KR20230107973A - 연료전지 제조 장치 및 방법 - Google Patents

연료전지 제조 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230107973A
KR20230107973A KR1020220003223A KR20220003223A KR20230107973A KR 20230107973 A KR20230107973 A KR 20230107973A KR 1020220003223 A KR1020220003223 A KR 1020220003223A KR 20220003223 A KR20220003223 A KR 20220003223A KR 20230107973 A KR20230107973 A KR 20230107973A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mea
roll
punching
sub
gasket
Prior art date
Application number
KR1020220003223A
Other languages
English (en)
Inventor
김민진
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아 주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020220003223A priority Critical patent/KR20230107973A/ko
Priority to US17/985,659 priority patent/US20230223574A1/en
Publication of KR20230107973A publication Critical patent/KR20230107973A/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1058—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0286—Processes for forming seals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연속적 MEA를 개개의 MEA로 타발한 후 개개의 MEA를 서브가스켓에 접합시킬 때, 연속적 MEA에 존재하는 스크랩 전해질막이 그 표면에 형성된 이형용 조도에 의하여 서브가스켓에 접착되는 것을 방지하여, 연료전지의 제조 불량을 방지할 수 있고, 또한 개개의 MEA가 서브가스켓에 접합될 때, 패턴롤의 가압력에 의하여 개개의 MEA의 가장자리 부분까지 서브가스켓에 잘 접합되도록 한 연료전지 제조 장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 제조 장치 및 방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 연료전지 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 막전극 접합체를 개개 단위로 타발하여 서브가스켓에 용이하게 접합시킬 수 있도록 한 연료전지 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 수소 양이온(Proton)을 이동시키기 위한 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 전극층인 캐소드(cathode) 및 애노드(anode)로 구성되는 막전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly, 이하 MEA로 칭한다)를 포함한다.
또한, 상기 캐소드 및 애노드의 바깥 부분에는 수소 및 공기와 같은 기체의 확산 이동을 위한 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)과, 수소 및 공기를 촉매층으로 공급하고 전기생성 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로를 갖는 분리판이 차례로 적층된다.
이때, 상기 MEA의 캐소드 및 애노드에 가스확산층 및 분리판 등이 적층되기 전에 MEA는 서브가스켓(Sub gasket)에 접착된다.
상기 서브가스켓은 연료전지의 각 단위 셀(Unit Cell)을 구성하는 MEA를 지지함과 함께 분리판의 수소, 공기, 냉각수 등의 통로인 매니폴드를 기밀 내지 수밀 가능하게 밀폐하는 기능을 한다.
여기서, 상기 MEA를 서브가스켓에 접합시키는 종래의 방법을 도 1 및 도 2를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, MEA 권취롤에 MEA가 개별 단위로 분리되지 않고 연속적으로 제작된 연속적 MEA가 캐리어 필름과 함께 권취된다.
상기 연속적 MEA(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 소정 길이를 갖는 연속적인 전해질막(11)의 양면에 길이방향을 따라 전극층(12)인 캐소드(12-1)와 애노드(12-2)가 소정의 간격으로 도포된 것을 말한다.
이어서, 상기 MEA 권취롤로부터 캐리어 필름(20)이 인출되는 동시에 캐리어 필름(20) 상에 놓인 연속적 MEA(10)가 인출되며 펀칭부로 이동된다.
연이어, 상기 펀칭부의 타발(punching)에 의하여 연속적 MEA(10)가 개개의 MEA(30)로 분리되며, 개개의 MEA(30)로 분리되는 분리라인(40)은 도 2에 점선으로 표시한 바와 같이 전극층(12)의 사방에서 미리 설정된 거리만큼 떨어진 전해질막(11) 상에 구획된다.
이때, 상기 분리라인(40)의 바깥쪽에 존재하는 전해질막은 불필요한 스크랩(scrap) 전해질막(11-1)이 된다.
마지막으로, 상기 개개의 MEA(30) 및 스크랩 전해질막(11-1)은 캐리어 필름(carrier film) 상에 계속 놓인 채 서브가스켓과의 접합 공정으로 이동된 후, 롤 프레스 등에 의하여 도 3에 도시된 바와 같이 한 쌍의 서브가스켓(50)과 접착제로 접합된다.
그러나, 상기한 종래의 MEA와 서브가스켓 간의 접합 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 상기 연속적 MEA(10)가 개개의 MEA(30)로 분리된 후 서브가스켓(50)에 접합될 때, 개개의 MEA(30) 만이 선택적으로 서브가스켓(50)에 접합되어야 하는데, 상기 분리라인(40)의 바깥쪽에 존재하는 전해질막인 불필요한 스크랩 전해질막(11-1) 까지 서브가스켓(50)에 접합됨으로써, 개개의 MEA와 서브가스켓 간의 접합 품질이 떨어지고, 결국 연료전지의 제조 불량을 초래하는 문제점이 있다.
둘째, 개개의 MEA(30)가 롤 프레스 등에 의하여 한 쌍의 서브가스켓(50)과 접착될 때, 개개의 MEA(30)의 가장자리 부분에 대한 접합 압력이 부족하여, 개개의 MEA(30)와 서브가스켓(50)의 가장자리 부분에 주름이나 기포가 발생하는 등의 불량이 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 연속적 MEA를 개개의 MEA로 타발(punching)할 때, 연속적 MEA에 존재하는 스크랩 전해질막 표면에 미세한 이형용 조도(surface roughness)가 형성되도록 함으로써, 스크랩 전해질막이 이형용 조도에 의하여 서브가스켓에 접착되는 것을 방지할 수 있고, 개개의 MEA 만이 선택적으로 서브가스켓에 접합되는 것을 보장할 수 있는 연료전지 제조 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 개개의 MEA와 서브가스켓을 접합시키기 위한 롤에 개개의 MEA의 가장자리 부분까지 가압시키기 위한 패턴롤을 돌출 형성하여, 개개의 MEA가 서브가스켓에 접합될 때 패턴롤의 가압력에 의하여 개개의 MEA의 가장자리 부분까지 서브가스켓에 잘 접합되도록 함으로써, 개개의 MEA와 서브가스켓 간의 가장자리 부분에 주름이나 기포가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지 제조 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구현예는: MEA 권취롤로부터 인출되는 연속적 MEA를 개개의 MEA로 타발하는 동시에 상기 연속적 MEA에 존재하는 스크랩 전해질막의 표면에 이형용 조도를 형성하는 구조로 구비된 펀칭부; 서브가스켓 권취롤로부터 인출되는 서브가스켓을 상기 개개의 MEA와 접합시키기 위한 접합 롤; 및 상기 펀칭부로부터 이송된 연속적 MEA를 상기 접합 롤 쪽으로 가압시키는 구조로 구비되어, 상기 연속적 MEA로부터 개개의 MEA 만을 상기 서브가스켓에 선택적으로 접합시키는 가변제어 롤; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 장치를 제공한다.
상기 펀칭부는: 펀칭롤; 상기 펀칭롤의 표면에 부착되는 타발판; 상기 타발판의 표면에 형성되어 상기 연속적 MEA를 개개의 MEA로 타발하는 펀칭날; 및 상기 타발판의 표면 중 상기 펀칭날의 바깥쪽 표면에 점착제에 의하여 부착되는 조도 형성부재; 로 구성된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 조도 형성부재는 다공성 시트로 채택된 것임을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 다공성 시트는, 다수의 미세홀을 갖는 e-PTFE(expanded polytetrafluoroethlene) 시트인 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 다공성 시트는, 알루미늄의 양극 산화처리로 표면에 다수의 나노홀이 형성된 양극산화 알루미늄(AAO: anodic aluminum oxide) 템플릿(template)인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 타발판은 상기 펀칭롤에 자석 또는 접착제에 의하여 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 타발판에는 펀칭날이 개개의 MEA를 타발할 때 펀칭부의 내부에 갖히는 공기를 배출시키기 위한 통기 구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 펀칭롤의 반대쪽에는 MEA 권취롤로부터 인출되는 연속적 MEA를 받쳐주는 지지롤이 배치되고, 이 지지롤에는 연속적 MEA의 스크랩 전해질막을 가열하는 히터봉이 내설된 것을 특징으로 한다.
상기 가변제어 롤에는 연속적 MEA로부터 개개의 MEA 만을 상기 접합롤을 지나는 서브가스켓에 가압하는 제1패턴롤이 돌출 형성된 것을 특징으로 한다
상기 접합롤에는 상기 가변제어 롤에 의하여 가압되는 개개의 MEA를 서브가스켓에 접합되도록 지지하는 제2패턴롤이 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: MEA 권취롤로부터 인출되는 연속적 MEA를 개개의 MEA로 타발하는 동시에 상기 연속적 MEA에 존재하는 스크랩 전해질막의 표면에 이형용 조도를 형성하는 단계; 서브가스켓 권취롤로부터 인출되는 서브가스켓에 상기 개개의 MEA를 접합시키는 단계; 를 포함하고, 상기 서브가스켓에 상기 개개의 MEA와 접합시킬 때, 상기 이형용 조도에 의하여 스크랩 전해질막이 서브가스켓에 붙는 것을 차단할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 연료전지 제조 방법은, 상기 연속적 MEA에 존재하는 스크랩 전해질막의 표면에 이형용 조도를 형성할 때, 연속적 MEA의 스크랩 전해질막을 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 서브가스켓에 상기 개개의 MEA와 접합시킬 때, 가변제어 롤의 제1패턴 롤에 의하여 상기 연속적 MEA로부터 개개의 MEA 만이 상기 서브가스켓에 선택적으로 가압되며 접합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 서브가스켓에 상기 개개의 MEA와 접합시킬 때, 접합롤의 제2패턴롤에 의하여 상기 연속적 MEA로부터 개개의 MEA 만이 상기 서브가스켓에 선택적으로 지지되며 접합되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제의 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 연속적 MEA를 개개의 MEA로 타발한 후 개개의 MEA를 서브가스켓에 접합시킬 때, 연속적 MEA에 존재하는 스크랩 전해질막이 그 표면에 형성된 이형용 조도에 의하여 서브가스켓에 접착되는 것을 방지하여, 연료전지의 제조 불량을 방지할 수 있고, 결국 개개의 MEA 만이 선택적으로 서브가스켓에 접합되는 것을 보장할 수 있다.
둘째, 개개의 MEA가 서브가스켓에 접합될 때, 패턴롤의 가압력에 의하여 개개의 MEA의 가장자리 부분까지 서브가스켓에 잘 접합되도록 함으로써, 개개의 MEA와 서브가스켓 간의 가장자리 부분에 주름이나 기포가 발생하는 불량을 방지할 수 있다.
도 1, 도 2 및 도 3은 MEA를 서브가스켓에 접합시키는 종래의 방법을 순서대로 도시한 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 제조 장치의 전체 배치 구성을 도시한 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 제조 장치의 펀칭부를 도시한 분리 사시도,
도 6는 본 발명에 따른 연료전지 제조 장치의 펀칭부가 펀칭롤에 장착된 상태를 도시한 개략도,
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 제조 장치의 가변제어 롤에 형성된 제1패턴롤이 개개의 MEA를 가압하는 것을 도시한 개략도,
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 제조 장치의 접합 롤에 형성된 제2패턴롤이 개개의 MEA를 가압 지지하는 것을 도시한 개략도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 펀칭부를 포함하는 연료전지 제조 장치의 전체 배치 구성을 도시한 개략도이고, 도 5는 본 발명에 따른 펀칭부의 구성을 나타내며, 도 6은 본 발명에 따른 펀칭부가 펀칭롤에 장착되는 구조를 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 MEA 권취롤(100)에는 MEA가 개별 단위로 분리되지 않고 연속적으로 제작된 연속적 MEA(10)가 캐리어 필름(20)과 함께 권취된다.
상기 연속적 MEA(10)는 도 1에 참조로 전술한 바와 같이 소정 길이를 갖는 연속적인 전해질막(11)의 양면에 길이방향을 따라 전극층(12)인 캐소드(12-1)와 애노드(12-2)가 소정의 간격으로 도포된 것을 말한다.
특히, 상기 MEA 권취롤(100)의 앞쪽 위치에는 펀칭부(110)가 배치되는 바, 이 펀칭부(110)는 MEA 권취롤(100)로부터 인출되는 연속적 MEA(10)를 개개의 MEA(30)로 타발(punching)하는 동시에 상기 연속적 MEA(10)에 존재하는 스크랩 전해질막(11-1)의 표면에 이형용 조도(11-2)를 형성하는 구조로 구비된다.
이를 위해, 상기 펀칭부(110)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 펀칭롤(111)과, 상기 펀칭롤(111)의 표면에 원주방향을 따라 소정의 간격으로 장착되는 타발판(112)과, 상기 타발판(112)의 표면에 형성되어 상기 연속적 MEA(10)를 개개의 MEA(30)로 타발하는 사각틀 형상의 펀칭날(113)과, 상기 타발판(112)의 표면 중 상기 펀칭날(113)의 바깥쪽 표면에 점착제(114)에 의하여 부착되는 조도(surface roughness) 형성부재(115)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 조도 형성부재(115)는 상기 연속적 MEA(10)에 존재하는 스크랩 전해질막(11-1)의 표면에 슬립성 및 발수성을 부여하기 위한 이형용 조도(11-2)를 형성하는 다공성 시트로 채택된다.
바람직하게는, 상기 조도 형성부재(115)로 채택되는 다공성 시트는, 다수의 미세홀을 갖는 e-PTFE(expanded polytetrafluoroethlene) 시트를 소정의 크기로 재단한 것일 수 있다.
또는, 상기 조도 형성부재(115)로 채택되는 다공성 시트는, 알루미늄의 양극 산화처리로 표면에 다수의 나노홀이 형성된 양극산화 알루미늄(AAO: anodic aluminum oxide) 템플릿(template)을 소정의 크기로 재단한 것일 수 있다.
또한, 상기 타발판(112)에는 사각틀 형상을 갖는 펀칭날(113)의 내부와 통하는 통기 구멍(116)이 더 형성되는 바, 이 통기 구멍(116)은 상기 펀칭날(113)이 연속적 MEA(10)를 개개의 MEA(30)로 타발할 때 펀칭날(113)과 개개의 MEA(30)의 사이공간에 음압이 생성되는 방지하는 기능을 한다.
따라서, 상기 펀칭부(110)는, 상기 타발판(112)의 일표면 중 상기 펀칭날(113)의 바깥쪽 표면에 점착제(114: 예, 아크릴레이트 점착제)를 이용하여 상기 조도 형성부재(115)를 부착한 후, 상기 타발판(112)의 타표면을 펀칭롤(111)의 표면에 원주방향을 따라 소정의 간격으로 장착하여 완성될 수 있다.
이때, 상기 타발판(112)의 타표면은 상기 펀칭롤(111)의 표면에 자석(117) 또는 접착제에 의하여 장착될 수 있다.
바람직하게는, 위와 같이 구비된 펀칭부(110)의 구성 중, 상기 펀칭날(113)의 높이는 상기 캐리어 필름(20)에 놓인 연속적 MEA(10)의 두께까지만 타발이 이루어져야 하므로 약 20~30㎛ 정도로 정해질 수 있고, 상기 조도 형성부재(115)의 두께는 1~5㎛ 로 설정될 수 있으며, 상기 점참제(114)의 두께는 5~10㎛ 로 설정될 수 있다.
물론, 상기 펀칭날(113)의 높이, 상기 조도 형성부재(115) 및 점착제(114)의 두께는 타발 대상인 연속적 MEA(10)의 전해질막 두께에 따라 가변적으로 정해질 수 있다.
이에, 상기 펀칭부(110)의 타발판(112)에 형성된 펀칭날(113)에 의하여 연속적 MEA(10)가 개개의 MEA(30)로 분리되는 동시에 상기 조도 형성부재(115)가 개개의 MEA(30)의 바깥쪽에 존재하는 불필요한 스크랩 전해질막(11-1)의 표면에 접촉하며 슬립성 및 발수성을 부여하기 위한 이형용 조도(11-2)를 형성하게 된다.
한편, 상기 펀칭롤(111)의 반대쪽에는 MEA 권취롤(100)로부터 인출되는 연속적 MEA(10) 및 캐리어 필름(20)를 받쳐주는 지지롤(120, Support roll)이 배치되고, 이 지지롤(120)에는 연속적 MEA(10)의 스크랩 전해질막(11-1)을 가열하는 히터봉(121)이 내설된다.
이때, 상기 히터봉(121)은 지지롤(120)을 소정의 온도로 가열하여, 지지롤(120)에 놓이거나 지나는 연속적 MEA(10)의 스크랩 전해질막(11-1)에 열을 전달하는 기능을 한다.
이에, 상기 지지롤(120) 상에 놓이거나 지나는 연속적 MEA(10)의 스크랩 전해질막(11-1)이 소정의 온도로 가열되어, 상기 조도 형성부재(115)에 의하여 스크랩 전해질막(11-1)에 이형용 조도(11-2)가 잘 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 히터봉(121)의 가열 온도가 연속적 MEA(10)에 포함되는 전해질막 종류에 따라 정해지는 전해질막의 변형 가능 온도에 비하여 낮으면 이형용 조도가 잘 형성되지 않고, 더 높으면 전해질막의 변형이 초래될 수 있으므로, 상기 히터봉(121)의 가열 온도는 약 70~150℃가 적절하다.
한편, 상기 연속적 MEA의 인출방향을 기준으로 상기 펀칭부(110)의 앞쪽 위치에는 도 4에서 보듯이, 상기 연속적 MEA(10)로부터 개개의 MEA(30) 만을 서브가스켓(50)에 선택적으로 접합시키기 위한 가변제어 롤(130)이 배치된다.
상기 가변제어 롤(130)은 상기 펀칭부(110)로부터 이송된 연속적 MEA(10)로부터 개개의 MEA(30) 만을 서브가스켓(50)이 지나는 접합 롤(140) 쪽으로 가압시키는 구조로 구비된다.
이를 위해, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 가변제어 롤(130)의 양측부는 소직경 롤(131)로 형성되고, 중간 부분에는 소직경 롤(131)에 비하여 더 큰 직경의 제1패턴롤(132)로 형성되며, 바람직하게는, 상기 제1패턴롤(132)은 개개의 MEA(30)에 비하여 약 1~3㎜ 정도 더 큰 폭으로 형성된다.
또한, 상기 가변제어 롤(130)의 소직경 롤(131)에는 도 4에 도시된 바와 같이, 가변제어 롤(130)을 접합 롤(140) 쪽으로 전진시키거나 다시 후진시키기 위한 유압실린더 또는 공압실린더와 같은 액츄에이터(133)가 연결된다.
이에, 상기 펀칭부(110)로부터 가변제어 롤(130)로 연속적 MEA(10)가 이송된 후, 상기 액츄에이터(133)의 전진 구동에 의하여 가변제어 롤(130)이 연속적 MEA(10)를 밀어주면서 접합 롤(140)로 전진할 때, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 제1패턴롤(132)이 펀칭부(110)에서 이미 타발된 개개의 MEA(30) 만을 접합 롤(140)을 지나는 서브가스켓(50)에 대하여 가압시킴으로써, 연속적 MEA(10)로부터 개개의 MEA(30) 만이 선택적으로 서브가스켓(50)에 접합될 수 있다.
이때, 상기 제1패턴롤(132)이 개개의 MEA(30)에 비하여 약 1~3㎜ 정도 더 큰 폭으로 형성된 상태이므로, 상기 개개의 MEA(30)가 서브가스켓(50)에 접합될 때, 제1패턴롤(132)의 가압력에 의하여 개개의 MEA(30)의 가장자리 부분까지 서브가스켓(50)에 잘 접합될 수 있고, 그에 따라 개개의 MEA(30)와 서브가스켓(50) 간의 가장자리 부분에 미접합 불량으로 인한 주름이나 기포가 발생하던 현상을 용이하게 방지할 수 있다.
특히, 상기 연속적 MEA(10)로부터 개개의 MEA(30) 만이 선택적으로 서브가스켓(50)에 접합될 때, 상기와 같이 개개의 MEA(30)의 바깥쪽에 존재하는 불필요한 스크랩 전해질막(11-1)의 표면에 이미 이형용 조도(11-2)가 형성된 상태이므로, 스크랩 전해질막(11-1)이 이형용 조도(11-2)에 의하여 서브가스켓(50)에 붙는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
한편, 상기 개개의 MEA(30)의 사방 테두리 부분을 사이에 두고 한 쌍의 서브가스켓(50)이 접합된다.
즉, 한 장의 서브가스켓(50)이 개개의 MEA(30)의 사방 테두리 상면부에 접합되고, 다른 한 장의 서브가스켓(50)이 개개의 MEA(30)의 사방 테두리 저면부에 접합된다.
이를 위해, 상기 가변제어 롤(130)의 맞은 편에는 도 4에 도시된 바와 같이 제1서브가스켓 권취롤(151)로부터 인출된 한 장의 서브가스켓(50)이 지나가는 접합 롤(140)이 배치되고, 이 접합 롤(140)의 아래에는 제2서브가스켓 권취롤(152)로부터 인출된 다른 한 장의 서브가스켓(50)이 지나가는 서브접합 롤(141)이 배치된다.
이에, 상기와 같이 가변제어 롤(130)의 제1패턴롤(132)에 의하여 연속적 MEA(10)로부터 개개의 MEA(30) 만이 선택적으로 접합 롤(140)을 지나는 한 장의 서브가스켓(50)에 접합된 후, 상기 접합 롤(140)과 서브접합 롤(141) 사이를 통과할 때, 개개의 MEA(30)가 서브접합 롤(141)을 지나는 다른 한 장의 서브가스켓(50)과도 접합될 수 있다.
한편, 상기 접합 롤(140)에는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 가변제어 롤(130)에 의하여 서브가스켓(50)에 가압되는 개개의 MEA(30)이 서브가스켓(50)에 보다 면밀하게 접합되도록 지지하는 제2패턴롤(142)이 돌출 형성되며, 바람직하게는 상기 제2패턴롤(142)도 개개의 MEA(30)에 비하여 약 1~3㎜ 정도 더 큰 폭으로 형성된다.
이에, 상기 가변제어 롤(130)의 가압력에 의하여 개개의 MEA(30)가 상기 접합 롤(140)을 지나는 서브가스켓(50)에 접합될 때, 접합 롤(140)의 제2패턴롤(142)에서 개개의 MEA(30)의 가장자리 부분까지 지지하게 되므로, 개개의 MEA(30)가 서브가스켓(50)에 잘 접합될 수 있고, 그에 따라 개개의 MEA(30)와 서브가스켓(50) 간의 가장자리 부분에 미접합 불량으로 인한 주름이나 기포가 발생하던 현상을 용이하게 방지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 개개의 MEA(30)와 서브가스켓(50) 간의 면밀한 접합을 위하여 상기 가변제어 롤(130)의 제1패턴롤(132)과 상기 접합 롤(140)의 제2패턴롤(142) 중 하나 만을 채택하거나 모두를 채택할 수 있다.
여기서, 상기한 구성을 기반으로 이루어지는 본 발명의 연료전지 제조 방법을 순서대로 다시 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 MEA 권취롤(100)로부터 개별 단위로 분리되지 않고 연속적으로 제작된 연속적 MEA(10)가 캐리어 필름(20)과 함께 인출되어 펀칭부(110)로 이동한다.
이어서, 상기 펀칭부(110)의 타발판(112)에 형성된 펀칭날(113)에 의하여 연속적 MEA(10)가 개개의 MEA(30)로 분리되는 동시에 상기 조도 형성부재(115)가 개개의 MEA(30)의 바깥쪽에 존재하는 불필요한 스크랩 전해질막(11-1)의 표면에 접촉하며 슬립성 및 발수성을 부여하기 위한 이형용 조도(11-2)를 형성한다.
바람직하게는, 상기 조도 형성부재(115)에 의하여 스크랩 전해질막(11-1)의 표면에 형성되는 이형용 조도(11-2)의 조도(Rz) 범위는 3 ~ 50 ㎛가 되도록 하며, 그 이유는 스크랩 전해질막(11-1)이 이형용 조도(11-2)에 의하여 서브가스켓(50)에 붙는 것을 방지할 수 있도록 함에 있다.
상기 타발판(112)의 펀칭날(113)에 의하여 연속적 MEA(10)가 개개의 MEA(30)로 분리될 때, 상기 펀칭날(113)과 개개의 MEA(30)의 사이공간에 공기가 갖히면서 음압이 생성되어 개개의 MEA(30)가 들뜨면서 타발판(112) 쪽으로 빨려 들어갈 수 있다.
그러나, 상기 타발판(112)의 펀칭날(113)에 의하여 연속적 MEA(10)가 개개의 MEA(30)로 분리될 때, 상기 펀칭날(113)과 개개의 MEA(30)의 사이공간에 갖히는 공기가 타발판(112)에 형성된 통기 구멍(116)을 통하여 배기될 수 있으므로, 상기 음압이 생성되는 것을 방지함과 함께 개개의 MEA(30)가 들뜨면서 타발판(112) 쪽으로 빨려 들어가는 현상을 용이하게 방지할 수 있다.
또한, 상기 조도 형성부재(115)가 개개의 MEA(30)의 바깥쪽에 존재하는 불필요한 스크랩 전해질막(11-1)의 표면에 이형용 조도(11-2)를 형성할 때, 상기 지지롤(120)에 내설된 히터봉(121)의 가열로 인하여 연속적 MEA(10)의 스크랩 전해질막(11-1)이 소정의 온도로 가열되는 상태가 됨으로써, 상기 조도 형성부재(115)에 의하여 스크랩 전해질막(11-1)에 이형용 조도(11-2)가 잘 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 펀칭부(110)로부터 개개의 MEA(30) 및 이형용 조도(11-2)가 형성된 스크랩 전해질막(11-1)을 포함하는 연속적 MEA(10)가 상기 가변제어 롤(130)로 이동된다.
연이어, 상기 액츄에이터(133)의 전진 구동에 의하여 가변제어 롤(130)이 연속적 MEA(10)를 밀어주면서 접합 롤(140) 쪽으로 전진하고, 상기 제1서브가스켓 권취롤(151)로부터 한 장의 서브가스켓(50)이 접합 롤(140)로 인출되는 동시에 상기 제2서브가스켓 권취롤(152)로부터 다른 한 장의 서브가스켓(50)이 서브접합 롤(141)로 인출된다.
바람직하게는, 상기 서브가스켓(50)에는 개개의 MEA(30)와의 접합을 위한 접착제가 미리 도포된 상태이다.
이에, 상기 가변제어 롤(130)의 제1패턴롤(132)이 개개의 MEA(30) 만을 접합 롤(140)을 지나는 한 장의 서브가스켓(50)에 대하여 가압시킴으로써, 연속적 MEA(10)로부터 개개의 MEA(30) 만이 선택적으로 한 장의 서브가스켓(50)에 접합될 수 있다.
이때, 상기 제1패턴롤(132)이 개개의 MEA(30)에 비하여 약 1~3㎜ 정도 더 큰 폭으로 형성된 상태이므로, 상기 개개의 MEA(30)가 서브가스켓(50)에 접합될 때, 제1패턴롤(132)의 가압력에 의하여 개개의 MEA(30)의 가장자리 부분까지 서브가스켓(50)에 잘 접합될 수 있고, 그에 따라 개개의 MEA(30)와 서브가스켓(50) 간의 가장자리 부분에 미접합 불량으로 인한 주름이나 기포가 발생하던 현상을 용이하게 방지할 수 있다.
이와 동시에, 상기 연속적 MEA(10)로부터 개개의 MEA(30) 만이 선택적으로 서브가스켓(50)에 접합될 때, 상기와 같이 개개의 MEA(30)의 바깥쪽에 존재하는 불필요한 스크랩 전해질막(11-1)의 표면에 이미 이형용 조도(11-2)가 형성된 상태이므로, 스크랩 전해질막(11-1)이 이형용 조도(11-2)에 의하여 서브가스켓(50)에 붙는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
다시 말해서, 상기 연속적 MEA(10)를 개개의 MEA(30)로 타발한 후, 개개의 MEA(30)를 서브가스켓(50)에 접합시킬 때, 연속적 MEA(10)에 존재하는 스크랩 전해질막(11-1)이 그 표면에 형성된 이형용 조도(11-2)에 의하여 서브가스켓(50)에 접착되는 것을 방지하여, 연료전지의 제조 불량을 방지할 수 있고, 결국 개개의 MEA(30) 만이 선택적으로 서브가스켓(50)에 접합되는 것을 보장할 수 있다.
한편, 상기 스크랩 전해질막(11-1)은 재활용 또는 폐기를 위하여 스크랩 롤(150)에 권취된다.
다음으로, 상기 개개의 MEA(30) 만이 접합 롤(140)을 지나는 한 장의 서브가스켓(50)에 접합된 후, 상기 접합 롤(140)과 서브접합 롤(141) 사이를 통과할 때, 개개의 MEA(30)가 서브접합 롤(141)을 지나는 다른 한 장의 서브가스켓(50)과도 접합된다.
이때, 상기 제1패턴롤(132)의 가압력에 의하여 개개의 MEA(30)가 상기 접합 롤(140)을 지나는 한 장의 서브가스켓(50)에 접합될 때, 접합 롤(140)의 제2패턴롤(142)에서 개개의 MEA(30)의 가장자리 부분까지 지지하게 된다.
더불어, 상기 개개의 MEA(30) 만이 한 장의 서브가스켓(50)에 접합된 후 상기 접합 롤(140)과 서브접합 롤(141) 사이를 통과할 때, 접합 롤(140)의 제2패턴롤(142)에서 개개의 MEA(30)의 가장자리 부분까지 가압하게 됨으로써, 개개의 MEA(30)가 서브가스켓(50)에 잘 접합될 수 있고, 그에 따라 개개의 MEA(30)와 서브가스켓(50) 간의 가장자리 부분에 미접합 불량으로 인한 주름이나 기포가 발생하던 현상을 용이하게 방지할 수 있다.
이상으로 본 발명을 하나의 실시예로 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 하기의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다 할 것이다.
10 : 연속적 MEA 11 : 전해질막
11-1 : 스크랩 전해질막 11-2 : 이형용 조도
12 : 전극층 12-1 : 캐소드
12-2 : 애노드 20 : 캐리어 필름
30 : 개개의 MEA 40 : 분리라인
50 : 서브가스켓
100 : MEA 권취롤 110 : 펀칭부
111 : 펀칭롤 112 : 타발판
113 : 펀칭날 114 : 점착제
115 : 조도 형성부재 116 : 통기 구멍
117 : 자석 120 : 지지롤
121 : 히터봉 130 : 가변제어 롤
131 : 소직경 롤 132 : 제1패턴롤
133 : 액츄에이터 140 : 접합 롤
141 : 서브접합 롤 142 : 제2패턴롤
150 : 스크랩 롤 151 : 제1서브가스켓 권취롤
152 : 제2서브가스켓 권취롤

Claims (16)

  1. MEA 권취롤로부터 인출되는 연속적 MEA를 개개의 MEA로 타발하는 동시에 상기 연속적 MEA에 존재하는 스크랩 전해질막의 표면에 이형용 조도를 형성하는 구조로 구비된 펀칭부;
    서브가스켓 권취롤로부터 인출되는 서브가스켓을 상기 개개의 MEA와 접합시키기 위한 접합 롤; 및
    상기 펀칭부로부터 이송된 연속적 MEA를 상기 접합 롤 쪽으로 가압시키는 구조로 구비되어, 상기 연속적 MEA로부터 개개의 MEA 만을 상기 서브가스켓에 선택적으로 접합시키는 가변제어 롤;
    을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 펀칭부는:
    펀칭롤;
    상기 펀칭롤의 표면에 부착되는 타발판;
    상기 타발판의 표면에 형성되어 상기 연속적 MEA를 개개의 MEA로 타발하는 펀칭날; 및
    상기 이형용 조도를 형성하기 위하여, 상기 타발판의 표면 중 상기 펀칭날의 바깥쪽 표면에 점착제에 의하여 부착되는 조도 형성부재;
    로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 조도 형성부재는 다공성 시트로 채택된 것임을 특징으로 하는 연료전지 제조 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 다공성 시트는,
    다수의 미세홀을 갖는 e-PTFE(expanded polytetrafluoroethlene) 시트인 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 다공성 시트는,
    알루미늄의 양극 산화처리로 표면에 다수의 나노홀이 형성된 양극산화 알루미늄(AAO: anodic aluminum oxide) 템플릿(template)인 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 타발판은 상기 펀칭롤에 자석 또는 접착제에 의하여 부착되는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 장치.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 타발판에는 펀칭날이 개개의 MEA를 타발할 때 펀칭부의 내부에 갖히는 공기를 배출시키기 위한 통기 구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 장치.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 펀칭롤의 반대쪽에는 MEA 권취롤로부터 인출되는 연속적 MEA를 받쳐주는 지지롤이 배치되고, 이 지지롤에는 연속적 MEA의 스크랩 전해질막을 가열하는 히터봉이 내설된 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변제어 롤에는 연속적 MEA로부터 개개의 MEA 만을 상기 접합롤을 지나는 서브가스켓에 가압하는 제1패턴롤이 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합롤에는 상기 가변제어 롤에 의하여 가압되는 개개의 MEA를 서브가스켓에 접합되도록 지지하는 제2패턴롤이 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 장치.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 조도 형성부재는 스크랩 전해질막의 표면에 3 ~ 50 ㎛ 조도 범위의 이형용 조도를 형성하는 구조로 구비된 것임을 특징으로 하는 연료전지 제조 장치.
  12. MEA 권취롤로부터 인출되는 연속적 MEA를 개개의 MEA로 타발하는 동시에 상기 연속적 MEA에 존재하는 스크랩 전해질막의 표면에 이형용 조도를 형성하는 단계;
    서브가스켓 권취롤로부터 인출되는 서브가스켓에 상기 개개의 MEA를 접합시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 서브가스켓에 상기 개개의 MEA와 접합시킬 때, 상기 이형용 조도에 의하여 스크랩 전해질막이 서브가스켓에 붙는 것을 차단할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 연속적 MEA에 존재하는 스크랩 전해질막의 표면에 이형용 조도를 형성할 때, 연속적 MEA의 스크랩 전해질막을 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 서브가스켓에 상기 개개의 MEA와 접합시킬 때,
    가변제어 롤의 제1패턴 롤에 의하여 상기 연속적 MEA로부터 개개의 MEA 만이 상기 서브가스켓에 선택적으로 가압되며 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 서브가스켓에 상기 개개의 MEA와 접합시킬 때,
    접합롤의 제2패턴롤에 의하여 상기 연속적 MEA로부터 개개의 MEA 만이 상기 서브가스켓에 선택적으로 지지되며 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 방법.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 스크랩 전해질막의 표면에 형성되는 이형용 조도는 3 ~ 50 ㎛ 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조 방법.
KR1020220003223A 2022-01-10 2022-01-10 연료전지 제조 장치 및 방법 KR20230107973A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220003223A KR20230107973A (ko) 2022-01-10 2022-01-10 연료전지 제조 장치 및 방법
US17/985,659 US20230223574A1 (en) 2022-01-10 2022-11-11 Apparatus for manufacturing fuel cell and method of manufacturing same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220003223A KR20230107973A (ko) 2022-01-10 2022-01-10 연료전지 제조 장치 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230107973A true KR20230107973A (ko) 2023-07-18

Family

ID=87068993

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220003223A KR20230107973A (ko) 2022-01-10 2022-01-10 연료전지 제조 장치 및 방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20230223574A1 (ko)
KR (1) KR20230107973A (ko)

Also Published As

Publication number Publication date
US20230223574A1 (en) 2023-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1766713A1 (en) Lamination process for manufacture of integrated membrane-electrode-assemblies
JP4940575B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用マスクフィルム付き電解質膜−電極接合体及びその製造方法
JP2009199877A (ja) 燃料電池および燃料電池の製造方法
JP2009134953A (ja) フレーム付き膜電極接合体および燃料電池セルの連続製造方法
JP2010198948A (ja) 膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池
JP2004303627A (ja) 直接メタノール形燃料電池用電解質膜−電極積層体の作製方法
JP6231259B2 (ja) 燃料電池用の膜電極接合体の製造方法
US20210288338A1 (en) Fuel cell and method for producing fuel cell
JP4085385B2 (ja) ３層のｍｅａ膜を固定保持する方法および接合方法
JP2007157438A (ja) 燃料電池セルの製造方法及び燃料電池セルの製造設備
JP4015677B2 (ja) 膜−膜補強部材接合体の製造方法、膜−触媒層接合体の製造方法、膜−電極接合体の製造方法、及び高分子電解質形燃料電池の製造方法
KR20230107973A (ko) 연료전지 제조 장치 및 방법
JP2006528414A (ja) 平面のフレーム付膜電極アセンブリアレイおよびそれを含む燃料電池を製造するためのプロセス
JP2017068908A (ja) 樹脂枠付き電解質膜・電極構造体の製造方法
JP3723119B2 (ja) 固体高分子膜水電解装置におけるスタック構造及び該装置に使用される固体高分子膜
US7651581B2 (en) Catalyst coated diffusion media
US20210119236A1 (en) Method for manufacturing membrane electrode and gas diffusion layer assembly
JP2008269810A (ja) 燃料電池セルの製造方法および製造装置
JP2018078003A (ja) 燃料電池の製造方法
JP5619841B2 (ja) 固体高分子形燃料電池の製造方法
JP5628110B2 (ja) 電解質膜・電極構造体の製造装置
CN115699373A (zh) 制造膜电极组件的方法
JP5466131B2 (ja) 燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法
JP5461361B2 (ja) 燃料電池用電解質膜・電極構造体の製造方法
JP2006331861A (ja) 燃料電池セルの製造方法及び燃料電池セルの製造設備