KR101021115B1

KR101021115B1 - 엠이에이의 촉매전극층 제조방법

Info

Publication number: KR101021115B1
Application number: KR1020080041651A
Authority: KR
Inventors: 이기섭
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2008-05-06
Publication date: 2011-03-14
Also published as: US20090280976A1; KR20090116000A

Abstract

본 발명은 MEA의 촉매전극층 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 밀도 차이에 따라 촉매전극층을 이루는 두 물질을 분리시킴으로써 MEA의 성능이 향상되게 하는 MEA의 촉매전극층 제조방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 밀도가 서로 다른 촉매와 아이오노머 바인더를 포함하여 구성되는 MEA의 촉매전극층 제조방법에 있어서,

촉매와 아이오노머 바인더 및 용매를 혼합하여 이루어지는 촉매 슬러리를 제조하는 제1단계와; 상기 촉매 슬러리에 원심력이 작용하도록 회전시켜 상기 촉매와 아이오노머 바인더를 서로 분리시키는 제2단계와; 상기 촉매와 아이오노머 바인더가 분리된 상태인 촉매 슬러리에서 용매를 증발시켜 고체 상태로 만드는 제3단계와; 상기 제3단계의 촉매 슬러리를 건조시키는 제4단계;를 통해, 상기 촉매와 아이오노머 바인더의 분포도를 다르게 하는 것을 특징으로 하는 MEA의 촉매전극층 제조방법을 제공한다.

연료전지, MEA, 촉매전극층, 이온교환막, 계면, 수소 이온, 촉매, 아이오노머 바인더, 원심력

Description

엠이에이의 촉매전극층 제조방법{Manufacturing method Catalyst layer of membrane electrode assembly}

일반적으로 연료전지용 MEA의 촉매전극층은 크게 수소 이온이 이동할 수 있는 통로 역할을 하는 아이오노머 바인더(ionomer binder)와 카본과 같은 물질을 담지체로 하는 촉매로 이루어져 있다.

첨부한 도 1은 종래 연료전지용 MEA의 구조를 도시한 개략도이고, 도 2는 종래 촉매전극층 제조방법에 따라 제조된 MEA의 촉매전극층의 구조를 도시한 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지용 MEA의 구조는 이온교환막(3)을 중심으로 양쪽에 촉매전극층(4)이 위치해 있고, 상기 촉매전극층(4)의 외측으로 가스확산 층(5)과 분리판(6)이 순서대로 위치한다.

MEA의 음극의 경우, 유입되는 수소 가스는 분리판(6)에 있는 유로(7)를 통해 들어가서 가스확산층(5)을 통해 촉매전극층(4) 방향으로 이동하게 된다. 이때 전극에 유입되는 가스는 가스확산층(5)과 촉매전극층(4) 사이의 계면 즉, 촉매전극층 계면(1)까지 이동하고 촉매전극층(4)에서 촉매와 반응하여 수소 이온과 전자가 만들어진다.

이렇게 만들어진 수소 이온은 촉매전극층(4)을 통해 촉매전극층(4)과 이온교환막(3) 사이의 계면 즉, 이온교환막 계면(2)을 지나 이온교환막(3)을 통과하게 된다.

다시 말하면, 촉매전극층 계면(1)까지는 수소 가스가 이동을 하고 그 후에는 수소 이온 형태로 이동을 하게 된다. 이에 따라 촉매전극층(4)이 가스확산층(5)에 가까울수록 아이오노머 바인더가 적고 다공성의 층으로 이루어져야 공기의 공급이 원활하여 MEA의 성능이 높아지고 촉매전극층(4)이 이온교환막(3)에 가까울수록 아이오노머 바인더의 함량이 높아야 계면 접촉이 좋고 수소 이온의 이동이 원활하게 이루어져 MEA 성능 향상에 유리하다.

따라서, 촉매전극층(4)에 들어가는 아이오노머 바인더의 함량을 고르게 분포시키는 것보다 이온교환막(3) 쪽으로 아이오노머 바인더의 함량을 증가시키는 것이 MEA의 성능을 향상시킬 수 있다.

촉매전극층(4)을 제조하는 방법으로는 스프레이 코팅(spray coating), 바 코팅(bar coating), 슬롯 다이(slot die) 등 여러 가지 방법들이 있으나, 종래 기술 로 제조한 촉매전극층(4)은 도 2에서 보는 것과 같이 촉매전극층(4)에 들어 있는 아이오노머 바인더와 카본 담지 촉매의 함량은 변화될 수 있지만 두 물질 사이의 분포도는 변화시킬 수 없다.

또한, 전술한 바와 같이 촉매전극층(4) 안에 들어 있는 아이오노머 바인더의 함량 분포도가 일정할 경우 촉매전극층 계면(1)에 연료의 공급이 원활하지 못하고, 촉매전극층(4)에서 생산된 프로톤(proton)이 이온교환막 계면(2)을 원활하게 통과하지 못하여 이온교환막(3)을 통해 양극 방향으로 이동하기 어려워지면서, 계면 접착력이 상대적으로 떨어져 계면 저항이 높아져 MEA 성능이 떨어진다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래 MEA의 촉매전극층 제조방법에 의해 제조된 촉매전극층(4)은 이를 구성하는 촉매와 아이오노머 바인더가 고르게 분포되어 MEA의 성능이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 촉매전극층을 이루고 있는 아이오노머 바인더와 촉매의 분포도를 다르게 제조하여 MEA의 성능을 향상시키는 MEA의 촉매전극층 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 밀도가 서로 다른 촉매와 아이오노 머 바인더를 포함하여 구성되는 MEA의 촉매전극층 제조방법에 있어서,

그리고, 상기 촉매 슬러리는 촉매와 아이오노머 바인더의 혼합물이 20~25중량%이고, 용매가 75~80중량%인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용매는 물, 프로필 알코올 및 에탄올 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 선택되어 혼합되는 것을 특징으로 하며,

상기 제4단계는 80~120℃에서 6~8시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 MEA의 촉매전극층 제조방법은 아이오노머 바인더의 분포를 다르게 하여 촉매전극층을 제조함으로써 MEA의 성능을 증가시키는 효과가 있다.

즉, 촉매전극층에 아이오노머 바인더의 분포도를 변화시킴으로써 촉매전극층 계면을 통과하는 수소 가스의 물질 전달이 용이하고 촉매전극층에서 생성되는 수소 이온 물질이 이온교환막 계면을 원활하게 통과하여 물질 전달이 용이하게 되며 MEA 의 성능이 향상된다.

이에 따라 연료전지의 연료물질 전달 및 수소 이온의 전달효율이 증가되는 효과를 얻을 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 실시 예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시 예를 상세하게 설명한다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 원심분리장치를 이용한 촉매전극층의 제조공정을 도시한 개략도이고, 도 4와 도 5는 본 발명에 따라 원심분리법으로 제조된 촉매전극층의 구조를 도시한 개략도이다.

본 발명에 따른 MEA의 촉매전극층 제조방법은 촉매전극층 계면에는 아이오노머 바인더를 상대적으로 적게 분포하고 이온교환막 계면에는 아이오노머 바인더를 상대적으로 많게 분포하여 촉매와 아이오노머 바인더의 분포를 다르게 제조함으로써 MEA의 성능을 향상시킨다.

도 5에 도시된 바와 같이, 촉매전극층(4)과 가스확산층(5)이 닿는 부분인 촉 매전극층 계면(1)에 아이오노머 바인더의 분포가 촉매전극층(4)과 이온교환막(3)이 닿는 부분인 이온교환막 계면(2)보다 상대적으로 적으면 연료공급이 원활하게 이루어져 물질 전달이 활발해진다.

즉, 상기 이온교환막 계면(2)의 아이오노머 바인더 분포가 상기 촉매전극층 계면(1)보다 높으면 수소 가스가 촉매를 통과하면서 발생된 수소 이온들이 아이오노머 바인더를 통해 이온교환막(3)으로 물질 전달이 되고 양극의 계면방향으로의 이동이 원활해져 촉매전극층 계면(1)에 접착력이 높아지면서 계면 저항이 감소되어 MEA의 성능이 향상된다.

촉매전극층(4)을 구성하는 촉매 슬러리는 용매를 제외하면 크게 카본과 같은 물질을 담지체로 하는 촉매와 아이오노머 바인더로 분류되며, 카본과 아이오노머 바인더의 밀도는 약 2 g/㎠으로 비슷하지만 카본에 붙어 있는 촉매는 밀도가 21.5 g/㎠ 로 상당히 높다.

이렇게 밀도 차이가 많이 나는 촉매와 아이오노머 바인더를 고속 회전으로 원운동을 시키면, 회전하는 중심축 바깥쪽은 밀도가 큰 카본 담지 촉매(이하, 촉매)의 분포가 높아지고 중심측에 가까울수록 상대적으로 밀도가 낮은 아이오노머 바인더의 양이 많아지면서 층이 분리될 수 있다.

이에 따라 본 발명은 촉매전극층 계면(1)과 이온교환막 계면(2)에 촉매와 아이오노머 바인더의 분포도를 다르게 하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같은 원심분리법을 적용하여 작동하는 원심분리장치를 이용한다.

상기 원심분리장치는 촉매 슬러리가 공급되는 비이커(10)와, 상기 비이 커(10)와 연결되어 회전구동력을 제공하는 모터(13)와, 상기 비이커(10)와 분리통(12) 사이에 연결되는 이동관(11)을 포함하여 구성된다.

상기 모터(13)가 작동하여 비이커(10)가 회전운동을 시작하면, 상기 비어커(10)에 촉매와 아이오노머 바인더로 이루어지는 촉매 슬러리를 소량 투입한다.

여기서, 상기 촉매 슬러리는 75~80중량%를 용매로 하고, 촉매 및 아이오노머 바인더의 함량을 20~25중량%의 고농도로 제조한다.

이때, 촉매와 아이오노머 바인더는 통상적인 비율로 혼합되고, 용매로 사용되는 물질은 물, 프로필 알코올, 에탄올 중 선택된 하나이거나 또는 둘 이상의 혼합물이 되며 증발이 빠른 물질을 이용하는 것이 공정상 유리하다.

상기 촉매 슬러리는 원심력에 의해 이동관(11)을 지나 분리통으로 이동하게 되며, 이때 상기 비이커(10)를 저속으로 회전시켜 촉매 슬러리가 분리통(12)으로 원활하게 이동하게 한다.

상기 비이커(10)에 투입된 촉매 슬러리가 모두 분리통(12)으로 이동할 때까지 회전속도를 최소 50RPM으로 하고, 촉매 슬러리가 모두 분리통(12)으로 이동한 후에는 회전속도를 높여 고속으로 회전시킴으로써 촉매와 아이오노머 바인더가 밀도 차이에 따라 다르게 분포되도록 한다.

즉, 상기 분리통(12)을 고속으로 회전시켜 줌으로써 원심력이 비교적 크게 작용하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 밀도가 상대적으로 큰 촉매가 원심력에 의해 바깥 방향으로 이동하고 상대적으로 밀도가 작은 아이오노머 바인더가 중심 방향으 로 모이며 분포도가 달라진다.

이런 상태에서 최소 1시간 동안 용매를 증발시켜 유동이 없는 고체 상태로 만든 다음, 상기와 같은 상태의 촉매전극층을 꺼내어 건조 오븐에 넣고 80~120℃에서 6~8시간 동안 건조시킴으로써 잔여 용매를 완전히 제거한다.

이때 제조되는 촉매전극층의 형태를 조절하기 위하여 공정 초기에 상기 비이커(10)에 투입하는 촉매 슬러리의 양과 상기 분리통(12)의 크기 및 형태를 조절하여 촉매전극층(4)의 형태 및 크기를 조절할 수 있다.

도 4는 상기와 같은 공정으로 제조된 촉매전극층으로, 좌측 부분은 촉매전극층 계면(1)에 해당하고 우측 부분은 이온교환막 계면(2)과 동일하다.

이와 같이 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 촉매전극층은 촉매전극층 계면(1)에 아이오노머 바인더가 전체 아이오노머 바인더 함량의 20~30중량%로 비교적 낮아 연료 가스의 공급이 원활하게 이루어져 물질 전달 저항이 적어지고, 이온교환막 계면(2)에 아이오노머 바인더는 전체 아이오노머 바인더 함량의 70~80중량%로 상대적으로 많아져서 촉매전극층에 생성되는 수소 이온의 이동이 원활하여 계면 물질의 전달 저항이 낮고 이온교환막 계면(2)에 전달 저항이 낮아져 고성능의 MEA 제조가 가능하게 된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시 예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시 예들을 모두 포 함한다.

도 1은 종래 연료전지용 MEA의 구조를 도시한 개략도,

도 2는 종래 촉매전극층 제조방법에 따라 제조된 MEA의 촉매전극층의 구조를 도시한 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 원심분리장치를 이용한 촉매전극층의 제조공정을 도시한 개략도,

도 4와 도 5는 본 발명에 따라 원심분리법으로 제조된 촉매전극층의 구조를 도시한 개략도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 촉매전극층 계면 2 : 이온교환막 계면

3 : 이온교환막 4 : 촉매전극층

5 : 가스확산층 6 : 분리판

Claims

밀도가 서로 다른 촉매와 아이오노머 바인더를 포함하여 구성되는 MEA의 촉매전극층 제조방법에 있어서,

촉매와 아이오노머 바인더 및 용매를 혼합하여 이루어지는 촉매 슬러리를 제조하는 제1단계와;

상기 촉매 슬러리에 원심력이 작용하도록 회전시켜 상기 촉매와 아이오노머 바인더를 서로 분리시키는 제2단계와;

상기 촉매와 아이오노머 바인더가 분리된 상태인 촉매 슬러리에서 용매를 증발시켜 고체 상태로 만드는 제3단계와;

상기 제3단계의 촉매 슬러리를 건조시키는 제4단계;

를 통해, 상기 촉매와 아이오노머 바인더의 분포도를 서로 다르게 하는 것을 특징으로 하는 MEA의 촉매전극층 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 촉매 슬러리는 촉매와 아이오노머 바인더의 혼합물이 20~25중량%이고, 용매가 75~80중량%인 것을 특징으로 하는 MEA의 촉매전극층 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 용매는 물, 프로필 알코올 및 에탄올 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상이 선택되어 혼합되는 것을 특징으로 하는 MEA의 촉매전극층 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 제4단계는 80~120℃에서 6~8시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 MEA의 촉매전극층 제조방법.