KR101867138B1

KR101867138B1 - 연료 전지 막 전극 조립체 제조 공정

Info

Publication number: KR101867138B1
Application number: KR1020157013199A
Authority: KR
Inventors: 제시 엠. 마즐로; 윌리암 제이. 바조렉
Original assignee: 아우디 아게
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2018-06-12
Also published as: EP2911787A1; KR20150075106A; CN105050717A; JP6043436B2; JP2015533448A; US20150266028A1; WO2014065807A1; EP2911787A4; EP2911787B1

Abstract

촉매 잉크를 프로세싱하는 예시적인 방법이 촉매 잉크를 초음파 처리하는 단계를 포함한다. 예시적인 방법은 촉매 잉크를 큰 전단으로 혼합하는 단계를 포함한다.

Description

연료 전지 막 전극 조립체 제조 공정{FUEL CELL MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FABRICATION PROCESS}

본 개시 내용의 청구 대상은 일반적으로 연료 전지에 관한 것이다. 보다 특히, 본 개시 내용의 청구 대상은 연료 전지에서 이용하기 위한 막 전극 조립체를 제조하기 위한 공정에 관한 것이다.

연료 전지는 전기를 생산하는데 있어서 유용하다. 연료 전지 구성요소는 수소 및 산소와 같은 반응물들 사이의 전기화학적 반응을 촉진한다. 전형적으로, 연료 전지는 막 전극 조립체를 포함하고, 그러한 막 전극 조립체에서 전기화학적 반응이 일어난다. 막 전극 조립체는, 전형적으로, 애노드(anode) 전극과 캐소드 전극 사이의 막을 포함한다.

일부 연료 전지 기구는, 막 상으로 촉매 용액을 침착하는 것(depositing)에 의해서 구축된 막 전극 조립체를 포함한다. 침착된 촉매 재료의 층은 막의 양 측면 상에 전극을 구축한다. 그러나, 이러한 접근 방식은, 희망하는 성능 특성을 가지는 막 전극 조립체를 경제적으로 획득하는 것을 방해하는 여러 가지 난제를 제시한다.

촉매 잉크를 프로세싱하는 예시적인 방법은 촉매 잉크를 초음파 처리하는 단계(ultrasonicating)를 포함한다. 예시적인 방법은 촉매 잉크를 큰 전단으로 혼합하는 단계(high shear mixing)를 포함한다.

막 전극 조립체를 제조하는 다른 예시적인 방법은 촉매 잉크를 초음파 처리하는 단계를 포함한다. 이러한 예시적인 방법은 촉매 잉크를 큰 전단으로 혼합하는 단계를 포함한다. 초음파 처리 단계 및 큰 전단 혼합 단계 이후에, 촉매 잉크가 막으로 침착되어 막 상에 촉매 층을 구축한다.

이하의 구체적인 설명으로부터, 개시된 예시적 실시예의 여러 가지 특징 및 장점이 당업자에게 자명해질 것이다. 구체적인 설명을 수반하는 첨부 도면은, 이하와 같이 간략하게 설명될 수 있다.

도 1은 선택적인 막 전극 조립체 제조 단계와 함께 예시적인 촉매 잉크 프로세싱 기술을 요약한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선택적인 막 전극 조립체 제조와 함께 촉매 잉크를 프로세싱하는데 있어서 유용한 기구를 개략적으로 도시한다.

막 전극 조립체는 막, 및 막의 적어도 하나의 측면 상의 적어도 하나의 전극 층을 포함한다. 전극 층은 촉매 잉크를 막 상으로 침착하는 것에 의해서 구축된다. 결과적인 조립체가, 넓은 범위의 동작 조건에서 유용한 성능 특성을 제공하고 비교적 낮은 가격의 금속 적재(loading)에서도 그러한 성능 특성을 달성하도록, 촉매 잉크가 처리된다.

도 1은 예시적인 접근 방식을 요약하는 흐름도(20)를 포함한다. 이러한 예는, '22'에서, 촉매 잉크를 초음파 처리하는 것을 포함한다. 예시적인 촉매 잉크는 촉매 상(phase), 이오노머(ionomer) 상, 및 버퍼 또는 용매를 포함한다. 촉매 잉크를 초음파 처리하는 것은 응집체(agglomerate) 입자 크기를 희망 범위로 파괴하는 것에 의해서 입자 크기를 감소시킨다. 하나의 예가, 응집체 입자 크기가 1 미크론 미만이 될 때까지, 초음파 처리를 이용하는 것을 포함한다.

큰 전단 혼합이 '24'에서 이용된다. 큰 전단 혼합은, 촉매 입자 위에 희망하는 양의 이오노머 코팅을 구축한다. 이어서, 촉매 잉크가 다양한 이용을 위해서 준비된다.

도 1의 예는 '26'에서 선택적인 단계를 포함하고, 그러한 선택적인 단계에서 프로세싱된 촉매 잉크가 기판 상으로 침착되어 전극 층을 구축한다.

도 2는 도 1의 흐름도(20)에서 요약된 공정을 실행하기 위한 기구를 개략적으로 도시한다. 이러한 예에서, 초음파 처리는, 촉매 잉크(32)를 포함하는 병(30)을 초음파 욕조(bath)(34) 내로 배치하는 것이 의해서 달성된다. 이러한 예에서, 초음파 욕조(34)는 물과 같은 액체(36)로 충진된다. '38'로 개략적으로 도시된 초음파 진동은, 병(30) 내의 촉매 잉크(32)를 초음파 처리하는 것 또는 초음파적으로 혼합하는 것을 위해서 이용된다. 하나의 예는 1 시간 내지 5 시간의 시간 기간 동안 촉매 잉크를 초음파 처리하는 것을 포함한다. 이는 촉매 입자 크기를 희망 크기 범위로 파괴한다.

큰 전단 혼합은, 동심적인 실린더(42 및 44)를 포함하는 큰 전단 혼합 장치(40)에 의해서 도 2의 예에서 달성된다. '46'에 개략적으로 도시된 바와 같은 실린더들 사이의 상대적인 회전은 혼합 중에 큰 전단력을 인가한다. 큰 전단 혼합은 촉매 잉크 내의 촉매 입자 위로 이오노머를 분포시킨다. 일부 예에서, 몇 분의 큰 전단 혼합만이 요구된다. 일부 예는 10분 미만의 큰 전단 혼합을 포함한다.

도 2는 프로세싱된 촉매 잉크의 선택적인 또는 가능한 이용을 포함한다. 이러한 예는 연료 전지 구성요소와 같은 물품을 제조하기 위한 침착 기술을 '26'에서 포함한다. 분무기(50)와 같은 침착 장치가 '52'에서 개략적으로 도시된 촉매 잉크를 침착시켜, 기판(56) 상에 층(54)을 구축한다. 하나의 예에서, 기판(56)이 막, 가스 확산 층, 및 연료 전지 막 전극 조립체로서 유용한, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetraflouroethylene)과 같은, 데칼(decal)을 포함한다.

도시된 공정의 초음파 처리 부분은 큰 전단 혼합에 앞서서 실행된다. 액체를 초음파 처리하기에 앞서서 큰 전단 혼합을 실행할 수 있다. 초음파 처리가 먼저 실행될 때, 큰 전단 혼합 중에 발생되는 이오노머 코팅에 앞서서, 입자 크기 파괴를 제공한다. 촉매 잉크를 초음파 처리하는 것 및 큰 전단 혼합하는 것의 조합은 희망하는 성질을 가지는 촉매 잉크를 초래한다. 예를 들어, 개시된 기술은, 우수한 성능의 막 전극 조립체를 만드는데 있어서 유용하고 제조 공정과 연관된 경제성이 개선된 촉매 잉크를 초래한다.

본 발명은, 초음파 처리 만으로 이오노머를 이용한 촉매 입자의 적절한 피복률(coverage)을 초래하지 않는다는 발견을 포함한다. 적절한 피복률은 양호한 촉매 이용에 있어서 필수적이다. 초음파 처리 및 큰 전단 혼합의 조합은 적절한 이오노머 피복률을 제공한다. 초음파 처리가 입자 감소를 제공하는 한편, 큰 전단 혼합은 양호한 이오노머 분포를 제공한다. 이러한 조합은 촉매 이용을 예측하지 못할 정도로 개선하는 결과를 초래한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라서 준비된 막 전극 조립체는, 다른 공정에 의해서 준비된 조립체에 대비하여, 낮은 전류에서의 보다 양호한 촉매 이용을 초래한다. 이온 수송(ionic transport)이 중간의 그리고 높은 전류 동작 조건에서 개선된다. 부가적으로, 얇은 이오노머 필름(보다 양호한 한계 전류)을 가지는 것에 의해서, 수송이 개선된다.

예시된 예의 하나의 특징은, 초음파 처리가 먼저 촉매 잉크 내에서 최대 입자 표면적을 생성한다는 것이다. 초음파 처리에 이어지는 큰 전단 혼합은, 그러한 표면적 위의 이오노머의 피복률을 상당히 개선한다. 부가적으로, 초음파 처리 이후에 실시되는 큰 전단 혼합은 입자의 어떠한 재-응집화도 유발하지 않는다. 다시 말해서, 예시된 예에 따라서 초음파 처리에 이어지는 큰 전단 혼합은 초음파 처리에 의해서 성취되는 것을 초과하여 입자 크기를 증가시키지 않는다.

개시된 예시적 기술은 활성 촉매 내에서 귀금속의 양을 보다 적게 이용할 수 있게 한다. 개시된 기술은, 백금과 같은 귀금속의 양이 상대적으로 적은 경우에도, 낮은 성능 특성을 피할 수 있는 예상치 못한 장점을 제공한다.

개시된 예시적인 기술은, 통상적인 볼 밀링 접근방식에서 발생될 수 있는 바와 같은 촉매 손상을 방지한다. 개시된 예시적인 기술은, 매우 적은 백금 입자를 포함하는 코어 외피(core shell) 기반의 촉매 또는 조성물과 같은 민감한 구조물과 함께 이용하기에 적합하다. 부가적으로, 개시된 기술은 제조 경제성을 제공하는데, 이는 플래네터리(planetary) 볼 밀링과 같은 다른 비교적 빠른 방법 보다 약한 세기에서도, 롤러 밀링을 포함하는 저에너지 방법 보다 빠르기 때문이다. 촉매에 대한 손상이 없으면서 더 빠른 공정은 개선된 제조 경제성을 초래한다.

선행하는 설명은 본질적으로 제한 보다는 예시적인 것이다. 본 발명의 본질로부터 반드시 벗어나는 것이 아닌, 개시된 예에 대한 변경 및 수정이 당업자에게 자명할 수 있을 것이다. 본 발명에 대해서 주어지는 법률적 보호 범위는 이하의 청구항의 검토에 의해서만 결정될 수 있다.

Claims

촉매 잉크를 처리하는 방법이며:
촉매 잉크를 초음파 처리하는 단계; 및
전단 혼합 장치에 의해 촉매 잉크를 전단으로 혼합하는 단계를 포함하고,
상기 전단 혼합 장치는 두 개의 동심적인 실린더를 포함하고, 상기 실린더들 사이의 상대적인 회전은 혼합 중에 전단력을 인가하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서,
전단 혼합의 실시에 앞서서 초음파 처리를 실시하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
1 미크론의 촉매 입자 크기를 달성하기 위해서 초음파 처리를 실시하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
촉매 잉크가 촉매 상, 이오노머 상, 및 버퍼를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
1 시간 미만의 시간 기간 동안 초음파 처리를 실시하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
5 시간 미만의 기간 동안 초음파 처리를 실시하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
10분 미만의 시간 기간 동안 전단 혼합을 실시하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
촉매 잉크를 기판 상으로 침착하는 단계를 포함하는, 방법.
제8항에 있어서,
침착된 촉매 잉크 및 기판이 연료 전지 구성요소를 포함하는, 방법.
제9항에 있어서,
연료 전지 구성요소가 막 전극 조립체를 포함하는, 방법.