KR101350186B1 - 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법 - Google Patents

초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파 진동 혼에 의하여 막-전극 접합체의 전극이 손상되는 것을 보호층을 이용하여 방지할 수 있도록 한 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 고분자 전해질막의 양표면에 촉매를 포함하는 전극층(연료극 및 공기극)이 형성된 3-레이어 막-전극 접합체에 서브가스켓을 초음파 진동을 이용하여 접합할 때, 보호층을 덧대어서 진행함으로써, 전극층의 손상을 방지할 수 있도록 한 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법{The sub-gasket adhesion method for fuel cell membrane electrode assembly production using ultrasonic vibration}
본 발명은 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파 진동 혼에 의하여 막-전극 접합체의 전극이 손상되는 것을 보호층을 이용하여 방지할 수 있도록 한 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 연료전지 스택의 주요 구성 부품인 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)는 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 고분자 전해질막(12)을 중심으로 그 양면에 촉매를 포함하고 있는 전극으로서 연료극 및 공기극(14)이 각각 결합된 상태를 3-레이어(layer) 막-전극 접합체(10)라 하고, 막-전극 접합체(10)의 취급을 용이하게 하면서도 물리적 내구성을 확보하기 위하여 막-전극 접합체(10))의 양면 테두리 영역에 각 전극(14)의 면적보다 다소 작은 면적의 개구부를 갖는 서브가스켓(16)을 포함하는 경우에는 5-레이어(layer) 막-전극 접합체라 하며, 또한 촉매를 포함하고 있는 각 전극(14)의 바깥쪽 부분에 가스확산층(18, GDL: Gas Diffusion Layer)이 더 적층되면 7-레이어(layer) 막-전극 접합체라 한다.
이렇게 구성된 7-레이어 막-전극 접합체의 가스확산층 바깥 부분에 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 적층되면 하나의 단위전지가 되고, 이러한 단위전지를 여러개 적층하면 원하는 규모의 연료전지 스택이 된다.
여기서, 막-전극 접합체를 제조하는 공정 중, 기존의 서브가스켓을 접합하는 방법은 핫 프레스 또는 롤을 이용하여 접합하게 된다.
즉, 3-레이어 MEA의 양면에 서브가스켓(16)이 적층되도록 하여 핫 프레스 또는 롤 장비내로 진입시키면, 한 쌍의 롤 프레스에 의하여 서브가스켓(16)이 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 양면에 압착되며 접합된다.
그러나, 기존에 핫 프레스 등을 이용한 서브가스켓 접합 과정은 제조 시간이 오래 걸리는 단점이 있으며, 이를 감안하여 본원 출원인은 초음파 진동을 이용하여 서브가스켓을 접합시키는 시간을 크게 단축시킬 수 있는 연료전지 막-전극 접합체 생산용 연속식 서브가스켓 접합 장치를 이미 출원[10-2011-0079414(2011,08,10)]한 바 있지만, 이 또한 초음파 진동 혼(horn)이 지지체에 일정한 압력을 유지하면서 접합이 진행되므로 혼(horn)과 지지부가 만나는 부분을 막-전극 접합체가 통과할 때 초음파 진동 혼에 의해 막-전극 접합체의 전극이 손상될 수 있는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 고분자 전해질막의 양표면에 촉매를 포함하는 전극층(연료극 및 공기극)이 형성된 3-레이어 막-전극 접합체에 서브가스켓을 초음파 진동을 이용하여 접합할 때, 보호층을 덧대어서 진행함으로써, 전극층의 손상을 방지할 수 있도록 한 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고분자 전해질막의 양표면에 전극층이 형성된 3-레이어 막-전극 접합체를 초음파 진동 공급장치로 공급하는 동시에 3-레이어 막-전극 접합체의 양면에 접합되는 서브가스켓을 초음파 진동 공급장치로 공급할 때, 서브가스켓의 외표면을 커버하는 보호층을 더 공급하는 단계와; 서브가스켓이 보호층으로 덮힌 상태에서 고분자 전해질막의 양표면 테두리 영역에 서브가스켓이 초음파 진동에 의하여 접합되는 단계; 로 진행하여, 초음파 진동 공급장치와 전극층 간의 직접적인 접촉이 회피되도록 한 것을 특징으로 하는 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 상기 보호층의 평면 모양은 서브가스켓의 모양과 동일하게 구성되고, 보호층의 두께는 3-레이어 막-전극 접합체와 서브가스켓을 포함하는 접합기재의 두께에 비하여 2~4배로 채택된 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 보호층으로 사용되는 기재는 PTFE, ETFE를 포함하는 불소계 고분자 필름, 캡톤(Kapton)을 포함하는 폴리이미드(polyimide)계열의 열경화성 수지 필름, 일반 종이 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 고분자 전해질막의 양표면에 전극층이 형성된 3-레이어 막-전극 접합체에 서브가스켓을 초음파 진동을 이용하여 접합할 때, 서브가스켓 위에 보호층을 덧대어서 진행함으로써, 초음파 진동이 보호층을 경유하여 서브가스켓에 전달되어 서브가스켓의 초음파 진동 접합이 용이하게 이루어질 수 있고, 특히 초음파 진동 공급장치와 막-전극 접합체의 전극층이 이격되어 직접적인 접촉이 회피됨에 따라 초음파 진동에 의한 전극층의 손상을 용이하게 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법을 설명하는 개략도,
도 2는 종래의 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법을 설명하는 개략도,
도 3은 종래의 연료전지 막-전극 접합체 제조 과정을 설명하는 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 초음파 진동을 이용하여 서브가스켓을 3-레이어 막-전극 접합체 양 표면에 접합하는 종래 방법을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 서브가스켓 접합 장치의 구성중, 3-레이어 막-전극 접합체에 서브가스켓을 접합시키기 위한 공급부로서, 일측쪽에 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)이 배치되는 동시에 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)의 상부 및 하부에 한 쌍의 서브가스켓 공급롤(22)이 배치되고, 또한 서브가스켓을 초음파 진동을 이용하여 접합시킬 수 있는 초음파 진동 공급장치(30)가 반대쪽에 배치된다.
상기 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)은 고분자 전해질막(12)의 양표면에 촉매를 포함하는 연료극 및 공기극(14)이 형성된 3-레이어 막-전극 접합체(10)가 감겨진 것이고, 상기 서브가스켓 공급롤(22)은 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 사방 테두리 상하면 및 전극(14)의 테두리 부분에 접합되는 서브가스켓(16)이 감져진 것으로 채택된다.
따라서, 상기 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)로부터의 3-레이어 막-전극 접합체(10)와, 상기 서브가스켓 공급롤(22)로부터의 서브가스켓(16)이 일종의 가접합 롤러인 정렬 장치(24)로 들어가게 된다.
보다 상세하게는, 상기 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)로부터의 3-레이어 막-전극 접합체(10)가 정렬 장치(24) 사이를 통과하는 동시에 상기 서브가스켓 공급롤(22)로부터의 서브가스켓(16)은 그 내표면(고분자 전해질막과 접합되는 면)에 접착제가 코팅된 상태로 정렬 장치(24) 사이를 통과하게 됨으로써, 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 테두리 상하면에 서브가스켓(16)이 정렬되는 상태가 된다.
이렇게 3-레이어 막-전극 접합체(10)를 사이에 두고 서브가스켓(16)이 정렬 장치(24) 사이를 통과한 다음, 초음파 진동 공급장치(30)를 통과하게 된다.
이어서, 상기 초음파 진동 공급장치(30)는 서브가스켓(16)에 초음파 진동을 공급하여, 서브가스켓에 코팅되어 있는 접착제를 가열 및 경화시킴으로써, 서브가스켓(16)이 초음파 진동에 의하여 고분자 전해질막(12) 및 전극(14)의 테두리 부분에 완전하게 접합되어진다.
이때, 초음파 진동 공급장치(30)의 아래쪽에는 서브가스켓(16)과 3-레이어 막-전극 접합체(10)를 받쳐주며 지지하는 지지롤(26)이 배치되는데, 이 지지롤(26)은 초음파 진동 시 3-레이어 막-전극 접합체(10)에 적절한 지지압력을 제공하여 서브가스켓(16)의 접합을 보조하는 역할을 한다.
그러나, 위와 같은 종래의 초음파를 이용한 서브가스켓 접합 방법은 초음파 진동 공급장치(30)의 초음파 진동 혼(horn)이 막 전극 접합체(10)를 사이에 두고 지지롤에 일정한 압력을 가하면서 접합이 진행되므로, 초음파 진동 혼(horn)과 지지롤이 만나는 부분을 막-전극 접합체가 통과할 때 초음파 진동 혼에 의해 막-전극 접합체의 전극이 손상되는 단점이 있었다.
이에, 본 발명은 3-레이어 막-전극 접합체에 서브가스켓을 초음파 진동을 이용하여 접합할 때, 서브가스켓 위에 보호층을 덧대어서 진행함으로써, 초음파 진동이 보호층을 경유하여 서브가스켓에 전달되어 서브가스켓의 초음파 진동 접합이 이루어짐과 동시에 초음파 진동 공급장치와 막-전극 접합체의 전극층이 이격되어 직접적인 접촉이 회피됨에 따라 초음파 진동에 의한 전극층의 손상을 용이하게 방지할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 기존의 초음파 진동을 이용한 서브가스켓 접합 장치의 구성중, 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)과 한 쌍의 서브가스켓 공급롤(22) 외에 보호층 공급롤(42)이 일측쪽에 배치되고, 또한 서브가스켓을 초음파 진동을 이용하여 접합시킬 수 있는 초음파 진동 공급장치(30)가 반대쪽에 배치된다.
상기와 같이 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)은 고분자 전해질막(12)의 양표면에 촉매를 포함하는 연료극 및 공기극(14)이 형성된 3-레이어 막-전극 접합체(10)가 감겨진 것이고, 상기 서브가스켓 공급롤(22)은 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 사방 테두리 상하면 및 전극(14)의 테두리 부분에 접합되는 서브가스켓(16)이 감져진 것으로 채택된다.
특히, 상기 보호층 공급롤(42)은 보호층(40)이 감겨진 것으로서, 서브가스켓 공급롤(22)의 외곽쪽에 배치된다.
이때, 상기 보호층(40)은 PTFE, ETFE를 포함하는 불소계 고분자 필름, 캡톤(Kapton)을 포함하는 폴리이미드(polyimide)계열의 열경화성 수지 필름, 일반 종이 중 선택된 어느 하나의 기재를 이용하여 만들어진다.
바람직하게는, 상기 보호층(40)은 위와 같은 기재를 이용하여 재단된 것으로서, 평면 모양은 서브가스켓(16)의 모양과 동일하게 구성되고, 보호층(40)의 두께는 3-레이어 막-전극 접합체(10)와 서브가스켓(16)을 포함하는 접합기재의 두께에 비하여 2~4배로 채택된다.
상기 보호층(40)의 두께를 접합기재에 비하여 2~4배로 채택한 이유는 초음파 진동이 보호층(40)을 통과하여 서브가스켓을 접합시킬 수 있고, 동시에 초음파 진동 공급장치(30)의 진동 혼과 전극(14) 간의 간격을 직접적인 접촉을 피할 수 있는 간격으로 유지시키기 위함에 있다.
따라서, 상기 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)로부터의 3-레이어 막-전극 접합체(10)와, 상기 서브가스켓 공급롤(22)로부터의 서브가스켓(16)이 일종의 가접합 롤러인 정렬 장치(24)로 들어가고, 동시에 보호층 공급롤(42)로부터 보호층(40)이 정렬 장치(24)로 함께 들어가게 된다.
보다 상세하게는, 상기 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)로부터의 3-레이어 막-전극 접합체(10)가 정렬 장치(24) 사이를 통과하는 동시에 상기 서브가스켓 공급롤(22)로부터의 서브가스켓(16)은 그 내표면(고분자 전해질막과 접합되는 면)에 접착제가 코팅된 상태로 정렬 장치(24) 사이를 통과하고, 이와 동시에 보호층 공급롤(42)로부터 보호층(40)이 서브가스켓(16)의 외표면에 적층되면서 정렬 장치(24)로 함께 들어가게 된다.
이렇게 3-레이어 막-전극 접합체(10)를 사이에 두고 서브가스켓(16)이 정렬 되는 동시에 서브가스켓(16)의 외표면에 보호층(40)이 정렬되면서 초음파 진동 공급장치(30)로 진입하게 된다.
이어서, 상기 초음파 진동 공급장치(30)는 서브가스켓(16)에 초음파 진동을 공급하되, 초음파 진동이 보호층(40)을 지나서 서브가스켓(16)에 공급됨에 따라, 서브가스켓(16)에 코팅되어 있는 접착제가 가열 및 경화됨으로써, 서브가스켓(16)이 초음파 진동에 의하여 고분자 전해질막(12) 및 전극(14)의 테두리 부분에 완전하게 접합되어진다.
이때, 초음파 진동 공급장치(30)와 막-전극 접합체의 전극(14)이 보호층(40)의 두께만큼 이격되어 직접적인 접촉이 회피되는 상태이므로, 초음파 진동혼의 접촉 진동에 의한 전극 손상을 용이하게 방지할 수 있다.
한편, 이때, 초음파 진동 공급장치(30)의 아래쪽에는 서브가스켓(16)과 3-레이어 막-전극 접합체(10)를 받쳐주며 지지하는 지지롤(26)이 배치되는데, 이 지지롤(26)은 초음파 진동 시 3-레이어 막-전극 접합체(10)에 적절한 지지압력을 제공하여 서브가스켓(16)의 접합을 보조하는 역할을 한다.
최종적으로, 상기 초음파 진동 공급장치(30)를 통과한 후의 보호층(40)을 떼어내어 제거해줌으로써, 고분자 전해질막의 양면 테두리에 서브가스켓이 접합되고, 그 안쪽 표면에 전극이 형성된 5-레이어(layer) 막-전극 접합체가 완성된다.
10 : 막-전극 접합체 12 : 고분자 전해질막
14 : 전극 16 : 서브가스켓
18 : 가스확산층 20 : 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤
22 : 서브가스켓 공급롤 24 : 정렬 장치
26 : 지지롤 30 : 초음파 진동 공급장치
40 : 보호층 42 : 보호층 공급롤

Claims (3)

  1. 고분자 전해질막의 양표면에 전극층이 형성된 3-레이어 막-전극 접합체를 초음파 진동 공급장치로 공급하는 동시에 3-레이어 막-전극 접합체의 양면에 접합되는 서브가스켓을 초음파 진동 공급장치로 공급할 때, 서브가스켓의 외표면을 커버하는 보호층을 더 공급하는 단계;
    서브가스켓이 보호층으로 덮힌 상태에서 고분자 전해질막의 양표면 테두리 영역에 서브가스켓이 초음파 진동에 의하여 접합되는 단계;
    로 진행하고, 초음파 진동 공급장치와 전극층 간의 직접적인 접촉이 회피되도록 하여, 초음파 진동혼의 접촉 진동에 의한 전극 손상을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호층의 평면 모양은 서브가스켓의 모양과 동일하게 구성되고, 보호층의 두께는 3-레이어 막-전극 접합체와 서브가스켓을 포함하는 접합기재의 두께에 비하여 2~4배로 채택된 것임을 특징으로 하는 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 보호층으로 사용되는 기재는 PTFE, ETFE를 포함하는 불소계 고분자 필름, 캡톤(Kapton)을 포함하는 폴리이미드(polyimide)계열의 열경화성 수지 필름, 일반 종이 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법.
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