KR20180107114A - 연료전지 컴포넌트를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
연료전지 컴포넌트를 제조하는 예시적인 방법은 용매 중에서 촉매 물질과 소수성 결합제를 혼합하여 상기 촉매 물질과 상기 소수성 결합제의 적어도 일부의 응집물을 갖는 액체 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 이 액체 혼합물은 다공질 기체 확산층의 적어도 일면에 도포된다. 도포된 액체 혼합물의 용매의 적어도 일부는 다공질 기체 확산층으로부터 제거된다. 다공질 기체 확산층 상에 잔류하는 촉매 물질은 압력 하에서 건조된다.
Description
본 개시의 기술 요지는 일반적으로 연료전지 컴포넌트를 제조하는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 그러나 비제한적으로, 본 개시는 기체 확산 기재 상에 촉매층을 퇴적시키기 위해 액체 용액을 사용하는 연료전지 전극을 제조하는 것에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학 반응을 기반으로 전기를 생성하는 장치이다. 연료전지는 이 반응을 촉진하는 다양한 컴포넌트를 포함한다. 예를 들면, 연료전지는 전극을 포함한다.
인산 연료전지에서 사용되는 하나의 유형의 전극은 다공질 기체 확산 기재 상에 지지되는 촉매층을 포함한다. 이러한 전극을 제조하는 전형적인 방법은 높은 표면적의 탄소/흑연 및 소수성 폴리머 결합제 상에 지지되는 금속 촉매를 함유하는 수성 분산액을 제조하는 것을 포함한다. 혼합물은 응결되고, 혼합물로부터 물이 제거되어 분말을 남긴다. 전형적인 접근법은 분말을 건조시키는 단계, 분말을 분쇄하여 기체 확산 기재 상에 퇴적시키는 단계를 포함한다.
수성 분산액을 기체 확산 기재 상에 도포하는 대신 건조된 분말이 사용되는 하나의 이유는 수성 분산액을 건조시킬 때 균열을 피하기 어렵다는 것이 잘 알려져 있다는 것이다. 이러한 균열은 연료전지 전극의 촉매층에서 바람직하지 않다. 이러한 균열을 최소화하기 위한 제안된 기법은 혼합물의 고형물 함량을 증가시키는 단계, 건조 속도를 감소시키는 단계 또는 혼합물에 폴리머 결합제를 첨가하는 단계를 포함한다. 고형물 함량을 증가시키는 것은, 전극 재료는 일반적으로 소수성이고, 수중에서 분산되기 어렵기 때문에, 연료전지 전극를 제조하기 위한 매력적인 해결책이 아니다. 건조 속도를 감소시키는 것은, 제조 공정 중의 감소된 처리량이 비용을 증가시키고, 이 비용을 감소시키는 것이 연료전지 제조사의 주 관심사이므로, 전지 전극을 제조하기 위해 실용적이지 않다. 추가의 결합제를 도입하는 것은 연료전지의 전기화학적 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있으므로 바람직하지 않다. 또한, 결합제는 전지 오염의 위험을 초래할 수 있다.
연료전지 컴포넌트를 제조하는 예시적인 방법은 용매 중에서 촉매 물질과 소수성 결합제를 혼합하여 상기 촉매 물질과 상기 소수성 결합제의 적어도 일부의 응집물을 갖는 액체 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. 이 액체 혼합물은 다공질 기체 확산층의 적어도 일면에 도포된다. 도포된 액체 혼합물의 용매의 적어도 일부는 다공질 기체 확산층으로부터 제거된다. 다공질 기체 확산층 상에 잔류하는 촉매 물질은 압력 하에서 건조된다.
적어도 하나의 개시된 예시적인 실시형태의 다양한 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다. 상세한 설명에 수반되는 도면은 다음과 같이 간략하게 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 설계된 예시적인 연료전지 컴포넌트를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라 설계된 연료전지 컴포넌트를 제조하기 위한 구성을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라 연료전지 컴포넌트를 제조하기 위한 예시적인 접근법을 요약한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라 설계된 연료전지 컴포넌트를 제조하기 위한 구성을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라 연료전지 컴포넌트를 제조하기 위한 예시적인 접근법을 요약한 흐름도이다.
도 1은 연료전지 컴포넌트(20)이다. 본 실시례에서, 컴포넌트(20)는 인산 연료전지용으로 유용한 전극이다. 예시적인 컴포넌트(20)는 다공질 기체 확산 기재층(22) 및 이 기재(22)의 적어도 일면 상의 촉매층 코팅(24)을 갖는다. 일부의 실시례의 촉매층은 약 50 내지 200 마이크론 두께이며, 본질적으로 기재(22)의 전체에 걸쳐 연속적이다. 하나의 실시례에서, 기재(22)는 탄소 섬유 종이를 포함하며, 다른 실시례에서는 흑연 섬유를 포함한다. 설명의 목적을 위해, 이하에서는 탄소 종이 기재(22)가 언급된다. 촉매층(24)은 금속 촉매 또는 그래핀과 같은 다른 물질을 포함한다. 설명의 목적을 위해, 이하에서는 금속 촉매가 언급된다. 이러한 설명을 전제로 하여, 당업자는 특정의 요구를 충족시키는 연료전지 컴포넌트를 실현하기 위한 적절한 물질을 선택할 수 있을 것이다.
도 2는 예시적인 연료전지 컴포넌트(20)를 제조하기 위한 구성(30)을 도시한다. 32로 개략적으로 나타낸 촉매 물질은 혼합기(36) 내에서 34로 개략적으로 나타낸 결합제와 결합된다. 촉매 물질(32)은, 예를 들면, 인산 연료전지 내의 촉매로서 유용한 임의의 금속 촉매일 수 있다. 결합제(34)는 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 200 ℃에서 안정한 소수성 결합제이다.
혼합기(36)는 촉매 물질(32)과 결합제(34)의 적어도 일부의 응집물을 얻는 방식으로 촉매 물질(32), 결합제(34) 및 물과 같은 용매를 혼합하도록 구성된다. 일부의 실시례는 원하는 양의 응집물을 제공하도록 혼합물을 응집시키는 단계를 포함한다.
다공질 기체 확산 기재 물질층(22)은 컴포넌트(20)를 제조하는 자동화 공정을 용이화하도록 구성된 테이블 또는 벨트일 수 있는 일 표면(38) 상에 지지된다. 도포 스테이션(40)은 촉매 물질(32)과 소수성 결합제(34)의 적어도 일부의 응집물을 갖는 액체 혼합물을 도포한다. 본 실시례의 도포 스테이션(40)은 다공질 기체 확산 기재층(22) 상에 이 혼합물을 직접 퇴적시키도록 구성된다. 하나의 실시례에서, 도포 스테이션(40)은 다공질 기체 확산 기재층 상에 액체 혼합물을 커튼(curtain) 코팅, 닥터 블레이딩, 분사 코팅, 슬롯 다이 코팅, 전사 인쇄 또는 스크린 인쇄 중 적어도 하나를 포함하는 퇴적 공정을 수행한다.
42로 개략적으로 나타낸 바와 같이, 기재 상의 코팅 층으로부터 용매를 제거하기 위해 다공질 기체 확산 기재층(22)을 통해 도포된 액체 혼합물(24)의 용매(예를 들면, 물)의 적어도 일부를 흡인하기 위해 진공이 사용된다. 일부의 실시형태에서는 혼합물의 용매의 적어도 일부를 제거하기 위해 가열을 포함하는 다른 기법이 사용된다. 촉매 물질(32)과 결합제(34)의 응집으로 인해 촉매 물질과 혼합물은 기체 확산 기재층(22) 상에 유지될 수 있다. 이 설명의 이익을 갖는 당업자는 기재(22) 상에 촉매 물질을 남겨 두는 상태로 액체 혼합물로부터 물을 충분히 제거하는 적절한 진공 압력을 선택할 수 있을 것이다. 본 실시례에서, 혼합물로부터 물이 제거되지만, 제어된 조건 이외에서는 완전히 건조될 수 없다.
건조기 스테이션(44)은 제어된 방식으로 다공질 기체 확산 기재층 상에 잔류하는 촉매 물질을 건조시킨다. 압력 인가 장치(46)는 압력 하에서 촉매 물질의 건조가 실행되도록 건조기 스테이션(44) 내에 포함된다. 압력 장치(46)는 건조 중에 얻어지는 촉매층 코팅(24)의 균열을 방지하도록 촉매층(24)과 기체 확산 기재층(22)에 축방향 하중을 가한다.
하나의 실시례에서, 압력 인가 장치(46)는 연속 건조 공정을 가능하게 하는 가열식 롤 프레스를 포함한다. 다른 실시례는 역시 연속 제조 공정을 가능하게 하는 압력 장치(46)로서 가열식 이중 벨트를 포함한다. 다른 압력 인가 장치가 사용될 수도 있다. 예시적인 실시례에서 가해지는 압력은 약 200 psi(14 bar)이다.
본 실시례에서, 건조 단계는 약 240 ℉(115 ℃)의 온도에서 실시된다.
도 2에 개략적으로 도시된 구성을 사용하여 연료전지 컴포넌트를 제조하면 기체 확산 기재 상에 퇴적되는 분말을 형성하기 위한 종래의 공정과 관련된 건조 및 분쇄 단계가 제거된다. 이러한 단계를 제거함으로써, 도시된 실시례는 연료전지 컴포넌트를 제조하는 것과 관련된 경제를 향상시킨다. 또한, 도시된 구성은 연속적인 퇴적 공정을 가능하게 하며, 이는 또한 인산 연료전지에서 사용하기 위한 전극과 같은 연료전지 컴포넌트를 제조하는 것과 관련된 경제를 향상시킨다.
도 3은 예시적인 접근법을 요약한 흐름도(50)이다. 단계 52에서, 촉매와 소수성 결합제가 물 중에서 혼합된다. 단계 54에서, 혼합물이 응결되어 촉매 물질과 결합제의 원하는 양의 응집물을 형성한다.
단계 56에서, 본 실시례에서 수성 분산액인 액체 혼합물이 다공질 기체 확산 기재(22) 상에 퇴적된다. 단계 58에서, 퇴적된 혼합물로부터 과잉의 물이, 예를 들면, 진공에 의해, 제거된다. 단계 60에서, 다공질 기체 확산 기재층 상의 잔류 촉매 물질은 압력 하에서 건조된다. 도 3의 실시례는 제어된 건조 후에 잔류 촉매층을 단계 62에서 소결 단계를 포함한다.
도 3의 실시례는 단계 54에서 고정물을 응집시키는 단계를 포함하지만, 다른 실시례는 수 중에서 촉매와 결합제 혼합물의 분산을 증가시키기 위해 분산제를 도입하는 단계를 포함한다. 이러한 분산제로서 사용될 수 있는 예시적인 계면활성제는 TritonX100 및 폴리비닐 알코올과 같은 폴리머를 포함한다.
개시된 예시적인 기법은 연속적이고 비용 효율적인 제조 공정을 허용함으로써 연료전지에 관련된 비용을 감소시키는데 기여한다. 또한 이 기법은 전극 상에 효과적인 촉매층을 형성하는 신뢰할 수 있는 방법을 제공한다.
전술한 설명은 본질적으로 제한하는 것이 아니고 예시적인 것이다. 본 발명의 본질로부터 벗어나지 않는 개시된 실시례에 대한 변형 및 수정은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명에 부여된 법적인 보호의 범위는 오로지 다음의 청구범위를 검토함으로써 결정될 수 있다.
Claims (18)
- 연료전지 컴포넌트를 제조하는 방법으로서,
용매 중에서 촉매 물질을 소수성 결합제와 혼합하여 상기 촉매 물질과 상기 소수성 결합제의 적어도 일부의 응집물을 갖는 액체 혼합물을 형성하는 단계;
상기 액체 혼합물을 다공질 기체 확산층의 적어도 일면에 도포하는 도포 단계;
상기 다공질 기체 확산층으로부터 도포된 상기 액체 혼합물의 상기 용매의 적어도 일부를 제거하는 제거 단계; 및
압력 하에서 상기 다공질 기체 확산층 상에 잔류하는 상기 촉매 물질을 건조시키는 건조 단계를 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 혼합물을 형성하는 단계는 상기 촉매 물질과 상기 소수성 결합제의 적어도 일부의 응집물을 형성하기 위해 상기 혼합물을 응집시키는 단계를 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 혼합물을 형성하는 단계는 물, 상기 촉매 물질 및 상기 소수성 결합제를 혼합하는 단계를 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 촉매 물질은 금속을 포함하고, 상기 소수성 결합제는 폴리테트라플루오로에틸렌을 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 도포 단계는 상기 다공질 기체 확산층의 적어도 일면을 상기 혼합물로 코팅하는 단계를 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 도포 단계는,
상기 혼합물을 상기 다공질 기체 확산층 상에 커튼(curtain) 코팅하는 단계;
상기 혼합물을 상기 다공질 기체 확산층 상에 분사 코팅하는 단계;
상기 혼합물을 상기 다공질 기체 확산층 상에 닥터 블레이딩(doctor blading)하는 단계;
상기 혼합물을 상기 다공질 기체 확산층 상에 슬롯 다이(slot die) 코팅하는 단계;
상기 혼합물을 상기 다공질 기체 확산층 상에 전사(transfer) 인쇄하는 단계; 및
상기 혼합물을 상기 다공질 기체 확산층 상에 스크린 인쇄하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 다공질 기체 확산층을 일 표면의 제 1 면 상에 지지시키는단계;
상기 표면의 반대측의 제 2 면으로부터 진공을 형성하는 단계; 및
상기 제거 단계를 위해 상기 진공을 이용하는 단계를 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 형성된 진공은 상기 다공질 기체 확산층 및 상기 표면을 통해 상기 용매의 적어도 일부를 흡인하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 표면은 테이블 및 벨트 중 적어도 하나를 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 건조 단계는 약 240℉(115℃)의 온도를 이용하여 상기 다공질 기체 확산층 상에 잔류하는 상기 촉매 물질을 가열하는 단계를 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 압력은 약 200 psi(14 bar)인,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 건조 단계는 상기 압력을 실현하기 위해 프레스를 이용하여 축방향 하중을 가하는 단계를 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 프레스는 고온 프레스, 가열식 롤 프레스, 및 가열식 이중 벨트 프레스 중 하나 이상을 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
제어된 건조 단계 후에 상기 다공질 기체 확산층 상에 잔류하는 상기 촉매 물질을 소결하는 단계를 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
얻어지는 상기 촉매 물질의 층이 상기 다공질 기체 확산층의 적어도 일면을 피복하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 얻어지는 촉매 물질의 층은 상기 다공질 기체 확산층의 적어도 일면의 전체에 걸쳐 대체로 균일한,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 얻어지는 촉매 물질의 층은 50 마이크론 이상의 두께인,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제거 단계는 상기 다공질 기체 확산층을 통해 상기 용매의 적어도 일부를 흡인하기 위해 진공을 사용하는 단계를 포함하는,
연료전지 컴포넌트의 제조 방법.
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