KR101010074B1 - 연료 전지용으로 촉매 코팅된 막과 막 전극 어셈블리제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료 전지용으로 촉매 코팅된 폴리머 전해질 막과 막 전극 어셈블리 연속 제조방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 배면에 폴리머 지지 필름을 갖는 이오노머 막을 사용한다. 제1 코팅 단계 이후에 막이 건조되고 그 동안에 잔류 용매가 거의 완전히 제거된다. 이후 폴리머지지 필름이 제거되고 제2 단계에서 막의 배면이 코팅된다. 막의 전면과 배면은 스크린 인쇄나 스텐실 인쇄와 같은 다양한 방법으로 코팅될 수 있다. 촉매 코팅된 막의 두면에 2개의 가스 분배층이 적용되어 5-층 막 전극 어셈블리를 제조한다. 막 전극 어셈블리는 폴리머 전해질 막 연료 전지 및 직접적인 메탄올 연료 전지에 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 특히 연속 제조에 적합한 폴리머 전해질 막 연료 전지용으로 촉매 코팅된 막 제조방법에 관계한다. 본 발명은 또한 막 전극 어셈블리 제조용으로 촉매 코팅된 막의 용도에도 관계한다.
연료 전지는 두 전극에서 서로 국지적으로 분리된 연료 및 산화제를 전류, 열 및 물로 전환시킨다. 연료는 수소, 메탄올, 또는 수소 농후 가스일 수 있다. 산소나 공기가 산화제로 작용한다. 연료 전지에서 에너지 전환 공정은 오염물이 없고 고효율을 특징으로 한다. 이러한 이유로 대안 전력, 가정용 에너지 공급 시스템 및 휴대용 분야에서 연료전지가 점점 중요성을 더해가고 있다.
폴리머 전해질 연료 전지(PEMFC) 및 직접적인 메탄올 연료 전지(DMFC)와 같은 막 연료 전지는 낮은 작동 온도, 콤팩트 구성 및 전력 밀도 때문에 많은 이동 및 고정 분야에서 적합하다.
폴리머 전해질 막(PEM) 연료 전지는 여러 연료 전지 유닛의 스택으로 구축된다. 작동 전압을 증가시키기 위해서 이들은 직렬 연결된다. 각 연료 전지 유닛은 가스 도입을 위해서와 전류 도선으로서 소위 분리판이라 칭하는 2극 플레이트 사이에 배치된 5-층 막 전극 어셈블리(MEA)를 포함한다. 이러한 5-층 막 전극 어셈블리는 각 면에 전극층을 갖는 폴리머 전해질 막(3-층 촉매 코팅된 막,CCM)으로 교대로 구축된다. 소위 가스 분배층(GDL 또는 배킹)이 CCM의 양면에 적용되어 5-층 막 전극 어셈블리를 생성한다.
전극층의 하나는 수소 산화를 위한 양극(anode)으로 제조되고 제2 전극층은 산소 환원을 위한 음극(cathode)으로 제조된다.
가스 분배층은 탄소 섬유종이나 섬유 천으로 제조된다. 이들은 반응층으로 반응가스의 양호한 접근을 허용하고 발생된 물과 전류를 전지로부터 양호한 전도를 허용한다.
양극 및 음극용 전극층은 양성자와 전기 촉매를 전도하는 폴리머를 포함하며, 이들 전극층은 특정 반응(수소의 산화 또는 산소의 환원)을 촉매적으로 촉진한다. 주기율표 백금족 금속이 촉매 활성성분으로 선호된다. 대개 촉매 활성 백금족 금속이 카본블랙과 같은 전도성 담체 표면에 적용된 소위 담지된 촉매(supported catalyst)가 사용된다.
폴리머 전해질 막은 양성자를 전도하는 폴리머, 즉 이오노머를 포함한다. 황산기를 갖는 테트라플루오로에틸렌-플루오로비닐 에테르 공중합체가 선호된다(예 DuPont의 Nafion®). 그러나 도핑된 술폰화 폴리에테르케톤이나 도핑된 술핀화 아릴케톤이나 폴리벤즈이미다졸과 같이 불소를 함유하지 않는 다른 이오노머도 사용될 수 있다. 적합한 이오노머는 공지된다. 연료전지에서 사용하기 위해서 막은 10-200㎛의 두께를 가질 필요가 있다.
촉매 코팅된 막(3-층 CCM)은 페이스트 조성물을 사용한 인쇄, 블레이드 코팅, 압연 또는 분무에 의해 전극층을 폴리머 전해질 막에 도포하여 제조된다. 페이스트 조성물은 잉크 또는 촉매 잉크라 불리며 담지된 촉매와 함께 양성자 전도성 물질, 다양한 용매, 미세 분할된 소수성 물질 및 기공 형성제를 포함한다. 촉매 잉크는 사용된 용매의 성질에 의해 분류될 수 있다. 주로 유기용매를 포함하는 잉크와 주로 용매로서 물을 포함하는 잉크가 있다. 가령 공지 기술은 물과 글리콜 용매의 혼합물을 포함하는 촉매 잉크와 용매로서 물만 사용된 촉매잉크를 발표한다.
가스 분배층(GDL 또는 백킹)은 최대90%의 다공성을 갖는 조잡한 기공이 형성된 카본지나 탄소섬유 천으로 구성된다. 이들 물질은 음극에서 발생된 반응수로 기공 시스템이 넘치는 것을 방지하도록 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 분산물과 같은 소수성 물질로 함침된다. 전극층과 가스 분배층 간의 전기 접촉을 향상시키기 위해서 전극층을 향하는 면이 카본블랙 및 불소폴리머로 구성된 밸런스 층(마이크로 층)으로 코팅된다. 추가로 가스 분배층 자체가 전기 촉매층으로 공급될 수 있다. 따라서 소위 촉매에 의해 촉진된 GDL이 수득된다. 2개의 GDL을 CCM의 양면에 적용하여 5-층 막 전극 어셈블리가 수득된다.
PEM 연료전지 기술의 상업화는 많은 이동, 고정 및 휴대용 분야에서 이용 가능하도록 촉매 코팅된 막(CCM) 및 막 전극 어셈블리를 대량생산하는 공정을 요한다.
전사 공정을 사용하여 폴리머 전해질 막을 코팅하는 기술은 공지이다. 이 공정은 이온 교환된 형태(예 Na+ 형태)로 막을 사용하여 10㎛ 미만의 층 두께를 갖는 얇은 촉매 코팅을 생성한다. 이 공정은 지루하고 비싼 여러 단계를 필요로 하므로 소규모 생산에만 적합하다.
폴리머 전해질 막 연속 코팅 공정은 당해 분야에서 공지이다. 공지 기술은 전극 물질, 촉매 물질 및 이오노머 막의 복합체를 연속 제조하기위한 코팅 공정을 발표하는데 전극 물질, 촉매 물질 및 이오노머 물질을 포함한 촉매 분말로부터 캐리어 상에 전극층이 제조된다. 이러한 전극층은 캐리어로부터 먼 면에서 가열되어 이오노머 물질이 연화되고 압력 하에서 이오노머 막으로 압연된다. 압연 공정은 이오노머 막과 전극층에 손상을 초래할 수 있다.
다른 공지 기술은 폴리머 전해질 막을 전극층으로 코팅하는 연속 공정을 발표하는데 리본-형 이오노머 막이 백금염 용액조를 통해 인발된다. 부착된 염은 가스 흐름이나 또 다른 조에서 귀금속으로 환원된다. 선택적인 코팅, 즉 막에 필요한 패턴으로 전극층의 적용이 이 공정에서 불가능하다. 또한 매우 소량의 촉매 활성물질만이 막에 적용될 수 있다.
다른 공지 기술은 여러 기능성 물질로 구성된 복합체 연속 제조공정을 발표한다. 이 복합체는 연료전지에서 사용될 수 있고 촉매 물질을 포함한 유체 조성물(촉매 잉크)는 촉매층 생성에 사용될 수 있다.
다른 공지 기술은 압연 공정에서 폴리머 전해질 막, 전극층 및 가스 분배층이 연속으로 조합되는 막 전극 어셈블리 연속 제조공정을 발표한다.
또한 막의 전면 및 배면이 인쇄된 리본-형 이오노머 막에 전극층을 선택적으로 적용하는데 연속공정이 사용된다. 이 공정을 위해 폴리머 전해질 막은 20%미만의 물 함량을 가져야 한다. 코팅 공정 동안에 막의 차원 변화 때문에 50㎛ 미만의 두께를 갖는 얇은 막의 경우 전면 및 배면에 인쇄물을 정확히 위치시키기가 어렵다.
이오노머 막을 코팅하는 다른 연속 공정은 유기 용매에서 사전 팽윤된 막을 사용하고 이후 코팅되고 건조 동안 수축은 클램프에 의해 방지된다. 막의 사전 팽윤은 정확히 조절될 수 없으므로 이 공정은 문제가 많다. 막의 과도한 팽윤과 결과의 팽창으로 인하여 후속 인쇄에서 정확한 위치선정이 불가하다. 게다가 연성 고무질 이오노머 막은 팽윤된 상태에서 클램프의 장력에 의해 쉽게 손상될 수 있다.
공지 기술은 또한 베이스 물질을 사용하여 촉매 코팅된 이온 교환막 제조공정을 발표하는데 막은 PTFE 또는 유리 슬라이드와 같은 베이스 물질에 고정되고 이후 코팅된다. 건조 후에 베이스 물질이 제거된다. 제2 면을 코팅하기 위해서 접착테이프를 수단으로 또 다른 베이스 물질에 막이 고정된다. 따라서 제1 및 제2 면 코팅은 베이스 물질의 사용을 요한다. 베이스 물질로서 PET 및 PTFE 폴리머 포일과 유리 슬라이드(파이렉스로 제조)가 발표된다.
높은 위치 정확도로 막을 손상시키지 않으면서 양면에 연속으로 촉매로 이오노머 막을 코팅하는 연속공정이 필요하다. 또한 촉매 코팅된 막(3-층 CCM)을 가스 분배층과 조합하여 5-층 막 전극 어셈블리로 가공할 필요도 있다.
본 발명은 높은 위치 정확도로 막을 손상시키지 않으면서 양면에 연속으로 촉매로 폴리머 전해질 막을 코팅하는 연속공정을 제공한다. 폴리머 전해질 막은 가스 분배층과 쉽게 조합될 수 있다.
한 측면에서 본 발명은 촉매층으로 코팅된 폴리머 전해질 막 전면과 지지 필름을 포함한 폴리머 전해질 막 배면으로 구성된 폴리머 전해질 막을 제공하고; 폴리머 전해질 막으로부터 지지 필름을 제거하고 폴리머 전해질 막의 배면을 제2 촉매층으로 코팅하여 폴리머 전해질 막을 코팅하는 단계를 포함하는 폴리머 전해질 막 코팅 방법을 제공한다.
또 다른 측면에서 본 발명은 배면에 지지 필름을 포함한 폴리머 전해질 막의 전면을 촉매로 코팅하고; 폴리머 전해질 막으로부터 지지 필름을 제거하고 폴리머 전해질 막의 배면을 제2 촉매로 코팅하여 폴리머 전해질 막을 코팅하는 단계를 포함하는 전면과 배면이 코팅된 폴리머 전해질 막 제조 방법을 제공하며 제2 촉매의 코팅은 지지필름 없이 수행되어 전면과 배면이 코팅된 폴리머 전해질 막을 제조한다.
또 다른 측면에서 본 발명은 폴리머 전해질 막 배면에 지지필름을 제공하고; 폴리머 전해질 막 전면을 촉매 잉크를 사용하여 제1 전극층으로 코팅하고 상승된 온도에서 폴리머 전해질 막 전면의 코팅을 건조하고; 폴리머 전해질 막 배면으로부터 지지필름을 제거하고; 폴리머 전해질 막 배면을 제2 전극층으로 코팅하고; 양면에 촉매 코팅이 된 폴리머 전해질 막을 상승된 온도에서 물로 처리하는 단계를 포 함한 연료전지용으로 양면이 촉매로 코팅된 폴리머 전해질 막 제조방법을 제공한다.
본 명세서는 폴리머 전해질 막을 촉매로 코팅하는 공정에 대한 소개서가 아니므로 당해 분야 숙련자에게 공지된 기본 개념은 상술되지 않는다.
한 측면에서 배면에 폴리머지지 필름을 갖는 이오노머 막이 사용된다. 이러한 막의 전면이 제1 전극층으로 코팅된다. 제1 전극층 건조 후에 폴리머 지지필름이 제거되고 막의 배면이 코팅된다. 후속 건조 후에 촉매 코팅된 막이 수조에서 후처리되고 헹궈지고 감긴다. 다양한 공정이 전면 또는 배면을 부분적 또는 완전 코팅할 수 있다. 가령 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 하프톤 인쇄, 블레이드 코팅 또는 분무 공정이 있다. 이후 2개의 가스 분배층이 3-층 CCM의 양면에 적용되어 5-층 막 전극 어셈블리를 제조한다.
본 공정은 산 또는 염기 형태로 폴리머 과불화 술폰산 화합물, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 또는 폴리술폰으로 된 폴리머 전해질 막을 취급할 수 있다. 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 또는 유사 폴리머나 이의 유도체로 된 폴리머 필름이 폴리머 전해질 막의 배면 지지 필름으로 적합하다.
폴리머 필름에 의해 배면이 지지된 이오노머 막의 사용은 제1 코팅 단계에서(특히 잉크 용매와 접촉시) 길이 및 폭 방향(x 및 y 방향)으로 막의 팽창을 감소시킨다. 특히 큰 인쇄 포맷(즉 200cm2이상의 활성 면적을 갖는 CCM)과 얇은 이오노머 막(50㎛ 미만의 두께)에서 부품 또는 주름이 없다.
놀랍게도 지지필름 제거 후에도 한 면이 코팅된 이오노머 막이 용매를 거의 함유하지 않도록 건조 공정이 수행되면 이미 코팅된 이오노머 막의 배면이 고 정확도로 인쇄될 수 있음이 발견되었다. 본 발명에 따르면 제2 코팅단계 이전에 코팅된 막의 잔류 용매 함량이 0-5, 특히 0-3중량%이도록 건조공정의 변수가 설정된다. 잔류 용매의 함량이 더 높으면 제2 코팅 단계에서 과도한 부품 현상이 일어나 주름을 생성한다. 잔류 용매 함량은 순환 공기 건조 오븐에서 120℃에서 건조후 코팅된 샘플의 중량 손실을 측정하여 결정된다.
적합한 연속 건조 공정은 고온 공기 건조, 적외선 건조, 마이크로파, 플라즈마, 또는 이의 조합을 포함한다. 가장 낮은 잔류 용매 함량을 수득하도록 건조 변수(시간 및 온도)가 설정된다. 적합한 온도는 40-150, 특히 50-150℃이며 적합한 시간은 1-30분이다.
본 공정으로 획득 가능한 전면 및 배면 인쇄 간의 위치 정확도는 0.05-0.2mm이다. 따라서 폴리머 전해질 막의 전면에 필요한 패턴으로 제1 전극층을 적용하고 전면의 패턴에 대해서 0.05-0.2mm의 위치 정확도로 폴리머 전해질 막 배면을 제2 전극층으로 코팅할 수 있다.
막의 두 면에 있는 전극층은 서로 상이할 수 있다. 이들은 상이한 촉매잉크와 상이한 비율의 촉매 및 귀금속 충전(mg Pt/cm2)으로 제조될 수 있다.
다양한 전기 촉매(귀금속을 함유하는 담지된 촉매, 귀금속을 함유하지 않은 담지된 촉매, 담지되지 않은 금속 블랙)이 사용될 수 있다.
제1 코팅 단계(지지필름으로 지지된 막을 사용)는 단일 또는 다중 코팅 공정으로 행해질 수 있지만 (지지필름 제거 후에) 배면의 인쇄는 특히 단일 단계 코팅 공정으로 행해지는 것이 좋다. 그러나 다른 공정 조합도 가능하다.
실시예
실시예 1
다음 조성의 촉매 잉크가 본 발명에 따른 공정에 의해 막 전극 어셈블리를 제조하는데 사용된다:
촉매 잉크의 조성(양극 및 음극):
15.0g 담지된 백금 촉매(카본블랙 상에서 40중량%,OMG)
44.0g Nafion® 용액(11.4중량%, 물에서)
41.0g 디프로필렌글리콜
--------
100.0g
100.0g
촉매가 Nafion® 수용액에 현탁된다.
라미네이션된 폴리에스테르 필름에 의해 한 면이 지지된 30cm폭과 100m 길이의 폴리머 전해질 막 리본(Nafion® 112, DuPont; H+형태, 50㎛ 두께)의 전면이 연속 롤-투-롤 코팅 시스템(EP1 037 295에 따라 구축된)에서 스크린 인쇄 공정에 의해 촉매 잉크로 코팅된다. 코팅 면적은 100cm2(포맷 크기 10×10cm). 인쇄 후에 연속 리본 건조기에서 고온 공기로 코팅된 막이 건조된다. 고속 고온 공기로 느리게 증가하는 건조 프로파일이 사용되며 건조 후에 코팅된 막의 잔류 용매 함량이 2.3중량%가 되도록 프로파일이 조절된다(최대 온도:95℃; 총 건조시간:8분). 건조 후에 코일 성형기로 막이 감긴다. 배면 인쇄 전에 막을 풀고 뒤집어 다시 감고 코팅 시스템에 배치한다. 배면 코팅 전에 지지필름을 제거하고 제2 와인더 롤에 배치한다. 지지안된 막의 배면이 단일 인쇄로 동일 촉매 잉크로 코팅된다. 최대 온도:75℃; 총 건조시간:5분으로 건조 프로파일이 조절된다.
배면 인쇄 후에 80℃에서 탈-이온수로 촉매 코팅된 막(CCM)을 헹군다. CCM은 0.4mg Pt/cm2(각 면에 0.2mg Pt/cm2)을 함유한다.
전기화학적 테스트를 위해 CCM의 활성 면적 50cm2이 절단되고 5-층 막 전극 어셈블리로 가공된다. 이것은 CCM의 양면에 소수성 처리된 카본지(Toray TGPH-060, 200㎛ 두께)를 적용하고 130℃, 70바아에서 고온 프레싱에 의해 복합체를 제조함으로써 행해진다.
이 방식으로 제조된 MEA가 적절한 단일 PEMFC전지에 설치된다. 양극 가스로서 수소와 음극 가스로서 공기를 사용하여 전력 테스트를 한다. 전지 온도는 65℃이고 가스의 압력은 1.5바아(절대)이다. 가스 화학양론은 1.1(수소) 및 1.5(음극 가스)이다. 전지 전압은 670mV이고 전류밀도는 600mA/cm2이다. 이것은 0.4W/cm2의 전력에 해당한다.
실시예 2
수소 함유 가스로 사용하는 MEA가 제조된다. 폴리에스테르 지지 필름 상에 30㎛ 두께의 이오노머 막이 사용된다. 인쇄된 포맷은 15×15cm(활성면적 225cm2)이다.
양극 잉크의 조성:
15.0g PtRu 담지된 촉매(카본블랙 상에서 40중량%PtRu, 26.4중량%Pt, 13.6중량%Ru, US6,007,934)
60.0g Nafion® 용액(10중량%, 물에서)
15.0g 탈-이온수
10.0g 프로필렌글리콜
--------
100.0g
100.0g
30㎛ 두께의 폴리머 전해질 막의 전면이 단일 인쇄 공정에서 양극 잉크로 코팅된다. 코팅된 막의 잔류 용매 함량이 1.2중량%가 되도록 건조가 수행된다. 필요한 건조 프로파일은 연속 고온 공기 건조기에서 최대 온도:105℃; 총 건조시간:5분이다. 지지필름을 제거하고 실시예1에서 지정된 촉매잉크를 사용하여 막의 배면이 단일 인쇄로 코팅되고 다시 실시예1처럼 건조된다. 마지막으로 80℃에서 탈-이온수로 촉매 코팅된 막(CCM)을 헹군다. CCM은 양극 상에서 0.4mg PtRu/cm2 음극 상에서 0.3mg Pt/cm2을 함유한다.
CCM의 활성 면적 50cm2이 절단되고 2개의 가스 분배층(소수성 처리된 카본지,Toray TGPH-060, 200㎛)이 CCM의 양면에 적용되고 130℃, 70바아에서 고온 프레싱에 의해 복합체를 제조된다.
이 방식으로 제조된 MEA가 연료전지 테스트 스탠드에서 연구된다. 45부피% 수소, 30부피% 질소, 23부피% 이산화탄소, 2부피% 공기 및 50ppm 일산화탄소를 함유한 가스 혼합물을 사용하여 전력 테스트를 한다. 공기는 음극 가스로 사용된다. 전지 온도는 70℃이고 양극은 85℃, 음극은 55℃로 습도 조절된다. 가스의 압력은 1바아(절대)이다. 가스 화학양론은 1.1(양극 가스) 및 2.0(음극 가스)이다. 전지 전압은 620mV이고 전류밀도는 600mA/cm2이다. 이것은 0.37W/cm2의 전력에 해당한다.
실시예 3
직접적인 메탄올 연료 전지(DMFC)에서 사용하는 MEA가 제조된다.
폴리에스테르 지지 필름 상에 87.5㎛ 두께의 이오노머 막이 사용된다. 인쇄 포맷은 5×5cm(활성면적 25cm2)이다. 폴리머 전해질 막의 전면이 스텐실 인쇄 공정(스텐실 두께 100㎛)에서 실시예2의 양극 잉크로 코팅된다. 그러나 40중량% PtRu 촉매 대신에 60중량% PtRu 촉매가 사용된다. 코팅된 막의 잔류 용매 함량이 3.2중량%가 되도록 최종 건조가 수행된다. 필요한 건조 프로파일은 건조기에서 최대 온도:105℃; 총 건조시간:7분이다. 지지필름을 제거하고 실시예1에서 지정된 촉매잉크를 사용하여 막의 배면이 스텐실 공정으로 코팅되고 다시 건조된다. 마지막으로 80℃에서 탈-이온수로 촉매 코팅된 막(CCM)을 헹군다. CCM은 양극 상에서 1mg PtRu/cm2 음극 상에서 0.6mg Pt/cm2을 함유한다.
2개의 가스 분배층(소수성 처리된 카본지)이 CCM의 양면에 적용되어 5-층 MEA가 제조되고 140℃, 60바아에서 고온 프레싱에 의해 복합체를 제조된다.
이 방식으로 제조된 MEA가 DMFC 연료전지 테스트 스탠드에서 연구된다. 활성 전지면적은 25cm2이다. 전력 테스트는 2몰 메탄올 수용액을 사용한다. 메탄올 유속은 4ml/분이다. 전지 온도는 60℃이고 공기가 음극 가스로 사용된다. 이 전지의 최대 전력 밀도는 65W/cm2이다.
본 발명은 높은 위치 정확도로 막을 손상시키지 않으면서 양면에 연속으로 촉매로 폴리머 전해질 막을 코팅하는 연속공정을 제공한다. 폴리머 전해질 막은 가스 분배층과 쉽게 조합될 수 있다.
Claims (22)
- (a) 전면과 배면을 갖는 폴리머 전해질 막의 전면을 연료 전지용으로 적합한 제1 촉매 잉크로 코팅하는 단계, 여기서 상기 폴리머 전해질 막의 배면은 지지 필름을 포함함;(b) 제1 촉매 코팅 및 상기 지지 필름을 포함하여 상기 폴리머 전해질 막의 전체 중량의 5중량% 미만의 잔류 용매 함량이 되도록 상기 단계 (a)로부터 얻은 폴리머 전해질 막을 건조하는 단계;(c) 상기 폴리머 전해질 막으로부터 상기 지지 필름을 제거하는 단계; 및(d) 상기 폴리머 전해질 막의 배면을 연료 전지용으로 적합한 제2 촉매 잉크로 코팅하여 3-층 촉매 코팅된 막을 생성하는 단계, 여기서 상기 폴리머 전해질 막의 배면을 코팅하는 것은 지지 필름의 부존재 하에서 그리고 상기 막의 가스 분배층의 부존재 하에서 수행됨;을 포함하는, 연료 전지용으로 적합한 3-층 촉매 코팅된 막의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 폴리머 전해질 막은 산 또는 염기 형태로 과불화 술폰산 화합물, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 및 폴리술폰으로 구성된 군으로부터 선택되는 폴리머 재료로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 폴리머 전해질 막 배면의 지지 필름은 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 및 폴리이미드로 구성된 군으로부터 선택되는 폴리머로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 단계 (b)의 건조는 고온 공기, 적외선, 마이크로파, 플라즈마 또는 이의 조합을 사용하여 수행됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 4항에 있어서, 건조 온도가 50-150℃이고 건조 시간이 1-30분임을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 단계 (d)의 3-층 촉매 코팅된 막을 20-90℃의 탈-이온수로 처리하는 단계를 더욱 포함함을 특징으로 하는 방법.
- (a) 전면 및 배면을 갖는 리본-형 폴리머 전해질 막을 제공하는 단계, 여기서 상기 폴리머 전해질 막은 배면 상에 지지 필름을 가짐;(b) 상기 폴리머 전해질 막의 전면을 제1 촉매 잉크를 사용하여 제1 전극층으로 코팅하고, 상기 제1 전극층 및 상기 지지 필름을 포함하여 상기 폴리머 전해질 막의 전체 중량의 5중량% 미만의 잔류 용매 함량을 가지도록 50-150℃의 온도에서 상기 폴리머 전해질 막 전면의 코팅을 건조하는 단계;(c) 상기 폴리머 전해질 막의 배면으로부터 상기 지지 필름을 제거하는 단계;(d) 상기 폴리머 전해질 막의 배면을 제2 촉매 잉크를 사용하여 제2 전극층으로 코팅하는 단계, 여기서 상기 배면을 코팅하는 것은 지지 필름의 부존재 하에서 또는 상기 막의 가스 분배층의 부존재 하에서 수행됨;(e) 제1 전극층 및 제2 전극층으로 코팅된 상기 폴리머 전해질 막을 50-150℃의 온도에서 건조시켜 연료 전지에서의 사용에 적합한 3-층 촉매 코팅된 막을 형성하는 단계; 및(f) 상기 3-층 촉매 코팅된 막을 상승된 온도에서 물로 처리하는 단계;를 포함하는, 연료 전지용으로 적합한 리본-형 3-층 촉매 코팅된 막의 제조 방법.
- 제 1항 또는 제 7항에 있어서, 스크린 인쇄, 스텐실 인쇄, 하프톤 인쇄, 블레이드 코팅 또는 분무에 의해 코팅이 적용됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 폴리머 전해질 막은 산 또는 염기 형태로 과불화 술폰산 화합물, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 및 폴리술폰으로 구성된 군으로부터 선택되는 폴리머 재료로 구성됨을 특징으로 하는 방법
- 제 7항에 있어서, 상기 폴리머 전해질 막 배면의 지지 필름은 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 및 폴리이미드로 구성된 군으로부터 선택되는 폴리머로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 전극층은 고온 공기, 적외선, 마이크로파, 플라즈마 또는 이의 조합을 사용하여 건조됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 단계 (b) 및 (e)에서 건조시간이 1-30분임을 특징으로 하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 단계(f)에서 폴리머 전해질 막의 처리는 20-90℃의 탈-이온수에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 7항에 있어서, 3중량% 미만의 잔류 용매 함량을 가지도록 상기 단계 (b)의 건조가 수행됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 7항에 있어서, 상기 제1 촉매 잉크와 상기 제2 촉매 잉크는 동일하거나 서로 다르고, 이들은 담지된 촉매(supported catalyst), 양성자-전도성 물질(proton-conducting material), 및 1종 이상의 용매를 각각 독립적으로 함유함을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 7항에 있어서, 상기 제1 촉매 잉크와 상기 제2 촉매 잉크는 동일하거나 서로 다르고, 이들은 담지된 Pt 촉매(supported Pt catalyst) 또는 담지된 PtRu 촉매를 각각 독립적으로 함유함을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 폴리머 전해질 막의 전면을 제1 촉매 잉크로 코팅하는 것은 소정의 패턴으로 수행되고, 상기 폴리머 전해질 막의 배면은 상기 전면의 패턴에 대해서 0.05 내지 0.2 mm의 위치 정확도로 제2 촉매 잉크로 코팅됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 폴리머 전해질 막의 전면을 제1 전극층으로 코팅하는 것은 소정의 패턴으로 수행되고, 상기 폴리머 전해질 막의 배면은 상기 전면의 패턴에 대해서 0.05 내지 0.2 mm의 위치 정확도로 제2 전극층으로 코팅됨을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 7항에 있어서, 3-층 촉매 코팅된 막은 200cm2이상의 활성 면적을 갖는 큰 인쇄 포맷을 가짐을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 제 7항에 있어서, 상기 폴리머 전해질 막은 50㎛ 미만의 두께를 가짐을 특징으로 하는 방법.
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