WO2021006498A1 - 막-전극 접합체, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 연료전지 - Google Patents

막-전극 접합체, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 연료전지 Download PDF

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김정호
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Definitions

  • the present invention relates to a membrane-electrode assembly, a method for manufacturing the same, and a fuel cell including the same.
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • MEA membrane-electrode assembly
  • separator separator
  • Membrane-electrode assemblies generally include an anode (also referred to as a'fuel electrode'), a cathode (also referred to as a'air electrode'), and these electrolyte membranes.
  • anode also referred to as a'fuel electrode'
  • cathode also referred to as a'air electrode'
  • electrolyte membranes generally include a polymer electrolyte membrane.
  • 1 is a schematic diagram of driving a fuel cell.
  • a method that is commonly used is a method of laminating a film-shaped sub gasket to the electrolyte membrane 10 by heating and pressing.
  • this method (i) there is a problem that the electrodes 21 and 22 are damaged during the heating and pressing process for sub-gasket laminating, and (ii) the final thickness of the sub gasket is determined by the thickness of the film.
  • it is cumbersome to separately prepare sub gaskets of various film thicknesses, and (iii) a step corresponding to the thickness of the electrode when some of the film-type sub gaskets are attached to the periphery of the electrode.
  • An embodiment of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly capable of solving the above problems, a method of manufacturing the same, and a fuel cell including the same.
  • One aspect of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly comprising a sub-gasket having no or almost no steps that reduce workability of a subsequent process.
  • an electrolyte membrane having a first surface and a second surface opposite to the electrolyte membrane, the electrolyte membrane including an active region and an inactive region surrounding the active region;
  • a first electrode disposed on the first surface of the electrolyte membrane to cover the active region;
  • a first sub gasket disposed on the first surface of the electrolyte membrane and having a first window exposing a central portion of the first electrode;
  • a second electrode disposed on the second surface of the electrolyte membrane to cover the active region;
  • a second sub gasket disposed on the second surface of the electrolyte membrane and having a second window exposing a central portion of the second electrode, wherein the first sub gasket overlaps the circumferential portion of the first electrode.
  • the height of the first step formed by the region is 0.5 times or less the thickness of the first electrode
  • the second sub-gasket includes a second overlapping region overlapping a circumference of the second electrode and a second overlapping region overlapping the inactive region. It includes 2 non-overlapping areas, and there is no level difference between the second overlapping area and the second non-overlapping area, or the height of the second level difference formed by the second overlapping area and the second non-overlapping area is the A membrane-electrode assembly is provided, which is 0.5 times or less the thickness of the second electrode.
  • the volume of the first air gap is Equation 1 below.
  • the volume of the second air gap Equation 2 below can be satisfied.
  • V 1 and V 2 are the volumes of the first and second air gaps, respectively
  • T 1 and T 2 are the thicknesses of the first and second electrodes, respectively
  • W 1 and W 2 are the first and Widths of the second electrodes
  • L 1 and L 2 are lengths of the first and second electrodes, respectively.
  • forming a first electrode on the first surface of the electrolyte membrane forming a first sub gasket on the first surface of the electrolyte membrane by coating using a first liquid material
  • the electrolyte Forming a second electrode on the second side of the membrane, and forming a second sub gasket on the second side of the electrolyte membrane by coating using a second liquid material
  • a method of manufacturing a membrane-electrode assembly Is provided.
  • the method of manufacturing the membrane-electrode assembly includes: disposing a first protective layer on the first electrode before the step of forming the first sub gasket, and on the second electrode before the step of forming the second sub gasket. It may further include at least one of the steps of disposing the second protective layer on.
  • the method of manufacturing the membrane-electrode assembly may include removing at least one of the first protective layer and the second protective layer.
  • the first electrode is formed by coating or transfer.
  • the electrolyte membrane is supported by a support substrate.
  • the coating for forming the first sub gasket and the second sub gasket may be performed by any one of spray coating, comma coating, and slot die coating using a liquid material, respectively.
  • At least one of a 3D printer and a partial coating facility may be used.
  • the first liquid material and the second liquid material are elastic materials each having crosslinking or curing properties.
  • the first liquid material and the second liquid material may be the same as each other.
  • the first liquid material and the second liquid material may be different from each other.
  • the first and second sub gaskets are polyethylene terephthalate (PET), polyamide, tetrafluoroethylene/hexafluoropropene (FEP), fluorine rubber, silicone rubber, hydrocarbon-based elastomers (EPDM, EPR, etc.) ) And polyurethane (Polyurethane).
  • the first sub-gasket or the second sub-gasket is left for 10 seconds to 600 seconds.
  • the first sub-gasket or the second sub-gasket is heated to a temperature of 40 to 150°C do.
  • the first sub gasket or the second sub gasket is heat-treated with hot air for 3 seconds to 300 seconds do.
  • the first protective layer and the second protective layer each include at least one of polyethylene terephthalate (PET), polyimide (PI), tetrafluoroethylene, polyethylene (PE), rubber, and silicone.
  • the method of manufacturing the membrane-electrode assembly further includes cutting at least a portion of the electrolyte membrane before the step of forming the first sub gasket.
  • a fuel cell including the membrane-electrode assembly, a gas diffusion layer on the membrane-electrode assembly, and a separator on the gas diffusion layer.
  • the thickness of the sub gasket can be easily adjusted by adjusting the coating thickness, and mass production and automation can be realized by applying a direct coating process.
  • the sub gasket is formed by a direct coating method without the heating and pressing process for film laminating, damage to the electrode is not caused, and the sub gasket has no or almost no step, so the subsequent process such as gas diffusion layer formation/assembly process The workability of the process can be improved.
  • the occurrence of an air gap between the side surface of the electrode and the sub gasket can be prevented or minimized, so that the original function of the sub gasket, such as preventing gas leakage, can be secured.
  • the liquid material used for direct coating according to an embodiment of the present invention may have room temperature crosslinking or thermal crosslinking, and a sub gasket formed on the liquid material may have excellent gas barrier properties and elasticity.
  • the sub-gasket and the membrane-electrode assembly are integrally manufactured, there is little leakage of gas such as hydrogen or air (oxygen) when driving the fuel cell, and the manufacturing process is simple, so that a large amount of fuel cells is Production becomes easy.
  • an elastic body may be used as a material of the sub gasket, and as a result, the elastic body absorbs the thickness variation between components when assembling the fuel cell stack, so that a stable stack structure can be manufactured.
  • the thickness of the sub-gasket is easily adjusted, the interfacial bonding force between the membrane-electrode assembly and the gas diffusion layer is optimized and increased, and accordingly, the performance and durability of the fuel cell can be improved.
  • production cost can be reduced.
  • 1 is a schematic diagram of driving a fuel cell.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a fuel cell.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of a membrane-electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • 5A to 5H are manufacturing process diagrams of a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a membrane-electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 7A to 7H are manufacturing process diagrams of a membrane-electrode assembly according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of a membrane-electrode assembly wound in a roll form.
  • 9A to 9F are a manufacturing process diagram of a membrane-electrode assembly according to still another embodiment of the present invention.
  • 10a to 10h are manufacturing process diagrams of a membrane-electrode assembly according to Comparative Example 1.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a membrane-electrode assembly according to Comparative Example 2.
  • 12A to 12C are photographs of a membrane-electrode assembly.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
  • Spatially relative terms “below, beneath”, “lower”, “above”, “upper”, etc. are used as one element or component as shown in the drawing. It can be used to easily describe the correlation between the and other devices or components. Spatially relative terms should be understood as terms including different directions of the device during use or operation in addition to the directions shown in the drawings. For example, if an element shown in the figure is turned over, an element described as “below” or “beneath” of another element may be placed “above” another element. Accordingly, the exemplary term “below” may include both directions below and above. Likewise, the exemplary terms “above” or “above” may include both an upward and downward direction.
  • temporal relationship for example, when a temporal predecessor relationship is described as'after','following','after','before', etc.,'right' or'direct' Unless the expression is used, it may also include cases that are not continuous.
  • first, second, etc. are used to describe various elements, but these elements are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component. Accordingly, the first component mentioned below may be a second component within the technical idea of the present invention.
  • the term “at least one” is to be understood as including all possible combinations from one or more related items.
  • the meaning of “at least one of the first item, the second item, and the third item” means 2 among the first item, the second item, and the third item as well as each of the first item, the second item, or the third item. It may mean a combination of all items that can be presented from more than one.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a fuel cell.
  • the fuel cell includes the electrolyte membrane 10, the first electrode 21, the second electrode 22, the sub gaskets 31 and 32, the gas diffusion layers 41 and 42, and the gasket ( 51, 52) and separators 61, 62. 2 shows one unit cell of the fuel cell.
  • electrolyte membrane 10 a polymer electrolyte membrane known in the art may be used. Detailed descriptions of the electrolyte membrane 10 and the polymer electrolyte membrane will be omitted.
  • One of the first electrode 21 and the second electrode 22 may be an oxidation electrode, and the other may be a reduction electrode.
  • the oxidation electrode is also referred to as an anode or an anode
  • the reduction electrode is also referred to as a cathode or an air electrode.
  • the second electrode 22 when the first electrode 21 is an oxidation electrode, the second electrode 22 becomes a cathode, and when the first electrode 21 is a cathode, the second electrode 22 is oxidized. It becomes a play.
  • Fuel such as hydrogen gas is supplied to one of the first electrode 21 and the second electrode 22, and air containing oxygen is supplied to the other. Hydrogen gas and air are supplied to one of the first electrode 21 and the second electrode 22 through the gas diffusion layers 41 and 42, respectively.
  • the sub gaskets 31 and 32 are disposed to prevent hydrogen and air (oxygen) from permeating through the electrolyte membrane 10 to the counter electrode.
  • the sub gaskets 31 and 32 are disposed at the edges of the electrolyte membrane 10 to prevent hydrogen from flowing into the reduction electrode without passing through the oxidation electrode, and prevent oxygen from flowing into the oxidation electrode through the electrolyte membrane 10. prevent.
  • the gaskets 51 and 52 are the electrolyte membrane 10 and the separators 61 and 62 so that the supplied gas is transferred to the first electrode 21 and the second electrode 22 in which an electrochemical reaction occurs without loss. It serves to seal the space between them. Airtightness of the fuel cell stack may be maintained by the gaskets 51 and 52.
  • the separators 61 and 62 are the electrolyte membrane 10, the first electrode 21, the second electrode 22, and the sub gaskets 31 and 32.
  • the gas diffusion layers 41 and 42 and the gaskets 51 and 52 are fixed.
  • the separators 61 and 62 are also referred to as bipolar plates.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a membrane-electrode assembly 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views of membrane-electrode assemblies 100 according to different embodiments of the present invention. .
  • a sub-gasket-integrated membrane-electrode assembly 100 includes an electrolyte membrane having a first surface 111 and a second surface 112 opposite thereto. 110), a first electrode 121 on the first surface 111 of the electrolyte membrane 110, a first sub gasket 131 on the first surface 111 of the electrolyte membrane 110, the electrolyte membrane ( And a second electrode 122 on the second surface 112 of the electrolyte membrane 110 and a second sub gasket 132 on the second surface 112 of the electrolyte membrane 110.
  • the electrolyte membrane 110 is a region corresponding to the first and second electrodes 121 and 122, an active region AA that directly contributes to electricity generation, and an inactive region surrounding the active region AA. It includes a region (NA).
  • a polymer electrolyte membrane known in the art is used as the electrolyte membrane 110. Detailed description of the polymer electrolyte membrane is omitted.
  • the first electrode 121 is disposed on the first surface 111 of the electrolyte membrane 110 to cover the active area AA, and the second electrode 122 is formed of the electrolyte membrane 110. It is disposed on the second surface 112 to cover the active area AA.
  • One of the first electrode 121 and the second electrode 122 is an oxidation electrode, and the other is a reduction electrode.
  • the oxidation electrode is also referred to as an anode or an anode
  • the reduction electrode is also referred to as a cathode or an air electrode.
  • the second electrode 122 When the first electrode 121 is an oxidation electrode, the second electrode 122 becomes a reduction electrode, and when the first electrode 121 is a reduction electrode, the second electrode 122 becomes an oxidation electrode.
  • Fuel such as hydrogen gas is supplied to one of the first electrode 121 and the second electrode 122, and air containing oxygen is supplied to the other.
  • the first sub gasket 131 disposed on the first surface 111 of the electrolyte membrane 110 has a first window W1 exposing the central portion of the first electrode 121
  • the second sub gasket 132 disposed on the second surface 112 of the film 110 has a second window W2 exposing the central portion of the second electrode 122. Hydrogen gas and oxygen gas contact each of the central portions of the first and second electrodes 121 and 122 exposed through the first and second windows W1 and W2, respectively.
  • the first sub gasket 131 and the second sub gasket 132 have elasticity and airtightness.
  • the first sub gasket 131 and the second sub gasket 132 prevent hydrogen or oxygen from one electrode from flowing into the other electrode through the electrolyte membrane 110.
  • the first sub gasket 131 and the second sub gasket 132 may be made of a material having elasticity.
  • the first sub gasket 131 and the second sub gasket 132 are polyethylene terephthalate (PET), polyamide, tetrafluoroethylene/hexafluoropropene (FEP), fluorine rubber, silicone rubber, hydrocarbon-based elastomer ( EPDM, EPR, etc.) and polyurethane (Polyurethane) may be included.
  • the first sub gasket 131 includes a first overlapping region OA1 overlapping a circumference of the first electrode 121 and an inactive region of the electrolyte membrane 110 ( It includes a first non-overlapping area NOA1 covering NA).
  • the second sub-gasket 132 includes a second overlapping region OA2 overlapping the circumference of the second electrode 122 and a second non-overlapping region covering the non-active region NA of the electrolyte membrane 110. (NOA2).
  • the first and second overlapping regions OA1 and OA2 of the first and second sub-gaskets 131 and 132 protect the circumferences of the first and second electrodes 121 and 122, respectively. In addition, gas leakage is prevented through the boundary between the first sub gasket 131 and the first electrode 121 or between the second sub gasket 132 and the second electrode 122.
  • the height of the first step formed by the first overlapping region OA1 and the first non-overlapping region NOA1, as shown in FIG. 4B (H1) is 0.5 times or less, more preferably 0.2 times or less of the thickness T1 of the first electrode 121, and is formed by the second overlapping area OA2 and the second non-overlapping area NOA2
  • the height H2 of the second step is 0.5 times or less, more preferably 0.2 times or less of the thickness T2 of the second electrode 122.
  • the first and second sub-gaskets 131 and 132 do not have a step on their upper surface, or even if they have a step, their height is the thickness T1 of the first electrode 121 Alternatively, since the second electrode 122 is very small, such as 0.5 times or less, more preferably 0.2 times or less of the thickness T2 of the second electrode 122, workability of a subsequent process such as a gas diffusion layer formation/assembly process may be improved.
  • the first and second sub gaskets 131 and 132 are in close contact with the first and second electrodes 121 and 122, respectively, such that there is no air gap. Can be. Thus, gas leakage through the air gap can be prevented.
  • 5A to 5H are manufacturing process diagrams of the membrane-electrode assembly 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a first electrode 121 is formed on the first surface 111 of the electrolyte membrane 110.
  • the first electrode 121 may be formed by a coating or transfer method.
  • the material of the first electrode 121 at least one of an anode material or a cathode material known in the art may be used.
  • the electrolyte membrane 110 may be supported by the support substrate 190.
  • the type of the support substrate 190 A material capable of supporting the electrolyte membrane 110 may be used as the supporting substrate 190.
  • a plastic film may be used as the support substrate 190.
  • a polyethylene terephthalate (PET) film may be used as the support substrate 190.
  • a first protective layer 211 is disposed on the first electrode 121.
  • the first protective layer 211 protects the first electrode 121. After coating for forming the first sub-gasket 131, the first protective layer 211 is removed or is attached until the second sub-gasket 132 is formed, and then the second protective layer is formed after the second sub-gasket 132 is formed. Can be removed with (212). Accordingly, the first protective layer 211 is made of a material capable of minimizing damage to the first electrode 121 during the peeling process.
  • the first protective layer 211 for example, at least one of polyethylene terephthalate (PET), polyimide (PI), tetrafluoroethylene, polyethylene (PE), rubber, and silicone may be used.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PI polyimide
  • tetrafluoroethylene polyethylene
  • PE polyethylene
  • rubber and silicone
  • the first protective layer 211 may have a thickness of 1 to 50 ⁇ m.
  • the first protective layer 211 has an area smaller than that of the first electrode 121 and may be disposed within the area of the first electrode 121. More specifically, the first protective layer 211 may be disposed inside the edge of the first electrode 121. Accordingly, the first sub gasket 131 may also be disposed on the circumference of the first electrode 121.
  • a first sub gasket 131 is formed on the first surface 111 of the electrolyte membrane 110 by coating using a first liquid material.
  • the first liquid material for forming the first sub gasket 131 may be formed of an elastic material having crosslinking or curing properties.
  • the first sub gasket 131 is polyethylene terephthalate (PET), polyamide, tetrafluoroethylene/hexafluoropropene (FEP), fluorine rubber, silicone rubber, hydrocarbon-based elastomer (EPDM, EPR, etc.).
  • PET polyethylene terephthalate
  • FEP tetrafluoroethylene/hexafluoropropene
  • EPDM hydrocarbon-based elastomer
  • EPDM hydrocarbon-based elastomer
  • Polyurethane Polyurethane
  • the first liquid material is polyethylene terephthalate (PET), polyamide, tetrafluoroethylene/hexafluoropropene (FEP), fluorine rubber, silicone rubber, hydrocarbon-based elastomers (EPDM, EPR, etc.) and polyurethane ( Polyurethane) may be a material in a state in which any one component is dissolved or dispersed in a solvent.
  • the first liquid material may contain a polymer component.
  • the first sub gasket 131 may be formed by a direct coating method using a liquid material.
  • the coating for forming the first sub gasket 131 may be formed by any one of spray coating, comma coating, and slot die coating using a liquid material.
  • the first sub gasket 131 may be formed by spray coating.
  • FIG. 5C a method of forming the first sub gasket 131 by spray coating is shown.
  • a coating method for forming the first sub gasket 131 a direct coating method using a liquid material may be applied.
  • a spray coating device 250 is used for spray coating.
  • the first liquid material is dried and crosslinked or cured to complete the first sub gasket 131.
  • the first sub gasket 131 may be left for 10 seconds to 600 seconds. Accordingly, the first liquid material used to form the first sub gasket 131 may be dried, and crosslinking or curing of the polymer component included in the first liquid material may proceed.
  • the first sub gasket 131 may be heated to a temperature of 40 to 150°C. By such heating, thermal crosslinking or thermal curing of the polymer component included in the first liquid material is accelerated, so that the first sub gasket 131 may be completed.
  • the first sub gasket 131 in the step of forming the first sub gasket 131, after coating using the first liquid material, the first sub gasket 131 may be heat treated with hot air for 3 seconds to 300 seconds. .
  • the electrolyte membrane 110 is turned over, so that the second surface 112 of the electrolyte membrane 110 faces upward.
  • the second electrode 122 is formed on the second surface 112 of the electrolyte membrane 110.
  • the second electrode 122 may be formed in the same manner as the first electrode 121. According to an embodiment of the present invention, the second electrode 122 may be formed by a coating or transfer method. When the first electrode 121 is an oxidation electrode, the second electrode 122 becomes a reduction electrode, and when the first electrode 121 is a reduction electrode, the second electrode 122 becomes an oxidation electrode. As the material of the second electrode 122, at least one of a cathode material or an anode material known in the art may be used.
  • a second protective layer 212 is disposed on the second electrode 122.
  • the second protective layer 212 protects the second electrode 122. After coating to form the second sub gasket 132, the second protective layer 212 is removed. Accordingly, the second protective layer 212 is made of a material capable of minimizing damage to the second electrode 122 during the peeling process.
  • the second protective layer 212 may be made of the same material as the first protective layer 211.
  • the second protective layer 212 for example, at least one of polyethylene terephthalate (PET), polyimide (PI), tetrafluoroethylene, polyethylene (PE), rubber, and silicone may be used.
  • the first protective layer 122 may have a thickness of 1 to 50 ⁇ m.
  • the second protective layer 212 has an area smaller than that of the second electrode 122 and may be disposed within the area of the second electrode 122. More specifically, the second protective layer 212 may be disposed inside the edge of the second electrode 122. Accordingly, the second sub gasket 132 may also be disposed on the circumference of the second electrode 122.
  • a second sub gasket 132 is formed on the second surface 112 of the electrolyte membrane 110 by coating using a second liquid material.
  • the second liquid material for forming the second sub gasket 132 may be the same as or different from the first liquid material for forming the first sub gasket 131.
  • the composition of the first liquid material and the second liquid material may be the same.
  • first liquid material and the second liquid material may have different functionalities.
  • the second liquid material for forming the second sub gasket 132 may be made of an elastic material having crosslinking or curing properties.
  • the second sub-gasket 132 is polyethylene terephthalate (PET), polyamide, tetrafluoroethylene/hexafluoropropene (FEP), fluorine rubber, silicone rubber, hydrocarbon-based elastomer (EPDM, EPR, etc.). ) And at least one of polyurethane (Polyurethane).
  • the second liquid material is polyethylene terephthalate (PET), polyamide, tetrafluoroethylene/hexafluoropropene (FEP), fluorine rubber, silicone rubber, hydrocarbon-based elastomers (EPDM, EPR, etc.) and polyurethane ( Polyurethane) may be a material in a state in which any one component is dissolved or dispersed in a solvent.
  • the second liquid material may include a polymer component.
  • the second sub gasket 132 may be formed by a direct coating method using a liquid material.
  • the coating for forming the second sub gasket 132 may be performed by any one of spray coating, comma coating, and slot die coating using a liquid material.
  • the second sub gasket 132 may be formed by spray coating.
  • a method of forming the second sub gasket 132 by spray coating is illustrated.
  • a direct coating method using a liquid material may be applied to form the second sub gasket 132, and spray coating may be applied as a representative example.
  • the second liquid material is dried and crosslinked or cured to complete the second sub gasket 132.
  • the second sub gasket 132 may be left for 10 seconds to 600 seconds. Accordingly, the second liquid material used to form the second sub gasket 132 may be dried, and crosslinking or curing of the polymer component included in the second liquid material may proceed.
  • the second sub gasket 131 may be heated to a temperature of 40 to 150°C. By such heating, thermal crosslinking or thermal curing of the polymer component included in the second liquid material may be accelerated, so that the second sub gasket 131 may be completed.
  • the second sub-gasket 131 in the step of forming the second sub-gasket 131, after coating using the second liquid material, the second sub-gasket 131 may be heat-treated with hot air for 3 seconds to 300 seconds. .
  • Heating for the first sub gasket 131 and heating for the second sub gasket 132 may be performed simultaneously or separately.
  • the embodiment of the present invention is not limited thereto, and heating may or may not be performed depending on the material.
  • the first protective layer 211 and the second protective layer 212 are removed.
  • a coating layer and a second liquid of the first liquid material remaining on the first and second protective layers 211 and 212 The coating layer by the material is also removed.
  • the first electrode 121 and the second electrode 122 are exposed, and the membrane-electrode assembly 100 according to an embodiment of the present invention is ) Is completed.
  • the surface of the first electrode 121 opposite to the electrolyte membrane 110 is exposed, and the surface of the second electrode 122 opposite the electrolyte membrane 110 is exposed.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a membrane-electrode assembly 200 according to another embodiment of the present invention.
  • the membrane-electrode assembly 200 shown in FIG. 6 is different in that the entire edge of the electrolyte membrane 110 is surrounded by the first and second sub-gaskets 131 and 132. There is.
  • the electrolyte membrane 110 having the same standard as the first sub gasket 131 or the second sub gasket 132, the integrated sub gasket of FIG. 6 In the membrane-electrode assembly 200, the edge of the electrolyte membrane 110 can be more stably protected, and the expensive electrolyte membrane 110 is less used, which is economical.
  • FIG. 7A to 7H are manufacturing process diagrams of the membrane-electrode assembly 200 according to another embodiment of the present invention.
  • the method of manufacturing the membrane-electrode assembly 200 according to another embodiment of the present invention further includes cutting at least a portion of the electrolyte membrane 110 before the step of forming the first sub gasket 131 do.
  • a first electrode 121 is formed on the first surface 111 of the electrolyte membrane 110.
  • the first electrode 121 may be formed by a coating or transfer method.
  • the edge of the electrolyte membrane 110 is cut.
  • a cutter 260 or a pinnacle die may be used. Accordingly, the electrolyte membrane 110 has an area smaller than that of the support substrate 190.
  • a first protective layer 211 is disposed on the first electrode 121.
  • the first protective layer 211 protects the first electrode 121 during a subsequent coating process.
  • a first sub gasket 131 is formed on the first surface 111 of the electrolyte membrane 110 by coating using a first liquid material.
  • the first sub gasket 131 completely surrounds the first surface 111 and the side surface of the electrolyte membrane 110.
  • the first sub gasket 131 is formed by spray coating, which is one of the direct coating methods using a liquid material. After coating, the first liquid material can be dried and crosslinked or cured.
  • the electrolyte membrane 110 is turned over so that the second surface 112 of the electrolyte membrane 110 faces upward.
  • a second electrode 122 is formed on the second surface 112 of the electrolyte membrane 110, and a second protective layer 212 is disposed on the second electrode 122.
  • the second protective layer 212 protects the second electrode 122.
  • a second sub gasket 132 is formed on the second surface 112 and the first sub gasket 131 of the electrolyte membrane 110 by coating using a second liquid material.
  • the second liquid material for forming the second sub gasket 132 may be the same as or different from the first liquid material for forming the first sub gasket 131.
  • the second sub gasket 132 is formed by spray coating. Therefore, according to an embodiment of the present invention, the coating for forming the second sub gasket 132 may be performed by a direct coating method using a liquid material, and may be performed, for example, by spray coating. .
  • the second liquid material can be dried and crosslinked or cured.
  • the first protective layer 211 and the second protective layer 212 are removed.
  • a coating layer and a second liquid of the first liquid material remaining on the first and second protective layers 211 and 212 The coating layer by the material is also removed.
  • the first electrode 121 and the second electrode 122 are opened, and the membrane-electrode assembly according to another embodiment of the present invention ( 200) is completed.
  • the thickness of the sub gaskets 131 and 132 formed by the coating method can be variously adjusted, and since it is manufactured by the coating method using liquid, the air gap caused by the difference in thickness of the electrode layer when laminating the existing film-type sub gasket Without it, the sub gaskets 131 and 132 may be formed. In addition, since the sub gaskets 131 and 132 can be manufactured flat, it can have easy workability when assembling the gas diffusion layer (GDL).
  • GDL gas diffusion layer
  • FIG. 8 is a perspective view of a membrane-electrode assembly wound in a roll form.
  • the membrane-electrode assemblies 100 and 200 according to embodiments of the present invention may be wound in a roll shape as shown in FIG. 8.
  • a cross section taken along line II′ of FIG. 8 may be indicated by FIGS. 4A, 4B or 6.
  • FIGS. 9A to 9F illustrate a method of manufacturing a membrane-electrode assembly according to still another embodiment of the present invention.
  • a first electrode 121 is formed on the first surface 111 of the electrolyte membrane 110.
  • the electrolyte membrane 110 may be supported by the support substrate 190.
  • a first sub gasket 131 is formed on the first surface 111 of the electrolyte membrane 110 by coating using a first liquid material.
  • the first liquid material for forming the first sub gasket 131 may be formed of an elastic material having crosslinking or curing properties.
  • the first liquid material for forming the first sub gasket 131 is directly coated/printed on the electrolyte membrane 110 around the first electrode 121 without a protective layer.
  • a sub gasket 131 may be formed.
  • a first liquid material may be directly coated/printed and crosslinked around the first electrode 121 without a protective layer. Accordingly, the first sub gasket 131 is selectively formed on the electrolyte membrane 110.
  • 9B illustrates a method of using the 3D printer 350 for direct coating.
  • the first liquid material is dried and crosslinked or cured to complete the first sub gasket 131.
  • the electrolyte membrane 110 is turned over so that the second side 112 of the electrolyte membrane 110 faces upward, and the electrolyte membrane A second electrode 122 is formed on the second surface 112 of (110).
  • the second electrode 122 may be formed in the same manner as the first electrode 121. According to an embodiment of the present invention, the second electrode 122 may be formed by a coating or transfer method. When the first electrode 121 is an oxidation electrode, the second electrode 122 becomes a reduction electrode, and when the first electrode 121 is a reduction electrode, the second electrode 122 becomes an oxidation electrode.
  • a second sub gasket 132 is formed on the second surface 112 of the electrolyte membrane 110 by coating using a second liquid material.
  • the second liquid material for forming the second sub gasket 131 may be formed of an elastic material having crosslinking or curing properties.
  • the second liquid material for forming the second sub gasket 132 may be the same as or different from the first liquid material for forming the first sub gasket 131.
  • the second liquid material for forming the second sub-gasket 132 is directly coated/printed on the electrolyte membrane 110 around the second electrode 122 without a protective layer.
  • a sub gasket 132 may be formed.
  • the second liquid material may be directly coated/printed and crosslinked around the second electrode 122 without a protective layer. Accordingly, the second sub gasket 132 is selectively formed on the electrolyte membrane 110.
  • 9E illustrates a method of using the 3D printer 350 for direct coating.
  • the second liquid material is dried and cross-linked or cured to complete the second sub gasket 132. Accordingly, a membrane-electrode assembly according to another embodiment of the present invention is made.
  • 10A to 10H are manufacturing process diagrams of a membrane-electrode assembly according to Comparative Example 1.
  • the method of manufacturing a membrane-electrode assembly according to Comparative Example 1 was viewed from the point of using a catalyst coated membrane (CCM) in which the first electrode 121 and the second electrode 122 are already formed on the electrolyte membrane 110. There is a difference from the embodiments of the invention.
  • CCM catalyst coated membrane
  • a Catalyst Coated Membrane in which the first electrode 121 and the second electrode 122 are already formed on the electrolyte membrane 110 is disposed on the support substrate 190.
  • a first protective layer 211 is disposed on the first electrode 121 of the CCM.
  • a first sub gasket 131 is formed on the first surface 111 of the electrolyte membrane 110 by coating using a first liquid material.
  • the first protective layer 211 is removed.
  • the electrolyte membrane 110 is turned over so that the second surface of the electrolyte membrane 110 and the second electrode 122 face upward.
  • a second protective layer 212 is disposed on the second electrode 122.
  • the second protective layer 212 protects the second electrode 122 during a subsequent coating process.
  • a second sub gasket 132 is formed on the second surface of the electrolyte membrane 110 by coating using a second liquid material.
  • the second protective layer 212 is removed.
  • Example 1 100 samples of the membrane-electrode assembly 100 manufactured by the method according to FIGS. 5A to 5H according to an embodiment of the present invention (Example 1) and the membrane-electrode assembly manufactured by the method according to FIGS. 10A to 10H For 100 samples (Comparative Example 1), the average number of curls per sample and the yield were calculated. The results are shown in Table 1.
  • the average number of curls per sample means the average of the number of curls generated in 100 samples, and the good product rate means the ratio of products that are not defective.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a membrane-electrode assembly according to Comparative Example 2.
  • the film-type sub-gaskets 161 and 162 are attached to the membrane-electrode assembly of FIG. 11.
  • the thickness of the sub-gaskets 161 and 162 is determined by the thickness of the film, so it is not easy to adjust the thickness compared to the sub-gaskets 131 and 132 formed by direct coating. not.
  • the sub gaskets 161 and 162 When the film-type sub gaskets 161 and 162 are used, the sub gaskets 161 and 162 have a step corresponding to the thickness of the electrodes 121 and 122, and the sub gaskets 161 and 162 and the sub gaskets 161 and 162 An air gap 290 may be caused between the electrodes 121 and 122.
  • 11 illustrates an air gap 290 surrounded by an electrolyte membrane 110, electrodes 121 and 122, and sub-gaskets 161 and 162 in the form of a film.
  • Such an air gap 290 causes gas leakage and deteriorates the quality of the membrane-electrode assembly.
  • the air gap 290 has the form of a right isosceles right triangular prism and is formed around the rectangular electrodes 121 and 122, it is generated when the film-shaped sub gaskets 161 and 162 are used.
  • the volume can be calculated as follows.
  • V (cm 3 ) T 2 ⁇ (W + L)
  • V is the volume of the air gap 290
  • T is the thickness of the electrodes 121 and 122
  • W is the width of the electrodes 121 and 122
  • L is the volume of the electrodes 121 and 122. Is the length.
  • the thickness of the sub gaskets 131 and 132 can be variously adjusted.
  • the sub gaskets 131 and 132 are manufactured by a coating method using a liquid material, the sub gaskets 131 and 132 do not have a step, or even if they have a step, the height It is very small (that is, its upper surface is substantially flat) so as to be 0.5 times or less, more preferably 0.2 times or less of the thicknesses T1 and T2 of the electrodes 121 and 122.
  • GDL gas diffusion layer
  • the volume of the first air gap satisfies Equation 1 below, and no air gap exists between the second sub-gasket 132 and the second electrode 122.
  • the volume of the second air gap satisfies Equation 2 below.
  • V 1 and V 2 are the volumes of the first and second air gaps, respectively, T 1 and T 2 are the thicknesses of the first and second electrodes 121 and 122, respectively, and W 1 and W 2 Is the widths of the first and second electrodes 121 and 122, respectively, and L 1 and L 2 are lengths of the first and second electrodes 121 and 122, respectively.
  • 12A to 12C are photographs of a membrane-electrode assembly.
  • FIG. 12A is a photograph of a membrane-electrode assembly 100 manufactured by the method according to FIGS. 5A to 5H
  • FIG. 12B is a membrane-electrode assembly manufactured by the method according to FIGS. 10A to 10H (Comparative Example 1).
  • FIG. 12C is a photograph of a film-electrode assembly (Comparative Example 2) attached with a sub-gasket in a film form.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a fuel cell 300 according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell 300 includes the membrane-electrode assembly 100 of the present invention, the gas diffusion layer 140 on the membrane-electrode assembly 100, and the separator on the gas diffusion layer 140. (separator) 150.
  • the membrane-electrode assembly 100 includes an electrolyte membrane 110, a first electrode 121 and a first sub gasket 131 on a first surface of the electrolyte membrane 110, and a second electrode of the electrolyte membrane 110. It includes a second electrode 122 and a second sub gasket 132 on the surface.
  • the gas diffusion layer 140 and the separator 150 may be disposed one on each side of the membrane-electrode assembly 100. Since the gas diffusion layer 140 and the separator 150 have already been described, detailed descriptions thereof are omitted.
  • a fuel cell 300 may include a first gasket 171 and a second gasket 172.
  • the first gasket 171 and the second gasket 172 are disposed between the membrane-electrode assembly 100 and the separator 150, respectively, to seal the space between the electrolyte membrane 110 and the separator 150.
  • the gas diffusion layer 140 includes a space defined by the first sub gasket 131 and the first gasket 171 and the space defined by the second sub gasket 132 and the second gasket 172. Can be placed in space.
  • the gas diffusion layer 140 is formed only on the exposed portions of the first and second electrodes 121 and 122, the present invention is not limited thereto, and the gas diffusion layer 140 is It may be extended to cover at least a portion of each of the first and second sub gaskets 131 and 132.

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Abstract

막-전극 접합체, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 연료전지가 개시된다. 본 발명의 막-전극 접합체 제조방법은, 전해질막의 제1 면에 제1 전극을 형성하는 단계, 제1 액상 재료를 이용한 코팅에 의해 상기 전해질막의 제1 면 상에 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계, 상기 전해질막의 제2 면에 제2 전극을 형성하는 단계, 및 상기 전해질막의 제2 면 상에 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

막-전극 접합체, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 연료전지
본 발명은 막-전극 접합체, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 연료전지에 대한 것이다.
고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)를 포함하는 단위 셀(unit cell)들이 적층된 구조를 이용하여 전기를 발생시키는 장치로, 높은 에너지 효율성과 친환경적 특징을 가져, 화석 에너지를 대체할 수 있는 차세대 에너지원으로 주목 받고 있다.
막-전극 접합체는 일반적으로 산화극(anode)('연료극'이라고도 지칭됨), 환원극(cathode)('공기극'이라고도 지칭됨), 및 이들 전해질막(electrolyte membrane)을 포함한다. 전해질막으로 일반적으로, 고분자 전해질막(polymer electrolyte membrane)이 사용된다.
도 1은 연료전지의 구동에 대한 개략도이다.
수소 가스와 같은 연료가 산화극(21)에 공급되면, 산화극(21)에서는 수소의 산화반응에 의해 수소 이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소 이온은 전해질막(10)을 통해 환원극(22)으로 전달되고, 생성된 전자는 외부 회로를 통해 환원극에 전달된다. 산소를 포함하는 공기가 공급되는 환원극(22)에서는, 산소의 환원 반응이 일어난다. 환원극(22)에서 산소가 수소 이온 및 전자와 결합하여 물이 생성되며, 열이 발생된다.
이때, 산화극(21)으로 유입되는 수소와 환원극(22)으로 유입되는 공기(산소)가 상대 극으로 투과되는 현상이 발생하게 되면 전지의 성능이 저하되기 때문에, 수소와 공기(산소)가 전해질막(10)을 투과하여 혼합되는 것을 방지하여야 한다. 수소와 공기(산소)가 전해질막(10)을 투과하여 혼합되는 것을 억제하는 능력은 전해질막(10)의 성능과 직결된다. 따라서, 종래, 전극 부분을 제외하고 막-전극 접합체의 가장자리 둘레부에 대응되는 전해질막(10)의 가장자리에 가스켓을 덧댐으로써 수소와 공기(산소)가 전해질막(10)을 투과하여 상대 전극으로 넘어가는 것을 억제하였다.
전해질막(10)에 가스켓을 배치하는 방법 중, 일반적으로 많이 활용되는 방법은 가열, 가압에 의해 필름 형태의 서브 가스켓을 전해질막(10)에 라미네이팅하는 방법이다. 그러나, 이 방법의 경우, (i) 서브 가스켓 라미네이팅을 위한 가열 및 가압 과정에서 전극(21, 22)이 손상되는 문제점이 있으며, (ii) 필름의 두께에 의해 서브 가스켓의 최종 두께가 정해지기 때문에 서브 가스켓의 두께 조절을 위해서는 다양한 필름 두께의 서브 가스켓들을 따로 준비해야 하는 번거로움이 따르고, (iii) 필름 형태의 서브 가스켓 중 일부가 전극의 둘레 상에 부착될 때 상기 전극의 두께에 상응하는 단차가 상기 서브 가스켓에 발생하게 되는데, 이러한 서브 가스켓의 단차는 후속 공정[예를 들어, 가스 확산층(GDL) 형성/조립 공정]의 작업성을 저하시키며, (iv) 상기 단차로 인해 상기 서브 가스켓 필름과 상기 전극의 측면 사이에 에어 갭이 야기되어 서브 가스켓 필름의 가스 누출 방지 기능을 현저히 저하시킨다.
본 발명의 일 실시예는 상기의 문제점을 해결할 수 있는 막-전극 접합체, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 관점은, 후속 공정의 작업성을 저하시키는 단차를 전혀 또는 거의 갖지 않는 서브 가스켓을 포함하는 막-전극 접합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 관점은, 전극 손상을 유발하지 않으면서 높은 생산성으로 우수한 성능의 막-전극 접합체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.본 발명의 또 다른 관점은, 후속 공정의 작업성을 저하시키는 단차를 전혀 또는 거의 갖지 않는 서브 가스켓을 포함하는 막-전극 접합체를 이용하여 제조된 연료전지를 제공하는 것이다.
위와 같은 본 발명의 일 관점에 따라, 제1 면 및 그 반대편의 제2 면을 갖는 전해질막 - 상기 전해질막은 활성 영역 및 상기 활성 영역을 둘러싸는 비활성 영역을 포함함 -; 상기 전해질막의 상기 제1 면 상에 배치되어 상기 활성 영역을 덮는 제1 전극; 상기 전해질막의 상기 제1 면 상에 배치되며, 상기 제1 전극의 중앙부를 노출시키는 제1 윈도우를 갖는 제1 서브 가스켓; 상기 전해질막의 상기 제2 면 상에 배치되어 상기 활성 영역을 덮는 제2 전극; 및 상기 전해질막의 상기 제2 면 상에 배치되며, 상기 제2 전극의 중앙부를 노출시키는 제2 윈도우를 갖는 제2 서브 가스켓을 포함하되, 상기 제1 서브 가스켓은 상기 제1 전극의 둘레부와 중첩하는 제1 중첩 영역 및 상기 비활성 영역을 덮는 제1 비중첩 영역을 포함하고, 상기 제1 중첩 영역과 상기 제1 비중첩 영역 사이에 단차가 존재하지 않거나 상기 제1 중첩 영역과 상기 제1 비중첩 영역에 의해 형성되는 제1 단차의 높이가 상기 제1 전극의 두께의 0.5 배 이하이고, 상기 제2 서브 가스켓은 상기 제2 전극의 둘레부와 중첩하는 제2 중첩 영역 및 상기 비활성 영역을 덮는 제2 비중첩 영역을 포함하며, 상기 제2 중첩 영역과 상기 제2 비중첩 영역 사이에 단차가 존재하지 않거나 상기 제2 중첩 영역과 상기 제2 비중첩 영역에 의해 형성되는 제2 단차의 높이가 상기 제2 전극의 두께의 0.5 배 이하인, 막-전극 접합체가 제공된다.
상기 제1 서브 가스켓과 상기 제1 전극 사이에 에어 갭이 존재하지 않거나 상기 제1 서브 가스켓과 상기 제1 전극 사이에 제1 에어 갭이 존재한다고 하더라도 상기 제1 에어 갭의 체적이 하기의 식 1을 만족할 수 있고, 상기 제2 서브 가스켓과 상기 제2 전극 사이에 에어 갭이 존재하지 않거나 상기 제2 서브 가스켓과 상기 제2 전극 사이에 제2 에어 갭이 존재한다고 하더라도 상기 제2 에어 갭의 체적이 하기의 식 2를 만족할 수 있다.
* 식 1: V1 ≤ 0.5 ×T1 2 × (W1 + L1)
* 식 2: V2 ≤ 0.5 ×T2 2 × (W2 + L2)
여기서, V1 및 V2는 각각 상기 제1 및 제2 에어 갭들의 체적들이고, T1 및 T2는 각각 상기 제1 및 제2 전극들의 두께들이고, W1 및 W2는 각각 상기 제1 및 제2 전극들의 폭들이고, L1 및 L2는 각각 상기 제1 및 제2 전극들의 길이들이다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 전해질막의 제1 면에 제1 전극을 형성하는 단계, 제1 액상 재료를 이용한 코팅에 의해 상기 전해질막의 제1 면 상에 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계, 상기 전해질막의 제2 면에 제2 전극을 형성하는 단계, 및 제2 액상 재료를 이용한 코팅에 의해 상기 전해질막의 제2 면 상에 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계를 포함하는, 막-전극 접합체의 제조방법이 제공된다.
상기 막-전극 접합체의 제조방법은, 상기 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계 전에 상기 제1 전극 상에 제1 보호층을 배치하는 단계 및 상기 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계 전에 상기 제2 전극 상에 제2 보호층을 배치하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 막-전극 접합체의 제조방법은, 상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층 중 적어도 하나를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 코팅 또는 전사에 의해 형성된다.
상기 제1 전극을 형성하는 단계에서, 상기 전해질막은 지지 기판에 의해 지지된다.
상기 제1 서브 가스켓 및 상기 제2 서브 가스켓을 형성하기 위한 코팅은 각각 액상의 소재를 이용하는 스프레이 코팅, 콤마 코팅 및 슬롯다이 코팅 중 어느 하나의 방법으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계 및 상기 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계에서, 3D 프린터 및 부분 코팅 설비 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
상기 제1 액상 재료 및 상기 제2 액상 재료는 각각 가교성 또는 경화성을 갖는 탄성 재료이다.
상기 제1 액상 재료 및 상기 제2 액상 재료는 서로 동일할 수 있다. 또한, 상기 제1 액상 재료 및 상기 제2 액상 재료는 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 서브 가스켓 및 제2 서브 가스켓은, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리아미드, 테트라플루오로에틸렌/헥사플루오로프로펜(FEP), 불소 고무, 실리콘 고무, 탄화수소계 탄성체 (EPDM, EPR 등) 및 폴리우레탄(Polyurethane) 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계 및 상기 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계 중 적어도 하나의 단계에서, 상기 코팅 후, 상기 제1 서브 가스켓 또는 상기 제2 서브 가스켓은 10 초 내지 600초가 방치된다.
상기 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계 및 상기 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계 중 적어도 하나의 단계에서, 상기 코팅 후, 상기 제1 서브 가스켓 또는 상기 제2 서브 가스켓은 40 ~ 150℃의 온도로 가열된다.
상기 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계 및 상기 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계 중 적어도 하나의 단계에서, 상기 코팅 후, 상기 제1 서브 가스켓 또는 상기 제2 서브 가스켓은 열풍으로 3초~ 300초간 열처리된다.
상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층은 각각 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 테트라플루오르에틸렌(Tetrafluoroethylene), 폴리에틸렌(PE), 고무 및 실리콘 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 막-전극 접합체의 제조방법은, 상기 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계 전에, 상기 전해질막의 적어도 일부를 절단하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 따라, 상기 막-전극 접합체, 상기 막-전극 접합체 상의 기체 확산층 및 상기 기체 확산층 상의 세퍼레이터(separator)를 포함하는 연료전지가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 코팅에 의해 서브 가스켓이 형성되기 때문에, 코팅 두께를 조절함으로써 서브 가스켓의 두께를 용이하게 조절할 수 있으며, 직접 코팅 공정을 적용함으로써 대량생산 및 자동화 구현이 가능하다. 또한, 필름 라미네이팅을 위한 가열 및 가압 공정 없이 직접 코팅 방식으로 서브 가스켓을 형성하기 때문에, 전극 손상이 유발되지 않을 뿐만 아니라 서브 가스켓이 단차를 전혀 또는 거의 갖지 않게 되어 기체 확산층 형성/조립 공정과 같은 후속 공정의 작업성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전극의 측면과 서브 가스켓 사이에 에어 갭이 야기되는 것이 방지되거나 최소화될 수 있어 가스 누출 방지라는 서브 가스켓의 본연의 기능이 확실히 담보될 수 있다.
본 발명의 일 실시예 따른 직접 코팅에 사용되는 액상 재료는 상온 가교성 또는 열 가교성을 가지며, 액상 재료에 형성된 서브 가스켓은 우수한 가스 차단성 및 탄성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 서브 가스켓과 막-전극 접합체가 일체형으로 제조되기 때문에, 연료전지 구동시 수소 혹은 공기(산소)와 같은 가스의 누출이 적고, 제작공정이 간단하여 연료전지의 대량생산이 용이해진다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 서브 가스켓의 소재로 탄성체가 사용될 수 있으며, 그 결과, 연료전지 스택 조립시 구성 개체간 두께 편차를 탄성체가 흡수하여, 안정적인 스택 구조체가 제조될 수 있다. 또한, 서브 가스켓의 두께 조절이 용이하기 때문에, 막-전극 접합체와 기체 확산층 간의 계면 접합력이 최적화 및 증가되며, 그에 따라, 연료전지의 성능 및 내구성이 향상될 수 있다. 또한, 두께별로 서브 가스켓 소재를 준비할 필요가 없어, 생산 원가가 절감될 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 연료전지의 구동에 대한 개략도이다.
도 2는 연료전지의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 분해 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 5a 내지 5h는 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 제조 공정도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 7a 내지 7h는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 제조 공정도이다.
도 8은 롤 형태로 권취된 막-전극 접합체의 사시도이다.
도 9a 내지 9f는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 제조 공정도이다.
10a 내지 10h는 비교예 1에 따른 막-전극 접합체의 제조 공정도이다.
도 11은 비교예 2에 따른 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 12a 내지 12c는 막-전극 접합체의 사진이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지의 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 아래에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 예시적 목적으로 제시되는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로, 본 발명이 도면에 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 구성 요소는 동일 참조 부호로 지칭될 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명은 생략된다.
본 명세서에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소가 단수로 표현된 경우, 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함한다. 또한, 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below, beneath)", "하부 (lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해 되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 마찬가지로, 예시적인 용어인 "위" 또는 "상"은 위와 아래의 방향을 모두 포함할 수 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제 1 항목, 제 2 항목 및 제 3 항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제 1 항목, 제 2 항목 또는 제 3 항목 각각 뿐만 아니라 제 1 항목, 제 2 항목 및 제 3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미할 수 있다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시될 수도 있다.
도 2는 연료전지의 분해 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지는 전해질막(10), 제1 전극(21), 제2 전극(22), 서브 가스켓(31, 32), 기체 확산층(41, 42), 가스켓(51, 52) 및 세퍼레이터(61, 62)를 포함한다. 도 2는 연료전지의 하나의 단위 셀을 도시하고 있다.
전해질막(10)으로 당업계에 공지된 고분자 전해질막이 사용될 수 있다. 전해질막(10) 및 고분자 전해질막에 대한 상세한 설명은 생략된다.
제1 전극(21)과 제2 전극(22) 중 어느 하나는 산화극이 될 수 있고, 다른 하나는 환원극이 될 수 있다. 산화극을 애노드 또는 연료극이라고도 하며, 환원극을 캐소드 또는 공기극이라고도 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1 전극(21)이 산화극인 경우, 제2 전극(22)은 환원극이 되고, 제1 전극(21)이 환원극인 경우, 제2 전극(22)은 산화극이 된다.
제1 전극(21)과 제2 전극(22) 중 어느 하나로 수소 가스와 같은 연료가 공급되고, 다른 하나로 산소를 포함하는 공기가 공급된다. 수소 가스와 공기는 기체 확산층(41, 42)을 통해 각각 제1 전극(21)과 제2 전극(22) 중 어느 하나로 공급된다.
수소 가스와 같은 연료가 산화극에 공급되면, 산화극에서는 수소의 산화반응에 의해 수소 이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소 이온은 고분자 전해질막(10)을 통해 환원극으로 전달되고, 생성된 전자는 외부 회로를 통해 환원극에 전달된다. 산소를 포함하는 공기는 환원극에 공급되며, 환원극에서 산소는 수소 이온 및 전자와 결합하며, 그 결과 물이 생성되고 열이 발생된다.
산화극으로 유입되는 수소와 환원극으로 유입되는 공기(산소)가 전해질막(10)을 통해 상대 극으로 투과되는 현상이 발생하게 되면 연료전지의 성능이 저하된다. 따라서, 수소와 공기(산소)가 전해질막(10)을 통해 상대 극으로 투과되는 것을 방지하기 위해 서브 가스켓(31, 32)이 배치된다.
서브 가스켓(31, 32)은 전해질막(10)의 가장자리에 배치되어, 수소가 산화극을 통하지 않고 환원극으로 유입되는 것을 방지하고, 산소가 전해질막(10)을 통해 산화극으로 유입되는 것을 방지한다.
가스켓(51, 52)은, 공급된 가스가 손실 없이 전기 화학반응이 일어나는 제1 전극(21) 및 제2 전극(22)으로 전달되도록 하기 위해, 전해질막(10)과 세퍼레이터(61, 62) 사이의 공간을 밀봉하는 역할을 한다. 가스켓(51, 52)에 의해 연료전지 스택의 기밀성이 유지될 수 있다.
세퍼레이터(separator)(61, 62)는 전해질막(10), 제1 전극(21), 제2 전극(22), 서브 가스켓(31, 32). 기체 확산층(41, 42) 및 가스켓(51, 52)을 고정한다. 세퍼레이터(61, 62)는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고 지칭되기도 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체(100)의 분해 사시도이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 서로 다른 실시예들에 따른 막-전극 접합체들(100)의 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 가스켓 일체형 막-전극 접합체(100)는, 제1 면(111) 및 그 반대편의 제2 면(112)을 갖는 전해질막(110), 상기 전해질막(110)의 제1 면(111) 상의 제1 전극(121), 상기 전해질막(110)의 제1 면(111) 상의 제1 서브 가스켓(131), 상기 전해질막(110)의 제2 면(112) 상의 제2 전극(122), 및 상기 전해질막(110)의 제2 면(112) 상의 제2 서브 가스켓(132)을 포함한다.
상기 전해질막(110)은 상기 제1 및 제2 전극들(121, 122)에 대응하는 영역으로서 전기 발생에 직접적으로 기여하는 영역인 활성 영역(AA) 및 상기 활성 영역(AA)을 둘러싸는 비활성 영역(NA)을 포함한다. 전해질막(110)으로 당업계에 공지된 고분자 전해질막이 사용된다. 고분자 전해질막에 대한 상세한 설명은 생략된다.
상기 제1 전극(121) 상기 전해질막(110)의 상기 제1 면(111) 상에 배치되어 상기 활성 영역(AA)을 덮으며, 상기 제2 전극(122)은 상기 전해질막(110)의 상기 제2 면(112) 상에 배치되어 상기 활성 영역(AA)을 덮는다.
제1 전극(121)과 제2 전극(122) 중 어느 하나는 산화극이고, 다른 하나는 환원극이다. 산화극을 애노드 또는 연료극이라고도 하며, 환원극을 캐소드 또는 공기극이라고도 한다.
제1 전극(121)이 산화극인 경우, 제2 전극(122)은 환원극이 되고, 제1 전극(121)이 환원극인 경우, 제2 전극(122)은 산화극이 된다. 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 중 어느 하나로 수소 가스와 같은 연료가 공급되고, 다른 하나로 산소를 포함하는 공기가 공급된다.
상기 전해질막(110)의 상기 제1 면(111) 상에 배치된 상기 제1 서브 가스켓(131)은 상기 제1 전극(121)의 중앙부를 노출시키는 제1 윈도우(W1)를 가지며, 상기 전해질막(110)의 상기 제2 면(112) 상에 배치된 상기 제2 서브 가스켓(132)은 상기 제2 전극(122)의 중앙부를 노출시키는 제2 윈도우(W2)를 갖는다. 상기 제1 및 제2 윈도우들(W1, W2)을 통해 각각 노출된 상기 제1 및 제2 전극들(121, 122)의 중앙부들에 수소 가스 및 산소 가스가 각각 접촉한다.
제1 서브 가스켓(131)과 제2 서브 가스켓(132)은 탄성 및 기밀성을 갖는다. 제1 서브 가스켓(131)과 제2 서브 가스켓(132)은 어느 한 전극의 수소 또는 산소가 전해질막(110)을 통해 다른 전극으로 유입되는 것을 방지한다.
제1 서브 가스켓(131) 및 제2 서브 가스켓(132)은 탄성을 갖는 재료로 만들어질 수 있다. 제1 서브 가스켓(131)과 제2 서브 가스켓(132)은 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리아미드, 테트라플루오로에틸렌/헥사플루오로프로펜(FEP), 불소 고무, 실리콘 고무, 탄화수소계 탄성체 (EPDM, EPR 등) 및 폴리우레탄(Polyurethane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 예시된 바와 같이, 제1 서브 가스켓(131)은 상기 제1 전극(121)의 둘레부와 중첩하는 제1 중첩 영역(OA1) 및 상기 전해질막(110)의 비활성 영역(NA)을 덮는 제1 비중첩 영역(NOA1)을 포함한다.
마찬가지로, 제2 서브 가스켓(132)은 상기 제2 전극(122)의 둘레부와 중첩하는 제2 중첩 영역(OA2) 및 상기 전해질막(110)의 비활성 영역(NA)을 덮는 제2 비중첩 영역(NOA2)을 포함한다.
상기 제1 및 제2 서브 가스켓들(131, 132)의 제1 및 제2 중첩 영역들(OA1, OA2)은 상기 제1 및 제2 전극들(121, 122)의 둘레부들을 각각 보호할 뿐만 아니라 제1 서브 가스켓(131)과 제1 전극(121) 사이의 경계 또는 제2 서브 가스켓(132)과 제2 전극(122) 사이의 경계를 통해 가스가 누설되는 것을 방지한다.
본 발명에 의하면, (i) 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 제1 중첩 영역(OA1)과 상기 제1 비중첩 영역(NOA1) 사이 및 상기 제2 중첩 영역(OA2)과 상기 제2 비중첩 영역(NOA2) 사이에 단차가 존재하지 않거나, (ii) 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 중첩 영역(OA1)과 상기 제1 비중첩 영역(NOA1)에 의해 형성되는 제1 단차의 높이(H1)가 상기 제1 전극(121)의 두께(T1)의 0.5 배 이하, 더욱 바람직하게는 0.2 배 이하이고 상기 제2 중첩 영역(OA2)과 상기 제2 비중첩 영역(NOA2)에 의해 형성되는 제2 단차의 높이(H2)가 상기 제2 전극(122)의 두께(T2)의 0.5 배 이하, 더욱 바람직하게는 0.2 배 이하이다.
즉, 본 발명에 의하면, 상기 제1 및 제2 서브 가스켓들(131, 132)은 그 상면에 단차를 갖지 않거나, 단차를 갖는다고 하더라도 그 높이가 상기 제1 전극(121)의 두께(T1) 또는 상기 제2 전극(122)의 두께(T2)의 0.5 배 이하, 더욱 바람직하게는 0.2 배 이하일 정도로 매우 작기 때문에, 기체 확산층 형성/조립 공정과 같은 후속 공정의 작업성이 향상될 수 있다.
또한, 도 4a 및 4b에 예시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 서브 가스켓들(131, 132)은 에어 갭이 존재하지 않을 정도로 상기 제1 및 제2 전극들(121, 122)에 각각 밀착되어 있을 수 있다. 따라서, 에어 갭을 통한 가스 누출이 방지될 수 있다.
이하 도 5a 내지 5h를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체(100)의 제조방법을 설명한다.
도 5a 내지 5h는 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체(100)의 제조 공정도이다.
먼저, 도 5a를 참조하면, 전해질막(110)의 제1 면(111)에 제1 전극(121)이 형성된다.
제1 전극(121)의 형성 방법에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전극(121)은 코팅 또는 전사 방법에 의하여 형성될 수 있다. 제1 전극(121)의 재료로, 당업계에 알려진 산화극 재료 또는 환원극 재료 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
제1 전극(121)을 형성하는 단계에서, 전해질막(110)은 지지 기판(190)에 의해 지지될 수 있다. 지지 기판(190)의 종류에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 전해질막(110)을 지지할 수 있는 소재는 지지 기판(190)으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 플라스틱 필름이 지지 기판(190)으로 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 지지 기판(190)으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름이 사용될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 제1 전극(121) 상에 제1 보호층(211)이 배치된다.
제1 보호층(211)은 제1 전극(121)을 보호한다. 제1 서브 가스켓(131) 형성을 위한 코팅 후 제1 보호층(211)은 제거되거나, 제2 서브 가스켓(132) 형성때까지 부착되어 있다가 제2 서브 가스켓(132) 형성 후 제 2 보호층(212)과 함께 제거될 수 있다. 따라서, 제1 보호층(211)은 박리 과정에서 제1 전극(121)의 손상을 최소화할 수 있는 재료로 만들어진다.
제1 보호층(211)으로, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 테트라플루오르에틸렌(Tetrafluoroethylene), 폴리에틸렌(PE), 고무 및 실리콘 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
제1 보호층(211)은 1 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있다.
또한, 도 5b를 참조하면, 제1 보호층(211)은 제1 전극(121)보다 작은 면적을 가지며, 제1 전극(121)의 영역 내에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 보호층(211)은 제1 전극(121)의 가장자리 안쪽에 배치될 수 있다. 그에 따라, 제1 전극(121)의 둘레부 상에도 제1 서브 가스켓(131)이 배치될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 제1 액상 재료를 이용한 코팅에 의해, 전해질막(110)의 제1 면(111) 상에 제1 서브 가스켓(131)이 형성된다.
제1 서브 가스켓(131) 형성을 위한 제1 액상 재료는 가교성 또는 경화성을 갖는 탄성 재료로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 제1 서브 가스켓(131)은, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리아미드, 테트라플루오로에틸렌/헥사플루오로프로펜(FEP), 불소 고무, 실리콘 고무, 탄화수소계 탄성체 (EPDM, EPR 등) 및 폴리우레탄(Polyurethane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 따라서, 제1 액상 재료는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리아미드, 테트라플루오로에틸렌/헥사플루오로프로펜(FEP), 불소 고무, 실리콘 고무, 탄화수소계 탄성체(EPDM, EPR 등) 및 폴리우레탄(Polyurethane) 중 어느 하나의 성분이 용매에 용해 또는 분산되어 있는 상태의 재료일 수 있다. 이와 같이, 제1 액상 재료는 고분자 성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액상의 소재를 활용한 직접 코팅 방식에 의해 제1 서브 가스켓(131)이 형성될 수 있다.
구체적으로, 제1 서브 가스켓(131)을 형성하기 위한 코팅은 액상의 소재를 이용하는 스프레이 코팅, 콤마 코팅 및 슬롯다이 코팅 중 어느 하나의 방법으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 스프레이 코팅에 의해 제1 서브 가스켓(131)이 형성될 수 있다.
도 5c에, 스프레이 코팅에 의해 제1 서브 가스켓(131)이 형성되는 방법이 도시되어 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 서브 가스켓(131)을 형성하기 위한 코팅 방법으로, 액상의 소재를 활용한 직접 코팅 방식이 적용될 수 있다. 도 5c를 참조하면, 스프레이 코팅을 위해 스프레이 코팅 장치(250)가 사용된다.
코팅 후, 제1 액상 재료가 건조되고 가교 또는 경화되어 제1 서브 가스켓(131)이 완성된다.
제1 서브 가스켓(131)을 형성하는 단계에서, 코팅 후, 제1 서브 가스켓(131)은 10 초 내지 600초가 방치될 수 있다. 그에 따라, 제1 서브 가스켓(131) 형성에 사용된 제1 액상 재료가 건조될 수 있고, 제1 액상 재료에 포함된 고분자 성분의 가교 또는 경화가 진행될 수 있다.
또한, 제1 서브 가스켓(131)을 형성하는 단계에서, 제1 액상 재료를 이용한 코팅 후, 제1 서브 가스켓(131)이 40 ~ 150℃의 온도로 가열될 수 있다. 이러한 가열에 의해 제1 액상 재료에 포함된 고분자 성분의 열가교 또는 열경화가 촉진되어, 제1 서브 가스켓(131)이 완성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 서브 가스켓(131)을 형성하는 단계에서, 제1 액상 재료를 이용한 코팅 후, 제1 서브 가스켓(131)이 열풍으로 3초~ 300초간 열처리될 수 있다.
도 5d를 참조하면, 전해질막(110)을 지지 기판(190)으로부터 분리한 후, 전해질막(110)을 뒤집어, 전해질막(110)의 제2 면(112)이 상부를 향하도록 한다.
도 5e를 참조하면, 전해질막(110)의 제2 면(112)에 제2 전극(122)이 형성된다.
제2 전극(122)은 제1 전극(121)과 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 전극(122)은 코팅 또는 전사 방법에 의하여 형성될 수 있다. 제1 전극(121)이 산화극인 경우, 제2 전극(122)은 환원극이 되고, 제1 전극(121)이 환원극인 경우, 제2 전극(122)은 산화극이 된다. 제2 전극(122)의 재료로, 당업계에 알려진 환원극 재료 또는 산화극 재료 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
도 5f를 참조하면, 제2 전극(122) 상에 제2 보호층(212)이 배치된다.
제2 보호층(212)은 제2 전극(122)을 보호한다. 제2 서브 가스켓(132) 형성을 위한 코팅 후 제2 보호층(212)은 제거된다. 따라서, 제2 보호층(212)은 박리 과정에서 제2 전극(122)의 손상을 최소화할 수 있는 재료로 만들어진다.
제2 보호층(212)은 제1 보호층(211)과 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
제2 보호층(212)으로, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 테트라플루오르에틸렌(Tetrafluoroethylene), 폴리에틸렌(PE), 고무 및 실리콘 중 적어도 하나가 사용될 수 있다. 제1 보호층(122)은 1 내지 50㎛의 두께를 가질 수 있다.
도 5f를 참조하면, 제2 보호층(212)은 제2 전극(122)보다 작은 면적을 가지며, 제2 전극(122)의 영역 내에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 보호층(212)은 제2 전극(122)의 가장자리 안쪽에 배치될 수 있다. 그에 따라, 제2 전극(122)의 둘레부 상에도 제2 서브 가스켓(132)이 배치될 수 있다.
도 5g를 참조하면, 제2 액상 재료를 이용한 코팅에 의해, 전해질막(110)의 제2 면(112) 상에 제2 서브 가스켓(132)이 형성된다.
제2 서브 가스켓(132) 형성을 위한 제2 액상 재료는 제1 서브 가스켓(131) 형성을 위한 제1 액상 재료와 동일할 수도 있고 다를 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 액상 재료와 제2 액상 재료는 그 조성이 서로 동일할 수 있다.
반면, 적용 부위 또는 용도에 따라, 제1 액상 재료와 제2 액상 재료에 서로 다른 첨가제가 첨가되어 그 조성이 서로 달라질 수 있다. 그 결과, 제1 서브 가스켓(131)과 제2 서브 가스켓(132)이 서로 다른 기능성을 가질 수도 있다.
제2 서브 가스켓(132) 형성을 위한 제2 액상 재료는 가교성 또는 경화성을 갖는 탄성 재료로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 제2 서브 가스켓(132)은, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리아미드, 테트라플루오로에틸렌/헥사플루오로프로펜(FEP), 불소 고무, 실리콘 고무, 탄화수소계 탄성체 (EPDM, EPR 등) 및 폴리우레탄(Polyurethane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 따라서, 제2 액상 재료는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리아미드, 테트라플루오로에틸렌/헥사플루오로프로펜(FEP), 불소 고무, 실리콘 고무, 탄화수소계 탄성체 (EPDM, EPR 등) 및 폴리우레탄(Polyurethane) 중 어느 하나의 성분이 용매에 용해 또는 분산되어 있는 상태의 재료일 수 있다. 이와 같이, 제2 액상 재료는 고분자 성분을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 액상의 소재를 활용한 직접 코팅 방식에 의해 제2 서브 가스켓(132)이 형성될 수 있다.
구체적으로, 제2 서브 가스켓(132)을 형성하기 위한 코팅은 액상의 소재를 이용하는 스프레이 코팅, 콤마 코팅 및 슬롯다이 코팅 중 어느 하나의 방법으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 스프레이 코팅에 의해 제2 서브 가스켓(132)이 형성될 수 있다.
도 5g를 참조하면, 스프레이 코팅에 의해 제2 서브 가스켓(132)이 형성되는 방법이 도시되어 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 서브 가스켓(132)을 형성하기 위해 액상의 소재를 활용한 직접 코팅 방식이 적용될 수 있으며, 대표적으로 스프레이 코팅이 적용될 수 있다.
코팅 후, 제2 액상 재료가 건조되고 가교 또는 경화되어 제2 서브 가스켓(132)이 완성된다.
제2 서브 가스켓(132)을 형성하는 단계에서, 코팅 후, 제2 서브 가스켓(132)은 10 초 내지 600초가 방치될 수 있다. 그에 따라, 제2 서브 가스켓(132) 형성에 사용된 제2 액상 재료가 건조될 수 있고, 제2 액상 재료에 포함된 고분자 성분의 가교 또는 경화가 진행될 수 있다.
또한, 제2 서브 가스켓(132)을 형성하는 단계에서, 제2 액상 재료를 이용한 코팅 후, 제2 서브 가스켓(131)이 40 ~ 150℃의 온도로 가열될 수 있다. 이러한 가열에 의해 제2 액상 재료에 포함된 고분자 성분의 열가교 또는 열경화가 촉진되어, 제2 서브 가스켓(131)이 완성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 서브 가스켓(131)을 형성하는 단계에서, 제2 액상 재료를 이용한 코팅 후, 제2 서브 가스켓(131)이 열풍으로 3초~ 300초간 열처리될 수 있다.
제1 서브 가스켓(131)에 대한 가열과 제2 서브 가스켓(132)에 대한 가열은 동시에 이루어질 수도 있고, 별도로 이루어질 수도 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 소재에 따라 가열이 이루어질 수도 있고, 이루어지지 않을 수도 있다.
도 5h를 참조하면, 제1 보호층(211) 및 제2 보호층(212)이 제거된다. 제1 보호층(211) 및 제2 보호층(212)이 제거될 때, 제1 보호층(211) 및 제2 보호층(212) 상부에 잔존하던 제1 액상 재료에 의한 코팅층 및 제2 액상 재료에 의한 코팅층 역시 제거된다.
제1 보호층(211) 및 제2 보호층(212)이 제거됨으로써, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)이 노출되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체(100)가 완성된다. 도 5h를 참조하면, 제1 전극(121)의 표면 중 전해질막(110) 반대쪽의 표면이 노출되고, 제2 전극(122)의 표면 중 전해질막(110) 반대쪽의 표면이 노출된다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체(200)의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b와 비교하여, 도 6에 도시된 막-전극 접합체(200)는, 전해질막(110)의 에지 전체가 제1 및 제2 서브 가스켓들(131,132)에 의하여 둘러싸여 있다는 점에서 차이가 있다.
전해질막(110)이 제1 서브 가스켓(131) 또는 제2 서브 가스켓(132)과 동일한 규격을 갖는 도 4a 및 도 4b의 막-전극 접합체들(100)과 비교하여, 도 6의 서브 가스켓 일체형 막-전극 접합체(200)에서 전해질막(110)의 에지가 더 안정적으로 보호될 수 있으며, 고가의 전해질막(110)이 적게 사용되어 경제적이다.
도 7a 내지 7h는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체(200)의 제조 공정도이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체(200)의 제조방법은, 제1 서브 가스켓(131)을 형성하는 단계 전에, 전해질막(110)의 적어도 일부를 절단하는 단계를 더 포함한다.
이하, 도 7a 내지 7h를 참조하여, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체(200)의 제조방법을 설명한다.
도 7a를 참조하면, 전해질막(110)의 제1 면(111)에 제1 전극(121)이 형성된다. 제1 전극(121)의 형성 방법에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 제1 전극(121)은 코팅 또는 전사 방법에 의하여 형성될 수 있다.
도 7b를 참조하면, 전해질막(110)의 가장자리가 절단된다. 이 때, 커터(260)또는 피너클다이가 사용될 수 있다. 그에 따라, 전해질막(110)은 지지 기판(190) 보다 작은 면적을 가진다.
도 7c를 참조하면, 제1 전극(121) 상에 제1 보호층(211)이 배치된다. 제1 보호층(211)은 후속의 코팅 공정 중에 제1 전극(121)을 보호한다.
도 7d를 참조하면, 제1 액상 재료를 이용한 코팅에 의해, 전해질막(110)의 제1 면(111) 상에 제1 서브 가스켓(131)이 형성된다. 제1 서브 가스켓(131)은 전해질막(110)의 제1 면(111) 및 측면을 완전히 둘러싼다.
도 7d를 참조하면, 액상의 소재를 활용한 직접 코팅 방식 중 하나인 스프레이 코팅에 의해 제1 서브 가스켓(131)이 형성된다. 코팅 후, 제1 액상 재료가 건조되고 가교 또는 경화될 수 있다.
도 7e를 참조하면, 전해질막(110)을 지지 기판(190)으로부터 분리한 후, 전해질막(110)을 뒤집어, 전해질막(110)의 제2 면(112)이 상부를 향하도록 한다.
도 7f를 참조하면, 전해질막(110)의 제2 면(112)에 제2 전극(122)이 형성되고, 제2 전극(122) 상에 제2 보호층(212)이 배치된다. 제2 보호층(212)은 제2 전극(122)을 보호한다.
도 7g를 참조하면, 제2 액상 재료를 이용한 코팅에 의해, 전해질막(110)의 제2 면(112) 및 제1 서브 가스켓(131) 상에 제2 서브 가스켓(132)이 형성된다.
제2 서브 가스켓(132) 형성을 위한 제2 액상 재료는 제1 서브 가스켓(131) 형성을 위한 제1 액상 재료와 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 도 7g를 참조하면, 스프레이 코팅에 의해 제2 서브 가스켓(132)이 형성된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 서브 가스켓(132)을 형성하기 위한 코팅은 액상의 소재를 활용한 직접 코팅 방식에 의하여 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 스프레이 코팅에 의하여 이루어질 수 있다.
코팅 후, 제2 액상 재료가 건조되고 가교 또는 경화될 수 있다.
도 7h를 참조하면, 제1 보호층(211) 및 제2 보호층(212)이 제거된다. 제1 보호층(211) 및 제2 보호층(212)이 제거될 때, 제1 보호층(211) 및 제2 보호층(212) 상부에 잔존하던 제1 액상 재료에 의한 코팅층 및 제2 액상 재료에 의한 코팅층 역시 제거된다. 제1 보호층(211) 및 제2 보호층(212)이 제거됨으로써, 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)이 개방되며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체(200)가 완성된다.
코팅방식에 의해 형성되는 서브 가스켓(131, 132)은 두께를 다양하게 조절할 수 있고, 액체를 이용한 코팅방식으로 제조되기 때문에 기존의 필름형태 서브 가스켓을 라미네이팅할 때전극층 두께 단차에 의해 야기되는 에어 갭 없이 서브 가스켓(131, 132)을 형성할 수 있다. 또한, 서브 가스켓(131, 132)을 평탄하게 제조할 수 있어 기체 확산층(GDL) 조립시 용이한 작업성을 가질 수 있다.
도 8은 롤 형태로 권취된 막-전극 접합체의 사시도이다.
본 발명의 실시예들에 따른 막-전극 접합체(100, 200)는 도 8에 도시된 바와 같이 롤 형태로 권취될 수 있다. 도 8의 I-I'를 따라 자른 단면은 도 4a, 도 4b 또는 도 6으로 표시될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 서브 카스켓 형성용 재료가 직접 코팅 방식으로 전해질막(110)에 코팅되어 서브 가스켓 일체형 막-전극 접합체(100, 200)가 제조되는 경우, 롤-투-롤 방식으로 막-전극 접합체(100, 200)를 제조할 수 있다. 그에 따라, 대량 생산이 가능해진다.
이하, 도 9a 내지 9f는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 제조방법을 설명한다.
도 9a를 참조하면, 전해질막(110)의 제1 면(111)에 제1 전극(121)이 형성된다.
제1 전극(121)을 형성하는 단계에서, 전해질막(110)은 지지 기판(190)에 의해 지지될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 제1 액상 재료를 이용한 코팅에 의해 전해질막(110)의 제1 면(111) 상에 제1 서브 가스켓(131)이 형성된다.
제1 서브 가스켓(131) 형성을 위한 제1 액상 재료는 가교성 또는 경화성을 갖는 탄성 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 보호층 없이 제1 전극(121) 주변의 전해질막(110) 상에 제1 서브 가스켓(131) 형성을 위한 제1 액상 재료를 직접 코팅/인쇄함으로써 제1 서브 가스켓(131)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 3D 프린터 또는 부분 코팅 설비를 이용하여, 보호층 없이 제1 전극(121) 주변에 제1 액상 재료를 직접 코팅/인쇄 및 가교할 수 있다. 그에 따라, 전해질막(110) 상에 제1 서브 가스켓(131)이 선택적으로 형성된다.
도 9b에는 직접 코팅을 위해 3D 프린터(350)를 사용하는 방법이 예시되어 있다.
도 9c를 참조하면, 코팅/인쇄 후, 제1 액상 재료가 건조되고 가교 또는 경화되어 제1 서브 가스켓(131)이 완성된다.
도 9d를 참조하면, 전해질막(110)을 지지 기판(190)으로부터 분리한 후, 전해질막(110)을 뒤집어 전해질막(110)의 제2 면(112)이 상부를 향하도록 하고, 전해질막(110)의 제2 면(112)에 제2 전극(122)을 형성한다.
제2 전극(122)은 제1 전극(121)과 동일한 방법으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 전극(122)은 코팅 또는 전사 방법에 의하여 형성될 수 있다. 제1 전극(121)이 산화극인 경우, 제2 전극(122)은 환원극이 되고, 제1 전극(121)이 환원극인 경우, 제2 전극(122)은 산화극이 된다.
도 9e를 참조하면, 제2 액상 재료를 이용한 코팅에 의해 전해질막(110)의 제2 면(112) 상에 제2 서브 가스켓(132)이 형성된다.
제2 서브 가스켓(131) 형성을 위한 제2 액상 재료는 가교성 또는 경화성을 갖는 탄성 재료로 이루어질 수 있다. 제2 서브 가스켓(132) 형성을 위한 제2 액상 재료는 제1 서브 가스켓(131) 형성을 위한 제1 액상 재료와 동일할 수도 있고 다를 수도 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 보호층 없이 제2 전극(122) 주변의 전해질막(110) 상에 제2 서브 가스켓(132) 형성을 위한 제2 액상 재료를 직접 코팅/인쇄함으로써 제2 서브 가스켓(132)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 3D 프린터 또는 부분 코팅 설비를 이용하여, 보호층 없이 제2 전극(122) 주변에 제2 액상 재료를 직접 코팅/인쇄 및 가교할 수 있다. 그에 따라, 전해질막(110) 상에 제2 서브 가스켓(132)이 선택적으로 형성된다.
도 9e에는 직접 코팅을 위해 3D 프린터(350)를 사용하는 방법이 예시되어 있다.
도 9f를 참조하면, 코팅/인쇄 후, 제2 액상 재료가 건조되고 가교 또는 경화되어 제2 서브 가스켓(132)이 완성된다. 그에 따라, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 막-전극 접합체가 만들어진다.
도 10a 내지 10h는 비교예 1에 따른 막-전극 접합체의 제조 공정도이다.
비교예 1에 따른 막-전극 접합체의 제조방법은, 전해질막(110)에 제1 전극(121)과 제2 전극(122)가 이미 형성되어 있는 CCM(Catalyst Coated Membrane)을 사용한다는 점에서 본 발명의 실시예들과 차이가 있다.
구체적으로, 도 10a를 참조하면, 전해질막(110)에 제1 전극(121)과 제2 전극(122)가 이미 형성되어 있는 CCM(Catalyst Coated Membrane)이 지지 기판(190)에 배치된다.
도 10b를 참조하면, CCM의 제1 전극(121) 상에 제1 보호층(211)이 배치된다.
도 10c를 참조하면, 제1 액상 재료를 이용한 코팅에 의해, 전해질막(110)의 제1 면(111) 상에 제1 서브 가스켓(131)이 형성된다.
도 10d를 참조하면, 제1 보호층(211)이 제거된다.
도 10e를 참조하면, 전해질막(110)을 뒤집어, 전해질막(110)의 제2 면 및 제2 전극(122)이 상부를 향하도록 한다.
도 10f를 참조하면, 제2 전극(122) 상에 제2 보호층(212)이 배치된다. 제2 보호층(212)은 후속의 코팅 공정 중에 제2 전극(122)을 보호한다.
도 10g를 참조하면, 제2 액상 재료를 이용한 코팅에 의해, 전해질막(110)의 제2 면 상에 제2 서브 가스켓(132)이 형성된다.
도 10h를 참조하면, 제2 보호층(212)이 제거된다.
도 10a 내지 10h에 도시된 바와 같이, CCM(Catalyst Coated Membrane)을 사용하여, 스프레이 코팅에 의하여 서브 가스켓 일체형 막-전극 접합체를 제조하는 경우, 전극들(121, 122)의 두께로 인하여, CCM의 전해질막(110), 특히 비활성 영역이 지지 기판(190)으로부터 충분히 지지되지 못해, 막-전극 접합체에 컬(curl)이 발생할 수 있다.
도 10a 내지 도 10d를 참조하면, 전해질막(110)의 비활성 영역이 지지 기판(190)에 밀착되지 않고 이격되어 있음을 확인할 수 있다. 이러한 이격으로 인하여, 전해질막(110)의 비활성 영역에 컬(curl)이 발생할 수 있고, 그 결과, 막-전극 접합체에 컬(curl)이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도 5a 내지 도 5h에 따른 방법으로 제조된 막-전극 접합체(100) 샘플 100개(실시예 1)와 도 10a 내지 도 10h에 따른 방법으로 제조된 막-전극 접합체 샘플 100개(비교예 1)에 대하여, 샘플당 평균 컬 발생수 및 양품율을 계산하였다. 결과는 표 1과 같다.
샘플당 평균 컬 발생수는 100개의 샘플에서 발생된 컬(curl) 수의 평균을 의미하고, 양품율은 불량이 아닌 제품의 비율을 의미한다.
구분 평균 컬(curl) 발생 수 양품율 (%)
실시예 1 1 97
비교예 1 8 80
표 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 막-전극 접합체(100)을 제조하는 경우, 불량률이 적고 평균 컬 발생 수가 적은 것을 확인할 수 있다.
도 11은 비교예 2에 따른 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 11의 막-전극 접합체에는 필름 형태의 서브 가스켓(161, 162)이 부착되어 있다.
필름 형태의 서브 가스켓(161, 162)의 경우, 필름의 두께에 의해 서브 가스켓(161, 162)의 두께가 정해지기 때문에, 직접 코팅에 의해 형성된 서브 가스켓(131,132)와 비교하여 두께 조절이 용이하지 않다.
필름 형태의 서브 가스켓(161, 162)이 사용되는 경우, 서브 가스켓(161, 162)이 전극(121, 122) 두께에 대응하는 단차를 갖게 되고, 이러한 단차에 의해 서브 가스켓(161, 162)과 전극(121, 122) 사이에 에어 갭(290)이 야기될 수 있다. 도 11은 전해질막(110), 전극들(121, 122) 및 필름 형태의 서브 가스켓(161, 162)으로 둘러싸인 에어 갭(290)을 예시한다. 이와 같은 에어 갭(290)은 가스 누출을 야기하여 막-전극 접합체의 품질을 저하시킨다.
에어 갭(290)이 직각 이등변 삼각 기둥(isosceles right triangular prism)의 형태를 갖고 사각형의 전극(121, 122) 둘레에 모두 생긴다고 가정하면, 필름 형태의 서브 가스켓(161, 162)이 사용될 경우 발생되는 체적은 아래와 식과 같이 산출될 수 있다.
* V (cm3) = T2 × (W + L)
여기서, V는 상기 에어 갭(290)의 체적이고, T는 상기 전극(121, 122)의 두께이고, W는 상기 전극(121, 122)의 폭이며, L은 상기 전극(121, 122)의 길이이다.
반면, 본 발명의 실시예들에 따르면, 직접 코팅에 의해 서브 가스켓(131, 132)이 제조되기 때문에, 서브 가스켓(131, 132)의 두께가 다양하게 조절될 수 있다. 또한 본 발명의 실시예들에 따르면, 액상 재료를 이용한 코팅 방식에 의해 서브 가스켓(131, 132)이 제조되기 때문에, 서브 가스켓(131, 132)은 단차를 갖지 않거나, 단차를 갖는다고 하더라도 그 높이가 전극(121, 122)의 두께(T1, T2)의 0.5 배 이하, 더욱 바람직하게는 0.2 배 이하일 정도로 매우 작다(즉, 그 상면이 실질적으로 평탄하다). 따라서, 본 발명에 의하면, 기체 확산층(GDL) 형성/조립 공정과 같은 후속 공정의 작업성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 가스 누출을 야기하는 에어 갭 형성을 방지하거나 최소화(필름 형태의 서브 가스켓이 사용될 때 형성되는 에어 갭 체적의 0.5 배 이하, 더욱 바람직하게는 0.2 배 이하)할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 서브 가스켓(131)과 상기 제1 전극(121) 사이에 에어 갭이 존재하지 않거나 상기 제1 서브 가스켓(131)과 상기 제1 전극(121) 사이에 제1 에어 갭이 존재한다고 하더라도 상기 제1 에어 갭의 체적이 하기의 식 1을 만족하고, 상기 제2 서브 가스켓(132)과 상기 제2 전극(122) 사이에 에어 갭이 존재하지 않거나 상기 제2 서브 가스켓(132)과 상기 제2 전극(122) 사이에 제2 에어 갭이 존재한다고 하더라도 상기 제2 에어 갭의 체적이 하기의 식 2를 만족한다.
* 식 1: V1 ≤ 0.5 ×T1 2 × (W1 + L1)
* 식 2: V2 ≤ 0.5 ×T2 2 × (W2 + L2)
여기서, V1 및 V2는 각각 상기 제1 및 제2 에어 갭들의 체적들이고, T1 및 T2는 각각 상기 제1 및 제2 전극들(121, 122)의 두께들이고, W1 및 W2는 각각 상기 제1 및 제2 전극들(121, 122)의 폭들이고, L1 및 L2는 각각 상기 제1 및 제2 전극들(121, 122)의 길이들이다.
도 12a 내지 12c는 막-전극 접합체의 사진이다.
구체적으로 도 12a는 도 5a 내지 도 5h에 따른 방법으로 제조된 막-전극 접합체(100)의 사진이고, 도 12b는 도 10a 내지 도 10h에 따른 방법으로 제조된 막-전극 접합체(비교예 1)의 사진이고, 도 12c는 필름 형태의 서브 가스켓이 부착된 막-전극 접합체(비교예 2)의 사진이다.
도 12b를 참조하면, 비교예 1에 따른 막-전극 접합체에는 다수의 컬들(curls)이 발생되어 있음을 확인할 수 있다.
비교예 2에 따라 제조된 도 12c의 막-전극 접합체의 내부에는 에어 갭이 야기되었다.
반면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 도 12a의 막-전극 접합체에는 컬(curl) 및 에어 갭이 발견되지 않았다.
도 13는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(300)의 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지(300)는 상술한 본 발명의 막-전극 접합체(100), 상기 막-전극 접합체(100) 상의 기체 확산층(140) 및 상기 기체 확산층(140) 상의 세퍼레이터(separator)(150)을 포함한다.
상기 막-전극 접합체(100)는 전해질막(110), 상기 전해질막(110)의 제1 면 상의 제1 전극(121) 및 제1 서브 가스켓(131), 상기 전해질막(110)의 제2 면 상의 제2 전극(122) 및 제2 서브 가스켓(132)을 포함한다.
기체 확산층(140) 및 세퍼레이터(separator)(150)는 상기 막-전극 접합체(100)의 양쪽에 각각 하나씩 배치될 수 있다. 기체 확산층(140) 및 세퍼레이터(separator)(150)은 이미 설명되었으므로, 이들에 대한 상세한 설명은 생략된다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지(300)는 제1 가스켓(171) 및 제2 가스켓(172)을 포함할 수 있다.
제1 가스켓(171) 및 제2 가스켓(172)는 각각 막-전극 접합체(100)과 세퍼레이터(150) 사이에 배치되어, 전해질막(110)과 세퍼레이터(150) 사이의 공간을 밀봉한다. 도 13을 참조하면, 기체 확산층(140)은 제1 서브 가스켓(131)과 제1 가스켓(171)에 의하여 정의되는 공간 및 제2 서브 가스켓(132)과 제2 가스켓(172)에 의하여 정의되는 공간에 배치될 수 있다.
도 13에는 기체 확산층(140)이 제1 및 제2 전극들(121, 122)의 노출부들 상에만 형성된 것으로 예시되어 있으나, 본 발명이 이것으로 한정되는 것은 아니며, 상기 기체 확산층(140)은 상기 제1 및 제2 서브 가스켓들(131, 132) 각각의 적어도 일부까지 커버하도록 연장될 수 있다.
이상 설명된 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 이들에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 의하여 정의된다.

Claims (19)

  1. 제1 면 및 그 반대편의 제2 면을 갖는 전해질막 - 상기 전해질막은 활성 영역 및 상기 활성 영역을 둘러싸는 비활성 영역을 포함함 -;
    상기 전해질막의 상기 제1 면 상에 배치되어 상기 활성 영역을 덮는 제1 전극;
    상기 전해질막의 상기 제1 면 상에 배치되며, 상기 제1 전극의 중앙부를 노출시키는 제1 윈도우를 갖는 제1 서브 가스켓;
    상기 전해질막의 상기 제2 면 상에 배치되어 상기 활성 영역을 덮는 제2 전극; 및
    상기 전해질막의 상기 제2 면 상에 배치되며, 상기 제2 전극의 중앙부를 노출시키는 제2 윈도우를 갖는 제2 서브 가스켓
    을 포함하되,
    상기 제1 서브 가스켓은 상기 제1 전극의 둘레부와 중첩하는 제1 중첩 영역 및 상기 비활성 영역을 덮는 제1 비중첩 영역을 포함하고,
    상기 제1 중첩 영역과 상기 제1 비중첩 영역 사이에 단차가 존재하지 않거나, 상기 제1 중첩 영역과 상기 제1 비중첩 영역에 의해 형성되는 제1 단차의 높이가 상기 제1 전극의 두께의 0.5 배 이하이고,
    상기 제2 서브 가스켓은 상기 제2 전극의 둘레부와 중첩하는 제2 중첩 영역 및 상기 비활성 영역을 덮는 제2 비중첩 영역을 포함하며,
    상기 제2 중첩 영역과 상기 제2 비중첩 영역 사이에 단차가 존재하지 않거나, 상기 제2 중첩 영역과 상기 제2 비중첩 영역에 의해 형성되는 제2 단차의 높이가 상기 제2 전극의 두께의 0.5 배 이하인,
    막-전극 접합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 서브 가스켓과 상기 제1 전극 사이에 에어 갭이 존재하지 않거나 상기 제1 서브 가스켓과 상기 제1 전극 사이에 제1 에어 갭이 존재한다고 하더라도 상기 제1 에어 갭의 체적이 하기의 식 1을 만족하고,
    상기 제2 서브 가스켓과 상기 제2 전극 사이에 에어 갭이 존재하지 않거나 상기 제2 서브 가스켓과 상기 제2 전극 사이에 제2 에어 갭이 존재한다고 하더라도 상기 제2 에어 갭의 체적이 하기의 식 2를 만족하는,
    막-전극 접합체:
    * 식 1: V1 ≤ 0.5 ×T1 2 × (W1 + L1)
    * 식 2: V2 ≤ 0.5 ×T2 2 × (W2 + L2)
    여기서, V1 및 V2는 각각 상기 제1 및 제2 에어 갭들의 체적들이고, T1 및 T2는 각각 상기 제1 및 제2 전극들의 두께들이고, W1 및 W2는 각각 상기 제1 및 제2 전극들의 폭들이고, L1 및 L2는 각각 상기 제1 및 제2 전극들의 길이들임.
  3. 전해질막의 제1 면에 제1 전극을 형성하는 단계;
    제1 액상 재료를 이용한 코팅에 의해, 상기 전해질막의 제1 면 상에 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계;
    상기 전해질막의 제2 면에 제2 전극을 형성하는 단계; 및
    제2 액상 재료를 이용한 코팅에 의해, 상기 전해질막의 제2 면 상에 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계 전에, 상기 제1 전극 상에 제1 보호층을 배치하는 단계; 및
    상기 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계 전에, 상기 제2 전극 상에 제2 보호층을 배치하는 단계;
    중 적어도 하나를 더 포함하는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층 중 적어도 하나를 제거하는 단계를 포함하는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극은 코팅 또는 전사에 의해 형성되는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극을 형성하는 단계에서, 상기 전해질막은 지지 기판에 의해 지지되는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 서브 가스켓을 형성하기 위한 코팅 및 상기 제2 서브 가스켓을 형성하기 위한 코팅은 각각 액상의 소재를 이용하는 스프레이 코팅, 콤마 코팅 및 슬롯다이 코팅 중 어느 하나의 방법으로 이루어지는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계 및 상기 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계에서, 3D 프린터 및 부분 코팅 설비 중 적어도 하나가 사용되는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제1 액상 재료 및 상기 제2 액상 재료는 각각 가교성 또는 경화성을 갖는 탄성 재료인, 막-전극 접합체의 제조방법.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 제1 액상 재료 및 상기 제2 액상 재료는 서로 동일한, 막-전극 접합체의 제조방법.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 제1 액상 재료 및 상기 제2 액상 재료는 서로 상이한, 막-전극 접합체의 제조방법.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 제1 서브 가스켓 및 제2 서브 가스켓은, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 폴리아미드, 테트라플루오로에틸렌/헥사플루오로프로펜(FEP), 불소 고무, 실리콘 고무, 탄화수소계 탄성체 (EPDM, EPR 등) 및 폴리우레탄(Polyurethane) 중 적어도 하나를 포함하는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  14. 제3항에 있어서,
    상기 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계 및 상기 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계 중 적어도 하나의 단계에서, 상기 코팅 후, 상기 제1 서브 가스켓 또는 상기 제2 서브 가스켓은 10 초 내지 600초가 방치되는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  15. 제3항에 있어서,
    상기 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계 및 상기 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계 중 적어도 하나의 단계에서, 상기 코팅 후, 상기 제1 서브 가스켓 또는 상기 제2 서브 가스켓은 40 ~ 150℃의 온도로 가열되는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  16. 제3항에 있어서,
    상기 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계 및 상기 제2 서브 가스켓을 형성하는 단계 중 적어도 하나의 단계에서, 상기 코팅 후, 상기 제1 서브 가스켓 또는 상기 제2 서브 가스켓은 열풍으로 3초~ 300초간 열처리되는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  17. 제4항에 있어서,
    상기 제1 보호층 및 상기 제2 보호층은 각각 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 테트라플루오르에틸렌(Tetrafluoroethylene), 폴리에틸렌(PE), 고무 및 실리콘 중 적어도 하나를 포함하는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  18. 제3항에 있어서,
    상기 제1 서브 가스켓을 형성하는 단계 전에, 상기 전해질막의 적어도 일부를 절단하는 단계를 더 포함하는, 막-전극 접합체의 제조방법.
  19. 제1항에 따른 상기 막-전극 접합체;
    상기 막-전극 접합체 상의 기체 확산층; 및
    상기 기체 확산층 상의 세퍼레이터(separator);
    를 포함하는 연료전지.
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