KR102463959B1 - Catalyst ink containing a c5-c10 alcohol or carboxylic acid, and mea manufacturing process - Google Patents

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Abstract

연료 전지의 구성요소를 제조하기 위한 방법과 조성물이 기술된다. 일 실시예에서, 이 방법은 기판을 제공하는 단계와 기판 상에 전극을 형성하거나 부착하는 단계를 포함하며, 상기 전극을 형성하는 단계는 물, 수불용성 성분, 촉매 및 이오노머를 포함하는 수성 혼합물을 촉매 잉크로서 성막하는 단계를 포함한다. 수불용성 성분은 수불용성 C5-C10 알코올, C5-C10 수불용성 카르복실산 또는 이들의 조합을 포함한다. 그러한 수불용성 성분을 사용하여, 결국 건조 시 감소한 망상화, 기판의 감소한 용해 및 기판의 다공의 감소한 관통을 갖는 안정된 액체 매질을 얻게 된다. Methods and compositions for making a component of a fuel cell are described. In one embodiment, the method comprises providing a substrate and forming or attaching an electrode on the substrate, wherein the forming of the electrode comprises forming an aqueous mixture comprising water, a water insoluble component, a catalyst and an ionomer. and depositing as a catalyst ink. The water-insoluble component includes a water-insoluble C 5 -C 10 alcohol, a C 5 -C 10 water-insoluble carboxylic acid, or a combination thereof. With such water-insoluble components, a stable liquid medium is eventually obtained with reduced reticulation upon drying, reduced dissolution of the substrate and reduced penetration of the pores of the substrate.

Description

C5-C10 알코올 또는 카르복실산을 함유하는 촉매 잉크 및 MEA 제조 방법{CATALYST INK CONTAINING A C5-C10 ALCOHOL OR CARBOXYLIC ACID, AND MEA MANUFACTURING PROCESS}CATALYST INK CONTAINING A C5-C10 ALCOHOL OR CARBOXYLIC ACID, AND MEA MANUFACTURING PROCESS

본 발명은 미국 정부의 기관과 계약 하에 발명되었다. 미국 정부 기관의 명칭은 에너지 부(골든 필드 사무소)이며, 미국 정부 계약 번호는 DE-FC36-08GO18052이다. This invention was invented under contract with an agency of the United States government. The name of the U.S. government agency is the Department of Energy (Golden Fields Office), and the U.S. government contract number is DE-FC36-08GO18052.

본 개시는 고분자 전해질 멤브레인(PEM) 연료 전지용 멤브레인 전극 조립체에 관한 것이며, 구체적으로는, 전극이나 미소다공성(microporous) 구조를 형성하도록 물, 수불용성 성분, 촉매 및 이오노머(ionomer)를 포함하는 수성 혼합물을 기판에 성막하는 단계를 포함하는, 멤브레인 전극 조립체용 구성요소를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell, and specifically, an aqueous mixture comprising water, a water insoluble component, a catalyst and an ionomer to form an electrode or microporous structure. It relates to a method of manufacturing a component for a membrane electrode assembly, comprising the step of depositing a film on a substrate.

멤브레인 전극 조립체(MEA)는 고분자 전해질 멤브레인(PEM) 연료 전지의 핵심 구성요소이다. 이것은 일측 상의 애노드 전극과 타측 상의 캐소드 전극을 갖는 PEM으로 구성된다. 최종 MEA는, 애노드 층, PEM 층 및 캐소드 층을 포함하는 3-층 조립체일 수 있다. 부가적으로, MEA는 또한 가스 확산 층(GDL)을 포함할 수도 있으며, 이 GDL은 통상 탄소 종이로 구성되며 각각의 전극의 외표면에 부착된다. GDL이 양 전극에 부착되면, 최종 MEA가 GDL의 제1 층, 애노드 층, PEM 층 캐소드 층 및 GDL의 다른 층을 포함하는 5-층 조립체인 것으로 고려된다. 통상, PEM 및 GDL은 자체-지지 웹이 되기에 충분한 기계적 일체성을 갖지만, 전극은 그렇지 않다. 그러므로 각각의 전극은 통상, PEM, GDL 또는 릴리스 층일 수 있는 기판 상에 형성된다. MEA의 층은 그 후 복합 시트를 형성하기에 필요한 만큼 열 및/또는 압력으로 함께 본딩된다. A membrane electrode assembly (MEA) is a key component of a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell. It consists of a PEM with an anode electrode on one side and a cathode electrode on the other side. The final MEA may be a three-layer assembly comprising an anode layer, a PEM layer and a cathode layer. Additionally, the MEA may also include a gas diffusion layer (GDL), which is usually composed of carbon paper and is attached to the outer surface of each electrode. Once the GDL is attached to both electrodes, the final MEA is considered to be a five-layer assembly comprising a first layer of GDL, an anode layer, a PEM layer cathode layer and another layer of GDL. Typically, PEMs and GDLs have sufficient mechanical integrity to be self-supporting webs, whereas electrodes do not. Therefore, each electrode is typically formed on a substrate which may be a PEM, GDL or release layer. The layers of MEA are then bonded together with heat and/or pressure as needed to form the composite sheet.

기판 상에 전극을 형성하며 및/또는 전극을 MEA의 다른 층에 본딩하기 위해 여러 구축된 기술이 있지만, 각각의 기술은 문제를 갖고 있다. 종래에, 전극은 릴리스 층 상에 코팅되었으며, 그 후 PEM에 라미네이트되었다. 그러나, 이 방법은 비효율적이며 비싸다. 더욱 최근에, 이 공정은 전극을 PEM 상에 바로 코팅함으로써 간소화되었다. 그러나 전극을 PEM 상에 바로 코팅하면, 결국 PEM을 변형시키거나 용해시킬 수 있으며, 이점은 더 얇은 PEM이 사용될 때 특히 문제가 될 수 있다. 대안적으로, 전극은 GDL과 같은 다공성 기판 상에 바로 코팅될 수 있다. 그러나 이 방법은 결국 이오노머와 촉매를 기판의 다공 내에 흡수하게 할 수 있어서, 기판의 속성을 변경시킬 수 있으며 및/또는 촉매의 일부분이 비효율적이게 할 수 있다. 그에 따라, 효율적이며 비용 효과적인 방식으로 멤브레인 전극 조립체용 구성요소를 제조하는 개선된 방법에 대한 필요가 있다.There are several established techniques for forming electrodes on a substrate and/or bonding electrodes to different layers of an MEA, but each technique has its own problems. Conventionally, electrodes were coated onto a release layer and then laminated to PEM. However, this method is inefficient and expensive. More recently, this process has been simplified by coating the electrodes directly onto the PEM. However, coating the electrodes directly on the PEM can eventually deform or dissolve the PEM, which can be particularly problematic when thinner PEMs are used. Alternatively, the electrode may be coated directly on a porous substrate such as GDL. However, this method may in turn result in adsorption of the ionomer and catalyst into the pores of the substrate, which may alter the properties of the substrate and/or render some of the catalyst ineffective. Accordingly, there is a need for an improved method of manufacturing a component for a membrane electrode assembly in an efficient and cost effective manner.

일 실시예에서, 본 개시는 연료 전지 구성요소를 제조하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 기판을 제공하는 단계; 및 기판 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 전극을 형성하는 단계는 물, 수불용성 성분, 촉매 및 이오노머를 포함하는 수성 혼합물을 기판에 성막하는 단계를 포함하며, 수불용성 성분은 수불용성 알코올, 수불용성 카르복실산 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 수불용성 성분은 C5-C10 알코올, C5-C10 카르복실산 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 기판은 다공성 층, 비다공성 층 또는 이들의 조합을 포함한다. In one embodiment, the present disclosure relates to a method of manufacturing a fuel cell component, the method comprising: providing a substrate; and forming an electrode on the substrate, wherein the forming of the electrode comprises depositing on the substrate an aqueous mixture comprising water, a water-insoluble component, a catalyst, and an ionomer, wherein the water-insoluble component is water-insoluble. alcohols, water-insoluble carboxylic acids, or combinations thereof. In some embodiments, the water-insoluble component comprises a C 5 -C 10 alcohol, a C 5 -C 10 carboxylic acid, or a combination thereof. In some embodiments, the substrate comprises a porous layer, a non-porous layer, or a combination thereof.

다른 실시예에서, 본 개시는 연료 전지 구성요소를 제조하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 고분자 전해질 멤브레인 상에 제1 전극을 형성하는 단계로서, 상기 제1 전극을 형성하는 단계는 고분자 전해질 멤브레인 상에 수성 혼합물을 성막하는 단계를 포함하며, 수성 혼합물은 물, 수불용성 성분, 촉매 및 이오노머를 포함하며, 수불용성 성분은 수불용성 알코올 또는 수불용성 카르복실산을 포함하는, 상기 제1 전극을 형성하는 단계; 및 고분자 전해질 멤브레인 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다. In another embodiment, the present disclosure relates to a method of manufacturing a fuel cell component, the method comprising forming a first electrode on a polyelectrolyte membrane, wherein forming the first electrode comprises on the polyelectrolyte membrane forming an aqueous mixture on the first electrode, wherein the aqueous mixture comprises water, a water-insoluble component, a catalyst and an ionomer, and wherein the water-insoluble component comprises a water-insoluble alcohol or a water-insoluble carboxylic acid. to do; and forming a second electrode on the polymer electrolyte membrane.

다른 실시예에서, 본 개시는 연료 전지 구성요소를 제조하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 가스 확산 층 상에 제1 전극을 형성하는 단계로서, 상기 제1 전극을 형성하는 단계는 가스 확산 층 상에 수성 혼합물을 성막하는 단계를 포함하며, 수성 혼합물은 물, 수불용성 성분, 촉매 및 이오노머를 포함하며, 수불용성 성분은 수불용성 알코올, 수불용성 카르복실산 또는 이들의 조합을 포함하는, 상기 제1 전극을 형성하는 단계; 제1 전극 상에 고분자 전해질 멤브레인을 형성하는 단계; 및 고분자 전해질 멤브레인 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 제2 가스 확산 층은 그 후 제2 전극 상에 형성될 수도 있거나 그에 부착될 수도 있다. In another embodiment, the present disclosure relates to a method of manufacturing a fuel cell component, the method comprising forming a first electrode on a gas diffusion layer, wherein forming the first electrode comprises on the gas diffusion layer. forming an aqueous mixture on 1 forming an electrode; forming a polymer electrolyte membrane on the first electrode; and forming a second electrode on the polymer electrolyte membrane. A second gas diffusion layer may then be formed on or attached to the second electrode.

다른 실시예에서, 본 개시는 연료 전지 전극을 형성하기 위한 수성 혼합물 조성물에 관한 것이며, 이 조성물은 상기 방법 중 임의의 방법에 사용될 수 있으며, 이 조성물은 a) 물; b) 수불용성 알코올, 수불용성 카르복실산 또는 이들의 조합을 포함하는 수불용성 성분; c) 촉매; 및 d) 이오노머를 포함한다. In another embodiment, the present disclosure is directed to an aqueous mixture composition for forming a fuel cell electrode, the composition may be used in any of the above methods, the composition comprising: a) water; b) a water-insoluble component comprising a water-insoluble alcohol, a water-insoluble carboxylic acid, or a combination thereof; c) a catalyst; and d) ionomers.

본 명세서에서 기재된 실시예에서, 수불용성 성분은 부가적으로 예컨대 1-펜타놀, 1-헥사놀, 1-헵타놀, 1-옥타놀, 2-에틸-1-헥사놀, 1-노나놀, 1-데카놀 또는 이들의 조합과 같은 C5-C10 알코올을 포함한다. 다른 양상에서, 수불용성 성분은 예컨대 n-펜타녹산, n-헥사노익산, n-헵타노익산, n-옥타노익산, n-노나노익산, n-데카노익산 또는 이들의 조합과 같은 C5-C10 카르복실산을 포함한다. In the examples described herein, the water-insoluble component may additionally include, for example, 1-pentanol, 1-hexanol, 1-heptanol, 1-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, 1-nonanol, C 5 -C 10 alcohols such as 1-decanol or combinations thereof. In another aspect, the water-insoluble component comprises C, such as n-pentanoic acid, n-hexanoic acid, n-heptanoic acid, n-octanoic acid, n-nonanoic acid, n-decanoic acid, or combinations thereof. 5 -C 10 carboxylic acids.

수성 혼합물의 성분 농도는 본 명세서에서 논의한 수많은 요인에 따라 변할 수도 있다. 물은, 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클(vehicle)의 총 중량을 기초로 해서 부가적으로 35wt%보다 큰, 부가적으로 50wt%보다 큰, 부가적으로 70wt%보다 큰, 부가적으로 80wt%보다 큰 또는 부가적으로 90wt%보다 큰 양으로 수성 혼합물에 부가적으로 존재한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어, "비히클(vehicle)"은 물, 유기 용매(있다면) 및 용존 용질(있다면)을 포함하는 수성 혼합물의 액체 부분을 지칭한다. 촉매는, 수성 혼합물의 총 중량을 기초로 해서 90wt% 미만, 선택적으로 35wt% 미만, 선택적으로 9wt% 미만의 양으로 수성 혼합물에 선택적으로 존재한다. 사용된 촉매는 선택적으로 귀금속, 전이금속 또는 이들의 합금을 포함하며, (선택적으로 탄소 지지체 상에서) 지지될 수 있거나 지지되지 않을 수 도 있다. 수불용성 성분은, 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 20% 미만, 선택적으로 15% 미만, 선택적으로 10% 미만, 선택적으로 8wt% 미만, 선택적으로 6wt% 미만의 양으로 수성 혼합물에서 선택적으로 존재한다. 이오노머는, 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 50% 미만, 선택적으로 35% 미만, 선택적으로 8% 미만, 선택적으로 0.5wt% 미만의 양으로 수성 혼합물에서 선택적으로 존재한다. The concentration of the components of the aqueous mixture may vary depending on a number of factors discussed herein. water is additionally greater than 35 wt%, additionally greater than 50 wt%, additionally greater than 70 wt%, additionally greater than 80 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. or additionally present in the aqueous mixture in an amount greater than 90 wt %. As used herein, the term "vehicle" refers to the liquid portion of an aqueous mixture comprising water, an organic solvent (if any) and a dissolved solute (if any). The catalyst is optionally present in the aqueous mixture in an amount of less than 90 wt %, optionally less than 35 wt %, optionally less than 9 wt %, based on the total weight of the aqueous mixture. The catalyst used optionally comprises noble metals, transition metals or alloys thereof, and may or may not be supported (optionally on a carbon support). The water-insoluble component is present in the aqueous mixture in an amount of less than 20%, optionally less than 15%, optionally less than 10%, optionally less than 8 wt%, optionally less than 6 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. is optionally present in The ionomer is optionally present in the aqueous mixture in an amount of less than 50%, optionally less than 35%, optionally less than 8%, optionally less than 0.5 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture.

범위 면에서, 일부 실시예에서, 물은, 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 35wt%에서부터 99wt%까지의 양으로 수성 혼합물에 존재한다. 촉매는, 수성 혼합물의 총 중량을 기초로 해서 1wt%에서부터 42wt%까지의 양으로 수성 혼합물에 존재할 수 도 있다. 수불용성 알코올은, 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 0.5wt%에서부터 20wt%까지의 양으로 수성 혼합물에 존재할 수 도 있다. 그리고 이오노머는, 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 0.5wt%에서부터 50wt%까지의 양으로 수성 혼합물에 존재할 수 도 있다. In terms of range, in some embodiments, water is present in the aqueous mixture in an amount from 35 wt % to 99 wt %, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. The catalyst may be present in the aqueous mixture in an amount from 1 wt % to 42 wt %, based on the total weight of the aqueous mixture. The water-insoluble alcohol may be present in the aqueous mixture in an amount from 0.5 wt % to 20 wt %, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. And the ionomer may be present in the aqueous mixture in an amount from 0.5 wt % to 50 wt %, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture.

수성 혼합물은 수용성 화합물, 선택적으로 수용성 알코올을 더 포함한다. 선택적인 수용성 화합물이 수용성 알코올을 포함하는 경우에, 수용성 알코올은 선택적으로 이소프로판올, tert-부탄올 또는 글리콜 에테르를 포함한다. 혼합물에 포함된다면, 글리콜 에테르는 디프로필렌 글리콜(DPG) 또는 프로필렌 글리콜 메틸 에테르(PGME)를 선택적으로 포함한다. 선택적인 수용성 화합물은, 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 50wt% 미만, 선택적으로 25wt% 미만, 선택적으로 9wt% 미만, 선택적으로 4wt% 미만의 양으로 수성 혼합물에서 존재할 수 있다. 여러 실시예에 따라, 수성 혼합물은 유기 화합물을 함유할 수도 있다. The aqueous mixture further comprises a water-soluble compound, optionally a water-soluble alcohol. When the optional water-soluble compound comprises a water-soluble alcohol, the water-soluble alcohol optionally comprises isopropanol, tert-butanol or glycol ethers. If included in the mixture, the glycol ether optionally includes dipropylene glycol (DPG) or propylene glycol methyl ether (PGME). The optional water-soluble compound may be present in the aqueous mixture in an amount of less than 50 wt %, optionally less than 25 wt %, optionally less than 9 wt %, optionally less than 4 wt %, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. According to various embodiments, the aqueous mixture may contain organic compounds.

사용된 기판은 폭넓게 변할 수 도 있으며, 여러 실시예에서 다공성 층을 포함할 수도 있으며, 다공성 층은 선택적으로 통기성이거나 가스 확산 층을 포함하거나, 다공성 층은 선택적으로 다공성 릴리스 층을 포함한다. 후자의 양상에서, 다공성 릴리스 층은 예컨대 발포(expanded) 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)과 같은 발포 고분자를 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 기판은 비다공성 층, 선택적으로 비다공성 릴리스 층을 포함한다. 비다공성 층은, 양자-전도 고분자를 포함할 수도 있는 고분자 전해질 멤브레인(PEM)을 포함할 수도 있다. 고분자 전해질 멤브레인은 다공성 미세구조와, 다공성 미세구조에 침지된 이오노머를 선택적으로 포함한다. 다공성 미세구조는 과불소화 다공성 고분자 소재, 예컨대 ePTFE 멤브레인을 포함할 수도 있다. 다른 양상에서, 다공성 미세구조는 탄화수소 소재, 선택적으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리스티렌을 포함한다. 일부 양상에서, 기판은, 형성되고 있는 전극 반대편의 기판의 측 상에 다른 전극을 포함한다. 이 양상에서, 전극을 형성하는 단계는 수성 혼합물을 건조시키는 단계를 선택적으로 더 포함한다. 다른 양상에서, 이 방법은, 초기에 형성된 전극 반대편의 기판의 측 상에 다른 전극을 형성하는 단계를 더 포함하며, 다른 전극을 형성하는 단계는 기판 상에 수성 혼합물을 성막하는 단계와 선택적으로 수성 혼합물을 건조시키는 단계를 선택적으로 포함한다. 다른 양상에서, 이 방법은 전극을 고분자 전해질 멤브레인에 라미네이트하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 전극 상에 고분자 전해질 멤브레인을 형성하거나 부착하는 단계를 더 포함한다. 다른 양상에서, 이 방법은 다공성 층, 비다공성 층 또는 이들의 조합을 전극과 기판 중 적어도 하나에 라미네이트하는 단계를 선택적으로 더 포함한다. The substrate used may vary widely, and in various embodiments may include a porous layer, the porous layer optionally comprising a breathable or gas diffusion layer, or the porous layer optionally comprising a porous release layer. In the latter aspect, the porous release layer may comprise a foamed polymer, such as, for example, expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE). In another embodiment, the substrate comprises a non-porous layer, optionally a non-porous release layer. The non-porous layer may include a polyelectrolyte membrane (PEM), which may include a proton-conducting polymer. The polymer electrolyte membrane optionally includes a porous microstructure and an ionomer immersed in the porous microstructure. The porous microstructure may also include a perfluorinated porous polymeric material, such as an ePTFE membrane. In another aspect, the porous microstructure comprises a hydrocarbon material, optionally polyethylene, polypropylene or polystyrene. In some aspects, the substrate includes another electrode on the side of the substrate opposite the electrode being formed. In this aspect, forming the electrode optionally further comprises drying the aqueous mixture. In another aspect, the method further comprises forming another electrode on a side of the substrate opposite the initially formed electrode, wherein forming the other electrode comprises depositing an aqueous mixture on the substrate and optionally the aqueous solution. drying the mixture is optionally included. In another aspect, the method further comprises laminating the electrode to the polyelectrolyte membrane. The method further includes forming or attaching a polymer electrolyte membrane on the electrode. In another aspect, the method optionally further comprises laminating the porous layer, the non-porous layer, or a combination thereof to at least one of the electrode and the substrate.

본 발명은 다음의 비제한적인 도면을 참조하여 더 잘 이해될 것이다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일부 양상에 따른 공정에 대한 예시적인 흐름을 도시한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일부 양상에 따른 공정에 대한 예시적인 흐름을 도시한다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be better understood with reference to the following non-limiting drawings.
1A-1D illustrate exemplary flows for a process in accordance with some aspects of the present invention.
2A-2D illustrate exemplary flows for a process in accordance with some aspects of the present invention.

I. I. 소개Introduce

멤브레인 전극 조립체(MEA)는, 일측 상의 애노드 전극과 타측 상의 캐소드 전극을 가진 고분자 전해질 멤브레인(PEM)으로 구성된다. 최종 MEA는, 최종 MEA에서 애노드-PEM-캐소드로서 층들을 서로 인접하게 놓은 3-층 조립체일 수 도 있다. 또한, MEA는 각각의 전극의 외표면에 부착되는 가스 확산 층(GDL)을 또한 포함할 수 도 있다. GDL이 양 전극에 부착된다면, 최종 MEA는, 최종 MEA에서 GDL-애노드-PEM-캐소드-GDL로서 층들을 서로 인접하게 놓은 5-층 조립체로 고려된다. 여러 실시예에 따라, 층들은 임의의 순서로 형성(예컨대, 제조)될 수 도 있으며, 예컨대 PEM은 GDL, 애노드 또는 캐소드 전에 형성될 수 도 있다. The membrane electrode assembly (MEA) is composed of a polymer electrolyte membrane (PEM) having an anode electrode on one side and a cathode electrode on the other side. The final MEA may be a three-layer assembly in which the layers are placed adjacent to each other as the anode-PEM-cathode in the final MEA. In addition, the MEA may also include a gas diffusion layer (GDL) attached to the outer surface of each electrode. If the GDL is attached to both electrodes, the final MEA is considered a five-layer assembly with the layers placed adjacent to each other as GDL-anode-PEM-cathode-GDL in the final MEA. According to various embodiments, the layers may be formed (eg, fabricated) in any order, eg, the PEM may be formed before the GDL, the anode or the cathode.

통상, MEA는, 먼저 이오노머, 촉매 입자 및 용매 또는 비히클을 포함하는 잉크를 준비함으로써 만든다. 잉크는 그 후 기판 상에 코팅되며 실질적으로 건조된다. 기판은 PEM, GDL 또는 릴리스 층일 수 있다. 이들 기판은 통상 거칠고, 다공성이고, 소수성이고, 치수적으로 불안정하며 및/또는 용이하게 용해되거나 파괴될 수 있으므로 코팅하기 어렵다. Typically, MEAs are made by first preparing an ink comprising an ionomer, catalyst particles, and a solvent or vehicle. The ink is then coated onto the substrate and substantially dried. The substrate may be a PEM, GDL or release layer. These substrates are typically rough, porous, hydrophobic, dimensionally unstable, and/or are difficult to coat as they can easily dissolve or break.

하나의 처리 요건은, 잉크가 기판과 충분히 낮은 접촉각을 가져 탈습식(de-wetting)에 의해 초래되는 결함을 회피해야 한다는 점이다. 이것은 잉크의 표면 장력을 낮춤으로써 달성될 수 있다. 통상, 이오노머는 잉크의 표면 장력을 상당히 낮추지 않는다(그러므로 이오노머는 계면활성제로 고려되지 않는다. 그러나 표면 장력은, 에틸 알코올, 메틸 알코올 및 이소프로필 알코올(IPA)과 같은 수용성 알코올의 예컨대 대략 30wt% 초과와 같은 고농도의 추가를 통해 낮춰질 수 있다. 그러나 고농도의 수용성 알코올은 다른 처리 문제를 일으킬 수 있다. 예컨대, 기판이 PEM이라면, 그 이오노머는 부분적으로 용해될 수 도 있거나, 그렇지 않으면 그 기계적 일체성이 파괴될 수도 있어서 더 높은 가스 크로스오버를 초래할 수 도 있으며, 이것은 연료 효율을 낮추며 전기 단락-회로의 위험(내구성을 감소시킴)을 증가시킨다. 이오노머의 용해로 인해 또한 결국 이오노머가 전극에 흡수될 수 있으며, 이점은 "플루딩(flooding)"으로도 알려져 있는 대량 운송 제한을 통한 전력 생성을 감소시킬 수 있으며, 감소한 전압 사이클링 내구성을 통해 내구성을 감소시킬 수 있다. 게다가, 이오노머 멤브레인은 종종 세륨과 같은 첨가제를 함유하여 자유 라디칼에 의한 열화를 방지한다. 이 첨가제가 적절히 기능하기 위해, 이오노머 멤브레인의 두께는 주의해서 제어되어야 한다. 특히, 전극이 코팅될 때, 이오노머 멤브레인 두께는 부분적으로 용해됨으로써 변화되지 않아야 한다. One processing requirement is that the ink has a sufficiently low contact angle with the substrate to avoid defects caused by de-wetting. This can be achieved by lowering the surface tension of the ink. Normally, ionomers do not significantly lower the surface tension of inks (thus ionomers are not considered surfactants. However, the surface tension is higher than that of water soluble alcohols such as ethyl alcohol, methyl alcohol and isopropyl alcohol (IPA), e.g., about 30 wt% It can be lowered through the addition of high concentrations such as may be destroyed, resulting in higher gas crossover, which lowers fuel efficiency and increases the risk of electrical short-circuits (reducing durability) Due to dissolution of the ionomer and eventually the ionomer may be absorbed by the electrode The benefits can be reduced power generation through mass transport restrictions, also known as "flooding," and reduced durability through reduced voltage cycling endurance. In addition, ionomer membranes are often Contains additives to prevent degradation by free radicals. For this additive to function properly, the thickness of the ionomer membrane must be carefully controlled. In particular, when the electrode is coated, the ionomer membrane thickness does not change by partially dissolving. shouldn't

대안적으로, 기판이 GDL과 같은 다공성 층이라면, 저 표면장력을 갖는 잉크는 기판의 다공을 관통하는 경향이 있어서, 결국 (이오노머 오염으로 인해) 그 물 관리 속성이 변하거나, 이오노머 멤브레인이 충분히 활용되지 않고 촉매를 성막시킨다. 앞서 언급한 문제를 최소화하기 위해, 수용성 알코올 함량은 최소화될 수 있지만, 이것은 결국 건조 시 잉크의 망상화(reticulation)를 초래하여, 두께 변동 및 전극에서의 구멍과 같은 불균일성을 야기한다. Alternatively, if the substrate is a porous layer such as GDL, the ink with low surface tension tends to penetrate the pores of the substrate, eventually changing its water management properties (due to ionomer contamination) or the ionomer membrane is fully utilized. and the catalyst is formed. To minimize the aforementioned problems, the water-soluble alcohol content can be minimized, but this in turn leads to reticulation of the ink upon drying, resulting in thickness variations and non-uniformities such as holes in the electrode.

그럼에도, 전극을 형성하기 위한 잉크는, 액체 상을 실질적으로 수용성으로 하도록 개선될 수 있으며 본 명세서에서는 C5+ 알코올, C5+ 카르복실산 또는 이들의 조합으로서 규정되는 "수불용성 성분"을 포함함으로써 개선될 수 있음을 이제 발견하였다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "C5+"는 5개 이상의 탄소 원자를 갖는 화합물을 지칭한다. 일부 실시예에서, 수불용성 성분은 C5-C10 알코올, C5-C10 카르복실산 또는 이들의 조합을 포함한다. 그에 따라, 일부 실시예에서, 수불용성 성분은 예컨대, 1-펜타놀, 1-헥사놀, 1-헵타놀, 1-옥타놀, 2-에틸-1-헥사놀, 1-노나놀, 1-데카놀 또는 이들의 조합과 같은 수불용성 알코올을 포함한다. 일부 실시예에서, 수불용성 성분은 예컨대 n-펜타녹산, n-헥사노익산, n-헵타노익산, n-옥타노익산, n-노나노익산, n-데카노익산 또는 이들의 조합과 같은 수불용성 알코올을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어, "이들의 조합"은 바로 앞선 목록에서의 2개 이상의 종류의 임의의 조합을 지칭한다. C5+ 알코올 및 C5+ 카르복실산의 여러 조합이 있는 것처럼, 분기 알코올 및/또는 분기 카르복실산을 또한 상정하게 된다. Nevertheless, the ink for forming the electrode can be improved to render the liquid phase substantially water-soluble and includes a “water-insoluble component” defined herein as a C 5+ alcohol, a C 5+ carboxylic acid, or a combination thereof. It has now been found that this can be improved by As used herein, “C 5+ ” refers to compounds having 5 or more carbon atoms. In some embodiments, the water-insoluble component comprises a C 5 -C 10 alcohol, a C 5 -C 10 carboxylic acid, or a combination thereof. Accordingly, in some embodiments, the water-insoluble component is, for example, 1-pentanol, 1-hexanol, 1-heptanol, 1-octanol, 2-ethyl-1-hexanol, 1-nonanol, 1- water-insoluble alcohols such as decanol or combinations thereof. In some embodiments, the water-insoluble component is, for example, n-pentanoic acid, n-hexanoic acid, n-heptanoic acid, n-octanoic acid, n-nonanoic acid, n-decanoic acid, or combinations thereof. Contains water-insoluble alcohol. As used herein, the term “combination thereof” refers to any combination of two or more kinds in the immediately preceding list. As there are several combinations of C 5+ alcohols and C 5+ carboxylic acids, branched alcohols and/or branched carboxylic acids are also contemplated.

놀랍게도, 이들 수성 혼합물은, 수성 혼합물이 기판 상에서 확산될 때 저 접촉각을 발생시켜, 수성 혼합물은 심지어 적은 수용성 알코올로나 수용성 알코올을 사용하지 않고 기판을 만족스럽게 적셔서 건조 공정 동안 낮은 망상화를 보인다. 본 명세서에서 사용된 "낮은 망상화"는 폭의 15% 미만, 길이의 15% 미만으로 수축하며 막의 최종 영역에 있어서 15% 미만의 디웨팅 결함을 포함한 임의의 막을 의미하고자 한다. 망상화는, 수성 혼합물의 60-80 마이크로리터를 기판 상에 피펫으로 공급한 후, 피렛 벌브를 사용하여 기판 상에 수성 혼합물을 확산시켜 4-6cm의 길이와 7-15mm의 폭을 갖는 막을 형성한 후, 시각적으로 검사하면서 열 총으로 1분 미만으로 막을 건조함으로써 평가하였다. 이론에 의해 제한되지 않는다면, 앞서 기재한 바와 같이 계면활성제로 고려되지 않는 이오노머는 놀랍게도 수불용성 성분을 유화시킨다고 추측된다. 중요하게도 및 또한 놀랍게도, 이들 수성 혼합물은, 다공성 구조의 상당한 관통 없이도 가스 확산 층과 같은 다공성 및/또는 소수성 기판 위에 모놀리식 막을 형성하게 한다. 그에 따라, 다공성 기판의 다공의 적어도 일부분이 성막 공정 동안(예컨대, 수성 혼합물이 다공성 기판 상에 성막 중일 때) 수성 혼합물로 채워지지 않고 남아 있다. 결과적인 수성 혼합물은 본 명세서에서 기재한 제조 공정에 의해 코팅을 허용하기에 충분한 안정성을 갖는다. 여러 실시에 따른 수성 혼합물은, 수성 혼합물이 성막 공정 동안 단일 상을 유지하도록(즉, 수성 혼합물이 너무 신속하게 "오일-풍부 층"과 "물-풍부 층"으로 분리하지 않아서 코팅과 건조를 방지하도록) 에멀젼이나 서스펜션을 포함할 수 도 있다. 여러 실시예에 따라, 수성 혼합물은, 성분(예컨대, 오일, 물 등)이 적어도 성막 공정 동안 균일하게 분포되는 경우 균질하게 유지된다. Surprisingly, these aqueous mixtures generate a low contact angle when the aqueous mixture diffuses on the substrate, so that the aqueous mixture satisfactorily wets the substrate with even little or no water-soluble alcohol and shows low reticulation during the drying process. As used herein, "low reticulation" is intended to mean any membrane that shrinks to less than 15% of its width, less than 15% of its length, and contains less than 15% of dewetting defects in the final area of the membrane. Reticulation is performed by pipetting 60-80 microliters of the aqueous mixture onto the substrate and then using a pipette bulb to spread the aqueous mixture onto the substrate to form a film with a length of 4-6 cm and a width of 7-15 mm. Then, the film was evaluated by drying the film in less than 1 minute with a heat gun while visually inspecting. Without being bound by theory, it is surmised that ionomers not considered surfactants, as described above, surprisingly emulsify water-insoluble components. Importantly and also surprisingly, these aqueous mixtures allow the formation of monolithic membranes on porous and/or hydrophobic substrates, such as gas diffusion layers, without significant penetration of the porous structure. Accordingly, at least a portion of the pores of the porous substrate remain unfilled with the aqueous mixture during the deposition process (eg, while the aqueous mixture is being deposited on the porous substrate). The resulting aqueous mixture has sufficient stability to permit coating by the manufacturing process described herein. The aqueous mixture according to various implementations prevents coating and drying so that the aqueous mixture maintains a single phase during the deposition process (i.e., the aqueous mixture does not separate too quickly into an “oil-rich layer” and a “water-rich layer”) It may contain an emulsion or suspension. According to various embodiments, the aqueous mixture remains homogeneous if the components (eg, oil, water, etc.) are uniformly distributed at least during the deposition process.

일 실시예에서, 본 개시는 멤브레인 전극 조립체용 구성요소를 제조하는 방법에 관한 것이며, 이 방법은 기판을 제공하는 단계와, 전극을 기판 상에 형성하는 단계를 포함한다. 전극을 형성하는 단계는 물, 수불용성 성분, 촉매 및 이오노머를 포함하는 수성 혼합물을 기판 상에 성막하는 단계를 포함한다. 용어, 성막은, 슬롯 다이 코팅, 슬라이드 다이 코팅, 커튼 코팅, 그라비어 코팅, 역방향 롤 코팅, 스프레이 코팅, 나이프-오버-롤 코팅 및 딥 코팅과 같은 액체 코팅을 도포하는 여러 수단을 포함하지만 이들로 제한되지는 않고자 한다. 용어, 액체는 전극 잉크를 포함하고자 한다. 기판은 다공성 층, 비다공성 층 또는 이들의 조합을 포함할 수 도 있다. 일부 실시예에서, 다공성 층은 통기성이거나, 가스 확산 층 또는 발포 고분자(예컨대, 발포 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTEF))와 같은 다공성 릴리스 층을 포함한다. 일부 실시예에서, 다공성 층은 소수성을 가질 수도 있어서, 물이 자발적으로 습윤되는 것을 방지할 수 도 있다. 다른 실시예에서, 비다공성 층은 비다공성 릴리스 층 또는 고분자 전해질 멤브레인(PEM)을 포함한다. PEM은 양자-전도 고분자와 같은 이오노머 또는 다공성 미세구조 및 다공성 미세구조에 침지된 이오노머를 포함할 수 도 있다. 다공성 미세구조는 과불소화 다공성 고분자 소재나 탄화수소 소재를 포함할 수 도 있다. In one embodiment, the present disclosure relates to a method of manufacturing a component for a membrane electrode assembly, the method comprising providing a substrate and forming an electrode on the substrate. Forming the electrode includes depositing an aqueous mixture comprising water, a water-insoluble component, a catalyst, and an ionomer on a substrate. The term, film-forming includes, but is not limited to, various means of applying liquid coatings such as slot die coating, slide die coating, curtain coating, gravure coating, reverse roll coating, spray coating, knife-over-roll coating, and dip coating. don't want to be The term liquid is intended to include electrode inks. The substrate may include a porous layer, a non-porous layer, or a combination thereof. In some embodiments, the porous layer is breathable or includes a gas diffusion layer or a porous release layer such as a foamed polymer (eg, expanded polytetrafluoroethylene (ePTEF)). In some embodiments, the porous layer may be hydrophobic to prevent spontaneous wetting of water. In another embodiment, the non-porous layer comprises a non-porous release layer or polyelectrolyte membrane (PEM). PEMs may include ionomers such as proton-conducting polymers or porous microstructures and ionomers immersed in porous microstructures. The porous microstructure may include a perfluorinated porous polymer material or a hydrocarbon material.

지시한 바와 같이, 다공성 혼합물은 물, 수불용성 성분, 촉매 및 퍼플루오로설포닉(PFSA)과 같은 이오노머를 포함한다. 수성 혼합물은, 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 대략 35wt%보다 큰, 대략 50wt%보다 큰, 대략 70wt%보다 큰, 대략 80wt%보다 큰 또는 대략 90wt%보다 큰 양으로 물을 포함할 수 도 있다. 촉매는 귀금속, 전이금속 또는 그 합금을 포함할 수 도 있으며, 수성 혼합물의 총 중량을 기초로 해서 대략 90wt% 미만, 대략 35wt% 미만, 또는 대략 9wt% 미만의 양으로 수성 혼합물에 존재한다. 일부 실시예에서, 수불용성 성분은, 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 대략 20% 미만, 대략 15% 미만, 대략 10% 미만, 대략 8wt% 미만, 대략 6wt% 미만 또는 대략 4% 미만의 양으로 수성 혼합물에서 존재한다. 이오노머는 PFSA를 포함할 수 도 있으며, 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 대략 50wt% 미만, 대략 35wt% 미만, 대략 8wt% 미만 또는 대략 0.5wt% 미만의 양으로 수성 혼합물에 존재할 수도 있다. 본 명세서에서 기재한 이점을 달성하는데 필요한 수성 혼합물에서의 성분의 특정 농도는, 예컨대 수성 혼합물이 성막될 기판에 따라서, 나열된 범위 내에서 폭넓게 변할 수 도 있으며 이는 기판의 습윤성이 예컨대 다공도, 다공 크기 및 기판의 표면 에너지에 따라 변할 것이기 때문임을 인식해야 할 것이다. 수성 혼합물내에서 및 기판 상에서 로딩되는 필요한 촉매는 원하는 성분 농도에 또한 영향을 줄 수 있다. 결국, 당업자의 권한 내에서 충분히, 일정 정도의 최적화가 선택된 기판 및 원하는 촉매 로딩에 따라 필요할 수도 있음을 이해하고, 상기 기술된 농도는 지침대로 제공된다. As indicated, the porous mixture includes water, a water insoluble component, a catalyst, and an ionomer such as perfluorosulfonic (PFSA). The aqueous mixture comprises water in an amount greater than about 35 wt%, greater than about 50 wt%, greater than about 70 wt%, greater than about 80 wt%, or greater than about 90 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. may also include The catalyst may also include a noble metal, transition metal or alloy thereof and is present in the aqueous mixture in an amount of less than about 90 wt %, less than about 35 wt %, or less than about 9 wt %, based on the total weight of the aqueous mixture. In some embodiments, the water-insoluble component comprises less than about 20%, less than about 15%, less than about 10%, less than about 8 wt%, less than about 6 wt%, or about 4 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. % in the aqueous mixture. The ionomer may also include PFSA and is present in the aqueous mixture in an amount of less than about 50 wt %, less than about 35 wt %, less than about 8 wt %, or less than about 0.5 wt %, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. may be The specific concentrations of components in the aqueous mixture necessary to achieve the benefits described herein may vary widely within the ranges listed, depending, for example, on the substrate on which the aqueous mixture is to be deposited, depending on the substrate's wettability, such as porosity, pore size and It will be appreciated that this is because it will vary with the surface energy of the substrate. The required catalyst loaded in the aqueous mixture and on the substrate may also affect the desired component concentrations. In the end, it is understood that, well within the purview of one of ordinary skill in the art, some degree of optimization may be necessary depending on the substrate selected and the desired catalyst loading, and the concentrations described above are provided as guidelines.

다른 실시예에서, 수성 혼합물은 수용성 화합물을 더 포함한다. 존재하는 경우, 수용성 화합물은 수용성 알코올, 글리콜 에테르 또는 이들의 조합을 포함할 수 도 있으며, 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 대략 50% 미만, 대략 25% 미만, 대략 9% 미만 또는 대략 4wt% 미만의 양으로 수성 혼합물에서 존재할 수 도 있다. 용어, "실질적으로", "대략" 및 "그 유의어"는, 대체로 당업자가 이해되는 것으로 명시된 것이지만 반드시 완전히 그것이지는(명시된 것을 완전히 포함하지는) 않은 것으로 규정된다. 임의의 개시된 실시예에서, 용어, "실질적으로, "대략" 또는 "그 유의어"는 명시된 것의 "내[백분율]"로 대체할 수 도 있으며, 여기서 백분율은 0.1, 1, 5 또는 10퍼센트를 포함한다. In another embodiment, the aqueous mixture further comprises a water-soluble compound. When present, the water-soluble compound may include a water-soluble alcohol, glycol ether, or combination thereof, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture less than about 50%, less than about 25%, less than about 9%. Or it may be present in the aqueous mixture in an amount of less than about 4 wt %. The terms “substantially,” “approximately,” and “synonyms thereof” are defined to be generally, but not necessarily fully including, what is stated as understood by one of ordinary skill in the art. In any disclosed embodiment, the term, “substantially, “approximately” or “synonym thereof” may be replaced with “within [percentage]” of the specified, wherein the percentage includes 0.1, 1, 5 or 10 percent. do.

유리하게도, 본 명세서에서 개시한 변경된 수성 혼합물을 활용함으로써, MEA의 구성요소는 (i) 기판의 용해도, (ii) 기판의 다공의 관통도, (iii) PEM이 충분히 활용되지 않은 채 촉매의 성막 및/또는 (iv) 건조 시 잉크의 망상화를 방지하거나 최소화하는 안정된 방식으로 형성될 수 있다. Advantageously, by utilizing the modified aqueous mixtures disclosed herein, the components of the MEA can be determined by (i) the solubility of the substrate, (ii) the penetration of the pores of the substrate, and (iii) the deposition of the catalyst without the PEM being fully utilized. and/or (iv) formed in a stable manner that prevents or minimizes reticulation of the ink upon drying.

II. 제조 방법 II. Manufacturing method

개시한 방법은 이하에서 기재되며 도 1a 내지 도 1d에 예시한 단계를 포함한다. 설명용으로 순차적인 단계로 기재될지라도, 본 개시는, 실제로 단계가 임의의 순서로 또는 동시에 실행될 수도 있음을 상정한다. 도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, MEA의 구성요소는 롤 피드 및/또는 롤 와인더(100), 성막 장치(105) 및 건조기(110)를 사용하여 계속해서 처리될 수 있다. 롤 피드 및/또는 롤 와인더(100)는 롤러나 대안적인 웹 운반 수단일 수 도 있다. 성막 장치(105)는 슬롯 다이나 대안적인 박막 코팅 수단일 수 도 있다. 건조기(110)는 대류 오븐이나 대안적인 젖은 막 건조 수단일 수도 있다. The disclosed method includes steps described below and illustrated in FIGS. 1A-1D . Although described as sequential steps for illustrative purposes, this disclosure contemplates that in practice the steps may be executed in any order or concurrently. 1A-1D , the components of the MEA may be processed continuously using a roll feed and/or roll winder 100 , a deposition apparatus 105 and a dryer 110 . The roll feed and/or roll winder 100 may be a roller or alternative web conveying means. The deposition apparatus 105 may be a slot die or alternative thin film coating means. Dryer 110 may be a convection oven or alternative wet film drying means.

일부 실시예에서, 도 1a 및 도 1c에 도시한 단계(I)에서, 수성 혼합물(115)은, 롤 피드 및/또는 롤 와인더(100) 상에 위치한 기판(120) 상에 성막 장치(105)를 통해 성막된다. 수성 혼합물(115)의 성막은 기판(120)에 바로 인접한(선택적으로 그 위에) 젖은 전극 층(125)을 형성한다. 도 1a 및 도 1c에 도시된 단계(II)에서, 습윤 전극 층(125)은 롤 피드 및/또는 롤 와인더(100)를 통해 건조기(110)에 운반되며, 부가적으로 주위 온도(25℃)보다 높은 온도로, 예컨대 50℃보다 높은, 75℃보다 높은, 100℃보다 높은, 130℃보다 높은, 10℃에서부터 300℃까지 또는 100℃에서부터 150℃까지의 온도로, 부가적으로 0.01분에서부터 10분까지, 예컨대 0.1분에서부터 8분까지, 0.1분에서부터 5분까지, 0.1분에서부터 2분까지 또는 0.1분에서부터 1분까지의 건조 시간에 실질적으로 건조된다. 습윤 전극 층(125)의 건조는 기판(120) 상에서 건조 전극(130)을 형성한다. In some embodiments, in step (I) illustrated in FIGS. 1A and 1C , the aqueous mixture 115 is deposited onto a roll feed and/or a substrate 120 positioned on a roll winder 100 , with a deposition apparatus 105 . ) is formed through The deposition of the aqueous mixture 115 forms a wet electrode layer 125 directly adjacent (and optionally over) the substrate 120 . In step (II) shown in FIGS. 1A and 1C , the wet electrode layer 125 is conveyed to the dryer 110 via a roll feed and/or roll winder 100 , in addition to ambient temperature (25° C.) ), such as higher than 50 °C, higher than 75 °C, higher than 100 °C, higher than 130 °C, from 10 °C to 300 °C or from 100 °C to 150 °C, additionally from 0.01 min. It dries substantially in drying times of up to 10 minutes, such as from 0.1 minutes to 8 minutes, from 0.1 minutes to 5 minutes, from 0.1 minutes to 2 minutes, or from 0.1 minutes to 1 minute. Drying of the wet electrode layer 125 forms a dry electrode 130 on the substrate 120 .

앞서 지시한 바와 같이, 종래의 전극 잉크에서의 용매는, 기판 상에 바로 코팅될 때, 기판을 관통하고, 용해하며 및/또는 그 밖에 파괴하는 경향이 있으며, 전극의 전자화학 효율과 기판의 완전성을 크게 감소시킨다. 그러므로 여러 실시예에 따라, 습윤 전극 층(125)이 웨이퍼의 수성 혼합물(115), 수불용성 성분, 촉매 및 이오노머를 사용하여 형성되며, 본 명세서에서 기재된 바와 같이, 기판의 용해, 기판의 다공의 관통, 기판이 완전히 활용되지 않고 촉매의 성막 및/또는 건조 시 잉크의 망상화를 방지하거나 최소화한다. As indicated above, solvents in conventional electrode inks, when coated directly on a substrate, tend to penetrate, dissolve, and/or otherwise destroy the substrate, the electrochemical efficiency of the electrode and the integrity of the substrate. greatly reduces Thus, in accordance with various embodiments, a wet electrode layer 125 is formed using an aqueous mixture 115 of a wafer, a water insoluble component, a catalyst, and an ionomer, and, as described herein, dissolution of the substrate, porosity of the substrate. Penetration, the substrate is not fully utilized and prevents or minimizes the reticulation of the ink during the deposition and/or drying of the catalyst.

여러 실시예에서, 수성 혼합물(115)은 물, 수불용성 성분, 촉매 및 이오노머를 포함한다. 물은, 수성 혼합물(115)에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 대략 35wt%보다 큰, 대략 50wt%보다 큰, 대략 70wt%보다 큰, 대략 80wt%보다 큰 또는 대략 90wt%보다 큰 양으로 수성 혼합물(115)에 존재할 수도 있다. 예컨대, 물은 수성 혼합물(115)에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 대략 35wt%에서부터 대략 99wt%까지의 양으로 수성 혼합물(115)에 존재할 수도 있다. 촉매는, 수성 혼합물(115)의 총 중량을 기초로 해서 대략 90wt% 미만, 대략 35wt% 미만, 또는 대략 9wt% 미만의 양으로 수성 혼합물(115)에 존재할 수도 있다. 예컨대, 촉매는, 수성 혼합물(115)의 총 중량을 기초로 해서 1wt%에서부터 90wt%까지, 1wt%에서부터 42wt%까지 또는 3wt%에서부터 30wt%까지의 양으로 수성 혼합물(115)에 존재할 수도 있다. 이오노머는 PFSA일 수도 있으며, 수성 혼합물(115)에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 대략 50wt% 미만, 대략 35wt% 미만, 대략 8wt% 미만 또는 대략 0.5wt% 미만의 양으로 수성 혼합물(115)에 존재할 수도 있다. 예컨대, 이오노머는, 수성 혼합물(115)에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 0.5wt%에서부터 50wt%까지의 양으로 수성 혼합물(115)에 존재할 수도 있다. In various embodiments, aqueous mixture 115 includes water, a water insoluble component, a catalyst, and an ionomer. Water is added in an amount greater than about 35 wt%, greater than about 50 wt%, greater than about 70 wt%, greater than about 80 wt%, or greater than about 90 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture 115 . It may also be present in the aqueous mixture 115 . For example, water may be present in the aqueous mixture 115 in an amount from about 35 wt % to about 99 wt %, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture 115 . The catalyst may be present in the aqueous mixture 115 in an amount less than about 90 wt %, less than about 35 wt %, or less than about 9 wt % based on the total weight of the aqueous mixture 115 . For example, the catalyst may be present in the aqueous mixture 115 in an amount from 1 wt % to 90 wt %, from 1 wt % to 42 wt %, or from 3 wt % to 30 wt %, based on the total weight of the aqueous mixture 115 . The ionomer may be PFSA, and is based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture (115) in an amount of less than about 50 wt%, less than about 35 wt%, less than about 8 wt%, or less than about 0.5 wt%. ) may exist. For example, the ionomer may be present in the aqueous mixture 115 in an amount from 0.5 wt % to 50 wt %, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture 115 .

이용된 촉매에 대한 특정한 제약이 없으며, 임의의 알려진 촉매가 사용될 수 있다. 그에 따라, 촉매의 속성은 폭넓게 변할 수도 있다. 촉매는 귀금속, 전이금속 또는 그 합금을 포함할 수도 있다. 촉매 소재의 특정한 예는 백금, 루테늄, 이리듐, 코발트 및 팔라듐을 포함하며, 기본 금속으로 제한되지 않는다. 예컨대, 촉매는 또한 산화 이리듐, 백금-루테늄 합금, 백금-이리듐 합금, 백금-코발트 합금 등을 포함할 수도 있다. 일부 실시예에서, 촉매는 앞서 기재한 바와 같이 예컨대 US2016/0126560에서 코어 쉘 촉매를 포함하며, 이 문헌 전체는 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 일부 실시예에서, 촉매는, 지지 소재로서 탄소를 포함할 수도 있는 담지 촉매를 포함한다. 예컨대, 일부 실시예에서, 촉매는, 탄소 블랙 상의 백금과 같은 지지된 백금 촉매를 포함한다. There are no particular restrictions on the catalyst used, and any known catalyst may be used. Accordingly, the properties of the catalyst may vary widely. The catalyst may include a noble metal, a transition metal or an alloy thereof. Specific examples of catalyst materials include, but are not limited to, platinum, ruthenium, iridium, cobalt, and palladium. For example, the catalyst may also include iridium oxide, a platinum-ruthenium alloy, a platinum-iridium alloy, a platinum-cobalt alloy, and the like. In some embodiments, the catalyst comprises a core shell catalyst as previously described, such as in US2016/0126560, which is incorporated herein by reference in its entirety. In some embodiments, the catalyst comprises a supported catalyst, which may include carbon as a support material. For example, in some embodiments, the catalyst comprises a supported platinum catalyst, such as platinum on carbon black.

일실시예에서, 수불용성 성분은 수불용성 알코올이다. 다른 실시예에서, 수불용성 성분은 수불용성 카르복실산이다. 수불용성 성분은, 알코올 또는 카르복실산 또는 둘 모두이든 간에, 수성 혼합물(115)에서의 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 대략 20wt% 미만, 대략 15wt% 미만, 대략 10wt% 미만, 대략 8wt% 미만, 대량 6wt% 미만 또는 대략 4wt% 미만의 양으로 수성 혼합물(115)에 존재할 수도 있다. 예컨대, 수불용성 알코올은, 수성 혼합물(115)에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 0.5wt%에서부터 20wt%까지, 예컨대 0.5wt%에서부터 15wt%까지, 0.5wt%에서부터 10wt%까지, 1wt%에서부터 20wt%까지, 5wt%에서부터 20wt%까지 또는 10wt%에서부터 20wt%까지의 양으로 수성 혼합물(115)에 존재할 수 있다. 본 명세서에서 언급한 중량 백분율은 하나보다 많은 수불용성 성분을 이용하는 실시예에 대한 수불용성 성분 모두의 집합적 양에 적용되는 것을 고려되어야 한다. In one embodiment, the water-insoluble component is a water-insoluble alcohol. In another embodiment, the water-insoluble component is a water-insoluble carboxylic acid. The water-insoluble component, whether alcohol or carboxylic acid or both, is less than about 20 wt %, less than about 15 wt %, less than about 10 wt %, about 8 wt %, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture 115 . It may be present in the aqueous mixture 115 in an amount less than %, less than 6 wt% by mass, or less than approximately 4 wt%. For example, the water insoluble alcohol may be present in an amount from 0.5 wt % to 20 wt %, such as from 0.5 wt % to 15 wt %, from 0.5 wt % to 10 wt %, 1 wt %, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture 115 . It may be present in the aqueous mixture 115 in an amount from 20 wt% to 20 wt%, from 5 wt% to 20 wt%, or from 10 wt% to 20 wt%. It should be considered that the weight percentages stated herein apply to the collective amount of all of the water-insoluble components for embodiments employing more than one water-insoluble component.

다른 실시예에서, 수성 혼합물(115)은 수용성 화합물을 더 포함한다. 수용성 화합물은 수용성 알코올이나 글리콜 에테르를 포함할 수도 있다. 일부 실시예에서, 수용성 알코올은 이소프로판올, tert-부탄올, 디프로필렌 글리콜 또는 이들의 조합을 포함한다. 다른 실시예에서, 글리콜 에테르는 디프로필렌 글리콜(DPG) 또는 프로필렌 글리콜 메틸 에테르(PGME)를 포함한다. 수용성 화합물은, 수성 혼합물(115)에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 해서 대략 50wt% 미만의 양으로, 부가적으로 대략 25wt% 미만의 양으로, 부가적으로 대략 9wt% 미만의 양으로, 또는 부가적으로 대략 4wt% 미만의 양으로 수성 혼합물(115)에 존재할 수도 있다. In another embodiment, the aqueous mixture 115 further comprises a water-soluble compound. Water-soluble compounds may also include water-soluble alcohols or glycol ethers. In some embodiments, the water-soluble alcohol comprises isopropanol, tert-butanol, dipropylene glycol, or combinations thereof. In another embodiment, the glycol ether comprises dipropylene glycol (DPG) or propylene glycol methyl ether (PGME). the water-soluble compound, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture 115, in an amount of less than about 50 wt%, additionally in an amount of less than about 25 wt%, additionally in an amount of less than about 9 wt%, or additionally present in the aqueous mixture 115 in an amount less than approximately 4 wt %.

도 1a 내지 도 1d에 도시한 기판(120)은 다공성 층, 비다공성 층 또는 이들의 조합을 포함할 수도 있다. 일부 실시예에서, 다공성 층은 통기성일 수도 있다. 다공성 층은 GDL 또는 다공성 릴리스 층을 포함할 수도 있다. 다공성 릴리스 층은 발포 고분자, 예컨대, 일 비제한 실시예에서, 대략 16g/m2 미만의 질량/면적(US 특허 제 7,306,729B2에 따라 수행되는 측정치), 대략 70psi보다 큰 포점(bubble point)(뉴욕 이타카 소재의 포러스 머티리얼스 인코포레이티드(이후 "PMI")가 제조한 디바이스로, US 특허 제 7,306,729B2에 따라 수행되는 측정치), 및 전극이 통기성 릴리스 층으로부터 분리될 때 응집 파괴를 방지하기에 충분한 Z-세기를 갖는 ePTFE 고분자를 포함할 수도 있다. 비다공성 층은 비다공성 릴리스 층 또는 PEM을 포함할 수도 있다. PEM은, Bahar 등의 US 특허 제 RE 37,307호에 기재된 바와 같이 양자-전도 고분자와 같은 이오노머, 또는 다공성 미세구조 및 다공성 미세구조에 침지된 양자-전도 고분자와 같은 이오노머를 포함할 수도 있다. 다공성 미세구조는 고분자 탄화플루오르 소재 또는 고분자 탄화수소 소재를 포함할 수도 있다. 탄화플루오르 소재는 발포 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 멤브레인을 포함할 수도 있다. 탄화수소 소재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리스티렌을 포함할 수도 있다. 양자-전도 고분자는 PFSA를 포함할 수도 있다. The substrate 120 shown in FIGS. 1A-1D may include a porous layer, a non-porous layer, or a combination thereof. In some embodiments, the porous layer may be breathable. The porous layer may include a GDL or porous release layer. The porous release layer may be a foamed polymer, such as, in one non-limiting embodiment, a mass/area of less than approximately 16 g/m 2 (measured according to US Pat. No. 7,306,729B2), a bubble point greater than approximately 70 psi (New York). Device manufactured by Porus Materials, Inc. of Ithaca (hereafter "PMI"), measurements performed in accordance with US Pat. No. 7,306,729B2), and to prevent cohesive failure when the electrode is separated from the breathable release layer. It may also include an ePTFE polymer with sufficient Z-strength. The non-porous layer may comprise a non-porous release layer or PEM. The PEM may comprise an ionomer, such as a proton-conducting polymer, as described in US Patent RE 37,307 to Bahar et al., or an ionomer, such as a porous microstructure and a proton-conducting polymer immersed in the porous microstructure. The porous microstructure may include a polymeric fluorocarbon material or a polymeric hydrocarbon material. The fluorocarbon material may include expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) membranes. The hydrocarbon material may include polyethylene, polypropylene or polystyrene. The proton-conducting polymer may include PFSA.

도 1b에 도시된 부가적인 단계(III)에서, 일부 실시예에서, 건조 PEM(135)이 기판(120)의 측의 반대편의 건조 전극 층(130)의 측 상에 형성된다. 건조 PEM(135)은, 앞서 기재한 바와 같이 양자-전도 고분자와 같은 이오노머, 또는 다공성 미세구조 및 다공성 미세구조에 침지된 양자-전도 고분자와 같은 이오노머를 포함할 수도 있다. 대안적인 실시예에서, 건조 전극 층(130)은 건조 PEM(135) 상에 라미네이트될 수도 있어서, 건조 PEM(135)은, 부가적으로 (존재하는 경우) 기판(120)의 측 반대편 측 상에 건조 전극(130)에 부착된다. 다른 실시예에서, 다공성 층, 비다공성 층 또는 이들의 조합은 (예컨대, 건조 전극(130)의 측의 반대편의 기판(120)의 측 상에) 건조 전극 층(130) 및/또는 기판(120) 상에 라미네이트될 수도 있다.In an additional step (III) shown in FIG. 1B , in some embodiments, a dry PEM 135 is formed on the side of the dry electrode layer 130 opposite the side of the substrate 120 . Dry PEM 135 may include an ionomer, such as a proton-conducting polymer, as described above, or an ionomer, such as a porous microstructure and a proton-conducting polymer immersed in the porous microstructure. In an alternative embodiment, the dry electrode layer 130 may be laminated onto the dry PEM 135 , such that the dry PEM 135 is additionally (if present) on the opposite side of the substrate 120 . It is attached to the dry electrode 130 . In other embodiments, a porous layer, a non-porous layer, or a combination thereof (eg, on the side of the substrate 120 opposite the side of the dry electrode 130 ) is the dry electrode layer 130 and/or the substrate 120 . ) may be laminated on

도 1b에 도시된 부가적 단계(IV)에서, 수성 혼합물(140)은 건조 전극 층(130)의 측 반대편의 PEM(135)의 측 상에 성막 장치(105)를 통해 성막된다. 수성 혼합물(140)의 성막은 PEM(135) 상에 습윤 전극 층(145)을 형성한다. 수성 혼합물(140)은 (예컨대, 물, 수불용성 성분, 촉매 및 이오노머를 포함하는) 일부 실시예에 따른 본 명세서에서 기재한 수성 혼합물일 수 있거나, 종래의 공정에 따라 본 명세서에서 기재한 혼합물(예컨대, 에탄올 및/또는 다른 용액, 촉매 및 이오노머)일 수도 있다. 부가적인 단계(V)에서, 습윤 전극 층(145)은 롤 피드 및 롤 와인더(100)를 통해 건조기(110)에 운반되며 실질적으로 건조된다. 습윤 전극 층(145)의 건조는 앞서 나타낸 온도에서 부가적으로 일어나며, PEM(135), 건조 전극(130) 및 기판(120) 상에 건조 전극 층(150)을 형성한다. 부가적인 단계(VI)(미도시)에서, 건조 기판(155)은 건조 전극 층(150) 상에 형성되거나 라미네이트된다. 건조 기판(155)은 가스 확산 층, 다공성 릴리스 층 또는 비다공성 릴리스 층일 수도 있다. In an additional step (IV) shown in FIG. 1B , an aqueous mixture 140 is deposited via a deposition apparatus 105 on the side of the PEM 135 opposite the side of the dry electrode layer 130 . The deposition of the aqueous mixture 140 forms a wet electrode layer 145 on the PEM 135 . Aqueous mixture 140 may be an aqueous mixture described herein according to some embodiments (e.g., comprising water, water insoluble components, catalysts and ionomers), or the mixture described herein according to conventional processes ( ethanol and/or other solutions, catalysts and ionomers). In an additional step (V), the wet electrode layer 145 is conveyed to the dryer 110 via a roll feed and roll winder 100 and is substantially dried. Drying of the wet electrode layer 145 additionally occurs at the temperatures indicated above, forming the dry electrode layer 150 on the PEM 135 , the dry electrode 130 , and the substrate 120 . In an additional step (VI) (not shown), a dry substrate 155 is formed or laminated on the dry electrode layer 150 . Dry substrate 155 may be a gas diffusion layer, a porous release layer, or a non-porous release layer.

다른 양상에 따라, 도 1c는, 단계(I)에서 롤 피드 및/또는 롤 와인더(10) 상에 위치한 기판(120) 상에 성막 장치(105)를 통해 성막된다. 수성 혼합물(115)의 성막은 기판(120) 상에 습윤 전극 층(125)을 형성한다. 기판(120)은 본 명세서에서 기재한 바와 같이 PEM일 수도 있다. 단계(II)에서, 습윤 전극 층(125)은 롤 피드 및/또는 롤 와인더(100)를 통해 건조기(110)에 운반되며 실질적으로 건조한다. 습윤 전극 층(125)의 건조는 기판(120) 상에 건조 전극 층(130)을 형성한다. According to another aspect, FIG. 1C , in step (I), a film is deposited via a deposition apparatus 105 on a substrate 120 positioned on a roll feed and/or roll winder 10 . The deposition of the aqueous mixture 115 forms a wet electrode layer 125 on the substrate 120 . Substrate 120 may be a PEM as described herein. In step (II), the wet electrode layer 125 is conveyed to the dryer 110 via a roll feed and/or roll winder 100 and is substantially dried. Drying of the wet electrode layer 125 forms a dry electrode layer 130 on the substrate 120 .

도 1d에 도시한 부가적인 단계(III)에서, 일부 실시예에서, 건조 전극 층(130)과 기판(120)은 뒤집혀, 기판(120)이 건조 전극 층(130) 상에 있으며, 수성 혼합물(140)은 건조 전극(130)의 측 반대편의 기판(120)의 측 상에 성막 장치(105)를 통해 성막된다. 수성 혼합물(140)의 성막은 기판(120) 상에 습윤 전극 층(145)을 형성한다. 수성 혼합물(140)은 (예컨대, 물, 수불용성 성분, 촉매 및 이오노머를 포함하는) 일부 실시예에 따른 본 명세서에서 기재한 수성 혼합물일 수 있거나, 종래의 공정에 따라 본 명세서에서 기재한 혼합물(예컨대, 에탄올 및/또는 다른 용액, 촉매 및 이오노머)일 수도 있다. 대안적인 실시예에서, 건조 전극 층(150)이 기판(120) 상에 라미네이트될 수도 있어서, 건조 전극 층(150)은 건조 전극 층(130)의 측 반대편의 측 상의 기판(120)에 부착된다. 다른 실시예에서, 다공성 층, 비다공성 층 또는 이들의 조합은 건조 전극 층(130) 및/또는 기판(120) 상에(예컨대, 건조 전극(130)의 측 반대편의 기판(120)의 측 상에) 라미네이트될 수도 있다. 부가적인 단계(IV)에서, 습윤 전극 층(145)은 롤 피드 및/또는 롤 와인더(100)를 통해 건조기(110)에 운반되며 실질적으로 건조된다. 습윤 전극 층(145)의 건조는 기판(120) 및 건조 전극 층(130) 상에 건조 전극 층(150)을 형성한다. In the additional step (III) shown in FIG. 1D , in some embodiments, the dry electrode layer 130 and the substrate 120 are turned over, the substrate 120 is on the dry electrode layer 130, and the aqueous mixture ( 140 is deposited through the film forming apparatus 105 on the side of the substrate 120 opposite the side of the drying electrode 130 . The deposition of the aqueous mixture 140 forms a wet electrode layer 145 on the substrate 120 . Aqueous mixture 140 may be an aqueous mixture described herein according to some embodiments (e.g., comprising water, water insoluble components, catalysts and ionomers), or the mixture described herein according to conventional processes ( ethanol and/or other solutions, catalysts and ionomers). In an alternative embodiment, the dry electrode layer 150 may be laminated onto the substrate 120 , such that the dry electrode layer 150 is attached to the substrate 120 on the side opposite the side of the dry electrode layer 130 . . In other embodiments, the porous layer, the non-porous layer, or a combination thereof is on the dry electrode layer 130 and/or on the substrate 120 (eg, on the side of the substrate 120 opposite the side of the dry electrode 130 ). e) may be laminated. In an additional step (IV), the wet electrode layer 145 is conveyed to the dryer 110 via a roll feed and/or roll winder 100 and is substantially dried. Drying of the wet electrode layer 145 forms a dry electrode layer 150 on the substrate 120 and the dry electrode layer 130 .

도 1a 및 도 1c가, 수성 혼합물(115)이 기판(120) 상에 성막 장치(105)를 통해 성막됨을 도시할지라도, 기판은 단독이 아닐 수 있으며 다공성 층, 비다공성 층 또는 이들의 조합을 포함하는 MEA의 구성요소의 일부분으로서 이미 형성될 수도 있음을 이해해야 한다. 예컨대, 기판은, 기판의 일 측 상에 부착된 ((예컨대, 물, 수불용성 성분, 촉매 및 이오노머를 포함하는 수성 혼합물 또는 종래의 공정에 따라 본 명세서에서 기재한 혼합물(예컨대, 에탄올 및/또는 다른 용액, 촉매 및 이오노머)을 사용하여) 일부 실시예에 따른 본 명세서에서 기재한 대로 형성된) 건조 전극 층, 가스 확산 층, 다공성 릴리스 층, PEM 및/또는 비다공성 릴리스 층이 이 이미 형성되어 제공될 수도 있다.Although FIGS. 1A and 1C show that the aqueous mixture 115 is deposited on the substrate 120 via the deposition apparatus 105, the substrate may not be alone and may contain a porous layer, a non-porous layer, or a combination thereof. It should be understood that it may already be formed as part of a component of the containing MEA. For example, the substrate may be deposited on one side of the substrate (e.g., an aqueous mixture comprising water, water insoluble components, catalyst and ionomer or a mixture described herein according to conventional processes (eg, ethanol and/or A dry electrode layer (formed as described herein according to some embodiments), a gas diffusion layer, a porous release layer, a PEM and/or a non-porous release layer) using different solutions, catalysts and ionomers) already formed and provided it might be

도 2a 내지 도 2d는 일 실시예에 따른 MEA의 구성요소를 제조하기 위한 연속적인 공정을 도시한다. 도 2a는 단계(I)에서 수성 혼합물(200)이 롤 피드 및/또는 롤 와인더(215) 상에 위치한 기판(210) 상에 성막 장치(205)를 통해 성막됨을 도시한다. 수성 혼합물(200)의 성막은 기판(210) 상에 습윤 전극 층(220)을 형성한다. 기판(210)은 가스 확산 층, 다공성 릴리스 층, PEM 또는 비다공성 릴리스 층일 수도 있다. 예컨대, 기판(120)은 저가 ePTFE 베이스 배커 또는 릴리스 층일 수도 있다. 단계(II)에서, 습윤 전극 층(220)은 롤 피드 및/또는 롤 와인더(215)를 통해 건조기(225)에 운반되며 실질적으로 건조된다. 습윤 전극 층(220)의 건조는 기판(210) 상에 건조 전극 층(230)을 형성한다. 2A-2D illustrate a continuous process for manufacturing a component of an MEA according to one embodiment. 2A shows that in step (I) the aqueous mixture 200 is deposited via a deposition apparatus 205 on a substrate 210 positioned on a roll feed and/or roll winder 215 . The deposition of the aqueous mixture 200 forms a wet electrode layer 220 on the substrate 210 . The substrate 210 may be a gas diffusion layer, a porous release layer, a PEM or a non-porous release layer. For example, the substrate 120 may be a low cost ePTFE base backer or release layer. In step (II), wet electrode layer 220 is conveyed to dryer 225 via a roll feed and/or roll winder 215 and is substantially dried. Drying of the wet electrode layer 220 forms a dry electrode layer 230 on the substrate 210 .

도 2b에 도시한 부가적인 단계(III)에서, 수성 이오노머 혼합물을 포함하는 수성 습윤 혼합물(235)이 기판(210)의 측의 반대편의 건조 전극 층(230)의 측 상에 성막 장치(205)를 통해 성막된다. 수성 이오노머 혼합물은 Nafion®(DuPont)과 같은 PFSA 이오노머와 수불용성 성분, 즉 수불용성 알코올 또는 카르복실산을 포함할 수도 있다. 단계(IV)에서, 수성 습윤 층(235)이 롤 피드 및/또는 롤 와인더(215)를 통해 건조기(225)에 운반되며 실질적으로 건조된다. 수성 습윤 층(235)의 건조는 건조 전극 층(230) 상에 보호 이오노머 층(240)을 형성한다. In an additional step (III) shown in FIG. 2B , an aqueous wet mixture 235 comprising an aqueous ionomer mixture is deposited on the side of the dry electrode layer 230 opposite the side of the substrate 210 in a deposition apparatus 205 . is formed through The aqueous ionomer mixture may contain a PFSA ionomer such as Nafion® (DuPont) and a water-insoluble component, ie a water-insoluble alcohol or carboxylic acid. In step (IV), the aqueous wet layer 235 is conveyed to a dryer 225 via a roll feed and/or roll winder 215 and is substantially dried. Drying of the aqueous wetting layer 235 forms a protective ionomer layer 240 on the dry electrode layer 230 .

도 2c에 도시한 부가적인 단계(V)에서, 습윤(액상) 이오노머 혼합물이나 복합 습윤 혼합물(245)이 건조 전극 층(230)의 측 반대편의 보호 이오노머 층(240)의 측 상에 성막 장치(205)를 통해 성막된다. 습윤 이오노머 혼합물이나 복합 습윤 혼합물(245)의 성막은 보호 이오노머 층(240) 상에 습윤 이오노머 층 또는 복합 습윤 층(250)을 형성한다. 일부 실시예에서, 습윤 이오노머 혼합물(245)은 양자-전도 고분자(예컨대, 비강화 이오노머 혼합물)와 같은 이오노머 혼합물일 수도 있다. 대안적인 실시예에서, 복합 습윤 혼합물(245)에서, 이오노머 혼합물은 미세다공성 ePTFE을 실질적으로 침지하여, Bahar 등의 US 특허 제 RE 37,307에서 기재한 바와 같이 ePTFE의 내부 볼륨을 실질적으로 폐쇄하게 하여, 복합 습윤 층(250)(예컨대, 강화 이오노머 혼합물)을 형성한다. 단계(VI)에서, 습윤 이오노머 층이나 복합 습윤 층(250)이 롤 피드 및/또는 롤 와인더(215)를 통해 건조기(225)에 운반되며 실질적으로 건조된다. 습윤 이오노머 층이나 복합 습윤 층(250)의 건조는 보호 이오노머 층(240) 상에 건조된 이오노머 층 또는 건조된 복합 층(255)(즉, PEM)을 형성한다. In an additional step (V) shown in FIG. 2C , a wet (liquid) ionomer mixture or composite wet mixture 245 is deposited on the side of the protective ionomer layer 240 opposite the side of the dry electrode layer 230 in a deposition apparatus ( 205) to form a film. The deposition of the wet ionomer mixture or composite wet mixture 245 forms a wet ionomer layer or composite wet layer 250 on the protective ionomer layer 240 . In some embodiments, wet ionomer mixture 245 may be an ionomer mixture, such as a proton-conducting polymer (eg, unreinforced ionomer mixture). In an alternative embodiment, in composite wetting mixture 245, the ionomer mixture substantially immerses the microporous ePTFE, such that it substantially occludes the interior volume of the ePTFE as described in US Patent No. RE 37,307 to Bahar et al. A composite wetting layer 250 (eg, reinforced ionomer mixture) is formed. In step (VI), the wet ionomer layer or composite wet layer 250 is conveyed to a dryer 225 via a roll feed and/or roll winder 215 and is substantially dried. Drying of the wet ionomer layer or composite wet layer 250 forms a dried ionomer layer or dried composite layer 255 (ie, PEM) on the protective ionomer layer 240 .

도 2d에 도시한 부가적인 단계(VII)에서, 수성 혼합물(260)이 보호 이오노머 층(240)의 측 반대편의 건조된 이오노머 층이나 건조된 복합 층(255)의 측 상에 성막 장치(205)를 통해 성막된다. 수성 혼합물(260)의 성막은 건조된 이오노머 층이나 건조된 복합 층(255) 상에 습윤 전극 층(265)을 형성한다. 수성 혼합물(260)은 (예컨대, 물, 수불용성 성분, 촉매 및 이오노머를 포함하는) 일부 실시예에 따른 본 명세서에서 기재한 수성 혼합물일 수 있거나, 종래의 공정에 따라 본 명세서에서 기재한 혼합물(예컨대, 에탄올 및/또는 다른 용액, 촉매 및 이오노머)일 수도 있다. 부가적인 단계(VII)에서, 습윤 전극 층(265)이 롤 피드 및/또는 롤 와인더(215)를 통해 건조기(225)에 운반되며 실질적으로 건조된다. 습윤 전극 층(265)의 건조는 건조된 이오노머 층 또는 건조된 복합 층(255), 보호 이오노머 층(240), 건조 전극 층(230) 및 기판(210) 상에 건조 전극 층(270)을 형성한다. 대안적인 실시예에서, 다른 보호 이오노머 층이 보호 이오노머 층(240)에 대하여 본 명세서에서 기재한 바와 같은 유사한 공정에 따라 습윤 전극 층(265)과 건조 전극 층(270) 사이에 형성될 수도 있다. In an additional step (VII) shown in FIG. 2D , the aqueous mixture 260 is deposited on the side of the dried ionomer layer or the dried composite layer 255 opposite the side of the protective ionomer layer 240 in a deposition apparatus 205 . is formed through The deposition of the aqueous mixture 260 forms a wet electrode layer 265 on the dried ionomer layer or dried composite layer 255 . Aqueous mixture 260 may be an aqueous mixture described herein according to some embodiments (e.g., comprising water, water insoluble components, catalysts and ionomers), or the mixture described herein according to conventional processes ( ethanol and/or other solutions, catalysts and ionomers). In an additional step (VII), the wet electrode layer 265 is conveyed to a dryer 225 via a roll feed and/or roll winder 215 and is substantially dried. Drying of wet electrode layer 265 forms dried ionomer layer or dried composite layer 255 , protective ionomer layer 240 , dry electrode layer 230 and dry electrode layer 270 on substrate 210 . do. In an alternative embodiment, another protective ionomer layer may be formed between wet electrode layer 265 and dry electrode layer 270 according to a similar process as described herein for protective ionomer layer 240 .

본 개시는 다음의 비제한적인 예를 고려하면 더 잘 이해될 것이다. ePTFE 멤브레인은, 달리 지시되지 않는다면, US 특허 제3,953,566호 - 이 특허 전체는 본 명세서에서 참조로서 인용됨 - 에 따라, 예를 위해 제조되었으며, 7.6g/m2의 중량/면적과 대략 0.25㎛의 평균 흐름 다공 크기를 가졌다. The present disclosure will be better understood by consideration of the following non-limiting examples. The ePTFE membrane was prepared by way of example according to US Pat. No. 3,953,566, which is incorporated herein by reference in its entirety, unless otherwise indicated, having a weight/area of 7.6 g/m 2 and a weight/area of approximately 0.25 μm. It had an average flow pore size.

비교예 1Comparative Example 1

수성 잉크는 10.5wt% 촉매 8.1wt% PFSA 이오노머 및 81.4wt% 탈염수를 함유하여 준비되었다. 촉매는 탄소 블랙 상에서 지지되는 50wt% 백금이었다. 이오노머는 810g/eq의 등가의 중량을 가졌다. 잉크는 5분 동안 미소닉스 3000 초음파 혼을 사용하여 초음파 처리되었으며, 이 시간에, 잉크는 균일하며 잘 분산된 것처럼 보였다. 잉크의 점도는 낮았다(물 같았다). 코팅 기판의 경우, 다공성 릴리스 층은 임블이더리 후프(embroidery hoop)에서 ePTFE 멤브레인을 억제함으로써 준비되었다. 여러 방울의 잉크가 일회용 피펫을 사용하여 ePTFE 멤브레인의 표면 상에 배치되었으며, 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 균일한 습윤 층을 형성하는 대신, 잉크는 작은 방울로 신속하게 망상화되었다. Aqueous inks were prepared containing 10.5 wt % catalyst 8.1 wt % PFSA ionomer and 81.4 wt % demineralized water. The catalyst was 50 wt % platinum supported on carbon black. The ionomer had an equivalent weight of 810 g/eq. The ink was sonicated using a Micronics 3000 ultrasonic horn for 5 minutes, at which time the ink appeared uniform and well dispersed. The viscosity of the ink was low (like water). For the coated substrate, a porous release layer was prepared by restraining the ePTFE membrane in an embedery hoop. Several drops of ink were placed on the surface of the ePTFE membrane using a disposable pipette and spread using the bulb of the pipette. Instead of forming a uniform wetting layer, the ink quickly reticulates into small droplets.

실시예 2A 내지 2C(수불용성 성분으로서의 1-헥산올)Examples 2A to 2C (1-hexanol as water-insoluble component)

실시예 2A에서, 1-헥산올의 0.065g이 예 1에 기재된 수성 잉크의 5.0g에 추가되었다. 이 혼합물은 그 후 흔들어서, 1-헥산올을 유화시켰다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 여러 방울의 혼합물이 일회용 피펫을 사용하여 비교예 1에 기재한 ePTFE 기판 상에 배치되었으며, 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 혼합물은, 전극을 발생시키도록 열 총으로 건조될 때 상당히 망상화하지 않았던 균일한 습윤 층을 형성하다. 혼합물은 기판의 정반대(코팅되지 않은) 측 상에 관찰되지 않았으며, 이것은 이 혼합물이 기판 상에 흡수되지 않았음을 나타낸다. 혼합물에서 1-헥산올의 총량은 혼합물의 총 질량을 기초로 1.3wt%였거나, 이오노머 및 용매의 질량을 기초로 1.4wt%였다. In Example 2A, 0.065 g of 1-hexanol was added to 5.0 g of the aqueous ink described in Example 1. The mixture was then shaken to emulsify 1-hexanol. The viscosity was kept low (like water). Several drops of the mixture were placed on the ePTFE substrate described in Comparative Example 1 using a disposable pipette and spread using the bulb of the pipette. The mixture formed a uniform wetting layer that did not significantly reticulate when dried with a heat gun to generate the electrode. No mixture was observed on the opposite (uncoated) side of the substrate, indicating that this mixture was not adsorbed onto the substrate. The total amount of 1-hexanol in the mixture was either 1.3 wt % based on the total mass of the mixture or 1.4 wt % based on the mass of the ionomer and solvent.

실시예 2B에서, 더 많은 1-헥산올이 그 후 혼합물에 추가되어, 이오노머와 용매의 질량을 기초로 하여 5.8wt%의 1-헥산올 농도를 야기하였다. 혼합물은 이전처럼 흔들고, 코팅되며 건조되었고, 동일한 결과를 관찰하였다. In Example 2B, more 1-hexanol was then added to the mixture, resulting in a 1-hexanol concentration of 5.8 wt % based on the mass of the ionomer and solvent. The mixture was shaken, coated and dried as before, and the same results were observed.

실시예 2C에서, 더 많은 1-헥산올이 그 후 예 2B로부터의 혼합물에 추가되며, 이오노머와 용매의 질량을 기초로 하여 10.4wt%의 1-헥산올 농도를 야기하였다. 혼합물은 이전 예에서처럼 흔들었다. 혼합물의 점도는 매우 증가하였으며, 그에 따라 혼합물은 두꺼운 페이스트가 되었다. 이 페이스트는 여전히 이전처럼 기판 상에서 코팅되며 건조될 수 있었으며, 동일한 결과를 관찰하였다. In Example 2C, more 1-hexanol was then added to the mixture from Example 2B, resulting in a 1-hexanol concentration of 10.4 wt % based on the mass of the ionomer and solvent. The mixture was shaken as in the previous example. The viscosity of the mixture increased significantly, so that the mixture became a thick paste. This paste was still coated on the substrate as before and could be dried, with the same results observed.

실시예 3(수불용성 성분으로서의 1-데카놀)Example 3 (1-decanol as water-insoluble component)

실시예 3에서, 1-데칸올 0.073g이 비교예 1에서 기재한 수성 잉크의 5.0g에 추가되었다. 이 혼합물은 그 후 흔들었다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 일회용 피펫을 사용하여, 몇 방울의 혼합물이 비교예 1에 기재한 ePTFE 기판 상에 배치되었으며, 그 후 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 성막되기 전 상 분리를 향한 일부 경향이 관찰되었지만, 교반 및 즉각적인 코팅 및 건조가 결국 균일한 코팅을 야기하였다. 습윤 층은, 전극을 발생시키도록 열 총으로 건조될 때 상당히 망상화되지 않았다. 혼합물 중 어느 것도 기판의 정반대편(코팅되지 않은) 측 상에서 관찰되지 않았으며, 이것은 이 혼합물이 기판 상에 흡수되지 않았음을 나타낸다. 혼합물에서 1-데카놀의 총 양은 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 1.6wt%였다. In Example 3, 0.073 g of 1-decanol was added to 5.0 g of the aqueous ink described in Comparative Example 1. The mixture was then shaken. The viscosity was kept low (like water). Using a disposable pipette, a few drops of the mixture were placed on the ePTFE substrate described in Comparative Example 1, which was then spread using the bulb of the pipette. Although some tendency towards phase separation was observed before deposition, stirring and immediate coating and drying eventually resulted in uniform coating. The wetting layer was not significantly reticulated when dried with a heat gun to generate the electrode. None of the mixtures were observed on the opposite (uncoated) side of the substrate, indicating that this mixture was not adsorbed onto the substrate. The total amount of 1-decanol in the mixture was 1.6 wt %, based on the total mass of the ionomer and vehicle.

실시예 4A-4B(수불용성 성분으로서의 1-펜타놀)Examples 4A-4B (1-pentanol as water-insoluble component)

실시예 4A에서, 1-펜타놀 0.057g이 비교예 1에서 기재한 수성 잉크의 5.1g에 추가되었다. 이 혼합물은 그 후 흔들었다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 일회용 피펫을 사용하여, 몇 방울의 혼합물이 비교예 1에 기재한 ePTFE 기판 상에 배치되었으며, 그 후 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 혼합물은, 전극을 발생시키도록 열 총으로 건조될 때 상당히 망상화하지 않았던 균일한 습윤 층을 형성하였다. 혼합물 중 어느 것도 기판의 정반대편(코팅되지 않은) 측 상에서 관찰되지 않았으며, 이것은 이 혼합물이 기판 상에 흡수되지 않았음을 나타낸다. 혼합물에서 1-펜타놀의 총 양은 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 1.2wt%였다. In Example 4A, 0.057 g of 1-pentanol was added to 5.1 g of the aqueous ink described in Comparative Example 1. The mixture was then shaken. The viscosity was kept low (like water). Using a disposable pipette, a few drops of the mixture were placed on the ePTFE substrate described in Comparative Example 1, which was then spread using the bulb of the pipette. The mixture formed a uniform wetting layer that did not significantly reticulate when dried with a heat gun to develop the electrode. None of the mixtures were observed on the opposite (uncoated) side of the substrate, indicating that this mixture was not adsorbed onto the substrate. The total amount of 1-pentanol in the mixture was 1.2 wt % based on the total mass of the ionomer and vehicle.

도 4B에서, 더 많은 1-펜타놀이 그 후 예 4A의 혼합물에 추가되었으며, 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 1.6wt%의 1-펜타놀 농도를 야기하였다. 혼합물은 이전처럼 흔들었으며, 코팅되었으며 건조되었고 동일한 결과를 관찰하였다. In Figure 4B, more 1-pentanol was then added to the mixture of Example 4A, resulting in a 1-pentanol concentration of 1.6 wt %, based on the total mass of the ionomer and vehicle. The mixture was shaken as before, coated and dried and the same results were observed.

실시예 5A 내지 5F(수불용성 성분으로서의 n-헥사노익산)Examples 5A to 5F (n-hexanoic acid as water-insoluble component)

실시예 5A에서, n-헥사노익산 0.040g이 비교예 1에서 기재한 수성 잉크의 5.0g에 추가되었다. 이 혼합물은 그 후 n-헥사노익산을 유화시키도록 흔들었다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 일회용 피펫을 사용하여, 몇 방울의 혼합물이 비교예 1에 기재한 ePTFE 기판 상에 배치되었으며, 그 후 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 혼합물은, 전극을 발생시키도록 열 총으로 건조될 때 상당히 망상화하지 않았던 균일한 습윤 층을 형성하였다. 혼합물 중 어느 것도 기판의 정반대편(코팅되지 않은) 측 상에서 관찰되지 않았으며, 이것은 이 혼합물이 기판 상에 흡수되지 않았음을 나타낸다. 혼합물에서 n-헥사노익산의 총 양은 혼합물의 총 질량을 기초로 하여 0.8wt%였거나, 이오노머와 용매의 질량을 기초로 하여 0.9wt%였다. In Example 5A, 0.040 g of n-hexanoic acid was added to 5.0 g of the aqueous ink described in Comparative Example 1. The mixture was then shaken to emulsify n-hexanoic acid. The viscosity was kept low (like water). Using a disposable pipette, a few drops of the mixture were placed on the ePTFE substrate described in Comparative Example 1, which was then spread using the bulb of the pipette. The mixture formed a uniform wetting layer that did not significantly reticulate when dried with a heat gun to develop the electrode. None of the mixtures were observed on the opposite (uncoated) side of the substrate, indicating that this mixture was not adsorbed onto the substrate. The total amount of n-hexanoic acid in the mixture was either 0.8 wt%, based on the total mass of the mixture, or 0.9 wt%, based on the mass of the ionomer and solvent.

실시예 5B 내지 5D에서, 더 많은 n-헥사노익산이 증분적으로 예 5A로부터의 혼합물에 추가되었으며, 이오노머와 용매의 질량을 기초로 하여 1.3wt%(예 5B), 5.8wt%(예 5C) 및 10.5wt%(예 5D)인 n-헥사노익산의 농도를 야기한다. 각 경우에, 혼합물은 이전처럼 흔들고, 코팅하였으며 건조되었으며, 동일한 결과를 관찰하였다. 혼합물은 또한 기판 상에서 뒤섞이며 실온에서 천천히 건조되었고, 기판의 관통은 관찰되지 않았다. 각 경우에, 혼합물은 여전히 이전처럼 기판 상에서 코팅되고 건조되었을 수 있으며 동일한 결과가 관찰되었다. In Examples 5B-5D, more n-hexanoic acid was added incrementally to the mixture from Example 5A, 1.3 wt% (Example 5B), 5.8 wt% (Example 5C) based on the mass of the ionomer and solvent ) and 10.5 wt% (Example 5D), resulting in a concentration of n-hexanoic acid. In each case, the mixture was shaken, coated and dried as before, and the same results were observed. The mixture was also stirred on the substrate and dried slowly at room temperature, no penetration of the substrate was observed. In each case, the mixture could still be coated and dried on the substrate as before and the same result was observed.

실시예 5E 및 5F에서, 더 많은 n-헥사노익산이 증분적으로 예 5D의 혼합물에 추가되었으며, 결국 이오노머와 용매의 질량을 기초로 하여 14.6wt%(예 5E) 및 18.4wt%(예 5F)인 n-헥사노익산 농도를 야기하였다. 각 경우에, 혼합물은 이전처럼 흔들었으며, 점도가 상당히 증가하였고, 그에 따라 혼합물은 18.4wt%에서 얇은 페이스트가 되었다. 각 경우에, 더 높은 점도의 혼합물이 여전히 이전처럼 기판 상에서 코팅되며 건조되었을 수 있고, 동일한 결과가 관찰되었다. 혼합물은 또한 기판 상에서 뒤섞이며 실온에서 천천히 건조되게 되었으며, 실시예 5F에서, 기판의 일부 관통이 관찰되었다. In Examples 5E and 5F, more n-hexanoic acid was incrementally added to the mixture of Example 5D, resulting in 14.6 wt% (Example 5E) and 18.4 wt% (Example 5F) based on the mass of the ionomer and solvent. ) caused the concentration of n-hexanoic acid. In each case, the mixture was shaken as before and the viscosity increased significantly, so that the mixture became a thin paste at 18.4 wt %. In each case, the higher viscosity mixture could still be coated on the substrate and dried as before, the same result observed. The mixture was also stirred on the substrate and allowed to dry slowly at room temperature, in Example 5F, some penetration of the substrate was observed.

실시예 6(수불용성 성분으로서의 n-노나노익산)Example 6 (n-nonanoic acid as a water-insoluble component)

실시예 6에서, n-노나노익산 0.067g이 비교예 1에서 기재한 수성 잉크의 5.0g에 추가되었다. 이 혼합물은 그 후 흔들었다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 일회용 피펫을 사용하여, 몇 방울의 혼합물이 비교예 1에 기재한 ePTFE 기판 상에 배치되었으며, 그 후 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 성막되기 전 상 분리를 향한 일부 경향이 관찰되었지만, 교반 및 즉각적인 코팅 및 건조가 결국 균일한 코팅을 야기하였다. 습윤 층은, 전극을 발생시키도록 열 총으로 건조될 때 상당히 망상화되지 않았다. 혼합물 중 어느 것도 기판의 정반대편(코팅되지 않은) 측 상에서 관찰되지 않았으며, 이것은 이 혼합물이 기판 상에 흡수되지 않았음을 나타낸다. 혼합물에서 1-노나노익산의 총 양은 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 1.5wt%였다. In Example 6, 0.067 g of n-nonanoic acid was added to 5.0 g of the aqueous ink described in Comparative Example 1. The mixture was then shaken. The viscosity was kept low (like water). Using a disposable pipette, a few drops of the mixture were placed on the ePTFE substrate described in Comparative Example 1, which was then spread using the bulb of the pipette. Although some tendency towards phase separation was observed before deposition, stirring and immediate coating and drying eventually resulted in uniform coating. The wetting layer was not significantly reticulated when dried with a heat gun to generate the electrode. None of the mixtures were observed on the opposite (uncoated) side of the substrate, indicating that this mixture was not adsorbed onto the substrate. The total amount of 1-nonanoic acid in the mixture was 1.5 wt % based on the total mass of the ionomer and vehicle.

실시예 7(수불용성 성분으로서의 n-헥사노익산)Example 7 (n-hexanoic acid as a water-insoluble component)

실시예 7에서, n-헥사노익산 0.097g, 물 2.344g 및 수성 이오노머 용액(14.86wt% 고체) 2.444g이 비교예 1에 기재한 수성 잉크의 0.490g에 추가되었다. 용액에서 이오노머는 수성 잉크에서 사용된 것과 동일하였다. 혼합물은 그 후 흔들었다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 일회용 피펫을 사용하여, 몇 방울의 혼합물이 비교예 1에 기재한 ePTFE 기판 상에 배치되었으며, 그 후 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 혼합물은, 전극을 발생시키도록 열 총으로 건조될 때 상당히 망상화하지 않았던 균일한 습윤 층을 형성하였다. 혼합물 중 어느 것도 기판의 정반대편(코팅되지 않은) 측 상에서 관찰되지 않았으며, 이것은 이 혼합물이 기판 상에 흡수되지 않았음을 나타낸다. 혼합물에서 n-헥사노익산의 총 양은 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 1.8wt%였다. 혼합물에서 촉매의 총 양은 혼합물의 총 질량을 기초로 하여 0.9wt%였다. In Example 7, 0.097 g of n-hexanoic acid, 2.344 g of water and 2.444 g of an aqueous ionomer solution (14.86 wt% solids) were added to 0.490 g of the aqueous ink described in Comparative Example 1. The ionomer in solution was the same as used in the aqueous ink. The mixture was then shaken. The viscosity was kept low (like water). Using a disposable pipette, a few drops of the mixture were placed on the ePTFE substrate described in Comparative Example 1, which was then spread using the bulb of the pipette. The mixture formed a uniform wetting layer that did not significantly reticulate when dried with a heat gun to develop the electrode. None of the mixtures were observed on the opposite (uncoated) side of the substrate, indicating that this mixture was not adsorbed onto the substrate. The total amount of n-hexanoic acid in the mixture was 1.8 wt % based on the total mass of the ionomer and vehicle. The total amount of catalyst in the mixture was 0.9 wt %, based on the total mass of the mixture.

비교예 8A 내지 8B(수용성 성분으로서의 에탄올)Comparative Examples 8A to 8B (Ethanol as water-soluble component)

도 8A에서, 에탄올 0.051g이 비교예 1에서 기재한 수성 잉크의 5.0g에 추가되었다. 이 혼합물은 그 후 흔들었다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 일회용 피펫을 사용하여, 몇 방울의 혼합물이 비교예 1에 기재한 ePTFE 기판 상에 배치되었으며, 그 후 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 균일한 습윤 층을 형성하는 대신, 잉크는 작은 방울로 신속하게 망상화되었다. 혼합물에서 에탄올의 총 양은 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 해서 1.1wt%였다. 도 8B에서, 더 많은 에탄올이 혼합물에 추가되었으며, 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 5.5wt%의 에탄올 농도를 야기하였다. 혼합물은 이전처럼 흔들었고, 코팅되었으며 건조되었고, 동일한 결과가 관찰되었다. In Fig. 8A, 0.051 g of ethanol was added to 5.0 g of the aqueous ink described in Comparative Example 1. The mixture was then shaken. The viscosity was kept low (like water). Using a disposable pipette, a few drops of the mixture were placed on the ePTFE substrate described in Comparative Example 1, which was then spread using the bulb of the pipette. Instead of forming a uniform wetting layer, the ink quickly reticulates into small droplets. The total amount of ethanol in the mixture was 1.1 wt % based on the total mass of the ionomer and vehicle. In Figure 8B, more ethanol was added to the mixture, resulting in an ethanol concentration of 5.5 wt % based on the total mass of the ionomer and vehicle. The mixture was shaken as before, coated and dried and the same result was observed.

실시예 9(수용성 성분으로서의 에탄올과 수불용성 성분으로서의 n-헥사노익산)Example 9 (Ethanol as a water-soluble component and n-hexanoic acid as a water-insoluble component)

실시예 9에서, n-헥사노익산의 0.389g이 비교예 8B에서 기재한 혼합물에 추가되었다. 이 혼합물은 그 후 흔들었다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 일회용 피펫을 사용하여, 몇 방울의 혼합물이 비교예 1에 기재한 ePTFE 기판 상에 배치되었으며, 그 후 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 습윤 층은, 전극을 발생시키도록 열 총으로 건조될 때 상당히 망상화하지 않았다. 혼합물 중 어느 것도 기판의 정반대편(코팅되지 않은) 측 상에서 관찰되지 않았으며, 이것은 이 혼합물이 기판 상에 흡수되지 않았음을 나타낸다. 혼합물에서 n-헥사노익산의 총 양은 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 6.9wt%였다. 혼합물에서 에탄올의 총 양은 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 4.6wt%였다.In Example 9, 0.389 g of n-hexanoic acid was added to the mixture described in Comparative Example 8B. The mixture was then shaken. The viscosity was kept low (like water). Using a disposable pipette, a few drops of the mixture were placed on the ePTFE substrate described in Comparative Example 1, which was then spread using the bulb of the pipette. The wetting layer did not significantly reticulate when dried with a heat gun to develop the electrode. None of the mixtures were observed on the opposite (uncoated) side of the substrate, indicating that this mixture was not adsorbed onto the substrate. The total amount of n-hexanoic acid in the mixture was 6.9 wt % based on the total mass of the ionomer and vehicle. The total amount of ethanol in the mixture was 4.6 wt % based on the total mass of the ionomer and vehicle.

실시예 10A 내지 10D(기판 변경)Examples 10A to 10D (substrate change)

실시예 10A에서, 대략 70wt% 물, 대략 9wt% 촉매(카본 블랙 상의 50wt% Pt), 대략 7wt% PFSA 이오노머, 대략 6wt% 2-에틸-1-헥사놀, 대략 4wt% tert-부탄올 및 대략 4wt% 디프로필렌 글리콜의 수성 혼합물이 드로 다운 바(draw down bar)로 코팅되었으며 3분 동안 140℃의 오븐 온도에서 실질적으로 건조되었으며 기판을 실질적으로 관통하지 않고 GDL(W.L. Gore&Associates, Inc.로부터의 CARBEL® 가스 확산 층 CNW19A) 상에 전극 층을 형성하였다. In Example 10A, approximately 70 wt % water, approximately 9 wt % catalyst (50 wt % Pt on carbon black), approximately 7 wt % PFSA ionomer, approximately 6 wt % 2-ethyl-1-hexanol, approximately 4 wt % tert-butanol, and approximately 4 wt % An aqueous mixture of % dipropylene glycol was coated with a draw down bar and dried substantially at an oven temperature of 140° C. for 3 minutes without substantially penetrating the substrate and GDL (CARBEL® from W.L. Gore & Associates, Inc.) An electrode layer was formed on the gas diffusion layer CNW19A).

실시예 10B 내지 10D는 예 10A처럼 진행되었지만, 3개의 다른 기판, 특히 실시예 10B의 경우 (W.L. Gore&Associates, Inc.로부터의) CARBEL® 가스 확산 층 CNW20B, 실시예 10C의 경우 GORE-SELECT® 멤브레인 M735(W.L. Gore&Associates, Inc.), 및 실시예 10D의 경우 (US2016/0233532 - 그 전체가 본 명세서에서 참조로서 인용됨 - 에 따른) ePTFE 릴리스 층 상에 잉크를 코팅하고 있었다. Examples 10B-10D proceeded as Example 10A, but with three other substrates, in particular CARBEL® gas diffusion layer CNW20B (from W.L. Gore&Associates, Inc.) for Example 10B, GORE-SELECT® membrane M735 for Example 10C (W.L. Gore&Associates, Inc.), and in the case of Example 10D (according to US2016/0233532, which is incorporated herein by reference in its entirety), the ink was coating onto the ePTFE release layer.

수명 초기 편광 측정은, 앞서 언급한 실시예 10A 내지 10D에 기재된 바와 같이 기판 상에 코팅된 전극 층으로 이뤄진 MEA가 상업용 PRIMEA®멤브레인 전극 조립체(W.L. Gore&Associates, Inc.)와 필적하는 연료 전지 성능을 가졌음을 나타내었다.Early-life polarization measurements showed that MEAs consisting of electrode layers coated on a substrate as described in the aforementioned Examples 10A-10D had fuel cell performance comparable to commercial PRIMEA® membrane electrode assemblies (W.L. Gore&Associates, Inc.). was shown.

실시예 11A 내지 11C(수불용성 성분으로서의 n-펜타노닉산)Examples 11A to 11C (n-pentanonic acid as water-insoluble component)

실시예 11A에서, n-펜타노닉산의 0.020g이 비교예 1에서 기재한 수성 잉크의 5.1g에 추가되었다. 이 혼합물은 그 후 흔들었다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 일회용 피펫을 사용하여, 몇 방울의 혼합물이 비교예 1에 기재한 ePTFE 기판 상에 배치되었으며, 그 후 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 균일한 습윤 층을 형성하는 대신, 잉크는 신속하게 작은 방울로 망상화되었지만, 혼합물은 더 높은 표면 에너지를 가진 기판, 예컨대 GDL 상에서 망상화되지 않을 수도 있음을 상정하게 된다. 혼합물에서 n-펜타노닉산의 총 양은 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 0.4wt%였다. In Example 11A, 0.020 g of n-pentanonic acid was added to 5.1 g of the aqueous ink described in Comparative Example 1. The mixture was then shaken. The viscosity was kept low (like water). Using a disposable pipette, a few drops of the mixture were placed on the ePTFE substrate described in Comparative Example 1, which was then spread using the bulb of the pipette. Instead of forming a uniform wetting layer, it is envisioned that the ink quickly reticulates into small droplets, but the mixture may not reticulate on substrates with higher surface energy, such as GDL. The total amount of n-pentanonic acid in the mixture was 0.4 wt % based on the total mass of the ionomer and vehicle.

실시예 11B에서, n-펜타노닉산의 0.037g이 비교예 11A에서 기재한 혼합물에 추가되었다. 이 혼합물은 그 후 흔들었다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 일회용 피펫을 사용하여, 몇 방울의 혼합물이 비교예 1에 기재한 ePTFE 기판 상에 배치되었으며, 그 후 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 습윤 층은, 전극을 발생시키도록 열 총으로 건조될 때 상당히 망상화하지 않았다. 혼합물 중 어느 것도 기판의 정반대편(코팅되지 않은) 측 상에서 관찰되지 않았으며, 이것은 이 혼합물이 기판 상에 흡수되지 않았음을 나타낸다. 혼합물에서 n-펜타노닉산의 총 양은 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 5.3wt%였다. In Example 11B, 0.037 g of n-pentanonic acid was added to the mixture described in Comparative Example 11A. The mixture was then shaken. The viscosity was kept low (like water). Using a disposable pipette, a few drops of the mixture were placed on the ePTFE substrate described in Comparative Example 1, which was then spread using the bulb of the pipette. The wetting layer did not significantly reticulate when dried with a heat gun to develop the electrode. None of the mixtures were observed on the opposite (uncoated) side of the substrate, indicating that this mixture was not adsorbed onto the substrate. The total amount of n-pentanonic acid in the mixture was 5.3 wt % based on the total mass of the ionomer and vehicle.

실시예 11C에서, 더 많은 n-펜타노닉산은 그 후 혼합물에 추가되었으며, 그에 따라 혼합물에서 n-펜타노닉산의 총 양이 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 8.6wt%였다. 혼합물은 이전처럼 흔들렸고, 코팅되었으며 건조되었고, 예 11B와 동일한 결과가 관찰되었다.In Example 11C, more n-pentanonic acid was then added to the mixture such that the total amount of n-pentanonic acid in the mixture was 8.6 wt % based on the total mass of the ionomer and vehicle. The mixture was shaken as before, coated and dried, and the same results as Example 11B were observed.

실시예 12(높은 로딩 시의 PtRu 블랙 촉매)Example 12 (PtRu Black Catalyst at High Loading)

실시예 12에서, 수성 잉크의 6.9g이 43.7wt% 촉매, 7.3wt% PFSA 이오노머 및 49.0wt% 탈염수를 함유하여 준비되었다. 촉매는 PtRu 블랙(Alfa Aesar Stock #41171)이었다. 이오노머는 905g/eq의 등가 중량을 가졌다. 잉크는 30초 동안 미소닉스 3000 초음파 혼을 사용하여 초음파 처리되었으며, 이 시간에, 잉크는 균일하며 잘 분산된 것처럼 보였다. 잉크의 점도는 낮았다(물 같았다). 그 후, n-헥사노익산의 0.20g이 수성 잉크에 추가되었으며, 이 혼합물은 흔들었다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 일회용 피펫을 사용하여, 몇 방울의 혼합물이 비교예 1에 기재한 ePTFE 기판 상에 배치되었으며, 그 후 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 혼합물은, 전극을 발생시키도록 열 총으로 건조될 때 상당히 망상화하지 않았던 균일한 습윤 층을 형성하였다. 혼합물 중 어느 것도 기판의 정반대편(코팅되지 않은) 측 상에서 관찰되지 않았으며, 이것은 이 혼합물이 기판 상에 흡수되지 않았음을 나타낸다. 혼합물에서 n-헥사노익산의 총 양은 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 5.0wt%였다. 혼합물에서 촉매의 총 양은 혼합물의 총 질량을 기초로 하여 42.4wt%였다. In Example 12, 6.9 g of an aqueous ink was prepared containing 43.7 wt % catalyst, 7.3 wt % PFSA ionomer and 49.0 wt % demineralized water. The catalyst was PtRu black (Alfa Aesar Stock #41171). The ionomer had an equivalent weight of 905 g/eq. The ink was sonicated using a Micronics 3000 ultrasonic horn for 30 seconds, at which time the ink appeared uniform and well dispersed. The viscosity of the ink was low (like water). Then, 0.20 g of n-hexanoic acid was added to the aqueous ink, and the mixture was shaken. The viscosity was kept low (like water). Using a disposable pipette, a few drops of the mixture were placed on the ePTFE substrate described in Comparative Example 1, which was then spread using the bulb of the pipette. The mixture formed a uniform wetting layer that did not significantly reticulate when dried with a heat gun to develop the electrode. None of the mixtures were observed on the opposite (uncoated) side of the substrate, indicating that this mixture was not adsorbed onto the substrate. The total amount of n-hexanoic acid in the mixture was 5.0 wt % based on the total mass of the ionomer and vehicle. The total amount of catalyst in the mixture was 42.4 wt % based on the total mass of the mixture.

실시예 13(지지된 PtExample 13 (Supported Pt 33 CoNi 촉매)CoNi catalyst)

실시예 13에서, 수성 잉크의 4.2g이 9.7wt% 촉매, 4.4wt% PFSA 이오노머 및 85.9wt% 탈염수를 함유하여 준비되었다. 촉매는 카본 블랙 상에서 지지되는 30wt% Pt3CoNi였다. 이오노머는 720g/eq의 등가 중량을 가졌다. 잉크는 30초 동안 미소닉스 3000 초음파 혼을 사용하여 초음파 처리되었으며, 이 시간에, 잉크는 균일하며 잘 분산된 것처럼 보였다. 잉크의 점도는 낮았다(물 같았다). 그 후, n-헥사노익산의 0.58g이 수성 잉크에 추가되었으며, 이 혼합물은 흔들었다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 일회용 피펫을 사용하여, 몇 방울의 혼합물이 비교예 1에 기재한 ePTFE 기판 상에 배치되었으며, 그 후 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 혼합물은, 전극을 발생시키도록 열 총으로 건조될 때 상당히 망상화하지 않았던 균일한 습윤 층을 형성하였다. 혼합물 중 어느 것도 기판의 정반대편(코팅되지 않은) 측 상에서 관찰되지 않았으며, 이것은 이 혼합물이 기판 상에 흡수되지 않았음을 나타낸다. 혼합물에서 n-헥사노익산의 총 양은 이오노머와 비히클의 총 질량을 기초로 하여 13.2wt%였다. 혼합물에서 촉매의 총 양은 혼합물의 총 질량을 기초로 하여 8.5wt%였다. In Example 13, 4.2 g of an aqueous ink was prepared containing 9.7 wt % catalyst, 4.4 wt % PFSA ionomer and 85.9 wt % demineralized water. The catalyst was 30 wt % Pt 3 CoNi supported on carbon black. The ionomer had an equivalent weight of 720 g/eq. The ink was sonicated using a Micronics 3000 ultrasonic horn for 30 seconds, at which time the ink appeared uniform and well dispersed. The viscosity of the ink was low (like water). Then, 0.58 g of n-hexanoic acid was added to the aqueous ink, and the mixture was shaken. The viscosity was kept low (like water). Using a disposable pipette, a few drops of the mixture were placed on the ePTFE substrate described in Comparative Example 1, which was then spread using the bulb of the pipette. The mixture formed a uniform wetting layer that did not significantly reticulate when dried with a heat gun to develop the electrode. None of the mixtures were observed on the opposite (uncoated) side of the substrate, indicating that this mixture was not adsorbed onto the substrate. The total amount of n-hexanoic acid in the mixture was 13.2 wt% based on the total mass of the ionomer and vehicle. The total amount of catalyst in the mixture was 8.5 wt % based on the total mass of the mixture.

비교예 14(다공성 폴리에틸렌 기판)Comparative Example 14 (porous polyethylene substrate)

비교예 14에서, 예 1에 기재한 여러 방울의 잉크가 일회용 피펫을 사용하여 다공성 폴리에틸렌 기판 상에 배치되었으며, 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 폴리에틸렌 기판은, Gelon LIB Group(중국)으로부터 구매 가능한 16㎛의 두께, 300mm의 폭 및 8.1g/m2의 질량/면적의 다공성 배터리 세퍼레이터였다. 균일한 습윤 층을 형성하는 대신, 잉크는 신속하게 작은 방울로 망상화하였다. In Comparative Example 14, several drops of the ink described in Example 1 were placed on a porous polyethylene substrate using a disposable pipette, and spread using the bulb of the pipette. The polyethylene substrate was a porous battery separator having a thickness of 16 μm, a width of 300 mm and a mass/area of 8.1 g/m 2 that was commercially available from Gelon LIB Group (China). Instead of forming a uniform wetting layer, the ink quickly reticulated into tiny droplets.

실시예 15(다공성 폴리에틸렌 기판)Example 15 (porous polyethylene substrate)

실시예 15에서, 1-헥산올의 0.065g이 예 1에 기재된 수성 잉크의 5.0g에 추가되었다. 이 혼합물은 그 후 흔들려서 1-헥산올을 유화시켰다. 점도는 낮게 유지되었다(물 같았다). 여러 방울의 잉크가 일회용 피펫을 사용하여 다공성 폴리에틸렌 기판 상에 배치되었으며, 피펫의 벌브를 사용하여 확산되었다. 폴리에틸렌 기판은 비교예 14에 기재된 동일한 기판이었다. 혼합물은, 전극을 발생시키도록 열 총으로 건조될 때 상당히 망상화하지 않았던 균일한 습윤 층을 형성하였다. 혼합물 중 어느 것도 기판의 정반대편(코팅되지 않은) 측 상에서 관찰되지 않았으며, 이것은 이 혼합물이 기판 상에 흡수되지 않았음을 나타낸다. 혼합물에서 1-헥산올의 총 양은 혼합물의 총 질량을 기초로 하여 1.3wt%였거나, 이오노머와 용매의 질량을 기초로 하여 1.4wt%였다.In Example 15, 0.065 g of 1-hexanol was added to 5.0 g of the aqueous ink described in Example 1. The mixture was then shaken to emulsify 1-hexanol. The viscosity was kept low (like water). Several drops of ink were placed on the porous polyethylene substrate using a disposable pipette and spread using the pipette's bulb. The polyethylene substrate was the same substrate described in Comparative Example 14. The mixture formed a uniform wetting layer that did not significantly reticulate when dried with a heat gun to develop the electrode. None of the mixtures were observed on the opposite (uncoated) side of the substrate, indicating that this mixture was not adsorbed onto the substrate. The total amount of 1-hexanol in the mixture was either 1.3 wt %, based on the total mass of the mixture, or 1.4 wt %, based on the mass of the ionomer and solvent.

본 발명은 상세하게 기재되었지만, 본 발명의 사상과 범위 내의 변경은 당업자에게 쉽게 자명할 것이다. 앞서 언급한 및/또는 첨부된 청구범위에서의 여러 실시예와 여러 특성의 일부분과 본 발명의 양상은 전체적으로 또는 부분적으로 중 어느 하나로 결합될 수 있거나 상호교환될 수 있음을 이해해야 한다. 여러 실시예의 앞선 기재에서, 다른 실시예를 지칭한 이들 실시예는 당업자가 이해할 바와 같이 다른 실시예와 적절히 결합될 수도 있다. 나아가, 당업자는, 전술한 기재가 단지 예를 든 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 의도가 아님을 인식할 것이다. While the present invention has been described in detail, modifications within the spirit and scope of the invention will be readily apparent to those skilled in the art. It is to be understood that aspects of the present invention and some of the various embodiments and features in the foregoing and/or appended claims may be combined or interchanged, either in whole or in part. In the foregoing description of various embodiments, these embodiments referring to other embodiments may be appropriately combined with other embodiments as those skilled in the art will understand. Furthermore, those skilled in the art will recognize that the foregoing description is by way of example only and is not intended to limit the invention.

Claims (56)

연료 전지 구성요소를 제조하는 방법으로서,
기판을 제공하는 단계; 및
상기 기판 상에 전극을 형성하는 단계
를 포함하며,
상기 전극을 형성하는 단계는 물, 수불용성 성분 및 이오노머의 에멀젼과 촉매를 포함하는 수성 혼합물을 성막하는 단계를 포함하며,
상기 수불용성 성분은 수불용성 알코올을 포함하고,
상기 물은 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클(vehicle)의 총 중량을 기초로 35wt%보다 큰 양으로 존재하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.A method of making a fuel cell component, comprising:
providing a substrate; and
forming an electrode on the substrate
includes,
forming the electrode comprises depositing an aqueous mixture comprising a catalyst and an emulsion of water, a water-insoluble component and an ionomer;
The water-insoluble component comprises a water-insoluble alcohol,
wherein the water is present in an amount greater than 35 wt % based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. 제1항에 있어서, 상기 기판은 다공성 층, 비다공성 층 또는 이들의 조합을 포함하거나, 또는,
상기 방법은 다공성 층, 비다공성 층 또는 이들의 조합을 상기 전극 및 상기 기판 중 적어도 하나에 라미네이트하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.The method of claim 1 , wherein the substrate comprises a porous layer, a non-porous layer, or a combination thereof, or
wherein the method further comprises laminating a porous layer, a non-porous layer, or a combination thereof to at least one of the electrode and the substrate. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수성 혼합물은 성막 단계 동안 단일 상을 포함하거나, 또는,
상기 수성 혼합물은 낮은 망상화(low reticulation)를 갖는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.3. The method according to claim 1 or 2, wherein the aqueous mixture comprises a single phase during the deposition step, or
wherein the aqueous mixture has low reticulation. 제1항에 있어서, 상기 전극을 형성하는 단계는 상기 수성 혼합물을 건조시키는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.The method of claim 1 , wherein forming the electrode further comprises drying the aqueous mixture. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판은 상기 전극 반대편의 상기 기판의 측(side) 상에 다른 전극을 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.3. The method of claim 1 or 2, wherein the substrate comprises another electrode on a side of the substrate opposite the electrode. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전극 반대편의 상기 기판의 측 상에 다른 전극을 형성하는 단계를 더 포함하고, 선택적으로,
상기 다른 전극을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 상기 수성 혼합물을 성막하는 단계를 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.3. The method of claim 1 or 2, further comprising forming another electrode on a side of the substrate opposite the electrode, optionally comprising:
and forming the other electrode comprises depositing the aqueous mixture on the substrate. 제5항에 있어서, 상기 다른 전극을 형성하는 단계는 상기 수성 혼합물을 건조시키는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.6. The method of claim 5, wherein forming the other electrode further comprises drying the aqueous mixture. 제1항에 있어서, 상기 전극을 고분자 전해질 멤브레인에 라미네이트하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.The method of claim 1 , further comprising laminating the electrode to a polyelectrolyte membrane. 제1항에 있어서, 상기 전극 상에 고분자 전해질 멤브레인을 형성하는 단계를 더 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.The method of claim 1 , further comprising forming a polymer electrolyte membrane on the electrode. 연료 전지 구성요소를 제조하는 방법에 있어서,
고분자 전해질 멤브레인 상에 제1 전극을 형성하는 단계로서, 상기 제1 전극을 형성하는 단계는 상기 고분자 전해질 멤브레인 상에 수성 혼합물을 성막하는 단계를 포함하며, 상기 수성 혼합물은 물, 수불용성 성분 및 이오노머의 에멀젼과 촉매를 포함하며, 상기 수불용성 성분은 수불용성 알코올을 포함하고, 상기 물은 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 35wt%보다 큰 양으로 존재하는, 제1 전극을 형성하는 단계; 및
상기 고분자 전해질 멤브레인 상에 제2 전극을 형성하거나 부착하는 단계
를 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.A method of manufacturing a fuel cell component, comprising:
forming a first electrode on a polyelectrolyte membrane, wherein forming the first electrode comprises depositing an aqueous mixture on the polyelectrolyte membrane, the aqueous mixture comprising water, a water-insoluble component and an ionomer wherein the water-insoluble component comprises a water-insoluble alcohol, and wherein the water is present in an amount greater than 35 wt % based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. to do; and
forming or attaching a second electrode on the polymer electrolyte membrane
A method of manufacturing a fuel cell component comprising: 연료 전지 구성요소를 제조하는 방법에 있어서,
기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계로서, 상기 제1 전극을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 수성 혼합물을 성막하는 단계를 포함하며, 상기 수성 혼합물은 물, 수불용성 성분 및 이오노머의 에멀젼과 촉매를 포함하며, 상기 수불용성 성분은 수불용성 알코올을 포함하고, 상기 물은 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 35wt%보다 큰 양으로 존재하는, 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극 상에 고분자 전해질 멤브레인을 형성하거나 부착하는 단계; 및
상기 고분자 전해질 멤브레인 상에 제2 전극을 형성하거나 부착하는 단계
를 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.A method of manufacturing a fuel cell component, comprising:
forming a first electrode on a substrate, wherein forming the first electrode comprises depositing an aqueous mixture on the substrate, the aqueous mixture comprising an emulsion of water, a water insoluble component and an ionomer and a catalyst wherein the water-insoluble component comprises a water-insoluble alcohol, and wherein the water is present in an amount greater than 35 wt % based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture;
forming or attaching a polymer electrolyte membrane on the first electrode; and
forming or attaching a second electrode on the polymer electrolyte membrane
A method of manufacturing a fuel cell component comprising: 제11항에 있어서, 상기 기판은 다공성 층을 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.The method of claim 11 , wherein the substrate comprises a porous layer. 제12항에 있어서, 상기 다공성 층은 통기성이거나, 가스 확산 층을 포함하거나, 또는,
상기 다공성 층은 다공성 릴리스 층을 포함하고, 선택적으로,
상기 다공성 릴리스 층은 발포 고분자를 포함하고, 추가적으로 선택적으로,
상기 발포 고분자는 발포 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.13. The method of claim 12, wherein the porous layer is breathable, comprises a gas diffusion layer, or
The porous layer comprises a porous release layer, and optionally,
The porous release layer comprises a foamed polymer, and additionally optionally,
wherein the foamed polymer comprises expanded polytetrafluoroethylene. 제11항에 있어서, 상기 기판은 비다공성 층을 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.The method of claim 11 , wherein the substrate comprises a non-porous layer. 제14항에 있어서, 상기 비다공성 층은 비다공성 릴리스 층을 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.15. The method of claim 14, wherein the non-porous layer comprises a non-porous release layer. 제15항에 있어서, 상기 비다공성 층은 고분자 전해질 멤브레인을 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.16. The method of claim 15, wherein the non-porous layer comprises a polyelectrolyte membrane. 제11항에 있어서, 상기 고분자 전해질 멤브레인은 양자-전도 고분자를 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.12. The method of claim 11, wherein the polyelectrolyte membrane comprises a proton-conducting polymer. 제11항에 있어서, 상기 고분자 전해질 멤브레인은 다공성 미세구조와, 상기 다공성 미세구조에 침지된 이오노머를 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.12. The method of claim 11, wherein the polyelectrolyte membrane comprises a porous microstructure and an ionomer immersed in the porous microstructure. 제18항에 있어서, 상기 다공성 미세구조는 과불소화 다공성 고분자 소재를 포함하고, 선택적으로,
상기 과불소화 다공성 고분자 소재는 발포 폴리테트라플루오로에틸렌 멤브레인을 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.19. The method of claim 18, wherein the porous microstructure comprises a perfluorinated porous polymeric material, and optionally,
wherein the perfluorinated porous polymeric material comprises an expanded polytetrafluoroethylene membrane. 제18항에 있어서, 상기 다공성 미세구조는 탄화수소 소재를 포함하고, 선택적으로,
상기 탄화수소 소재는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리스티렌을 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.19. The method of claim 18, wherein the porous microstructure comprises a hydrocarbon material, and optionally,
wherein the hydrocarbon material comprises polyethylene, polypropylene or polystyrene. 제18항에 있어서, 상기 이오노머는 양자-전도 고분자인, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.19. The method of claim 18, wherein the ionomer is a proton-conducting polymer. 제17항에 있어서, 상기 양자-전도 고분자는 퍼플루오로설폰산을 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.18. The method of claim 17, wherein the proton-conducting polymer comprises perfluorosulfonic acid. 제1항, 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 물은, 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 50wt%보다 큰, 선택적으로 70wt%보다 큰, 선택적으로 80wt%보다 큰, 또는 선택적으로 90wt%보다 큰 양으로 상기 수성 혼합물에서 존재하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.12. The method of claim 1, 10 or 11, wherein the water is greater than 50 wt%, optionally greater than 70 wt%, optionally greater than 80 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. or optionally present in the aqueous mixture in an amount greater than 90 wt %. 제1항, 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 촉매는 귀금속, 전이금속 또는 이들의 합금을 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.12. The method of claim 1, 10 or 11, wherein the catalyst comprises a noble metal, a transition metal or an alloy thereof. 제1항, 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 촉매는 담지 촉매이고, 선택적으로,
상기 담지 촉매는 탄소를 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.12. The catalyst according to claim 1, 10 or 11, wherein the catalyst is a supported catalyst, optionally,
wherein the supported catalyst comprises carbon. 제24항에 있어서, 상기 촉매는, 상기 수성 혼합물의 총 중량을 기초로 90wt% 미만, 선택적으로 35wt% 미만, 선택적으로 9wt% 미만의 양으로 상기 수성 혼합물에 존재하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법. 25. The preparation of claim 24, wherein the catalyst is present in the aqueous mixture in an amount of less than 90 wt%, optionally less than 35 wt%, optionally less than 9 wt%, based on the total weight of the aqueous mixture. Way. 제1항, 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 수불용성 성분은 C5-C10 알코올을 포함하고, 선택적으로,
상기 수불용성 성분은 1-펜타놀, 1-헥사놀, 1-데카놀 또는 이들의 조합을 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.12. The method of claim 1, 10 or 11, wherein the water-insoluble component comprises a C 5 -C 10 alcohol, optionally,
wherein the water-insoluble component comprises 1-pentanol, 1-hexanol, 1-decanol, or a combination thereof. 제1항, 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 수불용성 성분은 추가적으로 수불용성 카르복실산을 포함하고, 선택적으로, 상기 수불용성 성분은 C5-C10 카르복실산을 포함하고, 추가적으로 선택적으로, 상기 수불용성 성분은 n-펜타노익산, n-헥사노익산, n-노나노익산 또는 이들의 조합을 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.12. The water-insoluble component according to claim 1, 10 or 11, wherein the water-insoluble component further comprises a water-insoluble carboxylic acid, optionally, the water-insoluble component comprises a C 5 -C 10 carboxylic acid, and further Optionally, the water-insoluble component comprises n-pentanoic acid, n-hexanoic acid, n-nonanoic acid, or a combination thereof. 제1항, 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 수불용성 성분은, 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 20wt% 미만, 선택적으로 15wt% 미만, 선택적으로 10wt% 미만, 선택적으로 8wt% 미만, 선택적으로 6wt% 미만 또는 선택적으로 4wt% 미만의 양으로 상기 수성 혼합물에서 존재하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.12. The method of claim 1, 10 or 11, wherein the water-insoluble component is less than 20 wt%, optionally less than 15 wt%, optionally less than 10 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. present in the aqueous mixture in an amount of less than 8 wt %, optionally less than 6 wt % or optionally less than 4 wt %. 제29항에 있어서, 상기 수불용성 성분은, 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 1wt% 이상 20wt% 미만, 또는 0.5wt% 내지 20wt%, 또는 0.5wt% 내지 15wt%, 또는 0.5wt% 내지 10wt%, 또는 1wt% 내지 20wt%, 또는 5wt% 내지 20wt%, 또는 10wt% 내지 20wt%의 양으로 상기 수성 혼합물에서 존재하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.30. The method of claim 29, wherein the water-insoluble component comprises at least 1 wt % and less than 20 wt %, or between 0.5 wt % and 20 wt %, or between 0.5 wt % and 15 wt %, or 0.5 wt %, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. present in the aqueous mixture in an amount from wt % to 10 wt %, or from 1 wt % to 20 wt %, or from 5 wt % to 20 wt %, or from 10 wt % to 20 wt %. 제1항, 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 물은, 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 35wt% 내지 99wt%의 양으로 상기 수성 혼합물에서 존재하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.12. The fuel cell component of claim 1, 10 or 11, wherein the water is present in the aqueous mixture in an amount of 35 wt% to 99 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. manufacturing method. 제1항, 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 이오노머는 퍼플루오로설폰산인, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.12. The method of claim 1, 10 or 11, wherein the ionomer is perfluorosulfonic acid. 제1항, 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 이오노머는, 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 50wt% 미만의 양으로, 선택적으로 35wt% 미만의 양으로, 선택적으로 8wt% 미만의 양으로 또는 선택적으로 0.5wt% 미만의 양으로 상기 수성 혼합물에서 존재하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.12. The method of claim 1, 10 or 11, wherein the ionomer is in an amount of less than 50 wt%, optionally less than 35 wt%, optionally 8 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. present in the aqueous mixture in an amount less than % or optionally less than 0.5 wt %. 제1항, 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 수성 혼합물은 수용성 화합물을 더 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.12. The method of claim 1, 10 or 11, wherein the aqueous mixture further comprises a water-soluble compound. 제34항에 있어서, 상기 수용성 화합물은, 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 50wt% 미만의 양으로, 선택적으로 25wt% 미만의 양으로, 선택적으로 9wt% 미만의 양으로 또는 선택적으로 4wt% 미만의 양으로 상기 수성 혼합물에서 존재하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.35. The method of claim 34, wherein the water-soluble compound is present in an amount of less than 50 wt%, optionally less than 25 wt%, optionally less than 9 wt% or optionally, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. and present in the aqueous mixture in an amount of less than 4 wt %. 제34항에 있어서, 상기 수용성 화합물은 수용성 알코올 또는 글리콜 에테르인, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.35. The method of claim 34, wherein the water-soluble compound is a water-soluble alcohol or glycol ether. 제34항에 있어서, 상기 수용성 화합물은 수용성 알코올이며, 상기 수용성 알코올은 이소프로판올 또는 tert-부탄올을 포함하거나, 또는,
상기 수용성 알코올은 글리콜 에테르를 포함하며, 상기 글리콜 에테르는 디프로필렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜 메틸 에테르를 포함하는, 연료 전지 구성요소의 제조 방법.35. The method of claim 34, wherein the water-soluble compound is a water-soluble alcohol, wherein the water-soluble alcohol comprises isopropanol or tert-butanol;
wherein the water-soluble alcohol comprises a glycol ether and the glycol ether comprises dipropylene glycol or propylene glycol methyl ether. 연료 전지 전극을 형성하기 위한 수성 혼합물 조성물로서,
촉매; 및
물, 수불용성 알코올을 포함하는 수불용성 성분 및 이오노머의 에멀젼
을 포함하고,
상기 물은 상기 수성 혼합물 조성물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 35wt%보다 큰 양으로 존재하는, 수성 혼합물 조성물.An aqueous mixture composition for forming a fuel cell electrode comprising:
catalyst; and
Emulsion of water, water-insoluble component including water-insoluble alcohol and ionomer
including,
wherein the water is present in an amount greater than 35 wt %, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture composition. 제38항에 있어서, 상기 촉매는 귀금속, 전이금속 또는 이들의 합금을 포함하는, 수성 혼합물 조성물.39. The composition of claim 38, wherein the catalyst comprises a noble metal, a transition metal, or an alloy thereof. 제38항에 있어서, 상기 촉매는 담지 촉매인, 수성 혼합물 조성물.39. The aqueous mixture composition of claim 38, wherein the catalyst is a supported catalyst. 제40항에 있어서, 상기 담지 촉매는 탄소를 포함하는, 수성 혼합물 조성물.41. The aqueous mixture composition of claim 40, wherein the supported catalyst comprises carbon. 제38항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매는, 상기 수성 혼합물의 총 중량을 기초로 90wt% 미만, 선택적으로 35wt% 미만, 선택적으로 9wt% 미만의 양으로 상기 수성 혼합물에 존재하는, 수성 혼합물 조성물.42. The aqueous mixture according to any one of claims 38 to 41, wherein the catalyst is present in the aqueous mixture in an amount of less than 90 wt%, optionally less than 35 wt%, optionally less than 9 wt%, based on the total weight of the aqueous mixture. which is an aqueous mixture composition. 제38항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수불용성 성분은 C5-C10 알코올을 포함하는, 수성 혼합물 조성물.42. The aqueous mixture composition of any one of claims 38-41, wherein the water-insoluble component comprises a C 5 -C 10 alcohol. 제43항에 있어서, 상기 수불용성 성분은 1-펜타놀, 1-헥사놀, 1-데카놀 또는 이들의 조합을 포함하는, 수성 혼합물 조성물.44. The aqueous mixture composition of claim 43, wherein the water-insoluble component comprises 1-pentanol, 1-hexanol, 1-decanol, or combinations thereof. 제38항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수불용성 성분은 추가적으로 수불용성 카르복실산을 포함하고, 선택적으로,
상기 수불용성 카르복실산은 C5-C10 카르복실산을 포함하고, 추가적으로 선택적으로,
상기 수불용성 카르복실산은 n-펜타노익산, n-헥사노익산, n-노나노익산 또는 이들의 조합을 포함하는, 수성 혼합물 조성물.42. The method of any one of claims 38-41, wherein the water-insoluble component additionally comprises a water-insoluble carboxylic acid, optionally,
The water-insoluble carboxylic acid comprises C 5 -C 10 carboxylic acid, and additionally optionally,
The water-insoluble carboxylic acid comprises n-pentanoic acid, n-hexanoic acid, n-nonanoic acid, or a combination thereof, aqueous mixture composition. 제38항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수불용성 성분은, 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 20wt% 미만, 선택적으로 15wt% 미만, 선택적으로 10wt% 미만, 선택적으로 8wt% 미만, 선택적으로 6wt% 미만 또는 선택적으로 4wt% 미만의 양으로 상기 수성 혼합물에서 존재하는, 수성 혼합물 조성물.42. The method of any one of claims 38-41, wherein the water-insoluble component is less than 20 wt%, optionally less than 15 wt%, optionally less than 10 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. as present in the aqueous mixture in an amount of less than 8 wt %, optionally less than 6 wt % or optionally less than 4 wt %. 제46항에 있어서, 상기 수불용성 성분은, 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 1wt% 이상 20wt% 미만, 또는 0.5wt% 내지 20wt%, 또는 0.5wt% 내지 15wt%, 또는 0.5wt% 내지 10wt%, 또는 1wt% 내지 20wt%, 또는 5wt% 내지 20wt, 또는 10wt% 내지 20wt%의 양으로 상기 수성 혼합물에서 존재하는, 수성 혼합물 조성물.47. The method of claim 46, wherein the water-insoluble component comprises at least 1 wt% and less than 20 wt%, or between 0.5 wt% and 20 wt%, or between 0.5 wt% and 15 wt%, or 0.5 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. present in the aqueous mixture in an amount from wt % to 10 wt %, or from 1 wt % to 20 wt %, or from 5 wt % to 20 wt %, or from 10 wt % to 20 wt %. 제38항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물은, 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로, 50wt%보다 큰, 선택적으로 70wt%보다 큰, 선택적으로 80wt%보다 큰 또는 선택적으로 90wt%보다 큰 양으로 상기 수성 혼합물에서 존재하는, 수성 혼합물 조성물.42. The method of any one of claims 38-41, wherein the water is greater than 50 wt%, optionally greater than 70 wt%, optionally greater than 80 wt%, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. or optionally present in the aqueous mixture in an amount greater than 90 wt %. 제38항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이오노머는 퍼플루오로설폰산인, 수성 혼합물 조성물.42. The composition of any one of claims 38-41, wherein the ionomer is perfluorosulfonic acid. 제38항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이오노머는, 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 50wt% 미만의 양으로, 선택적으로 35wt% 미만의 양으로, 선택적으로 8wt% 미만의 양으로 또는 선택적으로 0.5wt% 미만의 양으로 상기 수성 혼합물에서 존재하는, 수성 혼합물 조성물.42. The method of any one of claims 38-41, wherein the ionomer is, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture, in an amount of less than 50 wt %, optionally less than 35 wt %, optionally 8 wt %. present in the aqueous mixture in an amount less than % or optionally less than 0.5 wt %. 제38항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성물은 수용성 화합물을 더 포함하는, 수성 혼합물 조성물.42. The aqueous mixture composition of any one of claims 38-41, wherein the composition further comprises a water-soluble compound. 제51항에 있어서, 상기 수용성 화합물은, 상기 수성 혼합물에서 이오노머와 비히클의 총 중량을 기초로 50wt% 미만의 양으로, 선택적으로 25wt% 미만의 양으로, 선택적으로 9wt% 미만의 양으로 또는 선택적으로 4wt% 미만의 양으로 상기 수성 혼합물에서 존재하는, 수성 혼합물 조성물.52. The method of claim 51, wherein the water-soluble compound is present in an amount of less than 50 wt%, optionally less than 25 wt%, optionally less than 9 wt% or optionally, based on the total weight of the ionomer and vehicle in the aqueous mixture. as present in the aqueous mixture in an amount of less than 4 wt %. 제51항에 있어서, 상기 수용성 화합물은 수용성 알코올인, 수성 혼합물 조성물.52. The aqueous mixture composition of claim 51, wherein the water-soluble compound is a water-soluble alcohol. 제53항에 있어서, 상기 수용성 알코올은 이소프로판올, tert-부탄올 또는 글리콜 에테르를 포함하고, 선택적으로,
상기 수용성 화합물은 글리콜 에테르를 포함하며, 상기 글리콜 에테르는 디프로필렌 글리콜(DPG) 또는 프로필렌 글리콜 메틸 에테르(PGME)를 포함하는, 수성 혼합물 조성물.54. The method of claim 53, wherein the water-soluble alcohol comprises isopropanol, tert-butanol or glycol ether, optionally,
wherein the water-soluble compound comprises a glycol ether, wherein the glycol ether comprises dipropylene glycol (DPG) or propylene glycol methyl ether (PGME). 삭제delete 삭제delete
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