KR102636187B1 - 연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법 및 장치 - Google Patents
연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법 및 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102636187B1 KR102636187B1 KR1020210090701A KR20210090701A KR102636187B1 KR 102636187 B1 KR102636187 B1 KR 102636187B1 KR 1020210090701 A KR1020210090701 A KR 1020210090701A KR 20210090701 A KR20210090701 A KR 20210090701A KR 102636187 B1 KR102636187 B1 KR 102636187B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- membrane
- electrode
- release paper
- fuel cell
- cut
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 73
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 6
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 36
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 32
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 9
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 229920000412 polyarylene Polymers 0.000 description 6
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 5
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 4
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 4
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 description 4
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 4
- 229920001643 poly(ether ketone) Polymers 0.000 description 4
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 4
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 4
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 4
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 4
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229920002480 polybenzimidazole Polymers 0.000 description 3
- 229920001707 polybutylene terephthalate Polymers 0.000 description 3
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 description 3
- 239000011112 polyethylene naphthalate Substances 0.000 description 3
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 3
- 229920002215 polytrimethylene terephthalate Polymers 0.000 description 3
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M Bicarbonate Chemical class OC([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical group OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 2
- 239000004693 Polybenzimidazole Substances 0.000 description 2
- 239000004695 Polyether sulfone Substances 0.000 description 2
- 239000004697 Polyetherimide Substances 0.000 description 2
- 239000004721 Polyphenylene oxide Substances 0.000 description 2
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 2
- 150000004649 carbonic acid derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 239000010416 ion conductor Substances 0.000 description 2
- 229910000000 metal hydroxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004692 metal hydroxides Chemical class 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229920000110 poly(aryl ether sulfone) Polymers 0.000 description 2
- 229920003207 poly(ethylene-2,6-naphthalate) Polymers 0.000 description 2
- 229920002627 poly(phosphazenes) Polymers 0.000 description 2
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 2
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 2
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 2
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 2
- 229920001601 polyetherimide Polymers 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 238000010345 tape casting Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JMGNVALALWCTLC-UHFFFAOYSA-N 1-fluoro-2-(2-fluoroethenoxy)ethene Chemical compound FC=COC=CF JMGNVALALWCTLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HYZJCKYKOHLVJF-UHFFFAOYSA-N 1H-benzimidazole Chemical compound C1=CC=C2NC=NC2=C1 HYZJCKYKOHLVJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000178 Acrylic resin Polymers 0.000 description 1
- 239000004925 Acrylic resin Substances 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical group Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229930182556 Polyacetal Natural products 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 238000005349 anion exchange Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 125000005620 boronic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- JHRWWRDRBPCWTF-OLQVQODUSA-N captafol Chemical group C1C=CC[C@H]2C(=O)N(SC(Cl)(Cl)C(Cl)Cl)C(=O)[C@H]21 JHRWWRDRBPCWTF-OLQVQODUSA-N 0.000 description 1
- 125000002843 carboxylic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 229920000840 ethylene tetrafluoroethylene copolymer Polymers 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 125000005462 imide group Chemical group 0.000 description 1
- 239000008235 industrial water Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N phosphonic acid group Chemical group P(O)(O)=O ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920000570 polyether Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 229920001470 polyketone Polymers 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229920006324 polyoxymethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920006389 polyphenyl polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920006380 polyphenylene oxide Polymers 0.000 description 1
- 229920012287 polyphenylene sulfone Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000009751 slip forming Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 125000000565 sulfonamide group Chemical group 0.000 description 1
- 150000003457 sulfones Chemical class 0.000 description 1
- BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N tetrafluoroethene Chemical group FC(F)=C(F)F BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
- H01M4/8814—Temporary supports, e.g. decal
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
본 발명은 제조 과정에서 손실되는 전극 없이 원하는 크기의 막-전극접합체를 자유자재로 제조할 수 있는 연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법은 이형지의 일면에 전극을 코팅하는 단계, 전극이 코팅된 이형지를 기 설정된 크기로 절단하는 단계, 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 공급하는 단계, 멤브레인을 압착하여 멤브레인의 양면에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 연료 전지용 막-전극접합체 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조 과정에서 손실되는 전극 없이 원하는 크기의 막-전극접합체를 자유자재로 제조할 수 있는 연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 시스템은 연료가 막 위에 도포 한 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급 시스템, 연료전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템 및 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열, 물 관리 시스템으로 구성된다.
이러한 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
연료전지 스택은 단위 셀을 반복적으로 적층하여 쌓은 전기에너지 발생 장치이며, 이때 단위 셀은 수소와 산소가 반응하여 전기에너지를 발생시키기 위한 최소한의 연료전지 구성요소이다.
고분자 전해질형 연료전지는 연료를 연소시켜 전기를 발생시키는 기본적인 구성요소로서 막-전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)를 구비한다. 막-전극접합체는 전해질막과 이 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한다. 여기서, 각 전극은 통상 촉매층과 확산층으로 이루어지며, 확산층은 통상 미세기공층과 지지층으로 이루어진다.
종래기술에 따른 연료 전지용 막-전극접합체의 제조방법으로는 촉매 전극층을 열간 압력으로 가압하여 전해질막에 접합시키는 데칼 트랜스퍼(decal-transfer)법이 있다. 데칼 트랜스퍼법은 열간 압력을 전달하는 방식에 따라 평판 프레스(plate press)법과 롤 프레스(roll press)법으로 나뉘어진다
평판 프레스법은 이형지 위에 전극을 코팅한 후, 일정한 압력과 열을 가해 전해질 막 위에 전극을 전사하여 막-전극접합체를 제조하게 된다. 이때 평판 프레스법은 각 공정 단계마다 작업자의 수작업이 필요한 문제점이 있었다.
롤 프레스법은 이형지 위에 전극을 코팅하여 롤 형식으로 보관하고, 롤 형식의 전해질 막과 함께 롤 프레스를 통과함으로써 전사가 진행되도록 하고, 이형지를 제거하여 막-전극접합체를 제조하게 된다. 이때 롤 프레스법은 실질적으로 필요하지 않은 부분에도 전극이 사용됨에 따라 전극의 손실이 발생되는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 제조 과정에서 손실되는 전극 없이 원하는 크기의 막-전극접합체를 자유자재로 제조할 수 있는 연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법은 이형지의 일면에 전극을 코팅하는 단계, 상기 전극이 코팅된 이형지를 기 설정된 크기로 절단하는 단계, 상기 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 공급하는 단계, 상기 멤브레인을 압착하여 상기 멤브레인의 양면에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법에 있어서, 상기 코팅하는 단계는, 이형지의 전면에 전극을 코팅하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법에 있어서, 상기 전극을 형성하는 단계는, 롤 프레스를 이용하여 양면에 상기 절단된 전극이 코팅된 이형지가 배치된 멤브레인을 압착하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법에 있어서, 상기 멤브레인의 양면에 공급하는 단계는, 상기 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 일정 시간 간격으로 공급하여, 상기 멤브레인 상에 일정 간격으로 상기 절단된 전극이 코팅된 이형지가 배치되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법에 있어서, 상기 전극을 형성하는 단계 이후에, 상기 전극이 형성된 멤브레인을 절단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 장치는 이형지의 일면에 전극을 코팅하는 전극 코팅부, 상기 전극 코팅부에 의해 상기 전극이 코팅된 이형지를 기 설정된 크기로 절단하는 절단부, 상기 절단부에 의해 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 공급하는 공급부, 상기 공급부에 의해 공급된 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인과 함께 압착하여 전극을 형성하는 전극 형성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법은 전극이 코팅된 이형지를 기 설정된 크기로 절단하고, 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 공급하면서 멤브레인을 압착하여 멤브레인의 양면에 전극을 형성함으로써, 제조 과정에서 손실되는 전극 없이 원하는 크기의 막-전극접합체를 자유자재로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3 및 도 4는 비교예에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 장치에 의해 제조된 막-전극접합체를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 막-전극접합체 제조 장치에 의해 제조된 막-전극 접합체를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3 및 도 4는 비교예에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 장치에 의해 제조된 막-전극접합체를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 막-전극접합체 제조 장치에 의해 제조된 막-전극 접합체를 설명하기 위한 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 전극 코팅부(110), 제1 절단부(120), 공급부(130), 전극 형성부(140) 및 제2 절단부(150)를 포함한다.
전극 코팅부(110)는 이형지의 일면에 전극을 코팅한다. 여기서 전극 코팅부(110)는 테이프 캐스팅(tape casting), 스프레이(spray) 코팅, 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법으로 코팅할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서 이형지(10)는 롤 형태가 될 수 있고, 일측면 전면에 전극(20)이 코팅될 수 있다.
이형지(10)는 기계적 물성이 우수하고, 전극과의 분리성이 우수한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: Poly(ethylene terephthalate)), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT: Poly(butylene terephthalate)), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT: Poly(trimethylene terephthalate)), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN: Poly(ethylene naphthalate)) 및 폴리이미드(PI: Polyimide) 중에서 선택된 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)를 사용할 수 있다.
제1 절단부(120)는 전극 코팅부(110)에 의해 전극(20)이 코팅된 이형지(10)를 기 설정된 크기로 절단한다. 예를 들어, 제1 절단부(120)는 전극(20)이 일면에 도포된 롤 형태의 이형지(10)를 일정한 속도로 투입시키면서 절단 속도를 조절하여 원하는 크기로 절단할 수 있다.
공급부(130)는 제1 절단부(120)에 의해 절단된 전극(20)이 코팅된 이형지(10)를 멤브레인(30)의 양면에 공급할 수 있다.
즉 공급부(130)는 전극 형성부(140) 전단에 구비되되, 멤브레인(30)을 기준으로 상부와 하부에 각각 배치되어, 멤브레인(30)의 상부와 하부에서 멤브레인(30)의 양면에 전극(20)이 코팅된 이형지(10)를 공급한다.
이때 공급부(130)는 절단된 전극(20)이 코팅된 이형지(10)를 멤브레인(30)의 양면에 일정 시간 간격으로 공급하여, 멤브레인(30) 상에 일정 간격으로 절단된 전극(20)이 코팅된 이형지(10)가 배치되도록 한다.
즉 후술할 전극 형성부(140)가 롤 프레스 방식으로 절단된 전극(20)이 코팅된 이형지(10)를 멤브레인(30)과 함께 압착하게 되는데, 공급부(130)는 전극 형성부(140)의 전단에 구비되어, 롤 형태의 멤브레인(30)이 일정한 속도로 이동하게 되면, 일정 시간 간격으로 전극(20)이 코팅된 이형지(10)를 공급함에 따라 멤브레인(30) 상에 일정 간격으로 절단된 전극(20)이 코팅된 이형지(10)가 배치된 상태에서 전극 형성부(140)로 공급되도록 할 수 있다.
여기서 멤브레인(30)은 이온 전도체를 포함한다. 이온 전도체는 프로톤과 같은 양이온을 전달할 수 있는 양이온 교환 그룹을 가지는 양이온 전도체이거나, 또는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온을 전달할 수 있는 음이온 교환 그룹을 가지는 음이온 전도체일 수 있다.
양이온 교환 그룹은 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 일반적으로 술폰산기 또는 카르복실기일 수 있다.
양이온 전도체는 상기 양이온 교환 그룹을 포함하며, 주쇄에 불소를 포함하는 플루오르계 고분자; 벤즈이미다졸, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴 수지, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르, 폴리에테르이미드, 폴리에스테르, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리 카보네이트, 폴리스티렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리아릴에테르술폰, 폴리포스파젠 또는 폴리페닐퀴녹살린 등의 탄화수소계 고분자; 폴리스티렌-그라프트-에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체, 또는 폴리스티렌-그라프트-폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체 등의 부분 불소화된 고분자; 술폰 이미드 등을 들 수 있다.
보다 구체적으로, 양이온 전도체가 수소 이온 양이온 전도체인 경우 상기 고분자들은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤 또는 이들의 혼합물을 포함하는 플루오르계 고분자; 술폰화된 폴리이미드(sulfonated polyimide, S-PI), 술폰화된 폴리아릴에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone, S-PAES), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone, SPEEK), 술폰화된 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole, SPBI), 술폰화된 폴리술폰(sulfonated polysulfone, S-PSU), 술폰화된 폴리스티렌(sulfonated polystyrene, S-PS), 술폰화된 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene), 술폰화된 폴리퀴녹살린(sulfonated polyquinoxaline), 술폰화된 폴리케톤(sulfonated polyketone), 술폰화된 폴리페닐렌옥사이드(sulfonated polyphenylene oxide), 술폰화된 폴리에테르술폰(sulfonated polyether sulfone), 술폰화된 폴리에테르케톤(sulfonated polyether ketone), 술폰화된 폴리페닐렌술폰(sulfonated polyphenylene sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드(sulfonated polyphenylene sulfide), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰니트릴(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르(sulfonated polyarylene ether), 술폰화된폴리아릴렌에테르니트릴(sulfonated polyarylene ethernitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether ether nitrile), 폴리아릴렌에테르술폰케톤(sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), 및 이들의 혼합물을 포함하는 탄화수소계 고분자를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
음이온 전도체는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온을 이송시킬 수 있는 폴리머로서, 음이온 전도체는 하이드록사이드 또는 할라이드(일반적으로 클로라이드) 형태가 상업적으로 입수 가능하며, 음이온 전도체는 산업적 정수(water purification), 금속 분리 또는 촉매 공정 등에 사용될 수 있다.
음이온 전도체로는 일반적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리머를 사용할 수 있으며, 구체적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리(에테르술폰), 폴리스티렌, 비닐계 폴리머, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(테트라플루오로에틸렌), 폴리(벤즈이미다졸) 또는 폴리(에틸렌글리콜) 등을 사용할 수 있다.
전극 형성부(140)는 롤 프레스를 통해 공급부(130)에 의해 공급된 절단된 전극이 코팅된 이형지(10)를 멤브레인(30)과 함께 압착하여 멤브레인(30)의 양면에 전극을 형성할 수 있다. 즉 멤브레인(30)의 양면에 각각 전극(20)이 전사될 수 있으며, 각 전극(30)의 외측면은 이형지(10)가 결합되어 있는 형태가 될 수 있다.
제2 절단부(150)는 전극 형성부(140)의 후단에 구비되어, 전극 형성부(140)에 의해 압착되어 토출되는 멤브레인(30)을 일정한 간격으러 절단할 수 있다. 여기서 제2 절단부(150)는 멤브레인(30)을 절단하되, 인접한 전극과 전극 사이를 절단할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 S10 단계에서 막-전극접합체 제조 장치는 이형지의 일면에 전극을 코팅한다. 여기서 막-전극접합체 제조 장치는 테이프 캐스팅(tape casting), 스프레이(spray) 코팅, 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법으로 코팅할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때 이형지는 롤 형태가 될 수 있고, 일측면 전면에 전극이 코팅될 수 있다.
다음으로 S20 단계에서 막-전극접합체 제조 장치는 전극이 코팅된 이형지를 기 설정된 크기로 절단한다. 예를 들어, 막-전극접합체 제조 장치는 전극이 일면에 도포된 롤 형태의 이형지를 일정한 속도로 투입시키면서 절단 속도를 조절하여 원하는 크기로 절단할 수 있다.
다음으로 S30 단계에서 막-전극접합체 제조 장치는 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 공급할 수 있다.
즉 막-전극접합체 제조 장치는 S40 단계의 전단에 구비되되, 멤브레인을 기준으로 상부와 하부에 각각 배치되어, 멤브레인의 상부와 하부에서 멤브레인의 양면에 전극이 코팅된 이형지를 공급한다.
이때 막-전극접합체 제조 장치는 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 일정 시간 간격으로 한장씩 공급하여, 멤브레인 상에 일정 간격으로 절단된 전극이 코팅된 이형지가 배치되도록 한다.
즉 S40 단계에서 롤 프레스 방식으로 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인과 함께 압착하게 되는데, 롤 형태의 멤브레인이 일정한 속도로 이동하게 되면, 일정 시간 간격으로 전극이 코팅된 이형지를 공급함에 따라 멤브레인 상에 일정 간격으로 절단된 전극이 코팅된 이형지가 배치된 상태에서 S40단계에 공급되도록 할 수 있다.
다음으로 S40 단계에서 막-전극접합체 제조 장치는 롤 프레스를 통해 공급된 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인과 함께 압착하여 멤브레인의 양면에 전극을 형성할 수 있다. 즉 멤브레인의 양면에 각각 전극이 전사될 수 있으며, 각 전극의 외측면은 이형지가 결합되어 있는 형태가 될 수 있다.
그리고 S50 단계에서 막-전극접합체 제조 장치는 S40 단계에서 압착되어 토출되는 멤브레인을 일정한 간격으러 절단할 수 있다. 여기서 막-전극접합체 제조 장치는 멤브레인을 절단하되, 인접한 전극과 전극 사이를 절단할 수 있다.
이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법은 전극이 코팅된 이형지를 기 설정된 크기로 절단하고, 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 공급하면서 멤브레인을 압착하여 멤브레인의 양면에 전극을 형성함으로써, 제조 과정에서 손실되는 전극 없이 원하는 크기의 막-전극접합체를 자유자재로 제조할 수 있다.
이하 비교예와 실시예에 따른 막-전극접합체 제조 방법에 따라 제조된 막-전극접합체의 비교하였다.
도 3 및 도 4는 비교예에 따른 연료전지용 막-전극접합체 제조 장치에 의해 제조된 막-전극접합체를 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 3 및 도 4를 참조하면, 비교예는 롤-투-롤(roll to roll) 방식으로 DECAL 전사법을 진행하였다. 즉 비교예는 이형지 위에 전극을 코팅하여 롤 형식으로 보관하고, 멤브레인을 기준으로 양면에 롤 형태의 전극이 코팅된 이형지를 공급한 후 롤 프레스를 통과하여 전사가 진행되도록 하였다. 그 결과, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 롤 형태의 멤브레인(30)의 중심부에 연속적으로 전극이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이 후 도 4의 (a)와 같이 필요한 크기로 절단하게 된다. 여기서 비교예에 따라 제조된 막-전극접합체의 경우 실질적으로 20a 부분만 전극으로 활용되기 때문에 필요하지 않은 부분에도 전극 형성이 불가피하여 전극 손실이 발생하게 된다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 막-전극접합체 제조 장치에 의해 제조된 막-전극 접합체를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, 실시예는 상술한 바와 같이, 전극이 코팅된 이형지를 기 설정된 크기로 절단하고, 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 공급하면서 멤브레인을 압착하여 멤브레인의 양면에 전극을 형성하였다.
그 결과, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 전극이 일정 간격 이격된 상태로 배치된 것을 확인할 수 있으며, 도 6의 (a)와 같이 전극과 전극 사이를 절단할 경우, 도 6의 (b)와 같이, 전극 손실 없이 원하는 크기의 막-전극접합체를 제조할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다. 또한, 본 명세서와 도면에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
10 : 이형지
20 : 전극
30 : 멤브레인
100 : 막-전극접합체 제조 장치
110 : 전극 코팅부
120 : 제1 절단부
130 : 공급부
140 : 전극 형성부
150 : 제2 절단부
20 : 전극
30 : 멤브레인
100 : 막-전극접합체 제조 장치
110 : 전극 코팅부
120 : 제1 절단부
130 : 공급부
140 : 전극 형성부
150 : 제2 절단부
Claims (6)
- 이형지의 일면에 전극을 코팅하는 단계;
상기 전극이 코팅된 이형지를 기 설정된 크기로 절단하는 단계;
상기 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 공급하는 단계;
상기 멤브레인을 압착하여 상기 멤브레인의 양면에 전극을 형성하는 단계;
를 포함하며,
상기 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 공급하는 단계는,
상기 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 일정 시간 간격으로 공급하여, 상기 멤브레인 상에 일정 간격으로 상기 절단된 전극이 코팅된 이형지가 배치되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 코팅하는 단계는,
이형지의 전면에 전극을 코팅하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 전극을 형성하는 단계는,
롤 프레스를 이용하여 양면에 상기 절단된 전극이 코팅된 이형지가 배치된 멤브레인을 압착하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전극을 형성하는 단계 이후에,
상기 전극이 형성된 멤브레인을 절단하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법. - 이형지의 일면에 전극을 코팅하는 전극 코팅부;
상기 전극 코팅부에 의해 상기 전극이 코팅된 이형지를 기 설정된 크기로 절단하는 절단부;
상기 절단부에 의해 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 공급하는 공급부;
상기 공급부에 의해 공급된 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인과 함께 압착하여 전극을 형성하는 전극 형성부;
를 포함하며,
상기 멤브레인의 양면에 공급하는 공급부는,
상기 절단된 전극이 코팅된 이형지를 멤브레인의 양면에 일정 시간 간격으로 공급하여, 상기 멤브레인 상에 일정 간격으로 상기 절단된 전극이 코팅된 이형지가 배치되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극접합체 제조 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210090701A KR102636187B1 (ko) | 2021-07-12 | 2021-07-12 | 연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법 및 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210090701A KR102636187B1 (ko) | 2021-07-12 | 2021-07-12 | 연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법 및 장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230010303A KR20230010303A (ko) | 2023-01-19 |
| KR102636187B1 true KR102636187B1 (ko) | 2024-02-14 |
Family
ID=85077993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210090701A KR102636187B1 (ko) | 2021-07-12 | 2021-07-12 | 연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법 및 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102636187B1 (ko) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080008855A (ko) * | 2006-07-21 | 2008-01-24 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법 및 장치 |
| KR102440588B1 (ko) * | 2017-05-10 | 2022-09-05 | 현대자동차 주식회사 | 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치 및 방법 |
-
2021
- 2021-07-12 KR KR1020210090701A patent/KR102636187B1/ko active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230010303A (ko) | 2023-01-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4625719B2 (ja) | 燃料電池用膜／電極アセンブリ，その製造方法及びこれを含む燃料電池 | |
| JP2009505364A (ja) | 触媒被覆膜の製造方法 | |
| US20140011116A1 (en) | Manufacturing method and apparatus for membrane electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell | |
| US7285307B2 (en) | Process for producing catalyst-coated membranes and membrane-electrode assemblies for fuel cells | |
| EP2612390B1 (en) | Assembly for reversible fuel cell | |
| JP4810841B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池用電解質膜−触媒層接合体の製造方法および製造装置 | |
| KR102296050B1 (ko) | 연료 전지용 전해질 막 및 이의 제조 방법 | |
| JP2008204953A (ja) | 燃料電池スタック及び燃料電池システム | |
| KR102636187B1 (ko) | 연료 전지용 막-전극접합체 제조 방법 및 장치 | |
| CN113451626A (zh) | 制造用于燃料电池的聚合物电解质膜的方法和由其制造的用于燃料电池的聚合物电解质膜 | |
| KR101312971B1 (ko) | 불소계 이오노모를 이용하여 표면 개질한 탄화수소계 고분자 전해질 분리막, 막 전극 접합체 및 연료전지 | |
| US10218022B2 (en) | Process for the manufacturing of a reinforced membrane-seal assembly | |
| KR101715447B1 (ko) | 막 전극 접합체의 제조방법, 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지 | |
| JP4400212B2 (ja) | 燃料電池用膜・電極接合体の製造方法 | |
| US11973230B2 (en) | Electrode for membrane-electrode assembly and method of manufacturing same | |
| KR102467811B1 (ko) | 강화층을 형성한 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법 | |
| KR20220040232A (ko) | 복합 공정을 이용한 연료전지용 막-전극접합체 제조 방법 | |
| KR20170003276A (ko) | 강화막의 제조방법, 강화막의 제조장치 및 강화막 | |
| KR20170052039A (ko) | 연료 전지 막-전극 접합체 및 이의 제조 방법 | |
| JP2010161039A (ja) | 膜電極接合体の製造方法 | |
| KR20080044495A (ko) | 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법 및 이로부터제조된 연료 전지용 막-전극 어셈블리 | |
| JP2011146245A (ja) | 燃料電池の前処理方法 | |
| Kwon et al. | Polymer electrolyte membrane and methanol fuel cell | |
| KR20170003278A (ko) | 내수축성 적층체, 내수축성 적층체의 제조방법 및 내수축성 적층체의 제조장치 | |
| KR20160069285A (ko) | 강화막 제조장치, 강화막 및 강화막의 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |