KR102071907B1 - 연료전지용 서브 가스켓 필름, 이를 포함하는 막전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 - Google Patents

연료전지용 서브 가스켓 필름, 이를 포함하는 막전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 출원은 연료전지용 서브 가스켓 필름, 이를 포함하는 막전극 어셈블리, 이를 포함하는 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택의 제조방법에 관한 것으로서, 재작업성이 우수하고 합지 시 기포 발생 등의 불량이 없으며, 최종 합지 공정 후 우수한 접착력 및 내구성을 구현하는 연료전지용 서브 가스켓 필름을 제공한다.

Description

연료전지용 서브 가스켓 필름, 이를 포함하는 막전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 {SUB-GASKET FILM FOR FUEL CELL COMPRISING THE SAME, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY COMPRISING THE SAME AND FUEL CELL STACK COMPRISING THE SAME}
본 출원은 연료전지용 서브 가스켓 필름, 이를 포함하는 막전극 어셈블리, 이를 포함하는 연료 전지 스택 및 연료 전지 스택의 제조방법에 관한 것이다.
연료 전지는, 연료를 전기 화학 프로세스에 의해 산화시킴으로써 산화 반응에 수반하여 방출되는 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 발전 시스템이며, 수소 이온을 선택적으로 수송하기 위한 전해질막의 양 측면을 다공질 재료로 이루어지는 한 쌍의 전극에 의해 끼움 지지하여 이루어지는 복수의 막-전극 어셈블리(접합체)를 적층하여 이루어지는 스택 구조를 갖고 있다.
연료 전지 스택 내에 사용되는 가스켓(gasket)은 접촉면에서 액체나 기체가 새어나오는 것을 막아주는 역할을 하지만, 종래에 가스켓 단독으로 사용 시 액체나 기체가 새어나오는 것을 완벽하게 차단하지 못하여 전해질막에 접착되는 서브 가스켓 필름(sub gasket film)을 적용했다.
상기 서브 가스켓 필름은 상기 전해질막과의 초기 재작업성이 용이하도록 접착력이 낮으면서, 합지 시 기포나 우글거림 등의 문제가 없어야 하고, 최종 핫프레스 공정 후 접착력은 높게 유지되어야 한다.
특허 문헌 1: 대한민국 공개공보 제10-2016-0033909호
본 출원은 연료전지에 적용되는 서브 가스켓 필름에 관한 것으로서, 재작업성이 우수하고 합지 시 기포 발생 등의 불량이 없으며, 최종 합지 공정 후 우수한 접착력 및 내구성을 구현하는 연료전지용 서브 가스켓 필름을 제공한다.
본 출원은 연료 전지용 서브 가스켓 필름에 관한 것이다. 상기 서브 가스켓 필름(1)은, 적어도 하나의 표면에 요철 구조를 가지는 점착제층(2)을 포함할 수 있다. 상기 서브 가스켓 필름의 점착제층은, 요철 구조가 형성된 표면이 후술하는 전해질막에 부착될 수 있다. 본 출원은 점착제층이 표면에 요철 구조를 가짐으로써, 재작업성이 우수하고 합지 시 기포 발생 등의 불량이 없으며, 최종 합지 공정 후 우수한 접착력 및 내구성을 구현할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 점착제층은 무기 필러를 포함할 수 있다. 상기 무기 필러는 점착제층의 적어도 일 표면에 요철 구조를 형성하는 관점에서, 그 입경이 100 nm 내지 1 ㎛, 200 nm 내지 800 nm 또는 300nm 내지 700nm의 범위 내에 있을 수 있다. 하나의 예시에서, 무기 필러의 소재는 점착제를 구성하는 재료와 반응성이 없는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 실리카 또는 티타니아를 포함할 수 있다. 본 출원은 점착제층이 상기 무기 필러를 포함함으로써, 초기 접착력을 낮추면서, 최종 합지 공정 후에는 높은 접착력 및 내구성을 제공할 수 있다.
하나의 예시에서, 점착제층의 두께는 1㎛ 내지 50㎛, 2㎛ 내지 40㎛, 3㎛ 내지 30㎛, 5㎛ 내지 20㎛ 또는 8㎛ 내지 15㎛의 범위 내에 있을 수 있다. 본 출원은 점착제층의 두께를 상기 범위로 제어함으로써, 요철 구조가 일면에 형성된 표면을 형성할 수 있다.
본 출원의 구체예에서, 점착제층은 고분자 중합체를 추가로 포함할 수 있고, 상기 무기 필러는 상기 중합체 100 중량부 대비 5 내지 30 중량부 또는 8 내지 25 중량부의 범위로 포함될 수 있다. 본 출원은 무기 필러의 함량을 5 중량부 이상으로 제어함으로써, 목적하는 정도의 요철 구조를 형성할 수 있고, 그 함량을 30 중량부 이하로 제어함으로써, 무기 필러의 뭉침을 방지하고 이에 따라 외관 불량을 방지하며 최종 합지 시 우수한 접착력 및 내구성을 구현할 수 있다.
상기 고분자 중합체의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 고분자 중합체는 폴리비닐 아세테이트, 나피온, 나일론, 폴리아마이드, 폴리비닐클로라이드, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리에테르설폰, 폴리에테르, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지를 포함할 수 있다.
본 출원의 구체예에서, 상기 고분자 중합체는 하기 화학식 1의 단량체로부터 유도된 제 2 중합단위를 가지는 중합체일 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112016077560679-pat00001
상기 화학식 1에서, R1은 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 알콕시기 또는 아릴기이고, R2는 중합성 관능기이며, X는 산소 또는 질소이다. 상기에서 R1은 탄소수 1 내지 10, 1 내지 8 또는 1 내지 5의 범위 내에 있는 알킬기, 알케닐기, 알키닐기, 알콕시기 또는 아릴기일 수 있다. 또한, 중합성 관능기는 알케닐기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴로일옥시기 또는 메타크릴로일옥시기일 수 있다. 상기 단량체는 화학식 1의 구조를 만족하는 한, 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 상기 화학식 1의 단량체는 비닐 아세테이트를 포함할 수 있다.
본 출원의 또 다른 구체예에서, 상기 점착제층은 유리전이온도가 0℃ 이상인 단량체로부터 유도된 제 1 중합단위 및 하기 화학식 1의 단량체로부터 유도된 제 2 중합단위를 가지는 중합체를 포함할 수 있다. 상기 제 1 중합단위를 구성하는 단량체는, 전술한 바와 같이, 유리전이온도가 0℃ 이상일 수 있고, 보다 구체적으로 10℃ 이상, 20℃ 이상, 30℃ 이상, 50℃ 이상, 70℃ 이상 또는 85℃ 이상일 수 있다.
본 출원은 점착제층을 구성하는 중합체가 상기 제 1 중합단위 및 제 2 중합단위를 함께 포함함으로써, 재작업성이 우수하고 합지 시 기포 발생 등의 불량이 없으며, 최종 핫프레스 공정 후 우수한 접착력 및 내구성을 구현할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 2 중합단위 및 제 1 중합단위는 각각 50 내지 90 중량부 및 10 내지 40 중량부; 60 내지 90 중량부 및 10 내지 35 중량부; 70 내지 90 중량부 및 10 내지 25 중량부; 또는 75 내지 90 중량부 및 12 내지 20 중량부의 비율로 포함될 수 있다. 본 출원은 상기 범위에서, 초기 접착력을 낮게 유지하면서도, 최종 제품에서 우수한 내구성을 유지할 수 있는 물성의 점착제를 제공할 수 있다.
본 출원의 구체예에서, 유리전이온도가 0℃ 이상인 단량체는, 특별히 한정되지 않으나, 예를 들어, 메틸 (메타)아크릴레이트, t-부틸 (메타)아크릴레이트, 아이소보르닐 아크릴레이트, 사이클로헥실 (메타)아크릴레이트, 스티렌, 비닐 아세테이트, 이소프로필 메타크릴레이트, N-비닐포름아마이드, 벤질 아크릴레이트 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 유리전이온도가 0℃ 이상인 단량체 또는 화학식 1의 단량체는 반응성 관능기를 포함하지 않을 수 있다. 반응성 관능기는 예를 들어, 히드록시기 또는 카르복실기일 수 있다. 본 출원은 단량체의 종류를 상기와 같이 제한함으로써, 목적하는 접착력을 구현할 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 제 1 중합단위를 구성하는 단량체는, 유리전이온도가 0℃ 이상일 수 있고, 보다 구체적으로 10℃ 이상, 20℃ 이상, 30℃ 이상, 50℃ 이상, 70℃ 이상 또는 85℃ 이상일 수 있다. 본 출원은 중합체의 제 1 중합단위를 구성하는 단량체의 유리전이온도를 상기 범위로 제어함으로써, 초기 접착력을 낮추면서, 최종 합지 공정 후에는 높은 접착력 및 내구성을 제공할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 용어 「유리전이온도가 0℃ 이상인 단량체」는, 상기 단량체만으로 형성된 단독중합체(homopolymer) 형태의 중합체로부터 측정되거나 계산되는 유리전이온도가 0℃ 이상이라는 것을 의미할 수 있다. 또한, 본 출원에서 용어 「단량체로부터 유도된 중합단위」란, 중합체의 중합단위 중 하나 이상이 상기 단량체로부터 이루어진 것을 의미할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 유리전이온도가 0℃ 이상인 단량체는 하기 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112016077560679-pat00002
상기 화학식 2에서, R은 수소 또는 탄소수 1 내지 4, 탄소수 1 내지 3 또는 탄소수 1 내지 2의 알킬기일 수 있다. 또한, 상기 화학식 2에서 P는 탄소수 3 내지 30의 지방족 고리형 1가 잔기 또는 지방족 포화탄화수소 고리형 1가 잔기일 수 있다. 상기 화학식 2에서 P는, 바람직하게는 탄소수 3 내지 25, 탄소수 6 내지 20 또는 탄소수 8 내지 15의 지방족 포화탄화수소 고리 화합물로부터 유래되는 1가 잔기일 수 있다. 화학식 2의 화합물로는, 이소보르닐 (메타)아크릴레이트(isobornyl (meth)acrylate), 시클로헥실 (메타)아크릴레이트, 노르보나닐(norbornanyl) (메타)아크릴레이트, 노르보네닐(norbornenyl) (메타)아크릴레이트, 디시클로펜타디에닐 (메타)아크릴레이트, 에티닐시클로헥산 (메타)아크릴레이트, 에티닐시클로헥센 (메타)아크릴레이트 또는 에티닐데카히드로나프탈렌 (메타)아크릴레이트 등이 예시될 수 있고, 바람직하게는 이소보르닐 (메타)아크릴레이트 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 용어 「알킬기」는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 1 내지 30, 탄소수 1 내지 25, 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 의미할 수 있다. 상기 알킬기는 직쇄형, 분지쇄형 또는 고리형 구조를 가질 수 있으며, 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해서 치환되어 있을 수 있다.
본 명세서에서 용어 「알콕시기」는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알콕시기를 의미할 수 있다. 상기 알콕시기는, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알콕시기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 용어 「알케닐기」는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 2 내지 20, 탄소수 2 내지 16, 탄소수 2 내지 12, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 4의 알케닐기를 의미할 수 있다. 상기 알케닐기는, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알케닐기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 용어 「알키닐기」는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 2 내지 20, 탄소수 2 내지 16, 탄소수 2 내지 12, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 4의 알케닐기를 의미할 수 있다. 상기 알케닐기는, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알키닐기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환될 수 있다.
본 명세서에서 용어 「아릴기」는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 벤젠을 포함하거나 또는 2개 이상의 벤젠이 축합되거나 결합되어 있는 구조를 포함하는 화합물 또는 그 유도체로부터 유래하는 1가 잔기를 의미할 수 있다. 상기 아릴기는, 예를 들면, 탄소수 6 내지 22, 바람직하게는 탄소수 6 내지 16, 보다 바람직하게는 탄소수 6 내지 13의 아릴기일 수 있으며, 예를 들면, 페닐기, 페닐에틸기, 페닐프로필기, 벤질기, 톨릴기, 크실릴기(xylyl group) 또는 나프틸기 등일 수 있다.
본 출원에서 상기 중합체는 점착제 조성물이 필름 형상으로 성형이 가능한 정도의 중량평균분자량(MW.Weight Average Molecular Weight)을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 고분자는 약 10만 내지 200만, 30만 내지 150만 또는 50만 내지 120만의 중량평균분자량을 가질 수 있다. 본 출원에서 용어 중량평균분자량은, GPC(Gel permeation Chromatograph)로 측정한 표준 폴리스티렌에 대한 환산 수치를 의미한다.
점착제층에는 상술한 구성 외에도 용도 및 후술하는 서브 가스켓 필름의 제조 공정에 따라 다양한 첨가제가 포함될 수 있다. 예를 들어, 점착제 조성물은 경화성 물질, 가교제 또는 필러 등을 목적하는 물성에 따라 적정 범위의 함량으로 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 서브 가스켓 필름(1)은 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 기재층(3) 및 상기 기재층(3)의 적어도 일면에 형성되고 전술한 점착제 조성물을 포함하는 점착제층(2)을 포함할 수 있다. 또한, 하나의 예시에서, 상기 서브 가스켓 필름은 상기 기재층의 양면에 상기 점착제층을 포함할 수 있으며, 또 다른 예시로서, 기재층 없이 점착제층으로만 구성된 필름을 제공할 수 있다.
상기 기재층의 소재는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 폴리에틸렌나프탈레이트 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 폴리테트라플루오르에틸렌 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리부텐 필름, 폴리부타디엔 필름, 염화비닐 공중합체 필름, 폴리우레탄 필름, 에틸렌-비닐 아세테이트 필름, 에틸렌-프로필렌 공중합체 필름, 에틸렌-아크릴산 에틸 공중합체 필름, 에틸렌-아크릴산 메틸 공중합체 필름 또는 폴리이미드 필름을 포함할 수 있다. 본 출원은 물리적 내구성, 화학적 안정성 및 산소 차단성을 고려했을 때, 기재층으로서 폴리에틸렌나프탈레이트 필름을 사용할 수 있다.
본 출원의 구체예에서, 상기 점착제층은 요철구조가 형성된 표면의 ASTM D2979규격에 따라 측정되는 probe tack force가 상온에서 15gf 이하, 10gf 이하, 9gf 이하 또는 8gf이하일 수 있다. 상기 probe tack force는 당업계의 공지의 방법으로 측정될 수 있다. 예를 들어, 3cm × 3cm 크기의 글래스를 준비한 뒤, 점착제층을 롤 라미기를 이용하여 부착한 뒤, 점착면에 대하여 ASTM D2979 방법을 토대로 상온에서 측정하였다. Probe tack 측정용 장비로, 측정 면의 지름이 3 cm인 막대형 프루브를 이용하여 접촉시간 10초, 적용하중 100gf 떼는 속도 10mm/sec의 조건으로 3회 측정하여 평균값을 계산하였다. 본 출원은 점착제층의 probe tack force를 10gf 이하로 제어함으로써, 초기 재작업성을 우수하게 제공하고, 기포 또는 접착면의 우글거림을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 출원은 또한, 막전극 어셈블리(접합체)에 관한 것이다. 상기 막전극 어셈블리는, 도 2 또는 3에 도시된 바와 같이, 전해질막(4) 및 상기 전해질막(4)의 일면 또는 양면의 테두리부에 형성되는 서브 가스켓 필름(1)을 포함할 수 있다. 상기 서브 가스켓 필름의 점착제층은 요철 구조가 형성된 표면이 상기 전해질막과 접촉하도록 형성될 수 있다.
본 출원의 막전극 어셈블리는 상기 서브 가스켓 필름(1)이 형성된 테두리부를 제외한 전해질막(4)의 일면 또는 양면에 전극층(5)을 추가로 포함할 수 있다. 상기 전극층(5)의 가장자리단은 상기 서브 가스켓 필름(1)과 연결되게 형성되어 있을 수 있다.
본 출원에서 테두리부의 두께 또는 폭은 당업계의 통상의 기술자가 그 목적에 맞게 조절할 수 있으며, 이는 통상의 기술자에게 공지의 기술이다.
상기에서 전극층은 애노드 전극층 또는 캐소드 전극층일 수 있다. 상기 전극층은 촉매 활성부일 수 있다. 하나의 예시에서, 본 출원의 예시적인 연료 전지 스택은 전술한 막전극 어셈블리를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 연료 전지 스택은, 전해질막을 중심에 두고 이의 양측에 제1촉매 활성부 및 제2촉매 활성부를 형성하여 이루어지는 막-전극 어셈블리와, 연료를 유통시키기 위한 제1유로를 가지면서 상기 제1촉매 활성부에 밀착되게 배치되는 애노드 부재와, 공기를 유통시키기 위한 제2유로를 가지면서 상기 제2촉매 활성부에 밀착되게 배치되는 캐소드 부재를 포함할 수 있다. 상기에서, 제1촉매 활성부는 애노드 전극층이고, 제2촉매 활성부는 캐소드 전극층일 수 있다.
상기 제1유로가 상기 애노드 부재에 사행(蛇行: meander)의 채널 형태로서 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제2유로가 상기 캐소드 부재에 복수의 통기공으로서 형성될 수 있다. 또한, 상기 막전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 스택은 상기 애노드부재, 및 상기 캐소드부재가 서로 다른 극성의 전류를 집전하는 집전판으로서 구성될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 막전극 어셈블리는 전해질막의 테두리부를 따라 서브 가스켓 필름 상에 형성된 가스켓을 추가로 포함할 수 있다. 상기 가스켓의 소재는 특별히 제한되지 않고, 실리콘계, 불소계 또는 올레핀계 고무 소재, 폴레에틸렌테레프날레이트 (Polyethylene Terephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene Naphtalate), 폴리이미드(Polyimide) 또는 폴리프로필렌(Polypropylene)을 포함할 수 있다. 상기 가스켓은 상기 서브 가스켓 필름의 전부를 덮도록 형성되거나, 서브 가스켓 필름의 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 일부를 덮는 경우, 후술하는 가스 확산층이 다른 일부를 덮도록 형성될 수 있다.
하나의 예시에서, 가스켓(7)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전극층(5)의 가장자리단과 서로 연결되거나, 도 4에 도시된 바와 같이 서로 연결되지 않을 수 있다. 예를 들어, 서브 가스켓 필름이 전극층과 동일한 두께로 형성되거나, 더 두꺼운 두께로 형성될 경우, 서브 가스켓 필름 상에 형성되는 상기 가스켓은 전극층의 가장자리단과 연결되지 않을 수 있다. 그러나, 상기 서브 가스켓 필름이 전극층 보다 더 얇은 두께로 형성될 경우, 가스켓은 전극층의 가장자리단과 연결될 수 있다.
하나의 예시에서, 서브 가스켓 필름은 기재층을 추가로 포함할 수 있고, 상기 기재층의 일면 또는 양면에 점착제층이 형성되어 있을 수 있다.
본 출원은 또한, 연료 전지 스택에 관한 것이다. 하나의 예시에서, 본 출원의 연료 전지 스택은, 도 4에 도시된 바와 같이, 전술한 막전극 어셈블리 및 상기 막전극 어셈블리의 일면 또는 양면에 형성된 가스 확산층(Gas Diffusion Layer)(6)을 포함할 수 있다. 상기 가스 확산층(6)은 막전극 어셈블리의 전극층(5) 상에 형성될 수 있고, 또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 막전극 어셈블리의 테두리부에 존재하는 서브 가스켓 필름(1)의 일부 영역이 중첩되게 그 위에 형성될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 가스 확산층의 가장자리단은 상기 서브 가스켓 필름 상에 형성된 가스켓의 가장자리단과 연결되거나 연결되지 않을 수 있다.
하나의 예시에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 가스 확산층(6)의 테두리부는 상기 서브 가스켓 필름(1)의 일 영역과 중첩되도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 서브 가스켓 필름(1)의 두께가 전극층(5)과 동일할 경우, 전술한 가스켓(7)이 서브 가스켓 필름(1)을 전부 덮지 않고, 상기 가스 확산층(6)의 테두리부가 서브 가스켓 필름(1)의 바깥면(전해질막 쪽으로부터 바깥) 일 영역을 덮도록 그 위에 형성될 수 있다. 또 다른 예시에서, 상기 서브 가스켓 필름(1)의 두께가 전극층(5)의 두께보다 두꺼울 경우, 가스 확산층(6)이 전극층(5) 상에 형성되면서, 서브 가스켓 필름(1)의 가장자리단(측면) 및/또는 서브 가스켓 필름(1) 바깥면 상에 가스 확산층(6)이 접하도록 형성될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 가스 확산층과 서브 가스켓 필름이 중첩되는 영역, 즉, 접하는 영역에서 가스 확산층의 테두리부와 서브 가스켓 필름의 일 영역은 접착제에 의해 부착되어 있을 수 있다.
본 출원은 또한, 연료 전지 스택의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 제조 방법은 전해질막의 일면 또는 양면에 형성된 전극층 상에 가스 확산층을 적층시키는 동시에 적층되는 가스 확산층과 중첩되는 서브 가스켓 필름의 일부를 접착 수단을 통해 접합시키는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제조 방법은 구체적으로, 테두리부를 제외한 전해질막의 양면에 전극층을 형성하는 단계; 상기 전해질막의 양면의 테두리부에, 상기 형성된 전극층의 가장자리단과 연결되도록 전술한 서브 가스켓 필름을 형성하는 단계; 및 상기 전극층 상에 가스 확산층을 적층시키는 동시에 적층되는 가스 확산층과 중첩되는 서브 가스켓 필름의 일부를 접착 수단을 통해 접합시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 접착 수단은 특별히 제한되지 않고, 당업계 공지의 접착제를 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 접착제는 ⅰ) 셀룰로오스 아세타이트(Cellulose Acetate), 셀룰로오스 아세타이트 부티레이트(Cellulose Acetate Butyrate), 셀룰로오스 니트레이트(Cellulose Nitrate), 폴리비닐 아세타이트(Polyvinyl Acetate), 비닐 비닐리덴(Vinyl Vinylidene), 폴리비닐 아세탈(Polyvinyl Acetals), 폴리비닐 알코올(Polyvinyl Alcohol), 폴리아미드(Polyamide), 아크릴(Acrylic), 페녹시(Phenoxy)중 선택된 용매 형태의 접착제를 점도 조절시킨 열가소성 접착제(Thermoplastic Adhesive), ⅱ) 시아노아크릴레이트(Cyanoacrylate), 폴리에스터(Polyester), 우레아 포름알데히드(Urea Formaldehyde), 레조르시놀 및 페놀-레조르시놀 포름알데히드(Resorcinol and Phenol-resorcinol Formaldehyde), 에폭시 (Epoxy), 폴리이미드(Polyimide), 아크릴(Acrylic), 아크릴레이트산 디에스터(Acrylate Acid Diester)중 선택된 용매 혹은 액체 형태의 접착제를 점도 조절시킨 열경화성 어드헤시브(Thermosetting Adhesive) 또는 ⅲ) 천연고무(Natural Rubber), 재생고무(Reclaimed Rubber), 부틸 합성고무(Butyl), 폴리이소부틸렌(Polyisobutylene), 니트릴(Nitrile), 스티렌 부타티엔(Styrene Butadiene), 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리설파이드(Polysulfide), 실리콘(Silicone), 네오프렌(Neoprene)중 선택된 액체 형태의 접착제를 점도 조절시킨 엘라스토머 어드헤시브(Elastomeric Adhesive)를 포함할 수 있다.
본 출원은 재작업성이 우수하고 합지 시 기포 발생 등의 불량이 없으며, 최종 합지 공정 후 우수한 접착력 및 내구성을 구현하는 연료전지용 서브 가스켓 필름을 제공한다.
도 1은, 본 출원의 하나의 예시에 따른 연료 전지용 서브 가스켓 필름의 단면도를 나타내는 도면이다.
도 2 및 3은 본 출원의 하나의 예시에 따른 막전극 어셈블리 (접합체)의 단면도를 나타낸다.
도 4 및 5는 본 출원의 하나의 예시에 따른 연료 전지 스택의 단면도를 나타낸다.
이하 본 출원에 따르는 실시예 및 본 출원에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 출원을 보다 상세히 설명하나, 본 출원의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
1L 반응기에 고분자 중합체로서 폴리비닐아세테이트(Mw: 90만)를 투입하였다. 이어서, 에틸아세테이트(EAc)를 용제로 투입하여 중합체(A1) 용액을 제조하였다. 상기 용액에 중합체 100 중량부 대비 10 중량부의 무기 필러 실리카 입자(입경 500nm)를 투입하였다.
상기 제조된 점착성 중합체 용액을, 25㎛ 두께의 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 기재층 상에, 바코팅 방식으로 10㎛의 두께의 점착제층으로 코팅하고, 건조시켜 서브 가스켓 필름을 제조하였다.
상기 제조된 서브 가스켓 필름을 전극층이 양면에 형성된 불소계 전해질막의 테두리부에 합지하여 140℃에서 2 분 가량 프레싱 접착하여 막전극 어셈블리를 제조하였다.
실시예 2
실리카를 중합체 100 중량부 대비 15 중량부로 투입한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 서브 가스켓 필름 및 막전극 어셈블리를 제조하였다.
비교예 1
무기 필러를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 서브 가스켓 필름 및 막전극 어셈블리를 제조하였다.
비교예 2
무기 필러로서 입경 8nm의 실리카를 중합체 100 중량부 대비 8 중량부로 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 서브 가스켓 필름 및 막전극 어셈블리를 제조하였다.
비교예 3
무기 필러로서 입경 50nm의 실리카를 중합체 100 중량부 대비 15 중량부로 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 서브 가스켓 필름 및 막전극 어셈블리를 제조하였다.
비교예 4
무기 필러 대신, 유기 입자로서 입경 3㎛의 실리콘 입자를 중합체 100 중량부 대비 15 중량부로 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 서브 가스켓 필름 및 막전극 어셈블리를 제조하였다.
이하 실시예 및 비교예에서의 물성은 하기의 방식으로 평가하였다.
1. 상온 Tack 측정
3cm × 3cm 크기의 글래스를 준비한 뒤, 실시예 및 비교예에서 제조한 점착제층을 롤 라미기를 이용하여 부착한 뒤, 점착면에 대하여 ASTM D2979 방법을 토대로 상온에서 측정하였다. Probe tack 측정용 장비로, 측정 면의 지름이 3 cm인 막대형 프루브를 이용하여 접촉시간 10초, 적용하중 100gf 떼는 속도 10mm/sec의 조건으로 3회 측정하여 평균값을 계산하였다.
3. 최종 합지 후 외관
실시예 및 비교예에서 제조한 막전극 어셈블리를 최종 프레싱 합지한 후, 10cm × 10cm의 면적당 육안으로 관찰 시 기포가 5개 이하로 관찰 시 양호, 5개 초과로 관찰 시 불량으로 분류하였다.
Tack (gf) 최종합지 후 외관 비 고
실시예 1 9.0 양호
실시예 2 8.5 양호
비교예 1 47 불량
비교예 2 3.9 불량 과량 투입된 무기입자의 뭉침에 따른 외관 불량
비교예 3 18.7 불량
비교예 4 53 불량 입자 뭉침에 의한 외관 불량
비교예 1 내지 4는 실시예 1 및 2와 달리 점착제층의 표면에 요철 구조가 형성되지 않았다.
1: 서브 가스켓 필름
2: 점착제층
3: 기재층
4: 전해질막
5: 전극층
6: 가스 확산층
7: 가스켓

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 표면에 요철 구조를 가지는 점착제층을 포함하는 연료 전지용 서브 가스켓 필름.
  2. 제 1 항에 있어서, 점착제층은 무기 필러를 포함하는 연료 전지용 서브 가스켓 필름.
  3. 제 2 항에 있어서, 무기 필러는 입경이 100nm 내지 1㎛의 범위 내에 있는 연료 전지용 서브 가스켓 필름.
  4. 제 1 항에 있어서, 점착제층의 두께는 1㎛ 내지 50㎛의 범위 내에 있는 연료 전지용 서브 가스켓 필름.
  5. 제 2 항에 있어서, 점착제층은 고분자 중합체를 추가로 포함하고, 무기 필러는 상기 중합체 100 중량부 대비 5 내지 30 중량부의 범위로 포함되는 연료 전지용 서브 가스켓 필름.
  6. 제 5 항에 있어서, 고분자 중합체는 폴리비닐 아세테이트, 나피온, 나일론, 폴리아마이드, 폴리비닐클로라이드, 폴리우레탄, 폴리올레핀, 폴리에테르설폰, 폴리에테르, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지를 포함하는 연료 전지용 서브 가스켓 필름.
  7. 제 1 항에 있어서, 기재층을 추가로 포함하고, 점착제층은 상기 기재층의 적어도 일면에 형성되는 연료전지용 서브 가스켓 필름.
  8. 제 7 항에 있어서, 기재층은 폴리에틸렌나프탈레이트 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 폴리테트라플루오르에틸렌 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리부텐 필름, 폴리부타디엔 필름, 염화비닐 공중합체 필름, 폴리우레탄 필름, 에틸렌-비닐 아세테이트 필름, 에틸렌-프로필렌 공중합체 필름, 에틸렌-아크릴산 에틸 공중합체 필름, 에틸렌-아크릴산 메틸 공중합체 필름 또는 폴리이미드 필름을 포함하는 연료전지용 서브 가스켓 필름.
  9. 제 1 항에 있어서, 점착제층은 요철구조가 형성된 표면의 ASTM D2979규격에 따라 측정되는 probe tack force가 상온에서 15gf 이하인 연료전지용 서브 가스켓 필름.
  10. 전해질막; 상기 전해질막의 일면 또는 양면의 테두리부에 형성되고, 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 서브 가스켓 필름; 및 상기 서브 가스켓 필름이 형성된 테두리부를 제외한 전해질막의 일면 또는 양면에 형성된 전극층을 포함하고, 상기 전극층의 가장자리단은 상기 서브 가스켓 필름과 연결되게 형성되는 막전극 어셈블리.
  11. 제 10 항에 있어서, 전극층은 애노드 전극층 또는 캐소드 전극층인 막전극 어셈블리.
  12. 제 10 항에 있어서, 전극층은 촉매 활성부인 막전극 어셈블리.
  13. 제 10 항에 있어서, 전해질막의 테두리부를 따라 서브 가스켓 필름 상에 형성된 가스켓을 추가로 포함하는 막전극 어셈블리.
  14. 제 13 항에 있어서, 가스켓은 전극층의 가장자리단과 서로 연결되거나 서로 연결되지 않는 막전극 어셈블리.
  15. 제 10 항에 있어서, 서브 가스켓 필름은 기재층을 포함하고, 상기 기재층의 일면 또는 양면에 점착제 조성물을 포함하는 점착제층이 형성되어 있는 막전극 어셈블리.
  16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 막전극 어셈블리 및 상기 막전극 어셈블리의 일면 또는 양면에 형성된 가스 확산층을 포함하는 연료 전지 스택.
  17. 제 16 항에 있어서, 가스 확산층의 가장자리단은 서브 가스켓 필름 상에 형성된 가스켓의 가장자리단과 연결되거나 연결되지 않는 연료 전지 스택.
  18. 제 16 항에 있어서, 가스 확산층의 테두리부는 서브 가스켓 필름의 일 영역과 중첩되도록 형성되는 연료 전지 스택.
  19. 제 18 항에 있어서, 중첩되는 영역에서 가스 확산층의 테두리부와 서브 가스켓 필름의 일 영역은 접착제에 의해 부착되어 있는 연료 전지 스택.
  20. 테두리부를 제외한 전해질막의 양면에 전극층을 형성하는 단계;
    상기 전해질막의 양면의 테두리부에, 상기 형성된 전극층의 가장자리단과 연결되도록 제 1 항에 따른 서브 가스켓 필름을 형성하는 단계; 및
    상기 전극층 상에 가스 확산층을 적층시키는 동시에 적층되는 가스 확산층과 중첩되는 서브 가스켓 필름의 일부를 접착 수단을 통해 접합시키는 단계를 포함하는 연료 전지 스택의 제조 방법.
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