KR102614145B1 - 연료전지의 단위 셀 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

연료전지의 단위 셀 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

막-전극 접합체 및 기체확산층을 포함하는 인서트; 인서트의 외측면에 위치된 발포체; 및 발포체의 외측면에 고분자 수지가 사출되어 형성되고, 고분자 수지의 일부가 발포체 내부로 침투된 상태로 발포체의 외측면을 둘러싸는 프레임;을 포함하는 연료전지의 단위 셀이 소개된다.

Description

연료전지의 단위 셀 및 이를 제조하는 방법{UNIT CELL OF FUEL CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 연료전지의 단위 셀 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 막-전극 접합체와 기체확산층을 일체로 형성하기 위한 프레임 사출을 위하여 발포체를 더 포함하는 기술에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.
이러한 연료전지 중에서 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 비교적 낮은 온도에서 작동 가능하며, 빠른 시동 및 응답 특성을 갖는 바, 차량의 구동 전력 공급용으로 주로 사용된다.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 스택은 연료극과 공기극 및 이들 사이의 고분자 전해질막으로 이루어진 막-전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)와 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)과 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라 불리는 금속 재질의 분리판(Separator) 및 가스켓(Gasket)으로 구성된 단위 셀(Unit Cell)이 필요한 수로 적층되어 연료전지 스택을 형성한다.
막-전극 접합체(MEA)는 전해질 막에 전극이 부착된 것으로, 전해질 막으로 이온전도성 고분자가 주로 사용되며, 이는 이온전도도가 높고, 가습 조건에서 기계적 강도가 높아야 하며, 기체투과도가 낮고, 열/화학적 안정성이 높아야 한다.
또한, 기체확산층은 분리판 유로로부터 유입되는 수소와 공기를 더욱 미세하게 확산시켜 막-전극 접합체로 공급할 수 있고, 촉매층을 지지할 수 있으며, 촉매층에서 발생한 전자를 분리판으로 이동시킬 수 있고, 또한 생성된 물이 촉매층 밖으로 배출되게 하는 통로 역할을 하는 부재로서, 막-전극 접합체의 상, 하부면에 적층되어 형성된다.
최근 연료전지 스택의 제작 편의성을 향상시키고자, 막-전극 접합체와 기체확산층의 외측면에 고분자 수지를 이용하여 프레임을 일체로 사출한 연료전지의 단위 셀이 개발되었다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지의 단위 셀의 사시도를 도시한 것이고, 도 2는 종래 기술에 따른 연료전지의 단위 셀의 단면도를 도시한 것이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 연료전지의 단위 셀은 막-전극 접합체와 그 외측면을 감싸는 프레임으로 형성된다. 구체적으로, 막-전극 접합체의 상면 및 하면에 각각 기체확산층이 위치되고, 그 외측면은 프레임에 의해 감싸지도록 형성된다.
다만, 프레임은 고분자 수지를 사출함에 의해 성형되고, 고분자 수지를 사출하는 사출 압력에 의해 막-전극 접합체와 기체확산층 내부로 고분자 수지가 불규칙하게 침투함에 따라 막-전극 접합체와 기체확산층이 손상되는 문제가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-1620155 B KR 10-2017-0072392 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 막-전극 접합체와 기체확산층의 외측면에 고분자 수지 사출시 사출 압력을 강하시키고 고분자 수지를 고르게 분산시킴으로 막-전극 접합체와 기체확산층의 손상을 방지하는 기술을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 단위 셀은 막-전극 접합체 및 기체확산층을 포함하는 인서트; 인서트의 외측면에 위치된 발포체; 및 발포체의 외측면에 고분자 수지가 사출되어 형성되고, 고분자 수지의 일부가 발포체 내부로 침투된 상태로 발포체의 외측면을 둘러싸는 프레임;을 포함한다.
발포체는, 내측면의 상단이 인서트의 외측면 상단보다 높고, 내측면의 하단이 인서트의 외측면 하단보다 낮게 형성되어 두께가 인서트의 외측면 두께보다 클 수 있다.
발포체는, 내측면이 인서트의 상면 및 하면 일부를 덮는 형상으로 형성될 수 있다.
발포체는, 전기 절연성을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
발포체는, 막-전극 접합체의 기공도 및 기체확산층의 기공도보다 큰 기공도를 가질 수 있다.
발포체는, 인서트의 외측면에 압출 또는 사출 성형으로 형성될 수 있다.
발포체는, 합성섬유로 인서트의 외측 일부 영역을 감싸도록 형성될 수 있다.
발포체는, 인서트의 외측면에 직접 접촉된 제1층 및 제1층의 외측면을 감싸도록 결합된 제2층을 포함하고, 제1층의 기공도는 제2층의 기공도보다 작을 수 있다.
발포체는, 일부 또는 전부가 프레임을 형성하는 고분자 수지에 용융되어 프레임에 일체화될 수 있다.
프레임은, 내측면이 인서트의 상면 및 하면 일부를 덮는 형상으로 형성될 수 있다.
발포체를 형성하는 단계에서는, 인서트의 외측면에 압출 또는 사출 성형으로 형성할 수 있다.
발포체를 형성하는 단계에서는, 합성섬유로 인서트의 외측 일부 영역을 감싸도록 형성할 수 있다.
프레임을 형성하는 단계에서는, 프레임은 발포체 내부로 침투함에 따라 발포제와 일체로 결합하여 프레임의 내측면이 인서트의 상면 및 하면 일부를 덮도록 형성할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지의 단위 셀을 제조하는 방법은 막-전극 접합체 및 기체확산층을 포함하는 인서트의 외측면에 발포체를 형성하는 단계; 및 고분자 수지의 일부가 발포체 내부로 침투되도록 발포체의 외측면에 고분자 수지를 사출하여 프레임을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 연료전지의 단위 셀 및 이를 제조하는 방법에 따르면, 막-전극 접합체와 기체확산층의 외측에 형성된 발포체에 의해 막-전극 접합체와 기체확산층의 손상이 최소화되는 효과를 갖는다.
또한, 사출금형 내부에 막-전극 접합체와 기체확산층의 위치를 용이하게 고정할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 막-전극 접합체와 기체확산층으로 유입되는 사출 압력을 감소시키고, 사출물을 균일하게 유동시켜 품질이 향상되는 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지의 단위 셀의 사시도를 도시한 것이다.
도 2는 종래 기술에 따른 연료전지의 단위 셀의 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위 셀의 상면도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위 셀의 단면도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위 셀의 프레임 사출금형을 도시한 것이다.
도 6 내지 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 단위 셀의 단면도 및 프레임 사출금형을 도시한 것이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위 셀의 상면도를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위 셀의 단면도를 도시한 것이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위 셀의 프레임 및 사출금형을 도시한 것이다.
도 3 내지 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위 셀은 막-전극 접합체(110) 및 기체확산층(120)을 포함하는 인서트(100); 인서트(100)의 외측면에 위치된 발포체(300); 및 발포체(300)의 외측면에 고분자 수지가 사출되어 형성되고, 고분자 수지의 일부가 발포체(300) 내부로 침투된 상태로 발포체(300)의 외측면을 둘러싸는 프레임(200);을 포함한다.
구체적으로, 도 3a는 인서트(100) 및 발포체(300)만을 도시한 것이고, 도 3b는 그 외측면에 프레임(200)을 형성한 것이다.
인서트(100)는 반응셀을 형성하는 것으로, 전해질막과 캐소드 전극 및 에노드 전극이 일체로 마련된 막-전극 접합체(110, MEA)와 그 양면에 수소가스 및 공기가 확산되는 기체확산층(120, GDL)을 포함한다. 기체확산층(120)은 막-전극 접합체(110)의 상면 및 하면에 각각 위치한다. 막-전극 접합체(110) 및 기체확산층(120)은 수소 또는 산소 등의 기체를 통과시켜야 하는 특성에 따라 다공성 재료로 형성된다.
프레임(200)은 막-전극 접합체(110) 및 기체확산층(120)을 포함하는 인서트(100)의 외측에 고분자 수지를 사출하여 형성되는 것으로, 다공성 재료인 막-전극 접합체(110) 및 기체확산층(120)의 내부로 고분자 수지가 침투될 수 있다. 막-전극 접합체(110)와 기체확산층(120)을 일체로 결합하기 위하여 고분자 수지가 내부로 일부 침투하는 것은 필요하지만, 사출 압력을 조절하기 어렵고 고분자 수지가 불규칙하게 내부로 침투됨에 따라 종래 기술에 따르면 막-전극 접합체(110) 및 기체확산층(120)에 손상이 발생되었다.
이를 해결하기 위하여, 인서트(100)의 외측면에 위치한 발포체(300)를 더 포함하여 프레임(200)을 형성하는 고분자 수지가 발포체(300) 내부로 침투되면서 고분자 수지를 고르게 분배하고, 사출 압력을 낮출 수 있으면서 인서트(100)와 프레임(200) 사이의 결합력을 높일 수 있다. 이에 따라, 인서트(100) 내부로 유입되는 고분자 수지가 최소화되어 막-전극 접합체(110) 및 기체확산층(120)의 파손이 억제되는 효과를 갖는다.
발포체(300)는 내부에 빈 공간을 많이 포함하는 다공성 재료를 갖는 것으로, 높은 기공도(기공률)를 갖는 재료일 수 있다. 특히, 미세한 메시(mesh)를 갖는 그물 형상으로 균일한 기공도를 갖는 재료일 수 있다.
예를 들면, 발포체(300)는 고분자 물질 또는 세라믹 물질 등으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 원료인 수지에 발포제(Blowing agent)를 가하여 발포 경화시킨 폴리스틸렌 폼(polystyrene foam), 폴리우레탄 폼(polyurethane foam) 또는 폴리염화비닐 폼(polyvinyl chloride foam) 등의 플라스틱 발포제로 형성될 수 있다.
발포체(300)는 인서트(100)의 외측면에 압출 또는 사출 성형으로 형성될 수 있다. 즉, 발포체(300)가 고분자 물질 또는 세라믹 물질인 경우, 인서트(100)의 외측면에 압출 또는 사출 성형을 통하여 발포체(300)를 먼저 성형하고, 발포체(300)의 외측면에 다시 압출 또는 사출 성형을 통하여 프레임(200)을 성형할 수 있다.
발포체(300)의 압출 또는 사출시 인서트(100) 내부로 침투하는 발포체(300)가 최소화되도록 발포체(300)는 입자가 큰 재질로 형성될 수 있다. 발포체(300)의 일부 또는 전부에 프레임(200)을 형성하는 고분자 수지가 침투되어 일체로 결합될 수 있고, 고분자 수지의 일부는 막-전극 접합체(110) 및 기체확산층(120)에도 일부 침투되어 결합력이 강화될 수 있다.
발포체(300)는 막-전극 접합체(110)의 기공도 및 기체확산층(120)의 기공도보다 큰 기공도를 가질 수 있다. 막-전극 접합체(110) 및 기체확산층(120) 또한 내부에 빈 공간이 포함된 다공성 재료이나, 발포체(300)는 막-전극 접합체(110) 및 기체확산층(120)보다 더 큰 기공도를 가질 수 있다. 이에 따라, 발포체(300) 내부로 침투된 고분자 수지가 막-전극 접합체(110) 및 기체확산층(120) 내부로 침투되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 발포체(300)는 전기 절연성을 갖는 재질로 형성될 수 있다. 막-전극 접합체(110)의 외측면에 위치되는 점에서 막-전극 접합체(110)의 전극과 서로 접촉될 수 있다. 막-전극 접합체(110)의 양 전극이 서로 연결되면 쇼트 등의 문제가 발생하므로, 발포체(300)는 전기가 통하지 않는 전기 절연성 재질로 형성될 수 있다.
프레임(200)은 결합력을 높이기 위하여 인서트(100)의 상면 및 하면의 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 특히, 프레임(200)은 인서트(100)의 상면 및 하면 가장자리 일부를 인서트(100)의 외측면과 함께 덮을 수 있다.
이에 따라, 프레임(200)의 내측면은 인서트(100)의 외측면 두께보다 두껍게 형성되는 것으로, 프레임(200)은 내측면이 인서트(100)의 상면 및 하면 일부를 덮는 형상으로 형성될 수 있다.
특히, 발포체(300)는 프레임(200)을 사출하는 면적을 모두 커버하도록 내측면의 상단이 인서트(100)의 외측면 상단보다 높고, 내측면의 하단이 인서트(100)의 외측면 하단보다 낮게 형성되어 두께가 인서트(100)의 외측면 두께보다 크게 형성될 수 있다. 발포체(300)의 높이와 프레임(200)의 높이는 동일하게 형성되어 발포체(300)가 프레임(200)의 사출 영역 전체를 커버하도록 할 수 있다.
또한, 발포체(300) 또한 내측면이 인서트(100)의 상면 및 하면 일부를 덮는 형상으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 프레임(200)이 덮는 인서트(100)의 상면 및 하면의 일부까지 발포체(300)가 커버하여 프레임(200)을 형성하는 고분자 수지가 인서트(100)의 상면 또는 하면에서 침투하는 것을 방지할 수 있다.
발포체(300)는 일부 또는 전부가 프레임(200)을 형성하는 고분자 수지에 용융되어 프레임(200)에 일체화될 수 있다. 즉, 발포체(300)의 용융점이 프레임(200)을 형성하는 고분자 수지의 사출시 온도보다 낮을 수 있고, 이에 따라 프레임(200)을 형성하는 고분자 수지가 사출될 때 발포체(300)와 접촉함으로써 발포체(300)의 일부 또는 전부가 용융될 수 있고, 용융된 발포체(300)는 프레임(200)을 형성하는 고분자 수지와 혼합되어 일체화될 수 있다.
이에 따라, 발포체(300)는 프레임(200)을 형성하는 고분자 수지의 사출압력을 낮추고 고분자 수지를 고르게 분배하는 역할을 수행한 후 프레임(200)에 일체화되어 결합력이 강화될 수 있다.
프레임(200)은 고분자 수지가 발포체(300) 내부의 일부 영역 또는 전체 영역에 침투되어 발포체(300)와 일체로 결합될 수 있다. 고분자 수지는 발포체(300)의 외측면을 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다.
도 6 내지 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 단위 셀의 단면도 및 프레임(200) 사출금형(400)을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 발포체(300)는 압출 또는 사출 성형 이외에도 별도로 인서트(100)의 일부 영역을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 발포체(300)는 인서트(100)의 일부 영역에서 인서트(100)의 상면 및 하면과 이들 사이의 측면을 순서대로 둘러싸도록 형성될 수 있다. 즉, 별도로 형성된 발포체(300)가 인서트(100)의 일부 영역을 둘러싸면서 인서트(100)의 외측으로 연장되어 위치될 수 있다.
특히, 발포체(300)는 합성 섬유(Synthetic Fiber)로 인서트(100)의 외측 일부 영역을 감싸도록 형성될 수 있다. 발포체(300)는 얇고 긴 합성 섬유가 얽힌 구조로 형성되어 인서트(100)의 외측 일부 영역을 감싸고, 인서트(100)의 외측으로 더 연장될 수 있다. 합성 섬유는 그 자체가 다공성 재료일 수 있고, 다공성 재료가 아니더라도 얽힌 구조를 가짐에 따라 합성 섬유의 사이 사이에 빈 공간을 가짐으로써 발포체(300)를 형성할 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면 발포체(300)는 인서트(100)의 두께보다 크게 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이 프레임(200)은 인서트(100)의 상면 및 하면 일부를 덮도록 인서트(100)의 두께보다 두꺼운 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 발포체(300)는 이러한 프레임(200)의 두께와 동일한 두께를 갖도록 인서트(100)의 두께보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 이에 따라 상부 몰드와 하부 몰드로 형성된 사출금형(400) 내부에서 인서트(100)의 위치를 고정할 수 있다. 상부 몰드와 하부 몰드에 의해 직접 인서트(100)를 고정할 수 있으나, 고온의 고분자 수지가 유입되는 사출 성형에 의해 사출금형(400)의 온도가 높아짐에 따라 접촉되는 인서트(100)를 손상시킬 수 있다. 따라서, 발포체(300)의 두께를 인서트(100)의 두께보다 크게 형성하여 사출금형(400) 내부에서 인서트(100)의 위치를 고정하여 인서트(100)의 고온에 의한 손상을 방지할 수 있다.
도 8을 참조하면, 발포체(300)는 인서트(100)의 외측면에 직접 접촉된 제1층(310) 및 제1층(310)의 외측면을 감싸도록 결합된 제2층(320)을 포함하고, 제1층(310)의 기공도는 제2층(320)의 기공도보다 작을 수 있다.
즉, 발포체(300)는 기공도가 상이한 재질로 형성된 제1층(310) 및 제2층(320)으로 형성될 수 있다. 제1층(310)은 내측면이 인서트(100)의 외측면에 직접 접촉되어 감싸도록 형성되고, 제2층(320)은 내측면이 제1층(310)의 외측면을 감싸도록 형성될 수 있다.
제1층(310)은 인서트(100)의 외측면에 직접 접촉되어 인서트(100)와 인접하게 위치되어 내부로 침투하는 사출물인 고분자 수지를 감소시키기 위하여 기공도가 상대적으로 적게 형성될 수 있다.
반면, 제2층(320)은 사출물이 외부에서 직접 유입되는 영역으로 상대적으로 인서트(100)에서 이격되게 위치되어 고분자 수지가 내부로 용이하게 침투되도록 기공도가 상대적으로 크게 형성될 수 있다.
또한, 제2층(320)은 제1층(310)보다 용융점이 낮게 형성되어 고분자 수지의 유입에 의해 제2층(320)은 용융되어 고분자 수지에 혼합되어 프레임(200)에 일체화될 수 있다.
발포체(300)는 상대적으로 인서트(100)와 인접한 영역과 상대적으로 인서트(100)에서 멀리 이격된 영역에 각각 기공도가 상이한 제1층(310) 및 제2층(320)으로 형성함에 따라, 위치적인 특성에 따라 요구되는 최적의 기공도를 갖도록 발포체(300)를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단위 셀을 제조하는 방법은 막-전극 접합체(110) 및 기체확산층(120)을 포함하는 인서트(100)의 외측면에 발포체(300)를 형성하는 단계; 및 고분자 수지의 일부가 발포체(300) 내부로 침투되도록 발포체(300)의 외측면에 고분자 수지를 사출하여 프레임(200)을 형성하는 단계;를 포함한다.
발포체(300)를 형성하는 단계에서는 인서트(100)의 외측면에 압출 또는 사출 성형으로 형성할 수 있다.
다른 실시예로, 발포체(300)를 형성하는 단계에서는 인서트(100)의 외측에 결합되는 방식으로 형성될 수 있다. 특히, 합성 섬유로 인서트(100)의 외측 일부 영역을 감싸는 방식으로 발포체(300)가 형성될 수 있다. 즉, 별도로 제작된 합성 섬유를 인서트(100)의 외측 일부 영역을 감싸도록 결합하여 발포체(300)를 형성할 수 있다. 합성 섬유는 인서트(100)의 외측 일부 영역을 감싸면서 인서트(100)의 외측 방향으로 연장될 수 있다.
프레임(200)을 형성하는 단계에서는 프레임(200)은 발포체(300) 내부로 침투함에 따라 발포체(300)와 일체로 결합하여 프레임(200)의 내측면이 인서트(100)의 상면 및 하면 일부를 덮도록 형성할 수 있다.
즉, 프레임(200)은 고분자 수지가 발포체(300) 내부로 침투함에 따라 발포체(300)와 일체로 결합되고, 프레임(200)의 내측면은 인서트(100)의 외측면을 비롯한 인서트(100)의 상면 및 하면 외측 가장자리 부분을 덮도록 형성할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 인서트 110 : 막-전극 접합체
120 : 기체확산층 200 : 프레임
300 : 발포체 310 : 제1층
320 : 제2층 400 : 사출금형

Claims (14)

  1. 막-전극 접합체 및 기체확산층을 포함하는 인서트;
    인서트의 외측면에 위치된 발포체; 및
    발포체의 외측면에 고분자 수지가 사출되어 형성되고, 고분자 수지의 일부 또는 전부가 발포체, 막-전극 접합체 및 기체확산층의 내부로 침투된 상태로 발포체의 외측면을 둘러싸는 프레임; 포함하는 연료전지의 단위 셀.
  2. 청구항 1에 있어서,
    발포체는, 내측면의 상단이 인서트의 외측면 상단보다 높고, 내측면의 하단이 인서트의 외측면 하단보다 낮게 형성되어 두께가 인서트의 외측면 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 셀.
  3. 청구항 2에 있어서,
    발포체는, 내측면이 인서트의 상면 및 하면 일부를 덮는 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 셀.
  4. 청구항 1에 있어서,
    발포체는, 전기 절연성을 갖는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 셀.
  5. 청구항 1에 있어서,
    발포체는, 막-전극 접합체의 기공도 및 기체확산층의 기공도보다 큰 기공도를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 셀.
  6. 청구항 1에 있어서,
    발포체는, 인서트의 외측면에 압출 또는 사출 성형으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 셀.
  7. 청구항 1에 있어서,
    발포체는, 합성 섬유로 인서트의 일부 영역을 둘러싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 셀.
  8. 청구항 1에 있어서,
    발포체는, 인서트의 외측면에 직접 접촉된 제1층 및 제1층의 외측면을 감싸도록 결합된 제2층을 포함하고,
    제1층의 기공도는 제2층의 기공도보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 셀.
  9. 청구항 1에 있어서,
    발포체는, 일부 또는 전부가 프레임을 형성하는 고분자 수지에 용융되어 프레임에 일체화된 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 셀.
  10. 청구항 1에 있어서,
    프레임은, 내측면이 인서트의 상면 및 하면 일부를 덮는 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 셀.
  11. 막-전극 접합체 및 기체확산층을 포함하는 인서트의 외측면에 발포체를 형성하는 단계; 및
    고분자 수지의 일부 또는 전부가 발포체, 막-전극 접합체 및 기체확산층의 내부로 침투되도록 발포체의 외측면에 고분자 수지를 사출하여 프레임을 형성하는 단계;를 포함하는 연료전지의 단위 셀을 제조하는 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    발포체를 형성하는 단계에서는, 인서트의 외측면에 압출 또는 사출 성형으로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 셀을 제조하는 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    발포체를 형성하는 단계에서는, 합성 섬유로 인서트의 외측 일부 영역을 감싸는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 셀을 제조하는 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    프레임을 형성하는 단계에서는, 프레임은 발포체 내부로 침투함에 따라 발포체와 일체로 결합하여 프레임의 내측면이 인서트의 상면 및 하면 일부를 덮도록 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 단위 셀을 제조하는 방법.
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