KR20070100693A - 접착 촉진층을 갖는 막 및 막 전극 어셈블리 - Google Patents

접착 촉진층을 갖는 막 및 막 전극 어셈블리 Download PDF

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KR20070100693A
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데이비드 올메이저
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폴리퓨얼, 인코포레이티드
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Abstract

본 출원은 막 전극 어셈블리(MEA) 내에서 PEM과 촉매층의 계면에서 구조적 안정성을 높이기 위해 이온 도전 접착 촉진층을 포함하는 막 전극 어셈블리(MEA)에 관한 것이다.

Description

접착 촉진층을 갖는 막 및 막 전극 어셈블리{MEMBRANE AND MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY WITH ADHESION PROMOTION LAYER}
본 출원은 막 전극 어셈블리 내에서 중합체 전해질 막(polymer electrolyte membrane:PEM)과 촉매층의 계면에서 구조적 안정성을 촉진시키기 위해 이온 도전 접착 혼합물을 함유한 접착 촉진층을 이용하는 중합체 전해질 막(PEM)에 관한 것이다.
중합체 전해질 막(PEM)을 이용하는 연료 전지는 PEM의 표면과 촉매층 사이의 계면이 불안정하다는 심각한 문제를 갖고 있다. 이러한 계면을 형성하고 유지하는 것이 실패하면 연료 전지의 내부 저항이 증가하고 촉매층이 PEM으로부터 분리될 수 있다.
Nafion®은 PEM을 제조하는데 사용된 퍼플루오리네이트 이온 도전 중합체이다. Nafion®은 또한 PEM 상에 촉매층을 형성하는데 사용된 촉매 잉크를 준비할 때 선택된 이오노머(ionomer)이다. Nafion®은 PEM으로서 뿐만 아니라 촉매층 내에서도 사용된다. 그러나, Nafion® 막은 높은 온도 또는 직접적인 메탄올 연료 전지에 사용될 때 활용도가 제한된다.
Nafion®의 제한을 극복하기 위해, 새로운 이온 도전 중합체가 개발되었다. 그러나, 이러한 중합체로부터 제조된 PEM과 Nafion®으로 제조된 촉매층 사이의 계면은 만족스럽지 않다. 이는 주로 PEM 중합체와 촉매 중합체 간의 물리적 및 화학적 특성 차에 기인한다.
본 발명은 중합체 전해질 막(PEM)과 촉매층 간의 물리적 및 전기적 접촉을 강화시키기 위한 이온 도전 접착 혼합물의 사용에 관한 것이다.
본 발명은 제 1 이온 도전 중합체로 제조된 PEM을 포함하는 막 전극 어셈블리(MEA)를 포함한다. 이온 도전 접착 혼합물(종종 접착 혼합물로 불림)을 포함하는 접착 촉진 층은 PEM의 제 1 표면 및 촉매층의 제 1 표면과 접촉한다. 촉매층은 제 2 이온 도전 중합체 및 촉매를 포함한다. 가스 확산층(GDL)은 촉매층과 인터페이싱할 수 있다.
또한 MEA는 PEM의 제 2 표면 및 제 2 촉매층과 접촉하는 제 2 접착층을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제 2 촉매층은 GDL 층과 접촉한다.
대체로, 이온 도전 접착 혼합물은 적어도 PEM의 이온 도전 중합체 또는 촉매층의 이온 도전 중합체를 포함한다. 일부 실시예에서, PEM 및 촉매층의 이온 도전 중합체는 이온 도전 접착 혼합물을 형성하는데 사용된다.
선택 실시예에서, 무기물 입자와 같은 고체 입자는 이온 도전 중합체 내에 소산되어 접착 혼합물을 형성한다. 이러한 입자는 평균 직경이 20 nm 내지 2000 nm 이다. 이들은 흑연 또는 비정질 분말 또는 실리콘, 티타늄 및 지르코늄 산화물일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 접착 혼합물은 비-이오메릭 중합체와 결합된 이온 도전 중합체를 포함한다. 대체로, 비-이오메릭 중합체는 200℃보다 작은 Tm 또는 Tg를 갖는다. 매우 바람직한 실시예에서, 비-이오메릭 중합체는 비닐리덴에프루오라이드 및 헥사플루오로프로필렌의 혼성 중합체를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 접착층은 세공(pore)이 중합체(들) 내에 소산된, 제 1 또는 제 2 이온 도전 중합체 중 적어도 하나 또는 이들 모두를 포함하는 이온 도전 접착 혼합물을 포함한다.
접착 촉진 층은 대체로 200 nm 내지 5000 nm 사이의 두께를 갖는다.
본 발명은 막 전극 어셈블리("MEA")를 제조하기 위한 방법을 포함한다. 이온 도전 접착 혼합물은 PEM의 표면 및/또는 촉매층의 표면 중 적어도 하나에 제공된다. PEM과 촉매층은 전극의 PEM과 촉매층 사이에 접착 촉진 층을 형성하여 부분적인 MEA를 형성하도록 매우 인접하게 배치된다. 촉매층은 전극으로서 또는 전극의 일부로서 작용할 수 있다.
대부분의 실시예에서, PEM의 제 2 표면 및/또는 제 2 촉매층의 표면은 이온 도전 접착 혼합물로 코팅된다. 다음에 PEM과 제 2 전극은 제 2 전극의 PEM과 촉매층 사이에서 접착 촉진 층을 형성하기 위해 매우 인접하게 된다. 또한 제 2 촉매층은 전극으로서 또는 전극의 일부분으로서 작용할 수 있다.
다음에 MEA는 입방 센티미터 당 25 내지 120 킬로그램의 압력에서 섭씨 120°내지 170°사이의 온도로 어닐링된다.
대체로, 접착 촉진층을 통해 전극을 PEM에 접착시키는 것은 접착 촉진층을 사용하지 않고 PEM에 전극을 접착시키는 것보다 우수하다.
본 발명은 MEA의 촉매층과 PEM 사이의 접착 촉진층을 형성하기 위해 이온 도전 접착 혼합물을 이용한다.
MEA 또는 접착 코팅된 PEM을 제조하는데 사용된 PEM은 공지된 매우 다양한 막들 중 임의의 막일 수 있다. 매우 바람직한 PEM은 2001년 6월 1일에 출원된 "중합체 혼합물"이란 제목의 미국특허출원 09/872,770호; 2003년 1월 23일에 출원된 "산 염기 프로톤 도전 중합체 혼합 막"이란 제목의 미국특허출원 10/351,257호; 2003년 5월 13일에 출원된 "술폰산 혼성 중합체"란 제목의 미국특허출원 10/438,186호; 2003년 2월 20일자로 출원된 "이온 도전성 혼성중합체"란 제목의 미국특허출원 10/449,299호; 및 2003년 11월 13일자로 출원된 "제 1 및 제 2 소수성 소중합체를 포함한 이온 도전 혼성중합체"란 제목의 미국특허출원 60/520,266호에 개시된 것들을 포함하며, 상기 특허출원들은 본 명세서에 참조로 포함된다. 또한 프로세스는 당업자에 공지된 다른 막에 대해 실행될 수 있다. 예컨대, 술폰산 트리플루오로스티렌스(미국특허 5,773,480), 산-염기 중합체(미국특허 6,300,381), 폴리 아릴렌 에테르 술폰(미국특허출원 US2002/0091225A1); 결합된 폴리스티렌(매크로몰러큘(macromolecules) 35:1348(2002)); 및 폴리이미드(미국특허 6,586,561호 및 J. Membr . Sci . 160:127(1999))는 본 발명의 용도를 찾는 중합체 전해질 막을 만드는데 사용될 수 있다. 다른 PEM은 일본 특허출원 JP2003147076호와 JP2003055457호에 개시된 것들을 포함한다. 대체로, CCM의 막을 제조하는데 사용 된 PEM 막은 술폰산 폴리(아릴레테르 케톤) 또는 퍼플루오로술포닉 산 이오노머로 만들어진다.
"이온 도전 접착 혼합물"이란 용어는 (1) 제 2 이온 도전 중합체; (2) 이온 도전 중합체 내에 소산된 무기물 입자들; 및/또는 비-이오노메릭 중합체와 결합된 제 1 이온 도전 폴리머를 포함하는 혼합물을 말한다. 또한 이온 도전 중합체는 본 명세서에 개시된 것처럼 접착을 용이하게 하기 위해 세공(pore)을 포함할 수 있다.
이온 도전 접착 혼합물은 대체로 PEM과 촉매층이 상이한 이온 도전 중합체를 포함할 때 사용된다. 바람직한 실시예에서, 제 1 및 제 2 이온 도전 중합체는 접착 중합체 혼합물을 만드는데 사용된다. 이러한 제 1 및 제 2 이온 도전 중합체는 바람직하게 각각 PEM과 촉매층의 이온 도전 중합체에 해당한다. 따라서 이온 도전 접착 중합체는 혼합물이 접착제로서 사용될 수 있도록 PEM과 촉매층 모두에 친화력을 갖는다. 예컨대, 만약 PEM이 폴리(아릴레테르 케톤) 백본(backbone)(PEEK)을 갖는 이온 도전 폴리머를 포함하고 촉매층이 이오노머로서 Nafion®을 포함한다면, Nafion®과 술폰산 PEEK는 이온 도전 접착 혼합물을 형성하도록 결합될 수 있다.
그러나, 접착 혼합물의 제 1 및/또는 제 2 이온 도전 중합체는 PEM과 촉매층의 이온 도전 중합체와 동일할 필요는 없다. 이러한 경우, 제 1 및 제 2 이온 도전 중합체는 PEM 및/또는 촉매층의 이온 도전 중합체와 밀접한 관련이 있다. 예컨대, 제 1 이온 도전 중합체는 PEM의 표면에 접착될 수 있는 능력에 기초하여 선택된다. 제 2 이온 도전 중합체는 촉매층에 접착될 수 있는 능력에 기초하여 선택된다.
또 다른 실시예에서, 상기 이온 도전 중합체는 무기물 입자, 비-이오노머릭 중합체 및/또는 이들 내부에 소산된 세공과 결하하는데 사용된다. PEM이 Nafion®으로 제조되지 않고 촉매층이 Nafion®으로 제조되는 경우, 역시 Nafion®은 이온 도전 접착 혼합물 내의 이온 도전 중합체로서, 즉 무기물 입자, 비-이오노머릭 중합체 또는 세공과 결합하는데 사용될 수 있다.
이온 도전 중합체가 무기물 입자와 혼합될 때, 선택된 비-이온 입자는 평균 직경이 20nm 내지 2000nm 사이이다. 사용될 수 있는 무기물 입자는 흑연 또는 비정질 탄소 분말 또는 실리콘, 티타늄 및 지르코늄 산화물을 포함한다. 이온-도전 중합체는 프로톤이 혼합물을 통과하여 전도될 수 있도록 충분한 단편(fraction)의 혼합물을 포함해야 한다. 이온-함유 중합체를 포함하는 혼합물 부분은 바람직하게 10-95%이고 더 바람직하게는 25-90%이며, 가장 바람직하게는 50-80%이다.
이온 도전 중합체가 비-이온 중합체와 혼합될 때, 선택된 비-이온 중합체는 200C 미만의 유용 또는 유리 전이 온도를 가져야 한다. 사용될 수 있는 비-이온 중합체는 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 비닐리덴 플루오라이드 및 헥사플루오로프로필렌의 혼성중합체, 폴리(비닐플루오라이드), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔 및 부타디엔, 아크릴로나이트릴 및/또는 스티렌의 혼성중합체를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 사용된 비-이온 중합체는 비닐리덴 플루오라이드 및 헥사플루오로프로필렌의 혼성중합체이다. 이온-도전 중합체는 촉매층에의 접착을 촉진시키는 비-이온 도전 중합체의 능력을 방해하지 않으면서 프로톤이 층을 전도할 수 있도록 충분한 단편의 혼합물을 포함해야 한다. 이온-함유 중합체를 포함하는 혼 합물 부분은 바람직하게 10-95%, 더 바람직하게는 25-90% 및 가장 바람직하게는 50-80%이다.
세공을 함유한 접착 혼합물은 이온 도전 중합체를 포로젠(porogen)과 결합시킴으로써 제조된다. 이러한 혼합물은 PEM의 표면 및/또는 전극의 표면(즉 촉매층의 표면)에 제공되며 그 후에 이온 도전 중합체가 아닌 포로젠을 용해시킬 수 있는 용매로 세척된다. 건조 후에, 접착제 코팅 PEM 및/또는 접착제 코팅 전극은 촉매층의 표면과 PEM의 표면 사이의 접착층을 형성하도록 서로 인접하게 배치된다. 촉매츠의 이온 도전 중합체는 바람직하게 접착 혼합물의 세공을 채운다. 또한 PEM의 이온 도전 중합체는 MEA를 형성하기 위한 조건 하에서 세공으로 흐를 수 있는 능력에 따라 접착층의 세공에 진입할 수 있다.
또한 PEM을 제조하는데 사용된 임의의 이온 도전 중합체가 촉매층의 이오노머로서 사용될 수 있다. 그러나, 촉매층을 형성하는데 사용하기 위한 바람직한 이오노머는 Nafion®이다.
바람직하게 본 발명의 MEA를 형성하는데 사용된 전극은 촉매층과 가스 확산층을 포함한다. 촉매층은 촉매(예컨대, 플래티늄 또는 플래티늄/루테늄 입자 또는 탄소 입자 상에 지원된 촉매 입자) 및 Nafion®과 같은 이오노머를 포함한다. 가스 확산층(GDL)은 탄소 페이퍼 또는 클로스(cloth), 예컨대 토레이 페이퍼(Toray paper) 등을 포함할 수 있다. 먼저 GDL과 제 1 촉매층을 포함하는 전극은 MEA를 형성하기 위해 이온 도전 접착 혼합물과 PEM의 제 1 표면과 결합하는데 사용될 수 있다.
MEA는 PEM의 제 2 표면과 제 2 촉매층 사이의 제 2 접착 촉진층을 더 포함할 있다. 이온 접착 혼합물은 (1) 제 4 이온 도전 중합체; (2) 이온 도전 중합체 내에 소산된 무기물 입자; 및/또는 비-이오노머릭 중합체와 결합된 제 3 이온 도전 중합체를 포함할 수 있다. 또한 이온 도전 중합체 내에 형성된 세공을 포함할 수 있다. 제 3 및 제 4 이온 도전 중합체는 제 1 접착층을 형성하기 위해 상기 사용된 제 1 및 제 2 이온 도전 중합체와 동일하거나 상이할 수 있다. 만약 촉매층이 동일한 이온 도전 중합체로 제조된다면 제 3 및 제 4 이온 도전 중합체는 제 1 및 제 2 이온 도전 중합체에 대응하는 것이 바람직하다.
대안적인 실시예에서, 가스 확산층은 디켈커메니아(decal) 위에 놓일 수 있다. 다음에 촉매는 GDL의 노출된 표면 위에 층으로 형성될 수 있다. 전극을 포함하는 디켈커메니아는 PEM과 디켈커메니아 위에 위치한 촉매층 사이에 이온 도전 접착층을 포함한 MEA를 형성하기 위해 본 명세서에 따라 사용될 수 있다.
예
예 1
DMA 용매(9.5 g)의 Nafion® PFSA 이오노머의 5% 용매는 고체 Nafion® 대 고체 흑연화 탄소의 중량비가 3:1이 되도록 흑연화 탄소 입자(0.158g)를 포함한 유리병(vial)에 추가된다. 추가 DMA 용매(3.0g)는 슬러리의 최종 % 고체가 5% 중량이 되도록 추가된다. 슬러리는 이온 도전 접착제를 형성하기 위해 10분 동안 프로브 음파처리기에 의해 음파 처리된다. 술폰산 폴리(아릴렌 에테르 케톤)에 기반한 중합체 전해질 막은 100℃의 오븐에서 15분 동안 건조된다. 이온 도전 접착제는 #6 로드-코터(rod-coater)를 이용하여 상기 막 슬러리의 각 측부에 제공된다. 접착제는 실온의 압축된 공기에서 건조되고 그 다음에 100℃의 오븐에서 45분 동안 건조된다. 이렇게 형성된 접착-코팅 막은 약 10 kg/cm2 하에서 140℃로 2분동안 가열압착기 내에서 어닐링된다.
예 2
DMA 용매(2.0g)의 Nafion® PFSA 이오노머의 5% 용매는 DMA(2.0g)의 술폰산 폴리(아릴렌 에테르 케톤)의 5% 용매와 혼합된다. 혼합물은 수 분 동안 휘저어진다. 혼합물은 잉노 도전 접착 혼합물을 형성하기 위해 10분 동안 프로브 음파처리기에 의해 음파처리된다. 술폰산 폴리(아릴렌 에테르 케톤)에 기반한 중합체 전해질 막은 15분 동안 100℃의 오븐에서 건조된다. 이온 도전 혼합물은 #6 로드-코터(rod-coater)를 이용하여 상기 막의 각 측부에 제공된다. 접착제는 실온의 압축된 공기에서 건조되고 그 다음에 100℃의 오븐에서 45분 동안 건조된다. 이렇게 형성된 접착-코팅 막은 약 10 kg/cm2 하에서 140℃로 2분동안 가열압착기 내에서 어닐링된다.
예 3
DMA(3.0g)의 술폰산 폴리(아릴렌 에테르 케톤)의 5% 용매는 DMA(1.0g)의 폴리(비닐리덴 플루오라이드-코-헥사플로오로프로필렌)의 5% 용매와 혼합된다. 혼합물은 이온 도전 접착 혼합물을 형성하기 위해 수 분 동안 휘저어진다. 혼합물은 10 분 동안 프로브 음파처리기에 의해 음파처리된다. 술폰산 폴리(아릴렌 에테르 케톤)에 기반한 폴리머 전해질 막은 15 분 동안 100℃의 오븐에서 건조된다. 이온 도전 접착 혼합물은 #6 로드-코터(rod-coater)를 이용하여 상기 막의 각 측부에 제공된다. 접착제는 실온의 압축된 공기에서 건조되고 그 다음에 100℃의 오븐에서 45분 동안 건조된다.
예 4
예 1,2,3의 표면 코팅 막은 60℃의 물에서 16시간 동안 담겨진다. 물에서 제거되고 블로팅(blot) 건조된다. 애노드(GDL 탄소 페이퍼 상의 PtRu 전극촉매 + Nafion® 이오노머)와 캐소드(GDL 탄소 페이퍼 상의 Pt 전극촉매 + Nafion® 이오노머)는 막의 한쪽 측부 상에 배치된다. 애노드/막/캐소드 적층은 80 kg/cm2에서 3분동안 150℃에서 가압된다.

Claims (40)

  1. 막 전극 어셈블리(MEA)로서,
    a. 제 1 이온 도전 중합체를 포함하며 제 1 및 제 2 표면들을 갖는 중합체 전해질 막(PEM);
    b. 제 2 이온 도전 중합체 및 촉매를 포함하며, 제 1 표면을 갖는 제 1 촉매층; 및
    c. 상기 PEM의 제 1 표면 및 상기 촉매의 제 1 표면과 접촉하는 접착 촉진층
    을 포함하며, 상기 접착 촉진층은 이온 도전 접착 혼합물을 포함하는, 막 전극 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매층은 전극으로서 작동하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 도전 접착 혼합물은 상기 제 1 이온 도전 중합체 또는 상기 제 2 이온 도전 중합체 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 접착 혼합물은 상기 제 1 이온 도전 중합체 또는 상기 제 2 이온 도전 중합체 내에 소산된 무기물 입자들을 더 포함하는 것을 특징으 로 하는 막 전극 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 무기물 입자는 흑연 및 비정질 탄소 분말, 및 실리콘, 티타늄 및 지르코늄 산화물들로 구성된 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 무기물 입자는 평균 직경이 20 nm 내지 2000 nm 사이인 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 도전 접착 혼합물은 두 개 이상의 이온 도전 중합체들을 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 이온 도전 중합체들 중 적어도 하나는 상기 제 1 이온 도전 중합체 또는 제 2 이온 도전 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 이온 도전 중합체들은 상기 제 1 및 제 2 이온 도전 중합체들을 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 접착 혼합물은 200℃ 미만의 Tm 또는 Tg를 갖는 비- 이온 중합체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 접착 혼합물은 상기 접착 촉진층 내에 함유된 세공(pore)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 접착 촉진층은 두께가 200 nm 내지 5000 nm 사이인 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 접착 촉진층을 통한 상기 PEM으로의 상기 촉매층의 접착력은 상기 접착 촉진층 없는 상기 PEM으로의 상기 전극의 접착력보다 큰 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리.
  14. 막 전극 어셈블리(MEA)를 제조하기 위한 방법으로서,
    a. 제 1 이온 도전 중합체를 포함하며 제 1 및 제 2 표면들을 갖는 중합체 전해질 막(PEM) 및 제 1 표면을 가지며 제 2 이온 도전 중합체를 포함하는 제 1 촉매층을 제공하는 단계;
    b. 상기 PEM의 제 1 표면 또는 상기 촉매층의 제 1 표면 중 적어도 하나 위에 이온 도전 접착 혼합물을 제공하는 단계; 및
    c. MEA를 형성하기 위해 상기 PEM의 제 1 표면 및 상기 촉매층의 제 1 표면 사이에 접착 촉진층을 형성하도록 상기 PEM과 상기 촉매층을 인접하게 배치시키는 단계
    를 포함하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 촉매층은 전극으로 작동하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    a. 제 3 이온 도전 중합체와 촉매를 포함하며, 제 1 표면을 포함하는 제 2 촉매층을 제공하는 단계;
    b. 적어도 상기 PEM의 제 2 표면 또는 상기 제 2 촉매층의 제 1 표면 상에 이온 도전 접착 혼합물을 제공하는 단계; 및
    c. MEA를 형성하기 위해 상기 PEM의 제 2 표면과 상기 제 2 촉매층의 제 1 표면 사이에 접착 촉진층을 형성하도록 상기 PEM과 상기 제 2 촉매를 인접하게 배치시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 MEA는 120 내지 170°사이의 온도와 25 내지 120 kg/cm2 사이의 압력에서 어닐링되는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  18. 제 14항에 있어서, 상기 이온 도전 접착 혼합물은 상기 제 1 이온 도전 중합체 또는 상기 제 2 이온 도전 중합체 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 이온 도전 접착 혼합물은 상기 이온 도전 중합체 내에 소산된 무기물 입자들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 무기물 입자들은 흑연 또는 비정질 탄소 분말, 및 실리콘, 티타늄 및 지르코늄 산화물들로 구성된 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 이온 도전 접착 혼합물은 두 개 이상의 이온 도전 중합체들을 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 이온 도전 접착 혼합물 중 적어도 하나는 상기 제 1 이온 도전 중합체 또는 제 2 이온 도전 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  23. 제 14 항에 있어서, 상기 이온 도전 접착 혼합물은 200℃ 미만의 Tm 또는 Tg를 갖는 비-이온 중합체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  24. 제 14 항에 있어서, 상기 이온 도전 접착 혼합물은 포로젠(porogen)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  25. 제 14 항에 있어서, 상기 접착 촉진층은 두께가 200 nm 내지 5000 nm 사이인 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  26. 제 14 항에 있어서, 상기 접착 촉진층을 통한 상기 PEM으로의 상기 제 1 또는 상기 제 2 전극의 접착력은 상기 접착 촉진층 없는 상기 PEM으로의 상기 제 1 또는 제 2 전극의 접착력보다 큰 것을 특징으로 하는 막 전극 어셈블리 제조 방법.
  27. PEM 및 상기 PEM의 표면들 중 적어도 하나 위에 이온 도전 접착 혼합물을 갖는 접착 촉진층을 포함하는 혼합물.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 이온 도전 접착 혼합물은 상기 제 1 또는 상기 제 2 이온 도전 중합체들 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합물.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 접착 혼합물은 상기 이온 도전 중합체 내에 소산된 무기물 입자들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합물.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 무기물 입자들은 흑연 및 비정질 탄소 분말, 및 실리콘, 티타늄 및 지르코늄 산화물들로 구성된 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 혼합물.
  31. 제 27 항에 있어서, 상기 접착 혼합물은 두 개 이상의 이온 도전 중합체들을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합물.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 이온 도전 중합체 중 적어도 하나는 상기 제 1 이온 도전 중합체 또는 제 2 이온 도전 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합물.
  33. 제 29 항에 있어서, 상기 이온 도전 접착 혼합물은 상기 제 1 및 제 2 이온 도전 중합체들을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합물.
  34. 제 27 항에 있어서, 상기 접착 혼합물은 200℃ 미만의 Tm 또는 Tg를 갖는 비-이온 중합체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합물.
  35. 제 27 항에 있어서, 상기 접착 혼합물은 상기 제 1 이온 도전 중합체 또는 상기 제 2 이온 도전 중합체 중 적어도 하나 내에 함유된 세공(pore)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합물.
  36. 제 27 항에 있어서, 상기 접착 촉진층은 두께가 200 nm 내지 5000 nm 사이인 것을 특징으로 하는 혼합물.
  37. 제 1 항의 MEA를 포함하는 연료 전지.
  38. 제 37 항의 연료 전지를 포함하는 전기 장치.
  39. 제 37 항의 연료 전지를 포함하는 전력 공급부.
  40. 제 37 항의 연료 전지를 포함하는 자동차.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8735017B2 (en) 2010-03-10 2014-05-27 Samsung Sdi Co., Ltd Membrane-electrode assembly for fuel cell, method of manufacturing membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell system

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009079625A2 (en) * 2007-12-18 2009-06-25 Polyfuel, Inc. Ion conducting copolymers with elastomeric and polyarylene segments
JP5339284B2 (ja) * 2008-03-04 2013-11-13 リンテック株式会社 粘着剤組成物及び粘着シート
US8765327B2 (en) * 2010-07-12 2014-07-01 3M Innovative Properties Company Fuel cell electrodes with conduction networks
WO2012036007A1 (ja) * 2010-09-13 2012-03-22 凸版印刷株式会社 膜電極接合体、膜電極接合体の製造方法、及び、燃料電池
WO2013018843A1 (en) * 2011-07-29 2013-02-07 Shinshu University Oxygen gas diffusion electrode and method of making the same
FR2995143B1 (fr) * 2012-09-06 2015-05-15 Commissariat Energie Atomique Formulation d'une couche active aux performances ameliorees
EP3200258B1 (en) * 2014-09-23 2020-11-04 LG Chem, Ltd. Composite membrane containing ion transfer polymer and method for preparing same
KR101757842B1 (ko) 2015-01-30 2017-07-17 한국화학연구원 유연한 구조의 고분자 접합층을 포함하는 탄화수소계 막-전극접합체
JP6792067B2 (ja) * 2016-12-29 2020-11-25 コーロン インダストリーズ インク 膜−電極アセンブリー、その製造方法、そして、これを含む燃料電池
JP6891271B2 (ja) * 2017-05-11 2021-06-18 旭化成株式会社 高分子電解質膜、膜電極接合体、及び固体高分子型燃料電池
WO2021192949A1 (ja) 2020-03-24 2021-09-30 東レ株式会社 電解質膜およびそれを用いたレドックスフロー電池
CN112271301B (zh) * 2020-10-16 2021-11-23 山东汉德自动化控制设备有限公司 一种无机原位粘合制备燃料电池膜电极的方法
CN112259757B (zh) * 2020-12-17 2022-05-17 安徽明天氢能科技股份有限公司 一种膜电极密封填充剂及其制备方法
US20230127900A1 (en) * 2021-10-22 2023-04-27 Bell Textron Inc. Fuel Cell Metallic Gas Diffusion Layer
AU2023239124A1 (en) * 2022-03-23 2024-09-12 Toray Industries, Inc. Electrolyte membrane, electrolyte membrane with catalyst layer, membrane electrode assembly, and water electrolysis device
WO2024004856A1 (ja) * 2022-06-27 2024-01-04 東レ株式会社 電解質膜、触媒層付電解質膜およびその作製に用いられる転写シート、膜電極接合体、水電解装置並びに触媒層付電解質膜の製造方法
US20240191373A1 (en) * 2022-12-09 2024-06-13 Uop Llc Catalyst ink composition and catalyst coated membranes for electrolysis

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19713250C2 (de) * 1997-03-29 2002-04-18 Ballard Power Systems Elektrochemischer Energiewandler mit Polymerelektrolytmembran
DE19926027A1 (de) * 1999-05-28 2000-11-30 Heliocentris Energiesysteme Membran-Elektroden-Einheit mit integriertem Dichtrand
US6663994B1 (en) * 2000-10-23 2003-12-16 General Motors Corporation Fuel cell with convoluted MEA
EP1220344B2 (en) * 2000-12-26 2012-08-01 Asahi Glass Company, Limited Solid polymer electrolyte membrane, solid polymer fuel cell and fluorpolymer
DE10201886B4 (de) * 2001-01-19 2014-01-23 Honda Giken Kogyo K.K. Polymerelektrolytmembran sowie Verfahren zur Herstellung dieser und Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle, welche diese verwendet
JP4221164B2 (ja) * 2001-03-30 2009-02-12 本田技研工業株式会社 固体高分子型燃料電池
EP1484810A1 (en) * 2002-03-14 2004-12-08 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for manufacturing polymer electrolyte type fuel cell
JP3608565B2 (ja) * 2002-04-17 2005-01-12 日本電気株式会社 燃料電池およびその製造方法
JP2003317729A (ja) * 2002-04-26 2003-11-07 Ube Ind Ltd 多孔質黒鉛フィルムを用いた燃料電池用電極、膜−電極接合体及び燃料電池
WO2004051776A1 (ja) * 2002-12-02 2004-06-17 Sanyo Electric Co.,Ltd. 固体高分子電解質膜、当該膜を用いた固体高分子型燃料電池、およびその製造方法
JP2004247294A (ja) * 2003-01-20 2004-09-02 Hitachi Maxell Ltd 燃料電池用発電素子およびその製造方法ならびに前記発電素子を用いた燃料電池

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8735017B2 (en) 2010-03-10 2014-05-27 Samsung Sdi Co., Ltd Membrane-electrode assembly for fuel cell, method of manufacturing membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
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TW200633293A (en) 2006-09-16
JP2008512844A (ja) 2008-04-24
CN101095256A (zh) 2007-12-26
EP1800364A2 (en) 2007-06-27
AU2005282498A1 (en) 2006-03-16
CA2579622A1 (en) 2006-03-16
WO2006029185A2 (en) 2006-03-16

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