KR101738633B1 - 막-전극 조립체 형성 장치 및 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

롤투롤 방식으로 연료 전지의 막-전극 조립체를 형성하는 막-전극 조립체 형성 장치 및 형성 방법이 개시된다. 개시된 막-전극 조립체 형성 장치는, 제1 전극층을 구비한 제1 전극 웹을 풀어 공급하는 제1 전극 웹 공급 롤러, 제2 전극층을 구비한 제2 전극 웹을 풀어 공급하는 제2 전극 웹 공급 롤러, 전해질막을 풀어 공급하는 전해질막 공급 롤러, 제1 전극층과 제2 전극층이 전해질막을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록 제1 전극 웹과 제2 전극 웹을 정렬하고 가접착하여 막-전극 조립체 원단을 형성하는 전극 정렬 유닛, 막-전극 조립체 원단을 상부 롤러와 하부 롤러 사이로 통과시켜 제1 전극층 및 제2 전극층을 전해질막에 가열 압착시킴으로써 막-전극 조립체를 형성하는 전극 가열 압착 유닛, 및 막-전극 조립체를 권취 및 수거하는 막-전극 조립체 권취 롤러를 구비한다.

Description

막-전극 조립체 형성 장치 및 형성 방법{Apparatus and method for fabricating membrane-electrode assembly}
본 발명은 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 연료 전지의 막-전극 조립체를 형성하는 장치와 형성하는 방법에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 연료의 산화 반응과, 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 연료 전지에서 전기에너지를 생성하는 최소 단위인 단위 셀(cell)은 막-전극 조립체(MEA: membrane-electrode assembly)와, 상기 막-전극 조립체를 사이에 두고 그 양측에 구비되는 세퍼레이터(separator)를 구비한다. 상기 막-전극 조립체는 전해질막(PEM: proton exchange membrane)과, 상기 전해질막의 양 측면에 접합되는 양극과 음극 전극층을 구비한다. 연료 전지용 막-전극 조립체의 공업적 제조 방법으로서 평판 프레스(plate press)를 이용하여 양극 및 음극 전극층을 전해질막에 접합하는 방법과, 롤 프레스(roll press)를 이용하여 양극 및 음극 전극층을 전해질막에 접합하는 방법이 있다.
상기 평판 프레스를 이용하는 방법은 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 구성하기 어려워 막-전극 조립체의 생산성이 저하되고, 전극층을 전(全) 영역에 걸쳐 고른 압력으로 가압하기 어려워 양품 수율이 떨어질 수 있다.
한편, 상기 롤 프레스를 이용하는 방법은 상기 평판 프레스를 이용하는 방법에 비하여 전극층에 균일한 압력과 온도를 전달할 수 있어 접합성이 우수한 장점이 있으나, 막-전극 조립체의 원단이 롤 프레스를 통과하기에 앞서서 양극 및 음극 전극층을 정렬하고 고정하는 장치가 없어서 양극 및 음극 전극층 간의 위치가 상호 정렬되지 못하고 어긋나게 되며, 이로 인해 불량율이 높고 양품 수율이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 롤러 외주면의 온도 분포가 고르지 못하여 가열 압착된 전극층의 품질이 열화될 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0043765호
본 발명은, 롤투롤 방식으로 연료 전지의 막-전극 조립체를 형성하는 막-전극 조립체 형성 장치 및 형성 방법을 제공한다.
본 발명은, 양극과 음극의 전극층이 전해질막을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록 전해질막을 사이에 두고 한 쌍의 전극 웹을 정렬 및 고정하여 막-전극 조립체 원단을 형성하고, 상기 막-전극 조립체 원단을 한 쌍의 롤러 사이로 통과시켜 양극과 음극의 전극층을 전해질막에 가열 압착하여 막-전극 조립체를 형성하는, 막-전극 조립체 형성 장치 및 형성 방법을 제공한다.
본 발명은, 제1 전극층을 구비한 제1 전극 웹을 풀어 공급하는 제1 전극 웹 공급 롤러, 제2 전극층을 구비한 제2 전극 웹을 풀어 공급하는 제2 전극 웹 공급 롤러, 전해질막을 풀어 공급하는 전해질막 공급 롤러, 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층이 상기 전해질막을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록 상기 제1 전극 웹과 상기 제2 전극 웹을 정렬하고 가접착하여 막-전극 조립체 원단을 형성하는 전극 정렬 유닛, 상기 막-전극 조립체 원단을 상부 롤러와 하부 롤러 사이로 통과시켜 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층을 상기 전해질막에 가열 압착시킴으로써 막-전극 조립체를 형성하는 전극 가열 압착 유닛, 및 상기 막-전극 조립체를 권취 및 수거하는 막-전극 조립체 권취 롤러를 구비하는 막-전극 조립체 형성 장치를 제공한다.
상기 전해질막 공급 롤러는 상기 전해질막의 일 측면에 전해질막 보호 필름이 부착된 전해질막 웹을 풀어 공급하며, 상기 막-전극 조립체 형성 장치는, 상기 전해질막 웹이 상기 전극 정렬 유닛으로 진입하기에 앞서서 상기 전해질막 보호 필름을 상기 전해질막과 분리하여 회수하는 전해질막 보호 필름 회수 롤러를 더 구비할 수 있다.
상기 막-전극 조립체 형성 장치는, 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름이 상기 막-전극 조립체와 분리되고 상기 막-전극 조립체 권취 롤러에 권취되기에 앞서서, 막-전극 조립체 보호 필름을 상기 막-전극 조립체의 일 측면에 부착되도록 공급하는 막-전극 조립체 보호 필름 공급 롤러를 더 구비할 수 있다.
상기 제1 전극 웹은 상기 제1 전극층이 일 측면에 적층된 제1 전극층 보호 필름을 더 구비하고, 상기 제2 전극 웹은 상기 제2 전극층이 일 측면에 적층된 제2 전극층 보호 필름을 더 구비하고, 상기 전극 정렬 유닛은, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 가접착하여 상기 제1 전극 웹과 상기 제2 전극 웹을 가접착하며, 상기 막-전극 조립체 형성 장치는, 상기 전극 가열 압착 유닛을 통과한 막-전극 조립체 원단에서 상기 제1 전극층 보호 필름을 상기 막-전극 조립체와 분리하여 회수하는 제1 전극층 보호 필름 회수 롤러, 및 상기 전극 가열 압착 유닛을 통과한 막-전극 조립체 원단에서 상기 제2 전극층 보호 필름을 상기 막-전극 조립체와 분리하여 회수하는 제2 전극층 보호 필름 회수 롤러를 더 구비할 수 있다.
상기 전극 정렬 유닛은, 상기 제1 전극 웹을 급지하는 제1 피딩 롤러, 상기 제2 전극 웹을 급지하는 제2 피딩 롤러, 상기 제1 전극 웹이 상기 제1 피딩 롤러를 통과하기에 앞서서 상기 제1 전극 웹의 감지부를 감지하는 제1 감지 센서, 상기 제2 전극 웹이 상기 제2 피딩 롤러를 통과하기에 앞서서 상기 제2 전극 웹의 감지부를 감지하는 제2 감지 센서, 상기 제1 피딩 롤러를 통과한 제1 전극 웹과 상기 제2 피딩 롤러를 통과한 제2 전극 웹 사이에 상기 전해질막을 개재하고, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 가접착(假接着)하는 가접착기, 및 상기 제1 감지 센서 및 상기 제2 감지 센서로부터 전달된 감지 신호에 기초하여 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 정렬된 상태인지 판단하고, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 서로 정렬되지 않았다고 판단하는 경우 상기 제1 피딩 롤러와 상기 제2 피딩 롤러 중 적어도 하나의 급지 속도를 변경하여 상기 가접착기에 정렬된 상태로 상기 제1 전극 웹과 상기 제2 전극 웹이 공급되도록 하는 콘트롤러(controller)를 구비할 수 있다.
상기 가접착기에 의해 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름이 가접착될 때, 상기 제1 전극 웹에서는 상기 제1 전극층이 상기 제1 전극층 보호 필름보다 아래에 배치되어 상기 전해질막의 상측면에 접촉되고, 상기 제2 전극 웹에서는 상기 제2 전극층이 상기 제2 전극층 보호 필름보다 위에 배치되어 상기 전해질막의 하측면에 접촉될 수 있다.
상기 가접착기는 초음파 주파수 영역으로 진동하여 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 초음파 융착하는 융착 돌기를 구비하여, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름의 길이 방향을 따라 이격된 지점을 연속적으로 융착할 수 있다.
상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭이 상기 전해질막의 폭보다 크고, 상기 전해질막은 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향으로 중앙에 배치되어, 상기 가접착기에 의해 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향으로 양측 단부가 서로 초음파 융착될 수 있다.
본 발명의 막-전극 조립체 형성 장치는, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름이 접착되도록 상기 가접착기 아래에서 상기 제1 전극 웹, 상기 제2 전극 웹, 및 상기 전해질막을 지지하는 지지 롤러를 더 구비하고, 상기 지지 롤러의 급지 속도가 상기 제2 피딩 롤러의 급지 속도와 같을 수 있다.
본 발명의 막-전극 조립체 형성 장치는, 상기 지지 롤러와 상기 제2 피딩 롤러를 동력 전달 가능하게 연결하는 타이밍 벨트(timing belt)를 더 구비할 수 있다.
상기 제1 전극 웹의 감지부 및 상기 제2 전극 웹의 감지부는, 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름에 동일하게 형성된 패턴(pattern)일 수 있다.
상기 전극 가열 압착 유닛의 상부 롤러 및 하부 롤러는 각각, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층의 평면 형상과 크기에 대응되게 외주면에서 돌출된 복수의 압착면과, 서로 인접한 한 쌍의 전극층 사이의 이격 거리에 대응되게 서로 인접한 한 쌍의 압착면 사이에 오목하게 형성된 복수의 중앙 덴트(dent)와, 상기 상부 롤러 및 하부 롤러의 내부를 관통하는 것으로, 상기 상부 롤러 및 상기 하부 롤러의 외주면 온도를 상승시키는 열매체가 유동(流動)하는 열매체 유로를 구비할 수 있다.
상기 상부 롤러 및 상기 하부 롤러는 상기 압착면의 양 측 경계와 접하여 오목하게 형성된 사이드 덴트(side dent)를 더 구비할 수 있다.
상기 열매체는 70 내지 150℃ 온도의 오일(oil)일 수 있다.
상기 막-전극 조립체 원단이 상기 상부 롤러 및 상기 하부 롤러 사이를 통과할 때 상기 압착면에 의해 상기 전해질막 측으로 가압되지 않은 전극층의 부분은, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름이 상기 막-전극 조립체와 분리될 때 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름에 붙어 상기 전해질막에서 분리될 수 있다.
상기 전극 가열 압착 유닛은, 본 발명상기 원단이 상기 한 쌍의 롤러 사이를 통과하기에 앞서서 상기 제1 전극층 및 제2 전극층을 가열하는 예열기를 더 구비할 수 있다.
또한 본 발명은, 제1 전극층을 구비한 제1 전극 웹을 풀어 공급하는 제1 전극 웹 공급 단계, 제2 전극층을 구비한 제2 전극 웹을 풀어 공급하는 제2 전극 웹 공급 단계, 전해질막을 풀어 공급하는 전해질막 공급 단계; 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층이 상기 전해질막을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록 상기 제1 전극 웹과 상기 제2 전극 웹을 정렬하고 가접착하여 막-전극 조립체 원단을 형성하는 전극 정렬 단계, 상기 막-전극 조립체 원단을 상부 롤러와 하부 롤러 사이로 통과시켜 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층을 상기 전해질막에 가열 압착시킴으로써 막-전극 조립체를 형성하는 전극 가열 압착 단계, 및 상기 막-전극 조립체를 권취 및 수거하는 막-전극 조립체 권취 단계를 구비하는 막-전극 조립체 형성 방법을 제공한다.
상기 제1 전극 웹은 상기 제1 전극층이 일 측면에 적층된 제1 전극층 보호 필름을 더 구비하고, 상기 제2 전극 웹은 상기 제2 전극층이 일 측면에 적층된 제2 전극층 보호 필름을 더 구비하고, 상기 전극 정렬 단계는, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 가접착하여 상기 제1 전극 웹과 상기 제2 전극 웹을 가접착하는 단계를 구비하며, 상기 막-전극 조립체 형성 방법은, 상기 전극 가열 압착 단계 이후에 상기 막-전극 조립체 원단에서 상기 제1 전극층 보호 필름을 상기 막-전극 조립체와 분리하는 제1 전극층 보호 필름 분리 단계, 및, 상기 전극 가열 압착 단계 이후에 상기 막-전극 조립체 원단에서 상기 제2 전극층 보호 필름을 상기 막-전극 조립체와 분리하는 제2 전극층 보호 필름 분리 단계를 더 구비할 수 있다.
상기 전극 정렬 단계는, 상기 제1 전극 웹의 감지부를 감지하는 제1 감지 센서 및 상기 제2 전극 웹의 감지부를 감지하는 제2 감지 센서를 통해 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 정렬된 상태인지 판단하는 정렬 여부 확인 단계, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 서로 정렬되지 않은 경우에 상기 가접착될 지점에서 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 정렬되도록, 제1 전극 웹의 급지 속도 및 상기 제2 전극 웹의 급지 속도 중 적어도 하나의 급지 속도를 변경하여 상기 제1 전극 웹 및 상기 제2 전극 웹을 급지하는 급지 속도 조정 단계, 및 상기 가접착될 지점에서 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 가접착하는 가접착 단계를 구비할 수 있다.
상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭이 상기 전해질막의 폭보다 크고, 상기 전해질막은 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향으로 중앙에 배치되어, 상기 가접착 단계에서 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향으로 양측 단부가 서로 초음파 융착될 수 있다.
상기 전극 가열 압착 단계에서, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 미리 설정된 영역에만 가압력이 작용하여 상기 전해질막에 압착되고, 상기 미리 설정된 영역을 벗어난, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층의 부분은 상기 제1 전극층 보호 필름 분리 단계 또는 상기 제2 전극층 보호 필름 분리 단계에서 상기 전해질막에서 분리될 수 있다.
본 발명에 의하면, 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 연료 전지의 막-전극 조립체를 형성하는 과정에서 양극과 음극의 전극층이 전해질막을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록 한 쌍의 전극 웹이 정렬되고, 이렇게 정렬된 상태로 한 쌍의 전극 웹이 가접착되며, 한 쌍의 전극층의 정렬이 유지된 상태로 한 쌍의 전극층이 전해질막에 가열 압착되어 막-전극 조립체가 형성된다. 따라서, 막-전극 조립체의 양품 수율이 향상되고, 불량율이 감소된다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 한 쌍의 롤러의 외주면에서 돌출된 압착면으로 막-전극 조립체의 한 쌍의 전극층을 가압하므로 균일한 압력으로 전극층이 가압되고, 전기 열선에 의하지 않고 한 쌍의 롤러를 관통하는 열매체를 통해 전극층을 가열하므로 전극층이 균일한 온도 분포로 가열된다. 따라서, 롤투롤 방식으로 제조되는 막-전극 조립체의 품질이 향상되고 불량율이 저감된다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전극 가열 압착 유닛을 통과한 막-전극 조립체 원단에서 한 쌍의 전극층 보호 필름을 벗겨내면 롤러의 압착면에 의해 가압되지 않은 전극층의 부분이 한 쌍의 전극층 보호 필름에 붙어 전해질막에서 제거된다. 따라서, 전극층의 주변부를 트리밍(trimming)하는 추가 작업을 필요로 하지 않아 생산 속도가 향상되고, 생산 원가가 절감된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 조립체 형성 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 전극 정렬 유닛의 구성도이다.
도 3은 도 2의 제1 및 제2 감지 센서에 촬상되는 전극 웹의 일 예를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 2의 제1 및 제2 피딩 롤러(feeding roller)를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 2의 전극 정렬 유닛을 통과하여 형성된 막-전극 조립체 원단을 확대 도시한 평면도이다.
도 6 및 도 7은 도 1의 상부 롤러 및 하부 롤러와, 양 롤러 사이를 통과하는 막-전극 조립체 원단을 확대 도시한 단면도 및 전면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 조립체 형성 장치 및 형성 방법을 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 조립체 형성 장치의 구성도로서, 이를 참조하면, 막-전극 조립체 형성 장치(20)는, 전해질막 공급 롤러(21), 제1 전극 웹 공급 롤러(23), 및 제2 전극 웹 공급 롤러(25), 전극 정렬 유닛(30), 전극 가열 압착 유닛(60), 제1 전극층 보호 필름 회수 롤러(94), 제2 전극층 보호 필름 회수 롤러(91), 막-전극 조립체 보호 필름 공급 롤러(95), 막-전극 조립체 권취 롤러(98), 및 콘트롤러(99)를 구비한다. 콘트롤러(99)는 상기 롤러들(21, 23, 25, 91, 94, 95, 98)과 상기 유닛들(30, 60)의 동작을 제어한다.
제1 전극 웹 공급 롤러(23)는 제1 전극 웹(5)을 풀어 연속적으로 공급하고, 제1 전극 웹 공급 롤러(23)보다 아래에 배치된 제2 전극 웹 공급 롤러(25)는 제2 전극 웹(10)을 풀어 연속적으로 공급한다. 상기 제1 전극 웹(5)은 제1 전극층 보호 필름(7)과, 제1 전극층 보호 필름(7)의 일 측면에 제1 전극층 보호 필름(7)의 길이 방향으로 일정 간격으로 이격되게 적층된 복수의 제1 전극층(6)을 구비한다. 이와 유사하게 상기 제2 전극 웹(10)은 제2 전극층 보호 필름(12)과, 제2 전극층 보호 필름(12)의 일 측면에 제2 전극층 보호 필름(12)의 길이 방향으로 일정 간격으로 이격되게 적층된 복수의 제2 전극층(11)을 구비한다.
제1 및 제2 전극층(6, 11)은 예컨대, 백금을 코팅한 흑연으로 형성될 수 있고, 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)은 예컨대, PET(polyethylene terephthalate)로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전극층(6, 11)이 적층된 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 일 측면에는 제1 및 제2 전극층(6, 11)으로부터 용이하게 분리되도록 이형제가 도포될 수 있다.
전해질막 공급 롤러(21)는 제1 전극 웹 공급 롤러(23)와 제2 전극 웹 공급 롤러(25) 사이에 배치되며, 전해질막 웹(1)을 풀어 연속적으로 공급한다. 전해질막 웹(1)은 전해질막(2)과, 전해질막(2) 일 측면에 부착된 전해질막 보호 필름(3)을 구비한다. 전해질막(2)은 예컨대, PEM(proton exchange membrane)일 수 있고, 전해질막 보호 필름은 예컨대, PET로 형성될 수 있다. 전해질막(2)이 적층된 전해질막 보호 필름(3)의 일 측면에는 용이하게 분리되도록 이형제가 도포될 수 있다. 전해질막 공급 롤러(21)에서 풀려 연속적으로 공급된 전해질 막 웹이 전극 정렬 유닛(30)에 급지되기 전에 전해질막 보호 필름 분리 롤러(26)에 의해 전해질막 보호 필름(3)이 전해질막(2)에서 분리되고, 전해질막 보호 필름 회수 롤러(27)에 권취 회수된다.
상기 제1 전극 웹(5), 상기 제2 전극 웹(10), 및 상기 전해질막(2)은 전극 정렬 유닛(30)으로 급지된다. 명확하게 도시되진 않았으나, 제1 전극 웹(5), 제2 전극 웹(10), 및 전해질막(2)이 전극 정렬 유닛(30)으로 진행하는 경로는 적어도 하나의 가이드 롤러(guide roller)에 의해 안내된다. 또한, 제1 전극 웹(5), 제2 전극 웹(10), 및 전해질막(2)이 전극 정렬 유닛(30)으로 진행하는 경로 상에는 상기 제1 전극 웹(5), 제2 전극 웹(10), 및 전해질막(2)의 텐션(tension)을 적절하게 유지하기 위한 댄서 롤러(dancer roller)가 개재될 수 있다. 전극 정렬 유닛(30)은 제1 전극층(6)과 제2 전극층(11)이 전해질막(2)을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록 제1 전극 웹(5)과 제2 전극 웹(10)을 정렬하고, 제1 전극층 보호 필름(7)과 제2 전극층 보호 필름(12)을 가접착하여 막-전극 조립체 원단(15)을 형성한다.
도 2는 도 1의 전극 정렬 유닛의 구성도이고, 도 3은 도 2의 제1 및 제2 감지 센서에 촬상되는 전극 웹의 일 예를 도시한 평면도이고, 도 4는 도 2의 제1 및 제2 피딩 롤러(feeding roller)를 도시한 단면도이며, 도 5는 도 2의 전극 정렬 유닛을 통과하여 형성된 막-전극 조립체 원단을 확대 도시한 평면도이다. 도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)에는 각각 제1 및 제2 감지 센서(57, 58)에 의해 감지되는 감지부로서, 서로 동일한 패턴(PA1, PA2)이 형성된다. 여기서, 참조기호 ‘PA1’으로 지시된 패턴(pattern)은 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)의 진행 방향을 따라 제1 및 제2 전극층(6, 11)의 전단에 정렬되고 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 폭 방향으로 연장된 패턴이고, 참조기호 ‘PA2’으로 지시된 패턴은 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)의 진행 방향을 따라 제1 및 제2 전극층(6, 11)의 후단에 정렬되고 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 폭 방향으로 연장된 패턴이다. 다만, 도 3에 도시된 직선형 패턴(PA1, PA2)은 감지부의 일 예에 불과하며, 제1 및 제2 감지 센서(57, 58)에 의해 감지될 수 있는 다른 형태의 패턴이나, 다른 종류의 감지부로 대체될 수도 있다.
제1 감지 센서(57)는 제1 전극 웹(5)이 제1 피딩 롤러(35)를 통과하기에 앞서서 제1 전극 웹(5)을 감지하고, 제2 감지 센서(58)는 제2 전극 웹(10)이 제2 피딩 롤러(41)를 통과하기에 앞서서 제2 전극 웹(10)을 감지한다. 제1 및 제2 감지 센서(57, 58)는 예컨대, CCD 카메라(charge-coupled device camera)와 같은 카메라를 포함할 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 감지 센서(57, 58)가 반드시 카메라를 포함해야 하는 것은 아니며, 예컨대, 패턴(PA1, PA2)이나 다른 형태의 감지부를 감지할 수 있는 포토 센서(photo sensor)를 구비하여 구성될 수도 있다.
도 1, 도 2, 및 도 4를 함께 참조하면, 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)는 그 외주면에 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)의 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)이 대면 접촉되고, 상기 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)을 흡착하여 급지하는 흡착 롤러이다. 구체적으로, 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)는 콤프레서(compressor)(미도시)와 연결되고 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)의 회전 축선(미도시)을 따라 연장된 중앙 흡기 관부(38, 44)와, 상기 중앙 흡기 관부(38, 44)를 감싸는 외측 관부(36, 42)를 구비한다. 상기 중앙 흡기 관부(38, 44)는 회전하지 않으며, 상기 외측 관부(36, 42)는 모터(미도시)의 동력에 의해 상기 중앙 흡기 관부(38, 44)에 대해 회전한다.
외측 관부(36, 42)에는 외주면의 전체 영역에 걸쳐 복수의 흡기 통공(37, 43)이 고르게 분포되게 형성되고, 중앙 흡기 관부(38, 44)에는 전극 웹(5, 10)이 접촉되는 외측 관부(36, 42)의 일 측부에 가까운 부분에만 흡기 개구(39, 45)가 형성된다. 따라서, 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)이 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)에 의해 가접착기(53)로 급지될 때 부압(負壓)에 의해 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)이 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)에 밀착된다. 이처럼, 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)의 회전력이 미끄러짐 없이 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)에 전달되므로 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)의 회전 속도를 변경하여 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)의 급지 속도를 정확히 제어할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 5를 함께 참조하면, 가접착기(53)는 제1 피딩 롤러(35)를 통과한 제1 전극 웹(5)과 제2 피딩 롤러(41)를 통과한 제2 전극 웹(10) 사이에 전해질막(2)을 개재하고, 제1 전극층 보호 필름(7)과 제2 전극층 보호 필름(12)을 가접착(假接着)하여 막-전극 조립체 원단(15)을 형성한다. 제1 피딩 롤러(35)를 통과한 제1 전극 웹(5)의 경우에는 제1 전극층(6)이 제1 전극층 보호 필름(7)보다 아래에 배치되어 진행하고, 제2 피딩 롤러(41)를 통과한 제2 전극 웹(10)의 경우에는 제2 전극층(11)이 제2 전극층 보호 필름(12)보다 위체 배치되어 진행한다. 한편, 전해질막(2)은 상술한 바와 같이 제1 피딩 롤러(35)와 제2 피딩 롤러(41) 사이를 통과하여 진행한다. 따라서, 접착기(53)에 의해 제1 전극층 보호 필름(7)과 제2 전극층 보호 필름(12)이 접착될 때, 제1 전극층(6)은 전해질막(2)의 상측면에 접촉되고 제2 전극층(11)은 전해질막(2)의 하측면에 접촉된다.
가접착기(53)는 초음파 주파수 영역으로 진동하는 진동 헤드(55)를 구비하고, 진동 헤드(55)의 하단부에는 하방 돌출된 융착 돌기(56)가 구비한다. 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 폭 방향 양 측 단부가 서로 접촉되도록 융착 돌기(56)가 제1 전극층 보호 필름(7)의 양 측 단부를 가압하고 진동 헤드(55)가 초음파 주파수 영역으로 진동하면 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 양 측 단부가 부분적으로 녹아 융착된다. 도 5의 참조기호 ‘SP’는 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)이 융착 돌기(56)에 가압되어 융착된 융착 스폿(spot)을 지시한다.
제1 및 제2 전극 웹(5, 10)과 전해질막(2)은 가접착기(53) 아래에서 정지하지 않고 계속 진행하며, 진동 헤드(55)는 일정한 주기로 승강하므로 복수의 융착 스폿(SP)은 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 형성된다.
제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 폭(WD1)이 전해질막(2)의 폭(WD2)보다 크고, 가접착기(53) 아래에서 전해질막(2)은 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 폭 방향으로 중앙에 배치된다. 따라서, 도 5에 점선으로 도시된 전해질막(2)의 폭 방향 양 측 경계보다 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 양 측 경계가 더 돌출되므로, 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 폭 방향 양 측 단부가 양 자 사이에 전해질막(2)이 없이 서로 접촉되어 초음파 융착될 수 있다.
제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)이 초음파 융착됨에 따라, 전해질막(2)과, 그 양 측면에 배치된 제1 및 제2 전극층(6, 11)과, 상기 제1 및 제2 전극층(6, 11)을 감싸는 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)을 구비하여 구성된 막-전극 조립체 원단(15)이 형성된다. 막-전극 조립체 원단(15)에서 내부의 전해질막(2)과 그 양 측면에 접촉된 제1 및 제2 전극층(6, 11)은 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)에 감싸여 제1 및 제2 전극층(6, 11) 간의 위치가 변경되지 않게 된다.
한편, 가접착기(53)의 융착 돌기(56) 아래에는 지지 롤러(51)가 구비된다. 지지 롤러(51)는 융착 돌기(56) 아래에서 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)과, 전해질막(2)을 지지하여, 진동 헤드(55)의 하강으로 융착 돌기(56)가 제1 전극층 보호 필름(7)을 가압하면 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)이 융착 스폿(SP)에서 서로 밀착되도록 한다.
제2 피딩 롤러(41)의 회전 샤프트 단부(48)와 지지 롤러(51)의 회전 샤프트 단부(52)는 타이밍 벨트(timing belt)(49)에 의해 동력 전달 가능하게 연결되어 제2 피딩 롤러(41)가 제2 전극 웹(10)을 급지하는 급지 속도와 지지 롤러(51)가 제2 전극 웹(10)을 급지하는 급지 속도가 서로 같게 제어된다. 따라서, 제2 피딩 롤러(41)와 지지 롤러(51)의 급지 속도 차이로 인한 제2 전극층 보호 필름(12)의 부분적인 텐션(tension) 불균일이나, 주름(wrinkle)이 예방될 수 있다. 한편, 상기 타이밍 벨트(49)는 제2 피딩 롤러(41)와 지지 롤러(51)의 급지 속도를 동조화하는 수단의 일 예에 불과하며, 다른 수단에 의해 제2 피딩 롤러(41)와 지지 롤러(51)의 급지 속도를 동조화시키는 것도 가능하며, 지지 롤러(51)를 동력에 의해 회전하지 않고 제2 전극 웹(5)의 진행 속도에 순응하여 아이들링(idling) 회전하도록 동력 전달 구성을 연결하지 않을 수도 있다.
콘트롤러(99)는 제1 감지 센서(57)에서 전달된 감지 신호와 제2 감지 센서(58)에서 전달된 감지 신호에 기초하여 상기 제1 전극층(6)과 상기 제2 전극층(11)이 정렬된 상태인지 판단하고, 상기 제1 전극층(6)과 상기 제2 전극층(11)이 정렬되지 않았다고 판단하는 경우 제1 피딩 롤러(35)와 제2 피딩 롤러(41) 중 적어도 하나의 급지 속도를 변경하여 가접착기(53)에 정렬된 상태로 제1 전극 웹(5) 및 제2 전극 웹(10)이 공급되도록 한다. 이를 통하여 가접착기(53)의 융착 돌기(56)에 의해 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)이 가접착될 때 제1 전극층(6)과 제2 전극층(11)이 정확히 겹쳐지게 정렬된 상태로 가접착된다.
제1 전극층(6)과 제2 전극층(11)이 정확히 정렬된 상태는 도 5에 도시된 바와 같이 가접착기(53)의 위에서 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)과 전해질막(2)을 볼 때 제2 전극층(11)이 제1 전극층(6)에 완전히 가려져서 보이지 않는 상태를 의미한다.
구체적으로, 제1 감지 센서(57)가 임의의 제1 전극층(6)의 전단에 대응되는 패턴(PA1)(도 3 참조)을 감지한 경우, 상기 패턴(PA1)을 감지한 시각과, 제1 감지 센서(57)가 감지하는 지점에서 융착 돌기(56)에 의해 초음파 융착되는 지점까지 제1 전극 웹(5)의 진행 거리와, 제1 피딩 롤러(35)의 현재 급지 속도를 통해 콘트롤러(99)는 상기 제1 전극층(6) 전단이 상기 초음파 융착되는 지점에 도달할 예상 시각을 계산한다. 또한, 제2 감지 센서(58)가 상기 제1 전극층(6)과 정렬되어야 할 임의의 제2 전극층(11)의 전단에 대응되는 패턴(PA1)을 감지한 경우, 상기 패턴(PA1)을 감지한 시각과, 제2 감지 센서(58)가 감지하는 지점에서 융착 돌기(56)에 의해 초음파 융착되는 지점까지 제2 전극 웹(10)의 진행 거리와, 제2 피딩 롤러(41)의 현재 급지 속도를 통해 콘트롤러(99)는 상기 제2 전극층(11) 전단이 상기 초음파 융착되는 지점에 도달할 예상 시각을 계산한다.
그리고, 상기 제1 전극층(6) 전단이 초음파 융착되는 지점에 도달할 예상 시각과, 상기 제2 전극층(11) 전단이 초음파 융착되는 지점에 도달할 예상 시각이 일치하지 않는 경우, 콘트롤러(99)는 제1 전극층(6) 전단의 도달 예상 시각과 제2 전극층(11) 전단의 도달 예상 시각이 일치되도록 제1 피딩 롤러(35)와 제2 피딩 롤러(41) 중 하나의 급지 속도를 변경하거나, 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)의 급지 속도를 모두 변경한다. 콘트롤러(99)는 제1 피딩 롤러(35)에 회전 동력을 제공하는 모터(미도시)를 제어하여 제1 피딩 롤러(35)의 급지 속도를 제어할 수 있고, 제2 피딩 롤러(41)에 회전 동력을 제공하는 모터(미도시)를 제어하여 제2 피딩 롤러(41)의 급지 속도를 제어할 수 있다.
가접착기(53)를 통과하여 형성된 막-전극 조립체 원단(15)은 전극 가열 압착 유닛(60)으로 급지된다. 가접착기(53)에서 전극 가열 압착 유닛(60)으로 진행하는 막-전극 조립체 원단(15)이 쳐지지 않도록 진행 경로 중간에 가변 가이드 롤러(59)가 구비된다. 전극 정렬 유닛(30)의 동작 에러(error)가 발생한 경우에 상기 가변 가이드 롤러(59)를 이점 쇄선으로 도시한 바와 같이 아래로 내리고, 전극 정렬 유닛(30)을 점검하거나, 잼(jam)이 발생한 필름을 정리할 수 있다.
도 6 및 도 7은 도 1의 상부 롤러 및 하부 롤러와, 양 롤러 사이를 통과하는 막-전극 조립체 원단을 확대 도시한 단면도 및 전면도이다. 도 1, 도 6, 및 도 7을 함께 참조하면, 전극 가열 압착 유닛(60)은 상기 막-전극 조립체 원단(15)을 상부 롤러(65)와 하부 롤러(75) 사이로 통과시켜 제1 전극층(6) 및 제2 전극층(11)을 전해질막(2)에 가열 압착시킴으로써 막-전극 조립체(16)를 형성하는 장치이다. 전극 가열 압착 유닛(60)는 예열기(61)와, 상부 롤러(65)와, 하부 롤러(75)를 구비한다.
예열기(61)는 막-전극 조립체 원단(15)이 상부 롤러(65) 및 하부 롤러(75) 사이를 통과하기에 앞서서 제1 전극층(6)과 제2 전극층(11)을 가열함으로써 제1 및 제2 전극층(6, 11)이 전해질막(2)에 압착되도록 촉진한다. 예열기(61)는 막-전극 조립체 원단(15) 위에 배치되어 아래로 적외선광(infrared light)을 조사하는 상부 적외선 램프(lamp)(62)와, 막-전극 조립체 원단(15) 아래에 배치되어 위로 적외선광(infrared light)을 조사하는 하부 적외선 램프(lamp)(63)를 구비한다.
도 1, 및 도 5 내지 도 7을 함께 참조하면, 상부 롤러(65)는 제1 전극층(6)의 직사각형 평면 형상과 크기(EL1, EW1)에 대응되게 외주면에서 돌출된 복수의 압착면(67)과, 인접한 한 쌍의 제1 전극층(6) 사이의 이격 거리(GL1)에 대응되게 서로 인접한 한 쌍의 압착면(67) 사이에 오목하게 형성된 복수의 중앙 덴트(central dent)(69)와, 압착면(67)의 양 측 경계와 접하여 오목하게 형성된 사이드 덴트(side dent)(71)를 구비한다. 상기 사이드 덴트(71)는 상부 롤러(65)의 길이 방향 양 측 단부(73)와 압착면(67) 사이에 존재한다.
마찬가지로, 하부 롤러(75)는 제2 전극층(11)의 직사각형 평면 형상과 크기(EL2, EW2)에 대응되게 외주면에서 돌출된 복수의 압착면(77)과, 인접한 한 쌍의 제2 전극층(11) 사이의 이격 거리(GL2)에 대응되게 서로 인접한 한 쌍의 압착면(77) 사이에 오목하게 형성된 복수의 중앙 덴트(central dent)(79)와, 압착면(77)의 양 측 경계와 접하여 오목하게 형성된 사이드 덴트(side dent)(81)를 구비한다. 상기 사이드 덴트(81)는 하부 롤러(75)의 길이 방향 양 측 단부(83)와 압착면(77) 사이에 존재한다.
구체적으로, 제1 및 제2 전극층(6, 11)은 길이(EL1, EL2)와 폭(EW1, EW2)이 서로 같게 설정되고 전해질막(2)을 사이에 두고 정확히 겹쳐지도록 정렬되어 인접한 한 쌍의 전극층(6, 11) 사이의 이격 거리(GL1, GL2)도 서로 같게 설정된다. 따라서, 상부 및 하부 롤러 압착면(67, 77)의 롤러(65, 75) 원주(圓周) 방향 길이(CV1, CV2)는 상기 전극층(6, 11)의 길이(EL1, EL2)와 같고, 상기 압착면(67, 77)의 Y축과 평행한 방향의 폭(PW1, PW2)는 상기 전극층(6, 11)의 폭(EW1, EW2)과 같다. 또한, 상부 및 하부 롤러 중앙 덴트(69, 79)의 롤러(65, 75) 원주 방향의 거리(CC1, CC2)는 인접한 한 쌍의 전극층(6, 11) 사이의 이격 거리(GL1, GL2)와 같다. 상부 및 하부 롤러 사이드 덴트(71, 81)의 Y축과 평행한 방향의 거리(GW1, GW2)는 예컨대, 5mm 이상이다.
상부 및 하부 롤러(65, 75)는 각각, 롤러(65, 75) 내부를 관통하는 열매체 유로를 구비한다. 상기 열매체 유로는 상부 및 하부 롤러(65, 75)의 회전 중심(RC1, RC2)에서 서로 같은 거리만큼 이격되고 서로 같은 각도 간격으로 배열되며, Y축과 평행한 방향으로 연장된 복수의 직선 파이프(pipe)(66, 76)를 구비한다. 열매체 유로의 직선 파이프(66, 76)를 따라 고온의 열매체가 롤러(65, 75)의 일측으로 유입되어 타측으로 유출되면서 내부에서 유동(流動)하여 롤러(65, 75)의 외주면 온도를 상승시킨다.
상기 열매체는 70 내지 150℃ 온도의 오일(oil)이 사용될 수 있다. 전극층(6, 11)을 가열하는 수단으로 압착면(67, 77)에서 일정한 거리만큼 이격되어 롤러(65, 75)를 통과하는 열매체을 사용함에 따라, 압착면(67, 77)의 표면에 매설된 전기 열선을 사용하는 경우보다, 전극층(6, 11)을 전(全) 면적에 걸쳐 균일한 온도 분포로 가열할 수 있다. 따라서, 전극 가열 압착 유닛(60)(도 1 참조)을 통과하는 막-전극 조립체(16)의 품질이 향상된다.
막-전극 조립체 원단(15)이 상부 롤러(65)와 하부 롤러(75) 사이로 투입될 때, 제1 및 제2 전극체(6, 11)의 전단(前端)이 압착면(67, 77)의 롤러(65, 75) 원주 방향 전단과 정확히 정렬되고, 제1 및 제2 전극체(6, 11)의 양 측단(側端)이 압착면(67, 77)의 양 측단과 정확히 정렬되도록, 상부 롤러(65) 및 하부 롤러(75)의 회전 속도와, 막-전극 조립체 원단(15)의 급지 속도가 제어된다.
이와 같은 구성에 의해 상부 및 하부 롤러(65, 75) 사이를 통과하면서 제1 및 제2 전극층(6, 11)은 전극층(6, 11)의 크기에 맞게 설정된 영역에만 압착면(67, 77)의 가압력이 작용하여 전해질막(2)에 압착되고, 상기 설정된 영역을 벗어난 부분들(EA1, EA2)(도 5 참조)은 가압되지 않는다. 부연하면, 상기 설정 영역을 벗어난 부분들(EA1, EA2) 중 EA1은 압착면(67, 77)을 벗어나 중앙 덴트(69, 79)와 겹쳐져 가압되지 않게 된 부분이고, EA2는 압착면(67, 77)을 벗어나 사이드 덴트(71)와 겹쳐져 가압되지 않게 된 부분이다. 다만, 도 5의 EA1 및 EA2는 전극층(6, 11)으로 설정된 영역을 벗어난 부분의 예시에 불과하고 다양한 형태의 다른 예가 존재할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 막-전극 조립체 원단(15)이 전극 가열 압착 유닛(60)를 통과하여, 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)(도 2 참조) 내부의 전해질막(2)과 제1 및 제2 전극층(6, 11)은 막-전극 조립체(16)가 된다. 막-전극 조립체(16)를 에워싼 제1 전극층 보호 필름(7)은 분리 웨지(wedge)(93)에 의해 막-전극 조립체(16)와 분리되어 제1 전극층 보호 필름 회수 롤러(94)에 회수 권취된다. 또한, 막-전극 조립체(16)를 에워싼 제2 전극층 보호 필름(12)은 분리 웨지(wedge)(91)에 의해 막-전극 조립체(16)와 분리되어 제2 전극층 보호 필름 회수 롤러(92)에 각각 회수 권취된다. 연이어서, 막-전극 조립체(16)의 일 측면에는 막-전극 조립체 보호 필름 공급 롤러(95)에서 풀려 공급된 막-전극 조립체 보호 필름(17)이 부착된다. 막-전극 조립체 보호 필름(17)이 부착된 막-전극 조립체(16)는 막-전극 조립체 권취 롤러(98)에 권취된다.
한편, 상부 및 하부 롤러(65, 75)의 압착면(67, 77)에 의해 전해질막(2) 측으로 가압되지 않은 전극층의 부분(EA1, EA2)(도 5 참조)은, 제1 전극층 보호 필름(7) 및 제2 전극층 보호 필름(12)이 막-전극 조립체(16)에서 분리될 때 제1 전극층 보호 필름(7)이나 제2 전극층 보호 필름(12)에 붙어서 전해질막(2)에서 분리된다. 이에 따라, 제1 및 제2 전극층(6, 11)의 주변부를 트리밍(trimming)하는 추가 작업이 없이도 미리 설정된 형태와 크기에 일치하는 제1 및 제2 전극층(6, 11)을 갖는 막-전극 조립체(16)를 생산할 수 있어, 생산 속도가 향상되고, 생산 원가가 절감된다.
전극 가열 압착 유닛(60)은 한 쌍의 롤러(65, 75)의 외주면에서 돌출된 압착면(67, 77)으로 전극층(6, 11)을 가압하므로 균일한 압력으로 전극층(6. 11)이 가압되고, 전기 열선에 의하지 않고 한 쌍의 롤러(65, 75)를 관통하는 열매체를 통해 전극층(6, 11)을 가열하므로 전극층(6, 11)이 균일한 온도 분포로 가열된다. 따라서, 롤투롤 방식으로 제조되는 막-전극 조립체(16)의 품질이 향상되고 불량율이 저감된다.
이하에서, 도 1에 도시된 막-전극 조립체 형성 장치(20)를 이용한 막-전극 조립체(16) 형성 방법을 설명한다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 조립체(16) 형성 방법은, 제1 전극 웹(5)을 풀어 공급하는 제1 전극 웹 공급 단계, 제2 전극 웹(10)을 풀어 공급하는 제2 전극 웹 공급 단계, 전해질막(2)을 풀어 공급하는 전해질막 공급 단계, 상기 제1 전극층(6)과 상기 제2 전극층(11)이 상기 전해질막(2)을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록 제1 전극 웹(5)과 제2 전극 웹(10)을 정렬하고, 제1 전극층 보호 필름(7)과 제2 전극층 보호 필름(12)을 가접착하여 막-전극 조립체 원단(15)을 형성하는 전극 정렬 단계, 상기 막-전극 조립체 원단(15)을 상부 롤러(65)와 하부 롤러(75) 사이로 통과시켜 제1 전극층(6) 및 제2 전극층(11)을 전해질막(2)에 가열 압착시킴으로써 막-전극 조립체(16)를 형성하는 전극 가열 압착 단계, 제1 전극층 보호 필름(7)을 막-전극 조립체(16)와 분리하는 제1 전극층 보호 필름 분리 단계, 제2 전극층 보호 필름(12)을 막-전극 조립체(16)와 분리하는 제2 전극층 보호 필름 분리 단계, 및 막-전극 조립체(16)를 권취 및 수거하는 막-전극 조립체 권취 단계를 구비한다.
상기 전극 정렬 단계는, 제1 전극 웹(5)의 감지부를 감지하는 제1 감지 센서(57) 및 제2 전극 웹(10)의 감지부를 감지하는 제2 감지 센서(58)를 통해 제1 전극층(6) 및 제2 전극층(11)이 정렬된 상태인지 판단하는 정렬 여부 확인 단계, 제1 전극층(6) 및 제2 전극층(11)이 서로 정렬되지 않은 경우에 제1 전극층 보호 필름(7)과 제2 전극층 보호 필름(12)이 가접착될 지점에서 상기 제1 전극층(6) 및 상기 제2 전극층(11)이 정렬되도록, 제1 전극 웹(5)의 급지 속도 및 제2 전극 웹(10)의 급지 속도 중 적어도 하나의 급지 속도를 변경하여 제1 전극 웹(5) 및 제2 전극 웹(10)을 급지하는 급지 속도 조정 단계, 및 상기 제1 전극층 보호 필름(7)과 상기 제2 전극층 보호 필름(12)을 그들이 가접착될 지점에서 가접착하는 가접착 단계를 구비한다. 여기서 상기 감지부는 제1 전극층 보호 필름(7) 및 제2 전극층 보호 필름(12)에 동일하게 형성된 패턴(pattern)(PA1, PA2)(도 3 참조)일 수 있다.
여기서, 제1 전극층 보호 필름(7) 및 제2 전극층 보호 필름(12)의 폭(WD1)(도 5 참조)이 전해질막(2)의 폭(WD2)(도 5 참조)보다 크고, 전해질막(2)은 제1 전극층 보호 필름(7) 및 제2 전극층 보호 필름(12)의 폭(WD1) 방향으로 중앙에 배치되어, 상기 가접착 단계에서 제1 전극층 보호 필름(7)과 제2 전극층 보호 필름(12)의 폭(WD1) 방향으로 양측 단부가 서로 초음파 융착된다.
상기 전극 가열 압착 단계에서, 제1 전극층(6) 및 제2 전극층(11)은 미리 설정된 영역, 즉 상부 롤러(65) 및 하부 롤러(75)의 압착면(67, 77)(도 6 및 도 7 참조)과 접촉되는 부분에만 가압력이 작용하여 전해질막(2)에 압착되고, 상기 미리 설정된 영역을 벗어난, 제1 전극층(6) 및 제2 전극층(11)의 부분은 상기 제1 전극층 보호 필름 분리 단계 또는 상기 제2 전극층 보호 필름 분리 단계에서 전해질막(2)에서 분리된다.
여기서, 상기 제1 전극 웹 공급 단계는 제1 전극 웹 공급 롤러(23)에 의해 수행되고, 제2 전극 웹 공급 단계는 제2 전극 웹 공급 롤러(25)에 의해 수행되고, 상기 전해질막 공급 단계는 전해질막 공급 롤러(21)에 의해 수행되고, 상기 전극 정렬 단계는 전극 정렬 유닛(30)에 의해 수행되고, 상기 전극 가열 압착 단계는 전극 가열 압착 유닛(60)에 의해 수행되고, 상기 제1 전극층 보호 필름 분리 단계는 분리 웨지(93)와 제1 전극층 보호 필름 회수 롤러(94)에 의해 수행되고, 상기 제2 전극층 보호 필름 분리 단계는 분리 웨지(91)와 제2 전극층 보호 필름 회수 롤러(92)에 의해 수행되고, 상기 막-전극 조립체 권취 단계는 막-전극 조립체 권취 롤러(98)에 의해 수행된다. 상기 롤러들과 유닛들의 상세한 작동은 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 조립체 형성 장치(20)에 대한 설명에서 이미 언급하였으므로, 중복된 설명은 생략한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
1: 전해질막 웹 2: 전해질막
5,10: 전극 웹 6,11: 전극층
20: 막-전극 조립체 형성 장치 30: 전극 정렬 유닛
35,41: 피딩 롤러 53: 가접착기
57,58: 감지 센서 60: 전극 가압 압착 유닛
65,75: 상부 및 하부 롤러 98: 막-전극 조립체 권취 롤러

Claims (21)

  1. 제1 전극층, 및 상기 제1 전극층이 일 측면에 적층된 제1 전극층 보호 필름을 구비한 제1 전극 웹을 풀어 공급하는 제1 전극 웹 공급 롤러; 제2 전극층, 및 상기 제2 전극층이 일 측면에 적층된 제2 전극층 보호 필름을 구비한 제2 전극 웹을 풀어 공급하는 제2 전극 웹 공급 롤러; 전해질막을 풀어 공급하는 전해질막 공급 롤러; 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층이 상기 전해질막을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 가접착하여 상기 제1 전극 웹과 상기 제2 전극 웹을 정렬하고 가접착함으로써 막-전극 조립체 원단을 형성하는 전극 정렬 유닛; 상기 막-전극 조립체 원단을 상부 롤러와 하부 롤러 사이로 통과시켜 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층을 상기 전해질막에 가열 압착시킴으로써 막-전극 조립체를 형성하는 전극 가열 압착 유닛; 상기 전극 가열 압착 유닛을 통과한 막-전극 조립체 원단에서 상기 제1 전극층 보호 필름을 상기 막-전극 조립체와 분리하여 회수하는 제1 전극층 보호 필름 회수 롤러; 상기 전극 가열 압착 유닛을 통과한 막-전극 조립체 원단에서 상기 제2 전극층 보호 필름을 상기 막-전극 조립체와 분리하여 회수하는 제2 전극층 보호 필름 회수 롤러; 및, 상기 막-전극 조립체를 권취 및 수거하는 막-전극 조립체 권취 롤러;를 구비하고,
    상기 전극 정렬 유닛에서 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향 양 측 단부가, 양 자 사이에 상기 전해질막이 없이 서로 접촉되어 가접착되며, 상기 전해질막은 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름 중 어느 하나에도 가접착되지 않는 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전해질막 공급 롤러는 상기 전해질막의 일 측면에 전해질막 보호 필름이 부착된 전해질막 웹을 풀어 공급하며,
    상기 막-전극 조립체 형성 장치는, 상기 전해질막 웹이 상기 전극 정렬 유닛으로 진입하기에 앞서서 상기 전해질막 보호 필름을 상기 전해질막과 분리하여 회수하는 전해질막 보호 필름 회수 롤러;를 더 구비한 것을 특징으로 하는, 막-전극 조립체 형성 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 막-전극 조립체 형성 장치는, 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름이 상기 막-전극 조립체와 분리되고 상기 막-전극 조립체 권취 롤러에 권취되기에 앞서서, 막-전극 조립체 보호 필름을 상기 막-전극 조립체의 일 측면에 부착되도록 공급하는 막-전극 조립체 보호 필름 공급 롤러;를 더 구비한 것을 특징으로 하는, 막-전극 조립체 형성 장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 정렬 유닛은:
    상기 제1 전극 웹을 급지하는 제1 피딩 롤러; 상기 제2 전극 웹을 급지하는 제2 피딩 롤러; 상기 제1 전극 웹이 상기 제1 피딩 롤러를 통과하기에 앞서서 상기 제1 전극 웹의 감지부를 감지하는 제1 감지 센서; 상기 제2 전극 웹이 상기 제2 피딩 롤러를 통과하기에 앞서서 상기 제2 전극 웹의 감지부를 감지하는 제2 감지 센서; 상기 제1 피딩 롤러를 통과한 제1 전극 웹과 상기 제2 피딩 롤러를 통과한 제2 전극 웹 사이에 상기 전해질막을 개재하고, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 가접착(假接着)하는 가접착기; 및, 상기 제1 감지 센서 및 상기 제2 감지 센서로부터 전달된 감지 신호에 기초하여 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 정렬된 상태인지 판단하고, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 서로 정렬되지 않았다고 판단하는 경우 상기 제1 피딩 롤러와 상기 제2 피딩 롤러 중 적어도 하나의 급지 속도를 변경하여 상기 가접착기에 정렬된 상태로 상기 제1 전극 웹과 상기 제2 전극 웹이 공급되도록 하는 콘트롤러(controller);를 구비하는 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 가접착기에 의해 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름이 가접착될 때, 상기 제1 전극 웹에서는 상기 제1 전극층이 상기 제1 전극층 보호 필름보다 아래에 배치되어 상기 전해질막의 상측면에 접촉되고, 상기 제2 전극 웹에서는 상기 제2 전극층이 상기 제2 전극층 보호 필름보다 위에 배치되어 상기 전해질막의 하측면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 가접착기는 초음파 주파수 영역으로 진동하여 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 초음파 융착하는 융착 돌기를 구비하여, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름의 길이 방향을 따라 이격된 지점을 연속적으로 융착하는 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  8. 제7 항에 있어서
    상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭이 상기 전해질막의 폭보다 크고, 상기 전해질막은 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향으로 중앙에 배치되어,
    상기 가접착기에 의해 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향으로 양측 단부가 서로 초음파 융착되는 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름이 접착되도록 상기 가접착기 아래에서 상기 제1 전극 웹, 상기 제2 전극 웹, 및 상기 전해질막을 지지하는 지지 롤러를 더 구비하고,
    상기 지지 롤러의 급지 속도가 상기 제2 피딩 롤러의 급지 속도와 같은 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 지지 롤러와 상기 제2 피딩 롤러를 동력 전달 가능하게 연결하는 타이밍 벨트(timing belt)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  11. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 전극 웹의 감지부 및 상기 제2 전극 웹의 감지부는, 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름에 동일하게 형성된 패턴(pattern)인 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 가열 압착 유닛의 상부 롤러 및 하부 롤러는 각각, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층의 평면 형상과 크기에 대응되게 외주면에서 돌출된 복수의 압착면과, 서로 인접한 한 쌍의 전극층 사이의 이격 거리에 대응되게 서로 인접한 한 쌍의 압착면 사이에 오목하게 형성된 복수의 중앙 덴트(dent)와, 상기 상부 롤러 및 하부 롤러의 내부를 관통하는 것으로, 상기 상부 롤러 및 상기 하부 롤러의 외주면 온도를 상승시키는 열매체가 유동(流動)하는 열매체 유로를 구비한 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 상부 롤러 및 상기 하부 롤러는 상기 압착면의 양 측 경계와 접하여 오목하게 형성된 사이드 덴트(side dent)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 열매체는 70 내지 150℃ 온도의 오일(oil)인 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 막-전극 조립체 원단이 상기 상부 롤러 및 상기 하부 롤러 사이를 통과할 때 상기 압착면에 의해 상기 전해질막 측으로 가압되지 않은 전극층의 부분은, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름이 상기 막-전극 조립체와 분리될 때 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름에 붙어 상기 전해질막에서 분리되는 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 가열 압착 유닛은, 상기 원단이 상기 한 쌍의 롤러 사이를 통과하기에 앞서서 상기 제1 전극층 및 제2 전극층을 가열하는 예열기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 장치.
  17. 제1 전극층, 및 상기 제1 전극층이 일 측면에 적층된 제1 전극층 보호 필름을 구비한 제1 전극 웹을 풀어 공급하는 제1 전극 웹 공급 단계; 제2 전극층, 및 상기 제2 전극층이 일 측면에 적층된 제2 전극층 보호 필름을 구비한 제2 전극 웹을 풀어 공급하는 제2 전극 웹 공급 단계; 전해질막을 풀어 공급하는 전해질막 공급 단계; 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층이 상기 전해질막을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 가접착하여 상기 제1 전극 웹과 상기 제2 전극 웹을 정렬하고 가접착함으로써 막-전극 조립체 원단을 형성하는 전극 정렬 단계; 상기 막-전극 조립체 원단을 상부 롤러와 하부 롤러 사이로 통과시켜 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층을 상기 전해질막에 가열 압착시킴으로써 막-전극 조립체를 형성하는 전극 가열 압착 단계; 상기 막-전극 조립체 원단에서 상기 제1 전극층 보호 필름을 상기 막-전극 조립체와 분리하는 제1 전극층 보호 필름 분리 단계; 및, 상기 전극 가열 압착 단계 이후에 상기 막-전극 조립체 원단에서 상기 제2 전극층 보호 필름을 상기 막-전극 조립체와 분리하는 제2 전극층 보호 필름 분리 단계; 및, 상기 막-전극 조립체를 권취 및 수거하는 막-전극 조립체 권취 단계;를 구비하고,
    상기 전극 정렬 단계에서 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향 양 측 단부가, 양 자 사이에 상기 전해질막이 없이 서로 접촉되어 가접착되며, 상기 전해질막은 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름 중 어느 하나에도 가접착되지 않는 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 방법.
  18. 삭제
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 전극 정렬 단계는:
    상기 제1 전극 웹의 감지부를 감지하는 제1 감지 센서 및 상기 제2 전극 웹의 감지부를 감지하는 제2 감지 센서를 통해 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 정렬된 상태인지 판단하는 정렬 여부 확인 단계; 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 서로 정렬되지 않은 경우에 상기 가접착될 지점에서 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 정렬되도록, 제1 전극 웹의 급지 속도 및 상기 제2 전극 웹의 급지 속도 중 적어도 하나의 급지 속도를 변경하여 상기 제1 전극 웹 및 상기 제2 전극 웹을 급지하는 급지 속도 조정 단계; 및, 상기 가접착될 지점에서 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 가접착하는 가접착 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭이 상기 전해질막의 폭보다 크고, 상기 전해질막은 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향으로 중앙에 배치되어,
    상기 가접착 단계에서 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향으로 양측 단부가 서로 초음파 융착되는 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 방법.
  21. 제17 항에 있어서,
    상기 전극 가열 압착 단계에서, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 미리 설정된 영역에만 가압력이 작용하여 상기 전해질막에 압착되고,
    상기 미리 설정된 영역을 벗어난, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층의 부분은 상기 제1 전극층 보호 필름 분리 단계 또는 상기 제2 전극층 보호 필름 분리 단계에서 상기 전해질막에서 분리되는 것을 특징으로 하는 막-전극 조립체 형성 방법.
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