KR101080783B1 - 고분자전해질 연료전지용 전극 및 막전극접합체의 제조 방법 - Google Patents

고분자전해질 연료전지용 전극 및 막전극접합체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 고분자 연료전지에서 핵심 구성인 막전극접합체(MEA) 및 이에 대한 전극의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 막전극접합체의 제조 방법은 진공·탈포 공정을 포함하는 촉매 슬러리 제조 공정에 의하여, 기존의 촉매 슬러리에 비하여 균일하게 분산된 고농도의 촉매 슬러리를 제공할 수 있도록 구현되어 촉매 손실을 줄여 촉매 이용률을 향상시키며, 촉매 슬러리 분산에 사용되는 기존의 물과 에탄올 또는 물과 이소프로필알콜 용매의 조성비를 조절하여 에톡시 에탄올과 같은 고급알콜을 첨가하는 용매를 사용함으로서 크랙을 방지하여 전극성능을 향상시킴에 따라 최적화된 막전극접합체 제조 방법을 제공한다. 따라서, 향상된 촉매 이용률과 개선된 전극성능을 통하여 기존의 데칼법에 의한 막전극접합체 제조시 발생 가능한 연료전지 셀의 성능 저하 문제를 해결하여 양산성이 우수하며, 촉매층 간의 접촉저항을 줄일 수 있으며, 내구성이 향상된 데칼법에 의한 고분자전해질 연료전지용 전극 및 막전극접합체의 제조 방법을 제공한다.
막전극접합체, MEA, 데칼 MEA, MEA 전극, 촉매층 설계, MEA 제조공정, 촉매분산공정

Description

고분자전해질 연료전지용 전극 및 막전극접합체의 제조 방법{Process for maufacturing electrode and Membrane-Electrode Assembly for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell}
본 발명은 고분자전해질 연료전지용 전극과 막전극접합체 및 이들의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량용 고분자전해질연료전지(PEMFC)에 사용되는 전극과 이를 접합한 막전극접합체(Membrane-Electrode Assembly: MEA) 및 이를 제조하는 방법에 있어서, 고농도 촉매 분산 기술을 이용하여 생산된 촉매 슬러리를 바탕으로 최적화된 고성능의 막전극접합체(MEA)를 제조할 수 있는 고분자전해질 연료전지용 전극과 막전극접합체 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 차량용 고분자 연료전지에서 핵심기술인 막전극접합체(MEA) 제조 방법에 관한 기술이다. 고분자 연료전지의 MEA 촉매 전극 제조를 위해서는 필수적으로 유동성이 높고, 고 분산된 촉매슬러리의 개발이 선행되어야 한다. 그러나, 일반적으로 나노 크기의 촉매 입자를 고농도로 균일하게 분산시키기 위한 기술적 방 법은 알려지지 않고 있으며, 다만, 저농도에서 촉매 입자를 분산시키는 기술들은 종종 보고되고 있다.
일반적으로 소개되는 전극제조법의 경우에는 고농도 촉매 분산이 어려워 저농도 촉매 슬러리를 제조하여 스프레이 코팅 방법으로 전극을 제조하고 있다. 하지만, 이러한 방법으로는 촉매의 손실(loss)이 클 뿐만 아니라 여러 번 촉매를 도포해야 하므로 제조공정 시간이 길어지게 되어 제조 비용의 증가를 초래하는 문제점이 있다.
이 중, 일본의 와타나베 교수팀의 촉매 슬러리 분산 기술의 경우 높은 압력을 걸어 촉매 입자 속의 이오노머(ionomer)를 극미세 공극(primary pore) 속에 넣을 수 있다고 하나, 이 공정의 단점은 제조가 까다롭고, 극미세 공극(primary pore) 속의 공기층을 완전히 제거하지 못하기 때문에 이오노머(ionomer) 침투에 한계가 존재하였다.
한편, MEA 제조기술 분야에서는 막에 전극층을 형성시키는 방법 (CCM, Catalyst Coated Membrane), 가스확산층(GDL. Gas Diffuse Layer)에 촉매층을 입히는 방법 (CCG, Catalyst Coated GDL)들이 알려져 있다. 또한, CCM 방법 중 간접전사방법인 데칼법등도 병행되어 소개 되고 있다. 하지만, 아직까지 이들 방법들 중 양산 적용성이 높은 방법을 제시하지 못하는 실정이다.
이와 같은 여러 막전극접합체 제조 기술 중, 특히 데칼법은 촉매층 두께 및 면적의 제어가 용이하여 MEA 양산성이 탁월한 장점이 있으며, CCM(Catalyst Coated Membrane)방식에 해당하는 것으로서, CCG(Catalyst Coated GDL) 방식에 비해 막과 촉매층 간의 접촉저항을 줄일 수 있고, 전사 시 열압착을 통해 치밀한 촉매층을 형성시킴으로서 장기 내구성이 향상되는 장점을 갖는다. 다만, 이로 인해 촉매층의 기공성이 떨어져 초기 셀 성능은 CCG 방식에 비해 다소 저하될 수 있는 단점이 있다.
따라서, 촉매 이용률이 향상된 고농도 촉매 분산 방법을 통하여 촉매 손실을 줄일 수 있는 고효율의 촉매 슬러리를 제조하여, 이를 바탕으로 최적화 설계된 막전극접합체를 제조하는 방법이 요구된다.
이에 본 발명에서는 고분자전해질 연료전지용 전극 및 막전극접합체의 제조 방법에 있어서, 기존의 촉매 슬러리에 비하여 균일하게 분산된 고농도의 촉매 슬러리를 제공하여 촉매 이용률을 향상시킴은 물론, 촉매 슬러리 분산에 사용되는 용매비를 조절하여 전극성능을 향상시킴에 따라 최적화된 막전극접합체 제조 방법을 제공함으로서, 기존의 데칼법에 의한 막전극접합체 제조시 발생 가능한 연료전지 셀의 성능 저하 문제를 해결하여 양산성이 우수하며, 촉매층 간의 접촉저항을 줄일 수 있으며, 내구성이 향상된 데칼법에 의한 고분자전해질 연료전지용 전극 및 막전극접합체의 제조 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 구성을 제공한다.
본 발명은 고분자전해질 연료전지의 전극 제조 방법에 있어서, 스프레이 장치를 사용하여 촉매 분말을 물로 적셔줌으로써 촉매 활성을 낮추는 단계와, 초기 촉매입자를 분산시키는 초음파 및 고속 교반 단계와, 분산 과정 중 진공상태를 만들어주어 촉매 표면에 흡착되어 있던 산소 기포를 제거하고, 촉매 극미세 공극(primary pore)속에 이오노머를 침투/흡착시키는 진공 단계와, 소량 잔존하는 큰 촉매입자들을 분산시키기 위한 비드밀링(bead milling) 단계와, 제조 공정에서 생성된 미세기포를 제거하는 단계와, 최종 필터링을 통하여 큰 촉매입자가 제거된 고농도 촉매 슬러리를 제조하는 단계와, 이형 필름의 표면에 상기 촉매 슬러리를 코팅하여 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 전극 제조 방법을 제공한다.
또한, 촉매 분산시 사용되는 용매는 물;과 이소프로필알콜 또는 에탄올;이 배합된 것으로서, 상기 용매는 추가 용매로서 에톡시 에탄올, 부톡시 에탄올, N-메틸피롤리돈(NMP) 중 선택된 1종 이상을 0.1 ~ 50 % 포함하는 용매임을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 전극 제조 방법을 제공한다.
그리고, 코팅된 촉매 슬러리를 건조하는 단계에서, 건조 과정은 70 ℃ ~ 90 ℃에서 10 시간 이상 건조하는 1차 열 처리 과정과 100 ℃ ~ 120 ℃ 에서 30분 이상 건조시키는 2차 열 처리 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자전해질연료전지용 전극 제조 방법을 제공한다.
따라서, 상술한 고성능 전극 제조 방법 중 어느 하나의 제조 방법으로 제조되는 고분자전해질 연료전지용 전극을 제공한다.
한편, 본 발명은 고분자전해질 연료전지의 막전극접합체 제조 방법에 있어서, 스프레이 장치를 사용하여 촉매 분말을 물로 적셔줌으로써 촉매 활성을 낮추는 단계와, 초기 촉매입자를 분산시키는 초음파 및 고속 교반 단계와, 분산 과정 중 진공상태를 만들어주어 촉매 표면에 흡착되어 있던 산소 기포를 제거하고, 촉매 극미세 공극(primary pore)속에 이오노머를 침투/흡착시키는 진공 단계와, 소량 잔존하는 큰 촉매입자들을 분산시키기 위한 비드밀링(bead milling) 단계와, 제조 공정에서 생성된 미세기포를 제거하는 단계와, 최종 필터링을 통하여 큰 촉매입자가 제거된 고농도 촉매 슬러리를 제조하는 단계와, 이형 필름의 표면에 상기 촉매 슬러리를 코팅하여 건조하여 촉매층을 완성하는 단계와, 완성된 촉매층을 핫 프레스(hot press)를 이용하여 전해질 막 양면에 전사(decal)시켜 3-layer 막전극접합체를 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 막전극접합체 제조 방법을 제공한다.
또한, 3-layer 막전극접합체의 양측에 가스확산층(GDL)을 체결하여 5-layer 막전극접합체를 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 막전극접합체 제조 방법을 제공한다.
여기서, 촉매 분산시 사용되는 용매는 물;과 이소프로필알콜 또는 에탄올;이 배합된 것으로서, 상기 용매는 추가 용매로서 에톡시 에탄올, 부톡시 에탄올, N-메틸피롤리돈(NMP) 중 선택된 1종 이상을 0.1 ~ 50 % 포함하는 용매임을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 막전극접합체 제조 방법을 제공한다.
이 경우, 코팅된 촉매 슬러리를 건조하는 단계에서, 건조 과정은 70 ℃ ~ 90 ℃에서 10 시간 이상 건조하는 1차 열 처리 과정과 100 ℃ ~ 120 ℃ 에서 30분 이상 건조시키는 2차 열 처리 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 막전극접합체 제조 방법을 제공한다.
따라서, 상술한 고성능 막전극접합체 제조 방법에 의하여 제조되는 고분자전해질 연료전지용 막전극 접합체를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 고분자전해질 연료전지용 막전극접합체의 제조 방법은 고농도 촉매 분산 방법으로 슬러리를 제조함으로써 촉매분산, 막전극접합체(MEA) 전극, 어셈블리 조건 등의 불균일로 인한 성능저하 및 아이노머와 촉매의 흡착 불균일을 개선하여 촉매이용률을 향상시키며, 촉매 슬러리 분 산에 사용되는 용매비를 조절하여 촉매층 형성 시 균일한 도포성 및 균열에 의한 갈라짐을 방지하여 전극성능을 개선함으로서, 양산성이 우수한 데칼법을 이용한 막전극접합체의 제조 방법의 최적화를 가능하게 하여 고성능의 고분자전해질 연료전지용 전극 설계 및 막전극접합체의 제조 공정의 설계를 가능하게 하는 효과가 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 촉매이용률을 높일 수 있도록 고농도 분산된 촉매 슬러리를 제조함으로써 이를 이용한 고성능의 전극을 제조하고, 최적화된 접합 조건에 따라 고성능의 막전극접합체(MEA)를 제조하는 기술을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 구현예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에서 제안한 촉매분산기술 및 이를 포함한 막전극접합체(MEA) 제조공정 흐름도이다. 본 발명의 고성능 막전극접합체의 제조 방법을 구현하기 위하여 먼저 막전극접합체(MEA)에 사용되는 전극의 촉매층 최적화를 위한 고농도 고분산 촉매슬러리(Catalyst Slurry, CS)의 제조기술을 개발하였다.
일반적으로, 촉매층(Catalyst Layer, CL) 설계를 위해서는 필수적으로 유동성이 높고, 고 분산된 촉매 슬러리(CS)의 개발이 선행되어야 하며, 특히, 양산공정을 고려하면 촉매 슬러리(CS)의 일회코팅(one coating)으로 촉매층(CL) 제조가 가 능하도록 설계 되어야 제조 비용을 줄일 수 있다. 이를 만족하기 위한 촉매 슬러리(CS)의 물성은 보통 점도가 100~10,000 cps, 농도는 10% 이상 되어야 작업성이 보장된다. 그러나, 나노 크기의 촉매 입자를 고농도로 균일하게 분산시키기 위해서는 특별한 방법의 적용이 절실히 필요하다. 그 이유로는, 촉매 입자들은 공기 중에서 정전기적 인력으로 서로 뭉쳐져 수~수십 ㎛ 크기로 존재하는데 이들을 용매 및 이오노머를 첨가하여 초음파 및 고속 교반을 통해 분산시키게 되면 대부분은 0.4~2.0㎛ 크기의 입자로 균일하게 분산된다. 하지만, 일부는 분산이 어려워 10㎛ 이상의 큰 입자로 존재하게 되는데, 특히 10 wt% 이상의 고농도일 때는 이 현상이 더욱 심해 진다. 따라서, 이렇게 큰 입자들이 함유된 촉매슬러리를 사용하여 도포하고자 하는 지지체 (이형지 또는 MEM 또는 GDL) 위에 코팅하게 되는 경우, 큰 입자로 인해 스크랫치 발생으로 코팅성 불량이 발생되어 상품성이 저하된다. 이 뿐만 아니라 엉김이 생긴 촉매들이 많이 포함된 촉매층은 촉매이용률이 저하되어 막전극접합체(MEA)성능 저하를 초래한다.
본 발명에서는, 상술한 문제를 극복하고 촉매분산도 및 촉매이용률을 최대한 높이기 위한 방안으로, 촉매 슬러리(CS)제조 시 진공 공정을 도입하였다 (도 1 (a), 도 2 참조). 즉, 도 1의 (a)와 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에서는 진공·탈포 공정을 도입하여, 분산 과정 중 진공 상태를 만들어 주어, 촉매 표면에 흡착되어 있던 미세한 직경의 산소 기포가 제거됨으로써 용매에 의한 표면 젖음(wetting)을 촉진하고, 이로 인해 용매에 노출되는 접촉 면적이 증가하게 되어, 촉매 입자들의 용매 내에서의 분산도가 향상됨과 동시에 촉매 슬러리(CS) 유동성이 향상되도록 구성한다. 이와 함께, 수십 나노 직경을 갖는 Pt-M/C촉매의 탄소담지체에 발달되어 있는 극미세 기공 (primary pore, ~100nm)속에도 아오노머의 침투가 쉬워져 흡착률이 상승하게 되어 백금촉매 이용률을 증가시킬 수 있게 된다.
본 발명에서는 상기에 제시된 방법들을 포함하여 고분산 및 고농도분산이 가능한 촉매슬러리를 제조하고, 이를 이용하여 고성능 막전극접합체를 제조하는 방법을 제공한다. 특히, 고농도 분산된 촉매 슬러리를 제조하는 장치에 있어서, 촉매 슬러리(CS) 제조 공정 중, IPA등의 용매가 백금 촉매와 바로 접촉하여 발화를 일으키는 것을 방지하기 위해, 먼저 촉매 분말을 물로 골고루 적셔(wetting) 줌으로써, 촉매 활성을 낮추는 스프레이 장치를 구비하도록 하였으며, 고농도 촉매 분산이 가능하게 초음파기, 고속교반기 및 균질기(homogenizer)를 동시에 사용 가능하게 설계하였다. 또한, 높은 촉매 분산도 및 촉매 이용률을 얻기 위해, 분산 중에 진공 상태를 유지시킬 수 있게 제작 하였으며, 이와 함께, 미 분산된 큰 촉매 입자를 재 분산 시킬 수 있도록 비드밀링(bead milling) 과정을 도입하여 분산이 최적화되도록 설계 하였다.
본 발명에서는 상기한 구성을 통한 전극 제조 시 촉매 분산 기술뿐만 아니라 촉매 슬러리(CS) 분산에 사용되는 용매비를 조절하여 촉매층 형성 시 균일한 도포성 및 균열에 의한 갈라짐을 방지하여 향상된 전극 성능을 갖도록 설계 하였다.
일반적으로, 많은 연구자들이 촉매 슬러리(CS)제조 과정에서 사용되는 용매로는 이소프로필알콜(또는 에탄올)과 물을 들 수 있으며, 이때, 그 구성비는 이소 프로필알콜(isopropylalchol, IPA) 40~80 %, 물(H2O) 20~60 % 정도로 사용된다.
그러나, IPA+H2O 혼합용매는 촉매층(CL) 제조 및 물성에 많은 영향을 미치는 바, 이를 구체적으로 살펴보면, 촉매층(CL) 건조 과정에서 이소프로필알콜(isopropylalchol, IPA; b.p. 82 ℃, d. 0.782)이 물에 비해 상대적으로 비점이 낮고 건조속도가 빨라, 건조과정 중 아직 액상인 촉매 슬러리(CS) 내에서 순간적으로 용매비의 구배가 발생된다. 따라서, 국부적으로 이소프로필알콜(IPA)의 농도가 높아 휘발이 빠른 부분은 완전 건조되고 물(H2O)의 농도가 높은 부분은 미 건조된 상태에서, 건조된 부분부터 응축이 일어나 건조 된 후, 촉매층(CL)에 크랙(crack)을 야기시킨다. 또한, 급속한 이소프로필알콜(IPA)의 휘발로 인해, 촉매 슬러리 용액에 균일하게 분포되어 있던 이오노머가 촉매층(CL)표면으로 함께 이동되는 현상(migration)이 발생된다. 이로 인해, 건조 후 촉매층(CL) 내의 이오노머 농도분포가 불균일 해지는데, 이는 결국 막전극접합체(MEA)성능 저하로 이어진다.
본 발명에서는 상기에 거론된 문제를 해결코자, 이소프로필알콜(IPA)과 물(H2O) 외의 추가 용매로써 촉매 및 이오노머 모두와 혼화성이 좋은 그리세롤류 및 세루졸브류의 용매들을 검토하였다. 이들 용매를 검토한 결과, 이 중 에톡시에탄올 (2-ethoxyethanol, E.E.; b.p. 134 ℃, d. 0.931)이 비중이나 비점이 적절하였으며, 이소프로필알콜(IPA)과 물과의 혼화성 또한 좋았다. 이를 적용하기 위해 촉매 슬러리(CS)제조에서 분산 용매 중 에톡시에탄올(E.E.)의 적정 사용량을 검토한 결과, 0.1 ~ 50%의 범위 내에서 촉매 슬러리(CS)배합에 사용되는 전체 용매비에 약 10~30% 정도 사용이 적정함을 알았다.
이를 증명 하기 위한 실험예로서, 촉매 슬러리(CS)제조 시 용매를 (a) IPA/H2O(0.45/0.55)만을 사용한 배합과, (b) IPA/H2O/E.E.(0.45/0.28/0.27)를 첨가한 배합으로 각각 촉매층(CL)을 제조한 후, 이들 표면을 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰하였다.
도 3에서 보는 바와 같이, 에톡시에탄올를 첨가한 촉매 슬러리(CS) 배합으로 제조된 촉매층(CL) 표면(도 3 b)이 기존 IPA/H2O 만을 사용한 배합(도 2a)보다 크랙(crack)발생이 거의 없이, 표면 상태가 매우 깨끗함을 확인 할 수 있었으며, 이 결과를 바탕으로 촉매 슬러리(CS) 배합에 사용되는 용매비를 결정할 수 있었다.
본 발명에서는 상술한 기술을 통하여, 최적화한 전극을 적용하여 막전극접합체(MEA) 어셈블리 공정을 최적화하도록 구성하였다. 도 1의 (b)는 본 특허에서 제시하는 데칼법을 적용한 막전극접합체(MEA) 제조 공정을 도시하고 있다. 막전극접합체 제작시 데칼법이 갖는 장점은 ① 촉매층 두께 및 면적의 제어가 용이하여 막전극접합체(MEA)양산성이 탁월하며, ② CCM(Catalyst Coated Membrane)방식에 해당하는 것으로서, CCG(Catalyst Coated GDL) 방식에 비해 막과 촉매층 간의 접촉저항을 줄일 수 있고, ③ 전사 시 열압착을 통해 치밀한 촉매층을 형성시켜 장기 내구성이 향상된다. 반면, 데칼법에 의하는 경우, 촉매층의 기공성이 떨어져 초기 셀 성능은 CCG 방식에 비해 다소 저하될 수 있다. 본 발명에서는 이점을 감안해 촉매층 최적화 설계를 수행하였다.
본 발명의 막전극접합체(MEA) 어셈블리 과정은 먼저, 준비된 촉매 슬러리(CS)를 바(bar)(또는 스롯다이) 코팅기를 이용해 이형 필름(Kepton, Teflon, PET등)의 표면에 적당한 두께 (약 30~100㎛)로 코팅한 다음 건조시킨다. 이때의 건조 조건은 70 ℃ ~ 90 ℃에서 10 시간 이상 건조 과정을 거친 다음, 필요 시 100 ~ 200 ℃ 정도에서 수시간 동안 2차 열 처리 과정을 거쳐 촉매층(CL)을 완성한다.
이때, 촉매층(CL)의 열처리 과정은 촉매층(CL) 내의 용매 제거 뿐만 아니라, 이오노머 결정성을 증가시켜 수소이온전도도 및 내구성을 향상시키기 위함이다.
바람직하게는 상기 건조 조건은 전극을 형성하기 위하여 약 80℃에서 12시간 건조시키는 1차 열 처리 과정과 100 ℃ ~ 120 ℃ 에서 30분 이상 건조시키는 2차 열 처리 과정을 거침으로서 내부 결합이 지속되도록 구성한다.
다음 단계로, 완성된 촉매층(CL)을 핫프레스(hot press)를 이용해 전해질 막 양면에 전사(decal) 시켜 3-layer 막전극접합체(MEA)를 제조하는 과정이다. 실험결과 이때의 압력은 약10 kgf/cm2, 온도는 약 120~160 ℃ 범위가 적정하였다. 마지막 단계로, 완성된 3-layer 막전극접합체(MEA)의 양쪽에 GDL을 체결하여 5-layer 막전극접합체(MEA)를 제조하였다.
이렇게 제조된 막전극접합체(MEA)의 장기 내구성 예측 및 상품성을 보다 면밀히 평가하기 위해 FE-SEM 측정을 통해 구조 분석을 실시하였으며 그 결과를 도 4에서 나타내었다. 우선 막전극접합체(MEA)의 측면 사진(도 4a)을 살펴 보면, 촉매층(CL)의 두께가 얇으며 매우 치밀한 구조임을 확인 할 수 있다. 또, 촉매층(CL)의 두께가 매우 균일하고 고분자 전해질 막 과 촉매층 사이의 계면 접착도 매우 좋음을 확인 할 수 있었다. 이와 함께, 막전극접합체(MEA) 표면(도 4b)을 관찰해본 결과, 촉매층 표면이 아주 매끈하게 형성 되었음을 알 수 있었으며 이 표면을 고배율로 확대해 보니 수십~수백 나노 크기의 기공들이 균일하게 잘 발달되어 있음을 확인 할 수 있었다. 이렇듯 촉매층 표면이 매끈하면 GDL과의 계면접착력을 높여 접촉저항을 줄일 수 있어 성능증가에 도움을 준다. 그리고 무엇보다 0.2 ~ 1um의 나노 기공들이 균일성 있게 충분히 분포되어 있어 연료전지 운전 중 연료가스의 확산이나 물질전달이 원활히 이루어져 출력 성능의 향상을 가져오게 된다. 따라서, 본 발명의 고성능 막전극접합체의 제조 방법에 의할 경우, 발생되는 불량률이 적어 상품성이 우수하며, 막전극접합체 성능 편차가 적고 전극 및 막 계면 접착력이 좋아 내구성이 향상되어 고성능의 막전극접합체가 제조 가능하게 된다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고농도 분산 촉매 슬러리를 이용한 막전극접합체(MEA) 제조 공정의 흐름도.
(a) 촉매이용률증대를 위한 촉매 분산 모델을 포함한 촉매분산 제조공정
(b) 전극코팅 및 전사공정을 포함한 막전극접합체(MEA) 접합 공정
도 2는 고농도 분산 촉매 슬러리 제조 공정.
도 3은 촉매 슬러리 제조 조건에 따른 촉매층 표면 비교 SEM 사진.
도 4는 본 발명에 의하여 제조된 막전극접합체(MEA)의 전자현미경(FE-SEM) 사진.

Claims (9)

  1. 고분자전해질 연료전지의 전극 제조 방법에 있어서,
    스프레이 장치를 사용하여 촉매 분말을 물로 적셔줌으로써 촉매 활성을 낮추는 단계;
    초기 촉매입자를 분산시키는 초음파 및 고속 교반 단계;
    분산 과정 중 진공상태를 만들어주어 촉매 표면에 흡착되어 있던 산소 기포를 제거하고, 촉매 극미세 공극(primary pore)속에 이오노머를 침투/흡착시키는 진공 단계;
    소량 잔존하는 큰 촉매입자들을 분산시키기 위한 비드밀링(bead milling) 단계;
    제조 공정에서 생성된 미세기포를 제거하는 단계;
    최종 필터링을 통하여 큰 촉매입자가 제거된 고농도 촉매 슬러리를 제조하는 단계;
    이형 필름의 표면에 상기 촉매 슬러리를 코팅하여 건조하는 단계;
    를 포함하며,
    촉매 분산시 사용되는 용매는 물;과 이소프로필알콜 또는 에탄올;이 배합된 것으로서, 상기 용매는 추가 용매로서 에톡시 에탄올, 부톡시 에탄올, N-메틸피롤리돈(NMP) 중 선택된 1종 이상을 0.1 ~ 50 % 포함하는 용매임을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 전극 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 코팅된 촉매 슬러리를 건조하는 단계에서, 건조 과정은 70 ℃ ~ 90 ℃에서 10 시간 이상 건조하는 1차 열 처리 과정과 100 ℃ ~ 120 ℃ 에서 30분 이상 건조시키는 2차 열 처리 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 전극 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 고분자전해질 연료전지의 막전극접합체 제조 방법에 있어서,
    스프레이 장치를 사용하여 촉매 분말을 물로 적셔줌으로써 촉매 활성을 낮추는 단계;
    초기 촉매입자를 분산시키는 초음파 및 고속 교반 단계;
    분산 과정 중 진공상태를 만들어주어 촉매 표면에 흡착되어 있던 산소 기포를 제거하고, 촉매 극미세 공극(primary pore)속에 이오노머를 침투/흡착시키는 진공 단계;
    소량 잔존하는 큰 촉매입자들을 분산시키기 위한 비드밀링(bead milling) 단계;
    제조 공정에서 생성된 미세기포를 제거하는 단계;
    최종 필터링을 통하여 큰 촉매입자가 제거된 고농도 촉매 슬러리를 제조하는 단계;
    이형 필름의 표면에 상기 촉매 슬러리를 코팅하여 건조하여 촉매층을 완성하는 단계;
    완성된 촉매층을 핫 프레스(hot press)를 이용하여 전해질 막 양면에 전사(decal)시켜 3-layer 막전극접합체를 구성하는 단계;
    를 포함하며,
    촉매 분산시 사용되는 용매는 물;과 이소프로필알콜 또는 에탄올;이 배합된 것으로서, 상기 용매는 추가 용매로서 에톡시 에탄올, 부톡시 에탄올, N-메틸피롤리돈(NMP) 중 선택된 1종 이상을 0.1 ~ 50 % 포함하는 용매임을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 막전극접합체 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 3-layer 막전극접합체의 양측에 가스확산층(GDL)을 체결하여 5-layer 막전극접합체를 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 막전극접합체 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 5 또는 청구항 6 에 있어서, 코팅된 촉매 슬러리를 건조하는 단계에 서, 건조 과정은 70 ℃ ~ 90 ℃에서 10 시간 이상 건조하는 1차 열 처리 과정과 100 ℃ ~ 120 ℃ 에서 30분 이상 건조시키는 2차 열 처리 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 막전극접합체 제조 방법.
  9. 삭제
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