KR102708386B1

KR102708386B1 - Membrane electrode assembly manufacturing apparatus and manufacturing method using vacuum and low-temperature heat treatment mode

Info

Publication number: KR102708386B1
Application number: KR1020230155570A
Authority: KR
Inventors: 이정규; 권혁준; 김현진; 한주헌
Original assignee: 주식회사 에이치이엠티
Priority date: 2023-11-10
Filing date: 2023-11-10
Publication date: 2024-09-23
Anticipated expiration: 2043-11-10

Abstract

본 발명은 상부 전극과 하부 전극으로 이루어지는 전극부; 상기 전극부의 상부 전극과 하부 전극 사이에 위치하는 전해질막; 상기 전극부의 상부 전극측에 위치하는 상판과, 상기 전극부의 하부 전극측에 위치하는 하판으로 이루어져, 상기 전극부와 상기 전해질막이 개재되도록 하면서 상기 상판과 하판이 상호 근접하는 방향으로 가압됨에 따라, 상기 전극부와 상기 전해질막을 압착하여 막 전극접합체를 생성하는 프레스 평판부; 상기 전극부와 상기 프레스 평판부에 개재가능하게 구비되어, 상기 프레스 평판부에 의한 압착 시, 상기 막 전극접합체의 변형, 오염, 표면 손상 중 적어도 하나를 방지하는 보호기능을 수행하면서 상기 막 전극접합체를 이루는 상기 전극부와 상기 전해질막 간의 계면접합력을 상승시키는 한 쌍의 필름부; 및 상기 프레스 평판부와 상기 필름부에 개재가능하게 구비되어, 상기 프레스 평판부에 의한 압착 시, 상기 막 전극접합체에 대해 균일한 가압이 이루어지도록 하면서 상기 필름부의 보호기능을 보조하는 한 쌍의 보호 기재부를 포함하되, 상기 가압은, 진공의 환경에서 상기 프레스 평판부에 대한 저온의 열처리와 함께 이루어지는 것을 특징으로 하여, MEA의 품질을 개선시킬 수 있는 동시에, 생산 수율과 공정 효율성을 확보할 수 있다.The present invention comprises an electrode part comprising an upper electrode and a lower electrode; an electrolyte membrane positioned between the upper electrode and the lower electrode of the electrode part; a press plate part comprising an upper plate positioned on the upper electrode side of the electrode part and a lower plate positioned on the lower electrode side of the electrode part, wherein the electrode part and the electrolyte membrane are interposed, and the upper plate and the lower plate are pressed in a direction approaching each other, thereby compressing the electrode part and the electrolyte membrane to form a membrane electrode assembly; a pair of film parts which are provided so as to be interposed between the electrode part and the press plate part, and which perform a protective function of preventing at least one of deformation, contamination, and surface damage of the membrane electrode assembly when pressed by the press plate part, while increasing the interfacial bonding force between the electrode part and the electrolyte membrane forming the membrane electrode assembly; And a pair of protective substrates are provided so as to be interposed between the press plate portion and the film portion, so as to uniformly pressurize the membrane electrode assembly when pressed by the press plate portion, while assisting the protective function of the film portion, wherein the pressurization is performed together with a low-temperature heat treatment of the press plate portion in a vacuum environment, so as to improve the quality of the MEA and secure production yield and process efficiency at the same time.

Description

{Membrane electrode assembly manufacturing apparatus and manufacturing method using vacuum and low-temperature heat treatment mode}

본 발명은 진공 환경에서의 저온 열처리를 통해 MEA의 품질을 개선시키고, 공정의 단순화를 통해 생산 수율과 공정 효율성을 확보하기 위한 MEA 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 공정 온도보다 낮은 저온에서 열처리를 진행하되, MEA의 변형, 오염 및 표면 손상을 방지하기 위한 보호재를 이중 이상으로 배치하여 진공 환경에서의 가압이 이루어지도록 한 구성을 통해 구조적 변형율이 감소됨에 따라 MEA의 출력 성능과 품질의 신뢰성을 향상시킬 수 있음은 물론, 기포 및 주름 발생으로 배제된 불량 제품을 양품으로 재사용 가능해짐으로써, 리사이클 시스템을 달성할 수 있고, 열 데미지를 고려한 다종의 필름 공정이 간소화되며 고온 대비 열처리 공정 속도는 증가시킬 수 있는 반면, 에너지 소모량은 감소시킬 수 있는 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an MEA manufacturing apparatus and method for improving the quality of an MEA through low-temperature heat treatment in a vacuum environment and securing production yield and process efficiency through process simplification, and more specifically, to an MEA manufacturing apparatus and method using a vacuum and low-temperature heat treatment method, in which the heat treatment is performed at a low temperature lower than the existing process temperature, but a protective material is arranged in two or more layers to prevent deformation, contamination, and surface damage of the MEA, thereby reducing the structural deformation rate and improving the reliability of the output performance and quality of the MEA, and by enabling defective products excluded due to the occurrence of bubbles and wrinkles to be reused as good products, a recycling system can be achieved, and a variety of film processes considering heat damage can be simplified, and the heat treatment process speed can be increased compared to high temperature, while reducing energy consumption.

전세계적으로 탄소중립 선언과 수소 사회로의 진입을 준비하면서 관련된 핵심부품 중 하나인 막 전극 접합체(MEA; Membrane-Electrode Assembly) 제조 방법에 관한 연구가 진행되고 있다.As the world prepares to declare carbon neutrality and enter the hydrogen society, research is being conducted on manufacturing methods for membrane-electrode assemblies (MEAs), one of the key components involved.

전극(Electrode)과 전해질막(Membrane) 그 자체의 특성으로도 MEA의 성능과 내구성에 영향을 가지지만, MEA 제조 방법에 따른 영향도 적지 않다.Although the characteristics of the electrodes and membrane themselves affect the performance and durability of the MEA, the MEA manufacturing method also has a significant impact.

일반적으로, 도 1과 같이, 핫-프레스(Hot-press) 장비로 제조하는 MEA의 성능과 내구성은 압력과 온도에 가장 큰 영향을 받는다. 전극과 전해질막의 구성 및 소재에 따라 적절한 압력과 온도가 달라지며 최적 조건 대비 낮거나 높은 압력, 온도가 미치는 영향은 하기와 같다.In general, as shown in Fig. 1, the performance and durability of MEA manufactured with hot-press equipment are most affected by pressure and temperature. The appropriate pressure and temperature vary depending on the composition and material of the electrode and electrolyte membrane, and the effects of low or high pressure and temperature compared to the optimal conditions are as follows.

압력의 영향과 관련해서는 저압력이 적용되는 경우, 적은 힘으로 전극과 막이 접합되지 않아 MEA 제조가 어렵게 되는 동시에, 설령 MEA가 제조되었다 하더라도 막과 전극의 접촉이 잘되지 않아 접촉저항이 증가하여 성능이 저하된다는 문제점이 있으며, 고압력이 적용되는 경우, 과한 힘으로 접합 시 전극 구조의 변형이 생기고 내부 기공의 크기가 줄어 기체의 확산을 방해하거나 플러딩 현상을 유발하게 된다는 문제점이 있다. 플러딩 현상은 전극에 생성된 물이 제거되지 못해 나타나는 현상으로, 기체와 촉매의 접촉을 방해하여 MEA의 성능이 저하된다.In terms of the effect of pressure, when low pressure is applied, the electrode and membrane are not bonded with low force, making MEA manufacturing difficult. Even if the MEA is manufactured, there is a problem that the contact between the membrane and electrode is not good, so the contact resistance increases and the performance deteriorates. In addition, when high pressure is applied, there is a problem that the electrode structure is deformed when bonded with excessive force and the size of the internal pores decreases, which hinders the diffusion of gas or causes a flooding phenomenon. The flooding phenomenon is a phenomenon that occurs when water generated on the electrode is not removed, and the performance of the MEA deteriorates by hindering the contact between the gas and the catalyst.

온도의 영향과 관련해서는 고온도가 적용되는 경우, 높은 온도로 인해 막의 열화가 발생하고 이에 따른 구조적 변형으로 본래의 기능인 Proton의 전달이 원활하지 못하게 되어 MEA의 출력 성능 및 내구성이 떨어진다는 문제점이 있으며, 적절 온도에 도달하게 되면 이오노머는 유리전이 상태가 되어 적절 압력과 함께 전극과 전해질의 결합이 잘 이뤄지게 되는데, 저온도가 적용되는 경우, 해당 온도에 도달하지 못하게 되면 유리전이 상태 형성이 불가능하고 결국 전극과 전해질막의 결합이 불가능해 MEA 제조가 어렵게 된다는 문제점이 있다.In terms of the effect of temperature, when high temperatures are applied, the membrane deteriorates due to the high temperature, and the resulting structural deformation makes it difficult to smoothly transmit protons, which is its original function, and thus reduces the output performance and durability of the MEA. When the appropriate temperature is reached, the ionomer enters a glass transition state, and the electrode and electrolyte are well bonded together with an appropriate pressure. However, when a low temperature is applied, if the appropriate temperature is not reached, the glass transition state cannot be formed, and ultimately, the bonding of the electrode and electrolyte membrane becomes impossible, making MEA manufacturing difficult.

즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, MEA 제조공정에서는 내구성 및 제품 품질을 높이기 위해 열처리 공정을 진행하고 있고, 대부분의 열처리 공정의 경우, 플레이트(plate)에 MEA를 setting 또는 Film stack up 방법으로 열처리를 진행하는 경우가 많은데, 기존 플레이트 공정은 열이 직접적으로 MEA 전극에 데미지를 주게 되면서 성능 저하가 발생할 우려가 있으며, Film stack up의 경우, 다종의 필름(film) 적용으로 인한 공정 단계가 추가됨으로써, 효율성이 감소되는 동시에, 생산비용은 증대된다.That is, as shown in Fig. 2, in the MEA manufacturing process, a heat treatment process is performed to improve durability and product quality, and in most heat treatment processes, heat treatment is often performed by setting the MEA on a plate or by the Film stack up method. However, in the existing plate process, there is a concern that performance may deteriorate as heat directly damages the MEA electrode, and in the case of Film stack up, since process steps are added due to the application of various films, efficiency decreases and production costs increase.

특히, 대부분 열처리는 대기압에서 진행되고, 저온 분위기에서 열처리를 진행할 경우에도 공정 중 발생되는 기포 및 주름 개선이 어렵다.In particular, most heat treatments are performed at atmospheric pressure, and even when heat treatment is performed in a low-temperature atmosphere, it is difficult to improve bubbles and wrinkles that occur during the process.

이에 따라, 평균 열처리 온도는 약 100℃ 이상의 고온에서 진행되고, 이때, 열처리 공정 진행에 있어 전극에 높은 열로 인한 데미지를 받게 됨으로써, 성능이 저하되며, 얇은 MEA에 고온의 열을 가함으로써, 외관이 수축을 통한 주름이 발생하여 치수 불량이 야기될 수 있다.Accordingly, the average heat treatment temperature is carried out at a high temperature of about 100℃ or higher, and at this time, when the heat treatment process is carried out, the electrode is damaged by the high heat, which reduces performance, and when high heat is applied to the thin MEA, wrinkles may occur due to shrinkage in the appearance, which may cause dimensional defects.

나아가, 고온 분위기에서 제품 데미지를 낮추기 위해 다양한 필름 등의 기자재가 소모되면서 이와 관련한 공정이 추가됨으로써, 공정에서 발생하는 생산비용을 낮추기 어려운 단점이 있고, 에너지 효율 관점에서는 고온 열처리로 인한 다량의 에너지 소모 문제가 발생할 수 있으며, 공정 시간 또한 증대되어 공정의 연속성 및 품질에 영향이 미칠 것으로 우려된다.Furthermore, as various films and other materials are consumed to reduce product damage in a high-temperature atmosphere, additional processes are added, making it difficult to reduce production costs incurred in the process. In addition, from an energy efficiency perspective, there is concern that a large amount of energy consumption may occur due to high-temperature heat treatment, and the process time will also increase, affecting the continuity and quality of the process.

따라서, 특정한 조건과 공정을 통하여 저온에서 열처리 진행 시 고온 열처리에서 얻을 수 있는 특성과 문제에 대한 개선점을 동시에 충족하여 불량율 개선 및 작업 효율에 긍정적 영향을 미칠 수 있는 기술에 대한 개발이 요구되는 실정이다.Therefore, there is a need for the development of a technology that can simultaneously satisfy the characteristics and problems that can be obtained from high-temperature heat treatment when heat treatment is performed at low temperatures under specific conditions and processes, thereby having a positive effect on improving the defect rate and work efficiency.

대한민국 등록특허공보 제10-0569709호(발명의 명칭: 내구성과 고성능을 갖는 연료 전지용 전극 및 막전극접합체의 제조 방법)Korean Patent Publication No. 10-0569709 (Title of the invention: Method for manufacturing a fuel cell electrode and membrane electrode assembly having durability and high performance)

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기존 공정 온도보다 낮은 저온에서 열처리를 진행하되, MEA의 변형, 오염 및 표면 손상을 방지하기 위한 보호재를 이중 이상으로 배치하여 진공 환경에서의 가압이 이루어지도록 한 구성을 통해 구조적 변형율이 감소됨에 따라 MEA의 출력 성능과 품질의 신뢰성을 향상시킬 수 있음은 물론, 기포 및 주름 발생으로 배제된 불량 제품을 양품으로 재사용 가능해짐으로써, 리사이클 시스템을 달성할 수 있고, 열 데미지를 고려한 다종의 필름 공정이 간소화되며 고온 대비 열처리 공정 속도는 증가시킬 수 있는 반면, 에너지 소모량은 감소시킬 수 있는 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조장치 및 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to provide a membrane electrode assembly manufacturing apparatus and manufacturing method using a vacuum and low-temperature heat treatment method, in which the structural deformation rate is reduced by performing the heat treatment at a low temperature lower than the existing process temperature, and a protective material is arranged in two or more layers to prevent deformation, contamination, and surface damage of the MEA, thereby enabling pressurization in a vacuum environment, and thereby improving the reliability of the output performance and quality of the MEA. In addition, defective products excluded due to the occurrence of bubbles and wrinkles can be reused as good products, thereby achieving a recycling system, and a variety of film processes considering heat damage are simplified, and the heat treatment process speed can be increased compared to high temperature, while reducing energy consumption.

다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by a person having ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the description below.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적 수단인 본 발명에 따른 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조장치는, 상부 전극과 하부 전극으로 이루어지는 전극부; 상기 전극부의 상부 전극과 하부 전극 사이에 위치하는 전해질막; 상기 전극부의 상부 전극측에 위치하는 상판과, 상기 전극부의 하부 전극측에 위치하는 하판으로 이루어져, 상기 전극부와 상기 전해질막이 개재되도록 하면서 상기 상판과 하판이 상호 근접하는 방향으로 가압됨에 따라, 상기 전극부와 상기 전해질막을 압착하여 막 전극접합체를 생성하는 프레스 평판부; 상기 전극부와 상기 프레스 평판부에 개재가능하게 구비되어, 상기 프레스 평판부에 의한 압착 시, 상기 막 전극접합체의 변형, 오염, 표면 손상 중 적어도 하나를 방지하는 보호기능을 수행하면서 상기 막 전극접합체를 이루는 상기 전극부와 상기 전해질막 간의 계면접합력을 상승시키는 한 쌍의 필름부; 및 상기 프레스 평판부와 상기 필름부에 개재가능하게 구비되어, 상기 프레스 평판부에 의한 압착 시, 상기 막 전극접합체에 대해 균일한 가압이 이루어지도록 하면서 상기 필름부의 보호기능을 보조하는 한 쌍의 보호 기재부를 포함하되, 상기 가압은, 진공의 환경에서 상기 프레스 평판부에 대한 저온의 열처리와 함께 이루어질 수 있다.In order to achieve the above-described purpose, a technical means according to the present invention, a membrane electrode assembly manufacturing device using a vacuum and low-temperature heat treatment method, comprises: an electrode part comprising an upper electrode and a lower electrode; an electrolyte membrane positioned between the upper electrode and the lower electrode of the electrode part; a press plate part comprising an upper plate positioned on the upper electrode side of the electrode part and a lower plate positioned on the lower electrode side of the electrode part, wherein the electrode part and the electrolyte membrane are interposed, and the upper plate and the lower plate are pressed in a direction approaching each other, thereby compressing the electrode part and the electrolyte membrane to form a membrane electrode assembly; a pair of film parts which are provided so as to be interposed between the electrode part and the press plate part, and which perform a protective function of preventing at least one of deformation, contamination, and surface damage of the membrane electrode assembly when pressed by the press plate part, while increasing the interfacial bonding force between the electrode part and the electrolyte membrane forming the membrane electrode assembly; And a pair of protective substrates are provided so as to be interposed between the press plate portion and the film portion, so as to uniformly pressurize the membrane electrode assembly when pressed by the press plate portion, while assisting the protective function of the film portion, wherein the pressurization can be performed together with low-temperature heat treatment of the press plate portion in a vacuum environment.

또한, 상기 저온은, 40℃ 내지 50℃ 일 수 있고, 상기 가압은, 10kgf/㎡ 의 압력으로 이루어질 수 있다.Additionally, the low temperature may be 40°C to 50°C, and the pressurization may be performed at a pressure of 10 kgf/㎡.

또한, 상기 한 쌍의 보호 기재부는, 상기 프레스 평판부의 상판측에 위치하는 경성의 제1 기재부; 및 상기 프레스 평판부의 하판측에 위치하는 연성의 제2 기재부로 이루어질 수 있다.In addition, the pair of protective substrates may be formed of a rigid first substrate located on the upper side of the press plate portion; and a flexible second substrate located on the lower side of the press plate portion.

또한, 상기 제2 기재부는, 열로 인한 상기 전극부의 손상을 방지하면서 균일한 압력으로 상기 막 전극접합체를 가압하기 위해 제작된 스펀지(sponge) 패드일 수 있고, 상기 제1 기재부는, 상기 진공의 환경에서 상기 균일한 압력을 상승시키기 위해 제작된 아크릴(Acrylic) 플레이트일 수 있으며, 상기 필름부는, 상기 아크릴 플레이트 및 상기 스펀지 패드를 통과하는 잔열과 상기 균일한 압력을, 상기 막 전극접합체에 전달하기 위해 제작된 PI(폴리이미드) 필름일 수 있다.In addition, the second substrate may be a sponge pad manufactured to pressurize the membrane electrode assembly with a uniform pressure while preventing damage to the electrode portion due to heat, the first substrate may be an acrylic plate manufactured to increase the uniform pressure in the vacuum environment, and the film portion may be a PI (polyimide) film manufactured to transfer residual heat and the uniform pressure passing through the acrylic plate and the sponge pad to the membrane electrode assembly.

또한, 상기 전극부와 상기 필름부에 개재가능하게 구비되어, 상기 프레스 평판부에 의한 압착 시, 상기 보호 기재부와 함께 상기 필름부의 보호기능을 보조하는 한 쌍의 보조 필름부를 더 포함할 수 있고, 상기 보조 필름부는, PE(폴리에스터) 필름일 수 있다.In addition, the present invention may further include a pair of auxiliary film parts that are provided so as to be interposed between the electrode part and the film part, and that assist the protective function of the film part together with the protective substrate part when pressed by the press plate part. The auxiliary film parts may be PE (polyester) films.

또한, 상기 전극부의 상하부 전극은, 전극 기재; 상기 전극 기재의 표면에 형성된 미세기공층; 및 상기 미세기공층의 표면에 형성된 나노카본과 상기 나노카본에 코팅된 촉매층을 각각 포함할 수 있다.In addition, the upper and lower electrodes of the electrode part may each include an electrode substrate; a microporous layer formed on the surface of the electrode substrate; and nanocarbon formed on the surface of the microporous layer and a catalyst layer coated on the nanocarbon.

또한, 상기 전극 기재는, 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소천(carbon cloth), 및 탄소 펠트로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.Additionally, the electrode substrate may be selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, and carbon felt.

한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적 방법인 본 발명에 따른 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조방법은, a) 프레스 평판부의 온도를 소재의 유리전이온도(Tg : glass Transition Temperature)로 설정하고, 해당 온도에 도달할 때까지 대기하는 단계; b) 상기 a)단계의 해당 온도에 도달하게 되면, 전극부의 상부 전극과 하부 전극, 한 쌍의 필름부 및 한 쌍의 보호 기재부가 전해질막을 중심으로 양측에 상호 대칭되도록 순차적으로 위치시켜 상기 프레스 평판부의 상판과 하판 사이의 재료로서 준비하는 단계; c) 상기 프레스 평판부의 원하는 압력과, 그 압력의 유지시간을 설정하여 핫 프레스 장치를 작동시키는 단계; d) 상기 c)단계에서의 핫 프레스 장치 작동에 의해 상기 상판과 하판이 상호 근접하는 방향으로 가압되고, 상기 가압되는 압력이 상기 c)단계에서 설정된 압력에 도달하게 되면, 카운트를 시작하는 단계; 및 e) 상기 d)단계에서 시작한 카운트가 상기 c)단계에서 설정된 유지시간에 도달하게 되면, 상기 상판과 하판에 대한 가압이 해제되도록 하고, 상기 전극부와 상기 전해질막이 접합되었는지 확인한 후, 상기 필름부와 상기 보호 기재부를 제거하는 단계를 포함하되, 상기 a)단계의 해당 온도는, 40℃ 내지 50℃ 일 수 있고, 상기 c)단계의 압력은, 10kgf/㎡ 일 수 있으며, 상기 d)단계에서의 가압은, 진공의 환경에서 이루어질 수 있다.Meanwhile, a method for manufacturing a membrane electrode assembly using a vacuum and low-temperature heat treatment method according to the present invention, which is a technical method for achieving the above-mentioned purpose, comprises the steps of: a) setting the temperature of a press plate to a glass transition temperature (Tg) of a material and waiting until the temperature is reached; b) when the temperature of step a) is reached, sequentially positioning an upper electrode and a lower electrode, a pair of film parts, and a pair of protective substrate parts on both sides symmetrically centered on an electrolyte membrane to prepare them as materials between the upper and lower plates of the press plate; c) operating a hot press device by setting a desired pressure of the press plate and a maintenance time of the pressure; d) when the upper and lower plates are pressed in a direction where they approach each other by the operation of the hot press device in step c), and the pressed pressure reaches the pressure set in step c), starting a counting step; And e) when the count started in step d) reaches the maintenance time set in step c), the step of releasing the pressurization on the upper and lower plates, confirming whether the electrode part and the electrolyte membrane are bonded, and then removing the film part and the protective substrate part is included, wherein the temperature of step a) may be 40°C to 50°C, the pressure of step c) may be 10 kgf/㎡, and the pressurization in step d) may be performed in a vacuum environment.

또한, 상기 b)단계에서의 보호 기재부는, 상기 프레스 평판부의 상판측에 위치하는 경성의 제1 기재부; 및 상기 프레스 평판부의 하판측에 위치하는 연성의 제2 기재부로 이루어지되, 상기 제2 기재부는, 열로 인한 상기 전극부의 손상을 방지하면서 균일한 압력으로 상기 막 전극접합체를 가압하기 위해 제작된 스펀지(sponge) 패드일 수 있고, 상기 제1 기재부는, 상기 진공의 환경에서 상기 균일한 압력을 상승시키기 위해 제작된 아크릴(Acrylic) 플레이트일 수 있으며, 상기 필름부는, 상기 아크릴 플레이트 및 상기 스펀지 패드를 통과하는 잔열과 상기 균일한 압력을, 상기 막 전극접합체에 전달하여 상기 막 전극접합체의 변형, 오염, 표면 손상 중 적어도 하나를 방지하는 보호기능을 수행하도록 제작된 PI(폴리이미드) 필름일 수 있다.In addition, the protective substrate in the step b) is composed of a rigid first substrate located on the upper side of the press plate portion; and a flexible second substrate located on the lower side of the press plate portion, wherein the second substrate portion may be a sponge pad manufactured to pressurize the membrane electrode assembly with a uniform pressure while preventing damage to the electrode portion due to heat, the first substrate portion may be an acrylic plate manufactured to increase the uniform pressure in the vacuum environment, and the film portion may be a PI (polyimide) film manufactured to perform a protective function of transmitting residual heat and the uniform pressure passing through the acrylic plate and the sponge pad to the membrane electrode assembly to prevent at least one of deformation, contamination, and surface damage of the membrane electrode assembly.

또한, 상기 b)단계에서는, 상기 a)단계의 해당 온도를 초과하게 되면, 상기 전극부의 상부 전극과 하부 전극, 상기 한 쌍의 필름부 및 상기 한 쌍의 보호 기재부가 전해질막을 중심으로 양측에 상호 대칭되도록 순차적으로 위치시키되, 상기 전극부와 상기 필름부에 한 쌍의 보조 필름부가 개재되도록 추가적으로 위치시킬 수 있고, 상기 e)단계에서는, 상기 보조 필름부를 추가적으로 제거할 수 있으며, 상기 보조 필름부는, 상기 보호 기재부와 함께 상기 필름부의 보호기능을 보조하도록 제작된 PE(폴리에스터) 필름일 수 있다.In addition, in the step b), if the temperature of the step a) is exceeded, the upper electrode and the lower electrode of the electrode part, the pair of film parts, and the pair of protective substrate parts are sequentially positioned symmetrically on both sides centered on the electrolyte membrane, and a pair of auxiliary film parts may be additionally positioned so as to be interposed between the electrode part and the film part, and in the step e), the auxiliary film part may be additionally removed, and the auxiliary film part may be a PE (polyester) film manufactured to assist the protective function of the film part together with the protective substrate part.

본 발명에 따른 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조장치 및 제조방법은, 기존 공정 온도보다 낮은 저온에서 열처리를 진행하되, MEA의 변형, 오염 및 표면 손상을 방지하기 위한 보호재를 이중 이상으로 배치하여 진공 환경에서의 가압이 이루어지도록 한 구성을 통해 구조적 변형율이 감소됨에 따라 MEA의 출력 성능과 품질의 신뢰성을 향상시킬 수 있음은 물론, 기포 및 주름 발생으로 배제된 불량 제품을 양품으로 재사용 가능해짐으로써, 리사이클 시스템을 달성할 수 있고, 열 데미지를 고려한 다종의 필름 공정이 간소화되며 고온 대비 열처리 공정 속도는 증가시킬 수 있는 반면, 에너지 소모량은 감소시킬 수 있는 효과가 있다.The apparatus and method for manufacturing a membrane electrode assembly using a vacuum and low-temperature heat treatment method according to the present invention perform the heat treatment at a low temperature lower than the existing process temperature, but have a configuration in which a protective material is arranged in two or more layers to prevent deformation, contamination, and surface damage of the MEA, thereby enabling pressurization in a vacuum environment. Accordingly, the structural deformation rate is reduced, and thus the output performance and quality reliability of the MEA can be improved. In addition, defective products excluded due to the occurrence of bubbles and wrinkles can be reused as good products, thereby achieving a recycling system. In addition, various film processes considering heat damage can be simplified. The heat treatment process speed can be increased compared to high temperatures, while energy consumption can be reduced.

다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects obtainable from the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below.

도 1은 종래의 상용 핫 프레스 구조를 나타낸 도면 및 이미지.
도 2는 기존 공정 조건에서의 MEA를 제작하기 위한 구성을 개략적으로 나타낸 모식도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조장치의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도.
도 4는 상기 도 3에 따른 막 전극접합체의 제조 시, 프레스 평판부의 가압을 개략적으로 나타낸 모식도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조장치의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도.
도 6은 기존 열처리 공정만 진행한 경우의 MEA 성능, 기존 열처리 공정을 2차적으로 진행한 경우의 MEA 성능 및 본 발명을 적용하여 개선된 열처리 공정을 2차적으로 진행한 경우의 MEA 성능을 비교하여 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도.Figure 1 is a drawing and image showing a conventional commercial hot press structure.
Figure 2 is a schematic diagram showing the configuration for manufacturing MEA under existing process conditions.
Figure 3 is a schematic diagram showing the configuration of a membrane electrode assembly manufacturing device using a vacuum and low-temperature heat treatment method according to one embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram showing the pressurization of a press plate portion when manufacturing a membrane electrode assembly according to Figure 3.
Figure 5 is a schematic diagram showing the configuration of a membrane electrode assembly manufacturing device using a vacuum and low-temperature heat treatment method according to another embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph comparing MEA performance when only the conventional heat treatment process is performed, MEA performance when the conventional heat treatment process is performed secondarily, and MEA performance when the improved heat treatment process by applying the present invention is performed secondarily.
Figure 7 is a flow chart schematically showing a method for manufacturing a membrane electrode assembly using a vacuum and low-temperature heat treatment method according to an embodiment of the present invention.

이하에서는, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement the present invention. However, since the description of the present invention is merely an embodiment for structural and functional explanation, the scope of the rights of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, since the embodiments can be variously modified and can have various forms, the scope of the rights of the present invention should be understood to include equivalents that can realize the technical idea. In addition, the purpose or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment must include all of them or only such effects, and therefore the scope of the rights of the present invention should not be understood as being limited thereby.

본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.The meanings of terms described in the present invention should be understood as follows.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.The terms "first", "second", etc. are intended to distinguish one component from another, and the scope of the right should not be limited by these terms. For example, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. When a component is referred to as being "connected" to another component, it should be understood that it may be directly connected to the other component, but there may also be another component in between. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between. Meanwhile, other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "directly between" or "adjacent to" and "directly adjacent to", should be interpreted in the same way.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.A singular expression should be understood to include the plural expression unless the context clearly indicates otherwise, and the terms "comprises" or "have" should be understood to specify the presence of a stated feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof, but not to exclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein, unless otherwise defined, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the relevant art, and shall not be interpreted as having an ideal or overly formal meaning unless explicitly defined in the present invention.

도 1은 종래의 상용 핫 프레스 구조를 나타낸 도면 및 이미지이고, 도 2는 기존 공정 조건에서의 MEA를 제작하기 위한 구성을 개략적으로 나타낸 모식도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조장치의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 4는 상기 도 3에 따른 막 전극접합체의 제조 시, 프레스 평판부의 가압을 개략적으로 나타낸 모식도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조장치의 구성을 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 6은 기존 열처리 공정만 진행한 경우의 MEA 성능, 기존 열처리 공정을 2차적으로 진행한 경우의 MEA 성능 및 본 발명을 적용하여 개선된 열처리 공정을 2차적으로 진행한 경우의 MEA 성능을 비교하여 나타낸 그래프이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.FIG. 1 is a drawing and an image showing a conventional commercial hot press structure, FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing a configuration for manufacturing an MEA under conventional process conditions, FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing a configuration of a membrane electrode assembly manufacturing apparatus using a vacuum and low-temperature heat treatment method according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a schematic diagram schematically showing pressurization of a press plate part when manufacturing a membrane electrode assembly according to FIG. 3, FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing a configuration of a membrane electrode assembly manufacturing apparatus using a vacuum and low-temperature heat treatment method according to another embodiment of the present invention, FIG. 6 is a graph comparing MEA performance when only a conventional heat treatment process is performed, MEA performance when the conventional heat treatment process is performed secondarily, and MEA performance when an improved heat treatment process is performed secondarily by applying the present invention, and FIG. 7 is a flowchart schematically showing a method for manufacturing a membrane electrode assembly using a vacuum and low-temperature heat treatment method according to an embodiment of the present invention.

진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조장치Membrane electrode assembly manufacturing device using vacuum and low temperature heat treatment method

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조장치(100)는 전극부(110), 전해질막(120), 프레스 평판부(130), 필름부(140) 및 보호 기재부(150)를 포함하여 구성할 수 있다.As shown in FIGS. 3 and 4, a membrane electrode assembly manufacturing device (100) using a vacuum and low-temperature heat treatment method according to the present invention can be configured to include an electrode portion (110), an electrolyte membrane (120), a press plate portion (130), a film portion (140), and a protective substrate portion (150).

좀 더 구체적으로, 상기 막 전극접합체 제조장치(100)는 상부 전극(111)과 하부 전극(112)으로 이루어지는 전극부(110)와, 상기 전극부(110)의 상부 전극(111)과 하부 전극(112) 사이에 위치하는 전해질막(120)과, 상기 전극부(110)의 상부 전극(111)측에 위치하는 상판(131)과 상기 전극부(110)의 하부 전극(112)측에 위치하는 하판(132)으로 이루어져, 상기 전극부(110)와 상기 전해질막(120)이 개재되도록 하면서 상기 상판(131)과 하판(132)이 상호 근접하는 방향으로 가압됨에 따라 상기 전극부(110)와 상기 전해질막(120)을 압착하여 막 전극접합체(MEA : Membrane-Electrode Assembly)를 생성하는 프레스 평판부(130)와, 상기 전극부(110)와 상기 프레스 평판부(130)에 개재가능하게 구비되어, 상기 프레스 평판부(130)에 의한 압착 시, 상기 막 전극접합체(MEA)의 변형, 오염, 표면 손상 중 적어도 하나를 방지하는 보호기능을 수행하면서 상기 막 전극접합체(MEA)를 이루는 상기 전극부(110)와 상기 전해질막(120) 간의 계면접합력을 상승시키는 한 쌍의 필름부(140a, 140b)와, 상기 프레스 평판부(130)와 상기 필름부(140)에 개재가능하게 구비되어, 상기 프레스 평판부(130)에 의한 압착 시, 상기 막 전극접합체(MEA)에 대해 균일한 가압이 이루어지도록 하면서 상기 필름부(140)의 보호기능을 보조하는 한 쌍의 보호 기재부(151, 152)를 포함할 수 있다.More specifically, the membrane electrode assembly manufacturing device (100) comprises an electrode part (110) formed of an upper electrode (111) and a lower electrode (112), an electrolyte membrane (120) positioned between the upper electrode (111) and the lower electrode (112) of the electrode part (110), an upper plate (131) positioned on the upper electrode (111) side of the electrode part (110) and a lower plate (132) positioned on the lower electrode (112) side of the electrode part (110), and a press plate part (130) that presses the electrode part (110) and the electrolyte membrane (120) to produce a membrane electrode assembly (MEA: Membrane-Electrode Assembly) by pressing the upper plate (131) and the lower plate (132) in a direction in which the electrode part (110) and the electrolyte membrane (120) are interposed and the upper plate (131) and the lower plate (132) are brought close to each other, and A pair of film sections (140a, 140b) which are interposed between the electrode section (110) and the press plate section (130) and perform a protective function of preventing at least one of deformation, contamination, and surface damage of the membrane electrode assembly (MEA) when pressed by the press plate section (130) while increasing the interfacial bonding force between the electrode section (110) and the electrolyte membrane (120) forming the membrane electrode assembly (MEA), and a pair of protective substrate sections (151, 152) which are interposed between the press plate section (130) and the film section (140) and ensure that uniform pressure is applied to the membrane electrode assembly (MEA) when pressed by the press plate section (130) while assisting the protective function of the film section (140) may be included.

여기서, 상기 가압은 진공의 환경에서 상기 프레스 평판부(130)에 대한 저온의 열처리와 함께 이루어지는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는, 10kgf/㎡ 의 압력으로 이루어질 수 있으며, 상기 저온은 40℃ 내지 50℃ 인 것이 바람직하다.Here, the pressurization is preferably performed together with low-temperature heat treatment for the press plate part (130) in a vacuum environment, and more preferably, it can be performed at a pressure of 10 kgf/㎡, and the low temperature is preferably 40°C to 50°C.

상기 상하부 전극(111, 112)은 각각 전극 기재(미도시)와, 상기 전극 기재의 표면에 형성되는 미세기공층(미도시)과, 상기 미세기공층의 표면에 형성된 나노카본과 상기 나노카본에 코팅된 촉매층(미도시)을 포함할 수 있다.The upper and lower electrodes (111, 112) may each include an electrode substrate (not shown), a microporous layer (not shown) formed on the surface of the electrode substrate, nanocarbon formed on the surface of the microporous layer, and a catalyst layer (not shown) coated on the nanocarbon.

좀 더 구체적으로, 상기 전해질막(120)의 일면에 배치되어 상기 전극 기재를 지나 상기 촉매층으로 전달된 연료로부터 수소 이온과 전자를 생성시키는 산화 반응을 일으키는 전극을 애노드 전극이라 하고, 상기 전해질막(120)의 다른 일면에 배치되어 상기 전해질막(120)을 통해 공급받은 수소 이온과 전극 기재를 지나 상기 촉매층으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원 반응을 일으키는 전극을 캐소드 전극이라 한다.More specifically, an electrode that is arranged on one side of the electrolyte membrane (120) and causes an oxidation reaction to generate hydrogen ions and electrons from fuel that has passed through the electrode substrate to the catalyst layer is called an anode electrode, and an electrode that is arranged on the other side of the electrolyte membrane (120) and causes a reduction reaction to generate water from hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane (120) and an oxidant that has passed through the electrode substrate to the catalyst layer is called a cathode electrode.

상기 애노드 및 캐소드 전극은 각각 상부 전극(111) 및 하부 전극(112)이 될 수 있고, 반대로 각각 하부 전극(112) 및 상부 전극(111)이 될 수도 있다.The above anode and cathode electrodes may be the upper electrode (111) and the lower electrode (112), respectively, or conversely, the lower electrode (112) and the upper electrode (111), respectively.

상기 애노드 및 캐소드 전극의 촉매층은 촉매를 포함한다. 상기 촉매로는 전지의 반응에 참여하여, 통상 연료 전지의 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 구체적으로는 바람직하게는 백금계 금속을 사용할 수 있다.The catalyst layers of the anode and cathode electrodes above contain a catalyst. Any catalyst that participates in the reaction of the cell and can be used as a catalyst for a fuel cell can be used. Specifically, a platinum-based metal can be preferably used.

상기 백금계 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금-M 합금(상기 M은 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 란탄(La) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상), 비백금 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 백금계 촉매 금속 군에서 선택된 2종 이상의 금속을 조합한 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 기술 분야에서 사용 가능한 백금계 촉매 금속이라면 제한 없이 사용할 수 있다.The platinum-based metal may include one selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), a platinum-M alloy (wherein M is at least one selected from the group consisting of palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), gallium (Ga), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), zinc (Zn), tin (Sn), molybdenum (Mo), tungsten (W), lanthanum (La), and rhodium (Rh)), a non-platinum alloy, and a combination thereof, more preferably, a combination of two or more metals selected from the platinum-based catalyst metal group may be used, but is not limited thereto, and any platinum-based catalyst metal usable in the present technical field may be used without limitation. there is.

구체적으로, 상기 백금 합금은 Pt-Pd, Pt-Sn, Pt-Mo, Pt-Cr, Pt-W, Pt-Ru, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-Rh-Ni, Pt-Ru-Sn-W, Pt-Co, Pt-Co-Ni, Pt-Co-Fe, Pt-Co-Ir, Pt-Co-S, Pt-Co-P, Pt-Fe, Pt-Fe-Ir, Pt-Fe-S, Pt-Fe-P, Pt-Au-Co, Pt-Au-Fe, Pt-Au-Ni, Pt-Ni, Pt-Ni-Ir, Pt-Cr, Pt-Cr-Ir 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.Specifically, the platinum alloy may be used alone or in combination of two or more selected from the group consisting of Pt-Pd, Pt-Sn, Pt-Mo, Pt-Cr, Pt-W, Pt-Ru, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-Rh-Ni, Pt-Ru-Sn-W, Pt-Co, Pt-Co-Ni, Pt-Co-Fe, Pt-Co-Ir, Pt-Co-S, Pt-Co-P, Pt-Fe, Pt-Fe-Ir, Pt-Fe-S, Pt-Fe-P, Pt-Au-Co, Pt-Au-Fe, Pt-Au-Ni, Pt-Ni, Pt-Ni-Ir, Pt-Cr, Pt-Cr-Ir and combinations thereof.

또한, 상기 비백금 합금은 Ir-Fe, Ir-Ru, Ir-Os, Co-Fe, Co-Ru, Co-Os, Rh-Fe, Rh-Ru, Rh-Os, Ir-Ru-Fe, Ir-Ru-Os, Rh-Ru-Fe, Rh-Ru-Os 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.In addition, the non-platinum alloy may be used alone or in combination of two or more selected from the group consisting of Ir-Fe, Ir-Ru, Ir-Os, Co-Fe, Co-Ru, Co-Os, Rh-Fe, Rh-Ru, Rh-Os, Ir-Ru-Fe, Ir-Ru-Os, Rh-Ru-Fe, Rh-Ru-Os, and combinations thereof.

이러한 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다.These catalysts can be used as catalysts themselves (black) or supported on a carrier.

상기 담체는 탄소계 담체, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 실리카, 세리아 등의 다공성 무기산화물, 제올라이트 등에서 선택될 수 있다. 상기 탄소계 담체는 흑연, 수퍼피(super P), 탄소섬유(carbon fiber), 탄소시트(carbon sheet), 카본블랙(carbon black), 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 카본나노튜브(carbon nano tube, CNT), 탄소구체(carbon sphere), 탄소리본(carbon ribbon), 풀러렌(fullerene), 활성탄소, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 카본 나노 혼, 카본 나노 케이지, 카본 나노 링, 규칙성 나노다공성탄소(ordered nano-/meso-porous carbon), 카본 에어로겔, 메소포러스카본(mesoporous carbon), 그래핀, 안정화 카본, 활성화 카본, 및 이들의 하나 이상의 조합에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 기술분야에서 사용가능한 담체는 제한 없이 사용할 수 있다.The above carrier can be selected from carbon-based carriers, porous inorganic oxides such as zirconia, alumina, titania, silica, and ceria, and zeolite. The above carbon-based carrier may be selected from, but is not limited to, graphite, super P, carbon fiber, carbon sheet, carbon black, Ketjen Black, Denka black, acetylene black, carbon nano tube (CNT), carbon sphere, carbon ribbon, fullerene, activated carbon, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball, carbon nanohorn, carbon nanocage, carbon nanoring, ordered nano-/meso-porous carbon, carbon aerogel, mesoporous carbon, graphene, stabilized carbon, activated carbon, and combinations of one or more thereof, and any carrier usable in the present technical field may be used without limitation.

상기 촉매 입자는 담체의 표면 위에 위치할 수도 있고, 담체의 내부 기공(pore)을 채우면서 담체 내부로 침투할 수도 있다.The above catalyst particles may be positioned on the surface of the carrier, or may penetrate into the carrier while filling the internal pores of the carrier.

상기 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 상기 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.When the precious metal supported on the above carrier is used as a catalyst, a commercially available product can be used, or the precious metal can be supported on the carrier and manufactured and used. The process of supporting the precious metal on the above carrier is widely known in the art, so even if a detailed description is omitted in this specification, it is content that can be easily understood by those working in the art.

상기 촉매 입자는 상기 촉매층의 전체 중량 대비 20 중량% 내지 80 중량%로 함유될 수 있으며, 20 중량% 미만으로 함유될 경우에는 활성 저하의 문제가 있을 수 있고, 80 중량%를 초과할 경우에는 상기 촉매 입자의 응집으로 활성 면적이 줄어들어 촉매 활성이 반대로 저하될 수 있다.The above catalyst particles may be contained in an amount of 20 to 80 wt% based on the total weight of the catalyst layer. If contained in an amount less than 20 wt%, there may be a problem of reduced activity, and if contained in an amount exceeding 80 wt%, the active area may be reduced due to agglomeration of the catalyst particles, which may conversely reduce the catalytic activity.

또한, 상기 촉매층은 상기 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더를 포함할 수 있다. 상기 바인더로는 이온 전도성을 갖는 이온 전도체를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 이온 전도체에 대한 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.In addition, the catalyst layer may include a binder to improve the adhesion of the catalyst layer and to transfer hydrogen ions. It is preferable to use an ion conductor having ion conductivity as the binder, and since the description of the ion conductor is the same as that described above, a repeated description is omitted.

다만, 상기 이온 전도체는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 전해질막(120)과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.However, the ion conductor can be used in the form of a single substance or a mixture, and can also be optionally used together with a non-conductive compound for the purpose of further improving the adhesiveness with the electrolyte membrane (120). It is preferable to adjust the amount used to suit the intended use.

상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 사용될 수 있다.As the above non-conductive compound, at least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene/tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene chlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), dodecylbenzene sulfonic acid, and sorbitol can be used.

상기 바인더는 상기 촉매층 전체 중량에 대하여 20 중량% 내지 80 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바인더의 함량이 20 중량% 미만일 경우에는 생성된 이온이 잘 전달되지 못할 수 있고, 80 중량%를 초과하는 경우에는 기공이 부족하여 수소 또는 산소(공기)의 공급이 어려우며 반응할 수 있는 활성면적이 줄어들 수 있다.The binder may be included in an amount of 20 to 80 wt% based on the total weight of the catalyst layer. If the content of the binder is less than 20 wt%, the generated ions may not be transmitted well, and if it exceeds 80 wt%, the pores may be insufficient, making it difficult to supply hydrogen or oxygen (air) and reducing the active area for reaction.

상기 전극 기재로는 수소 또는 산소의 원활한 공급이 이루어질 수 있도록 다공성의 도전성 기재가 사용될 수 있다. 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As the electrode substrate, a porous conductive substrate may be used so that hydrogen or oxygen can be smoothly supplied. Representative examples thereof include, but are not limited to, carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (a porous film composed of a fiber-like metal cloth or a cloth formed of polymer fibers in which a metal film is formed on the surface of the cloth).

또한, 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물(생성물)에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.In addition, it is preferable to use a fluorine-based resin as the electrode substrate to prevent the diffusion efficiency of reactants from being reduced by water (product) generated during operation of the fuel cell.

상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.As the above fluorine series resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene or a copolymer thereof can be used.

상기 미세기공층(microporous layer)은 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 구성으로, 이 미세기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The above microporous layer is a configuration for enhancing the diffusion effect of reactants in the electrode substrate, and the microporous layer may generally include, but is not limited to, a conductive powder having a small particle size, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nanohorn, or carbon nano ring.

상기 미세기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다.The above microporous layer is manufactured by coating a composition including a conductive powder, a binder resin, and a solvent on the electrode substrate. As the binder resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, or a copolymer thereof can be preferably used.

상기 용매로는 에탄올, 이소프로필 알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다.As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. can be preferably used.

코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The coating process may use, but is not limited to, screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade, depending on the viscosity of the composition.

상기 전해질막(120) 및 상기 프레스 평판부(130)는 통상적으로 게재된 일반적인 공지기술이므로, 해당관련분야의 당업자에 의해 다양한 공지의 구성을 따르도록 설계할 수 있다.Since the above electrolyte membrane (120) and the press plate part (130) are commonly published general known technologies, they can be designed to follow various known configurations by those skilled in the art.

한편, 상기 한 쌍의 보호 기재부(151, 152)는 본 발명에 의하면, 상기 프레스 평판부(130)의 상판(131)측에 위치하는 경성의 제1 기재부(151)와, 상기 프레스 평판부(130)의 하판(132)측에 위치하는 연성의 제2 기재부(152)로 이루어질 수 있다.Meanwhile, according to the present invention, the pair of protective substrates (151, 152) may be formed of a rigid first substrate (151) positioned on the upper plate (131) side of the press plate (130) and a flexible second substrate (152) positioned on the lower plate (132) side of the press plate (130).

이때, 상기 제2 기재부(152)는 열로 인한 상기 전극부(110)의 손상을 방지하면서 균일한 압력으로 상기 막 전극접합체(MEA)를 가압하기 위해 제작된 스펀지(sponge) 패드인 것이 바람직하고, 상기 제1 기재부(151)는 상기 진공의 환경에서 상기 균일한 압력을 상승시키기 위해 제작된 아크릴(Acrylic) 플레이트인 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the second substrate (152) is a sponge pad manufactured to pressurize the membrane electrode assembly (MEA) with a uniform pressure while preventing damage to the electrode portion (110) due to heat, and it is preferable that the first substrate (151) is an acrylic plate manufactured to increase the uniform pressure in the vacuum environment.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 아크릴 플레이트는 5T 내지 7T의 두께를 갖도록 구성될 수 있고, 상기 스펀지 패드는 4T 내지 7T의 두께를 갖도록 구성될 수 있다.Additionally, according to the present invention, the acrylic plate may be configured to have a thickness of 5T to 7T, and the sponge pad may be configured to have a thickness of 4T to 7T.

더불어, 상기 필름부(140)는 아크릴 플레이트 및 상기 스펀지 패드를 통과하는 잔열과 상기 균일한 압력을, 막 전극접합체(MEA)에 전달하기 위해 제작된 PI(폴리이미드) 필름인 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다.In addition, the film portion (140) is preferably, but not limited to, a PI (polyimide) film manufactured to transmit the residual heat and the uniform pressure passing through the acrylic plate and the sponge pad to the membrane electrode assembly (MEA).

나아가, 본 발명의 상기 막 전극접합체 제조장치(100)는 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 전극부(110)와 필름부(140)에 개재가능하게 구비되어, 상기 프레스 평판부(130)에 의한 압착 시, 상기 보호 기재부(150)와 함께 상술한 필름부(140)의 보호기능을 보조하는 한 쌍의 보조 필름부(160)를 더 포함하여 구성될 수도 있다.Furthermore, as shown in FIG. 5, the membrane electrode assembly manufacturing device (100) of the present invention may further include a pair of auxiliary film parts (160) that are provided so as to be interposed between the electrode part (110) and the film part (140) and assist the protective function of the film part (140) described above together with the protective substrate part (150) when pressed by the press plate part (130).

이러한 상기 보조 필름부(160)는 PE(폴리에스터) 필름인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고, 해당관련분야의 통상지식을 가진 당업자에 의해 본 발명의 기술적 범위 내에서 다양한 공지의 기능성 필름이 취급될 수 있다.It is preferable that the above auxiliary film portion (160) be a PE (polyester) film, but it is not limited thereto, and various known functional films can be handled within the technical scope of the present invention by a person skilled in the art having common knowledge in the relevant field.

진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조방법Method for manufacturing membrane electrode assembly using vacuum and low temperature heat treatment method

한편, 본 발명은 도 7을 참조하여, 진공 및 저온 열처리 방식을 이용한 막 전극접합체 제조장치(100)를 통해 막 전극접합체(MEA)를 제조하는 방법으로서, a) 프레스 평판부(130)의 온도를 소재의 유리전이온도(Tg : glass Transition Temperature)로 설정(S110)하고, 해당 온도에 도달할 때까지 대기(S120)하는 단계(S100); b) 상기 a)단계의 해당 온도에 도달하게 되면, 전극부(110)의 상부 전극(111)과 하부 전극(112) 및 한 쌍의 필름부(140a, 140b) 및 한 쌍의 보호 기재부(151, 152)가 전해질막(120)을 중심으로 양측에 상호 대칭되도록 순차적으로 위치시켜 상기 프레스 평판부(130)의 상판(131)과 하판(132) 사이의 재료로서 준비하는 단계(S200); c) 상기 프레스 평판부(130)의 원하는 압력(S310)과, 그 압력의 유지시간을 설정(S320)하여 핫 프레스 장치를 작동시키는 단계(S300); d) 상기 c)단계에서의 핫 프레스 장치 작동에 의해 상기 상판(131)과 하판(132)이 상호 근접하는 방향으로 가압되고, 상기 가압되는 압력이 상기 c)단계에서 설정된 압력에 도달하게 되면, 카운트를 시작하는 단계(S400); 및 e) 상기 d)단계에서 시작한 카운트가 상기 c)단계에서 설정된 유지시간에 도달하게 되면, 상기 상판(131)과 하판(132)에 대한 가압이 해제되도록 하고, 전극부(110)와 전해질막(120)이 접합되었는지 확인한 후, 필름부(140)와 보호 기재부(150)를 제거하는 단계(S500)를 포함하여 구성될 수 있다.Meanwhile, the present invention, with reference to FIG. 7, provides a method for manufacturing a membrane electrode assembly (MEA) using a membrane electrode assembly manufacturing device (100) using a vacuum and low-temperature heat treatment method, comprising: a) a step (S100) of setting the temperature of a press plate part (130) to a glass transition temperature (Tg) of a material (S110) and waiting until the corresponding temperature is reached (S120); b) a step (S200) of sequentially positioning an upper electrode (111) and a lower electrode (112) of the electrode part (110) and a pair of film parts (140a, 140b) and a pair of protective substrate parts (151, 152) symmetrically on both sides with respect to an electrolyte membrane (120) to prepare them as a material between the upper plate (131) and the lower plate (132) of the press plate part (130) when the corresponding temperature of step a) is reached; c) a step (S300) of operating a hot press device by setting a desired pressure (S310) of the press plate portion (130) and a maintenance time of the pressure (S320); d) a step (S400) of starting a count when the upper plate (131) and the lower plate (132) are pressed in a direction approaching each other by the operation of the hot press device in the step c), and the pressed pressure reaches the pressure set in the step c); and e) a step (S500) of releasing the pressure on the upper plate (131) and the lower plate (132) when the count started in the step d) reaches the maintenance time set in the step c), and confirming whether the electrode portion (110) and the electrolyte membrane (120) are bonded, and then removing the film portion (140) and the protective substrate portion (150).

여기서, 본 발명에 의하면, 상기 a)단계의 해당 온도는 40℃ 내지 50℃ 인 것이 바람직하고, 상기 c)단계의 압력은 10kgf/㎡ 인 것이 바람직하며, 상기 d)단계에서의 가압은 진공의 환경에서 이루어지는 것이 바람직하다.Here, according to the present invention, the temperature in step a) is preferably 40°C to 50°C, the pressure in step c) is preferably 10 kgf/㎡, and the pressurization in step d) is preferably performed in a vacuum environment.

또한, 상기 b)단계에서의 보호 기재부(150)는 상기 프레스 평판부(130)의 상판(131)측에 위치하는 경성의 제1 기재부(151)와, 상기 프레스 평판부(130)의 하판(132)측에 위치하는 연성의 제2 기재부(152)로 이루어질 수 있다.In addition, the protective substrate (150) in the step b) may be composed of a rigid first substrate (151) located on the upper plate (131) side of the press plate (130) and a flexible second substrate (152) located on the lower plate (132) side of the press plate (130).

더불어, 상기 필름부(140)는 아크릴 플레이트 및 상기 스펀지 패드를 통과하는 잔열과 상기 균일한 압력을, 막 전극접합체(MEA)에 전달하여 상기 막 전극접합체(MEA)의 변형, 오염, 표면 손상 중 적어도 하나를 방지하는 보호기능을 수행하도록 제작된 PI(폴리이미드) 필름인 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다.In addition, the film portion (140) is preferably a PI (polyimide) film manufactured to perform a protective function of transmitting the residual heat and the uniform pressure passing through the acrylic plate and the sponge pad to the membrane electrode assembly (MEA) to prevent at least one of deformation, contamination, and surface damage of the membrane electrode assembly (MEA), but is not limited thereto.

나아가, 상기 b)단계에서는, 상기 a)단계의 해당 온도를 초과하게 되면, 상기 전극부(110)의 상부 전극(111)과 하부 전극(112), 상기 한 쌍의 필름부(140a, 140b) 및 상기 한 쌍의 보호 기재부(151, 152)가 전해질막(120)을 중심으로 양측에 상호 대칭되도록 순차적으로 위치시키되, 상기 전극부(110)와 필름부(140)에 한 쌍의 보조 필름부(160)가 개재되도록 추가적으로 위치시킬 수 있고, 상기 e)단계에서는, 상기 보조 필름부(160)를 추가적으로 제거할 수 있으며, 이러한 상기 보조 필름부(160)는 상술한 보호 기재부(150)와 함께 상기 필름부(140)의 보호기능을 보조하도록 제작된 PE(폴리에스터) 필름인 것이 바람직하다.Furthermore, in the step b), if the temperature of the step a) is exceeded, the upper electrode (111) and the lower electrode (112) of the electrode part (110), the pair of film parts (140a, 140b), and the pair of protective substrate parts (151, 152) are sequentially positioned symmetrically on both sides with the electrolyte membrane (120) as the center, and a pair of auxiliary film parts (160) can be additionally positioned to be interposed between the electrode part (110) and the film part (140), and in the step e), the auxiliary film part (160) can be additionally removed, and it is preferable that the auxiliary film part (160) be a PE (polyester) film manufactured to assist the protective function of the film part (140) together with the above-described protective substrate part (150).

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.The detailed description of the preferred embodiments of the present invention disclosed above has been provided to enable those skilled in the art to implement and practice the present invention. While the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the scope of the present invention. For example, those skilled in the art can utilize each of the configurations described in the above-described embodiments in a manner that combines them. Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.The present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential characteristics of the present invention. Accordingly, the above detailed description should not be construed in all aspects as restrictive but rather as illustrative. The scope of the present invention should be determined by a reasonable interpretation of the appended claims, and all changes coming within the equivalent scope of the present invention are intended to be embraced therein. The present invention is not intended to be limited to the embodiments set forth herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein. In addition, claims that do not have an explicit citation relationship in the claims may be combined to constitute an embodiment or may be included as a new claim by post-application amendment.

100 : 막 전극접합체 제조장치
110 : 전극부
111 : 상부 전극
112 : 하부 전극
120 : 전해질막
130 : 프레스 평판부
131 : 상판
132 : 하판
140 : 필름부
150 : 보호 기재부
151 : 제1 기재부
152 : 제2 기재부
160 : 보조 필름부
MEA : 막 전극접합체100: Membrane electrode assembly manufacturing device
110 : Electrode section
111 : Upper electrode
112 : Lower electrode
120 : Electrolyte membrane
130 : Press reputation department
131 : Top plate
132 : Lower part
140 : Film Department
150 : Protection Equipment Department
151: First Reporting Department
152: 2nd Reporting Department
160 : Auxiliary film section
MEA: Membrane Electrode Assembly

Claims

An electrode section consisting of an upper electrode and a lower electrode;
An electrolyte membrane positioned between the upper electrode and the lower electrode of the above electrode part;
A press plate part comprising an upper plate positioned on the upper electrode side of the electrode part and a lower plate positioned on the lower electrode side of the electrode part, wherein the electrode part and the electrolyte membrane are interposed, and the upper plate and the lower plate are pressed in a direction approaching each other, thereby compressing the electrode part and the electrolyte membrane to create a membrane electrode assembly;
A pair of film portions that are interposed between the electrode portion and the press plate portion and perform a protective function of preventing at least one of deformation, contamination, and surface damage of the membrane electrode assembly when pressed by the press plate portion, while increasing the interfacial bonding force between the electrode portion and the electrolyte membrane forming the membrane electrode assembly; and
A pair of protective substrates are provided so as to be interposed between the press plate portion and the film portion, and to ensure that uniform pressure is applied to the membrane electrode assembly when pressed by the press plate portion, while assisting the protective function of the film portion.
The above pressurization is performed together with low-temperature heat treatment of the press plate portion in a vacuum environment,
The above low temperature is,
It is characterized by a temperature of 40℃ to 50℃,
The above pressurization is,
It is made with a pressure of 10kgf/㎡.
The above pair of protective equipment parts are,
A first rigid substrate located on the upper side of the press plate; and
It consists of a flexible second substrate portion located on the lower side of the above press plate portion,
The second article mentioned above is,
It is characterized by being a sponge pad manufactured to pressurize the membrane electrode assembly with uniform pressure while preventing damage to the electrode part due to heat.
The above first article is,
It is characterized by being an acrylic plate manufactured to increase the uniform pressure in the above vacuum environment.
The above film section,
A PI (polyimide) film manufactured to transmit the residual heat and the uniform pressure passing through the acrylic plate and the sponge pad to the membrane electrode assembly,
It is characterized in that it further includes a pair of auxiliary film parts that are provided so as to be interposed between the electrode part and the film part, and that assist the protective function of the film part together with the protective substrate part when pressed by the press plate part.
The above auxiliary film section,
It is a PE (polyester) film,
The upper and lower electrodes of the above electrode part are,
electrode substrate;
A microporous layer formed on the surface of the electrode substrate; and
Each of the nanocarbons formed on the surface of the microporous layer and the catalyst layer coated on the nanocarbon are included,
The upper and lower electrodes are the anode and cathode electrodes,
The catalyst layer comprises a catalyst, wherein the catalyst is a combination of one or more non-platinum alloys selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), a platinum-M alloy (wherein M is a combination of one or more metals selected from the group consisting of palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), gallium (Ga), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), zinc (Zn), tin (Sn), molybdenum (Mo), tungsten (W), lanthanum (La), and rhodium (Rh), and combinations thereof.
The above catalyst is,
It is used as a catalyst itself or supported on a carrier.
The above carrier is,
Selected from porous inorganic oxides including carbon-based carriers, zirconia, alumina, titania, silica, ceria, and zeolites,
The above carbon-based carrier is,
graphite, super P, carbon fiber, carbon sheet, carbon black, Ketjen Black, Denka black, acetylene black, carbon nano tube (CNT), carbon sphere, carbon ribbon, fullerene, activated carbon, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball, carbon nanohorn, carbon nanocage, carbon nanoring, ordered nano-/meso-porous carbon, carbon aerogel, mesoporous carbon, graphene, stabilized carbon, activated carbon, and combinations of one or more thereof,
The particles of the above catalyst are,
When the catalyst method is used by being supported on the carrier, it is positioned on the surface of the carrier or penetrates into the interior of the carrier while filling the internal pores of the carrier,
It includes a binder, which is an ion conductor with ion conductivity, to improve the adhesion of the above catalyst layer and to transfer hydrogen ions.
The above ion conductor is,
It is used together with a non-conductive compound to improve adhesion to the above electrolyte membrane,
The above non-conductive compound is,
At least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene/tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene chlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), dodecylbenzene sulfonic acid and sorbitol is used.
The above binder,
Contained in an amount of 20 wt% to 80 wt% based on the total weight of the catalyst layer,
The above electrode substrate is,
It is treated with a water-repellent fluorine series resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene or a copolymer thereof.
The above microporous layer is,
A conductive powder comprising carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nano-horn or carbon nano ring, a binder resin comprising polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate or a copolymer thereof, and at least one solvent selected from the group consisting of alcohol such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol and butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone and tetrahydrofuran, is manufactured by coating an electrode substrate with a composition comprising:
A membrane electrode assembly manufacturing device utilizing a phase change material, wherein the acrylic plate is configured to have a thickness of 5T to 7T, and the sponge pad is configured to have a thickness of 4T to 7T, so that the acrylic plate and the sponge pad have the same or different thicknesses.

delete

In the first paragraph,
The above electrode substrate is,
A membrane electrode assembly manufacturing device utilizing a phase change material characterized by being selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, and carbon felt.

A method for manufacturing a membrane electrode assembly using a membrane electrode assembly manufacturing device utilizing a vacuum and low-temperature heat treatment method,
a) A step of setting the temperature of the press plate to the glass transition temperature (Tg) of the material and waiting until the temperature is reached;
b) When the temperature of step a) above is reached, a step of sequentially positioning the upper electrode and lower electrode of the electrode part, a pair of film parts, and a pair of protective substrate parts symmetrically on both sides with the electrolyte membrane as the center, and preparing them as a material between the upper and lower plates of the press plate part;
c) a step of operating a hot press device by setting a desired pressure of the press plate portion and a maintenance time of the pressure;
d) a step of starting a count when the upper plate and the lower plate are pressed in a direction toward each other by the operation of the hot press device in step c), and the pressed pressure reaches the pressure set in step c); and
e) When the count started in step d) above reaches the maintenance time set in step c), the pressure on the upper and lower plates is released, and after confirming that the electrode part and the electrolyte membrane are joined, the step of removing the film part and the protective substrate part is included.
The pressure of the above step c) is characterized by being 10 kgf/㎡,
The pressurization in the above step d) is performed together with a low-temperature heat treatment of the press plate part in a vacuum environment, and the low temperature is 40°C to 50°C.
The protective equipment in step b) above is:
A first rigid substrate located on the upper side of the press plate; and
It is composed of a flexible second substrate located on the lower side of the above press plate,
The second article mentioned above is,
It is characterized by being a sponge pad manufactured to pressurize the membrane electrode assembly with uniform pressure while preventing damage to the electrode part due to heat.
The above first article is,
It is characterized by being an acrylic plate manufactured to increase the uniform pressure in the above vacuum environment.
The above film section,
A PI (polyimide) film manufactured to perform a protective function of preventing at least one of deformation, contamination, and surface damage of the membrane electrode assembly by transmitting the residual heat and the uniform pressure passing through the acrylic plate and the sponge pad to the membrane electrode assembly.
In step b) above,
When the temperature of the step a) above is exceeded, the upper electrode and lower electrode of the electrode part, the pair of film parts, and the pair of protective substrate parts are sequentially positioned symmetrically on both sides centered on the electrolyte membrane, and a pair of auxiliary film parts are additionally positioned so as to be interposed between the electrode part and the film part.
In the above step e),
It is characterized by additionally removing the above auxiliary film portion,
The above auxiliary film section,
It is a PE (polyester) film manufactured to assist the protective function of the film part together with the above protective material part.
The upper and lower electrodes of the above electrode part are,
electrode substrate;
A microporous layer formed on the surface of the electrode substrate; and
Each of the nanocarbons formed on the surface of the above microporous layer and the catalyst layer coated on the nanocarbon are included.
The upper and lower electrodes are the anode and cathode electrodes,
The catalyst layer comprises a catalyst, wherein the catalyst is a combination of one or more non-platinum alloys selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), a platinum-M alloy (wherein M is a combination of one or more metals selected from the group consisting of palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), gallium (Ga), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), zinc (Zn), tin (Sn), molybdenum (Mo), tungsten (W), lanthanum (La), and rhodium (Rh), and combinations thereof.
The above catalyst is,
It is used as a catalyst itself or supported on a carrier.
The above carrier is,
Selected from porous inorganic oxides including carbon-based carriers, zirconia, alumina, titania, silica, ceria, and zeolites,
The above carbon-based carrier is,
graphite, super P, carbon fiber, carbon sheet, carbon black, Ketjen Black, Denka black, acetylene black, carbon nano tube (CNT), carbon sphere, carbon ribbon, fullerene, activated carbon, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball, carbon nanohorn, carbon nanocage, carbon nanoring, ordered nano-/meso-porous carbon, carbon aerogel, mesoporous carbon, graphene, stabilized carbon, activated carbon, and combinations of one or more thereof,
The particles of the above catalyst are,
When the catalyst method is used by being supported on the carrier, it is positioned on the surface of the carrier or penetrates into the interior of the carrier while filling the internal pores of the carrier,
It includes a binder, which is an ion conductor with ion conductivity, to improve the adhesion of the catalyst layer and to transfer hydrogen ions.
The above ion conductor is,
It is used together with a non-conductive compound to improve adhesion to the above electrolyte membrane,
The above non-conductive compound is,
At least one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene/tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene chlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), dodecylbenzene sulfonic acid and sorbitol is used.
The above binder,
Contained in an amount of 20 wt% to 80 wt% based on the total weight of the catalyst layer,
The above electrode substrate is,
It is treated with a water-repellent fluorine series resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, fluorinated ethylene propylene, polychlorotrifluoroethylene or a copolymer thereof.
The above microporous layer is,
A conductive powder comprising carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nano-horn or carbon nano ring, a binder resin comprising polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate or a copolymer thereof, and at least one solvent selected from the group consisting of alcohol such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol and butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone and tetrahydrofuran, is manufactured by coating an electrode substrate with a composition comprising:
A method for manufacturing a membrane electrode assembly using a vacuum and low-temperature heat treatment method, wherein the acrylic plate is configured to have a thickness of 5T to 7T, and the sponge pad is configured to have a thickness of 4T to 7T, so that the acrylic plate and the sponge pad have the same or different thicknesses.

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