KR20220156174A - 연료전지 제조방법 - Google Patents

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고광호
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Abstract

본 발명은 막전극 접합체 제조 과정에서 변형이 쉽게 발생하고 습도 온도 등 주변 조건에 민감한 전해질막에 대하여 보호 필름이나 이형지 등이 항상 부착된 상태를 유지하여 소재 변형을 최소화할 수 있는 연료전지 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 연료전지 제조방법은, 1) 제1, 2 전극을 공급하는 단계; 2) 보호 필름이 일면에 부착되어 있는 전해질막을 공급하는 단계; 3) 상기 제1 전극을 상기 전해질막 중 상기 보호 필름이 부착되지 않은 면에 부착하는 제1 부착 단계; 4) 상기 3) 단계를 거친 상기 전해질막으로부터 상기 보호 필름을 제거하는 단계; 5) 상기 제2 전극을 상기 전해질막 중 상기 보호 필름이 제거된 면에 부착하는 제2 부착 단계;를 포함한다.

Description

연료전지 제조방법{THE METHOD FOR MANUFACTURING THE FUEL CELL}
본 발명은 연료전지 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 막전극 접합체 제조 과정에서 변형이 쉽게 발생하고 습도 온도 등 주변 조건에 민감한 전해질막에 대하여 보호 필름이나 이형지 등이 항상 부착된 상태를 유지하여 소재 변형을 최소화할 수 있는 연료전지 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소)를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다.
연료전지는 적용분야에 따라 고온용 및 저온용 연료전지를 선택하여 사용할 수 있으며, 통상적으로 전해질의 종류에 따라 분류되고 있는데, 고온용에는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 등이 있고, 저온용에는 알칼리 전해질 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) 및 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등이 대표적으로 개발되고 있다.
이중 고분자 전해질 연료전지를 세분하면 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 액상의 메탄올을 직접 연료로 산화극(Anode)에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등이 있다.
고분자 전해질 연료전지는 100 미만의 낮은 작동온도, 고체 전해질 사용으로 인한 누수문제 배제, 빠른 시동과 응답 특성, 및 우수한 내구성 등의 장점으로 휴대용, 차량용, 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다. 특히 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용 연료전지로의 연구가 계속 진행되고 있다.
이러한 연료전지의 단위전지 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 양쪽에 산화극(Anode, 연료극) 및 환원극(Cathode, 산소극)이 도포되어 있는 구조를 이루고 있는데, 이를 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)라 칭한다. 이 막-전극 접합체(MEA, 1)는 수소와 산소의 전기화학적 반응이 일어나는 부분으로서 환원극(20)과 산화극(30) 그리고 전해질막(10), 즉 이온 전도성 전해질막(예, 수소이온 전도성 전해질막)으로 구성되어 있다.
산화극(30)에서는 연료인 수소 또는 메탄올이 공급되어 수소의 산화 반응이 일어나 수소 이온과 전자를 발생시키며, 환원극(20)에서는 고분자 전해질막(10)을 통과한 수소이온과 산소가 결합하여 산소의 환원 반응에 의해 물이 생성된다.
이 막-전극 접합체(1)는 이러한 산화극(30)과 환원극(20)의 전극 촉매층이 이온 전도성 전해질막(10)의 양면에 도포되어 있는 형태를 이루고, 전극 촉매층을 이루고 있는 물질은 Pt(백금)이나 Pt-Ru(백금-루테늄) 등의 촉매 물질이 카본 담체에 담지되어 있는 형태이다. 연료전지의 전기화학적 반응의 핵심부품으로 볼 수 있는 막-전극 접합체(MEA)에는 특히 가격 구성 비율이 높은 이온 전도성 전해질막과 백금 촉매 등이 사용되며, 전력 생산 효율과 직결된 부분이기 때문에 연료전지의 성능향상과 가격경쟁력을 높이는데 가장 중요한 부분으로 간주되고 있다.
종래에 이러한 막-전극 접합체를 제조하는 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 전해질막(10)의 보호필름(12)을 제거한 상태에서 그 양면에 산화극(30)과 환원극(20)을 동시에 접합하고 접합된 산화극(30)과 환원극(20)에서 이형지(32, 22)를 각각 제거하고 다시 보호필름(40)을 접합하는 방식으로 이루어진다.
이러한 종래의 막-전극 접합체 제조방법에 의하면 유동성이 큰 전해질막(10)을 보호필름(12) 없이 단독으로 이동시키면서 양면에 산화극(30)과 환원극(20)을 접합하는 과정에서, 전해질막(10)에 주름이 발생하고, 습도 조건에 민감한 전해질막을 컨트롤하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 막전극 접합체 제조 과정에서 변형이 쉽게 발생하고 습도 온도 등 주변 조건에 민감한 전해질막에 대하여 보호 필름이나 이형지 등이 항상 부착된 상태를 유지하여 소재 변형을 최소화할 수 있는 연료전지 제조방법을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 제조방법은, 1) 제1, 2 전극을 공급하는 단계; 2) 보호 필름이 일면에 부착되어 있는 전해질막을 공급하는 단계; 3) 상기 제1 전극을 상기 전해질막 중 상기 보호 필름이 부착되지 않은 면에 부착하는 제1 부착 단계; 4) 상기 3) 단계를 거친 상기 전해질막으로부터 상기 보호 필름을 제거하는 단계; 5) 상기 제2 전극을 상기 전해질막 중 상기 보호 필름이 제거된 면에 부착하는 제2 부착 단계;를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 연료전지 제조방법에서는, 상기 5) 단계 수행 후에, 상기 제1, 2 전극 중 어느 한 전극에 부착되어 있는 이형지를 제거하는 단계가 더 수행되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는 상기 5) 단계 수행 후에, a) 상기 제1, 2 전극에 부착되어 있는 이형지들을 모두 제거하는 단계; b) 상기 이형지가 제거된 상기 제1, 2 전극 중 어느 하나의 전극 표면에 보호 필름을 부착하는 단계;의 소단계들이 더 수행되는 것이 바람직하다.
한편 본 발명은, 1) 보호 필름이 일면에 부착되어 있는 전해질막을 일측에서 타측으로 롤투롤 형태로 이동시키는 단계; 2) 상기 전해질막 중 상기 보호 필름이 부착되지 않은 면 방향으로 이형지가 일면에 부착되어 있는 제1 전극을 공급하는 단계; 3) 상기 제1 전극을 상기 전해질막 중 상기 보호 필름이 부착되지 않은 면에 부착하는 제1 부착 단계; 4) 상기 3) 단계를 거친 상기 전해질막으로부터 상기 보호 필름을 제거하는 단계; 5) 상기 전해질막 중 상기 제1 전극이 부착되지 않은 면 방향으로 이형지가 일면에 부착되어 있는 제2 전극을 공급하는 단계; 6) 상기 제2 전극을 상기 전해질막 중 상기 보호 필름이 제거된 면에 부착하는 제2 부착 단계;를 포함하는 연료전지 제조방법도 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지 제조방법에서는 상기 6) 단계 수행 후에, 상기 제1, 2 전극 중 어느 한 전극에 부착되어 있는 이형지를 제거하는 단계가 더 수행되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는 상기 6) 단계 수행 후에, a) 상기 제1, 2 전극에 부착되어 있는 이형지들을 모두 제거하는 단계; b) 상기 이형지가 제거된 상기 제1, 2 전극 중 어느 하나의 전극 표면에 보호 필름을 부착하는 단계;의 소단계들이 더 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료전지 제조방법에 의하면 막전극 접합체 제조 과정에서 가장 변형이 심하고 주변 환경에 민감한 전해질막(10)을 베어(bare) 상태 없이 보호 필름이나 전극 이형지가 부착된 상태로 유지하여 소재의 변형 가능성이나 주변 환경에 의한 변형 가능성을 원천적으로 방지하면서 공정 수행이 가능한 장점이 있다.
도 1은 일반적인 막전극 접합체의 구조를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 막전극 접합체 제조 과정을 도시하는 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제조방법의 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제조방법의 공정들을 도시하는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 제조방법의 공정도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 제조방법의 공정들을 도시하는 도면들이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예들을 상세하게 설명한다.
< 실시예 1 >
본 실시예에 따른 연료전지 제조방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 제1, 2 전극(20, 30)을 공급하는 단계(S110)로 시작된다. 상기 제1, 2 전극(20, 30)은 산화극과 환원극을 말하는 것이며, 상기 제1, 2 전극(20, 30)에는 도 4a에 도시된 바와 같이, 그 일면에 이형지(22, 32)가 각각 부착되어 있는 상태로 공급된다. 구체적으로 상기 제1, 2 전극(20, 30)은 롤 형태로 권취되어 작업 진행에 따라 일정한 속도로 공급되는 것이 바람직하다.
다음으로는 도 3에 도시된 바와 같이, 전해질막을 공급하는 단계(S120)가 진행된다. 이 단계(S120)에서는 도 4a에 도시된 바와 같이, 보호 필름(12)이 일면에 부착되어 있는 전해질막(10)을 공급한다. 상기 전해질막(10)도 구체적으로는 공급롤러에 권취되어 작업 진행에 따라 일정한 속도로 공급되는 것이 바람직하다.
다음으로는 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 전극(30)을 상기 전해질막(10)에 부착하는 단계(S130)가 진행된다. 이 단계(S130)에서는 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 전해질막(10)의 양 면 중에서 상기 보호 필름(12)이 부착되어 있지 않은 면에 상기 제2 전극(30)을 부착한다. 이때 상기 전해질막(10)의 타면에는 여전히 상기 보호 필름(12)이 부착되어 있어서 상기 전해질막(10)의 변형이나 주름 형성 등의 문제가 발생하지 않는다.
다음으로는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 보호 필름(12)을 제거하는 단계(S140)가 진행된다. 이 단계(S140)에서는 도 4c에 도시된 바와 같이, 타면에 상기 제2 전극(30)이 부착되어 변형이나 주름 형성 가능성이 없어진 상기 전해질막(10)으로부터 보호 필름(12)을 제거하는 것이다. 그리고 이렇게 상기 보호 필름(12) 제거된 상기 전해질막(10)의 표면에 상기 제1 전극(20)이 부착되는 것이다.
다음으로는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극(20)을 부착하는 단계(S150)가 진행된다. 이 단계(S150)에서는 도 4d 에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극(20)을 상기 전해질막(10) 중 상기 보호 필름(12)이 제거된 면에 부착한다.
다음으로는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1, 2 전극(20, 30) 중 어느 한 전극에 부착되어 있는 이형지를 제거하는 단계(S160)가 수행된다. 즉, 상기 제1, 2 전극(20, 30) 중 어느 하나의 전극에 부착되어 있는 이형지는 그대로 유지시켜 보호 필름 역할을 수행하게 하고 나머지 하나의 이형지는 제거하는 것이다.
이렇게 기존에 부착되어 있는 이형지 중 하나를 보호 필름으로 대체하여 사용하면, 전극 부착 공정 후에 다시 보호 필름 부착 공정을 진행할 필요가 없어서 공정이 단순해지고 시간이 단축되는 장점이 있다.
물론 상기 제2 전극 부착 단계(S150) 수행 후에, 상기 제1, 2 전극(20, 30)에 부착되어 있는 이형지(22, 32)들을 모두 제거하고, 상기 이형지(22, 32)가 제거된 상기 제1, 2 전극(20, 30) 중 어느 하나의 전극 표면에 보호 필름을 부착하는 방식으로 공정이 진행될 수도 있다.
< 실시예 2 >
본 실시예에 따른 연료전지 제조방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 전해질막(10) 이동 단계(S210)로 시작된다. 이 단계(S210)에서는 공급롤에 권취되어 있는 상기 전해질막(10)을 일측에서 타측으로 일정한 속도로 이동시키면서 상기 전해질막(10) 전극 부착 작업 공간으로 이동시킨다. 이때 상기 전해질막(10)의 일면에는 도 6a에 도시된 바와 같이, 보호 필름(12)이 부착되어 있어서 상기 전해질막(10)의 변형이나 주름 형성을 방지하는 것이 바람직하다.
다음으로는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 전극(20)을 공급하는 단계(S220)가 진행된다. 이 단계(S220)에서는 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 전해질막(10) 중 상기 보호 필름(12)이 부착되지 않은 면 방향으로 상기 제1 전극(20)을 공급한다. 이때 상기 제1 전극(20)의 일면에는 이형지(22)가 부착되어 있는 것이 바람직하다.
그리고 상기 제1 전극은 상기 전해질막(10)에 부착될 수 있도록 얼라인이 된 상태로 공급된다.
다음으로는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극(20)을 부착하는 제1 부착 단계(S230))가 진행된다. 즉, 이 단계(S230)에서는 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전극(20)을 상기 전해질막(10) 중 상기 보호 필름(12)이 부착되지 않은 면에 부착한다. 상기 제1 전극(20)을 부착하는 방법은 다양한 방법이 적용 가능하며, 예를 들어 가압롤러를 이용하여 부착할 수 있다.
다음으로는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 보호 필름(12)을 제거하는 단계(S240)가 진행된다. 이 단계(S240)에서는 상기 제1 부착 단계(S230)를 거친 상기 전해질막(10)으로부터 상기 보호 필름(12)을 제거하는 것이다. 상기 제1 부착 단계(S230)를 거친 상기 전해질막(10)에는 도 6c 에 도시된 바와 같이, 제1 전극(20)과 이형지(22)가 부착되어 있으므로, 상기 보호 필름(12)을 제거하더라도 상기 전해질막(10)이 변형되거나 주름이 형성될 가능성이 없다.
다음으로는 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 전극(30)을 공급하는 단계(S250)가 진행된다. 이 단계(S250)에서는 도 6d에 도시된 바와 같이, 상기 전해질막(10) 중 상기 제1 전극(20)이 부착되지 않은 면 방향으로 상기 제2 전극(30)을 공급한다. 이때 상기 제2 전극(30)의 일면에는 도 6d 에 도시된 바와 같이, 이형지가 부착되어 있는 것이 바람직하다.
이때 상기 제2 전극(30)도 상기 전해질막(10)에 부착하기 위하여 얼라인된 상태로 공급된다.
다음으로는 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 부착 단계(S260)가 진행된다. 이 단계(S260)에서는 도 6e에 도시된 바와 같이, 상기 제2 전극(30)을 상기 전해질막(10) 중 상기 보호 필름(12)이 제거된 면에 부착한다. 상기 제2 전극(30)을 부착하는 방법도 상기 제1 전극(20)을 부착하는 방법과 실질적으로 동일하다.
다음으로는 도 6f에 도시된 바와 같이, 상기 제1, 2 전극(20, 30) 중 어느 한 전극에 부착되어 있는 이형지를 제거하는 단계가 수행된다. 즉, 상기 제1, 2 전극(20, 30) 중 어느 하나의 전극에 부착되어 있는 이형지는 그대로 유지시켜 보호 필름 역할을 수행하게 하고 나머지 하나의 이형지는 제거하는 것이다.
이렇게 기존에 부착되어 있는 이형지 중 하나를 보호 필름으로 대체하여 사용하면, 전극 부착 공정 후에 다시 보호 필름 부착 공정을 진행할 필요가 없어서 공정이 단순해지고 시간이 단축되는 장점이 있다.
물론 상기 제2 전극 부착 단계(S260) 수행 후에, 상기 제1, 2 전극(20, 30)에 부착되어 있는 이형지(22, 32)들을 모두 제거하고, 상기 이형지(22, 32)가 제거된 상기 제1, 2 전극(20, 30) 중 어느 하나의 전극 표면에 보호 필름을 부착하는 방식으로 공정이 진행될 수도 있다.
10 : 전해질막 12 : 보호 필름
20 : 제1 전극 30 : 제2 전극

Claims (6)

1) 제1, 2 전극을 공급하는 단계;
2) 보호 필름이 일면에 부착되어 있는 전해질막을 공급하는 단계;
3) 상기 제1 전극을 상기 전해질막 중 상기 보호 필름이 부착되지 않은 면에 부착하는 제1 부착 단계;
4) 상기 3) 단계를 거친 상기 전해질막으로부터 상기 보호 필름을 제거하는 단계;
5) 상기 제2 전극을 상기 전해질막 중 상기 보호 필름이 제거된 면에 부착하는 제2 부착 단계;를 포함하는 연료전지 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 5) 단계 수행 후에,
상기 제1, 2 전극 중 어느 한 전극에 부착되어 있는 이형지를 제거하는 단계가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 5) 단계 수행 후에,
a) 상기 제1, 2 전극에 부착되어 있는 이형지들을 모두 제거하는 단계;
b) 상기 이형지가 제거된 상기 제1, 2 전극 중 어느 하나의 전극 표면에 보호 필름을 부착하는 단계;가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
1) 보호 필름이 일면에 부착되어 있는 전해질막을 일측에서 타측으로 롤투롤 형태로 이동시키는 단계;
2) 상기 전해질막 중 상기 보호 필름이 부착되지 않은 면 방향으로 이형지가 일면에 부착되어 있는 제1 전극을 공급하는 단계;
3) 상기 제1 전극을 상기 전해질막 중 상기 보호 필름이 부착되지 않은 면에 부착하는 제1 부착 단계;
4) 상기 3) 단계를 거친 상기 전해질막으로부터 상기 보호 필름을 제거하는 단계;
5) 상기 전해질막 중 상기 제1 전극이 부착되지 않은 면 방향으로 이형지가 일면에 부착되어 있는 제2 전극을 공급하는 단계;
6) 상기 제2 전극을 상기 전해질막 중 상기 보호 필름이 제거된 면에 부착하는 제2 부착 단계;를 포함하는 연료전지 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 6) 단계 수행 후에,
상기 제1, 2 전극 중 어느 한 전극에 부착되어 있는 이형지를 제거하는 단계가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 6) 단계 수행 후에,
a) 상기 제1, 2 전극에 부착되어 있는 이형지들을 모두 제거하는 단계;
b) 상기 이형지가 제거된 상기 제1, 2 전극 중 어느 하나의 전극 표면에 보호 필름을 부착하는 단계;가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
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