KR100838117B1 - 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체와그 제조방법 - Google Patents
고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체와그 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR100838117B1 KR100838117B1 KR1020070062108A KR20070062108A KR100838117B1 KR 100838117 B1 KR100838117 B1 KR 100838117B1 KR 1020070062108 A KR1020070062108 A KR 1020070062108A KR 20070062108 A KR20070062108 A KR 20070062108A KR 100838117 B1 KR100838117 B1 KR 100838117B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- gasket
- electrode assembly
- membrane electrode
- integrated
- fuel cell
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 206
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 28
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 23
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 74
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 69
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 18
- 229920003051 synthetic elastomer Polymers 0.000 claims description 7
- 239000005061 synthetic rubber Substances 0.000 claims description 7
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 4
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims 1
- 238000004148 unit process Methods 0.000 claims 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 abstract description 9
- 238000002156 mixing Methods 0.000 abstract description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract description 7
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 6
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 abstract description 6
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 71
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 47
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 description 42
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 26
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 18
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 18
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 14
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 12
- 239000000047 product Substances 0.000 description 10
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229920002943 EPDM rubber Polymers 0.000 description 8
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 8
- 239000000306 component Substances 0.000 description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 8
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 6
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 5
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 5
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 5
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 5
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 4
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 4
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 4
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000004073 vulcanization Methods 0.000 description 4
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 150000001993 dienes Chemical class 0.000 description 3
- 239000011256 inorganic filler Substances 0.000 description 3
- 229910003475 inorganic filler Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 3
- 239000012766 organic filler Substances 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 3
- SMWDFEZZVXVKRB-UHFFFAOYSA-N Quinoline Chemical compound N1=CC=CC2=CC=CC=C21 SMWDFEZZVXVKRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 2
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 2
- 230000003712 anti-aging effect Effects 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 2
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 229930195734 saturated hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 230000008093 supporting effect Effects 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 239000000454 talc Substances 0.000 description 2
- 229910052623 talc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004636 vulcanized rubber Substances 0.000 description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 2
- RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 2,2,4,4,6,6-hexaphenoxy-1,3,5-triaza-2$l^{5},4$l^{5},6$l^{5}-triphosphacyclohexa-1,3,5-triene Chemical compound N=1P(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP=1(OC=1C=CC=CC=1)OC1=CC=CC=C1 RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BYLSIPUARIZAHZ-UHFFFAOYSA-N 2,4,6-tris(1-phenylethyl)phenol Chemical compound C=1C(C(C)C=2C=CC=CC=2)=C(O)C(C(C)C=2C=CC=CC=2)=CC=1C(C)C1=CC=CC=C1 BYLSIPUARIZAHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 239000006057 Non-nutritive feed additive Substances 0.000 description 1
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 1
- 229910002808 Si–O–Si Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000021355 Stearic acid Nutrition 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FZWLAAWBMGSTSO-UHFFFAOYSA-N Thiazole Chemical compound C1=CSC=N1 FZWLAAWBMGSTSO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920005549 butyl rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 1
- 238000012669 compression test Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 125000000118 dimethyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 1
- SRXOCFMDUSFFAK-UHFFFAOYSA-N dimethyl peroxide Chemical compound COOC SRXOCFMDUSFFAK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N ethene;prop-1-ene Chemical group C=C.CC=C HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000001033 ether group Chemical group 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000003063 flame retardant Substances 0.000 description 1
- 230000009975 flexible effect Effects 0.000 description 1
- 230000002431 foraging effect Effects 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical group 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 1
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 1
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- ZFSLODLOARCGLH-UHFFFAOYSA-N isocyanuric acid Chemical compound OC1=NC(O)=NC(O)=N1 ZFSLODLOARCGLH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 238000010068 moulding (rubber) Methods 0.000 description 1
- CYYSAAJKGMKNSK-UHFFFAOYSA-N n-benzyl-2,3-dimethyl-n-phenylaniline Chemical compound CC1=CC=CC(N(CC=2C=CC=CC=2)C=2C=CC=CC=2)=C1C CYYSAAJKGMKNSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002825 nitriles Chemical class 0.000 description 1
- QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N octadecanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O QIQXTHQIDYTFRH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RQFLGKYCYMMRMC-UHFFFAOYSA-N octadecanoic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O.CCCCCCCCCCCCCCCCCC(O)=O RQFLGKYCYMMRMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OQCDKBAXFALNLD-UHFFFAOYSA-N octadecanoic acid Natural products CCCCCCCC(C)CCCCCCCCC(O)=O OQCDKBAXFALNLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JRZJOMJEPLMPRA-UHFFFAOYSA-N olefin Natural products CCCCCCCC=C JRZJOMJEPLMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001451 organic peroxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000012858 packaging process Methods 0.000 description 1
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 1
- 229920006255 plastic film Polymers 0.000 description 1
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000008036 rubber plasticizer Substances 0.000 description 1
- 238000013040 rubber vulcanization Methods 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
- 239000012812 sealant material Substances 0.000 description 1
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000008117 stearic acid Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 150000003460 sulfonic acids Chemical class 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 229920001897 terpolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000003878 thermal aging Methods 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 229920002725 thermoplastic elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000009966 trimming Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
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
- H01M8/02—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
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
- H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
-
- 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
- H01M8/10—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
- 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
본 발명은 연료전지에 사용되는 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)와 작동유체의 외부누설을 막고, 연료가스와 산화제 가스가 서로 혼합되는 것을 방지하기 위한 가스켓이 막전극접합체와 성형을 통해 일체화되는 것으로 구성되며, 실링부재로 탄성고무를 사용하여, 막전극접합체에 성형을 통해 일체화함으로써, 연료전지 스택의 조립시 막전극접합체 및 분리판의 두께 편차를 탄성고무가 흡수하여, 기존의 방법보다 향상되고 안정적인 밀봉구조를 형성하며, 각 전극에 고른 응력이 분포될 수 있도록 하였고, 작동유체의 외부 누설 및 교차누설을 방지하기 위한 막전극접합체의 가장자리 실링부가 일정한 구배형상을 가지고 연결됨을 통해 막전극접합체에 과도한 응력집중을 방지하며, 그 파손을 막을 수 있는 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체와 그 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지용 가스켓. 일체형 막전극접합체. 가스켓.
Description
도 1은 본 발명의 단위전지의 전체도
도 2는 본 발명의 가스켓 일체형 막전극접합체의 평면도
도 3은 도2에서 AA선을 중심으로 한 측단면 상세도
도4 및 도5는 본 발명의 막전극접합체 실링부 상세도
도6 및 도7은 본 발명의 가스켓 일체형 막전극접합체의 다른 예
도8 및 도9는 종래의 가스켓일체형 막전극접합체
도10 및 도11은 압축응력 측정용 시험편 형상 상세도
도12는 고무특성치를 시뮬레이션한 각 형상 및 두께별 압축특성 그래프
도13은 1mm 두께의 각종 형태별 압축힘 실측치와 예측치 비교 그래프
도14는 1.5mm 두께의 각종 형태별 압축힘 실측치와 예측치 비교 그래프
도15는 2mm 두께의 각종 형태별 압축힘 실측치와 예측치 비교 그래프
도16은 얇은 두께의 사각 가스켓 압축힘 그래프
도17은 얇은 두께의 오링형 가스켓 압축힘 그래프
도18은 스택 체결전(18A),후(18B)의 솔리드 가스켓치수 및 구조형상 상세
<도면의 부호설명>
단위전지(100), 에노드 분리판(101), 캐소드 분리판(102), 매니폴드 홀(120), 매니폴드 홀 실링부(130), 막전극접합체 실링부(131), 평면 가스켓(132), 연료가스 입구 매니폴드(150), 냉각매체입구 매니폴드(151), 공기입구 매니폴드(152) 공기출구 매니폴드(153), 냉각매체출구 매니폴드(154), 연료가스 출구 매니폴드(155), 가스켓 일체형 막전극접합체(200), 막전극접합체(201), 가스켓(202), 지지체(300)
본 발명은 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체와 그 제조 방법에 관한 것으로서,
작동유체의 외부누설을 막고, 연료가스와 산화제 가스가 서로 혼합되는 것을 방지하기 위한 가스켓이 막전극접합체와 성형을 통해 일체화되는 것으로 구성되며, 실링부재로 탄성고무를 사용하여, 막전극접합체에 성형을 통해 일체화함으로써, 연료전지 스택의 조립시 막전극접합체 및 분리판의 두께 편차를 탄성고무가 흡수하여, 기존의 방법보다 향상되고 안정적인 밀봉구조를 형성하며, 각 전극에 고른 응력이 분포될 수 있도록 하였고, 작동유체의 외부 누설을 위한 실링부와 연료가스와 산화제 가스가 혼합되는 것을 막기 위한 막전극접합체의 가장자리 실링부가 일정한 구배형상을 가지고 연결됨을 통해 막전극접합체에 과도한 응력집중을 방지하여, 그 파손을 막기 위한 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체와 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 고분자 전해질을 사용한 연료전지는 수소를 함유한 연료가스와 산소를 함유한 산화제가스를 사용하여 전기화학 반응을 일으켜 전기 및 열을 발생시킨다. 고분자 전해질형 연료전지에서 반응이 일어나는 핵심부품은 고분자 전해질막과 고분자 전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극 및 가스확산층으로 이루어진 막전극접합체(MEA: Memebrane Eelctrode Assembly)이며, 막전극접합체로 반응가스의 흐름을 제공하는 분리판이 추가로 필요하다. 분리판에는 반응가스 및 냉각매체의 흐름을 제어하기 위한 유로 및 매니폴드 홀이 형성되어 있다. 이러한 막전극접합체와 분리판을 필요한 수량만큼 적층한 것을 연료전지 스택이라고 한다.
연료전지 스택에 공급되는 반응가스 및 냉각수가 외부로 누출되거나, 서로 섞이는 것을 방지하기 위해서 전극 및 매니폴드 홀 주변에는 가스켓이 배치된다.
이러한 가스켓을 구성하는 방법에는, 이미 성형 또는 가공된 가스켓을 사용하는 방법, 액상의 가스켓을 분리판에 형성하는 방법 등이 사용되어왔다.
고체화된 가스켓의 소재로는 제작이 용이하고 두께 편차가 적은 장점 때문에 유리섬유로 강화시킨 실리콘 시트나 테프론 시트를 많이 사용하였다. 강화 실리콘 혹은 테프론 시트는 유리섬유 복합재질으므로 기계적 강성을 갖고 있어서 스택 체결 시 과도한 압력에도 기계적 내구성을 유지할 수 있지만, 탄성 및 복원성이 거의 없는 재료이므로 연료전지 운전 중 열 및 수분에 의한 부품 팽창시 가스 누설의 우려가 있었으며, 표면의 거칠기가 크고 상대적으로 단단한 재료적 성질로 인해 가스 켓 표면을 통한 가스 누설의 가능성도 존재한다.
이러한 문제로 인해 연료전지의 밀봉은 고무소재의 가스켓이 주로 사용된다. 연료전지 가스켓으로 사용하는 고무소재는 가스 투과도가 낮아서 고유의 밀봉기능을 수행할 수 있어야 하며 강한 산성분위기에 견딜 수 있어야 한다. 연료전지는 운전 중 일정한 습도와 온도가 유지되면서 전해질 막 주변은 매우 높은 산 농도가 유지될 수 있고, 이때 가스켓은 산에 의한 가수분해가 진행될 수 있다. 강산은 고분자 전해질형 연료전지의 운전조건인 약 60 ~ 80℃ 근처에서 고무 가교 결합부분을 무차별적으로 공격할 수 있는 핫라디칼(hot radical)을 생성할 수 있다. 이 핫라디칼(hot radical)은 매우 불안정하므로 고무 분자를 공격하고, 연쇄반응에 의해 고무 분자는 노화가 급격히 진행된다. 이는 고무제품을 가교 결합할 때 사용하는 유기과산화물의 반응 메커니즘과 유사한데, 강산농도에서 마치 고무제품이 가교 결합되는 반대 형태로 결합된 사슬을 끊어버려 가스켓을 노화시킨다. 이것은 산에 의한 가수분해로 볼 수 있다.
고무재료 중 가장 가스 투과가 적은 재료로는 부틸고무를 들 수 있는데, 하지만 내열성이나 압축 반발 탄성력이 미흡하다. 우수한 반발 탄성 및 내열성, 성형성 등의 효과로 인해 많이 사용되고 있는 실리콘 재료는 사슬모양의 분자구조를 갖고 있으며 이 분자의 골격을 형성하고 있는 것은 실록산(siloxane) 결합으로서, 이 구조를 갖고 있는 분자가 집합하여 물질을 형성한 경우 개개의 분자가 독립해 있기 때문에 분자사슬은 상호간에 자유로이 움직일 수 있어서 외견상으로는 유동성 성질을 나타내어 고무의 특성을 보인다. 하지만 실리콘 고무는 사슬을 형성하는 Si-O- Si 말단의 에테르기가 이온성이 있어 내가수분해성이 좋지 않다. 또한 유기계 고무들에 비하여 분자간의 거리가 커서 기체의 투과성이 크므로 연료전지의 반응가스를 밀봉하는데 사용하는 재료로 부적합하다.
연료전지의 부품 중 막전극접합체를 구성하는 수소이온전도성 고분자 전해질막(Polymer Electrolyte Membrane :PEM)은 연료전지의 성능을 좌우하는 "연료전지의 심장"을 담당하는 핵심구성요소 중의 하나로 가스켓 재료의 특성을 저하하는 원인을 제공한다.
그 외에 연료전지 스택의 가스켓재료로 사용할 수 있는 재료로 불소계 재료를 들 수 있는데, 현존하는 재료 중 가장 불활성 물질이며, 내열온도가 높아 난연 및 고온 사용에 적합하다. 주된 구성 성분은 탄소와 불소로 이루어져 있으며, 탄소와 불소결합으로만 중합되어 이루어진 물질은 피티에프이(PTFE)라고도 하는 불소계수지로 고온 고압, 그리고 기계적 강도를 필요로 하는 씰링 부품으로 주로 사용된다. 불소고무는 제조업체에 따라 다소 차이가 있지만 탄소와 불소결합 사슬의 가장자리에 CH3기를 첨가하여 고무의 탄성복원 특성을 가지게 하는데 불소 결합의 수가 많을 수록 내유성 및 난연성, 내열성이 증가되고, CH3기가 많아질수록 고무 특유의 탄성 복원력은 좋아지지만 내열성 및 내유성등 불소고분자가 가지는 특성은 줄어든다.
최근에는 고분자 전해질막의 특성에 맞게 연료전지용 가스켓 재료로 불소고무를 이용하고자 하는 사례가 늘고 있다. 불소고무 자체로는 우수한 물성 특성을 가지고 있지만 일반적인 수송용 및 휴대용, 가정용 연료전지 환경조건에서는 그다 지 높은 내열성능을 요구하지 않기 때문에 굳이 고가의 불소고무를 사용해야 하는 이유가 없으나 현재 뚜렷하게 개발되어 있는 최적재료가 없으므로 여러 재료들의 특성을 연구하기 위해 최근에 선호하고 있는 재료이다.
고무재료를 연료전지용 가스켓으로 제작하는 방법에는 액상의 가스켓 소재가 경화되지 않은 상태에서 실링면과 접하도록 하는 에프아이피지(FIPG;Formed-in-place Gasket) 방법과 가스켓 소재가 경화된 상태에서 실링면과 접하는 시아이피지(CIPG;Cured-in-place Gasket)방법이 있다. 에프아이피지(FIPG)방법은 실란트(sealant) 재료를 밀봉이 필요한 부위에 주입하여 경화시키는 것으로 복잡한 형틀의 제작없이 간편하게 사용할 수 있어 연구용 또는 소량의 스택을 제작할 때 적합하나, 경화과정에서 연료전지 내부의 주요 부품들을 오염시킬 우려가 있으며 경화시간이 많이 필요하여 대량생산에는 적합하지 않다.
시아이피지(CIPG)방법은 불소계, 니트릴계 혹은 올레핀계 고무를 소재로 일정한 형상를 갖는 형틀(금형)을 사용하여 오링(O-ring) 형태로 만드는 방법과 금형에 직접 분리판을 얹고 고무를 주입한 후 일정한 온도와 시간을 이용하여 성형하는 방법 등이 있다. 미국특허 제6,338,492호에서 상기 고분자 전해질형 연료전지의 밀봉을 위한 고무 가스켓의 형상 및 제조방법을 제시하고 있다. 이와 같이 고무 소재의 가스켓을 분리판 표면에 구성하는 방법은 고무의 유연한 특성으로 금속소재 혹은 탄소소재의 분리판 표면의 상대적으로 높은 표면 거칠기를 흡수하여 이로 인한 가스 누설 가능성을 크게 완화시킨다. 또한 압축응력 효과를 통해 고무 내에 저장된 탄성에너지는 연료전지 운전 중에 발생하는 열 및 수분에 의한 부품 팽창에 대 응하여 가스켓 두께가 신축적으로 변할 수 있도록 함으로써 연료전지 운전 중 밀봉 역할을 충실히 수행하여 가스 누설을 예방할 수 있다. 그러나 가스켓이 분리판 표면에 존재하기 때문에 필연적으로 막전극접합체의 전해질 막이 전극보다 크게 제작되어 분리판의 가장자리까지 연장되어야 한다. 이로 인하여 고가의 전해질 막이 과다하게 필요하며 또한 반응가스에 직접 노출된 전해질 막은 반복되는 온도 및 습도 변화로 인하여 수축, 팽창을 반복하게 되고 결국 찢어져서 반응가스가 서로 섞이게 되는 경우가 자주 발생한다.
연료전지 밀봉의 또 다른 방법은, 막전극접합체를 분리판과 동일한 크기로 제작하고 막전극접합체에 매니폴드 홀을 가공한 후, 액체 실란트를 전극과 매니폴드 홀 주위에 도포하며 막전극접합체와 분리판을 일체형으로 접착하는 것이다. 미국특허 제6,350,538호에서 접착체를 사용한 연료전지 밀봉방법을 제시하고 있다.
이 방법은 초기에는 우수한 밀봉성능을 보이지만, 접착제와 고분자 전해질 막, 분리판의 열팽창계수가 각각 다르기 때문에 스택 운전 시 열 및 수분에 의한 부품 팽창에 견디지 못하고 가스의 누설이 발생할 수 있다. 또한 스택 체결시 높은 면압이 가해지게 되면 밀봉재가 밀봉부위를 벗어나 밖으로 빠져나오는 문제가 발생하게 되어 밀봉의 기능을 수행하지 못하는 경우가 있어 체결압력을 정밀하게 조절해야하는 어려움이 있다.
국내등록실용신안공보 등록번호 제20-383221호에는 실링홈을 갖는 분리판과, 상기 분리판과 막전극접합체 사이를 밀폐시키기 위한 가스킷을 포함하는 연료전지의 조립구조에 있어서, 상기 분리판 양면에 맞댄 금형판에 분리판에 직접 가스킷 재료를 사출함에 따라 상기 분리판과 일체가 되는 가스킷과, 상기 분리판 양면에 동일하게 형성된 실링홈과 가스킷 간의 접착력을 높이도록 실링홈에 표면가공처리로 형성된 프라이머층으로 구성된 연료전지용 가스킷과 분리판의 일체형 결합구조가 기재되어 있으며,
국내공개특허공보 공개번호제10-2006-4273호에는 막-전극-가스켓접합체에 가습용 막이 일체화한 가습막 일체형 연료전지용 막-전극-가스켓 접합체가 공개되어 있으나,
이러한 문제를 개선하기 위해, 막전극접합체에 가스켓을 성형하는 가스켓 일체형 막전극접합체가 제안되었다. 이러한 가스켓 일체형 막전극접합체는 기존의 전극 및 매니폴드 홀 주위를 감싸는 가스켓 형상을 막전극접합체(MEA)에 일체형으로 성형하는 것으로 이루어진다. 이 과정에서 두기체가 혼합되는 것을 막고 스택의 체결 시 막전극접합체가 파손되지 않게 하기위해 막전극접합체의 테두리에 적절한 밀봉 형상을 구성하는 것이 중요하다. 또한 이때 사용되는 가스켓의 재료는 가스 투과성이 적어서 고유의 밀봉기능을 수행할 수 있어야 하며 연료전지 운전조건에서 강한 산 농도에 견딜 수 있어야 한다.
막전극접합체의 테두리에 밀봉을 구성하기 위한 기존 방법의 한 예는 도8과 같이 가스켓이 막전극접합체를 덮지 않고 연결되는 방법이 있다 이 경우 막전극접합에서 발생하는 교차누설을 방지하기 위해 가스켓의 일부가 막전극접합체로 함침되는 형태로 구성한다. 이 방법은 실제 공정에서 가스켓이 막전극접합체로 균일하지 않게 함침되어 교차누설이 발생하는 경우가 있으며, 막전극접합체와 가스켓이 쉽게 분리되는 문제가 있다.
가스켓 일체형 막전극접합체의 또다른 한 예는 테두리의 밀봉을 구성하는데 있어서, 도9와 같이 가스켓이 막전극접합체를 덮는 형태로 이루어진다. 이 경우 막전극접합체와 가스켓이 쉽게 분리되지 않지만, 스택의 체결시 막전극접합체 테두리에 과도한 면압이 발생하여 막전극접합체가 파손되는 경우가 발생하거나, 파손이 되지 않더라도 전단응력에 의한 교차누설이 지속적으로 발생하여 장기운전 시 내구성이 크게 저하된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 작동유체의 외부누설을 막고, 연료가스와 산화제 가스가 서로 혼합되는 것을 방지하기 위한 가스켓이 막전극접합체와 성형을 통해 일체화되는 것으로 구성되며, 실링부재로 탄성고무를 사용하여, 막전극접합체에 성형을 통해 일체화함으로써, 연료전지 스택의 조립시 막전극접합체 및 분리판의 두께 편차를 탄성고무가 흡수하여, 기존의 방법보다 향상되고 안정적인 밀봉구조를 형성하며, 각 전극에 고른 응력이 분포될 수 있도록 하였고, 작동유체의 외부 누설을 방지하고 연료가스와 산화제 가스가 혼합되는 것을 막기 위한 막전극접합체의 가장자리 실링부가 일정한 구배형상을 가지고 연결됨을 통해 막전극접합체에 과도한 응력집중을 방지하여, 그 파손을 막기 위한 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체와 그 제조 방법을 제공하는 것이 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제인 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고분자 전해질막과 그 양쪽면에 각각 형성되는 산화전극과 환원전극 및 가스확산층을 포함하는 막전극접합체(MEA)와 연료전지 반응가스 및 냉각매체의 외부 누설 및 각 유체의 상호 혼합을 방지하기 위하여, 막전극접합체의 둘레 가장자리부에 가스켓을 성형을 통해 일체화시키는 가스켓 일체형 막전극접합체로 구성된 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체와 그 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지의 부품중 막전극접합체를 구성하는 수소이온전도성 고분자 전해질막(Polymer Electrolyte Membrane :PEM)은 연료전지의 성능을 좌우하는 "연료전지의 심장"을 담당하는 핵심구성요소 중의 하나로 가스켓 재료의 특성을 저하하는 원인을 제공한다.
전해질막의 대표적인 예로서 듀퐁(DupontTM)사의 나피온( 
)막이 있는데, 폴리 테트라플루오르 에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene)을 주사슬(Backbone)로 하고 측쇄에 술폰기(Sulfoic acid : -SO3H)를 갖는 과불화술폰산 고분자(Poly(perfluorosulfonic)acid)로 구성되어 있다.
본 발명의 가스켓 일체형 막전극접합체는 막전극접합체의 테두리를 둘러싸고 있는 가스켓의 단면 형상은 물방울(waterdrop) 모양을 하고 있으며, 막전극접합체로부터 가스켓이 시작되는 지점에서 가스켓의 가장 두꺼운 지점까지의 거리가 가스켓의 돌출부가 끝나는 지점에서 가장 두꺼운 지점까지의 거리와 같거나 긴 특징을 갖는다.
또한 가스켓 단면의 두께가 가장 두꺼운 지점에서 막전극접합체와 만나는 지점까지의 두께가 점차적으로 감소하는 특징을 가진다.
또한 본 발명의 막전극접합체는 가스켓 단면의 가장 두꺼운 지점이 막전극접합체 테두리보다 외곽에 존재하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가스켓은 연료전지에 필요한 반응 가스 및 냉각매체를 외부로부터 공급 및 외부로 배출하기 위한 메니폴드 홀의 실링부를 포함하며, 매니폴더 실링부와 막전극접합체를 연결하며, 분리판의 절연 및 지지 역할을 하는 평면 형태의 가스켓을 포함한다.
본 발명의 또다른 형태로는 상기의 가스켓 일체형 막전극접합체의 평면의 가스켓 부분에 압력에 따른 재료의 변형이 거의 없는 지지체를 삽입하는 것이다. 이 경우 연료전지 스택을 체결하는 과정에서 막전극접합체의 가스켓이 지지체의 두께 이하로 압축을 하지 못하기 때문에, 막전극접합체가 과도한 압력에 의해 파손되는 것을 방지 할 수 있다. 지지체의 두께는 막전극 접합체가 체결 전 두께의 약 60 ~ 90% 의 값을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 가스켓 소재로는 기체투과성, 밀봉성, 내열성, 내가수분해성, 제품 성형 용이성 등을 고려하여 가장 적합한 이피디엠(EPDM) 재료를 사용하고, 일반적인 프레스 성형방법의 장점과 사출 성형방법의 장점을 접목한 자동화 장비를 사용하였다.
본 발명에서 조성물(compound) 재료로 사용된 연료전지 시스템의 최적재료인 이피디엠(EPDM)은 에틸렌과 프로필렌 공중합체로 구성된 이피엠(EPM;Ethylene Propylene Copolymer)과 에틸렌, 프로필렌 그리고 비공액 디엔의 삼원공중합체로 구성되는 이피디엠(EPDM;Ethylene Propylene Diene Terpolymer) 으로 분류되며, 그 특성은 국내등록특허공보 제208314호에 이피엠(EPM;엘라스토머 공중합체 에틸렌-프로필렌)가황고무 및 이피디엠(EPDM)가황고무와 열가소성 엘리스토머로 된 접착성이 있는 열가소성 조성물이 공개되어 있어, 그 특성은 이미 공개된 바와 같고, 재료에 대해 상세히 설명하자면 주 사슬을 폴리메틸렌타입(Polymethylene Type)으로하여 주쇄에 이중 결합이 없이 연결되어 있는 포화탄화수소(Saturated Hydrocarbon)형태의 고분자이다.
특히, 비공액 디엔(diene)인 이엔비(ENB) 단량체는 고분자 사슬의 측쇄(Side chain)에 위치하며, 주사슬(Main Chain)에 이중결합 (Double Bonds)이 없으므로 견고한 포화탄화수소 형태의 고분자 구조(stable saturated polymer backbone structure)로서 내후성과 내 오존성이 타 합성고무보다 우수한 특징을 가진다.
연료전지 시스템 내에서 일어날 수 있는 가수분해성, 내열노화성 등의 노화요인에 최적의 성능과 가격으로 향후 연료전지 상용화에 크게 이바지할 수 있는 재료라고 보여지며, 이러한 연료전지 성능의 최대화를 위해 초기밀착성능을 우수하게 하기 위해 유연한 특성을 가지고, 우수한 반발탄성을 가지게 하기 위해 최적의 가교결합 특성을 유지하도록 조성물(Compound)을 제조하였다. 그 뿐만 아니라 빠른 속도로 문제없이 성형될 수 있는 특성을 나타내기 위해 재료의 흐름성과 가황속도를 최적화 하였다. 이러한 특성을 위해서 사용된 원료고무는 이엔비(ENB)함량이 높 고, 분자량이 높고, 흐름성이 좋은 재료를 선택하여 사용하였고, 유연성을 증가시키고, 불순물이 거의 없는 백색계(White) 가소제를 사용하였다. 그리고 탄성 복원력이 우수하면서 재료흐름성과 표면조도를 우수하게 하기위해 유기 충전제인 카본블랙과 무기충전제인 탈크(Talc)를 혼합함으로써 상기와 같은 문제를 해결하였다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명의 가스켓 일체형 막전극접합체의 형상과 단위전지의 형상을 나타낸 전체도로서, 연료전지의 단위전지(100)는 에노드 분리판(101)과 캐소드 분리판(102) 사이의 가스켓 일체형 막전극접합체(200)로 구성된다. 상기 단위전지(100)가 다수 적층되어 연료전지 스택으로 구성된다.
각 단위전지는 다수의 매니폴드 홀(120)을 가지고 있으며, 이를 통해 반응가스 혹은 냉각매체가 각 단위전지에 전달되게 된다. 가스켓의 막전극접합체 실링부(131)는 막전극접합체와 일체화 되어 반응 가스 및 냉각매체의 교차누설(cross leak)및 외부 누설을 방지한다. 또한 각 매니폴드 홀에서의 누설을 막기 위해 가스켓(202)은 매니폴드 홀 실링부(130)를 가진다.
막전극접합체 실링부(131)와 매니폴드 홀 실링부(130)는 일정한 두께를 가지는 평면 가스켓(132)을 통해 연결되며, 이를 통해 각 단위전지는 전기적으로 절연된다.
도2는 본 발명의 가스켓 일체형 막전극접합체의 평면도이다.
가스켓 일체형 막전극접합체(200)는 막전극접합체(201)와 가스켓(202)이 일체화되는 동시에 반응가스 및 냉각매체가 각 단위전지로 전달되는 매니폴드 홀(120)을 가지고 있다. 각 매니폴드 홀(120)은 구체적으로는 연료가스 입출구 매니폴드(150,155), 공기 입출구 매니폴드(152,153) 및 냉각매체 입출구 매니폴드(151,154)로 각각 구성된다.
도3은 도2에서 AA선을 중심으로 한 단면도이다.
본 발명의 가스켓 일체형 막전극접합체(200)는 단면에서와 같이 막전극접합체(201), 다수의 매니폴드 홀(120), 막전극접합체 실링부(131), 매니폴드 홀 실링부(130), 및 각 실링부의 연결 및 지지를 위한 평면의 가스켓(132)으로 구성된다. 여기서, 매니폴더 막전극접합체 실링부(131)는 가스켓(202)의 성형과정에서 액상상태로 막전극접합체의 모서리 일부의 기공에 침투하게 되고, 경화를 통해 막전극접합체의 모서리부를 일차적으로 밀봉하며, 지지하게 된다.
도4는 본 발명의 막전극접합체 실링부(131)를 자세하게 나타낸 상세도이다.
본 발명에 있어서 막전극접합체의 테두리를 둘러싸고 있는 실링부(131)의 단면은 물방울(waterdrop) 형상을 하고 있다.
이 형상은 가스켓의 두께가 가장 두꺼운 지점(B)에서 막전극접합체에서 가스켓이 시작되는 지점(D)까지의 두께가 점차적으로 감소하며, 상기(B)에서 가스켓의 돌출부가 끝나는 지점(A)까지의 두께가 점차적으로 감소하는 것을 특징으로 한다.
또한 막전극접합체의 테두리를 둘러싸고 있는 가스켓은 상기(B)에서 상기(D)까지의 거리가 상기(A)에서 상기(B)까지의 거리보다 같거나 길어서 전체적으로 물방울 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기(B)의 위치는 막전극접합체(201)의 테두리가 가스켓 내부에 만나는 지점(C)보다 외곽에 자리하는 것을 특징으로 한다.
연료전지의 막전극접합체는 일반적으로 1mm 이하의 두께를 가지게 된다. 따라서 이에 상응하는 가스켓 또한 최대 5mm 이내의 두께 및 크기를 가지게 된다. 따라서 막전극접합체와 가스켓은 매우 정밀한 오차 범위 내에서 성형 및 일체화가 이뤄진다. 이러한 정밀한 오차범위 내에서 구성이 되기 때문에 막전극접합체의 모서리와 가스켓이 연결되는 (C)에서 (D)까지의 거리가 일정범위 이하가 되면, 막전극접합체와 가스켓의 일체화 성형공정에서, 불량률이 높아지게 된다.
본 발명에서의 상기 (C)에서 (D)까지의 거리는 상기(B)에서 상기(D)까지 거리의 1/3 이상이 되는 것이 바람직하다.
일반적으로 사용되는 가스켓의 소재는 힘에 따른 수축 및 팽창의 형상 변화가 큰 반면에, 막전극접합체는 이러한 형상의 변화가 거의 없다.
따라서, 스택의 체결시 압축력에 의해 두 소재가 접하는 부분에서 전단 응력이 발생하게 된다. 기체 확산층의 경우 소재의 특성상 전단력에 의해 쉽게 파손된다. 따라서 도8의 종래의 가스켓 일체형 막전극접합체의 경우 연결부 전체에서 전단응력을 받게되어 장기적인 연료 운전시 연결부가 파손되어, 반응기체가 혼합되거 나 누설되는 경우가 발생한다.
본 발명에서의 가스켓 일체형 막전극접합체는 도4에 의하면 가스켓 단면의 가장 두꺼운 부분(B)이 막전극접합체의 모서리(C)의 외곽에 자리하게 된다. 따라서 본 발명의 가스켓 일체형 막전극접합체를 채용한 연료전지 스택 체결 시에는, 가해지는 압축력은 가스켓의 가장 두꺼운 부분부터 수축시키게 된다. 일반적인 고무의 특성에서 수축된 변위가 클수록 그 내부의 응력 및 반력은 더 커지게 된다. 따라서, 압축력이 증가하게 됨에 따라 두께가 얇은 부분이 점차적으로 수축되고, 상대적으로 수축된 변위량이 가스켓의 가장 두꺼운 부분(B) 중심에서 바깥쪽으로 진행됨에 따라 감소하기 때문에, 압축력 또한 상기 (B)에서 가장자리로 갈수록 점차적으로 감소하게 된다. 여기에, 막전극접합체의 모서리(C)가 가스켓 단면의 가장 두꺼운 부분(B)을 지나지 않기 때문에 막전극접합체가 받게 되는 압축력은 가스켓의 가장 두꺼운 부분에서 받게 되는 압축력보다 상대적으로 작게 되어 막전극접합체에 가해지는 전단응력을 최소화 할 수 있으며, 막전극접합체의 파손을 방지 할 수 있다.
도5는 본 발명의 가스켓 일체형 막전극접합체와 실링을 형성하기 위한 분리판 실링 홈부의 단면이다. 홈부의 적절한 폭은 상기(A)에서 상기(D)까지의 거리보다 약간 크게 형성하는 것이 바람직하다. 홈부의 적절한 깊이는 최종 압축시 가스켓의 충진율을 통해 결정된다. 이 때 가스켓의 충진율은 60 내지 90%이상이 되는 것이 적절하며 더욱 바람직하게는 70%가 되는 것이 좋다.
본 발명에서 사용되는 가스켓 소재는 합성 고무소재이다. 합성고무는 일반적 으로 압축하는 힘이 증가함에 따라 지속적으로 그 두께가 감소하게 된다. 다수의 단위전지가 적층되어 일정량의 압에 의해 체결되는 연료전지 스택을 제작하는 과정에 있어서, 분리판의 가공 또는 성형 오차 및 가스켓의 가공 오차에 의해 특정 단위전지 및 일부 단위전지의 국부적인 지역에 기준치 이상의 압력이 가해 질 수 있다. 이 경우 가스켓은 기준치 이상의 압력만큼 더 수축하게 된다. 수축되는 가스켓의 두께가 막전극접합체의 설정된 체결 목표두께 이하가 될 경우 막전극접합체가 과도한 면압력을 받게 되어 파손될 가능성이 크다. 따라서 기준치 이상의 압력이 가해진 상황에서 막전극접합체를 보호하기 위해서는 가스켓의 두께가 막전극접합체의 체결 목표두께 이하로 줄어들지 않게 하기 위한 지지체가 있는 것이 바람직하다.
도6은 본 발명의 또 다른 실시예인 지지체가 삽입된 가스켓 일체형 막전극접합체의 단면을 나타낸 것이다. 지지체가 삽입된 가스켓 일체형 막전극접합체는 기존의 가스켓일체형 막전극접합체(200)에 지지체(300)가 삽입된 형태로 구성된다. 본 발명에서 지지체(300)는 절연을 위한 평면의 가스켓 영역에 위치하는 것이 바람직하며, 평면의 가스켓 영역 단면의 중앙에 배치되는 것이 바람직하다. 또한 지지체의 소재로는 균일한 두께를 유지하면서, 힘에 의해 변형이 거의 발생하지 않는 플라스틱 필름류가 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예로는 지지체를 삽입하는 대신에 절연을 위한 평면 측 가스켓(132)과 매니폴드 및 막전극접합체의 실링부 가스켓(130,131)의 경도를 다르게 하여 성형하는 것이다.
도7은 상기 실시예의 가스켓 일체형 막전극접합체의 단면을 나타낸 것이다.
평면측 가스켓(132)의 경도를 막접극접합체 실링부(131) 및 매니폴드 실링부(130)의 경도보다 높게 성형하면, 막전극접합체가 기준치 이상의 압력에서도 파손되지 않도록 보호 할 수 있게 된다. 상기 평면측 가스켓(132)의 쇼아경도는 60~80의 범위를 가지는 것이 바람직하며, 상기 매니폴드 실링부 가스켓(130) 및 막전극접합체 실링부 가스켓(131)의 쇼아경도는 40~70의 범위를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 가스켓에 사용되는 재료는 합성고무로서 EPDM고무 10∼50중량%와 입자크기 1~50 마이크로미터 이내로 제조된 무기계충전제 5∼20중량%, 고무용 카본블랙인 유기계충전제 10∼30중량%, 고무용 가소제 10∼20중량%, 가공조제로서 고무용 산화아연 1∼5중량%, 스테아린산 1∼5중량%, 열노화방지제 0.1∼1중량%, 가황촉진제 0.5∼3중량%와 고무가황용 경화제 0.2∼1중량%의 조성비와 성분으로 이루어지며,
상기 무기계충전제는 실리카가 포함된 탈크 (Talc) 또는 경탄(CaCO3)또는 크레이(CLAY)중에서 선택된 하나의 물질이며, 유기계 충전제는 고무용 카본블랙이고, 상기 가소제는 파라핀(PARAFINE)계 또는 화이트(WHITE)계 배합유이고, 가황촉진제 는 디티오카바메이트(DITHIOCARVAMATE), 티아졸(THIAZOLE), 및 티우람(TIURAM)계, 트리아릴 시아누래이트(TRIALYL CYANURATE) 중에서 선택된 어느 하나의 화합물이며, 가황제는 디메틸퍼옥시헥산(DIMETHYL PEROXY HEXANE)또는 고무가황용 유황 중에서 선택된 어느 하나의 화합물이며,
상기 가공조제는 아연화(ZnO), 스테아린 산(STEARIC ACID) 및 폴리에틸렌글리콜계 중에서 선택된 어느 하나의 화합물이고,
상기 노화방지제는 스티렌네이티드페놀(STYRENATED PHENOL) 및 퀴놀린(QUINOLINE) 또는 디메틸벤질디페닐아민(DIMETHYLBENZYL DIPHENYLAMINE)중에서 선택된 하나의 화합물로 이루어지며, 물방울 형상의 독특한 구조를 갖는 가스켓과 막전극접합체의 기밀특성을 최대화시키기 위해 빠른 속도로 생산할 수 있는 다중 자동화 생산설비 및 금형을 통해 가스켓 일체형 막전극접합체를 제조한다.
본 발명은 합성고무로서 원료고무 자체에 매우 높은 ENB(가교점)을 함유하고 있고, 분자량이 높은 EPDM(엘라스토머 삼원공중합체 에틸렌-프로필렌-디엔)을 사용함으로써 낮은 경도에서도 우수한 성형특성과 빠른 가황속도를 가지는 특징을 가지고 있으며, 높은 온도에서 장기간 사용할 경우 열에 의한 노화를 방지하기 위해 내열성 향상용 노화방지제를 사용하였다. 이에 의해 지속적인 열노화(60~ 80℃)에서도 제품의 경도상승이나 인장강도 신율저하, 탄성 복원력 저하등으로 인한 가스 누설 문제를 극복하였다.
본 발명의 가스켓 일체형 막전극접합체 제조방법은 통상의 고무프레스 성형 기와 고무사출기의 장점만을 이용한 복합 자동화 성형기를 이용함으로써 막전극접합체와 고무 복합물(composite) 성형시 발생할 수 있는 막전극접합체의 파손 및 두께 불균일을 방지할 뿐만 아니라 일반 프레스 성형속도와는 비교할 수 없는 빠른 속도로 제품 성형이 가능하게 되었다. 그리고 무인 자동화 생산이 가능하게 하기 위해 각종 흡착 삽입틀(JIG)과 고정대, 지지대, 1차사출 및 간이성형 후 2차 형상성형으로 이동하는 자동화 이송장치(Auto loader)등을 이용하므로써 작업자의 작업오류 및 공정산포로 발생하는 불량요인을 미연에 방지할 뿐만 아니라 정전시를 제외한 연중 쉬지않고 생산이 가능할 뿐만 아니라 항상 균일한 작업이 가능하게 구성되었다.
이하 본원 발명의 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체의 제조방법을 실시예를 통하여 상세히 설명하도록 한다.
실시예
판상이며 중앙부에 형성된 막전극접합체(201)를 중심으로 상하부에 형성되며 반응가스 혹은 냉각매체가 각 단위전지에 전달되는 다수의 매니폴드 홀(120)이 일체형으로 구비된 가스켓(202)으로 구성된 막전극접합체를 진공흡착장치를 이용하여 진공빨판으로 빨아들여 고정시킨 다음, 오토로더쪽으로 이동하여 진공흡착장치를 조작하여 예비 가스켓일체형 막전극접합체를 이동시킨 다음, 예비 가스켓일체형 막 전극접합체가 안치된 오토로다의 이송을 위해 하부에 프레스 하측 형판의 이송을 위해 하측형판을 체결하고, 사출장치로 이송하여, 사출장치의 금형내로 예비 가스켓일체형 막전극접합체가 안치된 오토로다를 이송함과 동시에 하측형판을 분리한 다음, 예비 가스켓일체형 막전극접합체의 테두리의 실링부에 합성고무조성물을 사출한 후에, 다시 하측 형판을 체결하여 프레스장치로 이송하여 프레스장치내로 사출성형된 예비 가스켓일체형 막전극접합체가 안치된 오토로다를 프레스장치로 이송한 다음, 하측형판을 분리한 후, 프레스장치로 90~150℃ 온도에서, 50~300초 이내, 형상압력 50~150kgf/cm2 으로 가압함과 동시에 가류하여, 도2 및 도3내지 도5와 같이 성형을 완료한 다음, 프레스장치에 성형 완료된 가스켓 일체형 막전극접합체가 안치된 오토로더에서 진공흡착장치를 이용하여 포장공정으로 이동하여 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체를 제조하였다.
상기와 같이 제조된 본 발명은 에노드 분리판(101)과 캐소드 분리판(102)로 구성되며, 상기 에노드분리판(101)과 캐소드분리판(102) 사이에 위치되고 고분자 전해질막과 그 양쪽면에 각각 형성되는 산화전극과 환원전극을 포함하는 가스켓 일체형 막전극 접합체(200)가 한조로 구성되며,
상기 가스켓 일체형 막전극접합체(200)는 두께 1mm 이하의 막전극접합체(201)와, 상기 막전극접합체(201)를 중심으로 그 주변에 형성되며 반응가스 혹은 냉각매체가 각 단위전지에 전달되는 다수의 매니폴드 홀(120)이 일체형으로 구비된 가스켓(202)으로 구성되어 있으며,
상기 가스켓(202)은 일체화 되어있으며, 일정한 두께를 가지는 평면 가스켓(132)과, 상기 평면 가스켓(132)의 일측에 위치되어 다수개의 매니폴드 홀(120)의 테두리에 위치되어 누설을 방지하는 매니폴드 홀 실링부(130)와, 막전극접합체(201)과 경계선에 위치되어 막전극접합체의 일부가 중간홈에 내삽된 형태로 일체화 되어 반응 가스 및 냉각매체의 교차누설(cross leak)및 외부 누설을 방지하는 막전극접합체 실링부(131)가 일체형으로 구성되어 있으며,
상기 평면가스켓(132)은 중심에 변형률이 없는 지지체(300)를 삽입하여 제조할 수도 있고,
상기 매니폴드 홀 실링부(130)와 막전극접합체 실링부(131)의 쇼아경도와 평면가스켓(132) 부분의 쇼어 경도는 서로 다른 경도를 가지며 구체적으로는 상기 매니폴드 홀 실링부(130)와 막전극접합체 실링부(131)의 쇼아경도는 40~70 의 범위를 가진다. 한편 상기 평면 가스켓(132)의 쇼아경도는 60~80의 범위를 가진다.
상기 매니폴드 홀 실링부(130)는 
형상으로서, 중앙부가 오링 형상인 것이 바람직하다.
또한 상기 매니폴드 홀 실링부(130)은 
형상으로서 중앙부가 사각형 형상인 것도 가능하다.
상기 막전극접합체 실링부(131)는 막전극접합체(201)과 경계선에 위치되어 막전극접합체의 일부가 중간홈에 내삽된 형태로 일체화 된 형상으로서,
단면은 물방울의 모양 과 비슷한
형상으로 일단부에 홈이 형성되어 있으며, 홈의 내측 끝단부에 연결된 지점(C)는 두께가 가장 두꺼운 지점(B)와 막전극접합체에서 가스켓이 시작되는 지점(D)사이에 위치하고,
평면가스켓에서 시작되는 지점(A)과 두께가 가장 두꺼운 지점(B)까지의 두께가 급진적으로 증가하며,
두께가 가장 두꺼운 지점(B)와 막전극접합체와 평면가스켓과 만나는 지점(D)까지의 두께가 점차적으로 감소되는 형태이고,
막전극접합체와 평면가스켓과 만나는 지점(D)에서 두께가 가장 두꺼운 지점(B)까지의 거리가 평면가스켓에서 시작되는 지점(A)에서 두께가 가장 두꺼운 지점(B)까지의 거리보다 같거나 긴 형상임을 알 수 있다.
실험예
1. 가스켓 형상과 치수에 따른 압축응력 및 밀봉성능 비교
가스켓 형상과 치수에 따른 밀봉성능 조사를 위해 마크(MARC) 프로그램을 이용한 시에이이(CAE)해석과 재료 시험을 통한 설계 시뮬레이션을 실시하였다. 이 평가를 실시한 이유는 연료전지 스택에 매우 작은 형태의 가스켓이 다량 사용됨에 따라 가스켓 형상과 크기에 따라 실제 연료전지 스택 체결시 또는 가동시 분리판 및 MEA등 타 부품에 얼마만큼의 응력을 미치며, 또한 어느 정도의 압축 반발 탄성이 상대 부품에 전달되는지 알아내므로써 연료전지 스택 개발업체들이 시스템을 설계할 때 고무 가스켓의 특성을 미리 반영하고자 하였다.
가) 고무재료 압축특성시험
형상 및 크기에 따른 실링특성을 알아보고, 이를 설계해석 함으로써 향후 어떤 구조 및 핀치(pinch)의 분리판 구조에서 사용되더라도 해석결과를 응용할 수 있는 기초자료로 활용하고자 먼저 개발된 연료전지 가스켓용 재료에 대한 기초 압축특성을 시험하였다. 만능재료시험기를 이용하여 제작된 아령형 3호 시험편으로 스트레스-스트레인곡선(Stress-Strain Curve)를 확인한 다음 각 형상 및 치수에 따른 가스켓 형상대로 금형 제작하였다. 일반적으로 자동차용 및 산업용으로 오링형, 사각형, 종형의 가스켓이 많이 사용되며 제작방법이나 기밀 특성 등에 여러 장단점이 있지만 연료전지 분리판과 멤브레인의 특성에 부합되는 최적 형상을 알기 위해 3가지 형상과 3가지 두께에 대한 압축응력 시험용 금형을 제작하였다. (도10 및 도11 참조)
상기 형상대로 제작된 시험편을 만능재료시험기에서 일정거리 압축시험법을 이용하여 각 두께의 50%까지 압축시켰고, 압축속도는 분당 10mm로 하였다.(예.1mm 시험편은 0.5mm압축) 이렇게 각 형태별로 측정된 압축응력 특성(압축 stress/strain) 자료를 설계 해석용으로 많이 사용하는 마크(MARC) 해석프로그램에 입력하여 고무 압축특성을 검토하였다. MARC는 비선형 유한요소해석 프로그램으로써 열 또는 구조적인 하중에 의한 영구 대변형의 성능과 구조적인 통합을 가능하게 하며, 이 프로그램을 이용하여 할 수 있는 변형 형태 연구는 기하학적 비선형, 재질 비선형을 포함한다.
도12인 고무특성치를 시뮬레이션한 형상 및 두께별 압축특성 도표를 살펴보면, 고무 특성을 반영한 형상 및 두께별 설계해석 수행결과 형상별 응력분포가 다소 차이가 있는 것을 볼 수 있다. 응력이 한곳으로 집중되는 형상이 종형 형태로서 일정부분에 집중적으로 응력이 모이는 현상을 보여준다. 응력이 골고루 분산되면서 제품에 노화방지를 위한 완충영역을 가진 형태가 오링형 단면일 경우인데 이것은 압축 반발력이 전체 면적에 고루 퍼져있다는 것을 의미한다.
가스켓 두께를 1mm로 했을 때 분리판에 닿는 압축 force을 비교하였다. 도13인 1mm 두께의 각종 형태별 압축힘(Force) 실측치와 예측치 비교 그래프와 같이 실제 시험편으로 측정한 값과 마크(MARC) 해석프로그램으로 예측한 그래프가 동일한 형상일 경우 서로 유사한 특성을 나타내므로 본 발명에서 수행된 해석은 유효하다고 하겠다.
제품 모양별로 압축응력 차이는 0.06kgf/㎟으로 거의 차이가 없지만 압축힘의 차이가 약 2배 정도 발생하였다. 그 이유는 오링의 경우 점 접촉에 의한 것이므로 전체면적에 대한 압축힘이 적고, 사각 단면은 면 접촉에 의한 것으로 전체 면적에 대한 반발력이 높게 나타난 것을 알 수 있다. 연료전지 가스켓의 기밀특성을 높게 유지하기 위해서는 되도록 넓은 면적이 일정한 힘으로 밀봉 유지되는 것이 필요하므로 먼저 수행된 예측 data에서 나타난 것과 같이 오링형의 단면일 경우 밀봉성이 우수하고, 응력 집중현상이 적어 장기 내구성에 유리할 것으로 판단된다.
1mm 시험결과와 마찬가지로 1.5mm 가스켓을 이용한 시험결과(도14; 1.5mm 두께의 각종 형태별 압축힘(Force)실측치와 예측치 비교 그래피)에서도 압축 힘은 면접촉이 클수록 높아지는 것(사각형>오링형>종형)을 알 수 있으며, 실측치와 예측치 그래프가 큰 차이 없는 것으로 나타난다. 약간의 오차는 매우 얇은 두께의 시험편으로 측정된 실측치를 전제로 예측한 시험 결과이므로 실측치의 압축force에 다소 산포가 있는 것으로 볼 수 있다.
도15의 2mm 두께의 각종형태별 압축 (Force) 실측치와 예측치 비교 그래프(비교시험결과)에서도 실측치와 예측치가 비교적 잘 일치하는 모습을 볼 수 있으며 압축 force역시 앞의 실험자료와 동일한 경향을 나타낸다.
종형 가스켓의 경우 상대 부품이 스틸(steel)이나 알루미늄, 수지등 응력집중현상이 있어도 무방한 경우에는 효과적으로 실링(sealing) 특성을 나타낼 수 있 어 자동차용 가스켓으로 많이 사용되나 본 발명의 연료전지 가스켓 스택 내부와 같이 응력 집중에 의한 분리판 파괴 또는 멤브레인 열화 현상이 예상되는 경우 사각 단면 형상과 같이 응력이 균일하게 분포되는 것이 좋을 것으로 판단된다. 그리고, 가스켓 두께에 의한 응력분포는 두께가 두꺼워 질수록 압축 force가 커지는 현상을 볼 수 있다. 도16에 도시된 바와 같이, 얇은 두께의 사각 가스켓 압축힘(Force) 그래프에 나타난 바와 같이, 실측데이터와 예측데이터에서 확인한 결과 사각단면의 경우 30%정도의 압축에 의해 효과적인 밀봉 성능을 나타낼 것으로 추정되며, 시험편으로 측정된 스트레스-스트레인곡선(Stress-Strain Curve)과 초기 특성치를 입력하여 해석프로그램으로 예측한 스트레스-스트레인곡선(Stress-Strain Curve)을 비교 함으로써, 본 발명에서 수행한 예측방법이 실제 데이터와 부합된다는 것을 확인하였다. MARC 해석 결과와 실측치의 압축 force가 거의 동일한 경향을 나타내므로 향후 새로운 두께의 가스켓 설계시 미리 분리판에 가해질 압축응력을 계산해 낼 수 있을 것으로 판단된다. (도17 얇은 두께의 오링형 가스켓 압축힘(Force) 그래프 참조)
연료전지 스택 내부에 막전극접합체와 분리판 사이에 공간을 효과적으로 밀봉하기 위해 약 25 ~ 30%의 압축율을 가질 수 있도록 연료전지 가스켓을 제작하기 위해서는 일반적으로 가스켓 두께는 약 0.5mm(50마이크로미터)이하를 유지해야 한다.
일반적으로 고무제품을 성형할 수 있는 최소 두께는 0.2mm이며, 이보다 더 얇아져야 할 경우에는 고무성형장비(금형)로 제작이 곤란하다. 고무 금형의 경우 재료가 성형틀(금형성형부)내부에 일정량 채워지게 된 후 남은 량은 오버플로우(Overflow)라는 외부 그루브(groove)를 통해 빠져나가게 되고, 성형시간동안 경화되는데, 이것을 버(Burr)라고 통칭한다.
가공가능한 성형부와 버(Burr) 간격의 단차부위 최소 두께는 0.2mm정도이다. 그러나 성형금형 가공시 이러한 버(Burr)두께보다 제품 두께가 얇아지게 되면 제품 가공후 트리밍(trimming) 작업이 불가능하게 되어 제품 형상 정밀도가 떨어지기 때문에 0.2mm이상을 유지하는 것이 좋다.
연료전지용 가스확산층(GDL)+전극(ELECTRODE)두께에 따라 가스켓 두께가 결정되는 것이 일반적인데 최적 압축량을 고려하여 가스켓 두께를 결정해야 하며, 보통 전극 두께는 고무 성형 버(Burr) 단차의 최소 두께인 0.2~0.3mm정도가 된다.
그래서 전극두께에서 약 30%의 압축율을 고려하여 가스켓을 설계할 때 복합재질의 가스켓(3-layer gasket) 제조시 형상을 지지해 주는 경질부분의 두께가 0.1mm라고 가정했을 때 양쪽으로 접착 성형되어야 하는 고무 두께는 0.2mm이하가 되어야 한다. 거기에다 가스켓 폭이 1mm이하일 경우 가스켓 전체 형상은 매우 성형하기가 어려운 조건이 된다.
도18은 스택 체결 전 후의 고형가스켓(solid gasket)의 치수 및 형상을 나타낸 그래피와 같이 고형가스켓(Solid gasket)보다 복합재질의 가스켓(3-layer gasket)일 경우 가스켓 개별구조가 복잡하며 매우 얇은 형태가 되므로 성형하기가 매우 어렵고, 성형된다 하더라도 버(Burr)제거하기가 매우 어려웠다. 성형방법은 먼저 SUS(서스)판 양쪽으로 성형전 고무재료를 감싼 다음 금형에 투입하여 일정 온도와 압력을 가하여 일체 성형하는 순서를 이용하여 비교자료로 참고하였다.
상기와 같은 본 발명은 막전극접합체와 가스켓을 일체화하여, 반응 가스의 외부 누출 및 교차누설이 없도록 함과 동시에, 막전극접합체의 가장자리 실링부가 일정한 구배형상을 가지고 연결됨을 통해 막전극접합체에 과도한 응력집중을 방지하여 막전극접합체의 테두리 및 막전극접합체 내부가 파손되지 않으며, 안정적인 성능을 내도록 하였고,
연료전지 체결시 과도한 체결압에 의해 막전극접합체가 설정된 체결 목표두께보다 더 압축되는 것을 방지하기 위하여 일정한 강성을 갖는 지지체가 삽입된 가스켓을 막전극접합체에 성형하여 신뢰성 있는 연료전지를 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.
Claims (9)
- 고분자 전해질막과 그 양쪽면에 각각 형성되는 산화전극과 환원전극 및 가스확산층을 포함하는 막전극접합체와 가스켓이 함께 형성된 가스켓 일체형 막전극접합체에 있어서,상기 가스켓 일체형 막전극접합체(200)는 1mm 이하의 두께를 갖는 막전극접합체(201)와, 상기 막전극접합체(201) 주변에 반응가스 혹은 냉각매체가 각 단위전지에 전달되는 다수의 매니폴드 홀(120)이 일체형으로 구비된 가스켓(202)이 구성되어 있으며,상기 가스켓(202)은 일정한 두께를 가지는 평면 가스켓(132)과, 상기 평면가스켓(132)의 일측에 위치되어 다수개의 매니폴드 홀(120)의 테두리에 위치되어 누설을 방지하는 매니폴드 홀 실링부(130)와, 막전극접합체(201)와 경계선에 위치되어 막전극접합체의 일부가 중간 홈에 내삽된 형태로 일체화 되어 반응 가스 및 냉각매체의 교차누설(cross leak)및 외부 누설을 방지하는 막전극접합체 실링부(131)가 일체형으로 구성되어 있음을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 막전극접합체 실링부(131)는 막전극접합체(201)과 경계선에 위치되어 막전극접합체의 일부가 중간홈에 내삽된 형태로 일체화 된 형상으로서,단면은 물방울의 모양과 비슷한형상으로 일단부에 홈이 형성되어 있으며, 홈의 내측 끝단부에 연결된 지점(C)은 두께가 가장 두꺼운 지점(B)과 막전극접합체와 평면가스켓과 만나는 지점(D) 사이에 위치하고,
평면가스켓에서 시작되는 지점(A)과 두께가 가장 두꺼운 지점(B)까지의 두께가 급진적으로 증가하며,두께가 가장 두꺼운 지점(B)와 막전극접합체와 평면가스켓과 만나는 지점(D) 까지의 두께가 점차적으로 감소되는 형태이고,막전극접합체와 평면가스켓과 만나는 지점(D)에서 두께가 가장 두꺼운 지점(B) 까지의 거리가 평면가스켓에서 시작되는 지점(A)에서 두께가 가장 두꺼운 지점(B)까지의 거리보다 같거나 긴 형상임을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체. - 청구항 1에 있어서, 상기 매니폴드 홀 실링부(130)는형상으로서, 중앙부가 오링 형상임을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 매니폴드 홀 실링부(130)는형상으로서, 중앙부가 사각형 형상임을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 평면가스켓(132)은 중심에 변형률이 없는 지지체(300)를 삽입함을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 평면측 가스켓(132)은 상기 매니폴드 실링부 가스켓(130) 및 막전극접합체 실링부 가스켓(131)과 경도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체.
- 청구항 6에 있어서, 상기 평면측 가스켓(132)의 쇼아경도는 60~80의 범위임을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체.
- 청구항 6에 있어서, 상기 매니폴드 실링부 가스켓(130) 및 막전극접합체 실링부 가스켓(131)의 쇼아경도는 40~70의 범위임을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체.
- 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체의 제조방법에 있어서,판상이며 중앙부에 형성된 막전극접합체(201)를 중심으로 그 주변에 형성되며 반응가스 혹은 냉각매체가 각 단위전지에 전달되는 다수의 매니폴드 홀(120)이 형성된 가스켓(202)을 막전극접합체와 일체형으로 제조하기 위하여,막전극접합체를 진공흡착장치를 이용하여 진공빨판으로 빨아들여 고정시킨 다음, 오토로더쪽으로 이동하여 진공흡착장치를 조작하여 예비 가스켓일체형 막전극접합체를 이동시킨 다음, 예비 가스켓일체형 막전극접합체가 안치된 오토로다의 이송을 위해 하부에 프레스 하측 형판의 이송을 위해 하측형판을 체결하고, 사출장치로 이송하여, 사출장치의 금형내로 예비 가스켓일체형 막전극접합체가 안치된 오토로다를 이송함과 동시에 하측형판을 분리한 다음, 예비 가스켓일체형 막전극접합체의 테두리의 실링부에 합성고무조성물을 사출한 후에, 다시 하측 형판을 체결하여 프레스장치로 이송하여 프레스장치내로 사출성형된 예비 가스켓일체형 막전극접합체가 안치된 오토로다를 프레스장치로 이송한 다음, 하측형판을 분리한 후, 프레스장치로 90~150℃ 온도에서, 50~300초, 형상압력 50~150kgf/cm2 으로 성형을 완료한 다음, 프레스장치에 성형 완료된 가스켓 일체형 막전극접합체가 안치된 오토로더에서 진공흡착장치를 이용하여 포장공정으로 이동하여 제조함을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070062108A KR100838117B1 (ko) | 2007-06-25 | 2007-06-25 | 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체와그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070062108A KR100838117B1 (ko) | 2007-06-25 | 2007-06-25 | 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체와그 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR100838117B1 true KR100838117B1 (ko) | 2008-06-13 |
Family
ID=39771274
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020070062108A KR100838117B1 (ko) | 2007-06-25 | 2007-06-25 | 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체와그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100838117B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011056180A1 (en) * | 2009-11-09 | 2011-05-12 | Utc Power Corporation | Fuel cell sealing configuration |
| WO2018056569A1 (ko) * | 2016-09-26 | 2018-03-29 | 베너게이트 주식회사 | 셀-가스켓 복합체와 그 형성 방법 및 상기 셀-가스켓 복합체를 포함하는 레독스 흐름 전지 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6423439B1 (en) | 1997-07-16 | 2002-07-23 | Ballard Power Systems Inc. | Membrane electrode assembly for an electrochemical fuel cell |
| US6716550B1 (en) | 2002-12-20 | 2004-04-06 | Ballard Power Systems Inc. | Sealing membrane electrode assemblies for electrochemical fuel cells |
| KR100746881B1 (ko) | 2006-01-19 | 2007-08-07 | 한국에너지기술연구원 | 지지체 삽입형 가스켓 및 그 가스켓을 일체로 갖는막전극복합체 |
| KR100805458B1 (ko) | 2006-12-11 | 2008-02-20 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체 |
| KR20080025659A (ko) * | 2005-07-15 | 2008-03-21 | 엔오케이 가부시키가이샤 | 연료전지용 시일 구조체 및 그 제조방법 |
| KR100820567B1 (ko) | 2007-04-26 | 2008-04-08 | 현대하이스코 주식회사 | 연료전지용 가스켓 및 이를 구비하는 연료전지 |
-
2007
- 2007-06-25 KR KR1020070062108A patent/KR100838117B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6423439B1 (en) | 1997-07-16 | 2002-07-23 | Ballard Power Systems Inc. | Membrane electrode assembly for an electrochemical fuel cell |
| US6716550B1 (en) | 2002-12-20 | 2004-04-06 | Ballard Power Systems Inc. | Sealing membrane electrode assemblies for electrochemical fuel cells |
| KR20080025659A (ko) * | 2005-07-15 | 2008-03-21 | 엔오케이 가부시키가이샤 | 연료전지용 시일 구조체 및 그 제조방법 |
| KR100746881B1 (ko) | 2006-01-19 | 2007-08-07 | 한국에너지기술연구원 | 지지체 삽입형 가스켓 및 그 가스켓을 일체로 갖는막전극복합체 |
| KR100805458B1 (ko) | 2006-12-11 | 2008-02-20 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 다중 기밀 구조 가스켓 일체형 막-전극 접합체 |
| KR100820567B1 (ko) | 2007-04-26 | 2008-04-08 | 현대하이스코 주식회사 | 연료전지용 가스켓 및 이를 구비하는 연료전지 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011056180A1 (en) * | 2009-11-09 | 2011-05-12 | Utc Power Corporation | Fuel cell sealing configuration |
| WO2018056569A1 (ko) * | 2016-09-26 | 2018-03-29 | 베너게이트 주식회사 | 셀-가스켓 복합체와 그 형성 방법 및 상기 셀-가스켓 복합체를 포함하는 레독스 흐름 전지 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6649097B2 (en) | Method of making a gasket for layer-built fuel cells | |
| US9640807B2 (en) | Integrated fluorine gasket manufactured by injection molding for hydrogen fuel cells | |
| US8679702B2 (en) | Fuel cell module and manufacturing method thereof | |
| US9437883B2 (en) | Manufacturing method of fuel cell module and manufacturing method of fuel cell | |
| US8197990B2 (en) | Sealant integrated fuel cell components and methods and systems for producing the same | |
| US7226684B2 (en) | Sealing arrangement for fuel cells | |
| CA2355700C (en) | Gasket | |
| US9017901B2 (en) | Manufacturing method of cell assembly for fuel cell and manufacturing method of fuel cell | |
| US8974982B2 (en) | Fuel cell, fuel cell stack, and method for manufacturing fuel cell | |
| CA2641642C (en) | Gas diffusion unit for a fuel cell | |
| WO2007032267A1 (ja) | 燃料電池用構成部材のガスケット一体成型方法及びその成型装置 | |
| KR100838117B1 (ko) | 고분자 전해질형 연료전지의 가스켓 일체형 막전극접합체와그 제조방법 | |
| CN112002923A (zh) | 燃料电池模块型边框膜 | |
| JP4543267B2 (ja) | 燃料電池用硬化性組成物 | |
| KR101795898B1 (ko) | 연료 전지용 세퍼레이터의 시일의 보호 | |
| CN112086660B (zh) | 燃料电池模块型边框膜的制造方法 | |
| CN213278137U (zh) | 燃料电池膜电极组件 | |
| KR100902867B1 (ko) | 연료전지 스택용 개스킷의 결합구조 및 제조방법 | |
| KR101470143B1 (ko) | 연료전지 스택용 가스켓 장치 | |
| CN212874553U (zh) | 燃料电池模块型边框膜 | |
| JP5097243B2 (ja) | 燃料電池モジュールの製造方法 | |
| KR100488878B1 (ko) | 고성능 액상가스켓 조성물 및 이를 이용한 연료전지용가스켓 | |
| JP2004043745A (ja) | フッ素ゴム組成物 | |
| KR20120030744A (ko) | 연료전지용 가스켓 일체형 분리판과 그 제조방법 |
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: 20130412 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20140409 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20150601 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160609 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170609 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180504 Year of fee payment: 11 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190503 Year of fee payment: 12 |