KR20040077752A - 막 전극 접합체를 제조하기 위한 압축 주형 - Google Patents

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KR20040077752A
KR20040077752A KR10-2004-7011244A KR20047011244A KR20040077752A KR 20040077752 A KR20040077752 A KR 20040077752A KR 20047011244 A KR20047011244 A KR 20047011244A KR 20040077752 A KR20040077752 A KR 20040077752A
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룰데이빗피.
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

본 발명은 압축 성형 장치에서 사용하는 주형을 제공하는데, 이러한 주형은 중심을 관통하는 구멍을 갖는 프레임부(41), 하부 플런저(42) 및 상부 플런저(43)를 구비하고, 플런저는 프레임부의 구멍에 실질적으로 꼭 맞게 끼워지도록 제조되며, 적어도 하나의 플런저는 적어도 하나의 낮은 열 전도성 삽입체(44, 44')를 포함한다. 주형은 단위화된 막 전극의 준비시에 사용되는 압축 성형 공정에서 유용하다.

Description

막 전극 접합체를 제조하기 위한 압축 주형 {COMPRESSION MOULD FOR MAKING A MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY}
다양한 전기화학 전지는 보통 고체 고분자 전해질(solid polymer electrolyte)("SPE") 전지라고 부르는 전지의 범주 내에 있다. 일반적으로 SPE 전지는, 음극과 양극 사이에서 물리적인 분리기로 기능하면서 전해질로도 기능하는 양이온 교환 고분자의 막을 채택한다. SPE 전지는 전기화학 제품의 제조를 위한 전해질 전지로서 작동되거나, 연료 전지로서 작동될 수 있다.
연료 전지는, 연료 및 산화제 유체 스트림과 같은 반응물을 변환하여 전력 및 반응 결과물을 생성하는 전기화학 전지이다. 넓은 범위의 반응물이 연료 전지에서 사용될 수 있고, 이러한 반응물은 기체 또는 액체 스트림으로서 전달될 수 있다. 예컨대 연료 스트림은 실질적으로 순수한 수소 가스, 개질 휘발유 스트림(reformate stream)을 함유한 기체 수소 또는 직접 메탄올 연료 전지(direct methanol fuel cell)(DMFC)의 메탄올과 같은 수성 알코올이다. 예컨대 산화제는실질적으로 순수 산소 또는 공기와 같은 희석된 산소 스트림이다.
SPE 연료 전지에서, 고체 고분자 전해질 막은 일반적으로 산 형태의 과플루오르화 술폰산 고분자 막이다. 이러한 연료 전지는 종종 양자 교환 막(proton exchange membrane)("PEM") 연료 전지라고 부른다. 막은 음극과 양극 사이에서 이들과 접촉하여 배치된다. 일반적으로 음극과 양극에서 전극촉매는 원하는 전기화학 반응을 유도하고, 이는 예컨대 탄소상의 백금과 같은 기판에 지지되는 메탄 블랙(metal black), 합금 또는 금속 촉매제일 수 있다. 또한 일반적으로 SPE 연료 전지는 각각의 전극과 통전하는 다공성이면서 전기 도전성인 시트 물질을 포함하고, 전극으로 반응물의 확산을 가능하게 한다. 기체 반응물을 채택하는 연료 전지에서, 이러한 다공성, 전도 시트 물질은 때때로 가스 확산 지지체(gas diffusion backing)라고 부르고, 탄소 섬유 종이 또는 탄소 천에 의해 적합하게 제공된다. 막, 음극과 양극, 각 전극에 대한 가스 확산 지지체를 포함하는 접합체는 때때로 막 전극 접합체(membrane electrode assembly)("MEA")라고 부른다. 도전성 물질로 제조되고, 반응물에 대해 유동장을 제공하는 양극성(bipolar) 기판은 많은 인접 MEA들 사이에 위치된다. 많은 MEA와 양극성 기판은 이러한 방식으로 조립되어 연료 전지 적층물을 제공한다.
단위화된 MEA를 제조함에 있어서, 다중층 MEA는 유체 불투과성 고분자 시일을 사용하여 밀봉될 수 있있다. 몇 가지 기술이 이러한 시일을 형성하는 데 사용될 수 있는데, 이러한 기술에는 압축 성형과 사출 성형을 포함한다. 사출 성형에 있어서, 밀폐재로 사용되는 밀폐 고분자가 액체 또는 슬러리 형태로 적용되는데,이것이 이러한 성형의 단점과 관련된다. 사출 성형에 있어서, 밀폐 고분자는 종종 막의 양 측면으로 흐르지 않고, 상대적으로 높은 압력과 유속은 가스 확산 지지체를 손상시킬 수 있다. 가스 확산 지지체의 모든 에지의 압력을 균형있게 하는 것은 어렵다. 사출 성형의 다른 단점은 주형에서 MEA의 구성 부품의 위치를 유지하기가 어렵다는 것이다. 구성 부품 상의 클램핑력은 사출 압력으로 인한 움직임을 막을 수 있을 정도로 커야 하고, 가스 확산 지지체의 섬유를 손상시킬 수 있으며, 잔해를 발생시켜 이 잔해가 막에 구멍을 뚫으면 MEA의 수명이 짧아질 수 있다. 압축 성형은 높은 압력 구배와 유속을 포함하지 않기 때문에, 일반적으로 이러한 문제점이 없다.
압축 성형에 유용한 주형이 필요한데, 대체로 차원적으로 불안정한 막이 사용되고, 압축 성형 공정에서 열을 가해서 손상된 단위화된 MEA를 생기게 하지 않는 주형이 필요하다.
본 발명은 압축 성형에 사용하는 주형에 관한 것이고, 더 구체적으로는 압축 성형을 사용하여 준비되는 유체 불투과성 고분자 시일을 구비한 단위화된 막 전극 접합체의 준비에 관한 것이다.
도1은 낮은 열 전도성 삽입체(44, 44')의 위치를 도시한, 압축 성형에 사용되는 주형(40)의 개략도이다.
도2는 주형(40)의 확대도의 개략도이다.
도3은 동일한 플런저 내의 하나 이상의 삽입체를 도시한 플런저(42 또는 43)의 개략도이다.
도4는 막 전극 접합체(MEA)를 형성하기 위해 사용되는, 밀폐 에지를 구비한 제1 가스 확산 지지체(13), 제1 전극촉매 코팅 화합물(12), 고분자 막(11), 제2 전극촉매 코팅 화합물(12'), 밀폐 에지를 구비한 제2 가스 확산 지지체(13')를 포함하는 다중층 샌드위치(10)의 개략도이다.
도5는, 압축 성형 공정의 주형에서 제거된 후의 단위화된 MEA(30)의 개략도이다.
도6은, 압축 성형 공정의 주형에서 제거된 후의 단위화된 MEA(30)의 경사도의 개략도이다.
제1 실시예에서, 본 발명은 압축 성형에 사용하는 주형을 제공하는데, 이 주형은 (a) 중심에 구멍을 구비한 프레임부, (b) 하부 플런저 및 (c) 상부 플런저를 포함하는데, 플런저는 프레임부의 구멍에 실질적으로 꼭 맞게 끼워지도록 제조되고, 적어도 하나의 플런저는 적어도 하나의 낮은 열 전도성 삽입체를 포함한다.
제1 실시예에서, 양 플런저는 적어도 하나의 낮은 열 전도성 삽입체를 가지고 있다. 또한 단일 플런저 대신에 복수의 플런저가 사용될 수 있다.
제2 실시예에서, 본 발명은 압축 성형을 사용하여 단위화된 막 전극 접합체를 준비하는 공정을 제공하는데, 이는 (a) 밀폐 에지(sealing edge)를 갖는 제1 가스 확산 지지체, 제1 전극촉매 코팅 화합물, 고분자 막, 제2 전극촉매 코팅 화합물, 밀폐 에지를 갖는 제2 가스 확산 지지체를 포함하는 다중층 샌드위치를 형성하는 단계, (b) 밀폐 고분자를 다중층 샌드위치에 압축 성형하는 단계를 포함하고, 압축 성형 방법에 사용되는 주형은 (c) 중심에 구멍을 구비한 프레임부, (d) 하부 플런저 및 (e) 상부 플런저를 포함하며, 플런저는 프레임부의 구멍에 실질적으로 꼭 맞게 끼워지도록 제조되고, 적어도 하나의 플런저는 적어도 하나의 낮은 열 전도성 삽입체를 포함하며, 밀폐 고분자가 제1 가스 확산 지지체 및 제2 가스 확산 지지체의 밀폐 에지로 주입되고, 밀폐 고분자는 고분자 유체 불투과성 시일을 형성하기 위해 제1 가스 확산 지지체 및 제2 가스 확산 지지체와 고분자 막의 주연 영역을 둘러싼다. 밀폐 고분자는 열경화성 고분자 또는 경화성 수지 고분자 또는 열가소성 고분자일 수 있다.
압축 성형 :
압축 성형 장치는 주형(40) 및 가열 프레스(도시하지 않음)로 이루어진다. 액자형 주형(40)은 높은 열 전도성을 갖는 물질로 제조되어, 공정에서 상승되는 온도를 견디도록 선택된다. 일반적으로, 공구강 또는 알루미늄과 같은 금속이 사용될 수 있다. 유용한 금속의 몇몇 예는 H-13, H-19, P-4, P-5 및 P-6의 미국 철강 협회(AISI) 규격을 구비한 금속을 포함한다. 몇몇 추가 물질은 AISI 410, 416, 420, 431 및 400과 같은 400계열 강철을 포함한다. 몇몇 유용한 형식의 알루미늄은 알루미늄 협회(AA) 지정 AA 5086, AA 5454, AA 2024 및 AA 7075를 포함한다.
도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 주형(40)은 중심에 구멍을 구비한 프레임부(41), 하부 플런저(42) 및 상부 플런저(43)의 세 부분으로 구성된다. 플런저는 프레임에 꼭 맞게 끼워지도록 제조되고, 일반적으로 플런저 중 하나인 하부 플런저(42)는 실제로는 프레임과 일체형이 될 수 있다. 일반적으로, 구멍(45 또는 45')이 프레임 또는 플런저에 제공되는데, 여기에 밀폐 고분자 온도를 모니터하기 위해 열전대가 삽입될 수 있다.
일반적으로 플런저는 동일한 비율로 가열 및 냉각되어서 제품 부품의 뒤틀림을 최소화한다. 일 실시예에서, 이것은 그들의 질량을 본질적으로 동일하게 함으로써 가장 용이하게 달성될 수 있다. 막 전극 접합체를 제조하는 데 사용되는 이온 교환 막과 같은 고분자 막(11)은 대체로 차원적으로 불안정하기 때문에, 플런저는 주연보다 중심을 더 냉각시켜서 고분자 막이 손상되거나 주름지지 않게 하는 것이 중요하다. 중심 영역에 낮은 열 전도성 삽입체(44 및 44')를 구비하여 제조된 플런저는 이를 달성할 수 있는데, 주형의 중심이 프레스의 열로부터 단열되어, 공정 도중에 금속부보다 낮은 온도를 유지한다. 또한 도3에 도시된 바와 같이, 막 전극 접합체와 접촉되는 금속량을 충분히 작게 해서 금속 접촉으로 인한 뒤틀림이 최소화되는 조건으로 삽입체는 복수의 더 작은 삽입체(44a')로 구성될 수 있다. 더 낮은 온도로 MEA 구성 부품을 유지시키는 한 어떠한 물질도 삽입체(44 및 44')로 사용될 수 있다. 몇몇 유용한 물질은 알루미나, 알루미나 실리케이트, 유리, 산화 지르코늄 및 붕소 질화물을 포함하는 군에서 선택되는 세라믹을 포함한다. 몇몇 유용한 세라믹 물질은 유리 세라믹처럼 뉴욕주 브룩클린에 소재하는 코트로닉스 코포레이션으로부터 구입될 수 있고, 상표명 Macor?으로 판매되는 세라믹처럼 뉴욕주 코닝에 소재하는 코닝 인코포레이티드로부터 구입될 수 있으며, 상표명 Fabcram?으로 판매되는 시멘타이트 알루민산염 물질처럼 메릴랜드주 스트리트에 소재하는 메릴랜드 라바 컴퍼니와 코네티컷주 노르위치에 소재하는 호텍 인코포레이티드로부터 구입될 수 있다. 접착제는 제 위치에 삽입체를 결합시키는 데 사용될 수 있다. 몇몇 유용한 접착제는 Zircon?접착제 및 뉴욕주 브룩클린 코트로닉스 코포레이션으로의 ResbondTM계열과 같은 급속 경화 접착제이다. 플런저와 결합한 후, 플런저의 면(46)은 연마되어, 삽입체가 플런저(42 또는 43)의 면(46)과 맞닿는다.
막 전극 접합체 :
단위화된 MEA는 다중층 샌드위치(10)를 사용하여 준비되는데, 이는 도4에 도시된 바와 같이 밀폐 에지를 구비한 제1 가스 확산 지지체(13), 제1 전극촉매 코팅 화합물(12), 고분자 막(11), 제2 전극촉매 코팅 화합물(12') 및 밀폐 에지를 구비한 제2 가스 확산 지지체(13')를 포함한다. 단위화된 MEA는 또한 도5 및 도6에 도시된 바와 같이 고분자 유체 불투과성 시일(14)을 포함하는데, 밀폐 고분자는 열가소성 고분자 또는 열경화성 수지 또는 경화성 수지 중 하나이고, 밀폐 고분자는 제1 가스 확산 지지체(13)와 제2 가스 확산 지지체(13')의 적어도 일 부분의 밀폐 에지로 주입되며, 시일은 제1 가스 확산 지지체(13) 및 제2 가스 확산 지지체(13')와 고분자 막(11)의 주연 영역을 둘러싼다.
가스 확산 지지체 :
밀폐 에지를 구비한 가스 확산 지지체(13, 13')는 다공성 전기 전도 물질을 포함하며, 일반적으로 상호연결된 다공성 또는 공극 구조를 갖는다. 일반적으로, 가스 확산 지지체의 밀폐 에지는 절삭 에지이다. 일반적으로, 전기 전도 물질은탄소와 같은 부식 방지 물질을 포함하는데, 이는 섬유로 이루어질 수 있다. 이러한 섬유 탄소 구조물은 페이퍼(paper), 직포 직물 또는 부직포 웹의 형태일 수 있다. 또한 전기 전도 물질은 입자 형태이다. 섬유 탄소 구조물과 입자 형태의 전기 전도 물질의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한 전기 전도 물질은 표면 에너지를 증가시키거나 감소시키기 위해 선택적으로 표면 처리를 해서, 소수성을 증가시키거나 감소시키게 한다.
결합제는 구조물에 강도 또는 강성과 같은 원하는 기계적 특성을 제공하기 위해 선택적으로 사용된다. 결합제 자체는 앞서 설명된 바와 같이 표면 처리의 부가적인 목적으로 기능하도록 선택될 수 있다.
또한 미소 다공성 화합물이 가스 확산 지지체 중 하나 또는 모두에 선택적으로 포함될 수 있다. 이러한 화합물은 가스 확산 지지체의 일면 또는 양면에 위치되거나 주입될 수 있다. 이것은 다른 목적들 중에서, 전극촉매 코팅과 미세한 스케일로 전기 접촉 및/또는 유체 접촉을 제공하도록 기능한다. 이것은 가스 확산 지지체의 능력을 증진시켜서, 양극 산화제 스트림에서 액상 물을 발산시키는 것 또는 직접 메탄올 연료 전지의 음극 스트림에서 이산화 탄소 기포를 발산시키는 것과 같은 연료 전지 작동 중의 2상 유동을 가능하게 한다. 일반적으로, 이것은 전기 전도 입자와 결합제를 포함한다. 입자는, 예를 들면 캐보트 코포레이션에 의해 제조된 Vulcan?XC72와 같은 고 구조 카본블랙 또는 아세틸렌 카본블랙일 수 있다. 결합제는 예를 들어 듀폰에 의해 제조된 Teflon?폴리테트라플루오르에틸렌과 같은고분자일 수 있다.
제1 전극촉매 코팅 화합물과 제2 전극촉매 코팅 화합물:
전극촉매 코팅 화합물(12 및 12')은 전극촉매와 이온 교환 고분자를 포함하는데, 두 개의 코팅 화합물은 동일하거나 다를 수 있다. 이온 교환 고분자는, 생성 전극에서 전극촉매에 대한 결합제로 기능하고 촉매 위치에서 이온 전도성을 개선시키는 것을 포함하는 여러 기능을 수행할 수 있다. 선택적으로, 다른 성분이 화합물에 포함되는데, 예컨대 입자 형태의 PTFE와 같은 것이다.
화합물에서 전극촉매는 촉매층에 대해서 특별히 의도되는 용도에 따라 선택된다. 본 발명에서 사용하기에 적합한 전극촉매제는 백금, 루테늄, 로듐 및 이리듐과 이들의 전기 전도 산화물 및 이들의 전기 전도 환원 산화물 같은 하나 이상의 백금 그룹 금속을 포함한다. 촉매제는 지원될 수도 있고 지원되지 않을 수 있다. 직접 메탄올 연료 전지에 있어서, (Pt-Ru)Ox전극촉매제가 유용하다는 것을 알게 되었다. 수소 연료 전지에 대해서 특히 바람직한 촉매제 화합물은 탄소상의 백금, 예컨대 메사추세츠주 내틱에 소재하는 이-테크 코포레이션으로부터 입수되는 60중량% 탄소, 40중량% 백금과 같은 것이다. 본 명세서에 기재된 과정에 따라 채택될 때 이러한 화합물은 크기가 1㎛보다 작은 전극의 입자를 제공했다.
전극촉매 코팅 화합물에 채택된 이온 교환 고분자는 전극촉매 코팅에 대한 결합제로 기능할 뿐만 아니라 막에 전극을 고정시키는 것을 돕기 때문에, 화합물의 이온 교환 고분자를 막의 이온 교환 고분자와 양립시키는 것이 바람직하다. 가장바람직하게는, 화합물의 교환 고분자가 막의 이온 교환 고분자와 동일한 형태이다.
바람직하게는, 본 발명에 따라 사용하는 이온 교환 고분자는 고플루오르화 이온 교환 고분자이다. "고플루오르화"는 고분자의 1가 원자의 전체 개수 중 적어도 90%가 플루오르 원자인 것을 의미한다. 가장 바람직하게는, 고분자는 과플루오르화된다. 또한 고분자가 술폰산염 이온 교환 그룹을 갖는 것이 연료 전지의 사용에 있어서 바람직하다. "술폰산염 이온 교환 그룹"이라는 용어는 술폰산 그룹 또는 술폰산 그룹의 염 중 하나, 바람직하게는 알칼리 금속 또는 암모늄염을 가리킨다. 연료 전지에서처럼 고분자가 양자 교환을 위해 사용되는 적용에 있어서, 고분자의 술폰산 형태가 바람직하다. 사용시에 전극촉매 코팅 화합물의 고분자가 술폰산 형태가 아니라면, 고분자를 사용하기 전의 산 형태로 변환시키기 위해 처리후 산 교환 단계는 요구된다.
바람직하게는, 채택된 이온 교환 고분자는, 이온 교환 그룹을 운반하는 측면 사슬을 갖는 골격(backbone)에 부착되는 반복하는 측면 사슬을 갖는 고분자 골격을 포함한다. 가능한 고분자는 둘 이상의 단량체로 구성되는 호모중합체 또는 공중합체를 포함한다. 공중합체는 일반적으로, 비기능성 단량체이면서 고분자 골격을 위한 탄소 원자를 제공하는 하나의 단량체로부터 형성된다. 제2 단량체는 고분자 골격을 위한 탄소 원자를 제공하고, 또한 양이온 교환 그룹 또는 그 전구물질, 즉 술포닐 플루오르화물(-SO2F)과 같은 술포닐 할로겐화물 그룹을 운반하는 측면 사슬에 기여하는데, 이것은 그 후에 술폰산염 이온 교환 그룹으로 가수분해된다. 예컨대제1 플루오르 첨가 비닐 단량체와 술포닐 플루오르화물 그룹(-SO2F)을 갖는 제2 플루오르 첨가 비닐 단량체의 공중합체가 사용될 수 있다. 가능한 제1 단량체는 테트라플루오르에틸렌(TFE), 헥사플루오르프로필렌, 비닐 플루오르화물, 비닐리딘 (vinylidine) 플루오르화물, 트리플루오르에틸렌, 클로로트리플루오르에틸렌, 과플루오르(알킬 비닐 에테르) 및 이들의 혼합물을 포함한다. 가능한 제2 단량체는 고분자에 원하는 측면 사슬을 제공할 수 있는 전구물질 그룹 또는 술폰산염 이온 교환 그룹과 함께 다양한 플루오르 첨가 비닐 에테르를 포함한다. 또한 제1 단량체는 술폰산염 이온 교환 그룹의 이온 교환 기능을 간섭하지 않는 측면 사슬을 가질 수 있다. 또한 부가적인 단량체가 필요하다면 이러한 고분자에 합체될 수 있다.
특히, 본 발명의 사용을 위해 바람직한 고분자는, 화학식 -(O-CF2CFRf)a-O-CF2CFR'fSO3H로 나타내어지는 측면 사슬을 갖는 고플루오르화, 가장 바람직하게는 과플루오르화 탄소 골격을 포함하는데, Rf와 R'f는 플루오르, 염소 또는 1 내지 10 탄소 원자를 갖는 과플루오르화 알킬 그룹으로부터 별도로 선택되고, a는 0, 1 또는 2이다. 예컨대 바람직한 고분자는 미국특허 제3,282,875호, 미국특허 제4,358,545호 및 제4,940,525호에 개시된 고분자를 포함한다.
전극촉매 코팅 또는 촉매층은 슬러리(slurry) 또는 잉크로부터 형성될 수 있다. 잉크를 위한 액체 매개체는 적용 공정과 양립할 수 있도록 선택된다. 잉크는, 촉매 피복 막을 형성하는 공지된 기술로 막에 도포될 수 있다. 또한 잉크는 가스 확산 지지체에 도포될 수 있다. 몇몇 공지된 도포 기술은 스크린, 오프셋(offset), 사진 요판술, 프렉소 인쇄 또는 패드 인쇄, 또는 슬롯-다이(slot-die), 닥터-블레이드(doctor-blade), 딥(dip) 또는 스프레이 코팅을 포함한다. 전극층의 급건조가 채택된 공정 조건에서 가능하다는 점에서, 매개체가 충분히 낮은 끓는점을 갖는 것이 장점이 된다. 프렉소 인쇄 또는 패드 인쇄 기술을 사용할 때, 막 필름으로 전달하기 전에 화합물이 너무 빨리 건조하지 않고 프렉소 인쇄판 또는 클리케 판 또는 패드에서 건조하는 것이 중요하다.
다양한 극성 유기 액체 또는 이들의 혼합물이 잉크에 대한 적당한 액체 매개체로 기능할 수 있다. 인쇄 공정을 방해하지 않는다면, 미량의 물이 매개체에 존재할 수 있다. 본 발명에 따라 적용되는 전극촉매 코팅 화합물의 액체량이, 공정동안 팽창하는 것으로부터 역효과가 작거나 감지할 수 없도록 제한될 지라도, 몇몇 바람직한 극성 유기 액체는 막을 크게 팽창시키는 특성을 가지고 있다. 고분자 막을 팽창시키는 특성을 갖는 용매가 막에 전극을 더 잘 접촉시키고 더 안전한 적용을 제공할 수 있다고 생각된다. 다양한 알코올이 액체 매개체로 사용하기에 적합하다.
바람직한 액체 매개체는, n-, iso-, sec- 및 터트(tert)-부틸 알코올을 포함하는 적합한 C4 내지 C8 알킬 알코올을 포함하고, 이는 1-펜탄올, 2-펜탄올 및 3-펜탄올, 2-메틸-1-부탄올, 3-메틸, 1-부탄올 등과 같은 이성체 5탄소 알코올, 1-헥산올, 2-헥산올 및 3-헥산올, 2-메틸-1-펜탄올, 4-메틸-1펜탄올 등과 같은 이성체 6탄소 알코올, 이성체 C7 알코올 및 이성체 C8 알코올이다. 또한 고리모양 알코올이 적합하다. 바람직한 알코올은 n-부탄올 및 n-헥산올이다. 가장 바람직한 것은n-헥산올이다.
전극촉매 코팅 화합물의 고분자가 사용시에 술폰산 형태가 아니라면, 다른 액체 매개체가 잉크에서 바람직할 수 있다. 예컨대 앞에서 기재된 바람직한 고분자 중 하나가 술폰닐 플루오르화물의 형태로 술폰산염 그룹을 갖는다면, 바람직한 액체 매개체는 3M에 의해 제조되는 "플루오리너트(fluorinert)" FC-40과 같이 높은 끊는점의 플루오르카본이다.
예를 들어 건조 성능과 같은 잉크의 취급 특성은, 액상 매개체의 전체 중량의 25중량%까지 에틸렌 글리콜 또는 글리세린과 같은 상용성 첨가물을 포함시켜서 변화될 수 있다.
물/알코올 분산액에서 상표명 Nafion?으로 E.I. du Pont de Nemours and Company에 의해 판매되는 과플루오르화 술폰산 고분자의 산 형태의 구입 가능한 분산액이, 프렉소 인쇄 또는 패드 인쇄에서 사용하기에 적합한 전극촉매 코팅 화합물의 준비를 위해 초기 물질로서 사용될 수 있다는 것이 알려져 있다.
전극촉매 코팅 화합물에서, 전극촉매제, 이온 교환 고분자 그리고, 존재한다면 기타 성분의 양을 조절하는 것이 바람직할 수 있어서, 전극촉매제는 생성 전극의 중량당 주요한 성분이다. 가장 바람직하게는, 전극의 이온 교환 고분자에 대한 전극촉매제의 중량 비율은 약 2:1 내지 약 10:1이다.
본 발명의 공정에 따른 전극촉매 코팅 기술의 이용으로 인해, 예를 들어 20㎛ 이상의 두꺼운 것부터 1㎛ 이하의 얇은 것까지의 본질적으로 모든 두께에 해당하는 다양한 인쇄층을 제조할 수 있다. 이러한 전체 두께 범위가 균열, 접착의 손실 또는 기타 비균질성을 나타내지 않고 제조될 수 있다. 두꺼운 층, 즉 복잡한 다중층 구조는, 동일 영역에 적층되는 다중층을 제공하기 위해 프렉소 인쇄술 또는 패드 인쇄술을 사용하여 얻을 수 있는 패턴 등록을 이용함으로써 쉽게 달성될 수 있어서, 원하는 최종 두께가 얻어질 수 있다. 한편으로, 몇 개의 층 또는 단일 층이 매우 얇은 전극을 제조하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 1㎛ 내지 2㎛의 얇은 층은 더 낮은 퍼센트의 고체 구조로 각각의 인쇄로 제조될 수 있다. 몇몇 일반적인 정전 코팅 화합물 또는 잉크가 미국특허 제5,330,860호에 개시된다.
앞에서 언급된 다중층 구조는 전극촉매 코팅을 조성상 변하게 하는데, 예를 들어 비싼 금속 촉매제의 농도는 막, 표면과 같은 기판에서의 거리에 따라 변할 수 있다. 또한 친수성은 코팅 두께의 함수로서 변화하게 될 수 있는데, 예를 들어 변화하는 이온 교환 고분자 EW를 갖는 층이 채택될 수 있다. 또한 보호 또는 마모 방지 상부층이 전극촉매 코팅의 최종 층 용도로 도포될 수 있다.
또한 적용 영역의 중심으로부터 거리의 함수로서 적용되는 양을 조절할 뿐만 아니라 패스(pass)당 적용되는 코팅을 변화시킴으로써, 화합물이 전극촉매 피복 영역의 길이 및 폭에 걸쳐서 변화될 수 있다. 이러한 조절은, 활성이 갑자기 영이 되는 연료 전지의 에지 및 코너에 발생하는 불연속성을 처리하는 데 유용하다. 코팅 화합물 또는 판 이미지 특성을 변화시킴으로써, 영 활성으로 전이가 점진적으로 이루어질 수 있다. 또한 액체 공급 연료 전지에서, 입구 포트에서 출구 포트까지의 농도 변화는 막의 길이 및 폭을 따라서 전극촉매 코팅을 변화시킴으로써 보상될 수 있다.
고분자 막:
본 발명에 따라서 사용하기 위해, 고분자 막(11)은 전극촉매 코팅 화합물에 사용하기 위하여 앞에서 설명된 동일한 이온 교환 고분자로 구성될 수 있다. 막은 공지된 압출 또는 주조 기술에 의해 제조될 수 있고, 용도에 따라 변할 수 있는 두께를 가지는데, 일반적으로 약 350㎛ 이하의 두께를 갖는다. 최근 경향은 약 50㎛ 이하의 얇은 막을 사용하는 것이다. 본 발명에 따른 공정은, 코팅하는 동안 대량의 용매와 연관되는 문제가 특히 제기되는 이러한 얇은 막에 전극을 형성하도록 사용하기에 적합하다. 프렉소 인쇄 공정 또는 패드 인쇄 공정을 하는 동안 고분자가 알칼리 금속 또는 암모늄 염인 경우, 처리후 산 교환 단계를 피하기 위해 막의 고분자가 산 형태이도록 하는 것이 바람직하다. 산 형태 중 적합한 과플루오르화 술폰산 고분자 막이 E.I. du Pont de Nemours and Company에서 상표명 Nafion?으로 입수할 수 있다. 또한 다양한 다른 이온 전도 고분자로부터 제조된 막이 사용될 수 있는데, 예를 들어 국제출원특허 WO 00/15691에서 기재된 바와 같이 술폰화 폴리아로마틱스와 같은 것이 있다.
또한 보강된 과플루오르화 이온 교환 고분자 막은 본 발명의 인쇄 공정에 의해 촉매제 피복 막(catalyst coating membrane)(CCM) 제조에 이용될 수 있다. 보강된 막은 이온 교환 고분자와 함께 다공성 확장 PTFE(expanded PTFE)(ePTFE)을 주입시킴으로써 제조될 수 있다. 확장 PTFE는 메릴랜드주 엘크톤에 소재하는 W.L. Gore and Associates, Inc.에서 상표명 "Goretex"로, 팬실바니아주 피스터빌에 소재하는 테트라테크(Tetratech)에서 상표명 "Tetratex"로 입수할 수 있다. 과플루오르화 술폰산 고분자에 ePTFE를 주입시키는 것은 미국특허 제5,547,551호 및 제6,110,333호에 개시된다.
캘린더링(calendering), 물 수송에 영향을 주는 증기 처리, 또는 전술한 이전 단계로부터 자취 잔해(trace residual)를 제거하기 위한 물 수송 또는 액체 추출과 같은 사후처리에, 전극촉매 코팅 화합물과 함께 피복되는 가스 확산 지지체 및 촉매제 피복 막이 제공된다. 사용되는 막 분산액 또는 용액이 플루오르화 아이오노머(ionomer)의 전구 물질이었다면, 용액 또는 분산액의 적용 후에, 형성된 샌드위치는 전구 물질을 아이오노머로 변환시키는 화학 처리에 적용될 수 있다.
밀폐 고분자:
열경화성 고분자 또는 열가소성 고분자가 밀폐 고분자로 사용될 수 있다. 도5는 압축 성형 공정의 주형에서 제거한 후의, 단위화된 MEA(30)의 개략도이다.
열가소성 고분자는 "압력 및 열의 적용에 의해 부드러워지고 유동하는 물질"이다. 따라서 대부분의 열가소성 물질은 여러번 재성형될 수 있다. 분명한 장점은 성형 후에 버려지거나 부숴진 조각이 연마되고 재성형될 수 있다는 것이다. 잘못 성형된 부분이 있는 경우에, 열가소성 물질은 가열되어 수리를 할 수 있게 한다. 이를 위한 몇몇 기술은, 예컨대 접촉 가열, 적외선 에너지, 초음파 용접과 같은 것을 포함한다. 또한 연료 전지에서 전기 전도체의 존재는 전기 저항 또는 유도 용접의 가능성을 제공하여, 열가소성 구성 부품을 다시 녹여서 재형성시킬 수 있다.
화학적으로, 열가소성 처리는 본질적으로 불활성이어서, 이는 매우 낮은 방출 및 거의 감지할 수 없는 화학 반응을 일으킨다. 따라서 환경 영향, 근로자 노출, 부품에서의 버블 형성과 같은 문제점이 최소화된다. 일 종류로서의 열가소성 물질은 통상적인 사용시에 가장 화학적으로 불활성인 물질을 포함하는데, 이는 플루오르 고분자 및 방향성 폴리(에테르 케톤)와 같은 것이다. 이러한 밀폐 고분자는, 금속, 촉매제 및 반응성 작용기와 같은 어떠한 잠재적인 연료 전지 오염물의 극히 낮은 수준에서 이용할 수 있다.
열가소성 고분자는 연료 전지 설계자에게 중요한 넓은 범위의 물리적 특성을 제공한다. 고밀도 폴리에틸렌 및 폴리비닐리덴 플루오르화물과 같은 반결정체 형태는 기체와 액체에 대한 특히 낮은 투과성과 높은 기계적인 인성을 갖는다. 많은 것들은 순수 또는 보강된 형태 중 어느 하나에서 높은 압축 계수를 가져서, MEA 두께를 상당히 변화시키지 않고 연료 전지 적층 압력을 견고하게 지지하는 데 사용될 수 있다. 결국 용융 가공성 플루오르고분자와 같은 열가소성 물질은, 유전 강도와 전기 저항을 포함하는 내구성 있는 전기 특성을 제공한다.
이러한 적용에서 열가소성 물질에 대한 가장 중요한 장점 중의 하나는 그 유동 특성이다. 사출 성형의 공정에서, 주형 및 MEA는, 주입됨에 따라서 사출되는 밀폐 고분자의 용융 온도 이하에서 유지된다. 밀폐 고분자는 비교적 차가운 표면과 접촉하여 거의 순간적으로 고형화하고, 부가적인 밀폐 고분자는 단지 공동의 내부에서 이 영역을 지나서 계속 흐른다. 이 물질이 유동 첨단에 도달하면, 물질이 퍼져서 더 차가운 표면과 접촉하여 고형화한다. 고분자 처리 문헌에서 "분수 유동(fountain flow)"이라고 하는 이러한 현상은 본 발명의 열가소성 물질에 있어서 특유의 장점을 제공한다. 퍼짐 효과는 초기에 단락 회로 접점에 있거나 단락 회로 접점 근처에 있었던 전극을 분리시킨다. 또한 MEA 층과 접촉하여 급속하게 고형화하는 것은 촉매층의 실링 오프(sealing off)를 방지하게 한다. 열가소성 유동의 전극-분리 작용은 현미경을 이용한 조사를 통해 본 발명의 제품에서 분명히 보여진다.
본 발명에서 사용할 수 있는 열가소성 고분자는 많은 종류가 있을 수 있다. 듀폰 Tefron? FEP 100과 듀폰 Tefron?PFA 340과 같은 용융 가공성 플루오르고분자뿐만 아니라, 부분적으로 플루오르화된 고분자가 사용될 수 있는데, 일 예가 팬실바니아주 킹 오브 프러시아에 소재하는 Atofina Chemicals에 의해 제조되는 Kynar?710 및 Kynar Flex?2801과 같은 폴리비닐리덴 플루오르화물이다. 델라웨어주 윌밍톤에 소재하는 E.I. DuPont de Nemours & Company, Inc.에 의해 제조되는 Kalrez?와 Viton?과 같은 열가소성 플루오르엘라스토머는 이러한 종류에 속한다. 폴리아릴(polyaryl)(에테르 케톤)과 같은 방향성 축합 고분자가 사용될 수 있는데, 일 예가 영국 랭커셔에 소재하는 Victrex Manufacturing Limited에 의해 제조되는 폴리아릴(에테르 에테르 케톤)이고, DuPont에 의해 모두 제조되는 Bynel?40E529와 같은 수정 폴리에틸렌(modified polyethylene)과 Bynel?50E561과 같은 수정 폴리프로필렌(modified polypropylene), 캐나다 앨버타 캘거리에 소재하는 NOVA Chemicals Corporation에 의해 제조되는 Sclair?2318과 같은 폴리에틸렌, Hytrel?(듀폰)과 같은 열가소성 엘라스토머, Zenite?액체-크리스탈 폴리에스테르(듀폰)와 같은 액체-크리스탈 고분자와 Zytel?HTN(듀폰)과 같은 방향성 폴리아미드도 사용가능하다. 열경화성 물질은 가열되었을 때 비가역적으로 반응하여 열과 압력의 이어지는 적용을 하더라도 이를 부드럽게 하여 유동하게 하지 않는다. 열경화성 물질로 준비된 버려지거나 폐기된 조각은 연마되고 재성형될 수 없기 때문에, 열가소성 고분자는 열경화성 물질보다 선호된다. 열경화성 물질의 몇 가지 예는 에폭시, 우레탄 수지 및 경화 천연 고무를 포함한다.
또한 밀폐 고분자는 섬유, 직물 또는 무기 충전제로 선택적으로 보강될 수 있는데, 이는 압축 성형 공정동안 주형에 위치되거나 이전에 밀폐 고분자로 합성될 수 있다. 이러한 보강제는 최종 부분에서 비틀림을 줄일 수 있다.
공정:
다중층 MEA 샌드위치(10)는 그 주위의 프레임 부분(41)을 갖는 하부 플런저(42)의 중심에 위치된다. 플런저는 이형 표면을 갖거나, PTFE 필름과 같은 이형제로 선택적으로 피복되거나 구분될 수 있어서, 성형 후에 부품의 제거를 용이하게 한다. 일반적으로, CCM 도는 막은 가스 확산 지지체보다 크게 잘려진다. 밀폐 고분자 필름의 몇 개의 층은 프레임의 형태로 잘려져서, 가스 확산 지지체(13, 13')를 둘러 싸지만 주연 둘레에서 막(11)의 확장된 부분과 부분적으로 중첩한다. 또한 밀폐 고분자는, 파우더, 스트립(strip), 섬유, 직물, 액체 또는 반죽을 포함하는 많은 다른 형태로 공정에 도입될 수 있다. 조절된 두께의 다이-컷 필름 또는 액체에 대한 로봇 제어를 갖는 계량 펌프와 같이 정확하게 계량되는 방식으로 도입되는 것이 바람직할 수 있다. 밀폐 고분자는 주형에서, 막 위와 아래에 그러나 가스 확산 지지체를 둘러 싸면서 위치된다. 하부 플런저(42)와 같이, 상부 플런저(43)는 이형 표면을 가질 수 있거나 선택적으로 PTFE 필름과 같은 이형제로 피복되거나 구분될 수 있다.
공구의 상부 플런저(43)가 적소에 위치되어, 프레임 부분(41)에 끼워진다. 내부에 물질을 갖는 상태로 공구(40)는 프레스에 놓여져서, 밀폐 고분자의 용융점 이상으로 가열하게 되고, 유압과 같은 프레스의 기계적인 작용에 의해 압축되며, 그 위치에서 냉각된다. 프레스는 한 쪽에서만 가열될 수 있는데, 이 경우 가열되는 쪽의 플런저는 낮은 열 전도성 삽입체를 필요로 한다. 열가소성 시일 물질을 가열하여 융융시키기에 적합한 어떠한 프레스도 본 발명에 사용될 수 있다. 몇몇 공지된 프레스는 인디애나주 와배쉬에 소재하는 Carver Inc., 캘리포니아주 씨티 오브 인더스트리에 소재하는 PHI, 뉴저지주 블룸필드에 소재하는 Johnson Machinery Company의 프레스를 포함한다. 쐐기(도시하지 않음)는 상부 플런저와 프레임 사이에서 프레임 상에 위치되어, MEA 구성 부품이 압축되는 범위를 결정한다. 쐐기가 사용되지 않는다면, 약 0.1㎫ 내지 약 10㎫의 압축 압력, 보다 일반적으로 약 2㎫ 내지 약 3㎫의 압축 압력이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 냉각이 시작되기 전에 밀폐 고분자가 전체적으로 완전하게 용융되는 지점까지 가열된다.밀폐 고분자가 구조적인 일체성을 갖도록 충분히 냉각된 후에, 도5 및 도6에 도시된 단위화된 MEA가 공구로부터 제거되었다. 명백하게 도시된 바와 같이, 단위화된 MEA(30)는 MEA 샌드위치(11)와 일체형 시일(14)을 포함한다. 또한 예컨대 비틀림을 줄이기 위해, 단위화된 MEA는 필요하다면 더 낮은 온도로 냉각될 수 있다.
리지(ridge), 립(rib), 기타 구성 요소(도시하지 않음)가 시일에 인접한 플런저 영역에 오목부를 구비함으로써 시일에 제공될 수 있다.
이미 공지된 압축 성형의 산업적인 공정 중 일 예는 축음기 레코드의 제조였는데, 이는 일반적으로 합성 폴리비닐 염화물로부터 제조된다. 이러한 공정의 일 예가 1982년, 뉴욕 맥그러우-힐의 페트디난드 로드리게스가 저술한 "고분자 시스템의 원리(Principles of Polymer Systems)" 제2판에서 설명된다.
연료 전지:
단위화된 MEA(30)은 연료 전지를 조립하는 데 사용될 수 있다. 양극성 기판(도시하지 않음)이 밀폐 에지들(13, 13')을 구비한 제1 가스 확산 지지체(양극) 및 제2 가스 확산 지지체(음극)의 외부 표면에 위치된다. 시일(14, 14')에 리지, 돔, 립 또는 기타 구조적인 구성 부품(도시하지 않음)이 구비된다면, 양극성 기판은 시일(14, 14')에 이러한 구성과 맞물리는 오목부를 가질 수 있다.
몇 개의 연료 전지가 서로 연결될 수 있는데, 일반적으로 직렬로 연결되어 조립체의 전체 전압을 증가시킨다. 일반적으로 이러한 조립체는 연료 전지 적층물로 알려져 있다.
낮은 전도성 삽입체를 갖는 주형의 사용과 본 발명의 단위화된 MEA의 제조는다음의 예를 참고하면 더 분명해 질 것이다. 이들 예는 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라 단지 예시적인 것이다.
예
대조구 1:
액자형 주형은, RC40-44에 H-13 열처리된 미국 철강 협회(AISI) 규격을 갖는 공구강으로 제조되는데, 펜실바니아주 리딩에 소재하는 카펜터 테크놀로지 코퍼레이션에 의해 제조된다. 주형은 세 개의 부품으로 이루어지는데, 7.6㎝ 사각형 구멍을 갖는 프레임, 0.95㎝ 두께에 7.6㎝ 사각형 하부 플런저, 4.1㎝ 두께에 7.6㎝ 직경 사각형 상부 플런저이다. 구멍은 프레임의 한 측면에 뚫려졌는데, 열전대가 이 경계면에 주형 온도를 판독하기 위해 삽입되었다. 동일한 두께를 갖는 강철 쐐기가, 프레임과 상부 플런저 사이에서 프레임의 대향 측면에 위치되어 MEA에서 압축량을 제한한다.
독일 맨하임에 소재하는 SGL 카본 그룹에 의해 제조되는 SGL "Sigracet" GDL 10AA인 탄소 섬유 재질의 확산 지지체의 두 층 사이에 델라웨어주 윌밍톤에 소재하는 듀폰의 0.2㎜ 두께의 Nafion?117을 포함하는 3층 샌드위치가, 0.08㎜ 두께의 PTFE 이형 필름 위로 하부 플런저의 중심에 위치되었고, 그 주위로 프레임 부분이 위치한다. 이러한 샌드위치는, 연료 전지 기능을 위해 필요한 전극촉매제가 부족하다는 점에서 본질적으로 "모조" MEA이었지만, 동일한 방식으로 기계적, 전기적으로 작동하도록 기능할 수 있었다.
막은 확산 지지체보다 약 7㎜ 크게 잘려졌다. 델라웨어주 윌밍톤에 소재하는 듀폰에 의해 제조된 Bynel?40E529 폴리에틸렌 함유 시일 물질인 열가소성 고분자 필름의 여러 층은 7.6㎝ 외부 직경 및 5.1㎝ 내부 직경의 사각형 치수로 다이-컷되어서, 확산 지지체를 둘러 싸지만 주연의 전체 주위로 막의 확장된 부분과 부분적으로 중첩되는 프레임을 필름이 형성했다. 또한 밀폐 고분자의 층은 막 위 및 아래로 주형에 위치되었다. 이형 필름의 제2 조각이 샌드위치의 상부에 위치되었다.
공구의 상부 플런저가 적소에 위치되어 프레임에 끼워진다. 내부에 물질을 갖는 상태로 공구가 프레스에 위치되었고, 열가소성 고분자의 용융점 위로 가열하게 되며, 유압으로 압축되고 그 위치에서 냉각되었다. 냉각시키기 직전에, 프레임의 온도는 대체로 185℃인 것으로 측정되었고, 프레스 압반 온도에 대한 설정점은 200℃이었다. 프레임 온도가 60℃ 아래가 된 후에, 부품이 공구로부터 제거되었다.
샌드위치 구성 요소는 이렇게 형성된 굳어진 열가소성 고분자 시일에 의해 유지되었다. 또한 MEA 샌드위치는 에지에서 완전히 밀폐되었고, 막의 에지는 어떠한 견본 주위에서도 보이지 않았다. 밀폐 고분자는 주연의 전체 둘레에서 양 쪽 확산 지지체 층과 접촉하고 약간 들어 갈 수 있었다. 그러나 제품 견본은 상당히 비틀어지게 되었고, 막의 중심 부분은 잔물결을 일으키는 것처럼 보였으며, 색이 어두워서 과열되었다는 것을 나타내었다.
예1:
대조구1은 다음의 예외와 함께 반복되었다. 공구의 상부 플런저와 하부 플런저가 수정되어서, 델라웨어주 윌밍톤에 소재하는 듀폰에 의해 제조되는 Bynel?40E529 폴리에틸렌 함유 시일 물질과 접촉시키는 영역만이 강철(steel)이었다. 가스 확산 지지체에 인접한 내부 사각형 영역은 뉴욕주 브룩클린에 소재하는 코트로닉스 코포레이션에서 제조되는 낮은 열 전도성 세라믹인 코트로닉스 914 기계 가공성 유리 세라믹으로 제조되었고, 이 세라믹의 내부 표면은 성형 공정 전체에 걸쳐서 강철 부분보다 훨씬 낮은 온도에서 유지되었다. 또한 성형 온도가 감소되었는데, 설정점 온도가 145℃에서 유지되었고, 최대 프레임 온도는 137℃에서 유지되었다.
이렇게 제조된 견본은 완전히 밀폐되었고, 막의 중심 부분은 기복이 보이지 않으면서 매끄럽고 편평하였다. 그러나 견본은 여전히 약간 휘어졌는데, 이는 형성되는 단위화된 MEA의 비틀림을 방지하기 위해 샌드위치의 구성 요소에 따라 상부 플런저 및 하부 플런저의 질량이 조절되어야 하는 것을 나타낸다. .
예2:
예1이 다음의 예외와 함께 반복되었다. 공구작업은 공구의 상부 플런저 및 하부 플런저가 동일한 4.1㎝의 두께와 질량이 되도록 변경되었다. 프레임은 쐐기를 사용하여 충분히 높게 매달려져서 프레임의 중점은 MEA 물질의 중점과 가까이 있었다.
이렇게 제조된 견본이 완전히 밀폐되었고, 비틀려지지 않았으며, 막의 중심 부분은 매끄럽고 편평해서 기복이 보이지 않았다.
예3:
예2가 다음의 예외와 함께 반복되었다. 즉, 하부 플런저는 세라믹 물질을 포함하지 않는 비수정 플런저로 대체되었다.
이렇게 제조된 견본은 완전히 밀폐되었고, 작은 비틀림이 나타났으며, 막의 중심 부분은 매끄럽고 편평해서 기복이 보이지 않았다.
예4:
예2가 다음의 예외와 함께 반복되었다. 즉, 0.2㎜ 두께의 Nafion?막 대신에, 백금 기반 촉매제 층으로 양 쪽에 코팅된 0.05㎜ 두께의 막이 사용되었다. 이러한 촉매제 코팅 막(CCM)은 PEM 연료 전지에 사용하기 위해 설계되었다.
이렇게 제조된 견본은 수소 연료 테스트 연료 전지에 위치되었고, 전류를 발생시키는 것이 발견되었다. 극성 곡선이 이러한 견본에 대해서 생성되었고, 전통적인 가스켓 및 분리 확산 지지체를 갖는 유사한 전지에 조립된 유사한 CCM의 극성 곡선과 일치하는 것을 알게 되었다.

Claims (21)

  1. 압축 성형 장치에 사용하기 위한 주형이며,
    (a) 중심을 관통하는 구멍을 구비한 프레임부와,
    (b) 하부 플런저와,
    (c) 상부 플런저를 포함하며,
    플런저는 프레임부의 구멍에 실질적으로 꼭 맞게 끼워지도록 제조되고,
    적어도 하나의 플런저는 적어도 하나의 낮은 열 전도성 삽입체를 포함하는 주형.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 낮은 열 전도성 삽입체는 상부 플런저 및 하부 플런저에 존재하는 주형.
  3. 제1항에 있어서, 플런저는 복수개의 낮은 열 전도성 삽입체를 포함하는 주형.
  4. 제3항에 있어서, 적어도 낮은 열 전도성 삽입체는 세라믹인 주형.
  5. 제4항에 있어서, 세라믹은, 알루미나, 알루미나 실리케이트, 유리, 산화 지르코늄 및 붕소 질화물로 이루어지는 군에서 선택되는 주형.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 낮은 열 전도성 삽입체는 적어도 하나의 플런저에 접착제로 결합되는 주형.
  7. 제1항에 있어서, 접착제는 급속 경화 접착체인 주형.
  8. 압축 성형을 사용하여 단위화된 막 전극을 준비하는 공정이며,
    (a) 밀폐 에지를 갖는 제1 가스 확산 지지체, 제1 전극촉매 코팅 화합물, 고분자 막, 제2 전극촉매 코팅 화합물, 밀폐 에지를 갖는 제2 가스 확산 지지체를 포함하는 다중층 샌드위치를 형성하는 단계와,
    (b) 다중층 샌드위치로 밀폐 고분자를 압축 성형하는 단계를 포함하고,
    압축 성형 장치에 사용되는 주형은,
    (c) 중심을 관통하는 구멍을 구비한 프레임부와,
    (d) 하부 플런저와,
    (e) 상부 플런저를 포함하며,
    플런저는 프레임부의 구멍에 실질적으로 꼭 맞게 끼워지도록 제조되고,
    적어도 하나의 플런저는 적어도 하나의 낮은 열 전도성 삽입체를 포함하고,
    밀폐 고분자는 제1 가스 확산 지지체 및 제2 가스 확산 지지체의 밀폐 에지의 적어도 일 부분에 주입되고, 열가소성 고분자는 제1 가스 확산 지지체 및 제2 가스 확산 지지체와 고분자 막의 주연 영역을 둘러 싸서 열가소성 고분자의 유체불투과성 시일을 형성하는 공정.
  9. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 낮은 열 전도성 삽입체는 상부 플런저 및 하부 플런저에 존재하는 공정.
  10. 제8항에 있어서, 플런저는 복수개의 낮은 열 전도성 삽입체를 포함하는 공정.
  11. 제10항에 있어서, 적어도 하나의 낮은 열 전도성 삽입체는 세라믹인 공정.
  12. 제11항에 있어서, 세라믹은, 알루미나, 알루미나 실리케이트, 유리, 산화 지르코늄 및 붕소 질화물로 이루어지는 군에서 선택되는 공정.
  13. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 낮은 열 전도성 삽입체는 적어도 하나의 플런저에 접착제로 결합되는 공정.
  14. 제13항에 있어서, 접착제는 급속 경화 접착제인 공정.
  15. 제8항에 있어서, 제1 전극촉매 코팅 화합물 및 제2 전극촉매 코팅 화합물이 고분자 막의 대향 측면에 피복되어 촉매 피복 막을 형성하는 공정.
  16. 제8항에 있어서, 막과, 밀폐 에지를 갖는 제1 가스 확산 지지체 및 제2 가스 확산 지지체는 모두 동일한 크기인 공정.
  17. 제15항에 있어서, 촉매 피복 막과, 밀폐 에지를 갖는 제1 가스 확산 지지체 및 제2 가스 확산 지지체는 모두 동일한 크기인 공정.
  18. 제8항에 있어서, 밀폐 에지를 갖는 제1 가스 확산 지지체 및 제2 가스 확산 지지체보다 막이 길이가 긴 공정.
  19. 제15항에 있어서, 밀폐 에지를 갖는 제1 가스 확산 지지체 및 제2 가스 확산 지지체보다 촉매 피복 막이 길이가 긴 공정.
  20. 제15항에 있어서, 밀폐 고분자는 열가소성 고분자를 포함하는 공정.
  21. 제15항에 있어서, 밀폐 고분자는 열경화성 고분자 또는 경화성 수지 고분자를 포함하는 공정.
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