KR20130061581A - 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

연료 전지용 막-전극 어셈블리가 개시된다. 개시된 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 ⅰ)고분자 전해질막과, ⅱ)고분자 전해질막의 양면에 각각 형성되는 전극층과, ⅲ)전극층을 개방하며 그 전극층의 양측으로 여유를 두고 고분자 전해질막의 양면 가장자리 부분에 접합되는 가스켓 필름과, ⅳ)가스켓 필름의 여유 부분 사이에 개재되는 중간 필름을 포함할 수 있다.

Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 그의 제조 방법 {MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명의 실시예는 연료 전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지의 세퍼레이터(분리판 또는 바이폴라 플레이트) 사이에 개재되는 막-전극 어셈블리 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이 연료 전지는 연료와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 단위 셀로 이루어진다.
이러한 연료 전지는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(분리판 또는 바이폴라 플레이트)를 배치하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 연료 전지는 다수 매로서 연속적으로 배열되며 연료 전지 스택으로 구성될 수 있다.
상기 막-전극 어셈블리는 연료와 산화제의 전기 화학적인 산화 반응 및 환원 반응을 일으키게 하며, 세퍼레이터는 연료와 산화제 가스를 막-전극 어셈블리로 공급하는 기능을 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 평면 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 막-전극 어셈블리(200)는 고분자 전해질막(110)을 사이에 두고 이의 일면에 애노드 전극층(120)을 구성하고, 다른 일면에 캐소드 전극층(130)을 구성하고 있다.
그리고, 막-전극 어셈블리(200)는 제1 및 제2 전극층(120, 130)을 개방하고, 고분자 전해질막(110)의 양면 가장자리 부분에 각각 접합되는 가스켓 필름(140)을 구비하고 있다.
종래 기술에서 상기 가스켓 필름(140)은 도 2에서와 같이, 제1 및 제2 전극층(120, 130)의 양측으로 일정 폭의 여유를 둔 고분자 전해질막(110)의 가장자리부에 접합될 수 있다.
이러한 가스켓 필름(140)은 연료와 산화제 가스가 스택 외부로 유출되지 않게 세퍼레이터 사이에서 고분자 전해질막(110)의 가장자리 부분을 실링하는 기능을 하게 된다.
그런데, 종래 기술에서는 제1 및 제2 전극층(120, 130)의 양측으로 일정 폭의 여유를 둔 고분자 전해질막(110)의 가장자리부에 가스켓 필름(140)이 접합되므로, 가스켓 필름(140)에 접합될 고분자 전해질막(110)의 여유 부분이 연료와 산화제 가스의 산화 및 환원 반응에 참여하지 못하는 데드 존으로 남게 된다.
따라서, 종래 기술에서는 가스켓 필름(140)에 접합될 고분자 전해질막(110)의 여유 부분이 데드 존으로 남기 때문에, 고분자 전해질막(110)의 사용량이 낭비되고, 이로 인해 막-전극 어셈블리(200)의 제조 원가가 상승할 수 있다.
또한, 종래 기술에서는 이를 방지하기 위해 가스켓 필름(140)에 접합될 고분자 전해질막(110)의 여유 부분을 제거하기도 하는데, 이는 고분자 전해질막(110)에 대한 가스켓 필름(140)의 접합성을 떨어뜨릴 수 있다.
본 발명의 실시예들은 가스켓 필름에 접합되는 부분의 전해질막 사용량을 줄일 수 있도록 한 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 그의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리는, ⅰ)고분자 전해질막과, ⅱ)상기 고분자 전해질막의 양면에 각각 형성되는 전극층과, ⅲ)상기 전극층을 개방하며 그 전극층의 양측으로 여유를 두고 상기 고분자 전해질막의 양면 가장자리 부분에 접합되는 가스켓 필름과, ⅳ)상기 가스켓 필름의 여유 부분 사이에 개재되는 중간 필름을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 중간 필름은 상기 가스켓 필름에 대한 고분자 전해질막의 접합 부분을 대체할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 전극층은 소정 폭과 길이를 지니며 상기 가스켓 필름이 접합될 고분자 전해질막의 가장자리 부분을 남겨두고 상기 고분자 전해질막의 양면에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 가스켓 필름은 상기 전극층의 폭 방향에 따른 고분자 전해질막의 양측 가장자리 부분 보다 긴 여유 부분이 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 중간 필름은 상기 가스켓 필름의 여유 부분 사이에 접합될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 중간 필름의 두께는 상기 고분자 전해질막의 두께와 동일하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 중간 필름은 고분자 필름으로 이루어질 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법은, (a) 고분자 전해질막의 양면에 전극층을 일정 간격 이격되게 연속적으로 형성하는 과정과, (b) 두 매의 가스켓 필름 사이에 상기 고분자 전해질막을 배치하고, 상기 고분자 전해질막의 양측으로 중간 필름을 배치하는 과정과, (c) 접합 롤러를 이용하여 상기 가스켓 필름을 상기 고분자 전해질막과 중간 필름에 접합하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 접합 롤러는 상기 가스켓 필름을 상기 고분자 전해질막과 중간 필름에 열 압착할 수 있다.
본 발명의 실시예는 가스켓 필름의 여유 부분에 대한 고분자 전해질막의 접합 부분을 대체할 수 있는 중간 필름을 포함하므로, 가스켓 필름이 동일한 간격을 유지하며 고분자 전해질막의 양면 가장자리 부분에 접합될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 가스켓 필름의 여유 부분 사이에 중간 필름이 개재되므로, 가스켓 필름의 여유 부분에 의해 낭비되는 고분자 전해질막의 사용량을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 내열성을 지닌 중간 필름이 고분자 전해질막의 양측 가장자리단을 지지하며 가스켓 필름의 여유 부분에 접합되므로, 열에 의해 고분자 전해질막의 가장자리 부분이 주름 형태로 변형되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 가스켓 필름의 여유 부분에 의해 낭비되는 고분자 전해질막의 사용량을 줄일 수 있으므로, 전체 막-전극 어셈블리의 제조 원가를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 가스켓 필름의 열 압착 시 중간 필름에 의해 고분자 전해질막의 가장자리 부분이 주름 형태로 변형되는 것을 방지할 수 있으므로, 막-전극 어셈블리의 상품성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 평면 구성도이다.
도 2는 도 1의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 평면 구성도이다.
도 4는 도 3의 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 평면 구성도이고, 도 4는 도 3의 단면 구성도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(100)는 연료와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지에 적용될 수 있다.
이러한 연료 전지는 다수 매로서 연속적으로 적층되며 연료 전지 스택으로 구성될 수 있는데, 반응 부산물로서 열을 발생시키고 수분(생성수)을 배출할 수 있다.
예를 들면, 상기 연료 전지는 단위 셀로서 본 발명의 실시예에 의한 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)(100)를 사이에 두고 이의 양측에 배치되는 세퍼레이터(도면에 도시되지 않음)(당 업계에서는 통상적으로 "분리판" 또는 바이폴라 플레이트" 라고도 한다)으로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 의한 상기 막-전극 어셈블리(100)는 기본적으로, 고분자 전해질막(10)과, 고분자 전해질막(10)의 일면(이하에서는 도면을 기준으로 편의 상 "상면" 이라고 한다)에 형성되는 제1 전극층(20)과, 고분자 전해질막(10)의 다른 일면(이하에서는 편의 상 "하면" 이라고 한다)에 형성되는 제2 전극층(30)을 포함한다.
여기서, 상기 제1 전극층(20)은 애노드 전극층으로 정의할 수 있으며, 제2 전극층(30)은 캐소드 전극층으로 정의할 수 있다.
상기 제1 전극층(20)은 연료로서의 수소를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 고분자 전해질막(10)은 수소 이온을 제2 전극층(30)으로 이동시키는 기능을 하게 된다.
그리고, 상기 제2 전극층(30)은 제1 전극층(20)으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 산화제 가스로서의 산소를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.
또한, 상기에서와 같은 막-전극 어셈블리(100)는 가스 확산층(GDL) 및 세퍼레이터를 적층하며 연료 전지 스택을 구성할 때, 취급을 용이하게 하고, 연료와 산화제 가스가 스택 외부로 유출되지 않게 세퍼레이터 사이에서 고분자 전해질막(10)의 가장자리 부분을 실링하는 가스켓 필름(40)을 포함하고 있다.
상기 가스켓 필름(40)은 고분자 전해질막(10)의 양면에서 제1 및 제2 전극층(20, 30)을 개방하며, 그 고분자 전해질막(10)의 양면 가장자리 부분에 접합된다.
이 경우, 상기 가스켓 필름(40)은 제1 및 제2 전극층(20, 30)의 양측으로 여유를 두고 고분자 전해질막(10)의 가장자리 부분에 열 압착될 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2 전극층(20, 30)은 소정 폭과 길이를 지니며 가스켓 필름(40)이 접합될 고분자 전해질막(10)의 가장자리 부분을 남겨두고 그 고분자 전해질막(10)의 양면에 각각 형성될 수 있다.
그리고, 상기 가스켓 필름(40)은 제1 및 제2 전극층(20, 30)의 폭 방향에 따른 고분자 전해질막(10)의 양측 가장자리 부분(도 3의 A) 보다 긴 여유 부분(도 3의 B)이 구비된다.
따라서 상기 가스켓 필름(40)은 제1 및 제2 전극층(20, 30)의 폭 방향에 따른 고분자 전해질막(10)의 양측 가장자리 부분(A)으로 여유 부분(B)을 두고 고분자 전해질막(10)의 가장자리 부분에 접합될 수 있다.
그러나, 상기 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B)이 이에 상응하는 고분자 전해질막(10)의 일 부분에 접합될 경우, 그 일 부분이 연료와 산화제 가스의 산화 및 환원 반응에 참여하지 않는 데드 존으로 남기 때문에 고분자 전해질막(10)의 사용량이 늘어날 수밖에 없다.
이를 방지하기 위해 상기 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B)에 대한 고분자 전해질막(10)의 접합 부분을 제거할 경우에는 그 여유 부분(B)과 고분자 전해질막(10)의 높이 차이로 인해 가스켓 필름(40)이 고분자 전해질막(10)에 접합되지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 가스켓 필름(40)이 고분자 전해질막(10)에 접합될 수 있고, 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B)에 의해 낭비되는 고분자 전해질막(10)의 사용량을 줄일 수 있는 막-전극 어셈블리(100)를 제공한다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 막-전극 어셈블리(100)는 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B)에 대한 고분자 전해질막(10)의 접합 부분을 대체할 수 있는 중간 필름(60)을 포함하고 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 중간 필름(60)은 상기 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B) 사이에 개재되는 것으로, 그 양면이 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B)에 열 압착될 수 있다.
상기 중간 필름(60)은 내열성을 지니며 비교적 저가인 PET 혹은 PE와 같은 소재의 고분자 필름으로 이루어지고, 고분자 전해질막(10)과의 높이 차이가 발생하지 않도록 그 고분자 전해질막(10)의 두께와 동일한 두께로 이루어진다.
여기서, 상기 중간 필름(60)은 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B) 사이에서 제1 및 제2 전극층(20, 30)의 폭 방향에 따른 고분자 전해질막(10)의 양측 가장자리단을 지지하며 접합될 수 있다.
이 경우, 상기 중간 필름(60)은 내열성을 지니며 고분자 전해질막(10)의 양측 가장자리단을 지지하며 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B)에 접합되므로, 열에 의해 고분자 전해질막(10)의 가장자리 부분이 주름 형태로 변형되는 것을 방지할 수도 있다.
이하에서는 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리(100)의 제조 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 띠 형태로 길게 제공된 고분자 전해질막(10)의 양면에 제1 및 제2 전극층(20, 30)을 일정 간격 이격되게 연속적으로 형성한다.
여기서, 상기 제1 및 제2 전극층(20, 30)은 소정 폭과 길이를 지니며 고분자 전해질막(10)에 가스켓 필름(40)이 접합될 최소한의 가장자리 부분을 남겨두고 고분자 전해질막(10)의 양면에 각각 형성될 수 있다.
이어서, 본 발명의 실시예에서는 두 매의 가스켓 필름(40) 사이에 상기 제1 및 제2 전극층(20, 30)이 형성된 고분자 전해질막(10)을 배치하고, 그 고분자 전해질막(10)의 양측으로 띠 형상의 중간 필름(60)을 배치한다.
상기에서 가스켓 필름(40)은 제1 및 제2 전극층(20, 30)의 폭 방향에 따른 고분자 전해질막(10)의 양측 가장자리 부분(A: 도 3 참조) 보다 긴 여유 부분(B: 도 3 참조)을 두고 있다.
그리고 나서, 상기와 같이 두 매의 가스켓 필름(40) 사이에 제1 및 제2 전극층(20, 30)이 형성된 고분자 전해질막(10)과 중간 필름(60)을 배치한 상태에서 이들을 한 쌍의 접합 롤러(71, 72) 사이로 공급한다.
상기에서 두 매의 가스켓 필름(40)은 제1 및 제2 전극층(20, 30)을 노출하는 개방홀(45)이 형성되어 있으며, 한 쌍의 접합 롤러(71, 72)는 열을 발생시키는 핫 프레스 롤러로 구비될 수 있다.
그러면, 상기 가스켓 필름(40)은 제1 및 제2 전극층(20, 30)이 형성된 고분자 전해질막(10)과 중간 필름(60)을 사이에 두고 접합 롤러(71, 72)에 의해 가압되면서 고분자 전해질막(10)의 가장자리 부분과 중간 필름(60)에 열 압착되며 접합될 수 있다.
이 때, 상기 중간 필름(60)은 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B) 사이에서 제1 및 제2 전극층(20, 30)의 폭 방향에 따른 고분자 전해질막(10)의 양측 가장자리단을 지지하며 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B)에 접합될 수 있다.
여기서, 상기 중간 필름(60)은 고분자 전해질막(10)와 동일한 두께를 지니므로, 두 매의 가스켓 필름(40)은 동일한 간격을 유지하며 고분자 전해질막(10)의 양면 가장자리 부분과 중간 필름(60)에 접합될 수 있다.
그리고 나서, 고분자 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 마주하며 떨어져 있는 제1 및 제2 전극층(20, 30) 사이의 고분자 전해질막(10)을 절단하게 되면, 도 4에서와 같은 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(100)의 제조가 완료된다.
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리(100)에 의하면, 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B)에 대한 고분자 전해질막(10)의 접합 부분을 대체할 수 있는 중간 필름(60)을 포함하므로, 가스켓 필름(40)이 동일한 간격을 유지하며 고분자 전해질막(10)의 양면 가장자리 부분에 접합될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B) 사이에 중간 필름(60)이 개재되므로, 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B)에 의해 낭비되는 고분자 전해질막(10)의 사용량을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 내열성을 지닌 중간 필름(60)이 고분자 전해질막(10)의 양측 가장자리단을 지지하며 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B)에 접합되므로, 열에 의해 고분자 전해질막(10)의 가장자리 부분이 주름 형태로 변형되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 가스켓 필름(40)의 여유 부분(B)에 의해 낭비되는 고분자 전해질막(10)의 사용량을 줄일 수 있으므로 전체 막-전극 어셈블리(100)의 제조 원가를 줄일 수 있으며, 가스켓 필름(40)의 열 압착 시 중간 필름(60)에 의해 고분자 전해질막(10)의 가장자리 부분이 주름 형태로 변형되는 것을 방지할 수 있으므로 막-전극 어셈블리(100)의 상품성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10... 고분자 전해질막 20... 제1 전극층
30... 제2 전극층 40... 가스켓 필름
60... 중간 필름 71, 72... 접합 롤러

Claims (8)

  1. 고분자 전해질막;
    상기 고분자 전해질막의 양면에 각각 형성되는 전극층;
    상기 전극층을 개방하며 그 전극층의 양측으로 여유를 두고 상기 고분자 전해질막의 양면 가장자리 부분에 접합되는 가스켓 필름; 및
    상기 가스켓 필름의 여유 부분 사이에 개재되는 중간 필름
    을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 중간 필름은,
    상기 가스켓 필름에 대한 고분자 전해질막의 접합 부분을 대체하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전극층은 소정 폭과 길이를 지니며 상기 가스켓 필름이 접합될 고분자 전해질막의 가장자리 부분을 남겨두고 상기 고분자 전해질막의 양면에 형성되는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 가스켓 필름은 상기 전극층의 폭 방향에 따른 고분자 전해질막의 양측 가장자리 부분 보다 긴 여유 부분이 구비되고,
    상기 중간 필름은 상기 가스켓 필름의 여유 부분 사이에 접합되는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  5. 제1 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 중간 필름의 두께는 상기 고분자 전해질막의 두께와 동일하게 이루어지는 막-전극 어셈블리.
  6. 제1 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 중간 필름은 고분자 필름으로 이루어지는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  7. 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제조하는 방법으로서,
    (a) 고분자 전해질막의 양면에 전극층을 일정 간격 이격되게 연속적으로 형성하는 과정;
    (b) 두 매의 가스켓 필름 사이에 상기 고분자 전해질막을 배치하고, 상기 고분자 전해질막의 양측으로 중간 필름을 배치하는 과정;
    (c) 접합 롤러를 이용하여 상기 가스켓 필름을 상기 고분자 전해질막과 중간 필름에 접합하는 과정
    을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 접합 롤러는 상기 가스켓 필름을 상기 고분자 전해질막과 중간 필름에 열 압착하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.

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