KR102415594B1

KR102415594B1 - 멤브레인 전극 조립체의 제조를 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102415594B1
Application number: KR1020197002244A
Authority: KR
Inventors: 존 베티; 리차드 쿤리페; 스튜어트 헉슬리; 리 알란 스위트랜드
Original assignee: 존슨 맛쎄이 푸엘 셀스 리미티드
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2022-07-04
Also published as: CN109478666B; JP2019527453A; JP6997117B2; EP3476001B1; GB201611174D0; US11398639B2; WO2018002598A1; US20190237788A1; CN109478666A; EP3476001A1; KR20190023090A

Abstract

본 발명은 제1 트랙을 따라 횡단가능한, 지지 플랫폼이 구비된 제1 캐리지; 제2 트랙을 따라 횡단가능한, 지지 플랫폼이 구비된 제2 캐리지; 상기 캐리지의 지지 플랫폼상으로 기체 확산 층을 포함하는 시트를 공급하기 위한 시트 공급 수단들; 및 제1 및 제2 트랙의 적어도 일부 사이로 이온-전도성 멤브레인을 포함하는 연속 웹을 공급하기 위한 공급 수단을 포함하며, 제1 및 제2 캐리지의 지지 플랫폼이 연속 웹과 대면하여 연속 웹의 양 측에 제1 및 제2 캐리지가 정렬되도록 배열되고, 이에 따라 이렇게 운반된 시트들을 연속 웹의 대향 측들에 정렬된 배열구조로 접착시키는데 적합한, 멤브레인 전극 조립체의 제조를 위한 시스템을 제공한다.

Description

멤브레인 전극 조립체의 제조를 위한 시스템 및 방법

본 개시내용은 멤브레인 전극 조립체 (MEA), 특히 연료 전지용 MEA의 제조를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 예컨대 촉매 코팅된 멤브레인 (CCM)에 대한 기체 확산 층 (GDL)의 결합에 의한 완전히 조립된 MEA의 고속 형성을 가능케 하는 시스템에 관한 것이다.

연료 전지는 전해질에 의해 분리된 2개의 전극을 포함하는 전기화학 전지이다. 수소 또는 알콜, 예컨대 메탄올 또는 에탄올과 같은 연료는 애노드로 공급되고, 산소 또는 공기와 같은 산화제는 캐소드로 공급된다. 전극에서는 전기화학 반응이 이루어지며, 연료와 산화제의 화학 에너지가 전기 에너지 및 열로 전환된다. 애노드에서의 연료의 전기화학적 산화 및 캐소드에서의 산소의 전기화학적 환원을 촉진하기 위하여, 전기촉매가 사용된다.

수소-연료 또는 알콜-연료 양성자 교환 멤브레인 연료 전지 (PEMFC)에서, 전해질은 전자 절연성이며 양성자 전도성인 고체 중합체 멤브레인이다. 애노드에서 생성되는 양성자는 멤브레인을 횡단하여 캐소드로 수송되며, 거기에서 그것은 산소와 조합되어 물을 형성한다. 가장 광범위하게 사용되는 알콜 연료는 메탄올이며, PEMFC의 이와 같은 변형은 종종 직접 메탄올 연료 전지 (DMFC)로 지칭된다.

PEMFC의 주요 구성요소는 멤브레인 전극 조립체 (MEA)로 알려져 있으며, 본질적으로 5개의 층으로 구성된다. 중심 층은 중합체성인 이온-전도성 멤브레인이다. 이온-전도성 멤브레인의 양 측상에는, 특정 전기촉매촉진 반응용으로 설계된 전기촉매를 함유하는 전기촉매 층이 존재한다. 마지막으로, 각 전기촉매 층에 인접하여 기체 확산 층이 존재한다. 기체 확산 층은 반응물들이 전기촉매 층에 도달하는 것을 가능케 해야 하며, 전기화학 반응에 의해 생성되는 전류를 전도해야 한다. 이에 따라, 기체 확산 층은 다공성 및 전기 전도성이어야 한다.

통상적으로, MEA는 두 가지 일반적인 접근법 중 하나에 의해 제작된다:

(i) 전기촉매 층이 GDL에 적용됨으로써, 기체 확산 전극 (GDE)을 형성할 수 있다. 2개의 GDE가 이온-전도성 멤브레인의 양 측에 위치되어 서로 라미네이트화됨으로써, MEA를 형성할 수 있다.

(ii) 전기촉매 층이 이온-전도성 멤브레인의 양 면에 적용됨으로써, CCM을 형성할 수 있다. 이어서, GDL이 CCM의 양 면에 적용된다.

통상적으로, 다공성 층의 가장자리를 밀봉함으로써 반응물 기체가 유출되어 혼합되는 것을 방지하기 위하여, 그리고 MEA의 가장자리를 보강 및 강화함으로써 임의의 노출되는 멤브레인 가장자리를 보호하고 MEA가 완전한 연료 전지로 조립될 때의 가스켓(gasket) 구성요소와의 차후의 결합에 강력한 표면을 제공하기 위하여, MEA의 주변부 주위에 밀봉 구성요소도 위치된다. 밀봉 구성요소는 CCM의 제작 동안과 같은 MEA 제작의 하나 이상의 단계에서 도입될 수 있거나, 또는 GDL에 도입되거나, 또는 제작 후의 완전한 MEA에 적용될 수 있다. 밀봉 구성요소가 CCM 또는 GDL에 적용되는 경우, 그것은 MEA 하위-구성요소들의 결합을 촉진하여 완전히 통합된 MEA를 산출하는 추가적인 기능도 제공할 수 있다.

MEA에 GDL을 통합하기 위한 대부분의 MEA 제작 방법은 승온 및 승압에서 구성요소들을 조합하는 것, 및 구성요소들 사이의 내구성이 있고 장기간 지속되는 결합을 달성하기에 충분한 특정 시간 기간 동안 유지하는 것을 포함하는 공정에 의해 하위-구성요소들을 서로 결합시키는 것에 의존한다. 그와 같은 고온-결합 또는 열-압축 공정은 또한 결합 촉진제의 존재, 또는 접착제가 존재하는 것에 의존한다. 접착제는 통상적으로 밀봉 구성요소 표면상에 고온-용융물 접착제의 박층 형태로 밀봉 구성요소와 함께 도입된다. 제조 비용을 감소시키고 제조 속도를 증가시키기 위한 노력으로써, 훨씬 더 빠른 연속식 릴-투-릴(reel-to-reel) CCM 및 MEA 제조 공정을 개발하는 데에 있어서 많은 최근의 진전이 이루어져 왔다. 그러나, 예를 들면 적합한 결합을 달성하기에 충분한 시간 동안 필요한 압력 및 열을 모두 적용하는 고온 닙 롤러(nip roller)를 사용하는 것에 의해 연속 방식으로 GDL이 적용된다 할지라도, 열-압축 단계에 의한 MEA상에의 GDL의 결합은 여전히 느린 공정으로 남아 있다.

이에 따라, 훨씬 더 빠른 속도로 완전히 통합된 MEA를 제조하면서도 또한 동시에 구성요소들의 매우 정밀한 정렬을 제공할 수 있는 개선된 시스템을 제공한다면 바람직할 것이다.

제1 측면에 따라, 본 개시내용은

제1 트랙을 따라 횡단가능한, 지지 플랫폼이 구비된 제1 캐리지;

제2 트랙을 따라 횡단가능한, 지지 플랫폼이 구비된 제2 캐리지;

상기 캐리지의 지지 플랫폼상으로 기체 확산 층을 포함하는 시트를 공급하기 위한 시트 공급 수단들; 및

제1 및 제2 트랙의 적어도 일부 사이로 이온-전도성 멤브레인을 포함하는 연속 웹을 공급하기 위한 공급 수단

을 포함하며, 제1 및 제2 캐리지의 지지 플랫폼이 연속 웹과 대면하여 연속 웹의 양 측에 제1 및 제2 캐리지가 정렬되도록 배열되고, 이에 따라 이렇게 운반된 시트들을 연속 웹의 대향 측들에 정렬된 배열구조로 접착시키는데 적합한, 멤브레인 전극 조립체의 제조를 위한 시스템을 제공한다.

임의로, 시스템은 제1 및 제2 캐리지에 의해 운반된 시트상으로 접착제를 분배하기 위한 하나 이상의 접착제 분배기를 추가로 포함한다.

지금부터, 본 발명을 추가 기술할 것이다. 하기 단락들에서는, 본 발명의 여러 측면들이 더욱 상세하게 정의된다. 분명하게 달리 표시되지 않는 한, 그렇게 정의되는 각 측면은 임의의 다른 측면 또는 측면들과 조합될 수 있다. 특히, 바람직하거나 유리한 것으로 표시되는 임의의 특징은 바람직하거나 유리한 것으로 표시되는 임의의 다른 특징 또는 특징들과 조합될 수 있다.

상기 시스템 및 방법의 이점은 완전히 통합된 MEA의 훨씬 더 높은 제조 산출 속도를 통해 측정될 수 있다. 상기한 바와 같은 통상적인 연속 제조 공정에서의 통상적으로 1-5 라인m/분 가량에 불과한 것과 비교할 때, GDL을 MEA로 통합하는 데에 본 발명의 시스템을 사용하면, 30 라인m/분의 라인 속도가 달성될 수 있다. 이점은 그것이 작동하는 데에 요구되는 노동력 및 공간과 함께 이와 같은 산출을 달성하기 위한 장비의 비용을 통하여서도 측정될 수 있다.

지금부터, 하기하는 비-제한적인 도면들과 관련하여 본 발명을 기술할 것인 바, 그 중:
도 1은 본원에서 기술되는 시스템의 개략도를 나타낸다.

시스템은 제1 트랙(100)을 따라 횡단가능한 제1 캐리지(105)를 포함하며, 제1 캐리지에는 지지 플랫폼(106)이 구비된다. 시스템은 또한 제2 트랙(200)을 따라 횡단가능한 제2 캐리지(205)를 포함하며, 제2 캐리지에는 지지 플랫폼(206)이 구비된다. 제1 및 제2 캐리지(105, 205)는 바람직하게는 실질적으로 동일한 설계의 것이다. 각각 지지 플랫폼(106, 206)이 구비되는 다수의 캐리지(105, 205)가 각 트랙(100, 200)상으로 제공될 수 있다. 제1 캐리지 및 제2 캐리지의 수는 적합하게는 동일하다. 제1 및 제2 캐리지의 정확한 수는 시스템의 크기, 제조될 MEA의 크기 등을 포함한 인자들의 수에 따라 달라지게 되는 바, 최적의 캐리지 수를 결정하는 것은 통상 기술자의 능력에 속한다.

시스템은 캐리지(105, 205)의 지지 플랫폼(106, 206)상으로 GDL을 포함하는 시트(124, 224)를 공급하기 위한 시트 공급 수단(120, 220)을 포함한다. 바람직하게는, 시트 공급 수단(120, 220)은 제1 트랙(100) 위에 위치되는 시트(124)를 공급하기 위한 제1 수단(120) 및 제2 트랙 위에 위치되는 시트(224)를 공급하기 위한 제2 수단(220)을 포함한다. 시트 공급 수단(120, 220)은 하기를 포함한다: GDL을 포함하는 재료의 롤을 풀어 GDL을 포함하는 재료의 스트립(122, 222)을 형성시키기 위한 스풀(121, 221); 스트립을 GDL을 포함하는 별개의 시트(124, 224)로 절단하기 위한 절단 수단(123, 223); 캐리지(105, 205)의 지지 플랫폼(106, 206)상에의 시트(124, 224)의 정밀한 위치지정을 위한 픽-앤드-플레이스 로봇(pick-and-place robot)(126, 226)으로 시트(124, 224)를 운반하기 위한 운반 수단(125, 225).

픽-앤드-플레이스 로봇(126, 226)에는 시트(124, 224)에 대한 물리적 접촉이 최소한이거나 없어서 그의 잠재적인 손상을 방지하는, 시트(124, 224)를 들어올리기 위한 장치가 구비된다. 이와 같은 장치는 비-접촉 그리퍼(gripper), 예를 들면 베르누이 유형 장치일 수 있다. 이와 같은 로봇(126, 226)은 정밀도를 위하여 컴퓨터 시각 검출 시스템을 사용할 수 있으며, 트랙 시스템상의 정적인/저속으로 움직이는 캐리지(105, 205)상 지지 플랫폼(106, 206)상에 시트(124, 224)를 위치시킬 수 있다. 캐리지는 이후 픽-앤드-플레이스 로봇으로부터 가속하여 멀어지며, 임의로 이후 필요한 위치에서 GDL의 표면상으로 접착제가 분배될 수 있다.

임의로, 시스템은 제1 및 제2 캐리지(105, 205)에 의해 운반되는 시트(124, 224)상에 접착제를 분배하기 위한 하나 이상의 접착제 분배기(110, 210)를 포함한다. 바람직하게는, 제1 및 제2 트랙(100, 200) 각각에 대하여 접착제를 적용하도록 배열되는 적어도 하나의 접착제 분배기(110, 210)가 존재한다. 바람직하게는, 하나 이상의 접착제 분배기(110, 210)는 제1 캐리지(105)에 의해 운반되는 시트(124)상에 접착제를 침착시키기 위한 제1 트랙(100) 위에 위치되는 제1 접착제 분배기(110), 및 제2 캐리지에 의해 운반되는 시트(224)상에 접착제를 침착시키기 위한 제2 트랙(200) 위에 위치되는 제2 접착제 분배기(210)를 포함한다.

시스템의 대안적인 실시양태에서는, 접착제 분배기(110, 210)가 존재하지 않으며, 시트(124, 224)에 적합한 접착제가 사전-적용되는데, 이 경우 접착제는 별개의 분리된 시트(124, 224)로 그것이 절단되기 전에, GDL을 포함하는 재료의 롤에 사전-적용된다.

시스템은 제1 및 제2 트랙(100, 200)의 적어도 일부 사이로 이온-전도성 멤브레인을 포함하는 연속 웹(55)을 공급하기 위한 공급 수단(50)을 포함한다. 공급 수단(50)은 정상적인 작동 동안 X 방향으로 연속 웹(55)의 실질적으로 연속적인 공급을 제공할 수 있다. X-방향은 제1 및 제2 트랙(100, 200) 각각의 일부에 평행하다. 연속 웹(55)은 정밀한 웹 조향장치가 구비된 롤 조작 장비를 사용하여 공급될 수 있다.

시스템은 제1 및 제2 캐리지(105, 205)의 지지 플랫폼(106, 206)이 연속 웹(55)을 면하여 연속 웹(55)의 양 측에 제1 및 제2 캐리지(105, 205)가 정렬되도록 배열되는데, 이에 따라 시스템은 정렬된 배열구조로 연속 웹(55)의 대향 측들에 이렇게 운반된 시트들(124, 224)을 접착시키는데 적합하다. 캐리지(105, 205)는 연속 웹(55)의 속도에 맞추도록 추진되며, 그것이 등록 센서(registration sensor) (미도시)를 사용하여 고도의 위치 정밀도로 시트(124, 224)를 움직여 움직이는 연속 웹(55)과 접촉하게 하도록 시간이 설정된다. 시스템은 고속으로 연속적으로 움직이는 웹에의 결합을 수행하면서도 +/- 250 ㎛의 각 GDL 결합에 있어서의 측면 위치 정밀도를 달성할 수 있다.

바람직하게는, 제1 및 제2 트랙(100, 200)은 캐리지를 추진시키기 위한 선형 모터(linear motor)를 포함하는 구동 수단을 포함한다. 바람직하게는, 트랙(100, 200)을 따라 캐리지(105, 205)를 추진시키는 시스템의 구동 수단은 각 캐리지를 가변 속도로 추진할 수 있다. 바람직하게는, 구동 수단은 접착제 분배기(110, 210) (존재하는 경우)에 인접해서는 시트 공급 수단(120, 220)에서 접착제 분배기(110, 210)로 이동할 때에 비해 더 낮은 속도로 트랙(100, 200)을 따라 캐리지(105, 205)를 추진하도록 배열된다.

다수-캐리지 트랙 기반 시스템 내에서의 선형 모터의 사용은 캐리지들이 서로 독립적으로 상이한 속도로 정지하고, 출발하고, 움직일 것을 필요로 하는 복잡한 작동들이 조합되는 것을 가능케 한다. 이와 같은 결과는 기존의 로봇-추진 픽 앤드 플레이스 기술을 사용하여서는 그렇게 효과적으로 달성할 수 없었다.

본 발명 시스템의 사용은 다른 방법으로는 반드시는 가능하지 않았을 고도의 위치 정밀도로 GDL을 결합하여 MEA를 형성시키기 위한 빠르게 연속적으로 움직이는 릴-투-릴 제조 공정을 가능케 한다.

본원에서 기술되는 바와 같은 시스템은 훨씬 더 높은 완전히 통합된 MEA 제조 속도가 달성되는 것을 가능케 한다. 이와 같은 시스템은 이온-전도성 멤브레인을 포함하는 연속 웹에의 GDL의 위치지정 및 결합이 30 라인m/분 가량의 속도로 달성되는 것을 가능케 하는 트랙 기반 캐리지 시스템의 형태이다.

바람직하게는, 제1 및 제2 캐리지(105, 205)의 지지 플랫폼(106, 206)은 캠(cam) 메카니즘을 통해 연속 웹(55)을 향해 그리고 그로부터 멀리 이동가능하며, 그에 따라 시스템은 연속 웹(55)의 대향 측들상으로 시트(124, 224)를 가압하기 위하여 연속 웹(55)의 양 측상에 정렬되었을 때 지지 플랫폼들(106, 206) 사이로 압력을 적용하도록 배열된다. 캐리지(105, 205)는 연속 웹(55)과 함께 움직이게 되며, 결합이 달성될 때까지 충분한 시간 동안 시트(124, 224)가 연속 웹(55)과 접촉되어 유지되도록 압력을 적용한다.

바람직하게는, 제1 트랙(100)은 제1 평면에서 루프(loop)를 형성하며, 제2 트랙(200)은 제2 평면에서 루프를 형성하는데, 제1 및 제2 평면은 평행하지 않다. 바람직하게는, 제1 및 제2 평면은 수직이다. 특히, 제1 및 제2 트랙(100, 200)은 제2 트랙(200)상의 캐리지(205)가 제1 트랙(100)상의 캐리지(105)와 실질적으로 동일한 배향을 유지하는 지지 플랫폼(206)의 상부 표면을 가짐으로써, 지지 플랫폼(106)상의 시트(124) 및 지지 플랫폼(206)상의 시트(224) 모두에 접착제를 적용하는 데에 중력이 사용될 수 있도록 배열될 수 있다. 제1 트랙(100)상의 캐리지는 이후 시트(124)에 접착제가 적용된 후에는 역전됨으로써 이후 그것이 연속 웹(55)의 상부-면 표면상으로 하강될 수 있는 지지 플랫폼(106)의 상부 표면을 갖는다.

일 실시양태에서, 연속 웹(55)은 그의 양 측상에 촉매 층을 갖는다 (즉 CCM임). 촉매 층은 이온-전도성 멤브레인 양 측상에 연속적인 코팅으로서 형성될 수 있거나, 또는 이온-전도성 멤브레인의 양 측상에 별개의 촉매 층 패치로서 제공될 수 있다.

대안적인 실시양태에서는, 시트들(124, 224)이 각각 GDL에 적용된 그 위의 촉매 층을 갖는다 (즉 기체 확산 전극 (GDE)임).

임의로, 연속 웹 (촉매 층을 포함하는 것 또는 촉매 층이 결여되어 있는 것 모두)은 이하에서 더 상세하게 기술되는 바와 같은 밀봉 구성요소를 포함할 수 있다.

추가적인 측면에 따라,

제1 트랙(100)을 따라, 지지 플랫폼(106)이 구비된 제1 캐리지(105)를 추진시키는 단계;

제2 트랙(200)을 따라, 지지 플랫폼(206)이 구비된 제2 캐리지(205)를 추진시키는 단계;

기체 확산 층을 포함하는 제1 시트(124)를 제1 캐리지(105)의 지지 플랫폼(106)상에 위치시키는 단계;

기체 확산 층을 포함하는 제2 시트(224)를 제2 캐리지(205)의 지지 플랫폼(206)상에 위치시키는 단계;

임의로, 제1 및 제2 시트(124, 224)상에 접착제를 분배하는 단계;

제1 및 제2 트랙(100, 200)의 적어도 일부 사이로 이온-전도성 멤브레인을 포함하는 연속 웹(55)을 공급하는 단계;

제1 및 제2 캐리지(105, 205)의 지지 플랫폼(106, 206)이 연속 웹(55)을 면하도록 연속 웹(55)의 양 측에 제1 및 제2 캐리지(105, 205)를 정렬함으로써, 연속 웹(55)의 대향 측들에 제1 및 제2 시트(124, 224)를 접착시키는 단계

를 포함하는, 멤브레인 전극 조립체를 제조하는 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기한 방법은 본원에서 기술되는 시스템과의 조합으로써 사용될 수 있다. 이에 따라, 시스템의 모든 측면들은 방법과의 조합으로써 개시되며, 그 반대도 마찬가지이다.

더욱 상세하게는, 예시적인 방법은 하기의 단계들을 포함할 수 있다:

1) GDL 절단

GDL은 통상적으로 롤 형태로 공급된다. GDL은 절단 수단(123, 223)에 의해 절단됨으로써 GDL을 포함하는 단일 시트(124, 224)를 제공하며, 그것은 운반 수단(125, 225)을 사용하여 픽-앤드 플레이스 로봇(126, 226)으로 수송된다. GDL의 롤은 회전 절단, 레이저 절단 또는 유사물을 사용하여 시트(124, 224)로 절단될 수 있다. 운반 수단(125, 225)은 적합하게는 진공 컨베이어이다.

2) GDL 조각의 피킹(picking)

먼저 센서에 의해 GDL 위치가 검출된다. 픽 앤드 플레이스 로봇(126, 226)이 비-접촉 그리퍼를 사용하여 GDL을 집어올린다. 그와 같은 그리퍼의 예는 기존의 베르누이 그리퍼 기술을 기반으로 하나, 고유의 설계가 되도록 개조된다. 이는 GDL 시트(124, 224)가 표면과 어떠한 물리적 접촉도 하지 않고 유지되는 것을 가능케 한다. 이는 조작 동안 탄소-섬유 기재 GDL 재료의 표면을 손상시킬 위험성을 상당히 감소시킨다. GDL 시트(124, 224)는 이후 바람직하게는 선형 모터 시스템에 의해 추진되는 캐리지(105, 205)의 지지 플랫폼(106, 206)상에 위치된다.

3) GDL 조각의 수송 및 접착제 적용

캐리지(105, 205)는 이후 GDL의 시트(124, 224)를 수송한다. 선형 모터의 이점은 그것이 위치지정 작동 동안 저속화된 다음, 거리를 만회하기 위하여 가속될 수 있다는 것이다. 다음에는, 이 지점에서 GDL의 상부 표면상으로 접착제의 분배가 이루어질 수 있다. 접착제가 UV 활성화와 같은 활성화를 필요로 하는 경우, 그것은 이 단계에서 수행될 수 있다. 시트(124, 224)로 그것이 절단되기 전에 GDL을 포함하는 재료의 스트립(122, 222)에 접착제가 사전-적용되는 경우, 이와 같은 단계는 생략될 수 있다.

4) MEA를 형성시키기 위한 GDL의 결합

GDL을 포함하는 시트(124, 224)는 트랙(100, 200) 주위로 움직여 이온-전도성 멤브레인을 포함하는 연속 웹(55)과 접촉된다. 설계의 의도는 하나의 선형 모터 트랙은 수직으로 정렬되고 다른 것은 수평 평면으로 위치되게 된다는 것이다. 이는 중력 추진 접착제 분배 공정을 위하여 GDL의 양 시트(124, 224)가 위를 향해 대면하는 것을 가능케 한다. 캐리지(105, 205)에서의 캠 이동은 웹과 접촉이 이루어지는 것을 가능케 하게 된다. 이는 적절한 양의 힘을 적용하도록 설계되게 된다.

5) 결합 기간

캐리지(105, 205)는 GDL을 포함하는 시트(124, 224)를 결합이 이루어지는 데에 필요한 기간 동안 이온-전도성 멤브레인을 포함하는 연속 웹(55)과 접촉시켜 유지한다. 필요한 기간은 사용된 접착제에 따라 달라지나, 통상적으로는 5초 미만이다. 최종 MEA 생성물은 공정 종료시에 별개 부품으로 절단되어 적층되거나, 또는 나중의 가공을 위한 연속 롤-제품 생성물로서 저장되는 것 중 어느 하나이다. 별개의 부품으로서 저장하는 것의 경우, 조립된 웹은 최종 절단 스테이션(60)을 통해 가공되는데, 절단하기 전에 치수 점검이 완료된다. 롤상 패키지화의 경우, MEA를 지지하기 위하여 이 단계에서는 선형 필름 (미도시)이 도입된다. 절단 공정이 여전히 사용될 수 있으나, 절단이 단지 키스 컷(kiss cut)이어서, 라이너를 무손상으로 유지하는데, 이는 이후 통합된 MEA의 웹이 스풀상에 권취되는 것을 가능케 한다.

본 발명의 제조 시스템은 몇 가지 핵심적인 특징들을 갖는다:

* 작은 기계 공간

* 하나는 수직이고 하나는 수평인 트랙 기반 선형 모터 시스템

* 캐리지가 상이한 속도로 이동하는 것을 가능케 하는 선형 모터 시스템의 사용

* 광범위한 MEA 크기에 적합해서, 하나의 기계에서 광범위한 MEA 제품들이 제조될 수 있음.

재료

시트(124, 224)는 기체 확산 층 (GDL)을 포함한다. 통상적인 GDL은 적합하게는 통상적인 부-직 탄소 섬유 기체 확산 기재, 예컨대 경질 시트 탄소 섬유 종이 (예를 들면 일본 소재 토레이 인더스트리스(Toray Industries) Inc. 사로부터 구입가능한 TGP-H 시리즈의 탄소 섬유 종이) 또는 롤-제품 탄소 섬유 종이 (예를 들면 독일 소재 프로이덴베르그(Freudenberg) FCCT KG 사로부터 구입가능한 H2315 기재 시리즈; 독일 소재 SGL 테크놀로지스(Technologies) GmbH 사로부터 구입가능한 시그라셋(Sigracet)® 시리즈; 또는 미국 소재 에이브이카브 머티어리얼 솔루션즈(AvCarb Material Solutions) 사로부터 구입가능한 에이브이카브® 시리즈), 또는 직조 탄소 섬유 직물 기재 (예를 들면 이탈리아 소재 사티 그룹(SAATI Group), S.p.A. 사로부터 구입가능한 SCCG 시리즈의 탄소 직물)를 기재로 한다. 많은 PEMFC (직접 메탄올 연료 전지 (DMFC) 포함) 적용분야에 있어서, 부-직 탄소 섬유 종이 또는 직조 탄소 섬유 직물 기재는 통상적으로 기체 확산 층을 형성하기 위하여 소수성 중합체 처리, 및/또는 기재 내에 매립되거나 평면상에 코팅되는 것 중 어느 하나인 미립자 물질을 포함하는 미세다공성 층의 적용, 또는 양자의 조합에 의해 개질된다. 상기 미립자 물질은 통상적으로 카본 블랙과 중합체 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)의 혼합물이다. 적합하게는 GDL은 두께 100 내지 400 ㎛ 사이이다. 바람직하게는, 촉매 층에 접촉되는 GDL의 면상에는 카본 블랙 및 PTFE와 같은 미립자 물질의 층이 존재한다.

연속 웹(55)은 임의로 각 측상에 전기촉매 재료가 제공되는 이온-전도성 멤브레인이다. 이온-전도성 멤브레인은 PEMFC에서 사용하기에 적합한 임의의 멤브레인일 수 있는데, 예를 들면 멤브레인은 퍼플루오린화 술폰산 재료 예컨대 나피온(Nafion)™ (케모우르스 캄파니(Chemours Company) 사), 아퀴비온(Aquivion)® (솔베이 스페셜티 폴리머스(Solvay Specialty Polymers) 사), 플레미온(Flemion)™ (아사히 글래스 그룹(Asahi Glass Group) 사) 및 아시플렉스(Aciplex)™ (아사히 카세이 케미칼스(Asahi Kasei Chemicals) Corp 사)를 기재로 할 수 있다. 대안적으로, 멤브레인은 술폰화 탄화수소 멤브레인 예컨대 푸마펨(Fumapem)® P, E 또는 K 시리즈의 제품으로서 푸마-테크(FuMA-Tech) GmbH 사로부터, JSR 코포레이션(Corporation) 사, 토요보 코포레이션(Toyobo Corporation) 사 등으로부터 구입가능한 것들을 기재로 할 수 있다. 대안적으로, 멤브레인은 120 ℃ 내지 180 ℃ 범위에서 작용하게 되는 인산을 사용하여 도핑된 폴리벤즈이미다졸을 기재로 할 수 있다.

이온-전도성 멤브레인은 이온-전도성 멤브레인에 기계적 강도를 부여하는 1종 이상의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 이온-전도성 멤브레인은 다공성 보강 재료, 예컨대 팽창된 PTFE 재료 또는 나노섬유 네트워크를 함유할 수 있다.

이온-전도성 멤브레인은 멤브레인 일 면 또는 양 면상의 층, 또는 멤브레인 내에 매립되는 것 중 어느 하나로서 1종 이상의 수소 퍼옥시드 분해 촉매를 포함할 수 있다. 사용하기에 적합한 수소 퍼옥시드 분해 촉매의 예에 대해서는 관련 기술분야 통상의 기술자에게 알려져 있는데, 금속 산화물, 예컨대 세륨 산화물, 망가니즈 산화물, 티타늄 산화물, 베릴륨 산화물, 비스무트 산화물, 탄탈럼 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 바나듐 산화물 및 란타넘 산화물; 적합하게는 세륨 산화물, 망가니즈 산화물 또는 티타늄 산화물; 바람직하게는 이산화세륨 (세리아)이 포함된다.

이온-전도성 멤브레인 구성요소는 임의로 재조합 촉매, 특히 각각 애노드 및 캐소드로부터 멤브레인으로 확산되어 물을 생성시킬 수 있는 미반응 H₂ 및 O₂의 재조합을 위한 촉매를 포함할 수 있다. 적합한 재조합 촉매는 고도 표면적 산화물 지지 재료 (예컨대 실리카, 티타니아, 지르코니아)상의 금속 (예컨대 백금)을 포함한다. 재조합 촉매의 더 많은 예가 EP0631337호 및 WO00/24074호에 개시되어 있다.

이온-전도성 멤브레인은 또한 메브레인의 가장자리를 밀봉 및/또는 보강하기 위하여 일 측 또는 양 측에 적용되는 밀봉 구성요소를 포함할 수 있다. 밀봉 구성요소는 멤브레인의 각 가장자리를 따라 일 측 또는 양 측상에 스트립으로서 적용될 수 있거나, 또는 일 측 또는 양 측상에 래더(ladder) 배열로 적용될 수 있다.

제조 공정은 GDL을 포함하는 시트에 접착제를 적용하는 것과 조합되는 것이 바람직한데, 이는 매우 빠른 결합 시간이 달성되는 것을 가능케 하게 된다. 이와 같은 속성-작용 접착제는 5초 미만, 더욱 바람직하게는 2초 미만 이내에 결합이 달성되는 것을 가능케 한다. 바람직하게는, 접착제는 기존 점착성인(already tacky) 압력 감지 접착제, 또는 속성 경화 접착제 예컨대 소정 유형의 시아노아크릴레이트, 에폭시드 등이다. 이러한 접착제들은 결합 전에 작용하여 압력-감지 형태의 접착제를 생성시키도록 설계되거나, 또는 GDL이 멤브레인 웹과 접촉될 때 접착제의 결합 특징을 촉진하도록 설계되는 것 중 어느 하나인 UV 경화가능 특성을 가질 수도 있다.

대부분의 선행 기술이 현재 많이 확립되어 있기는 하지만 요구되는 결합 시간에 충분하게 빠르게 처리될 수는 없는 고온 용융물 또는 유사 접착제에 초점을 맞추고 있기 때문에, 속성-작용 접착제의 사용이 대두되고 있다. 연료 전지 환경을 견딜 수 있는 속성-작용 접착제를 찾는 것도 일반적으로 그것이 그렇게 내구성이 아니기 때문에 더욱 까다롭다.

본 발명자들은 통상적으로 실리콘 또는 아크릴 기재의 중합체 접착제, 그리고 시아노아크릴레이트 및 에폭시드인 소정의 압력 감지 접착제가 적합하다는 것을 발견하였다. 에폭시드의 경우, 그것은 경화 과정을 빠르게 개시하는 데에 UV를 사용하는 유형, 그리고 더 오랜 시간 기간에 걸쳐 경화가 이루어지면서도 즉각적으로 재료들을 함께 유지하는 높은 그린 강도(green strength)를 가지는 유형이 포함된다. 이들은 요구되는 결합 시간을 달성할 수 있으며, 그의 수명 동안 연료 전지 성능에 대하여 어떠한 부정적인 효과도 가지지 않는다.

대안적으로, 통상적인 고온 용융물 접착제를 사용하는 것이 가능할 수 있는데, 이 경우 본 발명의 시스템 및 방법은 결합 과정 동안 가열 단계를 포함하게 된다. 본질적으로 더 시간-소비적인 열 결합 과정을 포함하기는 하지만, 캐리지를 보유하는 트랙을 더 길게 하는 것, 그리고 더 긴 트랙에 더 많은 캐리지를 첨가하는 것에 의해, 본 발명의 제조 시스템을 사용하여 고온 용융물 접착제를 사용하면서도 30 라인m/분의 높은 전체 제조 속도를 달성하는 것이 여전히 가능하다.

접착제 성분은 GDL상에 침착되거나 적용될 수 있는 유체 또는 점성 페이스트일 수 있다. 침착 기술에는 그라비아, 슬롯 다이, 액적 침착, 잉크-젯팅 및 분무가 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 접착제 성분은 비드 또는 액적, 좁은 별개의 스트립, 또는 연속적인 코팅 층의 형태로 GDL의 가장자리 주위에 침착될 수 있다. 접착제 성분은 침착될 때 임의로 건조 및/또는 경화되며, 적합하게는 두께 1-20 ㎛, 바람직하게는 두께 1-6 ㎛로 결합된다.

대안적으로, 적합한 접착제는 개별 시트로 절단되기 전에 GDL상에 제공될 수 있는데, 이 경우 접착제는 별개의 개별 시트(124, 224)로 그것이 절단되기 전에 GDL을 포함하는 재료의 롤에 사전-적용된다. 이와 같은 실시양태에서는, 본 발명의 시스템 중 임의적인 접착제 분배기(110, 210)가 필요하지 않다. 이와 같은 경우, 바람직한 접착제는 통상적인 고온 용융물 접착제 또는 소정의 압력 감지 접착제이다. 시아노아크릴레이트 및 에폭시드와 같이 일단 분배되고 나면 빠르게 최종 상태로 경화되는 접착제는 GDL 재료 롤에의 사전-적용에 적합하지 않다. 압력 감지 접착제의 경우, 그것이 점착성이 되는 상태로의 약간의 경화가 이루어질 수 있는데, 접착제의 분배 전에 방출가능 라이너 재료의 적합한 롤이 GDL 롤과 상호배치되는(interleaved) 경우, 이들은 사전-적용에 여전히 적합하다.

촉매 재료는 1종 이상의 전기촉매들을 포함한다. 상기 1종 이상의 전기촉매들은 개별적으로 미분할된 비지지 금속 분말, 또는 소형 나노입자가 전기 전도성인 미립자 탄소 지지체상에 분산되어 있는 지지 촉매이다. 전기촉매 금속은 적합하게는 하기에서 선택된다:

(i) 백금족 금속 (백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐 및 오스뮴),

(ii) 금 또는 은,

(iii) 비금속

또는 이러한 금속들 또는 그의 산화물들 중 1종 이상을 포함하는 합금 또는 혼합물.

바람직한 전기촉매 금속은 백금으로써, 그것은 다른 귀금속 또는 비금속과 함금될 수 있다. 전기 촉매가 지지 촉매인 경우, 탄소 지지 재료상에서의 금속 입자의 적재량은 적합하게는 생성되는 전기촉매 중량의 10-90 중량%, 바람직하게는 15-75 중량% 범위이다.

사용되는 정확한 촉매 재료는 그것이 촉매촉진하기로 예정된 반응에 따라 달라지게 되며, 그 선택은 통상 기술자의 능력에 속한다.

본 발명의 바람직한 실시양태들을 여기에서 상세하게 기술하기는 하였지만, 관련 기술분야 통상의 기술자라면, 본 발명 또는 첨부된 청구범위의 영역에서 벗어나지 않고도 그에 대하여 변형이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims

멤브레인 전극 조립체의 제조를 위한 시스템으로서,
제1 트랙을 따라 횡단가능한, 지지 플랫폼이 구비된 제1 캐리지;
제2 트랙을 따라 횡단가능한, 지지 플랫폼이 구비된 제2 캐리지;
상기 캐리지의 지지 플랫폼상으로 기체 확산 층을 포함하는 시트를 공급하기 위한 시트 공급 수단들; 및
제1 및 제2 트랙의 적어도 일부 사이로 이온-전도성 멤브레인을 포함하는 연속 웹을 공급하기 위한 공급 수단
을 포함하며,
시스템은 제1 및 제2 캐리지의 지지 플랫폼이 연속 웹과 대면하여 연속 웹의 양 측에 제1 및 제2 캐리지가 정렬되도록 배열되고, 이에 따라 이렇게 운반된 시트들을 연속 웹의 대향 측들에 정렬된 배열구조로 접착시키는데 적합하며,
시스템은 다수의 제1 및 제2 캐리지를 포함하고,
제1 트랙은 제1 캐리지를 서로 독립적으로 상이한 속도로 제1 트랙을 따라 추진시키기 위한 선형 모터를 포함하며,
제2 트랙은 제2 캐리지를 서로 독립적으로 상이한 속도로 제2 트랙을 따라 추진시키기 위한 선형 모터를 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 캐리지에 의해 운반된 시트상으로 접착제를 분배하기 위한 하나 이상의 접착제 분배기를 추가로 포함하는 시스템.
제2항에 있어서, 하나 이상의 접착제 분배기가, 제1 캐리지에 의해 운반되는 시트상에 접착제를 침착시키기 위한 제1 트랙 위에 위치되는 제1 접착제 분배기, 및 제2 캐리지에 의해 운반되는 시트상에 접착제를 침착시키기 위한 제2 트랙 위에 위치되는 제2 접착제 분배기를 포함하는 것인 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 캐리지의 지지 플랫폼이 제1 트랙을 향해 그리고 그로부터 멀리 이동가능하고;
제2 캐리지의 지지 플랫폼이 제2 트랙을 향해 그리고 그로부터 멀리 이동가능하며;
이에 따라 시스템은 연속 웹의 대향 측들상으로 시트를 가압하기 위하여 연속 웹의 양 측상에 정렬되었을 때 지지 플랫폼들 사이로 압력을 적용하도록 배열되는 것인
시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 트랙이 제1 평면에서 루프를 형성하고,
제2 트랙이 제2 평면에서 루프를 형성하며,
제1 평면과 제2 평면은 평행하지 않은 것인
시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 시트 공급 수단이, 제1 트랙 위에 위치되는 시트를 공급하기 위한 제1 시트 공급 수단, 및 제2 트랙 위에 위치되는 시트를 공급하기 위한 제2 시트 공급 수단을 포함하는 것인 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 시트 공급 수단이,
기체 확산 층을 포함하는 재료의 롤을 풀어서 기체 확산 층을 포함하는 재료의 스트립을 형성시키기 위한 스풀; 및
스트립을 별개의 시트로 절단하기 위한 절단 도구
를 포함하는 것인 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 시트 공급 수단이 픽-앤드-플레이스 로봇(pick-and-place robot)을 포함하는 것인 시스템.
제8항에 있어서, 시트 공급 수단이, 픽-앤드-플레이스 로봇으로 시트를 운반하기 위한 운반 수단을 추가로 포함하는 것인 시스템.
멤브레인 전극 조립체를 제조하는 방법으로서,
제1 트랙을 따라, 지지 플랫폼이 구비된 다수의 제1 캐리지를 추진시키는 단계;
제2 트랙을 따라, 지지 플랫폼이 구비된 다수의 제2 캐리지를 추진시키는 단계;
기체 확산 층을 포함하는 제1 시트를 제1 캐리지의 지지 플랫폼상에 위치시키는 단계;
기체 확산 층을 포함하는 제2 시트를 제2 캐리지의 지지 플랫폼상에 위치시키는 단계;
임의로, 제1 및 제2 시트상에 접착제를 분배하는 단계;
제1 및 제2 트랙의 적어도 일부 사이로 이온-전도성 멤브레인을 포함하는 연속 웹을 공급하는 단계;
제1 및 제2 캐리지의 지지 플랫폼이 연속 웹과 대면하도록 연속 웹의 양 측에 제1 및 제2 캐리지를 정렬함으로써, 연속 웹의 대향 측들에 제1 및 제2 시트를 접착시키는 단계
를 포함하고,
제1 트랙을 따라 제1 캐리지를 추진시키는 단계가, 제1 캐리지를 서로 독립적으로 상이한 속도로 제1 트랙을 따라 추진시키는 것을 포함하고;
제2 트랙을 따라 제2 캐리지를 추진시키는 단계가, 제2 캐리지를 서로 독립적으로 상이한 속도로 제2 트랙을 따라 추진시키는 것을 포함하는 것인 방법.
제10항에 있어서, 제1 및 제2 시트가 기체 확산 층을 포함하고, 연속 웹이 촉매-코팅된 멤브레인을 포함하는 것인 방법.
제10항에 있어서, 제1 및 제2 시트가 촉매-코팅된 기체 확산 층을 포함하고, 연속 웹이 이온-전도성 멤브레인을 포함하는 것인 방법.
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