KR20200053915A - 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치 - Google Patents
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Abstract
연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치가 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치는, 전해질막 원단의 양면에 일정 간격으로 전극 촉매층을 형성하고 있는 막-전극 어셈블리 원단을 설정된 이송경로를 따라 롤투롤 방식으로 이송하는 설비에 구성되며, 막-전극 어셈블리 원단을 열 처리하는 것으로서, ⅰ)이송경로의 상하 측에서 설비 프레임에 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되며, 막-전극 어셈블리 원단 상하 면의 전극 촉매층 부위를 설정된 온도에서 압착하는 핫 프레스와, ⅱ)막-전극 어셈블리 원단의 이송방향을 따라 베이스부재에 설정된 간격을 두고 설치되며, 막-전극 어셈블리 원단의 양측 가장자리 부분을 그리핑 하는 복수 개의 그리퍼 모듈들과, ⅲ)베이스부재를 막-전극 어셈블리 원단의 이송방향에 수직한 방향 및 막-전극 어셈블리 원단의 이송방향을 따라 왕복 이동시키는 구동유닛을 포함할 수 있다.
Description
본 발명의 실시 예는 연료전지용 막-전극 어셈블리(MEA)의 제조 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 막-전극 어셈블리를 열처리하기 위한 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 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.
여기서, 막-전극 어셈블리는 수소이온이 이동하는 전해질막(membrane)을 중심으로 이의 양쪽에 전극 촉매층(electrode)으로서의 애노드 전극층 및 캐소드 전극층을 형성하고 있다. 그리고 막-전극 어셈블리는 전극 촉매층 및 전해질막을 보호하고, 연료전지의 조립성을 확보하기 위한 서브 가스켓을 구비하고 있다.
상기와 같은 막-전극 어셈블리의 제조 과정은 우선, 롤 형태로 감긴 전해질막을 풀어내며, 전극 촉매층이 연속적으로 코팅되어 롤 형태로 감긴 이형지를 풀어내고, 그 전해질막과 이형지를 롤 프레스 사이로 통과시키며 전해질막의 양면에 전극 촉매층이 고온 고압으로 접합된 전극막 시트를 제조한다.
그리고, 롤 형태로 감긴 서브 가스켓을 풀어 전극막 시트의 양면으로 위치시킨 상태에서, 이들을 핫 롤러 사이로 통과시키며 전극막 시트의 가장자리와 서브 가스켓을 접합한 막-전극 어셈블리 시트를 제조한다.
이와 같은 과정을 거치고 난 후, 롤 형태로 감긴 막-전극 어셈블리 시트를 풀어내매 그 막-전극 어셈블리 시트를 전극 촉매층을 포함하는 단위 형태로 절단하게 되면, 막-전극 어셈블리의 제조가 완료된다.
그런데, 상기에서와 같이 롤 프레스 방식으로 전해질막의 양면에 전극 촉매층을 접합하며 전극막 시트를 제조하는 공정은 전극 촉매층의 연속 접합 공정이 가능하고, 공정 속도가 빠르기 때문에, 양산 적용이 용이하나 전극 촉매층과 전해질막의 계면 접합력이 부족한 문제점이 있다.
보통 막-전극 어셈블리는 전극 촉매층과 전해질막 간 경계부분의 접착이 양호할수록 성능과 내구성이 우수하다. 하지만 전극 촉매층과 전해질막의 계면 접합력이 부족하여 전극 촉매층과 전해질막의 경계부분에서 탈리가 발생하는 경우에는 막-전극 어셈블리의 성능 및 내구성이 감소할 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 핫 프레스 공정으로 막-전극 어셈블리 원단의 전극 촉매층 부위를 고온에서 가압하며 열 처리하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시 예들은 핫 프레스 공정에서 열에 의한 막-전극 어셈블리 원단의 수축 및 사행(蛇行: serpentine) 변형을 방지할 수 있도록 한 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치는, 전해질막 원단의 양면에 일정 간격으로 전극 촉매층을 형성하고 있는 막-전극 어셈블리 원단을 설정된 이송경로를 따라 롤투롤 방식으로 이송하는 설비에 구성되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단을 열 처리하는 것으로서, ⅰ)상기 이송경로의 상하 측에서 설비 프레임에 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단 상하 면의 전극 촉매층 부위를 설정된 온도에서 압착하는 핫 프레스와, ⅱ)상기 막-전극 어셈블리 원단의 이송방향을 따라 베이스부재에 설정된 간격을 두고 설치되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단의 양측 가장자리 부분을 그리핑 하는 복수 개의 그리퍼 모듈들과, ⅲ)상기 베이스부재를 상기 막-전극 어셈블리 원단의 이송방향에 수직한 방향 및 상기 막-전극 어셈블리 원단의 이송방향을 따라 왕복 이동시키는 구동유닛을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 핫 프레스는 상기 막-전극 어셈블리 원단을 상기 이송경로를 따라 피딩하는 전후 측의 피딩롤러 조립체 사이에 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 핫 프레스는 상하 방향으로 서로 마주하는 한 쌍의 핫 플레이트를 가진 단위 프레스를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 단위 프레스는 어느 한 전극 촉매층에 이웃하는 양측의 전극 촉매층 부위에 대응되게 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치는, 상기 막-전극 어셈블리 원단의 전극 촉매층 간격을 감지하는 비전 센서와, 상기 비전 센서에 의해 감지된 상기 전극 촉매층의 간격에 따라서 상기 핫 프레스의 위치를 가변시키는 위치 가변부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 그리퍼 모듈은 상기 베이스부재에 고정되게 설치되는 고정 그리퍼 바디와, 상기 베이스부재에 설치된 제1 작동 실린더와 연결되며, 상기 고정 그리퍼 바디에 대해 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되는 가동 그리퍼 바디를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 고정 그리퍼 바디 및 가동 그리퍼 바디는 장방형의 플레이트 타입으로 구비되며, 상기 이송방향을 따라 연속적으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 고정 그리퍼 바디 및 가동 그리퍼 바디에는 서로 맞물리면서 상기 막-전극 어셈블리 원단의 양측 가장자리 부분을 상기 이송방향을 따라 단차지게 그리핑 하는 그리핑 돌기와 그리핑 홈이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 고정 그리퍼 바디 및 가동 그리퍼 바디에는 상기 막-전극 어셈블리 원단의 양측 가장자리 부분을 지지하는 지지 돌기들이 상기 이송방향에 수직한 방향을 따라 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 지지 돌기들은 상기 고정 그리퍼 바디 및 가동 그리퍼 바디에 상기 이송방향을 따라 설정된 간격을 두고 배치되며, 상하 방향으로 비 대면하게 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 구동유닛은 상기 설비 프레임에 상기 이송방향을 따라 배치된 장착 브라켓에 고정되게 설치되는 서보모터와, 상기 서보모터와 연결되게 설치되는 리드 스크류와, 상기 리드 스크류와 스크류 체결되며, 상기 베이스부재가 상기 이송방향에 수직한 방향으로 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 적어도 하나의 이동블록과, 상기 장착 브라켓에 고정되게 설치되며, 상기 이동블록이 상기 이송방향을 따라 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 가이드 블록과, 고정 브라켓을 통해 상기 이동블록에 고정되고, 상기 베이스부재와 연결되며, 상기 이송방향에 수직한 방향으로 상기 베이스부재에 전후진 작동력을 인가하는 제2 작동 실린더를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 베이스부재는 상기 이동블록에 가이드 레일을 통해 상기 이송방향에 수직한 방향으로 슬라이드 이동 가능하게 결합될 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치는, 전해질막 원단의 양면에 일정 간격으로 전극 촉매층을 형성하고 있는 막-전극 어셈블리 원단을 설정된 이송경로를 따라 롤투롤 방식으로 이송하는 설비에 구성되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단을 열 처리하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리로서, ⅰ)상기 막-전극 어셈블리 원단을 상기 이송경로를 따라 피딩하는 전후 측의 피딩롤러 조립체 사이에 구비되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단 상하 면의 전극 촉매층 부위를 설정된 온도에서 압착하는 핫 프레스와, ⅱ)상기 막-전극 어셈블리 원단의 이송방향을 따라 설정된 간격을 두고 설치되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단의 양측 가장자리 부분을 그리핑 하는 복수 개의 그리퍼 모듈들과, ⅲ)후방 측의 상기 피딩롤러 조립체에 설치되며, 냉각 공기를 상기 막-전극 어셈블리 원단으로 분사하는 쿨링유닛을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 피딩롤러 조립체는 롤러 브라켓에 회전 가능하게 설치되는 상하 피딩롤러를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 쿨링유닛은 상기 롤러 브라켓에 설치되며, 상기 상하 피딩롤러 사이를 통해 상기 이송방향의 반대 측으로 냉각 공기를 분사할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 쿨링유닛은 상기 상하 피딩롤러 사이에 대응하여 상기 롤러 브라켓에 상하 방향으로 배치되는 한 쌍의 냉각공기 수용부재와, 상기 냉각공기 수용부재에 각각 설치되며, 상기 상하 피딩롤러 사이로 냉각 공기를 분사하는 적어도 하나의 에어 분사노즐을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 전후 측의 피딩롤러 조립체는 상기 롤러 브라켓에 설치되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단의 주행을 선택적으로 스토핑 하는 상하 스토핑 바를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 있어서, 상기 핫 프레스는 상기 막-전극 어셈블리 원단의 상하 면 측으로 공급되는 열처리 보호필름을 사이에 두고 상기 전극 촉매층 부위를 열 압착할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 막-전극 어셈블리 시트를 고온에서 가압하는 핫 프레스 방식으로 열처리함으로써 막-전극 어셈블리 시트에 대한 전해질막과 전극 촉매층의 계면 접합력을 향상시킬 수 있으며, 전해질막과 전극 촉매층의 경계부분이 탈리되는 것을 방지함으로써 막-전극 어셈블리의 성능 및 내구성을 증대하고 양산성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는 그리퍼 모듈을 통해 막-전극 어셈블리 원단에 텐션을 인가한 상태에서, 핫 프레스를 통해 전극 촉매층 부위를 열 압착하므로, 핫 프레스의 고온 고압에 의한 막-전극 어셈블리 원단의 수축 및 사행 변형을 방지할 수 있다. 이로 인해 본 발명의 실시 예에서는 막-전극 어셈블리의 제품 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있고, 전극 촉매층 부위의 반응 면적 축소를 방지할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 핫 프레스의 열 압착 후 쿨링유닛을 통해 막-전극 어셈블리 원단으로 냉각공기를 분사하며, 전극 촉매층 부위를 냉각공기로서 냉각하므로, 서브 가스켓의 주름 변형을 방지할 수 있다. 이로 인해 본 발명의 실시 예에서는 연료전지의 적층 공정 시 연료전지의 적층 정렬도를 확보할 수 있으며, 연료전지 스택의 수율을 더욱 향상시킬 수 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 열처리 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 의해 제조된 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 핫 프레스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 그리퍼 모듈, 구동유닛 및 쿨링유닛을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 그리퍼 모듈을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 그리퍼 모듈을 도시한 측면 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 그리퍼 모듈의 고정 그리퍼 바디 및 가동 그리퍼 바디를 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 구동유닛을 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 쿨링유닛을 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 의해 제조된 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 핫 프레스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 그리퍼 모듈, 구동유닛 및 쿨링유닛을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 그리퍼 모듈을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 그리퍼 모듈을 도시한 측면 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 그리퍼 모듈의 고정 그리퍼 바디 및 가동 그리퍼 바디를 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 구동유닛을 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 쿨링유닛을 도시한 도면이다.
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 열처리 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치(100)는 연료전지 스택을 구성하는 단위 연료전지들의 부품을 자동으로 연속 제조하는 자동화 시스템에 적용될 수 있다.
상기 자동화 시스템은 연료전지의 핵심 부품으로서, 도 2에서와 같이 전해질막(3)의 양면에 전극 촉매층(5)을 각각 형성하고, 각 전극 촉매층(5)의 가장자리 측에 서브 가스켓(7)을 형성하고 있는 막-전극 어셈블리(1)를 제조하기 위한 것이다.
상기 자동화 시스템은 롤투롤(roll to roll) 방식으로서 막-전극 어셈블리(1)를 제조할 수 있다. 여기서, 상기 롤투롤 방식이라 함은 롤 형태로 감긴 부품 원단을 풀어내고, 설정된 경로를 따라 부품 원단을 다수 개의 이송롤러들을 통해 이송하며, 그 부품 원단의 양면에 소정의 부품 요소를 형성하는 방식을 의미한다.
이러한 롤투롤 방식의 자동화 시스템은 전해질막(3)의 원단 양면에 일정 간격으로 전극 촉매층(5)을 형성하고, 전해질막(3)의 전극 촉매층(5) 가장자리 부분에 서브 가스켓(7)을 접합하며, 롤 형태로 만들어지는 막-전극 어셈블리 원단(101)의 제조 공정을 포함한다.
그리고, 상기 자동화 시스템은 롤 형태로 감긴 막-전극 어셈블리 원단(101)을 풀어내며, 그 막-전극 어셈블리 원단(101)을 전극 촉매층(5)을 포함하는 단위 형태로 컷팅하는 공정을 포함한다.
즉, 상기한 자동화 시스템은 막-전극 어셈블리 원단(101)의 제조 공정 및 막-전극 어셈블리 원단(101)의 컷팅 공정에 이르기까지 최종적인 막-전극 어셈블리(1)를 제조하는 전 제조 공정을 자동으로 구현할 수 있다.
이하에서는 롤 형태로 감긴 부품 원단을 롤투롤 방식으로 연속 공급하는 롤투롤 피딩 설비를 예로 들어 설명하기로 한다. 상기 롤투롤 피딩 설비는 상하, 전후 및 좌우 방향으로 구비된 설비 프레임(103)의 설치 면에 상기한 바와 같은 다수 개의 이송롤러들이 회전 가능하게 설치된 것으로 정의할 수 있다.
이하에서 설명될 각각의 구성 요소는 상기한 바와 같은 설비 프레임(103)에 구성될 수 있다. 상기 설비 프레임(103)은 각각의 구성 요소를 지지하는 것으로서, 하나의 프레임 또는 둘 이상으로 구획된 프레임으로 구성될 수 있다.
상기 설비 프레임(103)에는 각각의 구성 요소들을 지지하기 위한 브라켓, 바아, 로드, 플레이트, 하우징, 케이스, 블록 등과 같은 각종 부속요소들을 포함하고 있다.
그러나, 상기한 각종 부속요소들은 이하에서 설명될 각각의 구성 요소들을 설비 프레임(103)에 설치하기 위한 것이므로, 본 발명의 실시 예에서는 예외적인 경우를 제외하고 상기한 부속 요소들을 설비 프레임(103)으로 통칭한다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치(100)는 설비 프레임(103)에 구성된다. 상기 열처리 장치(100)는 막-전극 어셈블리 원단(101)의 전극 촉매층(5) 부위를 고온 고압으로 가압하는 핫 프레스 방식으로 열처리 할 수 있는 구조로 이루어진다.
상기와 같이 막-전극 어셈블리 원단(101)의 전극 촉매층(5) 부위를 열처리 하는 이유는 막-전극 어셈블리 원단(101)에 대한 전해질막(3)과 전극 촉매층(5)의 계면 접합력을 향상시키며, 전해질막(3)과 전극 촉매층(5)의 경계부분이 탈리되는 것을 방지하기 위함이다.
여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치(100)는 상기한 자동화 시스템에서 막-전극 어셈블리 원단(101)의 제조 공정 및 막-전극 어셈블리 원단(101)의 컷팅 공정 사이에 구성될 수 있다.
다른 한편, 상기 막-전극 어셈블리 원단(101)은 예를 들어, 원단 언와인더(102)에 롤 형태로 감겨 있고, 그 원단 언와인더(102)로부터 풀리며 설정된 이송경로를 따라 본 발명의 실시 예에 따른 열처리 장치(100)로 공급되고, 그 열처리 장치(100)에 의해 핫 프레싱 방식으로 열처리된 후, 원단 리와인더(104)에 다시 감길 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시 예에서는 막-전극 어셈블리 원단(101)을 보호하기 위한 열처리 보호필름(106)을 상기 이송경로를 따라 열처리 장치(100)로 공급할 수 있다. 상기 열처리 보호필름(106)은 필름 언와인더(105)에 롤 형태로 감겨 있고, 그 필름 언와인더(105)로부터 풀리며, 열처리 장치(100)로 공급된 후, 필름 리와인더(107)에 다시 감길 수 있다.
상기에서 열처리 보호필름(106)은 막-전극 어셈블리 원단(101)의 상하 면으로 공급되는데, 그 상하 면을 덮은 상태에서 막-전극 어셈블리 원단(101)의 전극 촉매층(5) 부위와 함께 열 압착될 수 있다.
이러한 열처리 보호필름(106)은 막-전극 어셈블리 원단(101)의 전극 촉매층(5) 부위가 고온 고압에 의해 손상되는 것을 방지하는 기능을 하게 된다. 예를 들면, 상기 열처리 보호필름(106)은 설정된 두께를 가지며 내열성을 지닌 소재로 구비될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치(100)는 핫 프레스 공정에서 열에 의한 막-전극 어셈블리 원단(101)의 수축 및 사행(蛇行: serpentine) 변형을 방지할 수 있는 구조를 제공한다. 상기에서 사행 변형이라 함은 막-전극 어셈블리 원단(101)이 폭 방향을 따라 파형으로 우는 변형을 의미한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 핫 프레스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치(100)는 기본적으로, 핫 프레스(10)를 포함하고 있다. 상기 핫 프레스(10)는 막-전극 어셈블리 원단(101) 상하 면의 전극 촉매층(5) 부위를 설정된 온도에서 압착하기 위한 것이다.
상기 핫 프레스(10)는 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송경로 상하 측에 배치되며, 그 막-전극 어셈블리 원단(101)의 상하 면에 대해 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 핫 프레스(10)는 설비 프레임(103)에 구성되는 바, 막-전극 어셈블리 원단(101)을 이송경로를 따라 피딩하는 전후 측의 피딩롤러 조립체(21) 사이에 배치된다. 상기 피딩롤러 조립체(21)는 막-전극 어셈블리 원단(101)을 이송경로를 따라 피딩하는 상하 피딩롤러(23)를 포함하고 있다.
더 나아가, 상기 전방 측 피딩롤러 조립체(21)의 막-전극 어셈블리 원단(101) 진입 측 및 후방 측 피딩롤러 조립체(21)의 막-전극 어셈블리 원단(101) 진출 측에는 그 막-전극 어셈블리 원단(101)의 주행을 선택적으로 스토핑 하는 상하 스토핑 바(25)가 설치된다. 상기 상하 스토핑 바(25)는 전후 측의 피딩롤러 조립체(21)에서 상하 피딩롤러(23)를 회전 가능하게 지지하는 롤러 브라켓(29)에 설치될 수 있다.
상기 전후 측의 상하 스토핑 바(25)는 설정된 간격을 두고 막-전극 어셈블리 원단(101)의 폭 방향을 따라 배치되며, 어느 하나가 공지 기술의 작동 실린더에 의해 상하 방향으로 이동하며, 오픈 및 클로즈 작동하면서 막-전극 어셈블리 원단(101)의 주행을 허용 또는 저지할 수 있다.
상기에서와 같은 핫 프레스(10)는 설비 프레임(103)에 구비된 프레스 프레임(11)에 설치된다. 상기 핫 프레스(10)는 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 설정된 간격을 두고 배치되는 복수 개의 단위 프레스(15)들을 포함한다.
상기 단위 프레스(15)는 막-전극 어셈블리 원단(101) 상하 면의 전극 촉매층(5) 부위를 사이에 두고 상하 방향을 따라 서로 마주하는 한 쌍의 핫 플레이트(13)를 포함하고 있다.
여기서, 상기 단위 프레스(15)들은 막-전극 어셈블리 원단(101) 상하 면의 어느 한 전극 촉매층(5) 부위를 기준으로, 그 어느 한 전극 촉매층(5) 부위에 이웃하는 양측의 전극 촉매층(5) 부위에 대응되게 배치된다.
그리고, 상기 핫 플레이트(13)는 막-전극 어셈블리 원단(101) 상하 면의 전극 촉매층(5) 부위를 열 압착하기 위한 것으로서, 소정의 열원 예를 들면, 열선 및 히터봉 등과 같은 히팅수단에 의해 설정된 온도로 히팅되는 플레이트로 구비된다. 이러한 핫 플레이트(13)는 공지 기술의 작동 실린더 또는 Z축 서보모터에 의해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에서는 상기 핫 프레스(10) 측으로 진입하는 막-전극 어셈블리 원단(101)의 전극 촉매층(5) 간격을 감지하는 비전 센서(31)를 더 포함하고 있다.
상기 비전 센서(31)는 라인 스캔으로 전극 촉매층(5)의 간격을 감지하고 그 감지 신호를 제어기(도면에 도시되지 않음)로 출력한다. 이러한 비전 센서(31)는 당 업계에 널리 알려진 라인 스캔 타입의 비전 센서로 이루어지므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 비전 센서(31)에 의해 감지된 전극 촉매층(5)의 간격에 따라서 제어기로부터 작동 제어신호를 인가 받아 단위 프레스(15)들의 위치를 가변시키는 위치 가변부(35)를 더 포함하고 있다.
상기 위치 가변부(35)는 단위 프레스(15)들을 XY 축으로 당기거나 밀어서 그 단위 프레스(15)들의 위치를 가변시킬 수 있는 X축 서보모터 및 Y축 서보모터를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 위치 가변부(35)는 X축 서보모터 및 Y축 서보모터의 회전력을 직선 운동으로 변환하는 리드(또는 볼) 스크류 및 가이드부재(가이드 레일 또는 가이드 봉) 등을 갖춘 공지 기술의 가이드 구조체를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 그리퍼 모듈, 구동유닛 및 쿨링유닛을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치(100)는 그리퍼 모듈(40), 구동유닛(60) 및 쿨링유닛(80)을 더 포함하고 있다.
상기 그리퍼 모듈(40)은 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 부분을 그리핑 하기 위한 것이다. 더 나아가, 상기 그리퍼 모듈(40)은 핫 프레스(10)를 통해 막-전극 어셈블리 원단(101) 상하 면의 전극 촉매층(5) 부위를 열 압착하기 전후에, 막-전극 어셈블리 원단(101)에 대하여 그 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향에 수직한 방향으로 텐션을 인가하기 위한 것이다.
상기 그리퍼 모듈(40)은 복수 개로서, 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 설정된 간격을 두고 베이스부재(41)를 통해 설비 프레임(103)에 설치된다.
상기 베이스부재(41)는 설정된 길이를 갖는 브라켓 형태로 구비되며, 위에서 언급한 바 있는 전후 측의 피딩롤러 조립체(21) 사이의 구간에서, 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송경로 양측에 그 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 각각 설치된다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 그리퍼 모듈을 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 그리퍼 모듈을 도시한 측면 구성도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 그리퍼 모듈(40)은 고정 그리퍼 바디(43)와 가동 그리퍼 바디(45)를 포함하고 있다.
상기 고정 그리퍼 바디(43)는 베이스부재(41: 이하 도 3 참조)에 실질적으로 고정되게 설치된다. 그리고 상기 가동 그리퍼 바디(45)는 베이스부재(41)에 설치된 제1 작동 실린더(46)와 연결되며, 제1 작동 실린더(46)에 의해 고정 그리퍼 바디(43)에 대하여 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다.
여기서, 상기 제1 작동 실린더(46)는 공압에 의한 상하 방향의 작동력을 가동 그리퍼 바디(45)에 제공하는 것으로서, 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 상하 구동 실린더로 이루어지므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기에서 고정 그리퍼 바디(43) 및 가동 그리퍼 바디(45)는 장방형의 플레이트 타입(직사각형의 플레이트 타입)으로 구비되며, 막-전극 어셈블리 원단(101: 이하 도 4 참조)의 이송방향을 따라 연속적으로 배열된다.
더 나아가, 상기 고정 그리퍼 바디(43) 및 가동 그리퍼 바디(45)에는 도 7에 도시된 바와 같이, 상하 방향으로 서로 맞물리면서 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 부분을 그 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 단차지게 그리핑 하는 그리핑 돌기(47)와 그리핑 홈(49)이 형성된다.
상기 그리핑 돌기(47)와 그리핑 홈(49)은 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 부분에 대응하는 고정 그리퍼 바디(43) 및 가동 그리퍼 바디(45)의 끝단 부분에 형성된다.
예를 들어, 상기 고정 그리퍼 바디(43)에서 그리핑 홈(49)은 고정 그리퍼 바디(43)의 끝단에 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 길게 형성되고, 그리핑 돌기(47)는 그리핑 홈(49)의 내측에서 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 길게 형성된다.
그리고, 상기 가동 그리퍼 바디(45)에서 그리핑 돌기(47)는 가동 그리퍼 바디(45)의 끝단에 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 길게 형성되고, 그리핑 홈(49)은 그리핑 돌기(47)의 내측에서 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 길게 형성된다.
또한, 상기 고정 그리퍼 바디(43) 및 가동 그리퍼 바디(45)에는 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 부분을 지지하는 지지 돌기(48)들이 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향에 수직한 방향을 따라 형성된다.
즉, 상기 고정 그리퍼 바디(43)에서 지지 돌기(48)들은 그리핑 돌기(47)의 내측에 배치되며, 가동 그리퍼 바디(45)에서 지지 돌기(48)들은 그리핑 홈(49)의 내측에 배치된다.
여기서, 상기 지지 돌기(48)들은 고정 그리퍼 바디(43) 및 가동 그리퍼 바디(45)에 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 설정된 간격을 두고 배치된다. 그리고, 상기 지지 돌기(48)들은 고정 그리퍼 바디(43) 및 가동 그리퍼 바디(45) 각각에 대하여 상하 방향으로 비 대면하게 배치된다.
즉, 상기 고정 그리퍼 바디(43) 및 가동 그리퍼 바디(45)를 통해 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 부분을 그리핑 할 때, 지지 돌기(48)들은 서로 대면하지 않고 나란히 상호 평행하게 위치한다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 구동유닛을 도시한 도면이다.
도 4와 함께 도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 구동유닛(60)은 그리퍼 모듈(40)들이 설치된 베이스부재(41)를 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향에 수직한 방향 및 그 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 왕복 이동시키기 위한 것이다.
상기 구동유닛(60)은 위에서 언급한 바 있는 베이스부재(41)에 각각 대응하여 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송경로 양측에 각각 구성된다. 이러한 구동유닛(60)은 베이스부재(41)를 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 왕복 이동시키기 위한 서보모터(61), 리드 스크류(63), 이동블록(65), 그리고 가이드 블록(67)을 포함하고 있다. 또한, 상기 구동유닛(60)은 베이스부재(41)를 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향에 수직한 방향으로 왕복 이동시키기 위한 제2 작동 실린더(69)를 포함하고 있다.
상기 서보모터(61)는 회전속도 및 회전방향이 서보 제어 가능한 공지 기술의 서보모터로 구비된다. 상기 서보모터(61)는 설비 프레임(103)에서 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송경로 양측에 그 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 배치된 장착 브라켓(71)에 고정되게 설치된다.
상기 리드 스크류(63)는 서보모터(61)의 구동 축에 연결되게 설치된다. 상기 이동블록(65)은 하나 또는 둘 이상으로 구획된 블록으로, 리드 스크류(63)와 스크류 체결된다.
여기서, 상기 이동블록(65)에는 베이스부재(41)가 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향에 수직한 방향으로 슬라이드 이동 가능하게 결합된다. 이에 상기 이동블록(65)에는 베이스부재(41)가 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있는 가이드 레일(73)이 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향에 수직한 방향을 따라 설치된다.
상기 가이드 블록(67)은 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 장착 브라켓(71)에 고정되게 설치된다. 상기 가이드 블록(67)에는 이동블록(65)이 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 슬라이드 이동 가능하게 결합된다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 제2 작동 실린더(69)는 베이스부재(41)에 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향에 수직한 방향으로 공압에 의한 전후진 작동력을 인가하기 위한 것이다.
상기 제2 작동 실린더(69)는 고정 브라켓(75)을 통하여 이동블록(65)에 고정되게 설치된다. 그리고 상기 제2 작동 실린더(69)는 작동 로드(77)를 통하여 베이스부재(41)와 연결되게 설치된다.
이에, 상기 제2 작동 실린더(69)의 작동 로드(77)가 공압에 의해 전후진 작동하게 되면, 그리퍼 모듈(40)들이 장착된 베이스부재(41)는 이동블록(65) 상의 가이드 레일(73)을 따라 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향에 수직한 방향으로 왕복 이동될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 쿨링유닛(80)은, 핫 프레스(10)에 의해 막-전극 어셈블리 원단(101)의 전극 촉매층(5) 부위가 열 압착된 상태에서, 막-전극 어셈블리 원단(101)으로 냉각공기를 분사하며, 전극 촉매층(5) 부위를 냉각공기로서 냉각하기 위한 것이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치에 적용되는 쿨링유닛을 도시한 도면이다.
도 4와 함께 도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 쿨링유닛(80)은 위에서 언급한 바 있는 전후 측의 피딩롤러 조립체(21)에서 후방 측의 피딩롤러 조립체(21)에 설치된다.
상기 쿨링유닛(80)은 후방 측의 피딩롤러 조립체(21)에서 상하 피딩롤러(23)를 회전 가능하게 지지하는 롤러 브라켓(29: 이하 도 3 참조)에 설치된다. 상기 쿨링유닛(80)은 막-전극 어셈블리 원단(101)이 통과하는 상하 피딩롤러(23) 사이를 통해 그 막-전극 어셈블리 원단(101) 이송방향의 반대 측으로 냉각 공기를 분사할 수 있다.
이러한 쿨링유닛(80)은 한 쌍의 냉각공기 수용부재(81)와, 적어도 하나의 에어 분사노즐(85)을 포함하고 있다.
상기 한 쌍의 수용부재(81)는 도면에 도시되지 않은 에어 컴프레셔를 통해 공급되는 냉각공기를 수용하는 것으로서, 냉각공기의 수용공간을 가진 바 형태로 구비된다.
상기 한 쌍의 수용부재(81)는 상하 피딩롤러(23) 사이에 대응하여 롤러 브라켓(29)에 상하 방향으로 설정된 간격을 두고 상호 평행하게 설치된다. 여기서, 상기 한 쌍의 수용부재(81)는 위에서 언급한 바 있는 상하 스토핑 바(25: 도 3 참조)와 상하 피딩롤러(23) 사이에 막-전극 어셈블리 원단(101)의 폭 방향을 따라 배치된다.
상기 에어 분사노즐(85)은 한 쌍의 수용부재(81)에 수용되는 냉각공기를 상하 피딩롤러(23) 사이로 분사하는 것으로서, 그 수용부재(81)에 막-전극 어셈블리 원단(101)의 폭 방향을 따라 설정된 간격으로 이격되게 설치된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치(100)의 작동을 앞서 개시한 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
우선, 본 발명의 실시 예에서는 원단 언와인더(102)에 롤 형태로 감겨 있는 막-전극 어셈블리 원단(101)을 원단 리와인더(104)를 통해 풀어내며 설정된 이송경로를 따라 핫 프레스(10)의 단위 프레스(15)들 측으로 이송시킨다. 여기서, 전후 측의 피딩롤러 조립체(21)는 상하 피딩롤러(23)를 통해 막-전극 어셈블리 원단(101)을 핫 프레스(10) 측으로 이송시킨다.
이 때, 그리퍼 모듈(40)들은 제1 작동 실린더(46)의 후진 작동으로 고정 그리퍼 바디(43) 및 가동 그리퍼 바디(45)를 통해 막-전극 어셈블리 원단(101)의 그리핑을 해제한 상태에 있다. 그리고, 상기 그리퍼 모듈(40)들은 제2 작동 실린더(69)의 후진 작동으로, 베이스부재(41)를 통해 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 측으로 이동한 상태에 있다.
상기와 같은 상태로 막-전극 어셈블리 원단(101)을 핫 프레스(10)의 단위 프레스(15)들 측으로 이송시키는 과정에, 그리퍼 모듈(40)들은 설정된 초기 위치에서 제1 작동 실린더(46)의 전진 작동으로 가동 그리퍼 바디(45)를 하측 방향으로 이동시키며, 고정 그리퍼 바디(43)와 가동 그리퍼 바디(45)를 통해 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 부분을 그리핑 한다.
그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제2 작동 실린더(69)의 전진 작동으로, 베이스부재(41)를 통해 그리퍼 모듈(40)들을 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향에 수직한 방향 즉, 막-전극 어셈블리 원단(101)의 폭 방향 외측으로 이동시킨다.
이에, 본 발명의 실시 예에서는 그리퍼 모듈(40)들이 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 부분을 그리핑 한 상태로, 막-전극 어셈블리 원단(101)의 폭 방향 외측으로 이동함에 따라, 막-전극 어셈블리 원단(101)에 텐션을 인가한다.
다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 전후 측 상하 스토핑 바(25)의 오픈 작동으로 막-전극 어셈블리 원단(101)의 주행을 허용한 상태에서, 서보모터(61)의 구동으로 베이스부재(41)를 통해 그리퍼 모듈(40)들을 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 일정 구간 이동시킨다. 이 때, 상기 그리퍼 모듈(40)들은 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송속도(피딩속도)와 동기화하며, 그 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 이동한다.
여기서, 상기 그리퍼 모듈(40)의 고정 그리퍼 바디(43)와 가동 그리퍼 바디(45)는 장방형의 플레이트 타입으로서, 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 부분을 이송방향을 따라 연속적으로 그리핑 하고 있다.
그리고, 상기 그리퍼 모듈(40)의 고정 그리퍼 바디(43)와 가동 그리퍼 바디(45)는 그리핑 돌기(47)와 그리핑 홈(49)을 통해 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 부분을 그 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향을 따라 단차지게 그리핑 하고 있다.
더 나아가, 상기 그리퍼 모듈(40)의 고정 그리퍼 바디(43)와 가동 그리퍼 바디(45)는 지지 돌기(48)들을 통해 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 부분을 지지하고 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 그리퍼 모듈(40)의 고정 그리퍼 바디(43)와 가동 그리퍼 바디(45)가 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 부분을 안정적으로 그리핑 하면서 그 막-전극 어셈블리 원단(101)에 텐션을 인가할 수 있다.
이러는 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 핫 프레스(10) 측으로 진입하는 막-전극 어셈블리 원단(101)의 전극 촉매층(5) 간격을 비전 센서(31)를 통해 감지하고 그 감지 신호를 제어기(도면에 도시되지 않음)로 출력한다.
이에, 상기 제어기는 비전 센서(31)에 의해 감지된 전극 촉매층(5)의 간격에 따라서 위치 가변부(35)에 작동 제어신호를 인가한다. 그러면, 상기 위치 가변부(35)는 단위 프레스(15)들을 XY 축으로 당기거나 밀어서 그 단위 프레스(15)들의 위치를 전극 촉매층(5)의 간격에 맞게 가변시킨다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상술한 바와 같이, 전극 촉매층(5)의 간격에 따라서 위치 가변부(35)를 통해 핫 프레스(10)의 열 압착 위치를 보정할 수 있으므로, 전극 촉매층(5)의 위치 산포에 유연하게 대응할 수 있다.
그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같이 전극 촉매층(5)의 간격에 맞게 단위 프레스(15)들의 위치를 가변시킨 상태에서, 전후 측 상하 스토핑 바(25)의 클로즈 작동으로 막-전극 어셈블리 원단(101)의 주행을 저지하며, 핫 프레스(10)의 단위 프레스(15)들을 통해 막-전극 어셈블리 원단(101) 상하 면의 전극 촉매층(5) 부위를 열 압착한다.
상기한 과정을 거치는 동안, 본 발명의 실시 예에서는 열처리 보호필름(106)을 필름 언와인더(105)로부터 풀어내어 핫 프레스(10) 측으로 공급하며, 필름 리와인더(107)에 되감는다.
그러면, 본 발명의 실시 예에서는 열처리 보호필름(106)을 막-전극 어셈블리 원단(101)의 상하 면으로 공급하며 그 상하 면을 덮은 상태에서, 열처리 보호필름(106)을 막-전극 어셈블리 원단(101)의 전극 촉매층(5) 부위와 함께 핫 프레스(10)를 통해 열 압착한다.
이로써, 본 발명의 실시 예에서는 핫 프레스(10)에 의한 전극 촉매층(5) 부위의 열 압착 시, 막-전극 어셈블리 원단(101)의 전극 촉매층(5) 부위가 고온 고압에 의해 손상되는 것을 열처리 보호필름(106)을 통해 방지할 수 있다.
한편, 상기와 같이 핫 프레스(10)에 의한 막-전극 어셈블리 원단(101)의 열 압착이 완료된 상태에서, 전방 측의 상하 스토핑 바(25)를 클로즈 작동시키고, 후방 측의 상하 스토핑 바(25)를 오픈 작동시킨 후, 본 발명의 실시 예에서는 쿨링유닛(80)을 통해 전극 촉매층(5) 부위를 냉각공기로서 냉각한다.
여기서, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 쿨링유닛(80)은 막-전극 어셈블리 원단(101)이 통과하는 후방 측 상하 피딩롤러(23) 사이를 통해 그 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향 반대 측으로 냉각 공기를 분사한다.
즉, 본 발명의 실시 예에서는 한 쌍의 수용부재(81)로 공급되는 냉각공기를 에어 분사노즐(85)을 통해 상하 피딩롤러(23) 사이로 분사하며, 막-전극 어셈블리 원단(101)의 전극 촉매층(5) 부위를 냉각공기로서 냉각할 수 있다.
이와 같은 과정을 거친 후, 본 발명의 실시 예에서는 전후 측 상하 스토핑 바(25)의 오픈 작동으로 막-전극 어셈블리 원단(101)의 주행을 허용한 상태에서, 제2 작동 실린더(69)의 후진 작동으로, 베이스부재(41)를 통해 그리퍼 모듈(40)을 막-전극 어셈블리 원단(101)의 양측 가장자리 측으로 이동시킨다.
이와 동시에, 본 발명의 실시 예에서는 제1 작동 실린더(46)의 후진 작동으로, 고정 그리퍼 바디(43) 및 가동 그리퍼 바디(45)를 통해 막-전극 어셈블리 원단(101)의 그리핑을 해제한다.
그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 서보모터(61)의 구동으로 베이스부재(41)를 통해 그리퍼 모듈(40)들을 막-전극 어셈블리 원단(101)의 이송방향에 반대되는 방향으로 이동시키며, 설정된 초기 위치로 복귀시킨다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같은 일련의 과정을 반복하며 막-전극 어셈블리 원단(101) 상하 면의 반응 면인 전극 촉매층(5) 부위를 핫 프레스(10)를 통해 열처리 할 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치(100)에 의하면, 핫 프레스(10)를 통하여 막-전극 어셈블리 원단(101)을 고온에서 가압하는 핫 프레스 방식으로 열처리할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 막-전극 어셈블리 원단(101)에 대한 전해질막(3)과 전극 촉매층(5)의 계면 접합력을 향상시키며, 전해질막(3)과 전극 촉매층(5)의 경계부분이 탈리되는 것을 방지함으로써, 막-전극 어셈블리(1)의 성능 및 내구성을 증대시키고, 양산성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는 그리퍼 모듈(40)을 통해 막-전극 어셈블리 원단(101)에 텐션을 인가한 상태에서, 핫 프레스(10)를 통해 전극 촉매층(5) 부위를 열 압착하므로, 핫 프레스(10)의 고온 고압에 의한 막-전극 어셈블리 원단(101)의 수축 및 사행 변형을 방지할 수 있고, 전극 촉매층(5) 부위의 반응 면적 축소를 방지할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 핫 프레스(10)의 열 압착 후 쿨링유닛(80)을 통해 막-전극 어셈블리 원단(101)으로 냉각공기를 분사하며, 전극 촉매층(5) 부위를 냉각공기로서 냉각하므로, 서브 가스켓(7)의 주름 변형을 방지할 수 있다. 이로 인해 본 발명의 실시 예에서는 연료전지의 적층 공정 시 연료전지의 적층 정렬도를 확보할 수 있으며, 연료전지 스택의 수율을 더욱 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당 업자는 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 3: 전해질막
5: 전극 촉매층 7: 서브 가스켓
10: 핫 프레스 11: 프레스 프레임
13: 핫 플레이트 15: 단위 프레스
21: 피딩롤러 조립체 23: 상하 피딩롤러
25: 상하 스토핑 바 29: 롤러 브라켓
31: 비전 센서 35: 위치 가변부
40: 그리퍼 모듈 41: 베이스부재
43: 고정 그리퍼 바디 45: 가동 그리퍼 바디
46: 제1 작동 실린더 47: 그리핑 돌기
48: 지지 돌기 49: 그리핑 홈
60: 구동유닛 61: 서보모터
63: 리드 스크류 65: 이동블록
67: 가이드 블록 69: 제2 작동 실린더
71: 장착 브라켓 73: 가이드 레일
75: 고정 브라켓 77: 작동 로드
80: 쿨링유닛 81: 수용부재
85: 에어 분사노즐 101: 막-전극 어셈블리 원단
102: 원단 언와인더 103: 설비 프레임
104: 원단 리와인더 105: 필름 언와인더
106: 열처리 보호필름 107: 필름 리와인더
100: 열처리 장치
5: 전극 촉매층 7: 서브 가스켓
10: 핫 프레스 11: 프레스 프레임
13: 핫 플레이트 15: 단위 프레스
21: 피딩롤러 조립체 23: 상하 피딩롤러
25: 상하 스토핑 바 29: 롤러 브라켓
31: 비전 센서 35: 위치 가변부
40: 그리퍼 모듈 41: 베이스부재
43: 고정 그리퍼 바디 45: 가동 그리퍼 바디
46: 제1 작동 실린더 47: 그리핑 돌기
48: 지지 돌기 49: 그리핑 홈
60: 구동유닛 61: 서보모터
63: 리드 스크류 65: 이동블록
67: 가이드 블록 69: 제2 작동 실린더
71: 장착 브라켓 73: 가이드 레일
75: 고정 브라켓 77: 작동 로드
80: 쿨링유닛 81: 수용부재
85: 에어 분사노즐 101: 막-전극 어셈블리 원단
102: 원단 언와인더 103: 설비 프레임
104: 원단 리와인더 105: 필름 언와인더
106: 열처리 보호필름 107: 필름 리와인더
100: 열처리 장치
Claims (16)
- 전해질막 원단의 양면에 일정 간격으로 전극 촉매층을 형성하고 있는 막-전극 어셈블리 원단을 설정된 이송경로를 따라 롤투롤 방식으로 이송하는 설비에 구성되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단을 열 처리하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치로서,
상기 이송경로의 상하 측에서 설비 프레임에 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단 상하 면의 전극 촉매층 부위를 설정된 온도에서 압착하는 핫 프레스;
상기 막-전극 어셈블리 원단의 이송방향을 따라 베이스부재에 설정된 간격을 두고 설치되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단의 양측 가장자리 부분을 그리핑 하는 복수 개의 그리퍼 모듈들; 및
상기 베이스부재를 상기 막-전극 어셈블리 원단의 이송방향에 수직한 방향 및 상기 막-전극 어셈블리 원단의 이송방향을 따라 왕복 이동시키는 구동유닛;
을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치 - 제1 항에 있어서,
상기 핫 프레스는,
상기 막-전극 어셈블리 원단을 상기 이송경로를 따라 피딩하는 전후 측의 피딩롤러 조립체 사이에 구성되는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 핫 프레스는 상하 방향으로 서로 마주하는 한 쌍의 핫 플레이트를 가진 단위 프레스를 포함하며,
상기 단위 프레스는 어느 한 전극 촉매층에 이웃하는 양측의 전극 촉매층 부위에 대응되게 배치되는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 막-전극 어셈블리 원단의 전극 촉매층 간격을 감지하는 비전 센서와,
상기 비전 센서에 의해 감지된 상기 전극 촉매층의 간격에 따라서 상기 핫 프레스의 위치를 가변시키는 위치 가변부
를 더 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 그리퍼 모듈은,
상기 베이스부재에 고정되게 설치되는 고정 그리퍼 바디와,
상기 베이스부재에 설치된 제1 작동 실린더와 연결되며, 상기 고정 그리퍼 바디에 대해 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되는 가동 그리퍼 바디
를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치. - 제5 항에 있어서,
상기 고정 그리퍼 바디 및 가동 그리퍼 바디는,
장방형의 플레이트 타입으로 구비되며, 상기 이송방향을 따라 연속적으로 배치되는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치. - 제5 항에 있어서,
상기 고정 그리퍼 바디 및 가동 그리퍼 바디에는,
서로 맞물리면서 상기 막-전극 어셈블리 원단의 양측 가장자리 부분을 상기 이송방향을 따라 단차지게 그리핑 하는 그리핑 돌기와 그리핑 홈이 형성되는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치. - 제7 항에 있어서,
상기 고정 그리퍼 바디 및 가동 그리퍼 바디에는,
상기 막-전극 어셈블리 원단의 양측 가장자리 부분을 지지하는 지지 돌기들이 상기 이송방향에 수직한 방향을 따라 형성되는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열 처리장치. - 제8 항에 있어서,
상기 지지 돌기들은,
상기 고정 그리퍼 바디 및 가동 그리퍼 바디에 상기 이송방향을 따라 설정된 간격을 두고 배치되며, 상하 방향으로 비 대면하게 배치되는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열 처리장치. - 제1 항에 있어서,
상기 구동유닛은,
상기 설비 프레임에 상기 이송방향을 따라 배치된 장착 브라켓에 고정되게 설치되는 서보모터와,
상기 서보모터와 연결되게 설치되는 리드 스크류와,
상기 리드 스크류와 스크류 체결되며, 상기 베이스부재가 상기 이송방향에 수직한 방향으로 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 적어도 하나의 이동블록과,
상기 장착 브라켓에 고정되게 설치되며, 상기 이동블록이 상기 이송방향을 따라 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 가이드 블록과,
고정 브라켓을 통해 상기 이동블록에 고정되고, 상기 베이스부재와 연결되며, 상기 이송방향에 수직한 방향으로 상기 베이스부재에 전후진 작동력을 인가하는 제2 작동 실린더
를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치. - 제10 항에 있어서,
상기 베이스부재는,
상기 이동블록에 가이드 레일을 통해 상기 이송방향에 수직한 방향으로 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치. - 전해질막 원단의 양면에 일정 간격으로 전극 촉매층을 형성하고 있는 막-전극 어셈블리 원단을 설정된 이송경로를 따라 롤투롤 방식으로 이송하는 설비에 구성되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단을 열 처리하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치로서,
상기 막-전극 어셈블리 원단을 상기 이송경로를 따라 피딩하는 전후 측의 피딩롤러 조립체 사이에 구비되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단 상하 면의 전극 촉매층 부위를 설정된 온도에서 압착하는 핫 프레스;
상기 막-전극 어셈블리 원단의 이송방향을 따라 설정된 간격을 두고 설치되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단의 양측 가장자리 부분을 그리핑 하는 복수 개의 그리퍼 모듈들; 및
후방 측의 상기 피딩롤러 조립체에 설치되며, 냉각 공기를 상기 막-전극 어셈블리 원단으로 분사하는 쿨링유닛;
을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치. - 제12 항에 있어서,
상기 피딩롤러 조립체는 롤러 브라켓에 회전 가능하게 설치되는 상하 피딩롤러를 포함하되,
상기 쿨링유닛은 상기 롤러 브라켓에 설치되며, 상기 상하 피딩롤러 사이를 통해 상기 이송방향의 반대 측으로 냉각 공기를 분사하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치. - 제13 항에 있어서,
상기 쿨링유닛은,
상기 상하 피딩롤러 사이에 대응하여 상기 롤러 브라켓에 상하 방향으로 배치되는 한 쌍의 냉각공기 수용부재와,
상기 냉각공기 수용부재에 각각 설치되며, 상기 상하 피딩롤러 사이로 냉각 공기를 분사하는 적어도 하나의 에어 분사노즐
을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치. - 제13 항에 있어서,
상기 전후 측의 피딩롤러 조립체는,
상기 롤러 브라켓에 설치되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단의 주행을 선택적으로 스토핑 하는 상하 스토핑 바를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치. - 제1 항 또는 제12 항에 있어서,
상기 핫 프레스는,
상기 막-전극 어셈블리 원단의 상하 면 측으로 공급되는 열처리 보호필름을 사이에 두고 상기 전극 촉매층 부위를 열 압착하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020180137413A KR20200053915A (ko) | 2018-11-09 | 2018-11-09 | 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치 |
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| US17/573,309 US11870119B2 (en) | 2018-11-09 | 2022-01-11 | Heat treatment apparatus of MEA for fuel cell |
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| KR1020180137413A KR20200053915A (ko) | 2018-11-09 | 2018-11-09 | 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치 |
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