KR20190079137A - 막전극 접합체용 전극의 제조장치 및 이를 이용한 막전극 접합체용 전극의 제조방법 - Google Patents

막전극 접합체용 전극의 제조장치 및 이를 이용한 막전극 접합체용 전극의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 막전극 접합체용 전극의 제조장치 및 이를 이용한 막전극 접합체용 전극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극의 제조장치에 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 홈을 형성하는 홈 형성부와 전극 슬러리가 코팅된 이형지를 진동시키기 위한 진동발생부를 포함하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치를 이용하여 이형지 표면에 홈을 형성하고 전극 슬러리 내 존재하는 조대입자를 이형지의 홈에 삽입되도록 유도하여 전극을 제조함으로써 이를 막전극 접합체에 적용 시 거대입자가 전해질막을 짓누르거나 핀홀이 형성되는 것을 방지할 수 있는 막전극 접합체용 전극의 제조장치 및 이를 이용한 막전극 접합체용 전극의 제조방법에 관한 것이다.

Description

막전극 접합체용 전극의 제조장치 및 이를 이용한 막전극 접합체용 전극의 제조방법{PRODUCING APPARATUS OF ELECTRODE FOR MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND MANUFACTURING METHOD OF ELECTRODE FOR MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY USING THE SAME}
본 발명은 막전극 접합체용 전극의 제조장치 및 이를 이용한 막전극 접합체용 전극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극의 제조장치에 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 홈을 형성하는 홈 형성부와 전극 슬러리가 코팅된 이형지를 진동시키기 위한 진동발생부를 포함하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치를 이용하여 이형지 표면에 홈을 형성하고 전극 슬러리 내 존재하는 조대입자를 이형지의 홈에 삽입되도록 유도하여 전극을 제조함으로써 이를 막전극 접합체에 적용 시 거대입자가 전해질막을 짓누르거나 핀홀이 형성되는 것을 방지할 수 있는 막전극 접합체용 전극의 제조장치 및 이를 이용한 막전극 접합체용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지를 말하며, 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 전지이다.
이러한 연료전지의 구성으로 막전극 접합체(MEA: membrane electrode assembly)를 사용할 수 있는데, 이 막전극 접합체는 수소 양이온을 이동시키는 고분자 전해질막, 상기 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 캐소드(공기극)층과 애노드(연료극)층으로 구성되어 있다.
막전극 접합체의 제조는 직접코팅 방식과 데칼(decal)방식이 통상적으로 이용되고 있다. 이 중 데칼 방식은 촉매, 이오노머 및 용매가 혼합된 전극 슬러리를 이형필름의 지지체 위에 코팅하고 건조하여 전극층(애노드 및 캐소드)을 생성한 다음, 상기 전극층을 전해질막의 양면에 각각 정렬한 후 열과 압력을 가하여 전사시키는 공정을 이용하는 방법이다.
이와 같이 데칼 방식에 의한 전극층의 제조 시 전극 슬러리를 제조하는 과정에서 큰 알갱이가 뭉쳐있는 조대입자가 생길 수 있다. 이렇게 전극층에 존재하는 조대입자는 이후 전해질막에 전사하여 막전극 접합체를 만들게 되면 도 1과 같이 전해질막을 누르는 현상이 발생할 수 있다.
한편, 기존의 전극층에 사용되는 이형지에 대하여 종래 한국공개특허 제2017-0114815호에서는 전극이 코팅되는 제1필름 및 상기 제1필름의 이면에 접합되며, 상기 제1필름 보다 큰 인장강도를 가진 제2 필름을 포함하는 이형지를 제조하여 이형성 향상으로 전해질막의 양면에 전극을 견고하게 접합시킬 수 있는 이형지에 관해 개시되어 있다.
그러나 이형성을 향상시킨 이형지를 사용함에도 불구하고 전극 슬러리 내에 존재하는 조대입자가 그대로 이형지에 코팅되고 이후 전해질막에 전사하여 막전극 접합체를 만들게 되면 전해질막을 누르는 현상이 발생하는 문제가 여전히 남아있다. 또한 이형 과정에서 전극 두께보다 큰 조대입자가 이형지에 붙어 떨어져 나가게 되면 전극 부분이 비어있는 핀홀이 형성되어 막전극 접합체의 내구 열화를 촉진시키는 요인으로 작용한다.
한국공개특허 제2017-0114815호
상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 전극의 제조장치에 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 홈을 형성하는 홈 형성부와 전극 슬러리가 코팅된 이형지를 진동시키기 위한 진동발생부를 포함하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치를 제작하였다.
또한 상기 핀홀 제거장치를 사용하여 이형지 표면에 홈을 형성하고 전극 슬러리 내 존재하는 조대입자를 이형지의 홈에 삽입되도록 유도하여 전극을 제조함으로써 조대입자로 인한 전해질막의 짓누름 현상 또는 핀홀 생성을 방지할 수 있다는 사실을 알게 되어 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 전극의 핀홀 생성을 방지한 막전극 접합체용 전극의 제조장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 조대입자로 인하여 전해질막이 짓눌리거나 핀홀이 생기는 현상을 방지하고 가스 또는 물의 유로를 방해하지 않아 전지 성능이 향상된 막전극 접합체용 전극의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 이형지에 홈을 형성하는 홈 형성부; 상기 홈이 형성된 이형지에 전극 슬러리를 코팅하는 코팅부; 및 상기 이형지에 코팅된 전극 슬러리를 건조시키는 건조부; 를 포함하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치를 제공한다.
또한 본 발명은 (a) 이형지를 제공하는 단계; (b) 상기 이형지의 일 표면에 치구로 홈을 형성하는 단계; (c) 상기 홈이 형성된 이형지의 일 표면에 전극 슬러리를 코팅하는 단계; 및 (d) 상기 이형지에 코팅된 전극 슬러리를 건조시켜 전극을 제조하는 단계;를 포함하는 막전극 접합체용 전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 막전극 접합체용 전극의 제조장치는 홈 형성부로 이형지 표면에 경사진 바닥면을 가진 홈을 형성하고, 진동발생부로 상기 이형지의 홈에 전극 슬러리에 존재하는 조대입자의 삽입을 유도하는 핀홀 제거장치를 제작함으로써 전극의 핀홀 생성을 방지하고, 이로 인하여 막전극 접합체의 내구 열화를 방지할 수 있다.
본 발명의 막전극 접합체용 전극은 핀홀 제거장치를 이용하여 이형지 상에 홈을 형성하여 전극 슬러리 내에 존재하는 조대입자를 가라앉게 하고 상기 홈에 삽입하여 전극을 제조함으로써 이를 막전극 접합체에 적용 시 전해질막을 짓누르거나 핀홀이 생기는 현상을 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 막전극 접합체용 전극은 전극 내 조대입자가 제거되어 균일한 전극을 형성함으로써 이를 막전극 접합체에 적용 시 가스 또는 물의 유로를 방해하지 않아 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 막전극 접합체의 전해질막에 형성된 핀홀을 보여주는 SEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체를 제조하는 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 3은 본 발명의 이형지에 치구를 이용하여 홈을 형성하는 공정을 나타낸 이형지의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 이형지의 표면에 배치되는 진동발생부의 장치구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 비교예(a) 및 실시예(b)에서 제조된 전극층이 형성된 이형지의 단면도이다.
이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 막전극 접합체용 전극의 제조장치 및 이를 이용한 막전극 접합체용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는 본 발명의 막전극 접합체용 전극의 제조장치는 이형지에 홈을 형성하는 홈 형성부; 상기 홈이 형성된 이형지에 전극 슬러리를 코팅하는 코팅부; 및 상기 이형지에 코팅된 전극 슬러리를 건조시키는 건조부;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 홈은 상기 이형지가 이송되는 진행방향의 반대방향으로 갈수록 깊이가 깊어지는 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 홈은 상기 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 가면서 점차 아래로 경사진 형상의 바닥면을 가지는 것일 수 있다. 상기 홈의 바닥면은 상기 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 경사지게 형성하여 상기 조대입자가 다시 상기 홈 밖으로 나오는 것을 방지할 수 있다. 구체적으로 상기 홈은 경사진 바닥면에서 우측은 10~30 °의 작은 경사각을 가질 수 있고, 반대로 좌측은 70~85 °의 큰 경사각을 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 홈은 조대입자의 평균입경 보다 큰 면적을 가지는 것일 수 있다. 여기에서, 조대입자라 함은 상기 전극 슬러리 내에 큰 알갱이가 뭉치거나 덜 쪼개진 입자로 전극 두께 보다 큰 평균입경을 가지는 입자를 의미한다.
상기 홈의 경사진 형상의 바닥면은 상기 조대입자의 평균입경 보다 큰 면적이어야 하는데, 이는 상기 홈의 내부에 상기 조대입자가 삽입될 수 있는 면적을 확보하기 위해서이다. 이에 대해 상기 홈의 바닥면 면적이 상기 조대입자의 평균입경 보다 작으면 상기 홀 내부에 상기 조대입자를 삽입시키기 어려워 핀홀이 생성될 수 있다. 이에 따라 상기 홈의 바닥면은 조대입자의 평균입경 보다 큰 면적을 가지는 것일 수 있다.
상기 전극 슬러리 내 전극 두께 보다 큰 조대입자가 존재하는 경우 전극 부분이 비어있는 핀홀을 형성하여 막전극 접합체의 내구 열화를 촉진시키는 원인이 될 수 있고, 전해질막의 손상도 가속화 되는 문제가 있다. 여기에서, 핀홀(pin hole)이란 전극 두께보다 큰 조대입자가 존재할 때 막전극 접합체의 제조 시 상기 입자가 이형지에 의해 떨어져 나가 전극 부분이 없는 홀이 형성되어 전해질막이 드러나는 현상을 말한다.
상기 이형지는 4~6 ㎛의 평균 기공크기를 가진 다공성 재질인 것을 사용할 수 있는데 상기 평균 기공크기 보다 더 큰 입자가 상기 전극 슬러리 내에 존재할 경우 핀홀이 형성될 수 있다. 본 발명의 상기 전극 두께는 8~12 ㎛로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 홈의 지름은 8~12 ㎛이고 깊이는 10~15 ㎛인 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 홈 형성부는 상기 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 홈을 형성할 수 있다. 상기 이형지가 이송되는 진행 방향은 좌에서 우로 향하는 방향을 의미하는 것으로, 일반적인 롤투롤 공정에 의한 전극 제조 시 좌측의 언와인딩롤에 의해 이형지가 제공되고 상기 이형지 상에 전극 슬러리가 코팅되어 전극층을 형성하고 다시 우측의 리와인딩롤에 의해 감기는 공정을 수행하는 방향을 의미한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 홈 형성부는 상기 이형지를 가압하여 홈을 형성하는 치구; 및 상기 치구를 이동시키기 위한 작동부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 치구는 복수개로 구비되며, 상기 복수개의 치구는 일정 거리로 이격되어 있는 것일 수 있다. 이때, 상기 치구는 몸체부; 및 상기 몸체부로부터 연장 형성되는 헤드부;를 포함할 수 있다.
상기 치구는 상기 이형지의 표면 상에 홈을 형성하기 위해 사용되며, 상기 작동부를 통해 일정 간격으로 상하로 전후진 하며 홈을 형성할 수 있다. 또한 상기 이형지는 연속하여 제공되므로 상기 치구도 연속 공정에 의해 동일 간격으로 일정하게 정렬된 홈을 형성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 치구의 헤드부 하부면은 바닥면이 경사진 면으로 형성되도록 상기 홈의 경사진 바닥면에 대응되는 경사면 형상으로 형성될 수 있다. 이렇게 상기 치구의 헤드부 하부면이 경사면 형상으로 형성될 때, 상기 홈의 바닥면을 경사지게 하여 형성할 수 있다. 이는 상기 조대입자가 상기 홈에 삽입되어 다시 홈 밖으로 나가는 것을 방지하기 위해서이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 작동부는 상기 치구를 상하로 이동시키는 공압 또는 유압 실린더를 포함할 수 있다. 상기 실린더는 실린더 본체 및 상기 실린더 본체에서 상하로 전후진 작동하는 피스톤 로드를 포함하고, 상기 피스톤 로드에 상기 치구가 위치하는 것일 수 있다. 상기 작동부는 상기 실린더와 피스톤 로드를 이용하여 상기 이형지가 이송되는 진행방향으로 상기 치구를 상하로 전진 또는 후진하여 상기 이형지 표면 상에 홈을 형성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 코팅부 및 건조부 사이에 위치하는 상기 전극 슬러리가 코팅된 이형지를 진동시키기 위한 진동발생부;를 더 포함할 수 있다.
상기 진동발생부는 상기 전극 슬러리가 코팅된 이형지의 가장자리 일부에 위치하는 진동발생기; 및 상기 이형지의 양 가장자리 모서리를 고정하는 댐퍼;를 포함할 수 있다.
상기 진동발생기는 상기 이형지의 가장자리 일부에 직접 접촉된 상태로 이형지에 1~10Hz의 미세진동 발생을 인가하여 상기 전극 슬러리 내에 존재하는 상기 조대입자를 상기 이형지의 홈 내부로 삽입시키도록 유도할 수 있다. 연속 공정이기 때문에 앞뒤 공정으로 진동이 전달되는 것을 방지하기 위해 진동발생부의 양 옆 가장자리 모서리에 댐퍼를 위치시킬 수 있다.
또한 상기 댐퍼는 상기 이형지의 양 가장자리 모서리에 위치하여 상기 이형지를 고정시킴으로써 상기 이형지에 인가된 진동이 전후 공정에는 전달되지 않도록 할 수 있다. 상기 진동발생기는 상기 댐퍼 사이에서 상기 이형지 가장자리의 일부에 위치하는 것이 좋다.
한편, 본 발명의 막전극 접합체용 전극의 제조방법은 (a) 이형지를 제공하는 단계; (b) 상기 이형지의 일 표면에 치구로 홈을 형성하는 단계; (c) 상기 홈이 형성된 이형지의 일 표면에 전극 슬러리를 코팅하는 단계; 및 (d) 상기 이형지에 코팅된 전극 슬러리를 건조시켜 전극을 제조하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 이형지는 PTFE(polytetrafluoroethylene) 재질로 이루어진 제1필름; 및 상기 제1필름의 일면에 접합되고, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide) 및 POM(polyoxymethylene)로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질로 이루어진 제2필름;을 포함할 수 있다. 상기 제1필름은 두께가 5 ~ 50 ㎛ 이고, 상기 제2필름은 두께가 50 ~ 200 ㎛ 이다.
상기 제1필름의 PTFE 재질은 연신 폴리테트라플루오로에틸렌(e-PTFE) 재질의 다공성 필름인 것일 수 있다. 또한 상기 PTFE는 다른 고분자 재료 필름과는 다르게 내부에 기공을 많이 가지고 있어 홈 모양을 성형하기 쉬우며, 비점착성 및 이형성을 가진다. 또한 상기 PTFE 재질은 다공성 재질로 전극 표면에 조도를 만들어 주며 잉여의 바인더를 제거하는 역할을 할 수 있다.
상기 제2필름은 상기 제1필름 보다 큰 인장강도를 가진 재질로 이루어지며, 전극 내의 유기용매에 반응하지 않으면서도 고온에서 열수축이 크지 않은 재질로 이루어진 것이 좋다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (b) 단계는 상기 이형지의 일 표면에 치구로 홈을 형성하는 단계로 상기 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 상기 이형지의 제1필름 표면에 홈을 형성하는 것일 수 있다. 또한 상기 형성된 홈은 상기 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 가면서 점차 아래로 경사진 형상의 바닥면을 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 홈의 바닥면은 조대입자의 평균입경 보다 큰 면적을 가지는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 치구는 몸체부; 및 상기 몸체부로부터 연장 형성되는 헤드부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 헤드부의 하부면은 상기 홈의 경사진 바닥면에 대응되는 경사면 형상으로 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (c) 단계에서는 상기 홈이 형성된 이형지의 일 표면에 전극 슬러리를 균일하게 코팅할 수 있다. 이때, 상기 전극 슬러리는 8 ~ 12 ㎛ 의 두께로 코팅하는 것이 좋다.
또한 상기 (c) 단계에서는 진동을 가하여 상기 이형지의 제1필름 표면에 형성된 홈에 상기 전극 슬러리에 존재하는 상기 조대입자가 삽입되도록 유도하는 것일 수 있다. 상기 홈은 경사진 바닥면으로 인해 상기 홈 안에 상기 조대입자가 한번 들어가면 다시 나올 수 없도록 경사진 것이 좋다.
상기 진동을 가할 때에는 상기 이형지의 제1필름 상에 코팅된 전극 슬러리가 마르기 전에 실시하는 것이 좋으며, 상기 진동은 상기 이형지의 제1필름 표면으로 상기 조대입자를 가라앉히고 상기 홈 안으로 삽입될 수 있도록 유도하기 위해 상기 이형지 표면을 약간 떨리는 정도의 미세진동을 가하는 것이 좋다. 바람직하게는 상기 진동은 1 ~ 10Hz 크기의 미세진동으로 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (d) 단계에서는 상기 이형지에 코팅된 전극 슬러리를 건조시켜 전극을 제조할 수 있다. 이때, 상기 건조는 70 ~ 100 ℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.
이렇게 제조된 상기 전극은 리와인딩(rewinding)롤에 의해 말려 다음 공정에 사용된다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (a) 단계 내지 (d) 단계가 연속 공정으로 수행될 수 있다. 상기 (a) 단계를 거친 상기 이형지가 연속하여 제공되고, 나머지 상기 (b) 단계 내지 (d) 단계가 연속 공정으로 수행되어 막전극 접합체용 전극을 대량 생산할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 막전극 접합체용 전극의 제조장치는 기존 전극의 제조장치에 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 홈을 형성하는 홈 형성부와 전극 슬러리가 코팅된 이형지를 진동시키기 위한 진동발생부를 포함하여 핀홀 제거장치를 구성함으로써 전극 슬러리 내 존재하는 조대입자를 이형지의 홈에 삽입시켜 전극 내 핀홀 생성으로 인한 전지 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 막전극 접합체용 전극의 제조방법은 이형지 상에 홈을 형성하여 진동을 가하여 전극 슬러리 내에 존재하는 조대입자를 상기 홈에 삽입하여 전극을 제조함으로써 이를 막전극 접합체에 적용 시 조대입자로 인해 전해질막을 짓눌리거나 핀홀이 생기는 현상을 방지할 수 있다. 특히 전해질막이 눌려 얇아지거나 손상되면 이온전도도가 떨어지며 수소투과도가 증가하여 전지의 성능감소 현상이 발생하며 막의 얇아진 부분부터 열화가 발생하여 가속화되는데, 본 발명에서는 이형지의 표면에 홈을 형성하여 상기 홈에 조대입자를 삽입함으로써 이러한 현상을 방지할 수 있다.
또한 기존의 전극은 전극 내의 조대입자로 인해 공급 가스의 유로를 막아 역전압 현상이 발생하여 전극 내 탄소 담지체가 열화될 수 있고, 물의 유로를 막게 되면 생성된 물이 제대로 빠져나가지 않아 이 또한 가스의 유로를 막을 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 막전극 접합체용 전극은 이형지의 홈에 삽입된 조대입자가 이형지와 함께 제거되면서 균일한 전극을 형성함으로써 이를 막전극 접합체에 적용 시 가스 또는 물의 유로를 방해하지 않아 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체를 제조하는 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다. 상기 도 2에 의하면, 언와인딩(unwinding)롤에 의해 이형지가 제공되는데, 이때 상기 이형지는 e-PTFE로 이루어진 제1필름 및 상기 제1필름의 일면에 PET로 이루어진 제2필름이 접합된 것일 사용한다. 상기 이형지의 제1필름 표면을 홈 형성부에 위치시킨 후 상하로 전후진 작동하는 피스톤 로드에 위치하는 복수개의 치구로 가압하여 상기 이형지의 제1필름 표면에 홈을 형성한다. 상기 형성된 홈은 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 가면서 점차 아래로 경사진 형상의 바닥면을 가지도록 형성한다.
그 다음 상기 홈이 형성된 이형지를 코팅부로 이송시켜 상기 이형지 제1필름 표면에 10 ㎛ 두께로 전극 슬러리를 코팅한다. 전극 코팅 방식은 전극 슬러리를 원하는 백금함량에 따라 일정한 두께로 도포하는 장비를 사용하여 이형지 위에 전극을 도포한 후 용매를 건조시켜 촉매, 바인더 및 첨가물을 포함하는 고형분을 균일하게 코팅하는 방식이다. 전극 슬러리를 코팅한 후 상기 전극 슬러리가 코팅된 이형지의 가장자리 일부에 배치된 전동발생기를 이용하여 상기 이형지에 5 Hz 크기의 미세진동을 가한다. 그 다음 상기 이형지 표면에 코팅된 전극 슬러리를 불활성 기체(질소)의 분위기에서 80 ℃ 의 온도에서 건조시켜 용매를 휘발시켜 전극을 제조한다. 이렇게 제조된 상기 전극은 리와인딩(rewinding)롤에 의해 말려 다음 공정으로 사용된다.
도 3은 본 발명의 이형지에 치구를 이용하여 홈을 형성하는 공정을 나타낸 이형지의 단면도이다. 상기 도 3에 의하면, 상기 치구는 몸체부와 헤드부로 이루어지고, 상기 헤드부의 하부면은 상기 홈의 경사진 바닥면에 대응되는 경사면 형상으로 형성되는 것을 보여준다. 또한 상기 치구는 상하로 전후진 작동하는 피스톤 로드에 설치되어 이형지의 제1필름 표면에 일정 간격 상하로 전진 및 후진하여 홈을 형성한다.
도 4는 본 발명의 이형지의 표면에 배치되는 진동발생부의 장치구성을 나타낸 도면이다. 상기 도 4의 이형지는 기공성을 갖는 제1필름(PTFE 필름층) 표면을 보여준다. 상기 이형지의 양 가장자리의 네 모서리에는 댐퍼를 일정 간격으로 위치시켜 전후 공정에 진동이 전달되지 않도록 상기 이형지를 고정시키는 역할을 한다. 또한 상기 댐퍼 사이에 진동발생기를 상기 이형지의 가장자리 일부에 직접 접촉시켜 상기 이형지에 미세진동을 인가하여 상기 전극 슬러리 내 함유된 조대입자가 상기 이형지의 홈에 들어갈 수 있도록 유도한다. 상기 진동발생기는 5 Hz 의 크기로 작동하여 상기 이형지에 미세진동을 가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 비교예(a) 및 실시예(b)에서 제조된 전극층이 형성된 이형지의 단면도이다. 상기 도 5에 의하면, 상기 비교예(a)는 상기 도 2의 실시예와 동일한 방법으로 전극을 제조하되, 상기 이형지의 제1필름 표면에 홈을 형성하지 않고 전극층을 형성한 이형지 단면도를 나타낸 것이다. 상기 비교예(a)와 같이 이형지에 홈을 형성하지 않으면 전극 슬러리 내에 존재하는 조대입자가 그대로 존재하여 상기 조대입자 부분에는 전극 존재하지 않게 되며, 이를 막전극 접합체의 제조에 적용 시 조대입자가 전해질막을 누르거나 상기 이형지에 붙어 떨어져 나가 전극 부분이 비어있는 핀홀을 형성할 수 있음을 짐작할 수 있다.
이에 반해, 상기 도 5의 실시예(b)와 같이 상기 이형지의 제1필름 표면에 홈을 형성하게 되면, 전극 슬러리 내에 존재하는 조대입자가 아래로 가라앉아 상기 홈에 삽입되므로 막전극 접합체의 제조 시 핀홀 형성을 방지할 수 있다.
일반적으로 막전극 접합체의 제조 시 상기 조대입자 없이 분산이 잘 된 부분은 전해질막에 전사가 잘 되지만, 상기 비교예(a)와 같이 조대입자가 있을 경우 경우에 따라 전해질막에 전사가 되지 않고 전극층이 존재하지 않는 핀홀이 생성된다. 그러나 본 발명의 상기 실시예(b)에서 제조된 전극을 막전극 접합체에 적용할 경우 상기 조대입자가 존재할 경우라도 상기 이형지의 홈에 조대입자가 삽입되어 전극층이 그 위에 덮고 있으므로 전극층이 아예 존재하지 않는 핀홀이 발생하는 것을 방지할 수 있는 것이다.

Claims (21)

  1. 이형지에 홈을 형성하는 홈 형성부;
    상기 홈이 형성된 이형지에 전극 슬러리를 코팅하는 코팅부; 및
    상기 이형지에 코팅된 전극 슬러리를 건조시키는 건조부;
    를 포함하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 홈은 상기 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 가면서 점차 아래로 경사진 형상의 바닥면을 가지는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홈은 조대입자의 평균입경 보다 큰 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 홈 형성부는 상기 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 홈 형성부는 상기 이형지를 가압하여 홈을 형성하는 치구; 및 상기 치구를 이동시키기 위한 작동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 치구는 복수개로 구비되며, 상기 복수개의 치구는 일정 거리로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 치구는 몸체부; 및 상기 몸체부로부터 연장 형성되는 헤드부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 헤드부의 하부면은 상기 홈의 경사진 바닥면에 대응되는 경사면 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 작동부는 상기 치구를 상하로 이동시키는 공압 또는 유압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 실린더는 실린더 본체 및 상기 실린더 본체에서 상하로 전후진 작동하는 피스톤 로드를 포함하고, 상기 피스톤 로드에 상기 치구가 위치하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전극 슬러리가 코팅된 이형지를 진동시키기 위한 진동발생부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 진동발생부는 상기 전극 슬러리가 코팅된 이형지의 가장자리 일부에 위치하는 진동발생기; 및 상기 이형지의 양 가장자리 모서리를 고정하는 댐퍼;를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조장치.
  13. (a) 이형지를 제공하는 단계;
    (b) 상기 이형지의 일 표면에 치구로 홈을 형성하는 단계;
    (c) 상기 홈이 형성된 이형지의 일 표면에 전극 슬러리를 코팅하는 단계; 및
    (d) 상기 이형지에 코팅된 전극 슬러리를 건조시켜 전극을 제조하는 단계;
    를 포함하는 막전극 접합체용 전극의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 이형지는 PTFE(polytetrafluoroethylene) 재질로 이루어진 제1필름; 및 상기 제1필름의 일면에 접합되고, PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide) 및 POM(polyoxymethylene)로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질로 이루어진 제2필름;을 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 상기 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 상기 이형지의 제1필름 표면에 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 홈은 상기 이형지가 이송되는 방향의 반대방향으로 가면서 점차 아래로 경사진 형상의 바닥면을 가지는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 홈은 조대입자의 평균입경 보다 큰 면적을 가지는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 치구는 몸체부; 및 상기 몸체부로부터 연장 형성되는 헤드부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 헤드부의 하부면은 상기 홈의 경사진 바닥면에 대응되는 경사면 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조방법.
  20. 제13항 또는 제17항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서는 진동을 가하여 상기 이형지에 형성된 홈에 상기 전극 슬러리에 존재하는 상기 조대입자가 삽입되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조방법.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 건조는 70 ~ 150 ℃ 의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체용 전극의 제조방법.
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