산층 (17) (특별히 구별할 필요가 없을 때에는 간단히 가스 확산층으로 기재하는 경우가 있다.) 은 상기한 바와 같이 발전부 (11) 에 가스를 공급하기 위해서, 가스가 통과하기 위한 공극이 형성되어 있다. 이 공극은 커버 시트 (22) 가 배치된 외주부 (21) 에서는 불필요하기 때문에 공극을 일그러뜨리는 것은 가능하다. 단 공극의 저하율이 5 ％ 미만이면, 공간 B 를 작게 하는 효과가 저하되는 경향이 있다. 공극의 저하율이 25 ％ 를 초과하면, 가스 확산층이 얇아져 좌굴되어 버릴 우려가 있다.
본 형태에서는 일그러진 가스 확산층은 캐소드 가스 확산층 (14) 만의 예이지만, 이것에 한정되지 않고, 캐소드 가스 확산층 (14) 및 애노드 가스 확산층 (17) 의 양방이 일그러져도 된다. 캐소드 가스 확산층 (14) 및 애노드 가스 확산층 (17) 의 양자가 일그러졌을 때에는, 공간 B 의 주변은 도 7 과 같은 형태로 된다. 양방의 가스 확산층이 일그러졌을 때에도, 각각의 가스 확산층에 있어서 공극의 저하율이 5 ％ 이상 25 ％ 이하로 된다.
부위 C 에 있어서 가스 확산층이 일그러짐으로써 공간 B 가 작게 억제되는 것에 대하여 행한 시험의 일부 (시험 D, 시험 E) 를 이하에 나타낸다. 시험 D, 시험 E 에서는 전해질막 (12) 으로서 두께 10 ㎛ 의 퍼플루오로계 전해질막, 캐소드 촉매층 (13) 으로서 두께 10 ㎛ 의 백금 담지 카본, 애노드 촉매층 (16) 으로서 두께 5 ㎛ 의 백금 담지 카본의 막 전극 접합체를 사용하였다. 또, 커버 시트 (22) 로서, 나일론 12 (아드마 (등록 상표) 10 질량％ 첨가품) 를 사용하였다 (두께는 표 2 에 나타내었다.). 캐소드 가스 확산층 (14), 애노드 가스 확산층 (17) 의 두께나 공극의 저하율 (공극 저하율) 에 대해서는 표 2 에 나타내었다.
[시험 D]
각 가스 확산층을 길이 3 ㎝ × 폭 1 ㎝ 로 하고, 2 개의 가스 확산층 사이에 길이 1.5 ㎝ × 폭 1 ㎝ 의 커버 시트를 끼워 넣고, 0.6 ㎫ 의 면압을 가했을 때의 공간 B 의 크기 (도 4 의 LB) 및, 가스 확산층의 일그러짐량을 마이크로스코프로 관찰하여 측정하였다. 표 2 에 결과를 나타내었다. 여기에서는 커버 시트가 배치되어 있지 않은 부위의 가스 확산층 두께를 tH, 부위 C 에 있어서의 가스 확산층 두께를 tC 로 하여, 공극 저하율 RS 를 다음 식에 의해서 산출하였다.
RS (％) = (tH - tC)/tH × 100 (％)
[시험 E]
각 가스 확산층을 길이 3 ㎝ × 폭 1 ㎝ 로 하고, 2 개의 가스 확산층의 사이에 길이 1.5 ㎝ × 폭 1 ㎝ 의 커버 시트를 끼워 넣고, 0.1 ㎫ 의 면압을 가했을 때의 공간 B 의 크기 (도 4 의 LB) 및, 가스 확산층의 일그러짐량을 마이크로스코프로 관찰하여 측정하였다. RS 의 산출 방법은 시험 D 와 동일하다. 표 2 에 결과를 나타내었다.
표 2 로부터 알 수 있는 바와 같이, 부위 C 에 있어서의 공극 저하율이 5 ％ 이상이 되도록 가스 확산층을 일그러뜨림으로써 공간 B 의 치수가 감소된다. 이로써 전해질막에 가해지는 응력이 감소되기 때문에, 커버 시트의 시일성이 향상된다.
1.2.5. 다른 형태
도 8 에는 외주부의 형태가 다른 예를 설명하는 도면을 나타내었다. 도 8 은 도 4 와 동일한 시점에 의한 도면이다. 도 8 의 예에서는, 캐소드 촉매층 (13) 의 단면도 전해질막 (12) 의 단면과 동일한 위치에 위치되어 있다. 이 경우, 커버 시트 (22) 가 전해질막 (12) 에 적층되는 부분은 없고, 캐소드 촉매층 (13) 에 적층된다. 이와 같은 형태여도, 커버 시트의 탄성률과 두께의 관계, 및, 커버 시트 (22) 를 평면에서 보았을 때, 캐소드 촉매층 (13) 과 중첩되는 부분 (부위 C) 에 있어서의 캐소드 가스 확산층 (14), 애노드 가스 확산층 (17) 의 공극 저하율이 상기한 소정의 범위를 만족함으로써, 상기와 동일한 효과를 얻는 것이 된다.
2. 효과
상기한 바와 같이, 커버 시트를 배치했을 때, 상기한 공간 A 및 공간 B 에 기인하여 커버 시트의 파손 (찢어짐) 이나 시일 불량이 발생되는 것에 대해서, 커버 시트의 탄성률과 두께를 상기 소정의 관계로 한다. 이와 함께, 커버 시트가 배치된 부위의 가스 확산층의 공극을, 공극 저하율이 상기 소정의 범위가 되도록 일그러뜨린다. 이로써, 공간 A 및 공간 B 에 의한 영향을 작게 할 수 있기 때문에, 막 전극 접합체나 캐소드 가스 확산층에 파손을 발생시킬 가능성을 줄여 파손에 의한 반응 가스의 리크를 억제할 수 있다.
3. 연료 전지
연료 전지 (40) 는, 상기한 발전 단위 셀 (10) 이 복수 (50 장 ∼ 400 장 정도) 중첩되어 구성된다. 연료 전지 (40) 는, 복수의 발전 단위 셀 (10) 로부터 집전을 행한다. 도 9 에 연료 전지 (40) 의 구성의 개요를 나타내었다. 연료 전지 (40) 는, 스택 케이스 (41), 엔드 플레이트 (42), 복수의 발전 단위 셀 (10), 집전판 (44), 및, 탄성 지지 부재 (45) 를 구비하고 있다.
스택 케이스 (41) 는, 중첩된 복수의 발전 단위 셀 (10), 집전판 (44), 및, 탄성 지지 부재 (45) 를 그 내측에 수납하는 케이싱이다. 본 형태에서 스택 케이스 (41) 는 사각형의 통상으로 일단이 개구되고, 타단이 닫혀 있음과 함께, 개구의 가장자리를 따라서 개구와는 반대측으로 판상의 편이 연장되어, 플랜지 (41a) 를 형성하고 있다.
엔드 플레이트 (42) 는 판상의 부재로서, 스택 케이스 (41) 의 개구를 막는다. 스택 케이스 (41) 의 플랜지 (41a) 와의 중첩 부분을 볼트 및 너트 등에 의해서, 스택 케이스 (41) 에 덮개를 덮도록 엔드 플레이트 (42) 가 스택 케이스 (41) 에 고정된다.
발전 단위 셀 (10) 은 상기와 동일하다. 이와 같은 발전 단위 셀 (10) 이 복수 중첩되어 있다. 이 때, 1 개의 발전 단위 셀 (10) 의 캐소드 세퍼레이터 (15) 에, 인접하는 발전 단위 셀 (10) 의 애노드 세퍼레이터 (18) 가 중첩되도록 배치한다. 그리고 캐소드 세퍼레이터 (15) 의 홈 (15b) 과 애노드 세퍼레이터 (18) 의 홈 (18b) 이 중첩됨으로써 냉각수 유로가 형성된다.
집전판 (44) 은, 적층된 발전 단위 셀 (10) 로부터 집전을 행하는 부재이다. 따라서 집전판 (44) 은 발전 단위 셀 (10) 의 적층체의 적층 방향의 일단 및 타단의 각각에 배치되어 있고, 일방이 정극, 타방이 부극이 된다. 이 집전판 (44) 에 도시 생략된 단자가 접속되고, 외부에 전기적으로 접속할 수 있도록 구성되어 있다.
탄성 지지 부재 (45) 는, 스택 케이스 (41) 의 내측에 수납되어, 발전 단위 셀 (10) 의 적층체에 대해서 그 적층 방향으로 가압력을 부여한다. 탄성 지지 부재로서, 예를 들어 판 스프링 등을 들 수 있다.
또한, 연료 전지의 발전시에 있어서의 운전 조건은, 운전시에 발열되기 때문에, 보다 높은 온도에서 운전하는 것이 바람직하다. 구체적인 온도는 바람직하게는 140 ℃ 까지 운전할 수 있는 것이 바람직하지만, 사용되는 퍼플루오로계 전해질막이 120 ℃ 부근에서 연화되는 경우가 있기 때문에, 120 ℃ 이하에서 운전하는 것이 보다 바람직하다.
4. 연료 전지의 제조
본 개시의 연료 전지는, 예를 들어 다음과 같은 공정을 포함하여 제조할 수 있다.
먼저, 도 10 에 나타낸 바와 같이, 애노드 세퍼레이터 (18) 에 대해서, 캐소드 촉매층 (13), 애노드 촉매층 (16), 및, 캐소드 촉매층 (13) 과 애노드 촉매층 (16) 사이에 배치되는 전해질막 (12) 을 구비하는 막 전극 접합체, 그리고, 막 전극 접합체의 단면과의 사이에 공간 A 를 형성하여 막 전극 접합체의 주위에 배치되는 지지체 (23) 에 대해서, 지지체 (23) 와 전해질막 (12) 및 캐소드 촉매층 (13) 중 적어도 일방을 걸치도록, 탄성률과 두께의 관계가 상기 식 (1) 을 만족하는 커버 시트 (22) 를 배치한다.
다음으로, 커버 시트 (22) 에 캐소드 가스 확산층 (14) 을 배치하고, 발전부에 있어서의 가스 확산층의 공극에 대해서 상기 부위 C 에 있어서의 공극 저하율이 5 ％ 이상 25 ％ 이하가 되도록 가압한다. 여기에서 가압력과 공극 저하율의 관계는 사전에 얻어 두고, 그 때마다 공극 저하율을 측정하는 것을 필요로 하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 캐소드 가스 확산층 (14) 에 캐소드 세퍼레이터 (15) 를 적층하고 프레스함으로써, 발전 단위 셀 (10) 을 중첩함과 함께, 도 9 를 따라서 각 부재를 배치함으로써 연료 전지 (40) 로 할 수 있다.
5. 기타
이상의 설명에서는 캐소드측의 각 부재를「제 1」, 애노드측의 각 부재를「제 2」로 하여 설명했지만, 반대여도 되고, 캐소드측을「제 2」, 애노드측을「제 1」로 치환해도 동일한 효과를 얻는 것이 된다.
Claims (3)
- 연료 전지 (40) 로서,
제 1 촉매층 (13), 제 2 촉매층 (16), 및, 상기 제 1 촉매층 (13) 과 상기 제 2 촉매층 (16) 사이에 배치되는 전해질막 (12) 을 구비하는 막 전극 접합체 ;
상기 제 1 촉매층 (13) 에 적층되고, 외주 단부의 적어도 일부가 상기 막 전극 접합체의 외주단을 초과하여 형성되어 있는 제 1 가스 확산층 (14) ;
상기 제 2 촉매층 (16) 에 적층되어 있는 제 2 가스 확산층 (17) ;
상기 막 전극 접합체의 주위에 배치되는 지지체 (23) ; 및,
상기 전해질막 (12) 및 상기 제 1 촉매층 (13) 중 적어도 일방과 상기 지지체 (23) 를 걸치도록 배치되는 커버 시트 (22) 를 구비하고,
상기 지지체 (23) 의 단면과 상기 막 전극 접합체의 단면 사이에는 거리 LA (㎜) 를 갖는 공간 (A) 가 형성되고,
상기 커버 시트 (22) 의 탄성률을 E (㎫) 로 하고, 상기 커버 시트 (22) 의 두께를 t (㎜) 로 했을 때,
E ＞ 0.048 × LA 4/t3
이 성립되고,
상기 커버 시트 (22) 가 배치되어 있지 않은 상기 제 1 가스 확산층 (14) 의 부위의 공극에 대한 상기 커버 시트 (22) 가 배치된 상기 제 1 가스 확산층 (14) 의 부위 중 적어도 일부의 공극의 저하율이 5 ％ 이상 25 ％ 이하인, 연료 전지 (40). - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 가스 확산층 (14), 상기 막 전극 접합체, 및 상기 제 2 가스 확산층 (17) 을 사이에 두는 1 세트의 세퍼레이터 (15, 18) 를 추가로 구비하고,
상기 지지체 (23) 는 상기 1 세트의 세퍼레이터 (15, 18) 사이를 봉지하는, 연료 전지 (40). - 연료 전지 (40) 의 제조 방법으로서,
막 전극 접합체 및 지지체 (23) 에 대해서, 커버 시트 (22) 를 배치하는 것 ; 및
상기 커버 시트 (22) 및 상기 막 전극 접합체에 제 1 가스 확산층 (14) 을 배치하는 것을 포함하고,
상기 막 전극 접합체는, 제 1 촉매층 (13), 제 2 촉매층 (16), 및, 상기 제 1 촉매층 (13) 과 상기 제 2 촉매층 (16) 사이에 배치되는 전해질막 (12) 을 구비하고,
상기 지지체 (23) 는, 상기 막 전극 접합체의 주위에 배치되고, 상기 지지체 (23) 와 상기 막 전극 접합체의 단면 사이에는 거리 LA (㎜) 의 공간 (A) 가 형성되고,
상기 커버 시트 (22) 의 탄성률을 E (㎫), 상기 커버 시트 (22) 의 두께를 t (㎜) 로 했을 때,
E ＞ 0.048 × LA 4/t3
이 성립되고,
상기 막 전극 접합체 및 상기 지지체 (23) 에 대해서, 상기 커버 시트 (22) 를 배치하는 점에서는, 상기 전해질막 (12) 및 상기 제 1 촉매층 (13) 중 적어도 일방과, 상기 지지체 (23) 를 걸치도록 상기 커버 시트 (22) 를 배치하고,
상기 커버 시트 (22) 및 상기 막 전극 접합체에 상기 제 1 가스 확산층 (14) 을 배치하는 점에서는, 상기 제 1 가스 확산층 (14) 을 가압하여, 상기 커버 시트 (22) 가 배치되어 있지 않은 상기 제 1 가스 확산층 (14) 의 부위의 공극에 대한 상기 커버 시트 (22) 가 배치된 상기 제 1 가스 확산층 (14) 의 부위 중 적어도 일부의 공극의 저하율을 5 ％ 이상 25 ％ 이하로 하는, 연료 전지 (40) 의 제조 방법.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022090914A JP2023177941A (ja) | 2022-06-03 | 2022-06-03 | 燃料電池 |
| JPJP-P-2022-090914 | 2022-06-03 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230168122A true KR20230168122A (ko) | 2023-12-12 |
Family
ID=88874380
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230044281A KR20230168122A (ko) | 2022-06-03 | 2023-04-04 | 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230395834A1 (ko) |
| JP (1) | JP2023177941A (ko) |
| KR (1) | KR20230168122A (ko) |
| CN (1) | CN117174944A (ko) |
| DE (1) | DE102023108830A1 (ko) |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006216294A (ja) | 2005-02-02 | 2006-08-17 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池セルとその製造方法 |
| JP6432398B2 (ja) | 2015-03-12 | 2018-12-05 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池単セル |
| JP7002049B2 (ja) | 2017-07-03 | 2022-01-20 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 燃料電池 |
| JP7207353B2 (ja) | 2020-03-12 | 2023-01-18 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池の製造方法 |
-
2022
- 2022-06-03 JP JP2022090914A patent/JP2023177941A/ja active Pending
-
2023
- 2023-04-04 KR KR1020230044281A patent/KR20230168122A/ko unknown
- 2023-04-06 DE DE102023108830.0A patent/DE102023108830A1/de active Pending
- 2023-04-17 US US18/301,647 patent/US20230395834A1/en active Pending
- 2023-05-09 CN CN202310515756.9A patent/CN117174944A/zh active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2023177941A (ja) | 2023-12-14 |
| US20230395834A1 (en) | 2023-12-07 |
| DE102023108830A1 (de) | 2023-12-14 |
| CN117174944A (zh) | 2023-12-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9525188B2 (en) | Cell module and fuel cell stack | |
| KR100413397B1 (ko) | 고분자전해질형 연료전지와 그 사용방법 | |
| JP2009094046A (ja) | 燃料電池 | |
| US20090053581A1 (en) | Separator and fuel cell | |
| US11508982B2 (en) | Fuel cell stack | |
| KR20230168122A (ko) | 연료 전지 및 연료 전지의 제조 방법 | |
| JP2014216110A (ja) | 燃料電池のセル構造 | |
| US9350034B2 (en) | Fuel cell gas diffusion layer integrated gasket | |
| US20230402624A1 (en) | Power generation unit cell and fuel cell | |
| JP2009211977A (ja) | 燃料電池、および、電池ユニット | |
| JP2009129650A (ja) | 燃料電池 | |
| US20230369615A1 (en) | Fuel cell stack | |
| US20230369613A1 (en) | Fuel cell stack | |
| JP7310786B2 (ja) | 燃料電池 | |
| US20240141509A1 (en) | Water electrolysis cell | |
| US20240141521A1 (en) | Water electrolysis cell | |
| JP2023161180A (ja) | 燃料電池 | |
| JP2023144297A (ja) | 燃料電池スタック | |
| JP2024068890A (ja) | 燃料電池 | |
| JP2022170072A (ja) | ガスケットの装着方法 | |
| JP5920594B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP5050434B2 (ja) | 燃料電池 | |
| CN115347213A (zh) | 燃料电池 | |
| JP2006260910A (ja) | 燃料電池スタックのシール構造 | |
| JP2011028942A (ja) | 燃料電池スタック、および、セパレータ |