KR100941265B1 - 막-전극 어셈블리를 재생산하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 막-전극 어셈블리의 재생산 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리의 재생산 방법은 제1 애노드 전극과 제1 캐소드 전극 사이에 전해질막이 위치하는 막-전극 어셈블리에서, 전해질막 내부에 백금띠가 형성되는 경우, 제1 애노드 전극과 제1 캐소드 전극을 제거하는 단계 및 전해질막 상에 제2 애노드 전극과 제2 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 이에 의해, 연료전지 차량의 저가습 운전을 가능하게 하며, 가습기의 크기 및 용량을 줄일 수 있다.
Figure R1020080045674
백금띠, 막-전극 어셈블리

Description

막-전극 어셈블리를 재생산하는 방법{Recycling methode of membrane-electrode assembly}
본 발명은 막-전극 어셈블리를 재생하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료 전지 차량의 장기 운행시 막-전극 어셈블리의 전해질막 내부에 생기는 백금띠를 활용하는 막-전극 어셈블리를 재생하는 방법에 관한 것이다.
연료 전지는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대 전원으로도 주목받고 있다.
이러한 연료전지는 막-전극 어셈블리(Membrane-electrode assembly)를 포함하여 이루어지며, 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(산화 전극)과 캐소드 전극(화원 전극)이 위치하는 구조를 가진다.
다만, 장기간 운전한 고품 막-전극 어셈블리는 전해질 막 내부에 백금띠가 형성된다. 또한, 신품에 비해 촉매층이 얇아지고, 촉매 입자 크기가 커지는 등 손상을 입을 수 있으며, 연료전지 반응에 부정적 영향을 끼치는 H2 cross-over 현상 및 막의 국부적 열화에 의한 Pin-hole이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 고품 막-전극 어셈블리의 활용도를 높이고, 전해질 막 내부에 형성된 백금띠를 활용하여 연료전지 차량의 저가습 운전을 가능하게 하는 막-전극 어셈블리를 재생하는 방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리를 재생하는 방법은, 제1 애노드 전극과 제1 캐소드 전극 사이에 전해질막이 형성된 막-전극 어셈블리에 있어서, 전해질막 내부에 백금띠가 형성되는 경우, 제1 애노드 전극과 제1 캐소드 전극을 제거하는 단계 및 전해질막 상에 제2 애노드 전극과 제2 캐소드 전극을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전해질막 내부에 백금띠가 형성된 막-전극 어셈블리를 재생함으로써, 고품 막-전극 어셈블리의 활용도를 높이고, 전해질 막 내부에 형성된 백금띠를 활용하여 연료전지 차량의 저가습 운전을 가능하게 하며, 가습기의 크기 및 용량을 줄일 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 연료전지의 작동원리를 설명하기 위한 도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지의 막-전극 어셈블리(100)는 전해질막(110), 애노 드 전극(120) 및 캐소드 전극(130) 등을 포함할 수 있다.
전해질막(110)은 전도성, 기계적 물성 및 내화학성이 우수한 퍼플루오로설폰산 수지 등 고분자 전해질막이 사용될 수 있으며, 전해질막(110)의 양면에는 산화전극이라고도 하는 애노드 전극(120)과 환원전극이라고도 캐소드 전극(130)이 위치한다.
애노드 전극(120)과 캐소드 전극(130)은 전극기재(122,132)와 촉매층(124,134)을 포함할 수 있으며, 촉매층(124,134)은 반응성이 낮은 백금(Pt) 등을 포함할 수 있다.
전극기재(122,132)는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층(124,134)으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층(124,134)으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 이와 같은 전극 기재(122,132)로는 전도성 기재를 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
촉매층(124,134)은 반응을 촉매적으로 도와주는 촉매를 포함한다.
촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으나, 대표적인 예로는 백금계 촉매를 사용할 수 있다.
이러한 고분자 전해질 연료 전지는, 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치로서, 공급된 수소(H2)가 애노드 전극(120)의 촉매층(124)에서 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분리되고, 분리된 수소 이 온(H+)은 전해질막(110)을 통해 캐소드 전극(130)으로 넘어가게 되며, 남는 수소는 다시 배출된다.
이때, 공급된 산소와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키며, 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며 반응식은 다음과 같다.
Anode : H2 → 2H++2e- ,
Cathode : (1/2)O2 +2H++2e-→H2O
상술한 반응이 오랫동안 지속된 경우, 애노드 전극(120)과 캐소드 전극(130)의 촉매층(124,134)으로부터 백금(Pt)이 용출되게 된다. 용출된 백금으로 인해, 애노드 전극(120)과 캐소드 전극(130)의 촉매의 양이 감속하게 되며, 백금의 나노 입자 크기 통상 2~3nm 에서 수십nm의 크기로 성장을 하는 등 열화 현상이 진행된다.
열화 현상이 진행되면서, 애노드 전극(120)과 캐소드 전극(130)에서 용출된 백금은 전해질막(110) 중간에 백금띠(140)를 형성하게 된다.
이렇게 장기간 사용한 막-전극 어셈블리(100)의 애노드 전극(120)과 캐소드 전극(130)의 손상은 자명하다. 다만, 전해질막(110)은 백금띠(140)가 형성된 것을 제외하고는 H2 cross-over 현상 및 막의 국부적 열화에 의한 Pin-hole 현상이 나타나지 않은 양호한 상태이다.
또한, 백금띠(140)를 이루는 백금은 반응성이 거의 없어 촉매로서 많이 이용되고 있으며, 연료전지의 경우 애노드 전극(120)과 캐소드 전극(130)에서 제공되는 H2 와 O2 의 반응을 촉진하여 H2O를 형성하게 할 수 있다.
본 발명은, 전해질막(110)에 형성된 백금띠(140)를 활용하여 연료전지 차량의 저가습 운전을 가능하게 하는 것을 목적으로, 수분의 발생에 관하여서는 도 2를 참조하여 후술하기로 한다.
도 2는 백금띠에서 발생하는 반응을 나타내는 도이다.
도 2를 참조하면, 애노드 전극(120)쪽에서 공급된 수소와 캐소드 전극(130)쪽에서 공급된 산소가 백금띠(140) 부근에서 만나게 된다.
백금띠(140) 부근에서 만난 수소와 산소는 백금을 촉매로 반응하게 되며 수분을 형성한다. 이때의 반응식은 하기와 같다.
2H2 + O2 → 2H2O
이렇게 발생한 수분은 전해질막(110) 내부에서 확산을 통하여 외부로 방출되게 되며 결국,내부의 백금띠(140)는 자가 수분을 공급할 수 있게 한다. 따라서, 저가습에서 운전 가능하도록 하며, 이러한 저가습의 운전은 연료전지 자동차의 가습 부담을 줄여주어, 가습기의 크기 및 용량을 줄일 수 있다.
도 3은 막-전극 어셈블리를 재생하는 방법을 도시한 도이다.
본 발명은, 전해질막(310)에 백금띠(340)가 형성되는 경우, 손상된 애노드 전극(320)과 캐소드 전극(330)을 제거하는 단계 및 전해질막(310)상에 새로이 애노드 전극(350)과 캐소드 전극(360)을 형성하는 단계를 포함한다.
이와 같이, 백금띠(340)가 형성된 전해질막(310)을 재사용하면, 연료전지 자 동차의 가습 부담을 줄여주어, 가습기의 크기 및 용량을 줄일 수 있다.
또한, 가습효과가 있는 백금입자의 백금띠(340)를 포함하는 전해질막(310)을 번거로운 합성과정을 거치지 않고, 자연적으로 발생한 고품 막-전극 어셈블리(300)를 이용하므로, 간단히 전해질막(310)습득이 가능하다. 이에 따라, 막-전극 어셈블리(300)의 가격절감의 효과도 가져올 수 있다.
우선, 손상된 애노드 전극(320)과 캐소드 전극(330)을 제거하는 단계는, 알콜류의 유기용매로 제거가 가능하다.
애노드 전극(320)과 캐소드 전극(330)의 촉매층(324,334)은 대부분 탄소담지체에 백금입자가 분산되어 있으므로, 이소프로판올 등 알콜류를 이용하여 손쉽게 제거할 수 있다.
다음, 백금띠(340)를 포함하는 전해질막(310) 상에 새로운 애노드 전극(350)과 캐소드 전극(360)을 형성하는 단계는, 전해질막(310)에 촉매층(354,364)을 형성한 후 전극 기재(352,362)를 접합하거나, 또는 촉매층(354,364)이 형성된 전극 기재(352.362)와 전해질막(310)을 접합하여 형성될 수 있다.
보다 상세하게는, 전해질 막(310)에 촉매층(354,364)을 형성하는 경우, 촉매층(354,364) 형성용 조성물을 전해질막(310)에 도포하거나 또는 촉매층(354,364) 형성용 조성물을 이형 필름에 도포하고 건조하여 1차 촉매층을 형성하고 이를 열간 압연에 의해 고분자 전해질막(310)으로 전사하여 촉매층(354,364)을 형성한 다음 전극 기재(352,362)와 접합하여 막-전극 어셈블리(300)를 제조할 수 있다.
또는, 전극 기재(352,362)에 촉매층(354,364)을 형성하는 경우, 전극 기 재(352,362)에 촉매층(354,364) 형성용 조성물을 도포하여 촉매층(354,364)을 제조한 후 상기 제조된 고분자 전해질막(310)과 접착하여 막-전극 어셈블리(300)를 제조할 수 있다.
촉매층(354,364) 형성용 조성물을 고분자 전해질막(310)의 양면에 직접 도포하는 경우, 상기 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯다이(slot die)법으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
이렇게 전해질막(310) 내부에 백금띠(340)가 형성된 막-전극 어셈블리를 재생함으로써, 고품 막-전극 어셈블리의 활용도를 높이고, 전해질 막(310) 내부에 형성된 백금띠(340)를 활용하여 연료전지 차량의 저가습 운전을 가능하게 하며, 가습기의 크기 및 용량을 줄일 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
도 1은 연료전지의 작동원리를 설명하기 위한 도이다.
도 2는 백금띠에서 발생하는 반응을 나타내는 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 막-전극 어셈블리를 재생하는 방법을 도시한 도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
110,310:전해질막 120,320,350:애노드전극
130,330,360:캐소드전극 140,340:백금띠

Claims (5)

  1. 제1 애노드 전극과 제1 캐소드 전극 사이에 전해질막이 형성된 막-전극 어셈블리를 재생하는 방법에 있어서,
    상기 전해질막 내에 백금띠가 형성되는 경우, 상기 제1 애노드 전극과 제1 캐소드 전극을 제거하는 단계; 및
    상기 전해질막 상에 제2 애노드 전극과 제2 캐소드 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리를 재생하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 애노드 전극과 상기 제1 캐소드 전극을 제거하는 단계는 알콜류의 유기용매를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리를 재생하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 알콜류의 유기용매는 이소프로판올인 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리를 재생하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 애노드 전극, 상기 제1 캐소드 전극, 상기 제2 애노드 전극 및 상 기 제2 캐소드 전극 중 적어도 어느 하나는 촉매층과 전극 기재를 포함하는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리를 재생하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 애노드 전극과 상기 제2 캐소드 전극을 형성하는 단계는, 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯다이(slot die)법 중 적어도 어느 하나의 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 막-전극 어셈블리를 재생하는 방법.
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