KR20220066679A - 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치 및 이를 이용하여 막-전극-서브가스켓 접합체를 제조하는 방법 - Google Patents

막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치 및 이를 이용하여 막-전극-서브가스켓 접합체를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 막-전극-서브가스켓 접합체를 제조하는 장치 및 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 연속 제조 공정에서 막-전극 접합체 원단에 절단선을 형성시키는 절단 롤러 및 흡착력을 이용하여 막-전극 접합체를 흡착하고 서브가스켓에 합지시키는 흡착 롤러를 이용하여 막-전극-서브가스켓 접합체를 효율적으로 제조하는 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것이 특징이다.

Description

막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치 및 이를 이용하여 막-전극-서브가스켓 접합체를 제조하는 방법{A membrane-electrode-subgasket assembly manufacturing apparatus and method for manufacturing membrane-electrode-subgasket assembly using the same}
본 발명은 막-전극-서브가스켓 접합체를 제조하는 장치 및 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 연속 제조 공정에서 막-전극 접합체 원단에 절단선을 형성시키는 절단 롤러 및 흡착력을 이용하여 막-전극 접합체를 흡착하고 서브가스켓에 합지시키는 흡착 롤러를 이용하여 막-전극-서브가스켓 접합체를 효율적으로 제조하는 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것이 특징이다.
막-전극-서브가스켓 접합체의 제조는 열압착에 의한 데칼(decal) 공정, 전극을 전해질막에 직접 코팅하는 공정 또는 가스확산전극(GDE)을 이용하여 전해질막과 가스확산전극을 열압착하는 공정 등을 이용하였다. 특히 데칼 공정은 양극 및 음극이 코팅된 이형 필름을 전해질막과 정렬한 후 고온 고압으로 열압착하는 방식으로, 전해질막의 변형, 제조 공정간 전극 소실 등과 같이 다른 제조법이 가진 문제점들을 해결할 수 있으며, 특히 롤프레스를 이용한 연속제조 공정이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
하지만 롤투롤(roll-to-roll) 기반 연속 제조 공정의 특성상 공정 중 전해질막 원단의 단절부가 있을 수 없기 때문에 전기화학 반응에 직접 참여하지 않는 불필요한 전해질막 부분이 발생하게 된다. 도 1에는 종래의 막-전극-서브가스켓 접합체 30'의 평면도 및 절단면도가 간단히 나타나 있다. 이를 참고하면, A 구역 부분에 불필요한 전해질막 부분이 존재하는 것을 알 수 있다.
최근 이러한 전해질막의 불필요한 사용량을 감소시키기 위한 막-전극-서브가스켓 접합체 제조 장치 및 제조 방법이 연구되고 있으나 상기 문제를 해결하는 동시에 다른 새로운 문제점들의 발생으로 막-전극-서브가스켓 접합체 제조의 효율성을 높이는데 한계가 있다.
미국공개특허 제2011-0151350호는 타발날이 장착된 진공 흡착롤을 이용하여 전해질막 사용량을 저감시킬 수 있는 막-전극-서브가스켓 접합체 제조 방법을 제시하고 있으나, 막-전극 접합체의 흡착과 동시에 서브가스켓과 열압착하는 것이 구조상 불가능하였고, 그로 인해 접합을 위해 일정 온도 이상을 필요로 하는 접착제를 사용하는 대신 접착력이 취약한 점착제를 사용할 수밖에 없다.
미국공개특허 제2011-0151350호
본 발명에 의하면, 연속 제조 공정에서 전해질막의 사용 낭비 없이 효율적으로 막-전극-서브가스켓 접합체를 제조하는 장치 및 방법을 제공할 목적이 있다.
본 발명에 의하면, 연속 제조 공정에서 막-전극 접합체의 흡착과 동시에 상기 막-전극 접합체가 서브가스켓과 열압착이 가능하도록 하는 신규 구조의 제조장치 및 제조방법을 제공할 목적이 있다.
본 발명에 의하면, 연속 제조 공정에서 막-전극 접합체의 흡착 및 서브가스켓과의 열압착이 효율적으로 수행될 수 있도록 하는 동시에 접착제를 사용할 수 있는 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치 및 제조방법을 제공할 목적이 있다.
본 발명에 의하면, 연속 제조 공정에서 전해질막 사용량을 효율적으로 조절하고 높은 막-전극-서브가스켓 접합체 제조 수율을 달성할 수 있는 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치 및 제조방법을 제공할 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명에 따르면, 양면에 촉매층이 제공된 막-전극 접합체 원단을 공급하는 원단 공급 롤러를 포함하는 공급부; 절단 롤러, 및 상기 절단 롤러에 맞물려 회전하는 지지 롤러를 포함하는 절단부; 흡착롤러, 및 핫 롤러를 포함하는 제1 압착부; 및 핫 롤러를 포함하는 제2 압착부; 를 포함하고, 상기 절단 롤러가 촉매층 외주면의 일부를 부분 타발하는 것을 특징으로 하는 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치를 제공한다.
상기 절단 롤러는 양단부의 회전축을 중심으로 회전하는 원통형의 절단 몸체; 및 상기 절단 몸체의 회전 방향을 따라 상기 절단 몸체의 외주면에 포함된 하나 이상의 절단칼날부;를 포함하는 것일 수 있다.
상기 절단칼날부는 사각틀의 형상으로 돌출된 절단칼날을 포함하는 것일 수 있다.
상기 절단칼날은 불연속적으로 돌출되어 있는 것일 수 있다.
상기 제1 압착부는 흡착 롤러, 및 상기 흡착 롤러에 맞물려 회전하는 핫 롤러를 포함하고, 상기 제2 압착부는 한 쌍으로 맞물려 회전하는 핫 롤러를 포함하는 것일 수 있다.
상기 흡착 롤러는 상기 제1 압착부의 핫 롤러를 기준으로 일정 거리 이격되도록 직선 이동을 하는 것일 수 있다.
상기 흡착 롤러는 양단부의 회전축을 중심으로 회전하는 원통형의 흡착 몸체 및 상기 흡착 몸체의 외주면에 형성되어 하나 이상의 흡착 홀(hole)을 포함하는 흡착부를 포함하는 것일 수 있다.
상기 흡착 롤러의 흡착 홀을 통해 외부 공기를 흡입하는 것일 수 있다.
상기 흡착 롤러는 외주면상에 상기 흡착 롤러를 둘러싼 완충 부재를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 완충 부재의 두께는 100㎛ 이하이고, 기공도(Porosity, %)는 60% 내지 70%이고, 통기도(Airflow, cfm)는 0.060 내지 0.070cfm 인 것일 수 있다.
상기 제1 압착부에 포함된 핫 롤러의 온도는 50 내지 150℃ 인 것일 수 있다.
상기 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치는 절단부 및 제1 압착부 사이에 건조장치를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 양면에 촉매층이 제공된 막-전극 접합체 원단을 공급하는 단계; 상기 공급된 막-전극 접합체 원단에 절단선을 형성하는 절단 단계; 상기 절단선이 형성된 막-전극 접합체 원단에서 막-전극 접합체를 분리하는 분리 단계; 상기 분리된 막-전극 접합체를 제1 서브가스켓에 합지시키는 제1 합지 단계; 및 상기 제2 서브가스켓을 상기 막-전극 접합체에 합지시키는 제2 합지 단계; 를 포함하고, 상기 절단 롤러가 촉매층 외주면의 일부를 부분 타발하여 절단선이 형성되는 것을 특징으로 하는 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법을 제공한다.
상기 절단선은 절단 롤러에 의해 형성되고, 상기 막-전극 접합체는 흡착 롤러에 의해 분리되고, 상기 분리된 막-전극 접합체 및 제1 서브가스켓은 흡착 롤러 및 핫 롤러에 의해 합지되는 것일 수 있다.
절단 단계에서 상기 절단 롤러는 일정 간격으로 돌출된 절단칼날을 포함하고, 상기 절단칼날은 사각틀 형상으로 돌출되어 있고, 상기 절단 롤러는 상기 절단칼날로 상기 막-전극 접합체 원단에 압력을 가하여 절단선을 형성하는 것일 수 있다.
상기 절단선은 사각틀 형태로 형성되고, 상기 절단선은 막-전극 접합체 원단에 형성된 촉매층의 가장자리로부터 일정 거리 이격되어 형성되고, 상기 사각틀 형태의 절단선 안쪽으로 상기 촉매층이 포함되도록 형성되는 것일 수 있다.
분리 단계에서 상기 막-전극 접합체는 전해질막 및 상기 전해질막의 양면에 제공된 촉매층을 포함하는 것일 수 있다.
분리 단계에서 상기 막-전극 접합체는 흡착 롤러의 흡입력에 의해 흡착되어 분리되고,
상기 막-전극 접합체는 막-전극 접합체 원단에 형성된 절단선을 따라 분리되는 것일 수 있다.
절단 단계에서 상기 막-전극 접합체 원단 및 상기 막-전극 접합체는 절단선을 기점으로 서로 장력에 의해 연결되어 있고, 분리 단계에서 상기 흡착 롤러의 흡입력은 상기 장력 보다 큰 것일 수 있다.
제1 합지 단계에서 흡착 롤러 및 핫 롤러는 상기 흡착 롤러에 흡착되어 있는 막-전극 접합체 및 핫 롤러로 이송된 제1 서브가스켓에 열 및 압력을 가하여 합지시키는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 연속 제조 공정에서 전해질막의 사용 낭비 없이 효율적으로 막-전극-서브가스켓 접합체를 제조하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연속 제조 공정에서 막-전극 접합체의 흡착과 동시에 상기 막-전극 접합체가 서브가스켓과 열압착이 가능하도록 하는 신규 구조의 제조장치 및 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연속 제조 공정에서 막-전극 접합체의 흡착 및 서브가스켓과의 열압착이 효율적으로 수행될 수 있도록 하는 동시에 접착제를 사용할 수 있는 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치 및 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연속 제조 공정에서 전해질막 사용량을 효율적으로 조절하고 높은 막-전극-서브가스켓 접합체 제조 수율을 달성할 수 있는 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치 및 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 종래기술의 막-전극-서브가스켓 접합체 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체 제조 공정도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 절단 롤러 구조를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 흡착 롤러 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 흡착 롤러 추가 구성을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제1 압착부 구성 및 공정을 나타낸 것이다.
도 7은 흡착 롤러 및 핫 롤러의 동작을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체 제조 공정에 대한 순서도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 절단 롤러에 의해 절단선이 형성되는 예시를 나타낸 것이다.
도 10은 막-전극 접합체의 분리 및 압착 과정을 나타낸 것이다.
도 11은 종래기술의 막-전극-서브가스켓 접합체 및 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체 구조를 비교하여 나타낸 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
본 발명은 막-전극-서브가스켓 접합체 30 제조장치 및 막-전극-서브가스켓 접합체 30 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 연속 제조 공정에서 막-전극 접합체 원단 10에 절단선 13을 형성시키는 절단 롤러 200 및 흡착력을 이용하여 막-전극 접합체 40를 흡착하고 서브가스켓 20에 합지시키는 흡착 롤러 300를 이용하여 막-전극-서브가스켓 접합체 30를 효율적으로 제조하는 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것이 특징이다.
도 2에는 본 발명의 전체 공정도가 나타나 있고, 도 8에는 본 발명의 제조방법 순서도가 나타나 있다.
도 2를 중심으로 도 3 내지 도 7을 참고하여 본 발명의 제조장치 및 각 구성에 대해 설명하고, 도 8을 중심으로 도 9 내지 도 11을 참고하여 본 발명의 제조방법 및 각 단계에 대해 설명하도록 하겠습니다.
막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치
본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체 30 제조장치는 양면에 촉매층 11이 제공된 막-전극 접합체 원단 10을 공급하는 원단 공급 롤러 100를 포함하는 공급부, 절단 롤러 200, 및 상기 절단 롤러 200에 맞물려 회전하는 지지 롤러 800를 포함하는 절단부 A1, 흡착롤러, 및 핫 롤러 400를 포함하는 제1 압착부 A2, 핫 롤러 400를 포함하는 제2 압착부 A3 및 막-전극-서브가스켓 접합체 30를 회수하는 접합체 회수 롤러 700를 포함하는 회수부를 포함한다.
특히, 상기 절단 롤러 200가 촉매층 11 외주면의 일부를 부분 타발하는 것을 특징으로 한다.
이하 도 2 내지 도 7을 참고하여 각 구성에 대해 설명하도록 하겠다.
공급부
본 발명의 공급부는 막-전극 접합체 원단 10을 공급하는 원단 공급 롤러 100를 포함하는 것이 특징이다.
상기 막-전극 접합체 원단 10은 양면으로 촉매층 11이 제공되어 있고, 바람직하게 막-전극 접합체 원단 10의 일면에는 둘 이상의 촉매층 11이 일정 간격 이격되어 형성되어 있다.
상기 원단 공급 롤러 100에 감겨있는 막-전극 접합체 원단 10은 풀리면서 절단부 A1로 이송되어 전달되게 된다.
절단부
본 발명의 절단부 A1는 절단 롤러 200, 및 상기 절단 롤러 200에 맞물려 회전하는 지지 롤러 800를 포함하는 것이 특징이다. 보다 구체적으로 상기 절단 롤러 200 및 지지 롤러 800는 공급부로부터 전달된 막-전극 접합체 원단 10을 사이에 두고 상기 막-전극 접합체 원단 10에 절단선 13을 형성시키면서 맞물려 회전하게 된다.
도 3을 참고하면, 상기 절단 롤러 200는 양단부의 회전축을 중심으로 회전하는 원통형의 절단 몸체 210 및 상기 절단 몸체 210의 회전 방향을 따라 상기 절단 몸체 210의 외주면에 포함된 하나 이상의 절단칼날부 a1를 포함한다.
상기 절단 롤러 200는 외주면에 절단 몸체 210의 회전 방향 및 절단 몸체 210의 높이 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 하나 이상의 절단칼날부 a1를 포함할 수 있다.
상기 절단칼날부 a1는 사각틀 형상으로 돌출된 절단칼날 220을 포함하고, 상기 절단칼날 220을 통해 상기 막-전극 접합체 원단 10에 절단칼날 220의 형상대로 절단선 13이 형성되게 된다. 이때 상기 절단칼날 220은 불연속적으로 돌출되어 있고, 상기 절단선 13 또한 불연속적으로 형성되어 사각틀 형상으로 형성되는 것이 특징이다.
상기 불연속이 되는 부위의 개수 또는 면적 크기는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 상기 불연속 부위의 개수 및 면적 크기는 막-전극 접합체 40가 막-전극 접합체 원단 10에서 흡착 롤러 300에 의해 분리될 때까지 고정될 수 있을 정도의 장력만 가지면 충분히 필요에 따라 조절될 수 있다. 보다 구체적인 것은 이후 제조방법을 설명할 때 다시 다루도록 하겠다.
상기 지지 롤러 800는 전달되는 막-전극 접합체 원단 10에 상기 절단 롤러 200의 절단칼날 220이 충분한 압력을 가하여 절단시킬 수 있도록 지지하는 역할을 수행한다.
제1 압착부
본 발명의 제1 압착부 A2는 흡착 롤러 300, 및 상기 흡착 롤러 300에 맞물려 회전하는 핫 롤러 400를 포함하는 제1 압착부 A2를 포함하는 것이 특징이다.
상기 흡착 롤러 300는 양단부의 회전축을 중심으로 회전하는 원통형의 흡착 몸체 310 및 상기 흡착 몸체 310의 외주면에 형성되어 하나 이상의 흡착 홀(hole)을 포함하는 흡착부 a2를 포함한다.
도 4를 참고하면, 상기 흡착 롤러 300의 흡착부 a2에는 다수의 흡착 홀이 형성되어 있고, 상기 홀을 통해 기체의 이동이 발생하게 된다. 보다 구체적으로 상기 흡착 롤러 300는 상기 흡착 홀을 통해 외부 공기를 흡착 롤러 300의 내부로 흡입시키게 되고, 그때 발생하는 흡입력을 이용하여 외부 물체 즉, 막-전극 접합체 40를 흡착시키게 된다.
상기 흡입력은 절단선 13이 형성된 막-전극 접합체 원단 10으로부터 막-전극 접합체 40를 온전히 분리시킬 수 있을 정도이면 되고, 바람직하게 절단선 13을 기준으로 막-전극 접합체 원단 10 및 막-전극 접합체 40 사이에 발생하는 장력 이상이어야 한다.
상기 흡착 롤러 300는 막-전극 접합체 40의 흡입과 동시에 회전하게 되고, 필요에 따라 일정한 열을 발생할 수 있다.
본 발명의 흡착 롤러 300는 완충 부재 330 및 고정 부재 340를 더 포함할 수 있다.
도 5를 참고하면, 상기 흡착 롤러 300는 외주면상에 흡착 롤러 300를 둘러싼 완충 부재 330를 더 포함할 수 있고, 상기 흡착 롤러 300를 둘러싸고 있는 완충 부재 330의 양 가장자리를 따라 고정 부재 340가 위치하고 있음을 알 수 있다.
상기 완충 부재 330는 흡입 홀로부터 전해지는 흡입력을 분산시켜 흡착되는 막-전극 접합체 40의 훼손을 방지하는 역할을 수행한다. 또한 흡착된 막-전극 접합체 40에 작용하는 외부 압력을 어느 정도 완화시키는 역할을 하는데, 구체적으로 흡착된 막-전극 접합체 40를 서브가스켓 20에 접합시 발생하는 압력의 불균형을 어느 정도 완화시킴으로써 막-전극 접합체 40가 훼손되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
상기 완충 부재 330는 흡착 롤러 300에 의한 막-전극 접합체 40의 흡착이 충분히 진행될 수 있도록 다공성을 갖는 것이 바람직하며, 또한 내열성, 내화학성 및 이형성이 매우 우수한 특징이 있다. 즉 완충 부재 330는 흡착 롤러 300에 열이 발생하더라도 이를 견딜 수 있는 충분한 내열성을 가져야 하며, 또한 흡착된 막-전극 접합체 40을 서브가스켓 20에 압착시킬 때 흡착되어 있는 막-전극 접합체 40를 훼손 없이 흡착 롤러 300로부터 이형 될 수 있도록 이형성을 가져야 한다.
상기 완충 부재 330는 바람직하게 확장된 폴리테트라플루오로에틸렌(e-PTFE)을 포함할 수 있다.
상기 완충 부재 330의 두께는 100㎛ 이하이고, 바람직하게 20 내지 100㎛이다.
상기 완충 부재 330의 기공도(Porosity, %)는 60 내지 70%이고, 통기도(Airflow, cfm)는 0.060 내지 0.070cfm이다.
상기 고정 부재 340는 완충 부재 330의 양 끝단의 공간으로 기체가 대량 새어나감으로써 흡입력이 감소하는 것을 방지하는 역할을 하며, 또한 상기 완충 부재 330를 흡입 롤러에 고정시키는 역할을 한다.
상기 고정 부재 340는 스테인레스스틸 및 고무 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 상기 역할을 모두 수행할 수 있는 소재이면 특별히 한정하지 않고 적용할 수 있다.
상기 제1 압착부 A2에 포함되는 핫 롤러 400는 공급되는 서브가스켓 20 및 막-전극 접합체 40를 열압착 시키기 위해 상기 흡착 롤러 300에 맞물려서 열을 발생한다.
본 발명의 서브가스켓 20은 막-전극 접합체 40의 양면에 각각 열압착되는 제1 서브가스켓 21 및 제2 서브가스켓 22을 포함하고, 본 발명의 제1 압착부 A2에서는 제1 서브가스켓 21이 먼저 열압착되게 된다.
도 2 및 도 6을 참고하면, 흡착 롤러 300 및 핫 롤러 400는 맞물려서 회전하게 되고, 흡착 롤러 300에 흡착된 막-전극 접합체 40가 핫 롤러 400를 통해 이송되는 제1 서브가스켓 21과 상기 두 롤러가 맞물리는 지점에서 접촉하여 일정한 압력 및 열을 전달받아 열압착이 진행된다. 이때 절단선 13이 형성된 막-전극 접합체 원단 10은 흡착 롤러 300에 막-전극 접합체 40를 전달한다. 이후 막-전극 접합체 원단 10에서 막-전극 접합체 40가 분리되고 남은 회수 원단 50은 원단 회수 롤러 110를 통해 회수된다.
본 발명에서 상기 막-전극 접합체 40의 분리가 원활히 진행될 수 있도록 분리 부재 900가 사용될 수 있으며, 상기 분리 부재 900는 상기 막-전극 접합체 40를 흡착 롤러 300에 보다 잘 밀착되게끔 눌러줌과 동시에 막-전극 접합체 원단 10 및 막-전극 접합체 40 사이에 발생하는 장력을 감소시키는 역할을 한다.
상기 분리 부재 900는 상기 막-전극 접합체 40 및 막-전극 접합체 원단 10이 분리되는 지점에 최대한 외력을 전달할 수 있도록 상기 지점에 근접할수록 좁아지는 형상을 가질 수 있으며, 바람직하게 칼날 등의 형상을 포함할 수 있다.
도 2를 참고하면 본 발명에서 상기 제1 서브가스켓 21은 제1 서브가스켓 21 공급 롤러에 의해 제공되고, 제1 압착부 A2에서 막-전극 접합체 40를 전달받아 예비 접합체 31를 형성하게 된다.
상기와 같이 본 발명의 흡착 롤러 300는 제1 서브가스켓 21에 막-전극 접합체 40를 전달하고 동시에 열 및 압력을 가하기 위해 핫 롤러 400를 기준으로 일정 거리 직선 이동할 수 있다. 이와 관련하여 도 2 및 도 7을 참고하면, 막-전극 접합체 40를 제1 서브가스켓 21에 전달하기 직전에는 원단 공급 롤러 100 및 원단 회수 롤러 110가 모두 정지하고, 상기 흡착 롤러 300가 막-전극 접합체 40를 흡착하는 상태로 핫 롤러 400로부터 일정거리 이격된다. 또한 막-전극 접합체 40를 제1 서브가스켓 21에 전달할때는 원단 공급 롤러 100 및 원단 회수 롤러 110가 모두 작동하고, 상기 흡착 롤러 300는 핫 롤러 400와 맞물려 상기 핫 롤러 400의 회전 속도에 맞춰 회전하게 된다. 이는 본 발명의 막-전극 접합체 원단 10 상에 형성된 촉매층 11의 간격과 서브가스켓 20에 형성된 개구간의 간격의 차이 때문에 발생하는 필연적인 공정이다. 상기 일정거리 이격되는 흡착 롤러 300의 이동 거리 및 이격 시간은 서브가스켓 20의 이동 속도, 서브가스켓 20에 형성된 개구간의 간격과 막-전극 접합체 원단 10에 형성된 촉매층 11 간격의 차이 등의 조건에 따라 달라질 수 있다.
상기 제1 압착부 A2의 핫 롤러 400의 온도는 50 내지 150℃이고, 바람직하게 흡착 롤러 300의 온도 또한 상기 핫 롤러 400와 동일 할 수 있다.
본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체 30 제조장치는 절단부 A1 및 제1 압착부 A2 사이에 건조장치를 더 포함할 수 있다.
상기 건조장치는 막-전극 접합체 원단 10에 수분을 감소시킴으로써 상기 막-전극 접합체 원단 10이 주름발생 없이 잘 펴질 수 있도록 하며, 또한 막-전극 접합체 40가 절단선 13을 기점으로 보다 잘 수축 되도록 하여 적은 흡입력으로도 막-전극 접합체 원단 10으로부터 막-전극 접합체 40를 원활히 분리되도록 돕는 역할을 한다.
상기 건조장치는 적외선, 열풍 등을 발생하는 장치를 포함할 수 있고, 막-전극 접합체 원단 10에 전달하는 열은 70 내지 120℃가 된다. 상기 70℃ 미만의 열을 막-전극 접합체 원단 10에 전달하면 수분을 원하는 만큼 증발시키기 어려울 수 있으며, 120℃ 초과하는 열을 막-전극 접합체 원단 10에 전달하면 막-전극 접합체 원단 10의 심한 변형을 초래할 수 있는 문제가 생긴다.
제2 압착부
본 발명의 제2 압착부 A3는 한 쌍으로 맞물려 회전하는 핫 롤러 400를 포함한다.
도 2를 참고하면, 제1 서브가스켓 21 및 막-전극 접합체 40를 포함하는 예비 접합체 31에는 제2 서브가스켓 22이 추가 제공되게 되는데, 이때 제2 압착부 A3에 포함된 한 쌍의 핫 롤러 400에의해 열압착이 진행되게 된다.
상기 핫 롤러 400는 제1 압착부 A2에 포함된 핫 롤러 400와 동일한 온도 구간을 가질 수 있다.
회수부
본 발명의 회수부는 제1 서브가스켓 21, 막-전극 접합체 40 및 제2 서브가스켓 22을 포함하는 막-전극-서브가스켓 접합체 30를 회수하는 접합체 회수 롤러 700를 포함하고, 상기 접합체 회수 롤러 700의 회전 속도에 맞춰서 제1 서브가스켓 21 공급 롤러 및 제2 서브가스켓 22 공급 롤러가 회전하여 서브가스켓 20을 공급하게 되고, 상기 예비 접합체 31 및 막-전극-서브가스켓 접합체 30가 이송되게 된다.
막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법
본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체 30 제조방법은 양면에 촉매층 11이 제공된 막-전극 접합체 원단 10을 공급하는 공급 단계, 상기 공급된 막-전극 접합체 원단 10에 절단선 13을 형성하는 절단 단계, 상기 절단선 13이 형성된 막-전극 접합체 원단 10에서 막-전극 접합체 40를 분리하는 분리 단계, 상기 분리된 막-전극 접합체 40를 제1 서브가스켓 21에 합지시키는 제1 합지 단계 및 상기 제2 서브가스켓 22을 상기 막-전극 접합체 40에 합지시키는 제2 합지 단계를 포함한다.
본 발명의 제조방법과 관련하여 도 2의 공정도 및 도 8의 순서도를 중심으로 도 9 내지 도 11을 참고하여 각 단계별로 설명하도록 하겠다. 단 앞서 막-전극-서브가스켓 접합체 30 제조장치 파트에서 이미 다룬 중복된 내용은 생략하도록 하겠다.
공급 단계(S1)
양면에 촉매층 11이 제공된 막-전극 접합체 원단 10을 공급하는 단계이다.
도 9를 참고하면, 막-전극 접합체 원단 10 표면에 촉매층 11이 일정 간격으로 이격되어 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이때 상기 촉매층 11간 이격 거리는 50㎜ 내지 20㎜ 인 것이 바람직하다.
절단 단계(S2)
공급된 막-전극 접합체 원단 10에 절단선 13을 형성하는 단계이다. 보다 구체적으로 절단부 A1에 포함된 절단 롤러 200의 절단칼날 220에 의해 막-전극 접합체 원단 10에 절단선 13이 형성되게 된다.
상기 절단 롤러 200는 일정간격으로 돌출된 절단칼날 220을 포함하고, 상기 절단칼날 220은 사각틀 형상으로 돌출되어 있다.
상기 절단 롤러 200는 상기 돌출된 절단칼날 220 부위로 막-전극 접합체 원단 10에 압력을 가하여 절단선 13을 형성하게 된다. 이때 절단선 13은 막-전극 접합체 원단 10의 일면에 형성된 촉매층 11의 개수대로 형성된다.
도 9를 참고하면, 상기 절단선 13은 상기 절단칼날 220의 형상대로 사각틀 형태로 형성되고, 상기 절단선 13은 막-전극 접합체 원단 10에 형성된 촉매층 11의 가장자리로부터 일정거리 이격되어 형성되는 것을 알 수 있다. 이때 상기 사각틀 형태의 상기 절단선 13 안쪽 부위에 촉매층 11이 포함된다.
상기 절단칼날 220은 불연속적으로 돌출되어 있으므로, 막-전극 접합체 원단 10에 불연속적인 절단선 13을 형성시킬 수 있다. 이때 절단선 13내에서 절단되지 않은 부분을 연결부 b1로 지칭하고, 절단된 부분을 절개부 b2로 지칭한다.
상기 절단선 13을 기점으로 안쪽에 위치한 촉매층 11을 포함한 막-전극 접합체는 연결부 b1를 통해 장력을 유지하여 막-전극 접합체 원단 10에 고정될 수 있다. 즉, 본 발명에서 단일의 막-전극 접합체 40는 상기 막-전극 접합체 40 하나에 생성된 상기 연결부 b1의 총 면적에 발생하는 장력에 의해 막-전극 접합체 원단 10에 연결되어 있을 수 있다.
분리 단계(S3)
절단선 13이 형성된 막-전극 접합체 원단 10에서 막-전극 접합체 40를 분리하는 단계이다. 보다 구체적으로 제1 압착부 A2에 포함되는 흡착 롤러 300에 의해 막-전극 접합체 원단 10으로부터 막-전극 접합체 40가 분리되게 된다.
도 10을 참고하면, 절단선 13을 따라 막-전극 접합체 원단 10으로부터 촉매층 11을 포함하는 막-전극 접합체 40가 분리되는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로 상기 막-전극 접합체 40는 전해질막 12 및 상기 전해질막 12의 양면에 제공된 촉매층 11을 포함한다고 볼 수 있다.
상기 분리는 흡착 롤러 300에서 발생하는 흡입력이 막-전극 접합체 원단 10의 절단선 13 안쪽에 위치한 막-전극 접합체 40에 작용하여 진행된다. 구체적으로 상기 흡입 롤러는 막-전극 접합체 40 하나에 생성된 연결부 b1의 총 면적에서 발생하는 장력 보다 큰 흡입력을 상기 막-전극 접합체 40에 가하여 흡착하는 동시에 상기 연결부 b1를 모두 단절시키게 된다.
제1 합지 단계(S4)
분리된 막-전극 접합체 40를 제1 서브가스켓 21에 합지시키는 단계이다. 보다 구체적으로 제1 압착부 A2에 포함되는 흡착 롤러 300 및 핫 롤러 400에 의해 분리된 막-전극 접합체 40를 제1 서브가스켓 21에 열압착하여 합지시키게 된다.
도 6을 참고하면, 막-전극 접합체 40는 막-전극 접합체 원단 10으로부터 분리되고 흡착 롤러 300에 흡착되어 이송되고, 제1 서브가스켓 21은 핫 롤러 400에 의해 이송되는 것을 알 수 있다.
상기 막-전극 접합체 40 및 제1 서브가스켓 21은 한 지점에서 만나게되어 흡착 롤러 300 및 핫 롤러 400로부터 열 및 압력을 전달받아 열압착 된다. 이때 제1 서브가스켓 21은 상기 막-전극 접합체 40의 양면 중 일면에 제공되며, 막-전극 접합체 40의 일면에 위치하는 촉매층 11의 일부는 제1 서브가스켓 21의 개구에 드러나도록 열압착이 진행된다.
도 10을 참고하면, 분리된 막-전극 접합체 40가 제1 서브가스켓 21의 개구에 합지되어 예비 접합체 31를 형성하는 것을 알 수 있다.
본 발명에서 상기 흡착 롤러 300는 막-전극 접합체 40의 흡착과 압착을 모두 수행하는 것이 특징이다.
제2 합지 단계(S5)
제2 서브가스켓 22을 상기 막-전극 접합체 40에 합지시키는 단계이다. 구체적으로 막-전극 접합체 40의 양면 중 제1 서브가스켓 21이 제공된 일면을 제외한 타면에 제2 서브가스켓 22이 제공되고, 핫 롤러 400에 의해 열압착되는 단계이다.
도 2를 참고하면, 상기 제2 서브가스켓 22은 제2 서브가스켓 롤러에 의해 별도로 제공되고, 제2 압착부 A3에서 예비 접합체 31와 합지되어 열압착되게 된다.
상기 열압착은 예비 접합체 31 및 상기 예비 접합체 31 상에 위치한 제2 서브가스켓 22을 사이에 두고 한 쌍의 핫 롤러 400에 의해 진행된다.
본 발명에서 사용되는 서브가스켓 20은 막-전극 접합체 40와 맞닿는 면에 접착제가 포함되는 것이 특징이다.
상기 접착제는 본 발명의 열압착되는 온도에 노출되어 접합력을 갖게되고, 상기 막-전극 접합체 40 및 서브가스켓 20을 완전히 접합시키거나, 또는 제1 서브가스켓 21 및 제2 서브가스켓 22을 완전히 접합시키게 된다.
상기 접착제는 바람직하게 우레탄 및 에폭시를 포함하고, 더욱 바람직하게 상기 접착제는 우레탄 및 에폭시를 1:9 내지 3:7의 중량비로 포함한다.
막-전극-서브가스켓 접합체
도 11에는 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체 30의 평면도 및 절단면도가 나타나 있다. 이를 도 1에 나타난 종래의 막-전극-서브가스켓 접합체 30' 와 비교해보면, 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체 30에서는 종래의 A구역에 해당하는 부분에 전해질막이 위치하지 않는 것을 알 수 있다.
a1: 절단칼날부 110: 원단 회수 롤러
a2: 흡착부 200: 절단 롤러
b1: 연결부 210: 절단 몸체
b2: 절개부 220: 절단칼날
A1: 절단부 300: 흡착 롤러
A2: 제1 압착부 310: 흡착 몸체
A3: 제2 압착부 320: 흡착 홀
10: 막-전극 잡합체 원단 330: 완충 부재
11: 촉매층(전극) 340: 고정 부재
12: 전해질막 400: 핫 롤러
13: 절단선 500: 제1 서브가스켓 공급 롤러
20: 서브가스켓 600: 제2 서브가스켓 공급 롤러
21: 제1 서브가스켓 700: 접합체 회수 롤러
22: 제2 서브가스켓 800: 지지 롤러
30: 막-전극-서브가스켓 접합체 900: 분리 부재
31: 예비 접합체 30': 종래의 막-전극-서브가스켓 접합체
40: 막-전극 접합체
50: 회수 원단
100: 원단 공급 롤러

Claims (20)

  1. 양면에 촉매층이 제공된 막-전극 접합체 원단을 공급하는 원단 공급 롤러를 포함하는 공급부;
    절단 롤러, 및 상기 절단 롤러에 맞물려 회전하는 지지 롤러를 포함하는 절단부;
    흡착롤러, 및 핫 롤러를 포함하는 제1 압착부; 및
    핫 롤러를 포함하는 제2 압착부; 를 포함하고,
    상기 절단 롤러가 촉매층 외주면의 일부를 부분 타발하는 것을 특징으로 하는 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절단 롤러는 양단부의 회전축을 중심으로 회전하는 원통형의 절단 몸체; 및
    상기 절단 몸체의 회전 방향을 따라 상기 절단 몸체의 외주면에 포함된 하나 이상의 절단칼날부;를 포함하는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 절단칼날부는 사각틀의 형상으로 돌출된 절단칼날을 포함하는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절단칼날은 불연속적으로 돌출되어 있는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압착부는 흡착 롤러, 및 상기 흡착 롤러에 맞물려 회전하는 핫 롤러를 포함하고,
    상기 제2 압착부는 한 쌍으로 맞물려 회전하는 핫 롤러를 포함하는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 흡착 롤러는 상기 제1 압착부의 핫 롤러를 기준으로 일정 거리 이격되도록 직선 이동을 하는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 흡착 롤러는 양단부의 회전축을 중심으로 회전하는 원통형의 흡착 몸체 및 상기 흡착 몸체의 외주면에 형성되어 하나 이상의 흡착 홀(hole)을 포함하는 흡착부를 포함하는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 흡착 롤러의 흡착 홀을 통해 외부 공기를 흡입하는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 흡착 롤러는 외주면상에 상기 흡착 롤러를 둘러싼 완충 부재를 더 포함하는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 완충 부재의 두께는 100㎛ 이하이고,
    기공도(Porosity, %)는 60% 내지 70%이고,
    통기도(Airflow, cfm)는 0.060 내지 0.070cfm 인 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압착부에 포함된 핫 롤러의 온도는 50 내지 150℃ 인 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치는 절단부 및 제1 압착부 사이에 건조장치를 더 포함하는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조장치.
  13. 양면에 촉매층이 제공된 막-전극 접합체 원단을 공급하는 단계;
    상기 공급된 막-전극 접합체 원단에 절단선을 형성하는 절단 단계;
    상기 절단선이 형성된 막-전극 접합체 원단에서 막-전극 접합체를 분리하는 분리 단계;
    상기 분리된 막-전극 접합체를 제1 서브가스켓에 합지시키는 제1 합지 단계; 및
    상기 제2 서브가스켓을 상기 막-전극 접합체에 합지시키는 제2 합지 단계; 를 포함하고,
    상기 절단 롤러가 촉매층 외주면의 일부를 부분 타발하여 절단선이 형성되는 것을 특징으로 하는 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 절단선은 절단 롤러에 의해 형성되고,
    상기 막-전극 접합체는 흡착 롤러에 의해 분리되고,
    상기 분리된 막-전극 접합체 및 제1 서브가스켓은 흡착 롤러 및 핫 롤러에 의해 합지되는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    절단 단계에서 상기 절단 롤러는 일정 간격으로 돌출된 절단칼날을 포함하고,
    상기 절단칼날은 사각틀 형상으로 돌출되어 있고,
    상기 절단 롤러는 상기 절단칼날로 상기 막-전극 접합체 원단에 압력을 가하여 절단선을 형성하는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 절단선은 사각틀 형태로 형성되고,
    상기 절단선은 막-전극 접합체 원단에 형성된 촉매층의 가장자리로부터 일정 거리 이격되어 형성되고,
    상기 사각틀 형태의 절단선 안쪽으로 상기 촉매층이 포함되도록 형성되는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  17. 제13항에 있어서,
    분리 단계에서 상기 막-전극 접합체는 전해질막 및 상기 전해질막의 양면에 제공된 촉매층을 포함하는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  18. 제13항에 있어서,
    분리 단계에서 상기 막-전극 접합체는 흡착 롤러의 흡입력에 의해 흡착되어 분리되고,
    상기 막-전극 접합체는 막-전극 접합체 원단에 형성된 절단선을 따라 분리되는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    절단 단계에서 상기 막-전극 접합체 원단 및 상기 막-전극 접합체는 절단선을 기점으로 서로 장력에 의해 연결되어 있고,
    분리 단계에서 상기 흡착 롤러의 흡입력은 상기 장력 보다 큰 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    제1 합지 단계에서 흡착 롤러 및 핫 롤러는 상기 흡착 롤러에 흡착되어 있는 막-전극 접합체 및 핫 롤러로 이송된 제1 서브가스켓에 열 및 압력을 가하여 합지시키는 것인 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
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