KR20210128679A - 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치가 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치는, ⅰ)애노드 및 캐소드 전극층이 상하측 전극필름 각각에 소정 간격을 두고 연속적으로 도포된 상하측 전극필름 원단을 설정된 이송경로로 각각 공급하는 전극필름 원단 언와인더와, ⅱ)이송경로를 따라 전해질막 원단을 상하측 전극필름 원단 사이로 공급하는 전해질막 원단 언와인더와, ⅲ)이송경로의 상측에서 일측 방향으로 구동 회전 가능하게 설치되며, 외주 면에 음각부와 양각부를 연속적으로 형성하고 있는 구동 접합 롤과, ⅳ)구동 접합 롤의 하측에서 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 전해질막 원단과 상하측 전극필름 원단을 사이에 두고 구동 접합 롤에 밀착되며 다른 일측 방향으로 피동 회전하는 피동 접합 롤과, ⅴ)구동 접합 롤과 피동 접합 롤의 후방 측에서 이송경로의 상하 측에 설치되며, 상하측 전극필름을 각각 감아서 회수하는 필름 리와인더와, ⅵ)전극필름 원단 언와인더 및 필름 리와인더 측에 각각 구비되며, 상하측 전극필름 원단과 상하측 전극필름의 주행방향을 전환하면서 애노드 전극층과 캐소드 전극층의 위치를 정렬하는 위치 정렬유닛을 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 제조 장치 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 일 예를 들면, 3-레이어(3-layer) 구조로서, 수소이온이 이동하는 전해질막(membrane)을 사이에 두고 그 전해질막의 일면에 애노드 전극층을 형성하며, 다른 일면에 캐소드 전극층을 형성하고 있다. 이러한 3-레이어 구조의 막-전극 어셈블리를 제조하는 방식으로는 직접 코팅(Direct Coating) 방식과 데칼(Decal) 방식을 예로 들 수 있다.

이 중에서 데칼 방식의 경우는 전해질막의 양면으로 각각의 전극층이 코팅된 전극 필름을 적층하고, 롤 라미네이팅 방식으로 전극층을 전해질막의 양면에 전사시켜 접합하며, 전극 필름을 제거하여 3-레이어 구조의 막-전극 어셈블리를 제조한다.

즉, 데칼 방식을 이용한 막-전극 어셈블리의 제조 공정은 각각의 전극층이 코팅된 롤 타입의 전극 필름과, 롤 타입의 전해질막을 고온 고압의 접합 롤을 통과시키며 합지(열 압착)하고, 전극 필름을 제거하며 3-레이어 구조의 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있다.

이와 같이 롤 라미네이팅 공법을 이용하는 데칼 방식으로 3-레이어 구조의 막-전극 어셈블리를 제조하는 공정은 제조 속도를 향상시킬 수 있기 때문에 양산에 유리하다는 이점이 있다.

그러나, 이러한 롤 라미네이팅 연속 공법을 이용하는 데칼 방식은 전해질막을 중간에 두고 이의 양측에 각각의 전극층이 코팅된 전극 필름을 위치시킨 상태로, 이들을 고온 고압의 접합 롤 사이로 통과시키며 전극층과 전해질막을 서로 맞닿는 방향으로 합지하기 때문에, 애노드 및 캐소드 전극층의 합지 위치를 정렬하는 것이 어렵다.

즉, 항시 가압하고 있는 고온 고압의 접합 롤 사이로 전극 필름과 전해질막이 연속적으로 통과하며 전해질막의 양면에 전극층이 합지되기 때문에, 이와 같은 롤 라미네이팅 연속 공정에서는 전극 필름의 피딩 속도차 등에 의해 전극층의 합지 위치를 정확히 일치시키는데 어려움이 따르고 있다.

또한, 애노드 및 캐소드 전극층의 합지 위치를 정렬하기가 어려운 다른 이유는 전극 필름에 촉매 슬러리를 도포하여 연속 패턴의 전극층을 제조하는 공정에서 전극층 간 피치가 일정하지 않기 때문이다.

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 전해질막의 양면에 대한 애노드 및 캐소드 전극층의 전사 위치를 간단한 구성으로 정렬할 수 있도록 한 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치 및 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치는, ⅰ)애노드 및 캐소드 전극층이 상하측 전극필름 각각에 소정 간격을 두고 연속적으로 도포된 상하측 전극필름 원단을 설정된 이송경로로 각각 공급하는 전극필름 원단 언와인더와, ⅱ)상기 이송경로를 따라 전해질막 원단을 상기 상하측 전극필름 원단 사이로 공급하는 전해질막 원단 언와인더와, ⅲ)상기 이송경로의 상측에서 일측 방향으로 구동 회전 가능하게 설치되며, 외주 면에 음각부와 양각부를 연속적으로 형성하고 있는 구동 접합 롤과, ⅳ)상기 구동 접합 롤의 하측에서 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 전해질막 원단과 상하측 전극필름 원단을 사이에 두고 상기 구동 접합 롤에 밀착되며 다른 일측 방향으로 피동 회전하는 피동 접합 롤과, ⅴ)상기 구동 접합 롤과 피동 접합 롤의 후방 측에서 상기 이송경로의 상하 측에 설치되며, 상기 상하측 전극필름을 각각 감아서 회수하는 필름 리와인더와, ⅵ)상기 전극필름 원단 언와인더 및 상기 필름 리와인더 측에 각각 구비되며, 상기 상하측 전극필름 원단과 상기 상하측 전극필름의 주행방향을 전환하면서 상기 애노드 전극층과 캐소드 전극층의 위치를 정렬하는 위치 정렬유닛을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치는, 상기 필름 리와인더 측에서 상기 이송경로의 상하 측에 각각 설치되며, 상기 상측 전극필름과 애노드 전극층, 그리고 상기 하측 전극필름과 캐소드 전극층을 각각 분리하는 이형 블레이드를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치는, 상기 구동 접합 롤 및 피동 접합 롤에 의해 상기 전해질막 원단의 상하 면에 애노드 전극층 및 캐소드 전극층이 각각 전사된 막-전극 어셈블리의 원단을 상기 이송경로의 끝 단 측에서 감는 전극막 리와인더를 더 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치는, ⅰ)애노드 및 캐소드 전극층이 상하측 전극필름 각각에 소정 간격을 두고 연속적으로 도포된 상하측 전극필름 원단을 설정된 이송경로로 각각 공급하는 전극필름 원단 언와인더와, ⅱ)상기 이송경로를 따라 전해질막 원단을 상기 상하측 전극필름 원단 사이로 공급하는 전해질막 원단 언와인더와, ⅲ)상기 이송경로의 상측에서 제1 구동원에 의해 일측 방향으로 구동 회전 가능하게 설치되며, 외주 면에 음각부와 양각부를 연속적으로 형성하고 있는 구동 접합 롤과, ⅳ)상기 구동 접합 롤의 하측에서 제2 구동원에 의해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 전해질막 원단과 상하측 전극필름 원단을 사이에 두고 상기 구동 접합 롤에 밀착되며 다른 일측 방향으로 피동 회전하는 피동 접합 롤과, ⅴ)상기 구동 접합 롤과 피동 접합 롤의 후방 측에서 상기 이송경로의 상하 측에 설치되며, 상기 상하측 전극필름을 각각 감아서 회수하는 필름 리와인더와, ⅵ)상기 전극필름 원단 언와인더 측의 전극필름 원단 공급경로에 설치되며, 제3 및 제4 구동원에 의하여 상기 전극필름 원단 공급경로를 따른 상기 상하측 전극필름 원단의 주행방향을 선택적으로 전환하는 제1 방향전환 롤 세트와, ⅶ)상기 필름 리와인더 측의 전극필름 회수경로에 설치되며, 제5 및 제6 구동원에 의하여 상기 전극필름 회수경로를 따른 상기 상하측 전극필름의 주행방향을 선택적으로 전환하는 제2 방향전환 롤 세트와, ⅷ)상기 구동 접합 롤 및 피동 접합 롤의 전방 측에 설치되며, 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치를 감지하는 제1 위치센서와, ⅸ)상기 구동 접합 롤 측에 설치되며, 상기 양각부의 에지 위치를 감지하는 제2 위치센서와, ⅹ)상기 제1 및 제2 위치센서로부터 제공받은 감지신호를 분석하여 상기 양각부의 에지 위치, 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치에 따라 상기 제1 내지 제6 구동원의 구동을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치는, 상기 필름 리와인더 측에서 상기 이송경로의 상하 측에 각각 설치되며, 상기 상측 전극필름과 애노드 전극층, 그리고 상기 하측 전극필름과 캐소드 전극층을 각각 분리하는 이형 블레이드를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치는, 상기 구동 접합 롤 및 피동 접합 롤에 의해 상기 전해질막 원단의 상하 면에 애노드 전극층 및 캐소드 전극층이 각각 전사된 막-전극 어셈블리의 원단을 상기 이송경로의 끝 단 측에서 감는 전극막 리와인더를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치는, 상기 이형 블레이드와 상기 전극막 리와인더 사이에 구비되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단의 역 주행길이를 보상하는 버퍼부를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 위치센서는 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지와 상기 양각부의 에지를 동시에 각각 비전 촬영하며 그 비전 데이터를 상기 제어기로 출력하는 비전 센서를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제1 구동원은 서보 모터를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제2 구동원은 구동 실린더를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제1 방향전환 롤 세트는 상기 공급경로를 따라 주행하는 상기 상하측 전극필름 원단과 접촉하며 자유 회전 가능하게 구비되는 제1 피동롤러와, 상기 제3 구동원에 의하여 상기 제1 피동롤러에 대해 멀어지거나 가까워지는 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되며, 제4 구동원에 의하여 상기 제1 피동롤러의 회전방향에 반대되는 방향으로 구동 회전 가능하게 설치되는 제1 구동롤러를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제3 구동원은 구동 실린더를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제4 구동원은 서보 모터를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제2 방향전환 롤 세트는 상기 회수경로를 따라 주행하는 상기 상하측 전극필름과 접촉하며 자유 회전 가능하게 구비되는 제2 피동롤러와, 상기 제5 구동원에 의하여 제2 피동롤러에 대해 멀어지거나 가까워지는 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되며, 제6 구동원에 의하여 상기 제2 피동롤러의 회전방향에 반대되는 방향으로 구동 회전 가능하게 설치되는 제2 구동롤러를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제5 구동원은 구동 실린더를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제6 구동원은 서보 모터를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 제어기는 상기 제1 위치센서의 감지신호를 분석하여 상기 양각부와 매칭될 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치 값을 검출하고, 상기 제2 위치센서의 감지신호를 분석하여 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지와 매칭될 상기 양각부의 에지 위치 값을 검출하는 신호 처리부와, 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치 값과 상기 양각부의 에지 위치 값의 위치 차이 값을 산출하는 연산부와, 상기 위치 차이 값에 따라 상기 제1 내지 제6 구동원에 제어신호를 인가하는 신호 인가부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 있어서, 상기 버퍼부는 상기 이송경로를 따른 양 방향으로 상기 막-전극 어셈블리 원단의 이송을 안내하는 한 쌍의 안내 롤러와, 상기 안내 롤러 사이에서 제7 구동원에 의하여 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단의 주행길이를 조절하는 버퍼 롤러를 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법은, 상술한 바와 같은 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치를 이용하는 것으로서, (a) 전해질막 원단을 전해질막 원단 언와인더를 통해 설정된 이송경로로 공급하는 과정과, (b) 애노드 및 캐소드 전극층이 상하측 전극필름 각각에 소정 간격을 두고 도포된 상하측 전극필름 원단을 전극필름 원단 언와인더를 통해 상기 이송경로를 따라 전해질막 원단의 상하 측으로 각각 공급하는 과정과, (c) 상기 전해질막 원단 및 상하측 전극필름 원단을 구동 접합 롤과 피동 접합 롤 사이로 통과시키며, 상하측 전극필름 원단의 애노드 및 캐소드 전극층을 상기 전해질막 원단의 상면과 하면에 각각 접합하는 과정과, (d) 상기 구동 접합 롤과 피동 접합 롤의 후방 측에서 상하측 전극필름 원단의 상하측 전극필름을 필름 리와인더를 통해 각각 회수하는 과정과, (e) 상기 구동 접합 롤과 피동 접합 롤의 전방 측에서 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치를 제1 위치센서를 통해 감지하고, 상기 구동 접합 롤의 양각부 에지 위치를 제2 위치센서를 통해 감지하는 과정과, (f) 상기 제1 및 제2 위치센서의 감지신호에 따라 상기 전극필름 원단 언와인더 측에서의 상하측 전극필름 원단 주행방향과, 상기 필름 리와인더 측에서의 상하측 전극필름 주행방향을 제1 및 제2 방향전환 롤 세트를 통해 각각 전환하면서 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 전사 위치를 정렬하는 과정을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 (a)~(d) 과정에서는 상기 피동 접합 롤을 상승시키고, 상기 구동 접합 롤을 구동 회전시키며, 상기 제1 방향전환 롤 세트의 제1 구동롤러를 제1 피동롤러로부터 이격시키고, 상기 제2 방향전환 롤 세트의 제2 구동롤러를 제2 피동롤러에 밀착시키며, 상기 제2 구동롤러를 상하측 전극필름의 회수방향으로 구동 회전시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 (a)~(d) 과정에서는 상기 필름 리와인더 측에서 이형 블레이드를 통하여 상하측 전극필름 원단의 상하측 전극필름과 애노드 및 캐소드 전극층을 각각 분리하고, 버퍼부의 버퍼 롤러를 하강시킨 상태로, 상기 전해질막 원단의 상하 면에 애노드 및 캐소드 전극층이 각각 전사된 막-전극 어셈블리의 원단을 정 방향으로 이송시키며, 전극막 리와인더를 통해 감아 낼 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 (f) 과정에서는 상기 제1 위치센서의 감지신호를 제어기를 통해 분석하여 상기 양각부의 에지와 매칭될 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치 값을 검출하고, 상기 제2 위치센서의 감지신호를 제어기를 통해 분석하여 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지와 매칭될 상기 양각부의 에지 위치 값을 검출하며, 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치 값과 상기 양각부의 에지 위치 값의 위치 차이 값을 산출할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법은, 상기 제어기에 의하여 상기 위치 차이 값이 기 설정된 기준 값을 만족하는 것으로 판단되면, 상기 (a)~(d) 과정을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법은, 상기 제어기에 의하여 상기 위치 차이 값이 기 설정된 기준 값을 만족하지 않는 것으로 판단되면, 전극 위치 정렬 모드로서 상기 (a)~(d) 과정을 수행하는데, 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층을 선행하고 있는 애노드 및 캐소드 전극층을 상기 구동 접합 롤 및 피동 접합 롤을 통해 전해질막 원단의 상하 면에 접합하고, 상기 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층 사이의 무지부가 상기 구동 접합 롤의 양각부 에지에 위치하는 순간 원단 이송을 정지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 전극 위치 정렬 모드에서는 원단 이송 정지 이후, 상기 피동 접합 롤을 하강시키고, 상기 제1 방향전환 롤 세트의 제1 구동롤러를 제1 피동롤러로부터 이격시키며, 상기 제2 방향전환 롤 세트의 제2 구동롤러를 제2 피동롤러에 밀착시키고, 상기 제2 구동롤러를 상하측 전극필름의 회수방향으로 구동 회전시키며, 상하측 전극필름 원단을 상기 전극필름 원단 언와인더 및 필름 리와인더를 통해 이송경로를 따라 정 방향으로 이송시키고, 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층을 이형 블레이드 측으로 이송시키며, 상기 전해질막 원단에 접합된 애노드 및 캐소드 전극층으로부터 상하측 전극필름을 상기 이형 블레이드를 통해 분리할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 전극 위치 정렬 모드에서는 상하측 전극필름 분리 이후, 상기 제1 방향전환 롤 세트의 제1 구동롤러를 제1 피동롤러에 밀착시키고, 상기 제1 구동롤러를 상하측 전극필름 원단의 공급 반대방향으로 회전시키며, 상하측 전극필름 원단을 공급 반대방향으로 역 주행시키고, 상기 제2 방향전환 롤 세트의 제2 구동롤러를 제2 피동롤러로부터 이격시키며, 상하측 전극필름을 회수 반대방향으로 역 주행시키고, 버퍼부의 버퍼 롤러를 상측 방향으로 이동시키며, 상하 면에 애노드 및 캐소드 전극층이 전사된 전해질막 원단을 역 방향으로 이송시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 있어서, 상기 전극 위치 정렬 모드에서는 상기 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층을 상기 구동 접합 롤 및 피동 접합 롤의 전방 측에 위치시키고, 상기 전해질막 원단에 접합된 애노드 및 캐소드 전극층을 상기 구동 접합 롤 및 피동 접합 롤 사이에 위치시키며, 상기 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층을 설정된 정합 위치로 정렬하고, 상기 무지부의 구간만큼 상기 구동 접합 롤을 역 방향으로 구동 회전시키며 상기 양각부를 설정된 정합 위치로 정렬하고, 상기 제1 및 제2 위치센서를 통해 상기 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층과 상기 양각부의 위치를 재 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 애노드 및 캐소드 전극층의 전사 위치를 자동으로 정렬하며 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있으므로, 애노드 및 캐소드 전극층의 전사 균일도를 향상시킬 수 있고, 막-전극 어셈블리의 양호한 품질을 확보할 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 제조장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 적용되는 제1 방향전환 롤 세트를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치에 적용되는 제2 방향전환 롤 세트를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 설명하기 위한 플로우-차트이다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조장치의 작동 및 그 제조장치를 이용한 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 설명하기 위한 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 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 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조장치(100)는 연료전지의 핵심 부품으로서, 전해질막(3)의 양면에 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)이 접합된 막-전극 어셈블리(1)(당 업계에서는 "전극막" 이라고도 한다)의 원단을 제조하기 위한 것이다.

예를 들면, 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조장치(100)는 도면을 기준 할 때, 전해질막(3)의 상면에 애노드 전극층(5)을 설정된 간격으로 접합하고, 그 애노드 전극층(5)에 대응하여 전해질막(3)의 하면에 캐소드 전극층(7)을 설정된 간격으로 접합하며, 막-전극 어셈블리(1)의 원단을 제조할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조장치(100)는 롤투롤 방식으로서 막-전극 어셈블리(1)의 원단을 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 라미네이팅 방식 및 데칼 방식으로 전해질막(3)의 상면에 애노드 전극층(5)을 전사시켜 접합하고, 전해질막(3)의 하면에 캐소드 전극층(7)을 전사시켜 접합하며, 3-레이어의 구조를 갖는 막-전극 어셈블리(1)의 원단을 제조할 수 있다.

더 나아가, 본 장치(100)는 상기와 같이 제조된 막-전극 어셈블리(1)의 원단을 롤 형상으로 감는 구조를 포함하고 있다. 그리고, 본 발명의 실시 예에서는 도면에 도시하지는 않았지만, 상기한 바와 같이 롤 형태로 감긴 막-전극 어셈블리(1)의 원단을 풀어내고, 그 막-전극 어셈블리(1)의 원단을 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)을 포함하는 단위 형태로 컷팅하며, 최종적인 연료전지 부품으로서의 막-전극 어셈블리 부품을 제조할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)는 기본적으로, 전극필름 원단 언와인더(10), 전해질막 원단 언와인더(20), 구동 접합 롤(30), 피동 접합 롤(40), 이형 블레이드(50), 필름 리와인더(60), 그리고 전극막 리와인더(70)를 포함하고 있다.

이와 같은 각각의 구성 요소 및 뒤에서 설명될 다른 구성 요소들은 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.

이하에서는 구성 요소들의 장착 위치를 기준(도면 기준)으로, 상측을 향하는 부분을 상부, 상단, 상면 및 상단 부로 정의하며, 하측을 향하는 부분을 하부, 하단, 하면 및 하단 부로 정의하기로 한다.

더 나아가, 하기에서의 단(한쪽/일측 단 또는 다른 한쪽/일측 단)은 어느 한쪽의 끝으로 정의될 수 있고, 그 끝을 포함하는 일정 부분(한쪽/일측 단부 또는 다른 한쪽/일측 단부)으로 정의될 수도 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 전극필름 원단 언와인더(10)는 롤 형태로 감긴 상측 전극필름 원단(2)과, 롤 형태로 감긴 하측 전극필름 원단(4)을 설정된 이송경로를 따라 각각 공급하기 위한 것이다.

여기서, 상기 상측 전극필름 원단(2)은 도면을 기준으로 할 때, 상측 전극필름(6)의 하면에 애노드 전극층(5)이 연속적으로 도포된 것이다. 그리고 상기 하측 전극필름 원단(4)은 도면을 기준으로 할 때, 하측 전극필름(8)의 상면에 캐소드 전극층(7)이 소정 간격을 두고 도포된 것이다. 더 나아가, 상기 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 간격에 해당하는 구간은 본 발명의 실시 예에서 무지부(5a, 7a)로 정의할 수 있다.

상기 전극필름 원단 언와인더(10)는 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 회전 가능하게 설치된다. 이러한 전극필름 원단 언와인더(10)는 공급경로를 따라 상하측 전극필름(6, 8)을 이송경로로 공급할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 전해질막 원단 언와인더(20)는 도면을 기준할 때, 롤 형태로 감긴 전해질막 원단(9)을 이송경로를 따라 상측 전극필름 원단(2)의 애노드 전극층(5) 및 하측 전극필름 원단(4)의 캐소드 전극층(7) 사이로 공급하기 위한 것이다.

상기 전해질막 원단 언와인더(20)는 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 회전 가능하게 설치된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 구동 접합 롤(30)은 전해질막 원단(9) 및 상하측 전극필름 원단(2, 4)의 이송경로 상측에 제1 구동원(31)을 통해 일측 방향(예를 들면, 반 시계 방향)으로 회전 가능하게 설치된다.

여기서, 상기 구동 접합 롤(30)은 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 구동 회전 가능하게 설치된다. 더 나아가, 상기 구동 접합 롤(30)은 일측 방향으로만 회전하는 것에 한정되지 않고, 양측 방향으로도 회전될 수 있다.

상기한 제1 구동원(31)은 구동 접합 롤(30)을 회전시키는 구동력을 그 구동 접합 롤(30)에 인가하는 것으로서, 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 설치된다. 예를 들면, 상기 제1 구동원(31)은 회전 방향 및 속도의 서보 제어가 가능한 공지 기술의 서보 모터(33)를 포함할 수 있다.

더 나아가, 상기 구동 접합 롤(30)은 외주 면에 그 외주를 따라 음각부(35)와 양각부(37)를 연속적으로 형성하고 있다. 상기 음각부(35)는 구동 접합 롤(30)의 외주 면에 그 외주를 따라 설정된 간격으로 이격되게 형성되며, 양각부(37)는 음각부(35)들 사이에 형성된다.

여기서, 상기 음각부(35)는 하측 전극필름 원단(4)에서 캐소드 전극층(7) 사이의 간격에 상응하는 구간으로 형성되며, 양각부(37)는 캐소드 전극층(7)에 상응하는 구간으로 형성된다.

즉, 상기 음각부(35)는 캐소드 전극층(7) 사이의 간격에 상응하는 구간만큼 상측 전극필름 원단(2)의 애노드 전극층(5)을 압착하지 않는 부분이며, 양각부(37)는 캐소드 전극층(7)에 상응하는 구간만큼 상측 전극필름 원단(2)의 애노드 전극층(5)을 압착하는 부분이다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 피동 접합 롤(40)은 구동 접합 롤(30)의 하측에서 제2 구동원(41)을 통해 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다. 여기서, 상기 피동 접합 롤(40)은 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다.

상기 피동 접합 롤(40)은 전해질막 원단(9) 및 상하측 전극필름 원단(2, 4)을 사이에 두고 구동 접합 롤(30)에 밀착되면서 그 구동 접합 롤(30)의 구동 회전에 의해 다른 일측 방향(예를 들면, 시계 방향)으로 피동 회전될 수 있다. 상기 피동 접합 롤(40)은 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 피동 회전 가능하게 설치된다.

상기한 제2 구동원(41)은 피동 접합 롤(40)을 상하 방향으로 왕복 이동시키는 구동력을 그 피동 접합 롤(40)에 인가하는 것으로서, 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 설치된다.

예를 들면, 상기 제2 구동원(41)은 피동 접합 롤(40)에 상하 방향으로의 전후진 작동력을 제공하는 공지 기술의 구동 실린더(43)를 포함할 수 있다. 상기 구동 실린더(43)는 설정된 스트로크로 상하 방향을 따라 전후진 작동하며, 피동 접합 롤(40)을 상하 방향으로 왕복 이동시킬 수 있다.

상기에서와 같은 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)은 이들 사이로 전해질막 원단(9) 및 상하측 전극필름 원단(2, 4)을 통과시키며 압착하고, 상측 전극필름(6)의 애노드 전극층(5)과 하측 전극필름(8)의 캐소드 전극층(7)을 전해질막 원단(9)의 상하 면에 롤 라미네이팅 및 데칼 방식으로 전사할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 이형 블레이드(50)는 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)의 후방 측에서 상측 전극필름 원단(2)의 상측 전극필름(6)과 애노드 전극층(5), 그리고 하측 전극필름 원단(4)의 하측 전극필름(8)과 캐소드 전극층(7)을 각각 분리하기 위한 것이다.

상기 이형 블레이드(50)는 딜라미네이션 블레이드(delamination blade)로 구비되며, 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)의 후방 측에서 이송경로의 상하 측에 각각 설치된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 필름 리와인더(60)는 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)의 후방 측에서 이형 블레이드(50)에 의해 분리된 상측 전극필름(6)과 하측 전극필름(8)을 회수하기 위한 것이다.

상기 필름 리와인더(60)는 상측 전극필름(6)과 하측 전극필름(8)을 회수하며 감을 수 있도록 이형 블레이드(50) 측에서 이송경로의 상하 측에 각각 설치된다. 상기 필름 리와인더(60)는 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 회전 가능하게 설치된다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 전극막 리와인더(70)는 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)에 의해 전해질막 원단(9)의 상하 면에 애노드 전극층(5) 및 캐소드 전극층(7)이 각각 전사된 막-전극 어셈블리(1)의 원단을 이송경로의 끝 단 측에서 감는 것으로, 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 회전 가능하게 설치된다.

따라서, 상술한 바와 같은 기본적인 구성을 갖는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)에 의하면, 우선 본 발명의 실시 예에서는 전해질막 원단(9)을 전해질막 원단 언와인더(20)를 통해 설정된 이송경로로 공급한다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서는 롤 형태로 감긴 상측 전극필름 원단(2)과 하측 전극필름 원단(4)을 전극필름 원단 언와인더(10)를 통해 각각 풀어내며, 공급경로를 통해 전해질막 원단(9)을 사이에 두고 이송경로로 공급한다.

여기서, 상기 상측 전극필름 원단(2)은 전해질막 원단(9)의 상측에 위치하고, 하측 전극필름 원단(4)은 전해질막 원단(9)의 하측에 위치한다. 그리고, 상기 상측 전극필름 원단(2)의 상측 전극필름(6) 하면에는 애노드 전극층(5)이 소정 간격을 두고 연속적으로 도포되어 있으며, 하측 전극필름 원단(4)의 하측 전극필름(8) 상면에는 캐소드 전극층(7)이 소정 간격을 두고 연속적으로 도포되어 있다.

이러는 과정에, 구동 접합 롤(30)은 제1 구동원(31)에 의해 반 시계 방향을 따라 설정된 회전 속도로 회전하며, 피동 접합 롤(40)은 제2 구동원(41)에 의해 상측 방향으로 이동된 상태에 있다.

이 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 전해질막 원단(9)과, 그 전해질막 원단(9)을 사이에 두고 있는 상측 전극필름 원단(2)과 하측 전극필름 원단(4)이 구동 접합 롤(30)과 피동 접합 롤(40) 사이로 진입하게 된다.

그러면, 상기 구동 접합 롤(30)이 반 시계 방향으로 구동 회전함에 따라, 피동 접합 롤(40)은 전해질막 원단(9)과 상하측 전극필름 원단(2, 4)을 사이에 두고 구동 접합 롤(30)에 밀착되면서 시계 방향으로 피동 회전하게 된다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)을 통해 전해질막 원단(9)과 상하측 전극필름 원단(2, 4)을 압착하면서, 상측 전극필름 원단(2)의 애노드 전극층(5)을 전해질막 원단(9)의 상면에 접합하고, 하측 전극필름 원단(4)의 캐소드 전극층(7)을 전해질막 원단(9)의 하면에 접합한다.

즉, 본 발명의 실시 예에서는 상기 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)을 통해 상측 전극필름 원단(2)의 애노드 전극층(5)과 하측 전극필름 원단(4)의 캐소드 전극층(7)을 전해질막 원단(9)의 상하 면에 롤 라미네이팅 및 데칼 방식으로 각각 전사하며, 그 애노드 전극층(5)과 캐소드 전극층(7)을 전해질막 원단(9)의 상하 면에 각각 접합한다.

여기서, 상기 구동 접합 롤(30)의 음각부(35)는 캐소드 전극층(7) 사이의 간격에 상응하는 구간만큼 상측 전극필름 원단(2)의 애노드 전극층(5)을 압착하지 않고, 양각부(37)는 캐소드 전극층(7)에 상응하는 구간만큼 상측 전극필름 원단(2)의 애노드 전극층(5)을 압착하며, 전해질막 원단(9)의 상면에 전사한다.

이와 같은 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)의 후방 측에서 이형 블레이드(50)를 통해 상하측 전극필름 원단(2, 4)으로부터 상측 전극필름(6)과 하측 전극필름(8)을 각각 분리한다. 상기와 같이 분리된 상측 전극필름(6)과 하측 전극필름(8)은 필름 리와인더(60)에 회수경로를 통해 감기며 회수된다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서는 상기 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)에 의해 전해질막 원단(9)의 상하 면에 애노드 전극층(5) 및 캐소드 전극층(7)이 각각 접합된 막-전극 어셈블리(1)의 원단을 이송경로의 끝 단 측에서 전극막 리와인더(70)에 감는다.

한편, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)에서는 이송경로를 따라 이송되는 상하측 전극필름 원단(2, 4)의 피딩 속도차, 상하측 전극필름 원단(2, 4)의 상하측 전극필름(6, 8)에 도포된 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7) 간 피치(간격) 산포 등에 의해 전해질막 원단(9)에 대한 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 전사 위치를 정확히 일치시키는데 어려움이 따를 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 전해질막 원단(9)의 상하 면에 대한 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 전사 위치를 간단한 구성으로 자동 정렬할 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)는 위치 정렬유닛(110), 버퍼부(140), 제1 위치센서(150), 제2 위치센서(160), 그리고 제어기(170)를 더 포함하고 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 위치 정렬유닛(110)은 상하측 전극필름 원단(2, 4)과 상하측 전극필름(6, 8)의 주행방향을 전환하면서 애노드 전극층(5)과 캐소드 전극층(7)의 위치를 정렬하기 위한 것이다. 상기 위치 정렬유닛(110)은 전극필름 원단 언와인더(10) 및 필름 리와인더(60) 측에 각각 구비된다.

이하에서는 전해질막 원단(9)에 접합될 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)이 서로 일치(매칭)되게 위치하는 것을 정합이라 하고, 서로 일치되지 않게 위치하는 것을 부 정합이라고 한다.

즉, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 위치 정렬유닛(110)은 이송경로를 따라 이송되는 상하측 전극필름 원단(2, 4)에서의 애노드 전극층(5) 및 캐소드 전극층(7)의 위치가 부 정합 위치인 경우, 애노드 전극층(5) 및 캐소드 전극층(7)의 위치를 정합 위치로 보정(정렬)하기 위한 것이다.

이러한 위치 정렬유닛(110)은 본 발명의 실시 예에서 제1 방향전환 롤 세트(120)와 제2 방향전환 롤 세트(130)를 포함한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 방향전환 롤 세트(120)는 전극필름 원단 언와인더(10) 측에서 상하측 전극필름 원단(2, 4)을 이송경로를 공급하기 위한 공급경로에 설치된다.

상기 제1 방향전환 롤 세트(120)는 제3 및 제4 구동원(123, 124)에 의하여 공급경로를 따른 상하측 전극필름 원단(2, 4)의 주행방향을 선택적으로 전환할 수 있다.

이러한 제1 방향전환 롤 세트(120)는 제1 피동롤러(121)와 제1 구동롤러(122)를 포함한다. 상기 제1 피동롤러(121) 및 제1 구동롤러(122)는 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 회전 가능하게 설치된다. 상기 제1 피동롤러(121)는 공급경로를 따라 주행하는 상하측 전극필름 원단(2, 4)과 접촉하며 자유(피동) 회전 가능하게 구비된다.

상기 제1 구동롤러(122)는 제3 구동원(123)에 의하여 제1 피동롤러(121)에 대해 멀어지거나 가까워지는 방향으로 왕복 이동 가능하게 구비된다. 그리고, 상기 제1 구동롤러(122)는 제4 구동원(124)에 의하여 제1 피동롤러(121)의 회전방향에 반대되는 방향으로 구동 회전 가능하게 구비된다. 즉, 상기 제1 구동롤러(122)는 제4 구동원(124)에 의하여 상하측 전극필름 원단(2, 4)의 공급 반대방향으로 구동 회전 가능하게 구비된다.

여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 구동롤러(122)는 제3 구동원(123)을 통하여 제1 피동롤러(121)에 대해 멀어지는 방향으로 이동될 수 있다. 이 경우 상기 제1 구동롤러(122)는 제4 구동원(124)을 통하여 구동력을 제공받지 않고, 제1 피동롤러(121)는 상하측 전극필름 원단(2, 4)과 접촉하며 그 상하측 전극필름 원단(2, 4)의 공급방향으로 피동 회전한다.

그리고, 상기 제1 구동롤러(122)는 제3 구동원(123)을 통하여 제1 피동롤러(121)에 대해 가까워지는 방향으로 이동될 수 있다. 이 경우 상기 제1 구동롤러(122)는 제4 구동원(124)을 통하여 구동력을 제공받아 구동 회전하게 된다. 이러한 제1 구동롤러(122)는 제1 피동롤러(121)에 밀착되며 그 제1 피동롤러(121)와 서로 반대방향(상하측 전극필름 원단(2, 4)의 공급 반대방향)으로 회전하면서 상하측 전극필름 원단(2, 4)을 그 상하측 전극필름 원단(2, 4)의 공급 반대방향으로 역 주행시킬 수 있다.

상기한 바와 같은 제3 구동원(123)은 제1 구동롤러(122)와 연결되며 그 제1 구동롤러(122)에 제1 피동롤러(121) 방향으로 전후진 작동력을 제공하는 공지 기술의 구동 실린더(123a)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 제4 구동원(124)은 회전 방향 및 속도의 서보 제어가 가능한 공지 기술의 서보 모터(124a)를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제2 방향전환 롤 세트(130)는 필름 리와인더(60) 측에서 이형 블레이드(50)에 의해 상하측 전극필름 원단(2, 4)으로부터 분리된 상하측 전극필름(6, 8)을 회수하기 위한 회수경로에 설치된다.

상기 제2 방향전환 롤 세트(130)는 제5 및 제6 구동원(135, 136)에 의하여 회수경로를 따른 상하측 전극필름(6, 8)의 주행방향을 선택적으로 전환할 수 있다.

이러한 제2 방향전환 롤 세트(130)는 제2 피동롤러(131)와 제2 구동롤러(132)를 포함한다. 상기 제2 피동롤러(131) 및 제2 구동롤러(132)는 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 회전 가능하게 설치된다. 상기 제2 피동롤러(131)는 회수경로를 따라 주행하는 상하측 전극필름(6, 8)과 접촉하며 자유(피동) 회전 가능하게 구비된다.

상기 제2 구동롤러(132)는 제5 구동원(135)에 의하여 제2 피동롤러(131)에 대해 멀어지거나 가까워지는 방향으로 왕복 이동 가능하게 구비된다. 그리고, 상기 제2 구동롤러(132)는 제6 구동원(136)에 의하여 제2 피동롤러(131)의 회전방향에 반대되는 방향으로 구동 회전 가능하게 구비된다. 즉, 상기 제2 구동롤러(132)는 제6 구동원(136)에 의하여 상하측 전극필름(6, 8)의 회수방향으로 구동 회전 가능하게 구비된다.

여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제2 구동롤러(132)는 제5 구동원(135)에 의하여 제2 피동롤러(131)에 대해 가까워지는 방향으로 이동될 수 있다. 이 경우 상기 제2 구동롤러(132)는 제6 구동원(136)을 통하여 구동력을 제공받아 구동 회전하게 된다. 이러한 제2 구동롤러(132)는 제2 피동롤러(131)에 밀착되며 그 제2 피동롤러(131)와 서로 반대방향(상하측 전극필름(6, 8)의 회수방향)으로 회전하면서 상하측 전극필름(6, 8)을 회수할 수 있다.

그리고, 상기 제2 구동롤러(132)는 제5 구동원(135)에 의하여 제2 피동롤러(131)에 대해 멀어지는 방향으로 이동될 수 있다. 이 경우 상기 제2 구동롤러(132)는 제6 구동원(136)을 통하여 구동력을 제공받지 않고, 제2 피동롤러(131)는 회수 반대방향으로 주행하는 상하측 전극필름(6, 8)과 접촉하며 그 상하측 전극필름(6, 8)의 회수 반대방향으로 피동 회전할 수 있다.

상기한 바와 같은 제5 구동원(135)은 제2 구동롤러(132)와 연결되며 그 제2 구동롤러(132)에 제2 피동롤러(131) 방향으로 전후진 작동력을 제공하는 공지 기술의 구동 실린더(135a)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 제6 구동원(136)은 회전 방향 및 속도의 서보 제어가 가능한 공지 기술의 서보 모터(136a)를 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 버퍼부(140)는 위에서 언급한 바 있는 막-전극 어셈블리(1) 원단의 역 주행길이를 보상하기 위한 것이다. 즉, 상기 버퍼부(140)는 막-전극 어셈블리(1)의 원단이 이송경로를 따라 역 주행할 때, 전극막 리와인더(70)의 원단 언와인딩을 방지하기 위한 것이다.

상기 버퍼부(140)는 이송경로 상에서 이형 블레이드(50)와 전극막 리와인더(70) 사이에 구비된다. 이러한 버퍼부(140)는 안내 롤러(141)와 버퍼 롤러(143)를 포함한다.

상기 안내 롤러(141)는 이송경로 상에 한 쌍으로 회전 가능하게 설치된다. 상기 안내 롤러(141)들은 이송경로를 따른 양 방향으로 막-전극 어셈블리(1) 원단의 이송을 안내한다. 상기 안내 롤러(141)는 막-전극 어셈블리(1)의 원단과 접촉하며 그 막-전극 어셈블리(1) 원단의 장력에 의해 회전될 수 있다.

그리고, 상기 버퍼 롤러(143)는 막-전극 어셈블리(1) 원단의 주행길이를 조절하기 위한 것으로서, 안내 롤러(141) 사이에서 제7 구동원(147)에 의하여 상하 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 상기 버퍼 롤러(143)는 막-전극 어셈블리(1)의 원단과 접촉하며 그 막-전극 어셈블리(1) 원단의 장력에 의해 회전될 수 있다.

여기서, 상기 제7 구동원(147)은 버퍼 롤러(143)와 연결되며 그 버퍼 롤러(143)에 상하 방향으로의 전후진 작동력을 제공하는 공지 기술의 구동 실린더를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제1 위치센서(150)는 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)의 전방 측에서 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 설치된다. 상기 제1 위치센서(150)는 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)의 전방 측에서 이송경로를 사이에 두고 이의 상하 측에 각각 설치된다.

상기 제1 위치센서(150)는 전극필름 원단 언와인더(10)를 통해 이송경로를 따라 공급되는 상하측 전극필름 원단(2, 4)의 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지 위치를 각각 감지하며 그 감지 신호를 제어기(170)로 출력한다.

예를 들면, 상기 제1 위치센서(150)는 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지를 비전 촬영하며 그 비전 데이터를 제어기(170)로 출력하는 공지 기술의 비전 센서(151)를 포함한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제2 위치센서(160)는 구동 접합 롤(30)의 전방 측에서 롤투롤 피딩 설비의 메인 프레임에 설치된다. 상기 제2 위치센서(160)는 구동 접합 롤(30)의 양각부(37)의 에지 위치를 감지하며 그 감지 신호를 제어기(170)로 출력한다.

예를 들면, 상기 제2 위치센서(160)는 양각부(37)의 에지를 비전 촬영하며 그 비전 데이터를 제어기(170)로 출력하는 공지 기술의 비전 센서(161)를 포함한다.

나아가, 상기에서와 같은 제1 및 제2 위치센서(150, 160)는 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지 및 양각부(37)의 에지를 동시에 각각 비전 촬영하는데, 제어기(170)를 통해 비전 촬영의 작동이 제어될 수 있다.

더 나아가, 상기 제1 위치센서(150) 측에는 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)과 위에서 언급한 바 있는 무지부(5a, 7a)의 컬러를 감지하고 그 감지신호를 제어기(170)로 출력하는 컬러 센서가 설치될 수도 있다.

한편, 상기에서와 같은 제어기(170)는 본 장치(100)의 전반적인 운용을 제어하는 컨트롤러로서, 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 제어 프로세서로 구현될 수 있으며, 본 발명의 예시적인 실시 예에 따른 내용을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 제어기(170)는 제1 및 제2 위치센서(150, 160)로부터 제공받은 감지신호를 분석하여 양각부(37)의 에지 위치, 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지 위치에 따라 제1 내지 제7 구동원(31, 41, 123, 124, 135, 136, 147)의 구동을 제어할 수 있다.

이와 같은 제어기(170)는 신호 처리부(171), 연산부(173) 및 신호 인가부(175)를 포함하고 있다.

상기 신호 처리부(171)는 제1 위치센서(150)의 감지신호를 분석하여 양각부(37)와 매칭될 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지 위치 값을 검출한다. 그리고, 상기 신호 처리부(171)는 제2 위치센서(160)의 감지신호를 분석하여 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지와 매칭될 양각부(37)의 에지 위치 값을 검출한다.

상기 연산부(173)는 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지 위치 값과 양각부(37)의 에지 위치 값의 위치 차이 값을 산출한다. 상기 신호 인가부(175)는 위치 차이 값에 따라 제1 내지 제7 구동원(31, 41, 123, 124, 135, 136, 147)에 제어신호를 인가한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치(100)의 작동 및 그 제조장치(100)를 이용한 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 설명하기 위한 플로우-차트이고, 도 5 내지 도 10는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조장치의 작동 및 그 제조장치를 이용한 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 1, 도 4 및 도 5를 참조하면, 우선 본 발명의 실시 예에서는 기본적으로, 롤 형태로 감겨 있는 전해질막 원단(9)을 전해질막 원단 언와인더(20)를 통해 설정된 이송경로로 공급한다(S11).

이와 동시에, 본 발명의 실시 예에서는 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)이 상하측 전극필름(6, 8) 각각에 소정 간격을 두고 연속적으로 도포되어 있는 상하측 전극필름 원단(2, 4)을 전극필름 원단 언와인더(10)를 통해 이송경로를 따라 전해질막 원단(9)의 상하 측으로 각각 공급한다(S12).

여기서, 피동 접합 롤(40)은 제2 구동원(41)에 의해 상승된 상태에 있으며, 구동 접합 롤(30)은 제1 구동원(31)에 의해 구동 회전하는 상태에 있다. 상기 구동 접합 롤(30)과 피동 접합 롤(40)은 원단 이송방향을 따라 서로 반대방향으로 회전하는데, 피동 접합 롤(40)은 구동 접합 롤(30)에 의해 피동 회전한다.

나아가, 제1 방향전환 롤 세트(120)의 제1 구동롤러(122)는 제3 구동원(123)에 의하여 제1 피동롤러(121)로부터 이격된 상태에 있다. 그리고 제2 방향전환 롤 세트(130)의 제2 구동롤러(132)는 제5 구동원(135)에 의하여 제2 피동롤러(131)에 밀착하며, 제6 구동원(136)에 의하여 상하측 전극필름(6, 8)의 회수방향으로 구동 회전하는 상태에 있다. 더 나아가, 버퍼부(140)의 버퍼 롤러(143)는 제7 구동원(147)에 의하여 하측 방향으로 이동된 상태에 있다.

이와 같은 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 전해질막 원단(9) 및 상하측 전극필름 원단(2, 4)을 구동 접합 롤(30)과 피동 접합 롤(40) 사이로 통과시키며, 그 상하측 전극필름 원단(2, 4)의 애노드 전극층(5) 및 캐소드 전극층(7)을 전해질막 원단(9)의 상면 및 하면에 각각 전사한다(S13).

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)의 후방 측에서 이형 블레이드(50)를 통해 상하측 전극필름 원단(2, 4)으로부터 상하측 전극필름(6, 8)을 각각 분리한다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 이형 블레이드(50)에 의해 분리된 상하측 전극필름(6, 8)을 필름 리와인더(60)를 통해 회수경로를 따라 회수방향으로 주행시키며 회수한다(S14).

이때, 상기 제1 방향전환 롤 세트(120)의 제1 구동롤러(122)는 제1 피동롤러(121)로부터 이격된 상태에 있기 때문에, 상하측 전극필름 원단(2, 4)은 제1 피동롤러(121)를 통해 공급경로를 따라 이송경로로 주행한다. 그리고, 상기 제2 방향전환 롤 세트(130)의 제2 구동롤러(132)는 제2 피동롤러(131)에 밀착되면서 상하측 전극필름(6, 8)의 회수방향으로 구동 회전하고 있기 때문에, 상하측 전극필름(6, 8)은 서로 반대방향으로 회전하는 제2 피동롤러(131)와 제2 구동롤러(132) 사이를 통과하며 회수방향을 따라 주행하면서 필름 리와인더(60)에 감기며 회수된다.

상기에서와 같은 S11, S12, S13, 그리고 S14의 과정은 이미 상술한 바와 같이 기본적인 구성을 갖는 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조장치(100)의 작동 과정에서 설명한 바 있으므로 더욱 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 상기한 바와 같이 상하측 전극필름(6, 8)이 분리된 상태로, 전해질막 원단(9)의 상하 면에 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)이 전사되어 있는 막-전극 어셈블리(1)의 원단을 이송경로를 따라 정 방향으로 이송시키며 전극막 리와인더(70)에 감는다(S15).

이 과정에서는 버퍼부(140)의 안내 롤러(141)와 버퍼 롤러(143)를 통해 막-전극 어셈블리(1)의 원단을 정 방향으로 이송시키며, 전극막 리와인더(70)를 통해 막-전극 어셈블리(1)의 원단을 감을 수 있다.

여기서, 상기 버퍼부(140)의 버퍼 롤러(143)는 위에서 언급한 바와 같이, 제7 구동원(147)에 의하여 하측 방향으로 이동되어 있기 때문에, 막-전극 어셈블리(1) 원단의 주행길이(또는 버퍼길이)를 증대시키며, 안내 롤러(141)를 통해 막-전극 어셈블리(1) 원단을 전극막 리와인더(70)로 주행시킬 수 있다.

다른 한편, 본 발명의 실시 예에서는 상술한 바와 같은 과정을 거치는 동안, 구동 접합 롤(30)과 피동 접합 롤(40)의 전방 측에서 그 구동 접합 롤(30)과 피동 접합 롤(40)의 사이로 진입하고자 하는 감지 대상으로서의 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지 위치를 제1 위치센서(150)를 통해 감지하고 그 감지 신호를 제어기(170)로 출력한다. 그리고, 본 발명의 실시 예에서는 구동 접합 롤(30) 측에서 그 구동 접합 롤(30)의 양각부(37) 에지 위치를 제2 위치센서(160)를 통해 감지하고 그 감지 신호를 제어기(170)로 출력한다(S16).

여기서, 상기 제1 및 제2 위치센서(150, 160)는 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지, 그리고 양각부(37)의 에지를 동시에 비전 촬영하고 그 비전 데이터를 제어기(170)로 출력한다.

이에 따라, 상기 제어기(170)는 신호 처리부(171)를 통해 제1 위치센서(150)의 감지신호를 분석하여 양각부(37)의 에지와 매칭될 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지 위치 값을 검출한다. 그리고 상기 제어기(170)는 신호 처리부(171)를 통해 제2 위치센서(160)의 감지신호를 분석하여 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지와 매칭될 양각부(37)의 에지 위치 값을 검출한다(S17).

또한, 상기 제어기(170)는 연산부(173)를 통해 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지 위치 값과 양각부(37)의 에지 위치 값의 위치 차이 값을 산출한다(S18). 그리고 상기 제어기(170)는 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 에지 위치 값과 양각부(37)의 에지 위치 값의 위치 차이 값이 기 설정된 기준 값을 만족하는지를 판단한다(S19).

이와 같은 S19 과정에서 상기한 위치 차이 값이 기준 값을 만족하는 것으로 판단되면, 본 발명의 실시 예에서는 상술한 바와 같은 일련의 과정(S11~S15)을 수행한다.

하지만, 상기 S19 과정에서, 상기한 위치 차이 값이 기 설정된 기준 값을 만족하지 않는 것으로 판단되면, 본 발명의 실시 예에서는 전극 위치 정렬 모드로서, 우선 상술한 바와 같은 S11~S15의 과정을 수행한다.

이 과정에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기한 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)을 선행하고 있는 다른 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)을 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)을 통해 전해질막 원단(9)의 상하 면에 접합(전사)한다(S21).

이 때, 본 발명의 실시 예에서는 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7) 사이의 무지부(5a, 7a)가 구동 접합 롤(30)의 양각부(37) 에지에 위치하는 순간 원단 이송을 정지한다(S22).

그 후, 본 발명의 실시 예에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 전극 위치 정렬 모드에서, 제1 구동원(31)을 통해 구동 접합 롤(30)의 구동을 정지시키며, 제2 구동원(41)을 통해 피동 접합 롤(40)을 하강시킨다(S23).

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 제1 방향전환 롤 세트(120)의 제1 구동롤러(122)를 제3 구동원(123)에 의하여 제1 피동롤러(121)로부터 이격시키고, 제2 방향전환 롤 세트(130)의 제2 구동롤러(132)를 제5 구동원(135)에 의하여 제2 피동롤러(131)에 밀착시키며, 제2 구동롤러(132)를 제6 구동원(136)에 의하여 상하측 전극필름(6, 8)의 회수방향으로 구동 회전시키는 상태를 유지한다.

이에 따라, 본 발명의 실시 예에서는 상하측 전극필름 원단(2, 4)을 전극필름 원단 언와인더(10) 및 필름 리와인더(60)를 통해 이송경로를 따라 정 방향으로 이송시키며, 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)을 이형 블레이드(50) 측으로 이송시킨다. 이때, 상하측 전극필름 원단(2, 4)은 제1 피동롤러(121)를 통해 공급경로를 따라 이송경로로 주행한다.

그 후, 본 발명의 실시 예에서는 전해질막 원단(9)에 접합된 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)으로부터 상하측 전극필름(6, 8)을 이형 블레이드(50)를 통해 분리한다(S24).

상기와 같이 분리된 상하측 전극필름(6, 8)은 서로 반대방향으로 회전하는 제2 피동롤러(131)와 제2 구동롤러(132) 사이를 통과하며 회수경로를 따라 회수방향으로 주행하면서 필름 리와인더(60)에 감기며 회수된다.

이러한 과정을 거친 후, 본 발명의 실시 예에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 방향전환 롤 세트(120)의 제1 구동롤러(122)를 제3 구동원(123)을 통해 제1 피동롤러(121)에 밀착시키고, 제1 구동롤러(122)를 제4 구동원(124)을 통해 상하측 전극필름 원단(2, 4)의 공급 반대방향으로 구동 회전시킨다. 그러면, 상기 제1 피동롤러(121)와 제1 구동롤러(122)는 서로 반대방향으로 회전하면서 상하측 전극필름 원단(2, 4)을 그 상하측 전극필름 원단(2, 4)의 공급 반대방향으로 역 주행시킨다.

이와 동시에, 본 발명의 실시 예에서는 제2 방향전환 롤 세트(130)의 제2 구동롤러(132)를 제5 구동원(135)을 통해 제2 피동롤러(131)로부터 이격시킨다. 그러면, 본 발명의 실시 예에서는 필름 리와인더(60)에 감긴 상하측 전극필름(6, 8)을 풀어내며 그 상하측 전극필름(6, 8)을 제2 피동롤러(131)를 통해 회수경로를 따라 회수 반대방향으로 역 주행시킨다(S25).

상기한 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 버퍼부(140)의 제7 구동원(147)을 통해 버퍼 롤러(143)를 상측 방향으로 이동시키며, 상하 면에 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)이 전사된 전해질막 원단(9)을 안내 롤러(141)를 통해 역 방향으로 이송시킨다.

여기서, 상기와 같이 버퍼 롤러(143)를 하측에서 상측 방향으로 이동시킴에 따라, 본 발명의 실시 예에서는 막-전극 어셈블리(1) 원단의 역 방향 주행길이를 보상함으로써, 전극막 리와인더(70)의 원단 언와인딩을 방지하며, 막-전극 어셈블리(1) 원단을 안내 롤러(141)를 통해 역 주행시킬 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 실시 예에서는 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)을 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)의 전방 측(원래의 위치)에 위치시키고, 전해질막 원단(9)에 접합된 다른 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)을 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40) 사이에 위치시킨다.

이 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 도 9에 도시된 바와 같이, 위치 차이 값에 상응하는 만큼 상하측 전극필름 원단(2, 4)의 역 주행을 통해 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)을 설정된 정합 위치로 정렬한다. 이와 동시에, 본 발명의 실시 예에서는 무지부(5a, 7a)의 구간만큼 구동 접합 롤(30)을 역 방향으로 구동 회전시키며 그 구동 접합 롤(30)의 양각부(37)를 설정된 정합 위치로 정렬한다(S26).

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 제1 및 제2 위치센서(150, 160)를 통해 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)과 양각부(37)의 위치를 재 감지하고 그 감지 신호를 제어기(170)로 출력한다(S27).

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 위에서 언급한 바와 같이 위치 차이 값이 기 설정된 기준 값을 만족하는 것으로 판단되면(S28), 도 10에 도시된 바와 같이, 상하측 전극필름 원단(2, 4)과, 전해질막 원단(9)을 정 방향으로 이송시키며, 정합 위치로 정렬된 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)을 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40) 사이에 위치시킨다.

이는 전해질막 원단(9)에 접합되어 있는 다른 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)이 구동 접합 롤(30) 및 피동 접합 롤(40)에 의하여 중복 압착되지 않게 하기 위함이다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 하강되어 있는 피동 접합 롤(40)을 상승시키는 등 상술한 바와 같은 S11~S15의 과정을 수행하며, 전해질막 원단(9)의 상하면에 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)을 전사한다.

그리고, 상기 위치 차이 값이 기 설정된 기준 값을 만족하지 않는 것으로 판단되면(S28), 본 발명의 실시 예에서는 상술한 바와 같은 S25~S27의 과정을 수행한다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 장치(100) 및 방법에 의하면, 상하측 전극필름 원단(2, 4)과 상하측 전극필름(6, 8)의 주행방향을 전환하면서 애노드 전극층(5)과 캐소드 전극층(7)의 전사 위치를 자동으로 정렬할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 상하측 전극필름(6, 8)에 도포된 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7) 간 피치 산포 등에 따른 애노드 및 캐소드 전극층(5, 7)의 전사 균일도 저하를 방지할 수 있으며, 막-전극 어셈블리(1)의 양호한 품질을 확보할 수 있고, 막-전극 어셈블리(1)의 생산성 향상을 도모할 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 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 2: 상측 전극필름 원단
3: 전해질막 4: 하측 전극필름 원단
5: 애노드 전극층 5a, 7a: 무지부
6: 상측 전극필름 7: 캐소드 전극층
8: 하측 전극필름 9: 전해질막 원단
10: 전극필름 원단 언와인더 20: 전해질막 원단 언와인더
30: 구동 접합 롤 31: 제1 구동원
33, 124a, 136a: 서보 모터 35: 음각부
37: 양각부 40: 피동 접합 롤
41: 제2 구동원 43, 123a, 135a: 구동 실린더
50: 이형 블레이드 60: 필름 리와인더
70: 전극막 리와인더 100: 제조장치
110: 위치 정렬유닛 120: 제1 방향전환 롤 세트
121: 제1 피동롤러 122: 제1 구동롤러
123: 제3 구동원 124: 제4 구동원
130: 제2 방향전환 롤 세트 131: 제2 피동롤러
132: 제2 구동롤러 135: 제5 구동원
136: 제6 구동원 140: 버퍼부
141: 안내 롤러 143: 버퍼 롤러
147: 제7 구동원 150: 제1 위치센서
151, 161: 비전 센서 160: 제2 위치센서
170: 제어기 171: 신호 처리부
173: 연산부 175: 신호 인가부

Claims (20)

1. 애노드 및 캐소드 전극층이 상하측 전극필름 각각에 소정 간격을 두고 연속적으로 도포된 상하측 전극필름 원단을 설정된 이송경로로 각각 공급하는 전극필름 원단 언와인더;
   상기 이송경로를 따라 전해질막 원단을 상기 상하측 전극필름 원단 사이로 공급하는 전해질막 원단 언와인더;
   상기 이송경로의 상측에서 일측 방향으로 구동 회전 가능하게 설치되며, 외주 면에 음각부와 양각부를 연속적으로 형성하고 있는 구동 접합 롤;
   상기 구동 접합 롤의 하측에서 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 전해질막 원단과 상하측 전극필름 원단을 사이에 두고 상기 구동 접합 롤에 밀착되며 다른 일측 방향으로 피동 회전하는 피동 접합 롤;
   상기 구동 접합 롤과 피동 접합 롤의 후방 측에서 상기 이송경로의 상하 측에 설치되며, 상기 상하측 전극필름을 각각 감아서 회수하는 필름 리와인더; 및
   상기 전극필름 원단 언와인더 및 상기 필름 리와인더 측에 각각 구비되며, 상기 상하측 전극필름 원단과 상기 상하측 전극필름의 주행방향을 전환하면서 상기 애노드 전극층과 캐소드 전극층의 위치를 정렬하는 위치 정렬유닛;
   을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 필름 리와인더 측에서 상기 이송경로의 상하 측에 각각 설치되며, 상기 상측 전극필름과 애노드 전극층, 그리고 상기 하측 전극필름과 캐소드 전극층을 각각 분리하는 이형 블레이드와,
   상기 구동 접합 롤 및 피동 접합 롤에 의해 상기 전해질막 원단의 상하 면에 애노드 전극층 및 캐소드 전극층이 각각 전사된 막-전극 어셈블리의 원단을 상기 이송경로의 끝 단 측에서 감는 전극막 리와인더
   를 더 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
3. 애노드 및 캐소드 전극층이 상하측 전극필름 각각에 소정 간격을 두고 연속적으로 도포된 상하측 전극필름 원단을 설정된 이송경로로 각각 공급하는 전극필름 원단 언와인더;
   상기 이송경로를 따라 전해질막 원단을 상기 상하측 전극필름 원단 사이로 공급하는 전해질막 원단 언와인더;
   상기 이송경로의 상측에서 제1 구동원에 의해 일측 방향으로 구동 회전 가능하게 설치되며, 외주 면에 음각부와 양각부를 연속적으로 형성하고 있는 구동 접합 롤;
   상기 구동 접합 롤의 하측에서 제2 구동원에 의해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 전해질막 원단과 상하측 전극필름 원단을 사이에 두고 상기 구동 접합 롤에 밀착되며 다른 일측 방향으로 피동 회전하는 피동 접합 롤;
   상기 구동 접합 롤과 피동 접합 롤의 후방 측에서 상기 이송경로의 상하 측에 설치되며, 상기 상하측 전극필름을 각각 감아서 회수하는 필름 리와인더;
   상기 전극필름 원단 언와인더 측의 전극필름 원단 공급경로에 설치되며, 제3 및 제4 구동원에 의하여 상기 전극필름 원단 공급경로를 따른 상기 상하측 전극필름 원단의 주행방향을 선택적으로 전환하는 제1 방향전환 롤 세트;
   상기 필름 리와인더 측의 전극필름 회수경로에 설치되며, 제5 및 제6 구동원에 의하여 상기 전극필름 회수경로를 따른 상기 상하측 전극필름의 주행방향을 선택적으로 전환하는 제2 방향전환 롤 세트;
   상기 구동 접합 롤 및 피동 접합 롤의 전방 측에 설치되며, 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치를 감지하는 제1 위치센서;
   상기 구동 접합 롤 측에 설치되며, 상기 양각부의 에지 위치를 감지하는 제2 위치센서; 및
   상기 제1 및 제2 위치센서로부터 제공받은 감지신호를 분석하여 상기 양각부의 에지 위치, 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치에 따라 상기 제1 내지 제6 구동원의 구동을 제어하는 제어기;
   를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 필름 리와인더 측에서 상기 이송경로의 상하 측에 각각 설치되며, 상기 상측 전극필름과 애노드 전극층, 그리고 상기 하측 전극필름과 캐소드 전극층을 각각 분리하는 이형 블레이드와,
   상기 구동 접합 롤 및 피동 접합 롤에 의해 상기 전해질막 원단의 상하 면에 애노드 전극층 및 캐소드 전극층이 각각 전사된 막-전극 어셈블리의 원단을 상기 이송경로의 끝 단 측에서 감는 전극막 리와인더와,
   상기 이형 블레이드와 상기 전극막 리와인더 사이에 구비되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단의 역 주행길이를 보상하는 버퍼부
   를 더 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 위치센서는 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지와 상기 양각부의 에지를 동시에 각각 비전 촬영하며 그 비전 데이터를 상기 제어기로 출력하는 비전 센서를 포함하며,
   상기 제1 구동원은 서보 모터를 포함하고, 상기 제2 구동원은 구동 실린더를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
6. 제3 항에 있어서,
   상기 제1 방향전환 롤 세트는,
   상기 공급경로를 따라 주행하는 상기 상하측 전극필름 원단과 접촉하며 자유 회전 가능하게 구비되는 제1 피동롤러와,
   상기 제3 구동원에 의하여 상기 제1 피동롤러에 대해 멀어지거나 가까워지는 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되며, 제4 구동원에 의하여 상기 제1 피동롤러의 회전방향에 반대되는 방향으로 구동 회전 가능하게 설치되는 제1 구동롤러
   를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 제3 구동원은 구동 실린더를 포함하고, 상기 제4 구동원은 서보 모터를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
8. 제3 항에 있어서,
   상기 제2 방향전환 롤 세트는,
   상기 회수경로를 따라 주행하는 상기 상하측 전극필름과 접촉하며 자유 회전 가능하게 구비되는 제2 피동롤러와,
   상기 제5 구동원에 의하여 제2 피동롤러에 대해 멀어지거나 가까워지는 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치되며, 제6 구동원에 의하여 상기 제2 피동롤러의 회전방향에 반대되는 방향으로 구동 회전 가능하게 설치되는 제2 구동롤러
   를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 제5 구동원은 구동 실린더를 포함하고, 상기 제6 구동원은 서보 모터를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
10. 제3 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제1 위치센서의 감지신호를 분석하여 상기 양각부와 매칭될 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치 값을 검출하고, 상기 제2 위치센서의 감지신호를 분석하여 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지와 매칭될 상기 양각부의 에지 위치 값을 검출하는 신호 처리부와,
    상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치 값과 상기 양각부의 에지 위치 값의 위치 차이 값을 산출하는 연산부와,
    상기 위치 차이 값에 따라 상기 제1 내지 제6 구동원에 제어신호를 인가하는 신호 인가부
    를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
11. 제4 항에 있어서,
    상기 버퍼부는,
    상기 이송경로를 따른 양 방향으로 상기 막-전극 어셈블리 원단의 이송을 안내하는 한 쌍의 안내 롤러와,
    상기 안내 롤러 사이에서 제7 구동원에 의하여 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 막-전극 어셈블리 원단의 주행길이를 조절하는 버퍼 롤러
    를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치.
12. 청구항 3의 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조장치를 이용하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법으로서,
    (a) 전해질막 원단을 전해질막 원단 언와인더를 통해 설정된 이송경로로 공급하는 과정;
    (b) 애노드 및 캐소드 전극층이 상하측 전극필름 각각에 소정 간격을 두고 도포된 상하측 전극필름 원단을 전극필름 원단 언와인더를 통해 상기 이송경로를 따라 전해질막 원단의 상하 측으로 각각 공급하는 과정;
    (c) 상기 전해질막 원단 및 상하측 전극필름 원단을 구동 접합 롤과 피동 접합 롤 사이로 통과시키며, 상하측 전극필름 원단의 애노드 및 캐소드 전극층을 상기 전해질막 원단의 상면과 하면에 각각 접합하는 과정;
    (d) 상기 구동 접합 롤과 피동 접합 롤의 후방 측에서 상하측 전극필름 원단의 상하측 전극필름을 필름 리와인더를 통해 각각 회수하는 과정;
    (e) 상기 구동 접합 롤과 피동 접합 롤의 전방 측에서 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치를 제1 위치센서를 통해 감지하고, 상기 구동 접합 롤의 양각부 에지 위치를 제2 위치센서를 통해 감지하는 과정; 및
    (f) 상기 제1 및 제2 위치센서의 감지신호에 따라 상기 전극필름 원단 언와인더 측에서의 상하측 전극필름 원단 주행방향과, 상기 필름 리와인더 측에서의 상하측 전극필름 주행방향을 제1 및 제2 방향전환 롤 세트를 통해 각각 전환하면서 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 전사 위치를 정렬하는 과정;
    을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 (a)~(d) 과정에서는,
    상기 피동 접합 롤을 상승시키고, 상기 구동 접합 롤을 구동 회전시키며, 상기 제1 방향전환 롤 세트의 제1 구동롤러를 제1 피동롤러로부터 이격시키고,
    상기 제2 방향전환 롤 세트의 제2 구동롤러를 제2 피동롤러에 밀착시키며, 상기 제2 구동롤러를 상하측 전극필름의 회수방향으로 구동 회전시키는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 (a)~(d) 과정에서는,
    상기 필름 리와인더 측에서 이형 블레이드를 통하여 상하측 전극필름 원단의 상하측 전극필름과 애노드 및 캐소드 전극층을 각각 분리하고,
    버퍼부의 버퍼 롤러를 하강시킨 상태로, 상기 전해질막 원단의 상하 면에 애노드 및 캐소드 전극층이 각각 전사된 막-전극 어셈블리의 원단을 정 방향으로 이송시키며, 전극막 리와인더를 통해 감는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
15. 제12 항에 있어서,
    상기 (f) 과정에서는,
    상기 제1 위치센서의 감지신호를 제어기를 통해 분석하여 상기 양각부의 에지와 매칭될 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치 값을 검출하고,
    상기 제2 위치센서의 감지신호를 제어기를 통해 분석하여 상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지와 매칭될 상기 양각부의 에지 위치 값을 검출하며,
    상기 애노드 및 캐소드 전극층의 에지 위치 값과 상기 양각부의 에지 위치 값의 위치 차이 값을 산출하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
16. 제15 항에 있어서,
    상기 제어기에 의하여 상기 위치 차이 값이 기 설정된 기준 값을 만족하는 것으로 판단되면, 상기 (a)~(d) 과정을 수행하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
17. 제15 항에 있어서,
    상기 제어기에 의하여 상기 위치 차이 값이 기 설정된 기준 값을 만족하지 않는 것으로 판단되면, 전극 위치 정렬 모드로서 상기 (a)~(d) 과정을 수행하며,
    감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층을 선행하고 있는 애노드 및 캐소드 전극층을 상기 구동 접합 롤 및 피동 접합 롤을 통해 전해질막 원단의 상하 면에 접합하고,
    상기 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층 사이의 무지부가 상기 구동 접합 롤의 양각부 에지에 위치하는 순간 원단 이송을 정지하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
18. 제17 항에 있어서,
    상기 전극 위치 정렬 모드에서는 원단 이송 정지 이후,
    상기 피동 접합 롤을 하강시키고, 상기 제1 방향전환 롤 세트의 제1 구동롤러를 제1 피동롤러로부터 이격시키며,
    상기 제2 방향전환 롤 세트의 제2 구동롤러를 제2 피동롤러에 밀착시키고, 상기 제2 구동롤러를 상하측 전극필름의 회수방향으로 구동 회전시키며,
    상하측 전극필름 원단을 상기 전극필름 원단 언와인더 및 필름 리와인더를 통해 이송경로를 따라 정 방향으로 이송시키고, 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층을 이형 블레이드 측으로 이송시키며,
    상기 전해질막 원단에 접합된 애노드 및 캐소드 전극층으로부터 상하측 전극필름을 상기 이형 블레이드를 통해 분리하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
19. 제18 항에 있어서,
    상기 전극 위치 정렬 모드에서는 상하측 전극필름 분리 이후,
    상기 제1 방향전환 롤 세트의 제1 구동롤러를 제1 피동롤러에 밀착시키고, 상기 제1 구동롤러를 상하측 전극필름 원단의 공급 반대방향으로 회전시키며, 상하측 전극필름 원단을 공급 반대방향으로 역 주행시키고,
    상기 제2 방향전환 롤 세트의 제2 구동롤러를 제2 피동롤러로부터 이격시키며, 상하측 전극필름을 회수 반대방향으로 역 주행시키고,
    버퍼부의 버퍼 롤러를 상측 방향으로 이동시키며, 상하 면에 애노드 및 캐소드 전극층이 전사된 전해질막 원단을 역 방향으로 이송시키는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
20. 제19 항에 있어서,
    상기 전극 위치 정렬 모드에서는,
    상기 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층을 상기 구동 접합 롤 및 피동 접합 롤의 전방 측에 위치시키고,
    상기 전해질막 원단에 접합된 애노드 및 캐소드 전극층을 상기 구동 접합 롤 및 피동 접합 롤 사이에 위치시키며,
    상기 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층을 설정된 정합 위치로 정렬하고, 상기 무지부의 구간만큼 상기 구동 접합 롤을 역 방향으로 구동 회전시키며 상기 양각부를 설정된 정합 위치로 정렬하고,
    상기 제1 및 제2 위치센서를 통해 상기 감지 대상의 애노드 및 캐소드 전극층과 상기 양각부의 위치를 재 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.

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