KR20120125304A

KR20120125304A - 부착된 보더를 갖는 5층 멤브레인 전극 어셈블리 및 이를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20120125304A
Application number: KR1020127021678A
Authority: KR
Inventors: 안톤 나흐트만; 올리버 텔레; 안톤 킬러
Original assignee: 더블유.엘.고어 앤드 어소시에이츠 게엠베하
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-11-14
Also published as: EP2526585B1; EP2526585A1; HK1174152A1; JP5695086B2; JP2013517606A; WO2011089008A1; US20110177423A1; CA2787317A1; CN102714322A

Abstract

멤브레인 전극 어셈블리(MEA)는 그 주연에 배치된 제1 구조 필름층(25a), 및 접착제(27)에 의해 상기 제1 구조 필름층(25a)에 부착된 제2 구조 필름층(25b)을 갖고, 상기 제1 및 제2 구조 필름층(25a, 25b) 중 적어도 하나는 또한 상기 접착제(27)에 의해 상기 애노드(21)와 캐소드(20) 중 하나에 부착되고, 상기 MEA와 제1 및 제2 구조 필름층(25a, 25b)은 한 쌍의 가스 확산층(23, 23')에 의해 개재되는 것으로서, 상기 제1 구조 필름층(25a)은 그 내부에 복수의 비아(26a)를 갖고; 상기 제2 구조 필름층(25b)은 그 내부에 복수의 비아(26b)를 갖고, 상기 비아(26b)는 제1 구조 필름층(25a)에서의 비아(26a)와 중첩하지 않는 관계인 것을 특징으로 한다.

Description

부착된 보더를 갖는 5층 멤브레인 전극 어셈블리 및 이를 제조하는 방법{FIVE-LAYER MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY WITH ATTACHED BORDER AND METHOD OF MAKING SAME}

본 발명은 고분자 전해액 멤브레인(PEM; polymer electrolyte membrane) 연료 전지에 관한 것으로, 특히 PEM 연료 전지에서 사용하기 위한 부착된 보더를 갖는 5층 멤브레인 전극 어셈블리 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

고분자 전해액 멤브레인 연료 전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell)의 중요 구성요소는 이온 교환 멤브레인이다. 통상적으로, 상기 멤브레인은 애노드과 캐소드 사이에 배치된다. 상기 전극은 연료(수소 연료 전지용 애노드)와 산화제(수소 연료 전지용 산소)의 반응을 촉진하는 촉매를 포함하고, 임의의 다양한 귀금속 또는 다른 공지된 촉매를 포함할 수 있다. "촉매 코팅된 멤브레인(CCM; catalyst coated membrane)"은 적어도 하나의 멤브레인과 상기 멤브레인에 인접한 촉매를 포함하는 적어도 하나의 그러한 전극의 조합을 의미한다. 완전히 촉매작용을 받은 멤브레인 어셈블리(FCMA; fully catalyzed membrane assembly)는 적어도 하나의 전극이 인접한 멤브레인의 전체 면을 상기 전극이 대략 커버하는(즉, 상기 전극은 멤브레인과 같은 공간에 걸쳐 있음) CCM이다. 통상적인 촉매 코팅된 멤브레인은 상기 멤브레인의 일면에 접합된 애노드 및 상기 멤브레인의 타면에 접합된 캐소드를 갖지만, (접합이 필수적인 것은 아니다). 또한, 본 명세서에서 상기 통상적인 촉매 코팅된 멤브레인은 "멤브레인 전극 어셈블리"로 나타낸다.

PEMFC에서, 상기 멤브레인은 연료 전지의 작동시에 이온을 하나의 전극에서 다른 전극으로 용이하게 전달시킨다. 상기 이온이 전극들 사이에서 가능한 빨리 이동할 수 있게 상기 멤브레인은 가능한 얇은 것이 이상적이다. 그러나, 상기 멤브레인은 얇아질수록, 일반적으로 점점 약해진다. 그러므로, 상기 멤브레인을 강화시킬 필요가 있다. 이에 대한 하나의 해결책은 상기 멤브레인 내에 보강재를 결합하는 것이다. 이러한 해결책의 일례가 Bahar 등에 의한 미국 특허 RE37,307호에 구현되어 있고, 상기 미국 특허 RE37,307호에는 멤브레인용 지지체로서 팽창 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE; expanded polytetrafluoroethylene)과 같은 다공성 재료를 사용하는 것이 개시되어 있다.

그러나, 멤브레인 및 특정 상황에서 상기 멤브레인으로 형성되는 MEA를 한층 더 강화할 필요가 있다. 예를 들어, 일반적으로 탄소 섬유지로 이루어진 가스 확산층을 포함하는 어셈블리에서 멤브레인이 이용되는 경우, 탄소 섬유는 상기 멤브레인에 가끔 천공을 발생시키는 것으로 알려져 있고, 이에 의하여 상기 어셈블리를 단락시키며 그 성능을 저하시키거나 상실시킨다. 상기 어셈블리의 천공은 어셈블리 자체의 제조 공정 시에 발생할 수 있거나, 또는 밀봉 성형 공정 시에 주형 클램핑 압력으로 인해 발생할 수 있다. 또한, 천공은 사용 시에 시간이 지나면서 발생할 수도 있고, 또는 가공이나 스택 조립 시에 처리를 통해 발생할 수도 있다. 그러므로, 가스 확산 매개 섬유 천공(gas diffusion media fiber puncture)으로부터 상기 멤브레인을 보호하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 멤브레인 및 MEA를 위한 부가적인 지지체가 전체 치수 안정성을 높이는데 자주 필요하게 된다. 습도와 같은 환경 조건 또는 상기 멤브레인의 간단한 처리는 상기 멤브레인에 손상을 발생시킬 수 있다. 이러한 치수 안정성을 높이기 위한 부가적인 보강재 및 지지체가 요망된다.

이러한 부가적인 지지체를 제공하기 위한 전형적인 시도가 도 1a 내지 도 1c에 도시되어 있다. 도 1a 및 도 1b에서, 멤브레인(12) 및 두 전극(13, 13')으로 형성된 3층 MEA(11)는 3층 MEA(11)의 주연에 배치된 제1 구조 필름층(14) 및 제2 구조 필름층(14')을 갖는다. 상기 제1 구조 필름층(14)을 제2 구조 필름층(14') 및 3층 MEA(11)에 접합시키는데 접착제(15)가 사용된다. 이러한 구조는 3층 MEA(11)를 위한 양호한 지지체를 제공한다.

도 1c는 본 명세서에 참조로서, 5층 MEA를 형성하기 위하여 3층 MEA(11)의 각 측에 배치된 두개의 부가적인 층인 가스 확산층(19, 19')을 갖는 도 1b의 구조를 나타낸다. 중요한 것은 이러한 종래 기술 구조에서 가스 확산층(19, 19')이 제1 구조 필름층(14) 및 제2 구조 필름층(14')에 부가적인 접착제(15) 층을 이용하여 부착된다.

이러한 부가적인 접착제(15) 층의 사용은 다음과 같은 많은 단점을 갖는다: 상기 5층 MEA의 두께를 증가시키고; 상기 5층 MEA에서 접착제가 과도하게 누출될 위험을 증가시키고; 추가적인 공정 단계를 필요로 하고; 상기 5층 MEA 공정에 더 많은 시간이 부가되고; 상기 조립 공정에 비용이 추가되고; 불리한 화학적 효과를 가질 가능성이 있고; 가스 확산층 보더의 전체 면에 가압을 필요로 하여 상기 어셈블리에 구조적 손상의 위험을 증가시킨다. 5층 MEA를 지지하기 위한 개선된 구조 및 방법이 요구된다.

본 발명은 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 형성하는 멤브레인, 상기 멤브레인의 일측에 인접한 애노드, 및 상기 멤브레인의 대향측에 인접한 캐소드를 갖고, 상기 MEA의 주연에 배치된 제1 구조 필름층, 및 접착제에 의해 상기 제1 구조 필름층에 부착된 제2 구조 필름층을 갖고, 상기 제1 및 제2 구조 필름층 중 적어도 하나는 또한 상기 접착제에 의해 상기 애노드과 캐소드 중 하나에 부착되고, 상기 MEA와 제1 및 제2 구조 필름층은 한 쌍의 가스 확산층에 의해 개재되는 장치를 제공하는 것으로서, 상기 제1 구조 필름층은 그 내부에 (예상할 수 있는 임의의 기하학적 구조로 형성된) 복수의 비아를 갖고; 상기 제2 구조 필름층은 그 내부에 (예상할 수 있는 임의의 기하학적 구조로 또한 형성된) 복수의 비아를 갖고, 상기 비아는 제1 구조 필름층에서의 비아와 중첩하지 않는 관계이고; 상기 접착제는 상기 한 쌍의 가스 확산층 중 하나를 상기 제1 구조 필름층에 부착하기 위하여 상기 제1 구조 필름층에서의 비아를 통해 연장되고, 상기 접착제는 상기 한 쌍의 가스 확산층 중 다른 하나를 상기 제2 구조 필름층에 부착하기 위하여 상기 제2 구조 필름층에서의 비아를 통해 연장되는 것을 특징으로 하는 장치를 제공한다.

다른 관점에서, 본 발명은 상기 제1 구조 필름층에 복수의 비아를 제공하고, 상기 제1 구조 필름층에서의 비아와 중첩하지 않는 관계로 상기 제2 구조 필름층에 복수의 비아를 제공하고, 상기 제1 및 제2 구조 필름층 중 적어도 하나(바람직하게는 모두)에 접착제를 제공하여 이들을 함께 부착시키고, 상기 한 쌍의 가스 확산층 중 하나를 상기 제1 구조 필름층에서의 비아를 통해 연장되는 접착제에 의해 상기 제1 구조 필름층에 부착하고, 상기 한 쌍의 가스 확산층 중 다른 하나를 상기 제2 구조 필름층에서의 비아를 통해 연장되는 접착제에 의해 상기 제2 구조 필름층에 부착하는 것에 의해 상기 장치를 제조하는 방법을 제공한다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술의 3층 MEA를 나타낸 측단면도이다.
도 1c는 종래 기술의 5층 MEA를 나타낸 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예를 나타낸 측단면도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 애노드측 구조 지지 필름의 예시적인 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 3b는 본 발명에 따른 캐소드측 구조 지지 필름의 예시적인 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 4a는 함께 부착된 도 3a 및 도 3b의 예시적인 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 4b는 CCM층 및 GDL층의 한계 범위를 나타낸 도 4a의 예시적인 실시예의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 대안적인 실시예를 나타낸 측단면도이다.

예시적인 본 발명은 하나 또는 양 전극의 면의 외부 영역과 중첩하는 구조 필름층과 결합하여, 멤브레인과 같은 공간에 걸쳐 있는, 즉 상기 멤브레인의 전체 면을 커버하는 전극을 갖는 어셈블리에서 구현된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "구조 필름층(structural film layer)"은 단단하며 비탄성적인(non-elastomeric) 고형을 의미한다. 이는 상당한 정도로 압축될 수 없다. 이는 밀봉을 행하는 기능이 없다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 비탄성 고분자 중합체는 상온에서 원래의 길이로 적어도 두 번 반복적으로 연신된 후에 대략 원래의 길이로 복귀될 수 없는 고분자 중합체이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "중첩한다(overlap)" 또는 "중첩하는(overlapping)" 것은 상기 구조 필름층이 하나 또는 양 전극의 면의 외부 영역의 일부분 위에 있으면서 커버하는 것을 의미한다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명할 것이다. 도 2는 멤브레인 전극 어셈블리를 형성하기 위하여 멤브레인 상에 배치된 애노드(21)와 캐소드(20)를 갖는 멤브레인(22)을 도시하고 있다. 상기 멤브레인 전극 어셈블리를 개재하는 것은 가스 확산층(23, 23')이다. 제1 구조 필름층(25a)은 MEA의 주연에 배치된다. 제2 구조 필름층(25b)도 상기 MEA의 주연에 배치된다. 제1 구조 필름층(25a)은 그 내부에 형성된 복수의 비아(a plurality of vias)(26a)를 갖는다. 유사하게, 제2 구조 필름층(25b)은 그 내부에 형성된 복수의 비아(26b)를 갖는다. 상기 제2 구조 필름층(25b)에서의 비아(26b)는 제1 구조 필름층(25a)에 형성된 비아(26a)와 중첩하지 않는 관계로 형성된다. 상기 제1 구조 필름층(25a)과 제2 구조 필름층(25b) 사이에 접착제(27)가 배치된다. 상기 접착제는 제1 구조 필름층(25a)과 제2 구조 필름층(25b) 모두의 표면과 동일한 부분에 도포되는 것이 바람직하다. 그 후, 상기 필름층이 함께 적층되므로, 각각의 접착제 코팅은 상기 제1 구조 필름층(25a)과 제2 구조 필름층(25b) 사이에 단일의 접착층(27)을 형성한다. 대안적으로, 접착제(27)는 모든 필름층이 아니라 하나의 구조 필름층의 표면에 간단히 도포될 수 있지만, 이러한 방법이 바람직한 것은 아니다. 접착제(27)는 가스 확산층(23, 23')에 부착되기 위하여 비아(26a, 26b)를 통해 연장된다. 실현가능한 다른 제조 방법이 있고, 또한 상이한 접합 방법이 있다. 예를 들어, 온도 및 압력뿐만 아니라 초음파 접합이 구조 지지 필름(25a, 25b)을 부착하는데 사용될 수 있다. 또한, 구현가능한 다양한 접착제 종류가 있고, 이러한 접착제를 활성시키는 각각 다른 방법이 있다.

도 3a는 애노드측 구조 필름층(25a)의 예시적인 실시예를 나타낸 평면도이다. 비아(26a)는 상기 애노드측 구조 필름층 내에 형성된다.

유사하게, 도 3b는 그 내부에 형성된 비아(26b)를 갖는 제2 구조 필름층(25b)을 나타낸 평면도이다. 비아(26a, 26b)는 단지 예시적인 목적을 위해 특정 형상으로 도시되어 있다. 이러한 비아(26a, 26b)는 예상할 수 있는 기하학적 구조일 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 제2 구조 필름층의 모서리에 비아 또는 컷아웃(cut-out)부가 있는 경우, MEA 인서트에 예리한 에지를 제공한다(이는 제조를 용이하게 할 수 있는 챔퍼나 반경이 없는 단순한 직선형 MEA 절단을 가능하게 한다). 또한, 비아의 상이한 분포나 배치가 가능하다. 상기 비아(26a, 26b)가 중첩하지 않는 방식으로 형성되는 점이 단지 중요한 고려사항이다.

도 4a는 함께 부착된 도 3a 및 3b의 예시적인 실시예를 나타낸 평면도이다. 도 4a는 비아(26a, 26b)의 비중첩 관계를 도시하고 있다.

도 4b는 GDL층과 더 결합된 도 4a의 예시적인 실시예를 나타낸 평면도이다. 상기 도면은 CCM층 및 GDL층의 한계 범위를 도시하고 있다.

본 발명에 대한 예시적인 조립 공정을 참조하면, 5층 MEA의 제조는 서브개스킷 프레임(즉, 구조 필름층)의 제조에서부터 시작된다. 이러한 프레임은 CCM이 끼워지며 부가 단계에서 접합되는 대체로 직사각형인 중앙 개구부(그러나, 이뿐 아니라 다른 구성이나 기하학적 구조도 가능할 수 있음)를 포함한다.

이를 위하여, 활성 표면(즉, 후에 유입될 CCM)의 크기가 먼저 언코팅된 PEN 필름(롤 제품이나 각각의 시트)으로 생성되면서, 대응하는 윈도우가 (펀칭, 절단, 레이저 처리 등으로) 생성된다. 이러한 제1 층으로부터, 아교 코팅된 PEN 필름이 결합되어 상기 전체 면 위에 거품 없이(bubble-free) 열적으로 적층된다.

다음 단계에서, 상기 서브개스킷의 완전한 최종 외형이 이미 (펀칭, 절단, 레이저 처리 등으로) 형성될 수 있다. 상기 최종 외형은 고객의 요건에 따라 상기 활성 표면의 제2 중앙 윈도뿐만 아니라 스택 고정부와 유체 채널의 모든 개구부를 포함한다.

상기 아교 코팅된 PEN 필름에서의 중앙 윈도우는 다소 작게 배치되어, 개방된 아교 표면과 함께 그러데이션(gradation)이 언코팅된 PEN 필름의 윈도우에 형성된다.

동일한 공정 단계에서, GDL 컷아웃부의 이후의 접합을 위한 돌기뿐만 아니라 연속적인 천공이 중앙 컷아웃부의 에지 영역에서 두 PEN 필름 상에 생성된다(도면 참조).

상기 MEA의 방위 및 제조를 위하여, 부품 번호가 캐소드측에 인쇄된다.

다음의 제조 단계에서, 상기 CCM은 크기 결정(절단, 펀칭 등)된 후에 상기 서브개스킷 프레임에 삽입되고 압력 및 온도에 의해 상기 서브개스킷 윈도우의 개방된 아교 에지에 연속적으로 기밀된다.

상기 CCM은 비대칭적으로 코팅될 수 있고, 즉 Gore Select® 멤브레인의 두 전극 코팅은 기능과 비용의 이유로 인해 상이한 촉매 부하를 가질 수 있다. 그러므로, 적절한 어셈블리 위치가 조립 시에 확보되어야 한다.

품질을 확보하기 위하여, 대응하는 광학 검사가 각 제조 단계에서 이루어진다. 마지막 작업 단계에서, 각각이 상기 CCM을 향하는 미세층 측을 갖는 상기 GDL 컷아웃부들은 양측에 부가되고 상기 서브개스킷 프레임에 대하여 압력 및 온도를 갖는 에지를 따라서만 주연방향으로 끼워지게 결합되며 접합된다. 상기 서브개스킷 프레임의 활성 표면의 에지 영역에 특별히 형성된 기하학적 구조는 상기 GDL의 접합을 가능하게 하기 위하여 대응하는 아교 표면을 노출시킨다. 상기 캐소드측 상에서, 일부 위치에 연속적으로 상기 GDL을 부착하기 위하여 아교 표면은 부가적인 돌기에 의해 부가적으로 노출된다. 상기 애노드측 상에서, 상기 GDL의 접합 시에, 아교는 활성 표면의 컷아웃부를 따라 천공을 통해 흐르고, 이에 따라 이 측에 상기 GDL을 고정시킨다. 다시, 상기 접착제는 서브개스킷 프레임의 양 부분에 동일하게 도포되는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 코팅된 PEN 필름은 결합되며 적층되어, 상기 필름 사이의 중앙으로 상기 두 아교 코팅이 함께 오게 된다.

상기 GDL은 계속해서 기밀될 필요는 없지만, 이후의 스택 조립을 위해 제 위치에 유지만은 된다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 멤브레인 전극 서브-개스킷 어셈블리 디자인과 같은 다양한 다른 어셈블리 디자인을 갖게 적용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 비아(26a, 26b)는 본 케이스에서 멤브레인(22)을 각각 중첩하는 구조 필름층(25a, 25b)에 형성된다. 접착제(27)는 구조 필름층(25a, 25b)을 가스 확산층(23, 23') 및 멤브레인(22)과 전극(20, 21)에 부착하기 위하여 비아(26a, 26b)를 통해 흐른다.

본 발명과 관련하여, 다음의 이점이 실현된다: 부가적인 접착 재료나 필요한 아교를 적용할 필요가 없고; 접착제를 연장시킬 필요가 없고; 자동화된 생산 라인을 이루고; 추가적인 공정 단계가 없어서 비용과 재료를 절감하고; 잠재적인 부정적인 화학 효과의 위험을 줄이고; 제조 시간이 상당히 감소되고(아교 준비, 이송, 및 적용의 제거); 어셈블리 두께에 부가적인 영향이 없어서 스택 생산에 확실한 이점을 제공하고(치수 편차가 부가됨); GDL 및 CCM 손상의 위험이 감소하고; 공차의 이점이 있고; 재료의 유동성이 감소하고; 모서리가 예리한 에지로 가공될 수 있으므로 간략화된 CCM 컷아웃부를 제공하고; GDL이 어셈블리를 위한 전체 면 위에서 가압될 필요가 없고, 즉 제1 표면 가압이 스택 조립 시에만 발생한다.

본 발명은 일부 바람직한 실시예와 관련해서 설명하였지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구범위에서 규정된 범위 내에서 주어질 것이다.

Claims

멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 형성하는 멤브레인, 상기 멤브레인의 일측에 인접한 애노드, 및 상기 멤브레인의 대향측에 인접한 캐소드, 상기 MEA의 주연에 배치된 제1 구조 필름층, 및 접착제에 의해 상기 제1 구조 필름층에 부착된 제2 구조 필름층을 갖고, 상기 제1 및 제2 구조 필름층 중 적어도 하나는 또한 상기 접착제에 의해 상기 애노드과 캐소드 중 하나에 부착되고, 상기 MEA와 제1 및 제2 구조 필름층은 한 쌍의 가스 확산층에 의해 개재되는 장치에 있어서,
a. 상기 제1 구조 필름층은 그 내부에 복수의 비아를 갖고;
b. 상기 제2 구조 필름층은 그 내부에 복수의 비아를 갖고, 상기 비아는 상기 제1 구조 필름층에서의 상기 비아와 중첩하지 않는 관계이고;
c. 상기 접착제는 상기 한 쌍의 가스 확산층 중 하나를 상기 제1 구조 필름층에 부착하기 위하여 상기 제1 구조 필름층에서의 상기 비아를 통해 연장되고, 상기 접착제는 상기 한 쌍의 가스 확산층 중 다른 하나를 상기 제2 구조 필름층에 부착하기 위하여 상기 제2 구조 필름층에서의 상기 비아를 통해 연장되는
것을 특징으로 하는 장치.
멤브레인 전극 어셈블리(MEA)를 형성하는 멤브레인, 상기 멤브레인의 일측에 인접한 애노드, 상기 멤브레인의 대향측에 인접한 캐소드, 상기 MEA의 주연에 배치된 제1 구조 필름층, 및 접착제에 의해 상기 제1 구조 필름층에 부착된 제2 구조 필름층을 갖고, 상기 제1 및 제2 구조 필름층 중 적어도 하나는 또한 상기 접착제에 의해 상기 애노드과 캐소드 중 하나에 부착되고, 상기 MEA와 제1 및 제2 구조 필름층은 한 쌍의 가스 확산층에 의해 개재되는 장치를 제조하는 방법에 있어서,
a. 상기 제1 구조 필름층에 복수의 비아를 제공하는 단계;
b. 상기 제1 구조 필름층에서의 상기 비아와 중첩하지 않는 관계로 상기 제2 구조 필름층에 복수의 비아를 제공하는 단계;
c. 상기 제1 및 제2 구조 필름층 중 적어도 하나에 접착제를 제공하여 이들을 함께 부착시키는 단계;
d. 상기 한 쌍의 가스 확산층 중 하나를 상기 제1 구조 필름층에서의 상기 비아를 통해 연장되는 접착제에 의해 상기 제1 구조 필름층에 부착하고, 상기 한 쌍의 가스 확산층 중 다른 하나를 상기 제2 구조 필름층에서의 상기 비아를 통해 연장되는 상기 접착제에 의해 상기 제2 구조 필름층에 부착하는 단계를
특징으로 하는 방법.