KR20130031442A - 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법 - Google Patents

초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파 진동 혼에 의하여 막-전극 접합체의 전극이 손상되는 것을 방지할 수 있도록 한 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 고분자 전해질막의 양면에 서브가스켓을 미리 초음파 진동을 이용하여 접합하고, 이후 서브가스켓의 개구부를 통하여 노출된 고분자 전해질막의 양면에 전극을 코팅 및 건조시켜 막-전극 접합체를 제조함으로써, 전극의 손상을 방지할 수 있도록 한 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법{The sub-gasket adhesion method for fuel cell membrane electrode assembly production using ultrasonic vibration}
본 발명은 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파 진동 혼에 의하여 막-전극 접합체의 전극이 손상되는 것을 방지할 수 있도록 한 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 연료전지 스택의 주요 구성 부품인 막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)는 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 고분자 전해질막(12)을 중심으로 그 양면에 촉매를 포함하고 있는 전극으로서 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 각 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 각 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, 기존의 서브가스켓을 접합하는 방법은 핫 프레스 또는 롤을 이용하여 접합하게 된다.
즉, 3-레이어 MEA의 양면에 서브가스켓(16)이 적층되도록 하여 핫 프레스 또는 롤 장비내로 진입시키면, 한 쌍의 롤 프레스에 의하여 서브가스켓(16)이 3-레이어 막-전극 접합체(10)의 양면에 압착되며 접합된다.
그러나, 기존에 핫 프레스 등을 이용한 서브가스켓 접합 과정은 제조 시간이 오래 걸리는 단점이 있으며, 이를 감안하여 본원 출원인은 초음파 진동을 이용하여 서브가스켓을 접합시키는 시간을 크게 단축시킬 수 있는 연료전지 막-전극 접합체 생산용 연속식 서브가스켓 접합 장치를 이미 출원[10-2011-0079414(2011,08,10)]한 바 있지만, 이 또한 초음파 진동 혼(horn)이 지지체에 일정한 압력을 유지하면서 접합이 진행되므로 혼(horn)과 지지부가 만나는 부분을 막-전극 접합체가 통과할 때 초음파 진동 혼에 의해 막-전극 접합체의 전극이 손상될 수 있는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 고분자 전해질막의 양면에 서브가스켓을 미리 초음파 진동을 이용하여 접합하고, 이후 서브가스켓의 개구부를 통하여 노출된 고분자 전해질막의 양면에 전극을 코팅 및 건조시켜 막-전극 접합체를 제조함으로써, 전극의 손상을 방지할 수 있도록 한 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 고분자 전해질막과 서브가스켓을 초음파 진동 공급장치로 공급하는 단계와; 고분자 전해질막의 양표면 테두리 영역에 서브가스켓이 초음파 진동에 의하여 접합되는 단계와; 서브가스켓의 접합 후, 서브가스켓의 개구부를 통하여 노출된 고분자 전해질막의 양면에 전극 슬러리를 분사하여 코팅시키는 단계와; 전극 슬러리를 건조시키는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법을 제공한다.
특히, 서브가스켓의 접합 후, 고분자 전해질 막의 양면 테두리 부분이 서브가스켓에 의하여 물리적으로 고정되어, 전극 슬러리가 고분자 전해질막의 양표면에 직접 코팅되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 고분자 전해질막의 양면에 전극을 코팅하지 않은 상태에서 서브가스켓을 미리 초음파 진동을 이용하여 접합하고, 이후 서브가스켓의 개구부를 통하여 노출된 고분자 전해질막의 양면에 전극을 코팅 및 건조시켜 막-전극 접합체를 제조함으로써, 기존에 초음파 진동에 의하여 전극이 손상되는 현상을 용이하게 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법을 설명하는 개략도,
도 2는 종래의 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법을 설명하는 개략도,
도 3은 종래의 연료전지 막-전극 접합체 제조 과정을 설명하는 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 초음파 진동을 이용하여 서브가스켓을 3-레이어 막-전극 접합체 양 표면에 접합하는 종래 방법을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 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.
따라서, 상기 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤(20)로부터의 3-레이어 막-전극 접합체(10)와, 상기 서브가스켓 공급롤(22)로부터의 서브가스켓(16)이 일종의 가접합 롤러인 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.
이어서, 상기 초음파 진동 공급장치(30)는 서브가스켓(16)에 초음파 진동을 공급하여, 서브가스켓에 코팅되어 있는 접착제를 가열 및 경화시킴으로써, 서브가스켓(16)이 초음파 진동에 의하여 고분자 전해질막(12) 및 전극(14)의 테두리 부분에 완전하게 접합되어진다.
이때, 초음파 진동 공급장치(30)의 아래쪽에는 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.
그러나, 위와 같은 종래의 초음파를 이용한 서브가스켓 접합 방법은 초음파 진동 공급장치(30)의 초음파 진동 혼(horn)이 막 전극 접합체(10)를 사이에 두고 지지롤에 일정한 압력을 가하면서 접합이 진행되므로, 초음파 진동 혼(horn)과 지지롤이 만나는 부분을 막-전극 접합체가 통과할 때 초음파 진동 혼에 의해 막-전극 접합체의 전극이 손상되는 단점이 있었다.
이에, 본 발명은 고분자 전해질막의 양면에 서브가스켓을 미리 초음파 진동을 이용하여 접합하고, 이후 서브가스켓의 개구부를 통하여 노출된 고분자 전해질막의 양면에 전극을 코팅 및 건조시켜 막-전극 접합체를 제조함으로써, 전극에 초음파 진동이 가해지지 않음에 따라 전극의 손상을 방지할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 기존의 초음파 진동을 이용한 서브가스켓 접합 장치의 구성중, 고분자 전해질막의 양표면에 전극이 코팅된 3-레이어 막-전극 접합체를 공급하는 공급롤 대신에 전극이 코팅되지 않은 상태의 고분자 전해질막을 공급하는 고분자 전해질막 공급롤(40)이 일측쪽에 배치되고, 이 고분자 전해질막(12)의 상부 및 하부에 한 쌍의 서브가스켓 공급롤(22)이 배치되며, 또한 서브가스켓을 초음파 진동을 이용하여 접합시킬 수 있는 초음파 진동 공급장치(30)가 반대쪽에 배치된다.
상기 고분자 전해질막 공급롤(40)은 전극이 코팅되지 않은 순수한 고분자 전해질막(12)이 감겨진 것이고, 상기 서브가스켓 공급롤(22)은 고분자 전해질막(12)의 사방 테두리 상하면에 접합되도록 중앙에 개구부를 갖는 서브가스켓(16)이 감져진 것이다.
이에, 상기 고분자 전해질막 공급롤(40)로부터의 고분자 전해질막(12)과, 상기 서브가스켓 공급롤(22)로부터의 서브가스켓(16)이 정렬 장치(24)로 들어가게 된다.
따라서, 상기 상기 고분자 전해질막 공급롤(40)로부터의 고분자 전해질막(12)이 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, 고분자 전해질막(12)의 상하면 테두리 영역에 서브가스켓(16)이 정렬되는 상태가 된다.
이렇게 고분자 전해질막(12)을 사이에 두고 서브가스켓(16)이 정렬 장치(24) 사이를 통과한 다음, 초음파 진동 공급장치(30)를 통과하게 된다.
이어서, 상기 초음파 진동 공급장치(30)는 서브가스켓(16)에 초음파 진동을 공급하여, 서브가스켓에 코팅되어 있는 접착제를 가열 및 경화시킴으로써, 서브가스켓(16)이 초음파 진동에 의하여 고분자 전해질막(12)의 테두리 부분에 완전하게 접합되어진다.
이렇게 초음파 진동을 이용하여 서브가스켓을 접합한 후, 서브가스켓의 개구부를 통하여 고분자 전해질막의 양표면이 노출되는 상태가 된다.
따라서, 초음파 진동을 이용하여 서브가스켓을 접합한 후, 서브가스켓의 개구부를 통하여 노출된 고분자 전해질막의 양표면에 연료극 및 수소극을 위한 전극슬러리를 직접 분사하여 코팅하게 되므로, 전극에 초음파 진동에 의한 영향이 전혀 미치지 않게 되어, 결국 초음파 진동에 의한 전극 손상을 용이하게 방지할 수 있다.
이때, 상기 서브가스켓의 접합 후, 고분자 전해질막의 양면 테두리 부분이 서브가스켓에 의하여 물리적으로 고정되는 상태가 되므로, 고분자 전해질막의 치수 변화를 일으키는 스웰링(swelling) 현상을 방지할 수 있고, 이에 고분자 전해질막이 물리적으로 고정된 상태에서 전극 슬러리를 고분자 전해질막의 양표면에 정확하면서도 균일하게 코팅시킬 수 있다.
최종적으로, 상기 고분자 전해질막의 양표면에 분사 코팅된 전극슬러리를 건조시킴으로써, 고분자 전해질막의 양면 테두리에 서브가스켓이 접합되고, 그 안쪽 표면에 전극이 형성된 5-레이어(layer) 막-전극 접합체가 완성된다.
10 : 막-전극 접합체 12 : 고분자 전해질막
14 : 전극 16 : 서브가스켓
18 : 가스확산층 20 : 3-레이어 막-전극 접합체 공급롤
22 : 서브가스켓 공급롤 24 : 정렬 장치
26 : 지지롤 30 : 초음파 진동 공급장치
40 : 고분자 전해질막 공급롤

Claims (2)

  1. 고분자 전해질막과 서브가스켓을 초음파 진동 공급장치로 공급하는 단계와;
    고분자 전해질막의 양표면 테두리 영역에 서브가스켓이 초음파 진동에 의하여 접합되는 단계와;
    서브가스켓의 접합 후, 서브가스켓의 개구부를 통하여 노출된 고분자 전해질막의 양면에 전극 슬러리를 분사하여 코팅시키는 단계와;
    전극 슬러리를 건조시키는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    서브가스켓의 접합 후, 고분자 전해질 막의 양면 테두리 부분이 서브가스켓에 의하여 고정되어, 전극 슬러리가 고분자 전해질막의 양표면에 직접 코팅되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동 접합을 이용한 연료전지 막-전극 접합체 제조 방법.
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