KR102654013B1 - 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR102654013B1
KR102654013B1 KR1020210054311A KR20210054311A KR102654013B1 KR 102654013 B1 KR102654013 B1 KR 102654013B1 KR 1020210054311 A KR1020210054311 A KR 1020210054311A KR 20210054311 A KR20210054311 A KR 20210054311A KR 102654013 B1 KR102654013 B1 KR 102654013B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrolyte membrane
polymer electrolyte
polymer
fuel cell
membrane
Prior art date
Application number
KR1020210054311A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220147326A (ko
Inventor
김상문
설창욱
장세근
이진원
Original Assignee
인천대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인천대학교 산학협력단 filed Critical 인천대학교 산학협력단
Priority to KR1020210054311A priority Critical patent/KR102654013B1/ko
Publication of KR20220147326A publication Critical patent/KR20220147326A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102654013B1 publication Critical patent/KR102654013B1/ko

Links

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
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1058—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties
    • H01M8/1062—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties characterised by the physical properties of the porous support, e.g. its porosity or thickness
    • 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
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • 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
    • 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
    • H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1053—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends consisting of layers of polymers with at least one layer being ionically conductive
    • 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
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1069—Polymeric electrolyte materials characterised by the manufacturing processes
    • 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
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 플라즈마 식각 공정으로 제조된 마이크로 홀을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은, 2 μm 내지 12 μm의 깊이를 가지는 복수의 마이크로 홀을 포함한다.
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.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지는 상술한 고분자 전해질막을 포함한다.

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}
본 발명은 플라즈마 식각 공정으로 제조된 마이크로 홀을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
고분자 전해질막 연료 전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 변환 장치이며, 해로운 물질을 전혀 배출하지 않는 청정에너지 변환 장치이다.
고분자 전해질막 연료전지의 구성 요소 중 하나인 막전극접합체는 탄소에 지지된 백금 촉매가 다공성층으로 구성된 산화극, 환원극 그리고 전해질의 역할을 하는 고분자막으로 구성되어 있다.
최근 고분자 전해질막을 얇게 제작함으로써 수소 이온 전도도 향상 및 오믹 저항 감소를 통해 성능을 향상시키는 연구들이 진행 중에 있다.
그러나, 종래의 전면적으로 얇게 제조된 막은 상용화 전해질막에 비해 막에 쉽게 주름이 지거나 찢어지는 현상을 포함하여 기계적으로 안정성이 취약한 단점을 가진다.
따라서, 멀티스케일 구조물을 이용하여 전해질막을 국부적으로 얇게 하여 성능 향상과 동시에 기계적 안정성을 유지시키는 것이 중요하다.
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.
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.
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.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막은, 2 μm 내지 12 μm의 깊이를 가지는 복수의 마이크로 홀을 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에서, 상기 마이크로 홀의 직경은 30 μm 내지 50 μm 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에서, 상기 복수의 마이크로 홀 사이의 간격은 30 μm 내지 50 μm 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막에서, 상기 고분자 전해질막은 바닥면; 및 상기 바닥면 상에 배치되는 마이크로 홀을 포함한다.
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.
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.
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.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법에서, 상기 레진은 PUA (Polyurethane acrylate)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법에서, 상기 마이크로 홀의 직경은 30 μm 내지 50 μm 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지는 상술한 고분자 전해질막을 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지는 상기 고분자 전해질막 상에 배치되는 촉매층을 더 포함하고, 상기 촉매층은 카본으로 지지되는 백금을 포함하는 것을 특징으로 한다.
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.
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.
본 발명을 통해 제조된 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체로 구성된 연료전지는 고가습 및 저가습의 다양한 환경에서 성능이 향상될 수 있다.
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.
본 연구는 한국전력공사의 2019년 선정 기초연구개발 과제 연구비에 의해 지원되었음(과제번호 : R19XO01-29)
본 발명은 플라즈마 식각 공정으로 제조된 마이크로 홀을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
본 발명은 연속공정을 통한 대면적 전해질막 제작이 가능하다. 따라서, 신재생에너지 전력 산업에서의 공정의 활용성 및 사업화 경쟁력이 높다.
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.
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.
실시예 1: 고분자 스텐실의 제조
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.
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.
실시예 2: 마이크로 홀을 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막 제조
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.
실시예 3: 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)의 제조
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.
실험예 1: 플라즈마 식각 공정의 노출 시간에 따른 식각 깊이 확인
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.
실험예 2: 인장 테스트 결과
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.
실험예 3: 전기 화학적 성능 평가 결과
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).
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.
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.
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.
한편, 상용화된 MEA, PE4-MEA, PE8-MEA 및 PE12-MEA의 질량 전달 정도를 비교하기 위해 다음 방정식을 사용하여 산소 이득 (ΔV)을 계산했다.
ΔV = 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.
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.
V iRfree = V cell + iRohmic
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.
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.
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.
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.
테스트된 MEA의 EIS 피팅 값(EIS fitted values)과 주요 매개 변수는 하기 표 1에 요약되어 있다.
[표 1]
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.
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.
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.
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.
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.

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 마이크로 홀을 포함하는 고분자 스텐실을 준비하는 단계;
    상기 고분자 스텐실의 표면을 테프론 용액으로 코팅하는 단계; 및
    상기 테프론 용액으로 코팅된 상기 고분자 스텐실을 고분자 전해질막에 접촉시킨 후 플라즈마 식각하는 단계를 포함하고,
    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 처리하여,
    상기 마이크로 홀의 깊이가 2 μm 내지 12 μm 이고, 표면 거칠기의 높이가 0.3 μm 내지 1.1μm 이고, 표면 거칠기(Rrms)가 100 nm 내지 500 nm인 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법.
  6. 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.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 고분자 몰드 및 상기 제2 고분자 몰드는 PDMS (Polydimethylsiloxane)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 레진은 PUA (Polyurethane acrylate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제5항에 있어서,
    상기 마이크로 홀의 직경은 30 μm 내지 50 μm 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조 방법.
  11. 제5항에 따라 제조된 연료전지용 고분자 전해질막.
  12. 제5항에 따라 제조된 연료전지용 고분자 전해질막; 및
    상기 고분자 전해질막 상에 배치되는 촉매층을 더 포함하고,
    상기 촉매층은 카본으로 지지되는 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
KR1020210054311A 2021-04-27 2021-04-27 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지 KR102654013B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210054311A KR102654013B1 (ko) 2021-04-27 2021-04-27 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210054311A KR102654013B1 (ko) 2021-04-27 2021-04-27 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220147326A KR20220147326A (ko) 2022-11-03
KR102654013B1 true KR102654013B1 (ko) 2024-04-02

Family

ID=84040941

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210054311A KR102654013B1 (ko) 2021-04-27 2021-04-27 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102654013B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023121076A1 (ko) 2021-12-23 2023-06-29 주식회사 엘지에너지솔루션 소화수 저장 탱크를 구비한 배터리 팩

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011024360A1 (ja) * 2009-08-26 2011-03-03 パナソニック株式会社 高分子形燃料電池の運転方法
JP2016040781A (ja) * 2011-11-08 2016-03-24 学校法人早稲田大学 電解質膜、膜電極接合体、及び燃料電池

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011024360A1 (ja) * 2009-08-26 2011-03-03 パナソニック株式会社 高分子形燃料電池の運転方法
JP2016040781A (ja) * 2011-11-08 2016-03-24 学校法人早稲田大学 電解質膜、膜電極接合体、及び燃料電池

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Fabrication of Organic Thin-Film Transistors(Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 2404-2408)*
Patterned polymer electrolyte membrane through air plasma etching with micro hole(2020)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220147326A (ko) 2022-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8415071B2 (en) Electrolyte membrane with anisotopic swelling and aligned filler
Yang et al. A novel approach to fabricate membrane electrode assembly by directly coating the Nafion ionomer on catalyst layers for proton-exchange membrane fuel cells
KR101228226B1 (ko) 막 전극 조립체 및 연료 전지
CN1707832A (zh) 燃料电池的膜电极组件及其制备方法以及包含它的燃料电池
CN1716670A (zh) 燃料电池的电解液膜及包括它的燃料电池
Liu et al. Novel modification of Nafion® 117 for a MEMS-based micro direct methanol fuel cell (μDMFC)
Choi et al. Patterned mesoporous TiO2 microplates embedded in Nafion® membrane for high temperature/low relative humidity polymer electrolyte membrane fuel cell operation
KR20100121308A (ko) 막-전극 접합체의 제조방법, 이로부터 제조된 막-전극 접합체 및 이를 포함한 연료전지
KR102654013B1 (ko) 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료전지
Seol et al. High-performance fuel cells with a plasma-etched polymer electrolyte membrane with microhole arrays
KR101851643B1 (ko) 연료전지용 복합 고분자 전해질막 및 그 제조 방법
CN1933221A (zh) 自呼吸式微型质子交换膜燃料电池的阴极流场板及制作方法
JP4392222B2 (ja) 膜−電極構造体の製造方法
WO2016117915A1 (ko) 고분자 전해질 막 및 그 제조방법
KR100612233B1 (ko) 연료전지용 막/전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료전지
KR20180040394A (ko) 연료전지용 복합 고분자 전해질막 및 그 제조 방법
CN102484260B (zh) 用于制造燃料电池用聚合物电解质膜的方法
CN115000479B (zh) 一种改性质子交换膜及其制备方法、应用
CN101558519A (zh) 用于燃料电池的电催化剂层和用于燃料电池的电催化剂层的制备方法
KR102098708B1 (ko) 연료전지용 전극 구조 제어 기술 및 제작방법
KR20060119958A (ko) 연료 전지 및 그 제조 방법
US8940461B2 (en) Method for membrane electrode assembly fabrication and membrane electrode assembly
Wan et al. An integrated composite membrane electrode assembly (ICMEA) and its application in small H2/air fuel cells
KR20230053966A (ko) 다층화된 홈 패턴이 형성된 고분자 전해질막의 제조방법 및 다층화된 홈 패턴이 형성된 고분자 전해질막
TW200835036A (en) Composite electrolyte membrane and fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant