KR20200071301A - 연료전지 막 전극 접합체 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 막 전극 접합체 제조장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 제조장치를 이용하여 연료전지의 막 전극 접합체를 제조하는 과정에 있어서 전극층에 활성용액을 도포하여 전극층과 전해질막의 계면 활성을 높여 막 전극 접합체의 제조 수율이 증가하는 연료전지 막 전극 접합체 제조장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 연료전지 막 전극 접합체 제조장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 제조장치를 이용하여 연료전지의 막 전극 접합체를 제조하는 과정에 있어서 전극층에 활성용액을 도포하여 전극층과 전해질막의 계면 활성을 높여 막 전극 접합체의 제조 수율을 증가시키는 연료전지 막 전극 접합체 제조장치에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소가 막 전극 접합체(MEA)에 제공되어 전기 화학적 반응을 일으켜, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전기를 생산하는 장치이다. 이러한 연료전지는 별도의 충전 과정 없이도 외부에서 화학 반응물을 제공받아 지속적인 발전이 가능하다는 특징이 있다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 전해질막으로 고분자를 사용하고 전해질막의 양면에 애노드와 캐소드 촉매 전극층이 위치하여 막 전극 접합체가 형성된다.
이러한 막 전극 접합체를 제조하는 방법으로 직접 코팅 방법과 데칼 방법이 있다.
이 중에서, 데칼 방법은 이형필름의 표면에 촉매 슬러리를 코팅 후 건조하여 촉매 전극층을 형성하고, 전해질막의 양면으로 각각 촉매 전극층이 형성된 이형필름을 적층한 다음, 롤 라미네이팅 공법을 이용하여 촉매 전극층을 고온 고압의 접합롤을 통해 연속적으로 열 압착하여 전해질막의 양면에 접합시키고, 이형필름을 제거하여 3-레이어 구조의 막 전극 접합체를 제조한다.
롤 라미네이팅 공법을 이용하는 데칼 방식으로 3-레이어 구조의 막 전극 접합체를 제조할 경우 제조 속도를 향상시킬 수 있고, 스케일 업이 용이하여 양산 공정에 유리하다는 장점이 있다.
그러나, 롤 라미네이팅 연속 공법을 이용하는 데칼 방식은 애노드 및 캐소드 촉매 전극층의 열 압착 위치를 정렬하는 것이 어렵고, 압력의 불균형이 발생하여 전극층과 전해질막의 접합력이 부족한 문제점이 있다.
전극층과 전해질막의 접합이 안정적으로 되기 위해서는 계면 간 활성이 중요하다.
그러나, 전극층과 전해질막의 구조가 상이할 경우 계면 활성이 충분치 않아 접합력이 낮아서 공정 난이도가 높아지는 문제점이 있다.
이와 관련하여, 전극층과 전해질막의 계면 활성을 증가시키는 방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전해질막과 전극층을 접합하기 전에 전극층에 활성용액을 도포하여 전극층의 계면 활성을 증가시킨 연료전지 막 전극 접합체 제조장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 전극층의 계면 활성을 증가시켜 막 전극 접합체 제조 공정의 난이도를 감소시켜 막 전극 접합체의 제조 수율을 증가시킨 연료전지 막 전극 접합체 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 막 전극 접합체 제조장치는 전해질막을 제공하는 전해질막 언와인더; 필름에 위치된 전극층을 상기 전해질막의 상하 측에 제공하는 필름 언와인더; 상기 전극층에 활성용액을 도포하는 활성용액 도포기; 및 상기 전해질막과 상기 전극층을 접합하는 접합부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 활성용액은, 상기 전극층의 계면 활성을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 활성용액은, 1가 알코올, 다가 알코올, 물, 에틸아세테이트, 뷰틸아세테이트, 2-에톡시에탄올, 2-뷰톡시에탄올, 글리세롤 및 뉴클레오사이드삼인산 중 어느 하나 이상의 용액을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 활성용액은, 상기 전극층 총 중량 대비 1~30wt%로 도포되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 활성용액 도포기는, 상기 활성용액을 저장하는 활성용액 탱크; 및 상기 활성용액을 상기 전극층에 도포하는 활성용액 노즐;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 활성용액 도포기는, 상기 필름 언와인더와 상기 접합부 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 활성용액 노즐은, 적어도 한 개 이상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 접합부는, 상기 전극층의 위치를 감지하는 센서; 및 상기 전해질막과 상기 전극층의 이동경로 상하 측에 설치되는 접합롤;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센서는, 초음파, 레이저 및 적외선 중 어느 하나를 사용하고, 감지신호에 따라 상기 전극층의 이동속도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 접합롤은, 상기 전해질막의 상하 측에 상기 전극층을 압착하여 접합시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전해질막과 전극층을 접합하기 전에 전극층에 활성용액을 도포하여 전극층의 계면 활성을 증가시킬 수 있는 효과가 발생한다.
또한, 전극층의 계면 활성을 증가시켜 막 전극 접합체 제조 공정의 난이도를 감소시켜 막 전극 접합체의 제조 수율을 증가시킬 수 있는 효과가 발생한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 전극 접합체 제조장치(100)의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성용액 도포기(30)의 내부 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성용액 도포기(30)의 내부 단면도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 막 전극 접합체 제조장치(100)의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성용액 도포기(30)의 내부 단면도이다.
연료전지 막 전극 접합체 제조장치(100)는 전해질막 언와인더(10), 필름 언와인더(20, 20'), 활성용액 도포기(30) 및 접합부(40)를 포함할 수 있다.
전해질막 언와인더(10)는 연료전지의 막 전극 접합체를 제조하기 위한 전해질막을 제공할 수 있다. 이를 위해, 전해질막 언와인더(10)는 롤 형상으로 감긴 전해질막을 풀어서 기설정된 복수의 이동롤(50)의 안내에 따라 전해질막이 이동되도록 역할을 수행한다.
이러한 전해질막은 유리섬유가 포함된 폴리테트라 플루오로에틸렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리에틸렌 나프탈레이트 및 실리콘 중 적어도 어느 하나를 포함하는 보호 필름에 의해 보호된다. 이러한 보호 필름은 전해질막이 후술되는 접합부(40)에 위치되기 전에 첫 번째 이동롤(50a)에서 보호필름 리와인더(11)에 의해 보호 필름이 회수되도록 구성된다.
한편, 전해질막 언와인더(10)와 보호필름 리와인더(11)는 전해질막을 연료전지 막 전극 접합체 제조장치(100)에서 효과적으로 수평 이동시키는 역할을 수행하며 특별히 구성이 제한되지 않음을 유의한다.
필름 언와인더(20, 20')는 롤 형상으로 감긴 필름(1, 1')을 풀어서 수평으로 이동하는 전해질막 상측 및 하측 상에 필름(1, 1')을 제공하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 필름 언와인더(20, 20')는 전해질막의 상하 측에 위치하게 된다.
이때, 필름(1, 1')은 다공성 이형 필름을 포함할 수 있으며, 이러한 필름(1, 1')의 일측면에는 전극층(2, 2')이 사전에 위치되도록 구성된다. 바람직하게는, 필름(1, 1') 상의 전극층(2, 2')은 일정 간격에 동일한 길이로 위치되어 제공될 수 있다.
한편, 전극층(2, 2')은 금속 촉매층을 제공할 수 있다. 전극층(2, 2')은 수소와 산소를 금속 촉매층에 접촉시켜 연료전지의 반응 속도를 빠르게 증가시킬 수 있다. 이러한 전극층(2, 2')은 애노드 전극층 및 캐소드 전극층으로 구성된다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 따른 상측의 필름 언와인더(20)는 필름(1)에 애노드 전극층(2)을 포함하고, 하측의 필름 언와인더(20')는 필름(1')에 캐소드 전극층(2')을 포함할 수 있다.
후술되는 접합부(40)에서 필름(1, 1')의 전극층(2, 2')이 전해질막과 접합되어 필름(1, 1')에서 분리되면 필름 리와인더(21, 21')에 의해 필름(1, 1')이 회수되도록 구성됨을 유의한다.
활성용액 도포기(30)는 전극층(2, 2')이 전해질막에 접합되기 전에 활성용액을 도포하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 활성용액 도포기(30)는 필름언와인더(20, 20')와 접합부(40) 사이에 위치하게 된다. 이러한 활성용액 도포기(30)는 활성용액을 저장하는 활성용액 탱크(31)와 활성용액을 전극층(2, 2')에 도포하는 활성용액 노즐(32)로 구성된다.
이때, 활성용액은 전해질막과 전극층(2, 2')의 계면 활성을 증가시키는 역할을 수행한다. 활성용액은 전극층(2, 2')에 도포되어 연료전지에 공급되는 가스와 전해질막 및 전극층(2, 2')이 만나는 3상 계면 영역의 면적을 증대시킬 수 있다. 따라서, 전극층(2, 2')의 계면 활성 분극이 감소되고 계면의 옴 저항이 줄어들어 계면 활성이 증가되는 효과가 발생할 수 있다. 여기서 전극층(2, 2')의 계면 활성이 증가되면 전극층(2, 2')의 금속 촉매층에서 발생한 수소이온은 전해질막으로 이동이 원활하게 되어 전해질막과 전극층(2, 2')의 접합이 쉽게 이루어지게 된다.
이를 위해, 활성용액은 1가 알코올, 다가 알코올, 물, 에틸아세테이트, 뷰틸아세테이트, 2-에톡시에탄올, 2-뷰톡시에탄올, 글리세롤 및 뉴클레오사이드삼인산 중에서 어느 하나 이상의 용액을 포함할 수 있다. 이들 용액은 전해질막의 유리전이온도를 낮추어주는 역할을 수행하여 저온에서도 전해질막과 전극층(2, 2')의 접합을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 활성용액은 전해질막의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 활성용액은 전극층(2, 2') 총 중량 대비 1~30wt%로 도포될 수 있다. 이와 다르게 활성용액을 1wt% 미만으로 도포하면 계면 활성 증가의 효과가 미비할 수 있으며, 활성용액을 30wt% 초과하여 도포하면 전극층(2, 2')은 필름(1, 1')과 접착력이 증가하게 되어 전해질막에 효과적으로 접합되지 않을 수 있다.
한편, 활성용액 노즐(32)은 적어도 한 개 이상으로 구성되어 활성용액을 스프레이 분사, 분무식, 가역실, 초음파 분쇄식 및 기화식 중에서 어느 하나의 방법을 통하여 동일하게 전극층(2, 2')에 도포하는 역할을 수행한다. 이때, 활성용액은 균일한 입자형태로 전극층(2, 2')에 도포되어 전극층(2, 2')의 이온 전도도를 증가시킬 수 있다. 이로 인해 전극층(2, 2')에 활성용액이 점차적으로 흡수되어 전극층(2, 2')의 계면 활성이 증가되고 전극층(2, 2')과 전해질막의 접합이 안정적으로 이루어질 수 있다.
접합부(40)는 전해질막에 전극층(2, 2')을 접합시키는 역할을 수행한다. 이를 위해, 접합부(40)는 보호필름이 제거된 전해질막과 전극층(2, 2')에 활성용액이 도포된 필름(1, 1')이 만나는 곳의 상측 및 하측에 위치하게 된다. 이러한 접합부(40)는 위치를 감지하는 센서(41)와 접합을 수행하는 접합롤(42)으로 구성 된다.
이때, 센서(41)는 초음파, 레이저 및 적외선 중에서 어느 하나를 사용하여 전극층(2, 2')의 위치를 감지하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 센서(41)는 전해질막의 상하 측에 위치되어, 센서(41)의 감지신호에 따라 애노드 전극층(2) 및 캐소드 전극층(2')이 이동되는 속도를 제어할 수 있다. 그리고, 센서(41)는 전해질막 상하 측에 각각 동일한 수직방향 간격으로 전극층(2, 2')의 위치를 정렬시킬 수 있다.
한편, 접합롤(42)은 전극층(2, 2')의 위치 정렬이 완료될 때 전해질막과 전극층(2, 2')을 접합시키는 역할을 수행한다. 이를 위해, 접합롤(42)은 이동경로 상에서 센서(41)의 바로 다음 전해질막의 상하 측에 각각 위치될 수 있다. 이때, 전극층(2, 2')이 접합롤(42) 사이로 진입할 때, 접합롤(42)은 서로 상하방향으로 전해질막 상하 측으로 접근하고, 각각 시계 방향과 시계 반대 방향으로 회전하며 전해질막과 필름(1, 1')을 압착시킬 수 있다. 이로 인해, 필름(1, 1')에 위치된 애노드 전극층(2) 및 캐소드 전극층(2')이 각각 전해질막의 상측 및 하측 면에 접합하게 되고, 필름(1, 1')은 각각의 필름 리와인더(21, 21')로 회수될 수 있다. 따라서, 전해질막과 전극층(2, 2')이 접합롤(42)의 압착에 의해 접합하게 되면 본 발명에 따른 전극층(2, 2')에 활성용액이 도포된 연료전지 막 전극 접합체가 형성된다. 이때, 접합롤(42)은 전해질막과 전극층(2, 2')을 압착할 때와 다르게 각각 반대 방향으로 상하 이동하여 서로 멀어지면서 압착을 해제하여 원래 위치로 돌아가게 된다.
상기 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 연료전지 막 전극 접합체 제조장치
1, 1': 필름
2, 2': 전극층
10: 전해질막 언와인더
11: 보호필름 리와인더
20, 20': 필름 언와인더
21, 21': 필름 리와인더
30: 활성용액 도포기
31: 활성용액 탱크
32: 활성용액 노즐
40: 접합부
41: 센서
42: 접합롤
50, 50a: 이동롤
1, 1': 필름
2, 2': 전극층
10: 전해질막 언와인더
11: 보호필름 리와인더
20, 20': 필름 언와인더
21, 21': 필름 리와인더
30: 활성용액 도포기
31: 활성용액 탱크
32: 활성용액 노즐
40: 접합부
41: 센서
42: 접합롤
50, 50a: 이동롤
Claims (10)
- 전해질막을 제공하는 전해질막 언와인더;
필름에 위치된 전극층을 상기 전해질막의 상하 측에 제공하는 필름 언와인더;
상기 전극층에 활성용액을 도포하는 활성용액 도포기; 및
상기 전해질막과 상기 전극층을 접합하는 접합부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 활성용액은,
상기 전극층의 계면 활성을 증가시키는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 활성용액은,
1가 알코올, 다가 알코올, 물, 에틸아세테이트, 뷰틸아세테이트, 2-에톡시에탄올, 2-뷰톡시에탄올, 글리세롤 및 뉴클레오사이드삼인산 중 어느 하나 이상의 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 활성용액은,
상기 전극층 총 중량 대비 1~30wt%로 도포되는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 활성용액 도포기는,
상기 활성용액을 저장하는 활성용액 탱크; 및
상기 활성용액을 상기 전극층에 도포하는 활성용액 노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 제조장치.
- 제5항에 있어서,
상기 활성용액 도포기는,
상기 필름 언와인더와 상기 접합부 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 제조장치.
- 제5항에 있어서,
상기 활성용액 노즐은,
적어도 한 개 이상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 제조장치.
- 제1항에 있어서,
상기 접합부는,
상기 전극층의 위치를 감지하는 센서; 및
상기 전해질막과 상기 전극층의 이동경로 상하 측에 설치되는 접합롤;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 제조장치.
- 제8항에 있어서,
상기 센서는,
초음파, 레이저 및 적외선 중 어느 하나를 사용하고,
감지신호에 따라 상기 전극층의 이동속도를 제어하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 제조장치.
- 제8항에 있어서,
상기 접합롤은,
상기 전해질막의 상하 측에 상기 전극층을 압착하여 접합시키는 것을 특징으로 하는,
연료전지 막 전극 접합체 제조장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180158882A KR20200071301A (ko) | 2018-12-11 | 2018-12-11 | 연료전지 막 전극 접합체 제조장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180158882A KR20200071301A (ko) | 2018-12-11 | 2018-12-11 | 연료전지 막 전극 접합체 제조장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20200071301A true KR20200071301A (ko) | 2020-06-19 |
Family
ID=71137208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180158882A KR20200071301A (ko) | 2018-12-11 | 2018-12-11 | 연료전지 막 전극 접합체 제조장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20200071301A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023043265A1 (ko) * | 2021-09-16 | 2023-03-23 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 전극 조립체의 제조방법 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101845784B1 (ko) | 2016-05-26 | 2018-05-18 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 전극막 접합체의 제조장치 및 그 제조방법 |
| KR101889499B1 (ko) | 2012-12-11 | 2018-08-17 | 한국전자통신연구원 | 휴대 단말의 긴급통화 서비스 제공 방법 |
-
2018
- 2018-12-11 KR KR1020180158882A patent/KR20200071301A/ko not_active Application Discontinuation
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