KR101147199B1 - 막-전극 어셈블리, 연료전지 스택, 및 막-전극 어셈블리의 제조 방법 - Google Patents

막-전극 어셈블리, 연료전지 스택, 및 막-전극 어셈블리의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리는 핀 홀의 발생을 방지할 수 있도록 연료전지용 전해질막과, 상기 전해질막의 가장자리에 배치된 테두리 보호층과, 상기 전해질막과 접하도록 형성된 판부와 판부의 측단에서 돌출되어 테두리 보호층의 내측면과 접하는 돌기부를 갖는 촉매층을 포함한다.

Description

막-전극 어셈블리, 연료전지 스택, 및 막-전극 어셈블리의 제조 방법{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY, AND FUEL CELL STACK AND FABLICATING MTHOD OF MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 연료전지 스택, 막-전극 어셈블리, 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매층의 구조를 개선한 연료전지 스택 및 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 별도로 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서 구성된다.
이러한 연료전지는 크게, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell)로 구분될 수 있다.
고분자 전해질형 연료전지는 스택(stack)이라 불리는 연료전지 본체로서 구성되며, 개질기로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.
직접 산화형 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지와 달리, 수소를 사용하지 않고 연료를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.
이와 같은 연료전지에 있어, 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA)와, 세퍼레이터(separator)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층되어 구성된다.
막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막과 고분자 전해질막의 양면에 설치된 한 쌍의 촉매층과, 촉매층 상에 형성된 가스확산층을 포함한다. 또한 고분자 전해질막의 가장자리에는 테두리 보호층이 설치되는 바, 고분자 전해질막 상에 촉매층이 설치된 상태에서 촉매층의 외측에 테두리 보호층이 부착된다.
테두리 보호층과 촉매층 사이에 틈새가 발생하여 가스확산층이 고분자 전해질막과 직접 접촉하는 경우에는 가스확산층의 모서리(edge) 부분이 고분자 전해질막을 파고들어 이 부분에서 열화가 촉진되어 전해질막에 핀 홀(pin-hole)이 발생할 수 있다. 또한, 가스확산층이 고분자 전해질막과 직접 접촉하는 부분에서 기체가 투과되어 수소와 산소가 만나 발생하는 수산화기(-OH) 라디칼(radical)에 의해 전해질막에 핀 홀이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 고분자 전해질막에 핀 홀이 발생하면 연료전지의 성능이 급격하게 저하될 뿐만 아니라 연료전지의 운전 중에 발전이 중단되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 전해질막의 열화를 방지하여 수명이 향상된 막-전극 어셈블리 및 연료전지 스택을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 막-전극 어셈블리는, 연료전지용 전해질막과, 상기 전해질막의 가장자리에 배치된 테두리 보호층과, 상기 전해질막과 접하도록 형성된 판부와 판부의 측단에서 돌출되어 테두리 보호층의 내측면과 접하는 돌기부를 갖는 촉매층을 포함한다.
상기 돌기부는 상기 판부의 측단을 따라 이어져 형성될 수 있으며, 상기 촉매층의 두께는 상기 테두리 보호층의 두께보다 더 작게 형성될 수 있다. 여기서 상기 촉매층의 두께는 5㎛ 내지 15㎛로 형성될 수 있으며, 상기 테두리 보호층의 두께는 30㎛ 내지 100㎛로 형성될 수 있다.
상기 막-전극 어셈블리는 상기 촉매층 상에 형성된 가스확산층을 더 포함할 수 있으며, 상기 돌기부의 선단에는 단부쪽으로 갈수록 두께가 감소하는 안내부가 형성될 수 있다.
상기 테두리 보호층의 내측에는 개구가 형성되며, 상기 촉매층은 상기 개구에 삽입 설치되며, 상기 촉매층의 넓이는 상기 개구의 넓이보다 더 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택은 막-전극 어셈블리를 중심에 두고, 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 단위 셀들; 및 상기 단위 셀들을 가압 지지하는 가압 플레이트를 포함하며, 상기 막-전극 어셈블리는, 연료전지용 전해질막과, 상기 전해질막의 가장자리에 배치된 테두리 보호층과, 상기 전해질막과 접하도록 형성된 판부와 판부의 측단에서 돌출되어 테두리 보호층의 내측면과 접하는 돌기부를 갖는 촉매층을 포함한다.
상기 돌기부는 상기 판부의 측단을 따라 이어져 형성될 수 있으며, 상기 촉매층의 두께는 상기 테두리 보호층의 두께보다 더 작게 형성될 수 있다.
또한, 막-전극 어셈블리는 상기 촉매층 상에 형성된 가스확산층을 더 포함할 수 있으며, 상기 돌기부의 선단에는 단부쪽으로 갈수록 두께가 감소하는 안내부가 형성될 수 있다. 또한, 상기 테두리 보호층의 내측에는 개구가 형성되며, 상기 촉매층의 넓이는 상기 개구의 넓이보다 더 큰 연료전지 스택.
본 발명의 다른 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 제조 방법은 전해질막에 테두리 보호층을 부착하는 테두리 보호층 부착 단계와, 상기 전해질막의 표면에 접하는 판부와 상기 판부에서 돌출되며 상기 테두리 보호층의 내측면에 접하는 돌기부를 형성하는 촉매층 형성 단계, 및 상기 촉매층 상에 가스확산층을 형성하는 가스확산층 형성 단계를 포함한다.
상기 테두리 보호층 부착 단계에 있어서, 상기 전해질막은 일방향으로 이어진 띠 형상으로 이루어지고, 테두리 보호층은 복수 개의 개구가 형성되며 이어진 띠 형상으로 이루어지며, 상기 테두리 보호층은 롤투롤 방법으로 상기 전해질막에 부착될 수 있다.
상기 촉매층 형성 단계는 상기 테두리 보호층 상에 마스킹 필름을 부착하는 마스킹 필름 부착 단계와 상기 전해질막과 상기 테두리 보호층의 내측면을 코팅하는 촉매층 코팅 단계를 포함할 수 있다.
상기 촉매층 형성 단계는, 인서트 필름에 부착된 상기 촉매층을 인서트 필름과 함께 상기 테두리 보호층의 안쪽에 형성된 개구에 삽입하는 촉매층 삽입 단계와, 상기 인서트 필름과 함께 상기 촉매층을 가압하여 상기 전해질막의 표면과 상기 테두리 보호층의 내측면에 촉매층을 부착하는 촉매층 가압 단계, 및 상기 촉매층에서 인서트 필름을 분리하는 인서트 필름 제거 단계를 포함할 수 있다.
상기 촉매층 삽입 단계에 있어서, 상기 촉매층의 넓이는 상기 개구의 넓이보다 더 크고, 상기 개구의 넓이와 테두리 보호층의 내측면의 넓이를 합한 것보다 더 작게 형성될 수 있으며, 상기 가스확산층 형성 단계는 테두리 보호층이 설치된 부분에서 테두리 보호층과 전해질막을 함께 절단하여 복수 개의 막-전극 어셈블리를 분리하는 절단 단계와 촉매층 상에 미세 다공층과 지지층으로 이루어진 가스확산층을 부착하는 가스확산층 부착 단계를 포함할 수 있다.
연료전지용 전해질막과 상기 전해질막의 양면에 배치된 미세 다공층(micro porous layer)과 상기 미세 다공층 상에 배치된 지지층(backing layer), 및 상기 전해질막의 가장자리에 배치된 테두리 보호층을 포함하며, 상기 미세 다공층의 단부는 상기 지지층의 단부보다 더 내측에 위치하고, 상기 테두리 보호층은 상기 지지층과 상기 전해질막 사이에 삽입된다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 돌기가 테두리 보호층의 내측면과 맞닿아 있으므로 가스확산층이 고분자 전해질막과 직접 접촉하는 것을 방지하여 고분자 전해질막에 핀홀이 생기는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단위 셀을 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단위 셀을 도시한 단면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 제2 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이고 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단위 셀을 도시한 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 연료와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 복수 개의 단위 셀(10)을 포함하여 구성된다.
이와 같은 단위 셀(10)을 복수로 구비하고, 이들 단위 셀(10)을 연속적으로 배치함으로써 단위 셀(10)의 집합체 구조에 의한 연료전지 스택(100)을 형성할 수 있다.
연료전지 스택(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료전지 스택(100)은 통상적인 개질기를 통해 액체 또는 기체 연료로부터 크랙킹(cracking) 된 수소 또는 순수 수소를 연료로서 사용할 수도 있다. 이 경우 상기 연료전지 스택(100)은 단위 셀(10)에 의한 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.
대안으로서, 본 발명에 따른 연료전지 스택(100)은 단위 셀(10)에 의한 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.
그리고 본 발명에 의한 연료전지 스택(100)은 연료와 반응하는 산소로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다.
이와 같은 연료전지 스택(100)에 있어, 단위 셀(10)은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)(20)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(13, 15)를 밀착되게 배치하여 단위 셀(10)을 형성하며, 단위 셀(10)이 복수로 구비되어 본 실시예와 같은 적층 구조의 연료전지 스택(100)을 형성한다.
그리고 연료전지 스택(100)의 최 외곽에는 상기한 복수의 단위 셀(10)을 밀착시키는 가압 플레이트(30)가 위치할 수도 있다. 그러나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 연료전지 스택(100)은 상기한 가압 플레이트(30)를 배제하고, 복수의 단위 셀10)의 최 외곽에 위치하는 세퍼레이터(13, 15)가 상기 가압 플레이트의 역할을 대신하도록 구성할 수 있다.
세퍼레이터(13, 15)는 막-전극 어셈블리(20)를 사이에 두고 밀착 배치되어, 막-전극 어셈블리(20)의 양측에 각각 수소 유로(13a)와 공기 유로(15a)를 형성한다. 수소 유로(13a)는 후술하는 막-전극 어셈블리(20)의 애노드 전극 측에 위치하고, 공기 유로(15a)는 막-전극 어셈블리(20)의 캐소드 전극 측에 위치한다.
여기서 수소 유로(13a) 및 공기 유로(15a)는 각기 세퍼레이터(13, 15)에서 임의의 간격을 두고 직선 상태로 배치되고, 그 양단을 교호적으로 연결하여 대략 지그재그 형태로 형성된다. 물론, 수소 유로(13a) 및 공기 유로(15a)의 배치 구조는 이것으로 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 양측 세퍼레이터(13, 15) 사이에 개재되는 막-전극 어셈블리(20)는 소정의 면적을 가지고 반응이 일어나는 활성 영역(201)과, 활성 영역(201)의 가장자리 부분과 연결되는 비활성 영역(202)을 구비한다. 여기서 상기 비활성 영역(202)에는 활성 영역(201)에 상응하는 세퍼레이터(13, 15)의 밀착면 가장자리 부분을 실링하는 가스켓(미도시)이 설치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단위 셀을 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 막-전극 어셈블리(20)는 전해질막(21)을 가운데 두고 양면에 애노드 전극(40)과 캐소드 전극(50)이 배치된 구조로 이루어진다.
전해질막(21)은 두께가 15～50㎛인 고체 폴리머 전해질로 형성되어, 애노드 촉매층(42)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 촉매층(52)으로 이동시키는 이온 교환을 가능하게 한다.
막-전극 어셈블리(20)의 일면을 형성하는 애노드 전극(40)은 세퍼레이터(13)와 막-전극 어셈블리(20) 사이에 형성되는 수소 유로(13a)를 통하여 수소 가스를 공급받는 부분으로써, 애노드 촉매층(42)과 애노드 가스확산층(41)을 포함한다. 애노드 가스확산층(41)은 애노드 촉매층(42) 상에 형성된 애노드 미세 다공층(micro porous layer: MPL)(412)과 애노드 미세 다공층(412) 상에 형성된 애노드 지지층(backing layer)(413)으로 구성된다.
애노드 미세 다공층(412)은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 풀러렌(fullerene; C60), 활성탄소 또는 탄소나노혼(carbon nano horn) 등으로 이루어질 수 있다. 애노드 지지층(413)은 카본 페이퍼 또는 카본 클로스로 이루어질 수 있으며 애노드 지지층(413)에 형성된 홀들보다 크기가 더 작은 복수 개의 홀들을 갖는다. 애노드 미세 다공층(412)은 기체를 더욱 분산하여 애노드 촉매층(42)으로 전달하는 역할을 한다.
전해질막(21)의 양면 가장자리에는 테두리 보호층(23)이 형성되는 바, 테두리 보호층(23)은 전해질막(21)의 측단을 따라 이어져 사각 고리 형태로 형성된다. 이에 테두리 보호층(23)의 내측에는 개구(23a)가 형성되고, 애노드 촉매층(42)은 이 개구(23a)에 삽입 형성된다. 애노드 촉매층(42)은 전해질막(21)에 밀착된 판부(42a)와 판부(42a)의 측단에서 돌출된 돌기부(42b)를 갖는다. 돌기부는 판부의 상면에서 애노드 가스확산층(41)을 향하여 돌출되며 테두리 보호층(23)의 내측면에 밀착된다.
여기서 테두리 보호층(23)의 두께는 애노드 촉매층(42)의 두께보다 더 크게 형성되는 바, 테두리 보호층(23)의 두께는 30㎛ 내지 100㎛로 이루어지고, 애노드 측매층(42)의 두께는 5㎛ 내지 15㎛로 이루어진다.
이에 판부(42a)의 측단에서 돌출된 돌기부(42b)는 개구(23a)에 삽입되어 테두리 보호층(23)의 내측면에 밀착될 수 있다. 돌기부(42b)가 테두리 보호층(23)의 내측면에 밀착되면 전해질막(21)과 캐소드 가스확산층(41)이 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 돌기부(42b)가 형성되지 않으면 캐소드 촉매층(42)과 테두리 보호층(23) 사이로 캐소드 가스확산층(41)이 침입하여 전해질막(21)의 열화를 촉진할 수 있다. 그러나 테두리 보호층(23)의 내벽에 밀착된 돌기(42b)가 형성되면 캐소드 가스확산층(41)과 전해질막(21)의 접촉을 안정적으로 방지하여 열화로 인하여 전해질막(21)에 핀홀이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
막-전극 어셈블리(20)의 타면을 형성하는 캐소드 전극(50)은 세퍼레이터(15)와 막-전극 어셈블리(20) 사이에 형성되는 공기 유로(15a)를 통하여 산소 가스를 공급받는 부분으로써, 캐소드 촉매층(52)과 캐소드 가스확산층(51)을 포함한다. 캐소드 가스확산층(51)은 캐소드 촉매층(52) 상에 형성된 캐소드 미세 다공층(512)과 캐소드 미세 다공층(512) 상에 형성된 캐소드 지지층(513)으로 구성된다.
캐소드 미세 다공층(512)은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 풀러렌(fullerene; C60), 활성탄소 또는 탄소나노혼(carbon nano horn) 등으로 이루어질 수 있으며, 캐소드 지지층(513)에 형성된 홀들보다 크기가 더 작은 복수 개의 홀들을 갖는다. 한편, 캐소드 지지층(513)은 카본 페이퍼 또는 카본 클로스로 이루어질 수 있으며 내부에 홀들이 형성된다. 캐소드 미세 다공층(512)은 기체를 더욱 분산하여 캐소드 촉매층(52)으로 전달하는 역할을 한다.
캐소드 촉매층(52)은 테두리 보호층(23)의 안쪽에 형성된 개구(23a)에 삽입 설치되며, 전해질막(21)에 밀착되는 판부(52a)와 판부(52a)의 측단에서 돌출된 돌기부(52b)를 갖는다. 돌기부(52b)는 판부(52a)의 측단에서 캐소드 가스확산층(51)을 향하여 돌출되어 테두리 보호층(23)의 내측면에 밀착된다.
여기서 테두리 보호층(23)의 두께는 캐소드 촉매층(52)의 두께보다 더 크게 형성되는 바, 테두리 보호층(23)의 두께는 30㎛ 내지 100㎛로 이루어지고, 캐소드 측매층(52)의 두께는 5㎛ 내지 15㎛로 이루어진다.
이에 판부(52a)의 측단에서 돌출된 돌기부(52b)는 개구(23a)에 삽입되어 테두리 보호층(23)의 내측면에 밀착될 수 있다. 돌기부(52b)가 테두리 보호층(23)의 내측면에 밀착되면 전해질막(21)과 캐소드 가스확산층(51)이 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 돌기부(52b)가 형성되지 않으면 캐소드 촉매층(52)과 테두리 보호층(23) 사이로 캐소드 가스확산층(51)이 침입하여 전해질막(21)의 열화를 촉진할 수 있다. 그러나 테두리 보호층(23)의 내벽에 밀착된 돌기(42b)가 형성되면 캐소드 가스확산층(51)과 전해질막(21)의 접촉을 안정적으로 방지하여 열화로 인하여 전해질막(21)에 핀홀이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 애노드 가스확산층(41)과 캐소드 가스확산층(51)은 개구(23a)보다 더 넓게 형성되어 부분적으로 테두리 보호층(23)의 외면과 맞닿는다. 이에 따라 애노드 가스확산층(41)과 캐소드 가스확산층(51)의 측단은 개구(23a)에 삽입되지 않고 테두리 보호층(23) 상에 위치하며, 애노드 가스확산층(41)과 캐소드 가스확산층(51)은 테두리 보호층(23)의 외면과 접촉하게 된다. 이는 애노드 가스확산층(41)과 캐소드 가스확산층(51)의 측단의 모서리 부분이 촉매층(42, 52)을 파고들어서 전해질막(21)과 접촉하는 것을 방지하기 위함이다. 애노드 가스확산층(41)과 캐소드 가스확산층(51)의 측단은 개구(23a)의 측단보다 0.2mm 내지 10mm 더 외측에 위치한다. 이에 따라 애노드 가스확산층(41)과 캐소드 가스확산층(51)은 테두리 보호층(23)의 외면과 0.2mm 내지 10mm 폭으로 접촉하게 된다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제1 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(20)의 제조 방법은 테두리 보호층(23) 부착 단계와 촉매층(42, 52) 형성 단계, 및 가스확산층(41, 51) 형성 단계를 포함한다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 테두리 보호층(23) 부착 단계에서는 전해질막(21)의 양면 가장자리에 테두리 보호층(23)을 부착한다. 테두리 보호층(23)은 폴리머 등으로 이루어지며, 내측에 복수 개의 개구가 형성된 구조로 이루어진다. 전해질막(21)은 복수 개의 막-전극 어셈블리(20)를 형성할 수 있도록 일방향으로 이어진 띠 형상으로 이루어지고, 테두리 보호층(23) 또한 복수 개의 막-전극 어셈블리(20)를 형성할 수 있도록 복수 개의 개구가 형성되며 일방향으로 이어진 띠 형상으로 이루어진다.
이와 같은 테두리 보호층(23)은 롤투롤(roll to roll) 등의 방법으로 한번에 전해질막 상에 부착될 수 있다. 롤투롤 방법이라 함은 인쇄 등에 적용되는 방법으로서 롤러를 이용하여 부착하는 방식을 말한다. 이와 같이 본 실시예에 따르면 복수 개의 막-전극 어셈블리(20)를 한번에 형성할 수 있다.
도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이 촉매층(42, 52) 형성 단계는 마스킹 필름(masking film)(29) 부착 단계와 촉매층(42, 52) 코팅 단계를 포함한다. 마스킹 필름(29) 부착 단계는 테두리 보호층(23) 상에 마스킹 필름(29)을 부착하고, 개구(23a)에는 마스킹 필름(29)을 부착하지 않는다. 이에 따라 마스킹 필름(29)에도 복수 개의 홀이 형성되어 있다. 마스킹 필름(29)은 테두리 보호층(23) 상에는 촉매층(42, 52)이 형성되지 않고, 개구(23a)의 안쪽에만 촉매층(42, 52)이 형성되도록 한다.
촉매층(42, 52) 코팅 단계에서는 개구(23a)를 통해서 노출된 전해질막(21) 상에 판부(42a, 52a)를 코팅함과 동시에 판부(42a, 52a)에서 돌출되며 테두리 보호층(23)의 내측 벽면에 돌기부(42b, 52b)를 코팅한다.
돌기부(42b, 52b)는 판부(42a, 52a)의 상면에서 가스확산층(41, 51)을 향하여 돌출되며 돌기부(42b, 52b)의 높이는 테두리 보호층(23)의 높이와 같거나 테두리 보호층(23)의 높이 보다 작게 형성될 수 있다. 돌기부(42b, 52b)의 선단에는 단부쪽으로 갈수록 두께가 감소하는 안내부(42c, 52c)가 형성되는 바, 안내부(42c, 52c)는 촉매층(42, 52) 내에 미세 다공층(412, 512)이 삽입될 때, 촉매층(42, 52)이 테두리 보호층(23)의 내측면에서 이탈되지 않도록 미세 다공층(412, 512)을 촉매층(42, 52) 내부로 안내하는 역할을 한다.
또한, 촉매층(42, 52) 형성 단계는 촉매층(42, 52) 건조 단계와 마스킹 필름(29) 제거 단계를 더 포함한다. 촉매층(42, 52) 건조 단계에서는 슬러리 형태의 촉매층(42, 52)에서 용매 등을 건조시키며, 마스킹 필름(29) 제거 단계에서는 테두리 보호층(23) 상에 설치된 마스킹 필름(29)을 제거한다.
한편, 도 5d 및 도 5e에 도시된 바와 같이 가스확산층 형성 단계는 절단 단계와 가스확산층 부착 단계를 포함한다.
절단 단계에서는 테두리 보호층(23)이 설치된 부분에서 테두리 보호층(23)과 전해질막(21)을 함께 절단하여 복수 개의 막-전극 어셈블리를 분리한다. 가스확산층(41, 51) 부착 단계에서는 촉매층(42, 52) 상에 미세 다공층(412, 512)과 지지층(413, 513)으로 이루어진 가스확산층(41, 51)을 부착한다.
본 실시예에서는 절단 단계 이후에 가스확산층(41, 51) 부착 단계가 실시되는 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 가스확산층(41, 51)을 부착한 이후에 절단할 수도 있다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 제2 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(80)의 제조 방법은 테두리 보호층(82) 부착 단계와 촉매층(85, 87) 형성 단계, 및 가스확산층(83, 84) 형성 단계를 포함한다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 테두리 보호층(82) 부착 단계에서는 전해질막(81)의 양면에 테두리 보호층(82)을 부착한다. 테두리 보호층(82)은 폴리머 등으로 이루어지며, 내측에 복수 개의 개구(82a)가 형성된 구조로 이루어진다.
전해질막(81)은 복수 개의 막-전극 어셈블리(80)를 형성할 수 있도록 일방향으로 이어진 띠 형상으로 이루어지고, 테두리 보호층(82)도 복수 개의 개구가 형성되며 일방향으로 이어진 띠 형상으로 이루어진다.
테두리 보호층(82)은 롤투롤(roll to roll) 방법으로 전해질막(81)에 부착될 수 있다. 이와 같이 본 실시예에 따르면 복수 개의 막-전극 어셈블리(80)를 한번에 형성할 수 있다.
도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이 촉매층(85, 87) 형성 단계는 촉매층(85, 87) 삽입 단계와 촉매층(85, 87) 가압 단계, 및 인서트 필름(insert film)(86) 제거 단계를 포함한다.
촉매층(85, 87) 삽입 단계는 인서트 필름(86)에 부착된 촉매층(85, 87)을 인서트 필름(86)과 함께 개구(82a)에 삽입한다. 이 때, 촉매층(85, 87)의 넓이(a2)는 개구(82a)의 넓이보다 더 크게 형성되며, 개구(82a)와 테두리 보호층(82)의 내측면의 넓이를 합한 것 보다는 더 작게 형성된다.
촉매층(85, 87) 가압 단계는 인서트 필름(86)과 함께 촉매층(85, 87)을 가압하여 전해질막(81)의 표면과 테두리 보호층(82)의 내측면에 촉매층(85, 87)을 부착한다. 촉매층(85, 87)의 넓이는 개구(82a)의 넓이보다 더 크므로 촉매층(85, 86)의 가장자리는 다른 부분보다 더 돌출되어 테두리 보호층(82)의 측면에 부착된다. 이에 따라 촉매층(85, 87)에는 전해질막(81)에 부착된 판부(85a, 87a)와 판부(85a, 87a)에서 돌출되어 테두리 보호층(82)의 측면에 부착된 돌기부(85b, 87b)가 형성된다. 또한, 촉매층(85, 87)의 넓이는 개구(82a)와 테두리 보호층(82)의 내측면의 면적을 합한 것 보다는 더 작게 형성되므로 돌기부(85b, 87b)의 높이는 테두리 보호층(82)의 높이보다 더 낮게 형성된다.
인서트 필름(86) 제거 단계에서는 촉매층(85, 87)이 부착된 후에 인서트 필름(86)을 촉매층(85, 87)에서 분리하여 제거한다.
한편, 도 6d 및 도 6e에 도시된 바와 같이 가스확산층(83, 84) 형성 단계는 가스확산층(83, 84) 부착 단계와 절단 단계를 포함한다.
가스확산층(83, 84) 부착 단계에서는 촉매층(85, 87) 상에 미세 다공층(83a, 84a)과 지지층(83b, 84b)으로 이루어진 가스확산층(83, 84)을 부착한다. 절단 단계에서는 테두리 보호층(82)이 형성된 부분에서 테두리 보호층(82)과 전해질막(81)을 함께 절단하여 복수 개의 막-전극 어셈블리를 분리한다. 본 실시예에서는 가스확산층(83, 84) 부착 단계 이후에 절단 단계가 실시되는 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 절단한 이후에 가스확산층(83, 84)을 부착 할 수도 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 연료전지 스택 10: 단위 셀
13, 15: 세퍼레이터 13a: 수소 유로
15a: 공기 유로 20, 80: 막-전극 어셈블리
201: 활성 영역 202: 비활성 영역
21, 81: 전해질막 23, 82: 테두리 보호층
23a, 82a: 개구 29: 마스킹 필름
30: 가압 플레이트 40: 애노드 전극
41: 애노드 가스확산층 412: 애노드 미세 다공층
413: 애노드 지지층 42a, 52a, 85a, 87a: 판부
42b, 52b, 85b, 87b: 돌기부 42c, 52c: 안내부
50: 캐소드 전극 51: 캐소드 가스확산층
512: 캐소드 미세 다공층 513: 캐소드 지지층
52: 캐소드 촉매층

Claims (22)

  1. 연료전지용 전해질막;
    상기 전해질막의 가장자리에 배치된 테두리 보호층; 및
    상기 전해질막과 접하도록 형성된 판부와 상기 판부의 측단에서 돌출되어 테두리 보호층의 내측면과 접하는 돌기부를 갖는 촉매층;
    을 포함하는 막-전극 어셈블리.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 돌기부는 상기 판부의 측단을 따라 이어져 형성된 막-전극 어셈블리.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매층의 두께는 상기 테두리 보호층의 두께보다 더 작게 형성된 막-전극 어셈블리.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매층의 두께는 5㎛ 내지 15㎛인 막-전극 어셈블리.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 테두리 보호층의 두께는 30㎛ 내지 100㎛인 막-전극 어셈블리.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매층 상에 형성된 가스확산층을 더 포함하는 막-전극 어셈블리.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 돌기부의 선단에는 단부쪽으로 갈수록 두께가 감소하는 안내부가 형성된 막-전극 어셈블리.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 테두리 보호층의 내측에는 개구가 형성되며,
    상기 촉매층의 넓이는 상기 개구의 넓이보다 더 큰 막-전극 어셈블리.
  9. 막-전극 어셈블리를 중심에 두고, 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 단위 셀들; 및
    상기 단위 셀들을 가압 지지하는 가압 플레이트;
    를 포함하며,
    상기 막-전극 어셈블리는 연료전지용 전해질막과, 상기 전해질막의 가장자리에 배치된 테두리 보호층, 및 상기 전해질막과 접하도록 형성된 판부와 판부의 측단에서 돌출되어 테두리 보호층의 내측면과 접하는 돌기부를 갖는 촉매층을 포함하는 연료전지 스택.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 돌기부는 상기 판부의 측단을 따라 이어져 형성된 연료전지 스택.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 촉매층의 두께는 상기 테두리 보호층의 두께보다 더 작게 형성된 연료전지 스택.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 촉매층 상에 형성된 가스확산층을 더 포함하는 연료전지 스택.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 테두리 보호층의 내측에는 개구가 형성되며,
    상기 가스확산층은 상기 개구보다 더 넓게 형성되어 상기 가스확산층의 측단은 상기 테두리 보호층 상에 위치하는 연료전지 스택.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 가스확산층의 측단은 상기 개구의 측단보다 0.2mm 내지 10mm 더 외측에 위치하는 연료전지 스택.
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 돌기부의 선단에는 단부쪽으로 갈수록 두께가 감소하는 안내부가 형성된 연료전지 스택.
  16. 제9 항에 있어서,
    상기 테두리 보호층의 내측에는 개구가 형성되며,
    상기 촉매층의 넓이는 상기 개구의 넓이보다 더 큰 연료전지 스택.
  17. 전해질막에 테두리 보호층을 부착하는 테두리 보호층 부착 단계;
    상기 전해질막의 표면에 접하는 판부와 상기 판부에서 돌출되며 상기 테두리 보호층의 내측면에 접하는 돌기부를 형성하는 촉매층 형성 단계; 및
    상기 촉매층 상에 가스확산층을 형성하는 가스확산층 형성 단계;
    를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 테두리 보호층 부착 단계에 있어서, 상기 전해질막은 일방향으로 이어진 띠 형상으로 이루어지고, 테두리 보호층은 복수 개의 개구가 형성되며 이어진 띠 형상으로 이루어지며, 상기 테두리 보호층은 롤투롤 방법으로 상기 전해질막에 부착되는 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 촉매층 형성 단계는 상기 테두리 보호층 상에 마스킹 필름을 부착하는 마스킹 필름 부착 단계와 상기 전해질막과 상기 테두리 보호층의 내측면을 코팅하는 촉매층 코팅 단계를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  20. 제17 항에 있어서,
    상기 촉매층 형성 단계는,
    인서트 필름에 부착된 상기 촉매층을 인서트 필름과 함께 상기 테두리 보호층의 안쪽에 형성된 개구에 삽입하는 촉매층 삽입 단계,
    상기 인서트 필름과 함께 상기 촉매층을 가압하여 상기 전해질막의 표면과 상기 테두리 보호층의 내측면에 촉매층을 부착하는 촉매층 가압 단계, 및
    상기 촉매층에서 인서트 필름을 분리하는 인서트 필름 제거 단계,
    를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 촉매층 삽입 단계에 있어서, 상기 촉매층의 넓이는 상기 개구의 넓이보다 더 크고, 상기 개구의 넓이와 테두리 보호층의 내측면의 넓이를 합한 것보다 더 작은 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  22. 제17 항에 있어서,
    상기 가스확산층 형성 단계는 테두리 보호층이 설치된 부분에서 테두리 보호층과 전해질막을 함께 절단하여 복수 개의 막-전극 어셈블리를 분리하는 절단 단계와 촉매층 상에 미세 다공층과 지지층으로 이루어진 가스확산층을 부착하는 가스확산층 부착 단계를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
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