KR100380049B1 - 전극의 제조방법 및 이 방법으로 제조된 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극의 제조방법 및 이 방법으로 제조된 전극에 관한 것으로서, 기체 확산층 상부에 탄소 분말층을 도포시키는 단계, 촉매 잉크를 상기 탄소층 상부에 도포시켜 촉매층을 형성시키는 단계 및 상기 촉매층 상부에 이오노머 용액을 도포시키는 단계를 포함하는 방법으로 소량의 촉매로 수소 이온 전달 및 활성이 우수한 전극을 제조할 수 있다.

Description

전극의 제조방법 및 이 방법으로 제조된 전극{METHOD FOR PREPARING ELECTRODES AND ELECTRODES MANUFACTURED BY USING SAME}

[산업상 이용 분야]

본 발명은 전극의 제조방법 및 이 방법으로 제조된 전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기체 확산층 상부에 탄소 분말층을 도포시키는 단계, 촉매 잉크를상기 탄소층 상부에 도포시켜 촉매층을 형성시키는 단계 및 상기 촉매층 상부에 이오노머 용액을 도포시키는 단계로 활성이 우수한 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.

[종래 기술]

고분자 전해질 연료전지용 전극은 탄소 담체(carbon carrier) 상부에 담지된 백금 촉매를 양극(cathode)과 음극(anode)에서 모두 사용한다. 일반적으로 고분자 전해질 연료전지용 전극은 발수 처리된 다공성의 탄소 종이(carbon paper) 상부에 촉매와 고분자 전해질 (polymer electrolyte) 즉, 이오노머(ionomer)의 혼합물을 얇게 도포하여 제조한다. 이때 촉매의 성능, 전극층 내에서의 고분자 전해질의 분포, 백금 함량 등에 의해 제조된 전극의 성능이 결정되는데, 특히, 전극의 성능은 촉매층으로의 반응물의 확산과 반응 생성물의 배출 등과 같은 물질 전달의 용이성에 의해서 크게 영향을 받는다.

고분자 전해질 연료전지용 전극에 존재하는 촉매의 반응 효율을 증대시키기 위해서는 고분자 전해질이 촉매 입자 내부의 기공과 외부 표면에 균일하고 얇게 도포되어야 하고, 이러한 경우에는 촉매의 반응 효율이 증가할 뿐만 아니라 소량을 촉매를 사용하면서도 향상된 반응 효과를 얻을 수 있게 된다.

또한, 캐소드의 경우에는 반응 생성물인 물이 용이하게 제거되지 않으면 촉매가 물에 잠기게 되어 반응물인 산소가 촉매 층으로 확산되지 못하기 때문에 전극 활성이 급격히 저하된다. 따라서, 이러한 전극 반응을 방해하는 홍수 현상(flooding)을 제거하기 위해서는 전극에 테프론(폴리테트라플루오로에틸렌) 계통의 발수 물질을 도포하거나 또는 촉매 층의 기공 크기를 조절하여 물의 제거 속도를 높여야 할 필요가 있다.

종래 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조 방법에서는 촉매의 홍수 현산을 방지하기 위해서 다공성 탄소 종이를 직접 사용하거나 또는 탄소 종이 위에 발수 처리된 탄소 분말층을 도포한 후, 이 위에 다시 촉매층을 도포하여 전극을 제조하여 왔다. 촉매를 도포하는 방법으로는 스프레이 코팅법(spray coating), 여과방법 (filtration and deposition), 스크린 프린팅법 (screen printing) 등이 사용된다.

종래에 발표된 고분자 전해질 연료전지용 전극을 제조하는 방법으로는 하기의 방법들이 있다.

일본특허 제61,118호에는 촉매와 이오노머 용액을 혼합하여 얻은 슬러리를 고분자 전해질 막에 코팅하고, 촉매가 코팅된 전해질 막을 기체 확산층과 고온 압착하여 전극을 제조하는 방법을 개시되어 있다. 미국특허 제5,561,000호에는 다공성 탄소 종이 위에 테프론 코팅된 탄소 층을 입힌 후, 이 위에 나피온과 탄소로 이루어진 중간층을 코팅하고 이 위에 다시 촉매(Pt/C)와 나피온 용액을 혼합한 촉매층을 코팅하여 전극을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 미국특허 제5,501,915호에는 나피온 용액과 촉매의 혼합 용액을 증발 건조시키고 이것을 분쇄하여 나피온이 코팅된 촉매의 미세 분말을 제조한 후, 나피온 코팅된 촉매 분말을 테프론 코팅된 탄소분말과 혼합하여 슬러리를 제조하고 이 슬러리를 탄소층이 입혀진 탄소 종이 위에 도포하여 전극을 제조하는 방법이 개시되어 있고, 미국특허 제5,607,785호에는 촉매분말을 나피온 용액에 분산시켜 혼합하고 증발, 건조, 분쇄하여 나피온이코팅된 촉매 분말을 얻은 후, 이것을 여과법을 사용하여 탄소 종이 위에 촉매층을 입혀 전극을 제조함으로써 전극 내의 위치에 따라 촉매 덩어리의 크기나 이오노머의 농도를 변화시켜 전극의 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 개시하고 있다.

미국특허 제5,723,173호에는 나피온 용해도가 낮은 용매에 촉매 분말을 분산시키고 나피온 용액을 첨가하여 혼합한 후, 여기에 다시 테프론 코팅된 탄소 분말을 넣어 슬러리를 제조하고 초음파로 교반하여 촉매 입자와 테프론 코팅된 탄소분말이 나피온을 매개로 하여 서로 엉겨 붙도록 하여 제조된 슬러리를 여과법을 이용하여 탄소 종이 위에 도포하여 촉매층을 형성시키는 방법이 개시되어 있다.

일반적으로 촉매와 이오노머 용액을 분산시키는 용매로는 이소프로판올을 사용하나, 이소프로판올은 이오노머를 매우 잘 용해시키는 용매이기 때문에 오히려 전극 제조에 해로운 영향을 주게 된다. 그 이유로는 첫째, 고분자 전해질 이오노머가 이소프로판올 용매에 완전히 용해되기 때문에 이오노머가 촉매의 기공 내부로 과도하게 들어가 기공을 막게 되어 반응물이 촉매 기공 내부로 진입하는 것을 방해하여 촉매의 사용 효율을 저하시키거나 또는 기공으로부터 반응 생성물이 용이하게 제거되지 못하게 되어 전극 활성이 낮아지게 된다. 둘째, 용매에 분산된 촉매 입자의 덩어리가 매우 작기 때문에 촉매가 기체 확산 층인 탄소 종이 내부로 침투되어 넓게 분포됨으로써 수소 이온의 이동 경로를 증가시켜 이온 전달 저항을 높이는 결과를 초래하게 되어 전극의 활성을 저하시키게 된다. 셋째, 이오노머 용액이 기체 확산 층인 탄소 종이 내부로 침투되어 촉매 층이 없는 반대쪽까지 분포함으로써 기체 확산 층의 친수성이 증가되어 캐소드 쪽에서 생성된 물이 제거되기가 어렵게되기 때문에 촉매의 이용률을 높이고 기체 확산 층의 발수성을 유지시키기 위해서는 촉매와 이오노머의 분포를 적절히 조절하고 촉매 층의 기공 크기를 크게 해야 한다는 문제가 있다.

전극 내에서의 수분 이동을 원활히 하기 위해서 특히, 캐소드의 경우 생성된 물을 효과적으로 제거하여 홍수 현상이 일어나지 않도록 하기 위해서는 테프론 코팅된 탄소 종이를 사용하며, 또한 촉매를 테프론으로 코팅시키거나 또는 촉매 층 내에 테프론 코팅된 탄소 분말을 첨가하는 방법을 사용한다. 그러나, 촉매 자체를 테프론으로 코팅하는 경우에는 금속 촉매 물질이 테프론에 덮여서 반응에 참가하지 못하게 되는 현상이 나타나며, 또한 이를 방지하기 위해 테프론 코팅된 탄소분말을 촉매 층에 첨가하는 경우에는 첨가된 탄소분말로 인해 촉매 층의 두께가 증가하여 수소이온의 전달 경로가 길어지고 따라서, 수소 이온 전도도가 감소하여 전극의 성능 저하를 유발하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고분자 전해질 이오노머의 분포를 조절할 수 있어 수소 이온 전달을 용이하게 할 수 있는 전극의 제조방법 및 이 방법으로 소량의 촉매로 활성이 우수한 전극을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 이오노머가 함침된 촉매 입자에 대한 개략도이고,

도 2는 이오노머 층이 표면에 도포된 촉매층에 대한 개략도이고,

도 3은 나피온 분포에 따른 단위 전지의 성능을 비교한 그래프이고,

도 4는 탄소층의 유무에 따른 단위 전지의 성능을 비교한 그래프이고,

도 5는 용매의 종류에 따른 단위 전지의 성능을 비교한 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 촉매 입자 12 : 이오노머 필름

21 : 기체 확산층 22 : 탄소

23 : 촉매층 24 : 이오노머층

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

a) 기체 확산층 상부에 10 내지 50 중량%의 폴리테트라플루오로에틸렌이 함유된 탄소 분말층을 도포시키는 단계;

b) 고분자 전해질 이오노머, 촉매 및 유기 용매를 포함하는 촉매 잉크를 상기 탄소 분말층 상부에 도포시켜 촉매층을 형성시키는 단계; 및

c) 친수성 용매에 분산된 고분자 전해질 이오노머 용액을 상기 촉매층 상부에 도포시키는 단계

를 포함하는 전극을 제조하는 방법을 제공한다.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

이하에서는 먼저 고분자 전해질 연료전지의 구조에 대하여 간단하게 설명한 후, 상기 연료전지에 사용되는 본 발명의 전극에 대해서 상세하게 설명한다.

고분자 전해질 연료전지는 수소 이온 전도성 고분자 막(membrane)을 사이에 두고 양쪽에 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 전극을 위치시킨다. 애노드와 캐소드는 각각 발수 처리된 탄소 종이 위에 백금 촉매와 고분자 전해질 이오노머 혼합물을 얇게 도포하여 제조한다. 상기 고분자 전해질 이오노머 용액으로는 나피온 용액(Nafion, Du Pont사 제품) 등이 사용된다.

도 1은 본 발명에서 제조한 촉매 입자를 도시한 것으로서, (11)은 다공성 탄소 입자 위에 백금이 담지되어 있는 촉매 입자이고, (12)는 촉매 입자의 기공 내부와 외부 표면에 얇게 도포된 이오노머 필름을 나타낸 것이다. 도 2는 본 발명에서 제조된 전극의 구조, 이오노머의 분포 등을 도시한 것으로서, (21)은 테프론(polytetrafluoroethylene)이 코팅되어 있는 탄소 종이 또는 탄소 천으로 만들어진 기체 확산층이고 (22)는 테프론이 담지된 탄소 분말층이고 (23)는 이오노머가 담지된 촉매층이고 (24)는 이오노머층이다.

기체 확산층인 탄소 종이를 그대로 사용하면 촉매층 도포시 촉매 입자들이 탄소 종이 안으로 침투되어 들어가기 때문에 이를 방지하기 위해서 발수 처리된 탄소 분말층을 탄소종이 위에 도포한다.

탄소 분말층을 제조하기 위해서는 먼저 탄소 슬러리를 제조한다. 탄소 슬러리는 30㎚ 크기의 입자를 갖는 탄소 블랙의 미세 분말(Cabot 사의 Vulcan XC-72R)과 발수 작용을 하는 테프론 용액(E-Tek)을 혼합하여 제조한 후, 여기에 점도를 높여 주기 위해 글리세린, 부틸셀루로오즈, 에틸렌글리콜, 1-메톡시-2-프로판올 등의 증점제를 첨가한다. 상기 탄소 분말 중의 테프론 함량은 10 내지 60 중량%로 하는 것이 요구하는 촉매 물성을 얻는데 바람직하다.

상기 사용되는 탄소 분말은 입자 크기가 20 내지 100㎚이고 표면적은 20 내지 300 m²/g를 갖는 것이 전극에서 수행되는 화학 반응을 용이하게 진행시킬 수 있으므로 이 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

상기 제조된 탄소 슬러리를 스크린 프린팅 또는 테잎 캐스팅 방법을 사용하여 탄소종이 상부에 도포한다. 탄소종이 상부에 도포된 탄소 분말의 양은 전극 면적을 기준으로 0.2 내지 4.0 mg/cm²인 것이 바람직하다. 탄소 분말층이 탄소 종이로부터 박리되는 것을 방지하기 위해서는 탄소 분말층을 도포한 다음에 열처리를 수행해야 한다. 상기 탄소 분말층의 열처리는 질소 등과 같은 불활성 기체를 흘려주면서 온도 320 내지 380℃에서 약 0.5 내지 2시간 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 탄소 분말층의 접착력을 향상시키고 탄소 분말층의 기공 크기 및 두께를 조절하기 위해서는 열처리 중간 또는 열처리 완료 후에 탄소 종이를 압착기를 이용해 20 내지 200 기압으로 압착을 해주는 것이 바람직하다. 열처리를 수행하는 중에 압착을 하는 경우에는 탄소 종이를 200 내지 300℃에서 0.5 내지 2시간 동안 1차 열처리한 후, 20 내지 200 기압으로 압착하고 다시 탄소종이를 온도 320 내지 380℃에서 0.5 내지 2시간 동안 열처리한다.

탄소 종이 상부에 탄소 분말층을 도포하고 열처리가 완료되면 촉매 잉크를 제조하고 탄소 분말층에 도포시켜 촉매층을 형성한다. 상기 촉매 잉크는 촉매를 유기 용매에 분산시킨 분산액에 고분자 전해질 이오노머 용액을 첨가하고 교반시켜 혼합된 혼합물로 구성되는데, 상기 촉매는 일반적으로 이소프로판올을 용매로 사용하여 분산시킬 수도 있으나, 이소프로판올 대신 친수성이 작은 유기 용매를 사용함으로써 촉매 입자와 이오노머의 응집력을 증대시켜 거대 입자가 형성되도록 하고, 이오노머가 촉매의 기공 속으로 과다하게 들어가 촉매 기공을 막는 현상을 방지하는 것이 바람직하다. 상기 고분자 전해질 이오노머 용액으로는 나피온 용액을 사용하고, 상기 촉매는 연료전지에 통상적으로 사용되는 백금 또는 백금-루테늄 합금이 탄소에 담지된 촉매 등일 수 있다.

또한, 상기 사용되는 유기 용매로는 n-부틸아세테이트(n-butyl acetate)를 사용하는 것이다.

상기 제조된 촉매 잉크를 탄소 분말층에 도포하여 촉매층을 형성시키는 방법은 여러 가지가 있을 수 있은, 바람직하게는 스프레이 코팅법 또는 50 내지 200 메쉬(mesh)의 스크린을 사용한 스크린 프린팅법 등을 사용하는 것이다.

상기 형성된 촉매층 중의 이오노머의 함량은 촉매 총량을 기준으로 20 내지 100 중량%이고 전극 면적을 기준으로 해서는 0.1 내지 1.5 mg/cm²가 바람직하다. 이때 전극에서 형성된 수소 이온이 전해질 막으로 잘 이동되도록 하기 위해서는 전극과 전해질 막의 접촉을 양호하게 해야 하는데, 이를 위해서는 전극 표면에 이오노머가 충분히 존재(촉매 총량을 기준으로 20 중량%이상)하도록 하여 촉매 층과 전해질 막의 접촉 면적을 넓혀 주어야 한다. 그러나 전극의 촉매층 내에 이오노머의 양이 너무 많으면(촉매 총량을 기준으로 100 중량%를 초과하는 경우) 전극의 성능이 감소하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 전극의 촉매 층과 촉매층의 외부 표면에 존재하는 이오노머의 상대적인 양을 변화시켜 상기 범위의 이오노머의 양을 갖게 함으로써 전극의 성능을 향상시킬 수 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서는 친수성이 큰 용매에 고분자 전해질 이오노머를 분산시킨 용액을 촉매층 상부에 도포한다. 상기 도포 방법으로는 상기 촉매 잉크를 탄소 분말층에 도포시키는 방법인 스프레이 코팅법 또는 50 내지 200 메쉬(mesh)의 스크린을 사용한 스크린 프린팅법 등을 사용할 수 있다. 즉, 이러한 방법에 의해서 이오노머의 일부는 촉매층을 제조하기 위한 용액에 첨가하여 촉매층의 내부에 분포하게 하고, 이오노머의 나머지 부분은 촉매층이 형성된 다음에 추가로 촉매층 상부에 도포된다. 예를 들어, 전극에 포함된 전체 이오노머 양 중에서 70 중량%는 촉매층 내부에 존재하게 하고, 나머지 30 중량%는 촉매층 표면 즉, 전극 외부 표면에 존재하게 되어 전극에서 생성된 수소이온이 전해질 막으로 원활히 전달될 수 있다.

따라서 상기 수소 이온이 전해질 막으로 용이하게 전달되도록 하기 위해서 촉매층 내에 존재하는 이오노머의 양을 전극에 존재하는 이오노머 총량에 대하여 10 내지 95 중량%하고, 촉매층 외부 표면에 존재하는 이오노머의 양은 5 내지 90 중량%, 바람직하게는 5 내지 70 중량%로 유지하는 것이 바람직하다.

상기 친수성이 큰 용매로는 에스테르기, 에테르기, 카르복실기, 카르보닐기 또는 아미노기를 포함하는 탄소수 2 내지 8개로 이루어진 화합물 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있는데, 가장 바람직하게는 이소프로판올을 사용하는 것이다.

또한, 본 발명은 필요에 따라서 상기 촉매층을 형성시키는 단계와 촉매층 상부에 고분자 전해질 이오노머를 코팅시키는 단계 사이에 온도 60 내지 100℃로 건조시키는 단계를 더욱 포함할 수 있다.

[실시예]

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예 및 비교예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

백금 함량이 20 중량%로 탄소에 담지된 Pt/C 촉매 0.1 g을 이소프로판올 50g에 분산시킨 후, 여기에 5% 나피온 용액(Du Pont사 제품) 0.17g을 서서히 첨가하면서 교반하여 촉매 잉크를 제조하였다. 에어 브러쉬 건을 이용하여 스프레이 코팅법으로 상기 촉매 잉크를 테프론 코팅된 카본 종이(Toray사 제품, TGPH) 상부에 도포하여 촉매층을 형성시키고 촉매층이 형성된 전극을 온도 70℃의 건조로에서 약 1시간 동안 건조시킨 후, 다시 촉매층 표면 상부에 나피온 용액 0.5g과 이소프로판올 1.5g을 혼합하여 제조한 용액을 도포하여 전극 제조를 완성하였다. 상기 제조된 전극의 백금 함량은 양극과 음극 모두 0.7 mg/cm²이었으며, 전극에 함유된 전체 나피온의 함량은 0.6 mg/cm²였다. 상기 제조된 전극과 나피온 115 막을 온도 140℃ 및 압력 200 기압의 조건에서 90초간 압착하여 전해질/전극 접합체 (membrane/electrode assembly, MEA)를 제조하였다. 전극의 내부와 외부 표면에 도포된 나피온의 최적 분포를 알아보기 위해 전체 나피온 양을 촉매 무게의 1/3로 일정하게 고정한 상태에서 내부와 외부의 나피온 분포를 변화시키면서 운전 온도 80℃, 압력 1 기압 및 반응 기체로 수소와 산소를 사용하여 전극의 성능을 측정하고, 그 결과를 도 2에 도시하였다.

(실시예 2)

미세 탄소 분말(Vulcan XC-72R) 10g을 이소프로판올 (200g)에 분산시킨 후, 60% 테프론 용액(10g)을 서서히 떨어뜨리면서 교반시키고 여기에 글리세롤 100g을 첨가하고 충분히 교반시켜 테프론/탄소 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리의 점도를 맞추기 위해 온도 60 내지 90℃에서 증발 건조하여 농도를 조절하였다. 제조된 슬러리를 닥터블레이드를 이용한 테이프 캐스팅 방법으로 카본 종이(테프론 함량이20 중량%) 상부에 코팅시켜 탄소층을 형성시켰다. 이때 탄소의 함량은 전극 면적을 기준으로 2 mg/cm²였다. 탄소층이 도포된 카본 종이를 온도 70℃ 건조로에서 약 1시간 이상 건조한 후, 고온 소결로에서 불활성 기체인 질소를 흘려주면서 260℃에서 약 1시간 동안 1차 열처리하고 꺼내어 100 기압에서 프레스로 압착한 후, 다시 고온 소결로에서 질소를 흘려주면서 온도 약 360℃에서 약 1시간 동안 열처리를 수행하였다. 탄소층이 형성된 탄소종이 위에 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 담지시켜 전극을 제조하였다. 제조된 전극의 백금 함량은 0.7 mg/cm²였고, 전극 면적은 200cm²였다. 반응 온도를 80℃로 하고 반응 기체는 수소와 산소를 사용하여 상기 제조된 전극의 성능을 측정하고, 그 결과를 도 3에 도시하였다.

(실시예 3)

백금 함량이 20중량%로 탄소에 담지된 Pt/C 촉매 0.1g을 n-부틸아세테이트 (n-butyl acetate) 50g에 분산시킨 후, 여기에 5% 나피온 용액 0.17g을 서서히 첨가하면서 교반하여 촉매 잉크를 제조하였으며, 이때 촉매 잉크에 포함된 나피온의 양은 촉매 무게의 1/12였다. 에어 브러쉬 건을 이용하여 스프레이 코팅법으로 촉매 잉크를 50 중량%의 테프론이 코팅된 카본 종이 위에 도포하여 촉매층을 형성시켰다. 상기 촉매층이 형성된 전극을 온도 70℃의 건조로에서 약 1시간 동안 건조시킨 후, 촉매층의 표면 상부에 다시 이소프로판올에 분산된 나피온 용액을 스프레이 코팅하여 전극 제조를 완성하였다. 촉매층 상부에 추가로 뿌려진 나피온의 양은 촉매층 무게의 1/4였다. 제조된 전극의 백금 함량은 양극과 음극 모두 0.4mg/cm²였으며, 전극에서의 전체 나피온 함량은 0.6 mg/cm²였다. 이렇게 제조된 전극과 나피온 115 막을 140℃ 및 200 기압의 조건에서 90초간 압착하여 전해질/전극 접합체(membrane/electrode assembly, MEA)를 제조하여 25 cm²의 전극의 성능을 측정하고, 그 결과를 도 4에 도시하였다.

(실시예 4)

상기 실시예 2와 동일한 방법으로 카본 종이 상부에 테프론이 50 중량%로 담지된 탄소층을 코팅시켜 열처리 한 후, 여기에 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 n-부틸아세테이트(NBA)를 용매로 사용한 촉매 잉크로 촉매층을 코팅하였다. 촉매층 상부에 이소프로판올에 분산된 나피온을 코팅시켜 전극을 제조하였다. 상기 제조된 전극의 백금 함량은 애노드와 캐소드 모두 0.4 mg/cm²였고, 작동 온도 80℃, 압력 1 기압 및 반응 기체로 수소와 산소를 사용하여 전극의 성능을 측정하고, 그 결과를 도 4에 도시하였다.

도 2에서 보는 바와 같이 실시예 1의 나피온 분포에 따른 25cm²전극에서의 성능 변화를 살표보면 전극의 내부와 외부에 존재하는 나피온의 양이 1 대 3 또는 1 대 1 인 경우가 촉매 외부 또는 내부에만 나피온이 과다하게 존재하는 경우보다 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있다.

도 3은 상기 실시예 2에서 제조된 전극의 성능을 도시한 것으로서 탄소층이 형성된 전극이 탄소층이 없는 전극보다 우수한 성능을 나타냈다.

도 4는 상기 실시예 3에서 제조된 25 cm²크기의 전극의 성능을 도시한 것으로서, 촉매 잉크 제조시 용매로 이소프로판올을 사용하여 제조한 전극과 n-부틸아세테이트를 사용한 전극을 비교한 것인데, 이 경우에 촉매층의 표면에 추가로 분사된 나피온은 모두 이소프로판올에 용해시킨 것이다. 도 4에서 보는 바와 같이 n-부틸아세테이트를 사용한 전극이 이소프로판올을 사용한 전극보다 높은 성능을 보였다.

도 4의 곡선(카본층+NBA)은 n-부틸아세테이트를 사용하여 촉매 잉크를 제조하고 촉매층 상부에 나피온을 코팅시켜 제조한 전극의 성능이 다른 방법으로 제조한 전극보다 우수함을 나타내고 있음을 알 수 있다.

본 발명의 고분자 전해질 연료전지용 전극으로 사용할 수 있는 전극의 제조방법은 전극 촉매층에서 고분자 전해질 이오노머의 분포를 조절할 수 있어 수소 이온 전달을 용이하게 함으로써 소량의 촉매로 활성이 우수한 전극을 제조할 수 있다.

Claims (11)

1. (정정)

   a) 수소 및 산소 기체 확산층 상부에 10 내지 50 중량%의 폴리테트라플루오로에틸렌이 함유된 탄소 분말층을 도포시키는 단계;

   b) 고분자 전해질 이오노머, 촉매 및 유기 용매를 포함하는 촉매 잉크를 상기 탄소 분말층 상부에 도포시켜 촉매층을 형성시키는 단계; 및

   c) 친수성 용매에 분산된 고분자 전해질 이오노머 용액을 상기 촉매층 상부에 도포시키는 단계

   를 포함하는 전극의 제조방법.
2. (정정)

   제1항에 있어서,

   상기 수소 및 산소 기체 확산층이 10 내지 50 중량%의 폴리테트라플루오로에틸렌을 함유하는 탄소종이 또는 탄소천인 전극의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 탄소 분말이 입자 크기가 20 내지 100㎚이고 표면적이 20 내지 300 m²/g인 전극의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   탄소 분말층의 함량이 전극 면적을 기준으로 0.2 내지 4 mg/cm²인 전극의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 고분자 전해질 이오노머의 양이 전극에 도포된 양을 기준으로 촉매 총량에 대하여 20 내지 100 중량%인 전극의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 고분자 전해질 이오노머가 촉매 내부에 10 내지 95 중량%로 존재하고 촉매 표면에 5 내지 90 중량%로 존재하는 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 유기 용매가 n-부틸아세테이트로 이루어진 화합물 중에서 선택되는 1종 이상인 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 친수성 용매가 에스테르기, 에테르기, 카르복실기, 카르보닐기 또는 아미노기를 포함하는 탄소수 2 내지 8개로 이루어진 화합물 중에서 선택되는 1종 이상인 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 촉매층 형성 및 고분자 전해질 이오노머 용액 도포 방법이 스프레이 코팅법 또는 50 내지 200 메쉬의 스크린을 사용하는 스크린 프린팅법인 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 c) 및 d) 단계 사이에 촉매층을 온도 60 내지 100℃에서 건조시키는 단계를 더욱 포함하는 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법.
11. 제1항의 방법으로 제조된 전극.