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KR102720163B1 - Heat treatment stack for fuel cells and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR102720163B1
KR102720163B1 KR1020230181983A KR20230181983A KR102720163B1 KR 102720163 B1 KR102720163 B1 KR 102720163B1 KR 1020230181983 A KR1020230181983 A KR 1020230181983A KR 20230181983 A KR20230181983 A KR 20230181983A KR 102720163 B1 KR102720163 B1 KR 102720163B1
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electrode assembly
membrane electrode
heat treatment
layer
fuel cell
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김현진
권혁준
한주헌
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주식회사 에이치이엠티
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 열처리 스택 및 그 제조방법은 7-레이어 막전극접합체에 새로운 적층방식으로 배열된 열처리를 진행하여 제품의 치수 변화 및 우는 현상을 개선할 수 있으며, 내구성 향상 및 외관을 개선할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the heat treatment stack for a fuel cell and the manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention is to perform heat treatment in a new lamination manner on a 7-layer membrane electrode assembly, thereby improving dimensional changes and warping of the product, and enhancing durability and appearance.

Description

연료전지용 열처리 스택 및 그 제조방법{Heat treatment stack for fuel cells and manufacturing method thereof}Heat treatment stack for fuel cells and manufacturing method thereof {Heat treatment stack for fuel cells and manufacturing method thereof}

본 발명은 연료전지용 스택의 품질 개선을 위해 7-레이어 막전극접합체에 열처리하기 위한 연료전지용 열처리 스택 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heat treatment stack for a fuel cell and a manufacturing method thereof for heat treating a 7-layer membrane electrode assembly to improve the quality of the fuel cell stack.

연료전지는 수소 등의 연료와 산소 등의 공기를 이용하여 전기화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생산하는 장치로, 전기화학적 반응이 일어나는 양극, 음극 및 전해질을 접합한 막전극접합체(MEA; Membrane ElectrodeAssembly)와 작동 유체들의 분리 및 흐름 유도를 위한 분리판으로 이루어진 구조를 기본적인 에너지 생산 단위인 연료전지 단위 셀(Unit Cell)이라고 하며, 연료전지 단위 셀을 복수로 적층하여 필요한 만큼의 전압을 얻을 수 있도록 한 것을 연료전지 스택(Stack)이라고 한다.A fuel cell is a device that produces electrical energy through an electrochemical reaction using fuel such as hydrogen and air such as oxygen. The structure consisting of a membrane electrode assembly (MEA) that joins the anode, cathode, and electrolyte where the electrochemical reaction occurs, and a separator for separating and inducing the flow of working fluids is called a fuel cell unit cell, which is the basic energy production unit. A fuel cell stack is made by stacking multiple fuel cell unit cells to obtain the required voltage.

이러한 단위 셀 구성을 이용하여 연료전지 스택을 조립할 때, 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체 및 기체확산층의 조합이 위치하는데, 막전극접합체는 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 촉매전극층, 즉 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)를 가지며, 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에 기체확산층, 가스켓 등이 적층된다. 기체확산층의 바깥쪽에는 반응가스(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치된다.When assembling a fuel cell stack using this unit cell configuration, the combination of the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer, which are the main components, is located at the innermost. The membrane electrode assembly has a catalyst electrode layer, i.e., a cathode and an anode, on both sides of a polymer electrolyte membrane to which a catalyst is applied so that hydrogen and oxygen can react, and a gas diffusion layer, a gasket, etc. are laminated on the outer part where the cathode and the anode are located. A separator is located on the outside of the gas diffusion layer in which a reaction gas (hydrogen as a fuel and oxygen or air as an oxidizer) is supplied and a flow field through which cooling water passes is formed.

분리판은 산소 및 연료기체(수소) 등의 반응기체의 흐름을 유도하여 기체확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)을 통해 막 전극 접합체(MEA)에 공급시킴으로써, 막전극접합체에서 반응을 통해 전기가 생성될 수 있도록 하는 역할을 한다. 이와 같이 반응기체를 기체확산층(GDL)을 통해 확산시키기 위하여 분리판은 가스가 확산되는 기공을 가지는 다공체를 포함하여 반응기체가 흐르는 유로를 형성한다.The separator serves to induce the flow of reaction gases, such as oxygen and fuel gas (hydrogen), and supply them to the membrane electrode assembly (MEA) through the gas diffusion layer (GDL), thereby enabling electricity to be generated through a reaction in the membrane electrode assembly. In order to diffuse the reaction gases through the gas diffusion layer (GDL), the separator includes a porous body having pores through which the gases diffuse, thereby forming a path through which the reaction gases flow.

이러한 구성을 단위 셀로 하여 복수의 단위 셀을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에 집전판(Current Collector) 및 절연판, 적층 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 셀들을 반복 적층하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.With this configuration as a unit cell, multiple unit cells are stacked, and then a current collector and an insulating plate are combined on the outermost side, and an end plate to support the stacked cells is connected. By repeatedly stacking and connecting the cells between the end plates, a fuel cell stack is formed.

한편, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0063574호 "고분자 전해질막 연료전지용 막전극접합체의 제조방법"이 게시되어 있다. 연료전지 스택의 생산시 서브가스켓(Sub-gasket) 및 기체확산층이 접합된 7-레이어 막전극접합체 구조를 제작한 뒤 이를 자동화 공정에 투입하여 분리판, 엔드플레이트 등과 조립하는 방식을 취하면 스택을 대량 생산할 수 있게 된다. 즉, 고분자 전해질막의 양면에 촉매전극층이 고정된 3-레이어 막전극접합체를 제조하고, 이어 막전극접합체의 반응활성영역(Active Area)(즉 촉매전극층 영역)을 노출시키도록 전해질막의 양면 부분에 서브가스켓을 접합하여 5-레이어 막전극접합체 구조로 만든다.Meanwhile, Korean Patent Publication No. 10-2012-0063574, "Method for Manufacturing Membrane Electrode Assembly for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell" is published. When producing a fuel cell stack, a 7-layer membrane electrode assembly structure in which a sub-gasket and a gas diffusion layer are bonded is manufactured, and then this is put into an automated process to be assembled with a separator, end plate, etc., thereby enabling mass production of the stack. That is, a 3-layer membrane electrode assembly in which a catalyst electrode layer is fixed to both sides of a polymer electrolyte membrane is manufactured, and then a sub-gasket is bonded to both sides of the electrolyte membrane so as to expose the active area of the membrane electrode assembly (i.e., the catalyst electrode layer area), thereby forming a 5-layer membrane electrode assembly structure.

상기와 같이 5-레이어 막전극접합체가 제조되고 나면, 서브가스켓의 개구부(Opening)를 통해 노출된 막전극접합체의 반응영역, 즉 양면의 촉매전극층에 각각 기체확산층을 핫 프레싱(Hot Pressing) 공법으로 접합하여 7-레이어 막전극접합체 구조로 만든 다음, 이를 진공흡착 등을 이용하는 자동적층방식이 적용된 스택조립 공정에 투입하여 스택을 조립(Stacking)하는 것이다.After the 5-layer membrane electrode assembly is manufactured as described above, a gas diffusion layer is bonded to each of the catalyst electrode layers on both sides of the reaction area of the membrane electrode assembly exposed through the opening of the sub-gasket, using a hot pressing method, to create a 7-layer membrane electrode assembly structure, which is then put into a stack assembly process using an automatic stacking method such as vacuum adsorption to assemble the stack.

이때, 연료전지 공정에 있어 내구성 향상 및 외관 개선 목적으로 열처리를 진행한다. 열처리의 경우 간소화 및 최종 단계에서 하는 것이 제품 품질 및 외관 개선에 우수한 영향을 미친다. 종래에는 공정 최종 단계의 7-레이어 막전극접합체에서 열처리 진행 시 기체확산층 형상에 따라 라인이 발생하고 서브 가스켓 접힘 현상이 발생하여 공정 적용에 어려움이 있어 대부분 연료전지 공정에선 중간 단계의 5-레이어 막전극접합체에서 열처리를 진행하는 경우가 많다. 또한, 최종 제품 단계에서 시간이 경과됨에 따라 뒤틀림 현상이 발생하여 품질 및 외관 불량이 발생하게 되었다. At this time, heat treatment is performed for the purpose of improving durability and appearance in the fuel cell process. In the case of heat treatment, simplifying and performing it in the final stage have an excellent effect on improving product quality and appearance. In the past, when heat treatment was performed on a 7-layer membrane electrode assembly in the final stage of the process, lines occurred according to the shape of the gas diffusion layer and the sub-gasket folding phenomenon occurred, making it difficult to apply the process. Therefore, in most fuel cell processes, heat treatment was often performed on a 5-layer membrane electrode assembly in the intermediate stage. In addition, as time passed in the final product stage, warping occurred, resulting in poor quality and appearance.

특히, 기존 플레이트 방식의 경우 다이렉트로 열을 받기에 막전극접합체(MEA)에 영향을 미칠 수 있으며, 기체확산층(GDL)에 라인 형성을 유발하여 공정 품질에 이슈를 발생시켰다. 이처럼 기존 공정은 제품 제조완료 시 온도 및 습도 영향으로 제품에 뒤틀림 현상이 발생하여 외관 및 품질에 이슈를 발생시켜 이를 개선하기 위한 개발이 필요한 실정이다.In particular, in the case of the existing plate method, since it receives heat directly, it can affect the membrane electrode assembly (MEA) and cause line formation in the gas diffusion layer (GDL), which causes issues in the process quality. In this way, the existing process causes the product to warp due to the influence of temperature and humidity when the product is manufactured, which causes issues in the appearance and quality, and development is needed to improve this.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0063574호 "고분자 전해질막 연료전지용 막전극접합체의 제조방법"Korean Patent Publication No. 10-2012-0063574 "Method for Manufacturing Membrane Electrode Assembly for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell"

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 7-레이어 막전극접합체에 새로운 적층방식으로 배열된 열처리를 진행하여 제품의 치수 변화 및 우는 현상을 개선할 수 있으며, 내구성 향상 및 외관을 개선할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있다. The present invention has been made to solve the above-described problems, and aims to improve the dimensional change and the wrinkling phenomenon of the product by performing heat treatment in a new lamination manner on a 7-layer membrane electrode assembly, and to improve the durability and appearance. It is not limited to the technical problems described above, and other technical problems may be derived from the following description.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 양단의 엔드플레이트 사이에 복수의 단위 셀로 이루어진 연료전지용 스택에 있어서, 상기 단위 셀은, 전해질막의 상하면에 촉매전극층이 부착된 3-레이어 막전극접합체; 상기 3-레이어 막전극접합체의 상하면에 배치되는 필름; 및 상기 필름의 상하면에 배치되는 플레이트;를 포함하고, 상기 단위 셀이 상기 3-레이어 막전극접합체, 필름, 플레이트로 적층된 7-레이어 막전극접합체 상태에서 외면이 진공열처리 되어 제조되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention relates to a fuel cell stack comprising a plurality of unit cells between end plates at both ends, wherein the unit cells include: a 3-layer membrane electrode assembly having a catalyst electrode layer attached to the upper and lower surfaces of an electrolyte membrane; films arranged on the upper and lower surfaces of the 3-layer membrane electrode assembly; and plates arranged on the upper and lower surfaces of the films; and wherein the unit cells are manufactured by subjecting the outer surface to a vacuum heat treatment in a 7-layer membrane electrode assembly state in which the 3-layer membrane electrode assembly, the film, and the plates are laminated.

또한, 상기 필름은, 불소수지 계열로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the film is characterized by being made of a fluororesin series.

또한, 상기 플레이트는, 아크릴 소재로 이루어지고, 3 내지 4mm 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the plate is characterized in that it is made of acrylic material and is formed with a thickness of 3 to 4 mm.

또한, 상기 진공열처리는, 온도 40 내지 50도, 압력 9 내지 11kgf/mm 조건에서 수행되는 것을 특징으로 한다.In addition, the vacuum heat treatment is characterized in that it is performed under conditions of a temperature of 40 to 50 degrees and a pressure of 9 to 11 kgf/mm.

또한, 상기 막전극접합체와 필름이 Belt roll에 의해 가접합되어 외관에 발생되는 다량의 기포를 제거하는 것을 특징으로 한다.In addition, the membrane electrode assembly and the film are temporarily bonded by a belt roll, thereby removing a large amount of air bubbles generated on the exterior.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전해질막의 상하면에 촉매전극층이 부착된 3-레이어 형성단계(S100); 3-레이어 막전극접합체의 상하면에 필름이 배치되어 5-레이어 막전극접합체로 가접합되는 5-레이어 형성단계(S200); 상기 가접합된 5-레이어 막전극접합체의 상하면에 플레이트가 배치되어 7-레이어 막전극접합체로 적층되는 7-레이어 형성단계(S300); 및 열처리판에 상기 적층된 7-레이어 막전극접합체가 배치된 상태에서 진공열처리되는 열처리단계(S400);를 포함한다.In addition, the present invention for achieving the above object includes a 3-layer forming step (S100) in which a catalyst electrode layer is attached to the upper and lower surfaces of an electrolyte membrane; a 5-layer forming step (S200) in which films are arranged on the upper and lower surfaces of a 3-layer membrane electrode assembly and provisionally bonded to form a 5-layer membrane electrode assembly; a 7-layer forming step (S300) in which plates are arranged on the upper and lower surfaces of the provisionally bonded 5-layer membrane electrode assembly and laminated to form a 7-layer membrane electrode assembly; and a heat treatment step (S400) in which the laminated 7-layer membrane electrode assembly is placed on a heat treatment plate and subjected to a vacuum heat treatment.

또한, 상기 열처리단계(S400)는, 온도 40 내지 50도, 압력 9 내지 11kgf/mm 조건에서 수행되는 것을 특징으로 한다.In addition, the heat treatment step (S400) is characterized in that it is performed under conditions of a temperature of 40 to 50 degrees and a pressure of 9 to 11 kgf/mm.

또한, 상기 5-레이어 형성단계(S200)는, 상기 필름의 중앙에 개구부가 형성되어 구비되고, 상기 7-레이어 형성단계(S300)는, 상기 3-레이어 막전극접합체와 필름이 가접합된 상태에서 상기 플레이트가 상기 필름의 개구부를 통해 상기 5-레이어 막전극접합체의 양면에 접합되는 것을 특징으로 한다.In addition, the 5-layer forming step (S200) is characterized in that an opening is formed in the center of the film, and the 7-layer forming step (S300) is characterized in that the plate is bonded to both sides of the 5-layer membrane electrode assembly through the opening of the film while the 3-layer membrane electrode assembly and the film are temporarily bonded.

또한, 상기 진공열처리된 7-레이어 막전극접합체의 양측에 분리판이 배치되어 단위 셀로 형성되고, 복수의 단위 셀이 두 개의 엔드플레이트 사이에 배열되어 최종제품으로 제조되는 최종 제품단계(S500);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, it is characterized by further including a final product step (S500) in which a separator is arranged on both sides of the above-mentioned vacuum heat-treated 7-layer membrane electrode assembly to form a unit cell, and a plurality of unit cells are arranged between two end plates to manufacture a final product.

다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects obtainable from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art to which the present invention belongs from the description below.

상기와 같은 구성을 이루는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 열처리 스택 및 그 제조방법에 의하면 아래와 같은 장점이 있다.According to the fuel cell heat treatment stack and its manufacturing method according to the embodiment of the present invention having the above configuration, the following advantages are provided.

새로운 적층방식으로 배열된 7-레이어에 열처리를 진행하여 제품의 치수 변화 및 우는 현상을 개선할 수 있으며, 내구성 향상 및 외관을 개선할 수 있도록 할 수 있다. By performing heat treatment on the 7-layers arranged in a new lamination method, the product's dimensional changes and warping phenomenon can be improved, and its durability and appearance can be improved.

또한, 공정시간을 단축하고 수율 확보가 가능한 동시에 제품의 품질을 확보할 수 있어 제품의 장기 보관에도 변형 및 튀틀림 현상을 극복하여 품질 개선할 수 있다.In addition, it is possible to shorten the process time, secure the yield, and secure the quality of the product at the same time, thereby improving the quality by overcoming deformation and warping during long-term storage of the product.

또한, 기존 고온 열처리 공정과 동일한 특성을 보이는 프로세스 조건과 동일하고, 이러한 변화로 인해 진공 분위기에서 외관상 기포, 변형율 감소로 치수 변형 및 품질 개선에 효과적인 결과를 도출할 수 있다. In addition, the process conditions are the same as those of the existing high-temperature heat treatment process, and these changes can effectively produce results in dimensional deformation and quality improvement by reducing the appearance of bubbles and strain in a vacuum atmosphere.

또한, 기존 기자재의 재사용이 가능해져 원가 절감에 크게 기여할 수 있으며, 생산 과정의 단순화 및 생산 수율 확보로 공정 효율성을 크게 향상시켜 제품 품질 및 시장경쟁력을 상승 시킬 수 있다.In addition, it can greatly contribute to cost reduction by enabling the reuse of existing equipment, and it can greatly improve process efficiency by simplifying the production process and securing production yield, thereby increasing product quality and market competitiveness.

또한, 저온 열처리 공정으로 고온 열처리 공정과 기존 공정효율성이 2~3배 이상의 효과를 나타내며, 특정한 필름 적층 방식을 통하여 전극 데미지를 최소화 하고 제품 외관 및 변형을 방지할 수 있다.In addition, the low-temperature heat treatment process shows an effect that is 2 to 3 times more effective than the high-temperature heat treatment process and the existing process efficiency, and through a specific film lamination method, electrode damage can be minimized and product appearance and deformation can be prevented.

또한, 7-레이어를 열처리 후 추가공정이 없기에 불량 발생률을 급격히 낮출 수 있으며, 열처리 시간 또한 기존 대비 2.4배 감소하여 공정 수율이 높아질 수 있다.In addition, since there is no additional process after heat treatment of the 7-layer, the defect rate can be drastically reduced, and the heat treatment time can be reduced by 2.4 times compared to the existing one, so the process yield can be increased.

도 1은 종래의 연료전지용 열처리 스택의 7-레이어 구성도를 열처리 진행시 배치도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 열처리 스택의 7-레이어 구성도와 열처리 진행시 배치도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 열처리 스택의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 열처리 스택 제조방법의 공정순서도이다.
도 5는 종래의 공정순서로 생산된 단위 셀을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 열처리 스택 제조방법의 공정순서로 생산된 단위 셀을 나타내는 도면이다.
Figure 1 is a layout diagram of a 7-layer configuration of a conventional heat treatment stack for a fuel cell during heat treatment.
Figure 2 is a 7-layer configuration diagram of a heat treatment stack for a fuel cell according to an embodiment of the present invention and a layout diagram during heat treatment.
Figure 3 is a configuration diagram of a heat treatment stack for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a process flow diagram of a method for manufacturing a heat treatment stack for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a drawing showing a unit cell produced using a conventional process sequence.
FIG. 6 is a drawing showing a unit cell produced in the process sequence of a method for manufacturing a heat treatment stack for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

이하에서는, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement the present invention. However, since the description of the present invention is merely an embodiment for structural and functional explanation, the scope of the rights of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, since the embodiments can be variously modified and can have various forms, the scope of the rights of the present invention should be understood to include equivalents that can realize the technical idea. In addition, the purpose or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment must include all of them or only such effects, and therefore the scope of the rights of the present invention should not be understood as being limited thereby.

본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.The meanings of terms described in the present invention should be understood as follows.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다The terms "first", "second", etc. are intended to distinguish one component from another, and the scope of the right should not be limited by these terms. For example, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. When a component is referred to as being "connected" to another component, it should be understood that it may be directly connected to the other component, but there may also be another component in between. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between. Meanwhile, other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "directly between" or "adjacent to" and "directly adjacent to", should be interpreted in the same way.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.A singular expression should be understood to include the plural expression unless the context clearly indicates otherwise, and the terms "comprises" or "have" should be understood to specify the presence of a stated feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, but not to exclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein, unless otherwise defined, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the relevant art, and shall not be interpreted as having an ideal or overly formal meaning unless explicitly defined in the present invention.

일반적으로 연료전지는 수소이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기 화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응가스들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응 가스들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응가스들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.In general, a fuel cell is composed of a membrane electrode assembly (MEA) in which a solid polymer electrolyte membrane through which hydrogen ions move is centered, a catalyst electrode layer on both sides of the membrane where an electrochemical reaction occurs, a gas diffusion layer (GDL) that evenly distributes reaction gases and transfers the generated electrical energy, a gasket and a fastening mechanism to maintain the airtightness and appropriate fastening pressure of the reaction gases and cooling water, and a bipolar plate that moves the reaction gases and cooling water.

이러한 단위 셀 구성을 이용하여 연료전지 스택을 조립할 때, 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체 및 기체확산층의 조합이 위치하는데, 막전극접합체는 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 촉매전극층, 즉 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)를 가지며, 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에 기체확산층, 서브가스켓 등이 적층된다.When assembling a fuel cell stack using this unit cell configuration, the combination of the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer, which are the main components, is located at the innermost part. The membrane electrode assembly has a catalyst electrode layer, i.e., a cathode and an anode, on which a catalyst is applied to both sides of the polymer electrolyte membrane so that hydrogen and oxygen can react, and a gas diffusion layer, a sub-gasket, etc. are laminated on the outer part where the cathode and anode are located.

연료전지의 스택을 제작하는 공정에 있어서 일반적으로 내구성 향상 및 외관 개선 목적으로 열처리를 진행하고 있다. 이때, 열처리의 경우 간소화 및 최종 단계에서 진행하는 것이 제품의 품질 및 외관 개선에 우수한 영향을 미친다. 종래에는 7-레이어 막전극접합체에 열처리 진행시 기체확산층(GDL)의 형상에 따라 라인이 발생하고 서브가스켓의 접힙 현상이 발생하여 공정 적용에 어려움이 있어 대부분은 연료전지 공정에선 5-레이어 막전극접합체에 열처리를 진행하고 있다. In the process of manufacturing a fuel cell stack, heat treatment is generally performed for the purpose of improving durability and appearance. At this time, in the case of heat treatment, simplifying and performing it in the final stage has a great effect on improving product quality and appearance. In the past, when heat treatment was performed on a 7-layer membrane electrode assembly, lines were generated according to the shape of the gas diffusion layer (GDL) and the sub-gasket was folded, making it difficult to apply the process. Therefore, heat treatment was performed on a 5-layer membrane electrode assembly in most fuel cell processes.

그러나 5-레이어 막전극접합체에 열처리를 진행하면 내구성이나 외관은 깨끗하게 제작이 가능하지만, 열로 인하여 제품 치수 변화 및 우는 현상으로 추후 공정에서 불량을 유발할 수 있다. 특히, 기존 공정의 경우 열처리시 플레이트에 배치하여 열처리를 진행하거나 다양한 필름들을 적층하여 열처리를 진행하는데 최종공정에서 7-레이어를 기존 공정대로 같은 조건으로 열처리를 진행하면 기체확산층(GDL)의 형상대로 라인이 발생하여 막전극접합체의 외관 및 변형을 유발한다.However, if heat treatment is performed on the 5-layer membrane electrode assembly, durability and a clean appearance can be manufactured, but the product size change and crying phenomenon due to the heat can cause defects in the later process. In particular, in the case of the existing process, the heat treatment is performed by arranging it on a plate or by laminating various films, but if the 7-layer is heat treated under the same conditions as the existing process in the final process, lines are generated in the shape of the gas diffusion layer (GDL), causing the appearance and deformation of the membrane electrode assembly.

본 발명은 새로운 적층방식으로 조건을 개발하여 7-레이어 막전극접합체에서 열처리 진행이 가능하도록 한다. 그리고 본 발명은 7-레이어 막전극접합체에서 열처리를 진행할 경우 5-레이어 막전극접합체에 열처리하는 특성과 더불어 우는 현상을 개선하고, 공정 시간을 단축시킬 수 있으며 수율 확보가 가능하도록 한다. 또한, 새로운 적층방식에 의해 7-레이어 막전극접합체에서 열처리 공정 조건을 확보함으로써 제품의 수율 및 품질을 확보할 수 있으며, 제품의 장기보관에도 변형 및 뒤틀림 현상을 극복하여 품질 개선에도 우수하다.The present invention develops conditions using a new lamination method to enable heat treatment in a 7-layer membrane electrode assembly. In addition, the present invention improves the phenomenon of crying, shortens the process time, and ensures yield when heat treatment is performed in a 7-layer membrane electrode assembly, in addition to the characteristics of heat treatment in a 5-layer membrane electrode assembly. In addition, by securing heat treatment process conditions in a 7-layer membrane electrode assembly using a new lamination method, the yield and quality of the product can be secured, and it is excellent in improving quality by overcoming deformation and warping phenomena even in long-term storage of the product.

도 1은 종래의 연료전지용 스택의 7-레이어 막전극접합체 구성도와 열처리 진행시 배치도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 스택의 7-레이어 막전극접합체의 구성도와 열처리 진행시 배치도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 스택의 구성도이다. 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명의 연료전지용 스택에 대해 설명하기로 한다. 본 발명의 연료전지용 스택(10)은 양단의 엔드플레이트(100) 사이에 복수의 단위 셀(200)로 이루어진다. FIG. 1 is a configuration diagram of a 7-layer membrane electrode assembly of a conventional fuel cell stack and a layout diagram during heat treatment, FIG. 2 is a configuration diagram of a 7-layer membrane electrode assembly of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention and a layout diagram during heat treatment, and FIG. 3 is a configuration diagram of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. The fuel cell stack of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. The fuel cell stack (10) of the present invention is composed of a plurality of unit cells (200) between end plates (100) at both ends.

엔드플레이트(100)는 적층된 단위 셀(200)을 지지하기 위한 용도로 결합하는데 사용되는 구성이다. 또한, 엔드플레이트(100)는 스택의 양 끝단에 부착하여 가스의 누설을 막는 역할을 한다. 그리고 엔드플레이트(100)는 이차전지 셀을 양 옆에서 감싸 외부 충격이나 내부 팽창으로부터 보호하는 역할을 하는 필수 요소이다. 이때, 엔드플레이트(100)는 충돌 등에 의해 가해진 외부 충격이 이차전지 최심부에 위치한 셀까지 전달되는 것을 보호해주는 마지노선 역할을 해준다. The end plate (100) is a component used to support and combine stacked unit cells (200). In addition, the end plate (100) is attached to both ends of the stack to prevent gas leakage. In addition, the end plate (100) is an essential element that protects the secondary battery cell from external impact or internal expansion by wrapping it on both sides. At this time, the end plate (100) acts as a Maginot Line that protects the cell located at the innermost part of the secondary battery from external impact applied by collision, etc.

뿐만 아니라 다양한 요인으로 이차전지 내부에서 셀이 팽창할 경우, 엔드플레이트는 이를 물리적으로 억제해 다른 모듈로 손상이 확산되는 것을 막아준다. 그리고 엔드플레이트(100)는 공정의 마지막 최종 조립시 사용되어 최종 제품의 품질에 영향을 줄 수 있다. 이러한 엔드플레이트(100)는 파우치형과 각형 이차전지 모듈의 양 끝에 탑재되는 알루미늄 소재의 부품으로 이루어질 수 있으며, 1개의 모듈에 엔드플레이트 2개가 한 쌍으로 필요로 한다. In addition, when the cell expands inside the secondary battery due to various factors, the end plate physically suppresses this and prevents damage from spreading to other modules. In addition, the end plate (100) is used in the final assembly of the process and may affect the quality of the final product. This end plate (100) may be made of aluminum material parts mounted on both ends of a pouch-type and square-type secondary battery module, and one module requires two end plates as a pair.

단위 셀(200)은 분리판(240), 기체확산층(GDL), 막전극접합체(MEA)가 적층된 구조이고, 3-레이어 막전극접합체(210)와 양 분리판(240) 사이의 가장자리 부분에 개재되는 서브가스켓을 구비하며, 막전극접합체와 서브가스켓이 접착제에 의하여 연결된다. 즉, 단위 셀은 분리판/기체확산층/서브가스켓/막전극접합체/서브가스켓/기체확산층/분리판 순으로 배열되어 적층되는 구조를 가진다.The unit cell (200) has a structure in which a separator (240), a gas diffusion layer (GDL), and a membrane electrode assembly (MEA) are laminated, and has a sub-gasket interposed between a 3-layer membrane electrode assembly (210) and an edge portion between the two separators (240), and the membrane electrode assembly and the sub-gasket are connected by an adhesive. That is, the unit cell has a structure in which the separator/gas diffusion layer/sub-gasket/membrane electrode assembly/sub-gasket/gas diffusion layer/separator are arranged and laminated in the order of separator/gas diffusion layer/sub-gasket/membrane electrode assembly/sub-gasket/gas diffusion layer/separator.

이때, 막전극접합체는 연료전지 스택의 핵심 부품이며, 조립구성에 따라 3-레이어 막전극접합체, 5-레이어 막전극접합체, 7-레이어 막전극접합체로 구분된다. 3-레이어 막전극접합체는 고분자 전해질막과 양쪽의 촉매전극층(Anode와 Cathode)으로 구성되어 있으며, 산화전극인 Anode에 투입된 수소는 촉매제와 반응하여 양성자와 전자로 분해된다. 분해된 양성자는 전해질막을 통과하여 환원전극인 Cathode로 이동하여 산소와 결합하고, 전해질막을 통과하지 못하는 전자는 전기에너지로 사용된다.At this time, the membrane electrode assembly is a core component of the fuel cell stack, and is classified into a 3-layer membrane electrode assembly, a 5-layer membrane electrode assembly, and a 7-layer membrane electrode assembly depending on the assembly configuration. The 3-layer membrane electrode assembly is composed of a polymer electrolyte membrane and catalyst electrode layers on both sides (anode and cathode), and hydrogen injected into the anode, which is the oxidation electrode, reacts with the catalyst and is decomposed into protons and electrons. The decomposed protons pass through the electrolyte membrane to the cathode, which is the reduction electrode, and combine with oxygen, and the electrons that do not pass through the electrolyte membrane are used as electrical energy.

즉, 3-레이어 막전극접합체는 고분자 전해질막을 중심으로 그 양면에 촉매를 포함하고 있는 연료극 및 공기극이 각각 결합된 상태로 3-레이어 막전극접합체라 한다. 그리고 5-레이어 막전극접합체는 3-레이어 막전극접합체의 양면 테두리 영역에 전극의 면적보다 다소 작은 면적의 개구부를 갖는 서브가스켓을 포함한다. 7-레이어 막전극접합체는 촉매를 포함하고 있는 전극의 바깥쪽 부분에 기체확산층이 더 적층되는 것을 말한다.That is, a 3-layer membrane electrode assembly is called a 3-layer membrane electrode assembly in which a fuel electrode and an air electrode, which contain a catalyst on both sides, are respectively bonded to a polymer electrolyte membrane in the center. And a 5-layer membrane electrode assembly includes a sub-gasket having an opening with an area slightly smaller than the area of the electrode in the boundary area on both sides of the 3-layer membrane electrode assembly. A 7-layer membrane electrode assembly means that a gas diffusion layer is further laminated on the outer part of the electrode containing the catalyst.

본 발명의 연료전지용 스택(10)은 7-레이어 막전극접합체에 열처리를 수행할 수 있도록 새로운 적층 방식을 가진다. 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이, 플레이트를 배치하여 열처리를 진행하거나, 다양한 필름을 적층한 구조를 가지도록 하여 열처리를 진행한다. 이때, 종래에는 열처리판에 X기재/필름/필름/막전극접합체/필름/필름/스펀지/아크릴 플레이트가 적층되어 열처리가 진행되었다. 이처럼 7-레이어 막전극접합체에 열처리를 진행하게 되면 기체확산층의 형상대로 라인이 발생하여 막전극접합체의 외관 및 변형을 유발하였다. The fuel cell stack (10) of the present invention has a new lamination method so as to perform heat treatment on a 7-layer membrane electrode assembly. Conventionally, as shown in FIG. 1, heat treatment is performed by arranging plates or by having a structure in which various films are laminated. At this time, conventionally, X-substrate/film/film/membrane electrode assembly/film/film/sponge/acrylic plates are laminated on a heat treatment plate to perform heat treatment. When heat treatment is performed on a 7-layer membrane electrode assembly in this way, lines are generated in the shape of a gas diffusion layer, which causes a change in the appearance and deformation of the membrane electrode assembly.

이를 해결하고자 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명은 열처리판(20)에 플레이트(230)/필름(220)/3-레이어 막전극접합체(210)/필름(220)/플레이트(230)가 적층되어 저온 열처리 공정으로 열처리 될 수 있도록 한다. 이때, 3-레이어 막전극접합체(210), 필름(220), 플레이트(230)가 적층된 상태에서 열처리되고, 양측에 분리판(240)이 설치되어 하나의 단위 셀을 이룰 수 있다.In order to solve this problem, as shown in FIG. 2, the present invention laminates a plate (230)/film (220)/3-layer membrane electrode assembly (210)/film (220)/plate (230) on a heat treatment plate (20) so that it can be heat treated using a low-temperature heat treatment process. At this time, the 3-layer membrane electrode assembly (210), film (220), and plate (230) are heat treated in a laminated state, and a separator (240) is installed on both sides to form one unit cell.

3-레이어 막전극접합체(210)는 고분자 전해질막(211)의 상하면에 촉매층(212)이 부착되도록 갖추어진다. 이때, 고분자 전해질막은 주로 Nafion(DuPont 제조 상품명), 프레미온(Flemion, Asahi Glass 제조 상품명), 아시프렉스(Asiplex, Asahi Chemical사의 상품명) 및 다우 XUS(Dow XUS, Dow Chemical사의 상품명) 전해질막과 같은 퍼플루오로설포네이트 아오노머막(perfluorosulfonate ionomer membrane)이 많이 사용되며 비용이 비싼 단점이 있다. The 3-layer membrane electrode assembly (210) is configured such that a catalyst layer (212) is attached to the upper and lower surfaces of a polymer electrolyte membrane (211). At this time, the polymer electrolyte membrane is mainly a perfluorosulfonate ionomer membrane such as Nafion (trade name manufactured by DuPont), Flemion (trade name manufactured by Asahi Glass), Asiplex (trade name manufactured by Asahi Chemical), and Dow XUS (trade name manufactured by Dow Chemical), but has the disadvantage of being expensive.

이를 해소하기 위한 방편으로 가격이 상대적으로 저렴하며 다양하게 상업적 응용이 가능한 폴리에테르에테르케톤(polyetherether ketone), 폴리술폰(polysulfone), 폴리이미드(polyimide) 등의 탄화수소계 고분자에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 위의 고분자를 술폰화반응으로 이온전도성 고분자로 제조한 후 전해질막으로 캐스팅하는 방법으로 연료전지 전해질막으로 적용하고 있다. To solve this problem, research is actively being conducted on hydrocarbon polymers such as polyetheretherketone, polysulfone, and polyimide, which are relatively inexpensive and have a variety of commercial applications. The above polymers are manufactured into ion-conducting polymers through a sulfonation reaction and then cast into an electrolyte membrane, which is then applied as a fuel cell electrolyte membrane.

3-레이어 막전극접합체(210)는 CCM(Catalyst coated membrane,촉매층이 코팅된 멤브레인)으로 부르기도 하며, 일체화시킨 막전극접합체를 Decal법을 이용하거나 Roll to Roll 법으로 만들 수 있다. Decal 법의 경우, 블레이드 진행방향으로 Coater의 전사 필름에 촉매 잉크를 붓고, 일정한 속도로 촉매 잉크를 전사 필름에 코팅한 후, 막을 사이에 두고 전사필름에 코팅된 양음극 촉매를 핫프레스 하고, 전사 필름을 제거하여 제조한다. Roll to Roll 법의 경우, 촉매가 코팅된 전사 필름에 전사하기 위해 핫프레스 하고, 핫프레스 후 전사필름을 제거하고 촉매가 전사된막을 전단하여 제조한다.The 3-layer membrane electrode assembly (210) is also called a CCM (Catalyst coated membrane), and an integrated membrane electrode assembly can be manufactured by using the Decal method or the Roll to Roll method. In the case of the Decal method, catalyst ink is poured onto the transfer film of the coater in the direction of blade movement, the catalyst ink is coated on the transfer film at a constant speed, and then the cathode and anode catalysts coated on the transfer film are hot pressed with the membrane in between, and the transfer film is removed to manufacture the assembly. In the case of the Roll to Roll method, the catalyst is hot pressed to be transferred to the transfer film coated with the catalyst, the transfer film is removed after the hot press, and the membrane onto which the catalyst is transferred is sheared to manufacture the assembly.

필름(220)은 3-레이어 막전극접합체(210)의 상하면에 배치되도록 갖추어진다. 이때, 필름(220)은 불소수지 계열로 이루어지는 것이 바람직하며, PTFE, PFA, FEP, ETFE, PVDF, PCTFE, ECTFE 등을 포함할 수 있다. 그 중에서 PTFE Film으로 형성될 수 있으며, 연속 사용 온도가 260도 정도로 수지 중에서는 높은 내열성을 가지고 있다. 또한, PTFE는 내약품성이 높아 약품에 노출되어도 퇴화하지 않으며, 내마모성이 높고, 전기 저항 값이 높으며, 절연성이 뛰어난 특징을 가진다.The film (220) is arranged to be placed on the upper and lower surfaces of the 3-layer membrane electrode assembly (210). At this time, the film (220) is preferably made of a fluororesin series, and may include PTFE, PFA, FEP, ETFE, PVDF, PCTFE, ECTFE, etc. Among them, it can be formed as a PTFE film, and has high heat resistance among resins with a continuous use temperature of about 260 degrees. In addition, PTFE has high chemical resistance, so it does not deteriorate even when exposed to chemicals, and has high wear resistance, high electric resistance, and excellent insulation.

이처럼 필름(220)은 3-레이어 막전극접합체(210)와 결합됨으로써 5-레이어 막전극접합체를 형성할 수 있다. 또한, 필름(220)은 서브가스켓으로 3-레이어 막전극접합체(210)와 접착제에 의하여 연결될 수 있다. 이처럼 필름(220)은 양극과 음극 사이에 가스가 섞이지 않도록 차단하는 역할을 한다.In this way, the film (220) can be combined with the 3-layer membrane electrode assembly (210) to form a 5-layer membrane electrode assembly. In addition, the film (220) can be connected to the 3-layer membrane electrode assembly (210) as a sub-gasket by an adhesive. In this way, the film (220) serves to block gases from mixing between the anode and the cathode.

특히, 필름(220)은 3-레이어 막전극접합체(210)와 Belt roll에 의해 가접합되어 외관에 발생되는 다량의 기포를 제거할 수 있다. 또한, 필름(220)은 설정된 두께를 갖도록 하여 고분자 전해질막(211)의 피로파괴를 방지할 수 있으며, 전해질막이 체결압으로 인하여 손상되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 필름(220)은 공급 가스의 누출을 방지하는 것은 물론 과도한 체결압에 의해 가스확산층 내의 기공율이 감소하는 것을 방지할 수 있다. In particular, the film (220) can remove a large amount of air bubbles generated on the exterior by being bonded to the 3-layer membrane electrode assembly (210) by a belt roll. In addition, the film (220) can prevent fatigue destruction of the polymer electrolyte membrane (211) by having a set thickness, and can prevent the electrolyte membrane from being damaged due to the fastening pressure. That is, the film (220) can prevent leakage of the supplied gas and prevent the porosity in the gas diffusion layer from being reduced due to excessive fastening pressure.

플레이트(230)는 필름(220)의 상하면에 배치되도록 갖추어진다. 이러한 플레이트(230)는 아크릴 소재로 이루어지고, 3 내지 4mm 두께로 형성될 수 있다. 플레이트(230)는 5-레이어 막전극접합체의 양측에 결합되어 7-레이어 막전극접합체를 형성할 수 있다. 또한, 플레이트(230)는 기체확산층으로 막전극접합체의 바깥부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에 위치하고 플레이트(230)의 바깥쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(240)이 위치한다. The plate (230) is arranged to be placed on the upper and lower surfaces of the film (220). The plate (230) is made of an acrylic material and can be formed to have a thickness of 3 to 4 mm. The plate (230) can be joined to both sides of a 5-layer membrane electrode assembly to form a 7-layer membrane electrode assembly. In addition, the plate (230) is positioned as a gas diffusion layer on the outer part of the membrane electrode assembly, that is, on the outer part where the cathode and the anode are located, and a separator (240) is positioned on the outer side of the plate (230) in which a flow field is formed to supply fuel and discharge water generated by the reaction.

플레이트(230)는 수소연료전지 핵심 부품으로 반응가스의 원활한 공급과 반응 기체가 흐름장 채널(Flow Field Channel)에서 촉매층으로 가는 통로를 제공하며, 전기화학 반응에 의해 발생한 열을 분리판(240)으로 전도하여 열을 제거하는 역할을 수행하도록 한다. 이처럼 3-레이어 막전극접합체(210), 필름(220), 플레이트(230)로 적층된 7-레이어 막전극접합체 상태에서 외면이 저온 열처리 공정으로 진공열처리 되어 기존의 고온 열처리 공정에 대비하여 공정효율성이 2 내지 3배 이상의 효과를 나타낼 수 있다.The plate (230) is a core component of a hydrogen fuel cell, which provides a smooth supply of reaction gas and a passage for the reaction gas to travel from the flow field channel to the catalyst layer, and conducts heat generated by the electrochemical reaction to the separator (240) to remove the heat. In this way, in the state of a 7-layer membrane electrode assembly laminated with a 3-layer membrane electrode assembly (210), a film (220), and a plate (230), the outer surface is vacuum-heat-treated using a low-temperature heat treatment process, so that the process efficiency can be 2 to 3 times more effective than the existing high-temperature heat treatment process.

상세히, 종래에는 100도 이상의 고온에서 열처리 공정이 이루어졌으나, 본 발명은 40 내지 50도의 저온 열처리 공정으로 수행하여 공정효율성 향상 및 제품의 치수 변형과 불량 발생을 감소시킬 수 있다. 이처럼 기존의 공정방식은 직접적으로 열을 받기 때문에 전극에 영향을 미칠 수 있으며, 기체확산층의 라인 형성을 유발하여 공정 품질에 이슈를 발생시킬 수 있다. 반면에 본 발명의 공정방식은 특정한 필름 적층 방식을 통하여 전극 데미지를 최소화하고 제품의 외관 및 변형을 방지할 수 있다. In detail, while a heat treatment process was performed at a high temperature of 100 degrees or higher in the past, the present invention can improve process efficiency and reduce dimensional deformation and defects of products by performing a low-temperature heat treatment process of 40 to 50 degrees. In this way, the existing process method can affect the electrode because it directly receives heat, and can cause line formation of the gas diffusion layer, thereby causing issues in the process quality. On the other hand, the process method of the present invention can minimize electrode damage and prevent appearance and deformation of the product through a specific film lamination method.

분리판(240)은 단위 셀(200)과 단위 셀(200) 간의 전기적인 연결을 하기위해 갖추어진다. 분리판(240)은 연료전지 스택에서 각 전지를 분리하고 있는 전도성 판으로 인접한 두 전지에서 한 전지에서는 연료극판으로 다른 한 전지에서는 공기극판으로 기능한다. 분리판(240)은 연료가스와 공기를 차단하는 역할 외에 연료가스와 공기의 유로확보 및 외부회로에 전류를 전달하는 역할을 하므로 높은 전기전도성, 내식성, 열전도성과 함께 낮은 기체투과성이 요구된다.The separator (240) is provided to make an electrical connection between the unit cells (200) and the unit cells (200). The separator (240) is a conductive plate that separates each cell in the fuel cell stack, and functions as a fuel electrode plate in one cell and as an air electrode plate in the other cell among two adjacent cells. In addition to its role of blocking fuel gas and air, the separator (240) also serves to secure a flow path for fuel gas and air and transmit current to an external circuit, and therefore requires high electrical conductivity, corrosion resistance, thermal conductivity, and low gas permeability.

분리판(240)은 주로 수지가 함침 된 흑연판, 탄소복합체판, 금속판 등으로 제작되는데 유체의 흐름을 돕기 위해 유로가 형성되어 있다. 또한, 분리판(240)은 전지에서 발생된 열을 연료전지 스택 전체에 분배하는 역할도 하는데 과도하게 발생된 열은 공랭식 혹은 수냉식 열 교환을 통해 회수 또는 재활용된다. 지금까지 개발된 분리판 종류는 수지함침 흑연판, 탄소복합체 분리판 및 금속 분리판으로 구분할 수 있다. 이 중 수지함침 흑연판은 흑연판에 수지(Resin)를 함침하여 기계가공을 통해 기체유로를 형성시킨 연료전지용 분리판이다.The separator (240) is mainly manufactured from a resin-impregnated graphite plate, a carbon composite plate, a metal plate, etc., and has a flow path formed to help the flow of fluid. In addition, the separator (240) also plays a role in distributing the heat generated from the cell to the entire fuel cell stack, and excessive heat generated is recovered or recycled through air-cooling or water-cooling heat exchange. The types of separators developed so far can be classified into resin-impregnated graphite plates, carbon composite separator plates, and metal separator plates. Among these, the resin-impregnated graphite plate is a fuel cell separator that forms a gas flow path by impregnating a graphite plate with resin and mechanically processing it.

분리판(240)은 연료전지 내부의 전자의 이동에 관여하기 때문에 플레이트(230)를 관통하는 전기전도도가 가장 중요한 특성이다. 또한, 가스확산층으로서 가스를 분배하는 유로가 있어야 하며 반응 가스나 이온들에 대한 비 투과성이 요구되며 화학적으로도 안정해야 한다. 또한 고분자 전해질형 연료전지의 주 응용분야로 예상되는 자동차 및 휴대용 제품 시장의 특성을 고려할 때 무게가 가벼워야 하며 대량생산이 가능하여야 한다. The separator (240) is involved in the movement of electrons inside the fuel cell, so the most important characteristic is the electrical conductivity penetrating the plate (230). In addition, as a gas diffusion layer, there must be a path for distributing gas, and it must be impermeable to reactive gases or ions and chemically stable. In addition, considering the characteristics of the automobile and portable product markets, which are expected to be the main application fields of polymer electrolyte fuel cells, it must be light and capable of mass production.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 열처리 스택 제조방법의 공정순서도이다. 도 4를 참조하여 연료전지용 열처리 스택 제조방법의 공정순서를 설명하기로 한다. FIG. 4 is a process flow diagram of a method for manufacturing a heat treatment stack for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The process flow diagram of a method for manufacturing a heat treatment stack for a fuel cell will be described with reference to FIG. 4.

3-레이어 형성단계(S100)는 전해질막(211)의 상하면에 촉매층(212)이 부착되어 준비된다. The 3-layer formation step (S100) is prepared by attaching a catalyst layer (212) to the upper and lower surfaces of the electrolyte membrane (211).

5-레이어 형성단계(S200)는 3-레이어 막전극접합체(210)의 상하면에 불소수지 계열의 필름(220)이 배치되어 Belt roll에 의해 5-레이어 막전극접합체로 가접합된다. 이때, 필름(220)의 중앙에 개구부(221)가 형성되어 구비된다.In the 5-layer formation step (S200), a fluororesin series film (220) is placed on the upper and lower surfaces of a 3-layer membrane electrode assembly (210) and is temporarily bonded to a 5-layer membrane electrode assembly by a belt roll. At this time, an opening (221) is formed in the center of the film (220).

7-레이어 형성단계(S300)는 가접합된 5-레이어 막전극접합체의 상하면에 아크릴 소재의 플레이트(230)가 배치되어 7-레이어 막전극접합체로 적층된다. 이때, 7-레이어 형성단계(S300)는 3-레이어 막전극접합체(210)와 필름(220)이 가접합된 상태에서 플레이트(230)가 필름(220)의 개구부(221)를 통해 5-레이어 막전극접합체의 양면에 접합된다.In the 7-layer formation step (S300), an acrylic plate (230) is placed on the upper and lower surfaces of the 5-layer membrane electrode assembly that has been provisionally bonded, and the 7-layer membrane electrode assembly is laminated. At this time, in the 7-layer formation step (S300), the plate (230) is bonded to both surfaces of the 5-layer membrane electrode assembly through the opening (221) of the film (220) while the 3-layer membrane electrode assembly (210) and the film (220) are provisionally bonded.

열처리 단계(S400)는 열처리판(20)에 적층된 7-레이어 막전극접합체가 배치된 상태에서 진공열처리된다. 이때, 열처리 단계(S400)는 온도 40 내지 50도, 압력 9 내지 11kgf/mm 조건에서 수행된다.The heat treatment step (S400) is performed under vacuum heat treatment while the 7-layer membrane electrode assembly is placed on the heat treatment plate (20). At this time, the heat treatment step (S400) is performed under the conditions of a temperature of 40 to 50 degrees and a pressure of 9 to 11 kgf/mm.

최종 제품단계(S500)는 진공열처리된 7-레이어 막전극접합체의 양측에 분리판(240)이 배치되어 단위 셀로 형성되고, 복수의 단위 셀(200)이 두 개의 엔드플레이트(100) 사이에 배열되어 최종제품으로 제조된다.In the final product stage (S500), a separator (240) is placed on both sides of a vacuum-heat-treated 7-layer membrane electrode assembly to form a unit cell, and a plurality of unit cells (200) are arranged between two end plates (100) to manufacture a final product.

도 5는 종래의 공정순서로 생산된 단위 셀을 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 열처리 스택 제조방법의 공정순서로 생산된 단위 셀을 나타내는 도면이다.FIG. 5 is a drawing showing a unit cell produced in a conventional process sequence, and FIG. 6 is a drawing showing a unit cell produced in a process sequence of a method for manufacturing a heat treatment stack for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이 7-레이어 막전극접합체를 형성한 이후 열처리를 진행한 결과를 나타내고 있으며, 기체확산층의 형상대로 라인이 발생한 결과를 확인할 수 있다. 이와 달리, 도 6에 도시된 바와 같이 새로운 적층 방식의 7-레이어 막전극접합체에 열처리를 진행한 결과를 나타내고 있으며, 우는 현상이 없이 라인이 발생하지 않은 결과를 확인할 수 있다.As shown in Fig. 5, the results of heat treatment after forming a 7-layer membrane electrode assembly are shown, and it can be confirmed that lines are generated in the shape of a gas diffusion layer. In contrast, as shown in Fig. 6, the results of heat treatment on a 7-layer membrane electrode assembly of a new lamination method are shown, and it can be confirmed that lines are not generated without a crying phenomenon.

이처럼 7-레이어 막전극접합체에 열처리를 진행할 경우 5-레이어 막전극접합체의 열처리 특성과 더불어 우는 현상 개선, 공정 시간 단축 및 수율 확보가 가능하도록 한다. 본 발명은 7-레이어 막전극접합체의 열처리 공정 조건을 확보함으로써, 제품의 수율 및 품질을 확보할 수 있으며, 제품 장기 보관에도 변형 및 뒤틈림 현상을 극복하여 품질 개선에도 우수하도록 한다.In this way, when heat treatment is performed on a 7-layer membrane electrode assembly, it is possible to improve the heat treatment characteristics of a 5-layer membrane electrode assembly, as well as the crying phenomenon, shorten the process time, and secure the yield. The present invention secures the heat treatment process conditions of a 7-layer membrane electrode assembly, thereby securing the yield and quality of the product, and also overcomes deformation and warping phenomena during long-term storage of the product, thereby improving the quality excellently.

또한, 기존 고온 열처리 공정과 동일한 특성을 보이는 프로세스 조건과 동일하고, 이러한 변화로 인해 진공 분위기에서 외관상 기포, 변형율 감소로 치수 변형 및 품질 개선에 효과적인 결과를 도출할 수 있다. 그리고 공정시간이 감소하여 수율이 증대되며, 시간 경과에 따른 제품 변형을 방지하고 품질 개선에 큰 영향을 미친다. In addition, it is the same as the process conditions that show the same characteristics as the existing high-temperature heat treatment process, and due to this change, it can produce effective results in dimensional deformation and quality improvement by reducing the appearance of bubbles and deformation rate in a vacuum atmosphere. In addition, the process time is reduced, so the yield is increased, and it prevents product deformation over time and has a great effect on quality improvement.

기존 5-레이어 막전극접합체에 열처리 진행 시 제품 뒤틀림 현상으로 인하여 후 공정에서 치수 변형 및 불량 발생이 발생되는데, 7-레이어 막전극접합체에 열처리 후 공정이 없기에 불량 발생률을 급격히 낮출 수 있으며, 열처리 시간 또한 기존 대비 2.4배 감소하여 공정 수율이 높아질 수 있게 된다.When heat treatment is performed on a conventional 5-layer membrane electrode assembly, product distortion occurs, resulting in dimensional deformation and defects in the subsequent process. However, since there is no post-heat treatment process for a 7-layer membrane electrode assembly, the defect rate can be drastically reduced, and the heat treatment time can be reduced by 2.4 times compared to the previous process, thereby increasing the process yield.

기존 공정은 제품 제조 완료 시 온도 및 습도 영향으로 제품이 뒤틀림 현상이 발생하여 외관 및 품질에 이슈를 발생시키지만, 본 발명의 공정 적용 시 온도 및 습도 영향으로 장기간 보관에도 뒤틀림 현상은 확인되지 않아 보관이나 품질에 큰 개선이 될 수 있다.In the existing process, the product warps due to temperature and humidity when manufacturing the product, causing issues with its appearance and quality. However, when the process of the present invention is applied, the product does not warp due to temperature and humidity even when stored for a long period of time, which can lead to significant improvements in storage and quality.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.The detailed description of the preferred embodiments of the present invention disclosed above has been provided to enable those skilled in the art to implement and practice the present invention. While the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the scope of the present invention. For example, those skilled in the art can utilize each of the configurations described in the above-described embodiments in a manner that combines them. Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.The present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics of the present invention. Accordingly, the above detailed description should not be construed in all aspects as restrictive but rather as illustrative. The scope of the present invention should be determined by a reasonable interpretation of the appended claims, and all changes coming within the equivalent scope of the present invention are intended to be embraced therein. The present invention is not intended to be limited to the embodiments set forth herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein. In addition, claims that do not have an explicit citation relationship in the claims may be combined to constitute an embodiment or may be included as a new claim by post-application amendment.

10 : 연료전지용 스택
20 : 열처리판
100 : 엔드플레이트
200 : 단위 셀
210 : 3-레이어 막전극접합체
211 : 전해질막
212 : 촉매층
220 : 필름
221 : 개구부
230 : 플레이트
240 : 분리판
S100 : 3-레이어 형성단계
S200 : 5-레이어 형성단계
S300 : 7-레이어 형성단계
S400 : 열처리 단계
S500 : 최종 제품단계
10: Stack for fuel cell
20 : Heat treatment plate
100 : Endplate
200 : Unit cell
210: 3-layer membrane electrode assembly
211 : Electrolyte membrane
212 : Catalyst layer
220 : Film
221 : Aperture
230 : Plate
240 : Separator
S100: 3-layer formation stage
S200: 5-layer formation stage
S300: 7-layer formation stage
S400: Heat treatment stage
S500: Final product stage

Claims (9)

양단의 엔드플레이트 사이에 복수의 단위 셀로 이루어진 연료전지용 스택에 있어서,
상기 단위 셀은,
전해질막의 상하면에 촉매전극층이 부착된 3-레이어 막전극접합체;
상기 3-레이어 막전극접합체의 상하면에 배치되는 필름; 및
상기 필름의 상하면에 배치되는 플레이트;를 포함하고,
상기 단위 셀이 상기 3-레이어 막전극접합체, 필름, 플레이트로 적층된 7-레이어 막전극접합체 상태에서 외면이 진공열처리 되어 제조되고,

상기 진공열처리는,
온도 40 내지 50도, 압력 9 내지 11kgf/mm 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열처리 스택.
In a fuel cell stack comprising a plurality of unit cells between end plates at both ends,
The above unit cell is,
A three-layer membrane electrode assembly having a catalyst electrode layer attached to the upper and lower surfaces of an electrolyte membrane;
A film disposed on the upper and lower surfaces of the above 3-layer membrane electrode assembly; and
A plate disposed on the upper and lower surfaces of the above film;
The above unit cell is manufactured by vacuum heat-treating the outer surface in a 7-layer membrane electrode assembly state in which the above 3-layer membrane electrode assembly, film, and plate are laminated,

The above vacuum heat treatment is,
A heat treatment stack for a fuel cell, characterized in that it is performed under conditions of a temperature of 40 to 50 degrees and a pressure of 9 to 11 kgf/mm.
제1항에 있어서,
상기 필름은,
불소수지 계열로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열처리 스택.
In the first paragraph,
The above film,
A heat treatment stack for a fuel cell characterized by being composed of a fluororesin series.
제1항에 있어서,
상기 플레이트는,
아크릴 소재로 이루어지고, 3 내지 4mm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열처리 스택.
In the first paragraph,
The above plate,
A heat treatment stack for a fuel cell, characterized in that it is made of acrylic material and formed to a thickness of 3 to 4 mm.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 3-레이어 막전극접합체와 필름이 Belt roll에 의해 가접합되어 외관에 발생되는 다량의 기포를 제거하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열처리 스택.
In the first paragraph,
A heat treatment stack for a fuel cell, characterized in that the three-layer membrane electrode assembly and the film are bonded by a belt roll to remove a large amount of air bubbles generated on the exterior.
전해질막의 상하면에 촉매전극층이 부착된 3-레이어 형성단계(S100);
상기 3-레이어 막전극접합체의 상하면에 필름이 배치되어 5-레이어 막전극접합체로 가접합되는 5-레이어 형성단계(S200);
상기 가접합된 5-레이어 막전극접합체의 상하면에 플레이트가 배치되어 7-레이어 막전극접합체로 적층되는 7-레이어 형성단계(S300); 및
열처리판에 상기 적층된 7-레이어 막전극접합체가 배치된 상태에서 진공열처리되는 열처리단계(S400);를 포함하고,

상기 열처리단계(S400)는,
온도 40 내지 50도, 압력 9 내지 11kgf/mm 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열처리 스택 제조방법.
3-layer formation step (S100) in which a catalyst electrode layer is attached to the upper and lower surfaces of the electrolyte membrane;
A 5-layer forming step (S200) in which films are placed on the upper and lower surfaces of the above 3-layer membrane electrode assembly and bonded to form a 5-layer membrane electrode assembly;
A 7-layer forming step (S300) in which plates are placed on the upper and lower surfaces of the above-mentioned 5-layer membrane electrode assembly and laminated into a 7-layer membrane electrode assembly; and
A heat treatment step (S400) in which the laminated 7-layer membrane electrode assembly is placed on a heat treatment plate and subjected to vacuum heat treatment;

The above heat treatment step (S400) is
A method for manufacturing a heat treatment stack for a fuel cell, characterized in that it is performed under conditions of a temperature of 40 to 50 degrees and a pressure of 9 to 11 kg f /mm.
삭제delete 제6항에 있어서,
상기 5-레이어 형성단계(S200)는,
상기 필름의 중앙에 개구부가 형성되어 구비되고,
상기 7-레이어 형성단계(S300)는,
상기 3-레이어 막전극접합체와 필름이 가접합된 상태에서 상기 플레이트가 상기 필름의 개구부를 통해 상기 5-레이어 막전극접합체의 양면에 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열처리 스택 제조방법.
In Article 6,
The above 5-layer formation step (S200) is
An opening is formed and provided in the center of the above film,
The above 7-layer formation step (S300) is
A method for manufacturing a heat treatment stack for a fuel cell, characterized in that the plate is bonded to both sides of the 5-layer membrane electrode assembly through the opening of the film while the 3-layer membrane electrode assembly and the film are bonded together.
제6항에 있어서,
상기 진공열처리된 7-레이어 막전극접합체의 양측에 분리판이 배치되어 단위 셀로 형성되고, 복수의 단위 셀이 두 개의 엔드플레이트 사이에 배열되어 최종제품으로 제조되는 최종 제품단계(S500);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 열처리 스택 제조방법.
In Article 6,
A method for manufacturing a heat treatment stack for a fuel cell, characterized in that it further includes a final product step (S500) in which a separator is arranged on both sides of the above-mentioned vacuum heat-treated 7-layer membrane electrode assembly to form a unit cell, and a plurality of unit cells are arranged between two end plates to manufacture a final product.
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