KR20220075600A - Ega 제조방법 - Google Patents

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KR20220075600A
KR20220075600A KR1020200163870A KR20200163870A KR20220075600A KR 20220075600 A KR20220075600 A KR 20220075600A KR 1020200163870 A KR1020200163870 A KR 1020200163870A KR 20200163870 A KR20200163870 A KR 20200163870A KR 20220075600 A KR20220075600 A KR 20220075600A
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박영준
김민진
김유석
이한형
박규태
유승아
송병근
이기섭
김선일
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 EGA의 제조방법은 단차 구조인 접촉부재, 즉, 서브가스켓 형태나 접착시트가 별도로 있는 형태에서도 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE) 공정이 적용 가능할 뿐 만 아니라, 한쪽 면에서만 GDE 공정을 사용할 수 있다는 한계점을 없앴다는 장점이 있다. 이에 따라, GDE 공정 적용 시에도 접합 압력의 한계점을 최소화시킴으로써 전해질막과 전극의 접촉저항을 감소시켜 제조되는 EGA의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있고, 전해질막의 노출부를 최소화시켜 EGA의 내구성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법은 단차가 있는 구조에서도 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)이 파손되지 않고, 휨 현상이 발생하지 않을 뿐만 아니라, GDE의 전극과 전해질막 간의 빈 공간 없는 계면 접촉 면적이 넓어지므로 GDE 내 GDL은 면압이 균일해질 수 있고, 각 셀마다 기체 유량이 균일하게 유입되는 장점이 있다.

Description

EGA 제조방법{Manufacturing method of EGA}
본 발명은 단차가 있는 구조에서도 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)이 파손되지 않고, 휨 현상이 발생하지 않는 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법에 관한 것이다.
현재 자동차용 연료전지로는 고분자 전해질막연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 가장 많이 사용되고 있다. 이 고분자 전해질막 연료전지가 자동차의 다양한 운전조건에서 최소 수십 kW 이상 높은 출력 성능을 정상적으로 발현하려면, 넓은 전류 밀도 범위에서 안정적으로 작동 가능해야 한다.
연료전지는 요구되는 출력 수준을 충족하기 위해 단위 셀(Unit Cell)들을 적층하여 조립한 스택(Stack) 형태로 사용하게 된다. 상기 단위 셀은 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)의 바깥부분, 즉 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)가 위치한 바깥부분에 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓(Gasket) 등이 적층되고, 기체확산층의 바깥쪽에는 반응기체(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Bipolar Plate or Separator)으로 구성된다. 이러한 단위 셀을 수 백장 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 단위 셀들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(End Plate)를 결합한다.
연료전지의 전기생성을 위한 전기화학반응(Electrochemical Reaction)은 전해질막(100)과 애노드/캐소드의 전극으로 구성된 막-전극 접합체에서 발생한다. 연료전지에서의 전기화학반응은 다음 반응식 [1]과 같이 연료전지의 산화극인 애노드에 공급된 수소가 수소산화반응(HOR: Hydrogen Oxidation Reaction)에 의해 수소이온(Proton)과 전자(Electron)로 분리된 후, 수소이온은 막을 통해 환원극인 캐소드로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동한다. 상기 수소이온과 전자는 캐소드에서 산소환원반응(ORR: Oxygen Reduction Reaction)에 의해 반응식 [2]와 같이 외부에서 공급된 산소 기체와 반응하며, 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성하게 된다.
H2 → 2H+ + 2e-, Eo = 0.000 V (vs. SHE) [1]
1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O, Eo = 1.229 V (vs. SHE) [2]
단, 여기서 Eo는 표준전극전위(Standard Electrode Potential)이고 SHE는 표준수소전극(Standard Hydrogen Electrode)이다.
한편, 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL) 상에 전극을 코팅한 것을 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)라고 한다. 이때, GDL이 전극 상에 균일하게 코팅되어 있어 있는 형태로 EGA(Electricity-generating assembly) 제조 시 전해질막과 접촉하는 전극의 양이 전극 도포량과 유사하게 만드는 것이 핵심이다.
GDE를 제조하는 종래방법은 기존 코팅 시스템(슬롯다이코터, 닥터블레이드 코터, Spary 공정, Screen printing 공정, Doctor Blade 공정, Gravure 공정, Slot-die 코터 등)을 이용하거나 새로운 방식들(전기전도성을 이용한 코팅, 정전기력을 이용한 코팅 등)와 같은 방법들에 치중되어있다. 즉, GDE를 이용하여 EGA 제조할 때, 기존에는 모두 전해질막과 전극이 평평하여 별도의 돌출구조가 없는 형태에서 면 접합이 수월한 경우에만 한정되어 있었다.
이에, 단차가 있는 구조를 포함하여 면 접합이 수월하지 않는 상태에서 EGA를 제조할 때 상기 GDE 방식들을 적용할 경우에는 상기 단차부로 인해 GDE 내 GDL이 파손되거나 휨 현상이 발생하는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 10-2019-0072808
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 구체적인 목적은 다음과 같다.
본 발명은 단차가 생기는 접촉부재(300) 사이에 가스확산전극(GDE)을 제공한 다음, 상기 GDE 내 가스확산층(GDL)의 반응부와 접하도록 가스확산층(GDL)의 가스확산부를 제공하는 EGA 제조방법을 제공하여, 단차가 있는 구조에서도 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)이 파손되지 않고, 휨 현상이 발생하지 않는 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법은 전해질막, 상기 전해질막의 일면에 구비된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 구비된 제1 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL), 상기 전해질막의 타면에 구비된 제2 전극, 및 상기 제2 전극 상에 구비된 제2 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)을 포함하는 EGA의 제조방법에 있어서, 중심부 및 상기 중심부로부터 측면으로 연장 형성된 주변부를 포함하는 상기 전해질막을 준비하는 단계; 상기 전해질막의 주변부에 접촉부재를 제공하는 단계; 상기 전해질막의 일면의 중심부와 타면의 중심부 중 적어도 어느 하나의 중심부 상에 상기 접촉부재의 측면과 접하도록 제1 GDL의 반응부와 제1 전극층을 포함하는 제1 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)와 제2 GDL의 반응부와 제2 전극층을 포함하는 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE) 중 적어도 어느 하나 이상의 가스확산전극이 제공되는 단계; 및 상기 접촉부재 상에 GDL의 반응부의 측면과 접하도록 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계를 포함한다.
상기 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법은 중심부 및 상기 중심부로부터 측면으로 연장 형성된 주변부를 포함하는 상기 전해질막을 준비하는 단계; 상기 전해질막의 일면의 중심부에 상기 제1 전극을 제공하는 단계; 상기 전해질막의 주변부에 접촉부재를 제공하는 단계; 상기 전해질막의 타면의 중심부 상에 제2 전극과 제2 GDL의 반응부를 포함하는 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)을 제공하는 단계; 상기 접촉부재 상에 제2 GDL의 반응부의 측면과 접하도록 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계; 및 상기 제1 전극 상에 제1 GDL을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 접촉부재는 상기 전해질막의 타면의 주변부에 제공되거나, 또는 상기 전해질막의 타면의 주변부와 상기 제1 전극의 측면과 접하는 상기 전해질막의 일면의 주변부에 동시에 제공할 수 있다.
상기 접촉부재는 서브가스켓, 및 접착시트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제2 GDE를 제공하는 단계에서 0.5~5MPa로 가압하여 제공할 수 있다.
상기 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계에서, 0.5~5MPa로 가압하여 제공할 수 있다.
상기 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계에서, 상기 가압 후 제2 GDL의 반응부와 동일한 두께를 갖는 것을 제공할 수 있다.
상기 제2 GDL의 반응부는 상기 제2 GDL의 가스확산부보다 조도, 또는 기공이 적을 수 있다.
상기 제1 GDL의 두께는 상기 제2 GDL의 두께보다 얇거나 같을 수 있다.
상기 제1 GDL 내 기공은 상기 제2 GDL 내 기공보다 적거나 같을 수 있다.
상기 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법은 중심부 및 상기 중심부로부터 측면으로 연장 형성된 주변부를 포함하는 상기 전해질막을 준비하는 단계; 전해질막의 주변부에 접촉부재를 제공하는 단계; 상기 전해질막의 일면의 중심부 상에 상기 접촉부재의 측면과 접하도록 제1 GDL의 반응부와 제1 전극층을 포함하는 제1 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)을 제공하고, 상기 전해질막의 타면의 중심부 상에 상기 접촉부재의 측면과 접하도록 제2 GDL의 반응부와 제2 전극층을 포함하는 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)을 제공하는 단계; 및 상기 접촉부재 상에 제1 GDL의 반응부의 측면과 접하도록 제1 GDL의 가스확산부를 제공하고, 상기 접촉부재(300) 상에 제2 GDL의 반응부의 측면과 접하도록 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 접촉부재는 상기 전해질막의 일면의 주변부와 상기 전해질막의 타면의 주변부에 동시에 제공될 수 있다.
상기 접촉부재는 서브가스켓, 및 접착시트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 GDE 및 제2 GDE를 제공하는 단계에서, 0.5~5MPa로 가압하여 제공할 수 있다.
상기 제1 GDL의 가스확산부 및 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계에서, 0.5~5로 가압하여 제공할 수 있다.
상기 제1 GDL의 가스확산부 및 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계에서, 상기 가압 후, 제1 GDL의 반응부과 동일한 두께를 갖는 제1 GDL의 가스확산부를 제공하고, 제2 GDL의 반응부와 동일한 두께를 갖는 제2 GDL의 가스확산부를 제공할 수 있다.
상기 제1 GDL의 반응부는 상기 제1 GDL의 가스확산부보다 조도 및 기공이 적고, 제2 GDL의 반응부는 상기 제2 GDL의 가스확산부보다 조도 및 기공이 적을 수 있다.
상기 제1 GDL의 두께는 상기 제2 GDL의 두께보다 얇거나 같을 수 있다.
상기 제1 GDL 내 기공은 상기 제2 GDL 내 기공보다 적거나 같을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 EGA의 제조방법은 단차 구조인 접촉부재, 즉, 서브가스켓 형태나 접착시트가 별도로 있는 형태에서도 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE) 공정이 적용 가능할 뿐 만 아니라, 한쪽 면에서만 GDE 공정을 사용할 수 있다는 한계점을 없앴다는 장점이 있다. 이에 따라, GDE 공정 적용 시에도 접합 압력의 한계점을 최소화시킴으로써 전해질막과 전극의 접촉저항을 감소시켜 제조되는 EGA의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있고, 전해질막의 노출부를 최소화시켜 EGA의 내구성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법은 단차가 있는 구조에서도 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)이 파손되지 않고, 휨 현상이 발생하지 않을 뿐만 아니라, GDE의 전극과 전해질막 간의 빈 공간 없는 계면 접촉 면적이 넓어지므로 GDE 내 GDL은 면압이 균일해질 수 있고, 각 셀마다 기체 유량이 균일하게 유입되는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법에서 사용하는 GDL의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 EGA(Electricity-generating assembly)(10) 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 상기 도 3의 흐름도에 따라 EGA(Electricity-generating assembly)(10) 제조방법을 과정별로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 전해질막(100)의 타면의 주변부(B)에 접촉부재(300)를 제공한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 EGA(Electricity-generating assembly)(20) 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 상기 도 5의 흐름도에 따라 EGA(Electricity-generating assembly)(20) 제조방법을 과정별로 나타낸 단면도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
종래에는 하나의 레이어에 반응부와 확산부를 두는 GDL을 사용하였으나, 상기 GDL로 EGA(Electricity-generating assembly)를 제조할 경우, 단차가 있는 구조에서 확산부가 파손되고 휨 현상이 발생하는 문제점이 있었다.
도 1은 본 발명에 따른 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법에서 사용하는 GDL의 단면도를 나타낸 것이다.
상기 도 1을 참조하면, 본 발명자들은 GDL의 반응부는 가운데에 위치하고, GDL의 가스확산부는 상기 GDL의 반응부를 감싸도록 각각 별도로 위치시키고, GDL의 반응부와 GDL의 가스확산부를 각각 상이하게 압축시킴으로써 단차가 있는 구조에서도 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)이 파손되지 않고, 휨 현상이 발생하지 않는 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법을 완성하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 EGA(Electricity-generating assembly)(10) 제조방법은 전해질막, 상기 전해질막의 일면에 구비된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 구비된 제1 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL), 상기 전해질막의 타면에 구비된 제2 전극, 및 상기 제2 전극 상에 구비된 제2 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)을 포함하는 EGA의 제조방법에 있어서, 중심부 및 상기 중심부로부터 측면으로 연장 형성된 주변부를 포함하는 상기 전해질막을 준비하는 단계; 상기 전해질막의 주변부에 접촉부재를 제공하는 단계; 상기 전해질막의 일면의 중심부와 타면의 중심부 중 적어도 어느 하나의 중심부 상에 상기 접촉부재의 측면과 접하도록 제1 GDL의 반응부와 제1 전극층을 포함하는 제1 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)와 제2 GDL의 반응부와 제2 전극층을 포함하는 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE) 중 적어도 어느 하나 이상의 가스확산전극이 제공되는 단계; 및 상기 접촉부재 상에 GDL의 반응부의 측면과 접하도록 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 EGA(Electricity-generating assembly)(10) 제조방법을 나타낸 흐름도이고, 도 3는 상기 도 2의 흐름도에 따라 EGA(Electricity-generating assembly)(10) 제조방법을 과정별로 나타낸 단면도이다. 이를 참조하면, 전해질막(100), 상기 전해질막(100)의 일면에 구비된 제1 전극(210), 상기 제1 전극(210) 상에 구비된 제1 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)(220), 상기 전해질막(100)의 타면에 구비된 제2 전극(410), 및 상기 제2 전극(410) 상에 구비된 제2 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)(420)을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법에 있어서; 중심부(A) 및 상기 중심부(A)로부터 측면으로 연장 형성된 주변부(B)를 포함하는 상기 전해질막(100)을 준비하는 단계(S11), 상기 전해질막(100)의 일면의 중심부(A)에 상기 제1 전극(210)을 제공하는 단계(S12), 상기 전해질막(100)의 주변부(B)에 접촉부재(300)를 제공하는 단계(S13), 상기 전해질막(100)의 타면의 중심부(A) 상에 상기 접촉부재(300)의 측면과 접하도록 제2 전극(410)과 제2 GDL의 반응부(421)를 포함하는 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)(400)을 제공하는 단계(S14), 상기 접촉부재(300) 상에 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공하는 단계(S15), 및 상기 제1 전극(210) 상에 제1 GDL(220)을 제공하는 단계(S16)을 포함한다.
도 2 및 도 3를 참조하면서 각 단계를 구체적으로 설명하도록 한다.
상기 전해질막(100)을 준비하는 단계(S11)는 중심부(A) 및 상기 중심부(A)로부터 측면으로 연장 형성된 주변부(B)를 포함하는 전해질막(100)을 준비하는 단계이다. 상기 전해질막(100)의 중심부(A)는 제1 전극(210) 및 상기 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)이 제공되는 영역이고, 상기 주변부(B)는 접촉부재(300)가 제공되는 영역일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전해질막(100)은 제1 전극(210)에서 생성된 수소이온을 제2 전극(410)까지 전도될 수 있는 전달 경로 역할을 할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 전해질막(100)은 이오노머가 함침되어 있는 다공성 필름일 수 있다. 상기 강화층은 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 다공성 필름, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly(ethylene terephthalate); PET), 폴리벤즈옥사졸(Polybenzoxazole; PBO), 폴리에틸렌(Polyethylene; PE), 폴리프로필렌(Polypropylene ; PP) 및 폴리이미드(Polyimide; PI)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 종류만을 포함하는 것으로 제한되지 아니하나, 바람직하게는 강성이 높아 연료전지의 내구성이 높아지는 PTFE일 수 있다.
상기 제1 전극(210)을 제공하는 단계(S12)는 상기 전해질막(100)의 일면의 중심부(A)에 상기 제1 전극(210)을 제공하는 단계이다. 상기 제공되는 제1 전극(210)은 전해질 용액과, 금속촉매를 담지한 탄소지지체를 포함하는 금속촉매 담지-탄소지지체 복합체를 포함할 수 있다. 이때, 상기 전해질 용액 내 전해질은 설포닉 산 계열의 화합물, 물, 및 알코올이 용해되어 있는 퍼플루오로탄소 고분자로 만들어진 플루오로계열의 고분자일 수 있고, 상기 금속촉매는 백금촉매일 수 있다.
상기 접촉부재(300)를 제공하는 단계(S13)은 상기 전해질막(100)의 주변부(B)에 접촉부재(300)를 제공하는 단계이다. 상기 접촉부재(300)는 도 3에 나타난 바와 같이, 상기 전해질막(100)의 타면의 주변부(B)와 상기 제1 전극(210)의 측면과 접하는 상기 전해질막(100)의 일면의 주변부(B)에 동시에 제공될 수 있다. 또한, 상기 접촉부재(300)는 도 4에 나타난 바와 같이, 상기 전해질막(100)의 타면의 주변부(B)에 제공될 수 있다. 즉, 상기 접촉부재(300)를 상기 전해질막(100)의 주변부(B)에 제공함으로써, 공통적으로 상기 전해질막(100)의 타면의 주변부(B)에는 단차가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 접촉부재(300)는 서브가스켓, 및 접착시트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 서브가스켓은 제공 대상인 전해질막(100)의 강성(mechanical strength) 및 완고성(stiffness)를 증가시킬 수 있고, 제1 전극(210) 및 제2 전극(410)과 각각 전해질막(100)의 일면 및 타면에 노출되어 반응기체와 접촉할 수 있는 역할을 수행할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고, 바람직하게는 상기 전해질막(100)의 타면의 주변부(B)와 상기 제1 전극(210)의 측면과 접하는 상기 전해질막(100)의 일면의 주변부(B)에 동시에 제공될 수 있다. 상기 서브가스켓은 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 물질, 예를 들어, 비활성(inert)하고 치수 안정성(dimensionally stable)이 있는 물질일 수 있고, 구체적으로, PET (polyethylene terephthalate), PCT (poly-cyclohexylene dimethylene-terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate), 및 Kapton®(polyimide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 종류를 포함하는 것으로 한정되지 아니하나, 바람직하게는, 내열성과 강성 및 완고성이 우수한 PEN일 수 있다.
상기 접착시트는 GDL과 MEA 또는 셀프레임과 MEA가 빈 공간 없이 적절히 접합을 하여 강성을 유지하고 기밀성을 갖는 역할을 수행할 수 있는 것으로써, 바람직하게는 상기 전해질막(100)의 타면의 주변부(B)에 제공될 수 있다. 상기 접착시트는 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 물질, 예를 들어, 유기물, 아크릴, 실리콘, 금속 실리콘, 폴리에스테르, 폴리우레탄, EVA (ethylene co-vinyl acetate) 및 PVAc (polyvinyl acetate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 특정 종류를 포함하는 것으로 한정되지 아니하나, 바람직하게는, 내열성과 내수성을 보유한 폴리우레탄일 수 있다.
상기 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)을 제공하는 단계(S14)는 상기 전해질막(100)의 타면의 중심부(A) 상에 상기 접촉부재(300)의 측면과 접하도록 제2 전극(410)과 제2 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)의 반응부(421)를 포함하는 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)(400)을 제공하는 단계이다.
상기 제2 GDL(420)은 가스 확산성과 전기 전도성의 역할을 가능하게 하는 다공질의 가스확산층이라면 특별하게 제한되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 GDL(420)은 본 발명에서 사용할 수 있는 통상의 GDL, 예를 들어, 탄소 종이(carbon paper), 카본블랙 (carbon black), 카본클로스 (carbon cloth), 카본페이퍼 (carbon paper), 탄소 부직포 (carbon non-woven fabric), 탄소 메쉬 (metal mesh) 및 폼 금속 (Foam metal)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, PTFE (polytetrafluoroethylene) 및 세륨옥사이드를 첨가할 수 있으며, 특정 성분을 포함하는 것으로 제한되지 아니하나, 바람직하게는 전기전도성 및 공정성이 우수한 카본블랙과 GDL의 발수성을 향상시켜주는 PTFE 및 MEA (membrane electrode assembly)의 전해질막 산화를 방지하여 내구성을 증가할 수 있는 세륨옥사이드를 포함할 수 있다. 상기 제2 GDL(420)의 형태는 탄소 종이 (carbon paper), 카본블랙 (carbon black), 카본클로스 (carbon cloth), 카본페이퍼 (carbon paper) 탄소 부직포 (carbon non-woven fabric), 탄소 메쉬 (metal mesh), 및 폼 금속 (foam metal)으로 이루어진 군에서 선택된 것으로 GDE로 제작될 수 있고, 특정 형태로 제한되지 않는다. 상기 제2 전극(410)과 제2 GDL(420)은 Spray공정, Doctor blade 공정, Gravure 공정, Slot-die 코팅 공정, Screen printing 공정, 3D printing 공정 등 다양한 공정을 이용하여 GDE로 제작될 수 있고, 특정 공정으로 제한되어 제2 GDE(400)를 제작하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 GDL(420)은 반응부(421)와 가스확산부(422)를 포함할 수 있고, 상기 GDE(400)에 포함되는 제2 GDL(420)의 영역은, 바람직하게는 상기 제2 GDL의 반응부(421)일 수 있다.
상기 제2 GDE(400)는 상기 전해질막(100)의 타면의 중심부(A) 상에 상기 접촉부재(300)의 측면과 접하도록 제공할 수 있고, 바람직하게는, 상기 제2 GDE를 제공하는 단계에서 0.5~5MPa 로 가압하여 제공할 수 있다. 상기 GDE를 0.5MPa 미만으로 가압하는 경우, 열약한 계면접합력으로 인해 성능이 떨어지는 단점이 있고, 상기 GDE를 5MPa를 초과하여 가압하는 경우, GDL의 기공이 줄어들어 내구성이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제2 GDE(400)를 제공할 때, 단차를 형성시키는 접촉부재(300)를 피해서 제2 GDL의 반응부(421)를 포함하는 GDE(400)를 제공함으로써 기존보다 작은 크기의 제2 GDE(400)를 이용하여 전해질막(100)과 접합시키는 바 상대적으로 더 강한 접합압력을 제공할 수 있는 장점이 있다.
상기 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공하는 단계(S15)는 상기 전해질막(100)의 타면의 주변부(B) 상에 제공된 접촉부재(300) 상에 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공하는 단계이다.
상기 제2 GDL의 가스확산부(422)를 접촉부재(300) 상에 제공함으로써, 상기 GDE 내 제2 GDL의 반응부(421)의 측면과 접하게 위치할 수 있다. 이때, 상기 제2 GDE는 전해질막(100)의 타면의 중심부(A) 상에 제공될 때 0.5~5MPa로 가압하여 제공되므로, 제2 GDE 내 제2 GDL의 반응부(421)는 가압에 의해 두께가 얇을 수 있다. 이에, 상기 제공되는 제2 GDL의 가스확산부(422)도 접하게 위치하는 제2 GDL의 반응부(421)와 두께가 동일하도록 제공될 수 있다. 따라서, 상기 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공하는 단계에서, 도 3를 참조하면, 0.5~5MPa로 가압하여 제공할 수 있다. 또한, 상기 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공하는 단계에서, 가압하여 제공하는 대신, 제2 GDL의 반응부(421)와 동일한 두께를 갖는 것을 제공할 수 있다. 이에 따라, GDE에 포함된 제2 GDL의 반응부(421)와 제2 GDL의 가스확산부(422)의 두께를 동일하게 조절할 수 있다. 설사, 제2 GDL의 반응부(421)와 가스확산부(422)를 각각 제공하여 두께차이가 미세하게 존재할 수도 있으나, 제2 GDL(420)은 비교적 높은 조도를 가지고 있으므로, 미세한 두께한 차이로 새로운 공간이 생기기 어렵고, 새로운 공간이 생기더라도 제2 GDL(420)의 본연의 크랙(crack)역할로써 물배출 통로로 사용이 가능하므로 EGA의 성능이나 강성에 악영향을 끼치지 않을 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 EGA 제조방법은 접촉부재(300) 제공에 따라 형성되는 단차 구성에도 제2 GDE 제공 후 접촉부재(300) 상에 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공함으로써, GDE 공정이 단차 구조에는 적용이 불가능하다는 한계점을 극복하였을 뿐만 아니라, GDE 공정 적용 시에도 접합 압력의 한계점을 최소화시킴으로써 전해질막(100)과 전극의 접촉저항을 감소시킬 수 있고, 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)이 파손되지 않고, 휨 현상이 발생하지 않을 뿐만 아니라, GDE의 전극과 전해질막 간의 빈 공간 없는 계면 접촉 면적이 넓어지므로 GDE 내 GDL은 면압이 균일해질 수 있고, 각 셀마다 기체 유량이 균일하게 유입되는 장점이 있다.
상기 제2 GDL의 가스확산부(422)를 접촉부재(300) 상에 제공함으로써, 상기 제2 GDE(400) 내 제2 GDL의 반응부(421)의 측면과 접하게 위치할 수 있다. 이때, 상기 제2 GDL의 가스확산부(422)는 상기 GDE 내 제2 GDL의 반응부(421)와 동일한 종류를 사용하거나 다른 종류를 사용할 수 있다. 상기 제2 GDL의 가스확산부(422)와 상기 제2 GDE(400) 내 제2 GDL의 반응부(421)를 서로 다른 종류를 사용할 경우는 상기 제2 GDL의 반응부(421)는 상기 제2 GDL의 가스확산부(422)보다 조도, 또는 기공이 적은 것을 사용할 수 있다. 즉, 상기 제2 GDL의 반응부(421)는 상기 제2 GDL의 가스확산부(422)보다 조도, 또는 기공이 적은 것을 사용함으로써, GDE 내 포함된 제2 GDL의 반응부(421)는 제2 전극(410)과 코팅하기 쉬워 GDE 공정이 쉽게 진행될 수 있는 장점이 있다.
상기 제1 GDL을 제공하는 단계(S16)은 상기 제1 전극(210) 상에 제1 GDL(220)을 제공하는 단계이다. 상기 제1 전극(210) 상에 제공하는 제1 GDL(220)은 상기 제2 GDL(420)과 동일하거나 다를 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 GDL(220)이 제2 GDL(420)과 다를 경우, 바람직하게는, 제1 전극(210)은 음극이고, 제2 전극(410)은 양극이므로, 수소의 가스분배성이 산소의 가스분배성보다 높은 바, 상기 제1 GDL(220)의 두께는 상기 제2 GDL(420)의 두께보다 얇거나 같을 수 있고, 상기 제1 GDL(220) 내 기공은 상기 제2 GDL(420) 내 기공보다 적거나 같을 수 있다. 즉, 제1 전극(210) 및 제2 전극(410)에 따른 반응 가스의 종류에 따라 이에 접하는 제1 GDL(220) 및 제2 GDL(420)의 두께 및 기공을 적절히 조정할 수 있는 장점이 있다.
결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 EGA의 제조방법은 단차 구조인 접촉부재(300), 즉, 서브가스켓 형태나 접착시트가 별도로 있는 형태에서도 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE) 공정이 적용 가능하다. 이에 따라, GDE 공정 적용 시에도 접합 압력의 한계점을 최소화시킴으로써 전해질막(100)과 전극의 접촉저항을 감소시켜 제조되는 EGA의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있고, 전해질막(100)의 노출부를 최소화시켜 EGA의 내구성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법은 단차가 있는 구조에서도 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)이 파손되지 않고, 휨 현상이 발생하지 않을 뿐만 아니라, GDE의 전극과 전해질막 간의 빈 공간 없는 계면 접촉 면적이 넓어지므로 GDE 내 GDL은 면압이 균일해질 수 있고, 각 셀마다 기체 유량이 균일하게 유입되는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 EGA(Electricity-generating assembly)(20) 제조방법을 나타낸 흐름도이고, 도 6은 상기 도 5의 흐름도에 따라 EGA(Electricity-generating assembly)(20) 제조방법을 과정별로 나타낸 단면도이다. 이를 참조하면, 전해질막(100), 상기 전해질막(100)의 일면에 구비된 제1 전극(210), 상기 제1 전극(210) 상에 구비된 제1 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)(220), 상기 전해질막(100)의 타면에 구비된 제2 전극(410), 및 상기 제2 전극(410) 상에 구비된 제2 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)(420)을 포함하는 MEA의 제조방법에 있어서; 중심부(A) 및 상기 중심부(A)로부터 측면으로 연장 형성된 주변부(B)를 포함하는 상기 전해질막(100)을 준비하는 단계(S21), 전해질막(100)의 주변부(B)에 접촉부재(300)를 제공하는 단계(S22), 상기 전해질막(100)의 일면의 중심부(A) 상에 상기 접촉부재(300)의 측면과 접하도록 제1 GDL의 반응부(221)와 제1 전극(210)층을 포함하는 제1 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)(200)을 제공하고, 상기 전해질막(100)의 타면의 중심부(A) 상에 상기 접촉부재(300)의 측면과 접하도록 제2 GDL의 반응부(421)와 제2 전극(410)층을 포함하는 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)(400)을 제공하는 단계(S23), 및 상기 접촉부재(300) 상에 제1 GDL의 반응부(221)의 측면과 접하도록 제1 GDL의 가스확산부(222)를 제공하고, 상기 접촉부재(300) 상에 제2 GDL의 반응부(421)의 측면과 접하도록 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공하는 단계(S24)를 포함한다.
도 5 및 도 6을 참조하면서 각 단계를 구체적으로 설명하도록 한다.
상기 전해질막(100)을 준비하는 단계(S21)는 중심부(A) 및 상기 중심부(A)로부터 측면으로 연장 형성된 주변부(B)를 포함하는 전해질막(100)을 준비하는 단계이다. 상기 전해질막(100)의 중심부(A)는 제1 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)(200) 및 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)(400)이 제공되는 영역이고, 상기 주변부(B)는 접촉부재(300)가 제공되는 영역일 수 있다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전해질막(100)은 제1 전극(210)에서 생성된 수소이온을 제2 전극(410)까지 전도될 수 있는 전달 경로 역할을 할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 전해질막(100)은 '상기 전해질막(100)을 준비하는 단계(S11)'에서의 전해질막(100)과 동일하거나 다를 수 있다.
상기 접촉부재(300)를 제공하는 단계(S22)는 상기 전해질막(100)의 주변부(B)에 접촉부재(300)를 제공하는 단계이다. 상기 접촉부재(300)는 도 5에 나타난 바와 같이, 상기 전해질막(100)의 일면의 주변부(B)와 상기 전해질막(100)의 타면의 주변부(B)에 동시에 제공될 수 있다. 즉, 상기 접촉부재(300)를 상기 전해질막(100)의 주변부(B)에 제공함으로써, 공통적으로 상기 전해질막(100)의 일면 및 타면의 주변부(B)에 단차가 생길 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 접촉부재(300)는 서브가스켓, 및 접착시트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 서브가스켓은 제공 대상인 전해질막(100)의 강성(mechanical strength) 및 완고성(stiffness)를 증가시킬 수 있고, 제1 전극(210) 및 제2 전극(410)과 각각 전해질막(100)의 일면 및 타면에 노출되어 반응기체와 접촉할 수 있는 역할을 수행할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고, '상기 접촉부재(300)를 제공하는 단계(S13)'에서의 서브가스켓과 동일하거나 다를 수 있다. 또한, 상기 접착시트는 GDL과 MEA 또는 셀프레임과 MEA가 빈 공간 없이 적절히 접합을 하여 강성을 유지하고 기밀성을 갖는 역할을 수행할 수 있는 것으로써, '상기 접촉부재(300)를 제공하는 단계(S13)'에서의 접착시트와 동일하거나 다를 수 있다.
상기 제1 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE), 및 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)을 제공하는 단계(S23)는 상기 전해질막(100)의 일면의 중심부(A) 상에 상기 접촉부재(300)의 측면과 접하도록 제1 GDL의 반응부(221)와 제1 전극(210)층을 포함하는 제1 GDE(200)을 제공하고, 상기 전해질막(100)의 타면의 중심부(A) 상에 상기 접촉부재(300)의 측면과 접하도록 제2 GDL의 반응부(421)와 제2 전극(410)층을 포함하는 제2 GDE(400)을 제공하는 단계이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제1 전극(210) 및 제2 전극(410)은 각각 양극 또는 음극일 수 있고, 특정 전극으로 제한되지 아니하나, 바람직하게는 제1 전극(210)은 음극이고, 제2 전극(410)은 양극일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제1 GDL(220) 및 제2 GDL(420)은 가스 확산성과 전기 전도성의 역할을 가능하게 하는 다공질의 가스확산층이라면 특별하게 제한되지 않고, '상기 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)을 제공하는 단계(S14)'에서의 제2 GDL(420)과 동일하거나 다를 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제1 GDL(220) 및 제2 GDL(420)은 각각 반응부(221)(421)와 가스확산부(222)(422)를 포함할 수 있다. 상기 제1 GDE(200)에 포함되는 제1 GDL의 영역은 바람직하게는, 상기 제1 GDL의 반응부(221)일 수 있고, 상기 제2 GDE(400)에 포함되는 제2 GDL의 영역은, 바람직하게는 상기 제2 GDL의 반응부(421)일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따라 제1 전극(210) 상에 제공하는 제1 GDL(220)은 제2 전극(410) 상에 제공하는 제2 GDL(420)과 동일하거나 다를 수 있다. 제1 GDL(220)이 제2 GDL(420)과 다를 경우, 바람직하게는, 제1 전극(210)은 음극이고, 제2 전극(410)은 양극이므로, 수소의 가스분배성이 산소의 가스분배성보다 높은 바, 상기 제1 GDL(220)의 두께는 상기 제2 GDL(420)의 두께보다 얇거나 같을 수 있고, 상기 제1 GDL(220) 내 기공은 상기 제2 GDL(420) 내 기공보다 적거나 같을 수 있다. 즉, 제1 전극(210) 및 제2 전극(410)에 따른 반응 가스의 종류에 따라 이에 접하는 제1 GDL(220) 및 제2 GDL(420)의 두께 및 기공을 적절히 조정할 수 있는 장점이 있다.
결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 EGA의 제조방법은 단차 구조인 접촉부재(300), 즉, 서브가스켓 형태나 접착시트가 별도로 있는 형태에서도 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE) 공정이 적용 가능하다. 이에 따라, GDE 공정 적용 시에도 접합 압력의 한계점을 최소화시킴으로써 전해질막(100)과 전극의 접촉저항을 감소시켜 제조되는 EGA의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있고, 전해질막(100)의 노출부를 최소화시켜 EGA의 내구성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법은 단차가 있는 구조에서도 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)이 파손되지 않고, 휨 현상이 발생하지 않을 뿐만 아니라, GDE의 전극과 전해질막 간의 빈 공간 없는 계면 접촉 면적이 넓어지므로 GDE 내 GDL은 면압이 균일해질 수 있고, 각 셀마다 기체 유량이 균일하게 유입되는 장점이 있다.
상기 제1 GDE(200)는 상기 전해질막(100)의 일면의 중심부(A) 상에 상기 접촉부재(300)의 측면과 접하도록 제공할 수 있고, 상기 제2 GDE(400)는 상기 전해질막(100)의 타면의 중심부(A) 상에 상기 접촉부재(300)의 측면과 접하도록 제공할 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 GDE(200) 및 제2 GDE(400)를 제공하는 단계에서 0.5~5MPa로 가압하여 제공할 수 있다. 상기 GDE를 0.5MPa 미만으로 가압하는 경우, 열약한 계면접합력으로 인해 성능이 떨어지는 단점이 있고, 상기 GDE를 5MPa를 초과하여 가압하는 경우, GDL의 기공이 줄어들어 내구성이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따라 제1 GDE(200) 및 제2 GDE(400)를 제공할 때, 단차를 형성시키는 접촉부재(300)를 피해서 제1 GDL의 반응부(221)를 포함하는 제1 GDE(200), 제2 GDL의 반응부(421)를 포함하는 제2 GDE(400)를 제공함으로써 기존보다 작은 크기의 GDE를 이용하여 전해질막(100)과 접합시키는 바 상대적으로 더 강한 접합압력을 제공할 수 있는 장점이 있다.
상기 제1 GDL의 가스확산부(222)를 제공하고, 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공하는 단계(S24)는 상기 접촉부재(300) 상에 제1 GDL의 반응부(221)의 측면과 접하도록 제1 GDL의 가스확산부(222)를 제공하고, 상기 접촉부재(300) 상에 제2 GDL의 반응부(421)의 측면과 접하도록 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공하는 단계이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따라, 제1 GDL 및 제2 GDL의 가스확산부(422)를 접촉부재(300) 상에 제공함으로써, 상기 제1 GDE(200) 내 제2 GDL의 반응부(421)의 측면 및 제2 GDE(400) 내 제2 GDL의 반응부(421)의 측면과 접하게 위치할 수 있다. 이때, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 제1 GDE(200) 및 제2 GDE(400)는 각각 전해질막(100)의 일면의 중심부(A), 및 타면의 중심부(A) 상에 제공될 때 0.5~5MPa로 가압하여 제공되므로, 제1 GDE(200) 내 제1 GDL의 반응부(221), 및 제2 GDE(400) 내 제2 GDL의 반응부(421)는 가압에 의해 두께가 얇을 수 있다. 이에, 상기 제공되는 제1 GDL의 가스확산부(222)도 접하게 위치하는 제1 GDL의 반응부(221)와 두께가 동일하도록 제공될 수 있고, 제2 GDL의 가스확산부(422)도 접하게 위치하는 제2 GDL의 반응부(421)와 두께가 동일하도록 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 일 실시예에서의 제1 GDL의 가스확산부(222) 및 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공하는 단계에서, 도 5를 참조하면, 0.5~5MPa로 가압하여 제공할 수 있다. 또한, 상기 제1 GDL의 가스확산부(222) 및 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공하는 단계에서, 가압하여 제공하는 대신, 제1 GDL의 반응부(221)과 동일한 두께를 갖는 제1 GDL의 가스확산부(222)를 제공하고, 제2 GDL의 반응부(421)와 동일한 두께를 갖는 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공할 수 있다. 이에 따라, 제1 GDE(200)에 포함된 제1 GDL의 반응부(221)와 제1 GDL의 가스확산부(222)의 두께를 동일하게 조절할 수 있고, 제2 GDE(400)에 포함된 제2 GDL의 반응부(421)와 제2 GDL의 가스확산부(422)의 두께를 동일하게 조절할 수 있다. 설사, 제1 GDL의 반응부(221) 및 제2 GDL의 반응부(421)와 제1 GDL의 가스확산부(222) 및 제2 GDL 가스확산부를 각각 제공하여 두께차이가 미세하게 존재할 수도 있으나, 제1 GDL 및 제2 GDL은 비교적 높은 조도를 가지고 있으므로, 미세한 두께한 차이로 새로운 공간이 생기기 어렵고, 새로운 공간이 생기더라도 제1 GDL 및 제2 GDL의 본연의 크랙(crack)역할로써 물배출 통로로 사용이 가능하므로 EGA의 성능이나 강성에 악영향을 끼치지 않을 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 EGA 제조방법은 접촉부재(300) 제공에 따라 형성되는 단차 구성에도 제1 GDE(200) 및 제2 GDE(400) 제공 후 접촉부재(300) 상에 각각 제1 GDL의 가스확산부(222), 및 제2 GDL의 가스확산부(422)를 제공함으로써, GDE 공정이 단차 구조에는 적용이 불가능하다는 한계점을 극복하였을 뿐만 아니라, GDE 공정 적용 시에도 접합 압력의 한계점을 최소화시킴으로써 전해질막(100)과 전극의 접촉저항을 감소시킬 수 있고, 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)이 파손되지 않고, 휨 현상이 발생하지 않을 뿐만 아니라, GDE의 전극과 전해질막 간의 빈 공간 없는 계면 접촉 면적이 넓어지므로 GDE 내 GDL은 면압이 균일해질 수 있고, 각 셀마다 기체 유량이 균일하게 유입되는 장점이 있다.
상기 제1 GDL의 가스확산부(222)를 접촉부재(300) 상에 제공하고, 제2 GDL의 가스확산부(422)를 접촉부재(300) 상에 제공함으로써, 각각 상기 제1 GDE(200) 내 제2 GDL의 반응부(421)의 측면과 접하게 위치할 수 있고, 상기 제2 GDE(400) 내 제2 GDL의 반응부(421)의 측면과 접하게 위치할 수 있다. 이때, 상기 제1 GDL의 가스확산부(222)는 상기 제1 GDE(200) 내 제1 GDL의 반응부(221)와 동일한 종류를 사용하거나 다른 종류를 사용할 수 있고, 상기 제2 GDL의 가스확산부(422)는 상기 제2 GDE(400) 내 제2 GDL의 반응부(421)와 동일한 종류를 사용하거나 다른 종류를 사용할 수 있다. 상기 제1 GDL의 가스확산부(222)와 상기 제1 GDE(200) 내 제1 GDL의 반응부(221)를 서로 다른 종류를 사용할 경우는 상기 제1 GDL의 반응부(221)는 상기 제1 GDL의 가스확산부(222)보다 조도, 또는 기공이 적은 것을 사용할 수 있고, 상기 제2 GDL의 가스확산부(422)와 상기 GDE 내 제2 GDL의 반응부(421)를 서로 다른 종류를 사용할 경우는 상기 제2 GDL의 반응부(421)는 상기 제2 GDL의 가스확산부(422)보다 조도, 또는 기공이 적은 것을 사용할 수 있다. 즉, 상기 제1 GDL의 반응부(221)는 상기 제1 GDL의 가스확산부(222)보다 조도, 또는 기공이 적은 것을 사용하고, 상기 제2 GDL의 반응부(421)는 상기 제2 GDL의 가스확산부(422)보다 조도, 또는 기공이 적은 것을 사용함으로써, 제1 GDE(200) 내 포함된 제1 GDL의 반응부(221)는 제1 전극(210)과 코팅하기 쉽고, 제2 GDE(400) 내 포함된 제2 GDL의 반응부(421)는 제2 전극(410)과 코팅하기 쉬워 GDE 공정이 쉽게 진행될 수 있는 장점이 있다.
결과적으로, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 EGA의 제조방법은 단차 구조인 접촉부재(300), 즉, 서브가스켓 형태나 접착시트가 별도로 있는 형태에서도 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE) 공정이 적용 가능할 뿐 만 아니라, 한쪽 면에서만 GDE 공정을 사용할 수 있다는 한계점을 없앴다는 장점이 있다. 이에 따라, GDE 공정 적용 시에도 접합 압력의 한계점을 최소화시킴으로써 전해질막(100)과 전극의 접촉저항을 감소시켜 제조되는 EGA의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있고, 전해질막(100)의 노출부를 최소화시켜 EGA의 내구성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법은 단차가 있는 구조에서도 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)이 파손되지 않고, 휨 현상이 발생하지 않을 뿐만 아니라, GDE의 전극과 전해질막 간의 빈 공간 없는 계면 접촉 면적이 넓어지므로 GDE 내 GDL은 면압이 균일해질 수 있고, 각 셀마다 기체 유량이 균일하게 유입되는 장점이 있다.
10, 20 : EGA
100 : 전해질막
A : 전해질막의 중심부, B : 전해질막의 주변부
200 : 제1 가스확산전극(제1 GDE), 210 : 제1 전극, 220 : 제1 가스확산층(제1 GDL)
300 : 접촉부재(300)
400 : 제2 가스확산전극(제2 GDE), 410 : 제2 전극(410), 420 : 제2 가스확산층(제2 GDL)

Claims (19)

  1. 전해질막, 상기 전해질막의 일면에 구비된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 구비된 제1 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL), 상기 전해질막의 타면에 구비된 제2 전극, 및 상기 제2 전극 상에 구비된 제2 가스확산층(Gas diffusion layer; GDL)을 포함하는 EGA의 제조방법에 있어서,
    중심부 및 상기 중심부로부터 측면으로 연장 형성된 주변부를 포함하는 상기 전해질막을 준비하는 단계;
    상기 전해질막의 주변부에 접촉부재를 제공하는 단계;
    상기 전해질막의 일면의 중심부와 타면의 중심부 중 적어도 어느 하나의 중심부 상에 상기 접촉부재의 측면과 접하도록 제1 GDL의 반응부와 제1 전극층을 포함하는 제1 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)와 제2 GDL의 반응부와 제2 전극층을 포함하는 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE) 중 적어도 어느 하나 이상의 가스확산전극이 제공되는 단계; 및
    상기 접촉부재 상에 GDL의 반응부의 측면과 접하도록 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계를 포함하는 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    중심부 및 상기 중심부로부터 측면으로 연장 형성된 주변부를 포함하는 상기 전해질막을 준비하는 단계;
    상기 전해질막의 일면의 중심부에 상기 제1 전극을 제공하는 단계;
    상기 전해질막의 주변부에 접촉부재를 제공하는 단계;
    상기 전해질막의 타면의 중심부 상에 제2 전극과 제2 GDL의 반응부를 포함하는 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)을 제공하는 단계;
    상기 접촉부재 상에 제2 GDL의 반응부의 측면과 접하도록 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계; 및
    상기 제1 전극 상에 제1 GDL을 제공하는 단계를 포함하는 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 접촉부재는 상기 전해질막의 타면의 주변부에 제공되거나, 또는
    상기 전해질막의 타면의 주변부와 상기 제1 전극의 측면과 접하는 상기 전해질막의 일면의 주변부에 동시에 제공되는 것인 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 접촉부재는 서브가스켓, 및 접착시트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 EGA 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 GDE를 제공하는 단계에서 0.5~5MPa로 가압하여 제공하는 것인 EGA 제조방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계에서, 0.5~5MPa로 가압하여 제공하는 것인 EGA 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계에서, 상기 가압 후 제2 GDL의 반응부와 동일한 두께를 갖는 것을 제공하는 것인 EGA 제조방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2 GDL의 반응부는 상기 제2 GDL의 가스확산부보다 조도, 또는 기공이 적은 것인 EGA 제조방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제1 GDL의 두께는 상기 제2 GDL의 두께보다 얇거나 같은 것인 EGA 제조방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1 GDL 내 기공은 상기 제2 GDL 내 기공보다 적거나 같은 것인 EGA 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    중심부 및 상기 중심부로부터 측면으로 연장 형성된 주변부를 포함하는 상기 전해질막을 준비하는 단계;
    전해질막의 주변부에 접촉부재를 제공하는 단계;
    상기 전해질막의 일면의 중심부 상에 상기 접촉부재의 측면과 접하도록 제1 GDL의 반응부와 제1 전극층을 포함하는 제1 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)을 제공하고, 상기 전해질막의 타면의 중심부 상에 상기 접촉부재의 측면과 접하도록 제2 GDL의 반응부와 제2 전극층을 포함하는 제2 가스확산전극(Gas diffusion electrode; GDE)을 제공하는 단계; 및
    상기 접촉부재 상에 제1 GDL의 반응부의 측면과 접하도록 제1 GDL의 가스확산부를 제공하고, 상기 접촉부재 상에 제2 GDL의 반응부의 측면과 접하도록 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계를 포함하는 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 접촉부재는 상기 전해질막의 일면의 주변부와 상기 전해질막의 타면의 주변부에 동시에 제공되는 것인 EGA(Electricity-generating assembly) 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 접촉부재는 서브가스켓, 및 접착시트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 EGA 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1 GDE 및 제2 GDE를 제공하는 단계에서, 0.5~5MPa로 가압하여 제공하는 것인 EGA 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 GDL의 가스확산부 및 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계에서, 0.5~5로 가압하여 제공하는 것인 EGA 제조방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 GDL의 가스확산부 및 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 단계에서, 상기 가압 후, 제1 GDL의 반응부과 동일한 두께를 갖는 제1 GDL의 가스확산부를 제공하고, 제2 GDL의 반응부와 동일한 두께를 갖는 제2 GDL의 가스확산부를 제공하는 것인 EGA 제조방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1 GDL의 반응부는 상기 제1 GDL의 가스확산부보다 조도 및 기공이 적고, 제2 GDL의 반응부는 상기 제2 GDL의 가스확산부보다 조도 및 기공이 적은 것인 EGA 제조방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 제1 GDL의 두께는 상기 제2 GDL의 두께보다 얇거나 같은 것인 EGA 제조방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 제1 GDL 내 기공은 상기 제2 GDL 내 기공보다 적거나 같은 것인 EGA 제조방법.
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