KR102264147B1

KR102264147B1 - 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓, 및 이를 구비한 가스켓 일체형 막-전극 집합체

Info

Publication number: KR102264147B1
Application number: KR1020190152729A
Authority: KR
Inventors: 전형렬
Original assignee: 평화오일씰공업 주식회사
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2021-06-11
Also published as: KR20210063971A; KR102264147B9

Abstract

수소전지차용 연료전지에 사용되는, 시트 형태의 기체확산층, 및 기체확산층의 외주부에 접합된, 고무 소재로 이루어진 가스켓을 구비한 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓과, 이를 구비한 가스켓 일체형 막-전극 집합체가 개시된다. 개시된 기체확산층 일체형 가스켓에서, 기체확산층의 외주부에는 기체확산층을 두께 방향으로 관통하는 통공이 형성된다. 기체확산층 일체형 가스켓의 가스켓은, 기체확산층의 외주부에 액상의 고무 재료가 함침되고 가류되어 형성된 함침 접합부와, 외주부의 통공에 액상의 고무 재료가 채워지고 가류되어 형성된 고무 연결부를 구비한다.

Description

연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓, 및 이를 구비한 가스켓 일체형 막-전극 집합체{Gas diffusion layer embedded gasket for fuel cell, and gasket embedded membrane-electrode assembly with the same}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기체확산층 일체로 일체로 형성된 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓과, 이를 구비한 가스켓 일체형 막-전극 집합체에 관한 것이다.

연료전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지 중에서 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 다른 종류의 연료전지에 비하여 작동 온도가 낮을 뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용함으로써, 자동차 등에 사용되는 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가지고 있다.

한편, 연료전지에 있어서, 단위 셀 자체로는 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에 단위 셀이 적층된 스택(stack) 구성을 갖는다. 구체적으로, 연료전지 스택은 막-전극 집합체(MEA: membrane-electrode assembly), 분리판(separator), 및 가스켓(gasket)으로 이루어지는 단위 셀이 수 개 내지 수백 층으로 적층된 구조이다. 막-전극 집합체는 양성자 교환막(PEM: proton exchange membrane)이라고도 불리는 전해질막과, 상기 전해질막 양 측면에 도포된 한 쌍의 촉매층(catalyst layer)과, 상기 한 쌍의 촉매층에 부착된 한 쌍의 기체확산층(GDL: gas diffusion layer)을 구비한다. 상기 전해질막 및 한 쌍의 촉매층은 촉매 코팅 막(CCM: catalyst coated membrane)라고 불리기도 한다.

분리판은 연료전지의 전기화학적 반응에 필요한 수소 가스(gas), 공기(air), 및 냉각수를 공급하는 유로를 제공한다. 분리판의 반응 영역은 막-전극 집합체와 겹쳐지는 영역으로, 상기 수소 가스와 공기를 이용한 전기화학적 반응이 발생하는 영역이다. 가스켓은 분리판과 막-전극 집합체 사이의 간격을 일정하게 유지하며, 상기 수소 가스, 공기, 및 냉각수가 서로 섞이거나 유출되지 않도록 밀봉한다.

연료전지 스택(stack)의 조립 공정을 빠르고 신뢰성 있게 완료하기 위하여, 가스켓이 분리판에 일체로 접합된 가스켓 일체형 분리판이 사용되기도 한다. 그런데, 상기 가스켓 일체형 분리판은 제조 공정이 복잡하여 생산 원가를 절감하기 어렵다. 한편, 일본공개특허공보 제2011-090802호에는 가스켓이 막-전극 집합체에 일체로 접합된 가스켓 일체형 막-전극 집합체가 개시되어 있다.

상기 가스켓 일체형 막-전극 집합체는, 막-전극 집합체를 금형에 삽입 고정한 상태로 액상의 고무 재료를 금형 내에 주입하여 가스켓을 성형한다. 이로 인해, 성형 작업에서 불량이 발생하면 값비싼 부재인 촉매 코팅 막(CCM)을 폐기할 수 밖에 없는 문제가 있다. 또한, 성형 작업에서 불량이 발생하지 않더라도 촉매층이 고온에 취약하여 가스켓 일체형 막-전극 집합체의 성능 불량이 발생할 수도 있다. 이러한 이유로 가스켓 일체형 막-전극 집합체의 생산 원가를 절감하는 것도 어렵다.

일본공개특허공보 제2011-090802호

본 발명은 기체확산층과 이에 접합된 가스켓을 구비하며, 상기 기체확산층과 가스켓 간의 접합력이 향상되는, 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓을 제공한다.

본 발명은 촉매 도포 막(CCM)을 성형 금형 내에 삽입하고 액상의 고무 재료를 주입하여 가스켓을 성형하는 대신에, 상기 촉매 도포 막을 기체확산층 일체형 가스켓에 부착하여 제조되는 가스켓 일체형 막-전극 집합체를 제공한다.

본 발명은, 시트 형태의 기체확산층, 및 상기 기체확산층의 외주부에 접합된, 고무 소재로 이루어진 가스켓을 구비하고, 상기 기체확산층의 외주부에는 상기 기체확산층을 두께 방향으로 관통하는 통공이 형성되고, 상기 가스켓은, 상기 기체확산층의 외주부에 액상의 고무 재료가 함침되고 가류되어 형성된 함침 접합부와, 상기 외주부의 통공에 액상의 고무 재료가 채워지고 가류되어 형성된 고무 연결부를 구비하는, 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓을 제공한다.

상기 고무 연결부는 상기 함침 접합부에 의해 둘러싸일 수 있다.

상기 가스켓은 연료전지의 분리판(separator)에 밀착되며 상기 기체확산층의 외주부에 겹쳐지도록 확장된 분리판 밀착부를 더 구비하고, 상기 함침 접합부 및 고무 연결부는 상기 분리판 밀착부에 이어질 수 있다.

연료전지를 구성하는 것으로, 전해질막, 및 상기 전해질막의 외주부는 노출되도록 상기 전해질막의 양 측면에 도포되어 경화된 한 쌍의 촉매층을 구비한 촉매 도포 막이 상기 기체확산층 일체형 가스켓에 부착되고, 상기 가스켓은, 상기 한 쌍의 촉매층 중 하나의 촉매층이 상기 기체확산층 일체형 가스켓에 위치 정렬되어 끼워지도록 단차진 촉매층 설치 단차턱, 및 상기 전해질막의 외주부가 상기 기체확산층 일체형 가스켓에 위치 정렬되어 끼워지도록 단차진 전해질막 설치 단차턱을 더 구비할 수 있다.

연료전지를 구성하는 것으로, 전해질막, 및 상기 전해질막의 외주부는 노출되도록 상기 전해질막의 양 측면에 도포되어 경화된 촉매층을 구비한 촉매 도포 막이 상기 기체확산층 일체형 가스켓에 부착되고, 상기 가스켓은, 상기 전해질막의 외주부에 탄성 밀착되도록 상기 전해질막의 외주부를 향해 돌출된 전해질막 밀착 돌기부를 더 구비할 수 있다.

또한 본 발명은, 상기 기체확산층 일체형 가스켓, 상기 전해질막의 외주부는 노출되도록 상기 전해질막의 양 측면에 도포 경화된 한 쌍의 촉매층을 구비하며, 상기 기체확산층 일체형 가스켓의 기체확산층에 상기 한 쌍의 촉매층 중 하나의 촉매층이 부착되고, 상기 가체확산층 일체형 가스켓의 가스켓에 상기 전해질막의 외주부가 부착된 촉매 도포 막, 및 상기 한 쌍의 촉매층 중에서 다른 하나의 촉매층에 부착된 것으로, 상기 기체확산층 일체형 가스켓에 구비된 기체확산층과 다른 하나의 기체확산층을 구비하는 가스켓 일체형 막-전극 집합체를 제공한다.

상기 촉매 도포 막은 상기 기체확산층 일체형 가스켓에 압착 결합되고, 상기 다른 하나의 기체확산층은 상기 촉매 도포 막에 압착 결합될 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓은, 기체확산층의 외주부에 함침 접합부뿐만 아니라 상기 기체확산층 외주부에 형성된 통공에 채워진 고무 연결부를 더 구비하여서 기체확산층과 가스켓 간 접합력이 향상된다. 이에 따라, 기체확산층 일체형 가스켓의 운반 과정, 또는 연료전지 스택 제조 과정에서 기체확산층 일체형 가스켓의 손상으로 인한 폐기 가능성이 작아지고, 연료전지의 제조 원가가 절감된다.

본 발명에 따른 가스켓 일체형 막-전극 집합체는, 기체확산층 일체형 가스켓에 촉매 도포 막(CCM)을 부착하고, 상기 촉매 도포 막에 다른 하나의 기체확산층을 부착하여 제조된다. 다시 말해서, 본 발명의 가스켓 일체형 막-전극 집합체는 고가(高價)이며 열에 약한 부재인 촉매 도포 막(CCM)을 성형 금형 내에 삽입하고 액상의 고무 재료를 주입하여 가스켓을 성형하는 공정 없이 제조되는 가스켓 일체형 막-전극 집합체이므로, 가스켓 성형 과정에서 불량이나 열 손상으로 인해 촉매 도포 막을 폐기하는 경우가 발생하지 않으며, 따라서 가스켓 일체형 막-전극 집합체의 양품 수율이 향상되고, 제조 원가가 절감된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓의 일 부분을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 기체확산층 일체형 가스켓을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 1의 기체확산층 일체형 가스켓을 구비한, 가스켓 일체형 막-전극 집합체의 일 부분을 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 가스켓 일체형 막-전극 집합체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓, 및 이를 구비한 가스켓 일체형 막-전극 집합체를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓의 일 부분을 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 기체확산층 일체형 가스켓을 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 기체확산층 일체형 가스켓(21)은 연료전지의 단위 셀(cell)을 구성하는 요소들 중에서 기체확산층과 가스켓을 접합하여 일체화한 것이다.

기체확산층 일체형 가스켓(21)은 시트(sheet) 형태의 기체확산층(22)과, 상기 기체확산층(22)의 외주부(24)(도 2 참조)에 접합된, 고무 소재로 이루어진 가스켓(gasket)(30)을 구비한다. 기체확산층(22)의 평면 형상은 사각형이고, 기체확산층(22)의 외주부(24)에는 상기 기체확산층(22)을 두께 방향으로 관통하는 복수의 통공(26)이 형성된다. 상기 복수의 통공(26)은 서로 이격되게 형성된다. 상기 복수의 통공(26)은 기체확산층(22)의 말단 모서리(25)(도 2 참조)에서 같은 거리만큼 이격될 수 있다.

상기 가스켓(30)은 제1 분리판 밀착 돌기부(31), 제2 분리판 밀착 돌기부(32), 분리판 밀착부(34), 함침 접합부(42), 및 복수의 고무 연결부(43)를 구비한다. 연료전지의 단위 셀을 구성하는 요소들 중에서 막-전극 집합체를 사이에 두고 양 측에 배치되는 한 쌍의 분리판(separator)(미도시)이 있다. 상기 제1 분리판 밀착 돌기부(31)는 상기 연료전지의 단위 셀이 조립된 때 상기 한 쌍의 분리판 중 하나의 분리판에 밀착되도록 상기 하나의 분리판 측으로 돌출된 부분이고, 상기 제2 분리판 밀착 돌기부(32)는 상기 연료전지의 단위 셀이 조립된 때 상기 한 쌍의 분리판 중 다른 하나의 분리판에 밀착되도록 상기 다른 하나의 분리판 측으로 돌출된 부분이다. 도 1에 도시된 바와 같이 제1 분리판 밀착 돌기부(31)의 두께(TH1)보다 제2 분리판 밀착 돌기부(32)의 두께(TH2)가 더 크다.

상기 분리판 밀착부(34)는 상기 연료전지의 단위 셀이 조립된 때 상기 제1 분리판 밀착 돌기부(31)가 밀착되는 분리판에 밀착되는 부분이다. 상기 제1 분리판 밀착 돌기부(31)가 상기 분리판 밀착부(34)보다 더 돌출되어 있으나, 연료전지 단위 셀을 조립할 때 상기 제1 분리판 밀착 돌기부(31)이 분리판 밀착부(34)보다 더욱 크게 탄성 수축되어서 상기 분리판 밀착부(34)도 제1 분리판 밀착 돌기부(31)가 밀착되는 분리판에 밀착될 수 있다.

상기 함침 접합부(42)는 기체확산층(22)의 외주부(24)에 액상의 고무 재료가 함침되고 가류되어 형성된다. 상기 복수의 고무 연결부(43)는 상기 기체확산층 외주부(24)의 복수의 통공(26)에 액상의 고무 재료가 채워지고 가류되어 형성된다. 상기 분리판 밀착부(34)는 기체확산층(22)의 외주부(24)과 겹쳐지도록 확장되고 상기 기체확산층(22)의 상측면보다 단차지게 돌출 형성된다. 상기 함침 접합부(42)와 복수의 고무 연결부(43)는 상기 분리판 밀착부(34)에 이어진다. 상기 복수의 고무 연결부(43)는 상기 함침 접합부(42)에 의해 둘러싸이게 형성된다.

도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 상기 가스켓(30)은 성형 금형(1) 내부에 기체확산층(22)을 삽입 설치하고, 액상(液狀)의 고무 재료를 상기 성형 금형(1) 내부에 주입하고 가류하여 형성된다. 구체적으로, 상기 성형 금형(1)은 서로 형개(型開) 및 형폐(型閉)되는 상부 코어(core)(2) 및 하부 코어(6)를 구비한다. 여기서, 형개는 상부 코어(2)의 하측면과 하부 코어(6)의 상측면이 밀착된 상태를 칭하고, 형폐는 상부 코어(2)의 하측면과 하부 코어(6)의 상측면이 이격된 상태를 칭한다.

상부 코어(2)의 하측면에는 기체확산층 일체형 가스켓(21)의 상측 형상에 대응되는 상측 형상 한정면(3)이 구비되고, 하부 코어(6)의 상측면에는 기체확산층 일체형 가스켓(21)의 하측 형상에 대응되는 하측 형상 한정면(7)이 구비된다. 하부 코어(6)의 하측 형상 한정면(7)에는 기체확산층(22)이 안착되는 기체확산층 안착면(8)이 마련된다. 성형 금형(1)은 상기 기체확산층 안착면(8)에 안착된 기체확산층(22)이 위치 고정되도록 상기 기체확산층 안착면(8)에 부압(負壓)을 형성하여 상기 기체확산층(22)을 흡착하는 흡착 유닛(미도시)을 더 구비할 수 있다.

상기 기체확산층(22)을 기체확산층 안착면(8)에 안착 고정하고 상부 코어(2)와 하부 코어(6)를 형폐하면, 가스켓(30)의 형상에 대응되는 캐비티(CA)가 형성된다. 액상의 고무 재료가 상기 캐비티(CA)에 사출 주입되면, 기체확산층(22)의 외주부(24)에도 액상의 고무 재료가 함침된다. 상기 외주부(24)의 복수의 통공(26)에는 기체확산층(22)의 섬유 조직이 없으므로 액상의 고무 재료가 그대로 채워진다. 상기 캐비티(CA)에 주입된 액상의 고무 재료가 가류 경화되면 탄성있는 고무 소재가 된다. 상기 상부 코어(2)와 하부 코어(6)를 형개하면, 기체확산층 일체형 가스켓(21)이 노출되고, 작업자는 상기 기체확산층 일체형 가스켓(21)을 성형 금형(1)에서 분리 취출할 수 있다.

상기 복수의 통공(26)을 제외한 기체확산층 외주부(24)에 액상의 고무 재료가 함침되고 가류 경화되면, 기체확산층(22)의 섬유 조직과 고체화된 고무가 분리 불가능하게 합쳐져서 합침 접합부(42)가 된다. 상기 함침 접합부(42)에 의해 기체확산층(22)과 가스켓(30)이 분리 불가능하게 접합된다.

상기 복수의 통공(26)에는 기체확산층(22)의 섬유 조직이 없기 때문에, 여기에 액상의 고무 재료가 채워지고 가류 경화되면 제1 및 제2 분리판 밀착 돌기부(31, 32), 분리판 밀착부(24)와 마찬가지로, 고체화된 고무 소재로만 이루어진 고무 연결부(43)가 된다.

상기 함침 접합부(42)와 고무 연결부(43)는 분리판 밀착부(34)에 이어지고, 상기 고무 연결부(43)와 함침 접합부(42)도 서로 이어진다. 그러나, 함침 접합부(42)와 분리판 밀착부(34) 간의 결합 강도는 고무 연결부(43)와 분리판 밀착부(34) 간의 결합 강도보다 약하다. 부연하면, 고무 연결부(43)와 분리판 밀착부(34)는 동일하게 고무 소재로만 형성되어 있어서 분리판 밀착부(34)를 고무 연결부(43)에 대해 강한 힘으로 잡아 뜯더라도 분리판 밀착부(34)와 고무 연결부(43)가 분리되지 않으며, 설사 분리된다 하더라도 분리판 밀착부(34)와 고무 연결부(43)의 경계가 정확히 분리되지 않는다.

그러나, 함침 접합부(42)는 분리판 밀착부(34)와 달리 기체확산층(22)의 섬유 조직과 고무가 혼합된 소재로 이루어진다. 따라서, 상기 분리판 밀착부(34)와 고무 연결부(43)를 분리할 때 가하는 힘보다 약한 힘으로 상기 분리판 밀착부(34)를 함침 접합부(42)에 대해 잡아 뜯더라도 분리판 밀착부(34)가 함침 접합부(42)에 대해 비교적 깨끗한 경계가 나타나도록 분리된다.

상기 고무 연결부(43)와 이에 결합된 분리판 밀착부(34)는 마치 기체확산층(22)의 외주부(24)를 꿰어서 잡고 있는 후크(hook)와 같은 기능을 하여서, 함침 접합부(42)만으로는 미흡한 가스켓(30)과 기체확산층(22) 사이의 접합력을 보강한다. 이에 따라, 기체확산층 일체형 가스켓(21)의 운반 과정, 또는 연료전지 스택의 제조 과정에서 기체확산층(22)과 가스켓(30)이 분리되어 기체확산층 일체형 가스켓(21)이 폐기되는 가능성이 작아지고, 연료전지의 제조 원가가 절감된다.

도 3은 도 1의 기체확산층 일체형 가스켓을 구비한, 가스켓 일체형 막-전극 집합체의 일 부분을 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 가스켓 일체형 막-전극 집합체를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 가스켓 일체형 막-전극 집합체(20)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 기체확산층 일체형 가스켓(21)과, 촉매 도포 막(50)과, 기체확산층(60)을 구비한다. 가스켓 일체형 막-전극 집합체(20)는 기체확산층 일체형 가스켓(21)에 구비된 기체확산층(22) 외에 다른 하나의 기체확산층(60)을 더 구비한다. 이하에서, 한 쌍의 기체확산층(22, 60)을 명확하게 구분하기 위하여 상기 기체확산층 일체형 가스켓(21)에 구비된 기체확산층(22)을 제1 기체확산층이라 칭하고, 다른 하나의 기체확산층(60)을 제2 기체확산층이라 칭한다.

촉매 도포 막(50)은 전해질막(51)과, 상기 전해질막(51)의 양 측면에 도포 경화된 제1 및 제2 촉매층(55, 57)을 구비한다. 전해질막(51)의 양 측면에 제1 및 제2 촉매층(55, 57)이 적층되지만, 상기 전해질막(51)의 외주부(52)는 제1 및 제2 촉매층(55, 57)에 가려지지 않고 노출된다. 부연하면, 상기 제1 및 제2 촉매층(55, 57)은 제1 기체확산층(22)과 같은 크기 및 같은 형상의 사각형 평면 형상을 갖는다. 상기 제2 기체확산층(60)도 제1 기체확산층(22)과 같은 크기 및 같은 형상의 사각형 평면 형상을 갖는다. 그러나, 전해질막(51)은 제1 기체확산층(2)보다 큰 사각형 평면 형상을 갖는다.

상기 촉매 도포 막(50)은 기체확산층 일체형 가스켓(21)에 부착되고, 상기 제2 기체확산층(60)은 상기 촉매 도포 막(50)에 부착된다. 구체적으로, 제1 촉매층(55)이 마주보는 제1 기체확산층(22)에 부착되고, 제2 기체확산층(60)은 마주보는 제2 촉매층(57)에 부착된다. 그리고, 상기 전해질막(51)의 외주부(52)는 마주보는 가스켓(30)의 하측면에 부착된다.

제1 기체확산층(22)과 제1 촉매층(55)의 평면 형상과 크기가 동일하므로, 제1 기체확산층(22)의 외주 모서리(25)와 제1 촉매층(55)의 외주 모서리(56)가 위아래로 정렬되도록 제1 기체확산층(22)에 제1 촉매층(55)이 부착된다. 또한, 제2 촉매층(57)과 제2 기체확산층(60)의 평면 형상과 크기가 동일하므로, 제2 촉매층(57)의 외주 모서리(58)와 제2 기체확산층(60)의 외주 모서리(61)가 위아래로 정렬되도록 제2 촉매층(57)에 제2 기체확산층(60)이 부착된다.

기체확산층 일체형 가스켓(21)의 가스켓(30)은 제1 촉매층(55)이 상기 기체확산층 일체형 가스켓(21)에 위치 정렬되어 끼워지도록 단차진 촉매층 설치 단차턱(40)을 더 구비한다. 상기 제1 촉매층(55)의 외주 모서리(56)가 상기 촉매층 설치 단차턱(40)을 벗어나지 않게 상기 촉매 도포 막(50)이 상기 기체확산층 일체형 가스켓(21)에 부착되면, 상기 제1 촉매층(55)이 제1 기체확산층(22)과 정확히 정렬되게 된다.

또한, 기체확산층 일체형 가스켓(21)의 가스켓(30)은 전해질막(51)의 외주부(52)가 상기 기체확산층 일체형 가스켓(21)에 위치 정렬되어 끼워지도록 단차진 전해질막 설치 단차턱(36)을 더 구비한다. 상기 전해질막(51)의 외주 모서리(53)가 상기 전해질막 설치 단차턱(36)을 벗어나지 않게 상기 촉매 도포 막(50)이 상기 기체확산층 일체형 가스켓(21)에 부착되면, 상기 전해질막(51)이 올바른 위치에 부착 설치되게 된다.

또한, 상기 가스켓(30)은 촉매 도포 막(50)이 기체확산층 일체형 가스켓(21)에 부착될 때 상기 전해질막(51)의 외주부(52)에 탄성 밀착되도록 상기 전해질막(51)의 외주부(52)를 향해 돌출된 전해질막 밀착 돌기부(38)를 더 구비한다. 상기 전해질막 밀착 돌기부(38)가 전해질막(51)의 외주부(52)에 강하게 밀착되므로, 제1 기체확산층(22)과 촉매 도포 막(50) 사이를 통한 반응 기체의 유출이 신뢰성 있게 방지된다.

바람직하게는, 촉매 도포 막(50)은 기체확산층 일체형 가스켓(21)에 압착 결합되고, 제2 기체확산층(60)은 상기 촉매 도포 막(50)에 압착 결합될 수 있다. 구체적으로, 압착 프레스 금형(미도시)은 형개 및 형폐되는 상판과 하판을 구비한다. 상기 압착 프레스 금형의 하판에 상기 제2 기체확산층(60), 촉매 도포 막(50), 및 기체확산층 일체형 가스켓(21)을 적층하여 올리고, 상기 상판과 하판을 형폐함으로써 기체확산층 일체형 가스켓(21), 촉매 도포 막(50), 및 제2 기체확산층(60)을 압착 결합할 수 있다. 원활하게 압착 결합이 진행되도록 상기 상판과 하판은 적절한 온도로 가열될 수 있다.

하나의 분리판(미도시)을 기체확산층 일체형 가스켓(21)의 제1 분리판 밀착 돌기부(31) 및 분리판 밀착부(34)에 탄성 밀착되도록 상기 기체확산층 일체형 가스켓(21)의 위에 배치하고, 다른 하나의 분리판(미도시)을 기체확산층 일체형 가스켓(21)의 제2 분리판 밀착 돌기부(32)에 탄성 밀착되도록 제2 기체확산층(60)의 아래에 배치하면 연료전지의 단위 셀이 조립된다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제2 기체 확산층(60)의 외주부에는 제1 기체 확산층(22)의 외주부에 접합된 가스켓(30)과 같은, 고무 소재로 이루어진 가스켓에 접합되지 않고, 액상의 고무 재료가 함침되고 가류된 부분도 형성되지 않는다.

상기 가스켓 일체형 막-전극 집합체(20)는, 기체확산층 일체형 가스켓(21)에 촉매 도포 막(CCM)(50)을 부착하고, 상기 촉매 도포 막(50)에 제2 기체확산층(60)을 부착하여 제조된다. 다시 말해서, 상기 가스켓 일체형 막-전극 집합체(20)는 고가(高價)이며 열에 약한 부재인 촉매 도포 막(50)을 성형 금형 내에 삽입하고 액상의 고무 재료를 주입하여 가스켓을 성형하는 공정 없이 제조되는 가스켓 일체형 막-전극 집합체이므로, 가스켓의 성형 과정에서 불량이나 열 손상으로 인해 촉매 도포 막(50)을 폐기하는 경우가 발생하지 않으며, 따라서 가스켓 일체형 막-전극 집합체(20)의 양품 수율이 향상되고, 제조 원가가 절감된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

20: 가스켓 일체형 막-전극 집합체 21: 기체확산층 일체형 가스켓
22, 60: 기체확산층 26: 통공
30: 가스켓 42: 함침 접합부
43: 고무 연결부 50: 촉매 도포 막
51: 전해질막 55, 57: 촉매층

Claims

연료전지의 단위 셀의 구성 요소인 한 쌍의 분리판 사이에 배치되는 것으로,
시트 형태의 기체확산층; 및, 상기 기체확산층의 외주부에 접합된, 고무 소재로 이루어진 가스켓;을 구비하고,
상기 기체확산층의 외주부에는 상기 기체확산층을 두께 방향으로 관통하는 통공이 형성되고,
상기 가스켓은, 상기 기체확산층의 외주부에 액상의 고무 재료가 함침되고 가류되어 형성된 함침 접합부, 상기 기체확산층의 외주부의 통공에 액상의 고무 재료가 채워지고 가류되어 형성된 고무 연결부, 상기 한 쌍의 분리판 중 하나의 분리판에 밀착되며 상기 기체확산층의 외주부에 겹쳐지도록 확장되고 상기 함침 접합부 및 고무 연결부와 이어진 분리판 밀착부, 상기 하나의 분리판에 밀착되도록 상기 하나의 분리판 측으로 돌출된 제1 분리판 밀착 돌기부, 및 상기 한 쌍의 분리판 중 다른 하나의 분리판에 밀착되도록 상기 다른 하나의 분리판 측으로 돌출되며, 상기 제1 분리판 밀착 돌기부의 두께보다 더 큰 두께를 갖도록 돌출된 제2 분리판 밀착 돌기부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓.
제1 항에 있어서,
상기 고무 연결부는 상기 함침 접합부에 의해 둘러싸인 것을 특징으로 하는, 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓.
삭제
제1 항에 있어서,
연료전지를 구성하는 것으로, 전해질막, 및 상기 전해질막의 외주부는 노출되도록 상기 전해질막의 양 측면에 도포되어 경화된 한 쌍의 촉매층을 구비한 촉매 도포 막이 상기 기체확산층 일체형 가스켓에 부착되고,
상기 가스켓은, 상기 한 쌍의 촉매층 중 하나의 촉매층이 상기 기체확산층 일체형 가스켓에 위치 정렬되어 끼워지도록 단차진 촉매층 설치 단차턱, 및 상기 전해질막의 외주부가 상기 기체확산층 일체형 가스켓에 위치 정렬되어 끼워지도록 단차진 전해질막 설치 단차턱을 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓.
제1 항에 있어서,
연료전지를 구성하는 것으로, 전해질막, 및 상기 전해질막의 외주부는 노출되도록 상기 전해질막의 양 측면에 도포되어 경화된 촉매층을 구비한 촉매 도포 막이 상기 기체확산층 일체형 가스켓에 부착되고,
상기 가스켓은, 상기 전해질막의 외주부에 탄성 밀착되도록 상기 전해질막의 외주부를 향해 돌출된 전해질막 밀착 돌기부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 기체확산층 일체형 가스켓.
연료전지의 단위 셀의 구성 요소인 한 쌍의 분리판 사이에 배치되는 것으로,
시트 형태의 제1 기체확산층, 및 상기 제1 기체확산층의 외주부에 접합된, 고무 소재로 이루어진 가스켓을 구비한 기체확산층 일체형 가스켓; 전해질막, 및 상기 전해질막의 외주부는 노출되도록 상기 전해질막의 양 측면에 도포되어 경화된 제1 및 제2 촉매층을 구비하며, 상기 제1 기체확산층에 상기 제1 촉매층이 부착되고, 기체확산층 일체형 가스켓의 가스켓에 상기 전해질막의 외주부가 부착된 촉매 도포 막; 및, 상기 제2 촉매층에 부착된 제2 기체확산층;을 구비하고,
상기 제1 기체확산층의 외주부에는 상기 제1 기체확산층을 두께 방향으로 관통하는 통공이 형성되고,
상기 가스켓은, 상기 제1 기체확산층의 외주부에 액상의 고무 재료가 함침되고 가류되어 형성된 함침 접합부, 상기 제1 기체확산층의 외주부의 통공에 액상의 고무 재료가 채워지고 가류되어 형성된 고무 연결부, 상기 한 쌍의 분리판 중 상기 제1 기체확산층에 더 가까운 하나의 분리판에 밀착되며 상기 제1 기체확산층의 외주부에 겹쳐지도록 확장되고 상기 함침 접합부 및 고무 연결부와 이어진 분리판 밀착부, 상기 하나의 분리판에 밀착되도록 상기 하나의 분리판 측으로 돌출된 제1 분리판 밀착 돌기부, 및 상기 한 쌍의 분리판 중 다른 하나의 분리판에 밀착되도록 상기 다른 하나의 분리판 측으로 돌출되며, 상기 제1 분리판 밀착 돌기부의 두께보다 더 큰 두께를 갖도록 돌출된 제2 분리판 밀착 돌기부를 구비하고,
상기 제2 기체확산층의 외주부에는 고무 소재로 이루어진 가스켓이 접합되지 않고, 액상의 고무 재료가 함침되고 가류된 부분도 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 가스켓 일체형 막-전극 집합체.
제6 항에 있어서,
상기 촉매 도포 막은 상기 기체확산층 일체형 가스켓에 압착 결합되고,
상기 다른 하나의 기체확산층은 상기 촉매 도포 막에 압착 결합되는 것을 특징으로 하는 가스켓 일체형 막-전극 집합체.