KR20060034705A - 물의 전기 분해를 위한 멤브레인-전극 유니트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 정면 및 후면을 갖는 이온-도전성 멤브레인; 정면 상의 제1 촉매층; 정면 상의 제1 가스 확산층; 후면 상의 제2 촉매층 및 후면 상의 제2 가스 확산층을 포함하고, 물의 전기 분해를 위한 멤브레인-전극 어셈블리들 (전기 분해 MEAs)에 관한 것이다.
제1 가스 확산층은 이온-도전성 멤브레인보다 작은 평면 치수를 갖는 한편, 제2 가스 확산층은 본질적으로 이온-도전성 멤브레인과 동일한 평면 치수를 갖는다 ("반-공존형 디자인"). MEAs는 또한 시일링 물질의 개선된 접착성을 생성하는 지지되지 않은 유리 멤브레인 표면을 포함한다. 본 발명은 또한 MEA 제품들의 생산 방법에 관한 것이다.
PEM 물 전해조들, 재생 가능한 연료 전지들 또는 기타 전기 화학적 디바이스들에 사용되는 압력-저항성의 기밀하고 비용-효과적인 멤브레인-전극 어셈블리들이 얻어진다.

Description

물의 전기 분해를 위한 멤브레인-전극 유니트{MEMBRANE-ELECTRODE UNIT FOR ELECTROLYSIS OF WATER}
본 발명은 PEM 물 전해조들에 사용하기 위한 멤브레인-전극 어셈블리("MEA")를 개시한다. 또한, 이 멤브레인-전극 어셈블리는 재생형 연료 전지들(RFCs) 또는 전기 분해의 다른 여러 용도들에서 산소-생산 전극들에 대해 사용될 수도 있다. 더욱이, 멤브레인-전극 어셈블리의 제조 공정이 개시된다.
재생 가능한 자원들에 기초한 미래의 에너지 경제학에서, 수소는 중요한 에너지 수송체가 될 것이다. 물의 전기 분해는 재생 가능한 에너지 자원들을 사용하여 수소를 생산하는 가장 실행 가능한 방법이다. 전해조에 대한 자본 및 생산 단가는 시스템의 전체적인 경제성을 결정하고, 따라서 이것이 수소를 생산하는 실질적인 공정이 될지 여부를 결정할 것이다. 물의 전기 분해에 의한 수소의 생산 단가는 전기 에너지의 소비에 의해 큰 정도까지 영향을 받고, 이는 수소 생산을 위한 전체 단가의 약 70%에 해당할 수 있다.
당업계의 현행 상태에 따라, 보편적으로 물의 전기 분해를 위해 2가지 상이한 유형의 전지, 즉, 알칼리 전해조들 및 중합체 전해질 멤브레인("PEM")을 구비한 전해조들이 사용된다. 귀금속 촉매들과 합하여 PEM을 이용하는 물 전해조들은 현 저히 큰 전류 밀도에서 작동할 수 있고, 따라서 종래의 알칼리-함유 전해조들에 비해 보다 적은 특수 에너지를 소비함으로써, 이들은 보다 큰 생산량 및 보다 낮은 생산 단가의 장점을 갖는다. 따라서, 본 발명은 PEM 전해조들에 의해 물의 전기 분해 과정을 개선시키고, 특히 PEM 전해조들을 위한 개선된 멤브레인-전극 어셈블리들(MEAs)을 제공할 목적을 갖는다.
PEM 전해조들은 일반적으로 PEM 연료 전지와 유사한 구조를 갖지만, 이들은 상이한 방식으로 작동한다. PEM 연료 전지의 오퍼레이션 동안, 산소의 환원이 음극에서 발생하고, 수소의 산화는 연료 전지의 양극에서 발생한다. 최종 효과는 물 및 전력이 생산된다는 것이다. 다른 한편, 전류 흐름 및 전극들은 PEM 전해조에서 반전됨으로써, 물의 분해가 발생한다
산소의 해리는 양극에서 발생하고("산소 진화 반응" 또는 간단히 "OER"), 중합체 전해질 멤브레인을 통해 통과하는 양성자들(H+)의 환원은 음극에서 발생한다("수소 진화 반응" 또는 간단히 "HER"). 그 결과는 물이 전류의 도움으로 수소 및 산소로 분해된다는 것이다. 반응들은 다음 식들로 요약될 수 있다:
2H2O ⇒ O2 + 4 H+ + 4 e- (OER)
4 H+ + 4 e_ ⇒ 2 H2 (HER)
PEM 물 전해조(이하 "전기 분해 MEA라 칭하기도 함")에 대한 MEA는 일반적으로 2개의 전극들과 이 전극들의 2 측면 상에 각각 설치된 2개의 다공성 전류 수집 기들(또는 가스 확산층들) 사이에 샌드위치 구조 방식으로 배열된 중합체 전해질 멤브레인(예를 들면, 듀퐁사로부터 입수한 Nafion®)을 일반적으로 함유한다.
그러나, 전기 분해 MEA가 만족시켜야 하는 상이한 요건들 및 전해조들 및 종래 PEM 연료 전지들의 상이한 작동 조건들 덕택에, 전기 분해 MEAs에 대한 요건 프로필에서 중요한 차이점들이 존재한다:
(a) OER 내의 양극측에 형성된 산소에 의해 유발될 수 있는 부식 덕택에, 탄소 기재 물질들 (예를 들면, 카본 블랙 상에 지지된 Pt/C 촉매들 또는 탄소 섬유들에 기초한 가스 확산층 "GDLs")은 전기 분해 MEA의 양극측에 사용될 수 있다.
(b) 전기 분해 공정은 수소의 저장을 위한 예비 압축을 수행하기 위해 수소측에 대한 승압 하에 빈번히 수행된다. 현재, 15바에 이르는 압력, 예외적인 경우 30바에 이르는 압력이 달성된다. 이는 전기 분해 MEA가 종래의 PEM 연료 전지의 오퍼레이션에서 약 5회 내지 10회에 이르기까지 양극과 음극 사이의 차동 압력에 적용됨을 의미한다. 이는 MEA의 안전성 및 압력 저항에 대한 수요를 증가시킨다. 따라서 비교적 두꺼운 멤브레인 물질들(200㎛ 두께에 이름)을 사용하는 것이 선호된다. 그러나, 본 특허 출원에 개시된 바의 신규한 MEA 구축 개념들은 또한 압력 안전성을 증가시키는데 필요하다.
(c) 수소 뿐만 아니라 산소도 전기 분해 공정 중에 해리되기 때문에, 누출되는 경우 수소/산소 가스가 폭발할 잠재적인 위험성이 있다. 반응물들은 그러한 효과를 피하기 위해 서로 엄격히 분리되어야 한다. 이는 전기 분해 MEAs의 기밀성에 대한 수요를 증가시킨다.
(d) 더욱이, 상이한 촉매들이 전기 분해 MEAs를 위해 사용되어야 한다. 이리듐은 염소 및 산소의 발생을 위한 각각의 공정들에서 그의 독특한 전기 촉매적 특성들에 대해 공지되어 있다. 따라서, 이리듐은 순수한 금속("블랙"으로서)의 형태로 또는 산화물로서, 적절한 경우 다른 산화물들과의 혼합물로서 양극측에서 산소 진화 반응(OER)을 위한 바람직한 물질이다. 전기 분해 MEAs를 위한 적절한 양극 촉매들은 예를 들면 출원인의 독일 특허 출원 P 1 0350 563.6에 개시되어 있다. 모든 귀금속들 중에서, 백금은 음극에서 수소 진화 반응(HER)을 위한 가장 활성인 촉매이고, 전기 분해 MEAs에서 음극 촉매로서 빈번히 사용된다.
이러한 이유들 때문에, PEM 연료 전지들에 사용되는 바의 종래의 MEAs는 PEM 전해조들에 대해 사용될 수 없다.
전기 분해 MEAs의 구축을 위한 여러 제안들은 특허 문헌들에서 공지되고 있다. US 2003/0057088 A1호는 이오노머 멤브레인 2개의 촉매층들 및 한 쌍의 다공성 전류 수집기들을 포함하고, 2개의 전극 플레이트들 사이에 샌드위치-형 방식으로 프레스되는 MEAs를 포함하는 PEM 물 전해조를 개시한다. 촉매층들은 "데칼(decal)" 공정에 의해 멤브레인의 정면 및 후면에 도포된다. 촉매층들, 가스확산층들 및 멤브레인은 동일한 치수를 갖고("공존형 디자인"), 시일들의 사용은 개시되어 있지 않다.
WO 02/27845 A2호는 이오노머 멤브레인에 대한 "통합 멤브레인 지지체 및 프레임 구조물"을 갖는 물 전기 분해 전지를 개시한다. 촉매층들은 멤브레인의 양 측면 상에 도포되고, 단, 멤브레인의 보다 큰 비율이 주변 용역 내에서 코팅되지 않았다. 이는 고가의 이오노머 멤브레인의 상당히 증가된 소비를 초래하고, 이는 보다 고가의 PEM 전해조 비용을 유도한다.
US 6,613,215 B2호는 초박형 복합체 멤브레인을 함유하는 PEM 전해조를 개시한다. 양극 및 음극 촉매들은 멤브레인의 정면 및 후면 각각 상에 도포되고, 일단 다시 멤브레인의 큰 비율은 코팅되지 않고, 추가의 비용들이 결과적으로 발생한다.
전기 분해 MEAs를 생산하는 공정들은 PEM 연료 전지들을 위한 종래의 멤브레인-전극 어셈블리들(MEAs)을 생산하는 공정들과 원칙적으로 유사하다. 일반적으로, 촉매 분말, 용매 및 임의로 중합체 전해질 물질 (즉, 용해된 이오노머)을 포함하는 촉매 잉크들이 제조되고, 이오노머 멤브레인에 직접적으로 도포되거나 또는 먼저 가스 확산층에 도포되고, 이어서 멤브레인에 결합된다 (예를 들면, 본 출원인의 특허 US 5,861,222; US 6,309,772 및 US 6,500,217 참조). 모티브들의 정확한 배치 및 치수 안전성이 갖는 문제점들은 이오노머 멤브레인들의 2개의 측면 코팅에서 특히 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 그의 구조 덕택에 높은 차동 압력(30바에 이르기까지)에서 개선된 압력 안전성을 갖고, 또한 개선된 기밀성을 갖는 전기 분해 MEA를 제공하는 것이다. 전기 분해 MEA는 큰 멤브레인 소비 없이 단순하고, 저렴한 공정에서 생산될 수 있어야 한다. 이 공정은 낮은 고장 범위 및 큰 부합 정확성을 가져야 하고, 따라서 대량 생산에 적합할 수 있어야 한다.
이러한 목적은 특허 청구의 범위 제1항 및 제7항에 따른 MEA를 제공함으로써 달성된다. 바람직한 실시예들은 후속 청구항들에 개시되어 있다. 추가의 청구항들은 본 발명에 따른 생산 공정 및 제품들의 용도에 관한 것이다.
물의 전기 분해를 위한 본 발명의 멤브레인-전극 어셈블리는 도 1에 나타내고, 단 어셈블리 전의 개개의 성분들은 개략적으로 나타낸다. MEA는 정면 및 후면을 갖는 이온-도전성 멤브레인(1), 수소 진화를 위해 정면(음극측) 상의 제1 촉매층(2), 정면 상의 제1 가스 확산층(4), 양극의 산소 진화를 위해 후면(양극측) 상의 제2 촉매층(3), 및 후면 상의 제2 가스 확산층(5)을 포함한다. 이 제1 가스 확산층(4)은 이온-도전성 멤브레인(1)보다 작은 평면 치수를 갖고, 제2 가스 확산층(5)은 본질적으로 이온-도전성 멤브레인(1)과 동일한 평면 치수를 갖는다.
도 2는 어셈블된 상태(5-층 구조물)의 본 발명의 전기 분해 MEA를 보여준다. 주변 영역(7)에서 시일링 물질은 기밀 방식으로 MEA를 둘러싸고, 유리 멤브레인 표면(6) 덕택에 개선된 접착성 및 기밀성을 디스플레이한다. 주변 영역에서 시일링 목적으로 멤브레인 물질 소비가 증가되는 것을 피할 수 있다.
그러나, 가스 확산층(5)은 추가의 실시예에서 생략될 수 있다. 이러한 경우에, 정면 및 후면을 갖는 이온-도전성 멤브레인(1), 정면 상의 제1 촉매층(2), 정면 상의 제1 가스 확산층(4), 및 후면 상의 제2 촉매층(3)을 포함하는 MEA가 얻어진다. 이러한 4-층 MEA는 시일링 물질(7)에 의해 주변 영역 내에 둘러싸인다. 주변 영역에서 멤브레인 물질의 어떠한 소비 증가도 발생하지 않는다.
두 실시예에서, 본 발명에 따른 MEA는 가스 확산층에 의해 지지되지 않는 유리 멤브레인 마진(6)을 갖는다. 주변 영역, 즉 멤브레인(1)의 외부 에지로부터 음극측의 보다 작은 가스 확산층(4)의 외부 에지에 이르는 거리는 작고, 어셈블된 멤브레인-전극 어셈블리에서 원주 둘레에 적어도 0.5 mm의 폭, 바람직하게는 적어도 1 mm의 폭을 갖는다. 비용의 이유로, 마진의 폭은 최대 원주 둘레 5 mm로 제한되어야 한다.
5-층 MEA로서 본 발명의 전기 분해 MEA는 2개의 가스 확산층들(4 및 5)에 관하여 "반공존형 디자인"을 갖는다. "공존형 디자인"(예를 들면 US 2003/0057088 A1에 개시된 바)에서, 2개의 가스 확산층들은 이오노머 멤브레인을 완전히 커버하고, 즉, 멤브레인 및 가스 확산층들은 동일한 치수를 갖고, 동일한 크기로 되어 있다. 이러한 공존형 디자인에서, 가스 확산층에 의해 지지되지 않는 어떠한 유리 멤브레인 마진도 없다(US 5,176,966호 참조).
놀랍게도 높은 차동 압력에서 전기 분해 MEA의 현저히 개선된 압력 안전성은 "반공존형 디자인"에 의해서 및 유리 멤브레인 표면(6)의 존재에 의해서 달성되는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 멤브레인-전극 어셈블리의 주변 영역에서 시일링의 현저히 양호한 기밀성이 얻어진다. 이것은 상기 지시된 바와 같이, PEM 전해조들 내에 전기 분해 MEA를 사용하는 것이 매우 중요하다.
본 발명의 전기 분해 MEA의 추가의 장점은 기재된 구조 덕택에, 다루기 용이한 안정한 구조를 갖는 것이다. 멤브레인-전극 어셈블리의 2개의 촉매층들 또는 전극들은 본 발명에 따른 구축 결과로서 주변 영역에서 보다 큰 거리로 상호 물리적으로 분리된다. 단락 위험성이 현저히 감소된다. 후속 가공 단계들에서(예, 시일링 물질의 설치 중에), 예를 들면 가스 확산층들로부터 섬유들에 의해 극들이 단락될 위험은 없다.
3개의 멤브레인 표면(6)의 작은 폭 덕택에, 멤브레인 소비가 제한된다. 이는 종래의 MEA 제품들에 비해 상당한 비용 절감을 유도한다.
일반적으로 전기 화학적 디바이스들, 특히 PEM 연료 전지들에 사용되는 멤브레인-전극 어셈블리들을 위한 "반공존형 디자인"은 독일 특허 출원 P 103 31 836.4(2003년 7월 14일자로 출원됨)호에 개시되어 있지만, 이는 선행 기술 문헌이 아니다.
본 발명의 전기 분해 MEAs의 생산 공정은 멤브레인 코팅("CCM 공정") 및 가스 확산층 코팅("CCB 공정")의 조합된 공정으로 구성되고, 2개의 기판득 각각은 단지 한쪽 측면 상에서 촉매로 코팅된다. 이중 측면 인쇄 공정에서 정확한 배치 및 치수 안정성의 문제점들은 이러한 방식으로 피해진다. 그러나, 보다 큰 촉매 하중을 달성하기 위해, 기판의 한쪽 측면은 많은 횟수 코팅될 수 있다.
멤브레인-전극 어셈블리들을 생산하기 위해, 귀금속 촉매들은 적절한 용매들을 사용하고, 적절한 경우 이오노머 물질들을 부가함으로써 잉크들 또는 페이스트들로 제조된다. 음극용 촉매가 가스 확산층에 도포되고, 양극용 촉매는 이오노머 멤브레인에 직접 도포된다. 양극 상의 전형적인 촉매 하중은 0.5 내지 4mg의 귀금속/cm2 범위이고, Ir 또는 Ir 산화물을 포함하는 촉매들이 여기서 바람직하게 사용된다. 표준 백금 촉매들(예, Pt/C 또는 Pt 블랙)이 음극 측에 사용된다. 음극 하중은 0.2 내지 1mg Pt/cm2 범위이다. 이어서 건조 공정은 일반적으로 촉매 잉크들로부터 용매를 제거하기 위해 수행된다.
음극을 위한 탄소-베이스 가스 확산층들은 흑연화되거나 또는 탄화된 탄소 섬유 페이퍼, 탄소 섬유 부직포, 직포 탄소 섬유 직물들 등의 다공성의 전기적으로 도전성인 물질들을 포함할 수 있다. 양극측 상의 비탄소 기재 가스 확산층은 직포 금속 메시들, 금속 거즈들, 금속 부직포, 금속 스테이플 섬유들, 금속 멀티필라멘트들 및(또는) 기타 다공성 금속 구조물들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 소결된 티탄 플레이트들 (타입 SIKA-T10®, Radevormwald, GKN으로부터)이 사용될 수 있다.
이온-도전성 멤브레인은 일반적으로 양성자-도전성 중합체 물질들을 포함한다. 술폰산기를 갖는 테트라플루오로에틸렌-플루오로비닐 에테르 공중합체를 사용하는 것이 선호된다. 이러한 물질은 듀퐁사에 의해 상표명 Nafion®으로 시판되고 있다. 그러나, 다른 것, 특히 도핑된 술폰화된 폴리에테르 케톤들 또는 도핑된 술폰화되거나 또는 설핀화된 아릴 케톤들 및 또한 도핑된 폴리벤즈이미다졸들 등의 불소-없는 이오노머 물질들이 사용될 수도 있다. 복합체 멤브레인들, 강화된 멤브레인들, 세라믹 멤브레인들 및 다중층 멤브레인 물질들이 마찬가지로 사용될 수 있다.
본 발명의 멤브레인-전극 어셈블리들의 시일링 또는 에징을 위해, 물 전기 분해의 작동 자건 하에 불활성이고 어떠한 간섭 기질들도 방출하지 않는 유기 중합체들을 사용할 수도 있다. 중합체들은 가스가 새지 않는 방식으로 가스 확산층들을 둘러쌀 수 있어야 한다. 그러한 중합체들이 만족시켜야 하는 추가의 중요한 요건들은 이온-도전성 멤브레인의 유리 표면에 관한 양호한 접착성 및 양호한 보습 특성들이다. 적절한 물질들은 첫째로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PTEE, PVDF, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄 또는 폴리에테르 등의 열가소성 중합체들이고, 둘째로 에폭시 수지들 또는 시아노아크릴레이트들 등의 열경화성 중합체들이다. 추가의 적절한 중합체들은 실리콘 고무, EPDM, 플루오로엘라스토머들, 퍼플루오로엘라스토머들, 클로로프렌 엘라스토머들 및 플루오로실리콘 엘라스토머들 등의 엘라스토머들이다.
미리 절단된 필름들이 본 발명의 멤브레인-전극 어셈블리의 시일링 또는 에징을 위해 사용될 때, 열가소성 물질의 2개의 적절히 미리 절단된 프레임들 사이에 프레스가 놓일 수 있다. 이 프레임들은 이들의 내부 절단 조각이 가능한 한 정확하게 각각의 활성 영역의 형상을 둘러싸도록 절단된다. 이이서, 중합성 필름 물질은 열 및 압력의 작용 하에 용융된다. 이어서, 이는 반공존형 가스 확산층들의 외부 용역 및 멤브레인의 유리 영역을 포위하는 접착제 결합을 형성한다.
본 발명의 전기 분해 MEA의 가스 확산층들(4, 5)은 이들의 주변 영역에서 중합체 물질과 기밀 형식으로 함침될 수도 있다. 이러한 목적으로, 열가소성 중합체의 프레임들은 이들의 내부 절단 조각이 가능한 한 정확하게 각각의 활성 영역의 형상을 둘러싸도록 절단될 수 있다. 그러나, 프레임들의 전체 높이는 프레싱 기구에서 중공 스페이스의 높이보다 다소 더 크다. 이어서, 중합체 물질은 열 및 압력의 작용 하에 용융된다. 이어서, 압력은 프레싱 기구의 높이까지 프레임들의 높이를 감소시킴으로써 중합체는 멤브레인에 이르기까지 바로 가스 확산층의 주변 영역을 함침시키고, 멤브레인의 유리 표면 및 가스 확산층(들)을 포위하는 접착제 결합을 형성한다. 시일링 물질은 적어도 1 mm 깊이, 바람직하게는 적어도 2 mm 깊이까지 MEA의 주변 영역으로 침투해야 한다. 압력 안정성에 관한 매우 양호한 결과들은 이러한 방식으로 얻어진다.
동일한 결과가 액체 형태의 중합성 시일링 물질들을 사용함으로써 달성될 수 있다. 이러한 경우에 시일링 물질의 침투 영역은 그의 점도 및 보습 특성에 의해 조절될 수 있다. 중합성 시일링 물질의 경화는 중합체 유형에 따라 대기중 습기 및(또는) 승온과 접촉함으로써 발생할 수 있다.
본 발명은 그의 제한되지 않은 다음 실시예들에 의해 예시된다.
실시예 1
전기 분해 MEA (4-층 구조물)의 생산
4-층 전기 분해 MEA (도 1 참조, 가스 확산층(5)이 없음)를 생산하기 위해, 한쪽 측면에 코팅된 멤브레인은 제1 단계에서 제조된다. 대응하는 멤브레인 (Nafion N®117, 듀폰사)은 EP 1 1027 385에 개시된 바와 같이 스크린 인쇄에 의해 양극 촉매와 함께 그의 전체 영역 상으로 코팅된다. 이리듐 산화물 분말 (약 30 m2/g의 BET 표면적, Umicore로부터)이 사용된다. 촉매 잉크는 다음 조성을 갖는다:
44.4 g 이리듐 산화물 분말 (Umicore로부터)
46.0 g Nafion N®용액(수중 10부피%, 듀폰사로부터)
9.6 g 프로필렌 글리콜 용매
---------
100.0 g
촉매 하중은 2 mg의 Ir/cm2이다. 촉매-코팅된 멤브레인은 순차로 90℃에서 건조된다. 이어서, 요구되는 포맷(스탬프 치수 5 x 5 cm; 활성 영역 25 cm2)은 멤브레인의 한쪽 측면이 그의 전체 영역에 걸쳐 촉매로 코팅되도록 스탬프된다.
제2 단계에서, 전극은 가스 확산층 (Sigracet 30BC, 소수성화되고, 보상층을 가짐; Meitingen, SGL로부터)으로부터 제조된다. 이러한 목적으로, 가스 확산층은 다음 조성을 갖는 플레이트에 의해 스크린 인쇄에 의해 코팅된다:
18.5 g Pt/C 촉매 (카본 블랙 상의 60중량%의 백금;
Umicore로부터)
55.0 g Nafion N®(수중 10중량%, 듀폰사로부터)
26.5 g 프로필렌 글리콜
---------
100.0 g
촉매 하중은 0.57 mg의 Pt/cm2이다. 가스 확산층은 순차로 110℃에서 건조 된다. 포맷(스탬프 치수 4.7 x 4.7 cm; 활성 영역 22.1 cm2)은 촉매로 한쪽 측면 상에 코팅된 가스 확산층으로부터 스탬프됨으로써, 얻어진 전극은 그의 전체 영역에 걸쳐 촉매로 코팅된다.
제3 단계에서, 4-층 MEA는 가스 확산층의 촉매층이 멤브레인의 아직 코팅되지 않은 측면에 결합되도록 코팅된 멤브레인 및 코팅된 가스 확산층을 상호 라미네이팅함으로써 생산된다. 1.5 mm 폭을 갖는 유리 멤브레인의 마진은 그 배치의 주변부 둘레에서 얻어진다. 라미네이션은 150 N/cm2의 압력 하에 150℃의 온도에서 수행된다.
제4 단계에서, 개시된 MEA는 전해조의 설치 및 양호한 시일링을 허용하는 시일링 물질의 프레임을 구비한다. 120 x 120 x 0.5 mm3 치수의 리세스를 갖는 프레싱 기구가 사용된다. Vestamelt®(폴리아미드; 뒤셀도르프 Degussa로부터)의 2개의 프레임들과 함께 4-층 MEA는 이러한 리세스 내에 놓인다. 프레임들은 각각 11 x 11 cm의 외부 치수 및 0.29 mm의 높이를 갖는다. 하나의 프레임은 4.7 x 4.7 cm의 내부 치수를 갖고, 나머지는 5 x 5 cm의 내부 치수를 갖는다. 하전된 프레싱 기구가 고온 프레스 내에 놓이고, 170℃의 가열 표면 온도에서 60초 동안 프레스된다. 프레싱 시간 말기에, 약 10톤의 압박하는 힘에 도달한다. 프레싱 기구의 냉각 후, 전기 분해 MEA가 최종 치수를 생성하도록 취해져 스탬프된다.
이 공정에 의해 생산된 2개의 MEAs는 각각 4.9 x 4.9 cm의 치수를 갖는 소결된 티탄 플레이트(SIKA-T10®, 두께 2 mm; Radevormwald, GKN으로부터)에 양극측 상에 결합되었다. 전류/전압 곡선은 각각의 경우에 대기압 하에 80℃의 전지 온도에서 기록된다. 여러 전류 밀도들에서 전기 분해 전압에 대해 다음 값들이 얻어진다:
------------------------------------------------------
시료 번호 전압 @ 600 mA/cm2 전압 @ 1000 mA/cm2
-------------------------------------------------------
1 1805 mV 1987 mV
2 1808 mV 1984 mV
-------------------------------------------------------
실시예 2
전기 분해 MEA (5-층 구조물, 반공존형 디자인)의 생산
5-층 전기 분해 MEA(도 2 참조)의 생산은 원칙적으로 실시예 1에 개시된 바와 같이 수행된다. 그러나, 탄소 상에 기재하지 않는 가스 확산층 (이 경우, 5 x 5 cm의 치수, 0.09 mm의 두께를 갖는 다공성 부직포 구조물, Bekinit® 티탄 섬유들로부터 생산됨, 네델란드 Zwevegem Baekaert사로부터)은 제4 단계(즉, 시일링 물질의 도포)가 수행되기 전에 양극 측 상에 양극 촉매층을 직접적으로 위치시킨다. 시일링 물질의 프레임들의 전체 높이는 실시예 1에 비해 티탄 부직포의 두께에 의해 증가된다.
일단 다시, Vestamelt®(뒤셀도르프 Degussa로부터)의 2개의 프레임들과 함 께 5-층 MEA가 그의 리세스 내에 놓인 프레싱 기구가 사용된다. 프레임들은 각각 11 x 11 cm의 외부 치수를 갖는다. 하나의 프레임은 4.7 x 4.7 cm의 내부 치수 및 0.29 mm의 높이를 갖는다. 나머지 프레임은 5 x 5 cm의 내부 치수 및 0.38 mm의 높이를 갖는다. 하전된 프레싱 기구가 고온 프레스 내에 놓이고, 170℃의 가열 표면 온도에서 60초 동안 프레스된다. 프레싱 시간 말기에, 적어도 10톤의 압박하는 힘에 도달한다. 프레싱 기구의 냉각 후, 가공품이 취해지고, 최종 치수를 생성하도록 스탬프된다. 주변 영역 내에서 시일링되고, PEM 물 전해조 내에 직접적으로 설치될 수 있는 압력-안정성 전기 분해 MEA가 얻어진다.

Claims (16)

  1. - 정면 및 후면을 갖는 이온-도전성 멤브레인(1),
    - 정면 상의 제1 촉매층(2),
    - 정면 상의 제1 가스 확산층(4),
    - 후면 상의 제2 촉매층(3),
    - 후면 상의 제2 가스 확산층(5)을 포함하고,
    상기 제1 가스 확산층(4)은 이온-도전성 멤브레인(1)보다 작은 평면 치수를 갖고, 상기 제2 가스 확산층(5)은 본질적으로 이온-도전성 멤브레인(1)과 동일한 평면 치수를 갖는 것인, 물의 전기 분해용 멤브레인-전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이온-도전성 멤브레인(1)의 정면 상의 촉매층(2) 및 후면 상의 촉매층(3)은 상이한 평면 치수를 갖는 것인 멤브레인-전극 어셈블리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이온-도전성 멤브레인(1)은 정면 상의 가스 확산층에 의해 지지되지 않는 유리 표면(6)을 갖는 것인 멤브레인-전극 어셈블리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정면 상의 촉매층(2) 및 후면 상의 촉매층(3)은 귀금속들을 함유하는 촉매들을 포함하고, 임의로 이온-도전성 물질들을 포함하는 것인 멤브레인-전극 어셈블리.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 확산층(4, 5)의 마진 및 가스 확산층에 의해 지지되지 않는 이온-도전성 멤브레인(1)의 유리 표면(6)이 시일링 물질(7)에 의해 둘러싸인 것인 멤브레인-전극 어셈블리.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정면 상의 가스 확산층(4)은 흑연화되거나 또는 탄화된 탄소 섬유 페이퍼, 탄소 섬유 부직포, 직포 탄소 섬유 직물들 및(또는) 유사한 물질 등의 탄소-기재 물질들을 포함하는 한편, 후면 상의 가스 확산층(5)은 비-탄소 기재 물질들, 예를 들면 직포 금속 메시들, 금속 부직포들, 거즈들, 금속 스테이플 섬유들, 금속 멀티필라멘트들 및(또는) 기타 다공성 금속 구조물들을 포함하는 것인 멤브레인-전극 어셈블리.
  7. - 정면 및 후면을 갖는 이온-도전성 멤브레인(1),
    - 정면 상의 제1 촉매층(2),
    - 정면 상의 제1 가스 확산층(4),
    - 후면 상의 제2 촉매층(3)을 포함하고,
    상기 이온-도전성 멤브레인(1)은 정면 상의 가스 확산층에 의해 지지되지 않는 자유 표면(6)을 갖는 것인 멤브레인-전극 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서, 상기 이온-도전성 멤브레인(1)의 정면 상의 촉매층(2) 및 후면 상의 촉매층(3)이 상이한 평면 치수를 갖고, 귀금속들 및 임의로 이온-도전성 물질들을 포함하는 촉매들을 포함하는 것인 멤브레인-전극 어셈블리.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 가스 확산층(4)의 마진 및 상기 이온-도전성 멤브레인(1)의 정면 상의 가스 확산층에 의해 지지되지 않는 유리 표면(6)이 시일링 물질(7)에 의해 둘러싸인 것인 멤브레인-전극 어셈블리.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온-도전성 멤브레인은 양성자-도전성 퍼플루오르화된 중합성 술폰산 화합물, 도핑된 폴리벤즈이미다졸류, 폴리에테르 케톤류, 폴리술폰류 또는 이온-도전성 세라믹 물질들 등의 유기 중합체들을 포함하고, 10 내지 200 ㎛의 두께를 갖는 것인 멤브레인-전극 어셈블리.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 후면 상의 제2 촉매층(3)은 산소의 양극 진화를 위해 귀금속들을 함유하는 촉매들, 바람직하게는 이리듐 및(또는) 루테늄에 기초한 촉매들을 포함하는 것인 멤브레인-전극 어셈블리.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시일링 물질(7)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, PVDF, EPDM, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리아미드 엘라스토머들, 폴리이미드, 폴리우레탄, 실리콘들, 실리콘 엘 라스토머들 등으로 구성된 군으로부터의 열가소성 중합체들 및(또는) 에폭시드들 및 시아노아크릴레이트들로 구성된 군으로부터의 열경화성 중합체들을 포함하는 것인 멤브레인-전극 어셈블리.
  13. (a) 한쪽 측면 상의 촉매로 이오노머 멤브레인(1)을 코팅하는 단계,
    (b) 한쪽 측면 상의 촉매로 탄소-기재 가스 확산층(4)을 코팅하는 단계,
    (c) 이오노머 멤브레인(1)과 접촉하게 되는 촉매층(2)과 함께 이오노머 멤브레인(1)의 코팅되지 않은 측면에 탄소-기재의 촉매-코팅된 가스 확산층(4)을 결합시키는 단계,
    (d) 임의로, 가스 확산층(5)과 접촉하게 되는 이오노머 멤브레인(1) 상의 촉매층(3)과 함께, 후면에 비탄소 기재 가스 확산층(5)을 도포하는 단계,
    (e) 멤브레인-전극 어셈블리의 주변 영역 내에 시일링 물질(7)을 도포하는 단계를 포함하는, 제1항 내지 제12항중 어느 한 항에 따른 멤브레인-전극 어셈블리의 생산 공정.
  14. 제13항에 있어서, 상기 이오노머 멤브레인(1)의 코팅되지 않은 측면에 탄소-기재의 촉매-코팅된 가스 확산층(4)을 결합시키는 단계는 승온 및(또는) 승압에서 수행되는 것인 공정.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 시일링 물질(7)의 도포는 용융 공정들, 주입 몰딩, 열 펄스 용접 및(또는) 고온 프레싱에 의해 실시되는 것인 공정.
  16. 전해조들, 재생 가능한 연료 전지들, 산소-생산 전극들 또는 기타 전기 화학적 디바이스들에서의 제1항에 따른 멤브레인-전극 어셈블리의 용도.
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