KR100957786B1 - 막 전극 접합체 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

막 전극 접합체 제조 방법이 개시된다. 잉크젯(ink jet) 방식으로 지지층에 촉매 잉크를 선택적으로 도포하여 촉매 패턴을 형성하는 단계, 및 촉매 패턴이 전해질 막을 향하도록 지지층과 전해질 막을 결합하는 단계를 포함하는 막 전극 접합체(MEA, membrane-electrode assembly) 제조 방법은, 보다 적은 재료를 이용하여 가스 확산 패턴 및 촉매 패턴을 다양한 형태로 능동적이고 정밀하게 형성할 수 있고, 이에 따라 제조 비용을 점감하고, 양산 수준으로 대량 생산할 수 있다.
막 전극 접합체, 가스 확산층, 촉매 패턴

Description

막 전극 접합체 제조 방법{Method for manufacturing a membrane-electrode assembly}
본 발명은 막 전극 접합체 제조 방법에 관한 것이다.
최근 다양한 모바일(mobile) 기기의 출현으로 인해, 친환경적이고 지속적인 고용량의 출력이 가능한 배터리(battery)로서 연료 전지(fuel cell)에 대한 다양한 연구가 진행이 되고 있다.
연료 전지는, 액체 연료를 사용하는 직접 메탄올 주입형 연료 전지(DMFC, direct methanol fuel cell), 가스 형태의 연료를 사용하는 직접 수소 주입형 연료 전지(PEMFC, polymer electrolyte membrane fuel cell), 용융 탄산염 연료 전지(MCFC, molten carbonate fuel cell) 및 고체 산화물 연료전지 (SOFC, solid oxide fuel cell) 등으로 구분할 수 있다.
이 중, DMFC, PEMFC는, 연료극과 공기극으로 구성되는 막 전극 접합체(MEA, membrane electrode assembly)를 필요로 하며, 종래 기술에 따르면, 막 전극 접합체를 제조하기 위해서, 스크린 프린팅(screen printing) 방식, 임프린트(imprint) 방식 또는 스프레이 코팅(spray-coating) 방식을 이용하였다.
그러나 스프레이 코팅에 의한 종래 기술에 따르는 경우, 작업자의 숙련도에 의존되어 재현성을 확보하기 어려운 문제, 잉크 슬러리(ink slurry)를 만드는 과정 및 촉매층을 형성하는 과정에서 촉매가 유실되는 문제, 그리고 스프레이 노즐(spray nozzle)이 막히는 문제 등이 있었다.
또한, 연료 전지의 안정적 출력을 위해 백금 계열(Pt alloy)의 촉매를 사용하는 특성 상, 고용량의 출력이 요구되는 경우 도포하는 촉매의 양을 늘림에 따라 발생하는 원가 상승의 문제가 연료 전지의 상용화에 있어 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.
이에, 보다 적은 양의 촉매를 가지고 고용량의 출력이 가능하며, 원가 절감이 가능하고 안정적인 재현성을 바탕으로 양산 수준의 대량 생산이 가능한 막 전극 접합체 제조 방법이 요구되고 있는 상황이다.
본 발명은, 다양한 형태의 가스 확산 패턴 및 촉매 패턴을 효율적으로 정밀하게 형성할 수 있는 막 전극 접합체 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 잉크젯(ink jet) 방식으로 지지층에 촉매 잉크를 선택적으로 도포하여 촉매 패턴을 형성하는 단계, 및 촉매 패턴이 전해질 막을 향하도록 지지층과 전해질 막을 결합하는 단계를 포함하는 막 전극 접합체(MEA, membrane-electrode assembly) 제조 방법이 제공된다.
촉매 패턴을 형성하는 단계 이전에, 잉크젯 방식으로 지지층에 탄소 잉크를 도포하여 가스 확산층을 형성할 수 있다.
가스 확산층을 형성하는 단계는, 탄소 잉크를 선택적으로 도포하여 가스 확산 패턴을 형성하는 단계일 수 있다.
촉매 패턴을 형성하는 단계는, 가스 확산 패턴과 상응하도록 촉매 잉크를 선택적으로 도포할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 보다 적은 재료로 가스 확산 패턴 및 촉매 패턴을 다양한 형태로 능동적이고 정밀하게 형성할 수 있고, 이에 따라 제조 비용을 점감하고, 양산 수준으로 대량 생산할 수 있다.
본 발명에 따른 막 전극 접합체 제조 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.
또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 접합체 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 접합체 제조 방법의 각 공정을 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 막 전극 접합체(MEA, membrane-electrode assembly, 100), 잉크젯 헤드(ink jet head, 110), 지지층(120), 가스 확산층(130), 촉매 패턴(140), 제1 전극(160), 제2 전극(160') 및 전해질 막(150)이 도시되어 있다.
본 실시예에 따르면, 잉크젯 방식을 이용하여 촉매 패턴(140)을 형성함으로써, 보다 적은 양의 촉매로 다양한 형태의 촉매 패턴(140)을 정밀하게 형성할 수 있으며, 이에 따라, 원가 절감이 가능하고, 촉매의 이용률이 증가된 막 전극 접합체(100) 제조 방법이 제시된다.
또한, 잉크젯 방식으로 가스 확산층(130)을 형성함으로써, 보다 적은 제조 비용으로 정밀하게 가스 확산층(130)을 형성할 수 있으며, 잉크젯 방식으로 탄소 잉크를 선택적으로 도포함으로써, 보다 적은 양의 탄소로 가스 확산층(130)을 다양한 형태의 가스 확산 패턴으로 정밀하게 형성할 수 있어, 제조 비용을 절감할 수 있고, 수분을 부분적으로 조절할 수 있는 막 전극 접합체(100) 제조 방법이 제시된 다.
먼저, 도 2와 같이, 잉크젯(ink jet) 방식으로 지지층(120)에 탄소 잉크를 도포하여 가스 확산층(130)을 형성한다(S110). 즉, 탄소 종이(carbon paper) 또는 탄소 천(carbon cloth)과 같은 지지층(120)에 잉크젯 방식으로 탄소 잉크를 토출하여 가스 확산층(130)을 형성할 수 있으며, 탄소 잉크를 선택적으로 토출함에 따라, 가스 확산 패턴을 형성할 수도 있다.
가스 확산층(130)이 형성됨에 따라, 촉매 패턴(140)으로 수소(H2) 등의 가스를 원활히 이동시킬 수 있으며, 연료 전지 작동 시, 제1 전극(160)의 산화 반응 및 후술할 제2 전극(160')의 환원 반응에 의해 발생되는 수분 중 일정량이 후술할 전해질 막(150)에 유지되게 하여 수소 이온(H+)을 용이하게 이동시킴으로써, 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 막 전극 접합체(100) 양측에 배치되는 분리판(separator)의 유로에 따라 탄소 잉크를 선택적으로 도포하여 가스 확산층(130)을 다양한 형태의 가스 확산 패턴으로 형성하는 경우, 탄소 잉크를 절약할 수 있으며, 수소 등의 연료와 함께 공급되는 물과 연료 전지의 작동 시 발생하는 수분을 부분적으로 조절할 수 있다.
한편, 본 실시예의 경우, 지지층(120)에 가스 확산층(130)이 형성되는 경우를 일 예로서 제시하였으나, 가스 확산층(130)이 형성되지 않고 지지층(120)에 곧바로 촉매 패턴(140)이 형성될 수도 있으며, 이 경우, 지지층(120)이 전술한 가스 확산층(130)의 기능을 일부 수행할 수 있다.
다음으로, 도 3과 같이, 잉크젯 방식으로 지지층(120)에 촉매 잉크를 선택적으로 도포하여 촉매 패턴(140)을 형성한다(S120). 전술한 바와 같이, 지지층(120)에 가스 확산층(130)이 형성될 수 있으므로, 잉크젯 방식으로 가스 확산층(130) 상에, 예를 들어, 백금(Pt) 등의 물질을 포함하여 이루어진 촉매 잉크를 선택적으로 도포할 수 있으며, 이에 따라, 전해질 막(150)의 표면에 적층되는 제1 전극(160)이 형성될 수 있다.
한편, 지지층(120) 상에 탄소 잉크를 선택적으로 도포하여 가스 확산층(130)을 가스 확산 패턴으로 형성하는 경우에는, 이 가스 확산 패턴과 상응하는 위치, 즉, 가스 확산 패턴의 표면에 촉매 잉크를 선택적으로 도포하여 촉매 패턴(140)을 형성함으로써, 보다 적은 양의 탄소 잉크 및 촉매 잉크를 사용하여 적은 제조 비용으로 촉매 이용률이 높은 막 전극 접합체(100)를 구현할 수 있다.
또한, 제1 전극(160)을 형성하는 방법과 동일한 방법으로, 지지층(120')에 가스 확산층(130') 및 촉매 패턴(140')을 형성하여 제2 전극(160')을 형성할 수 있으며, 제1 전극(160)을 형성하기 이전에 제2 전극(160')을 먼저 형성할 수도 있음은 물론이다.
제2 전극(160')의 지지층(120'), 가스 확산층(130') 및 촉매 패턴(140')은 전술한 제1 전극(160)의 지지층(120), 가스 확산층(130) 및 촉매 패턴(140)과 동일 또는 상응하므로 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
다만, 제2 전극(160')의 가스 확산층(130')은, 촉매 패턴(140')으로 공기 등의 가스를 원활히 이동시켜 제2 전극(160')에서 환원 반응이 원활히 일어나도록 할 수 있다.
이 때, 촉매 패턴(140, 140')은 제1 전극(160) 및 제2 전극(160') 중, 전해질 막(150)과 접촉하여 실제 전기 화학 반응이 일어나는 부분이며, 제1 전극(160) 및 이와 대응되는 제2 전극(160')에서는 다음의 화학식 1과 같은 화학 반응이 일어나며 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
제1 전극(160): H2 → 2H+ + 2e-
제2 전극(160'): O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
전반응: 2H2 + O2 → 2H2O
이 경우, 촉매 패턴(140, 140')을, 막 전극 접합체(100)에 접하는 분리판(separator)의 공기 또는 수소 유로에 따라 다양한 형태로 형성함으로써, 촉매 이용률을 향상시킬 수 있으며, 이와 함께, 부분적으로 촉매 패턴(140, 140')의 두께를 변화시킴으로써, 제1 전극(160) 및 제2 전극(160')에서 보다 높은 산화 반응 및 환원 반응을 유도할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 접합체(100) 제조 방법에 의해 촉매 패턴(140)이 형성된 제1 전극(160)을 나타낸 평면도이다. 제1 전극은, 도 5와 같이, 일정한 간격으로, 예를 들어, 20 내지 100 마이크로미터 두께의 촉매 패턴(140)이 형성될 수 있다.
또한, 도 6과 같이, 잉크젯 헤드(110)를 이용하여 반복적인 인쇄를 통해 두께가 번갈아 변화하는 촉매 패턴(140)을 형성하여 필요에 따라 부분적으로 활발한 반응을 유도할 수도 있고, 이 외에도 도 7과 같이, 촉매 패턴(140)을 대각선 방향으로 형성할 수도 있으며, 제2 전극(160')도 제1 전극(160)과 같이 다양한 형태의 촉매 패턴(140')이 형성될 수 있음은 물론이다.
또한, 가스 확산층(130, 130') 역시, 탄소 잉크의 선택적 도포에 의해 가스 확산 패턴으로 형성되는 경우에 제1 전극(160)의 촉매 패턴(140)과 같이, 다양한 형태로 형성될 수 있음도 물론이다.
다음으로, 도 4와 같이, 촉매 패턴(140, 140')이 전해질 막(150)을 향하도록 지지층(120, 120')과 전해질 막(150)을 결합한다(S130). 전술한 공정에 의해 형성된 제1 전극(160) 및 제2 전극(160')과 전해질 막(150)을 결합함으로써, 막 전극 접합체(100)를 형성할 수 있다.
즉, 가스 확산층(130, 130') 및 촉매 패턴(140, 140')이 형성된 지지층(120, 120')을, 촉매 패턴(140, 140')이 전해질 막(150)을 향하도록, 전해질 막(150)의 양면에 적층하고, 이들을 열간 압착 등의 방법을 이용하여 결합시켜 스택(stack)의 기본 단위로서 막 전극 접합체(100)를 형성할 수 있는 것이다.
여기서, 전해질 막(150)은, 제1 전극(160)에서 산화된 수소 이온을 제2 전극(160')의 촉매 패턴(140')으로 이동시키는 부분으로, 고분자 물질로 이루어질 수 있다.
다음으로, 막 전극 접합체(100)를 다수 형성하고, 각각의 막 전극 접합 체(100) 사이에 분리판을 개재하며, 엔드 플레이트(end plate)를 통해 이들에 압축력을 가하여 결합시킴으로써, 연료 전지를 형성할 수 있다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 접합체 제조 방법을 나타낸 순서도.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 접합체 제조 방법의 각 공정을 나타낸 사시도.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 막 전극 접합체 제조 방법에 의해 촉매 패턴이 형성된 제1 전극을 나타낸 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 막 전극 접합체 110: 잉크젯 헤드
120, 120': 지지층 130, 130': 가스 확산층
140, 140': 촉매 패턴 160: 제1 전극
160': 제2 전극 150: 전해질 막

Claims (4)

  1. 잉크젯(ink jet) 방식으로 지지층에 탄소 잉크를 도포하여 가스 확산층을 형성하는 단계;
    잉크젯 방식으로 상기 가스 확산층에 촉매 잉크를 선택적으로 도포하여 촉매 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 촉매 패턴이 전해질 막을 향하도록 상기 지지층과 상기 전해질 막을 결합하는 단계를 포함하는 막 전극 접합체(MEA, membrane-electrode assembly) 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 확산층을 형성하는 단계는,
    상기 탄소 잉크를 선택적으로 도포하여 가스 확산 패턴을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 촉매 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 가스 확산 패턴과 상응하도록 상기 촉매 잉크를 선택적으로 도포하는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체 제조 방법.
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