KR100666786B1

KR100666786B1 - 연료전지 스택의 제조방법

Info

Publication number: KR100666786B1
Application number: KR1020050105154A
Authority: KR
Inventors: 이성근
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2007-01-09

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 제조방법에 관한 것으로서, 분리판, GDL, MEA, GDL, 분리판을 순차적으로 적층하는 적층구조를 배제하고, 대신에 MEA와 GDL을 우선 가접착하고, 가스켓 중앙의 관통부에 상기 가접착된 MEA 및 GDL의 전극부를 삽입한 다음, 히트 실링(heat sealing) 처리하는 공정으로 전환한 후, 타발 공정과 분리판 접착 공정을 순차적으로 실시함으로써, 기존의 부품 적층식 공정에서 발생하는 품질 문제를 해결하고, 상기 전극부 및 분리판의 양산성 확보를 통해 제조비용 및 제조시간의 절감을 도모할 수 있어 궁극적으로, 연료전지 스택의 자동 스태킹 장비 제작을 확보할 수 있는 연료전지 스택의 제조방법에 관한 것이다.

연료전지 스택, 분리판, MEA,GDL, 가스켓

Description

연료전지 스택의 제조방법{Method for manufacturing fuel cell stack }

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 제조방법을 나타내는 제조 공정도,

도 2는 일반적인 연료전지 스택의 구성을 나타내는 사시도,

도 3은 종래의 연료전지 스택의 제조방법을 나타내는 제조 공정도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 3층 MEA 11,12 : GDL

13 : 가스켓 13a : 관통부

14 : 5층 MEA 15 : 관통홀

16,17 : 분리판

본 발명은 연료전지 스택의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 제조공정에 있어서, MEA 및 GDL의 접착 품질 문제를 해결하기 위해 공정초기에 MEA 및 GDL을 우선 가접착하고, 가스켓 중앙의 관통부에 가접착된 MEA 및 GDL을 삽입한 다음, 히트 실링(heat sealing) 처리하는 공정을 통해 초기 품질 문제를 개선한 후, 타발 공정과 분리판 접착 공정을 순차적으로 실시하는 연료전지 스택의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지(Fuel Cell) 스택은 도 2에 도시된 바와 같이, 분리판(110), MEA(Membrane Electrolyte Assembly, 전극막)(120), GDL(Gas Diffusion Layer, 가스 확산층)(130) 및 가스켓(140)으로 구성되어 전력을 생산하는 구성셀(100)과, 상기 구성셀(100)을 체결하는 체결바(150)와, 상기 체결바(150)와 연결되고 그 체결바(150)로부터 부여받은 체결력을 구성셀(100)에 일정하게 면압을 부여하도록 하는 기능을 수행하며 상기 구성셀(100)을 외부 충격으로부터 보호하는 역할을 하는 엔드플레이트(160)로 구성되어 있다.

그런데, 이와 같은 구조로 이루어진 종래의 연료전지 스택의 제조 공정을 살펴보면, 공기와 수소를 분리해주는 분리판(110) 위에 가스 확산을 도와주는 GDL(130)을 먼저 적층하고, Pt/C 코팅이 된 3층 MEA(120)를 다시 적층한 다음, 다시 GDL(130), 분리판(110)을 차례대로 적층하여 조립하게 된다.

하지만, 이러한 종래의 연료전지 스택의 제조 공정시 사람이 직접 조립할 경우, 간혹 GDL(130) 한장을 빼고 조립하거나, 한장을 더 넣는 경우가 발생하여 상기 연료전지 스택을 다시 조립하여야 하는 경우가 발생하며, 특히 연료전지 스택의 양산을 고려시 자동으로 스태킹하는 장비를 적용하여야 하나, 상기 3층 MEA가 너무 얇고 힘이 없어 상기 스태킹 장비에서 핸들링 하기가 매우 어렵고, 상기 GDL(130)을 정확한 위치에 적층하기도 쉽지 않으며, 분리판(110)에 가스켓(140)을 접착하는 공정도 매우 힘이 드는 동시에 시간이 많이 걸리는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 연료전지 스택을 구성하고 있는 중요 부품 중에 MEA와 GDL을 가접착하고, 가스켓 중앙의 관통부에 가접착된 MEA 및 GDL의 전극부를 삽입한 다음, 히트 실링(heat sealing) 처리하는 공정을 통해 초기의 품질 문제를 개선한 후, 타발 공정과 분리판 접착 공정을 차례로 실시함으로써, 기존의 순차적인 부품 적층식 공정에서 발생하는 품질 문제를 해결하고, 상기 전극 및 분리판의 양산성 확보를 통해 제조비용 및 제조시간의 절감을 도모할 수 있는 연료전지 스택의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 연료전지 스택의 제조방법에 있어서,

3층 MEA에 동일한 형상의 GDL을 상하 적층하고, 상기 GDL의 양끝단을 가접하는 단계와;

상기 GDL이 가접되어 5층 구조로 된 MEA를, 내부 매니폴드 기밀용 가스켓의 중앙에 형성된 관통부에 삽입한 다음, 그 둘레를 따라 히트 실링(heat sealing) 또 는 초음파 접착을 실시하는 단계와;

상기 가스켓 및 5층 MEA가 적층된 층상의 전극부에서, 그 가스켓의 양측 여유공간에 타발 금형을 이용하여 수소, 공기, 물이 공급/배출되는 관통홀을 타발하는 단계와;

상기 전극부 및 가스켓 위에 분리판을 상하 적층한 다음, 가압하여 접착하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 가스켓의 관통부는 상기 전극부의 형상 및 크기와 동일하며, 그 전극부를 삽입시 그 둘레가 꼭맞게 되어 간극이 없도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 제조방법을 나타내는 제조 공정도이다.

본 발명은 종래의 연료전지 스택의 층상 구조로 이루어진 분리판(16,17), MEA(Membrane Electrolyte Assembly, 전극막)(10), GDL(Gas Diffusion Layer, 가스 확산층)(11,12) 및 내부 매니폴드 기밀용 가스켓(13)으로 구성되어 전력을 생산하는 구성셀 중, 3층 MEA(10) 및 GDL(11,12)의 적층시의 품질 문제를 해결하기 위해 상기 3층 MEA(10) 및 GDL(11,12)을 하나의 구성품으로 제작한 다음, 이를 가스켓(13) 및 분리판(16,17)에 순차적으로 적층하는 제조방법에 관한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지 스택의 제조방법을 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 사각형 형태의 3층 MEA(10)에 동일한 형 상의 GDL(11,12)을 상/하 적층하되, 상기 GDL(11,12)의 폭을 약간 길게 형성하여 적층한 다음 상기 GDL(11,12)의 양끝단을 가접한다.

다음으로, 테프론 재질로 이루어진 내부 매니폴드 기밀용 가스켓(13)의 중앙에 형성된 관통부(13a)에 상기 GDL(11,12)이 가접되어 5층 구조로된 MEA를 삽입한 다음, 그 둘레를 따라 히트 실링(heat sealing) 또는 초음파 접착을 실시한다.

이와 같이, 상기 히트 실링 또는 초음파 접착을 실시하는 이유는 접착제의 화학성분이 전해질막의 오염 등을 유발시켜 연료전지의 성능 저하를 가져올 수 있기 때문에 화학 제품의 사용보다는 기계적으로 접착하는 것이 바람직하며, 다만 접착력이 화학제품에 비하여 다소 떨어질 수 있으나, 스태킹이 완료되면 양쪽에 엔드 플레이트를 장착하고, 압력을 가한 후, 밴드와 볼트 및 너트로 체결하기 때문에 3층 MEA(10) 및 GDL(11,12)의 접착력을 그리 중요하지 않다.

한편, 상기 관통부(13a)는 상기 가접착된 MEA(10) 및 GDL(11,12)의 전극부의 형상 및 크기가 동일하며, 상기 전극부를 삽입시 그 둘레가 꼭맞게 되어 간극이 없도록 하는 것이 무엇보다도 중요하다.

이후, 상기 전극부와 결합된 가스켓(13)에, 수소, 공기, 물이 일측으로 공급되는 동시에 타측으로 배출될 수 있도록 그 가스켓(13)의 양측 여유공간에 타발 금형을 이용하여 관통홀(15)을 타발한다.

이와 같이, 3층 MEA 및 GDL의 단일 구조로 이루어진 층상의 전극부를 공기와 수소를 분리해주는 분리판(16) 위에 적층한 다음, 그 위에 다시 또 다른 분리판(17)을 적층하고, 이러한 상태에서 3톤 정도의 하중을 통해 가압을 할 경우, 상기 가스켓(13)과 분리판(16,17)이 서로 기밀을 유지하면서 기계적으로 강하게 접착하게 된다.

이후, 상기와 같이 스태킹이 완료되면 상기 적층구조의 양쪽에 엔드 플레이트를 장착하고, 체결수단을 이용하여 고정시킨다.

따라서, 본 발명은 3층 MEA(10)과 GDL(11,12)을 서로 통합한 단일 구조로 제작한 다음, 가스켓에 삽입하고, 분리판(16,17)에 접착하는 구조로 제작함으로써, 연료전지 스택의 제조 공정을 단순화하여 제조 비용 및 제조 시간을 절감할 수 있으며, 궁극적으로 연료전지 스택의 자동 스태킹 장비 제작을 확보하여 자동화시스템을 통해 대량으로 용이하게 연료전지 스택을 제작할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 스택의 제조방법에 의하면, MEA와 GDL을 한장으로 통합 제조하는 단순한 공정을 통해 제조비용을 절감함으로써, 연료전지 스택의 자동 스태킹 장비의 제작이 가능하고, 연료전지 스택의 양산을 도모할 수 있다.

또한, 부품수 통합으로 연료전지 스택의 초기 품질을 향상할 수 있으며, 분리판의 가스켓 접합 공정을 삭제할 수 있어 재료비 절감과, 제조비용 및 제조시간의 절감을 도모할 수 있는 효과가 있다.

Claims

연료전지 스택의 제조방법에 있어서,

3층 MEA에 동일한 형상의 GDL을 상하 적층하고, 상기 GDL의 양끝단을 가접하는 단계와;

상기 GDL이 가접되어 5층 구조로 된 MEA를, 내부 매니폴드 기밀용 가스켓의 중앙에 형성된 관통부에 삽입한 다음, 그 둘레를 따라 히트 실링(heat sealing) 또는 초음파 접착을 실시하는 단계와;

상기 가스켓 및 5층 MEA가 적층된 층상의 전극부에서, 그 가스켓의 양측 여유공간에 타발 금형을 이용하여 수소, 공기, 물이 공급/배출되는 관통홀을 타발하는 단계와;

상기 전극부 및 가스켓 위에 분리판을 상하 적층한 다음, 가압하여 접착하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 가스켓의 관통부는 상기 전극부의 형상 및 크기와 동일하며, 그 전극부를 삽입시 그 둘레가 꼭맞게 되어 간극이 없도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 제조방법.