KR20070095330A - 촉매층을 포함하는 박막전극 복합체 밀봉 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 박막 전극 조립체는 애노드, 캐소드, 애노드와 캐소드 사이에 배치된 박막, 캐소드와 박막 사이, 그리고 애노드와 박막 사이로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 위치에서의 촉매층과, 박막 전극 조립체의 에지를 따라 위치된 에지 밀봉부를 포함하며, 박막과 촉매층은 에지 밀봉부 내로 연장된다.
박막 전극 조립체, 촉매층, 에지 밀봉부, 캐소드, 애노드, 박막

Description

촉매층을 포함하는 박막전극 복합체 밀봉 구조물{MEA SEAL STRUCTURE CONTAINING CATALYZED LAYER}
본 발명은 연료 전지에 관한 것이며, 특히 PEM 연료 전지 및 그 박막의 열화의 감소에 관한 것이다.
PEM 연료 전지에서, 박막을 통해 적은 양의 산소가 캐소드로부터 애노드로 확산되며 애노드 촉매 표면에서 낮은 퍼텐셜로 수소와 반응함으로서 과산화물을 형성할 수 있다. 이 과산화물은 매우 반응성이 큰 자유 라디칼로 해리될 수 있다. 자유 라디칼은 박막을 신속하게 열화시킬 수 있다.
산소, 수소 및/또는 과산화물의 다양한 공급원이 이 이 문제에 원인이 될 수 있지만, 본 발명의 초점은 캐소드로부터 교차(crossover)하는 산소 및 캐소드에서 발생된 과산화수소이다.
본 발명의 주된 목적은 반응성 자유 라디칼의 이러한 공급원에 의해 초래된 열화를 최소화시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 산소 교차의 감소 및 결과적인 열화의 감소에 기인하여 연장된 수명을 갖는 박막 전극 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점은 이하에서 명백하게 될 것이다.
본 발명에 따르면, 전술한 목적 및 장점이 쉽게 얻어진다.
본 발명에 따르면, 애노드, 캐소드, 애노드와 캐소드 사이에 배치된 박막, 캐소드와 박막 사이 및/또는 애노드와 박막 사이의 촉매층과, 박막 전극 조립체의 에지를 따라 위치된 에지 밀봉부를 포함하며 박막과 촉매층은 에지 밀봉부 내로 연장되는 박막 전극 조립체가 제공된다.
또한, 전극은 양호하게는 에지 밀봉부 내로 적어도 부분적으로 연장된다.
본 발명의 양호한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 아래와 같다.
도1은 본 발명에 따른 MEA 조립체 및 에지 밀봉부를 포함하는 UEA의 에지 영역을 개략적으로 도시한다.
도2는 오직 촉매층 만이 에지 밀봉부로 연장되는 대체적인 실시예를 도시한다.
도3은 전극이 에지 밀봉부 내로 부분적으로 연장되는 추가적인 실시예를 도시한다.
본 발명은 연료 전지에 관한 것이며, 특히 PEM 연료 전지에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 잔여 반응물을 소비하여 과산화수소의 생성을 회피하는 촉매층 또는 연장층의 위치설정을 통한 전극으로부터의 반응물 교차의 감소에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 특히 다르게라면 박막의 과산화물 매개 분해가 발생할 수 있는 박막 전극 조립체의 밀봉부 영역에서의 박막의 보호에 관한 것이다.
도1은 박막(52), 박막(52)의 일측에 위치된 애노드(54), 박막(52)의 다른측에 위치된 캐소드(56), 및 박막(52)과 애노드(54) 사이에, 그리고 박막(52)과 캐소드(56) 사이에 각각 위치되는 촉매층(58, 60)을 갖는 박막 전극 조립체(MEA)를 포함하는 결합 전극 조립체(UEA)를 도시한다. 당업자에게 널리 공지된 바와 같이, 가스 확산층(62, 64)은 전극(54, 56)의 외부에 위치되며 도면에 도시된 바와 같이 수소 및 산소의 도입을 위해 사용된다.
또한, 당업자에게 널리 공지된 바와 같이, 반응물을 분리 유지하기 위한 UEA(10)의 밀봉을 위해 박막 전극 조립체(50)의 에지(68)에 밀봉부(66)가 위치된다.
본 발명에 따르면, 과산화물 매개 박막의 손상으로부터의 보호가 없이는 밀봉부 또는 비활성 영역 내에서의 박막(52)의 급속한 분해가 발생될 수 있다는 것이 판명되었다.
본 발명에 따르면, 이러한 과산화물 공격은 박막(52)을 따라 에지 밀봉부(66) 내로 연장되도록 연장되는 촉매층(58, 60)을 통해 방지된다. 이러한 방식으로, 산소 및/또는 수소와 에지 밀봉 영역 내로 확산되는 임의의 얻어지는 과산화물은 박막(52)의 분해를 방지하도록 층(58, 60)에 의해 소비된다.
도1에 도시된 실시예에 따르면, 또한 전극(54, 56)은 에지 밀봉부(66) 내로 연장된다. 이것은 제조적인 견지에서 유리하다.
도2는 동일한 부호가 동일한 부분을 나타내는 본 발명의 대체적인 실시예를 도시한다. 그러나, 본 실시예에서 전극(54, 56)은 에지 밀봉부(66)의 영역 내로 연장되지 않는다. 따라서, 에지 밀봉부(66)는 촉매층(58, 60)에 대해 직접적으로 밀봉한다. 모든 다른 관점에서, 본 실시예는 동일하게 작용하며, 촉매층(58, 60)은 전술한 바와 같은 과산화수소를 분해하도록 그리고/또는 산소와 수소를 소비하도록 유리하게는 작용한다.
도3을 참조하면, 본 발명의 추가적인 대체 실시예가 도시된다. 본 실시예에서, 도2의 실시예에서처럼, 동일한 참조 부호는 동일한 부분을 설명한다. 본 실시예에서, 전극(54, 56)은 에지 밀봉부(66) 내로 연장되지만, 촉매층(58, 60)과 동일한 정도까지는 아니다. 따라서, 본 실시예에서 촉매층은 박막(52)의 에지로 연장되며, 애노드(54)와 캐소드(56)는 에지 밀봉부(66) 내로 연장되지만 박막(52)과 촉매층(58, 60)의 에지에 도달하기에 앞서 종결된다. 본 실시예에서, 도1의 실시예와 비교하여 더 작은 전극이 사용되며, 따라서 더 적은 재료가 필요하다.
본 발명에 따르면, 밀봉부 영역 내로 확산되는 임의의 수소, 산소 및 과산화물은 촉매층에 의해 유리하게는 소비되고 그리고/또는 바람직하게는 분해되며, 이러한 분해는 촉매층의 각각의 전극의 전기적 접속에 의해 증진된다.
도1 내지 도3은 박막의 활성 및 비활성 영역을 도시한다. 이러한 영역들 사이의 전이부는 "입구 건조 영역"이며, 또한 이러한 영역들은 촉매층이 존재하여야 하는 중요한 영역이다. 또한, 이러한 영역은 과산화물 분해에 의해 통상 공격받을 수 있으나, 본 발명에 따른 촉매층(58, 60)에 의해 유리하게 보호된다.
도1 내지 도3의 실시예에서, 막(52), 촉매층(58, 60), 및 에지 밀봉부(66) 내로 연장되는 전극(54, 56)의 임의의 부분은 유리하게는 에지 밀봉부 내에서 밀폐되어 캡슐화된다. 이것은 유리하게는 구조물의 밀봉부의 강건한 구성을 제공하고, 전술한 바와 같이 유리하게는 어떠한 과산화물도 발생될 수 없도록 보장하도록 산소 교차를 방지한다.
촉매층(58, 60)은 본 발명의 다양한 실시예에 따라 몇몇 형태로 제공될 수 있다. 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 촉매층(58, 60)은 일부분의 촉매, 예컨대 그 가스 공극이 폴리머 전극으로 충전된 탄소 지지 백금 입자를 포함한다. 다른 적합한 촉매는 백금 합금, 양호하게는 백금 코발트, 백금 니켈, 백금 이리듐, 백금 이리듐 코발트, 백금 크롬 코발트 및 이들의 조합뿐만 아니라 탄소 자체를 포함하며, 이러한 합금들은 입자 형태 및/또는 탄소에 지지될 수 있다.
촉매층(58, 60) 내에 존재하는 비교적 높은 퍼텐셜에서, 물을 생성하고 과산화물을 생성하지 않도록 산소의 네 개의 전자 감소가 우세하게 얻어진다.
본 발명의 주제는 강화 박막을 포함하는 그러나 이에 한정되지는 않는 다양한 박막과의 관련해서 유리하게 이용될 수 있다. 강화 박막은 기계적인 강화재를 포함할 수 있는데, 그 예시는 미국 특허 제5,795,668호, 제6,485,856호, 및 제6,613,203호에 개시된 것을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
촉매층(58, 60)은 유리하게는 다공성의, 전기적으로 연결된(즉, 각각의 전극과 전기적으로 연통 또는 접촉하는) 그리고 약 0%에서 약 30%까지의 공극률을 갖는 이온식으로 전도성이 있는 구조로 제공될 수 있다. 촉매는 층의 체적에 기초하여 약 5 내지 약 50% 체적 사이의 양으로 존재할 수 있다. 또한, 이오노머(ionomer)는 층의 체적에 기초하여 약 5 내지 약 50% 체적 사이의 양으로 존재한다.
전술한 각각의 실시예에서, 층 또는 기층(underlayer, 58, 60)은 박막과 하나 또는 양쪽 전극 사이에 위치된다. 또한, 이러한 기층은 관련된 문헌에서 연장된 촉매층이라고 언급되어왔다. 이 층은 대체로 전극과 몇몇 사항에서 인접하는 박막으로부터 구별가능하다.
하나의 중요한 차이는 공극률이다. 전극 촉매층은 전형적으로 적어도 약 30%, 대체로 약 35%이상 그리고 통상 약 60%까지의 공극률을 가진다. 반대로, 층 또는 기층(도1의 58, 60)은 양호하게는 전극 촉매층의 공극률보다 작은 공극률을 가지며, 양호하게는 약 20%이하, 더욱 양호하게는 층 또는 기층은 반드시 비다공성(non-porous)이어야 한다(공극률<5%).
또한, 전극 촉매층은 기층보다 체적 및 중량에서 더 적은 이오노머 함유량을 갖는다.
촉매 입자들 사이의 전기적 접속성은 기층과 비교할 때 전극 촉매층이 큰 값을 갖는 다른 영역이다.
촉매 입자에 대한 박막 전극의 이온 접촉에 관하여, 전극 촉매층은 대체로 기층보다 작은 값을 갖는다.
마지막으로, 전극 촉매층은 양호하게는 소수성이지만, 기층은 양호하게는 가능한한 친수성이어서 이오노머를 수화시키고 가스 확산을 방지하도록 물을 보유한다.
요구되는 대로 에지 밀봉부 내로 연장되게 위치될 수 있는 촉매층의 형태로, 일체식 전극 조립체의 에지 밀봉부에서 반응물 교차의 문제에 대한 본 발명에 따른 해결책이 제공되었다. 이것은 교차 반응물이 박막의 열화를 초래한다고 공지된 과산화물을 형성함이 없이 제거되고 소비된다는 점에서 특히 유리하다.
본 발명에 따라 반응물 교차가 최소화되는 박막 전극 조립체가 제공된다는 것이 명백하다. 이것은 본 명세서에서 이미 설명한 목적, 수단, 및 장점을 완전히 충족시킨다. 본 발명이 그 특정 실시예의 상황에서 설명되었지만, 다른 대체예, 개조 및 변경예가 전술한 설명을 읽은 당업자에게 명백하게 될 것이다. 따라서, 첨부된 청구항의 넓은 범주 내에 포함되는 이러한 대체예, 개조 및 변경예를 포함하도록 의도된다.

Claims (18)

  1. 애노드와,
    캐소드와,
    애노드와 캐소드 사이에 배치된 박막과,
    캐소드와 박막 사이, 그리고 애노드와 박막 사이로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 위치에서의 촉매층과,
    박막 전극 조립체의 에지를 따라 위치된 에지 밀봉부를 포함하는 박막 전극 조립체이며,
    박막과 촉매층은 에지 밀봉부 내로 연장되는 박막 전극 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 애노드와 캐소드 중 적어도 하나는 에지 밀봉부 내로 연장되는 박막 전극 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 애노드와 캐소드는 에지 밀봉부 내로 연장되는 박막 전극 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 촉매층은 박막의 에지로 연장되는 박막 전극 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 애노드 및 캐소드는 에지 밀봉부 내로 연장되며 박막의 에 지 전에 종결되는 박막 전극 조립체.
  6. 제4항에 있어서, 애노드 및 캐소드는 에지 밀봉부 내로 연장되며 박막의 에지로 연장되는 박막 전극 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 에지 밀봉부는 박막의 에지를 밀폐해서 캡슐화하는 박막 전극 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 촉매층은 탄소의 입자, 백금의 입자, 백금 합금의 입자 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 입자를 포함하는 박막 전극 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 입자는 탄소 지지되는 박막 전극 조립체.
  10. 제8항에 있어서, 입자는 백금 코발트, 백금 니켈, 백금 이리듐, 백금 이리듐 코발트, 백금 크롬 코발트 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 백금 합금인 박막 전극 조립체.
  11. 제1항에 있어서, 촉매층은 각각의 전극과 전기적 접속하는 박막 전극 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 촉매층은 지지 재료를 통해 각각의 전극과 전기적으로 소통되는 박막 전극 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 지지 재료는 탄소인 박막 전극 조립체.
  14. 제1항에 있어서, 촉매층은 약 20% 미만의 공극률을 갖는 박막 전극 조립체.
  15. 제14항에 있어서, 촉매층은 대체로 비다공성(non-porous)인 박막 전극 조립체.
  16. 제1항에 있어서, 박막과 캐소드 사이의 촉매층은 대체로 캐소드와 동일하거나 캐소드보다 큰 산소 환원율을 갖는 박막 전극 조립체.
  17. 제1항에 있어서, 촉매층은 약0% 와 약20% 사이의 공극률을 갖는 전기적으로 접속되고 이온식으로 전도성이 있는 구조이며, 촉매는 층의 체적에 기초하여 약 5 내지 약 50% 체적 사이의 양으로 존재하며, 이오노머(ionomer)는 층의 체적에 기초하여 약 30 내지 약 95% 체적 사이의 양으로 존재하는 박막 전극 조립체.
  18. 제1항에 있어서, 박막은 강화 박막인 박막 전극 조립체.
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