KR102625746B1 - 초음파 미스트 스프레이 코팅장치 및 이를 이용한 막전극접합체의 제조방법 - Google Patents

초음파 미스트 스프레이 코팅장치 및 이를 이용한 막전극접합체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 초음파 미스트 스프레이 코팅장치 및 이를 이용한 막전극접합체의 제조방법을 게시한다. 초음파 미스트 스프레이 코팅장치는 고분자 고체 전해질 막에 촉매재 수용액을 분사하여 촉매층을 형성하여 막전극접합체를 제조하기 위한 것으로, 테이블과, 상기 테이블의 상부에 설치되어 초음파분사노즐유닛과, 상기 초음파분사노즐유닛을 X,Y,Z축방향으로 이송시키기 위한 이송유닛과, 상기 초음파노즐유닛게 촉매제가 분산된 적어도 두 개의 저장탱크와, 상기 저장탱크로부터 촉매슬러리를 상기 초음파분사노즐유닛에 공급하기 위한 펌핑유닛과, 상기 초음파분사노즐유닛로부터 분사되는 촉매슬러리를 비산시키기 위한 에어를 공급하는 공압공급유닛을 구비하며,
상기 초음파분사노즐유닛은 내부공간을 가지는 노즐본체와, 상기 노즐본체에 설치되어 상기 내부공간에 촉매제수용액을 분사하기 위한 제1분사노즐부와, 상기 노즐본체의 내부공간에 설치되어 상기 제1분사노즐부로부터 분사되는 촉매슬러리 미스트를 진동시켜 진동에너지를 부여하며 분쇄하기 위한 초음파발진유닛과, 상기 노즐본체와 결합되며 제 2분사노즐부가 형성되며 상기 공압공유닛의 공압공급관과 결합되며 제 2분사노즐부와 근접되게 형성된 에어분사구를 가지는 에어분사캡을 구비한다.

Description

초음파 미스트 스프레이 코팅장치 및 이를 이용한 막전극접합체의 제조방법{Ultrasonic mist spray coating apparatus and method for manufacturing membrane electrode assembly using same}
본 발명은 초음파 미스트 스프레이 코팅장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 고분자 고체 전해질막에 촉매슬러리를 초음파 스프레이 코팅하여 막두께를 균일하게 할 수 있는 초음파 미스트 스프레이 코팅장치 및 이를 이용한 막 전극접합체의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 등에 사용되는 수소의 사용량이 증가됨에 따라 재생에너지를 이용한 수소생산이 많은 주목을 받고 있다. 특히 태양광발전 또는 풍력발전 설비로부터의 잉여전기를 이용한 다양한 수전해 시스템이 개발 중에 있다.
또한 플루 가스나 바이오 가스 등 다양한 원인에서 발생하는 이산화탄소를 소진하여 유용한 가스로 전환하는 개질 기술 또한 환경보존 및 에너지 활용 차원에서 각광받고 있다. 수전해(water electrolysis)는 물의 산화 환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 수소와 산소를 생산하는 방법이다. 수전해의 단위 전지 구조는 고분자 물질로 구성된 고분자 전해질 막(membrane)을 중심으로 양쪽 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)가 코팅된 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)와 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer)으로 구성된다. 애노드에서는 물이 공급되어 전극촉매 상에서 반응하여 산소, 수소 이온과 전자를 발생시킨다. 음극에서는 고체 고분자 막을 통과한 수소이온이 전자와 결합하여 순수한 수소가 발생된다.
한편, 연료전지의 전기 생성을 위한 반응은 과불소황산계(Perfluoro-Sulfonic Acid) 막(Membrane)과, 애노드(Anode)/캐소드(Cathode)의 전극으로 구성된 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)에서 발생된다.
연료전지의 산화극인 애노드에 공급된 수소가 수소 이온(Proton)과 전자(Electron)로 분리된 후, 수소 이온은 막을 통해 환원극인 캐소드쪽으로 이동되고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하게 되며, 상기 캐소드에서 산소 분자, 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물(H2O)을 생성하게 된다.
이러한 연료전지(Fuel Cell)의 단위 셀은 MEA, 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓(Gasket) 및 분리판(Separator)등으로 구성되어 있다. 이 때 MEA의 애노드 및 캐소드 촉매 층에 각각 기체확산층을 접합하여야 하는데, 이러한 접합 시 MEA의 핸들링성(Handling Property)을 좋게 하기 위해서는 높은 강성(Stiffness)이 필요하게 된다.
한편, 대한민국 공개특허 제2016-71800호는 연료전지의 전극막 접합체(MEA)를 제조함에 있어 전해질 막을 전극막 접합체 접합공정 이전에 고온 또는 저온으로 전처리하여 전극막 접합체의 수축 및 팽창을 억제하여 계면의 스트레스를 줄임으로써, 전극막 접합체의 계면 접합력을 높여서 내구성을 향상시키는 연료전지용 전극막 접합체의 제조방법이 게시되어 있다.
그리고 대한민국 공개특허 제 2019-0057787호에는 수전해용 막 전극 집합체 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 수전해용 막전극방법이 게시되어 있다.
게시된 수전해용 막 전극 접합체 제조방법은 전해질 막을 제조하는 전해질 막 제조단계; 및 촉매 물질을 포함하는 촉매 슬러리를 상기 전해질 막의 양면에 스프레이 분사하여 촉매층을 형성하는 촉매층 형성단계;를 포함한다.
상술한 바와 같은 종래의 막 전극 접합체의 제조방법은 스프레이에 의해 분사되는 촉매슬러리의 입자가 상대적으로 균일한 막두께의 촉매층을 형성할 수 없다.
대한민국 공개특허 제 2019-0072004호에는 수전해용 막전극 접합체 제조방법이 게시되어 있으며, 대한민국 공개특허 제 2000-0095182호에는 막 전극접합체의 제조방법이 게시되어 있다. 게시된 방법은 전해질 막의 양 표면에 전극을 형성하는 전극 촉매층을 각각 갖는 전기화학 셀용 막전극접합체(MembraneElectrode Assembly)의 제조방법은 상기 전해질 막을 세정하는 전처리단계, 전처리한 상기 전해질 막을 전극촉매 이온과 용출이 쉬운 금속 이온을 함유한 용액 내에 함침하여 이온들을 상기 전해질 막의 표면과 내부로 침투시켜 고정화하는 흡착단계, 상기 전해질 막에 고정된 전극촉매 이온을 환원제를 이용하여 촉매로 환원함과 더불어 용출이 쉬운 금속이온을 용출하여 다공성 전극 촉매층을 형성하는 환원 및 용출단계를 포함한다.
그리고 대한민국 특허등록 제 10-2262416호에는 고분자 전해질 수전해 스텍용 막전극 접합체가 게시되어 있다.
게시된 막전극 접합체는 애노드(anode) 전극층, 애노드 촉매층, 고분자 고체 전해질 막, 캐소드(cathode) 촉매층 및 캐소드 전극층이 차례대로 적층되어 있으며, 상기 애노드 촉매층은 백금을 0.12±0.02 mg/cm2으로 포함하고, 상기 캐소드 촉매층은 백금을 0.45±0.03 mg/cm2으로 포함한다.
대한민국 공개특허 제2016-71800호 대한민국 공개특허 제 2019-0057787호 대한민국 공개특허 제 2019-0072004호 대한민국 특허등록 제 10-2262416호
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 촉매제가 분산된 수용액을 초음파를 이용하여 미립자화하고, 초미립자의 미스트를 고체 고분자 전해질막에 스프레이 코팅하여 균일한 막두께의 촉매층을 형성할 수 있는 초음파 미스트 스프레이 코팅장치 및 이를 이용한 막전극접합체의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초음파 미스트 스프레이 코팅장치는 고분자 고체 전해질 막에 촉매재 수용액을 분사하여 촉매층을 형성하여 막전극접합체를 제조하기 위한 것으로, 테이블과, 상기 테이블의 상부에 설치되어 초음파분사노즐유닛과, 상기 초음파분사노즐유닛을 X,Y,Z축방향으로 이송시키기 위한 이송유닛과, 상기 초음파노즐유닛게 촉매제가 분산된 적어도 두 개의 저장탱크와, 상기 저장탱크로부터 촉매슬러리를 상기 초음파분사노즐유닛에 공급하기 위한 펌핑유닛과, 상기 초음파분사노즐유닛로부터 분사되는 촉매슬러리를 비산시키기 위한 에어를 공급하는 공압공급유닛을 구비하며,
상기 노즐분사노즐유닛은 내부공간을 가지는 노즐본체와, 상기 노즐본체에 설치되어 상기 내부공간에 촉매제수용액을 분사하기 위한 제1분사노즐부와, 상기 노즐본체의 내부공간에 설치되어 상기 제1분사노즐부로부터 분사되는 촉매슬러리 미스트를 진동시켜 진동에너지를 부여하며 분쇄하기 위한 초음파발진유닛과, 상기 노즐본체와 결합되며 제 2분사노즐부가 형성되며 상기 공압공유닛의 공압공급관과 결합되며 제 2분사노즐부와 근접되게 형성된 에어분사구를 가지는 에어분사캡을 구비한 것을 그 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초음파 미스트 스프레이 코팅장치를 이용한 막전극접합체의 제조방법은 테이블의 상면에 고체고분자 전해질막을 지지시키는 고체고분자 전해질막 지지단계와,
촉매슬러리가 저장된 저장탱크로부터 펌핑유닛을 이용하여 이송유닛에 의해 X,Y,Z축방향으로 이송가능하게 설치된 초음파분사노즐유닛의 제1분사노즐부를 통하여 노즐본체 내의 내부공간에 분사하여 촉매슬러리를 미스트화 하는 촉매제 미스트화 단계와.
그리고 상기 노즐본체에 설치된 초음파발진유닛을 이용하여 상기 미스트에 진동에너지를 부여함과 아울러 분쇄하는 미스트 분쇄단계와, 노즐본체의 결합된 에어분사캡과 연결관을 통하여 고압공급유닛으로부터 공급어 제2분사노즐부의 분사방향으로 형성된 에어분구들로부터 분사되는 에어에 편승하여 고체 고분자 전해질막에 스프레이 코팅하는 촉매층코팅단계를 구비한 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초음파 미스트 스프레이 코팅장치 및 이를 이용한 막전극접합체의 제조방법은 연료전지 또는 수전해용 막전극 접합체를 제조함에 있어서, 고체 고분자 전해질막에 균일한 막두께의 촉매층을 형성할 수 있으며, 촉매층의 형상에 따른 불량률을 줄여 생산성의 향상을 도모할 수 있다.
특히, 고체 고분자 전해질막에 분사되는 미스트는 초음파분사노즐유닛의 노즐본체에 설치되는 초음파발진유닛에 의해 초미립자화되고 진동에너지가 부여되어 있으므로 고체 고분자 전해질막에 접착력과 밀도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 미스트 스프레이 코팅장치의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 초음파 분사노즐유닛의 단면도.
도 3는 초음파 미스트 스프레이 코팅장치를 이용한 막전극접합체(MEA)를 제조하기 위한 방법를 나타내 보인 사시도.
본 발명에 따른 초음파 미스트 스프레이 코팅장치의 일 실시예를 도 1 및 도 2에 나타내 보였으며, 초음파 미스트 스프레이 코팅장치을 이용한 막전극접합체의 제조방법을 도 3에 나타내 보였다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 미스트 스프레이 코팅장치는 전해질 막을 제조하는 전해질 막 제조단계에 의해 제조된 고분자 고체 전해질막의 양측에 제1,2 촉매 물질을 각각 포함하는 제1,2촉매 슬러리를 스프레이 분사하여 제1,2촉매층을 형성하는 것으로, 베이스 프레임에 테이블(20)이 설치되고, 이 테이블(20)의 상부측에는 이송유닛(25)에 의해 X,Y,Z축방향으로 이송되는 초음파분사노즐유닛(30)이 설치된다.
상기 초음파분사노즐유닛(30)에 촉매슬러리를 공급관(51)을 통하여 공급하기 위한 촉매슬러리펌핑유닛(50)과, 초음파분사노즐유닛(30)과 연결관(61)에 의해 연결되어 고압의 에어를 공급하여 촉매슬러리를 분사하기 위한 공압공급유닛(60)을 구비한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 초음파 미스트 스프레이 코팅장치를 구성요소별로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
상기 초음파분사노즐유닛(30)은 내부공간(31)을 가지는 하부측에 노즐본체(32)를 구비하고, 상기 노즐본체(32)는 상단부측은 노즐캡(33)이 결합되어 내부공간을 밀폐하며, 상기 노즐캡(33)에는 촉매슬러리펌핑유닛(50)의 공급관(51)과 연결되어 촉매슬러리(100)를 노즐본체(32)의 내부공간으로 미스트화하여 분사하는 제1분사노즐부(34)가 설치된다. 그리고 상기 노즐본체(32)에는 상기 제1분사노즐부(34)로부터 분사된 촉매슬러리 미스트에 진동에너지를 가하여 초미립자로 분쇄하기 위한 초음파발진유닛(40)이 설치된다. 상기 초음파발진유닛(40)의 초음파발진자(41)는 노즐본체(32)의 내부공간의 내벽에 설치되어 상기 제1분사노즐부(34)로부터 분사되는 촉매슬러리(100)의 이동통로를 형성할 수 있도록 원통형의 형상으로 형성될 수 있는데, 이에 한정되지 않고, 판상의 초음파발진자(41)들이 상기 제1분사노즐부(34)로부터 분사 영역의 주위에 설치될 수 있다. 상기 초음파유발진닛(40)의 초음파발진자(41)는 노즐본체(32)에 복수개가 설치될 수 있다.
그리고 상기 노즐본체(32)의 하단부측은 에어분사캡(35)이 설치되는데, 상기 에어분사캡(35)의 중앙부에는 상기 내부공간으로 스프레이 된 촉매슬러리를 분사하기 위한 제 2분사노즐부(36)가 형성된다. 또한 상기 제 2분사노즐부(36) 또는 근접되는 측에는 제 2분사노즐부(36)를 통하여 분사되는 분사방향 측으로 고압의 에어를 분사에는 에어분사구(37)들이 형성된다. 이 에어분사구(37)는 내부공간으로 분사된 촉매슬러리를 제 2분사노즐부(36)를 통하여 분사될 수 있도록 밴츄리효과를 얻을 수 있는 방향으로 형성된다.
한편, 상기 촉매슬러리펌핑유닛(50)은 촉매슬러리(100)가 저장된 적어도 두 개의 저장탱크(52)와, 상기 저장탱크(52) 내의 촉매슬러리(100)를 상기 제 1분사노즐부(34)로 공급할 수 있도록 저장탱크(52)와 제1분사노즐부(34)를 연결하는 공급관(51)를 구비한다. 그리고 상기 공급관(51)에는 촉매슬러리(100)를 펌핑하기 위한 펌프(53)와 촉매슬러리(100)의 공급을 단속하는 밸브(55)들을 구비한다.
삭제
상기 공압공급유닛(60)은 공기를 압축하기 위한 컴프레셔(62)와 상기 에어분사구(37)를 연결하는 연결관(61)과 연결관에 설치되는 밸브(63) 및 에어필터(64)가 설치될 수 있다. 상기 공압공급유닛(60)의 연결관(61)은 별도의 밸브가 설치된 분기관(65)과 연결되고, 이 분기관(65)은 상기 제 1분사노즐부(34)와 연결될 수 있다.
한편 상기 전해질 막은 프로톤(proton)이 투과할 수 있는 물질로서, 불소계 고분자 화합물, 탄화수소계 고분자 화합물이나 무기 고분자 화합물과의 혼합물 또는 고분자쇄 내에 C-H 결합과 C-F 결합의 양쪽을 포함하는부분 불소계 고분자 화합물 등으로 제조된다.
상기 불소계 고분자 화합물로는 측쇄에 술폰산기를 갖는 퍼플루오로 중합체인 나피온, 아시플렉스 및 플레미온을 들 수 있다. 상기 탄화수소계 고분자 화합물로는 술폰산기 등의 전해질기가 도입된 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴계 수지, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르등 및 이들의 유도체(지방족 탄화수소계 고분자 전해질), 술폰산기 등의 전해질기가 도입된 폴리스티렌, 방향환을 갖는 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리카르보네이트 등 및 이들의 유도체(부분 방향족 탄화수소계 고분자 전해질), 술폰산기 등의 전해질기가 도입된 폴리에테르에테르케톤,폴리에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리카르보네이트, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리에스테르, 폴리페닐렌술피드 등 및 이들의 유도체(전체 방향족 탄화수소계 고분자 전해질) 등으로 이루어질 수 있다. 또한 상기 무기 고분자 화합물로서는, 실록산계 또는 실란계의, 특히 알킬 실록산계의 유기 규소 고분자 화합물이 적합하며, 구체예로서 폴리디메틸실록산, γ-글리시독시프로필 트리메톡시실란 등을 들 수 있다. 상기 부분 불소계 고분자 화합물로는 술폰산기 등의 전해질기가 도입된 폴리스티렌-그래프트-에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리스티렌-그래프트-폴리테트라플루오로에틸렌 등 및 이들의 유도체를 들수 있다.
바람직하게는 폴리테트라플루오르에틸렌의 골격에 술폰산기를 도입한 폴리머인 나피온(Nafion, DuPont社)을 이용하여 제조된 것을 사용한다.
상기 촉매슬러리(100)는 고분자 고체 전해질막의 양면에 제1,2촉매층을 각각 형성하기 위한 것으로, 제1촉매층을 형성하기 위한 제 1촉매물질은 촉매 백금(Pt)을 담체에 담지시켜 구성된 촉매 물질을 사용함이 바람직하다.
제 2촉매측을 형성하기 위한 제2 촉매 물질은 촉매 백금(Pt)을 담체에 담지시켜 구성된 촉매 물질을 사용할 수 있다.
상기 담체는 넓은 표면적을 이용하여 귀금속의 촉매 물질을 넓게 분산시키고, 금속의 촉매 물질만으로는 얻기 어려운 열적 및 기계적 안정성 등의 물리적 성질을 향상시키기 위하여 사용되며 다공성 탄소, 전도성 고분자 및 금속 산화물로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함한다. 다공성 탄소로는 활성탄, 탄소 섬유, 흑연섬유, 그래핀 또는 탄소 나노튜브 등이 사용 가능하며, 전도성 고분자는 폴리비닐카발졸(polyvinylcarbazole),폴리아닐린(polyanilin),폴리피롤(polypyrrole) 또는 그들의 유도체를 사용할 수 있다.
또한, 양극 촉매 물질로서 백금(Pt) 블랙, 탄소(C)에 담지된 백금(Pt 40 내지60wt%) 또는 티타늄(Ti)에 담지된 백금(Pt 30 내지 50wt%)을 사용할 수 있다.
상기 바인더 수지는 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기, 및 이들의 유도체 중 선택된 어느 하나 혹은 둘 이상의 혼합물로 이루어진 측쇄를 가지는 고분자 수지를 사용한다.
바람직하게는 폴리테트라플루오르에틸렌의 골격에 술폰산기를 도입한 폴리머인 나피온(Nafion, DuPont社) 이오노머를 사용함이 바람직하다. 상기 용매는 물, 이소프로필알콜, 에탄올 및 1-프로판올로 구성되는 군에서 선택된 어느 1종 이상을 포함한다.
상기 촉매슬러리는 촉매 물질, 수소 이온 전도도가 높은 고분자 물질 및 촉매분산을 증진시키는 용매를 포함하여 혼합하여 제조할 수 있다.
예컨대, 상기 촉매슬러리의 제조는 제1 촉매 물질을 , 바인더 수지 및 용매를 혼합하고, 상온에서 초음파(sonication) 교반 10분 실시 후 제 1촉매 슬러리를 제작하고 상온에서 원활한 촉매 공급을 위해 자석 교반을 사용한다.
제1 촉매 물질 100 중량부에 대하여 바인더 수지를 250 내지 350 중량부, 용매를 150 내지 250 중량부포함하여 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조할 수 있는데, 바람직하게는 제1 촉매 물질 100 중량부에 대하여 바인더 수지를 280 내지 320 중량부, 용매를 180 내지 220 중량부 포함하여 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조한다.
또한 상기 제2 촉매층 형성단계는 제2 촉매 물질, 바인더 수지 및 용매를 혼합하고, 상온에서 초음파(sonication) 교반 10분 실시 후 제 1촉매 슬러리를 제작하고 상온에서 원활한 촉매공급을 위해 자석 교반을 사용한다.
상술한 바와 같이 조성된 제 1,2촉매슬러리와 상기 초음파 미스트 스프레이 코팅장치를 이용한 막전극접합체의 제조방법은 도 3에 도시된 바와 같이 테이블의 상면에 고분자 고체 전해질막을 지지시키는 고체고분자 전해질막 지지단계(210)와, 상기 촉매제 수용액을 저장된 탱크로부터 펌핑유닛을 이용하여 이송유닛에 의해 X,Y,Z축방향으로 이송가능하게 설치된 초음파분사노즐유닛의 제1분사노즐부을 통하여 노즐본체 내의 공간부에 분사하여 촉매제 수용액을 미스트와 하는 촉매제 미스트화 단계(220)를 구비한다.
그리고 상기 노즐본체에 설치된 초음파발진유닛을 이용하여 상기 미스트에 진동에너지를 부여함과 아울러 분쇄하는 미스트 분쇄단계(230)와, 노즐본체의 결합된 에어분사캡과 연결관을 통하여 고압공급유닛으로부터 공급되는 공기를 노즐본체의 분사구의 분사방향으로 형성된 에어분사캡의 에어분구들로부터 공급되는 에어에 편승하여 고분자 고체 전해질막에 스프레이 코팅하는 촉매층코팅단계(240)를 포함한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 초음파 미스트 스프레이 코팅장치 의 작용을 통하여 막전극접합체의 제조방법을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 초음파 미스트 스프레이 코팅장치을 이용하여 테이블(20)의 상면 막전극접합체을 이루는 고체 고분자 전해질막(300)에 코팅막을 형성하기 위해서는 상기 테이블(20)의 상면에 고분자 고체 전해질막을 지지 시킨다.
이 상태에서 이송유닛(25)을 이용하여 초음파분사노즐유닛(30)을 고체 고분자 전해질막(300)과 대응되는 상부에 위치시킨다.
그리고 촉매슬러리펌핑유닛(50)의 펌프(53)을 구동시켜 촉매슬러리(100)를 공급관(51)을 통하여 제 1분사노즐부(34)에 공급하여 노즐본체(33)의 내부공간(31)에 분사되도록 하고, 고압공급유닛(60)에 의해 상기 에어분사구(37)에 고압의 공기를 공급하여 분사되도록 한다.
이와 같이 하면, 상기 제1분사노즐부(34)로부터 분사되어 미스트화 된 촉매슬러리는 내부공간(31)와 제 2분사노즐부(36)를 통하여 테이블(20)상에 지지 된 고체 고분자 전해질막(300)의 표면으로 분사된다.
이러한 과정에서 상기 제1분사노즐부(34)에 의해 분사된 미스트화된 촉매슬러리는 노즐본체(32)에 장착된 초음파발진유닛(40)에 의해 초미립자로 분쇄됨과 아울러 진동에너지를 얻게 되며, 초미립자로 분쇄된 촉매슬러리는 제 2분사노즐부(36)를 통한 분사 시 에어분사구(37)를 통하여 분사되는 고압의 에어에 편승하여 고체 고분자 전해질막(300)의 표면에 도포된다. 이와 같은 도포작업은 고분자 고체 전해질막이 설치된 테이블의 회전과 이송유닛에 의해 초음파분사노즐유닛(30)을 X,Y,Z 축방향으로 이동시키면서 이루어지게 되므로 촉매층의 막두께를 균일하게 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 초음파 미스트 스프레이 코팅장치 및 이를 이용한 막전극접합체의 제조방법은 초음파를 이용하여 미스트를 초미립자화하여 고분자 고체 전해질막에 코팅할 수 있으므로 촉매층의 막두께를 균일하게 할 수 있으며, 막성형에 따른 불량률을 줄여 생산성의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 고분자 고체 전해질 막에 촉매재 수용액을 분사하여 촉매층을 형성하여 막전극접합체를 제조하기 위한 것으로, 테이블(20)과,
    상기 테이블(20)의 상부에 설치되어 초음파분사노즐유닛(30)과, 상기 초음파분사노즐유닛(30)을 X,Y,Z축방향으로 이송시키기 위한 이송유닛(25)과,
    상기 초음파분사노즐유닛(30)과 공급관((51)에 의해 연결되며 촉매슬러리(100)가 저장된 적어도 두 개의 저장탱크(52)와, 상기 저장탱크로부터 촉매슬러리를 상기 초음파분사노즐유닛(30)에 공급하기 위해 공급관(51)에 설치된 펌프(53)를 구비한 촉매슬러리펌핑유닛(50)과,
    상기 초음파분사노즐유닛(30)과 연결관에 의해 연결되어 고압의 에어를 공급함으로써 촉매슬러리(100)를 비산시키기 위한 공압공급유닛(60)을 구비하며,
    상기 초음파분사노즐유닛(30)은 내부공간(31)을 가지는 노즐본체(32)와, 상기 노즐본체(32)에 설치되어 상기 내부공간(31)으로 촉매슬러리(100)를 분사하기 위한 제1분사노즐부(34)와, 상기 노즐본체(32)의 내부공간(31)에 설치되어 상기 제1분사노즐부(34)로부터 분사되는 촉매슬러리 미스트를 진동시켜 진동에너지를 부여하며 분쇄하기 위한 초음파발진유닛(40)과, 상기 노즐본체(32)와 결합되며 제 2분사노즐부(36)가 형성되며 상기 공압공급유닛(60)과 연결관(61)에 의해 연결되며 제 2분사노즐부(36)와 근접되게 형성된 에어분사구(37)를 가지는 에어분사캡(35)를 구비한 것을 특징으로 하는 초음파 미스트 스프레이 코팅장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 초음파발진유닛(40)은 상기 노즐본체(32)의 내주면에 설치되는 복수개의 초음파발진자(41)를 포함한 것을 특징으로 하는 초음파 미스트 스프레이 코팅장치.






  3. 삭제
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