KR100819783B1 - 연료전지용 막/전극 접합체의 트리밍 장치 및 방법과반송장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 막/전극 접합체의 트리밍 장치, 트리밍 방법 및 반송장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 막/전극 접합체(65)를 재치하는 하부 트리밍 다이(14)와 트리밍 날(15)을 설비하는 상부 트리밍 다이(16)와, 이 상부 트리밍 다이에 승강가능하게 매달리며 카본전극(12)을 흡작/유지하는 압압부재(17)로 이루어지는 막/전극 접합체 트리밍 장치(10)가 제공된다. 또한, 카본전극을 흡착하는 동시에 횡방향으로 미끄러지지 않도록 압압하는 압압부재를 포함하는 막/전극 접합체 반송장치(72)가 제공된다. 이와 같은 구성을 가지므로 막/전극 접합체의 트리밍 시의 위치결정, 고정, 트리밍의 확실성이 높고, 트리밍 후에 막/전극 접합체를 반송하는 때의 위치 어긋남을 방지하는 것이 가능하여 연료전지의 성능이 향상되는 효과를 가져온다.

막/전극 접합체 트리밍 장치, 반송장치, 연료전지

Description

연료전지용 막/전극 접합체의 트리밍 장치 및 방법과 반송장치{TRIMMING APPARATUS AND METHOD AND CARRYING APPARATUS OF FUEL CELL MEMBRANE/ELECTRODE ASSEMBLY}

본 발명은 연료전지의 제조에 관한 것으로, 구체적으로는 연료전지용 막/전극 접합체를 트리밍(trimming)하는 때에 확실하게 위치되고, 고정되며, 트리밍 이후에 막/전극 접합체를 반송하는 동안에 위치의 어긋남이 방지되는 연료전지용 막/전극 접합체의 트리밍 시스템 및 트리밍 처리공정과 반송공정을 원활하게 연속시키며 반송공정으로부터 적층공정으로의 이행을 원활하게 하는 연료전지용 막/전극 접합체의 반송장치에 관한 것이다.

연료전지는 물의 전기분해의 반대원리를 이용하여, 수소와 산소를 반응시켜 물을 얻는 과정에서 전기를 얻을 수 있는 전지이다. 일반적으로, 연료가스로 수소를 대체하고, 공기나 산화제 가스로 산소를 대체하므로, 연료가스, 공기, 산화제가스의 용어가 자주 사용된다.

이와 같은 연료전지로서는, 예를 들면, 일본특허공개 제2000-123848호 공보의 「연료전지」가 알려져 있다． 이 연료전지의 셀은 도 11에 도시되어 있는 바와 같이 구성된다.

도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 셀(100, cell)은 전해질 막(101)의 양면에 애노드(anode)측 전극(102)과 캐쏘드(cathode)측 전극(103)을 접합하고, 이 애노드측 전극(102)과 캐쏘드측 전극(103)을 2장의 세퍼레이터(104, 105, separator)에 끼워 넣은 것이다. 세퍼레이터(104)에는 애노드측 전극(102)에 연료인　수소가스를 공급하기 위한 여러 개의 그루브(106, flow groove)가 형성되고, 세퍼레이터(105)에는 캐쏘드측 전극(103)에 산화제인 산소가스를 공급하기 위한 여러 개의 그루브(107)가 형성되는 구조의 것이다. 이 셀(100)을 다수 적층함으로써 원하는 전압을 얻는다.

여기에서 111, 112는 전해질 막(101)과 각 세퍼레이터(104, 105)와의 사이를 실링하기 위한 실(seal)재(개스킷)를 나타낸다.

전해질 막(101)은 고분자 화합물로 된 고분자 전해질 막(PEM: Polymer Electrolyte Membrane)으로 되어 있다. 이 전해질 막(101)을 이하에서는 PEM(101)로 기술한다.

그리고, PEM(101)，애노드측 전극(102) 및 캐쏘드측 전극(103)은 막/전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly, 108)를 구성하는 것이다. 이 막/전극 접합체(108)를 이하에서는 MEA(108)로 기술한다.

상기 일본특허공개공보에는 MEA(108)의 제조방법 및 반송방법에 관해서는 기재되어 있지 않지만, 일반적으로 [1]최종 성형될 외형보다 크게 재단된 PEM의 표리(表裏)의 각 면에 이 PEM 보다 작은 면적의 애노드측 전극(102) 및 캐쏘드측 전극(103)을 압착하고; [2]PEM의 가장자리를 트리밍 날(trimming blade)로 절단(트 리밍)하여 최종 성형하고; [3]절단된 막 상의 MEA(108)을 흡착장치로 흡착하여 다음 공정으로 반송하는 방법이 알려져 있다

본 발명자 등은 MEA(108)의 상기 제조 및 반송을 시도해 보았지만, 트리밍(최종성형) 공정[2] 및 반송공정[3]시에 도 12a 내지 12c에 도시된 바와 같은 문제가 발생했다.

도 12a 내지 12c는 MEA의 트리밍 공정 및 이 트리밍 공정에 연속하는 반송 공정을 설명하는 설명도로서: 도 12a는 트리밍 처리과정을 나타내는 단면도이고; 도 12b는 흡착동작을 나타내는 단면도이고; 도 12c는 반송동작을 나타내는 단면도이다.

도 12a에 있어서, 재치대(121)에 전극(102, 103)을 접합한 PEM(101a)를 재치하고, 도시되지 않은 위치결정수단으로 위치결정을 한 상태에서 트리밍 날(122, trimming blade)을 취부한 프레스장치(123)를 백색 화살표와 같이 하강시켜 PEM(101a)을 절단한다. 절단 후의 PEM(101)과 구별하기 위해, 절단 전의 PEM의 부호를 편의상 101a로 나타낸다.

도 12b에 있어서，PEM(101)의 절단을 종료한 후, 프레스장치(123, 도 12a 참조)와는 별개의 흡착장치(124)를 백색 화살표와 같이 하강시켜 MEA(108)를 흡착한다.

도 12c에 있어서, 흡착장치(124)로 흡착한 MEA(108)를 백색 화살표 d와 같이 상승시켜 백색 화살표 e와 같이 다음 적층공정으로 반송한다.

상기 도 12b에서는 재치대(121)의 위쪽에서, 도 12a에 도시된 프레스장치(123)와 도 12b에 도시된 흡착장치(124)를 교체하여 흡착작업을 행하기 때문에, 트리밍 처리로부터 흡착작업으로 옮겨가는 때에 흐름이 일시적으로 정지된다. 따라서, 양산 라인에서 연속적으로 MEA(108)의 트리밍 및 반송을 행하는 경우에 생산성이 대폭적으로 저하되는 것이 예상된다

또한, MEA(108)는 가장자리를 소정의 크기로 절단하고, 이 가장자리 절단 후에 세퍼레이터와 적층하기 위해, 이 가장자리 절단을 하는 트리밍 스테이션으로부터 적층 스테이션으로 반송된다. 도 12a 및 12b에서는 프레스장치(123)로 PEM(101a)를 절단하고 나서 흡착장치(124)로 흡착할 때까지의 동안에, 예를 들어, MEA(108)의 위치가 어긋나게 되면 위치가 어긋난 채 흡착장치(124)로 MEA(108)를 반송한 것이 되고, 적층공정에서는 MEA(108)의 위치를 수정하지 않으면 아니 된다. 이 결과, 연료전지의 제조공정단계가 증대되어, 연료전지의 생산성 저하가 우려된다.

또한, 도 13a 내지 및 도 13b에 나타낸 바와 같은 새로운 문제가 발생된다.

도 13a 및 도 13b는 MEA의 트리밍 장치 및 트리밍 처리과정을 나타내는 설명도로서: 도 13a는 트리밍 처리 전 상태를 나타내는 단면도이고; 도 13b는 트리밍 처리 후의 상태를 나타내는 단면도이다.

도 13a에 있어서, 우선, 재치대(121)에 양면에 전극(102, 103)을 접합시킨 PEM{101a; 절단 후의 PEM(101)과 구별하기 위해 절단 전의 PEM의 부호를 편의상 101a로 한다}을 재치하고, PEM(101a)의 가장자리를 재치대(131)에, 예를 들면, 클램핑 부재(132)로 고정시킨다.

그리고, PEM(101a)의 위쪽에서 트리밍 날(122)을 취부한 프레스장치(123)를 화살표와 같이 하강시켜, 트리밍 날(122)로 PEM(101a)을 절단한다.

PEM(101a)을 고정하기 위해 상기한 클램핑 부재(132)를 사용하면, 예컨대, 클램핑 부재(132)가 조여질 때, 클램핑 부재(132)가 움직여 막 형태의 작업물인 PEM(101a)에 주름이 발생되거나, 클램핑 부재(132, 132)가 PEM(101a)을 서로 잡아당겨 PEM(101a)이 인장되거나 하여, PEM(101a)의 품질을 손상시키게 된다.

또한, 처음에 재치대(131)에 PEM(101a)을 위치시킬 때에도, 막 형태의 작업물(workpiece)이 손상되지 않도록 하는 방법이 사용되지 않으면 안 된다.

또한, 전극(102, 103)에 금속이온이 부착되면, 이 금속이온과 전자가 결합하여, 카본전극에 금속이 석출된다. 이에 의해, 석출된 금속이 수소와 산소와의 반응을 방해하여, 연료전지의 성능을 저하시키기도 하므로, 연료전지의 성능향상을 위해서, 전극(102, 103)에 금속이온이 부착되지 않도록 방지해야 할 필요가 있다.

도 13b에 있어서, 절단이 종료되면, 화살표와 같이 프레스장치(123)를 상승시킨다.

절단을 종료한 PEM(101) 및 전극(102, 103)으로 되는 MEA(108)에는, 백색 화살표로 표시한 것과 같이 횡방향으로의 미끄러짐이 발생할 수 있으며, 트리밍이 완료되기 전에 횡방향으로의 미끄러짐이 발생하면, 트리밍의 정밀도가 나빠지고 연료전지의 품질이 손상된다.

또한, 도 14a, 도 14b, 도 15a 및 도 15b에 도시된 바와 같은 문제가 발생된다.

도 14a 및 도 14b는 MEA 트리밍 장치 및 이 트리밍 장치에 의한 트리밍 처리에 영향을 미치는 트리밍 날의 형상에 대해 나타내는 설명도로서: 도 14a는 트리밍 처리 전 상태를 나타내는 단면도이고, 도 14b는 트리밍 처리 중의 상태를 나타내는 단면도이다.

도 14a에 있어서, 재치대(131)의 양면에 전극을 접합시킨 PEM(101a)을 재치한다. 다음에, PEM(101a)의 위쪽에서 칼날부(122a)에 굴곡이 형성된 트리밍 날(122)을 백색 화살표와 같이 하강시킨다{설명의 사정 상 칼날부(122a)의 굴곡의 정도는 과장되었다.}.

도 14b에 있어서, PEM(101a)은 트리밍 날(122)에 의해 절단된다. 그러나, 칼날부(122a)의 굴곡으로 인해 PEM(101a)의 단면 중 크로스 해칭(cross-hatching)으로 표시된 부분은 절단되지 않는다.

PEM(101a)을 완전하게 절단하기 위해서는 더욱 큰 압력으로 트리밍 날(122)을 PEM(101a)에 대해 압박해야 하고, 트리밍 날(122)에 작용되는 하중이 커지기 때문에 이 하중에 견디기 위해서는 트리밍 날(122)의 강도를 증가시키거나, 트리밍 날(122)을 압박하는 실린더장치를 대형으로 해야 할 필요가 있다.

도 15a 및 도 15b는 MEA 트리밍 장치 및 이 트리밍 장치에 의한 트리밍 처리에 영향을 미치는 트리밍 날의 경사에 대해 설명하는 설명도로서: 도 15a는 트리밍 처리 전의 상태를 나타내는 단면도이고, 도 15b는 트리밍 처리 중의 상태를 나타내는 단면도이다.

도 15a에서, 재치대(131) 위에 양면에 전극을 접합시킨 PEM(101a)을 재치시 킨다. PEM(101a)의 위쪽에서 트리밍 날(135)을 백색 화살표와 같이 하강시킨다. 예를 들어, 재치대(131)의 윗면과 트리밍 날(135)의 칼날부(136)와의 평행도가 큰{칼날부(136)가 재치대(131)의 윗면에 대하여 각 θ만큼 기울어지는} 경우, 도 15b에 있어서, 트리밍 날(135)로 PEM(101a)를 절단할 때에 PEM(101a)의 단면 중, 크로스 해칭으로 표시된 부분은 절단되지 않는다.

따라서, PEM(101a)을 절단하기 위해서는 도14a 및 도 14b와 관련하여 설명된 것과 마찬가지로 트리밍 날(135)에 더욱 큰 압압력을 가할 필요가 있다.

본 발명의 목적은, 첫 번째 관점에서, 고분자 전해질 막의 양면에 이 보다 작은 면적의 카본전극을 접합시켜 이루어지는 막/전극 접합체를 트리밍 대상물로 하고, 상기 고분자 전해질 막의 가장자리를 트리밍 날로 절단하는 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 장치에서, 막/전극 접합체를 재치하는 하부 트리밍 다이와, 트리밍 날을 취부하는 상부 트리밍 다이와, 이 상부 트리밍 다이에 승강 가능하게 매달리는 압압부재로 되고, 한쪽의 카본전극을 흡착 유지시키는 흡착수단을 상기 압압부재에 설비한 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 장치를 제공하는 것이다.

상부 트리밍 다이에, 트리밍 날과 압압부재에 설비되는 흡착수단이 일체로 설비되므로, 압압부재로 고분자 전해질 막을 압압하며 카본전극을 흡착수단으로 흡착한 상태에서 트리밍 날로 절단하는 것이 가능하기 때문에, 고분자 전해질 막의 압압, 절단, 카본전극의 흡착을 일련의 동작으로 원활하고도 신속하게 행하는 것이 가능하다. 따라서, 연료전지의 생산성을 높이는 것이 가능하다.

바람직하게는, 압압부재에 고분자 전해질 막의 가장자리를 누르는 압압부와, 한쪽의 카본전극을 수납하는 요홈부가 설비되고; 이 요홈부의 저면에 카본전극을 흡인하는 전극 흡인공이 설비되고; 압압부에 고분자 전해질 막을 흡인하는 막 흡인공이 설비되는 것이다. 고분자 전해질 막의 트리밍 중에, 압압부로써 고분자 전해질 막의 가장자리를 누르고, 전극 흡인공으로써 카본 전극을 흡인하며, 막 흡인공으로써 고분자 전해질 막을 흡인함으로써, 막/전극 접합체가 횡방향으로 어긋나는 것을 방지하여, 막/전극 접합체를 확실하게 유지하는 것이 가능하다.

상부 트리밍 다이에 압력부재를 매다는 기구는, 바람직하게는, 양 부재사이에 걸치는 가이드 로드와, 압압부재를 하부 트리밍 다이 측으로 압압하는 탄성부재로 구성된다. 상부 트리밍 다이에 압압부재를 매다는 기구로 가이드 로드를 구비하기 때문에, 상부 트리밍 다이에 대하여 압압부재를 가이드 로드로 정밀하게 승강시키는 것이 가능하다.

요홈부의 저면에 다공질판을 설비하고, 이 다공질판을 통하여 카본전극을 흡착하면 바람직하다. 요홈부 내의 공기를 다공질판을 통하여 흡인 가능하고, 카본전극을 흡착장치로써 국부적으로 흡착하는 경우에 비하여, 다공질판 전체에 분포된 구멍에 의해 다공질판의 표면 전체에 걸쳐 거의 균일한 흡착력으로 카본전극을 흡착하는 것이 가능하므로, 카본전극의 손상이 발생되지 않는다. 또한, 다공질판이므로 카본전극을 흡착할 경우에 다공질판과 카본전극과의 사이의 마찰력을 크게 하는 것이 가능하므로, 카본전극이 횡방향으로 미끄러지는 것을 방지하는 효과가 일층 높일 수 있다.

하부 트리밍 다이에 막/전극 접합체 보다 넓은 면적의 제1 지지부재를 설비하고, 이 제1 지지부재에 고분자 전해질 막의 가장자리를 지지하는 제2 지지부재를 설비함으로써, 트리밍 날의 절단력을 고분자 전해질 막의 가장자리, 제2 지지부재, 제1 지지부재의 순으로 전달하는 구조로 하는 것이 좋다. 제1 지지부재 및 제2 지지부재로 트리밍 날의 절단력을 받는 구조로 하는 경우, 예를 들어, 제1 지지부재 및 제2 지지부재의 재질을 서로 다르게 하는 것이 가능하다. 또한, 제1 지지부재와 제2 지지부재와의 경도에 차이를 두면, 고분자 전해질 막을 트리밍 날로 절단하는 경우에 제1 지지부재 또는 제2 지지부재를 트리밍 날의 칼날부의 형상에 따라 변형시켜, 하부 트리밍 다이와 상부 트리밍 다이와의 조립오차, 상부 트리밍 다이에 대한 트리밍 날의 조립오차 등을 제1 지지부재 또는 제2 지지부재로 흡수하여 절단을 행하는 것이 가능하다.

즉, 제1 지지부재 또는 제2 지지부재의 경도를 비교적 크게 하면, 트리밍 날 자체의 치수오차 등의 비교적 작은 오차를 흡수하면서 절단력을 고분자 전해질 막에 확실하게 전달하는 것이 가능하다. 제1 지지부재 또는 제2 지지부재의 경도가 비교적 작으면, 하부 트리밍 다이와 상부 트리밍 다이와의 조립오차나 하부 트리밍 다이에 대한 트리밍 날의 조립오차 등의 큰 오차를 흡수하는 것이 가능하다. 따라서, 예를 들면, 상기의 경도가 다른 제1 지지부재 및 제2 지지부재를 조합함으로써 상기 각 부분의 치수오차, 조립오차를 흡수하여, 고분자 전해질 막에 트리밍 날 전체를 당접시키는 것이 가능하고, 또한 트리밍 날의 절단력을 고분자 전해질 막, 제2 지지부재 및 제1 지지부재에 확실하게 전달하는 것이 가능하다. 이 결과, 고 분자 전해질 막의 절단을 작은 하중으로 확실하게 행하는 것이 가능하다.

제1 지지부재는 탄성체로 하는 것이 바람직하다. 제1 지지부재를 탄성체로 하면, 트리밍 날의 칼날부와 하부 트리밍 다이 측과의 평행도가 크게 되는 경우에도, 트리밍 날로 고분자 전해질 막의 가장자리를 절단하는 경우에, 제1 지지부재가 변형되어, 트리밍 날 전체를 고분자 전해질 막에 당접시키는 것이 가능하므로, 고분자 전해질 막이 트리밍 날 전체로 균일하게 절단되는 것이 가능하다.

제2 지지부재는 제1 지지부재 보다 경도가 큰 연질재로 하면 좋다. 제2 지지부재를 연질재로 하면, 트리밍 날의 칼날부에 굴곡 등이 형성되어 칼날부가 직선이 아닌 상태에서도, 트리밍 날로 고분자 전해질 막의 가장자리를 절단하는 때에, 트리밍 날을 제2 지지부재로 파고들게 하는 것이 가능하므로, 트리밍 날 전체가 고분자 전해질 막에 당접되어, 고분자 전해질 막을 트리밍 날 전체로 균일하게 절단하는 것이 가능하다.

본 발명의 목적은, 두 번째 관점에서, 고분자 전해질 막의 양면에 이 보다 작은 면적의 카본전극을 접합시켜 이루어지는 막/전극 접합체를 트리밍 대상으로 하며, 고분자 전해질 막의 가장자리를 트리밍 날로 절단하는 연료전지용 막/전극 접합체의 트리밍 방법에서, 하부 트리밍 다이에, 그 저면이 비금속판으로 구성되는 요홈부를 설비하고, 이 요홈부 안에 카본전극을 수납하고 이 카본전극의 위치결정을 요홈부의 인접하는 2개의 측벽으로 행한 후에, 하부 트리밍 다이에로 고분자 전해질 막의 가장자리를 흡착하고, 트리밍 날로 고분자 전해질 막을 절단하는 연료전지용 막/전극 접합체의 트리밍 방법을 제공하는 것이다.

고분자 전해질 막의 가장자리를 하부 트리밍 다이에로 흡착함에 의해 고정함으로써, 고분자 전해질 막의 가장자리를 절단하는 경우에 막 형태의 작업물인 고분자 전해질 막이 손상될 우려가 없고, 막/전극 접합체의 품질을 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 카본전극의 위치결정이 요홈부의 인접하는 2개의 측벽에 의해 행해지므로, 고분자 전해질 막 및 카본전극의 손상 없이 위치결정을 하는 것이 가능하다. 또한, 저면이 비금속판으로 구성되는 요홈부에 카본전극이 수납되므로, 카본전극에 금속이온이 부착될 염려가 없어, 연료전지의 성능 향상이 가능하다.

바람직하게는, 고분자 전해질 막의 흡착은 고분자 전해질 막의 절단 후에는 사용하지 않게 되는 불필요한 부분에 대해 이루어지는 것이 좋다. 트리밍 후에 고분자 전해질 막의 필요 부분을 하부 트리밍 다이로부터 다른 곳으로 이동시키면, 고분자 전해질 막의 불용부분 만을 하부 트리밍 다이에 남겨두는 것이 가능하므로, 불용부분에 대한 흡착을 멈추면, 불용부분의 하부 트리밍 다이로부터의 제거작업을 효율적으로 행하는 것이 가능해진다.

본 발명의 목적은, 세 번째 관점에서, 트리밍 스테이션에서, 고분자 전해질 막의 양면에 이 보다 작은 면적의 카본전극을 접합시켜 이루어지는 막/전극 접합체의 가장자리 절단을 행하고, 이 가장자리 절단을 행한 막/전극 접합체를 적층 스테이션에서 적층 처리하는 경우에, 트리밍 스테이션으로부터 적층 스테이션으로 막/전극 접합체를 반송하는 연료전지용 막/전극 접합체 반송장치에서, 트리밍 스테이션으로부터 적층 스테이션까지 이동하는 슬라이더와, 이 슬라이더로부터 연장되는 암과, 이 암에 매달리며 가장자리 절단을 위한 트리밍 날을 가지는 상부 트리밍 다 이와, 암을 이동시키는 암 이동수단과, 한쪽의 카본전극을 흡착하는 동시에 횡방향으로 미끄러지지 않도록 유지하기 위해 상부 트리밍 다이에 부착되는 압압부재로 이루어지는 연료전지용 막/전극 접합체 반송장치를 제공하는 것이다.

막/전극 접합체를 가장자리 절단을 하는 상부 트리밍 다이에 카본전극을 흡착/유지하는 압압부재가 장착되는 구조로 하여, 막/전극 접합체가 트리밍 시부터 반송 시까지 압압부재에 의해 흡착되면, 막/전극 접합체는 트리밍 시의 상태를 유지한 채로 횡방향으로의 미끄러짐이 없이 트리밍 스테이션으로부터 적층 스테이션 까지 반송 가능하다. 이 결과, 적층 스테이션에서 막/전극 접합체가 세퍼레이터와 함께 적층되는 경우에, 막/전극 접합체의 적층위치의 어긋남이 방지 가능하다. 따라서, 막/전극 접합체를 적층하는 때에, 막/전극 접합체의 위치를 수정할 필요가 없고, 반송공정으로부터 적층공정으로의 원활한 이행이 가능하다.

암 이동수단은, 바람직하게는, 암을 연직방향으로 이동시키는 연직이동기구와, 암을 수평으로 그리고 직선상으로 이동시키는 수평이동기구와를 포함하는 것이 좋다. 연직이동기구와 수평이동기구와를 설비함으로써, 암의 이동이 연직방향과 수평방향의 2방향에서 각각 직선상으로 되고; 암의 이동거리가 단축되고; 반송시간이 단축된다. 따라서, 연료전지의 생산성이 향상된다. 또한, 수평이동을 직선상으로 함으로써, 수평이동이, 예를 들어, 평면상으로 되는 기구에 비하여, 암 이동수단을 간단한 구조로 하는 것이 가능하다. 또한, 이동방향이 2방향이 되므로, 막/전극 접합체에 작용하는 힘의 방향을 항상 일정한 방향으로 하는 것이 가능하며; 반송되는 막/전극 접합체에 충격이 작용되기 어렵게 하는 것이 가능하며; 반송 중의 막/전극 접합체의 미끄러짐을 방지하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 장치의 단면도이고;

도 2는 본 발명에 따른 MEA 트리밍 장치에 의한 트리밍 처리를 포함하는 연료전지 셀의 제조 플로우챠트이고;

도 3a∼도 3c는 본 발명에 따른 MEA 트리밍 장치에서 PEM의 위치결정하는 요령의 설명도로서, 도 3a 및 도 3b는 평면도, 도 3c는 도 3b의 c-c선 단면도이고;

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 MEA 트리밍 장치에 의한 PEM 트리밍 처리 설명도로서, 도 4a는 트리밍 처리를 나타내는 단면도, 도 4b는 흡착동작을 나타내는 단면도이고;

도 5는 본 발명에 따른 MEA 트리밍 장치에 의한 PEM의 절단위치에 대한 설명도이고;

도 6은 본 발명에 따른 MEA 트리밍 장치의 트리밍 날 형상을 고려한 트리밍 처리의 설명도이고;

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 MEA 트리밍 장치의 트리밍 날의 경사를 고려한 트리밍 처리의 작용을 설명하는 작용도로서, 도 7a는 트리밍 처리 전 상태를 나타내는 단면도, 도 7b는 트리밍 처리 시의 상태를 나타내는 단면도이고;

도 8은 본 발명에 따른 MEA 트리밍 장치 및 MEA 반송장치를 설비한 연료전지 제조장치의 정면도이고;

도 9는 본 발명에 따른 MEA 트리밍 장치 및 MEA 반송장치를 설비한 연료전지 제조장치의 평면도이고;

도 10은 본 발명에 따른 MEA 반송장치의 작용설명도이고;

도 11은 연료전지 셀의 단면도이고;

도 12a∼도 12c는 MEA 트리밍 공정 및 이 트리밍 공정에 연속되는 반송공정을 설명하는 설명도로서, 도 12a는 트리밍 처리를 나타내는 단면도, 도 12b는 흡착동작을 나타내는 단면도, 도 12c는 반송동작을 나타내는 단면도이고;

도 13a 및 도 13b는 MEA 트리밍 장치 및 트리밍 처리의 요령을 설명하는 설명도로서, 도 13a는 트리밍 처리 전 상태를 나타내는 단면도, 도 13b는 트리밍 처리 후의 상태를 나타내는 단면도이고;

도 14a 및 도 14b는 MEA 트리밍 장치 및 이 트리밍 장치에 의한 트리밍 처리에 영향을 주는 트리밍 날 형상의 설명도로서, 도 14a는 트리밍 처리 전의 상태를 나타내는 단면도, 도 14b는 트리밍 처리 시의 상태를 나타내는 단면도이고;

도 15a 및 도 15b는 MEA 트리밍 장치 및 이 트리밍 장치에 의한 트리밍 처리에 영향을 주는 트리밍 날의 경사에 대해 설명하는 설명도로서, 도 15a는 트리밍 처리전의 상태를 나타내는 단면도, 도 15b는 트리밍 처리시의 상태를 나타내는 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 트리밍 스테이션으로서의 막/전극 접합체 트리밍 장치{10, 이하 「MEA 트리밍 장치(10)」라 함}는 카본 페이퍼로 되는 카본전극(11, 12)을 각 면에 압착한 고분자 전해질 막{13a, 이하「PEM(13a)」이라 함, 후술하는 절단 후의 PEM(13)과 구별하기 위해 절단 전의 PEM을 이와 같이 PEM(13a)으로 한다}을 재치하는 하부 트리밍 다이(14)와, 상기 PEM(13a)의 가장자리를 잘라내는, 즉 트리밍을 행하는 트리밍 날(15)을 설비하는 상부 트리밍 다이(16)와, 카본전극(12) 및 PEM(13a)를 흡착/유지하기 위해 상부 트리밍 다이(16)에 연결되는 압압부재로서의 흡착/유지장치(17)와, 상부 트리밍 다이(16)를 하강시키는 실린더장치(18)로 구성된다.

하부 트리밍 다이(14)는 PEM(13a)의 위치결정부를 겸하는 재치부(21)와, 이 재치부(21)를 지지하는 하부 다이 지지부(22)와, PEM(13a)의 주연부를 흡착하는 하부 다이용 흡착부(23)로 이루어진다.

재치부(21)는 하부 다이 지지부(22)의 바닥부(22a)에 설비되는 제1 지지부재로서의 하부 지지부재(25)와, 이 하부 지지부재(25)의 위쪽에 배치되는 것으로 PEM(13a)를 재치하는 제2 지지부재로서의 상부 지지부재(26)로 이루어진다. 이 상부 지지부재(26)의 중앙부에는 카본전극(11)의 위치결정을 행하기 위한 요홈부로서의 위치결정 수납부(27)가 설비되고, 하부 지지부재(25)의 상부이며 또한 위치결정 수납부(27)의 아래쪽에는 비금속판으로서 수지판(28)이 배치된 것이다.

하부 지지부재(25)는 재질을 폴리우레탄 등의 폼(foam) 상 탄성체로 하고, 상부 지지부재(26)는 재질을 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트)재 등의 연질재로 한 것이다. 수지판(28)은 카본전극(11)이 하부 지지부재(25)에 접촉되지 않도록 하여, 하부 지지부재(25)에 금속이온이 부착되어 있는 경우에 금속이온이 카본전극(11)에 부착되지 않도록 하기 위한 부재이다.

만약, 카본전극(11)에 금속이온이 부착되면, 이 금속이온과 전자가 결합하여 카본전극(11)에 금속이 석출된다. 이에 의해, 석출된 금속이 수소와 산소와의 반응을 방해하고, 연료전지의 성능을 저하시키는 것이다.

하부 다이용 흡착부(23)는 재치부(21)에 설비되는 다수의 흡착공(31)과, 이 흡착공(31)에 각각 조인트(32)를 통하여 연결되는 연결관(33)으로 되고, 이러한 연결관(33)을 도시되지 않은 흡인장치에 접속함으로써 흡착공(31)으로부터 공기를 흡인하여 PEM(13a)을 흡착하는 것이다.

트리밍 날(15)은 평면상에서 대략 직사각형 형상의 것이고, 카본전극(11, 12) 보다 외측의 PEM(13a)의 주연부를 잘라내는 부재이다.

상부 트리밍 다이(16)는 트리밍 날(15)과 이 트리밍 날(15)을 고정하는 트리밍 날 고정부(35)로 이루어진다.

흡착/유지장치(17)는 PEM(13a)의 트리밍 시에 PEM(13a)을 압압하고 위치결정을 하거나, PEM(13a)의 트리밍 후의 반송 시에 횡방향 미끄러짐을 방지하기 위해, 트리밍 날 고정부(35)에 가이드 로드로서의 로드(36)를 통해 연결되고, 트리밍 날 고정부(35)와의 사이에 탄성부재로서의 스프링(37)이 개재되어 아래쪽으로 압압되도록 되며, 트리밍 시에 PEM(13a)를 누르는 압압부(41)와, 이 압압부(41)의 내측에 설치되는 제1 요홈부(42)와, 이 제1 요홈부(42) 안에 배치되는 다공질재로 되는 다공질판으로서의 패드(43)와, 이 패드(43)를 통하여 카본전극(12)을 흡착하는 흡착수단으로서의 상부 다이용 제1 흡착부(44)와, 상기한 압압부(41)의 위치에서 PEM(13a)을 흡착하는 상부 다이용 제2 흡착부(45)로 이루어진다. 또한, 17a는 로드(36)를 가이드하기 위해서 트리밍 날 고정부(35)에 설비되는 가이드공, 17b는 연결관(48, 52)이 통과하도록 하는 통공, 43a는 카본전극(12)을 수납하기 위해 패드(43)의 하부에 설치되는 제2 요홈부이다.

패드(43)는 다공질 수지 재료이고, 통기성을 갖는 것으로, 게다가 상기한 하부 트리밍 다이(14)의 수지판(28)과 마찬가지로 카본전극(12)에 금속이온이 부착되지 않도록 하기 위한 것이기도 하다.

상부 다이용 제1 흡착부(44)는 제1 요홈부(42)의 바닥에 설비된 전극 흡인구멍으로서의 흡착공(47)과, 이 흡착공(47)에 조인트(32)를 통하여 연결된 연결관(48)으로 되고, 이 연결관(48)을 도시되지 않은 흡인장치에 접속하는 것으로서, 제1 요홈부(42) 내의 공기를 패드(43) 및 흡착공(47)을 통하여 흡인하여 카본전극(12)을 흡착하는 것이다.

상부 다이용 제2 흡착부(45)는 압압부(41)에 설치된 막 흡인구멍으로서의 흡착공(51)과, 이 흡착공(51)에 각각 조인트(32)를 통하여 연결된 연결관(52)으로 되고, 이러한 연결관(52)을 도시되지 않은 흡인장치에 접속시킴으로써, 흡착공(51)으로부터 공기를 흡인하여 PEM(13)을 흡착하는 것이다.

실린더장치(18)는 실린더 본체(61)와, 이 실린더 본체(61)에 이동 가능하게 수납되는 도시되지 않은 피스톤과, 이 피스톤에 설치되는 피스톤 로드(62)와, 이 피스톤 로드(62)의 하단에 설치되는 압압부(63)로 된다

이상에서 기술한 MEA 트리밍 장치(10)에 의한 MEA의 트리밍 처리를 포함하는 연료전지 셀의 제조요령을 이하에서 설명한다.

다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 MEA 트리밍 장치에 의한 트리밍 처리를 포함하는 연료전지 셀의 제조의 흐름을 설명한다. STxx는 스텝을 나타낸다.

ST01… 카본전극을 부착한 PEM을 하부 트리밍 다이에 재치한다.

ST02… PEM을 위치결정한다.

ST03… PEM을 트리밍하여 MEA를 제조한다.

ST04… MEA를 적층 스테이션으로 반송한다.

ST05… 세퍼레이터(separators)에 실재(sealing material)를 도포한다

ST06… 실재를 도포한 세퍼레이터와 MEA를 적층하여 셀을 제조한다. 그리고, 이 셀을 여러 개 적층하는 것으로써, 소망 전압의 연료전지가 완성된다.

상기한 ST01∼ST03의 각 공정을, 도 3a∼도 3c를 참조하여 이하에서 상술한다.

우선, 도 3a에 있어서, 하부 트리밍 다이(14)의 재치부(21)에 카본전극{11, 12, 카본전극 11은 PEM(13a)의 뒷부분}을 부착한 PEM(13a)를 재치한다.

도 3b 및 도 3c에 있어서, 재치부(21)의 위치결정 수납부(27)의 2개의 측벽(27a, 27b)에 카본전극(11)의 2변을 대고, 재치부(21)에 대한 카본전극(11)의 위치결정, 즉 재치부(21)에 대한 PEM(13a)의 위치결정을 행한다{도 3b에서는 설명의 편의상 카본전극(12)은 도시하지 않았다}.

이와 같이, 카본전극(11)의 위치결정을 위치결정 수납부(27)의 인접하는 2개 의 측벽(27a, 27b)으로 행함으로써, PEM(13a) 및 카본전극(11)을 손상 없이 그리고 간단하고 더욱 확실하게 위치결정을 행하는 것이 가능하다.

다음으로, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 발명에 따른 MEA 트리밍 장치에 의한 PEM의 트리밍 처리 작용을 설명한다.

도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 재치부(21)에 대한 PEM(13a)의 위치결정을 행한 후에, 도 1에 도시되는 하부 다이용 흡착부(23)에 의한 PEM(13a)의 주연부 흡착을 개시하고, 이 흡착상태에서 실린더장치(18)를 작동시켜, 도 1의 상태로부터 도 4a에 도시된 바와 같이 실린더장치(18)의 압압부(63)를 하강시켜, 상부 트리밍 다이(16)의 트리밍 날 고정부(35)를 아래쪽으로 누른다.

이에 의해, 카본전극(12)을 제2 요홈부(43a) 안에 수납하고, 흡착/유지장치(17)의 압압부(41)로 스프링(37)의 탄성력을 이용하여 PEM(13a)을 압압하고, 이 후에 트리밍 날(15)로 PEM(13a)의 주연부를 절단한다.

여기에서는 주연부를 절단하기 전의 MEA를 MEA 65a(도 4 참조)로 하고, 주연부를 절단한 PEM(13) 및 카본전극(11, 12)의 접합체를 막/전극 접합체(65), 즉 MEA(65)로 한다.

PEM(13a)의 주연부를 절단하는 동안에 그리고 절단한 후에는, 상부 다이용 제1 흡착부(44)로 카본전극(12)을 흡착함과 함께, 상부 다이용 제2 흡착부(45)로 PEM(13a)을 흡착한다.

이 때, 카본전극(12)을 패드(43)를 통하여 상부 다이용 제1 흡착부(44)로 흡착하면, 카본전극(12)의 상면에는 화살표 N으로 표시되는 흡착에 의한 힘(이 힘을 힘 N으로 한다)이 작용하고, 이 상태에서 카본전극(12)이 패드(43)의 표면에서 횡방향으로 미끄러지려 하면, 카본전극(12)과 패드(43)와의 사이에 힘 N에 의한 화살표 F1 또는 화살표 F2로 표시되는 마찰력 F1 또는 마찰력 F2가 발생된다.

즉, 패드(43)에 대해서 카본전극(12)이 도면의 우측방향으로 미끄러지려 하면 마찰력 F1이 발생되고, 카본전극(12)이 좌측방향으로 미끄러지려 하면 마찰력 F2가 발생된다. 이처럼 카본전극(12)의 이동방향과 반대의 방향으로 마찰력이 발생된다.

이와 같이, 상기한 마찰력 F1 또는 마찰력 F2에 의해, 트리밍 중의 카본전극(12), 나아가서는 MEA(65a)의 횡방향 미끄러짐을 방지하는 것이 가능하다. 이렇게 하여, 트리밍 정밀도를 높일 수 있어, 연료전지의 품질을 향상시킬 수 있다.

PEM(13a)의 주연부를 절단한 후, 도 4b에 도시된 바와 같이, 실린더장치(18)의 압압부(63)를 상승시켜, 상부 트리밍 다이(16)를 상승시킨다. 상부 다이용 제1 흡착부(44) 및 상부 다이용 제2 흡착부(45)에서는 카본전극(11, 12) 및 PEM(13)의 반송을 위한 흡착을 계속하여, 도시되지 않은 적층 스테이션으로 반송한다.

상기 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, MEA 트리밍 장치(10)에서 MEA(65a)의 횡방향 미끄러짐이 방지가능하면, 이 트리밍 공정으로부터 다음 공정, 예를 들면 MEA(65)를 세퍼레이터와 적층하는 적층공정으로 MEA(65)가 반송되는 경우에, MEA 트리밍 장치(10)로부터 소정거리만큼 떨어진 적층 스테이션까지, 그 거리만큼 이동되도록 정밀하게 제어함으로써 적층 스테이션에서 특별히 위치결정을 하지 않아도 적층 스테이션에서의 MEA(65)의 위치결정이 높은 정밀도로 할 수 있다.

PEM(13)을 절단한 후에 필요 없게 된 프레임상 부재(13b)는 하부 다이용 흡착부(23)로의 흡착을 멈추어 하부 트리밍 다이(14)로부터 제거한다.

종래에는, 프레임상 부재(13b)의 흡착이 행해지지 않았기 때문에, 하부 트리밍 다이(14)로부터 MEA(65)를 이동하는 때에 프레임상 부재(13b)가 MEA(65)를 따라 이동되기도 하고, 하부 트리밍 다이(14)로부터 이격된 위치로 분산되기도 하여 그 제거가 문제가 되어 왔었다. 본 실시예에서는 프레임상 부재(13b)를 흡착함으로써, 항상 일정한 장소에 프레임상 부재(13b)를 머물게 하는 것이 가능하고, 프레임상 부재(13b)의 흡착을 멈추면, 프레임상 부재(13b)를 하부 트리밍 다이(14)로부터 제거하는 작업을 효율적으로 행하는 것이 가능하다.

도 5에 있어서, PEM(13a)는 이점쇄선 67로 표시된 위치에서 도 4a의 트리밍 날(15)로 절단된다. 이 절단위치는 카본전극{11, 12, 뒷부분 카본전극(11)은 도시되지 않음}의 윤곽보다 외측의 부분이다.

도 6에 있어서, PEM(13a)의 주연부를 절단하는 경우에, 트리밍 날(15)의 칼날부(15a)에, 예를 들어 굴곡이 생성된 경우에도 하부 트리밍 다이(14)의 상부 지지부재(26)가 연질재로 되기 때문에, 트리밍 날(15)의 칼날부(15a)가 상부 지지부재(26)를 파고들어, 칼날부(15a)의 굴곡의 최상부, 예를 들어 점 A를 PEM(13a)의 하면보다도 낮게 할 수 있어, 칼날부(15a)의 전체로 PEM(13a)을 절단할 수 있다. 따라서, 비교적 작은 하중으로도 PEM(13a)을 확실하게 절단하는 것이 가능하다.

도 7a에 있어서, 예를 들면, 하부 트리밍 다이(14)의 재치부(21)의 상면{상 부 지지부재(26)의 상면}에 대해서, 상부 트리밍 다이(16)의 트리밍 날(15)의 칼날부(15a)가 각도 θ만큼 경사지고, 또 칼날부(15a)가 직선인 경우, 즉 재치부(21)와 트리밍 날(15)의 칼날부(15a)와의 평행도가 큰 경우에, 도 7b에 도시된 바와 같이, PEM(13a)을 절단할 때에 탄성체인 하부 지지부재(25)가 부분적으로 크게 압축되어 상부 지지부재(26) 및 PEM(13a)의 각각의 상면이 트리밍 날(15)의 칼날부(15a)에 따라 기울어지고, 칼날부(15a)가 PEM(13a)의 전면에 당접되도록 된다. 따라서, PEM(13a)을 작은 하중으로 확실하게 절단하는 것이 가능하다.

도 6, 도 7a 및 도 7b로부터 명백한 바와 같이, 트리밍 날(15)에 큰 하중이 작용되지 않기 때문에, 트리밍 날(15)의 마모가 억제된다. 또한, 트리밍 날(15) 이나 MEA 트리밍 장치(10, 도 1 참조)의 각부의 강도는 작아도 되고, 트리밍 날(15)을 압압하는 실린더장치(18, 도 1 참조)를 대형으로 할 필요가 없기 때문에 MEA 트리밍 장치(10)의 제조 단가를 저감시키는 것이 가능하다.

도 8에 도시되는 바와 같이, 연료전지 제조장치(70)는 트리밍 스테이션으로서의 MEA 트리밍 장치(71)와, MEA 반송장치(72)와, 적층 스테이션으로서의 적층부(73)와, 이들을 재치하는 베이스부(74)로 구성된다. MEA 트리밍 장치(71)에 관해서는 도 1에 도시된 MEA 트리밍 장치(10)와 일부의 구성이 다르지만, 기본구조는 동일하므로, 동일 구성에 관해서는 동일부호를 붙이고, 그 상세 설명은 생략한다.

MEA 트리밍 장치(71)는 하부 트리밍 다이(14)와, 상부 트리밍 다이(16)와, 흡착/유지수단으로서의 흡착/유지장치(17)와, 상부 트리밍 다이(16)를 하강시키는 실린더장치(76)로 이루어진다.

실린더장치(76)는 실린더 본체(61)와, 도시되지 않는 피스톤과, 피스톤 로드(62)와, 이 피스톤 로드(62)의 하단에 취부되는 압압부(77)와로 이루어진다.

상부 트리밍 다이(16)는 흡착/유지장치(17) 위에 로드(36) 및 스프링(37)을 통하여 떠있는 것이다.

MEA 반송장치(72)는 MEA 트리밍 장치(71)의 위치로부터 적층부(73)까지 이동하는 수평이동기구로서의 슬라이더(78)와; 이 슬라이더(78)에 포스트(79)를 개재하여 취부되는 암(81, 81)과; 이들 암(81, 81)을 승강시키는 암 승강용 모터(82)로 이루어진다.

적층부(73)는 세퍼레이터(91) 및 MEA(65)를 적층하는 대(台)인 적층대(93)를 가지며, 이 적층대(93)에는 세퍼레이터(91)를 위치결정하는 도시되지 않은 위치결정부가 설비된다.

슬라이더(78)는 베이스(74)상에 설치된 레일부(84)와, 이 레일부(84)를 이동하는 이동체(85)와, 이 이동체(85)의 구동원으로 되는 수평구동용 모터(86)로 이루어진다.

암(81)은 흡작/유지장치(17)를 통하여 상부 다이(16)를 매어 단다.

암 승강용 모터(82)는 포스트(79)의 상부 후부에 취부되는 것이다.

상기한 포스트(79), 암(81) 및 암 승강용 모터(82)는 연직이동기구(87)를 구성하는 것이다.

또한, 암 승강용 모터(82) 및 수평구동용 모터(86)는 암 이동수단(88)을 구 성하는 것이다.

도 9를 참조하면, 포스트(79)의 후부에는 암 승강용 모터(82)가 취부되고, 레일부(84)의 단부 후부에는 수평구동용 모터(86)가 취부된다. 암 승강용 모터(82)의 출력축은 피드 스크류 및 너트로 구성되는 이송기구 등에 의해 암(81, 81)에 연결된다. 수평 구동용 모터(86)의 출력축은 피드 스크류 및 너트로 구성되는 이송기구 등에 의해 이동체(85)에 연결된다.

다음으로, 도 10을 참조하여 상술한 MEA 반송장치(72)의 작용을 설명한다.

MEA 트리밍 장치(71)에서 MEA(65a; 도 8 참조)의 트리밍을 종료한 후에, 상부 다이용 제1 흡착부(44)에서 MEA(65)의 카본전극(12)을 흡착함과 함께, 상부 다이용 제2 흡착부(45)에서 PEM(13)을 흡착한다. 즉 MEA(65)를 흡착한 상태에서, 암 승강용 모터(82)를 작동시켜, 암(81, 81)과 함께 흡착/유지장치(17) 및 상부 트리밍 다이(16)를 백색 화살표 h와 같이 상승시킨다.

다음으로, 수평 구동용 모터(86)를 작동시켜, 슬라이더(78)를 통해 포스트(79), 암(81, 81), 흡착/유지장치(17) 및 상부 트리밍 다이(16)를 백색 화살표 j, k와 같이 수평 이동시킨다.

그 후, 흡착/유지장치(17) 및 상부 트리밍 다이(16)를 적층부(73)의 위쪽까지 이동시키면서, 암 승강용 모터(82)를 작동시켜, 암(81, 81)과 함께 흡착/유지장치(17) 및 상부 트리밍 다이(16)를 백색 화살표 m과 같이 하강시켜; 적층대(93)에 재치시켜 둔 세퍼레이터(91) 위에 MEA(65)를 놓고; 상부 다이용 제1 흡착부(44) 및 상부 다이용 제2 흡착부(45)에 의한 MEA(65)의 흡착을 해제하여; 세퍼레이터(91) 상에 MEA(65)를 적층한다.

이와 같이 하여, 2매의 세퍼레이터{91, 한쪽 세퍼레이터(91)는 도시되지 않음}와 MEA(65)로부터 셀을 제조하고, 셀을 복수 적층하여 연료전지를 제조한다.

도 8에서 도시된 바와 같이, MEA 반송장치(72)는 흡착/유지장치(17)를 가지므로, MEA{65 또는 MEA(65a)}를 트리밍 시부터 반송 시까지 흡착/유지장치(17)에서 흡착하여 두면, MEA(65)를 트리밍 시의 상태를 유지한 채 횡방향 미끄러짐 없이 트리밍 스테이션인 MEA 트리밍 장치(71)로부터 적층 스테이션인 적층부(73)까지 반송하는 것이 가능하여, 적층부(73)에서 MEA(65)를 세퍼레이터(91)와 적층하는 때에 MEA(65)의 적층위치의 어긋남을 방지하는 것이 가능하다.

따라서, MEA(65)를 적층하는 때에, MEA(65)의 위치를 수정할 필요가 없고, 반송공정으로부터 적층공정으로 원활하게 이동하는 것이 가능하다. 이 결과, 연료전지의 생산성을 향상시키는 것이 가능하다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, MEA 반송장치(72)는 연직이동기구(87)와 수평이동기구로서의 슬라이더(78)를 설비한 것으로, 이동방향이 2방향으로 되기 때문에, MEA(65)에 작용하는 힘의 방향을 항상 일정한 방향으로 하는 것이 가능하고; 반송되는 MEA(65)에 충격이 작용되기 어렵게 할 수 있어, 반송중의 MEA의 횡방향 미끄러짐을 방지하는 것이 가능하다. 따라서, MEA(65)를 적층하는 때에, MEA(65)의 위치를 수정할 필요가 없고, 반송공정으로부터 적층공정으로 원활하게 이행하는 것이 가능하다.

또한, 연료전지 제조장치(70)는 상기한 바와 같이, 트리밍 스테이션으로서의 MEA 트리밍 장치(71), MEA 반송장치(72) 및 적층 스테이션으로서의 적층부(73)를 일체적으로 설비할 수 있으므로, 트리밍 공정, 반송공정 및 적층공정을 일련의 동작으로 원활하게 실시하는 것이 가능하고, 연료전지의 제조를 효율적으로 행하는 것이 가능하다. 따라서, 연료전지의 생산성을 높이고, 연료전지의 제조단가를 저감시키는 것이 가능하여, 예를 들어, 연료전지에서 전동 모터를 구동시켜 주행하는 차량이나 가정용 발전 시스템의 보급에 공헌하는 것이 가능하다.

상부 트리밍 다이에 압압부재를 매어 다는 기구는 양 부재 사이에 설비되는 링크기구와, 압압부재를 하부 트리밍 다이로 탄발하는 탄성부재로 구성되어도 좋다.

본 실시예에 있어서 비금속판은 재질로서 수지 외에 고무, 유리, 도기, 석재 등이어도 좋다.

본 실시예에서는 요홈부의 저면에 다공질판을 설비하지만, 이에 한정되는 것이 아니며, 다공질판 대신에 수지제 판재의 흡착수단 측의 면에 요홈상의 공기 저장소(air reservoir)를 설치하고, 이 공기 저장소로부터 전극측의 면으로 통하는 복수개의 작은 구멍을 설비하고, 이 수지제 판재가 상부 트리밍 다이의 요홈부의 저면에 부착되도록 하여도 좋다.

또한, 본 실시예에서는 제1 지지부재 및 제2 지지부재를 사용하여, PEM 절단시에 발생될 수 있는 MEA 트리밍 장치 각부의 치수오차나 조립오차를 흡수하도록 하는 것이지만, 이에 한정되는 것이 아니며, 상부 트리밍 다이(16)에 볼 조인트 등의 프리 조인트를 통하여 트리밍 날(15)을 취부하거나, 상부 트리밍 다이(16)에 탄 성체, 연질재를 통하여 트리밍 날(15)을 취부하도록 하여 상기 오차를 흡수해도 좋다.

또한, 본 실시예에서는 MEA 반송장치에 의해, MEA가 트리밍 스테이션으로부터 적층 스테이션으로 이동되도록 한 것이지만, 이에 한정되는 것은 아니며, MEA 트리밍 장치의 하부 트리밍 다이와 적층부가 수평이동기구에서 직선상으로 이동 가능하도록 구성하여, MEA의 트리밍 후에 흡착/유지수단에서 MEA를 흡착하면서 연직이동기구로 상승시키고, 하부 트리밍 다이를 MEA의 아래쪽으로부터 다른 쪽으로 이동시키는 동시에 적층부를 MEA의 연직 아래쪽으로 이동시키고, 흡착/유지수단으로 흡착한 MEA를 연직이동기구에서 하강시킴으로써 세퍼레이터와 MEA와를 적층하는 구조로 해도 좋다.

이와 같이 구성하면, MEA를 흡착하는 흡착/유지수단을 연직방향만으로 이동시켜도 되므로, 이동방향을 일방향으로 하는 것이 가능하여, MEA의 위치 어긋남을 더욱 방지하는 것이 가능하다.

본 발명에서, 막/전극 접합체 트리밍 장치는 막/전극 접합체를 재치하는 하부 트리밍 다이와, 트리밍 날을 설비하는 상부 트리밍 다이와, 이 상부 트리밍 다이에 승강 가능하게 매달리며 카본전극을 흡착/유지하는 압압부재로 구성되고, 반송장치에 카본전극을 흡착하는 동시에 횡방향 미끄러짐이 발생되지 않도록 유지하는 흡착/유지수단을 설비한다.

이 같은 구성에 의해, 연료전지용 막/전극 접합체의 트리밍 시의 위치결정, 고정 및 트리밍의 확실성이 높아지고, 트리밍 후의 막/전극 접합체의 반송시의 위치 어긋남이 방지 가능하므로, 연료전지의 성능이 향상된다. 또한, 상기 구성에 의해 트리밍 처리공정과 반송공정과를 원활하게 연속시켜, 반송공정으로부터 적층공정으로의 이행을 원활하게 하는 것이 가능하므로, 연료전지의 생산성이 향상된다. 따라서, 본 발명은 차량용 전동 모터나 가정용발전 시스템에 사용되는 연료전지의 생산에 유용하다.

Claims (11)

1. 고분자 전해질 막의 양면에 이보다 작은 면적의 카본전극을 접합시켜 되는 막/전극 접합체를 트리밍 대상으로 하여, 상기 고분자 전해질 막의 가장자리를 트리밍 날로 절단하는 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 장치에서,

   막/전극 접합체를 재치하는 하부 트리밍 다이와, 트리밍 날을 설비하는 상부 트리밍 다이와, 이 상부 트리밍 다이에 승강 가능하게 매달리는 압압부재로 이루어지며, 한쪽의 카본전극을 흡착/유지하는 흡착수단을 상기 압압부재에 설치하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 압압부재에 상기 고분자 전해질 막의 가장자리를 압압하는 압압부와, 한쪽의 카본전극을 수납하는 요홈부를 설비하고, 이 요홈부의 저면에 카본전극을 흡인하는 전극 흡인공을 설치하고, 상기 압압부에 고분자 전해질 막을 흡인하는 막 흡인공을 설치하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상부 트리밍 다이에 압압부재를 매어 다는 기구는, 양 부재에 걸치는 가이드 로드와, 압압부재를 하부 트리밍 다이 쪽으로 압압하는 탄성부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 장치.
4. 제 2항에 있어서, 상기 요홈부의 저면에 다공질판을 설비하고, 이 다공질판을 이용하여 상기 카본전극을 흡착하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 하부 트리밍 다이에 상기 막/전극 접합체 보다 넓은 면적의 제1 지지부재를 설비하고, 이 제1 지지부재에 상기 고분자 전해질 막의 가장자리를 지지하는 제2 지지부재를 설치하여, 상기 트리밍 날의 절단력이 고분자 전해질 막의 가장자리, 제2 지지부재, 제1 지지부재의 순으로 전달되도록 하는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 제1 지지부재는 탄성체로 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 제2 지지부재는 상기 제1 지지부재 보다 경도가 큰 연질재로 한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 장치.
8. 고분자 전해질 막의 양면에 이보다 작은 면적의 카본전극을 접합시켜 되는 막/전극 잡합체를 트리밍 대상으로 하여, 상기 고분자 전해질 막의 가장자리를 트리밍 날로 절단하는 연료전지용 막/전극 접합체의 트리밍 방법에서,

   하부 트리밍 다이에, 그 저면이 비금속판으로 구성되는 요홈부를 설비하고, 이 요홈부 안에 상기 카본전극을 수납하고, 이 카본전극의 위치결정을 상기 요홈부의 이웃하는 2개의 측벽으로 행한 후에, 하부 트리밍 다이로 상기 고분자 전해질 막의 가장자리를 흡착하고, 상기 트리밍 날로 상기 고분자 전해질 막을 절단하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 고분자 전해질 막의 흡착을 고분자 전해질 막의 절단 후에는 불필요하게 되는 부분에 대해 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체 트리밍 방법.
10. 트리밍 스테이션에서, 고분자 전해질 막의 양면에 이 보다 작은 면적의 카본전극을 접합시켜 되는 막/전극 접합체의 가장자리부 절단을 행하고, 이 가장자리부 절단을 행한 막/전극 접합체를 적층 스테이션에서 적층처리를 할 때에, 트리밍 스테이션으로부터 적층 스테이션으로의 막/전극 접합체를 반송하는 연료전지용 막/전극 접합체 반송장치에서,

    상기 트리밍 스테이션으로부터 적층 스테이션까지 이동하는 슬라이더와, 이 슬라이더로부터 신장하는 암과, 이 암에 매달리며 상기 가장자리를 절단하기 위한 트리밍 날을 취부하는 상부 트리밍 다이와, 상기 암을 이동시키는 암 이동수단과, 한쪽의 카본전극을 흡착함과 함께 횡방향으로 미끄러지지 않도록 유지하기 위해 상기 상부 트리밍 다이에 취부되는 압압부재로 이루어지는 연료전지용 막/전극 접합체 반송장치.
11. 제 10항에 있어서, 상기 암 이동수단은 상기 암을 연직방향으로 이동시키는 연직이동기구와, 상기 암을 수평으로 그리고 직선상으로 이동시키는 수평이동기구를 설비한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체 반송장치.

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