KR101282618B1 - 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 전해질막 연료전지용 막전극접합체를 제조하기 위한 핫 프레스 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 막전극접합체와 기체확산층을 핫 프레싱하여 접합함에 있어서 열로 인한 막전극접합체의 변형을 최소화할 수 있는 핫 프레스 장치를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 상부 프레스와 하부 프레스를 포함하여 구성되는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치에 있어서, 상기 각 프레스에 막전극접합체와 기체확산층의 핫 프레스 접합부위를 제외한 접합대상물의 선택된 영역에 접촉되는 열차단부가 설치되어, 상기 열차단부에 의해 상기 접합대상물의 선택된 영역으로는 프레스의 열이 차단될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치가 개시된다.

Description

막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치{Hot press apparatus for manufacturing membrane-electrode assembly}
본 발명은 연료전지용 막전극접합체 제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 전해질막 연료전지의 막전극접합체와 기체확산층을 핫 프레싱하여 접합할 수 있는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용 및 가정용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품 및 휴대용 전기기기, 차량 구동을 위한 전력의 공급에도 적용될 수 있다.
현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 가장 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동시간과 빠른 전력변환 반응시간을 갖는다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소 이온이 이동하는 고체 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.
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 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)를 가지며, 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥부분에 기체확산층, 가스켓 등이 적층된다.
기체확산층의 바깥쪽에는 반응기체(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치된다.
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.
한편, 연료전지 스택의 생산시 서브가스켓(Sub-gasket) 및 기체확산층이 접합된 7-레이어(7-Layer) 구조의 막전극접합체를 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(3-Layer) 구조의 막전극접합체를 제조하고, 이어 막전극접합체의 반응활성영역(Active Area)(즉 촉매전극층 영역)을 노출시키도록 반응활성영역을 제외한 나머지 전해질막 양면 부분에 서브가스켓을 접합하여 5-레이어(5-Layer) 구조로 만든다.
상기와 같이 5-레이어 구조의 막전극접합체가 제조되고 나면, 서브가스켓의 개구부(Opening)(도 1에서 도면부호 4a임)를 통해 노출된 막전극접합체의 반응활성영역에 접촉될 수 있게 막전극접합체 양면에 기체확산층을 핫 프레싱(Hot Pressing) 공법으로 접합하여 7-레이어(7-Layer) 구조로 만든 다음, 이를 진공흡착 등을 이용하는 자동적층방식이 적용된 스택조립공정에 투입하여 스택을 조립(Stacking)하는 것이다.
도 1은 통상적인 막전극접합체의 제조방법을 나타내는 공정도로서, 이를 참조하여 좀더 상세히 설명하면, 도시된 바와 같이 5-레이어 막전극접합체(5-Layer MEA)를 제조하는 방식으로는 직접 코팅(Direct Coating) 방식과 데칼(Decal) 방식을 들 수 있다.
직접 코팅 방식의 경우, 촉매 슬러리(전극 슬러리)를 제조하고, 제조된 촉매 슬러리(2a)를 전해질막(1)의 양면에 직접 코팅 후 건조하여 촉매전극층(2)을 형성한 다음, 3-레이어 막전극접합체(3)의 양면에 서브가스켓(4)을 핫 프레싱 또는 롤 라미네이팅(Roll Laminating) 공법으로 접합하여 5-레이어 막전극접합체(5)를 제조하는 것이다.
반면, 데칼 방식의 경우, 이형 필름(9)의 표면에 촉매 슬러리(2a)를 코팅 후 건조하여 촉매전극층(2)을 형성하고, 전해질막(1)의 양면으로 각각 촉매전극층(2)이 형성된 이형 필름(9)을 적층한 다음, 핫 프레싱 공법을 이용하여 촉매전극층(2)을 전해질막(1) 양면에 전사시켜 접합하고, 이어 이형 필름(9)을 제거하여 3-레이어 막전극접합체(3)를 완성한 다음, 3-레이어 막전극접합체(3)의 양면에 서브가스켓(4)을 핫 프레싱 또는 롤 라미네이팅 공법으로 접합하여 5-레이어 막전극접합체(5)를 제조하게 된다.
이후 상기와 같이 제조된 5-레이어 막전극접합체(5)의 양면에 기체확산층(6)을 핫 프레싱하여 접합함으로써 7-레이어 막전극접합체(7)를 완성하게 된다.
한편, 스택의 대량 생산을 위해서는 최대한 각 단계에서 자동화 공정을 적용하는 것이 필수적이며, 이에 5-레이어 막전극접합체의 양면에 기체확산층을 접합하고 스택 체결에 적합한 형태로 절단하여 7-레이어 막전극접합체를 자동으로 제작하는 장치가 제시된바 있다[공개특허 제2009-0111898호].
이러한 자동화 장치는 5-레이어 막전극접합체의 공급을 위한 MEA 공급부와, 기체확산층 공급을 위한 GDL 공급부와, 적층된 막전극접합체와 기체확산층을 고온 및 고압으로 압착하여 일체화하는 핫 프레스와, 5-레이어 막전극접합체와 기체확산층, 핫 프레스 접합된 7-레이어 막전극접합체를 이송하는 로봇과, 접합된 7-레이어 막전극접합체를 일정한 크기로 컷팅하는 타발 프레스를 포함한다.
이를 이용하게 되면 5-레이어 막전극접합체 및 기체확산층의 투입에서부터 핫 프레스 접합 및 타발 공정까지의 전 공정을 자동화 공정으로 진행할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 자동화 장치를 적용함에 있어서 다음과 같은 문제점이 있다.
막전극접합체는 그 특성상 본질적으로 수분을 함유하면 팽창하고 수분을 잃으면 원래의 상태로 돌아오는 성질을 갖고 있다.
따라서, 기체확산층의 접합을 위해 막전극접합체(5-레이어)가 고온의 핫 프레스에 올려지면 핫 프레스의 열에 의해 평상시 함유되어 있던 수분이 증발하게 되어 막전극접합체가 수축된다.
이와 같이 막전극접합체의 전체 형상이 일그러진 상태, 즉 막전극접합체의 변형이 발생한 상태로 기체확산층을 접합하기 위한 핫 프레싱 공정을 진행하게 되면, 최종 완성된 7-레이어 막전극접합체의 가장자리가 평평하지 않게 되고, 이로 인해 스택 체결시 기체의 기밀이 유지되지 않는 문제가 발생하게 된다.
도 2는 종래기술에 따라 접합된 7-레이어 막전극접합체(7)의 상태를 나타낸 것으로, 기체확산층(6)의 핫 프레싱을 위해, 서브가스켓(4)이 접합된 5-레이어 막전극접합체(5)가 핫 프레스 위에 올려지면, 이때부터 서브가스켓(4)을 포함한 5-레이어 막전극접합체(5)에는 열로 인한 변형이 발생하게 된다.
이 상태에서 기체확산층(6)을 접합하고 나면, 기체확산층이 적층된 막전극접합체(5) 중앙부 영역뿐만 아니라, 도 2에 나타낸 바와 같이 기체확산층(6) 주변으로도 쭈글쭈글해진 부분이 존재하게 되고, 이 부분으로 인해 스택 체결시 기밀 유지가 되지 않게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 고분자 전해질막 연료전지의 막전극접합체와 기체확산층을 핫 프레싱하여 접합함에 있어서 열로 인한 막전극접합체의 변형을 효과적으로 방지할 수 있는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 상부 프레스와 하부 프레스를 포함하여 구성되는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치에 있어서, 상기 각 프레스에 막전극접합체와 기체확산층의 핫 프레스 접합부위를 제외한 접합대상물의 선택된 영역에 접촉되는 열차단부가 설치되어, 상기 열차단부에 의해 상기 접합대상물의 선택된 영역으로는 프레스의 열이 차단될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치를 제공한다.
바람직한 실시예에서 상기 열차단부는 프레스에 단열재로 이루어진 단열부를 설치하여 구성될 수 있다.
또한 다른 실시예에서 상기 열차단부는 프레스에 내부가 진공상태로 유지되는 진공부를 설치하여 구성될 수 있다.
또한 다른 실시예에서 상기 상부 프레스의 열차단부는 단열재로 이루어진 단열부를 설치하여 구성되고, 상기 하부 프레스의 열차단부는 내부가 진공상태로 유지되는 진공부를 설치하여 구성될 수 있다.
또한 상기 단열부에는 접합대상물과의 접촉부분으로서 강도와 평탄면을 제공하기 위한 금속판이 더 설치됨이 바람직하다.
또한 상기 진공부의 진공상태 유지를 위해 진공부에 흡입관이 연결 설치되고 흡입관에는 진공펌프가 설치될 수 있다.
또한 상기 열차단부는 핫 프레스 접합부인 기체확산층의 가장자리부를 제외한 가장자리부 안쪽의 영역에 접촉될 수 있도록 프레스에 설치되어, 열차단부 외측의 가열부에 의해 기체확산층의 가장자리부와 막전극접합체의 서브가스켓이 핫 프레스 접합되도록 한 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치에서는 접합대상물의 접합부위를 제외한 선택된 영역에 열이 가해지는 것을 차단할 수 있는 열차단부가 설치됨으로써, 핫 프레싱 공정에서 발생할 수 있는 막전극접합체의 변형을 최소화할 수 있게 된다.
특히, 기체확산층/막전극접합체/기체화산층의 접합시에 막전극접합체의 일그러짐을 효과적으로 방지할 수 있게 되어 품질이 우수한 7-레이어 막전극접합체의 제작이 가능해진다.
또한 연료전지 스택의 체결시 가스 누설이 감소하게 되므로 스택 제작시 불량률을 현저히 감소시킬 수 있으며, 기밀 성능이 우수한 스택의 생산이 가능해진다.
도 1은 통상적인 막전극접합체의 제조방법을 나타내는 공정도이다.
도 2는 종래 7-레이어 막전극접합체의 변형된 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치를 도시한 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 핫 프레스 장치에 의해 접합이 이루어지는 상태를 도시한 도면이다.
도 5와 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핫 프레스 장치를 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치에 관한 것으로서, 고분자 전해질막 연료전지의 막전극접합체와 기체확산층을 핫 프레싱하여 접합함에 있어서 열로 인한 막전극접합체의 변형을 효과적으로 방지할 수 있는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치에 관한 것이다.
특히, 본 발명의 핫 프레스 장치는 상부 프레스와 하부 프레스에 각각 열차단부를 두어 핫 프레스 접합 전에 막전극접합체의 변형을 최대한 방지할 수 있도록 한 것에 주된 특징이 있는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치를 도시한 구성도이다.
도시된 핫 프레스 장치(100)는 7-레이어 막전극접합체를 제조하기 위한 것으로서, 서브가스켓(4)이 접합된 5-레이어 막전극접합체(5)와, 5-레이어 막전극접합체(5)의 윗면과 아랫면으로 적층된 기체확산층(6)을 핫 프레스 접합하는 용도로 유용하게 사용될 수 있는 것이다.
참고로, 고분자 전해질막의 양면에 촉매전극층이 고정된 3-레이어 구조의 막전극접합체를 제조하게 되면, 막전극접합체의 반응활성영역(즉 촉매전극층 영역)을 노출시키도록 반응활성영역을 제외한 나머지 전해질막 양면 부분에 서브가스켓을 접합하여 5-레이어 구조를 만들게 된다.
이 상태에서 서브가스켓(4)의 개구부(4a)를 통해 노출된 막전극접합체(5)의 반응활성영역(도 3에서 전극촉매층의 도면부호인 2로 나타냄)에 접촉될 수 있게 막전극접합체 양면에 기체확산층(6)을 핫 프레스 접합하여 7-레이어(7-Layer) 구조로 만들게 된다.
이때, 5-레이어 막전극접합체와 기체확산층이 핫 프레스 접합되는 부분은 기체확산층의 가장자리부와 5-레이어 막전극접합체의 서브가스켓 부분이다.
따라서, 기체확산층의 가장자리부와 5-레이어 막전극접합체의 서브가스켓 부분에는 핫 프레싱시 실제 접합되는 부분이므로 반드시 열과 압력이 가해져야 한다.
다만, 5-레이어 막전극접합체(5)에서 서브가스켓(4)의 개구부(4a)에 의해 노출된 반응활성영역(2)은 직접적으로 열이 가해질 필요가 없는 부분이다.
이에 본 발명의 핫 프레싱 장치는, 실제 핫 프레스 접합부인 기체확산층 가장자리부 및 서브가스켓 대응 부위를 포함하는 외곽 부분에는 핫 프레스 접합을 위한 적절한 열과 압력을 가할 수 있도록 구성되되, 막전극접합체의 반응활성화 영역에는 후술하는 열차단부에 의해 열이 가해지지 않도록 구성되며, 이로써 열로 인한 막전극접합체의 변형을 최소화할 수 있게 된다.
즉, 열로 인한 막전극접합체(5)의 변형을 최소화하기 위해 서브가스켓(4)의 개구부(4a)에 의해 노출된 막전극접합체의 중앙부가 열에 직접적으로 접촉되지 않도록 핫 프레스의 구조를 변경하는 것이다.
본 발명의 구성을 살펴보면, 도 3에 나타낸 바와 같이 핫 프레스 장치는 접합대상물에 열과 압력을 가해주는 상부 프레스(110)와 하부 프레스(120)를 포함하여 구성된다.
또한 각 프레스(110,120)에는 막전극접합체(5)와 기체확산층(6)의 핫 프레스 접합시 접합대상물의 미리 선택된 영역에 접촉되는 열차단부(112,122)가 설치된다.
상기 열차단부는 접합대상물의 선택된 영역으로는 열이 전달되지 않도록 차단하는 역할을 하게 되는데, 도 3의 실시예에서는, 접합대상물인 기체확산층(6)의 전체적인 형상을 고려하여, 프레스 가압면(상부 프레스의 하면/하부 프레스의 상면)에서 볼 때 전체 형상이 대략 직사각형 모양을 갖는 열차단부(112,122)가 설치되고 있다.
또한 상기 열차단부(112,122)는 핫 프레스 접합시 서브가스켓(4)의 개구부 위치에 해당하는 막전극접합체 영역, 즉 개구부(4a)에 의해 노출된 막전극접합체(5)의 반응활성영역(촉매전극층이 고정됨)(2)과 대응되는 프레스 중앙부에 구비된다.
각 프레스(110,120)에서 열차단부(112,122)를 제외한 나머지 외곽 부분은 서브가스켓(4)과 기체확산층(6)의 접합을 위해 압력과 더불어 열이 가해질 수 있는 가열부가 된다.
상부 프레스(110)의 하면과 하부 프레스(120)의 상면에서 열차단부(112,122)가 차지하는 면적은 기체확산층(6)의 전체 면적보다 작아야 하고, 그래야만 서브가스켓(4)과 접합되는 기체확산층(6)의 가장자리부가 열차단부 주변의 가열부에 의해 핫 프레싱될 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서 각 프레스(110,120)의 열차단부(112,122)는 단열부 또는 진공부(진공상태로 유지되는 공간부)를 설치하여 달성될 수 있다.
도 3의 실시예에서, 상부 프레스(110)의 열차단부(112)는 기체확산층(6)의 가장자리부(서브가스켓의 개구부 주변부분과 접합됨)를 가압하게 되는 가열부 안쪽의 프레스 중앙부에 단열재로 이루어진 단열부(이하 도면부호 112)를 설치하여 구성되고 있다.
여기서, 단열부(112)를 플레이트 형상으로 제작한 뒤 상부 프레스(110)의 중앙 홈(111)에 삽입 설치하여 구성하는 것이 가능한데, 단열부에 사용되는 단열재로는 고온 단열성을 가지는 것으로서 당해 기술분야에 통상적으로 알려져 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다.
예컨대, 고온 단열성이 검증되어 널리 사용되고 있는 내열재/내화재의 사용이 가능하며, 바람직하게는 소방용으로 사용되고 있는 섬유 소재의 내열재나 내화재가 사용될 수 있다.
다만, 섬유 소재의 내열재/내화재는 어느 정도 경질의 재료이긴 하지만 통상 표면이 고르지 않은 재료이므로, 이것만으로 단열부를 형성하는 경우 기체확산층과 막전극접합체의 접합시 각 층이 틀어지거나 제대로 접합되지 않는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 단열부(112)에는 접합대상물과 접촉되는 부분으로서 강도와 함께 평탄면을 제공하기 위한 금속판(113)을 추가로 설치할 수 있으며, 이와 같이 단열부 표면에 금속판을 추가로 설치하게 되면 상기한 문제점을 해결할 수 있다.
다음으로, 하부 프레스(120)의 열차단부(122)는 상부 프레스(110)의 열차단부(단열부)(112)와 대응되는 부위에 구비되는데, 이 역시 기체확산층(6)의 가장자리부(서브가스켓의 개구부 주변부분과 접합됨)를 가압하게 되는 가열부 안쪽의 프레스 중앙부에 구비된다.
하부 프레스(120)의 열차단부(122)는 진공부를 형성하여 구성될 수 있는데, 하부 프레스(120)의 중앙부에 내부가 빈 밀폐된 공간부를 형성한 뒤 이 공간부를 핫 프레싱 공정 동안 진공상태로 유지함으로써 진공부가 형성될 수 있다.
물론, 하부 프레스(120)의 상면에서 진공부(열차단부)(122) 외곽의 가열부 위에 기체확산층(6)의 가장자리부가 올려질 수 있도록 하부 프레스 상면에서의 진공부 면적은 기체확산층의 면적보다 작아야 하며, 그래야만 진공부 외곽의 가열부에 의해 기체확산층(6)의 가장자리부가 서브가스켓(4)과 핫 프레싱될 수 있게 된다.
상기 진공부(122)는 진공상태의 유지가 가능한 밀폐된 공간부를 프레스(120) 내부에 직접 형성하거나, 바람직하게는 열이 전달되는 것을 최소화하기 위해 프레스(120)의 홈에 별도의 밀폐된 케이스를 삽입하는 형태로 형성하는 것이 가능하다.
이때, 케이스는 진공압에 변형되지 않는 충분한 강도를 가지면서 열차단 효과의 극대화를 위해 열전도도가 낮은 소재로 제작됨이 바람직하다.
진공상태의 유지를 위해서는 진공부(122)에 흡입관(123)을 연결하고, 이 흡입관(123)에 진공부 내의 진공상태 유지를 위한 진공펌프(124)를 설치하여, 진공펌프(124)가 구동될 경우 흡입력에 의해 진공부(122)가 진공상태로 유지되도록 한다.
상기 진공부를 진공상태로 유지하기 위한 수단으로는 도면상 예시하지는 않았으나 진공펌프 외에도 압축공기 및 벤츄리 효과를 이용한 진공형성수단을 적용하는 것도 가능하며, 이 경우 진공부에 흡입관을 연결하되, 반대쪽의 흡입관 출구를 벤츄리관 내 단면적이 축소-확장되는 구간으로 연결하고, 벤츄리관에 압축공기공급장치를 연결한다.
이러한 구성에서 압축공기공급장치를 구동하여 벤추리관에 압축공기를 공급하게 되면, 압축공기가 벤츄리관을 통과하면서 흡입관을 통해 공기가 흡입될 수 있고, 흡입된 공기가 압축공기와 함께 벤추리관의 출구로 이동되면서 진공부 내에 진공이 형성되게 된다.
이렇게 압축공기를 벤츄리관에 공급하는 것으로 진공부를 진공상태로 유지할 수 있게 된다.
이에 따라, 핫 프레싱 공정 중에 상부 프레스(110)와 하부 프레스(120)의 열차단부(112,122)는 외곽의 가열부로부터 전해지는 열을 차단할 수 있으므로 막전극접합체(5)의 변형을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
도 4는 도 3에 도시된 핫 프레스 장치에 의해 접합이 이루어지는 상태를 도시한 도면으로서, 도시된 바와 같이 공정을 위해 하부 프레스(120)의 상면에 기체확산층(6)이 올려지고, 하측의 기체확산층(6) 위로 5-레이어 막전극접합체(5)가 올려지며, 막전극접합체(5)의 상측으로 또 다른 기체확산층(6)이 올려지게 된다.
이렇게 기체확산층(6)과 막전극접합체(5)가 적층된 상태에서는 서브가스켓(4)의 개구부에 의해 노출된 막전극접합체의 반응활성영역(즉 촉매전극층이 고정된 노출 영역)(2)과 기체확산층(6)의 그 대응 부위가 하부 프레스(120)의 열차단부(진공부)(122) 위에 위치되게 된다.
또한 서브가스켓(4)에 핫 프레스 접합되는 기체확산층(6)의 가장자리부를 포함하여 막전극접합체(5)의 나머지 외곽 영역은 열차단부(122)의 바깥쪽인 가열부 위에 위치되게 된다.
이어 상부 프레스(110)가 하강하여 열과 압력이 가해지는 핫 프레스 접합이 진행되며, 이때 기체확산층(6)의 가장자리부와 서브가스켓(4)이 열과 압력에 의해 압착되면서 접합되게 된다.
이와 같이 하여, 도 3 및 도 4의 핫 프레스 장치에서는 열차단부에 의해 막전극접합체의 변형을 크게 유발할 수 있는 부위로 열이 가해지는 것을 차단할 수 있게 되고, 이에 핫 프레싱 공정에서 발생할 수 있는 막전극접합체의 변형이 최소화될 수 있게 된다.
상술한 실시예에서는 하부 프레스(120)의 열차단부(122)가 진공부(진공상태로 유지되는 공간부)로 구현됨을 설명하였으나, 이러한 진공부는 단열부 대신 상부 프레스(110)의 열차단부에도 동일하게 적용될 수 있다.
한편, 도 5와 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핫 프레스 장치를 도시한 것으로, 상부 프레스(110)와 마찬가지로 하부 프레스(120)에도 열차단부로서 단열부(126)를 채용한 실시예를 도시하고 있다.
하부 프레스(120)의 상면에서 단열부(126)의 위치는 도 3 및 도 4의 실시예에서 진공부의 위치와 동일하며, 열차단부로서 채용되는 단열부의 구성은 상부 프레스(110)의 단열부(112)와 동일하다.
하부 프레스(120)에서도 기체확산층(6)의 전체 면적보다 작은 면적의 단열부(126)를 설치하며, 단열부(126)에 금속판(127)을 추가로 설치하는 것도 실시 가능하다.
도 6을 참조하면, 상부 프레스(110)와 하부 프레스(120)의 단열부(122,126)에 의해 막전극접합체(5)의 변형을 크게 유발할 수 있는 부위로 열이 가해지는 것이 차단될 수 있으며, 이를 통해 막전극접합체(5)의 변형이 최소화될 수 있게 된다.
또한 핫 프레스 접합시 기체확산층(6)의 가장자리부는 단열부(122,126) 외곽의 가열부에 위치되며, 상부 프레스(110)가 하강하게 되면 가열부에서 가해지는 열과 압력에 의해 서브가스켓(4)에 접합될 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 전해질막 2 : 촉매전극층
3 : 3-레이어 막전극접합체 4 : 서브가스켓
4a : 개구부 5 : 5-레이어 막전극접합체
6 : 기체확산층 7 : 7-레이어 막전극접합체
100 : 핫 프레스 장치 110 : 상부 프레스
111 : 홈 112 : 단열부(열차단부)
113 : 금속판 120 : 하부 프레스
122 : 진공부(열차단부) 123 : 흡입관
124 : 진공펌프 125 : 홈
126 : 단열부(열차단부) 127 : 금속판

Claims (7)

  1. 상부 프레스(110)와 하부 프레스(120)를 포함하여 구성되는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치(100)에 있어서,
    상기 각 프레스(110,120)에 막전극접합체(5)와 기체확산층(6)의 핫 프레스 접합부위를 제외한 접합대상물의 선택된 영역에 접촉되는 열차단부가 설치되어, 상기 열차단부에 의해 상기 접합대상물의 선택된 영역으로는 프레스의 열이 차단될 수 있도록 되어 있고,
    상기 열차단부는 프레스에 내부가 진공상태로 유지되는 진공부(122)를 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열차단부는 프레스에 단열재로 이루어진 단열부(112,126)를 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 프레스(110)의 열차단부는 단열재로 이루어진 단열부(112)를 설치하여 구성되고, 상기 하부 프레스(120)의 열차단부는 내부가 진공상태로 유지되는 진공부(122)를 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치.
  5. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 단열부(112,126)에는 접합대상물과의 접촉부분으로서 강도와 평탄면을 제공하기 위한 금속판(113,127)이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치.
  6. 청구항 2 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 진공부(122)의 진공상태 유지를 위해 진공부(122)에 흡입관(123)이 연결 설치되고 흡입관(123)에는 진공펌프(124)가 설치되는 것을 특징으로 하는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치.
  7. 청구항 1, 청구항 2, 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열차단부는 핫 프레스 접합부인 기체확산층(6)의 가장자리부를 제외한 가장자리부 안쪽의 영역에 접촉될 수 있도록 프레스(110,120)에 설치되어, 열차단부 외측의 가열부에 의해 기체확산층(6)의 가장자리부와 막전극접합체(5)의 서브가스켓(4)이 핫 프레스 접합되도록 한 것을 특징으로 하는 막전극접합체 제조용 핫 프레스 장치.


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