KR20220104328A - 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법 및 이를 통해 제조된 비대칭형의 막-전극-서브가스켓 접합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법 및 이를 통해 제조된 막-전극-서브가스켓 접합체에 관한 것이다. 보다 구체적으로 막-전극 접합체의 양면에 서로 비대칭의 크기 및 형상을 갖는 기재가 제공된 막-전극-서브가스켓 접합체를 제공하는 것이 특징이다.

Description

막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법 및 이를 통해 제조된 비대칭형의 막-전극-서브가스켓 접합체{Manufacturing method for Membrane-electrode-subgasket assembly and an asymmetrical membrane-electrode-subgasket assembly manufactured by the same}
본 발명은 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법 및 이를 통해 제조된 막-전극-서브가스켓 접합체에 관한 것이다. 보다 구체적으로 막-전극 접합체의 양면에 서로 비대칭의 크기 및 형상을 갖는 기재가 제공된 막-전극-서브가스켓 접합체를 제공하는 것이 특징이다.
연료전지는 연료와 산화제의 반응으로 인해 전기를 일으키게 된다. 이때 각각의 극으로부터 유입되는 연료 혹은 산화제가 상대극으로 투과되는 현상이 발생하게 되면 연료전지의 성능이 저하될 위험이 있다. 따라서 연료 혹은 산화제가 전해질막을 투과하여 혼합되는 현상을 방지할 필요가 있다.
이와 관련하여 전극 면적에 해당하는 반응영역 이외에 막-전극 접합체 가장자리에 여분의 전해질막을 남겨두고 그 여분의 전해질막 윗면에 서브가스켓과 가스켓을 제공함으로써 연료 혹은 산화제가 상대 극으로 넘어가는 것을 억제하는 방법이 통용되었다. 또한 상기와 같은 방법은 막-전극 접합체를 제조하는데 있어서 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정을 적용할 수 있다는 장점이 있었다.
하지만 전해질막이 상당히 고가이며, 상기의 제조방법은 반응영역이 아닌 불필요한 부분에도 전해질막을 사용하기 때문에 막-전극 접합체의 제조 단가가 상승하는 문제가 있다.
종래에는 상기와 같이 불필요하게 낭비되는 전해질막의 사용을 줄이기 위해 전해질막 절감형 구조의 연료전지 단위셀 제조 방법이 개발되고 있는데, 한국등록특허 제10-1575312호 에는 전해질막의 양면에 전극 촉매층이 형성되어 단위 형태로 절단된 전극막 시트를 사용함으로써 전해질막을 절감시키는 방법이 제시되어 있다.
하지만 상기와 같은 전해질막 절감형 구조는 새로운 문제들을 가지고 있었다. 도 1의 (A)에는 통상적인 방법에 의해 제조된 막-전극 접합체의 단면이 나타나 있고, 도 1의 (B)에는 전해질막 절감형 구조를 갖는 막-전극 접합체 단면이 나타나 있다. 두 가지 형태를 비교하면 도 1(A)는 전해질막이 외부로 노출되어 있는데 반해, 도 1(B)는 전해질막이 서브가스켓에 의해 차단되어 외부로 노출되지 않다는 차이가 있다.
즉, 전해질막 절감형 구조는 이 전해질막의 가장자리가 서브가스켓에 의해 막혀있기 때문에 서브가스켓 접합부 단차에 수분이 모이게 된다. 이렇게 모인 수분은 지속되는 압력에 서브가스켓과 전해질막 접합부를 손상시키거나 혹은 서브가스켓간 접합부로 침투하여 수포를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 수포는 역시 연료, 산화제의 유로를 막아서 연료전지의 성능을 저하시키게 된다.
상기와 같은 문제와 더불어 전해질막 절감형 구조를 갖는 막-전극-서브가스켓 접합체를 제조하기 위해서는 결국 제조 공정 중 막-전극 접합체가 단독으로 존재하는 구간이 필수적으로 포함되게 되는데, 막-전극 접합체의 두께가 얇고 습도에 영향을 쉽게 받는 성질 때문에 핸들링이 굉장히 어렵다는 문제가 있었다.
한국등록특허 제10-1575312호
본 발명에 따르면, 롤투롤(roll-to-roll) 공정기반에서 연속으로 막-전극-서브가스켓 접합체를 제조할 수 있는 방법을 제공할 목적이 있다.
본 발명에 따르면, 롤투롤(roll-to-roll) 공정기반에서 제조시, 전해질막의 사용을 절감할 수 있는 막-전극-서브가스켓 접합체를 제조하는 방법을 제공할 목적이 있다.
본 발명에 따르면, 충방전에 의해 생성된 물 등이 전해질막을 통해 외부로 쉽게 배출될 수 있는 구조를 갖는 막-전극-서브가스켓 접합체를 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 공급 단계; 상기 막-전극 접합체 원단의 일면에 제1 기재 원단을 부착하여 제1 접합체 원단을 제조하는 단계; 상기 제1 접합체 원단에서 제1 접합체를 분리하는 분리 단계; 및 상기 제1 접합체를 제2 기재 원단에 부착하는 합지 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법을 제공한다.
상기 제1 기재 원단 및 제2 기재 원단은 각각 개구(開口)부가 형성되어 있고, 상기 개구부는 타발 장치에 의해 형성되는 것일 수 있다.
상기 제1 기재 원단의 개구부 및 제2 기재 원단의 개구부는 상기 막-전극 접합체 원단의 촉매층 상에 각각 위치하는 것일 수 있다.
상기 제1 기재 원단의 개구부는 제1 기재 원단을 타발하여 형성되고, 상기 제2 기재 원단의 개구부는 제2 기재 원단을 타발하여 형성되고, 상기 제1 접합체는 제1 기재 원단 및 막-전극 접합체 원단을 동시에 타발하여 형성되는 것일 수 있다.
상기 제1 접합체는 막-전극 접합체 원단으로부터 분리된 막-전극 접합체 및 제1 기재 원단으로부터 분리된 제1 기재를 포함하고, 상기 막-전극 접합체의 형상과 제1 기재의 형상이 일치하는 것일 수 있다.
상기 제1 접합체를 막-전극 접합체가 제1 접합체 및 제2 기재 원단 사이에 위치하도록 제2 기재 원단에 부착하는 것일 수 있다.
상기 제1 접합체는 제1 기재의 개구부가 막-전극 접합체를 사이에 두고 제2 기재 원단의 개구부에 대칭되도록 제2 기재 원단에 부착되는 것일 수 있다.
상기 분리 단계는 제1 접합체 원단을 타발하여 외곽부 절단선을 형성하는 단계; 및 상기 제1 접합체 원단의 외곽부 절단선 안쪽 면을 흡착하여 제1 접합체를 분리하는 단계; 를 포함하는 것일 수 있다.
상기 외곽부 절단선은 타발 장치에 의해 형성되고, 상기 흡착은 흡착 장치에 의해 진행되는 것일 수 있다.
합지 단계 이후, 제2 기재를 분리하는 단계; 가 더 포함되는 것일 수 있다.
상기 분리된 제2 기재는 제1 접합체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 제2 기재의 면적과 제1 기재의 면적은 동일하지 않는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 개구부를 포함하는 제1 기재; 개구부를 포함하는 제2 기재; 및 상기 제1 기재 및 제2 기재 사이에 개재되고, 양면에 촉매층이 제공된 막-전극 접합체; 를 포함하고, 상기 제1 기재의 면적과 제2 기재의 면적이 동일하지 않는 것을 특징으로 하는 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체를 제공한다.
상기 막-전극 접합체의 촉매층은 상기 개구부를 통해 외부로 노출되는 것일 수 있다.
상기 상기 제2 기재는 매니폴드부를 더 포함하고, 상기 제2 기재는 상기 매니폴드부를 상기 막-전극 접합체 및 제1 기재와 겹치지 않는 위치에 포함하는 것일 수 있다.
상기 제2 기재의 면적이 상기 제1 기재의 면적 보다 큰 것일 수 있다.
상기 막-전극 접합체의 측면은 상기 제1 기재 및 제2 기재에 의해 폐쇄되지 않는 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 롤투롤(roll-to-roll) 공정기반에서 연속으로 막-전극-서브가스켓 접합체를 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 롤투롤(roll-to-roll) 공정기반에서 제조시, 전해질막의 사용을 절감할 수 있는 막-전극-서브가스켓 접합체를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 충방전에 의해 생성된 물 등이 전해질막을 통해 외부로 쉽게 배출될 수 있는 구조를 갖는 막-전극-서브가스켓 접합체를 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 종래의 막-전극-서브가스켓 접합체의 단면 형상을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법에 대한 순서도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법에 대한 공정도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법에 대한 공정도 및 이송되는 원단의 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 제1 기재 원단에서 스크랩 부를 제거하는 과정을 나타낸 것이다.
도 6은 제1 접합체 원단에서 스크랩 부를 제거하는 과정을 나타낸 것이다.
도 7은 제1 기재 원단 및 제2 기재 원단에서 제1 기재 및 제2 기재의 배치를 나타낸 것이다.
도 8은 제1 기재, 제2 기재 및 막-전극 접합체를 이용하여 막-전극-서브가스켓 접합체가 제조되는 과정을 나타낸 것이다.
도 9은 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체의 조립도를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 제1 기재를 나타낸 것이다.
도 11는 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체의 분해도를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체의 사시도 및 부분 단면도를 나타낸 것이다.
도 13은 일실시예에 의해 제조된 막-전극-서브가스켓 접합체를 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 제조방법 및 이를 통해 제조된 비대칭의 막-전극-서브가스켓 접합체에 관한 것이다.
이하 도 2 내지 도 8을 참고하여 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법에 대해 설명하고, 도 9 내지 도 12를 참고하여 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체에 대해 설명하도록 하겠다.
막-전극-서브가스켓 접합체(30) 제조방법
본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체(30) 제조방법은 양면에 촉매층(1)이 제공된 막-전극 접합체 원단(111)을 공급하는 공급 단계, 상기 막-전극 접합체 원단(111)의 일면에 제1 기재 원단(101)을 부착하여 제1 접합체 원단(100)을 제조하는 단계, 상기 제1 접합체 원단(100)에서 제1 접합체(10)를 분리하는 분리 단계 및 제1 접합체(10)를 제2 기재 원단(102)에 부착하는 합지 단계를 포함하는 것이 특징이다. 특히 모든 단계가 연속적으로 진행되는 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식으로 진행된다.
이하, 도 2에 나타난 순서도, 도 3 및 도 4에 나타난 공정도를 기본적으로 참고하여 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체(30) 제조 공정을 각 단계 별로 설명하도록 하겠다.
공급 단계(S1)
양면에 촉매층(1)이 제공된 막-전극 접합체 원단(111)을 공급하는 단계이다.
상기 막-전극 접합체 원단(111)은 막-전극 접합체 원단 공급롤(1003)을 통해 제공된다. 구체적으로 상기 막-전극 접합체 원단(111)은 상기 원단을 지지하고 보호할 수 있는 보호필름(202) 상에 부착되어 제공된다.
상기 보호필름(202)은 쉽게 박리될 수 있으며 어느 정도의 장력을 갖는 이형지이면 충분하고 본 발명에서 이에 대해 특별히 한정하지 않겠다.
상기 막-전극 접합체 원단(111)의 소재는 연료전지 기술 분야에서 사용될 수 있는 통상적인 전해질막 소재이면 충분하고 본 발명에서 이에 대해 특별히 한정하지는 않겠다.
상기 막-전극 접합체 원단(111)의 상부면 및 하부면에는 촉매층(1)이 부착되어 있으며, 상기 막-전극 접합체 원단(111)의 양면에는 각각 다수의 촉매층(1)이 부착되어 있다. 이때 막-전극 접합체 원단(111)의 일면에 부착된 다수의 촉매층(1)은 일정 간격 서로 이격되어 있다.
제1 접합체 원단(100) 제조 단계(S2)
막-전극 접합체 원단(111)의 일면에 제1 기재 원단(101)을 부착하여 제1 접합체 원단(100)을 제조하는 단계이다.
제1 기재 원단 공급롤(1001)을 통해 제공된 제1 기재 원단(101)을 막-전극 접합체 원단(111)의 일면에 부착하는 단계이다. 이때 제공되는 제1 기재 원단(101)은 상기 원단을 보호하며 지지할 수 있는 보호필름(201) 상에 부착되어 제공된다. 특히 상기 제1 기재 원단(101)은 막-전극 접합체 원단(111)에 부착되기 전에 타발 장치(1010)에 의해 부분 타발되는 것이 바람직하다. 상기 타발에 의해 제1 기재 원단(101)상에는 개구부 절단선(c1)이 형성된다. 이후 상기 제1 기재 원단(101)이 막-전극 접합체 원단(111)에 부착되는 과정에서 상기 개구부 절단선(c1)의 형상으로 제1 기재 원단(101) 일부가 제거되어 개구부(2)가 형성된다. 도 4를 참고하면, 제1 기재 원단(101)이 타발 장치(1010)를 통과한 후 개구부 절단선(c1)이 형성된 것을 알 수 있는데, 이때 보호필름(201)은 타발되지 않는 것이 바람직하다.
도 5를 참고하면, 상기 제1 기재 원단(101)에서 제거되는 부분은 스크랩 부(a)라고 지칭할 수 있다. 즉, 상기 제1 기재 원단(101)에서 스크랩 부(a)가 제거되면서 개구부(2)가 형성된다.
상기 스크랩 부(a)의 형상은 상기 개구부(2) 형상과 동일하다. 이때 상기 개구부(2)는 제1 기재 원단(101) 상에 다수로 형성되며, 각각의 개구부(2)는 서로 일정 간격 이격되어 형성된다.
상기 절단선이 형성된 제1 기재 원단(101) 및 막-전극 접합체 원단(111)은 프레스 장치(1020)에 의해 접합되어 제1 접합체 원단(100)이 제조된다. 이때 제1 기재 원단(101)은 개구부(2)가 막-전극 접합체 원단(111)에 형성된 각각의 촉매층(1)과 대응되도록 막-전극 접합체 원단(111) 상에 위치하여 접합된다.
상기 막-전극 접합체 원단(111) 상에 포함된 촉매층(1) 면적의 일부는 상기 제1 기재 원단(101)의 개구부(2)를 통해 외부에 노출된다. 상기 촉매층(1)의 면적은 제1 기재 원단(101)의 개구부(2) 면적 보다 큰 것이 바람직하다.
상기 제1 기재 원단(101)은 프레스 장치(1020)에 도달하기 전에 보호필름(201) 및 스크랩 부(a)가 제거된 상태인 것이 바람직하다. 즉, 스크랩 부(a) 및 보호필름(201)이 제거된 제1 기재 원단(101)이 보호필름(202) 상에 지지되어 있는 막-전극 접합체 원단(111) 상에 접합되어 이송된다.
본 발명에서 상기 프레스 장치(1020)는 특별히 한정하지 않으며, 연료전지 막-전극 접합체 제조 분야에서 통상적으로 사용되는 프레스 장치(1020)로 제1 기재 원단(101)을 막-전극 접합체 원단(111) 상에 접합시킬 수 있는 장치이면 충분하다.
분리 단계(S3)
제1 접합체 원단(100)으로부터 제1 접합체(10)를 분리하는 단계이다.
상기 분리 단계는 보다 바람직하게 제1 접합체 원단(100)을 타발하여 개구부 절단선(c2)을 형성하는 단계 및 제1 접합체 원단(100)의 개구부 절단선(c2) 안쪽 면을 흡착하여 제1 접합체(10)를 분리하는 단계를 포함한다.
절단선 형성 단계(S3-1)
제1 접합체 원단(100)을 타발하여 개구부 절단선(c2)을 형성하는 단계이다.
상기 개구부 절단선(c2)은 상기 제1 기재 원단(101)에서 개구부 절단선(c2)을 형성하는 과정과 기본적으로 동일하게 타발 장치(1011)에 의해 부분적으로 타발되어 형성된다. 다만 제1 기재 원단(101)과 동시에 막-전극 접합체 원단(111)에 개구부 절단선(c2)이 형성된다는 차이가 있다. 또한 도 4 및 도 6을 통해 알 수 있듯이 상기 개구부 절단선(c2)은 개구부(2)로부터 이격되어 형성되고, 스크랩 부(b)가 개구부 절단선(c2)을 기준으로 바깥 가장자리에 해당한다는 점에서 차이가 있다.
상기와 같이 제1 기재 원단(101) 및 막-전극 접합체 원단(111)이 동일한 위치에 개구부 절단선(c2)을 형성하기 때문에 이후 얻게되는 제1 기재 와 막-전극 접합체(20)의 형상은 일치하게 되는 것이 특징이다.
이때 제1 접합체 원단(100)을 지지하는 보호필름(202)은 타발되지 않는 것이 바람직하다.
흡착 단계(S3-2)
흡착 장치(1030)를 통해 제1 접합체 원단(100)으로부터 제1 접합체(10)를 흡착하여 분리하는 단계이다.
상기 제1 접합체(10)는 흡착 장치(1030)에 의해 흡착되어 개구부 절단선(c2)을 기준으로 스크랩 부(b)를 제거하면서 보호필름(202)으로부터 분리 된다.
상기 제1 접합체(10)는 구체적으로 막-전극 접합체 원단(111)으로부터 분리된 막-전극 접합체(20) 및 제1 기재 원단(101)으로부터 분리되고 상기 막-전극 접합체(20)의 일면에 합지되어 있는 제1 기재(11)를 포함한다. 이때 상기 제1 기재(11) 및 막-전극 접합체(20)의 끝단 위치 및 형상이 일치하는 것이 특징이다.
상기 흡착 장치(1030)는 흡착 롤러를 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 접합체(10)를 효과적으로 제1 접합체 원단(100)으로부터 분리할 수 있는 장치이면 충분하다. 일례로 정전기력 및 점착제를 사용할 수도 있다.
상기 제1 접합체(10)는 구체적으로 흡착 롤러 등에 의해 탈리될 수 있으며 동시에 상기 흡착 롤러에 의해 공급되는 제2 기재 원단(102)과 합지될 수 있다. 이때 상기 흡착 롤러는 예를 들어 미국 공개특허 제2011-0151350호에 개시되어 있는 진공 다이(Vacuum Die) 등이 포함될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
합지 단계(S4)
프레스 장치(1021)를 통해 제1 접합체(10)를 제2 기재 원단(102)에 부착하는 합지 단계이다. 보다 구체적으로 제1 접합체 원단(100)으로부터 분리되어 이동하는 제1 접합체(10)를 제2 기재 원단 공급롤(1002)로부터 공급된 제2 기재 원단(102) 상에 합지시키는 단계이다. 이때 상기 제1 접합체(10)의 분리와 상기 제1 접합체(10) 및 제2 기재(12)의 합지가 독립적으로 진행될 수 있으며, 또는 동시에 진행될 수도 있다.
상기 제1 접합체(10)는 막-전극 접합체(20)가 제1 접합체(10) 및 제2 기재 원단(102) 사이에 위치하도록 제2 기재 원단(102) 상에 부착된다. 즉, 상기 제1 접합체(10)는 보호필름(202)이 제거된 면이 제2 기재 원단(102)과 마주보도록 하여 제2 기재 원단(102)과 합지 된다.
상기 제2 기재 원단(102)은 제2 기재 원단(102) 공급 롤을 통해 제공된다. 이때 제공되는 제2 기재 원단(102)은 상기 원단을 보호하며 지지할 수 있는 보호필름(203) 상에 부착되어 제공된다. 특히 상기 제2 기재 원단(102)은 제1 접합체(10)가 부착되기 전에 타발 장치(1012)에 의해 부분 타발되는 것이 바람직하다. 상기 타발에 의해 제2 기재 원단(102)상에는 개구부 절단선(c1)이 형성된다. 이후 상기 제2 기재 원단(102)이 제1 접합체(10)와 접합되기 전에 상기 개구부 절단선(c1)의 형상으로 제2 기재 원단(102) 일부가 제거되어 개구부(2)가 형성된다. 도 4를 참고하면, 제2 기재 원단(102)이 타발 장치(1012)를 통과한 후 개구부 절단선(c1)이 형성된 것을 알 수 있는데, 이때 보호필름(203)은 타발되지 않는 것이 바람직하다.
상기 스크랩 부(b)의 형상은 상기 개구부(2) 형상과 동일하다. 이때 상기 개구부(2)는 제2 기재 원단(102) 상에 다수로 형성되며, 각각의 개구부(2)는 서로 일정 간격 이격되어 형성된다. 다만, 제2 기재 원단(102)에는 제1 기재 원단(101)과 달리 매니폴드부(3)가 더 포함될 수 있다.
도 7을 참고하면, 제2 기재(12)는 제1 기재(11)와 동일하게 개구부(2)가 형성되나, 전체적으로 보다 큰 면적을 가지고 있으며, 추가적으로 매니폴드부(3)가 더 포함되는 것을 알 수 있다.
즉, 제2 기재 원단(102)에 개구부 절단선(c1)이 형성될 때 매니폴드부 절단선(c3)이 추가적으로 형성될 수 있으며, 이때는 스크랩 부(b)가 개구부 절단선(c1)의 안쪽 면 뿐만아니라 상기 매니폴드부 절단선(c3)의 안쪽 면을 더 포함하게 된다.
상기 제2 기재 원단(102) 및 제1 접합체(10)는 프레스 장치(1021)에 의해 접합되어 막-전극-서브가스켓 원단(200)이 제조된다. 이때 제1 접합체(10)는 제2 기재 원단(102)의 개구부(2)가 제1 접합체(10) 일면에 형성된 각각의 촉매층(1)과 대응되도록 제2 기재 원단(102) 상에 위치하여 접합된다.
상기 제1 접합체(10) 일면에 포함된 촉매층(1) 면적의 일부는 상기 제2 기재 원단(102)의 개구부(2)를 통해 외부에 노출된다. 상기 촉매층(1)의 면적은 제2 기재 원단(102)의 개구부(2) 면적 보다 큰 것이 바람직하다.
상기 제2 기재 원단(102)에 포함된 개구부(2)는 제1 접합체(10)에 포함된 막-전극 접합체(20)를 사이에 두고 제1 기재(11)의 개구부(2)와 대칭되는 것이 바람직하다.
상기 제조된 막-전극-서브가스켓 원단(200)은 이후 회수롤(1004)을 통해 회수될 수 있으며, 또는 상기 제조된 막-전극-서브가스켓 원단(200)에서 제1 접합체(10)를 포함하는 제2 기재(12)를 분리하여 막-전극-서브가스켓 접합체(30)를 얻을 수 있다.
제2 기재(12) 분리 단계(S5)
막-전극-서브가스켓 원단(200)에서 제1 접합체(10)를 포함하는 제2 기재(12)를 분리하여 막-전극-서브가스켓 접합체(30)를 얻는 단계이다. 구체적으로 개구부 절단선(c2)을 따라 제2 기재 원단(102)을 절개하여 제2 기재(12) 및 상기 제2 기재(12) 상에 합지된 제1 접합체(10)를 분리하는 단계이다.
도 7을 참고하면, 제2 기재 원단(102)에서 개구부 절단선(c2)을 따라 타발이 진행되어 제2 기재(12)가 분리될 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제2 기재(12) 및 상기 제2 기재(12)와 합지된 제1 접합체(10)를 포함하는 막-전극-서브가스켓 접합체(30)를 얻을 수 있다.
도 7에는 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체(30) 제조 과정이 간단히 나타나 있다. 이를 참고하여 본 발명의 제조 과정을 요약하면, 개구부(2)가 형성된 제1 기재(11)와 막-전극 접합체(20)를 접합시켜 제1 접합체(10)를 제조하고, 상기 제1 접합체(10)를 매니폴드부(3) 및 개구부(2)가 형성된 제2 기재(12)와 접합시켜 비대칭형 서브가스켓을 갖는 막-전극-서브가스켓 접합체(30)를 제조한다고 볼 수 있다.
막-전극-서브가스켓 접합체(30)
본 발명의 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체(30)는 개구(開口)부를 포함하는 제1 기재(11), 개구부(2)를 포함하는 제2 기재(12) 및 상기 제1 기재(11) 및 제2 기재(12) 사이에 개재되고, 양면에 촉매층(1)이 제공된 막-전극 접합체(20)를 포함하고, 상기 제1 기재(11)의 면적과 제2 기재(12)의 면적이 동일하지 않는 것이 특징이다. 보다 구체적으로 상기 제1 기재(11)의 측면을 따라 그려지는 도형의 면적과 제2 기재(12)의 측면을 따라 그려지는 도형의 면적이 동일하지 않는 것이 특징이다.
도 9 내지 도 12를 참고하여 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체(30) 각 구성에 대해 설명하겠다.
막-전극 접합체(20)
본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체(30)는 제1 기재(11) 및 제2 기재(12) 사이에 개재되는 막-전극 접합체(20)를 포함한다. 상기 막-전극 접합체(20)는 전해질막 및 상기 전해질막의 양면에 제공된 촉매층(1)을 포함한다.
제1 기재(11)
본 발명의 제1 기재(11)는 개구부(2)를 포함하고, 막-전극 접합체(20)의 일면에 합지되어 있다. 이때 막-전극 접합체(20)의 촉매층(1)이 상기 제1 기재(11)의 개구부(2)를 통해 외부로 노출될 수 있다.
본 발명의 제1 기재(11)의 형상은 막-전극 접합체(20)의 형상과 동일한 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에서 제1 기재 원단(101) 및 막-전극 접합체 원단(111)은 합지되어 개구부 절단선(c2)이 동시에 형성되기 때문에 제1 기재(11) 및 막-전극 접합체(20)의 외곽부 형상이 일치한다.
도 11을 참고하면, 제1 기재(11)의 La1와 막-전극 접합체(20)의 Lc1은 동일하며, 제1 기재(11)의 La2는 막-전극 접합체(20)의 Lc2와 동일하다. 이때 막-전극 접합체(20)에 포함되는 촉매층(1)의 Ld2는 제1 기재(11)에 포함되는 개구부(2)의 La4 보다 크고, Ld1은 La3 보다 큰 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 기재(11) 형상은 특별히 한정되지 않으며, 도 10과 같이 다양한 형상을 가질 수 있다.
제2 기재(12)
본 발명의 제2 기재(12)는 개구부(2)와 더불어 매니폴드부(3)를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 기재(12)의 면적은 제1 기재(11)의 면적 보다 큰 것이 바람직하다.
도 11을 참고하면, 상기 제1 기재(11)의 La4는 제2 기재(12)의 Lb4와 동일하고, La3은 Lb5와 동일한 것이 바람직하다.
상기 제2 기재(12)의 Lb2는 제1 기재(11)의 La2 보다 크고, 제1 기재(11)의 La2는 제2 기재(12)의 Lb3 보다 크지 않는 것이 바람직하다. 또한 제2 기재(12)의 Lb1이 제1 기재(11)의 La1 보다 큰 것이 바람직하다.
상기 막-전극-서브가스켓 접합체(30)는 상기와 같이 막-전극 접합체(20)의 상부 및 하부에 비대칭형 구조를 갖는 서브가스켓을 접합시킴으로써 전해질막의 가장자리로 수분의 배출이 용이하도록 하였으며, 이로 인해 막-전극 접합체(20) 내부에서의 수포 발생을 차단하였습니다.
도 12에서 본 발명의 막-전극-서브가스켓 접합체(30)의 단면도를 참고하면, 제1 기재(11)와 막-전극 접합체(20)가 끝단부가 일치하는 특징 및 제2 기재(12)가 제1 기재(11) 보다 면적이 큰 특징에 의해 막-전극 접합체(20)의 전해질막 측면이 외부로 개방되어 있는 것일 알 수 있다.
상기와 같이 전해질막 측면 개방으로 인해 연료전지 구동 중 전해질막의 가장자리에 쌓이는 수분의 배출이 용이해질 수 있다.
도 13에는 실제로 제조된 막-전극-서브가스켓 접합체(30)가 나타나 있는데, 이를 참고하면, 제1 기재(11)가 촉매층(1)의 테두리를 감싸며 접합되어 있는 것을 확인할 수 있고, 제1 기재(11) 및 제2 기재(12)의 면적이 다르며 서로 비대칭형인 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1 기재 원단(101), 제2 기재 원단(102) 및 이들로부터 파생되는 제1 기재(11), 제2 기재(12) 등의 재료는 연료전지 기술분야에서 통상적으로 사용되는 가스켓 또는 서브가스켓 재료와 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 통상적인 가스켓 또는 서브가스켓과 동일한 기능을 수행할 수 있는 것이면 충분하다.
1: 촉매층 1001: 제1 기재 원단 공급롤
2: 개구부 1002: 제2 기재 원단 공급롤
3: 매니폴드부 1003: 막-전극 접합체 원단 공급롤
10: 제1 접합체 1004: 회수롤
11: 제1 기재 1010, 1011, 1012: 타발 장치
12: 제2 기재 1020, 1021: 프레스 장치
20: 막-전극 접합체 1030: 흡착 장치
30: 막-전극-서브가스켓 접합체
100: 제1 접합체 원단
101: 제1 기재 원단
102: 제2 기재 원단
111: 막-전극 접합체 원단
200: 막-전극-서브가스켓 원단
201, 202, 203: 보호필름
a: (제1 기재 원단) 스크랩 부
b: (제1 접합체 원단) 스크랩 부
c1: 개구부 절단선
c2: 외곽부 절단선
c3: 매니폴드부 절단선

Claims (17)

  1. 양면에 촉매층(1)이 제공된 막-전극 접합체 원단(111)을 공급하는 공급 단계;
    상기 막-전극 접합체 원단(111)의 일면에 제1 기재 원단(101)을 부착하여 제1 접합체 원단(100)을 제조하는 단계;
    상기 제1 접합체 원단(100)에서 제1 접합체(10)를 분리하는 분리 단계; 및
    상기 제1 접합체(10)를 제2 기재 원단(102)에 부착하는 합지 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기재 원단(101) 및 제2 기재 원단(102)은 각각 개구(開口)부(2)가 형성되어 있고,
    상기 개구부(2)는 타발 장치(1010, 1012)에 의해 형성되는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 기재 원단(101)의 개구부(2) 및 제2 기재 원단(102)의 개구부(2)는 상기 막-전극 접합체 원단(111)의 촉매층(1) 상에 각각 위치하는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 기재 원단(101)의 개구부(2)는 제1 기재 원단(101)을 타발하여 형성되고,
    상기 제2 기재 원단(102)의 개구부(2)는 제2 기재 원단(102)을 타발하여 형성되고,
    상기 제1 접합체(10)는 제1 기재 원단(101) 및 막-전극 접합체 원단(111)을 동시에 타발하여 형성되는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접합체(10)는 막-전극 접합체 원단(111)으로부터 분리된 막-전극 접합체(20) 및 제1 기재 원단(101)으로부터 분리된 제1 기재(11)를 포함하고,
    상기 막-전극 접합체(20)의 형상과 제1 기재(11)의 형상이 일치하는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접합체(10)를 막-전극 접합체(20)가 제1 접합체(10) 및 제2 기재 원단(102) 사이에 위치하도록 제2 기재 원단(102)에 부착하는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접합체(10)는 제1 기재(11)의 개구부(2)가 막-전극 접합체(20)를 사이에 두고 제2 기재 원단(102)의 개구부(2)에 대칭되도록 제2 기재 원단(102)에 부착되는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 분리 단계는 제1 접합체 원단(100)을 타발하여 외곽부 절단선(c2)을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 접합체 원단(100)의 외곽부 절단선(c2) 안쪽 면을 흡착하여 제1 접합체(10)를 분리하는 단계; 를 포함하는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 외곽부 절단선(c2)은 타발 장치(1011)에 의해 형성되고,
    상기 흡착은 흡착 장치(1030)에 의해 진행되는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    합지 단계 이후, 제2 기재(12)를 분리하는 단계; 가 더 포함되는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 분리된 제2 기재(12)는 제1 접합체(10)를 포함하는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 기재(12)의 면적과 제1 기재(11)의 면적은 동일하지 않는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체 제조방법.
  13. 개구부(2)를 포함하는 제1 기재(11);
    개구부(2)를 포함하는 제2 기재(12); 및
    상기 제1 기재(11) 및 제2 기재(12) 사이에 개재되고, 양면에 촉매층(1)이 제공된 막-전극 접합체(20); 를 포함하고,
    상기 제1 기재(11)의 면적과 제2 기재(12)의 면적이 동일하지 않는 것을 특징으로 하는 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체(20)의 촉매층(1)은 상기 개구부(2)를 통해 외부로 노출되는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 상기 제2 기재(12)는 매니폴드부(3)를 더 포함하고,
    상기 제2 기재(12)는 상기 매니폴드부(3)를 상기 막-전극 접합체(20) 및 제1 기재(11)와 겹치지 않는 위치에 포함하는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제2 기재(12)의 면적이 상기 제1 기재(11)의 면적 보다 큰 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체(20)의 측면은 상기 제1 기재(11) 및 제2 기재(12)에 의해 폐쇄되지 않는 것인 비대칭형 막-전극-서브가스켓 접합체.
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