KR20140124901A - 막 - Google Patents

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KR20140124901A
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조나단 데이비드 브레러턴 샤먼
마이클 이안 페치
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존슨 맛쎄이 푸엘 셀스 리미티드
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Abstract

(i) 금속, 탄소, 중합체 또는 이들의 복합물로 만들어진 평면 강화 성분, 및 (ii) 이온-전도성 물질을 포함하고, 평면 강화 성분이 다수의 별개의 전지를 포함하는 셀 구조이고, 여기서 각 전지의 벽이 성분의 두께를 통해 연장되어 전지 벽이 양성자-전도성 물질을 통과시키지 못하고 상기 양성자-전도성 물질이 평면 강화 성분의 전지를 충전시키는 것을 특징으로 하는 강화 막을 개시한다. 이런 막은 연료 전지 또는 전해조(electrolyser)에 사용된다.

Description

막{MEMBRANE}
본 발명은 강화 막, 특히 연료 전지 또는 전해조(electrolyser)에 사용하기 적합한 강화 막에 관한 것이다.
연료 전지는 전해질에 의해 분리되는 두 개의 전극을 포함하는 전기화학 전지이다. 연료, 예컨대 수소 또는 알콜, 예컨대 메탄올 또는 에탄올은 애노드에 공급되고 산화제, 예컨대 산소 또는 공기는 캐소드에 공급된다. 전기화학 반응이 전극에서 발생하고, 연료 및 산화제의 화학 에너지가 전기 에너지 및 열로 전환한다. 전극 촉매(electrocatalyst)가 애노드에서의 연료의 전기화학적 산화 및 캐소드에서의 산소의 전기화학적 환원을 촉진하기 위해 사용된다.
양성자 교환 막 (proton exchange membrane; PEM) 연료 전지에서, 전해질은 고체 중합성 막이다. 막은 전자적으로 절연성이지만 이온적으로 전도성이다. PEM 연료 전지에서 막은 양성자 전도성이고, 애노드에서 생산되는 양성자가 막을 가로질러 캐소드로 수송되며, 여기서 이들은 산소와 합쳐져 물을 형성한다.
PEM 연료 전지의 주성분은 막 전극 조립체(membrane electrode assembly; MEA)로 알려져 있고 본질적으로 5 개의 층으로 구성된다. 중간 층은 중합성 이온-전도성 막이다. 이온-전도성 막의 다른쪽 측면에는 특이적 전극 촉매성 반응을 위해 설계된 전극 촉매를 함유하는, 전극 촉매 층이 있다. 최종적으로, 각 전극 촉매 층에 인접하는 가스 확산 층이 있다. 가스 확산 층은 반응물이 전극 촉매 층에 도달하게 해야 하고 전기화학적 반응에 의해 생산되는 전류를 전도해야 한다. 따라서 가스 확산 층은 다공성이어야 하고 전기적으로 전도성이어야 한다.
통상적으로, MEA는 하기에 개요를 서술한 많은 방법에 의해 구성될 수 있다:
(i) 전극 촉매 층은 가스 확산 층에 적용되어 가스 확산 전극을 형성할 수 있다. 두 가스 확산 전극은 이온-전도성 막의 다른 측면에 위치할 수 있고 함께 적층되어 5-층의 MEA를 형성할 수 있고;
(ii) 전극 촉매 층은 이온-전도성 막의 양쪽 면에 적용되어 촉매-코팅된 이온-전도성 막을 형성할 수 있다. 이어서, 가스 확산 층이 촉매-코팅된 이온-전도성 막의 양쪽 면에 적용된다.
(iii) MEA는 한 측면이 전극 촉매 층으로 코팅된 이온-전도성 막, 전극 촉매 층과 인접한 가스 확산 층 및 이온-전도성 막의 다른 쪽 측면 상의 가스 확산 전극으로부터 형성될 수 있다.
통상적으로, 수십 또는 수백 개의 MEA가 대부분의 응용에 충분한 전력을 제공하기 위해 요구되어, 수 개의 MEA는 연료 전지 적층을 구성하도록 조립된다. 유로판(field flow plate)은 MEA를 분리하는데에 사용된다. 판은 몇 가지 기능을 수행한다: 반응물을 MEA에 공급; 생산물 제거; 전기 접속 제공; 및 물리적 지지 제공.
PEM 연료 전지에 사용되는 통상적인 이온-전도성 막은 보통 술폰화 완전히-플루오르화된 중합성 물질 (종종 일반적으로 퍼플루오르화 술폰산 (PFSA) 이오노머(ionomer)로 지칭됨)로부터 형성된다. 이들 이오노머로부터 형성된 막은 상표명 나피온®(Nafion®) (예를 들어 E.I. 듀폰 드 느무르 앤 코포레이션(E.I. DuPont de Nemours and Co.) 사의 NR211 또는 NR212), 아시플렉스TM(AciplexTM) (아사히 카세이; Asahi Kasei) 및 플레미온®(Flemion®) (아사히 글래스 KK; Asahi Glass KK)으로 판매된다. 다른 플루오르화-형태의 막은 상표명 푸마펨® F(Fumapem® F) (예를 들어 푸마-테크 게엠베하(FuMA-Tech GmbH) 사의 F-930 또는 F-1030), 솔베이 솔렉시스 S.p.A(Solvay Solexis S.p.A) 사의 아퀴비온TM(AquivionTM) 및 골든 에너지 퓨얼 셀 주식유한회사(Golden Energy Fuel Cell Co., Ltd.) 의 GEFC-10N 시리즈로 판매되는 것들을 포함한다.
퍼플루오르화된 및 부분적으로-플루오르화된 중합체 계의 이온-전도성 막 대신에, 비-플루오르화 술폰화 또는 포스폰화 탄화수소 중합체, 및 특히 폴리아릴렌 중합체 계의 이온-전도성 막을 사용하는 것이 가능하다. 이런 상업적으로 입수가능한 중합체는 솔베이 어드밴스드 폴리머스(Solvay Advanced Polymers) 사의 우델®(Udel®) 폴리아릴렌술폰 (PSU) 및 베라델®(Veradel®) 폴리아릴렌 에테르 술폰 (PES), 및 빅트렉스 plc(Victrex plc) 사의 빅트렉스®(Victrex®) 폴리아릴렌 에테르 에테르 케톤 (PEEKTM)을 포함한다. 탄화수소 중합체 계의 막은 또한, 예컨대 푸마-테크 게엠베하 사의 푸마펨® P, E 및 K 형태, JSR 코포레이션(JSR Corporation) 사의 JHY 및 JEM 막, 토요보 주식유한회사(Toyobo Co., Ltd.)의 SPN 폴리머(SPN polymer), 및 도레이 인더스트리스 인크.(Toray Industries Inc.) 사에서 개발 중인 막(developmental membranes)으로 설명된다.
더 높은 온도에서 (예를 들면 150 ℃ 내지 190 ℃) 작동되도록 설계된 PEM 연료 전지에서, 막은 중합체 예컨대 폴리벤지미다졸 또는 인산으로 함침된 중합체 매트릭스일 수 있다. 이런 막으로부터 만들어지는 MEA의 예는 BASF 퓨어 셀 게엠베하(BASF Fuel Cell GmbH) 사의 셀텍®(Celtec®)-P 시리즈를 포함한다. 다른 MEA는 피리딘 형태 구조를 포함하는, 또한 어드벤트 테크놀로지스(Advent Technologies) S.A. 사의 인산으로 함침된, 방향족 폴리에테르 중합체를 기초로 하는 어드벤트 TPS®(Advent TPS®)를 포함한다. 폴리벤자졸 중합체는 또한 아릴 또는 알킬 치환된 폴리벤지미다졸 (예를 들어 폴리벤지미다졸-N-벤질술포네이트), 폴리벤족사졸 및 폴리벤조티아졸로 사용될 수 있다.
PFSA 또는 탄화수소 계의 이온-전도성 막은 통상적으로 막에 완전히 삽입된 강화체를 포함하여 수화 및 탈수 상에서 증가된 인열 저항 및 감소된 치수 변화와 같이 개선된 기계적 성질을 제공할 수 있다. 사용되는 강화체의 예는 종종 역상 분리 및 이어지는 스트레칭에 의해 형성되는, 노드(node) 및 원섬유 구조를 가지는 망(web), 전기방사 망 및 부직 섬유 망을 포함한다. 바람직한 강화체는, 비 배타적으로, 플루오로중합체, 예컨대 US 6,254,978, EP 0814897 및 US 6,110,330에서 설명하는, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 또는 플루오르화 폴리비닐리덴 (PVDF), 또는 PEEK 또는 폴리에틸렌과 같은 대체 물질의 섬유 또는 다공성 망을 기초로 할 수 있다.
그러나, 현재 내구성, 또는 작동 수명을 향상시킬 수 있는 강화 막을 통해, MEA에서 사용되는 경우, 비-강화 막을 사용하는 MEA에서 달성될 수 있는 수명과 비교하면, 여전히 많은 응용을 위한 MEA의 내구성의 추가적인 향상이 필요하다. 막에서 핀홀(pin-hole)이 작동 동안 쉽게 형성될 수 있고, 최첨단 강화 막에서, 이들 핀홀은 비-강화 막보다 더욱 구불구불한 경로일지라도, 평면 상의 (x- 및 y-) 방향으로 전파 (연장)될 수 있고, 막 및 막 전극 조립체의 실패로 이어질 수 있다. 게다가, 최첨단 막은 z-평면 방향에서의 압축에 대한 저항성이 부족하고, 이것은 작동 적층에 경험이 있는 압축력 때문에 다시 변형 및 차후의 실패로 이어질 수 있다. 최첨단 강화 막은 또한 습윤-건조 순환단계 동안의 팽창과 수축에 취약하고, 이것이 막 내 얇거나 또는 약한 지점에서의 고장 메카니즘을 악화시킨다. 막이 더 얇을수록, 이 문제들이 더욱 두드러진다.
본 발명의 목적은 더 내구성이 있고 최첨단 막의 문제점을 극복한, 개선된 강화 막, 특히 연료 전지용 막을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 제1 양상은 연료 전지에 사용하기 적합한 강화 막을 제공하고, 상기 강화 막은
(i) 금속, 탄소, 중합체 또는 이들의 복합물로 만들어진 평면의 강화 성분, 및
(ii) 이온-전도성 물질,
을 포함하고, 평면 강화 성분이 다수의 별개의 전지를 포함하는, 셀 구조이고, 여기서 각 전지의 벽은 성분의 두께를 통해 연장되어 전지 벽이 이온-전도성 물질을 통과시키지 못하고 여기서 이온-전도성 물질이 평면 강화 성분의 전지를 충전시키는 것을 특징으로 한다.
평면 강화 성분은 이들의 (z-방향) 두께를 통해 연장되는 전지를 가지고 하나의 전지에서 또 다른 전지로 내부-연결이 없는 다공성 물질이다. 지금까지, 이들은 전지 사이에 양성자-전도성 물질의 수송이 없다는 것을 의미한다. 그러나, 일부 실시양태에서, 전지의 버팀목 또는 벽이 또한 미세 규모로 다공성일 것이라 예상된다. 이들 전지 벽의 구멍은 양성자-전도성 물질이 통과하지 못할 정도로 충분히 미세하나, 물이 구멍에 채워질 정도로 충분히 친수성이다. 따라서, 적합한 연료 전지에서, 여기서 액상의 물이 존재하고, 이들 구멍은 두께를 통해 또는 강화체의 평면을 통해 물을 움직이게 할 수 있다.
전지는 규칙적인 또는 비규칙적인 모양일 수 있고, 적합하게는 각 개개의 전지가 10 nm 내지 1.0 mm의 횡단면 직경을 가진다. 전지는 모두 본질적으로 비슷한 크기일 수 있고 또는 다양한 크기일 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 평면 강화 성분은 벌집 구조이다. z-방향에서 평면 강화 성분의 치수는 1 μm 내지 500 μm, 적합하게는 10 μm 내지 200 μm일 수 있다. 정확한 치수는 강화 막이 위치하는 최종 구조 및 용도에 달려있을 것이다. z-방향에서 치수의 측정은 통상의 기술자의 역량으로 충분히 할 수 있다.
평면 강화 성분의 다공성은 적합하게는 30 % 초과, 바람직하게는 50 % 초과 및 가장 바람직하게는 70 % 초과이다. 다공성 (n)은 식 n = Vv/Vt×100에 따라 계산되고, 여기서 n은 다공성이고, Vv는 공극 부피이고 Vt는 평면 강화 성분의 총 부피이다. 공극 부피 및 평면 강화 성분의 총 부피는 이 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 방법으로 측정할 수 있다.
셀 구조를 가지는 평면 강화 성분의 예는 압출 및 슬라이싱에 의해 또는 스트립의 부분적인 적층 및 이어지는 장력 하의 팽창에 의해 만들어지는 것들 (예컨대 듀폰 사의 노멕스®(Nomex®) 또는 티벡®(Tyvec®)) 또는 다른 수단들, 이어서 캘린더링되는 직조 망, 연속성 시트에서 길게 자르고 장력을 적용하여 연장된 망을 형성하여 만들어진 망, 시트의 두께를 통과하도록 (예를 들어 레이져로) 자르거나 뚫은 구멍을 가지는 평면 시트, 및 주형 내에서 물질을 주조하여 만들어진 다공성 시트를 포함한다. 적합하게는, 평면 강화 성분이 압출 및 슬라이싱에 의해 또는 스트립의 부분적인 적층 및 이어지는 인장 응력 하의 팽창에 의해 만들어지는 것들 또는 다른 수단들, 이어서 캘린더링되는 직조 망, 연속성 시트에서 길게 자르고 장력을 적용하여 연장된 망을 형성하여 만들어진 망 및 주형 내에서 물질을 주조하여 만들어진 다공성 시트를 포함한다.
평면 강화 성분은 요구되는 막의 강화성을 제공할 임의의 물질로부터 제작될 것이다. 강화 성분을 만드는 적합한 물질의 예는 금속, 탄소, 중합체 또는 이들의 복합물이다. 많은 실시양태에서, 물질이 전기 절연재인 것이 바람직하나, 다르게는 약한 전기 전도체이어야 하고, 일부 경우에 이것은 물질이 전도체이든 아니든 상관하지 않는다. 바람직하게는 물질이 연료 전지 환경에서 안정하고 강화 전지를 충전시키는데 사용되는 임의의 이온-전도성 물질과 결합을 형성할 수 있다. 평면 강화 성분을 만드는 물질이 또한 어떤 고유의 이온-전도성 성질을 가질 수 있고, 예를 들어 PFSA 중합체의 높은 당량의 중량 버젼으로부터 만들어질 수 있다.
이온-전도성 물질은 고체 또는 액체일 수 있다. 한 실시양태에서, 이온-전도성 물질이 고체, 예컨대 양성자-전도성 중합체 또는 음이온-전도성 중합체, 예컨대 히드록실 음이온-전도성 중합체이다. 적합한 양성자-전도성 중합체의 예는 퍼플루오로술폰산 이오노머 (예를 들어 나피온® (E.I. 듀폰 드 느무르 앤 코포레이션), 아시플렉스® (아사히 카세이), 아퀴비온TM (솔베이 솔렉시스 SpA), 플레미온® (아사히 글래스 코포레이션), 푸미온® F-시리즈 (푸마-테크 게엠베하)), 또는 탄화수소 중합체 (예를 들어 폴리아릴렌 술폰산을 기초로 한 푸미온® P-시리즈 (푸마-테크 게엠베하)) 또는 인산 함침된 폴리벤지미다졸로부터 (예를 들어 디메틸아세타미드에 PBI를 용해하고 PBI를 함침하기 위해 인산을 첨가하여) 만들어진 이오노머를 포함한다. 적합한 음이온-전도성 중합체의 예는 도쿠야마 코포레이션(Tokuyama Corporation) 사에서 제조되는 A901 및 푸마-테크 게엠베하 사의 푸마셉 FAA(Fumasep FAA)를 포함한다.
본 발명의 제2 실시양태에서, 이온-전도성 물질이 액체, 예컨대 양성자-전도성 액체 또는 음이온-전도성 액체, 예컨대 히드록실 음이온-전도성 액체이고, 이것은 모세관력에 의해 평면 강화 성분의 구멍에 유지 및 보유되어 간직하여 강화 막을 형성한다. 적합한 양성자-전도성 액체의 예는 인산 및 황산을 포함한다. 음이온-전도성 액체의 예는 수산화 칼륨 용액, 수산화 나트륨 용액을 포함한다.
본 발명의 강화 막에서, 일부 또는 모든 평면 강화 성분 전지는 이온-전도성 물질로 채워진다. 한 실시양태에서, 모든 전지가 이온-전도성 물질로 채워지고, 평면 강화 성분은 완전히 이온-전도성 물질로 채워진다. 제2 실시양태에서, 평면 강화 성분의 모서리 주위의 전지는 이온-전도성 물질로 채워지지 않고, 이는 이온 -전도성 물질이 존재하지 않는 평면 강화 성분의 주변부 주위의 영역 ('제1 모서리 영역')이다.
본 발명의 추가적인 양상에서, 이온-전도성 물질이 고체 이온-전도성 물질일 때, 평면 강화 성분의 한쪽 또는 두쪽 면 모두에서 비-강화된 고체 이온-전도성 물질 층인 것과 같이, 고체 이온-전도성 물질은 z-방향에서 충전된 전지를 넘어 연장된다. 다시, 고체 이온-전도성 물질이 존재하지 않는 곳은 제1 모서리 영역일 수 있다.
이온-전도성 물질이 고체일 때, 이 분야에서 공지된 임의의 기술에 의해 예를 들어 스크린 프린팅(screen printing), 회전 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 분사, 도포, 담금(immersion) 또는 침지(dipping), 바 코팅(bar coating), 패드 코팅(pad coating), 그라비어(gravure), 갭 코팅(gap coating) 기술 예컨대 롤에 대한 닥터 블레이드(doctor blade) 또는 칼 (여기서 코팅이 기판에 적용되고 이어서 칼과 지지 롤러 사이 슬릿을 통과함), 슬롯 다이 (슬롯, 압출) 코팅 (여기서 코팅은 중력에 의해 또는 압력 하에서 슬롯을 통해 기판 상에 짜내어 짐), 미터링 로드(metering rod) 적용 예컨대 마이어 바(Meyer bar)과 함께 및 그라비어 코팅에 의해 적합한 액체 내에 분산되어, 평면 강화 성분에 적용될 수 있다. 적합하게는 채워진 강화 성분을 건조하여 액체를 제거하고 고체 이온-전도성 물질을 형성한다.
이온-전도성 물질이 액체일 때, 이 분야에서 공지된 임의의 기술, 예를 들어 스크린 프린팅, 회전 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 분사, 도포, 담금 또는 침지, 바 코팅, 패드 코팅, 그라비어, 갭 코팅 기술 예컨대 롤에 대한 닥터 블레이드 또는 칼 (여기서 코팅이 기판에 적용되고 이어서 칼과 지지 롤러 사이 슬릿을 통과함), 슬롯 다이 (슬롯, 압출) 코팅 (여기서 코팅은 중력에 의해 또는 압력 하에서 슬롯을 통해 기판 상에 짜내어 짐), 미터링 로드 적용 예컨데 마이어 바와 함께 및 그라비어 코팅에 의해 평면 강화 성분에 적용될 수 있다.
본 발명의 강화 막은 이온 전도성 막을 필요로 하는 임의의 전기화학적 장치에서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 추가적인 양상은 앞서 설명한 것처럼 강화 막을 포함하는 전기화학적 장치를 제공한다. 대신에, 앞서 설명한 것처럼 전기 화학적 장치에 강화 막의 용도를 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 강화막은 연료 전지에서 사용된다. 본 발명의 추가적인 바람직한 실시양태에서, 강화 막은 전해조에서 사용된다. 따라서 본 발명의 추가적인 양상은 연료 전지 또는 전해조의 성분을 제공하고, 여기서 성분은 본 발명의 강화 막을 포함한다.
따라서, 본 발명은 추가적으로 본 발명에 따른 강화 막과 강화 막의 적어도 한쪽 측면 상에 놓여지는 전극 촉매 층을 포함하는 촉매-코팅된 강화 막을 제공한다. 한 실시양태에서, 촉매-코팅된 강화 막은 강화 막의 양쪽 측면 상에 놓여진 전극 촉매 층을 포함한다.
전극 촉매 층은 미세하게 나뉜 담지되지 않은 금속 분말일 수 있고, 또는 담지 촉매(supported catalyst)일 수 있는 전극 촉매를 포함하고, 여기서 작은 금속 입자는 전기적으로 전도성인 미립자 탄소 담지체 상에 분산된다. 전극 촉매 금속은 적합하게는
(i) 백금족 금속 (백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄, 이리듐 및 오스뮴),
(ii) 금 또는 은,
(iii) 기초 금속,
또는 합금 또는 이들 금속 중 하나 이상을 포함하는 혼합물 또는 이들의 산화물로부터 선택된다. 바람직한 전극 촉매 금속은 백금이고, 이것은 다른 귀금속 또는 기초 금속과 합금될 수 있다. 전극 촉매가 담지 촉매인 경우, 탄소 담지 물질 상의 금속 입자의 로딩은 적합하게는 10-90 중량%의 범위, 바람직하게는 얻어진 전극 촉매 중량의 15-75 중량%이다.
전극 촉매 층은 적합하게는 다른 성분, 예컨대 이온-전도성 중합체를 포함할 수 있고, 이것은 층 내 이온성 전도성을 향상시키는 것을 포함한다.
여전히 계속해서 본 발명의 양상은 앞에서 설명한 것처럼 강화 막 또는 촉매-코팅된 강화 막을 포함하는 MEA를 제공한다. MEA가 다음을 포함하는 많은 방법으로 구성될 수 있으나, 이것은 비제한적이다:
(i) 본 발명의 강화 막이 두 개의 가스 확산 전극 (하나는 애노드 및 하나는 캐소드) 사이에 끼어있을 수 있고;
(ii) 한쪽 측면이 오직 전극 촉매 층으로 코팅된 본 발명의 촉매-코팅된 강화 막이 가스 확산 층과 가스 확산 전극 사이에 끼어있을 수 있고, 가스 확산 층은 촉매 층으로 코팅된 강화 막의 측면과 접촉하는 것이고 또는;
(iii) 양쪽 측면이 전극 촉매 층으로 코팅된 본 발명의 촉매-코팅된 강화 막이 두 개의 가스 확산 층 사이에 끼어있을 수 있다.
애노드 및 캐소드 가스 확산 층은 적합하게는 통상적인 가스 확산 기판을 기초로 한다. 통상적인 기판은 부직포 종이 또는 탄소 섬유의 네트워크를 포함하는 망 및 열경화성 수지 결합제 (예를 들어 일본 도레이 인더스트리스 인크. 사에서 입수가능한 탄소 섬유소 종이의 TGP-H 시리즈 또는 독일 프로이덴베르크(Freudenberg) FCCT KG 사에서 입수가능한 H2315 시리즈 또는 SGL 테크놀로지스 게엠베하(SGL Technologies GmbH) 사에서 입수가능한 시그라세트®(Sigracet®) 시리즈, 또는 발라드 파워 시스템스 인크(Ballard Power Systems Inc) 사의 아브카브®(AvCarb®) 시리즈), 또는 직조 탄소 직물을 포함한다. 탄소 종이, 망 또는 직물은 MEA에 혼입되기 전에 추가적인 처리가 제공되어 더욱 습윤성(wettable)이게 (친수성) 되거나 또는 더욱 내습성이게 (소수성) 된다. 어떤 처리의 성질은 연료 전지의 형태 및 사용될 작동 조건에 의존할 것이다. 기판은 액체 현탁액으로부터 함침을 통한 비정질의 카본 블랙과 같은 물질의 혼입에 의해 더욱 습윤성이게 될 수 있거나, 또는 PTFE 또는 폴리플루오로에틸렌프로필렌 (FEP)와 같은 중합체의 콜로이드 현택액으로 기판의 공극 구조를 함침시키고, 이어서 건조 및 중합체의 녹는점 초과로 가열함으로써 더욱 소수성이게 만들 수 있다. PEMFC와 같은 적용에 대해, 미공성 층이 또한 전극 촉매 층과 접촉할 면 상의 가스 확산 기판에 적용될 수 있다. 미공성 층은 통상적으로 카본 블랙 및 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)과 같은 중합체의 혼합물을 포함한다.
MEA는 예를 들어 WO2005/020356에서 설명하는 것처럼 MEA의 모서리 영역을 밀봉하고 및/또는 강화하는 성분들을 추가적으로 포함할 수 있다. MEA는 이 분야의 통상의 기술자에게 알려진 통상의 방법에 의해 조립된다.
본 발명의 강화 막, 촉매-코팅된 강화 막 또는 MEA는 추가적으로 첨가제를 포함할 수 있다. 첨가제는 강화 막, 촉매-코팅된 강화 막 또는 MEA의 안쪽 내부에 존재할 수 있거나, 또는 촉매-코팅된 강화 막 또는 MEA의 경우에는, 다양한 층 사이의 경계 중 하나 이상에서 및/또는 층들 중 하나 이상 내에 존재할 수 있다.
첨가제는 과산화 수소 분해 촉매, 라디칼 제거제, 자유 라디칼 분해 촉매, 자기 재생형(self regenerating) 항산화제, 수소 주게 (H-주게) 1차 항산화제, 자유 라디칼 제거제 2차 항산화제, 산소 흡수제 (산소 제거제)로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 것일 수 있다. 이들 다른 첨가제의 예는 WO2009/040571 및 WO2009/109780에서 발견할 수 있다. 바람직한 첨가제는 이산화 세륨 (세리아)이다.
본 발명의 계속해서 추가적인 양상은 상기에서 설명한 강화 막, 촉매-코팅된 강화 막 또는 MEA를 포함하는 연료 전지를 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 연료 전지 또는 전해조는 PEM 연료 전지 또는 PEM 전해조이다.
본 발명 강화 막의 이점은 가요성이라는 것이고, 계속해서 또한 이런 막에 의해 요구되는 내구성을 제공한다는 것이다. 가요성은 강화 막 및 강화 막을 포함하는 성분이 릴-투-릴(reel-to-reel) 방법을 사용하여 제조되도록 하고; 이런 방법은 강화 성분이 강성이고 불가요성인 강화 막에 대해서는 사용될 수 없다.
본 발명이 주로 PEM 연료 전지를 참고로 하여 설명되었지만, 본 발명은 다른 형태의 연료 전지 또는 전기화학적 장치에서, 개질 없이 또는 개질이 거의 없이도 동등하게 잘 사용될 수 있다. 예를 들어, 인산 연료 전지 (PAFC)에서 두 전극이 통상적으로 미립자 물질의 매트릭스, 예컨대 38 % 초과의 다공성을 가지는 폴리에테르 술폰과 결합한 탄화 규소에 의해 분리된다 (문헌 [P. Stonehart and D. Wheeler, Modern Aspects of Electrochemistry, Number 38, edited by B.E. Conway et al, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2005, p.400 et seq]). 본 발명은 뜨거운 인산에 대한 적합한 저항성의 및 인산에 의한 습윤성의 물질이 사용되는 한, 매트릭스가 인산으로 함침된, 평면 강화 성분에 의해 대체되도록 한다.
알칼리 연료 전지에서 전해질은 통상적으로 강한 수산화 나트륨 또는 수산화 칼륨이고 전극은 PAFC에 대해 설명한 것과 유사한 방법으로 매트릭스에 의해 분리된다. 본 발명은 평면 강화 성분이 알칼리 전해질에 안정하고 습윤성인 조건으로 알칼리 연료 전지에서 사용하기 위한 MEA에 꽤 적합하다.
PEM 연료 전지에 대해 설명하는 모든 실시양태는 PEM 전해조용 MEA에 동등하게 적용된다. 이들 PEM 전해조에서, 전압이 막 전극 조립체를 가로질러 적용되어 장치에 공급되는 물이 각각 캐소드와 애노드에서, 수소와 산소로 나뉘어진다. MEA는 PEM 연료 전지에 대해 다른 촉매 성분, 예컨대 애노드에서 Ir 및 Ru 계 물질을 요구할 수 있으나, 그 외에는 연료 전지에 대해 사용되는 MEA와 매우 유사하다.
본 발명은 이제 다음의 실시예를 참고로 하여 추가적으로 도시될 것이다.
캘린더링하여 셀 구조로 제공되는, 세파 AG(Sefar AG) 사의 PEEK (폴리에테르에테르케톤) 직조 망 (SEFAR® PEEKTEX)을 듀폰 사의 나피온® N117 막 두 개 사이에 위치시켰다. 나피온® 117/PEEK 샌드위치를 PTFE 시트, 프레싱 완충제 및 티타늄 판 사이에 위치시켰다. 나피온® 117/PEEK 샌드위치는 1600 psi에 177 ℃에서 5 분 동안 적층시켰고 압력 하에서 냉각되게 했다. 프레싱 후에, 구조를 공기 방울, 주름 및 정렬에 대해 체크했다. 형성된 강화 막을 티타늄 판, 프레싱 완충제 및 PTFE 시트로부터 제거하고 모서리를 잘랐다.

Claims (19)

  1. (i) 금속, 탄소, 중합체 또는 이들의 복합물로 만들어진 평면 강화 성분, 및
    (ii) 이온-전도성 물질,
    을 포함하는 강화 막이며,
    평면 강화 성분이 다수의 별개의 전지를 포함하는 셀 구조이고, 여기서 전지 벽이 양성자-전도성 물질을 통과시키지 못하게 각 전지의 벽이 평면 강화 성분의 두께를 통해 연장되고, 양성자-전도성 물질이 평면 강화 성분의 전지를 충전시키는 것을 특징으로 하는 강화 막.
  2. 제1항에 있어서, 상기 평면 강화 성분이 벌집 구조인 강화 막.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 평면 강화 성분의 다공성이 30 % 초과인 강화 막.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 이온-전도성 물질이 고체인 강화 막.
  5. 제4항에 있어서, 고체 이온-전도성 물질이 양성자-전도성 중합체 또는 음이온-전도성 중합체인 강화 막.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 고체 이온-전도성 물질이, 충전된 전지를 넘어서 z-방향으로 연장되어 평면 강화 성분의 한쪽 또는 양쪽 면 상에 비-강화 고체 이온-전도성 물질 층이 있는 강화 막.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온-전도성 물질이 액체인 강화 막.
  8. 제7항에 있어서, 액체 이온-전도성 물질이 양성자-전도성 액체 또는 음이온-전도성 액체인 강화 막.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 전지가 이온-전도성 물질로 충전된 강화 막.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 평면 강화 성분의 모서리 주위의 전지가 이온-전도성 물질로 충전되지 않아, 평면 강화 성분의 주변부 주위에 이온-전도성 물질이 존재하지 않는 영역이 있는 것인 강화 막.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 강화 막 및 상기 강화 막 중 하나 이상의 면에 놓여진 전극 촉매 층을 포함하는 촉매-코팅된 강화 막.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 강화 막을 포함하는 막 전극 조립체.
  13. 제11항에 따른 촉매-코팅된 강화 막을 포함하는 막 전극 조립체.
  14. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 강화 막을 포함하는 연료 전지.
  15. 제11항에 따른 촉매-코팅된 강화 막을 포함하는 연료 전지.
  16. 제12항 또는 제13항에 따른 막 전극 조립체를 포함하는 연료 전지.
  17. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 강화 막을 포함하는 전해조(electrolyser).
  18. 제11항에 따른 촉매-코팅된 강화 막을 포함하는 전해조.
  19. 제12항 또는 제13항에 따른 막 전극 조립체를 포함하는 전해조.
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