KR20090082457A - Electrocatalyst layers for fuel cells and methods of making electrocatalyst layers for fuel cells - Google Patents

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Abstract

An electrochemical fuel cell is disclosed. The electrochemical fuel cell comprises a membrane electrode assembly comprising: an anode having an anode gas diffusion layer and an anode electrocatalyst layer; a cathode having a cathode gas diffusion layer and a cathode electrocatalyst layer; and a proton exchange membrane disposed between the anode and the cathode. At least one of the anode electrocatalyst layer and the cathode electrocatalyst layers comprises an electrocatalyst and polyfurfuryl alcohol. The polyfurfuryl alcohol may be distributed uniformly or non-uniformly within the electrocatalyst layer. Methods of making the electrocatalyst layer having an electrocatalyst and polyfurfuryl alcohol are also disclosed.

Description

연료 전지용 전극촉매층들 및 연료 전지용 전극촉매층들의 제조 방법들{Electrocatalyst layers for fuel cells and methods of making electrocatalyst layers for fuel cells}Electrocatalyst layers for fuel cells and methods of making electrocatalyst layers for fuel cells

본원은 미국 35 U.S.C. 119(e) 하에서 2006년 11월 8일자 출원된 미국 임시 출원 번호 제 60/864,877호의 유익을 청구하며, 상기 임시 출원은 본원에서 참고로 전체적으로 합체된다.The present application is directed to US 35 U.S.C. Claims benefit of U.S. Provisional Application No. 60 / 864,877, filed November 8, 2006, under 119 (e), which is incorporated herein by reference in its entirety.

본 발명은 일반적으로 전기화학식 연료 전지용 전극촉매층들 및 전기화학식 연료 전지용 전극촉매층들의 제조 방법들에 관한 것이다.The present invention relates generally to electrocatalyst layers for electrochemical fuel cells and methods of making electrocatalyst layers for electrochemical fuel cells.

전기화학식 연료 전지는 반응물 즉, 연료 및 산화제 유체 스트림을 변환시켜서 전력 및 반응 생성물을 발생시킨다. 전기화학식 연료 전지는 일반적으로 반응물 유체 스트림이 실질적으로 투과할 수 있는 두개의 격리 플레이트들 사이에 놓여진 멤브레인 전극 조립체(MEA)를 사용한다. 플레이트들은 통상적으로 전류 집전체로 작용하고 멤브레인 전극 조립체(MEA)를 지지한다. 또한, 플레이트들은 내부에 형성된 반응물 채널들을 구비할 수 있고 유동 필드 플레이트(flow field plate)들로서 작용하여서 멤브레인 전극 조립체(MEA)에 대한 수소 가스 및 공기와 같은 반응물 유체 스트림의 접근성을 제공하고 연료 전지의 작동 동안 형성된 반응 생성물 을 제거한다. 통상적으로, 다수의 연료 전지들은 직렬로 전기 결합되어서 연료 전지 스택을 형성한다.Electrochemical fuel cells convert reactants, ie, fuel and oxidant fluid streams, to generate power and reaction products. Electrochemical fuel cells generally use a membrane electrode assembly (MEA) placed between two isolation plates through which the reactant fluid stream can substantially permeate. The plates typically act as current collectors and support the membrane electrode assembly (MEA). The plates may also have reactant channels formed therein and act as flow field plates to provide access of the reactant fluid stream, such as hydrogen gas and air, to the membrane electrode assembly (MEA) and The reaction product formed during operation is removed. Typically, multiple fuel cells are electrically coupled in series to form a fuel cell stack.

한 유형의 전기화학식 연료 전지는 고체 고분자 전해질 또는 이온 교환 멤브레인을 포함하는 멤브레인 전극 조립체(MEA)를 사용하는 고분자 전해질 멤브레인(PEM) 연료 전지이다. 멤브레인은 서로로부터 반응물 스트림을 이격시키기 위한 배리어로서 작용하고 또한 두 전극들 사이의 전기 절연체로서 작용한다. 통상적인 상업용 고분자 전해질 멤브레인(PEM)은 이.아이. 듀퐁 드 네무르 및 컴퍼니에 의해서 지정 상표 Nafion®로서 판매되는 술폰화 과불화탄소 멤브레인(sulfonated perfluorocarbon membrane)이다.One type of electrochemical fuel cell is a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell using a membrane electrode assembly (MEA) that includes a solid polymer electrolyte or an ion exchange membrane. The membrane acts as a barrier to space the reactant streams from each other and also as an electrical insulator between the two electrodes. Typical commercial polymer electrolyte membranes (PEMs) are E.I. Sulfonated perfluorocarbon membrane sold by DuPont de Nemours and Company under the designation Nafion®.

멤브레인 전극 조립체(MEA)는 이온 교환 멤브레인의 대향면 상에 각각 배치된 두개의 전극을 추가로 포함한다. 각 전극은 통상적으로 가스 확산층으로 작용하고 멤브레인을 구조적으로 지지하는 탄소 옷감(carbon cloth) 또는 탄소 섬유 종이와 같은 다공성의 전기 전도성 기판을 포함한다. 통상적으로, 가스 확산층은 또한 선택적인 결합제를 갖는 탄소 입자들의 기판도 역시 수용한다. 전극들은 적당한 전극촉매 지지부[즉, 탄소 블랙(carbon black) 지지부 상에서 지지되는 미세한 백금 입자들] 상에 제공될 수 있고 통상적으로 정확한 금속 조성물[즉, 백금 금속 블랙 또는 그 합금]인 가스 확산층 및 멤브레인 사이의 전극촉매를 추가로 포함한다. 전극촉매는 전극을 통해서 양자 전도성을 개선하기 위하여 이오노머(ionomer)도 역시 수용할 수 있다.The membrane electrode assembly (MEA) further comprises two electrodes each disposed on opposite sides of the ion exchange membrane. Each electrode typically comprises a porous electrically conductive substrate, such as carbon cloth or carbon fiber paper, which acts as a gas diffusion layer and structurally supports the membrane. Typically, the gas diffusion layer also accepts a substrate of carbon particles with an optional binder as well. The electrodes can be provided on a suitable electrocatalyst support (i.e. fine platinum particles supported on a carbon black support) and are typically a gas diffusion layer and membrane that is an accurate metal composition (i.e. platinum metal black or alloy thereof). It further comprises an electrocatalyst between. Electrocatalysts can also accept ionomers to improve quantum conductivity through the electrodes.

전극은 통상적으로 전극에 물 관리 특성을 부여하는 폴리테트라플루오로에틸 렌(PTFE)과 같은 소수성 재료( hydrophobic material)를 수용할 수 있다. 연료 전지 작동 중에는 물이 생성되므로 물 관리는 전극의 핵심 특성이다. 적당한 물 제거없이, 생성된 물이 축적되어서, 특히 비교적 다량의 물이 생성되는 큰 전류 밀도에서, 증가된 질량 운송 손실로 인하여 성능 손실을 유발할 수 있다.The electrode can typically contain a hydrophobic material such as polytetrafluoroethylene (PTFE) that imparts water management properties to the electrode. Water management is a key characteristic of the electrode because water is produced during operation of the fuel cell. Without proper water removal, the resulting water may accumulate, leading to performance losses due to increased mass transport losses, especially at large current densities where relatively large amounts of water are produced.

그러나, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 소수성이고 친수성인 이오노머와 균일하게 혼합되지 않기 때문에, 이오노머를 포함하는 전극촉매 조성물에 사용될 때에는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 사용이 제한되었다. 또한, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)을 유체 확산층으로 "유동"시키기 위해서는 높은 소결 온도가 필요하거나 및/또는 전극촉매가 손상되거나 또는 대부분의 이오노머가 파괴된다.However, since polytetrafluoroethylene (PTFE) is not homogeneously mixed with hydrophobic and hydrophilic ionomers, the use of polytetrafluoroethylene (PTFE) has been limited when used in electrocatalyst compositions comprising ionomers. In addition, "flowing" polytetrafluoroethylene (PTFE) into the fluid diffusion layer requires a high sintering temperature and / or damages the electrocatalyst or destroys most of the ionomers.

따라서, 당분야에 진전이 있었지만, 개선된 물 관리 특성을 갖는 전극촉매 층에 대한 필요성이 존재한다. 본 발명은 이러한 필요성을 처리하고 더욱 연관된 장점을 제공한다.Thus, although progress has been made in the art, there is a need for an electrocatalyst layer with improved water management properties. The present invention addresses this need and provides more related advantages.

간략하게 설명하면, 본 발명은 일반적으로 전극촉매층 및 전기화학식 연료 전지와, 전기화학식 연료 전지용 전극촉매층의 제조 방법에 관한 것이다.Briefly described, the present invention generally relates to an electrocatalyst layer, an electrochemical fuel cell, and a method for producing an electrocatalyst layer for an electrochemical fuel cell.

일 실시예에서, 멤브레인 전극 조립체는 아노드 가스 확산층 및 아노드 전극촉매층을 포함하는 아노드; 캐소드 가스 확산층 및 캐소드 전극촉매층을 포함하는 캐소드; 아노드 및 캐소드 사이에 놓여진 양자 교환 멤브레인을 포함하며, 상기 아노드 전극촉매층 및 상기 캐소드 전극촉매층중 적어도 하나가 폴리퍼르퍼릴 알콜(polyfurfuryl alcohol)을 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드 전극촉매층은 백금 합금 촉매 및 이오노머를 포함한다. 다른 실시예에서, 폴리퍼르퍼릴 알콜의 분포는 불균일하다.In one embodiment, the membrane electrode assembly comprises: an anode comprising an anode gas diffusion layer and an anode electrocatalyst layer; A cathode comprising a cathode gas diffusion layer and a cathode electrocatalyst layer; And a proton exchange membrane disposed between the anode and the cathode, wherein at least one of the anode electrocatalyst layer and the cathode electrocatalyst layer comprises polyfurfuryl alcohol. In some embodiments, the cathode electrocatalyst layer comprises a platinum alloy catalyst and an ionomer. In another embodiment, the distribution of polyperferyl alcohol is heterogeneous.

또다른 실시예에서, 전기화학식 연료 전지용 전극의 제조 방법은 전극촉매 조성물을 시트 재료에 도포하는 단계; 상기 전극촉매 조성물에 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 부가하는 단계; 및 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 부가하고 촉매 조성물을 도포한 후에 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 중합시키는 단계를 포함한다.In another embodiment, a method of making an electrode for an electrochemical fuel cell includes applying an electrocatalyst composition to a sheet material; Adding a monomer perferyl alcohol to the electrocatalyst composition; And polymerizing the monomer perferyl alcohol after adding the monomer perferyl alcohol and applying the catalyst composition.

본 발명의 상기 형태 및 기타 형태들은 하기 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조할 때 명백해진다.These and other aspects of the invention will become apparent upon reference to the following detailed description and the accompanying drawings.

도면에서, 동일한 도면부호들은 유사 소자 또는 동작을 동일시한다. 도면의 소자들의 크기 및 상대 위치는 축척될 필요는 없다. 예를 들어, 여러 소자들의 형태 및 각도들은 축척되지 않았으며, 상기 소자들의 일부는 임의적으로 확대되었고 도면 이해를 개선하도록 배치되었다. 또한, 도시된 소자들의 특수한 형태들은 특수한 소자들의 실제 형태에 관한 임의의 정보를 전달하도록 의도된 것은 아니며 도면의 용이한 인식을 위하여 단독으로 선택되었다.In the drawings, like reference numerals identify similar elements or operations. The size and relative position of the elements in the figures need not be to scale. For example, the shapes and angles of the various elements have not been scaled, and some of the elements have been arbitrarily enlarged and arranged to improve the understanding of the drawings. Moreover, the special forms of the elements shown are not intended to convey any information about the actual form of the particular elements and have been selected solely for ease of drawing.

도 1은 멤브레인 전극 조립체를 개략적으로 도시한 도면.1 schematically illustrates a membrane electrode assembly.

도 2는 양자 모두 Nafion®이오노머와 조합되는 캐소드 전극용 백금-코발트 합금 전극촉매 및 백금 전극촉매를 구비하는 연료 전지를 위한 극성화 곡선을 도시 한 그래프.FIG. 2 is a graph showing polarization curves for fuel cells with platinum-cobalt alloy electrocatalysts and platinum electrocatalysts for cathode electrodes, both in combination with Nafion® ionomers.

하기 설명에서, 본원 설명의 여러 실시예들의 철저한 이해를 제공하기 위하여, 임의의 특정 상세한 설명을 기술한다. 그러나, 당기술에 숙련된 기술자들은 본 발명은 상기 상세한 설명없이도 실행할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 경우에, 연료 전지, 연료 전지 스택 및 연료 전지 시스템과 연관된 널리 공지된 구조들은 실시예들의 불필요한 모호함을 피하기 위하여 상세 구성에서 도시되거나 또는 기술되지 않았다.In the following description, certain specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of various embodiments of the present description. However, those skilled in the art will understand that the present invention may be practiced without the above detailed description. In other instances, well known structures associated with fuel cells, fuel cell stacks, and fuel cell systems have not been shown or described in detail in order to avoid unnecessary ambiguity in embodiments.

본문이 다른 것을 요구하지 않는다면, 명세서 및 청구범위에 걸쳐서, "포함하다" 및 "포함하는" 등과 같은 용어 및 그 변형 용어들은 "포함하지만, 그에 국한되지 않는" 포괄적인 의미로 해석되어야 한다.Unless the text requires otherwise, terms such as "comprises" and "comprising", and variations thereof, throughout the specification and claims, should be interpreted in an inclusive sense including, but not limited to.

본 명세서에 있어서, "일 실시예" 또는 "하나의 실시예"는 실시예와 연관하여 기술된 특수한 형태, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서의 여러 부분의 "일 실시예" 또는 "하나의 실시예"에서의 어구의 형태는 동일 실시예를 참조할 때 항상 필요한 것은 아니다. 또한, 특수한 형태, 구조 또는 특성들은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적당한 방식으로 조합될 수 있다.In this specification, "an embodiment" or "an embodiment" means that a particular form, structure or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the present invention. Thus, the appearances of the phrases in "one embodiment" or "an embodiment" in various parts of this specification are not always necessary when referring to the same embodiment. In addition, special forms, structures, or properties may be combined in any suitable manner in one or more embodiments.

도 1은 예시적인 멤브레인 전극 조립체(10;MEA)를 개략적으로 도시한다. 서두에 언급한 바와 같이, 멤브레인 전극 조립체들(MEAs)은 통상적으로 가스 확산 층(16,18;"GDL")들 사이에 놓여진 전극촉매층(12,14) 및 양자 교환 멤브레인(20;"PEM")을 포함한다. 전극촉매층(12,14)은 일반적으로 전극촉매층 내에 양자 전도성을 증가시키기 위하여, 이오노머와 조합된, 귀금속, 비귀금속 및/또는 그 합금과 같은 전극촉매를 수용한다. 가스 확산층(16,18;"GDL")은 통상적으로 섬유 종이와 같은 기판(22,24)과, 탄소질 입자를 포함하는 층과 같은 선택형 보조층(26,28) 및 예를 들어 PTFE 및/또는 이오노머의 결합제(binder)를 포함한다.1 schematically illustrates an exemplary membrane electrode assembly 10 (MEA). As mentioned at the outset, membrane electrode assemblies (MEAs) typically comprise an electrocatalyst layer 12,14 and a proton exchange membrane 20 (“PEM”) disposed between gas diffusion layers 16,18 (“GDL”). ). Electrocatalyst layers 12,14 generally contain electrocatalysts such as noble metals, non-noble metals and / or alloys thereof, in combination with ionomers, to increase quantum conductivity in the electrocatalyst layer. Gas diffusion layers 16 and 18 (" GDL ") are typically substrates 22 and 24, such as fibrous paper, optional auxiliary layers 26 and 28, such as layers comprising carbonaceous particles and, for example, PTFE and //. Or binders of ionomers.

서두에 언급한 바와 같이, 전극촉매층의 중요 특성은 성능에 미치는 큰 영향 때문에, 물 관리(water management)이다. 전극촉매층이 과도하게 생성된 물을 적절하게 제거할 수 없다면, 연료 전지 성능은 특히, 다량의 물이 생성되는 높은 전류 밀도에서 산화제와 함께 작동할 때, 과도한 질량 운반 손실로 인하여 악영향을 받을 수 있다. 특히, 백금-코발트 합금 전극촉매와 같은 임의의 전극촉매는 순수한 백금 촉매보다 운동학적 손실이 적다. 이러한 성능 이득은 그러나 전류 밀도가 증가함에 따라서 실현되지 않는다.As mentioned at the outset, an important characteristic of the electrocatalyst layer is water management because of its large effect on performance. If the electrocatalyst layer is unable to adequately remove excess water, fuel cell performance can be adversely affected by excessive mass transport losses, especially when operating with oxidants at high current densities where large amounts of water are produced. . In particular, any electrocatalyst, such as a platinum-cobalt alloy electrocatalyst, has less kinematic loss than a pure platinum catalyst. This performance gain is however not realized as the current density increases.

도 2에 도시된 바와 같이, 동일한 아노드 전극 및 동일한 멤브레인을 갖지만, 다른 캐소드 전극촉매도 갖는 두개의 멤브레인 전극 조립체들(MEAs)이 연료 전지 성능에 대해서 시험되었다. 아노드 전극촉매는 그래파이트 지지부 상의 백금이고 적재량은 0.1mg Pt/cm2이다. 멤브레인은 이.아이. 듀퐁 드 네무르 및 컴퍼니에 의해서 공급된 NRE211, Nafion®기초 중합체 전해질 멤브레인이다. 멤브레인 전극 조립체들(MEAs)중 하나에 대한 캐소드 전극촉매는 그래파이트 지지부 상의 백금 이고 Nafion®결합제와 혼합되었으며, 다른 멤브레인 전극 조립체(MEA)에 대한 캐소드 전극촉매는 그래파이트 지지부 상의 백금-코발트 합금이고 Nafion®결합제와 혼합되었다. 상기 캐소드들은 양자 모두 0.4mg Pt/cm2의 적재량을 가진다. 1.0 A/cm2에서, 시험 조건은 다음과 같다:As shown in FIG. 2, two membrane electrode assemblies (MEAs) with the same anode electrode and the same membrane but with different cathode electrocatalysts were tested for fuel cell performance. The anode electrocatalyst is platinum on the graphite support and has a loading of 0.1 mg Pt / cm 2 . The membrane is E.I. NRE211, Nafion® based polymer electrolyte membrane supplied by DuPont de Nemours and Company. The cathode electrocatalyst for one of the membrane electrode assemblies (MEAs) was platinum on the graphite support and mixed with a Nafion® binder, the cathode electrocatalyst for the other membrane electrode assembly (MEA) was a platinum-cobalt alloy on the graphite support and Nafion® Mixed with binder. The cathodes both have a loading of 0.4 mg Pt / cm 2 . At 1.0 A / cm 2 , the test conditions are as follows:

연료 유형 Fuel type 80% H2, 나머지 N2 80% H 2 , remaining N 2 연료 화학량론 Fuel stoichiometry 1.81.8 연료 압력 Fuel pressure 2.2 bara2.2 bara 연료 상대 습도Fuel relative humidity 60% 60% 공기 화학량론Air stoichiometry 1.8 1.8 공기 압력Air pressure 2.0 bara 2.0 bara 공기 상대 습도Air relative humidity 60% 60% 냉각제 입구 온도Refrigerant inlet temperature 65℃ 65 ℃ 냉각제 출구 온도Refrigerant outlet temperature 79℃ 79 ℃

백금-코발트 합금을 갖는 전극촉매층은 물 보유량으로 인하여 순수 백금을 함유하는 전극촉매층보다 높은 전류 밀도에서 큰 질량 운반 손실을 갖는 것으로 생각된다. 따라서, 촉매층 요소들과 양립될 수 있는 소수성 첨가제를 상기 전극촉매층에 통합하면, 물 보유량을 감소시키고 높은 전류 밀도에서 연료 전지 성능을 강화시킨다.Electrocatalyst layers with platinum-cobalt alloys are believed to have greater mass transport losses at higher current densities than electrocatalyst layers containing pure platinum due to water retention. Thus, incorporating a hydrophobic additive compatible with the catalyst layer elements into the electrocatalyst layer reduces water retention and enhances fuel cell performance at high current densities.

폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)은 Nafion®와 같은 대부분의 이오노머의 분해 온도 미만의 온도에서 중합되기 때문에, 전기화학식 연료 전지용 전극촉매층에 대해서 특히 적당한 소수성 첨가제로 확인되었다. 문헌은 메탄올 연료 전지용 Nafion®멤브레인이 Nafion®구조 내에서 퍼르퍼릴 알콜의 제위치 산성 촉매 중합에 의해서 제조되었다는 것을 나타내었다. 단량체 퍼르퍼릴 알콜의 친수성이 균일성을 허용하고 Nafion®의 친수성 구조 안으로 철저하게 침투함으로써, 감소된 메탄올 침투에 의해서 Nafion®-폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA) 나노조성 멤브레인을 형성하는 것이 제안되었다. 메탄올 침투 문제점들은 액체 메탄올 연료의 사용으로 인하여 직접 메탄올 연료 전지에서 직면하게 되지만, 수소 가스와 같은 가스성 연료에서 작동하는 연료 전지에서는 직면하지 않는다.Polyperferyl alcohol (PFA) has been identified as a particularly suitable hydrophobic additive for the electrocatalyst layer for electrochemical fuel cells because it polymerizes at temperatures below the decomposition temperature of most ionomers such as Nafion®. The literature indicated that Nafion® membranes for methanol fuel cells were prepared by in situ acidic catalytic polymerization of perferyl alcohol in the Nafion® structure. It has been suggested that the hydrophilicity of the monomeric perferyl alcohol permit uniformity and penetrate thoroughly into the hydrophilic structure of Nafion®, thereby forming Nafion®-polyperferyl alcohol (PFA) nanocomposite membranes with reduced methanol penetration. Methanol penetration problems are faced directly in methanol fuel cells due to the use of liquid methanol fuels, but not in fuel cells operating on gaseous fuels such as hydrogen gas.

이론에 의해서 정해지지 않고, 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)이 이오노머를 갖는 전극촉매층에서 사용될 때, 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)은 비교적 친수성 이오노머 네트워크 내에서 적어도 부분적으로 소수성을 부여하므로, 전극촉매층의 물 관리 특성을 변경한다. 또한, 이온 전도성은 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)이 적당한 양으로 존재하는 경우에 영향을 받지 않아야 한다. 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)은 전극촉매층의 이오노머 및 전극촉매 사이의 접착 강도 및/또는 인장 강도를 강화시킬 수 있고[그에 의해서 수화/탈수로 인하여 전극촉매층의 크기 변화를 감소시킬 수 있고], 그리고 전극촉매층의 표면 상에 크랙이 형성되는 것을 방지할 수 있다.Without being bound by theory, the water management of the electrocatalyst layer is at least partially hydrophobic within the relatively hydrophilic ionomer network when polyperferyl alcohol (PFA) is used in the electrocatalyst layer having ionomers. Change the property. In addition, the ion conductivity should not be affected when polyperferyl alcohol (PFA) is present in an appropriate amount. Polyperferyl alcohol (PFA) can enhance the adhesion strength and / or tensile strength between the ionomer and the electrocatalyst of the electrocatalyst layer, thereby reducing the size change of the electrocatalyst layer due to hydration / dehydration; and Cracks can be prevented from being formed on the surface of the electrocatalyst layer.

일 실시예에서, 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)은 전극촉매층 내에서 균일하게 분포된다. 다른 실시예에서, 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)은 전극촉매층 내에서 불균일하게 분포된다. 예를 들어, 전극촉매층의 두께를 통한 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)의 농도는 z방향으로[즉, 고분자 전해질 멤브레인(PEM)에서 가스 확산층(GDL)으로] 변화될 수 있다. 추가로, 또는 다른 방안으로, 전극촉매층의 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)의 농도는 예를 들어 연료 전지의 입구에서 연료 전지의 출구로 xy방향으로[전극촉매층의 표면에 대해서] 변화될 수 있다.In one embodiment, polyperferyl alcohol (PFA) is uniformly distributed in the electrocatalyst layer. In another embodiment, polyferryl alcohol (PFA) is unevenly distributed within the electrocatalyst layer. For example, the concentration of polyperferyl alcohol (PFA) through the thickness of the electrocatalyst layer may vary in the z direction (ie, from the polymer electrolyte membrane (PEM) to the gas diffusion layer (GDL)). In addition, or alternatively, the concentration of polyperferyl alcohol (PFA) of the electrocatalyst layer can be changed in the xy direction (relative to the surface of the electrocatalyst layer), for example from the inlet of the fuel cell to the outlet of the fuel cell.

다른 실시예에서, 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)은 소수성을 강화하기 위하여, 예를 들어, 전극촉매층 및 가스 확산층(GDL) 사이의 층 또는 고분자 전해질 멤브레인(PEM) 및 전극촉매층 사이의 층과 같은 층 형태일 수 있다. 다시, 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)은 xy방향으로 균일하거나 또는 불균일할 수 있다.In another embodiment, polyperferyl alcohol (PFA) is a layer such as, for example, a layer between an electrocatalyst layer and a gas diffusion layer (GDL) or a layer between a polymer electrolyte membrane (PEM) and an electrocatalyst layer to enhance hydrophobicity. It may be in the form. Again, the polypuryl alcohol (PFA) may be uniform or nonuniform in the xy direction.

중합 이후에 그에 따른 전극의 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)의 양은 전극촉매층의 이오노머 침투에 따라서, 예를 들어, 전극촉매층의 전체 이오노머의 약 0.1wt% 내지 전극촉매층의 전체 이오노머의 약 20wt%의 범위에 있을 수 있다. 예를 들어, 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)이 전극촉매층 내에 분산되면, 그때 중합 이후의 그에 따른 전극에서 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)의 양은 양호하게는 전극촉매층의 전체 이오노머의 8wt%보다 작다. 이것은 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)의 양이 전체 이오노머의 8wt%보다 크면, 멤브레인의 이온 전도성이 부정적으로 영향을 받는다는 것이 문헌에 기재되어 있기 때문이다. 그러나, 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)이 전극촉매층 상으로[즉, 전극촉매층 및 가스 확산층(GDL) 사이로] 층으로 도포되면, 그때 중합 이후의 그에 따른 전극에서의 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)의 양은 높아질 수 있지만, 예를 들어, 전극촉매층에서 전체 이오노머의 20wt%보다 작으며, 그에 의해서 전극촉매층의 z방향의 소수성의 변화도(gradient)를 형성할 수 있다. 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)이 층으로 심각한 침투없이 전극촉매층 안으로 도포되면, 전극촉매층을 통과하는 양자 전도성의 영향은 크게 영향을 받지 않기 때문에, 이 경우에 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)의 양이 커지는 것이 허용될 수 있다.The amount of polyperferyl alcohol (PFA) of the electrode, after polymerization, thus ranges from about 0.1 wt% of the total ionomer of the electrocatalyst layer to about 20 wt% of the total ionomer of the electrocatalyst layer, depending on the ionomer penetration of the electrocatalyst layer. Can be in. For example, if polyperferyl alcohol (PFA) is dispersed in the electrocatalyst layer, then the amount of polyperferyl alcohol (PFA) in the resulting electrode after polymerization is preferably less than 8 wt% of the total ionomer of the electrocatalyst layer. This is because the literature states that if the amount of polyperferyl alcohol (PFA) is greater than 8 wt% of the total ionomer, the ion conductivity of the membrane is negatively affected. However, if polyperferyl alcohol (PFA) is applied onto the electrocatalyst layer (i.e. between the electrocatalyst layer and the gas diffusion layer (GDL)), then the amount of polyperferyl alcohol (PFA) at the electrode after polymerization is Although it can be high, for example, it is less than 20 wt% of the total ionomer in the electrocatalyst layer, thereby forming a gradient of hydrophobicity in the z direction of the electrocatalyst layer. When polyperferyl alcohol (PFA) is applied into the electrocatalyst layer without serious penetration into the layer, the effect of quantum conductivity through the electrocatalyst layer is not significantly affected, so in this case the amount of polyperferyl alcohol (PFA) is increased. May be allowed.

폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)을 포함하는 전극촉매 조성물을 사용함으로써 전극촉매층 및 멤브레인 전극 조립체들(MEAs)을 제조하는 방법들이 하기에 기술된다.Described below are methods of making the electrocatalyst layer and membrane electrode assemblies (MEAs) by using an electrocatalyst composition comprising polyperferyl alcohol (PFA).

전극촉매 조성물은 통상적으로 예를 들어, 백금, 루테늄 및 이리듐의 귀금속; 예를 들어, 코발트, 니켈, 철, 크롬 및 텅스텐의 비귀금속; 또는 그 조합물 또는 합금과 같은 전극촉매를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 전극촉매는 백금-코발트 합금이다. 다른 실시예에서, 전극촉매는 발행된 미국 특허 출원 제 2004/0096728호에 기재된 것과 같은 비귀금속일 수 있다. 전극촉매는 카본 블랙 또는 탄화물 또는 기타 산화적으로 안정한 지지부와 같은 그래파이트 지지 재료 또는 탄소질과 같은 전기 전도성 재료에서 지지될 수 있다. 전극촉매 조성물은 다공성을 증가시키기 위하여, 전극촉매층의 제조 공정에서 제거되는, 메틸 셀룰로스, 듀렌(durene), 캠펜(camphene), 캠포르(camphor) 및 나프탈렌과 같은 기공 전구체를 선택적으로 포함할 수 있다. 또한, 전극촉매 조성물은 과불화 이오노머(perfluorinated ionomer), 부분 불화 이오노머 또는 비불화 이오노머를 포함하지만 이들에 국한되지 않는 이오노머; 예를 들어, 엔-메틸피롤리디논, 디메틸황산화물 및 엔,엔-디메틸아세트아미드와 같은 극성 비양성자성 용매(polar aprotic solvent)를 선택적으로 함유할 수 있다. 또한, 전극촉매 조성물은 탄소질 입자 및 탄소 나노튜브 및/또는 나노섬유와 같은 다른 첨가제들도 선택적으로 포함할 수 있다.Electrocatalyst compositions typically include, for example, precious metals of platinum, ruthenium and iridium; Non-noble metals such as cobalt, nickel, iron, chromium and tungsten; Or electrocatalysts such as combinations or alloys thereof. In certain embodiments, the electrocatalyst is a platinum-cobalt alloy. In another embodiment, the electrocatalyst may be a non-noble metal such as described in issued US patent application 2004/0096728. The electrocatalyst may be supported on a graphite support material such as carbon black or carbide or other oxidatively stable support or on an electrically conductive material such as carbonaceous. The electrocatalyst composition may optionally include pore precursors such as methyl cellulose, durene, camphene, camphor and naphthalene, which are removed in the process of making the electrocatalyst layer to increase porosity. . In addition, the electrocatalyst compositions include, but are not limited to, perfluorinated ionomers, partially fluorinated ionomers or non-fluorinated ionomers; For example, it may optionally contain a polar aprotic solvent such as N-methylpyrrolidinone, dimethylsulfur oxide and N, en-dimethylacetamide. The electrocatalyst composition may also optionally include other additives such as carbonaceous particles and carbon nanotubes and / or nanofibers.

일 실시예에서, 단량체 퍼르퍼릴 알콜은 교반, 전단 혼합, 미세유체화 및 초음파 혼합과 같이, 당기술에 공지된 임의의 방법에 의해서 전극촉매 조성물과 혼합된다. 단량체 퍼르퍼릴 알콜은 전극촉매 조성물에 부가되기 전에, 이소프로파놀, 에탄올, 메탄올, 탈이온수 또는 그 혼합물과 같은 용매에 분산되거나 또는 순수 용액 형태로 사용될 수 있다. 선택적으로, 산성 촉매는 중합 공정을 유도 및/또는 강화하기 위하여, 전극촉매 조성물에 부가될 수 있다.In one embodiment, monomeric perferyl alcohol is mixed with the electrocatalyst composition by any method known in the art, such as stirring, shear mixing, microfluidization, and ultrasonic mixing. The monomeric perferyl alcohol may be dispersed in a solvent such as isopropanol, ethanol, methanol, deionized water or mixtures thereof or used in the form of a pure solution before being added to the electrocatalyst composition. Optionally, acidic catalysts may be added to the electrocatalyst composition to induce and / or enhance the polymerization process.

전극촉매 조성물은 나이프 코팅, 슬롯 코팅, 딥 코팅(dip-coating), 마이크로그래버 코팅(microgravure coating), 스프레이 및 스크린-프린팅과 같이, 당기술에 공지된 임의의 방법에 의해서 시트 재료 상에 도포될 수 있다. 일 실시예에서, 시트 재료는 전극촉매층의 표면이다. 다른 실시예에서, 시트 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에스테르 및 가스 확산 전극을 형성하기 위하여 가스 확산층(GDL)의 표면으로 또는 촉매 코팅 멤브레인(CCM)을 형성하기 위하여 고분자 전해질 멤브레인(PEM)의 표면으로 전극촉매층을 전사(decal transfer)하는데 사용될 수 있는 폴리이미드 시트와 같은 전달 재료일 수 있다.The electrocatalyst composition may be applied onto the sheet material by any method known in the art, such as knife coating, slot coating, dip-coating, microgravure coating, spray and screen-printing. Can be. In one embodiment, the sheet material is the surface of the electrocatalyst layer. In another embodiment, the sheet material may be formed on the surface of the gas diffusion layer (GDL) to form polytetrafluoroethylene, polyester and gas diffusion electrodes or of the polymer electrolyte membrane (PEM) to form a catalyst coated membrane (CCM). It can be a transfer material such as a polyimide sheet that can be used to decal transfer the electrocatalyst layer to the surface.

또다른 실시예에서, 전극촉매 조성물은 전극촉매층을 형성하기 위하여 시트 재료의 표면 상으로 도포되고, 그후 단량체 퍼르퍼릴 알콜이 상술한 것들과 같이 당기술에 공지된 임의의 방법에 의해서 전극촉매층의 표면 상에 도포된다. 일부 실시예에서, 단량체 퍼르퍼릴 알콜도 역시 전극촉매 조성물의 도포 전에 시트 재료의 표면에 도포될 수 있다.In another embodiment, the electrocatalyst composition is applied onto the surface of the sheet material to form the electrocatalyst layer, and then monomer perperyl alcohol is applied to the surface of the electrocatalyst layer by any method known in the art, such as those described above. Is applied onto. In some embodiments, monomeric perferyl alcohol may also be applied to the surface of the sheet material prior to application of the electrocatalyst composition.

본 실시예에서, 단량체 퍼르퍼릴 알콜 및 전극촉매층은 예를 들어, 전극촉매층의 두께를 통한 퍼르퍼릴 알콜의 변화도와 같이, 전극촉매층의 퍼르퍼릴 알콜의 불균일한 분포를 형성하기 위하여 중합 전에 주입 조건에 종속될 수 있다. 다른 실시예에서, 단량체 퍼르퍼릴 알콜은 충분한 양의 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 사용함으로써 전극촉매층 안으로 균일하게 주입될 수 있거나 및/또는 단량체 퍼르퍼릴 알콜 및 전극촉매층을 적당한 주입 조건에 종속시킬 수 있다. 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 전극촉매층에 주입시키는 것은 퍼르퍼릴 알콜의 양을 변화시킴으로써 제어되거나 및/또는 주입 온도 및 시간과 같은 주입 조건에 의해서 제어되어서, 전극촉매층의 두께를 통한 원하는 변화도를 달성할 수 있다.In this embodiment, the monomeric perperyl alcohol and the electrocatalyst layer are subjected to injection conditions prior to polymerization to form a non-uniform distribution of the perperyl alcohol of the electrocatalyst layer, such as, for example, the change of perperyl alcohol through the thickness of the electrocatalyst layer. Can be dependent. In another embodiment, monomeric perperyl alcohol may be uniformly injected into the electrocatalyst layer by using a sufficient amount of monomeric perperyl alcohol and / or subject the monomeric perperyl alcohol and the electrocatalyst layer to appropriate injection conditions. Injecting monomeric perperyl alcohol into the electrocatalyst layer can be controlled by varying the amount of the perperyl alcohol and / or controlled by implantation conditions such as implantation temperature and time, to achieve the desired degree of change through the thickness of the electrocatalyst layer. have.

단량체 퍼르퍼릴 알콜의 중합은 멤브레인 전극 조립체(MEA)의 접착 동안 및/또는 전에 발생할 수 있다. 예를 들어, 단량체 퍼르퍼릴 알콜은 시트 재료에 도포하는 동안 또는 도포 후에 그리고 멤브레인 전극 조립체(MEA)의 조립 전에 중합될 수 있다. 다른 방안으로, 단량체 (비중합된) 퍼르퍼릴 알콜을 함유하는 전극촉매층으로 멤브레인 전극 조립체(MEA)를 조립하고 그리고 그후에 멤브레인 전극 조립체(MEA)를 필요한 중합 조건과 유사한 접착 조건에 종속시킴으로써. 멤브레인 전극 조립체(MEA) 요소들의 접촉과 동시에 중합 반응이 일어날 수 있다. 또다른 보기에서, 단량체 퍼르퍼릴 알콜은 시트 재료에 도포하는 동안 또는 도포 후에 부분적으로 중합될 수 있고 멤브레인 전극 조립체(MEA) 접착 동안 추가로 중합될 수 있다.Polymerization of the monomeric perferyl alcohol may occur during and / or before adhesion of the membrane electrode assembly (MEA). For example, monomeric perferyl alcohol can be polymerized during or after application to the sheet material and prior to assembly of the membrane electrode assembly (MEA). Alternatively, by assembling the membrane electrode assembly (MEA) with an electrocatalyst layer containing monomeric (unpolymerized) perperyl alcohol and then subjecting the membrane electrode assembly (MEA) to adhesion conditions similar to the required polymerization conditions. The polymerization reaction may occur simultaneously with the contact of the membrane electrode assembly (MEA) elements. In another example, the monomeric perferyl alcohol may be partially polymerized during or after application to the sheet material and further polymerized during membrane electrode assembly (MEA) adhesion.

중합 조건은 예를 들어 약 80℃ 내지 약 140℃의 온도로 가열되는 중합 온도 및 약 5초 내지 약 15분의 중합 시간을 포함할 수 있다. 중합 시간은 중합 온도 및 퍼르퍼릴 알콜의 양에 따라 좌우된다. 중합 시간은 낮은 중합 온도 및 많은 양의 퍼르퍼릴 알콜에 대해서는 예를 들어, 약 5 내지 10분이지만, 높은 중합 온도 및 작은 양의 퍼르퍼릴 알콜에 대해서는 약 1 내지 2분의 범위일 수 있다. 일부 경우에서, 퍼르퍼릴 알콜은 예를 들어, 머큐리 램프에 노출시키는 것과 같이 자외선에 노출시킴으로써 가교 결합될 수 있다.Polymerization conditions can include, for example, a polymerization temperature heated to a temperature of about 80 ° C. to about 140 ° C. and a polymerization time of about 5 seconds to about 15 minutes. The polymerization time depends on the polymerization temperature and the amount of perperyl alcohol. The polymerization time may be, for example, about 5 to 10 minutes for low polymerization temperatures and large amounts of perperyl alcohol, but may range from about 1 to 2 minutes for high polymerization temperatures and small amounts of perferyl alcohol. In some cases, the perferyl alcohol can be crosslinked by exposure to ultraviolet light, such as, for example, by Mercury lamps.

일부 실시예에서, 전극촉매층 내에서 또는 전극촉매층에서의 퍼르퍼릴 알콜의 중합 정도 및/또는 퍼르퍼릴 알콜의 양은 연료 전지의 다른 영역에서 소수성을 양호하게 제어하기 위하여 xy-방향으로 불균일하다. 일 실시예에서, 물 제거 과정을 개선하기 위하여, 연료 전지의 작동 동안 더욱 적셔지는 전극촉매의 영역[예를 들어, 입구 영역에 비교되는 연료 전지의 출구 영역]에는, 고농도의 단량체 퍼르퍼릴 알콜 및/또는 고중합도의 단량체 퍼르퍼릴 알콜이 사용될 수 있다. 또한, 전극촉매 조성물에 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 적재하는 것은 시트 재료에 도포될 때 변화될 수 있다. 다른 보기에서, 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 적재하는 것은 전극촉매층에 도포될 때 변화될 수 있다. 또다른 보기에서, 중합도를 변화시키기 위하여, 중합 조건이 전극촉매층의 xy방향을 따라서 변화될 수 있다.In some embodiments, the degree of polymerization of perperyl alcohol and / or the amount of perperyl alcohol in the electrocatalyst layer or in the electrocatalyst layer is non-uniform in the xy-direction to better control hydrophobicity in other regions of the fuel cell. In one embodiment, in order to improve the water removal process, the region of the electrocatalyst that is more wetted during operation of the fuel cell (eg, the outlet region of the fuel cell compared to the inlet region) may contain a high concentration of monomer perferyl alcohol and Higher degree of polymerization of monomeric perferyl alcohol may be used. In addition, loading monomeric perferyl alcohol into the electrocatalyst composition can be varied when applied to the sheet material. In another example, loading monomeric perferyl alcohol can be varied when applied to the electrocatalyst layer. In another example, to change the degree of polymerization, the polymerization conditions can be changed along the xy direction of the electrocatalyst layer.

또다른 실시예에서, 이오노머 층도 역시 고분자 전해질 멤브레인(PEM) 및 전극촉매층 사이 및/또는 전극촉매층 및 가스 확산층(GDL) 사이에서 사용될 수 있다. 이오노머 층도 역시 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 함유할 수 있고 그때 고분자 전해질 멤브레인(PEM) 및/또는 전극촉매층의 표면에 도포된 후에 중합될 수 있으며, 예를 들어, 멤브레인 전극 조립체(MEA) 동안 중합되거나 또는 도포 직후에 중합될 수 있다. 다시, 이오노머 층은 상술한 것과 같이 당기술에 공지된 임의의 방법에 의해서 도포될 수 있고, 촉매층의 평탄면에 대해서 균일하거나 또는 불균일할 수 있다.In another embodiment, the ionomer layer may also be used between the polymer electrolyte membrane (PEM) and the electrocatalyst layer and / or between the electrocatalyst layer and the gas diffusion layer (GDL). The ionomer layer may also contain monomeric perperyl alcohol and then polymerize after being applied to the surface of the polymer electrolyte membrane (PEM) and / or the electrocatalyst layer, for example during the membrane electrode assembly (MEA) or It may be polymerized immediately after application. Again, the ionomer layer may be applied by any method known in the art, as described above, and may be uniform or nonuniform with respect to the flat surface of the catalyst layer.

하기 보기들은 단지 예시적인 목적으로 제공되므로, 본 발명은 그들에 국한되지 않는다.The following examples are provided for illustrative purposes only, and the invention is not limited thereto.

보기 1View 1

전극을 형성하기 위한 퍼르퍼릴 알콜의 중합Polymerization of Perferyl Alcohol to Form Electrodes

전극촉매 조성물은 중량당 10%의 Nafion®용액의 662그램을 백금-함유 촉매 분말의 132 그램, 단량체 퍼르퍼릴 알콜의 2그램, 이소프로판올의 6그램 및 탈이온수의 290그램과 혼합시킴으로써 제조된다. 혼합물은 그때 초음파 혼합기를 사용하여 혼합되고 그후에 탄소 섬유 종이 및 미세기공의 탄소질 층으로 구성되는 유체 확산층 상으로 분무된다. 그에 따른 전극은 그때 약 140℃의 온도에서 약 2분 내지 10분 동안 종속되어서 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 중합시킴으로써 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)에 의해서 전극을 생산한다.The electrocatalyst composition is prepared by mixing 662 grams of 10% Nafion® solution per weight with 132 grams of platinum-containing catalyst powder, 2 grams of monomeric perperyl alcohol, 6 grams of isopropanol and 290 grams of deionized water. The mixture is then mixed using an ultrasonic mixer and then sprayed onto a fluid diffusion layer consisting of a carbonaceous layer of carbon fiber paper and micropores. The electrode accordingly is then dependent for about 2 to 10 minutes at a temperature of about 140 ° C. to produce the electrode by polyperperyl alcohol (PFA) by polymerizing monomeric perperyl alcohol.

보기 2View 2

촉매 코팅 멤브레인을 형성하기 위한 퍼르퍼릴 알콜의 중합Polymerization of Perferyl Alcohol to Form Catalyst Coating Membrane

단량체 퍼르퍼릴 알콜의 용액은 단량체 퍼르퍼릴 알콜의 6그램을 이소프로판올의 12그램 및 탈이온수의 6그램과 혼합시킴으로써 제조된다. 상기 용액은 촉매 코팅 멤브레인(CCM)의 캐소드 전극촉매층 상으로 스프레이된다. 단량체 퍼르퍼릴 알콜은 20℃의 온도에서 약 1시간 동안 캐소드 전극촉매층 안으로 침투하도록 허용된다. 침투후에, 촉매 코팅 멤브레인(CCM)은 약 2 분 내지 약 10분 동안 약 140℃에서 가열되어서, 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 중합시킴으로써, 캐소드 전극촉매층의 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)에 의해서 촉매 코팅 멤브레인(CCM)을 제조한다.A solution of monomeric perperyl alcohol is prepared by mixing 6 grams of monomeric perperyl alcohol with 12 grams of isopropanol and 6 grams of deionized water. The solution is sprayed onto the cathode electrocatalyst layer of the catalyst coated membrane (CCM). Monomer perferyl alcohol is allowed to penetrate into the cathode electrocatalyst layer at a temperature of 20 ° C. for about 1 hour. After infiltration, the catalyst coating membrane (CCM) is heated at about 140 ° C. for about 2 to about 10 minutes to polymerize the monomer perferryl alcohol, thereby allowing the catalyst coating membrane (PFA) of the cathode electrocatalyst layer to be CCM).

보기 3View 3

탄소/Nafion®보조층 상의 층으로서 퍼르퍼릴 알콜의 중합Polymerization of Perperyl Alcohol as Layer on Carbon / Nafion® Auxiliary Layer

단량체 퍼르퍼릴 알콜의 용액은 단량체 퍼르퍼릴 알콜의 6그램[98%의 랜캐스터(Lancaster)]을 이소프로판올의 12그램 및 탈이온수의 6그램과 혼합시킴으로써 준비된다. 상기 용액은 그후에 기판의 표면 상에 Nafion®및 카본 블랙을 함유하는 보조층을 갖는 가스 확산층(GDL) 상으로 실온에서 스프레이되었다. 스프레이된 가스 확산층(GDL)은 140℃의 온도에서 약 10분 동안 고온 플레이트 상으로 배치되어서, 퍼르퍼릴 알콜을 중합시킨다. 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)의 최종 적재량은 약 45wt%이다.A solution of monomeric perperyl alcohol is prepared by mixing 6 grams of monomeric perferyl alcohol (98% Lancaster) with 12 grams of isopropanol and 6 grams of deionized water. The solution was then sprayed at room temperature onto a gas diffusion layer (GDL) with an auxiliary layer containing Nafion® and carbon black on the surface of the substrate. The sprayed gas diffusion layer (GDL) is placed on a hot plate for about 10 minutes at a temperature of 140 ° C. to polymerize the perferyl alcohol. The final loading of polyperferyl alcohol (PFA) is about 45 wt%.

중합된 가스 확산층(GDL)은 마이크로메리틱스 인스트루먼트 코포레이션(Micromeritics Instrument Corporation)에 의해서 공급된 오토포 Ⅲ를 사용하는 머큐리 인트루션 포로시메트리 시험(mercury intrusion porosimetry test)와, 테스팅 머쉰스(TMI Inc.)에 의해서 공급된 에어 퍼미언스 테스터(Air Permeance Tester) 및 58-21 조도(Roughness)를 사용하는 일련의 관통 평면 투과성을 거쳤다. (관통 구멍은 시험기의 바닥 지그를 통해서 천공되고 고무 시일이 시험 부재 주위에 배치되므로, 공기는 시험 부재를 관통하여 상단 지그에서 바닥 지그로 압송된다.)The polymerized gas diffusion layer (GDL) is a mercury intrusion porosimetry test using AutoFor III supplied by Micromeritics Instrument Corporation, and testing machines (TMI Inc.). It has undergone a series of through-plane permeability using Air Permeance Tester and 58-21 Roughness supplied by. (The through hole is drilled through the bottom jig of the tester and the rubber seal is placed around the test member, so that air is forced through the test member from the top jig to the bottom jig.)

머큐리 인트루션 포로시메트리 시험은 평균 기공 직경이 PFA가 없는 약 0.67 미크론에서 PFA를 갖는 1.11 미크론으로 변경되었음을 나타내었고, 관통 평면 투과성은 PFA가 없는 공기 투과성이 평균 129mL/분에서 PFA의 평균 183mL/분으로 증가하였음을 나타내었다. 퍼르퍼릴 알콜은 중합될 때 수축하므로, 기공들 당겨서 넓게 이격시키고 크기 및 관통 평면 투과성을 증가시킨다. 기공 크기 및 관통 평면 투과성의 상기 증가는 전극촉매층에서 폴리퍼르퍼릴 알콜(PFA)을 사용할 때, 전극촉매층의 소수성을 증가시키는 것 이외에 물 제거 및 반응물 접근성을 개선시킬 수 있다.The Mercury Instruction Porositymetry test showed that the mean pore diameter changed from about 0.67 microns without PFA to 1.11 microns with PFA, and the through-plane permeability was 183 mL / min for PFA at an average of 129 mL / min for PFA-free air permeability. It was shown to increase. Perperyl alcohol shrinks as it polymerizes, thus pulling pores wider apart and increasing size and through-plane permeability. This increase in pore size and through-plane permeability can improve water removal and reactant access in addition to increasing hydrophobicity of the electrocatalyst layer when using polyperferyl alcohol (PFA) in the electrocatalyst layer.

출원 데이터 시트에 기재되거나 및/또는 본 명세서에 언급된 상기 모든 미국 특허, 미국 특허 출원 공보, 미국 특허 출원, 외국 특허, 외국 특허 출원 및 비특허 공보들은 본원에서 참고로 전체적으로 합체되었다.All of the above-mentioned US patents, US patent application publications, US patent applications, foreign patents, foreign patent applications and non-patent publications described in the application data sheets and / or referred to herein are hereby incorporated by reference in their entirety.

본 발명의 특수 단계, 소자, 실시예 및 출원서들은 단지 예시적인 목적으로 도시되고 기술되었지만, 당기술에 숙련된 기술자들은 본원의 정신 및 범주 내에서 상술한 교시의 관점에서 변형 구성을 제작할 수 있으므로, 본원의 설명은 상세한 설명에 국한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다.While the specific steps, elements, examples and applications of the present invention have been shown and described for illustrative purposes only, those skilled in the art can produce modified configurations in view of the above teachings within the spirit and scope of the present application. The description herein is not limited to the details. Accordingly, the invention is limited only by the appended claims.

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Claims (20)

아노드 가스 확산층 및 아노드 전극촉매층을 포함하는 아노드;An anode comprising an anode gas diffusion layer and an anode electrocatalyst layer; 캐소드 가스 확산층 및 캐소드 전극촉매층을 포함하는 캐소드; 및 A cathode comprising a cathode gas diffusion layer and a cathode electrocatalyst layer; And 아노드 및 캐소드 사이에 놓여진 양자 교환 멤브레인을 포함하며,A proton exchange membrane disposed between the anode and the cathode, 상기 아노드 전극촉매층 및 상기 캐소드 전극촉매층중 적어도 하나가 폴리퍼르퍼릴 알콜(polyfurfuryl alcohol)을 포함하는, 멤브레인 전극 조립체.At least one of the anode electrocatalyst layer and the cathode electrocatalyst layer comprises polyfurfuryl alcohol. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 캐소드 전극촉매층은 백금 합금 촉매를 포함하는, 멤브레인 전극 조립체.And the cathode electrocatalyst layer comprises a platinum alloy catalyst. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 백금 합금 촉매는 백금-코발트 합금 촉매인, 멤브레인 전극 조립체.And the platinum alloy catalyst is a platinum-cobalt alloy catalyst. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 캐소드 전극촉매층은 이오노머를 포함하는, 멤브레인 전극 조립체.And the cathode electrocatalyst layer comprises an ionomer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 폴리퍼르퍼릴 알콜의 분포는 아노드 및 캐소드 전극촉매층들중 적어도 하나의 z-방향으로 불균일한, 멤브레인 전극 조립체.Wherein the distribution of the polyperferyl alcohol is non-uniform in the z-direction of at least one of the anode and cathode electrocatalyst layers. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 폴리퍼르퍼릴 알콜의 분포는 아노드 및 캐소드 전극촉매층들중 적어도 하나의 xy-방향으로 불균일한, 멤브레인 전극 조립체.Wherein the distribution of polyperferyl alcohol is non-uniform in the xy-direction of at least one of the anode and cathode electrocatalyst layers. 아노드 전극촉매층, 캐소드 전극촉매층 및 이들 사이에 개재된 양자 교환 멤브레인을 포함하는 촉매-코팅 멤브레인으로서,A catalyst-coated membrane comprising an anode electrocatalyst layer, a cathode electrocatalyst layer and a proton exchange membrane interposed therebetween, 상기 아노드 전극촉매층 및 상기 캐소드 전극촉매층중 적어도 하나는 폴리퍼르퍼릴 알콜을 포함하는, 촉매-코팅 멤브레인.At least one of the anode electrocatalyst layer and the cathode electrocatalyst layer comprises polyperferyl alcohol. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 캐소드 전극촉매층은 백금 합금 촉매를 포함하는, 촉매-코팅 멤브레인.And the cathode electrocatalyst layer comprises a platinum alloy catalyst. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 캐소드 전극촉매층은 백금 합금 촉매를 포함하는, 촉매-코팅 멤브레인.And the cathode electrocatalyst layer comprises a platinum alloy catalyst. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 폴리퍼르퍼릴 알콜의 분포는 아노드 및 캐소드 전극촉매층들중 적어도 하나의 z-방향으로 불균일한, 촉매-코팅 멤브레인. Wherein the distribution of polyperferyl alcohol is non-uniform in the z-direction of at least one of the anode and cathode electrocatalyst layers. 전극촉매 조성물을 시트 재료에 도포하는 단계;Applying the electrocatalyst composition to the sheet material; 상기 전극촉매 조성물에 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 부가하는 단계; 및Adding a monomer perferyl alcohol to the electrocatalyst composition; And 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 부가하고 촉매 조성물을 도포한 후에 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 중합시키는 단계를 포함하는, 전기화학식 연료 전지용 전극의 제조 방법.A method of producing an electrode for an electrochemical fuel cell, comprising the step of adding a monomer perferyl alcohol and applying the catalyst composition to polymerize the monomer perferyl alcohol. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 전극촉매 조성물은 이오노머, 극성 비양성자성 용매(polar aprotic solvent) 및 기공 전구체(pore former)중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 전기화학식 연료 전지용 전극의 제조 방법. The electrocatalyst composition further comprises at least one of an ionomer, a polar aprotic solvent, and a pore former. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 전극촉매 조성물은 상기 전극촉매 조성물에 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 부가하는 단계 이후에 시트 재료에 도포되는, 전기화학식 연료 전지용 전극의 제조 방법.And the electrocatalyst composition is applied to the sheet material after the step of adding monomeric perferyl alcohol to the electrocatalyst composition. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 전극촉매 조성물은 상기 전극촉매 조성물에 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 부가하는 단계 이전에 시트 재료에 도포되는, 전기화학식 연료 전지용 전극의 제조 방법.Wherein said electrocatalyst composition is applied to a sheet material prior to adding monomer perferyl alcohol to said electrocatalyst composition. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 단량체 퍼르퍼릴 알콜 및 전극촉매 조성물을, 상기 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 중합시키는 단계 이전의 시간 및 주입 온도에 도포시키는 단계를 추가로 포함하는, 전기화학식 연료 전지용 전극의 제조 방법.Further comprising applying the monomer perferryl alcohol and the electrocatalyst composition to a time and injection temperature prior to the step of polymerizing the monomer perferryl alcohol. 제 15 항에 있어서,The method of claim 15, 상기 주입 온도는 약 20℃ 내지 약 85℃인, 전기화학식 연료 전지용 전극의 제조 방법.Wherein the injection temperature is from about 20 ° C. to about 85 ° C. 16. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 시트 재료는 가스 확산층, 양자 교환 멤브레인 및 전달 재료로 구성되는 그룹에서 선택되는, 전기화학식 연료 전지용 전극의 제조 방법.And the sheet material is selected from the group consisting of a gas diffusion layer, a proton exchange membrane, and a transfer material. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 중합시키는 단계는 상기 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 약 120℃ 이상의 온도에 종속시키는 단계를 포함하는, 전기화학식 연료 전지용 전극의 제조 방법.And polymerizing the monomeric perferyl alcohol comprises subjecting the monomeric perferyl alcohol to a temperature of at least about 120 ° C. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 단량체 퍼르퍼릴 알콜은 상기 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 약 140℃ 이상의 온도에 종속시키는 단계를 포함하는, 전기화학식 연료 전지용 전극의 제조 방법.And wherein said monomeric perferyl alcohol comprises subjecting said monomeric perferyl alcohol to a temperature of at least about 140 ° C. 제 11 항에 있어서,The method of claim 11, 상기 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 중합시키는 단계는 상기 단량체 퍼르퍼릴 알콜을 산성 환경에 종속시키는 단계를 포함하는, 전기화학식 연료 전지용 전극의 제조 방법.And polymerizing the monomer perferryl alcohol comprises subjecting the monomer perferryl alcohol to an acidic environment.
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