KR20230052563A - 발전 어셈블리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 발전 어셈블리 - Google Patents

발전 어셈블리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 발전 어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전 어셈블리 제조 방법에 관한 것으로, 가스확산층의 표면 크랙 유무와 무관하게 전극을 가스확산층 위에 균일하게 형성함으로써 성능을 안정적으로 확보하도록 한, 발전 어셈블리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 발전 어셈블리를 제공하는 것에 목적이 있다.

Description

발전 어셈블리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 발전 어셈블리 {Electricity-generating assembly manufacturing method and electricity-generating assembly manufactured using the same}
본 발명은 발전 어셈블리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 발전 어셈블리에 관한 것으로, 상세하게는 가스확산층의 표면 크랙 유무와 무관하게 전극을 가스확산층 위에 균일하게 형성함으로써 성능을 안정적으로 확보할 수 있는 발전 어셈블리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 발전 어셈블리에 관한 것이다.
현재 자동차용 연료전지로는 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 가장 많이 사용되고 있다. 이 고분자 전해질 막 연료전지가 자동차의 다양한 운전조건에서 최소 수십 kW 이상 높은 출력 성능을 정상적으로 발현하려면, 넓은 전류 밀도 범위에서 안정적으로 작동 가능해야 한다.
연료전지와 같은 발전 어셈블리(EGA: Electricity-generating assembly)는 요구되는 출력 수준을 충족하기 위해 단위 셀(Unit Cell)들을 적층하여 조립한 스택(Stack) 형태로 사용된다. 상기 단위 셀은 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)의 바깥부분, 즉 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)가 위치한 바깥부분에 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)과 가스켓(Gasket) 등이 적층되고, 상기 가스확산층의 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 플레이트를 결합한다.
연료전지의 전기생성을 위한 전기화학반응(Electrochemical Reaction)은 전해질 막과 애노드/캐소드의 전극으로 구성된 막-전극 접합체에서 발생한다.
한편, 가스확산층 위에 전극을 코팅한 것을 가스확산전극(GDE: Gas diffusion electrode)이라고 한다.
가스확산층은 카본 파이버(Carbon Fiber)가 서로 얽혀있는 형태의 카본 페이퍼(Carbon Paper) 타입과 카본 클로스(Carbon Cloth) 타입이 존재한다. 카본 페이퍼 타입과 카본 클로스 타입은 제조 방식의 차이로 인하여 카본 페이퍼 타입 대비 카본 클로스 타입이 저렴하고 생산성이 높다는 장점을 가지며, 그에 따라 카본 클로스 타입이 주로 사용되고 있다.
그러나, 카본 클로스 타입은 가스확산층 본연의 역할을 위한 기체 및 유체의 이동을 목적으로 미세다공층(MPL: Micro-Porous Layer)에 다양한 크기의 크랙들이 다수 존재함으로 인하여 성능은 우수하지만 가스확산전극의 소재로 사용되기에는 적합하지 않은 단점이 있다. 이는 크랙 사이로 전극 물질이 스며들기 때문이다.
또한, 카본 페이퍼 타입 역시 각 매듭 사이에 대형 크랙이 존재하기 때문에 가스확산전극의 소재로 사용되기에 적합하지 않다.
이와 같은 이유들로 가스확산전극은 현재 양산 적용이 이루어지지 않고 있다.
가스확산층 내부로 스며든 전극 물질은, 전해질 막과 접촉하지 못하게 되면서 연료전지 스택의 성능 저하를 초래하게 되며, 가스확산층 내의 유체(수소, 산소, 물) 이동경로를 막아서 플러딩(flooding) 현상을 발생시켜 스택의 성능 및 내구성을 감소시키고, 전해질 막과 전극 사이에 빈 공간을 초래하여 전기저항을 증가시키고 결국 스택의 성능을 감소시킨다.
도 7에 도시된 바와 같이, 가스확산층(1)의 표면에 대형 크랙이 존재하는 경우 크랙 부위에서 전해질 막(3)과 전극(2) 사이에 빈 공간이 생성된다.
대한민국 공개특허공보 제2019-0072808호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 가스확산층의 표면 크랙 유무와 무관하게 전극을 가스확산층 위에 균일하게 형성함으로써 성능을 안정적으로 확보하도록 한, 발전 어셈블리 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 발전 어셈블리를 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적은 하기의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 발전 어셈블리 제조 방법은: 가스확산층의 일면에 전도성 필름을 적층 배치하는 필름 적층 단계; 상기 전도성 필름의 일면에 전극을 코팅 형성하는 전극 코팅 단계; 및 상기 전극의 표면에 전해질 막을 접합하는 막 접합 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 필름 적층 단계 다음에 상기 전극 코팅 단계를 실행하여 가스확산전극을 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전극 코팅 단계 다음에 상기 필름 적층 단계를 실행하여 가스확산전극을 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 막 접합 단계에서는, 상기 가스확산전극의 전극에 전해질 막을 접합하여 발전 어셈블리를 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 전극 코팅 단계 다음에 상기 막 접합 단계를 실행하고 그 다음에 상기 필름 적층 단계를 실행하여 발전 어셈블리를 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전도성 필름은 상기 가스확산층의 미세다공층 표면에 적층 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전도성 필름은 다공질의 전도성 필름인 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 상기 전도성 필름은 균일한 간격으로 분포된 기공을 가지며, 상기 기공은 5 ~ 30㎛ 의 크기를 가지는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 전도성 필름의 평균 기공 크기는 10 ~ 15㎛ 인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 전도성 필름은 40 ~ 60% 의 기공도를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전도성 필름의 두께는 50 ~ 500㎛ 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전도성 필름의 가스 투과도는 0.3 ~ 0.7bar 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전도성 필름은 기체 및 수분이 투과 가능한 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은: 발전 어셈블리용 전해질막; 상기 전해질막의 양 표면에 접합된 한 쌍의 전극; 일면에 상기 각 전극이 코팅 형성된 한 쌍의 전도성 필름; 및 상기 각 전도성 필름의 타면에 적층 배치된 한 쌍의 가스확산층;을 포함하는 발전 어셈블리도 제공한다.
상기한 과제의 해결 수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 전도성 필름을 이용하여 가스확산전극을 제조함으로써 가스확산층의 크랙 유무에 상관없이 가스확산층 위에 전극 물질이 균일하게 코팅되며, 그에 따라 전해질 막을 전극 표면에 접합 시 전극과 전해질 막 사이에 빈 공간이 발생하지 않게 되어 상기 빈 공간으로 인한 전기저항의 증가를 방지함으로써 안정적으로 성능을 확보할 수 있다.
둘째, 전도성 필름을 이용하여 가스확산전극을 제조함으로써 전극 물질이 가스확산층 내부로 침투하는 것을 방지하여 전극 손실(loss)을 제거함으로써 사용된 전극 물질이 모두 성능과 직결되어 결국 안정적으로 성능을 확보할 수 있다.
본 발명의 효과는 위에서 언급한 효과로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 효과는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 하기의 기재로부터 용이하게 예측할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전 어셈블리 제조 공정을 도시한 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발전 어셈블리의 가스확산전극 제조 공정을 도시한 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스확산층의 단면 구조를 도시한 모식도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 어셈블리의 가스확산전극 제조 공정을 도시한 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핫 프레스 공정을 도시한 도면
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핫 프레스 공정을 도시한 도면
도 7은 종래의 가스확산전극 제조 공정의 문제점을 나타낸 도면
도 8은 종래의 발전 어셈블리 제조 공정을 도시한 도면
발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
한편, 본 발명에서 "제1" 및/또는 "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 어떤 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 아울러, 어떤 부분이 다른 부분 "아래에" 또는 "하부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예를 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
도 7은 종래의 제조 공정으로 가스확산전극을 제조하는 경우 발생하는 문제점을 도시한 것이다.
도 7에 보듯이, 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(1)의 표면에 전극 물질을 도포하여 전극(2)을 형성하는 경우, 가스확산층(1)의 표면에 대형 크랙이 존재하면 전극 물질이 크랙에 스며듦으로 인하여 해당 크랙 부위에서 전해질 막(3)과 전극(2) 사이에 빈 공간이 발생하게 되며, 상기 전해질 막(3)과 전극(2) 사이에 빈 공간은 전기저항을 증가시키고 결국 연료전지 스택의 성능을 감소시킨다.
본 발명은 연료전지 스택 및 수전해 스택과 같은 발전 어셈블리(EGA: Electricity-generating assembly)의 제조 방법에 관한 것으로, 가스확산층의 크랙 유무와 무관하게 전극을 가스확산층 위에 빈 공간 없이 균일하게 형성함으로써 성능을 안정적으로 확보하도록 한다.
이를 위하여, 본 발명은 다공질의 전도성 필름(Porous Conductive Film)을 이용하여 가스확산전극(GDE: Gas Diffusion Electrode)을 제조하고 이러한 가스확산전극을 전해질 막과 열접합하여 발전 어셈블리를 제조한다.
첨부한 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전 어셈블리 제조 공정을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발전 어셈블리의 가스확산전극 제조 공정을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스확산층의 단면 구조를 도시한 모식도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 어셈블리의 가스확산전극 제조 공정을 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핫 프레스 공정을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핫 프레스 공정을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발전 어셈블리 제조 공정은, 가스확산층(110) 위에 전도성 필름(120)을 안착하여서 가스확산필름층(110,120)을 제조하는 제1 단계, 상기 가스확산필름층(110,120)의 전도성 필름(120) 위에 전극(130)을 코팅 형성하여서 가스확산전극(100)을 제조하는 제2 단계, 상기 가스확산전극(100)을 정해진 크기로 타발하여 재단하는 제3 단계, 상기 재단한 가스확산전극(100)을 전해질 막(200)에 열접합하여 발전 어셈블리(EGA)(10)를 제조하는 제4 단계를 포함한다.
상기 제2 단계의 경우 가스확산층(110)과 전도성 필름(120)의 접합을 위한 별도의 열압착이 불필요하다. 이는 상기 제4 단계에서 EGA(10) 제조를 위한 열접합 시에 가스확산층(110)과 전도성 필름(120)의 접합이 이루어지기 때문이다.
상기 가스확산전극(100)은 시트 투 시트(Sheet-to-Sheet) 방식의 제조 공정 또는 롤 투 롤(Roll-to-Roll) 방식의 제조 공정을 통해 제조될 수 있다.
시트 투 시트(Sheet-to-Sheet) 방식으로 가스확산전극(100)을 제조하는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 먼저 가스확산전극(100)의 제조를 위한 몰드(30)를 준비한다. 가스확산전극(100)의 제조 시 주변 환경에 의한 오염을 방지하기 위하여 상기 몰드(30) 위에 가스확산전극(100)을 제조한다.
다음, 가스확산층(110)을 상기 몰드(30) 위에 위치시킨다. 상기 가스확산층(110)은 고전도성 카본 블랙(KB) 및 세륨옥사이드(CeO2)가 첨가된 다공질의 가스확산층이 사용된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 가스확산층(110)은 기재(112)와 미세다공층(MPL: Micro-Porous Layer)(114)을 포함하는 단면 구조로 구성된다. 상기 기재(112)는 가스확산층(110)의 강성을 결정하며 상기 미세다공층(114)을 지지하는 역할을 한다. 상기 미세다공층(114)은 기체와 수분 투과 등의 물성을 구현하는 부분으로서 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)와 접합된다. 상기 막-전극 접합체는 한 쌍의 전극(즉, 캐소드와 애노드)과 그 사이에 접합 배치되는 전해질 막으로 구성된다.
상기 미세다공층(114)은 PTFE(폴리테트라 플루오로에틸렌) 결합 카본 파우더로 형성될 수 있으며, 상기 기재(112)는 PTFE 처리된 탄소섬유(Carbon-fiber treated with PTFE)로 형성될 수 있다. 상기 기재(112)는 매크로다공층(Macroporous Layer)이라고 칭하기도 한다. 이러한 가스확산층(110)의 일면에는 분리판이 적층 배치된다.
다음, 전도성 필름(120)을 가스확산층(110)의 미세다공층(114) 표면에 적층하여 위치시킨다. 상기 전도성 필름(120)은 가스확산층(110)과 같이 기체와 수분 투과 등이 가능한 다공질의 전도성 필름이 사용된다. 예를 들어, 전도성 필름(120)은 PTL(Porous Transport Layer), 시트 메탈(Sheet Metal), 카본 페이퍼(Carbon Paper) 등이 사용될 수 있다.
전도성 필름(120)은 가스확산층(110)의 표면에 안착되어 가스확산층(110)과 전극(130) 사이에 배치됨으로써 가스확산전극(100)의 제조 과정에서 전극 물질(즉, 전극 슬러리)이 가스확산층(110) 내부로 스며드는 것을 방지한다.
상기 전도성 필름(120)은 균일하고 일관된 간격으로 분포되어 있는 다수의 기공이 구비된 다공질의 필름으로 구성된다. 상기 전도성 필름(120)의 기공은 가스 이동은 가능하고 슬러리 상태의 전극 물질의 유입이 불가한 크기를 가지며, 구체적으로 최대 30㎛의 크기를 가진다.
이러한 전도성 필름(120)은 가스확산층(110)의 표면에 안착 배치되어 상기 가스확산층(110)의 미세다공층(114) 표면에 무작위하게(Randomize) 분포된 기공(즉, 크랙) 위를 덮어줌으로써 전극 물질이 상기 크랙을 통해 가스확산층(110)의 내부로 스며드는 것을 방지한다.
본 발명은 상기 전도성 필름(120)이 가스확산층(110)의 미세다공층(114) 위에 안착 배치됨으로써 가스확산층(110)의 크랙 유무 및 크랙 크기 등에 상관없이 가스확산층(110)의 상측에 전극(130)을 빈 공간 없이 균일하게 형성하게 되며, 따라서 가스확산층(110)의 종류, 그레이드(Grade), 제조사 등의 제약 없이 가스확산전극(100)을 제조할 수 있게 된다.
상기 전도성 필름(120)은 티타늄, 알루미늄, 황동, 구리, 강철, 주석, 니켈, 티타늄, 은, 금, 백금, 그래파이트(Graphite), 카본 나노튜브(Carbon Nanotubes) 등의 소재로 이루어진 시트(Sheet) 타입이 적용될 수 있다.
이와 같은 소재로 이루어진 전도성 필름(120)은 높은 전기 전도도(Electrical Conductivity), 높은 기계적 강도(Mechanical Strength), 높은 가스 투과도(Gas Permeability), 우수한 화학적 내성(Chemical Resistance)을 가진다.
상기 전도성 필름(120)의 경우, 두께 제한은 없으나 재료비 절감을 위하여 그 두께가 얇을수록 유리하고 너무 얇으면 핸들링(Handling)성이 저하되며 이는 공정성 감소와 직결되므로, 적절한 두께로 적용되는 것이 바람직하다. 또한, 전도성 필름(120)은 가스확산층(110)에서 균일하게 확산된 연료 유체가 전도성 필름(120)을 통해 전극(130)에 전달될 때 차압이 증가하여 파손될 수 있다. 이러한 이유로, 전도성 필름(120)의 두께는 50~500㎛ 가 바람직하다.
상기 가스확산층(110)의 기공도는 70~85% 이고, 가스확산층(110)이 적어도 60% 이상의 기공도를 가져야 EGA(10)의 성능을 원하는 수준으로 구현할 수 있다. 이러한 가스확산층(110)의 기공도 조건을 적용하여 전도성 필름(120)의 기공도는 40 ~ 60%인 것이 바람직하다. 이때, 전도성 필름(120)의 기공 크기는 5 ~ 30㎛이며, 평균 기공 크기는 10 ~ 15㎛ 가 바람직하다.
또한, 전도성 필름(120)의 크기(Dimension)는 가로 길이 및 세로 길이가 전극(130)의 전사면적보다 크거나 동등하고 가스확산층(110)의 가로 길이 및 세로 길이보다 작거나 동등한 것이 바람직하다.
또한, 전도성 필름(120)의 가스 투과도는 0.7bar 이하의 값을 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로, 전도성 필름(120)의 가스 투과도는 1MPa의 압력 조건으로 500ml/min의 공기 유량을 측정하였을 때 0.3 ~ 0.7bar 값을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 연료전지 스택 내 산화환원 반응에서 전자는 전극(130) -> 전도성 필름(120) -> 가스확산층(110) -> 분리판 -> 집전판으로 이동하므로, 전기저항이 낮을수록 연료전지 스택의 출력성능이 높아진다. 이에, 전도성 필름(120)은 5mΩ·㎠ 이하의 전기저항 값을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명은 EGA(10)의 제조 시 상기와 같은 특징을 가지는 전도성 필름(120)을 이용함으로써 기존의 수전해 스택 및 연료전지 스택의 종류에 따라 강성, 가스 투과도, 두께 등이 최적화된 가스확산층을 별도의 변경 없이 그대로 유지함과 동시에 가스확산전극(100)을 제조할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 전도성 필름(120)을 이용함으로써 EGA(10)의 강성이 증대되어 핸들링성이 증대된다.
다음, 상기 전도성 필름(120)의 표면 위에 전극 물질을 코팅하여 전극(130)을 형성한다.
가스확산전극(100)의 제조를 위한 전극 코팅 공정에는 다양한 방식들이 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 전극 코팅 공정에는 잉크젯 프린팅(Inkjet Printing), 슬롯 다이 시스템(Slot Die System, 즉 Bar Coating), 스크린 프린팅(Screen Printing), 스프레이 코팅(Spray Coating), 나이프 코팅(Knife Coating, 즉 Commabar Coating), 딥핑 시스템(Dipping System), 마이크로 롤러 코팅(Micro Roller Coating, 즉 Gravure Coating) 등의 공정이 적용될 수 있다.
상기와 같은 공정들은 본 발명의 전도성 필름(120)이 적용되지 않을 경우 가스확산층(110)의 미세다공층(114)에 존재하는 큰 크랙들을 통해 전극 물질이 가스확산층(110) 내부로 스며들어가서 EGA(10)의 내구성 감소 및 성능 감소 등의 문제를 초래하게 되나, 본 발명에서는 상기 전도성 필름(120)을 적용하므로 상기와 같은 기존의 전극 코팅 공정을 별다른 문제 없이 모두 적용할 수 있다.
도 8을 참조하면, 기존에는 EGA의 제조 시 전극 물질을 이형지(5) 위에 별도 코팅하여 전극(4)을 형성한 다음, 상기 전극(4)을 정해진 크기로 타발/재단하고, 상기 재단한 전극(4)을 전해질 막(6)의 양면에 열접합한 다음 상기 이형지(5)를 제거하고, 정해진 크기로 타발한 가스확산층(7)을 상기 전극(4) 위에 열접합하여 EGA를 제조하였다.
본 발명은 전도성 필름(120)을 사용함으로 인하여 별도의 이형지 없이도 기존의 전극 코팅 공정들을 제한 없이 사용할 수 있으며, 가스확산전극(100)의 제조 시 전극 용매를 튜닝을 해야 하는 기존의 한계점을 제거할 수 있다.
또한, 본 발명은 별도의 이형지를 사용하지 않음으로 인하여 기존의 EGA 제조 공정 대비 제조 공정 및 제조 시간의 감소, 맨아워(M/H) 감소, 이형지 제거를 통한 원가 절감 등의 이점이 존재한다.
한편, 롤 투 롤(Roll-to-Roll) 방식으로 가스확산전극(100)을 제조하는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 전도성 필름(120)이 감긴 제1 롤러(21)와 가스확산층(110)이 감긴 제2 롤러(22)가 준비된다. 이때, 제2 롤러(22)에 감긴 가스확산층(110)의 일 표면에는 제1 보호필름(41)이 적층되어 있으며, 제2 롤러(22)에서 가스확산층(110)이 풀리면서 압착 롤러(28)측으로 제공될 때 상기 제1 보호필름(41)을 회수하기 위하여 제3 롤러(23)가 준비된다.
상기 제1 롤러(21)에 감긴 가스확산층(110)과 제2 롤러(22)에 감긴 전도성 필름(120)은 동시에 압착 롤러(28)쪽으로 제공되며, 이때 가스확산층(110)과 전도성 필름(120)의 파손을 방지하기 위하여 텐션 센서(26)를 통해 검출된 가스확산층(110)과 전도성 필름(120)의 텐션(tension) 값을 기반으로 가스확산층(110)과 전도성 필름(120)의 텐션을 조절한다. 이때, 가스확산층(110)과 전도성 필름(120)의 텐션은 5~30N이 바람직하며, 최대 50N까지 가능하다.
또한, 공정 속도 즉, 가스확산층(110)과 전도성 필름(120)이 압착 롤러(28)쪽으로 공급되는 속도는 1.5~4.5m/min 이 바람직하며, 최대 6m/min 까지 가능하다.
또한, 가스확산층(110)과 전도성 필름(120)이 압착 롤러(28)에 의해 압착되기 전에 클리닝 유닛(27)을 통해 전도성 필름(120)이 압착되는 가스확산층(110)의 표면을 클리닝한다. 예를 들어, 상기 클리닝 유닛(27)은 에어 블로잉(air blowing) 및 석션(suction) 기능을 통해 가스확산층(110)의 표면을 클리닝한다.
압착 롤러(28)는 공급된 전도성 필름(120)을 가스확산층(110)의 표면에 압착시켜 가접합한다. 이때, 압착 롤러(28)는 전도성 필름(120)과 가스확산층(110) 사이가 들뜨지 않도록 전도성 필름(120)을 가스확산층(110)의 표면에 밀착시키며, 들뜸 발생을 방지하기 위하여 전도성 필름(120)과 가스확산층(110)에 40kgf 이하의 약한 하중을 가하여 눌러준다.
전도성 필름(120)과 가스확산층(110)에 40kgf보다 큰 강한 하중을 가하게 되면 가스확산층(110)이 파손될 수 있으며, 전도성 필름(120)과 가스확산층(110) 사이가 들뜨게 되면 전극 물질이 전도성 필름(120)의 표면에 균일하게 코팅되지 않는다.
다음, 압착 롤러(28)를 통과한 전도성 필름(120) 위에 전극 물질을 코팅하여 전극(130)을 형성한다. 이때, 전극(130)은 2~15㎛의 두께로 코팅되며, 그라비어 코팅(Gravure Coating), 슬롯 다이 코팅(Slot-die coating), 잉크젯 프린팅, 스프레이 코팅, 콤마 코팅(Comma coating) 등의 코팅 공정을 통해 전도성 필름(120) 위에 형성될 수 있다.
그 다음, 건조 유닛(29)을 통해 상기 전극(130)을 건조한다. 이때, 전극(130)은 110~150℃에서 2분 이상 건조하는 것이 바람직하며, 적어도 100℃ 이상에서 건조하는 것이 필요하다. 또한, 150℃보다 높은 온도에서 건조하는 경우 전극(130)이 손상될 수 있다. 예를 들어, 건조 유닛(29)은 열풍 건조, 적외선(IR) 건조, 핫플레이트 건조 등의 방식으로 전극(130)을 건조한다.
상기와 같이 제조된 가스확산전극(100)은 제4 롤러(24)쪽으로 제공되어 제4 롤러(24)에 감기게 되며, 이때 가스확산층(110)의 일 표면(전극 및 전도성 필름이 미적층된 표면임)에 제2 보호필름(42)이 제공됨으로써 가스확산층(110)의 표면에 전극(130)이 직접 접하게 되는 것을 방지한다. 이때, 제2 보호필름(42)은 제5 롤러(25)를 통해 제공된다.
상기 보호필름(41,42)은 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PI(폴리이미드), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), PCT(폴리사이클로헥실렌 디에틸렌 테레프탈레이트) 등의 소재로 이루어진 필름이 적용될 수 있다.
여기서, 상기 전도성 필름(120)의 소재와 물성 등은 앞서 설명한 시트 투 시트 방식에 적용되는 전도성 필름(120)과 모두 동일하다.
이어서, 상기의 롤 투 롤 방식의 공정을 통해 제조된 가스확산전극(100) 또는 상기 시트 투 시트 방식의 공정을 통해 제조된 가스확산전극(100)을 이용하여 EGA(10)를 제조한다.
도 5에 도시된 바와 같이 전해질 막(200)의 양 표면에 상기 가스확산전극(100)을 열압착하여 접합하거나 또는, 도 6에 도시된 바와 같이 전해질 막(200)의 일 표면에 상기 가스확산전극(100)을 열압착하여 접합한다. 이때, 전해질 막(200)의 양 표면에 접합되는 가스확산전극(100)은 도 1과 같이 동일한 형태로 적용되거나 또는 도 5와 같이 서로 다른 형태로 적용될 수 있다.
핫 프레스(hot press) 공정으로 가스확산전극(100)에 전해질 막(200)을 접합하는 경우, 표면 손상을 방지하기 위하여 가스확산전극(100)의 최외층(즉, 가스확산층) 및 전해질 막(200)을 보호필름(도 6의 43 참조)으로 덮은 상태에서 공정을 진행한다. 이때, 예를 들어, 130℃에서 30초 동안 0.5MPa의 조건으로 열압착을 진행한다.
상기와 같이 제조한 EGA(10)는 전해질 막(200)과, 전해질 막(200)의 표면에 순차적으로 적층 배치되는 전극(130), 전도성 필름(120), 가스확산층(110)을 포함하여 구성된다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 상기 EGA(10)는 전해질막(200)과, 상기 전해질막(200)의 양 표면에 접합된 한 쌍의 전극(130)과, 일면에 상기 각 전극(130)이 코팅 형성된 한 쌍의 전도성 필름(120), 및 상기 각 전도성 필름(120)의 타면에 적층 배치된 한 쌍의 가스확산층(110)을 포함하여 구성된다.
한편, 가스확산전극(100)의 제조 시, 공정 순서를 변경하여, 전도성 필름(120)의 일면에 전극(130)을 코팅 형성한 다음 가스확산층(110)을 전도성 필름(120)의 타면에 적층 배치하는 것도 가능하다.
또한, 전도성 필름(120)의 일면에 전극(130)을 코팅 형성한 다음, 전해질 막(200)을 상기 전극(130) 위에 접합하고, 그 다음에 가스확산층(110)을 상기 전도성 필름(120)의 타면에 적층 접합하는 것도 가능하다.
또한, 전해질 막(200)의 일면에는 가스확산전극(100)을 접합하고(도 6 참조), 상기 전해질 막(200)의 타면에는 종래의 공정을 적용하는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 전해질 막(200)의 타면에는 이형지에 코팅된 전극을 열접합한 다음 상기 이형지를 제거하고, 타발된 가스확산층을 상기 전극에 열접합한다.
또한, 발수력 향상을 위하여 전도성 필름(120) 및 가스확산층(110)의 미세다공층(114) 표면에는 발수코팅을 할 수도 있으며, 또한 전극 코팅성을 향상하기 위하여 전도성 필름(120)을 표면처리할 수도 있다.
본 발명은 상기 전도성 필름(120)을 이용하여 가스확산전극(100)을 제조함으로 인하여 가스확산층(110)의 표면 크랙 유무와 상관 없이 가스확산층(110) 위에 전극(130)이 균일하게 형성되며, 이러한 가스확산전극(100)을 이용하여 EGA(10)를 제조함으로 인하여 가스확산층(110)의 표면 크랙으로 인한 전극(130)과 전해질 막(200) 사이의 빈 공간 발생이 방지되어 EGA(10)의 내구성과 성능이 증대되고 품질 안정성 및 높은 수율을 확보하게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니된다.
10 : 발전 어셈블리(EGA) 100 : 가스확산전극
110 : 가스확산층 112 : 기재
114 : 미세다공층 120 : 전도성 필름
130 : 전극 200 : 전해질 막
21 : 제1 롤러 22 : 제2 롤러
23 : 제3 롤러 24 : 제4 롤러
25 : 제5 롤러 26 : 텐션 센서
27 : 클리닝 유닛 28 : 압착 롤러
29 : 건조 유닛 30 : 몰드
41 : 제1 보호필름 42 : 제2 보호필름

Claims (20)

  1. 가스확산층의 일면에 전도성 필름을 적층 배치하는 필름 적층 단계;
    상기 전도성 필름의 일면에 전극을 코팅 형성하는 전극 코팅 단계; 및
    상기 전극의 표면에 전해질 막을 접합하는 막 접합 단계;
    를 포함하는 발전 어셈블리 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 필름 적층 단계 다음에 상기 전극 코팅 단계를 실행하여 가스확산전극을 제조하는 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 코팅 단계 다음에 상기 필름 적층 단계를 실행하여 가스확산전극을 제조하는 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리 제조 방법.
  4. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 막 접합 단계에서는, 상기 가스확산전극의 전극에 전해질 막을 접합하여 발전 어셈블리를 제조하는 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 코팅 단계 다음에 상기 막 접합 단계를 실행하고 그 다음에 상기 필름 적층 단계를 실행하여 발전 어셈블리를 제조하는 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 필름은 상기 가스확산층의 미세다공층 표면에 적층 배치되는 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 필름은 다공질의 전도성 필름인 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전도성 필름의 기공 크기는 5 ~ 30㎛ 인 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리 제조 방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 전도성 필름은 40 ~ 60 % 의 기공도를 가지는 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리 제조 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 필름의 두께는 50 ~ 500㎛ 인 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리 제조 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 필름의 가스 투과도는 0.3 ~ 0.7bar 인 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리 제조 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 필름은 기체 및 수분이 투과 가능한 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리 제조 방법.
  13. 발전 어셈블리용 전해질막;
    상기 전해질막의 양 표면에 접합된 한 쌍의 전극;
    일면에 상기 각 전극이 코팅 형성된 한 쌍의 전도성 필름; 및
    상기 각 전도성 필름의 타면에 적층 배치된 한 쌍의 가스확산층;
    을 포함하는 발전 어셈블리.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전도성 필름은 상기 가스확산층의 미세다공층 표면에 적층 배치되는 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 전도성 필름은 다공질의 전도성 필름인 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 전도성 필름의 기공 크기는 5 ~ 30㎛ 인 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 전도성 필름은 40 ~ 60 % 의 기공도를 가지는 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 전도성 필름의 두께는 50 ~ 500㎛ 인 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리.
  19. 청구항 13에 있어서,
    상기 전도성 필름의 가스 투과도는 0.3 ~ 0.7bar 인 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리.
  20. 청구항 13에 있어서,
    상기 전도성 필름은 기체 및 수분이 투과 가능한 것을 특징으로 하는 발전 어셈블리.
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