KR20070030837A - Membrane electrode assembly with controlled water management/ion flow - Google Patents

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도날드 제임스 하이게이트
조나단 앤써니 로이드
시몬 본
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아이티엠 퓨얼 셀즈 엘티디.
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Abstract

막-전극 조합체는 이온 흐름을 조절하기 위한 그리드, 막 재료의 분리된 층 및/또는 하나 이상의 전극으로/ 또는 전극으로부터의 액상 또는 기체상 반응 성분의 전달을 위한 이온적으로 불활성인 재료를 포함한다. Membrane-electrode combinations include a grid for controlling ion flow, a separate layer of membrane material and / or an ionically inert material for the transfer of liquid or gaseous reaction components from and / or to one or more electrodes. .

막 전극 조합체, 물 관리, 이온흐름 Membrane Electrode Assembly, Water Management, Ion Flow

Description

물 관리/이온 흐름이 조절된 막 전극 조합체 {MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY WITH CONTROLLED WATER MANAGEMENT/ION FLOW}Membrane electrode assembly with controlled water management / ion flow {MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY WITH CONTROLLED WATER MANAGEMENT / ION FLOW}

본 발명은 전기화학적 전지 및, 특히, 물 관리/이온 흐름이 조절된 막 전극 조합체에 관한 것이다.The present invention relates to electrochemical cells and, in particular, membrane electrode combinations with controlled water management / ion flow.

전기화학적 전지에서 전해질로서 사용된 다수의 이온성 폴리머 막은 오직 하나의 활성 재료를 포함한다. 불활성 재료들은 종종 활성 폴리머를 위한 발판 및 기계적 구조로서 사용된다. 그러한 막들은 각각의 전극에 다른 특성을 제공하기 위해 적층된다. 모든 경우에서, 두 개의 막 전극 표면의 각각의 각 점에서 특성 및 재료들은 동일하다. Many ionic polymer membranes used as electrolytes in electrochemical cells contain only one active material. Inert materials are often used as scaffolds and mechanical structures for active polymers. Such films are stacked to provide different properties to each electrode. In all cases, the properties and materials are the same at each point of the two membrane electrode surfaces.

전기화학적 전지 내의 효과적인 물 관리는 양호한 성능에 필수적이다. 예를 들면, 연료 전지에서, 성능은 고체 폴리머 전극 (SPE)에서 수화 조절에 강하게 의존한다. 연료 전지의 작동 동안에, 이온들은 SPE를 통해 이동한다. 이렇게 이동하면서, 이들은 이들과 함께 물 분자를 동반한다. 이는 전기-삼투성 드래그로 알려져 있다. 이러한 현상의 최종 결과는, 예를 들면 양성자-전도, 양이온성 교환 (CE) SPE에서, 양극은 건조되는 경향이 있고 그리고 음극은 범람하는 경향이 있다. 이것은 SPE에서 이온 전도의 용이함을 감소시키고 그리고 산소의 음극으로의 접근을 방 해함으로써 연료 전지 성능에 있어서 부정적인 영향을 끼친다. 물은 음극에서 전기화학 반응의 결과로 생성되므로, 음극 범람의 문제를 만든다. 히드록실 이온-전도 음이온성 교환 (AE) SPE에서, 상황은 뒤바뀌지만, 그러나 문제는 동일하게 남아있다: 물이 양극에서 생성되고, 그리고 음극에서 사용되고, 따라서 양극은 범람하는 경향이 있고 그리고 음극은 건조되는 경향이 있다.Effective water management in electrochemical cells is essential for good performance. For example, in fuel cells, performance strongly depends on hydration control in the solid polymer electrode (SPE). During operation of the fuel cell, ions travel through the SPE. In so doing, they accompany water molecules with them. This is known as electroosmotic drag. The end result of this phenomenon is that, for example in proton-conducting, cationic exchange (CE) SPEs, the positive electrode tends to dry and the negative electrode tends to flood. This has a negative impact on fuel cell performance by reducing the ease of ion conduction in the SPE and preventing access of oxygen to the cathode. Water is produced as a result of the electrochemical reaction at the cathode, thus creating a problem of cathode overflow. In a hydroxyl ion-conducting anionic exchange (AE) SPE, the situation is reversed, but the problem remains the same: water is produced at the anode, and used at the cathode, thus the anode tends to overflow and the cathode Tends to dry.

이들 문제를 극복하기 위한 시도가 두 가지 주요한 경로를 통해 이루어져 왔다. 첫 번째로, 연료 공급물은 물이 SPE 막의 양극 쪽으로 운반되는 것을 돕고, 건조를 감소시키기 위해 적셔져 왔다. 이것은 양극 범람의 위험을 알리는 동안, 설비의 상당한 균형을 요구하고, 이것은 장치 비용을 증가시키고 출력을 감소시킨다. 두 번째로, 더 얇은 SPE 막이 물이 음극에서 양극으로 역류해야하는 거리를 가상적으로 감소시키기 위해 추구되어왔다. 그러나, 전기-삼투성 드래그는 이러한 메커니즘을 통한 물 균형을 여전히 제한하고, 동시에 기계적으로 덜 안정한 SPE 막은 더 높은 연료 크로스-오버 (cross over)를 갖게 된다. Attempts to overcome these problems have been made through two main routes. First, the fuel feed has been wetted to help the water be transported to the anode side of the SPE membrane and to reduce drying. While this presents a risk of anode overflow, it requires a substantial balance of equipment, which increases device costs and reduces power. Secondly, thinner SPE membranes have been sought to virtually reduce the distance that water has to flow back from the cathode to the anode. However, electro-osmotic drag still limits the water balance through this mechanism, while at the same time mechanically less stable SPE membranes have higher fuel cross over.

연료 전지에 의해 생성된 전압은 일반적으로 반응물의 전기 화학적 전위 및 사용된 어떠한 촉매의 효율에 의존한다. 전지에 의해 생성된 전류는 그것의 유효 영역, 막의 이온성 저항 및 연료의 전달이 촉매-막의 접촉면에서 얼마나 효과적인지에 의존한다. 출력은 전압 및 전류의 곱이고, 그리고 보통 전지로의 연료 흐름 속도를 감속시키거나 제한함에 의해, 또는 전지에 비 제한된 연료를 제공하고 그리고 요구물에 대한 에너지 잉여물을 조절 (예를 들어, 배터리를 비움에 의해)함에 의해 조절된다. 출력을 조절하는 이들 방법은 우선 비능률의 이유로 바람직하지 않 다. The voltage produced by the fuel cell generally depends on the electrochemical potential of the reactants and the efficiency of any catalyst used. The current generated by the cell depends on its effective area, the ionic resistance of the membrane and how effective the delivery of fuel is at the contact surface of the catalyst-membrane. The output is the product of voltage and current, and is usually provided by slowing or limiting the rate of fuel flow to the cell, or providing unrestricted fuel to the cell and adjusting the energy surplus to the requirements (e.g., By emptying). These methods of adjusting the output are, first of all, undesirable for reasons of inefficiency.

WO03/023980은 친수성 폴리머 및 연료 전지에서 또는 연료 전지로서 사용될 수 있는 막 전극 조합체 (MES's)에서의 그들의 사용을 개시한다.WO03 / 023980 discloses their use in hydrophilic polymers and membrane electrode combinations (MES's) that can be used in or as a fuel cell.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명은 물 생성 및/또는 MEA의 막을 통과하는 이온의 흐름이 조절될 수 있는 수단을 제공한다.The present invention provides a means by which water production and / or flow of ions through the membrane of the MEA can be controlled.

본 발명의 첫번째 양상에서, 막은 하나 이상의 전극으로 및/또는 전극으로부터 액상 또는 기체상 반응 성분의 전달에 대해 이온적으로 불활성인 재료를 포함한다. 대안적으로, 막은 음이온성 교환 재료 및 양이온성 교환 재료를 포함하고, 그리고 이들 재료들은 이온적으로 불활성 재료에 의해 분리된다. 친수성인 그러나 이온적으로 활성은 아닌 재료의 분포는 전지에서 수압 조건, 특히 생성물인 물의 재분포를 이오노머의 효과적인 작동을 유지하고 Nafion (또는 다른 낮은 물 함량, 낮은 물 투과성 막)기재의 고체 폴리머 연료전지의 공통의 문제인 촉매 전극 구조의 범람을 예방하거나 또는 감소시키기 위해 조절할 수 있다. In a first aspect of the invention, the membrane comprises a material that is ionically inert to the transfer of liquid or gaseous reaction components to and / or from one or more electrodes. Alternatively, the membrane comprises an anionic exchange material and a cationic exchange material, and these materials are separated by an ionically inert material. The distribution of materials that are hydrophilic but not ionically active can maintain the effective operation of the ionomer under hydraulic conditions, especially the redistribution of product water in the cell, and the Nafion (or other low water content, low water permeable membrane) based solid polymer fuel Adjustments can be made to prevent or reduce flooding of the catalytic electrode structure, which is a common problem for cells.

본 발명의 두 번째 양상에서, 막은 본질적으로 이온적으로 활성인 재료의 시트 또는 층, 예를 들어, 하나 이상의 얇은 평면의 병렬 층 형태인 하나 이상의 음이온성 교환 재료 및 또한 하나 이상의 평면의 병렬 층 형태인 하나 이상의 양이온성 재료의 시트 또는 층으로 포함하고, 그리고 상기 층들은 이온성 접촉 상태에 있고 하나의 전극으로부터 다른 전극으로 이온의 흐름이 재료의 층 사이의 접촉면을 통과하도록 배열된다. 하나의 시스템 (CE라고 함)은 양극과 접촉하고 그리고 다른 재료 (AE라고 함)는 양극과 접촉한다. 이 경우, 유력한 전하 운반체는 CE 내의 양성자 및 AE 내의 OH이온이다. 이 배열은 각 전극 상의 촉매가 다른 촉매가 알칼리 환경에서 작동하는 동안에 하나는 산 환경에서 작동되도록 독립적으로 선택될 수 있다는 것을 의미한다. 게다가, 산소-수소 연료 전지의 경우에서, 생성물인 물은 복합재 막의 AE 및 CE 성분들 사이의 접촉면에서 생성될 것이고, 따라서 촉매-전극 구조의 범람의 문제를 피할 수 있다. In a second aspect of the invention, the membrane is in the form of a sheet or layer of essentially ionically active material, for example one or more anionic exchange materials in the form of one or more thin planar parallel layers and also one or more planar parallel layers One or more sheets or layers of cationic material, the layers being in ionic contact and arranged so that flow of ions from one electrode to the other passes through the contact surface between the layers of material. One system (called CE) contacts the anode and the other material (called AE) contacts the anode. In this case, the potent charge carriers are protons in CE and OH ions in AE. This arrangement means that the catalyst on each electrode can be independently selected so that one is operated in an acid environment while the other catalyst is operated in an alkaline environment. In addition, in the case of oxygen-hydrogen fuel cells, the product water will be produced at the interface between the AE and CE components of the composite membrane, thus avoiding the problem of flooding of the catalyst-electrode structure.

본 발명의 다른 양상에서, MEA는 전기적으로 전도성인 그리드 또는 그리드들을 포함한다. 조합체의 적어도 부분을 통과하여 적절한 전위차를 제공함에 의해 이온 흐름을 조절하는 것을 포함하는 이러한 접근법은 상기 언급한 기술들을 저지하고 폐기하는 것과는 전혀 별개의 것이다. 그것은 특히 다른 SPE 기술과 관련된 수화 문제를 겪지않는 본질적으로 친수성 재료를 사용하는데 적합하다. In another aspect of the invention, the MEA comprises an electrically conductive grid or grids. This approach, including regulating ion flow by providing an appropriate potential difference through at least a portion of the combination, is completely separate from obstructing and discarding the aforementioned techniques. It is particularly suitable for using essentially hydrophilic materials that do not suffer from hydration problems associated with other SPE technologies.

MEA는 복수개의 이와 같은 조합체의 형태, 예를 들면 스택 (stack)일 것이다. MEA 또는 스택은 전지에 결합될 것이다. 전지는 연료 전지 또는 전기화학적 전지, 예를 들어, 전해조 또는 광전지로서 사용될 것이다.The MEA will be in the form of a plurality of such combinations, for example a stack. The MEA or stack will be coupled to the cell. The cell will be used as a fuel cell or an electrochemical cell, for example an electrolytic cell or a photovoltaic cell.

본 발명은 양이온성 및 음이온성인 다수의 활성재료, 그리고 임의로 또한 친수성 및/또는 이온적으로 불활성 및 비-친수성인 비-활성 재료를 포함할 수 있는 복합재의 막을 제공한다. 이들은 고형 폴리머 복합재 전해질 (SPCE)을 형성하기 위해 인 시추에서 폴리머화에 의해 적절한 전구체로부터 형성될 수 있고, 또한 상기 전구체는 최종 막에 포함되기 위해 개별적으로 폴리머화 될 것이다. The present invention provides membranes of composites that may include a plurality of active materials that are cationic and anionic, and optionally also non-active materials that are hydrophilic and / or ionically inert and non-hydrophilic. These may be formed from suitable precursors by polymerisation in in -situ to form a solid polymer composite electrolyte (SPCE), which will also be polymerized individually to be included in the final film.

전기화학적 전지 내에서 SPCE의 사용은 이온적으로 활성인 상(들)을 통한 이온 전도를 위한 경로를 제공할 것이다. 연료 전지의 경우, 전기-삼투적 드래그가 종래의 SPE 재료의 경우처럼, 여기서도 발생될 것이다. 그러나, 재료의 이온적으로 불활성인 상(들)을 통한 이온의 수송은 없다. 그러므로, 친수성인 이온적으로 불활성인 상에서, 물은 이들 비교적 고 열확산성 경로를 통해, 작동 동안에 수압적 균형이 유지되는 것을 돕기 위해 고농도에서 저농도로 자유롭게 이동한다. 이 상을 통한 물 이동은 전기-삼투적 드래그에 의해 지연되지 않을 것이다. 동일한 SPE에서 AE 및 CE 상을 둘 다 사용하는 것은 수화 조절을 위한 추가의 경로를 제공하고, 반면에 속도 변화는 물 생성/사용 조합의 다양성을 허용한다.The use of SPCE in electrochemical cells will provide a path for ion conduction through ionically active phase (s). In the case of fuel cells, electro-osmotic drag will occur here, as in the case of conventional SPE materials. However, there is no transport of ions through the ionically inert phase (s) of the material. Therefore, the hydrophilic, ionically inert phase, water freely moves from high to low concentrations through these relatively high thermal diffusivity pathways to help maintain hydraulic balance during operation. Water movement through this phase will not be delayed by electro-osmotic drag. Using both AE and CE phases in the same SPE provides an additional route for hydration control, while rate change allows for a variety of water generation / use combinations.

본 발명은 전기화학적 전지의 SPE에서, 공장의 추가적인 균형을 요구하지 않는 경로를 통해 효과적인 물 관리를 허용한다. 예를 들면, SPE에서 수압 안정성은 연료 전지 효능을 유지하는 것을 돕는다. 수압 안정성은 또한 건조 및 재-수화로 인한 SPE 내에서 치수적 변화를 감소시키고, 이것은 종래의 SPE 재료를 사용하는 연료 전지에서 관찰되는 또 다른 일반적인 실패 양식인 연료 전지에서 관찰되는 촉매/SPE 접촉면의 탈층화에 기여한다고 믿어진다.The present invention allows for effective water management in the SPE of an electrochemical cell via a route that does not require additional balance of the plant. For example, hydraulic stability in SPE helps to maintain fuel cell efficacy. Hydraulic stability also reduces dimensional changes in the SPE due to drying and re-hydration, which is another common failure modality observed in fuel cells using conventional SPE materials. It is believed to contribute to de-stratum.

본 발명에 관련한 다른 장점은 본 발명이 전지의 전기화학적 활성의 직접적 조절을 허용한다는 것이다. 특히, 본 발명은 연료 전지의 전기적 출력을 직접적으로 조절하는 방법을 제공한다. Another advantage associated with the present invention is that the present invention allows direct control of the electrochemical activity of the cell. In particular, the present invention provides a method of directly regulating the electrical output of a fuel cell.

바람직한 desirable 구현예의Implementation 설명 Explanation

본 발명은 개선된 수화의 유지를 제공하는 신규한 복합재 재료를 설명한다. 세개의 주요한 구현예가 있다. The present invention describes a novel composite material that provides improved retention of hydration. There are three main embodiments.

첫번째 주요한 구현예는 만약 친수성이라면, 막 내에서 물 이동을 위한 경로를 제공하고, 그리고 전기-삼투적 드래그에 의해 지연되지 않는 이온적으로 불활성인 재료를 포함한다. 연료 전지에서 CE 재료의 경우, 이는 음극에서 양극으로 물의 역-확산을 허용한다. 음극에서 과량의 물의 일부가 이온적으로 불활성인 활성 성분을 통해 역-확산됨에 따라 양극의 건조가 감소된다. 이것은 SPE를 통한 고 이온성 전도를 유지함으로써 높은 효율을 유지하는 것을 돕는다. 연료 전지에서 AE 재료의 경우, 이것은 양극에서 음극으로 역-확산을 허용한다; CE 재료에 적용되었을 때와 동일한 이점이 적용된다. 추가적인 연료 증습 (humidification)은 요구되지 않는다. 이온적으로 불활성인 재료가 전기-화학적으로 활성이 아니기 때문에, SPCE 표면상의 어떠한 그러한 영역은 촉매 작용을 요구하지 않는다. 비-친수성의, 이온적으로 불활성인 재료가, 만약 유리하거나 및/또는 바람직하다면, 물리적 강도 및 치수적 안정성을 증가시키기 위해 첨가될 수 있다. 막은 미소공성의, 비-친수성의, 이온적으로 활성인 재료를, 모세관 작용을 통한 물의 투과를 위해 포함할 것이다. The first major embodiment, if hydrophilic, comprises an ionically inert material that provides a path for water migration within the membrane and is not delayed by electro-osmotic drag. In the case of CE materials in fuel cells, this allows the back-diffusion of water from cathode to anode. Drying of the anode is reduced as part of the excess water at the cathode is back-diffused through the ionically inactive active ingredient. This helps to maintain high efficiency by maintaining high ionic conduction through the SPE. For AE materials in fuel cells, this allows back-diffusion from anode to cathode; The same benefits apply as when applied to CE materials. No additional fuel humidification is required. Since the ionically inert material is not electrochemically active, any such region on the SPCE surface does not require catalysis. Non-hydrophilic, ionically inert materials can be added to increase physical strength and dimensional stability, if advantageous and / or desired. The membrane will comprise a microporous, non-hydrophilic, ionically active material for permeation of water through capillary action.

두번째 주요한 구현예는 SPCE에서 AE 및 CE 상의 결합물을, 양극 및 음극 위치에서 물의 생성 및 사용을 조절하기 위해 사용한다. 연료 전지에서 CE 재료는 음극에서 물을 발생시키고 그리고 AE 재료는 음극에서 물을 사용하고 양극에서 물을 생성하기 때문에, AE 및 CE 재료를 다른 비율로 사용하는 것은 양극 및 음극 둘 다에서 물 생성의 조절을 허용한다. 이온적으로 불활성 상이 이온성 상을 분리하기 위해 사용되어야 한다; 이는 물 확산을 증가시키기 위해 친수성일 수 있고, 또는 분리 및 추가적 강도 또는 치수적 안정성을 제공하기 위해 비-친수성이 될 수 있다.The second major embodiment uses a combination of AE and CE phases in SPCE to control the production and use of water at the anode and cathode positions. In fuel cells, because CE materials generate water at the cathode and AE materials use water at the cathode and water at the anode, the use of AE and CE materials in different proportions results in water generation at both the anode and cathode. Allow adjustment. An ionically inert phase should be used to separate the ionic phase; It can be hydrophilic to increase water diffusion or can be non-hydrophilic to provide separation and additional strength or dimensional stability.

세번째 주요한 구현예는 그리드의 사용을 수반한다. 이것은 이온 흐름을 조절하는 데 사용될 수 있다. The third major implementation involves the use of a grid. This can be used to regulate ion flow.

이들 세 개의 구현예는 막을 통한 수화 조절 및 이온 흐름에 대한 광범위한 접근을 제공하기 위해 개별적으로 또는 함께 사용될 수 있다.These three embodiments can be used individually or together to provide extensive access to hydration control and ion flow through the membrane.

본 발명의 생성물은 두가지 단계, 즉, 이온적으로 불활성인 상(들)의 생산 단계, 및 이온적으로 활성인 친수성 폴리머(들)의 주입 단계를 포함하는 공정에 의해 생산될 것이다.The product of the present invention will be produced by a process comprising two steps: the production of ionically inactive phase (s), and the implantation of ionically active hydrophilic polymer (s).

이온적으로Ionically 불활성인  Inert 활성상Active phase

이온적으로 불활성 재료는 적용에 따라, 친수성 또는 비-친수성 또는, 결합물일 것이다.The ionically inert material may be hydrophilic or non-hydrophilic or a combination, depending on the application.

이온적으로 불활성상은 효과적인 물 전달을 허용하고 이온적으로 활성 재료의 적당한 영역을 제공하기에 충분한 치수를 생산해야 한다. 이들 치수는 최종 생성물의 적용에 따라, 변화할 것이다.The ionically inert phase should produce enough dimensions to allow effective water transfer and to provide a suitable area of the ionically active material. These dimensions will vary depending on the application of the final product.

이온적으로 불활성 상의 예는 10 내지 2000㎛ 사이의 두께, 및 100 내지 100,000㎛ 사이의 구멍 크기를 갖는 메시 (mesh)이다. 상기 구멍은 어느 입체 형상일 수 있다.An example of an ionically inert phase is a mesh having a thickness between 10 and 2000 μm and a pore size between 100 and 100,000 μm. The hole may be any three-dimensional shape.

추가의 예는 중합 반응 전에 이온적으로 활성인 재료들 사이에 채워진 10 및 2000㎛ 사이의 직경의 입자를 포함하는 이온적으로 불활성인 분말이다. A further example is an ionically inert powder comprising particles of between 10 and 2000 μm in diameter filled between ionically active materials prior to the polymerization reaction.

대부분의 폴리머는 소수성으로 기재된 경우에도, 다소의 물을 흡수할 것이다; 예를 들어, 소수성이라고 여겨질 이들을 포함하는 대부분의 폴리머는 최대 5%까지 물을 흡수할 것이다. 폴리머는 전기화학적 전지에서 물 수송 요구사항에 맞도록 선택되어야 한다. Most polymers will absorb some water, even when described as hydrophobic; For example, most polymers, including those that are considered hydrophobic, will absorb water up to 5%. The polymer should be chosen to meet the water transport requirements in the electrochemical cell.

이온적으로 불활성이고 그리고 비-친수성인 재료의 특정 예는 폴리에스테르 또는 폴리에틸렌이다.Particular examples of ionically inert and non-hydrophilic materials are polyesters or polyethylenes.

친수성 특성을 갖는 모노머의 예는 아미노-알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트이고, 특히 알킬기는 1 내지 4개의 탄소를 갖고, 예를 들어, 메틸 또는 에틸이다. 아미노기는 모노- 또는 디-치환되고 및 어떤 치환기는 바람직하기는 C1 - 4알킬기, 예를 들어, 메틸 또는 에틸이다. 특정 예는 아미노에틸 아크릴레이트, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트, 메틸아미노에틸 메타크릴레이트 및 디에틸아미노에틸 메타크릴레이트이다. 히드로알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트는 또한 친수성 모노머로서 사용될 것이고 그리고 이들에서 알킬기는 바람직하기는 1 내지 4개의 탄소 원자이고, 예를 들어, 메틸 또는 에틸이다. 특정 예는 히드록시에틸 메타크릴레이트 (HEMA)이다. Examples of monomers having hydrophilic properties are amino-alkyl acrylates and methacrylates, in particular alkyl groups having 1 to 4 carbons, for example methyl or ethyl. Amino group mono- or di-substituted with any substituent, and is preferably to the C 1 - 4 alkyl groups such as methyl or ethyl. Specific examples are aminoethyl acrylate, dimethylaminoethyl acrylate, methylaminoethyl methacrylate and diethylaminoethyl methacrylate. Hydroalkyl acrylates and methacrylates will also be used as hydrophilic monomers in which the alkyl groups are preferably 1 to 4 carbon atoms, for example methyl or ethyl. Specific example is hydroxyethyl methacrylate (HEMA).

바람직한 친수성 모노머는 N-비닐피롤리돈 (VP) 및 다른 비닐 락탐, 및 아크릴아미드 및 메타아크릴아미드 및 N-치환된 그들의 유도체들을 포함한다. 치환된 아크릴아미드 및 메타아크릴아미드 유도체는 모노- 또는 디- 치환된 것이고, 그리고 바람직한 치환체는 알킬, 히드록시알킬 및 아미노알킬 (모노- 및 디-치환된 아미노알킬을 포함하는), 예를 들어, 디-알킬 아미노알킬 기이다. 바람직하게는 어떠한 알킬기는 1 내지 4 탄소 원자를 포함하는 것으로 나타나고, 메틸 및 에틸이 특히 바람직하다. 그러한 유도체의 예는 N-메틸아크릴아미드, N-이소프로필아크릴아미드, N,N-디메틸아크릴아미드, N,N-디메틸아미노메틸아크릴아미드, N,N-디메틸아미노에틸아크릴아미드 및 N-메틸아미노이소프로필아크릴아미드이다.Preferred hydrophilic monomers include N-vinylpyrrolidone (VP) and other vinyl lactams, and acrylamides and methacrylamides and their N-substituted derivatives. Substituted acrylamide and methacrylamide derivatives are mono- or di-substituted, and preferred substituents are alkyl, hydroxyalkyl and aminoalkyl (including mono- and di-substituted aminoalkyl), for example Di-alkyl aminoalkyl groups. Preferably any alkyl group appears to contain 1 to 4 carbon atoms, with methyl and ethyl being particularly preferred. Examples of such derivatives are N-methylacrylamide, N-isopropylacrylamide, N, N-dimethylacrylamide, N, N-dimethylaminomethylacrylamide, N, N-dimethylaminoethylacrylamide and N-methylamino Isopropylacrylamide.

폴리머는 바람직하기는 예를 들어, 상기와 같은 두 개 이상의 친수성 모노머의, 또는 하나 이상의 친수성 모노머와 하나 이상의 다른 모노머의 코폴리머이다. 바람직하기는, 친수성 모노머는 알킬 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트, 특히 여기서 알킬기는 1 내지 4 탄소 원자를 갖고, 예를 들어, 메틸 또는 에틸이고, 또는 아크릴로니트릴과 코폴리머화된다. 적절한 코폴리머의 특정 예는 VP와 메틸 메타크릴레이트 (MMA)의, VP와 HEMA의, 및 VP, 스티렌과 아크릴로니트릴의 코폴리머이다. 테레프탈산과 VP의 코-폴리머도 또한 적절할 것이다. The polymer is preferably, for example, a copolymer of two or more hydrophilic monomers as described above, or one or more hydrophilic monomers and one or more other monomers. Preferably, the hydrophilic monomer is an alkyl acrylate or methacrylate, in particular where the alkyl group has 1 to 4 carbon atoms, for example methyl or ethyl, or copolymerized with acrylonitrile. Specific examples of suitable copolymers are copolymers of VP and methyl methacrylate (MMA), of VP and HEMA, and of VP, styrene and acrylonitrile. Co-polymers of terephthalic acid and VP will also be suitable.

폴리머는 가교되어야 하는 것이 바람직하고, 그리고 이것은 디- 또는 폴리-기능적 가교제를 모노머 시스템에서 포함시킴에 의해 달성될 것이다. 적절한 가교제의 예는 두 개 이상의 에틸렌적으로 불포화된 기, 예를 들어, 알릴 메타크릴레이트, 디비닐벤젠, 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 트리메틸로프로판 트리메타크릴레이트 및 트리메틸로프로판 트리메타크릴레이트를 포함하는 화합물이다. 보통 폴리머는 상대적으로 약하게 가교되어야 하고, 가교제는, 예를 들면, 모노머 시스템의 약 1 중량%의 양으로 사용되는 것이 바람직하다.The polymer should preferably be crosslinked, and this will be achieved by including di- or poly-functional crosslinkers in the monomer system. Examples of suitable crosslinkers include two or more ethylenically unsaturated groups such as allyl methacrylate, divinylbenzene, ethylene glycol dimethacrylate, trimethylpropane trimethacrylate and trimethylpropane trimethacrylate. It is a compound containing. Usually the polymer should be relatively lightly crosslinked and the crosslinker preferably used in an amount of, for example, about 1% by weight of the monomer system.

고-강도 폴리머 시스템은 또한 아크릴로니트릴 및 VP로부터 얻어지는 것과 같은 몇몇 경우에서도 바람직하다. High-strength polymer systems are also preferred in some cases, such as those obtained from acrylonitrile and VP.

메타크릴산을 함유하는 복합재는 고유의 통합된 pH 조절 재료를 포함하여 생성될 수 있다. 그처럼, 재료는 산 및 알칼리 성분 둘 다를 동일한 구조의 일부로서 포함하는 복합물이다. 그러한 재료는 이온적으로 활성 성분으로서 SPCE 내에서 또는 신규한 합성물 SPE로서 그것의 고유의 범위에서 사용될 수 있다. 메타크릴산은 감마선 방사 및 열적 개시를 포함하는 다수의 경로를 통해, 예를 들어, 하나 이상의 아크릴로니트릴, MMA, HEMA, N,N,N-트리메틸암모늄 클로라이드, 비닐벤젠 트리메틸암모늄 클로라이드, 물 및 알릴 메타크릴레이트와 폴리머화될 것이다. 그러한 재료의 예는 메타크릴산, 아크릴로니트릴, 비닐벤젠 트리메틸암모늄 클로라이드, 물 및 알릴 메타크릴레이트로부터 얻어진다. Composites containing methacrylic acid can be produced including inherent integrated pH adjusting materials. As such, the material is a composite comprising both acid and alkali components as part of the same structure. Such materials can be used in SPCE as ionically active ingredients or in their own range as novel composite SPE. Methacrylic acid is passed through a number of routes including gamma radiation and thermal initiation, for example one or more acrylonitrile, MMA, HEMA, N, N, N-trimethylammonium chloride, vinylbenzene trimethylammonium chloride, water and allyl Will polymerize with methacrylate. Examples of such materials are obtained from methacrylic acid, acrylonitrile, vinylbenzene trimethylammonium chloride, water and allyl methacrylate.

이온적으로Ionically 불활성인  Inert 활성상의Active phase 폴리머화Polymerization

친수성인 이온적으로 불활성인 상의 폴리머화는 화학적 개시제의 사용에 의해 및 가열에 의해 또는 조사 (irradiation)의 사용에 의해 수행될 것이고, 이 경우 가열 또는 개시제는 필요치 않다. 전기-폴리머화가 또한 가능하다.Polymerization of the hydrophilic ionically inert phase will be carried out by the use of chemical initiators and by heating or by the use of irradiation, in which case no heating or initiator is required. Electro-polymerization is also possible.

특히 충분한 화학적 개시제는 아조비스프로필퍼카보네이트 또는 벤조일 퍼옥시드와 같은 유기 퍼옥시드이다. 30 내지 80℃, 바람직하기는 30 내지 80℃의 온도에서 가열하는 것이 일반적으로 적절하고 그리고 온도를 증가시키는 일련의 단계에서 가열을 수행하는 것이 대체로 바람직하다.Particularly sufficient chemical initiators are organic peroxides such as azobispropylpercarbonate or benzoyl peroxide. It is generally appropriate to heat at a temperature of 30 to 80 ° C., preferably 30 to 80 ° C., and it is generally preferred to carry out the heating in a series of steps of increasing the temperature.

기초적 폴리머화가 수행된 후에, 후-경화 (post-cure) 처리는 예를 들어, 폴리머를 85 내지 95℃의 온도, 바람직하기는 진공하에서 가열함으로서 달성될 것이다.After the basic polymerization has been carried out, the post-cure treatment will be achieved, for example, by heating the polymer under a temperature of 85 to 95 ° C., preferably under vacuum.

폴리머화가 조사(助射)에 의해 실시되면, 다양한 형태의 방사선, 예를 들어, UV 광, X-선 또는 감마선과 같은 이온화방사선, 또는 전자 또는 광자 빔과 같은 입자상 방사선이 사용될 것이다. 바람직하기는 방사선은 코발트 60 기원의 또는 전자의 빔으로부터의 이온화 감마 방사선이다. 기초적 폴리머화가 완료된 후에, 후-경화 처리는 추가의 조사에 의해 실시될 것이다.If the polymerization is carried out by irradiation, various forms of radiation will be used, for example ionizing radiation such as UV light, X-rays or gamma rays, or particulate radiation such as electron or photon beams. Preferably the radiation is ionized gamma radiation from a beam of cobalt 60 origin or from an electron. After the basic polymerisation is complete, the post-curing treatment will be carried out by further investigation.

비록 대부분의 친수성 폴리머들은 바람직하기는 1 및 4 Mr 사이의 선량으로 폴리머화되지만, 폴리머화 조사는 0.1 및 20Mr 사이에서 사용될 수 있다. 이 바람직한 선량은 1시간 내지 10일 사이의 기간에 걸쳐 적용되어야 한다.Although most hydrophilic polymers are polymerized preferably at doses between 1 and 4 Mr, polymerisation irradiation can be used between 0.1 and 20Mr. This preferred dose should be applied over a period between 1 hour and 10 days.

통상적으로, 폴리머화를 겪는 혼합물은 모노머 또는 모노머들, 가교제 및 필요한 어떠한 개시제로 이루어질 것이고, 그러나, 만약 바람직하다면, 하나 이상의 모노머의 용매, 예를 들어, 물이 포함될 것이다. Typically, the mixture undergoing polymerization will consist of a monomer or monomers, a crosslinking agent and any initiator needed, but if desired, will include a solvent of one or more monomers, eg water.

일단 이온적으로 불활성인 활성상이 제조되면, 이온적으로 전도성인 재료가 이온적으로 불활성인 상에 의해 제공된 공백을 채우기 위해 사용될 수 있다. 이것은 그리고 나서 인-시추 폴리머화될 것이다. 대안으로, 상은 독립적으로 폴리머화되고 그리고 그 후 막을 만들기 위해 결합될 수 있다. Once the ionically inactive active phase is produced, an ionically conductive material can be used to fill in the voids provided by the ionically inactive phase. This will then be in-situ polymerized. Alternatively, the phases can be polymerized independently and then combined to make a film.

이온적으로Ionically 활성상에서In active phase 사용을 위한  For use 폴리머Polymer

이온적으로 활성 재료의 두가지 주요한 범주, AE SPE 및 CE SPE가 있다. 그러한 재료들은 WO03/023890에 기술되어 있고, 내용은 참조에 의해 결합된다. 본 발명에 따르면, 이들 재료들은 이온적으로 불활성인 상과 분리되어 또는 결합하여 사용된다. 모든 경우에서, AE 및 CE 상들은 다른 이온성 기 및 다른 이온성 강도를 갖는 다수의 다양한 폴리머 화합물을 함유할 것이다.There are two main categories of ionically active materials, AE SPE and CE SPE. Such materials are described in WO03 / 023890, the contents of which are incorporated by reference. According to the invention, these materials are used separately or in combination with the ionically inert phase. In all cases, the AE and CE phases will contain many different polymeric compounds with different ionic groups and different ionic strengths.

특정 예는 이온적으로 불활성인 친수성 상에 의해 분리되고, 수소 및 산소 연료 전지와 함께 사용되는 AE 및 CE 상의 사용이다. 이것은 도 1에 나타내었다. 1:1 비율의 CE 및 AE의 실시예에서, 다음의 반응이 발생할 것이다. 양극에서, 4 H2 들어옴, 4 H2O 나감; 음극에서, 2O2 들어옴.Specific examples are the use of AE and CE phases separated by ionically inert hydrophilic phases and used with hydrogen and oxygen fuel cells. This is shown in FIG. 1. In the examples of CE and AE in a 1: 1 ratio, the following reaction will occur. At anode, 4 H 2 in , 4 H 2 O exit; At the cathode, 2O 2 enters.

CE 상은 양극으로부터 수소를, 음극으로부터 산소를 사용하고 그리고 음극에서 물을 생성한다. 물은 또한 삼투적 드래그의 결과로서 막을 통과하여 양극으로 드래그된다.The CE phase uses hydrogen from the anode, oxygen from the cathode and produces water at the cathode. Water is also dragged through the membrane and into the anode as a result of the osmotic drag.

AE 상은 음극으로부터 수소를, 음극으로부터 산소 및 물을 사용하고 그리고 양극에서 물을 생성한다. 어떠한 삼투적 드래그는 또한 물을 음극에서 양극으로 운반한다. 친수성 통로는 물이 막을 통과하여 확산되는 것을 허용한다.The AE phase uses hydrogen from the cathode, oxygen and water from the cathode, and produces water at the anode. Any osmotic drag also carries water from the cathode to the anode. Hydrophilic passageways allow water to diffuse through the membrane.

추가의 실시예는 비-친수성 이온적으로 불활성 상에 의해 분리된, 3:1 비율의 CE:AE 이온성 상을 사용한다. 수소:산소 연료 전지에서 이것은 동일한 양의 물이 양극에서 및 음극에서 생성되는 결과를 초래할 것이다. 정확한 비율의 AE:CE는 전기-삼투성 드래그 수준에 의존하므로, 어떠한 기체 수화에 대한 어떠한 필요성이 제거된, 그리고 자가-수화하는 SPE를 제공하는 시스템이 생성될 것이다.Further examples use a CE: AE ionic phase in a 3: 1 ratio separated by a non-hydrophilic ionically inert phase. In hydrogen: oxygen fuel cells this will result in the same amount of water being produced at the anode and at the cathode. Since the correct ratio of AE: CE depends on the electro-osmotic drag level, a system will be created that eliminates any need for any gas hydration and provides a self-hydrating SPE.

이 두번째 단계에 대한 이온적으로 활성 재료의 폴리머화는, 친수성 상에서 요구되었던 것과 동일한 원칙을 따른다.Polymerization of the ionically active material for this second step follows the same principle as was required for the hydrophilic phase.

AE-CE 라미네이트의 사용은 물리적으로 분리가 되든 안되든 간에, 각 전극상의 촉매가 최적의 화학적 반응을 위해 개별적으로 선택되는 것을 허용하고, 그리고 전지로부터 단일 막 조직을 사용했을 때 입수 가능한 것보다 더 높은 개방형 회로 전위를 나타낼 것이다. 더욱이, 수소 및 산소를 연료 및 산화제로서 사용했을 때 생성물인 물이 AE 및 CE 층 사이의 접촉면에서 막 구조물 내에서 생성된다. 이들 층은 생성물인 물의 수압에 의해 강제로 분리될 것이고 그리고 따라서 본 발명의 바람직한 구현예는 다양한 층 사이의 연결을 형성하기 위해 그리고 복합물 구조의 (수압적 및 전기적) 내부 통합성을 유지하기 위해 상호침투된 네트워크 구조물의 사용을 수반한다. The use of AE-CE laminates, whether physically separated or not, allows the catalyst on each electrode to be individually selected for optimal chemical reactions, and higher than is available when using single membrane tissue from the cell. Open circuit potential. Moreover, when hydrogen and oxygen are used as fuels and oxidants, the product water is produced in the membrane structure at the contact surface between the AE and CE layers. These layers will be forcibly separated by the hydraulic pressure of the product water, and thus a preferred embodiment of the present invention is mutually compatible to form connections between the various layers and to maintain the (hydraulic and electrical) internal integrity of the composite structure. Involves the use of infiltrated network structures.

라미네이트 사이의 접합부는 물 축적 및 그에 따른 수압으로 인한 분리를 예방하기에 충분할 정도로 단단해야 한다. 이것은 적절한 접착제의 사용에 의해 달성될 것이지만, 바람직한 시스템은 GB-A-1463301에 설명된 상호침투된 네트워크 폴리머 시스템이고, 그 내용은 참조에 의해 결합된다. The joints between the laminates must be rigid enough to prevent water buildup and subsequent water pressure separation. This will be achieved by the use of a suitable adhesive, but the preferred system is the interpenetrating network polymer system described in GB-A-1463301, the contents of which are incorporated by reference.

대조 그리드의 사용Use of contrast grid

바람직한 구현예에서, 본 발명의 전지는 전지의 막 내에 배열된 전기적으로 전도성을 갖는 그리드를 포함한다. 전압은 막을 통과하는 이온의 흐름이 조절되도록 허용하면서, 전극 및 그리드를 통과하여 적용될 것이다. 사실상, 그리드는 정전기적 스크린으로서 작용하는 것으로 보여질 수 있다. 그러한 그리드의 사용은 그것이 전지의 출력을 정확하게 조절하는 것을 허용하고, 그로 인해 전지의 효능을 개선하기 때문에 바람직하다. In a preferred embodiment, the cell of the invention comprises an electrically conductive grid arranged in the film of the cell. The voltage will be applied across the electrodes and grid, allowing the flow of ions through the membrane to be regulated. In fact, the grid can be seen to act as an electrostatic screen. The use of such a grid is desirable because it allows for precise regulation of the cell's output, thereby improving the cell's efficacy.

그리드는 금속 (예를 들면, 금) 또는 탄소 섬유로 만들어지고, 그리고 촉매를 포함할 것이다. 그것은 전기적으로 및/또는 이온적으로 저항력이 있는 재료로 코팅될 것이고, 전자를 제공하거나 또는 시스템으로부터 전자의 제거 없이, 다른 전위에서 막의 전위를 유지하도록 허용할 것이다. 그러한 그리드는 특히 막이 오직 단일 이온성 종을 전도할 때, 예를 들면 Nafion®과 같은 양자 교환 막일 때 바람직하다.The grid will be made of metal (eg gold) or carbon fiber and will include a catalyst. It will be coated with an electrically and / or ionically resistant material and will allow to maintain the potential of the film at other potential, without providing electrons or removing electrons from the system. Such a grid is particularly desirable when the membrane only conducts a single ionic species, for example a proton exchange membrane such as Nafion®.

본 발명의 특히 바람직한 구현예는 이온들이 사이의 층으로 흐르는 AE 및 CE 재료 라미네이트 층이다. 따라서, 양자-전도성 및 OH-전도성 층들은, 물이 막의 표면에서보다 차라리 층의 접촉면에서 생성될 수 있는 라미네이트를 제공한다. 이러한 방법으로, 존재하는 어떤 촉매 범람이 예방될 수 있다. 두 개의 마주보는 층들은 본질적으로 예를 들어, 상기 언급한 그리드의 개방 공간을 통해, 이온성 접촉 상태에 있다. 이러한 배열은 조절 가능한 연료 전지를 제공한다. 그것은 또한 다양한 촉매 재료가 음극 및 양극에서 사용되는 것을 허용할 것이다.A particularly preferred embodiment of the present invention is an AE and CE material laminate layer in which ions flow into the interlayer. Thus, quantum-conductive and OH-conductive layers provide a laminate in which water can be produced at the contact surface of the layer rather than at the surface of the film. In this way, any catalyst overflow present can be prevented. The two opposing layers are in ionic contact, for example, through the open space of the grid mentioned above. This arrangement provides an adjustable fuel cell. It will also allow various catalyst materials to be used at the cathode and anode.

본 발명의 구현예는 첨부된 도면인 도 2를 참조로 오직 예시적인 방법으로 설명될 것이다. 이 도면은 막에 의해 분리된, 전극들 (1a 및 1b)을 포함하는 전기화학적 전지를 나타낸다. 막은 음이온성 교환 재료 (2a) 및 양이온성 교환 재료 (2b)의 층들의 라미네이트이고, 상기 층들은 그리드 (3)의 개방 공간을 통해 이온성 접촉 상태이다. 막을 통과하는 이온 흐름의 속도는 전극 및 그리드를 통과하는 전위 차를 적용함에 의해 조절될 수 있다. 이 배열은 조절가능한 전기화학적 전지를 제공한다. Embodiments of the present invention will be described by way of example only with reference to the accompanying drawings, FIG. This figure shows an electrochemical cell comprising electrodes 1a and 1b separated by a membrane. The membrane is a laminate of layers of anionic exchange material 2a and cationic exchange material 2b, which layers are in ionic contact through the open space of grid 3. The rate of ion flow through the membrane can be controlled by applying a potential difference across the electrode and the grid. This arrangement provides an adjustable electrochemical cell.

대조 그리드의 사용은 동일한 성질의 막, 즉, AE-AE 구조물에 내장되었을 때에도, 상당한 효과를 갖는 것을 보여왔다. The use of a control grid has been shown to have a significant effect even when embedded in a film of the same nature, ie an AE-AE structure.

하나 보다 많은 그리드, 예를 들어, 한 쌍의 그리드가 사용될 수 있고, 전위는 그리드들 사이에 또는 그리드들과 MEA를 형성하는 전극들 중 하나의 사이에 적용된다.More than one grid may be used, for example a pair of grids, with the potential applied between the grids or between the grids and one of the electrodes forming the MEA.

시간-변화적으로 적용된 전위 (a/c 전위)가 적용될 것이고, 따라서 전지의 출력 또는 전지 특성의 수반되는 변화는 또한 시간-변화적이다 (연료 전지로부터 a/c 출력을 생성하는 효과에서; 일반적으로, 고유 d/c 장치).The time-varying applied potential (a / c potential) will be applied, so the accompanying change in cell output or cell characteristics is also time-varying (in the effect of producing a / c output from a fuel cell; in general Unique d / c device).

하기의 실시예는 본 발명을 설명한다. The following examples illustrate the invention.

실시예 1은 단일의 절연 대조 그리드가 AE-CE 결합으로 이루어진 연료 전지에서 사용되었을 때의 효과를 나타낸다. 이 경우 전지의 출력은 도에서 나타낸 것처럼 광범위하게 변화할 수 있다.Example 1 shows the effect when a single insulated control grid was used in a fuel cell made of AE-CE bond. In this case, the output of the battery can vary widely as shown in the figure.

실시예 2는 AE-AE 구조의 막에서의 비-절연된 금 그리드의 AE-AE 구조의 막에서의 효과를 나타낸다. 이 경우 막의 효과적인 전도도는 30% 정도로 조절가능하게 변화할 수 있다. Example 2 shows the effect in the film of the AE-AE structure of the non-insulated gold grid in the film of the AE-AE structure. In this case the effective conductivity of the membrane can be controlled to vary by 30%.

도 1 및 2는 본 발명의 구현예의 각각의 대략도이다.1 and 2 are schematic views of each of the embodiments of the present invention.

도 3 및 5는 본 발명을 구현하는 회로의 각각의 대략도이다.3 and 5 are schematic views of each of the circuits implementing the present invention.

도 4A 내지 4C는 본 발명의 작동에서 얻어진 결과의 그래프도이다. 4A-4C are graphical representations of the results obtained in the operation of the present invention.

실시예Example 1 One

시험 전지Test cell

시험 전지는 그것을 전기적으로 및 이온적으로 두 개의 폴리머로부터 절연시키도록 코팅된 금속성 메시 (금 또는 백금)에 의해 분리된, 그러나 격리되지 않은, CE 및 AE 폴리머 둘다 포함했다. CE 폴리머는 산화제 공급물에 인접했고 그리고 AE는 연료 공급물에 인접했다. 촉매는 탄소 직물상에 코팅된 백금흑이었다.The test cell included both CE and AE polymers separated but not sequestered by a metallic mesh (gold or platinum) coated to insulate it electrically and ionically from the two polymers. The CE polymer was adjacent to the oxidant feed and the AE was adjacent to the fuel feed. The catalyst was platinum black coated on a carbon fabric.

전기 회로Electrical circuit

높은 임피던스 (impedance), 조절 가능한 전압 공급이 대조 그리드에 연결되었다. 전기 회로는 도 3에 나타냈다.A high impedance, adjustable voltage supply was connected to the control grid. The electrical circuit is shown in FIG.

시험 체계Test system

A) 연료 전지 양극 및 음극 사이의 전압을 Prodigit 전자적 부하를 사용하여 0.3V에서 일정하게 유지하였다. 이 시간 동안 연료 전지에서 운반된 전류를 5분의 기간에 걸쳐 기록하였다. 이 절차를 다양한 전압이 대조 그리드에 적용되는 동안에 반복하였다.A) The voltage between the fuel cell anode and cathode was kept constant at 0.3V using a Prodigit electronic load. During this time the current carried in the fuel cell was recorded over a period of 5 minutes. This procedure was repeated while various voltages were applied to the control grid.

B) 연료 전지 양극 및 음극 사이의 회로를 둘 사이의 어떠한 전류의 흐름을 막으면서, 개방하였다. 전지 전압은 회로 개방 후 1 및 2 분에 기록되었다.B) The circuit between the fuel cell anode and the cathode was opened, preventing any current flow between the two. The cell voltage was recorded 1 and 2 minutes after opening the circuit.

C) 연료 전지를 10진 저항기 상자 (resistance decade box)를 사용하여 분극시켰다. 전지 전류 및 전압을 기록하였고 그리고 출력을 계산하였다. C) The fuel cell was polarized using a decade resistor box. The cell current and voltage were recorded and the output calculated.

시험 체계 A 내지 C로부터 얻어진 결과를 도 4A 내지 4C에 각각 나타내었다. 각각은 산화제 전극 및 대조 그리드 (V) 사이의 전위차에 대하여 전지 전류 (mA)를 플롯팅한 그래프이다.The results obtained from Test Schemes A to C are shown in FIGS. 4A to 4C, respectively. Each is a graph plotting cell current (mA) against potential difference between oxidant electrode and control grid (V).

실시예Example 2 2

금 그리드를 2개의 AE 재료 사이에 압착시켰다. 조합체 및 전기 회로를 도 5에 나타내었다. Solartron Complex Impendence 시험 장치는 1V DC 바이어스(bias)에 10mV 변조를 제공하였다. 그리드를 통한 전류가 항상 0인 것을 확인하기 위해 감시되었다. The gold grid was pressed between two AE materials. The combination and the electrical circuit are shown in FIG. The Solartron Complex Impendence test apparatus provided 10mV modulation with a 1V DC bias. The current through the grid was monitored to ensure that it was always zero.

처음에, PSU (전력 공급 장치)를 켰고, 그러나 그리드는 연결시키지 않았고, 그리고 Solartron은 전도성이 완전하게 실수(real)인 주파수를 확립하기 위해 주파수 스캔을 막에 적용하였다. 이것은 130kHz였다. Initially, the PSU (power supply) was turned on, but the grid was not connected, and Solartron applied a frequency scan to the membrane to establish a frequency where the conductivity was completely real. This was 130 kHz.

그리고 나서 막을 130kHz의 일정한 주파수에서 5분간 스캔하였고, 매 5분 마다 샘플링되었다. 1분 후에, 전도성은 3.40mScm-1로 안정되었다.The membrane was then scanned for 5 minutes at a constant frequency of 130 kHz and sampled every 5 minutes. After 1 minute, the conductivity was stabilized to 3.40 mScm −1 .

그 후 그리드는 PSU에 연결시켰고 그리고 그것을 통과하여 1V를 적용하였다. 일정한 주파수 스캔을 반복하였다. 전도성은 4.66mScm-1로 증가되었다.The grid was then connected to the PSU and applied 1V through it. Constant frequency scans were repeated. The conductivity was increased to 4.66 mScm −1 .

그리드를 분리시켰고 전도성은 3.36mScm-1로 감소되었다. 그리드를 재-연결하였고 전도성은 4.77mScm-1로 증가되었다.The grid was separated and the conductivity was reduced to 3.36 mScm −1 . The grid was re-connected and the conductivity increased to 4.77 mScm −1 .

Claims (19)

이온-교환 막으로 분리된 전극들을 포함하고, 그리고 또한 막을 통과하여 이온의 흐름을 조절하는 수단을 포함하는 막-전극 조합체. A membrane-electrode combination comprising electrodes separated by an ion-exchange membrane, and also means for regulating the flow of ions through the membrane. 제 1항에 있어서, 상기 막은, 상기 수단으로서, 전기적으로 전도성 그리드를 포함하는 것인 조합체.The combination of claim 1, wherein said film comprises, as said means, an electrically conductive grid. 제 2항에 있어서, 상기 그리드는 전기적으로 그리고/또는 이온적으로 저항 재료로 코팅되어 있는 것인 조합체. The combination of claim 2, wherein the grid is electrically and / or ionically coated with a resistive material. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 조합체의 적어도 부분을 통과하여 전위차를 제공하기 위한 수단이 관련되어 있는 것인 조합체. 4. The combination according to claim 2 or 3, wherein a means for providing a potential difference through at least a portion of the combination is involved. 이온성 재료의 적어도 두 개의 층으로 나뉘어지는 전극들을 포함하고, 그럼으로써 이온이 전극들 사이에서 그리고 인접한 층의 접촉면을 통과하여 흐를 수 있는 것인 막-전극 조합체. A membrane-electrode combination, comprising electrodes divided into at least two layers of ionic material, whereby ions can flow between the electrodes and through the contact surface of adjacent layers. 제 5항에 있어서, 각각의 전극에서 다른 촉매를 포함하는 것인 조합체. The combination of claim 5, comprising a different catalyst at each electrode. 막이 액상의 또는 기체상의 반응 성분을 하나 이상의 전극으로 그리고/또는 전극으로부터 투과하기 위해 이온적으로 불활성인 재료를 포함하는 것인 막-전극 조합체.The membrane-electrode combination, wherein the membrane comprises an ionically inert material for permeating liquid or gaseous reaction components to and / or from one or more electrodes. 제 7항에 있어서, 상기 반응 성분은 물인 조합체.8. The combination of claim 7, wherein said reaction component is water. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 이온적으로 불활성인 재료는 친수성인 조합체.The combination of claim 7 or 8, wherein the ionically inert material is hydrophilic. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막은 양이온성 교환 (CE) 막인 조합체.10. The combination according to claim 1, wherein said membrane is a cationic exchange (CE) membrane. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막은 음이온성 교환 (CE) 막인 조합체.10. The combination according to claim 1, wherein said membrane is an anionic exchange (CE) membrane. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막은 AE 재료 및 CE 재료를 포함하는 것인 조합체. 12. The combination according to any one of the preceding claims, wherein the membrane comprises an AE material and a CE material. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 층들은 각기 CE 및 AE 재료인 조합체.7. Combination according to claim 5 or 6, wherein the layers are CE and AE materials, respectively. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막은 CE 막이고, 그리고 용도에 있어서, 이온적으로 불활성인 재료는 생성물인 물이 음극 (cathode)에서 양극 (anode)으로 확산하는 것을 허용하는 것인 조합체. 10. The membrane of any of claims 7-9, wherein the membrane is a CE membrane, and in use, the ionically inert material allows the product, water, to diffuse from the cathode to the anode. Combination. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막은 AE 막이고, 그리고 용도에 있어서, 이온적으로 불활성인 재료는 생성물인 물이 양극에서 음극으로 확산하는 것을 허용하는 것인 조합체. 10. The combination according to any one of claims 7 to 9, wherein the membrane is an AE membrane, and in use, the ionically inert material allows the product water to diffuse from the anode to the cathode. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막은 친수성인 것인 조합체.16. The combination according to any one of claims 1 to 15, wherein the membrane is hydrophilic. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 막은 0.5 mm 이상의 두께인 것인 조합체.17. The combination according to any one of the preceding claims, wherein the membrane is at least 0.5 mm thick. 제 1항 내지 제 17항에 따른 조합체의 스택.Stack of combinations according to claim 1. 연료 전지 또는 전해조로서 제 1항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 따른 조합체 또는 스택의 용도.Use of the combination or stack according to any one of claims 1 to 18 as a fuel cell or an electrolytic cell.
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