KR102655524B1 - 연료전지 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 막전극 접합체 제조 과정에서 변형이 쉽게 발생하고 습도 온도 등 주변 조건에 민감한 전해질막에 대하여 전극에 부착되어 있는 이형지 등으로 차단 공정을 먼저 진행하여 전극 영역 내부의 전해질막의 변형을 최소화할 수 있는 연료전지 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 연료전지 제조방법은, 1) 전해질막을 이형지가 전극 영역 외측까지 부착되어 있는 제1, 2 전극 사이에 위치시킨 상태에서 일측 방향으로 공급하는 단계; 2) 상기 전해질막과 상기 이형지 중 상기 전극 영역 이외의 부분을 부착하여 외부와 차단(Encapsulation)하는 단계; 3) 상기 전해질막과 제1, 2 전극을 완전히 부착하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 연료전지 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 막전극 접합체 제조 과정에서 변형이 쉽게 발생하고 습도 온도 등 주변 조건에 민감한 전해질막에 대하여 전극에 부착되어 있는 이형지 등으로 차단 공정을 먼저 진행하여 전극 영역 내부의 전해질막의 변형을 최소화할 수 있는 연료전지 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소)를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다.
연료전지는 적용분야에 따라 고온용 및 저온용 연료전지를 선택하여 사용할 수 있으며, 통상적으로 전해질의 종류에 따라 분류되고 있는데, 고온용에는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 등이 있고, 저온용에는 알칼리 전해질 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) 및 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등이 대표적으로 개발되고 있다.
이중 고분자 전해질 연료전지를 세분하면 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 액상의 메탄올을 직접 연료로 산화극(Anode)에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등이 있다.
고분자 전해질 연료전지는 100 미만의 낮은 작동온도, 고체 전해질 사용으로 인한 전해액 누액 문제 배제, 빠른 시동과 응답 특성, 및 우수한 내구성 등의 장점으로 휴대용, 차량용, 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다. 특히 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용 연료전지로의 연구가 계속 진행되고 있다.
이러한 연료전지의 단위전지 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 양쪽에 산화극(Anode, 연료극) 및 환원극(Cathode, 산소극)이 도포되어 있는 구조를 이루고 있는데, 이를 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)라 칭한다. 이 막-전극 접합체(MEA, 1)는 수소와 산소의 전기화학적 반응이 일어나는 부분으로서 환원극(20)과 산화극(30) 그리고 전해질막(10), 즉 이온 전도성 전해질막(예, 수소이온 전도성 전해질막)으로 구성되어 있다.
산화극(30)에서는 연료인 수소 또는 메탄올이 공급되어 수소의 산화 반응이 일어나 수소 이온과 전자를 발생시키며, 환원극(20)에서는 고분자 전해질막(10)을 통과한 수소이온과 산소가 결합하여 산소의 환원 반응에 의해 물이 생성된다.
이 막-전극 접합체(1)는 이러한 산화극(30)과 환원극(20)의 전극 촉매층이 이온 전도성 전해질막(10)의 양면에 도포되어 있는 형태를 이루고, 전극 촉매층을 이루고 있는 물질은 Pt(백금)이나 Pt-Ru(백금-루테늄) 등의 촉매 물질이 카본 담체에 담지되어 있는 형태이다. 연료전지의 전기화학적 반응의 핵심부품으로 볼 수 있는 막-전극 접합체(MEA)에는 특히 가격 구성 비율이 높은 이온 전도성 전해질막과 백금 촉매 등이 사용되며, 전력 생산 효율과 직결된 부분이기 때문에 연료전지의 성능향상과 가격경쟁력을 높이는데 가장 중요한 부분으로 간주되고 있다.
종래에 이러한 막-전극 접합체를 제조하는 방법은 전해질막(10)의 보호필름(12)을 제거한 상태에서 그 양면에 산화극(30)과 환원극(20)을 동시에 접합하고 접합된 산화극(30)과 환원극(20)에서 이형지(32, 22)를 각각 제거하고 다시 보호필름(40)을 접합하는 방식으로 이루어진다.
이러한 종래의 막-전극 접합체 제조방법에 의하면 유동성이 큰 전해질막(10)을 보호필름(12) 없이 단독으로 이동시키면서 양면에 산화극(30)과 환원극(20)을 접합하는 과정에서, 전해질막(10)에 주름이 발생하고, 습도 조건에 민감한 전해질막을 컨트롤하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 막전극 접합체 제조 과정에서 변형이 쉽게 발생하고 습도 온도 등 주변 조건에 민감한 전해질막에 대하여 전극에 부착되어 있는 이형지 등으로 차단 공정을 먼저 진행하여 전극 영역 내부의 전해질막의 변형을 최소화할 수 있는 연료전지 제조방법을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 제조방법은, 1) 전해질막을 이형지가 전극 영역 외측까지 부착되어 있는 제1, 2 전극 사이에 위치시킨 상태에서 일측 방향으로 공급하는 단계; 2) 상기 전해질막과 상기 이형지 중 상기 전극 영역 이외의 부분을 부착하여 외부와 차단(Encapsulation)하는 단계; 3) 상기 전해질막과 제1, 2 전극을 완전히 부착하는 단계;를 포함한다.
그리고 본 발명에서 상기 2) 단계에서는, 상기 전해질막과 이형지의 양측 가장자리를 부착하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 2) 단계에서는, 상기 전해질막과 이형지 중 상기 제1, 2 전극의 전극 영역 이외의 부분을 상기 전극 영역을 감싸도록 부착하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 2) 단계에서는, 상기 전해질막과 이형지 중 차단 영역을 롤 프레스를 이용하여 부착하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 2) 단계에서는, 상기 전해질막과 이형지 중 차단 영역을 자외선을 조사하여 부착하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 2) 단계는 상기 전해질막과 상기 제1, 2 전극을 전체적으로 저온 프레스로 가압하여 임시 접합하는 단계로 대체될 수도 있다.
본 발명의 연료전지 제조방법에 의하면 막전극 접합체 제조 과정에서 가장 변형이 심하고 주변 환경에 민감한 전해질막(10) 중 실제 막전극 접합체를 이루는 부분에 대혀여 접합 공정 초기에 외부 환경으로부터 차단하여 소재의 변형 가능성이나 주변 환경에 의한 변형 가능성을 방지하면서 공정 수행이 가능한 장점이 있다.
도 1은 일반적인 막전극 접합체의 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제조방법의 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제조방법의 공정을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임시 접합 공정을 도시하는 도면이다. 이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 공정을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차단공정을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제조방법의 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제조방법의 공정을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임시 접합 공정을 도시하는 도면이다. 이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단 공정을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차단공정을 도시하는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 연료전지 제조방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 전해질막(10) 및 제1, 2 전극(20, 30)을 공급하는 단계(S100)로 시작된다. 본 단계(S100)에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전해질막(10)을 이형지(22, 32)가 부착되어 있는 상태의 제1, 2 전극(20, 30)과 함께 공급하며, 상기 전해질막(10)은 제1, 2 전극(20, 30) 사이에 배치되어 일측 방향으로 공급된다.
이때 상기 제1, 2 전극(20, 30)에 부착되어 있는 상기 이형지(22, 32)는 상기 제1, 2 전극(20, 30)에 형성되어 있는 전극 영역보다 넓은 폭으로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 상기 제1, 2 전극(20, 30)은 상기 전해질막(10)과 포개진 상태에서 상기 전극 영역(20A)이 상기 이형지(22, 32) 영역 내에 배치되도록 얼라인 된다.
다음으로는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전해질막(10)과 상기 제1, 2 전극(20, 30)에 부착되어 있는 이형지(22, 32) 중 상기 전극 영역(20A) 이외의 부분을 부착하여 외부와 차단(Encapsulation)하는 단계(S200)가 진행된다. 즉, 이 단계(S200)에서는 상기 전극 영역(20A) 이외의 영역을 부착시켜 상기 전극 영역(20A)을 외부와 차단하는 것이다.
본 실시예에서는 구체적으로 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전해질막(10)과 이형지(22, 32)의 양측 가장자리를 길게 부착하여 그 내측을 차단(Encapsulation)하는 방식으로 차단 영역(50A)을 형성할 수 있다.
또한 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전해질막(10)과 이형지(22, 32) 중 상기 제1, 2 전극(20, 30)의 전극 영역(20A) 이외의 부분을, 상기 전극 영역(20A)을 외측에서 전체적으로 감싸도록 부착하는 방식으로 차단 영역(50A)을 형성할 수도 있다.
그리고 본 실시예에서 본 단계(S200)는 구체적으로 상기 전해질막(10)과 이형지(22, 32) 중 차단 영역(50)만을 롤 프레스를 이용하여 부착하는 방식으로 진행될 수 있다.
한편 상기 차단 단계(S200)는, 상기 전해질막(10)과 이형지(22, 32) 중 차단 영역(50)을 자외선을 조사하여 부착하는 방식으로 진행될 수도 있으며, 그 외 여러가지 다양한 방법으로 대체될 수 있다.
다음으로는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전해질막(10)과 제1, 2 전극(20, 30)을 완전히 부착하는 단계(S300)가 진행된다. 이 단계(S300)에서는 전 단계(S200)에서 외부 환경으로부터 차단된 구조를 가지는 상기 전해질막(10)과 제1, 2 전극(20, 30)의 모든 부분을 90 ~120℃로 가열하여 완전히 부착하며, 부착하는 구체적인 방법은 다양한 방법이 채용 가능하다.
한편 본 실시예에 따른 연료전지 제조방법에서 전술한 차단 단계(S200)는 상기 전해질막(10)과 상기 제1, 2 전극(20, 30)을 전체적으로 저온 프레스로 가압하여 임시 접합하는 단계로 대치될 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 배치되어 있는 상기 전해질막(10)과 제1, 2 전극(20, 30)을 상하 양측에서 저온 프레스로 가압한 상태에서 일측 방향으로 통과시켜, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1, 2 전극(20, 30)의 전극 영역을 포함한 전체 영역이 임시 접합되도록 한다. 이때 상기 저온 프레스는 50 ~ 120℃ 정도의 온도로 상기 전해질막(10)과 제1, 2 전극(20, 30)을 가열하는 것이 바람직하다.
10 : 전해질막 22, 32 : 이형지
20 : 제1 전극 30 : 제2 전극
20 : 제1 전극 30 : 제2 전극
Claims (6)
1) 전해질막을 이형지가 전극 영역 외측까지 부착되어 있는 제1, 2 전극 사이에 위치시킨 상태에서 일측 방향으로 공급하는 단계;
2) 상기 전해질막과 상기 이형지 중 상기 전극 영역 이외의 부분을 부착하여 외부와 차단(Encapsulation)된 차단 영역을 형성하는 단계;
3) 상기 전해질막과 제1, 2 전극을 완전히 부착하는 단계;를 포함하며,
상기 2) 단계에서는,
상기 전해질막과 이형지 중 상기 제1, 2 전극의 전극 영역 이외의 부분을 상기 전극 영역을 감싸도록 상기 차단 영역을 자외선을 조사하여 부착하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
2) 상기 전해질막과 상기 이형지 중 상기 전극 영역 이외의 부분을 부착하여 외부와 차단(Encapsulation)된 차단 영역을 형성하는 단계;
3) 상기 전해질막과 제1, 2 전극을 완전히 부착하는 단계;를 포함하며,
상기 2) 단계에서는,
상기 전해질막과 이형지 중 상기 제1, 2 전극의 전극 영역 이외의 부분을 상기 전극 영역을 감싸도록 상기 차단 영역을 자외선을 조사하여 부착하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 2) 단계에서는,
상기 전해질막과 이형지 중 상기 차단 영역을 롤 프레스를 이용하여 부착하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
상기 전해질막과 이형지 중 상기 차단 영역을 롤 프레스를 이용하여 부착하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 2) 단계는,
상기 전해질막과 상기 제1, 2 전극을 전체적으로 저온 프레스로 가압하여 임시 접합하는 단계로 대체되는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
상기 전해질막과 상기 제1, 2 전극을 전체적으로 저온 프레스로 가압하여 임시 접합하는 단계로 대체되는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
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- 2021-05-18 KR KR1020210063807A patent/KR102655524B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010514102A (ja) * | 2006-12-15 | 2010-04-30 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | 燃料電池の周囲ガスケットを組み立てるための処理方法及びシステム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20220156175A (ko) | 2022-11-25 |
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