KR102312860B1 - Modular gaskets for fuel cell, membrane electrode assembly having the modular gaskets, and method for manufacturing the modular gaskets - Google Patents

Modular gaskets for fuel cell, membrane electrode assembly having the modular gaskets, and method for manufacturing the modular gaskets Download PDF

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KR102312860B1 KR1020200055226A KR20200055226A KR102312860B1 KR 102312860 B1 KR102312860 B1 KR 102312860B1 KR 1020200055226 A KR1020200055226 A KR 1020200055226A KR 20200055226 A KR20200055226 A KR 20200055226A KR 102312860 B1 KR102312860 B1 KR 102312860B1
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Abstract

The present invention relates to a modular gasket of a fuel cell, a membrane electrode assembly having the modular gasket, and a manufacturing method of the modular gasket. The task to be solved is to have the same airtight properties as a bipolar plate (BP) gasket on the upper surface of a sub-gasket used in a membrane electrode assembly (MEA) and to maintain airtightness even if the existing BP gasket is not used by applying modified liquid silicone rubber (LSR) to improve acid resistance through coating or injection, etc. For example, disclosed is a membrane electrode assembly of a fuel cell, comprising: an MEA with a three-layer structure in which an anode, a membrane, and a cathode are stacked; a modular gasket including sub-gaskets respectively formed on both sides of the MEA and a main gasket formed by coating and curing modified LSR in which silane containing fluorine is mixed with LSR is coated on the sub-gasket; and current collectors separately formed on the main gasket and electrically connected to the anode and the cathode, respectively.

Description

연료전지의 모듈형 가스켓, 모듈형 가스켓을 갖는 막전극 접합체, 및 모듈형 가스켓의 제조 방법{MODULAR GASKETS FOR FUEL CELL, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY HAVING THE MODULAR GASKETS, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE MODULAR GASKETS} A modular gasket of a fuel cell, a membrane electrode assembly having a modular gasket, and a method for manufacturing a modular gasket

본 발명의 실시예는 연료전지의 모듈형 가스켓, 모듈형 가스켓을 갖는 막전극 접합체, 및 모듈형 가스켓의 제조 방법에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to a modular gasket for a fuel cell, a membrane electrode assembly having a modular gasket, and a method for manufacturing the modular gasket.

고분자 전해질 연료전지의 중앙 부분에는 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 구성되어 있는데, 이러한 막전극 접합체의 구조는 양극-막-음극(Anode-Membrane-Cathode)의 3층 구조를 이루기 때문에 '3layer' 또는 'MEA3'라 부르며, 전극층 바깥쪽 부분에 서브 가스켓이 더해져 '5Layer' 또는 'MEA5'라 부른다. Membrane-Electrode Assembly (MEA) is formed in the central part of the polymer electrolyte fuel cell, and the structure of this membrane electrode assembly forms a three-layer structure of anode-membrane-cathode. It is called '3layer' or 'MEA3', and it is called '5Layer' or 'MEA5' because a sub-gasket is added to the outer part of the electrode layer.

이렇게 구성된 '5Layer' 또는 'MEA5'는 BP(Bipolar Plate)용 가스켓과 결합되어 산화/환원 반응이 일어나는 중앙 부분에 연료를 공급하고 그에 따른 반응에 의해 생성된 물이 배출될 때 MEA의 측면부로 연료나 물이 새지 않게 실링(Sealing) 역할을 한다.The '5Layer' or 'MEA5' configured in this way is combined with the BP (Bipolar Plate) gasket to supply fuel to the central part where the oxidation/reduction reaction takes place, and when the water generated by the reaction is discharged, it is fueled to the side part of the MEA. It acts as a sealing so that water does not leak.

연료전지 스택(Stack)에 사용되는 BP(Bipolar Plate)용 가스켓은 적절한 범위의 경도(Hardness)에서 탁월한 탄성 및 낮은 영구 압축출음률(Compression set)이 확보되어야 하고, 연료전지의 구동 시 발생되는 pH2의 산성 분위기에서도 변형이 일어나지 않는 내산성, 내가수분해성, 내가스 투과성이 충족되어야 하며, 생산성을 위한 가공성 및 상기한 물성들을 충족시키는 저가 소재의 특징을 가져야 한다. The gasket for BP (Bipolar Plate) used in the fuel cell stack must have excellent elasticity and low compression set in an appropriate range of hardness, and the pH2 generated when the fuel cell is driven Acid resistance, hydrolysis resistance, and gas permeability resistance that do not cause deformation even in an acidic atmosphere of

일반적으로 연료전지 BP(Bipolar plate)용 가스켓의 구성 물질로는 불소계, 실리콘계, 탄화 수소계가 많이 사용된다.In general, fluorine-based, silicon-based, and hydrocarbon-based materials are widely used as constituent materials of gaskets for fuel cell BP (Bipolar plate).

불소계 BP(Bipolar plate)용 가스켓의 경우 분자 구조에 불소(Fluoride)가 붙어 있는 구조로 탄성, 내산성, 내열성 등이 탁월하여 수소연료전지차 운전조건에서 장시간 사용하여도 내구성이 뛰어나 개발 초기에 널리 사용되었으나, 사출 성형에 의해 제작되어 생산성이 떨어지고, 내한성이 좋지 않을 뿐만 아니라, 소재의 가격 또한 높아 사용이 제한적이다. 불소계 BP(Bipolar plate)용 가스켓의 내한성 개선을 위해 과산화물(Peroxide)로 가교하여 -30도에서도 기밀 특성을 확보할 수 있는 소재가 개발되었지만 가격이 더 높아지는 단점과, -40도 이하에서는 여전히 기밀성 유지가 되지 않아 현재는 대부분의 제조사가 채용하지 않고 있다. In the case of a gasket for fluorine-based BP (bipolar plate), it has a structure with fluoride attached to the molecular structure and has excellent elasticity, acid resistance, and heat resistance. , is produced by injection molding, so productivity is low, cold resistance is not good, and the price of the material is high, so its use is limited. In order to improve the cold resistance of fluorine-based BP (Bipolar plate) gaskets, a material that can be crosslinked with peroxide to secure airtight properties even at -30 degrees has been developed, but the disadvantage is that the price is higher, and airtightness is still maintained at -40 degrees or less Currently, most manufacturers do not employ it.

탄화수소계 BP(Bipolar plate)용 가스켓의 경우 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer), EPR(Ethylene Propylene Rubber), IR(Isoprene Rubber) 등이 많이 사용되고 있는데, 내한성이 -40도로 우수한 반면 100도 이상의 고온에서 장시간 노출 시 탄성, 내산화성이 저하되어 누출(Leak)이 발생되는 문제점이 있다. In the case of hydrocarbon-based gaskets for BP (Bipolar plate), EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer), EPR (Ethylene Propylene Rubber), IR (Isoprene Rubber), etc. are widely used. While excellent in cold resistance of -40 degrees, There is a problem in that elasticity and oxidation resistance are lowered upon exposure, resulting in leakage.

실리콘계 BP(Bipolar plate)용 가스켓의 경우 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등의 일반형과 불소(Fluoride)가 포함된 고가의 변성 실리콘이 기계적, 화학적 물성 확보가 용이하지만, 가공성의 문제로 LSR(Liquid Silicone Rubber)을 많이 사용하고 있다. 이러한 실리콘 고무는 가공성이 매우 우수하고 내열성과 광범위한 사용 온도 조건 등으로 수소연료전지 스택 초기 개발 단계에서 많이 적용되었지만, 내산성이 취약하여 산성조건에 장시간 노출되면 노화에 의해 실리콘 파편조각들이 떨어져 나와 백금과 같은 촉매 표면을 오염시켜 연료전지 효율을 감소시킨다. 따라서 LSR(Liquid Silicone Rubber)의 사용을 위해서는 내산성을 향상시킨 변성 실리콘 적용이 필요하다.For silicone-based BP (Bipolar plate) gaskets, general types such as PDMS (Polydimethylsiloxane) and expensive modified silicone containing fluoride are easy to secure mechanical and chemical properties, but LSR (Liquid Silicone Rubber) I use it a lot. These silicone rubbers have excellent processability, heat resistance, and a wide range of operating temperature conditions, so they were often applied in the early development stage of the hydrogen fuel cell stack. It contaminates the same catalyst surface, reducing fuel cell efficiency. Therefore, in order to use LSR (Liquid Silicone Rubber), it is necessary to apply modified silicone with improved acid resistance.

한편, 종래의 연료전지용 스택의 적층 공정은 미리 사출 방식으로 제조된 띠나 오링(O-ring) 모양의 고무 가스켓을 BP(Bipolar plate) 상에 고정시켜 적층하는 방식이 적용되고 있는데 BP(Bipolar plate)용 가스켓이 고무 재질로 이루어져 쉽게 구부려지는 소재의 특징 때문에 자동화 공정 적용이 어려워 생산성이 떨어지고 제조 단가가 올라간다는 단점이 있다.On the other hand, in the conventional stacking process for fuel cells, a method of stacking a rubber gasket in the form of a band or O-ring manufactured by injection in advance is fixed on a BP (Bipolar plate) and stacked. BP (Bipolar plate) Because the gasket is made of rubber, it is difficult to apply the automated process due to the characteristics of the material, which can be easily bent, resulting in lower productivity and higher manufacturing cost.

등록특허공보 제10-0501682호(등록일자: 2005년07월06일)Registered Patent Publication No. 10-0501682 (Registration Date: July 06, 2005) 공개특허공보 제10-2008-0071319호(공개일자: 2008년08월04일)Laid-open Patent Publication No. 10-2008-0071319 (published date: August 04, 2008) 공개특허공보 제10-2018-0126708호(공개일자: 2018년11월28일)Laid-open Patent Publication No. 10-2018-0126708 (published date: November 28, 2018)

본 발명의 실시예는, 연료전지 스택 제조 시 MEA(Membrane-Electrode Assembly)가 적층 될 때마다 BP(Bipolar Plate)와 MEA(Membrane-Electrode Assembly) 사이에서 기밀성을 확보하기 위해 사용되던 BP(Bipolar Plate)용 가스켓이 고무 재질로 이루어져 쉽게 구부려지는 소재의 특징 상 자동화 공정 적용이 어려워 생산성이 떨어지고, 서브 가스켓과 별도의 BP(Bipolar Plate)용 가스켓이 추가로 사용됨에 따라 제조 단가가 올라가는 문제를 해결하기 위하여, MEA(Membrane-Electrode Assembly)에 사용되고 있는 서브 가스켓 상면에 BP(Bipolar Plate)용 가스켓과 동일한 기밀 특성을 가지며, 내산성이 확보된 변성 LSR(Liquid Silicone Rubber)을 코팅이나 사출 등의 방식을 통해 도포하여 기존의 BP(Bipolar Plate)용 가스켓이 사용되지 않아도 기밀성이 유지될 수 있는 모듈형 가스켓, 모듈형 가스켓을 갖는 막전극 접합체, 및 모듈형 가스켓의 제조 방법을 제공한다.In an embodiment of the present invention, BP (Bipolar Plate) used to secure airtightness between BP (Bipolar Plate) and MEA (Membrane-Electrode Assembly) whenever MEA (Membrane-Electrode Assembly) is stacked during the manufacture of a fuel cell stack ) gasket is made of rubber, and due to the nature of the material, it is difficult to apply an automated process, so productivity is reduced. To this end, modified LSR (Liquid Silicone Rubber), which has the same airtight properties as the BP (Bipolar Plate) gasket, and has secured acid resistance, is coated on the upper surface of the sub gasket used in MEA (Membrane-Electrode Assembly) through coating or injection methods. Provided are a modular gasket capable of maintaining airtightness even if the existing gasket for BP (Bipolar Plate) is not used by coating, a membrane electrode assembly having a modular gasket, and a method of manufacturing a modular gasket.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 모듈형 가스켓은, 애노드, 멤브레인 및 캐소드가 적층된 3레이어 구조의 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 양면에 각각 형성된 서브 가스켓; 및 LSR(Liquid Silicone Rubber)에 플루오린(fluorine)이 함유된 실란(silane)이 혼합된 변성 LSR이 상기 서브 가스켓 상에 각각 코팅 후 경화되어 형성된 메인 가스켓을 포함한다.A modular gasket for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes: sub-gaskets respectively formed on both sides of a Membrane Electrode Assembly (MEA) having a three-layer structure in which an anode, a membrane, and a cathode are stacked; and a main gasket formed by coating and curing a modified LSR in which silane containing fluorine is mixed with liquid silicone rubber (LSR), respectively.

또한, 상기 변성 LSR은, 단일 LSR 또는 경도(hardness)가 상이한 이종 이상의 LSR가 혼합되어 30 내지 70 경도(ASTM D2240, Shore A경도)로 제조된 것일 수 있다.In addition, the modified LSR may be a single LSR or a mixture of two or more LSRs having different hardnesses to have a hardness of 30 to 70 (ASTM D2240, Shore A hardness).

또한, 상기 변성 LSR은, 상기 실란이 1중량부 이하가 사용되어 제조된 것일 수 있다.In addition, the modified LSR may be prepared by using 1 part by weight or less of the silane.

또한, 상기 메인 가스켓의 각각의 두께는 50㎛ 이상 500㎛ 미만일 수 있다.In addition, each thickness of the main gasket may be 50 μm or more and less than 500 μm.

또한, 상기 서브 가스켓은, 상기 MEA 상에 형성되고, 열경화성 수지를 포함하는 접착층; 및 상기 접착층 상에 형성되고, PI(Polyimide) 또는 PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름을 포함하는 기재층을 포함할 수 있다.In addition, the sub gasket may include an adhesive layer formed on the MEA and including a thermosetting resin; and a base layer formed on the adhesive layer and including a polyimide (PI) or polyethylene naphthalate (PEN) film.

또한, 상기 접착층의 두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다.In addition, the thickness of the adhesive layer may be 5 μm or more and 100 μm or less.

또한, 상기 기재층의 두께는 10㎛ 이상 70㎛ 이하일 수 있다.In addition, the thickness of the base layer may be 10 μm or more and 70 μm or less.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 막전극 접합체는, 애노드, 멤브레인 및 캐소드가 적층된 3레이어 구조의 MEA(Membrane Electrode Assembly); 상기 MEA의 양면에 각각 형성된 서브 가스켓과, LSR(Liquid Silicone Rubber)에 플루오린(fluorine)이 함유된 실란(silane)이 혼합된 변성 LSR이 상기 서브 가스켓 상에 각각 코팅 후 경화되어 형성된 메인 가스켓을 포함하는 모듈형 가스켓; 및 상기 메인 가스켓 상에 각각 형성되고, 상기 애노드 및 상기 캐소드와 각각 전기적으로 연결된 집전체를 포함한다.Membrane electrode assembly of a fuel cell according to another embodiment of the present invention, a three-layer structure of the anode, the membrane and the cathode are stacked MEA (Membrane Electrode Assembly); Sub-gaskets respectively formed on both sides of the MEA, and a modified LSR in which silane containing fluorine is mixed with LSR (Liquid Silicone Rubber) is coated on the sub-gasket and then cured to form a main gasket. a modular gasket comprising; and current collectors respectively formed on the main gasket and electrically connected to the anode and the cathode, respectively.

또한, 상기 변성 LSR은, 단일 LSR 또는 경도(hardness)가 상이한 이종 이상의 LSR가 혼합되어 30 내지 70 경도(ASTM D2240, Shore A경도)로 제조된 것일 수 있다.In addition, the modified LSR may be a single LSR or a mixture of two or more LSRs having different hardnesses to have a hardness of 30 to 70 (ASTM D2240, Shore A hardness).

또한, 상기 변성 LSR은, 상기 실란이 1중량부 이하가 사용되어 제조된 것일 수 있다.In addition, the modified LSR may be prepared by using 1 part by weight or less of the silane.

또한, 상기 메인 가스켓의 각각의 두께는 50㎛ 이상 500㎛ 미만일 수 있다.In addition, each thickness of the main gasket may be 50 μm or more and less than 500 μm.

또한, 상기 서브 가스켓은, 상기 MEA 상에 형성되고, 열경화성 수지를 포함하는 접착층; 및 상기 접착층 상에 형성되고, PI(Polyimide) 또는 PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름을 포함하는 기재층을 포함할 수 있다.In addition, the sub gasket may include an adhesive layer formed on the MEA and including a thermosetting resin; and a base layer formed on the adhesive layer and including a polyimide (PI) or polyethylene naphthalate (PEN) film.

또한, 상기 접착층의 두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다.In addition, the thickness of the adhesive layer may be 5 μm or more and 100 μm or less.

또한, 상기 기재층의 두께는 10㎛ 이상 70㎛ 이하일 수 있다.In addition, the thickness of the base layer may be 10 μm or more and 70 μm or less.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지의 모듈형 가스켓의 제조 방법은, LSR(Liquid Silicone Rubber)에 플루오린(fluorine)이 함유된 실란(silane)을 혼합하여 변성 LSR을 제조하는 단계; PI(Polyimide) 또는 PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름을 포함하는 기재층 표면을 프라이머(primer) 코팅 처리하는 단계; 상기 프라이머 코팅 처리된 기재층 상에 상기 변성 LSR을 코팅한 후 경화시켜 메인 가스켓을 형성하는 단계; 및 상기 기재층 하면에 열경화성 수지를 포함하는 접착층을 형성하여 상기 기재층과 함께 서브 가스켓을 형성하는 단계를 포함한다. According to another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a modular gasket for a fuel cell includes preparing a modified LSR by mixing silane containing fluorine with LSR (Liquid Silicone Rubber); Primer coating treatment on the surface of the substrate layer including the PI (Polyimide) or PEN (Polyethylene Naphthalate) film; forming a main gasket by coating and curing the modified LSR on the primer-coated base layer; and forming an adhesive layer including a thermosetting resin on a lower surface of the base layer to form a sub-gasket together with the base layer.

또한, 상기 변성 LSR은, 단일 LSR 또는 경도(hardness)가 상이한 이종 이상의 LSR가 혼합되어 30 내지 70 경도(ASTM D2240, Shore A경도)로 제조될 수 있다.In addition, the modified LSR may be manufactured to have a hardness of 30 to 70 (ASTM D2240, Shore A hardness) by mixing a single LSR or two or more LSRs having different hardnesses.

또한, 상기 변성 LSR은, 상기 실란이 1중량부 이하가 사용되어 제조될 수 있다.In addition, the modified LSR may be prepared by using 1 part by weight or less of the silane.

또한, 상기 메인 가스켓은 50㎛ 이상 500㎛ 미만의 두께로 각각 제조될 수 있다.In addition, the main gasket may be manufactured to have a thickness of 50 μm or more and less than 500 μm, respectively.

또한, 상기 접착층은 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께로 각각 제조될 수 있다.In addition, the adhesive layer may be manufactured to have a thickness of 5 μm or more and 100 μm or less, respectively.

또한. 상기 기재층은 10㎛ 이상 70㎛ 이하의 두께로 각각 제조될 수 있다.In addition. The base layer may be manufactured to have a thickness of 10 μm or more and 70 μm or less, respectively.

본 발명에 따르면, MEA(Membrane-Electrode Assembly)에 사용되고 있는 서브 가스켓 상면에 BP(Bipolar Plate)용 가스켓과 동일한 기밀 특성을 가지며, 내산성이 확보된 변성 LSR(Liquid Silicone Rubber)을 코팅이나 사출 등의 방식을 통해 도포하여 기존의 BP(Bipolar Plate)용 가스켓이 사용되지 않아도 기밀성이 유지될 수 있는 모듈형 가스켓, 모듈형 가스켓을 갖는 막전극 접합체, 및 모듈형 가스켓의 제조 방법을 제공함으로써, 연료전지 스택 제조 시 MEA(Membrane-Electrode Assembly)가 적층 될 때마다 BP(Bipolar Plate)와 MEA(Membrane-Electrode Assembly) 사이에서 기밀성을 확보하기 위해 사용되던 BP(Bipolar Plate)용 가스켓이 고무 재질로 이루어져 쉽게 구부려지는 소재의 특징 상 자동화 공정 적용이 어려워 생산성이 떨어지고, 서브 가스켓과 별도의 BP(Bipolar Plate)용 가스켓이 추가로 사용됨에 따라 제조 단가가 올라가는 문제를 해결할 수 있다.According to the present invention, modified LSR (Liquid Silicone Rubber), which has the same air-tightness properties as the gasket for BP (Bipolar Plate), and has secured acid resistance, is coated on the upper surface of the sub-gasket used in MEA (Membrane-Electrode Assembly) by coating or injection. By providing a method for manufacturing a modular gasket, a membrane electrode assembly having a modular gasket, and a modular gasket that can be applied through the coating method and airtightness can be maintained even if the existing gasket for BP (Bipolar Plate) is not used, a fuel cell Whenever MEA (Membrane-Electrode Assembly) is stacked during stack manufacturing, the gasket for BP (Bipolar Plate) used to secure airtightness between BP (Bipolar Plate) and MEA (Membrane-Electrode Assembly) is made of rubber, so it can be easily Due to the nature of the bendable material, it is difficult to apply an automated process, which reduces productivity, and as a sub gasket and a separate BP (bipolar plate) gasket are additionally used, the problem of increased manufacturing cost can be solved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 막전극 접합체를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3layer MEA를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 가스켓이 결합된 3layer MEA를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 가스켓의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 가스켓의 영구압축줄음률 측정 셀을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 메인 가스켓의 실험예 1 내지 3과 비교예 1 및 2에 대한 내환경성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 변성 LSR의 열중량(TGA) 그래프이다.
도 8은 일반적인 LSR의 내환경성을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 모듈형 가스켓의 제조 순서를 나타낸 흐름도이다.1 is an exploded perspective view showing a membrane electrode assembly of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view showing a 3-layer MEA according to an embodiment of the present invention.
3 is a perspective view illustrating a 3-layer MEA to which a sub gasket is coupled according to an embodiment of the present invention.
4 is a perspective view illustrating a structure of a sub gasket according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a cell for measuring the compression set of the main gasket according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the measurement of environmental resistance for Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 of the main gasket according to another embodiment of the present invention.
7 is a thermogravimetric (TGA) graph of a modified LSR according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the measurement of environmental resistance of a general LSR.
9 is a flowchart illustrating a manufacturing sequence of a modular gasket for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Terms used in this specification will be briefly described, and the present invention will be described in detail.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present invention have been selected as currently widely used general terms as possible while considering the functions in the present invention, but these may vary depending on the intention or precedent of a person skilled in the art, the emergence of new technology, and the like. In addition, in a specific case, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than the name of a simple term.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In the entire specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated. In addition, terms such as "...unit" and "module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software. .

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the embodiments of the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 막전극 접합체를 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3layer MEA를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 가스켓이 결합된 3layer MEA를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 가스켓의 구조를 나타낸 사시도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 가스켓의 영구압축줄음률 측정 셀을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 메인 가스켓의 실험예 1 내지 3과 비교예 1 및 2에 대한 내환경성을 측정하여 나타낸 그래프이다.1 is an exploded perspective view showing a membrane electrode assembly of a fuel cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing a three-layer MEA according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an embodiment of the present invention is a perspective view showing a three-layer MEA to which a sub gasket is combined, FIG. 4 is a perspective view showing the structure of a sub gasket according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a permanent compression of the main gasket according to an embodiment of the present invention. It is a view showing a reduction rate measuring cell, and FIG. 6 is a graph showing the measurement of environmental resistance of the main gasket according to an embodiment of the present invention for Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 막전극 접합체(1000)는 3레이어 구조의 MEA(100), 모듈형 가스켓(200) 및 집전체(300)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , a membrane electrode assembly 1000 of a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes an MEA 100 having a three-layer structure, a modular gasket 200 , and a current collector 300 .

상기 MEA(100)는 애노드(110), 멤브레인(120) 및 캐소드(130)로 구성된 3레이어 구조로, 좀 더 구체적으로는 도 2에 도시된 바와 같이 애노드(110)와 캐소드(130) 전극 사이에 멤브레인(120)이 개재된 형태로 총 3개의 레이어가 적층된 구조로 이루어질 수 있다. The MEA 100 has a three-layer structure consisting of an anode 110 , a membrane 120 and a cathode 130 , and more specifically, between the anode 110 and the cathode 130 as shown in FIG. 2 . In a form in which the membrane 120 is interposed, a total of three layers may be stacked.

상기 모듈형 가스켓(200)은 서브 가스켓(210)과 메인 가스켓(220)을 포함할 수 있다.The modular gasket 200 may include a sub gasket 210 and a main gasket 220 .

상기 서브 가스켓(210)은 도 3에 도시된 바와 같이 멤브레인(120)의 상면과 하면 중 애노드(110)와 캐소드(120)을 제외한 테두리부분에 형성될 수 있다. 이러한 서브 가스켓(210)은 도 4에 도시된 바와 같이 접착층(Adhesive Layer)(211)과 기재층(Base Film)(212)을 포함하는 2레이어 구조로 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 3 , the sub gasket 210 may be formed on an edge of the membrane 120 , excluding the anode 110 and the cathode 120 . As shown in FIG. 4 , the sub gasket 210 may have a two-layer structure including an adhesive layer 211 and a base film 212 .

상기 접착층(Adhesive Layer)(211)은 MEA(100) 상에 형성되고, 열경화성 수지가 코팅되어 형성될 수 있다.The adhesive layer 211 may be formed on the MEA 100 and coated with a thermosetting resin.

상기 접착층(211)의 두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10㎛ 내지 50㎛인 것이 좋다. 접착층(211)의 조성물 두께가 5㎛ 이하일 경우 전해질막과 기재층(212) 사이에 실링(Sealing)이 정상적으로 이루어지지 않아 누출(Leak)이 발생될 수 있으며, 그 두께가 50㎛ 이상일 경우 전해질막과 기재층(212)을 접착하는 공정에서 접착제 조성물이 밖으로 새어 나오는 문제가 발생될 수 있다. The thickness of the adhesive layer 211 is preferably 5 μm or more and 100 μm or less, and more preferably 10 μm to 50 μm. When the thickness of the composition of the adhesive layer 211 is 5 μm or less, sealing may not be performed normally between the electrolyte membrane and the base layer 212 and leakage may occur, and when the thickness is 50 μm or more, the electrolyte membrane In the process of adhering the base layer 212 to the adhesive composition, a problem in which the adhesive composition leaks out may occur.

상기 기재층(Base Film)(212)은 일반적으로 PET 필름이 적용될 수 있으나, 본 실시예에서는 기계적 화학적 물성이 뛰어난 PI(Polyimide) 또는 PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름이 적용되는 것이 바람직하다. 후술하는 바와 같이 기재층(212) 위에는 변성 LSR(Liquid Silicone Rubber)을 코팅하여 건조시키는데 기재층(212)과 변성 LSR에 의해 형성되는 실리콘 고무층 간의 성질이 상이하기 때문에, 이에 따라 계면이 쉽게 탈리되는 현상이 일어날 수 있다. 본 실시예에서는 이러한 탈리 현상을 개선하기 위해서 변성 LSR을 형성(코팅)하기 이전에 기재층(212) 위의 표면을 개질하여 변성 LSR이 코팅/건조되어도 떨어지지 않도록 하며, 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술한다. The base film 212 may be generally a PET film, but in this embodiment, a PI (Polyimide) or PEN (Polyethylene Naphthalate) film having excellent mechanical and chemical properties is preferably applied. As will be described later, the modified LSR (Liquid Silicone Rubber) is coated on the base layer 212 to dry it. phenomena can occur. In this embodiment, in order to improve this desorption phenomenon, the surface on the base layer 212 is modified before the formation (coating) of the modified LSR so that the modified LSR does not fall off even if it is coated/dried, a more detailed description thereof will be described later. do.

상기 기재층(212)의 두께는 10 내지 100㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10㎛ 이상 70㎛ 이하인 것이 좋다. 기재층(212)을 형성하기 위하여 10㎛ 이하의 필름을 사용하였을 경우 연료전지 셀(Cell) 체결 시 GDL(Gas diffusion layer)이 압축되어 연료공급이 되지 않아 전지의 전체적인 성능이 저하되는 문제가 있으며, 70㎛ 이상의 필름을 사용하였을 경우 GDL(Gas diffusion layer)이 BP(Bipolar plate) 사이에 떠 있는 상태로 존재하게 되어 집전체(300)와의 저항이 증가하여 전지의 성능이 저하될 수 있다. The thickness of the base layer 212 is preferably 10 to 100 μm, more preferably 10 μm or more and 70 μm or less. When a film of 10 μm or less is used to form the base layer 212, the gas diffusion layer (GDL) is compressed when the fuel cell is fastened, and fuel supply is not provided, so there is a problem that the overall performance of the battery is lowered. , when a film of 70 μm or more is used, the gas diffusion layer (GDL) is present in a floating state between the bipolar plates (BP), and the resistance with the current collector 300 increases, thereby deteriorating the performance of the battery.

상기 메인 가스켓(220)은 LSR(Liquid Silicone Rubber)에 플루오린(fluorine)이 함유된 실란(silane)이 혼합된 변성 LSR이 서브 가스켓(210) 상에 각각 코팅 후 경화되어 형성될 수 있다. The main gasket 220 may be formed by coating a modified LSR in which silane containing fluorine is mixed with liquid silicone rubber (LSR) is coated on the sub gasket 210 and then cured.

상기 변성 LSR은, 단일 LSR 또는 경도(hardness)가 상이한 이종 이상의 LSR가 혼합되어 30 내지 70 경도(ASTM D2240, Shore A경도)로 제조(또는 LSR 대신 EPDM(Ethylene Propylene Diene Terpolymer)도 사용 가능함)된 것이 바람직하다. 일반적인 연료전지 스택(Stack)은 수백 개의 MEA와 BP(Bipolar plate)로 이루어 지는데 상호 부품 간 균일한 면 접촉을 통해 기밀성을 유지해야 하므로, 적절한 경도를 조절하는 것이 중요하다. 서브 가스켓(210) 상에 도포되는 변성 LSR의 경도가 70 이상이면 너무 딱딱해서 기밀 안정성 확보가 어렵고, 30이하가 되면 가교 밀도가 매우 낮아져 탄성이 감소하고 영구압축출음률이 증가하여 스택 채결 후 일부분에서 기밀성이 떨어져 누출(Leak) 문제가 발생될 수 있다. The modified LSR is a single LSR or a mixture of two or more LSRs with different hardnesses, and is manufactured to a hardness of 30 to 70 (ASTM D2240, Shore A hardness) (or EPDM (Ethylene Propylene Diene Terpolymer) can also be used instead of LSR) it is preferable A typical fuel cell stack consists of hundreds of MEA and BP (bipolar plate), and since airtightness must be maintained through uniform surface contact between parts, it is important to control appropriate hardness. If the hardness of the modified LSR applied on the sub gasket 210 is 70 or more, it is too hard to secure airtight stability. Leakage may occur due to poor airtightness.

상기 변성 LSR의 코팅 두께는 50㎛ 이상 500㎛ 미만인 것이 바람직하다. 변성 LSR의 코팅 두께가 50㎛ 이하로 적용된 모듈형 가스켓(200)을 연료전지에 적용했을 경우 기존의 BP(Bipolar plate) 또는 서브 가스켓(210)에서 두께 차이가 발생되거나 연료전지 스택의 채결 압력이 불 균일해지면서 일부분이 눌림 한계점에 도달하여 누출(Leak)이 발생될 수 있다. 또한, 변성 LSR의 코팅 두께가 500㎛ 이상으로 적용될 경우 MEA(100) 중앙부분의 GDL(Gas Diffusion Layer)이 기존의 BP(Bipolar plate)면과 닿지 않아 연료전지 스택의 성능이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.The coating thickness of the modified LSR is preferably 50 μm or more and less than 500 μm. When the modular gasket 200 with the modified LSR coating thickness of 50 μm or less is applied to the fuel cell, a thickness difference occurs in the existing BP (bipolar plate) or sub gasket 210, or the tightening pressure of the fuel cell stack increases. As it becomes non-uniform, a part may reach the pressing limit, and a leak may occur. In addition, when the coating thickness of the modified LSR is applied to 500 μm or more, the gas diffusion layer (GDL) in the center of the MEA 100 does not come into contact with the existing BP (bipolar plate) surface, resulting in deterioration of the performance of the fuel cell stack. can be

상기 변성 LSR은, 실란(Silane)이 1중량부 이하가 사용되어 제조되는 것이 바람직하다. 모듈형 가스켓(200)의 내산성 향상을 위해 사용된 실란이 2중량부 이상이 사용되면 LSR에 대한 기본 물성이 변경되어 실링(Sealing) 효과에 부정적으로 작용될 수 있으며, 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술한다.The modified LSR is preferably prepared by using 1 part by weight or less of silane. When 2 parts by weight or more of the silane used to improve the acid resistance of the modular gasket 200 is used, the basic physical properties of the LSR may be changed and negatively affect the sealing effect, and a more detailed description thereof will be described later. do.

상기 집전체(300)는 메인 가스켓 상에 각각 형성되고, 3레이어 구조의 MEA(100)의 애노드(110) 전극과 전기적으로 연결되는 애노드 집전체(310)와 캐소드(130) 전극에 전기적으로 연결되는 캐소드 집전체(320)를 포함할 수 있으며, 이러한 집전체(300)는 기존의 연료전지에서 사용되는 집전체와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.The current collector 300 is formed on the main gasket, and is electrically connected to the anode current collector 310 and the cathode 130 electrode electrically connected to the anode 110 electrode of the MEA 100 having a three-layer structure. A cathode current collector 320 may be included, and since the current collector 300 is the same as the current collector used in the conventional fuel cell, a detailed description thereof will be omitted.

<실험 예 1><Experimental Example 1>

a1) 변성 LSR 제조a1) Preparation of denatured LSR

경도가 10인 LSR 20중량부에 경도 60인 LSR 79중량부를 혼합한 뒤 플루오린(Fluorine)이 함유된 실란(Silane) 1중량부를 혼합하여 경도가 50인 변성 LSR를 제조하였다. After mixing 79 parts by weight of LSR having a hardness of 60 to 20 parts by weight of LSR having a hardness of 10, 1 part by weight of silane containing fluorine was mixed to prepare a modified LSR having a hardness of 50.

b1) PI 필름 상에 프라이머(Primer) 처리b1) Primer treatment on PI film

상기한 방법으로 제조된 변성 LSR를 기재층(212)인 PI 필름 상에 코팅하기 이전에 75㎛ 두께의 PI 필름 상에 콤마 코터를 이용하여 PI용 프라이머(Primer)를 코팅하여 LSR의 코팅/건조 시 해당 LSR이 PI 필름으로부터 떨어지지 않게 표면 처리하였다. Before coating the modified LSR prepared by the above method on the PI film, which is the base layer 212, on the PI film having a thickness of 75 μm, a primer for PI is coated using a comma coater to coat/dry the LSR The surface was treated so that the LSR would not come off the PI film.

c1) 변성 LSR의 코팅 c1) coating of modified LSR

상기한 방법으로 제조된 변성 LSR을 표면에 프라이머(Primer) 처리된 75㎛ 두께의 PI 필름 위에 콤마 코터를 이용하여 두께가 125㎛가 되도록 코팅/건조하여 고무 성분이 도포된 모듈형 가스켓을 제조하였다. 여기서, PI Film 아래의 접착층의 구성물인 열경화성 수지는 연료전지에서 일반적으로 사용되는 서브 가스켓의 제조 방식으로 제조하면 되므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.The modified LSR prepared by the above method was coated/dried to a thickness of 125 μm using a comma coater on a 75 μm thick PI film treated with a primer on the surface to prepare a modular gasket coated with a rubber component. . Here, since the thermosetting resin, which is a constituent of the adhesive layer under the PI Film, may be manufactured by a method of manufacturing a sub-gasket generally used in fuel cells, a detailed description thereof will be omitted.

<실험 예 2><Experimental Example 2>

a2) 변성 LSR 제조a2) Preparation of denatured LSR

경도가 10인 LSR 20중량부에 경도 60인 LSR 79.5중량부를 혼합한 후 플루오린(Fluorine)이 함유된 실란(Silane) 0.5중량부를 혼합하여 경도가 50인 변성 LSR를 제조하였다.After mixing 79.5 parts by weight of LSR having a hardness of 60 to 20 parts by weight of LSR having a hardness of 10, 0.5 parts by weight of silane containing fluorine was mixed to prepare a modified LSR having a hardness of 50.

b2) PI 필름 상에 프라이머(Primer) 처리b2) Primer treatment on PI film

상기한 방법으로 제조된 변성 LSR를 PI 필름 상에 코팅하기 이전에 75㎛ 두께의 PI 필름 상에 콤마 코터를 이용하여 PI용 프라이머(Primer)를 코팅하여 LSR의 코팅/건조 시 해당 LSR이 PI 필름으로부터 떨어지지 않게 표면 처리하였다. Before coating the modified LSR prepared by the above method on the PI film, a primer for PI is coated on the PI film with a thickness of 75 μm using a comma coater. The surface was treated so as not to come off.

c2) 변성 LSR의 코팅 c2) coating of modified LSR

상기한 방법으로 제조된 변성 LSR을 표면에 프라이머(Primer) 처리된 75㎛ 두께의 PI 필름 위에 콤마 코터를 이용하여 두께가 125㎛가 되도록 코팅/건조하여 고무 성분이 도포된 모듈형 가스켓을 제조하였다. The modified LSR prepared by the above method was coated/dried to a thickness of 125 μm using a comma coater on a 75 μm thick PI film treated with a primer on the surface to prepare a modular gasket coated with a rubber component. .

<실험 예 3><Experimental Example 3>

a3) 변성 LSR 제조a3) Preparation of denatured LSR

경도가 10인 LSR 20중량부에 경도 60인 LSR 78중량부를 혼합한 후 플루오린(Fluorine)이 함유된 실란(Silane) 2중량부를 혼합하여 경도가 50인 변성 LSR를 제조하였다.After mixing 78 parts by weight of LSR having a hardness of 60 to 20 parts by weight of LSR having a hardness of 10, 2 parts by weight of silane containing fluorine was mixed to prepare a modified LSR having a hardness of 50.

b3) PI 필름 상에 프라이머(Primer) 처리b3) Primer treatment on PI film

상기한 방법으로 제조된 변성 LSR를 PI 필름 상에 코팅하기 이전에 75㎛ 두께의 PI 필름 상에 콤마 코터를 이용하여 PI용 프라이머(Primer)를 코팅하여 LSR의 코팅/건조 시 해당 LSR이 PI 필름으로부터 떨어지지 않게 표면 처리하였다. Before coating the modified LSR prepared by the above method on the PI film, a primer for PI is coated on the PI film with a thickness of 75 μm using a comma coater. The surface was treated so as not to come off.

c3) 변성 LSR의 코팅 c3) coating of modified LSR

상기한 방법으로 제조된 변성 LSR을 표면에 프라이머(Primer) 처리된 75㎛ 두께의 PI 필름 위에 콤마 코터를 이용하여 두께가 125㎛가 되도록 코팅/건조하여 고무 성분이 도포된 모듈형 가스켓을 제조하였다. The modified LSR prepared by the above method was coated/dried to a thickness of 125 μm using a comma coater on a 75 μm thick PI film treated with a primer on the surface to prepare a modular gasket coated with a rubber component. .

<비교 예 1><Comparative Example 1>

a4) 변성 LSR 제조a4) Preparation of denatured LSR

경도 60인 LSR 100중량부를 혼합한 뒤 플루오린(Fluorine)이 함유된 실란(Silane) 1중량부를 혼합하여 경도가 50인 변성 LSR를 제조하였다. After mixing 100 parts by weight of LSR having a hardness of 60, 1 part by weight of silane containing fluorine was mixed to prepare a modified LSR having a hardness of 50.

b4) PI 필름 상에 프라이머(Primer) 처리b4) Primer treatment on PI film

상기한 방법으로 제조된 변성 LSR를 기재층(212)인 PI 필름 상에 코팅하기 이전에 75㎛ 두께의 PI 필름 상에 콤마 코터를 이용하여 PI용 프라이머(Primer)를 코팅하여 LSR의 코팅/건조 시 해당 LSR이 PI 필름으로부터 떨어지지 않게 표면 처리하였다. Before coating the modified LSR prepared by the above method on the PI film, which is the base layer 212, on the PI film having a thickness of 75 μm, a primer for PI is coated using a comma coater to coat/dry the LSR The surface was treated so that the LSR would not come off the PI film.

c4) 변성 LSR의 코팅 c4) coating of modified LSR

상기한 방법으로 제조된 변성 LSR을 표면에 프라이머(Primer) 처리된 75㎛ 두께의 PI 필름 위에 콤마 코터를 이용하여 두께가 125㎛가 되도록 코팅/건조하여 고무 성분이 도포된 모듈형 가스켓을 제조하였다. 여기서, PI Film 아래의 접착층의 구성물인 열경화성 수지는 연료전지에서 일반적으로 사용되는 서브 가스켓의 제조 방식으로 제조하면 되므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.The modified LSR prepared by the above method was coated/dried to a thickness of 125 μm using a comma coater on a 75 μm thick PI film treated with a primer on the surface to prepare a modular gasket coated with a rubber component. . Here, since the thermosetting resin, which is a constituent of the adhesive layer under the PI Film, may be manufactured by a method of manufacturing a sub-gasket generally used in fuel cells, a detailed description thereof will be omitted.

<비교 예 2><Comparative Example 2>

LSR 대신에 EPDM(Ethylene Propylene Diene Terpolymer)을 PI 필름과 인서트(Insert) 사출을 통해 모듈형 가스켓을 제조하였다 Instead of LSR, EPDM (Ethylene Propylene Diene Terpolymer) was used to manufacture a modular gasket through PI film and insert injection.

<평가><Evaluation>

A) 모듈형 가스켓의 영구압축줄음률 측정A) Measurement of permanent compression set of modular gaskets

도 5에 도시된 바와 같이 구성된 영구압축줄음률 측정 셀을 이용하여 실험예 1 내지 3과 비교예 1 및 2를 통해 제조된 모듈형 가스켓을 지름 25Φ로 타발하여 시편(Sample)을 제작한 뒤 두께를 측정하고 시편이 25%정도까지 압축될 수 있도록 서스(SUS) 재질의 스페이서(Spacer)를 셀(Cell) 외곽에 결합하여 시편(Sample)을 넣고 체결한 뒤 85℃에서 100시간동안 압축하고 시편(Sample)을 꺼낸 후 두께를 측정하여 영구압축줄음률을 계산하였다. 계산 결과 하기의 표 1을 통해 정리한 바와 같이 LSR 종류를 사용한 모듈형 Gasket은 모두 5% 내외로 탄성이 매우 우수하다는 것을 확인할 수 있다.Using the compression set measurement cell configured as shown in FIG. 5, the modular gaskets manufactured in Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were punched to a diameter of 25 Φ to produce a sample, and then the thickness Measure and compress the specimen up to 25% by combining a spacer made of SUS material to the outside of the cell, inserting the sample, tightening, and compressing the specimen at 85°C for 100 hours. After taking out the sample, the thickness was measured to calculate the rate of permanent compression set. As a result of the calculation, as summarized in Table 1 below, it can be seen that all of the modular gaskets using the LSR type have very good elasticity, around 5%.

Figure 112020046829230-pat00001
Figure 112020046829230-pat00001

<표 1><Table 1>

B) 모듈형 가스켓의 저온 회복특성 측정 B) Measurement of low-temperature recovery characteristics of modular gaskets

실험예 1 내지 3과 비교예 1 및 2를 통해 각각 제조된 모듈형 가스켓을 TR-10의 회복 특성에 대하여 비교하였다. 하기의 표 2에서 정리한 바와 같이 LSR을 사용한 시편들 대부분의 저온 회복특성은 -40도 이하로 낮았지만, 비교예2의 EPDM으로 제조된 시편은 -21도로 높아 극저온 상태에서 가스켓의 탄성이 떨어져 문제가 발생될 수 있다는 것을 확인하였다.Modular gaskets prepared in Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, were compared with respect to recovery characteristics of TR-10. As summarized in Table 2 below, most of the specimens using LSR had low temperature recovery characteristics of -40 degrees or less, but the specimen made of EPDM of Comparative Example 2 was high at -21 degrees Celsius, and the elasticity of the gasket in the cryogenic state was low. It has been confirmed that can occur.

Figure 112020046829230-pat00002
Figure 112020046829230-pat00002

<표 2><Table 2>

C) 모듈형 가스켓의 내환경성 측정 C) Measurement of environmental resistance of modular gaskets

실험예 1 내지 3과 비교예 1 및 2를 통해 각각 제조된 모듈형 가스켓을 연료전지가 구동되는 환경과 유사한 pH=2의 황산 용액에 담근 후 85℃의 열을 유지시켜 시간에 따른 무게의 경시변화를 관측하였다. 그 결과 도 6에 도시된 바와 같이 실험예 1에서 플루오린(Fluorine)이 포함된 실란(Silane) 1중량부 이상 사용되었을 경우에 LSR의 단점인 내산성이 개선되어 EPDM과 유사한 무게변화를 보였다. The modular gaskets manufactured in Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, were immersed in a sulfuric acid solution having a pH=2 similar to the environment in which the fuel cell is driven, and then maintained at 85° C. Changes were observed. As a result, as shown in FIG. 6, when 1 part by weight or more of silane containing fluorine was used in Experimental Example 1, acid resistance, which is a disadvantage of LSR, was improved, and a weight change similar to that of EPDM was exhibited.

d) 모듈형 가스켓의 수소 가스 누출(Gas Leak) 테스트d) Testing for Hydrogen Gas Leak of Modular Gasket

상기 실시예 1~3 및 비교예 1~2에서 제조된 모듈형 가스켓은 가스 누출(Gas Leak) 테스트를 위해 전해질 막 테두리에 모듈형 가스켓을 접합시킨 후 BP(Bipolar Plate) 사이에 끼워 셀(Cell)로 체결하여 수소를 1bar 공급한 후 밸브를 잠그고 시간당 얼마만큼의 가스 누출(Gas Leak)이 발생되는지 차압계를 통해 확인하였다. 그 결과 하기의 표 3에서 정리한 바와 같이 내산성 향상을 위해 사용된 실란(Silane)이 2중량부 이상이 사용되면 LSR의 기본 물성이 변경되어 실링(Sealing) 효과에 부정적으로 작용하는 것을 확인하였다. The modular gaskets manufactured in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 were sandwiched between BP (Bipolar Plate) after bonding the modular gasket to the edge of the electrolyte membrane for a gas leak test. ) to supply 1 bar of hydrogen, close the valve, and check how much gas leak occurs per hour through the differential pressure gauge. As a result, as summarized in Table 3 below, it was confirmed that when 2 parts by weight or more of silane used to improve acid resistance was used, the basic physical properties of LSR were changed and negatively affected the sealing effect.

Figure 112020046829230-pat00003
Figure 112020046829230-pat00003

<표 3><Table 3>

이러한 결과들 근거로, 기존에 스택 채결 시 일반적으로 많이 사용되는 EPDM 가스켓을 대체하기 위하여, 서로 경도가 다른 2종의 LSR을 혼합하고 플루오린(Fluorine)이 첨가된 실란을 1중량부만큼 첨가하여 PI 필름에 도포하여 모듈형 가스켓을 제조하였고, 이러한 방법으로 제조된 모듈형 가스켓은 영구압축줄음률, 저온회복특성, 내산성, 기체차단성의 모든 물성이 이전에 사용하던 EPDM 가스켓과 유사하여 연료전지 스택에 적용 시 별도의 BP용 가스켓이 필요 없는 모듈형 가스켓으로 사용이 가능하다Based on these results, in order to replace the EPDM gasket, which is commonly used when forming a stack, two types of LSR having different hardness are mixed and 1 part by weight of fluorine-added silane is added. A modular gasket was manufactured by applying it to the PI film, and the modular gasket manufactured in this way has all the properties of permanent compression set, low temperature recovery, acid resistance, and gas barrier properties similar to the previously used EPDM gasket for fuel cell stack. It can be used as a modular gasket that does not require a separate BP gasket when applied to

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예의 메인 가스켓(220)의 물성에 대하여 추가적으로 설명하면 아래와 같다.Hereinafter, physical properties of the main gasket 220 of this embodiment will be additionally described with reference to the accompanying drawings.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 변성 LSR의 열중량(TGA) 그래프이고, 도 8은 일반적인 LSR의 내환경성을 측정하여 나타낸 그래프이며, 7 is a thermogravimetric (TGA) graph of a modified LSR according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a graph showing the measurement of environmental resistance of a general LSR,

a) 변성 LSR의 내열 특성a) Heat resistance properties of modified LSRs

상기한 바와 같이 LSR(Liquid Silicone Rubber)에 플루오린(Fluorine)이 함유된 실란(Silane)이 혼합된 변성 LSR은, 연료전지의 구동 시 고열에서 오래 노출되어도 분해되지 않는 내열 특성을 가져야 하기 때문에 적용 전에 TGA(Thermogravimetric Analysis) 분석을 통하여 소재가 견디는 온도를 확인하였다. 도 7에 도시된 그래프에서와 같이 본 실시예의 변성 LSR은 350도 이하의 온도 건에서 사용될 경우 안정성이 뛰어난 것으로 확인되었다. As described above, modified LSR in which silane containing fluorine is mixed with LSR (Liquid Silicone Rubber) is applied because it must have heat resistance properties that do not decompose even when exposed to high heat for a long time when driving a fuel cell. Previously, TGA (Thermogravimetric Analysis) was used to determine the temperature the material could withstand. As shown in the graph shown in FIG. 7 , it was confirmed that the modified LSR of this embodiment had excellent stability when used in a temperature gun of 350 degrees or less.

b) 변성 LSR의 내산성b) acid resistance of modified LSR

본 실시예의 변성 LSR의 내산성 측정을 위해 ASTM D471 방법을 사용하여 내환경성 평가를 진행하였으며 내산성 측정식은 하기와 같다.To measure the acid resistance of the modified LSR of this example, the environmental resistance evaluation was performed using the ASTM D471 method, and the acid resistance measurement formula is as follows.

A=W0-W1/W0 A=W 0 -W 1 /W 0

여기서, A는 무게 변화율(%)를 의미하고, W0는 시편의 원래 무게를 의미하고, W1는 테스트 후의 무게를 의미한다. 혼합되지 않은 일반적인 LSR은 도 8에 도시된 바와 같이 지속적인 무게 감소를 보여 본 실시예에서는 가교 밀도가 높은 LSR에 플루오린(Fluorine)이 함유된 실란(Silane)을 혼합하여 LSR에 대한 내산성을 개선시켰다. Here, A means the weight change rate (%), W 0 means the original weight of the specimen, and W 1 means the weight after the test. The unmixed general LSR showed continuous weight reduction as shown in FIG. 8. In this example, silane containing fluorine was mixed with LSR having a high crosslinking density to improve acid resistance to LSR. .

본 실시예의 변성 LSR의 기체 차단성은 0.1kpa/min 이하인 것이 바람직하다. 스택의 셀(Cell) 체결 후 스택 내부에 수소 가스를 1bara의 압력으로 흘려준 후 밸브를 잠근 후 1분동안 내부에 있던 수소 가스의 차압이 0.1kpa 이상이 되면 누출(Leak)이 진행되는 것으로 판단하였다. The gas barrier property of the modified LSR of this embodiment is preferably 0.1 kpa/min or less. After the cell of the stack is fastened, the hydrogen gas is flowed into the stack at a pressure of 1 bara, the valve is closed, and when the differential pressure of the hydrogen gas inside the stack is 0.1 kpa or more for 1 minute, it is judged that a leak is in progress. did.

c) 변성 LSR의 영구압축줄음률c) Permanent compression set of modified LSR

본 실시예의 변성 LSR의 영구압축줄음률(ASTM D395, 25% Deflection)은 85도의 온도에서 25%로 압축하여 100시간동안 유지하였을 때 5%내인 것이 바람직하다. 영구압축줄음률은 아래와 같은 계산식을 이용하여 산출한다.The compression set (ASTM D395, 25% deflection) of the modified LSR of this embodiment is preferably within 5% when compressed to 25% at a temperature of 85 degrees and maintained for 100 hours. Permanent compression set reduction is calculated using the following formula.

C=(t0-t2)/(t0-t1)Ｘ100C=(t 0 -t 2 )/(t 0 -t 1 )X100

여기서, C는 영구압축줄음률을 의미하고, t0는 시편의 본래 두께를 의미하고, t1는 스페이서의 두께(시편보다 25% 두께가 낮고 두께변화가 없는 물질), t2는 압축 셀(Cell)에서 빼어낸 후의 시편의 두께를 의미한다.Here, C means compression set, t 0 means the original thickness of the specimen, t 1 is the thickness of the spacer (a material that is 25% thinner than the specimen and has no thickness change), t 2 is the compression cell ( It means the thickness of the specimen after it is removed from the cell).

수소연료전지차 스택용 가스켓의 경우 채결된 후, 일정한 압축하중에서 장시간 스트레스(Stress)를 받게 된다. 이에 따라, 압축에 대한 반발력을 나타내는 탄성의 정도가 가장 중요한 평가 항목 중 하나이다. 가스켓의 탄성을 모사할 수 있는 시험으로는 영구압축줄음률을 가장 많이 사용하는데 차량 수명을 10년이라고 할 때 스택용 가스켓은 87,000시간동안 압축된 상태에서 충분한 탄성을 유지하고 있어야 하기 때문에 영구압축줄음률은 낮을수록 좋다. In the case of a gasket for a hydrogen fuel cell vehicle stack, after it is tightened, it is subjected to stress for a long time under a constant compressive load. Accordingly, the degree of elasticity representing the repulsive force against compression is one of the most important evaluation items. As a test that can simulate the elasticity of a gasket, the compression set is the most used. Assuming a vehicle life of 10 years, the stack gasket must maintain sufficient elasticity in a compressed state for 87,000 hours. The lower the pitch, the better.

d) 변성 LSR의 저온 회복특성d) Low-temperature recovery characteristics of modified LSR

본 실시예의 변성 LSR의 저온회복특성(ASTM D1329, TR-10)은 -40℃이하의 값을 갖는 것이 바람직하다. 일반적으로 고무는 실온 이상에서는 탄성을 나타내지만, 저온이 되면서 점점 점탄성을 읽어가다가 결국 일정 온도 이하에서는 본래의 탄성을 완전히 잃게 된다. 연료전지 자동차 스택은 상기한 고온운전조건 외에도 극저온지역에서도 사용되기 때문에 저온회복특성을 고려해야 한다. 일반적으로 널리 사용되고 있는 EPDM 및 플루오르화 고무(Fluoro Elastomer)는 저온회복특성이 좋지 않아 혼합하여 상기한 단점들을 보완하여 사용할 수 있지만 LSR은 -50도 이하의 극저온에서도 회복 특성을 가지고 있어 연료전지 스택에 적용 시 유리하게 작용할 수 있다. It is preferable that the low temperature recovery characteristics (ASTM D1329, TR-10) of the modified LSR of this embodiment have a value of -40°C or less. In general, rubber exhibits elasticity above room temperature, but gradually reads viscoelasticity as it becomes low temperature, and eventually loses its original elasticity completely below a certain temperature. Since the fuel cell vehicle stack is used in a cryogenic region in addition to the high-temperature operation conditions described above, low-temperature recovery characteristics must be considered. EPDM and Fluoro Elastomer, which are generally widely used, have poor low-temperature recovery properties, so they can be mixed to compensate for the above disadvantages, but LSR has recovery properties even at cryogenic temperatures of -50 degrees or less. It can be advantageous in application.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 모듈형 가스켓의 제조 순서를 나타낸 흐름도이다.9 is a flowchart illustrating a manufacturing sequence of a modular gasket for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.

도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 모듈형 가스켓의 제조 방법(S1000)은 변성 LSR 제조 단계(S100), 프라이머(Primer) 코팅 처리 단계(S200), 메인 가스켓 형성 단계(S300) 및 서브 가스켓 경화층 형성 단계(S400)를 포함한다.Referring to FIG. 9 , the method (S1000) of manufacturing a modular gasket for a fuel cell according to another embodiment of the present invention includes a modified LSR manufacturing step (S100), a primer coating treatment step (S200), and a main gasket forming step. (S300) and a sub-gasket hardened layer forming step (S400).

상기 변성 LSR 제조 단계(S100)는, LSR(Liquid Silicone Rubber)에 플루오린(fluorine)이 함유된 실란(silane)을 혼합하여 변성 LSR을 제조할 수 있다. 여기서, 변성 LSR은, 단일 LSR 또는 경도(hardness)가 상이한 이종 이상의 LSR가 혼합되어 30 내지 70 경도(ASTM D2240, Shore A경도)로 제조되는 것이 바람직하다.In the modified LSR manufacturing step ( S100 ), the modified LSR may be manufactured by mixing silane containing fluorine with LSR (Liquid Silicone Rubber). Here, it is preferable that the modified LSR is manufactured to have a hardness of 30 to 70 (ASTM D2240, Shore A hardness) by mixing a single LSR or two or more LSRs having different hardnesses.

상기 프라이머(Primer) 코팅 처리 단계(S200)는, PI(Polyimide) 또는 PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름을 포함하는 기재층(212)의 표면을 프라이머(primer) 코팅 처리할 수 있다. In the primer coating treatment step S200 , a primer coating treatment may be performed on the surface of the base layer 212 including a polyimide (PI) or polyethylene naphthalate (PEN) film.

여기서, 기재층(212) 위에는 변성 LSR(Liquid Silicone Rubber)을 코팅하여 건조시키는데 기재층(212)과 변성 LSR에 의해 형성되는 실리콘 고무층 간의 성질이 상이하기 때문에, 이에 따라 계면이 쉽게 탈리되는 현상이 일어날 수 있다. 본 실시예에서는 이러한 탈리 현상을 개선하기 위해서 변성 LSR을 형성(코팅)하기 이전에 기재층(212) 위의 프라이머(Primer) 코팅 처리를 통해 기재층(212) 표면을 개질하여 변성 LSR이 코팅/건조되어도 떨어지지 않도록 할 수 있다.Here, the modified LSR (Liquid Silicone Rubber) is coated on the base layer 212 and dried. Since the properties between the base layer 212 and the silicone rubber layer formed by the modified LSR are different, the interface is easily detached accordingly. can happen In this embodiment, in order to improve this desorption phenomenon, the surface of the base layer 212 is modified through a primer coating treatment on the base layer 212 before forming (coating) the modified LSR, so that the modified LSR is coated / Even when it dries, you can keep it from falling off.

상기 메인 가스켓 형성 단계(S300)는, 프라이머(Primer) 코팅 처리된 기재층(212) 상에 변성 LSR을 코팅한 후 경화시켜 메인 가스켓(220)을 형성할 수 있다. In the main gasket forming step ( S300 ), the main gasket 220 may be formed by coating the modified LSR on the primer-coated base layer 212 and curing it.

일반적인 연료전지 스택(Stack)은 수백 개의 MEA와 BP(Bipolar plate)로 이루어 지는데 상호 부품 간 균일한 면 접촉을 통해 기밀성을 유지해야 하므로, 적절한 경도를 조절하는 것이 중요하다. 서브 가스켓(210) 상에 도포되는 변성 LSR의 경도가 70 이상이면 너무 딱딱해서 기밀 안정성 확보가 어렵고, 30이하가 되면 가교 밀도가 매우 낮아져 탄성이 감소하고 영구압축출음률이 증가하여 스택 채결 후 일부분에서 기밀성이 떨어져 누출(Leak) 문제가 발생될 수 있다. A typical fuel cell stack consists of hundreds of MEA and BP (bipolar plate), and since airtightness must be maintained through uniform surface contact between parts, it is important to control appropriate hardness. If the hardness of the modified LSR applied on the sub gasket 210 is 70 or more, it is too hard to secure airtight stability. Leakage may occur due to poor airtightness.

또한, 변성 LSR의 코팅 두께는 50㎛ 이상 500㎛ 미만인 것이 바람직하다. 변성 LSR의 코팅 두께가 50㎛ 이하로 적용된 모듈형 가스켓(200)을 연료전지에 적용했을 경우 기존의 BP(Bipolar plate) 또는 서브 가스켓(210)에서 두께 차이가 발생되거나 연료전지 스택의 채결 압력이 불 균일해지면서 일부분이 눌림 한계점에 도달하여 누출(Leak)이 발생될 수 있다. 또한, 변성 LSR의 코팅 두께가 500㎛ 이상으로 적용될 경우 MEA(100) 중앙부분의 GDL(Gas Diffusion Layer)이 기존의 BP(Bipolar plate)면과 닿지 않아 연료전지 스택의 성능이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.In addition, it is preferable that the coating thickness of the modified LSR is 50 μm or more and less than 500 μm. When the modular gasket 200 with the modified LSR coating thickness of 50 μm or less is applied to the fuel cell, a thickness difference occurs in the existing BP (bipolar plate) or sub gasket 210, or the tightening pressure of the fuel cell stack increases. As it becomes non-uniform, a part may reach the pressing limit, and a leak may occur. In addition, when the coating thickness of the modified LSR is applied to 500 μm or more, the gas diffusion layer (GDL) in the center of the MEA 100 does not come into contact with the existing BP (bipolar plate) surface, resulting in deterioration of the performance of the fuel cell stack. can be

또한, 변성 LSR은, 실란(Silane)이 1중량부 이하가 사용되어 제조되는 것이 바람직하다. 모듈형 가스켓(200)의 내산성 향상을 위해 사용된 실란이 2중량부 이상이 사용되면 LSR에 대한 기본 물성이 변경되어 실링(Sealing) 효과에 부정적으로 작용될 수 있다.In addition, it is preferable that the modified LSR is manufactured by using 1 part by weight or less of silane. When 2 parts by weight or more of the silane used to improve the acid resistance of the modular gasket 200 is used, the basic physical properties of the LSR may be changed, which may negatively affect the sealing effect.

상기 서브 가스켓 경화층 형성 단계(S400)는, 기재층(212) 하면에 열경화성 수지를 포함하는 접착층을 형성하여 기재층(212)과 함께 서브 가스켓(210)의 경화층을 형성할 수 있다.In the sub-gasket hardened layer forming step (S400), an adhesive layer including a thermosetting resin may be formed on the lower surface of the base layer 212 to form a hardened layer of the sub-gasket 210 together with the base layer 212 .

상기 서브 가스켓(210)을 구성하는 접착층(211)의 두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10㎛ 내지 50㎛인 것이 좋다. 접착층(211)의 조성물 두께가 5㎛ 이하일 경우 전해질막과 기재층(212) 사이에 실링(Sealing)이 정상적으로 이루어지지 않아 누출(Leak)이 발생될 수 있으며, 그 두께가 50㎛ 이상일 경우 전해질막과 기재층(212)을 접착하는 공정에서 접착제 조성물이 밖으로 새어 나오는 문제가 발생될 수 있다. The thickness of the adhesive layer 211 constituting the sub gasket 210 is preferably 5 μm or more and 100 μm or less, and more preferably 10 μm to 50 μm. When the thickness of the composition of the adhesive layer 211 is 5 μm or less, sealing may not be performed normally between the electrolyte membrane and the base layer 212 and leakage may occur, and when the thickness is 50 μm or more, the electrolyte membrane In the process of adhering the base layer 212 to the adhesive composition, a problem in which the adhesive composition leaks out may occur.

상기 서브 가스켓(210)을 구성하는 기재층212)은 일반적으로 PET 필름이 적용될 수 있으나, 본 실시예에서는 기계적 화학적 물성이 뛰어난 PI(Polyimide) 또는 PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름이 적용되는 것이 바람직하다. 후술하는 바와 같이 기재층(212) 위에는 변성 LSR(Liquid Silicone Rubber)을 코팅하여 건조시키는데 기재층(212)과 변성 LSR에 의해 형성되는 실리콘 고무층 간의 성질이 상이하기 때문에, 이에 따라 계면이 쉽게 탈리되는 현상이 일어날 수 있다. 본 실시예에서는 이러한 탈리 현상을 개선하기 위해서 변성 LSR을 형성(코팅)하기 이전에 기재층(212) 위의 표면을 개질하여 변성 LSR이 코팅/건조되어도 떨어지지 않도록 하며, 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술한다. The base layer 212 constituting the sub-gasket 210 may generally be a PET film, but in this embodiment, a PI (Polyimide) or PEN (Polyethylene Naphthalate) film having excellent mechanical and chemical properties is preferably applied. As will be described later, the modified LSR (Liquid Silicone Rubber) is coated on the base layer 212 to dry it. phenomena can occur. In this embodiment, in order to improve this desorption phenomenon, the surface on the base layer 212 is modified before the formation (coating) of the modified LSR so that the modified LSR does not fall off even if it is coated/dried, a more detailed description thereof will be described later. do.

이러한 기재층(212)의 두께는 10 내지 100㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10㎛ 이상 70㎛ 이하인 것이 좋다. 기재층(212)을 형성하기 위하여 10㎛ 이하의 필름을 사용하였을 경우 연료전지 셀(Cell) 체결 시 GDL(Gas diffusion layer)이 압축되어 연료공급이 되지 않아 전지의 전체적인 성능이 저하되는 문제가 있으며, 70㎛ 이상의 필름을 사용하였을 경우 GDL(Gas diffusion layer)이 BP(Bipolar plate) 사이에 떠 있는 상태로 존재하게 되어 집전체(300)와의 저항이 증가하여 전지의 성능이 저하될 수 있다. The thickness of the base layer 212 is preferably 10 to 100 μm, more preferably 10 μm or more and 70 μm or less. When a film of 10 μm or less is used to form the base layer 212, the gas diffusion layer (GDL) is compressed when the fuel cell is fastened, and fuel supply is not provided, so there is a problem that the overall performance of the battery is lowered. , when a film of 70 μm or more is used, the gas diffusion layer (GDL) is present in a floating state between the bipolar plates (BP), and the resistance with the current collector 300 increases, thereby deteriorating the performance of the battery.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 연료전지의 모듈형 가스켓, 모듈형 가스켓을 갖는 막전극 접합체, 및 모듈형 가스켓의 제조 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is only one embodiment for carrying out the manufacturing method of the modular gasket of the fuel cell, the membrane electrode assembly having the modular gasket, and the modular gasket according to the present invention, and the present invention is based on the above embodiment. It is not limited, and as claimed in the claims below, the technical spirit of the present invention is to the extent that various modifications can be made by anyone with ordinary knowledge in the field to which the invention pertains without departing from the gist of the present invention. will say there is

1000: 연료전지의 막전극 접합체
100: 3layer MEA
110: 애노드
120: 멤브레인
130: 캐소드
200: 모듈형 가스켓
210: 서브 가스켓
211: 접착층
212: 기재층
220: 메인 가스켓
300: 집전체
310: 애노드 집전체
320: 캐소드 집전체
S1000: 연료전지의 모듈형 가스켓의 제조 방법
S100: 변성 LSR 제조 단계
S200: 프라이머 코팅 처리 단계
S300: 메인 가스켓 형성 단계
S400: 서브 가스켓 경화층 형성 단계1000: membrane electrode assembly of fuel cell
100: 3layer MEA
110: anode
120: membrane
130: cathode
200: modular gasket
210: sub gasket
211: adhesive layer
212: base layer
220: main gasket
300: current collector
310: anode current collector
320: cathode current collector
S1000: Manufacturing method of modular gasket of fuel cell
S100: modified LSR manufacturing step
S200: primer coating treatment step
S300: Main gasket forming stage
S400: Sub-gasket hardened layer forming step

Claims (20)

애노드, 멤브레인 및 캐소드가 적층된 3레이어 구조의 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 양면에 각각 형성된 서브 가스켓; 및
LSR(Liquid Silicone Rubber)에 플루오린(fluorine)이 함유된 실란(silane)이 혼합된 변성 LSR이 상기 서브 가스켓 상에 각각 코팅 후 경화되어 형성된 메인 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 모듈형 가스켓.
sub-gaskets formed on both sides of a three-layer MEA (Membrane Electrode Assembly) in which an anode, a membrane, and a cathode are stacked; and
Modular LSR in which silane containing fluorine is mixed with LSR (Liquid Silicone Rubber) includes a main gasket formed by coating and curing each on the sub gaskets. gasket.
 제1 항에 있어서,
상기 변성 LSR은, 단일 LSR 또는 경도(hardness)가 상이한 이종 이상의 LSR가 혼합되어 30 내지 70 경도(ASTM D2240, Shore A경도)로 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지의 모듈형 가스켓.
According to claim 1,
The modified LSR is a single LSR or a mixture of two or more LSRs having different hardnesses to have a hardness of 30 to 70 (ASTM D2240, Shore A hardness).
 제1 항에 있어서,
상기 변성 LSR은, 상기 실란이 1중량부 이하가 사용되어 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지의 모듈형 가스켓.
According to claim 1,
The modified LSR is a modular gasket for a fuel cell, characterized in that the silane is used in an amount of 1 part by weight or less.
 제1 항에 있어서,
상기 메인 가스켓의 각각의 두께는 50㎛ 이상 500㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 연료전지의 모듈형 가스켓.
According to claim 1,
Each thickness of the main gasket is a modular gasket for a fuel cell, characterized in that 50㎛ or more and less than 500㎛.
 제1 항에 있어서,
상기 서브 가스켓은,
상기 MEA 상에 형성되고, 열경화성 수지를 포함하는 접착층; 및
상기 접착층 상에 형성되고, PI(Polyimide) 또는 PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름을 포함하는 기재층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 모듈형 가스켓.
According to claim 1,
The sub gasket is
an adhesive layer formed on the MEA and including a thermosetting resin; and
and a base layer formed on the adhesive layer and including a polyimide (PI) or polyethylene naphthalate (PEN) film.
 제5 항에 있어서,
상기 접착층의 두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지의 모듈형 가스켓.
6. The method of claim 5,
The thickness of the adhesive layer is a modular gasket of a fuel cell, characterized in that not less than 5㎛ 100㎛.
 제5 항에 있어서,
상기 기재층의 두께는 10㎛ 이상 70㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지의 모듈형 가스켓.
6. The method of claim 5,
The thickness of the base layer is a modular gasket for a fuel cell, characterized in that 10㎛ or more and 70㎛ or less.
 애노드, 멤브레인 및 캐소드가 적층된 3레이어 구조의 MEA(Membrane Electrode Assembly);
상기 MEA의 양면에 각각 형성된 서브 가스켓과, LSR(Liquid Silicone Rubber)에 플루오린(fluorine)이 함유된 실란(silane)이 혼합된 변성 LSR이 상기 서브 가스켓 상에 각각 코팅 후 경화되어 형성된 메인 가스켓을 포함하는 모듈형 가스켓; 및
상기 메인 가스켓 상에 각각 형성되고, 상기 애노드 및 상기 캐소드와 각각 전기적으로 연결된 집전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막전극 접합체.
Membrane Electrode Assembly (MEA) having a three-layer structure in which an anode, a membrane, and a cathode are stacked;
Sub-gaskets respectively formed on both sides of the MEA, and a modified LSR in which silane containing fluorine is mixed with LSR (Liquid Silicone Rubber) is coated on the sub-gasket and then cured to form a main gasket. a modular gasket comprising; and
and a current collector respectively formed on the main gasket and electrically connected to the anode and the cathode, respectively.
 제8 항에 있어서,
상기 변성 LSR은, 단일 LSR 또는 경도(hardness)가 상이한 이종 이상의 LSR가 혼합되어 30 내지 70 경도(ASTM D2240, Shore A경도)로 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지의 막전극 접합체.
9. The method of claim 8,
The modified LSR is a single LSR or a mixture of two or more LSRs having different hardnesses to have a hardness of 30 to 70 (ASTM D2240, Shore A hardness).
 제8 항에 있어서,
상기 변성 LSR은, 상기 실란이 1중량부 이하가 사용되어 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지의 막전극 접합체.
9. The method of claim 8,
The modified LSR is a membrane electrode assembly of a fuel cell, characterized in that the silane is used in an amount of 1 part by weight or less.
 제8 항에 있어서,
상기 메인 가스켓의 각각의 두께는 50㎛ 이상 500㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 연료전지의 막전극 접합체.
9. The method of claim 8,
A membrane electrode assembly for a fuel cell, characterized in that the thickness of each of the main gaskets is 50 μm or more and less than 500 μm.
 제8 항에 있어서,
상기 서브 가스켓은,
상기 MEA 상에 형성되고, 열경화성 수지를 포함하는 접착층; 및
상기 접착층 상에 형성되고, PI(Polyimide) 또는 PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름을 포함하는 기재층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막전극 접합체.
9. The method of claim 8,
The sub gasket is
an adhesive layer formed on the MEA and including a thermosetting resin; and
The membrane electrode assembly of a fuel cell, characterized in that it is formed on the adhesive layer and comprises a base layer comprising a PI (Polyimide) or PEN (Polyethylene Naphthalate) film.
 제12 항에 있어서,
상기 접착층의 두께는 5㎛ 이상 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지의 막전극 접합체.
13. The method of claim 12,
The thickness of the adhesive layer is a membrane electrode assembly of a fuel cell, characterized in that not less than 5㎛ 100㎛.
 제12 항에 있어서,
상기 기재층의 두께는 10㎛ 이상 70㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지의 막전극 접합체.
13. The method of claim 12,
The thickness of the base layer is a membrane electrode assembly of a fuel cell, characterized in that 10㎛ or more and 70㎛ or less.
 LSR(Liquid Silicone Rubber)에 플루오린(fluorine)이 함유된 실란(silane)을 혼합하여 변성 LSR을 제조하는 단계;
PI(Polyimide) 또는 PEN(Polyethylene Naphthalate) 필름을 포함하는 기재층 표면을 프라이머(primer) 코팅 처리하는 단계;
상기 프라이머 코팅 처리된 기재층 상에 상기 변성 LSR을 코팅한 후 경화시켜 메인 가스켓을 형성하는 단계; 및
상기 기재층 하면에 열경화성 수지를 포함하는 접착층을 형성하여 상기 기재층과 함께 서브 가스켓의 경화층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지의 모듈형 가스켓의 제조 방법.
preparing a modified LSR by mixing silane containing fluorine with LSR (Liquid Silicone Rubber);
Primer coating treatment on the surface of the substrate layer including the PI (Polyimide) or PEN (Polyethylene Naphthalate) film;
forming a main gasket by coating and curing the modified LSR on the primer-coated base layer; and
and forming an adhesive layer including a thermosetting resin on a lower surface of the base layer to form a cured layer of the sub gasket together with the base layer.
 제15 항에 있어서,
상기 변성 LSR은, 단일 LSR 또는 경도(hardness)가 상이한 이종 이상의 LSR가 혼합되어 30 내지 70 경도(ASTM D2240, Shore A경도)로 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 모듈형 가스켓의 제조 방법.
16. The method of claim 15,
The modified LSR is a method of manufacturing a modular gasket for a fuel cell, characterized in that a single LSR or a mixture of two or more LSRs having different hardnesses are mixed to have a hardness of 30 to 70 (ASTM D2240, Shore A hardness).
 제15 항에 있어서,
상기 변성 LSR은, 상기 실란이 1중량부 이하가 사용되어 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 모듈형 가스켓의 제조 방법.
16. The method of claim 15,
The modified LSR is a method of manufacturing a modular gasket for a fuel cell, characterized in that the silane is used in an amount of 1 part by weight or less.
 제15 항에 있어서,
상기 메인 가스켓은 50㎛ 이상 500㎛ 미만의 두께로 각각 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 모듈형 가스켓의 제조 방법.
16. The method of claim 15,
The main gasket is a method of manufacturing a modular gasket for a fuel cell, characterized in that each is manufactured to a thickness of 50㎛ or more and less than 500㎛.
 제15 항에 있어서,
상기 접착층은 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 두께로 각각 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 모듈형 가스켓의 제조 방법.
16. The method of claim 15,
The adhesive layer is a method of manufacturing a modular gasket for a fuel cell, characterized in that each is manufactured to a thickness of 5㎛ or more and 100㎛ or less.
 제15 항에 있어서,
상기 기재층은 10㎛ 이상 70㎛ 이하의 두께로 각각 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 모듈형 가스켓의 제조 방법.16. The method of claim 15,
The base layer is a method of manufacturing a modular gasket for a fuel cell, characterized in that each is manufactured to a thickness of 10㎛ or more and 70㎛ or less.
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KR100805458B1 (en) * 2006-12-11 2008-02-20 현대자동차주식회사 A one body type membrane electrode assembly with gasket of multiple sealing structure for a fuel cell
KR20080071319A (en) 2007-01-30 2008-08-04 한국생산기술연구원 Silicon rubber, gasket for fuel cell comprising the same, and method of preparing the same
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Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100501682B1 (en) 2003-06-20 2005-07-18 현대자동차주식회사 Structure and manufacturing method of gasket for fuel cell
KR100805458B1 (en) * 2006-12-11 2008-02-20 현대자동차주식회사 A one body type membrane electrode assembly with gasket of multiple sealing structure for a fuel cell
KR20080071319A (en) 2007-01-30 2008-08-04 한국생산기술연구원 Silicon rubber, gasket for fuel cell comprising the same, and method of preparing the same
KR20180126708A (en) 2017-05-18 2018-11-28 율촌화학 주식회사 Gasket-integrated membrane electrode assembly and preparation method of the same

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