KR101781234B1 - 촉매층 조립체 - Google Patents

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KR101781234B1
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조나단 데이비드 브레러턴 셔먼
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존슨 맛쎄이 푸엘 셀스 리미티드
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Abstract

연료 전지에 사용하기 위해 적합한 보강된 촉매층 조립체로서, (i) z-방향으로 재료의 두께를 통하여 연장하는 세공들을 갖는 다공질 재료로 구성되는 평면상 보강 구성요소, 및 (ii) 제1 촉매 물질 및 제1 이온-전도성 물질을 포함하는 제1 촉매 구성요소를 포함하는, 보강된 촉매층 조립체에 있어서, 상기 제1 촉매 구성요소가 상기 평면상 보강 구성요소 내에 적어도 부분적으로 매립되어, 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 제1 촉매층을 형성하는 것을 특징으로 하는 보강된 촉매층 조립체가 개시된다.

Description

촉매층 조립체{CATALYST LAYER ASSEMBLY}
본 발명은 평면 보강 구성요소 및 제1 촉매 구성요소를 포함하는 보강된 촉매층 조립체와, 이의 제조를 위한 방법과, 전기화학 장치 특히 연료 전지에서의 그의 사용에 관한 것이다.
연료 전지는 전해질에 의해 분리되어 있는 2 개의 전극을 포함하는 전기화학 전지이다. 수소 또는 알코올(예, 메탄올 또는 에탄올)과 같은 연료가 애노드에 공급되고 산소 또는 공기와 같은 산화제는 캐소드에 공급된다. 전기화학 반응은 이들 전극에서 발생하고, 연료 및 산화제의 화학적 에너지는 전기적 에너지 및 열로 변환된다. 전해촉매는 애노드에서의 연료의 전기화학적 산화를 촉진시키기 위해 그리고 캐소드에서의 산소의 전기화학적 환원을 촉진시키기 위해 사용된다.
양성자 교환 막(proton exchange membrane)(PEM) 연료 전지에서, 전해질은 고체의 폴리머 막이다. 이 막은 전기적으로 절연체이지만 이온적으로는 도체이다. PEM 연료 전지에서, 막은 양성자 전도성이 있고, 애노드에서 생성되는 양성자는 상기 막을 가로질러 캐소드로 반송되고, 여기서 양성자는 산소와 결합하여 물을 생성한다.
PEM 연료 전지의 주요 구성요소는 막-전극 조립체(membrane electrode assembly)(MEA)로서 알려져 있고, 기본적으로 5 개의 층들로 구성된다. 그 중앙 층은 폴리머 이온-전도성 막이다. 이 이온-전도성 막의 양측 상에는 특정의 전해 반응을 위해 설계된 전해질을 포함하는 전해질 막이 존재한다. 마지막으로 각 전해질 층의 인접부에는 기체 확산층이 존재한다. 이 기체 확산층은 반응물(reactant)이 전해질 막에 도달할 수 있도록 허용해야 하고, 전기화학 반응에 의해 생성되는 전류를 전달해야 한다. 그러므로 이 기체 확산층은 다공성 및 전기 전도성을 가져야 한다.
종래의 MEA는 이하의 다수의 방법에 의해 구성될 수 있다.
(i) 전해촉매 층이 기체 확산 전극을 형성하도록 기체 확산층에 가해질 수 있다. 2 개의 기체 확산 전극이 이온-전도성 막의 양측에 배치되고, 5 개층의 MEA를 형성하도록 함께 적층된다.
(ii) 전해촉매 층이 촉매 코팅된 이온-전도성 막을 형성하기 위해 이온-전도성 막의 양면에 가해진다. 그 후, 기체 확산층들이 상기 촉매 코팅된 이온-전도성 막의 양면 상에 가해진다.
(iii) MEA가 전해질 층의 일면 상에 코팅된 이온-전도성 막, 그 전해질 층에 인접하는 기체 확산층, 및 이온-전도성 막의 타측 상의 기체 확산 전극으로부터 형성될 수 있다.
대부분의 용도에 충분한 전력을 제공하기 위해서는 통상적으로 수십 개 또는 수백 개의 MEA가 필요하므로, 다수의 MEA가 조립되어, 연료 전지 스택를 형성한다. 장 유동 판(field flow plates)은 MEA를 분리하기 위해 사용된다. 이 판은 반응물을 MEA에 공급하는 기능; 생성물을 제거하는 기능; 전기적 접속을 제공하는 기능; 및 물리적인 지지를 제공하는 기능과 같은 다수의 기능을 실행한다.
PEM 연료 전지에 이용되는 종래의 이온-전도성 막은 일반적으로 술포네이티드 풀리-플루오리네이티드 폴리머 재료(sulphonated fully-fluorinated polymeric material)(일반적으로 퍼플루오리네이티드 술폰산(PFSA, perfluorinated sulphonic acid) 이오노머라고 부르는 경우가 많다)로 형성된다. 이들 이오노머로부터 형성된 막은 상표명 Nafion®(예, 듀퐁(E.I. DuPont de Nemours and Co.)의 NR211 또는 NR212), 상표명 AciplexTM(아사히 카세이(Asahi Kasei)) 및 상표명 Flemion®(아사히 글라스 케이(Asahi Glass K))으로 시판되고 있다. 다른 플루오리네이티드 유형의 막은 상표명 Fumapem®F(예, 푸마-텍 게엠베하(FuMA-Tech GmbH)의 F-930 또는 F-1030), 솔베이 솔릭스(Solvay Solexis S.p.A)의 상표명 AquivionTM 및 골든 에너지 퓨얼 셀(Golden Energy Fuel Cell Co., Ltd)의 GEFC-10N 시리즈로 시판되는 것을 포함한다.
퍼플루오리네이티드 및 부분-플루오리네이티드(partly-fluorinated) 폴리머계의 이온-전도성 막의 대안으로서, 비-플루오리네이티드 술포네이티드 탄화수소 폴리머 또는 포스포네이티드 탄화수소 폴리머, 특히 폴리아릴렌 폴리머계의 이온-전도성 막을 사용하는 것이 가능하다. 이와 같은 시판되는 폴리머는 솔베이 어드밴스트 폴리머즈(Solvay Advanced Polymers)의 Udel® 폴리아릴렌술폰(polyarylenesulfone; PSU) 및 Veradel® 폴리아릴렌 에테르 술폰(polyarylene ether sulphone; PES) 및 빅트렉스 픽(Victrex pic)의 Victrex®폴리아릴렌 에테를 에테르 케톤(polyarylene ether ether ketone; PEEKTM을 포함한다. 또한 푸마-텍 게엠베하(FuMA-Tech GmbH)의 Fumapem® P, E 및 K형, JSR 코오포레이션(JSR Corporation)의 JHY막 및 JEM막, 토요보(Toyobo Co., Ltd.)의 SPN 폴리머, 및 토레이(Toray Industries Inc)의 개발 막과 같은 탄화수소 폴리머계의 막이 개시되어 있다.
고온(예, 150℃ 내지 190℃)에서 작동하도록 설계된 PEM 연료 전지에서, 막은 폴리벤지미다졸, 또는 인산이 함침된 폴리머 매트릭스와 같은 폴리머일 수 있다. 이와 같은 막들로 제조된 MEA의 예는 BASF 퓨얼 셀 게엠베하(BASF Fuel Cell GmbH)의 Celtec®P 시리즈를 포함한다. 기타의 MEA는 어드벤트 테크놀로지 에스.에이(Advent Technologies S.A)의 인산으로 함침된 피리딘 유형의 구조를 포함하는 방향족 폴리에테르 폴리머계의 Advent TPS®시리즈를 포함한다. 폴리벤자졸 폴리머는 또 아릴 또는 알킬 치환된 폴리벤지미다졸(예, 폴리벤지미다졸-N-벤지술포네이트), 폴리벤조옥사졸 및 폴리벤조티아졸과 같은 것으로서 사용될 수 있다.
상기 PFSA 또는 탄화수소계의 이온-전도성 막은 수화(hydration) 및 탈수(dehydration) 시의 감소된 치수 변화 및 증대된 인열 강도(tear resistance)와 같은 향상된 기계적 특성을 제공하기 위해 막 내에 통상적으로 완전히 매립된 보강재를 포함할 수 있다. 바람직한 보강재는 미국특허 제US 6,254,978호, 유럽특허 제EP 0814897호 및 미국특허 제US 6,110,330호에 기재된 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 플루오로폴리머, 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 또는 PEEK 또는 폴리에틸렌과 같은 대안적 재료로 구성되는 미세다공질 웨브(web) 또는 섬유를 베이스로 할 수 있으나, 이것에 한정되지 않는다.
종래, 전해촉매 층(electrocatalyst layer)들은 유럽특허 제EP 0 731 520호에 개시된 것과 같은 공지의 기법을 이용하여 형성되었다. 촉매층 구성요소들은 수성 용매 및/또는 유기 용매, 필요에 따라 폴리머 결합제(binder) 및 필요에 따라 양성자-전도성 폴리머를 포함하는 잉크로 제조될 수 있다. 이 잉크는 분사법, 인쇄법 및 닥터 블레이드법(doctor blade method)과 같은 기법들을 이용하여 전자적으로 전도성의 기체 확산층 또는 이온-전도성의 막에 적층된다.
상기 애노드 기체 확산층 및 캐소드 기체 확산층은 종래의 기체 확산 기재(substrates)에 기초하는 것이 적합하다. 전형적인 기재는 탄소 섬유의 망상체(network) 및 열경화성 수지 결합제(예, 일본 도레이 인더스트리즈 인코포에이티드(Toray Industries Inc., Japan)의 TGP-H 시리즈의 탄소 섬유 종이, 독일 프로덴베르크 FCCT KG(Freudenberg FCCT KG, Germany)의 H2315 시리즈, 독일 SGL 테크놀로지 게엠베하(Technologies GmbH, Germany)의 Sigracet® 시리즈, 발라드 파워 시스템즈 인코포레이티드(Ballard Power Systems Inc)의 AvCarb® 시리즈) 포함하는 부직(non-woven) 종이 또는 부직 웨브, 또는 직조 탄소 직물을 포함한다. 이러한 탄소 종이, 웨브 또는 직물에는 이 직물의 습윤성(친수성)을 증대시키기 위해 또는 방수성(소수성)을 증대시키기 위해 MEA에 결합시키기 전에 추가 처리가 제공될 수 있다. 임의의 처리 특성은 연료 전지의 유형 및 사용될 작동 조건에 따라 달라질 것이다. 상기 기재는 액체 현탁액으로부터의 함침을 통해 비정질 카본 블랙과 같은 물질의 혼입에 의해 습윤성이 증대될 수 있거나, 상기 기재의 다공 구조를 PTFE 또는 폴리플루오로에틸렌프로필렌(FEP)과 같은 폴리머의 콜로이드성 현탁액으로 함침시킨 후 그 폴리머의 용융점을 초과하는 온도에서 건조 및 가열시킴으로써 소수성이 증대될 수 있다. PEMFC와 같은 용도를 위해, 미세다공질 층이 상기 전해촉매 층과 접촉하게 될 면의 기체 확산 기재에 가해질 수도 있다. 이 미세다공질 층은 통상적으로 카본 블랙과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 폴리머의 혼합물을 포함한다.
전형적인 전해촉매는
(i) 백금족 금속(백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐 및 오스뮴),
(ii) 금 또는 은,
(iii) 비금속,
또는 하나 이상의 이들 금속 또는 그 산화물을 포함하는 합금 또는 혼합물로부터 선택된다. 금속, 합금 또는 금속의 혼합물은 지지되지 않거나 예를 들면 입자상 탄소(particulate carbon)와 같은 적절한 지지체 상에 지지된다. 임의의 주어진 전기화학 장치를 위한 가장 적합한 전해촉매는 본 기술분야의 전문가들에게 주지될 것이다.
위와 같은 구성요소들을 이용하여 위와 같은 방법으로 MEA를 제작하면 촉매층의 균열을 포함한 다수의 문제점이 유발될 수 있고, 기체의 크로스오버(crossover)의 증대, 과산화물의 형성 및 그에 따른 막의 열화 증대, 촉매층과 막의 계면에서의 층간 분리, MEA가 겪게되는 습윤 및 건조 사이클 중의 팽창 및 수축에 의한 기타의 기계적 파손으로 이어질 수 있다.
본 발명의 목적은 종래의 MEA 구성과 관련되는 일부의 문제점을 극복하는 연료 전지에 사용하기 위한 개선된 조립체를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 제1 양태는 연료 전지에 사용하기 위해 적합한 보강된 촉매층 조립체를 제공하는 것으로서, 상기 보강된 촉매층 조립체는:
(i) 다공질 재료로 구성되는 평면상 보강 구성요소로서, z-방향으로 상기 다공질 재료의 두께를 통해 연장하는 세공(pores)들을 갖는 보강 구성요소, 및
(ii) 제1 촉매 물질 및 제1 이온-전도성 물질을 포함하는 제1 촉매 구성요소를 포함하고,
상기 제1 촉매 구성요소는 상기 평면상 보강 구성요소 내에 적어도 부분적으로 매립되어 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 제1 촉매층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 MEA 및 본 발명에 따른 보강된 촉매층을 갖는 MEA의 분극 곡선(사각형 = 종래의 MEA, 삼각형 = 본 발명의 MEA)을 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 MEA 및 본 발명에 따른 보강된 촉매층을 갖는 MEA의 전류 차단법에 의해 측정된 옴 저항(사각형 = 종래의 MEA, 삼각형 = 본 발명의 MEA)을 도시한 도면이다.
도 3은 예 2의 제조물의 개략도이다.
상기 평면상 보강 구성요소는 z-방향으로 재료의 두께를 통해 연장하는 세공들을 갖는 다공질 재료이다. 하나의 실시예에서, 세공들은 불연속이고 상호 연결되지 않고; 대안적 실시예에서, 이들 세공 사이에 약간의 연결 가능성이 존재한다. 이들 세공은 규칙적이거나 불규칙적인 형상을 가질 수 있고, 각각의 개별 세공은 1 mm 내지 10 nm의 단면 직경을 가지는 것이 적합하다. 이들 세공은 기본적으로 모두 유사한 치수를 가지거나 일정 범위의 치수를 가질 수 있다. 이들 세공은 낮은 굴곡도를 가지거나(즉, 세공들은 기본적으로 일면으로부터 타면까지 직선 루트로 연장하거나), 또는 대안으로서 세공의 굴곡도는 높다. 평면상 보강 구성요소의 x-방향 및 y-방향의 치수는 보강된 촉매층 조립체를 포함하는 최종 제품의 치수에 의존하고; 최적의 x-방향 및 y-방향의 치수의 결정은 당업자의 능력의 범위에 속한다. 평면상 보강 구성요소의 z-방향의 치수는 1 μm 내지 500 μm일 수 있고, 10 μm 내지 200 μm가 적합할 수 있다. 정확한 치수는 최종 구조 및 보강된 촉매층 조립체의 용도에 의존할 것이다. z-방향의 치수의 결정은 당업자의 능력의 범위에 속한다. 상기 'x-방향', 'y-방향' 및 'z-방향'이라는 용어는 당업자에게 주지된 것으로서 평면 내의 방향(x-방향 및 y-방향)과 평면을 관통하는 방향(z-방향)을 의미한다.
상기 평면상 보강 구성요소의 세공도는 30%를 초과하는 것이 적합하고, 50%를 초과하는 것이 바람직하고, 70%를 초과하는 것이 가장 바람직하다. 백분율 세공도는 식 n = Vv/Vt x 100에 따라 계산되고, 여기서 n은 세공도, Vv는 공간 체적, Vt는 평면상 보강 구성요소의 총 체적이다. 공간 체적 및 평면상 보강 구성요소의 총 체적은 본 기술분야의 전문가에게 주지된 방법에 의해 측정될 수 있다.
상기 평면상 보강 구성요소를 위한 다수의 상이한 구조 유형들이 구상될 수 있으나 세공들은 폐쇄되기보다는 연결되어야 한다:
(i) 세공의 치수 및 형상이 무작위적이지만 세공들은 z-방향으로 구조를 관통하여 연장하는 미세 다공질 구조. 이와 같은 재료의 예는 역상 분리법(inverse phase segregation method)에 의해 다공질로 제조된 폴리머(예, DSM의 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)), 팽창 PTFE 등, 습식 배향법(wet laid method) 또는 건식 배향법으로 다수의 방향으로 배향된 섬유의 조립체로부터 제조되는 부직 구조물을 포함한다. 폴리머의 일렉트로스피닝법(electrospinning)은 섬유 등의 제조를 위해 사용되는 다른 방법이 가능한 것만큼 적합한 고도의 다공질 시트를 제공할 수 있다.
(ii) 불연속 셀들을 포함하는 셀형(cellular) 구조로서, 각 셀의 벽은 하나의 셀과 다른 셀 사이가 연결되지 않도록 재료의 두께를 통해 연장한다. 그 예는 압출 및 슬라이싱법(slicing)에 의해 제조되거나 또는 스트립을 부분적으로 적층시킨 후 인장력하여서 또는 기타 수단에 의해 팽창시킴으로써 제조되는 셀형 구조(예, 듀퐁(DuPont)의 Nomex® 또는 Tyvec®), 확장된 망을 형성하도록 연속 시트 내에 슬릿을 절단하고, 인장 응력을 가하여 이루어진 망, 시트의 두께를 통하는 펀치 구멍 또는 (예, 레이저에 의한) 절단 구멍을 갖는 평면상 시트, 및 재료를 주형에 주입하여 제조되는 다공질 시트를 포함한다.
상기 평면상 보강 구성요소는 보강된 촉매층 조립체에 요구되는 보강을 제공할 수 있는 임의의 재료 및 제조방법에 의해 제조될 수 있다. 보강 구성요소를 제조하기 위한 적절한 재료의 예는 금속, 탄소, 세라믹 및 폴리머를 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다. 많은 실시예들에서 상기 재료는 전기 절연체인 것이 바람직하지만, 다른 실시예에서 상기 재료는 약한 전도체이어야 하고, 일부의 경우에는 재료가 도체이거나 또는 부도체이거나 전혀 문제가 되지 않는다. 이 재료는 연료 전지 환경 중에서 안정한 것이 바람직하고, 또 보강된 촉매층 조립체를 포함하는 최종 제품 내에서 임의의 폴리머 구성요소와 강력한 결속을 형성할 수 있는 것이 바람직하다.
일부의 실시예들에서, 평면상 보강 구성요소의 벽 또는 지주(struts)도 미세한 다공질인 것이 고려된다. 이들 세공은 MEA의 구성 물질에 의해 침투될 수 없을 정도의 미세도를 가지고, 물의 침투를 충분히 허용할 수 있는 친수성을 가진다. 따라서, 액상의 물이 존재하는 적절한 연료 전지에서 이들 세공은 보강 평면을 통해 즉 그의 두께를 통해 물을 반송할 수 있다.
상기 평면상 보강 구성요소는 세파 아게(Sefar AG)가 공급하는 것(예, FLUORTEX)과 같은 플루오로폴리머로 공지된 플로린을 함유하는 폴리머, 폴리테트라플로오로에틸렌(PTFE), 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE) 또는 퍼플루오로알콕시에틸렌(PFA)으로 제조된 직물, 및 도날드슨(Donaldson Company, Inc.)이 공급하는 Tetratex 등과 같은 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)의 미세다공질 웨브 구조와 같은 사전 제작된 재료로서 공급될 수 있다. 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 퍼플루오로알콕시(메틸 비닐 에테르)(MFA), 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(FEP) 및 헥사플루오로프로필렌 및 테트라플루오로에틸렌의 코폴리머를 함유하는 것과 같은 대안적인 플루오로폴리머 구조가 사용될 수 있다.
상기 평면상 보강 구성요소는 또 세파 아게(Sefar AG)가 공급하는 것(예, PEEKTEX, 폴리에테르에테르케톤(PEEK)) 등과 같은 폴리아릴에테르케톤 폴리머 그룹으로부터 제조되는 직물 웨브와 같은 사전 제조된 재료로서 공급될 수 있다. 대안으로서 폴리에테르케톤(PEK), 폴리아릴에테르, 폴리아릴에테르케톤 또는 폴리에테르케톤에테르케톤케톤을 함유하는 폴리아릴에테르케톤 폴리머 구조가 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 대안적인 탄화수소계의 폴리머 구조는 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리아라미드, 폴리벤지이미다졸, 폴리머 함유 설퍼(예, 토레이 인더스트리즈 인코포레이티드(Toray Industries Inc.) 및 티코나 UK 리미티드(Ticona UK Ltd.)가 공급하는 폴리(p-페닐렌 설파이드)(PPS)), 폴리 에테르(예, 폴리페닐렌 옥사이드(PPO)), 또는 폴리올레핀(예, DSM N.V. 및 리달 인코포레이티드(Lydall Inc.)이 공급하는 설퍼 미세다공질 웨브 필름으로 공지되어 있는 미세다공질 초고분자량 폴리에틸렌 웨브 필름)와 같은 이미드 또는 아미드를 함유한 것이다.
대안으로서, 상기 평면상 보강 구성요소는 잉크 젯 인쇄법 또는 원하는 구조를 생성하기 위해 저 점성 폴리머 분산액 즉 저 점성 폴리머 용액 또는 모노머/올리고머를 이용한 그라비아 인쇄법과 같은 방법들을 이용하여 원위치에서 형성될 수 있다. 이 적층된 물질은 (화학 방사 또는 이온화 방사, 자외선 등을 이용하여) 가교결합되거나 중합될 수 있다. 원위치에 평면상 보강 재료를 생성하는 대안적 방법은 오픈 나노 섬유 구조를 생성하기 위해 일렉트로스피닝법을 이용하는 것이다.
상기 제1 촉매 구성요소는 제1 촉매 물질 및 제1 이온-전도성 물질, 적합하게는 양성자 전도성 이오노머를 포함한다. 적절한 이온-전도성 물질의 예는 본 기술분야의 전문가에게 공지되어 있고, 통상 적절한 액체 내에 이온-전도성 물질이 분산된 것으로 제공된다. 예는 퍼플루오로술폰산(perfluorosulphonic acid) 이오노머(예, Nafion®(E.I. DuPont de Nemours and Co.), Aciplex®(Asahi Kasei), AquivionTM(Solvay Solexis SpA), Flemion®(Asahi Glass Co.), Fumion® F-series (FuMA-Tech GmbH)), 또는 탄화수소 폴리머로 제조된 이오노머(예, 폴리아릴렌 술폰산계의 Fumion® P-시리즈 (FuMA-Tech GmbH) 또는 (예, PBI를 함침하도록 디메틸아세타미드 내에 PBI를 용해하고, 촉매 물질과 혼합하고, 인산을 첨가하는 방법에 의해) 인산 함침된 폴리벤지이미다졸)를 포함한다.
적절한 제1 촉매 물질은 하기로부터 선택된다.
(i) 백금족 금속(백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐 및 오스뮴),
(ii) 금 또는 은,
(iii) 비금속,
('일차 금속(primary metal)') 또는 합금 또는 이들 일차 금속 또는 그 산화물의 하나 이상을 포함하는 혼합물. 일차 금속, 합금 또는 일차 금속의 혼합물은 지지되지 않거나 예를 들면 입자상 탄소 또는 전기 전도성 입자상 산화물과 같은 적절한 지지체 상에 지지된다. 임의의 주어진 전기화학 장치를 위한 가장 적합한 제1 촉매 물질은 본 기술분야의 전문가들에게 주지되어 있다. 제1 촉매 구성요소 내의 제1 촉매 물질의 일차 금속의 적절한 첨가량은 그 최종 용도에 의존하고, 본 기술분야의 전문가들에게 공지되어 있다. 적합한 첨가량은 4mg/cm2 미만이고, 바람직하게는 2mg/cm2 미만이다.
본 발명의 보강된 촉매층 조립체에서, 제1 촉매 구성요소는 제1 촉매층이 형성되도록 평면상 보강 구성요소 내에 적어도 일부가 매립된다. '촉매층(catalyst layer)'이라 함은 촉매층이 평면으로서 고려될 수 있도록 x-방향 및 y-방향의 치수가 z-방향의 치수에 비해 상당히 큰 층을 의미한다. 제1 촉매층은 막 전극 조립체 내에 결합되었을 때 이온-전도성 물질과 대면하도록 구성되는 제1 표면 및 막 전극 조립체 내에 결합되었을 때 기체 확산층과 대면하도록 구성되는 제2 표면을 갖는다.
하나의 실시예에서, 제1 촉매 구성요소는 평면상 보강 구성요소 내에 완전히 매립된다. 평면상 보강 구성요소 및 제1 촉매층의 z-방향의 치수는 동일하거나 평면상 보강 구성요소의 z-방향의 치수가 제1 촉매층의 z-방향의 치수에 비해 크고, 이 경우 평면상 보강 구성요소는 제1 촉매층의 제1 표면 및 제2 표면 중의 하나 또는 양자에서 제1 촉매층을 초과하여 연장할 것이다. 평면상 보강 구성요소가 제1 촉매층의 제2 표면을 초과하여 연장하는 경우, 제2 표면을 초과하여 연장하는 길이가 50 μm를 초과하지 않는 것이 적절하다.
대안으로서, 촉매층이 평면상 보강 구성요소의 하나의 표면 또는 양 표면에서의 z-방향에서 평면상 보강 구성요소를 초과하여 연장하도록 평면상 보강 구성요소의 z-방향의 치수는 촉매층의 z-방향의 치수보다 작은 것이 가능하다.
제1 촉매층의 x-방향의 치수 및 y-방향의 치수(면적)는 평면상 보강 구성요소의 x-방향의 치수 및 y-방향의 치수(면적)와 동일하거나, 그 보다 작거나, 또는 그 보다 큰 것이 적합하다. 본 발명의 일 실시예에서, 평면상 보강 구성요소 및 제1 촉매층의 면적은 이 평면상 보강 구성요소 및 제1 촉매층이 동일한 범위까지 연장하도록 동일하다. 본 발명의 제2 실시예에서, 제1 촉매층의 면적은 평면상 보강 구성요소의 면적보다 작고, 그 결과 제1 촉매층이 존재하지 않는 상기 보강 구성요소의 외주의 영역(제1 에지 영역)이 존재한다. 이 제1 에지 영역은 비-이온-전도성(non-ion-conducting) 물질로 적어도 부분적으로 충전될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 평면상 보강 구성요소는 제1 촉매층의 외측 영역만이 보강되고, 내측 영역은 보강되지 않은 상태로 유지되도록 제1 촉매층의 중심까지 연장하지 않을 수 있다.
본 발명의 보강된 촉매층은 잉크 형태의 제1 촉매 구성요소를 기재(예를 들면, 전사(decal transfer) 기재)에 가하고, 이 잉크가 습한 상태를 유지하고 있는 중에 상기 제1 촉매 구성요소가 함침되어 평면상 보강 구성요소 내에 매립되도록 평면상 보강 구성요소를 가하는 것에 의해 제조될 수 있다. 다음에 제1 촉매 구성요소가 평면상 보강 구성요소 내에 적어도 부분적으로 매립된 제1 촉매층을 형성하기 위해 건조되고, 기재는 보강된 촉매층을 얻기 위해 제거된다. 습한 상태의 잉크 필름의 두께를 변화시킴으로써 촉매층의 상부 표면이 평면상 보강 구성요소의 상부 표면의 하측, 또는 상측 또는 동일면 상에 놓이도록 제조될 수 있다. 대안으로서, 잉크 형태의 제1 촉매 구성요소는 평면상 보강 구성요소가 전사 기재 상에 배치된 상태에서 이 평면상 보강 구성요소에 분무될 수 있고, 또는 잉크는 평면상 보강 구성요소의 세공 내에서 잉크의 액적들이 응집하도록 양면 상에 분무될 수 있다. 잉크의 첨가량은 건조 촉매층의 표면이 평면상 보강 구성요소의 일면 또는 양면 상에서 융기되게 하거나, 이 평면상 보강 구성요소의 일면 또는 양면 상에 배치되도록 조절될 수 있다.
상기 제1 촉매 구성요소는 적절한 레올로지 조정제(rheology modifier)를 이용하거나, 제1 촉매 구성요소 내에서 고 전단(high shear)의 혼합을 실시함에 의해 PTFE를 섬유상(fibrillating)이 되도록 함으로써 도우(dough)의 형태로 제조될 수 있다. 다음에 제1 촉매 구성요소의 최대 입자가 평면상 보강 구성요소 내의 최소의 세공들보다 작은 경우, 상기 도우가 평면상 보강 구성요소와 결합될 수 있다. 평면상 보강 구성요소 내로의 촉매 도우의 함침은 공압출(co-extrusion), 캘린더링(calendaring), 또는 프레싱에 의해 달성될 수 있다. 도우를 평면상 보강 구성요소 내에 가압하는 공구의 면이 적절한 압축율을 발휘하는 경우, 제1 촉매 구성요소의 표면은 평면상 보강 구성요소의 일면 또는 양면의 하측에 위치하게 될 수 있다.
더욱 제1 촉매 구성요소는 건조 분말의 형태로 제조될 수 있고, 평면상 보강 구성요소가 전사 기재 상에 지지되어 있는 상태이거나 양측으로부터 접근할 수 있는 상태에서 건조 분무 적층 방법, 정전(electrostatic) 분무 방법 또는 복사기에서 사용되는 것과 같은 기타 정전 방법에 의해 평면상 보강 구성요소에 가해질 수 있다.
상기 제1 촉매 구성요소가 상기 평면상 보강 구성요소 내에 완전히 매립되도록 상기 제1 촉매 구성요소와 상기 평면상 보강 구성요소를 결합시키기 위해, 제1 촉매 구성요소는 평면상 보강 구성요소의 일면 또는 양면에 잉크 형태로 적층될 수 있다. 건조되면 용매가 손실되므로 수축이 발생하고, 그 결과 제1 촉매 구성요소의 양 표면은 평면상 보강 구성요소 내로 수축된다. 대안으로서, 열 분해성, 열 승화성 또는 열 용해성 물질이 촉매 구성요소가 첨가되기 전에 바람직하게는 기재 상에 지지되어 있는 보강 구성요소의 세공을 부분적으로 충전 또는 폐색하기 위해 첨가될 수 있고, 이것은 보강 구성요소를 완전히 충전하지 않거나, 또는 건조 중에 수축될 수 있다. 촉매 구성요소가 건조되면 열 분해, 승화 또는 세척에 의해 폐색 물질(blinding material)은 제거될 수 있다.
본 발명의 제2 양태는 전술한 바와 같은 보강된 촉매층 조립체를 제공하는 것으로서, 이 촉매층 조립체는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 이온-전도성 층을 형성하는 제1 촉매층의 제1 표면에 가해진 이온 전도성 구성요소를 더 포함하고, 상기 제1 표면은 제1 촉매층의 제1 표면과 접촉한다. 이온 전도성 구성요소는 평면상 보강 구성요소가 이온 전도성 구성요소를 초과하여 z-방향으로 연장하도록 평면상 보강 구성요소 내에 적어도 부분적으로 매립되거나 또는 평면상 보강 구성요소 내에 전체가 매립될 수 있다.
하나의 실시예에서, 제1 촉매층과 이온 전도성 구성요소는 경사 조성(graded composition)의 중간상의 층이 생성되도록 중첩부가 존재할 수 있다. 이것은 촉매층과 이온 전도성 구성요소 사이의 한정된 두께 영역에 조성이 점진적으로 변화하는 구역이 존재한다는 것을 의미한다.
상기 이온 전도성 구성요소는 보강 구성요소의 면적과 유사한 면적(x-치수 및 y-치수)의 층을 형성하고, 이들 둘은 평면상 보강 구성요소의 면적과 본질적으로 동일한 넓이를 갖는다. 대안으로서, 평면상 보강 구성요소는 이온-전도성 층보다 큰 면적으로 가지고, 그 결과 비-이온 전도성 요소가 존재하는 보강된 촉매층 조립체의 외주 영역('제2 에지 영역')이 존재하게 된다. 이 제2 에지 영역은 적어도 부분적으로 비-이온-전도성 물질로 충전될 수 있다.
이온 전도성 구성요소는 이오노머(예, 퍼플루오로술폰산 이오노머 또는 전술한 바와 같은 탄화수소 이오노머), 또는 전해질(예, 인산 또는 황산)에 의해 함침되거나 함침될 수 있는 폴리머 매트릭스이다. 이 선택된 이온 전도성 구성요소는 보강된 촉매층 조립체의 최종 용도에 의존하고, 최적의 물질을 선택하는 것은 당업자의 능력의 범위에 속한다.
이온 전도성 구성요소는 적절한 액체 내의 분산물로서 제1 촉매층에 임의의 종래의 기법, 예를 들면 스크린 인쇄, 로터리 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 분무, 페인팅, 침지 또는 침도(dipping), 바아 코팅(bar coating), 패드 코팅, 그라비어(gravure), 롤 상의 나이프 또는 닥터 블레이드와 같은 갭 코팅(여기서 코팅은 기재(substrate) 상에 가해지고, 다음에 나이프와 로울러 사이의 틈새를 통과함), 에어 나이프 코팅(여기서 코팅이 기재 상에 가해지고, 과잉 부분은 에어 나이프의 강력한 제트류에 의해 제거됨), 슬롯 다이(슬롯, 압출) 코팅(여기서 기재 상의 코팅이 슬롯을 통해 중력이나 압력에 의해 압착됨), 예를 들면 메이어 바(Meyer bar)를 이용한 메터링 로드(metering rod) 인가 및 그라비아 코팅에 의해 가해질 수 있다. 이온 전도성 구성요소는 액체를 제거하기 위해 그리고 이온 전도성 구성요소의 고체 필름을 형성하기 위해 건조되는 것이 적합하다.
대안으로서, 이온 전도성 구성요소는 사전 형성된 폴리머 필름일 수 있고, 프레스나 고온 캘린더 로울 내에서 고온 압착에 의해 고체 형태로 제1 촉매층에 가해질 수 있다.
본 발명의 추가의 양태에서, 이온-전도성 층을 포함하는 전술한 보강된 촉매층은 이온-전도성 층의 제2 표면에 가해진 제2 촉매 물질 및 제2 이온-전도성 물질을 포함하는 제2 촉매 구성요소를 더 포함할 수 있고, 이 제2 촉매 구성요소는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 제2 촉매층을 형성하고, 제1 표면은 이온-전도성 층의 제2 표면과 접촉한다. '촉매층(catalyst layer)'이라 함은 이 촉매층을 평면으로 볼 수 있도록 x-방향 및 y-방향의 치수가 z-방향의 치수에 비해 상당히 큰 층을 의미한다.
상기 제2 촉매 구성요소는 제2 촉매 물질 및 제2 이온-전도성 물질, 적합하게는 양성자 전도성 이오노머를 포함한다. 적절한 이온-전도성 물질의 예는 본 기술분야의 전문가들에게 공지되어 있고, 통상적으로 적절한 액체 내의 이온-전도성 물질의 분산체로서 제공되고, 예는 퍼플루오로술폰산 이오노머(예, Nafion®(E.I. DuPont de Nemours and Co.), Aciplex®(Asahi Kasei), AquivionTM(Solvay Solexis SpA), Flemion®(Asahi Glass Co.), Fumion® F-series (FuMA-Tech GmbH)), 탄화수소 폴리머로부터 제조되는 이오노머(예, 폴리아릴렌 술폰산계의 Fumion® P-시리즈 (FuMA-Tech GmbH) 또는 술폰산 함침 폴리벤지미다졸(예, 디메틸아세타미드 내에 PBI를 용해한 다음 촉매 물질과 혼합하고, 인산을 첨가하여 PBI를 함침시킨 것)을 포함한다.
적절한 제2 촉매 물질은 하기로부터 선택된다.
(iv) 백금족 금속(백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐 및 오스뮴),
(v) 금 또는 은,
(vi) 비금속,
('일차 금속(primary metal)') 또는 합금 또는 이들 일차 금속 또는 그 산화물 중 하나 이상을 포함하는 혼합물. 일차 금속, 합금 또는 일차 금속의 혼합물은 지지되지 않거나 예를 들면 입자상 탄소와 같은 적절한 지지체 상에 지지된다. 임의의 주어진 전기화학 장치를 위한 가장 적합한 제2 촉매 물질은 본 기술분야의 전문가들에게 주지되어 있다. 제2 촉매 구성요소 내의 제2 촉매 물질의 일차 금속의 적절한 첨가량은 그 최종 용도에 의존하고, 본 기술분야의 전문가들에게 공지되어 있다. 적합한 첨가량은 4mg/cm2 미만이고, 바람직하게는 2mg/cm2 미만이다. 제2 촉매 구성요소는 제1 촉매 구성요소와 같거나 다를 수 있다.
제2 촉매 구성요소는 평면상 보강 구성요소 내에 전형 매립되지 않거나, 평면상 보강 구성요소 내에 적어도 부분적으로 매립되거나, 또는 평면상 보강 구성요소 내에 완전히 매립될 수 있다. 평면상 보강 구성요소 내에 완전히 매립된 경우, 이 평면상 보강 구성요소는 제2 촉매층의 제2 표면을 초과하여 z-방향으로 연장할 수 있으나, 초과량은 50 마이크론 이하인 것이 적합하다.
제2 촉매층은 평면상 보강 구성요소와 유사한 면적(x-방향의 치수 및 y-방향의 치수)일 수 있어, 이들 둘은 평면상 보강 구성요소와 본질적으로 동일한 넓이를 갖는다. 대안으로서, 평면상 보강 구성요소는 제2 촉매층보다 큰 면적을 갖고, 그 결과 제2 촉매층이 존재하지 않는 보강된 촉매층 조립체의 외주 영역(제3 에지 영역)이 존재하게 된다. 이 제3 에지 영역은 적어도 부분적으로 비-이온-전도성 폴리머로 충전될 수 있다. 대안으로서, 제2 촉매층의 면적은 평면상 보강 구성요소의 면적보다 크다.
다른 실시예에서, 상기 평면상 보강 구성요소는 제2 촉매층의 외측 영역만 보강되고, 내측 영역은 보강되지 않은 상태로 유지되도록 제2 촉매층의 중심까지 연장하지 않을 수 있다.
상기 잉크 형태의 제2 촉매 구성요소는 본 기술분야에 공지된 임의의 방법, 예를 들면 스크린 인쇄, 로터리 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 분무, 페인팅, 침지 또는 침도, 바아 코팅, 패드 코팅, 그라비어, 롤 상의 나이프 또는 닥터 블레이드와 같은 갭 코팅(여기서 코팅이 기재 상에 가해지고, 다음에 나이프와 로울러 사이의 틈새를 통과함), 에어 나이프 코팅법(여기서 코팅은 기재 상에 가해지고, 과잉 부분은 에어 나이프의 강력한 제트류에 의해 제거됨), 슬롯 다이(슬롯, 압출) 코팅법(여기서 기재 상의 코팅이 슬롯을 통해 중력이나 압력에 의해 압착됨), 예를 들면 메이어 바를 이용한 메터링 로드 인가 및 그라비아 코팅에 의해 이온-전도성 층에 직접 가해질 수 있다. 대안으로서, 제2 촉매 구성요소는 먼저 잉크 형태로 기재(예를 들면, 전사 기재)에 가해질 수 있고, 이 잉크가 습한 상태를 유지하고 있는 동안에 이온-전도성 층에 가해지고, 건조된 후 상기 기재를 제거할 수 있다.
제2 촉매 구성요소는 또 적절한 레올로지 조정제를 이용하거나, 제1 촉매 구성요소 내에서 고 전단의 혼합을 실시함에 의해 PTFE를 섬유상이 되도록 함으로써 도우의 형태로 제조될 수 있다. 다음에 이 도우는 공압출, 캘린더링, 또는 프레싱에 의해 이온-전도성 층에 도포될 수 있다.
또한, 제2 촉매 구성요소는 건조 분말의 형태로 제조될 수 있고, 건조 분무 도포법, 정전 분무법 또는 복사기에서 사용되는 것과 같은 기타 정전 방법에 의해 이온-전도성 층에 도포될 수 있다.
본 발명의 추가의 양태에서, 전술한 보강된 촉매층 조립체는 제1 촉매층의 제2 표면 상에 존재하는 제1 미세다공질 층 및/또는 제2 촉매층의 제2 표면 상에 존재하는 제2 미세다공질 층을 더 포함한다. 제1 미세다공질 층 및/또는 제2 미세다공질 층은 독립적으로 평면상 보강 구성요소 내에 적어도 부분적으로 매립되거나 또는 평면상 보강 구성요소 내에 전혀 매립되지 않을 수 있다. 이 평면상 보강 구성요소는 제1 미세다공질 층 및/또는 제2 미세다공질 층의 노출된 표면을 초과하여 연장하지 않는다. 제1 미세다공질 층 및/또는 제2 미세다공질 층은 독립적으로 카본 블랙과 같은 입자상 물질 및 소수성 폴리머와 같은 폴리머를 포함한다. 적절한 폴리머의 일 예는 PTFE이고, 이 PTFE는 탄소 상에 예비 소성(pre-fired)되고, 다음에 이 PTFE와 탄소의 합성물이 건조 분말 또는 메틸 셀룰로오즈에 의해 증점된 물과 같은 적절한 분산제 또는 1-메톡시 2-프로판올과 같은 유기 분산제 내에 분산시킴으로써 제1 촉매층 조립체 및/또는 제2 촉매층 조립체 상에 가해진다.
상기 제1 미세다공질 층 및 제2 미세다공질 층은 각각 제1 촉매층 및 제2 촉매층에 본 기술분야에 공지된 방법, 예를 들면 스크린 인쇄, 로터리 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 분무, 페인팅, 침지 또는 침도, 바아 코팅, 패드 코팅, 그라비어, 롤 상의 나이프 또는 닥터 블레이드와 같은 갭 코팅법(여기서 코팅은 기재 상에 가해지고, 다음에 나이프와 로울러 사이의 틈새를 통과함), 에어 나이프 코팅법(여기서 코팅이 기재 상에 가해지고, 과잉 부분은 에어 나이프의 강력한 제트류에 의해 제거됨), 슬롯 다이(슬롯, 압출) 코팅법(여기서 기재 상의 코팅이 슬롯을 통해 중력이나 압력에 의해 압착됨), 예를 들면 메이어 바를 이용한 메터링 로드 인가 및 그라비아 코팅에 의해 가해진다.
대안으로서, 본 발명의 보강된 촉매층 조립체가 최초에 형성되는 기재는 제1 미세다공질 층을 그 상면에 이미 갖고 있는 기체 확산층일 수 있다. 제1 미세다공질 층이 평면상 보강 구성요소 내에 적어도 부분적으로 매립될 예정인지의 여부에 따라, 제1 미세다공질 층이 기체 확산 기재에 가해지고, (i) 평면상 보강 구성요소가 습윤 상태의 제1 미세다공질 층에 가해져서, 제1 미세다공질 층이 적어도 부분적으로 평면상 보강 구성요소 내에서 매립되고, 상기 미세가공질 층이 건조되도록 허용되고, 제1 촉매층이 상기 미세다공질 층에 가해져서, 평면상 보강층 내에 매립되고, 제1 촉매층이 건조되도록 허용되거나, 또는 (ii) 미세다공질 층이 건조되도록 허용되고, 제1 촉매층이 미세다공질 층에 가해지고, 습한 상태에 있는 동안에 평면상 보강 구성요소가 제1 촉매층에 가해지고, 그 결과 제1 촉매층은 적어도 부분적으로 평면상 보강층 내에 매립되고, 제1 촉매층이 건조되도록 허용된다.
본 발명의 추가의 양태는 2 개의 보강된 촉매층 조립체를 포함하는 보강된 촉매층 조립체를 제공하는 것으로, 각 보강된 촉매층 조립체는 평면상 보강 구성요소 및 제1 촉매층을 포함하고, 여기서 보강된 촉매층 조립체들 중의 적어도 하나는 이온-전도성 층을 더 포함한다. 2 개의 조립체 중에서 하나의 조립체만이 이온-전도성 층을 포함하는 경우, 상기 조립체들은 이온-전도성 층을 포함하는 조립체 내의 이온-전도성 층이 다른 조립체의 제1 촉매층과 접촉하도록 결합된다. 양 조립체가 이온-전도성 층을 포함하는 경우, 이들 조립체는 2 개의 이온-전도성 층이 상호 접촉하도록 결합된다.
상기 촉매층 조립체들은 이온 전도성 구성요소들의 특성에 부합하는 방법들에 의해 결합될 수 있다. 예를 들면, 이온 전도성 구성요소가 이오노머인 경우, 접합은 프레스 내에서 또는 고온 캘린더를 이용한 고온압착 또는 용매 또는 수성 분산액과 같은 액상의 이온-전도성 폴리머를 이용한 접착, 또는 분리된 고체 이온-전도성 폴리머의 시트를 이용한 고온 접착, 프레싱 또는 캘린더링에 의해 이루어질 수 있다. 액상의 이온-전도성 폴리머 또는 분리된 고체 이온-전도성 폴리머의 시트와 같은 접착제는 촉매층 조립체 내의 이온 전도성 구성요소와 다른 조성일 수 있다. 예를 들면, 탄화수소 이온-전도성 접착제(binding agent)는 기체 크로스오버의 양을 감소시키기 위해 PFSA 이온-전도성 폴리머들 사이에 사용될 수 있는데, 탄화수소 이오노머가 PFSA 이오노머에 비해 기체 투과도가 낮기 때문이다.
본 발명의 보강된 촉매층 조립체는 첨가제를 더 포함한다. 첨가제는 다양한 층들의 사이의 하나 이상의 계면에 존재하거나 및/또는 하나 이상의 층들 내에 존재할 수 있다.
상기 첨가제는 과산화수소 분해 촉매, 유리기 포착제, 유리기 분해 촉매, 자기재생 항산화제, 수소 공여체(H-donor) 일차 항산화제, 유리기 포착제 이차 항산화제, 산소 흡수제(산소 포착제)로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제일 수 있다. 이들 다양한 첨가제의 예는 국제출원공보 제WO2009/040571호 및 제WO2009/109780호에 개시되어 있다. 바람직한 첨가제는 세륨 다이옥사이드(세리아)이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 보강된 촉매층 조립체는 연료 전지, 특히 PEM 연료 전지에서 사용된다.
따라서, 본 발명의 추가의 양태는 기체 확산층 및 본 발명에 따른 보강된 촉매층 조립체를 포함하는 기체 확산 전극을 제공하는 것이다. 이 기체 확산층은 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 전술한 바와 같은 종래의 기체 확산층일 수 있다.
본 발명의 추가의 양태는 본 발명의 보강된 촉매층 조립체 및 이온-전도성 막을 포함하는 보강된 촉매층 막 조립체를 제공하는 것이다. 이 이온-전도성 막은 사전 형성된 막이고, 본 기술분야에서 사용되는 전술한 종래의 막일 수 있다. 보강된 촉매층 막 조립체는 이온-전도성 막이 2 개의 보강된 촉매층 조립체 사이에 개재되는 본 발명의 제2 보강된 촉매층 조립체를 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 양태는 보강된 촉매층 조립체, 기체 확산 전극 또는 본 발명의 보강된 촉매층 막 조립체를 포함하는 막 전극 조립체를 제공하는 것이다.
상기 막 전극 조립체는 예를 들면 국제특허공보 제WO2005/020356호에 기재된 바와 같은 막 전극 조립체의 에지 영역을 시일 및/또는 보강하는 구성요소들을 더 포함할 수 있다. MEA는 전술한 바와 같은 본 기술분야의 전문가들에게 공지된 종래의 방법에 의해 조립된다.
본 발명의 추가의 양태는 보강된 촉매층 조립체, 기체 확산 전극, 보강된 촉매층 막 조립체 또는 전술한 바와 같은 막 전극 조립체를 포함하는 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 보강된 촉매층 조립체 및 기타 구성요소들은 최신 제품에 다수의 개량을 부여한다. xy 평면 및 z 평면의 변형이 감소되고, 그 결과 층들의 균열이 감소되고, 그러므로 크로스오버가 감소된다. 더욱, 보강의 억제 작용으로 인해 보강된 촉매층 조립체를 결합하는 최종 제품의 팽창 및 수축이 최소화되므로 기계적 손상이 경감될 것이다. 더욱, 많은 최신 제품에서 발견되는 계면에서의 층간 분리는 그다지 문제가 되지 않거나 전혀 문제가 되지 않을 것이다.
이상에서 본 발명은 주로 PEM 연료 전지를 참고하여 기재되었으나, 본 발명은 전혀 개조하지 않거나 약간의 개조를 통해 다른 유형의 연료 전지 또는 전기화학 장치 내에서도 동일하게 사용될 수 있다. 예를 들면, 인산 연료 전지(PAFCs)에서 2 개의 전극은 38%를 초과하는 세공율을 갖는 폴리 에테르 술폰으로 접착된 실리콘 카바이드와 같은 입자상 물질의 매트릭스에 의해 통상 분리된다(P. Stonehart and D. Wheeler, Modern Aspects of Electrochemistry, Number 38, edited by B.E. Conway et al, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2005, p.400 이하 참조). 본 발명은, 실리콘 카바이드, 폴리에테르 술폰, PEEK, 불충분한 전도성의 탄소 섬유 및 적절한 안정성을 갖는 기타 물질과 같은 고온의 인산에 대해 적절한 저항을 갖고 인산에 의해 습윤될 수 있는 물질이 사용되는 경우에, 매트릭스를 인산으로 함침된 다공질 보강 물질로 대체할 수 있게 한다.
알칼리성 연료 전지에서, 전해질은 통상 강한 소디움 또는 포타슘 하이드록사이드이고, 전극은 PAFC에 대해 기재한 것과 유사한 방법으로 매트릭스에 의해 분리된다. 본 발명은, 다공질 보강 구성요소가 알칼리성 전극 내에서 안정하고 또 알칼리성 전극에 의해 습윤되는 경우, 알칼리성 연료 전지에서 사용하기 위한 MEA를 위해 매우 적합하다.
PEM 연료 전지를 위해 기재된 모든 실시예들은 PEM 전기분해장치(electrolysers)를 위한 MEA에 동일하게 적용된다. 이들 PEM 전기분해장치에서, 장치에 공급된 물이 캐소드와 애노드에서 각각 수소와 산소로 분리되도록 하기 위해 막 전극 조립체에 전압이 인가된다. 상기 MEA는 애노드에서 Ir 및 Ru계의 물질과 같은 PEM 연료 전지와 다른 촉매 구성요소가 필요하지만 그 외의 점에서는 연료 전지를 위해 사용되는 MEA와 매우 유사하다.
이하, 본 발명은 설명을 위한 것으로서 본 발명을 제한하지 않는 하기의 예를 참조하여 더욱 설명한다.
예 1 : 보강된 촉매층 막 전극 조립체가 150℃ 및 1600 psi에서 2분 동안 58%의 개방 면적(세공도)을 갖는 50 마이크론 두께의 직조된 PEEK(Sefar) 보강재에 30 마이크론 두께의 PFSA 막(아사히 글래스(Asahi Glass)의 SH-30)을 제1 단계의 고온 프레싱하는 것에 의해 제조되었다. 두께의 차이로 인해, 이오노머 구성요소는 보강층의 일측에 배치되었고, 직조된 재료의 약 20 마이크론은 함침되지 않은 상태로 남겨 두었다. 촉매층이 150℃ 및 800 psi에서 2 분 동안 PTFE 전사 기재 상에 지지된 건조된 촉매층들을 고온 프레싱함으로써 이오노머-함침된 보강재의 양측면에 추가되었다. 이와 같은 방법으로 이온 전도성 구성요소에 의해 분리된 보강된 촉매층들을 갖는 조립체가 제조되었다.
상기 조립체는 미세다공질 층들로 코팅된 기체 확산층과 결합하고, 또 50 cm2의 활성 면적의 시험용 전지 내에 밀봉하는 것에 의해 연료 전지 내에서 시험되었다. 100 kPa의 게이지 압력에서 수소가 애노드 측에 공급되었고, 산소가 캐소드 측에 공급되었고, 양 기체는 충분히 가습되었다. 분극 곡선은 도 1에 도시된 바와 같이 결정되었고, 조립체의 옴 저항은 도 2에 도시된 바와 같이 전류-차단법을 사용하여 측정되었다. 보강된 촉매층 조립체를 포함하는 MEA의 전지 전압은 저항(iR) 손실을 위해 수정되었을 때 전통적인 MEA의 전지 전압과 본질적으로 동일하였다. 저항 손실은 보강재의 약 50%의 개방 면적에 일치하여 보강된 MEA가 약 2 배 정도 높았다.
예 2: 보강된 막 전극 조립체가 바 코팅장치(bar coater)를 이용하여 먼저 전해촉매 잉크의 박층을 스카이브(skive) PTFE 상에 코팅하고 오븐에서 105℃로 건조시키는 것에 의해 제조되었다. 제2 전해촉매 잉크 층이 기존의 건조 층 상에 도포되고, 습한 상태에 있는 동안에 15-20 마이크론 두께의 팽창-PTFE 웨브가 이 제2 전해촉매 잉크 층 내에 배치되었다. 팽창-PTFE 매트릭스 내의 잉크의 침투가 육안으로 관찰되었다. 이 중간 조립체가 다시 오븐에서 105℃로 건조되었다. 이 단계에서, 팽창-PTFE 보강 물질은 촉매층의 일면에 촉매층으로서 유지되었다. 다음에 촉매층의 상기 팽창-PTFE가 존재하고 있는 표면 상에 3 개의 이오노머 층을 캐스팅하고, 각 층이 가해진 후에 오븐 건조를 행함으로써 이온-전도성 층이 구축되었다. 막 전극 조립체를 완성하기 위해, 전해촉매 잉크의 추가의 2 회의 코팅이 조립체에 가해졌고(각 단계마다 오븐 건조가 행해짐), 그 결과 제2 촉매층이 제조되었다. 최종 제품에서, 팽창-PTFE 보강 물질은 최종 전해촉매 층에 의해 완전히 피복되었다. 이 방법으로, 전극들(애노드 및 캐소드), 이노오머 및 MEA의 전극/이오노머의 계면이 연속적인 팽창-PTFE 구조에 의해 보강된 조립체가 제조되었다(도 3 참조).

Claims (15)

  1. 연료 전지용으로 적합한 보강된 촉매층 조립체로서,
    (i) z-방향으로 재료의 두께를 통하여 연장하는 세공들을 갖는 다공질 재료로 구성되는 평면상 보강 구성요소,
    (ii) 제1 촉매 물질 및 제1 이온-전도성 물질을 포함하는 제1 촉매 구성요소, 및
    (iii) 이온 전도성 구성요소를 포함하고,
    상기 제1 촉매 구성요소가 상기 평면상 보강 구성요소 내에 적어도 부분적으로 매립되어, 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 제1 촉매층을 형성하고,
    상기 이온 전도성 구성요소가 상기 제1 촉매층의 제1 표면에 가해져서 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 이온-전도성 층을 형성하고,
    상기 이온-전도성 층의 상기 제1 표면은 상기 제1 촉매층의 상기 제1 표면과 접촉하고, 상기 이온 전도성 구성요소는 상기 평면상 보강 구성요소의 내부에 적어도 부분적으로 매립되는, 보강된 촉매층 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이온-전도성 층의 제2 표면에 가해지는 제2 이온-전도성 물질 및 제2 촉매 물질을 포함하는 제2 촉매 구성요소를 더 포함하고, 상기 제2 촉매 구성요소는 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 제2 촉매층을 형성하고, 상기 제2 촉매층의 상기 제1 표면은 상기 이온-전도성 층의 제2 표면과 접촉하는, 보강된 촉매층 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 촉매 구성요소는 상기 평면상 보강 구성요소 내에 적어도 부분적으로 매립되는, 보강된 촉매층 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 평면상 보강 구성요소는 팽창된 재료, 직물 또는 부직포, 또는 금속, 탄소, 세라믹 또는 폴리머 물질로부터 제조되는 다수의 셀을 포함하는 셀형 보강 재료로 형성되는, 보강된 촉매층 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 평면상 보강 구성요소는 비-전기 전도성 재료로 이루어지는, 보강된 촉매층 조립체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 미세다공질 층이 상기 제1 촉매층의 상기 제2 표면 상에 존재하는, 보강된 촉매층 조립체.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 제2 미세다공질 층이 상기 제2 촉매층의 상기 제2 표면 상에 존재하는, 보강된 촉매층 조립체.
  8. 제1항 또는 제4항에 따른 하나의 보강된 촉매층 조립체 및 제1항 또는 제4항에 따른 제2 보강된 촉매층 조립체를 포함하고, 상기 2 개의 보강된 촉매층 조립체는 두 이온-전도성 층 모두가 결합된 조립체의 중심에 위치하도록 결합되는, 결합되고 보강된 촉매층 조립체.
  9. 기체 확산층 및 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 보강된 촉매층 조립체를 포함하는, 기체 확산 전극.
  10. 제1항에 따른 보강된 촉매층 조립체 및 이온-전도성 막을 포함하는, 보강된 촉매층 막 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 제1항 또는 제4항에 따른 제2 보강된 촉매층 조립체를 더 포함하고, 상기 이온-전도성 막은 상기 2개의 보강된 촉매층 조립체들의 사이에 개재되는, 보강된 촉매층 막 조립체.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 보강된 촉매층 조립체를 포함하는, 막 전극 조립체.
  13. 제9항에 따른 기체 확산 전극을 포함하는 막 전극 조립체.
  14. 제10항에 따른 보강된 촉매층 막 조립체를 포함하는 막 전극 조립체.
  15. 제6항에 있어서, 제2 미세다공질 층이 상기 제2 촉매층의 상기 제2 표면 상에 존재하는, 보강된 촉매층 조립체.
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