KR20130017150A

KR20130017150A - 연료전지 막-전극 접합체 생산용 연속식 서브가스켓 접합 장치

Info

Publication number: KR20130017150A
Application number: KR1020110079414A
Authority: KR
Inventors: 이훈희
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2013-02-20
Also published as: KR101304881B1

Abstract

본 발명은 연료전지 막-전극 접합체 제작용 서브가스켓 접합 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 막-전극 접합체를 제조할 때 초음파 진동을 이용하여 서브가스켓을 연속식으로 접합시킬 수 있도록 한 연료전지 막-전극 접합체 제작용 서브가스켓 자동 접합 장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 고분자 전해질막의 양면에 촉매층을 포함하는 연료극 및 공기극이 접합된 3-레이어 막-전극 접합체를 일방향으로 진행시키는 동시에 서브가스켓을 3-레이어 막-전극 접합체의 테두리 상하면에 접합 가능하게 공급하면서, 서브가스켓에 초음파 진동을 공급하여 서브가스켓과 3-레이어 막-전극 접합체 간의 접합이 초음파 진동에 의하여 이루어지도록 함으로써, 서브가스켓의 접합이 보다 양호하게 이루어질 수 있도록 한 연료전지 막-전극 접합체 제작용 서브가스켓 접합 장치를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

Description

연료전지 막-전극 접합체 생산용 연속식 서브가스켓 접합 장치{The sub-gasket adhesion apparatus for fuel cell membrane electrode assembly production using ultrasonic vibration}

본 발명은 연료전지 막전극 접합제(membrane electrode assembly) 생산용 서브가스켓 자동 접합 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 막-전극 접합체를 제조할 때 초음파 진동을 이용하여 서브가스켓을 자동으로 접합할 수 있도록 한 서브가스켓 자동 접합 장치에 관한 것이다.

통상적으로, 연료전지 스택의 주요 구성 부품인 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)는 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이 고분자 전해질막(12)을 중심으로 그 양면에 촉매를 포함하고 있는 연료극 및 공기극(14)이 각각 결합된 상태를 3-레이어(layer) 막-전극 접합체(10)라 하고, 막-전극 접합체(10)의 취급을 용이하게 하면서도 물리적 내구성을 확보하기 위하여 막-전극 접합체(10))의 양면 테두리 영역에 전극(14)의 면적보다 다소 작은 면적의 개구부를 갖는 서브가스켓(16)을 포함하는 경우에는 5-레이어(layer) 막-전극 접합체라 하며, 또한 촉매를 포함하고 있는 전극(14)의 바깥쪽 부분에 가스확산층(18, GDL: Gas Diffusion Layer)이 더 적층되면 7-레이어(layer) 막-전극 접합체라 한다.

이렇게 구성된 7-레이어 막-전극 접합체의 가스확산층 바깥 부분에 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 적층되면 하나의 단위전지가 되고, 이러한 단위전지를 여러개 적층하면 원하는 규모의 연료전지 스택이 된다.

여기서, 막-전극 접합체를 제조하는 공정 중, 서브가스켓을 비 연속식으로 접합하는 기존의 장치를 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 3에 도시된 바와 같이, 기존의 서브가스켓을 비 연속식으로 접합하는 장치는 안내롤러(108)에 의하여 순환 가능하게 배치되는 상부 및 하부 스틸벨트(102,104)와, 상부 및 하부 스틸벨트(102,104)가 접하는 부분에 서브가스켓(16)을 압착시킬 수 있게 배치되는 한 쌍의 롤 프레스(106) 등을 포함하여 구성된다.

따라서, 상부 및 하부 스틸벨트(102,104)가 접하는 입구를 통하여, 고분자 전해질막(12)을 중심으로 그 양면에 연료극 및 공기극(14)이 접합된 3-레이어 MEA의 양면에 서브가스켓(16)이 적층되도록 하여 장비에 진입시키면, 한 쌍의 롤 프레스(106)에 의하여 서브가스켓(16)이 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 양면에 압착되며 접합되는데, 이 때 서브가스켓(16)의 내측단 일부가 전극(14)의 테두리 부분을 덮은 상태로 압착되며 접합된다.

이때, 상기 서브가스켓(16)의 내측단이 전극(14) 테두리 부분에 접합된 상태를 보면, 서브가스켓(16)의 내측단부에 전극 두께 만큼의 단차(19)가 발생하게 되는데, 이 단차(19)가 생기는 부분의 서브가스켓이 제대로 접합되지 않아 들뜨는 등의 불량이 발생되는 문제점이 있었다.

또한, 금속 재질의 롤 프레스만을 사용하게 되면, 적층된 막 전극 접합체의 각 구성들이 롤 프레스를 지나갈 때 뒤로 밀리게 되어 주름이 발생하게 되므로, 이를 방지하기 위하여 스틸벨트를 사용함에 따라, 서브가스켓을 접합하기 위한 장치 자체가 복잡해지고 제작 원가가 증가하는 등의 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 고분자 전해질막의 양면에 촉매를 포함하는 전극이 접합된 3-레이어 막-전극 접합체를 일방향으로 진행시키는 동시에 서브가스켓을 3-레이어 막-전극 접합체 테두리 상하면에 접합 가능하게 공급하면서, 상기 적층체에 초음파를 이용한 진동을 가하여 서브가스켓과 3-레이어 막-전극 접합체의 접합이 이루어지도록 함으로써, 서브가스켓의 접합이 보다 양호하며 신속하게 이루어질 수 있도록 한 연료전지 막-전극 접합체 제작용 서브가스켓 접합 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 3-레이어 막-전극 접합체 공급장치와; 3-레이어 막-전극 접합체의 양 면에 한 쌍의 서브가스켓을 공급하는 서브가스켓 공급장치와; 공급된 한 쌍의 서브가스켓과 3-레이어 막-전극 접합체를 접합시키기 위해 초음파 에너지를 공급하여 진동시키는 초음파 에너지 공급장치와; 상기 초음파 에너지 공급 시 서브가스켓과 3-레이어 막-전극 접합체의 하부를 받쳐주는 지지 장치; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 막-전극 접합체 제작용 서브가스켓 접합 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 상기 3-레이어 막-전극 접합체 공급장치와 서브가스켓 공급장치가 롤 형태로 되어 3-레이어 막-전극 접합체와 한 쌍의 서브가스켓을 연속으로 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 서브가스켓이 3-레이어 막-전극 접합체의 상면과 하면에 각각 공급되도록 한 쌍의 서브가스켓 공급장치가 3-레이어 막-전극 접합체 공급장치의 상부와 하부에 각각 위치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤로부터 공급되는 3-레이어 막-전극 접합체의 테두리 상하면에 한 쌍의 서브가스켓 공급롤로부터 공급되는 서브가스켓을 정렬시키는 정렬 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지 장치는 롤 형태로서, 지지 장치의 표면에는 전극이 눌려지는 것을 방지하기 위하여 원주방향을 따라 접촉방지홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 초음파 진동 공급장치는: 3-레이어 막-전극 접합체의 전극면이 지나갈 때는 초음파 에너지 공급을 중단하고 서브가스켓이 지나갈 때는 초음파 에너지를 공급하는 제1초음파 진동 발생기와; 상기 제1초음파 진동 발생기의 양측에 조립되어, 서브가스켓에 항시 초음파 진동을 공급하는 제2 및 제3초음파 진동 발생기와; 상기 제2초음파 진동 발생기에 연결되어, 초음파 에너지를 공급 또는 차단하는 제어기; 로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 서브가스켓의 전체 표면 및 내측단이 전극면의 테두리 부분에 겹쳐지며 단차지는 부분까지 초음파 진동을 전달하여 접착제를 가열함으로써, 기존에 단차부가 제대로 접합되지 않던 것을 방지하여 서브가스켓의 접합이 양호하게 이루어질 수 있고, 결국 막-전극 접합체 제조 시 불량 감소로 원가절감을 기대할 수 있다.

또한, 초음파 진동을 이용하여 서브가스켓을 접합하는 경우, 그 접합 시간을 기존 대비 단축시킬 수 있으므로, 막-전극 접합체의 제조 속도가 대폭 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 막-전극 접합체 제작용 연속식 서브가스켓 접합 장치를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 막-전극 접합체 제작용 연속식 서브가스켓 접합 장치의 초음파 진동 공급장치 및 지지롤에 대한 바람직한 실시 예를 설명하는 개략도,
도 3은 종래의 서브가스켓 접합 장치를 설명하는 개략도,
도 4는 연료전지의 막-전극 접합체를 제조하는 공정을 설명하는 공정도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지 스택에 사용되는 막-전극 접합체를 제조할 때, 초음파 에너지를 이용한 진동을 서브가스켓에 공급하여 서브가스켓에 코팅되어 있는 접착제를 가열함으로써 서브가스켓이 3-레이어 막-전극 접합체 양 표면에 접합되도록 한 점에 주안점이 있다.

이를 위한 본 발명의 연속식 서브가스켓 접합 장치의 구성중, 3-레이어 막-전극 접합체에 서브가스켓을 접합시키기 위한 공급부로서, 일측쪽에 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)이 배치되는 동시에 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)의 상부 및 하부에 한 쌍의 서브가스켓 공급롤(22)이 배치되고, 또한 서브가스켓을 초음파 진동을 이용하여 접합시킬 수 있는 초음파 진동 공급장치(30)가 반대쪽에 배치된다.

상기 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)은 고분자 전해질막(12)의 양표면에 촉매를 포함하는 연료극 및 공기극(14)이 형성된 3-레이어 막-전극 접합체(10)가 감겨진 것이고, 상기 서브가스켓 공급롤(22)은 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 사방 테두리 상하면 및 전극(14)의 테두리 부분에 접합되는 서브가스켓(16)이 감져진 것으로 채택된다.

이때, 상기 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)로부터의 3-레이어 막-전극 접합체(10)와, 상기 서브가스켓 공급롤(22)로부터의 서브가스켓(16)은 정렬 장치(24)로 들어가게 된다.

보다 상세하게는, 상기 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)로부터의 3-레이어 막-전극 접합체(10)가 정렬 장치(24) 사이를 통과하는 동시에 상기 서브가스켓 공급롤(22)로부터의 서브가스켓(16)은 그 내표면(고분자 전해질막과 접합되는 면)에 접착제가 코팅된 상태로 정렬 장치(24) 사이를 통과하게 됨으로써, 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 테두리 상하면에 서브가스켓(16)이 정렬되는 상태가 된다.

이렇게 3-레이어 막-전극 접합체(10)를 사이에 두고 서브가스켓(16)이 정렬 장치(24) 사이를 통과한 다음, 초음파 진동 공급장치(30)를 통과하게 된다.

상기 초음파 진동 공급장치(30)는 서브가스켓(16)에 초음파 진동을 공급하여, 서브가스켓에 코팅되어 있는 접착제를 가열 및 경화시킴으로써 서브가스켓(16)을 고분자 전해질막(12) 및 전극(14)의 테두리 부분에 완전하게 접합시키는 역할을 한다.

여기서, 상기 초음파 진동 공급장치의 구성 및 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.

상기 초음파 진동 공급장치(30)는 첨부한 도 2에서 보는 바와 같이, 전극(14)이 지나갈 때는 초음파 에너지 공급을 중단하고, 서브가스켓(16)이 지나갈 때는 초음파 에너지를 공급하는 제1초음파 진동 발생기(31)와, 상기 제1초음파 진동 발생기(32)의 양측에 조립되어 서브가스켓(16)에 항시 초음파 진동을 공급하는 제2 및 제3초음파 진동 발생기(32,33)와, 제2초음파 진동 발생기(32)에 연결되어 초음파 에너지 공급 또는 차단 제어를 하는 제어기(34)를 포함하여 구성된다.

따라서, 서브가스켓(16)의 접합 시, 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 전극면 (14)이 손상되지 않아야 하므로, 초음파 진동은 접합 구간에 따라 독립적으로 제어되면서 작동된다.

첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 제1,2,3초음파 진동 발생기(31,32,33)의 아래쪽에 서브가스켓(16)이 지나가는 구간 B에서는 제1,2,3초음파 진동 발생기(31,32,33)에서 진동을 서브가스켓(16)의 표면에 대하여 발산시키고, 구간 A에서는 제1 및 제3초음파 진동 발생기(31,33)로부터의 진동이 서브가스켓(16)에 계속 발산되는 동시에 제2초음파 진동 발생기(32)의 초음파 진동 발생 작동은 중지되어 전극(14)으로 초음파 진동이 발산되는 것을 방지할 수 있다.

이렇게 제2초음파 진동 발생기(32)의 초음파 진동 발생 유무를 제어하는 것은 3-레이어 막-전극접합체의 크기, 서브가스켓의 폭 및 길이, 진행 속도 등의 매개변수들을 제어기(34)에 미리 입력하여 이루어질 수 있다.

따라서, 서브가스켓(16)과 3-레이어 막-전극 접합체(10)가 정렬되어 초음파 진동 공급장치(30)를 지나가게 됨으로써, 제1,2,3초음파 진동 발생기(31,32,33)의 진동에 의하여 서브가스켓(16)에 코팅된 접착제가 가열되면서 접착력이 발생되고, 이에 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 테두리 상하면 및 전극(14)의 테두리 부분에 대한 서브가스켓(16)의 접합이 이루어지게 된다.

이때, 상기 제1,2,3초음파 진동 발생기(31,32,33)의 아래쪽에는 정렬된 서브가스켓(16)과 3-레이어 막-전극 접합체(10)를 받쳐주며 지지하는 지지롤(26)이 배치되는데, 이 지지롤(26)은 초음파 진동 시 3-레이어 막-전극 접합체(10)에 적절한 지지압력을 제공하여 서브가스켓(16)의 접합을 보조하는 역할을 한다.

특히, 상기 지지롤(26)의 표면에는 전극(14)이 눌려지며 손상되는 것을 방지하기 위하여, 그 원주방향을 따라 접촉방지 홈(28)이 형성되며, 이에 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 전극(14)이 접촉방지 홈(28)과 일치되어 직접적인 접촉을 피할 수 있으므로, 전극(14)이 손상되지 않고 보호될 수 있다.

이와 같이, 초음파 진동에 의하여 서브가스켓(16)이 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 테두리 상하면에 부착되는 동시에 전극(14)의 테두리 부분에 겹쳐져 단차를 형성하는 서브가스켓(16)의 내측단 부분까지 초음파 에너지에 의하여 양호하게 접착될 수 있다.

10 : 막-전극 접합체 12 : 고분자 전해질막
14 : 촉매층 16 : 서브가스켓
18 : 가스확산층 19 : 단차
20 : 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤 22 : 서브가스켓 공급롤
24 : 가접합 롤러 26 : 지지롤
28 : 접촉방지홈 30 : 초음파 에너지 공급장치
31 : 제1초음파 발생기 32 ; 제2초음파 발생기
33 : 제3초음파 발생기 34 : 제어기

Claims

3-레이어 막-전극 접합체 공급장치(20)와;
3-레이어 막-전극 접합체(10)의 양 면에 한 쌍의 서브가스켓을 공급하는 서브가스켓 공급장치(22)와;
공급된 한 쌍의 서브가스켓(16)과 3-레이어 막-전극 접합체(10)를 접합시키기 위해 초음파 에너지를 공급하여 진동시키는 초음파 에너지 공급장치(30)와;
상기 초음파 에너지 공급 시 서브가스켓(16)과 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 하부를 받쳐주는 지지 장치(26);
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 막-전극 접합체 제작용 서브가스켓 접합 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 3-레이어 막-전극 접합체 공급장치(20)와 서브가스켓 공급장치(22)가 롤 형태로 되어 3-레이어 막-전극 접합체(10)와 한 쌍의 서브가스켓(16)을 연속으로 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 막-전극 접합체 제작용 서브가스켓 접합 장치
청구항 1에 있어서,
상기 서브가스켓(16)이 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 상면과 하면에 각각 공급되도록 한 쌍의 서브가스켓 공급장치(22)가 3-레이어 막-전극 접합체 공급장치(20)의 상부와 하부에 각각 위치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 막-전극 접합체 제작용 서브가스켓 접합 장치.
청구항 1에 있어서,
3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)로부터 공급되는 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 테두리 상하면에 한 쌍의 서브가스켓 공급롤(22)로부터 공급되는 서브가스켓(16)을 정렬시키는 정렬 장치(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 막-전극 접합체 제작용 서브가스켓 접합 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 지지 장치(26)는 롤 형태로서, 지지 장치의 표면에는 전극(14)이 눌려지는 것을 방지하기 위하여 원주방향을 따라 접촉방지홈(28)이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 막-전극 제작용 서브가스켓 접합 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 초음파 에너지 공급장치(30)는:
3-레이어 막-전극 접합체(10)의 전극(14)이 지나갈 때는 초음파 에너지 공급을 중단하고, 서브가스켓(16)이 지나갈 때는 초음파 에너지를 공급하는 제1초음파 에너지 공급장치와;
상기 제1초음파 에너지 공급장치의 양측에 배치되어 항시 초음파 에너지를 공급하는 제2 및 제3초음파 에너지 공급장치와;
상기 제1, 2 및 3초음파 에너지 공급 장치에 연결되어, 초음파 에너지 공급 또는 차단을 제어하는 제어기(34);
로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 막-전극 접합체 제작용 서브가스켓 접합 장치.