KR20180123801A - 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치가 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치는 ⅰ)강화층의 양면에 함침된 제1 및 제2 이오노머 베이스를 각각 형성하며 롤 타입으로 감긴 전해질막을 설정된 이송경로로 풀어서 공급하는 전해질막 피딩부와, ⅱ)전해질막 피딩부의 후방 측에 설치되며, 제1 이오노머 베이스에 설정된 형상의 제1 이오노머 돌기 패턴층을 패터닝 하는 제1 패터닝 유닛과, ⅲ)제1 패터닝 유닛의 후방 측에 구비되며, 제2 이오노머 베이스에 설정된 형상의 제2 이오노머 돌기 패턴층을 패터닝 하는 제2 패터닝 유닛과, ⅳ)제2 패터닝 유닛의 후방 측에 설치되며, 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층에 촉매 전극층을 롤 라미네이팅 방식으로 접합하는 전사 유닛을 포함할 수 있다.

Description

연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY OF FUEL CELL}

본 발명의 실시 예는 연료전지 스택 부품 제조 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 제조하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료전지(Fuel Cell)는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의하여 전기를 생산한다. 이러한 연료전지는 별도의 충전 과정 없이도 외부에서 화학 반응물을 공급받아 지속적인 발전이 가능하다는 특징이 있다.

연료전지는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(분리판 또는 바이폴라 플레이트)를 배치하여 구성될 수 있다. 이러한 연료전지는 다수 매로서 연속적으로 배열되며 연료전지 스택으로 구성될 수 있다.

여기서, 연료전지의 핵심부품인 막-전극 어셈블리는 예를 들면, 3-레이어(3-layer) 구조로서, 수소이온이 이동하는 전해질막(membrane)을 사이에 두고 그 전해질막의 일면에 애노드 촉매 전극층을 형성하며, 다른 일면에 캐소드 촉매 전극층을 형성하고 있다. 이러한 막-전극 어셈블리를 제조하는 대표적인 방식으로는 직접 코팅(Direct Coating) 방식과 데칼(Decal) 방식을 예로 들 수 있다.

한편, 롤 형태로 감긴 전해질막을 풀어내며 그 전해질막의 양면에 촉매 전극층을 형성하는 롤-투-롤 공정에서는 낮은 물성의 전해질막 때문에, 그 전해질막에 촉매 슬러리를 직접 도포하는 방식을 채용할 수 없었다.

이에, 종래 기술에 따른 롤-투-롤 공정에서는 전해질막에 대한 촉매 전극층의 직접 도포가 불가능하여 별도의 이형 필름에 촉매 전극층을 도포한 후, 그 촉매 전극층을 전해질막으로 전사하는 데칼 방식을 채용하고 있다.

데칼 방식의 경우는 각각의 촉매 전극층이 코팅된 롤 타입의 이형 필름과, 롤 타입의 전해질막을 풀어 고온 고압의 접합 롤(열간 압연 롤)을 통과시키며 합지(열 압착)하고, 이형 필름을 제거하며 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있다.

즉, 데칼 방식을 이용한 막-전극 어셈블리의 제조 공정은 전해질막의 양면으로 각각의 촉매 전극층이 코팅된 이형 필름을 적층하며, 롤 라미네이팅 방식으로 촉매 전극층을 전해질막의 양면에 전사시켜 접합하고, 이형 필름을 제거하며 막-전극 어셈블리를 제조한다.

이와 같이 롤 라미네이팅 공법을 이용하는 데칼 방식으로 막-전극 어셈블리를 제조하는 공정은 제조 속도를 향상시킬 수 있기 때문에 양산에 유리하다는 이점이 있다.

다른 한편, 막-전극 어셈블리의 전해질막은 이온 전도도, 화학적 안정성 및 이온 선택성 등을 개선하기 위한 이오노머층을 강화층의 양면에 형성하고 있다.

그런데, 이와 같은 막-전극 어셈블리는 전해질막과 그 전해질막의 이오노머층에 접합된 촉매 전극층 간의 열팽창계수 차이로 인해 연료전지를 사용함에 따라 전해질막과 촉매 전극층의 수축과 팽창이 반복되면서 그 전해질막과 전극층이 쉽게 탈리되는 경향이 있다.

이를 방지하기 위해 종래 기술에서는 완성된 막-전극 어셈블리를 고온에서 열처리를 하고 있으나, 전해질막으로의 열 전달이 원활하지 않기 때문에 막-전극 어셈블리를 고온에서 장시간 노출시키며 열 처리를 하고 있다.

따라서, 종래 기술에서는 막-전극 어셈블리를 고온에서 장시간 노출시키며 열 처리를 함에 따라 촉매 전극층의 손상을 유발할 수 있고, 열처리에 소요되는 시간이 길어지기 때문에 막-전극 어셈블리의 생산성이 저하될 수 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 롤투롤 연속 공정으로서 전해질막의 이오노머층에 별도의 돌기 패턴을 패터닝 하며, 전해질막의 양면에 촉매 전극층을 롤 라미네이팅 할 수 있도록 한 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치는, ⅰ)강화층의 양면에 함침된 제1 및 제2 이오노머 베이스를 각각 형성하며 롤 타입으로 감긴 전해질막을 설정된 이송경로로 풀어서 공급하는 전해질막 피딩부와, ⅱ)상기 전해질막 피딩부의 후방 측에 설치되며, 상기 제1 이오노머 베이스에 설정된 형상의 제1 이오노머 돌기 패턴층을 패터닝 하는 제1 패터닝 유닛과, ⅲ)상기 제1 패터닝 유닛의 후방 측에 구비되며, 상기 제2 이오노머 베이스에 설정된 형상의 제2 이오노머 돌기 패턴층을 패터닝 하는 제2 패터닝 유닛과, ⅳ)상기 제2 패터닝 유닛의 후방 측에 설치되며, 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층에 촉매 전극층을 롤 라미네이팅 방식으로 접합하는 전사 유닛을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치는, 상기 제2 패터닝 유닛과 상기 전사 유닛 사이에서 상기 이송경로의 도중에 설치되며, 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 건조하는 건조로를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 건조로는 상기 이송경로를 따라 이송하는 상기 전해질막의 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층에 적외선을 조사할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제1 패터닝 유닛은 상기 이송경로의 하측에서 상기 전해질막 하면의 상기 제1 이오노머 베이스와 마주하게 설치되며, 이오노머 용액을 수용하는 이오노머 저장조와, 상기 이오노머 용액에 일부 잠기며 상기 이오노머 저장조의 내측에 회전 가능하게 설치되고, 상기 제1 이오노머 돌기 패턴층에 대응하는 음각 패턴을 외주 면에 형성하고 있는 패턴 롤과, 상기 이오노머 저장조의 외측에 구비되며, 상기 패턴 롤의 외주 면에 묻은 이오노머 용액을 긁어내는 블레이드와, 상기 패턴 롤과의 사이에 상기 전해질막을 두고 상기 이송경로의 상측에 회전 가능하게 설치되며, 상기 전해질막을 가압하는 가압 롤을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제2 패터닝 유닛은 상기 이송경로의 상측에서 상기 전해질막 상면의 상기 제2 이오노머 베이스와 마주하게 설치되며, 상기 제2 이오노머 돌기 패턴층에 대응하는 홀 패턴을 형성하고 있는 패턴 스크린과, 상기 패턴 스크린의 상측에 구비되며, 이오노머 용액을 상기 패턴 스크린으로 분사하는 스프레이 노즐을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 스프레이 노즐은 초음파 진동으로서 이오노머 용액을 상기 패턴 스크린으로 분무할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 패터닝 유닛은 상기 제1 및 제2 이오노머 베이스에 스트라이프 형상의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 각각 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 패터닝 유닛은 상기 제1 및 제2 이오노머 베이스에 육각 형상의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 각각 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 패터닝 유닛은 상기 제1 및 제2 이오노머 베이스에 사각 형상의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 각각 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 패터닝 유닛은 상기 제1 및 제2 이오노머 베이스에 원형의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 각각 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 전사 유닛은 애노드 및 캐소드의 촉매 전극층이 각각 코팅된 롤 형상의 이형 필름을 상기 전해질막의 상하 면 측으로 풀어서 공급하는 필름 언와인더와, 상기 전해질막 및 이형 필름의 이송경로 상하 측에 각각 배치되고, 적어도 어느 하나가 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 촉매 전극층을 상기 전해질막의 상면과 하면에 압착하며 전사하는 상하 접합 롤과, 상기 촉매 전극층이 이재된 이형 필름을 회수하는 필름 리와인더를 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법은, (a) 롤 형상으로 감긴 전해질막을 상기 전해질막 피딩부를 통해 풀어서 설정된 이송경로로 공급하는 과정과, (b) 상기 전해질막 하면의 제1 이오노머 베이스에 상기 제1 패터닝 유닛을 통하여 설정된 형상의 제1 이오노머 돌기 패턴층을 패터닝 하는 과정과, (c) 상기 전해질막 상면의 제2 이오노머 베이스에 상기 제2 패터닝 유닛을 통하여 설정된 형상의 제2 이오노머 돌기 패턴층을 패터닝 하는 과정과, (d) 상기 전사 유닛을 통하여 애노드 및 캐소드의 촉매 전극층을 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층에 각각 접합하는 과정을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법은, 상기 (c) 과정 이후에 상기 이송경로를 따라 이송하는 상기 전해질막을 건조로에 통과시키며, 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 건조하되, 상기 건조로에서는 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층에 적외선을 조사할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 있어서, 상기 (b) 과정에서는 이오노머 저장조의 내측에서 이오노머 용액에 일부 잠긴 패턴 롤을 회전시키며, 상기 패턴 롤의 외주 면에 묻어 있는 이오노머 용액을 블레이드를 통해 긁어내고, 상기 패턴 롤의 음각 패턴에 충진된 이오노머 용액을 상기 패턴 롤과의 사이에 전해질막을 두고 그 전해질막의 상면을 가압하며 회전하는 가압 롤을 통하여 상기 전해질막 하면의 제1 이오노머 베이스에 코팅할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 있어서, 상기 (c) 과정에서는 상기 전해질막 상면 측의 패턴 스크린으로 스프레이 노즐을 통해 이오노머 용액을 분사하며, 상기 패턴 스크린의 홀 패턴을 통해 이오노머 용액을 상기 전해질막 상면의 제2 이오노머 베이스에 코팅할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 있어서, 상기 (c) 과정에서 상기 스프레이 노즐은 초음파 진동으로서 이오노머 용액을 상기 패턴 스크린으로 분무할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 있어서, 상기 (d) 과정에서는 애노드 및 캐소드의 촉매 전극층이 코팅된 롤 형상의 상하 이형 필름을 필름 언와인더를 통해 풀어서 상기 전해질막의 상하 면 측으로 공급하고, 상기 전해질막 및 상하 이형 필름을 상하 접합 롤 사이로 통과시키며 상하 이형 필름의 촉매 전극층을 전해질막의 상면과 하면에 각각 전사할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 있어서, 상기 (b) 및 (c) 과정에서는 스트라이프 형상, 육각 형상, 사각 형상 및 원형 중에서 선택되는 어느 한 형상의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 상기 제1 및 제2 이오노머 베이스에 각각 형성할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 전해질막 상하 면의 제1 및 제2 이오노머 베이스에 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 패터닝 함에 따라, 전해질막과 촉매 전극층의 계면 접합력이 향상된 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 종래 기술과 달리 막-전극 어셈블리의 열 처리 시간을 단축할 수 있기 때문에, 막-전극 어셈블리의 생산성을 향상시킬 수 있고, 촉매 전극층의 손상을 방지할 수 있으며, 촉매 전극층의 내구성을 향상시킬 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 적용되는 제1 패터닝 유닛을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 적용되는 제1 패터닝 유닛의 패턴 롤을 확대 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 적용되는 제2 패터닝 유닛을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 적용되는 제2 패터닝 유닛의 패턴 스크린을 확대 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조장치의 제1 및 제2 패터닝 유닛에 의해 패터닝 된 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층의 형상을 나타내 보인 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 적용되는 건조로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치 및 방법에 의해 제조된 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)는 연료전지 스택을 구성하는 단위 연료전지들의 부품을 자동으로 연속 제조하는 자동화 시스템에 적용될 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 막-전극 어셈블리 제조장치(100)는 연료전지의 핵심 부품으로서, 전해질막(3)의 양면에 촉매 전극층(9)이 접합된 막-전극 어셈블리(1: 이하 도 9 참조)를 제조하기 위한 것이다

여기서, 상기 전해질막(3)은 강화층(5)의 양면(도면에서의 상하 면)에 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)가 함침되어 있는 구조로 이루어진다. 이하에서는 전해질막(3)의 하면에서 강화층(5)에 함침되어 있는 이오노머 베이스를 제1 이오노머 베이스(7a)라 하고, 전해질막(3)의 상면에서 강화층(5)에 함침되어 있는 이오노머 베이스를 제2 이오노머 베이스(7b)라고 한다.

이 경우, 상기 강화층(5)은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 e-PTFE로 이루어지며, 수많은 기공을 형성하고 있다. 그리고 상기 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)는 강화층(5)의 기공에 공지 기술의 탄화수소계 또는 불소계 이오노머가 함침된 것으로, 종래 기술에서와 같은 이오노머 베이스 층으로도 명명될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)는 롤투롤 방식으로서 막-전극 어셈블리(1)를 자동으로 연속 제조할 수 있다. 상기에서 롤투롤(roll to roll) 방식이라 함은 롤 형태로 감긴 부품 원단을 풀어내고, 설정된 경로를 따라 부품 원단을 다수 개의 이송롤러들을 통해 이송하며, 그 부품 원단에 소정의 부품 요소를 연속적으로 형성하는 방식을 의미한다.

상기한 롤투롤 방식의 본 장치(100)는 롤 형태로 감긴 전해질막(3)의 원단을 풀어내며, 롤 형태로 감긴 이형 필름(8)의 원단을 풀어내고, 그 이형 필름(8)의 원단에 코팅된 애노드 및 캐소드의 촉매 전극층(9)을 전해질막(3)의 양면에 각각 접합하며, 막-전극 어셈블리 원단(1a)을 제조할 수 있다. 그리고 본 장치(100)는 상기와 같이 제조된 막-전극 어셈블리 원단(1a)을 롤 형상으로 감는 공정을 포함한다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 도면에 도시되지는 않았지만, 상기한 바와 같이 롤 형태로 감긴 막-전극 어셈블리 원단(1a)을 풀어내고, 촉매 전극층(9)을 포함하는 단위 형태로 막-전극 어셈블리 원단(1a)을 컷팅하며, 최종적인 막-전극 어셈블리(1)를 제조할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)는 전해질막(3)과 촉매 전극층(9)의 계면 접합력이 향상된 막-전극 어셈블리(1)를 제조할 수 있는 구조로 이루어진다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 롤투롤 연속 공정으로서 전해질막(3)의 이오노머 베이스(7a, 7b)에 별도의 이오노머 돌기 패턴을 패터닝 하며, 그 전해질막(3)의 양면에 촉매 전극층(9)을 롤 라미네이팅 방식(당 업계에서는 데칼 방식이라고도 한다)으로 접합할 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)를 제공한다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)는 이오노머 돌기 패턴의 패터닝 공정에서 촉매 전극층의 접합 공정에 이르기까지 막-전극 어셈블리(1)의 전 제조공정을 롤투롤 연속 방식으로 통합 구현할 수 있다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)는 기본적으로, 전해질막 피딩부(10), 제1 패터닝 유닛(30), 제2 패터닝 유닛(50), 건조로(70), 그리고 전사 유닛(90)을 포함한다.

이와 같은 각각의 구성 요소는 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 구성될 수 있다. 상기 메인 프레임은 상하 방향으로 세워지며 각각의 구성 요소를 지지하는 것으로서, 하나의 프레임 또는 둘 이상으로 구획된 프레임으로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 메인 프레임에는 본 장치(100)의 구성 요소들을 지지하기 위한 브라켓, 바아, 로드, 플레이트, 하우징, 케이스, 블록 등과 같은 각종 부속요소들을 포함할 수 있다.

하지만, 상기한 각종 부속요소들은 이하에서 설명될 본 장치(100)의 구성 요소들을 메인 프레임에 설치하기 위한 것이므로, 본 발명의 실시 예에서는 예외적인 경우를 제외하고 상기한 부속 요소들을 메인 프레임으로 통칭한다.

상기에서 전해질막 피딩부(10)는 롤 형태로 감긴 전해질막(3)의 원단을 설정된 이송경로로 풀어서 공급하기 위한 것이다. 이러한 전해질막 피딩부(10)는 이송경로의 시작 측에서 메인 프레임에 회전 가능하게 설치되며, 롤 형태로 감긴 전해질막(3)의 원단을 이송경로로 풀어내는 공급롤러(11)를 포함한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 패터닝 유닛(30)은 전해질막(3) 하면의 제1 이오노머 베이스(7a)에 설정된 형상의 제1 이오노머 돌기 패턴층(31)을 그라비아 코팅 방식으로 패터닝 하기 위한 것이다. 상기 제1 패터닝 유닛(30)은 전해질막 피딩부(10)의 후방 측에서 메인 프레임에 설치된다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 적용되는 제1 패터닝 유닛을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 제1 패터닝 유닛(30)은 이오노머 저장조(33), 패턴 롤(35), 블레이드(37) 그리고 가압 롤(39)을 포함한다.

상기 이오노머 저장조(33)는 나노 사이즈를 가진 이오노머 입자의 용액(34)(이하에서는 편의 상 이오노머 용액이라고 한다)을 수용하는 것으로, 이송경로의 하측에서 전해질막(3) 하면의 제1 이오노머 베이스(7a)와 마주하며, 메인 프레임에 고정되게 설치된다. 상기 이오노머 저장조(33)는 상단이 개방되며 하단이 폐쇄된 탱크 형태로 구비된다.

상기 패턴 롤(35)은 이오노머 저장조(33)의 내측에서 이오노머 용액(34)에 일부 잠기며 전해질막(3) 하면의 제1 이오노머 베이스(7a)와 접촉되게 구비되고, 이오노머 저장조(33)의 내측에 회전 가능하게 설치된다. 이러한 패턴 롤(35)의 외주 면에는 위에서 언급한 바 있는 설정된 형상의 제1 이오노머 돌기 패턴층(31)에 대응하는 음각 패턴(36)을 형성하고 있다.

상기 패턴 롤(35)의 음각 패턴(36) 형상을 더욱 구체적으로 설명하며, 상기한 음각 패턴(36)은 도 3a에서와 같이, 패턴 롤(35)의 길이 방향을 따라 외주 면에 스트라이프 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 음각 패턴(36)은 패턴 롤(35)의 길이 방향을 따라 길게 형성되며, 그 패턴 롤(35)의 외주 방향을 따라 설정된 간격을 두고 상호 평행하게 배치된다. 상기 스트라이프 형상의 음각 패턴(36) 사이는 패턴 롤(35)의 외주 면으로 남는데, 음각 패턴(36)의 폭과 그 음각 패턴(36) 사이의 간격은 다양하게 변형 가능하다.

상기 음각 패턴(36)은 도 3b 및 도 3c에서와 같이, 패턴 롤(35)의 외주 면에 육각 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들면 상기 음각 패턴(36)은 도 3b에서와 같이 패턴 롤(35)의 외주 면에서 방향성을 갖지 않으며 원형에 가까운 육각 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 음각 패턴(36)은 도 3c에서와 같이 패턴 롤(35)의 외주 면에서 방향성을 가지며 정 육각 형상으로 형성될 수도 있다. 여기서, 상기 육각 형상의 음각 패턴(36) 사이는 패턴 롤(35)의 외주 면으로 남는데, 음각 패턴(36)의 면적과 그 음각 패턴(36) 사이의 간격은 다양하게 변형 가능하다.

상기 음각 패턴(36)은 도 3d에서와 같이 패턴 롤(35)의 외주 면에서 방향성을 가지며 사각 형상(예를 들면 정 사각 형상)으로 형성될 수도 있다. 상기 사각 형상의 음각 패턴(36) 사이는 패턴 롤(35)의 외주 면으로 남는데, 음각 패턴(36)의 면적과 그 음각 패턴(36) 사이의 간격은 다양하게 변형 가능하다.

그리고 상기 음각 패턴(36)은 도 3e에서와 같이 패턴 롤(35)의 외주 면에서 방향성을 가지며 원형으로 형성될 수도 있다. 상기 원형의 음각 패턴(36) 사이는 패턴 롤(35)의 외주 면으로 남는데, 음각 패턴(36)의 면적과 그 음각 패턴(36) 사이의 간격은 다양하게 변형 가능하다.

대안으로서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 음각 패턴(36)의 형상으로서 스트라이프 형상, 육각 형상, 사각 형상 및 원형을 예로 들었으나, 이에 반드시 한정되지 않고, 그 외의 다양한 형상을 포함할 수도 있다.

상기 블레이드(37)는 패턴 롤(35)의 외주 면에 묻어 있는 이오노머 용액(34)을 긁어내며 그 패턴 롤(35)의 외주 면을 스퀴징 하기 위한 것이다. 즉, 상기 패턴 롤(35)이 이오노머 저장조(33)의 이오노머 용액(34)에 잠기며 회전함에 따라 그 이오노머 용액(34)은 패턴 롤(35)의 음각 패턴(36)에 충진되는데, 블레이드(37)는 패턴 롤(35)의 외주 면에 묻어 있는 이오노머 용액(34)을 제거하며, 음각 패턴(36)에만 이오노머 용액(34)을 잔류시키는 기능을 하게 된다.

이러한 블레이드(37)는 이오노머 저장조(33)의 외측에 구비되며, 메인 프레임에 회전 가능하게 설치될 수 있다. 상기 블레이드(37)는 스프링의 탄성력으로서 패턴 롤(35)의 외주 면을 가압할 수 있다.

상기 가압 롤(39)은 패턴 롤(35)과의 사이에 전해질막(3)을 두고 이송경로의 상측에 회전 가능하게 설치된다. 상기 가압 롤(39)은 패턴 롤(35)과 상호 반대 방향으로 회전하면서 패턴 롤(35)과의 사이를 통과하는 전해질막(3)을 패턴 롤(35)의 외주 면 측으로 가압한다.

상기와 같이 가압 롤(39)과 패턴 롤(35) 사이를 통과하는 전해질막(3)을 가압 롤(39)을 통해 가압함에 따라, 그 패턴 롤(35)의 음각 패턴(36)에 충진된 이오노머 용액(34)은 전해질막(3) 하면의 제1 이오노머 베이스(7a)에 음각 패턴(36)에 대응하는 설정된 형상의 제1 이오노머 돌기 패턴층(31)으로서 전사된다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 적용되는 제2 패터닝 유닛을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 제2 패터닝 유닛(50)은 전해질막(3) 상면의 제2 이오노머 베이스(7b)에 설정된 형상의 제2 이오노머 돌기 패턴층(51)을 스프레이 코팅 방식으로 패터닝 하기 위한 것이다.

상기 제2 패터닝 유닛(50)은 제1 패터닝 유닛(30)의 후방 측에서 메인 프레임에 설치된다. 이러한 제2 패터닝 유닛(50)은 패턴 스크린(53) 및 스프레이 노즐(55)을 포함한다.

상기 패턴 스크린(53)은 이송경로의 상측에서 전해질막(3) 상면의 제2 이오노머 베이스(7b)와 설정된 미세 간격을 두고 마주하는 패터닝 마스크로서, 메인 프레임에 고정되게 설치된다. 이러한 패턴 스크린(53)은 위에서 언급한 바 있는 설정된 형상의 제2 이오노머 돌기 패턴층(51)에 대응하는 홀 패턴(54)을 형성하고 있다.

상기 패턴 스크린(53)의 홀 패턴(54) 형상을 더욱 구체적으로 설명하며, 상기한 홀 패턴(54)은 도 5a에서와 같이, 패턴 스크린(53)에 전해질막(3)의 폭 방향을 따라 스트라이프 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 홀 패턴(54)은 패턴 스크린(53)의 폭 방향을 따라 길게 형성되며, 그 패턴 스크린(53)의 길이 방향을 따라 설정된 간격을 두고 상호 평행하게 배치된다. 상기 스트라이프 형상의 홀 패턴(54) 사이는 패턴 스크린(53)의 스크린 면으로 남는데, 홀 패턴(54)의 폭과 그 홀 패턴(54) 사이의 간격은 다양하게 변형 가능하다.

상기 홀 패턴(54)은 도 5b 및 도 5c에서와 같이, 패턴 스크린(53)에 육각 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들면 상기 홀 패턴(54)은 도 5b에서와 같이 패턴 스크린(53)에서 방향성을 갖지 않으며 원형에 가까운 육각 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 홀 패턴(54)은 도 5c에서와 같이 패턴 스크린(53)에서 방향성을 가지며 정 육각 형상으로 형성될 수도 있다. 여기서, 상기 육각 형상의 홀 패턴(54) 사이는 패턴 스크린(53)의 스크린 면으로 남는데, 홀 패턴(54)의 면적과 그 홀 패턴(54) 사이의 간격은 다양하게 변형 가능하다.

상기 홀 패턴(54)은 도 5d에서와 같이 패턴 스크린(53)에서 방향성을 가지며 사각 형상(예를 들면 정 사각 형상)으로 형성될 수도 있다. 상기 사각 형상의 홀 패턴(54) 사이는 패턴 스크린(53)의 스크린 면으로 남는데, 홀 패턴(54)의 면적과 그 홀 패턴(54) 사이의 간격은 다양하게 변형 가능하다.

상기 홀 패턴(54)은 도 5e에서와 같이 패턴 스크린(53)의 외주 면에서 방향성을 가지며 원형으로 형성될 수도 있다. 상기 원형의 홀 패턴(54) 사이는 패턴 스크린(53)의 스크린 면으로 남는데, 홀 패턴(54)의 면적과 그 홀 패턴(54) 사이의 간격은 다양하게 변형 가능하다.

대안으로서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 홀 패턴(54)의 형상으로서 스트라이프 형상, 육각 형상, 사각 형상 및 원형을 예로 들었으나, 이에 반드시 한정되지 않고, 그 외의 다양한 형상을 포함할 수도 있다.

상기 스프레이 노즐(55)은 나노 사이즈의 이오노머 입자를 가진 이오노머 용액(34)을 패턴 스크린(53)으로 분사하기 위한 것으로서, 패턴 스크린(53)의 상측에서 메인 프레임에 설치된다. 여기서, 상기 스프레이 노즐(55)은 공지 기술의 초음파 진동원(57)으로부터 제공받은 초음파에 의해 진동하며 이오노머 용액(34)을 패턴 스크린(53)으로 분무할 수 있다.

이에 상기와 같이 스프레이 노즐(55)에 초음파 진동을 인가하며 그 스프레이 노즐(55)을 통해 이오노머 용액(34)을 패턴 스크린(53)으로 분사하면, 그 이오노머 용액(34)은 패턴 스크린(53)의 홀 패턴(54)을 통과하며, 전해질막(3) 상면의 제2 이오노머 베이스(7b)에 홀 패턴(54)에 대응하는 설정된 형상의 제2 이오노머 돌기 패턴층(51)으로서 코팅된다.

여기서, 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)은 제1 및 제2 패터닝 유닛(30, 50)에 의해 도 6a에서와 같이 전해질막(3)의 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)에 스트라이프 형상의 랜드(land) 돌기들로 형성될 수 있다. 그리고 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)은 도 6b 및 도 6c에서와 같이 육각 형상의 랜드 돌기들로 형성될 수도 있고, 도 6d에서와 같이 사각 형상의 랜드 돌기들로 형성될 수도 있으며, 도 6e에서와 같이 원형의 랜드 돌기들로 형성될 수도 있다.

대안으로서, 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)은 그 외에 다양한 형상의 랜드 돌기들로 형성될 수 있고, 더 나아가서는 도 6f에서와 같이 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)에 다수 개의 구멍들을 지닌 격자 형상의 패턴으로 형성될 수도 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 적용되는 건조로를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 건조로(70)는 전해질막(3)의 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)에 각각 패터닝 된 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)을 건조하기 위한 것이다.

상기 건조로(70)는 제2 패터닝 유닛(50)의 후방 측에서 메인 프레임에 고정되게 설치되는 바, 제2 패터닝 유닛(50)과 뒤에서 더욱 설명될 전사 유닛(90) 사이에서 전해질막(3)의 이송경로 도중에 설치된다.

상기 건조로(70)는 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)에 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)이 각각 패터닝 된 전해질막(3)을 이송경로를 따라 통과시킬 수 있는 건조 챔버(71)를 포함할 수 있다.

더 나아가, 상기 건조로(70)는 적외선을 전해질막(3) 양면의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)에 조사하는 적외선 조사기(73)를 포함할 수 있다. 상기 적외선 조사기(73)는 건조 챔버(71)의 내측에 설치된다.

여기서, 상기 적외선 조사기(73)는 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 적외선 조사장치로서, 건조 챔버(71)의 내측에서 이송경로를 따라 이송하는 전해질막(3)을 사이에 두고 그 전해질막(3) 양면의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)으로 적외선을 조사하며, 이들 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)을 적외선으로 건조할 수 있다.

이와 같이 상기 건조로(70)에서 적외선으로 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)을 건조하는 이유는, 만약 열풍이나 상온 풍으로 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)을 건조하는 경우, 풍력에 의해 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)이 변형될 염려가 있기 때문이다.

한편, 도 1에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 전사 유닛(90)은 건조로(70)를 지나 이송경로를 따라 이송하는 전해질막(3)의 양면(상하 면)에 촉매 전극층(9)을 연속적으로 접합하기 위한 것이다.

상기 전사 유닛(90)은 전해질막(3) 양면의 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)와 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)에 촉매 전극층(9)을 롤 라미네이팅 방식(당 업계에서는 데칼 방식이라고도 한다)으로 전사하며 접합할 수 있다.

상기 전사 유닛(90)은 롤 형태로 감긴 이형 필름(8)의 원단을 전해질막(3)의 이송경로로 풀어내며, 그 이형 필름(8)의 원단에 코팅된 애노드 및 캐소드의 촉매 전극층(9)을 전해질막(3)의 양면에 각각 접합할 수 있다.

이와 같은 상기 전사 유닛(90)은 건조로(70)의 후방 측에서 메인 프레임에 구성되는 바, 필름 언와인더(91), 상하 접합 롤(93) 및 필름 리와인더(95)를 포함하고 있다.

상기 필름 언와인더(91)는 전해질막(3)의 이송경로 상하 측에 구비되며, 애노드 및 캐소드의 촉매 전극층(9)이 각각 코팅된 롤 형상의 이형 필름(8)을 전해질막(3)의 상하 면 측으로 풀어서 공급하는 것이다.

예를 들면, 상기 필름 언와인더(91)는 애노드 및 캐소드의 촉매 전극층(9)이 설정된 간격으로 각각 코팅된 롤 형상의 이형 필름(8)을 풀어내며 전해질막(3)의 상하 측으로 공급할 수 있다.

상기 상하 접합 롤(93)은 전해질막(3)을 사이에 두고 그 전해질막(3)의 상하 측에 위치하는 이형 필름(8)의 애노드 및 캐소드 촉매 전극층(9)을 압착하며, 전해질막(3)의 상하 양면에 촉매 전극층(9)을 각각 전사하여 접합하기 위한 것이다.

상기 상하 접합 롤(93)은 전해질막(3) 및 이형 필름(8)의 진행 경로 상하 측에 각각 회전 가능하게 설치되며, 적어도 어느 하나가 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 구비된다.

그리고, 상기 필름 리와인더(95)는 촉매 전극층(9)이 이재된 이형 필름(8)을 회수하기 위한 것이다. 상기 필름 리와인더(95)는 촉매 전극층(9)이 이재된 이형 필름(8)을 감는 것으로, 전해질막(3) 및 이형 필름(8)의 진행 경로 상하 측에 구비된다.

더 나아가, 상기 전사 유닛(90)은 전해질막(3)의 양면에 촉매 전극층(9)이 접합된 막-전극 어셈블리 원단(1a)을 롤 형태로 감는 MEA 원단 리와인더(97)를 더 포함하고 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)를 이용하여 연료전지용 막-전극 어셈블리(1)를 제조하는 방법을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.

앞서 개시한 도면들 및 도 8을 참조하면, 우선 본 발명의 실시 예에서는 롤 형태로 감긴 전해질막(3)의 원단을 전해질막 피딩부(10)를 통해 풀어내며 그 전해질막(3)을 설정된 이송경로로 피딩한다(S11 단계).

이 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 이송경로를 따라 이송되는 전해질막(3) 하면의 제1 이오노머 베이스(7a)에 제1 패터닝 유닛(30)을 통하여 설정된 형상의 제1 이오노머 돌기 패턴층(31)을 그라비아 코팅 방식으로 패터닝 한다(S12 단계).

상기 S12 단계에서는 우선, 이오노머 저장조(33)의 이오노머 용액(34)에 일부 잠겨 있는 패턴 롤(35)을 회전시킨다. 그러면, 이오노머 용액(34)은 패턴 롤(35)의 음각 패턴(36)에 충진되는데, 본 발명의 실시 예에서는 패턴 롤(35)의 외주 면에 묻어 있는 이오노머 용액(34)을 블레이드(37)를 통해 제거하며, 음각 패턴(36)에만 이오노머 용액(34)을 잔류시킨다.

여기서, 전해질막(3)은 가압 롤(39)과 패턴 롤(35) 사이를 통과하게 되는데, 그 가압 롤(39)은 전해질막(3)을 패턴 롤(35)의 외주 면 측으로 가압한다. 상기와 같이 가압 롤(39)과 패턴 롤(35) 사이를 통과하는 전해질막(3)을 가압 롤(39)을 통해 가압함에 따라, 본 발명의 실시 예에서는 패턴 롤(35)의 음각 패턴(36)에 충진된 이오노머 용액(34)을 전해질막(3) 하면의 제1 이오노머 베이스(7a)에 전사한다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 패턴 롤(35)의 음각 패턴(36)에 대응하는 설정된 형상, 예를 들면 스트라이프 형상, 육각 형상, 사각 형상 및 원형 중 어느 하나의 형상을 가진 랜드 돌기로서의 제1 이오노머 돌기 패턴층(31)을 전해질막(3) 하면의 제1 이오노머 베이스(7a)에 형성할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 상기한 바와 같이 전해질막(3) 하면에 제1 이오노머 돌기 패턴층(31)을 패터닝 하는 과정에, 제2 패터닝 유닛(50)을 통하여 전해질막(3) 상면의 제2 이오노머 베이스(7b)에 설정된 형상의 제2 이오노머 돌기 패턴층(51)을 스프레이 코팅 방식으로 패터닝 한다(S13 단계).

상기 S13 단계에서는 초음파 진동원(57)을 통해 스프레이 노즐(55)에 초음파 진동을 인가하며 그 스프레이 노즐(55)을 통해 이오노머 용액(34)을 패턴 스크린(53)으로 분사(분무)한다. 그러면, 이오노머 용액(34)은 패턴 스크린(53)의 홀 패턴(54)을 통과하며, 전해질막(3) 상면의 제2 이오노머 베이스(7b)에 코팅된다.

이에, 본 발명의 실시 예에서는 상기 패턴 스크린(53)의 홀 패턴(54)에 대응하는 설정된 형상, 예를 들면 스트라이프 형상, 육각 형상, 사각 형상 및 원형 중 어느 하나의 형상을 가진 랜드 돌기로서의 제2 이오노머 돌기 패턴층(51)을 전해질막(3) 상면의 제2 이오노머 베이스(7b)에 형성할 수 있다.

상기한 바와 같이 전해질막(3)의 하면 및 상면에 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)을 각각 패터닝 한 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 전해질막(3)을 이송경로를 따라 이송시키며 건조로(70) 내부로 진입시킨다.

그러면, 상기 건조로(70)에서는 이송경로를 따라 이송하는 전해질막(3)을 사이에 두고 적외선 조사기(73)를 통해 전해질막(3) 상하 면의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)으로 적외선을 조사하며, 그 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)을 건조한다(S14 단계).

본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)을 적외선으로서 건조함에 따라, 열풍이나 상온 풍으로 건조하는 방식과 달리, 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)에 물리적인 외력이 작용하지 않게 되므로, 그 외력에 의한 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)의 변형을 방지할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 건조로(70)에서 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)을 건조한 전해질막(3)을 전사 유닛(90)으로 이송하며, 그 전사 유닛(90)을 통해 전해질막(3)의 상하 면에 촉매 전극층(9)을 연속적으로 접합한다(S15 단계).

상기 S15 단계에서는 애노드 및 캐소드의 촉매 전극층(9)이 각각 코팅된 롤 형상의 상하 이형 필름(8)을 필름 언와인더(91)를 통해 전해질막(3)의 상하 면 측으로 풀어서 공급한다.

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 전해질막(3)과 상하 측의 이형 필름(8)을 상하 접합 롤(93) 사이로 진입시킨다. 이에 상하 접합 롤(93)이 전해질막(3)을 사이에 두고 상하 이형 필름(8)을 압착함에 따라, 그 상하 이형 필름의 촉매 전극층(9)을 전해질막(3)의 상면과 하면에 각각 전사하며 접합할 수 있다.

이 경우, 상기 촉매 전극층(9)은 전해질막(3) 상하 면의 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)와 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)에 롤 라미네이팅 방식으로 접합된다.

여기서, 상기와 같이 촉매 전극층(9)이 이재된 이형 필름(8)은 필름 리와인더(95)에 감기며 회수되고, 전해질막(3)의 상하 면에 촉매 전극층(9)이 접합된 막-전극 어셈블리 원단(1a)은 MEA 원단 리와인더(97)에 롤 형태로 감긴다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 롤 형태로 감긴 막-전극 어셈블리 원단(1a)을 풀어내며, 촉매 전극층(9)을 포함하는 단위 형태로 막-전극 어셈블리 원단(1a)을 컷팅하게 되면, 최종적으로 도 9에서와 같은 막-전극 어셈블리(1)를 제조할 수 있다.

상술한 바와 같은 일련의 과정을 거치며 제조된 막-전극 어셈블리(1)는 전해질막(3) 상하 면의 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)에 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)을 형성하고 있으며, 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)와 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)에 촉매 전극층(9)이 접합된 구조로 이루어진다.

이와 같은 막-전극 어셈블리(1)는 전해질막(3) 상하 면의 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)에 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)을 형성하므로, 그 전해질막(3)의 상하 면에 대한 촉매 전극층(9)의 접합 면적을 증대시킬 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 전해질막(3)의 상하 면에 대한 촉매 전극층(9)의 접합력을 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 막-전극 어셈블리(1)의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100) 및 방법에 의하면, 롤투롤 연속 공정으로서 전해질막(3) 상하 면의 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)에 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)을 패터닝 하며, 전해질막(3)의 상하 면에 촉매 전극층(9)을 접합할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시 예에서는 전해질막(3)에 대한 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)의 패터닝 공정에서 촉매 전극층(9)의 전사 접합 공정에 이르기까지 막-전극 어셈블리(1)의 전 제조공정을 롤투롤 연속 방식으로 통합 구현할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 전해질막(3) 상하 면의 제1 및 제2 이오노머 베이스(7a, 7b)에 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층(31, 51)을 패터닝 함에 따라, 전해질막(3)과 촉매 전극층(9)의 계면 접합력이 향상된 막-전극 어셈블리(1)를 제조할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 종래 기술과 달리, 후속 공정으로서 막-전극 어셈블리(1)의 열 처리 시간을 단축할 수 있기 때문에, 막-전극 어셈블리(1)의 생산성을 향상시킬 수 있고, 촉매 전극층(9)의 손상을 방지할 수 있으며, 촉매 전극층(9)의 내구성을 향상시킬 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1... 막-전극 어셈블리 1a... 막-전극 어셈블리 원단
3... 전해질막 5... 강화층
7a... 제1 이오노머 베이스 7b... 제2 이오노머 베이스
8... 이형 필름 9... 촉매 전극층
10... 전해질막 피딩부 11... 공급롤러
30... 제1 패터닝 유닛 31... 제1 이오노머 돌기 패턴층
33... 이오노머 저장조 34... 이오노머 용액
35... 패턴 롤 36... 음각 패턴
37... 블레이드 39... 가압 롤
50... 제2 패터닝 유닛 51... 제2 이오노머 돌기 패턴층
53... 패턴 스크린 54... 홀 패턴
55... 스프레이 노즐 57... 초음파 진동원
70... 건조로 71... 건조 챔버
73... 적외선 조사기 90... 전사 유닛
91... 필름 언와인더 93... 접합 롤
95... 필름 리와인더 97... 원단 리와인더

Claims (18)

1. 강화층의 양면에 함침된 제1 및 제2 이오노머 베이스를 각각 형성하며 롤 타입으로 감긴 전해질막을 설정된 이송경로로 풀어서 공급하는 전해질막 피딩부;
   상기 전해질막 피딩부의 후방 측에 설치되며, 상기 제1 이오노머 베이스에 설정된 형상의 제1 이오노머 돌기 패턴층을 패터닝 하는 제1 패터닝 유닛;
   상기 제1 패터닝 유닛의 후방 측에 구비되며, 상기 제2 이오노머 베이스에 설정된 형상의 제2 이오노머 돌기 패턴층을 패터닝 하는 제2 패터닝 유닛; 및
   상기 제2 패터닝 유닛의 후방 측에 설치되며, 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층에 촉매 전극층을 롤 라미네이팅 방식으로 접합하는 전사 유닛;
   을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 패터닝 유닛과 상기 전사 유닛 사이에서 상기 이송경로의 도중에 설치되며, 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 건조하는 건조로;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 건조로는,
   상기 이송경로를 따라 이송하는 상기 전해질막의 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층에 적외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 패터닝 유닛은,
   상기 이송경로의 하측에서 상기 전해질막 하면의 상기 제1 이오노머 베이스와 마주하게 설치되며, 이오노머 용액을 수용하는 이오노머 저장조와,
   상기 이오노머 용액에 일부 잠기며 상기 이오노머 저장조의 내측에 회전 가능하게 설치되고, 상기 제1 이오노머 돌기 패턴층에 대응하는 음각 패턴을 외주 면에 형성하고 있는 패턴 롤과,
   상기 이오노머 저장조의 외측에 구비되며, 상기 패턴 롤의 외주 면에 묻은 이오노머 용액을 긁어내는 블레이드와,
   상기 패턴 롤과의 사이에 상기 전해질막을 두고 상기 이송경로의 상측에 회전 가능하게 설치되며, 상기 전해질막을 가압하는 가압 롤
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제2 패터닝 유닛은,
   상기 이송경로의 상측에서 상기 전해질막 상면의 상기 제2 이오노머 베이스와 마주하게 설치되며, 상기 제2 이오노머 돌기 패턴층에 대응하는 홀 패턴을 형성하고 있는 패턴 스크린과,
   상기 패턴 스크린의 상측에 구비되며, 이오노머 용액을 상기 패턴 스크린으로 분사하는 스프레이 노즐
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 스프레이 노즐은 초음파 진동으로서 이오노머 용액을 상기 패턴 스크린으로 분무하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 패터닝 유닛은,
   상기 제1 및 제2 이오노머 베이스에 스트라이프 형상의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 패터닝 유닛은,
   상기 제1 및 제2 이오노머 베이스에 육각 형상의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 패터닝 유닛은,
   상기 제1 및 제2 이오노머 베이스에 사각 형상의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 패터닝 유닛은,
    상기 제1 및 제2 이오노머 베이스에 원형의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 전사 유닛은,
    애노드 및 캐소드의 촉매 전극층이 각각 코팅된 롤 형상의 이형 필름을 상기 전해질막의 상하 면 측으로 풀어서 공급하는 필름 언와인더와,
    상기 전해질막 및 이형 필름의 이송경로 상하 측에 각각 배치되고, 적어도 어느 하나가 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 촉매 전극층을 상기 전해질막의 상면과 하면에 압착하며 전사하는 상하 접합 롤과,
    상기 촉매 전극층이 이재된 이형 필름을 회수하는 필름 리와인더
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
12. 전해질막 피딩부, 제1 및 제2 패터닝 유닛, 그리고 전사 유닛을 포함하는 청구항 1의 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조장치를 이용하여 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제조하는 방법으로서,
    (a) 롤 형상으로 감긴 전해질막을 상기 전해질막 피딩부를 통해 풀어서 설정된 이송경로로 공급하는 과정;
    (b) 상기 전해질막 하면의 제1 이오노머 베이스에 상기 제1 패터닝 유닛을 통하여 설정된 형상의 제1 이오노머 돌기 패턴층을 패터닝 하는 과정;
    (c) 상기 전해질막 상면의 제2 이오노머 베이스에 상기 제2 패터닝 유닛을 통하여 설정된 형상의 제2 이오노머 돌기 패턴층을 패터닝 하는 과정; 및
    (d) 상기 전사 유닛을 통하여 애노드 및 캐소드의 촉매 전극층을 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층에 각각 접합하는 과정;
    을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 (c) 과정 이후에,
    상기 이송경로를 따라 이송하는 상기 전해질막을 건조로에 통과시키며, 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 건조하되, 상기 건조로에서 상기 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층으로 적외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
14. 제12 항에 있어서,
    상기 (b) 과정에서는,
    이오노머 저장조의 내측에서 이오노머 용액에 일부 잠긴 패턴 롤을 회전시키며,
    상기 패턴 롤의 외주 면에 묻어 있는 이오노머 용액을 블레이드를 통해 긁어내고,
    상기 패턴 롤의 음각 패턴에 충진된 이오노머 용액을 상기 패턴 롤과의 사이에 전해질막을 두고 그 전해질막의 상면을 가압하며 회전하는 가압 롤을 통하여 상기 전해질막 하면의 제1 이오노머 베이스에 코팅하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
15. 제14 항에 있어서,
    상기 (c) 과정에서는,
    상기 전해질막 상면 측의 패턴 스크린으로 스프레이 노즐을 통해 이오노머 용액을 분사하며,
    상기 패턴 스크린의 홀 패턴을 통해 이오노머 용액을 상기 전해질막 상면의 제2 이오노머 베이스에 코팅하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
16. 제15 항에 있어서,
    상기 (c) 과정에서,
    상기 스프레이 노즐은 초음파 진동으로서 이오노머 용액을 상기 패턴 스크린으로 분무하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
17. 제12 항에 있어서,
    상기 (d) 과정에서는,
    애노드 및 캐소드의 촉매 전극층이 코팅된 롤 형상의 상하 이형 필름을 필름 언와인더를 통해 풀어서 상기 전해질막의 상하 면 측으로 공급하고,
    상기 전해질막 및 상하 이형 필름을 상하 접합 롤 사이로 통과시키며 상하 이형 필름의 촉매 전극층을 전해질막의 상면과 하면에 각각 전사하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
18. 제12 항에 있어서,
    상기 (b) 및 (c) 과정에서는,
    스트라이프 형상, 육각 형상, 사각 형상 및 원형 중에서 선택되는 어느 한 형상의 제1 및 제2 이오노머 돌기 패턴층을 상기 제1 및 제2 이오노머 베이스에 각각 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.

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