KR20160123458A - 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치 - Google Patents

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Abstract

연료 전지의 막-전극 조립체를 제조하는 공정에서 양극과 음극의 전극층이 전해질막을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록 정렬하는 전극 정렬 장치가 개시된다. 개시된 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치는, 제1 전극 웹을 급지하는 제1 피딩 롤러, 제2 전극 웹을 급지하는 제2 피딩 롤러, 제1 전극 웹이 제1 피딩 롤러를 통과하기에 앞서서 제1 전극 웹의 감지부를 감지하는 제1 감지 센서, 제2 전극 웹이 제2 피딩 롤러를 통과하기에 앞서서 제2 전극 웹의 감지부를 감지하는 제2 감지 센서, 제1 피딩 롤러를 통과한 제1 전극 웹과 제2 피딩 롤러를 통과한 제2 전극 웹 사이에 전해질막을 개재하고, 제1 전극층 보호 필름과 제2 전극층 보호 필름을 접착(接着)하는 접착기, 및 제1 감지 센서 및 제2 감지 센서로부터 전달된 감지 신호에 기초하여 제1 전극층 및 제2 전극층이 정렬된 상태인지 판단하고, 제1 전극층 및 제2 전극층이 서로 정렬되지 않았다고 판단하는 경우 제1 피딩 롤러와 제2 피딩 롤러 중 적어도 하나의 급지 속도를 변경하여 접착기에 정렬된 상태로 제1 전극 웹과 제2 전극 웹이 공급되도록 하는 콘트롤러(controller)를 구비한다.

Description

막-전극 조립체의 전극 정렬 장치{Apparatus for aligning electrodes of membrane-electrode assembly}
본 발명은 연료 전지의 막-전극 조립체를 제조하는 공정에서 양극과 음극의 전극층이 전해질막을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록 정렬하는 전극 정렬 장치에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 연료의 산화 반응과, 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다. 연료 전지에서 전기에너지를 생성하는 최소 단위인 단위 셀(cell)은 막-전극 조립체(MEA: membrane electrode assembly)와, 상기 막-전극 조립체를 사이에 두고 그 양측에 구비되는 세퍼레이터(separator)를 구비한다. 상기 막-전극 조립체는 전해질막(PEM: proton exchange membrane)과, 상기 전해질막의 양 측면에 접합되는 양극과 음극 전극층을 구비한다. 연료 전지용 막-전극 조립체의 공업적 제조 방법으로서 평판 프레스(plate press)를 이용하여 양극 및 음극 전극층을 전해질막에 접합하는 방법과, 롤 프레스(roll press)를 이용하여 양극 및 음극 전극층을 전해질막에 접합하는 방법이 있다.
상기 롤 프레스를 이용하는 방법은 상기 평판 프레스를 이용하는 방법에 비하여 전극층에 균일한 압력과 온도를 전달할 수 있어 접합성이 우수한 장점이 있으나, 한 쌍의 전극층이 양 측면에 부착된 전해질막이 롤 프레스를 통과하기에 앞서서 한 쌍의 전극층을 정렬하고 고정하는 장치가 없어서 막-전극 조립체의 한 쌍의 전극층들 간의 위치가 상호 정렬되지 못하고 어긋나게 되며, 이로 인해 불량율이 높고 양품 수율이 떨어지는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0043765호
본 발명은, 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 연료 전지의 막-전극 조립체를 형성하는 과정에서 양극과 음극의 전극층이 전해질막을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록 한 쌍의 전극 웹을 정렬하고, 이렇게 정렬된 상태를 유지하여 이송하는, 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치를 제공한다.
본 발명은, 제1 전극층 보호 필름과, 상기 제1 전극층 보호 필름의 일 측면에 적층된 제1 전극층을 구비한 제1 전극 웹을 급지하는 제1 피딩 롤러, 제2 전극층 보호 필름과, 상기 제2 전극층 보호 필름의 일 측면에 적층된 제2 전극층을 구비한 제2 전극 웹을 급지하는 제2 피딩 롤러, 상기 제1 전극 웹이 상기 제1 피딩 롤러를 통과하기에 앞서서 상기 제1 전극 웹의 감지부를 감지하는 제1 감지 센서, 상기 제2 전극 웹이 상기 제2 피딩 롤러를 통과하기에 앞서서 상기 제2 전극 웹의 감지부를 감지하는 제2 감지 센서, 상기 제1 피딩 롤러를 통과한 제1 전극 웹과 상기 제2 피딩 롤러를 통과한 제2 전극 웹 사이에 전해질막을 개재하고, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 접착(接着)하는 접착기, 및 상기 제1 감지 센서 및 상기 제2 감지 센서로부터 전달된 감지 신호에 기초하여 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 정렬된 상태인지 판단하고, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 서로 정렬되지 않았다고 판단하는 경우 상기 제1 피딩 롤러와 상기 제2 피딩 롤러 중 적어도 하나의 급지 속도를 변경하여 상기 접착기에 정렬된 상태로 상기 제1 전극 웹과 상기 제2 전극 웹이 공급되도록 하는 콘트롤러(controller)를 구비하는, 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치를 제공한다.
상기 접착기에 의해 접착될 때, 상기 제1 전극 웹에서는 상기 제1 전극층이 상기 제1 전극층 보호 필름보다 아래에 배치되어 상기 전해질막의 상측면에 접촉되고, 상기 제2 전극 웹에서는 상기 제2 전극층이 상기 제2 전극층 보호 필름보다 위에 배치되어 상기 전해질막의 하측면에 접촉될 수 있다.
상기 접착기는 초음파 주파수 영역으로 진동하여 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 초음파 융착하는 융착 돌기를 구비하여, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름의 길이 방향을 따라 이격된 지점을 연속적으로 융착할 수 있다.
상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭이 상기 전해질막의 폭보다 크고, 상기 전해질막은 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향으로 중앙에 배치되어, 상기 접착기에 의해 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향으로 양측 단부가 서로 초음파 융착될 수 있다.
본 발명에 따른 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치는, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름이 접착되도록 상기 접착기 아래에서 상기 제1 전극 웹, 상기 제2 전극 웹, 및 상기 전해질막을 지지하는 지지 롤러를 더 구비하고, 상기 지지 롤러의 급지 속도가 상기 제2 피딩 롤러의 급지 속도와 같을 수 있다.
본 발명에 따른 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치는, 상기 지지 롤러와 상기 제2 피딩 롤러를 동력 전달 가능하게 연결하는 타이밍 벨트(timing belt)를 더 구비할 수 있다.
상기 제1 감지 센서 및 상기 제2 감지 센서는 각각, 카메라(camera)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 웹의 감지부 및 상기 제2 전극 웹의 감지부는, 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름에 동일하게 형성된 패턴(pattern)일 수 있다.
상기 제1 피딩 롤러 및 상기 제2 피딩 롤러는 각각, 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름을 흡착하여 급지하는 롤러일 수 있다.
본 발명에 의하면, 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 연료 전지의 막-전극 조립체를 형성하는 과정에서 양극과 음극의 전극층이 전해질막을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록 한 쌍의 전극 웹이 정렬되고, 이렇게 정렬된 상태로 한 쌍의 전극 웹이 접착된다. 따라서, 이후 과정에서 한 쌍의 전극층의 정렬이 유지된 상태로 한 쌍의 전극층이 전해질막에 가열 압착되며, 이로 인해 막-전극 조립체의 양품 수율이 향상되고, 불량율이 감소된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 제1 및 제2 감지 센서에 의해 촬상되는 전극 웹의 일 예를 도시한 평면도이다.
도 3은 제1 및 제2 피딩 롤러(feeding roller)를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 접착기를 통과한 막-전극 조립체 원단의 일 예를 도시한 평면도이다.
도 5는 도 1의 막-전극 조립체를 통과하여 형성된 막-전극 조립체 원단을 막-전극 조립체로 형성하는 생산 라인의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1의 제1 및 제2 감지 센서에 의해 촬상되는 전극 웹의 일 예를 도시한 평면도이고, 도 3은 제1 및 제2 피딩 롤러(feeding roller)를 도시한 단면도이며, 도 4는 도 1의 접착기를 통과한 막-전극 조립체 원단의 일 예를 도시한 평면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치(20)는 제1 및 제2 피딩 롤러(feeding roller)(35, 41), 제1 및 제2 감지 센서(57, 59), 접착기(53), 지지 롤러(51), 및 콘트롤러(controller)(70)를 구비한다. 제1 피딩 롤러(35)는 제1 전극 웹(5)을 급지하고, 제2 피딩 롤러(41)는 제2 전극 웹(10)을 급지한다. 제1 피딩 롤러(35)와 제2 피딩 롤러(41)는 서로 이격되고, 제1 피딩 롤러(35)가 제2 피딩 롤러(41)보다 높게 위치한다.
제1 전극 웹(5)은 제1 전극층 보호 필름(7)과, 제1 전극층 보호 필름(7)의 일 측면에 제1 전극층 보호 필름(7)의 길이 방향으로 일정 간격으로 이격되게 적층된 복수의 제1 전극층(6)을 구비한다. 이와 유사하게 제2 전극 웹(10)은 제2 전극층 보호 필름(12)과, 제2 전극층 보호 필름(12)의 일 측면에 제2 전극층 보호 필름(12)의 길이 방향으로 일정 간격으로 이격되게 적층된 복수의 제2 전극층(11)을 구비한다. 제1 및 제2 전극층(6, 11)은 예컨대, 백금을 코팅한 흑연으로 형성될 수 있고, 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)은 예컨대, PET(polyethylene terephthalate)로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전극층(6, 11)이 적층된 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 일 측면에는 깨끗하게 분리될 수 있도록 이형제가 도포된다.
제1 전극 웹(5)은 제1 전극 웹 공급 롤러(23)에서 풀려 연속적으로 공급되며, 복수의 가이드 롤러(guide roller)에 의해 제1 피딩 롤러(35)로 안내된다. 제2 전극 웹(10)은 제1 전극 웹 공급 롤러(23)보다 아래에 위치한 제2 전극 웹 공급 롤러(25)에서 풀려 연속적으로 공급되며, 복수의 가이드 롤러(guide roller)에 의해 제2 피딩 롤러(41)로 안내된다. 도 1에 명확히 도시되진 않았으나, 제1 전극 웹 공급 롤러(23)로부터 제1 피딩 롤러(35)까지의 제1 전극 웹(5)의 진행 경로 상, 및 제2 전극 웹 공급 롤러(25)로부터 제2 피딩 롤러(41)까지의 제2 전극 웹(10)의 진행 경로 사이에 각각 제1 전극 웹(5)과 제2 전극 웹(10)이 적정한 텐션(tension)을 유지하도록 댄서 롤러(dancer roller)가 구비될 수 있다.
제1 전극 웹 공급 롤러(23)와 제2 전극 웹 공급 롤러(25) 사이에는 전해질막 웹 공급 롤러(21)가 배치된다. 전해질막 웹(1)은 전해질막 보호 필름(3)과, 전해질막 보호 필름(3)의 일 측면에 적층된 전해질막(2)을 구비한다. 전해질막(2)은 예컨대, PEM(proton exchange membrane)일 수 있고, 전해질막 보호 필름(3)은 예컨대, PET로 형성될 수 있다. 전해질막(2)이 적층된 전해질막 보호 필름(3)의 일 측면에는 깨끗하게 분리될 수 있도록 이형제가 도포된다. 전해질막 웹(1)은 전해질막 웹 공급 롤러(21)에서 풀려 연속적으로 공급되고, 분리 롤러(27)에 의해 전해질막 보호 필름(3)이 분리되며, 전해질막(2)은 복수의 가이드 롤러에 의해 안내되어 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41) 사이를 통과한다. 상기 분리된 전해질막 보호 필름(3)은 전해질막 보호 필름 회수 롤러(29)에 권취된다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)에는 각각 제1 및 제2 감지 센서(57, 59)에 의해 감지되는 감지부로서, 서로 동일한 패턴(PA1, PA2)이 형성된다. 여기서, 참조기호 ‘PA1’으로 지시된 패턴(pattern)은 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)의 진행 방향을 따라 제1 및 제2 전극층(6, 11)의 전단에 정렬되고 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 폭 방향으로 연장된 패턴이고, 참조기호 ‘PA2’으로 지시된 패턴은 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)의 진행 방향을 따라 제1 및 제2 전극층(6, 11)의 후단에 정렬되고 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 폭 방향으로 연장된 패턴이다. 다만, 도 2에 도시된 직선형 패턴(PA1, PA2)은 감지부의 일 예에 불과하며, 제1 및 제2 감지 센서(57, 59)에 의해 감지될 수 있는 다른 형태의 패턴이나, 다른 종류의 감지부로 대체될 수도 있다.
제1 감지 센서(57)는 제1 전극 웹(5)이 제1 피딩 롤러(35)를 통과하기에 앞서서 제1 전극 웹(5)을 감지하고, 제2 감지 센서(59)는 제2 전극 웹(10)이 제2 피딩 롤러(41)를 통과하기에 앞서서 제2 전극 웹(10)을 감지한다. 제1 및 제2 감지 센서(57, 59)는 예컨대, CCD 카메라(charge-coupled device camera)와 같은 카메라를 포함할 수 있다. 그러나, 제1 및 제2 감지 센서(57, 59)가 반드시 카메라를 포함해야 하는 것은 아니며, 예컨대, 패턴(PA1, PA2)이나 다른 형태의 감지부를 감지할 수 있는 포토 센서(photo sensor)를 구비하여 구성될 수도 있다.
도 1 및 도 3을 함께 참조하면, 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)는 그 외주면에 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)의 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)이 대면 접촉되고, 상기 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)을 흡착하여 급지하는 흡착 롤러이다. 구체적으로, 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)는 콤프레서(compressor)(미도시)와 연결되고 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)의 회전 축선(미도시)을 따라 연장된 중앙 흡기 관부(38, 44)와, 상기 중앙 흡기 관부(38, 44)를 감싸는 외측 관부(36, 42)를 구비한다. 상기 중앙 흡기 관부(38, 44)는 회전하지 않으며, 상기 외측 관부(36, 42)는 모터(미도시)의 동력에 의해 상기 중앙 흡기 관부(38, 44)에 대해 회전한다.
외측 관부(36, 42)에는 외주면의 전체 영역에 걸쳐 복수의 흡기 통공(37, 43)이 고르게 분포되게 형성되고, 중앙 흡기 관부(38, 44)에는 전극 웹(5, 10)이 접촉되는 외측 관부(36, 42)의 일 측부에 가까운 부분에만 흡기 개구(39, 45)가 형성된다. 따라서, 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)이 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)에 의해 접착기(53)로 급지될 때 부압(負壓)에 의해 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)이 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)에 밀착된다. 이처럼, 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)의 회전력이 미끄러짐 없이 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)에 전달되므로 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)의 회전 속도를 변경하여 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)의 급지 속도를 정확히 제어할 수 있다.
도 1 및 도 4를 함께 참조하면, 접착기(53)는 제1 피딩 롤러(35)를 통과한 제1 전극 웹(5)과 제2 피딩 롤러(41)를 통과한 제2 전극 웹(10) 사이에 전해질막(2)을 개재하고, 제1 전극층 보호 필름(7)과 제2 전극층 보호 필름(12)을 접착(假接着)한다. 제1 피딩 롤러(35)를 통과한 제1 전극 웹(5)의 경우에는 제1 전극층(6)이 제1 전극층 보호 필름(7)보다 아래에 배치되어 진행하고, 제2 피딩 롤러(41)를 통과한 제2 전극 웹(10)의 경우에는 제2 전극층(11)이 제2 전극층 보호 필름(12)보다 위체 배치되어 진행한다. 한편, 전해질막(2)은 상술한 바와 같이 제1 피딩 롤러(35)와 제2 피딩 롤러(41) 사이를 통과하여 진행한다. 따라서, 접착기(53)에 의해 제1 전극층 보호 필름(7)과 제2 전극층 보호 필름(12)이 접착될 때, 제1 전극층(6)은 전해질막(2)의 상측면에 접촉되고 제2 전극층(11)은 전해질막(2)의 하측면에 접촉된다.
접착기(53)는 초음파 주파수 영역으로 진동하는 진동 헤드(55)를 구비하고, 진동 헤드(55)의 하단부에는 하방 돌출된 융착 돌기(56)가 구비한다. 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 폭 방향 양 측 단부가 서로 접촉되도록 융착 돌기(56)가 제1 전극층 보호 필름(7)의 양 측 단부를 가압하고 진동 헤드(55)가 초음파 주파수 영역으로 진동하면 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 양 측 단부가 부분적으로 녹아 융착된다. 도 4의 참조기호 ‘SP’는 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)이 융착 돌기(56)에 가압되어 융착된 융착 스폿(spot)을 지시한다.
제1 및 제2 전극 웹(5, 10)과 전해질막(2)은 접착기(53) 아래에서 정지하지 않고 계속 진행하며, 진동 헤드(55)는 일정한 주기로 승강하므로 복수의 융착 스폿(SP)은 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 이격되어 형성된다.
제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 폭(WD1)이 전해질막(2)의 폭(WD2)보다 크고, 접착기(53) 아래에서 전해질막(2)은 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 폭 방향으로 중앙에 배치된다. 따라서, 도 4에 점선으로 도시된 전해질막(2)의 폭 방향 양 측 경계보다 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 양 측 경계가 더 돌출되므로, 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)의 폭 방향 양 측 단부가 양 자 사이에 전해질막(2)이 없이 서로 접촉되어 초음파 융착될 수 있다.
제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)이 초음파 융착되어, 전해질막(2)과, 그 양 측면에 배치된 제1 및 제2 전극층(6, 11)과, 상기 제1 및 제2 전극층(6, 11)을 감싸는 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)을 구비하여 구성된 막-전극 조립체 원단(15)이 형성된다. 막-전극 조립체 원단(15)에서 내부의 전해질막(2)과 그 양 측면에 접촉된 제1 및 제2 전극층(6, 11)은 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)에 감싸여 제1 및 제2 전극층(6, 11) 간의 위치가 변경되지 않게 된다.
한편, 접착기(53)의 융착 돌기(56) 아래에는 지지 롤러(51)가 구비된다. 지지 롤러(51)는 융착 돌기(56) 아래에서 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)과, 전해질막(2)을 지지하여, 진동 헤드(55)의 하강으로 융착 돌기(56)가 제1 전극층 보호 필름(7)을 가압하면 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)이 융착 스폿(SP)에서 서로 밀착되도록 한다.
제2 피딩 롤러(41)의 회전 샤프트 단부(48)와 지지 롤러(51)의 회전 샤프트 단부(52)는 타이밍 벨트(timing belt)(49)에 의해 동력 전달 가능하게 연결되어 제2 피딩 롤러(41)가 제2 전극 웹(10)을 급지하는 급지 속도와 지지 롤러(51)가 제2 전극 웹(10)을 급지하는 급지 속도가 서로 같게 제어된다. 따라서, 제2 피딩 롤러(41)와 지지 롤러(51)의 급지 속도 차이로 인한 제2 전극층 보호 필름(12)의 부분적인 텐션(tension) 불균일이나, 주름(wrinkle)이 예방될 수 있다. 한편, 상기 타이밍 벨트(49)는 제2 피딩 롤러(41)와 지지 롤러(51)의 급지 속도를 동조화하는 수단의 일 예에 불과하며, 다른 수단에 의해 제2 피딩 롤러(41)와 지지 롤러(51)의 급지 속도를 동조화시키는 것도 가능하며, 지지 롤러(51)를 동력에 의해 회전하지 않고 제2 전극 웹(5)의 진행 속도에 순응하여 아이들링(idling) 회전하도록 동력 전달 구성을 연결하지 않을 수도 있다.
콘트롤러(60)는 제1 감지 센서(57)에서 전달된 감지 신호와 제2 감지 센서(59)에서 전달된 감지 신호에 기초하여 상기 제1 전극층(6)과 상기 제2 전극층(11)이 정렬된 상태인지 판단하고, 상기 제1 전극층(6)과 상기 제2 전극층(11)이 정렬되지 않았다고 판단하는 경우 제1 피딩 롤러(35)와 제2 피딩 롤러(41) 중 적어도 하나의 급지 속도를 변경하여 접착기(53)에 정렬된 상태로 제1 전극 웹(5) 및 제2 전극 웹(10)이 공급되도록 한다. 이를 통하여 접착기(53)의 융착 돌기(56)에 의해 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12)이 접착될 때 제1 전극층(6)과 제2 전극층(11)이 정확히 겹쳐지게 정렬된 상태로 접착된다.
제1 전극층(6)과 제2 전극층(11)이 정확히 정렬된 상태는 도 4에 도시된 바와 같이 접착기(53)의 위에서 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)과 전해질막(2)을 볼 때 제2 전극층(11)이 제1 전극층(6)에 완전히 가려져서 보이지 않는 상태를 의미한다.
구체적으로, 제1 감지 센서(57)가 임의의 제1 전극층(6)의 전단에 대응되는 패턴(PA1)을 감지한 경우, 상기 패턴(PA1)을 감지한 시각과, 제1 감지 센서(57)가 감지하는 지점에서 융착 돌기(56)에 의해 초음파 융착되는 지점까지 제1 전극 웹(5)의 진행 거리와, 제1 피딩 롤러(35)의 현재 급지 속도를 통해 콘트롤러(60)는 상기 제1 전극층(6) 전단이 상기 초음파 융착되는 지점에 도달할 예상 시각을 계산한다. 또한, 제2 감지 센서(59)가 상기 제1 전극층(6)과 정렬되어야 할 임의의 제2 전극층(11)의 전단에 대응되는 패턴(PA1)을 감지한 경우, 상기 패턴(PA1)을 감지한 시각과, 제2 감지 센서(59)가 감지하는 지점에서 융착 돌기(56)에 의해 초음파 융착되는 지점까지 제2 전극 웹(10)의 진행 거리와, 제2 피딩 롤러(41)의 현재 급지 속도를 통해 콘트롤러(60)는 상기 제2 전극층(11) 전단이 상기 초음파 융착되는 지점에 도달할 예상 시각을 계산한다.
그리고, 상기 제1 전극층(6) 전단이 초음파 융착되는 지점에 도달할 예상 시각과, 상기 제2 전극층(11) 전단이 초음파 융착되는 지점에 도달할 예상 시각이 일치하지 않는 경우, 콘트롤러(60)는 제1 전극층(6) 전단의 도달 예상 시각과 제2 전극층(11) 전단의 도달 예상 시각이 일치되도록 제1 피딩 롤러(35)와 제2 피딩 롤러(41) 중 하나의 급지 속도를 변경하거나, 제1 및 제2 피딩 롤러(35, 41)의 급지 속도를 모두 변경한다. 콘트롤러(60)는 제1 피딩 롤러(35)에 회전 동력을 제공하는 모터(미도시)를 제어하여 제1 피딩 롤러(35)의 급지 속도를 제어할 수 있고, 제2 피딩 롤러(41)에 회전 동력을 제공하는 모터(미도시)를 제어하여 제2 피딩 롤러(41)의 급지 속도를 제어할 수 있다.
도 5는 도 1의 막-전극 조립체를 통과하여 형성된 막-전극 조립체 원단을 막-전극 조립체로 형성하는 생산 라인의 구성도이다. 도 1 및 도 5를 함께 참조하면, 전극 정렬 장치(20)를 통과하여 형성된 막-전극 조립체 원단(15)은 전극 가열 압착 장치(61)로 급지된다.
전극 가열 압착 장치(61)는 상기 막-전극 조립체 원단(15)을 상부 롤러(66)와 하부 롤러(67) 사이로 통과시켜 제1 전극층(6) 및 제2 전극층(11)을 전해질막(2)에 가열 압착시킴으로써 막-전극 조립체(16)를 형성하는 장치이다. 전극 가열 압착 장치(61)는 예열기(62)와, 상부 롤러(66)와, 하부 롤러(67)를 구비한다.
예열기(62)는 막-전극 조립체 원단(15)이 상부 롤러(66) 및 하부 롤러(67) 사이를 통과하기에 앞서서 제1 전극층(6)과 제2 전극층(11)을 가열함으로써 제1 및 제2 전극층(6, 11)이 전해질막(2)에 압착되도록 촉진한다. 예열기(41)는 막-전극 조립체 원단(15)에 적외선광(infrared light)을 조사하는 적외선 램프(lamp)를 구비한다. 막-전극 조립체 원단(15)이 전극 가열 압착 장치(40)를 통과하여, 제1 및 제2 전극층 보호 필름(7, 12) 내부의 제1 전극층(6) 및 제2 전극층(11)이 전해질막(2)에 가열 압착되어 막-전극 조립체(16)가 된다. 막-전극 조립체(16)를 에워싼 제1 전극층 보호 필름(7)과 제1 전극층 보호 필름(12)은 막-전극 조립체(16)에서 벗겨져 제1 전극층 보호 필름 회수 롤러(73)와 제2 전극층 보호 필름 회수 롤러(71)에 각각 회수 권취된다. 연이어서, 막-전극 조립체(16)의 일 측면에는 막-전극 조립체 보호 필름 공급 롤러(75)에서 풀려 공급된 막-전극 조립체 보호 필름(미도시)이 도포된다. 상기 막-전극 조립체 보호 필름이 도포된 막-전극 조립체(16)는 막-전극 조립체 권취 롤러(78)에 권취된다.
본 발명의 전극 정렬 장치(20)는, 롤투롤(roll-to-roll) 방식으로 연료 전지의 막-전극 조립체(16)를 형성하는 과정에서 제1 및 제2 전극층(6, 11)이 전해질막(2)을 사이에 두고 정확하게 겹쳐지도록 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)이 정렬되고, 이렇게 정렬된 상태로 제1 및 제2 전극 웹(5, 10)이 접착된다. 따라서, 이후 과정에서 제1 및 제2 전극층(5, 10)의 정렬이 유지된 상태로 제1 및 제2 전극층(5, 10)이 전해질막(2)에 가열 압착되며, 이로 인해 막-전극 조립체(16)의 양품 수율이 향상되고, 불량율이 감소된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
1: 전해질막 웹 2: 전해질막
5,10: 전극 웹 6,11: 전극층
20: 전극 정렬 장치 35,41: 피딩 롤러
49: 타이밍 벨트 51: 지지 롤러
53: 접착기 57,59: 감지 센서

Claims (9)

  1. 제1 전극층 보호 필름과, 상기 제1 전극층 보호 필름의 일 측면에 적층된 제1 전극층을 구비한 제1 전극 웹을 급지하는 제1 피딩 롤러; 제2 전극층 보호 필름과, 상기 제2 전극층 보호 필름의 일 측면에 적층된 제2 전극층을 구비한 제2 전극 웹을 급지하는 제2 피딩 롤러; 상기 제1 전극 웹이 상기 제1 피딩 롤러를 통과하기에 앞서서 상기 제1 전극 웹의 감지부를 감지하는 제1 감지 센서; 상기 제2 전극 웹이 상기 제2 피딩 롤러를 통과하기에 앞서서 상기 제2 전극 웹의 감지부를 감지하는 제2 감지 센서; 상기 제1 피딩 롤러를 통과한 제1 전극 웹과 상기 제2 피딩 롤러를 통과한 제2 전극 웹 사이에 전해질막을 개재하고, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 접착(接着)하는 접착기; 및, 상기 제1 감지 센서 및 상기 제2 감지 센서로부터 전달된 감지 신호에 기초하여 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 정렬된 상태인지 판단하고, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층이 서로 정렬되지 않았다고 판단하는 경우 상기 제1 피딩 롤러와 상기 제2 피딩 롤러 중 적어도 하나의 급지 속도를 변경하여 상기 접착기에 정렬된 상태로 상기 제1 전극 웹과 상기 제2 전극 웹이 공급되도록 하는 콘트롤러(controller);를 구비하는 것을 특징으로 하는, 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 접착기에 의해 접착될 때, 상기 제1 전극 웹에서는 상기 제1 전극층이 상기 제1 전극층 보호 필름보다 아래에 배치되어 상기 전해질막의 상측면에 접촉되고, 상기 제2 전극 웹에서는 상기 제2 전극층이 상기 제2 전극층 보호 필름보다 위에 배치되어 상기 전해질막의 하측면에 접촉되는 것을 특징으로 하는, 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 접착기는 초음파 주파수 영역으로 진동하여 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름을 초음파 융착하는 융착 돌기를 구비하여, 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름의 길이 방향을 따라 이격된 지점을 연속적으로 융착하는 것을 특징으로 하는, 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치.
  4. 제3 항에 있어서
    상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭이 상기 전해질막의 폭보다 크고, 상기 전해질막은 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향으로 중앙에 배치되어,
    상기 접착기에 의해 상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름의 폭 방향으로 양측 단부가 서로 초음파 융착되는 것을 특징으로 하는, 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 전극층 보호 필름과 상기 제2 전극층 보호 필름이 접착되도록 상기 접착기 아래에서 상기 제1 전극 웹, 상기 제2 전극 웹, 및 상기 전해질막을 지지하는 지지 롤러를 더 구비하고,
    상기 지지 롤러의 급지 속도가 상기 제2 피딩 롤러의 급지 속도와 같은 것을 특징으로 하는, 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 지지 롤러와 상기 제2 피딩 롤러를 동력 전달 가능하게 연결하는 타이밍 벨트(timing belt)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 감지 센서 및 상기 제2 감지 센서는 각각, 카메라(camera)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 웹의 감지부 및 상기 제2 전극 웹의 감지부는, 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름에 동일하게 형성된 패턴(pattern)인 것을 특징으로 하는, 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 피딩 롤러 및 상기 제2 피딩 롤러는 각각, 상기 제1 전극층 보호 필름 및 상기 제2 전극층 보호 필름을 흡착하여 급지하는 롤러인 것을 특징으로 하는, 막-전극 조립체의 전극 정렬 장치.
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