KR20080008855A

KR20080008855A - 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20080008855A
Application number: KR1020060068653A
Authority: KR
Inventors: 윤희열; 진상영; 오세일
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2008-01-24

Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 촉매 코팅 멤브레인 타입의 막전극 어셈블리를 데칼 프로세스에 의하여 연속적으로 제조할 수 있는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.

연료전지 시스템, 전사 프로세스, 압착, 저항 측정

Description

연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법 및 장치{Method for Manufacturing Membrane-electrode Assembly for Fuel Cell System and Apparatus using the Same Method}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 막전극 어셈블리 제조 장치의 개략도를 나타낸다.

도 2는 멤브레인에 촉매층이 전사되어 압착되는 과정에 대한 개략도를 나타낸다.

도 3은 촉매층에 확산층 단위체가 압착되는 과정에 대한 개략도를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 막전극 어셈블리 제조 방법의 공정도를 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 - 멤브레인 언와인더 120 - 멤브레인 리와인더

210 - 필름 언와인더 220 - 필름 리와인더

300 - 촉매층 압착부 400 - 확산층 공급압착부

500 - 저항측정기 600 - 절단기

본 발명은 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 촉매 코팅 멤브레인 타입의 막전극 어셈블리를 전사 프로세스에 의하여 연속적으로 제조할 수 있는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.

연료전지 시스템(Fuel Cell System)은 메탄올, 에탄올, 부탄올과 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산화제인 산소의 전기화학 반응에 의하여 전기 에너지로 생성하는 발전 시스템이다.

이러한 연료전지는 연료 전지 시스템은 대표적으로 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : 이하 "PEMFC"라 한다.) 시스템과 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : 이하 "DMFC"라 한다) 시스템을 들 수 있다.

상기 PEMFC 시스템은 수소와 산소의 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 스택과 연료를 개질하여 수소를 발생시키는 연료개질기를 포함하여 구성된다. 상기 PEMFC 시스템은 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄올과 같은 연료를 개질하기 위한 연료개질기 등의 부대 설비를 필요로 하게 된다. 상기 PEMFC 시스템의 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)를 포함하는 단위셀을 중심에 두고 이의 양면에 밀착 배치되는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)(또는 세퍼레이터(Separator))가 적층되어 형성된다.

상기 DMFC 시스템은 스택에 직접 메탄올 연료와 산화제인 산소를 공급하여 전기화학 반응에 의해 전기를 생성하게 된다. 상기 DMFC 시스템은 에너지밀도 및 전력밀도가 매우 높으며, 메탄올 등 액체연료를 직접 사용하기 때문에 연료개질기 등 부대 설비가 필요치 않으며 연료의 저장 및 공급이 쉽다는 장점을 가지고 있다.

상기 DMFC 시스템의 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: 이하 "MEA"라 한다)를 포함하는 전기발생 유닛과 전기발생 유닛의 양면에 배치되는 바이폴라 플레이트가 한 개 또는 한 개 이상으로 적층된 구조를 가진다. 상기 MEA는 PEMFC 시스템과 마찬가지로 애노드 전극(anode electrode)과 캐소드 전극(cathode electrode) 사이에 전해질막(membrane)이 개재되어 형성된다. 또한, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극은 연료와 공기의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층과 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer) 및 전극 지지체를 구비하여 이루어진다. 상기 DMFC 시스템은 스택을 구성하는 전기생성 유닛의 배치구조와 공기의 공급방식에 따라 패시브 타입과 액티브 타입으로 구분될 수 있다.

상기 PEMFC 또는 DMFC에 사용되는 막전극 어셈블리는 구체적인 재료의 조성에는 차이가 있지만 구성상 유사한 특성이 있다. 상기 막전극 어셈블리는 전해질막인 멤브레인(membrane)의 양측에 형성되는 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층 및 확산층을 포함하여 형성된다. 상기 확산층은 미세기공층(micro pore layer)과 지지층을 포함하여 이루어진다. 상기 애노드 촉매층과 확산층은 애노드 전극으로 작용하게 되며, 상기 캐소드 촉매층과 확산층은 캐소드 전극으로 작용하게 된다. 일반적으로 상기 막전극 어셈블리를 제조하는 방법으로는 두 가지 방식이 있다.

첫 번째 방식은 카본 페이퍼(carbon cloth) 등의 지지층 상에 미세기공층을 형성하고 미세기공층 상에 촉매층을 형성한 애노드 전극 단위체와 캐소드 전극 단위체를 각각 제작한 다음, 애노드 전극 단위체와 캐소드 전극 단위체 사이에 전해질막인 멤브레인을 얼라인하여 배치한 후에, 일정 온도와 압력으로 열간 압연하여 전해질막과 그 양면에 위치하는 애노드 전극 단위체 및 캐소드 전극 단위체가 결합된 막전극 어셈블리를 제조한다.

두 번째 방식은 전해질막의 양면에 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층을 형성한 막-촉매층 단위체를 제작하고, 이와는 별도로 지지층 상에 미세기공층을 형성한 확산층 단위체를 제작한 다음, 막-촉매층 단위체와 확산층 단위체를 얼라인한 후, 일정온도와 압력에서 막-촉매층 단위체와 그 양면에 위치하는 확산층 단위체를 열간 가압하여 막전극 어셈블리를 제조한다.

그러나, 상기와 같은 막전극 어셈블리 제조방식은 각각의 막전극 어셈블리를 수동 방식에 의한 배치타입으로 제조되고 있어 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 상기 막전극 어셈블리는 양면 코팅 방식을 적용하여 제조하는 경우에 멤브레인을 제외한 촉매층과 확산층에서 제조 과정 중에 스웰링과 같은 치명적인 문제가 발생하게 때문에 연속 방식으로 제조하는 데 어려움이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 촉매 코팅 멤브레인 타입의 막전극 어셈블리를 데칼 프로세스에 의하여 연속적으로 제조할 수 있는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치는 테입 형상의 멤브레인을 공급하는 멤브레인 언와인더와 상기 멤브레인과 대향하는 면에 일정 간격으로 촉매층이 코팅된 필름을 상기 멤브레인의 상부와 하부에 각각 공급하는 필름 언와인더와 상기 촉매층을 상기 멤브레인의 상면과 하면에 각각 전사하여 압착하는 촉매층 압착부와 상기 촉매층이 제거된 필름을 회수하는 필름 리와인더와 상기 촉매층의 표면에 각각 확산층 단위체를 공급하여 압착하는 확산층 공급압착부와 상기 확산층이 압착된 멤브레인을 소정 크기로 절단하여 막전극 어셈블리로 분리하는 절단기 및 상기 막전극 어셈블리가 분리된 멤브레인을 회수하는 멤브레인 리와인더를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 촉매층의 표면에 압착된 확산층 단위체에서 표면 저항을 측정하는 저항측정기를 더 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 멤브레인 언와인더는 상기 멤브레인이 롤 상태로 권취된 언와인딩 롤과 상기 언와인딩 롤을 지지하는 롤 지지봉과 상기 롤 지지봉을 회전시키는 회전수단과 상기 언와인딩 롤로부터 풀리는 상기 멤브레인의 공급방향을 가이드하는 다수의 가이드바를 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 필름 언와인더는 상기 필름이 권취된 필름 언와인딩 롤과 상기 필름 언와인딩 롤을 지지하는 롤 지지봉과 상기 롤 지지봉을 회전시키는 회전수단과 필름 언와인딩 롤로부터 풀리는 필름의 공급방향을 가이드하는 필름 가이드바를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 필름 언와인더는 상기 멤브레인 언 와인더에서 공급되는 멤브레인의 상면과 하면에 각각 촉매층을 공급하도록 두 대로 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 촉매층 압착부는 상기 촉매층이 형성된 필름과 멤브레인이 통과하는 내부 압착공간과 상기 내부 압착공간의 상부와 하부에 상하 이동 가능하게 설치되어 상기 멤브레인과 촉매층을 압착하는 압착수단을 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 촉매층 압착부는 상기 멤브레인과 촉매층이 일정한 온도 이상에서 압착될 수 있도록 상기 내부 압착공간에 열을 공급하는 가열수단을 더 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 확산층 공급압착부는 상기 확산층 단위체를 저장하는 카트리지와 상기 카트리지로부터 확산층 단위체를 공급받아 상기 촉매층의 표면에 공급하여 압착하는 확산층 압착수단을 더 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 확산층 공급압착부는 상기 멤브레인과 촉매층이 통과하는 내부 압착공간과 상기 내부 압착공간에 열을 공급하는 가열수단을 더 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 절단기는 절단된 상기 막전극 어셈블리가 적층되는 카세트를 더 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 절단기는 상기 저항측정기와 연동되며, 상기 저항측정기에서 측정한 저항값으로부터 저항값이 기준을 벗어나는 막전극 어셈블리를 절단하지 않도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 저항측정기는 저항값이 기준에 미달하는 막전극 어셈블리의 소정 위치에 소정의 표식을 표시하는 표시수단을 더 포함하여 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법은 멤브레인 언와인더와 필름 언와인더와 촉매층 압착부와 필름 리와인더와 확산층 공급압착부와 절단기 및 멤브레인 리와인더를 포함하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치를 이용한 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법에 있어서, 테입 형상으로 형성되어 롤 상태로 권취된 멤브레인이 상기 멤브레인 언와인더에서 순차적으로 풀려지면서 제공되는 멤브레인 제공 단계와 롤 상태로 권취되며 촉매층이 일정 간격으로 코팅된 필름이 상기 필름 언와인더에서 풀려지면서 제공되는 촉매층 코팅 필름 제공 단계와 상기 촉매층 압착부에서 상기 멤브레인의 상면과 하면에 촉매층을 전사하여 압착하는 촉매층 전사 및 압착 단계와 상기 확산층 공급압착부에서 상기 촉매층의 크기에 상응하는 크기로 형성된 확산층 단위체를 멤브레인의 상면과 하면에 압착된 촉매층의 표면에 하나씩 제공하는 확산층 단위체 제공 단계와 소정 압력과 온도에서 상기 촉매층의 표면에 공급되는 확산층 단위체를 압착하는 확산층 단위체 압착 단계 및 상기 확산층 단위체가 압착된 멤브레인을 절단하여 막전극 어셈블리로 형성하는 막전극 어셈블리 절단 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 확산층 단위체 압착 단계 후에 상기 촉매층 표면에 압착된 확산층 단위체의 표면에서 저항을 측정하는 저항 측정 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

이하에서 첨부한 도면과 실시예를 통하여 본 발명의 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치를 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 막전극 어셈블리 제조 장치의 개략도를 나 타낸다. 도 2는 멤브레인에 촉매층이 전사되어 압착되는 과정에 대한 개략도를 나타낸다. 도 3은 촉매층에 확산층 단위체가 압착되는 과정에 대한 개략도를 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치는, 도 1을 참조하면, 멤브레인 언와인더(110)와, 멤브레인 리와인더(120)와, 필름 언와인더(210)와, 필름 리와인더(220)와, 촉매층 압착부(300)와, 확산층 공급압착부(400)와, 절단기(600)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치는 촉매층의 표면에 압착된 확산층 단위체의 저항을 측정하는 저항측정기(500)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 상기 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치는 멤브레인 언와인더(110)에서 공급되는 멤브레인(10)의 양면에 필름언와인더(210)에서 공급되는 필름(20) 상에 일정한 간격으로 코팅되어 있는 촉매층(30)을 전사하며, 촉매층 압착부(300)에서 일정한 압력과 온도로 압착하게 된다. 또한, 상기 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치는 확산층 공급접착부(400)가 멤브레인(10)의 양면에 압착된 촉매층(30)에 확산층(40)을 전사하고 접착하게 된다. 상기 절단기(600)는 촉매층(30)과 확산층(40)이 양면에 압착된 멤브레인(10)을 연료전지 시스템의 스택의 크기에 상응하는 크기로 절단하게 된다. 상기 멤브레인(10)은 촉매층(30)과 확산층(40)과 함께 소정 크기로 절단되고 남은 부분이 멤브레인 리와인더(120)에 다시 감기게 된다.

상기 멤브레인 언와인더(110)는 소정 폭을 갖는 테입 형상의 멤브레인(10)을 공급하게 된다. 상기 멤브레인 언와인더(110)는 롤 상태로 권취되어 제공되는 멤브 레인을 풀면서 공급하게 된다. 상세히 도시하지는 않았지만, 상기 멤브레인 언와인더(110)는 멤브레인이 권취된 언와인딩 롤(10a)과 언와인딩 롤(10a)을 지지하는 롤 지지봉(111)과 롤 지지봉(111)을 회전시키기 위한 모터와 같은 회전수단(112)과 언와인딩 롤(10a)로부터 풀리는 멤브레인의 공급방향을 가이드하기 위한 다수의 가이드바(113a, 113b, 113c, 113d, 113e, 113f)를 포함하여 형성된다. 상기 가이드바는 제조 장치의 전체적인 구성과 멤브레인 언와인더(110)가 설치되는 위치에 따라 설치되는 수와 위치가 변경될 수 있음은 물론이다.

상기 멤브레인 리와인더(120)는 막전극 어셈블리에 상응하는 크기로 중앙부분이 제거된 사용 후의 멤브레인(10)을 다시 회수하게 된다. 즉, 상기 회수되는 멤브레인은 촉매층과 확산층이 압착되어 형성된 막전극 어셈블리가 제거된 상태에서 회수된다. 상세히 도시하지는 않았지만, 상기 멤브레인 리와인더(120)는 사용 후의 멤브레인이 다시 권취되는 리와인딩 롤(10b)과 리와인딩 롤(10b)을 지지하는 롤 지지봉(121)과 롤 지지봉(121)을 회전시키기 위한 모터와 같은 회전수단(122)과 리와인딩 롤(10b)로 되감기는 멤브레인(10)의 방향을 가이드하기 위한 다수의 가이드바(123a, 123b, 123c, 123d, 123e, 123f)를 포함하여 형성된다. 상기 가이드바는 제조 장치의 전체적인 구성과 멤브레인 리와인더(120)가 설치되는 위치에 따라 설치되는 수와 위치가 변경될 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 멤브레인 언와인더(110)와 멤브레인 리와인더(120)는 필름 언와인더(210)와 필름 리와인더(220)와 촉매층 압착부(300) 등 다른 구성요소가 사이에 배치될 수 있도록 소정 거리 이격되어 형성된다. 따라서, 상기 멤브레인 언와인 더(110)는 멤브레인(10)을 다른 구성요소에 순차적으로 공급하며, 멤브레인 리와인더(120)는 사용된 멤브레인을 회수하게 된다.

상기 필름 언와인더(210)는 소정 폭으로 형성되어 일면에 일정 간격으로 촉매층(30)이 코팅된 필름(20)을 멤브레인(10)의 상부와 하부에 공급하게 된다. 상기 필름(20)은 촉매층(30)이 멤브레인(10)에 전사되어 압착된 후절단되는데 필요한 공간보다 큰 간격으로 촉매층(30)이 코팅되어 형성된다. 상기 필름 언와인더(210)는 멤브레인 언와인더(110)에서 공급되는 멤브레인(10)의 상면과 하면에 각각 촉매층(30)을 공급하도록 두 대로 설치된다. 따라서, 상기 필름 언와인더(210)의 하나는 애노드 전극용 촉매층을 공급하며, 다른 하나는 캐소드 전극용 촉매층을 공급하게 된다. 상세히 도시하지는 안았지만, 상기 필름 언와인더(210)는 촉매층(30)이 일정간격으로 코팅된 필름이 권취된 필름 언와인딩 롤(20a)과 필름 언와인딩 롤(20a)을 지지하는 롤 지지봉(211)과 롤 지지봉(211)을 회전시키기 한 모터와 같은 회전수단(도면에 도시하지 않음)과 필름 언와인딩 롤(20a)로부터 풀리는 필름의 공급방향을 가이드하기 위한 필름 가이드바(213)를 포함하여 형성된다.

상기 필름 리와인더(220)는 촉매층(30)을 멤브레인(10)에 공급하여 촉매층(30)이 제거된 필름(20)을 회수하게 된다. 상기 필름 리와인더(220)는 필름 언와인더(210)에 대응되어 두 대로 설치되어 멤브레인(10)의 상면과 하면에 촉매층(30)을 공급한 필름(20)을 각각 리와인딩하게 된다. 상세히 도시하지는 안았지만, 상기 필름 리와인더(220)는 필름(20)을 리와인딩하는 필름 리와인딩 롤(20b)과 필름 리와인딩 롤(20b)을 지지하는 롤 지지봉(221)과 롤 지지봉(221)을 회전시키기 한 모 터와 같은 회전수단(도면에 도시하지 않음)과 필름 리와인딩 롤(20b)에 리와인딩되는 필름(20)의 방향을 가이드하기 위한 필름 가이드바(223)를 포함하여 형성된다.

상기 필름 언와인더(210)와 필름 리와인더(220)는 멤브레인(10)의 상부와 하부에 촉매층(30)이 형성된 필름(20)이 접촉되며, 촉매층(30)을 압착하는 촉매층 압착부(300)가 배치될 수 있도록 소정 거리 이격되어 설치된다.

상기 촉매층 압착부(300)는 멤브레인의 상부와 하부에 공급되는 촉매층을 일정 온도와 압력으로 압착하여 멤브레인과 촉매층을 접착시키게 된다. 상세히 도시하지는 않았지만, 상기 촉매층 압착부(300)는 멤브레인(10)과 촉매층이 형성된 필름(30)이 통과하는 내부 압착공간(310)이 형성되며, 내부 압착공간(310)의 압착위치 상부와 하부에 상하 이동 가능하게 설치되는 압착수단(320)을 포함하여 형성된다. 따라서, 상기 촉매층 압착부(300)는 내부 압착공간(320)의 압착위치에 촉매층(30)과 멤브레인(10)이 위치할 때 압착수단(320)이 작동하여 멤브레인(10)과 촉매층(30)을 압착하게 된다. 상기 압착수단(320)은 평판 형상 또는 연속 가압이 가능한 롤 형상으로 형성되어 촉매층과 멤브레인을 압착하게 된다.

한편, 상기 촉매층 압착부(300)는 두 개의 압착수단이 순차적으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 촉매층은 촉매층 압착부(300)의 압착 압력이 높게 되면 건조 정도와 같은 상태에 따라 압착과정에서 촉매층의 위치가 멤브레인으로부터 이탈되면서 촉매층과 멤브레인의 위치가 어긋날 수 있게 된다. 따라서, 상기 촉매층 압착부(300)는 제1압착수단에서 상대적으로 낮은 압력으로 일차 압착을 하며, 제2압착수단에서 규정된 압력으로 압착을 하여 멤브레인과 촉매층을 완전하게 압착을 하게 된다. 상기 제1압착수단과 제2압착수단은 유사한 구성으로 형성될 수 있으며, 제1압착수단의 압착 압력은 제2압착수단의 압착 압력보다 낮으며, 촉매층의 상태 등에 따라 적정히 조절될 수 있도록 형성될 수 있다.

상기 촉매층 압착부(300)는 공급되는 필름(20)의 수평위치를 얼라인시키는 얼라인수단이 설치될 수 있다. 상기 얼라인수단은, 직접적으로 도시되지 않았지만, 필름 언와인더(210)와 촉매층 압착부(300)의 사이에 설치되어 공급되는 필름의 양측면을 지지하면서 필름의 진행방향에 수직인 방향의 위치를 조정하게 된다. 따라서, 상기 촉매층 압착부(300)는 멤브레인(10)과 촉매층(30)의 위치를 정확하게 일치시킨 상태에서 압착을 할 수 있게 된다. 상기 얼라인수단은 정밀 서보(servo)시스템을 사용하는 경우에 필름의 수평위치를 정밀하게 제어할 수 있게 된다. 상기 촉매층 압착부(300)로 공급되는 멤브레인(10)과 필름(20)은 기본적으로 멤브레인 언와인더(110)와 필름 언와인더(210)에서 공급될 때 수평위치를 조정하게 되므로, 수평위치에서 어긋나는 정도가 크지 않게 된다. 따라서, 상기 얼라인수단은 필름의 위치를 조정하는 정도가 크지 않게 된다.

상기 촉매층 압착부(300)는 촉매층의 수평위치를 인식할 수 있는 카메라(330)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 따라서, 상기 카메라(330)는 촉매층의 위치를 자동으로 인식하여 촉매층의 위치가 어긋나는 경우에 알람을 알리도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 카메라(330)는 얼라인수단과 연동되며, 얼라인수단에 소정의 신호를 전송하여 촉매층의 위치를 조정할 수 있도록 형성될 수 있다. 한편, 상기 카메라(330)는 멤브레인(10)과 함께 촉매층 압착부(300)로 공급되는 촉매층(30)을 촬영하도록 형성될 수 있다.

상기 촉매층 압착부(300)는 공급되는 멤브레인(10)과 촉매층(30)이 일정한 온도 이상에서 압착될 수 있도록 내부 압착공간(310)에 열을 공급할 수 있는 가열수단(도면에 표시하지 않음)을 더 포함하여 형성될 수 있다. 상기 가열수단은 내부 압착공간(310)의 외부 또는 내부에 장착되어 내부 압착공간(310)에 열을 공급할 수 있는 열선 또는 열풍공급장치와 같은 다양한 수단으로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 촉매층 압착부(300)는 최고온도 200℃ 이내의 온도에서 750psi 정도의 압력으로 멤브레인과 촉매층을 압착하게 된다.

상기 확산층 공급압착부(400)는 촉매층(30)의 크기로 형성되는 확산층단위체(40)를 촉매층(30)의 표면에 공급하여 적층한 후 압착하게 된다. 상기 확산층 공급압착부(400)는 멤브레인(10)과 촉매층(30)이 통과하는 내부 압착공간(410)이 형성되며, 확산층 단위체(40)를 저장하는 카트리지(410)와 카트리지(410)로부터 확산층 단위체(40)를 공급받아 촉매층(30)의 표면에 공급하여 압착하는 확산층 압착수단(430)을 포함하여 형성된다. 상기 확산층 공급압착부(400)는 카트리지(420)를 제외하고는 촉매층 압착부(300)와 동일한 구성으로 형성될 수 있으며, 가열수단과 카메라를 포함하여 형성될 수 있다. 따라서, 상기 내부 압착공간(410)과 확산층 압착수단(430)은 촉매층 압착부(300)의 내부 압착공간(310) 및 촉매층 압착수단(320)과 동일하게 형성될 수 있으며, 여기서 상세한 설명은 생략한다. 다만, 상기 확산층 공급압착부(400)의 가열수단은 내부 압착공간(410)이 100℃보다 작은 온도로 가열하도록 형성될 수 있다. 상기 카트리지(410)는 촉매층의 크기로 형성되어 공급되는 확산층 단위체(40)를 적층하여 저장하며, 확산층 압착수단(430)으로 하나씩 공급하게 된다.

상기 저항측정기(500)는 확산층 공급압착부(400)와 절단기(600) 사이에 설치되어 촉매층에 압착된 확산층 단위체 즉, 막전극 어셈블리의 표면에서 전기저항을 측정하게 된다. 상기 막전극 어셈블리는 촉매층과 확산층의 압착 상태에 따라 전기적 저항이 변하게 된다. 따라서, 상기 저항측정기(500)는 확산층 단위체의 표면에서 저항을 측정하여 이로부터 산포를 산출하며, 막전극 어셈블리의 압착 상태를 평가하게 된다. 상기 저항측정기(500)는 표면에서 저항값을 측정하는 4-프로브(probe)를 사용하는 저항 측정방법을 사용할 수 있다. 상기 저항 측정방법은 일렬로 정렬된 4 개의 프로브가 막전극 어셈블리의 표면에 접촉되며, 외측 두 개의 프로브에 전류를 공급하면서 내 측의 두 개의 프로브에서 전압값을 측정하여 이로부터 저항값을 측정하는 방법이다. 상기 막전극 어셈블리의 저항값은 촉매층과 확산층의 재질에 따라 변하게 되므로, 적정한 압착 상태를 평가하는 저항값 기준은 재질에 따라 다르게 형성될 수 있다.

상기 저항측정기(500)는 저항값이 기준에 미달하는 막전극 어셈블리의 소정 위치에 소정의 표식을 표시하는 표시수단(도면에 도시하지 않음)을 더 포함하여 형성될 수 있다. 상기 표식은 해당 막전극 어셈블리를 식별할 수 있는 글자, 도형, 색상과 같은 표식으로 형성될 수 있다. 상기 표시수단은 소정의 글자를 인쇄하는 프린팅 방식 또는 잉크를 분사하는 분사 방식과 같은 다양한 방식의 수단으로 구성될 수 있다. 상기 저항측정기(500)는 저항값을 측정하여 이상이 있는 특정 막전극 어셈블리가 있는 경우에 표시수단으로 소정의 신호를 전송하며 표시수단은 해당 막전극 어셈블리가 지정된 위치로 이송되면 소정의 표식을 표시하게 된다. 따라서, 상기 막전극 어셈블리는 저항값이 기준을 벗어나는 경우에 쉽게 선별되어 분리됨으로써, 연료 전지의 제조에 사용되지 않게 된다.

상기 절단기(600)는 촉매층과 확산층이 압착되어 공급되는 멤브레인으로부터 촉매층과 확산층이 압착된 영역을 촉매층의 크기에 상응하는 크기로 절단하여 막전극 어셈블리를 분리하게 된다. 상기 절단기(600)는 스탬프 형상으로 형성되어 직사각형의 절단영역을 한번에 절단하는 절단수단으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 절단기(600)는 길이 방향의 커터와 폭 방향의 커터를 각각 구비하여 두 번에 걸쳐 순차적으로 길이 방향과 폭 방향으로 절단하는 절단수단으로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 상기 절단기(600)는 길이 방향의 커터와 폭 방향의 커터를 각각 구비하는 절단수단으로 형성되며, 절단기(600)는 멤브레인의 가장자리 영역에 주름이 형성되지 않으며 절단면이 매끄럽게 되도록 절단하게 된다.

상기 절단기(600)는 절단된 막전극 어셈블리가 적층되는 카세트(650)를 포함할 수 있다. 상기 카세트(650)는 멤브레인(10)으로부터 절단되어 분리되는 막전극 어셈블리를 절단기(600)로부터 받아 취합하게 된다. 상기 카세트(650)는 막전극 어셈블리가 절단기(600)에 의하여 절단되어 낙하되는 위치의 하부에 위치되거나, 분리된 막전극 어셈블리가 별도의 이송수단(도면에 도시하지 않음)에 의하여 이송되도록 소정위치에 설치될 수 있다.

한편, 상기 절단기(600)는 저항측정기(500)와 연동되며, 저항측정기(500)에 서 측정한 저항값이 기준을 벗어나는 막전극 어셈블리는 절단하지 않도록 형성될 수 있다.

다음은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법의 흐름도를 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법은, 도 4를 참조하면, 멤브레인 제공 단계(S10)와 촉매층 코팅 필름 제공 단계(S20)와 촉매층 전사 및 압착 단계(S30)와 확산층 단위체 제공 단계(S40)와 확산층 단위체 압착 단계(S50)와 막전극 어셈블리 절단 단계(S70)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법은 저항 측정 단계(S60)를 더 포함하여 형성될 수 있다. 상기 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법은 상기에서 설명한 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치를 사용하여 전사 프로세스에 의하여 수행된다.

상기 멤브레인 제공 단계(S10)는 소정 폭을 갖는 테입 형상으로 형성된 멤브레인(10)이 멤브레인 언와인더(110)의 언와인딩 롤(10a)에 권취된 상태에서 순차적으로 풀려지면서 제공되는 단계이다. 한편, 상기 멤브레인(10)은 멤브레인 리와인더(120)의 리와인딩 롤(10b)로 다시 권취되면서 순차적으로 이송된다. 상기 멤브레인은 스택의 전기생성 유닛을 구성하게 되므로 스택의 폭 또는 길이보다 큰 폭을 갖도록 형성된다. 따라서, 상기 멤브레인은 제반 공정이 완료된 후 스택의 크기에 상응하는 크기로 절단된다. 상기 멤브레인은 수소이온 전도성이 우수한 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리 에테르케톤계 고분자 및 폴리에테르-에테르케톤계 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 멤브레인은 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸)(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하여 형성될 수 있다.

상기 촉매층 코팅 필름 제공 단계(S20)는 촉매층이 일정 간격으로 코팅된 필름이 필름 언와인더(220)의 필름 언와인딩 롤(20a)에 권취된 상태에서 풀려지면서 제공되는 단계이다. 상기 촉매층 코팅 필름은 멤브레인의 상부와 하부에서 각각 멤브레인과 동일한 방향으로 제공된다. 상기 촉매층 코팅 필름(20)은 바람직하게는 멤브레인(10)에 상응하는 폭으로 형성되며, 코팅되는 촉매층(30)은 스택의 폭과 길이에 상응하는 폭과 길이로 코팅된다. 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하여 형성된 다. 또한, 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매와 금속 촉매가 담지 되는 탄소와 같은 재료로 형성되는 담지체를 포함하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 촉매층은 캐소드 전극과 애노드 전극으로 사용되는 경우에 각각 다른 조성으로 형성될 수 있다.

상기 촉매층 전사 및 압착 단계(S30)는 멤브레인의 상면과 하면에 촉매층을 전사하여 압착하는 단계이다. 상기 촉매층 코팅 필름(20)에 코팅되어 있는 촉매층(30)은 촉매층 압착부(300)에서 공급되는 멤브레인(10)의 상면과 하면에 대칭으로 전사되며 압착된다. 따라서, 상기 촉매층(30)은 멤브레인(10)의 상면과 하면에는 균일한 간격으로 압착되어 형성된다. 상기 촉매층 전사 및 압착 단계(S30)는 바람직하게는 일정 압착 온도와 압착 압력 하에서 수행되어 촉매층과 멤브레인의 압착상태를 균일하게 유지하게 된다. 예를 들면, 상기 촉매층은 최고 온도 200℃ 온도와 750 psi 정도의 압력으로 압착된다. 상기 온도와 압력은 멤브레인과 촉매층의 재질에 따라 변경될 수 있음은 물론이다. 한편, 상기 촉매층이 전사된 필름은 필름 리와인더(220)의 필름 리와인딩 롤(20b)에 다시 권취되면서 순차적으로 이송된다.

상기 확산층 단위체 제공 단계(S40)는 촉매층의 크기에 상응하는 크기로 형성된 확산층 단위체(40)를 멤브레인(10)의 상면과 하면에 압착된 촉매층(30)의 표면에 하나씩 제공하는 단계이다. 상기 확산층 단위체(40)는 확산층 공급압착부(400)에 부가되는 카트리지로부터 공급되거나, 별도의 공급수단에 의하여 공급될 수 있다. 상기 확산층 단위체는 탄소 천(carbon cloth)과 같은 지지체에 미세기공층이 코팅된 후 건조되어 형성된다. 상기 확산층 단위체는 미세기공층이 카본 섬유의 일면에 전체적으로 코팅된 후 촉매층의 크기에 상응하는 크기로 절단되어 형성될 수 있다. 상기 미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 카본(탄소물질)과 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 포함하여 형성될 수 있다.

상기 확산층 단위체 압착 단계(S50)는 촉매층의 표면에 공급되는 확산층 단위체를 압착하는 단계이다. 상기 확산층 단위체는 확산층 공급압착부(400)에 의하여 일정 압력과 온도에서 압착된다. 상기 확산층 단위체는 상온에서 100℃ 이하의 온도와 750 psi 정도의 압력으로 압착된다.

상기 저항 측정 단계(S60)는 촉매층의 표면에 압착된 확산층 단위체에서 전기 저항을 측정하는 단계이다. 상기 확산층 단위체의 표면에서 측정되는 전기 저항은 촉매층과 확산층의 압착 상태를 반영하게 된다. 따라서, 상기 저항측정기(500)가 확산층단위체를 압착한 후에 확산층 단위체의 표면에서 전기 저항을 측정하여 압착 상태를 평가하게 된다.

상기 저항 측정 단계(S60)는 측정된 저항값이 기준값을 벗어나는 경우에 확산층 단위체의 소정 위치에 표식을 하는 과정을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 따라서, 최종 단계에서 표식이 표시된 확산층 단위체를 별도로 분리함으로써 연료 전 지의 생산에 사용되는 것을 방지할 수 있게 된다.

상기 막전극 어셈블리 절단 단계(S70)는 스택의 크기에 상응하는 크기로 멤브레인이 절단되어 막전극 어셈블리로 형성되는 단계이다. 상기 절단된 막전극 어셈블리는 별도의 카세트(650)로 낙하되어 취합되거나, 별도의 이송수단에 의하여 다른 곳으로 이동되어 취합된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명의 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치와 방법에 따르면, 막전극 어셈블리를 데칼 프로세스에 의하여 연속적으로 제조함으로써 막전극 어셈블리의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 멤브레인의 상면과 하면에 촉매층을 전사하여 압착한 후에 확산층을 촉매층에 압착하여 순차적으로 촉매층과 확산층을 압착함으로써 막전극 어셈블리의 제조 과정 중에 촉매층과 확산층이 스웰링되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

테입 형상의 멤브레인을 공급하는 멤브레인 언와인더와

상기 멤브레인과 대향하는 면에 일정 간격으로 촉매층이 코팅된 필름을 상기 멤브레인의 상부와 하부에 각각 공급하는 필름 언와인더와

상기 촉매층을 상기 멤브레인의 상면과 하면에 각각 전사하여 압착하는 촉매층 압착부와

상기 촉매층이 제거된 필름을 회수하는 필름 리와인더와

상기 촉매층의 표면에 각각 확산층 단위체를 공급하여 압착하는 확산층 공급압착부와

상기 확산층이 압착된 멤브레인을 소정 크기로 절단하여 막전극 어셈블리로 분리하는 절단기 및

상기 막전극 어셈블리가 분리된 멤브레인을 회수하는 멤브레인 리와인더를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치.
제 1항에 있어서,

상기 촉매층의 표면에 압착된 확산층 단위체에서 표면 저항을 측정하는 저항측정기를 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 멤브레인 언와인더는

상기 멤브레인이 롤 상태로 권취된 언와인딩 롤과 상기 언와인딩 롤을 지지하는 롤 지지봉과 상기 롤 지지봉을 회전시키는 회전수단과 상기 언와인딩 롤로부터 풀리는 상기 멤브레인의 공급방향을 가이드하는 다수의 가이드바를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 필름 언와인더는 상기 필름이 권취된 필름 언와인딩 롤과 상기 필름 언와인딩 롤을 지지하는 롤 지지봉과 상기 롤 지지봉을 회전시키는 회전수단과 필름 언와인딩 롤로부터 풀리는 필름의 공급방향을 가이드하는 필름 가이드바를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치.
제 4항에 있어서,

상기 필름 언와인더는 상기 멤브레인 언와인더에서 공급되는 멤브레인의 상면과 하면에 각각 촉매층을 공급하도록 두 대로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 촉매층 압착부는 상기 촉매층이 형성된 필름과 멤브레인이 통과하는 내 부 압착공간과 상기 내부 압착공간의 상부와 하부에 상하 이동 가능하게 설치되어 상기 멤브레인과 촉매층을 압착하는 압착수단을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치.
제 6항에 있어서,

상기 촉매층 압착부는 상기 멤브레인과 촉매층이 일정한 온도 이상에서 압착될 수 있도록 상기 내부 압착공간에 열을 공급하는 가열수단을 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 확산층 공급압착부는 상기 확산층 단위체를 저장하는 카트리지와 상기 카트리지로부터 확산층 단위체를 공급받아 상기 촉매층의 표면에 공급하여 압착하는 확산층 압착수단을 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치.
제 8항에 있어서,

상기 확산층 공급압착부는 상기 멤브레인과 촉매층이 통과하는 내부 압착공간과 상기 내부 압착공간에 열을 공급하는 가열수단을 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 절단기는 절단된 상기 막전극 어셈블리가 적층되는 카세트를 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치.
제 2항에 있어서,

상기 절단기는 상기 저항측정기와 연동되며, 상기 저항측정기에서 측정한 저항값으로부터 저항값이 기준을 벗어나는 막전극 어셈블리를 절단하지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치.
제 2항에 있어서,

상기 저항측정기는 저항값이 기준에 미달하는 막전극 어셈블리의 소정 위치에 소정의 표식을 표시하는 표시수단을 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치.
멤브레인 언와인더와 필름 언와인더와 촉매층 압착부와 필름 리와인더와 확산층 공급압착부와 절단기 및 멤브레인 리와인더를 포함하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 장치를 이용한 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법에 있어서,

테입 형상으로 형성되어 롤 상태로 권취된 멤브레인이 상기 멤브레인 언와인더에서 순차적으로 풀려지면서 제공되는 멤브레인 제공 단계와

롤 상태로 권취되며 촉매층이 일정 간격으로 코팅된 필름이 상기 필름 언와 인더에서 풀려지면서 제공되는 촉매층 코팅 필름 제공 단계와

상기 촉매층 압착부에서 상기 멤브레인의 상면과 하면에 촉매층을 전사하여 압착하는 촉매층 전사 및 압착 단계와

상기 확산층 공급압착부에서 상기 촉매층의 크기에 상응하는 크기로 형성된 확산층 단위체를 멤브레인의 상면과 하면에 압착된 촉매층의 표면에 하나씩 제공하는 확산층 단위체 제공 단계와

소정 압력과 온도에서 상기 촉매층의 표면에 공급되는 확산층 단위체를 압착하는 확산층 단위체 압착 단계 및

상기 확산층 단위체가 압착된 멤브레인을 절단하여 막전극 어셈블리로 형성하는 막전극 어셈블리 절단 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법.
제 13항에 있어서,

상기 확산층 단위체 압착 단계 후에 상기 촉매층 표면에 압착된 확산층 단위체의 표면에서 저항을 측정하는 저항 측정 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 어셈블리 제조 방법.