KR20180137817A - 연료전지용 전극막 접합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전극막 접합체(MEA) 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극막 접합체(MEA)의 제조시 이오노머가 코팅되어 제1층부가 형성된 전극과 이오노머가 코팅되어 제2층부가 형성된 강화층을 각각 제조하고 이를 전사시킨 후 서브가스켓으로 접합하여 제조한 전극막 접합체(MEA)에 관한 것으로, 제2층부가 형성된 강화층의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 제1층부를 포함함으로써 전해질막 내 이오노머의 사용량을 절감하고 누수가 없고 두께가 감소와 함께 원가 절감이 가능한 전극막 접합체(MEA) 및 이의 제조방법이다.

Description

연료전지용 전극막 접합체 및 이의 제조방법{MEA for fuel cell and Manufacture method of MEA}
본 발명은 전극막 접합체(MEA) 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극막 접합체(MEA)의 제조시 이오노머가 코팅되어 제1층부가 형성된 전극과 이오노머가 코팅되어 제2층부가 형성된 강화층을 각각 제조하고 이를 전사시킨 후 서브가스켓으로 접합하여 제조한 전극막 접합체(MEA)에 관한 것으로, 제2층부가 형성된 강화층의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 제1층부를 포함함으로써 전해질막 내 이오노머의 사용량을 절감하고 누수가 없고 두께가 감소와 함께 원가 절감이 가능한 전극막 접합체(MEA) 및 이의 제조방법이다.
일반적으로 연료전지의 전극막 접합체(MEA;Membrane Electrode Assembly)는 양측 전극(애노드, 캐소드)과 전해질막으로 구성되며, 보통 각 전극과 전해질막 간에 경계부분의 접착이 우수할수록 성능과 내구성이 우수하다.
종래에는 이러한 물성적 특성을 개선하기 위해, 한국 공개특허 제2016-71800호는 연료전지의 전극막 접합체(MEA)를 제조함에 있어 전해질 막을 전극막 접합체 접합공정 이전에 고온 또는 저온으로 전처리하여 전극막 접합체의 수축 및 팽창을 억제하여 계면의 스트레스를 줄임으로써, 전극막 접합체의 계면 접합력을 높여서 내구성을 향상시키는 연료전지용 전극막 접합체의 제조방법을 개시하고 있습니다.
한편, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 경우 도 1의 메커니즘을 통해 전류를 생성한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 전극이 있는 면적에서 H₂ → 2H+ + 2e- 과 2H+ +½O₂+ 2e- → H₂O 반응을 진행한다.
이때 전해질막은 애노드(Anode) 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드(Cathode) 전극으로 이동시키는 역할을 한다. 전극 크기가 전해질막보다 더 클 경우 캐소드와 애노드가 맞닿아 단락(short) 현상이 일어난다. 그렇기 때문에 전해질막의 크기는 전극 크기보다 같거나 커서 캐소드와 애노드(anode)가 닿지 못하게 절연해야 한다.
전극보다 큰 전해질막의 영역은 서브가스켓을 접합함으로써 핸들링을 용이하게 한다. 이때 서브가스켓에 접합되는 전해질막의 양이 전체 면적의 48~57%에 해당한다. 그러나, 이 영역은 연료전지 매커니즘에 필요 없는 영역으로 불필요한 재료가 소비된다.
이에 이오노머를 절감하기 위해서는 전해질막의 크기를 전극 크기에 가깝도록 제조해야 할 필요성이 있다. 하지만 고분자 전해질 연료전지는 전극/막접합체의 두께가 20 ~ 100 ㎛로 아주 얇고, 온도 및 습도에 민감하여 컴팩트한 제조가 어려우며, 시트형태로 제조할 경우 제조 연속성이 없어 생산성이 낮다는 한계가 있다.
1. 한국 공개특허 제2016-71800호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 본 발명의 발명자들은 전극막 접합체의 제조시 이오노머가 코팅되어 제1층부가 형성된 전극과 이오노머가 코팅되어 제2층부가 형성된 강화층을 각각 제조하고 이를 전사시킨 후 서브가스켓으로 접합하여 전극막 접합체를 제조하는 경우 이오노머의 용량을 절감하면서도 누수가 없고 전극막 접합체의 두께가 감소와 함께 원가 절감을 달성하되 전극막 접합체의 성능은 종래의 전극막 접합체과 동일 유사한 정도라는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서, 본 발명은 서로 다른 전극 사이에 적층되는 전해질막을 포함하고, 상기 전해질막의 이오노머층은 이웃하는 전극과 적어도 동일 단면적을 갖는 제1층부와 제1층부의 한쪽에 적층되며 강화층과 동일 단면적을 갖는 제2층부를 포함하는 전극막 접합체를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 연료전지용 전극막 접합체(MEA)의 제조방법으로서, (a) 이형지에 전극 슬러리를 코팅하여 캐소드 전극과 애노드 전극을 각각 제조하는 공정; (b) 전극에 이오노머를 코팅하여 제1층부가 형성된 캐소드 전극과 제1층부가 형성된 애노드 전극을 제조하는 공정; (c) 강화층에 이오노머를 코팅하여 제2층부가 형성된 강화층을 제조하는 공정; (d) 제1층부가 형성된 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 제2층부가 형성된 강화층을 놓고 전사하는 공정; (e) 전극과 강화층의 양면 가장자리부에 각각 서브가스켓을 적층 부착하여 전극막 접합체를 형성하는 공정; 및 (f) 전극막 접합체에 열과 압력을 가하여 열처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극막 접합체의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 서로 다른 전극 사이에 적층되는 전해질막을 포함하고, 상기 전해질막의 이오노머층은 이웃하는 전극과 적어도 동일 단면적을 갖는 제1층부와 제1층부의 한쪽에 적층되며 강화층과 동일 단면적을 갖는 제2층부를 포함하는 전극막 접합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 연료전지용 전극막 접합체(MEA)의 제조방법으로서, (a) 이형지에 전극 슬러리를 코팅하여 캐소드 전극과 애노드 전극을 각각 제조하는 공정; (b) 전극에 이오노머를 코팅하여 제1층부가 형성된 캐소드 전극과 제1층부가 형성된 애노드 전극을 제조하는 공정; (c) 강화층에 이오노머를 코팅하여 제2층부가 형성된 강화층을 제조하는 공정; (d) 제1층부가 형성된 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 제2층부가 형성된 강화층을 놓고 전사하는 공정; (e) 전극과 강화층의 양면 가장자리부에 각각 서브가스켓을 적층 부착하여 전극막 접합체를 형성하는 공정; 및 (f) 전극막 접합체에 열과 압력을 가하여 열처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극막 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전극막 접합체 및 이의 제조방법은 다음과 같은 이점이 있다.
1) 종래의 전극막 접합체는 이오노머 함습 성질로 인하여 전극막 접합체 내 발생한 수분을 함습 후 스택 외부로 확산시켜 스택 내 절연이 파괴되며, 스택 내 곰팡이 발생의 원인이 되었으나(도 3 참조), 본 발명에 따른 전극막 접합체는 스택 외부로 연결되는 이오노머 층을 삭제하여 수분의 이동통로를 차단함으로써 연료전지 스택 누수 예방의 이점이 있다.
2) 전해질막 내 불필요한 이오노머층의 삭제로 기존 대비 평균 45 ~ 60% 정도의 이오노머 사용량을 절감할 수 있으며, 종래의 전극막 접합체 대비 10% 이상의 두께 절감의 효과가 있다.
3) 이오노머의 사용량 절감으로 소재 원가 절감 효과가 있기에 제조 수율 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 전극 메커니즘을 나타낸 모식도이다.
도 2는 종래의 전극막 접합체(MEA) 구조를 나타낸 단면도 및 평면도이다.
도 3은 종래의 전극막 접합체(MEA)와 본 발명에 따른 전극막 접합체(MEA)를 비교한 그림이다.
도 4는 일 구현에 따른 전극막 접합체(MEA) 구조를 나타낸 단면도 및 평면도이다.
도 5는 종래의 전극막 접합체(MEA)의 제조방법(A)과 본 발명에 따른 전극막 접합체(MEA)의 제조방법(B)의 나타낸 모식도이다.
도 6은 종래의 전극막 접합체(MEA)의 제조방법을 이용하여 전극막 접합체를 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전극막 접합체(MEA)의 제조방법을 이용하여 전극막 접합체를 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 전극막 접합체를 제조하는 공정의 모식도이다.
도 9는 본 발명에 따른 일 구현예로서의 전극막 접합체(MEA)이다.
도 10은 본 발명의 다른 구현예에 따른 전극막 접합체를 제조하는 공정의 모식도이다.
도 11은 본 발명에 따른 다른 구현예로서의 전극막 접합체(MEA)이다.
도 12의 왼쪽 사진은 비교예 1, 오른쪽 사진은 실시예 1의 전극막 접합체(MEA)를 나타낸 것이다.
도 13의 실험예 1에 따른 연료전지 성능을 측정한 결과이다.
도 14는 실험예 2에 따른 누수차단 및 오염물질 차단 효과를 측정한 결과이다.
도 15는 전극막 접합체의 테두리 부분의 누수차단 및 오염물질 이동차단 경로를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
전극막 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)는 크게 전해질막과 전극의 접합체로 구성되어 있다. 전극막 접합체(MEA)는 통상 서브가스켓, 캐소드 전극, 전해질막 내 이오노머층, 전해질막 내 강화층, 전해질막 내 이오노머층, 애노드 전극, 서브가스켓으로 구성된다.
다시 말해, 전극막 접합체(MEA)의 구조는 도 2에서와 같이 이오노머층과 강화층으로 이루어진 전해질막에 전극과 서브가스켓이 접합되어 있는 형태이다. 전극과 서브가스켓의 경계는 손상을 막기 위해 서브가스켓이 전극 위에 접합된 형태이다.
그러나, 이러한 통상의 전극막 접합체는 불필요한 이오노머층이 존재하며, 이러한 과다한 이오노머층으로 인해 스택의 누수로 인한 스택 내 절연의 파괴 및 곰팡이 발생이 원인이 되었고, 냉각수로 사용되는 부동액의 이동통로가 되어 스택의 열화를 가속화 하였다. 이에 본 발명에서는 상기 문제점을 해결할 수 있는 전극막 접합체(MEA)를 제공한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 전극막 접합체(MEA)는 서로 다른 전극 사이에 적층되는 전해질막을 포함하고, 상기 전해질막의 이오노머층은 이웃하는 전극과 적어도 동일 단면적을 갖는 제1층부와 제1층부의 한쪽에 적층되며 강화층과 동일 단면적을 갖는 제2층부를 포함한다.
도 3은 종래의 전극막 접합체와 본 발명에 따른 전극막 접합체를 비교한 그림으로, 본 발명에 따른 전극막 접합체는 전해질막 내 이오노머의 사용량을 절감함으로써, 이오노머 함습 성질로 인한 누수 문제를 해결하고, 두께가 감소와 함께 원가 절감이 가능하다.
도 3은 종래의 전극막 접합체(10) 구조를 나타낸 단면도 및 평면도로서, 이모노머층이(13, 14) 강화층(12)과 동일한 단면적을 갖는다. 반면, 도 4는 본 발명에 따른 전극막 접합체(10) 구조를 나타낸 단면도 및 평면도로서, 전극(11)과 맞닿는 제1층부(13)인 이오노머층은 강화층(12)에 맞닿는 제2층부(14)의 이오노모층 보다 적은 면적을 갖음으로써 이오노머의 양이 상대적으로 적은 구조를 갖는다. 아울러, 전극(11) 및 전해질막(20)의 양면 가장자리부에 각각 서브가스켓(15)가 부착되어 있다.
상기 제1층부(13)는 전극(11)보다 큰 단면적을 갖는 강화층(12)의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 강화층(12)은 당업계에서 사용되는 거라면 제한되지 않으나, 3 ~ 50 ㎛ 두께를 갖는 연신 폴리테트라 플루오로에틸렌(e-PTFE) 재질의 다공성 필름을 사용하는 것이 바람직하다. 강화층의 두께가 3 ㎛ 미만인 경우 인장강도가 약하여 자동화 공정 적용에 한계가 있으며, 50 ㎛ 초과인 경우 MEA의 두께가 두꺼워져 스택의 크기가 커지는 한계가 있기에 상기 범위 내의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이때 이오노머는 PFSA 또는 PFIA를 사용할 수 있으나, 당업계에서 사용될 수 있는 것이라면 반드시 이에 제한되지 않는다.
아울러, 상기 제1층부(13)의 두께는 3 ~ 10 ㎛인 것이 바람직하다. 제1층부의 두께가 3㎛ 미만인 경우 수소와 산소의 가스투과가 커져 스택 효율 감소의 문제가 있으며, 10㎛ 초과인 경우 수소이온 전도에 있어 저항으로 작용하여 스택 효율 감소의 문제가 있기에 상기 범위 내로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 제2층부(14)의 두께는 1 ~ 3㎛인 것이 바람직하며 제1층부와 동일 또는 이하의 두께를 갖는 것이 좋다.
상기 제1층부(13)와 제2층부(14)는 전해질막(20) 내의 이오노머층으로서, 전해질막 내 불필요한 이오노머층의 삭제로 종래의 전극막 접합체 대비 평균 45 ~ 60% 정도의 이오노머 사용량 절감할 수 있으며, 종래의 전극막 접합체 대비 10% 이상의 두께 절감의 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 연료전지용 전극막 접합체(MEA)의 제조방법을 제공한다.
도 5의 (A)는 종래의 전극막 접합체(MEA)의 제조방법을 나타낸 모식도로서, 종래의 전극막 접합체(MEA)는 (a) 전극 코팅 공정, (b) 전극 전사 공정, (c) 서브가스켓 접합 공정, (d) MEA 열처리 공정으로 이루어져 있다. 구체적으로, 전극 코팅 공정(a)은 이형지 위에 전극을 1 ~ 10㎛ 두께로 얇게 도포하는 작업이며, 전극 전사 공정(b)은 코팅한 전극을 전해질막에 옮겨 붙여 MEA를 만드는 작업이다. 서브가스켓 접합 공정(c)은 MEA 외곽에 붙이는 작업이며, 전극을 노출시키도록 접합하는 것이 특징이다. MEA 열처리 공정(d)은 서브가스켓이 접합된 MEA를 열과 압력을 가하여 더 안정한 형태로 고정시키는 작업이다. 아울러, 도 6을 통해, 종래의 전극막 접합체(MEA)의 제조방법을 이용하여 전극막 접합체를 제조하는 과정을 살펴볼 수 있다.
이러한 기존 공정들은 롤 투 롤(Roll to Roll)공정으로 연속공정이 가능하여 생산성이 높다는 장점을 가지고 있다. 그러나 각 공정 중 습도 조건에 민감한 전해질막을 컨트롤하기가 어렵기 때문에 제조 조건이 까다롭다는 단점이 있다. 또한 도 4와 같이 이상적인 형태의 전극막 접합체를 만들기 위해서는 전해질막이 전극부 크기만큼만 존재하여야 하고, 전극부가 서브가스켓의 노출부위와 일치하게 접합해야 하지만 현실화 하기 매우 어려움이 있다.
이에 본 발명은 도 4와 같은 이상적인 형태의 전극막 접합체를 만들기 위해, 연료전지용 전극막 접합체(MEA)의 제조방법으로서, (a) 이형지에 전극 슬러리를 코팅하여 캐소드 전극과 애노드 전극을 각각 제조하는 공정; (b) 전극에 이오노머를 코팅하여 제1층부가 형성된 캐소드 전극과 제1층부가 형성된 애노드 전극을 제조하는 공정; (c) 강화층에 이오노머를 코팅하여 제2층부가 형성된 강화층을 제조하는 공정; (d) 제1층부가 형성된 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 제2층부가 형성된 강화층을 놓고 전사하는 공정; (e) 전극과 강화층의 양면 가장자리부에 각각 서브가스켓을 적층 부착하여 전극막 접합체를 형성하는 공정; 및 (f) 전극막 접합체에 열과 압력을 가하여 열처리하는 공정을 포함한다. 도 5의 (B)는 본 발명에 따른 전극막 접합체(MEA)의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
본 발명에서도 롤 투 롤(Roll to Roll) 공정은 통해 높은 생산성을 유지하면서 원가가 절감되고 스택 효율을 높이는 최적의 구조를 전극막 접합체를 제조할 수 있다. 아울러, 도 7을 통해, 종래의 전극막 접합체(MEA)의 제조방법을 이용하여 전극막 접합체를 제조하는 과정을 살펴볼 수 있다. 각 공정을 이하 설명한다.
먼저, 상기 전극 제조 공정은 전극 제조를 위해 이형지 위에 전극 슬러리를 코팅하고 건조한다((a)단계). 이때 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극으로서, 캐소드 전극 슬러리 또는 애노드 전극 슬러리는 당업계에서 사용되는 것이라면 제한되지 않는다.
다음으로, 슬러리를 코팅하고 건조하여 준비한 전극에 이오노머를 코팅하여 제1층부가 형성된 캐소드 전극과 제1층부가 형성된 애노드 전극을 각각 제조한다((b)단계). 전극에 이오노머의 도포는 스프레이, 바코터, 슬롯다이 코터, 또는 이-스프레이(E-Spray)를 이용하여 수행할 수 있다.
특히, 전극 표면에 이오노머를 균일하게 도포하기 위해서는 바코터 또는 슬롯다이 코터를 이용하는 것이 바람직하며, 전극 내 함유한 이오노머의 조성을 유지하고 극미량의 이오노머를 도포하기 위해서는 스프레이 또는 이-스프레이(E-Spray)를 이용하는 것이 바람직하다.
전극에 제1층부인 이오노머 층을 형성한 후에, 다음으로 강화층에 제2층부인 이오노머층을 형성한다((c)단계).
본 발명에서의 강화층은 당업계에서 사용될 수 있는 것이라면 제한되지 않으나, 3 ~ 50 ㎛ 두께를 갖는 연신 폴리테트라 플루오로에틸렌(e-PTFE) 재질의 다공성 필름인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 강화층의 이오노머층의 형성도 전극에 이오노머층의 형성과 동일하게 스프레이, 바코터, 슬롯다이 코터, 또는 이-스프레이(E-Spray)를 이용하여 이오노머를 도포할 수 있다.
한편, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)는 이형성이 높기 때문에 다른 물질과의 결합이 매우 어렵다. 이러한 이형성 때문에 전극과 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)의 접합이 어렵기 때문에 스프레이 또는 슬롯다이 코터를 이용하는 것이 바람직하다. 도포된 이오노머에 의해 강화층 양쪽 표면이 끈적임을 갖게 되며, 전극의 전사가 가능하게 된다.
특히, 연신 폴리테트라 플루오로에틸렌(e-PTFE)는 수많은 기공을 가지고 있어 한 방향에서 이오노머를 분사하여도 소재를 투과하여 반대편까지 이오노머가 도포되므로 공정성이 좋다. 따라서, 이를 강화층에 이오노머 코팅의 경우 스프레이 방법이 바람직하다.
다음으로, 이렇게 제조된 제1층부가 형성된 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 제2층부가 형성된 강화층을 놓고 전사하는 공정이 진행된다((d)단계). 전사하여 전극과 강화층이 접합하게 되면, 제1층부(13)는 전극보다 큰 단면적을 갖는 강화층(12)의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 이오노머층을 형성하게 된다. 전극(11)의 이오노머층인 제1층부(13)와 강화층의 제2층부(14) 간에 단차가 발생할 수 있다.
이때 전사 공정은 90 ~ 120℃ 온도, 40 ~ 130 kgf 압력, 0.1 ~ 1.0 m/min 속도에서 롤 프레스 공정을 이용하여 수행되는 것이 바람직하다. 온도가 90℃ 미만인 경우 이오노머의 유리전이온도 이하 조건으로 전극의 전사가 되지 않는 문제가 있고, 120℃ 초과인 경우 이오노머의 유리전이온도 이상의 온도로 MEA 손상을 가져오는 한계가 있으며, 압력이 40kgf 미만인 경우 전극과 전해질막의 압착이 원활히 이루어지지 않는 한계가 있고, 130 kgf 초과인 경우 전극과 전해질막에 과한 압력이 가해져 MEA의 손상이 있으며, 0.1m/min 미만인 경우 MEA에 롤프레스의 열과 압력을 오랫동안 가하게 되어 제품 손상의 문제가 있고, 1.0m/min 미만인 경우 MEA에 롤프레스의 열과 압력이 부족하게 가해져 제품 제작이 불가능한 한계가 있기에 상기 범위 내에서 수행하는 것이 바람직하다.
전사 공정에서 이오노모가 코팅된 강화층은 이오노머가 코팅된 전극 또는 이오노머가 코팅되지 않은 전극과 적층하여 전사가 가능하나, 이오노모가 코팅되지 않은 강화층은 이오노머가 코팅된 전극 또는 이오노머가 코팅되지 않은 전극과 적층하여 전사가 불가능하다. 따라서, 이오노머가 코팅된 강화층의 형성은 필수적이다.
또는 전사공정은 판형 프레스를 이용할 수 있는데, 이때 온도는 100 ~ 180℃, 압력은 0.1 ~ 10.0MPa, 시간은 10 ~ 300초로 수행하는 것이 바람직하다. 판형 프레스의 경우 롤 프레스보다 면적당 가해지는 압력이 낮기 때문에 더 높은 온도 조건과 시간은 길게 노출시켜 제조해야 한다.
전사 공정 후, 전극과 강화층의 양면 가장자리부에 각각 서브가스켓을 적층 부착하여 전극막 접합체(MEA)를 형성한다((e)단계).
이렇게 제조된 전극막 접합체는 열과 압력을 가하여 열처리하여 최종 전극막접합체 제품을 제조한다((f)단계). 이때 전극막 접합체(MEA)의 접합 방식은 롤 프레스 방식 또는 판형 프레스 방식을 이용하는 것이 바람직하다. 롤 프레스 방식일 경우 패턴롤을 이용하여 원하는 전극 크기를 조절할 수 있도록 제작하며, 판형 프레스 방식일 경우 양각판을 이용하여 원하는 전극 크기를 조절할 수 있도록 제작한다.
일 구현예로, 도 8에 도시한 롤 투 롤(Roll to Roll) 공정을 이용하여, 도 9에 도시된 전극막 접합체를 제조할 수 있다. 구체적으로, 1~11번 롤에는 e-PTFE인 강화층, 12~19번 롤에는 캐소드 전극, 20~27번 롤에는 애노드 전극을 장착된다. e-PTFE는 1번 롤에서 언와인딩(unwinding) 되고, 3번 롤에서 4번 롤로 이동하면서 이오노머가 도포되고 건조된다.
이오노머가 도포된 e-PTFE는 8번 롤에서 9번 롤로 이동하면서 캐소드 전극과 애노드 전극이 접합되어 전극막 접합체(MEA)가 만들어진다. 이때 e-PTFE는 얇아 변형이 쉬우므로 그리퍼(Gripper)를 장착해 e-PTFE를 잡아 이동하여 치수변형이 없도록 한다. 이렇게 만들어진 전극막 접합체는 10번과 11번 롤을 거치며 냉각되고 리와인딩(rewinding)된다.
다음으로, 캐소드 전극은 12번 롤에서 언와인딩(unwinding)되며 13~14번 롤을 거쳐 이오노머가 도포되고 14~15번 롤을 거쳐 건조된다. 15~16번 롤을 거쳐 이오노머가 도포된 e-PTFE에 전사되며 16~17번 롤로 이동하며 디라미네이션(delamination) 된다. 전사를 마친 이형지는 19번 롤을 통해 리와인딩(rewinding) 된다.
다음으로, 애노드 전극은 20번 롤에서 언와인딩(unwinding)되며 21~22번 롤을 거쳐 이오노머가 도포되고 22~23번 롤을 거쳐 건조된다. 23~24번 롤을 거쳐 이오노머가 도포된 e-PTFE에 전사되며 24~25번 롤을 거쳐 디라미네이션(delamination) 된다. 전사를 마친 이형지는 27번 롤을 통해 리와인딩(rewinding)하여 전극막 접합체를 제조한다.
다른 구현예로, 도 10에 도시한 롤 투 롤(Roll to Roll) 공정을 이용하여, 도 11에 도시된 전극막 접합체를 제조할 수 있다.
구체적으로, 1~11번 롤에는 e-PTFE인 강화층, 12~19번 롤에는 캐소드 전극, 20~27번 롤에는 애노드 전극을 장착한다. e-PTFE는 1번 롤에서 언와인딩(unwinding) 되고, 3번 롤에서 4번 롤로 이동하면서 이오노머가 도포되고 건조된다. 이때 이오노머는 전극 크기면적으로 패턴 코팅된다.
이오노머가 도포된 e-PTFE는 8번 롤에서 9번 롤로 이동하면서 캐소드와 애노드와 접합되어 전극막 접합체(MEA)가 만들어진다. 이때 e-PTFE는 얇아 변형이 쉬우므로 그리퍼(Gripper)를 장착해 e-PTFE를 잡아 이동하여 치수변형이 없도록 한다. 전극과 e-PTFE의 배열(align)은 비젼(vision)을 통해 시작과 끝부분을 맞출 수 있다. 만들어진 전극막 접합체는 10번과 11번 롤을 거치며 냉각되고 리와인딩(rewinding) 된다.
다음으로, 캐소드 전극은 12번 롤에서 언와인딩(unwinding)되며 13~14번 롤을 거쳐 이오노머가 도포되고 14~15번 롤을 거쳐 건조된다. 14번과 15번롤 사이에는 비젼(vision)을 설치하여 전극이 e-PTFE 전사된 영역에 맞게 공급되도록 배열(align)을 제어한다. 15~16번 롤을 거쳐 이오노머가 도포된 e-PTFE에 전사되며 16~17번 롤로 이동하며 디라미네이션(delamination) 된다. 전사를 마친 이형지는 19번 롤을 통해 리와인딩(rewinding) 된다.
다음으로, 애노드 전극은 20번 롤에서 언와인딩(unwinding)되며 21~22번 롤을 거쳐 이오노머가 도포되고 22~23번 롤을 거쳐 건조된다. 22번과 23번 롤 사이에는 비젼(vision)을 설치하여 전극이 e-PTFE 전사된 영역에 맞게 공급되도록 배열(align)을 제어한다. 23~24번 롤을 거쳐 이오노머가 도포된 e-PTFE에 전사되며 24~25번 롤을 거쳐 디라미네이션(delamination) 된다. 전사를 마친 이형지는 27번 롤을 통해 리와인딩(rewinding)하여 전극막 접합체를 제조한다.
따라서, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 전극막 접합체(MEA)는 서로 다른 전극 사이에 적층되는 전해질막을 포함하고, 상기 전해질막의 이오노머층은 이웃하는 전극과 적어도 동일 단면적을 갖는 제1층부와 제1층부의 한쪽에 적층되며 강화층과 동일 단면적을 갖는 제2층부를 포함함으로써, 전해질막 내 불필요한 이오노머층의 삭제하게 된다.
이에, 본 발명에 따른 전극막 접합체는 종래의 전극막 접합체 대비 평균 45 ~ 60% 정도의 이오노머 사용량 절감할 수 있으며, 종래의 전극막 접합체 대비 10% 이상의 두께 절감의 효과가 있어, 연료 전지에 널리 적용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명에 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
이형지에 전극 슬러리를 코팅하여 캐소드 전극(11)과 애노드 전극(11)을 각각 준비한 후에, 하기 표 1의 조건에 따른 제1층부(13)가 형성된 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 제2층부(14)가 형성된 강화층(12)을 놓고 110℃ 온도, 130kgf 압력, 0.2m/min의 속도로 롤 투 롤 공정을 이용하여 접합하였다(전해질막(20)의 총 두께는 15 ㎛임). 전극을 제외한 면적은 서브가스켓(15)을 110℃ 온도, 130kgf 압력, 1.0m/min의 속도로 접합하여, 도 4(B)의 전극막 접합체를 준비하였다(도 12의 오른쪽 사진 참조).
비교예 1
비교예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 하기 표 1의 조건에 따라 도 2의 전극막 접합체를 준비하였다(도 12의 왼쪽 사진 참조, 전해질막(20)의 총 두께는 실시예 1과 동일하게 15 ㎛임).
실험예 1: 연료전지의 성능 측정
도 4(B)에 도시된 전극막 접합체인 실시예 1과 도 2에 도시된 종래의 전극막 접합체인 비교예 1에 대해 65도 RH100% 연료전지의 성능을 측정하여, 그 결과를 하기 표 1 및 도 12에 나타내었다.
구분 비교예 1 구분 실시예 1 비고
전해질막
(20)		 강화층 조건
(가로X세로X높이)		 8cm x8cmx5㎛ 전해질막
(20)		 강화층(12) 조건
(가로X세로X높이)		 8cm x8cmx5㎛ 이오노머의 사용량
약 57% 감소
이오노머(13, 14) 조건
(가로X세로X높이)		 8cm x8cmx5㎛ 제2층부(14) 조건
(가로X세로X높이)		 8cm x8cmx1㎛
제1층부(13) 조건
(가로X세로X높이)		 5.2cm x 5.2cmx4㎛
전해질막의 총두께 15 ㎛ 전해질막의 총두께 15 ㎛ -
MEA의 총두께 85 ㎛ MEA의 총두께 75 ㎛ 총 두께
약 10% 감소
연료전지 성능결과 0.6245V 연료전지 성능결과 0.6302V 동등이상
* 비교예 1과 실시예 1의 전극(11), 서브가스켓(15)은 동일한 것을 사용함.
상기 표 1 및 도 13의 결과를 살펴보면, 본 발명에 따른 전극막 접합체인 실시예 1은 종래의 전극막 접합체인 비교예 1과 대비하여 동등 또는 유사한 정도의 연료 전지 성능을 구현하고 있음을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 전극막 접합체는 종래의 전극막 접합체 대비 평균 45 ~ 60% 정도의 이오노머 사용량을 절감할 수 있으며, 종래의 전극막 접합체 대비 10% 이상의 두께 절감의 효과가 있어, 연료 전지에 널리 적용될 수 있음을 확인할 수 있다.
실험예 2: 누수차단 및 오염물질 차단 효과
도 4(B)에 도시된 전극막 접합체인 실시예 1과 도 2에 도시된 종래의 전극막 접합체인 비교예 1에 대해 테두리 부분의 누수차단 및 오염물질 이동차단 효과를 알아보기 위해, 연료전지 성능평가가 끝난 전극막 접합체 하단부에 부동액을 위치시키고, 5일을 둔 후 성능 평가를 진행하였다.
도 14의 결과, 실시예 1의 경우 부동액이 스택 내부로 침투하지 못하여 성능에 변화가 없었으나, 비교예 1의 경우 오염되어 성능 열화를 보였다. 참고로, 도 15는 전극막 접합체의 테두리 부분의 누수차단 및 오염물질 이동차단 경로를 나타낸 것이다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 전극막 접합체(MEA)
11 : 전극(캐소드 또는 애노드)
12 : 강화층
13 : 제1층부
14 : 제2층부
15 : 서브가스켓
20 : 전해질막

Claims (10)

  1. 서로 다른 전극 사이에 적층되는 전해질막을 포함하고,
    상기 전해질막의 이오노머층은 이웃하는 전극과 적어도 동일 단면적을 갖는 제1층부와 제1층부의 한쪽에 적층되며 강화층과 동일 단면적을 갖는 제2층부를 포함하는 전극막 접합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1층부는 전극보다 큰 단면적을 갖는 강화층의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 전극막 접합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질막은 이오노머층과 3 ~ 50 ㎛ 두께를 갖는 연신 폴리테트라 플루오로에틸렌(e-PTFE) 재질의 다공성 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극막 접합체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    전극 및 전해질막의 양면 가장자리부에 각각 서브가스켓이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 전극막 접합체.
  5. 연료전지용 전극막 접합체(MEA)의 제조방법으로서,
    (a) 이형지에 전극 슬러리를 코팅하여 캐소드 전극과 애노드 전극을 각각 제조하는 공정;
    (b) 전극에 이오노머를 코팅하여 제1층부가 형성된 캐소드 전극과 제1층부가 형성된 애노드 전극을 제조하는 공정;
    (c) 강화층에 이오노머를 코팅하여 제2층부가 형성된 강화층을 제조하는 공정;
    (d) 제1층부가 형성된 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 제2층부가 형성된 강화층을 놓고 전사하는 공정;
    (e) 전극과 강화층의 양면 가장자리부에 각각 서브가스켓을 적층 부착하여 전극막 접합체를 형성하는 공정; 및
    (f) 전극막 접합체에 열과 압력을 가하여 열처리하는 공정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극막 접합체의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1층부는 전극보다 큰 단면적을 갖는 강화층의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 이오노머층인 것을 특징으로 하는 전극막 접합체의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 강화층은 3 ~ 50 ㎛ 두께를 갖는 연신 폴리테트라 플루오로에틸렌(e-PTFE) 재질의 다공성 필름인 것을 특징으로 하는 전극막 접합체의 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 (b) 및 (c) 단계의 이오노머의 형성은 스프레이 공법을 이용하는 것을 특징으로 하는 전극막 접합체의 제조방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 (d) 단계의 전사 공정은 90 ~ 120℃ 온도, 40 ~ 130 kgf 압력, 0.1 ~ 1.0 m/min 속도 조건에서 롤 프레스 공정을 이용하여 수행되거나, 100 ~ 180℃ 온도, 0.1 ~ 10.0MPa 압력, 10 ~ 500초 조건에서 판형 프레스 공정을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전극막 접합체의 제조방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 (e) 및 (f) 단계의 전극막 접합체(MEA)의 접합 방식은 롤 프레스 방식 또는 판형 프레스 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 전극막 접합체의 제조방법.
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