KR100805458B1 - A one body type membrane electrode assembly with gasket of multiple sealing structure for a fuel cell - Google Patents

A one body type membrane electrode assembly with gasket of multiple sealing structure for a fuel cell Download PDF

Info

Publication number
KR100805458B1
KR100805458B1 KR1020060125898A KR20060125898A KR100805458B1 KR 100805458 B1 KR100805458 B1 KR 100805458B1 KR 1020060125898 A KR1020060125898 A KR 1020060125898A KR 20060125898 A KR20060125898 A KR 20060125898A KR 100805458 B1 KR100805458 B1 KR 100805458B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gasket
membrane
electrode assembly
diffusion layer
gas diffusion
Prior art date
Application number
KR1020060125898A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
홍보기
정귀성
금영범
조규택
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020060125898A priority Critical patent/KR100805458B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100805458B1 publication Critical patent/KR100805458B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0271Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

A membrane-electrode assembly formed integrally to a gasket having a multiple sealing structure for a fuel cell is provided to improve the assemblage rate, to minimize contamination of a membrane-electrode assembly caused by leakage of an anti-freezing agent, and to increase the interfacial adhesion between a membrane-electrode assembly and a gas diffusion layer. A membrane-electrode assembly(110) includes a polymer electrolyte membrane(112) having a reaction gas manifold and a cooling water manifold for sucking and discharging reaction gases and cooling water, and catalyst layers(114) of a cathode and an anode bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane. The membrane-electrode assembly further comprises: a gas diffusion layer(120) bound to both surfaces of the membrane-electrode assembly for dispersing the reaction gases uniformly over the membrane-electrode assembly; and at least one gasket(130,140) formed integrally to the membrane-electrode assembly corresponding to the shape of the membrane-electrode assembly for preventing leakage of the cooling water.

Description

연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체{A one body type membrane electrode assembly with gasket of multiple sealing structure for a fuel cell}A one body type membrane electrode assembly with gasket of multiple sealing structure for a fuel cell}

도 1은 종래의 단일 기밀 구조의 가스켓이 성형된 분리판을 도시한 평면도.1 is a plan view showing a separator plate formed with a conventional single hermetic gasket.

도 2는 도 1에 따른 막-전극 접합체와 가스켓 및 분리판의 조립 공정을 도시한 사시도.FIG. 2 is a perspective view illustrating an assembly process of a membrane-electrode assembly, a gasket, and a separator according to FIG. 1; FIG.

도 3은 종래의 이중 기밀 구조의 가스켓이 성형된 분리판을 도시한 평면도.3 is a plan view showing a separator plate formed with a conventional double hermetic gasket.

도 4는 도 3에 따른 막-전극 접합체와 가스켓 및 분리판의 조립 공정을 도시한 사시도.4 is a perspective view illustrating an assembly process of the membrane-electrode assembly and the gasket and the separator according to FIG. 3.

도 5는 본 발명에 따른 다중 기밀 구조의 가스켓 일체형 막-전극 접합체를 도시한 단면도.5 is a cross-sectional view illustrating a gasket integrated membrane-electrode assembly of a multi-tight structure according to the present invention.

도 6은 도 5에 따른 막-전극 접합체의 부분 사시도.6 is a partial perspective view of the membrane-electrode assembly according to FIG. 5.

도 7은 도 5에 따른 막-전극 접합체와 가스켓 및 분리판의 조립 공정을 도시한 사시도.FIG. 7 is a perspective view illustrating an assembly process of a membrane-electrode assembly, a gasket, and a separator according to FIG. 5; FIG.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings

100 : 단위전지 110 : 막-전극 접합체100 unit cell 110 membrane-electrode assembly

112 : 고분자 전해질 막 114 : 촉매 전극층112 polymer electrolyte membrane 114 catalyst electrode layer

120 : 기체 확산층 130 : 1차 가스켓120: gas diffusion layer 130: primary gasket

140 : 2차 가스켓 150 : 서브 가스켓140: secondary gasket 150: sub gasket

160 : 분리판160: separator

본 발명은 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 기밀 구조의 가스켓을 분리판이 아닌 막-전극 접합체와 기체 확산층에 일체화시킨 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체에 대한 것이다.The present invention relates to a multi-sealed gasket-integrated membrane-electrode assembly for fuel cells, and more particularly, to a fuel cell multi-sealed-sealed gasket-integrated membrane integrated with a gas-tight layer and a membrane-electrode assembly instead of a separator. It is about an electrode assembly.

연료전지의 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)는 고분자 전해질 막과 기체확산층 및 전극(양극, 음극)으로 구성된다. 음극에 공급된 수소가 수소 이온과 전자로 분리되면, 분리된 수소 이온이 전해질 층을 통해 양극으로 이동하고 전자는 외부 회로를 통해 양극으로 이동하게 된다. 양극 쪽에서 산소 분자와 수소 이온이 만나 전기와 열을 생성하면서 동시에 반응 생성물로 물을 생성하게 된다. The membrane-electrode assembly (MEA) of the fuel cell is composed of a polymer electrolyte membrane, a gas diffusion layer, and an electrode (anode and cathode). When hydrogen supplied to the cathode is separated into hydrogen ions and electrons, the separated hydrogen ions move to the anode through the electrolyte layer and the electrons move to the anode through an external circuit. At the anode side, oxygen molecules and hydrogen ions meet to generate electricity and heat, while producing water as a reaction product.

첨부된 도 1은 종래의 단일 기밀 구조의 가스켓이 성형된 분리판을 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1에 따른 막-전극 접합체와 가스켓 및 분리판의 조립 공정을 도시한 사시도이다.1 is a plan view illustrating a separator plate formed with a conventional gasket having a single hermetic structure, and FIG. 2 is a perspective view illustrating an assembly process of the membrane-electrode assembly and the gasket and the separator according to FIG. 1.

도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 사용되는 막-전극 접합체는 3 layer MEA(3층의 Membrane Electrode Assembly, 1)로, 고분자 전해질 막의 양면에 음극 및 양극의 두 전극을 접합하여 구성된다. 그러나 이러한 3 layer MEA(1)는 연료전지 스택의 조립시 기체 확산층(3)과 가스켓(5) 및 분리판(7)을 추가로 접합해야 하므로 작업 공정 및 시간이 증가하는 단점이 있다(이하 MEA와 막-전극 접합체를 혼용하기로 함). As shown in FIG. 2, a membrane-electrode assembly generally used is a three-layer MEA (three-layer Membrane Electrode Assembly, 1), and is formed by bonding two electrodes, a cathode and an anode, on both sides of a polymer electrolyte membrane. However, this three-layer MEA (1) has a disadvantage in that the work process and time increase because the gas diffusion layer (3) and the gasket (5) and the separation plate (7) must be further bonded when assembling the fuel cell stack (hereinafter referred to as MEA). And a membrane-electrode assembly.

또한, 이러한 구성품들이 일체화된 형태로 되어 있지 않아 조립 공정이 대부분 수작업으로 진행되므로, 구성품간 배열이 부정확하거나 불균일할 경우 연료전지 스택의 조립 후 전체적인 성능 저하를 유발할 수 있다.In addition, since these components are not in an integrated form, the assembly process is mostly performed by hand, and if the arrangement between components is incorrect or uneven, the overall performance may be degraded after assembling the fuel cell stack.

자동차에 사용되는 연료전지의 경우 영상 및 영하의 온도 조건에서도 정상적으로 작동해야 하므로, 이를 위해 연료전지에 사용되는 냉각수 대신 부동액을 사용하게 된다. 그러나 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 3 layer MEA(1)는 단일 기밀 구조의 가스켓(5)을 사용하므로, 부동액의 누출시 막-전극 접합체(1)를 오염시키게 된다.In the case of fuel cells used in automobiles, since they must operate normally under the conditions of the image and sub-zero temperature, antifreeze is used instead of the coolant used in the fuel cell. However, as shown in FIG. 1, the conventional three-layer MEA 1 uses a gasket 5 of a single hermetic structure, which contaminates the membrane-electrode assembly 1 upon leakage of the antifreeze.

이러한 3 layer MEA의 단점을 보완하기 위해 5 layer MEA가 개발되어 사용되고 있다.In order to compensate for the shortcomings of the 3 layer MEA, a 5 layer MEA has been developed and used.

첨부된 도 3은 종래의 이중 기밀 구조의 가스켓이 성형된 분리판을 도시한 평면도이고, 도 4는 도 3에 따른 막-전극 접합체와 가스켓 및 분리판의 조립 공정을 도시한 사시도이다.3 is a plan view illustrating a separator formed with a conventional double hermetic gasket, and FIG. 4 is a perspective view illustrating an assembly process of the membrane-electrode assembly and the gasket and the separator according to FIG. 3.

도 4에 도시된 바와 같이, 5 layer MEA(2)는 3 layer MEA(1)의 양면에 기체 확산층(4)을 각각 접합하여 일체화하여 구성된다. 그 후 5 layer MEA(2)의 양면에 가스켓(6)이 일체화된 분리판(8)을 결합해 연료전지 스택을 조립한다.As shown in FIG. 4, the 5-layer MEA 2 is formed by bonding the gas diffusion layers 4 to both sides of the 3-layer MEA 1 and integrating them. After that, the fuel cell stack is assembled by combining the separator 8 having the gasket 6 integrated on both sides of the 5 layer MEA 2.

이때 도 3에 도시된 바와 같이, 분리판(8) 위에 1차 가스켓(6a) 및 2차 가스켓(6b)으로 구비된 이중 구조의 가스켓(6)을 성형하여 부동액에 의한 오염을 방지하도록 하고 있다. 그러나 이러한 종래의 이중 구조를 갖는 가스켓(6)은 분리판(8) 위에 접합되므로, 막-전극 접합체(1)와 기체 확산층(4)간의 계면 접합력 향상에 기여하는 효과가 없다. In this case, as shown in FIG. 3, a dual structure gasket 6 including a primary gasket 6a and a secondary gasket 6b is formed on the separator 8 to prevent contamination by antifreeze. . However, since the conventional gasket 6 having a double structure is bonded onto the separator 8, there is no effect of contributing to the improvement of the interface bonding force between the membrane-electrode assembly 1 and the gas diffusion layer 4.

따라서 냉각용 부동액의 오염을 최소화하고 막-전극 접합체와 기체 확산층간 계면 접합력을 향상시키며, 동시에 스택 조립 공정을 간소화할 수 있는 방법을 개발할 필요가 있다.Therefore, there is a need to develop a method for minimizing the contamination of the antifreeze for cooling, improving the interfacial bonding between the membrane-electrode assembly and the gas diffusion layer, and at the same time simplifying the stack assembly process.

본 발명의 목적은 다중 기밀 구조의 가스켓을 분리판이 아닌 막-전극 접합체와 기체 확산층에 일체화함으로써 조립 속도가 향상되고, 자동차용 연료전지에 사용되는 냉각 부동액의 누수에 따른 막-전극 접합체의 오염 및 스택 성능 저하를 최소화하며, 막-전극 접합체와 기체 확산층 간의 계면 접합력을 증가시킬 수 있는 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체를 제공하는 것이다.The object of the present invention is to improve the assembly speed by integrating a multi-sealed gasket into a membrane-electrode assembly and a gas diffusion layer instead of a separator plate, and contaminates the membrane-electrode assembly due to leakage of a cooling antifreeze used in an automobile fuel cell. It is to provide a multi-sealing gasket-integrated membrane-electrode assembly for a fuel cell that can minimize stack performance degradation and increase the interfacial bond between the membrane-electrode assembly and the gas diffusion layer.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 반응 가스 및 냉각수가 흡기 및 배기되는 반응 가스매니폴드 및 냉각수 매니폴드가 형성된 고분자 전해질 막의 양면에 양극 및 음극의 촉매 전극층이 각각 결합된 막-전극 접합체에 있어서, 상기 막-전극 접합체의 양면에 각각 결합되어 상기 반응 가스를 상기 막-전극 접합체에 균일하게 분산시키는 가스 확산층 및 막-전극 접합체에 일체로 형성되되, 냉각수의 누수를 방지하도록 상기 막-전극 접합체의 형상에 대응하여 형성되는 적어도 하나의 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a membrane-electrode assembly in which a catalyst electrode layer of an anode and a cathode is respectively coupled to both sides of a polymer electrolyte membrane in which a reaction gas manifold and a coolant manifold in which reactant gas and coolant are intaken and exhausted are formed. The film-electrode assembly may be integrally formed on both sides of the membrane-electrode assembly and integrally formed in the gas diffusion layer and the membrane-electrode assembly to uniformly disperse the reaction gas in the membrane-electrode assembly. Provided is a multi-sealing gasket-integrated membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that it comprises at least one gasket formed corresponding to the shape of the assembly.

상기 가스켓은 상기 냉각수 매니폴드의 형상에 대응하여 형성되며 상기 냉각수 매니폴드 주변을 실링하는 제1 가스켓과, 상기 막-전극 접합체의 형상에 대응하여 형성되되 상기 막-전극 접합체의 가장자리 및 상기 반응 가스매니폴드와 상기 가스 확산층 사이를 실링하는 제2 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 한다.The gasket is formed to correspond to the shape of the coolant manifold and is formed to correspond to the shape of the membrane-electrode assembly and the first gasket sealing the periphery of the coolant and the membrane-electrode assembly. And a second gasket sealing between the manifold and the gas diffusion layer.

상기 가스켓은 상기 막-전극 접합체의 가장자리 및 매니폴드의 가장자리를 따라 형성되되 상기 제1 가스켓 및 제2 가스켓의 하부에 삽입되며, 상기 제1 가스켓 및 제2 가스켓의 폭 보다 넓은 폭을 갖는 서브 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The gasket is formed along the edge of the membrane-electrode assembly and the edge of the manifold, and is inserted into the lower portion of the first gasket and the second gasket, and has a width wider than that of the first gasket and the second gasket. It characterized in that it further comprises.

상기 기체 확산층은 70~100℃에서 1~20분의 조건하에 열 압착에 의해 상기 막-전극 접합체와 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.The gas diffusion layer is formed integrally with the membrane-electrode assembly by thermocompression under conditions of 1 to 20 minutes at 70 to 100 ° C.

상기 제1 가스켓 및 제2 가스켓은 내구성이 강하고 탄성이 있는 불소계 또는 실리콘계 소재 중 어느 하나를 액상으로 사용하여 성형하는 것을 특징으로 한다.The first gasket and the second gasket are formed by using any one of a durable and elastic fluorine-based or silicon-based material in the liquid phase.

상기 제1 가스켓 및 제2 가스켓은 상기 액상의 불소계 또는 실리콘계 소재를 상기 서브 가스켓 위에 성형한 후 110~160℃에서 5~60분간 열 경화하여 형성되는 것을 특징으로 한다.The first gasket and the second gasket are formed by forming the liquid fluorine-based or silicon-based material on the sub-gasket and thermally curing at 110 to 160 ° C. for 5 to 60 minutes.

상기 제1 가스켓 및 제2 가스켓은 열 경화 후 쇼어 경도가 40A~80A이며, 120 ℃에서 1000시간 경과 후 영구 압축 변형률이 30 미만인 것을 특징으로 한다.The first gasket and the second gasket have a Shore hardness of 40 A to 80 A after thermal curing, and a permanent compressive strain of less than 30 after 1000 hours at 120 ° C.

이하에서는 고분자 전해질 막으로 과불소 황산계 고분자 물질을 사용한 연료전지를 본 발명의 일 실시 예로 하고, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a fuel cell using a perfluorinated sulfuric acid-based polymer material as a polymer electrolyte membrane will be described as an embodiment of the present invention, and a multi-sealed gasket-integrated membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. do.

첨부된 도 5는 본 발명에 따른 다중 기밀 구조의 가스켓 일체형 막-전극 접합체를 도시한 단면도이고, 도 6은 도 5에 따른 막-전극 접합체의 부분 사시도이며, 도 7은 도 5에 따른 막-전극 접합체와 가스켓 및 분리판의 조립 공정을 도시한 사시도이다.5 is a cross-sectional view showing a gasket-integrated membrane-electrode assembly of a multi-tight structure according to the present invention, FIG. 6 is a partial perspective view of the membrane-electrode assembly according to FIG. 5, and FIG. It is a perspective view which shows the assembly process of an electrode assembly, a gasket, and a separator.

도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 막-전극 접합체(112, Membrane Electrode Assembly, MEA이하 MEA와 혼용하여 사용함)는 고분자 전해질 막(112)의 양면에 촉매 전극층(114)이 각각 결합되고, 여기에 기체 확산층(120)이 압착되며, 그 외측에 분리판(160)이 결합된다. 또한, 서브 가스켓(150)이 접합되어 있는 막-전극 접합체(110)와 기체 확산층(120)에 이중 기밀 구조의 가스켓(130, 140)이 형성되고, 이들의 조립체가 연료전지의 기본 단위인 단위 전지(100)를 형성한다.As shown in FIGS. 5 to 7, the membrane-electrode assembly 112 of the present invention is used in combination with a Membrane Electrode Assembly (hereinafter referred to as MEA) or a catalyst electrode layer 114 on both sides of the polymer electrolyte membrane 112. The gas diffusion layer 120 is compressed, and the separator 160 is coupled to the outside thereof. In addition, double-sealed gaskets 130 and 140 are formed in the membrane-electrode assembly 110 and the gas diffusion layer 120 to which the sub-gasket 150 is bonded, and the assembly thereof is a unit of the fuel cell. The battery 100 is formed.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 막-전극 접합체(110)의 고분자 전해질 막(112)에는 반응 가스가 흡기 및 배기되는 흡배기 매니폴드(112a)와 냉각수가 흡기 및 배기되는 냉각수 매니폴드(112b)가 각각 형성된다. 6 and 7, the polymer electrolyte membrane 112 of the membrane-electrode assembly 110 includes an intake and exhaust manifold 112a through which the reaction gas is intaken and exhausted and a coolant manifold through which the coolant is intaken and exhausted ( 112b) are formed respectively.

막-전극 접합체(110)의 양쪽 면에는 기체 확산층(120)이 압착되는데, 기체 확산층(120)은 분리판으로부터 공급되는 반응가스를 막-전극 접합체(110)에 균일하 게 분산시키고, 반응 생성수 및 가습수를 제거하며, 전기화학 반응중 발생한 전자의 이동 전도체 역할도 수행한다.The gas diffusion layer 120 is compressed on both sides of the membrane-electrode assembly 110, and the gas diffusion layer 120 uniformly disperses the reaction gas supplied from the separator plate in the membrane-electrode assembly 110 and generates a reaction. It removes water and humidified water and also acts as a mobile conductor of electrons generated during electrochemical reactions.

기체 확산층(120)을 막-전극 접합체(110)의 양쪽 면에 놓고 열 압착(hot press)기구로 열 압착시키면 막-전극 접합체(110)와 물리적으로 결합된다. 이때 균일한 막-전극 접합체(110)의 성능을 얻기 위해서는 MEA(110)와 기체 확산층(120) 간에 전체적인 접합이 잘 일어나도록 최적 압착 조건을 설정하는 것이 중요하다.When the gas diffusion layer 120 is placed on both sides of the membrane-electrode assembly 110 and thermally compressed by a hot press device, the gas diffusion layer 120 is physically coupled to the membrane-electrode assembly 110. At this time, in order to obtain the performance of the uniform membrane-electrode assembly 110, it is important to set the optimum crimping conditions so that the overall bonding between the MEA 110 and the gas diffusion layer 120 occurs well.

본 발명의 일 실시 예에 따른 과불소 황산계의 고분자 전해질 막(112)은 분자 구조에 따라 유리전이온도가 100~120℃ 사이인데, 그 이상의 고온에서 장시간 열 경화시 MEA(110) 자체의 열 변형 및 열화를 유발할 수 있다. 따라서 기체 확산층(120)은 70~100℃의 온도 범위에서 1~20분간 열 압착하는 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, the perfluorinated sulfuric acid-based polymer electrolyte membrane 112 has a glass transition temperature of 100 to 120 ° C. according to a molecular structure, and heats the MEA 110 itself at a high temperature for a long time. May cause deformation and deterioration. Therefore, the gas diffusion layer 120 is preferably thermocompressed for 1 to 20 minutes in the temperature range of 70 ~ 100 ℃.

자동차에 사용되는 연료전지는 영하의 온도 조건에서도 정상적으로 작동해야 하므로 이를 위해 냉각수 대신 부동액을 사용하게 된다. 현재 사용되고 있는 일반적인 부동액은 막-전극 접합체(110)와 접촉할 경우, 막-전극 접합체(110)의 열화를 초래하여 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서 부동액의 누수를 방지하기 위해 후술할 이중 구조의 가스켓(130, 140)이 사용된다.Fuel cells used in automobiles must operate normally under sub-zero temperatures, so antifreeze is used instead of cooling water. A general antifreeze currently in use may cause degradation of the membrane-electrode assembly 110 when it comes into contact with the membrane-electrode assembly 110, thereby degrading the performance of the fuel cell. Therefore, in order to prevent leakage of the antifreeze, a dual-structured gasket 130 and 140 will be used.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 기체 확산층(120)이 압착 결합된 막-전극 접합체(110)에 이중 구조의 가스켓(130, 140)을 성형하여 기밀성을 확보한다. As shown in FIG. 5 and FIG. 6, the gas diffusion layer 120 is press-bonded to the membrane-electrode assembly 110 to form a gasket 130 and 140 having a double structure to secure airtightness.

가스켓(130, 140)은 냉각수 매니폴드(112b) 주변을 실링하는 제1 가스켓(130)과, MEA(110) 가장자리 및 반응 가스 매니폴드(112a) 주변을 실링하는 제2 가스켓(140)을 포함한다. 이때 필요에 따라 강직성이 있는 서브 가스켓(150)을 추 가로 사용할 수도 있다.The gaskets 130 and 140 include a first gasket 130 for sealing around the coolant manifold 112b and a second gasket 140 for sealing around the MEA 110 edge and the reactive gas manifold 112a. do. At this time, if necessary, the rigid sub-gasket 150 may be additionally used.

제1 가스켓(130)은 냉각수 매니폴드(112b)의 형상에 대응하여 만들어지며, 냉각수 매니폴드(112b) 주변을 따라 형성되어 냉각수로 사용되는 부동액의 누수를 방지한다.The first gasket 130 is made to correspond to the shape of the coolant manifold 112b and is formed along the coolant manifold 112b to prevent leakage of the antifreeze used as the coolant.

제2 가스켓(140)은 냉각수 매니폴드(112b) 부분을 제외한 막-전극 접합체(110)의 형상에 대응하여 형성되며, MEA(110)의 가장자리 및 냉각수 매니폴드(112b)의 가장자리를 따라 형성된다. 제2 가스켓(140)은 혹시 있을지 모르는 부동액의 누수시 이를 한번 더 차단하여 막-전극 접합체(110) 외부로 배출하는 역할을 한다.The second gasket 140 is formed to correspond to the shape of the membrane-electrode assembly 110 except for the coolant manifold 112b and is formed along the edge of the MEA 110 and the edge of the coolant manifold 112b. . When the second gasket 140 leaks an antifreeze that may be present, the second gasket 140 serves to discharge it to the outside of the membrane-electrode assembly 110 once again.

제1 가스켓(130) 및 제2 가스켓(140)은 고체가 아닌 액상 물질을 이용해 성형된다. 다양한 연료전지 구동 환경에서 장시간 동안 내구성 및 기밀 구조를 유지할 수 있으려면 반드시 산(acid)이나 물 및 부동액 등에 대한 내화학성이 우수해야 하며, 탄성도 우수해야 한다. 이러한 특성을 만족하는 소재로는 불소계 또는 실리콘계의 고분자 물질이 있다.The first gasket 130 and the second gasket 140 are molded using a liquid material rather than a solid. In order to maintain durability and hermetic structure for a long time in various fuel cell driving environments, the chemical resistance to acid, water and antifreeze must be excellent and elasticity must be excellent. Materials satisfying these characteristics include fluorine-based or silicon-based polymer materials.

이러한 불소계 또는 실리콘계의 고분자 물질을 액상으로 준비하여 5 layer MEA(고분자 전해질 막에 촉매 전극층을 결합한 3 layer MEA에 기체 확산층을 결합한 것)를 가스켓 성형용 몰드 내에 위치시킨 후 5 layer MEA(110) 위에 제1 가스켓(130) 및 제2 가스켓(140) 형상으로 성형한다.The fluorine- or silicon-based polymer material is prepared in a liquid state, and a 5 layer MEA (combined gas diffusion layer to a 3 layer MEA in which a catalyst electrode layer is bonded to a polymer electrolyte membrane) is placed in a gasket forming mold, and then placed on the 5 layer MEA 110. The first gasket 130 and the second gasket 140 are shaped.

액상 가스켓(130, 140)의 성형은 고분자 전해질 막(112)의 유리전이온도를 고려해 결정하며, 110~160℃의 온도 범위에서 5~60분간 열 경화시키는 것이 바람직 하다. 열 경화가 완료된 가스켓(130, 140)은 쇼어(shore) 경도가 40A~80A이고, 120℃에서 1000시간 열 처리 후 영구압축변형률(compression set)이 30% 미만인 것이 바람직하다.The molding of the liquid gaskets 130 and 140 is determined in consideration of the glass transition temperature of the polymer electrolyte membrane 112 and is preferably thermally cured for 5 to 60 minutes in the temperature range of 110 to 160 ° C. The heat-hardened gaskets 130 and 140 have a shore hardness of 40A to 80A, and a permanent compression set of less than 30% after heat treatment at 120 ° C. for 1000 hours.

이렇게 형성된 이중 구조의 가스켓(130, 140)은 필요에 따라 다중 구조로 변환이 가능하며, 이중으로 기밀하는 효과 외에도 제2 가스켓(140)에 의해 막-전극 접합체(110)와 기체 확산층(120) 간의 계면 접합력이 증가하는 효과도 얻을 수 있다.The double-structured gaskets 130 and 140 may be converted into multiple structures as necessary, and in addition to the double hermetic effect, the membrane-electrode assembly 110 and the gas diffusion layer 120 may be formed by the second gasket 140. The effect that the interfacial bonding force of the liver increases can also be obtained.

서브 가스켓(150)은 필요에 따라 제1 가스켓(130) 및 제2 가스켓(140)이 성형되기 전에 형성하며, 강직성이 있는 소재로 구비되는 것이 바람직하다. 서브 가스켓(150)은 MEA(110)의 형상에 대응하도록 만들어지며, MEA(110)의 가장자리 및 각각의 매니폴드(112a, 112b)의 가장자리를 따라 형성된다. 서브 가스켓(150)은 제1 가스켓(130) 및 제2 가스켓(140)보다 얇고, 넓은 폭을 갖도록 형성된다.The sub-gasket 150 is formed before the first gasket 130 and the second gasket 140 is formed, if necessary, it is preferably provided with a rigid material. The sub-gasket 150 is made to correspond to the shape of the MEA 110 and is formed along the edges of the MEA 110 and the edges of the respective manifolds 112a and 112b. The sub gasket 150 is thinner than the first gasket 130 and the second gasket 140 and is formed to have a wide width.

즉, 서브 가스켓(150)은 제1 가스켓(130) 및 제2 가스켓(140)의 하측에 위치하여 막-전극 접합체(110)를 한번 더 실링한다. 또한, 서브 가스켓(150)은 막-전극 접합체(110)의 강도를 보완함과 동시에 실링 역할을 하므로 연료전지 스택의 적층 작업성 및 편의성을 향상시키는 역할을 한다.That is, the sub gasket 150 is positioned below the first gasket 130 and the second gasket 140 to seal the membrane electrode assembly 110 once more. In addition, since the sub-gasket 150 complements the strength of the membrane-electrode assembly 110 and simultaneously serves as a sealing role, the sub-gasket 150 serves to improve stacking workability and convenience of the fuel cell stack.

도 7에 도시된 바와 같이, 이러한 구성의 단위 전지(100)는 고분자 전해질 막(112)과 촉매 전극층(114)이 결합된 막-전극 접합체(110)와, 기체 확산층(120)과, 제1 가스켓(130) 및 제2 가스켓(140), 그리고 필요에 따라 서브 가스켓(150)까지 일체로 형성되고, 여기에 분리판(160)을 결합하여 만들어진다.As illustrated in FIG. 7, the unit cell 100 having such a configuration includes a membrane-electrode assembly 110 in which a polymer electrolyte membrane 112 and a catalyst electrode layer 114 are combined, a gas diffusion layer 120, and a first electrode. The gasket 130 and the second gasket 140 and the sub gasket 150 are integrally formed as needed, and are made by combining the separator 160.

도 2에 도시된 종래의 단위전지는 총 7개의 구성 요소를 각각 접합하여 총 6번의 개별 조립 공정을 필요로 하고, 도 4에 도시된 종래의 단위전지는 총 5개의 구성 요소를 각각 접합하여 총 4번의 개별 조립 공정을 필요로 한다. 따라서 종래에는 대량 생산시 연료전지 스택의 생산 속도가 매우 저하되는 문제가 있었다.The conventional unit cell illustrated in FIG. 2 requires a total of six separate assembly processes by bonding a total of seven components, and the conventional unit cell illustrated in FIG. 4 combines a total of five components, respectively. Four separate assembly processes are required. Therefore, conventionally, there is a problem that the production speed of the fuel cell stack is greatly reduced during mass production.

이에 비해 본 발명의 단위 전지(100)는 총 3개의 부품을 2번만 조립하면 되므로 차량 한대당 수백 장의 단위 전지(100)로 구성된 연료전지 스택의 양산시 그 조립 및 제작 공정을 획기적으로 단축할 수 있어 양산 속도를 크게 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 조립 공정이 간단하고 조립 부품 수가 줄어들므로 연료전지 스택 조립 공정을 자동화하는데도 큰 도움이 된다.On the contrary, since the unit cell 100 of the present invention only needs to assemble a total of three parts twice, the assembly and manufacturing process can be drastically shortened when the fuel cell stack composed of hundreds of unit cells 100 per vehicle is mass-produced. There is an advantage that can greatly increase the speed. The assembly process is simple and the number of assembly parts is reduced, which helps to automate the fuel cell stack assembly process.

한편 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.Meanwhile, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and any person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains may make various modifications without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims set forth.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체는 다중 기밀 구조의 가스켓을 분리판이 아닌 막-전극 접합체와 기체 확산층에 일체화함으로써 조립 공정수를 감소시켜 조립 속도가 향상되고, 자동화 구현이 용이한 장점이 있다.As described above, the membrane-electrode assembly integrated with a gas-tight structure for a fuel cell according to an embodiment of the present invention reduces the number of assembly processes by integrating the gas-tight layer with the membrane-electrode assembly and the gas diffusion layer instead of the separator. The assembly speed is improved, and automation can be easily implemented.

또한, 가스켓이 다중 구조로 형성되므로 냉각용 부동액의 누수에 따른 막-전극 접합체의 오염 및 이에 따른 연료전지 스택의 성능 저하를 최소화할 수 있는 효 과가 있다.In addition, since the gasket is formed in a multiple structure, there is an effect of minimizing the contamination of the membrane-electrode assembly due to the leakage of the antifreeze for cooling and the deterioration of the performance of the fuel cell stack.

더 나아가 가스켓의 다중 구조에 의해 막-전극 접합체와 기체 확산층간의 계면 접합력이 증가되어 장기적인 내구성 증가에 기여하는 장점이 있다.Furthermore, the multi-layer structure of the gasket increases the interfacial bonding force between the membrane-electrode assembly and the gas diffusion layer, thereby contributing to long-term durability.

Claims (7)

반응 가스 및 냉각수가 흡기 및 배기되는 반응 가스 매니폴드(112a) 및 냉각수 매니폴드(112b)가 형성된 고분자 전해질 막(112)의 양면에 양극 및 음극의 촉매 전극층(114)이 각각 결합된 막-전극 접합체(110)에 있어서,Membrane-electrode in which the anode and cathode catalyst electrode layers 114 are respectively coupled to both surfaces of the polymer electrolyte membrane 112 on which the reaction gas manifold 112a and the coolant manifold 112b, through which the reactant gas and the coolant are intaken and exhausted, are formed. In the conjugate 110, 상기 막-전극 접합체(110)의 양면에 각각 결합되어 상기 반응 가스를 상기 막-전극 접합체(110)에 균일하게 분산시키는 기체 확산층(120) 및 막-전극 접합체(110)에 일체로 형성되되, 냉각수의 누수를 방지하도록 상기 막-전극 접합체(110)의 형상에 대응하여 형성되는 적어도 하나의 가스켓(130, 140)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체.Is integrally formed on the gas diffusion layer 120 and the membrane-electrode assembly 110 are respectively coupled to both sides of the membrane-electrode assembly 110 to uniformly disperse the reaction gas in the membrane-electrode assembly 110, And a gas-tight structure gasket-integrated membrane-electrode assembly for fuel cells, characterized in that it comprises at least one gasket (130, 140) formed corresponding to the shape of the membrane-electrode assembly (110) to prevent leakage of cooling water. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 가스켓(130, 140)은 상기 냉각수 매니폴드(112b)의 형상에 대응하여 형성되며 상기 냉각수 매니폴드(112b) 주변을 실링하는 제1 가스켓(130)과, 상기 막-전극 접합체(110)의 형상에 대응하여 형성되되 상기 막-전극 접합체(110)의 가장자리 및 상기 반응 가스 매니폴드(112a)와 상기 기체 확산층(120) 사이를 실링하는 제2 가스켓(140)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체.The gaskets 130 and 140 are formed to correspond to the shape of the coolant manifold 112b, and seal the periphery of the coolant manifold 112b and the membrane-electrode assembly 110. The fuel is characterized in that it comprises a second gasket 140 formed corresponding to the shape and sealing the edge of the membrane-electrode assembly 110 and the reaction gas manifold 112a and the gas diffusion layer 120. Multi-sealed gasket-integrated membrane-electrode assembly for batteries. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 가스켓(130, 140)은 상기 막-전극 접합체(110)의 가장자리 및 매니폴드의 가장자리를 따라 형성되되 상기 제1 가스켓(130) 및 제2 가스켓(140)의 하부에 삽입되며, 상기 제1 가스켓(130) 및 제2 가스켓(140)의 폭 보다 넓은 폭을 갖는 서브 가스켓(150)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체.The gaskets 130 and 140 are formed along the edges of the membrane-electrode assembly 110 and the edges of the manifolds and are inserted below the first gasket 130 and the second gasket 140. The gasket 130 and the gasket integral membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that it further comprises a sub-gasket (150) having a width wider than the width of the second gasket (140). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기체 확산층(120)은 70~100℃에서 1~20분의 조건하에 열 압착에 의해 상기 막-전극 접합체(110)와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체.The gas diffusion layer 120 is integrally formed with the membrane-electrode assembly 110 by thermocompression bonding under conditions of 1 to 20 minutes at 70 to 100 ° C. Conjugate. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제1 가스켓(130) 및 제2 가스켓(140)은 내구성이 강하고 탄성이 있는 불소계 또는 실리콘계 소재 중 어느 하나를 액상으로 사용하여 성형하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체.The first gasket 130 and the second gasket 140 may be formed by using any one of a durable and elastic fluorine-based or silicon-based material in a liquid phase. . 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제1 가스켓(130) 및 제2 가스켓(140)은 상기 액상의 불소계 또는 실리콘계 소재를 상기 서브 가스켓(150) 위에 성형한 후 110~160℃에서 5~60분간 열 경화하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막 -전극 접합체.The first gasket 130 and the second gasket 140 are formed by molding the liquid fluorine-based or silicon-based material on the sub-gasket 150 and thermally curing at 110 to 160 ° C. for 5 to 60 minutes. A membrane-electrode assembly with multiple hermetic structure gaskets for fuel cells. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제1 가스켓(130) 및 제2 가스켓(140)은 열 경화 후 쇼어 경도가 40A~80A이며, 120℃에서 1000시간 경과 후 영구압축변형률이 30% 미만인 것을 특징으로 하는 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체.The first gasket 130 and the second gasket 140 have a Shore hardness of 40A to 80A after thermal curing, and a permanent compression strain of less than 30% after 1000 hours at 120 ° C. Integral membrane-electrode assembly.
KR1020060125898A 2006-12-11 2006-12-11 A one body type membrane electrode assembly with gasket of multiple sealing structure for a fuel cell KR100805458B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060125898A KR100805458B1 (en) 2006-12-11 2006-12-11 A one body type membrane electrode assembly with gasket of multiple sealing structure for a fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060125898A KR100805458B1 (en) 2006-12-11 2006-12-11 A one body type membrane electrode assembly with gasket of multiple sealing structure for a fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR100805458B1 true KR100805458B1 (en) 2008-02-20

Family

ID=39382697

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060125898A KR100805458B1 (en) 2006-12-11 2006-12-11 A one body type membrane electrode assembly with gasket of multiple sealing structure for a fuel cell

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100805458B1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100838117B1 (en) 2007-06-25 2008-06-13 동아화성(주) Polymer electrolyte membrane electrode assembly with integrated seal and thereof fabrication method
KR101210638B1 (en) 2010-11-17 2012-12-07 현대자동차주식회사 Separator for fuel cell with gasket and method for manufacturing the separator
KR101230892B1 (en) * 2010-11-05 2013-02-07 현대자동차주식회사 Metallic porous media for fuel cell
KR101470143B1 (en) * 2013-04-15 2014-12-05 현대자동차주식회사 Gasket device for a fuel cell stack
KR102312860B1 (en) * 2020-05-08 2021-10-18 주식회사 하이센도 Modular gaskets for fuel cell, membrane electrode assembly having the modular gaskets, and method for manufacturing the modular gaskets
CN114388839A (en) * 2021-12-28 2022-04-22 新源动力股份有限公司 Recovery method of coolant polluted membrane electrode

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001155745A (en) 1999-11-25 2001-06-08 Nok Corp Gasket for fuel cell
KR20030051849A (en) * 2000-11-21 2003-06-25 엔오케이 가부시키가이샤 Constituting part for fuel battery
KR20040015113A (en) * 2001-04-23 2004-02-18 엔오케이 가부시키가이샤 Fuel cell and method of manufacturing the fuel cell
KR100684781B1 (en) 2005-04-21 2007-02-20 삼성에스디아이 주식회사 Stack and fuel cell apparatus with the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001155745A (en) 1999-11-25 2001-06-08 Nok Corp Gasket for fuel cell
KR20030051849A (en) * 2000-11-21 2003-06-25 엔오케이 가부시키가이샤 Constituting part for fuel battery
KR20040015113A (en) * 2001-04-23 2004-02-18 엔오케이 가부시키가이샤 Fuel cell and method of manufacturing the fuel cell
KR100684781B1 (en) 2005-04-21 2007-02-20 삼성에스디아이 주식회사 Stack and fuel cell apparatus with the same

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100838117B1 (en) 2007-06-25 2008-06-13 동아화성(주) Polymer electrolyte membrane electrode assembly with integrated seal and thereof fabrication method
KR101230892B1 (en) * 2010-11-05 2013-02-07 현대자동차주식회사 Metallic porous media for fuel cell
US8597857B2 (en) 2010-11-05 2013-12-03 Hyundai Motor Company Metallic porous body for fuel cell
KR101210638B1 (en) 2010-11-17 2012-12-07 현대자동차주식회사 Separator for fuel cell with gasket and method for manufacturing the separator
KR101470143B1 (en) * 2013-04-15 2014-12-05 현대자동차주식회사 Gasket device for a fuel cell stack
KR102312860B1 (en) * 2020-05-08 2021-10-18 주식회사 하이센도 Modular gaskets for fuel cell, membrane electrode assembly having the modular gaskets, and method for manufacturing the modular gaskets
CN114388839A (en) * 2021-12-28 2022-04-22 新源动力股份有限公司 Recovery method of coolant polluted membrane electrode

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8084165B2 (en) MEA, MEA manufacturing method, and polymer electrolyte fuel cell
JP4719771B2 (en) Electrode-membrane-frame assembly for fuel cell and manufacturing method thereof, and polymer electrolyte fuel cell and manufacturing method thereof
CA2260387C (en) Fuel cell
US11539060B2 (en) Membrane humidifier for fuel cell
US9225032B2 (en) Fuel cell
JP5079507B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell seal member used therefor
KR20010022355A (en) Polymer electrolyte fuel cell and method of manufacture thereof
US6844101B2 (en) Separator with fluid distribution features for use with a membrane electrode assembly in a fuel cell
US11431002B2 (en) Fuel cell microseal and a method of manufacture thereof
KR100805458B1 (en) A one body type membrane electrode assembly with gasket of multiple sealing structure for a fuel cell
US20070042254A1 (en) Integrated seal for fuel cell assembly and fuel cell stack
JP2006529049A (en) Membrane electrode assembly with integral seal
EP2523244B1 (en) Electrode-membrane-frame assembly, method for producing same, and fuel cell
CA2473870A1 (en) Sealing structure for sealing separator plates of fuel cell modules
US9680166B2 (en) Integrated gas diffusion layer with sealing function and method of making the same
CN111883797A (en) Integrated fuel cell single cell and fuel cell stack
CN103069630B (en) Fuel cell
CN113659168A (en) Proton exchange membrane single cell and fuel cell
JP5081494B2 (en) Fuel cell
JP2004178978A (en) Separator for fuel cell with seal and membrane electrode assembly with seal
KR101272323B1 (en) Fuel Battery Stack
KR101470143B1 (en) Gasket device for a fuel cell stack
US20100279206A1 (en) Sealing structure of fuel cell separator
US9406953B2 (en) Fuel cell stack
JP2008034156A (en) Fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130201

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140129

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150130

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180130

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190130

Year of fee payment: 12

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191219

Year of fee payment: 13