KR100553827B1 - Membrane electrode assembly for fuel cell and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양극, 음극 및 전해질 막을 포함하는 전극-막 접합체에 있어서, 촉매분말이 정전기적 인력에 의해 전해질 막 또는 전극 지지체에 전사된 전극-막 접합체(membrane electrode assembly)를 제공한다. 또한, 본 발명은 촉매분말을 제공하는 제1단계; 촉매 분말에 정전기적 전하를 띄게 하는 제2 단계; 정전기적 인력을 이용하여 상기 촉매 분말을 전해질 막 또는 전극 지지체에 전사시켜 촉매 층을 형성시키는 제3단계; 및 전사된 촉매 층을 열과 압력으로 고정하는 제4단계를 포함하는 전극-막 접합체의 제조방법을 제공한다. The present invention provides an electrode-membrane assembly comprising an anode, a cathode, and an electrolyte membrane, wherein the catalyst powder is transferred to an electrolyte membrane or an electrode support by electrostatic attraction. In addition, the present invention comprises a first step of providing a catalyst powder; A second step of causing an electrostatic charge on the catalyst powder; A third step of transferring the catalyst powder to an electrolyte membrane or an electrode support by using electrostatic attraction to form a catalyst layer; And it provides a method for producing an electrode-membrane assembly comprising a fourth step of fixing the transferred catalyst layer with heat and pressure.
본 발명은 MEA 제조 시 촉매층의 균일성 및 공정성을 향상시킬 수 있다. The present invention can improve the uniformity and processability of the catalyst layer in the production of MEA.
Description
도 1은 본 발명에 따라 정전기적 인력을 이용한 촉매층 전사 방식에 의해 전극-막 접합체를 제조하는 공정의 개략도이다. 1 is a schematic diagram of a process for producing an electrode-membrane assembly by a catalyst layer transfer method using electrostatic attraction according to the present invention.
1. 촉매 분말 시료 공급부1. Catalyst powder sample supply unit
2. 닥터브레이드(Doctor blade) 2. Doctor blade
3. 드럼(Developing roller)3. Drumming roller
4. 유기 광-전도성 드럼 (Organic Photo-conducting drum, OPD)4. Organic Photo-conducting drum (OPD)
5. 코팅층 고정부5. Coating layer fixing part
6. 프로톤 전도성 막 이송부6. Proton Conductive Membrane Transfer
7. 프로톤 전도성 막 이송부7. Proton Conductive Membrane Transfer
8. 프로톤 전도성 막 지지체8. Proton Conductive Membrane Support
9. 프로톤 전도성 막9. Proton conductive membrane
10. 대전부(corona charging unit)10. corona charging unit
11. 폐 시료 수거부(cleaning unit)11. Waste sample cleaning unit
12. 레이저 발생부12. Laser generator
도 2는 종래 전극-막 접합체(MEA) 제조 방법을 나타낸 공정 흐름도이다.2 is a process flow diagram illustrating a method of manufacturing a conventional electrode-membrane assembly (MEA).
도 3(a)는 촉매 분말(입자) 표면에 프로톤 전도성 바인더를 코팅한 분말의 외형을 나타낸 사진이고 (b)는 바인더의 분포를 알아보기 위해 바인더 구조 속에 포함되어있는 불소(F) 원소 맵핑(mapping)을 수행한 결과를 나타내는 사진이다.Figure 3 (a) is a photograph showing the appearance of the powder coated with a proton conductive binder on the catalyst powder (particle) surface (b) is a fluorine (F) element mapping (b) contained in the binder structure to determine the distribution of the binder ( The photo shows the result of the mapping).
본 발명은 고체 고분자 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC) 및 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)의 부품인 전극-막 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA) 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrode-membrane assembly (MEA), which is a part of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct methanol fuel cell (DMFC), and a method of manufacturing the same. .
연료전지는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 이용하여 전기를 얻는 발전 장치이다. 작동 원리에 대해 설명하면 기본적으로 수소와 산소는 연료전지의 음극 및 양극의 서로 다른 장소에서 반쪽반응하여 전류를 생성시키며 반응 종들이 최종적으로 물이 되는 경로를 거친다. 연료전지의 구조는 음극 (연료극), 양극 (산소극), 그리고 전해질로 구성되어 있고 수소가 음극으로 공급되어 산화되며 전자를 방출하고 이 전자들이 외부회로를 통하여 양극쪽으로 이동, 양극에서의 산소 환원반응을 위해 쓰이며, 이때 전해질 층을 통하여 양극쪽으로 이동한 프로톤(proton)과 양극에 공급된 산소이온이 결합하여 물이 생성된다. 물 이외에 부수적으로 열도 발생하게 되는데 발전시 반응열까지 회수하면 총효율 80% 이상의 고효율 발전이 가능하며, 연소 과정이 없어서 공해 물질의 배출이 아주 적은 장점을 가지고 있다. A fuel cell is a power generation device that obtains electricity by using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. In terms of the principle of operation, hydrogen and oxygen basically react in half at different locations of the cathode and anode of the fuel cell to generate a current, and the reactive species finally go through water. The structure of a fuel cell is composed of a cathode (fuel electrode), an anode (oxygen electrode), and an electrolyte, and hydrogen is supplied to the cathode, oxidized, and releases electrons, and these electrons move to the anode through an external circuit to reduce oxygen at the anode. Used for the reaction, water is produced by combining protons moved to the anode through the electrolyte layer and oxygen ions supplied to the anode. In addition to water, heat is also generated incidentally. If heat is recovered during power generation, high efficiency power generation of 80% or more is possible, and there is no emission of pollutants because there is no combustion process.
이러한 연료전지 구성 부품 중 전극-막 접합체 (MEA)는 수소와 산소의 전기 화학적 반응이 일어나는 장소로써 양극과 음극 그리고 전해질 막, 예컨대 양이온 전도성 막(예, 프로톤 전도성 막) 또는 산화물 이온 전도성 막으로 구성되어 있다. 음극에서는 수소의 산화 반응에 의해 전자가 생성되고 양극에서는 산소의 환원반응이 일어나는데, MEA는 이러한 음극과 양극의 전극 촉매층이 전도성 막에 코팅되어 있는 형태를 이루고, 전극 촉매층을 이루고 있는 물질은 Pt(백금) 이나 Pt-Ru(백금-루테늄) 등의 촉매 물질이 카본 담체에 담지되어 있는 형태이다.Among these fuel cell components, the electrode-membrane assembly (MEA) is a place where an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs, and is composed of an anode, a cathode, and an electrolyte membrane such as a cationic conductive membrane (eg, a proton conductive membrane) or an oxide ion conductive membrane. It is. Electrons are generated by the oxidation reaction of hydrogen at the cathode and oxygen is reduced at the anode. MEA is formed by coating an electrode catalyst layer of the cathode and the anode on a conductive film, and the material of the electrode catalyst layer is Pt ( A catalyst substance such as platinum) or Pt-Ru (platinum-ruthenium) is supported on a carbon carrier.
MEA를 제조하는 기존의 방법은 촉매 물질과 프로톤 전도성 바인더(binder) 물질, 그리고 물 또는 알코올 계열의 용매(solvent)를 혼합하여 반죽(paste)을 제조하고 이를 전극 지지체인 카본천(carbon cloth)이나 카본 페이퍼(carbon paper)에 코팅한 다음 건조하고 프로톤 전도성 전해질 막에 열융착하여 전이시키는 방법이 있다. 이 방법은 일종의 간접 코팅법에 해당하는 것으로 자세한 과정은 도 2에 나타나 있다. Conventional methods of manufacturing MEAs include a catalyst material, a proton conductive binder material, and a water or alcohol-based solvent to prepare a paste, which is a carbon cloth or an electrode support. There is a method of coating on carbon paper, then drying and thermally fusion to proton conductive electrolyte membrane. This method corresponds to a kind of indirect coating method, the detailed process is shown in FIG.
그러나, 이 방법은 다공질의 카본 천이나 카본 페이퍼에 촉매물질이 코팅될 때 표면에 균일한 두께로 분포되지 않고 기공 속으로 침투해 들어가기 때문에 실재로 MEA 운전 시 촉매의 이용율을 감소시켜 성능이 저하된다는 것이 가장 큰 단점이다. 또한 이미 형성된 전극 층을 다시 프로톤 전도성 막에 이차적으로 코팅해야 하기 때문에 공정이 복잡해질 수 있고, 전해질 물질과 촉매층의 계면 형성이 불연속적인 계면을 형성한다는 것도 단점으로 들 수 있다. However, when this method is coated with a porous carbon cloth or carbon paper, the catalyst material does not have a uniform thickness on the surface and penetrates into the pores, which actually decreases the utilization rate of the catalyst during MEA operation. It is the biggest disadvantage. In addition, the process may be complicated because the electrode layer that has already been formed needs to be secondarily coated on the proton conductive film, and the interface formation between the electrolyte material and the catalyst layer may form a discontinuous interface.
상기 제조 방법 이외에도 기존에 행해지는 방법으로는 촉매물질과 프로톤 전도성 바인더물질, 그리고 물 또는 알코올계 용매를 혼합하여 전극 반죽(paste)을 만들고 이를 프로톤 전도성 전해질 막의 표면에 스크린 프린팅법 등을 이용하여 직접 전사 코팅하는 방식이 있다. 그러나 이 방법은 전해질 막에 물이나 알코올 계의 용매가 닿으면 부피가 전방향으로 팽창하는 스웰링(swelling) 현상이 발생하여 균일한 표면 코팅층을 얻기 어려운 단점이 있을 뿐 아니라 촉매 물질의 손실이 많고 용액의 점도를 조절하기 어려우므로 대면적 양산 공정에는 적합하지 않은 단점을 가지고 있다.In addition to the above-described manufacturing method, a conventional method is performed by mixing a catalyst material, a proton conductive binder material, and water or an alcohol solvent to make an electrode paste, and directly using a screen printing method on the surface of the proton conductive electrolyte membrane. There is a transfer coating method. However, this method has a disadvantage in that it is difficult to obtain a uniform surface coating layer due to the swelling phenomenon in which the volume expands in all directions when water or an alcohol solvent is brought into contact with the electrolyte membrane. Since it is difficult to control the viscosity of the solution, it has a disadvantage that is not suitable for large-area mass production process.
본 발명의 목적은 상기 기존 방법의 단점을 보완하고 고체 고분자 연료전지(PEMFC) 및 직접메탄올 연료전지(DMFC)의 전극-막 접합체(MEA) 제조시 코팅되는 촉매층의 균일도를 향상시키고 MEA의 생산 능률 및 성능을 개선하기 위한 것이다. The object of the present invention is to compensate for the disadvantages of the existing method and to improve the uniformity of the catalyst layer coated during the production of the electrode-membrane assembly (MEA) of solid polymer fuel cell (PEMFC) and direct methanol fuel cell (DMFC) and to improve the production efficiency of MEA. And to improve performance.
또한, 본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해 MEA 제조 시 일종의 건식 코팅 공정의 하나인 레이저 전사 방식을 채택하였다. 이 방법은 레이저 프린터에 일반적으로 사용되는 방법을 모사한 것으로 용매를 사용하지 않고 정전기력을 이용하여 프로톤 전도성 바인더가 코팅된 촉매 물질을 전해질 막에 건조한 상태로 전사하고 고정하여 박막의 균일한 촉매 코팅층을 얻을 수 있었으며, 본 발명은 상기 실험결과에 기초하여 완성된 것이다.In addition, the present inventors adopted a laser transfer method, which is a kind of dry coating process in the MEA manufacturing to achieve the above object. This method simulates a method commonly used in laser printers. It transfers and fixes a catalyst material coated with a proton conductive binder to an electrolyte membrane in a dry state using an electrostatic force without using a solvent to form a uniform catalyst coating layer of a thin film. The present invention was completed based on the above experimental results.
본 발명은 양극, 음극 및 전해질 막을 포함하는 전극-막 접합체에 있어서, 촉매분말이 정전기적 인력에 의해 전해질 막 또는 전극 지지체에 전사된 전극-막 접합체(membrane electrode assembly)를 제공한다.The present invention provides an electrode-membrane assembly comprising an anode, a cathode, and an electrolyte membrane, wherein the catalyst powder is transferred to an electrolyte membrane or an electrode support by electrostatic attraction.
또한, 본 발명은 In addition, the present invention
촉매분말을 제공하는 제1단계;Providing a catalyst powder;
촉매분말에 정전기적 전하를 띄게 하는 제2 단계;A second step of causing an electrostatic charge on the catalyst powder;
정전기적 인력을 이용하여 상기 촉매 분말을 전해질 막 또는 전극 지지체에 전사시켜 촉매층을 형성시키는 제3단계; 및 A third step of transferring the catalyst powder to an electrolyte membrane or an electrode support by using electrostatic attraction to form a catalyst layer; And
전사된 촉매층을 열과 압력으로 고정하는 제4단계4th step of fixing the transferred catalyst layer by heat and pressure
를 포함하는 전극-막 접합체의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing an electrode-film assembly comprising a.
이하 본 발명에 대해 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
1. 제1 단계: 촉매 분말을 제공하는 단계1. First step: providing catalyst powder
촉매로 사용가능한 물질은 백금 블랙(Pt black), 백금-루테늄 블랙(Pt-Ru Black), 또는 백금 담지 카본 촉매(Platinized carbon, Pt/C), 백금 루테늄 담지 카본 촉매, 백금-몰리부덴 블랙 (Pt-Mo), 백금-몰리부덴 (Pt-Mo) 담지 카본 촉매, 백금-로듐(Pt-Rh) 블랙, 백금-로듐 담지 카본 촉매, 그 외에 백금을 기본 물질로 한 합금 촉매를 포함하며, 특히 담지 촉매의 경우 담지 촉매 전체 중량 중 촉매의 함유량은 1~80 중량%가 바람직하다.Materials that can be used as catalysts include platinum black (Pt black), platinum-ruthenium black (Pt-Ru Black), or platinum-supported carbon catalysts (Pt / C), platinum-ruthenium-supported carbon catalysts, platinum-molybdenum black ( Pt-Mo), platinum-molybdenum (Pt-Mo) supported carbon catalyst, platinum-rhodium (Pt-Rh) black, platinum-rhodium-supported carbon catalyst, and other alloy catalysts based on platinum, in particular In the case of the supported catalyst, the content of the catalyst in the total weight of the supported catalyst is preferably 1 to 80% by weight.
사용 가능한 담지체의 종류는 Vucan XC-72R, Vulcan XC-72, 아세틸렌블랙, 캐이존 블랙(Kejon black), 블랙펄(black Pearl) 등을 포함한 일반적인 카본 블랙 계열의 담지체를 모두 포함하며, 백금 산화물, 루테늄 산화물 등을 포함한 전도성 복합 산화물을 포함한다. The types of carriers that can be used include all common carbon black-based carriers including Vucan XC-72R, Vulcan XC-72, acetylene black, Kejon black, black pearl, etc. And conductive composite oxides including ruthenium oxide and the like.
촉매 물질은 건식 코팅 공정에 사용하기 위해서 분말로 사용되는 것이 바람 직하다.The catalytic material is preferably used as a powder for use in dry coating processes.
상기 촉매분말은 촉매입자와 프로톤 전도성 폴리머 바인더가 혼합되어 있거나 촉매입자 표면 일부 또는 전부에 프로톤 전도성 폴리머 바인더가 코팅되어 있는 것이 바람직하다.The catalyst powder is preferably a mixture of catalyst particles and a proton conductive polymer binder, or coated with a proton conductive polymer binder on part or all of the surface of the catalyst particles.
촉매물질이 연료전지의 전극물질로 사용되려면 촉매 반응에 의해 형성된 프로톤이 원활이 이동할 수 있는 통로가 필요하다. 따라서, 나피온(Nafion, Dupont 사)과 같이 프로톤 전도성을 가진 폴리머 바인더를 사용하여, 촉매 물질 분말 간을 접착해주는 역할과 함께 프로톤이 이동할 수 있는 통로의 역할도 동시에 할 수 있도록, 촉매 분말 표면을 코팅하는 것이 바람직하다.In order for the catalytic material to be used as an electrode material of the fuel cell, a passage through which the proton formed by the catalytic reaction can be smoothly moved is required. Therefore, by using a polymer binder with proton conductivity, such as Nafion (Dafont), the catalyst powder surface can be simultaneously bonded to the catalyst material powder and to serve as a path through which the proton can move. It is preferable to coat.
상기 촉매 물질과 프로톤 전도성 폴리머 바인더는 전극-막 접합체(MEA)에서 전극 촉매층을 형성한다.The catalyst material and the proton conductive polymer binder form an electrode catalyst layer in the electrode-membrane assembly (MEA).
또한, 본 발명은 정전기적 인력을 이용하여 건식으로 코팅하는 방법에 관한 것이기 때문에 촉매입자에 코팅된 바인더는 표면에 정전기적 전하(charge)를 띄게 하는 역할도 수행할 수 있다.In addition, since the present invention relates to a dry coating method using an electrostatic attraction, the binder coated on the catalyst particles may also play a role of causing an electrostatic charge on the surface.
바인더로 사용될 수 있는 물질은 Nafion [PFSA (perfluorosulfonic acid)/PTFE copolymer]을 비롯한 프로톤 전도성 폴리머 물질을 모두 포함하고, 그 외에 PTFE(Polytetrafluorethylene), PVDF (poly vinylidenefluoride), PEEK (Poly etheretherketone), PMMA (poly methylmethacrylate) 등의 폴리머 물질 및 이에 프로톤 전도성을 부가시킨 유도체들를 포함한다. 상기 바인더들은 모두 정전기적 전하를 띌 수 있다.Materials that can be used as binders include all proton conductive polymer materials, including Nafion [perfluorosulfonic acid (PFSA) / PTFE copolymer], in addition to PTFE (Polytetrafluorethylene), PVDF (poly vinylidenefluoride), PEEK (Poly etheretherketone), polymers such as poly methylmethacrylate) and derivatives having proton conductivity added thereto. The binders can all carry an electrostatic charge.
촉매 물질 분말과 프로톤 전도성 폴리머 바인더가 결합되어 있는 분말 중 바인더의 함량은 촉매 중량 대비 1~80 중량%가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 반응 표면적이 최대로 되는 촉매 분말과 바인더의 비율은 15~30 중량% 이다.The content of the binder in the powder in which the catalyst material powder and the proton conductive polymer binder are combined is preferably 1 to 80% by weight based on the weight of the catalyst. More preferably, the ratio of the catalyst powder and the binder to the maximum reaction surface area is 15 to 30% by weight.
촉매분말 또는 바인더가 결합되어 있는 촉매분말의 입도는 1~20 ㎛ 인 것이 바람직하다. 분말의 입도가 작을수록 반응 표면적이 커지므로 촉매 반응이 활발히 일어난다.The particle size of the catalyst powder to which the catalyst powder or binder is bound is preferably 1 to 20 µm. The smaller the particle size of the powder is, the larger the reaction surface area is, so that the catalytic reaction takes place actively.
도 3에는 Nafion 바인더를 40wt% Pt/C(백금 담지 카본) 촉매 분말에 코팅하고 FE-SEM을 이용하여 분석한 결과가 나타나 있다. 여기에 사용된 촉매 지지체는 Vulcan XC-72로써 표면적이 약 200m2/g 인 카본 블랙이다. 도 3(a)는 바인더가 코팅된 분말의 외형을 나타낸 사진이고, 도 3(b)는 바인더의 분포를 알아보기 위해 Nafion의 구조 속에 포함되어있는 불소(F) 원소 mapping을 수행한 사진으로 흰색으로 보이는 부분에 불소가 존재함을 의미한다. 촉매분말의 표면을 따라서 흰색이 짙어지는 것으로 표면에 Nafion 바인더가 고르게 코팅되어 있음을 알 수 있다. FIG. 3 shows the results of coating Nafion binder on 40 wt% Pt / C (platinum supported carbon) catalyst powder and analyzing it using FE-SEM. The catalyst support used here is Vulcan XC-72, which is carbon black having a surface area of about 200 m 2 / g. Figure 3 (a) is a photograph showing the appearance of the binder coated powder, Figure 3 (b) is a photograph of the fluorine (F) element mapping included in the structure of Nafion to determine the distribution of the binder white This indicates that fluorine is present in the visible part. As the white color darkens along the surface of the catalyst powder, it can be seen that the Nafion binder is evenly coated on the surface.
공정 중에 촉매분말의 충분한 유동성을 확보하기 위한 매개체로써 실리카(silica) 분말 등을 촉매분말 표면에 코팅할 수 있다. As a medium for securing sufficient fluidity of the catalyst powder during the process, silica powder or the like may be coated on the surface of the catalyst powder.
바인더가 없게 되면 촉매의 반응 효율 및 MEA의 접합강도가 떨어지므로 바인더를 사용하는 것이 바람직하나, 바인더가 코팅되지 않은 촉매 물질만을 사용하여 본 발명의 방법에 따라 MEA를 제조하는 경우도 본 발명의 범주에 속한다.If there is no binder, it is preferable to use a binder because the reaction efficiency of the catalyst and the bonding strength of the MEA are decreased. However, in the case of manufacturing the MEA according to the method of the present invention using only the catalyst material not coated with the binder, the scope of the present invention is Belongs to.
2. 제2 단계: 촉매 분말에 정전기적 전하를 띄게 하는 단계2. Second step: electrostatic charge on the catalyst powder
제1단계에서 제공된 분말에 정전기적 인력을 인가하기 위해 코로나 방전법, 아크 방전법이나 마찰전기 발생법 등을 사용할 수 있다.In order to apply electrostatic attraction to the powder provided in the first step, a corona discharge method, an arc discharge method or a triboelectric generation method may be used.
정전기적 인력에 의해 촉매 분말이 전사되기 위해서는 부가될 수 있는 전하량이 일정 수준 이상의 값이어야 하고 공정 사이클에 의해 전사가 이루어질 동안 전하 값을 유지해야 한다. 이러한 목적을 위해 대전 전하량을 발생, 유지할 수 있는 특별한 물질을 사용할 수 있다.In order for the catalyst powder to be transferred by electrostatic attraction, the amount of charge that can be added must be greater than or equal to a certain level and the charge value must be maintained during the transfer by the process cycle. For this purpose, special materials can be used that can generate and maintain charged charges.
3. 제3단계: 정전기적 인력을 이용하여 촉매 분말을 전해질 막 또는 전극 지지체에 전사시켜 촉매층을 형성시키는 단계3. The third step: transferring the catalyst powder to the electrolyte membrane or the electrode support by using electrostatic attraction to form a catalyst layer
전해질 막, 특히 프로톤 전도성 막의 재료는 상기 프로톤 전도성 바인더와 동일 재료일 수 있다.The material of the electrolyte membrane, in particular the proton conductive membrane, may be the same material as the proton conductive binder.
코로나 방전법, 아크 방전법이나 마찰전기 발생법 등을 사용하여, 전해질 막 또는 전극 지지체(예, 카본 천, 카본 페이퍼)에 촉매 분말과 반대 부호의 전하를 형성시킬 수 있다. By using the corona discharge method, the arc discharge method, the triboelectric generation method, or the like, charges having opposite signs than those of the catalyst powder can be formed on the electrolyte membrane or the electrode support (eg, carbon cloth, carbon paper).
촉매 분말과 전해질 막 또는 전극 지지체의 이면은 각각 반대 부호의 전하를 띄므로, 정전기적 인력에 의해, 촉매 분말이 전해질막 또는 전극 지지체에 전사될 수 있다. 본 발명에 따른 MEA 제조방법은 전극 지지체에 촉매 분말을 적용할 때도 사용할 수 있으며, 이 경우도 본 발명의 범주에 속한다.Since the back surface of the catalyst powder and the electrolyte membrane or the electrode support each have a charge of opposite sign, the catalyst powder can be transferred to the electrolyte membrane or the electrode support by electrostatic attraction. MEA manufacturing method according to the present invention can also be used when applying the catalyst powder to the electrode support, this case also belongs to the scope of the present invention.
또한, 레이저 빛을 감광제가 코팅되어 있는 드럼에 인가하는 방식을 사용하여 전사되는 촉매층에 패턴을 형성할 수 있다. 촉매층을 Pt/C의 농도나 바인더 양 등에 구배를 두어 연료전지 반응에 필요한 물질을 활발하게 이동시키는 등 여러 가 지로 활성화시킬 수 있다.In addition, a pattern may be formed on the catalyst layer to be transferred using a method of applying laser light to a drum coated with a photosensitive agent. The catalyst layer can be activated in various ways, such as by gradually moving the materials required for the fuel cell reaction by giving a gradient to Pt / C concentration or binder amount.
4. 제4단계: 전사된 촉매 층을 열과 압력으로 고정하는 단계4. Fourth step: fixing the transferred catalyst layer by heat and pressure
전사된 코팅층은 고착시키는 것이 바람직하다. 전해질 막과의 계면저항을 줄이고/줄이거나 촉매입자가 떨어지는 것을 방지하기 위함이다.It is preferable to fix the transferred coating layer. This is to reduce the interfacial resistance with the electrolyte membrane and / or to prevent the catalyst particles from falling off.
고착 과정은 열과 압력을 이용한 융착 방법을 사용하며 이때 온도는 섭씨 50~200도이고, 압력은 코팅층 단위 면적 당 10~100kg/cm2 인 것이 바람직하다. 열융착 온도는 전해질 막의 Tg 근방에서 해야 하며 상기 전해질 막 고분자들의 Tg는 상기 온도 범위에 있다. 한편, 전극 지지체의 미세한 pore를 살리면서 접착을 하기위해서는 상기의 압력이 적절하다.Fixing process uses a fusion method using heat and pressure, the temperature is 50 ~ 200 degrees Celsius, the pressure is preferably 10 ~ 100kg / cm 2 per unit area of the coating layer. The heat fusion temperature should be near the Tg of the electrolyte membrane and the Tg of the electrolyte membrane polymers is in the above temperature range. On the other hand, the above pressure is appropriate for the adhesion while making use of the fine pore of the electrode support.
하기에서는 도 1를 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시태양을 설명한다.Hereinafter, with reference to Figure 1 will be described a preferred embodiment of the present invention.
전도성 폴리머 바인더와 촉매분말의 혼합체는 분말공급기(1)에 장입되고 닥터 블레이드(2)와의 마찰에 의해 마찰전기를 띄게 되어 드럼(3)의 표면에 전착된다. 여기서 닥터 브레이드의 극간은 5~50 마이크로미터(㎛) 사이에서 조절되며 이 높이를 일정하게 유지함으로써 드럼(3)에 전착되는 촉매분말의 양을 일정하게 유지한다. 여기서 마찰에 의한 전하량은 동일한 전기적 극성으로 유지되어야 하지만 발생하는 전하량이 너무 미약하거나 극성이 균일하지 못할 경우는 촉매층의 품질에 좋지 않은 영향을 미치게 되므로 드럼(3)에 1,000~10,000 V의 전압을 공급하여 코로나 방전이나 아크 방전 등으로 전하의 극성과 양을 인위적으로 조절할 수 있다. The mixture of the conductive polymer binder and the catalyst powder is charged to the powder feeder 1 and is subjected to triboelectricity by friction with the
대전부(10)는 1,000~10,000 V의 고전압에서 코로나 방전으로 감광체가 코팅 되어 있는 OPD(Organic Photo-conducting drum) (4) 표면에 일정한 부호의 전하층을 형성시킨다. 여기서 감광체란 빛을 받으면 도체가 되고 빛을 받지 못하면 부도체로 남아있는 성질을 가지고 있는 물질이다. 전하가 형성된 드럼 표면이 회전하며 주사 패턴 신호에 따라 레이저 발생부(12)에서 발생하는 레이저를 감광체에 주사하면 빛을 받은 부분은 도체가 되어 전하를 소멸시켜 잠상을 형성시킨다. 이어 드럼(3)과 드럼(4)가 서로 반대 방향으로 회전하며 접촉할 때 잠상이 형성된 부분에 반대부호로 전하를 띈(charging) 촉매 분말의 전사가 이루어지고 이어서 프로톤 전도성 막의 이면을 촉매 분말과 반대 부호의 전하를 형성시켜 정전기적 인력에 의해, 전사된 촉매 분말층을 끌어 당기게 되어 결과적으로 프로톤 전도성 막의 표면에 이동하여 정해진 패턴에 의해 코팅층을 얻게 된다. 형성된 촉매층은 다시 50~200℃로 가열된 고정부(5)를 통과하면서 열과 압력에 의해 융착되어 촉매층이 프로톤 전도성 막에 고정되어 코팅 공정이 마무리된다. 전사되지 않고 OPD에 남아있는 촉매분말은 폐 시료 수거부(11)에서 수거되어 다시 시료로써 활용된다.The charging
일종의 건식 코팅 공정의 하나인 레이저 전사 방식을 이용한 본 발명의 전극-막 접합체(MEA) 제조방법에 의해 코팅되는 촉매층의 균일도를 향상시키고 MEA의 생산 능률 및 성능을 개선할 수 있다.The uniformity of the catalyst layer coated by the electrode-membrane assembly (MEA) manufacturing method of the present invention using a laser transfer method, which is a kind of dry coating process, can be improved, and the production efficiency and performance of the MEA can be improved.
건식코팅 공정을 이용한 본 발명의 방법은, 기존의 습식 코팅공정의 단점인 촉매 잉크의 복잡한 제조과정 및 건조 과정 등을 생략할 수 있으며, 촉매잉크 중의 용매가 양이온 전도막에 흡수되어 막이 늘어나는 현상(swelling)이 일어나지 않으 므로 균일한 코팅을 할 수 있다.
The method of the present invention using a dry coating process can omit the complicated manufacturing process and drying process of the catalyst ink, which is a disadvantage of the conventional wet coating process, and the phenomenon in which the solvent in the catalyst ink is absorbed by the cationic conductive film and the film is stretched ( Since no swelling occurs, uniform coating can be achieved.
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