KR101272513B1

KR101272513B1 - 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 그 제작 방법

Info

Publication number: KR101272513B1
Application number: KR1020100122441A
Authority: KR
Inventors: 이기섭
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2013-06-10
Also published as: KR20120061233A

Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 막-전극 어셈블리의 고분자 전해질막과 서브가스켓간의 접합 구조를 개선하여, 고가의 고분자 전해질막 사용량을 현격하게 줄일 수 있도록 한 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
고분자 전해질막의 면적중 서브가스켓이 붙는 영역은 수소 이온을 애노드에서 캐소드로 이동시키는 역할을 하지 못하므로, 고분자 전해질막의 서브가스켓과의 접합 부분을 대부분 제거하여 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있도록 함으로써, 고분자 전해질막의 제조 단가를 크게 절감할 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 그 제작 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지용 막-전극 어셈블리 및 그 제작 방법{MEA for fuel cell and method for manufacturing the same}

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 막-전극 어셈블리의 고분자 전해질막과 서브가스켓간의 접합 구조를 개선하여, 고가의 고분자 전해질막 사용량을 현격하게 줄일 수 있도록 한 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

종래의 연료전지용 막-전극 어셈블리(MEA)는 크게 5층(layer) 구조로 제조하는 방법과, 3층 구조로 제조하는 방법이 있다.

5층 구조의 경우, 고분자 전해질막을 중심으로 그 양편에 애노드 및 캐소드를 위한 촉매층이 형성되고, 애노드 및 캐소드의 바깥쪽에 가스확산층이 접합되어 총 5층 구조를 이루게 되는 바, 가스확산층에 촉매를 코팅하고, 이를 고분자 전해질막에 열압착하여 5층 구조로 제조된다.

3층 구조의 경우, 고분자 전해질막을 중심으로 그 양편에 애노드 및 캐소드를 위한 촉매층이 형성된 구조를 이루게 되며, 고분자 전해질 막에 촉매를 직접 코팅하거나, 이형지에 촉매를 코팅한 후, 이를 고분자 전해질막에 열압착하여 3층 구조로 제조된다.

이러한 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 상관 없이 모든 막-전극 어셈블리는 서브가스켓을 접합해야 한다.

종래의 3층 구조 막-전극 어셈블리에 서브가스켓을 접합하는 공정을 첨부한 도 2a 내지 도 2c를 참조로 살펴보면 다음과 같다.

도 2a에서 보듯이, 고분자 전해질막(10)을 중심으로 그 양편에 애노드 및 캐소드를 위한 촉매층(12)이 형성된 상태에서, 핫프레스에 의한 서브가스켓(20) 접합이 이루어진다.

즉, 도 2b에서 보듯이, 고분자 전해질막(10)의 양표면의 중앙영역에 촉매층(12)이 형성된 상태에서, 고분자 전해질막(10)의 사방 테두리 영역에 핫프레스에 의한 서브가스켓(20)이 접합된다.

이때, 고분자 전해질막(10)의 사방 테두리단 즉, 서브가스켓(20)이 접합되는 접합영역(14)의 폭은 서브가스켓(20)의 폭과 동일하게 형성된다.

따라서, 도 2c에서 보듯이, 고분자 전해질막(10)의 접합영역(14)은 서브가스켓(20)과 접합되는 영역이 될 뿐, 실질적으로 반응에 참여하지 않는 영역이 된다.

상기 서브가스켓(20)은 막-전극 어셈블리에 가스확산층 및 분리판을 적층할 때, 막-전극 어셈블리의 취급을 용이하게 하고, 분리판을 통해 공급되는 가스가 외부로 유출되는 것을 막아주는 역할을 한다.

대개, 막-전극 어셈블리의 구성중 고분자 전해질막의 크기는 전극(촉매층)보다 크게 설계되는데, 그 이유는 서브가스켓용 필름을 고분자 전해질막에 붙이는데 용이하기 때문이다.

이러한 막-전극 어셈블리에서의 가스 흐름을 보면, 수소가 애노드 전극에 공급되어 산화된 수소 이온은 고분자 전해질막을 통과하여 캐소드에서 환원되고, 이때 고분자 전해질막은 산화된 수소 이온을 선택적으로 캐소드 방향으로 이동시켜 주는 역할을 한다.

이때, 고분자 전해질막의 면적중 서브가스켓과 접합된 사방 테두리 부분은 촉매층(전극)과 붙어 있지 않아서 전극의 산화/환원 반응에 참여하지 않고, 단지 서브가스켓과의 용이한 접합을 위한 영역으로 활용될 뿐이다.

즉, 고분자 전해질막의 면적중 서브가스켓과 접합되는 영역은 분리판을 통해 공급되는 가스의 산화/환원 반응에 참여하지 않는 부분이면서, 고가의 고분자 전해질막이 낭비되는 부분이지만, 현재 막-전극 어셈블리 제조 공정상 반응에 참여하지 않는 고분자 전해질막의 영역을 제거하는데 어려움이 있다.

이에, 고분자 전해질막의 면적중 서브가스켓과의 접합 면적이 그대로 낭비되는 요인이 되어, 고가의 고분자 전해질막에 대한 활용도가 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 고분자 전해질막의 면적중 서브가스켓이 붙는 영역은 수소 이온을 애노드에서 캐소드로 이동시키는 역할을 하지 못하므로, 고분자 전해질막의 서브가스켓과의 접합 부분을 대부분 제거하여 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있도록 함으로써, 고분자 전해질막의 제조 단가를 크게 절감할 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 그 제작 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 고분자 전해질막과, 이 고분자 전해질막의 양표면에 형성되는 촉매층을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 사방 테두리단을 촉매층의 사방 테두리 끝으로부터 가스켓 접합이 가능한 최소폭으로 돌출시키고, 최소폭으로 돌출된 사방 테두리단의 상면에 대면적의 제1서브가스켓을 접합시키는 동시에 최소폭으로 돌출된 사방 테두리단의 저면에 소면적의 제2서브가스켓을 접합시켜서, 제1 및 제2서브가스켓내로 돌출되는 고분자 전해질막의 미반응 영역을 최소화시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 고분자 전해질막의 사방 테두리단의 돌출폭은 1~5mm 인 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 제1서브가스켓의 두께는 50~200㎛ 범위로서, 일반 서브가스켓에 비하여 2~3배 이상 두꺼운 것으로 채택된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 및 제2서브가스켓은 동일 재질로서, 녹는점이 100℃ 이하인 저 분자량의 PET 필름이나 PE 필름으로 채택된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2서브가스켓은 일반 접착제로 사용될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예로서, 고분자 전해질막의 사방 테두리단이 촉매층의 사방 테두리 끝으로부터 가스켓 접합이 가능한 최소폭으로 돌출되도록 고분자 전해질막의 양표면에 촉매층을 형성하는 단계와; 핫프레스 공정을 이용하여, 최소폭으로 돌출된 사방 테두리단의 상면에 대면적의 제1서브가스켓을 접합시키는 동시에 최소폭으로 돌출된 사방 테두리단의 저면에 소면적의 제2서브가스켓을 접합시키는 단계; 를 통하여, 제1 및 제2서브가스켓내로 돌출되는 고분자 전해질막의 미반응 영역을 최소화시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 제작 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 제1서브가스켓의 두께는 일반 서브가스켓의 두께에 비하여 2~3배 더 큰 것으로 채택하여, 고분자 전해질막과 그 양표면에 형성된 촉매층의 측면이 커버될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 제1 및 제2서브가스켓을 녹는점이 100℃ 이하인 저 분자량의 PET 필름이나 PE 필름으로 채택하여, 고분자 전해질막의 사방 테두리단을 비롯하여 촉매층의 측면에 접착될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

기존의 막-전극 어셈블리를 제작하기 위하여 고분자 전해질 막을 촉매층(전극)보다 30% 이상 큰 것으로 사용함에 따라, 서브가스켓과 접합되는 부분이 그대로 낭비되었지만, 이와 달리 본 발명에서는 고분자 전해질막의 크기를 촉매층(전극)보다 단지 1~5mm 큰 것으로 사용함에 따라, 서브가스켓과의 접합력은 그대로 유지되면서도 고가의 고분자 전해질막의 사용량을 50% 이상 줄일 수 있고, 이로 인하여 막-전극 어셈블리의 제작 단가를 크게 절감할 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 그 제작 방법을 나타내는 개략도,
도 2a 내지 도 2c는 종래의 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 그 제작 방법을 설명하는 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 고분자 전해질막(10)의 양표면에 애노드 및 캐소드 전극 즉, 촉매층(12)이 열압착에 의하여 형성되며, 특히 고분자 전해질막의 크기(면적)은 기존의 고분자 전해질막에 비하여 약 30% 이상 작은 것으로 채택되는 동시에 촉매층에 비하여 약간 큰 크기의 것으로 채택된다.

즉, 고분자 전해질막(10)의 사방 테두리단이 촉매층(12)의 각 사방 테두리 끝으로부터 돌출되게 하되, 그 돌출폭은 서브가스켓이 접합될 수 있는 최소한의 폭으로 형성된다.

보다 상세하게는, 고분자 전해질막(10)의 사방 테두리단은 후술하는 제1 및 제2서브가스켓(22,24)과 접합되는 접합영역(14)으로서, 그 폭은 제1 및 제2서브가스켓(22,24)이 접합될 수 있는 최소한의 폭으로 형성된다.

바람직하게는, 상기 고분자 전해질막(10)의 사방 테두리단 즉, 접합영역(14)의 돌출폭은 1~5mm로서, 기존의 접합영역 폭에 비하여 30% 이상 감소된 폭으로 적용된다.

상기와 같이 고분자 전해질막(10)의 양표면에 촉매층(12)이 형성되고, 촉매측의 사방 테두리끝으로부터 고분자 전해질막(10)의 사방 테두리단인 접합영역(14)이 최소로 돌출된 상태에서, 핫프레스에 의한 제1 및 제2서브가스켓(22,24)의 접합 공정이 진행된다.

즉, 통상의 핫프레스 공정에 의하여 고분자 전해질막(10)의 접합영역(14)의 상면에 분리판과 체결할 수 있는 크기의 제1서브가스켓(22)이 접합되는 동시에 고분자 전해질막(10)의 접합영역(14)의 저면에 소면적의 제2서브가스켓(22)이 접합되어, 제1 및 제2서브가스켓(22,24)내로 돌출되는 고분자 전해질막(10)의 접합영역(14) 폭이 최소화됨과 함께 고분자 전해질막(10)의 미반응 영역을 최소화시킬 수 있고, 결국 고가의 고분자 전해질막의 사용량을 줄일 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 및 제2서브가스켓(22,24)은 녹는점이 100℃ 이하인 저 분자량의 PET 필름이나 PE 필름으로 채택하여, 핫프레스 공정시 고분자 전해질막(10)의 접합영역(14)을 감싸며 몰딩하는 역할을 하도록 한다.

이때, 상기 제2서브가스켓(22,24)은 PET 필름이나 PE 필름이 아닌 일반 접착제(일반적인 고분자 접착제)로도 사용될 수 있고, 그 폭이 고분자 전해질막의 접합영역(14)을 덮을 정도인 1~10mm 정도로 구비된다.

특히, 상기 제1서브가스켓(22)은 50~200㎛ 두께를 갖는 일반 서브가스켓에 비하여 2~3배 이상 두꺼운 것으로 채택하여, 고분자 전해질막(10)의 접합영역(14)의 측면과 촉매층(12)의 측면이 제1서브가스켓(22)에 의하여 커버되며 기밀 유지되도록 한다.

보다 상세하게는, 상기 고분자 전해질막(10)의 접합영역(14) 상면에 접합영역(14)의 돌출폭보다 더 큰 폭을 갖는 제1서브가스켓(22)을 올리는 동시에 접합영역(14) 저면에 접합영역(14)의 돌출폭과 유사한 폭을 갖는 제2서브가스켓(24)을 받쳐지게 한 다음, 핫프레싱을 실시함으로써, 녹는점이 100℃ 이하인 저 분자량의 PET 필름이나 PE 필름으로 채택된 제1 및 제2서브가스켓(22,24)이 녹으면서 고분자 전해질막(10)의 접합영역(14)을 감싸며 열압착되는 상태가 되고, 결국 고분자 전해질막(10)의 접합영역(14)의 측면과 촉매층(12)의 측면이 제1서브가스켓(22)에 의하여 커버되며 기밀 유지되는 상태가 된다.

이와 같이, 고분자 전해질막의 접합영역 폭을 촉매층의 끝단에서 약 1~5mm 돌출되는 정도로 형성하고, 돌출된 접합영역에 녹는점인 낮은 서브가스켓 필름을 핫프레싱 공정을 이용하여 접합시킴으로써, 서브가스켓 필름이 녹으면서 고분자 전해질막과 촉매측의 측면 등에 기밀 유지 가능하게 접합될 수 있고, 고분자 전해질막의 사용량을 현격하게 줄여서 막-전극 어셈블리의 제작단가를 크게 절감할 수 있다.

10 : 고분자 전해질막
12 : 촉매층
14 : 고분자 전해질막의 접합영역
20 : 서브가스켓
22 : 제1서브가스켓
24 : 제2서브가스켓

Claims

고분자 전해질막과, 이 고분자 전해질막의 양표면에 형성되는 촉매층을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리에 있어서,
상기 고분자 전해질막의 사방 테두리단을 촉매층의 사방 테두리 끝으로부터 돌출시키고, 상기 돌출된 사방 테두리단의 상면에 제1서브가스켓을 접합시키는 동시에 상기 돌출된 사방 테두리단의 저면에 제2서브가스켓을 접합시켜서, 제1 및 제2서브가스켓내로 돌출되는 고분자 전해질막의 미반응 영역을 최소화시킨 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리.
청구항 1에 있어서,
상기 고분자 전해질막의 사방 테두리단의 돌출폭은 1~5mm 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리.
청구항 1에 있어서,
상기 제1서브가스켓의 두께는 50~200㎛ 범위로서, 일반 서브가스켓에 비하여 2~3배 이상 두꺼운 것으로 채택된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 및 제2서브가스켓은 동일 재질로서, 녹는점이 100℃ 이하인 저 분자량의 PET 필름이나 PE 필름으로 채택된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리.
청구항 1에 있어서,
상기 제2서브가스켓은 일반 접착제로 채택된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리.
고분자 전해질막의 사방 테두리단이 촉매층의 사방 테두리 끝으로부터 돌출되도록 고분자 전해질막의 양표면에 촉매층을 형성하는 단계와;
핫프레스 공정을 이용하여, 상기 돌출된 사방 테두리단의 상면에 제1서브가스켓을 접합시키는 동시에 상기 돌출된 사방 테두리단의 저면에 제2서브가스켓을 접합시키는 단계;
를 통하여, 제1 및 제2서브가스켓내로 돌출되는 고분자 전해질막의 미반응 영역을 최소화시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 제작 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 제1서브가스켓의 두께는 일반 서브가스켓의 두께에 비하여 2~3배 더 큰 것으로 채택하여, 고분자 전해질막과 그 양표면에 형성된 촉매층의 측면이 커버될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 제작 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 및 제2서브가스켓을 녹는점이 100℃ 이하인 저 분자량의 PET 필름이나 PE 필름으로 채택하여, 고분자 전해질막의 사방 테두리단을 비롯하여 촉매층의 측면에 접착될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 제작 방법.