KR200334723Y1

KR200334723Y1 - Compression jig for manufacturing unit cell of polymer electrolyte fuel cell

Info

Publication number: KR200334723Y1
Application number: KR2019980018232U
Authority: KR
Inventors: 이호일; 윤중근; 백광기; 김준범; 오태영
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1998-09-24
Publication date: 2004-03-20
Also published as: KR20000006936U

Abstract

본 고안은 고분자 전해질 연료전지의 단위전지를 제조하는 압착 지그에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 전해질 연료전지 단위전지의 제조 기술중 전극, 전해질 조합의 고온 압착 공정을 위한 전극과 전해질막의 고정용 압착 지그의 개발에 관한 것이다.The present invention relates to a crimping jig for manufacturing a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly, to crimping an electrode and an electrolyte membrane for a high temperature crimping process of an electrode and an electrolyte combination in a manufacturing technology of a polymer electrolyte fuel cell unit cell. It is about the development of jigs.

본 고안의 압착용 지그(100)는 내식성 금속 재질의 상판(5)과 이 상판(5) 하부에 내식성 금속 재질로서 각각의 모서리에 고정쇠 구멍(7)을 천공한 중간 고정틀(6)을 형성하고 또한, 중간 고정틀(6)에 천공되어 있는 각각의 고정쇠 구멍(7)과 동일한 크기와 위치에 고정쇠 홈(9)이 형성된 내식성 금속 재질의 받침판(8)으로 이루어진 것이다.The pressing jig 100 of the present invention forms a top plate 5 of a corrosion-resistant metal material and an intermediate fixing frame 6 having perforated clamp holes 7 at each corner as a corrosion-resistant metal material under the top plate 5. In addition, the base plate 8 is made of a corrosion-resistant metal support plate 8 having a fixing groove 9 formed at the same size and position as each fixing hole 7 drilled in the intermediate fixing frame 6.

Description

Pressing jig for manufacturing unit cell of polymer electrolyte fuel cell

일반적으로, 연료전지는 양극으로 공급되는 수소를 함유한 연료가스와 음극으로 공급되는 공기 혹은 산소와 같은 산화제 가스의 전기화학적인 반응에 의해 전기를 생산하는 고효율, 청정에너지 기관이다. 연료가스와 산화제 가스의 전기화학적인 반응은 양극과 음극의 반응 전면부에 도포된 금속성 촉매에 의해 촉진되기도 한다.In general, a fuel cell is a high efficiency, clean energy engine that produces electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen supplied to the anode and an oxidant gas such as air or oxygen supplied to the cathode. The electrochemical reaction between fuel gas and oxidant gas is also facilitated by a metallic catalyst applied to the reaction front of the anode and cathode.

또한, 연료전지는 이러한 전기화학적인 반응을 유도하는 전해질의 종류에 따라서 몇가지 다른 형태로 존재하고 전해질을 고체형 고분자막을 이용할 경우 일반적으로 고분자 전해질 연료전지 혹은 고체 고분자 전해질 연료전지라 칭한다.In addition, the fuel cell exists in several different forms depending on the type of electrolyte inducing such an electrochemical reaction, and when the electrolyte is used as a solid polymer membrane, it is generally called a polymer electrolyte fuel cell or a solid polymer electrolyte fuel cell.

전극의 반응 전면부가 전해질과 접촉되어 얼마만큼 넓게 계면을 형성했는가 그리고 형성된 계면이 반응가스, 반응이온, 전자의 3상이 동시에 존재하는 이른바 "3상계면"인가하는 계면의 넓이 및 계면의 특성에 따라 연료전지의 운전 성능은 크게 달라질 수 있다. 고분자 전해질 연료전지는 액상의 전해질을 사용하는 다른 연료전지와 달리 전해질이 고체형태인 관계로 3상계면을 형성하는데 한계를 갖고 있다.Depending on how wide the interface of the reaction front of the electrode is in contact with the electrolyte, and the interface formed is the three-phase interface at which the reaction gas, reaction ions, and electrons exist simultaneously, The operating performance of the fuel cell can vary greatly. Unlike other fuel cells using a liquid electrolyte, a polymer electrolyte fuel cell has a limitation in forming a three-phase interface because the electrolyte is in a solid form.

따라서, 이러한 한계를 극복하기 위하여 다공성(多孔性)의 탄소천을 가스 확산층으로 하고 미세한 탄소알갱이와 그 보다 더 미세한 백금 알갱이로 이루어진 혼합체를 반응 촉매층으로 하는 2중구조의 전극을 양극과 음극으로 사용하며 각각의 반응 전면(前面)부에 전해질액을 도포(塗布)한후 두 전극 사이에 전해질막을 위치시켜 고온 압착함으로써 하나의 단위전지를 제조한다.Therefore, in order to overcome these limitations, a double structure electrode using a porous carbon cloth as a gas diffusion layer and a mixture of fine carbon grains and finer platinum grains as a reaction catalyst layer is used as an anode and a cathode, respectively. After applying the electrolyte solution to the reaction front part of the reaction, the electrolyte membrane is placed between the two electrodes to produce a single unit cell by high temperature compression.

도 1 은 고분자 전해질 연료전지 단위전지 본체의 분해도를 도시한 것으로서, 고분자 전해질 연료전지의 단위전지(1)는 양전극(2)과 음전극(3) 사이에 고분자형 이온 전도막(4)을 위치시키되 이 양전극(2)은 다공성의 기체 확산층(2a)과 그 위에 촉매 물질이 도포된 촉매층(2b), 또한 촉매층(2b) 위에 전해질 액층(2c)으로 이루어져 있으며 상기, 음전극(3)은 다공성의 기체 확산층(3a)과 그 위에 촉매 물질이 도포된 촉매층(3b), 또한 촉매층(3b) 위에 전해질 액층(3c)으로 이루어져 있다.1 illustrates an exploded view of a unit cell body of a polymer electrolyte fuel cell, wherein the unit cell 1 of the polymer electrolyte fuel cell has a polymer ion conductive membrane 4 disposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 3. The positive electrode 2 consists of a porous gas diffusion layer 2a, a catalyst layer 2b coated with a catalyst material thereon, and an electrolyte liquid layer 2c on the catalyst layer 2b. The negative electrode 3 is a porous gas. It consists of a diffusion layer 3a, a catalyst layer 3b coated with a catalyst material thereon, and an electrolyte liquid layer 3c on the catalyst layer 3b.

상기, 양전극(2)과 음전극(3) 사이에 고분자형 이온 전도막(4)을 위치시켜 적절한 유지시간, 온도, 압력하에서 압착을 시키므로써 제조되고 압착시의 온도는 고분자형 이온 전도막(4)의 유리화 온도 이상인 120℃ 이상에서 행해지며 압착 압력은 현재까지는 여러 기관에서 보고된 바에 의하면 매우 변동적이나 전극이 전해질막내로 적절히 침투하여 계면을 형성할 수 있을 정도를 가한다.The polymer ion conductive membrane 4 is placed between the positive electrode 2 and the negative electrode 3 to be pressed under an appropriate holding time, temperature, and pressure, and the temperature at the time of pressing is high. The pressure is more than 120 ℃ above the vitrification temperature of), and the compression pressure is very variable as reported by various institutions until now, but it adds enough to allow the electrode to properly penetrate into the electrolyte membrane to form an interface.

종래에는 양전극(2)과 음전극(3) 사이에 전해질막(4)을 위치시켜 고온, 고압조건하에서 압착하여 상기한 바와 같이 고분자 전해질 연료전지 단위전지(1)를 제조함에 있어서 문제점은,In the related art, the electrolyte membrane 4 is placed between the positive electrode 2 and the negative electrode 3 and compressed under high temperature and high pressure conditions to produce the polymer electrolyte fuel cell unit cell 1 as described above.

첫째, 모든 전극 면적에 있어서 전극이 균일한 깊이로 전해질막으로 침투하지 못하여 고온 압착후 양전극과 음전극 사이의 전해질막 두께가 불균일해질 수 있어 압착후 전해질막 두께가 균일하지 못하면 특정 부위로 전류가 집중되고 나머지 부위는 전류 발생이 미약하여 전체 전극 면적의 활용도가 저하되게 된다.First, in all electrode areas, the electrode cannot penetrate into the electrolyte membrane with a uniform depth, so the electrolyte membrane thickness between the positive electrode and the negative electrode may become uneven after high temperature compression. In addition, the remaining portion of the current generation is weak, the utilization of the entire electrode area is reduced.

둘째, 양전극과 음전극이 전해질막을 사이에 두고 정확히 동일한 위치에 압착되어야하지만 일정 수준 엇갈려 압착될 수 있어 동일한 위치에 양전극과 음전극이 압착되지 못하면 엇갈린 전극 부위는 전극 반응에 참여하지 못하기 때문에 고가(高價)인 전극의 낭비뿐만 아니라 구조적으로도 전지의 안정성이 저하되게 된다.Second, the positive electrode and the negative electrode should be crimped at exactly the same position with the electrolyte membrane interposed therebetween. However, if the positive electrode and the negative electrode are not crimped at the same position, the crossed electrode parts will not participate in the electrode reaction. In addition to the waste of the electrodes, the stability of the battery is reduced.

셋째, 지나친 압착 압력으로 인하여 양전극과 음전극이 전해질막을 뚫고 직접 접촉될 수 있어 양전극과 음전극이 직접 접촉하게 되면 양극과 음극의 반응가스가 직접 만나 국부적 열발생에 의한 핀홀(pinhole)의 형성이 우려되며 이는 전지 본체에 되돌릴 수 없는 물리적 손상을 유발하게 되는 문제점이 있었다.Third, the positive electrode and the negative electrode can be directly contacted through the electrolyte membrane due to excessive crimping pressure. When the positive electrode and the negative electrode are in direct contact, the reaction gas of the positive electrode and the negative electrode meets directly, causing the formation of a pinhole by local heat generation. This has a problem that causes physical damage that can not be returned to the battery body.

따라서, 본 고안은 상기와 같은 고분자 전해질 연료전지 단위전지의 고온 압착 제조 공정시 발생할 수 있는 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 그 목적은 고분자 전해질 연료전지 단위전지의 고온 압착시 전체 전극 면적에 있어서 균일한 두께를 실현하는데 있으며 고분자 전해질 연료전지 단위전지의 고온 압착시양전극과 음전극이 전해질막을 사이에 두고 동일한 위치에 압착되도록 두 전극을 정확한 위치에 고정하고자 하는데 있으며 또한, 양전극과 음전극이 고압조건에서도 전해질막을 뚫고 서로 접촉되는 것을 방지하는 고분자 전해질 연료전지의 단위전지 제조용 압착 지그를 제공하는 것이다.Therefore, the present invention has been made to solve the problems that may occur during the high-temperature compression manufacturing process of the polymer electrolyte fuel cell unit cell as described above, the purpose is that in the total electrode area during high temperature compression of the polymer electrolyte fuel cell unit cell In order to realize a uniform thickness, it is intended to fix the two electrodes at the correct position so that the positive electrode and the negative electrode are compressed at the same position with the electrolyte membrane interposed at high temperature during the polymer electrolyte fuel cell unit cell. The present invention provides a compression jig for manufacturing a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell that prevents contact with each other through an electrolyte membrane.

본 고안은 상기한 목적을 달성하기 위하여 고분자 전해질 연료전지 단위전지 제조용 압착 지그는 전극 및 전해질막의 고정이 용이하고 조립이 단순하다는 점과 고온, 고압하에서도 일정 두께를 유지하는 내압(耐壓) 재질의 전극 고정판을 포함하는 것을 제공함에 의해 달성된다.The present invention is a compression jig for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell unit cell in order to achieve the above object is easy to fix the electrode and electrolyte membrane, simple assembly and pressure-resistant material that maintains a certain thickness even under high temperature and high pressure It is achieved by providing that includes an electrode fixing plate of.

도 1 은 고분자 전해질 연료전지 단위전지 본체의 분해도1 is an exploded view of a polymer electrolyte fuel cell unit cell body;

도 2 는 본 고안의 압착용 지그 구성도2 is a schematic view of the jig for compression of the present invention

도 3 은 본 고안의 압착용 지그 조립도Figure 3 is a crimping jig assembly of the present invention

도 4 는 본 고안의 압착용 지그를 이용한 단위전지 제조 상황도4 is a manufacturing state diagram of the unit cell using the compression jig of the present invention

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

(100) : 압착용 지그100: crimping jig

(2,3) : 탄소 전극(양전극 혹은 음전극)(2,3): Carbon electrode (positive or negative electrode)

(4) : 고분자 전해질막(4): polymer electrolyte membrane

(5) : 상판(5): top plate

(6) : 중간 고정틀(6): middle fixing frame

(7) : 고정쇠 구멍(7): fastener holes

(8) : 받침판(8): support plate

(9) : 고정쇠 홈(9): clamp groove

(10) : 고정쇠(10): fastener

(11) : 테프론 쉬트(11): Teflon Sheet

(12) : 전극 고정판12: electrode fixing plate

(13) : 공간부(13): space part

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 구성 및 작용을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention with reference to the accompanying drawings.

도 2 는 본 고안의 압착용 지그 구성도를 도시한 것으로서, 압착용 지그(100)는 내식성 금속 재질의 상판(5)과 이 상판(5) 하부에 내식성 금속 재질로서 각각의 모서리에 고정쇠 구멍(7)을 천공한 중간 고정틀(6)을 형성하고 또한, 중간 고정틀(6)에 천공되어 있는 각각의 고정쇠 구멍(7)과 동일한 크기와 위치에 고정쇠 홈(9)이 형성된 내식성 금속 재질의 받침판(8)으로 이루어진 것이다.2 is a schematic view showing the configuration of the pressing jig of the present invention, the pressing jig 100 is a top plate 5 of the corrosion-resistant metal material and the bottom of the top plate 5 as a corrosion-resistant metal material at each corner of the fixing hole ( A support plate made of a corrosion-resistant metal having a middle fixing frame 6 formed in 7) and a fixing groove 9 formed in the same size and position as each of the fixing holes 7 drilled in the middle fixing frame 6 8).

상기 상판(5), 중간 고정틀(6), 받침판(8)의 양면은 가공시 편평도와 조도가 관리되야 하며 특히, 상판(5)과 받침판(8)의 편평도는 정반위에서 가공하여 굴곡이 없도록 철저히 관리되어야 한다. 또한, 장기간의 사용으로 인한 편평도 및 조도의 변화를 최소화하기 위하여 경도 및 내식성이 우수한 스테인레스강 혹은 동종의 내식성 합금강 재질을 사용한다.Both sides of the upper plate (5), the intermediate fixing frame (6), the backing plate (8) should be managed in the flatness and roughness during processing, in particular, the flatness of the top plate (5) and the backing plate (8) is thoroughly processed so that there is no bending It must be managed. In addition, in order to minimize the change in flatness and roughness due to long-term use, stainless steel or the same corrosion-resistant alloy steel material having excellent hardness and corrosion resistance is used.

또한, 상판(5)과 중간 고정틀(6), 받침판(8)으로 이루어진 고온 압착용 지그(100)를 이용하여 고분자 전해질 연료전지의 단위전지(1)를 제조하는 실시예를 설명하면 다음과 같다.In addition, an embodiment of manufacturing the unit cell 1 of the polymer electrolyte fuel cell using the high temperature pressing jig 100 composed of the upper plate 5, the intermediate fixing frame 6, and the support plate 8 is as follows. .

도 3 은 본 고안의 압착용 지그 조립도를 도시한 것으로서, 고온 압착용 지그(100)의 받침판(8) 상부에 내열의 테프론 쉬트(Teflon sheet)(11)를 깔고 이 테프론 쉬트(11) 위에 양전극(2)(혹은 음전극(3))을 위치시키며 이때 탄소 전극(2,3)의 움직임을 방지하기 위하여 정확히 동일한 탄소 전극 크기의 구멍이 뚫린 내열, 내압 재질의 전극 고정판(12)에 탄소 전극(2,3)을 위치시킨다.3 is a schematic view showing the assembly of the compression jig according to the present invention, and a heat-resistant Teflon sheet 11 is placed on the support plate 8 of the high temperature compression jig 100 and the Teflon sheet 11 is placed on the teflon sheet 11. Place the positive electrode 2 (or negative electrode 3), and at this time, the carbon electrode on the heat-resistant, pressure-resistant electrode fixing plate 12 of exactly the same carbon electrode size to prevent the movement of the carbon electrode (2,3) Place (2, 3).

또한, 탄소 전극 고정판(12)은 압착용 지그(100)의 상판(5)과 동일한 크기로 형성하고 탄소 전극(2,3)(양전극 혹은 음전극)과 전극 고정판(12)의 조합위에 탄소 전극보다 크게 절취된 고분자 전해질막(4)을 위치시키며 상기 고분자 전해질막(4) 위에 다시 음전극(3)(혹은 양전극(2))과 전극 고정판(12)의 조합과 또 한 장의 테프론 쉬트(11)를 차례로 올리고 압착용 지그(100)의 중간 고정틀(6)을 위치시킨다.In addition, the carbon electrode fixing plate 12 is formed in the same size as the upper plate 5 of the pressing jig 100, and the carbon electrode 2,3 (positive electrode or negative electrode) and the electrode fixing plate 12 on the combination of the carbon electrode A large cut polymer electrolyte membrane 4 is placed, and a combination of the negative electrode 3 (or the positive electrode 2) and the electrode fixing plate 12 and the other teflon sheet 11 are placed on the polymer electrolyte membrane 4 again. In turn, the intermediate fixing frame 6 of the pressing jig 100 for lifting is positioned.

상기, 중간 고정틀(6)의 각각 모서리에 천공된 고정쇠 구멍(7)을 통하여 고정쇠(10)를 삽입하고 이 고정쇠(10)가 압착용 지그(100)의 받침판(8)에 형성되어 있는 고정쇠 홈(9)에 삽입되도록하여 전체 조합을 고정시키며 압착용 지그(100)의 상판(5)을 최종적으로 중간 고정틀(6)의 공간부(13)에 맞도록 끼워 넣는다.The fasteners 10 are inserted through the fastener holes 7 drilled in the corners of the intermediate fasteners 6, and the fasteners 10 are formed on the support plates 8 of the crimping jig 100. (9) is fixed so that the entire combination and the upper plate 5 of the pressing jig 100 is finally fitted so as to fit into the space 13 of the intermediate fixing frame (6).

상기와 같이 조립된 연료전지 단위전지(1)와 고온 압착용 지그(100)의 조합을 압착기의 상판(14)과 하판(15)에 도 4 와 같이 위치시켜 단위전지 본체를 제조한다.The combination of the fuel cell unit cell 1 and the high temperature compression jig 100 assembled as described above is placed on the upper plate 14 and the lower plate 15 of the compactor as shown in FIG. 4 to manufacture a unit cell body.

본 고안에 의하여 제작된 고온 압착용 지그를 사용하게 되면 양전극과 음전극이 전해질막을 사이에 두고 정확히 동일한 위치에 놓이게 되므로 인해 고온 압착후 두 전극의 엇갈림 현상을 방지할 수 있고 전체 전극 면적에 걸쳐 동일한 두께의 전해질막이 형성되므로 전지 본체 성능 향상에 기여할 뿐만 아니라 또한 지나친 압착 압력으로 인한 양전극과 음전극의 접촉현상을 방지하여 전지 본체의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있으며 간편하게 조립 분해가 가능한 구조로 되어있기 때문에 하나의 연료전지 단위전지를 제조하는데 여분의 위치 교정 작업이 필요하지 않도록 한 매우 유용한 고안인 것이다.By using the high-temperature pressing jig produced by the present invention, the positive electrode and the negative electrode are placed at exactly the same position with the electrolyte membrane interposed therebetween, thus preventing the gap between the two electrodes after high-temperature pressing and having the same thickness over the entire electrode area. Since the electrolyte membrane is formed, it not only contributes to the battery body performance improvement but also prevents the contact between the positive electrode and the negative electrode due to excessive compression pressure, thereby improving the structural stability of the battery body, and since it is a structure that can be easily assembled and disassembled, It is a very useful design that does not require extra position correction work to manufacture fuel cell unit cells.

Claims

A top plate 5 of a corrosion-resistant metal material,

An intermediate fixing frame 6 positioned below the upper plate and having a space 13 and having a fixing hole 7 at the outside of the space;

A support plate 8 made of a corrosion-resistant metal, which is positioned below the intermediate fixing frame 6 and has a fixing shaft groove 9 having the same central axis and diameter as the fixing hole,

An electrode fixing plate 12 installed between the intermediate fixing frame 6 and the supporting plate 8 and fixing two positive and negative electrodes;

The clamp jig for manufacturing a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that it comprises a clamp (10) inserted into the clamp hole (7) and the clamping groove (9) to fix the position of the intermediate fixing frame, electrode fixing plate, the backing plate.

A heat-resistant Teflon sheet 11 is placed on the base plate 8 of the high temperature pressing jig 100, and the positive electrode 2 (or negative electrode 3) is placed on the Teflon sheet 11, and carbon In order to prevent the movement of the electrodes (2,3), the carbon electrodes (2,3) are placed on the heat-resistant, pressure-resistant electrode fixing plate 12 of the same carbon electrode size perforated,

In addition, the carbon electrode fixing plate 12 is formed in the same size as the upper plate 5 of the pressing jig 100, and the carbon electrode 2,3 (positive electrode or negative electrode) and the electrode fixing plate 12 on the combination of the carbon electrode A large cut polymer electrolyte membrane 4 is placed, and a combination of the negative electrode 3 (or the positive electrode 2) and the electrode fixing plate 12 and the other teflon sheet 11 are placed on the polymer electrolyte membrane 4 again. In turn to position the intermediate fixing frame 6 of the pressing jig 100 for lifting,

The fasteners 10 are inserted through the fastener holes 7 drilled in the corners of the intermediate fasteners 6, and the fasteners 10 are formed on the support plates 8 of the crimping jig 100. Compression jig, characterized in that to be inserted into the (9) to fix the entire combination and to fit the top plate (5) of the pressing jig 100 to finally fit the space 13 of the intermediate fixing frame (6). Unit cell manufacturing apparatus for a polymer electrolyte fuel cell using.