KR100957305B1 - 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그 - Google Patents

5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그 Download PDF

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Abstract

본 발명은 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속판이 히팅 플레이트에 일체로 형성되어 다수의 5-레이어 멤브레인 제작시 매번 금속판의 온도를 정상상태까지 재가열하는 번거로움이 줄어들고, MEA가 하부가이드와 일정 간격을 유지한채로 외부가이드에 장착되어 금속판에 의해 건조, 수축 및 변형되는 것이 방지되며, 하부가이드 및 상판지지대는 각각 스프링에 의해 탄성지지되어 외부가이드가 GDL압축으로 인한 두께변화를 실시간으로 능동 대처함으로써, MEA의 꺽임현상을 방지되는 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그에 관한 것이다.
MEA, GDL, 멤브레인, 레이어, 가이드, 금속판, 스프링, 히팅 플레이트

Description

5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그{Heat pressure-type jig for manufacturing 5-layer membrane}
본 발명은 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그에 관한 것으로서, 별도의 외부가이드를 설치하여 이온교환막어셈블리(MEA)가 히팅 플레이트와 분리되고, 금속판이 히팅 플레이트에 일체로 결합되어 금속판의 온도가 일정기간 유지되며, 스프링 구조를 도입하여 가스확산층의 두께에 따른 외부가이드의 위치 조절이 능동적으로 이루어지는 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지에서 공급가스(수소, 공기)를 반응시키는 전극촉매와 수소이온을 전달시켜주는 전해질막을 이온교환막어셈블리(Membrane Electrode Assembly;MEA, 이하 "MEA"라 칭한다.)라 한다.
또한, 분리판 유로에서 공급된 가스를 균일하게 분산시켜주고 반응가스의 전기화학반응으로 생성된 물을 효과적으로 배출시켜주는 역할을 하는 가스확산층(Gas Diffusion Layer:GDL, 이하 "GDL"이라 칭한다. )이 존재한다.
이러한 MEA와 GDL, 분리판이 차례로 적층되어서 연료전지 스택을 구성하게된다. 이때, MEA와 GDL을 결합시켜 모듈화 하면 스택의 생산성이 증가하게 된다.
이하 첨부도면을 참조하여 5-레이어 멤브레인 및 이를 제작하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 5-레이어 멤브레인의 개시도이고, 도 2a 및 도 2b는 5-레이어 멤브레인의 제작시 주의점을 나타낸 도면이다.
흔히, MEA(130)는 수소 전극촉매(110), 고체전해질막(100), 공기 전극촉매(120)로 이루어져서 "3-레이어"로 명명하며, 도 1에서 도시한 바와 같이, 양쪽 전극에 GDL(140)이 각각 1장씩 붙게 되는데, 제조시 작업편의성을 위해서 MEA(130)와 GDL(140) 2장을 결합하여 하나의 제품으로 제조하고 이를 "5-레이어 MEA(90)"라 칭한다.
상기 5-레이어 MEA(90)를 만들기 위해서는 구성품을 순서대로 적층한후 위치를 맞추어 일정시간동안 일정한 온도와 압력으로 힘을 가하여 접합시킨다.
상기 온도와 압력은 제품의 특성에 따라 변하게 되며, 필요에 의해서 접합을 위한 각종 첨가제를 넣기도 한다.
또한, 5-레이어 MEA(90)의 제조를 위해서는 온도와 압력을 조절할수 있는 핫프레스(Hot Press)와 정확한 위치에 구성품을 위치시킬수 있는 결합용 지그가 필요하다.
상기 5-레이어 MEA(90)의 구성품을 적층하기 위해서는 GDL(140)-MEA(130)- GDL(140)의 순으로 구성품을 차례로 놓고 가열된 핫플레이트(Hot Plate)로 양쪽 GDL부분에 압력을 균일하게 가해야 한다.
여기서, 주의해야 할 점은 도 2a에서 도시한 바와 같이, 양쪽 GDL(140)이 결합시 MEA(130)의 촉매부(110, 120)를 완전히 덮고, 양쪽 GDL(140) 위치가 정확히 일치하여하 한다는 점이다.
만약, 도 2b에서 도시한 바와 같이, GDL(140)이 전극촉매(110, 120)를 다 덮지 못할경우 촉매에 충분이 가스를 전달하지 못하여 연료전지의 성능이 감소하고, GDL(140)이 분리판 외각으로 나오게 되면 연료전지제조 자체가 불가능하게 된다.
또한, 양쪽 GDL(140)의 위치가 일치하지 못하면 연료전지 제조시 힘의 불균형이 발생하여 연료전지의 성능이 저하하게 된다.
이러한 열 가압형 지그와 관련하여, 일본특개 제2000-208140호에는 평행하게 배치된 가열형 가압본체의 사이에 전극부재의 적층제를 삽입하고 가열, 가압하는 지그가 개시되어 있다.
또한, 미국특허 제6,613,470호에는 전체적인 가열, 가압에 의해 MEA를 제조하기 전에, 부분적으로 미리 가열, 가압하여 가고정상태를 유지시키는 지그가 개시되어 있다.
이하 첨부 도면을 참조하여 종래 5-레이어 MEA 제작을 위한 열 가압형 지그를 설명하기로 한다.
첨부한 도 3은 종래 5-레이어 MEA 제작을 위한 열 가압형 지그의 개시도이다.
도 3에서 도시한 바와 같이, 메인바디(150) 중앙 공간에 금속하판(160)이 결합하고, 금속하판(160)의 상부에 하층GDL(170)이 삽입되며, 하층GDL 상부에 MEA(130)가 적층된다.
또한, 상기 적층된 MEA(130) 상부에 GDL가이드(190)가 장착되고, 그 위에 상층GDL(200)이 삽입되면 금속상판(210)을 덮은후, 핫프레스(미도시)로 온도와 압력을 가하여 5-레이어 MEA를 제작한다.
여기서, 핫프레스의 핫플레이트부(미도시)와 금속상하판(160, 210)은 멀리 떨어져 있어서 온도유지가 어려우며, 금속상하판이 원하는 온도에 이르는데 과다한 시간이 소요되는 문제점이 있었다.
또한, 뜨거워진 금속하판(160) 위에 고분자 MEA(130)를 접한 상태로 올려놓게 되어 MEA가 수분증발에 의해 주름진 모양이 형성됨으로써, 접합성, MEA의 물성치 및 치수 안정성이 저하되는 문제점이 있다.
덧붙여, 지그의 가압시 GDL(170, 200)이 압축되면서 GDL 외곽부와 맞닿는 MEA부위가 아래로 꺾여 들어가 물리적 파손의 위험이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 기존의 지그 구조를 개선하여 5-레이어 멤브레인의 제작이 효율적으로 이루어지고, 특히 금속판이 히팅 플레이트에 일체로 형성되어 다수의 5-레이어 멤브레인 제작시 매번 금속판의 온도를 정상상태까지 재가열하는 번거로움이 줄어들며, MEA가 하부가이드와 일정 간격을 유지한채로 외부가이드에 장착되어 금속판에 의해 건조, 수축 및 변형되는 것이 방지되는 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은
하부 히팅 플레이트 상면에 설치되어 하부 가스확산층(GDL)을 지지하는 금속하판과;
상기 금속하판의 양쪽에 설치되어 하부 가스확산층을 정위치로 안내하는 하부가이드와;
상기 하부가이드 하부에서 하부가이드를 탄성지지하는 가이드스프링과;
상기 하부가이드의 상부에 장착되어 이온교환막어셈블리(MEA) 및 상부 가스확산층을 고정시키는 외부가이드와;
상부 히팅 플레이트의 하면에 장착되어 프레스 하강에 의해 상부 가스확산층을 가압하는 금속상판과;
상기 금속상판의 양측에 설치되어 프레스의 하강시 상기 외부가이드와 접하는 상판지지대;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상판지지대는 상판스프링에 의해 탄성지지되는 것을 특징으로 한 다.
덧붙여, 상기 가이드스프링과 하부 히팅 플레이트 사이에 단열재가 적층되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 외부가이드의 하부에는 돌출부가 형성되고, 상기 하부가이드의 상부에는 상기 돌출부에 대응하는 삽입홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이 본 발명에 따른 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그는 다음과 같은 효과를 제공한다.
우선, 금속판이 히팅 플레이트에 일체로 형성되어 다수의 5-레이어 멤브레인 제작시 매번 금속판의 온도를 정상상태까지 재가열하는 번거로움이 줄어들고,
또한, MEA가 하부가이드와 일정 간격을 유지한채로 외부가이드에 장착되어 금속판에 의해 건조, 수축 및 변형되는 것이 방지되고,
덧붙여, 하부가이드 및 상판지지대는 각각 스프링에 의해 탄성지지되어 외부가이드가 GDL압축으로 인한 두께변화를 실시간으로 능동 대처함으로써, MEA의 꺽임현상을 방지하고,
더욱이, 신차종 개발에 의해 MEA 및 GDL의 면적 변화시 지그만을 신규 제작하여 교체함으로써, 프레스의 교체없이 저비용으로 5-레이어 멤브레인 제작할 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그의 개시도이다.
도 4에서 도시한 바와 같이, 하부 가스확산층(170)(Gas Diffusion Layer:GDL, 이하 "GDL"이라 칭한다.)이 적층된 금속하판(210)의 양쪽에 가이드스프링(220)으로 지지되는 하부가이드(230)가 설치되고, 하부가이드(230)의 상부에는 이온교환막어셈블리(Membrane Electrode Assembly;MEA, 이하 "MEA"라 칭한다.) 및 상부GDL(200)을 고정하는 외부가이드(270)가 설치되며, 외부가이드(270)의 상부에는 프레스(360)의 하강에 의해 외부가이드(270) 및 상부GDL(200)을 각각 가압하는 상판지지대(310) 및 금속상판(300)이 설치된다.
상기 금속하판(210)은 하부 히팅 플레이트(250)의 상부에 일체로 형성되어 하부 히팅 플레이트(250)에서 발생하는 열을 금속하판(210)의 상부에 적층된 하부GDL(170)에 전달한다.
상기 하부가이드(230)는 금속하판(210)의 양측에 밀접한 상태로 장착되어, 하부GDL(170)이 금속하판(210)의 상면에 적층시 하부GDL(170)이 정확한 지점에 위치하도록 안내하는 역할을 제공한다.
이때, 양쪽 하부가이드(230) 사이의 거리는 하부GDL(170)의 길이만큼 유지되고, 하부가이드(230)이 높이는 금속하판(210)보다 돌출되어 하부GDL(170)이 양쪽 하부가이드(230) 사이에 안착되도록 한다.
또한, 하부가이드(230)의 하부에 가이드스프링(220)이 장착되어 금속상판(300) 및 상판지지대(310)의 가압시 하부가이드(230)가 수축하고, 하부가이드(230)의 양측에 가이드지지부(240)가 설치되어 하부가이드(230)의 수축시 하부가이드(230)가 바깥쪽으로 이탈되지 않도록 한다.
여기서, 상기 가이드스프링(220) 및 가이드지지부(240)의 하부에는 단열재(260)가 적층되어 하부 히팅 플레이트(250)의 열이 가이드스프링(220) 및 가이드지지부(240)에 직접 전달되지 않도록 한다.
상기 외부가이드(270)는 양쪽 하부가이드(230)의 상부에 장착되고, MEA(130)를 가이드하는 삽입부(271)와, 삽입부 상면에 장착되어 상부GDL(200)을 가이드하는 안내부(272)로 이루어진다.
이때, 상기 삽입부(271) 사이의 거리는 MEA(130)의 길이만큼 유지되고, 상기 안내부(272) 사이의 거리는 상부GDL(200)의 길이(하부GDL(170)의 길이와 동일)만큼 유지된다.
그리고, 상기 외부가이드(270)의 하부는 돌출부(280)가 형성되고, 하부가이드(230)의 상부는 돌출부(280)의 위치 및 크기에 대응하는 삽입홈(290)이 형성되어, 외부가이드(270)가 하부가이드(230)의 정확한 위치에 장착됨로써, 하부GDL(170)이 MEA(130)의 전극촉매를 완전히 덮을 수 있게 된다.
이렇게 상기 MEA(130) 및 상부GDL(200)은 외부가이드(270)에 별도로 장착되어 프레스(360)의 작동전에는 금속하판(210)과 이격된 상태를 유지함으로써, MEA(130)가 가열된 금속하판(210)에 의해 건조 및 변형되는 것이 방지된다.
상기 금속상판(300)은 상부 히팅 플레이트(340)의 하부 중앙에 장착되어 프레스(360)의 작동시 하강함으로써, 외부가이드(270)에 적층된 MEA(130) 및 하부GDL(170)을 가압하게 된다.
이때, 상기 금속하판(210) 및 금속상판(300)의 크기는 상부GDL(200) 및 하부GDL(170)의 크기와 동일하게 제작되어, 금속상하판(210, 300)의 가압이 상하부GDL(170, 200))의 전면에 고르게 미치게 된다.
또한, 상기 금속상판(300)의 양측에는 내부에 일정공간(350)이 형성된 고정체(330)가 장착되고, 고정체(330)의 내부공간(350)에 상판지지대(310)의 일측이 삽입 장착되어 상판지지대(310)가 상하로 이동가능해진다.
여기서, 상기 상판지지대(310)와 고정체(330) 사이에는 상판스프링(320)이 장착되어 상판지지대(310)가 외부가이드(270)를 가압하는 경우 상판지지대(310)를 탄성 지지하게 된다.
이하 첨부 도면을 참조하여 상기 구성으로 이루어진 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그의 작동과정을 설명하기로 한다.
첨부한 도 5는 본 발명에 따른 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그의 작동도이다.
우선, 금속하판(210)의 상면에 하부GDL(170)을 장착하고, MEA(130) 및 상부GDL(200)이 적층되어 있는 상기 외부가이드(270)를 하부가이드(230)의 삽입홈(290)에 맞추어 설치한다.
이후, 도 5에서 도시한 바와 같이, 프레스(360)의 상부에 설치된 로드 셀(370)의 설정압력에 따른 프레스(360)의 작동에 의해 상부 히팅 플레이트(340)는 하강하고, 이에 따라 상부 히팅 플레이트(340)의 하부 양측에 장착된 상판지지대(310)는 외부가이드(270)를 가압하게 된다.
다음으로, 상부 히팅 플레이트(340)가 더욱 하강하여 도 5에서 도시한 바와 같이, 하부가이드(230)를 탄성지지하는 가이드스프링(220)이 수축함으로써 MEA(130)가 하부GDL(170)에 접하게 되고, 상판지지대(310)를 탄성지지하는 상판스프링(320)이 수축함으로써 금속상판(300)이 상부GDL(200)에 접하게 된다.
이때, 상하부GDL(170, 200)이 압축되면서 발생하는 두께변화에 따라 상기 외부가이드(270)는 가이드스프링(220) 및 상판스프링(320)의 수축 및 복원에 의해 이동함으로써, 외부가이드(270)에 삽입된 MEA(130)가 구부러지지 않도록 한다.
이후, 상부GDL(200), MEA(130), 하부GDL(170)순으로 적층된 5-레이어 멤브레인은 상하부 히팅 플레이트(250)로부터 열을 공급받은 금속상판(300) 및 금속하판(210)에 의해 일정시간 가열 및 가압됨으로써, 각층의 접합이 이루어진다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 5-레이어 멤브레인의 개시도,
도 2a 및 도 2b는 5-레이어 멤브레인의 제작시 주의점을 나타낸 도면,
도 3은 종래 5-레이어 MEA 제작을 위한 열 가압형 지그의 개시도,
도 4는 본 발명에 따른 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그의 개시도,
도 5는 본 발명에 따른 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그의 작동도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
130 : MEA 200 : GDL
210 : 금속하판 220 : 가이드스프링
230 : 하부가이드 260 : 단열재
270 : 외부가이드 300 : 금속상판

Claims (4)

  1. 하부 히팅 플레이트 상면에 설치되고, 하부 가스확산층(GDL)이 적층되는 금속하판과;
    상기 금속하판의 양쪽에 설치되어 하부 가스확산층을 정위치로 안내하는 하부가이드와;
    상기 하부가이드 하부에서 하부가이드를 탄성지지하는 가이드스프링과;
    상기 하부가이드의 상부에 장착되어 이온교환막어셈블리(MEA) 및 상부 가스확산층을 고정시키는 외부가이드와;
    상부 히팅 플레이트의 하면에 장착되어 프레스 하강에 의해 상부 가스확산층을 가압하는 금속상판과;
    상기 금속상판의 양측에 설치되어 프레스의 하강시 상기 외부가이드와 접하는 상판지지대;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 상판지지대는 상판스프링에 의해 탄성지지되는 것을 특징으로 하는 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 가이드스프링과 하부 히팅 플레이트 사이에 단열재가 적층되는 것을 특징으로 하는 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 외부가이드의 하부에는 돌출부가 형성되고, 상기 하부가이드의 상부에는 상기 돌출부에 대응하는 삽입홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 5-레이어 멤브레인 제작을 위한 열 가압형 지그.
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