KR20200081030A - Polymer electrolyte membrane that suppresses side reactions caused by gas crossover phenomenon and manufacturing method of the same - Google Patents

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KR20200081030A
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김민경
김병수
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Abstract

The present invention relates to an electrolyte membrane with suppressed side reactions due to gas crossover. More specifically, provided is a method for realizing cost reduction by differently controlling the catalyst content of a catalyst layer formed on an electrolyte membrane for each zone. In addition, provided is an electrolyte membrane capable of preventing crossover due to hydrogen and oxygen gas flowing in while a fuel cell is driven.

Description

기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 전해질막 및 이의 제조방법{Polymer electrolyte membrane that suppresses side reactions caused by gas crossover phenomenon and manufacturing method of the same}{Polymer electrolyte membrane that suppresses side reactions caused by gas crossover phenomenon and manufacturing method of the same}

본 발명은 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 전해질막에 관한 것으로, 보다 정확하게 연료전지의 구동중 유입하는 수소 및 산소 기체에 의한 크로스오버 현상을 방지할 수 있는 전해질막에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte membrane that suppresses side reactions due to a gas crossover phenomenon, and more particularly, to an electrolyte membrane capable of preventing a crossover phenomenon caused by hydrogen and oxygen gas flowing during operation of a fuel cell.

전해질막 연료전지는 수소극에서 수소의 산화로 생성된 양성자가 전해질막을 통과하여 산소극에서 환원된 산소 이온과 반응하는 전기화학적 반응을 통하여 전기와 물을 발생시킨다. 하지만 동시에 공급 기체가 분자상태로 전해질막을 통과하는 기체 크로스오버 현상이 발생하며, 수소의 경우 고농도로 공급되고, 분자량이 작기 때문에 크로스오버가 쉽게 일어나고 있다. 이는 전해질막이 기체 차단 역할을 완벽히 하지 못할 경우 발생하게 되는 현상이다. 이와 같은 현상이 증가하면 개방전압(Open circuit voltage, OCV)이 감소하고 전기화학적 반응에 참여하지 못하고 소모되는 연료만큼 연료 효율이 감소하게 된다는 문제가 생기게 된다. 예로 수소극에서 전해질막을 통과한 수소가 산소극의 산소와 만나 촉매 작용에 의해 H2O, H2O2, HO2 등이 되거나 반응하지 않고 배출되게 되는데, 이들 반응이 진행되면서 산소극의 원래 반응인 산소의 환원반응과 함께 혼합전위가 형성되고 상기 H2O2나 산소 라디칼들이 전해질막 및 전극을 공격해 이들을 열화시켜 핀홀을 발생시키는 심각한 문제가 발생한다.The electrolyte membrane fuel cell generates electricity and water through an electrochemical reaction in which a proton generated by oxidation of hydrogen at a hydrogen electrode passes through the electrolyte membrane and reacts with reduced oxygen ions at the oxygen electrode. However, at the same time, a gas crossover phenomenon occurs in which the supply gas passes through the electrolyte membrane in a molecular state, and in the case of hydrogen, it is supplied at a high concentration and the molecular weight is small, so crossover occurs easily. This is a phenomenon that occurs when the electrolyte membrane does not completely function as a gas barrier. When this phenomenon increases, an open circuit voltage (OCV) decreases and fuel efficiency decreases as much as fuel consumed without participating in an electrochemical reaction. For example, hydrogen that has passed through the electrolyte membrane at the hydrogen electrode meets the oxygen of the oxygen electrode and becomes H 2 O, H 2 O 2 , HO 2 or the like by catalysis, and is discharged without reacting. A mixed problem is formed with the reduction reaction of oxygen, which is the reaction, and serious problems occur that the H 2 O 2 or oxygen radicals attack the electrolyte membrane and the electrode to degrade them to generate pinholes.

한국등록특허 제10-1669236호는 고체 고분자 전해질 및 그 제조방법에 관한 것으로, 전해질막의 표면에 촉매를 포함하는 촉매층을 형성하여 수소 크로스오버 현상을 방지하여 연료전지의 수명을 향상시키는 방법이 제공되고 있다. 하지만 종래의 연료전지 보다 사용되는 촉매의 함량이 과도하게 증가되어 고비용 발생이 우려되며, 실질적으로 상용화하기 어렵다는 문제가 있다.Korean Registered Patent No. 10-1669236 relates to a solid polymer electrolyte and a method of manufacturing the same, and a method of improving the life of a fuel cell by providing a catalyst layer containing a catalyst on the surface of the electrolyte membrane to prevent hydrogen crossover is provided. have. However, since the content of the catalyst used is excessively increased compared to the conventional fuel cell, there is a concern that high cost is generated, and there is a problem that it is practically difficult to commercialize.

한국등록특허 제10-1669236호Korean Registered Patent No. 10-1669236

본 발명은 전지의 효율을 높이고 고가의 귀금속 촉매 함량을 줄임으로써 비용절감을 실현시킬 수 있는 연료전지의 전해질막 및 이를 이용한 연료전지를 제공할 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane of a fuel cell and a fuel cell using the same, which can realize cost savings by increasing the efficiency of the cell and reducing the content of expensive noble metal catalysts.

본 발명은 연료전지의 구동에 따라 발생할 수 있는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 방지할 수 있는 전해질막 및 이의 제조방법을 제공할 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane and a method of manufacturing the same, which can prevent side reactions due to a gas crossover phenomenon that may occur when the fuel cell is driven.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. The object of the present invention will be more apparent from the following description, and will be realized by means described in the claims and combinations thereof.

본 발명에 따르면, 기재; 상기 기재의 양면에 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 기재의 일면에 코팅된 제1 촉매층; 및 기재의 타면에 코팅된 제2 촉매층;을 포함하고, 상기 촉매층은 촉매를 포함하고, 상기 촉매층은 CD방향 또는 MD방향으로 촉매의 함량이 상이한 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막을 제공한다.According to the invention, the substrate; It includes a catalyst layer on both sides of the substrate, the catalyst layer is a first catalyst layer coated on one surface of the substrate; And a second catalyst layer coated on the other side of the substrate, wherein the catalyst layer includes a catalyst, and the catalyst layer suppresses side reactions due to gas crossover, characterized in that the content of the catalyst is different in the CD direction or the MD direction. An electrolyte membrane for a fuel cell is provided.

상기 기재는 확장형 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 또는 기공에 이오노머가 함침된 확장형 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)일 수 있다.The substrate may be expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) or expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) in which pores are impregnated with ionomers.

상기 촉매는 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주속(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.The catalyst is platinum (Pt), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), copper ( Cu), silver (Ag), gold (Au), periphery (Sn), titanium (Ti), chromium (Cr), and combinations thereof.

상기 촉매는 탄소담지체에 담지될 수 있다.The catalyst may be supported on a carbon carrier.

상기 촉매층은 이오노머를 더 포함하고, 상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페틸렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 폴리스티렌계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.The catalyst layer further includes an ionomer, and the ionomer is a fluorine-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyfetylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, and a polyethersulfone-based polymer. , Polyether ketone-based polymer, polyether-ether ketone-based polymer, polyphenylquinoxaline-based polymer, polystyrene-based polymer, and combinations thereof.

상기 촉매층에서 상기 촉매의 함량은 상기 이오노머의 3중량% 미만일 수 있다.The content of the catalyst in the catalyst layer may be less than 3% by weight of the ionomer.

상기 촉매층은 CD방향 또는 MD방향으로 촉매의 함량이 감소할 수 있다.The catalyst layer may have a reduced content of catalyst in the CD direction or MD direction.

상기 촉매층의 두께는 CD방향 및 MD방향으로 일정할 수 있다.The thickness of the catalyst layer may be constant in the CD direction and the MD direction.

상기 촉매층의 두께는 1 내지 10㎛일 수 있다.The thickness of the catalyst layer may be 1 to 10㎛.

상기 촉매층이 CD방향 또는 MD방향으로 단을 형성하고, 상기 촉매의 ?t량은 상기 단에 따라 감소할 수 있다.The catalyst layer forms a stage in the CD direction or the MD direction, and the ?t amount of the catalyst can be decreased according to the stage.

본 발명에 따르면, 수소 유입부 및 수소 유출부를 포함하는 수소극측 분리판; 상기 수소극측 분리판에 접합되고, 산소 유입부 및 산소 유출부를 포함하는 산소극측 분리판; 및 상기 수소극측 분리판 및 상기 산소극측 분리판 사이에 개재되는 막-전극 접합체;를 포함하고, 상기 막-전극 접합체는 산소극; 수소극; 및 상기 산소극과 수소극 사이에 개재된 전해질막;을 포함하고, 상기 전해질막의 일면에는 촉매를 포함하는 제1 촉매층이 코팅되고, 상기 전해질막의 타면에는 촉매를 포함하는 제2 촉매층이 코팅되고, 상기 산소극은 상기 전해질막의 제1 촉매층 상에 구비되고, 상기 수소극은 상기 전해질막의 제2 촉매층 상에 구비되고, 상기 산소극은 상기 산소극측 분리판에 대면하고, 상기 수소극은 상기 수소극측 분리판에 대면하고, 상기 제1 촉매층은 CD방향 또는 MD방향으로 촉매의 함량이 상이하고, 상기 제2 촉매층은 CD방향 또는 MD방향으로 촉매의 함량이 상이한 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지를 제공한다.According to the present invention, the hydrogen-side separator comprising a hydrogen inlet and a hydrogen outlet; An oxygen electrode side separator plate which is joined to the hydrogen electrode side separator plate and includes an oxygen inlet and an oxygen outlet; And a membrane-electrode assembly interposed between the hydrogen electrode side separator plate and the oxygen electrode side separator plate, wherein the membrane electrode assembly comprises an oxygen electrode; Hydrogen pole; And an electrolyte membrane interposed between the oxygen electrode and the hydrogen electrode, wherein a first catalyst layer including a catalyst is coated on one surface of the electrolyte membrane, and a second catalyst layer including a catalyst is coated on the other surface of the electrolyte membrane, The oxygen electrode is provided on the first catalyst layer of the electrolyte membrane, the hydrogen electrode is provided on the second catalyst layer of the electrolyte membrane, the oxygen electrode faces the separator on the oxygen electrode side, and the hydrogen electrode is the hydrogen electrode Facing the side separation plate, the first catalyst layer is a gas crossover phenomenon characterized in that the content of the catalyst is different in the CD direction or MD direction, the second catalyst layer is different in the content of the catalyst in the CD direction or MD direction Provided is a fuel cell that suppresses side reactions.

본 발명에 따르면, 촉매, 이오노머 및 용매를 포함하고, 촉매 함량이 다른 2 이상의 산소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계; 촉매, 이오노머 및 용매를 포함하고, 촉매 함량이 다른 2 이상의 수소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계; 상기 산소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 감소되는 순서대로 이형지 상에 CD방향을 따라 차례로 도포하여 제1 촉매층을 코팅하는 단계; 상기 제1 촉매층 상에 전해질막을 적층하는 단계; 상기 수소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 감소되는 순서대로 상기 전해질막 상에 CD방향을 따라 차례로 도포하여 제2 촉매층을 코팅하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층의 두께가 CD방향 및 MD방향을 따라 일정한 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막 제조방법을 제공한다.According to the present invention, comprising a catalyst, an ionomer and a solvent, and preparing a catalyst slurry of two or more oxygen-side catalysts having different catalyst contents; Preparing two or more hydrogen electrode side catalyst slurries containing catalysts, ionomers, and solvents and having different catalyst contents; Coating the first catalyst layer by sequentially applying along the CD direction on release paper in the order of decreasing catalyst content in the catalyst slurry on the oxygen side; Depositing an electrolyte membrane on the first catalyst layer; And coating a second catalyst layer on the electrolyte membrane in the order of decreasing catalyst content in the order of decreasing the amount of catalyst in the cathode electrode catalyst layer in the CD direction, and including the thickness of the first catalyst layer and the second catalyst layer. Provided is a method for manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell that suppresses side reactions due to a gas crossover phenomenon characterized by being constant along the CD direction and the MD direction.

상기 용매는 에탄올, 이소프로필알콜, 프로판올, 에톡시에탄올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 증류수, 아밀알콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.The solvent may be one selected from the group consisting of ethanol, isopropyl alcohol, propanol, ethoxyethanol, butanol, ethylene glycol, distilled water, amyl alcohol and combinations thereof.

산소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계에서 상기 준비된 2 이상의 산소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 0%가 되는 산소극측 촉매 슬러리는 없고, 수소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계에서 상기 준비된 2 이상의 수소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 0%가 되는 수소극측 촉매 슬러리는 없을 수 있다.There is no oxygen-side catalyst slurry in which the catalyst content is 0% among the two or more oxygen-side catalyst slurries prepared in the step of preparing the oxygen-side catalyst slurry, and the two or more hydrogen-side catalysts prepared in the step of preparing the hydrogen-side catalyst slurry In the slurry, there may be no catalyst slurry on the anode side where the catalyst content is 0%.

체1 촉매층을 코팅하는 단계 및 체2 촉매층을 코팅하는 단계에서 스프레이 방식을 통해 산소극측 촉매 슬러리 및 수소극측 촉매 슬러리를 도포될 수 있다.In the step of coating the sieve 1 catalyst layer and the step of coating the sieve 2 catalyst layer, a catalyst slurry on the oxygen electrode side and a catalyst slurry on the hydrogen electrode side may be applied through a spray method.

제1 촉매층을 코팅하는 단계에서 상기 촉매 함량이 다른 2 이상의 산소극측 촉매 슬러리를 상기 산소극측 촉매 슬러리의 개수대로 준비된 도포기를 통해 각각 도포하고, 제2 촉매층을 코팅하는 단계에서 상기 촉매 함량이 다른 2 이상의 수소극측 촉매 슬러리를 상기 수소극측 촉매 슬러리의 개수대로 준비된 도포기를 통해 각각 도포할 수 있다.In the step of coating the first catalyst layer, two or more oxygen-catalyst catalyst slurries having different catalyst contents are respectively applied through an applicator prepared according to the number of the oxygen-catalyst catalyst slurry, and the catalyst content is different in the step of coating the second catalyst layer. The above hydrogen electrode side catalyst slurries can be applied to each of the hydrogen electrode side catalyst slurries through an applicator prepared according to the number.

제1 촉매층을 코팅하는 단계, 전해질막을 적층하는 단계 및 제2 촉매층을 코팅하는 단계에서 각 단계 이후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the step of coating the first catalyst layer, the step of laminating the electrolyte membrane, and the step of coating the second catalyst layer, the method may further include drying after each step.

본 발명에 따르면, 연료전지의 효율을 향상시키면서 전해질막에 도입된 촉매의 사용량을 줄일 수 있는 방법을 제공함으로써 비용절감을 통해 경제성을 높인다는 효과를 갖는다.According to the present invention, while improving the efficiency of the fuel cell while providing a method to reduce the amount of the catalyst introduced into the electrolyte membrane has the effect of increasing the economic efficiency through cost reduction.

본 발명에 따르면, 연료전지의 구동에 따라 발생할 수 있는 기체 크로스오버 현상을 효과적으로 제어하여 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있다는 효과를 갖는다.According to the present invention, it has an effect that the durability of the fuel cell can be improved by effectively controlling the gas crossover phenomenon that may occur depending on the driving of the fuel cell.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be deduced from the following description.

도 1은 본 발명의 (1 단위셀)연료전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 전해질막에 포함되는 촉매층의 단을 나타낸 것이다.
도 3은 전해질막과 전극의 접합 구조의 단면을 간략히 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 (1 단위셀)연료전지의 구조 및 전해질막에 형성된 촉매층의 구성을 나타낸 것이다.
도 5는 수소 및 산소의 크로스오버 현상과 관련한 전해질막 구성 및 수소 및 산소의 이동 경로를 간략히 나타낸 것이다.
도 6은 수소 유입부 및 수소 유출부의 위치와 전해질막의 촉매층 관계를 간략히 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 전해질막 제조방법에 관한 순서도를 나타낸 것이다.
도 8은 전해질막의 제조와 관련한 코팅 단계를 간략히 나타낸 것이다.
Figure 1 shows the structure of the (1 unit cell) fuel cell of the present invention.
Figure 2 shows the stage of the catalyst layer included in the electrolyte membrane.
3 schematically shows a cross-section of the bonding structure between the electrolyte membrane and the electrode.
Figure 4 shows the structure of the (1 unit cell) fuel cell of the present invention and the structure of the catalyst layer formed on the electrolyte membrane.
5 schematically shows the electrolyte membrane configuration and the movement path of hydrogen and oxygen related to the crossover phenomenon of hydrogen and oxygen.
Figure 6 briefly shows the position of the hydrogen inlet and hydrogen outlet and the catalyst layer relationship of the electrolyte membrane.
7 shows a flow chart related to the method for manufacturing an electrolyte membrane of the present invention.
8 briefly shows a coating step related to the preparation of an electrolyte membrane.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be readily understood through the following preferred embodiments related to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed contents are thorough and complete and that the spirit of the present invention is sufficiently conveyed to those skilled in the art.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.In describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown to be enlarged than the actual for clarity of the present invention. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, the first component may be referred to as a second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may be referred to as a first component. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In this specification, the terms "include" or "have" are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof described in the specification, one or more other features. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance. In addition, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case of being "just above" the other part but also another part in the middle. Conversely, when a portion of a layer, film, region, plate, or the like is said to be “under” another portion, this includes not only the case “underneath” another portion, but also another portion in the middle.

달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.Unless otherwise specified, all numbers, values, and/or expressions expressing amounts of ingredients, reaction conditions, polymer compositions, and blends used herein are those numbers that occur in obtaining these values, among other things. As these are approximations that reflect the various uncertainties of the measurement, it should be understood that in all cases they are modified by the term "about". In addition, when numerical ranges are disclosed in this description, these ranges are continuous, and include all values from the minimum value in this range to the maximum value including the maximum value, unless otherwise indicated. Further, when such a range refers to an integer, all integers including the minimum value to the maximum value including the maximum value are included unless otherwise indicated.

본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.In the present specification, when a range is described for a variable, it will be understood that the variable includes all values within the stated range including the described endpoints of the range. For example, a range of “5 to 10” includes values of 5, 6, 7, 8, 9, and 10, as well as any subrange of 6 to 10, 7 to 10, 6 to 9, 7 to 9, and the like. It will be understood to include, and include any value between integers pertinent to the stated range of ranges such as 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 to 8.5 and 6.5 to 9, and the like. Also, for example, the range of “10% to 30%” is 10% to 15%, 12% to 10%, 11%, 12%, 13%, etc. and all integers including up to 30% It will be understood that it includes any subranges such as 18%, 20% to 30%, etc., and includes any value between valid integers within the scope of the stated range, such as 10.5%, 15.5%, 25.5%, and the like.

본 발명은 기체 크로스오버 현상을 방지할 수 있는 연료전지용 전해질막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte membrane for a fuel cell capable of preventing a gas crossover phenomenon and a method for manufacturing the same.

도 1에는 연료전지의 구성이 간략히 나타나 있는데, 이를 참고하여 본 발명의 전해질막이 적용될 수 있는 연료전지의 구성에 관해 간략히 설명하고 본 발명의 전해질막 및 그 제조방법에 관해 설명하겠다.In FIG. 1, the configuration of the fuel cell is briefly described. Referring to this, the configuration of the fuel cell to which the electrolyte membrane of the present invention can be applied will be briefly described, and the electrolyte membrane of the present invention and its manufacturing method will be described.

본 발명의 전해질막이 적용되는 연료전지는 전해질막을 중심으로 양측에 촉매층(제1촉매층 및 제2촉매층)이 코팅되고, 상기 전해질막의 양측으로 산소극 및 수소극이 각각 구비된다. 상기 산소극 및 수소극 상에는 가스확산층이 구비되고, 상기 산소극에 위치한 가스확산층 상에는 산소극측 분리판이 구비되고, 상기 수소극에 위치한 가스확산층 상에는 수소극측 분리판이 구비되어 접합된 구성을 포함하고 있다.In the fuel cell to which the electrolyte membrane of the present invention is applied, catalyst layers (first catalyst layer and second catalyst layer) are coated on both sides around the electrolyte membrane, and oxygen and hydrogen electrodes are provided on both sides of the electrolyte membrane, respectively. A gas diffusion layer is provided on the oxygen electrode and the hydrogen electrode, an oxygen electrode side separator plate is provided on the gas diffusion layer located on the oxygen electrode, and a hydrogen electrode side separator plate is provided on the gas diffusion layer located on the hydrogen electrode to include a bonded structure. .

이때 상기 산소극측 분리판은 전해질막을 중심으로 제1 촉매층(이하, 편의상 산소극측 분리판 방향에 코팅된 촉매층을 제1 촉매층으로 지칭)이 위치하고 있는 방향에 접합되고, 상기 수소극측 분리판은 전해질막을 중심으로 제2 촉매층(이하, 편의상 수소극측 분리판 방향에 코팅된 촉매층을 제2 촉매층으로 지칭)이 위치하고 있는 방향에 접합된다.At this time, the oxygen-side separator is bonded to the direction in which the first catalyst layer (hereinafter, for convenience, the catalyst layer coated in the direction of the oxygen-side separator is referred to as a first catalyst layer) is located, and the hydrogen-side separator is an electrolyte. The second catalyst layer (hereinafter referred to as a catalyst layer coated in the direction of the hydrogen electrode side separator plate for convenience) is bonded to the direction in which the membrane is centered.

상기의 7개의 층이 적층되어 하나의 단위셀을 형성하게 된다.The seven layers are stacked to form one unit cell.

상기 산소극측 분리판은 외부 산소(산소기체)를 단위셀 내부로 유입시키는 통로인 산소유입부 및 단위셀 외부로 유출시키는 통로인 산소유출부를 포함하고, 상기 수소극측 분리판은 외부 수소(수소기체)를 단위셀 내부로 유입시키는 통로인 수소유입부 및 단위셀 외부로 유출시키는 통로인 수소유출부를 포함한다.The oxygen pole-side separator includes an oxygen inlet, which is a passage for introducing external oxygen (oxygen gas) into the unit cell, and an oxygen outlet, which is a passage for flowing out of the unit cell, and the hydrogen cathode-side separator is external hydrogen (hydrogen Gas) includes a hydrogen inlet that is a passage for flowing into the unit cell and a hydrogen outlet for a passage that flows out of the unit cell.

상기 단위셀의 구동은 수소극측 분리판에 포함된 수소 유입부를 통해 공급된 수소가 가스확산층을 거쳐 수소극에서 수소이온과 전자로 분해되고, 상기 수소이온은 전해질막을 통해 산소극으로 이동하게 된다. 이때 발생된 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생하게 되고, 상기 산소극에서 수소이온과 전자 및 산소극측 분리판에 포함된 산소 유입부를 통해 공급된 산소가 결합하여 물이 발생된다. 더욱 구체적으로 상기 수소의 분해는 상기 수소극에 포함된 촉매에서 진행되고, 상기 결합은 산소극에 포함된 촉매에서 진행된다.In the driving of the unit cell, hydrogen supplied through the hydrogen inlet included in the hydrogen-side separator is decomposed into hydrogen ions and electrons in the hydrogen electrode through a gas diffusion layer, and the hydrogen ions move to the oxygen electrode through the electrolyte membrane. . At this time, the generated electrons generate current through an external circuit, and hydrogen ions at the oxygen electrode and oxygen supplied through the oxygen inlet included in the electron and oxygen electrode side separator plates combine to generate water. More specifically, the decomposition of the hydrogen proceeds in the catalyst contained in the hydrogen electrode, and the bonding proceeds in the catalyst contained in the oxygen electrode.

상기 수소 유입부 및 산소 유입부를 통해 공급된 수소 및 산소 중 반응에 참여하지 않은 기체는 산소극측 분리판 및 수소극측 분리판에 포함된 수소 유출부 및 산소 유출부를 통해 배출되게 된다. 통상적으로 상기 수소 유입부 및 상기 수소 유출부는 수소극측 분리판에서 대각선 방향으로 위치하고, 상기 산소 유입부 및 상기 산소 유출부 또한 산소극측 분리판에서 대각선 방향으로 위치하나, 본 발명에서는 편의상 이 구조를 중심으로 설명할뿐 이에 한정되는 것은 아니다.Among the hydrogen and oxygen supplied through the hydrogen inlet and the oxygen inlet, gases that do not participate in the reaction are discharged through the hydrogen outlet and the oxygen outlet included in the oxygen-side separator and the hydrogen-side separator. Typically, the hydrogen inlet and the hydrogen outlet are located diagonally in the separator on the hydrogen side, and the oxygen inlet and the oxygen outlet are also located in the diagonal direction in the separator on the oxygen side, but in the present invention, this structure is for convenience. This is mainly explained, but is not limited thereto.

본 발명은 상기 7개의 층이 적층되어 형성된 단위셀 중 전해질막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte membrane and a method of manufacturing the unit cell formed by stacking the seven layers.

하기 전해질막, 전극 및 전해질막 제조방법에 관해 구분하여 설명하겠다.The following electrolyte membrane, electrode and electrolyte membrane manufacturing method will be described separately.

전해질막Electrolyte membrane

본 발명의 전해질막은 기재; 상기 기재의 양면에 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 기재의 일면에 코팅된 제1 촉매층; 및 상기 기재의 타면에 코팅된 제2 촉매층;을 포함하고, 상기 촉매층은 촉매를 포함하는 것이 특징이다.The electrolyte membrane of the present invention includes a substrate; It includes a catalyst layer on both sides of the substrate, the catalyst layer is a first catalyst layer coated on one surface of the substrate; And a second catalyst layer coated on the other surface of the substrate, wherein the catalyst layer includes a catalyst.

상기 기재는 통상적으로 연료전지의 전해질막에 적용되는 소재는 모두 사용할 수 있는데, 그 예로 현재까지 가장 넓리 이용되고 있는 확장형 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 또는 이오노머가 기공에 함침된 확장형 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)이 있다. 이때 상기 기재의 기공에 함침된 이오노머는 수소 이온을 전도할 수 있는 고분자 수지이면 충분하고, 그 예로 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페틸렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 폴리스티렌계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.The base material may be any material that is commonly applied to the electrolyte membrane of a fuel cell. For example, the expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) or ionomer, which has been widely used to date, is expanded polytetrafluoro impregnated into pores. Ethylene (ePTFE). At this time, the ionomer impregnated into the pores of the substrate is sufficient as a polymer resin capable of conducting hydrogen ions, for example, fluorine polymer, benzimidazole polymer, polyimide polymer, polyetherimide polymer, polypentylene sulfide System polymer, polysulfone polymer, polyether sulfone polymer, polyether ketone polymer, polyether-ether ketone polymer, polyphenylquinoxaline polymer, polystyrene polymer, and combinations thereof. have.

상기 촉매층은 이오노머를 더 포함하고, 상기 이오노머는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지이면 충분하고, 그 예로 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페틸렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 폴리스티렌계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.The catalyst layer further includes an ionomer, and the ionomer is sufficient as a polymer resin having hydrogen ion conductivity, for example, a fluorine-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, and polyfetylene sulfide. -Based polymer, polysulfone-based polymer, polyethersulfone-based polymer, polyether-ketone-based polymer, polyether-ether-ketone-based polymer, polyphenylquinoxaline-based polymer, polystyrene-based polymer, and combinations thereof. have.

상기 촉매층에 포함되는 촉매는 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주속(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나이고, 필요에 따라 상기 촉매가 담지된 탄소를 사용할 수 있다.The catalyst included in the catalyst layer is platinum (Pt), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir) ), copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), periphery (Sn), titanium (Ti), chromium (Cr), and a combination thereof, and the catalyst is supported if necessary. Carbon can be used.

본 발명의 촉매층에 포함된 촉매의 전체 함량은 이오노머 전체 함량의 3중량% 미만이다. 바람직하게 1중량%미만이며, 더욱 바람직하게 0.5중량%미만이다. 이때 상기 촉매의 전체 함량이 이오노머의 3중량% 이상일 경우, 이오노머에 의한 촉매의 절연성이 떨어지게 되고, 촉매의 함량을 줄임으로써 비용을 절감한다는 효과를 얻지 못하게 된다.The total content of the catalyst contained in the catalyst layer of the present invention is less than 3% by weight of the total ionomer content. It is preferably less than 1% by weight, and more preferably less than 0.5% by weight. At this time, when the total content of the catalyst is 3% by weight or more of the ionomer, the insulating property of the catalyst by the ionomer is deteriorated, and the effect of reducing the cost by reducing the content of the catalyst is not obtained.

본 발명에 있어서 상기 촉매층이 CD방향 또는 MD방향으로 촉매의 함량이 상이한 것이 특징이다. 구체적으로 상기 촉매층은 CD방향(cross direction)을 따라 촉매의 함량이 감소되게 되며, 또는 MD방향(machine direction)을 따라 촉매의 함량이 감소되게 된다. 이와같이 촉매가 상기 제1 촉매층 상에서 함량이 점층적으로 감소할 때 가장 촉매 함량이 높은 영역에는 단위셀이 제조될 때 상기 제1 촉매층이 형성된 전해질막 이면에는 수소극측 분리판의 수소유입부가 위치(구체적으로 수소극측 분리판 중 수소유입부가 위치하는 영역에서 가장 근접한 제1 촉매층의 부분에 촉매함량이 높다.)하게 되고, 촉매가 상기 제2 촉매층 상에서 함량이 점층적으로 감소할 때 가장 촉매 함량이 높으 영역에는 단위셀이 제조될 때 수소극측 분리판 중 수소가 배출되는 수소 유출부가 위치(구체적으로 수소극측 분리판 중 수소유출부가 위치하는 영역에서 가장 근접한 제2 촉매층의 부분에 촉매함량이 높다.)하게 된다. 상기와 관련된 설명은 이후 연료전지 구성을 다룰때 다시 설명하도록 하겠다.In the present invention, the catalyst layer is characterized in that the content of the catalyst is different in the CD direction or the MD direction. Specifically, in the catalyst layer, the content of the catalyst is reduced along the CD direction (cross direction), or the content of the catalyst is reduced along the MD direction (machine direction). As such, when the content of the catalyst is gradually decreased on the first catalyst layer, when the unit cell is manufactured in the region with the highest catalyst content, the hydrogen inlet of the separator on the hydrogen side is located on the back of the electrolyte membrane on which the first catalyst layer is formed ( Specifically, the catalyst content is high in the portion of the first catalyst layer closest to the region where the hydrogen inlet is located in the hydrogen-side separator, and when the catalyst gradually decreases in content on the second catalyst layer, the most catalyst content In this high region, when the unit cell is manufactured, the hydrogen outlet portion where hydrogen is discharged from the hydrogen side separator plate is located (specifically, the catalyst content in the portion of the second catalyst layer closest to the region where the hydrogen outlet portion of the hydrogen electrode side separator plate is located) This is high.) The description related to the above will be described again later when dealing with the configuration of the fuel cell.

상기 촉매의 함량이 촉매층 상에서 감소한다는 것은 보다 구체적으로 상기 촉매층이 CD방향 또는 MD방향으로 단(본 발명에서 이는 구역 또는 영역과 동일한 의미로 쓰임)을 형성하고, 상기 촉매의 함량은 상기 단에 따라 감소하게 된다고 바꾸어 말할 수 있다.The fact that the content of the catalyst decreases on the catalyst layer more specifically forms the stage in the CD direction or MD direction (in the present invention, this is used in the same sense as the zone or region), and the content of the catalyst depends on the stage. It can be said that it will decrease.

도 2는 촉매층의 단에 대한 것을 나타낸 것이다. 상기 도 2에는 하나의 방향(도면상 수평방향이며, 본 발명에서는 이를 CD방향으로 지칭함)으로 단을 형성한 촉매층이 나타나 있으나, 이는 설명의 편의성을 위해서일 뿐 수직방향 또는 MD방향을 배제한 것은 아니다. 본 발명의 단은 2개 이상만 적용할 수 있으며, 단일의 단일 경우 본 발명의 특징이 배제되게 되어 기체 크로스오버 현상으로 인해 발생되는 문제를 방지할 수 있지만 촉매량 저감의 효과를 얻을 수 없게 된다.2 shows the stage of the catalyst layer. In FIG. 2, a catalyst layer is formed in one direction (horizontal in the drawing, referred to as the CD direction in the present invention), but this is only for convenience of description and does not exclude the vertical direction or the MD direction. . Only two or more stages of the present invention can be applied, and in the case of a single single case, the characteristics of the present invention are excluded to prevent problems caused by a gas crossover phenomenon, but it is impossible to obtain an effect of reducing the amount of catalyst.

도 2에서 2단 일 경우 둘 중 하나의 단은 다른 단 보다 촉매의 함량이 작게되고, 3단 일 경우 왼쪽 단(단위셀의 구조에 따라 임의적으로 선택할 수 있다. 이와 같은 표현이 오른쪽 단 부터 촉매 함량이 감소함을 배제하는 것이 아니다.) 부터 중간 단을 거처 오른쪽 단 까지 차례대로 촉매의 함량이 작아질 수 있다. 4단 일 경우도 상기 3단 의 경우와 마찬가지로 각 단 마다 점층적으로 촉매의 함량이 감소하게 된다.In the case of the second stage in FIG. 2, the content of the catalyst in one of the two stages is smaller than the other stage, and in the case of the third stage, the left stage (can be arbitrarily selected according to the structure of the unit cell. It does not exclude that the content decreases.) From the middle stage to the right stage, the content of the catalyst may decrease in turn. In the case of the fourth stage, as in the case of the third stage, the content of the catalyst is gradually decreased for each stage.

본 발명의 단은 상기 2단 내지 4단으로 한정되는 것이 아니며 목적 및 단위셀의 크기에 따라 이보다 더 증가할 수 있다. 다만, 촉매층에 형성된 단 중 촉매의 함량이 없는 단은 크로스오버 현상으로 전해질막을 통과한 기체의 부반응을 상기 촉매층 전면에서 효과적으로 억제한다는 본 발명의 특징에 위배되는 것이므로 배제한다.The stage of the present invention is not limited to the second to fourth stages, and may be increased more than this depending on the purpose and the size of the unit cell. However, the stage having no catalyst content among the stages formed in the catalyst layer is excluded because it is against the feature of the present invention that effectively suppresses side reactions of gases passing through the electrolyte membrane through the crossover phenomenon.

본 발명의 촉매층의 두께는 CD방향 및 MD방향(machine direction)으로 일정한 것이 특징이다. 즉, 촉매의 함량이 가장 높은 단과 촉매의 함량이 가장 낮은 단이 하나의 촉매층에 형성되더라도, 촉매의 부족분을 이오노머가 충족시키기 때문에 모든 단에서 전체 고형분의 함량은 동일하게 되고, 결과적으로 모든 단에서 촉매층의 두께가 일정하게 된다.The thickness of the catalyst layer of the present invention is characterized by being constant in the CD direction and the MD direction (machine direction). That is, even if the stage with the highest content of the catalyst and the stage with the lowest content of the catalyst are formed in one catalyst layer, since the ionomer meets the shortage of the catalyst, the total solids content in all stages becomes the same, and consequently in all stages. The thickness of the catalyst layer becomes constant.

상기 제1 촉매층의 두께는 1 내지 10㎛이고, 상기 제2 촉매층의 두께 또한 1 내지 10㎛이다.The thickness of the first catalyst layer is 1 to 10 μm, and the thickness of the second catalyst layer is also 1 to 10 μm.

본 발명의 전해질막에 포함되는 촉매는 전극인 수소극 및 산소극에 포함되어 있는 촉매의 함량 보다 적은 것이 특징이다. 이는 상기 전해질막에 포함되는 촉매 자체는 전극의 역할을 수행하는 것이 아닌, 크로스오버된 수소 또는 산소와 반응하여 이들을 제거하는 역할을 수행할 목적으로 구성되기 때문이다.The catalyst contained in the electrolyte membrane of the present invention is characterized in that the content of the catalyst contained in the hydrogen electrode and the oxygen electrode as electrodes is less. This is because the catalyst itself contained in the electrolyte membrane is not intended to serve as an electrode, but is configured for the purpose of removing and reacting with hydrogen or oxygen that has been crossover.

본 발명의 전극과 전해질막의 양면에 형성된 제1 코팅층 및 제2 코팅층은 절연되어 있는 것이 특징이다.The first coating layer and the second coating layer formed on both sides of the electrode and the electrolyte membrane of the present invention are characterized by being insulated.

도 3은 전해질막과 전극의 접합 구조를 간략히 나타낸 것이다. 이를 참고하면, 제2 촉매층에 포함되어 있는 촉매가 이오노머에 의해 둘러쌓여 있고 그로인해 절연영역이 형성된 구조를 확인할 수 있다. 이는 필수적인 사항으로 전해질막에 포함된 촉매들이 전극으로부터 절연되지 못하게 되면, 외부 전선으로부터 유출입 되는 전자로부터 자유롭지 못하게 되어 전극에서 일어나는 산화 및 환원반응으로부터 자유롭지 못하게 되고 결국 크로스오버로 인해 발생된 기체를 효과적으로 차단 및 반응한다는 본연의 기능을 수행하지 못하게 된다.3 schematically shows the bonding structure between the electrolyte membrane and the electrode. Referring to this, the catalyst included in the second catalyst layer is surrounded by an ionomer, thereby confirming a structure in which an insulating region is formed. This is essential, and when the catalysts contained in the electrolyte membrane cannot be insulated from the electrodes, they are not freed from electrons flowing in and out of the external wires, so they are not freed from the oxidation and reduction reactions occurring at the electrodes and eventually block the gas generated due to the crossover. And failing to perform the natural function of reacting.

전극electrode

본 발명의 전극은 전해질막의 양측에 구비되어 있는데, 구체적으로 외부에서 유입된 수소와 반응하는 수소극은 전해질막의 제2 촉매층과 대면하여 구비되고, 외부에서 유입된 산소와 반응하는 산소극은 전해질막의 제1 촉매층과 대면하여 구비된다.The electrode of the present invention is provided on both sides of the electrolyte membrane, specifically, a hydrogen electrode reacting with hydrogen introduced from the outside is provided facing the second catalyst layer of the electrolyte membrane, and an oxygen electrode reacting with oxygen introduced from the outside of the electrolyte membrane It is provided facing the first catalyst layer.

상기 전극은 기재; 및 상기 기재상에 코팅된 촉매층을 포함한다. 구체적으로 상기 기재는 가스확산층과 대면하고, 상기 촉매층은 전해질막의 촉매층과 대면하여 위치한다.The electrode is a substrate; And a catalyst layer coated on the substrate. Specifically, the substrate faces the gas diffusion layer, and the catalyst layer is positioned facing the catalyst layer of the electrolyte membrane.

상기 기재는 확장형 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)이 있다.The substrate is expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE).

상기 촉매층은 촉매; 및 이오노머를 포함한다.The catalyst layer is a catalyst; And ionomers.

상기 이오노머는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지이면 충분하고, 그 예로 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페틸렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 폴리스티렌계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.The ionomer is sufficient if a polymer resin having hydrogen ion conductivity is sufficient, for example, a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyfetylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, poly It may be one selected from the group consisting of ethersulfone-based polymers, polyether-ketone-based polymers, polyether-ether-ketone-based polymers, polyphenylquinoxaline-based polymers, polystyrene-based polymers, and combinations thereof.

상기 촉매는 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주속(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나이고, 필요에 따라 상기 촉매가 담지된 탄소를 사용할 수 있다.The catalyst is platinum (Pt), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), copper ( Cu), silver (Ag), gold (Au), circumferential speed (Sn), titanium (Ti), chromium (Cr), and one selected from the group consisting of a combination thereof. Can.

본 발명의 산소극 또는 수소극에 포함된 촉매층의 촉매 함량은 이오노머 함량의 20중량% 내지 80중량%이다.The catalyst content of the catalyst layer included in the oxygen electrode or hydrogen electrode of the present invention is 20% to 80% by weight of the ionomer content.

연료전지Fuel cell

본 발명의 연료전지는 수소 유입부 및 수소 유출부를 포함하는 수소극측 분리판; 상기 수소극측 분리판에 접합되고, 산소 유입부 및 산소 유출부를 포함하는 산소극측 분리판; 및 상기 수소극측 분리판 및 상기 산소극측 분리판 사이에 개재되는 막-전극 접합체;를 포함하고, 상기 막-전극 접합체와 상기 산소극측 분리판 및 상기 막-전극 접합체와 상기 수소극측 분리판 사이에 각각 개재된 가스확산층;을 더 포함한다.The fuel cell of the present invention includes a hydrogen-side separation plate including a hydrogen inlet and a hydrogen outlet; An oxygen electrode side separator plate which is joined to the hydrogen electrode side separator plate and includes an oxygen inlet and an oxygen outlet; And a membrane-electrode assembly interposed between the hydrogen electrode side separator plate and the oxygen electrode side separator plate, and including the membrane electrode assembly and the oxygen electrode side separator plate and the membrane electrode assembly and the hydrogen electrode side separator plate. It further includes a gas diffusion layer interposed between each.

상기 가스확산층은 외부 기체를 전극의 반응영역으로 확산시키기 위해 다공질이며, 전극을 지지할 수 있는 기능을 수행할 수 있는 종류이면 특별히 한정되지 않고 사용할 수 있다. 일례로 탄소를 포함하는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 등이 사용될 수 있다.The gas diffusion layer is porous in order to diffuse the external gas to the reaction region of the electrode, and can be used without particular limitation as long as it is a kind capable of performing a function capable of supporting the electrode. For example, carbon paper or carbon cloth including carbon may be used.

상기 막-전극 접합체는 산소극; 수소극; 및 상기 산소극과 수소극 사이에 개재된 전해질막;을 포함한다.The membrane-electrode assembly includes an oxygen electrode; Hydrogen pole; And an electrolyte membrane interposed between the oxygen electrode and the hydrogen electrode.

상기 전해질막의 일면은 제1 촉매층을 포함하고, 상기 전해질막의 타면은 제2 촉매층을 포함하고, 상기 산소극은 상기 전해질막의 제1 촉매층 상에 구비되고, 상기 수소극은 상기 전해질막의 제2 촉매층 상에 구비되고, 상기 산소극은 상기 산소극측 분리판에 대면하고, 상기 수소극은 상기 수소극측 분리판에 대면하고, 상기 제1 촉매층은 CD방향 또는 MD방향으로 촉매의 함량이 상이하고, 상기 제2 촉매층은 CD방향 또는 MD방향으로 촉매의 함량이 상이한 것을 특징으로 한다.One side of the electrolyte membrane includes a first catalyst layer, the other side of the electrolyte membrane includes a second catalyst layer, the oxygen electrode is provided on the first catalyst layer of the electrolyte membrane, and the hydrogen electrode is on the second catalyst layer of the electrolyte membrane. Is provided in, the oxygen electrode faces the separator on the oxygen pole side, the hydrogen electrode faces the separator on the hydrogen electrode side, the first catalyst layer has a different content of the catalyst in the CD direction or MD direction, the The second catalyst layer is characterized in that the content of the catalyst is different in the CD direction or the MD direction.

구체적으로 상기 제1 촉매층 및 제2 촉매층이 CD방향 또는 MD방향으로 단을 형성한다. 이때 상기 수소극측 분리판에서 수소 유입부가 위치하는 방향에 상기 제1 촉매층 중 촉매함량이 가장 높은 단이 형성되고, 상기 수소극측 분리판에서 수소 유출부가 위치하는 방향에 상기 제2 촉매층 중 촉매함량이 가장 높은 단이 형성되는 것이 특징이다.Specifically, the first catalyst layer and the second catalyst layer form a stage in the CD direction or the MD direction. At this time, in the direction in which the hydrogen inlet is located in the hydrogen-side separator, a stage having the highest catalyst content among the first catalyst layers is formed, and in the direction in which the hydrogen outlet is located in the hydrogen-side separator, catalyst in the second catalyst layer It is characterized by the formation of the group with the highest content.

도 4에는 본 발명의 연료전지의 한 단위셀 구조의 일례를 간략히 나타낸 것이다.(가스확산층, 산소극 및 수소극은 본 특징을 설명하기에 불필요한 구성이기 때문에 상기 도 4 및 설명에서 생략하였을 뿐 배제된 것이 아니다.) 도 4를 참고하면 전해질막의 양면에 제1 촉매층 및 제2 촉매층이 형성되어 있다. 구체적으로 상기 제1 촉매층의 왼쪽 단에 대응되는 전해질막의 이면에는 상기 제2 촉매층의 오른쪽 단이 위치하고, 상기 제1 촉매층의 오른쪽 단에 대응되는 전해질막의 이면에는 상기 제2 촉매층의 왼쪽 단이 위치하게 된다.FIG. 4 briefly shows an example of a unit cell structure of the fuel cell of the present invention. (Since the gas diffusion layer, the oxygen electrode, and the hydrogen electrode are unnecessary structures for explaining this feature, they are omitted from FIG. 4 and the description, and are excluded. 4, the first catalyst layer and the second catalyst layer are formed on both sides of the electrolyte membrane. Specifically, the right end of the second catalyst layer is located on the back side of the electrolyte membrane corresponding to the left end of the first catalyst layer, and the left end of the second catalyst layer is located on the back side of the electrolyte membrane corresponding to the right end of the first catalyst layer. do.

상기 제1 촉매층의 왼쪽 단은 단위셀 구조가 접합될 때, 상기 제1 촉매층의 왼쪽 단에 대응되는 제2 촉매층의 오른쪽 단에는 수소극측 분리판의 수소 유출부가 위치하게 되고, 상기 제1 촉매층의 오른쪽 단은 단위셀 구조가 접합될 때, 상기 제1 촉매층의 오른쪽 단에 대응되는 제2 촉매층의 왼쪽 단에는 수소극측 분리판의 수소 유입부가 위치하게 된다. 이때 상기 제1 촉매층 중 왼쪽 단은 촉매의 함량이 낮고 오른쪽 단은 촉매의 함량이 높게 되고, 상기 제2 촉매층 중 외쪽 단은 촉매의 함량이 낮고 오른쪽 단은 촉매의 함량이 높게 된다.When the unit cell structure is joined to the left end of the first catalyst layer, the hydrogen outlet of the hydrogen-side separator is located at the right end of the second catalyst layer corresponding to the left end of the first catalyst layer, and the first catalyst layer When the right end of the unit cell structure is joined, the hydrogen inlet of the hydrogen-side separator is positioned at the left end of the second catalyst layer corresponding to the right end of the first catalyst layer. In this case, the left end of the first catalyst layer has a low content of the catalyst, the right end has a high content of the catalyst, the outer end of the second catalyst layer has a low content of the catalyst, and the right end has a high content of the catalyst.

상기의 단위셀 구조, 더 구체적으로 수소극측 분리판의 수소 유입부 및 수소 유출부의 위치에 따른 제1 촉매층 및 제2 촉매층의 촉매 분포는 결과적으로 수소 및 산소의 크로스오버 현상으로 발생되는 문제들을 해결할 수 있는데, 이와 관련하여 도 5를 참고하여 설명하겠다.The unit cell structure, more specifically, the catalyst distribution of the first catalyst layer and the second catalyst layer according to the position of the hydrogen inlet and the hydrogen outlet of the hydrogen-side separator, results in problems caused by hydrogen and oxygen crossover. It can be solved, and this will be described with reference to FIG. 5.

도 5에는 수소 및 산소의 크로스오버 현상과 관련한 전해질막 구성과 함께 수소 및 산소의 이동 경로가 간략히 나타나 있다.FIG. 5 briefly shows the path of hydrogen and oxygen along with the electrolyte membrane configuration related to the hydrogen and oxygen crossover.

상기의 단위셀 구성을 적용함에 따라 수소극측 분리판의 수소 유입부 영역으로부터(수소 유입부 영역 수소의 유량, 밀도 또는 분압이 상대적으로 커서) 전해질막의 제2 촉매층 및 기재를 통과하여 넘어온 수소가 제1 촉매층에 높은 함량으로 존재하는 촉매 상에서 산소와 함께 반응하여 응축수를 형성하고 산소극(도면 생략)으로 넘어가지 못하게 된다.As the unit cell configuration is applied, hydrogen that has passed through the second catalyst layer and the substrate of the electrolyte membrane from the hydrogen inlet region of the hydrogen-side separator (hydrogen inlet region hydrogen flow rate, density, or partial pressure is relatively large) It reacts with oxygen on a catalyst present in a high content in the first catalyst layer to form condensate and prevents it from being passed to the oxygen electrode (not shown).

수소극측 분리판의 수소 유출부 영역의 경우 상기 수소 유입부 영역과 비교하여 상대적으로 수소의 유량이 적기 때문에 국부적으로 응축수가 형성되어 있는 환경이다. 상기 국부적으로 형성된 응축수로인해 수소의 공급이 줄어드는 영역이 발생하게 되고, 그 영역에 대응되는 전해질막의 이면에서는 산소의 크로스오버 현상이 상대적으로 많이 발생하게 된다. 이 경우, 상기의 단위셀 구성을 적용함에 따라 제1 촉매층 및 기재를 통과하여 넘어온 상기의 산소가 제2 촉매층에 높은 함량으로 존재하는 촉매 상에서 수소와 함께 반응하여 응축수를 형성하고 수소극(도면 생략)으로 넘어가지 못하게 된다.In the case of the hydrogen outlet region of the hydrogen-side separator, the flow rate of hydrogen is relatively small compared to the hydrogen inlet region, whereby condensed water is locally formed. Due to the locally formed condensate, a region in which hydrogen supply is reduced occurs, and a crossover phenomenon of oxygen is relatively generated on the back side of the electrolyte membrane corresponding to the region. In this case, as the above-described unit cell configuration is applied, the oxygen that has passed through the first catalyst layer and the substrate reacts with hydrogen on a catalyst present in a high content in the second catalyst layer to form condensed water and a hydrogen electrode (not shown) ).

이때 상기 제1 촉매층 및 제2 촉매층 내에 전해질막의 반대편에서 크로스오버된 기체와 반응하는 촉매가 없을 경우, 산소와 수소가 만나 OH라디칼을 형성하여 전극(산소극 및 수소극)의 이오노머 및 전해질막을 공격하게 된다. 상기 OH라디칼의 형성과정을 간단히 살펴보면 하기 화학식 1 과 같다.At this time, if there is no catalyst in the first catalyst layer and the second catalyst layer that reacts with the crossover gas on opposite sides of the electrolyte membrane, oxygen and hydrogen meet to form OH radicals to attack the ionomer and electrolyte membranes of the electrodes (oxygen and hydrogen electrodes). Is done. The process of forming the OH radical is as follows.

[화학식 1][Formula 1]

H2 + O2 → HOOH → HOㆍ+ㆍOHH 2 + O 2 → HOOH → HOㆍ+ㆍOH

상기와 같은 반응이 지속되면 OH라디칼의 공격을 받는 전극의 이오노머층 및 전해질막이 열화되어 연료전지의 성능에 악영향을 미치게 된다.If the reaction as described above continues, the ionomer layer and the electrolyte membrane of the electrode under attack by OH radicals are deteriorated, adversely affecting the performance of the fuel cell.

상기와 같이 전해질막의 제1 촉매층 및 제2 촉매층의 촉매함량을 부분적으로 조절함에 따라 기체 크로스오버 현상으로 발생하는 문제들을 방지할 수 있게 되고, 크로스오버 현상이 상대적으로 적게 발생하여 촉매 함량을 크게 필요로 하지 않는 영역의 촉매함량을 줄일 수 있어서 비용 절감을 실현할 수 있게 된다. 상기 촉매 함량을 크게 필요로 하지 않는 영역은 상기 수소극측 분리판의 수소 유출부와 인접하는 제2 촉매층에 대응되는 전해질막 이면의 제1 촉매층 영역(즉, 제1 촉매층의 왼쪽 단)이고, 상기 수소극측 분리판의 수소 유입부와 인접하는 제2 촉매층 영역(즉, 제2 촉매층의 왼쪽 단)이다.As described above, by partially controlling the catalyst contents of the first catalyst layer and the second catalyst layer of the electrolyte membrane, problems caused by a gas crossover phenomenon can be prevented, and a relatively small amount of crossover occurs to require a large catalyst content. It is possible to reduce the catalyst content in an area not being furnaced, thereby realizing cost reduction. The region that does not require much of the catalyst content is the first catalyst layer region (ie, the left end of the first catalyst layer) on the back side of the electrolyte membrane corresponding to the second catalyst layer adjacent to the hydrogen outlet of the hydrogen side separator plate, It is a second catalyst layer region (ie, the left end of the second catalyst layer) adjacent to the hydrogen inlet of the hydrogen-side separator.

상기의 제1 촉매층 및 제2 촉매층은 2단으로 구성되었지만 앞서 설명하였듯이 이는 설명의 편의상 예를 든 것으로, 상기 단은 2단 이상으로 구성될 수 있다. 또한 본 발명의 도면들에서 상기 산소 유입부가 상측에 위치하고 산소 유출부가 하측에 위치하는 것으로 되어 있지만, 이 또한 설계의 목적에 따라 자유롭게 설정할 수 있으며, 이는 수소 유입부 및 수소 유출부도 마찬가지다. 이에 대한 예시로 도 6에는 수소 유입부 및 수소 유출부의 위치가 조절될 수 있음이 개시되어 있다.The first catalyst layer and the second catalyst layer are composed of two stages, but as described above, this is an example for convenience of description, and the stages may be composed of two or more stages. In addition, in the drawings of the present invention, the oxygen inlet portion is located on the upper side and the oxygen outlet portion is located on the lower side, but this can also be freely set according to the purpose of the design, as is the hydrogen inlet and the hydrogen outlet. As an example of this, FIG. 6 discloses that the positions of the hydrogen inlet and the hydrogen outlet can be adjusted.

도 6를 참고하면 산소극측 전해질막면에 형성된 제1 촉매층의 경우 전해질막 이면에 위치한 수소극측 분리판의 수소 유입부가 상측, 중간 및 하측에 위치할 수 있는데, 이는 2단으로 구성된 제1 촉매층의 왼쪽 단에 속해있기 때문에 왼쪽 단의 촉매 함량이 크고 오른쪽 단의 촉매 함량이 상대적으로 작게 된다. 또한 제2 촉매층의 경우 수소극측 분리판의 수소 유출부가 상측, 중간 및 하측에 위치할 수 있는데, 이는 2단으로 구성된 제2 촉매층의 오른쪽 단에 속해있기 때문에 왼쪽 단의 촉매 함량이 크고 오른쪽 단의 촉매 함량이 상대적으로 작게 된다. 이는 앞서 설명하였듯이 수소 유출부가 형성된 영역에서 산소의 크로스오버 현상이 더 잘 진행되기 때문이다.Referring to FIG. 6, in the case of the first catalyst layer formed on the surface of the electrolyte membrane on the oxygen electrode side, the hydrogen inlet of the hydrogen-side separator plate located on the rear surface of the electrolyte membrane may be located on the upper side, the middle side, and the lower side. Since it belongs to the left column, the catalyst content in the left column is large and the catalyst content in the right column is relatively small. In addition, in the case of the second catalyst layer, the hydrogen outlet of the hydrogen electrode side separation plate may be located at the upper, middle, and lower sides. Since it belongs to the right stage of the second catalyst layer composed of two stages, the catalyst content in the left stage is large and the right stage is large. The catalyst content of is relatively small. This is because, as described above, the crossover phenomenon of oxygen proceeds better in the region where the hydrogen outlet is formed.

전해질막 제조방법Electrolyte membrane manufacturing method

본 발명의 전해질막 제조방법은 촉매, 이오노머 및 용매를 포함하고, 촉매의 함량이 다른 2 이상의 산소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계; 촉매, 이오노머 및 용매를 포함하고, 촉매 함량이 다른 2 이상의 수소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계; 상기 산소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 감소되는 순서대로 이형지 상에 CD방향을 따라 차례로 도포하여 제1 촉매층을 코팅하는 단계; 상기 제1 코팅층 상에 기재를 적층하는 단계; 상기 수소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 감소되는 순서대로 상기 기재 상에 CD방향을 따라 차례로 도포하여 제2 촉매층을 코팅하는 단계;를 포함한다.The electrolyte membrane manufacturing method of the present invention comprises the steps of preparing a catalyst slurry containing two or more oxygen anodes containing catalysts, ionomers, and solvents and having different catalyst contents; Preparing two or more hydrogen electrode side catalyst slurries containing catalysts, ionomers, and solvents and having different catalyst contents; Coating the first catalyst layer by sequentially applying along the CD direction on release paper in the order of decreasing catalyst content in the catalyst slurry on the oxygen side; Laminating a substrate on the first coating layer; And coating the second catalyst layer by sequentially applying along the CD direction on the substrate in the order in which the catalyst content in the cathode catalyst slurry is decreased.

도 7에는 본 발명의 전해질막 제조방법에 관한 순서도가 나타나 있다. 도 7을 참고하여 각 단계에 대해 설명하겠다. 단, 상기 전해질막 및 연료전지 구성에서 이미 설명된 본 발명의 특징과 중복되는 부분은 일부 생략하여 설명하였다.7 shows a flow chart related to the method of manufacturing the electrolyte membrane of the present invention. Each step will be described with reference to FIG. 7. However, parts overlapping with the features of the present invention already described in the electrolyte membrane and fuel cell configurations are partially omitted.

산소극측 촉매 슬러리 준비 단계Oxygen side catalyst slurry preparation step

촉매, 이오노머 및 용매를 포함하고, 촉매 함량이 다른 2 이상의 산소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계이다. 상기 산소극측 촉매 슬러리는 이형지에 도포되어 제1 촉매층을 형성하는 슬러리이다.It is a step of preparing two or more oxygen-catalyst catalyst slurries containing catalysts, ionomers and solvents and having different catalyst contents. The oxygen electrode side catalyst slurry is a slurry that is applied to release paper to form a first catalyst layer.

상기 촉매 및 이오노머는 상기 용매에 투입하여 분산하게 되고, 이때 분산이 잘 진행되도록 온도 및 혼합환경을 자유롭게 조절할 수 있고 그 방법에 대해 특별히 한정하지 않는다.The catalyst and the ionomer are dispersed by being introduced into the solvent. At this time, the temperature and the mixing environment can be freely controlled so that the dispersion proceeds well, and the method is not particularly limited.

상기 용매는 에탄올, 이소프로필알콜, 프로판올, 에톡시에탄올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 증류수, 아밀알콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.The solvent may be one selected from the group consisting of ethanol, isopropyl alcohol, propanol, ethoxyethanol, butanol, ethylene glycol, distilled water, amyl alcohol and combinations thereof.

상기 촉매 함량이 다른 2 이상의 산소극측 촉매 슬러리는 상기 촉매 슬러리의 개수에 맞춰 독립적으로 도포하기 위해 개수별로 각각을 준비하게 된다. 상기 준비된 2 이상의 산소극측 촉매 슬러리는 촉매의 함량이 다르다는 것이 특징이다. 이때 각각 준비되는 산소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 0%가 되는 산소극측 촉매슬러리는 배제되어야 한다. 만약 상기 산소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 0%가 되는 산소극측 촉매슬러리가 있다면, 공급되는 산소와 반응하지 못하는 영역이 생기게 되어 연료전지의 효율이 떨어지게 된다.The catalyst slurry of two or more oxygen anodes having different catalyst contents is prepared for each number in order to be applied independently according to the number of the catalyst slurry. The prepared two or more oxygen cathode catalyst slurries are characterized by having different catalyst contents. In this case, the catalyst slurry of the oxygen cathode side, in which the catalyst content in the prepared catalyst slurry of the anode electrode becomes 0%, should be excluded. If there is an oxygen cathode catalyst slurry in which the catalyst content in the oxygen anode catalyst slurry is 0%, there is a region that does not react with the supplied oxygen, resulting in a decrease in the efficiency of the fuel cell.

수소극측 촉매 슬러리 준비 단계Hydrogen anode catalyst slurry preparation step

촉매, 이오노머 및 용매를 포함하고, 촉매 함량이 다른 2 이상의 수소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계이다. 상기 수소극측 촉매 슬러리는 기재에 도포되어 제2 촉매층을 형성하는 슬러리이다.It is a step of preparing two or more hydrogen electrode side catalyst slurries containing catalysts, ionomers, and solvents and having different catalyst contents. The catalyst slurry on the cathode side is a slurry that is applied to a substrate to form a second catalyst layer.

상기 촉매 및 이오노머는 상기 용매에 투입하여 분산하게 되고, 이때 분산이 잘 진행되도록 온도 및 혼합환경을 자유롭게 조절할 수 있고 그 방법에 대해 특별히 한정하지 않는다.The catalyst and the ionomer are dispersed by being introduced into the solvent. At this time, the temperature and the mixing environment can be freely controlled so that the dispersion proceeds well, and the method is not particularly limited.

상기 용매는 에탄올, 이소프로필알콜, 프로판올, 에톡시에탄올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 증류수, 아밀알콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.The solvent may be one selected from the group consisting of ethanol, isopropyl alcohol, propanol, ethoxyethanol, butanol, ethylene glycol, distilled water, amyl alcohol and combinations thereof.

상기 촉매 함량이 다른 2 이상의 수소극측 촉매 슬러리는 상기 촉매 슬러리의 개수에 맞춰 독립적으로 도포하기 위해 개수별로 각각을 준비하게 된다. 상기 준비된 2 이상의 수소극측 촉매 슬러리는 촉매의 함량이 다르다는 것이 특징이다. 이때 각각 준비되는 수소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 0%가 되는 수소극측 촉매슬러리는 배제되어야 한다. 만약 상기 수소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 0%가 되는 수소극측 촉매슬러리가 있다면, 공급되는 수소와 반응하지 못하는 영역이 생기게 되어 연료전지의 효율이 떨어지게 된다.Two or more hydrogen electrode side catalyst slurries having different catalyst contents are prepared for each number to be applied independently according to the number of the catalyst slurries. The prepared two or more hydrogen electrode side catalyst slurry is characterized in that the content of the catalyst is different. At this time, the catalyst slurry in the cathode side, where the catalyst content is 0%, should be excluded in the catalyst slurry in the cathode side. If there is a hydrogen-catalyst catalyst slurry in which the catalyst content is 0% in the hydrogen-catalyst catalyst slurry, a region that does not react with the supplied hydrogen is generated, thereby deteriorating the efficiency of the fuel cell.

제1 촉매층 코팅 단계First catalyst layer coating step

촉매의 함량 별로 각각 준비된 산소극측 촉매 슬러리를 준비된 이형지 상에 CD방향으로 도포하여 제1 촉매층을 코팅하는 단계이다. 구체적으로 상기 촉매 함량 별로 준비된 산소극측 촉매 슬러리를 상기 산소극측 촉매 슬러리의 개수대로 준비된 도포기를 통해 독립적으로 이형지 상에 CD방향을 따라 도포하게 되고 이때 도포되는 산소극측 촉매 슬러리는 촉매 함량이 점층적으로 증가 또는 감소하도록 차례로 도포하게 된다.It is a step of coating the first catalyst layer by applying the prepared catalyst slurry on the anode side to each CD in the CD direction. Specifically, the catalyst electrode slurry prepared for each catalyst content is independently applied along the CD direction on release paper through an applicator prepared according to the number of catalyst catalyst slurry on the oxygen electrode side. It is applied in order to increase or decrease.

도포 방식과 관련하여 도 6을 참고하면 제1 촉매층 코팅단계에서 보듯이 이형지 상에 CD방향을 따라 도포기를 일렬로 구비될 수 있도록하여 산소극측 촉매 슬러리를 스프레이 방식으로 도포하게 되고, 이때 상기 도포기를 통해 도포되는 산소극측 촉매 슬러리의 촉매 함량은 도포기 별로 점진적으로 증가 또는 감소하는 것이 특징이다.Referring to FIG. 6 with respect to the application method, as shown in the first catalyst layer coating step, the oxygen electrode side catalyst slurry is applied in a spray manner by allowing the applicators to be provided in a line along the CD direction on the release paper. It is characterized in that the catalyst content of the catalyst slurry on the oxygen side applied through is gradually increased or decreased for each applicator.

상기 도포기는 연료전지 분야에서 종래 사용되는 도포기이면 충분하고 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 다만, 다수의 도포기를 이형지 상에 CD방향으로 일렬로 나열할 수 있고, 연속공정에 적합하다는 조건을 만족하는 것이 바람직하다.The applicator is sufficient as an applicator conventionally used in the field of fuel cells, and the type is not particularly limited. However, it is preferable that a plurality of applicators can be lined up in a row in the CD direction on release paper and satisfy the condition of being suitable for a continuous process.

상기 이형지 상에 산소극측 촉매 슬러리를 목적하는 사이즈 만큼 도포하게 되면 열풍건조로를 통해 용매를 건조시켜 제1 촉매층을 형성한다.When the catalyst slurry on the oxygen electrode side is applied to the release paper in a desired size, the solvent is dried through a hot air drying furnace to form a first catalyst layer.

기재 적층 단계Substrate lamination step

상기 제조된 제1 촉매층 상에 기재를 적층하는 단계로, 구체적으로 상기 이형지 상에 건조되어 형성된 제1 촉매층 상에 준비된 기재를 제막하게 된다. 이 경우 필요에 따라 열풍건조로를 통해 상기 기재를 건조하게 된다.As a step of laminating a substrate on the prepared first catalyst layer, specifically, a substrate prepared on a first catalyst layer formed by drying on the release paper is formed. In this case, the substrate is dried through a hot air drying furnace as necessary.

제2 촉매층 코팅 단계Second catalyst layer coating step

촉매의 함량 별로 각각 준비된 수소극측 촉매 슬러리를 상기 기재 상에 CD방향으로 도포하여 제2 촉매층을 코팅하는 단계이다. 구체적으로 상기 촉매 함량 별로 준비된 수소극측 촉매 슬러리를 상기 수소극측 촉매 슬러리의 개수대로 준비된 도포기를 통해 독립적으로 기재 상에 CD방향을 따라 도포하게 되고 이때 도포되는 수소극측 촉매 슬러리는 촉매 함량이 점층적으로 증가 또는 감소하도록 차례로 도포하게 된다.It is a step of coating the second catalyst layer by applying the prepared catalyst slurry on the cathode side according to the content of the catalyst in the CD direction on the substrate. Specifically, the catalyst electrode slurry prepared for each catalyst content is independently applied along the CD direction on the substrate through an applicator prepared according to the number of the catalyst catalyst slurry, and the applied catalyst slurry has a catalyst content It is applied sequentially in order to increase or decrease gradually.

도포 방식과 관련하여 도 8을 참고하면 제2 촉매층 코팅단계에서 보듯이 전해질막 상에 CD방향을 따라 도포기를 일렬로 구비될 수 있도록하여 수소극측 촉매 슬러리를 스프레이 방식으로 도포하게 되고, 이때 상기 도포기를 통해 도포되는 수소극측 촉매 슬러리의 촉매 함량은 도포기 별로 점진적으로 증가 또는 감소하는 것이 특징이다.Referring to FIG. 8 in relation to the coating method, as shown in the second catalyst layer coating step, the hydrogen electrode side catalyst slurry is applied in a spray manner by allowing the applicator to be provided in a line along the CD direction on the electrolyte membrane. The catalyst content of the catalyst slurry on the cathode side applied through the applicator is characterized by gradually increasing or decreasing for each applicator.

상기 도포기는 연료전지 제조 분야에서 코팅 공정을 수행하기 위해 종래 사용되는 도포기이면 충분하고 그 종류를 특별히 한정하지 않는다. 다만, 다수의 도포기를 기재 상에 CD방향으로 일렬로 나열할 수 있고, 연속공정에 적합하다는 조건을 만족하는 것이 바람직하다.The applicator is sufficient to be a conventional applicator used to perform a coating process in the field of fuel cell manufacturing, and the type is not particularly limited. However, it is preferable that a plurality of applicators can be lined up in a row in the CD direction on the substrate and satisfy the condition that they are suitable for a continuous process.

상기 기재 상에 수소극측 촉매 슬러리를 목적하는 사이즈 만큼 도포하게 되면 열풍건조로를 통해 용매를 건조시켜 제2 촉매층을 형성한다.When the catalyst slurry on the cathode side is applied to the desired size, the solvent is dried through a hot air drying furnace to form a second catalyst layer.

상기 단계들을 거쳐 연료전지용 전해질막을 제조하게 되는데, 이때 상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층의 두께는 CD방향 및 MD방향을 따라 일정하게 유지되는 것이 특징이다. 이는 상기 산소극측 촉매 슬러리 및 수소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계에서, 슬러리를 구성하는 촉매 및 이오노머 전체의 고형분의 함량이 동일하게 유지되도록 하여 용매에 분산시키기 때문에 가능하다. 일례로 촉매의 함량이 작은 슬러리일 경우 그 만큼 이오노머 함량이 증가하게 되고, 촉매의 함량이 상대적으로 많은 슬러리일 경우 그 만큼 이오노머 함량이 감소하게 되어 상기 고형분의 함량을 유지하게 된다.Through the above steps, an electrolyte membrane for a fuel cell is manufactured, wherein the thickness of the first catalyst layer and the second catalyst layer is kept constant along the CD direction and the MD direction. This is possible because, in the step of preparing the catalyst slurry for the anode side and the catalyst slurry for the cathode side, the contents of the solids of the catalyst and the whole ionomer constituting the slurry are kept the same and dispersed in a solvent. For example, in the case of a slurry having a small catalyst content, the ionomer content is increased by that amount, and in the case of a slurry with a relatively large catalyst content, the ionomer content is reduced by that amount, thereby maintaining the solid content.

Claims (17)

기재;
상기 기재의 양면에 촉매층을 포함하고,
상기 촉매층은 기재의 일면에 코팅된 제1 촉매층; 및
기재의 타면에 코팅된 제2 촉매층;을 포함하고,
상기 촉매층은 촉매를 포함하고,
상기 촉매층은 CD방향 또는 MD방향으로 촉매의 함량이 상이한 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막.
materials;
Includes a catalyst layer on both sides of the substrate,
The catalyst layer is a first catalyst layer coated on one surface of the substrate; And
Including; a second catalyst layer coated on the other side of the substrate,
The catalyst layer includes a catalyst,
The catalyst layer is an electrolyte membrane for a fuel cell that suppresses side reactions due to gas crossover, characterized in that the content of the catalyst is different in the CD direction or the MD direction.
제1항에 있어서,
상기 기재는 확장형 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 또는 기공에 이오노머가 함침된 확장형 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)인 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The substrate is an expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) or an electrolyte membrane for suppressing side reactions due to gas crossover phenomenon, characterized in that the expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) impregnated with ionomers in the pores.
제1항에 있어서,
상기 촉매는 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주속(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The catalyst is platinum (Pt), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), copper ( Cu), silver (Ag), gold (Au), periphery (Sn), titanium (Ti), chromium (Cr), and a side reaction due to gas crossover, characterized in that one selected from the group consisting of combinations thereof A suppressed electrolyte membrane for fuel cells.
제3항에 있어서,
상기 촉매는 탄소담지체에 담지된 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막.
According to claim 3,
The catalyst is an electrolyte membrane for a fuel cell that suppresses side reactions due to a gas crossover phenomenon, characterized in that supported on a carbon carrier.
제1항에 있어서,
상기 촉매층은 이오노머를 더 포함하고,
상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페틸렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 폴리스티렌계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The catalyst layer further includes an ionomer,
The ionomer is a fluorine-based polymer, benzimidazole-based polymer, polyimide-based polymer, polyetherimide-based polymer, polypetylene sulfide-based polymer, polysulfone-based polymer, polyethersulfone-based polymer, polyether ketone-based polymer, polyether -Electrolyte membrane for fuel cell suppressing side reaction due to gas crossover phenomenon, characterized in that it is one selected from the group consisting of ether ketone polymer, polyphenylquinoxaline polymer, polystyrene polymer and combinations thereof.
제5항에 있어서,
상기 촉매층에서 상기 촉매의 함량은 상기 이오노머의 3중량% 미만인 것을 특징으로하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막.
The method of claim 5,
The content of the catalyst in the catalyst layer is less than 3% by weight of the ionomer electrolyte membrane for suppressing side reactions due to gas crossover phenomenon.
제1항에 있어서,
상기 촉매층은 CD방향 또는 MD방향으로 촉매의 함량이 감소하는 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The catalyst layer is an electrolyte membrane for a fuel cell that suppresses side reactions due to gas crossover, characterized in that the content of the catalyst decreases in the CD direction or the MD direction.
제1항에 있어서,
상기 촉매층의 두께는 CD방향 및 MD방향으로 일정한 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The thickness of the catalyst layer is an electrolyte membrane for a fuel cell suppressing side reactions due to the gas crossover phenomenon characterized in that the CD direction and MD direction is constant.
제1항에 있어서,
상기 촉매층의 두께는 1 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The thickness of the catalyst layer is 1 to 10㎛, the electrolyte membrane for a fuel cell suppressing side reactions due to the gas crossover phenomenon.
제1항에 있어서,
상기 촉매층이 CD방향 또는 MD방향으로 단을 형성하고,
상기 촉매의 ?t량은 상기 단에 따라 감소하는 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막.
According to claim 1,
The catalyst layer forms a stage in the CD direction or MD direction,
The ?t amount of the catalyst is reduced according to the stage, an electrolyte membrane for a fuel cell that suppresses side reactions due to a gas crossover phenomenon.
수소 유입부 및 수소 유출부를 포함하는 수소극측 분리판;
상기 수소극측 분리판에 접합되고, 산소 유입부 및 산소 유출부를 포함하는 산소극측 분리판; 및
상기 수소극측 분리판 및 상기 산소극측 분리판 사이에 개재되는 막-전극 접합체;를 포함하고,
상기 막-전극 접합체는 산소극; 수소극; 및 상기 산소극과 수소극 사이에 개재된 전해질막;을 포함하고,
상기 전해질막의 일면에는 촉매를 포함하는 제1 촉매층이 코팅되고,
상기 전해질막의 타면에는 촉매를 포함하는 제2 촉매층이 코팅되고,
상기 산소극은 상기 전해질막의 제1 촉매층 상에 구비되고,
상기 수소극은 상기 전해질막의 제2 촉매층 상에 구비되고,
상기 산소극은 상기 산소극측 분리판에 대면하고,
상기 수소극은 상기 수소극측 분리판에 대면하고,
상기 제1 촉매층은 CD방향 또는 MD방향으로 촉매의 함량이 상이하고,
상기 제2 촉매층은 CD방향 또는 MD방향으로 촉매의 함량이 상이한 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지.
A hydrogen electrode side separation plate including a hydrogen inlet and a hydrogen outlet;
An oxygen electrode side separator plate which is joined to the hydrogen electrode side separator plate and includes an oxygen inlet and an oxygen outlet; And
Includes; a membrane-electrode assembly interposed between the hydrogen electrode side separator plate and the oxygen electrode side separator plate,
The membrane-electrode assembly includes an oxygen electrode; Hydrogen pole; And an electrolyte membrane interposed between the oxygen electrode and the hydrogen electrode.
A first catalyst layer including a catalyst is coated on one surface of the electrolyte membrane,
A second catalyst layer containing a catalyst is coated on the other surface of the electrolyte membrane,
The oxygen electrode is provided on the first catalyst layer of the electrolyte membrane,
The hydrogen electrode is provided on the second catalyst layer of the electrolyte membrane,
The oxygen electrode faces the separation plate on the oxygen electrode side,
The hydrogen electrode faces the separator on the hydrogen electrode side,
The first catalyst layer has a different content of the catalyst in the CD direction or MD direction,
The second catalyst layer is a fuel cell suppressing side reactions due to a gas crossover phenomenon, characterized in that the content of the catalyst is different in the CD direction or MD direction.
촉매, 이오노머 및 용매를 포함하고, 촉매 함량이 다른 2 이상의 산소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계;
촉매, 이오노머 및 용매를 포함하고, 촉매 함량이 다른 2 이상의 수소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계;
상기 산소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 감소되는 순서대로 이형지 상에 CD방향을 따라 차례로 도포하여 제1 촉매층을 코팅하는 단계;
상기 제1 촉매층 상에 전해질막을 적층하는 단계;
상기 수소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 감소되는 순서대로 상기 전해질막 상에 CD방향을 따라 차례로 도포하여 제2 촉매층을 코팅하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층의 두께가 CD방향 및 MD방향을 따라 일정한 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막 제조방법.
Preparing two or more oxygen-catalyst catalyst slurries containing catalysts, ionomers, and solvents and having different catalyst contents;
Preparing two or more hydrogen electrode side catalyst slurries containing catalysts, ionomers, and solvents and having different catalyst contents;
Coating the first catalyst layer by sequentially applying along the CD direction on release paper in the order of decreasing catalyst content in the catalyst slurry on the oxygen side;
Depositing an electrolyte membrane on the first catalyst layer;
Including the step of coating the second catalyst layer by sequentially applying along the CD direction on the electrolyte membrane in the order of decreasing the catalyst content in the catalyst slurry on the cathode side;
A method for manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell that suppresses side reactions due to a gas crossover phenomenon, wherein the thickness of the first catalyst layer and the second catalyst layer is constant along the CD direction and the MD direction.
제12항에 있어서,
상기 용매는 에탄올, 이소프로필알콜, 프로판올, 에톡시에탄올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 증류수, 아밀알콜 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막 제조방법.
The method of claim 12,
The solvent is an ethanol, isopropyl alcohol, propanol, ethoxyethanol, butanol, ethylene glycol, distilled water, amyl alcohol, and a fuel that suppresses side reactions due to gas crossover, characterized in that one selected from the group consisting of combinations thereof Method for manufacturing electrolyte membrane for batteries.
제12항에 있어서,
산소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계에서 상기 준비된 2 이상의 산소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 0%가 되는 산소극측 촉매 슬러리는 없고,
수소극측 촉매 슬러리를 준비하는 단계에서 상기 준비된 2 이상의 수소극측 촉매 슬러리 중 촉매 함량이 0%가 되는 수소극측 촉매 슬러리는 없는 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막 제조방법.
The method of claim 12,
In the step of preparing the catalyst slurry on the oxygen electrode side, there is no catalyst electrode slurry on the oxygen electrode side having a catalyst content of 0% among the prepared two or more oxygen electrode catalyst slurry,
In the step of preparing the catalyst slurry on the cathode side, there is no hydrogen anode catalyst slurry having a catalyst content of 0% among the prepared two or more cathode catalyst slurries, for fuel cells suppressing side reactions due to gas crossover. Electrolyte membrane manufacturing method.
제12항에 있어서,
체1 촉매층을 코팅하는 단계 및 체2 촉매층을 코팅하는 단계에서 스프레이 방식을 통해 산소극측 촉매 슬러리 및 수소극측 촉매 슬러리를 도포하는 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막 제조방법.
The method of claim 12,
In the step of coating the sieve catalyst layer and the step of coating the sieve catalyst layer, an electrolyte for a fuel cell suppressing side reactions due to a gas crossover phenomenon characterized by applying an oxygen cathode catalyst slurry and a hydrogen cathode catalyst slurry through a spray method. Membrane manufacturing method.
제12항에 있어서,
제1 촉매층을 코팅하는 단계에서 상기 촉매 함량이 다른 2 이상의 산소극측 촉매 슬러리를 상기 산소극측 촉매 슬러리의 개수대로 준비된 도포기를 통해 각각 도포하고,
제2 촉매층을 코팅하는 단계에서 상기 촉매 함량이 다른 2 이상의 수소극측 촉매 슬러리를 상기 수소극측 촉매 슬러리의 개수대로 준비된 도포기를 통해 각각 도포하는 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막 제조방법.
The method of claim 12,
In the step of coating the first catalyst layer, two or more oxygen-side catalyst slurries having different catalyst contents are respectively applied through an applicator prepared according to the number of the oxygen-side catalyst slurry,
In the step of coating the second catalyst layer, side reactions due to a gas crossover phenomenon are suppressed, characterized in that two or more catalyst anode catalyst slurries having different catalyst contents are applied through an applicator prepared according to the number of catalyst cathode slurry. Method for manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell.
제12항에 있어서,
제1 촉매층을 코팅하는 단계, 전해질막을 적층하는 단계 및 제2 촉매층을 코팅하는 단계에서 각 단계 이후 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 크로스오버 현상으로 인한 부반응을 억제한 연료전지용 전해질막 제조방법.
The method of claim 12,
In the step of coating the first catalyst layer, the step of laminating the electrolyte membrane and the step of coating the second catalyst layer, drying after each step further comprises an electrolyte membrane for suppressing side reactions due to gas crossover. Manufacturing method.
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KR102393453B1 (en) * 2021-12-17 2022-05-02 이정석 Ion conducting layer for controlling crossover phenomenon and fuel cell comprising thereof
WO2023191328A1 (en) * 2022-03-31 2023-10-05 코오롱인더스트리 주식회사 Membrane-electrode assembly comprising fluorine-containing catalyst layer, and fuel cell comprising same

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101669236B1 (en) 2005-09-26 2016-10-25 더블유.엘. 고어 앤드 어소시에이트스, 인코포레이티드 Solid polymer electrolyte and process for making same

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101669236B1 (en) 2005-09-26 2016-10-25 더블유.엘. 고어 앤드 어소시에이트스, 인코포레이티드 Solid polymer electrolyte and process for making same

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020135087A1 (en) 2020-03-27 2021-09-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor package
KR102393453B1 (en) * 2021-12-17 2022-05-02 이정석 Ion conducting layer for controlling crossover phenomenon and fuel cell comprising thereof
WO2023191328A1 (en) * 2022-03-31 2023-10-05 코오롱인더스트리 주식회사 Membrane-electrode assembly comprising fluorine-containing catalyst layer, and fuel cell comprising same

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