KR101619573B1 - 연료전지용 전극막 접합체 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 전극막 접합체의 제조방법에 관한 것으로, 전극막 접합체의 성능 및 내구성을 증대하고 양산성을 확보하기 위한 연료전지용 전극막 접합체 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지용 전극막 접합체를 제조하기 위한 방법으로서, 전극과 전해질막을 접합하여 전극막 접합체를 제조하는 접합과정; 상기 접합과정에서 제조한 전극막 접합체를 일정 온도에서 가압하여 압착하는 열처리과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 접합체 제조방법을 제공한다.

Description

연료전지용 전극막 접합체 제조방법 {Manufacture method of MEA for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 전극막 접합체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극막 접합체의 성능 및 내구성을 증대하고 양산성을 확보하기 위한 연료전지용 전극막 접합체 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지의 전극막 접합체(MEA;Membrane Electrode Assembly)는 양측 전극(애노드, 캐소드)과 전해질막으로 구성되며, 보통 각 전극과 전해질막 간에 경계부분의 접착이 우수할수록 성능과 내구성이 우수하다.
종래 전극막 접합체를 제조하는 방법을 살펴보면, 일 방법으로 촉매 슬러리를 기체확산층 위에 코팅이나 분사 또는 페인팅 등을 하여 전극(촉매층)을 만들고 이후 상기 전극을 고분자 전해질막과 열압착하여 전극막 접합체를 제조하는 방법이 있고, 다른 방법으로 촉매 슬러리를 고분자 전해질막에 직접 코팅이나 분사 또는 페인팅을 하여 전극(촉매층)을 형성함으로써 전극과 전해질막으로 이루어진 전극막 접합체를 제조하는 방법이 있고, 또 다른 방법으로 촉매 슬러리를 이형지에 코팅이나 분사 또는 페인팅을 하여 전극(촉매층)을 형성하고 이후 전극을 형성한 이형지를 고분자 전해질막과 열압착으로 접합하고 상기 이형지를 제거하여 전극막 접합체를 제조하는 방법 등이 있다.
상기한 일 방법과 같이 기체확산층 위에 촉매 슬러리를 코팅하여 전극(촉매층)을 형성하는 경우 전극의 기공 형성에는 유리하나 제조 공정이 불편하여 상용으로 제조하는 전극막 접합체의 제조시에는 이러한 공정을 채택하지 않고 있으며, 상기한 다른 방법과 같이 고분자 전해질막에 전극(촉매층)을 직접 형성하는 경우 작은 규모의 전극 제조는 가능하나 대면적의 전극은 고분자 전해질막의 변형 문제로 인해 제조가 어려운 단점이 있다.
이러한 방법들을 대체하는 상기한 또 다른 방법으로 이형지에 촉매층(전극)을 코팅하고 이 이형지(촉매층을 코팅한 이형지)를 고분자 전해질막에 전사시키는 방법의 경우 전극을 이형지 위에 원하는 형태로 코팅하기가 용이하고 대량제조가 가능한 이점이 있다.
이형지 위에 전극을 코팅하는 방법으로는 바코팅(bar coating), 콤마코팅(comma coating), 슬롯다이코팅(slot die coating), 그라비아코팅(gravure coating), 스프레이 코팅(spray coating) 등이 있다.
바코팅과 스프레이 코팅은 소량의 전극을 제조하는데 사용하는 방법으로 대량 양산 공정에는 적용하기 어렵고, 콤마코팅과 그라비아코팅은 전극의 치수를 제어하기 어렵고 촉매 슬러리의 성상이 쉽게 변하기 때문에 양산 공정에 적용하기 어렵다.
슬롯다이코팅은 전극의 치수를 제어하기 용이하고, 촉매 슬러리를 폐회로 시스템에서 코팅하기 때문에 촉매 슬러리의 성상이 변하지 않게 유지할 수 있으며, 또한 정해진 치수대로 전극(촉매층)을 코팅하면서도 연속적으로 동일한 치수의 전극을 코팅하는 것이 가능하다.
이형지 위에 코팅된 전극을 전해질막에 전사하는 방법으로는 판형 프레스(plate hot press) 방법과 롤 프레스(roll press) 방법 등이 있다.
판형 프레스 방법은 일반적으로 100℃~200℃의 온도 범위에서 1~10분간, 5~50kgf/㎠의 압력으로 압착하여 전극을 전해질막에 전사한다.
도 1은 이형지 위에 코팅된 전극을 전해질막에 전사하는 판형 프레스 방식의 전극-막 접합 공정을 나타낸 것이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 판형 프레스 방식은 핫 프레스(1) 내에서 각각의 이형지(2,3) 위에 코팅된 두 전극(4,5) 사이에 전해질막(6)을 개재하고 압착함으로써 두 전극(4,5)을 전해질막(6)의 양측 표면에 전사하게 된다.
롤 프레스 방식은 일반적으로 80℃~200℃의 온도 범위에서 0.1~2.0 m/min의 속도 및 1~40kgf/㎠의 압력으로 압착하여 전극을 전해질막에 전사한다.
도 2는 이형지 위에 연속으로 코팅되어 있는 전극을 롤 프레스 장비에 장착하여 연속으로 전극-막 접합 작업을 진행할 수 있는 롤 프레스 방식을 나타낸 것이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 롤 프레스 방식은 연속적으로 동일 치수의 전극(11,13)을 코팅한 이형지(12,14)와 전해질막(15)을 롤 프레스(110)를 통해 접합하여 전극(11,13)을 연속적으로 전해질막(15)에 전사함으로써 전극막 접합체(16)를 연속으로 제조할 수 있다.
상기한 판형 프레스 방식은 전극과 전해질막의 계면접합력이 우수하나 단일 전극막 접합체의 제조를 위한 전극과 전해질막의 압착 시간이 오래 걸려 공정 속도가 매우 느리고 양산 적용이 어려운 문제점이 있다.
상기한 롤 프레스 방식은 전극막 접합체의 연속 접합 공정이 가능하여 공정 속도가 빠르기 때문에 양산 적용이 용이하나 전극과 전해질막의 계면접합력이 부족한 문제점이 있다.
보통 전극막 접합체는 전극과 전해질막 간 경계부분의 접착이 우수할수록 성능과 내구성이 우수한데, 전극과 막의 경계부분에 탈리가 발생하는 경우 성능이 감소하고 장기간 운전하는 경우 탈리가 주변으로 확산되어 전체적으로 성능이 빠르게 감소하는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 고안한 것으로서, 전극과 전해질막을 연속적으로 공급하며 접합하여 전극막 접합체를 연속 제조한 뒤, 제조한 전극막 접합체들을 고온에서 가압하는 열처리를 통해 전극과 전해질막 간에 계면접합력을 향상하는 연료전지용 전극막 접합체 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지용 전극막 접합체를 제조하기 위한 방법으로서, 전극과 전해질막을 접합하여 전극막 접합체를 제조하는 접합과정; 상기 접합과정에서 제조한 전극막 접합체를 일정 온도에서 가압하여 압착하는 열처리과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 접합체 제조방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 접합과정에서는 롤 프레스 방식으로 전극막 접합체를 제조하며, 구체적으로 전극을 일정 간격으로 연속 코팅한 이형지와 전해질막을 접합하여 전극막 접합체를 연속 제조한다.
또한 바람직하게, 상기 열처리과정에서는 핫 프레스 방식으로 전극막 접합체를 가압하여 전극과 전해질막 간에 계면접합력을 증대하며, 구체적으로 여러 장의 전극막 접합체를 핫 프레스에 상하로 적층하여 투입하고 일정 온도에서 동시에 가압하여 각 전극막 접합체의 전극과 전해질막 간에 계면접합력을 증대한다.
또한 바람직하게, 상기 열처리과정에서는 핫 프레스와 전극막 접합체 사이 및 상하로 적층된 전극막 접합체들 사이에 각각 보호지를 삽입하여 사용한다.
여기서 상기 보호지로는 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PVC(염화 비닐), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), PTFE(폴리테트라 플루오로에틸렌), 글래시 파이버(glassy fiber) 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 필름을 사용하거나, 또는 상기의 재질로 이루어진 필름에 PTFE(폴리테트라 플루오로에틸렌) 또는 실리콘을 코팅한 필름을 사용한다.
또한 바람직하게, 상기 열처리과정에서는 0.5kgf/㎠ ~ 500kgf/㎠ 의 압력 및 50℃ ~ 300℃의 온도에서 10초 ~ 3000초 동안 전극막 접합체를 가압하며, 더욱 바람직하게는 1kgf/㎠ ~ 100kgf/㎠ 의 압력 및 150℃ ~ 250℃의 온도에서 30초 ~ 600초 동안 전극막 접합체를 가압한다.
본 발명에 의하면, 롤 프레스 방식으로 연속 제조한 전극막 접합체를 판형 프레스 방식으로 열처리함으로써 전극과 전해질막 간에 계면접합력을 증대할 수 있고, 이에 성능 및 내구성이 우수한 전극막 접합체의 연속 제조가 가능하며, 또한 대량 생산을 위한 양산성을 확보할 수 있게 된다.
도 1은 종래 이형지 위에 코팅된 전극을 전해질막에 전사하는 판형 프레스 방식의 전극-막 접합 공정을 나타낸 것이다.
도 2는 전극을 연속 코팅한 이형지를 롤 프레스 장비에 장착하여 전극막 접합체를 연속 생산할 수 있는 롤 프레스 방식의 전극-막 접합 공정을 나타낸 것이다.
도 3은 연료전지용 전극막 접합체의 단면구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 전극막 접합체 제조방법 중 전극-막 접합 공정을 통해 제조된 전극막 접합체의 열처리 공정을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 전극막 접합체 제조방법 중 전극막 접합체의 1회 열처리 과정 중에 여러 장의 MEA를 동시 가압하는 열처리 공정을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 전극막 접합체 제조방법의 효과를 확인하기 위해 소정 조건에서 제조한 MEA의 탈리 평가 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
앞서 언급한 바와 같이, 종래의 판형 프레스 방식에 따른 전극-막 접합은 공정 시간이 너무 오래 걸리기 때문에 대량 생산에 적합하지 않으며, 롤 프레스 방식의 전극-막 접합은 공정 시간이 짧은 장점이 있으나 전극과 전해질막의 계면접합력이 부족한 문제가 있다.
이에 본 발명에서는 롤 프레스 방식으로 전극과 전해질막을 접합하여 연속적으로 전극막 접합체(MEA)를 제조한 뒤, 제조한 전극막 접합체들을 핫 프레스 방식으로 압착하여 열처리함으로써 전극과 전해질막 간에 계면접합력을 증대시켜 MEA의 물리적인 특성을 개선하도록 한다.
롤 프레스 방식으로 전극과 전해질막을 접합하는 경우 이형지에 코팅된 전극이 전해질막에 전사되는 것은 다음과 같은 인자에 의해 그 특성이 결정된다.
① 이형지의 종류 및 두께, ② 전극의 조성과 두께, ③ 롤 프레스의 반경, ④ 롤 프레스의 온도 ⑤롤 프레스의 구동 속도, ⑥ 롤 프레스의 압력
알려진 바와 같이, 롤 프레스 장비에 전극을 코팅한 이형지와 전해질막을 동시 공급하면, 이형지와 전해질막이 롤 프레스 사이를 통과하면서 전극과 전해질막이 접합되어 전극막 접합체가 형성되게 된다.
도 2를 참조로 하여 구체적으로 설명하면, 롤 프레스 장비는 전극(11,13)을 코팅한 이형지(12,14)와 전해질막(15)을 압착하여 접합하기 위한 롤 프레스(110), 그리고 전해질막(15)을 상기 롤 프레스(110) 측으로 공급가능하게 장착하기 위한 센터 롤러(120), 전극(11,13)을 코팅한 이형지(12,14)를 상기 센터 롤러(120)의 상측에서 상기 롤 프레스(110) 측으로 공급가능하게 장착하기 위한 제1롤러(121), 및 전극(11,13)을 코팅한 이형지(12,14)를 상기 센터 롤러(120)의 하측에서 상기 롤 프레스(110) 측으로 공급가능하게 장착하기 위한 제2롤러(122)를 포함하여 구성된다.
이러한 롤 프레스 장비는 전극(11,13)을 코팅한 이형지(12,14)와 전해질막(15)이 롤 프레스(110) 측으로 동시 공급되면, 롤 프레스(110)가 이형지(12,14)와 전해질막(15)을 압착함에 의해 전극(11,13)과 전해질막(15)이 접합되어 전해질막(15)의 양측 표면에 전극(11,13)을 전사한 전극막 접합체(16)를 연속 제조하게 된다.
이때 상기 이형지(12,14)는 일면에 전극(11,13)을 일정 간격으로 연속 코팅하고 있어서, 롤 프레스(110) 측으로 이형지(12,14)가 공급됨에 의해 전극(11,13)이 연속적으로 공급되게 된다.
롤 프레스(110)를 통과하여 제조된 전극막 접합체(16)는 양측 표면에 각각 일정 간격으로 전극을 연속 형성한 전해질막으로서 전극-막 접합 공정 동안 롤 프레스(110)를 기준으로 센터 롤러(120)의 맞은편에 구비된 제5롤러(125)에 감겨서 보관되며, 이후 재단 공정을 거쳐 정해진 치수대로 동일한 크기의 전극막 접합체(16)를 제조하게 된다.
또한 이때 이형지(12,14)는 롤 프레스(110)를 기준으로 제1롤러(121)와 제2롤러(122)의 맞은편에 각각 구비된 제3롤러(123)와 제4롤러(124)에 감기게 되어 전극(11,13)과 전해질막(15)의 접합과 동시에 전극(11,13)과 이형지(12,14) 간에 분리가 이루어지게 된다.
이러한 롤 프레스 방식의 전극-막 접합 공정을 통해 전극(11,13)과 전해질막(15)을 접합하여 전극(11,13)을 전해질막(15) 표면에 전사하는 동시에 이형지(12,14)를 제거하여, 도 3과 같이 양측 전극(애노드 및 캐소드)(11,13)과 전해질막(15)으로 구성된 전극막 접합체(16)가 제조된다.
상기한 구성의 전극막 접합체(16)는 보통 기계적 강도가 부족하여 취급의 용이성이 떨어지기 때문에 기계적인 강도를 부여하기 위해서, 통상적으로 전극의 외곽 부위에 서브가스켓(미도시)을 접합하여 MEA를 완성하게 된다.
또한 상기와 같이 롤 프레스 방식으로 제조한 전극막 접합체는 종래의 판형 프레스 방식으로 제조한 전극막 접합체 대비 전극과 전해질막 간에 계면접합력이 부족하여 기계적인 물성 부족으로 탈리 문제가 발생할 수 있다.
상기의 탈리 문제를 개선하기 위해, 즉 전극과 전해질막 간에 계면접합력을 향상시키고 탈리 발생을 방지하기 위해, 본 발명에서는 롤 프레스 방식의 전극-막 접합 공정을 통해 전극막 접합체를 연속 제조한 뒤 고온에서 가압하는 열처리를 통해 전극과 전해질막의 계면접합력을 증대하고 전극막 접합체의 기계적인 물성을 향상한다.
도 4는 전극-막 접합 공정을 통해 생산한 전극막 접합체(MEA)의 열처리 방법에 대한 모식도이다.
도 4를 참조로 설명하면, MEA의 열처리 공정은 MEA(16)를 상판(131)과 하판(132)으로 이루어진 고온의 핫 프레스(판형 프레스)(130)에 투입하고, MEA(16)의 상하 양측에서 MEA(16)를 일정한 압력으로 누르면서 전극(11,13)과 전해질막(15)의 계면이 접합되게 한다.
즉, 고온의 핫 프레스(130)인 상판(131)과 하판(132)이 각각 MEA(16)의 상하 양단에 위치하여 고온 및 고압으로 MEA(16)를 압착하여 열처리 공정을 수행한다.
이때 고온의 상판(131)과 하판(132)이 MEA(16)에 직접 접촉하는 경우 MEA(16)이 표면이 손상되거나 먼지 등에 의해 오염될 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 MEA(16)와 핫 프레스(130) 사이에 보호지(간지)(17)를 사용한다.
즉 MEA(16)의 상하 양단과 핫 프레스(130) 사이에 각각 보호지(17)를 삽입하여서, MEA의 손상을 방지하고 열과 압력을 MEA에 고르게 전달할 수 있도록 한다. 이러한 역할을 수행가능한 보호지(17)의 종류에 대한 설명은 후술하기로 한다.
도 5는 1회 열처리 과정 중에 여러 장의 MEA를 동시 열처리하는 방법을 나타낸 모식도이다.
본 발명에 의하면 대량 생산을 위해서 여러 장(예를 들면, 10~100장 단위)의 MEA를 복층으로 적층하여 한꺼번에 열처리를 수행할 수 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 여러 장의 MEA(16)를 핫 프레스(130)의 상판(131)과 하판(132) 사이에 적층하고 MEA(16)와 핫 프레스(130) 사이 및 적층된 하나의 MEA(16-1)와 다른 하나의 MEA(16-2) 사이에 보호지(17)를 삽입한 뒤, 고온의 상판(131)과 하판(132)이 적층된 MEA(16)들을 일정한 압력으로 동시에 누르면서 압착하여 각 MEA(16)의 전극(11,13)과 전해질막(15) 간에 계면접합력을 높이게 된다.
이때 상기 보호지(17)는 전극(11,13)에 일정한 압력을 가하고 MEA(16)의 손상을 막는 역할을 한다.
종래의 판형 프레스 방식으로 전극과 전해질막을 접합하는 경우, 이형지에 코팅된 전극을 전해질막에 전사시키기 위해 1회 프레스 공정에서 1장의 MEA를 제조할 수 있다. 즉, 애노드가 코팅된 이형지, 전해질막, 그리고 캐소드가 코팅된 이형지 등 3장의 필름을 겹쳐서 프레스한 뒤 애노드와 캐소드의 이형지를 낱장으로 박리 제거하여 MEA를 제조하기 때문에, 여러 장을 겹쳐서 MEA를 제조하는 경우에는 전극이 전해질막에 고르게 전사되지 않는 문제가 있으며, 이를 해결하기 위해 높은 압력을 가하게 되면 전극의 기공이 막혀서 연료전지 성능이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에서는, 종래의 판형 프레스 방식의 전극-막 접합공정이 1회에 1장의 MEA를 접합하여 제조하는 것과 비교하여, 롤 프레스 방식을 통해 연속으로 전극-막 접합공정을 수행하여 여러 장의 MEA를 연속 제조하고 이때 제조된 MEA를 한번에 많은 수량 단위로 동시에 열처리함으로써 전체 공정 속도가 빨라지고 생산성이 매우 높아지는 장점을 얻을 수 있다.
고온의 열처리 과정에서 전극과 전해질막의 계면접합력을 높이기 위해서는 적절한 온도와 압력 및 시간을 가해야 하며, 이때 MEA의 치수 변형이 일어나는 것을 억제하고 먼지 등에 의한 MEA의 손상을 막기 위해 도 4 및 도 5와 같이 핫 프레스(130) 내 적층된 MEA(16)들 사이에 상기한 보호지(17)를 삽입한다.
보호지(17)의 종류에 따라 MEA의 치수 변형 정도가 다르고 열전도율이 달라져 MEA(16)의 열처리 효과가 달라지므로, 대량생산 및 제품의 상품성 확보를 위해 열처리용 보호지(17)는 고온에서 변형이 없고 MEA와 밀착가능하며 전극에 일정한 압력을 전달할 수 있는 특성을 가져야 한다.
따라서 열처리용 보호지(17)로는 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PVC(염화 비닐), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), PTFE(폴리테트라 플루오로에틸렌), 글래시 파이버(glassy fiber) 등으로 이루어진 필름 등이 사용 가능하며, 상기의 필름에 PTFE(폴리테트라 플루오로에틸렌) 또는 실리콘 등을 코팅한 필름 등이 사용 가능하다.
그리고 상기한 핫 프레스(130)를 이용한 열처리 공정시, 열처리 압력은 0.5kgf/㎠ ~ 500kgf/㎠ 이 적절하며, 더 바람직하게는 1kgf/㎠ ~ 100kgf/㎠ 이 적절하다. 1kgf/㎠ 이하의 압력으로 열처리시에는 전극(11,13)과 전해질막(15)의 계면 간에 접합이 불균일하여 계면접합력이 약할 수 있고, 100kgf/㎠ 이상의 압력으로 열처리시에는 전극(11,13)이 압착되어 전극(11,13)의 기공이 작아지고 연료전지 반응물과 생성물의 유출입이 불리해져서 연료전지 성능 감소를 야기할 수 있다.
또한 상기한 핫 프레스(130)를 이용한 열처리 공정시, 열처리 온도는 50℃ ~ 300℃가 적절하며, 더 바람직하게는 150℃ ~ 250℃가 적절하다. 150℃ 이하의 온도에서는 전극(11,13)과 전해질막(15)의 접합이 불균일하여 계면접합력이 약할 수 있고, 250℃ 이상에서는 전해질막(15)과 바인더(전극(11,13) 내 함유된 바인더)의 물성이 변화되어 연료전지의 성능 및 내구성 감소를 야기할 수 있다.
또한 상기한 핫 프레스(130)를 이용한 열처리 공정시, 열처리 시간은 10초 ~ 3000초가 적절하며, 더 바람직하게는 30초 ~ 600초가 적절하다. 30초 이하의 시간에서는 전극(11,13)과 전해질막(15)의 접합이 불균일하여 계면접합력이 약할 수 있고, 600초 이상에서는 전해질막(15)과 바인더의 물성이 변화되어 연료전지의 성능 및 내구성 감소를 야기하거나 또는 공정 시간이 지나치게 오려 걸려 양산성이 저하될 수 있다.
앞서 도 3을 참조로 설명한 바와 같이, MEA(16)는 전극(애노드와 캐소드)(11,13) 및 전해질막(15)을 포함하여 구성된다. 상기 전극(11,13)은 촉매와 바인더 및 첨가제 등으로 조성되며, 이때 촉매로는 탄소지지체에 백금 또는 합금을 담지한 것을 사용하고, 바인더로는 내피온(Nafion)과 같이 PFSA(퍼플루오로슬폰산막) 형태의 이오노머(ionomer)를 사용한다. 그리고 첨가제로는 라디칼 억제재로 사용되는 금속 산화물 또는 탄소나노섬유 등이 사용된다.
상기 전극(11,13)은 전해질막(15)과의 접합을 위해 이형지(도 2의 12,14 참조) 위에 1 ~ 20㎛ 두께로 코팅되며, 상기 이형지로는 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PVC(염화 비닐), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), PTFE(폴리테트라 플루오로에틸렌), 글래시 파이버(glassy fiber) 등으로 이루어진 필름 등이 사용 가능하며, 상기의 필름에 PTFE(폴리테트라 플루오로에틸렌) 또는 실리콘 등을 코팅한 필름 등이 사용 가능하다. 이때 이형지의 두께는 5 ~ 200㎛이고, 더욱 바람직하게는 20~100㎛이다.
접합 공정 후 열처리를 완료한 MEA는 다음과 같이 연신에 의한 파단시 전해질막에 남아 있는 전극의 양으로서 전극과 전해질막 간에 계면접합력을 측정할 수 있다. MEA는 연신강도 특성을 위한 표준 시험 방법(ASTM D882)에 의거하여 측정 온도 23±2℃, 상대습도 50±5% 조건에서 2개 로트(Lot) 이상에 대해 각 로트 당 표준 시편 3개 이상을 실험하여 연신 및 파단에 의한 탈리를 평가할 수 있다.
이때 MEA는 크로스헤드 스피드(Crosshead Speed) 500 mm/min 조건에서 각 로트(Lot) 당 MD(Machine Direction)/TD(Transverse Direction) 또는 WD(Width Direction)/LD(Length Direction)에 대해 파단점(break point)까지 연신된 전극의 길이와 폭을 각각 측정하게 된다.
또한 MEA 파단 평가 조건에서 전극이 전해질막으로부터 탈리되는지 여부를 관찰하여, 전극이 전해질막으로부터 탈리된 시점에서 탈리 면적 비율을 측정할 수 있다. 이때 탈리 면적 비율은 '(탈리된 전극 면적/전체 전극 면적) ×100'으로 계산한다.
여기서 본 발명에 따른 방법으로 제조한 MEA의 기계적인 물성을 평가하기 위해, 각기 다른 조건으로 제조한 MEA의 연신에 의한 파단 발생시 전해질막에 남아 있는 전극의 양으로서 전극과 전해질막 간에 계면접합력을 비교 평가할 수 있다.
도 6은 다음과 같은 조건에서 제조한 MEA의 탈리 평가 결과를 나타낸 것이다.
(a) 판형 프레스 방식의 전극-막 접합, 170℃, 25kgf, 5분
(b) 롤 프레스 방식의 전극-막 접합(110℃, 14kgf, 0.2m/min) -> 열처리(140℃, 무압, 30분)
(c) 롤 프레스 방식의 전극-막 접합(110℃, 14kgf, 0.2m/min) -> 열처리(170℃, 5kgf, 5분)
상기 (c) 조건으로 롤 프레스 방식의 전극-막 접합을 수행한 뒤 고온에서 가압 방식으로 열처리하여 제조한 MEA의 경우, 상기 (a) 조건으로 판형 프레스 방식의 전극-막 접합을 수행하여 제조한 MEA와 동등 수준의 우수한 계면접합력을 가짐을 시각적으로 확인할 수 있다.
상기 (b) 조건으로 MEA를 제조한 경우 롤 프레스 방식으로 접합을 수행하고 고온에서 열처리를 하였으나, 상기 (a) 조건으로 제조한 MEA의 계면접합력에 훨씬 못 미치는 계면접합력을 가짐을 시각적으로 확인할 수 있다.
도 6을 보면, (a)와 (c)의 경우 검은색으로 보이는 전극이 전해질막 위에 도포되어 있어 전극과 전해질막이 구분되지 않으나, (b)의 경우 전해질막 위에 도포된 검은색의 전극이 대부분 탈리되어 전해질막이 드러난 것을 확인할 수 있다.
이에 따라, 롤 프레스 방식으로 전극-막 접합을 수행하는 과정과 고온에서 가압 방식으로 열처리를 수행하는 과정을 통해 MEA를 제조하되, 열처리 과정에서 적절한 온도와 압력 및 시간 조건을 만족하는 경우에만 판형 프레스 방식으로 제조한 MEA와 동등 수준의 계면접합력을 구현할 수 있음을 알 수 있다.
다시 말해, 바람직한 열처리의 온도와 압력 및 시간 조건으로 제조한 MEA(도 6의 c 참조)는 판형 프레스 방식으로 제조한 MEA(도 6의 a 참조)와 동등한 수준의 계면접합력을 나타내었으나, 상대적으로 바람직하지 못한 열처리의 온도와 압력 및 시간 조건으로 제조한 MEA(도 6의 b 참조)는 판형 프레스 방식으로 제조한 MEA(도 6의 a 참조)의 계면접합력에 훨씬 못 미치는 계면접합력을 나타냄을 알 수 있다.
11,13 : 전극
12,14 : 이형지
15 : 전해질막
16,16-1,16-2 : 전극막 접합체(MEA)
17 : 보호지
110 : 롤 프레스
130 : 핫 프레스

Claims (16)

  1. 프레스 방식과 롤 프레스 방식을 사용하여 전극을 전해질막에 접합하는 접합과정과, 전극막 접합체를 가압 열처리하는 열처리과정을 순차적으로 실시하는 연료전지용 전극막 접합체를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 접합과정은 열간 롤 프레스 방식으로 전극을 일정 간격으로 연속 코팅한 이형지와 전해질막을 압착하여 전극을 전해질막에 접합하여 수행되며,
    상기 열처리과정은 상기 접합과정에서 제조한 전극막 접합체 다수를 적층하고, 전극과 전해질막의 계면접합력을 증대시키고 기계적인 강도를 증대시키도록 핫 프레스에서 상기 접합과정에서 보다 높은 온도와 압력으로 상기 전극막 접합체를 압착하여 수행되며,
    상기 핫 프레스에서 압착하기 전에 전극막 접합체의 표면 손상을 방지하고 핫 프레스에 의한 열과 압력을 전극막 접합체에 균일하게 전달하도록, 적층된 다수의 전극막 접합체들 사이 및 핫 프레스와의 사이에 보호지를 삽입하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 접합체 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리과정에서는 적층된 다수의 전극막 접합체를 일정 온도에서 동시에 가압하여 각 전극막 접합체의 전극과 전해질막 간에 계면접합력을 증대하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 접합체 제조방법.
  6. 삭제
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 보호지로는 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PVC(염화 비닐), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), PTFE(폴리테트라 플루오로에틸렌), 글래시 파이버(glassy fiber) 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 필름을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 접합체 제조방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 보호지로는 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PVC(염화 비닐), PEN(폴리에틸렌 나프탈레이트), PTFE(폴리테트라 플루오로에틸렌), 글래시 파이버(glassy fiber) 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 필름에 PTFE(폴리테트라 플루오로에틸렌) 또는 실리콘을 코팅한 필름을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 접합체 제조방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리과정에서는 1kgf/㎠ ~ 100kgf/㎠ 의 압력에서 전극막 접합체를 가압하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 접합체 제조방법.
  11. 삭제
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리과정에서는 150℃ ~ 250℃의 온도에서 전극막 접합체를 가압하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 접합체 제조방법.
  13. 삭제
  14. 청구항 1, 청구항 10, 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열처리과정에서는 30초 ~ 600초 동안 전극막 접합체를 가압하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 접합체 제조방법.
  15. 삭제
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리과정에서는 1kgf/㎠ ~ 100kgf/㎠ 의 압력 및 150℃ ~ 250℃의 온도에서 30초 ~ 600초 동안 전극막 접합체를 가압하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극막 접합체 제조방법.
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