KR20080110643A - 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 유닛을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스에 관한 것으로서, 본 프로세스는,
A) 지지부상에서 적어도 하나의 다중층 필드를 제조하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 다중층 필드는 적어도 하나의 전극층과 적어도 하나의 멤브레인 층을 포함하며, 상기 적어도 하나의 다중층 필드는 상기 지지부상의 통로에 의해 둘러싸여지도록 하는 방식으로 상기 적어도 하나의 다중층 필드가 상기 지지부에 도포되며, 상기 통로는 적어도 한쪽면에서 상기 적어도 하나의 다중층 필드의 가장자리와 접하는 것인, 상기 적어도 하나의 다중층 필드 제조 단계, 및
B) 상기 통로내로 유동적인 경화성 봉합 물질을 유입시키는 단계로서, 상기 봉합 물질은 상기 적어도 하나의 다중층 필드의 가장자리를 에워싸는 봉합부를 생성하기 위하여 상기 통로에서 분산되는 것인, 상기 봉합 물질 유입 단계
를 포함한다.
멤브레인, 전극, 어셈블리, MEA, 봉합, 연료 전지, 전기분해, 전해질.

Description

연료 전지를 위한 멤브레인 전극 유닛을 제조하는 방법{METHOD FOR PRODUCING A MEMBRANE ELECTRODE UNIT FOR A FUEL CELL}
본 발명은 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 위한 제조 프로세스에 관한 것으로서, 여기서는 멤브레인 전극 어셈블리를 안정적으로 봉합하기 위한 봉합부가 제조된다.
연료 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환기이다. 연료 전지에서는, 전기분해의 원리가 반대로 된다. 여기서, 연료(예컨대, 수소)와 산화제(예컨대, 산소)가 두 개의 분리된 전극 위치에서 전류, 물 및 열로 변환된다. 현재, 일반적으로 동작 온도에 있어서 서로 구별되는 다양한 유형의 연료 전지들이 알려져 있다. 하지만, 연료 전지들의 구조는 모든 유형의 연료 전지에 있어서 그 원리가 동일하다. 전지들은 일반적으로 반응이 일어나는 두 개의 전극들(즉, 애노드와 캐소드)과 두 개의 전극들 사이의 전해질을 포함한다. 폴리머 전해질 멤브레인 연료 전지(PEM 연료 전지)의 경우에서는, 이온(특히 H+ 이온)을 도통시키는 폴리머 멤브레인이 전해질로서 사용된다. 전해질은 세 가지 기능을 갖는다. 이것은 이온 접촉을 확립하고, 전기 접촉을 방지하며, 추가적으로 전극들에 제공되는 가스 들이 분리되도록 해준다. 전극들에는 일반적으로 산화환원 반응으로 반응되는 가스가 공급된다. 전극들은 가스(예컨대, 수소 또는 메탄올 및 산소 또는 공기)를 유입시키고, 물 또는 CO2와 같은 반응 생성물을 제거하고, 개시물질과 촉매반응하며 전자를 제거 또는 유입시키는 임무를 갖는다. 화학 에너지로부터 전기 에너지로의 변환은 촉매 활성 장소(예컨대, 백금), 이온 도전체(예컨대, 이온 교환 폴리머), 전자 도전체(예컨대, 흑연) 및 가스(예컨대, H2 및 O2)의 3 상 경계부에서 발생된다. 매우 큰 활성 영역은 촉매에 있어서 중요하다.
PEM 연료 전지의 코어는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA), 즉 양측면이 촉매 함유 전극들에 의해 선택적으로 뒤덮혀 있으며, 이 전극들은 가스 확산층(GDL)들, 즉 5개 층의 복합체로 뒤덮여 있는 중앙 배열된 멤브레인 복합체이다. 연료 전지에서, MEA는 두 개의 양극판사이에 장착된다. 연료 전지에서의 설치 후, 멤브레인 전극 어셈블리는 애노드측상에서 연료 가스와 접촉하고 캐소드측상에서 산화제와 접촉한다. 폴리머 전해질 멤브레인은 연료 가스와 산화제가 각각 위치한 영영들을 서로 분리시킨다. 연료 가스와 산화제가 서로 직접 접촉하면 폭발 반응을 일으킬 수 있으므로, 이 연료 가스와 산화제가 서로 직접 접촉하지 못하도록 하기 위하여, 가스 공간들사이에 신뢰성 있는 봉합부가 확보되어야 한다. 그러므로, 멤브레인의 가장자리를 따라 가스 교환을 방지하는 봉합 구상을 갖는 것이 필요하다.
예를 들어 WO 제02/093669 A2호 또는 미국특허 제5,523,175 A호로부터의 종래기술에서는 다양한 봉합 구상이 알려져 있다. WO 제98/33225 A1호는 예컨대, 봉 합 변두리부가 멤브레인 전극 어셈블리의 주변을 따라 형성되고, 봉합 변두리부는 멤브레인과 전극 또는 전극들 서로를 가스 밀봉 방식으로 접합시키고, 이에 더하여 이 봉합 변두리부가 양극판에 가스 밀봉 방식으로 접합되는 프로세스를 설명한다. 봉합 변두리부는 예컨대, 멤브레인 전극 어셈블리의 주변에서 전극의 변두리부 영역내로 침투함으로써 전극 구멍이 필수적으로 충진되고 이에 따라 더 이상 가스가 통과되지 못하게 해주는 폴리머 또는 폴리머 혼합재인 밀봉제(sealant)에 의해 제조된다. 폴리머는 낮은 점성을 갖는 열가소성 또는 경화성의 액체 폴리머가 바람직한데, 이것은 모세관 작용에 의해 전극내로 침투되고 그 후 경화될 수 있거나, 또는 액체 형태의 폴리머, 즉 용매내에서 용융되고, 비경화되거나 또는 용해되는 폴리머가 적절한 경우 필요 압력(바람직하게는 약 200 bar 까지의 압력) 및/또는 적절한 장치내에의 고온도의 인가에 의해 전극과 함께 압착될 수 있는데, 이러한 방식으로 전극의 구멍은 충진될 수 있다.
유럽특허 제1 018 177 B1호는 일체화된 탄성 봉합부를 갖는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 제조하는 프로세스에 관한 것으로서, 여기서 MEA는 개방 통로를 갖는 몰드의 내부에 위치된다. 그 후 유동적 처리가능 전기절연성 봉합 물질이 몰드내로 유입된다. 봉합 물질은 통로를 통해 희망하는 MEA의 봉합 영역에 까지 운반된다. 통로는 추가적으로 하나 이상의 융기된 리브(rib) 또는 두께형성체를 형성하기 위하여 또는 봉합 영역에서 MEA의 전극층의 적어도 일부를 봉합 물질로 충진시키기 위한 몰드 표면으로서 역할을 한다. 또한, 통로는 봉합 물질이 멤브레인 전극 구조를 벗어나 횡방향으로 확장되고 멤브레인 전극 구조의 변두리 영역을 에워싸도 록 봉합 물질을 운반하는 역할을 한다. 봉합 물질은 적어도 하나 또는 복수의 융기된 리브 또는 두께형성체를 추가적으로 포함하는 일체화된 탄성 봉합부를 형성하도록 경화된다. 그 후 MEA가 몰드로부터 취해질 수 있다.
MEA를 위한 봉합부를 제조하는 추가적인 프로세스가 WO 제2005/008818 A2호에 의해 제공된다. 여기서는, 전극 영역이 멤브레인 주변부와 접한 영역에서 표면 활성제로 코팅되고, 이 표면 활성제는 전극 영역내로 침투하며, MEA의 가장자리 영역은 MEA 주변 둘레 전체를 따라 경화성 봉합제에 의해 도포된다. 가장자리 영역으로부터, 봉합제는 표면 활성제로 코팅된 전극 영역에 침투한다. 표면 활성제는 자신에 의해 처리된 영역에서의 습윤도(wettability)를 상당히 증가시키고, 그 결과로 봉합제의 도포를 도와주고 봉합제의 점착성을 향상시켜준다.
하지만, 종래기술에서 알려진 프로세스들은 단순하고 효율적인 대량 제조에 적합하지 않다라는 단점을 자주 갖는다. 제안된 프로세스들은 오랜 대기 시간으로 종종 불연속적이며 및/또는 매우 복잡한 다단계 프로세스들이다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들, 특히 멤브레인 전극 어셈블리의 제조에서의 단점을 극복하는 것과, 단순하고 효율적인 제조와의 결합으로 신뢰적인 봉합부를 확보하는 것이다. 복수의 멤브레인 전극 어셈블리의 제조의 연속성은 개선되어야 한다.
본 발명의 목적은 본 발명에 따라 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스에 의해 획득되는데, 이 프로세스는 다음과 같은 프로세스 단계들을 포함한다.
A) 지지부상에서 적어도 하나의 다중층 필드의 제조 단계로서, 적어도 하나의 다중층 필드는 적어도 하나의 전극층과 적어도 하나의 멤브레인층을 포함하며, 적어도 하나의 다중층 필드가 지지부상의 통로에 의해 둘러싸여지도록 하는 방식으로 적어도 하나의 다중층 필드는 지지부에 도포되며, 여기서 통로는 적어도 한쪽면이 적어도 하나의 다중층 필드의 가장자리와 접하는 것인, 적어도 하나의 다중층 필드 제조 단계, 및
B) 통로내로의 유동적인 경화성 봉합 물질의 유입 단계로서, 봉합 물질은 적어도 하나의 다중층 필드의 가장자리를 에워싸는 봉합부를 제조하기 위하여 통로에서 분산되는 것인, 봉합 물질 유입 단계.
다중층 필드는 겹쳐진 적어도 두 개의 층들을 포함하는데, 특히 바람직하게 전극층과 멤브레인층을 포함한다. 하지만, 본 발명의 프로세스에서의 다중층 필드는 또한 봉합되는 멤브레인 전극 어셈블리의 층들의 주요부분 또는 모든 층들, 예컨대, 애노드 층, 멤브레인 층 및 캐소드 층, 또는 제1 가스 확산층, 애노드 층, 멤브레인 층, 캐소드 층 및 제2 가스 확산층을 포함할 수도 있다.
본 발명에서, 전극층은 하나 이상의 전기 촉매물을 포함한다. 전극층은 바람직하게 흑색 탄소(carbon black) 또는 흑연과 같은 지지 물질과 하나 이상의 전기 촉매물을 포함한다. 전극층은 적절한 경우 예컨대 아이오노머(ionomer)와 같은 구성성분을 더 포함할 수 있다. 멤브레인층은 폴리머 전해질 물질을 포함한다. 산성 작용기를 갖는 테트라플루오로에틸렌-플루오로비닐에테르(tetrafluoroethylene-fluorovinylether) 공중합체, 특히 술폰산기를 사용하는 것이 보통이다. 이와 같은 물질은 예컨대, 이. 아이. 듀퐁 사의 상표명 Nafion® 으로 판매되고 있다. 본 발명을 위해 사용될 수 있는 멤브레인 물질의 예로서는 아래와 같은 폴리머 물질 및 이들의 혼합물이 있다:
- Nafion®(듀퐁, 미국)
- "다우 실험 멤브레인"과 같은 완전 플루오르화 및/또는 부분적 플루오르화 폴리머(다우 케미칼, 미국)
- Aciplex-S® (아사히 케미칼, 일본)
- Raipore R-1010 (폴 레이 제조 회사, 미국)
- Flemion (아사히 글래스, 일본)
- Raymion® (클로린 엔지니어링 기업, 일본)
하지만, 이와는 다른 것, 특히 무(無)-플루오린 멤브레인 물질을 사용하는 것이 가능한데, 예컨대, 술폰화 페놀-포름알데히드 수지(선형 또는 교차결합형); 술폰화 폴리스티렌(선형 또는 교차결합형); 술폰화 폴리-2,6-디페닐-1,4-페닐렌 산화물, 술폰화 폴리아릴 에테르 술폰, 술폰화 폴리아릴렌 에테르 술폰, 술폰화 폴리아릴 에테르 케톤, 인산화 폴리-2,6-디메틸-1,4-페닐렌 산화물, 술폰화 폴리에테르 케톤, 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤, 아릴 케톤 또는 폴리벤즈이미다졸을 사용하는 것도 가능하다.
또한, 폴리벤즈이미다졸인산, 술폰화 폴리페닐렌, 술폰화 폴리페닐렌 황화물 및 폴리머-SO3X(X = NH4 +, NH3R+, NH2R2 +, NHR3 +, NR4 +)형 중합체 술폰산과 같은 구성성분(또는 그 혼합물)을 포함하는 폴리머 물질을 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명의 프로세스에서, 다중층 필드는 바람직하게 지지층으로의 멤브레인층 필드의 도포 및 멤브레인층 필드로의 전극층 필드의 후속 도포에 의해 제조된다. 지지층으로서는, 지지막, 특히 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리프로필렌(PP), 폴리 염화비닐(PVC), 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄 또는 이와 유사한 막 물질들로 조성된 막을 이용하는 것이 선호된다. 지지층은 10 내지 250 ㎛ 의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 이 보다는 90 내지 110 ㎛ 의 두께를 갖는 것이 보다 바람직하다.
지지부로의 멤브레인층 필드의 도포는 본 발명분야의 당업자에게 잘 알려져 있는 방법, 예컨대 독터 블레이드 코팅 프로세스, 스프레이 프로세스, 주입 프로세스, 프레싱 또는 압출 프로세스에 의해 수행된다. 그 후 멤브레인층 필드는 건조된다. 멤브레인층 필드로의 전극층 필드의 도포는 본 발명분야의 당업자에게 잘 알려져 있는 방법과 같이 수행된다. 예를 들어, 멤브레인층 필드는 촉매물 함유 잉크로 코팅될 수 있다. 잉크는 전기촉매물을 포함하는 용액이며, 대체로 액체 또는 가능하게는 페이스트 형태이다. 멤브레인층 필드의 전체 영역 또는 일부 영역위는 예컨대, 인쇄 프로세스, 스프레이 프로세스, 독터 블레이드 코팅 또는 롤링 프로세스에 의해 잉크가 도포된다. 전극층 필드는 후에 건조된다.
다중층 필드의 각각의 층들에 대한 적절한 건조 방법은 예컨대, 고온건조 프로세스, 적외선 건조 프로세스, 마이크로웨이브 건조 프로세스, 플라즈마 프로세스 또는 이 방법들의 조합이다.
본 발명의 프로세스에 의해 제조되는 다중층 필드는 예컨대 가스 확산층과 같은 층들을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 지지부는 평면 지지부가 바람직하며, 다중층 필드는 평표면에 도포된다.
지지부상에서, 다중층 필드는, 본 발명에 따라, 적어도 한쪽면이 다중층 필드의 가장자리와 접하는 통로에 의해 자신의 주변을 따라 둘러싸여진다. 이 구성에서, 통로는 봉합 물질이 유입되는 규정된 흐름경로로서, 이것은 다중층 필드를 따라 뻗어있고, 적어도 다중층 필드의 두께에 대응하는 깊이를 갖는다. 통로는 그 밑면이 지지부에 의해 형성되고 상단부가 개방되어 있는 채로, 예컨대, 한쪽면이 제1 다중층 필드의 가장자리(가장자리면)와 접하고, 나머지 다른 한쪽면이 제2 다중층 필드의 가장자리(가장자리면)와 접할 수 있다. 하지만, 통로는 또한 오로지 한쪽면만이 다중층 필드와 접하고 다른쪽면은 지지부상의 적어도 하나의 다른 딜리미팅(delimiting) 엘리먼트와 접할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 유동적인 경화성 봉합 물질은 통로내로 유입된다. 유동적인 봉합 물질은 통로내에서 분산되고(자가 조직화), 바람직하게는 통로를 균일하게 충진시킨다. 봉합 물질은 바람직하게 통로와 접하는 다중층 필드의 가장자리와 접합되고, 이로써 적어도 하나의 다중층 필드의 가장자리를 에워싸는 봉합부가 제조된다. 봉합 물질은 본 발명분야의 당업자에게 알려져 있는 기타 임의의 방법에 의해 예컨대, 통로내로 방출될 수 있거나 또는 통로내로 유입될 수 있다. 본 발명의 프로세스의 말미 부근에서는 탄성 봉합부, 특히 자가 조직화를 활용함으로써 어떠한 틈도 남겨두지 않고, 정밀하고 이에 따라 복잡한 봉합 물질 위치조정 없이 전극층과 멤브레인층이 제공된다. 봉합 물질은 멤브레인 물질에 접착되는 것이 바람직하다.
본 발명의 프로세스를 위한 봉합 물질로서는, 폴리머 물질, 특히 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 에폭시 수지, 실리콘, 테프롱(디스퍼션 상태), 폴리비닐리덴 디플루오르화물(PVDF), 폴리술폰, 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), UV 경화성 및 열경화성 아크릴레이트 또는 폴리에스테르 수지를 이용하는 것이 선호된다.
봉합 물질은 멤브레인 전극 어셈블리의 물질에 잘 점착되는 물질, 특히 멤브레인층의 물질상에 잘 점착되는 물질인 것이 바람직하다. 예를 들어, DE 제199 26 027 A1호에서 개시된 것과 같이 폴리머 전해질 멤브레인의 이온기와의 표면 상호작용을 생성하고 및 이에 따라 높은 점착 효과를 생성하기 위하여 이온기 또는 강극성기를 포함하는 용융 점착제가 봉합 물질로서 사용될 수 있다.
통로내로의 봉합 물질의 유입 이후, 봉합 물질은 예컨대, 건조 프로세스, 교차결합 프로세스(예컨대, UV 방사에 의해) 또는 냉각 프로세스에 의해 응고된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 전극층과 적어도 하나의 멤브레인층이 가장자리에서 동일 높이를 갖거나 또는 멤브레인층이 전극층보다 크도록 적어도 하나의 다중층 필드가 제조된다. 멤브레인층이 전극층보다 큰 것이 특히 선호된다. 이것은 전극층 필드가 멤브레인층 필드에 도포될 때에 전극층 필드의 아주 정밀한 위치조정이 필요하지 않게 되는 장점을 갖는다. 하지만, 멤브레인층 필드는 접합되는 전극층 필드를 벗어나 돌출되어야 한다. 이것은 특히 멤브레인층이 전극층을 멤브레인층의 나머지 다른쪽면상에 배열된 또 다른 전극층으로터 확실하게 전기절연시켜주는 장점을 가져다 준다. 또한, 봉합 물질은 멤브레인층의 변두리에서 돌출 영역과 결합될 수 있다.
본 발명에 따르면, 봉합 물질 곁의 다중층 필드의 가장자리의 습윤도 향상에 영향을 미치는 습윤도 향상부재가 봉합 물질의 유입 전에 가장자리 영역에서 도포되는 것이 가능하다. 이와 같은 습윤도 향상부재는 예컨대, 다중층 필드의 변두리 영역이 습해지는데에 사용되는 봉합 물질에 대한 용매이다. 또 추가적으로 가능할 수 있는 습윤도 향상부재는 예컨대, WO 제2005/008818 A2호에서 개시된 표면 활성제, 구체적으로 플루오르화 계면활성제이다. 표면 활성제로 처리된 영역은 상당히 증가된 습윤도를 갖는다. 이것은 봉합 물질의 도포를 도와주고 봉합 물질의 점착성을 향상시켜준다.
본 발명의 프로세스의 바람직한 실시예에서, 봉합 물질은 통로내에서 분산되고, 이것은 추가적으로 통로의 영역에서의 가스 확산층의 구멍내로 유입된다. 가스 확산층은 가스 투과성이고 다공층이며, PEM 연료 전지에서 폴리머 전해질 멤브레인근처의 반응 가스를 운반하는 역할을 한다.
본 발명에 따르면, 가스 확산층은 예컨대 지지막과 함께 지지부를 형성할 수 있으며, 이 지지부상에는 예컨대 전극층과 멤브레인층을 포함하는 적어도 하나의 다중층 필드가 배열된다. 이 필드는 가스 확산층상의 필드를 따라 뻗어있는 통로에 의해 접해있다. 하지만, 가스 확산층은 또한 다중층 필드의 일부로서의 가스 확산층 필드로서 제공될 수도 있는데, 이 가스 확산층 필드의 가장자리(다중층 필드의 나머지 다른 층들의 가장자리와 공통)는 본 발명에 따라 한쪽면이 봉합 물질로 충진된 통로와 접한다. 봉합 물질이 (삼투압 작용에 의해) 가스 확산층의 구멍내로 침투하게 되고 이로써 가스 확산층이 이 영역에서 봉합 물질로 충진되는 결과로서, 다중층 필드의 가장자리를 벗어나 돌출해 있고, 또한 가스 확산층을 둘러싸며, 적어도 사실상 서브영역을 침투하는 봉합부가 제조된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 본 발명의 프로세스는 다음의 단계들을 포함한다:
ⅰ) 적어도 두 개의 하프(half) 멤브레인 전극 어셈블리(하프 MEA)의 제조 단계로서, 이 각 어셈블리의 제조는 가스 확산층과 지지층을 포함하는 지지부상의 멤브레인층과 전극층을 포함하는 다중층의 제조와 다중층 필드를 둘러싸는 통로내로의 봉합 물질의 유입에 의한 것인, 상기 제조 단계, 및
ⅱ) 멤브레인 전극 어셈블리를 제공하기 위하여 두 개의 하프 멤브레인 전극 어셈블리(하프 MEA)의 멤브레인층의 접합에 의한 두 개의 하프 멤브레인 전극 어셈블리의 접합 단계.
상기 프로세스에서, (적어도 5 개의 층들, 즉 가스 확산층, 전극층, 멤브레인층, 전극층, 가스 확산층을 포함하는) 멤브레인 전극 어셈블리는 (적어도 세 개의 층들, 즉 가스 확산층, 전극층, 멤브레인층을 포함하는) 두 개의 하프 멤브레인 전극 어셈블리(하프 MEA)로부터 제조된다. 여기서, 본 발명의 프로세스에 의해 각 하프 MEA 상에서 제조되는 봉합부들은 멤브레인 전극 어셈블리의 봉합부를 함께 형성한다.
두 개의 하프 MEA의 멤브레인층의 접합은 본 발명분야의 당업자에게 익숙한 방법들, 예컨대, 고온 압착, 적층, 용매 또는 초음파 용접이 추가 적용되는 적층 기법에 의해 달성될 수 있다. 접합은 열 및/또는 압력의 인가로 압착함으로써, 예컨대 적층 롤러를 이용하여 바람직하게 수행된다. 온도는 60℃ 내지 250℃의 범위인 것이 바람직하며, 압력은 0.1 내지 100 bar의 범위인 것이 바람직하다. 두 개의 하프 MEA가 접합되면, 한쪽면상에 애노드층과 가스 확산층을, 그리고 나머지 다른 한쪽면상에는 캐소드층과 가스 확산층을 갖는 총체적 멤브레인층이 두 개의 멤브레인 층으로부터 형성된다. 하프 MEA들이 접합하는 경우, 두 개의 하프 MEA의 봉합부가 총체적 봉합부를 형성하기 위하여 접합될 수도 있거나 또는 이 하프 MEA들이 결과물로서 생성된 멤브레인 전극 어셈블리에서 적어도 가스 밀봉 방법으로 접하게 된다.
본 발명의 실시예에서,
a) 각각이 지지층과 가스 확산층을 포함하는 공통 지지부상에서 멤브레인층과 전극층을 포함하거나, 또는
b) 각각이 지지층을 포함하는 공통 지지부상에서 멤브레인층, 전극층 및 가스 확산층을 포함하며,
통로에 의해 서로가 분리되는 복수의 다중층 필드들이 제조된다. a)의 경우, 가스 확산층은 지지부의 일부인 반면에, b)의 경우에서는 가스 확산층이 다중층 필드의 일부이다. 본 발명의 프로세스의 본 실시예에서, 이웃하는 다중층 필드들은 통로와 횡방향으로 접하고, a)의 경우에서의 가스 확산층의 일부와 b)의 경우에서의 지지층의 일부는 통로의 바닥부를 형성한다.
본 발명의 실시예에서, 한쪽면이 적어도 하나의 통로와 접하는 적어도 하나의 추가적인 딜리미팅 엘리먼트가 지지부에 도포된다. 딜리미팅 엘리먼트는 예컨대, 거리를 두고서 다중층 필드의 가장자리와 평행하게 뻗어있는 딜리미팅 스트립일 수 있다. 딜리미팅 엘리먼트는 예컨대, 멤브레인층과 동일한 물질 및 동일한 작업 단계로부터 제조될 수 있다. 이 딜리미팅 엘리먼트의 두께는 적어도 다중층 필드의 두께에 대응해야한다.
본 발명에서, 다중층 필드는 사변형인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 정사각형 또는 직사각형인 것이 좋다.
멤브레인 전극 어셈블리를 제조하기 위한 본 발명의 프로세스는 특히, 비교적 복잡하지 않고, 저비용이고, 연속적인 롤 투 롤(roll-to-roll) 프로세스로서 수행될 수 있는 장점을 갖는다. 이러한 목적을 위해, 예를 들어, 지지층 및 (적절한 경우) 가스 확산층이 각 경우에서 롤상의 스트립으로서 제공된다. 이러한 방식으로 제조된 하프 MEA는 롤상으로 이와 마찬가지로 감겨질 수 있다. 본 발명의 프로세스의 모든 작업 단계들은 연속적인 롤 투 롤 프로세스들로 결합될 수 있다. 특히, 다중층 필드들 사이의 통로내에서의 자가 조직화에 의한 봉합 물질의 분산은 봉합부의 충진 또는 위치조정 또는 잉여 몰드로부터의 유입 및 제거를 위한 종래 기술에서 종종 피할 수 없는 불연속적인 프로세스를 야기시킨다.
바람직한 실시예에서, 봉합 물질은 주입 장치에 의해 통로내로 방출되며, 주입 장치는 봉합 물질을 연속적으로 전달해주거나 또는 봉합 물질의 특정 양을 주기적으로 전달해준다. 본 실시예에서는 이와 마찬가지로 연속적인 롤 투 롤 프로세스를 가능케해준다. 여기서, 예컨대, 다중층 필드와 이것을 에워싸는 통로를 갖는 지지 스트립은 주입 장치아래에서 균일하게 이동할 수 있다. 스트립의 세로방향(전송 방향)의 통로는 고정된 방향으로 봉합 물질을 연속적으로 전달하는 주입 장치에 의해 봉합 물질로 충진될 수 있다. 스트립의 전송 방향에 수직하게 뻗어있는 통로는 횡측 방향으로 회전되는 협소 주입 장치에 의해 또는 봉합 물질을 주기적으로 전달해주는 고정된 광역 주입 장치에 의해 봉합 물질로 충진될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 지지부상에서 복수의 이격된 다중층 필드를 제조하는 연속 프로세스는 사변형 모양을 갖는 복수의 멤브레인층 필드를 스트립형태의 제1 지지층에 도포시키는 단계, 전극층 필드를 멤브레인층 필드 각각에 도포시키는 단계, 스트립형태의 가스 확산층을 차폐층으로서 전극층 필드에 접합시키는 단계, 스트립 형태의 제2 지지층을 가스 확산층에 도포시키는 단계, 및 스트립 형태의 제1 지지층을 다중층 필드로부터 제거하는 단계에 의해 수행된다. 스트립 형태의 제2 지지층이 밑면에 위치되고 멤브레인층 필드가 윗면에 위치되도록 결과물로서 생성된 층 배열을 뒤집은 후에, 본 발명에 따라 봉합 물질이 상단부로부터 통로내로 유입되고, 그 후 봉합 물질은 통로내에서 (바람직하게는 균일하게) 분산된다.
적어도 봉합부를 통해 서로가 접합되는 복수의 멤브레인 전극 어셈블리는 바람직하게 이러한 방식으로 제조되며, 이들은 봉합부를 절단함으로써 분리될 수 있다. 만약 봉합부가 두 개의 멤브레인 전극 어셈블리들 사이에 내뻗어 있다면, 예를 들어, 이 두 개의 멤브레인 전극 어셈블리들은 봉합부의 절반이 각각의 멤브레인 전극 어셈블리에 속하도록 중앙부분이 절단될 수 있다.
본 발명은 도면들을 이용하여 아래에서 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 프로세스에 의한 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서, 복수의 멤브레인층 필드와 딜리미팅 스트립을 갖는 제1 지지층을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 프로세스에 의한 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서, 멤브레인층과 전극층을 포함하는 복수의 다중층 필드를 갖는 제1 지지층을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 프로세스에 의한 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서, 다중층 필드상의 하나의 층으로서 위치된 가스 확산층을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 프로세스에 의한 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서, 가스 확산층상의 제2 지지층을 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 프로세스에 의한 멤브레인 전극 어셈블리의 제 조시에 있어서, 가스 확산층과 제2 지지층을 포함하는 지지부상의 전극층과 멤브레인층을 포함하는 다중층 필드를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 프로세스에 의한 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서, 통로내에서 분산된 봉합 물질을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 프로세스에 의한 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서, 서로 접합된 복수의 하프 MEA들상의 제3 지지층을 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 프로세스에 의한 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서, 제3 지지층 없이 서로 접합된 복수의 하프 MEA들을 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 프로세스에 의한 제조시에 있어서, 하프 MEA의 멤브레인층의 접합 이후의 서로 접합된 복수의 멤브레인 전극 어셈블리를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 프로세스에 의한 제조시에 있어서, 멤브레인 전극 어셈블리들을 분리시키기 위한 절단선을 도시한다.
도 11은 도 1a 내지 도 4b에서 도시된 바와 같은 본 발명에 따라 제조된 멤브레인 전극 어셈블리의 중간 생성물이 제조되는 롤 투 롤 프로세스를 개략적으로 도시한다.
도 12는 도 5a 내지 도 7b에서 도시된 하프 MEA가 제조되는 롤 투 롤 프로세스를 개략적으로 도시한다.
도 13은 도 8a 내지 도 9b에서 도시된 멤브레인 전극 어셈블리가 제조되는 롤 투 롤 프로세스를 개략적으로 도시한다.
도 14는 본 발명의 프로세스에 따라 제조된 멤브레인 전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 구조의 실시예를 도시한다.
* 도면내의 참조부호들의 설명 *
1: 멤브레인층 필드 2: 딜리미팅 엘리먼트
3: 제1 지지층 4: 전극층 필드
5: 가스 확산층 6: 제2 지지층
7: 지지부 8: 다중층 필드
9: 가장자리 10: 세로 방향
11: 가로 방향 12: 통로
13: 봉합 물질 14: 충진 영역
15: 제3 지지층 16: 제1 멤브레인층 필드
17: 제2 멤브레인층 필드 18: 총체적 멤브레인
19: 제1 가스 확산층 20: 제1 전극층
21: 제2 전극층 22: 제2 가스 확산층
23: 상부 지지층 24: 하부 지지층
25: 멤브레인 전극 어셈블리 26: 절단선
27: 제1 롤 28: 제1 주입 장치
29: 멤브레인 물질 30: 제2 주입 장치
31: 전극 물질 32: 제2 롤
33: 제3 롤 34: 제1 MEA 중간 생성물
35: 제4 롤 36: 전송 방향
37: 제5 롤 38: 제3 주입 장치
39: 제6 롤 40: 하프 MEA
41: 제7 롤 42: 제8 롤
43: 제9 롤 44: 제10 롤
45: 제11 롤 46: 멤브레인 전극 어셈블리
47: 저장 롤 48: 지지층
49: 지지층 50: 멤브레인 전극 어셈블리
51: 봉합부 52: 가장자리
53: 충진 영역 54: 제1 양극판
55: 제2 양극판
도 1a는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서의 제1 중간 생성물을 도시한다.
이 중간 생성물을 제조하기 위하여, 멤브레인층 필드(1)와 스트립 형태의 딜리미팅 엘리먼트(2)가 제1 지지층(3)에 도포된다. 이를 위한 목적으로, 멤브레인층 물질(예컨대, sPEEK 주입 용액 - 술폰화 폴리에테르 에테르 케톤)이 각각 마다 예컨대 직사각형 모양으로 멤브레인층 필드(1)로서 지지막(예컨대, PET)상으로 주입된다.
멤브레인층 필드(1)의 주입은 세 개의 평행하게 이격된 광역 주입 장치(미도 시)의 주기적인 주입 및 중단에 의해 수행될 수 있다.
또한, 제1 지지층의 세로 방향으로 내뻗어 있으며 멤브레인층 필드(1)보다 두꺼운 스트립 형태의 딜리미팅 엘리먼트(예컨대, sPEEK와 같은)가 제1 지지층(3)에 도포된다. 멤브레인층 필드(1)와 딜리미팅 엘리먼트(2)는 제1 지지층(3)으로의 도포 후에 건조되어야 한다.
도 1b는 도 1a의 중간 생성물의 단면도를 도시한다.
도 2a는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서의 제2 중간 생성물을 도시한다.
이 중간 생성물을 제조하기 위하여, 전극층 필드(4)가 예컨대, 불연속 독터 블레이드 코팅 또는 스크린 인쇄 기법에 의해 제1 지지층(3)상에 위치된 멤브레인층 필드(1)에 도포된다. 도 2a에서 도시된 전극층 필드(4)는 직사각형이며 멤브레인층 필드(1)보다 작으며, 이로써 멤브레인층 필드(1)는 전극층 필드(4)를 벗어나 돌출해 있다. 전극층 필드(4)는 멤브레인층 필드(1)로의 도포 후에 건조된다.
도 2b는 도 2a의 중간 생성물의 단면도를 도시한다.
도 3a는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서의 제3 중간 생성물을 도시한다.
이 중간 생성물을 제조하기 위하여, 가스 확산층(5)이 전면(全面)층으로서 전극층 필드(4)상으로 적층된다. 가스 확산층(5)은 전극층 필드(4)와 스트립 형태의 딜리미팅 엘리먼트(2)를 모두 뒤덮는다.
도 3b는 도 3a의 중간 생성물의 단면도를 도시한다.
도 4a는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서의 제4 중간 생성물을 도시한다.
이 중간 생성물을 제조하기 위하여, 제2 지지층(6)(예컨대, PET)이 가스 확산층(5)상으로 얇게 놓여진다. 제2 지지층(6)은 가스 확산층(5) 전체를 뒤덮는다.
도 4b는 도 4a의 중간 생성물의 단면도를 도시한다.
도 5a는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서의 제5 중간 생성물을 도시한다.
이 중간 생성물을 제조하기 위하여, 도 4a 및 도 4b에서 도시된 제4 중간 생성물이 뒤집어 엎어지고 제1 지지층(3)이 제거된다. 그 후 제2 지지막(6)과 가스 확산층(5)을 포함하는 지지부(7)가 남겨지고, 딜리미팅 엘리먼트(2) 및 전극층 필드(4)와 멤브레인층(1)을 포함하는 다중층 필드(8)가 지지부(7)에 도포된다. 딜리미팅 엘리먼트(2)의 내향면측 가장자리와 다중층 필드의 가장자리(9)는 복수의 통로들(12)과 접하는데, 이 복수의 통로들(12)은 가스 확산층(5)상에 위치하고 세로 방향(10)과 가로 방향(11)으로 확장된다. 그 후, 약간 더 큰 멤브레인층 필드(1)가 약간 더 작은 전극층 필드(4)의 상단부상에 배열된다.
도 5b는 도 5a의 중간 생성물의 단면도를 도시한다.
도 6a는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서의 제6 중간 생성물(하프 MEA)을 도시한다.
이 중간 생성물을 제조하기 위하여, 본 발명에 따라 유동적인 경화성 봉합 물질(13)이 통로(12)내로 유입되고, 이 통로(12)에서 봉합 물질(12)은 균일하게 분 산된다. 지지부(7)가 세로 방향(10)으로 이동되는 경우에서, 통로(12)내로의 액체 봉합 물질(13)의 세로 방향(10) 유입은 개별적인 주입 장치 또는 기타 공급 기술에 의해 달성될 수 있다. 통로내로의 봉합 물질(13)의 가로 방향(11) 유입을 위해, 예컨대, 불연속적으로 (주기적으로) 동작하며 앞뒤로 움직이는 주입 장치 또는 공급 장치를 사용하는 것이 가능하다. 자가 조직화가 활용되기 때문에 봉합 물질(13)의 정밀한 정렬은 불필요하다.
봉합 물질(13)은 통로내로 흐르고, 전극층 필드(4)를 벗어나 돌출한 멤브레인층 필드(1)의 밑면의 변두리 영역을 또한 습하게 만든다. 또한, 봉합 액체(13)는 가스 확산층(5)의 구멍내로 유입됨으로써 통로(12)의 영역에서 가스 확산층(5)을 충진시킨다. 가스 확산층(5)의 충진된 영역은 도 6b에서 참조부호 14에 의해 표시된다. 봉합 물질(13)은 후에 (예컨대 건조, 교차결합 또는 냉각처리에 의해) 경화된다. 이것은 정밀한 위치조정 및 이에 따라 수고스러운 위치조정이 없는 탄성 봉합부를 가져다 주는데, 이 봉합부는 각각의 하프 MEA의 전극층 필드(4)와 멤브레인층 필드(1)를 빈틈없이 에워싼다.
도 6b는 도 6a의 중간 생성물의 단면도를 도시한다.
도 7a는 제3 지지층으로 뒤덮힌 도 6a의 중간 생성물을 도시한다.
만약 도 6a의 중간 생성물이 (예컨대, 임시 저장을 위해) 둥글게 감겨지거나 적층되는 경우, 이 중간 생성물은 제3 지지층(15)으로 뒤덮힘으로써 보호되고, 이 제3 지지층(15)은 추가적인 프로세싱을 위해 다시 제거된다(도 8a 및 도 8b 참조 - 도 6a 및 도 6b의 중간 생성물에 대응함).
도 7b는 도 7a의 중간 생성물의 단면도를 도시한다.
도 9a는 본 발명에 따른 멤브레인 전극 어셈블리의 제조시에 있어서의 제7 중간 생성물을 도시한다.
이 중간 생성물을 제조하기 위하여, 두 개의 하프 MEA들이 자신들의 멤브레인층 필드(16, 17)를 접합시킴으로써 서로 접합되어 멤브레인 전극 어셈블리를 형성한다. 각 멤브레인층 필드(16, 17)는 총체적인 멤브레인(18)을 형성하기 위하여 접합된다. 획득된 중간 생성물은 특히 봉합 물질(13)을 통해 함께 유지되고 두 개의 지지층들(23, 24)사이에 위치된 5개층 멤브레인 전극 어셈블리(25)[제1 가스 확산층(19), 제1 전극층(20), 멤브레인(18), 제2 전극층(21) 및 제2 가스 확산층(22)]를 포함하는 층이다.
도 9b는 도 9a의 중간 생성물의 단면도를 도시한다.
멤브레인 전극 어셈블리(25)를 분리시키기 위하여, 도 10a 및 도 10b상에서 작도된 절단선들(26)을 따라 봉합 물질(13)을 관통하는 (바람직하게는 중앙으로) 절단이 행해질 수 있다. 이것은 멤브레인과 전극들이 외부 가장자리 둘레를 따라 봉합 물질(13)에 의해 완전히 둘러싸여지는 복수의 개별적인 멤브레인 전극 어셈블리를 갖게 한다. 만약 가스 확산층들이 봉합 물질(13)에 의해 추가적으로 침투되는 경우, 멤브레인 전극 어셈블리의 모든 5개 층들이 가장자리에 대해 봉합된다. 멤브레인 전극 어셈블리가 두 개의 양극판들 사이에서 설치되면, 연료 전지의 양쪽 가스 공간들은 결과적으로 가스 밀봉형태로 서로 분리된다.
도 11은 도 1a 내지 도 4b의 중간 생성물이 제조될 수 있는 연속적인 롤 투 롤 프로세스를 개략적으로 도시한다.
전송 방향(36)으로 진행하는 이 롤 투 롤 프로세스에서, 제1 롤(27)은 둥글게 감겨지는 물질로서의 제1 지지층(3)을 공급한다. 제1 주입 장치(28)는 도 1a 및 도 1b의 중간 생성물을 획득하기 위하여 전송 방향(36)으로 이동하는 제1 지지층(3)상으로 멤브레인 물질(29)(예컨대, sPEEK)의 멤브레인층 필드를 주입한다. 제2 주입 장치(30)는 도 2a 및 도 2b의 중간 생성물을 획득하기 위하여 전송 방향(36)으로 한층 더 이동한 멤브레인층 필드상으로 전극 물질(31)의 전극층 필드를 주입한다. 제2 롤(32)로부터, 가스 확산층(5)이 둥글게 감겨지는 물질로서 풀려나오고, 도 3a 및 도 3b의 중간 생성물을 획득하기 위하여 전송 방향(36)으로 한층 더 이동한 전극층 필드상으로 적층된다. 제3 롤(33)로부터, 제2 지지층(6)이 둥글게 감겨지는 물질로서 풀려나오고, 도 4a 및 도 4b의 중간 생성물을 획득하기 위하여 전송 방향(36)으로 한층 더 이동한 가스 확산층(5)상에 놓여진다. 이러한 방식으로 획득된 스트립 형태의 제1 MEA 중간 생성물(34)은, 도 11에서 도시된 바와 같이, 제4 롤(35)상으로 둥굴게 감겨지거나 직접 추가 처리된다.
도 12는 도 5a 내지 도 7b의 중간 생성물이 제조될 수 있는 연속적인 롤 투 롤 프로세스를 개략적으로 도시한다.
이 롤 투 롤 프로세스에서는, 제1 지지층(3)이 이제 윗면상에 위치되도록 도 11에서 도시된 프로세스에서 획득된 제1 MEA 중간 생성물(34)이 뒤집어진 제4 롤(35)로부터 전송 방향(36)으로 풀려나온다. 도 5a 및 도 5b의 중간 생성물을 획득하기 위하여 제1 지지층(3)이 제5 롤(37)상으로 둥글게 감겨짐으로써 제1 MEA 중 간 생성물(34)로부터 제거된다. 봉합 물질(13)은, 제2 지지층(6)과 가스 확산층(5)을 포함하며 전송 방향(36)으로 이동되는 스트립 형태의 지지부(7)상에 위치된 전극 물질(31)과 멤브레인 물질(29)의 다중층 필드들 사이에서 제3 주입 장치(38)에 의해 통로들내로 유입된다. 이러한 방식으로, 도 6a 및 도 6b에서 도시된 중간 생성물[스트립 형태의 점착성의 하프 MEA(40)]이 결과물로서 생성된다. 제3 지지층(15)이 둥글게 감겨지는 물질로서 제6 롤(39)로부터 풀려나오고, 도 7a 및 도 7b의 중간 생성물을 획득하기 위하여 전송 방향(36)으로 한층 더 이동한 하프 MEA(40)상에 놓여진다. 이러한 방식으로 획득된 스트립 형태의 점착성의 하프 MEA(40)는 도 12에서 도시된 바와 같이, 제7 롤(41)상으로 둥굴게 감겨지거나 직접 추가 처리된다.
도 13은 도 8a 내지 도 9b의 멤브레인 전극 어셈블리가 제조되는 연속적인 롤 투 롤 프로세스를 개략적으로 도시한다.
각각의 제3 지지층(15)이 하프 MEA(40)를 포함하는 도 12에서의 제7 롤(41)과 같은 두 개의 상반된 롤(42, 43)로부터 분리되고, 두 개의 추가 롤(44, 45)상으로 둥글게 감겨진다. 도 8a 및 도 8b에서 도시된 나머지 하프 MEA(40)는 두 개의 하프 MEA의 멤브레인 물질(29)의 멤브레인층 필드들이 서로 대면하도록 두 개의 상반된 롤(42, 43)로부터 전송 방향(36)으로 풀려나온다. 그 후 두 개의 하프 MEA(40)는 도 9a 및 도 9b에서 도시된 스트립 형태의 접합된 멤브레인 전극 어셈블리(46)를 획득하기 위하여 서로 접합된다. 멤브레인 전극 어셈블리(46)는 제1 가스 확산층(19), 제1 전극층(20), 총체적 멤브레인(18), 제2 전극층(21) 및 제2 가스 확산층(22)의 순서를 갖는 층을 갖는다. 스트립 형태의 접합된 멤브레인 전극 어셈블리(46)는 저장 롤(47)상에서 지지층(48, 49)과 함께 둥글게 감겨질 수 있거나 또는 절단 장치(미도시)에 의해 분리될 수 있다.
도 14는 본 발명의 프로세스에 의해 제조된 멤브레인 전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 구조의 실시예의 개략적인 단면도를 도시한다.
멤브레인 전극 어셈블리(50)는 다섯개의 층들, 즉 제1 가스 확산층(19), 제1 전극층(20), 멤브레인(18), 제2 전극층(21) 및 제2 가스 확산층(22)을 포함한다. 멤브레인(18)은 전극층들(20, 21)보다 크며, 이들을 벗어나 돌출해있다. 멤브레인 전극 어셈블리(50)는 멤브레인 전극 어셈블리의 주변을 둘러싸는 봉합부(51)를 더 포함한다. 봉합부(51)는 한쪽면이 전극층들(20, 21) 및 멤브레인(18)내에 포함된 멤브레인층들의 가장자리(52)와 접해있던 통로들내로 유동성 봉합 물질을 유입시킴으로써 제조된 것이며, 이 통로내에서 봉합 물질은 자가 조직화에 의해 분산된다. 그러므로, 봉합부는 가장자리(52)와 틈을 남겨두는 것 없이 접하게 된다. 또한, 봉합 물질은 가스 확산층들(19, 22)의 구멍내로 유입되며, 이로써 봉합 물질로 충진된 영역(53)이 형성된다. 그 결과로, 봉합부(51)는 멤브레인 전극 어셈블리(50)의 총 두께 이상으로 확장된다. 멤브레인 전극 어셈블리(50)는 연료 전지 구조를 완성하기 위하여 두 개의 양극판(54, 55)사이에 배열된다. 연료 전지 스택(미도시)에서, 복수의 셀들은 양극판(54, 55)으로서 지정된 불침투성의 전기전도성 양극판에 의해 서로가 분리되면서 전기적 순서로 서로의 상부상에 적층된다. 양극판(54, 55)은 전지에 기계적으로 그리고 전기적으로 연결된다. 각각의 셀의 전압은 1V 범위내 에 있기 때문에, 매우 많은 수의 셀들을 직렬로 연결하는 실용적 응용이 필요하다. 양극판(54, 55)에 의해 분리된 400개 까지의 셀들이 서로의 상부상에 종종 적층된다. 하나의 셀의 산소측이 양극판(54, 55)을 경유하여 다음 셀의 수소측과 연결되도록 셀들은 서로의 상부상에 적층된다. 그러므로, 양극판(54, 55)은 복수의 기능을 수행한다. 이것은 셀들을 전기적으로 연결시켜주고, 반응물(반응 가스)과 냉매를 공급 및 분배해주고, 가스 공간들을 분리시키는 역할을 한다. 연료 전지의 두 개의 가스 공간들은 두 개의 양극판(54, 55) 사이에 설치된 멤브레인 전극 어셈블리(50)의 봉합부(51)에 의해 가스 밀봉 방식으로 서로 분리된다.

Claims (10)

  1. 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스로서,
    A) 지지부상에서 적어도 하나의 다중층 필드를 제조하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 다중층 필드는 적어도 하나의 전극층과 적어도 하나의 멤브레인 층을 포함하며, 상기 적어도 하나의 다중층 필드는 상기 지지부상의 통로에 의해 둘러싸여지도록 하는 방식으로 상기 적어도 하나의 다중층 필드가 상기 지지부에 도포되며, 상기 통로는 적어도 한쪽면에서 상기 적어도 하나의 다중층 필드의 가장자리와 접하는 것인, 상기 적어도 하나의 다중층 필드 제조 단계, 및
    B) 상기 통로내로 유동적인 경화성 봉합 물질을 유입시키는 단계로서, 상기 봉합 물질은 상기 적어도 하나의 다중층 필드의 가장자리를 에워싸는 봉합부를 생성하기 위하여 상기 통로에서 분산되는 것인, 상기 봉합 물질 유입 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극층과 상기 적어도 하나의 멤브레인층이 상기 가장자리에서 동일 높이를 갖거나 또는 상기 멤브레인층이 상기 전극층보다 크도록 상기 적어도 하나의 다중층 필드가 제조되는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 봉합 물질 곁의 상기 다중층 필드의 가장자리의 습윤도 향상에 영향을 미치는 습윤도 향상부재가 상기 봉합 물질의 유입 전에 상기 가장자리 영역에서 도포되는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 임의의 하나의 항에 있어서, 상기 통로내에서 분산되는 상기 봉합 물질은 상기 통로의 영역에서 가스 확산층의 구멍내로 추가적으로 유입되는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 임의의 하나의 항에 있어서,
    ⅰ) 상기 적어도 두 개의 하프(half) 멤브레인 전극 어셈블리는 각각, 가스 확산층과 지지층을 포함하는 지지부상에 멤브레인층과 전극층을 포함하는 다중층 필드를 제조하는 단계와, 상기 다중층 필드를 둘러싸는 상기 통로내로 상기 봉합 물질을 유입시키는 단계에 의해 제조되며, 및
    ⅱ) 상기 두 개의 하프 멤브레인 전극 어셈블리들은 멤브레인 전극 어셈블리를 제공하기 위하여 두 개의 하프 멤브레인 전극 어셈블리의 멤브레인층을 접합시킴으로써 접합되는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 임의의 하나의 항에 있어서, 복수의 다중층 필드들 각각은,
    a) 지지층과 가스 확산층을 포함하는 공통 지지부상에서 멤브레인층과 전극층을 포함하거나, 또는
    b) 지지층을 포함하는 공통 지지부상에서 멤브레인층, 전극층 및 가스 확산층을 포함하며,
    통로들에 의해 서로가 분리되도록 제조되는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 임의의 하나의 항에 있어서, 한쪽면측의 적어도 하나의 통로와 접하는 적어도 하나의 추가적인 딜리미팅(delimiting) 엘리먼트가 상기 지지부에 도포되는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 임의의 하나의 항에 있어서, 상기 봉합 물질은 주입 장치에 의해 상기 통로내로 방출되며, 상기 주입 장치는 상기 봉합 물질을 연속적으로 전달해주거나 또는 상기 봉합 물질의 특정 양을 주기적으로 전달해주는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 임의의 하나의 항에 있어서, 지지부상의 복수의 이 격된 다중층 필드를 제조하는 연속 프로세스에서, 사변형 모양을 갖는 복수의 멤브레인층 필드가 스트립형태의 제1 지지층에 도포되고, 전극층 필드가 상기 멤브레인층 필드 각각에 도포되며, 스트립형태의 가스 확산층이 폐단층으로서 상기 전극층 필드에 접합되며, 스트립 형태의 제2 지지층이 상기 가스 확산층에 도포되고, 및 상기 스트립 형태의 제1 지지층이 상기 다중층 필드로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 임의의 하나의 항에 있어서, 적어도 상기 봉합부를 통해 서로가 스트립 형태 모향으로 접합되는 복수의 멤브레인 전극 어셈블리들이 제조되며, 이들은 상기 봉합부를 절단함으로써 분리되는 것을 특징으로 하는 연료 전지를 위한 멤브레인 전극 어셈블리를 제조하는 프로세스.
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