KR20090082377A - 막전극 접합체의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 애노드 촉매층(13), 중합체 전해질막(1) 및 캐소드 촉매층(14)을 포함하는 막전극 접합체의 제조 방법 및 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 UV 경화성 물질을 포함하는 제1 보더(border)(17)를 중합체 전해질막에 도포하는 단계(여기서, 상기 중합체 전해질막(1)의 내부 영역(16)은 UV 경화성 물질이 없음), 중합체 전해질막(1)의 내부 영역(16)을 커버하고 제1 보더(17)와 겹치는 촉매층(2)을 도포하는 단계, UV 경화성 물질을 포함하는 제2 보더(18)를 상기 제1 보더(17)에 도포하는 단계(여기서, 상기 제2 보더(18)는 상기 촉매층(2)을 둘러쌈), 상기 UV 경화성 물질을 포함하는 제3 보더(19)를 제2 보더(18)에 도포하는 단계(여기서, 상기 제3 보더(19)는 상기 촉매층(2)과 겹침), 및 제1, 제2 및 제3 보더(17, 18, 19)를 UV 방사선으로 조사하는 단계를 포함한다.

Description

막전극 접합체의 제조 방법{PROCESS FOR PRODUCING A MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 애노드 촉매층, 중합체 전해질막 및 캐소드 촉매층을 포함하는 막전극 접합체의 제조 방법, 및 이러한 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 에너지 변환체이다. 연료 전지에서는 전기분해의 원리가 반전된다. 여기서, 연료(예를 들어, 수소) 및 산화제(예를 들어, 산소)는 물리적으로 분리된 장소인 2개의 전극에서 전력, 물 및 열로 전환된다. 온도 조절의 관점에서 일반적으로 서로 다른 다양한 유형의 연료 전지가 현재 알려져 있다. 그러나, 이러한 전지의 구조는 모든 유형에서 원칙적으로 동일하다. 이들은 일반적으로 반응이 진행되는 2개의 전극, 즉 애노드 및 캐소드 및 상기 2개의 전극들 사이의 전해질을 포함한다. 중합체 전해질막 연료 전지(PEM 연료 전지)의 경우, 이온(특히, H+ 이온)을 전도하는 중합체 막은 전해질로서 사용된다. 이러한 전해질은 3 가지 기능을 보유한다. 이는 이온 접촉을 수행하고, 전자 접촉을 방지하며, 또한 전극들에 공급되는 기체가 서로 분리되도록 한다. 상기 전극들에는 산화환원 반응으로 반응하는 기체가 공급되는 것이 일반적이다. 상기 전극들은 기체(예를 들어, 수소 또는 메탄올 및 산소 또는 공기)를 공급하고, 반응 생성물, 예컨대 물 또는 CO2를 배출시키며, 출발 물질을 촉매 반응시키고, 전자를 공급하거나 전도하는 역할을 한다. 화학 에너지의 전기 에너지로의 전환은, 촉매 활성 영역(예를 들어, 백금), 이온 전도체(예를 들어, 이온교환 중합체), 전자 전도체(예를 들어, 그래파이트) 및 기체(예를 들어, H2 및 O2)의 삼상계면에서 이루어진다. 상기 촉매는 매우 큰 활성 표면을 갖는 것이 중요하다.
PEM 연료 전지의 중요 부분은 양면에 촉매가 코팅되어 있는 중합체 전해질막(CCM = 촉매 코팅막) 또는 막전극 접합체(MEA)이다. 이와 관련하여 촉매 코팅막은, 양면에 촉매가 코팅되고 막층의 한 면에 외부 애노드 촉매층, 중간 막층 및 상기 애노드 촉매층 반대면의 막층면 상의 외부 애노드 촉매층을 포함하는 3층 중합체 전해질막이다. 상기 막층은 이후 이오노머로 불리우게 되는 양성자 전도성 중합체 물질을 포함한다. 상기 촉매층은 애노드 또는 캐소드에서의 각각의 반응(예를 들어, 수소의 산화, 산소의 환원)을 촉진시키는 촉매 활성 성분을 포함한다. 촉매 활성 성분으로서 원소 주기율표의 백금족 금속을 사용하는 것이 바람직하다.
막전극 접합체는 양면 상에 촉매가 코팅된 중합체 전해질막 및 1 이상의 기체 확산층(GDL)을 포함한다. 상기 기체 확산층은 촉매층에 기체를 공급하고 전지 전류를 전도하는 역할을 한다.
막전극 접합체는 종래 기술에, 예를 들어 WO 2005/006473 A2에 공지되어 있 다. 이에 기술되어 있는 막전극 접합체는 전면 및 후면, 상기 전면 상의 제1 촉매층 및 제1 기체 확산층, 및 상기 후면 상의 제2 촉매층 및 제2 기체 확산층을 가지며, 상기 제1 기체 확산층은 이온 전도성 막보다 평면 치수가 작으며, 상기 제2 기체 확산층은 이온 전도성 막과 평면 치수가 실질적으로 동일하다.
WO 00/10216 A1는 중간 영역 및 주변 영역을 갖는 중합체 전해질막을 포함하는 막전극 접합체에 관한 것이다. 전극은 중합체 전해질막의 중간 영역 상부 및 주변 영역 부분에 위치한다. 하부 실(seal)이 상기 중합체 전해질막의 주변 영역에 배치되어 이 또한 상기 중합체 전해질막의 주변 영역으로 확장하는 전극의 부분 전반으로 확장하며, 추가 실이 또한 하부 실 상의 적어도 일부 상에 배치될 수 있다.
WO 2006/041677 A1은 중합체 전해질막, 기체 확산층, 및 상기 중합체 전해질막과 기체 확산층 사이의 촉매층을 포함하는 구조 유닛을 갖는 막전극 접합체에 관한 것이다. 실링 부재가 상기 구조 유닛의 1 이상의 구성 성분 상에 배치되고, 기체 확산층의 외부 가장자리가 상기 실링 부재와 겹친다. 상기 실링 부재는 계 내에서 침적되고 경화될 수 있는 물질층을 포함한다.
당업자라면 막전극 접합체의 많은 제조 방법을 알고 있을 것이다. 예를 들어, US 6,500,217 B1에는 전극층을 연속 스트립의 중합체 전해질막으로 도포하는 방법이 기술되어 있다. 여기서, 상기 막의 전면 및 후면은 전극촉매를 포함하는 잉크를 이용하여 상기 전극층에 소정의 패턴으로 연속 인쇄되고, 인쇄된 전극은 인쇄 직후 고온에서 건조되며, 여기서, 인쇄는 전후면 전극층의 패턴의 배열을 위치 정확하게 유지하면서 실시된다.
연료 전지에서, 막전극 접합층은 2개의 기체 분배판 사이에 삽입되는 것이 전형적이다. 상기 기체 분배판은 전류를 전도하고 반응 유체 스트림(예를 들어, 수소, 산소 또는 액체 연료, 예를 들어 포름산)에 대한 분배기로서 작용하는 역할을 한다. 반응 유체 스트림을 막전극 접합체의 전기화학적으로 불활성인 영역에 분배하기 위해서, 상기 막전극 접합체와 마주하면서 채널 또는 개방면을 갖는 함몰부가 있는 기체 분배판 표면이 일반적으로 제공된다.
연료 전지 스택에서, 복수의 개별 연료 전지가 직렬로 연결되어 총 전력 출력을 증가시킨다. 이러한 스택에서, 기체 분배판의 한 면은 연료 전지의 애노드로서 작용하고, 상기 기체 분배판의 다른 한 면은 인접하는 연료 전지의 캐소드로서 작용한다. 이러한 배치에서, 기체 분배판은 (말단 플레이트 이외에) 양극판이라 일컬어진다.
막전극 접합체에 공급되는 반응물(연료 및 산화물)이 혼합되지 않도록, 중합체 전해질막에 의해 분리된 막전극 접합체의 두 면을 따로 실링해야하고, 상기 연료 전지를 이의 주위로부터 실링해야 한다. 통상의 연료 전지에서, 예를 들어 기체 분배판과 막 사이에 적절한 경우 탄성 실과의 조합으로 배치되는 실링 프레임은 이러한 목적으로 제공된다. 상기 기체 분배판과 막전극 접합체를 함께 클램핑하여 상기 실링 프레임(및, 적절한 경우 탄성 실)에 의한 유체 밀봉 실링을 확보해야 한다. 생성된 압축 응력은 전기화학적 활성 영역의 외부 모서리(촉매층의 모서리) 및 실링 프레임의 내부 모서리에서의 중합체 전해질막의 변형 또는 인열의 위험성을 발생시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 방지하고, 특히 막전극 접합체의 중합체 전해질막의 실링 및 안정화를, 특히 전기화학적 활성 부분의 모서리 영역에서 가능하게 하는 것이다.
상기 목적은 애노드 촉매층, 중합체 전해질막 및 캐소드 촉매층을 포함하는 막전극 접합체의 제조 방법에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 본 발명의 방법은 UV 경화성 물질을 포함하는 제1 보더(border)를 중합체 전해질막에 도포하는 단계(여기서, 상기 중합체 전해질막의 내부 영역은 UV 경화성 물질이 없음), 중합체 전해질막의 내부 영역을 커버하고 제1 보더와 겹치는 촉매층을 도포하는 단계; UV-경화성 물질을 포함하는 제2 보더를 상기 제1 보더에 도포하는 단계(여기서, 상기 제2 보더는 상기 촉매층을 둘러쌈), 상기 UV 경화성 물질을 포함하는 제3 보더를 제2 보더에 도포하는 단계(여기서, 상기 제3 보더는 상기 촉매층과 겹침) 및 제1, 제2 및 제3 보더를 UV 방사선으로 조사하는 단계를 포함한다. 상기 제2 및 제3 보더는 제1 보더에 개별적으로 또는 한 단계에서 함께 도포할 수 있다. 따라서, 최종 막전극 접합체는 UV 경화된 물질을 포함하는 3개의 대체로 중첩된 보더에 의해 형성된 UV 경화된 물질을 포함하는 보더를 가진다.
상기 중합체 전해질막은 바람직하게는 양이온 전도성 중합체 물질을 포함한다. 산 작용기, 특히 설폰산기를 갖는 테트라플루오로에틸렌-플루오로비닐 에테르 공중합체를 사용하는 것이 보편적이다. 이러한 물질은, 예를 들어 E.I. DuPont에 의해 상품명 Nafion®으로 시판되고 있다. 본 원에서 사용될 수 있는 중합체 전해질 물질의 예로는 하기 중합체 물질 및 이의 혼합물이 있다:
- Nafion®(듀폰(DuPont); USA),
- 과불화 및/또는 부분적으로 불화된 중합체, 예컨대 'Dow Experimental Membrane' (다우 케미칼즈(Dow Chemicals), USA),
- Aciplex-S®(아사히 케미칼즈(Asahi Chemicals), Japan),
- Raipore R-1010 (팔 라이 매뉴팩쳐링 컴파니(Pall Rai Manufacturing Co.), USA),
- Flemion (아사히 글라스(Asahi Glas), Japan),
- Raymion®(클로린 엔지니어링 코포레이션(Chlorine Engineering Corp.), Japan).
그러나, 다른, 특히 실질적으로 불소가 없는 이오노머 물질, 예를 들어 설폰화 페놀-포름알데히드 수지(직쇄형 또는 가교형); 설폰화 폴리스티렌(직쇄형 또는 가교형); 설폰화 폴리-2,6-디페닐-1,4-페닐렌 산화물, 설폰화 폴리아릴 에테르 설폰, 설폰화 폴리아릴렌 에테르 설폰, 설폰화 폴리아릴 에테르 케톤, 포스폰화 폴리-2,6-디메틸-1,4-페닐렌 산화물, 설폰화 폴리에테르 케톤, 설폰화 폴리에테르 에테르 케톤, 아릴 케톤 또는 폴리벤즈이미다졸을 사용할 수 있다.
더욱 적합한 중합체 물질은 하기 구성 성분(또는 이들의 혼합물)을 포함하는 것들이 있다: 폴리벤즈이미다졸-인산, 설폰화 폴리페닐렌, 설폰화 폴리페닐렌 설파이드, 및 중합체-SO3X(X = NH4 +, NH3R+, NH2R2 +, NHR3 +, NR4 +) 유형의 중합체 설폰산.
본 발명에 사용되는 중합체 전해질막은 두께가 바람직하게는 20∼100 μm, 더욱 바람직하게는 40∼70 μm이다.
막전극 접합체의 애노드 및 캐소드 촉매층은, 예를 들어 수소의 산화 또는 산소의 환원의 반응을 촉진하는 1 이상의 촉매 성분을 포함한다. 상기 촉매층은 또한 다양한 기능을 갖는 복수의 촉매 물질을 포함할 수 있다. 또한, 각각의 촉매는 작용화된 중합체(이오노머) 또는 비작용화된 중합체를 포함할 수 있다.
더욱이, 전자 전도체는, 특히 연료 전지 반응에서 흐르는 전류를 전도하는 목적으로 및 촉매 물질의 지지 물질로서 촉매층에 존재하는 것이 바람직하다.
촉매층은 촉매 성분으로서 바람직하게는 원소 주기율표(PTE)의 3∼14족, 특히 바람직하게는 PTE의 8∼14족 중 1 이상의 원소를 포함한다. 캐소드 촉매층은 촉매 성분으로서 Pt, Co, Fe, Cr, Mn, Cu, V, Ru, Pd, Ni, Mo, Sn, Zn, Au, Ag, Rh, Ir 및 W 원소로 구성된 군으로부터 선택되는 1 이상의 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 애노드 촉매층은 촉매 성분으로서 Co, Fe, Cr, Mn, Cu, V, Ru, Pd, Ni, Mo, Sn, Zn, Au, Rh, Ir 및 W 원소로 구성된 군으로부터 선택된 1 이상의 원소를 포함하는 것이 바람직하다.
막전극 접합체의 제조를 위한 본 발명의 방법은 UV 경화성 물질을 포함하는 보더를 중합체 전해질막에 도포하는 것을 포함하며, 여기서 상기 중합체 전해질막의 내부 영역은 UV 경화성 물질이 없다. 이와 관련하여, UV 경화성 물질은 UV 방사선에 의한 조사에 의해 고화될 수 있는 액체 또는 페이스트 형태의 물질, 특히 UV 조사에 의해 중합될 수 있는 물질이다. 종래 기술에서, UV 경화성 물질은, 예를 들어 양극판 코팅용(US 6,730,363 B1 , WO 02/17421 A2, WO 02/17422 A2), 유체 채널 제작용(WO 03/096455 A2), 양극판 상의 실링 물질용(EP 1 073 138 A2) 또는 연료 전지의 중합체 전해질막의 스페이서용(US 2004/0209155 A1)으로 사용된다. 본 발명의 UV 경화성 물질을 사용하는 것은 이를 중합체 전해질막의 열응력 없이 고형화시킬 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점은, 예를 들어 열 용융 접착 공정에 의해 제공되지 않는다.
본 발명에서, UV 경화성 물질을 포함하는 보더를, 특히 중합체 전해질막에 도포하는 것은, 예를 들어 독터 블레이드, 분사, 캐스팅, 가압 또는 압출 방법에 의해 실시한다.
UV 경화성 물질은 용매가 적거나 용매가 없는 것이 바람직하다. 이는 중합체 전해질막의 용매에 의한 오염 또는 팽창을 방지한다는 이점을 가진다. 더욱이, 무용매 UV 경화성 물질의 가공 중 용매에 의한 작업장 오염이 없다. 그러나, 용매 함유 UV 경화성 물질은 또한 본 발명을 위해 사용할 수 있다. 상기 UV 경화성 물질은 실온에서 액체로 존재하여 복잡한 공정이 가능하도록 할 수 있다. UV 경화성 물질로서 한 성분만을 도포함으로써, 예를 들어, 이성분 접착의 경우에서와 같이 예비 혼합이 불필요하다는 이점이 있다. UV 경화성 물질을 사용하는 것은 추가 가공 시간과 관련하여(즉, UV 방사선에 의한 조사 시점과 관련하여) 큰 융통성을 확보한다는 점에서 추가 이점을 가진다.
상기 보더는 UV 경화성 물질이 중합체 전해질막에 도포되지 않고 최종 막전극 접합체의 전기화학적 활성 부위를 포함하는 내부 영역을 둘러싼다.
본 발명에 따르면, 중합체 전해질막 상의 UV 경화성 물질을 포함하는 보더는 UV 방사선에 의해 조사되어 상기 물질은 경화하고 UV 경화성 물질을 포함하는 보더가 상기 중합체 전해질막 상에 형성된다. UV 방사선에 의한 제1 보더의 조사는 본 발명의 공정 중의 촉매층 도포 전에 실시할 수 있다. 그러나, 조사는 또한 제2 또는 제3 보더의 도포 후에 실시함으로써, UV 경화성 물질을 포함하는 복수의 보더를 UV 방사선에 의한 조사에 의해 동시에 경화시킬 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 당업자에게 공지된 UV 경화성 물질을 사용하는 것이 가능하다. 예를 들어, DE 10103428 A1, EP 0463525 B1, WO 2001/55276 A1, WO 2003/010231 A1, WO 2004/081133 A1, WO 2004/083302 또는 WO 2004/058834 A1에서 기술된 바와 같은 UV 경화성 물질을 사용할 수 있다.
사용될 수 있는 액체 UV 경화성 감압 접착제의 예는 하기로 이루어진다: 아크릴레이트 단량체 또는 아크릴화 올리고머 60∼95%, 접착 향상제(예를 들어, 수지) 0∼30% 및 광개시제 1∼10%. UV 방사선에 의한 조사 시, 광개시제로부터 자유 라디칼이 형성된 후, 상기 자유 라디칼의 단량체 또는 올리고머로의 전환에 의해 경화가 실시된다. 적합한 광개시제는 일반적으로 벤조일기를 포함하고, 다수의 변형예에서 얻을 수 있다.
본 발명의 목적을 위해, 예를 들어 KIWO AZOCOL Poly-Plus H-WR 유형 (Kissel + Wolf)의 표면 코팅 조성물/접착제를 사용할 수 있으며, 이는 일반적으로 스크린 인쇄의 스크린의 코팅용으로 사용되고 UV 가교 후에 가용성으로 존재한다.
UV 방사선에 의한 UV 경화성 물질을 포함하는 제1 보더의 조사 후, 또는 UV 경화성 물질을 포함하는 제1 보더의 건조 후(UV 조사 없음)에, 촉매층(막전극 접합체의 애노드 촉매층 또는 캐소드 촉매층을 나타냄)은, 본 발명의 공정에서 중합체 전해질막의 내부 영역을 커버하고 UV 경화된 물질의 제1 보더를 겹치도록 도포된다.
촉매층의 도포는, 예를 들어 1 이상의 촉매 성분을 포함하는 용액인 촉매 잉크를 도포함으로써 실시할 수 있다. 적절한 경우 페이스트형일 수 있는 상기 촉매 잉크는 본 발명의 공정에서 당업자에게 익숙한 방법, 예를 들어, 인쇄, 분사, 독터 블레이드 코팅 또는 롤링에 의해 도포할 수 있다. 이어서, 상기 촉매층을 건조시킬 수 있다. 적합한 건조 방법은, 예를 들어 열풍 건조, 적외선 건조, 마이크로파 건조, 플라즈마 공정 또는 이들 방법들의 조합이 있다.
상기 촉매층이 UV 경화된 물질을 포함하는 제1 보더와 겹침으로써 촉매층과 외부 영역 사이의 전이 영역의 UV 경화된 물질을 포함하는 보더에 의해 중합체 전해질막이 강화되고 보호된다는 이점이 생긴다(여기서, 중합체 전해질막은 촉매층 넘어 돌출함).
본 발명에 따라서, UV 경화성 물질을 포함하는 제1 보더는 우선 중합체 전해질막에 도포되어 중합체 전해질막의 내부 영역은 UV 경화성 물질이 없으며, 이어서, 상기 제1 보더는, 적절한 경우, UV 방사선에 의해 조사된다. 이후, 중합체 전해질막의 내부 영역을 커버하고 제1 보더와 겹치는 촉매층을 도포한다. 이어서, 추가 UV 경화성 물질을 상기 제1 보더에 도포하고, 적절한 경우, UV 방사선에 의해 조사한다. 다수의 층에 UV 경화된 물질을 포함하는 보더를 도포한 결과로서, 상기 보더는 형상 및 두께와 관련하여 다양하게 배열할 수 있다. 본 발명에 따라서, UV 경화성 물질을 포함하는 제2 보더는 제1 보더에 도포하고(상기 제2 보더는 상기 촉매층을 둘러쌈), 이후 UV 경화성 물질을 포함하는 제3 보더는 제2 보더에 도포한다(상기 제3 보더는 촉매층과 겹침).
제1, 제2 및 제3 보더는 UV 방사선에 의해 조사하여 경화를 실시한다. 이러한 목적으로, 예를 들어 중압 수은 증기 램프를 사용할 수 있다. 상기 제1, 제2 및 제3 보더의 UV 방사선에 의한 조사는 각 경우에 상기 보더 중 하나의 각각의 도포 후에 실시하거나, 2 이상의 보더의 도포에 수반하여 함께 실시할 수 있다.
제1, 제2 및 제3 보더로 이루어진 UV 경화된 물질을 포함하는 보더 형성은 제1 보더와 겹치는 촉매층의 가장자리가 상기 3개의 보더에 의해 둘러싸이고, UV 경화된 물질을 포함하는 생성된 전체 보더는 상기 중합체 전해질막에 안정성을 부여한다는 이점을 가진다. 상기 실시양태에서, 촉매층에 도포된 기체 확산층의 외부 가장자리는 제3 보더와 겹치는 것이 바람직하다.
상기 보더는 전기화학적 활성 부위의 모서리에서 막이 찢기는 것을 방지한다. 본 발명에 따라 배치된 보더 없이는, 실링 프레임 사용 시, 특히 비불화 막의 경우 막 손상의 문제가 발생한다. 상기 강화 작용 이외에, 상기 보더는 실링 작용을 수행한다. 더욱이, UV 경화된 물질을 포함하는 보더는 중합체 전해질막에 잘 접착하는 경우에 상기 막이 실링 영역에서 팽창, 변형 또는 기계적으로 불안정하게 되는 것을 방지한다.
본 발명에서, 제1 보더를 모서리가 실질적으로 형성되지 않는 두께로 중합체 전해질막에 도포하여, 전기화학적으로 활성인 부위의 모서리 영역에서의 기계적 압축 응력이 감소되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 3개의 보더에 의해 형성된 보더 두께는 바람직하게는 3∼500 μm, 특히 바람직하게는 5∼20 μm 범위에 있다.
본 발명은 또한 애노드 촉매층, 중합체 전해질막 및 캐소드 촉매층을 포함하는 1 이상의 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지에 관한 것이며, 여기서 상기 중합체 전해질막은 각 면에서 UV 경화된 물질을 포함하는 보더에 접합되고, 각 보더는 애노드 촉매층 또는 캐소드 촉매층과 겹치는 제1 보더, 상기 제1 보더 상에 배치되고 애노드 촉매층 또는 캐소드 촉매층을 둘러싸는 제2 보더, 및 상기 제2 보더 상에 배치되고 애노드 촉매층 또는 캐소드 촉매층과 겹치는 제3 보더를 포함한다. 본 발명의 연료 전지는 수소 또는 액체 연료를 사용하여 조작하는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료 전지의 막전극 접합체는 본 발명의 공정에 의해 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명의 막전극 접합체는 애노드 촉매층 및/또는 캐소드 촉매층 상에 배치된 1개 또는 2개의 기체 확산층을 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 1 이상의 애노드 또는 캐소드 촉매층이 기체 확산층에 접합된다. 상기 기체 확산층은 전극의 기계적 지지체로서 작용할 수 있으며 촉매층 상의 각 기체의 우수한 분배를 보장하며, 전자를 전도하는 역할을 한다. 기체 확산층은, 특히 한면에는 수소, 다른 한 면에는 산소 또는 공기를 이용하여 조작하는 연료 전지에서 필요하다.
본 발명에서, 애노드 촉매층은 제1 기체 확산층에 접합하고, 캐소드 촉매층은 제2 기체 확산층에 접합하여 제1 기체 확산층과 애노드 촉매층 및 제2 기체 확산층과 캐소드 촉매층이 각 경우에 모서리에서 동일면인 것이 바람직하다. 예를 들어, 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층이 상이한 평면 치수를 갖는 경우, 이러한 실시양태에서 상기 기체 확산층은 마찬가지로 상기 상이한 평면 치수를 갖고, 이들 모서리는 모든 면 상의 각각의 촉매층과 동일면이다. 그러나, 또한 애노드 촉매층이 제1 기체 확산층과 접합하고 캐소드 촉매층이 제2 기체 확산층과 접하여 제1 및 제2 기체 확산층 중 1 이상이 상기 애노드 또는 캐소드 촉매층을 넘어 돌출하는 가장자리를 갖는 것이 가능하다. 상기 기체 확산층(예를 들어, 탄소 섬유 부직포 또는 탄소 섬유지)은 레이잉-온(laying-on), 롤링, 고온 프레싱 또는 당업자에게 익숙한 기타 기법에 의해 촉매층에 도포하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 막전극 접합체의 실링을 위한 실링 프레임은 UV 경화된 물질을 포함하는 보더 상에 배치될 수 있다. 상기 실링 프레임은 하기 기능 중 1 이상의 작용을 하는 프레임인 것이 바람직하다:
- 기계적 손상에 대한 중합체 전해질막의 보호,
- 예를 들어, 막전극 접합체와 함께 클램핑된 기체 분배판을 위한 스페이서, 및
- 중합체 전해질막에 대한 실링.
상기 실링 프레임 이외에, 변형 실링 부재, 예를 들어, 실리콘, 폴리이소부틸렌, 고무(합성 또는 천연), 플루오로엘라스토머 또는 플루오로실리콘으로 이루어진 실링 부재를 실링에 사용할 수 있다. 변형 실링 부재로서, 예를 들어 O-링을 사용할 수 있다. 상기 실링 프레임은 임의의 비작용화된 기밀 중합체 또는 상기 중합체로 코팅된 금속으로 구성될 수 있다. 사용될 수 있는 중합체로는, 특히 폴리에테르 설폰, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에테르 켑톤, 폴리설폰, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리프로필렌(PP)이 있다.
각각의 실링 프레임은 촉매층을 넘어 돌출하는 한 UV 경화된 물질을 포함하는 보더의 대부분의 표면을 커버하는 것이 바람직하다. 변형 실링 부재는 연료 전지 내 실링 부재 및 기체 분배판 사이에 위치하고 클램핑되도록 각각의 실링 프레임 상에 배치할 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시양태에서 실링 프레임에 의해 수행되는 실링 기능은 또한 본 발명의 UV 경화된 물질을 포함하는 보더에 의해 수행될 수 있어, 실링 프레임은 필요하지 않다. 이러한 경우에, 변형 실링 부재, 예를 들어 실리콘, 폴리이소부틸렌, 고무(합성 또는 천연), 플루오로엘라스토머 또는 플루오로실리콘으로 이루어진 실링 부재를 UV 경화된 물질을 포함하는 보더에 직접 사용하여 실링을 실시할 수 있다. 변형 실링 부재로서, 예를 들어, O-링을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, UV 경화성 물질은 스크린 인쇄, 예를 들어 회전 또는 평면 층 스크린 인쇄 방법에 의해 도포한다. 상기 스크린 인쇄 기법에 의한 UV 경화성 물질의 도포는 UV 경화성 물질이 1 이상의 박층에 도포되어 이후 바로 경화됨(예를 들어, 가교됨)으로써 중합체 전해질막이 안정화된다는 이점을 가진다. 촉매층 또한 스크린 인쇄에 의해 도포되어 스크린 인쇄에 의한 UV 경화성 물질의 도포가 생산 공정 이점을 가진다. 더욱이, 상기 스크린 인쇄 기법을 사용하여 이에 의해 도포된 층의 형상과 관련한 배치 자유도의 수준이 높다. 그러나, UV 경화성 물질 또한 다른 방법, 예를 들어 플렉소그래피 인쇄에 의해 도포할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 중합체 전해질막의 양면 상에는 UV 경화된 물질을 포함하는 보더가, 제1 보더와 겹치는 촉매층이 본 발명의 연료 전지에 위치하는 내부 영역을 둘러싼다. 상기 촉매층은 기체 확산층으로 커버되고 실링 프레임은 상기 보더 상에 배치된다. 기체 분배판은 기체 확산층 및 실링 프레임을 커버한다. 상기 기체 분배판은, 예를 들어 양극판 또는 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 말단 플레이트일 수 있다. 상기 기체 분배판은, 바람직하게는 그 표면 중 1 이상 상에 기체를 위한 채널을 포함하며, 이는 기체 확산층에 걸쳐 기상 반응물(예를 들어, 수소 및 산소)을 분배하는 '플로우 필드(flow field)'로 알려져 있다. 더욱이, 기체 분배판은 냉각제, 특히 냉각액을 위한 통합 채널을 포함하는 것이 바람직하다. 양극판은 연료 전지에 전기적 연결을 제공하고, 반응물 및 냉각제를 공급 및 분배하며, 기체 공간을 분리하는 역할을 한다. 상기 기체 분배판은, 예를 들어 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 액정 폴리에스테르(LCP), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리아릴 에테르 케톤(PAEK), 폴리아미드(PA), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리페닐렌 옥시드(PPO), 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에테르 설폰(PES) 또는 산업에 사용되는 기타 중합체로 구성된 군으로부터 선택되는 물질을 포함한다. 상기 중합체는 전기 전도성 입자, 특히, 그래파이트 또는 금속 입자로 충전할 수 있다. 그러나, 기체 분배판은 또한 그래파이트, 금속 또는 그래파이트 배합물로 제조할 수 있다.
본 발명의 연료 전지의 바람직한 실시양태에서, 변형 실링 부재는 실링 프레임과 기체 분배판 사이에 배치된다. 그루브를 기체 분배판 및/또는 실링 프레임에 제공하여 상기 변형 실링 부재를 수용할 수 있다.
본 발명의 연료 전지의 한 변형예에서, 기체 분배판은 기체 확산층을 따라 기체를 이송하는 채널을 포함하며, 상기 채널은 기체 입구 영역을 가지며, UV 경화 물질을 포함하는 보더(3개의 보더로 이루어짐)는 상기 기체 입구 영역 옆의 중합체 전해질막을 커버한다. 중합체 전해질막의 '용락'은 종래 기술로부터 공지된 연료 전지에서 기체를 위한 입구 영역에서 빈번히 관찰된다. UV 경화된 물질에 의해 커버된 중합체 전해질막의 영역의 기체 입구 영역 옆의 활성 영역으로의 확장은 이의 임계 영역 내의 막 부위를 또한 보호한다. 상기 보더의 생성된 비대칭 형상은, UV 경화성 물질을 중합체 전해질막으로 스크린 인쇄함으로써 문제 없이 수득할 수 있다.
본 발명은 도면을 이용하여 하기 예시하게 된다.
도면의 간단한 설명
도 1은 클램핑 전의 종래 기술의 연료 전지를 나타낸다.
도 2는 클램핑 후의 종래 기술의 연료 전지를 나타낸다.
도 3는 UV 경화된 물질을 포함하는 보더를 포함하는 연료 전지를 개략적으로 나타낸다.
도 4A∼AC는 막전극 접합체를 생성하기 위한 본 발명 공정의 3 단계를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지의 실시양태 중 하나의 반을 나타낸다.
도 6A∼6B는 본 발명에 따른 연료 전지의 추가 실시양태의 2개의 시점을 나타낸다.
도 1은 클램핑 전의 종래 기술에 따른 연료 전지 전반의 개략적인 단면도를 나타낸다.
연료 전지는 이의 개별적인 층과 관련하여 대칭으로 구성된다. 기체 확산층(3)으로 커버된 촉매층(2)은 중합체 전해질막(1)의 양면 각각 상에 배치된다. 상기 전해질막(1)의 막 가장자리(4)는 촉매층(2)을 넘어 돌출한다. 실링 프레임(5)은 막 가장자리(4)의 각 면 상에 배치된다. 중합체 전해질막(1), 2개의 촉매층(2), 2개의 기체 확산층(3) 및 2개의 실링 프레임(5)을 포함하는 막전극 접합체는 클램핑 나사(7)에 의해 서로 접합된 2개의 기체 분배판(6)으로 둘러싸여진다. 연료 전지를 클램핑하기 위해, 클램핑 나사를 조이며, 이로써 클램핑 방향(8)으로 기체 분배판(6) 상에 힘을 가하게 된다. 결과적으로 2개의 기체 분배판(6)이 서로를 향해 이동하며 이들 사이에 위치하는 층들은, 기체 분배판(6)이 각각의 실링 프레임(5)에 대해 고정되어 중합체 전해질막(1)에 대한 실을 생성하게 될 때까지 압착된다. 실링 프레임(5)과 관련 촉매층 및 기체 확산층(2,3) 사이의 임계 영역(9)에는 중합체 전해질막(1)이 특히 클램핑 중에 또는 공정 중 막(1)의 팽창에 의해 찢길 위험성이 있다.
도 2는 클램핑 후 종래 기술에 따른 연료 전지 전반의 개략적인 단면도를 나타낸다.
연료 전지는 도 1의 연료 전지와 실질적으로 유사하게 구성된다. 동일한 참조 번호는 동일한 연료 전지 성분을 의미한다. 추가로, 상기 연료 전지는 각 경우에 실링 프레임(5)들 중 하나와 기체 분배판(6) 사이에서 클램핑 시 변형되고 중합체 전해질막(1)에 대한 실을 확보하는 변형 실링 부재(10)를 포함한다. 상기 실시양태에서, 또한 임계 영역(9)에서 중합체 전해질막(1)이 손상될 위험성이 있다.
도 3은 UV 경화된 물질을 포함하는 보더를 포함하는 연료 전지 전반의 개략적인 단면도이다.
종래 기술로부터 알려진 층 및 성분(도 1 및 2에서와 동일한 참조 번호로 의미됨) 이외에, 상기 연료 전지는 UV 경화된 물질을 포함하는 보더(11)를 포함한다. 상기 연료 전지는 애노드 촉매층(13), 중합체 전해질막(1) 및 캐소드 촉매층(14)을 포함하는 막전극 접합체(12)를 포함한다. 상기 중합체 전해질막(1)은 양면에서 UV 경화된 물질을 포함하는 보더(11)에 접합되고, 각각의 보더(11)는 애노드 촉매층(13) 또는 캐소드 촉매층(14)과 겹친다(겹침 영역(15)). 중합체 전해질막(1)의 각 면 상에서, UV 경화된 물질을 포함하는 보더(11)는, 상기 보더(11)와 겹치고 기 체 확산층(3)으로 커버된 촉매층(2,13,14)가 위치하는 내부 영역(16)을 둘러싼다. 실링 프레임(5)(예를 들어, Teflon에 의해 제조된 프레임)은 보더(11) 상에 위치하고, 기체 분배판(6)은 기체 확산층(3) 및 실링 프레임(5)을 커버한다. 변형 실링 부재(10)(예를 들어, O-링)는 실링 프레임(5)과 기체 분배판(6) 사이에 배치된다.
도 4A∼4C는 막전극 접합체의 제조를 위한 본 발명의 방법 중 개별 단계의 결과를 각 경우에 평면도(상부) 및 단면도(하부)로 개략적으로 나타낸다.
도 4A는 본 발명 방법의 한 실시양태에 따라 막전극 접합체를 제조하기 위한 출발 물질로서 작용하는 중합체 전해질막(1)을 도시한다.
도 4B는 중합체 전해질막에 도포된 UV 경화성 물질을 포함하는 제1 보더(17)을 도시하며, 여기서 중합체 전해질막(1)의 내부 영역(16)은 UV 경화성 물질이 없다. 상기 보더(17)는 UV 방사선으로 조사하여 UV 경화성 물질이 경화하도록 한다.
도 4C는 중합체 전해질막(1)의 내부 영역(16)을 커버하고 겹침 영역(15)에서 보더(17)와 겹치도록 도포된 촉매층(2)을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 연료 전지의 실시양태를 통한 개략적인 단면도를 나타내며, 이의 반만이 예시된다. 개략적인 구성을 갖는 최종 연료 전지에서, 상기 중합체 전해질막(1) 상에 도시된 층의 순서는 역순으로 하면 상에 반복된다.
도 5에 나타낸 본 발명에 따른 연료 전지는 중합체 전해질막(1), 촉매층(2), 기체 확산층(3), 실링 프레임(5), 기체 분배판(6) 및 변형 실링 부재(10)를 그루브로 기체 분배판(6)에 포함한다. 제1 UV 경화된 보더(17)는 중합체 전해질막에 접합된다. 촉매층(2)은 제1 겹침 영역(21)에서 제1 보더(17)와 겹친다. UV 경화된 물질 의 제2 보더(18)는 제1 보더에 도포되고 촉매층(2)을 둘러싼다. UV 경화된 물질을 포함하는 제3 보더(19)는 제2 보더(18) 상에 도포되며, 상기 제3 보더는 촉매층(2)과 겹친다(제2 겹침 영역(20)). 결국, 기체 확산층(3)은 제3 겹침 영역(22)에서 제3 보더(19)와 겹친다. 이러한 층 순서는 임계 영역 중 중합체 전해질막에 특히 우수한 안정화를 제공한다.
도 6A는 본 발명에 따른 연료 전지의 추가 실시양태를 나타낸다.
상기 도는 기체 분배판(6)의 기체 입구 영역(23) 옆에서도 중합체 전해질막(도시안됨)을 커버하는 UV 경화된 물질을 포함하는 보더(11)를 갖는 연료 전지를 나타낸다. 기체 확산층(도시안됨)을 따라 기체(반응물)를 이송하는 작용을 하는 기체 분배판(6)의 채널(24)이 도시되어 있다. 기체는 기체 입구 영역(23)을 따라 상기 채널(24)에 유입되고 기체 출구 영역(25)을 통해 다시 배출된다. 보더(11)가 기체 입구 영역(23) 옆의 중합체 전해질막을 커버하기 위해서는, 이를 상기 영역을 안정화시키는 확장부(27)에 의해 전기화학적 활성 내부 영역(26)으로 확장한다.
도 6B는 본 발명에 따른 연료 전지의 상기 구조를 단면(단지 반)을 나타낸다.
기체 입구 영역(23) 및 채널(24)을 갖는 기체 분배판(6)은 기체 확산층(3), 실링 프레임(5), 촉매층(2), UV 경화된 물질을 포함하는 보더(11) 및 중합체 전해질막(1)을 커버한다. 상기 보더(11)는 기체 입구 영역(23) 옆의 중합체 전해질막(1)을 커버하고 보호하도록 연장된다. 상기 보더(11)는 촉매층(2)을 이의 외부 모서리로 둘러싸는, UV 경화된 물질을 포함하는 제1 보더(17), 제2 보더(18) 및 제 3 보더(19)를 포함한다.
참조 번호 목록
1 중합체 전해질막 2 촉매층
3 기체 확산층 4 막 가장자리
5 실링 프레임 6 기체 분배판
7 클램핑 나사 8 클램핑 방향
9 임계 영역 10 변형 실링 부재
11 보더 12 막전극 접합체
13 애노드 촉매층 14 캐소드 촉매층
15 겹침 영역 16 내부 영역
17 제1 보더 18 제2 보더
19 제3 보더 20 제2 겹침 영역
21 제1 겹침 영역 22 제3 겹침 영역
23 기체 입구 영역 24 채널
25 기체 출구 영역 26 전기화학적 활성 영역
27 확장부

Claims (12)

  1. 애노드 촉매층(13), 중합체 전해질막(1) 및 캐소드 촉매층(14)을 포함하는 막전극 접합체의 제조 방법으로서,
    UV 경화성 물질을 포함하는 제1 보더(border)(17)를 중합체 전해질막(1)에 도포하는 단계(여기서, 상기 중합체 전해질막(1)의 내부 영역(16)은 UV 경화성 물질이 없음),
    중합체 전해질막(1)의 내부 영역(16)을 커버하고 제1 보더(17)와 겹치는 촉매층(2)을 도포하는 단계,
    UV-경화성 물질을 포함하는 제2 보더(18)를 상기 제1 보더(17)에 도포하는 단계(여기서, 상기 제2 보더(18)는 상기 촉매층(2)을 둘러쌈),
    상기 UV 경화성 물질을 포함하는 제3 보더(19)를 제2 보더(18)에 도포하는 단계(여기서, 상기 제3 보더(19)는 상기 촉매층(2)과 겹침), 및
    제1, 제2 및 제3 보더(17, 18, 19)를 UV 방사선으로 조사하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, UV 경화성 물질을 포함하는 제1 보더(17)는 중합체 전해질막(1)의 양면 각각에 도포되며 UV 방사선에 의해 조사되며, 각 경우에 제1 보더(17)와 겹치는 촉매층(2)은 양면에 도포되는 것인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 막전극 접합체(12)를 실링하기 위한 실링 프레임(5)은 제3 보더(19) 상에 배치되는 것인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, UV 경화성 물질은 스크린 인쇄에 의해 도포되는 것인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매층(2)는 스크린 인쇄에 의해 도포되는 것인 방법.
  6. 애노드 촉매층(13), 중합체 전해질막(1) 및 캐소드 촉매층(14)을 포함하는 1 이상의 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지로서, 상기 중합체 전해질막(1)은 각 면에서 UV 경화된 물질을 포함하는 보더(11)에 접합되고, 상기 각각의 보더(11)는 애노드 촉매층(13) 또는 캐소드 촉매층(14)과 겹치는 제1 보더(17), 상기 제1 보더(17) 상에 배치되고 애노드 촉매층(13) 또는 캐소드 촉매층(14)을 둘러싸는 제2 보더(18), 및 상기 제2 보더(18) 상에 배열되고 애노드 촉매층(13) 또는 캐소드 촉매층(14)과 겹치는 제3 보더(19)를 포함하는 것인 연료 전지.
  7. 제6항에 있어서, 실링 프레임(5)은 제3 보더(19) 상에 배치되는 것인 연료 전지.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 각 경우의 기체 확산층(3)은 애노드 촉매층(13) 및 캐소드 촉매층(14)을 커버하는 것인 연료 전지.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기체 확산층(3)은 중합체 전해질막(1)의 각 면 상에서 제3 보더(19)와 겹치는 것인 연료 전지.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 기체 분배판(6)은 기체 확산층(3)을 커버하는 것인 연료 전지.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 실링 프레임(5)은 제3 보더(19) 상에 배치되고, 기체 분배판(6)은 기체 확산층(3) 및 실링 프레임(5)을 커버하며, 변형 실링 부재(10)가 상기 실링 프레임(5)과 기체 분배판(6) 사이에 배치되는 것인 연료 전지.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 기체 분배판(6)은 기체 확산층(3)을 따라 기체를 이송하는 채널(24)을 포함하고, 상기 채널(24)은 기체 입구 영역(23)을 가지며 UV 경화 물질을 포함하는 보더(11)는 기체 입구 영역(23) 옆의 중합체 전해질막(1)을 커버하는 것인 연료 전지.
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