KR100829060B1 - 이중 전극을 갖는 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지 - Google Patents

이중 전극을 갖는 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지 Download PDF

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Abstract

제 1 전극 및 제 2 전극의 두 개의 층으로 구성된 이중 전극, 및 상기 이중 전극 상에 위치하는 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 이중 전극은 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함하는 연료 전지용 막-전극 바인더, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료 전지에 대해서 개시된다. 보다 구체적으로, 연료 전지용 막-전극 바인더는 PBI 계열의 바인더를 이용하여 제조되는 제 1 전극 및 PTFE 계열의 바인더를 이용하여 제조되는 제 2 전극의 두 개의 층으로 구성된 이중 전극, 및 상기 이중 전극 상에 위치하며 상기 제 1 전극에 접하는 무기산으로 도핑된 PBI 계열의 고분자 전해질 막을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다. 이중 전극의 구성에 있어서, 제 1 전극은 PBI 계열의 바인더를 이용하여 제조됨에 따라 무기산으로 도핑된 PBI 계열 고분자 전해질 막과의 접착력을 높일 수 있으며, 제 2 전극은 PTFE 계열의 바인더를 이용하여 제조됨에 따라 무기산으로 도핑된 PBI 계열 고분자 전해질 막의 무기산의 방출을 억제할 수 있으며, 따라서, 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
PBI, PTFE, 바인더, 이중 전극, 전해질 막, 애노드, 캐소드, 연료 전지

Description

이중 전극을 갖는 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지 {A membrane-electrode binder having a dual electrode, the manufacturing method thereof, and a fuel electrode comprising thereof}
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이중 전극(dual electrode)을 갖는 막-전극 바인더의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene), 폴리벤지이미다졸(PBI; polybenzimidazole), 및 이중 전극으로 이루어진 단위 전지의 성능에 관하여 도시한 그래프이다.
*주요 도면 부호의 설명*
10 : 고분자 전해질 막
11 : 제 1 전극
12 : 제 2 전극
본 발명은 이중 전극을 갖는 연료전지용 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온형의 고분자 전해질막에 적용가능하고 전극과 전해질 막의 접착력을 개선할 수 있는 이중 전극을 갖는 연료 전지용 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만, 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC; Polymer Electrode Membrane Fuel Cell)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮고, 아울러 빠른 시동 및 응압 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료 전지는 기본적으로 시스템을 구성하기 위 해, 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다.
상기 고분자 연료 전지의 발전 시스템에서, 중심을 이루고 있는 연료 전지 스택 본체는 고분자 이온교환막(proton-exchange membrane)으로 된 고체 전해질을 중심으로 그 양쪽 면에 애노드 및 캐소드를 열간압연(hot pressing)에 의해서 부착시킴에 의해서 구성되는 단위 전지로 이루어져 있으며, 이러한 단위 전지를 여러 층으로 적층함으로써 수 W에서 수백 kW에 이르는 연료 전지 발전 시스템을 구성하게 된다.
상기 고분자 연료 전지의 발전 시스템에서 막-전극 어셈블리(MEA; Membrane-Electrode Assembly)의 성능은 발전 특성에 큰 영향을 미치게 된다. 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막과 탄소담지(carbon supported) 촉매 전극층으로 구성된다.
상기 고분자 전해질막으로는 나피온(Nafion; DuPont사 제조의 상품명), 프레미온(Flemion; Asahi Glass사 제조의 상품명), 아시플렉스(Asiplex; Asahi Chemical사 제조의 상품명) 및 다우 XUS(Dow XUS, Dow Chemical사 제조의 상품명) 전해질막과 같은 플루오르화술폰산염 이오노머(fluorosulfonate ionomer) 막이 많이 사용되고 있다. 상기 탄소담지 촉매 전극층은 다공성의 탄소 페이퍼(paper) 또는 탄소 천(cloth) 등의 전극 지지체에 백금(Pt) 또는 루테늄(Ru)등의 미세한 촉매 입자를 담지시킨 탄소 분말을 방수성 결합제로 결합시켜서 사용하고 있다.
무기산으로 도핑된 PBI 계열의 고분자 전해질 막을 고온용 연료 전지에 이용하는 데에 있어서, 막-전극을 각각 구성하는 재료에 따라서 전극과 막의 접착성이 불안정하고, PBI가 포함하고 있는 무기산이 방출됨에 따라 연료 전지의 막이 성능을 제대로 발휘할 수 없는 문제점이 있었다.
무기산으로 도핑된 폴리벤지이미다졸(PBI; polybenzimidazole) 계열의 고분자 전해질 막을 고온용 연료전지에 이용하기 위해서는 매우 적절한 전극의 설계가 필요하다. 이 전극은 PBI막과의 접착력이 우수해야 하며, 막이 성능을 제대로 발휘하기 위해서는 PBI가 포함하고 있는 무기산의 방출을 억제하는 능력이 우수해야한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 무기산으로 도핑된 PBI 계열의 고분자 전해질 막을 고온형 연료 전지에 이용함에 있어서, 이중 전극을 형성함으로써 전극과 전해질 막의 접합을 용이하게 할 수 있는 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 무기산으로 도핑된 PBI 계열의 고분자 전해질 막을 고온형 연료 전지에 이용함에 있어서, 이중 전극을 형성함으로써 PBI가 포함하고 있는 무기산의 방출을 억제할 수 있는 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1 전극 및 제 2 전극의 두 개의 층으로 구성된 이중 전극, 및 상기 이중 전극 상에 위치하며 상기 제1 전극에 접하는 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 이중 전극은 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함하는 연료 전지용 막-전극 바인더를 제공한다.
또한, 본 발명은 금속촉매, 바인더 및 용매를 혼합하여 촉매형성용 두 개의 코팅 조성물을 제조하고, 상기 두 개의 코팅 조성물을 각각 전극 기재에 접착하여 이중 전극을 제조하고, 상기 이중 전극 상에 고분자 전해질막을 위치시키고 접합하는 단계를 포함하는 연료 전지용 막-전극 바인더의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 막-전극 바인더를 포함하는 연료 전지를 제공한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명은 연료 전지용 막-전극 바인더에 있어서, PBI 계열의 바인더를 이용함으로써 무기산으로 도핑된 PBI 계열의 고분자 전해질 막과의 접착력을 높이기 위한 제 1 전극(11) 및 PTFE 계열의 바인더를 이용함으로써 상기 고분자 전해질 막(10)의 무기산의 방출을 억제하기 위한 제 2 전극(12)의 두 개의 층으로 구성된 이중 전극, 및 상기 이중 전극 상에 위치하며 상기 제 1 전극(11)에 접하는 PBI 계열의 고분자 전해질 막(10)을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 연료전지용 막-전극 바인더의 제조방법에 있어서, PTFE 계열의 바인더를 이용하여 제 1 전극(11)을 제조하고, 상기 제 1 전극(11) 상에 PBI 계열의 바인더를 이용하여 제조된 제 2 전극(12)을 형성하며, 상기 제 1 전극(11) 및 제 2 전극(12)으로 구성되는 이중 전극 상의 제 1 전극(11) 상에 고분자 전해질 막(10)을 위치시키고 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 고온형 연료전지에 적합한 막-전극 바인더에 관한 것으로서, 상기 막-전극 바인더에 사용되는 연료전지의 전극은 제 1 전극 및 제 2 전극의 두 개의 층으로 이루어진 이중 전극의 구성을 갖는다.
이 때, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이중 전극에서 제 1 전극은 무기산으로 도핑된 PBI 계열의 바인더를 이용하여 구성됨에 따라 PBI 계열의 고분자 전해질 막과의 접착력을 높일 수 있으며, 제 2 전극은 PTFE를 주성분으로 하는 바인더를 이용하여 구성됨에 따라 무기산의 방출을 억제할 수 있게 된다.
본 발명의 막-전극 바인더의 제조방법은, 금속 촉매, 바인더 및 용매를 혼합하여 촉매형성용 코팅 조성물을 제조하고, 상기 코팅 조성물을 전극 기재에 코팅하여 전극을 제조하며, 상기 전극 상에 고분자 전해질 막을 위치시키고 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 막-전극 바인더의 제조방법에 있어서, PTFE 계열의 바인더를 이용하여 제 1 전극을 제조하고, 상기 제 1 전극 상에 PBI 계열의 바인더를 이용하여 제조된 제 2 전극을 형성함으로써, 이중 전극을 제조하고 상기 이중 전극 상에 고분자 전해질막, 바람직하게는, 무기산으로 도핑된 PBI 계열의 고분자 전해질 막을 위치시키고 접합하는 공정에 의하여 제조한다.
본 발명에서 연료전지용 전극을 제조하는 방법은, 탄소에 담지된 금속 촉매, 바인더 및 분산매인 용매를 혼합하여 촉매형성용 코팅 조성물을 제조하고, 이를 전 극 기재에 코팅하여 전극을 제조하게 된다.
상기 전극 기재는 기체 확산층의 역할을 하며, 도전성 기재로 이루어진다. 상기 기체 확산층의 예를 들면, 탄소 페이퍼나 탄소 천이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기체 확산층은 연료 전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 반응 기체를 확산시켜 촉매층으로 반응 기체가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 또한, 이 기체 확산층은 탄소 페이퍼나 탄소 천을 PTFE와 같은 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 전극에서 촉매층은 관련 반응(수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 포함한다. 이들의 구체적인 예로는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(여기서, M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속임) 등이 있다.
또한, 일반적으로 담체에 지지된 것이 사용된다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다. 담체에 담지된 금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다.
도 1 에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 본 발 명에서 사용되는 금속 촉매는 Pt이며 상기 금속을 담지시키는 담체로서 탄소를 사용한다. 즉, 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 탄소에 담지된 Pt를 촉매로 사용하고 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 상기 분산매로 사용되는 용매는 알코올, 극성 유기용매 등이 사용될 수 있으며, 용매의 구체적인 예로는 이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤 등을 들 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 상기 촉매층에 포함되는 바인더 및 고분자 전해질 막 중 적어도 어느 하나는 하기의 화학식 1로 표시되는 PBI 계 고분자를 사용한다.
Figure 112006095486686-pat00001
상기 식에서 n은 중합도를 나타낸다.
상기 PBI계 고분자는 수소이온 전도성을 가지며, 전극 촉매층에 포함되어 전극과 전해질 막의 접착성을 향상시킨다. 따라서, 본 발명은 제 1 전극 및 고분자 전해질 막 중 적어도 어느 하나가 PBI 계 고분자를 포함하며, 보다 바람직하게는 모두 PBI 계 고분자를 사용한다. 따라서, 본 발명은 전극과 고분자 전해질 막 계면에서 발생될 수 있는 계면 저항을 감소시켜 전극과 고분자 전해질막을 서로 견고하게 부착하고 균일하게 접함할 수 있다.
그 밖에 본 발명에서 상기 고분자 전해질 막은 양성자-전도성 중합체 물질, 즉, 이오노머(ionomer)로 이루어지며, 일반적으로 술폰산 그룹을 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 본 발명에서 사용되는 PBI 계열 고분자 및 전해질 막의 합성방법은 다음과 같다.
1L의 둥근 플라스크에 3.3'-디아미노벤지딘(3.3'-diaminobenzidine) 12g과 이소프탈산(isophthalic acid) 9.3g를 폴리인산(polyphosphoric acid)에 넣고 질소분위기에서 220℃로 25시간 중합시킨다.
교반은 기계적 오버헤드 교반기(mechanical overhead stirrer)를 이용하였다. 교반속도는 상온에서 100RPM으로 맞추어주면 온도가 증가함에 따라 폴리인산의 점성이 줄어들어 300RPM까지 증가하다가 반응이 진행됨에 따라 용액의 점도가 증가하여 최종적으로는 180~200RPM이 된다.
또한, 반응이 진행되면 용액의 색깔도 황토색에서 진한 갈색으로 변한다. 이렇게 제조된 용액을 물에 침전시켜 고분자를 얻는다. 이 고분자를 100℃ 진공오븐에서 24시간 건조시켜 고유점도가 1.5~3.0dL/g 정도의 PBI powder를 제조한다.
이렇게 제조된 PBI 5g을 DMAc 100mL에 용해시키고 유리판에 적당량을 부은 후 닥터 블레이드(doctor blade)로 캐스팅(casting) 한다. 이것을 60℃에서 50시간 진공 오븐에서 건조하여 PBI 막을 제조한다. 제조된 막을 60% 인산에 3일 동안 담구어 400%가 도핑된 고분자 전해질 막을 얻는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에서 사용되는 PBI 계열 고분자 및 전해질 막의 합성방법은 다음과 같다.
1L의 둥근 플라스크에 3.3'-디아미노벤지딘(3.3'-diaminobenzidine) 12g과 이소프탈산(isophthalic acid) 9.3g를 폴리인산(polyphosphoric acid)에 넣고 질소분위기에서 220℃로 25시간 중합시킨다.
교반은 기계적 오버헤드 교반기(mechanical overhead stirrer)를 이용하였다. 교반속도는 상온에서 100RPM으로 맞추어주면 온도가 증가함에 따라 폴리인산(polyphosphoric acid)의 점성이 줄어들어 300RPM까지 증가하다가 반응이 진행됨에 따라 용액의 점도가 증가하여 최종적으로는 180~200RPM이 된다.
또한, 반응이 진행되면 용액의 색깔도 황토색에서 진한 갈색으로 변한다.
이렇게 합성된 PBI 용액을 깨끗한 유리판에 적당량을 부은 후 닥터 블레이드(doctor blade)로 막을 캐스팅(casting)한다.
이렇게 캐스팅한 PBI 막을 25℃, 40ㅁ5% 상대습도 하에서 하루정도 보관 하면, 공기 중의 수분에 의하여 PBI 막속의 폴리인산(ployphosphoric acid)이 인산(phosphoric acid)으로 변하여 2000 이상의 산 도핑 레벨(acid doping level)을 가지는 PBI 막을 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 PBI 막은, 바람직하게는 200~600μm의 두께를 지닌다.
상기 촉매형성용 조성물에서 PBI 계 고분자는 용해된 상태로 존재하지 않고 분산 상태로 존재한다. 또한, 상기 막을 캐스팅하는 공정은 분산액의 점성에 따라 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 등이 사용 될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 연료 전지에서 캐소드 및 애노드 전극은 물질로 구별되는 것이 아니라, 그 역할로 구별되는 것으로서, 연료 전지용 전극은 수소 산화용 애노드 및 산소의 환원용 캐소드로 구별된다. 따라서, 본 발명의 연료 전지용 전극은 캐소드 및 애노드 전극의 적어도 어느 하나에 사용될 수 있으며, 바람직하게는 모든 전극에 사용할 수 있다.
즉, 연료 전지에서 수소 또는 연료를 상기 애노드에 공급하고 산소를 상기 캐소드에 공급하여, 애노드와 캐소드의 전기화학 반응에 의하여 전기를 생성한다. 애노드에서 유기 연료의 산화 반응이 일어나고 캐소드에서 산소의 환원 반응이 일어나 두 전극 간의 전압차를 발생시키게 된다.
이하, 전극 제조에 관한 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예에 관하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 후술하는 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 그러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실험예- 실시예 및 비교예]
실시예 : 이중 전극의 제조
이소프로판올(IPA; iso-propanol) 400ml에 PTFE 에멀젼(emulsion) 60%을 0.4g 넣고 교반 막대(stirring bar)를 이용하여 30분정도 분산시킨다. 여기에 E-Tek 40% Pt/C (1.225g)을 조심스럽게 첨가한 뒤 1시간 정도 교반시킨다. Pt/C와 PTFE가 잘 혼합된 잉크 슬러리(ink slurry)를 에어 브러쉬(air brush)를 이용하여 기체 확산층(GDL; gas diffusion layer) 위에 균일하게 스프레이(spray)한다. Pt/C의 로딩(loading)량으로 단위 cm2당 0.5mg을 로딩하였다. 이렇게 만들어진 전극을 소성기에 넣고 365℃에서 1시간동안 질소분위기에서 소결해주고 다시 250℃에서 1시간 수소분위기에서 환원시켜 주었다.
PBI 분말(powder)을 디메틸아세트아마이드(DMAc; dimethylacetamide)에 녹여 5% 용액(solution)을 만든다. 이 용액을 이소프로판올(IPA; iso-propanol) 400ml에 4.9g 넣고 초음파 진동(ultrasonic vibration)을 주어 30분 동안 분산시킨다. 여기에 E-Tek 40% Pt/C (1.225g)을 조심스럽게 첨가한 뒤 다시 1시간 동안 분산시킨다. Pt/C와 PBI가 잘 혼합된 잉크 슬러리(ink slurry)를 PTFE와 Pt/C가 코팅된 GDL 위에 에어 브러쉬(air brush)를 이용하여 균일하게 스프레이(spray)하여 단위 cm2당 0.5mg의 Pt를 로딩(loading)하였다. 이렇게 만들어진 전극은 100℃ 진공오븐에서 3시간 정도 건조시켜 전극내에 포함된 여러 용매를 완전히 제거한다.
PTFE : PBI층 (두께) = 0.1 : 1 ~ 1 : 0.1
비교예 1 : PTFE 계열 바인더를 이용한 전극 제조
이소프로판올(IPA;iso-propanol) 400ml에 PTFE 에멀젼(emulsion) 60%을 0.4g 넣고 교반 막대(stirring bar)를 이용하여 30분정도 분산시킨다. 여기에 E-Tek 40% Pt/C (1.225g)을 조심스럽게 첨가한 뒤 1시간 정도 교반시킨다. Pt/C와 PTFE가 잘 혼합된 잉크 슬러리(ink slurry)를 에어 브러쉬(air brush)를 이용하여 기체 확산층(GDL;gas diffusion layer) 위에 균일하게 스프레이(spray)한다. Pt/C의 로딩(loading) 량으로는 단위 cm2당 1mg을 로딩하였다. 이렇게 만들어진 전극을 소성기에 넣고 365℃에서 1시간동안 질소분위기에서 소결해주고 다시 250℃에서 1시간 수소분위기에서 환원시켜 주었다.
비교예 2 : PBI 계열 바인더를 이용한 전극 제조
PBI 분말(powder)을 디메틸아세트아마이드(DMAc; dimethylacetamide)에 녹여 5% 용액(solution)을 만든다. 이 용액을 이소프로판올(IPA; iso-propanol) 400ml에 4.9g 넣고 초음파 진동(ultrasonic vibration)을 주어 30분 동안 분산시킨다. 여기에 E-Tek 40% Pt/C (1.225g)을 조심스럽게 첨가한 뒤 다시 1시간 동안 분산시킨다. Pt/C와 PBI가 잘 혼합된 잉크 슬러리(ink slurry)를 에어 브러쉬(air brush)를 이용하여 기체 확산층(GDL; gas diffusion layer) 위에 균일하게 스프레이(spray)한다. Pt/C의 로딩(loading)량으로 단위 cm2당 1mg을 로딩하였다. 이렇게 만들어진 전극은 100℃ 진공오븐에서 3시간 정도 건조시켜 전극 내에 포함된 DMAc를 완전히 제거한다.
비교예 3 : PTFE 및 PBI 혼합 바인더를 이용한 전극 제조
PBI 분말(powder)을 디메틸아세트아마이드(DMAc; dimethylacetamide)에 녹인 5% 용액(solution)과 이소프로판올(IPA; iso-propanol)과 PTFE 에멀젼(emulsion) 60%이 섞여진 분산액을 혼합한다. 여기에 E-Tek 40% Pt/C (1.225g)을 조심스럽게 첨가한 뒤 다시 1시간 동안 분산시킨다. 제조된 잉크 슬러리(ink slurry)를 에어 브러쉬(air brush)를 이용하여 기체 확산층(GDL; gas diffusion layer) 위에 균일하게 스프레이(spray)한다. Pt/C의 로딩(loading량으로 단위 cm2당 1mg을 로딩하였다. 이렇게 만들어진 전극은 100℃ 진공오븐에서 3시간 정도 건조시켜 전극 내에 포함된 여러 용매를 완전히 제거한다.
상기 실시예 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 전극으로서, 이중 전극, PTFE 계열 바인더를 이용한 전극, PBI 계열 바인더를 이용한 전극, PTFE 및 PBI 혼합 바인더를 이용한 전극 각각으로 이루어진 단위 전지의 성능에 관하여 도 2 에 나타내었다. 도핑 레벨은 2000%이고, 단위 전지의 작동 온도는 150℃ 이며, 애노드는 수소, 캐소드는 공기(air)를 주입하며 측정하였다.
도 2 의 결과에서 보면, PTFE 계열 바인더 또는 PBI 계열 바인더를 각각 단독으로 이용한 전극으로 이루어진 단위 전지, 상기 PTFE 계열 바인더 및 PBI 계열 바인더를 혼합하여 이용한 전극으로 이루어진 단위 전지에 비하여, 본 발명에 따른 이중 전극으로 이루어진 단위 전지의 성능이 더 우수함을 알 수 있다.
본 발명에 따르면 무기산으로 도핑된 PBI 계열의 고분자 전해질 막을 고온형 연료 전지에 이용함에 있어서, 이중 전극을 형성함으로써 전극과 전해질 막의 접합을 용이하게 할 수 있으며, PBI가 포함하고 있는 무기산의 방출을 억제할 수 있는 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지를 제공함으로써, 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 제 1 전극 및 제 2 전극의 두 개의 층으로 구성된 이중 전극; 및
    상기 이중 전극 상에 위치하며 상기 제1 전극에 접하는 고분자 전해질막을 포함하고,
    상기 제 1 전극은 상기 고분자 전해질 막과의 접착력을 높이기 위해 PBI 계열의 바인더를 이용하여 제조되고,
    상기 제 2 전극은 상기 고분자 전해질 막의 무기산의 방출을 억제하기 위해 PTFE 계열의 바인더를 이용하여 제조되며,
    상기 고분자 전해질 막은 무기산으로 도핑된 PBI 계열의 고분자 전해질 막인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 바인더.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 이중 전극은 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 바인더.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전극 기재는 기체 도전성 기재의 기체 확산층이며, PTFE로 발수 처리된 탄소 페이퍼 또는 탄소 천을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 바인더.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 촉매층은 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(여기서, M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속임)로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 바인더.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 촉매는 탄소에 담지된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 바인더.
  7. 삭제
  8. 제 1 전극을 제조하는 단계;
    상기 제 1 전극 상에 제 2 전극을 형성함으로써 이중 전극을 제조하는 단계;
    상기 이중 전극의 제 1 전극 상에 고분자 전해질 막을 위치시키고 접합하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 전극은 상기 고분자 전해질 막과의 접착력을 높이기 위해 PBI 계열의 바인더를 이용하여 제조하고,
    상기 제 2 전극은 상기 고분자 전해질 막의 무기산의 방출을 억제하기 위해 PTFE 계열의 바인더를 이용하여 제조하며,
    상기 고분자 전해질 막은 무기산으로 도핑된 PBI 계열의 고분자 전해질 막인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 바인더의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    금속촉매, 바인더 및 용매를 혼합하여 촉매형성용 두 개의 코팅 조성물을 제조하고, 상기 두 개의 코팅 조성물을 각각 전극 기재에 접착하여 이중 전극을 제조하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 바인더의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전극 기재는 기체 도전성 기재의 기체 확산층이며, PTFE로 발수 처리된 탄소 페이퍼 또는 탄소 천을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 바인더의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 촉매는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(여기서, M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속임)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 바인더의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속 촉매는 탄소에 담지된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 바인더의 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 용매는 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 바인더의 제조 방법.
  14. 제 2 항에 따른 막-전극 바인더를 포함하는 연료 전지.
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