KR101201937B1 - Design method of Internal Die Structure and Slit Coating Die Apparatus for Uniform Coating of MEA in PEMFC - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC, Polymer Electoryte Membrane Fuel Cells)용 전극-막 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)에 사용되는 전극 코팅 촉매 슬러리의 연속적인 균일코팅을 위한 슬롯 코팅 다이의 내부 설계 방법과 그 장치에 관한 것이다.
이에 본 발명에서는 고분자 전해질막 연료전지용 전극-막 접합체에 사용되는 전극 코팅 촉매 슬러리의 연속적인 균일코팅을 위한 슬롯 코팅 다이의 내부 설계방법으로서 촉매 슬러리 유체의 유변물성 정보로부터 유체의 다이 내부에서 유동 특성을 분석하기 위한 유체 모델을 선정하는 단계와 촉매 슬러리 유체의 유변특성을 고려하여 전극-막 접합체의 촉매 슬러리 슬롯코팅 다이 내부의 챔버 형태를 결정하는 단계, 그리고 전단담화(shear thinning)가 최소화되고 균일한 두께로 코팅이 형성되는 공정 조건을 도출하는 단계가 제공된다.
또한, 전극 코팅 촉매 슬러리의 연속적인 균일코팅을 위한 설계방법에 의해서 촉매 슬러리가 유입되는 피드 파이프와 피드 파이프로부터 촉매 슬러리를 공급받아 촉매 슬러리를 슬릿으로 유출시키는 휘어진 반원통 모양의 챔버와 챔버의 일측면에 상, 하부의 편평한 판으로 이루어진 슬릿 및 촉매 슬러리 유출구인 다이립을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지용 전극-막 접합체의 슬롯 코팅 다이 장치가 제공된다.
The present invention relates to an internal design method of a slot coating die for continuous homogeneous coating of an electrode coating catalyst slurry used in an electrode-membrane assembly (MEA) for polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). And its device.
Therefore, in the present invention, as an internal design method of a slot coating die for continuous uniform coating of an electrode coating catalyst slurry used in an electrode-membrane assembly for a polymer electrolyte membrane fuel cell, flow characteristics within the die of the fluid from the rheological information of the catalyst slurry fluid Selecting a fluid model to analyze the fluid, determining the shape of the chamber inside the catalyst slurry slot coating die of the electrode-membrane assembly in consideration of the rheological properties of the catalyst slurry fluid, and minimizing the shear thinning and uniformity. Deriving the process conditions under which the coating is formed in one thickness is provided.
In addition, by the design method for continuous uniform coating of the electrode coating catalyst slurry, one of the chamber and the curved semi-cylindrical chamber for receiving the catalyst slurry from the feed pipe and the feed pipe into which the catalyst slurry flows in and outflowing the catalyst slurry into the slit Provided is a slot coating die apparatus of an electrode-membrane assembly for a polymer electrolyte membrane fuel cell, comprising a slit composed of upper and lower flat plates on a side surface and a die lip which is a catalyst slurry outlet.

Description

고분자 전해질막 연료전지용 전극-막 접합체의 균일코팅을 위한 슬롯 코팅 다이 내부 설계방법 및 슬롯 코팅 다이 장치{Design method of Internal Die Structure and Slit Coating Die Apparatus for Uniform Coating of MEA in PEMFC}Design method of internal die structure and slit coating die apparatus for uniform coating of MEA in PEMFC for uniform coating of electrode-membrane assembly for polymer electrolyte membrane fuel cell

본 발명으로부터 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC) 성능의 핵심이 되는 전극-막 접합체(MEA)를 슬롯 다이 코팅을 통하여 연속적으로 균일한 두께로 코팅 제조하여 생산성을 극대화할 수 있는 슬롯 코팅 다이 내부 설계방법 및 그 장치에 관한 것이다.
Method for designing the inside of a slot coating die which can maximize productivity by coating and manufacturing an electrode-membrane assembly (MEA), which is the core of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) performance, through a slot die coating in a uniform thickness. And to the apparatus.

전지는 전기화학 전지로서 연료(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학적으로 반응시켜 생긴 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. 상기 연료 전지는 연소 과정 없이 수소와 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가진다.A battery is an electrochemical cell and is a power generation system that directly converts chemical energy generated by electrochemical reaction between fuel (hydrogen or methanol) and oxidant (oxygen or air) to electrical energy. The fuel cell is characterized in that it can simultaneously use electricity generated by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen and heat as a byproduct thereof without a combustion process.

상기 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150~200℃ 부근에서 작동되는 인산형 연료전지, 600~700℃의 고온에서 작동되는 용융탄산염형 연료전지, 1000℃ 이상의 고온에서 작동되는 고체 산화물형 연료전지 및 상온 내지 100℃ 이하에서 작동되는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질 등이 서로 다르다. 이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질막 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.The fuel cell is a phosphate fuel cell operating at a temperature of about 150 to 200 ° C., a molten carbonate fuel cell operating at a high temperature of 600 to 700 ° C., and a solid oxide type operating at a high temperature of 1000 ° C. or more, depending on the type of electrolyte used. It is classified into a fuel cell and a polymer electrolyte type and an alkaline type fuel cell operating at room temperature to 100 ° C. or lower. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte. Among these, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), which are being developed recently, have excellent output characteristics, low operating temperatures, fast start-up and response characteristics compared to other fuel cells, methanol, ethanol, natural Hydrogen produced by reforming gas is used as fuel and has a wide range of applications such as mobile power sources such as automobiles, as well as distributed power sources such as homes and public buildings, and small power sources such as electronic devices.

연료전극(anode), 공기극(Cathode), 기체확산층(GDL,Gas Diffusion Layer), 전극-막 접합체(MEA)로 구성된 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)의 단전지 구조가 도 1에 나타나 있다. 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 저온에서 작동하는 연료 전지로 상대적으로 적은 부피를 차지하기 때문에 자동차용 연료전지 등 산업적으로 많은 주목을 받고 있다. 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)의 원리는 연료극(anode)에서 수소가 산화되면서 생성된 수소이온(proton)이 고분자막을 통해 산소의 환원이 일어나는 공기극(cathode) 쪽으로 전달되는 반응을 통해 전기를 생산하는 것이다. 수소이온을 통과시키는 고분자막이 전극-막 접합체(MEA)이고 이 전극-막 접합체(MEA)에 양, 음극 슬러리 물질을 어떻게 코팅시키는지가 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)의 성능 및 생산성을 좌우한다.A unit cell structure of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) composed of a fuel electrode (anode), a cathode (Cathode), a gas diffusion layer (GDL), and an electrode-membrane assembly (MEA) is shown in FIG. The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a fuel cell that operates at a low temperature, and thus receives a lot of attention in the industry, such as a fuel cell for automobiles. The principle of the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is to produce electricity through a reaction in which hydrogen ions produced by oxidizing hydrogen in an anode are transferred to a cathode where oxygen is reduced through the polymer membrane. will be. The polymer membrane through which hydrogen ions pass is an electrode-membrane assembly (MEA) and how the positive and negative electrode slurry materials are coated on the electrode-membrane assembly (MEA) determines the performance and productivity of the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC).

막-전극 접합체(MEA)를 제조하는 방법의 일예는 기체 확산층에 촉매물질을 코팅하며 촉매층(전극층)을 형성하고, 이를 적당한 압력과 온도에서 전해질막과 고온프레스 과정을 통하여 접합하는 방법이다. 기체 확산층으로는 세공 및 기공을 가지며, 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근이 가능한 물질이 적합한데, 기체 확산층은 전기화학 반응에 의해 생성된 전류를 바이폴라 플레이트 또는 모노폴라 플레이트를 통해서 외부의 전기회로와 연결하는 역할을 한다. 일반적으로 탄소종이(carbon paper), 탄소섬유직물(carbon fiber fabric)이 기체 확산층의 기재로서 사용되는데, 이들은 피치, PAN과 같은 고분자 재료를 2000℃ 이상의 고온에서 탄화시켜서 만든 탄소를 섬유형태로 사출하고 다시 압축해서 종이 형태의 박판으로 제조하거나 섬유를 복잡한 직조 공정을 통해서 다시 직물형태로 만든다.An example of a method of manufacturing a membrane-electrode assembly (MEA) is a method of coating a catalyst material on a gas diffusion layer to form a catalyst layer (electrode layer), and bonding the electrolyte membrane and a high temperature press process at an appropriate pressure and temperature. The gas diffusion layer has pores and pores, and a material suitable for smooth access of the fuel and the reactor gas to the catalyst layer is suitable. The gas diffusion layer transmits electric current generated by an electrochemical reaction through a bipolar plate or a monopolar plate. It is connected to the circuit. In general, carbon paper and carbon fiber fabric are used as substrates for the gas diffusion layer, and they inject carbon produced by carbonizing polymer materials such as pitch and PAN at a high temperature of 2000 ° C. or higher to form a fiber. Compressed again to produce thin sheets of paper or the fibers are rewoven into fabrics through complex weaving processes.

또한, 촉매층은 각각 연료의 분해반응과 산소의 환원반응을 일으킬 수 있는 동종 혹은 이종의 백금족 촉매들을 전도성 탄소의 표면에 고르게 분포시킨 형태를 많이 사용하는데, 촉매의 비표면적을 증가시켜 반응효율을 향상시키기 위해서 활성탄소 분말(active carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotube) 또는 탄소나노혼(carbon nanohorn) 등 매우 미분된 형태의 탄소표면에 촉매를 담지하는 방법에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
In addition, the catalyst layer uses a form in which homogeneous or heterogeneous platinum group catalysts are evenly distributed on the surface of the conductive carbon, each of which may cause a decomposition reaction of a fuel and a reduction reaction of oxygen, respectively, and improves the reaction efficiency by increasing the specific surface area of the catalyst. In order to achieve this, studies are being actively conducted on a method of supporting a catalyst on a very finely divided carbon surface such as active carbon powder, carbon nanotube, or carbon nanohorn.

상기 막-전극 접합체 코팅방법 중 가장 일반적인 방법은 기체 확산층 또는 고분자 전해질막 위에 아주 낮은 점도를 가지는 고분산 촉매 슬러리를 스프레이 방법으로 장시간에 걸쳐서 미량씩 도포하는 방법이다. 이 방법은 고분산된 촉매가 기체 확산층이나 고분자 전해질막 위에 골고루 도포되는 장점이 있으나 도포 시간이 매우 길기 때문에 전극을 대량으로 생산하는 것이 불가능하다.The most common method of coating the membrane-electrode assembly is a method of applying a small amount of a highly dispersed catalyst slurry having a very low viscosity on a gas diffusion layer or a polymer electrolyte membrane over a long time by a spray method. This method has the advantage that the highly dispersed catalyst is evenly applied on the gas diffusion layer or the polymer electrolyte membrane, but it is impossible to produce a large amount of electrodes because the application time is very long.

또한, 롤(Roll) 코팅방법에 의한 전극제조는 촉매 슬러리를 더욱 변형시켜 껌처럼(gum-like) 만든 후 롤을 이용하여 얇은 판상(sheet type)의 촉매층을 형성해서 건조시킨 다음 압착기를 이용하여 촉매층과 미리 제작된 기체 확산층을 접착시킴에 의해서 전극의 제조가 완료되는 형태를 취하고 있다.In addition, electrode manufacturing by roll coating method further deforms the catalyst slurry to make gum-like, forms a thin sheet type catalyst layer using a roll, and then dries it using a press machine. By adhering the catalyst layer and the gas diffusion layer prepared in advance, the electrode production is completed.

상기 롤 코팅방법의 경우에는 껌처럼 된 촉매층을 미리 판상으로 형성하여야 하기 때문에 넓고 두께가 균일한 촉매층을 제조하는 데 어려움이 따르고 있으며, 또한 넓은 면적의 촉매층과 기체 확산층을 접착시키기 위해서는 넓은 면적을 갖는 압착기를 필요로 하게 되는 문제점을 지니고 있다. 특히, 촉매층과 기체 확산층을 압착할 때에는 촉매층의 전체면에 걸쳐 균일한 응력이 가해져야 하는데, 만일 이와 달리 균일한 응력이 가해지지 않을 때에는 부분적으로 촉매층의 박리현상이 발생하게 된다. 그러나 실제에 있어서는 넓고 균일한 응력을 가할 수 있는 형태의 압착기를 제작하는 데는 많은 경제적, 기술적인 어려움이 따르고 있는 실정이다. 또한, 롤 코팅방법 및 D/B(doctor blade) 코팅방법은 상당량의 촉매가 다공성 기체 확산층 내부로 침투해 들어가며, 이로 인해서 촉매의 효율이 낮아지고 도포되는 촉매량을 증가시켜야 할 뿐만 아니라 촉매층이 두껍게 형성되고 기판의 변형도 가져올 수 있는 문제점이 있다.In the case of the roll coating method, it is difficult to produce a wide and uniform catalyst layer because the gum-like catalyst layer has to be formed in a plate shape in advance, and also has a large area to bond the catalyst layer and the gas diffusion layer with a large area. There is a problem of requiring a compactor. In particular, when compressing the catalyst layer and the gas diffusion layer, a uniform stress must be applied over the entire surface of the catalyst layer. Otherwise, if the uniform stress is not applied, partial separation of the catalyst layer occurs. However, in reality, there are many economic and technical difficulties in manufacturing a compactor that can apply a wide and uniform stress. In addition, the roll coating method and the D / B (doctor blade) coating method allow a significant amount of catalyst to penetrate into the porous gas diffusion layer, thereby lowering the efficiency of the catalyst and increasing the amount of applied catalyst, as well as forming a thick catalyst layer. And there is a problem that can bring about deformation of the substrate.

한편, 고효율 고분자 연료 전지의 막-전극 접합체 코팅을 위한 또 다른 방법으로, 촉매와 전해질막, 전극간의 계면에 촉매의 편재화를 이루기 위하여 전극의 표면에 백금을 500Å의 두께로 기체 확산층 위에 스퍼터링(sputtering)하는 방법이 알려져 있으나, 상기 방법으로 균일한 두께로 코팅된 전극을 제조하는 것은 불가능하다.On the other hand, as another method for coating the membrane-electrode assembly of a high efficiency polymer fuel cell, in order to localize the catalyst at the interface between the catalyst, the electrolyte membrane, and the electrode, platinum is sputtered on the gas diffusion layer to a thickness of 500 kPa on the electrode surface. Although a method of sputtering is known, it is impossible to produce an electrode coated with a uniform thickness by the above method.

또한, 막-전극 접합체(MEA)를 코팅 제작 방법으로 상기의 스프레이나 바(bar) 코팅 방식이 연구용으로는 많이 활용되고 있지만 이러한 방식들은 연속생산이 아닌 batch 또는 간헐 코팅 방식으로 실제 대량 생산이 불가능하여 산업화하기 위한 코팅 공정이 될 가능성은 매우 낮다.In addition, although the spray or bar coating method is widely used for research as a method of manufacturing a membrane-electrode assembly (MEA), these methods cannot be actually mass-produced by batch or intermittent coating method, rather than continuous production. It is very unlikely to be a coating process for industrialization.

그리고 최근에는 전극 코팅방법으로서 디스플레이 공정 등에 활용되고 있는 슬롯 다이 코팅 방식에 대해서 활발히 연구되고 있다. 전형적인 슬롯 코팅 공정의 개략도는 도 2에 나타나 있다. 다이 내부구조는 (a)와 같고 다이 외부구조(coating bead 영역이라고 함.)는 (b)와 같다. 먼저 유체가 공급관(feed)을 통해 챔버 (chamber)로 유입되어 챔버를 채운 후 슬릿(slit)을 통하여 빠져나오게 된다. 슬릿을 통하여 나온 코팅액은 움직이는 웹 또는 기재 위에 코팅된다. 다이 내부에서는 슬릿을 통하여 다이 출구로 나오는 코팅액의 속도가 폭 방향으로 균일하게 나오는지 확인하는 것이 매우 중요하다. 다이 외부에서는 기재의 속도나 코팅 간격 등의 운전조건에 따라 코팅 두께가 불안정해질 수도 있다. 특히, 도 3은 일반적인 슬롯 코팅 장비를 이용하여 막-전극 접합체용 촉매슬러리의 유동성을 고찰한 결과로 속도를 저속에서 증가시켜감에 따라 (a)는 용액이 leaking되는 현상, (b)는 균일하고 안정한 유동, (c)는 불안정한 ribbing 현상, (d)는 불안정한 rivulet 현상이 발생한다. 즉, 주어진 슬러리 유변 물성에 적합한 다이 설계를 할 수 있는 원리 및 방법론을 구축하는 것이 연료전기 산업화를 위해서 매우 중요하다.
In recent years, the slot die coating method, which is utilized in display processes, as an electrode coating method, has been actively studied. A schematic of a typical slot coating process is shown in FIG. The die internal structure is shown in (a) and the die external structure (called the coating bead area) is shown in (b). First, the fluid enters the chamber through a feed, fills the chamber, and then exits through a slit. The coating liquid exiting the slit is coated onto a moving web or substrate. Inside the die, it is very important to ensure that the velocity of the coating liquid exiting the die exit through the slit is even in the width direction. Outside the die, the coating thickness may become unstable depending on the operating conditions such as the speed of the substrate or the coating spacing. In particular, Figure 3 is a result of considering the fluidity of the catalyst slurry for membrane-electrode assembly using a conventional slot coating equipment (a) is a phenomenon that the solution leaking as the speed is increased at a low speed, (b) is uniform And stable flow, (c) unstable ribbing, and (d) unstable rivulet. That is, it is very important for the fuel electric industrialization to establish a principle and methodology for the die design suitable for a given slurry rheological properties.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 감안하여 창안된 것으로써, 그 목적은 전해질막이나 기체 확산층에 연속적으로 균일한 두께로 코팅함으로써 생산성을 높이고 균일성을 유지하면서 연속적인 막-전극 접합체의 전극 코팅방법으로서 디스플레이 공정 등에 활용되고 있는 슬롯 다이 코팅 방식을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명에서는 연속적인 코팅이 가능한 슬롯 코팅 방식을 제안하고 사용되는 촉매슬러리의 유변학적 물성에 근거하여 균일한 두께로 코팅이 가능하도록 최적의 슬롯 코팅 다이의 내부 디자인 설계방법을 전산모사를 통하여 제시하고 그 코팅 다이 장치를 제공한다.The present invention was devised in view of the problems of the prior art as described above, and its object is to continuously coat the electrolyte membrane or the gas diffusion layer with a uniform thickness to increase the productivity and maintain the uniformity of the continuous membrane-electrode assembly. It is to provide a slot die coating method that is utilized in the display process as an electrode coating method of the. In particular, the present invention proposes a slot coating method capable of continuous coating and based on the rheological properties of the catalyst slurry used to design the optimum internal coating design method of the slot coating die through computer simulation Presenting and providing the coating die apparatus.

막-전극 접합체에 사용되는 촉매슬러리는 대부분 전단변형률 속도(shear rate)에 따라 점도가 변하는 비뉴튼성(Non-Newtonian)유체로서 이러한 유변 특성을 반영하지 못한 다이 내부 디자인의 슬롯 코팅 다이를 사용하면 균일한 두께로 코팅시키는 것은 거의 불가능하다. 대부분의 촉매슬러리는 비뉴튼(Non-Newtonian) 유변특성을 지니고 있기 때문에, 대상 코팅액의 물성이 반영되지 않은 즉, 최적 설계가 되어 있지 않은 다이를 사용하는 경우, 다이 폭방향으로 가운데 지점은 유속이 빠르고 양단의 끝 부분에서는 유속이 느린 경우가 일반적이다. 다시 말하면, 폭방향으로 코팅 두께의 차이가 생기게 된다. 이를 극복하기 위하여 물성에 기인된 유속 관계를 살펴 다이 내부 챔버 구조를 coat-hanger(옷걸이 모양)형태로 설계함으로써 폭방향으로 코팅액의 균일한 속도 분포를 얻을 수 있다. 이러한 최적 설계를 실험 기반으로 수행하기에는 한계가 존재하여 전산모사 기법에 의해서 수행한다. 이러한 균일 코팅을 확보하기 위하여는 반드시 코팅액의 유변물성 정보를 확보하고 물성변화에 따른 최적 다이의 구조 변화의 상관관계에 대해서 규명하는 것을 본 발명에서 제공한다.
Most of the catalyst slurries used in the membrane-electrode assembly are non-Newtonian fluids whose viscosity changes with shear rate. It is almost impossible to coat with a uniform thickness. Since most catalyst slurries have non-Newtonian rheological properties, when using a die that does not reflect the physical properties of the coating solution, that is, not designed optimally, the center point in the die width direction has a flow velocity. Fast and slow flow rates are common at both ends. In other words, a difference in coating thickness occurs in the width direction. In order to overcome this problem, it is possible to obtain a uniform velocity distribution of the coating liquid in the width direction by designing a die-in-chamber structure in the form of a coat-hanger by examining the flow rate relationship due to physical properties. There is a limit to conducting this optimal design on an experimental basis, so it is performed by computer simulation. In order to secure such a uniform coating, it is necessary to secure the rheological information of the coating liquid and to identify the correlation of the structural change of the optimal die according to the physical property change.

본 발명은 고분자 전해질막 연료전지에 사용되는 막-전극 접합체의 전극의 생산을 위하여 촉매 슬러리를 균일한 두께로 연속 코팅하는 슬롯 다이 코팅을 제작하는데 필요한 다이 내부 설계방법을 제공한다. 본 발명에서 제안된 다이 내부 설계 방법과 그 다이 장치를 활용하면 촉매 슬러리가 다이 출구에서 코팅액이 균일한 두께와 속도로 유출되는 것을 보장한다. 즉, 본 발명의 막-전극 접합체 슬롯 코팅 다이 장치에 의해서 막-전극 접합체의 산업적 대량 생산이 가능하여 고분자 전해질막 연료전지뿐만 아니라 적용 가능한 연료전지 분야의 생산성을 극대화시킬 수 있다.
The present invention provides a die internal design method required for producing a slot die coating for continuously coating a catalyst slurry with a uniform thickness for the production of electrodes of a membrane-electrode assembly used in a polymer electrolyte membrane fuel cell. Utilizing the die internal design method proposed in the present invention and the die apparatus thereof, the catalyst slurry ensures that the coating liquid flows out at the die outlet with a uniform thickness and speed. That is, the membrane-electrode assembly slot coating die device of the present invention enables industrial mass production of the membrane-electrode assembly, thereby maximizing the productivity of the fuel cell field as well as the polymer electrolyte membrane fuel cell.

도 1은 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)의 단전지(single cell) 개략도이다.
도 2는 슬롯 코팅 다이 내부 구조의 개략도이다.
도 3은 슬롯 코팅 실험시 현상별 사진이다.(a)는 불안정한 leaking 현상, (b)는 안정한 현상, (c)는 불안정한 ribbing 현상, (d)는 불안정한 rivulet 현상
도 4는 전극-막 접합체에 사용되는 촉매 슬러리의 전단변형률 속도에 대한 점도를 유변물성측정기를 통해 측정한 결과와 이를 파워-법칙(Power-law) 유체모델에 맞춰 물질변수들을 도출한 결과를 비교한 그래프이다.
도 5는 최적의 다이 최적 설계를 위한 일반적인 슬롯 코팅 다이의 초기 기본 구조이다. (a) 다이 내부 측면도, (b) 다이 내부 디자인의 평면도
도 6은 도 5의 기본 다이와 균일코팅을 위한 최적으로 설계된 다이에서의 촉매 슬러리의 유속을 다이출구 폭방향으로 비교한 그래프이다.
도 7은 중앙부가 측면으로 볼록하게 휘어진 옷걸이 모양의 반원통 형상인 챔버에서 촉매 슬러리의 균일코팅을 위한 볼록한 정도(coat-hanger 모양의 너비)를 나타낸 그래프이다.
도 8은 상이한 멱급수 지수를 가지는 다양한 범위의 촉매 슬러리 유체별 최적의 옷걸이 모양의 반원통 형상인 챔버(coat-hanger 모양)의 너비를 산출한 그래프이다.
도 9는 다이 내부 디자인 평면도에서 coat-hanger(옷걸이 모양)형태의 너비를 표현한 최적의 슬롯 코팅 다이 내부의 디자인 평면도이다.
1 is a schematic diagram of a single cell of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC).
2 is a schematic diagram of a slot coated die internal structure.
Figure 3 is a photograph of each phenomenon during the slot coating experiment (a) is unstable leaking phenomenon, (b) is a stable phenomenon, (c) is an unstable ribbing phenomenon, (d) is an unstable rivulet phenomenon
Figure 4 compares the results obtained by measuring the viscosity of the shear strain rate of the catalyst slurry used in the electrode-membrane by using a rheometry and the results of deriving the material variables according to the Power-law fluid model One graph.
5 is an initial basic structure of a typical slot coated die for optimal die optimal design. (a) die internal side view, (b) top view of die internal design
FIG. 6 is a graph comparing flow rates of catalyst slurry in a die exit width direction in the basic die of FIG. 5 and an optimally designed die for uniform coating. FIG.
FIG. 7 is a graph showing the convexity (coat-hanger shape width) for uniform coating of catalyst slurry in a chamber having a semi-cylindrical shape in which a central portion is convexly curved laterally.
FIG. 8 is a graph showing a width of a chamber (coat-hanger shape) having an optimal hanger-shaped semi-cylindrical shape for various catalyst slurry fluids having different power series indexes.
9 is a plan view of the inside of an optimal slot coating die representing the width of a coat-hanger shape in the die interior design plan.

본 발명은 촉매 슬러리 유체의 유변물성 정보로부터 유체의 다이 내부 유동에 대한 특성을 분석하기 위한 유체 모델 선정, 촉매 슬러리 유체의 유변특성을 고려하여 막-전극 접합체 촉매 슬러리 슬롯 코팅 다이의 챔버의 형태를 결정하는 단계, 전단담화(shear thinning)가 최소화되고 균일한 두께로 코팅되는 최적의 공정 조건을 도출하는 단계가 포함된 고분자 전해질막 연료전지용 막-전극 접합체의 균일코팅을 위한 슬롯 코팅 다이 내부의 최적의 설계방법과 이러한 설계에 의한 코팅 다이 장치로 구성된다.The present invention selects a fluid model for analyzing the characteristics of fluid flow in the die from the rheological properties of the catalyst slurry fluid, and considers the shape of the chamber of the membrane slurry slot coating die in the membrane-electrode assembly considering the rheological properties of the catalyst slurry fluid. Optimal inside slot coating dies for uniform coating of membrane-electrode assemblies for polymer electrolyte membrane fuel cells, including determining and deriving optimal process conditions with minimum shear thinning and coating with uniform thickness. The design method and the coating die device by this design is composed.

촉매 슬러리 유체모델의 선정 단계,Selection of catalyst slurry fluid model,

촉매 슬러리의 유변물성 정보로부터 촉매 슬러리가 다이 내부 유동을 분석하기 위하여 점도측정기를 이용하여 촉매 슬러리의 전단변형률속도에 따른 점도를 측정하여 슬롯 코팅 다이 내부의 최적의 설계를 위한 유체모델을 선정한다. 도 4는 TA Instrument사의 AR2000 점도측정기를 이용하여 측정된 막-전극 접합체용 촉매 슬러리의 한 종류에 대한 점도 결과를 나타낸다. 일반적으로 대부분의 촉매 슬러리는 도 4에서와 같이 전단변형률속도에 따라 점도가 감소하는 전단담화(shear thinning) 거동을 보인다. 다이 내부 유동에 대한 수치모사를 위해 점도 거동에 따른 유체 모델로 여기서는 파워-법칙(power-law)모델을 선정하였다.In order to analyze the flow in the die of the catalyst slurry from the rheological properties of the catalyst slurry, the viscosity is measured according to the shear strain rate of the catalyst slurry using a viscosity meter to select a fluid model for optimal design of the slot coating die. Figure 4 shows the viscosity results for one type of catalyst slurry for membrane-electrode assembly measured using the TA 2000 AR2000 viscometer. In general, most catalyst slurries exhibit shear thinning behavior in which viscosity decreases with shear strain rate as shown in FIG. 4. A power-law model was chosen here as a fluid model based on viscosity behavior for numerical simulation of the flow inside the die.

power law model :

Figure 112010013026771-pat00001
power law model:
Figure 112010013026771-pat00001

여기서, K : 상수, n : 멱급수 지수,

Figure 112010013026771-pat00002
: 점도,
Figure 112010013026771-pat00003
: 전단변형률속도Where K is a constant, n is a power exponent,
Figure 112010013026771-pat00002
: Viscosity,
Figure 112010013026771-pat00003
: Shear strain rate

도 4의 촉매 슬러리는 슬롯 코터 내부에서의 전단변형률속도 범위에서 K=2.58, n=0.58의 값을 갖는다.The catalyst slurry of FIG. 4 has a value of K = 2.58, n = 0.58 in the shear strain rate range inside the slot coater.

슬롯 코팅 다이 내부 챔버 형태의 결정 단계,Determining step in the form of a chamber inside a slot coating die,

고분자 전해질막 연료전지용 막-전극 접합체의 균일코팅을 위한 슬롯 코팅 다이 내부의 최적의 설계를 위한 다이 내부 챔버의 형태 결정은 다이 출구에서 코팅액의 속도가 폭방향으로 균일하게 나오는 형태로 이루어지는 것으로 결정된다. 본 발명에서 사용하는 막-전극 접합체용 촉매 슬러리는 비뉴튼성 유체이기 때문에 유변물성이 고려되지 않은 종전의 다이 내부 디자인을 사용하면 균일한 코팅을 보장받기 어렵다. 슬롯 코팅 다이 장치의 내부 설계는 Ansys사의 Gambit을 이용하였고 일반적인 기본 형태의 다이 구조는 도 5에서 보는 바와 같다. 기본 형태 다이 각 부분의 치수는 다음과 같다. Slot coating for homogeneous coating of membrane-electrode assembly for polymer electrolyte membrane fuel cell The determination of the shape of the chamber inside the die for optimal design inside the die is determined to be made in the form that the velocity of the coating liquid is uniform in the width direction at the exit of the die. . Since the catalyst slurry for the membrane-electrode assembly used in the present invention is a non-Newtonian fluid, it is difficult to guarantee a uniform coating by using a conventional die internal design without rheological considerations. The internal design of the slot coated die device used Gambit of Ansys and the general basic die structure is as shown in FIG. Basic dimensions The dimensions of each part of the die are as follows.

명 칭Name 치 수(㎜)Dimensions (mm) 챔버 지름Chamber diameter 1313 슬릿 길이Slit length 150150 슬릿 폭Slit width 180180 슬릿 간격Slit gap 0.50.5 공급관 지름Supply pipe diameter 55 공급관 길이Supply pipe length 3030

위와 같은 다이 내부 구조내 유동 해석을 위해 동일한 프로그램을 이용하여 계산 영역을 약 30만개의 육면체 격자로 세부 구성하였고 Ansys사의 Fluent로 삼차원 해석수치모사를 수행하였다. 유동 계산을 위한 경계조건은 실제 산업적인 응용을 위한 조건을 고려하여 슬러리가 공급관에 들어가는 속도를 0.08m/s로 고정하였고, 온도는 실온(300K)으로 일정하게 하였다. 도 5에서와 같이 초기 치수 정보로부터 얻어진 촉매 슬러리는 다이 출구에서 포물선 개형의 속도 분포를 나타낸다. 이는 중앙 부분에서 코팅 두께가 크고 양단으로 갈수록 코팅 두께가 작아짐을 의미한다. 따라서, 다이 양단에서 유체 속도를 증진시키기 위해서는 chamber 양단을 중앙부보다 더 앞쪽으로 설계하여 반원통 형상의 챔버에서 반원통의 좌우측면의 중앙부가 양끝단부보다 슬릿유출 반대방향으로 볼록하게 휘어진 모양의 챔버(coat-hanger 모양, 옷걸이 모양의 챔버)가 되어 유체의 체류시간을 줄여주는 것이 효과적이다.Using the same program for the flow analysis in the die structure as above, the computational area was composed of about 300,000 cubes in detail and three-dimensional numerical simulation was performed with Fluent Ansys. The boundary conditions for the flow calculation were fixed at 0.08 m / s for the slurry to enter the feed line, considering the conditions for practical industrial applications, and the temperature was kept constant at room temperature (300 K). The catalyst slurry obtained from the initial dimensional information as in FIG. 5 shows the velocity distribution of parabolic opening at the die outlet. This means that the coating thickness is large in the center portion and the coating thickness decreases toward both ends. Therefore, in order to increase the fluid velocity at both ends of the die, both chambers are designed to be more forward than the central part, so that the central part of the left and right sides of the semi-cylindrical chamber is convexly curved in the opposite direction to the slit outflow from both ends in the semi-cylindrical chamber. It is effective to reduce the residence time of fluid by becoming coat-hanger shape and hanger shape chamber).

균일한 두께의 촉매층을 형성하기 위한 챔버의 크기 결정 단계,Sizing of the chamber to form a catalyst layer of uniform thickness,

초기 설정된 기본 치수로부터 챔버의 coat-hanger(옷걸이) 모양의 너비를 1.02mm로 변경 설계하면 촉매 슬러리의 두께 편차가 최소가 되어 최적의 슬롯 코팅 다이 장치가 구현이 가능하다. 따라서, 다양한 멱급수지수를 가지는 촉매 슬러리에 맞게 coat-hanger(옷걸이 모양)의 너비를 0.3㎜에서 2.1㎜로 조절하면 각각의 촉매슬러리에 최적인 슬롯 코팅 다이 장치를 구현할 수 있다. 도 8에서 상이한 멱급수 지수를 가지는 다양한 범위의 촉매 슬러리 유체별 최적의 coat-hanger(옷걸이) 모양 너비를 산출한 값을 나타내고 있다.By changing the width of the coat-hanger shape of the chamber to 1.02mm from the initial set basic dimension, the thickness variation of the catalyst slurry is minimized, and the optimum slot coating die device can be realized. Therefore, by adjusting the width of the coat-hanger (hanger shape) from 0.3 mm to 2.1 mm according to the catalyst slurry having various kneading index, it is possible to implement the slot coating die device that is optimal for each catalyst slurry. In FIG. 8, the optimum coat-hanger shape widths of various catalyst slurry fluids having different power series indexes are calculated.

고분자 전해질막 연료전지용 막-전극 접합체의 균일코팅을 위한 슬롯 코팅 다이 장치는 촉매 슬러리가 유입되는 feed 파이프가 챔버의 하측부에 결합되어 진공 유입 방식으로 촉매 슬러리가 feed 파이프를 통하여 챔버에 유입되고 챔버에 유입된 촉매 슬러리는 반원통 모양 형태의 챔버 상단에서 상부와 하부 평형판으로 구성된 슬릿으로 유출되어 다이립 유출구로 유출되어 웹과 기재면에 코팅될 수 있도록 한다.The slot coating die device for uniform coating of the membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte membrane fuel cell has a feed pipe into which the catalyst slurry is introduced is coupled to the lower side of the chamber, and the catalyst slurry is introduced into the chamber through the feed pipe in a vacuum inlet manner. The introduced catalyst slurry flows out from the top of the semi-cylindrical chamber into a slit consisting of upper and lower balance plates, and flows out to the die lip outlet to be coated on the web and the substrate surface.

나아가서, 촉매 슬러리의 전담담화 거동의 변화에 따른 최적 다이 설계의 상관관계를 규명하기 위해 동일한 상수(K) 조건에 멱급수 지수만을 달리하여 두께 편차를 최소화하는 coat-hanger(옷걸이 모양)너비를 조사하였다. 도 7에서와 같이 멱급수 지수가 커질수록 coat-hanger(옷걸이 모양)너비가 짧아지는 결과를 얻었다. 이는 멱급수 지수가 1에 가까워질수록 뉴튼 유체 특성을 지니게 되므로 흐름내 전단변형률속도에 큰 영향을 받지 않기 때문이다. 최적의 coat-hanger(옷걸이) 모양 너비와 멱급수 지수간의 상관관계는 다음과 같다. Furthermore, in order to correlate the optimum die design according to the change of the dedicated charge behavior of the catalyst slurry, the coat-hanger width was investigated to minimize the thickness variation by varying the power series index under the same constant (K) condition. . As shown in FIG. 7, the coat-hanger width became shorter as the water-water index increased. This is because the closer the power series index is to 1, the more the Newtonian fluid characteristic is, and therefore, it is not affected by the shear strain rate in the flow. The correlation between the optimal coat-hanger shape width and the power series index is

Figure 112010013026771-pat00004
Figure 112010013026771-pat00004

여기서,

Figure 112010013026771-pat00005
: coat-hanger(옷걸이 모양)의 너비, n : 멱급수 지수here,
Figure 112010013026771-pat00005
= width of coat-hanger, n: power index

도 9는 고분자 전해질막 연료전지용 막-전극 접합체의 균일코팅을 위한 슬롯 코팅 다이 장치의 개략도로서 임의의 멱급수 지수를 갖는 촉 매슬러리에 대해서 최적의 coat-hanger(옷걸이 모양)의 너비와 챔버의 지름비를 결정하여 다이 장치를 구현할 수 있다.9 is a schematic diagram of a slot coating die apparatus for uniform coating of a membrane-electrode assembly for a polymer electrolyte membrane fuel cell, the width of the coat-hanger and the chamber diameter optimal for a catalyst slurry having an arbitrary water-supply index. The die device can be implemented by determining the ratio.

이러한 전단담화 거동에 따른 비뉴튼성 유체의 물성과 다이 구조간의 상관관계를 이용하면 고분자 전해질막 연료전지에 사용되는 막-전극 접합체의 안정되고 균일한 연속 코팅이 가능하다.The correlation between the properties of the non-Newtonian fluid and the die structure according to the shear thinning behavior enables stable and uniform continuous coating of the membrane-electrode assembly used in the polymer electrolyte membrane fuel cell.

Claims (10)

촉매 슬러리가 유입되는 피드 파이프와, 피드 파이프로부터 촉매 슬러리를 공급받아 촉매 슬러리를 슬릿으로 유출시키는 챔버와, 챔버 상부의 일측면에 상, 하부의 편평한 판으로 이루어진 슬릿과, 촉매 슬러리 유출구인 다이립을 포함하여 구성되는 고분자 전해질막 연료전지용 전극-막 접합체의 촉매 슬러리 슬롯 코팅 다이 내부 설계방법으로서
(a) 촉매 슬러리 유체의 특성을 분석하여 유체 모델을 선정하는 단계;
(b) 촉매 슬러리 슬롯 코팅 다이 내부의 챔버 형태를 결정하는 단계;및
(c) 균일한 두께의 촉매층을 형성하기 위한 공정 조건을 결정하는 단계;를 포함하고,
상기 (a)단계는 유체의 점도와 전단변형률속도가 아래의 관계식(1)에서 촉매 슬러리의 유체특성을 분석하여 임의의 멱급수지수를 갖는 촉매슬러리를 선정하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지용 전극-막 접합체의 촉매 슬러리 슬롯 코팅 다이 내부 설계방법.
<관계식 (1)>
power law model : η=K|γ|n-1
K : 상수, n : 멱급수 지수, η : 점도, γ : 전단변형률속도
A feed pipe into which the catalyst slurry is introduced, a chamber for receiving the catalyst slurry from the feed pipe and flowing the catalyst slurry into the slit, a slit consisting of upper and lower flat plates on one side of the upper chamber, and a die lip as the catalyst slurry outlet As an internal design method of a catalyst slurry slot coating die of an electrode-membrane assembly for a polymer electrolyte membrane fuel cell comprising a
(a) characterizing the catalyst slurry fluid to select a fluid model;
(b) determining the chamber shape inside the catalyst slurry slot coating die; and
(c) determining process conditions for forming a catalyst layer of uniform thickness;
Step (a) is a polymer electrolyte membrane fuel cell electrode, characterized in that for selecting the catalyst slurry having an arbitrary kneading index by analyzing the fluid properties of the catalyst slurry in relation (1) below the viscosity and shear strain rate of the fluid A method for designing a catalyst slurry slot coating die inside a membrane assembly.
<Relationship (1)>
power law model: η = K | γ | n-1
K: constant, n: power series index, η: viscosity, γ: shear strain rate
삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 (b)단계는 (b1)코팅 다이립 출구에서 폭방향으로 촉매슬러리의 유출속도를 계산하는 단계;와 (b2)다이립 출구 중앙부와 양 끝단부의 유출속도 편차가 최소가 되는 슬롯 코팅 다이 내부의 챔버 형태를 결정하는 단계;를 포함하는 고분자 전해질막 연료전지용 전극-막 접합체의 슬롯 코팅 다이 내부 설계방법.
The method according to claim 1, wherein step (b) comprises the steps of (b1) calculating the outflow rate of the catalyst slurry in the width direction at the coating die lip outlet; and (b2) the flow rate deviation of the center portion and both ends of the die lip outlet is the minimum The method of designing the inside of the slot coating die of the electrode-membrane assembly for a polymer electrolyte membrane fuel cell comprising the step of determining the chamber shape inside the slot coating die.
청구항 3에 있어서, 상기 (b1)단계는 촉매 슬러리의 일정한 유입속도와 온도에서 다이립 출구에서 폭방향으로 유출속도분포 개형을 계산하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지용 전극-막 접합체의 슬롯 코팅 다이 내부 설계방법.The method of claim 3, wherein the step (b1) is a slot coating of the electrode-membrane assembly for a polymer electrolyte membrane fuel cell, characterized in that for calculating the flow rate distribution in the width direction at the exit of the die lip at a constant inlet speed and temperature of the catalyst slurry How to design inside the die. 청구항 3에 있어서, 상기 (b2)단계는 (b1)단계에서 계산한 유출속도 편차가 최소가 되게 하는 챔버의 형태는 반원통 형상의 챔버에서 반원통의 좌우측면의 중앙부가 양끝단부보다 슬릿유출 반대방향으로 볼록하게 휘어진 옷걸이 모양인 것으로 결정되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지용 전극-막 접합체의 슬롯 코팅 다이 내부 설계방법.
The method of claim 3, wherein in the step (b2), the shape of the chamber for minimizing the outflow rate deviation calculated in the step (b1) is opposite to the slit outflow of the semi-cylindrical chambers from the left and right sides of the semi-cylinder. A slot coating die internal design method of an electrode-membrane assembly for a polymer electrolyte membrane fuel cell, characterized in that it is determined to have a hanger shape convexly curved in a direction.
청구항 1에 있어서, 상기 (c)단계는 균일한 두께의 촉매층을 형성하기 위하여 아래와 같은 관계식(2)에서 임의의 촉매 슬러리에 대한 중앙부가 측면으로 볼록하게 휘어진 옷걸이 모양의 반원통 형상인 챔버에서 슬롯에서 볼록하게 휘어진 중앙부분의 측면까지 너비를 결정하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지용 전극-막 접합체의 슬롯 코팅 다이 내부 설계방법.
<관계식 (2)>
Figure 112012052419536-pat00009

Figure 112012052419536-pat00010
: 슬릿에서 볼록하게 휘어진 중앙부분의 측면까지 너비, n : 멱급수 지수
The method of claim 1, wherein the step (c) is a slot in the chamber having a hanger-shaped semi-cylindrical shape in which the central portion for any catalyst slurry is convexly laterally convex in the following relation (2) to form a catalyst layer having a uniform thickness. The internal design method of the slot coating die of the electrode-membrane assembly for a polymer electrolyte membrane fuel cell, characterized in that the width is determined to the side of the convexly curved center portion.
<Relationship (2)>
Figure 112012052419536-pat00009

Figure 112012052419536-pat00010
Is the width from the slit to the side of the convexly curved center, n is the power index
촉매 슬러리가 유입되는 피드 파이프와, 상기 피드 파이프로부터 촉매 슬러리를 공급받아 촉매 슬러리를 슬릿으로 유출시키는 반원통 모양의 챔버와, 챔버 상부의 일측면에 상, 하부의 편평한 판으로 이루어진 슬릿과, 촉매 슬러리 유출구인 다이립을 포함하여 구성되고,
상기 챔버의 형태는 반원통 형태에서 좌우측면의 중앙부가 양 끝단부보다 슬릿 유출 반대 방향으로 볼록하게 휘어진 옷걸이 모양이며,
상기 중앙부가 볼록하게 휘어진 옷걸이 모양의 반원통 형상인 챔버의 볼록한 중앙부의 너비와 챔버 지름의 비는 하기 <관계식(1)>에 의해서 임의의 멱급수지수를 가지도록 선정된 촉매 슬러리에 대해서 0.3~2.1 : 13인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지용 전극-막 접합체의 슬롯 코팅 다이 장치.
<관계식 (1)>
power law model : η=K|γ|n-1
K : 상수, n : 멱급수 지수, η : 점도, γ : 전단변형률속도
A feed pipe into which the catalyst slurry is introduced, a semi-cylindrical chamber receiving the catalyst slurry from the feed pipe and flowing the catalyst slurry into the slit, a slit consisting of upper and lower flat plates on one side of the chamber, and a catalyst It comprises a die lip which is a slurry outlet,
The chamber has a semi-cylindrical shape in which a central portion of the left and right sides is convexly curved in a direction opposite to the slit outflow from both ends,
The ratio of the width and the chamber diameter of the convex center portion of the chamber having a semi-cylindrical shape in which the center portion is convexly curved is 0.3 to 2.1 with respect to the catalyst slurry selected to have an arbitrary water index according to <Equation (1)>. : 13 is a slot coating die apparatus of the electrode-membrane assembly for polymer electrolyte membrane fuel cells.
<Relationship (1)>
power law model: η = K | γ | n-1
K: constant, n: power series index, η: viscosity, γ: shear strain rate
삭제delete 삭제delete 청구항 7에 있어서, 상기 임의의 멱급수지수가 0.58의 값을 가지는 촉매 슬러리에 대해서는 중앙부가 볼록하게 휘어진 옷걸이 모양의 반원통 형상인 챔버의 볼록한 중앙부의 너비와 챔버 지름의 비가 1.03 : 13인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지용 전극-막 접합체의 슬롯 코팅 다이 장치.The method according to claim 7, wherein the ratio of the width and the chamber diameter of the convex central portion of the chamber having a semi-cylindrical shape of a hanger shape in which the central portion is convexly curved is about 1.03: 13 for the catalyst slurry having a value of 0.58. The slot coating die apparatus of the electrode-membrane assembly for polymer electrolyte membrane fuel cells.
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