KR101283045B1

KR101283045B1 - 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치

Info

Publication number: KR101283045B1
Application number: KR1020110043453A
Authority: KR
Inventors: 이훈희
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2013-07-05
Also published as: KR20120125797A

Abstract

막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치가 개시된다. 개시된 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치는, 멤브레인-전극층의 양면 가장자리 측에 가스켓이 형성되어 있는 MEA 모재와, MEA 모재를 사이에 두고 이의 양면에 위치하는 가스 확산층을 접합하기 위한 것으로서, ⅰ)MEA 모재의 가스켓 부분을 진공 흡착하며 MEA 모재와 가스 확산층을 가열할 수 있는 베이스유닛과, ⅱ)베이스유닛으로 진공 흡입력을 제공하는 흡입유닛과, ⅲ)베이스유닛에 대응하여 상하 방향으로 승강 가능하게 구성되며 가스 확산층을 압착하는 압착유닛을 포함할 수 있다.

Description

막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치 {HOT PRESS DEVICE FOR MANUFACTURING MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY OF FUEL CELL}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지에 사용되는 막-전극 어셈블리의 제조 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스 확산층을 고온 고압으로서 MEA 레이어에 압착할 수 있는 핫 프레스 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지(Fuel Cell)는 수소 및 산소의 전기 화학적인 반응에 의하여 전기를 직접 생산하는 발전 시스템으로서, 별도의 충전 과정 없이도 외부에서 화학 반응물을 공급받아 지속적인 발전이 가능한 특징이 있다.

연료 전지의 기본적인 구조는 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 분리판(separator: 당 업계에서는 통상적으로 "바이폴라 플레이트" 라고도 한다)이 교대로 적층된 구조를 이룬다. 이 중에서, 상기 막-전극 어셈블리는 MEA 레이어의 양면에 가스 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)을 접합하여 이루어진다.

이러한 막-전극 어셈블리는 MEA 레이어의 양면 측에 가스 확산층을 배치한 상태에서, 핫 프레스 장치를 이용하여 고온 고압으로 압착시킴으로써 MEA 레어이어 접합하게 된다.

그런데, 종래 기술에서는 핫 프레스 장치에서 가해지는 열에 의해 MEA 레이어의 가장자리부가 주름 형태로 변형되는데, 이러한 현상은 열에 의해 수분이 증발하면서 수축하기 때문에 발생될 수 있다.

따라서, 종래 기술에서는 열에 의해 MEA 레이어가 변형되므로, 연료 전지 스택의 제작 시 연료 가스의 기밀이 유지되지 않는 등의 불량률이 증가하게 된다는 문제점을 내포하고 있다.

본 발명의 실시예들은 가스 확산층의 접합 시 고온의 열에 의해 MEA 레이어가 변형되는 것을 방지할 수 있도록 한 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치는, 멤브레인-전극층의 양면 가장자리 측에 가스켓이 형성되어 있는 MEA 모재와, 상기 MEA 모재를 사이에 두고 이의 양면에 위치하는 가스 확산층을 접합하기 위한 것으로서, ⅰ)상기 MEA 모재의 가스켓 부분을 진공 흡착하며 상기 MEA 모재와 가스 확산층을 가열할 수 있는 베이스유닛과, ⅱ)상기 베이스유닛으로 진공 흡입력을 제공하는 흡입유닛과, ⅲ)상기 베이스유닛에 대응하여 상하 방향으로 승강 가능하게 구성되며 상기 가스 확산층을 압착하는 압착유닛을 포함할 수 있다.

또한, 상기 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치는, 상기 흡입유닛을 통해 상기 MEA 모재의 가장자리 부분을 흡착하여 상기 베이스유닛에 고정시킬 수 있다.

또한, 상기 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치에 있어서, 상기 베이스유닛은 복수 개의 흡입공들이 가장자리 측에 형성되며 상기 가스켓 부분이 위치하는 베이스 테이블과, 상기 베이스 테이블의 가장자리 내측에 장착되며 상기 MEA 모재와 가스 확산층을 가열하는 핫 플레이트를 포함할 수 있다.

또한, 상기 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치에 있어서, 상기 베이스 테이블은 상기 흡입공들과 연결되는 밀폐 공간이 형성될 수 있다.

또한, 상기 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치에 있어서, 상기 흡입유닛은 상기 밀폐 공간과 연결되는 진공 펌프를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에서는 MEA 모재의 가스켓 부분을 진공 흡착 방식으로 베이스 테이블에 고정한 상태에서 가스 확산층을 접합할 수 있으므로, 핫 플레이트의 고열에 의해 MEA 모재의 가장자리 부분이 주름 형태로 변형되는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예들에서는 MEA 모재의 변형없이 7층 레이어의 막-전극 어셈블리를 제작할 수 있으므로, 연료 전지 스택의 제작 시 연료 가스의 기밀이 유지되지 않는 등의 불량률을 현저히 감소시킬 수 있으며, 자동화 공정으로서 연료 전지 스택의 대량 생산에 크게 기여할 수도 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치에 적용되는 베이스유닛을 도시한 사시도이다.

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.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치(100)는 연료 전지 스택의 부품인 7층 레이어(7 layer)의 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 제작하기 위한 것이다.

상기 막-전극 어셈블리는 5층 레이어(5 layer)의 막-전극 어셈블리 모재(1)(이하에서는 편의상 "MEA 모재" 라고 한다)의 양면에 가스 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)(5)이 접합된 구조로 이루어진다.

여기서, 상기 MEA 모재(1)는 멤브레인의 양면에 캐소드 및 애노드 전극층이 각각 형성된 멤브레인-전극층(2)과, 멤브레인-전극층(2)의 양면 가장자리 측에 형성된 가스켓(3)(당 업계에서는 통상적으로 "서브 가스켓" 이라고도 한다)으로 이루어진다.

즉, 본 발명의 실시예에 의한 상기 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치(100)는 5층 레이어의 MEA 모재(1)를 사이에 두고 이의 양면에 위치하는 가스 확산층(5)을 MEA 모재(1)에 접합함으로써 7층 레이어의 막-전극 어셈블리를 제작할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 핫 프레스 장치(100)는 MEA 모재(1)에 대하여 가스 확산층(5)을 고온 고압으로 압착하기 위한 것으로서, 고온의 열에 의해 MEA 모재(1)의 가장자리부가 주름 형태로 변형되는 것을 방지할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치(100)는 기본적으로, 베이스유닛(10), 흡입유닛(40), 및 압착유닛(70)을 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에서, 상기 베이스유닛(10)은 MEA 모재(1)의 가스켓(3) 부분을 진공 흡착하며 MEA 모재(1)와 가스 확산층(5)을 가열하기 위한 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치에 적용되는 베이스유닛을 도시한 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 베이스유닛(10)은 전체 장치를 지지하는 프레임(도면에 도시되지 않음) 상에 구성되는 바, 베이스 테이블(21)과 핫 플레이트(31)를 포함한다.

상기 베이스 테이블(21)은 소정 높이와 면적을 지니며 가장자리 측에 복수 개의 흡입공들(23)이 형성되어 있다. 이러한 흡입공들(23)이 형성된 베이스 테이블(21)의 가장자리 측에는 MEA 모재(1)의 가스켓(3) 부분이 위치한다.

여기서, 상기 베이스 테이블(21)에는 흡입공들(23)과 연결되는 밀폐 공간(25)이 형성되는데, 이 밀폐 공간(25)은 배출공(27)을 통해 외부와 연결될 수 있다.

그리고, 상기 핫 플레이트(31)는 MEA 모재(1)와 가스 확산층(5)을 가열하기 위한 것으로서, 베이스 테이블(21)의 가장자리 내측에 장착된다. 상기 핫 플레이트(31)는 베이스 테이블(21)의 상면에서 가장자리 내측에 형성된 장착홈에 삽입 장착될 수 있다.

이 경우, 상기 핫 플레이트(31)에는 MEA 모재(1)와 가스 확산층(5)으로 열을 제공하기 위한 복수 개의 전기 히터봉(33)이 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 흡입유닛(40)은 베이스 테이블(21)의 흡입공들(23)로 진공 흡입력을 제공하기 위한 것으로서, 도 1에서와 같이 베이스 테이블(21)의 밀폐 공간(25)과 연결된다.

즉, 상기 흡입유닛(40)은 베이스 테이블(21)의 흡입공들(23)로 진공 흡입력을 제공함으로써 MEA 모재(1)의 가장자리 부분을 흡착하여 그 MEA 모재(1)를 베이스 테이블(21)에 고정시키는 기능을 하게 된다.

상기 흡입유닛(40)은 베이스 테이블(21)의 밀폐 공간(25) 내부에 진공을 형성시킬 수 있는 것으로서 예를 들어 진공 펌프(41)를 구비한다.

이러한 진공 펌프(41)는 호스(43)를 통해 베이스 테이블(21)의 배출공(27)에 연결되게 설치되며, 밀폐 공간(25) 내부의 공기를 배출공(27)을 통해 흡입하여 외부로 배출시킴으로써 베이스 테이블(21)의 흡입공들(23)에 진공 흡입력을 제공하게 된다.

즉, 상기 베이스 테이블(21) 위에 놓여진 MEA 모재(1)는 진공 펌프(41)를 통해 흡입공들(23)에 제공되는 진공 흡입력으로서 가스켓(3) 부분이 베이스 테이블(21)에 진공 흡착될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 압착유닛(70)은 베이스 테이블(21)에 진공 흡착된 MEA 모재(1)에 가스 확산층(5)을 압착하기 위한 것으로서, 베이스유닛(10)에 대응하여 상하 방향으로 승강 가능하게 구성된다.

여기서, 상기 압착유닛(70)은 프레스 설비의 금형(상형)으로서 구비되며, 작동 실린더(도면에 도시되지 않음) 등에 의해 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 구성될 수 있다.

이러한 압착유닛(70)은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 프레스 금형으로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치(100)의 작동을 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명의 실시예에서는 베이스유닛(10)의 핫 플레이트(31) 상에 가스 확산층(5)을 올려 놓고 그 위에 MEA 모재(1)를 위치시키며, MEA 모재(1) 위에 다른 가스 확산층(5)을 올려 놓는다.

이 때, 상기 MEA 모재(1)의 가스켓(3) 부분은 베이스 테이블(21)의 가장자리 측에 위치하고 있으며, 그 베이스 테이블(21)의 흡입공들(23)을 막고 있다. 그리고 핫 플레이트(31)는 전기 히터봉(33)에 의해 일정 온도의 고열을 발생하고 있다.

상기와 같은 상태에서, 흡입유닛(40)의 진공 펌프(41)를 구동시키게 되면, 베이스 테이블(21)에 있어 밀폐 공간(25) 내부의 공기를 흡입하게 되고, 그 공기는 배출공(27)을 통해 외부로 배출된다.

이와 동시에, MEA 모재(1)의 가스켓(3) 부분은 베이스 테이블(21)의 흡입공들(23)에 작용하는 진공 펌프(41)의 흡입력에 의해 베이스 테이블(21)의 상면에 흡착된다.

그리고 나서, 본 발명의 실시예에서는 압착유닛(70)을 하강시켜 가스 확산층(5)을 압착유닛(70)으로 압착시킴으로써 그 가스 확산층(5)을 MEA 모재(1)에 고온 고압으로 접합하게 된다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치(100)는 MEA 모재(1)의 가스켓(3) 부분을 진공 흡착 방식으로 베이스 테이블(21)에 고정한 상태로 가스 확산층(5)을 접합할 수 있으므로, 핫 플레이트(31)의 고열에 의해 MEA 모재(1)의 가장자리 부분이 주름 형태로 변형되는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 MEA 모재(1)의 변형없이 7층 레이어의 막-전극 어셈블리를 제작할 수 있으므로, 연료 전지 스택의 제작 시 연료 가스의 기밀이 유지되지 않는 등의 불량률을 현저히 감소시킬 수 있으며, 자동화 공정으로서 연료 전지 스택의 대량 생산에 크게 기여할 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.

1... MEA 모재 2... 멤브레인-전극층
3... 가스켓 5... 가스 확산층
10... 베이스유닛 21... 베이스 테이블
23... 흡입공 25... 밀폐 공간
27... 배출공 31... 핫 플레이트
33... 전기 히터봉 40... 흡입유닛
41... 진공 펌프 43... 호스
70... 압착유닛

Claims

멤브레인-전극층의 양면 가장자리 측에 가스켓이 형성되어 있는 MEA 모재와, 상기 MEA 모재를 사이에 두고 이의 양면에 위치하는 가스 확산층을 접합하기 위한 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치로서,
상기 MEA 모재의 가스켓 부분을 진공 흡착하며 상기 MEA 모재와 가스 확산층을 가열할 수 있는 베이스유닛;
상기 베이스유닛으로 진공 흡입력을 제공하는 흡입유닛; 및
상기 베이스유닛에 대응하여 상하 방향으로 승강 가능하게 구성되며 상기 가스 확산층을 압착하는 압착유닛을 포함하되,
상기 베이스유닛은, 복수 개의 흡입공들이 가장자리 측에 형성되며 상기 가스켓 부분이 위치하는 베이스 테이블과, 상기 베이스 테이블의 가장자리 내측에 장착되며 상기 MEA 모재와 가스 확산층을 가열하는 핫 플레이트를 포함하는 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치.
제1 항에 있어서,
상기 흡입유닛을 통해 상기 MEA 모재의 가장자리 부분을 흡착하여 상기 베이스유닛에 고정시키는 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 베이스 테이블은 상기 흡입공들과 연결되는 밀폐 공간이 형성되는 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치.
제4 항에 있어서,
상기 흡입유닛은 상기 밀폐 공간과 연결되는 진공 펌프를 포함하는 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치.