KR101610101B1 - 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법 - Google Patents

전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101610101B1
KR101610101B1 KR1020140060536A KR20140060536A KR101610101B1 KR 101610101 B1 KR101610101 B1 KR 101610101B1 KR 1020140060536 A KR1020140060536 A KR 1020140060536A KR 20140060536 A KR20140060536 A KR 20140060536A KR 101610101 B1 KR101610101 B1 KR 101610101B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ink
catalyst
flow
electrolyte membrane
vibrator
Prior art date
Application number
KR1020140060536A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150133571A (ko
Inventor
이호승
Original Assignee
현대자동차 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차 주식회사 filed Critical 현대자동차 주식회사
Priority to KR1020140060536A priority Critical patent/KR101610101B1/ko
Priority to US14/551,030 priority patent/US9269962B2/en
Priority to DE102014224262.2A priority patent/DE102014224262B4/de
Publication of KR20150133571A publication Critical patent/KR20150133571A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101610101B1 publication Critical patent/KR101610101B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828—Coating with slurry or ink
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/881—Electrolytic membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828—Coating with slurry or ink
    • H01M4/8832—Ink jet printing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법이 개시된다. 상기 장치는 내부에 잉크 챔버가 형성되어 잉크를 저장하도록 되어 있으며, 일측면에 상기 잉크 챔버의 잉크를 분사하기 위한 분사 구멍이 형성되고, 반대측면에 압전 소자가 장착되어 상기 잉크를 상기 분사 구멍을 통해 분사하도록 된 프린터 헤드; 그리고 진동에 의하여 초음파를 생성하며, 상기 분사 구멍을 통해 분사된 잉크에 초음파를 가하여 상기 잉크를 골고루 분산시키도록 된 진동자;를 포함할 수 있다.

Description

전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF PRINTING CATALYST ON ELECTROLYTE MEMBRANE}
본 발명은 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해질막을 향하여 분사된 잉크에 초음파와 열을 가하여 잉크를 골고루 분산시키고 스웰링(swelling)을 방지하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.
연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 단위 전지가 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 전지는 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하며, 이 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.
또한 상기 막-전극 어셈블리(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 세퍼레이터(Separator)가 위치한다.
따라서, 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소 쪽은 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 산소 쪽은 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물이 생성되는 환원 반응을 한다.
즉, 수소가 애노드(Anode, "산화전극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원전극"이라고도 함)로 공급되는 바, 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체 확산층과 세퍼레이터를 통하여 캐소드로 전달된다.
이에, 캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 세퍼레이터를 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.
한편, 상기 막-전극 어셈블리(MEA)는 주로 고분자 전해질막의 양면에 촉매를 부착하여 제조되는데, 촉매를 전해질막의 부착하는 방법으로 주로 데칼공정(Decal method)이나 스프레이 조사법(catalyst spraying method)이 주로 사용된다.
데칼공정에 따르면, 수지 필름에 촉매를 부착한 후 열압착을 통하여 촉매를 전해질막에 부착한다. 데칼공정으로 제조된 막-전극 어셈블리는 얇은 촉매층이 형성되므로 촉매와 반응가스의 면적이 증가되는 효과가 있으나, 공정이 복잡하여 제작 단가 및 제작 시간이 오래 걸리는 단점이 있었다.
스프레이 조사법에 따르면, 촉매가 포함된 잉크를 분무하므로 균질한 촉매막(즉, 균일한 두께와 밀도를 갖는 촉매막)을 얻기 어려우며 여러 차례 분무를 하여야 하므로 제작 시간이 오래 걸리는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 촉매를 포함하는 잉크를 직접 전해질막에 인쇄함으로써 균질한 촉매막을 얻을 수 있는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 분사된 잉크가 촉매막에 도달하기 전에 초음파와 열을 잉크에 가하여 잉크를 골고루 분산시키고 스웰링을 방지하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법을 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.
본 발명의 실시예에 따른 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치는 내부에 잉크 챔버가 형성되어 잉크를 저장하도록 되어 있으며, 일측면에 상기 잉크 챔버의 잉크를 분사하기 위한 분사 구멍이 형성되고, 반대측면에 압전 소자가 장착되어 상기 잉크를 상기 분사 구멍을 통해 분사하도록 된 프린터 헤드; 그리고 진동에 의하여 초음파를 생성하며, 상기 분사 구멍을 통해 분사된 잉크에 초음파를 가하여 상기 잉크를 골고루 분산시키도록 된 진동자;를 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 분사 구멍을 통해 분사된 잉크의 흐름 주변에서 상기 잉크를 가열하도록 된 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 진동자는 상기 분사 구멍을 통해 분사된 잉크의 흐름의 경방향 외측에 배치되어 상기 잉크의 흐름에 수직인 방향으로 진동하며 초음파를 가하도록 되어 있을 수 있다.
상기 히터는 상기 진동자의 경방향 외측에 배치되어 상기 잉크의 흐름을 가열하도록 되어 있을 수 있다.
상기 진동자는 5Hz~1000MHz의 주파수를 가진 초음파를 생성하도록 되어 있을 수 있다.
상기 진동자는 20kHZ~40kHz의 주파수를 가진 초음파를 생성하도록 되어 있을 수 있다.
상기 히터는 상기 잉크를 50~100℃로 가열하도록 되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법은 촉매용 잉크를 제조하는 단계; 상기 잉크를 분사 구멍을 통하여 전해질막을 향하여 분사하는 단계; 상기 분사 구멍과 상기 전해질막 사이에 제공된 진동자를 이용하여 상기 분사된 잉크에 초음파를 가하는 단계; 그리고 상기 초음파에 의하여 골고루 분산된 잉크가 상기 전해질막에 설정된 패턴으로 접해 촉매가 코팅되는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 분사된 잉크에 열을 가하여 잉크의 용매를 증발시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
하나의 양상에서, 상기 설정된 패턴은 서로 평행한 복수개의 제1방향 선; 그리고 상기 제1방향 선과 설정 각도를 이루도록 교차하며 서로 평행한 복수개의 제2방향 선;을 포함할 수 있다.
상기 제1방향 선은 유체의 흐름에 평행하고, 상기 제2방향 선은 상기 제1방향 선에 수직일 수 있다.
이웃하는 제2방향 선들 사이의 간격은 유체의 흐름을 따라 커지거나 동일할 수 있다.
상기 복수개의 제2방향 선의 두께는 유체의 흐름을 따라 작아지거나 동일할 수 있다.
상기 초음파는 20kHz~40kHZ의 주파수를 가질 수 있다.
상기 초음파의 주파수는 촉매의 종류 및 용매의 종류에 따라 결정될 수 있다.
상기 잉크의 용매를 증발시키는 단계는 상기 잉크를 50~100℃로 가열하는 것에 의하여 수행될 수 있다.
다른 양상에서, 상기 설정된 패턴은 복수개의 방향선을 포함하며, 유체의 흐름에서 상류에 위치하는 복수개의 방향선의 밀도는 유체의 흐름에서 하류에 위치하는 복수개의 방향선의 밀도보다 클 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 촉매를 포함하는 잉크를 직접 전해질막에 인쇄함으로써 균질한 촉매막을 얻을 수 있으며, 촉매의 두께와 촉매 사이의 간격을 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 분사된 잉크가 촉매막에 도달하기 전에 초음파와 열을 잉크에 가하므로 잉크를 골고루 분산시키고 스웰링을 방지할 수 있다.
더 나아가, 대량의 잉크를 한 번에 분사할 수 있으므로 제조 시간이 줄어들게 된다.
도 1은 막-전극 어셈블리를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치의 일부 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 진동자와 히터의 구성을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 인쇄된 전해질막의 하나의 예를 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 인쇄된 전해질막의 하나의 예를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 막-전극 어셈블리를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 막-전극 어셈블리(1)는 전해질막(2), 촉매층들(4, 6), 가스 확산층들(8, 10), 그리고 세퍼레이터들(12, 14)을 포함한다.
전해질막(2)은 막-전극 어셈블리(1)의 중심부에 위치하며, 수소 이온과 전자 중 수소 이온만을 선택적으로 통과시킨다. 상기 전해질막(2)의 양측면에는 촉매층들(4, 6)이 형성되어 있다. 상기 촉매층들(4, 6)은 상기 전해질막(2)의 양측면에 직접 인쇄된다.
상기 촉매층들(4, 6)은 캐소드(4)와 애노드(6)를 포함한다. 캐소드(4)("환원 전극"이라고도 함)에는 산소(공기)가 공급되고 애노드(6)("산화 전극"이라고도 함)에는 수소가 공급된다. 애노드(6)로 공급된 수소는 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막(2)을 통과하여 캐소드(4)로 전달되며, 동시에 전자는 도체인 기체 확산층(8)과 세퍼레이터(12)를 통하여 캐소드(4)로 전달된다. 따라서, 캐소드(4)에서는 전해질막(2)을 통하여 공급된 수소 이온과 세퍼레이터(12, 14)를 통하여 전달된 전자가 캐소드(4)로 공급된 공기 중의 산소와 만나 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 의하여, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.
상기 캐소드(4)의 상기 전해질막(2)의 반대측면 및 상기 애노드(6)의 상기 전해질막(2)의 반대측면에는 각각 가스 확산층(8, 10)이 위치한다. 상기 가스 확산층(8, 10)은 각각 공기와 수소를 캐소드(4)와 애노드(6)로 전달한다.
상기 가스 확산층(8, 10)의 바깥측에는 각각 세퍼레이터(12, 14)가 위치한다. 세퍼레이터(12, 14)는 공기와 수소를 캐소드(4)와 애노드(6)로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(13)가 형성되어 있다. 도 1에는 공기의 흐름과 수소의 흐름이 서로 수직인 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치의 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치는 전해질막(2)에 캐소드(4) 및/또는 애노드(6)를 인쇄하기 위하여 사용된다. 이러한 목적을 위하여, 상기 장치는 잉크 공급원(21), 제1히터(23) 및 프린터(30)를 포함한다.
상기 잉크 공급원(21)은 촉매를 포함하는 잉크를 저장하고 있으며, 상기 잉크를 프린터(30)에 공급하도록 되어 있다.
제1히터(23)는 상기 잉크 공급원(21)과 프린터(30) 사이에 배치되어 잉크 공급원(21)으로부터 공급되는 잉크를 1차적으로 가열한다. 상기 제1히터(23)는 상기 잉크를 30~50℃로 가열하여 잉크의 전체 온도를 균일하게 하고, 빠르게 2차 가열이 되도록 한다.
프린터(30)는 상기 잉크 공급원(21)으로부터 공급 받은 잉크를 전해질막(2)에 분사하여 촉매(4, 6)를 전해질막(2)에 인쇄하도록 되어 있다. 상기 프린터(30)는 프린터 헤드(32)와, 진동자(50)와, 제2히터(60)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치의 일부 확대 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 진동자와 히터의 구성을 도시한 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 프린터 헤드(32)의 내부에는 잉크 챔버(34)가 형성되어 있으며, 상기 잉크 챔버(34)는 상기 잉크 공급원(21)에 유체가 흘러갈 수 있도록 연결되어 상기 잉크 공급원(21)으로부터 잉크를 공급받는다. 상기 잉크 챔버(34)는 잉크 공급원(21)으로부터 공급된 잉크를 일시적으로 저장하도록 되어 있다. 상기 프린터 헤드(32)의 일측면에는 분사 구멍(40)이 형성되어 잉크 챔버(34)의 잉크는 상기 분사 구멍(40)을 통하여 분사된다. 또한, 상기 프린터 헤드(32)의 반대측면은 가요성 부재(36)로 형성되며, 상기 가요성 부재(36) 상에는 압전 소자(38)가 장착된다. 압전 소자(38)는 전류를 공급 받으면 가요성 부재(36)에 압력을 가하고, 이에 따라 가요성 부재(36)가 상기 분사 구멍(40)을 향하여 휘어지며 잉크 챔버(34)에 저장된 잉크를 분사하도록 되어 있다.
진동자(50)는 상기 분사 구멍(40)을 통하여 분사된 잉크가 지나가는 경로 상에 장착되어 있다. 진동자(50)는 진동에 의하여 초음파를 생성하며, 분사 구멍(40)을 통해 분사된 잉크(42)에 초음파를 가하여 상기 잉크를 골고루 혼합/분산시키도록 되어 있다. 잉크(42)는 용매제와 촉매제를 포함하고 있으므로, 잉크(42)에 초음파를 가하게 되면 잉크(42)가 미세한 방울로 분해되며 용매제와 촉매제가 골고루 혼합된 상태로 상기 미세한 방울들에 골고루 분산되게 된다. 만일 촉매제가 골고루 분산되지 않는 경우에는 촉매제와 용매제가 분리되어 촉매제가 특정 부분에 집중되게 된다. 이 경우, 막-전극 어셈블리(1)의 성능이 저하되거나 막-전극 어셈블리(1)를 제조하기 위한 촉매의 사용이 늘어나게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 잉크(42)가 지나가는 경로 상에 진동자(50)를 설치하여 초음파를 잉크(42)에 가함으로써 촉매제가 용매제에 골고루 혼합되도록 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 진동자(50)는 상기 잉크(42)의 반경 외측에 배치되어 있으며, 상기 잉크 흐름(44)에 거의 수직인 방향으로 진동하며 잉크(42)에 초음파를 가한다.
상기 진동자(50)는 5Hz~1000MHz의 주파수를 가진 초음파를 생성하도록 되어 있을 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다. 상기 초음파의 주파수는 촉매의 종류 및 용매의 종류에 따라서 결정된다. 바람직하게는, 상기 초음파의 주파수는 20kHz~40kHz일 수 있다. 통상적으로, 잉크(42)는 알코올 계의 용매를 주로 사용하므로, 20kHz~40kHz의 주파수를 가진 초음파가 잉크(42)에 가해지면 잉크(42)가 미세한 입자로 분산되는 효과가 탁월하게 된다.
한편, 진동자는 가습기 또는 세척기 등에 널리 사용되고 있고 당업자에게 잘 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
제2히터(60)는 상기 분사 구멍(40)을 통하여 분사된 잉크(42)가 지나가는 경로 상에 장착되어 있으며, 상기 잉크(42)를 가열하도록 되어 있다. 상기 제2히터(60)는 전해질막(2)에 도달하기 직전의 잉크(42)를 가열함으로써 잉크(42)에 포함된 용매/수분의 적어도 일부를 증발시킨다. 전해질막(2)에 도달한 잉크(42)는 용매/수분의 적어도 일부가 증발되었으므로, 전해질막(2)이 수분을 흡수하는 것을 방지하고 스웰링이 발생되지 않도록 한다. 또한, 전해질막(2)에 도달한 잉크(42)는 제2히터(60)에 의하여 가열된 상태이므로, 상기 잉크(42)에 포함된 촉매제는 고온에서 전해질막(2)에 잘 증착되게 된다. 몇몇 실시예들에서, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제2히터(60)는 잉크(42)의 반경 외측, 특히 진동자(50)의 반경 외측에 배치되어 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 제2히터(60)는 상기 잉크(42)를 50~100℃까지 가열할 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 하나의 실시예에서, 상기 제2히터(60)의 가열 온도는 잉크(42)에 주로 포함된 물이나 알코올계 성분의 증발 온도를 고려하여 설정된다. 다른 실시예에서, 상기 제2히터(60)의 가열 온도는 잉크(42)에 포함된 타겟 용매의 성분에 따라 설정될 수 있다. 상기 제2히터(60)는 열선일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.
한편, 상기 진동자(50)와 상기 제2히터(60)는 상기 프린터 헤드(32)에 장착되거나 프린터 헤드(32)와는 별개로 배치될 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법의 흐름도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 인쇄된 전해질막의 하나의 예를 도시한 개략도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 촉매가 인쇄된 전해질막의 하나의 예를 도시한 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 다른 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법은 촉매제를 포함하는 잉크(42)를 제조함으로써 시작된다(S110). 상기 잉크(42)는 촉매와 용매를 포함한다.
촉매는 담지체 위에 촉매제가 부착되어 있다. 촉매제로는 백금이나 루테늄과 같은 귀금속 물질이 주로 사용되나 이에 한정되지는 않는다. 또한, 촉매는 카본 블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube), 메조포로스 카본(mesoporous carbon), 나노 다이아몬드(nano diamond), 그래핀(grapheme)과 같은 탄소계 물질, 티타늄 산화물, 질화물, 붕소화물, 산화주석, ITO(Indium Tin Oxide), 산화규소, 산화텅스텐, 탄화텅스텐, 황화지로코늄과 같은 비금속산화물계 물질 및/또는 전도성 고분자 물질로 제작될 수 있다. 더 나아가, 촉매의 크기는 입경 50㎛ 이하일 수 있다. 촉매의 크기는 전해질막(2)의 두께 및 담체의 제작 가능성을 고려하여 결정된다.
용매는 잉크(42)의 유동성을 위한 액체 물질이다. 용매제로는 나피온(듀퐁사의 상표), 에폭시, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리디메틸실론산, 폴리디메틸그루타리미드, 실리콘수지 등의 고분자 수지 물질, 초순수(deionized water) 및/또는 에탄올이 사용될 수 있다.
촉매를 제조한 후 용매에 촉매를 분산/혼합하여 잉크(42)가 제조된다. 제조가 끝난 잉크(42)는 잉크 공급원(21)에 보관된다.
그 후, 상기 장치는 잉크(42)를 전해질막(2)에 분사하여 설정된 패턴을 형성한다(S120). 전해질막(2)에 촉매(4, 6)를 인쇄하기 위하여 제1히터(23)는 잉크 공급원(21)으로부터 프린터(30)에 공급되는 잉크(42)를 1차적으로 가열한다. 앞에서 언급한 바와 같이, 제1히터(23)는 잉크(42)를 30~50℃로 가열하여 잉크(42)의 온도를 균일하게 하고 2차 가열이 빠르게 진행되도록 한다.
프린터(30)에 공급된 잉크(42)는 잉크 챔버(34)에 공급된다. 제어기(도시하지 않음)가 압전 소자(38)에 신호를 인가하면 잉크 챔버(34)의 잉크(42)가 분사 구멍(40)을 통하여 분사된다. 또한, 제어기는 상기 진동자(50) 및 제2히터(60)에 신호를 인가하여 분사된 잉크(42)에 초음파와 열을 가하게 된다. 따라서, 진동자(50)에 의하여 잉크(42)는 미세한 방울로 분해됨과 동시에 용매와 촉매가 골고루 혼합되고, 히터(60)에 의하여 용매의 적어도 일부가 증발하게 된다.
이러한 상태에서 프린터 헤드(32)는 설정된 패턴에 따라 이동하며 촉매가 전해질막(2)에 설정된 패턴으로 증착되게 한다.
도 6 및 도 7은 촉매가 전해질막(2)에 하나의 예시적인 설정된 패턴에 따라 증착된 형태를 도시하였다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 하나의 예시적인 설정된 패턴은 복수개의 제1방향 선(62)과 복수개의 제2방향 선(64)을 포함한다. 상기 복수개의 제1방향 선(62)은 서로 평행하며, 상기 복수개의 제2방향 선(64) 역시 서로 평행하다. 또한, 상기 제1방향 선(62)과 제2방향 선(64)은 서로 설정 각도를 이루도록 교차한다. 하나의 실시예에서, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1방향 선(62)은 유체의 흐름에 평행하고 상기 제2방향 선(64)은 유체의 흐름에 수직일 수 있다.
상기 제1방향 선들(62) 또는 상기 제2방향 선들(64) 사이의 간격(L1, L2)은 유체(수소 또는 공기)의 흐름을 따라 커지거나 동일할 수 있다. 다시 말하면, 상류에서 제1방향 선들(62) 또는 제2방향 선들(64) 사이의 간격(L1)은 하류에서 제1방향 선들(62) 또는 제2방향 선들(64) 사이의 간격(L2)보다 작거나 동일하다. 유체(수소 또는 산소)는 상류에서는 풍부하고 하류에서는 연하므로, 상류에서 반응이 더욱 활성화되도록 상류의 방향 선들의 밀도를 높게 형성한다. 동일한 이유로, 제1방향 선(62) 또는 제2방향 선(64)의 두께(t1, t2)는 유체(수소 또는 공기)의 흐름을 따라 작아지거나 동일할 수 있다. 다시 말하면, 상류에서 제1방향 선(62) 또는 제2방향 선(64)의 두께(t1)는 하류에서 제1방향 선(62) 또는 제2방향 선(64)의 두께(t2)보다 크거나 동일하다. 하나의 실시예에서, 상기 선들(62, 64)의 폭은 20㎛이고, 상기 선들(62, 64) 사이의 간격은 상류에서 20㎛(L1), 하류에서 70㎛(L2)이며, 상기 선들(62, 64)의 두께는 상류에서 20㎛(t1), 하류에서 200nm(t2)일 수 있다. 다양한 실시예에서, 상기 선들(62, 64)의 폭 및 상기 선들(62, 64) 사이의 간격은 10㎛~1mm 사이의 값일 수 있으며, 상기 선들(62, 64)의 두께는 10nm~100㎛ 사이의 값일 수 있다. 상기 선들(62, 64)의 두께는 인쇄 횟수를 조정함으로써 조절할 수 있다.
한편, 상기 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치는 전해질막(2)에 인쇄된 잉크(42)를 가열하여 촉매(4, 6)를 전해질막(2)에 증착하는 제3히터(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
설정된 패턴이 형성되면, 촉매(4, 6)가 증착된 전해질막(2)의 양면에 가스 확산층(8, 10)과 세퍼레이트(12, 14)를 설치하여 전극을 형성한다(S130). 전극을 형성하는 방법은 당업자에게 잘 알려져 있으므로 여기에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
한편, 제어기는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시예에 따른 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그램밍된 것일 수 있다. 즉, 상기 제어기는 제1히터(23), 진동자(50), 제2히터(60), 제3히터 및 프린터(30)의 작동을 제어하며, 제어기에는 상기 설정된 패턴이 저장되어 있을 수 있다.
또한, 여기에서 제시한 설정된 패턴은 하나의 예일 뿐 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 설정된 패턴은 가스가 공급되는 유로와 동일 또는 유사한 형상일 수 있으며, 유로의 형상과는 무관하게 촉매의 반응을 최적화하기 위해 당업자가 고안한 형상일 수 있다. 이 때, 유체의 흐름에서 상류에 위치하는 복수개의 방향선(제1, 제2방향 선에 한정되지 않음)의 밀도(두께 및 방향선들 사이의 간격을 포함)는 유체의 흐름에서 하류에 위치하는 복수개의 방향선의 밀도보다 더욱 클 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (17)

  1. 내부에 잉크 챔버가 형성되어 잉크를 저장하도록 되어 있으며, 일측면에 상기 잉크 챔버의 잉크를 분사하기 위한 분사 구멍이 형성되고, 반대측면에 압전 소자가 장착되어 상기 잉크를 상기 분사 구멍을 통해 분사하도록 된 프린터 헤드; 그리고
    진동에 의하여 초음파를 생성하며, 상기 분사 구멍을 통해 분사된 잉크에 초음파를 가하여 상기 잉크를 골고루 분산시키도록 된 진동자;
    를 포함하며,
    상기 진동자는 상기 분사 구멍을 통해 분사된 잉크의 흐름의 경방향 외측에 배치되어 상기 잉크의 흐름에 수직인 방향으로 진동하며 초음파를 가하도록 되어 있고,
    상기 분사 구멍을 통해 분사된 잉크의 흐름 주변에서 상기 잉크를 가열하도록 되어 있으며, 열선으로 구성된 히터를 더 포함하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진동자는 상기 분사 구멍을 통해 분사된 잉크의 흐름의 경방향 외측에 배치되어 상기 잉크의 흐름에 수직인 방향으로 진동하며 초음파를 가하도록 되어 있고,
    상기 히터는 상기 진동자의 경방향 외측에 배치되어 상기 잉크의 흐름을 가열하도록 되어 있는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진동자는 5Hz~1000MHz의 주파수를 가진 초음파를 생성하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 진동자는 20kHZ~40kHz의 주파수를 가진 초음파를 생성하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 히터는 상기 잉크를 50~100℃로 가열하도록 되어 있는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치.
  8. 촉매용 잉크를 제조하는 단계;
    일측면에 상기 잉크를 분사하기 위한 분사 구멍이 형성되고, 반대측면에 압전 소자가 장착된 프린터 헤드를 이용하여 상기 잉크를 상기 분사 구멍을 통하여 전해질막을 향하여 분사하는 단계;
    상기 분사 구멍과 상기 전해질막 사이에 제공된 진동자를 이용하여 상기 분사된 잉크에 초음파를 가하는 단계; 그리고
    상기 초음파에 의하여 골고루 분산된 잉크가 상기 전해질막에 설정된 패턴으로 접해 촉매가 코팅되는 단계;
    를 포함하며,
    상기 진동자는 상기 분사 구멍을 통해 분사된 잉크의 흐름의 경방향 외측에 배치되어 상기 잉크의 흐름에 수직인 방향으로 진동하며 초음파를 가하도록 되어 있고,
    상기 분사된 잉크의 주변에 위치한 열선으로 열을 가하여 잉크의 용매를 증발시키는 단계를 더 포함하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 설정된 패턴은
    서로 평행한 복수개의 제1방향 선; 그리고
    상기 제1방향 선과 설정 각도를 이루도록 교차하며 서로 평행한 복수개의 제2방향 선;
    을 포함하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1방향 선은 유체의 흐름에 평행하고, 상기 제2방향 선은 상기 제1방향 선에 수직인 것을 특징으로 하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    이웃하는 제2방향 선들 사이의 간격은 유체의 흐름을 따라 커지거나 동일한 것을 특징으로 하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 복수개의 제2방향 선의 두께는 유체의 흐름을 따라 작아지거나 동일한 것을 특징으로 하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 초음파는 20kHz~40kHZ의 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 초음파의 주파수는 촉매의 종류 및 용매의 종류에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 잉크의 용매를 증발시키는 단계는 상기 잉크를 50~100℃로 가열하는 것에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 설정된 패턴은 복수개의 방향선을 포함하며,
    유체의 흐름에서 상류에 위치하는 복수개의 방향선의 밀도는 유체의 흐름에서 하류에 위치하는 복수개의 방향선의 밀도보다 큰 것을 특징으로 하는 전해질막에 촉매를 인쇄하는 방법.
KR1020140060536A 2014-05-20 2014-05-20 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법 KR101610101B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140060536A KR101610101B1 (ko) 2014-05-20 2014-05-20 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법
US14/551,030 US9269962B2 (en) 2014-05-20 2014-11-23 Apparatus and method of printing catalyst on electrolyte membrane
DE102014224262.2A DE102014224262B4 (de) 2014-05-20 2014-11-27 Vorrichtung und Verfahren zum Aufdrucken eines Katalysators auf eine Elektrolytenmembran

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140060536A KR101610101B1 (ko) 2014-05-20 2014-05-20 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150133571A KR20150133571A (ko) 2015-11-30
KR101610101B1 true KR101610101B1 (ko) 2016-04-08

Family

ID=54431851

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140060536A KR101610101B1 (ko) 2014-05-20 2014-05-20 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9269962B2 (ko)
KR (1) KR101610101B1 (ko)
DE (1) DE102014224262B4 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100551136B1 (ko) * 2003-05-15 2006-02-10 주식회사 엘지화학 연료전지 용 전극 막 접합체의 제조 시스템
JP2007213841A (ja) * 2006-02-07 2007-08-23 Toyota Motor Corp 電極製造方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6669103B2 (en) * 2001-08-30 2003-12-30 Shirley Cheng Tsai Multiple horn atomizer with high frequency capability
DE10333289A1 (de) 2002-07-24 2004-09-02 General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware), Detroit Vorrichtung zur Formung einer katalytischen Beschichtng auf einem Substrat
US20050098101A1 (en) * 2003-11-04 2005-05-12 Palcan Power Systems Inc. Apparatus for manufacturing fuel cell membrane electrode assembly
US8268354B2 (en) * 2007-11-07 2012-09-18 Aridis Pharmaceuticals Sonic low pressure spray drying

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100551136B1 (ko) * 2003-05-15 2006-02-10 주식회사 엘지화학 연료전지 용 전극 막 접합체의 제조 시스템
JP2007213841A (ja) * 2006-02-07 2007-08-23 Toyota Motor Corp 電極製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102014224262B4 (de) 2024-05-29
KR20150133571A (ko) 2015-11-30
US9269962B2 (en) 2016-02-23
DE102014224262A1 (de) 2015-11-26
US20150340706A1 (en) 2015-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5513858B2 (ja) 燃料電池の製造方法及び印刷された燃料電池
WO2007074934A1 (ja) 燃料電池用拡散層の製造方法および燃料電池用拡散層
JP2001068119A (ja) 高分子電解質型燃料電池およびその電極の製造法
KR20150134583A (ko) 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지
KR101610101B1 (ko) 전해질막에 촉매를 인쇄하는 장치 및 방법
TW200412689A (en) Manufacturing process for fuel cell, and fuel cell apparatus
JP5074662B2 (ja) 燃料電池用触媒層の製造方法及び製造装置
JP5899522B2 (ja) 燃料電池用膜電極接合体の製造方法および製造装置
JP2003109605A (ja) 高分子電解質型燃料電池用電極およびその製造方法
JP2014096364A (ja) Ｐｅｍｆｃ電極の構造化
JP2004158446A (ja) 燃料電池の製造方法および燃料電池装置
JP2009289623A (ja) 膜電極接合体における触媒層の製造方法
KR101153027B1 (ko) 다른 방향의 잉크라인을 포함하는 연료전지용 전극 및 그제조방법과 이를 포함하는 막전극 접합체 및 연료전지
JP2004158290A (ja) 高分子電解質型燃料電池およびその電極の製造方法
KR101823901B1 (ko) 기공성 이형지에 분무 코팅법이 적용된 전극 제조 방법
JP2003109601A (ja) 高分子電解質型燃料電池用触媒層およびその製造方法
JP3828453B2 (ja) 燃料電池の製造方法
JP3828507B2 (ja) 燃料電池用電極
Tsui et al. Aerosol Jet Deposition for Structured Materials
US20070214636A1 (en) System and Method for Forming a Membrane Electrode Assembly for Fuel Cells
JP3828455B2 (ja) 燃料電池の製造方法
CN107851825A (zh) 制造用于燃料电池的膜电极组的方法
WO2022102528A1 (ja) 燃料電池の製造方法または燃料電池
JP4133791B2 (ja) 燃料電池用電極−膜接合体の製造方法
KR100690982B1 (ko) 연료전지용 전극막접합체 제조 장비 및 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190327

Year of fee payment: 4