KR20060102440A - 연료 전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치 및 코팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치 및 코팅방법에 관한 것으로, 전극 코팅시 촉매슬러리를 전해질막이나 기체확산층에 한번에 코팅함으로써 공정 시간을 단축하도록 한 전극 코팅장치 및 코팅방법에 관한 것이다.

이에 본 발명에서는 전극이 코팅되는 전극지지체와, 전극 코팅용 촉매슬러리가 담긴 슬러리 용기와, 상기 슬러리 용기에 담긴 촉매슬러리를 상기 전극지지체에 찍어주어 균일한 두께의 촉매층을 형성하기 위한 스탬프 부재를 포함하여 구성되는 전극 코팅장치가 제공된다.

또한, 전극이 코팅되는 전극지지체; 하우징 내부에 설치되며 전극 코팅용 촉매슬러리가 담기는 카트리지와, 상기 카트리지에 담긴 촉매슬러리가 이동되어 상기 전극지지체에 균일한 두께의 촉매층을 코팅하는 다공성 다이헤드를 구비하는 스탬프 부재를 포함하여 구성되는 전극 코팅장치가 제공된다.

연료 전지, 전극지지체, 막-전극 접합체, 스탬프, 촉매슬러리, 코팅

Description

연료 전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치 및 코팅방법{Apparatus for coating electrode in membrane-electrode assembly for fuel cell and method thereof}

도 1은 일반적인 연료전지 시스템을 도시한 구성도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 코팅장치를 개략적으로 보여주는 구성도이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스탬프 부재의 사용상태를 보여주는 사시도이다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 코팅장치를 설명하기 위한 사시도이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스탬프 부재를 나타낸 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 스탬프 부재 20 : 슬러리 용기

30 : 촉매슬러리 40 : 전극지지체

50 : 촉매층 60 : 카트리지

70 : 다공성 다이헤드

본 발명은 연료 전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치 및 코팅방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료 전지의 막-전극 접합체의 전극 코팅시 촉매슬러리를 전해질막이나 기체확산층에 한번에 코팅함으로써 공정 시간을 단축하도록 한 전극 코팅장치 및 코팅방법에 관한 것이다.

연료 전지는 전기화학 전지로서 연료(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학적으로 반응시켜 생긴 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 상기 연료 전지는 연소 과정 없이 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가진다.

상기 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150~200℃ 부근에서 작동되는 인산형 연료전지, 600~700℃의 고온에서 작동되는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동되는 고체 산화물형 연료전지 및 상온 내지 100℃ 이하에서 작동되는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질 등이 서로 다르다. 이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC, 이하 편의상 PEMFC라 한다)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

상기와 같은 PEMFC의 구성은 도 1에 도시한 바와 같이, 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack)(6), 연료를 공급하기 위한 연료 탱크(1)와 물탱크(2) 및 연료 펌프(3) 등을 구비한다. 스택(6)은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프(3)는 연료 탱크(1) 내의 연료를 스택(6)으로 공급한다. 또한, 연료 전지는 연료 탱크(1)에 저장된 연료를 스택(6)으로 공급하는 과정에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급하는 개질기(Reformer)(5)를 더 포함한다.

따라서, 상기 PEMFC는 연료 펌프(3)의 작동으로 연료 탱크(1) 내의 연료를 개질기(5)로 공급하고, 이 개질기(5)에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택(6)에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.

실질적으로 전기를 발생시키는 스택(6)은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly : MEA)(12)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(16)로 이루어지는 단위 전지(11)를 수 개 내지 수십 개로 적층한 구조로 이루어진다.

상기 막-전극 접합체(12)는 전해질막을 사이에 두고 양측면에 각각 부착되는 애노드 전극과 캐소드 전극으로 이루어진다. 그리고 바이폴라 플레이트(16)는 수소 통로 및 공기 통로를 형성하면서 이를 통해 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 공 급하는 역할과 각 전극-전해질 합성체의 에노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시키는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.

애노드의 연료로는 천연가스, 메탄올 또는 다른 탄화수소계 연료 또는 그 유도체 등이 공급된다. 애노드에서 연료가 반응하여 수소이온 및 전자가 생성되며 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드 측으로 이동하며, 전자는 외부회로를 구성하는 도선 및 부하를 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에는 산화제로서 일반적으로 공기가 공급되며 수소이온과 전자가 공기 중의 산소와 결합되어 물이 생성되고 물은 전지외부로 배출된다. 실제 사용시 연료 전지는 부하에서 요구하는 전력을 공급하기 위하여 복수의 단위 전지를 직렬 및 병렬로 배치한 팩 형태로 구성된다. 팩 형태의 연료 전지는 복수의 단위 전지를 적층하는 바이폴라 플레이트 방식, 복수의 단위전지를 평면상에 배열한 모노폴라 플레이트 방식, 또는 이들을 복합한 방식 등이 사용된다.

막-전극 접합체(12)를 제조하는 방법의 일예는 기체확산층에 촉매물질을 코팅하며 촉매층(전극층)을 형성하고, 이를 적당한 압력과 온도에서 전해질막과 고온프레스 과정을 통하여 접합하는 방법이다. 기체확산층으로는 세공 및 기공을 가지며, 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근이 가능한 물질이 적합한데, 기체확산층은 전기화학 반응에 의해 생성된 전류를 바이폴라 플레이트 또는 모노폴라 플레이트를 통해서 외부의 전기회로와 연결하는 역할을 한다. 일반적으로 탄소종이(carbon paper), 탄소섬유직물(carbon fiber fabric)이 기체확산층의 기재로서 사용되는데, 이들은 피치, PAN과 같은 고분자 재료를 2000℃ 이상의 고온에서 탄화시 켜서 만든 탄소를 섬유형태로 사출하고 다시 압축해서 종이 형태의 박판으로 제조하거나 섬유를 복잡한 직조 공정을 통해서 다시 직물형태로 만든다.

또한, 촉매층은 각각 연료의 분해반응과 산소의 환원반응을 일으킬 수 있는 동종 혹은 이종의 백금족 촉매들을 전도성 탄소의 표면에 고르게 분포시킨 형태를 많이 사용하는데, 촉매의 비표면적을 증가시켜 반응효율을 향상시키기 위해서 활성탄소 분말(active carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotube) 또는 탄소나노혼(carbon nanohorn) 등 매우 미분된 형태의 탄소표면에 촉매를 담지하는 방법에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

또한, 막-전극 접합체를 대량으로 제조하기 위해서는 전해질막에 직접 촉매물질을 코팅하여 촉매층을 형성할 수도 있다.

상기 막-전극 접합체 코팅방법 중 가장 일반적인 방법은 기체확산층 또는 고분자 전해질막 위에 아주 낮은 점도를 가지는 고분산 촉매슬러리를 스프레이 방법으로 장시간에 걸쳐서 미량씩 도포하는 방법이다. 이 방법은 고분산된 촉매가 기체확산층이나 고분자 전해질막 위에 골고루 도포되는 장점이 있으나 도포 시간이 매우 길기 때문에 전극을 대량으로 생산하는 것이 불가능하다.

또한, 롤(Roll) 코팅방법에 의한 전극제조는, 미국특허 제 4,603,060호에 나타나 있듯이 촉매슬러리를 더욱 변형시켜 껌처럼(gum-like) 만든 후 롤을 이용하여 얇은 판상(sheet type)의 촉매층을 형성해서 건조시킨 다음 압착기를 이용하여 촉매층과 미리 제작된 기체확산층을 접착시킴에 의해서 전극의 제조가 완료되는 형태를 취하고 있다.

상기 롤 코팅방법의 경우에는 껌처럼 된 촉매층을 미리 판상으로 형성하여야 하기 때문에 넓고 두께가 균일한 촉매층을 제조하는 데 어려움이 따르고 있으며, 또한 넓은 면적의 촉매층과 기체확산층을 접착시키기 위해서는 넓은 면적을 갖는 압착기를 필요로 하게 되는 문제점을 지니고 있다.

특히, 촉매층과 기체확산층을 압착할 때에는 촉매층의 전체면에 걸쳐 균일한 응력이 가해져야 하는데, 만일 이와 달리 균일한 응력이 가해지지 않을 때에는 부분적으로 촉매층의 박리현상이 발생하게 된다. 그러나 실제에 있어서는 넓고 균일한 응력을 가할 수 있는 형태의 압착기를 제작하는 데는 많은 경제적, 기술적인 어려움이 따르고 있는 실정이다.

또한, 롤 코팅방법 및 D/B(doctor blade) 코팅방법은 상당량의 촉매가 다공성 기체확산층 내부로 침투해 들어가며, 이로 인해서 촉매의 효율이 낮아지고 도포되는 촉매량을 증가시켜야 할 뿐만 아니라 촉매층이 두껍게 형성되고 기판의 변형도 가져올 수 있는 문제점이 있다.

한편, 고효율 고분자 연료 전지의 막-전극 접합체 코팅을 위한 또 다른 방법으로, 촉매와 전해질막, 전극간의 계면에 촉매의 편재화를 이루기 위하여 전극의 표면에 백금을 500Å의 두께로 기체확산층 위에 스퍼터링(sputtering)하는 방법이 알려져 있으나, 상기 방법으로 균일한 박막을 제조하는 것은 어렵다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 감안하여 창안된 것으로써, 그 목적은 전해질막이나 기체확산층에 전극을 한번에 코팅함으로써, 공정 시간 을 단축시켜 전극을 대량으로 생산할 수 있는 막-전극 접합체의 전극 코팅방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 도포되는 촉매량을 줄여 촉매층이 얇게 형성되면서도 촉매층의 전체면에 걸쳐 균일한 응력이 가해짐으로써 촉매층을 균일하게 형성할 수 있는 막-전극 접합체의 전극 코팅방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 기판의 변형을 최소화할 수 있는 코팅방법을 제공하는 것이다.

이에 본 발명에서는 전극이 코팅되는 전극지지체와, 전극 코팅용 촉매슬러리가 담긴 슬러리 용기와, 상기 슬러리 용기에 담긴 촉매슬러리를 상기 전극지지체에 찍어주어 균일한 두께의 촉매층을 형성하기 위한 스탬프 부재를 포함하여 구성되는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치가 제공된다.

본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치에 있어서, 상기 스탬프 부재는 고무 재질로 형성되거나 열경화성 폴리머 재질로 형성될 수 있다.

또한, 상기 스탬프 부재를 상기 슬러리 용기에서 상기 전극지지체로 반복적으로 이동시키기 위한 이동장치가 더 포함되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅방법은 전극 코팅용 촉매슬러리를 제조하는 단계와, 상기 촉매슬러리가 담긴 슬러리 용기에 스탬프 부재를 찍어서 상기 스탬프 부재에 촉매 슬러리를 소정량 묻히는 단계와, 상기 촉매슬러리가 묻은 스탬프 부재를 전극지지체의 표면에 찍은 후 가압하여 전극지지체 위에 촉매층을 코팅하는 단계와, 상기 전극지지체 위에 촉매층이 코팅된 전극을 건조시키는 단계를 포함하여 진행된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치는, 전극이 코팅되는 전극지지체; 하우징 내부에 설치되며 전극 코팅용 촉매슬러리가 담기는 카트리지와, 상기 카트리지에 담긴 촉매슬러리가 이동되어 상기 전극지지체에 균일한 두께의 촉매층을 코팅하는 다공성 다이헤드를 구비하는 스탬프 부재를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 스탬프 부재는 압축된 상기 다공성 다이헤드를 복원하기 위한 복원수단이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

한편 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅방법은 전극 코팅용 촉매슬러리를 제조하는 단계와, 상기 촉매슬러리가 담긴 카트리지와, 상기 카트리지의 앞면에 접하게 설치되는 다공성 다이헤드를 구비하는 스탬프 부재를 이용하여, 상기 스탬프 부재를 전극지지체에 대항하여 가압하면 상기 카트리지의 앞면이 상기 다공성 다이헤드를 가압하면서 촉매슬러리가 상기 카트리지로부터 상기 다공성 다이헤드로 이동하여 상기 전극지지체의 표면에 촉매층을 코팅하는 단계와, 상기 전극지지체 위에 촉매층이 코팅된 전극을 건조시키는 단계를 포함하여 진행된다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

첨부한 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 코팅장치를 개략적으로 보여주는 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전극 코팅장치는 전극이 코팅되는 전극지지체(40)와, 전극 코팅용 촉매슬러리(30)가 담긴 슬러리 용기(20)와, 상기 슬러리 용기(20)에 담긴 촉매슬러리(30)를 상기 전극지지체(40)에 찍어주어 균일한 두께의 촉매층(50)을 형성하기 위한 스탬프 부재(10)로 구성된다.

상기 전극지지체(40)는 촉매물질을 코팅하며 촉매층(전극층)(50)을 형성하고자하는 기판으로서, 일반적으로 사용되고 있는 전해질막이나 기체확산층 모두 적용가능하다.

상기 촉매슬러리(30)가 담겨진 슬러리 용기(20)는 스탬프 부재(10)의 하단면 넓이를 포함하는 크기로 제작되는 것이 바람직하며, 이와 같은 슬러리 용기(20)는 상기 촉매슬러리(30)를 스탬프 부재(10)에 묻힐 때 상기 스탬프 부재(10)가 상기 슬러리 용기(20)의 테두리에 걸리지 않도록 하여 촉매슬러리(30)를 스탬프 부재(10)에 묻히기가 용이하게 한다.

상기 촉매슬러리(30)의 촉매 입자는 수소, 탄화수소, 또는 메탄올 등의 연료 분해반응 또는 산소의 환원반응을 일으킬 수 있는 백금 촉매, 탄소담지 백금 촉매, 백금-루테늄 합금 촉매, 및 탄소담지 백금-루테늄 합금 촉매로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 여기서 탄소담지 촉매 입자란 상기 촉매 입자를 전도성을 가지며 촉매금속입자를 담지할 수 있는 미세기공(micropore)을 갖는 탄소분말의 표면에 고르게 분포시킨 형태를 포함하는데, 촉매의 비표면적을 증가시켜 반응효율을 향상시키기 위해서 카본블랙, 케첸블랙, 아세틸렌블랙, 활성탄소 분말(active carbon), 탄소나노 튜브(carbon nanotube), 탄소나노혼(carbon nanohorn) 또는 이들의 혼합물 등 매우 미분된 형태의 탄소표면에 촉매가 담지된 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 제1 실시예에서, 상기 스탬프 부재(10)는 고무 재질로 형성되거나 열경화성 폴리머 재질로 형성될 수 있다.

상기 스탬프 부재(10)를 고무 재질로 하는 경우, 상기 스탬프 부재(10)가 탄성을 가지게 되므로, 두께가 얇은 상기 전극지지체(40)에 상기 스탬프 부재(10)로 촉매슬러리(30)를 찍어 촉매층(50)을 형성할 때 촉매층(50)의 전체면에 걸쳐 균일한 응력을 가할 수 있게 되어 균일한 두께의 촉매층(50)을 형성할 수 있으며, 코팅작업을 보다 용이하게 할 수 있게 된다.

또한, 상기 스탬프 부재(10)를 열경화성 폴리머 재질로 하는 경우, 견고하고 잘 부서지지 않는 특성으로 인해 장시간 사용할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에서는 상기 스탬프 부재(10)를 상기 슬러리 용기(20)에서 상기 전극지지체(40)로 반복적으로 이동시키기 위한 이동장치가 더 포함될 수 있다.

상기 이동장치는 상기 스탬프 부재(10)를 홀딩하여 상기 슬러리 용기(20)와 전극지지체(40) 사이에 반복적으로 이동시키면서 스탬프 부재(10)를 전극지지체 (40)에 찍어 촉매층(50)을 형성하도록 하는 장치로서, 본 발명의 제1 실시예에서는 상기 이동장치의 구체적인 구성을 한정하지 않으며, 다양한 구성의 이동장치가 적용될 수 있음은 물론이다.

첨부한 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스탬프 부재의 사용상태를 보여주는 사시도로서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에 따른 막-전극 접합체의 코팅방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전극 코팅용 촉매슬러리(30)를 제조하여 슬러리 용기(20)에 담는다. 여기서, 상기 촉매슬러리(30)는 상술한 바와 같이, 백금 촉매, 탄소담지 백금 촉매, 백금-루테늄 합금 촉매, 및 탄소담지 백금-루테늄 합금 촉매로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 촉매입자를 사용하여 제조할 수 있다.

이후, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 촉매슬러리(30)가 담긴 슬러리 용기(20)에 스탬프 부재(10)를 담가 상기 스탬프 부재(10)의 하면에 촉매슬러리(30)를 소정량 묻힌다.

이후, 상기 촉매슬러리(30)가 묻은 스탬프 부재(10)를 전극지지체(40)의 전극코팅면(51) 위에 위치시킨 후 도 3b에서 보는 바와 같이, 전극지지체(40)의 표면에 찍어 가압하여 전극지지체(40) 위에 촉매슬러리(30)를 코팅하여 촉매층(50)을 형성한다.

이후, 상기 전극지지체(40) 위에 촉매층(50)이 코팅된 전극을 건조시킴으로써 전극 코팅공정은 완료된다.

이와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따르면 상기 스탬프 부재(10)에 촉매슬러 리(30)를 묻혀 전극지지체(40)의 표면에 찍는 방법으로 한 번에 전극을 코팅함으로써, 코팅공정이 간편하여 코팅시간을 단축할 수 있으며, 코팅공정과 가압공정을 동시에 하므로 종래의 압착기와 같은 장비가 필요없게 되어 장치를 간소화할 수 있다.

한편, 상기 스탬프 부재(10)를 상기 슬러리 용기(20)에서 상기 전극지지체(40)로 반복적으로 이동시키기 위한 이동장치가 더 구비된 경우, 상술한 전극 코팅공정을 자동화할 수 있으며, 이를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 이동장치가 스탬프 부재(10)를 홀딩하여 상기 촉매슬러리(30)가 담긴 슬러리 용기(20) 위에 위치시킨 후 수직방향으로 하향이동하여 상기 스탬프 부재(10)의 하면에 촉매슬러리(30)를 소정량 묻힌다.

이후, 촉매슬러리(30)가 묻은 상기 스탬프 부재(10)를 수직방향으로 상향이동시킨 후 전극지지체(40)의 전극코팅면(51) 위에 위치시키고, 연속하여 아래 방향으로 수직이동시키면서 전극지지체(40)를 가압하여 촉매층(50)을 코팅한다.

이후, 상기 스탬프 부재(10)를 상향이동시켜 전극지지체(40)로부터 이격시킨 후 슬러리 용기(20) 방향으로 이동시키고 상술한 공정을 반복적으로 실시한다.

이와 같은 본 발명의 제1 실시예는 스탬프 부재(10)를 이용하여 연속적으로 전극 코팅공정을 진행할 수 있으며, 상기 스탬프 부재(10)에 촉매슬러리(30)를 묻혀 전극지지체(40)의 표면에 찍는 방법으로 한 번에 전극을 코팅함으로써, 코팅공정이 간편하여 코팅시간을 단축할 수 있다.

한편, 본 발명의 전극 코팅장치로서, 내부에 촉매슬러리를 내장하여 촉매슬 러리가 고갈될 때까지 연속적으로 수회 코팅이 가능한 스탬프 부재를 적용함도 가능하다.

즉, 상기 스탬프 부재를 연속식 도장과 같이 구성하는 것으로, 그 일예를 도 4 및 도 5에 도시한 바, 이를 참고로 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 코팅장치를 설명하기 위한 사시도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스탬프 부재를 나타낸 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전극 코팅장치는 하우징(110) 내부에 설치되며 전극 코팅용 촉매슬러리(30)가 담기는 카트리지(120)와, 상기 카트리지(120)에 담긴 촉매슬러리(30)가 이동되어 상기 전극지지체(40)에 촉매층(50)을 코팅하기 위한 다공성 다이헤드(130)를 구비하는 스탬프 부재(100)로 구성된다.

이와 같은 스탬프 부재(100)는 상기 하우징(110)을 상방향에서 누르면 상기 카트리지(120)의 촉매슬러리가 상기 다공성 다이헤드(130)로 이동하여 전극지지체(40) 표면에 촉매층(50)이 코팅되는 것으로, 상기 스탬프 부재(10)의 내부에 촉매슬러리(30)가 담긴 카트리지(120)가 내장되어 별도의 촉매슬러리(30)를 구비할 필요없이 촉매슬러리(30)가 고갈될 때까지 수회 사용가능한 구성을 갖는다.

상기 카트리지(120)는 촉매슬러리(30)를 담는 담체로서, 하우징(110)의 하부 오목한 홈에 삽입되며, 촉매슬러리(30)를 함유하는 다공성 부재로 형성하는 것이 바람직하다. 이 외에도 촉매슬러리(30)를 담는 용기의 하면에 촉매슬러리(30)가 통 과할 수 있는 다공성면을 구비하여 구성하는 것도 가능하다.

또한, 상기 다이 헤드(130)는 상기 카트리지(120)의 촉매슬러리(30)가 이동되어 전극지지체(40)에 촉매슬러리(30)를 찍기 위한 것으로, 카트리지(120)의 하부 및 스탬프 부재(100)의 하단면에 노출되도록 설치되며, 외통체(160)에 의하여 하우징(110)에 결합된다.

또한, 전극지지체(40)의 표면에 스탬프 부재(100)를 눌러서 찍을 때 상기 카트리지(120)와의 접촉으로 인해 촉매슬러리(30)가 상기 카트리지(120)로부터 다공성 다이헤드(130)로 점진적으로 이동하여 촉매층(50)을 코팅할 수 있도록 상기 다이 헤드(130)는 촉매슬러리(30)가 통과할 수 있는 다공성 부재로 구성되며, 특히 스탬프 부재(100)의 가압력에 의해 압축이 가능한 탄성을 지닌 다공성 부재로 구비된다.

이는 스탬프 부재(100)를 누를 때 상기 카트리지(120)와의 접촉으로 인해 촉매슬러리(30)가 상기 카트리지(120)로부터 다공성 다이헤드(130)로 점진적으로 이동하여 계속적으로 촉매층(50)을 코팅할 수 있도록 한다.

여기서, 상기 스탬프 부재(100)는 압축된 상기 다공성 다이 헤드(130)를 복원하기 위한 복원수단이 구비될 수 있는데, 본 발명의 제2 실시예에서는 상기 복원수단으로서, 상기 하우징(110)의 외면에 설치된 슬리브(140)와, 이 슬리브(140)와 하우징(110)의 사이에 개재된 스프링(150)을 구비한다.

상기 슬리브(140)는 상기 스탬프 부재(10)가 전극지지체(40)의 면과 대항하여 눌리면서 상기 다이 헤드(130)가 압축될 때 약간 후방으로 밀리며, 상기 스탬프 부재(10)의 가압력이 해제되면 상기 스프링(150)의 탄성복원력에 의해 원위치로 복원되어 상기 다공성 다이헤드(130)가 계속적으로 촉매층(50)을 코팅할 수 있도록 한다.

상기 슬리브(140)의 후단면에는 리테이터(170)가 개재되어 있다.

이와 같이 구성된 스탬프 부재(100)는 상기 하우징(100)을 가압하여 스탬프 부재(100)가 코팅되는 면과 대항하여 눌릴 때 상기 카트리지(120)의 앞면이 다공성 다이헤드(130)와 접촉하면서 촉매슬러리(30)가 카트리지(120)로부터 다이헤드(130)로 이동하고 이와 동시에 상기 다이 헤드(130)가 압축되면서 촉매슬러리(30)가 다이 헤드(130)의 구멍을 통해 외부로 유출되어 전극지지체(40) 표면에 촉매층(50)을 형성한다.

이와 같은 본 발명의 제2 실시예는 전극지지체(40)에 한번에 코팅이 가능하고 스탬프 부재(100) 내부에 촉매슬러리가 내장되어 연속적으로 사용할 수 있으므로, 코팅방법이 보다 간편하여 코팅공정을 용이하게 할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 연료 전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치는 스탬프 코팅방법을 사용하여 한번에 전극을 코팅함으로써, 코팅 시간을 단축하여 코팅공정을 간편화할 수 있으며 전극을 대량으로 생산할 수 있다.

또한, 도포되는 촉매량을 줄여 촉매층이 얇게 형성되면서도 촉매층의 전체면에 걸쳐 균일한 응력이 가해짐으로써 촉매층을 균일하게 형성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 기판의 변형에도 민감하지 않을 뿐만 아니라 연료 전지의 간헐 코팅시에 유리하다는 장점이 있으며, 코팅시 열과 압력, 그리고 코팅시간을 조절함으로써 기판과 전극을 더욱 용이하게 접합시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 전극이 코팅되는 전극지지체와,

   전극 코팅용 촉매슬러리가 담긴 슬러리 용기와,

   상기 슬러리 용기에 담긴 촉매슬러리를 상기 전극지지체에 찍어주어 균일한 두께의 촉매층을 형성하기 위한 스탬프 부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 스탬프 부재는 고무 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 스탬프 부재는 열경화성 폴리머 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 스탬프 부재를 상기 슬러리 용기에서 상기 전극지지체로 반복적으로 이동시키기 위한 이동장치가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치.
5. 전극 코팅용 촉매슬러리를 제조하는 단계와,

   상기 촉매슬러리가 담긴 슬러리 용기에 스탬프 부재를 찍어서 상기 스탬프 부재에 촉매슬러리를 소정량 묻히는 단계와,

   상기 촉매슬러리가 묻은 스탬프 부재를 전극지지체의 표면에 찍은 후 가압하여 전극지지체 위에 촉매층을 코팅하는 단계와,

   상기 전극지지체 위에 촉매층이 코팅된 전극을 건조시키는 단계를 포함하여 진행되는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅방법.
6. 전극이 코팅되는 전극지지체;

   하우징 내부에 설치되며 전극 코팅용 촉매슬러리가 담기는 카트리지와, 상기 카트리지에 담긴 촉매슬러리가 이동되어 상기 전극지지체에 균일한 두께의 촉매층을 코팅하는 다공성 다이헤드를 구비하는 스탬프 부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 스탬프 부재는 압축된 상기 다공성 다이헤드를 복원하기 위한 복원수단이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅장치.
8. 전극 코팅용 촉매슬러리를 제조하는 단계와,

   상기 촉매슬러리가 담긴 카트리지와, 상기 카트리지의 앞면에 접하게 설치되는 다공성 다이헤드를 구비하는 스탬프 부재를 이용하여, 상기 스탬프 부재를 전극지지체에 대항하여 가압하면 상기 카트리지의 앞면이 상기 다공성 다이헤드를 가압 하면서 촉매슬러리가 상기 카트리지로부터 상기 다공성 다이헤드로 이동하여 상기 전극지지체의 표면에 촉매층을 코팅하는 단계와,

   상기 전극지지체 위에 촉매층이 코팅된 전극을 건조시키는 단계를 포함하여 진행되는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 코팅방법.

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