KR20070017963A - 집적된 시일링 물질을 갖는 촉매-코팅된 멤브레인 및그로부터 생산된 멤브레인-전극 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인 및 전기 화학적 디바이스들, 특히 연료 전지용 멤브레인-전극 어셈블리(MEA)에 관한 것이다. 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인은 촉매-코팅된 멤브레인의 전체 두께에 적어도 대응하는 두께를 갖고, 멤브레인의 한쪽 측면에 에지 영역 내에 도포된 시일링 물질을 구비한다. 이들의 단순한 물질-보존 구조 덕택에, 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인들 및 그로부터 생산된 멤브레인-전극 어셈블리들은 저렴하게 제조될 수 있다. 이들은 PEM 연료 전지들, 직접 메탄올 연료 전지들(DMFCs), 전해조들 및 기타 전기 화학적 디바이스들에 사용된다.

Description

집적된 시일링 물질을 갖는 촉매-코팅된 멤브레인 및 그로부터 생산된 멤브레인-전극 어셈블리 {CATALYST-COATED MEMBRANE WITH INTEGRATED SEALING MATERIAL AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY PRODUCED THEREFROM}
본 발명은 전기 화학 분야에 관한 것이며, 예를 들면 연료 전지들, 전해조들 또는 전기 화학적 센서들과 같은 전기-화학적 디바이스들을 위한 촉매-코팅된 멤브레인 및 멤브레인-전극 어셈블리에 관한 것이다. 더욱이, 촉매-코팅된 멤브레인 및 멤브레인-전극 어셈블리들의 생산 공정이 개시되어 있으며, 그의 용도가 개시되어 있다.
연료 전지들은 2개의 전극들에서 별개의 위치에서 연료 및 옥시단트를 전력, 열 및 물로 변환시킨다. 사용된 연료는 수소 또는 수소-풍부 가스일 수 있고, 사용된 옥시단트는 산소 또는 공기일 수 있다. 연료 전지에서 에너지 변환 공정은 특히 높은 효율을 갖는다. 이러한 이유 때문에, 연료 전지들은 모바일, 정지형 및 휴대용 용도들에서 점점 더 중요해지고 있다.
이들의 치밀한 구조, 이들의 전력 밀도 및 이들의 높은 효율 덕택에, 멤브레인 연료 전지들(PEMFC, DMFC 등)은 광범위한 분야에서 사용하기에 특히 적절하다.
본 발명의 목적 상, 연료 전지 스택은 연료 전지 유닛들의 스택이다. 이하, 연료 전지 유닛은 간단히 연료 전지라 칭할 수 있다. 그것은 분리기 플레이트들이라 칭하기도 하고, 유닛 내로 가스를 가져오고 전류로 전도되는 작용을 하는 쌍극자 플레이트들 사이에 위치한 멤브레인-전극 어셈블리("MEA")를 포함한다.
멤브레인-전극 어셈블리는 촉매-코팅된 반응층들, 즉 전극들을 갖는 두 측면들 상에 제공된 이온-도전성 멤브레인을 포함한다. 반응층들 중의 하나는 수소의 산화를 위한 양극으로서 구성되고, 제2 반응층은 산소의 환원을 위한 음극으로서 구성된다. 탄소 섬유 펠트, 탄소 섬유 페이퍼 또는 직포 탄소 섬유 직물들로 제조된 가스 확산층들("GDLs"로 약칭됨)이 이들 촉매 층들에 도포된다. GDLs는 전극들에 대한 반응 가스들의 양호한 접근을 제공하고, 용이하게 전류로 전도되게 한다. 본 발명의 목적 상, 그러한 배열은 5-층 멤브레인-전극 어셈블리("5-층 MEA")라 칭할 것이다. 이와 대조적으로, 3-층 CCM("촉매-코팅된 멤브레인")이라 칭하는 정면 및 역전 측면들 상에 촉매로 코팅된 이온-도전성 멤브레인이 있다. 이온-도전성 멤브레인의 단 하나의 측면이 촉매로 코팅되는 경우, 이는 2-층 촉매-코팅된 멤브레인("2-층 CCM")이라 칭해진다.
양극 및 음극은 일반적으로 각각의 반응(수소의 산화 또는 산소의 환원)을 촉매하는 전기 촉매들을 함유한다. 촉매적으로 활성인 성분들로서, 원소 주기율표의 백금족 금속들을 사용하는 것이 선호된다. 사용된 촉매들의 대부분은 촉매적으로 활성인 백금족 금속들이 도전성 지지체 물질의 표면에 미세하게 분할된 형태로 도포된 촉매들로 지지된다. 백금족 금속들의 평균 결정 크기는 약 1 내지 10 nm이다. 미세하게 분할된 도전성 카본 블랙들은 지지체 물질들로서 유용한 것으로 밝 혀졌다.
이온-도전성 멤브레인은 바람직하게는 양성자-도전성 중합체 물질들을 포함한다. 이들 물질들은 이하 간단히 이오노머들이라 칭할 것이다. 술폰산기를 내는 테트라플루오로-에틸렌-플루오로비닐 에테르 공중합체를 사용하는 것이 선호된다. 이 물질은 예를 들면 듀퐁사에 의해 상표명 Nafion®으로 시판되고 있다. 그러나, 다른 것들, 특히 도핑된 술폰화 폴리에테르 케톤들 또는 도핑된 술폰화 또는 설핀화된 아릴 케톤들 및 또한 도핑된 폴리벤즈이미다졸들과 같은 불소-없는 이오노머 물질들을 사용할 수도 있다. 적절한 이온-도전성 멤브레인들은 O. Savadogo의 "Journal of New Materials for Electrochemical Systems" I, 47-66(1998)에 기재되어 있다. 연료 전지들에 사용하기 위해, 이들 멤브레인들은 일반적으로 10 내지 200 미크론의 두께를 가질 필요가 있다.
본 발명은 집적된 시일링 물질을 갖는 촉매-코팅된 멤브레인들(CCMs) 및 멤브레인-전극 어셈블리들(MEAs)을 기재한다. 본 발명에 따른 제품들은 단순화된 물질-보존 구조를 갖고, 따라서 선행 기술에 따라 얻어질 수 있는 종래의 물질들보다 저렴하게 생산될 수 있다.
이러한 경우에 주변 공기 및 기타 반응 가스로부터 연료 전지의 가스 종들의 시일링은 안전성 및 연료 전지 기술의 광범위한 도입에 필수적이다. 따라서, 시일링 물질들의 사용 및 MEA의 구조적 개념으로의 이들의 통합은 매우 중요하다.
멤브레인-전극 어셈블리들에 대한 그러한 구조적 개념들은 예를 들면 미합중 국 특허 제3,314,697호 및 유럽 특허 제700,108 A2에 기재되어 있다. 이러한 개념에서, 멤브레인은 전극들 상으로 확장하는 림을 형성하고, 전지가 밀봉될 때, 이는 셀 플레이트들 사이에서, 필요할 경우 추가의 밀봉부들 사이에서 클램프된다. 그러나, 그러한 돌출하는 멤브레인 림을 갖는 멤브레인-전극 어셈블리들(MEAs)은 제조 및 조립 중에 멤브레인에 대한 기계적 손상에 민감하다. 멤브레인은 반응 가스들의 가스 종들인 수소 및 산소를 상호 분리해야 하기 때문에, 멤브레인에 대한 손상은 용이하게 전지의 손상을 유도한다. 더욱이, 그러한 생성물들의 생산은 돌출하는 림의 영역으로 인해 증가하는 양의 이온-도전성 멤브레인 물질을 사용한다. MEA의 구조 및 구축에 좌우되어, 50% 이상에 이르는 물질(멤브레인의 활성 영역에 기초함)이 요구된다. 따라서, 예를 들면 50 cm2의 활성 영역(즉, 7.1 x 7.1 cm의 치수를 가짐) 및 0.9 cm의 원주로 돌출하는 림을 갖는 MEA는 64 cm2의 전체 영역을 갖는다. 이는 요구되는 멤브레인의 28%(50 cm2의 활성 영역에 대응함)의 추가 영역에 대응한다. 이오노머 멤브레인들은 복잡한 구조를 갖는 유기 중합체들이고, 따라서 고가이다. 보다 큰 멤브레인 림들은 재료 손실을 증가시키고, 따라서 전체 MEA 제품들을 보다 고가가 되게 한다.
유럽 특허 제586,461 B1호는 집적된 시일링 물질들을 함유하는 멤브레인-전극 어셈블리를 기재한다. 이러한 MEA는 5-층 구조를 갖고, 촉매-코팅된 가스 확산층(GDL), 이온-도전성 멤브레인 및 일단 다시 촉매-코팅된 가스 확산층으로 구성된 음극으로 구성되어 있다. 본 특허 출원과 대조적으로, 이러한 MEA를 생산하기 위 해 어떠한 촉매-코팅된 멤브레인들("CCMs")이 사용된다. MEA 생산 공정은 현저히 보다 융통성이 없고, 본 특허 출원과 실질적으로 상이하다. 유럽 특허 제586,461 B1호의 바람직한 실시예에서, 시일링 물질의 2개의 층들이 요구되고, 추가의 실시예에서, 1개의 층의 시일링 물질이 사용되지만, 시일링 물질은 전체 MEA의 복합체를 생산하기 위해 최상위 전극(즉, 최상위 촉매-코팅된 가스 확산층 상)에 도포되기 때문에 상당한 양의 이 물질이 사용된다. 양극, 멤브레인 및 음극 각각은 시일링 물질에 대한 접촉 영역을 가져야 하기 때문에, 활성 MEA 영역의 상당한 손실을 유도하는 큰 오버랩 구역이 존재한다.
유럽 특허 제1,037,295 B1호는 스크린 인쇄에 의해 촉매-코팅된 멤브레인들을 연속적으로 생산하는 것을 기재한다. 촉매 층들은 테잎의 형태로 멤브레인 상에서 선택적으로 (즉, 특정 패턴으로) 인쇄된다. 멤브레인 영역으로 구성되고, 활성 영역으로서 작용하지 않는 마진이 생산된다. 따라서, 이 공정에 의해 생산된 CCMs는 고가이고, 비교적 고가의 재료 단가를 발생시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 집적된 시일링 물질을 함유하고, 저가로 간단히 생산될 수 있는 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인을 제공하는 것이다. 저렴한 생산을 위해, 이온-도전성 멤브레인은 전체 정면 및/또는 역전 측면 상으로 촉매로 코팅되어야 하고, 어떠한 추가의 멤브레인 림도 갖지 않아야 한다. 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인은 5-층 멤브레인-전극 어셈블리를 생산하기 위한 단순한 공정으로 추가로 처리될 수 있어야 한다.
이러한 목적은 특허 청구항 제1항에 청구된 바의 촉매-코팅된 멤브레인을 제공함으로써 달성된다. 바람직한 실시예들은 후속 청구항들에 기재되어 있다. 추가의 청구항들은 이들 촉매-코팅된 멤브레인들이 제공되는 멤브레인-전극 어셈블리들의 생산을 기재한다.
본 발명의 촉매-코팅된 멤브레인들(CCMs)의 특징은 이들이 이온-도전성 멤브레인의 에지 영역 내의 한쪽 측면에 도포된 시일링 물질을 포함한다는 것이다. 시일링 물질의 두께는 적어도 코팅된 이온-도전성 멤브레인의 두께 만큼이다. 이온-도전성 멤브레인은 전체 정면 및/또는 역전 측면 상으로 촉매에 의해 코팅되고, 어떠한 원주로 코팅되지 않은 마진도 없다. 아래 도면들은 본 발명의 여러 실시예들을 보다 상세히 나타낸다.
도 1A는 2개의 층들("2-층 CCM")로 구성된 촉매-코팅된 멤브레인의 바람직한 실시예를 보여준다. 여기서, 이온-도전성 멤브레인(1)은 멤브레인의 전체 영역(즉, 마진 없음) 상으로 촉매층(3)을 구비한다. 시트형 시일링 물질(4)이 멤브레인의 반대쪽의 코팅되지 않은 측면에 도포된다.
도 1B는 연결된 상태로 시일링 물질(4)을 갖는 2-층 구조를 보여준다.
도 1C는 그로부터 "반-공존형" 디자인으로 생산되는 5-층 멤브레인-전극 어셈블리를 보여주고, 이는 정면 측면 상의 촉매-코팅된 가스 확산층(5) 및 역전 측면 상의 촉매-없는 가스 확산층(6)을 2-층 촉매-코팅된 멤브레인과 조합함으로써 얻어질 수 있다. 이온-도전성 멤브레인(1) 및 가스 확산층(5)은 상이한 치수들을 갖는다. 시일링 물질(4)은 멤브레인-전극 어셈블리 내로 집적되고, 가스 확산층들(5 및 6)의 내부(즉, 멤브레인에 대향하는 측면들)에 연결된다.
도 2A는 본 발명의 추가의 바람직한 실시예를 보여준다. 여기서 사용된 촉매-코팅된 멤브레인은 3개의 층들("3-층 CCM")로 구성되어 있다. 이온-도전성 멤브레인(1)은 촉매층을 갖는 정면 측면(2) 및 촉매층을 갖는 역전 측면(3) 상에 제공된다. 두 촉매층들은 멤브레인의 전체 영역 상으로 도포되고, 즉, 코팅되지 않은 멤브레인 마진은 없다. 시트형 시일링 물질(4)은 CCM의 한쪽 측면에 도포된다.
도 2B는 연결된 상태로 시일링 물질(4)을 갖는 3-층 구조를 보여준다.
도 2C는 그로부터 생산된 5-층 멤브레인-전극 어셈블리를 보여주고, 이는 정면 측면 상의 촉매-없는 가스 확산층(5) 및 역전 측면 상의 촉매-없는 가스 확산층(6)을 3-층 촉매-코팅된 멤브레인("3-층 CCM")과 조합함으로써 얻어진다. 여기서 역시, 시일링 물질(4)은 멤브레인-전극 어셈블리 내로 집적되고, 가스 확산층들(5 및 6)의 내부(즉, 멤브레인에 대향하는 측면들)에 연결된다.
촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인들은 멤브레인 표면의 전체-영역 코팅이 수행될 수 있기 때문에 저렴한 공정에 의해 생산될 수 있다. 상이한 포맷들 및 패턴들을 갖는 CCMs은 그의 전체 영역 상으로 코팅된 멤브레인으로부터 간단한 절단 또는 스탬핑에 의해 얻어질 수 있다. 스크린 인쇄에 의한 멤브레인의 코팅은 고가로 생산된 스크린들을 필요로 하지 않고, 치수 문제점들이 발생하지 않는다. 멤브레인 마진이 발생하지 않기 때문에 고가의 멤브레인 물질의 상당한 절감이 달성된다. 더욱이, 시일링 물질은 또한 비용-절감 형식으로 사용되고, 단지 가스 확산 층들의 내부 상의 접촉을 제공하도록 사용된다. 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인들은 5-층 멤브레인-전극 어셈블리를 생산하기 위해 단순한 공정으로 (예, 연료 전지 스택 내의 중첩에 의해, 접착 결합에 의해, 프레싱 또는 라미네이션에 의해) 추가로 처리될 수 있다. 필요할 경우, 전체 공정은 연속 모드로 수행될 수 있다.
시일링 물질이 시트로서 형성되고, 특정 최소 폭의 에지 영역 내의 멤브레인에 도포되는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 시일링 물질은 적어도 1mm의 폭으로 에지에서 이온-도전성 멤브레인에 오버랩되는 것이 유리하다.
시일링 물질의 두께(dD)는 적어도 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인의 전체 두께(dCCM) 만큼인 것이 유리하다. 이는 성분들의 기밀하고, 강력하고 내구성인 결합을 달성한다. 예를 들면 50 미크론의 두께를 갖는 Nafion 112®(듀폰사)로 제조된 멤브레인이 사용되고, 예를 들면 전체 15 미크론 두께의 촉매층이 도포되는 경우, 코팅된 이온-도전성 멤브레인의 전체 층 두께(dCCM)는 65미크론이다. 따라서, 시일링 물질의 두께(dD)는 마찬가지로 적어도 65 미크론이어야 한다. 시일링 물질의 보다 적은 두께가 촉매 층들에 대한 손상을 유도할수록, 보다 큰 층 두께(즉, CCM의 전체 두께보다 50% 더 큰 두께)는 재료의 불필요한 소비를 유도하고, 또한 치수 문제를 유도한다.
시일링 물질로서, 연료 전지의 작동 조건 하에 전기 촉매 분해에 간섭할 수 있거나 또는 다른 방식으로 연료 전지의 기능에 부작용을 미칠 수 있는 기질들을 방출하지 않는 중합체들을 사용할 수 있다. 중합체들은 가스 확산 구조물들과 활성 촉매층들 사이에 기밀 접촉을 제공할 수 있어야 한다. 이들 중합체들의 추가의 중요한 특징은 중합체 전해질 멤브레인과 강한 집적 결합을 형성하는 능력이다. 가능한 시일링 물질들은 폴리에틸렌들, 폴리프로필렌들, 폴리아미드들, 폴리우레탄들, 폴리에스테르들의 클래스의 열가소성 중합체들 및/또는 공중합체들, 실리콘 고무, EPDM 등의 엘라스토머들, 및 에폭시 수지들 및 시아노-아크릴레이트들 등의 열 경화성 물질들이다.
시일링 물질을 도포하기 위해, 중합체는 미리 절삭된 필름의 형태로 또는 액체 또는 몰딩 조성물로서 사용될 수 있다. 미리 절삭된 필름이 생산 공정을 위해 사용될 때, 이온-도전성 멤브레인은 프레스 내에서 시일링 물질의 적절히 미리 절삭된 프레임과 함께 놓일 수 있다. 이 프레임은 그의 내부 개방 영역이 MEA의 목적하는 활성 영역의 치수들에 대응하도록 절삭된다. 이어서, 시일링 물질은 압력 하에 가열에 의해 도포된다. 이러한 공정을 수행하기 위해, 가열 가능한 수압식 프레스들, 캘린더들, 롤러들, 롤러 프레스들 또는 기타 라미네이션 디바이스들을 사용할 수 있으며, 이들 모두는 적절하게는 연속적으로 작동될 수 있다. 프레싱 압력은 본원 특허 출원에서 면적 압력이라 칭한다. 사용된 면적 압력 (시일링 물질의 윈도우 영역에 기초함)은 50 내지 300 N/cm2 범위 내이다. 온도는 20 내지 200 ℃ 범위 내이다. 프레싱 시간은 바람직하게는 1 내지 10분 범위 내이다.
멤브레인-전극 어셈블리들을 생산하기 위한 촉매-코팅된 멤브레인들의 후속 하는 추가의 프로세싱은 동일한 디바이스들을 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 사용된 면적 압력 (보다 큰 가스 확산층의 전체 영역에 기초함)은 바람직하게는 50 내지 200 N/cm2 범위 내이다.
그러나, 촉매-코팅된 멤브레인, 시일링 물질 및 다층 구조에 요구되는 가스 확산층들을 조합하고, 단일 단계로 (즉, 단일-스테이지 생산) 5-층 멤브레인-전극 어셈블리를 생산하는 것이 가능하기도 하다. 이어서, 면적 압력을 위한 값들은 상기 범위 내에서 선택된다.
5-층 멤브레인-전극 어셈블리들은 "공존형" 디자인 또는 "반-공존형" 디자인일 수 있다. "공존형"은 GDLs가 이온-도전성 멤브레인의 전체 영역을 커버하는 것을 의미하는 한편, "반-공존형"은 이온-도전성 멤브레인 및 GDLs이 상이한 치수들을 가짐을 의미한다.
가스 확산층들(GDLs)은 직포 탄소 섬유 직물들, 탄소 섬유 펠트들 또는 탄소 섬유 페이퍼들 등의 다공성의 전기 도전된 물질들로 구성될 수 있다. 이들은 필요할 경우, 방수 처리될 수 있고(있거나) 이온-도전성 멤브레인과 접촉하는 측면에 도포되는 추가의 마이크로층을 가질 수 있다. 더욱이, 그것은 촉매층을 구비할 수 있다. 그러한 가스 확산층들은 현재 상업적으로 입수할 수 있다.
촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인들(CCMs) 및 그로부터 생산된 멤브레인-전극 어셈블리들은 PEM 연료 전지들, 직류 메탄올 연료 전지들(DMFCs), 전해조들 및 기타 전기 화학적 디바이스들에 사용된다.
다음 실시예들은 본 발명을 예시한다.
실시예 1
a) 집적된 시일링 물질을 갖는 3-층 CCM의 생산
그의 전체 영역 상으로 촉매로 코팅된 3-층 멤브레인 (수소/공기 오퍼레이션을 위한 CCM 타입; Umicore AG & Co KG, Hanau)은 출발 물질로서 사용된다. CCM의 Pt 하중은 양극 측면 상에서 0.2 mg의 Pt/cm2 및 음극 측면 상에서 0.4 mg의 Pt/cm2 (즉, 전체 하중 = 0.6 mg의 Pt/cm2)이다. 치수는 72 x 72 mm, 멤브레인의 두께는 25 미크론이고, 촉매층들의 전체 두께는 22 미크론이다. 50 미크론의 두께, 68 x 68 mm의 내부 윈도우 크기 및 100 x 100 mm의 외부 치수를 갖는 폴리아미드 (Vestamelt 3261, Degussa, Dusseldorf)의 시일링 림이 CCM 상에 집중되고, 고온 프레스의 2개의 PTFE 플레이트들 사이에 프레스된다. 고온 프레스는 그것이 시일링 림의 영역에 기초하여 250 N/cm2의 면적 압력을 인가하도록 설정된다. 온도는 160℃이고, 프레싱 시간은 2분이다. 느린 냉각 후, 구조물이 프레스로부터 얻어진다.
b) 5-층 MEA (반-공전형 디자인)의 생산
한쪽 측면 상에 도포된 시일링 림을 갖는 3-층 CCM이 72 x 72 mm의 치수(양극) 및 76 x 76 mm의 치수(음극)를 갖는 2개의 촉매-없는 가스 확산층들(30 BC 유형, SGL-카본, Meitingen) 사이에 집중하여 배치된다. 이 구조물은 보다 큰 가스 확산층의 영역에 기초하여 100 N/cm2의 면적 압력을 인가하도록 설정된 고온 프레스에 의해 135℃에서 3분 동안 고온 프레스 내에서 순차로 프레스된다. 느린 냉각으로 개개의 성분들이 확고하게 결합되는 5-층 MEA를 얻는다.
c) 전기 화학적 측정
5-층 MEA가 PEM 연료 전지 시험국 내의 단일 전지 내로 구축되고, 수소/공기 조건들 (압력: 1 바, 온도: 70℃) 하에 시험된다. 715 mV의 전지 전압이 600 mA/cm2의 전류 밀도에서 얻어진다. 이는 0.43 W/cm2의 양호한 전력 밀도에 대응한다.
실시예 2
a) 집적된 시일링 물질을 갖는 2-층 CCM의 생산
50 미크론 두께의 이오노머 멤브레인이 연속 스크린 인쇄에 의해 촉매층으로 코팅된다. 0.4 mg의 Pt/cm2의 Pt 하중 및 15 미크론 두께를 갖는 음극층이 도포된다. 건조 후, 72 x 72 mm의 활성 영역이 이러한 구조물로부터 스탬프된다. 폴리아미드 시일링 림 (실시예 1 참조; 윈도우 크기 68 x 68 mm; 두께: 75 미크론; 외부 치수 100 x 100 mm)이 코팅되지 않은 멤브레인 측면 상에 집중되고, 전체적인 구조물은 고온 프레스 내에서 2개의 PTFE 플레이트들 사이에서 프레스된다. 면접 압력은 시일링 림의 전체 영역에 기초하여 250 N/cm2이고, 온도는 160℃이고, 프레싱 시간은 2분이다. 느린 냉각 후, 2-층 CCM은 프레스로부터 얻어진다.
b) 5-층 MEA의 생산
양극을 위한 큰 가스 확산층 (30 BC 유형, SGL-카본, Meitingen)은 촉매층(Pt 하중 = 0.2 mg/cm2)을 갖는 그의 전체 영역 상으로 제공된다. 건조 후, 76 x 76 mm의 치수를 갖는 보다 작은 GDL이 스탬프된다. 음극을 위한 가스 확산층으로서, 76 x 76 mm의 치수를 갖는 촉매-없는 GDL이 사용된다. 양극 가스 확산층, 2-층 CCM 및 음극 가스 확산층이 서로의 상부에 스택됨으로써 활성 영역이 집중되고, 양극 촉매층은 코팅되지 않은 멤브레인 측면과 접촉하게 된다. 이 구조물은 135℃에서 3분 동안 고온 프레스 내에서 순차로 프레스된다. 면접 압력 (가스 확산층의 영역에 기초함)은 100 N/cm2이다. 느린 냉각으로 개개의 성분들이 확고하게 결합되는 5-층 MEE를 얻는다.
c) 전기 화학적 측정
5-층 MEA가 PEM 연료 전지 시험국 내의 단일 전지 내로 구축되고, 수소/공기 조건들 (압력: 1 바, 온도: 70℃) 하에 시험된다. 705 mV의 전지 전압이 600 mA/cm2의 전류 밀도에서 얻어진다. 이는 0.42 W/cm2의 양호한 전력 밀도에 대응한다.

Claims (17)

  1. 정면 및 반대 측면들을 갖는 멤브레인(1), 적어도 하나의 촉매층(3) 및 시일링 물질(4)을 포함하고, 여기서 시일링 물질(4)은 이온-도전성 멤브레인(1)의 에지 영역 내에 도포된 것인, 전기 화학적 디바이스들을 위한 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인.
  2. 제1항에 있어서, 상기 시일링 물질(4)의 두께(dD)는 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인의 두께(dCCM)에 적어도 대응하는 것인 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인.
  3. 제1항에 있어서, 상기 시일링 물질(4)은 한쪽 측면 상에 적어도 1mm의 에지 영역 내에 원주로 이온-도전성 멤브레인(1)과 접촉하는 것인 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 촉매층은 귀금속 기재 촉매들을 포함하고, 이온-도전성 멤브레인의 전체 영역 상으로 도포된 것인 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인.
  5. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 이온-도전성 멤브레인의 정면 측면 상의 촉매층(2) 및 반대 측면 상의 촉매층(3)을 모두 포함하는 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인.
  6. 제1항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 시일링 물질은 폴리에틸렌들, 폴리프로필렌들, 폴리테트라플루오로에틸렌들, PVDF, 폴리에스테르들, 폴리아미드들, 폴리아미드 엘라스토머들, 폴리이미드들 및 폴리우레탄들로 구성된 군으로부터의 열가소성 중합체들 및/또는 공중합체들, 실리콘들, 실리콘 엘라스토머들, EPDM, 불소화 엘라스토머들, 과불소화 엘라스토머들, 클로로프렌 엘라스토머들, 플루오로실리콘 엘라스토머들로 구성된 군으로부터의 엘라스토머들 및/또는 에폭시 수지들, 페놀계 수지들 및 시아노-촉매들로 구성된 군으로부터의 열경화성 중합체들을 포함하는 것인 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인.
  7. 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온-도전성 멤브레인은 양성자-도전성 과불소화 중합성 술폰산 화합물들, 도핑된 폴리벤드이미다졸들, 폴리에테르 케톤들, 폴리술폰들 및/또는 이온-도전성 세라믹 물질들 등의 유기 중합체들을 포함하는 것인 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인.
  8. 정면 및 반대 측면들을 갖는 이온-도전성 멤브레인(1), 정면 측면 상의 제1 촉매층(2), 반대 측면 상의 제2 촉매층(3), 정면 측면 상의 제1 가스 확산층(5), 반대 측면 상의 제2 가스 확산층(6) 및 시일링 물질(4)을 포함하고, 여기서 상기 시일링 물질(4)은 에지 영역 내의 가스 확산 층들(5 및 6) 각각의 내부와 접촉하는 것인, 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인.
  9. 제8항에 있어서, 상기 시일링 물질은 적어도 1 mm의 폭까지 에지 영역 내에 원주로 가스 확산층들(5 및 6)의 내부와 접촉하는 것인 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 가스 확산층들(5 및 6)은 직포 탄소 섬유 직물들, 탄소 섬유 펠트들 또는 탄소 섬유 페이퍼들 등의 다공성의 전기 도전성 물질들을 포함하는 것인 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인.
  11. - 전체 영역 상으로 도포된 적어도 하나의 촉매층을 갖는 이온-도전성 멤브레인(1)을 제공하는 단계 및
    - 승압 및/또는 승온의 도움으로 한쪽 측면 상에 이온-도전성 멤브레인(1)의 에지 영역 내에 시일링 물질(4)을 도포하는 단계를 포함하는, 집적된 시일링 물질을 갖는 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인의 제조 공정.
  12. - 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 청구된 바의 시일링 물질을 갖는 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인을 제공하는 단계, 및
    - 승압 및/또는 승온의 도움으로 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인의 정면 및 역전 측면들에 가스 확산층들(5 및 6)을 도포하는 단계를 포함하는, 집적된 시일링 물질을 갖는 멤브레인-전극 어셈블리의 제조 공정.
  13. - 전체 영역에 도포된 적어도 하나의 촉매층을 갖는 이온-도전성 멤브레인(1)을 제공하는 단계,
    - 이온-도전성 멤브레인(1)의 에지 영역 내의 한쪽 측면 상에 시일링 물질(4)을 배치하는 단계,
    - 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인의 정면 및 역전 측면들 상에 가스 확산층들(5 및 6)을 배치하는 단계,
    - 승압 및/또는 승온에서 구조물을 결합하는 단계를 포함하는, 집적된 시일링 물질을 갖는 멤브레인-전극 어셈블리의 제조 공정.
  14. 제11항에 있어서, 상기 압력 (시일링 물질의 프레임 영역에 기초한 면적 압력으로 인용됨)은 50 내지 300 N/cm2 범위 내이고, 상기 온도 범위는 20 내지 200 ℃인 공정.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 압력 (가스 확산층의 영역에 기초한 면적 압력으로 인용됨)은 50 내지 200 N/cm2 범위 내이고, 상기 온도 범위는 20 내지 200 ℃인 공정.
  16. 전기 화학적 디바이스들, 특히 연료 전지들용의 멤브레인-전극 어셈블리들을 제조하기 위해 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 청구된 바의 촉매-코팅된 이온-도전성 멤브레인들의 용도.
  17. 제8항 내지 제10항중 어느 한 항에 따른, 전기 화학적 디바이스들, 특히 연료 전지들을 위한 멤브레인-전극 어셈블리들의 용도.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100737828B1 (ko) * 2006-08-28 2007-07-12 한국과학기술연구원 밀봉재의 수평 방향으로의 변형을 억제하는 장벽 구조를갖는 평판형 고체전해질 연료전지 스택
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CN111755726A (zh) * 2020-07-10 2020-10-09 山东魔方新能源科技有限公司 一种膜电极的制备方法、膜电极及燃料电池
CN114420984A (zh) * 2021-12-22 2022-04-29 新源动力股份有限公司 一种燃料电池膜电极组件的制作方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19703214C2 (de) * 1997-01-29 2003-10-30 Proton Motor Fuel Cell Gmbh Membran-Elektrodeneinheit mit integriertem Dichtrand und Verfahren zu ihrer Herstellung

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100737828B1 (ko) * 2006-08-28 2007-07-12 한국과학기술연구원 밀봉재의 수평 방향으로의 변형을 억제하는 장벽 구조를갖는 평판형 고체전해질 연료전지 스택
KR20160136372A (ko) * 2014-03-24 2016-11-29 존슨 맛쎄이 푸엘 셀스 리미티드 촉매-코팅된 멤브레인-시일 어셈블리의 제조 방법
CN111755726A (zh) * 2020-07-10 2020-10-09 山东魔方新能源科技有限公司 一种膜电极的制备方法、膜电极及燃料电池
CN111755726B (zh) * 2020-07-10 2024-02-20 魔方氢能源科技(江苏)有限公司 一种膜电极的制备方法、膜电极及燃料电池
CN114420984A (zh) * 2021-12-22 2022-04-29 新源动力股份有限公司 一种燃料电池膜电极组件的制作方法

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