制造膜电极组件的设备及使用其制造的膜电极组件的制作方法
【专利说明】制造膜电极组件的设备及使用其制造的膜电极组件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2014年10月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2014-0142799号的优先权和权益，通过弓I用将其全部内容结合于此。
技术领域
[0003]本发明涉及用于制造燃料电池堆的部件的系统，并且更具体地，本发明涉及用于制造膜电极组件(MEA)的设备，该设备用于制造燃料电池的MEA。
【背景技术】
[0004]燃料电池通过氢与氧之间的电化学反应产生电(electricity，电流)并且使用外部化学反应材料生成电而无需单独的充电过程。燃料电池可包括膜电极组件(MEA)置于其间的隔板或双极板。多个燃料电池可连续排布以形成燃料电池堆。
[0005]图1是示意性地示出根据现有技术的已知膜电极组件的实例的截面图。参考图1，示例性膜电极组件1(即，燃料电池的核心元件)在电解质隔膜3(氢离子通过其移动)的两侧上包括阳极和阴极，即，电极催化剂层5。此外，膜电极组件I包括保护电极催化剂层5和电解质隔膜3并且紧固燃料电池的装配的子垫圈(sub-gasket) 7。
[0006]在制造膜电极组件I的方法中，首先，使用如下转压法(decal method)来制备电极隔膜片材6:展开(unwind)以卷形式卷绕的电解质隔膜3，并且将电极催化剂层5以特定间隔(例如，以大约150mm的间距)连续转印(transfer)到电解质隔膜3的两个面上。此后，使用如下卷对卷方法制造膜电极组件片材:展开并且转印以卷形式卷绕的电极隔膜片材6、展开卷形式的子垫圈7并且将展开的子垫圈放置在电极隔膜片材6的两个面上、使它们穿过热辊、并且将子垫圈7接合至电极隔膜片材的两个面上。
[0007]具体地，子垫圈7处于切割用于打开电极催化剂层5的电极窗口(electrodewindow)和歧管窗口(manifold window)的状态。子垫圈7可以进入电极隔膜片材的两个面并且可以接合至电极隔膜片材的两个面。在完成了上述过程之后，以卷形式卷绕的膜电极组件片材被展开并且切割成包括电极催化剂层5的单位形式(unit form)，以从而制造如图1所示的膜电极组件I。
[0008]在如上所述制备的现有技术的膜电极组件I中，电极隔膜片材6包括连续形成在电解质隔膜3的两个面上的电极催化剂层5，并且子垫圈7接合至电极隔膜片材的两个面。因此，电解质隔膜3布置在子垫圈7之间的整个区域中。在膜电极组件I中使用的子垫圈7的扩展方向(development direct1n)与反应气体的泄露防护或者电池输出性能相关。子垫圈7关于膜电极组件I和电解质隔膜3的机械寿命的作用还没被认可。
[0009]因此，在现有技术中，电解质隔膜3存在于不产生电流的部分中(S卩，产生电的电极催化剂层5的外部区域)，因为仅与防止反应气体泄漏和电池输出性能相关的子垫圈7在该部分中与插入其间的电解质隔膜3接合在一起。因此，由于支持子垫圈7的电解质隔膜3存在于不产生电流的膜电极组件I的部分中，所以浪费了相对昂贵的电解质隔膜材料。因此，膜电极组件I的制造成本会相应增加。
[0010]在该部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明的【背景技术】的理解，且因此其可能包括未形成在该国家中为本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
【发明内容】
[0011]本发明提供一种用于制造燃料电池的膜电极组件的设备，其可以使用卷对卷方法和片材装载方法(sheet loading method)的混合流动方法(mixed flow method)制造膜电极组件以最小化存在于子垫圈之间(即，不产生电流的部分)的电解质隔膜的材料。
[0012]此外，本发明的示例性实施方式提供燃料电池的膜电极组件，该膜电极组件使用卷对卷方法和片材装载方法的混合流动方法来制造并且其中最小电解质隔膜在子垫圈之间(即，不产生电流的部分)突出。
[0013]根据本发明的示例性实施方式的用于制造燃料电池的膜电极组件的设备可包括:子垫圈供给单元，被配置为连续形成第一电极窗口以将第一窗口以特定间隔彼此间隔开，打开以卷形式卷绕的第一子垫圈片材，并且将第一子垫圈片材供应至输送管线(transferline);电极隔膜装载单元，安装在输送管线上并且被配置为在电解质隔膜的两个面上形成电极催化剂层、收集以单元形式切割的电极隔膜片材、并且将电极隔膜片材装载到第一子垫圈片材的第一电极窗口上；子垫圈装载单元，安装在输送管线上并且被配置为形成第二电极窗口、收集以单位形式切割的第二子垫圈片材、并且将第二子垫圈片材装载到电极隔膜片材上；以及MEA接合单元(MEA bonding unit)，安装在输送管线的上侧及下侧上并且被配置为在沿着输送管线在一对热辊之间传递第一子垫圈片材、电极隔膜片材、以及第二子垫圈片材的同时使相互堆叠的第一子垫圈片材、电极隔膜片材、以及第二子垫圈片材进行结合。
[0014]根据本发明示例性实施方式的用于制造燃料电池的膜电极组件的设备可进一步包括膜电极组件(MEA)重卷机，安装在MEA接合单元的后面并且被配置为以卷的形式其中电极隔膜片材和第二子垫圈片材可通过MEA接合单元接合在第一子垫圈片材上的卷绕MEA片材。该设备可进一步包括膜重卷机，其安装在子垫圈供给单元的一部分上并且被配置为重获第一子垫圈片材的保护膜并且以卷形式卷绕保护膜。膜拆卷机可安装在MEA重卷机的一部分上并且可被配置为打开卷形式的保护膜并且将打开的保护膜供应至MEA片材。
[0015]此外，该设备可包括安装在输送管线外部的第一位置传感器、第二位置传感器、以及第三位置传感器。此外，第一位置传感器可被配置为检测第一子垫圈片材的第一电极窗口的边缘位置。第二位置传感器可被配置为检测电极隔膜片材的边缘位置，并且第三位置传感器可被配置为检测第二子垫圈片材的第二电极窗口的边缘位置。
[0016]该设备可进一步包括安装在输送管线中并且被配置为在真空中抽吸第一子垫圈片材和电极隔膜片材的真空抽吸单元。静电发生器可安装在输送管线上并且可被配置为在第一子垫圈片材中产生静电以使用静电将装载到电极隔膜片材上的第二子垫圈片材附接至第一子垫圈片材。
[0017]此外，在根据本发明示例性实施方式的用于制造燃料电池的膜电极组件的设备中，电极隔膜装载单元可包括被配置为在真空中抽吸电极隔膜片材的一对第一机械爪。该对第一机械爪可被安装成沿相反的方向使电极隔膜片材的两端向上倾斜并且可被配置为在真空中抽吸电极隔膜片材的两端并且将张力施加至电极隔膜片材。子垫圈装载单元可包括被配置为在真空中抽吸第二子垫圈片材的一对第二机械爪。该对第二机械爪可被安装成沿相反的方向使第二子垫圈片材的两端向上倾斜并且可被配置为在真空中抽吸第二子垫圈片材的两端并且将张力施加至第二子垫圈片材。
[0018]根据本发明示例性实施方式的用于制造燃料电池的膜电极组件的设备可包括第一子垫圈供给单元，其被配置为打开以卷形式卷绕的第一子垫圈片材并且将第一子垫圈片材供应至输送管线；第一切割单元，安装在第一子垫圈供给单元的一部分上并且被配置为在通过第一子垫圈供给单元供给的第一子垫圈片材中连续形成第一电极窗口以将第一电极窗口以特定间隔彼此间隔开；电极隔膜装载单元，安装在输送管线上并且被配置为在电解质隔膜的两个面上形成电极催化剂层、收集以单元形式切割的电极隔膜片材、并且将电极隔膜片材装载到第一子垫圈片材的第一电极窗口上；第二子垫圈供给单元，安装在输送管线的外部并且被配置为打开以卷形式卷绕的第二子垫圈片材并且将第二子垫圈片材供应到电极隔膜片材。
[0019]此外，该设备可包括:第二切割单元，安装在第二子垫圈供给单元的一部分上并且被配置为在通过第二子垫圈供给单元供给的第二子垫圈片材中连续形成第二电极窗口以将第二电极窗口以特定间隔彼此间隔开；以及MEA接合单元，安装在输送管线的外部并且在一对热棍之间传递第一子垫圈片材、电极隔膜片材、以及第二子垫圈片材的同时将相互堆叠的第一子垫圈片材、电极隔膜片材、以及第二子垫圈片材进行结合。
[0020]该设备还可包括MEA重卷机，该MEA重卷机安装在MEA接合单元的后面并且被配置为以卷形式卷绕其中电极隔膜片材和第二子垫圈片材可通过MEA接合单元接合在第一子垫圈片材上的MEA片材。膜重卷机可安装在子垫圈供给单元的一部分上并且可被配置为重获第一子垫圈片材的保护膜并且以卷形式卷绕保护膜。
[0021]该设备可进一步包括第二膜重卷机，该第二膜重卷机安装在第二子垫圈供给单元的一部分上并且被配置为重获第二子垫圈片材的保护膜并且以卷形式卷绕保护膜。膜拆卷机可安装在MEA重卷机的一部分上并且可被配置为打开卷形式的保护膜并且将打开的保护膜供应至MEA片材。此外，电极隔膜装载单元可包括被配置为在真空中抽吸电极隔膜片材的一对第一机械爪。
[0022]可通过用于制造膜电极组件的设备使用卷对卷方法和片材装载方法来制造根据本发明示例性实施方式的燃料电池的膜电极组件，其中，电极催化剂层可形成在电解质隔膜的两个面上，子垫圈可分别形成在电极催化剂层的边缘侧上，并且电解质隔膜的端部可突出到子垫圈之间的第一区域中。
[0023]在根据本发明示例性实施方式的燃料电池的膜电极组件中，被配置为固定电解质隔膜和电极催化剂层的接合单元(bonding unit)可形成在子垫圈之间的剩余区域中(例如，除了第一区域以外的区域)。电解质隔膜的端部可突出到子垫圈之间的整个区域的部分区域中，该部分区域可以是整个区域的大约33% (例如，第一区域可以是整个区域的大约33% ) ο
[0024]本发明的示例性实施方式可使用卷对卷方法和片材装载方法的混合流动方法制造其中与电极催化剂层一起接合到子垫圈的最小电解质隔膜可突出在子垫圈之间的膜电极组件。因此，可最小化布置于子垫圈之间膜(即，在膜电极组件中不产生电流的部分)的电解质隔。因此，由于使用较少相对昂贵的电解质隔膜的材料，所以可以降低膜电极组件的制造成本。
【附图说明】
[0025]参考以下附图以便描述本发明的示例性实施方式，并且因此，本发明的技术精神不应该被理解为限于附图。
[0026]图1是示意性地示出根据现有技术的已知膜电极组件的实例的截面图；
[0027]图2是示意性地示出根据本发明示例性实施方式的制造燃料电池的膜电极组件的设备的示图；
[0028]图3是示意性地示出应用于根据本发明示例性实施方式的用于制造燃料电池的膜电极组件的设备的电极隔膜装载单元和子垫圈装载单元的示图；
[0029]图4是示意性地示出应用于根据本发明示例性实施方式的用于制造燃料电池的膜电极组件的设备的静电发生器的示图；
[0030]图5是示意性地示出应用于根据本发明示例性实施方式的用于制造燃料电池的膜电极组件的设备的位置传感器的示图；
[0031]图6是示意性地示出通过根据本发明示例性实施方式的用于制造燃料电池的膜电极组件的设备制造的膜电极组件的截面图；以及
[0032]图7是示意性地示出根据本发明另一示例性实施方式的用于制造燃料电池的膜电极组件的设备的示图。
【具体实施方式】
[0033]在下文中，将参照其中示出本发明的示例性实施方式的附图更全面地描述本发明。如本领域技术人员将