KR101049595B1 - 막전극 접합체 - Google Patents

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요셉 제이. 헤이스텍
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엔오케이 가부시키가이샤
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Abstract

제작성이 우수한 막전극 접합체를 제공한다.
연료전지에 사용되는 막전극 접합체(MEA)에 있어서, 결합부를 갖춘 일체형 밀봉부를 가진 가스확산층을 구비한다. 가스확산층의 결합부는, 가스확산층의 일체형 밀봉부가 가스확산층을 결합함으로써, 2개의 가스확산층 사이의 촉매 피복막을 갖추어 구성되는 MEA를 완성한다.

Description

막전극 접합체 {MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 연료전지 개스켓(gasket), 보다 상세하게는 결합부를 갖춘 일체형 밀봉부가 설치된 연료전지의 가스확산층에 관한 것이다.
본 항의 기재는 단순히 본 개시에 관련한 배경정보를 제공하는 것으로, 선행기술을 구성하는 것은 아니다.
고체고분자형(PEM) 연료전지는 주지이다. PEM 연료전지는, 수소원자가 애노드에 있어서 이온화되고, 수소 양이온[프로톤(proton)]으로서 특수막을 통과하며, 캐소드에서 수소 음이온과 결합하여 물을 생성한다. 수소로부터의 전자는 외부회로를 매개로 애노드로부터 캐소드로 흐르고, 이로써 이용가능한 전기를 만들어낸다.
연료전지 어셈블리는, 적층되어 직렬접속된 복수의 연료전지로 구성된다. 개개의 연료전지는 각각, 일반적으로는 특수막을 갖고 그 양측에 가스확산층을 갖춘 막전극 접합체(membrane electrode assembly: MEA)를 구비한다. MEA는 표면에 가스유로가 형성된 바이폴라 플레이트에 끼워 넣어져 있다. 개개의 연료전지는 각 각, 반응가스 및 쿠란트(Courant)의 누설을 방지하기 위해, 바깥 테두리 전체 및 모든 개구부의 둘레에 따라 밀봉부 또는 개스켓을 필요로 한다. 분리한 다이컷(die cut) 또는 몰드 고무 개스켓을 이용하는 것이 알려져 있고, 연료전지 스택(stack)의 조립 시에 바이폴라 플레이트 사이에 부착된다. 그러나, 밀봉되는 개구부에 대해 개스켓을 정확히 위치결정하는 것에 관해서는, 심각한 문제가 존재한다. 위치어긋남을 발생시킨 개스켓은, 누설이나 적층불량뿐만 아니라 바이폴라 플레이트의 손상도 일으킨다. 더욱이 분리한 개스켓을 이용함으로써, 스택 조립의 전 공정기간이 현저히 증대된다.
본 발명은 상기의 종래기술의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 제작성이 우수한 막전극 접합체를 제공하는 것에 있다.
본 개시는, 가스확산층에 일체성형되고 또한 결합부를 갖춘 밀봉부를 가진 MEA를 제공한다. 일체성형된 밀봉부를 가진 한쌍의 가스확산층은 결합부와 촉매피복막을 개재시켜 서로 결합되어 MEA를 이룬다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서의 막전극 접합체는,
한쌍의 바이폴라 플레이트가 적층방향의 양면에 결합됨으로써 연료전지셀을 형성하는 막전극 접합체에 있어서,
상기 한쌍의 바이폴라 플레이트 중 한쪽의 바이폴라 플레이트가 결합되는 가스확산층으로서, 그 바이폴라 플레이트와의 접합면에서의 주연부에 따라 그 바이폴라 플레이트에 밀착하는 밀봉비드를 가진 제1밀봉부가 주연부를 둘러싸도록 일체성형된 제1가스확산층과,
다른쪽의 바이폴라 플레이트가 결합되는 가스확산층으로서, 그 바이폴라 플레이트와의 접합면에서의 주연부에 따라 그 바이폴라 플레이트에 밀착하는 밀봉비드를 가진 제2밀봉부가 주연부를 둘러싸도록 일체성형된 제2가스확산층 및,
상기 제1가스확산층과 상기 제2가스확산층 사이에 배치되는 촉매피복막을 구비하되,
상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부가 서로 결합가능한 결합부를 가지고 있고,
상기 제1밀봉부와 상기 제2밀봉부가 상기 촉매피복막의 주연부를 사이에 끼워 넣음과 더불어 상기 결합부에 의해 서로 결합됨으로써, 상기 제1가스확산층과 상기 제2가스확산층이 상기 촉매피복막의 양면에 접합되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 바이폴라 플레이트와의 접합면을 밀봉하는 밀봉부에 대해, 각 가스확산층에 각각 일체성형한 밀봉부가 서로 결합가능한 분리된 구성으로 함으로써, 촉매피복막에 직접 일체성형하는 일없이 밀봉부를 형성할 수 있다. 따라서, 밀봉부의 일체성형 시에서의 촉매피복막의 변형 등에 의한 성형불량의 발생 등을 억제할 수 있다. 또, 밀봉부에 의해 주연부가 사이에 끼워 넣어짐으로써 촉매피복막이 위치결정되어 촉매피복막의 위치어긋남을 억제할 수 있다. 더욱이, 촉매피복막과 가스확산층 사이를 별도 접착 등 할 필요가 없게 되어, 제작비용의 삭감을 도모할 수 있다.
또, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서의 막전극 접합체는,
연료전지로 사용되는 막전극 접합체로서,
주위를 둘러싸도록 연장되는 제1밀봉부를 가진 제1가스확산층과,
주위를 둘러싸도록 연장되는 제2밀봉부를 가진 제2가스확산층 및,
상기 제1가스확산층 및 상기 제2가스확산층 사이에 배치되는 촉매피복막을 구비하되,
상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부가 서로를 맞물리게 하기 위한 일체성형된 결합부를 가진 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 결합부에 의해 제1밀봉부와 제2밀봉부가 서로 맞물리게 됨으로써, 제1가스확산층과 제2가스확산층이 촉매피복막을 사이에 두고 결합된다. 따라서, 촉매피복막에 밀봉부를 직접 일체성형하는 일없이 막전극 접합체에 밀봉부를 일체성형할 수 있고, 또 가스확산층과 촉매피복막 사이를 별도 접착 등 할 필요가 없게 된다. 이와 같이, 제1밀봉부와 제2밀봉부에서의 결합부의 맞물림에 의해 막전극 접합체를 용이하게 형성할 수 있으므로, 막전극 접합체의 제작성이 향상된다.
상기 결합부는, 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부의 각각에 갈고리모양 테두리부를 갖춘 것으로서 좋고, 이 경우 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부는 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부의 자유 테두리부가 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부 중 대향하는 것에서의 대응하는 갈고리모양 테두리부에 끼워 넣어짐으로써 서로 계합해서 맞물리도록 하는 것이 가장 알맞다.
혹은, 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부는 각각 수컷 계합부를 가진 제1테두리부와, 암컷 계합부를 가진 제2테두리부를 갖추고 있고,
상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부의 각각의 상기 수컷 계합부는, 다른쪽의 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부의 상기 암컷 계합부에 의해 보호유지되도록 하는 것도 좋다.
혹은, 상기 결합부는, 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부의 한쪽에 적어도 하나의 수컷 철부(凸部)를 갖고, 대응하는 암컷 구멍부를 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부의 다른쪽에 갖도록 해도 좋다.
이 경우, 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부는 상호 180° 회전하여 위상을 어긋나게 한 때에 맞물리는 동일한 구성을 갖추고 있으면 아주 알맞다. 이에 따라, 한 종류의 성형 틀에 의해 제1밀봉부와 제2밀봉부를 성형할 수 있고, 제작비용의 삭감을 도모할 수 있다.
또, 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부는, 상기 제1가스확산층 및 제2가스확산층의 주위에 따라 배치되는 밀봉비드를 갖추면 좋다.
더 한층의 적용범위는, 여기에 나타낸 기재로부터 명확하게 된다. 그 기재나 특정의 실시예는 간단히 예시적으로 나타낸 것으로 본 개시의 범위를 한정하는 취지의 것은 아니다.
또, 여기서 기재되는 도면은, 간단히 예시적으로 나타낸 것으로 본 개시의 범위를 전혀 한정하는 취지의 것은 아니다.
도 1은 실시예1에 따른 결합부를 갖춘 밀봉부 일체형 가스확산층을 가진 MEA 의 개략단면도이다.
도 2는 도 1의 MEA의 분해단면도로, 밀봉부 일체형 가스확산층의 조립에 대해 설명하고 있다.
도 3은 실시예2에 따른 결합부를 갖춘 밀봉부 일체형 가스확산층을 가진 MEA의 개략단면도이다.
도 4는 실시예3에 따른 MEA의 분해단면도이다.
< 부호의 설명 >
10 막전극 접합체(MEA) 12 촉매피복막
14 제1가스확산층 16 제2가스확산층
18 밀봉부 20 결합부
22 수컷 계합부 24 밀봉비드
이하, 도면을 참조해서 이 발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태를, 실시예에 기초해서 예시적으로 상세히 설명한다. 다만, 이 실시예에 기재되어 있는 구성부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대배치 등은 특별히 특정적인 기재가 없는 한은 이 발명의 범위를 그들만으로 한정하는 취지의 것은 아니다.
이하의 기재는, 간단히 예시하는 것을 본질로 하는 것이고, 본 개시, 적용, 또는 사용을 한정하는 것은 아니다. 당연한 것이지만, 전 도면에 있어서 대응하는 참조번호는 동종 또는 대응하는 부품이나 부(部)를 나타내는 것이다.
(실시예1)
도 1 및 도 2를 참조해서, 본 발명의 실시예1에 따른 막전극 접합체(MEA)를 설명한다. 도 1은 실시예1에 따른 MEA의 개략단면도이다. 도 2는 실시예1에 따른 MEA의 개략 분해단면도이다. MEA(10)는 촉매피복막(12)를 갖춘다. 촉매피복막(12)은 전해질막의 양면에 적층상태로 촉매층이 형성되는 것이다. 이 촉매피복막(12)은, 제1가스확산층(14)과 제2가스확산층(16) 사이에 배치된다. 가스확산층(14, 16)에는 각각, 그 주위를 둘러싸도록 연장되는 일체성형된 밀봉부(18a, 18b)가 설치되어 있다. 그 밀봉부(18a, 18b)는 가스확산층(14, 16)에 대해 일체적으로 틀 성형하거나, 혹은 다른 방법에 의해 고착할 수 있다. 일체성형 밀봉부(18a, 18b)에는 결합부가 설치되어 있고, 이 부(部)는 제2가스확산층(16)에 설치된 일체 밀봉부(18b)에서의 대응하는 결합부에 연결하도록 설계되어 있다. 일체 밀봉부(18a)에는 암컷 계합부(20)가 설치되어 있는데, 이 부는 갈고리모양 테두리부(20)의 형태라도 좋고, 다른 형태라도 좋다. 또, 일체 밀봉부(18a)는 수컷 계합부(22)를 갖추고 있고, 이 계합부는 제2가스확산층(16)의 대향하는 일체 밀봉부(18b)의 갈고리모양 계합부(20)에 끼워 넣도록 알맞게 들어맞은 자유 테두리부의 형태로 할 수 있다. 그 밖의 결합부로서는, "수컷" 개구부에 대해 압입(壓入: 밀어 넣음) 혹은 맞물림 가능한, 혹은 찌그러뜨리는 대를 설치함으로써 보호유지되는 것과 같은 여러 가지의 "수컷"형상이 포함되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
결합부는, 고무 또는 인사이트 성형된 경질플라스틱/금속에 의한 구성으로 할 수 있다. 제1가스확산층(14) 및 제2가스확산층(16)의 일체성형 밀봉부(18a, 18b)는 각각 밀봉비드(24)를 갖추고 있고, 연료전지 스택의 바이폴라 플레이트(세퍼레이터(separator)라고도 부른다) 사이에 적절한 밀봉상태를 형성한다.
MEA(10)의 조립 시에는, 도 2에 나타낸 바와 같이 촉매피복막(12)이 가스확산층(16)의 상면에 실리고, 제1가스확산층(14)이 위쪽으로부터 촉매피복막(12)의 위에 내려놓여 각 일체성형 밀봉부(18a, 18b)에서의 결합부(20, 20')와 결합부(22, 22')가 서로 끼워 넣어짐으로써, MEA가 완성된다.
당연한 것이지만, 결합부는 여러 가지의 형태로 할 수 있는 바, 일체 밀봉부(18)의 외주 전역에 설치할 수도 있고, 개소를 특정해서 설치하는 것도 가능하다. 더욱이, 결합부는 MEA를 형성하는 촉매피복막(12)의 위치정합을 위한 위치결정부로서도 이용할 수 있다. 즉, 결합부에 의해 밀봉부가 결합됨으로써, 촉매피복막의 주연부가 밀봉부에 의해 사이에 끼워 넣어지고, 촉매피복막이 가스확산층에 대해 위치결정된다. 본 개시의 구성에 의하면, 촉매피복막이 모든 성형작업으로부터 제외되므로, 성형작업이 불충분하기 때문에 촉매피복막이 스크랩으로 되어 버리는 것이 방지된다. 즉, 종래부터 촉매피복막과 가스확산층을 미리 접합하고, 그 주연부에 밀봉부를 일체성형함으로써 밀봉부의 성형을 행하는 수법이 알려져 있지만, 촉매피복막은 일반적으로 극히 얇고 유연한 재료로 이루어지기 때문에, 밀봉부를 일체성형할 때에 변형 등을 일으키기 쉬워 성형불량 등이 발생하는 일이 있었다. 또, 밀봉부의 일체성형을 위해 촉매피복막과 가스확산층을 직접 접착 등 할 필요가 생기는 경우도 있다. 그러나, 본 실시예에서는, 촉매피복막에 접합하기 전의 각 가스확산층에 서로 결합가능한 밀봉부를 각각 일체성형하고, 그들 밀봉부끼 리의 결합에 의해 가스확산층과 촉매피복막이 접합되는 구성으로 함으로써, 촉매피복막에 직접 밀봉부를 일체성형하는 일없이 MEA의 단부에 밀봉부를 일체성형할 수 있다. 더욱이, 일체성형 밀봉부의 결합부에 의해 별도로 MEA 구성부품(가스확산층, 촉매피복막)을 서로 접착 또는 가열고정할 필요성이 배제된다. 따라서, MEA의 제작성이 향상된다.
(실시예2)
도 3을 참조해서, 실시예2에 따른 막전극 접합체(10')에 대해 설명한다. 도 3은 실시예2에 따른 막전극 접합체(10')의 개략단면도이다. 한편, 여기서는 실시예1과 공통하는 구성에 대해서는 같은 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 특별히 설명하지 않는 구성 및 그 작용효과 등에 대해서는 실시예1과 마찬가지이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 결합부(18c, 18d)는 수컷 철부(122)와, 수컷 철부(122)가 끼워 넣어지는 암컷 구멍부(120)를 갖추고 있다. 도 3의 실시예에서는, 제2가스확산층(16')이 2개의 수컷 철부(122)를 갖춘 것이 나타내어져 있는데, 이들 수컷 철부(122)는 제1가스확산층(14')에 설치된 대응하는 암컷 구멍부(120)에 끼워 넣어진다.
(실시예3)
도 4를 참조해서, 실시예3에 따른 막전극 접합체(10")에 대해 설명한다. 도 4는 실시예3에 따른 막전극 접합체(10")의 개략단면도이다. 한편, 여기서는 실시예1과 공통하는 구성에 대해서는 같은 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 특별히 설명하지 않는 구성 및 그 작용효과 등에 대해서는 실시예1과 마찬가지이다. 도 4 에 나타낸 실시예에 있어서는, 제1가스확산층(14")과 제2가스확산층(16")이 대칭형상으로 형성되어 있으므로, 양 부품은 180도 회전시켜 서로 맞물리게 됨으로써, 하나의 틀 구멍에 의해 성형할 수 있다. 상세하게는, 결합부는 수컷 철부(122')와 암컷 구멍부(120')를 가스확산층(14", 16")의 각각에 구비한다. 이 수컷 철부(122') 및 암컷 구멍부(120')는 다른쪽의 층에 설치된 대응하는 결합부(즉, 암컷 구멍부(120') 및 수컷 철부(122'))에 대응한다. 본 실시예에 의하면, 한 종류의 성형 틀에 의해 제1밀봉부(18e)와 제2밀봉부(18f)를 성형할 수 있다. 즉, 성형 틀을 2종류 준비할 필요가 없게 된다. 따라서, 제작비용의 삭감을 도모할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의해 제작성이 우수한 것으로 할 수 있다.

Claims (8)

  1. 한쌍의 바이폴라 플레이트가 적층방향의 양면에 결합됨으로써 연료전지셀을 형성하는 막전극 접합체에 있어서,
    상기 한쌍의 바이폴라 플레이트 중 한쪽의 바이폴라 플레이트가 결합되는 가스확산층으로서, 그 바이폴라 플레이트와의 접합면에서의 주연부에 따라 그 바이폴라 플레이트에 밀착하는 밀봉비드를 가진 제1밀봉부가 주연부를 둘러싸도록 일체성형된 제1가스확산층과,
    다른쪽의 바이폴라 플레이트가 결합되는 가스확산층으로서, 그 바이폴라 플레이트와의 접합면에서의 주연부에 따라 그 바이폴라 플레이트에 밀착하는 밀봉비드를 가진 제2밀봉부가 주연부를 둘러싸도록 일체성형된 제2가스확산층 및,
    상기 제1가스확산층과 상기 제2가스확산층 사이에 배치되는 촉매피복막을 구비하되,
    상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부가 서로 결합가능한 결합부 및 상기 밀봉비드를, 상기 제1가스확산층 또는 상기 제2가스확산층의 주연부보다도 외측에 일체적으로 가지고 있고,
    상기 제1밀봉부와 상기 제2밀봉부가 상기 촉매피복막의 주연부를 사이에 끼워 넣음과 더불어 상기 결합부에 의해 서로 결합됨으로써, 상기 제1가스확산층과 상기 제2가스확산층이 상기 촉매피복막의 양면에 접합되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  2. 연료전지로 사용되는 막전극 접합체로서,
    주위를 둘러싸도록 연장되는 제1밀봉부를 가진 제1가스확산층과,
    주위를 둘러싸도록 연장되는 제2밀봉부를 가진 제2가스확산층 및,
    상기 제1가스확산층 및 상기 제2가스확산층 사이에 배치되는 촉매피복막을 구비하되,
    상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부가 서로를 맞물리게 하기 위한 일체성형된 결합부와, 막전극 접합체의 양면에 접합되는 바이폴라 플레이트의 주연부에 따라 그 바이폴라 플레이트에 밀착하는 밀봉비드를, 상기 제1가스확산층 또는 상기 제2가스확산층의 주연부보다도 외측에 일체적으로 가진 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 결합부는, 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부의 각각에 갈고리모양 테두리부를 갖춘 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부는 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부의 자유 테두리부가 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부 중 대향하는 것에서의 대응하는 갈고리모양 테두리부에 끼워 넣어짐으로써 서로 계합해서 맞물리는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부는 각각 수컷 계합 부를 가진 제1테두리부와, 암컷 계합부를 가진 제2테두리부를 갖추고 있고,
    상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부의 각각의 상기 수컷 계합부는, 다른쪽의 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부의 상기 암컷 계합부에 의해 보호유지되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부는, 상기 제1가스확산층 및 제2가스확산층의 주위에 따라 배치되는 밀봉비드를 갖춘 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  7. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 일체성형된 결합부는, 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부의 한쪽에 적어도 하나의 수컷 철부(凸部)를 갖고, 대응하는 암컷 구멍부를 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부의 다른쪽에 가진 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제1밀봉부 및 제2밀봉부는 상호 180° 회전하여 위상을 어긋나게 한 때에 맞물리는 동일한 구성을 갖추고 있는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
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