KR20220093515A - 촉매-코팅된 멤브레인을 와인딩하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

촉매-코팅된 멤브레인을 와인딩하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

주름 및 접힘 없이 촉매-코팅된 멤브레인이 와인딩되도록 함으로써 촉매-코팅된 멤브레인의 주름 및/또는 접힘이 후속 공정 및 최종 제품에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있는 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 시스템은, 연속적으로 공급되는 촉매-코팅된 멤브레인이 감기는 와인더(winder); 및 상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감길 때 상기 촉매-코팅된 멤브레인을 펴주기(smooth) 위한 언링클 장치(unwrinkling device)를 포함한다.

Description

촉매-코팅된 멤브레인을 와인딩하기 위한 시스템 및 방법{System and Method for Winding Catalyst-Coated Membrane}
본 발명은 촉매-코팅된 멤브레인을 와인딩하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 주름 및 접힘 없이 촉매-코팅된 멤브레인이 와인딩되도록 함으로써 촉매-코팅된 멤브레인의 주름 및/또는 접힘이 후속 공정 및 최종 제품에 악영향을 미치는 것을 방지할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)['바이폴라 플레이트(bipolar plate)'라고 지칭되기도 함]로 이루어진 단위 셀(unit cell)들의 적층 구조를 이용하여 전기를 발생시키는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 높은 에너지 효율성과 친환경적 특징으로 인해 화석 에너지를 대체할 수 있는 차세대 에너지원으로 주목 받고 있다.
상기 막-전극 어셈블리는 일반적으로 애노드(anode)('연료극'이라고도 지칭됨), 캐소드(cathode)('공기극'이라고도 지칭됨), 및 이들 사이의 고분자 전해질막(Polymer Electrolyte Membrane: PEM)을 포함한다.
수소 가스와 같은 연료가 애노드에 공급되면, 애노드에서는 수소의 산화반응에 의해 수소 이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소 이온은 고분자 전해질막(PEM)을 통해 캐소드로 전달되고, 생성된 전자는 외부 회로를 통해 캐소드에 전달된다. 캐소드에 공급되는 공기 중의 산소가 상기 수소이온 및 상기 전자와 결합하여 환원됨으로써 물이 생성된다.
일반적으로, 애노드 및 캐소드 각각은, (i) 촉매, 이오노머, 및 분산매를 포함하는 전극 슬러리를 전사 기재(transfer substrate) 상에 코팅하고 건조시켜 전극을 형성한 다음 상기 전극을 고분자 전해질막 상에 전사하는 전극 전사 방식(electrode transfer method), 또는 (ii) 상기 전극 슬러리를 고분자 전해질막 상에 직접 코팅하고 건조시켜 전극을 형성하는 직접 코팅 방식(direct coating method)에 의해 상기 고분자 전해질막 상에 각각 형성된다.
상기 전극 전사 방식 또는 상기 직접 코팅 방식을 통해 고분자 전해질막의 서로 반대면들 상에 애노드 및 캐소드를 각각 형성하는 공정은, 생산성 측면에서 유리한 롤투롤(roll-to-roll) 공정을 통해 수행되는 것이 일반적이다.
일반적으로, 도 1에 예시된 바와 같이, 상기 롤투롤 공정을 통해 얻어지는, 고분자 전해질막(11) 및 전극들(12)을 포함하는 촉매-코팅된 멤브레인(catalyst-coated membrane)(CCM)은 와인더(100)에 감기고, 이어서 후속 공정(들)(예를 들어, 가스 확산층 형성 공정, 단위 막-전극 어셈블리들로의 절단 공정 등)을 위해 다른 장소로 이송된다.
그러나, 상기 촉매-코팅된 멤브레인, 특히 고분자 전해질막(11)은 온도 및 습도의 변화에 취약하여 상대적으로 쉽게 변형된다. 특히, 고분자 전해질막(11)은 서로 밀착하려는 성질이 있다. 이와 같은 고분자 전해질막(11)의 특성은 상기 초매-코팅된 멤브레인이 와인더(100)에 감길 때 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 주름(W) 및/또는 접힘을 유발할 수 있다. 더욱이, 상기 촉매-코팅된 멤브레인이 와인더(100)에 감길 때 가해지는 장력(tension) 역시도 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 주름(W) 및/또는 접힘을 유발하는 경향이 있다.
와인더(100)에 감겨진 촉매-코팅된 멤브레인에 남게 되는 이와 같은 주름(W) 및/또는 접힘은 상기 후속 공정(들)에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 최종 제품의 성능 저하를 유발하고, 최종 제품의 외관 품위를 손상시켜 그 상품성을 저하시킨다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 CCM 와인딩을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 관점은, 주름 및 접힘 없이 촉매-코팅된 멤브레인을 와인딩할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 관점은, 주름 및 접힘 없이 촉매-코팅된 멤브레인이 와인딩할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
위에서 언급된 본 발명의 관점 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 설명되거나, 그러한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
위와 같은 본 발명의 일 관점에 따라, 촉매-코팅된 멤브레인(catalyst-coated membrane)을 와인딩하기 위한 시스템으로서, 연속적으로 공급되는 상기 촉매-코팅된 멤브레인이 감기는 와인더(winder) - 상기 촉매-코팅된 멤브레인은 (i) 제1 면 및 그 반대편의 제2 면을 갖는 고분자 전해질막, (ii) 상기 제1 면 상에 일정 간격을 두고 불연속적으로 형성된 다수의 제1 전극들, 및 (iii) 상기 제2 면 상에 일정 간격을 두고 불연속적으로 형성된 다수의 제2 전극들을 포함함 -; 및 상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감길 때 상기 촉매-코팅된 멤브레인을 펴주기(smooth) 위한 언링클 장치(unwrinkling device)를 포함하는, 시스템이 제공된다.
상기 언링클 장치는 다수의 브러쉬들(brushes)을 포함할 수 있다.
상기 브러쉬들 각각은 그 일단에 위치한 피벗 축(pivot axis)을 중심으로 회전할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 언링클 장치는 상기 브러쉬들을 회전시키기 위한 적어도 하나의 모터를 더 포함할 수 있다.
상기 브러쉬들의 적어도 2개가 하나의 피벗 축을 공유할 수 있다.
상기 언링클 장치는 다수의 회전 부재들(rotating members)을 더 포함할 수 있고, 상기 회전 부재들 각각에는 상기 브러쉬들 중 적어도 하나가 결합되어 있을 수 있다.
상기 촉매-코팅된 멤브레인은 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 횡방향(traverse direction)을 따라 나란히 위치한 제1 및 제2 영역들을 포함하되, 상기 제2 영역은 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 종방향(machine direction)에 평행한 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 가상의 중심선(virtual center line)으로부터 상기 제1 영역보다 더 멀리 떨어져 있고, 상기 다수의 브러쉬들은 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다 먼저 브러슁될 수 있도록 배열되어 있을 수 있다.
상기 촉매-코팅된 멤브레인은 상기 가상의 중심선의 일측에 위치한 제1 부분 및 상기 가상의 중심선의 타측에 위치한 제2 부분을 포함하고, 상기 다수의 브러쉬들은 상기 제1 부분에 대응하는 제1 그룹의 브러쉬들 및 상기 제2 부분에 대응하는 제2 그룹의 브러쉬들을 포함할 수 있고, 상기 제1 그룹의 브러쉬들 각각은 그 일단에 위치한 제1 피벗 축을 중심으로 회전할 수 있도록 구성될 수 있고, 상기 제2 그룹의 브러쉬들 각각은 그 일단에 위치한 제2 피벗 축을 중심으로 회전할 수 있도록 구성될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 피벗 축들 각각은 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 횡방향과 평행하지 않을 수 있다.
상기 시스템은, 상기 언링클 장치의 동작을 제어하며, 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 감김이 진행됨에 따라 상기 언링클 장치가 상기 와인더로부터 멀어지도록 상기 언링클 장치의 위치를 조정할 수 있도록 구성된 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감길 때 이형 필름(release film)이 함께 감길 수 있도록, 그리고 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 하면(lower surface)이 상기 이형 필름과 접촉한 상태에서 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 상면(upper surface)이 상기 브러쉬들로 브러슁될 수 있도록, 상기 시스템은 상기 이형 필름을 연속적으로 공급하는 피딩 롤(feeding roll)을 더 포함할 수 있다.
상기 시스템은, 상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감기기 전에 상기 촉매-코팅된 멤브레인을 펼치기(spread) 위한 보우 롤(bow roll)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 촉매-코팅된 멤브레인을 와인딩하기 위한 방법으로서, 상기 촉매-코팅된 멤브레인을 연속적으로 공급하는(continuously supplying) 단계 - 상기 촉매-코팅된 멤브레인은 (i) 제1 면 및 그 반대편의 제2 면을 갖는 고분자 전해질막, (ii) 상기 제1 면 상에 일정 간격을 두고 불연속적으로 형성된 다수의 제1 전극들, 및 (iii) 상기 제2 면 상에 일정 간격을 두고 불연속적으로 형성된 다수의 제2 전극들을 포함함 -; 상기 촉매-코팅된 멤브레인을 와인더에 감는(winding) 단계; 및 상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감길 때 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 주름을 펴는(smoothing wrinkles) 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.
상기 주름을 펴는 단계는 다수의 브러쉬들로 상기 촉매-코팅된 멤브레인을 브러슁함으로써 수행될 수 있다.
상기 브러슁은 상기 브러쉬들 각각을 그 일단에 위치한 피벗 축(pivot axis)을 중심으로 회전시킴으로써 수행될 수 있다.
상기 브러슁은 상기 브러쉬들 중 적어도 하나가 결합되어 있는 회전 부재를 회전시킴으로써 수행될 수 있다.
상기 촉매-코팅된 멤브레인은 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 횡방향을 따라 나란히 위치한 제1 및 제2 영역들을 포함하되, 상기 제2 영역은 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 종방향에 평행한 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 가상의 중심선으로부터 상기 제1 영역보다 더 멀리 떨어져 있고, 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다 먼저 브러슁될 수 있다.
상기 촉매-코팅된 멤브레인은 상기 가상의 중심선의 일측에 위치한 제1 부분 및 상기 가상의 중심선의 타측에 위치한 제2 부분을 포함하고, 상기 다수의 브러쉬들은 상기 제1 부분에 대응하는 제1 그룹의 브러쉬들 및 상기 제2 부분에 대응하는 제2 그룹의 브러쉬들을 포함할 수 있고, 상기 브러슁은 상기 제1 그룹의 브러쉬들 각각을 그 일단에 위치한 제1 피벗 축을 중심으로 회전시키고 상기 제2 그룹의 브러쉬들 각각을 그 일단에 위치한 제2 피벗 축을 중심으로 회전시킴으로써 수행될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 피벗 축들 각각은 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 횡방향과 평행하지 않을 수 있다.
상기 방법은, 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 감김이 진행됨에 따라 상기 브러쉬들이 상기 와인더로부터 멀어지도록 상기 브러쉬들의 위치를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감길 때 이형 필름이 함께 감길 수 있도록, 그리고 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 하면이 상기 이형 필름과 접촉한 상태에서 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 상면이 상기 브러쉬들로 브러슁될 수 있도록, 상기 방법은 상기 이형 필름을 연속적으로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감기기 전에 상기 촉매-코팅된 멤브레인을 펼치는(spreading) 단계를 더 포함할 수 있다.
위와 같은 본 발명에 대한 일반적 서술은 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다.
본 발명의 시스템 및 방법에 의하면, 롤투롤 공정을 통해 형성되는 촉매-코팅된 멤브레인이 주름이나 접힘 없이 와인더에 와인딩될 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 상기 촉매-코팅된 멤브레인을 이용한 후속 공정이 상기 촉매-코팅된 멤브레인, 특히 고분자 전해질막의 주름 및/또는 접힘에 의해 악영향을 받는 것이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 주름 및/또는 접힘으로 인한 최종 제품의 성능 저하를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 최종 제품의 외관 품위를 최상으로 유지함으로써 그 상품성을 향상시킬 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 통상의 촉매-코팅된 멤브레인의 와인딩 공정을 보여주고,
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 이용하여 촉매-코팅된 멤브레인을 와인딩하는 방법을 각각 보여주는 평면도 및 측면도이며,
도 3의 본 발명의 다른 실시예에 따른 언링클 장치를 보여주고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시스템을 보여주고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시스템을 이용하여 촉매-코팅된 멤브레인을 와인딩하는 방법을 보여주고,
도 6은 도 5의 시스템에 의한 브러슁 작업을 자세히 보여주며,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시스템을 이용하여 촉매-코팅된 멤브레인을 와인딩하는 방법을 보여준다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 아래에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 예시적 목적으로 제시되는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 이용하여 촉매-코팅된 멤브레인을 와인딩하는 방법을 각각 보여주는 평면도 및 측면도이다.
도 2에 예시된 바와 같이, 촉매-코팅된 멤브레인(10)이 종방향(machine direction)(MD)을 따라 연속적으로 공급된다. 본 발명의 시스템은 연속적으로 공급되는 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)이 감기는 와인더(winder)(100) 및 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)이 상기 와인더(100)에 감길 때 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)을 펴주기(smooth) 위한 언링클 장치(unwrinkling device)(200)를 포함한다. 즉, 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)이 상기 와인더(100)에 감길 때 상기 언링클 장치(200)에 의해 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 주름을 펴는(smoothing wrinkles) 단계가 수행된다.
상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)은 (i) 제1 면 및 그 반대편의 제2 면을 갖는 고분자 전해질막(11), (ii) 상기 제1 면 상에 일정 간격을 두고 불연속적으로 형성된 다수의 제1 전극들(12), 및 (iii) 상기 제2 면 상에 일정 간격을 두고 불연속적으로 형성된 다수의 제2 전극들(13)을 포함한다.
상기 고분자 전해질막(11)은 (i) 이오노머로 형성된 단일막 타입(single membrane type)의 고분자 전해질막, 또는 (ii) 이오노머로 함침된 다공성 지지체를 포함하는 강화 복합막 타입(reinforced composite membrane type)의 고분자 전해질막일 수 있다.
두 타입의 고분자 전해질막들(11) 모두에서 있어서, 상기 이오노머는 불소계 이오노머 또는 탄화수소계 이오노머일 수 있고, 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 및 술폰산 플루오라이드기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 이온 전도성기를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극들(12, 13)은 촉매, 이오노머, 및 분산매를 포함하는 전극 슬러리를 이용하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 전극 슬러리를 높은 내열성과 우수한 이형성을 갖는 전사 기재들(transfer substrates)[예를 들어, (i) PTFE 필름, ETFE 필름, ECTFE 필름, FEP 필름 등과 같은 불소계 폴리머 필름, (ii) 실리콘 처리된 PET 필름과 같이 이형성 부여를 위해 표면 처리된 폴리머 필름, 또는 (iii) 이형성 부여를 위해 표면 처리된 종이 필름일 수 있으나, 이들로 제한되지는 않음] 상에 각각 코팅한 후 건조시킴으로써 상기 제1 및 제2 전극들(12, 13)을 형성하는 단계, 상기 제1 및 제2 전극들(12, 13)들이 상기 고분자 전해질막(11)의 상기 제1 및 제2 면들에 각각 접촉시킨 후 가압 및 가열함으로써 상기 제1 및 제2 전극들(12, 13)들을 상기 제1 및 제2 면들 상에 각각 전사하는 단계, 및 상기 전사 기재들을 제거하는 단계를 포함하는 전극 전사 방식을 통해 상기 제1 및 제2 전극들(12, 13)이 상기 고분자 전해질막(11)의 상기 제1 및 제2 면들 상에 각각 형성될 수 있다.
대안적으로, 상기 전극 슬러리를 상기 고분자 전해질막(11)의 상기 제1 및 제2 면들 상에 직접 코팅한 후 건조시키는 직접 코팅 방식을 통해 상기 제1 및 제2 전극들(12, 13)이 상기 고분자 전해질막(11)의 상기 제1 및 제2 면들 상에 각각 형성될 수도 있다.
촉매의 활성 표면적을 증가시키기 위한 노력의 일환으로, 전기 전도성을 갖는 담체(support) 상에 촉매금속 입자들(catalytic metal particles)이 분산되어 있는 촉매가 일반적으로 사용된다. 상기 담체는 (i) 탄소계 담체, (ii) 주석 산화물, 티타니아, 지르코니아, 알루미나, 실리카, 및 세리아와 같은 전도성 무기 산화물 담체, 또는 (iii) 제올라이트 담체일 수 있다.
상기 촉매금속 입자들은 백금 또는 백금계 합금을 포함할 수 있다. 상기 백금계 합금은 (i) Pt-Co, Pt-Pd, Pt-Mn, Pt-Sn, Pt-Mo, Pt-Cr, Pt-W, Pt-Ir, Pt-Ru, Pt-Ni, Pt-Fe 등의 2원 합금(binary alloy), (ii) Pt-Ru-W, Pt-Ru-Ni, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-Ir, Pt-Co-Mn, Pt-Co-Ni, Pt-Co-Fe, Pt-Co-Ir, Pt-Co-S, Pt-Co-P, Pt-Fe-Ir, Pt-Fe-S, Pt-Fe-P, Pt-Au-Co, Pt-Au-Fe, Pt-Au-Ni, Pt-Ni-Ir, Pt-Cr-Ir 등의 3원 합금(ternary alloy), 또는 (iii) Pt-Ru-Rh-Ni, Pt-Ru-Sn-W, Pt-Ru-Ir-Ni 등의 4원 합금(quaternary alloy)일 수 있으나, 이들로 한정되는 것은 아니다.
상기 촉매와 함께 상기 분산매에 분산되는 이오노머는 수소 이온 전달을 위한 것이며 상기 제1 및 제2 전극들(12, 13)과 상기 고분자 전해질막(11) 사이의 접착력 향상을 위한 바인더로서의 기능도 수행한다.
상기 고분자 전해질막(11) 형성에 사용될 수 있는 상술한 이오노머들이 상기 제1 및 제2 전극들(12, 13)의 형성에도 사용될 수 있다. 상기 고분자 전해질막(11)의 이오노머와 상기 제1 및 제2 전극들(12, 13)의 이오노머는 동일한 종류의 이오노머인 것이 바람직하지만 본 발명이 이것으로 제한되는 것은 아니며 상이한 종류의 이오노머들이 상기 고분자 전해질막(11)과 상기 제1 및 제2 전극들(12, 13)의 제조에 각각 사용될 수도 있다.
상기 전극 슬러리의 분산매는 에탄올, 증류수, 이소프로필알콜, 노말프로필알콜, 부탄올, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.
와인딩될 때 주름 및 접힘이 본 발명에 의해 방지 또는 제거될 수 있는 촉매-코팅된 멤브레인(10)은, 상기 제1 및 제2 전극들(12, 13)과 이들 사이의 상기 고분자 전해질막(11) 외에도, 상기 고분자 전해질막(11)의 상기 제1 면 상에 배치되며 제1 윈도우를 통해 상기 제1 전극(12)을 노출시키는 제1 서브가스켓과 상기 고분자 전해질막(11)의 상기 제2 면 상에 배치되며 제2 윈도우를 통해 상기 제2 전극(13)을 노출시키는 제2 서브가스켓을 더 포함할 수도 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 상기 언링클 장치(200)는 다수의 브러쉬들(brushes)(210)을 포함할 수 있다. 다수의 브러쉬들(210)로 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)을 브러슁함으로써 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 주름이 펴질 수 있다.
상기 브러쉬들(210) 각각의 헤어들(hairs)은, 제1 전극(12)에 스크래치(scratch)를 야기하지 않을 정도로 낮은 경도(hardness)를 갖고, 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)에 대해 충분한 마찰력이 발생할 수 있을 정도로 밀한(dense) 것이 바람직하다.
상기 브러쉬들(210) 각각은 그 일단에 위치한 피벗 축(pivot axis)(PX1, PX2)을 중심으로 회전할 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 브러쉬들(210) 각각이 상기 피벗 축(PX1, PX2)을 중심으로 회전함으로써 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)에 대한 브러슁이 수행될 수 있다. 상기 브러쉬들(210)의 회전 속도는 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 상기 종방향(MD) 이동 속도에 따라 조정된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 언링클 장치(200)는 상기 브러쉬들(210)을 회전시키기 위한 적어도 하나의 모터(220)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 도 2에 예시된 바와 같이, 상기 모터(220)에 로드(rod)(230)가 연결되어 상기 로드(230)가 그 길이방향에 평행한 축을 중심으로 회전함으로써 상기 로드(230)에 결합된 브러쉬들(210)이 상기 피벗 축(PX1, PX2)[즉, 상기 로드(230)의 회전 축]을 중심을 회전할 수 있다. 상기 언링클 장치(200)는 상기 로드(230)를 회전 가능하게 지지하는 지지대(support)(250)를 더 포함할 수 있다. 이 실시예에 의하면, 상기 브러쉬들(210)의 적어도 2개가 하나의 피벗 축(PX1, PX2)을 공유할 수 있다.
또한, 상기 언링클 장치(200)는 다수의 회전 부재들(rotating members)(240)을 더 포함할 수 있고, 상기 회전 부재들(240) 각각에는 적어도 하나의 브러쉬(210)가 고정 결합(fixed coupled)되어 있을 수 있다. 상기 회전 부재들(240) 각각의 중심에 상기 로드(230)가 끼워짐으로써(engaged) 상기 로드(230)가 회전함에 따라 상기 회전 부재(240)가 상기 로드(230)와 함께 동심 축(concentric axis)을 중심으로 회전할 수 있다. 따라서, 상기 회전 부재(240)에 고정 결합된 상기 브러쉬(210)가 상기 로드(230)와 상기 회전 부재(240)의 동심 축인 피벗 축(PX1, PX2)을 중심으로 회전할 수 있다. 즉, 적어도 하나의 브러쉬(210)가 결합되어 있는 회전 부재(240)를 회전시킴으로써 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)에 대한 브러슁이 수행될 수 있다. 이 실시예에서도, 적어도 2개의 브러쉬들(210)이 하나의 피벗 축(PX1, PX2)을 공유할 수 있다.
도 3에 예시된 바와 같이, 하나의 회전 부재(240)에 2개의 브러쉬들(210)이 고정 결합됨으로써, 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 상기 종방향(MD) 이동 속도에 따라 조정되는 상기 회전 부재(240)의 회전 속도를, 하나의 회전 부재(240)에 단 하나의 브러쉬(210)만이 고정되는 경우에 비해 1/2로 줄이는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이, 상기 언링클 장치(200)는 상기 브러쉬들(210)과 동일한 개수의 모터들을 포함하고, 상기 브러쉬들(210) 각각은 그 자신의 모터에 그 일단이 직접 연결되거나 또는 회전 부재를 통해 연결되어 피봇 축(PX1, PX2)을 중심으로 회전할 수 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)은 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 횡방향(traverse direction)(TD)을 따라 나란히 위치한 제1 및 제2 영역들(10a, 10b)을 포함한다. 상기 제2 영역(10b)은 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 종방향(machine direction)(MD)에 평행한 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 가상의 중심선(virtual center line)(VCL)으로부터 상기 제1 영역(10b)보다 더 멀리 떨어져 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 도 2에 예시된 바와 같이, 상기 다수의 브러쉬들(210)은 상기 제1 영역(10a)이 상기 제2 영역(10b)보다 먼저 브러슁될 수 있도록 배열되어 있을 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 영역(10a)이 상기 제2 영역(10b)보다 먼저 브러슁된다. 이와 같은 브러쉬들(210)의 배열을 통해 또는 이와 같은 브러슁 방식을 통해, 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 중앙 쪽에 있는 주름/접힘이 사이드(side) 측으로 순차적으로 이동하면서 궁극적으로 제거될 수 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)은 상기 가상의 중심선(VCL)의 일측에 위치한 제1 부분(10_1) 및 상기 가상의 중심선(VCL)의 타측에 위치한 제2 부분(10_2)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 도 2에 예시된 바와 같이, 상기 다수의 브러쉬들(210)은 상기 제1 부분(10_1)에 대응하는 제1 그룹(GR1)의 브러쉬들(210) 및 상기 제2 부분(10_2)에 대응하는 제2 그룹(GR2)의 브러쉬들(210)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 그룹(GR1)의 브러쉬들(210) 각각은 그 일단에 위치한 제1 피벗 축(PX1)을 중심으로 회전할 수 있도록 구성될 수 있고, 상기 제2 그룹(GR2)의 브러쉬들(210) 각각은 그 일단에 위치한 제2 피벗 축(PX2)을 중심으로 회전할 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 그룹(GR1)의 브러쉬들(200) 각각을 그 일단에 위치한 제1 피벗 축(PX1)을 중심으로 회전시킴으로써 제1 부분(10_1)에 대한 브러슁이 수행될 수 있고, 상기 제2 그룹(GR2)의 브러쉬들(210) 각각을 그 일단에 위치한 제2 피벗 축(PX2)을 중심으로 회전시킴으로써 상기 제2 부분(10_2)에 대한 브러슁이 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 도 2에 예시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 피벗 축들(PX1, PX2) 각각이 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 횡방향(TD)과 평행하지 않음으로써[더욱 구체적으로는, 상기 브러쉬들(210)의 회전 방향이 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)을 양측을 각각 향하도록 상기 제1 및 제2 피벗 축들(PX1, PX2)이 배열됨으로써], 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 중앙 쪽에 있는 주름/접힘이 사이드(side) 측으로 순차적으로 이동하면서 궁극적으로 제거될 수 있다.
한편, 상기 브러쉬들(210) 대신에 스프레드 롤(spread roll)을 사용하는 것도 고려하여 볼 수 있으나, 스프레드 롤로 촉매-코팅된 멤브레인(10)을 당겨서 펴주는 것보다 상기 브러쉬들(210)을 이용하여 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 중앙으로부터 사이드 측으로 그 주름/접힘을 순차적으로 이동시켜 제거하는 것이 주름/접힘의 완전한 제거를 더욱 확실히 보장할 수 있을 뿐만 아니라 고분자 전해질막(11) 내 잔류 응력으로 인한 컬(curl) 발생을 더욱 확실히 방지할 수 있다.
본 발명의 시스템은, 도 4에 예시된 바와 같이, 상기 언링클 장치(200)의 동작을 제어하는 제어부(300)를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)이 상기 와인더(100)에 연속적으로 감김에 따라 감김 두께(winding thickness)가 점진적으로 증가하게 되는데, 이것은 상기 언클링 장치(200)의 브러쉬들(210)의 회전을 방해함으로써 주름/접힘 방지 또는 제거 기능이 적절히 수행되는 것을 불가능하게 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 상기 제어부(300)는 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 감김이 진행됨에 따라 상기 언링클 장치(200)가 상기 와인더(100)로부터 멀어지도록 상기 언링클 장치(200)의 위치를 조정할 수 있도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 감김이 진행됨에 따라 상기 브러쉬들(210)이 상기 와인더(100)로부터 멀어지도록 상기 브러쉬들(210)의 위치가 조정될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은, 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)이 상기 와인더(100)에 감길 때 이형 필름(release film)(20)이 함께 감길 수 있도록, 상기 이형 필름(20)을 연속적으로 공급하는 피딩 롤(feeding roll)(400)을 더 포함할 수 있다.
상기 이형 필름(20)은 PE 필름, PP 필름, PET 필름, PEN 필름 등과 같은 범용 필름일 수 있으나 이들로 제한되는 것은 아니며, 매끄러운 표면을 갖는 한 어떠한 폴리머 필름이라도 상기 이형 필름(20)로 사용될 수 있다.
도 6에 예시된 바와 같이, 상기 이형 필름(20)은 상기 와인더(100)에 감기는 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 하면(lower surface), 즉 상기 제2 전극(13)이 존재하는 상기 고분자 전해질막(11)의 상기 제2 면과 접촉하도록 상기 와인더(100)에 연속적으로 공급된다. 따라서, 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 상기 하면이 상기 이형 필름(20)과 접촉한 상태에서 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 상면(upper surface)이 상기 브러쉬들(210)로 브러슁될 수 있다.
상기 이형 필름(20)은 상기 와인더(100)에 감기는 촉매-코팅된 멤브레인들(10)끼리, 특히 고분자 전해질막들(11)끼리 밀착 또는 접착되는 것을 방지함으로써 이로 인한 주름/접힘 발생을 억제할 수 있다. 더욱이, 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 상기 상면이 상기 브러쉬들(210)로 브러슁될 때 상기 하면이 상기 이형 필름(20)의 매끄러운 표면 상에 존재하도록 함으로써, 주름/접힘이 더욱 용이하게 제거될 수 있다.
도 7에 예시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 시스템은, 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)이 상기 와인더(100)에 감기기 전에 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)을 펼치기(spread) 위한 보우 롤(bow roll)(500)을 더 포함할 수 있다. 이 실시예에 의하면, 상기 보우 롤(500)에 의해 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)이 1차적으로 펼쳐진 후 상기 언링클 장치(200)에 의해 주름/접힘 제거 공정이 수행되기 때문에, 상기 와인더(100)에 감기는 상기 촉매-코팅된 멤브레인(10)의 주름/접힘 제거가 더욱 완벽히 수행될 수 있다.
10: 촉매-코팅된 멤브레인(CCM) 10a: 제1 영역
10b: 제2 영역 10_1: 제1 부분
10_2: 제2 부분 11: 고분자 전해질막
12: 제1 전극 13: 제2 전극
20: 이형 필름
100: 와인더 200: 언링클 장치
210: 브러쉬 220: 모터
230: 로드 240: 회전 부재
250: 지지대 300: 제어부
400: 피딩 롤 500: 보우 롤

Claims (20)

  1. 촉매-코팅된 멤브레인(catalyst-coated membrane)을 와인딩하기 위한 시스템에 있어서,
    연속적으로 공급되는 상기 촉매-코팅된 멤브레인이 감기는 와인더(winder) - 상기 촉매-코팅된 멤브레인은 (i) 제1 면 및 그 반대편의 제2 면을 갖는 고분자 전해질막, (ii) 상기 제1 면 상에 일정 간격을 두고 불연속적으로 형성된 다수의 제1 전극들, 및 (iii) 상기 제2 면 상에 일정 간격을 두고 불연속적으로 형성된 다수의 제2 전극들을 포함함 -; 및
    상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감길 때 상기 촉매-코팅된 멤브레인을 펴주기(smooth) 위한 언링클 장치(unwrinkling device)
    를 포함하는,
    시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 언링클 장치는 다수의 브러쉬들(brushes)을 포함하는,
    시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 브러쉬들 각각은 그 일단에 위치한 피벗 축(pivot axis)을 중심으로 회전할 수 있도록 구성된,
    시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 언링클 장치는 상기 브러쉬들을 회전시키기 위한 적어도 하나의 모터를 더 포함하는,
    시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 브러쉬들의 적어도 2개가 하나의 피벗 축을 공유하는,
    시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 언링클 장치는 다수의 회전 부재들(rotating members)을 더 포함하고,
    상기 회전 부재들 각각에는 상기 브러쉬들 중 적어도 하나가 결합되어 있는,
    시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 촉매-코팅된 멤브레인은 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 횡방향(traverse direction)을 따라 나란히 위치한 제1 및 제2 영역들을 포함하되, 상기 제2 영역은 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 종방향(machine direction)에 평행한 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 가상의 중심선(virtual center line)으로부터 상기 제1 영역보다 더 멀리 떨어져 있고,
    상기 다수의 브러쉬들은 상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다 먼저 브러슁될 수 있도록 배열되어 있는,
    시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촉매-코팅된 멤브레인은 상기 가상의 중심선의 일측에 위치한 제1 부분 및 상기 가상의 중심선의 타측에 위치한 제2 부분을 포함하고,
    상기 다수의 브러쉬들은 상기 제1 부분에 대응하는 제1 그룹의 브러쉬들 및 상기 제2 부분에 대응하는 제2 그룹의 브러쉬들을 포함하고,
    상기 제1 그룹의 브러쉬들 각각은 그 일단에 위치한 제1 피벗 축을 중심으로 회전할 수 있도록 구성되고,
    상기 제2 그룹의 브러쉬들 각각은 그 일단에 위치한 제2 피벗 축을 중심으로 회전할 수 있도록 구성되며,
    상기 제1 및 제2 피벗 축들 각각은 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 횡방향과 평행하지 않은,
    시스템.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 언링클 장치의 동작을 제어하며, 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 감김이 진행됨에 따라 상기 언링클 장치가 상기 와인더로부터 멀어지도록 상기 언링클 장치의 위치를 조정할 수 있도록 구성된 제어부를 더 포함하는,
    시스템.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감길 때 이형 필름(release film)이 함께 감길 수 있도록, 그리고 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 하면(lower surface)이 상기 이형 필름과 접촉한 상태에서 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 상면(upper surface)이 상기 브러쉬들로 브러슁될 수 있도록, 상기 이형 필름을 연속적으로 공급하는 피딩 롤(feeding roll)을 더 포함하는,
    시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감기기 전에 상기 촉매-코팅된 멤브레인을 펼치기(spread) 위한 보우 롤(bow roll)을 더 포함하는,
    시스템.
  12. 촉매-코팅된 멤브레인을 와인딩하기 위한 방법에 있어서,
    상기 촉매-코팅된 멤브레인을 연속적으로 공급하는(continuously supplying) 단계 - 상기 촉매-코팅된 멤브레인은 (i) 제1 면 및 그 반대편의 제2 면을 갖는 고분자 전해질막, (ii) 상기 제1 면 상에 일정 간격을 두고 불연속적으로 형성된 다수의 제1 전극들, 및 (iii) 상기 제2 면 상에 일정 간격을 두고 불연속적으로 형성된 다수의 제2 전극들을 포함함 -;
    상기 촉매-코팅된 멤브레인을 와인더에 감는(winding) 단계; 및
    상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감길 때 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 주름을 펴는(smoothing wrinkles) 단계
    를 포함하는,
    방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 주름을 펴는 단계는 다수의 브러쉬들로 상기 촉매-코팅된 멤브레인을 브러슁함으로써 수행되는,
    방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 브러슁은 상기 브러쉬들 각각을 그 일단에 위치한 피벗 축(pivot axis)을 중심으로 회전시킴으로써 수행되는,
    방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 브러슁은 상기 브러쉬들 중 적어도 하나가 결합되어 있는 회전 부재를 회전시킴으로써 수행되는,
    방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 촉매-코팅된 멤브레인은 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 횡방향을 따라 나란히 위치한 제1 및 제2 영역들을 포함하되, 상기 제2 영역은 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 종방향에 평행한 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 가상의 중심선으로부터 상기 제1 영역보다 더 멀리 떨어져 있고,
    상기 제1 영역이 상기 제2 영역보다 먼저 브러슁되는,
    방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 촉매-코팅된 멤브레인은 상기 가상의 중심선의 일측에 위치한 제1 부분 및 상기 가상의 중심선의 타측에 위치한 제2 부분을 포함하고,
    상기 다수의 브러쉬들은 상기 제1 부분에 대응하는 제1 그룹의 브러쉬들 및 상기 제2 부분에 대응하는 제2 그룹의 브러쉬들을 포함하고,
    상기 브러슁은 상기 제1 그룹의 브러쉬들 각각을 그 일단에 위치한 제1 피벗 축을 중심으로 회전시키고 상기 제2 그룹의 브러쉬들 각각을 그 일단에 위치한 제2 피벗 축을 중심으로 회전시킴으로써 수행되며,
    상기 제1 및 제2 피벗 축들 각각은 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 횡방향과 평행하지 않은,
    방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 촉매-코팅된 멤브레인의 감김이 진행됨에 따라 상기 브러쉬들이 상기 와인더로부터 멀어지도록 상기 브러쉬들의 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감길 때 이형 필름이 함께 감길 수 있도록, 그리고 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 하면이 상기 이형 필름과 접촉한 상태에서 상기 촉매-코팅된 멤브레인의 상면이 상기 브러쉬들로 브러슁될 수 있도록, 상기 이형 필름을 연속적으로 공급하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 촉매-코팅된 멤브레인이 상기 와인더에 감기기 전에 상기 촉매-코팅된 멤브레인을 펼치는(spreading) 단계를 더 포함하는,
    방법.
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