KR101304700B1 - Hot pressing device for bonding membrane electrode assembly with a function of improved stability - Google Patents

Hot pressing device for bonding membrane electrode assembly with a function of improved stability Download PDF

Info

Publication number
KR101304700B1
KR101304700B1 KR1020110091339A KR20110091339A KR101304700B1 KR 101304700 B1 KR101304700 B1 KR 101304700B1 KR 1020110091339 A KR1020110091339 A KR 1020110091339A KR 20110091339 A KR20110091339 A KR 20110091339A KR 101304700 B1 KR101304700 B1 KR 101304700B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hot press
electrode assembly
membrane electrode
lower plate
gas diffusion
Prior art date
Application number
KR1020110091339A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20130027853A (en
Inventor
김근호
김기정
전유택
Original Assignee
현대하이스코 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대하이스코 주식회사 filed Critical 현대하이스코 주식회사
Priority to KR1020110091339A priority Critical patent/KR101304700B1/en
Publication of KR20130027853A publication Critical patent/KR20130027853A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101304700B1 publication Critical patent/KR101304700B1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/10—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the pressing technique, e.g. using action of vacuum or fluid pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

초박형의 막 전극 접합체와 한 쌍의 가스확산층 간의 적층 불량을 방지하여, 연료전지의 성능 및 품질을 향상시킬 수 있는 막 전극 접합체의 적층 안정성 개선을 위한 핫프레싱 장치에 관하여 개시한다.
본 발명은, 막 전극 접합체를 안착할 수 있는 상면을 가지는 핫 프레스 하판부; 상기 핫 프레스 하판부의 양측에 배치되는 프레임; 상기 프레임의 상면에 중첩되거나 상기 핫 프레스 하판부 상면에 중첩되도록 회동하는 가이드 플레이트; 및 상기 핫 프레스 하판부 상면과 대면하는 하면을 구비하며 상기 핫 프레스 하판부에 대하여 승하강하며 그 사이에 놓인 막 전극 접합체와 가스확산층을 열압착하는 핫 프레스 상판부;를 포함하는 핫프레싱 장치를 제공한다.Disclosed is a hot pressing apparatus for improving stacking stability of a membrane electrode assembly which can prevent stacking failure between an ultra-thin membrane electrode assembly and a pair of gas diffusion layers, thereby improving performance and quality of a fuel cell.
The present invention, the hot press lower plate portion having an upper surface on which the membrane electrode assembly can be seated; Frames disposed on both sides of the hot press lower plate; A guide plate pivoted so as to overlap an upper surface of the frame or to overlap an upper surface of the hot press lower plate portion; And a hot press upper plate portion having a lower surface facing the upper surface of the hot press lower plate portion and lifting and lowering the hot press lower plate portion to thermo-compress the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer disposed therebetween. do.

Description

막 전극 접합체의 적층 안정성 개선을 위한 핫프레싱 장치{HOT PRESSING DEVICE FOR BONDING MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY WITH A FUNCTION OF IMPROVED STABILITY}HOT PRESSING DEVICE FOR BONDING MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY WITH A FUNCTION OF IMPROVED STABILITY

본 발명은 막 전극 접합체의 핫프레싱 장치에 관한 것으로서, 특히, 초박형의 막 전극 접합체의 상하로 한 쌍의 가스확산층이 적층되는 과정 중에, 얇은 두께로 인하여 막 전극 접합체의 자세 안정성이 불안해질 수 있는 폐단을 감안하여, 적층 중에 막 전극 접합체의 테두리를 안내할 수 있는 핫프레싱 장치에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hot pressing apparatus for a membrane electrode assembly, and in particular, during the process of stacking a pair of gas diffusion layers above and below the ultra-thin membrane electrode assembly, the posture stability of the membrane electrode assembly may become unstable due to the thin thickness. In view of the closed end, the present invention relates to a hot pressing device capable of guiding an edge of a membrane electrode assembly during lamination.

최근, 석유 자원의 사용으로 인한 환경 오염 문제 해결은 물론, 석유 자원의 고갈에 당면하여 이를 대체 가능한 신생 에너지원의 연구 개발에 박차를 가하고 있는 실정이다.
Recently, as well as solving the problem of environmental pollution due to the use of petroleum resources, the situation is accelerating the research and development of new energy sources that can be replaced by facing the exhaustion of petroleum resources.

연료전지(Fuel Cell)란, 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 외부로부터 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 장치를 말한다. A fuel cell refers to a power generation device that directly converts chemical reaction energy of hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol, and natural gas and oxygen supplied from the outside into electrical energy.

상기 연료전지는 전해질의 종류에 따라, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell), 인산 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell), 고분자전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell) 등으로 분류된다. The fuel cell may be a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a polymer electrolyte membrane fuel cell, depending on the type of electrolyte. Membrane Fuel Cell and Direct Methanol Fuel Cell.

이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 작동원리를 갖지만, 해당 연료전지마다 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질 등의 다양한 조건에 따라 서로 다르게 구분된다. Each of these fuel cells has essentially the same principle of operation, but is different from each other according to various conditions such as the type of fuel, operating temperature, catalyst and electrolyte used for each fuel cell.

특히, 이 중에서, 고분자전해질막 연료전지는 기타의 연료전지에 비하여 출력밀도(power density) 및 효율이 높고, 낮은 운전 온도에서 작동되며, 빠른 시동 및 응답 특성을 갖는다는 장점이 있다. 이러한 연유로, 고분자전해질막 연료전지는 자동차 등의 이동용 전원, 주거환경에 필요한 분산용 전원은 물론, 각종 휴대용 장치의 소형 전원으로도 다양하게 활용될 수 있다.
In particular, the polymer electrolyte membrane fuel cell has advantages in that it has a high power density and efficiency, operates at a low operating temperature, and has fast startup and response characteristics compared with other fuel cells. For this reason, the polymer electrolyte membrane fuel cell may be used in various ways as a small power source for various portable devices, as well as a power source for a mobile, a distributed power source for a residential environment.

연료전지는 연료의 산화로 인해 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는데, 연료극(anode)에서는 수소의 산화반응이, 공기극(cathode)에서는 산소의 환원반응이 각각 전기화학적으로 진행된다.The fuel cell directly converts chemical energy generated by the oxidation of the fuel into electrical energy. The oxidation reaction of hydrogen is performed electrochemically at the anode and the reduction reaction of oxygen at the cathode.

전체적인 연료전지의 반응은 물의 전기분해 역반응으로서, 이 반응 과정에서 전기를 비롯하여, 열과 물이 생성된다.The overall fuel cell reaction is the reverse electrolysis of water, which generates electricity, heat and water, as well as electricity.

이러한 연료전지의 전기발전 계통 구성을 살펴보면, 전해질 막과, 전극(즉, 연료극, 공기극), 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 및 분리판(separator)을 포함한다. 그리고 이러한 구성으로 이루어진 단위 셀이 단독으로 존재하거나, 혹은 수 개 내지 수십 개가 적층되어 연료전지 스택을 형성한다.Looking at the configuration of the electric power generation system of such a fuel cell, it includes an electrolyte membrane, an electrode (ie, the anode, the cathode), a gas diffusion layer (GDL) and a separator (separator). In addition, unit cells having such a configuration exist alone or several to several tens are stacked to form a fuel cell stack.

한편, 전해질 막에 전극이 부착된 것을 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)라 한다.Meanwhile, the electrode attached to the electrolyte membrane is called a membrane electrode assembly (MEA).

막 전극 접합체의 전해질 막으로는 이온전도성 고분자가 주로 이용된다. 이러한 재질은 이온전도도가 높으며, 100% 가습 조건에서 기계적 강도가 높아야 하며, 기체투과도가 낮고, 열/화학적 안정성이 높은 특징이 있다. As the electrolyte membrane of the membrane electrode assembly, an ion conductive polymer is mainly used. These materials have high ionic conductivity, high mechanical strength at 100% humidification conditions, low gas permeability, and high thermal / chemical stability.

그리고 가스확산층은 분리판으로부터 유입되는 수소와 공기를 더욱 미세하게 확산시켜 막 전극 접합체로 공급시켜 주는 기체확산층(gas diffusion layer) 역할, 촉매층을 지지해 주는 지지체 역할, 촉매층에서 발생한 전류를 분리판으로 이동시켜 주는 집전체(current collector)역할과 또한 생성된 물이 촉매층 밖으로 유출되게 하는 통로역할을 담당하는 부재로서, 막 전극 접합체의 상, 하부면에 적층 형성된다. 이러한 가스확산층으로 이용되는 재질은 카본 페이퍼(carbon paper)나 카본 클로스(carbon cloth) 등이 있다.
In addition, the gas diffusion layer serves as a gas diffusion layer that diffuses hydrogen and air from the separator finely and supplies it to the membrane electrode assembly, serves as a support for the catalyst layer, and converts the current generated in the catalyst layer into the separator. It is a member that plays a role of a current collector for moving and a passage for allowing the generated water to flow out of the catalyst layer, and is laminated on the upper and lower surfaces of the membrane electrode assembly. The material used for the gas diffusion layer includes carbon paper, carbon cloth, and the like.

그런데, 여기서 막 전극 접합체는, 그 형상이 초박형(현재, 25㎛ 수준) 구조로 이루어짐에 따라 운반 과정에서 훼손 및 손상이 발생될 수 있으며, 특히, 가스확산층과의 적층 과정에서 자세 안정성이 불안해져 적층 품질이 나빠질 수 있다.By the way, the membrane electrode assembly, as the shape of the ultra-thin (now 25㎛ level) structure may be damaged and damaged during the transport process, in particular, the posture stability in the lamination process with the gas diffusion layer is unstable laminated The quality can be bad.

이러한 막 전극 접합체와 가스확산층 간의 적층 품질 불량은, 연료전지의 양호한 성능을 저해하며, 심지어 불량 제품으로 분류되어 사용 및 공급이 제한되기도 한다. 따라서, 이에 대한 개선책이 절실히 필요한 실정이다.
This poor stacking quality between the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer hinders the good performance of the battery cell, and is even classified as a defective product, limiting its use and supply. Therefore, there is an urgent need for improvement.

본 발명의 목적은, 초박형의 막 전극 접합체와 한 쌍의 가스확산층이 적층되는 과정 중에 얇은 두께로 인하여 막 전극 접합체의 자세 안정성이 불안해지는 폐단을 미연에 방지하여 적층 품질을 향상시킬 수 있는 막 전극 접합체의 적층 안정성 개선을 위한 핫프레싱 장치를 제공함에 있다. It is an object of the present invention to prevent stacking of unstable posture stability of a membrane electrode assembly due to its thin thickness in the process of laminating an ultra-thin membrane electrode assembly and a pair of gas diffusion layers, thereby improving stacking quality. The present invention provides a hot pressing device for improving stacking stability of a joined body.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제들에 국한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned here can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 막 전극 접합체를 안착할 수 있는 상면을 가지는 핫 프레스 하판부; 상기 핫 프레스 하판부의 양측에 배치되는 프레임; 상기 프레임의 상면에 중첩되거나 상기 핫 프레스 하판부 상면에 중첩되도록 회동하는 가이드 플레이트; 및 상기 핫 프레스 하판부 상면과 대면하는 하면을 구비하며 상기 핫 프레스 하판부에 대하여 승하강하며 그 사이에 놓인 막 전극 접합체와 가스확산층을 열압착하는 핫 프레스 상판부;를 포함하는 핫프레싱 장치를 제공한다.The present invention is a hot press lower plate having an upper surface on which the membrane electrode assembly can be seated; Frames disposed on both sides of the hot press lower plate; A guide plate pivoted so as to overlap an upper surface of the frame or to overlap an upper surface of the hot press lower plate portion; And a hot press upper plate portion having a lower surface facing the upper surface of the hot press lower plate portion and lifting and lowering the hot press lower plate portion to thermo-compress the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer disposed therebetween. do.

상기 핫 프레스 하판부는 막 전극 접합체에 구비된 홀에 삽입되는 고정핀을 구비하되, 상기 고정핀은 가스확산층 적층 영역의 외부에 배치되는 것이 바람직하다.The hot press lower plate part may include a fixing pin inserted into a hole provided in the membrane electrode assembly, and the fixing pin may be disposed outside the gas diffusion layer stacking area.

그리고, 상기 가이드 플레이트는 상기 핫 프레스 하판부 상면과 중첩되었을 때, 가스확산층의 배치영역만을 노출시켜 가스확산층의 정렬을 도와주도록 형성된다. 특히, 상기 가이드 플레이트는 가스확산층의 두 모서리를 감싸는 ㄷ자 형상을 가질 수 있다.When the guide plate overlaps the upper surface of the lower surface of the hot press, the guide plate is formed to help align the gas diffusion layer by exposing only the arrangement area of the gas diffusion layer. In particular, the guide plate may have a U-shape surrounding the two corners of the gas diffusion layer.

아울러, 상기 가이드 플레이트는 상기 프레임의 상면에 중첩되었을 때, 상기 핫 프레스 하판부와 상기 핫 프레스 상판부 사이 영역을 침범하지 않도록 하여, 핫프레싱 공정에 간섭하지 않도록 하는 것이 바람직하다.In addition, when the guide plate is superimposed on the upper surface of the frame, it is preferable not to interfere with the area between the hot press lower plate portion and the hot press upper plate portion, so as not to interfere with the hot pressing process.

그리고, 상기 가이드 플레이트를 왕복운동시키는 구동수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
And, it is preferable to further include a driving means for reciprocating the guide plate.

본 발명에 따르면, 초박형의 막 전극 접합체의 얇은 두께로 인하여, 가스확산층과의 적층 시 자세 안정성이 불안해져 상호 간의 적층 상태에 불량이 생기는 폐단을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, due to the thin thickness of the ultra-thin membrane electrode assembly, the posture stability becomes unstable at the time of lamination with the gas diffusion layer, and thus there is an effect of preventing the closed end of the stacking state from being defective.

아울러, 본 발명에 따르면, 막 전극 접합체 및 가스확산층 사이의 적층 상태가 양호하게 개선될 수 있어, 결과적으로는 연료전지의 성능 및 품질이 향상될 수 있는 효과가 있다.
In addition, according to the present invention, the lamination state between the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer can be satisfactorily improved, and as a result, the performance and quality of the fuel cell can be improved.

도 1은 막 전극 접합체 및 가스확산층의 적층 구조를 개략적으로 도시한 단면도,
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핫프레싱 장치의 작동 상태를 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫프레싱 장치의 동작을 순차적으로 나타낸 공정순서도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a laminated structure of a membrane electrode assembly and a gas diffusion layer,
2 and 3 are a perspective view showing an operating state of the hot pressing device according to an embodiment of the present invention,
4 is a process flowchart sequentially showing the operation of the hot pressing apparatus according to the embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and the manner of achieving them, will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited by the embodiments disclosed below, but may be embodied in various different forms, and the present embodiments merely make the disclosure of the present invention complete, and the general knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the person of the scope of the invention. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

본 발명을 설명하기에 앞서 연료전지의 특징 및 간략한 구성에 대해 살펴보기로 한다.Before describing the present invention, a feature and a brief configuration of the fuel cell will be described.

연료전지(Fuel Cell)란, 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 외부로부터 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접적으로 전기 에너지 형태로 변환시키는 발전 장치를 말한다. A fuel cell refers to a power generation device that directly converts chemical reaction energy of hydrogen contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol, and natural gas and oxygen supplied from the outside into an electrical energy form.

특히, 고분자전해질 막 연료전지는 기타의 연료전지에 비하여 출력밀도(power density) 및 효율이 높으며, 낮은 운전 온도에서도 작동 가능하며, 빠른 시동 및 응답 특성을 갖는 장점이 있다. 이러한 까닭으로 고분자전해질막 연료전지는 자동차 등의 전원으로 다양하게 활용될 수 있다.In particular, the polymer electrolyte membrane fuel cell has a high power density and efficiency compared with other fuel cells, can operate at a low operating temperature, and has a fast starting and response characteristic. For this reason, the polymer electrolyte membrane fuel cell may be variously used as a power source for automobiles.

연료전지는 연료의 산화로 인해 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는데, 연료극(anode)에서는 수소의 산화반응이, 공기극(cathode)에서는 산소의 환원반응이 각각 전기화학적으로 진행된다. The fuel cell directly converts chemical energy generated by the oxidation of the fuel into electrical energy. The oxidation reaction of hydrogen is performed electrochemically at the anode and the reduction reaction of oxygen at the cathode.

전체적인 연료전지의 반응은 물의 전기분해 역반응으로서, 이 반응 과정에서 전기를 비롯하여 열과 물이 생성된다.The overall fuel cell reaction is the reverse electrolysis of water, which generates heat and water as well as electricity.

이러한 연료전지는 공기극 및 연료극이 전해질 막에 부착 형성된 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)와, 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 및 분리판(Separator, 또는 bipolar plate라 함)을 포함하는 구성으로 이루어진다. 특히, 이러한 구성을 포함하여 연료전지의 단위 셀이 형성되며, 이러한 셀이 수 개 또는 수십 개가 적층되어 연료전지 스택을 형성한다. The fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA) in which an air electrode and a fuel electrode are attached to an electrolyte membrane, a gas diffusion layer (GDL), and a separator (referred to as a separator or bipolar plate). Is done. In particular, the unit cell of the fuel cell is formed, including such a configuration, and several or tens of such cells are stacked to form a fuel cell stack.

다만, 이러한 막 전극 접합체의 전해질 막은, 두께가 매우 얇은 박형 부재로서 주로 이온전도성 고분자가 이용된다. 최근에는 막 전극 접합체의 두께가 대략 25㎛ 수준으로서, 이의 보관 및 운반 상의 손상 및 훼손 문제가 주의된다. However, the electrolyte membrane of such a membrane electrode assembly is mainly used as an ion conductive polymer as a thin member having a very thin thickness. In recent years, the thickness of the membrane electrode assembly is on the order of approximately 25 mu m, and the problem of damage and damage in its storage and transport is noted.

더 나아가, 막 전극 접합체를 한 쌍의 가스확산층과 적층하는 공정에는 핫 프레스 방식이 이용되는데, 이러한 공정 중에 초박형인 막 전극 접합체는 지속적으로 양호한 자세를 유지하기 어렵다. 그 결과 적층 품질이 나빠지며, 결과적으로는 연료전지의 성능 및 품질을 저해하는 원인으로 작용되었다. Further, a hot press method is used in the process of laminating the membrane electrode assembly with a pair of gas diffusion layers, and during this process, the ultra-thin membrane electrode assembly is difficult to maintain a good posture continuously. As a result, the lamination quality deteriorates, which in turn acts as a cause of impairing the performance and quality of the fuel cell.

따라서, 막 전극 접합체의 경우, 한 쌍의 가스확산층과 양호하게 적층이 이루어질 때까지 손상 및 훼손되지 않아야 하며, 또한 평탄한 면을 유지하는 상태가 지속적으로 유지될 필요성이 있다. 이러한 필요성에 따라 본 발명에 따른 막 전극 접합체 보강용 고정구가 창안되었다.
Therefore, in the case of the membrane electrode assembly, there is a need not to be damaged or damaged until a good lamination with a pair of gas diffusion layers is required, and a state of maintaining a flat surface needs to be maintained continuously. According to this need, a fixture for reinforcing a membrane electrode assembly according to the present invention was devised.

이하, 본 발명에 따른 막 전극 접합체의 적층 안정성 개선을 위한 보강용 고정구 및 이를 이용한 연료전지 제조 방법에 대하여 살펴보기로 한다. Hereinafter, a reinforcing fixture for improving stacking stability of a membrane electrode assembly according to the present invention and a fuel cell manufacturing method using the same will be described.

도 1은 막 전극 접합체 및 가스확산층의 적층 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing a laminated structure of a membrane electrode assembly and a gas diffusion layer.

도 1을 참조하면, 도시된 적층 구조는 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)(10)를 가운데에 두고, 이의 상, 하로 한 쌍의 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)(20)이 적층 형성되는 것을 확인할 수 있다. 그리고 상기 한 쌍의 가스확산층(20)의 상, 하로 다시 분리판(Separator 또는 bipolar plate)(30, 30′)이 적층되어 하나의 연료전지 단위 셀을 형성한다.Referring to FIG. 1, the stacked structure includes a membrane electrode assembly (MEA) 10 in the center, and a pair of gas diffusion layers (GDLs) 20 are stacked on top and bottom thereof. It can be confirmed that it is formed. A separator plate (separator or bipolar plate) 30 and 30 'is stacked on top of and below the pair of gas diffusion layers 20 to form one fuel cell unit cell.

여기서, 이러한 연료전지 단위 셀의 성능 및 품질은 상기 막 전극 접합체(10)와, 가스확산층(20) 사이의 적층 품질에 따라 크게 의존되는데, 이들의 적층 공정에 대해서 도 4를 참조하여 구체적으로 확인하기로 한다.
Here, the performance and quality of such a fuel cell unit cell largely depends on the lamination quality between the membrane electrode assembly 10 and the gas diffusion layer 20, and these lamination processes are specifically confirmed with reference to FIG. 4. Let's do it.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핫프레싱 장치의 작동 상태를 나타낸 사시도이다.2 and 3 are perspective views showing an operating state of the hot pressing device according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 막 전극 접합체의 적층 안정성 개선을 위한 핫프레싱 장치(100)는, 초박형(대략 25㎛)인 막 전극 접합체의 양면에 가스확산층을 정확하게 부착할 수 있도록 해주기 위한 것이다.The hot pressing apparatus 100 for improving the stacking stability of the membrane electrode assembly according to the present invention is to enable the gas diffusion layer to be accurately attached to both surfaces of the ultra-thin (about 25 μm) membrane electrode assembly.

본 발명에 따른 핫프레싱 장치(100)는, 막 전극 접합체를 안착할 수 있는 크기의 평평한 상면(122)을 가지는 핫 프레스 하판부(120)와, 핫 프레스 하판부(120)의 양측에 이격 배치되는 프레임(140)과, 프레임(140)의 상면에 중첩되거나 핫 프레스 하판부(120)의 상면에 중첩되도록 회동가능한 가이드 플레이트(160)와, 핫 프레스 하판부(120)의 상면(122)과 대면하는 하면(182)을 구비하는 핫 프레스 상판부(180)를 포함한다. 핫 프레스 상판부(180)는 상기 핫 프레스 하판부(120)에 대하여 승하강 하며 그 사이에 적층된 막 전극 접합체와 가스확산층을 열압착하게 된다.Hot pressing apparatus 100 according to the present invention, the hot press lower plate portion 120 having a flat upper surface 122 of the size that can seat the membrane electrode assembly, and the hot press lower plate portion 120 is disposed on both sides of the hot press lower plate portion 120 And a guide plate 160 rotatable to overlap the upper surface of the frame 140, the upper surface of the frame 140, or the upper surface of the hot press lower plate portion 120, and an upper surface 122 of the hot press lower plate portion 120. And a hot press upper plate portion 180 having a lower surface 182 facing. The hot press upper plate 180 moves up and down with respect to the hot press lower plate 120 to thermo-compress the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer stacked therebetween.

도 2는 가이드 플레이트(160)가 프레임(140)에 중첩되어 있는 상태를 나타낸 것이고, 도 3은 가이드 플레이트(160)가 핫 프레스 하판부(120)에 중첩된 상태를 나타낸 것이다.2 illustrates a state in which the guide plate 160 overlaps the frame 140, and FIG. 3 illustrates a state in which the guide plate 160 overlaps the hot press lower plate part 120.

가이드 플레이트(160)는 도 2에 도시된 상태와, 도 3에 도시된 상태를 왕복하게 된다. 도 2에 도시된 상태에서는 핫 프레스 하판부(120)의 위쪽에 가이드 플레이트(160)가 존재하지 않으므로, 이 상태에서는 막 전극 접합체가 핫 프레스 하판부에 적층되거나, 핫 프레스 상판부(180)가 하강할 수 있다. 즉 가이드 플레이트(160)까 프레임(140)에 중첩된 상태에서는 가이드 플레이트(160)가 핫 프레스의 작동영역을 침범하지 않는다.
The guide plate 160 reciprocates between the state shown in FIG. 2 and the state shown in FIG. 3. In the state shown in FIG. 2, since the guide plate 160 does not exist above the hot press lower plate 120, in this state, the membrane electrode assembly is stacked on the hot press lower plate, or the hot press upper plate 180 is lowered. can do. That is, in the state where the guide plate 160 overlaps the frame 140, the guide plate 160 does not invade the operating area of the hot press.

도 3에 도시된 상태에서는 핫 프레스 하판부(120)의 상면에 가이드 플레이트(160)가 중첩되며, 가이드 플레이트(160) 안쪽의 가스확산층 배치 영역만이 노출된다. 다시 말해 가이드 플레이트(160)를 핫 프레스 하판부(120)에 중첩 시킨 상태에서 가스확산층을 적층하게 되면, 가스확산층이 막 전극 접합체의 정위치에 배치되는 것이다.In the state shown in FIG. 3, the guide plate 160 overlaps the upper surface of the hot press lower plate part 120, and only the gas diffusion layer arrangement region inside the guide plate 160 is exposed. In other words, when the gas diffusion layers are stacked in the state where the guide plate 160 is superimposed on the hot press lower plate 120, the gas diffusion layers are disposed at the exact positions of the membrane electrode assembly.

가이드 플레이트(160)는 가스확산층을 보다 정확하게 안내하기 위하여, 가스확산층의 두 모서리를 감싸는 ㄷ자 형상을 가진다.
Guide plate 160 has a U-shape surrounding the two corners of the gas diffusion layer in order to guide the gas diffusion layer more accurately.

가이드 플레이트(160)의 왕복운동은 구동수단(미도시)에 의하여 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적인 구동수단으로는 정역방향으로 회전할 수 있는 모터가 사용될 수 있다. 그러나 모터에 한정되는 것은 아니고 유압실린더와 링크등을 이용하여 가이드 플레이트(160) 180도 범위에서 정역방향으로 회동하도록 구성할 수도 있다.Reciprocating motion of the guide plate 160 is preferably made by a driving means (not shown). As a specific driving means, a motor capable of rotating in the forward and reverse directions may be used. However, the present invention is not limited to the motor, and may be configured to rotate in the forward and reverse directions in the 180 degree range of the guide plate 160 using a hydraulic cylinder and a link.

핫 프레스 하판부(120)는 가이드 플레이트(160)가 중첩되는 영역 외부에 고정핀(125)을 구비한다. 고정핀(125)는 막 전극 접합체에 구비된 홀에 삽입될 수 있는 크기를 가지며, 막 전극 접합체에 형성된 홀에 대응하는 위치에 형성된다. 고정핀(125)을 통해서 막 전극 접합체는 핫 프레스 하판부(120)에 정렬된 상태로 고정될 수 있다.
The hot press lower plate portion 120 includes a fixing pin 125 outside the region where the guide plate 160 overlaps. The fixing pin 125 has a size that can be inserted into a hole provided in the membrane electrode assembly and is formed at a position corresponding to the hole formed in the membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly may be fixed to the hot press lower plate part 120 through the fixing pin 125.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫프레싱 장치의 동작을 순차적으로 나타낸 공정순서도이다.4 is a process flowchart sequentially showing the operation of the hot pressing apparatus according to the embodiment of the present invention.

(a)는 준비 상태를 나타낸 것으로 핫 프레스 하판부(120)의 위에는 아무것도 놓여져 있지 않고, 가이드 플레이트(160)는 프레임(140)에 중첩된 상태이다. 준비 상태에서 가이드 플레이트(160)를 핫 프레스 하판부(120)의 위로 중첩시키면, (b)와 같은 상태가 된다. 이 상태에서 가스확산층(20)을 적층하게 되면 (c)와 같은 상태가 되고, 적층된 가스확산층(20)은 그 위에 적층될 막 전극 접합체와 자동적으로 정렬된다. 이는 가이드 플레이트(160)가 핫 프레스 하판부(120)에 중첩된 상태에서 노출되는 영역은 가스확산층(20)이 배치될 영역에 국한되기 때문이다.(a) shows the ready state, and nothing is placed on the hot press lower plate portion 120, and the guide plate 160 is superimposed on the frame 140. When the guide plate 160 is superimposed on the hot press lower plate portion 120 in the ready state, the state becomes as in (b). In this state, when the gas diffusion layers 20 are laminated, the same state as in (c) is obtained, and the stacked gas diffusion layers 20 are automatically aligned with the membrane electrode assembly to be stacked thereon. This is because the region exposed in the state where the guide plate 160 overlaps the hot press lower plate 120 is limited to the region where the gas diffusion layer 20 is to be disposed.

다음으로 막 전극 접합체(10)를 적층하기 위해서, 가이드 플레이트(160)는 다시 외측으로 회동하여 프레임(140)에 중첩되어 (d)와 같은 상태가 된다. 이 상태에서 막 전극 접합체(10)를 적층하는데, 이 때 고정핀(도 2의 125)에 의해서 막 전극 접합체(10)가 정렬됨과 동시에 고정된다. 막 전극 접합체(10)를 적층한 후 (f)와 같이 가이드 플레이트(160)를 막 전극 접합체(10)의 위쪽으로 중첩시켜 막 전극 접합체(10)에 가스확산층(20)이 배치될 영역만 노출시킨다. 다음으로 (g)와 같이 가스확산층(20)을 적층한 후, (h)와 같이 가이드 플레이트(160)를 다시 프레임에 중첩시킨다. (h)와 같은 상태에서 핫 프레스 상판부(180)가 하강하여 적층된 막 전극 접합체와 가스확산층을 핫 프레스로 부착한다.
Next, in order to laminate the membrane electrode assembly 10, the guide plate 160 is rotated outward again and overlapped with the frame 140 to be in a state as shown in (d). In this state, the membrane electrode assembly 10 is laminated. At this time, the membrane electrode assembly 10 is aligned and fixed by the fixing pin (125 in FIG. 2). After stacking the membrane electrode assembly 10, as shown in (f), the guide plate 160 is overlapped with the membrane electrode assembly 10 to expose only the region where the gas diffusion layer 20 is to be disposed in the membrane electrode assembly 10. Let's do it. Next, after laminating the gas diffusion layer 20 as shown in (g), the guide plate 160 is superimposed again on the frame as shown in (h). In the state as shown in (h), the hot press upper plate 180 is lowered to attach the laminated membrane electrode assembly and the gas diffusion layer by hot press.

상술한 바와 같이, 본 발명인 막 전극 접합체의 적층 안정성 개선을 위한 핫프레싱 장치에 의하면, 초박형의 막 전극 접합체의 적층 과정 중에 자세 안정성 및 평탄한 표면 상태를 유지할 수 있게 하여 적층 품질을 향상시킬 수 있다.As described above, according to the hot-pressing device for improving the lamination stability of the membrane electrode assembly of the present invention, it is possible to maintain the posture stability and the flat surface state during the lamination process of the ultra-thin membrane electrode assembly, thereby improving the lamination quality.

아울러, 본 발명인 막 전극 접합체의 적층 안정성 개선을 위한 핫프레싱 장치를 이용하면, 막 전극 접합체 및 가스확산층 사이의 적층 품질을 향상시킬 수 있어, 연료전지의 성능 및 품질이 향상된다. In addition, by using the hot pressing apparatus for improving the stacking stability of the membrane electrode assembly of the present invention, the lamination quality between the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer can be improved, thereby improving the performance and quality of the fuel cell.

이상에서 본 발명에 따른 막 전극 접합체의 적층 안정성 개선을 위한 핫프레싱 장치에 대하여 설명하였다.
The hot pressing apparatus for improving the stacking stability of the membrane electrode assembly according to the present invention has been described above.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
It is to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and should not be construed as limiting, the scope of the invention being indicated by the appended claims rather than the foregoing description, It is intended that all changes and modifications derived from the equivalent concept be included within the scope of the present invention.

10: 막 전극 접합체(MEA)
20: 가스확산층(GDL)
30: 분리판
100 : 핫프레싱 장치
120 : 핫 프레스 하판부
140 : 프레임
160 : 가이드 플레이트
180 : 핫 프레스 상판부10: membrane electrode assembly (MEA)
20: gas diffusion layer (GDL)
30: Separator
100: hot pressing device
120: hot press lower plate
140: frame
160: guide plate
180: hot press top plate

Claims (7)

막 전극 접합체를 안착할 수 있는 상면을 가지는 핫 프레스 하판부;
상기 핫 프레스 하판부의 양측에 배치되는 프레임;
상기 프레임의 상면에 중첩되거나 상기 핫 프레스 하판부 상면에 중첩되도록 회동하는 가이드 플레이트; 및
상기 핫 프레스 하판부 상면과 대면하는 하면을 구비하며 상기 핫 프레스 하판부에 대하여 승하강하며 그 사이에 놓인 막 전극 접합체와 가스확산층을 열압착하는 핫 프레스 상판부;를 포함하며,
상기 핫 프레스 하판부는 막 전극 접합체에 구비된 홀에 삽입되는 고정핀을 구비하는 것을 특징으로 하는 핫프레싱 장치.
A hot press lower plate portion having an upper surface on which the membrane electrode assembly can be mounted;
Frames disposed on both sides of the hot press lower plate;
A guide plate pivoted so as to overlap an upper surface of the frame or to overlap an upper surface of the hot press lower plate portion; And
And a hot press upper plate portion having a lower surface facing the upper surface of the hot press lower plate portion and being heated up and down with respect to the hot press lower plate portion to thermo-compress the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer therebetween.
The hot press lower plate portion is a hot pressing device, characterized in that the fixing pin is inserted into the hole provided in the membrane electrode assembly.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 고정핀은 가스확산층 적층 영역의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 핫프레싱 장치.
The method of claim 1,
And the fixing pin is disposed outside the gas diffusion layer stacking region.
제 1 항에 있어서,
상기 가이드 플레이트는
상기 핫 프레스 하판부 상면과 중첩되었을 때, 가스확산층의 배치영역만을 노출시키는 것을 특징으로 하는 핫프레싱 장치.
The method of claim 1,
The guide plate
And an overlapping area of the gas diffusion layer when the upper surface of the hot press lower plate is overlapped.
제 4 항에 있어서,
상기 가이드 플레이트는 가스확산층의 두 모서리를 감싸는 ㄷ자 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 핫프레싱 장치.
5. The method of claim 4,
The guide plate has a U-shape surrounding the two corners of the gas diffusion layer, characterized in that the hot pressing device.
제 4 항에 있어서,
상기 가이드 플레이트는
상기 프레임의 상면에 중첩되었을 때, 상기 핫 프레스 하판부와 상기 핫 프레스 상판부 사이 영역을 침범하지 않는 것을 특징으로 하는 핫프레싱 장치.
5. The method of claim 4,
The guide plate
And a hot pressing device which does not invade an area between the hot press lower plate part and the hot press upper plate part when overlapped with an upper surface of the frame.
제 1 항에 있어서,
상기 가이드 플레이트를 왕복운동시키는 구동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핫프레싱 장치.The method of claim 1,
Hot pressing device further comprises a drive means for reciprocating the guide plate.
KR1020110091339A 2011-09-08 2011-09-08 Hot pressing device for bonding membrane electrode assembly with a function of improved stability KR101304700B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110091339A KR101304700B1 (en) 2011-09-08 2011-09-08 Hot pressing device for bonding membrane electrode assembly with a function of improved stability

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110091339A KR101304700B1 (en) 2011-09-08 2011-09-08 Hot pressing device for bonding membrane electrode assembly with a function of improved stability

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130027853A KR20130027853A (en) 2013-03-18
KR101304700B1 true KR101304700B1 (en) 2013-09-06

Family

ID=48178605

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110091339A KR101304700B1 (en) 2011-09-08 2011-09-08 Hot pressing device for bonding membrane electrode assembly with a function of improved stability

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101304700B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109390610A (en) * 2018-10-15 2019-02-26 南京大学昆山创新研究院 A kind of fuel cell membrane electrode production packaging technology
CN109647955A (en) * 2018-12-29 2019-04-19 长江师范学院 Sodium-ion battery pole piece sheeting equipment
US11038183B2 (en) 2019-07-15 2021-06-15 Hyundai Motor Gompany Apparatus for manufacturing elastomeric cell frame for fuel cell

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030092830A (en) * 2002-05-31 2003-12-06 현대자동차주식회사 An apparatus for piling up battery stack of electric automobile
KR20090033569A (en) * 2007-10-01 2009-04-06 현대자동차주식회사 Heat pressure-type jig for manufacturing 5-layer membrane
KR20090106217A (en) * 2008-04-04 2009-10-08 현대자동차주식회사 automatic assembling apparatus of fuel cell stack
KR20090108492A (en) * 2008-04-11 2009-10-15 현대자동차주식회사 Apparatus for punching and joining MEA sheet for fuel cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030092830A (en) * 2002-05-31 2003-12-06 현대자동차주식회사 An apparatus for piling up battery stack of electric automobile
KR20090033569A (en) * 2007-10-01 2009-04-06 현대자동차주식회사 Heat pressure-type jig for manufacturing 5-layer membrane
KR20090106217A (en) * 2008-04-04 2009-10-08 현대자동차주식회사 automatic assembling apparatus of fuel cell stack
KR20090108492A (en) * 2008-04-11 2009-10-15 현대자동차주식회사 Apparatus for punching and joining MEA sheet for fuel cell

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109390610A (en) * 2018-10-15 2019-02-26 南京大学昆山创新研究院 A kind of fuel cell membrane electrode production packaging technology
CN109390610B (en) * 2018-10-15 2021-05-25 南京大学昆山创新研究院 Fuel cell membrane electrode production and packaging process
CN109647955A (en) * 2018-12-29 2019-04-19 长江师范学院 Sodium-ion battery pole piece sheeting equipment
CN109647955B (en) * 2018-12-29 2021-05-11 长江师范学院 Sodium ion battery pole piece tabletting equipment
US11038183B2 (en) 2019-07-15 2021-06-15 Hyundai Motor Gompany Apparatus for manufacturing elastomeric cell frame for fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130027853A (en) 2013-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4304101B2 (en) Electrolyte membrane / electrode structure and fuel cell
KR101620155B1 (en) Fuel cell and manufacturing method thereof
KR20090012380A (en) The combination structure of solid oxide fuel cell between electrode and interconnect
CN102132448A (en) Fuel cell and fuel cell layer
US20160006045A1 (en) Bipolar Plate for Fuel Cell, Fuel Cell and Method for Producing the Bipolar Plate
JP2009081145A (en) Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell
JP4137660B2 (en) Liquid fuel cell
US20100062302A1 (en) Metal support and solid oxide fuel cell including the same
KR101304700B1 (en) Hot pressing device for bonding membrane electrode assembly with a function of improved stability
JP4566995B2 (en) Apparatus comprising a membrane electrode assembly and method for preparing the apparatus
KR101148674B1 (en) Apparatus for manufacturing fuel cell having membrane electrode assembly and gas diffusion layer improved stack precision, quality and the method for manufacturing the same
US10396383B2 (en) Membrane electrode assembly and fuel cell comprising the same
JP2013012324A (en) Fuel cell
JP5251139B2 (en) Manufacturing method of fuel cell membrane / electrode assembly
JP2006107868A (en) Cell for fuel cell, its manufacturing method and fuel cell
JP2004356031A (en) Fuel cell and small-sized electrical apparatus
JP2010170895A (en) Method and device for manufacturing membrane electrode assembly
JP2009238495A (en) Fuel cell and membrane-electrode-gas diffusion layer assembly used this
JP6094766B2 (en) Fuel cell
KR101220740B1 (en) Solid oxide fuel cell separator comprising collector formed channel and method for manufacturing the same
KR101180157B1 (en) Apparatus for treating of poor unit cell of solid oxide fuel cell and method for installating the same
JP2008053167A (en) Manufacturing method of fuel cell
KR101116241B1 (en) Support and solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
JP2008010164A (en) Gas diffusion layer used for fuel cell, and the fuel cell
JP2009026468A (en) Manufacturing method of membrane-gas diffusion electrode assembly

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160729

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee