KR102098708B1 - Electrode structure control technology for fuel cell and manufacturing method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막 전극 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층을 포함하고, 물질전달 및 출력 성능이 향상된 연료전지용 막 전극 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 면내 채널 구조를 갖는 촉매층을 포함하는 막 전극 어셈블리는 물질전달 특성을 향상시키고, 소량의 Pt가 담지된 막 전극 어셈블리에서도 출력 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 고분자 막을 패터닝하는 것은 다른 분야에서도 사용되고 있던 것임에 반해, 다공성의 부서지기 쉬운 전극을 패터닝한 경우는 없었으며, 이를 통해서 다양한 구조를 전극에 생성할 수 있으며, 전극 구조 제어 및 최적화의 기반 기술이 될 수 있다.The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to include a patterned catalyst layer having an in-plane channel structure, and a membrane electrode assembly for a fuel cell with improved mass transfer and output performance. And a method of manufacturing the same. The membrane electrode assembly including the catalyst layer having an in-plane channel structure according to the present invention improves material transfer characteristics and can significantly improve output performance even in a membrane electrode assembly carrying a small amount of Pt. In addition, while patterning the polymer membrane has been used in other fields, there has never been a case of patterning a porous fragile electrode, through which various structures can be generated on the electrode, and the base technology for electrode structure control and optimization Can be

Description

연료전지용 전극 구조 제어 기술 및 제작방법{Electrode structure control technology for fuel cell and manufacturing method}Electrode structure control technology for fuel cell and manufacturing method

본 발명은 연료전지용 막 전극 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층을 포함하고, 물질전달 및 출력 성능이 향상된 연료전지용 막 전극 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to include a patterned catalyst layer having an in-plane channel structure, and a membrane electrode assembly for a fuel cell with improved mass transfer and output performance. And a method of manufacturing the same.

연료전지는 친환경 발전 시스템의 유망한 후보로 여겨져왔다. 다양한 연료전지 시스템 중에서, 고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 가요성 고분자 전해질막의 사용으로 인해 적정한 작동 온도, 높은 출력 밀도 및 높은 기계적 견고성과 같은 장점을 갖는다(Steele, B. C. et al., Nature 2001, 414(6861), 345-352; Perry, M. L. et al., Journal of the electrochemical society 2002, 149(7), S59-S67; Wee, J.-H., Renewable and sustainable energy reviews 2007, 11(8), 1720-1738; Kirubakaran, A. et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews 2009, 13(9), 2430-2440). 이러한 이유로, PEFMC는 수십 년 동안 집중적으로 연구되어 왔으며 발전용 및 자동차 분야에서 상용화되었다(Ticianelli, E. et al., Journal of the Electrochemical Society 1988, 135(9), 2209-2214; Costamagna, P. et al., Journal of power sources 2001, 102(1), 253-269; Winter, M. et al., What are batteries, fuel cells, and supercapacitors? ACS Publications: 2004). 그러나, 값 비싼 백금 촉매는 PEFMC 시스템의 광범위한 사용에 대한 주요 장벽이다. 이러한 비용 문제를 해결할 수 있는 한 가지 방법은 성능 저하를 최소화하면서 백금이 담지된 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly, MEA)를 개발하는 것이다. 그러나, MEA에서 백금 담지량을 감소시키는 것은 일반적으로 증가된 운동(kinetic) 및 질량(mass) 전달 분극화로 인하여 MEA의 출력 성능에서의 상당한 손실을 동반한다(Billy, E. et al., Journal of Power Sources 2010, 195(9), 2737-2746; Ono, Y. et al., Ecs Transactions 2010, 28(27), 69-78; Brouzgou, A. et al., Applied Catalysis B: Environmental 2012, 127, 371-388). 따라서, 높은 활성을 갖는 향상된 촉매 및 향상된 물질 전달 특성을 갖는 향상된 촉매층(catalyst layer, CL) 구조의 개발은 소량의 Pt가 담지된 촉매층을 달성하는데 매우 중요하다(Lefevre, M. et al., science 2009, 324(5923), 71-74; Kim, H. Y. et al., Small 2016, 12(38), 5347-5353; Gan, L. et al., small 2016, 12(23), 3189-3196; Choi, K.-H. et al., Chemical Communications 2016, 52(3), 597-600; Bayatsarmadi, B. et al., small 2017; Tian, Z. Q. et al., Advanced Energy Materials 2011, 1(6), 1205-1214; Kim, O.-H. et al., Nature communications 2013, 4, 2473; Choo, M. J. et al., ChemSusChem 2014, 7(8), 2335-2341; Choo, M. J. et al., ChemElectroChem 2015, 2(3), 382-388).Fuel cells have been seen as promising candidates for eco-friendly power generation systems. Among various fuel cell systems, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) have advantages such as proper operating temperature, high power density and high mechanical robustness due to the use of flexible polymer electrolyte membranes (Steele, BC et. al., Nature 2001, 414 (6861), 345-352; Perry, ML et al., Journal of the electrochemical society 2002, 149 (7), S59-S67; Wee, J.-H., Renewable and sustainable energy reviews 2007, 11 (8), 1720-1738; Kirubakaran, A. et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews 2009, 13 (9), 2430-2440). For this reason, PEFMC has been intensively studied for decades and commercialized in the fields of power generation and automobiles (Ticianelli, E. et al., Journal of the Electrochemical Society 1988, 135 (9), 2209-2214; Costamagna, P. et al., Journal of power sources 2001, 102 (1), 253-269; Winter, M. et al., What are batteries, fuel cells, and supercapacitors? ACS Publications: 2004). However, expensive platinum catalysts are a major barrier to the widespread use of PEFMC systems. One way to solve this cost problem is to develop a membrane electrode assembly (MEA) carrying platinum while minimizing performance degradation. However, reducing platinum loading in MEA is usually accompanied by significant loss in MEA output performance due to increased kinetic and mass transfer polarization (Billy, E. et al., Journal of Power) Sources 2010, 195 (9), 2737-2746; Ono, Y. et al., Ecs Transactions 2010, 28 (27), 69-78; Brouzgou, A. et al., Applied Catalysis B: Environmental 2012, 127, 371-388). Therefore, the development of an improved catalyst layer with high activity and an improved catalyst layer (CL) structure with improved mass transfer properties is very important to achieve a catalyst layer carrying a small amount of Pt (Lefevre, M. et al., Science) 2009, 324 (5923), 71-74; Kim, HY et al., Small 2016, 12 (38), 5347-5353; Gan, L. et al., Small 2016, 12 (23), 3189-3196; Choi, K.-H. et al., Chemical Communications 2016, 52 (3), 597-600; Bayatsarmadi, B. et al., Small 2017; Tian, ZQ et al., Advanced Energy Materials 2011, 1 (6 ), 1205-1214; Kim, O.-H. et al., Nature communications 2013, 4, 2473; Choo, MJ et al., ChemSusChem 2014, 7 (8), 2335-2341; Choo, MJ et al. , ChemElectroChem 2015, 2 (3), 382-388).

촉매층에서의 물질 전달은 기체와 물이 다양한 스케일의 기공을 통해 이동하고 이오노머(ionomer) 박막이 관련되는 복잡한 과정이다. Pt 입자로 덮인 얇은 이오노머 필름을 통한 촉매층 및 막 확산의 메조/매크로 기공을 통한 크누센(Knudsen) 확산은 소량의 Pt가 담지된 MEA에 큰 관심의 대상이었다. 하지만, 촉매층의 물질전달은 유동 필드 및 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL)의 영향을 받는다. 이는 전형적으로 PEMFC의 근본적인 문제 중 하나로, 채널/리브 효과에 의해 입증된다. 유동 판의 리브 영역 아래에서, 접촉 압력으로 인해 가스 확산층이 압축되고, 압축된 가스 확산층에서 기체와 물이 이송되고, 밑에 있는 촉매층 영역이 억제되었다(Sinha, P. K. et al., Electrochemical and Solid-State Letters 2006, 9(7), A344-A348; Nitta, I. et al., Fuel Cells 2008, 8(6), 410-421; Wang, L. et al., Journal of Power Sources 2008, 180(1), 365-372; Higier, A. et al., Journal of Power Sources 2009, 193(2), 639-648; Mahmoudi, A. et al., Energy Conversion and Management 2016, 110, 78-89). 최근, 요시다 등은 유동 필드/가스 확산층 접촉 면적이 최소화되어 채널/리브 효과를 완화시킬 수 있는 3차원 파인 메쉬(fine mesh) 유동 필드를 보고하였다(Yoshida, T. et al., The Electrochemical Society Interface 2015, 24(2), 45-49). 그러나, 메쉬 타입 유동 필드의 경우에도 유동 필드와 가스 확산층 사이의 전기적 접촉이 필수적이므로 가스 확산층 압축을 완전히 피할 수는 없다. 따라서, 압축된 가스 확산층 하에서 촉매층의 일부분을 보다 효율적으로 사용하기 위해서는 촉매층에서 면내 물질 전달을 사용해야 한다.Mass transfer in the catalyst layer is a complex process in which gas and water travel through pores of various scales and ionomer thin films are involved. The catalytic layer through a thin ionomer film covered with Pt particles and the Knudsen diffusion through the meso / macro pores of membrane diffusion have been of great interest to MEAs carrying small amounts of Pt. However, the mass transfer of the catalyst layer is influenced by the flow field and the gas diffusion layer (GDL). This is typically one of the fundamental problems of PEMFC, as evidenced by the channel / rib effect. Below the rib region of the flow plate, the gas diffusion layer was compressed due to contact pressure, gas and water were transferred from the compressed gas diffusion layer, and the underlying catalyst layer region was suppressed (Sinha, PK et al., Electrochemical and Solid-State) Letters 2006, 9 (7), A344-A348; Nitta, I. et al., Fuel Cells 2008, 8 (6), 410-421; Wang, L. et al., Journal of Power Sources 2008, 180 (1 ), 365-372; Higier, A. et al., Journal of Power Sources 2009, 193 (2), 639-648; Mahmoudi, A. et al., Energy Conversion and Management 2016, 110, 78-89). Recently, Yoshida et al. Reported a three-dimensional fine mesh flow field capable of alleviating the channel / rib effect by minimizing the flow field / gas diffusion layer contact area (Yoshida, T. et al., The Electrochemical Society Interface) 2015, 24 (2), 45-49). However, even in the case of a mesh type flow field, since the electrical contact between the flow field and the gas diffusion layer is essential, gas diffusion layer compression cannot be completely avoided. Therefore, in order to use a portion of the catalyst layer more efficiently under the compressed gas diffusion layer, in-plane mass transfer must be used in the catalyst layer.

본 발명에서는 소량의 Pt가 담지된 MEA의 출력 성능을 향상시키기 위하여 면내 채널 구조의 패턴화된 촉매층(patterned catalyst layer, PCL)을 제공한다. 촉매층의 핵심적인 특징은 압축된 가스 확산층 하에서 촉매층의 일부분의 사용을 향상시키면서 면내 채널이 촉매층에 새겨져 있다는 것이다. 촉매층 슬러리를 역패턴화된 몰드에 주조하고 촉매층을 막으로 옮김으로써 라인 패턴이 촉매층에 직접 형성되었다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매층의 구조적 특징을 나타낸 것이다. 촉매층의 면내 채널은 압축 및 비압축 가스 확산층 하에서 촉매층 세그먼트 사이에서 효율적인 면내 물질전달을 제공한다. 이전에, 패턴화된 막 표면을 형성한 다음, 막 표면 상에 촉매층 코팅을 형성함으로써 패턴화된 촉매층 구조를 제조하려는 약간의 시도가 있었다(Shah, K. et al., Journal of power sources 2003, 123(2), 172-181; Bae, J. W. et al., Journal of Industrial and Engineering Chemistry 2012, 18(3), 876-879; Cho, H. et al., Nature communications 2015, 6, 8484; Seo, J. et al., ACS applied materials & interfaces 2016, 8(26), 16656-16663; Jang, S. et al., ACS applied materials & interfaces 2016, 8(18), 11459-11465; Kim, S. M. et al., Journal of Power Sources 2016, 317, 19-24). 그러나, 패턴화된 막으로부터 유래된 패턴화된 촉매층 구조는 촉매층 코팅 및 건조 공정 동안 변화하는 막의 구조적 변화로 인해 높은 구조적 정확도를 갖지 않는다. 이전 촉매층 패터닝 기술과 비교하여, 최근 패터닝 방법은 촉매층 패터닝을 위한 치수 안정성 기판(dimensionally stable substrate)의 사용으로 인해 보다 높은 구조적 정확도(structural fidelity)를 가질 수 있다.The present invention provides a patterned catalyst layer (PCL) having an in-plane channel structure in order to improve the output performance of MEA carrying a small amount of Pt. A key feature of the catalyst layer is that in-plane channels are engraved in the catalyst layer while improving the use of a portion of the catalyst layer under a compressed gas diffusion layer. A line pattern was formed directly on the catalyst layer by casting the catalyst layer slurry into an inverse patterned mold and transferring the catalyst layer to a membrane. Figure 1 shows the structural characteristics of the catalyst layer according to an embodiment of the present invention. The in-plane channels of the catalyst layer provide efficient in-plane mass transfer between the catalyst bed segments under compressed and uncompressed gas diffusion layers. Previously, some attempts have been made to produce a patterned catalyst layer structure by forming a patterned membrane surface and then forming a catalyst layer coating on the membrane surface (Shah, K. et al., Journal of power sources 2003, 123 (2), 172-181; Bae, JW et al., Journal of Industrial and Engineering Chemistry 2012, 18 (3), 876-879; Cho, H. et al., Nature communications 2015, 6, 8484; Seo , J. et al., ACS applied materials & interfaces 2016, 8 (26), 16656-16663; Jang, S. et al., ACS applied materials & interfaces 2016, 8 (18), 11459-11465; Kim, SM et al., Journal of Power Sources 2016, 317, 19-24). However, the patterned catalyst layer structure derived from the patterned membrane does not have high structural accuracy due to structural changes in the membrane that change during the catalyst layer coating and drying process. Compared to previous catalyst layer patterning techniques, recent patterning methods can have higher structural fidelity due to the use of dimensionally stable substrates for catalytic layer patterning.

이에, 본 발명자들은 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 촉매층을 포함하는 막 전극 어셈블리가 물질전달 특성을 향상시키고, 소량의 Pt가 담지된 막 전극 어셈블리에서도 출력 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 직접 촉매층 패턴화 전략이 고급 연료전지 개발을 위한 다목적 플랫폼이 될 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors have a membrane electrode assembly including a catalyst layer having an in-plane channel structure, which improves material transfer characteristics, and can significantly improve output performance even in a membrane electrode assembly carrying a small amount of Pt. It has been confirmed that the catalyst layer patterning strategy can be a multi-purpose platform for advanced fuel cell development, and the present invention has been completed.

본 발명의 목적은 물질전달 특성 및 출력 성능이 향상된 연료전지용 막 전극 어셈블리를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly for a fuel cell with improved mass transfer characteristics and output performance.

본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 막 전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell including a membrane electrode assembly manufactured by the above method.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질막의 일면에 접촉하여 배치되는 촉매층; 및 상기 고분자 전해질막의 이면에 접촉하여 배치되고, 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층을 포함하는 연료전지용 막 전극 어셈블리를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention is a polymer electrolyte membrane; A catalyst layer disposed in contact with one surface of the polymer electrolyte membrane; And a patterned catalyst layer disposed in contact with the back surface of the polymer electrolyte membrane and having an in-plane channel structure.

본 발명은 또한, (a) 패턴화된 제1기판을 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 제1기판을 플라즈마 처리하는 단계; (c) 상기 플라즈마 처리된 제1기판에 소수성 화학물질을 증착시키는 단계; (d) 상기 증착된 제1기판에 촉매층 잉크를 분무하여 제1기판 상에 촉매층을 형성시키는 단계; (e) 상기 제1기판 상에 형성된 촉매층의 일면에 고분자 전해질막을 적층시키는 단계; (f) 제2기판 상에 촉매층을 형성시키는 단계; (g) 상기 적층된 고분자 전해질막의 일면에 상기 제2기판 상에 형성된 촉매층을 적층시키는 단계; (h) 상기 제1기판 상에 형성된 촉매층, 고분자 전해질막 및 제2기판 상에 형성된 촉매층을 데칼 전사하는 단계; 및 (i) 상기 제1기판 및 제2기판을 제거하는 단계를 포함하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법을 제공한다. The present invention also, (a) manufacturing a patterned first substrate; (b) plasma treating the manufactured first substrate; (c) depositing a hydrophobic chemical on the plasma-treated first substrate; (d) spraying a catalyst layer ink on the deposited first substrate to form a catalyst layer on the first substrate; (e) laminating a polymer electrolyte membrane on one surface of the catalyst layer formed on the first substrate; (f) forming a catalyst layer on the second substrate; (g) laminating a catalyst layer formed on the second substrate on one surface of the laminated polymer electrolyte membrane; (h) decal transfer of the catalyst layer formed on the first substrate, the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer formed on the second substrate; And (i) removing the first substrate and the second substrate.

본 발명은 또한, 상기 막 전극 어셈블리; 및 세퍼레이터(separator) 또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)를 포함하는 연료전지를 제공한다.The present invention also, the membrane electrode assembly; And it provides a fuel cell including a separator (separator) or a bipolar plate (bipolar plate).

본 발명에 따른 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 촉매층을 포함하는 막 전극 어셈블리는 물질전달 특성을 향상시키고, 소량의 Pt가 담지된 막 전극 어셈블리에서도 출력 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 고분자 막을 패터닝하는 것은 다른 분야에서도 사용되고 있던 것임에 반해, 다공성의 부서지기 쉬운 전극을 패터닝한 경우는 없었으며, 이를 통해서 다양한 구조를 전극에 생성할 수 있으며, 전극 구조 제어 및 최적화의 기반 기술이 될 수 있다.The membrane electrode assembly including the catalyst layer having an in-plane channel structure according to the present invention improves material transfer characteristics and can significantly improve output performance even in a membrane electrode assembly carrying a small amount of Pt. In addition, while patterning the polymer membrane has been used in other fields, there has never been a case of patterning a porous fragile electrode, through which various structures can be generated on the electrode, and the base technology for electrode structure control and optimization Can be

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면내 채널 구조 촉매층 및 면내 채널을 통한 물질 전달 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면내 채널 구조 패턴화된 촉매층의 제조 공정 및 SEM 이미지와 디지털 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 구성 및 iV 분극 곡선과 산소 게인(gain)을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 구성의 총 산소 전달 저항, 분자 확산 저항 및 크누센 및 필름 확산 저항의 합계를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원래의 패턴화된 기판 및 소수성 처리된 패턴화된 가판의 물 접촉각을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 편평한 촉매층의 단면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 구성의 나이퀴스트 플롯(Nyquist plots) 및 CV 곡선을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 작동 후 패턴화된 촉매층의 단면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
1 shows a schematic diagram of mass transfer through an in-plane channel structure catalyst layer and an in-plane channel according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows a SEM image and a digital image and the manufacturing process of the in-plane channel structure patterned catalyst layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the results of measuring the battery configuration and iV polarization curve and oxygen gain according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the sum of the total oxygen transfer resistance, molecular diffusion resistance and knucene and film diffusion resistance of the battery configuration according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the water contact angle of the original patterned substrate and the hydrophobic patterned plate according to an embodiment of the present invention.
6 is a cross-sectional SEM image of a flat catalyst layer according to an embodiment of the present invention.
7 shows Nyquist plots and CV curves of a battery configuration according to an embodiment of the present invention.
8 is a cross-sectional SEM image of the patterned catalyst layer after the battery operation according to an embodiment of the present invention.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다. Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.

본 발명의 명세서에서는 다음 약어를 사용하였다.The following abbreviations are used in the specification of the present invention.

CL : 촉매층(catalyst layer)CL: catalyst layer

FCL : 편평한 촉매층(flat catalyst layer)FCL: flat catalyst layer

PCL : 패턴화된 촉매층(patterned catalyst layer)PCL: patterned catalyst layer

PA-PCL : PCL 내 채널 방향 및 유동 필드 방향이 평행(parallel)PA-PCL: Channel direction and flow field direction in PCL are parallel

PE-PCL : PCL 내 채널 방향 및 유동 필드 방향이 수직(perpendicular)PE-PCL: Channel direction and flow field direction in PCL are vertical (perpendicular)

CCM : 촉매 코팅막(catalyst coated membrane)CCM: catalyst coated membrane

MEA : 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly)MEA: membrane electrode assembly

GDL : 가스 확산층(gas diffusion layer)GDL: gas diffusion layer

PUA : 폴리 우레탄 아크릴레이트(poly(urethane acrylate))PUA: Polyurethane acrylate (poly (urethane acrylate))

PDMS : 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)PDMS: polydimethylsiloxane

FEP : 플루오르화 에틸렌 폴리머(fluorinated ethylene polymer)FEP: fluorinated ethylene polymer

ECSA : 전기화학 표면적(electrochemical surface area)ECSA: electrochemical surface area

CV : 순환전압전류법(cyclic voltammetry) CV: cyclic voltammetry

RH : 상대 습도(relative humidity)RH: relative humidity

본 발명의 명세서에서, 연료전지는 다양한 부품이 적층되어 있는 형태로 제작이 되는데 이때 적층되는 방향 즉, 막-전극을 관통하는 수직방향이 through-plane 방향을 의미하고, In-plane 방향은 이와는 수직하게 평면 내에서 형성된 방향을 의미한다. 따라서, 본 발명에 따른 촉매층은 촉매층 표면에 패턴이 형성되어 있는 것이며, 특히 기체 확산층과 닿아 있는 표면에 형성되어 있는 것이다. In the specification of the present invention, the fuel cell is manufactured in a form in which various parts are stacked. At this time, the stacked direction, that is, the vertical direction through the membrane-electrode means the through-plane direction, and the in-plane direction is perpendicular to this. It means the direction formed in the plane. Therefore, the catalyst layer according to the present invention has a pattern formed on the surface of the catalyst layer, and is particularly formed on the surface in contact with the gas diffusion layer.

본 발명에서는 기존 연료전지의 고분자 막이 아닌 전극을 직접적으로 패터닝 했다는 점에 있어서 차별성을 가지고 있으며, 면내(in-plane) 채널을 갖는 촉매층은 역행 패턴을 갖는 표면 처리된 기판 상에 촉매층 잉크(슬러리)를 코팅하고, 건조하여 패턴화된 촉매층이 제조되고, 패턴화되지 않은 편평한 촉매층(flat catalyst layer, FCL)과 비교하여 높은 전류 밀도에서 우수한 출력 성능을 나타내는 면내 채널 패턴화된 촉매층(in-plane channel-patterned catalyst layer, IC-CL)을 포함하는 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly, MEA)는 촉매층에 새겨진 면내 채널에 의하여 물질전달 특성이 현저하게 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 산소 게인(gain)은 패턴화된 촉매층의 채널 방향이 유동 필드 방향에 수직일 때 더욱 두드러지며, 이는 면내 채널이 리브 영역 아래에서 촉매층의 활용도를 증가시킨다는 것을 나타낸고, 산소 전달 저항 분석(oxygen transport resistance analysis)은 면내 채널의 도입으로 분자 및 크누센(Knudsen) 확산이 촉진될 수 있음을 나타낸다. 또한, 고분자 막을 패터닝하는 것은 다른 분야에서도 사용되고 있던 것임에 반해, 다공성의 부서지기 쉬운 전극을 패터닝한 경우는 없었으며, 이를 통해서 다양한 구조를 전극에 생성할 수 있으며, 전극 구조 제어 및 최적화의 기반 기술이 될 수 있다는 것을 확인하였다.In the present invention, there is a difference in that the electrode is patterned directly rather than the polymer membrane of a conventional fuel cell, and the catalyst layer having an in-plane channel has a catalyst layer ink (slurry) on a surface-treated substrate having a retrograde pattern. Is coated and dried to form a patterned catalyst layer, and exhibits excellent output performance at high current density compared to an unpatterned flat catalyst layer (FCL). It was confirmed that the membrane electrode assembly (MEA) including -patterned catalyst layer (IC-CL) has a remarkable improvement in mass transfer characteristics by an in-plane channel engraved on the catalyst layer. In addition, the oxygen gain is more pronounced when the channel direction of the patterned catalyst layer is perpendicular to the flow field direction, indicating that the in-plane channel increases the utilization of the catalyst layer under the rib region, and the oxygen transfer resistance analysis ( Oxygen transport resistance analysis) indicates that the introduction of in-plane channels can promote molecular and Knudsen diffusion. In addition, while patterning the polymer membrane has been used in other fields, there has never been a case of patterning a porous fragile electrode, through which various structures can be generated on the electrode, and the base technology for electrode structure control and optimization I confirmed that this could be.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질막의 일면에 접촉하여 배치되는 촉매층; 및 상기 고분자 전해질막의 이면에 접촉하여 배치되고, 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층을 포함하는 연료전지용 막 전극 어셈블리에 관한 것이다.Therefore, the present invention, in one aspect, a polymer electrolyte membrane; A catalyst layer disposed in contact with one surface of the polymer electrolyte membrane; And a patterned catalyst layer disposed in contact with the back side of the polymer electrolyte membrane and having an in-plane channel structure.

본 발명에 있어서, 상기 패턴화된 촉매층의 귀금속 촉매 담지량은 0.01 내지 5 mg/cm2인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.20 mg/cm2, 0.162 내지 0.170 mg/cm2인 것이 가장 바람직하다. In the present invention, the amount of the noble metal catalyst supported in the patterned catalyst layer is preferably 0.01 to 5 mg / cm 2 , more preferably 0.01 to 0.20 mg / cm 2 , and most preferably 0.162 to 0.170 mg / cm 2 Do.

상기 귀금속 촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 백금 합금 및 팔라듐 합금으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하고, 백금 합금 촉매로는 백금-코발트(Pt-Co), 백금-루테늄(Pt-Ru) 등이 있으며, 연료전지 분야에서 통상적으로 사용되는 귀금속 촉매 또는 귀금속 촉매를 포함하는 합금이면 이에 한정되지 않고 사용할 수 있다. The noble metal catalyst is preferably at least one selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), platinum alloy and palladium alloy, and platinum-catalyst catalysts include platinum-cobalt (Pt-Co), platinum-ruthenium ( Pt-Ru) and the like, and any precious metal catalyst commonly used in the fuel cell field or an alloy containing a precious metal catalyst may be used without being limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 패턴화된 촉매층의 채널 중 일부 혹은 전체가 바이폴라 플레이트의 랜드 부위를 가로지르는 방향으로 형성되는 것이 바람직하다. In the present invention, it is preferable that some or all of the channels of the patterned catalyst layer are formed in a direction crossing the land portion of the bipolar plate.

본 발명에 있어서, 상기 패턴화된 촉매층의 채널 방향은 유동 필드의 방향과 서로 수직(perpendicular) 또는 평행(parallel)인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. In the present invention, the channel direction of the patterned catalyst layer is preferably perpendicular to each other (perpendicular) or parallel (parallel) with the direction of the flow field, but is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 패턴화된 촉매층은 패턴화된 기판 위에 촉매층을 코팅하고 패턴화된 촉매층을 막에 전사하여 제조되는 것이 바람직하다.In the present invention, the patterned catalyst layer is preferably prepared by coating the catalyst layer on a patterned substrate and transferring the patterned catalyst layer to a membrane.

본 발명에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 일면에 접촉하여 배치되는 촉매층은 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층일 수 있으며, 이 때 연료전지용 막 전극 어셈블리는 고분자 전해질막 및 상기 고분자 전해질막의 양면에 접촉하여 배치되고, 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층을 포함할 수 있다. In the present invention, the catalyst layer disposed in contact with one surface of the polymer electrolyte membrane may be a patterned catalyst layer having an in-plane channel structure, wherein the membrane electrode assembly for a fuel cell includes a polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte. It may be disposed in contact with both sides of the membrane, and may include a patterned catalyst layer having an in-plane channel structure.

본 발명은 다른 관점에서, (a) 패턴화된 제1기판을 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 제1기판을 플라즈마 처리하는 단계; (c) 상기 플라즈마 처리된 제1기판에 소수성 화학물질을 증착시키는 단계; (d) 상기 증착된 제1기판에 촉매층 잉크를 분무하여 제1기판 상에 촉매층을 형성시키는 단계; (e) 상기 제1기판 상에 형성된 촉매층의 일면에 고분자 전해질막을 적층시키는 단계; (f) 제2기판 상에 촉매층을 형성시키는 단계; (g) 상기 적층된 고분자 전해질막의 일면에 상기 제2기판 상에 형성된 촉매층을 적층시키는 단계; (h) 상기 제1기판 상에 형성된 촉매층, 고분자 전해질막 및 제2기판 상에 형성된 촉매층을 데칼 전사하는 단계; 및 (i) 상기 제1기판 및 제2기판을 제거하는 단계를 포함하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법에 관한 것이다.In another aspect, the present invention, (a) manufacturing a patterned first substrate; (b) plasma treating the manufactured first substrate; (c) depositing a hydrophobic chemical on the plasma-treated first substrate; (d) spraying a catalyst layer ink on the deposited first substrate to form a catalyst layer on the first substrate; (e) laminating a polymer electrolyte membrane on one surface of the catalyst layer formed on the first substrate; (f) forming a catalyst layer on the second substrate; (g) laminating a catalyst layer formed on the second substrate on one surface of the laminated polymer electrolyte membrane; (h) decal transfer of the catalyst layer formed on the first substrate, the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer formed on the second substrate; And (i) removing the first substrate and the second substrate.

본 발명에 있어서, 상기 제1기판은 PUA(poly(urethane acrylate)) 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)인 것이 바람직하고, PUA(poly(urethane acrylate))가 더욱 바람직하다. In the present invention, the first substrate is preferably a poly (urethane acrylate) (PUA) or a polydimethylsiloxane (PDMS), and a poly (urethane acrylate) (PUA) is more preferable.

본 발명에 있어서, 상기 패턴화된 제1기판은 경화성 용액을 PET 필름 상에 스핀코팅하고, 캐스트 상에 패턴화된 실리콘 마스터 몰드를 넣은 다음 경화시키는 것이 바람직하고, 상기 실리콘 마스터 몰드는 PDMS(polydimethylsiloxane), PUA(polyurethane acrylate) 또는 polysilicon wafer인 것이 바람직하고, PDMS(polydimethylsiloxane)이 더욱 바람직하다. In the present invention, it is preferable that the patterned first substrate is spin-coated a curable solution on a PET film, and then put a patterned silicone master mold on a cast and then cured, and the silicone master mold is PDMS (polydimethylsiloxane). ), PUA (polyurethane acrylate) or polysilicon wafer is preferred, and PDMS (polydimethylsiloxane) is more preferred.

본 발명에 있어서, 상기 플라즈마 처리는 산소(O2) 플라즈마 처리하는 것이 바람직하다. In the present invention, the plasma treatment is preferably an oxygen (O 2 ) plasma treatment.

본 발명에 있어서, 상기 소수성 화학물질은 C8H4F13SiCl3 또는 fluoro carbon 화합물인 것이 바람직하고, C8H4F13SICl3이 더욱 바람직하며, 상기 fluoro carbon 화합물은 fluoro carbon 계열의 물질이면 한정되지 않고 사용할 수 있다. In the present invention, the hydrophobic chemical is preferably a C 8 H 4 F 13 SiCl 3 or fluoro carbon compound, C 8 H 4 F 13 SICl 3 is more preferred, and the fluoro carbon compound is a fluoro carbon-based material It can be used without being limited.

본 발명에 있어서, 상기 촉매층 잉크는 Pt/C 촉매 및 나피온 용액을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 Pt/C 촉매는 Pt 함량이 46.9 wt%이고, 상기 나피온 용액은 3 wt%의 고형분을 함량을 갖는 나피온 용액이 더욱 바람직하다.In the present invention, the catalyst layer ink preferably includes a Pt / C catalyst and a Nafion solution, and the Pt / C catalyst has a Pt content of 46.9 wt%, and the Nafion solution contains a solid content of 3 wt%. Nafion solution having a more preferred.

본 발명에 있어서, 상기 제1기판 상에 촉매층을 형성시킨 다음, 130℃에서 4 시간 동안 어닐링하여 잔류 용매를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable to further include a step of forming a catalyst layer on the first substrate and then removing the residual solvent by annealing at 130 ° C. for 4 hours.

본 발명에 있어서, 상기 제2기판은 PI(polyimide), PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate) 또는 FEP(fluorinated ethylene propylene)인 것이 바람직하고, PI(polyimide)가 더욱 바람직하다. In the present invention, the second substrate is preferably PI (polyimide), PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate) or FEP (fluorinated ethylene propylene), more preferably PI (polyimide).

본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 방법으로 제조된 막 전극 어셈블리; 및 세퍼레이터(separator) 또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.In another aspect, the present invention, the membrane electrode assembly produced by the method; And it relates to a fuel cell comprising a separator (separator) or a bipolar plate (bipolar plate).

본 발명은 고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cells, PEMFC)에서 물질 전달을 향상시키기 위해 면내(in-plane) 유동 채널을 갖는 신규한 촉매층(catalyst layer, CL)에 관한 것이다. 그 표면상의 면내(in-plane) 채널을 갖는 촉매층(CL)은 역행 패턴(inverse line pattern)을 갖는 표면 처리된 기판 상에 촉매층(CL) 슬러리를 코팅하고, 건조된 촉매층(CL)을 기판으로부터 막으로 전달함으로써 제조된다. 패턴화되지 않은 편평한 촉매층(flat catalyst layer, FCL)과 비교하여 높은 전류 밀도에서 우수한 출력 성능을 나타내는 면내 채널 패턴화된 촉매층(in-plane channel-patterned catalyst layer, IC-CL)을 갖는 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly, MEA)는 촉매층에 새겨진 면내 채널에 의한 물질 전달 특성이 현저하게 향상되었음을 입증하였다. 성능 게인(gain)은 채널 방향이 유동 필드 방향에 수직일 때 더욱 두드러지며, 이는 면내 채널이 리브 영역 아래에서 촉매층의 활용도를 증가시킨다는 것을 나타낸다. 산소 전달 저항 분석(oxygen transport resistance analysis)은 면내 채널의 도입으로 분자 및 크누센(Knudsen) 확산이 촉진될 수 있음을 나타낸다. 직접 촉매층 패터닝 기술은 높은 구조적 정확도(structural fidelity)와 설계 유연성(design flexibility)을 갖춘 향상된 촉매층 구조의 제조 플랫폼 및 고성능 촉매층 설계를 위한 합리적인 가이드 라인을 제공한다. The present invention relates to a novel catalyst layer (CL) having an in-plane flow channel to improve mass transfer in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). The catalyst layer CL having an in-plane channel on the surface coats the catalyst layer CL slurry on the surface-treated substrate having an inverse line pattern, and the dried catalyst layer CL is removed from the substrate. It is prepared by delivery to a membrane. Membrane electrode assembly with an in-plane channel-patterned catalyst layer (IC-CL) that exhibits superior output performance at high current densities compared to an unpatterned flat catalyst layer (FCL) (membrane electrode assembly, MEA) proved that the mass transfer property by the in-plane channel engraved on the catalyst layer was significantly improved. The performance gain becomes more pronounced when the channel direction is perpendicular to the flow field direction, indicating that the in-plane channel increases the utilization of the catalyst bed under the rib region. Oxygen transport resistance analysis indicates that the introduction of in-plane channels can promote molecular and Knudsen diffusion. The direct catalyst layer patterning technology provides an improved catalyst layer structure manufacturing platform with high structural fidelity and design flexibility, and a reasonable guideline for high performance catalyst layer design.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples.

실시예 1: 면내 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층(in-plane channel-structured patterned catalyst layer)을 포함하는 막 전극 어셈블리의 제조Example 1: Preparation of a membrane electrode assembly comprising an in-plane channel-structured patterned catalyst layer

구조적 정확도가 높은 면내 채널 구조 PCL을 제조하는 것이 가장 큰 과제이며, 다공성 CL의 높은 취약성으로 인해 구조적 손상을 일으키지 않으면서 CL에 패턴을 새기는 것은 어렵다. 본 실시예에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 도 2a에 나타난 바와 같이, 패턴화된 기판 위에 CL을 코팅하고 PCL을 막에 전사하는 새로운 제조 공정을 개발하였다. The biggest challenge is to manufacture the in-plane channel structure PCL with high structural accuracy, and it is difficult to engrave the pattern on the CL without causing structural damage due to the high vulnerability of the porous CL. In order to solve this problem in this embodiment, as shown in FIG. 2A, a new manufacturing process was developed in which CL is coated on a patterned substrate and PCL is transferred to a film.

1-1. 패턴화된 기판의 제조1-1. Preparation of patterned substrates

패턴화된 PUA 기판은 경화성 PUA 용액(MINS-311RM)을 PET 필름(SKC KOREA) 상에 1000 rpm으로 1분 동안 스핀코팅하고, PUA 캐스트 상의 패턴화된 PDMS 마스터 몰드를 넣은 다음, 10분 동안 UV 경화시켜 제조하였다. PET 필름 상의 패턴화된 PUA 층으로부터 PDMS 몰드를 제거한 후, PUA 표면을 O2 플라즈마(MyPL-150, APPLASMA) 처리한 다음, 진공하에 상온에서 3분 동안 소수성 화학 물질(C8H4F13SiCl3, SIT8174.0, Gelest Inc.)을 화학 기상 증착시켰다.The patterned PUA substrate is spin-coated with a curable PUA solution (MINS-311RM) on a PET film (SKC KOREA) at 1000 rpm for 1 minute, and a patterned PDMS master mold on a PUA cast is placed, followed by UV for 10 minutes. It was prepared by curing. After removing the PDMS mold from the patterned PUA layer on the PET film, the PUA surface was treated with O 2 plasma (MyPL-150, APPLASMA), followed by hydrophobic chemicals (C 8 H 4 F 13 SiCl) for 3 minutes at room temperature under vacuum. 3, SIT8174.0, Gelest Inc.) by chemical vapor deposition.

1-2. 패턴화된 촉매층 및 막 전극 어셈블리의 제조1-2. Preparation of patterned catalyst layer and membrane electrode assembly

캐소드 촉매층은 Pt/C 촉매(46.9 wt% Pt, Tanaka Kikinzoku Kogyo) 및 3 wt%의 고형분 함량을 갖는 나피온 용액(D520™, Dupont)을 포함하는 촉매층 잉크를 분무함으로써 핫 플레이트(150℃) 상에 고정시킨 패턴화 및 표면 처리된 PUA 기판 상에 형성시켰다. 상기 캐소드 촉매층 잉크는 사용하기 2시간 전에 팁 초음파 처리에 의해 균질하게 분산시켰다. 잉크의 이오노머/탄소 비(I/C ratio)는 1.0으로 설정하였다. 촉매층 코팅 후, PUA 기판 상의 촉매층은 130℃에서 4시간 동안 어닐링하여 잔류 용매를 제거하였다. 애노드 촉매층은 볼 밀링 공정과 혼합된 동일한 촉매층 슬러리를 주조하여 FEP 필름 상에 형성시키고, 오븐에서 12시간 동안 60℃에서 건조시켰다. CCM은 데칼 전사 방법으로 제조하였다. PUA 기판 상의 캐소드 촉매층, 나피온 211 막(25 μm 두께, Dupont™) 및 폴리아미드 기판 상의 애노드 촉매층의 스택은 130℃, 25 atm에서 10분 동안 가압하고, PUA 및 폴리이미드 기판을 라미네이트로부터 제거하였다. CCM의 활성 영역은 12.25 cm2 이다.The cathode catalyst layer was coated on a hot plate (150 ° C) by spraying a catalyst layer ink containing a Pt / C catalyst (46.9 wt% Pt, Tanaka Kikinzoku Kogyo) and a Nafion solution (D520 ™, Dupont) having a solids content of 3 wt%. It was formed on the patterned and surface-treated PUA substrate fixed to the. The cathode catalyst layer ink was homogeneously dispersed by tip sonication 2 hours before use. The ionomer / carbon ratio (I / C ratio) of the ink was set to 1.0. After coating the catalyst layer, the catalyst layer on the PUA substrate was annealed at 130 ° C. for 4 hours to remove residual solvent. The anode catalyst layer was formed on a FEP film by casting the same catalyst layer slurry mixed with a ball milling process, and dried in an oven at 60 ° C. for 12 hours. CCM was prepared by a decal transfer method. The cathode catalyst layer on the PUA substrate, the Nafion 211 membrane (25 μm thick, Dupont ™) and the stack of anode catalyst layers on the polyamide substrate were pressed at 130 ° C., 25 atm for 10 minutes, and the PUA and polyimide substrates were removed from the laminate. . The active area of CCM is 12.25 cm 2 .

패턴화된 기판 및 패턴화된 촉매층의 구조를 특성화하기 위하여 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM, Sirion, FEI)을 사용하였다. 촉매층의 Pt 담지량은 0.166±0.004 mgPt cm-2 이었다. 단일 전지는 CCM, 한 쌍의 GDL(JNT20-A3, JNTG), 한 쌍의 경질 가스켓, 단일의 구불구불한 유동필드를 갖는 한 쌍의 그라파이트 블록 및 8개의 나사를 갖는 한 쌍의 엔드 플레이트로 조립하였다. 단일 전지는 토크 압력 75 kgf cm-1으로 고정시켰다.To characterize the structure of the patterned substrate and the patterned catalyst layer, an electrospinning scanning electron microscope (FE-SEM, Sirion, FEI) was used. The supported amount of Pt in the catalyst layer was 0.166 ± 0.004 mg Pt cm -2 . A single cell is assembled with a CCM, a pair of GDLs (JNT20-A3, JNTG), a pair of rigid gaskets, a pair of graphite blocks with a single serpentine flow field, and a pair of end plates with 8 screws. Did. The single cell was fixed at a torque pressure of 75 kgf cm -1 .

패턴화된 PUA 기판은 실리콘 마스터 몰드로부터 나노 임프린트 기술에 의해 제조하였다. 경화성 PUA를 편평한 PET 필름 상에 스핀 코팅하고, PDMS 몰드를 캐스트 상에 놓았다. PUA의 경화 후, PET 필름(~ 100 ㎛)에 의해 지지된 패턴화된 PUA 층(~ 10 ㎛)을 PDMS 마스터 패턴으로부터 박리시켰다. 패턴화된 PUA 두께의 균일성은 최종 CL의 품질을 결정한다. 두께의 변화는 데칼 전달 중에 더 두꺼운 부분에 더 큰 압력을 가하여 CL의 국부적인 붕괴를 초래한다. PUA 기판의 높은 두께 균일성을 얻기 위해, 스핀 코팅 공정을 사용하였다. 도 2b 및 도 2c는 제조된 PUA 기판의 두께가 매우 균일하고, 윤곽이 명확한 채널 구조를 갖는 것을 보여주고 있다. 또한, 압력 분포를 완화하기 위해 데칼 전사 공정 중에 FEP 필름의 압력 분배 층을 삽입하였다. 고품질 CL 패터닝을 위한 또 다른 중요한 단계는 CL 잉크의 적절한 습윤 및 PUA 기판으로부터 건조된 CL의 용이하게 분리시킬 수 있는 PUA 기판의 표면 처리이다. 표면 개질은 산소 플라즈마 처리를 통해 패턴화된 PUA 상에 하이드록시기 표면 관능기를 먼저 형성한 다음, 하이드록시기와 화학 결합을 형성할 수 있는 C8H4F13SiCl3을 화학 증착법으로 증착하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 물의 접촉각은 표면 처리 후 87°에서 98°로 달라졌으며, 이를 통해 표면 개질을 확인할 수 있었다. 표면 개질의 전형적인 효과는 도 2d에 나타나 있다. 소수성 처리된 PUA 기판 상에 코팅된 CL은 막으로 완벽하게 전달되었으며, 이는 처리되지 않은 PUA 기판에 대한 부분적인 CL 전달과는 대조적인 것을 확인할 수 있었다.The patterned PUA substrate was prepared by nanoimprint technology from a silicon master mold. The curable PUA was spin coated onto a flat PET film and the PDMS mold was placed on the cast. After curing of the PUA, the patterned PUA layer (˜10 μm) supported by the PET film (˜100 μm) was peeled from the PDMS master pattern. The uniformity of the patterned PUA thickness determines the quality of the final CL. The change in thickness results in a local collapse of CL by applying more pressure to the thicker portion during decal delivery. To obtain high thickness uniformity of the PUA substrate, a spin coating process was used. 2B and 2C show that the fabricated PUA substrate has a very uniform thickness and a clear channel structure. In addition, a pressure distribution layer of the FEP film was inserted during the decal transfer process to relieve the pressure distribution. Another important step for high quality CL patterning is proper wetting of the CL ink and surface treatment of the PUA substrate, which can easily separate the dried CL from the PUA substrate. For surface modification, a hydroxyl group surface functional group was first formed on a patterned PUA through oxygen plasma treatment, and then C 8 H 4 F 13 SiCl 3 capable of forming a chemical bond with a hydroxyl group was deposited by chemical vapor deposition. As shown in FIG. 5, the contact angle of the water was changed from 87 ° to 98 ° after surface treatment, through which surface modification was confirmed. A typical effect of surface modification is shown in Figure 2d. It was confirmed that the CL coated on the hydrophobic treated PUA substrate was completely transferred to the film, which was in contrast to the partial CL delivery to the untreated PUA substrate.

CCM의 전달된 PCL은 표면에 생생한 프리즘을 나타내고 있으며(도 2e), 규칙적인 패턴이 형성된 것을 확인할 수 있다. SEM을 이용하여 PCL의 구조와 제조된 CCM을 조사하였다. 도 2f에 도시된 바와 같이, 매우 정돈되고 규칙적으로 배열된 평면 채널이 PCL에서 성공적으로 형성되었다. PCL의 표면은 기존의 CL에서 관찰된 것 처럼 매우 다공성이었다(도 2g). 데칼 전달 후, PCL에 국소적인 치밀화 또는 국소적인 열화는 관찰되지 않았다. PCL의 SEM 이미지 측정 결과, 채널 깊이, 폭 및 간격은 각각 1.8 μm, 1.5 μm 및 2.6 μm였다(도 2h). 상기 값은 실리콘 마스터 패턴(깊이 1.8 μm, 폭 1.5 μm, 간격 2.7 μm) 값에 가깝기 때문에 이전의 제조 전략으로는 불가능한 CL 패터닝 방법의 높은 구조적 정확도를 나타내었다. CCM의 단면 SEM 이미지는 PCL의 두께가 매우 균일하고(3.0 ± 0.4 μm), 멤브레인과 밀착 된 계면 결합이 형성된 것을 확인할 수 있었다(도 2i). 비교를 위해, 동일한 Pt 담지량을 갖는 패턴화되지 않은 FCL을 준비하였다. FCL과 해당 CCM의 SEM 이미지는 도 6에 나타나 있으며, FCL의 두께는 2.4 ± 0.2 μm였다.The PCL delivered by the CCM shows a vivid prism on the surface (FIG. 2E), and it can be confirmed that a regular pattern was formed. The structure of PCL and the prepared CCM were investigated using SEM. As shown in Figure 2f, a very neat and regularly arranged planar channel was successfully formed in the PCL. The surface of PCL was very porous as observed in conventional CL (FIG. 2G). After decal delivery, no local densification or local degradation to PCL was observed. As a result of SEM image measurement of PCL, the channel depth, width and spacing were 1.8 μm, 1.5 μm and 2.6 μm, respectively (FIG. 2H). The values were close to the silicon master pattern (1.8 μm depth, 1.5 μm width, 2.7 μm spacing) values, indicating a high structural accuracy of the CL patterning method impossible with previous manufacturing strategies. The cross-sectional SEM image of the CCM confirmed that the PCL had a very uniform thickness (3.0 ± 0.4 μm), and an interfacial bond in close contact with the membrane was formed (FIG. 2i). For comparison, an unpatterned FCL having the same Pt loading amount was prepared. The SEM images of the FCL and the corresponding CCM are shown in Figure 6, and the thickness of the FCL was 2.4 ± 0.2 μm.

실시예 2: 단일 전지 작동 및 전기화학 분석Example 2: Single cell operation and electrochemical analysis

2-1. 단일 전지 작동(Single cell operation)2-1. Single cell operation

브레이크-인(break-in) 및 iV 분극(polarization) 실험은 연료전지 테스트 스테이션(Scitech Korea)을 사용하여 수행하였다. 브레이크-인 실험은 전지에 수소/산소(H2/O2, 300/1000 sccm)를 일정한 유량으로 주입하고, 50 mV s-1에서 전지 전압을 0.07 및 1.2 V 사이에서 10회 스위핑함으로써 수행하였다. iV 분극 곡선은 절대 압력 180 kPa, 80℃ 및 50% 및 100%의 상대 습도에서 측정하였다. 공급 기체의 화학양론계수는 수소 및 공기 모두 1.5이다. 400 mA cm-2 이하의 전류 밀도를 위해, 400 mA cm-2에서 화학양론계수 1.5와 동등한 수소(H2, 57 sccm) 및 공기(air, 137 sccm)를 일정한 유량으로 사용하였다. iV 분극 곡선은 전지 전압을 측정 할 때, 전지를 안정화시킬 수 있는 10mA cm-2 단위로 전류 밀도를 높임으로써 얻어졌다. 안정화를 위해 0.1A cm-2 이하의 전류 밀도에서 2분을 보내고, 0.1A cm-2 이상의 전류 밀도에서 3분을 각각 보냈다. Break-in and iV polarization experiments were performed using a fuel cell test station (Scitech Korea). The break-in experiment was performed by injecting hydrogen / oxygen (H 2 / O 2 , 300/1000 sccm) into the cell at a constant flow rate and sweeping the cell voltage at 50 mV s −1 between 0.07 and 1.2 V 10 times. . The iV polarization curve was measured at an absolute pressure of 180 kPa, 80 ° C. and relative humidity of 50% and 100%. The stoichiometric coefficient of the feed gas is 1.5 for both hydrogen and air. For a current density of 400 mA cm -2 or less, hydrogen (H 2 , 57 sccm) and air (air, 137 sccm) equivalent to a stoichiometric coefficient of 1.5 at 400 mA cm -2 were used at a constant flow rate. The iV polarization curve was obtained by increasing the current density in 10mA cm -2 units that can stabilize the cell when measuring the cell voltage. For stabilization, two minutes were spent at a current density of 0.1 A cm -2 or less, and three minutes were spent at a current density of 0.1 A cm -2 or more, respectively.

2-2. 전기화학 분석(Electrochemical analysis)2-2. Electrochemical analysis

전기화학 특성분석은 potentiostat(HCP-803, BioLogics Science Instrument)을 사용하여 수행하였다. 촉매층의 프로톤 전달 저항을 정량화하기 위하여, 수소/질소(H2/N2, counter/working, 500/1500 sccm) 피드와 함께 OCV에서 전기화학 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 측정하였다. 전기화학 표면적은(electro chemical surface area, ECSA) 수소(anode, 100 sccm)/질소(cathode, 0 sccm) 대기 하에서 단일 전지의 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV) 측정으로부터 계산하였다. 촉매층의 산소 전달 저항은 제한 전류법으로 획득하였다; 선형 스윕 전압전류(linear sweep voltammetry)는 과량의 수소(500 sccm) 및 희석된 산소(1% oxygen in nitrogen or helium, 650 sccm)를 절대 압력 150 kPa에서 애노드 및 캐소드에 각각 주입하여, 다양한 온도(50, 60, 70 및 80℃) 및 90%의 상대 습도에서 5 mV s-1의 스캔 속도로 OCV에서 0.15 V까지 단일 전지에 대해 측정하였다. Electrochemical characterization was performed using potentiostat (HCP-803, BioLogics Science Instrument). In order to quantify the proton transfer resistance of the catalyst layer, hydrogen / nitrogen (H 2 / N 2 , Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was measured in OCV with counter / working, 500/1500 sccm) feed. Electrochemical surface area (ECSA) was calculated from cyclic voltammetry (CV) measurements of a single cell under an atmosphere of hydrogen (anode, 100 sccm) / nitrogen (cathode, 0 sccm). The oxygen transfer resistance of the catalyst layer was obtained by limiting current method; Linear sweep voltammetry was performed by injecting excess hydrogen (500 sccm) and diluted oxygen (1% oxygen in nitrogen or helium, 650 sccm) into the anode and cathode at 150 kPa absolute, respectively, at various temperatures ( 50, 60, 70 and 80 ° C.) and 90% relative humidity at a scan rate of 5 mV s −1 at OCV to 0.15 V and measured for a single cell.

CL에서의 출력 성능에 대한 면내 채널의 영향은 본 발명의 주요 관심사이다. 효과를 입증하기 위해, 면내 채널의 방향은 PE-PCL 및 PA-PCL로 각각 표시되는 단일의 구불구불한 유동 필드의 방향에 수직 또는 평행하게 배열되었다(도 3a). FCL은 리브 영역 아래에서 GDL의 국부 압축으로 인해 채널/리브 효과를 가질 수 있다. PA-PCL의 경우, PCL의 면내 채널은 리브 영역을 가로지르지 않는다. 따라서, 채널 및 리브 영역 아래의 CL 세그먼트 사이의 채널을 통한 면내 물질 전달은 허용되지 않는다. 하지만, 패턴화된 구조는 두께 방향에서의 CL의 물질 전달에 영향을 미칠 수 있는데, 이를 '관통면 효과(through-plane effect)'라고 한다. 반면에, PE-PCL 구성은 리브 및 채널 영역을 가로 지르는 면내 채널을 제공한다. 따라서, 리브와 채널 영역 아래의 CL 세그먼트 사이에서 평면 내에서 물질 전달을 일으킬 수 있다.The effect of in-plane channels on output performance in CL is a major concern of the present invention. To demonstrate the effect, the directions of the in-plane channels were arranged vertically or parallel to the direction of a single serpentine flow field, denoted PE-PCL and PA-PCL, respectively (FIG. 3A). FCL may have a channel / rib effect due to local compression of GDL under the rib region. In the case of PA-PCL, the in-plane channel of PCL does not cross the rib region. Therefore, in-plane mass transfer through the channel between the channel and the CL segment below the rib region is not allowed. However, the patterned structure may affect the mass transfer of CL in the thickness direction, which is called a 'through-plane effect'. On the other hand, the PE-PCL configuration provides an in-plane channel across the rib and channel regions. Thus, mass transfer can occur in the plane between the rib and the CL segment below the channel region.

CL에서의 물질 전달에 대한 면내 채널의 영향이 본 발명의 주요 초점이기 때문에, CL의 프로톤 전도 및 촉매 활성은 세 가지(FCL, PA-PCL, PE-PCL) 전지 구성과는 무관하게 주의깊게 제어하였다. H2/N2(양극/음극) 분위기 하에 개방전압(open circuit voltage, OCV)에서의 AC 임피던스로부터 CL의 프로톤 전도 저항(RCL) 및 옴 저항(Rohm)을 측정하였다. Rohm은 막 저항과 계면 저항이 가장 큰 기여를 한 것으로, 나이퀴스트(Nyquist) 플롯에서 X축의 고주파 임피던스의 절편(intercept)으로부터 결정되었다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 세 가지 전지에 대한 절편은 동일한 막 및 막/CL 계면 구조의 사용으로 인해 거의 동일하였다. RCL은 고주파 절편 및 X축 상의 약간 경사진 저주파 임피던스에서 연장되는 점근선의 절편 사이 거리의 세 배에 해당한다. RCL 값(FCL; 0.0147 Ω㎠, PA-PCL; 0.0190 Ω㎠, PE-PCL; 0.0166 Ω㎠)은 서로 가깝고 얇은 CL 두께로 인해 Rohm 값(FCL; 0.0563 Ω㎠, PA-PCL; 0.0535 Ω㎠, PE-PCL; 0.0551 Ω㎠) 보다 매우 작다. 따라서, CL에서 프로톤 전달은 CL의 분극 거동에 큰 영향을 미치지 않으며 세 가지 전지간의 상당한 전력 성능 차이를 유발하지 않는다. CL의 전기화학 표면적(ECSA)은 순환전압전류법(CV) 기술로 측정하였다. Pt 표면상의 수소의 전기 흡착에 대한 전하량으로부터 ESCA에 대한 값을 정량화 하였다. 도 7b에 도시된 바와 같이, FCL, PA-PCL 및 PE-PCL의 CV 곡선은 CL에 대하여 유사한 ECSA 값(FCL; 54.8 m2g-1, PA-PCL; 55.1 m2g-1, PE-PCL; 58.7 m2g-1)을 나타내는 것이 거의 동일하였다. 이러한 전기화학 분석은 본 발명에서 비교된 CL이 유사한 프로톤 전도 특성 및 촉매 활성을 갖고, 물질 전달 특성에 대한 면내 채널의 효과를 조사하기 위해 적절히 설계되었음을 확인할 수 있다. Since the effect of the in-plane channel on the mass transfer in CL is the main focus of the present invention, the proton conduction and catalytic activity of CL are carefully controlled independent of the three (FCL, PA-PCL, PE-PCL) cell configurations. Did. The proton conduction resistance (R CL ) and ohm resistance (R ohm ) of CL were measured from AC impedance at an open circuit voltage (OCV) under an H 2 / N 2 (positive / negative) atmosphere. R ohm was the largest contribution between film resistance and interface resistance, and was determined from the intercept of the high-frequency impedance of the X-axis in a Nyquist plot. As shown in Figure 7A, the sections for the three cells were nearly identical due to the use of the same membrane and membrane / CL interface structures. R CL is three times the distance between the high-frequency section and the section of the asymptote extending at a slightly inclined low-frequency impedance on the X-axis. R CL values (FCL; 0.0147 Ωcm2, PA-PCL; 0.0190 Ωcm2, PE-PCL; 0.0166 Ωcm2) are close to each other and due to the thin CL thickness, R ohm values (FCL; 0.0563 Ωcm2, PA-PCL; 0.0535 Ω Cm2, PE-PCL; 0.0551 Ωcm2). Thus, proton transfer in CL does not significantly affect the polarization behavior of CL and does not cause significant power performance differences between the three cells. The electrochemical surface area (ECSA) of CL was measured by cyclic voltammetry (CV) technology. The value for ESCA was quantified from the amount of charge for the electrosorption of hydrogen on the Pt surface. As shown in Figure 7B, the CV curves of FCL, PA-PCL and PE-PCL are similar ECSA values for CL (FCL; 54.8 m 2 g -1 , PA-PCL; 55.1 m 2 g -1 , PE- PCL; 58.7 m 2 g −1 ) was almost the same. This electrochemical analysis confirms that the CL compared in the present invention has similar proton conduction properties and catalytic activity, and is properly designed to investigate the effect of in-plane channels on mass transfer properties.

Figure 112017119761928-pat00001
Figure 112017119761928-pat00001

도 3b 및 도 3c는 각각 50% 및 100% 상대 습도(relative humidity, RH)에서 FCL, PA-PCL 및 PE-PCL의 i-V 분극 곡선을 나타낸 것이다. 분극은 수소/공기 피드에 대해 1.5/1.5의 화학양론계수 및 180 kPa의 절대 압력에서 측정하였다. 상기 두 가지 RH 조건의 비교는 CL에서의 면내 채널이 어떻게 물 범람 거동에 영향을 미치는지 이해하기 위한 것이다. 1.5의 상대적으로 낮은 공기 화학양론계수는 면내 채널 효과의 보다 명확한 검출을 위해 물질전달 저항을 증폭시키기 위해 선택하였다. 전반적으로, 출력 성능은 낮은 전류 밀도 영역에서는 무관하지만 CL 구조 및 전지 구성에 따라 높은 전류 밀도 영역에서 매우 다양하게 나타났다. 구체적으로, 50% RH에서 세 가지 전지의 iV 곡선은 0.6 Acm-2 이하로 서로 겹쳐지며, 이는 임피던스 및 CV 분석으로부터 전지의 운동(kinetic) 분극 및 저항(ohmic) 분극이 예상과 거의 동일하다는 것을 나타낸다. 0.6 Acm-2 이상에서 PE-PCL은 FCL 및 PA-PCL보다 높은 출력 성능을 보였으며, 이는 물질 전달 분극이 더 작다는 것을 나타낸다. 하지만, PA-PCL은 FCL에 비해 상당한 개선을 보이지 않았다. 따라서, 50% RH에서 면내 효과는 명확하게 관찰되었지만, 관통면 효과는 명백하지 않았다. 100% RH에서, 면내 채널 효과는 더욱 두드러졌다. 0.2 Acm-2 이하에서, iV 분극은 50% RH 결과에서 관찰된 것과 동일하였다. PE-PCL 및 PA-PCL은 0.2 Acm-2 이상에서, FCL보다 높은 출력 성능을 보였으며, 높은 RH 작동시 면내 및 관통면 효과 모두 존재하는 것을 입증하였다. iV 분극 곡선의 오차 막대는 각 전류 밀도에서 정전류 측정 중 전압 변동의 정도를 나타낸다. 전압 변동은 액체 물의 축적 및 제거의 역동적인 과정을 반영하므로 물 범람의 지표가 될 수 있다. 100% RH에서의 분극 곡선은 50% RH에서 분극 곡선 보다 더 큰 오차 막대를 나타내었으며, 높은 RH 조건에서 더욱 현저한 물 범람을 나타냈었다. 도 3b 및 도 3c는 고정 전류 밀도에서 전압 변동이 FCL > PA-PCL > PE-PCL 순으로 감소되어 면내 채널이 물 범람을 효과적으로 완화시킬 수 있다는 것을 확인하였다.3B and 3C show the iV polarization curves of FCL, PA-PCL and PE-PCL at 50% and 100% relative humidity (RH), respectively. Polarization was measured at a stoichiometric coefficient of 1.5 / 1.5 for hydrogen / air feed and an absolute pressure of 180 kPa. The comparison of the two RH conditions is to understand how the in-plane channel in CL affects the water overflow behavior. A relatively low air stoichiometry factor of 1.5 was chosen to amplify the mass transfer resistance for a clearer detection of the in-plane channel effect. Overall, the output performance was independent of the low current density region, but varied greatly in the high current density region depending on the CL structure and cell configuration. Specifically, at 50% RH, the iV curves of the three cells overlap each other below 0.6 Acm -2 , indicating that the kinetic and ohmic polarizations of the cells from impedance and CV analysis are almost the same as expected. Shows. Above 0.6 Acm -2 , PE-PCL showed higher output performance than FCL and PA-PCL, indicating that the mass transfer polarization is smaller. However, PA-PCL showed no significant improvement over FCL. Therefore, the in-plane effect was clearly observed at 50% RH, but the through-plane effect was not apparent. At 100% RH, the in-plane channel effect was more pronounced. Below 0.2 Acm -2 , iV polarization was identical to that observed in the 50% RH results. PE-PCL and PA-PCL showed higher output performance than FCL at 0.2 Acm -2 or more, and proved to exist both in-plane and through-surface effects during high RH operation. The error bars in the iV polarization curve indicate the degree of voltage fluctuation during constant current measurement at each current density. Voltage fluctuations can be an indicator of water flooding as they reflect the dynamic process of accumulation and removal of liquid water. The polarization curve at 100% RH showed a larger error bar than the polarization curve at 50% RH, and more marked water overflow at high RH conditions. 3B and 3C confirmed that the voltage fluctuation at a fixed current density is decreased in the order of FCL>PA-PCL> PE-PCL, so that the in-plane channel can effectively mitigate water overflow.

FCL 및 PA-PCL 사이의 비교는 관통면 효과를 보여준다. 100% RH에서 물질 전달은 관통면 효과에 의해 촉진될 수 있음이 분명합니다. 대조적으로, 50% RH에서, 관통면 효과는 분명하지 않다. 이러한 결과는 채널 구조에 의해 CL로부터 수분 제거가 촉진될 수 있음을 시사한다. PCL의 확장된 외부 표면적으로 인해, CL에서 벌크 기체상으로 물의 증발이 촉진될 수 있다. 채널 및 리브 영역을 연결하는 채널을 통한 물질 전달인 면내 효과는 PA-PCL과 PE-PCL의 비교를 통해 입증하였다. PE-PCL은 RH 조건에 관계없이, 면내 효과의 존재를 확인하는 PA-PCL보다 높은 출력 성능을 보였다. 50% RH에서의 전지 전압의 큰 차이는 채널 영역에서 리브 영역으로의 기체 전달이 높은 전류 밀도에서 리브 영역 아래 CL 세그먼트의 보다 높은 이용을 유도할 수 있다는 것을 나타낸다. 100% RH에서, 면내 효과가 더 두드러졌으며; 수직적 구성을 갖는 출력 성능 향상 및 오차 막대 크기의 감소는 보다 높은 RH에서 더 중요하게 되었다. 이는 채널 및 리브 영역을 가로 지르는 면내 채널이 전체 기체와 물 전달을 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다. The comparison between FCL and PA-PCL shows the through face effect. It is clear that at 100% RH mass transfer can be facilitated by the through-surface effect. In contrast, at 50% RH, the penetration surface effect is not clear. These results suggest that moisture removal from CL can be promoted by the channel structure. Due to the extended external surface area of PCL, the evaporation of water from CL to the bulk gas phase can be promoted. The in-plane effect of mass transfer through the channel connecting the channel and the rib region was verified by comparison of PA-PCL and PE-PCL. PE-PCL showed higher output performance than PA-PCL confirming the presence of in-plane effect, regardless of RH conditions. The large difference in cell voltage at 50% RH indicates that gas transfer from the channel region to the rib region can lead to higher utilization of CL segments below the rib region at high current densities. At 100% RH, the in-plane effect was more pronounced; Improved output performance with a vertical configuration and reduction in error bar size became more important at higher RHs. This means that the in-plane channel across the channel and rib region can improve the overall gas and water transfer.

면내 및 관통면 효과를 추가로 확인하기 위하여, 물질 전달 분극의 지표인 산소 게인은 산소 피드 전지 전압로부터 공기 피드 전지 전압을 빼서 얻어졌다. 도 3d 및 3e는 각각 50% 및 100% RH에서 FCL, PA-PCL 및 PE-PCL의 산소 게인을 비교한 것이다. 산소 게인은 물질 전달 분극의 증가로 인해 전류 밀도가 기하급수적으로 증가하였다. 50% RH에서 PE-PCL의 산소 게인은 조사된 모든 전류 밀도에서 FCL 및 PA-PCL의 산소 게인보다 높았다. 또한, FCL과 PA-PCL은 산소 게인에 어떠한 차이도 보이지 않았다. 반면에, 100% RH에서 산소 게인은 FCL > PA-PCL > PE-PCL 순으로 감소하였다. 이러한 결과는 면내 효과가 기체와 물의 전달에 모두 기여한다는 것을 다시한번 확인할 수 있었고, 관통면 효과는 주로 물 전달에 기여하고 이는 iV 분극 분석 결과와 매우 일치하는 것을 알 수 있다. iV 분극 측정 후 전지를 분해하고, 전지 압축 하에서 면내 채널 구조를 보존하기 위하여, PCL의 구조를 SEM으로 조사하였다. 전지 작동 후 PCL의 단면 SEM 이미지는 면내 채널 구조가 보존되었음을 나타내었다(도 8).To further confirm the in-plane and through-plane effects, oxygen gain, an indicator of mass transfer polarization, was obtained by subtracting the air feed cell voltage from the oxygen feed cell voltage. 3D and 3E compare the oxygen gains of FCL, PA-PCL and PE-PCL at 50% and 100% RH, respectively. Oxygen gain increases the current density exponentially due to the increase in mass transfer polarization. At 50% RH, the oxygen gain of PE-PCL was higher than that of FCL and PA-PCL at all current densities investigated. In addition, FCL and PA-PCL did not show any difference in oxygen gain. On the other hand, oxygen gain at 100% RH decreased in the order of FCL> PA-PCL> PE-PCL. These results were confirmed once again that the in-plane effect contributes to both gas and water transfer, and the through-plane effect mainly contributes to water transfer, which is very consistent with the iV polarization analysis result. After iV polarization measurement, the cell was disassembled and the structure of PCL was investigated by SEM to preserve the in-plane channel structure under cell compression. Cross-sectional SEM images of the PCL after cell operation showed that the in-plane channel structure was preserved (Figure 8).

채널 CL 구조의 입증된 면내 효과 및 관통면 효과의 메커니즘을 이해하기 위하여, 제한 전류법으로 FCL, PA-PCL 및 PE-PCL의 분자 확산 및 크누센(Knudsen) 확산 저항을 분석하였다. MEA의 전체 기체 전달 저항(rTotal)은 일반적으로 세 가지 첨가제 기여를 포함한다: GDL에서의 거대 공극을 통한 O2 전달로부터의 분자 확산 저항(rMD); GDL과 CL의 미세다공성층에서의 O2 전달로부터의 메조기공을 통한 크누센 확산 저항(rKD); 및 O2 전달로부터의 촉매 표면을 덮는 이오노머 박막을 통한 막 확산 저항(rfilm). rMD와 rKD 및 rfilm의 합계(rothers)는 N2 및 He 밸런스 기체로 두 개의 희석된 O2 피드와 제한 전류법으로 정량화할 수 있다. FCL과 PCL의 미세구조는 임피던스와 CV 분석에서 나타난 것과 매우 유사하기 때문에, rfilm은 CL에 대해 동일하고 rothers의 차이는 rKD의 차이에 기인한다고 가정 할 수 있다.To understand the mechanisms of the proven in-plane and through-plane effects of the channel CL structure, molecular diffusion and Knudsen diffusion resistance of FCL, PA-PCL and PE-PCL were analyzed by limiting current method. The total gas delivery resistance (r Total ) of MEA generally includes three additive contributions: molecular diffusion resistance (r MD ) from O 2 delivery through large pores in GDL; Knucene diffusion resistance (r KD ) through mesopores from O 2 transfer in microporous layers of GDL and CL; And film diffusion resistance (r film ) through the ionomer thin film covering the catalyst surface from O 2 transfer. The sum of r MD and r KD and r film (r others ) can be quantified by two dilute O 2 feeds with N 2 and He balance gas and limiting current method. Since the microstructure of FCL and PCL is very similar to that shown in impedance and CV analysis, it can be assumed that r film is the same for CL and the difference between r others is due to the difference of r KD .

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 각각 rtotal, rMD 및 rothers(rKD+rfilm)를 비교한 것이다. 분석의 신뢰도를 높이기 위하여, 상기 저항은 다양한 온도에서 측정하였다. rtotal 값은 다음 순서로 감소하였으며 이는 iV 분극 및 산소 게인 분석 결과와 일치하였다: FCL > PA-PCL > PE-PCL(도 4a). 흥미로운 점은, rMD를 비교하면 PE-PCL의 rMD가 FCL 및 PA-PCL의 rMD 보다 상당히 작음을 나타내고, 이는 압축된 GDL로 인해 하락한 분자 확산이 면내 기체 전달 채널을 제공함으로써 회복할 수 있음을 나타낸다. 압축된 GDL 하에서 CL 세그먼트로의 분자 확산이 PA-PCL에 대해 향상될 수 없기 때문에, FCL 및 PA-PCL 사이의 rMD에서 무관심이 초래되었다. 반면, PA-PCL 및 PE-PCL의 경우 rothers 값은 서로 매우 유사하고 FCL의 값보다 상당히 작다. 면내 채널 구조 CL은 패턴화된 CL의 상부 표면뿐만 아니라 측벽으로부터의 크누센 확산을 허용하는 것으로 이해될 수 있다. 확장된 확산 표면으로 인해, CL을 통한 효과적인 확산 거리는 방향에 관계없이 PCL 구조에 대해 단축될 수 있다. 따라서, 면내 채널 구조에 의한 입증된 물질 전달 향상은 두 가지이다: 분자 확산과 크누센 확산 모두가 가속화된다. 이중 효과(double effects)는 소량의 Pt가 담지된 연료전지의 설계 가이드를 제공한다. CL의 확장된 외부 표면 및 압축된 영역과 압축되지 않은 영역을 연결하는 면내 채널은 독립적으로 그리고 부가적으로 물질 전달 특성을 향상시킬 수 있다. 이러한 이해를 바탕으로, 본 발명에서는 새로운 고성능 CL 구조물을 보다 합리적으로 설계할 수 있다.4A, 4B and 4C compare r total , r MD and r others (r KD + r film ), respectively. To increase the reliability of the analysis, the resistance was measured at various temperatures. The r total value decreased in the following order, which was consistent with the iV polarization and oxygen gain analysis results: FCL>PA-PCL> PE-PCL (FIG. 4A). Interestingly, as compared to r MD indicates the the PE-PCL r MD considerably smaller than r MD of the FCL and PA-PCL, which can be recovered by providing a molecular diffusion in-plane gas delivery channel down due to the compressed GDL It is present. Indifference in r MD between FCL and PA-PCL resulted because molecular diffusion into the CL segment under compressed GDL could not be enhanced for PA-PCL. On the other hand, in the case of PA-PCL and PE-PCL, the r others values are very similar to each other and significantly smaller than the values of FCL. It can be understood that the in-plane channel structure CL allows for Knudsen diffusion from the top surface of the patterned CL as well as from the sidewalls. Due to the extended diffusion surface, the effective diffusion distance through CL can be shortened for the PCL structure regardless of direction. Thus, there are two proven mass transfer enhancements by the in-plane channel structure: both molecular diffusion and knucene diffusion are accelerated. The double effects provide a design guide for fuel cells carrying a small amount of Pt. The extended outer surface of CL and the in-plane channel connecting the compressed and uncompressed regions can independently and additionally enhance the mass transfer properties. Based on this understanding, in the present invention, a new high-performance CL structure can be more rationally designed.

본 발명은 직접 촉매층 패터닝 방법을 개발하고 면내 채널 구조화된 촉매층을 발명하였다. 촉매층 코팅을 위한 패턴화된 기판의 표면 처리를 사용함으로써 높은 구조적 정확도를 갖는 패턴화된 촉매층을 제조하였다. 유동 필드 방향에 대해 상이한 면내 채널 방향을 갖는 편평한 촉매층 및 2개의 패턴화된 촉매층을 비교하면, 유동 채널 하부의 촉매층 및 리브 하부의 촉매층 부분을 연결하는 촉매층 내 면내 채널은 리브 하부의 촉매층에 용이한 기체 및 물 전달을 제공할 수 있다는 것을 나타내었다. 산소 전달 저항 분석은 면내 채널이 촉매층에서 분자 및 크누센(Kunudsen) 확산을 향상시키는 것을 나타내었다. 이러한 결과는 직접 촉매층 패터닝 전략이 구조적 정확도가 높은 향상된 촉매층 구조를 달성하기 위한 효과적인 플랫폼이 될 수 있다는 것을 입증하였다. The present invention developed a direct catalyst layer patterning method and invented an in-plane channel structured catalyst layer. By using the surface treatment of the patterned substrate for coating the catalyst layer, a patterned catalyst layer with high structural accuracy was prepared. Comparing the flat catalyst layer and the two patterned catalyst layers having different in-plane channel directions for the flow field direction, the in-plane channel in the catalyst layer connecting the catalyst layer portion under the flow channel and the catalyst layer portion under the rib facilitates the catalyst layer under the rib. It has been shown that it can provide gas and water transfer. Oxygen transfer resistance analysis showed that the in-plane channel enhances molecular and Kunudsen diffusion in the catalyst layer. These results demonstrated that the direct catalyst layer patterning strategy can be an effective platform for achieving an improved catalyst layer structure with high structural accuracy.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. Since the specific parts of the present invention have been described in detail above, it will be apparent to those of ordinary skill in the art that this specific technique is only a preferred embodiment, whereby the scope of the present invention is not limited. will be. Therefore, the substantial scope of the present invention will be defined by the claims and their equivalents.

Claims (16)

고분자 전해질막;
상기 고분자 전해질막의 일면에 접촉하여 배치되는 촉매층; 및
상기 고분자 전해질막의 이면에 접촉하여 배치되고, 면내(in-plane) 유동 채널 구조를 가지며, 0.01 내지 5 mg/cm2의 귀금속 촉매가 담지된 패턴화된 촉매층을 포함하고,
상기 패턴화된 촉매층의 채널방향은 유동 필드의 방향과 서로 수직 또는 수평인 것을 특징으로 하며,
상기 면내(in-plane) 유동 채널 구조는 전해질막에 접하는 면과 반대쪽의 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리.
Polymer electrolyte membrane;
A catalyst layer disposed in contact with one surface of the polymer electrolyte membrane; And
It is disposed in contact with the back surface of the polymer electrolyte membrane, has an in-plane flow channel structure, and includes a patterned catalyst layer carrying a noble metal catalyst of 0.01 to 5 mg / cm 2 ,
The channel direction of the patterned catalyst layer is characterized in that the direction of the flow field is perpendicular or horizontal to each other,
The in-plane flow channel structure is a membrane electrode assembly for a fuel cell, characterized in that formed on the surface opposite to the surface contacting the electrolyte membrane.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 귀금속 촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 백금 합금 및 팔라듐 합금으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리.
The membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the noble metal catalyst is at least one selected from the group consisting of platinum (Pt), palladium (Pd), platinum alloy, and palladium alloy.
제1항에 있어서, 상기 패턴화된 촉매층의 채널 중 일부 혹은 전체가 바이폴라 플레이트의 랜드 부위를 가로지르는 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리.
The membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein some or all of the channels of the patterned catalyst layer are formed in a direction crossing the land portion of the bipolar plate.
제1항에 있어서, 상기 패턴화된 촉매층은 패턴화된 기판 위에 촉매층을 코팅하고 패턴화된 촉매층을 막에 전사하여 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리.
The membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the patterned catalyst layer is prepared by coating a catalyst layer on a patterned substrate and transferring the patterned catalyst layer to a membrane.
제1항에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 일면에 접촉하여 배치되는 촉매층은 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리.
The membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst layer disposed in contact with one surface of the polymer electrolyte membrane is a patterned catalyst layer having an in-plane channel structure.
(a) 패턴화된 제1기판을 제조하는 단계;
(b) 상기 제조된 제1기판을 플라즈마 처리하는 단계;
(c) 상기 플라즈마 처리된 제1기판에 소수성 화학물질을 증착시키는 단계;
(d) 상기 증착된 제1기판에 촉매층 잉크를 분무하여 제1기판 상에 촉매층을 형성시키는 단계;
(e) 상기 제1기판 상에 형성된 촉매층의 일면에 고분자 전해질막을 적층시키는 단계;
(f) 제2기판 상에 촉매층을 형성시키는 단계;
(g) 상기 적층된 고분자 전해질막의 일면에 상기 제2기판 상에 형성된 촉매층을 적층시키는 단계;
(h) 상기 제1기판 상에 형성된 촉매층, 고분자 전해질막 및 제2기판 상에 형성된 촉매층을 데칼 전사하는 단계; 및
(i) 상기 제1기판 및 제2기판을 제거하는 단계
를 포함하는 제1항의 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
(a) preparing a patterned first substrate;
(b) plasma treating the manufactured first substrate;
(c) depositing a hydrophobic chemical on the plasma-treated first substrate;
(d) spraying a catalyst layer ink on the deposited first substrate to form a catalyst layer on the first substrate;
(e) laminating a polymer electrolyte membrane on one surface of the catalyst layer formed on the first substrate;
(f) forming a catalyst layer on the second substrate;
(g) laminating a catalyst layer formed on the second substrate on one surface of the laminated polymer electrolyte membrane;
(h) decal transfer of the catalyst layer formed on the first substrate, the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer formed on the second substrate; And
(i) removing the first and second substrates
A method of manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 1 comprising a.
제7항에 있어서, 상기 제1기판은 PUA(poly(urethane acrylate)) 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
The method of manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 7, wherein the first substrate is PU (polyurethane acrylate) (PUA) or polydimethylsiloxane (PDMS).
제7항에 있어서, 상기 패턴화된 제1기판은 경화성 용액을 PET 필름 상에 스핀코팅하고, 캐스트 상에 패턴화된 실리콘 마스터 몰드를 넣은 다음 경화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
8. The method of claim 7, wherein the patterned first substrate is spin-coated a curable solution on a PET film, put a patterned silicon master mold on a cast, and then harden the membrane electrode assembly for a fuel cell. Way.
제9항에 있어서, 상기 실리콘 마스터 몰드는 PDMS(polydimethylsiloxane), PUA(polyurethane acrylate) 또는 polysilicon wafer인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
The method of claim 9, wherein the silicon master mold is a polydimethylsiloxane (PDMS), a polyurethane acrylate (PUA), or a polysilicon wafer.
제7항에 있어서, 상기 플라즈마 처리는 산소(O2) 플라즈마 처리인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
The method of claim 7, wherein the plasma treatment is oxygen (O 2 ) plasma treatment.
제7항에 있어서, 상기 소수성 화학물질은 C8H4F13SiCl3 또는 플루오로카본(fluoro carbon) 화합물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
The method of claim 7, wherein the hydrophobic chemical is C 8 H 4 F 13 SiCl 3 or a fluoro carbon compound.
제7항에 있어서, 상기 촉매층 잉크는 Pt/C 촉매 및 나피온 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
The method of claim 7, wherein the catalyst layer ink comprises a Pt / C catalyst and a Nafion solution.
제7항에 있어서, 상기 제1기판 상에 촉매층을 형성시킨 다음, 130℃에서 4 시간 동안 어닐링하여 잔류 용매를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
The method of claim 7, further comprising the step of forming a catalyst layer on the first substrate, and then annealing at 130 ° C. for 4 hours to remove residual solvent.
제7항에 있어서, 상기 제2기판은 PI(polyimide), PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate) 또는 FEP(fluorinated ethylene propylene)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
The method of manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to claim 7, wherein the second substrate is polyimide (PI), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN) or fluorinated ethylene propylene (FEP).
제1항 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 막 전극 어셈블리; 및 세퍼레이터(separator) 또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)를 포함하는 연료전지.The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 and 3 to 6; And a separator or a bipolar plate.
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