KR100429603B1

KR100429603B1 - 실링 성능이 향상되고 조립이 용이한 연료전지 및 그제조방법

Info

Publication number: KR100429603B1
Application number: KR10-2001-0073356A
Authority: KR
Inventors: 이현준; 권부길; 조장호; 황정태; 김건택
Original assignee: (주)세티
Priority date: 2001-11-23
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2004-05-03
Also published as: KR20030042630A

Abstract

본 발명에 따른 연료전지는, 분리판(1b), 탄성가스켓(2b), MEA 박막(3), 탄성가스켓(2a), 및 분리판(1a)으로 구성되는 연료전지에 있어서, 상기 MEA 박막(3)의 가장자리에 절연필름(31)을 일체로 형성하고, 상기 탄성가스켓(2a, 2b)의 중앙부에 기체확산층(20a, 20b)을 형성하여, 상기 절연필름과 탄성가스켓을 약 80 ??의 온도에서 서로 접착시켜 실링(sealing) 성능을 향상시킨 연료전지에 관한 것이다. 또한 상기 탄성가스켓(2a, 2b)의 기체확산층(20a, 20b)에 마스킹(masking)을 하고, 마스킹되지 않은 탄성가스켓 부위에 스프레이(spray)나 스크린(screen)을 이용하여 접착제를 도포한 후, 상기 절연필름과 접착시키는 방법도 포함한다. 본 발명에 따라 실링 성능을 높이기 위하여 탄성가스켓(2a, 2b)에 돌출부(21a, 21b)를 형성하거나 또는 분리판(1a, 1b)에 돌출부(11a, 11b)를 형성하는 구조를 갖는다. 또한 적층공정을 단축시키기 위하여 분리판(1a, 1b)에는 돌출부(11a, 11b)가 형성되고 탄성가스켓(2a, 2b)에는 홈(22a, 22b)이 형성되는 구조를 갖거나, 또는 반대로 분리판(1a, 1b)에 홈(12a, 12b)이 형성되고 탄성가스켓(2a, 2b)에 돌출부(23a, 23b)가 형성되는 구조를 갖는다.

Description

실링 성능이 향상되고 조립이 용이한 연료전지 및 그 제조방법{Fuel Cell with Improved Sealing and Easy Alignment and Method of Preparing the Same}

발명의 분야

본 발명은 연료전지스택에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 조립이용이하고 실링 성능이 향상된 연료전지스택 및 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

발명의 배경

연료전지스택을 제조하는 경우, 박막전극결합체(MEA), 기체확산층(GDL), 가스켓을 일치시켜 적층하여야 하는데, 이 적층공정은 매우 많은 시간이 소요되며, 또한 재현성도 보장할 수 없는 어려움이 존재한다. MEA, GDL, 가스켓을 적층하는 경우, MEA와 GDL이 그 유효면적(active area)에 정확히 일치하여야 연료전지의 성능을 제대로 발휘할 수 있다. 만일 이들이 정확히 일치되지 않을 경우, 연료전지의 성능을 제대로 발휘할 수 없다. 따라서 MEA, GDL, 가스켓의 적층공정은 생산공정에는 물론 연료전지 성능에 큰 영향을 미치고 있다.

연료전지스택을 구성하는 단위전지는, 제1도에 도시된 바와 같이, MEA(30)를 포함하는 박막(3)의 상하에 각각 탄성가스켓(2a, 2b)이 위치하고, 탄성가스켓의 중앙부에는 MEA(30)와 일치되도록 기체확산층(GDL)(20a, 20b)이 위치하고, 탄성가스켓의 외부에 각각 바이폴라 플레이트인 분리판(1a, 1b)이 위치하여, 이들이 서로 밀착되도록 조립하여 제조된다.

연료전지스택을 제조할 때, 전지의 성능을 높이기 위하여 MEA, 가스켓, 분리판들은 서로 완벽하게 실링되어야 한다. 본 발명자는 이들의 실링을 보다 효과적으로 하여 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지의 구조를 개발하기에 이른 것이다.

또한 연료전지스택을 제조하는 경우, MEA, GDL, 가스켓을 일치하도록 적층시키는 공정은 많은 시간이 소요되는 공정이라는 점을 인식하여 이들을 보다 간편하게 제조할 수 있는 방법도 개발하기에 이른 것이다. 제1도와 같이, 단위전지(unit cell)는 분리판(1b), 탄성가스켓(2b), 박막(3), 탄성가스켓(2a), 및 분리판(1a)으로 이루어지는데, 박막(3)의 MEA(30)와 탄성가스켓(2a, 2b)의 기체확산층(20a, 20b)을 정확히 일치시키는 것은 용이하지 않다. 따라서 각각의 분리판, 가스켓, 박막에는 양쪽에 구멍(10)을 형성하고, 이 구멍을 통하여 분리판, 가스켓, 박막을 얼라인먼트 폴(alignment pole)에 삽입시킨 후 연료전지스택을 조립한다. 이렇게 낱장의 분리판, 가스켓, 박막을 얼라인먼트 폴에 얼라인(align) 시킨 후, 연료전지스택을 조립하는 것은 많은 시간이 소요되게 마련이다.

본 발명의 목적은 MEA의 박막, 탄성가스켓, 및 분리판을 보다 효율적으로 실링할 수 있는 연료전지를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 적층공정의 시간을 단축하여 생산성을 향상시키고 대량생산이 가능한 연료전지를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 적층공정의 시간을 단축하여 생산성을 향상시키고 대량생산이 가능한 연료전지를 제조할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

제1도는 종래의 방법에 따라 제조되는 연료전지의 개략적인 분해사시도이다.

제2도는 본 발명의 방법에 따라 제조되는 연료전지의 개략적인 분해사시도이다.

제3도는 본 발명에 따른 박막전극 결합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)의 상하면에 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)을 포함하는 탄성가스켓(Rubber Gasket)이 일체로 접착된 MEA-GDL 조립체의 구조를 도시하는 사시도이다.

제4도는 본 발명에 따른 MEA-GDL 조립체와 그 상하에 위치하는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)인 분리판의 단면도이다.

제5(A)도는 실링(sealing) 구조를 갖는 탄성가스켓으로 조립된 MEA-GDL 조립체와 상하에 위치하는 분리판의 단면도이고, 제5(B)도는 실링구조를 갖는 탄성가스켓의 개략적인 사시도이다.

제6도는 실링구조를 갖는 분리판과 MEA-GDL 조립체의 개략적인 단면도이다.

제7(A)도는 한 구체예의 조립(alignment) 구조를 갖는 MEA-GDL 조립체와 상하에 위치하는 분리판의 단면도이고, 제7(B)도는 그 탄성가스켓의 개략적인 사시도이다.

제8도는 다른 구체예의 조립구조를 갖는 MEA-GDL 조립체와 상하에 위치하는 분리판의 단면도이다.

* 도면의 주요부호에 대한 간단한 설명 *

1a, 1b: 분리판(바이폴라 플레이트) 2a, 2b: 탄성가스켓

3: MEA 박막 10: 구멍(hole)

11a, 11b: 돌출부 12a, 12b: 홈(groove)

20a, 20b: 기체확산층(GDL) 21a, 21b: 돌출부

22a, 22b: 홈(groove) 23a, 23b: 돌출부

30: 박막전극결합체(MEA) 31: 절연필름

발명의 요약

본 발명에 따른 연료전지는, 분리판(1b), 탄성가스켓(2b), MEA 박막(3), 탄성가스켓(2a), 및 분리판(1a)으로 구성되는 연료전지에 있어서, 상기 MEA 박막(3)의 가장자리에 절연필름(31)을 일체로 형성하고, 상기 탄성가스켓(2a, 2b)의 중앙부에 기체확산층(20a, 20b)을 형성하여, 상기 절연필름과 탄성가스켓을 약 80 ??의 온도에서 서로 접착시켜 실링 성능을 향상시킨 연료전지에 관한 것이다.

또한 상기 탄성가스켓(2a, 2b)의 기체확산층(20a, 20b)에 마스킹(masking)을 하고, 마스킹되지 않은 탄성가스켓 부위에 스프레이(spray)나 스크린(screen)을 이용하여 접착제를 도포한 후, 상기 절연필름과 접착시키는 방법도 포함한다.

본 발명에 따라 실링 성능을 높이기 위하여 탄성가스켓(2a, 2b)에 돌출부(21a, 21b)를 형성하거나 또는 분리판(1a, 1b)에 돌출부(11a, 11b)를 형성하는 구조를 갖는다.

또한 적층공정을 단축시키기 위하여 분리판(1a, 1b)에는 돌출부(11a, 11b)가 형성되고 탄성가스켓(2a, 2b)에는 홈(22a, 22b)이 형성되는 구조를 갖거나, 또는 반대로 분리판(1a, 1b)에 홈(12a, 12b)이 형성되고 탄성가스켓(2a, 2b)에 돌출부(23a, 23b)가 형성되는 구조를 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.

발명의 구체예에 대한 상세한 설명

제1도는 종래의 방법에 따라 제조되는 연료전지의 개략적인 분해사시도이다. 제1도에 도시된 바와 같이, 연료전지는 바이폴라 플레이트인 분리판(1b), 기체확산층(20b)이 위치하는 탄성가스켓(2b), MEA(30)가 조립되는 박막(3), 기체확산층(20a)이 위치하는 탄성가스켓(2a), 및 바이폴라 플레이트인 분리판(1a)으로 이루어진다. 기체확산층(20a, 20b)은 카본 페이퍼 또는 카본 클로스(cloth)로 이루어지는데, 이 기체확산층(20a, 20b)은 MEA(30)의 양 표면에 각각 접착한 후 탄성가스켓(2a, 2b)과 조립된다. 이들을 서로 그 유효면적(active area)이 정확히 일치하도록 조립하여야 전지의 성능을 제대로 발휘할 수 있다. 따라서 얼라인먼트 장치(도시되지 않음)에 고정된 얼라인먼트 폴(도시되지 않음)에 구멍(10)을 삽입시켜 분리판, 가스켓, 및 박막을 일치시켜 조립한다. 상기와 같은 종래의 연료전지의 적층공정은 시간이 많이 소요되고, 유효면적을 정확히 일치시키기 어려운 문제점을 내포하고 있다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것이다.

제2도는 본 발명의 방법에 따라 제조되는 연료전지의 개략적인 사시도이고, 제3도는 MEA의 상하면에 GDL을 포함하는 탄성가스켓이 일체로 접착된 MEA-GDL 조립체의 구조를 도시한 사시도이며, 제4도는 제3도의 MEA-GDL 조립체와 그 상하에 위치하는 분리판의 부분단면도이다.

제2도 내지 제4도에 도시된 바와 같이, 박막(3) 제조시 그 중앙부에는 종전과 같이 MEA(30)가 조립되면, 그 가장자리에는 절연필름(31)을 일체로 형성시킨다. 절연필름(31)은 인접하는 탄성가스켓(2a, 2b)과의 접착을 용이하게 하기 위하여 형성되는 필름으로, 비전도성 고분자 실링 재료로 제조되는 것이 바람직하며, 그 대표적인 예로 120 ㎛의 두께를 갖는 마일라(Mylar: 상표: 듀퐁사 제품) 필름이 있다.

탄성가스켓(2a, 2b)은 기체확산층(20a, 20b)이 일체로 형성되도록 몰드(mold)를 이용하여 성형한다. 기체확산층은 카본페이퍼 또는 카본클로스(carbon cloth)로 제조되는데, 170 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하게 사용된다.

탄성가스켓은 고무로 성형되기 때문에 성형 후에 점착성이 남게 되며, 이 점착성을 이용하여 약 80 ℃의 온도에서 박막(3)의 절연필름(31)과 접착시킨다.

상기와 같은 방법에 의하여 제3도의 MEA-GDL 조립체를 제조하고, 여기에 상하 표면에 분리판(1a, 1b)을 조립시켜 연료전지를 제조한다. 상기 방법은 박막(3)의 상하면에 GDL이 일체로 형성된 탄성가스켓(2a, 2b)을 접착하여 MEA-GDL 조립체를 먼저 제조한 후, 다시 그 상하 표면에 분리판(1a, 1b)을 접착시키기 때문에 낱장의 요소를 한꺼번에 조립하는 종전의 방법에 비하여 훨씬 간편하고, 유효면적을 정확히 일치시킬 수 있다.

제5(A)도는 본 발명에 따른 실링구조를 갖는 탄성가스켓으로 조립된 MEA-GDL 조립체와 그 상하에 위치하는 분리판의 단면도이고, 제5(B)도는 실링구조를 갖는 탄성가스켓의 개략적인 사시도이다. 탄성가스켓(2a, 2b)의 가장자리에 각각 아아크(arc) 모양의 돌출부(21a, 21b)를 형성하여 실링효과를 높일 수 있다. 제5(B)도에 도시된 바와 같이, 탄성가스켓(2a, 2b)에는 두개의 얼라인먼트구멍(10)이 형성되는데, 이 경우 구멍 주위에 돌출부를 형성하여 실링 효과를 높일 수 있다. 돌출부(21a, 21b)는 일반적으로 엠보싱(embossing)된 부분으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있다.

제6도는 실링효과를 높이기 위한 다른 구체예의 단면도이다. 본 발명에 따른 제3도의 MEA-GDL 조립체에 돌출부(11a, 11b)가 형성된 분리판(1a, 1b)을 접착시킨다. 분리판(1a, 1b)의 가장자리를 따라 4각형 모양으로 엠보싱된 돌출부(11a, 11b)를 형성하여 실링효과를 높일 수 있다.

제7(A)도는 MEA-GDL 조립체와 분리판의 얼라인먼트를 용이하게 하기 위한 한 구체예의 단면도이고, 제7(B)도는 그 탄성가스켓의 개략적인 사시도이다. 탄성가스켓(2a, 2b)의 가장자리에 4각형 모양으로 홈(22a, 22b)을 형성하고 상기 홈에 결합되도록 분리판(1a, 1b)에 엠보싱된 돌출부(11a, 11b)를 형성한다. 탄성가스켓(2a, 2b)의 두께가 약 0.7 mm 인 경우, 약 0.5 mm 정도의 깊이와 2 mm 의 폭을 갖는 홈(22a, 22b)이 형성될 수 있다. 엠보싱된 돌출부(11a, 11b)는 상기 홈에 적합하게 형성된다.

제8도는 MEA-GDL 조립체와 분리판의 얼라인먼트를 용이하게 하기 위한 다른 구체예의 단면도이다. 탄성가스켓(2a, 2b)의 가장자리에 4각형 모양으로 엠보싱된 돌출부(23a, 23b)를 형성하고, 상기 돌출부가 결합되도록 분리판(1a, 1b)에 홈(12a, 12b)이 형성된다.

본 발명은 MEA의 박막, 탄성가스켓, 및 분리판을 보다 효율적으로 실링할 수 있고, 적층공정의 시간을 단축하여 생산성을 향상시키고 대량생산이 가능한 연료전지를 제공하는 발명의 효과를 갖는다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

분리판(1b), 탄성가스켓(2b), MEA 박막(3), 탄성가스켓(2a), 및 분리판(1a)으로 구성되는 연료전지에 있어서, 상기 MEA 박막(3)의 가장자리에 절연필름(31)을 일체로 형성하고, 상기 탄성가스켓(2a, 2b)의 중앙부에 기체확산층(20a, 20b)을 일체로 형성하여, 상기 절연필름과 탄성가스켓을 약 80 ℃의 온도에서 서로 접착시키는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 탄성가스켓(2a, 2b)의 가장자리에 돌출부(21a, 21b)를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 분리판(1a, 1b)에 돌출부(11a, 11b)를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 분리판(1a, 1b)에는 돌출부(11a, 11b)가 형성되고 탄성가스켓(2a, 2b)에는 홈(22a, 22b)이 형성되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 분리판(1a, 1b)에 홈(12a, 12b)이 형성되고 탄성가스켓(2a, 2b)에 돌출부(23a, 23b)가 형성되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지.
분리판(1b), 탄성가스켓(2b), MEA 박막(3), 탄성가스켓(2a), 및 분리판(1a)으로 구성되는 연료전지를 제조하는 방법에 있어서,

상기 MEA 박막의 가장자리에 절연필름(31)을 일체로 형성하고;

상기 탄성가스켓(2a, 2b)의 중앙부에 기체확산층(20a, 20b)을 일체로 형성하고;

상기 절연필름과 탄성가스켓을 약 80 ℃의 온도에서 서로 접착시키고; 그리고

상기 분리판(1b, 1a)을 상기 탄성 가스켓(2b, 2a)에 접착시키는;

단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조방법.
분리판(1b), 탄성가스켓(2b), MEA 박막(3), 탄성가스켓(2a), 및 분리판(1a)으로 구성되는 연료전지를 제조하는 방법에 있어서,

상기 MEA 박막의 가장자리에 절연필름(31)을 일체로 형성하고;

상기 탄성가스켓(2a, 2b)의 중앙부에 기체확산층(20a, 20b)을 일체로 형성하고;

상기 탄성가스켓(2a, 2b)의 기체확산층(20a, 20b)에 마스킹(masking)을 하고, 마스킹되지 않은 탄성가스켓 부위에 스프레이(spray)나 스크린(screen)을 이용하여 접착제를 도포한 후, 상기 절연필름과 서로 접착시키고; 그리고

상기 분리판(1b, 1a)을 상기 탄성 가스켓(2b, 2a)에 접착시키는;

단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조방법.