KR102474500B1 - Method for manufacturing reinforcing layer of fuel cell electrolyte membrane - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 전해질막을 구성하는 강화층 시트의 기공에 이오노머를 수월하게 함침시키기 위한 전해질막용 강화층 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 원심력을 이용하여 전해질막용 강화층의 기공에 이오노머를 함침시켜 이오노머의 함침성을 향상시킴으로써 소수성을 띠는 강화층 시트에 친수성 이오노머도 수월하게 함침시킬 수 있도록 하는 연료전지의 전해질막용 강화층 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention relates to a method for manufacturing a reinforced layer for an electrolyte membrane for easily impregnating the pores of a reinforced layer sheet constituting an electrolyte membrane of a fuel cell with ionomer. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a reinforcement layer for an electrolyte membrane of a fuel cell, in which a hydrophilic ionomer can be easily impregnated into a hydrophobic reinforcement layer sheet by improving the impregnation property of the fuel cell.

Description

연료전지 전해질막용 강화층 제조 방법 {Method for manufacturing reinforcing layer of fuel cell electrolyte membrane}Method for manufacturing reinforcing layer of fuel cell electrolyte membrane}

본 발명은 연료전지 전해질막용 강화층 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지의 전해질막을 구성하는 강화층 시트의 표면에 이오노머를 수월하게 함침시키기 위한 전해질막용 강화층 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for manufacturing a reinforcement layer for an electrolyte membrane of a fuel cell, and more particularly, to a method for manufacturing a reinforcement layer for an electrolyte membrane for easily impregnating an ionomer into the surface of a reinforcement layer sheet constituting an electrolyte membrane of a fuel cell.

연료전지는 연료 가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전 장치이다.A fuel cell is a power generation device that converts chemical energy of fuel into electrical energy by electrochemically reacting fuel gas and oxidant gas.

연료전지의 핵심 부품인 전극막접합체(MEA:Membrane-Electrode Assembly)는 두 개의 전극이 전해질막의 양면에 접합된 형태로 이루어진다. 상기 두 개의 전극은 애노드(Anode, 혹은 수소극)와 캐소드(Cathode, 혹은 공기극)로 구분될 수 있으며, 전해질막은 연료전지 시스템으로 유입되는 수소와 공기(또는 산소)를 분리시켜주고 수소 이온을 이동시키는 역할을 한다.A Membrane-Electrode Assembly (MEA), a key component of a fuel cell, is formed in the form of two electrodes bonded to both sides of an electrolyte membrane. The two electrodes can be divided into an anode (or hydrogen electrode) and a cathode (or air electrode), and the electrolyte membrane separates hydrogen and air (or oxygen) flowing into the fuel cell system and moves hydrogen ions play a role in

이러한 전극막접합체는 수소연료전지 차량용 연료전지에 적용시 높은 수준의 기계적 내구성을 요구받게 되며, 이때 기계적 내구성은 전해질막의 물리적/화학적 특성과 밀접한 관련이 있다.Such an electrode membrane assembly requires a high level of mechanical durability when applied to a fuel cell for a hydrogen fuel cell vehicle. At this time, the mechanical durability is closely related to the physical/chemical characteristics of the electrolyte membrane.

상기 전해질막을 구성하는 이오노머는 기본 화학구조에 따라 불소계와 탄화수소계로 나누어지는데, 탄화수소계 이오노머는 화학적으로 취약하여 주로 불소계 이오노머를 사용하여 전해질막을 제조한다.Ionomers constituting the electrolyte membrane are divided into fluorine-based and hydrocarbon-based ionomers according to their basic chemical structures. Hydrocarbon-based ionomers are chemically weak, so fluorine-based ionomers are mainly used to prepare electrolyte membranes.

종래에는 불소계 이오노머를 사용한 전해질막 즉, 불소계 전해질막의 기계적 내구성을 강화시키기 위해, 전해질막 내부에 강화층과 강화층 지지체를 포함하는 복합막 형태로 전해질막을 제조하였다.Conventionally, in order to enhance the mechanical durability of an electrolyte membrane using a fluorine-based ionomer, that is, a fluorine-based electrolyte membrane, an electrolyte membrane was prepared in the form of a composite membrane including a reinforcement layer and a reinforcement layer support inside the electrolyte membrane.

복합막 형태의 전해질막에 사용되는 강화층은 PTFE 연신(polytetrafluoroethylene expansion)을 통해 제조할 수 있으나, 소수성을 띠는 e-PTFE(expanded-PTFE) 표면 즉, 소수성의 강화층 표면에 친수성 이오노머를 함침시키기 어려운 문제점이 있다.
The reinforced layer used in the electrolyte membrane in the form of a composite membrane can be manufactured through PTFE expansion (polytetrafluoroethylene expansion), but the surface of the hydrophobic e-PTFE (expanded-PTFE), that is, the surface of the hydrophobic reinforced layer is impregnated with a hydrophilic ionomer. There are problems that are difficult to do.

한국공개특허 10-2009-0062790호(2009년06월17일)Korean Patent Publication No. 10-2009-0062790 (June 17, 2009)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 원심력을 이용하여 전해질막용 강화층의 기공에 이오노머를 함침시켜 이오노머의 함침성을 향상시킴으로써 소수성을 띠는 강화층 시트의 기공에 친수성 이오노머도 수월하게 함침시킬 수 있도록 하는 연료전지의 전해질막용 강화층 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention was made in view of the above problems, and by impregnating the pores of the reinforcing layer for an electrolyte membrane with ionomer using centrifugal force to improve the impregnation of the ionomer, it is easy to apply the hydrophilic ionomer to the pores of the hydrophobic reinforcing layer sheet. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a reinforcement layer for an electrolyte membrane of a fuel cell that can be impregnated.

이에 본 발명에서는, 중공형 회전원통의 내주면에 강화층 시트를 고정시킨 뒤, 상기 회전원통을 회전시키는 동시에 회전원통내에 이오노머액을 주입시킴으로써 회전원통의 회전시 작용하는 원심력에 의해 이오노머액이 상기 강화층 시트의 기공에 함침되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 전해질막용 강화층 제조 방법을 제공한다.Therefore, in the present invention, after fixing the reinforcing layer sheet on the inner circumferential surface of the hollow rotating cylinder, the rotating cylinder is rotated and the ionomer liquid is injected into the rotating cylinder at the same time, so that the ionomer liquid is reinforced by the centrifugal force acting during rotation of the rotating cylinder. It provides a method for manufacturing a reinforcement layer for an electrolyte membrane of a fuel cell, characterized in that the pores of the layer sheet are impregnated.

본 발명의 제조 방법에 의하면, 상기 이오노머액은 회전원통의 회전중심에서 내주면측으로 분사되고, 상기 회전원통을 회전시킬 때 작용하는 원심력에 의해 회전원통의 회전중심에서 강화층 시트 측으로 이동시키는 방향의 힘을 더 받게 되어 강화층 시트의 표면에 대한 함침이 촉진된다.According to the manufacturing method of the present invention, the ionomer liquid is injected from the center of rotation of the rotating cylinder to the inner circumferential side, and the force in the direction of moving from the center of rotation of the rotating cylinder to the side of the reinforcing layer sheet by the centrifugal force acting when the rotating cylinder is rotated is further received to promote impregnation of the surface of the reinforcing layer sheet.

또한 본 발명의 제조 방법에 의하면, 상기 강화층 시트의 기공에 이오노머액을 함침시키는 동시에 강화층 시트를 가열하여 강화층 시트의 기공에 함침된 이오노머액을 즉시 건조시켜 경화한다.In addition, according to the manufacturing method of the present invention, the pores of the reinforcing layer sheet are impregnated with the ionomer liquid, and at the same time, the reinforcing layer sheet is heated to immediately dry and harden the ionomer liquid impregnated into the pores of the reinforcing layer sheet.

또한 본 발명의 제조 방법에 의하면, 상기 회전원통의 회전중심으로 주입되는 이오노머액의 총량은 강화층 시트에 형성되어 있는 기공들의 총 체적에 상당하는 용량을 초과함으로써 이오노머액의 용매 증발에 상관없이 강화층 시트의 기공에 이오노머가 충분히(혹은 완전히) 채워질 수 있도록 한다.In addition, according to the manufacturing method of the present invention, the total amount of the ionomer liquid injected into the rotation center of the rotating cylinder exceeds the capacity corresponding to the total volume of pores formed in the reinforcing layer sheet, so that the ionomer liquid is reinforced regardless of solvent evaporation. Allow the pores of the layer sheet to be sufficiently (or completely) filled with the ionomer.

이때, 상기 회전원통은 이오노머액을 강화층 시트측으로 분사하는 노즐에 대해 기밀하게 회전가능한 밀폐형 구조로 이루어진 것을 사용함으로써 이오노머액의 유출로 인한 이오노머 손실을 방지한다.
At this time, the rotary cylinder is formed of a hermetically sealed structure capable of airtightly rotating with respect to a nozzle spraying the ionomer liquid toward the reinforcement layer sheet, thereby preventing ionomer loss due to outflow of the ionomer liquid.

본 발명에 따른 전해질막용 강화층 제조 방법에 의하면, 원심력을 이용하여 강화층 시트의 기공에 이오노머를 함침시킴으로써 강화층 시트의 기공에 대한 이오노머의 함침성이 향상되어 결국 소수성을 띠는 강화층 시트의 기공에 친수성 이오노머도 수월하게 함침시킬 수 있게 되고, 이에 제조 공정의 간소화 및 제조 비용의 축소를 도모할 수 있는 이점이 있다.
According to the method for manufacturing a reinforced layer for an electrolyte membrane according to the present invention, by impregnating the pores of the reinforced layer sheet with the ionomer using centrifugal force, the impregnation of the ionomer into the pores of the reinforced layer sheet is improved, resulting in a hydrophobic reinforced layer sheet. It is possible to easily impregnate the pores with a hydrophilic ionomer, which has the advantage of simplifying the manufacturing process and reducing manufacturing cost.

도 1은 본 발명에 따른 전해질막용 강화층의 제조에 사용되는 이오노머 함침 장치를 나타낸 개략도
도 2는 도 1의 A-A에서 본 도면
도 3은 전해질막용 다공성 강화층의 기공을 확대하여 나타낸 예시도1 is a schematic view showing an ionomer impregnation device used in the manufacture of a reinforcement layer for an electrolyte membrane according to the present invention
Figure 2 is a view from AA of Figure 1
3 is an exemplary view showing enlarged pores of a porous reinforcement layer for an electrolyte membrane;

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위해 연료전지용 전극막접합체의 전해질막을 구성하는 강화층의 제조 과정을 살펴보도록 한다.First, in order to help the understanding of the present invention, the manufacturing process of the reinforcement layer constituting the electrolyte membrane of the electrode-membrane assembly for a fuel cell will be reviewed.

상기 강화층의 제조 과정은 1) 이오노머 합성, 2) 강화층 시트의 제조 및 연신, 3) 이오노머 함침의 단계로 이루어진다.The manufacturing process of the reinforcement layer consists of 1) ionomer synthesis, 2) preparation and stretching of the reinforcement layer sheet, and 3) ionomer impregnation.

이오노머 합성 단계에서는 폭발성이 강한 TFE(tetrafluoroethylene)를 사용하기 때문에 기술적 진입 장벽이 높으며, 강화층 시트의 제조 단계에서는 기합성된 PTFE를 이용하고 이후 필요한 물성에 따라 최적화된 조건으로 강화층 시트의 연신이 이루어진다. In the ionomer synthesis step, technical entry barriers are high because TFE (tetrafluoroethylene), which has strong explosive properties, is used. In the manufacturing step of the reinforcement layer sheet, pre-synthesized PTFE is used, and then the reinforcement layer sheet is stretched under optimized conditions according to the required physical properties. .

제조된 강화층 시트 즉, e-PTFE(expanded-PTFE)은 소수성을 띠기 때문에 친수성의 이오노머를 함침시키는데 어려움이 존재한다. Since the prepared reinforced layer sheet, that is, expanded-PTFE (e-PTFE) is hydrophobic, it is difficult to impregnate the hydrophilic ionomer.

이오노머의 함침을 용이하도록 하기 위해 플라즈마를 통한 강화층 시트의 표면 개질 또는 진공 조건 적용 등의 기술을 채택할 수 있으나, 강화층 시트의 표면을 플라즈마 처리하여 표면 개질을 할 경우 기계적 물성이 감소할 우려가 있고, 진공 조건을 적용하여 이오노머를 함침시킬 경우 많은 비용 소모가 발생하고 공정 시간이 길어지는 단점이 있다.In order to facilitate the impregnation of the ionomer, techniques such as surface modification of the reinforced layer sheet through plasma or application of vacuum conditions may be adopted, but there is a concern that mechanical properties may be reduced when the surface of the reinforced layer sheet is modified by plasma treatment. There is, and when the ionomer is impregnated by applying vacuum conditions, there is a disadvantage in that a lot of cost is consumed and the process time is long.

이에 본 발명에서는 소수성을 띠는 강화층 시트의 내부에 친수성 이오노머의 함침을 용이하도록 하기 위해 이오노머 함침 단계에서 원심력을 이용하여 강화층 시트의 전체 기공에 이오노머가 어렵지 않게 함침되도록 유도함으로써 이오노머 함침성을 증대시킬 수 있도록 한다.Therefore, in the present invention, in order to facilitate the impregnation of the hydrophilic ionomer into the hydrophobic reinforcing layer sheet, centrifugal force is used in the ionomer impregnation step to induce the ionomer to impregnate all pores of the reinforcing layer sheet without difficulty, thereby improving the impregnation of the ionomer. allow it to increase.

이하, 본 발명에 따른 전해질막용 강화층의 제조 방법을 좀더 상세하게 설명하도록 한다. Hereinafter, a method of manufacturing a reinforcement layer for an electrolyte membrane according to the present invention will be described in more detail.

앞서 언급한 바와 같이, 상기 전해질막용 강화층의 제조 과정은 1) 이오노머 합성, 2) 강화층 시트의 제조 및 연신, 3) 이오노머 함침의 단계로 이루어진다.As mentioned above, the manufacturing process of the reinforcement layer for the electrolyte membrane consists of 1) ionomer synthesis, 2) preparation and stretching of the reinforcement layer sheet, and 3) ionomer impregnation.

여기서, 이오노머의 합성과 강화층 시트의 제조 및 연신 과정은 통상적인 방법으로 이루어지므로 이에 대한 상세 설명은 생략하고, 이오노머를 강화층 시트의 기공에 함침시키는 과정에 대해 상세하게 설명하기로 한다.Here, since the synthesis of the ionomer and the preparation and stretching of the reinforcing layer sheet are performed in a conventional manner, a detailed description thereof will be omitted, and the process of impregnating the pores of the reinforcing layer sheet with the ionomer will be described in detail.

먼저, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 시트 타입으로 제조 및 연신된 강화층 시트(10)를 중공형 회전원통(20)의 안쪽 표면에 고정시켜 회전원통(20)의 회전시 강화층 시트(10)가 회전원통(20)과 함께 회전할 수 있도록 한다.First, as shown in FIGS. 1 and 2 , the reinforcing layer sheet 10 manufactured and stretched in a sheet type is fixed to the inner surface of the hollow rotating cylinder 20 so that the reinforcing layer sheet 10 rotates when the rotating cylinder 20 is rotated. (10) to rotate together with the rotating cylinder (20).

상기 강화층 시트(10)는 3차원 입체 그물망 구조를 가지는 시트 타입으로서 제조 및 연신되며, 이에 시트 표면 및 내부에 걸쳐 다양한 크기 및 모양의 기공을 가지게 된다.The reinforcing layer sheet 10 is manufactured and stretched as a sheet type having a three-dimensional mesh structure, and thus has pores of various sizes and shapes throughout the surface and inside of the sheet.

다음, 합성한 이오노머를 용매에 용해시켜 이오노머액을 제조한다. Next, the synthesized ionomer is dissolved in a solvent to prepare an ionomer solution.

상기 이오노머로는 이온 전도성(양이온 및 음이온)을 띠는 탄화수소계 고분자 또는 불소계 고분자를 사용하며, 이때 상기 고분자는 전도성을 갖는 기능기로서 -SO3 - 또는 N(CH3)3 + 기능기를 포함한다.As the ionomer, a hydrocarbon-based polymer or a fluorine-based polymer having ion conductivity (cations and anions) is used, and the polymer includes -SO 3 - or N(CH 3 ) 3 + functional group as a functional group having conductivity. .

그리고, 파이프형 노즐(30)을 이용하여 상기 회전원통(20)의 회전중심(중심축)측으로 이오노머액을 주입하는 동시에 회전원통(20)을 고속 회전시켜 강한 원심력에 의해 이오노머액이 상기 강화층 시트(10)의 기공에 함침되도록 유도하고 촉진시킬 수 있도록 한다.In addition, the ionomer liquid is injected toward the center of rotation (central axis) of the rotating cylinder 20 using the pipe-type nozzle 30, and at the same time, the rotating cylinder 20 is rotated at a high speed so that the ionomer liquid is transferred to the reinforced layer by strong centrifugal force. It induces and promotes impregnation into the pores of the sheet 10.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 회전원통(20)은 노즐 삽입을 위한 개구부(22)를 갖는 밀폐형 구조의 원통으로 이루어지며, 그 회전중심에 파이프형 노즐(30)이 삽입되어 위치하게 된다.As shown in FIGS. 1 and 2, the rotating cylinder 20 is made of a cylinder having a closed structure having an opening 22 for inserting a nozzle, and a pipe-type nozzle 30 is inserted and positioned at the center of rotation. do.

도면으로 나타내지는 않았으나, 상기 회전원통(20)은 회전시 노즐(30)과의 사이를 기밀하게 유지할 수 있도록 하는 구성을 더 포함하며, 상기 노즐(30)은 회전원통(20)의 회전시에도 회전원통(20)의 회전중심에 위치할 수 있도록 지지되어진다.Although not shown in the drawing, the rotating cylinder 20 further includes a configuration for maintaining airtightness between the rotating cylinder 20 and the nozzle 30 during rotation, and the nozzle 30 is rotated even when the rotating cylinder 20 rotates. It is supported so as to be located at the center of rotation of the rotating cylinder (20).

일례로, 회전원통(20)은 노즐 삽입을 위한 개구부를 갖는 커버에 의해 밀폐될 수 있으며, 노즐(30)은 회전원통(20)의 외부에 구비된 지지수단에 의해 지지될 수 있다.For example, the rotating cylinder 20 may be sealed by a cover having an opening for inserting a nozzle, and the nozzle 30 may be supported by a support provided outside the rotating cylinder 20 .

즉, 상기 회전원통(20)은 이오노머액을 강화층 시트(10)측으로 분사하는 노즐(30)에 대해 기밀하게 회전가능한 밀폐형 구조로 이루어진다.That is, the rotating cylinder 20 has a closed structure that can airtightly rotate with respect to the nozzle 30 spraying the ionomer liquid toward the reinforcement layer sheet 10.

이렇게 회전원통(20)은 노즐(30)에 대해 기밀한 상태를 유지하면서 회전가능한 구조로 구성됨으로써 외부로부터 이오노머액을 공급받을 수 있는 밀폐형 구조를 이루게 되며, 이에 이오노머액이 회전원통(20) 외부로 유출/누설되어 손실되는 것을 방지할 수 있다.In this way, the rotating cylinder 20 is configured in a rotatable structure while maintaining an airtight state with respect to the nozzle 30, thereby forming a closed structure that can receive the ionomer liquid from the outside, and thus the ionomer liquid is supplied from the outside of the rotating cylinder 20 It can prevent loss due to spillage/leakage.

그리고, 상기 노즐(30)은 회전원통(20)의 중심축 방향으로 길게 배치되며, 회전원통(20)내에 삽입되는 한쪽 단부의 외주면에 복수의 분사공(32)이 구비되어 회전원통(20)의 내주면에 고정된 강화층 시트(10)측으로 이오노머액을 분사할 수 있도록 구성된다.In addition, the nozzle 30 is disposed elongated in the direction of the central axis of the rotating cylinder 20, and a plurality of injection holes 32 are provided on the outer circumferential surface of one end inserted into the rotating cylinder 20, so that the rotating cylinder 20 It is configured to spray the ionomer liquid toward the reinforcement layer sheet 10 fixed to the inner circumferential surface of.

따라서 상기 노즐(30)을 이용하여 회전원통(20)의 회전중심측으로 이오노머액을 주입하는 동시에 회전원통(20)을 회전시킴으로써, 이오노머액이 회전원통(20)의 회전중심에서 방사상으로 분사되는 동시에 회전원통(20)에 원심력이 작용하게 되고, 다시 말해 회전원통(20)의 회전중심으로부터 회전원통(20)의 내주면에 부착된 강화층 시트(10) 측으로 이오노머액이 분사되는 동시에 강화층 시트(10)에 원심력이 작용하게 되고, 결국 강화층 시트(10)를 향해 분사된 이오노머액이 원심력에 의해 강화층 시트(10)의 기공안으로 원활하게 침투하여 함침될 수 있도록 한다.Therefore, by injecting the ionomer liquid toward the rotation center of the rotation cylinder 20 using the nozzle 30 and rotating the rotation cylinder 20 at the same time, the ionomer liquid is sprayed radially from the rotation center of the rotation cylinder 20. Centrifugal force acts on the rotating cylinder 20, that is, the ionomer liquid is sprayed from the center of rotation of the rotating cylinder 20 to the side of the reinforcing layer sheet 10 attached to the inner circumferential surface of the rotating cylinder 20, and at the same time the reinforcing layer sheet ( 10), the centrifugal force acts, and eventually the ionomer liquid sprayed toward the reinforcement layer sheet 10 smoothly penetrates into the pores of the reinforcement layer sheet 10 by the centrifugal force so that it can be impregnated.

좀더 설명하면, 회전원통(20)의 회전중심에서 강화층 시트(10)측으로 분사된 이오노머액이, 회전원통(20)을 회전시킬 때 작용하는 원심력에 의해 상기 회전중심에서 강화층 시트(10)측으로 이동시키는 방향의 힘을 더 받게 되고, 이에 이오노머액이 보다 수월하게 강화층 시트(10)의 기공내에 고르게 스며들어 함침될 수 있어 이오노머액의 함침이 촉진된다.More specifically, the ionomer liquid sprayed from the center of rotation of the rotating cylinder 20 toward the reinforcement layer sheet 10 rotates the rotating cylinder 20, and the centrifugal force acting causes the reinforcement layer sheet 10 to rotate at the center of rotation. It receives more force in the direction of moving to the side, so that the ionomer liquid can be more easily and evenly penetrated into the pores of the reinforcement layer sheet 10 to be impregnated, so that the impregnation of the ionomer liquid is promoted.

즉, 노즐(30)로부터 분사되어 강화층 시트(10)에 도달한 이오노머액이 회전원통(20)의 바깥쪽으로 이동시키는 방향의 힘을 받게 되어 강화층 시트(10)의 표면은 물론 내부 기공까지 어렵지 않게 침투하여 고르게 채워지게 된다.That is, the ionomer liquid sprayed from the nozzle 30 and reaching the reinforcing layer sheet 10 is subjected to a force in the direction of moving the rotating cylinder 20 outward, so that the surface of the reinforcing layer sheet 10 as well as the internal pores are affected. It penetrates easily and is filled evenly.

이때 노즐(30)을 통해 회전원통(20)의 회전중심으로 주입된 이오노머액은 상기 회전중심에서 액체 스프레이 분사 방식으로 강화층 시트(10)에 분사되어 공급되고, 이때 주입되는 이오노머액의 총량은 강화층 시트(10)에 형성되어 있는 기공들의 총 체적에 상당하는 용량을 일정량 이상 초과한 과량으로서 설정된다.At this time, the ionomer liquid injected into the center of rotation of the rotating cylinder 20 through the nozzle 30 is sprayed and supplied to the reinforcing layer sheet 10 in a liquid spray injection method at the center of rotation, and the total amount of the ionomer liquid injected at this time is It is set as an excess that exceeds a certain amount or more of the capacity corresponding to the total volume of pores formed in the reinforcement layer sheet 10.

도 3에 일례로 나타낸 바와 같이, 강화층 시트(10)에는 다양한 크기와 용적을 갖는 기공들이 분포되어 존재하고, 상기 기공들은 대략 수십 nm 이하의 직경을 가진다.As shown in FIG. 3 as an example, pores having various sizes and volumes are distributed in the reinforcement layer sheet 10, and the pores have a diameter of approximately several tens of nm or less.

또한, 상기 회전원통(20)의 바깥쪽에는 회전원통(20)에 부착된 강화층 시트(10)를 승온시켜 가열하기 위한 열선(40)과 열선구동부재(미도시) 등을 포함하는 가열수단이 설치된다.In addition, a heating means including a hot wire 40 and a hot wire driving member (not shown) for heating and raising the temperature of the reinforcing layer sheet 10 attached to the rotating cylinder 20 outside the rotating cylinder 20. is installed

구체적으로, 상기 열선(40)은 회전원통(20)의 외주면에 부착된 형태로 설치되거나, 또는 미도시하였으나 회전원통(20)의 외주면에서 일정 간격을 두고 이격된 위치에 설치된다.Specifically, the hot wire 40 is installed in a form attached to the outer circumferential surface of the rotating cylinder 20 or, although not shown, is installed at a position spaced apart from the outer circumferential surface of the rotating cylinder 20 at regular intervals.

이러한 가열수단은 회전원통(20)의 내주면에 고정된 강화층 시트(10)에 열기를 전달함으로써 강화층 시트(10)에 이오노머액이 함침되는 즉시 이오노머액의 용매가 건조될 수 있는 온도 환경을 제공할 수 있도록 한다.This heating means transfers heat to the reinforcing layer sheet 10 fixed on the inner circumferential surface of the rotating cylinder 20, thereby creating a temperature environment in which the solvent of the ionomer liquid can be dried as soon as the reinforcing layer sheet 10 is impregnated with the ionomer liquid. to be able to provide

열선(40)이 회전원통(20)의 외주면에 직접 설치된 경우에는 열선(40)으로부터 전도되는 열에 의해 강화층 시트(10)에 함침된 이오노머액을 건조시켜 경화하고, 열선이 회전원통(20)의 외주면과 일정 간격을 유지하도록 설치된 경우에는 대류를 통해 열선의 열을 전달하는 방식으로 강화층 시트(10)에 함침된 이오노머액을 건조시켜 경화한다.When the hot wire 40 is directly installed on the outer circumferential surface of the rotating cylinder 20, the ionomer liquid impregnated in the reinforcing layer sheet 10 is dried and hardened by the heat conducted from the hot wire 40, and the hot wire is applied to the rotating cylinder 20. When installed to maintain a certain distance from the outer circumferential surface, the ionomer liquid impregnated in the reinforcement layer sheet 10 is dried and cured by transferring heat of the hot wire through convection.

아울러, 상기와 같이 강화층 시트(10)에 이오노머를 함침시키는 과정에서 회전원통(20)의 내부 환경을 진공 상태로 유지함으로써 회전원통(20) 내부에서 강화층 시트(10) 및 이오노머액이 불순물에 의해 오염되는 것을 방지하는 것도 가능하다.In addition, in the process of impregnating the reinforcing layer sheet 10 with the ionomer as described above, by maintaining the internal environment of the rotating cylinder 20 in a vacuum state, the reinforcing layer sheet 10 and the ionomer liquid are removed from the inside of the rotating cylinder 20. It is also possible to prevent contamination by

여기서, 상기 강화층 시트(10)는 소수성을 가지는 TFE(tetrafluoroethylene), PTFE(polytetrafluoroethylene), PP(polypropylene), PE(polyethylene) 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 것이 사용된다.Here, the reinforcing layer sheet 10 is made of any one material selected from among hydrophobic tetrafluoroethylene (TFE), polytetrafluoroethylene (PTFE), polypropylene (PP), and polyethylene (PE).

이렇게 제조한 강화층을 이용하여 수소연료전지 차량에서 요구되는 높은 수준의 기계적 내구성을 만족하는 연료전지용 전해질막을 제조할 수 있다.An electrolyte membrane for a fuel cell that satisfies the high level of mechanical durability required for a hydrogen fuel cell vehicle can be manufactured by using the reinforced layer thus prepared.

이와 같이 본 발명에서는 회전원통(20)을 회전시킬 때 작용하는 원심력을 이용하여 강화층 시트(10)의 기공에 이오노머를 보다 수월하게 함침시킬 수 있도록 함으로써 소수성을 띠는 강화층 시트에 불소계 고분자와 같이 친수성을 띠는 이오노머도 어려움 없이 함침시킬 수 있게 되며, 이에 기존 강화층 시트의 변형 없이 이오노머의 함침성을 향상시킬 수 있고, 전해질막용 강화층을 제조함에 있어 제조 공정 및 비용을 축소 가능하게 된다.As described above, in the present invention, by using the centrifugal force acting when the rotating cylinder 20 is rotated, the ionomer can be more easily impregnated into the pores of the reinforcing layer sheet 10, so that the hydrophobic reinforcing layer sheet is formed with a fluorine-based polymer and The same hydrophilic ionomer can be impregnated without difficulty, and thus the impregnability of the ionomer can be improved without deformation of the existing reinforcing layer sheet, and the manufacturing process and cost can be reduced in manufacturing the reinforcing layer for the electrolyte membrane. .

또한 본 발명에 따른 제조 공정에 의하면, 제조 공정상 이오노머의 손실이 없으며 전해질막의 면적 변경에 대응이 용이한 이점이 있다.In addition, according to the manufacturing process according to the present invention, there is an advantage in that there is no loss of ionomer in the manufacturing process and it is easy to cope with the change in the area of the electrolyte membrane.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
Since the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and modifications of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims Improvements are also included in the scope of the present invention.

10 : 강화층 시트
20 : 회전원통
22 : 개구부
30 : 노즐
32 : 분사공
40 : 열선10: reinforcement layer sheet
20: rotating cylinder
22: opening
30: nozzle
32: injection hole
40: heat wire

Claims (7)

중공형 회전원통의 내주면에 강화층 시트를 고정시킨 뒤, 상기 회전원통을 회전시키는 동시에 회전원통내에 이오노머액을 주입시킴으로써 회전원통의 회전시 작용하는 원심력에 의해 이오노머액이 상기 강화층 시트의 기공에 함침되도록 하며,
상기 회전원통의 회전중심에는 파이프형 노즐의 한쪽 단부가 삽입 위치되고, 상기 노즐은 상기 한쪽 단부의 외주면에 복수의 분사공이 구비되어 상기 강화층 시트측으로 이오노머액을 방사상으로 분사하게 된 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질막용 강화층 제조 방법.
After the reinforcing layer sheet is fixed on the inner circumferential surface of the hollow rotating cylinder, the rotating cylinder is rotated and the ionomer liquid is injected into the rotating cylinder, so that the ionomer liquid penetrates the pores of the reinforcing layer sheet by the centrifugal force acting during rotation of the rotating cylinder. to impregnate,
One end of a pipe-type nozzle is inserted into the center of rotation of the rotating cylinder, and the nozzle is provided with a plurality of spray holes on the outer circumferential surface of the one end to radially spray the ionomer liquid toward the reinforcing layer sheet. Characterized in that Manufacturing method of reinforcement layer for fuel cell electrolyte membrane.
 청구항 1에 있어서,
상기 이오노머액은 회전원통의 회전중심에서 내주면측으로 분사되고, 상기 회전원통을 회전시킬 때 작용하는 원심력에 의해 회전원통의 회전중심에서 강화층 시트 측으로 이동시키는 방향의 힘을 더 받게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질막용 강화층 제조 방법.
The method of claim 1,
The ionomer liquid is injected from the center of rotation of the rotating cylinder to the inner circumferential surface, and is further subjected to a force in the direction of moving from the center of rotation of the rotating cylinder to the reinforcing layer sheet side by the centrifugal force acting when the rotating cylinder is rotated. Manufacturing method of reinforcement layer for fuel cell electrolyte membrane.
 청구항 1에 있어서,
상기 강화층 시트의 기공에 이오노머액을 함침시키는 동시에 강화층 시트를 가열하여 상기 강화층 시트에 함침된 이오노머액을 즉시 건조시켜 경화하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질막용 강화층 제조 방법.
The method of claim 1,
A method for manufacturing a reinforced layer for a fuel cell electrolyte membrane, characterized in that the pores of the reinforced layer sheet are impregnated with the ionomer liquid and at the same time the reinforced layer sheet is heated to immediately dry and harden the ionomer liquid impregnated into the reinforced layer sheet.
 청구항 1에 있어서,
상기 회전원통내에 주입되는 이오노머액의 총량은 강화층 시트에 형성되어 있는 기공들의 총 체적에 상당하는 용량을 초과하는 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질막용 강화층 제조 방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a reinforced layer for a fuel cell electrolyte membrane, characterized in that the total amount of the ionomer liquid injected into the rotating cylinder exceeds the capacity corresponding to the total volume of pores formed in the reinforced layer sheet.
 청구항 2에 있어서,
상기 회전원통은 이오노머액을 강화층 시트측으로 분사하는 노즐에 대해 기밀하게 회전가능한 밀폐형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질막용 강화층 제조 방법.
The method of claim 2,
The method of manufacturing a reinforcement layer for a fuel cell electrolyte membrane, characterized in that the rotating cylinder is made of a sealed structure that can airtightly rotate with respect to the nozzle for spraying the ionomer liquid toward the reinforcement layer sheet.
 청구항 1에 있어서,
상기 강화층 시트는 소수성을 가지는 PTFE(polytetrafluoroethylene), TFE(tetrafluoroethylene), PP(polypropylene), PE(polyethylene) 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질막용 강화층 제조 방법.
The method of claim 1,
The reinforcement layer sheet is made of any one material selected from polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene (TFE), polypropylene (PP), and polyethylene (PE) having hydrophobicity. Method for manufacturing a reinforcement layer for a fuel cell electrolyte membrane.
 청구항 1에 있어서,
상기 이오노머액에 함유된 이오노머는 이온 전도성을 띠는 탄화수소계 고분자 또는 불소계 고분자인 것을 특징으로 하는 연료전지 전해질막용 강화층 제조 방법.The method of claim 1,
The method for manufacturing a reinforced layer for a fuel cell electrolyte membrane, characterized in that the ionomer contained in the ionomer liquid is a hydrocarbon-based polymer or a fluorine-based polymer having ion conductivity.
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