KR20230034006A - 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체 및 제조방법 - Google Patents
다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체 및 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230034006A KR20230034006A KR1020210117078A KR20210117078A KR20230034006A KR 20230034006 A KR20230034006 A KR 20230034006A KR 1020210117078 A KR1020210117078 A KR 1020210117078A KR 20210117078 A KR20210117078 A KR 20210117078A KR 20230034006 A KR20230034006 A KR 20230034006A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- ionomo
- layer
- electrode
- electrolyte membrane
- equivalent weight
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 70
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 229920000554 ionomer Polymers 0.000 title abstract description 8
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 title 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 53
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 25
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000002516 radical scavenger Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims abstract description 10
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 10
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 7
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims 1
- 230000009477 glass transition Effects 0.000 abstract description 6
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 5
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L hydroxy(oxo)manganese;manganese Chemical compound [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 2
- 238000006277 sulfonation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 229910006069 SO3H Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000007756 gravure coating Methods 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/8668—Binders
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
- H01M4/8814—Temporary supports, e.g. decal
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
- H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
- H01M8/1067—Polymeric electrolyte materials characterised by their physical properties, e.g. porosity, ionic conductivity or thickness
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
본 발명은 다중의 바인더(이오노머)가 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해질막 표면에 유리전이온도(Tg)의 차이가 있는 다중의 불소계 슬폰화 이오노모를 도포한 기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체 및 제조방법에 관한 것이다. 이를 위해, 900 ~ 1,200 당량중량의 이오노모, 또는 700 ~ 900 당량중량과 900 ~ 1,200 당량중량 사이의 이종당량중량의 이오노모에, 라디칼 스케빈저, 유기용매를 포함하는 도포액을 준비하는 단계(S100); 전사공정으로 전극막을 제조할 때, 전사 직전 위치에서 전해질막(20)에 도포액을 분사하는 단계(S120); 가압롤러(80)에 의해 제 1 보호필름(40), 제 1 전극층(50), 전해질막(20), 제 2 전극층(60), 제 2 보호필름(70)이 전사되는 단계(S140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체의 제조방법이 제공된다.
Description
본 발명은 다중의 바인더(이오노머)가 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해질막 표면에 유리전이온도(Tg)의 차이가 있는 다중의 불소계 슬폰화 이오노모를 도포한 기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체 및 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 수소 등의 연료와 산소 등의 공기를 이용하여 전기화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생산하는 장치로, 전기를 생성하기 위한 양극, 음극 및 전해질과 여기에 연료와 공기를 공급하고, 전력을 수집할 수 있도록 하는 구조를 포함하는 기본적인 에너지 생산 단위인 전극막 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)와 이를 분리하기 위한 분리판으로 이루어지는 구조를 연료전지 단위셀이라고 한다.
한편, 현재 연료전지에 사용되는 전해질막들은 단일종류의 불소계 슬폰화이오노모로 이루어져 있다. 데칼(Decal)방식의 MEA(Membrane electrode assembly) 제조 시 전극전사가 가능한 공정조건(온도 및 압력)이 전해질막 이오노모의 유리전이온도(Glass Transition Temperature, Tg) 조건에 기인한다. 따라서 단일 불소계 슬폰화 이오노모로는 MEA제조 시 공정조건이 유리전이온도(Tg) 조건에 한정되어야 하는 문제점이 있었다.
일반적으로 당량중량이 낮은 이오노모를 사용하는 것이 당량중량이 큰 이오노모를 사용하는 것에 비해서 전해질막 성능이 좋다. 그러나, MEA제조시 당량중량이 낮은 이오노모가 당량중량이 높은 이오노모 보다 유리전이온도(Tg)가 높아서 전극막 전사 및 제조공정시 고온 및 고압에서 전사를 해야 하는 문제가 있었다.
그리고, 고온/고압으로 전극을 전해질막에 전사 시 전극 및 전해질막의 이오노모에 슬폰화(-SO3H)들이 떨어져 나가거나 경화되어 성능 및 내구성이 감소되는 문제가 있으며, 고온/고압 전사에 의해 MEA에 기공이 작아져서 고습도 분위기에서 MEA의 Flooding이 발생하는 문제도 있었다. 아울러, 라디칼 스케빈저(억제제)나 TEOS(테트라에틸오소실리케이트)등의 기타 첨가제들이 전극이나 전해질막에 첨가되어 있는 경우 전기화학반응에서 저항체로 작용해서 라디칼 스케빈저와 TEOS등의 기타 첨가제들의 함량에 따라 저항이 증가되어 연료전지 성능이 감소되는 문제도 있었다.
기존의 MEA의 전극과 전해질막 사이에 계면접합력을 향상시키기 위해서 이종의 이오노모 후막을 데칼방식으로 전사하는 방식은 이미 일정 온도 이상의 건조 및 열처리가 되어 그 효과를 극대화하는데 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 전해질막을 제조 시 필요에 따라 막표면에 유리전이온도(Tg)의 차이가 있는 다중의 불소계 슬폰화 이오노모를 도포하여 낮은 온도에서도 전극이 전해질막에 전사가 용이하고 이에 따른 계면 접합력 향상을 통한 물리적 내구성을 향상시키며, 막표면에 도포되는 이오노모용액에 라디칼 스케빈저(세륨산화물등)를 첨가하여 산소라디칼에 대한 연료전지의 화학적 내구성을 향상시키며, TEOS 및 당량중량이 다른 다중의 이오노모용액을 사용하여 연료 전지의 저가습 및 무가습영역에서도 연료전지의 성능을 효과적으로 용이하게 향상시킬 수 있는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체 및 제조방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 수소연료전지용 전극막 접합체에 있어서, 전해질막(20); 전해질막(20)의 일면에 형성되는 제 1 이오노모층(10); 제 1 이오노모층(10) 상에 형성되는 제 1 전극층(50); 및 제 1 전극층(50) 상에 형성되는 제 1 보호필름(40);을 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체가 제공된다.
또한, 전해질막(20)의 타면에 형성되는 제 2 이오노모층(30); 제 2 이오노모층(30) 상에 형성되는 제 2 전극층(60); 및 제 2 전극층(60) 상에 형성되는 제 2 보호필름(70);을 더 포함할 수 있다.
또한, 전해질막(20)은 700 ~ 900 당량중량이다.
또한, 제 1 이오노모층(10) 및 상기 제 2 이오노모층(30) 중 적어도 하나는, 라디칼 스케빈저 및 TEOS를 더 포함한다.
또한, 제 1 이오노모층(10) 및 제 2 이오노모층(30) 중 적어도 하나는 900 ~ 1,200 당량중량이다.
또한, 제 1 이오노모층(10) 및 제 2 이오노모층(30)은 700 ~ 900 당량중량과 900 ~1,200 당량중량을 이종으로 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 제 1 이오노모층(10) 및 제 2 이오노모층(30) 중 적어도 하나는 유기용매를 더 포함함으로써, 전해질막(20)에 도포되어 형성된다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 또 다른 카테고리로써, 전술한 전극막 접합체를 제조하는 제조방법에 있어서, 700 ~ 900 당량중량과 900 ~ 1,200 당량중량의 이오노모, 라디칼 스케빈저, TEOS, 유기용매를 포함하는 도포액을 준비하는 단계(S100); 전사공정으로 전극막을 제조할 때, 전사 직전 위치에서 전해질막(20)에 도포액을 분사하는 단계(S120); 가압롤러(80)에 의해 제 1 보호필름(40), 제 1 전극층(50), 전해질막(20), 제 2 전극층(60), 제 2 보호필름(70)이 전사되는 단계(S140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체의 제조방법에 의해서도 달성될 수 있다.
또한, 분사단계(S120)에서, 전해질막(20)의 일면과 타면에 각각 도포액이 분사된다.
또한, 전사단계(S140)에서, 도포액은 건조되지 않은 상태로 전사될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 낮은 온도에서도 전극이 전해질막에 전사가 용이하고 이에 따른 계면 접합력 향상을 통한 물리적 내구성을 향상과 MEA 기공도 증가에 따른 MEA의 Flooding 문제를 개선시킬 수 있다.
또한, 산소라디칼에 대한 연료전지의 화학적 내구성을 향상시키며, TEOS와 당량중량이 다른 다중의 이오노모용액을 사용하여 연료 전지의 저가습 및 무가습영역에서도 연료전지의 성능을 효과적으로 용이하게 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 전극막 접합체를 제조하기 위한 전사공정,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체의 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 전극막 접합체를 제조하기 위한 전사공정,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
실시예의 구성
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전해질막(20)은 700 ~ 900 당량중량(저 당량중량)의 전해질막이다. 이러한 전해질막(20)은 제 1, 2 이오노모층(10, 30)에 비해 상대적으로 낮은 당량중량(EW)을 갖는다.
제 1 이오노모층(10)은 전해질막(20)의 상면에 형성된다. 제 1 이오노모층(10)은 전해질막(20) 보다 당량중량이 높으며 900 ~ 1,200 당량중량(고 다량중량)과 700 ~ 900 당량중량과 900 ~ 1,200 당량중량 사이에 이종 당량중량(전해질막 대비 고 다량중량)이 될 수 있다. 예를 들어, 제 1 이오노모층(10)은 불소계 슬폰화 이오노모로, 당량중량이 900meq/g ~ 1,200meq/g 이하의 범위를 가지는 이오노모이다. 일반적인 사용영역 및 저습도 구간에서는 당량중량이 낮은 이오노모를 바인더로 사용하는 것이 좋으며, 고습도에서 연료전지를 사용하는 경우에는 당량중량이 큰 이오노모가 MEA의 Flooding 현상 개선으로 인해 상대적으로 좋은 성능을 보이게 된다. 또한, 물리적 내구성에 영향을 주는 전극 내 접합력 및 전극과 전해질막의 계면접합력에서는 당량중량이 큰 이노노모가 당량중량이 낮은 이오노모에 비해 좋은 성능을 나타낼 수 있다.
제 1 이오노모층(10)에는 라디칼 스케빈저(예 : 세륨산화물)와 TEOS가 포함되며, 스프레이 분사시에는 슬러리 분산에 사용되는 유기용매가 포함된다. 유기용매는 에탄올, 프로판올 또는 증류수를 용매로 사용하며 분산기를 사용하여 고형분의 30 wt% 이하가 되도록 한다.
라디칼 스케빈저는 산소 라디칼에 대한 화학적 내구성을 향상시키기 위하여 사용된다. 라디칼 스케빈저는 전해질 이오노모의 100 중량부에 대해서 5 이상 40 이하의 중량부를 가지도록 포함되는 것일 수 있다. 라디칼 스케빈저가 이오노모 중량부 대비 5% 미만 포함되는 경우 절대적인 양이 부족하여 화학적 내구성의 향상을 기대하기 어렵고, 40%를 초과하는 경우에는 전극 내에서 라디칼 스케빈저가 저항으로 작용하여 전체 저항이 커지므로 발전 성능이 저하되는 문제를 초래할 수 있기 때문이다.
라디칼 스케빈저의 일예로는 세륨산화물, 지르코늄산화물, 망간산화물, 알루미늄산화물, 비나듐 산화믈 또는 이들 산화물의 조합으로 이루어지는 화합물 중 하나 또는 2종 이상 혼합된 것일 수 있다. 예를 들어 세륨산화물로 CeZrO4일 수 있다. 라디칼 스케빈저가 50nm를 초과하게 되면 반응면적이 줄어들어 억제제로의 효과가 미미해지게 된다.
TEOS는 흡습성(hygroscopic) 무기물질로 저가습 및 무가습 영역에서도 연료전지의 성능을 향상시키도록 한다. TEOS는 전해질 이오노모의 100 중량부에 대해서 5 이상 40 이하의 중량부를 가지도록 포함되는 것일 수 있다. 이오노모 중량부 대비 5% 미만이 포함되는 경우 절대적인 양이 적어서, 무가습 및 저가습 상황에 대한 성능 개선이 미미하게 되며, 40%를 초과하는 경우에는 전극 내에 TEOS가 저항으로 작용하게 되어, 전체 저항이 커지면서 발전 성능이 저하될 수 있다.
제 2 이오노모층(30)은 전해질막(20)의 하면에 형성된다. 제 2 이오노모층(30)은 전해질막(20) 보다 당량중량이 높으며 900~ 1,200 당량중량(고 다량중량)과 700 ~ 900 당량중량과 900 ~ 1,200 당량중량 사이에 이종 당량중량(전해질막 대비 고 다량중량)이 될 수 있다. 제 2 이오노모층(30)에는 라디칼 스케빈저와 TEOS가 포함되며, 스프레이 분사시에는 슬러리 분산에 사용되는 유기용매가 포함된다. 제 1, 2 이오노모층(10, 30)은 동일 성분으로 구성할 수 있다.
제 1 전극층(50)은 제 1 이오노모층(10)의 상면에 형성된다. 제 1 전극층(50)은 양극(공기극, 산소극, 캐소드, 환원전극, Cathode)이 될 수 있다.
제 2 전극층(60)은 제 2 이오노모층(30)의 하면에 형성된다. 제 2 전극층(60)은 음극(수소극, 연료극, 애노드, 산화전극, Anode)이 될 수 있다.
제 1 보호필름층(40)은 제 1 전극층(50)의 상면에 형성된다.
제 2 보호필름층(70)은 제 2 전극층(60)의 하면에 형성된다.
도 2는 도 1에 도시된 전극막 접합체를 제조하기 위한 전사공정의 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 한쌍의 가압롤러(80) 사이로 전해질막(20), 제 1, 2 전극층(50, 60), 제 1, 2 보호필름층(40, 70)이 함께 전사된다.
이를 위해 전해질막롤(24), 제 1, 2 보호필름롤(42, 72), 제 1, 2 전극롤(52, 62)이 전방에 구비되며, 이형지(90, 92, 94, 96)를 권취하기 위한 제 1, 2, 3, 4 롤(54, 64, 44, 74)이 배치된다.
제 1 노즐(100)은 가압롤러(80) 상류 중 전해질막(20)과 제 1 전극층(50) 사이에 구비되며, 이오노모, 라디칼 스케빈저, TEOS 및 유기용매가 혼합된 도포액을 분사한다. 제 1 노즐(100)은 전해질막(20)의 상면을 향해 분사할 수도 있고, 제 1 전극층(50)을 향해 분사할 수도 있다.
제 2 노즐(110)은 가압롤러(80) 상류 중 전해질막(20)과 제 2 전극층(60) 사이에 구비되며, 도포액을 분사한다. 제 2 노즐(110)은 전해질막(20)의 저면을 향해 분사할 수도 있고, 제 2 전극층(60)을 향해 분사할 수도 있다.
도포액의 스프레이 분사를 위해 도포액이 저장된 탱크, 가압펌프, 압력조절 레귤레이터, 밸브, 스위치 등이 구비된다.
전사공정을 통해 완성된 전극막 접합체는 접합체롤(26)에 권취된다.
실시예의 동작
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 동작을 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체의 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 먼저, 900 ~ 1,200 당량중량(고 당량중량)의 이오노모, 또는 700 ~ 900 당량중량과 900 ~1,200 당량중량사이에 이종당량중량을 포함하는 이오노모에 라디칼 스케빈저, TEOS, 유기용매를 포함하는 도포액을 준비한다(S100).
그 다음, 도 2와 같은 전사공정으로 전극막을 제조할 때, 전사 직전 위치에서 제 1, 2 노즐(100, 110)이 전해질막(20)의 양면에 도포액을 분사한다(S120).
그 다음, 가압롤러(80)에 의해 제 1 보호필름(40), 제 1 전극층(50), 전해질막(20), 제 2 전극층(60), 제 2 보호필름(70)이 전사된다(S140). 이때, 도포액은 건조되지 않은 상태로 전사된다. 이로 인해, 전사 중 낮은 온도와 낮은 압력에서도 공정성이 향상되며, MEA 계면에 접착력을 향상 및 기공도 증가되어, 이로 인해 고성능 및 고내구성을 실현할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 스프레이 분사에 의한 이오노모층의 형성을 도시하고 설명하였다. 그러나, 극소량의 코팅이 가능한 그라비아 코팅방식 등으로 이오노모층을 형성할 수도 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
10 : 제 1 이오노모층,
20 : 전해질막,
24 : 전해질롤,
26 : 접합체롤,
30 : 제 2 이오노모층,
40 : 제 1 보호필름,
42 : 제 1 보호필름롤,
44 : 제 3 롤,
50 : 제 1 전극층,
52 : 제 1 전극롤,
54 : 제 1 롤,
60 : 제 2 전극층,
62 : 제 2 전극롤,
64 : 제 2 롤,
70 : 제 2 보호필름,
72 : 제 2 보호필름롤,
74 : 제 4 롤,
80 : 가압롤러,
90, 92, 94, 96 : 이형지,
100 : 제 1 노즐,
110 : 제 2 노즐.
20 : 전해질막,
24 : 전해질롤,
26 : 접합체롤,
30 : 제 2 이오노모층,
40 : 제 1 보호필름,
42 : 제 1 보호필름롤,
44 : 제 3 롤,
50 : 제 1 전극층,
52 : 제 1 전극롤,
54 : 제 1 롤,
60 : 제 2 전극층,
62 : 제 2 전극롤,
64 : 제 2 롤,
70 : 제 2 보호필름,
72 : 제 2 보호필름롤,
74 : 제 4 롤,
80 : 가압롤러,
90, 92, 94, 96 : 이형지,
100 : 제 1 노즐,
110 : 제 2 노즐.
Claims (10)
- 수소연료전지용 전극막 접합체에 있어서,
전해질막(20);
상기 전해질막(20)의 일면에 형성되는 제 1 이오노모층(10);
상기 제 1 이오노모층(10) 상에 형성되는 제 1 전극층(50); 및
상기 제 1 전극층(50) 상에 형성되는 제 1 보호필름(40);을 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체. - 제 1 항에 있어서,
상기 전해질막(20)의 타면에 형성되는 제 2 이오노모층(30);
상기 제 2 이오노모층(30) 상에 형성되는 제 2 전극층(60); 및
상기 제 2 전극층(60) 상에 형성되는 제 2 보호필름(70);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체. - 제 1 항에 있어서,
상기 전해질막(20)은 700 ~ 900 당량중량인 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체. - 제 2 항에 있어서,
제 1 이오노모층(10) 및 상기 제 2 이오노모층(30) 중 적어도 하나는,
라디칼 스케빈저 및 TEOS를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 이오노모층(10) 및 상기 제 2 이오노모층(30) 중 적어도 하나는 900 ~ 1,200 당량중량인 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 이오노모층(10) 및 상기 제 2 이오노모층(30) 중 적어도 하나는 700 ~ 900 당량중량과 900 ~ 1,200 당량중량 사이의 이종당량중량인 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체. - 제 4 항에 있어서,
제 1 이오노모층(10) 및 상기 제 2 이오노모층(30) 중 적어도 하나는 유기용매를 더 포함함으로써,
상기 전해질막(20)에 도포되어 형성되는 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 전극막 접합체를 제조하는 제조방법에 있어서,
900 ~ 1,200 당량중량의 이오노모 또는 700 ~ 900 당량중량과 900 ~ 1,200 당량중량 사이의 이종당량중량의 이오노모에, 라디칼 스케빈저, 유기용매를 포함하는 도포액을 준비하는 단계(S100);
전사공정으로 상기 전극막을 제조할 때, 전사 직전 위치에서 전해질막(20)에 상기 도포액을 분사하는 단계(S120);
가압롤러(80)에 의해 제 1 보호필름(40), 제 1 전극층(50), 전해질막(20), 제 2 전극층(60), 제 2 보호필름(70)이 전사되는 단계(S140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체의 제조방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 분사단계(S120)에서,
상기 전해질막(20)의 일면과 타면에 각각 상기 도포액이 분사되는 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체의 제조방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 전사단계(S140)에서, 상기 도포액은 건조되지 않은 상태로 전사되는 것을 특징으로 하는 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210117078A KR20230034006A (ko) | 2021-09-02 | 2021-09-02 | 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체 및 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210117078A KR20230034006A (ko) | 2021-09-02 | 2021-09-02 | 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체 및 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230034006A true KR20230034006A (ko) | 2023-03-09 |
Family
ID=85511426
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210117078A KR20230034006A (ko) | 2021-09-02 | 2021-09-02 | 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체 및 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230034006A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180137817A (ko) | 2017-06-19 | 2018-12-28 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 전극막 접합체 및 이의 제조방법 |
-
2021
- 2021-09-02 KR KR1020210117078A patent/KR20230034006A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180137817A (ko) | 2017-06-19 | 2018-12-28 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 전극막 접합체 및 이의 제조방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10854904B2 (en) | Polymer electrolyte membrane, a method for fabricating the same, and a membrane-electrode assembly including the same | |
| EP2277217B1 (en) | Polymer coating of pem fuel cell catalyst layers | |
| JP4144686B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池の製造方法 | |
| KR101754122B1 (ko) | 수전해용 강화 복합막 및 이를 포함하는 수전해용 막전극 접합체 | |
| KR20110120185A (ko) | 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법 | |
| CN101874322B (zh) | 复合型电解质膜、膜电极组件、燃料电池及用于制造它们的方法 | |
| EP2127008B1 (en) | Method of making durable polymer electrolyte membranes | |
| JP2005228755A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
| EP1825549A2 (en) | Fuel cell component storage or shipment | |
| CN104134812B (zh) | 一种纤维网增强的聚合物电解质膜及其制备方法 | |
| EP2517289B1 (en) | Membrane electrode assemblies including mixed carbon particles | |
| KR20230034006A (ko) | 다기능성 이오노모층이 적용된 수소연료전지용 전극막 접합체 및 제조방법 | |
| CN114204089B (zh) | 一种质子交换复合膜及其连续化制备方法 | |
| CN101733012B (zh) | 一种微孔膜复合、多层含氟交联掺杂离子膜 | |
| JP2009187803A (ja) | 膜電極複合体および燃料電池 | |
| KR102097507B1 (ko) | 고분자 전해질 연료전지용 수소이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스 내장 전극 및 이를 포함하는 막-전극 접합체 | |
| JP5885007B2 (ja) | 燃料電池用電極シートの製造方法 | |
| KR20160084182A (ko) | 연료 전지용 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR101112693B1 (ko) | 연료전지용 막전극 접합체 및 이의 제조방법 | |
| CN102019147B (zh) | 一种质子交换膜及其制备方法和应用 | |
| US20210376362A1 (en) | Fuel Cell Including a Durability Enhancing Layer and Method of Manufacturing the Same | |
| CN101733014B (zh) | 一种纤维复合,多层全氟交联掺杂离子膜 | |
| CN101733013B (zh) | 一种掺杂物理键合交联多层全氟离子交换膜 | |
| KR20210014904A (ko) | 전해질막용 이형지 및 이의 제조방법 | |
| JP5174128B2 (ja) | ガス拡散層、燃料電池用電極及び燃料電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal |