KR100903612B1 - Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 초극세사로 형성되어, 미세 기공을 갖는 다공성 고분자 지지체 및 상기 다공성 고분자 지지체의 미세 기공 내부에 위치하는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 고분자 전해질 막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함한다.The present invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell system including the same, wherein the membrane-electrode assembly for a fuel cell is formed of microfiber, and has a porous polymer support having fine pores and inside the micropores of the porous polymer support. A polymer electrolyte membrane including a hydrogen ion conductive polymer is positioned, and includes an anode electrode and a cathode electrode located on both sides of the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 고분자 전해질 막은 이온 전도성이 우수하며, 강도가 우수하여 얇은 두께로 형성가능하다.The polymer electrolyte membrane of the fuel cell membrane-electrode assembly of the present invention has excellent ion conductivity and excellent strength and can be formed in a thin thickness.

초극세사,기공,고분자전해질막,연료전지 Microfiber, Pore, Polymer Electrolyte, Fuel Cell

Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same {MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}

도 1은 본 발명의 고분자 전해질 막을 제조하는 공정을 개략적으로 나타낸 도면.1 is a view schematically showing a process for producing a polymer electrolyte membrane of the present invention.

도 2는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.2 schematically illustrates the structure of a fuel cell system of the present invention;

도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 2 및 비교예 1의 고분자 전해질 막의 막저항을 측정하여 나타낸 그래프.Figure 3 is a graph showing the measurement of the film resistance of the polymer electrolyte membrane of Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 of the present invention.

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기계적 강도가 우수한 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 그를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell membrane electrode assembly and a fuel cell system including the same, and more particularly, to a fuel cell membrane electrode assembly having excellent mechanical strength and a fuel cell system including the same.

[종래 기술][Prior art]

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, in particular, it does not require a fuel reformer.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고 분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity comprises several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a structure laminated to several tens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxidation electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane containing hydrogen ion conductive polymer therebetween. Has a structure in which

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고또한 전자가 발생하며, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.The principle of generating electricity in a fuel cell is that fuel is supplied to an anode electrode, which is a fuel electrode, adsorbed to a catalyst of the anode electrode, fuel is ionized by an oxidation reaction, and electrons are generated, and the generated electrons are oxidized according to an external circuit. Reaching the cathode, which is the pole, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while producing water.

본 발명의 목적은 기계적 강도가 개선된 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell with improved mechanical strength.

본 발명의 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하여 고성능을 나타낼 수 있는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of exhibiting high performance, including the membrane-electrode assembly.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 초극세사로 형성되어, 미세 기공을 갖는 다공성 고분자 지지체 및 상기 다공성 고분자 지지체의 미세 기공 내부에 위치하는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 고분자 전해질 막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes a polymer electrolyte membrane formed of ultra-fine yarn, including a porous polymer support having fine pores and a hydrogen ion conductive polymer located inside the fine pores of the porous polymer support, the polymer electrolyte Provided is a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising an anode electrode and a cathode electrode located on both sides of the membrane.

본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.The present invention also includes the membrane-electrode assembly and the separator, and includes at least one electricity generating unit for generating electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, a fuel supply unit supplying fuel to the electricity generating unit, and an oxidant Provided is a fuel cell system including an oxidant supply unit for supplying to a generator.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 기계적 강도가 우수한 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell, and to a membrane-electrode assembly including a polymer electrolyte membrane having excellent mechanical strength.

연료 전지에서 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 이 고분자 전해질 막 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 구성되며, 상기 고분자 전해질 막으로 종래에는 다공성 고분자 필름의 기공에 전도성 고분자가 위치하는 고분자 전해질 막이 적당한 기계적 강도를 나타내므로 주로 사용하였다. In a fuel cell, the membrane-electrode assembly is composed of a polymer electrolyte membrane, an anode electrode and a cathode electrode positioned on both sides of the polymer electrolyte membrane. The polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane in which a conductive polymer is positioned in the pores of a porous polymer film. It is mainly used because it shows moderate mechanical strength.

그러나 최근에는 고분자 전해질 막의 기계적 강도를 보다 향상시키면서, 기공도가 높고, 이온 전도성이 우수하며, 두께가 얇은 고분자 전해질 막에 대한 요구가 점점 증가됨에 따라, 이러한 고분자 전해질 막에 대한 연구가 이루어지고 있다.However, in recent years, as the demand for polymer electrolyte membranes with higher porosity, excellent ion conductivity, and thin thickness while increasing the mechanical strength of polymer electrolyte membranes has been increased, studies on such polymer electrolyte membranes have been made. .

본 발명의 고분자 전해질 막은 이러한 요구를 만족시킬 수 있는 것으로서, 초극세사로 형성되어, 미세 기공을 갖는 다공성 고분자 지지체 및 이 다공성 고분자 지지체의 미세 기공 내부에 위치하는 이온 전도성 고분자를 포함한다.The polymer electrolyte membrane of the present invention can satisfy these requirements, and is formed of ultra-fine yarn, and includes a porous polymer support having micropores and an ion conductive polymer located inside the micropores of the porous polymer support.

상기 다공성 고분자 지지체는 50 내지 90%의 기공도를 갖는 것이 바람직하다. 상기 다공성 고분자 지지체의 기공도가 50% 미만인 경우에는 기공에 채워지는 이온 전도성 고분자의 양이 낮아 제조된 고분자 전해질 막의 이온 전도도가 감소하 는 문제점이 발생하며, 기공도가 90%를 초과하는 경우에는 기계적 강도가 취약한 단점이 있어 바람직하지 않다. The porous polymer support preferably has a porosity of 50 to 90%. If the porosity of the porous polymer support is less than 50%, the amount of ion-conducting polymer filled in the pores is low, resulting in a decrease in the ion conductivity of the prepared polymer electrolyte membrane, and when the porosity exceeds 90% It is not preferable because of the weak mechanical strength.

또한, 상기 다공성 고분자 지지체의 두께는 5 내지 50㎛가 바람직하고, 10 내지 25㎛가 더욱 바람직하다. 다공성 고분자 지지체의 두께가 5㎛ 미만인 경우에는 고분자 지지체의 기계적 강도가 취약하고, 50㎛을 초과하는 경우에는 이온 전도성 고분자를 채운 고분자 전해질 막의 막 저항이 큰 단점이 있어 바람직하지 않다.In addition, the thickness of the porous polymer support is preferably 5 to 50 µm, more preferably 10 to 25 µm. If the thickness of the porous polymer support is less than 5 μm, the mechanical strength of the polymer support is weak, and if it exceeds 50 μm, the membrane resistance of the polymer electrolyte membrane filled with the ion conductive polymer is large, which is not preferable.

상기 초극세사의 직경은 0.01 내지 1㎛가 바람직하다. 초극세사의 직경이 0.01㎛미만인 경우에는 극세사의 기계적 강도가 낮아 이들로 구성된 고분자 지지체의 기계적 강도가 취약한 문제점을 나타내며, 초극세사의 직경이 1㎛을 초과하는 경우에는 결과적으로 이온 전달이 되지 않는 도메인(domain)이 1㎛을 초과하는 것이므로 균일한 수소 이온의 전달이 되지 않는 문제점을 갖는다.The diameter of the ultrafine yarn is preferably 0.01 to 1 μm. If the diameter of the microfiber is less than 0.01 μm, the mechanical strength of the polymer support composed of the microfiber is low because of the low mechanical strength of the microfiber. ) Is more than 1 μm, so that uniform hydrogen ions are not transferred.

상기 다공성 고분자 지지체는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 또는 폴리스티렌계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자로 형성되는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 폴리비닐리덴 플루오라이드, 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리스티렌, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'- bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다.The porous polymer support may be a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, It is preferably formed of at least one hydrogen ion conductive polymer selected from polyether-etherketone-based polymer, polyphenylquinoxaline-based polymer or polystyrene-based polymer. More preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), polyvinylidene fluoride, copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid group, defluorinated sulfide poly Ether ketones, aryl ketones, polystyrene, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole ) Or poly (2,5-benzimidazole) may be used at least one hydrogen ion conductive polymer.

본 발명의 다공성 고분자 지지체는 전하 유도 방사 공정(electrospinning)으로 제조된 것이다. 이 공정에 대하여 첨부된 도 1을 참조하여 보다 자세하게 설명하면, 다공성 지지체 형성 물질의 용액, 현탁액 또는 용융물(melt)(1)을 히터(7) 내부에 위치하며, 스프레이 젯 노즐(sprayed jet nozzle)이 연결된 챔버(chamber, 3)에 넣는다.The porous polymeric support of the present invention is prepared by a charge induced spinning process (electrospinning). Referring to this process in more detail with reference to FIG. 1, a solution, suspension or melt 1 of porous support forming material is placed inside the heater 7 and sprayed jet nozzles. Into this connected chamber (chamber) 3.

상기 다공성 지지체 형성 물질로는 상술한 것과 같이 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다. 또한 상기 다공성 지지체 형성 물질을 용액 또는 현탁액으로 사용할 경우 용매로는 아세톤, 클로로포름, 에탄올, 이소프로판올, 메탄올, 톨루엔, 테트라하이드로퓨란, 물, 벤젠, 벤질알콜, 1,4-디옥산, 프로판올, 카본테트라클로라이드, 사이클로헥산, 사이클로헥사논, 메틸렌 클로라이드, 페놀, 피리딘, 트리클로로에탄, 아세트산, N-메틸피롤리돈, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, N,N-디메틸아세트아미드, 1-메틸-2-피로리돈, 에틸렌 카보네이트, 프로필렌 카보네이트, 디메틸 카보네이트, 아세토니트릴, N-메틸모르폴린-N-옥사이드, 부틸렌 카보네이트, 1,4-부틸로락톤, 디에틸 카보네이트, 디에틸에테르, 1,2-디메톡시에탄, 에틸메틸 카보네이트, 메틸 포르메이트, 3-메틸옥사졸리딘-2-온, 메틸 프로피오네이트, 2-메틸레테트라하이드로퓨란(2-methyletetrahydrofurane) 또는 설포란을 사용할 수 있다.As the porous support forming material, a hydrogen ion conductive polymer may be used as described above. In addition, when the porous support forming material is used as a solution or a suspension, acetone, chloroform, ethanol, isopropanol, methanol, toluene, tetrahydrofuran, water, benzene, benzyl alcohol, 1,4-dioxane, propanol, carbon tetra Chloride, cyclohexane, cyclohexanone, methylene chloride, phenol, pyridine, trichloroethane, acetic acid, N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, N, N-dimethylacetamide, 1 -Methyl-2-pyrrolidone, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, acetonitrile, N-methylmorpholine-N-oxide, butylene carbonate, 1,4-butylarolactone, diethyl carbonate, diethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, ethylmethyl carbonate, methyl formate, 3-methyloxazolidin-2-one, methyl propionate, 2-methyltetrahydrofuran (2-methyletetrah ydrofurane) or sulfolane can be used.

이어서, 상기 용액 또는 용융물에 1 내지 1000kV의 고전압을 걸어주면, 충전 된 고분자 용액이 방출되면서 하나의 젯(jet)이 형성된다. 이는 전기력이 상기 용액 또는 용융물의 표면에서의 표면 장력과 같아지는 점부터 모세관(capillary tube) 끝에 걸려있는 충전된 액적(droplet)이 평형 상태를 이루고, 이보다 전위를 증가시키면, 충전된 액적은 불안정해지면서 충전된 젯이 형성되는 것이다.Subsequently, when a high voltage of 1 to 1000 kV is applied to the solution or the melt, one jet is formed while the charged polymer solution is released. This results in an equilibrium of charged droplets hanging at the end of the capillary tube from the point that the electric force is equal to the surface tension at the surface of the solution or melt, and if the potential is increased, the charged droplets become unstable. As the jet is filled, a charged jet is formed.

또한, 전기력이 표면 장력보다 크기 때문에 충전된 젯은 기지 수집 스크린(grounded collecting screen, 9) 방향으로 방출되며 분산되면서 초극세사를 형성한다.In addition, since the electric force is greater than the surface tension, the filled jet is discharged in the direction of the grounded collecting screen 9 and dispersed to form a microfiber.

상기 초극세 섬유를, 모터(11)가 달린 기지 수집 스크린을 돌리면서, 상기 기지 수집 스크린 위에 놓여진 이형 필름(releasing film) 위에 방사한다. 이어서, 상기 이형 필름을 제거하면 다공성 고분자 지지체가 얻어진다.The ultrafine fibers are spun onto a releasing film placed on the matrix collecting screen while rotating the matrix collection screen with the motor 11. Subsequently, the release film is removed to obtain a porous polymer support.

상기 공정으로 제조된 다공성 고분자 지지체에 이온 전도성 고분자를 채워넣는 공정은 이온 전도성 고분자 용액에 상기 다공성 고분자 지지체를 침지시키거나, 이온 전도성 고분자 용액을 상기 다공성 고분자 지지체 위에 캐스팅(casting)하거나 또는 침지 공정 후, 얻어진 다공성 고분자 지지체 양면에 고분자 용액을 캐스팅하는 방법으로 실시할 수 있다.Filling the ion conductive polymer in the porous polymer support prepared in the process is to immerse the porous polymer support in the ion conductive polymer solution, cast the ion conductive polymer solution on the porous polymer support or after the immersion process And casting the polymer solution on both surfaces of the obtained porous polymer support.

상기 이온 전도성 고분자 용액은 수소 이온 전도성이 우수한 고분자 및 용매를 포함한다. 상기 수소 이온 전도성이 우수한 고분자로는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다.The ion conductive polymer solution includes a polymer having excellent hydrogen ion conductivity and a solvent. The polymer having excellent hydrogen ion conductivity may include a perfluoro polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a poly One or more hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone polymers, polyether-ether ketone polymers or polyphenylquinoxaline polymers may be used, and more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluoro Rocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5 One or more hydrogen ion conductive polymers selected from '-bibenzimidazole (poly (2,2'-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) Can be used.

상기 용매로는 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, 프로판올, 디에틸렌 글리콜, 디프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 또는 글리세롤을 사용할 수 있다.As the solvent, water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, propanol, diethylene glycol, dipropylene glycol, ethylene glycol, propylene glycol or glycerol may be used.

본 발명의 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리에서 애노드 전극 및 캐소드 전극은 촉매층을 포함한다. 이 촉매층의 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매 금속을 사용할 수 있다. In the membrane-electrode assembly including the polymer electrolyte membrane of the present invention, the anode electrode and the cathode electrode include a catalyst layer. The catalyst of this catalyst layer is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, At least one catalytic metal selected from the group consisting of Cu and Zn).

상기 고분자 전해질 막은 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가지는 것으로서, 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. The polymer electrolyte membrane has an ion exchange function for transferring hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode to the catalyst layer of the cathode electrode, and a polymer having excellent hydrogen ion conductivity may be used. Representative examples thereof include a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain.

상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone It may include at least one selected from a polymer, a polyether-etherketone-based polymer or a polyphenylquinoxaline-based polymer, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene with fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole or at least one selected from (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole).

상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천((섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffuses the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. A conductive substrate is used as the electrode substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer composed of metal cloth in a fibrous state). The metal film formed on the surface of the fabric formed of fibers (referred to as metalized polymer fiber) may be used, but is not limited thereto.

또한, 상기 전극 기재에서의 기체 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene) 또는 카본 나노 튜브를 포함할 수 있다. 상 기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 기체 확산층에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알콜, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알콜, n-프로필알콜, 부틸알콜 등과 같은 알콜, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, a microporous layer may be further included to enhance the gas diffusion effect in the electrode substrate. This microporous layer may generally comprise a conductive powder having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene or carbon nanotubes. The microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the gas diffusion layer. As the binder resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, and the like may be preferably used. The solvent may be ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, or the like. Alcohols, water, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like can be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상술한 구성을 갖는 본 발명의 연료 전지 시스템은 본 발명의 막-전극 어셈블 및 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.The fuel cell system of the present invention having the above-described configuration includes an electric generator, a fuel supply and an oxidant supply including the membrane-electrode assembly and separator of the present invention.

상기 전기 발생부는 연료와 산화제의 전기화학적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 하며, 상기 연료 공급부는 수소를 함유한 연료, 또는 메탄올, 에탄올 또는 프로판올과 같은 탄화수소 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The electricity generation unit serves to generate electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, and the fuel supply unit supplies a fuel containing hydrogen or a hydrocarbon fuel such as methanol, ethanol or propanol to the electricity generation unit. The oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generating unit.

본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이 다.A schematic structure of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. 2, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 2 shows a system for supplying fuel and oxidant to an electric generator using a pump, the fuel cell system of the present invention is not limited to such a structure, and a fuel cell using a diffusion method without using a pump is shown. Naturally, it can be used for system architecture.

본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(19)를 갖는 스택(17)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(11)과, 산화제를 전기 발생부(19)로 공급하는 산화제 공급부(5)를 포함하여 구성된다. The fuel cell system 100 of the present invention includes a stack 17 having at least one electric generator 19 for generating electrical energy through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, and a fuel supply unit for supplying the fuel. (11) and the oxidant supply part 5 which supplies an oxidant to the electricity generation part 19 is comprised.

또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(10)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9)를 구비한다. In addition, the fuel supply unit 10 for supplying the fuel has a fuel tank 9 for storing fuel.

상기 전기 발생부(19)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(5)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.The oxidant supply unit 5 for supplying the oxidant to the electricity generating unit 19 is provided with at least one oxidant pump 13 for sucking the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(19)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(21)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(23,25)로 구성된다. The electricity generating unit 19 is composed of a membrane-electrode assembly 21 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant, and separators 23 and 25 for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

폴리비닐리덴플루오라이드를 아세톤에 5 중량%의 농도로 용해시켜 제조된 다공성 지지체 형성 물질을 도 1에 나타낸 구조의 스프레이 젯 노즐이 연결된 챔버에 주입하였다. 이어서, 상기 다공성 지지체 형성 물질 용유울을 60℃로 유지하였다. 상기 노즐에 10kV의 고전압을 인가하고, 각 니들에서의 상기 다공성 지지체 형성 물질 용융물의 토출 속도는 180㎕이며, 기지 수집 스크린간의 높이를 15cm로 유지하고, 기지 수집 스크린으로는 알루미늄판을 사용하였다.A porous support forming material prepared by dissolving polyvinylidene fluoride in acetone at a concentration of 5% by weight was injected into a chamber to which a spray jet nozzle of the structure shown in FIG. 1 was connected. Subsequently, the porous support forming material wool was maintained at 60 ° C. A high voltage of 10 kV was applied to the nozzle, the discharge rate of the melt of the porous support forming material at each needle was 180 mu l, the height between the known collecting screens was kept at 15 cm, and an aluminum plate was used as the known collecting screen.

상기 용융물로부터 젯이 형성되고, 이 젯을 모터가 연결된 기지 수집 스크린을 3m/분의 속도로 돌리면서, 상기 기지 수집 스크린 위에 놓인 이형 필름 위로 방사시켰다. 방사 공정이 완결되면 이형 필름을 제거하여 다공성 고분자 지지체를 제조하였다. 제조된 고분자 지지막에서, 초극세 섬유의 직경은 0.2㎛이었고, 기공도는 70%, 두께는 30㎛이었다.Jets were formed from the melt, and the jets were spun onto a release film placed on the known collection screens while rotating a motorized known collection screen at a rate of 3 m / min. When the spinning process was completed, the release film was removed to prepare a porous polymer support. In the prepared polymer support membrane, the diameter of the ultrafine fibers was 0.2 μm, the porosity was 70%, and the thickness was 30 μm.

상기 다공성 고분자 지지체를 5 wt% 농도의 나피온(폴리퍼플루오로설폰산)/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 용액에 침지하여 고분자 전해질 막을 제조하였다. The porous polymer support was immersed in a Nafion (polyperfluorosulfonic acid) / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) solution at a concentration of 5 wt% to prepare a polymer electrolyte membrane.

(실시예 2)(Example 2)

폴리스티렌을 아세톤 용매에 7 중량%의 농도로 용해시켜 제조된 다공성 지지체 형성 물질 용액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 고분자 지지체에서, 초극세 섬유의 직경은 0.5㎛이었고, 기공도는 85%, 두께는 40㎛이었다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that a porous support forming material solution prepared by dissolving polystyrene in acetone solvent at a concentration of 7% by weight was used. In the prepared polymer support, the diameter of the ultrafine fibers was 0.5 μm, the porosity was 85%, and the thickness was 40 μm.

(실시예 3)(Example 3)

폴리(2,5-벤즈이미다졸)을 N-메틸피롤리돈 용매에 3 중량%의 농도로 용해시켜 제조된 다공성 지지체 형성 물질 용융물을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 고분자 지지막에서, 초극세 섬유의 직경은 0.5 ㎛이었고, 기공도는 80%, 두께는 35㎛이었다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that a porous support forming material melt prepared by dissolving poly (2,5-benzimidazole) in a concentration of 3% by weight in N-methylpyrrolidone solvent was used. In the prepared polymer support membrane, the diameter of the ultrafine fibers was 0.5 μm, the porosity was 80%, and the thickness was 35 μm.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

기공도가 50%이며, 두께가 25㎛인 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 막에 실시예 1과 같은 방법으로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 용액에 침지시켰다.A porous polytetrafluoroethylene membrane having a porosity of 50% and a thickness of 25 μm was applied to a solution of Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) at a concentration of 5 wt% in the same manner as in Example 1. It was immersed.

실시예 1 내지 2 및 비교예 1에 의해 제조된 고분자 전해질 막의 막 저항을 임피던스법으로 평가하여 도 3에 나타내었다. 즉, 제조된 고분자 전해질 막을 50℃, 1M 메탄올에 함침시킨 후, 수소 이온 전도도를 측정한 결과이다. 그 결과 실시예 1은 0.18 Ohmcm2, 실시예 2는 0.13 Ohmcm2이 얻어진 반면, 비교예 1의 경우에는 0.31 Ohmcm2의 값이 얻어졌다. 이 결과는 전하 유도 방사 공정으로 제조된 실시예 1 및 2의 다공성 고분자 지지체가 높은 기공율을 나타내어 보다 많은 이온 전도성 물질이 고분자 전해질 막 내에 존재하며, 이들이 3차원적으로 잘 연결되어 있어 이온 전달 통로가 잘 형성되어 있음을 의미한다.The membrane resistances of the polymer electrolyte membranes prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were evaluated by the impedance method, and are shown in FIG. 3. That is, the resulting polymer electrolyte membrane was impregnated in 50 ° C. and 1M methanol, and then the hydrogen ion conductivity was measured. As a result, in Example 1, 0.18 Ohmcm 2 and Example 2 obtained 0.13 Ohmcm 2 , whereas in Comparative Example 1, a value of 0.31 Ohmcm 2 was obtained. This result shows that the porous polymer supports of Examples 1 and 2 produced by the charge induced spinning process have high porosity, so that more ion conductive materials are present in the polymer electrolyte membrane, and they are well connected in three dimensions so that the ion transport passage is It means well formed.

본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 고분자 전해질 막은 이온 전도성이 우수하며, 강도가 우수하여 얇은 두께로 형성가능하다.The polymer electrolyte membrane of the fuel cell membrane-electrode assembly of the present invention has excellent ion conductivity and excellent strength and can be formed in a thin thickness.

Claims (10)

초극세사로 형성되어, 미세 기공을 갖는 다공성 고분자 지지체 및 상기 다공성 고분자 지지체의 미세 기공 내부에 위치하는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막; 및A polymer electrolyte membrane formed of ultra-fine yarn and including a porous polymer support having fine pores and a hydrogen ion conductive polymer located inside the micro pores of the porous polymer support; And 상기 고분자 전해질 막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극Anode and cathode electrodes on both sides of the polymer electrolyte membrane 을 포함하며,Including; 상기 다공성 고분자 지지체는 70 내지 90%의 기공도를 갖고,The porous polymer support has a porosity of 70 to 90%, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 폴리비닐리덴 플루오라이드, 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리스티렌, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자로 형성된 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.Poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), polyvinylidene fluoride, copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl Ketone, polystyrene, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly ( 2,5-benzimidazole) and a combination thereof, wherein the membrane-electrode assembly for a fuel cell is formed of a hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 고분자 지지체는 5 내지 50㎛의 두께를 갖는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The membrane-electrode assembly of claim 1, wherein the porous polymer support has a thickness of 5 to 50 μm. 제 1 항에 있어서, 상기 초극세사는 0.01 내지 1㎛의 직경을 갖는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The membrane-electrode assembly of claim 1, wherein the ultrafine yarn has a diameter of 0.01 to 1 μm. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 고분자 지지체는 전하 유도 방사 공정(electrospinning)으로 형성된 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The membrane-electrode assembly of claim 1, wherein the porous polymer support is formed by a charge induced spinning process. 초극세사로 형성되어, 미세 기공을 갖는 다공성 고분자 지지체 및 상기 다공성 고분자 지지체의 미세 기공 내부에 위치하는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막; 및 상기 고분자 전해질 막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부; A polymer electrolyte membrane formed of ultra-fine yarn and including a porous polymer support having fine pores and a hydrogen ion conductive polymer located inside the micro pores of the porous polymer support; And a membrane-electrode assembly and a separator including anode and cathode electrodes positioned on both sides of the polymer electrolyte membrane, the at least one electricity generating unit generating electricity through an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부Oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit 를 포함하며,Including; 상기 다공성 고분자 지지체는 70 내지 90%의 기공도를 갖고,The porous polymer support has a porosity of 70 to 90%, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 폴리비닐리덴 플루오라이드, 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리스티렌, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자로 형성된 것인 연료 전지 시스템.Poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), polyvinylidene fluoride, copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl Ketone, polystyrene, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly ( 2,5-benzimidazole) and a combination thereof, the fuel cell system is formed of a hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of. 삭제delete 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 고분자 지지체는 5 내지 50㎛의 두께를 갖는 것인 연료 전지 시스템.The fuel cell system of claim 6, wherein the porous polymer support has a thickness of 5 to 50 μm. 제 6 항에 있어서, 상기 초극세사는 0.01 내지 1㎛의 직경을 갖는 것인 연료 전지 시스템.The fuel cell system of claim 6, wherein the ultrafine yarn has a diameter of 0.01 to 1 μm. 제 6 항에 있어서, 상기 다공성 고분자 지지체는 전하 유도 방사 공정 (electrospinning)으로 형성된 것인 연료 전지 시스템.7. The fuel cell system of claim 6, wherein the porous polymeric support is formed by a charge induced spinning process.
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