KR20220147326A - Polymer electrolyte membrane for fuel cell, method for manufacturing the same, and fuel cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell including micro-holes manufactured by a plasma etching process, a method for manufacturing the same, and a fuel cell including the same. A polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention includes a plurality of micro holes having a depth of 2 μm to 12 μm. A method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention comprises the steps of: preparing a polymer stencil including micro holes; and performing plasma etching after contacting the polymer stencil with the polymer electrolyte membrane. A fuel cell according to various embodiments of the present invention includes the polymer electrolyte membrane described above.

Description

연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지{Polymer electrolyte membrane for fuel cell, method for manufacturing the same, and fuel cell comprising the same}Polymer electrolyte membrane for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell including same

본 발명은 플라즈마 식각 공정으로 제조된 마이크로 홀을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell including microholes manufactured by a plasma etching process, a manufacturing method thereof, and a fuel cell including the same.

고분자 전해질막 연료 전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 변환 장치이며, 해로운 물질을 전혀 배출하지 않는 청정에너지 변환 장치이다.A polymer electrolyte membrane fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy into electrical energy, and is a clean energy conversion device that does not emit harmful substances at all.

고분자 전해질막 연료전지의 구성 요소 중 하나인 막전극접합체는 탄소에 지지된 백금 촉매가 다공성층으로 구성된 산화극, 환원극 그리고 전해질의 역할을 하는 고분자막으로 구성되어 있다.A membrane electrode assembly, one of the components of a polymer electrolyte membrane fuel cell, is composed of an anode, a cathode, and a polymer membrane acting as an electrolyte in which a platinum catalyst supported on carbon is composed of a porous layer.

최근 고분자 전해질막을 얇게 제작함으로써 수소 이온 전도도 향상 및 오믹 저항 감소를 통해 성능을 향상시키는 연구들이 진행 중에 있다.Recently, studies are underway to improve performance by improving hydrogen ion conductivity and reducing ohmic resistance by making a thin polymer electrolyte membrane.

그러나, 종래의 전면적으로 얇게 제조된 막은 상용화 전해질막에 비해 막에 쉽게 주름이 지거나 찢어지는 현상을 포함하여 기계적으로 안정성이 취약한 단점을 가진다.However, the conventional entirely thin membrane has a disadvantage in that it has weak mechanical stability, including a phenomenon in which the membrane is easily wrinkled or torn compared to a commercially available electrolyte membrane.

따라서, 멀티스케일 구조물을 이용하여 전해질막을 국부적으로 얇게 하여 성능 향상과 동시에 기계적 안정성을 유지시키는 것이 중요하다.Therefore, it is important to locally thin the electrolyte membrane using a multi-scale structure to improve performance and maintain mechanical stability.

이를 위해, 나피온 이오노머 캐스팅, 열 임프린트 등의 공정으로 전극층과 고분자 전해질막 사이의 계면에 마이크로/나노 구조물을 패터닝하여 전기 화학적 활성 표면적 확대, 촉매 활용도 향상, 물질 전달 향상을 통해 장치 성능을 향상시키는 연구들이 진행 되어 왔다. 그러나, 나피온 이노모머 캐스팅 방식은 용매 증발 시 커피링 효과로 인한 두께 불균일 등의 제작 어려움이 있고, 가장 일반적으로 사용되는 열 임프린트 방식은 고온/고압 공정에서 전해질막의 손상을 야기시킬 수 있어 공정 상의 한계를 지닌다.To this end, micro/nano structures are patterned at the interface between the electrode layer and the polymer electrolyte membrane through processes such as Nafion ionomer casting and thermal imprinting to increase the electrochemically active surface area, improve catalyst utilization, and improve device performance through improved mass transfer. Studies have been going on. However, the Nafion inomer casting method has difficulties in manufacturing such as thickness non-uniformity due to the coffee ring effect during solvent evaporation, and the most commonly used thermal imprint method can cause damage to the electrolyte membrane in high-temperature/high-pressure processes. have limitations

비접촉 방식의 플라즈마 식각 공정의 경우에는 대면적 제작에 용이하고 플라즈마 전력, 시간, 가스 유량 등의 공정 변수들을 자유롭게 조절하여 식각 정도 및 식각 깊이를 제어할 수 있는 장점을 지니고 있지만, 전해질막에 플라즈마 식각 공정을 적용한 대부분의 연구는 나노 크기의 거칠기를 높이는데 중점을 두었고, 마이크로 크기의 구조를 도입하여 촉매 활용도 및 막 저항, 물질 전달 저항을 줄여 전체 성능을 향상시키는 접근 방식은 아직까지 수행되지 않았다.In the case of the non-contact plasma etching process, it is easy to manufacture a large area and has the advantage of being able to control the etching degree and the etching depth by freely adjusting process variables such as plasma power, time, and gas flow rate. Most of the studies applied to the process have focused on increasing the nano-scale roughness, and an approach to improve the overall performance by introducing micro-scale structures to reduce catalyst utilization, membrane resistance, and mass transfer resistance has not yet been performed.

본 발명은 상술한 문제점을 해결할 수 있고, 기계적 강성 및 성능이 우수한 고품질의 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a high-quality polymer electrolyte membrane for a fuel cell that can solve the above-mentioned problems and has excellent mechanical rigidity and performance, a method for manufacturing the same, and a fuel cell including the same.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은, 2 μm 내지 12 μm의 깊이를 가지는 복수의 마이크로 홀을 포함한다.The polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention includes a plurality of microholes having a depth of 2 μm to 12 μm.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에서, 상기 마이크로 홀의 직경은 30 μm 내지 50 μm 인 것을 특징으로 한다.In the polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention, the diameter of the micro-holes is 30 μm to 50 μm.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에서, 상기 복수의 마이크로 홀 사이의 간격은 30 μm 내지 50 μm 인 것을 특징으로 한다.In the polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention, an interval between the plurality of microholes is 30 μm to 50 μm.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에서, 상기 고분자 전해질막은 바닥면; 및 상기 바닥면 상에 배치되는 마이크로 홀을 포함한다.In the polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention, the polymer electrolyte membrane includes a bottom surface; and a micro hole disposed on the bottom surface.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법은, 마이크로 홀을 포함하는 고분자 스텐실을 준비하는 단계; 및 상기 고분자 스텐실을 고분자 전해질막에 접촉시킨 후 플라즈마 식각하는 단계를 포함한다.A method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention includes: preparing a polymer stencil including microholes; and plasma etching the polymer stencil after contacting the polymer electrolyte membrane.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법에서, 상기 고분자 스텐실을 준비하는 단계에서는, 마이크로 필라 패턴을 포함하는 제1 고분자 몰드 및 평평한 제2 고분자 몰드 사이에 레진을 위치시킨 후 UV 조사하는 것을 특징으로 한다.In the method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention, in the step of preparing the polymer stencil, the resin is placed between the first polymer mold including the micro-pillar pattern and the flat second polymer mold, and then UV characterized by investigation.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법에서, 상기 제1 고분자 몰드 및 상기 제2 고분자 몰드는 PDMS (Polydimethylsiloxane)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention, the first polymer mold and the second polymer mold include polydimethylsiloxane (PDMS).

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법에서, 상기 레진은 PUA (Polyurethane acrylate)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention, the resin is characterized in that it contains PUA (Polyurethane acrylate).

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법에서, 상기 플라즈마 식각하는 단계에서는 챔버 내 공기를 10 sccm 내지 100 sccm의 유량으로 흘려주고, 1.0 x 10-1 torr 내지 1.0 x 10-3 torr의 압력을 유지하고, 50 W 내지 100 W에서 10 분 내지 180 분 동안 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention, in the plasma etching step, air in the chamber is flowed at a flow rate of 10 sccm to 100 sccm, and 1.0 x 10 -1 torr to 1.0 x 10 -3 Maintaining a pressure of torr, characterized in that the plasma treatment for 10 minutes to 180 minutes at 50 W to 100 W.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법에서, 상기 마이크로 홀의 직경은 30 μm 내지 50 μm 인 것을 특징으로 한다.In the method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention, the diameter of the micro-holes is 30 μm to 50 μm.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지는 상술한 고분자 전해질막을 포함한다.A fuel cell according to various embodiments of the present invention includes the polymer electrolyte membrane described above.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지는 상기 고분자 전해질막 상에 배치되는 촉매층을 더 포함하고, 상기 촉매층은 카본으로 지지되는 백금을 포함하는 것을 특징으로 한다.The fuel cell according to various embodiments of the present invention further includes a catalyst layer disposed on the polymer electrolyte membrane, wherein the catalyst layer includes platinum supported by carbon.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지 고분자 전해질막은 플라즈마 식각 공정을 통해 마이크로 홀을 가지며, 제조된 막을 사용해 제작된 막전극접합체는 기계적 강성이 크게 저하되지 않고 유지되면서도 전해질막의 얇아짐 효과에 의한 오믹 저항 감소 및 수소 이온 전도도 개선을 기대할 수 있다. 또한, 패터닝을 통한 고분자 전해질막과 촉매층 간의 계면 접촉 면적 증가 및 물질 전달 향상을 통해 기존의 막전극접합체보다 높은 성능을 확보할 수 있다.The fuel cell polymer electrolyte membrane according to various embodiments of the present invention has micro-holes through a plasma etching process, and the membrane electrode assembly manufactured using the manufactured membrane maintains mechanical rigidity without significantly lowering the ohmic effect due to the thinning effect of the electrolyte membrane. A reduction in resistance and improvement in hydrogen ion conductivity can be expected. In addition, it is possible to secure higher performance than the conventional membrane electrode assembly by increasing the interfacial contact area between the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer and improving mass transfer through patterning.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지 고분자 전해질막의 제조 방법은, 연속공정을 통한 대면적 제작에 용이하고 플라즈마 전력, 시간, 가스 유량 등의 공정 변수들을 자유롭게 조절하여 식각 정도 및 식각 깊이를 제어할 수 있다. 또한, 신재생에너지 전력 산업에서의 공정의 활용성 및 사업화 경쟁력이 높다.The method for manufacturing a fuel cell polymer electrolyte membrane according to various embodiments of the present invention is easy to fabricate a large area through a continuous process, and the degree of etching and the depth of etching can be controlled by freely adjusting process variables such as plasma power, time, and gas flow rate. can In addition, the process utilization and commercialization competitiveness in the renewable energy power industry are high.

본 발명을 통해 제조된 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체로 구성된 연료전지는 고가습 및 저가습의 다양한 환경에서 성능이 향상될 수 있다.A fuel cell composed of a membrane electrode assembly including a polymer electrolyte membrane manufactured through the present invention can have improved performance in various environments of high humidity and low humidity.

도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체의 모식도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅰ-Ⅰ'를 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 고분자 스텐실을 준비하는 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 플라즈마 식각 공정의 노출 시간에 따른 고분자 전해질막의 SEM 이미지들이다.
도 6은 실시예 및 비교예들의 고분자 전해질막의 인장테스트 결과이다.
도 7은 다양한 실시예에 따른 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체의 SEM 이미지들이다.
도 8은 다양한 실시예에 따른 막전극접합체의 분극(70 ℃, RH 100 %) 곡선이다.
도 9는 다양한 실시예에 따른 막전극접합체의 분극(50 ℃, RH 35 %) 곡선이다.
도 10은 다양한 실시예에 따른 막전극접합체의 전기화학적 임피던스 분광 결과이다.
도 11은 다양한 실시예에 따른 막전극접합체의 CV 곡선 및 LSV(linear sweep voltammograms) 곡선이다.
1 is a schematic diagram of a membrane electrode assembly including a fuel cell polymer electrolyte membrane according to various embodiments of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line I-I' in FIG. 1 .
3 is a schematic diagram for explaining the step of preparing a polymer stencil.
4 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a membrane electrode assembly including a fuel cell polymer electrolyte membrane according to various embodiments of the present invention.
5 is an SEM image of the polymer electrolyte membrane according to the exposure time of the plasma etching process.
6 is a tensile test result of polymer electrolyte membranes of Examples and Comparative Examples.
7 is an SEM image of a membrane electrode assembly including a polymer electrolyte membrane according to various embodiments.
8 is a polarization (70° C., RH 100%) curve of a membrane electrode assembly according to various embodiments.
9 is a polarization (50 ℃, RH 35%) curve of the membrane electrode assembly according to various embodiments.
10 is an electrochemical impedance spectroscopy result of a membrane electrode assembly according to various embodiments.
11 is a CV curve and a linear sweep voltammograms (LSV) curve of a membrane electrode assembly according to various embodiments.

본 연구는 한국전력공사의 2019년 선정 기초연구개발 과제 연구비에 의해 지원되었음(과제번호 : R19XO01-29)This study was supported by the 2019 basic research and development project grant from Korea Electric Power Corporation (Project No.: R19XO01-29)

본 발명은 플라즈마 식각 공정으로 제조된 마이크로 홀을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte membrane for a fuel cell including microholes manufactured by a plasma etching process, a manufacturing method thereof, and a fuel cell including the same.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막(100)은 2 μm 내지 12 μm의 깊이(D)를 가지는 복수의 마이크로 홀(H)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 고분자 전해질막(100)은 2 μm 내지 10 μm의 깊이(D)를 가지는 복수의 마이크로 홀(H)을 포함할 수 있다. 이러한 특정 깊이를 통해 막전극접합체(10)의 물질 전달 저항을 감소시킬 수 있고, 물질 전달 향상을 통해 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 1 and 2 , the polymer electrolyte membrane 100 for a fuel cell according to various embodiments of the present invention may include a plurality of microholes (H) having a depth (D) of 2 μm to 12 μm. . Preferably, the polymer electrolyte membrane 100 may include a plurality of micro holes (H) having a depth (D) of 2 μm to 10 μm. Through this specific depth, the mass transfer resistance of the membrane electrode assembly 10 can be reduced, and the performance of the fuel cell can be improved through improved mass transfer.

이때, 마이크로 홀(H)의 직경은 30 μm 내지 50 μm 일 수 있다. 또한, 복수의 마이크로 홀(H) 사이의 간격은 30 μm 내지 50 μm 일 수 있다.In this case, the diameter of the micro-holes H may be 30 μm to 50 μm. In addition, an interval between the plurality of micro-holes H may be 30 μm to 50 μm.

마이크로 홀(H)의 표면 거칠기 높이는 0.3 μm 내지 1.1μm일 수 있다. 또한, 마이크로 홀(H)의 표면 거칠기(Rrms)는 100 nm 내지 500 nm일 수 있다. 이러한 거칠기를 통해 고분자 전해질막(100)과 촉매층(120)사이의 계면 접촉 면적이 넓어져 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다. The height of the surface roughness of the micro-holes H may be 0.3 μm to 1.1 μm. In addition, the surface roughness (Rrms) of the micro-holes (H) may be 100 nm to 500 nm. Through such roughness, the interfacial contact area between the polymer electrolyte membrane 100 and the catalyst layer 120 is widened, so that the performance of the fuel cell can be improved.

고분자 전해질막(100)은 바닥면(110) 및 바닥면(110) 상에 배치되는 마이크로 홀(H)을 포함할 수 있다. 즉, 고분자 전해질막(100)은 서로 다른 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 고분자 전해질막(100)에서 마이크로 홀(H)이 배치되는 부분은 상대적으로 얇은 두께를 가질 수 있고, 마이크로 홀(H)이 배치되지 않는 부분은 상대적으로 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 즉, 상대적으로 두꺼운 부분을 통해 고분자 전해질막(100)의 기계적 안정성을 유지할 수 있고, 마이크로 홀(H)이 배치되는 상대적으로 얇은 두께를 가지는 부분을 통해 오믹 저항 감소 효과 및 개선된 수소 이온 전도도를 기대할 수 있다. The polymer electrolyte membrane 100 may include a bottom surface 110 and micro-holes H disposed on the bottom surface 110 . That is, the polymer electrolyte membrane 100 may be formed to have different thicknesses. A portion of the polymer electrolyte membrane 100 in which the micro-holes H is disposed may have a relatively thin thickness, and a portion in which the micro-holes H are not disposed may have a relatively thick thickness. That is, the mechanical stability of the polymer electrolyte membrane 100 can be maintained through a relatively thick portion, and an ohmic resistance reduction effect and improved hydrogen ion conductivity can be achieved through a portion having a relatively thin thickness in which the microholes H are disposed. can be expected

본 발명의 고분자 전해질막(100)은 마이크로 홀(H)을 통해 이 위에 형성되는 촉매층(120)과의 계면 접촉 면적이 넓어질 수 있고, 오믹 저항 감소 및 물질 전달 향상을 통해 전기 화학 반응이 효과적으로 발생할 수 있다. In the polymer electrolyte membrane 100 of the present invention, the interfacial contact area with the catalyst layer 120 formed thereon through the micro-holes H can be widened, and the electrochemical reaction can be effectively carried out by reducing ohmic resistance and improving mass transfer. can occur

본 발명의 연료전지는 상술한 고분자 전해질막(100)을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 연료전지는 상술한 고분자 전해질막(100)을 포함하는 막전극접합체(10)를 포함할 수 있다. 본 발명의 고분자 전해질막(100)을 포함하는 막전극접합체(10)로 구성된 연료전지는 고가습 및 저가습 다양한 환경에서 성능을 향상시키는데 효과적이다.The fuel cell of the present invention may include the polymer electrolyte membrane 100 described above. That is, the fuel cell of the present invention may include the membrane electrode assembly 10 including the polymer electrolyte membrane 100 described above. The fuel cell composed of the membrane electrode assembly 10 including the polymer electrolyte membrane 100 of the present invention is effective in improving performance in various environments with high humidity and low humidity.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법은, 마이크로 홀을 포함하는 고분자 스텐실을 준비하는 단계; 및 상기 고분자 스텐실을 고분자 전해질막에 접촉시킨 후 플라즈마 식각하는 단계를 포함할 수 있다.A method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell according to various embodiments of the present invention includes: preparing a polymer stencil including microholes; and plasma etching the polymer stencil after contacting the polymer electrolyte membrane.

도 3을 참고하면, 마이크로 홀을 포함하는 고분자 스텐실을 준비하는 단계에서는, 마이크로 필라 패턴(P)을 포함하는 제1 고분자 몰드(210) 및 평평한 제2 고분자 몰드(230) 사이에 레진(250)을 위치시킨 후 UV 조사할 수 있다. 이때, 제1 고분자 몰드(210) 및 상기 제2 고분자 몰드(230)는 PDMS (Polydimethylsiloxane)일 수 있다. 또한, 레진(250)은 PUA (Polyurethane acrylate)일 수 있다. 레진(250)은 광개시제, 아크릴레이트 작용기가 있는 프리폴리머 및 이형제로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 3 , in the step of preparing the polymer stencil including micro-holes, the resin 250 is placed between the first polymer mold 210 including the micro-pillar pattern P and the flat second polymer mold 230 . After positioning, UV irradiation can be performed. In this case, the first polymer mold 210 and the second polymer mold 230 may be polydimethylsiloxane (PDMS). In addition, the resin 250 may be PUA (Polyurethane acrylate). The resin 250 may be composed of a photoinitiator, a prepolymer having an acrylate functional group, and a release agent.

마이크로 필라 패턴(P)을 포함하는 제1 고분자 몰드(210) 상에 레진(250)을 위치시킨 후, 제2 고분자 몰드(230)로 덮고 20 W cm-2의 강도의 UV light를 조사할 수 있다. 이후, 경화된 PUA 고분자 스텐실(270)을 몰드로부터 분리하여 준비할 수 있다. 고분자 스텐실(270)은 마이크로 필라 패턴(P)에 의해 마이크로 홀(H1)을 포함할 수 있다. 마이크로 홀(H1)의 직경은 30 μm 내지 50 μm 일 수 있다. 또한, 복수의 마이크로 홀(H1) 사이의 간격은 30 μm 내지 50 μm 일 수 있다.After placing the resin 250 on the first polymer mold 210 including the micro-pillar pattern P, it is covered with the second polymer mold 230 and irradiated with UV light of 20 W cm -2 intensity. have. Thereafter, the cured PUA polymer stencil 270 may be separated from the mold and prepared. The polymer stencil 270 may include micro holes H1 by a micro pillar pattern P. The diameter of the micro hole H1 may be 30 μm to 50 μm. In addition, an interval between the plurality of micro-holes H1 may be 30 μm to 50 μm.

다음으로, 도 4를 참고하면, 에칭 마스크로 준비된 고분자 스텐실(270)을 고분자 전해질막(310)에 접촉시킨 후 플라즈마 식각을 진행할 수 있다. 즉, 고분자 스텐실(270)을 Nafion 멤브레인 등의 고분자 전해질막(310)에 컨포멀(conformal)하게 접촉시킨 후 플라즈마 처리할 수 있다. 한편, 플라즈마 식각 후 고분자 전해질막(100)을 용이하게 분리시킬 수 있도록, 고분자 스텐실(270)의 표면을 테프론(Teflon)으로 코팅할 수 있다.Next, referring to FIG. 4 , after the polymer stencil 270 prepared as an etching mask is brought into contact with the polymer electrolyte membrane 310 , plasma etching may be performed. That is, after the polymer stencil 270 is in conformal contact with the polymer electrolyte membrane 310 such as a Nafion membrane, plasma treatment may be performed. Meanwhile, the surface of the polymer stencil 270 may be coated with Teflon so that the polymer electrolyte membrane 100 can be easily separated after plasma etching.

이때, 챔버 내 공기를 10 sccm 내지 100 sccm의 유량으로 흘려주고, 1.0 x 10-1 torr 내지 1.0 x 10-3 torr의 압력을 유지하고, 50 W 내지 100 W에서 10 분 내지 180 분 동안 플라즈마 처리할 수 있다. 이때, 플라즈마 노출 시간을 조절함으로써, 고분자 전해질막(100)에 형성되는 마이크로 홀(H)의 깊이를 제어할 수 있다. 구체적으로, 마이크로 홀(H)이 2 μm 내지 12 μm의 깊이를 가지도록 플라즈마 식각 시간을 조절할 수 있다. At this time, the air in the chamber is flowed at a flow rate of 10 sccm to 100 sccm, maintaining a pressure of 1.0 x 10 -1 torr to 1.0 x 10 -3 torr, and plasma treatment at 50 W to 100 W for 10 to 180 minutes can do. At this time, by adjusting the plasma exposure time, it is possible to control the depth of the micro-holes (H) formed in the polymer electrolyte membrane (100). Specifically, the plasma etching time may be adjusted so that the micro-holes H have a depth of 2 μm to 12 μm.

고분자 스텐실(270)의 마이크로 홀(H1)과 접촉하는 고분자 전해질막(100)은 플라즈마에 노출되어 식각될 수 있고, 고분자 스텐실(270)의 마이크로 홀(H1)이 없는 부분과 접촉하는 고분자 전해질막(100)은 노출되지 않아 식각되지 않는다. The polymer electrolyte membrane 100 in contact with the micro-holes H1 of the polymer stencil 270 may be etched by exposure to plasma, and the polymer electrolyte membrane in contact with the portion without the micro-holes H1 of the polymer stencil 270 . (100) is not exposed and is not etched.

본 발명은 연속공정을 통한 대면적 전해질막 제작이 가능하다. 따라서, 신재생에너지 전력 산업에서의 공정의 활용성 및 사업화 경쟁력이 높다.According to the present invention, it is possible to manufacture a large-area electrolyte membrane through a continuous process. Therefore, the utilization and commercialization competitiveness of the process in the renewable energy power industry are high.

한편, 상기 방법으로 준비된 고분자 전해질막(100)에 촉매 잉크를 분사하여 막전극접합체(10)를 제조할 수 있다. 구체적으로, 카본으로 지지되는 백금(Pt/C) 촉매 용액을 스프레이 방식으로 도포할 수 있다. On the other hand, the membrane electrode assembly 10 can be manufactured by spraying the catalyst ink on the polymer electrolyte membrane 100 prepared by the above method. Specifically, a platinum (Pt/C) catalyst solution supported by carbon may be applied by a spray method.

이하, 본원의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것 일뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples of the present application, but the following examples are merely illustrative to aid the understanding of the present application, and the content of the present application is not limited to the following examples.

실시예 1: 고분자 스텐실의 제조 Example 1: Preparation of Polymer Stencil

홀 패턴이 있는 실리콘 마스터는 포토 리소그래피 및 깊은 반응성 이온 에칭으로 제작되었다. 실리콘 마스터의 표면은 용이한 탈형을 위해 C4F8 가스로 처리되었다. 마스터 준비 후, 경화제와 Sylgard 184 PDMS 엘라스토머 (Dupont, United States)의 염기 (1:10 w/w) 혼합물을 실리콘 마스터에 붓고 65 ℃에서 3 시간동안 경화했다. 실리콘 마스터의 표면 에너지는 C4F8 플라즈마 폴리머 코팅에 의해 감소 되었기 때문에 마이크로 필라 패턴이 있는 경화된 PDMS 몰드는 실리콘 마스터로부터 쉽게 탈형될 수 있다. Silicon masters with hole patterns were fabricated by photolithography and deep reactive ion etching. The surface of the silicon master was treated with C 4 F 8 gas for easy demolding. After master preparation, a mixture of a curing agent and a base (1:10 w/w) of Sylgard 184 PDMS elastomer (Dupont, United States) was poured into the silicone master and cured at 65° C. for 3 hours. Because the surface energy of the silicon master was reduced by the C 4 F 8 plasma polymer coating, the cured PDMS mold with the micro-pillar pattern can be easily demolded from the silicon master.

평평한 PDMS 몰드는 플랫 실리콘 마스터와 동일한 방식으로 준비되었다. 다음으로 광개시제, 아크릴레이트 작용기가 있는 프리폴리머 및 이형제로 구성된 UV 경화형 폴리우레탄 아크릴레이트 (polyurethane acrylate, PUA) 수지 (MINS PUA 311RM, Changsung Sheet, Korea)를 마이크로 필라 패턴이 있는 PDMS 몰드에 분주 한 후 부드러운 압력으로 평평한 PDMS 몰드로 덮었다. 샌드위치형 어셈블리는 약 2 분 동안 20 W cm-2의 강도의 UV light (SANKYO DENKI, F8T5BL, λ~352 nm) 하에서 경화되었다. 그 후, 평평한 PDMS 몰드를 폴리머 어셈블리에서 탈형한 다음 경화된 PUA 고분자 스텐실을 마이크로 PDMS 몰드에서 분리했다. 마지막으로, 고분자 스텐실은 홀의 가장자리에서 경화되지 않은 PUA 수지를 완전히 경화하기 위해 3 시간 동안 추가 UV light 하에 노출했다.A flat PDMS mold was prepared in the same way as a flat silicon master. Next, a UV-curable polyurethane acrylate (PUA) resin (MINS PUA 311RM, Changsung Sheet, Korea) composed of a photoinitiator, a prepolymer having an acrylate functional group, and a release agent is dispensed into a PDMS mold with a micro-pillar pattern and then soft Covered with a flat PDMS mold with pressure. The sandwich-type assembly was cured under UV light (SANKYO DENKI, F8T5BL, λ~352 nm) with an intensity of 20 W cm -2 for about 2 minutes. After that, the flat PDMS mold was demolded from the polymer assembly, and then the cured PUA polymer stencil was separated from the micro PDMS mold. Finally, the polymer stencil was exposed under additional UV light for 3 h to fully cure the uncured PUA resin at the edge of the hole.

실시예 2: 마이크로 홀을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막 제조Example 2: Preparation of a polymer electrolyte membrane for fuel cell containing micro holes

상기 실시예 1에 따라 에칭 마스크로 준비된 고분자 스텐실을 Nafion 멤브레인 211 (Dupont, United States, ~ 25μm 두께)의 표면에 부착했다. 에칭 마스크로 사용된 마이크로 홀 패턴의 고분자 스텐실은 Nafion 멤브레인에 컨 포멀(conformal)한 접촉을 가져야 하며 에칭 프로세스 후 멤브레인에서 쉽게 분리되어야 한다. 컨포멀한 접촉과 용이한 분리를 위해 폴리머 스텐실의 표면을 테프론(Teflon)으로 코팅했다. 테프론(Teflon) 용액 (Teflon AF 1600, Dupont, USA)을 고분자 스텐실의 표면에 전체 표면에 도포했다. 500 내지 1500 rpm의 회전 속도에서 가속 시간 10 초와 총 회전 시간 60 초로 스핀 코팅했다. 고분자 스텐실의 잔류 용매를 증발시키기 위해 65 ℃에서 1 시간에 걸쳐 건조되었다. 테프론 용매를 증발시킨 후 고분자 스텐실과 폴리이미드 필름을 유리 기판에 부착된 나피온 멤브레인 위에 순차적으로 놓았다. 샌드위치 레이어는 핸드 롤러를 사용하여 부드러운 압력을 가하여 컨포멀한 접촉 상태를 유지했다. 40 μm 의 직경을 가지는 마이크로 홀 패턴으로 에칭된 고분자 전해질막은 다음 플라즈마 공정을 통해 획득되었다. 플라즈마 챔버(Femto Science, Korea)는 진공 펌핑과 15 sccm의 유속으로 공기 가스를 공급하는 사이의 균형을 유지하여 3.0 × 10-1 torr의 압력을 유지했다. 이온, 전자 및 자유 라디칼로 구성된 공기 플라즈마는 50 W의 용량성 플라즈마 전력으로 생성되었다. 고분자 스텐실 마스크로 덮인 Nafion 211 멤브레인은 식각 시간에 따라 공기 플라즈마에 노출되었다. 멤브레인과 고분자 스텐실 사이의 완전한 접촉으로 인해 스텐실과 멤브레인 사이의 접촉면은 식각되지 않았고, 고분자 스텐실의 홀이 배치된 멤브레인의 노출된 영역은 선택적으로 식각되었다. 에칭 깊이는 플라즈마 노출 시간을 조정하여 제어되었다.A polymer stencil prepared as an etching mask according to Example 1 was attached to the surface of a Nafion membrane 211 (Dupont, United States, ~25 μm thick). The polymer stencil with the micro-hole pattern used as the etching mask should have conformal contact to the Nafion membrane and should be easily separated from the membrane after the etching process. The surface of the polymer stencil was coated with Teflon for conformal contact and easy separation. A Teflon solution (Teflon AF 1600, Dupont, USA) was applied over the entire surface of the polymer stencil. Spin coating was carried out at a rotation speed of 500 to 1500 rpm with an acceleration time of 10 seconds and a total rotation time of 60 seconds. The polymer stencil was dried at 65 °C for 1 h to evaporate the residual solvent. After evaporating the Teflon solvent, a polymer stencil and a polyimide film were sequentially placed on a Nafion membrane attached to a glass substrate. The sandwich layer was maintained in conformal contact by applying gentle pressure using a hand roller. A polymer electrolyte membrane etched with a micro-hole pattern having a diameter of 40 μm was obtained through the following plasma process. A plasma chamber (Femto Science, Korea) maintained a pressure of 3.0 × 10 −1 torr by maintaining a balance between vacuum pumping and supply of air gas at a flow rate of 15 sccm. An air plasma composed of ions, electrons and free radicals was generated with a capacitive plasma power of 50 W. The Nafion 211 membrane covered with a polymer stencil mask was exposed to air plasma according to the etching time. Due to the complete contact between the membrane and the polymer stencil, the contact surface between the stencil and the membrane was not etched, and the exposed areas of the membrane where the holes of the polymer stencil were placed were selectively etched. The etch depth was controlled by adjusting the plasma exposure time.

실시예 3: 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)의 제조Example 3: Preparation of a membrane electrode assembly (MEA)

상기 실시예 2에서 제조한 마이크로 홀을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막 상에 양극 및 음극 전극을 형성하였다. 양극 및 음극 전극은 Pt/C 촉매 용액을 스프레이 방식으로 도포하여 제조하였다. 구체적으로, Pt/C 촉매 (Johnson Matthey Co., United Kingdom, Pt: 40 wt %)와 5 wt % Nafion ionomer (Sigma-Aldrich, United States, 밀도: 0.874 g/ml-1) 용액을 균일하게 혼합하여 Pt/C 촉매 용액을 제조하였다. (Nafion + Pt/C) 건조 혼합물의 총 중량에 대한 Nafion의 중량 백분율인 Nafion 이오노머 로딩 비율은 23 중량%로 설정되었다. 탈이온수와 이소프로필 알코올 (Sigma-Aldrich, United Kingdom)을 첨가하여 촉매 잉크의 점도를 조절하고 초음파로 균일하게 혼합했다. 그 후, 촉매 잉크를 Nafion 211 막 표면에 직접 스프레이 방식으로 도포하여 약 0.2 mg cm-2의 동일한 Pt 로딩으로 양극 및 음극 전극을 구성했다. Nafion 멤브레인이 대기 환경에서 수분을 쉽게 흡수하고 계량 과정에서 오류가 발생할 수 있기 때문에 Pt 로딩을 확인하였다. 이를 위해, Pt/C 촉매 용액을 PET 필름 (WPt = W(Pt + PET)-WPET)에 분사하기 전과 후의 중량 차이를 측정했다. 이러한 MEA는 주변 온도에서 12 시간 이상 건조되었다.Anode and cathode electrodes were formed on the polymer electrolyte membrane for fuel cells including the microholes prepared in Example 2 above. Anode and cathode electrodes were prepared by spraying a Pt/C catalyst solution. Specifically, a solution of Pt/C catalyst (Johnson Matthey Co., United Kingdom, Pt: 40 wt %) and 5 wt % Nafion ionomer (Sigma-Aldrich, United States, density: 0.874 g/ml -1 ) was uniformly mixed. to prepare a Pt/C catalyst solution. (Nafion + Pt/C) The Nafion ionomer loading ratio, which is the weight percentage of Nafion relative to the total weight of the dry mixture, was set to 23% by weight. The viscosity of the catalyst ink was adjusted by addition of deionized water and isopropyl alcohol (Sigma-Aldrich, United Kingdom) and uniformly mixed by ultrasonic waves. Then, the catalyst ink was directly sprayed onto the Nafion 211 membrane surface to construct anode and cathode electrodes with the same Pt loading of about 0.2 mg cm −2 . Pt loading was confirmed because the Nafion membrane readily absorbs moisture from the atmospheric environment and can cause errors in the weighing process. To this end, the difference in weight before and after spraying the Pt/C catalyst solution onto the PET film (W Pt = W (Pt + PET) -W PET ) was measured. These MEAs were dried at ambient temperature for over 12 hours.

실험예 1: 플라즈마 식각 공정의 노출 시간에 따른 식각 깊이 확인Experimental Example 1: Confirmation of etching depth according to exposure time of plasma etching process

고분자 스텐실을 플라즈마 에칭 마스크로 사용하여 Nafion 211 멤브레인을 깊이가 다른 홀 어레이 패턴을 가지도록 선택적으로 에칭했다. 도 5는 해당 SEM 이미지들이다. 식각 깊이를 제어하기 위해 플라즈마 식각 시간만 조정하고 플라즈마 전력, 가스 유량 및 챔버 압력을 포함한 다른 공정 조건은 동일하게 유지했다. 이 과정에서 플라즈마 에칭은 전해질막의 표면 구성 성분을 변경한다. Nafion 멤브레인을 장시간 고출력 플라즈마로 처리하면 특히 원소 황(S) 함량이 감소하여 표면의 이온 전도도가 감소할 수 있다. 그러나, 원소 황(S)이 전해질막의 표피층에서 대부분 사라지기 때문에 벌크 막 특성에 큰 영향을 미치지는 않는다. 패턴화된 멤브레인의 식각된 영역은 전체 멤브레인 표면의 약 20 %에 불과했으며, 이는 표면 양성자 전도도의 손실을 완화할 수 있다. 또한, 패턴화된 영역에서 두께가 얇아지므로 이를 통해 감소된 오믹 저항은 양성자 전도도의 손실을 막아준다. 실험을 통해 Nafion 멤브레인과 PUA 311 스텐실의 식각 깊이가 플라즈마 조사 시간에 선형적으로 비례하고 식각 속도는 각각 약 4 및 1 μm h-1임을 확인했다. 비교를 위해 에칭 깊이가 4, 8 및 12 μm (PM4, PM8 및 PM12)인 3 개의 고분자 전해질막이 준비되었다. 도 5의 (a) 내지 (d)의 세번째 행을 참고하면, 에칭 깊이가 깊어짐에 따라 표면 거칠기가 증가했으며, 이는 확대된 단면 SEM 이미지에서 관찰되었다. 에칭 시간이 증가함에 따라 증가 된 표면 거칠기를 정량적으로 조사하기 위해, 원자 힘 현미경 (AFM) 측정을 통해 pristine Nafion 멤브레인과 PM4, PM8 및 PM12에 대한 지형 이미지와 1D 표면 프로파일을 얻었다. AFM 스캔 영역은 각 멤브레인에 대해 비접촉 모드로 15 μm × 15 μm로 평가되었다. 측정된 거칠기 높이는 PM4, PM8 및 PM12에 대해 각각 약 0.3, 0.7 및 1.1μm였다. 또한 Rrms (root mean square of roughness)는 PM4, PM8, PM12 각각에 대해 각각 101, 173 및 466 nm를 나타냈다. 전해질막 표면에 대한 플라즈마 노출 시간이 길수록 식각 깊이와 거칠기가 커지는 것으로 확인되었다.Using a polymer stencil as a plasma etching mask, Nafion 211 membranes were selectively etched to have hole array patterns with different depths. 5 is the corresponding SEM images. To control the etch depth, only the plasma etch time was adjusted, and other process conditions including plasma power, gas flow rate and chamber pressure were kept the same. In this process, plasma etching changes the surface composition of the electrolyte membrane. Treatment of Nafion membranes with high-power plasma for a long period of time may reduce the ionic conductivity of the surface, especially due to a decrease in elemental sulfur (S) content. However, since elemental sulfur (S) mostly disappears from the skin layer of the electrolyte membrane, it does not significantly affect the bulk membrane properties. The etched area of the patterned membrane was only about 20% of the total membrane surface, which can mitigate the loss of surface proton conductivity. In addition, since the thickness of the patterned region is reduced, the reduced ohmic resistance prevents loss of proton conductivity. Through experiments, it was confirmed that the etching depth of the Nafion membrane and the PUA 311 stencil was linearly proportional to the plasma irradiation time, and the etching rate was approximately 4 and 1 μm h −1 , respectively. For comparison, three polymer electrolyte membranes with etching depths of 4, 8 and 12 μm (PM4, PM8 and PM12) were prepared. Referring to the third row of FIG. 5 (a) to (d), the surface roughness increased as the etching depth increased, which was observed in the enlarged cross-sectional SEM image. To quantitatively investigate the increased surface roughness with increasing etching time, topographic images and 1D surface profiles were obtained for the pristine Nafion membrane and PM4, PM8 and PM12 via atomic force microscopy (AFM) measurements. The AFM scan area was evaluated as 15 μm × 15 μm in non-contact mode for each membrane. The measured roughness heights were about 0.3, 0.7 and 1.1 μm for PM4, PM8 and PM12, respectively. Also, the root mean square of roughness (Rrms) showed 101, 173 and 466 nm for PM4, PM8, and PM12, respectively. It was confirmed that the longer the plasma exposure time on the electrolyte membrane surface, the greater the etching depth and roughness.

실험예 2: 인장 테스트 결과Experimental Example 2: Tensile test results

본 발명의 실시예 2에 따른 고분자 전해질막(Palsma etched membrane w/pattern)의 기계적 안정성을 조사하기 위해 상용 Nafion 211 멤브레인(Conventional Nafion membrane 211), 에칭 마스크인 고분자 스텐실 없이 전면이 플라즈마 식각된 멤브레인(Plasma etched membrane w/o pattern)을 사용하여 인장 테스트를 수행했다. 고분자 스텐실 없이 플라즈마 식각한 멤브레인은 고분자 스텐실을 이용하여 패턴된 전해질막의 평균 식각 깊이만큼 식각하였다. 테스트된 모든 샘플 크기는 1 × 2 cm2로 고정되었고, 각 샘플에 10 mm min-1의 일정한 변형률을 적용했다. 도 6과 같이 각 샘플의 변형 응력 곡선에서 고분자 스텐실 없이 플라즈마 식각한 멤브레인(전체 영역 에칭)은 두께가 23 μm로 감소했으며 인장 응력 ~ 15.3 MPa, 파단 연신율 ~ 1.28, 영률 ~ 153.1 MPa를 나타냈다. 이 값은 상용 Nafion 211 멤브레인의 값(인장 응력 19.8MPa, 파단 연신율 2.49, 영률 248.9MPa) 보다 작다. 이 결과는 플라즈마 에칭의 표면 거칠기가 표면 파괴 시작 및 전파를 유발할 수 있다는 것을 보여준다. 식각 깊이가 8 μm 인 마이크로 홀 패턴을 가지는 부분적으로 식각된 고분자 전해질막은 평균 두께가 23.4μm (홀 패턴의 면적 비율을 기준으로 약 20 %) 인 것으로 간주되었으며 25μm 두께의 상용 Nafion 211 멤브레인(인장 응력 19.8MPa, 파단 연신율 2.49, 영률 248.9MPa)과 비슷한 수치를 나타냈다. 이는 고분자 스텐실과 접촉된 부분은 에칭되지 않은 표면을 가지게 되고 이를 통해 막의 충분한 기계적 안정성을 제공하기 때문이다. 즉, 이러한 결과를 통해 연료전지용 고분자 전해질막에서 기계적 안정성을 유지하기 위해 플라즈마 식각 공정 시, 표면 영역 전체를 에칭하는 대신 적절한 에칭 마스크로 수행되는 것이 필요함을 알 수 있다.In order to investigate the mechanical stability of the polymer electrolyte membrane (Palsma etched membrane w/pattern) according to Example 2 of the present invention, a commercial Nafion 211 membrane (Conventional Nafion membrane 211), a membrane etched with plasma without a polymer stencil as an etching mask ( A tensile test was performed using a plasma etched membrane w/o pattern). The plasma-etched membrane without the polymer stencil was etched by the average etching depth of the patterned electrolyte membrane using the polymer stencil. All sample sizes tested were fixed at 1 × 2 cm 2 , and a constant strain of 10 mm min −1 was applied to each sample. As shown in Fig. 6, in the strain stress curve of each sample, the plasma-etched membrane (full area etched) without a polymer stencil decreased to 23 μm in thickness and exhibited a tensile stress of ~ 15.3 MPa, an elongation at break of ~ 1.28, and a Young's modulus of ~ 153.1 MPa. This value is smaller than that of the commercial Nafion 211 membrane (tensile stress 19.8 MPa, elongation at break 2.49, Young's modulus 248.9 MPa). These results show that the surface roughness of plasma etching can cause the initiation and propagation of surface destruction. A partially etched polyelectrolyte membrane with a micro-hole pattern with an etch depth of 8 µm was considered to have an average thickness of 23.4 µm (about 20% based on the area ratio of the hole pattern), and a 25 µm-thick commercial Nafion 211 membrane (tensile stress 19.8 MPa, elongation at break 2.49, Young's modulus 248.9 MPa). This is because the portion in contact with the polymer stencil has an unetched surface, thereby providing sufficient mechanical stability of the film. That is, from these results, it can be seen that in order to maintain mechanical stability in the polymer electrolyte membrane for fuel cells, it is necessary to perform the plasma etching process with an appropriate etching mask instead of etching the entire surface area.

실험예 3: 전기 화학적 성능 평가 결과Experimental Example 3: Electrochemical performance evaluation result

전기 화학적 성능 평가를 위한 MEA를 구축하기 위해 양극과 음극 모두에 동일한 양의 촉매 (0.2 mgPt cm- 2)를 유지하면서 촉매 잉크를 상용화된 멤브레인 및 실시예 2에 따른 멤브레인에 직접 분사했다. 도 7 (a)는 prinstine Nafion 211 멤브레인을 포함하는 상용화된 MEA의 cathode의 SEM 이미지이고, (b)는 ~4 μm의 식각 깊이를 갖는 플라즈마 에칭된 멤브레인을 포함하는 MEA의 cathode의 SEM이미지이고,(PE4-MEA) (c)는 ~8 μm의 식각 깊이를 갖는 플라즈마 에칭된 멤브레인을 포함하는 MEA의 cathode의 SEM이미지이고,(PE8-MEA) (d)는 ~ 12 μm의 식각 깊이를 갖는 플라즈마 에칭된 멤브레인을 포함하는 MEA의 cathode의 SEM이미지이다.(PE12-MEA).To establish the MEA for electrochemical performance evaluation, the catalyst ink was directly sprayed onto the commercialized membrane and the membrane according to Example 2 while maintaining the same amount of catalyst ( 0.2 mgPt cm −2 ) on both the anode and the cathode. 7 (a) is a SEM image of the cathode of a commercially available MEA including a prinstine Nafion 211 membrane, (b) is a SEM image of the cathode of an MEA including a plasma-etched membrane having an etch depth of ~4 μm, (PE4-MEA) (c) is an SEM image of the cathode of the MEA including a plasma-etched membrane with an etch depth of ~8 μm, (PE8-MEA) (d) is a plasma with an etch depth of ~12 μm SEM image of the cathode of the MEA including the etched membrane (PE12-MEA).

촉매층은 계면에서 균열없이 멤브레인상의 미세 패턴의 형태와 함께 균일하게 분포되었으며 약 10μm의 두께를 가졌다. 각각의 MEA는 가스 확산층 (GDL, JNTG-30-A3, Korea)과 단일셀에서 채널(channel) 폭과 리브(rib) 폭이 1mm 인 serpentine 채널이 있는 바이폴라(bipolar) 플레이트로 어셈블리되었으며, 완전히 가습되고 거의 건조한 작동 조건에서 성능을 측정하였다. The catalyst layer was uniformly distributed with the form of micro-patterns on the membrane without cracks at the interface and had a thickness of about 10 μm. Each MEA was assembled as a bipolar plate with a gas diffusion layer (GDL, JNTG-30-A3, Korea) and a serpentine channel with a channel width and a rib width of 1 mm in a single cell, fully humidified. and performance was measured under almost dry operating conditions.

도 8의 (a) 및 (b)는 완전히 가습된 H2/O2 및 H2/공기 조건에서 70 ℃에서 상용화된 MEA, PE4-MEA, PE8-MEA 및 PE12-MEA의 분극 곡선을 보여준다. 마이크로 홀 패턴이 있는 모든 MEA (PE4-MEA, PE8-MEA 및 PE12-MEA)는, H2/O2 및 H2/공기 조건에서 각각 1.380 W cm-2 및 0.754 W cm- 2 의 최대 전력 밀도를 나타내는 상용화된 MEA에 비해 더 높은 성능을 나타냈다.8 (a) and (b) show the polarization curves of MEA, PE4-MEA, PE8-MEA, and PE12-MEA compatibilized at 70° C. in fully humidified H 2 /O 2 and H 2 /air conditions. All MEAs with micro-hole patterns (PE4-MEA, PE8-MEA and PE12-MEA) have a maximum power density of 1.380 W cm -2 and 0.754 W cm -2 in H 2 /O 2 and H 2 /air conditions, respectively. showed higher performance compared to the commercially available MEA showing

특히 PE8-MEA는 H2/O2 및 H2/공기 조건에서 각각 1.541 W cm-2 및 0.876 W cm- 2 의 가장 높은 최대 전력 밀도를 나타냈다. 이는 높은 성능을 얻기 위한 최적의 패턴 형상이 있음을 의미한다. 앞서 실험예 1에서 언급했듯이 에칭 시간이 길어질수록 표면 거칠기와 에칭 깊이가 증가했다. PE12-MEA의 멤브레인은 표면 거칠기가 더 높았고, PE12-MEA의 촉매층의 형태는 PE4-MEA 및 PE8-MEA보다 벽면이 더 가파른 것으로 나타났다. 또한 PE12-MEA는 촉매층과 GDL 사이에 훨씬 더 깊은 공극 공간을 가졌고, 이는 유입되는 반응물과 배출되는 물의 경로가 길어지므로 물질 전달 저항이 높아져 질량 수송에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 기하학적 특징을 관찰한 결과 PE8-MEA의 멤브레인의 적절한 거칠기, 홀의 깊이 및 촉매층의 원뿔형 표면이 고성능 PEMFC를 달성하는 데 유리한 것으로 확인되었다. In particular, PE8 - MEA exhibited the highest maximum power density of 1.541 W cm -2 and 0.876 W cm -2 in H 2 /O 2 and H 2 /air conditions, respectively. This means that there is an optimal pattern shape to obtain high performance. As mentioned in Experimental Example 1 above, the surface roughness and the etching depth increased as the etching time increased. The membrane of PE12-MEA had a higher surface roughness, and the morphology of the catalyst layer of PE12-MEA had a steeper wall than that of PE4-MEA and PE8-MEA. In addition, PE12-MEA had a much deeper void space between the catalyst layer and the GDL, which could have a negative impact on mass transport due to the increased mass transfer resistance as the path of the incoming reactants and the outgoing water was long. As a result of observing these geometrical features, it was confirmed that the appropriate roughness of the membrane of PE8-MEA, the depth of the hole, and the conical surface of the catalyst layer were advantageous to achieve high performance PEMFC.

한편, 상용화된 MEA, PE4-MEA, PE8-MEA 및 PE12-MEA의 질량 전달 정도를 비교하기 위해 다음 방정식을 사용하여 산소 이득 (ΔV)을 계산했다.Meanwhile, to compare the mass transfer degree of commercially available MEA, PE4-MEA, PE8-MEA and PE12-MEA, the oxygen gain (ΔV) was calculated using the following equation.

ΔV = V (H2/O2) V (H2/air) Δ V = V (H2/O2) V (H2/air)

도 8의 (c)를 참고하면, PE8-MEA는 MEA 중 가장 낮은 산소 이득 값을 보였으며 전류 밀도가 증가함에 따라 차이가 증가했다. 이는 PE8-MEA가 질량 수송(water management)을 개선하기 위한 최적의 전극 구조를 가졌음을 의미한다. 한편, 상용화된 MEA의 산소 획득 값에 비해 PE4-MEA는 약간 감소한 값을 보였고 PE12-MEA는 비슷한 값을 나타냈다. 이 결과는 얕은 깊이를 가진 PE4-MEA는 물질 전달 능력 향상에 크게 기여할 수 없으며, 깊은 깊이를 가진 PE12-MEA는 공극 공간에 의한 물 관리 개선 및 수송 경로 증가는 상충 관계에 있기 때문에 물질 전달을 향상시키는 데 효과적이지 않을 수 있다.Referring to FIG. 8(c), PE8-MEA showed the lowest oxygen gain value among MEAs, and the difference increased as the current density increased. This means that PE8-MEA had an optimal electrode structure to improve mass transport (water management). On the other hand, compared to the oxygen gain value of the commercialized MEA, PE4-MEA showed a slightly decreased value and PE12-MEA showed a similar value. These results show that PE4-MEA with shallow depth cannot significantly contribute to the improvement of mass transfer ability, whereas PE12-MEA with deep depth improves mass transfer because improved water management by pore space and increased transport route are in a trade-off. may not be effective in doing so.

PE8-MEA의 향상된 질량 수송 능력은 원래의 분극 곡선을 iR-free 피팅으로 수정하여 추가로 확인할 수 있다. iR-free 전압 (V iRfree)은 측정된 셀의 전압 (V cell)과 오믹 손실 전압 (iRohmic)을 합하여 계산된다. 오믹 손실 전압 (iRohmic)은 주어진 전류 밀도(i)와 고주파 저항값 (Rohmic)을 곱하여 계산된다.The enhanced mass transport ability of PE8-MEA can be further confirmed by modifying the original polarization curve with iR-free fitting. The iR-free voltage ( V iRfree ) is calculated by adding the measured cell voltage ( V cell ) and the ohmic loss voltage ( iR ohmic ). The ohmic loss voltage (iR ohmic ) is calculated by multiplying the given current density (i) by the high frequency resistance value (R ohmic ).

V iRfree = V cell + iRohmic V iRfree = V cell + iR ohmic

도 8의 (d)는 각 MEA에 대한 iR-free 분극 곡선이다. 모든 MEA의 성능은 전류 밀도 1.2 A cm-2 미만에서 유사하였고, 1.2 A cm-2 이상의 영역에서는 성능 차이가 눈에 띄었으며, 전류 밀도가 증가함에 따라 차이가 점차 증가했다. 특히, PE8-MEA는 향상된 질량 수송과 감소된 오믹 저항 효과로 최고의 성능을 보여주었다. Fig. 8(d) is an iR-free polarization curve for each MEA. The performance of all MEAs was similar at the current density less than 1.2 A cm -2 , and the performance difference was noticeable in the region above 1.2 A cm -2 , and the difference gradually increased as the current density increased. In particular, PE8-MEA showed the best performance with improved mass transport and reduced ohmic resistance effect.

한편, 도 9를 참고하면, 저온/습도(50 ℃, RH 35 %) 조건에서 각 MEA에 대한 추가 분극 곡선을 확인하였다. 낮은 RH 조건에서도 PE-MEA는 성능이 향상되었다. 특히 PE8-MEA는 0.607 W cm-2의 최대 전력 밀도를 보여 상용화된 MEA(0.498 W cm-2)에 비해 21.9 % 증가했다. 이는 식각된 막의 국부적으로 얇아진 부분에서 생성된 물의 역 확산 촉진, 촉매층 내의 향상된 물질 전달 및 오믹 손실 감소의 결합된 효과로 인해 달성된 것이다. Meanwhile, referring to FIG. 9 , additional polarization curves for each MEA were confirmed under low temperature/humidity (50° C., RH 35%) conditions. Even at low RH conditions, PE-MEA improved its performance. In particular, PE8-MEA showed a maximum power density of 0.607 W cm -2 , which increased by 21.9% compared to the commercialized MEA (0.498 W cm -2 ). This is achieved due to the combined effects of promoting reverse diffusion of water generated in the locally thinned portion of the etched film, enhanced mass transfer within the catalyst layer, and reduced ohmic loss.

MEA의 성능에 대한 실시예에 따른 고분자 전해질막의 효과를 추가로 조사하기 위해 EIS, CV 및 LSV 측정을 포함한 전기 화학적 측정이 추가로 수행되었다. 도 10의 (a) 및 (b)는 해당 등가 회로 (도 10의 (c))를 기반으로 한 맞춤 곡선(실선)과 함께 테스트된 MEA의 EIS 스펙트럼 (표시된 점)을 보여 주며 작동 조건은 분극 측정과 동일했다. 도 10의 (a)를 참고하면, 완전 가습 조건의 경우 상용화된 MEA, PE4-MEA, PE8-MEA 및 PE12-MEA의 오믹 저항은 각각 0.0514, 0.0484, 0.0475 및 0.0465 Ω cm2였다. 모든 PE-MEA는 산화극에서 환원극으로 가는 수소 이온 전도 길이가 단축되어 오믹 저항이 감소(양성자 전도도 증가) 했으며, 상용화된 MEA (0.1977 Ω cm2)에 비해 전하 전달 저항이 감소했다. 특히 PE8-MEA (0.1029 Ω cm2)의 전하 전달 저항은 상용화된 MEA에 비해 48 % 감소했는데, 이는 전기 화학 반응이 가장 효과적으로 발생하고, 가장 많은 수의 활성 사이트가 존재하는 촉매층과 멤브레인 사이의 계면 면적이 넓어졌기 때문이다. 또한 PE8-MEA는 약 0.0847 Ω cm2의 가장 낮은 Warburg 임피던스 (질량 수송 저항)를 보였으며, 이 값은 상용화된 MEA (0.1485 Ω cm2)에 비해 43 % 감소한 값이다. 이는 기하학적 패터닝 효과로 인한 향상된 전하 전달 및 질량 전달이 주로 성능 향상에 기여함을 나타낸다. 한편, PE12-MEA의 전하 이동 저항은 PE12-MEA가 가장 높은 계면 면적을 가지고 있음에도 불구하고 PE8-MEA에 비해 약간 증가했다. 이는 극도로 얇아진 에칭 영역으로 인해 PE12-MEA의 수소 교차 증가가 음극 측의 전하 전달 역학에 악영향을 미쳤기 때문일 수 있다.Electrochemical measurements including EIS, CV and LSV measurements were additionally performed to further investigate the effect of the polymer electrolyte membrane according to the examples on the performance of the MEA. Fig. 10(a) and (b) show the EIS spectrum (marked dot) of the tested MEA with a fitted curve (solid line) based on the corresponding equivalent circuit (Fig. 10(c)), and the operating condition is the polarization measurements were the same. Referring to (a) of FIG. 10 , the ohmic resistances of commercially available MEA, PE4-MEA, PE8-MEA and PE12-MEA were 0.0514, 0.0484, 0.0475 and 0.0465 Ω cm 2 , respectively, in the case of complete humidification. All PE-MEAs had reduced ohmic resistance (increased proton conductivity) due to a shortened hydrogen ion conduction length from the anode to the cathode, and decreased charge transfer resistance compared to commercially available MEAs (0.1977 Ω cm 2 ). In particular, the charge transfer resistance of PE8-MEA (0.1029 Ω cm 2 ) was reduced by 48% compared to the commercialized MEA, which is the most effective electrochemical reaction and the interface between the catalyst layer and the membrane with the largest number of active sites. This is because the area has been enlarged. In addition, PE8-MEA showed the lowest Warburg impedance (mass transport resistance) of about 0.0847 Ω cm 2 , which is a 43% decrease compared to the commercialized MEA (0.1485 Ω cm 2 ). This indicates that the enhanced charge transfer and mass transfer due to the geometric patterning effect mainly contribute to the performance improvement. On the other hand, the charge transfer resistance of PE12-MEA slightly increased compared to PE8-MEA, although PE12-MEA had the highest interfacial area. This may be because the increased hydrogen crossover of PE12-MEA due to the extremely thin etched region adversely affected the charge transfer kinetics on the cathode side.

도 10의 (b)를 참고하면, 낮은 RH 조건(RH 35 %)에서 PE8-MEA 의 오믹 및 전하 전달 저항은 각각 0.1069 및 0.1550 Ω cm2로써, 상용화된 MEA (0.1280 및 0.2409 Ω cm2)에 비해 훨씬 감소했다. 이러한 결과를 통해 낮은 RH 조건에서 막 수화(hydration) 및 물질 수송을 모두 개선하는 플라즈마 식각의 효과를 확인했다. Referring to FIG. 10 (b), the ohmic and charge transfer resistance of PE8-MEA under low RH conditions (RH 35%) are 0.1069 and 0.1550 Ω cm 2 , respectively, in commercially available MEA (0.1280 and 0.2409 Ω cm 2 ). significantly decreased compared to Through these results, the effect of plasma etching to improve both film hydration and material transport under low RH conditions was confirmed.

테스트된 MEA의 EIS 피팅 값(EIS fitted values)과 주요 매개 변수는 하기 표 1에 요약되어 있다.The EIS fitted values and key parameters of the tested MEA are summarized in Table 1 below.

[표 1][Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

도 11의 (a) 및 (b)는 H2 가스와 애노드 전극을 기준(카운터) 전극으로 하고, N2 가스와 캐소드 전극을 작업 전극으로 사용하여 25 ℃의 작동 온도에서 각 MEA에 대한 CV 및 LSV 곡선을 보여준다. 11 ( a ) and (b) show CV and Show the LSV curve.

도 11의 (a)를 참고하면, 상용화된 MEA, PE4-MEA, PE8-MEA 및 PE12-MEA의 ECSA는 약 69.48, 70.49, 75.30 및 72.53 m2 g-1로 계산되었다. 이는 평면 멤브레인을 사용하는 상용화된 MEA와 비교했을 때, PE-MEAs의 3 상 계면(기체 상, 전자 전도상, 이온 전도상의 계면)은 마이크로/나노 구조를 가진 멤브레인으로 인해 멤브레인과 촉매층 사이의 계면 접촉 면적이 확대됨에 따라 증가했다. 플라즈마 식각 공정은 전체 면적이 아닌 선택적으로 수행되었기 때문에 증가된 ECSA 값이 크지 않다는 점은 주목할 가치가 있다. Referring to Figure 11 (a), the ECSA of commercialized MEA, PE4-MEA, PE8-MEA and PE12-MEA was calculated to be about 69.48, 70.49, 75.30 and 72.53 m 2 g -1 . Compared with the commercially available MEA using a planar membrane, the three-phase interface of PE-MEAs (interface of gas phase, electron-conducting phase, ion-conducting phase) is the interface contact between the membrane and the catalyst layer due to the micro/nano structure of the membrane. increased as the area was enlarged. It is worth noting that the increased ECSA value is not large because the plasma etching process was performed selectively rather than the entire area.

도 11의 (b)는 MEA 안정성을 평가하는 중요한 지표인 수소 교차(hydrogen crossover)를 파악하기 위한 각 MEA의 LSV 곡선을 보여준다. 0.4 V에서 수소 교차 전류 밀도는 상용화된 MEA, PE4-MEA, PE8-MEA 및 PE12-MEA에 대해 각각 2.677, 2.591, 2.350 및 3.409 mA cm-2였다. 흥미롭게도 PE4-MEA와 PE8-MEA는 더 얇은 멤브레인으로 구성되었지만 상용화된 MEA보다 누설 전류 밀도가 낮았다. 이러한 결과는 멤브레인 표면 강화와 같은 플라즈마 처리의 효과와 멤브레인과 전극 사이의 계면에서 접착 에너지의 향상 때문인 것으로 보인다. 한편, PE12-MEA는 모든 샘플 중에서 가장 높은 수소 교차 전류 밀도를 나타냈다. 이는 플라즈마 처리 효과에도 불구하고 멤브레인 두께의 약 절반에 해당하는 깊은 식각 깊이가 실험예 2에서 확인한 기계적 안정성의 감소뿐만 아니라 수소 교차의 증가를 유발할 수 있음을 시사한다.Figure 11 (b) shows the LSV curve of each MEA for identifying the hydrogen crossover (hydrogen crossover), which is an important indicator for evaluating MEA stability. The hydrogen crossover current densities at 0.4 V were 2.677, 2.591, 2.350 and 3.409 mA cm −2 for the commercially available MEA, PE4-MEA, PE8-MEA and PE12-MEA, respectively. Interestingly, PE4-MEA and PE8-MEA consisted of thinner membranes, but had lower leakage current densities than commercial MEAs. These results appear to be due to the effect of plasma treatment such as strengthening the membrane surface and the enhancement of the adhesion energy at the interface between the membrane and the electrode. On the other hand, PE12-MEA showed the highest hydrogen crossover current density among all samples. This suggests that, despite the plasma treatment effect, a deep etch depth corresponding to about half of the membrane thickness may cause an increase in hydrogen crossover as well as a decrease in mechanical stability confirmed in Experimental Example 2.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. Features, structures, effects, etc. described in the above embodiments are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to one embodiment. Furthermore, features, structures, effects, etc. illustrated in each embodiment can be combined or modified for other embodiments by those of ordinary skill in the art to which the embodiments belong. Accordingly, the contents related to such combinations and modifications should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In addition, although the embodiments have been described above, these are merely examples and do not limit the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains are exemplified above in a range that does not depart from the essential characteristics of the present embodiment. It can be seen that various modifications and applications that have not been made are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments may be implemented by modification. And differences related to such modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention defined in the appended claims.

Claims (12)

2 μm 내지 12 μm의 깊이를 가지는 복수의 마이크로 홀을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막.A polymer electrolyte membrane for a fuel cell comprising a plurality of microholes having a depth of 2 μm to 12 μm. 제1항에 있어서,
상기 마이크로 홀의 직경은 30 μm 내지 50 μm 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
According to claim 1,
Polymer electrolyte membrane for fuel cell, characterized in that the diameter of the micro-hole is 30 μm to 50 μm.
제1항에 있어서,
상기 복수의 마이크로 홀 사이의 간격은 30 μm 내지 50 μm 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막.
According to claim 1,
An interval between the plurality of micro-holes is a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that 30 μm to 50 μm.
제1항에 있어서,
상기 고분자 전해질막은 바닥면; 및 상기 바닥면 상에 배치되는 마이크로 홀을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막.
According to claim 1,
The polymer electrolyte membrane has a bottom surface; and a micro-hole disposed on the bottom surface of the polymer electrolyte membrane for a fuel cell.
마이크로 홀을 포함하는 고분자 스텐실을 준비하는 단계; 및
상기 고분자 스텐실을 고분자 전해질막에 접촉시킨 후 플라즈마 식각하는 단계를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법.
Preparing a polymer stencil containing micro-holes; and
A method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the step of plasma-etching the polymer stencil in contact with the polymer electrolyte membrane.
제5항에 있어서,
상기 고분자 스텐실을 준비하는 단계에서는,
마이크로 필라 패턴을 포함하는 제1 고분자 몰드 및 평평한 제2 고분자 몰드 사이에 레진을 위치시킨 후 UV 조사하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
In the step of preparing the polymer stencil,
A method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that the resin is placed between the first polymer mold including the micro-pillar pattern and the second flat polymer mold and then irradiated with UV.
제5항에 있어서,
상기 제1 고분자 몰드 및 상기 제2 고분자 몰드는 PDMS (Polydimethylsiloxane)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, wherein the first polymer mold and the second polymer mold include polydimethylsiloxane (PDMS).
제5항에 있어서,
상기 레진은 PUA (Polyurethane acrylate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The resin is a method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that it contains PUA (Polyurethane acrylate).
제5항에 있어서,
상기 플라즈마 식각하는 단계에서는 챔버 내 공기를 10 sccm 내지 100 sccm의 유량으로 흘려주고, 1.0 x 10-1 torr 내지 1.0 x 10-3 torr의 압력을 유지하고, 50 W 내지 100 W에서 10 분 내지 180 분 동안 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
In the plasma etching step, air in the chamber is flowed at a flow rate of 10 sccm to 100 sccm, a pressure of 1.0 x 10 -1 torr to 1.0 x 10 -3 torr is maintained, and 50 W to 100 W for 10 minutes to 180 A method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that plasma treatment is performed for a minute.
제5항에 있어서,
상기 마이크로 홀의 직경은 30 μm 내지 50 μm 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The method of manufacturing a polymer electrolyte membrane for a fuel cell, characterized in that the diameter of the micro-hole is 30 μm to 50 μm.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4. 제11항에 있어서,
상기 고분자 전해질막 상에 배치되는 촉매층을 더 포함하고,
상기 촉매층은 카본으로 지지되는 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
12. The method of claim 11,
Further comprising a catalyst layer disposed on the polymer electrolyte membrane,
The catalyst layer is a fuel cell, characterized in that it comprises platinum supported by carbon.
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