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KR101127028B1 - 연료 전지 - Google Patents

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KR101127028B1
KR101127028B1 KR1020067006202A KR20067006202A KR101127028B1 KR 101127028 B1 KR101127028 B1 KR 101127028B1 KR 1020067006202 A KR1020067006202 A KR 1020067006202A KR 20067006202 A KR20067006202 A KR 20067006202A KR 101127028 B1 KR101127028 B1 KR 101127028B1
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마사야 야노
마자카쯔 스기모토
타쿠지 오케유이
토시오 아라키
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아쿠아훼아리 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 단위 셀 마다 확실하게 봉지를 행할 수 있으며, 이것에 의해서 박형화가 가능하고, 유지성도 용이하고, 게다가 소형경량이며 자유로운 형상 설계가 가능한 연료 전지를 제공하는 것에 관한 것이다. 판상의 고체 고분자 전해질(1)과, 그 고체 고분자 전해질(1)의 양측에 배치된 한 쌍의 전극판(2,3)을 구비한 연료 전지에 있어서, 상기 전극판(2,3)의 양측에 배치되고, 유로구(9)와 이에 연통하는 주입구(4c,5c) 및 배출구가 설치된 한 쌍의 금속판(4,5)을 구비하고, 그 금속판(4,5)의 둘레가 절연 재료(6)를 개재시면서 기계적으로 봉지되어 있는 것을 특징으로 한다.
연료 전지

Description

연료 전지{Fuel cell}
본 발명은, 고체 고분자 전해질을 사용한 연료 전지에 관한 것으로서, 특히 두께를 얇게 할 수 있는 고분자형 연료 전지에 관한 것이다.
폴리머 전해질과 같은 고체 고분자 전해질을 사용한 고분자형 연료 전지는, 높은 에너지 변환 효율을 가지며, 박형소형ㆍ경량이므로, 가정용 코제네레이션 시스템이나 자동차용으로 개발이 활발히 되고 있다. 이러한 연료 전지의 종래 기술의 구조로서는, 도 16에 보인 것이 알려져 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조).
즉, 도 16에 보인 바와 같이, 고체 고분자 전해질막(100)을 사이에 두고 애노드(101)와 캐소드(102)를 배치하여 설치한다. 더욱, 가스켓(103)을 끼워서 한쌍의 세퍼레이터(104)에 의해 협지(挾持)하여 단위 셀(105)을 구성한다. 각각의 세퍼레이터(104)에는 가스 유로구(流路溝)가 형성되어 있으며, 애노드(101)와의 접촉에 의해, 환원가스(예를 들면, 수소가스)의 유로(流路)가 형성되고, 캐소드(102)와의 접촉에 의해, 산화가스(예를 들면, 산소가스)의 유로가 형성된다. 각각의 가스는, 단위 셀(105)내의 각 유로를 유통(流通)하면서, 애노드(101) 또는 캐소드(102)의 내부에 담지(擔持)된 촉매의 작용에 의해 전극 반응(전극에 있어서의 화학 반응)에 제공되어서, 전류의 발생과 이온 전도가 생긴다.
이 단위 셀(105)을 다수 개 적층하고, 단위 셀(105) 끼리 전기적으로 직렬로 접속하여 연료 전지(N)를 구성하고, 전극(106)은, 적층한 양단의 단위 셀(105)로부터 취출(取出)할 수 있다. 이러한 연료 전지(N)는, 깨끗하고 또한 고효율이라고 하는 특징 때문에, 여러 가지 용도, 특히, 전기 자동차용 전원이나 가정용 분산형 전원으로서 주목되고 있다.
한편, 근년의 IT기술의 활발화에 따라, 휴대 전화, 노트북 개인 컴퓨터, 디지털 카메라 등 모바일 기구가 빈번히 사용되는 경향이 있으나, 이것의 전원은, 대부분 리튬 이온 2차 전지가 사용되고 있다. 그런데, 모바일 기기의 고기능화에 따라 소비 전력이 자꾸 증대하여, 그의 전원용으로서 깨끗하고 또한 고효율인 연료 전지가 주목되어 오고 있다.
하지만, 도 16에 보인 것과 같은 종래의 구조에서는, 구조에 자유도가 없으므로, 모바일 기구의 전원으로서 요구되는 박형 소형 경량화나 형상의 높은 자유도화에 어려움이 있고, 유지성(maintenance)이 나쁘다는 문제도 있었다. 또한 연료 전지 셀 내에서, 산화 환원 가스를 상호 혼합되지 않도록 공급하고, 또한, 밀폐화하는 것이 어려워서, 이들 조건을 만족하면서, 연료 전지 셀의 크기나 중량을 저감화하는 것은 곤란하였다. 요컨대, 종래, 셀 부품을 볼트 및 너트의 체결 부품으로 상호 결합하여, 셀 부품에 일정 압력을 가하였기 때문에, 봉지(seal)특성을 확보하고나서, 각부재의 강성을 높일 필요성이 있고, 아무리 해봐도 박형화, 소형화, 경량화, 자유로운 형상 설계가 곤란하였다.
그런데, 하기의 특허 문헌 1에는, 단위 셀로 되고, 액체 연료를 셀 내에 저 장하는 편평형(偏平型) 액체 연료 전지에 있어서, 연료극(燃料極), 전해질 및 산화제극(酸化劑極)의 적층체를, 그의 주위를 봉지제로 일체화하고, 전지 케이스내에 수납한 구조의 연료 전지가 개시되어 있다.
하지만, 상기 셀 구조에서는, 전극을 포함하는 적층체의 측벽과 봉지재와의 압접력(壓接力)을 충분히 높일 수 없으므로, 예를 들면 수소 가스 연료를 가압하여 연료극 측에 유통시킨 경우, 수소 가스가 산화제극 측으로 누설하여, 발전 효율의 저하나 수소 연소의 위험을 수반하는 문제가 있었다. 요컨대, 연료 전지의 전극은 일반적으로 다공 구조로 되어 있어서, 이 때문에, 상기 셀 구조에 있어서, 가압된 수소 가스가 연료극의 내부를 통과하고, 전해질의 측벽과 봉지재와의 사이로부터, 산화제 극측으로 누설하기 쉬운 구조로 되어 있다.
비특허문헌 1: 일경메카니칼 별책 「연료 전지 개발 최전선」발행일 2001년 6월 29일, 발행처:일경BP사, 제3장 PEFC, 3.1 원리와 특징 p46
특허문헌 1: 특개소 58-176881호 공보
[발명이 해결하고자 하는 과제]
따라서 본 발명의 목적은, 단위 셀 마다 확실하게 봉지를 행할 수 있으며, 이것에 의해서 박형화가 가능하고, 유지성도 용이하고, 게다가 소형경량이며 또한 자유로운 형상 설계가 가능한 연료 전지를 제공하는 것에 있다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
상기 목적은, 하기와 같은 본 발명에 의해 달성될 수 있다.
즉, 본 발명의 연료 전지는, 판상의 고체 고분자 전해질과, 그 고체 고분자 전해질의 일방측에 배치된 캐소드측 전극판과, 타방측에 배치된 애노드측 전극판과, 상기 캐소드측 전극판의 표면에 배치되고 내면측으로의 가스의 유통을 가능하도록 하는 캐소드측 금속판과, 상기 애노드측 전극판의 표면에 배치되고 내면측으로의 연료의 유통을 가능하도록 하는 애노드측 금속판을 구비한 연료 전지에 있어서, 상기 양측의 전극판으로부터 상기 고체 고분자 전해질의 주연부(周緣部)를 연출(延出)시켜, 그 주연부를 이것에 대향하는 상기 금속판에 의해 협지하면서, 상기 양측의 금속판의 둘레를 굽힘프레스에 의해, 전기적으로 절연한 상태에서 기계적으로 봉지하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연료 전지에 의하면, 양측의 전극판으로부터 고체 고분자 전해질의 주연부를 연출시켜서, 그 주연부를 대향하는 금속판에 의해 협지하면서, 금속판의 둘레를 굽힘프레스 등에 의해 기계적으로 봉지하므로, 고체 고분자 전해질의 주연부와 금속판의 사이에 충분한 압접력(壓接力)이 얻어져서, 연료 가스가 캐소드측으로 누설하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 금속판의 둘레를 전기적으로 절연한 상태에서 굽힘프레스에 의해 봉지하므로, 양자의 단락을 방지하면서, 두께를 그다지 증가시키지 않고 단위 셀 마다 확실하게 봉지를 행할 수 있다. 전극판과 금속판의 접촉에 의해, 전극 반응에서 생긴 전류를 금속판으로부터 취출할 수 있다. 게다가 도 16에 보인 종래 구조와 비교해서 셀 부재에 강성이 요구되지 않으므로, 각 단위 셀을 대폭으로 박형(薄型)화 할 수 있다. 또한, 고체 고분자 전해질이나 금속판을 사용하므로, 자유로운 평면 형상이나 굴곡이 가능하게 되어, 소형경량이면서 자유로운 형상 설계가 가능하게 된다.
본 발명에서는, 특히 상기 고체 고분자 전해질의 주연부를 연장하여, 봉지한 금속판의 둘레로부터 노출시키고 있는 것이 바람직하다. 이 구조에 의하면, 굽힘프레스에 의한 봉지부에도 고체 고분자 전해질이 개재하므로, 봉지 면적이 증가하여 보다 봉지성이 높아짐과 함께, 주연부를 연장해서 봉지부로부터 노출되어 있으므로, 산화 환원 가스를 상호 혼합하는 일이 전혀 없다.
도 1은 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 일예를 보여주는 조립 사시도.
도 2는 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 일예를 보여주는 정면에서 본 단면도.
도 3은 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 적층 상태의 일예를 보여주는 도면으로서, (a)는 튜브 설치 전의 사시도, (b)는 튜브 설치 후의 요부 정면도.
도 4는 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 사용 예를 보여주는 도면으로서, (a)는 좌측면도, (b)는 그의 I-I 화살표 방향의 단면도.
도 5는 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 다른 예를 보여주는 정면에서 본 단면도.
도 6은 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 다른 예를 보여주는 조립 사시도.
도 7은 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 다른 예를 보여주는 정면에서 본 단면도.
도 8은 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 다른 예를 보여주는 조립 사시도.
도 9는 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 다른 예를 보여주는 정면에서 본 단면도.
도 10은 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 다른 예를 보여주는 도면으로서, (a)는 정면에서 본 단면도이고, (b)는 그의 봉지 부재를 보여주는 평면도.
도 11은 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 다른 예를 보여주는 조립 사시도.
도 12는 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 다른 예를 보여주는 정면에서 본 단면도.
도 13은 본 발명의 실시예 1~2에서 얻어진 연료 전지의 전압과 출력의 관계를 보여주는 그래프.
도 14는 본 발명의 실시예 3에서 얻어진 연료 전지의 전압과 출력의 관계를 보여주는 그래프.
도 15는 본 발명의 실시예 4에서 얻어진 연료 전지의 전압과 출력의 관계를 보여주는 그래프.
도 16은 종래의 연료 전지의 일예를 보여주는 조립 사시도.
부호의 설명
1 고체 고분자 전해질 1a 주연부
2,3 전극판 2a,3a 유로구(流路溝)
4,5 금속판 4c,5c 주입구
4d,5d 배출구 6 절연 재료
9 유로구(流路溝) 9a 종구(縱溝)
9b 횡구(橫溝) S1 봉지 부재
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
이하, 본 발명의 실시 형태에 관하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 일예를 보여주는 조립 사시도이고, 도 2는 본 발명의 연료 전지의 단위 셀의 일예를 보여주는 정면에서 본 단면도이다.
본 발명의 연료 전지는, 도 1~도 2에 보인 바와 같이, 판상의 고체 고분자 전해질(1)과, 그 고체 고분자 전해질(1)의 양측에 배치된 한 쌍의 전극판(2,3)을 구비하는 것이다. 한 쌍의 전극판(2,3)은, 캐소드측 전극판(2)과 애노드측 전극판(3)으로 구성된다.
고체 고분자 전해질(1)로서는, 종래의 고체 고분자막형 전지에 사용되는 것이면 어느 것도 좋으나, 화학적 안정성 및 도전성의 점으로부터, 초강산인 술폰산기를 가지는 퍼-플루오로 카본중합체로 된 양이온 교환막이 적합하게 이용된다. 이와 같은 양이온 교환막으로서는, 나피온(등록상표)이 적합하게 이용된다.
그밖에, 예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소 수지로 된 다공질막에 상기 나피온이나 다른 이온 전도성 물질을 함침시킨 것이나, 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀 수지로 된 다공질막이나 부직포에 상기 나피온이나 다른 이온 전도성 물질을 담지시킨 것 이어도 좋다.
고체 고분자 전해질(1)의 두께는, 얇은 만큼 전체의 박형화에 유효하나, 이온전도 기능, 강도, 핸들링성 등을 고려하면, 10~300㎛가 사용가능하며, 25~50㎛가 바람직하다.
전극판(2,3)은, 가스 확산층으로서의 기능을 발휘해서, 연료 가스나, 산화 가스 및 수증기의 공급?배출을 행함과 동시에, 집전(集電)의 기능을 발휘하는 것이 사용가능하다. 전극판(2,3)으로서는, 동일 또는 다른 것이 사용가능하고, 그 기재(基材)에는 전극 촉매 작용을 가지는 촉매를 담지시킨 것이 바람직하다. 촉매는, 고체 고분자 전해질(1)과 접하는 내면(2b, 3b)에 적어도 담지시킨 것이 바람직하다.
전극 기재로서는, 예를 들면, 카본페이퍼, 카본 섬유 부직포 등의 섬유질 카본, 도전성 고분자 섬유의 집합체 등의 전도성 다공질재가 사용가능하다. 일반적으로, 전극판(2,3)은, 이러한 전도성 다공질재에 불소 수지 등의 발수성 물질을 첨가하여 제작된 것이며, 촉매를 담지시킨 경우, 백금 미립자 등의 촉매와 불소 수지 등의 발수성 물질을 혼합하고, 이것에 용매를 혼합하여, 페이스트상 혹은 잉크 상으로 한 후, 이것을 고체 고분자 전해질막과 대향하도록 전극 기재의 한 쪽 면에 도포하여 형성된다.
일반적으로, 전극판(2,3)이나 고체 고분자 전해질(1)은, 연료 전지에 공급되는 환원 가스와 산화 가스에 따라 설계된다. 본 발명에서는, 산화가스로서 산소 가스나 공기가 이용됨과 동시에, 환원 가스로서 수소 가스 등이 이용된다. 또한, 환원 가스를 대체하여, 메탄올이나 디메틸에테르 등을 이용하는 것도 가능하다.
예를 들면, 수소 가스와 공기를 사용하는 경우, 공기를 공급하는 측의 전극(공기극)에는, 산소와 수소 이온의 반응이 발생하여 물이 생성되기 때문에, 이러한 전극 반응에 대응하여 설계를 하는 것이 바람직하다. 특히, 낮은 작동 온도, 높은 전류 밀도 및 높은 가스 이용률의 운전조건에서는, 특히 물이 생성되는 공기극에 있어서 수증기의 응축에 의해 전극 다공체의 폐색(플랫팅)현상이 일어나기 쉽다. 따라서 장기에 걸쳐서 연료 전지의 안정한 특성을 얻기 위해서는 플랫팅 현상이 일어나지 않도록 전극의 발수성을 확보하는 것이 유효하다.
촉매로서는, 백금, 파라듐, 루테늄, 로듐, 은, 니켈, 철, 동, 코발트 및 몰리브덴으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 또는 그의 산화물이 사용될 수 있고, 이들 촉매를 카본블랙 등에 미리 담지시킨 것도 사용 가능하다.
전극판(2,3)의 두께는, 얇은 만큼 전체의 박형화에 유효하나, 전극 반응, 강도, 핸들링성 등을 고려하면, 50~500㎛가 바람직하다.
전극(2,3)과 고체 고분자 전해질(1)은, 미리 접착, 융착 등을 행하여 적층 일체화하여 둔 것도 좋으나, 단지 적층 배치되어 있을 뿐이어도 좋다. 이러한 적층체는, 박막 전극 조립체(Membrane Electrode Assembly:MEA)로 입수하는 것도 가능하고, 이것을 사용하여도 좋다.
상기 전극판(2,3)의 양측에는, 한 쌍의 금속판(4,5)이 배치되어 있다. 한 쌍의 전극판(4,5)은, 캐소드측 전극판(2)의 표면에 배치되고 내면측으로의 가스의 유통을 가능하도록 하는 캐소드측 금속판(4)과, 애노드측 전극판(3)의 표면에 배치되고 내면측으로의 연료의 유통을 가능하도록 하는 애노드측 금속판(5)으로 구성된 다. 본 실시 형태에서는, 금속판(4,5)에는 유로구(9)와 이것에 연통하는 주입구(4c, 5c) 및 배출구(4d, 5d)가 설치되어 있다.
금속판(4,5)으로서는, 전극 반응에 악영향이 없는 것이면 어떤 금속도 사용할 수 있다. 다만, 신장(늘어남), 중량, 탄성율, 강도, 내부식성, 프레스가공성, 에칭가공성 등의 관점으로부터 스테인레스판, 니켈 등이 바람직하다.
금속판(4,5)에 설치된 유로구(9)는, 전극판(2,3)과의 접촉에 의해 수소 가스 등의 유로가 형성 가능한 것이면 어떤 평면 형상이나 단면 형성도 좋다. 다만, 유로 밀도, 적층시의 적층 밀도, 굴곡성 등을 고려하면, 금속판(4,5)의 일변에 평행한 종구(縱溝, 9a)와 수직한 횡구(橫溝, 9b)를 주로 형성하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 복수 개(도시한 예에서는 3개)의 종구(9a)가 횡구(9b)에 직렬 접속되도록 하여, 유로 밀도와 유로 길이의 밸런스를 취하고 있다.
그리고 이러한 금속판(4,5)의 유로구(9)의 일부(예를 들면 횡구(9b))를 전극판(2,3)의 외면에 형성하여도 좋다. 전극판(2,3)의 외면에 유로구(2a, 3a)를 형성하는 방법으로서는, 가열 프레스나 절삭 등의 기계적인 방법이어도 좋으나, 미세 가공을 적합하게 행하기 위해서, 레이저 조사에 의해 구가공(溝加工)을 행하는 것이 바람직하다. 레이저 조사를 행하는 관점으로부터도, 전극판(2,3)의 기재로서는, 섬유질 카본의 집합체가 바람직하다.
금속판(4,5)의 유로구(9)에 연통하는 주입구(4c,5c)및 배출구(4d, 5d)는, 각각 1개 또는 복수를 형성할 수 있다. 그리고 금속판(4,5)의 두께는, 얇은 만큼 전체의 박형화에 유리하나, 강도, 신장(늘어남), 중량, 탄성율, 핸들링성 등을 고려 하면, 50~500㎛가 바람직하다.
금속판(4,5)에 유로구(9)를 형성하는 방법으로는, 프레스 가공, 절삭 등의 기계적인 방법이나 에칭 등의 화학적 방법을 들 수 있다. 본 실시 형태에서는, 프레스 가공에 의한 금속판의 변형에 의해 유로구(9)가 형성되어 있는 예를 보인다. 금속판(4,5)으로의 구(溝, 홈) 형성을 프레스 가공으로 행하면, 코스트면에서 유리하게 금속판(4,5)을 제조할 수 있다. 또한, 프레스 가공으로 구(溝, 홈)를 형성한 금속판(4,5)은 두께의 증가를 최소한으로 할 수 있으며, 단위 셀 마다에 확실하게 봉지를 행하는 것과 아울러, 연료 전지의 더욱 박형화가 가능하게 된다.
도 1의 금속판(4)의 상면에는, 프레스 가공에 의한 유로구(9)의 볼록선(철조(凸條), 9c)이 나타나 있다.
특히, 프레스 가공에 의한 유로구(9)에서는, 폭 0.1~10mm, 깊이 0.1~10mm가 바람직하다. 또한, 유로구(9)의 단면 형상은 대략 사각형, 대략 사다리꼴형, 대략 반원형, V자형 등이 바람직하다.
본 발명에서는, 상기 양측의 전극판(4,5)으로부터 고체 고분자 전해질(1)의 주연부(1a)를 연출(延出)시켜, 그 주연부(1a)를 이것에 대향하는 상기 금속판(4,5)에 의해 협지하면서, 상기 양측의 금속판(4,5)의 둘레를 전기적으로 절연한 상태에서 기계적으로 봉지하고 있다. 기계적인 봉지는, 예를 들면 굽힘 프레스, 즉 소위 카시메(カシメ,고정마감)에 의해 행할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 고체 고분자 전해질(1)의 주연부(1a)가 절연 재료(6)를 개재시키면서 금속판(4,5)에 의해 협지됨과 함께, 금속판(4,5)의 둘레가, 절연재료(6)를 개재시키면서 카시메에 의해 봉 지되어 있는 예를 보여준다.
본 발명에서는, 카시메를 행하는 경우, 도 2에 보이는 바와 같이, 금속판(4,5)의 둘레에 의해 고체 고분자 전해질(1)을 협지하는 구조가 바람직하고, 절연 재료(6)을 개재시키면서 고체 고분자 전해질(1)을 협지하는 구조가 보다 바람직하다. 이러한 구조에 의하면, 전극판(2,3)의 일방으로부터 타방으로의 가스 등의 유입을 효과적으로 방지할 수 있다.
절연 재료(6)로서는, 시트 형상의 수지, 고무, 열가소성 엘라스토머, 세라믹스 등이 사용될 수 있으나, 봉지성을 높이기 위해서, 수지, 고무, 열가소성 엘라스토머 등이 바람직하다. 절연 재료(6)는, 금속판(4,5)의 둘레에 직접 또는 점착(粘着)제를 끼워 첩착(貼着)하기도 하고, 도포하기도 하여, 미리 금속판(4,5)에 일체화하여 놓는 것도 가능하다.
카시메 구조로서는, 봉지성이나 제조의 용이성, 두께 등의 관점으로부터 도 2에 보인 것이 바람직하다. 결국, 일방의 금속판(5)의 외연부(5a)를 타방의 외연부(4a) 보다 크게 하여 놓고, 절연 재료(6)를 개재시키면서, 일방의 금속판(5)의 외연부(5a)를 타방의 금속판(4) 외연부(4a)를 협압(挾壓)하도록 꺽어 접은 카시메 구조가 바람직하다. 이 카시메 구조에서는, 프레스 가공 등에 의해서, 금속판(4)의 외연부(4a)에 단차를 마련해 놓는 것이 바람직하다. 이러한 카시메 구조 자체는 금속 가공으로서 공지이며, 공지의 카시메 장치에 의해서, 그것을 형성할 수 있다.
본 발명에서는, 도 2에 보이는 것과 같은 단위 셀(UC)을 1개 또는 복수개 사용할 수 있으나, 고체 고분자 전해질(1), 한 쌍의 전극판(2,3) 및 한 쌍의 금속 판(4,5)으로 단위 셀(UC)을 구성하고, 이 단위 셀(UC)을 복수 적층하고 있는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 볼트 및 너트의 체결 부품으로 상호 결합해서, 셀 부품에 일정 압력을 가하지 않고도, 고출력의 연료 전지를 제공할 수 있다.
복수 적층하는 경우, 단위 셀(UC) 끼리의 사이에, 가스 등의 유로를 형성할 수 있는 스페이서를 설치해서 적층하는 것도 가능하나, 도 3에 보이는 바와 같이, 스페이서를 개재시키지 않고 적층하는 것이 박형화나 설계의 자유도의 관점에서 바람직하다.
또한, 금속판(4,5)의 유로구(9)의 볼록선(9c)을 등간격으로 평행하게 형성해 놓고, 각각의 단위 셀(UC)의 볼록선(9c)이 상호 맞추어 합쳐 지도록(嵌合) 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 단위 셀(UC)의 적층시의 두께를 보다 저감할 수 있다.
도 3에 나타난 실시 형태에서는, 단위 셀(UC)(금속판4,5)의 일변(한쪽 변(邊)) 부근에 수소 가스 등의 주입구(4c) 및 배출구(4d)를 만들고, 대향하는 일변의 뒤측에 공기 등의 주입구(5c) 및 배출구(5d)를 만들어 놓고, 이들이 노출하도록 각각의 단위 셀(UC)을 조금씩 옮기어 적층하고 있다. 이 상태에서 도 3(b)에 보이는 바와 같이, 주관(主管, 11)으로부터 분기관(12)이 분기한 튜브(10)의 분기관(12)을 주입구(4c)에 접속하여, 수소 가스 등의 주입을 행할 수 있다. 이러한 튜브(10)를 주입구(5c), 배출구(4d), 배출구(5d)에 접속하여, 산화 가스와 환원 가스의 주입?배출이 가능하게 된다.
한편, 금속판 끼리 접촉하여, 단위 셀(UC)이 직렬로 접속되고, 양단의 단위 셀(UC)로부터, 적층수에 대응한 전압의 전류를 취출할 수 있다. 또한, 복수의 단위 셀(UC) 마다 스페이서를 설치하여(도시 생략), 단위 셀(UC) 마다에서 전류를 취출하는 것도 가능하다.
또한, 단위 셀을 사용할 때, 금속판의 연료의 주입구 및 배출구에는, 직접 연료 공급용 튜브를 접합하는 것도 가능하나, 연료 전지의 박형화를 행하는 측면에서, 두께가 작으며, 금속판의 표면에 평행한 파이프를 가지는 튜브 조인트를 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료 전지는, 박형화가 가능해서 소형 경량 및 자유로운 형상 설계가 가능하므로, 특히, 휴대전화, 노트 PC 등의 모바일 기기에 적합하게 사용할 수 있다.
또한, 전류를 취출 할 때에, 도 4(a)~(b)에 보인 것 같은 실시 형태로 할 수 있다. 즉, 일방의 금속판(5)의 외연부(5a)를 타방의 금속판의 외연부(4a) 보다 크게 하여, 상기 일방의 금속판(5)의 외연부(5a)로 상기 타방의 금속판(4)의 외연부(4a)를 협압하도록 꺽어 접은 카시메 구조를 가짐과 함께, 상기 타방의 금속판(4)의 표면과 상기 꺽어 접은 외연부(5a)의 표면을, 전류의 취출부(예를 들면 정극 또는 부극)로 하여도 좋다. 이 경우, 도시한 바와 같이, 타방의 금속판(4)의 표면과 꺽어 접은 외연부(5a)의 표면(도에서는 상면)을 동일 평면 또는 대략 동일 평면으로 하는 것이 바람직하다. 이것에 의해서, 전류의 취출부와, 전지 홀더측의 접점 단자 등의 접촉이, 보다 바람직하게 행해지게 된다.
또한, 도 4(a)~(b)에 보이는 실시 형태에서는, 전자 기기류 등의 장치 본체 측에 고정된 판(板)스프링 제(製)의 접점 단자(21, 22)가, 전지 셀의 전류 취출부와 접촉하여, 리드선(23, 24)에 의해 전류를 취출할 수 있다.
다만, 전류의 취출 형태는 어떤 것이어도 좋고, 전지 셀에 직선, 리드선을 납땜(solder)으로 접합하거나, 전지 셀에 커넥터를 설치하는 것도 가능하다.
[다른 실시 형태]
이하, 본 발명의 다른 실시 형태에 관하여 설명한다.
(1) 전술의 실시 형태에서는, 금속판에는, 프레스 가공에 의해 형성된 유로구와, 그의 유로구에 연통(連通)하는 주입구 및 배출구가 설치되어 있는 예를 보였으나, 본 발명에서는, 도 5에 보인 바와 같이, 금속판(4,5)에 대하여, 에칭에 의해 형성된 유로구(9)와, 그 유로구(9)에 연통하는 주입구(4c, 5c) 및 배출구(4d, 5d)를 설치하는 것이 바람직하다. 금속판(4,5)에 구(溝, 홈)를 에칭에 의해 형성하므로, 강성이 큰 금속판에도 용이하게 구(溝, 홈) 형성이 가능하고, 그 강성 때문에 박막 전극 조립체에 대해서 압력을 걸기 쉽게 되고, 가스 누설을 적게 할 수 있고, 높은 출력(도 13 참조)을 얻을 수 있다.
에칭에 의한 유로구(9)로서는, 폭 0.1~10mm, 깊이 0.05~1mm가 바람직하다. 또한, 유로구(9)의 단면 형상은, 대략 사각형, 대략 사다리꼴형, 대략 반원형, V자형 등이 바람직하다.
에칭은, 예를 들면 드라이 필름 레지스트 등을 이용하여, 금속 표면에 소정 형상의 에칭 레지스트를 형성한 후, 금속판(4,5)의 종류에 따른 에칭액을 이용하여 행할 수 있다. 또한 2종 이상의 금속의 적층판을 이용하여, 금속 마다 선택적으로 에칭을 행하여, 유로구(9)의 단면 형상을 보다 고정도(高精度)로 제어할 수 있다. 더욱이, 유로구(9)에 연통하는 주입구(4c, 5c) 및 배출구(4d, 5d) 등을, 에칭으로 형성하는 것도 가능하다.
도 5에 나타난 실시 형태는, 금속판(4,5)의 카시메부의 SUS도 에칭에 의해 두께를 얇게 한 예이다. 이와 같이, 카시메부를 에칭하여 적절한 두께로 하여, 카시메에 의한 봉지를 보다 용이하게 행할 수 있다. 이 관점으로부터, 카시메부의 두께로서는 0.05~0.3mm가 바람직하다.
(2) 전술의 실시 형태에서는, 전극판의 표면에 배치된 금속판에, 연료 등의 유로구를 형성하는 예를 보였으나, 본 발명에서는, 도 6~도 7에 보인 바와 같이, 전극판(2,3)측에 연료 등의 유로구(2a,3a)를 형성하여도 좋다. 그리고 캐소드측 전극판(2) 및/또는 애노드측 전극판(3)의 외면에는, 유로구(2a, 3a)가 형성됨과 함께, 그의 표면에 배치된 금속판(4,5)에는, 상기 유로구(2a, 3a)에 연통하는 주입구(4c, 5c) 및 배출구(4d, 5d)가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
전극판(2,3)의 외면에 유로구(2a, 3a)를 형성하는 방법으로는, 가열 프레스나 절삭 등의 기계적인 방법도 좋으나, 미세 가공을 적절하게 행하기 위해서, 레이저 조사에 의한 구(溝, 홈) 가공을 행하는 것이 바람직하다. 레이저 조사를 행하는 관점에서도, 전극판(2,3)의 기재(基材)로서는, 섬유질 카본의 집합체가 바람직하다.
전극판(2,3)의 두께는, 얇을수록 전체의 박형화에 유효하나, 전극 반응, 강도, 핸들링성 등을 고려하면, 50~500㎛가 사용가능하나, 200~350㎛가 바람직하다. 또한 유로구(2a, 3a)의 깊이는, 충분한 유로를 확보하기 위해 100~500㎛가 바람직하다.
이 실시 형태에서는, 전극판(2,3)은, 섬유질 카본의 집합체의 적어도 일면에 촉매가 담지되고, 그의 타면에, 레이저 조사에 의해 상기 섬유질 카본이 제거된 유로구가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이, 섬유질 카본의 집합체를 전극재로서 사용하는 것에 의해, 가스의 확산성이나 집전 효율이 양호하게 되고, 담지된 촉매에 의해 전극 반응을 촉진할 수 있다. 또한, 섬유질 카본은 레이저 조사 등의 방법에 의해 미세 가공할 수 있고, 섬유질 카본이 제거된 유로구가 형성되기 때문에, 프레스가공에 의해 얻어진 전극판과 비교하여, 가스의 확산성을 유지하면서 미세한 가스 유로를 형성할 수 있다.
(3) 전술의 실시 형태에서는, 캐소드측의 금속판 또는 전극판에, 공기 등의 가스의 유로구를 형성하는 예를 보였으나, 본 발명에서는, 캐소드측의 유로구를 생략하는 것도 가능하다. 즉, 금속판(4,5)에는, 필요에 따라 유로구, 연료나 가스의 주입구나 배출구, 개구부 등을 설치할 수 있고, 예를 들면 공기를 개구부로부터 자연 공급하기도 하고, 연료 가스의 배출구를 생략하는 것도 가능하다.
예를 들면, 도 8~도 9에 보인 바와 같이, 캐소드측의 금속판(4)에는, 유로구를 설치하지 않고, 공기 중의 산소를 공급하기 위한 개구부(4e)를 설치하여도 좋다. 개구부(4e)는, 캐소드측 전극판(2)이 노출 가능하면, 그의 개수, 형상, 크기, 형성 위치 등은 어떤 것이어도 좋다. 단지, 공기 중의 산소의 공급 효율과, 캐소드 측 전극판(2)으로부터의 집전 효과 등을 고려하면, 개구부(4e)의 면적은 캐소드측 전극판(2)의 면적의 10~50%인 것이 바람직하고, 특히 20~40%인 것이 바람직하다. 캐소드측 금속판(4)의 개구부(4c)는, 예를 들면 규칙적 또는 랜덤하게 복수의 원형 구멍이나 슬릿 등을 설치하기도 하고, 또는 금속 메쉬에 의해 개구부를 설치하여도 좋다.
카시메 구조에 있어서는, 도 2와 동일하므로 설명을 생략한다. 애노드측 금속판(5)의 유로 구성은 도 1~도 2에 보인 것과 동일하다.
(4) 전술의 실시 형태에서는, 도 2에 보인 바와 같이, 고체 고분자 전해질(1)의 주연부(1a)가 절연 재료(6)를 개재(介在)시켜 금속판(4,5)에 의해 협지되어 있는 예를 보이나, 본 발명에서는, 금속판(4,5)에 의해 직접 주연부(1a)를 협지하는 구조이어도 좋다. 또한 양자의 사이에 봉지(seal) 부재를 매개시켜도 좋다. 특히, 고체 고분자 전해질의 두께가 보다 얇은 경우에, 이와 같이 봉지 부재를 끼워, 이것을 양측의 금속판 사이에 협지하는 것에 의해, 고체 고분자 전해질의 양측의 유체(예를 들면 연료 가스와 산화 가스)의 혼합이나 리크(leak)가 효과적으로 방지가능하다.
봉지 부재를 개재시킨 경우, 도 10(a)~(b)에 보인 바와 같은 형태로, 봉지 부재(S1)를 개재시켜도 좋다. 이 실시 형태에서는, 고체 고분자 전해질(1)의 주연부(1a)를, 환상의 봉지 부재(S1)를 끼워, 양측의 금속판(4,5) 사이에 협지하고 있다. 이때, 특히, 금속판(4,5)의 외연부(4a, 5a)에서 협지하면, 협지압을 높여 봉지성을 향상시키는 관점에서 바람직하다.
환상의 봉지 부재(S1)는, 도 10(b)에 보인 바와 같이, 고체 고분자 전해질(1)의 주연부(1a)를 따라서 환상 형상을 이루고 있고, 카시메 구조와의 관계로부터, 외주의 4개의 귀(모퉁이)가 둥그렇게 띠 처리된 형상으로 되어 있다. 봉지 부재(S1)는, 단순히 협지할 뿐이어도 좋으나, 금속판(4,5)이나 고체 고분자 전해질(1)의 둘레에 직접 또는 점착제를 끼워 첩착(貼着)하여도 좋다.
환상의 봉지 부재(S1)의 두께는, 고체 고분자 전해질(1)의 두께에도 의존하지만, 20~200㎛가 바람직하다. 또한, 봉지 부재(S1)의 재질로서는, 탄성을 가지는 재료가 바람직하고, 실리콘계 수지, 불소계 수지 등의 수지, 고무, 열가소성 엘라스토머 등이 바람직하다.
(5) 전술의 실시 형태에서는, 고체 고분자 전해질의 주연부를 봉지한 금속판의 둘레로부터 노출시키지 않는 예를 보였으나, 도 11~도 12에 보인 바와 같이, 고체 고분자 전해질(1)의 주연부(1a)를 연장하여, 봉지한 금속판(4,5)의 둘레로부터 노출시켜도 좋다. 이 경우, 전술의 실시 형태와 같이 별도 절연 재료를 설치하여도 좋으나, 절연 재료를 설치하지 않아도, 고체 고분자 전해질(1)만에 의해, 금속판(4,5)간의 단락을 방지할 수 있다.
[실시예]
이하에서 실시예를 들어서 본 발명을 설명하나, 본 발명은 이런 실시예에 조금도 한정되는 것은 아니다.
[실시예1]
내식성을 가지는 SUS(50mm×26mm×0.08mm 두께)에 구(溝, 홈)폭 0.8mm, 깊이 0.2mm, 간격 1.6mm)를 프레스 가공에 의해 21개 설치하였다. 그리고 절연시트(50mm×26mm×2mm폭, 두께 80㎛)를 SUS에 맞대었다. 또한, 박막 전극 조립체(49.3mm×25.3mm)는, 하기와 같이 제작하였다. 백금 촉매는, 미국 일렉트로켐 사 제품 20% 백금 담지 카본 촉매(EC-20-PTC)를 이용하였다. 이 백금 촉매와, 카본 블랙(악조 사의 케첸블랙 EC), 폴리불화비닐리덴(카이나;KYNAR)을, 각각 75중량%, 15중량%, 10중량%의 비율로 혼합하고, 디메틸포름아미드를, 2.5중량%의 폴리불화비닐리덴 용액이 되도록 하는 비율로서, 상기 백금 촉매, 카본 블랙, 폴리불화비닐리덴의 혼합물 중에 가하고, 유발(乳鉢) 중에서 용해?혼합하여, 촉매 페이스트를 제작하였다. 카본 페이퍼(도레이 제품 TGP-H-90, 두께 370㎛)를 20mm×43mm로 절단하고, 이 위에, 상기와 같이 하여 제작한 촉매 페이스트 약 20mg을 스패출라로 도포하고, 80℃의 열풍 순환식 건조기 중에서 건조하였다. 이와 같이 하여 4mg의 촉매 조성물이 담지된 카본 페이퍼를 제작하였다. 백금 담지량은, 0.6mg/㎠ 이다.
상기와 같이 제작한 백금 촉매 담지 카본 페이퍼와, 고체 고분자 전해질(양이온 교환막)로서 나피온 필름(듀폰 사 제품 나피온 112)(25.3mm×49.3mm, 두께 50㎛)을 이용하고, 그의 양면에, 금형을 이용하여, 135℃, 2MPa의 조건에서 2분간 핫프레스 하였다. 이렇게 얻어진 박막 전극 조립체를 상기 SUS판 2매의 중앙에 끼워 넣고, 도 2에 보이는 바와 같이 카시메 결합시켜, 바깥 치수 50mm×26mm×1.4mm두께의 박형 소형의 마이크로 연료 전지를 얻을 수 있었다.
이 마이크로 연료 전지의 전지 특성을 평가 하였다. 연료 전지 특성은, 동양테크니카 제품 연료 전지 평가 시스템을 이용하고, 실온에서, 순수 수소 가스, 순 수 산소 가스를 이용하여 평가하였다. 가스 유량은, 0.2L/min로 하였다. 얻어진 최대 출력 밀도는, 전극 면적 당 400mW/㎠ 이었다(도 13). 그리고 6개의 연료 전지셀을 적층하여 직렬 접속하여, 연료 전지로서 18W의 출력이 얻어졌다. 본 발명의 특별한 장점은, 두께 1.4mm로 얇고 단위 전극 면적당 400mW/㎠ 로 고출력이 얻어지는 것에 있다.
[실시예 2]
상이한 두께의 SUS(50mm×26mm×0.3mm 두께)를 이용하고, 그의 가공법을 염화 제2철 수용액에 의한 에칭으로 바꾸어서, 구(溝, 홈)(폭 0.8mm, 깊이 0.2mm, 간격 1.6mm)를 형성하는 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게, 도 4에 보이는 박형 소형의 마이크로 연료 전지를 얻었다. 그리고 도 4에 있어서, 카시메부의 SUS도 에칭에 의해 두께를 얇게 하였다(두께 0.1mm).
이 마이크로 연료 전지의 전지 특성을 실시예 1과 동일하게 평가하였다. 얻어진 최대 출력 밀도는, 전극 면적 당 450mW/㎠이었다(도 13). 그리고 6개의 연료 전지 셀을 적층하여 직렬 접속하여, 연료 전지로서 20W의 출력이 얻어졌다. 본 발명의 특별한 장점은, 두께 1.4mm로 얇으면서, 단위 전극 면적당 450mW/㎠로 고출력이 얻어지는 것에 있다.
[참고예 1]
실시예 2에 있어서, 고체 고분자 전해질의 두께를 25㎛(실시예 2의 1/2)로 하는 것 이외는, 동일하게 연료 전지를 제작하고, 그 때, 도 10(b)에 보이는 형상의 봉지(seal) 부재(재질: 불소수지, 두께 100㎛)를 이용한 경우와 이용하지 않은 경우에서, 셀 내의 가스 혼합의 유무와 셀 외부로의 가스 누설의 유무를 조사하였다.
그 결과, 봉지 부재를 이용하면 10/10의 비율로 가스 혼합 및 가스 누설이 발생하지 않고, 이에 대비하여, 봉지 부재를 이용하지 않으면 4/10의 비율로 가스 혼합이 발생하고, 3/10의 비율로 가스 누설이 발생하였다.
[실시예 3]
내식성을 가지는 SUS(50mm×26mm×0.08mm 두께)을 이용하고, 그리고 절연시트(50mm×26mm×2mm폭, 두께 70㎛)를 SUS에 맞대었다. 또한, 박막 전극 조립체(49.3mm×25.3mm)는, 하기와 같이 제작하였다. 백금 촉매는, 미국 일렉트로켐 사 제품 20% 백금 담지 카본 촉매(EC-20-PTC)를 이용하였다. 이 백금 촉매와, 카본 블랙(악조 사의 케첸블랙 EC), 폴리불화비닐리덴(카이나;KYNAR)을, 각각 75중량%, 15중량%, 10중량%의 비율로 혼합하고, 디메틸포름아미드를, 2.5중량%의 폴리불화비닐리덴 용액으로 되도록 하는 비율로서, 상기 백금 촉매, 카본 블랙, 폴리불화비닐리덴의 혼합물 중에 가하고, 유발(乳鉢) 중에서 용해?혼합하여, 촉매 페이스트를 제작하였다. 카본 페이퍼(도레이 제품 TGP-H-90, 두께 370㎛)를 20mm×43mm로 절단하고, 이 위에, 상기와 같이 제작한 촉매 페이스트 약 20mg을 스패출라로 도포하고, 80℃의 열풍 순환식 건조기 중에서 건조하였다. 이와 같이 하여 4mg의 촉매 조성물이 담지된 카본 페이퍼를 제작하였다. 백금 담지량은, 0.6mg/㎠ 이다.
상기와 같이 제작한 백금 촉매 담지 카본 페이퍼의 촉매층과 반대 측에 반도체 레이저를 이용하여 구(溝,홈) 가공(폭:2.3mm, 깊이: 0.2mm, 간격: 2.3mm)을 실 시하였다. 그리고 고체 고분자 전해질(양이온 교환막)로서 나피온 필름(듀폰 사 제품 나피온 112)(25.3mm×49.3mm, 두께 50㎛)을 이용하고, 그의 양면에, 금형을 이용하여, 135℃, 2MPa의 조건에서 2분간 핫프레스 하였다. 이렇게 얻어진 박막 전극 조립체를 상기의 SUS판 2매의 중앙에 끼워 넣고, 도 7에 보이는 바와 같이, 카시메 결합시켜, 바깥 치수 50mm×26mm×1.0mm두께의 박형 소형의 마이크로 연료 전지를 을 수 있었다.
이 마이크로 연료 전지의 전지 특성을 평가하였다. 연료 전지 특성은, 동양테크니카 제품 연료 전지 평가 시스템을 이용하고, 실온에서, 순수 수소 가스, 순수 산소 가스를 이용하여 평가하였다. 가스 유량은, 0.2L/min로 하였다. 얻어진 최대 출력 밀도는, 전극 면적 당 380mW/㎠ 이었다(도 14). 그리고 6개의 연료 전지셀을 적층하여 직렬 접속하고, 연료 전지로서 17.5W의 출력이 얻어졌다. 본 발명의 특별한 장점은, 두께 1.0mm로 얇고 단위 전극 면적당 380mW/㎠ 로 고출력이 얻어지고, 엔드플레이트가 평면에 있으므로, 용이하게 적층하여 직렬 접속할 수 있다는 것에 있다.
[실시예 4]
내식성을 가지는 SUS(50mm×26mm×0.08mm 두께)에 구(溝, 홈)(폭 0.8mm, 깊이 0.2mm, 간격 1.6mm)를 프레스 가공에 의해 21개 설치하였다. 또한, 박막 전극 조립체(52.3mm×28.3mm)는, 하기와 같이 제작하였다. 백금 촉매는, 미국 일렉트로켐 사 제품 20% 백금 담지 카본 촉매(EC-20-PTC)를 이용하였다. 이 백금 촉매와, 카본 블랙(악조 사의 케첸블랙 EC), 폴리불화비닐리덴(카이나;KYNAR)을, 각각 75중 량%, 15중량%, 10중량%의 비율로 혼합하고, 디메틸포름아미드를, 2.5중량%의 폴리불화비닐리덴 용액이 되도록 하는 비율로서, 상기 백금 촉매, 카본 블랙, 폴리불화비닐리덴의 혼합물 중에 가하고, 유발(乳鉢) 중에서 용해?혼합하여, 촉매 페이스트를 제작하였다. 카본 페이퍼(도레이 제품 TGP-H-90, 두께 370㎛)를 20mm×43mm로 절단하고, 이 위에, 상기와 같이 제작한 촉매 페이스트 약 20mg을 스패출라로 도포하고, 80℃의 열풍 순환식 건조기 중에서 건조하였다. 이와 같이 하여 4mg의 촉매 조성물이 담지된 카본 페이퍼를 제작하였다. 백금 담지량은, 0.6mg/㎠ 이다.
상기와 같이 제작한 백금 촉매 담지 카본 페이퍼와 고체 고분자 전해질(양이온 교환막)로서 나피온 필름(듀폰 사 제품 나피온 112)(52.3mm×28.3mm, 두께 25㎛)을 이용하고, 그의 양면에, 금형을 이용하여, 135℃, 2MPa의 조건에서 2분간 핫프레스 하였다. 이렇게 얻어진 박막 전극 조립체를 상기 SUS판 2매의 중앙에 끼워 넣고, 도 12에 보이는 바와 같이, 카시메 결합시키는 것으로서, 바깥 치수 50mm×26mm×1.4mm두께의 박형 소형의 마이크로 연료 전지를 얻을 수 있었다.
이 마이크로 연료 전지의 전지 특성을 평가 하였다. 연료 전지 특성은, 동양테크니카 제품 연료 전지 평가 시스템을 이용하고, 실온에서, 순수 수소 가스, 공기를 이용하여 평가하였다. 수소 가스 유량은, 0.1L/min로 하였다. 공기 유량은 0.2L/min로 하였다. 그리고 단위 셀에 대한 출력 특성은 도 15에 보여 진다. 본 발명에 의한 카시메 구조를 이용하여, 충분히 실용화 할 수 있는 정도의 특성이 얻어졌다.

Claims (12)

  1. 판상의 고체 고분자 전해질과, 그 고체 고분자 전해질의 일방측에 배치된 캐소드측 전극판과, 타방측에 배치된 애노드측 전극판과, 상기 캐소드측 전극판의 표면에 배치되고, 내면측으로의 가스의 유통을 가능하도록 하는 캐소드측 금속판과, 상기 애노드측 전극판의 표면에 배치되고 내면측으로의 연료의 유통을 가능하도록 하는 애노드측 금속판을 구비한 연료 전지에 있어서,
    상기 양측의 전극판으로부터 상기 고체 고분자 전해질의 주연부를 연출(延出)시켜, 그 주연부를 이것에 대향하는 상기 금속판에 의해 협지하면서, 상기 양측의 금속판의 둘레를 굽힘프레스에 의해, 전기적으로 절연한 상태에서 기계적으로 봉지하고 있는 연료 전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 애노드측 금속판에는, 프레스 가공에 의해 형성된 유로구와, 그 유로구에 연통하는 주입구 및 배출구가 설치되어 있는 연료 전지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 애노드측 금속판에는, 에칭에 의해 형성된 유로구와, 그 유로구에 연통하는 주입구 및 배출구가 설치되어 있는 연료 전지.
  5. 제1항에 있어서, 상기 캐소드측 전극판 및 애노드측 전극판으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 전극판의 외면에는, 유로구가 형성됨과 함께, 그 표면에 배치된 상기 금속판에는, 상기 유로구에 연통하는 주입구 및 배출구가 설치되어 있는 연료 전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 캐소드측 전극판 및 애노드측 전극판으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 전극판은, 섬유질 카본 집합체의 적어도 일면에 촉매가 담지되고, 그 타면에, 레이저 조사에 의해 상기 섬유질 카본이 제거된 유로구가 형성되어 있는 연료 전지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고체 고분자 전해질의 주연부를 연장하여, 봉지한 금속판의 둘레로부터 노출시킨 연료 전지.
  8. 제7항에 있어서, 상기 금속판의 둘레와 상기 고체 고분자 전해질의 주연부의 사이에, 더욱 절연 재료를 개재시키고 있는 연료 전지.
  9. 제1항에 있어서, 상기 애노드측 금속판 또는 캐소드측 금속판의 적어도 일방의 주연부는, 에칭에 의해, 주연부가 아닌 부분보다, 두께를 얇게 하고 있는 연료 전지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 캐소드측 금속판에는, 산소를 공급하기 위한 개구부가 설치되어 있는 것인 전지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 고체 고분자 전해질의 주연부를, 환상의 봉지 부재를 끼워 양측의 금속판 사이에 협지하고 있는 연료 전지.
  12. 제1항에 있어서, 일방의 금속판의 외연부의 길이를 타방의 금속판의 외연부의 길이 보다 크게 하여, 상기 일방의 금속판의 외연부에 의해 상기 타방의 금속판의 외연부를 협압하도록 꺽어 접은 구조를 가짐과 함께, 상기 타방의 금속판의 표면과 상기 꺽어 접은 외연부의 표면을, 전류의 취출부로 한 연료 전지.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4989028B2 (ja) 2005-01-14 2012-08-01 本田技研工業株式会社 燃料電池
GB0601813D0 (en) * 2006-01-30 2006-03-08 Ceres Power Ltd Fuel cell
JP5031302B2 (ja) * 2006-09-07 2012-09-19 株式会社ノリタケカンパニーリミテド ガス拡散電極の形成方法
US9455452B2 (en) * 2008-05-26 2016-09-27 Rohm Co., Ltd. Fuel cell and method of manufacture thereof
US20100147232A1 (en) * 2008-12-12 2010-06-17 Solutions With Water, Llc System and method for improving fuel economy in combustion engines
ES2391682T3 (es) * 2009-05-22 2012-11-28 Topsoe Fuel Cell A/S Procedimiento de funcionamiento de un conjunto modular de apilamiento de pilas de combustible conectadas en serie
USD844562S1 (en) * 2016-10-05 2019-04-02 General Electric Company Fuel cell
JP7264802B2 (ja) * 2019-12-23 2023-04-25 Nok株式会社 セパレータの製造方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5432021A (en) * 1992-10-09 1995-07-11 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for oxidizing carbon monoxide in the reactant stream of an electrochemical fuel cell
US20020015873A1 (en) * 1999-01-28 2002-02-07 Dieter Bruckner PEM fuel cell and process for its production

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58176881A (ja) 1982-04-09 1983-10-17 Shin Kobe Electric Mach Co Ltd 扁平形液体燃料電池
JPH05326037A (ja) 1992-05-14 1993-12-10 Nitto Denko Corp 電 池
JPH06168728A (ja) 1992-07-15 1994-06-14 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
DE4442285C1 (de) * 1994-11-28 1996-02-08 Siemens Ag Brennstoffzellen und daraus bestehende Brennstoffzellenbatterien
JP3350260B2 (ja) 1994-12-07 2002-11-25 関西電力株式会社 固体高分子電解質型燃料電池
JP3171057B2 (ja) 1995-06-09 2001-05-28 松下電器産業株式会社 密閉電池
JPH1055813A (ja) * 1996-08-08 1998-02-24 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池の組立て構造
JP3530339B2 (ja) 1997-04-11 2004-05-24 三洋電機株式会社 固体高分子型燃料電池およびその製造方法
US6132895A (en) * 1998-03-09 2000-10-17 Motorola, Inc. Fuel cell
AU2159100A (en) 1998-11-30 2000-06-19 Electric Fuel Limited Pressurized metal-air battery cells
US6777126B1 (en) * 1999-11-16 2004-08-17 Gencell Corporation Fuel cell bipolar separator plate and current collector assembly and method of manufacture
JP3569491B2 (ja) * 2000-12-05 2004-09-22 本田技研工業株式会社 燃料電池用セパレータおよび燃料電池
JP2002373682A (ja) 2001-06-15 2002-12-26 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP4015827B2 (ja) 2001-06-29 2007-11-28 株式会社東芝 非水電解質電池
JP4432291B2 (ja) 2001-07-19 2010-03-17 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP4447204B2 (ja) * 2001-10-01 2010-04-07 トヨタ自動車株式会社 メタルセパレータを備えた燃料電池
US6939639B2 (en) * 2001-10-01 2005-09-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell separator
JP4105421B2 (ja) * 2001-10-31 2008-06-25 株式会社日立製作所 固体高分子型燃料電池用電極及びそれを用いた固体高分子型燃料電池並びに発電システム
JP4209611B2 (ja) 2001-12-05 2009-01-14 日産自動車株式会社 燃料電池システムの制御装置
DE10304657B4 (de) * 2002-02-08 2015-07-02 General Motors Llc ( N. D. Ges. D. Staates Delaware ) Brennstoffzellenstapel sowie -system und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Brennstoffzellenstapel
JP3972675B2 (ja) * 2002-02-15 2007-09-05 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP3952154B2 (ja) 2002-03-01 2007-08-01 Ｎｏｋ株式会社 燃料電池用構成部品
JP4109019B2 (ja) 2002-03-27 2008-06-25 株式会社日本自動車部品総合研究所 燃料電池の排出水素処理
JP2003317756A (ja) 2002-04-23 2003-11-07 Seiko Epson Corp 燃料電池システムおよびその駆動方法
JP3891069B2 (ja) * 2002-08-09 2007-03-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池のセパレータ
JP4221981B2 (ja) 2002-09-19 2009-02-12 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2004127711A (ja) 2002-10-02 2004-04-22 Daido Steel Co Ltd 燃料電池
JP4128425B2 (ja) 2002-11-01 2008-07-30 ウチヤ・サーモスタット株式会社 水素発生装置
JP4441168B2 (ja) 2002-11-18 2010-03-31 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP2004172026A (ja) 2002-11-22 2004-06-17 Toyota Motor Corp 燃料電池システムの運転制御
JP4082996B2 (ja) 2002-11-29 2008-04-30 株式会社ケーヒン 燃料電池用電磁弁
US6716550B1 (en) * 2002-12-20 2004-04-06 Ballard Power Systems Inc. Sealing membrane electrode assemblies for electrochemical fuel cells
JP4627997B2 (ja) * 2003-02-24 2011-02-09 セイコーインスツル株式会社 燃料電池システム
US7153598B2 (en) 2003-03-07 2006-12-26 Ballard Power Systems Inc. Methods of operating fuel cells having closed reactant supply systems
EP1821356B1 (en) * 2004-10-05 2012-05-02 Aquafairy Corporation Fuel cell and power generating method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5432021A (en) * 1992-10-09 1995-07-11 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for oxidizing carbon monoxide in the reactant stream of an electrochemical fuel cell
US20020015873A1 (en) * 1999-01-28 2002-02-07 Dieter Bruckner PEM fuel cell and process for its production

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005050766A1 (ja) 2005-06-02
EP1691435A4 (en) 2009-06-17
EP1691435A1 (en) 2006-08-16
KR20060119991A (ko) 2006-11-24
US20090017354A1 (en) 2009-01-15
US7862954B2 (en) 2011-01-04

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