KR102552154B1 - 물질전달특성 및 내구성이 우수한 막전극 접합체 제조장치 및 이를 이용한 제조방법 - Google Patents

물질전달특성 및 내구성이 우수한 막전극 접합체 제조장치 및 이를 이용한 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물질전달특성 및 내구성이 우수한 막전극 접합체의 제조장치 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 막전극 접합체를 구성하는 전극의 기공도를 두께방향으로 연속적으로 구배를 주어 외부 가스와의 반응성 및 내부 이온의 전달성을 향상시킨 막전극 접합체의 제조장치 및 이를 이용한 막전극 접합체의 제조장치 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것이다.

Description

물질전달특성 및 내구성이 우수한 막전극 접합체 제조장치 및 이를 이용한 제조방법{manufacturing device of membrane electrode assembly with excellent mass transfer characteristics and durability, and method using thereof}
본 발명은 물질전달특성 및 내구성이 우수한 막전극 접합체의 제조장치 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극의 기공도를 두께방향으로 연속적으로 구배를 주어 물질의 반응성 및 전달성을 향상시킨 막전극 접합체의 제조장치 및 이를 이용한 막전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지에 포함되는 막전극 접합체의 제조장치 및 이를 이용한 막전극 접합체의 제조방법에 관한 기술이다. 연료전지 시스템의 구성중 전기를 실질적으로 발생시키는 연료전지 스택은 막전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA, 막전극 어셈블리, 막전극 접합체라고도 함)와 분리판(separator)으로 이루어진 단위 셀이 수 십 내지 수 백개이상 적층된 구조를 가진다.
상기 막전극 접합체는 고분자 전해질 막과, 이 고분자 전해질 막을 사이에 두고 배열되는 음극 및 양극 전극으로 구성되며, 이때 음극 전극(수소극, 연료극, 애노드 전극, 산화 전극이라고도 함) 및 양극 전극(공기극, 산소극, 캐소드, 환원 전극이라고도 함)은 나노 크기의 촉매입자를 포함하는 촉매층이 탄소 페이퍼 또는 탄소 천 등의 전극 기재상에 흡착되어 형성된다.
종래의 막전극 접합체 제조방법을 살펴보면, 도 1에는 전극 공급롤러(1) 및 전해질 막 공급롤러(2)에 의해 공급된 전극 및 전해질 막이 열압착 롤러(4)에 의해 압착되어 막전극 접합체를 형성하는 형태를 가지고 있다.
상기와 같은 형태로 제조된 막전극 접합체는 촉매의 종류, 촉매 입자의 크기 또는 후가공에 의해 전극의 기공도를 조절할 수 있으나, 전극의 기공도를 국부적으로 조절할 수 없기 때문에 하기와 같은 문제가 발생하게 된다.
도 2의 (a)에는 기공도가 증가된 전극 형태를 가지는 막전극 접합체를 보이고 있는데, 이와 같은 형태의 경우 외부로 수소가스 및 산소가스와 반응하여 물질전달을 수행하는 전극의 외측부는 높은 효율을 보일 수 있으나, 전극 내부로 기공도가 너무 커진 형태를 보이기 때문에 내구성 및 강성이 떨어지는 문제를 보일 수 있다. 또한 수소이온이 원활히 이동할 수 있는 통로의 연속성이 떨어진다는 문제가 생길 수 도 있다.
도 2의 (b)에는 기공도가 감소된 전극 형태를 가지는 막전극 접합체를 보이고 있는데, 이와 같은 형태의 경우 전극 내부의 구성이 조밀하여 내구성 및 강성이 높아지고, 수소이온의 이동이 원활해지는 효과를 볼 수 있으나, 외부로 수소가스 및 산소가스와 반응하여 물질전달을 수행하는 전극의 외측부 기공도가 너무 조밀하여 물질전달을 제대로 수행하지 못하며 반응성이 떨어진다는 문제가 생길 수 있다.
한국공개특허 제10-2016-0011487호를 보면 캐소드; 애노드; 및 이들 사이에 개재된 전해질막을 포함하며, 상기 캐소드 및 상기 애노드가 각각 상기 전해질막과 접촉하는 촉매층; 상기 촉매층과 접촉하는 친수성 미세기공층; 및 상기 미세기공층과 접촉하는 가스 확산층을 포함하는 막전극접합체 및 상기 막전극접합체를 포함하는 연료전지가 제시되어 있는데, 다공성 소재의 비표면적 및 기공크기 등을 전체적으로 제시하고 있을 뿐 부분적으로 조절할 수 있는 방법을 제공하지 못하기 때문에 상기 도 2의 (a) 또는 (b)에서 보여지는 문제가 생길 수 있다.
한국공개특허 제10-2009-0019175호를 보면 미세기공층 및 촉매층이 순차적으로 형성된 전사용 기재에 대해 촉매층과 고분자 전해질 막이 대면하도록 고분자 전해질 막을 위치시킨 후 열간 압연하여 미세기공층과 촉매층을 고분자 전해질 막으로 전사하는 방법이 제공되고 있는데, 상기 발명 또한 기공의 밀도 및 크기 등을 부분적으로 조절할 수 있는 방법을 제시하고 있지 못하고 있다.
한국공개특허 제10-2016-0011487호 한국공개특허 제10-2009-0019175호
종래의 막전극 접합체의 제조방법에 의해 제조된 막전극 접합체의 경우 전극의 기공도를 국부적으로 조절할 수 없으며, 연료전지의 경우 외부로 수소가스 및 산소가스와의 반응성을 증대시키면서 내부로 내구성을 가지며 수소이온의 이동성을 동시에 증대시킬 수 있는 전극의 형태를 제공하지 못 한다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 전극 외부로의 가스와의 반응성을 증대시키면서 내부로 내구성 및 이온의 이동성을 증대시킬 수 있는 막전극 접합체 제조장치를 제공하는 데에 기술적 과제가 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 전극이 부착된 이형지를 각각 공급하는 일측전극 공급롤러 및 타측전극 공급롤러; 전해질막을 공급하는 전해질막 공급롤러; 상기 전극이 부착된 이형지를 각각 연신하는 연신롤러; 상기 연신롤러에서 공급된 전극이 부작된 이형지와 전해질막 공급롤러에서 공급된 전해질막을 열압착하여 전극막 접합체를 형성하는 열압착롤러; 및 상기 이형지가 제거된 전극막 접합체를 권취하는 권취롤러; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조장치를 제공한다.
상기 연신롤러는 일측전극 공급롤러에서 공급된 이형지를 연신하는 일측 연신롤러; 및
타측전극 공급롤러에서 공급된 이형지를 연신하는 타측 연신롤러; 로 구성될 수 있다.
상기 일측 연신롤러 및 타측 연신롤러는 각각 속도(V1)으로 구동하는 한쌍의 연신롤러와 속도(V2)로 구동하는 한쌍의 연신롤러로 구성될 수 있다.
상기 이형지는 다공성 이형필름일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의하면, 전극이 부착된 이형지를 연신롤러로 연신하여 전극의 기공도를 증가시키는 연신단계; 상기의 이형지에 부착된 상태의 전극과 전해질 막이 대면하도록 고분자 전해질 막을 위치시킨 후 열압착하여 전극을 전해질 막에 압착시키는 전사단계; 및 상기 이형지를 전극으로부터 제거하여 두께방향으로 기공도 구배를 갖는 전극을 형성하는 막전극 접합체 형성단계; 를 포함하고, 상기 전사단계에서 전해질 막과 전극의 계면에서 전극의 기공도가 감소하는 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
상기 이형지는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 확장형-폴리테트라플루오로에틸렌(e-PTFE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이텔렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리옥시메틸렌(POM) 중에서 적어도 어느 하나의 재질일 수 있다.
상기 연신단계에서 이형지를 길이 방향(MD)으로 연신할 수 있다.
상기 연신단계에서 속도(V1)으로 구동하는 연신롤러와 속도(V2)로 구동하는 연신롤러에 의해 연신될 수 있다.
상기 속도(V1) 및 속도(V2)의 속도비(V1/V2)는 1/1.2 내지 1/10.0 일 수 있다.
상기 이형지를 연신하는 단계에서 연신비는 1:1.2 내지 1:10.0 일 수 있다.
상기 막전극 접합체 형성단계에서 이형지가 제거된 전극의 외측면의 기공도가 전해질막과 맞닿은 전극의 내측면의 기공도 보다 클 수 있다.
상기 막전극 접합체 형성단계에서 이형지가 제거된 전극의 외측면의 평균 기공 크기는 40㎚ 내지 200㎚ 이고, 전해질막과 맞닿은 전극의 내측면의 평균 기공 크기가 1㎚ 내지 60㎚ 일 수 있다.
상기 막전극 접합체 형성단계에서 두께방향을 따라 연속적으로 기공도 구배를 갖는 전극을 형성할 수 있다.
상기 전사단계에서 이형지와 맞닿는 전극의 기공도는 증가된 상태를 그대로 유지할 수 있다.
상기 전사단계 이전에 전해질막 상에 촉매슬러리를 도포할 수 있다.
상기 도포된 측매슬러리의 촉매물질은 상기 전극의 촉매물질과 동일할 수 있다.
상기 전사단계에서 전해질 막과 맞닿은 전극으로부터 이형지에 맞닿은 전극으로 갈수록 기공도가 증가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체의 제조방법에 의하면, 전극과 전해질막의 계면을 조밀화하여 계면의 내구성을 증가시킬 수 있다. 또한 전극의 외면과 내면의 기공도에 연속적으로 구배를 주어 전극 외면에서 산소 및 수소 등의 물질들과 반응성을 높이며, 전극 내면에서 수소 등의 물질전달이 원활히 일어나게 할 수 있는 막전극 접합체의 제조방법 및 제조장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 발명의 막전극 접합체의 제조장치 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 종래 발명의 막전극 접합체의 문제점을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 막전극 접합체의 제조장치 구성을 단계별로 구획하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 전극의 두께방향으로 기공구배를 부여하는 과정을 단계별로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 막전극 접합체의 기공도 차이를 구획하여 나타낸 것이다.
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 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
본 발명의 막전극 접합체의 제조장치는 연료전지 제조공정 중 하나인 막전극 접합공정에 있어서, 두께방향으로 기공도에 있어서 연속적으로 구배를 갖는 전극을 제조할 수 있는 것이 특징이다. 이를 위하여 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 막전극 접합체의 제조장치를 구성하였다.
즉, 본 발명의 막전극 접합체의 제조장치는, 이형지에 부착된 상태의 전극을 각각 공급하는 전극 공급롤러(1, 1'), 전해질 막을 공급하는 전해질 막 공급롤러(2), 공급롤러(1)에서 공급된 이형지에 부착된 상태의 전극을 구동속도의 차이를 이용하여 이형지와 함께 연신시키는 연신롤러(3', 3"), 이형지에 부착된 전극을 전해질 막으로 전사시켜 막전극 접합체를 형성하면서 동시에 이형지를 제거하는 열압착 롤러(4), 제거된 이형지를 권취하여 수거하는 이형지 권취롤러(5) 및 제조된 막전극 접합체를 권취하여 수거하는 막전극 접합체 권취롤러(6)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 이형지로서 다공성 이형필름을 채용하는 것이 바람직하다. 또한 이형지로서 연성을 가진 연성필름을 채용하는 것이 바람직하다. 상기 다공성은 연신하는 단계에서 이형지와 전극을 결착시키는 역할을 하며, 연성은 이형지를 연신하여 그와 함께 전극이 연신되도록 하기 위함이다.
상기와 같은 성질을 갖는 이형지로서 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 확장형-폴리테트라플루오로에틸렌(e-PTFE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이텔렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리옥시메틸렌(POM) 중에서 적어도 어느 하나의 재질을 사용할 수 있으며, 필요에 따라 두 가지 이상이 접착된 형태일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 연신롤러(3', 3")는 일측전극 공급롤러(1)에서 공급된 이형지를 연신하는 일측 연신롤러(3') 및 타측전극 공급롤러(1')에서 공급된 이형지를 연신하는 타측 연신롤러(3") 로 구성되는 것이 특징이다.
상기 일측 연신롤러(3') 및 타측 연신롤러(3")는 각각 회전속도(V1)으로 구동하는 한쌍의 연신롤러와 회전속도(V2)로 구동하는 한쌍의 연신롤러로 구성되는 것이 특징이다.
본 발명에 있어서, 상기 회전속도(V2)는 회전속도(V1) 보다 큰 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 막전극 접합체의 제조방법을 설명한다.
본 발명은 막전극 접합체를 구성하는 전극의 기공도를 두께방향으로 연속적으로 구배를 주어 외부 가스와의 반응성 및 내부 이온의 전달성을 향상시킨 막전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
보다 구체적으로는, 본 발명의 막전극 접하베의 제조방법은, 전극이 부착된 이형지를 연신롤러로 연신하여 전극의 기공도를 증가시키는 연신단계; 상기의 이형지에 부착된 상태의 전극과 전해질 막이 대면하도록 고분자 전해질 막을 위치시킨 후 열압착하여 전극을 전해질 막에 압착시키는 전사단계; 및 상기 이형지를 전극으로부터 제거하여 두께방향으로 기공도 구배를 갖는 전극을 형성하는 막전극 접합체 형성단계; 를 포함하고, 상기 전사단계에서 전해질 막과 전극의 계면에서 전극의 기공도가 감소하는 것을 특징으로 한다.
도 3는 본 발명의 청구항에 따른 막전극 접합체를 제조하는 공정을 단계별로 나타낸 것이다. 도 3을 보면 종래의 롤-투-롤 데칼(roll-to-roll decal)방식 및 롤-프레스(roll-press)방식을 이용한 구성이 나와있는데, 본 발명의 제조방법 구성이 이에 한정되는 것은 아니고 롤-투-롤 데칼 방식이 아닌 개별적인 시트(sheet)별 평판-프레스방식을 통한 제조도 가능하다.
도 3에 따르면 막전극 접합체를 제조하는 각 단계는 전극 및 전해질 막을 공급하는 단계(S1); 전극을 연신하는 단계(S2); 전극과 전해질 막을 전사착하는 단계(S3); 이형지를 제거하는 단계(S4); 막전극 접합체를 권취하는 단계(S5); 로 진행된다.
이하, 도 3에 나타낸 공정의 흐름 및 도 4에 나타낸 각 단계에 따른 전극 기공도의 변화(=기공구배)를 중심으로 본 발명의 막전극 접합체의 제조방법 및 제조단계를 상세히 설명한다.
전극 및 전해질 막을 공급하는 단계(S1)
이형지에 부착된 상태의 전극을 이형지와 함께 전극 공급롤러(1, 1')를 통해 공급하고, 전해질 막을 전해질 막 공급롤러(2)를 통해 공급하는 단계이다. 도 4를 참조하면 현 단계에서 전극의 기공에는 어떠한 인위적인 변화를 주지 않았으며, 전극을 구성하는 촉매 입자의 크기에 의존하는 균일한 기공크기를 가진다.
전극을 연신하는 단계(S2)
전극 공급롤러(1, 1')를 통해 공급된 이형지를 연신롤러(3', 3")를 통해 연신 함으로써 그와 함께 이형지에 부착된 전극을 연신시키는 단계이다. 도 3을 참조하면 전극 공급롤러(1, 1')로부터 회전속도(V1)을 가지는 위아래 한쌍의 연신롤러(3')로 공급된 이형지는 회전속도(V2)를 가지는 위아래 한쌍의 연신롤러(3')를 거치면서 연신이 되게 된다. 이때 연신은 상기 회전속도(V1) 및 회전속도(V2)의 회전속도 차이를 이용하여 연신 되는 것이 특징이다.
본 발명에 있어서 상기 회전속도(V1) 및 회전속도(V2)의 속도비(V1/V2)는 1/1.2 내지 1/10.0 이다. 이때 상기 회전속도(V2)가 회전속도(V1) 보다 느리거나 같을 경우 이형지의 공급방향(=이형지의 길이 방향, MD방향)으로의 연신을 수행할 수 없게 된다.
본 발명에 있어서 상기 이형지를 연신하는 연신비는 연신롤러(3', 3")의 속도비(V1/V2)에 비례한다. 즉, 연신비는 바람직하게 1:1.2 내지 1: 10.0 이다.
본 발명에 있어서 상기 회전속도(V1)을 가지는 연신롤러(3', 3") 와 회전속도(V2)를 가지는 연신롤러(3', 3") 간의 거리는 5cm 내지 100cm 로 한다.
본 발명에 있어서 상기 이형지의 연신을 통해 이형지에 부착되어 있는 전극이 연신 된다.
상기 전극의 연신으로 인해 촉매의 입자크기에 의지하여 생성된 전극의 기공이 커지게 되는 것이 특징이다. 즉, 전극이 연신됨으로써 전체적인 전극의 기공도가 증가하게 된다.
상기 연신으로 인해 증가된 전극 기공의 크기는 평균 40㎚ 내지 200㎚ 이다. 더욱 바람직하게는 100㎚ 내지 200㎚ 이다.
도 4를 보면 이형지의 연신으로 인해 전극도 동시에 연신된 것을 볼 수 있으며, 전극을 구성하는 촉매입자의 간격이 벌어지면서 기공도가 커진 것을 알 수 있다. 상기 전극은 이형지에 부착되어 있는 상태이므로 다시 원상태로 기공도가 감소되지 않는 것이 특징이다.
전극과 전해질 막을 전사하는 단계(S3)
연신단계(S2)를 거쳐 연신된 전극 및 이형지가 전해질 막과 함께 열압착 롤러(4)로 공급되어 열압착 되는 단계이다.
상기 공급되는 전해질 막을 위 아래에서 전극이 대면한 채로 열압착되는 것이 특징이다.
구체적으로 일측 연신롤러(3')로부터 공급된 전극과 타측 연신롤러(3")로부터 공급된 전극이 전해질 막을 게재하여 대면한 상태로 열압착 롤러(4)로 투입된다.
이 단계에서 이형지에 부착되어 연신된 상태의 전극과 전해질 막 공급롤러(2)에서 공급된 전해질 막을 열압착 롤러(4)에서 가열 압착하여 막전극 접합체를 형성하게 된다.
도 4를 보면 열압착에 의해 전해질 막과 맞닿게 되는 전극면의 촉매입자들의 구조가 무너지면서 기공이 작아지는 것을 알 수 있다.
구체적으로 이형지에 부착된 전극면의 기공도는 감소되는 것 없이 연신에 의해 기공도가 커진 상태를 유지하고 있지만, 전해질 막에 맞닿게 되는 전극면의 기공도는 감소되게 된다.
본 발명에 있어서 상기 감소된 전극면(전극의 내측면)의 평균 기공 크기는 1㎚ 내지 60㎚ 이다. 바람직하게는 1㎚ 내지 40㎚ 이다.
본 발명에 있어서 전해질 막이 전극과 함께 열압착 롤러(4)에 의해 열압착되는 전사단계를 거치기 이전에 전해질 막 상으로 촉매슬러리를 도포하여 코팅층을 형성할 수 있다.
이때 상기 도포된 촉매슬러리를 구성하는 촉매물질은 상기 전극을 구성하는 촉매물질과 동일한 것이 특징이다.
본 발명에 있어서 상기 도포에 의해 형성된 코팅층의 기공 크기는 1㎚ 내지 50㎚ 이다. 바람직하게는 1㎚ 내지 40㎚ 이다.
이형지를 제거하는 단계(S4)
이형지에 부착되어 연신된 상태의 전극과 전해질 막 공급롤러(2)에서 공급된 전해질 막을 가열 압착하여 이형지에 부착된 전극을 전해질 막으로 전사시켜 막전극 접합체를 형성하면서 동시에 이형가 제거되는 단계이다.
본 발명에 있어서 제거되는 상기의 이형지는 권취롤러(5)에 의해 수거되는 것이 특징이다.
상기 이형지와 맞닿은 전극의 외측면의 촉매입자 구조는 이형지가 제거되더라도 형태를 그대로 유지하는 것이 특징이다.
즉, 전극의 외측면의 기공도는 이형지가 제거된 후에도 증가된 상태를 그대로 유지하는 것이 특징이다.
본 발명에 있어서 이형지가 제거된 전극의 외측면의 기공도가 전해질 막과 맞닿은 전극의 내측면의 기공도 보다 큰 것을 특징으로 한다.
구체적으로 (S2)단계의 이형지 연신에 의해 전체적으로 기공도가 높아진 전극은 (S3)단계의 열압착 공정에 의해 전해질 막과 맞닿게 되는 내측면 기공도가 낮아지지만, 이형지와 전극의 접착력으로 인해 이형지와 맞닿은 전극의 외측면 기공도는 낮아지지 않으므로 열압착 후 막전극 표면 부위 기공도가 높은 상태로 유지될 수 있다.
이때 전극의 외측면의 평균 기공 크기는 40㎚ 내지 200㎚ 이고, 전극의 내측면의 평균 기공 크기는 1㎚ 내지 60㎚ 이다. 바람직하게는 전극의 외측면의 평균 기공 크기는 100㎚ 내지 200㎚ 이고, 전극의 내측면의 평균 기공 크기는 1㎚ 내지 40㎚ 이다.
도 4를 보면 이형지가 제거되어 외부로 드러난 전극의 외측면의 기공도는 감소됨 없이 형태를 유지하는 것을 알 수 있다.
본 발명에 있어서 두께방향을 따라 연속적으로 기공도 구배를 갖는 전극이 형성되는 것이 특징이다.
도 5를 보면 전해질 막에 맞닿아 있는 전극의 내측면 부위(A) 및 이형지가 제거되어 외부로 드러난 전극의 외측면 부위(B)의 기공도가 다름을 알 수 있다.
상기 내측면 부위(A)의 전극을 구성하는 촉매의 밀도가 높기 때문에 연료전지의 경우 양극에서 공급된 수소이온이 전해질 막을 통과하여 음극으로 이동이 원활해 질 수 있다. 즉, 크로스오버(Cross-over) 현상이 억제될 수 있다.
또한 내측면 부위(A)의 전극을 구성하는 촉매의 밀도가 높기 때문에 전해질 막과 전극 계면이 조밀화된 구조를 가지면 이로 인해 계면의 내구성이 증가한다는 효과를 제공하게 된다.
한편 상기 외측면 부위(B)의 전극을 구성하는 촉매의 밀도는 낮기 때문에 내측면 부위(A)에 비해 높은 기공도를 보인다. 때문에 연료전지의 경우 외부로부터 공급되는 가스(수소 및 산소)의 교환 및 반응이 증가하여 물질전달에 유리한 효과를 가질 수 있다. 특히 고출력영역(1A/cm2)에서 물지전달의 로스(loss)가 감소되게 된다.
막전극 접합체를 권취하는 단계(S5)
이형지가 제거되어 전극 및 전해질막의 3층 레이어(layer) 구조를 가지는 막전극 접합체를 권취롤러(6)에 의해 회수하는 단계이다.
본 발명에 있어서 막전극 접합체는 3층 레이어 구조를 가지는 것이 특징이나, 필요에 따라 전극과 전해질 막 사이에 촉매층을 추가로 형성시켜 5층 이상의 레이어 구조를 가질 수 도 있다.
1: 전극 공급 롤러
2: 전해질 막 공급 롤러
3: 강제구동 롤러
3', 3": 연신롤러
4: 열압착 롤러(=열압착 롤프레스)
5: 이형지 권취 롤러
6: 막전극 접합체 권취 롤러

Claims (17)

  1. 전극이 부착된 이형지를 각각 공급하는 일측전극 공급롤러 및 타측전극 공급롤러;
    전해질막을 공급하는 전해질막 공급롤러;
    상기 전극이 부착된 이형지를 각각 연신하는 연신롤러;
    상기 연신롤러에서 공급된 전극이 부착된 이형지와 전해질막 공급롤러에서 공급된 전해질막을 열압착하여 전극막 접합체를 형성하는 열압착롤러; 및
    상기 이형지가 제거된 전극막 접합체를 권취하는 권취롤러; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연신롤러는 일측전극 공급롤러에서 공급된 이형지를 연신하는 일측 연신롤러; 및
    타측전극 공급롤러에서 공급된 이형지를 연신하는 타측 연신롤러; 로 구성된 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 일측 연신롤러 및 타측 연신롤러는 각각 속도(V1)으로 구동하는 한쌍의 연신롤러와 속도(V2)로 구동하는 한쌍의 연신롤러로 구성된 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이형지는 다공성 이형필름인 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조장치.
  5. 전극이 부착된 이형지를 연신롤러로 연신하여 전극의 기공도를 증가시키는 연신단계;
    상기의 이형지에 부착된 상태의 전극과 전해질 막이 대면하도록 고분자 전해질 막을 위치시킨 후 열압착하여 전극을 전해질 막에 압착시키는 전사단계; 및
    상기 이형지를 전극으로부터 제거하여 두께방향으로 기공도 구배를 갖는 전극을 형성하는 막전극 접합체 형성단계; 를 포함하고,
    상기 전사단계에서 전해질 막과 전극의 계면에서 전극의 기공도가 감소하는 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이형지는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 확장형-폴리테트라플루오로에틸렌(e-PTFE), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이텔렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드(PI), 폴리옥시메틸렌(POM) 중에서 적어도 어느 하나의 재질인 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연신단계에서 이형지를 길이 방향(MD)으로 연신하는 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 연신단계에서 속도(V1)으로 구동하는 연신롤러와 속도(V2)로 구동하는 연신롤러에 의해 연신되는 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 속도(V1) 및 속도(V2)의 속도비(V1/V2)는 1/1.2 내지 1/10.0 인 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 이형지를 연신하는 단계에서 연신비는 1:1.2 내지 1:10.0 인 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 막전극 접합체 형성단계에서 이형지가 제거된 전극의 외측면의 기공도가 전해질막과 맞닿은 전극의 내측면의 기공도 보다 큰 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 막전극 접합체 형성단계에서 이형지가 제거된 전극의 외측면의 평균 기공 크기는 40㎚ 내지 200㎚ 이고, 전해질막과 맞닿은 전극의 내측면의 평균 기공 크기가 1㎚ 내지 60㎚ 인 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 막전극 접합체 형성단계에서 두께방향을 따라 연속적으로 기공도 구배를 갖는 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 전사단계에서 이형지와 맞닿는 전극의 기공도는 증가된 상태를 그대로 유지하는 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 전사단계 이전에 전해질막 상에 촉매슬러리를 도포하는 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 도포된 측매슬러리의 촉매물질은 상기 전극의 촉매물질과 동일한 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.
  17. 제5항에 있어서,
    상기 전사단계에서 전해질 막과 맞닿은 전극으로부터 이형지에 맞닿은 전극으로 갈수록 기공도가 증가하는 것을 특징으로 하는 물질전달 특성이 개선된 막전극 접합체의 제조방법.

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