KR20070045421A - 막-전극-어셈블리의 제조방법 - Google Patents

막-전극-어셈블리의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20070045421A
KR20070045421A KR1020050101681A KR20050101681A KR20070045421A KR 20070045421 A KR20070045421 A KR 20070045421A KR 1020050101681 A KR1020050101681 A KR 1020050101681A KR 20050101681 A KR20050101681 A KR 20050101681A KR 20070045421 A KR20070045421 A KR 20070045421A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
protective film
electrolyte membrane
membrane
assembly
Prior art date
Application number
KR1020050101681A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100792138B1 (ko
Inventor
김성은
서애리
박진남
Original Assignee
주식회사 엘지화학
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학, 엘지전자 주식회사 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020050101681A priority Critical patent/KR100792138B1/ko
Publication of KR20070045421A publication Critical patent/KR20070045421A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100792138B1 publication Critical patent/KR100792138B1/ko

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605Porous electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1065Polymeric electrolyte materials characterised by the form, e.g. perforated or wave-shaped
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 (a) 전극이 위치할 부분이 제거된 패턴을 가지면서 일면에 점착제가 코팅된 보호 필름을 전해질 막의 일면 또는 양면에 상기 점착제가 위치하도록 부착하는 단계; (b) 상기 전해질 막의 일면 또는 양면에서 보호 필름이 존재하지 않는 부분에는 전극을 배치하고, 상기 보호 필름의 표면에는 메쉬망을 배치하는 단계; 및 (c) 상기 전극 및 메쉬망에 열가압한 후, 메쉬망을 제거하는 단계를 포함하는 막-전극-어셈블리의 제조방법 및 이에 의해 제조된 막-전극-어셈블리를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 점착제가 코팅된 보호 필름과 메쉬망을 함께 이용하여 보호 필름이 전해질 막과 결합되는 힘을 크게 하고 밀접하게 접촉하도록 함으로써, 전해질 막이 수분을 흡수, 팽창하면서 보호 필름과 분리되는 것을 방지하며, 연료 가스의 누출에 따른 성능 저하가 방지된 막-전극-어셈블리를 제조할 수 있으며, 이를 포함하는 연료전지를 얻을 수 있다.
연료전지, 막-전극-어셈블리(MEA), 전해질 막, 보호 필름, 메쉬망

Description

막-전극-어셈블리의 제조방법 {METHOD OF PREPARING MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 메쉬망을 이용하여 보호 필름이 코팅된 막-전극-어셈블리의 제조 공정을 설명하기 위한 입체도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 보호 필름에 무늬가 새겨진 막-전극-어셈블리의 사진이다.
도 3은 도 2의 부분 확대 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2와 비교예 2에서 제조된 PEMFC 연료전지에 있어서, 전류밀도에 따른 단위전지의 전위 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 비교예 2에서 제조된 단위전지의 작동 후 막-전극-어셈블리의 사진이다.
본 발명은 보호 필름 층을 갖는 막-전극-어셈블리(MEA)의 제조방법 및 이에 의해 제조된 막-전극-어셈블리를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 연료로서 수소 또는 메탄올과 산화제로서 산소나 공기를 사용하 여, 이들의 산화환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용함으로써 전력을 생산하는 새로운 발전 방식이다.
이러한 연료전지의 단위전지 구조는 고분자 물질로 구성된 전해질 막을 중심으로 양쪽에 애노드(anode)와 캐소드(cathode)가 형성되어 있는 구조를 이루고 있는데 이를 MEA(Membrane Electrode Assembly)라 칭한다. 애노드(anode)에서는 연료인 수소 또는 메탄올이 공급되어 전극촉매 상에서 반응하여 수소이온(H+)을 발생시키며, 캐소드(cathode)에서는 고분자 전해질 막을 통과한 수소이온이 산소가 결합하여 순수한 물을 생성한다.
막-전극-어셈블리는 전극이 고체 고분자 전해질 막의 일부에만 접합되기 때문에 막의 양 측면에는 전극에 접합되지 않는 노출 영역이 형성된다. 촉매가 코팅 되지 않는 고분자 전해질 막의 노출 영역은 공기 중의 수분을 흡수하여 팽창할 수 있고, 이러한 막-전극-어셈블리가 스택(stack)에 응용될 때 조립 작업이 어려워지는 문제가 생긴다. 따라서 막의 노출 영역에 보호 필름 층을 코팅함으로써 막-전극-어셈블리의 기계적 안정성을 높여 막의 손상을 막고 스택 조립을 보다 쉽게 할 수 있다.
종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 고분자 전해질 막의 양면에 촉매 층을 형성시킨 후 보호 필름을 열 가압하여 막의 노출 영역에 결합시키거나, 접착제에 의해 막에 부착하는 등 여러 가지 방법이 사용되었다.
그러나, 보호 필름이 고분자 전해질 막과 평평하고 견고하게 부착되어 있지 않으면, 실제 성능 테스트 시 고분자 전해질 막이 수분을 흡수하여 팽창하면서 보호 필름과 분리되는 현상이 생긴다. 그리고, 상기 분리된 부분을 통해 연료 가스가 누출되면서 성능이 감소할 수 있기 때문에, 보호 필름과 고분자 전해질 막을 평평하고 견고하게 부착하는 것이 매우 중요하다.
본 발명은 전극이 위치할 부분이 제거된 패턴을 가지면서 점착제가 코팅된 보호 필름을 전해질 막에 부착한 후, 보호 필름이 존재하지 않는 부분에는 전극을 배치하고, 보호 필름의 표면에는 메쉬망을 배치하고, 상기 전극 및 메쉬망에 열가압한 후, 메쉬망을 제거함으로써, 보호 필름과 고분자 전해질 막을 평평하고 견고하게 부착할 수 있고, 이로 인해 가스 누출에 의한 성능 감소 없이 안정한 막-전극-어셈블리를 제공할 수 있는 막-전극-어셈블리의 제조방법을 제공하고자 한다. 또한, 상기 방법에 의해 제조된 막-전극-어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.
본 발명은 (a) 전극이 위치할 부분이 제거된 패턴을 가지면서 일면에 점착제가 코팅된 보호 필름을 전해질 막의 일면 또는 양면에 상기 점착제가 위치하도록 부착하는 단계; (b) 상기 전해질 막의 일면 또는 양면에서 보호 필름이 존재하지 않는 부분에는 전극을 배치하고, 상기 보호 필름의 표면에는 메쉬망을 배치하는 단계; 및 (c) 상기 전극 및 메쉬망에 열가압한 후, 메쉬망을 제거하는 단계를 포함하는 막-전극-어셈블리의 제조방법을 제공한다. 또한, 상기 방법에 의해 제조된 막- 전극-어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지를 제공한다.
또한, 본 발명은 전해질 막; 전극이 위치할 부분이 제거된 패턴을 가지면서 일면에 점착제가 코팅되어 상기 전해질 막에 부착된 보호 필름; 상기 전해질 막에서 보호 필름이 존재하지 않는 부분 상에 배치된 전극; 및 상기 전해질 막에 부착된 보호 필름의 표면에 배치된 메쉬망을 포함하는 막-전극-어셈블리 제조용 복합체를 제공한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 막-전극-어셈블리의 제조 공정을 설명하기 위한 입체도이다.
본 발명의 막-전극-어셈블리를 제조하기 위해, 우선 전극이 위치할 부분이 제거된 패턴을 가지면서 일면에 점착제가 코팅된 보호 필름을 전해질 막의 일면 또는 양면에 상기 점착제가 위치하도록 부착한다.
상기 전극이 위치할 부분의 제거는 금형에서 펀칭(punching)을 하여 제거할 수 있다.
그리고, 상기 전해질 막의 일면 또는 양면에서 보호 필름이 존재하지 않는 부분에는 전극을 배치하고, 상기 보호 필름의 표면에는 메쉬망을 배치한다. 이때, 상기 전극은 촉매 층과 가스 확산 층으로 이루어질 수 있다. 따라서, 보호 필름이 존재하지 않는 부분에 전극을 배치할 때에는, 전극의 촉매 층이 전해질 막과 접촉하도록 배치한다. 이상의 제조 공정에 의하여 전해질 막, 보호 필름, 전극 및 메쉬망의 구성을 갖는 막-전극-어셈블리 제조용 복합체를 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 전극 및 메쉬망에 열가압한 후, 메쉬망을 제거하여 막-전극-어셈블리를 제조할 수 있는데, 도 1은 전해질 막의 양면에 보호 필름과 전극 및 와이어 메쉬망을 배치한 후 열가압하는 것을 나타내고 있다.
즉, 본 발명은 보호 필름을 점착제에 의해 전해질 막에 부착한 후, 보호 필름과 전해질 막이 연료전지 운전 조건에서 쉽게 분리되지 않도록 전극과 전해질 막을 결합시킬 때, 도 1과 같이 상단과 하단에 메쉬망을 덧대고 열가압한다. 이때 메쉬망은 보호 필름에 조밀한 무늬를 내어 보호 필름이 전해질 막과 결합되는 힘을 크게 하고 밀접하게 접촉하도록 함으로써, 전해질 막이 수분을 흡수해 팽창되어도 보호 필름과 전해질 막이 서로 분리되지 않고 평평하게 유지되도록 하여 연료 가스의 누출에 따른 성능 저하를 방지할 수 있다.
메쉬망은 사용하고자 하는 전극, 전해질 막, 점착성 보호 필름의 두께 등을 모두 고려하여 선택되어야 한다. 메쉬망의 재질은 니켈, 구리, 알루미늄, 티타늄, 크롬, 철, 코발트, 몰리브덴, 금, 은, 바나듐, 스테인리스 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있으나, 열가압에 견딜 수 있는 일정 강도와 두께를 갖고 망으로 제조 가능하다면 특별히 제한하지 않는다.
메쉬망의 두께는 100 내지 500 마이크론으로 할 수 있다. 메쉬망의 두께가 100 마이크론 미만이면, 열가압 시 보호 필름에 조밀한 무늬를 내기 어려워 보호 필름이 전해질 막을 잡아주는 지지력이 미미하게 된다. 반면, 메쉬망의 두께가 500 마이크론 초과이면, 너무 두꺼워서 열 가압 시 전극이 전해질 막에 충분히 눌리지 못해 전극과 전해질 막 간의 접촉이 원활하지 못하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 메쉬망의 메쉬 크기는 5 내지 400 메쉬로 할 수 있다. 메쉬망의 메쉬 크기(mesh size)가 이보다 작거나 커지면 고분자 전해질 막과 보호 필름을 잡아주는 힘이 적절하지 못할 수 있다.
열가압 과정 중 온도는 50 내지 200℃가 바람직하고, 압력은 5kg/㎠ 내지 10ton/㎠이 바람직하다.
본 발명에서 보호 필름은 연료전지 운전 조건과 온도에 알맞은 내열성 및 화학적 안정성을 가진 물질을 사용할 수 있는데, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리아미드 및 폴리이미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
보호 필름의 두께는 10 내지 150 마이크론으로 할 수 있다. 바람직하게는 20 내지 50 마이크론의 두께로 할 수 있다. 보호 필름의 두께가 10 마이크론 미만이면 너무 얇아 찢겨지기 쉽고 전해질 막을 잡아주는 지지력도 약하다. 그러나 보호 필름의 두께가 150 마이크론을 초과하면 도입되는 전극의 두께보다 더 두꺼워질 수 있어 전해질 막과 전극의 접촉이 약해질 수 있다.
또한, 본 발명에서 점착제는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지 및 고무로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있으나, 내열성 및 화학적 안정성 면에서 실리콘 수지로 이루어진 것이 바람직하다.
점착제의 두께는 2 내지 50 마이크론으로 할 수 있다. 바람직하게는 10 내지 20 마이크론의 두께로 할 수 있다. 점착제의 두께가 2 마이크론 미만이면, 전해질 막과 보호 필름과의 점착력을 유지하지 못하는 단점이 있다. 점착제의 두께가 두꺼울수록 점착력이 커지기는 하지만, 점착성을 가진 보호 필름의 전체 두께를 고려하여 50 마이크론 초과는 바람직하지 않다.
본 발명에서 전해질 막은 폴리머 전해질 막을 사용할 수 있다. 전해질 막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이의 산 또는 염기로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
본 발명에서 전극은 촉매 층과 가스 확산 층으로 이루어질 수 있다.
가스 확산 층을 위한 기재로는 연료 전지에서 사용하는 통상적인 것은 모두 사용할 수 있으며, 비제한적인 예로 탄소 직포, 부직 탄소 섬유층 또는 탄소 섬유지 등이 있다. 가스 확산 층은 소수성으로 되도록 처리할 수 있고, 필요에 따라 부가적인 카본 블랙 마이크로 층 및 촉매 층을 포함할 수 있다.
가스 확산 층에 촉매 층을 도입하는 것은 당 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있는데, 예를 들면 촉매 잉크를 가스 확산 층에 직접적으로 코팅하여 촉매 층을 도입할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다.
촉매 잉크는 촉매, 폴리머 이오노머(polymer ionomer) 및 용매로 이루어질 수 있다.
사용 가능한 촉매 물질은 백금 블랙(Pt black), 백금-루테늄 블랙(Pt-Ru Black), 또는 백금 담지 카본 촉매(Platinized carbon, Pt/C), 백금 루테늄 담지 카본 촉매, 백금-몰리브덴 블랙 (Pt-Mo), 백금-몰리부덴 (Pt-Mo) 담지 카본 촉매, 백금-로듐(Pt-Rh) 블랙, 백금-로듐 담지 카본 촉매, 그 외에 백금을 기본 물질로 한 합금 촉매를 포함한다.
애노드(anode)용 촉매로는 Pt-Ru 또는 Pt-Ru/C를, 캐소드(cathode)용 촉매는 Pt 또는 Pt/C를 사용하는 것이 바람직하다.
촉매입자는 탄소입자에 분산되어 있거나 백금 또는 합금 블랙(black)으로 구성될 수 있다.
폴리머 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질 막으로 이동하기 위한 통로를 제공해주는 역할을 하며, 그 비제한적인 예로는 나피온 이오노머, 술포네이티드 폴리트리플루오르스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 있다.
폴리머 이오노머의 사용 비율은 사용된 촉매 100 중량부 대비 5~30 중량부가 바람직하다. 폴리머 이오노머를 5 중량부 미만으로 사용하면, 촉매 층 내에서의 이온 전달 통로가 제대로 형성되지 않고 촉매 반응으로 형성된 이온의 이동이 원활하지 못하다. 반면, 30 중량부를 초과하면 이오노머가 촉매층을 덮어버리는 현상이 발생하므로 촉매와 연료의 반응이 용이하지 않은 문제가 있다.
사용 가능한 용매의 비제한 적인 예로는 물, 부탄올, IPA(iso propanol), 메 탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜 등이 있고, 이들 용매를 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 애노드(anode)용 용매와 캐소드(cathode)용 용매는 동일한 것의 사용이 바람직하다.
촉매 잉크 중 용매의 비율은 사용된 촉매 100 중량부 대비 100~5000 중량부가 바람직하다. 용매의 사용량이 100 중량부 미만이면, 촉매 잉크의 점도가 너무 높아져 코팅시 촉매 입자의 분산성이 저하되고 균일한 촉매 층의 형성이 어렵다. 반면, 5000 중량부를 초과하면 촉매 잉크의 점도가 너무 낮아져 한번에 코팅되는 촉매층의 두께가 얇아 코팅을 수회 반복해야 하므로 생산성이 불량해진다.
촉매, 폴리머 이오노머(polymer ionomer), 용매 등의 상기 혼합물을 고속 믹서기, 기계적 교반기, 또는 초음파기 등을 이용하여 교반하고 촉매 입자가 균일하게 분산된 촉매 슬러리를 제조한다.
상기 촉매 층 형성 후에는 20 내지 90℃, 특히 25~30℃에서 건조과정을 거치는 것이 바람직하다.
본 발명에서 촉매 층의 두께는 건조 후 1 내지 60 마이크론인 것이 바람직하다. 두께가 1 마이크론 미만이면, 균일한 촉매층이 형성되지 않아 촉매량의 부족으로 인한 내구성 저하가 일어날 수 있고, 두께가 60 마이크론을 초과하면, 촉매층이 너무 두꺼워져 촉매층에 있어 공급되는 가스가 확산되기 어렵게 되어, 반응의 진행이 어려워진다.
한편, 본 발명은 상기 본 발명의 방법에 따라 제조된 막-전극-어셈블리로서, 전해질 막; 전극이 위치할 부분이 제거된 패턴을 가지면서 일면에 점착제가 코팅되 어 상기 전해질 막에 부착된 보호 필름; 및 상기 전해질 막에서 보호 필름이 존재하지 않는 부분에 부착된 전극을 포함하고, 상기 보호 필름은 메쉬망 무늬가 새겨진 막-전극-어셈블리를 제공한다.
또한, 본 발명의 연료전지는 상기 본 발명의 방법에 따라 제조된 막-전극-어셈블리를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 연료전지로는 폴리머 전해질 막 연료전지(PEMFC) 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등이 가능하다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1 : 전극-막-어셈블리(MEA)의 제조)
10 마이크론 두께의 실리콘 수지 점착제가 일면에 코팅된 전체 두께 25마이크론의 보호 필름에서 전극이 위치할 부분(크기 25㎠)을 금형에서 펀칭(punching), 제거하였다.
전해질 막은 퍼플루오르술폰산 폴리머인 듀퐁사의 나피온막(Nafion 112)을 사용하였다. 전해질 막의 양면에 상기 보호 필름에 코팅된 점착제가 위치하도록 부착하여 보호 필름을 갖는 전해질 막을 제조하였다.
전극은 가스 확산층과 촉매층으로 구성하였는데, SGL사에서 공급받은 가스 확산층(소수성 처리된 카본지)에 촉매 잉크를 코팅하여 형성하였다.
촉매 잉크를 제조하기 위해, 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 촉매로 백금 담지 카본 촉매(Pt/C)를 사용하였다. 나피온(NAFION) 용액, IPA, 물을 혼합하고, 상기 촉매와 섞어 촉매: nafion 건조중량: 용매 = 1: 0.3: 20이 되도록 한 후, 잘 분산되도록 교반하고 고속 믹서기(2시간)를 통해 균일하게 혼합하여 촉매 잉크를 준비하였다.
제조된 촉매 잉크를 스프레이 코터(spray coater)를 이용하여 소수성 처리된 카본지(가스 확산층)의 일면에 분사함으로써, 0.4mg/㎠씩 촉매층을 각각 형성하였다. 이후 다시 촉매층 표면 상부에 나피온과 이소프로판올(IPA)을 1:1로 혼합하여 제조한 용액을 도포하여 전극(애노드 및 캐소드)을 제조하였다.
상기 제조된 전극을 상기 전해질 막의 양면에서 보호 필름이 존재하지 않는 부분에 배치하였고, 보호 필름의 표면에는 50 메쉬의 300마이크론 두께를 가지는 스테인리스스틸 메쉬망을 배치하였다.
그리고, 상기 전극과 메쉬망을 140℃에서 1ton/㎠의 압력으로 3분간 고온 압착(hot press)한 후, 메쉬망을 제거하여 최종적으로 도 2의 막-전극-어셈블리(MEA)를 제조하였다.
(실시예 2: 단위전지의 제조)
상시 실시예 1에서 제조된 막-전극-어셈블리(MEA)를 중심으로 가스의 기밀성을 유지하기 위한 300㎛의 가스켓을 전극 부분을 제외한 고분자 전해질 부분에 밀착시키고, MEA에 수소의 투입 및 균일한 압력을 주기 위한 유로를 가진 음극용 판과, 공기의 투입 및 MEA에 균일한 압력을 주기 위한 양극용 판을 밀착시켜 단위전지를 제조하였다.
(비교예 1: 막-전극-어셈블리의 제조)
열가압시 메쉬망을 배치하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 막-전극-어셈블리를 제조하였다.
(비교예 2: 단위전지의 제조)
상기 비교예 1에서 제조한 막-전극-어셈블리를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법에 따라 단위전지를 제조하였다.
(실험결과)
상기 실시예 2 및 비교예 2에서 제조된 단위전지를 사용하여, 전류밀도에 따른 단위전지의 전위 변화를 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 도시하였다. 70℃의 전지온도와 2bar의 작동압력에서 수소/공기 영향하에 시험하였으며, 가스 화학양론은 1.2(양극가스) 및 2.4(음극가스)이었다.
도 4에 의하면, 본 발명의 상기 실시예 1에서 제조된 전극-막-어셈블리(MEA)를 채용한 연료전지는 비교예 2에서 제조된 전지에 비해 개선된 성능을 보여주었다.
또한, 전지의 작동 후 단위전지를 해체하여 막-전극-어셈블리(MEA)의 보호 필름 면을 비교해본 결과, 실시예에 의해 제조된 막-전극-어셈블리의 보호 필름 면은 도 3과 비슷하였으나, 비교예에 의해 제조된 막-전극-어셈블리의 보호 필름 면은 도 5에 보이는 것과 같이 보호 필름 면이 전해질 막과 분리되어 평평하지 않고 주름이 생겨 반응 가스가 누출되었음을 알 수 있었다.
본 발명에 따르면, 점착제가 코팅된 보호 필름과 메쉬망을 함께 이용하여 보 호 필름이 전해질 막과 결합되는 힘을 크게 하고 밀접하게 접촉하도록 함으로써, 전해질 막이 수분을 흡수, 팽창하면서 보호 필름과 분리되는 것을 방지하며, 연료 가스의 누출에 따른 성능 저하가 방지된 막-전극-어셈블리를 제조할 수 있으며, 이를 포함하는 연료전지를 얻을 수 있다.

Claims (15)

  1. (a) 전극이 위치할 부분이 제거된 패턴을 가지면서 일면에 점착제가 코팅된 보호 필름을 전해질 막의 일면 또는 양면에 상기 점착제가 위치하도록 부착하는 단계;
    (b) 상기 전해질 막의 일면 또는 양면에서 보호 필름이 존재하지 않는 부분에는 전극을 배치하고, 상기 보호 필름의 표면에는 메쉬망을 배치하는 단계; 및
    (c) 상기 전극 및 메쉬망에 열가압한 후, 메쉬망을 제거하는 단계를 포함하는 막-전극-어셈블리의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극은 촉매층과 가스 확산층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 막-전극-어셈블리의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전극은 촉매층이 전해질 막과 접촉하도록 배치된 것을 특징으로 하는 막-전극-어셈블리의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 메쉬망은 니켈, 구리, 알루미늄, 티타늄, 크롬, 철, 코발트, 몰리브덴, 금, 은, 바나듐, 스테인리스 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 막-전극-어셈블리의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 메쉬망의 두께는 100 내지 500 마이크론인 것을 특징으로 하는 막-전극-어셈블리의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열가압은 온도가 50 내지 200℃이고 압력이 5kg/㎠ 내지 10ton/㎠인 것을 특징으로 하는 막-전극-어셈블리의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 보호 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리아미드 및 폴리이미드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 막-전극-어셈블리의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 보호 필름의 두께는 10 내지 150 마이크론인 것을 특징으로 하는 막-전극-어셈블리의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 점착제는 실리콘 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지 및 고무로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 막-전극-어셈블리의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 점착제의 두께는 2 내지 50 마이크론인 것을 특징으로 하는 막-전극-어셈블리의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전해질 막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이의 산 또는 염기로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 막-전극-어셈블리의 제조방법.
  12. 전해질 막; 전극이 위치할 부분이 제거된 패턴을 가지면서 일면에 점착제가 코팅되어 상기 전해질 막에 부착된 보호 필름; 및 상기 전해질 막에서 보호 필름이 존재하지 않는 부분에 부착된 전극을 포함하고, 상기 보호 필름은 메쉬망 무늬가 새겨져 있으며 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 막-전극-어셈블리.
  13. 전해질 막; 전극이 위치할 부분이 제거된 패턴을 가지면서 일면에 점착제가 코팅되어 상기 전해질 막에 부착된 보호 필름; 및 상기 전해질 막에서 보호 필름이 존재하지 않는 부분에 부착된 전극을 포함하고, 상기 보호 필름은 메쉬망 무늬가 새겨져 있으며 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 막-전극-어셈블리를 포함하는 연료전지.
  14. 제13항에 있어서, 상기 연료전지는 폴리머 전해질 막 연료전지(PEMFC) 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  15. 전해질 막;
    전극이 위치할 부분이 제거된 패턴을 가지면서 일면에 점착제가 코팅되어 상기 전해질 막에 부착된 보호 필름;
    상기 전해질 막에서 보호 필름이 존재하지 않는 부분 상에 배치된 전극; 및
    상기 전해질 막에 부착된 보호 필름의 표면에 배치된 메쉬망을 포함하는 막-전극-어셈블리 제조용 복합체.
KR1020050101681A 2005-10-27 2005-10-27 막-전극-어셈블리의 제조방법 KR100792138B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050101681A KR100792138B1 (ko) 2005-10-27 2005-10-27 막-전극-어셈블리의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050101681A KR100792138B1 (ko) 2005-10-27 2005-10-27 막-전극-어셈블리의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070045421A true KR20070045421A (ko) 2007-05-02
KR100792138B1 KR100792138B1 (ko) 2008-01-04

Family

ID=38271151

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050101681A KR100792138B1 (ko) 2005-10-27 2005-10-27 막-전극-어셈블리의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100792138B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101016445B1 (ko) * 2008-07-09 2011-02-21 삼성전기주식회사 스택 및 이를 구비한 연료전지 발전시스템
KR101137635B1 (ko) * 2007-10-30 2012-04-19 주식회사 엘지화학 소 구간 분할 전극-막 접합체
WO2019143148A1 (ko) * 2018-01-22 2019-07-25 주식회사 엘지화학 막 전극 접합체의 제조방법 및 적층체

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1270878B (it) 1993-04-30 1997-05-13 Permelec Spa Nora Migliorata cella elettrochimica utilizzante membrane a scambio ionico e piatti bipolari metallici
FI119267B (fi) 2002-06-28 2008-09-15 Enfucell Oy Biokatalyyttinen suora-alkoholipolttokenno
KR100723385B1 (ko) * 2005-09-23 2007-05-30 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 막전극 접합체 및 이를 채용한 연료전지 시스템

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101137635B1 (ko) * 2007-10-30 2012-04-19 주식회사 엘지화학 소 구간 분할 전극-막 접합체
KR101016445B1 (ko) * 2008-07-09 2011-02-21 삼성전기주식회사 스택 및 이를 구비한 연료전지 발전시스템
WO2019143148A1 (ko) * 2018-01-22 2019-07-25 주식회사 엘지화학 막 전극 접합체의 제조방법 및 적층체
CN111095641A (zh) * 2018-01-22 2020-05-01 株式会社Lg化学 膜电极组件的制造方法及堆叠体
US11424467B2 (en) 2018-01-22 2022-08-23 Lg Chem, Ltd. Method for manufacturing membrane electrode assembly, and stack
CN111095641B (zh) * 2018-01-22 2023-04-04 株式会社Lg化学 膜电极组件的制造方法及层叠体

Also Published As

Publication number Publication date
KR100792138B1 (ko) 2008-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8026018B2 (en) Electrolyte membrane-electrode assembly and production method thereof
Shahgaldi et al. Development of a low temperature decal transfer method for the fabrication of proton exchange membrane fuel cells
JP5326189B2 (ja) 電解質膜−電極接合体およびその製造方法
CA2430681C (en) Process for the manufacture of membrane-electrode-assemblies using catalyst-coated membranes
WO2005029620A1 (en) Catalyst-coated membrane with integrated sealing material and membrane-electrode assembly produced therefrom
EP1843425B1 (en) A membrane-electrode assembly for a fuel cell, a method of preparing the same and a fuel cell system including the same
KR20110043908A (ko) 고분자 전해질 연료전지용 막전극접합체 제조 방법
US9780399B2 (en) Electrode assembly with integrated reinforcement layer
KR100792138B1 (ko) 막-전극-어셈블리의 제조방법
US8163442B2 (en) Method for manufacturing catalyst-coated membrane using mask
KR101312971B1 (ko) 불소계 이오노모를 이용하여 표면 개질한 탄화수소계 고분자 전해질 분리막, 막 전극 접합체 및 연료전지
US8430985B2 (en) Microporous layer assembly and method of making the same
JP2007250468A (ja) 電解質膜
KR100792136B1 (ko) 마스크를 이용한 촉매 코팅된 막의 제조방법
JP2010003470A (ja) 燃料電池
KR100792137B1 (ko) 연료전지용으로 보호 필름 층을 갖는 촉매 코팅된 막의제조방법
JP7119402B2 (ja) 膜電極接合体およびこれを備えた固体高分子形燃料電池
JP2013020753A (ja) 触媒層シートの修正方法
JP5447922B2 (ja) 燃料電池、燃料電池スタック、および燃料電池スタックを備える電子機器
JP2006338941A (ja) 電解質膜−電極接合体
JP2006338942A (ja) 電解質膜−電極接合体、および、燃料電池
KR100705553B1 (ko) 연료전지용 막전극접합체의 수소이온교환막 상에 촉매층을형성시키는 방법
EP2120277B1 (en) Membrane electrode assembly for fuel cell, method for making the same, and fuel cell system including the same
JP2010257669A (ja) 膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池
JP2007165083A (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121011

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131018

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141017

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150923

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160928

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170919

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181016

Year of fee payment: 12