KR20240073250A

KR20240073250A - 막전극 접합체의 제조 방법 및 제조 장치

Info

Publication number: KR20240073250A
Application number: KR1020220154261A
Authority: KR
Inventors: 이승현; 김주태
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2022-11-17
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2024-05-27
Also published as: US20240170684A1

Abstract

본 발명은 막전극 접합체의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것으로서, 내역전압 성능이 향상된 연료전지용 막전극 접합체(MEA)를 제조할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 단계; 상기 전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 동안, 상기 전해질막의 표면에, 캐소드와 애노드 중 하나의 전극을 제조하기 위한 촉매 슬러리가 도포 장치에 의해 도포되는 단계; 상기 전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 동안, 온도조절장치에 의해 전해질막에 열이 가해지면서, 촉매 슬러리의 건조 및 상기 전극의 열처리가 수행되는 단계; 및 상기 이송 장치로부터 배출된 전해질막에서 상기 전극이 접합되어 있는 표면의 반대쪽 표면에, 캐소드와 애노드 중 나머지 하나의 전극을 전사 장치를 통해 전사사켜 막전극 접합체를 제조하는 단계를 포함하는 막전극 접합체의 제조 방법, 및 그 제조 장치가 개시된다.

Description

막전극 접합체의 제조 방법 및 제조 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY}

본 발명은 막전극 접합체의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내역전압 성능이 향상된 연료전지용 막전극 접합체(MEA)를 제조할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

연료전지(fuel cell)는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 에너지 밀도와 출력이 높다는 장점을 가지기 때문에 산업용 및 가정용뿐만 아니라 차량 구동용 전력의 공급을 비롯하여 소형의 전기/전자 제품, 휴대용 장치의 전력 공급에도 이용될 수 있다.

현재 알려져 있는 연료전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라 PEM(polymer electrolyte membrane, 고분자 전해질막) 방식, 인산(phosphoric acid) 방식, 용융탄산염(molten carbonate) 방식, 고체산화물(solid oxide) 방식 등으로 구분될 수 있다.

또한, 사용되는 전해질의 종류에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다. 차량용 연료전지로는 PEM 방식의 연료전지, 즉 고분자 전해질막 연료전지가 널리 알려져 있다.

연료전지 시스템에서 전기를 실질적으로 발생시키는 연료전지 스택은, 막전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)와 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 분리판(separator, bipolar plate), 가스켓(gasket) 등을 포함하여 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개, 또는 그 이상으로 적층된 구성을 가진다.

막전극 접합체(MEA)는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질막의 양면에 촉매로 이루어진 전극을 적층 형성하여 구성되는 것으로, 고분자 전해질막을 사이에 두고 촉매 전극인 애노드(anode, "연료극" 또는 "산화극"이라도 함)와 캐소드(cathode, "공기극" 또는 "환원 전극"이라고도 함)가 위치하는 구조를 가진다.

연료전지에서 전기를 발생시키는 원리는,　연료(수소)가　연료극인 애노드로 공급되면 애노드의　촉매에 연료가 흡착되면서　산화되어 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생한 전자가 외부 회로를 따라 산화극인 캐소드로 흐르게 된다. 이와 같은 전자의 흐름이 연료전지에서 생성 및 출력되는 전류가 된다.

이때 수소 이온은 고분자 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 캐소드에 공급된 산화제(산소)와 수소 이온, 전자가 캐소드의　촉매상에서 반응하여 물을 생성한다.

한편, 연료전지 내 플러딩(flooding)이나 동절기 얼음 생성 등으로 인해 반응가스의 공급이 원활하지 않을 때, 연료전지 운전 중 연료전지 부하(load) 요구량이 갑자기 증가하거나, 연료전지 시동(start-up) 등의 운전 조건인 경우, 역전압 현상이 발생할 수 있다.

이때 애노드의 수소 공급 부족으로 인해 수소 산화 반응(hydrogen oxidation reaction)이 일어나야 할 애노드에 탄소 부식 반응(carbon oxidation reaction, COR)이 발생하여 막전극 접합체(MEA)의 급격한 성능 저하 및 부식이 발생할 수 있다.

또한, 역전압 현상을 방지하기 위해 내역전압 촉매로서 이리듐 산화물 촉매 등의 수전해 촉매를 첨가하는 경우, 막전극 접합체 내부의 물(H₂O) 분해를 통해 탄소 부식 반응 및 기타 산화 반응을 방지할 수 있고, 막전극 접합체의 부식을 막을 수 있게 된다.

하지만, 내역전압 촉매의 원재료 가격 인상으로 인해 원가 상승이 발생하고 있으므로 내역전압 촉매를 최소한의 양만큼 사용하여 최대한의 효과를 유도할 수 있는 막전극 접합체(MEA)의 제조 기술이 요구되고 있다.

연료전지의 막전극 접합체(MEA)를 제조하기 위해서는, 백금 등의 촉매 금속을 함유한 촉매 슬러리를 제조하고, 상기 제조된 촉매 슬러리를 이용하여 소정 두께의 연료전지용 전극을 제조한 후, 상기 제조된 전극을 전해질막의 양쪽 표면에 접합한다.

막전극 접합체에 대한 열처리는 막전극 접합체의 전극 및 전해질막의 결정화도에 변화를 주어 삼상계면의 구조 및 특성을 변화시킨다. 열처리는 막전극 접합체의 내구를 향상시킬 수 있기 때문에 대부분의 제조사에서 열처리 공정을 거쳐 막전극 접합체를 생산하고 있다.

종래의 열처리 공정에서는 막전극 접합체 전체를 열처리하고 있으며, 이는 전극의 건조와 구분되는 후처리 공정이다. 열처리 대상인 막전극 접합체에서 두 서브가스켓 사이에 전해질막이 위치하므로 물 배출이 용이하지 않아 웨트-드라이(wet-dry) 과정에서 수포 발생의 문제가 있게 된다.

또한, 종래와 같이 전극과 전해질막을 개별 열처리한 후 전해질막에 전극을 전사시키는 전사 공정을 진행하는 경우, 각 소재의 결정화에 따른 전사성 감소로 인해 전사 압력 및 온도를 높여야 하는 문제가 있고, 이는 전극 구조를 훼손시키는 문제를 야기한다.

도 1은 종래 기술에 따라 제조된 연료전지의 문제점을 설명하기 위한 도면으로서, 셀의 구성을 도시한 단면도이다. 전해질막(1)의 양쪽 표면에 애노드(anode, 'AN')(2)와 캐소드(cathode. 'CA')(3)가 적층되어 있고, 애노드(2) 및 캐소드(3)의 외곽 영역에서 전해질막(1)의 양쪽 표면에 서브가스켓(subgasket, 'SG')(4)이 접착제(4a) 등에 의해 고정된다. 또한, 양쪽의 서브가스켓(4)에는 가스확산층(GDL)(6)이 접착제(5) 등에 의해 고정된다.

이러한 셀의 구성에서는, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 가스확산층(GDL)(6)과 서브가스켓(4), 애노드(2) 및 캐소드(3) 사이에 존재하는 공간으로 인해 계면 저항 및 기밀 문제가 발생할 수 있다. 또한, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 전해질막(1)과 서브가스켓(4) 사이의 공간이 존재하여 그 공간에서 수포가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 내역전압 성능이 향상된 막전극 접합체를 제조할 수 있고, 원가 절감 및 제조 시간 단축이 가능하며, 기존 수포 발생의 문제점을 개선할 수 있는 연료전지용 막전극 접합체(MEA)의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체의 제조 방법은, 전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 단계; 상기 전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 동안, 상기 전해질막의 표면에, 캐소드와 애노드 중 하나의 전극을 제조하기 위한 촉매 슬러리가 도포 장치에 의해 도포되는 단계; 상기 전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 동안, 온도조절장치에 의해 전해질막에 열이 가해지면서, 촉매 슬러리의 건조 및 상기 전극의 열처리가 수행되는 단계; 및 상기 이송 장치로부터 배출된 전해질막에서 상기 전극이 접합되어 있는 표면의 반대쪽 표면에, 캐소드와 애노드 중 나머지 하나의 전극을 전사 장치를 통해 전사사켜 막전극 접합체를 제조하는 단계를 포함한다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체의 제조 장치는, 전해질막을 이송시키는 이송 장치; 상기 전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 동안, 상기 전해질막의 표면에, 캐소드와 애노드 중 하나의 전극을 제조하기 위한 촉매 슬러리를 도포하는 도포 장치; 상기 전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 동안, 상기 전해질막에 열을 가해하여, 촉매 슬러리의 건조 및 상기 전극의 열처리를 수행하는 온도조절장치; 및 상기 이송 장치로부터 배출된 전해질막에서 상기 전극이 접합되어 있는 표면의 반대쪽 표면에, 상기 캐소드와 애노드 중 나머지 하나의 전극을 전사시키는 전사 장치를 포함한다.

이로써, 본 발명에 따른 막전극 접합체의 제조 방법 및 제조 장치에 의하면, 내역전압 성능이 향상된 막전극 접합체를 제조할 수 있고, 원가 절감 및 제조 시간 단축이 가능하며, 기존 수포 발생의 문제점을 개선할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 캐소드 전극만의 건조 및 열처리가 가능한 통합 연속 공정이 수행됨으로써 막전극 접합체의 기공도 및 전극 구조를 이상적으로 구현할 수 있다

도 1은 종래의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 막전극 접합체의 전체 열처리와 부분 열처리시 열화율을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체 제조 장치의 주요 구성을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체 제조 장치에서 온도조절장치를 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 온도조절장치의 온도조절 플레이트를 예시한 구성도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 의해 발명이 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본 발명은 연료전지용 막전극 접합체(MEA)의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것으로서, 내역전압 성능이 향상된 막전극 접합체를 제조할 수 있고, 원가 절감 및 제조 시간의 단축이 가능하며, 기존 수포 발생의 문제점을 개선할 수 있는 연료전지용 막전극 접합체의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하고자 하는 것이다.

종래에는 전극 제조를 위한 촉매 슬러리를 이형지에 도포한 뒤 건조 및 열처리하여 전극을 제조하고, 상기 제조된 전극을 전해질막에 전사하는 방식으로 전해질막의 양쪽 표면에 전극(캐소드 및 애노드)이 접합된 일체의 막전극 접합체를 제조하였다.

본 발명에서는 전극 제조를 위한 촉매 슬러리를 전해질막에 직접 도포 및 코팅한 후 건조와 열처리 공정을 동시에 진행하는 방식으로 제조함으로써 개별 전극 열처리 후 전사하는 종래의 제조 방법에서 발생하는 여러 문제점을 해결한다.

도 2는 막전극 접합체 전체를 열처리하는 경우에 비해, 막전극 접합체(MEA)에서 애노드(AN)를 제외하고 나머지 구성만 부분 열처리하는 경우, 내역전압 성능이 향상됨을 보여주고 있다.

도 2를 참조하면, 동일 시간(4hr)을 열처리함에도, 전체 열처리의 경우에 비해 부분 열처리(애노드 제외 열처리)시, 동일 역전압 시간 조건에서 상대적으로 열화율이 낮게 나타남을 알 수 있다.

이에 막전극 접합체(MEA)의 전체 열처리 방식이 아닌 부분 열처리 방식을 고려할 필요가 있고, 더불어 종래에 비해 막전극 접합체의 제조 시간을 단축할 수 있는 방법 또한 요구되고 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체의 제조 장치의 주요 구성을 도시한 구성도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체의 제조 장치에서 온도조절장치를 도시한 구성도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에서 온도조절장치의 온도조절 플레이트를 예시한 구성도이다.

도 3에서는 막전극 접합체(10)를 제조하기 위한 연속 공정을 보여주고 있으며, 촉매 슬러리(3a)의 직접 코팅 및 전극 부분 열처리 공정(캐소드와 애노드 중 캐소드만 열처리함)과 전극(애노드) 전사 공정을 연속 공정으로 순차적으로 실시하여 막전극 접합체를 제조하는 장치의 구성을 보여주고 있다.

이하의 설명에서 '캐소드'는 전해질막(1)의 한쪽 표면에 접합 및 고정되는 촉매 전극이며, 전해질막(1)의 한쪽 표면에 촉매 슬러리(3a)를 도포한 후 건조시켜 제조되는 촉매층(캐소드 전극 촉매층)을 지칭한다.

'애노드'는 전해질막(1)의 반대쪽 표면, 즉 전해질막(1)의 양쪽 표면 중 캐소드(3)가 적층된 표면의 반대쪽 표면에 접합 및 고정되는 촉매 전극이며, 전해질막(1)의 반대쪽 표면에 전사하여 적층시킨 촉매층(애노드 전극 촉매층)을 지칭한다.

막전극 접합체(MEA)(10)는 수소 이온을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(1)과, 전해질막(1)의 양쪽 표면에 부착되고 연료 가스인 수소와 산화제 가스인 공기(또는 산소)가 반응할 수 있도록 해주는 촉매가 도포되어 형성된 전극인 애노드(anode)(2) 및 캐소드(cathode)(3)와, 전해질막(1)에서 반응영역의 외곽 부위에 접합되는 서브가스켓(subgasket)(4)을 포함하여 구성된다.

이러한 막전극 접합체(10)는, 전해질막(1)과 애노드(2) 및 캐소드(3)가 접합되어 있는 영역으로서 전기화학 반응이 일어나는 영역, 즉 연료 가스와 산화제 가스가 공급되어 연료전지 반응이 일어나는 반응영역(active area)을 가진다.

전해질막(1)을 중심으로 전해질막의 양쪽 표면에 캐소드(3)와 애노드(2)가 접합되는데, 이 캐소드(3) 및 애노드(2)가 접합된 영역이 연료전지 반응이 일어나는 반응영역이 되는 것이다.

본 발명에 따른 막전극 접합체(10)의 제조 과정에서는, 캐소드(3)가 접합되는 전해질막(1)의 표면에만 서브가스켓(4)이 접합되고, 애노드(2)가 접합되는 전해질막(1)의 표면에는 서브가스켓(4)이 접합되지 않는다.

전해질막(1)과 서브가스켓(4)의 접합을 확실하게 하기 위해, 실제 연료전지 셀의 전기화학 반응에 사용되는 전극인 캐소드(3)와 애노드(2)가 접합되어 있는 반응영역 외에 추가로, 연료전지 셀의 반응영역의 바깥쪽으로 좀더 크게 확장시킨 크기 및 구조로 전해질막(1)을 제작한 뒤, 캐소드(3)가 접합된 전해질막(1)의 표면에서 상기 확장된 부위인 전해질막(1)의 외곽 부위에 서브가스켓(4)을 접합하게 된다.

즉, 전해질막(1)에서 캐소드(3)가 접합된 반응영역을 제외한 그 바깥쪽의 외곽 부위에만 서브가스켓(4)이 접합되는 것이며, 애노드(2)가 접합된 전해질막(1)의 표면에는 서브가스켓(4)이 접합되지 않는다. 전해질막(1)의 양쪽 표면 중 한쪽 표면에만 서브가스켓(4)이 적용되는 것이다.

도 3을 참조하면, 공정에 투입되는 전해질막(1)의 한쪽 표면에서 미리 정해진 연료전지 셀의 반응영역을 제외한 나머지 외곽 부위에 서브가스켓(4)이 접합 및 고정되어 있음을 볼 수 있다.

전해질막(1)의 한쪽 표면에서 서브가스켓(4)이 접합된 상태일 때, 전해질막(1)의 한쪽 표면에 접합되어 있는 서브가스켓(4)은 중앙의 사각형 부분(OP)이 개구된 구조로 되어 있으며, 이 사각형의 개구부(OP)에 해당하는 영역이 캐소드(3)가 적층되는 반응영역이 된다.

이렇게 한쪽 표면의 외곽 부위에만 서브가스켓(4)이 접합된 전해질막(1)이 전극 제조 공정에 연속 투입되면, 전극 제조 공정에서는 전해질막(1)의 한쪽 표면에서 서브가스켓(4)이 접합되어 있지 않은 개구부(OP) 내에 도포 장치(19)에 의해 촉매 슬러리(3a)가 직접 도포 및 코팅된다.

여기서, 촉매 슬러리(3a)는 캐소드(3)를 제조하기 위한 것으로, 촉매 슬러리의 조성 등에 있어서는 공지의 것과 차이가 없으며, 본 발명에서 촉매 슬러리의 조성 등에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.

또한, 도포 장치(19)는 촉매 슬러리(3a)를 서브가스켓(4)의 개구부(OP)에 의해 노출된 전해질막(1)의 표면에 소정 두께로 도포 및 코팅하는 슬롯다이이거나, 촉매 슬러리(3a)를 분사하여 도포하는 스프레이 장치일 수 있다.

이와 같이 캐소드(3)의 경우, 전극 제조를 위한 촉매 슬러리(3a)를 슬롯다이 코팅법 또는 스프레이 코팅법을 이용하여 서브가스켓(4)의 개구부(OP)에 의해 노출된 전해질막(1)의 표면(서브가스켓이 접합되지 않은 전해질막의 표면)에 도포하고, 가열 장치(14)를 통해 건조와 열처리를 동시에 진행하여 제조할 수 있다.

도 3을 참조하면, 촉매 슬러리가 도포 장치(19)에 의해 전해질막의 표면에 도포 및 코팅되고 난 뒤 촉매 슬러리에 대해 건조 및 열처리가 수행되지만, 촉매 슬러리가 도포되는 구간에서도 온도조절장치의 가열 장치(14)에 의해 열이 공급되므로, 실질적으로 촉매 슬러리의 도포 및 코팅, 건조와 열처리가 거의 동시에 수행되는 것이라 할 수 있다.

상기와 같이 촉매 슬러리(3a)가 도포된 전해질막(1)은 온도조절장치(14,15)를 구비한 이송장치를 통해 이송되는 동안 온도조절장치에 의해 건조와 동시에 열처리되며, 촉매 슬러리(3a)의 건조 및 열처리가 동시에 수행됨으로써 전해질막(1)의 전극 중 캐소드(3)가 제조될 수 있게 된다.

여기서, 이송장치는 전해질막(1)이 올려진 상태로 이송되는 컨베이어 벨트 장치일 수 있다. 도 3 및 도 4에는 컨베이어 벨트 장치에 대해 주요 구성만이 개략적으로 도시되어 있으나, 컨베이어 벨트 장치의 구성이 통상의 기술자에게 잘 알려져 있고 컨베이어 벨트 장치가 산업적으로 이미 널리 이용되고 있는 공지의 장치이므로, 컨베이어 벨트 장치의 구성에 대해 상세하게 설명하지는 않기로 한다.

본 발명에서 컨베이어 벨트 장치의 구성이 특별하게 한정되지는 않으며, 주요 구성의 예에 대해 간단히 설명하면, 본 발명의 실시예에서 컨베이어 벨트 장치는, 입구측에서 모터(미도시)의 회전력을 동력전달기구(미도시) 등을 통해 전달받아 구동되는 구동풀리인 제1 풀리(11), 및 반대쪽 출구측에 회전 가능하도록 설치되는 제2 풀리(12), 그리고 제1 풀리(11)와 제2 풀리(12) 사이를 연결하도록 설치되고 제1 풀리(11)의 회전력을 전달받아 이동하는 컨베이어 벨트(13)를 포함한다.

또한, 도면에 상세히 도시하지는 않았으나, 컨베이어 벨트 장치는 지지대나 프레임을 포함하고, 이 지지대 또는 프레임에 브라켓 등을 매개로 제1 풀리(11)와 제2 풀리(12)가 회전 가능하게 설치된다.

여기서 제2 풀리(12)는 벨트(13)를 지지하는 단순 종동 풀리일 수 있으나, 제2 풀리(12) 또한 모터의 회전력을 전달받아 구동되는 구동풀리일 수 있다. 이때 제1 풀리(11)와 제2 풀리(12)는 동일 방향 및 동일 속도로 회전되도록 제어되어야 한다.

또한, 컨베이어 벨트 장치는 컨베이어 벨트(13)의 이송방향에 대해 그 횡방향으로 길게 연장 배치되도록 설치되는 미도시된 복수 개의 롤러를 포함할 수 있다. 상기 복수 개의 롤러는 모두 지지대 또는 프레임에 회전 가능하도록 설치되며, 컨베이어 벨트(13)의 이송 경로를 따라 일정 간격을 두고 배열될 수 있다.

본 발명에서 컨베이어 벨트 장치의 구성 중 벨트(13)와 상기 복수 개의 롤러는 열전도성이 우수한 소재로 제작된 것이 사용될 수 있고, 후술하는 온도조절 플레이트 중 핫 플레이트와 쿨 플레이트를 구성하는 각 플레이트(16) 또한 열전도성이 우수한 소재로 제작된 것이 사용될 수 있다.

또한, 온도조절장치는 열처리를 위한 가열 장치(14), 및 열처리 후 전해질막(1) 및 캐소드(3)를 냉각시키기 위한 냉각 장치(15)를 포함한다. 본 발명의 실시예에서 가열 장치(14)와 냉각 장치(15)는 전해질막(1)의 이송 경로를 따라 길게 연장되도록 배치되는 온도조절 플레이트를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 실시예에서 온도조절 플레이트는 전해질막(1)의 한쪽 표면에 도포된 캐소드(3)를 건조시키면서 열처리하는 핫 플레이트('Hot plate')와, 캐소드(3)의 건조 및 열처리 후 전해질막(1) 및 캐소드(3)를 냉각하는 쿨 플레이트('Cool plate')를 포함한다.

본 발명에서는 캐소드(3)의 경우 촉매 슬러리(3a)를 전해질막(1)의 표면에 직접 도포 및 코팅하고 가열 장치(14)를 통해 촉매 슬러리(3a)를 건조시키는 동시에 캐소드(3)를 열처리하며, 컨베이어 벨트 장치를 통해 전해질막(1)을 이송시키면서 촉매 슬러리(3a)의 도포 및 건조, 전극(캐소드)(3)의 열처리가 연속 공정으로 수행된다.

본 발명에서는 캐소드(3)만을 촉매 슬러리(3a)를 도포하여 건조 및 열처리하는 방식으로 제조하며, 이때 가열 장치(14)의 핫 플레이트는 캐소드(3)만을 열처리하는 부분 열처리 공정에서 열을 제공하도록 사용되는 구성요소이다.

또한, 냉각 장치(15)의 쿨 플레이트는 열처리 후의 전해질막(1) 및 전극(캐소드)(3)를 냉각하기 위한 구성요소로서, 열처리 후의 전해질막(1) 및 전극(3)에 대해 빠른 냉각이 이루어지도록 한다.

본 발명에서 온도조절장치인 가열 장치(14)는 가열온도 및 가열속도의 제어가 가능하도록 구성될 수 있고, 냉각 장치(15)는 냉각온도 및 냉각속도의 제어가 가능하도록 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 가열 장치(14)의 핫 플레이트('Hot plate')는 도 5에 예시된 바와 같이 플레이트(16)에 열선(17)을 설치한 구성이 될 수 있고, 미도시된 제어기가 구동회로부(미도시)를 통해 열선(17)에 대한 전류 공급을 제어함으로써 핫 플레이트의 작동이 제어되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에서 가열 장치(14)는 플레이트(16)에 저온의 냉각유체가 통과하는 냉각선(17)을 설치한 구성이 될 수 있고, 제어기가 냉각유체의 공급을 제어함으로써 쿨 플레이트('Cool plate')의 작동이 제어되도록 할 수 있다. 여기서, 냉각유체는 공지의 냉매일 수 있고, 저온의 냉매를 공급하는 냉동 사이클의 냉각 시스템이 이용될 수 있다.

상기 제어기는 본 발명에 따른 막전극 접합체의 제조 장치에 대한 작동 전반을 제어하도록 구비되는 것으로, 온도조절장치(14,15)뿐만 아니라 이송장치의 작동을 제어하고, 촉매 슬러리(3a)를 도포하는 도포 장치(19)의 작동을 제어할 뿐만 아니라, 후술하는 전사 장치의 작동을 제어하도록 구비될 수 있다.

이와 같이 제어기는 컨베이어 벨트(13)의 이송 속도, 가열 장치(14)에 의한 가열 속도 및 열처리 온도(가열 온도), 냉각 장치(15)에 의한 냉각 속도 및 냉각 온도, 촉매 슬러리(3a)의 도포 속도 및 도포 두께 등을 제어할 수 있다. 또한, 본 발명에서 컨베이어 벨트 장치의 컨베이어 벨트(13) 또한 적절한 길이로 조절하는 것이 가능하다.

한편, 전사 장치는, 막전극 접합체(10)의 전극 중 애노드(2)가 고정된 이형지(9)가 권취되어 있고 회전 구동하여 전극(애노드)(2)이 고정된 이형지(9)를 인출하는 전극롤(21), 상기 전극롤(21)에서 투입되는 이형지(9)와 컨베이어 벨트 장치로부터 배출되는 전해질막(1)을 통과시켜 압착을 통해 이형지(9)의 애노드(2)를 전해질막(1)의 표면으로 전사시키는 한 쌍의 가압롤(22,23)을 포함한다.

애노드(2)는 촉매 슬러리를 이형지(9)에 도포한 뒤 건조시켜 제조할 수 있으며, 이형지(9)의 표면에서 반응영역에 해당하는 크기 및 면적을 가지는 부위에 촉매 슬러리(3a)를 일정 두께로 도포한 뒤 건조시킨다.

애노드(2)의 제조를 위한 촉매 슬러리의 도포 및 코팅에 있어서도 슬롯다이 코팅법 또는 스프레이 코팅법 등이 이용될 수 있다. 본 발명에서 애노드의 제조를 위한 촉매 슬러리의 조성 등에 대해서는 공지의 것과 비교하여 차이가 없으므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 3을 참조하면, 건조 및 열처리 공정, 냉각 공정을 마친 전해질막(1)과 캐소드(3)는 전사 장치로 투입되는데, 전해질막(1)의 이송 방향이 상측으로 변경된 상태에서 한 쌍의 가압롤(22,23) 사이를 통과하는 것을 볼 수 있다. 이때 상기 한 쌍의 가압롤(22,23)에 의해 애노드(2)가 전사되는 표면이 캐소드(3)가 접합된 표면의 반대쪽 표면이 되도록 설정된다.

즉, 애노드(2)는 전해질막(1)에서 캐소드(3)가 접합된 표면의 반대쪽 표면에 전사되며, 전해질막(1)의 반대쪽 표면에서 애노드(2)가 전사되는 부분은 반응영역이다. 상기 애노드(2)가 전사되는 반응영역은, 캐소드(3)가 접합된 반응영역과 동일한 위치이지만 캐소드(3)와의 사이에 전해질막(1)을 사이에 두고 애노드(2)가 위치될 수 있도록 상기 캐소드(3)가 접합된 반응영역의 반대쪽 표면 영역이다.

상기 애노드(2)에 대해서는 열처리가 이루어지지 않으며, 이로써 전해질막(1)을 사이에 두고 전해질막의 양쪽 표면에 캐소드(3)와 애노드(2)가 접합된 구성의 막접합 접합체(10)가 제조될 수 있으며, 애노드(2)의 전사 공정을 마친 막전극 접합체(10)는 권취롤(24)에 감겨 보관된다.

상술한 제조 과정을 거쳐 제조된 막전극 접합체(10)는 전해질막(1)의 한쪽 표면에 캐소드(3)와 서브가스켓(4)이 접합되고, 전해질막(1)의 반대쪽 표면에는 애노드(2)가 접합된 구성을 가지게 된다. 상기 전사 장치를 통과하는 동안 애노드(2)의 전사가 이루어지고 남은 이형지(9)는 애노드(2)가 분리된 상태에서 미도시된 권취롤에 감겨 보관된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 촉매 슬러리(3a)의 도포 후 캐소드(3)에 대해서만 건조와 동시에 열처리를 수행하는 부분 열처리 연속 공정으로 막전극 접합체(10)가 제조되는바, 부분 열처리되지 않은 막전극 접합체와 비교하여 내역전압 성능이 향상될 수 있다.

또한, 막전극 접합체(10)의 제조 과정에서 캐소드(3)의 경우 촉매 슬러리(3a)의 도포 후 건조와 동시에 열처리 후공정을 실시하여 제조함으로써 전극의 내구 향상이 가능한 반면, 애노드(2)를 열처리할 경우 전극의 결정성 향상 및 전극 소수성 증대로 인해 내역전압 촉매와 반응물(물)의 접근성이 낮아져 내역전압 성능이 감소될 수 있는바, 본 발명에서 애노드(2)에 대해서는 미열처리 전사를 통해 전해질막(1)에 접합하여 막전극 접합체(10)를 제조한다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 촉매 슬러리(3a)의 도포 및 건조, 캐소드(3)의 열처리가 통합된 연속 공정을 통해 막전극 접합체(10)를 제조함으로써 막전극 접합체(10)의 기공도 및 전극 구조를 이상적으로 구현할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 서브가스켓(4)을 전해질막(1)의 한쪽 면에만 적용함으로써 제조 원가를 절감할 수 있는 동시에 수포 발생의 문제점을 개선할 수 있게 된다.

좀 더 상세하게는, 서브가스켓(4)이 접합된 전해질막(1)에 캐소드(3)의 제조를 위한 촉매 슬러리(3a)를 직접 도포 및 코팅한 뒤 캐소드에 대해서만 열처리를 수행함으로써 막전극 접합체(10)의 내역전압 성능을 향상시키는 것이 가능해진다.

캐소드 부분 열처리 방식을 이용하여 막전극 접합체의 열처리로 인한 애노드 역전압 내구 성능 저하 개선이 가능한 것이며, 애노드 미열처리시 애노드 전극의 결정성이 낮아져 친수화될 수 있는바, 이는 물의 내역전압 촉매 첨가물과의 접근을 용이하게 해주어 수전해 반응을 증대시킨다.

또한, 전극에 대한 열처리 공정을 건조 공정과 통합함으로써 막전극 접합체(MEA)의 제조 시간을 단축할 수 있고, 온도조절 플레이트를 이용하여 전극의 냉각 속도를 조절하는 등의 방법을 통해 막전극 접합체 및 전극의 기공도와 구조를 이상적으로 구현할 수 있게 된다.

또한, 전해질막의 한쪽 표면에만 서브가스켓을 접합한 후 연속 공정을 통해 원하는 막전극 접합체를 제조할 수 있게 됨에 따라 제조 원가를 절감하는 것이 가능해짐은 물론, 기존 수포 발생의 문제점이 개선될 수 있게 된다.

본 발명에 따른 막전극 접합체의 제조 과정에서는 서브가스켓에 형성된 개구부에 의해 노출되는 전해질막의 표면에 촉매 슬러리를 도포 및 코팅하여 캐소드를 제조한다.

따라서, 개구부 내측의 공간 및 상기 개구부에 의해 노출된 전해질막의 표면이 전극(캐소드) 제조를 위한 촉매 슬러리 직접 코팅의 캐스팅 몰드로 이용될 수 있고, 이때 개구부의 높이, 즉 서브가스켓과 전해질막 사이의 높이 차이가 이용될 수 있다.

또한, 캐소드 전극 캐스팅 과정으로서 촉매 슬러리의 도포와 건조, 열처리가 거의 동시에 진행될 수 있고, 캐소드 제조를 위한 촉매 슬러리의 직접 도포 및 열처리가 진행됨으로써 전해질막-전극 계면 저항이 감소될 수 있으며, 기존의 전사와 열처리 과정이 통합됨으로써 공정 시간의 단축이 가능하다.

또한, 온도조절 플레이트의 위치, 그리고 연속 공정을 위한 컨베이어 밸트의 길이와 속도를 조절하으로써 공정의 열처리 공정을 섬세하게 조절할 수 있다.

그리고, 위에서 전해질막에 직접 촉매 슬러리 도포 및 건조, 열처리하여 캐소드를 제조하고 애노드는 전사 방식에 의해 전해질막에 접합하는 것을 설명하였으나, 위의 설명에서 캐소드와 애노드는 반대가 될 수 있다.

즉, 전해질막에 직접 촉매 슬러리 도포 및 건조, 열처리하여 애노드를 제조하고 캐소드는 전사 방식에 의해 전해질막에 접합하여 막전극 접합체를 제조할 수 있는 것이다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

1 : 전해질막
2 : 애노드
3 : 캐소드
3a : 촉매 슬러리
4 : 서브가스켓
4a, 5 : 접착제
6 : 가스확산층
9 : 이형지
10 : 막전극 접합체
11 : 제1 풀리
12 : 제2 풀리
13 : 컨베이어 벨트
14 : 가열 장치(온도조절장치)
15 : 냉각 장치(온도조절장치)
16 : 플레이트
17 : 열선 또는 냉각선
OP : 개구부
19 : 도포 장치
21 : 전극롤
22, 23 : 가압롤
24 : 권취롤

Claims

전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 단계;
상기 전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 동안, 상기 전해질막의 표면에, 캐소드와 애노드 중 하나의 전극을 제조하기 위한 촉매 슬러리가 도포 장치에 의해 도포되는 단계;
상기 전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 동안, 온도조절장치에 의해 전해질막에 열이 가해지면서, 상기 촉매 슬러리의 건조 및 상기 전극의 열처리가 수행되는 단계; 및
상기 이송 장치로부터 배출된 전해질막에서 상기 전극이 접합되어 있는 표면의 반대쪽 표면에, 캐소드와 애노드 중 나머지 하나의 전극을 전사 장치를 통해 전사사켜 막전극 접합체를 제조하는 단계를 포함하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 촉매 슬러리가 캐소드를 제조하기 위한 촉매 슬러리이고,
상기 촉매 슬러리의 도포 및 건조, 상기 전극의 열처리에 의해 제조되는 전극이 캐소드이며,
상기 전사되는 전극이 애노드인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 이송 장치는 상기 전해질막을 컨베이어 벨트를 이용하여 이송시키는 컨베이어 벨트 장치인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 온도조절장치는,
상기 전해질막에 열을 가하는 가열 장치; 및
상기 열처리 후의 전해질막을 냉각시키는 냉각 장치를 포함하고,
상기 가열 장치와 냉각 장치가 상기 이송 장치에 의해 전해질막이 이송되는 이송 경로를 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 4에 있어서,
상기 가열 장치는 플레이트에 열선을 설치하여 구성되고,
상기 냉각 장치는 플레이트에 냉각선을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 냉각선은 냉각유체가 통과하도록 구비된 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 온도조절장치는 상기 전해질막에 열을 가하는 가열 장치를 포함하고,
상기 가열 장치는 상기 촉매 슬러리가 도포되는 구간을 포함하여 촉매 슬러리의 건조 및 전극의 열처리가 이루어지는 구간에 열을 가하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 가열 장치는 플레이트에 열선을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 이송 장치는 상기 전해질막을 컨베이어 벨트를 이용하여 이송시키는 컨베이어 벨트 장치이고, 상기 온도조절장치는 상기 컨베이어 벨트 하측에 설치되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 전해질막이 이송되는 단계에서, 상기 이송되는 전해질막은 개구부가 형성된 서브가스켓이 한쪽 표면에 접합되어 있는 전해질막이고,
상기 촉매 슬러리가 도포되는 단계에서, 상기 개구부에 의해 노출된 전해질막의 표면에 상기 촉매 슬러리가 도포되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
전해질막을 이송시키는 이송 장치;
상기 전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 동안, 상기 전해질막의 표면에, 캐소드와 애노드 중 하나의 전극을 제조하기 위한 촉매 슬러리를 도포하는 도포 장치;
상기 전해질막이 이송 장치에 의해 이송되는 동안, 상기 전해질막에 열을 가하여, 상기 촉매 슬러리의 건조 및 상기 전극의 열처리를 동시에 수행하는 온도조절장치; 및
상기 이송 장치로부터 배출된 전해질막에서 상기 전극이 접합되어 있는 표면의 반대쪽 표면에, 상기 캐소드와 애노드 중 나머지 하나의 전극을 전사시키는 전사 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 장치.
청구항 11에 있어서,
상기 촉매 슬러리가 캐소드를 제조하기 위한 촉매 슬러리이고,
상기 촉매 슬러리의 도포 및 건조, 상기 전극의 열처리에 의해 제조되는 전극이 캐소드이며,
상기 전사되는 전극이 애노드인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 장치.
청구항 11에 있어서,
상기 이송 장치는 상기 전해질막을 컨베이어 벨트를 이용하여 이송시키는 컨베이어 벨트 장치인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 장치.
청구항 11에 있어서,
상기 온도조절장치는,
상기 전해질막에 열을 가하는 가열 장치; 및
상기 열처리 후의 전해질막을 냉각시키는 냉각 장치를 포함하고,
상기 가열 장치와 냉각 장치가 상기 이송 장치에 의해 전해질막이 이송되는 이송 경로를 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 장치.
청구항 14에 있어서,
상기 가열 장치는 플레이트에 열선을 설치하여 구성되고,
상기 냉각 장치는 플레이트에 냉각선을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 냉각선은 냉각유체가 통과하도록 구비된 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 온도조절장치는 상기 전해질막에 열을 가하는 가열 장치를 포함하고,
상기 가열 장치는 상기 촉매 슬러리가 도포되는 구간을 포함하여 촉매 슬러리의 건조 및 전극의 열처리가 이루어지는 구간에 열을 가하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 17에 있어서,
상기 가열 장치는 플레이트에 열선을 설치하여 구성되고,
상기 냉각 장치는 플레이트에 냉각선을 설치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 이송 장치는 상기 전해질막을 컨베이어 벨트를 이용하여 이송시키는 컨베이어 벨트 장치이고, 상기 온도조절장치는 상기 컨베이어 벨트 하측에 설치되는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 장치.
청구항 11에 있어서,
상기 전사 장치는, 상기 이송 장치로부터 배출된 전해질막, 및 상기 나머지 하나의 전극이 고정된 이형지를 함께 통과시켜 압착함으로써, 상기 전극이 접합되어 있는 표면의 반대쪽 표면에, 상기 나머지 하나의 전극을 전사시키는 한 쌍의 가압롤을 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체의 제조 장치.