KR102507387B1 - 양면 동시 코팅이 가능한 막-전극 접합체 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

양면 동시 코팅이 가능한 막-전극 접합체 제조장치 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 막-전극 접합체(MEA)를 제조하는 막전극 접합체 제조장치에 관한 것으로, 일 실시예에서, 전해질막의 상면과 하면에 각각 촉매전극층을 코팅하는 코팅장치; 및 전해질막의 이송경로에서 상기 코팅장치의 하류측에 배치되고, 상기 전해질막에 코팅된 촉매전극층을 건조하는 건조장치;를 포함하고, 상기 코팅장치는, 상기 전해질막의 상면에 제1 촉매전극층을 일정 간격으로 코팅하는 제1 코팅모듈 및 상기 제1 코팅모듈의 수직 하방에 배치되어 상기 전해질막의 하면에 제2 촉매전극층을 일정 간격으로 코팅하는 제2 코팅모듈을 구비한 막전극 접합체 제조장치를 제공한다.

Description

양면 동시 코팅이 가능한 막-전극 접합체 제조장치 및 제조방법 {Apparatus and method for manufacturing membrane-electrode assembly by simultaneously coating double sides of membrane}
본 발명은 연료전지 제조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 연료전지의 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 제조하는 연료전지용 막전극 접합체 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 전기를 생산하며 별도의 충전 과정 없이도 외부에서 화학 반응물을 공급받아 지속적인 발전이 가능하다는 특징이 있다.
연료전지는 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판을 배치한 구조를 가지므로 막전극 접합체는 연료전지의 핵심부품이라 할 수 있다.
일반적인 막전극 접합체는 수소이온이 이동하는 전해질막(membrane)을 사이에 두고 전해질막의 양쪽면에 각각 애노드 촉매전극층과 캐소드 촉매전극층이 형성된 3-레이어(3-layer) 구조를 가지며, 이러한 3-레이어 구조의 막전극 접합체를 제조하는 방식으로는 직접 코팅(Direct Coating) 방식과 데칼(Decal) 방식이 있다.
직접 코팅 방식의 경우, 하기 특허문헌1에 개시한 바와 같이 전해질막의 일면에 제1 촉매 물질을 도포하고 건조 후 전해질막의 타면에 제2 촉매 물질을 도포하고 건조하는 과정으로 제작된다. 이러한 직접 코팅 방식은 막전극 접합체의 제작 속도를 향상시킬 수 있어 양산에 유리하다는 이점이 있지만, 전해질막의 양쪽 면에 동시 코팅이 곤란하고 전해질막의 한쪽면을 우선 코팅하고 건조한 후 다른쪽 면을 코팅 및 건조해야 해서 건조 시간이 오래 걸리고 장치 길이도 길어지는 문제가 있다. 또한 전해질막의 양면을 한면씩 순차적으로 코팅할 경우 상부 촉매전극층과 하부 촉매전극층 간 간격이나 코팅 위치가 일정하지 않고 양쪽 촉매전극층의 위치를 정확히 정렬하기 어려운 문제가 있다.
특허문헌1: 한국 공개특허 제 10-2017-0104804호 (2017년 9월 18일 공개)
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 전해질막의 상면과 하면에 동시에 촉매전극층을 코팅함으로써 막전극 접합체 제조 시간을 줄이고 장치를 컴팩트화 할 수 있는 막전극 접합체 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 전해질막의 양면에 코팅되는 촉매전극층의 코팅 영역을 정확히 일치시키고 촉매전극층의 코팅 두께를 균일하게 하여 우수한 품질의 막전극 접합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 막-전극 접합체(MEA)를 제조하는 막전극 접합체 제조장치로서, 전해질막의 상면과 하면에 각각 촉매전극층을 코팅하는 코팅장치; 및 전해질막의 이송경로에서 상기 코팅장치의 하류측에 배치되고, 상기 전해질막에 코팅된 촉매전극층을 건조하는 건조장치;를 포함하고, 상기 코팅장치는, 상기 전해질막의 상면에 제1 촉매전극층을 일정 간격으로 코팅하는 제1 코팅모듈 및 상기 제1 코팅모듈의 수직 하방에 배치되어 상기 전해질막의 하면에 제2 촉매전극층을 일정 간격으로 코팅하는 제2 코팅모듈을 구비한 것인, 막전극 접합체 제조장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 막-전극 접합체(MEA)를 제조하는 막전극 접합체 제조방법으로서, 전해질막의 상면과 하면에 각각 제1 촉매전극층과 제2 촉매전극층을 일정 간격으로 코팅하는 코팅단계; 및 상기 전해질막에 코팅된 제1 및 제2 촉매전극층을 건조시키는 건조단계;를 포함하고, 상기 코팅단계에서, 제1 촉매전극층과 제2 촉매전극층이 상기 전해질막의 상면과 하면의 서로 마주보는 영역에 동시에 코팅되는 것인, 막전극 접합체 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체 제조장치는 전해질막의 상면과 하면에 동시에 촉매전극층을 코팅할 수 있으므로 막전극 접합체 제조 시간을 줄이고 장치를 컴팩트화 할 수 있는 이점을 가진다.
또한 본 발명에 따른 막전극 접합체 제조장치는 위치센서 및 변위센서를 이용하여 촉매전극층의 위치와 두께를 각각 감지하고 이에 기초하여 코팅장치를 제어함으로써 전해질막의 양면에 코팅되는 촉매전극층의 코팅 영역을 정확히 일치시키고 촉매전극층의 코팅 두께를 균일하게 하여 우수한 품질의 막전극 접합체를 제공할 수 있는 이점이 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체(MEA) 제조장치를 설명하는 도면,
도2는 일 실시예에 따라 촉매전극층이 코팅된 전해질막을 설명하는 도면,
도3은 전해질막에 코팅된 상부 촉매전극층의 단면을 설명하는 도면,
도4는 일 실시예에 따른 막전극 접합체 제조방법을 설명하는 도면,
도5는 일 실시예에 따른 전해질막 지지롤을 설명하는 도면,
도6은 대안적 실시예에 따른 전해질막 지지롤을 설명하는 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 이와 유사하게, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결(또는 결합, 체결, 부착 등)된다고 언급하는 경우 그것은 다른 구성요소에 직접적으로 연결(또는 결합, 체결, 부착 등)되거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소를 개재하여 간접적으로 연결(또는 결합, 체결, 부착 등)될 수 있다는 것을 의미한다. 또한 본 명세서의 도면들에 있어서 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 구성요소의 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '~를 포함한다', '~로 구성된다', 및 '~으로 이루어진다'라는 표현은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 구성요소(A)가 다른 구성요소(B)의 "전단"에 위치한다는 것은 전해질막(10)의 이송경로에 대해 구성요소(A)가 구성요소(B)에 비해 더 상류측에 위치함을 의미한다. 예를 들어 도1에서 코팅장치(20)는 건조장치(30)의 '전단' 또는 '상류'에 위치한다고 표현할 수 있고, 마찬가지로, 건조장치(30)는 코팅장치(20)의 '후단' 또는 '하류'에 위치한다고 표현할 수 있음을 이해할 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체(MEA) 제조장치를 개략적으로 도시하였다. 도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 막전극 접합체 제조장치는 전해질막 공급수단(10), 코팅장치(20), 건조장치(30), 및 제어부(60)를 포함한다. 대안적 일 실시예에서 막전극 접합체 제조장치는 상술한 구성요소 외에 보호필름 공급수단(40,50), 하나 이상의 위치센서(51,52), 및 하나 이상의 변위센서(71,72) 등을 더 포함할 수 있다.
전해질막 공급수단(10)은 예를 들어 전해질막(3)을 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 공급하는 장치로서 공급롤과 회수롤로 구성될 수 있다. 전해질막(3)은 전해질막 공급수단(10)의 공급롤에 롤(roll) 형태로 감겨져 있다가 언와인딩(un-winding)되어 코팅장치(20)로 공급될 수 있다. 코팅장치(20)는 전해질막(3)의 양면(즉, 상면과 하면)에 촉매전극층(5,7)을 코팅하고, 건조장치(30)는 전해질막(3)에 코팅된 촉매전극층(5,7)을 건조시킨다. 그 후 예를 들어 전해질막(3)의 상면과 하면에 각각 보호필름(43,44)이 부착된 후 회수롤(도시 생략)에서 다시 롤 형태로 리와인딩(re-winding)될 수 있다.
일 실시예에서 전해질막(3)은 기재 상에 전도성 고분자 전해질을 함유하는 용액을 도포하고 건조하여 형성될 수 있으며, 전도성, 기계적 물성 및 내화학성이 우수한 퍼플루오로설폰산 수지(예를 들어 상품명 "Nafion")로 제조될 수 있다. 그러나 전해질막(3)은 막전극 접합체에 사용하기 적절한 임의의 재질로 만들어질 수 있으며 본 발명에서 전해질막(3)의 재질은 특별히 제한되지 않는다.
코팅장치(20)는 전해질막(3)의 상면과 하면에 각각 촉매전극층(5,7)을 코팅하는 장치이다. 도시한 실시예에서 코팅장치(20)는 전해질막(3)의 상면에 제1 촉매전극층(5)을 일정 간격으로 코팅하는 제1 코팅모듈(21) 및 제1 코팅모듈(21)의 수직 하방에 배치되어 전해질막(3)의 하면에 제2 촉매전극층(7)을 일정 간격으로 코팅하는 제2 코팅모듈(22)으로 구성될 수 있다.
제어부(60)는 제1 코팅모듈(21)과 제2 코팅모듈(22)의 코팅 동작을 제어하여 코팅 개시 시점과 코팅 종료 시점을 동기화 할 수 있으며, 이에 의해, 전해질막(3)의 상면과 하면의 서로 마주보는 동일 영역에 제1 촉매전극층(5)과 제2 촉매전극층(7)을 동시에 코팅할 수 있다.
제1 코팅모듈(21)과 제2 코팅모듈(22)은 공지의 임의의 코팅 방식으로 촉매전극층을 코팅하는 장치일 수 있다. 예를 들어 제1 코팅모듈(21)과 제2 코팅모듈(22)의 각각은 슬롯다이 코팅, 바 코팅, 블레이드 코팅, 스프레이 코팅, 및 그라비아 코팅 등의 코팅 방식 중 하나의 방식으로 코팅하는 장치일 수 있으며, 본 명세서에서는 일 예로서 슬롯다이 코팅 장치라고 가정한다. 이 경우 각 코팅모듈(21,22)의 펌프 또는 피스톤에 의해 촉매전극 페이스트(또는 슬러리)를 슬롯 다이(slot die)를 통해 토출하여 전해질막(3)의 표면에 균일한 두께의 촉매전극층을 코팅할 수 있다.
촉매전극 페이스트는 예를 들어 촉매 입자를 담지시킨 탄소 입자 및 수소이온 전도성 고분자 전해질을 적당한 용제에 혼합 분산하여 제조할 수 있다. 이 때 촉매 입자로서는, 예를 들어 백금이나 백금 화합물 등을 사용할 수 있고, 백금 화합물로서는 예를 들어 루테늄, 팔라듐, 니켈, 몰리브덴, 이리듐, 철 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속과 백금과의 합금 등을 사용할 수 있다. 또한 수소이온 전도성 고분자 전해질로서는 상술한 전해질막(3)에 사용되는 것과 같은 재료를 사용할 수 있으며, 용제로서는 각종 알코올류, 각종 에테르류, 각종 디알킬 술폭시드 종류, 물 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
코팅장치(20)의 제1 코팅모듈(21)과 제2 코팅모듈(22)은 각각 전해질막(3)의 상면과 하면에 일정 폭과 길이를 갖는 제1 촉매전극층(5)과 제2 촉매전극층(7)을 일정 간격으로 코팅할 수 있다. 이와 관련하여 도2는 촉매전극층(5,7)이 코팅된 전해질막(3)을 위에서 바라본 모습을 개략적으로 나타내었다. 전해질막(3)을 상부에서 바라본 모습이므로 도2에 제2 촉매전극층(7)이 도시되지 않았음을 이해할 것이다.
도2(a)는 일 예로서 서로 이격되고 각각 사각형 형상을 갖는 촉매전극층(5,7)을 전해질막(3)에 이송방향에 따라 일렬로 코팅한 경우를 나타낸다. 도2(b)는 다른 예로서 서로 이격되고 각기 사각형 형상을 갖는 촉매전극층(5,7)을 전해질막(3)에 이송방향에 따라 2열로(즉, 전해질막(3)의 폭방향으로 2개씩) 코팅한 경우를 나타내며, 이와 같이 구체적 실시 형태에 따라 전해질막(3)의 양면에 촉매전극층(5,7)을 일렬로 또는 둘 이상의 복수 열로 코팅할 수 있음을 이해할 것이다. 또한 도시한 실시예에서는 각각의 촉매전극층(5,7)을 사각형 형상으로 코팅하였지만, 구체적 실시 형태에 따라 촉매전극층의 코팅 형상이 원형이나 다른 다각형 형상 등 임의의 평면 형상으로 코팅될 수도 있다.
다시 도1을 참조하면, 건조장치(30)는 전해질막(3)의 이송경로에서 코팅장치(20)의 하류측에 배치되며, 전해질막(3)에 코팅된 촉매전극층(5,7)을 건조하는 장치이다. 건조장치(30)에는 전해질막(3)이 장치 내부를 통과할 수 있도록 투입구(30a)와 배출구(30b)가 형성되고, 장치 내부에는 복수개의 에어 노즐(31)이 배열되어 있다. 각각의 에어 노즐(31)은 전해질막(3)을 향해 상온 또는 고온의 공기를 분사할 수 있도록 구성된다. 바람직하게는, 도1에 도시한 것처럼 복수개의 에어 노즐(31)의 각각이 전해질막(3)을 사이에 두고 전해질막(3)의 위쪽과 아래쪽에 지그재그 모양으로 교차하며 배치되며, 이와 같이 에어 노즐(31)을 지그재그 형태로 배치하고 각 에어 노즐(31)을 통해 공기를 분사함으로써, 양면에 촉매전극층(5,7)이 코팅된 전해질막(3)을 지지롤러 등 지지수단에 접촉하지 않은 채로 이송할 수 있다.
일 실시예에서 건조장치(30)는 내부에 복수개의 적외선 광원(32)을 더 포함할 수 있다. 각각의 적외선 광원(32)은 전해질막(3)의 표면을 향해 적외선을 조사할 수 있도록 구성된다. 바람직하게는, 도1에 도시한 것처럼 복수개의 적외선 광원(32)의 각각이 전해질막(3)을 사이에 두고 전해질막(3)의 위쪽과 아래쪽에 지그재그 모양으로 교차하며 배치되되, 이송방향을 따라 에어 노즐(31)과 적외선 광원(32)이 교대로 배열되도록 한다. 이와 같이 에어 노즐(31)과 적외선 광원(32)을 배치함으로써 다수의 에어 노즐(31)과 적외선 광원(32)을 건조장치(30)의 내부 공간에 효율적으로 배치할 수 있으므로 건조장치(30)의 장치 부피를 줄일 수 있다.
일 실시예에서, 건조장치(30)의 배출구(30b)를 통해 배출되는 전해질막(3)의 양면에 보호필름을 부착하는 공정을 추가할 수 있다. 도시한 실시예에서는 전해질막(3)의 상부와 하부에 각각 배치된 보호필름 공급롤(41,42)에서 보호필름(43,44)을 각각 공급하여 촉매전극층(5,7)이 코팅된 전해질막(3)의 상면과 하면에 각각 상부 보호필름(43)과 하부 보호필름(44)을 부착한다. 그러나 대안적 실시예에서 전해질막(3)의 상면이나 하면 중 한쪽 면에만 보호필름(43 또는 44)을 부착할 수도 있다.
도시한 실시예에서 막전극 접합체 제조장치는 전해질막(3)의 촉매전극층(5,7)의 각각의 위치를 감지하는 하나 이상의 위치센서를 더 포함할 수 있다. 도시한 실시예에서 막전극 접합체 제조장치는 코팅장치(20)와 건조장치(30)의 사이에 배치되는 제1 위치센서(51) 및 제2 위치센서(52)를 포함한다.
제1 위치센서(51)는 전해질막 이송경로의 상부측에 배치되어 제1 촉매전극층(5)의 위치를 감지할 수 있고 제2 위치센서(52)는 이송경로의 하부측에 배치되어 제2 촉매전극층(7)의 위치를 감지할 수 있다.
각각의 위치센서(51,52)는 전해질막(3)에 코팅된 촉매전극층(5,7)의 가시광 이미지를 촬영하는 비전 센서로 구성될 수 있고, 대안적으로 초음파, 레이저, 적외선 등과 같은 전자기파를 조사하여 촉매전극층(5,7)의 위치를 감지하는 센서일 수도 있으며 이러한 다양한 방식의 위치센서는 공지 기술이므로 설명을 생략한다.
일 실시예에서 제1 및 제2 위치센서(51,52)가 감지한 촉매전극층의 위치 데이터는 제어부(60)로 전송되고, 제어부(60)는 위치센서(51,52)로부터 수신한 데이터에 기초하여 제1 코팅모듈(21)과 제2 코팅모듈(22)의 각각의 코팅 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어 제어부(60)는 위치센서(51,52)의 감지 데이터에 기초하여 제1 촉매전극층(5)과 제2 촉매전극층(7)이 전해질막(3)의 양면의 서로 마주보는 동일 영역에 정확히 정렬되어 코팅되었는지 여부를 판단할 수 있고, 판단 결과에 따라 제1 코팅모듈(21)과 제2 코팅모듈(22) 중 적어도 하나를 코팅 동작(예컨대 코팅 개시 시점, 코팅 종료 시점, 코팅주기 등)을 제어하여 두 코팅모듈(21,22)의 코팅 동작을 동기화 할 수 있다.
제어부(60)는 상술한 기능을 수행할 수 있도록 프로그램된 소프트웨어 및 필요에 따라 이를 지원하는 하드웨어로 구성될 수 있고, 이러한 소프트웨어는 임의의 컴퓨팅 장치 내에 저장되어 있다가 메모리로 로딩된 후 컴퓨터 프로세서의 제어 하에 실행되어 상술한 제어 동작을 수행할 수 있다.
일 실시예에서 막전극 접합체 제조장치는 전해질막(3)에 코팅되는 촉매전극층(5,7)의 코팅 두께를 조절하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다. 도시한 실시예의 경우 막전극 접합체 제조장치는 촉매전극층(5,7)의 두께를 측정하는 하나 이상의 변위센서(71,72)를 포함하며, 제어부(60)는 변위센서(71,72)의 감지 결과에 따라 코팅장치(20)의 동작을 제어하여 촉매전극층(5,7)의 코팅 두께를 조절할 수 있다.
도시한 실시예에서 변위센서(71,72)는 건조장치(30)의 하류측에 배치되며, 변위센서 중 제1 변위센서(71)는 전해질막 이송경로의 상부측에 배치되어 제1 촉매전극층(5)의 두께를 감지할 수 있고 제2 변위센서(72)는 이송경로의 하부측에 배치되어 제2 촉매전극층(7)의 두께를 감지할 수 있다. 각 변위센서(71,72)는 예를 들어 레이저 센서로 구현될 수 있으나 촉매전극층(5,7)의 코팅 두께를 측정할 수 있는 공지된 임의의 측정장치로 구현될 수 있음은 물론이다.
도3은 도2(a)의 A-A' 라인을 따른 단면을 도시한 것으로 전해질막(3)에 코팅된 제1 촉매전극층(5)의 단면을 개략적으로 도시하였다. 제2 촉매전극층(5)도 전해질막(3)의 하부면에 코팅되어 있지만 도3에서는 설명의 편의를 위해 생략하였다.
도3에 도시한 것처럼, 전해질막(3)의 표면에 촉매전극층(5)을 아무리 정밀하게 코팅하더라도 촉매전극층 전체 영역에 걸쳐 완전히 균일한 두께로 코팅하는 것이 쉽지 않으며, 일반적으로 촉매전극층(5)의 가장자리(에지) 영역(5a,5b)에서 촉매전극층(5)의 두께가 중심 영역보다 더 두껍게 코팅되는 현상이 나타난다. 이러한 두께 불균일은 촉매전극층(5)의 코팅방식이나 코팅 두께에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 슬롯다이 방식으로 두께(H1)가 100㎛인 촉매전극층(5)을 코팅하는 경우, 비교적 균일한 두께를 갖는 중심 영역(L1)에 비해 촉매전극층(5)의 리딩 에지(leading edge)(5a)와 트레일링 에지(trailing edge)(5b)의 높이(H2)가 대략 20㎛ 내지 30㎛ 가량 높고 이 때의 각 에지 영역(5a,5b)의 폭(L2)은 대략 수백 ㎛ 내지 수 mm 정도 된다.
따라서 본 발명의 일 실시예에서, 각각의 변위센서(71,72)가 제1 촉매전극층(5)과 제2 촉매전극층(7)의 중심 영역의 두께와 에지 영역의 두께를 각각 측정하여 제어부(60)로 전송하고, 제어부(60)가 에지 영역(5a,5b)의 두께가 중심 영역과 동일해지도록 코팅장치(20)의 동작을 제어함으로써 촉매전극층(5,7)을 최대한 균일하게 코팅할 수 있도록 한다. 예를 들어 제어부(60)는 변위센서(71,72)의 감지 결과에 기초하여 제1 코팅모듈(21) 또는 제2 코팅모듈(22) 중 적어도 하나를 제어하여 제1 촉매전극층(5)과 제2 촉매전극층(7) 중 적어도 하나에 대한 코팅 개시 시점 또는 코팅 종료 시점에서의 촉매전극 페이스트의 토출량을 조절할 수 있다.
도4는 일 실시예에 따른 막전극 접합체 제조방법의 예시적인 흐름도이다.
도면을 참조하면, 우선 단계(S110)에서 전해질막(3)을 코팅장치(20)로 공급하여 전해질막(3)의 양면에 각각 촉매전극층(5,7)을 코팅한다. 이 단계(S110)에서 코팅장치(20)는 전해질막(3)의 상면과 하면의 각각에 일정 간격으로 동일 형상의 제1 촉매전극층(5)과 제2 촉매전극층(7)을 동시에 코팅한다.
코팅장치(20)에서 촉매전극층(5,7)이 코팅된 전해질막(3)이 건조장치(30)로 이송되는 도중 단계(S120)에서 하나 이상의 위치센서(51,52)를 이용하여 촉매전극층(5,7)의 각각의 위치를 감지할 수 있다. 각 촉매전극층(5,7)의 위치 감지 데이터가 제어부(60)로 전송되고, 단계(S130)에서 제어부(60)는 위치 감지 데이터로부터 제1 촉매전극층(5)과 제2 촉매전극층(7)이 서로 마주보는 동일 영역에 정확히 정렬되어 코팅되었는지 여부를 판단하며, 만일 동일 영역에 코팅되지 않은 경우 코팅장치(20)의 코팅 동작을 제어하여 코팅 영역을 정렬시킨다.
구체적인 예로서, 제1 및 제2 촉매전극층(5,7)이 정렬되지 않은 경우, 제어부(60)는 제1 코팅모듈(21)과 제2 코팅모듈(22) 중 적어도 하나를 제어하여 두 촉매전극층(5,7)이 서로 어긋난 거리만큼 제1 촉매전극층(5)과 제2 촉매전극층(7) 중 적어도 하나에 대한 코팅 개시 시점, 코팅 지속시간, 및 코팅 종료 시점 등의 코팅공정 변수를 조절하여, 이 시점 이후부터 전해질막(3)에 코팅되는 제1 및 제2 촉매전극층(5,7)의 코팅 영역을 정렬시킬 수 있다.
한편 위치센서(51,52)를 통과한 전해질막(3)은 건조장치(30)로 이송되어 촉매전극층(5,7)이 건조되고(단계 S140), 건조장치(30)에서 배출된 전해질막(3)에 대해 하나 이상의 변위센서(71,72)를 이용하여 제1 및 제2 촉매전극층(5,7)의 각각의 코팅 두께를 감지할 수 있다(단계 S150). 예를 들어 변위센서(71,72)는 제1 및 제2 촉매전극층(5,7) 각각의 리딩 에지(5a)와 트레일링 에지(5b)의 두께 및 촉매전극층의 중심 영역의 두께를 각각 측정하고 측정 데이터를 제어부(60)로 전송할 수 있다.
단계(S160)에서 제어부(60)는 두께 측정 데이터로부터 제1 및 제2 촉매전극층(5,7)의 두께가 균일한지 여부를 판단하고 이 판단 결과에 따라 제1 및 제2 촉매전극층(5,7)에 대한 코팅공정 변수를 조절한다. 예를 들어 제어부(60)는 두께 측정 데이터에 기초하여 리딩 에지(5a)나 트레일링 에지(5b)가 기설정한 소정 임계 오차 범위를 벗어났다고 판단하면, 제1 및 제2 촉매전극층(5,7)에 대한 코팅 개시 시점 또는 코팅 종료 시점에서의 촉매전극 페이스트의 토출량을 조절함으로써 이 시점 이후부터 해당 에지 영역의 코팅 두께가 소정 오차 범위를 벗어나지 않도록 조절할 수 있다.
한편 도1에서 알 수 있듯이 코팅장치(20)에서 전해질막(3)의 양면에 촉매전극층(5,7)을 동시에 코팅하게 되면 촉매전극층(5,7)이 건조될 때까지 전해질막(3)을 이송롤러나 지지롤러에 밀착시켜 이송할 수 없게 된다. 그런데 촉매전극층(5,7)의 완전히 건조시키려면 일반적으로 건조장치(30)의 길이가 수 미터 내지 수십 미터에 이르는 경우가 많으며, 이 경우 전해질막(3)이 이송롤러나 지지롤러에 지지되지 않은 채 이송되기 때문에 전해질막(3)을 충분한 장력으로 정확한 이송경로를 따라 이송시키기 어렵고 전해질막(3)이 좌우 폭방향으로 사행(蛇行)하는 경우도 발생한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 문제를 해결하기 위해 본 발명의 막전극 접합체 제조장치는 도5 또는 도6에 도시한 하나 이상의 전해질막 지지롤을 전해질막(3)의 이송경로 상에 배치할 수 있다.
도5를 참조하면, 일 실시예에 따른 전해질막 지지롤은 전해질막(3)의 상면과 하면을 각각 지지하는 제1 지지롤(110) 및 제2 지지롤(120)로 구성될 수 있다. 하나 이상의 제1 및 제2 지지롤(110,120)은 전해질막의 이송경로 중 코팅장치(20)의 하류부터 건조장치(30)의 배출구(30b)까지의 이송경로 중 임의의 위치에 배치될 수 있다. 즉 제1 및 제2 지지롤(110,120)은 예컨대 코팅장치(20)와 건조장치(30)의 사이에 설치될 수도 있고 건조장치(30) 내부에 소정 간격마다 설치될 수도 있다.
제1 지지롤(110)과 제2 지지롤(120)의 각각의 외주면에는 복수개의 돌기부(111,1210가 형성된다. 복수개의 제1 돌기부(111)는 제1 지지롤(110)의 외주면을 따라 일정 간격으로 형성되어 전해질막(3)의 상면과 접촉할 수 있고, 복수개의 제2 돌기부(121)는 제2 지지롤(120)의 외주면을 따라 일정 간격으로 형성되어 전해질막(3)의 하면과 접촉할 수 있다.
서로 이웃하는 제1 돌기부(111)의 이격 거리는 전해질막(3)에 소정 간격으로 연속적으로 코팅되는 제1 촉매전극층(5)의 코팅 주기와 동일하고, 따라서 제1 돌기부(111)는 제1 촉매전극층(5)과 접촉하지 않고 서로 이웃하는 제1 촉매전극층(5) 사이의 전해질막(3) 영역에만 접촉하게 된다. 마찬가지로, 서로 이웃하는 제2 돌기부(121)의 이격 거리도 전해질막(3)에 소정 간격으로 연속적으로 코팅되는 제2 촉매전극층(7)의 코팅 주기와 동일하고, 따라서 제2 돌기부(121)는 제2 촉매전극층(7)과 접촉하지 않고 서로 이웃하는 제2 촉매전극층(7) 사이의 전해질막(3) 영역에만 접촉하게 된다. 또한 바람직하게는, 제1 돌기부(111)의 선단부와 제2 돌기부(121)의 선단부가 각각 전해질막(3)과 접촉하는 시점을 동기화하여 항상 같은 타이밍으로 두 돌기부(111,121)가 전해질막(3)을 가압 및 지지하며 이송하도록 구성한다.
따라서 이러한 구성에 따르면 촉매전극층(5,7)이 건조하지 않은 상태에서도 제1 및 제2 지지롤(110,120)이 촉매전극층(5,7)과 접촉하지 않고 전해질막(3)에만 접촉하여 이송롤러 및/또는 지지롤러로서의 역할을 할 수 있으므로 전해질막(3)을 적절한 장력으로 정확한 이송경로를 따라 이송시킬 수 있다.
도6은 대안적 실시예에 따른 전해질막 지지롤을 도시하였다. 도6을 참조하면, 대안적 실시예에서 전해질막 지지롤은 전해질막(3)의 상면과 하면을 각각 지지하는 제1 지지벨트부(130) 및 제2 지지벨트부(140)로 구성될 수 있으며, 하나 이상의 제1 및 제2 지지벨트부(130,140)는 전해질막의 이송경로 중 코팅장치(20)와 건조장치(30)의 배출구(30b) 사이의 임의의 위치에 배치될 수 있다.
제1 지지벨트부(130)는 한 쌍의 롤러(131,133) 및 이 롤러(131,133)에 감겨서 회전하는 제1 벨트(135)로 구성되고 제1 벨트(135)는 외측면에 일정 간격으로 형성되어 전해질막(3)의 상면과 접촉할 수 있는 복수개의 제1 돌기부(136)를 구비한다. 제1 벨트(135)는 예컨대 타이밍 벨트로 구현될 수도 있고, 대안적 실시예에서 벨트(135)와 롤러(131,133)가 각각 체인과 스프라켓으로 구현될 수도 있다. 서로 이웃하는 제1 돌기부(136)의 이격 거리는 전해질막(3)에 소정 간격으로 연속적으로 코팅되는 제1 촉매전극층(5)의 코팅 주기와 동일하고, 따라서 제1 돌기부(136)는 제1 촉매전극층(5)과 접촉하지 않고 서로 이웃하는 제1 촉매전극층(5) 사이의 전해질막(3) 영역에만 접촉하게 된다.
마찬가지로, 제2 지지벨트부(140)는 한 쌍의 롤러(141,143) 및 이 롤러(141,143)에 감겨서 회전하는 제1 벨트(145)로 구성되고 제2 벨트(145)는 외측면에 일정 간격으로 형성되어 전해질막(3)의 하면과 접촉할 수 있는 복수개의 제2 돌기부(146)를 구비한다. 제2 벨트(145)도 예컨대 타이밍 벨트로 구현될 수 있고, 대안적 실시예에서 벨트(145)와 롤러(141,143)가 각각 체인과 스프라켓으로 구현될 수도 있다. 서로 이웃하는 제2 돌기부(146)의 이격 거리도 전해질막(3)에 소정 간격으로 연속적으로 코팅되는 제2 촉매전극층(7)의 코팅 주기와 동일하고, 따라서 제2 돌기부(146)는 제2 촉매전극층(7)과 접촉하지 않고 서로 이웃하는 제2 촉매전극층(7) 사이의 전해질막(3) 영역에만 접촉하게 된다.
또한 바람직하게는, 제1 돌기부(136)의 선단부와 제2 돌기부(146)의 선단부가 각각 전해질막(3)과 접촉하는 시점을 동기화하여 항상 같은 타이밍으로 두 돌기부(136.146)가 전해질막(3)을 가압 및 지지하며 이송하도록 구성한다.
따라서 이러한 구성에 의하면 촉매전극층(5,7)이 건조하지 않은 상태이더라도 지지벨트부(130,140)의 각각의 벨트(135,145)가 촉매전극층(5,7)과 접촉하지 않고 전해질막(3)에만 접촉하여 이송롤러 및/또는 지지롤러로서의 역할을 할 수 있으므로 전해질막(3)을 적절한 장력으로 정확한 이송경로를 따라 이송시킬 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상술한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
3: 전해질막 5, 7: 촉매전극층
10: 전해질막 공급수단 20: 코팅장치
21, 22: 코팅모듈 30: 건조장치
31: 에어 노즐 32: 적외선 광원
41, 42: 보호필름 공급롤 43, 44: 보호필름
51, 52: 위치센서 60: 제어부
71,72: 변위센서 110, 120: 지지롤
111, 121: 돌기부 130, 140: 지지벨트부
135, 145: 벨트 136,146: 돌기부

Claims (10)

  1. 막-전극 접합체(MEA)를 제조하는 막전극 접합체 제조장치로서,
    전해질막의 상면과 하면에 각각 촉매전극층을 코팅하는 코팅장치; 및
    전해질막의 이송경로에서 상기 코팅장치의 하류측에 배치되고, 상기 전해질막에 코팅된 촉매전극층을 건조하는 건조장치;를 포함하고,
    상기 코팅장치는, 상기 전해질막의 상면에 제1 촉매전극층을 일정 간격으로 코팅하는 제1 코팅모듈 및 상기 제1 코팅모듈의 수직 하방에 배치되어 상기 전해질막의 하면에 제2 촉매전극층을 일정 간격으로 코팅하는 제2 코팅모듈을 포함하고,
    상기 코팅장치의 하류측에 배치되어 상기 제1 촉매전극층 및 상기 제2 촉매전극층의 가장자리 영역의 두께와 중심 영역의 두께를 감지하는 변위센서를 포함하고,
    상기 변위센서와 연결되어 상기 변위센서가 측정한 가장자리 영역의 두께와 상기 중심 영역의 두께가 상이하면 상기 두께가 평평해지도록 상기 코팅장치가 코팅하는 촉매전극층의 두께를 제어하도록 하는 제어부를 더 포함하는 막전극 접합체 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅장치는, 상기 전해질막의 상면과 하면의 서로 마주보는 동일 영역에 제1 촉매전극층과 제2 촉매전극층을 각각 코팅하도록 구성된 것인, 막전극 접합체 제조장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 코팅장치의 하류측에 배치되고 상기 전해질막의 제1 촉매전극층과 제2 촉매전극층의 각각의 위치를 감지하는 하나 이상의 위치센서; 및
    상기 위치센서의 감지 결과에 기초하여, 제1 촉매전극층과 제2 촉매전극층이 상기 전해질막의 양면의 서로 마주보는 동일 영역에 정렬되어 코팅되도록 상기 제1 코팅모듈과 제2 코팅모듈 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것인, 막전극 접합체 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조장치가 상기 전해질막을 향해 상온 또는 고온의 공기를 분사하는 복수개의 에어 노즐을 포함하고,
    상기 복수개의 에어 노즐의 각각은 상기 전해질막을 사이에 두고 전해질막의 상측과 하측에 지그재그 모양으로 교차하며 배치된 것인, 막전극 접합체 제조장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 건조장치가 상기 전해질막을 향해 적외선을 조사하는 복수개의 적외선 광원을 더 포함하고,
    상기 복수개의 적외선 광원의 각각은 상기 전해질막을 사이에 두고 전해질막의 상측과 하측에 지그재그 모양으로 교차하며 배치된 것인, 막전극 접합체 제조장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질막의 상면과 하면을 각각 지지하는 제1 지지롤 및 제2 지지롤을 더 포함하고,
    상기 제1 지지롤과 제2 지지롤은 전해질막의 이송경로 중 상기 코팅장치와 상기 건조장치의 전해질막 배출구 사이의 위치에 배치되는 것인, 막전극 접합체 제조장치.
  7. 막-전극 접합체(MEA)를 제조하는 막전극 접합체 제조방법으로서,
    전해질막의 상면과 하면에 각각 제1 촉매전극층과 제2 촉매전극층을 일정 간격으로 코팅하는 코팅단계; 및
    상기 전해질막에 코팅된 제1 및 제2 촉매전극층을 건조시키는 건조단계;를 포함하고,
    상기 코팅단계에서, 제1 촉매전극층과 제2 촉매전극층이 상기 전해질막의 상면과 하면의 서로 마주보는 영역에 동시에 코팅되며,
    적어도 하나의 변위센서를 이용하여 상기 전해질막에 코팅된 제1 촉매전극층과 제2 촉매전극층의 각각의 가장자리 영역의 두께와 중심 영역의 두께를 감지하는 단계,
    상기 변위센서의 감지 결과에 기초하여, 상기 가장자리 영역의 두께와 중심 영역의 두께가 평평해지도록 제1 촉매전극층과 제2 촉매전극층 중 적어도 하나에 대한 코팅 두께를 제어하는 단계를 포함하는 막전극 접합체 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    적어도 하나의 위치센서를 이용하여 상기 전해질막에 코팅된 제1 촉매전극층과 제2 촉매전극층의 각각의 위치를 감지하는 단계; 및
    상기 위치센서의 감지 결과에 기초하여, 제1 촉매전극층과 제2 촉매전극층 중 적어도 하나에 대한 코팅 개시 시점, 코팅 지속시간, 및 코팅 종료 시점 중 적어도 하나를 제어하는 단계;를 더 포함하는 것인, 막전극 접합체 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 변위센서가 레이저 변위센서이고 상기 건조단계에서 이용되는 건조장치의 하류측에 배치되는 것인, 막전극 접합체 제조방법.
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