KR101121367B1 - Apparatus and method for coating of platinum catalysts for fuel cell - Google Patents
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Abstract
연료 전지의 백금 촉매 도포 장치 및 도포 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 백금 플라즈마를 발생시키고, 상기 백금 플라즈마에 전기장을 제공하여 백금 이온을 소정 방향으로 진행하도록 가속시키고, 상기 소정 방향으로 진행하는 백금 이온에 자기장을 가하여, 상기 백금 이온의 진행 궤도를 제어하고, 상기 궤도를 따라 진행하는 각각의 백금 이온을 연료전지의 이온 교환막 또는 가스 확산층 상에 기 설정된 간격으로 주입시키는 단계를 포함한다.A platinum catalyst coating device and a coating method for a fuel cell. The method generates a platinum plasma, provides an electric field to the platinum plasma to accelerate the platinum ions to travel in a predetermined direction, and applies a magnetic field to the platinum ions traveling in the predetermined direction to control the trajectory of the platinum ions. And implanting platinum ions traveling along the trajectory at predetermined intervals on an ion exchange membrane or a gas diffusion layer of a fuel cell.
Description
본 발명은 연료 전지의 백금 촉매 도포 장치 및 도포 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적은 양의 백금을 이용하여 연료 전지의 백금 촉매를 도포하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a platinum catalyst coating device and a coating method of a fuel cell, and more particularly, to an apparatus and method for applying a platinum catalyst of a fuel cell using a small amount of platinum.
최근 석유값의 급등 및 환경문제가 사회적인 문제로 대두되면서 대체 에너지로서 연료 전지에 관한 관심이 증가하고 있는 추세다. 따라서, 효율성, 양산성, 안정성 및 적절한 원가 확보를 목표로 연료 전지에 대한 개발이 현재 활발히 진행되고 있다. 특히, PEMFC(proton exchange membrane fuel cell) 타입의 연료전지는 자동차의 연료 전지로서 활발히 연구가 진행되고 있다. 그리고, 다른 타입의 연료전지, 예를 들어 SOFC(solid oxide fuel cell) 타입의 연료전지에 비하여 상대적으로 낮은 운용온도를 갖는 장점이 있어, 가정용으로도 연구 개발이 진행되고 있다.With the recent surge in oil prices and environmental issues as social issues, interest in fuel cells as an alternative energy is on the rise. Therefore, the development of fuel cells is currently being actively conducted with the aim of securing efficiency, mass production, stability and appropriate cost. In particular, PEMFC (proton exchange membrane fuel cell) type fuel cell is being actively researched as a fuel cell of automobiles. In addition, there is an advantage of having a relatively low operating temperature compared to other types of fuel cells, for example, SOFC (solid oxide fuel cell) type, the research and development is also in progress for home use.
이러한 타입의 연료 전지는, 도 1에 도시된 바와 같이 복수개의 단위 셀(10)로 구성된다. 연료전지(1) 내측의 각 셀(10)은 전기적으로는 직렬 연결되고, 기계적으로는 적층된 형태로 구성된다. 양쪽 끝단의 금속판(20)은 내측의 각 구성요소 의 연결 상태가 양호할 수 있도록 압력을 가하는 역할을 하며, 내측에서 발생된 전지의 총 전압 및 전류를 외부로 공급하는 역할을 수행할 수 있다.This type of fuel cell is composed of a plurality of
도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지의 내측에는 각각의 셀(10)이 연속적으로 적층된 형태로 구성된다. 그리고, 각 셀(10)은 0.6~1V의 전압을 생산한다. 이 셀(10)은 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아서 전기를 생산할 수 있다.As shown in FIG. 2, each of the
구체적으로, 단위 전지인 전극막(membrane electrode assemply, MEA)(11), 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL)(12), 분리판(seperator)(13) 및 기밀을 유지하기 위한 가스켓(14)으로 구성된다. 전극막은 수소 양이온(proton)을 이동시킬 수 있는 이온 교환막(또는 전해질막)을 포함하고, 상기 이온 교환막의 양면에는 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매층(Catalysator)이 형성될 수 있다. 여기서, 이온 교환막은 폴리머 재질로 이온 전도도가 50~100mS/cm 정도로 우수한 재질을 이용하여 구성하는 것이 바람직하다.Specifically, a membrane electrode assemply (MEA) 11, a gas diffusion layer (GDL) 12, a
일반적으로 전극막의 두께는 112~117㎛로 구성되며, 촉매제로서는 백금이 사용된다. 백금은 수소를 흡수하는 성질이 뛰어나며, 나노 입자화(1-5nm)가능하며, 대단히 큰 비표면적(250~300㎡/g)을 갖는 등 촉매제로서 뛰어난 특성을 갖는다. 다만, 가격이 고가이므로 연료 전지의 원가 중 상당한 비중을 차지한다.In general, the electrode film has a thickness of 112 to 117 µm, and platinum is used as a catalyst. Platinum has excellent properties of absorbing hydrogen, nanoparticles (1-5 nm), and a very large specific surface area (250-300 m 2 / g). However, since the price is high, it accounts for a considerable portion of the cost of the fuel cell.
따라서, 연료 전지의 생산 단가를 최소화할 수 있도록 백금 촉매층에 사용되는 백금의 양을 최소화하기 위한 연구가 진행되고 있다. 다만, 이 경우 미소한 양의 백금을 이용하는 경우, 이온 교환막 상에 균일하게 백금을 배열하는 것이 곤란하여 위치에 따라 상이한 이온 교환 특성을 갖는 문제가 발생하고 있다.Therefore, research is being conducted to minimize the amount of platinum used in the platinum catalyst layer to minimize the production cost of the fuel cell. In this case, however, when a small amount of platinum is used, it is difficult to uniformly arrange platinum on the ion exchange membrane, thereby causing a problem of having different ion exchange characteristics depending on the position.
본 발명에서는 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 촉매층의 재료가 되는 백금을 소량 사용하여, 이를 이온 교환막 또는 가스 확산층 상에 균일하게 배열되는 연료 전지의 백금 촉매 도포 장치 및 이를 도포하는 방법을 제공하기 위함이다.In the present invention, in order to solve the above problems, using a small amount of platinum as a material of the catalyst layer, to provide a platinum catalyst coating device of the fuel cell is uniformly arranged on the ion exchange membrane or gas diffusion layer and a method for applying the same. to be.
상기한 본 발명의 목적은, 백금 플라즈마를 발생시키고, 상기 백금 플라즈마에 전기장을 제공하여 백금 이온을 소정 방향으로 진행하도록 가속시키고, 상기 소정 방향으로 진행하는 백금 이온에 자기장을 가하여, 상기 백금 이온의 진행 궤도를 제어하고, 상기 궤도를 따라 진행하는 각각의 백금 이온을 연료전지의 이온 교환막 또는 가스 확산층 상에 기 설정된 간격으로 주입시키는 단계를 포함하는 연료 전지의 백금 촉매 도포 방법에 의해 달성될 수 있다.The object of the present invention is to generate a platinum plasma, provide an electric field to the platinum plasma to accelerate the platinum ions to travel in a predetermined direction, and apply a magnetic field to the platinum ions traveling in the predetermined direction to It can be achieved by a method of applying a platinum catalyst of a fuel cell comprising controlling the progress trajectory, and injecting each of the platinum ions traveling along the trajectory at a predetermined interval on the ion exchange membrane or the gas diffusion layer of the fuel cell. .
여기서, 상기 백금 이온은 상기 전기장으로부터 형성되는 전기력에 의해 상기 백금 플라즈마로부터 분리되고, 상기 이온 교환막 상에 입사 시 상기 이온 교환막 내측 또는 가스 확산층 표면으로 주입될 수 있도록 가속되는 것이 바람직하다.Here, the platinum ions are preferably separated from the platinum plasma by the electric force generated from the electric field, and accelerated to be injected into the ion exchange membrane or the surface of the gas diffusion layer when incident on the ion exchange membrane.
이때, 상기 전기장의 세기를 제어하여, 상기 백금 이온이 진행 속도 또는 상기 백금 이온이 상기 이온 교환막 내측 또는 가스 확산층 표면으로 주입되는 깊이를 조절하도록 설계되는 것이 가능하다.At this time, by controlling the intensity of the electric field, it is possible to be designed to control the progress rate of the platinum ions or the depth at which the platinum ions are injected into the ion exchange membrane or the surface of the gas diffusion layer.
그리고, 상기 자기장의 세기를 제어하여, 상기 백금 이온이 상기 이온 교 환막 또는 가스 확산층 표면에 주입되는 위치를 조절하도록 설계되는 것도 가능하다.In addition, the strength of the magnetic field may be controlled to control the position at which the platinum ions are injected into the ion exchange membrane or the gas diffusion layer.
나아가, 상기 백금 이온이 진행하는 경로 상에 설치되는 필터로, 상기 이온 교환막으로 주입되는 상기 백금 이온의 양을 제어하도록 설계될 수도 있다.Furthermore, the filter is installed on a path through which the platinum ions travel, and may be designed to control the amount of the platinum ions injected into the ion exchange membrane.
이때, 상기 백금 이온은 상기 이온 교환막 상에서 인접한 백금 이온과 0.1~1nm 간격을 형성하도록 배치되는 것이 바람직하다.In this case, the platinum ions are preferably arranged to form a 0.1 ~ 1nm spacing with adjacent platinum ions on the ion exchange membrane.
여기서, 상기 각각의 백금 이온은 상기 이온 교환막 또는 가스 확산층 표면상에 기 설정된 간격으로 이격되도록 주입되는 것이 바람직하다.Here, the respective platinum ions are implanted to be spaced apart at predetermined intervals on the surface of the ion exchange membrane or the gas diffusion layer.
이때, 상기 가속기는 전기장의 세기를 제어하여, 상기 백금 이온이 상기 이온 교환막 내측 또는 가스 확산층 표면으로 주입되는 깊이를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.In this case, the accelerator may be configured to control the intensity of the electric field so as to control the depth of the platinum ions injected into the ion exchange membrane or the surface of the gas diffusion layer.
또는, 상기 궤도제어기는 자기장의 방향 또는 세기를 제어하여, 상기 백금 이온이 상기 이온 교환막 또는 가스 확산층 표면상에 주입되는 위치를 조절할 수 있도록 구성될 수도 있다.Alternatively, the track controller may be configured to control the direction or intensity of the magnetic field so as to adjust the position at which the platinum ions are injected onto the surface of the ion exchange membrane or the gas diffusion layer.
한편, 상기 진공챔버 내측에는 상기 백금 이온이 진행하는 경로 상에 상기 이온 교환막 또는 가스 확산층 표면으로 주입되는 상기 백금 이온의 양을 제어하는 필터를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.On the other hand, the inside of the vacuum chamber is preferably configured to further include a filter for controlling the amount of the platinum ions injected into the surface of the ion exchange membrane or the gas diffusion layer on the path of the platinum ions.
그리고, 상기 플라즈마 발생기는 백금이 안착되는 스테이지 및 상기 스테이지 상에 안착되는 백금에 광을 조사하여 상기 백금 플라즈마를 발생시키는 광원을 포함하여 구성될 수 있다.The plasma generator may include a stage on which platinum is seated and a light source generating the platinum plasma by irradiating light onto platinum seated on the stage.
본 발명에 의할 경우, 백금 이온의 위치를 개별적으로 제어하여 이온 교환막 또는 가스 확산층 표면 상에 기 설정된 간격으로 균일하게 배치되는 연료 전지의 백금 촉매를 도포하는 바, 연료 전지의 제조 비용을 절감하는 효과를 갖고, 동일한 양의 백금을 사용하는 경우 개선된 전지 효율을 나타낼 수 있다.According to the present invention, the platinum catalyst of the fuel cell is uniformly disposed at predetermined intervals on the surface of the ion exchange membrane or the gas diffusion layer by individually controlling the positions of the platinum ions, thereby reducing the manufacturing cost of the fuel cell. It has an effect and can show improved battery efficiency when using the same amount of platinum.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지의 백금 촉매 도포 장치 및 백금 촉매 도포 방법에 대하여 설명하도록 한다. 다만, 본 발명에서는 촉매 층의 재질로서 백금을 이용하고 있으나, 백금 이외에도 대체 가능한 다른 재료를 이용하여 본 발명을 구성하는 것도 가능함을 앞서 밝혀둔다.Hereinafter, a platinum catalyst coating apparatus and a platinum catalyst coating method of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, in the present invention, platinum is used as a material of the catalyst layer, but it should be noted that the present invention may be configured using other materials other than platinum.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지의 백금 촉매 도포 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. 3 is a cross-sectional view schematically showing an internal configuration of a platinum catalyst applying apparatus of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 전지의 백금 촉매 도포 장치는 공정이 수행되는 공간을 형성하는 진공 챔버(110)를 구비하고, 상기 진공 챔버(110) 내측으로 각종 구성요소가 설치된다.As shown in FIG. 3, the platinum catalyst coating apparatus of the fuel cell according to the present invention includes a
본 실시예에 의한 백금 촉매 도포 장치는 백금을 플라즈마 형태로 전이시킨 후, 이때 발생되는 백금 이온을 연료 전지의 이온 교환막 또는 가스 확산층 표면(S)에 주입시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 진공 챔버(110)의 내측에는 백금 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 발생기(120) 및 연료 전지의 이온 교환막(S)이 거치되는 타겟부(150)가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 플라즈마 발생 기(120) 및 타겟부(150)의 사이에 가속기(130) 및 궤도제어기(140)가 구비될 수 있다.The platinum catalyst applying apparatus according to the present embodiment may be configured to transfer platinum to a plasma form and then inject platinum ions generated at this time into an ion exchange membrane or a gas diffusion layer surface S of the fuel cell. Therefore, a
플라즈마 발생기(120)는 플라즈마를 발생하기 위한 물질을 안착시키는 스테이지(121) 및 상기 스테이지(121) 상으로 레이저 등의 광을 조사할 수 있는 광원(122)을 포함하여 구성된다. 따라서, 본 실시예와 같이 백금을 촉매 물질로 하는 경우, 백금 호일(F)을 상기 스테이지(121)에 안착한 후, 광원(122)을 이용하여 레이저를 조사하여 백금 플라즈마를 발생시키는 것이 가능하다. 이때, 상기 스테이지(121)의 하측에는 스테이지(121)로 열에너지를 공급할 수 있는 별도의 히터(123)를 구비하여, 플라즈마의 발생 효율을 개선시킬 수 있다.The
한편, 상기 플라즈마 발생기(120)와 인접한 위치에는 상기 플라즈마 발생기에 의해 발생되는 이온을 가속시킬 수 있는 가속기(130)가 설치될 수 있다. 가속기(130)는 플라즈마 발생기(120)에 의해 플라즈마가 형성되는 구역을 포함하여 소정 구간에 전기장(E)을 형성하도록 구성될 수 있다. 여기서, 백금 플라즈마는 백금 이온 및 전자로 구성되며 가속기(130)에 의해 전기장(E)이 형성되는 경우 백금 이온 및 전자는 상기 전기장(E)에 의해 각각 서로 다른 방향의 전기력이 작용한다.Meanwhile, an
이때, (+) 특성을 갖는 백금 이온에는 전기장의 (-) 방향으로 전기력이 작용한다. 그리고, 상기 전기력에 의해 백금 이온은 소정 방향으로 이동하게 된다. 이 경우, 가속기(130)에 의해 백금 이온에 제공되는 전기적 에너지는 백금 이온의 운동 에너지로 변환되는 것이다.At this time, the electric force acts on the platinum ions having the (+) property in the (-) direction of the electric field. The platinum ions move in a predetermined direction by the electric force. In this case, electrical energy provided to the platinum ions by the
구체적으로, 백금 이온들은 상기 전기력에 의해 전기장의 (-) 방향으로 진행 하면서 백금 플라즈마로부터 분리된다. 그리고, 가속기(130)는 소정 구간을 따라 전기장(E)을 형성하는 바, 백금 이온은 전기장(E)이 형성된 구간을 진행하면서 지속적으로 가해지는 전기력에 의해 가속이 이루어진다.Specifically, platinum ions are separated from the platinum plasma while traveling in the negative direction of the electric field by the electric force. In addition, the
이때, 상기 가속기는 진공 챔버(110)의 내측에 설치되는 전극 플레이트(131) 등을 이용하여 구성될 수 있다. 다만, 이는 일 예로서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 이 이외에도 다양한 구성을 이용하여 소정 구간에서 전기장을 제공할 수 있다.In this case, the accelerator may be configured using an
한편, 궤도제어기(140)는 가속기(130)와 타겟부(150) 사이에 구비되어, 가속기(130)에 의해 가속된 상태로 진행하는 백금 이온의 진행 궤도를 제어하는 역할을 수행한다. 따라서, 가속기의 전기장에 의해 가속되어 진행하던 백금 이온은 궤도제어기(140)에 의해 궤도가 변경 제어되어, 타겟부(150)에 거치된 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)의 소정 위치로 입사되는 것이 가능하다.On the other hand, the
이때, 궤도 제어기(140)는 백금 이온이 진행하는 경로 상에 자기장을 제공하여, 백금 이온의 진행 궤도를 제어할 수 있다. 백금 이온이 궤도 제어기(140)에 의해 제공되는 자기장(B)을 통과하면, 상기 백금 이온에는 자기장의 방향 및 세기에 따라 각각 상이한 로렌츠의 힘이 가해진다. 따라서 궤도 제어기(140)는 상기 자기장(B)의 세기 및 방향을 조절함으로서, 백금 이온의 진행 궤도를 제어하는 것이 가능하다.In this case, the
본 실시예에서는 백금 이온이 진행하는 경로상에 가속기(130) 및 궤도 제어기(140)가 순차적으로 위치하도록 구성하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아 니다. 이외에도, 백금 이온의 진행 경로 중 소정 구간에서는 가속기와 궤도 제어기가 전기장과 자기장을 함께 제공하도록 구성하여, 가속기에 의해 가속이 이루어지는 동시에 궤도 제어기에 의해 진행 궤도의 제어가 이루어지도록 구성하는 것도 가능하다.In this embodiment, the
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 플라즈마 발생기(120)의 타측에는 백금 이온 진행 경로의 종착점이 되는 타겟부(150)가 구비될 수 있다. 그리고, 타겟부(150)에는 연료전지의 이온 교환막(S)이 거치될 수 있다. 따라서, 플라즈마 발생기(120)에서 발생되는 백금 이온은 가속기(130) 및 궤도제어기(140)를 통과한 후, 상기 타겟부(150)에 거치되는 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)에 주입될 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 3, the other side of the
본 발명에 의할 경우, 백금 이온은 가속기(130)에 의해 가속되어 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)까지 다다른다. 이때, 백금 이온은 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)과 견고하게 결합될 수 있도록, 이온 교환막(S) 내측으로 소정 깊이 주입되는 것이 바람직하다. 따라서, 가속기(130)는 백금 이온이 이온 교환막과 충돌하여 내측으로 소정 깊이 주입될 수 있을 정도로 가속을 시키는 것이 바람직하다.According to the present invention, the platinum ions are accelerated by the
또한, 본 발명에 의할 경우, 궤도 제어기(140)에 의해 백금 이온이 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)에 주입되는 위치를 제어하는 것이 가능하다. 즉, 이온 교환막 또는 가스 확산층(S) 상에 백금 이온이 편중되지 않도록 균일하게 배치하는 것이 가능하다. 따라서, 종래에 비해 백금의 촉매 기능을 개선시키는 것이 가능하며, 나아가 필요한 위치에 백금 이온을 배치함으로서, 백금의 사용량을 줄일 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to control the position where the platinum ions are injected into the ion exchange membrane or the gas diffusion layer S by the
한편, 본 실시예에서는 백금 이온의 진행 경로 상에 필터를 더 구비할 수 있다. 여기서, 필터는 백금 이온을 선택적으로 투과시켜 이온 교환막에 주입되는 백금 이온의 양을 제어할 수 있다. 이때, 상기 필터를 통과하지 못하는 백금 이온은 다시 수거하여 사용 가능하도록 구성될 수 있다.In the present embodiment, a filter may be further provided on the path of the platinum ions. Here, the filter may selectively transmit the platinum ions to control the amount of platinum ions injected into the ion exchange membrane. In this case, platinum ions that do not pass through the filter may be configured to be collected and used again.
본 실시예서는, 도 3에 도시된 바와 같이 가속기(130)에 의해 백금 이온이 가속되는 구간 상에 백금 이온의 진행 방향과 수직 방향으로 필터(160)를 설치하였다. 다만, 필터(160)의 설치 위치에 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 다른 적절한 위치로 변경 설치하는 것도 물론 가능하다.In this embodiment, as shown in FIG. 3, the
이하에서는, 전술한 실시예를 이용하여 백금 촉매를 도포하는 방법에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of applying the platinum catalyst using the above-described embodiment will be described in detail.
도 4는 도 3을 이용하여 백금 촉매를 도포하는 방법의 순서를 도시한 순서도이고, 도 5는 도 4의 각 단계를 개략적으로 도시한 개략도이다.FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of applying the platinum catalyst using FIG. 3, and FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing each step of FIG. 4.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의해 도포되는 백금 촉매는 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)상에 백금 이온이 주입되는 형태이다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이 백금 플라즈마를 발생하는 단계가 선행된다(S1). As described above, the platinum catalyst applied by the present invention is a form in which platinum ions are injected onto an ion exchange membrane or a gas diffusion layer (S). Therefore, as shown in FIG. 4, the step of generating the platinum plasma is preceded (S1).
우선, 플라즈마 발생기(120)의 스테이지(121) 상에 백금 호일(F)을 안착시킨다. 그리고, 광원(122)을 이용하여 상기 스테이지(121)로 레이저 등의 광을 조사한다. 이때, 스테이지(121) 하측에 구비된 히터(123)를 동시에 가열시킬 수도 있다. 이 경우, 고체 상태로 존재하던 백금 호일은 플라즈마 상태로 전이되면서, 백금 이 온 및 전자로 분리된다.First, the platinum foil F is seated on the
플라즈마 발생기(120)에 의해 백금 플라즈마가 발생되면, 가속기(130)를 이용하여 상기 백금 플라즈마에 전기장(E)을 제공할 수 있다(S2). 이때, 전기장(E)에 의해 백금 플라즈마의 백금 이온과 전자에는 각각 서로 다른 방향의 전기력이 가해진다. 따라서, 본 단계에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 전기력에 의해 백금 이온은 소정 방향으로 진행하면서, 상기 백금 플라즈마로부터 분리가 이루어진다. 또한, 전기장이 작용하는 구간 내측에서는 백금 이온에 지속적으로 전기력이 가해지는 바, 상기 전기력에 의해 백금 이온은 전기력이 가해지는 방향으로 가속된다.When the platinum plasma is generated by the
예를 들어, 구간 거리 d 에서 U만큼의 전위차를 갖는 전기장 E를 가정한다. 여기서, q의 전하량을 갖는 백금 이온에 가해지는 전기력의 크기 F 및 백금 이온이 전기장을 통과하면서 전기장으로부터 주어지는 에너지는 아래와 같다.For example, assume an electric field E having a potential difference of U at the interval distance d. Here, the magnitude F of the electric force applied to the platinum ions having the charge amount q and the energy given from the electric field while the platinum ions pass through the electric field are as follows.
이때, 상기 구간을 따라 지속적으로 백금 이온에 가해지는 전기력에 의해 백금 이온은 가속이 이루어지며, 이때 전기장에 의해 가해지는 에너지는 백금 이온의 운동 에너지로 전환된다. At this time, the platinum ions are accelerated by the electric force applied to the platinum ions continuously along the section, and the energy applied by the electric field is converted into the kinetic energy of the platinum ions.
즉, 가속기(130)는 전기장을 통해 상기 백금 이온이 진공 챔버(110) 상에서 상기 타겟부(150)까지 진행할 수 있는 에너지를 제공한다. 이때, 전기장에서 가속이 이루어지는 백금 이온이 전기장을 통과하여 진행하는 속도는 아래와 같다.That is, the
(여기서, 는 백금 이온의 질량을 의미함) (here, Is the mass of platinum ions)
전기장을 통과한 백금 이온의 속도는, 백금 이온이 통과하는 전기장의 전위차 U에 의해 좌우될 수 있다. 즉, 가속기(130)가 제공하는 전기장의 양단간 전위차를 조절하여 전기장의 세기를 제어하면, 백금 이온이 진행하는 속도를 제어하는 것이 가능하다.The speed of the platinum ions passing through the electric field may depend on the potential difference U of the electric field through which the platinum ions pass. That is, if the electric field strength is controlled by adjusting the potential difference between both ends of the electric field provided by the
한편, 백금 이온이 상기 가속기에 의해 가속되면서 소정 방향으로 진행하면, 백금 이온의 진행 궤도를 제어하는 단계를 수행할 수 있다(S3). 전술한 바와 같이, 궤도 제어기(140)는 백금 이온이 진행하는 경로 상에 자기장(B)을 제공할 수 있도록 구성되며, 나아가 자기장의 세기 및 방향을 제어할 수 있다. 이 경우, 자기장을 통과하는 백금 이온에는 로렌츠의 힘이 가해지면서, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 백금 이온은 자기장의 세기 및 방향에 따라 서로 상이한 궤도를 그리면서 진행한다.On the other hand, when the platinum ions are accelerated by the accelerator and proceeds in a predetermined direction, the step of controlling the progress trajectory of the platinum ions can be performed (S3). As described above, the
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 백금 이온의 진행 방향과 수직으로 작용하는 자기장 B가 ℓ만큼의 거리에서 작용하는 경우를 가정한다. 이 경우, 백금 이온은 상측 방향으로 로렌츠의 힘이 작용하여 상측으로 치우치는 궤도를 형성한 다. 이때, 자기장으로부터 L만큼 떨어진 위치에 발생하는 처짐의 크기는 아래와 같이 수식될 수 있다.For example, as shown in FIG. 5, it is assumed that the magnetic field B acting perpendicularly to the traveling direction of platinum ions acts at a distance of l. In this case, platinum ions form a track biased upward by Lorentz's force in the upward direction. At this time, the magnitude of the deflection occurring at a position separated by the magnetic field may be modified as follows.
즉, 궤도제어기(140)에서 제공되는 자기장의 방향을 제어하여 백금 이온이 진행하면서 치우치는 방향을 제어하는 것이 가능하다. 또한, 궤도제어기(140)에서 제공되는 자기장의 세기(B) 및 자기장이 형성되는 구간 길이(ℓ)를 조절하여, 백금 이온이 진행하면서 치우치는 크기를 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 궤도제어기(140)의 자기장 방향 및 세기 등을 제어하여 백금 이온이 타겟부(150)로 입사되는 진행 궤도를 조절하는 것이다.That is, by controlling the direction of the magnetic field provided by the
백금 이온이 상기 궤도를 따라 타겟부(150)에 입사되면, 타겟부(150)에 거치된 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)으로 주입된다(S4). 여기서, 전술한 바와 같이 궤도제어기(140)의 궤도를 조절하여 이온 교환막(S) 상에 백금 이온이 입사되는 위치를 조절할 수 있다.When platinum ions are incident on the
전술한 바와 같이 백금 이온은 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)의 외면과 충돌하여 이온 교환막(S)의 내측으로 소정 깊이 삽입되는 것이 바람직하다. 이 경우, 백금 이온과 이온 교환막(S)의 결합 상태를 개선된다. 여기서, 백금 이온이 이온 교환막(S)에 주입되는 깊이 d는 백금 이온이 갖고 있는 에너지에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 가속기(130)의 전기장의 세기를 제어하여, 상기 백금 이온이 이 온 교환막(S)에 주입되는 깊이를 제어하는 것이 가능하다.As described above, the platinum ions collide with the outer surface of the ion exchange membrane or the gas diffusion layer S, and are preferably inserted into the ion exchange membrane S by a predetermined depth. In this case, the bonding state between the platinum ions and the ion exchange membrane S is improved. Here, the depth d into which the platinum ions are injected into the ion exchange membrane S may be determined by the energy of the platinum ions. Therefore, by controlling the intensity of the electric field of the
한편, 이온 교환막(S)에 주입되는 복수개의 백금 이온은 각각 기 설정된 간격으로 주입되도록 제하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 기 설정된 간격은 각각의 백금 이온은 이온 교환막 또는 가스 확산층(S) 상에서 백금 이온이 촉매로서의 기능을 원활하게 수행할 수 있는 범위에 해당하는 간격으로, 연료 전지 설계시 전지의 기대 성능에 따라 각각 상이하게 설정할 수 있다.On the other hand, it is preferable to exclude a plurality of platinum ions implanted into the ion exchange membrane (S) at each predetermined interval. Here, the predetermined intervals are intervals in which each platinum ion corresponds to a range in which the platinum ions can smoothly function as a catalyst on the ion exchange membrane or the gas diffusion layer (S). It can be set differently according to each.
이 경우, 각각의 백금 이온은 기 설정된 간격으로 이온 교환막 또는 가스 확산층(S) 상에 균일하게 배치되는 바, 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)의 모든 부위에서 고른 촉매 성능을 나타낼 수 있다. 또한, 이온 교환막 또는 가스 확산층(S) 상에 백금을 증착 도포 하는 방식이 아니라, 각각의 백금 이온을 필요한 위치에 주입하는 방식이므로, 현저하게 적은 양의 백금을 이용하여 촉매를 구성할 수 있다.In this case, the respective platinum ions are uniformly disposed on the ion exchange membrane or the gas diffusion layer S at predetermined intervals, and thus may exhibit even catalytic performance in all portions of the ion exchange membrane or the gas diffusion layer S. FIG. In addition, since the platinum is not deposited on the ion exchange membrane or the gas diffusion layer S, but the respective platinum ions are implanted at the required positions, the catalyst can be configured using a significantly smaller amount of platinum.
백금 이온을 이온 교환막(S)에 기 설정된 간격으로 이격 배치하는 구성은 다양한 방식으로 구현 가능하다. 그 중에서도, 본 실시예에서는 앞서 서술한 필터(160)를 이용하여 이온 교환막(S)으로 입사되는 백금 이온들의 간격을 조절하는 것이 가능하다.The configuration in which the platinum ions are spaced apart at predetermined intervals in the ion exchange membrane S may be implemented in various ways. In particular, in the present embodiment, it is possible to adjust the interval of the platinum ions incident on the ion exchange membrane S by using the
도 6은 도 3에서 백금 이온이 필터(160)를 거쳐 타겟부(150)에 입사하는 경로를 도시한 도면이다. 전술한 바와 같이, 본 실시예에서는 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)에 주입되는 백금 이온의 양을 조절할 수 있도록, 백금 이온의 진행 경로상에 필터(160)를 구비한다. 여기서, 필터(160) 내측에는 각각의 백금 이온이 통과할 수 있는 복수개의 통공(160a)이 형성되며, 필터(160)의 단면에서 통공(160a)이 차지하는 면적에 따라 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)으로 백금 이온이 주입되는 양이 조절될 수 있다.FIG. 6 is a diagram illustrating a path in which platinum ions enter the
이때, 본 실시예의 필터(160)에 구비되는 통공(160a)은 도 6에 도시된 바와 같이 격자 모양으로 형성될 수 있다. 그리고, 백금 플라즈마에서 분리되어 진행하던 복수개의 백금 이온은, 일부만이 상기 필터의 통공(160a)을 선택적으로 통과하여 이온 교환막(S)으로 진행한다. 따라서, 백금 이온은 통공의 배열 상태와 대응되는 형상으로 이온 교환막(S)에 주입되는 바, 필터(160)의 종류를 변경하여 이온 교환막 상에 주입되는 백금 이온의 배열 상태를 조절하는 것이 가능하다.In this case, the through
한편, 가속기(130)가 제공하는 전기장의 특성을 변경하여 백금의 배열 간격을 조절하는 것도 가능하다. 예를 들어, 상기 전기장에서 백금 이온이 서로 평행한 진로를 형성하면서 진행하는 경우(전기장의 등전위면이 서로 평행한 경우), 각각의 백금 이온이 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)상에 배열되는 간격은 통공(160a)의 배열 간격에 대응되는 간격으로 이격된다. 다만, 전기장에서 각각의 백금 이온이 집속 또는 발산하는 형태로 진행하는 경우(전기장의 등전위면이 오목 또는 볼록한 면을 구성하는 경우), 각각의 백금 이온은 통공의 배열 간격에 비해 축소 또는 확장된 형태로 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)에 주입될 수 있다.On the other hand, it is also possible to adjust the arrangement interval of the platinum by changing the characteristics of the electric field provided by the
한편, 도 6에 도시된 바와 같이 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)의 크기가 상대적으로 큰 경우에는, 전술한 공정을 복수회 반복하여 수행할 수 있다. 즉, 전술한 단계를 거쳐 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)의 일부 위치(도 6의 I 영역)에 백금 이온을 주입시킨 후, 다시 백금 호일로부터 백금 플라즈마를 발생하여, 가속 기(130) 및 궤도제어기(140)를 제어하여 백금 이온을 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)의 다른 위치(도 6의 II 영역)에 주입시키는 것이다. 이처럼, 이온 교환막 또는 가스 확산층(S)의 크기에 따라 이러한 과정을 복수 회 진행하여 백금 촉매를 완성하는 것이 가능하다. 이때, 각각 백금 이온은 이온 교환막 또는 가스 확산층의 서로 다른 위치에 조사되는 것이 바람직한 바, 궤도 제어기(140)는 매회 자기장의 방향을 변경하여 백금 이온이 입사되는 위치를 조절하는 것이 가능하다.On the other hand, as shown in Figure 6, when the size of the ion exchange membrane or the gas diffusion layer (S) is relatively large, the above-described process may be repeated a plurality of times. That is, after platinum ions are implanted at a part of the ion exchange membrane or the gas diffusion layer S (region I in FIG. 6) through the above-described steps, platinum plasma is again generated from the platinum foil, thereby accelerating the
상기 연료 전지의 백금 촉매 도포 장치를 이용하여 각각의 백금 이온이 이온 교환막 상에 0.1~1nm 간격으로 배치되도록 백금 촉매를 도포하는 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 백금 이온이 0.1nm 간격으로 배치되도록 도포하였다. 이 경우, 백금 촉매의 단위 면적당(㎠) 사용되는 백금의 질량은 아래와 같다.It is preferable to apply a platinum catalyst such that each platinum ion is disposed on the ion exchange membrane at an interval of 0.1 to 1 nm by using the platinum catalyst coating device of the fuel cell, and in this embodiment, the platinum ion is coated so as to be disposed at 0.1 nm intervals. It was. In this case, the mass of platinum used per unit area (cm 2) of the platinum catalyst is as follows.
이는 종래에 단위 면적당 0.1mg/㎠~4mg/㎠의 백금을 이용하여 촉매를 구성한 것에 비해 1/30로 백금 사용량을 절감한 것으로, 본 발명에 의할 경우 소량의 백금을 이용하여 백금 촉매를 도포하는 것이 가능하다.This reduces the amount of platinum used by 1/30 compared to conventional catalysts using 0.1 mg / cm 2 to 4 mg / cm 2 platinum per unit area, and according to the present invention, a platinum catalyst is applied using a small amount of platinum. It is possible to do
도 1은 종래의 연료전지를 도시한 사시도,1 is a perspective view showing a conventional fuel cell,
도 2는 도 1의 셀의 단면을 도시한 단면도,2 is a cross-sectional view showing a cross section of the cell of FIG. 1;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지의 백금 촉매 도포 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 단면도,3 is a cross-sectional view schematically showing an internal configuration of a platinum catalyst applying device of a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention;
도 4는 도 3을 이용하여 백금 촉매를 도포하는 방법의 순서를 도시한 순서도,4 is a flow chart showing a procedure of a method of applying a platinum catalyst using FIG.
도 5는 도 4의 각 단계를 개략적으로 도시한 개략도, 그리고5 is a schematic diagram schematically illustrating each step of FIG. 4, and
도 6은 도 3에서 백금 이온이 필터를 거쳐 타겟부에 입사하는 경로를 도시한 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a path in which platinum ions enter a target unit through a filter in FIG. 3.
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