KR102160536B1 - 연료전지용 막전극접합체의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전사 공정에서 전극의 전체면적에 고른 압력을 가해주어 제품의 균일성을 확보하는 연료전지용 막전극접합체의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 연료전지용 막전극접합체의 제조방법은 전극슬러리를 지지체에 코팅하여 전극층을 형성하는 전극형성 단계와, 전극층을 전해질막의 양면에 각각 정렬하여 열과 압력을 가하여 전사시키는 전사 단계와, 지지체를 제거하는 단계를 포함하며, 전사 단계에서 신축성 소재의 기체압 가압판에 기체압을 가하여 전극층을 전해질막에 전사시킨다.
본 발명에 의하면, 전사 공정에서 전극의 전체면적에 고른 압력을 가해주어 제품의 균일성을 확보하므로써 품질을 향상시켜 연료전지의 성능을 높이는 효과가 있다.

Description

연료전지용 막전극접합체의 제조방법{Method for manufacturing membrane electrode assembly for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 막전극접합체의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 전사 공정에서 전극의 전체면적에 고른 압력을 가해주어 제품의 균일성을 확보하는 연료전지용 막전극접합체의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지를 말하며, 기본적으로는 보통의 화학전지와 유사하지만, 닫힌 계의 내부에서 전지반응을 하는 화학전지와 달리, 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고, 반응생성물이 연속적으로 계의 외부로 제거되면서 전지반응을 하게 된다.
이러한 연료전지는 고온(500~700℃)에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃정도에서 작동하는 인산 전해질형 연료전지, 100℃ 내지 상온에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지와 고분자 전해질형 연료전지 등이 있으며, 그 중 고분자 전해질형 연료전지는 다시 수소가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell : PEMFC), 액상의 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC) 등으로 구분된다.
특히, 상기 고분자 전해질형 연료전지는 석유에너지를 대체할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있으며, 무엇보다도 출력밀도와 에너지 전환효율이 높은데다 상온에서도 작동이 가능하기 때문에 전기자동차, 가정용 발전시스템, 레저용 전기기구 등의 분야에 폭넓게 사용 가능하다.
이러한 연료전지의 구성을 첨부한 도 1을 참조로 살펴보면, 가장 안쪽에 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 막전극접합체는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(10)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 전극층, 즉 캐소드(12: 공기극(cathode)) 및 애노드(14: 연료극(anode))로 구성되어 있다.
또한, 상기 전극막의 바깥 부분, 즉 캐소드(12) 및 애노드(14)가 위치한 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(16) 및 개스킷(Gasket)(18)이 차례로 적층되고, 상기 가스확산층(16)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 고정시키기 위한 엔드 플레이트(End plate)(30)가 결합된다.
따라서, 상기 연료전지 스택의 애노드(14)에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막(10)과 분리판(20)을 통하여 캐소드(12)극으로 이동하게 되어, 상기 캐소드(12)극에서는 애노드(14)극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 최종 생성된 전기에너지는 상기 엔드플레이트(30)의 집전판(미도시됨)을 통하여 전기에너지를 요하는 부하로 공급된다.
막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)를 제조하기 위해서는 고분자 전해질막의 양면에 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode) 전극을 위치시키는 기술이 필요하다. 그 기술은 크게 CCS(Catalyst Coated Substrate) 방식과 CCM(Catalyst Coated Membrane) 방식으로 나누어진다. CCS 방식은 MPL(Micro Porous Layer)를 포함한 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)에 촉매층을 형성한 후, 고분자 전해질막(Membrane)과 핫 프레싱(Hot-pressing)을 통해 접합하는 방식이고, CCM 방식은 주로 촉매층을 고분자 전해질막(Membrane)에 바로 접합시키는 방법을 말한다.
CCM 방식은 직접 코팅(Direct Coating) 방식과, 데칼 라미네이션(Decal Lamination) 방식으로 나누어지는데, 직접 코팅(Direct Coating) 방식은 전극 슬러리를 Membrane에 직접 코팅해 전극을 형성하는 방식이고, 데칼 라미네이션(Decal Lamination) 방식은 코팅 기재 필름에 전극층을 형성한 후, 열과 압력을 가해 고분자 전해질막(Membrane)에 전사 시키는 방식이다.
직접코팅 방식은 고가의 전사필름을 사용하지 않아도 되고, 전사 공정을 제거할 수 있으므로 가격 저감 및 공정 단순화에 있어 장점이 있으나, 전해질 막이 촉매 슬러리와 접촉하거나 수분에 노출되었을 때 쉽게 변하는 특성으로 인하여 양산을 위한 공정성을 확보하기 어렵다는 단점이 있다.
데칼 라미네이션(Decal Lamination) 방식은 촉매, 이오노머 및 용매가 혼합된 전극슬러리를 테프론, 이미드 필름(Imide film) 등과 같은 이형필름의 지지체 위에 코팅하고 건조하여 전극층(애노드 및 캐소드)을 생성한 다음, 전극층을 전해질막(이온전도막)의 양면에 각각 정렬한 후 열과 압력을 가하여 전사시키는 공정을 이용하는 방법이다. 데칼 라미네이션(Decal Lamination) 방식은 일반적으로 평판형 핫 프레스(Hot Press) 또는 롤 프레스(Roll Press)를 이용하여 전극을 고분자 전해질막(Membrane)에 전사시킨다.
이와 같이 CCM 방식으로 데칼 라미네이션을 할 때, 일반적으로 평판 프레스나 롤 프레스를 이용하여 열 전사를 실시할 경우에는 전극의 전체 면적에 고른 압력을 가해주기가 어렵고 이에 따라 제품의 균일성을 확보하기가 어렵고 품질이 저하하여 연료전지의 성능이 저하한다는 문제점이 있었다.
한국공개특허 제2004-0104839호(공개일: 2004.12.13.) 한국공개특허 제2007-0039360호(공개일: 2007.04.11.) 한국공개특허 제2009-0132420호(등록일: 2009.12.30.) 한국공개특허 제2013-0050154호(공개일: 2013.05.15.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 전사 공정에서 전극의 전체면적에 고른 압력을 가해주어 제품의 균일성을 확보하는 연료전지용 막전극접합체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 의한 연료전지용 막전극접합체의 제조방법은 전극슬러리를 지지체에 코팅하여 전극층을 형성하는 전극형성 단계와, 전극층을 전해질막의 양면에 각각 정렬하여 열과 압력을 가하여 전사시키는 전사 단계와, 지지체를 제거하는 단계를 포함하며, 전사 단계에서 신축성 소재의 기체압 가압판에 기체압을 가하여 전극층을 전해질막에 전사시킨다.
전사 단계에서 기체압 가압판에 기체압을 가할 때 기체가 충진된 챔버를 사용한다. 챔버에 충진되는 기체는 공기로 하는 것이 바람직하다. 기체압 가압판은 실리콘 패드 또는 실리콘 고무패드를 사용하는 것이 바람직하다.
전사 단계에서는 지지체의 상측에 기체압 가압판를 배치하고, 지지체와 기체압 가압판 사이를 진공으로 밀착시킨 후, 상측에서 기체가 충진된 챔버를 사용하여 기체압과 온도를 인가하여 가압한다.
전사 온도는 50 ~ 200 ℃로 하고 전사압력은 5~200 kgf/㎠로 하는 것이 바람직하다.
지지체는 테프론 필름, 이미드 필름, 폴리에스테르 필름, 폴리이미드 필름, 폴리아미드 필름, 폴리올레핀 필름, 염소 또는 불소치환 폴리올레핀 필름, 과불소화 폴리올레핀 공중합체 필름, 및 비닐계 고분자 필름으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용한다.
전극슬러리는 촉매, 이오노머 또는 카본계 물질, 용매를 포함하는 슬러리를 사용한다.
전극형성 단계에서는 전극 슬러리를 지지체 상에 10~200㎛의 두께로 코팅한다. 전극형성단계는 코팅 후, 상온~150℃에서 자연건조나 진공건조나 열풍건조나 NIR 건조나 과열증기 건조를 실시하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 막전극접합체의 제조방법에 의하면, 전사 공정에서 전극의 전체면적에 고른 압력을 가해주어 제품의 균일성을 확보하므로써 품질을 향상시켜 연료전지의 성능을 높이는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 연료전지의 개략 구성도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지용 막전극접합체의 제조방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지용 막전극접합체의 제조방법을 나타내는 공정도이다.
도 4은 도 2의 전사단계에서 기체압에 의한 압착(기체압착)으로 전사하는 예를 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 동일한 두께의 제품을 압착할 때, 종래 프레스로 압착하는 방법(도 5a)과 본 발명의 기체 압착 방법(도 5b)을 나타낸 설명도이다.
도 6a 및 도 6b는 서로 다른 두께의 제품을 압착할 때, 종래 프레스로 압착하는 방법(도 6a)과 본 발명의 기체 압착 방법(도 6b)을 나타낸 설명도이다.
도 7 및 도 8는 종래 프레스로 압착하는 방법에 따라 제조된 막전극접합체(M1)와 본 발명의 기체 압착 방법에 따라 제조된 막전극 접합체(M2)의 정전류 조건에서의 교류 임피던스를 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막전극접합체는 인산 전해질형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지로서 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC)와 직접 메탄올 연료전지(DMFC)와 고온용 PEMFC 등 다양한 전해질형 연료전지에 적용될 수 있다.
도 2은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지용 막전극접합체의 제조방법을 나타내는 플로우 차트이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지용 막전극접합체의 제조방법을 나타내는 공정도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 연료전지용 막전극접합체의 제조방법은 전극슬러리 준비단계(S110)와, 전극 형성단계(S120)과, 전사단계(S130)와, 지지체 제거단계(S140)를 포함한다.
전극슬러리 준비단계(S110)는 촉매, 이오노머 또는 카본계 물질, 용매를 혼합하여 전극슬러리를 준비하는 단계이다. 전극슬러리는 촉매, 이오노머 또는 카본계 물질, 용매를 포함하는 혼합물에 한정되지 않고 연료전지에서 전극층 또는 촉매층을 형성하기 위한 슬러리로 이용하는 것이면 사용가능하다.
촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 또는 2종 이상의 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 백금, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금을 사용할 수 있으며, 가장 바람직하게는 백금을 이용하는 것이다. 이때, 상기 M은 갈륨(Ga), 타이타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속인 것이 바람직하다.
이오노머는 에틸렌과 아크릴산 또는 메타크릴산의 공중합체를 금속 이온(Ca2＋, Ba2＋, Zn2＋ 등)으로 다리걸침한 폴리머로서, 프탈라지논과 페놀 기를 포함하는 단량체와 적어도 1종의 술폰화 방향족 화합물의 반응 생성물, 즉 술폰화 폴리(프탈라지논 에테르 케톤), 술폰화 폴리(프탈라지논 또는 술폰), 술폰화 방향족 중합체 화합물과, 테트라플루오르에틸렌과 플루오르비닐에테르의 공중합체 등이 사용가능하다.
카본계 물질은 탄소 분말, 카본 블랙, 카본 파이버, 플러렌, 그래핀, 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼, 카본 나노 링 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
용매는 물, 또는 탄소수 1 내지 5의 포화 또는 불포화 탄화수소를 주쇄로서 포함하는 알코올로부터 선택된 1 종 또는 2종이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않고 당업계에서 통상적으로 이용하는 것이면 어느 것이나 이용 가능하다.
전극슬러리는 분산정도와 점도는 코터를 이용한 전극층(촉매층)의 형성에 매우 중요하다. 전극슬러리의 점도는 10cps∼20,000cps로 조절되는 것이 바람직하며, 사용되는 용매의 종류에 따라 저 점도에서 코팅 특성이 우수한 물 또는 알코올 용매계 전극슬러리가 있으며, 고 점도에서 코팅 특성이 우수한 유기용매계 전극슬러리가 있다.
전극 형성단계(S120)는 전극슬러리를 지지체(110)에 코팅하여 전극층(120)을 형성하는 단계이다. 전극 형성단계(S120)에서는 전극슬러리를 지지체(110) 상에 5~200㎛의 두께로 코팅한다. 전극형성단계(S120)는 코팅 후, 상온~150℃에서 자연건조나 진공건조나 열풍건조나 NIR 건조나 과열증기 건조 등을 실시하는 단계를 포함한다.
지지체(110)는 테프론 필름, 이미드 필름, 폴리에스테르 필름, 폴리이미드 필름, 폴리아미드 필름, 폴리올레핀 필름, 염소 또는 불소치환 폴리올레핀 필름, 과불소화 폴리올레핀 공중합체 필름, 및 비닐계 고분자 필름으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용한다.
전극슬러리를 지지체(기재)상에 코팅할 때는 분산된 전극슬러리를 연속적 또는 간헐적으로 코터(coater)에 이송시킨 후 지지체(기재) 상에 10 ~ 200㎛의 건조두께로 균일하게 도포하는 것이 바람직하다. 더욱 상세하게는, 분산된 전극슬러리를 펌프를 통해서 연속적으로 다이(die), 그라비아(gravure), 바(bar), 콤마 코터(comma coater) 등의 코터에 이송한 후, 이를 지지체(기재) 위에 균일하게 전극층(촉매층)의 Wet 두께가 5∼200㎛, 더욱 바람직하게는 10∼100㎛로 도포하고 일정한 온도로 유지된 건조로를 통과시키면서 용매를 휘발시킨다. 지지체 위에 전극슬러리를 도포 및 건조하는 방법은 상기의 방법에 한정되지 않는다.
전극 형성단계(S120)에서, 전극층(120)의 건조는 상온~150℃에서 5분에서 24시간 동안 건조하는 것이 바람직하다.
전극 형성단계(S120) 후에는 건조된 전극층(120) 및 지지체(110)를 필요한 크기로 컷팅하여 전사단계(S130)을 행할 수 있다(도 4 참조). 도 3의 공정도에서는 지지체(110)가 컷팅되지 않은 상태를 나타낸다.
전사 단계(S130)는 전극층(120)을 전해질막(130)의 양면에 각각 정렬하여 열과 압력을 가하여 전사시키는 단계이다. 전사 단계(S130)에서는 신축성 소재의 기체압 가압판(FP)에 기체압을 가하여 전극층(120)을 전해질막(130)에 전사시킨다. 전사 단계(S130)에서 기체압 가압판(FP)에 기체압을 가할 때에는, 전극 형성단계(S130)에서 전극슬러리를 지지체(110)에 코팅한 전극층(120)을 전해질막에 접하도록 배치하고 베이스판(BP)에 안착시킨 후, 지지체(110)의 상측에 기체압 가압판(FP)를 배치하고, 지지체(110)와 기체압 가압판(FP) 사이를 진공으로 밀착시킨 후, 상측에서 기체가 충진된 챔버(CH)를 사용하여 기체압과 온도를 인가하여 가압한다.
챔버(CH)에 충진되는 기체는 공기로 하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지 않고 질소 등 다양한 기체가 사용될 수 있다. 기체는 콤프레셔(CP)에서 공급되게 한다. 기체압 가압판(FP)은 실리콘 패드 또는 실리콘 고무 패드를 사용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지 않고 신축성 있는 다양한 소재가 사용될 수 있다. 베이스판(BP)은 금속재 등 경질판으로 되어 있으며, 베이스 판(BP)에는 가열과 냉각을 해줄 수 있는 히터와 냉각라인이 구성된다.
챔버(CH)는 직사각형을 기본으로 다양한 형태로 구비될 수 있다. 챔버(CH)에는 시일링을 위한 오링(O-Ring) 부분이나 기타 시일링 방법의 부분이 부가되며, 챔버(CH)와 오링 압력 사이에는 ΔP(Delta pressure)가 유지되게 한다. 챔버(CH)의 하측에는 진공을 잡아줄 진공홀(Vacuum Hole)과 펌프가 구비된다. 진공은 지지체(110)와 기체압 가압판(FP)의 밀착성을 확보하기 위해 필요하므로 진공홀로부터 다양한 형태로의 진공라인이 필요하다.
한편, 챔버(CH)에는 기체의 가열과 냉각을 위한 히터와 냉각라인이 구비되며, 내부압력을 유지해 줄 수 있는 증압 밸브와 벤트용 솔레노이드 밸브 등 다양한 압력기기 및 압력조절기기가 구비된다.
이와 같이 전사 단계(S130)에서 신축성 소재의 기체압 가압판(FP)에 챔버(CH)를 사용하여 기체압과 온도를 인가하여 전극층(120)을 전해질막(130)에 전사시키게 되면, 전사 불량률이 감소하게 되고, 위치별 압력분포를 균일하게 하여(도 5b 참조), 제품의 품질향상(계면저항 감소, 계면 결착 특성 향상)이 가능하다. 또한, 서로 두께가 다른 전극층을 동시에 라미네이션 하는 것이 가능하게 되고(도 6b 참조), 다수의 전극층을 적층하여 전사가 가능하다.
전해질막(130)은 이온전도성 멤브레인으로서, 필름을 형성할 수 있을 정도의 기계적 강도 및 높은 전기화학적 안전성을 갖는 물질이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 또한, 상기 이온전도성 전해질막은 탄화수소계 고분자 전해질막, 불소계 고분자 전해질막 및 이들 중 하나 이상의 혼합물 또는 공중합체를 사용할 수 있다. 불소계 고분자 전해질막의 구체적인 예로서는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체가 있다. 플루오로비닐에테르 모이어티는 수소이온을 전도하는 기능을 갖는다. 상기 공중합체는 듀퐁(Dupont)사에서 나피온(Nafion)이라는 상품명으로 판매되고 있어서 상업적으로 입수가능하다.
전사 온도는 50 ~ 200 ℃로 하고 전사압력은 5~200 kgf/㎠로 하는 것이 바람직하다. 전사온도가 50℃ 미만이면 지지체(기재)상의 전극층이 전사가 제대로 이루어지지 않고, 200℃를 초과하면 전해질막 내 이오노머의 변성으로 전극층의 구조변성이 일어날 염려가 있다. 전사압력이 5kgf/㎠ 미만이면 지지체(기재)에서 전해질막으로 전사가 일어나지 않고, 200kgf/㎠을 초과하면 전극층(촉매층)이 과도하게 압착되어 전해질막에 물리적 손상 또는 전극층 내 기공 구조의 붕괴로 성능 저하의 원인이 될 수 있다.
지지체를 제거하는 단계(S140)는 전사단계 후에 지지체(110)을 제거하는 단계이다. 지지체(110)를 제거하고 필요에 따라 컷팅을 하면 막전극접합체(100)가 완성된다.
도 5a 및 도 5b는 동일한 두께의 제품을 압착할 때, 종래 프레스로 압착하는 방법(도 5a)과 본 발명의 기체 압착 방법(도 5b)을 비교하여 나타낸 설명도이이고, 도 6a 및 도 6b는 서로 다른 두께의 제품을 압착할 때, 종래 프레스로 압착하는 방법(도 6a)과 본 발명의 기체 압착 방법(도 6b)을 비교하여 나타낸 설명도이다.
도 5a와 도 5b, 도 6a와 도 6b에서 보는 바와 같이 본 발명에서 신축성 소재의 기체압 가압판에 기체압(공압 등)을 가하여 압착한 경우에는 평판 프레스나 롤 플레스를 사용한 경우에 비해, 도 5a에 도시한 바와 같이 기울어지거나 도 6a에 도시한 바와 같이 부분적으로 서로 다른 두께의 제품을 압착할 때 기울어지는 현상이 발생하지 않게 되며, 도 5b 및 도 6b에 도시한 바와 같이 전체의 압착면에 고른 면압 분포를 가지도록 가압해 줄 수 있다.
도 7 및 도 8은 종래 프레스로 압착하는 방법에 따라 제조된 막전극접합체(M1)와 본 발명의 기체 압착 방법에 따라 제조된 막전극 접합체(M2)의 정전류 조건에서의 교류 임피던스를 비교하여 나타낸 그래프이다.
임피던스 측정치는 전기화학적 임피던스 분광법(EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy)으로 가속 스트레스 시험(AST, Acclerated Stress Test) 후의 결과치를 나타내며, 그래프에서 가로 x축은 임피던스 실수부(Z’)이고, 세로 y축은 임피던스 허수부(Z”)이다. 임피던스 곡선이 가로 x축과 만나는 점에서의 실수부 값이 옴 저항(ohmic resistance)으로서 고분자 전해질 막저항 및 계면 저항이 포함되어 있는 저항 성분이다. 도 7은 0.3A/㎠의 전류에서 측정된 값을 그래프화한 것이며, 도 8은 1A/㎠의 전류밀도에서 측정된 값을 그래프화한 것이다.
표시된 바와 같이 본 발명의 기체 압착방법에 따라 제조된 막전극 접합체(M2)의 옴 저항값이 종래 프레스로 압착하는 방법에 따라 제조된 막전극접합체(M1)의 옴 저항값보다 작게 나타난다는 것을 알 수 있으며, 따라서, 본 발명의 기체 압착방법에 따라 제조된 막전극 접합체(M2)의 열화가 적고 저항이 감소하여 출력성능이 향상됨을 알 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (10)

  1. 전극슬러리를 지지체에 코팅하여 전극층을 형성하는 전극형성 단계와,
    상기 전극층을 전해질막의 양면에 각각 정렬하여 열과 압력을 가하여 전사시키는 전사 단계와,
    상기 지지체를 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 전사 단계에서 신축성 소재의 기체압 가압판에 기체압을 가하여 전극층을 전해질막에 전사시키되, 기체가 충진된 챔버를 사용하여 상기 기체압 가압판에 기체압을 가하는,
    연료전지용 막전극접합체의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버에는 상기 기체의 가열을 위한 히터와 상기 기체의 냉각을 위한 냉각 라인이 구비되어 있는, 연료전지용 막전극접합체의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버에 충진되는 기체는 공기로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체압 가압판은 실리콘 패드 또는 실리콘 고무패드를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전사단계에서는 상기 지지체의 상측에 상기 기체압 가압판를 배치하고, 상기 지지체와 상기 기체압 가압판 사이를 진공으로 밀착시킨 후, 상측에서 기체가 충진된 챔버를 사용하여 기체압과 온도를 인가하여 가압하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전사단계의 전사 온도는 50 ~ 200 ℃로 하고 전사압력은 5~200 kgf/㎠로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 제조방법
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지체는 테프론 필름, 이미드 필름, 폴리에스테르 필름, 폴리이미드 필름, 폴리아미드 필름, 폴리올레핀 필름, 염소 또는 불소치환 폴리올레핀 필름, 과불소화 폴리올레핀 공중합체 필름, 및 비닐계 고분자 필름으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극슬러리는 촉매, 이오노머 또는 카본계 물질, 용매를 포함하는 슬러리를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 제조방법
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극형성 단계에서는 상기 전극 슬러리를 상기 지지체 상에 5~200㎛의 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 제조방법
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극형성단계는 코팅 후 상온~150℃에서 자연건조나 진공건조나 열풍건조나 NIR 건조나 과열증기 건조를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체의 제조방법
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110265671A (zh) * 2019-07-08 2019-09-20 南京大学昆山创新研究院 一种燃料电池膜电极的制备方法及装置
CN111009668A (zh) * 2019-12-23 2020-04-14 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种膜电极边框贴合方法和贴合装置
CN113381045A (zh) * 2020-02-25 2021-09-10 山东魔方新能源科技有限公司 一种燃料电池膜电极及其制备方法
WO2023211055A1 (ko) * 2022-04-27 2023-11-02 주식회사 엘지에너지솔루션 예측 제어 장치 및 그의 동작 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010153188A (ja) * 2008-12-25 2010-07-08 Dainippon Printing Co Ltd 膜触媒層接合体、膜電極接合体、及びこれらの製造方法

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6416886A (en) 1987-07-10 1989-01-20 Nippon Telegraph & Telephone Adhesive equipment
JP3827808B2 (ja) 1997-04-30 2006-09-27 大日本印刷株式会社 転写シート及びそれを用いた化粧部材の製造方法
DE19903171C2 (de) 1999-01-27 2003-03-20 Saint Gobain Sekurit D Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Laminieren von Verbundscheiben
US6823584B2 (en) * 2001-05-03 2004-11-30 Ballard Power Systems Inc. Process for manufacturing a membrane electrode assembly
US20030205605A1 (en) * 2002-05-02 2003-11-06 William Gray Belt feed apparatus for continuous expanded graphite web
US20040042789A1 (en) 2002-08-30 2004-03-04 Celanese Ventures Gmbh Method and apparatus for transferring thin films from a source position to a target position
JP4163029B2 (ja) 2003-03-26 2008-10-08 三菱電機株式会社 固体高分子型燃料電池の膜電極接合体の製造方法
KR100555045B1 (ko) 2003-06-04 2006-03-30 성균관대학교산학협력단 전사방법을 이용한 연료전지용 전극 제조 방법 및 그전극을 포함하는 연료전지
JP4114617B2 (ja) 2004-02-19 2008-07-09 トヨタ自動車株式会社 膜電極接合体を構成する基材へ触媒層を形成する方法と装置
JP5049121B2 (ja) 2004-07-01 2012-10-17 ユミコア・アクチエンゲゼルシャフト・ウント・コムパニー・コマンディットゲゼルシャフト 集積膜電極アセンブリを製造するための積層法
US7569082B2 (en) 2004-10-07 2009-08-04 Gm Global Technology Operations, Inc. Manufacture of unitized electrode assembly for PEM fuel cells
JP2006134611A (ja) 2004-11-02 2006-05-25 Toyota Motor Corp 接合体製造装置及び接合体製造方法
KR20070039360A (ko) 2005-10-07 2007-04-11 삼성에스디아이 주식회사 전사공정을 이용한 막전극 접합체 제작방법
JP4911951B2 (ja) 2005-11-11 2012-04-04 ダイハツ工業株式会社 燃料電池及びその製造方法
JP2007149565A (ja) * 2005-11-29 2007-06-14 Toshiba Corp 燃料電池
KR100759436B1 (ko) * 2006-11-20 2007-10-04 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
JP5298453B2 (ja) * 2007-04-16 2013-09-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池セルの製造方法および製造装置
KR20090040124A (ko) 2007-10-19 2009-04-23 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
JP2009140653A (ja) 2007-12-04 2009-06-25 Toyota Motor Corp 膜・電極接合体の製造方法
KR100981132B1 (ko) 2008-06-20 2010-09-10 한국에너지기술연구원 수소이온전도성 멤브레인을 사용하는 연료전지 막전극접합체의 촉매 전사율을 향상하는 방법 및 이에 의해제조된 연료전지 막전극 접합체
CN101752570B (zh) 2008-12-04 2013-08-14 上海空间电源研究所 质子交换膜燃料电池电极制备方法
WO2010075492A1 (en) 2008-12-23 2010-07-01 E. I. Du Pont De Nemours And Company Process to produce catalyst coated membranes for fuel cell applications
JP2011187414A (ja) 2010-03-11 2011-09-22 Toyota Motor Corp 膜電極接合体の製造方法
KR101275155B1 (ko) * 2011-05-11 2013-06-17 한국화학연구원 고분자 전해질용 막-전극 어셈블리의 제조방법 및 그로부터 제조되는 막-전극 어셈블리
KR101326225B1 (ko) 2011-11-07 2013-11-11 (주) 디에이치홀딩스 연료전지용 막-전극 접합체 제조방법
JP5339550B2 (ja) 2011-11-10 2013-11-13 株式会社名機製作所 真空積層システムおよび真空積層成形方法
KR101315712B1 (ko) 2011-12-01 2013-10-10 기아자동차주식회사 연료전지 막전극 접합체 제조용 연속식 서브가스켓 접합 장치
TWI502792B (zh) * 2012-12-27 2015-10-01 Eternal Materials Co Ltd 薄膜電極及其製法
JP5707521B2 (ja) 2014-02-28 2015-04-30 敏雄 宇賀 転写装置及び転写方法
KR102238261B1 (ko) 2015-08-11 2021-04-09 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 막전극접합체의 제조 방법 및 제조 시스템
JP2017103220A (ja) 2015-11-19 2017-06-08 東レ株式会社 触媒層付電解質膜の製造方法および製造装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010153188A (ja) * 2008-12-25 2010-07-08 Dainippon Printing Co Ltd 膜触媒層接合体、膜電極接合体、及びこれらの製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP6895512B2 (ja) 2021-06-30
EP3522277A1 (en) 2019-08-07
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US20190245230A1 (en) 2019-08-08
JP2019530169A (ja) 2019-10-17
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CN109792067A (zh) 2019-05-21
CN109792067B (zh) 2022-03-08
KR20180036625A (ko) 2018-04-09

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