KR20220132253A - Manufacturing method of polymer electrolyte fuel cell using adhesive transfer and polymer electrolyte fuel cell manufactured by the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a manufacturing method of a polymer electrolyte fuel cell by using adhesive transfer and a polymer electrolyte fuel cell manufactured thereby, which comprises: a catalyst layer formation step of applying a catalyst to one side surface of an anode to form a first catalyst layer and applying a catalyst to one side surface of a cathode to form a second catalyst layer; an adhesive layer formation step of transferring an adhesive to a top surface of the first catalyst layer to form a first adhesive layer and transferring an adhesive to a top surface of the second catalyst layer to form a second adhesive layer; and a membrane-electrode assembly formation step of disposing an electrolyte membrane between the first adhesive layer and the second adhesive layer and pressurizing the same with a compressor to form a membrane-electrode assembly, wherein the electrode consisting of the anode and the cathode and the electrolyte membrane are pressurized at room temperature, so that the membrane-electrode assembly can be simply and rapidly completed.

Description

점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법 및 이로부터 제조된 고분자 전해질 연료전지{MANUFACTURING METHOD OF POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL USING ADHESIVE TRANSFER AND POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL MANUFACTURED BY THE SAME}A method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell using adhesive transfer and a polymer electrolyte fuel cell manufactured therefrom

본 발명은 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법 및 이의 제조방법으로 제조된 고분자 전해질 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell using pressure-sensitive adhesive transfer and to a polymer electrolyte fuel cell manufactured by the manufacturing method.

고분자 전해질 연료전지는 음극(Anode)인 연료극에서 수소 및 알코올 분자 등의 산화 반응과 양극(Cathode)인 공기극에서 산소 분자의 환원 반응의 조합으로 전기를 생산하는 에너지 변환장치이다.Polymer electrolyte fuel cell is an energy conversion device that produces electricity by a combination of oxidation reaction of hydrogen and alcohol molecules at the anode, which is the anode, and the reduction reaction of oxygen molecules at the cathode, which is the cathode.

고분자 전해질 연료전지의 단위셀 혹은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)는 연료극과 공기극, 그리고 고분자 전해질막으로 구성되며, 일반적으로 연속식 혹은 비연속식의 고온 및 고압의 라미네이션 공정으로 막-전극 접합체가 제조된다.The unit cell or membrane-electrode assembly (MEA) of a polymer electrolyte fuel cell is composed of a fuel electrode, an air electrode, and a polymer electrolyte membrane. An electrode assembly is manufactured.

막-전극 접합체의 제조는 크게 Catalyst-Coated Membrane(CCM) 방법, Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법, 전사(Decal transfer) 방법이 있으며, 이들의 방법의 공정을 예시적으로 보여주는 도면으로 도 1 내지 도 3에 나타내었다.The production of the membrane-electrode assembly is largely divided into a Catalyst-Coated Membrane (CCM) method, a Catalyst-Coated Substrate (CCS) method, and a Decal transfer method. 3 is shown.

Catalyst-Coated Membrane(CCM) 방법은 전해질막의 양면에 연료극과 공기극의 촉매층을 직접 코팅하는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 전극 촉매, 이온성 바인더, 용매를 혼합하여 전극으로 각각의 연료극 물질과 공기극 물질을 제조하고(S111, S131), 전해질막의 양측 면에 순차적으로 공기극 물질과 연료극 물질을 코팅하고 압착하여 막-전극 접합체를 제조한다. 구체적으로 전해질 막의 일 측면에 공기극 물질을 코팅하고(S122) 압착하여 공기극을 접착 형성하고, 공기극이 접착된 면의 반대에 위치하는 전해질막의 타측면에 연료극 물질을 코팅하고(S125), 압착하는 과정(S127)으로 연료극을 접착 형성하여 최종 막-전극 접합체를 제조한다.The Catalyst-Coated Membrane (CCM) method directly coats the catalyst layers of the anode and cathode on both sides of an electrolyte membrane. A material is prepared (S111, S131), and a cathode material and an anode material are sequentially coated on both sides of the electrolyte membrane and compressed to prepare a membrane-electrode assembly. Specifically, the cathode material is coated on one side of the electrolyte membrane (S122) and compressed to form an adhesive, and the anode material is coated on the other side of the electrolyte membrane located opposite to the surface to which the cathode is adhered (S125), and the process of pressing A final membrane-electrode assembly is prepared by adhesively forming the anode in (S127).

CCM 방법으로 막-전극 접합체를 제조하는 경우 slot-die 코터 등으로 패턴 코팅을 적용할 경우 전극의 절단이 불필요하고 전극과 전해질막간의 접착 구현이 용이하다. 또한 다른 공정 대비 고로딩(high-loading) 전극 제조가 용이할 수 있다.In the case of manufacturing a membrane-electrode assembly by the CCM method, when pattern coating is applied with a slot-die coater, etc., it is unnecessary to cut the electrode and it is easy to realize adhesion between the electrode and the electrolyte membrane. In addition, it may be easier to manufacture a high-loading electrode compared to other processes.

하지만 CCM 방법은 전극과 조립공정의 구분이 어려워 공정 관리가 어렵고, 권취 풀린 전해질막의 대기 노출 기간이 길어 공정 라인의 습도, 온도 등 관리가 중요하다. 또한 압착 과정에서 코팅된 전극의 탈리 가능성이 높다. 따라서, 비연속식 배치 타입으로는 막-전극 접합체를 제조하는 데 적용할 수 있겠으나 양산을 위한 연속식 R/R 공정으로 적용하기는 어렵다.However, in the CCM method, it is difficult to distinguish between the electrode and the assembly process, making it difficult to manage the process, and since the unwinding electrolyte membrane is exposed to the air for a long time, it is important to manage the humidity and temperature of the process line. In addition, there is a high possibility of desorption of the coated electrode during the compression process. Therefore, the discontinuous batch type can be applied to manufacturing a membrane-electrode assembly, but it is difficult to apply it as a continuous R/R process for mass production.

Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법은 도 2에 도시된 바와 같이 전극 촉매, 이온성 바인더, 용매를 혼합하여 전극으로 각각의 연료극 물질과 공기극 물질을 제조하고(S211, S231), 반응물 및 생성물의 확산과 집전체로서의 기능을 하는 지지체로 탄소 페이퍼(carbon paper) 등의 표면에 전극의 촉매층을 코팅, 건조하고 적절한 크기로 절단하여 전극을 제조하고, 라미네이션(Lamination, S240)으로 전극과 전해질막의 접착하여 막-전극 접합체를 제조한다.In the Catalyst-Coated Substrate (CCS) method, as shown in FIG. 2 , an electrode catalyst, an ionic binder, and a solvent are mixed to prepare each anode material and cathode material as an electrode (S211, S231), and the reactants and products are diffused The catalyst layer of the electrode is coated on the surface of carbon paper, etc. with a support that functions as a current collector, dried and cut to an appropriate size to prepare an electrode, and the electrode and the electrolyte membrane are adhered by lamination (S240). A membrane-electrode assembly is prepared.

CCS 방법의 경우 전극과 조립공정의 구분이 가능해 공정 관리가 용이하다. 전해질막의 권취 풀린 기간이 짧아 CCM 대비하여 라인의 습도, 온도 관리가 용이하다. 연속식 R/R 공정 구현이 용이하고 지지체(carbon paper 등)를 포함하여 막-전극 접합체를 제조하기 때문에 스택 공정이 간소화 될 수 있다.In the case of the CCS method, it is easy to manage the process because the electrode and the assembly process can be distinguished. The short unwinding period of the electrolyte membrane makes it easy to manage the humidity and temperature of the line compared to CCM. Since it is easy to implement a continuous R/R process and a membrane-electrode assembly including a support (carbon paper, etc.) is manufactured, the stacking process can be simplified.

그러나 CCS 방법은 전극과 전해질막간 접착을 구현하기 어려울 수 있어 라미네이션을 위해 과한 온도, 압력, 시간 등이 설정되어야 한다. 대면적의 막-전극 접합체 제조를 위해서는 거대한 프레스 설비의 온도 및 압력 설계가 이루어져야 하며, 공정 조건의 off-set 등 설계 반영 필요할 수 있으며, 균일한 공정 조건 인가의 반복성(Repeatability) 및 재현성(Reproducibility) 확보가 어려워 공정 속도 상향에 제약이 있어 생산 효율을 만족하기가 어렵다.However, in the CCS method, it may be difficult to implement adhesion between the electrode and the electrolyte membrane, so excessive temperature, pressure, and time must be set for lamination. In order to manufacture a large-area membrane-electrode assembly, it is necessary to design a huge press facility for temperature and pressure, and it may be necessary to reflect the design, such as off-set of process conditions, and repeatability and reproducibility of applying uniform process conditions. Since it is difficult to secure, there are restrictions on the process speed increase, making it difficult to satisfy production efficiency.

또한 CCS 방법을 사용할 경우 과한 라미네이션에 따른 전해질막 및 바인더(이오노머)의 주재료인 Perfluorosulfonic acids(PFSAs)의 손상을 방지하기 위해 곁가지 사슬 말단에 존재하는 술폰산기(-SO3)의 수소 양이온(H+)에서 Na+, K+, Tert-butylammonium(TBA)+으로 치환하거나 혹은 그 반대로 역치환하는 양이온 치환 및 역치환 공정이 필요할 수 있다.In addition, when using the CCS method, in order to prevent damage to the perfluorosulfonic acids ( PFSAs ), which are the main materials of the electrolyte membrane and binder (ionomer) due to excessive lamination, hydrogen cations (H + ) to Na + , K + , Tert-butylammonium(TBA) + , or vice versa, a cationic substitution and reverse substitution process may be required.

CCS 방법에서 다른 크기의 연료극과 공기극을 적용할 경우 크기가 큰 전극의 모서리에서 전극 깨짐 등의 불량이 발생할 수 있으므로 연료극과 공기극의 치수를 다르게 설계하기 어렵고, 지지체를 포함한 절단에서 절단면의 품질 확보가 필요하다. 다공성 지지체 표면에 전극 슬러리를 코팅하기 때문에 슬러리의 지지체 기공 내 침입에 의한 지지체 성능 저하가 발생할 수 있다.In the CCS method, when different sizes of anode and cathode are applied, defects such as electrode breakage may occur at the edges of large electrodes, so it is difficult to design different dimensions of the anode and cathode, and it is difficult to secure the quality of the cut surface in cutting including the support. need. Since the electrode slurry is coated on the surface of the porous support, performance degradation of the support may occur due to the penetration of the slurry into the pores of the support.

완성된 전해질막-전극 접합체의 전극 모서리부에서의 전해질막 손상(Edge-failure)에 수소 및 산소 혼입에 따른 혼합 전위(Mixed Potential) 발생으로 저전압 발생 등과 같은 초기성능 저하 문제가 발생될 수 있다. 또한, 공기극에서 불완전 환원으로 발생한 히드록실(hydroxyl, HO·) 혹은 히드로퍼옥시(hydroperoxyl, HO2·) 라디칼의 음극으로의 수송이 원활해져 고분자 전해질막 혹은 음극 바인더 혹은 이오노머(ionomer)의 열화가 가속될 수 있다.In the electrolyte membrane edge-failure at the electrode edge of the completed electrolyte membrane-electrode assembly, mixed potential generation due to the incorporation of hydrogen and oxygen may cause a problem of initial performance degradation such as low voltage generation. In addition, the transport of hydroxyl (HO·) or hydroperoxyl (HO 2 ·) radicals generated by incomplete reduction at the cathode to the cathode is facilitated, and the degradation of the polymer electrolyte membrane or the anode binder or ionomer is accelerated. can be

데칼 전사(Decal transfer) 방법은 앞서 살펴본 CCS 방법과 유사하며, 도 3에 도시된 바와 같이 지지체 대신에 별도의 이형필름 표면에 전극의 촉매층을 코팅(S313, S333), 건조한 후 전해질막 표면에 전사(Decal transfer)하고, 라미네이션(Lamination, S340)으로 전극과 전해질막의 접착하여 막-전극 접합체를 제조하는 방법이다.The decal transfer method is similar to the CCS method described above, and as shown in FIG. 3 , the catalyst layer of the electrode is coated on the surface of a separate release film instead of the support (S313, S333), dried, and then transferred to the electrolyte membrane surface (Decal transfer) and lamination (Lamination, S340) is a method of manufacturing a membrane-electrode assembly by bonding the electrode and the electrolyte membrane.

전사(Decal transfer) 방법의 경우 CCM과 유사한 공정 흐름과 장점을 갖지만 이형 필름을 사용해야 해서 재료비가 증가하고, 전사 효율을 고려할 때 공정 속도의 상향이 어려워 생산 capacity를 확보하기 어렵다. 또한, CCM과 마찬가지로 전극과 전해질막간 접착 구현을 위해 과한 온도, 압력, 시간 등과 같은 과한 라미네이션 조건이 필요로 한다.The decal transfer method has a process flow and advantages similar to that of CCM, but the use of a release film increases the material cost, and considering the transfer efficiency, it is difficult to secure production capacity because it is difficult to increase the process speed. In addition, like CCM, excessive lamination conditions such as excessive temperature, pressure, and time are required to realize adhesion between the electrode and the electrolyte membrane.

한국등록특허 제10-0774729호Korean Patent Registration No. 10-0774729

상기와 같이 종래 막-전극 접합체의 제조 방법은 다양하게 있으나, 앞서 살펴본 바와 같이 다양한 기술적 문제가 발생한다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 전극 표면 혹은 전해질막 얇게 점착제를 전사하여 도포한 후 전극과 전해질막을 상온에서 약하게 가압하여 빠르고 간단하게 막-전극 접합체를 완성할 수 있는 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고분자 전해질 연료전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.As described above, there are various methods of manufacturing the conventional membrane-electrode assembly, but as described above, various technical problems occur. In consideration of such problems, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell using a pressure-sensitive adhesive transfer that can quickly and simply complete a membrane-electrode assembly by transferring and applying a thin adhesive to the electrode surface or electrolyte membrane and then lightly pressurizing the electrode and electrolyte membrane at room temperature. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing and a polymer electrolyte fuel cell manufactured thereby.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 제조방법은 연료극의 일 측면에 촉매를 도포하여 제1 촉매층을 형성하고, 공기극의 일 측면에 촉매를 도포하여 제2 촉매층을 형성하는 촉매층 형성 단계, 상기 제1 촉매층 상면에 점착제를 전사하여 제1 점착제층을 형성하고, 상기 제2 촉매층 상면에 점착제를 전사하여 제2 점착제층을 형성하는 점착제층 형성 단계, 및 상기 제1 점착제층과 상기 제2 점착제층 사이에 전해질막을 위치시키고 압착기로 가압하여 막-전극 접합체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In the method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell of the present invention for achieving the above object, a catalyst layer is formed by coating a catalyst on one side of an anode to form a first catalyst layer, and coating a catalyst on one side of an anode to form a second catalyst layer Step, forming a first pressure-sensitive adhesive layer by transferring a pressure-sensitive adhesive to the upper surface of the first catalyst layer, forming a pressure-sensitive adhesive layer by transferring the pressure-sensitive adhesive to the upper surface of the second catalyst layer to form a second pressure-sensitive adhesive layer, and the first pressure-sensitive adhesive layer and the It may include the step of placing the electrolyte membrane between the second pressure-sensitive adhesive layer and pressing with a press to form a membrane-electrode assembly.

본 발명의 고분자 전해질 연료전지 제조방법에 있어서, 상기 촉매층 형성 단계는 Catalyst-Coated Membrane(CCM) 방법, Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법 및 데칼 전사(Decal Transger) 방법 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 사용하여 촉매층을 형성할 수 있다.In the method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the catalyst layer forming step is performed by using any one method selected from a Catalyst-Coated Membrane (CCM) method, a Catalyst-Coated Substrate (CCS) method, and a Decal Transfer method. to form a catalyst layer.

상기 촉매층 형성 단계에서 Catalyst-Coated Membrane(CCM) 방법을 사용하여 촉매층을 형성하는 경우는, 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 촉매를 직접 도포하여 촉매층을 형성할 수 있다.When the catalyst layer is formed by using the Catalyst-Coated Membrane (CCM) method in the step of forming the catalyst layer, the catalyst layer may be formed by directly applying the catalyst to one side of the fuel electrode and the cathode.

상기 촉매층 형성 단계에서 Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법을 사용하여 촉매층을 형성하는 경우는, 지지체의 표면에 촉매를 도포하여 촉매층이 형성된 지지체를 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 부착하여 촉매층을 형성할 수 있다.When the catalyst layer is formed by using the Catalyst-Coated Substrate (CCS) method in the catalyst layer forming step, the catalyst layer is applied to the surface of the support and the support on which the catalyst layer is formed is attached to one side of the fuel electrode and the cathode to form a catalyst layer. can do.

상기 촉매층 형성 단계는 데칼 전사(Decal Transger) 방법을 사용하여 촉매층을 형성하는 경우는 이형 필름의 표면에 촉매를 도포하여 촉매층이 형성된 이형 필름을 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 부착하여 촉매층을 형성할 수 있다.In the case of forming the catalyst layer using a decal transfer method, the catalyst layer forming step is performed by applying a catalyst to the surface of the release film and attaching the release film formed with the catalyst layer to one side of the fuel electrode and the air electrode to form a catalyst layer can do.

상기 점착제는 압력 감응형 점착제를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 점착제가 전사되어 형성된 상기 제1 점착제층 및 상기 제2 점착제층의 두께는 1 ㎛ 내지 2㎛인 것이 바람직하다.The pressure-sensitive adhesive is preferably used, and the thickness of the first pressure-sensitive adhesive layer and the second pressure-sensitive adhesive layer formed by transferring the pressure-sensitive adhesive is preferably 1 μm to 2 μm.

또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 고분자 전해질 연료전지는 앞서 설명한 제조방법에 따라 제조된 고분자 전해질 연료 전지이다.In addition, in order to achieve the object of the present invention, the polymer electrolyte fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell manufactured according to the manufacturing method described above.

본 발명의 고분자 전해질 연료전지는 일 측면에 제1 촉매층이 형성된 연료극, 일 측면에 제2 촉매층이 공기극, 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 형성된 전해질막, 및 상기 제1 촉매층과 상기 전해질막 사이에 점착제가 전사되어 형성된 제1 점착제층이 위치하고, 상기 제2 촉매층과 상기 전해질막 사이에 점착제가 전사되어 형성된 제2 점착제층이 위치하여 접합된 막-전극 접합체를 포함하는 것을 특징으로 한다.The polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes a fuel electrode having a first catalyst layer formed on one side, an air electrode having a second catalyst layer formed on one side thereof, an electrolyte membrane formed between the fuel electrode and the air electrode, and an adhesive between the first catalyst layer and the electrolyte membrane A first pressure-sensitive adhesive layer formed by transferring is positioned, and a second pressure-sensitive adhesive layer formed by transferring an adhesive between the second catalyst layer and the electrolyte membrane is positioned to include a bonded membrane-electrode assembly.

점착제를 적용하지 않는 기존 막-전극 접합체 제조방법은 본 발명의 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법과 달리 상대적으로 고온, 고압의 프레스는 온도 전달을 위한 열전도율이 높으며, 높은 하중을 가하기 위해 무거운 금속 소재의 롤을 적용되는데, 이는 프레스 압력 및 열전도의 균일함을 얻기 어려워 막-전극 접합체 제조의 반복성과 균일함이 확보되기 어렵다. 또한 과도한 압력 인가 시 압력을 받은 전극의 스프링백 현상 등에 의해 전극이 쉽게 깨지는 문제가 발생할 수 있다. 또한 전하전달의 매개 역할을 하는 이온을 수용하는 전극(H+에 의한 전지는 +극, -OH에 의한 전지는 - 극)의 크기를 상대적으로 크게 설계하는 것이 필요할 수 있는데 이때 막-전극 접합체 제조를 위해 과도한 압력을 인가할 경우 다른 크기의 연료극과 공기극 때문에 전극의 깨짐 뿐 아니라 전해질막의 edge-failure가 가속되는 문제점이 발생하였다.Unlike the method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell using the pressure-sensitive adhesive transfer of the present invention, the conventional membrane-electrode assembly manufacturing method that does not apply an adhesive has high thermal conductivity for temperature transfer, and a heavy press to apply a high load. A roll made of a metal material is applied, which makes it difficult to obtain uniformity of press pressure and heat conduction, and thus it is difficult to secure repeatability and uniformity of the membrane-electrode assembly. In addition, when excessive pressure is applied, the electrode may be easily broken due to a springback phenomenon of the electrode subjected to pressure. In addition, it may be necessary to design a relatively large size of the electrode (positive electrode for H+ batteries, -OH batteries) that accommodates ions that play a mediating role in charge transfer. When excessive pressure is applied to prevent damage, the electrode cracks and edge-failure of the electrolyte membrane is accelerated due to the anode and cathode of different sizes.

그러나 본 발명은 기존 막-전극 접합체의 제조방법과 달리 별도의 온도 인가 없이 상온에서도 열전달 효율이 낮은 고무 소재의 프레스 롤과 같은 저압의 압착기로 충분히 전극과 전해질막의 접착이 가능하기 때문에 프레스 롤의 재료 선정을 유연하게 선택하여 제조공정 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.However, in the present invention, unlike the conventional method for manufacturing a membrane-electrode assembly, the electrode and the electrolyte membrane can be sufficiently adhered to the electrode and the electrolyte membrane with a low-pressure press such as a rubber material with low heat transfer efficiency even at room temperature without applying a separate temperature. There is an effect that the manufacturing process efficiency can be improved by selecting the selection flexibly.

또한, 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법으로 제조된 고분자 전해질 연료전지의 성능은 기존 제조방법에 따라 제조된 막-전극 접합체의 성능에 상당하는 출력 밀도를 보이는 효과가 있다.In addition, the performance of the polymer electrolyte fuel cell manufactured by the method for manufacturing the polymer electrolyte fuel cell using the pressure-sensitive adhesive transfer has the effect of exhibiting a power density corresponding to the performance of the membrane-electrode assembly manufactured according to the existing manufacturing method.

도 1은 Catalyst-Coated Membrane (CCM) 공정의 순서도이다.
도 2는 Catalyst-Coated Substrate (CCS) 공정의 순서도이다.
도 3은 데칼 전사(Decal Transger) 공정의 순서도이다.
도 4는 점착제 전사를 이용한 CCS 공정의 순서도이다.
도 5는 점착제 전사를 이용한 전사(Decal Transfer) 공정의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 점착제 전사를 이용한 제조방법으로 제조된 막-전극 접합체 구성을 나타낸 모식도이다.
도 7은 종래 제조 방법에 따른 막-전극 접합체 구성을 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 점착제 전사를 이용하여 제조한 고분자 전해질 연료전지 막-전극 접합체의 성능을 나타낸 것이다.
1 is a flowchart of a Catalyst-Coated Membrane (CCM) process.
2 is a flowchart of a Catalyst-Coated Substrate (CCS) process.
3 is a flowchart of a decal transfer process.
4 is a flowchart of a CCS process using pressure-sensitive adhesive transfer.
5 is a flowchart of a transfer (Decal Transfer) process using pressure-sensitive adhesive transfer.
6 is a schematic diagram showing the structure of the membrane-electrode assembly manufactured by the manufacturing method using the pressure-sensitive adhesive transfer of the present invention.
7 is a schematic diagram showing the structure of a membrane-electrode assembly according to a conventional manufacturing method.
8 shows the performance of a polymer electrolyte fuel cell membrane-electrode assembly manufactured using pressure-sensitive adhesive transfer according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying illustrative drawings, and these embodiments are examples, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains may be implemented in various different forms. Examples are not limited.

본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 제조방법은 고분자 전해질막, 전극으로 양극(Anode)인 연료극과 음극(Cathode)인 공기극을 포함하고 전극과 전해질막의 접착으로 막-전극 집합체를 제조한다.The method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes a polymer electrolyte membrane, a fuel electrode as an anode as an electrode, and an air electrode as a cathode, and prepares a membrane-electrode assembly by bonding the electrode and the electrolyte membrane.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 점착제 전사를 이용한 CCS 방법에 대한 공정의 순서도이다.4 is a flowchart of a process for a CCS method using a pressure-sensitive adhesive transfer according to an embodiment of the present invention.

점착제 전사를 이용한 CCS 방법은 상기 도 2에 도시된 Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법과 유사하나, 도 4에 도시된 바와 같이 전극을 제조한 후 전극과 전해질막을 압착기로 가압하는 라미네이션(Lamination, S240)을 수행하기 이전에 전극의 촉매층 상면에 점착제를 전사하는 단계(S217, S237)를 포함한다. The CCS method using the pressure-sensitive adhesive transfer is similar to the Catalyst-Coated Substrate (CCS) method shown in FIG. 2, but as shown in FIG. 4, after the electrode is manufactured, the electrode and the electrolyte membrane are pressed with a press. Lamination (S240) ), transferring the pressure-sensitive adhesive onto the upper surface of the catalyst layer of the electrode (S217 and S237).

상기 도 4에서 상기 점착제를 전사하는 단계(S217, S237)는 S211 내지 S216 또는 S231 내지 S236을 거쳐 광폭의 점보롤 전극 제조 후 공정 방향(Machine Direction, MD)으로 슬리팅된 전극으로 연료극과 공기극 각각의 표면에 점착제를 전사하여 부착한다.In FIG. 4, the steps (S217, S237) of transferring the adhesive are steps S211 to S216 or S231 to S236 to manufacture a wide jumbo roll electrode and then slit in the process direction (Machine Direction, MD). The anode and the air electrode, respectively. The adhesive is transferred and attached to the surface of the

상기 점착제로는 압력 감응형 점착제(Pressure Sensitive Adhesive, PSA)를 사용할 수 있다. 상기 압력 감응형 점착제는 감압 점척제라고도 하며 점탄성 물질로 압력에 의해 접착면에 적용되어 압력이 가해질 때 접착물질이 작용하는 접착제를 의미한다. 압력 감응형 점착제로는 2-에틸헥실 아크릴레이트(2-ethylhexyl acrylate) 및 n-부틸 아크릴레이트(n-butyl acrylate) 등이 단량체로 적용된 아크릴계 점착제를 사용하는 것이 바람직하다.As the adhesive, a pressure sensitive adhesive (PSA) may be used. The pressure-sensitive adhesive is also referred to as a pressure-sensitive adhesive, and is a viscoelastic material and refers to an adhesive that is applied to an adhesive surface by pressure and the adhesive material acts when pressure is applied. As the pressure-sensitive adhesive, it is preferable to use an acrylic adhesive in which 2-ethylhexyl acrylate and n-butyl acrylate are applied as monomers.

예를 들어, 실리콘 처리를 통해 전사 효율이 개선된 PET 필름의 기재 표면에 아크릴계 점착제가 1㎛ 내지 2㎛ 두께로 얇게 도포된 필름을 사용할 수 있다. 필요에 따라 점착제 필름을 타공하여 점착제에 의한 전극과 전해질막간 접착 면적을 최소화할 수도 있다.For example, a film in which an acrylic pressure-sensitive adhesive is thinly applied to a thickness of 1 μm to 2 μm on the surface of a substrate of a PET film whose transfer efficiency is improved through silicone treatment may be used. If necessary, the adhesive film may be perforated to minimize the adhesive area between the electrode and the electrolyte membrane by the adhesive.

점착제가 전사된 지지체 포함한 전극은 절단된 후 절단되지 않은 권취 풀린 전해질막의 양면에 라미네이션(Lamination, S240)을 수행하여 접착된다.The electrode including the support to which the pressure-sensitive adhesive is transferred is adhered by performing lamination (S240) on both sides of the unwound electrolyte membrane that is not cut after being cut.

본 발명의 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법에서 전극과 전해질막의 접착하여 막-전극 접합체를 제조하는 과정으로 라미네이션(Lamination)을 수행시 사용하는 압착기는 열전달 효율이 낮은 고무 소재의 프레스 롤을 적용할 수 있다. 또한 롤의 크기도 기존 막-전극 접합체를 제조할 때 사용되었던 프레스 롤보다 상대적으로 작아도 적용할 수 있다. In the method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell using the pressure-sensitive adhesive transfer of the present invention, the process of manufacturing a membrane-electrode assembly by bonding an electrode and an electrolyte membrane. can be applied. In addition, the size of the roll can be applied even if it is relatively smaller than the press roll used when manufacturing the existing membrane-electrode assembly.

고분자 전해질 연료전지에서 막-전극 접합체를 구성하는 물질의 종류에 대해서는 통상적으로 당 업계에서 이용되는 것이라면 특별히 한정하지 않는다.The type of material constituting the membrane-electrode assembly in the polymer electrolyte fuel cell is not particularly limited as long as it is commonly used in the art.

예를 들어 CCS 방법에서 사용되는 지지체는 탄소 종이(carbon paper) 또는 탄소 천(carbon cloth)일 수 있다.For example, the support used in the CCS method may be carbon paper or carbon cloth.

막-전극 접합체의 전극으로 연료극에 사용되는 촉매는 수소, 알코올, 암모니아, 액상유기수소화합물(Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC), 수소화붕소나트륨 (Sodium borohydride, NaBH4) 등 연료전지에 사용될 수 있는 연료의 산화반응을 촉진시킬 수 있는 백금계 촉매이다. As the electrode of the membrane-electrode assembly, the catalyst used for the anode is hydrogen, alcohol, ammonia, liquid organic hydrogen carrier (LOHC), sodium borohydride (NaBH 4 ), and other fuels that can be used in fuel cells. It is a platinum-based catalyst that can promote the oxidation reaction of

막-전극 접합체의 전극으로 공기극에 사용되는 촉매는 Pt, PtNi, PtCo, PtFe, PtPd 등 백금계 촉매로서 산소의 환원반응을 촉진할 수 있는 촉매를 포함할 수 있다.The catalyst used for the cathode as the electrode of the membrane-electrode assembly is a platinum-based catalyst such as Pt, PtNi, PtCo, PtFe, or PtPd, and may include a catalyst capable of accelerating the reduction of oxygen.

상기 연료극과 상기 공기극 사이위 위치하는 전해질 막은 고분자 전해질막 (polyelectrolyte membrane)일 수 있다.The electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode may be a polyelectrolyte membrane.

또는 상기 전해질 막은 이온교환막일 수 있다. 상기 이온교환막은 양성자 교환막(proton exchange membrane, PEM), 음이온교환막 (anion exchange membrane, AEM), 양이온교환막 (cation exchange membrane: CEM), 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 전해질 막은 수소 이온을 포함한 양이온, 음이온 또는 이들을 선택적으로 투과시킬 수 있다. Alternatively, the electrolyte membrane may be an ion exchange membrane. The ion exchange membrane may be a proton exchange membrane (PEM), an anion exchange membrane (AEM), a cation exchange membrane (CEM), or a combination thereof. The electrolyte membrane may selectively permeate cations, anions, or these including hydrogen ions.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 점착제 전사를 이용한 데칼 전사(Decal Transfer) 방법에 대한 공정의 순서도이다.5 is a flowchart of a process for a decal transfer method using a pressure-sensitive adhesive transfer according to an embodiment of the present invention.

데칼 전사(Decal Transfer) 방법도 상기 도 3에 도시된 데칼 전사(Decal Transfer) 방법과 유사하나, 도 5에 도시된 바와 같이 전극을 제조한 후 전극과 전해질막을 압착기로 가압하는 라미네이션(Lamination, S340)을 수행하기 이전에 전극의 촉매층 상면에 점착제를 전사하는 단계(S317, S337)를 포함한다.The decal transfer method is also similar to the decal transfer method shown in FIG. 3, but as shown in FIG. 5, after the electrode is manufactured, the electrode and the electrolyte membrane are pressed with a presser for lamination (Lamination, S340). ), transferring the pressure-sensitive adhesive onto the upper surface of the catalyst layer of the electrode (S317 and S337).

도 4의 CCS 방법과 도 5의 데칼 전사 방법에서 라미네이션(Lamination)을 수행하기 이전에 상기 제1 점착제층이 형성된 연료극 및 상기 제2 점착제층이 형성된 공기극을 적정한 크기로 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다.Before performing lamination in the CCS method of FIG. 4 and the decal transfer method of FIG. 5, cutting the anode on which the first pressure-sensitive adhesive layer is formed and the cathode on which the second pressure-sensitive adhesive layer is formed to an appropriate size may be further included can

도 6은 본 발명의 점착제 전사를 이용한 제조방법으로 제조된 막-전극 접합체 구성을 나타낸 모식도이다.6 is a schematic diagram showing the structure of the membrane-electrode assembly manufactured by the manufacturing method using the pressure-sensitive adhesive transfer of the present invention.

도 6에 도시된 바와 같은 본 발명의 점착제 전사를 이용한 제조방법으로 제조된 막-전극 접합체 구성에는 일 측면에 제1 촉매층(13)이 형성된 연료극(11), 일 측면에 제2 촉매층(14)이 공기극(12), 상기 연료극(11)과 상기 공기극(12) 사이에 형성된 전해질막(15), 및 상기 제1 촉매층(13)과 상기 전해질막(15) 사이에 점착제가 전사되어 형성된 제1 점착제층(16)이 위치하고, 상기 제2 촉매층(14)과 상기 전해질막(15) 사이에 점착제가 전사되어 형성된 제2 점착제층(17)이 포함되며, 제1 점착제층(16)과 제2 점착제층(17)과 같은 점착제층이 존재함으로써, 별도의 온도 인가 없이 15℃ 내지 25℃ 정도의 상온에서도 상대적으로 낮은 압력으로도 접착이 가능하다. As shown in FIG. 6 , in the membrane-electrode assembly manufactured by the manufacturing method using the pressure-sensitive adhesive transfer of the present invention, an anode 11 having a first catalyst layer 13 formed on one side thereof, and a second catalyst layer 14 on one side thereof The cathode 12, the electrolyte membrane 15 formed between the anode 11 and the cathode 12, and the first catalyst layer 13 and the electrolyte membrane 15 formed by transferring an adhesive A pressure-sensitive adhesive layer 16 is positioned, and a second pressure-sensitive adhesive layer 17 formed by transferring a pressure-sensitive adhesive between the second catalyst layer 14 and the electrolyte membrane 15 is included, and the first pressure-sensitive adhesive layer 16 and the second pressure-sensitive adhesive layer 16 are included. Since the pressure-sensitive adhesive layer such as the pressure-sensitive adhesive layer 17 is present, adhesion is possible even at a room temperature of about 15° C. to 25° C. without a separate temperature application and with a relatively low pressure.

도 7은 기존 제조방법에 따른 막-전극 접합체 구성을 나타낸 모식도이다. 도 7에 도시된 바와 같이 점착제를 전사하지 않는 상기 도 1 내지 도 3에 나타낸 기존 제조방법에 따른 막-전극 접합체의 경우에는 제1 촉매층(23)이 형성된 연료극(21), 일 측면에 제2 촉매층(24)이 공기극(22), 상기 연료극(21)과 상기 공기극(22) 사이에 형성된 전해질막(25)이 위치되고, 점착제층이 없으므로 라미네이션 접착 구현을 위해 무거운 금속 소재의 롤로 이루어진 압착기를 적용하여 상대적으로 고온, 고압 뿐만 아니라 접착에 필요한 시간의 인가가 요구되었다.7 is a schematic diagram showing the structure of a membrane-electrode assembly according to the existing manufacturing method. As shown in FIG. 7, in the case of the membrane-electrode assembly according to the conventional manufacturing method shown in FIGS. 1 to 3, which does not transfer the adhesive, the anode 21 on which the first catalyst layer 23 is formed, the second on one side Catalyst layer 24 is the cathode 22, the electrolyte membrane 25 formed between the fuel electrode 21 and the cathode 22 is positioned, and there is no pressure-sensitive adhesive layer, so for lamination adhesion, a press made of a heavy metal roll is used. Application of relatively high temperature and high pressure as well as the time required for adhesion was required.

본 발명의 일 실시예에 따라 점착제 전사를 이용하여 제조한 고분자 전해질 연료전지의 성능을 확인하고자, 고분자 전해질 연료전지는 전극 면적 5 cm2으로 막-전극 접합체를 제조하였으며 단전지 온도 80℃에서 연료극과 공기극에 각각 200 sccm, 500 sccm의 유량으로 수소와 공기를 공급하였다. 역압(back pressure)은 각각 20 psig를 설정하였으며 풀(full) 가습 조건에서 평가하였으며, 그 결과는 도 8에 나타내었다.In order to confirm the performance of the polymer electrolyte fuel cell manufactured using the pressure-sensitive adhesive transfer according to an embodiment of the present invention, the polymer electrolyte fuel cell was prepared with a membrane-electrode assembly with an electrode area of 5 cm 2 , and the anode at a single cell temperature of 80° C. Hydrogen and air were supplied to the cathode and the cathode at flow rates of 200 sccm and 500 sccm, respectively. Back pressure was set at 20 psig, respectively, and was evaluated under full humidification conditions, and the results are shown in FIG. 8 .

도 8에 도시된 바와 같이, 점착제 전사를 이용하여 제조한 고분자 전해질 연료전지는 800 mW/cm2 이상의 단전지 출력을 얻는 것을 확인하였다. 이는 기존 제조방법에 따른 막-전극 접합체의 성능에 상당하는 것으로, 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지를 제조할 수 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 8 , it was confirmed that the polymer electrolyte fuel cell manufactured using the pressure-sensitive adhesive transfer obtained a single cell output of 800 mW/cm 2 or more. This corresponds to the performance of the membrane-electrode assembly according to the existing manufacturing method, and it can be seen that a polymer electrolyte fuel cell using adhesive transfer can be manufactured.

11 : 연료극
12 : 공기극
13 : 제1 촉매층
14 : 제2 촉매층
15 : 전해질막
16 : 제1 점착제층
17 : 제2 점착제층
21 : 연료극
22 : 공기극
23 : 제1 촉매층
24 : 제2 촉매층
25 : 전해질막
11: fuel electrode
12: air electrode
13: first catalyst layer
14: second catalyst layer
15: electrolyte membrane
16: first pressure-sensitive adhesive layer
17: second pressure-sensitive adhesive layer
21: fuel electrode
22: air electrode
23: first catalyst layer
24: second catalyst layer
25: electrolyte membrane

Claims (8)

연료극의 일 측면에 촉매를 도포하여 제1 촉매층을 형성하고, 공기극의 일 측면에 촉매를 도포하여 제2 촉매층을 형성하는 촉매층 형성 단계;
상기 제1 촉매층 상면에 점착제를 전사하여 제1 점착제층을 형성하고, 상기 제2 촉매층 상면에 점착제를 전사하여 제2 점착제층을 형성하는 점착제층 형성 단계; 및
상기 제1 점착제층과 상기 제2 점착제층 사이에 전해질막을 위치시키고 압착기로 가압하여 막-전극 접합체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.
forming a catalyst layer by applying a catalyst to one side of the anode to form a first catalyst layer, and applying a catalyst to one side of the cathode to form a second catalyst layer;
a pressure-sensitive adhesive layer forming step of transferring a pressure-sensitive adhesive to an upper surface of the first catalyst layer to form a first pressure-sensitive adhesive layer, and transferring the pressure-sensitive adhesive to an upper surface of the second catalyst layer to form a second pressure-sensitive adhesive layer; and
and placing an electrolyte membrane between the first pressure-sensitive adhesive layer and the second pressure-sensitive adhesive layer and pressing with a press to form a membrane-electrode assembly.
제1항에 있어서,
상기 촉매층 형성 단계는 Catalyst-Coated Membrane(CCM) 방법, Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법 및 데칼 전사(Decal Transger) 방법 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 사용하여 촉매층을 형성하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.
According to claim 1,
The catalyst layer forming step includes forming the catalyst layer using any one method selected from a Catalyst-Coated Membrane (CCM) method, a Catalyst-Coated Substrate (CCS) method, and a Decal Transfer method. Battery manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 촉매층 형성 단계는 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 촉매를 직접 도포하여 촉매층을 형성하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.
According to claim 1,
The catalyst layer forming step is a method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that the catalyst layer is formed by directly applying a catalyst to one side of the fuel electrode and the cathode.
제1항에 있어서,
상기 촉매층 형성 단계는 지지체의 표면에 촉매를 도포하여 촉매층이 형성된 지지체를 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 부착하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.
According to claim 1,
The catalyst layer forming step is a method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that by applying a catalyst to the surface of the support and attaching the support on which the catalyst layer is formed to one side of the fuel electrode and the cathode.
제1항에 있어서,
상기 촉매층 형성 단계는 이형 필름의 표면에 촉매를 도포하여 촉매층이 형성된 이형 필름을 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 부착하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.
According to claim 1,
The catalyst layer forming step is a method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that by applying a catalyst to the surface of the release film and attaching the release film on which the catalyst layer is formed to one side of the fuel electrode and the cathode.
제1항에 있어서,
상기 점착제는 압력 감응형 점착제인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.
According to claim 1,
The method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that the pressure-sensitive adhesive is a pressure-sensitive adhesive.
제1항에 있어서,
상기 제1 점착제층 및 상기 제2 점착제층의 두께는 1 ㎛ 내지 2㎛인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 제조방법.
According to claim 1,
The thickness of the first pressure-sensitive adhesive layer and the second pressure-sensitive adhesive layer is a method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that 1㎛ to 2㎛.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 고분자 전해질 연료전지.A polymer electrolyte fuel cell manufactured according to the manufacturing method of any one of claims 1 to 7.
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