KR101181854B1 - 연료전지용 전극의 제조방법, 이로부터 제조되는연료전지용 전극을 포함하는 연료전지 시스템, 및 이의제조에 사용되는 연료전지용 전극 제조 장치 - Google Patents

연료전지용 전극의 제조방법, 이로부터 제조되는연료전지용 전극을 포함하는 연료전지 시스템, 및 이의제조에 사용되는 연료전지용 전극 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 전극의 제조방법, 이로부터 제조되는 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지 시스템, 및 이의 제조에 사용되는 연료전지용 전극 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매, 바인더 및 용매를 혼합하여 촉매 코팅액을 제조하는 단계; 전극기재를 10 내지 100000 rpm으로 회전시키면서, 상기 촉매 코팅액을 코팅하는 단계; 및 상기 전극기재의 온도를 -10 내지 150℃로 유지하는 단계를 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법, 이로부터 제조되는 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지 시스템, 및 이의 제조에 사용되는 연료전지용 전극 제조 장치에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지용 전극의 제조방법은 촉매층의 밀도 조절이 용이하고, 두께편차가 적으면서도 다양한 공극률을 가지며, 전극기재와의 접촉성이 우수한 연료전지용 전극을 제조할 수 있는 장점이 있으며, 이를 포함하는 연료전지 시스템은 우수한 효율을 나타낼 수 있다.
연료전지, 공극률, 밀도, 두께편차, 전극, 스프레이, 회전

Description

연료전지용 전극의 제조방법, 이로부터 제조되는 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지 시스템, 및 이의 제조에 사용되는 연료전지용 전극 제조 장치{A METHOD FOR PREPARING AN ELECTRODE FOR FUEL CELL, A FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE ELECTRODES PREPARED THEREFROM, AND AN APPARATUS FOR PREPARING AN ELECTRODE FOR FUEL CELL}
도 1은 본 발명의 연료전지용 전극의 제조에 사용되는 코팅장치의 일 예를 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 코팅장치 중에서 온도조절이 가능한 지지판 만을 분리하여 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 연료전지용 전극의 일 예를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 막-전극 어셈블리의 일 예를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 연료전지 시스템의 일 예를 나타낸 구성도.
[산업상 이용분야]
본 발명은 연료전지용 전극의 제조방법, 이로부터 제조되는 연료전지용 전 극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매층의 두께가 얇고, 균일한 연료전지용 전극의 제조방법, 이로부터 제조되는 연료전지용 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
[종래기술]
연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 외부로부터 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 전기발전부(또는 스택(stack)), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 전기발전부는 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기 로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 전기발전부로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 전기발전부에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 전기발전부에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 전기발전부는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 단독으로 존재하거나, 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다.
상기 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 통로의 역할과 각 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.
이 과정에서 애노드 전극에서는 연료의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나 고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원 반응이 일어나며 이 때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
연료전지의 애노드 전극 및 캐소드 전극은 전극기재와 촉매층을 포함한다. 종래에는 촉매층을 형성하기 위하여, 주로 슬러리 코팅법을 사용하였으나, 이러한 방법으로 코팅되는 촉매층은 두껍고, 공극률이 높으며, 건조시 발생하는 균열로 인해 그 표면이 균일하지 못하여 연료전지의 효율을 높이는데 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 촉매층의 두께 및 공극률 조절이 용이하고, 전극기재와의 접촉성이 우수한 연료전지용 전극을 제조할 수 있는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법으로 제조된 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 전극의 제조에 사용되는 연료전지용 전극 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 촉매, 바인더 및 용매를 혼합하여 촉매 코팅액을 제조하는 단계; 전극기재를 10 내지 100000 rpm으로 회전시키면서, 상기 촉매 코팅액을 코팅하는 단계; 및 상기 전극기재의 온도를 -10 내지 150℃로 유지하는 단계를 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, a) i) 상기 방법으로 제조되는 한쌍의 연료전지용 전극 및 상기 연료전지용 전극의 사이에 위치하는 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 ii) 상기 막-전극 어셈블리의 양 면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부; b) 연료공급부; 및 c) 산소공급부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 기체 흡입구와 기체 방출구가 형성된 글로브 박스; 상기 글로브 박스 내에 위치하며, 온도조절이 가능한 지지판; 상기 지지판 위로 촉매 코팅액을 코팅할 수 있도록 장착된 코팅장치; 상기 지지판의 회전 속도 및 온도를 조절할 수 있는 회전-온도 조절장치; 및 상기 글로브 박스 내부의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 기체흡입구 및 기체 방출구에 부착된 기체 온도 조절장치를 포함하는 연료전지용 전극 제조 장치를 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 연료전지용 전극의 제조방법은 촉매, 바인더 및 용매를 혼합하여 촉매 코팅액을 제조하는 단계; 전극기재를 10 내지 100000 rpm으로 회전시키면서, 상기 촉매 코팅액을 코팅하는 단계; 및 상기 전극기재의 온도를 -10 내지 150℃로 유지하는 단계를 포함한다. 상기 촉매 코팅액의 코팅 단계과 전극기재의 온도 유지 단계는 순서에 상관 없이 진행되며, 동시에 이루어지는 것이 더 바람직하다.
상기 연료전지용 전극에 포함되는 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하는 것이 바람직 하다. 또한 상기 촉매층은 담지체에 담지된 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함할 수도 있다.
상기 촉매의 담지체는 전도성을 가지는 물질이라면 어느 것이라도 좋으나, 탄소 담지체인 것이 바람직하다. 또한, 상기 탄소 담지체는 벌칸 XC-72 (Valcan XC-72), 벌칸 XC-72R (Valcan XC-72R), 블랙페이퍼 2000(black paper 2000), 컨덕텍스 975(conductex 975), 텐카 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙, 및 탄소나노튜브 (CNTs)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 바인더는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 촉매 코팅액의 제조에 사용되는 용매는 통상적인 코팅용 용매를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 이소프로필알코올, 노말프로필 알코올, 에틸 알코올, 메틸알코올 및 노말 부틸 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 용매를 사용할 수 있다. 다만, 본 발명의 촉매 코팅액에 사용되는 용매가 상기 예에 한정되는 것은 아니다.
상기 촉매 코팅액에 있어서, 바인더 및 용매의 함량은 코팅방법 및 기타 필요에 따라 적절하게 조절할 수 있으며, 본 발명에서는 특별히 제한되지 않는다.
또한, 본 발명의 제조방법에 사용되는 전극 기재는 연료 또는 산소의 확산작 용과 함께, 촉매층에서 생성되는 전자를 전달하는 역할을 하며, 전기 전도성이 있는 탄소 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 전극기재는 통상적인 연료전지용 기체확산층이거나 또는 미세기공층과 기체확산층을 포함할 수 있다. 상기 기체확산층은 탄소천(carbon cloth) 또는 탄소종이(carbon paper)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함할 수도 있다.
상기 전극기재를 10 내지 100000 rpm으로 회전시키면서, 그 위에 상기 촉매 코팅액을 코팅한다. 이 때, 코팅 방법은 통상적인 슬러리법, 스크린프린팅법, 닥터블레이드법 또는 스프레이코팅법 등을 사용할 수 있으며, 그 중에서도 스프레이코팅법을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 촉매 코팅액의 코팅 방법이 상기 방법으로만 한정되는 것은 아니다.
상기 촉매 코팅액의 코팅 공정은 진공분위기, 수소분위기, 질소분위기 또는 불활성 분위기에서 실시하는 것이 촉매의 산화 방지를 위해 바람직하다.
상기 코팅공정 중에 전극기재의 온도를 -10 내지 150℃로 유지하며, 더 바람직하게는 30 내지 100℃로 유지한다. 상기 촉매 코팅액의 코팅 단계과 전극기재의 온도 유지 단계는 순서에 상관 없이 진행되며, 동시에 이루어지는 것이 더 바람직 하다.
상기 코팅공정이 끝난 후에는 필요에 따라서 별도의 건조과정을 추가로 거칠 수도 있다. 이 때, 건조온도는 생산시간, 사용되는 용매의 종류 및 양에 따라 적절히 조절할 수 있으므로 특별히 제한되지는 않으나, 60 내지 80 ℃인 것이 바람직하다.
상기 전극 제조방법은 촉매층의 코팅시키면서 전극기재를 회전시키고, 또한, 건조 온도를 조절함으로써, 코팅액의 건조 속도를 조절할 수 있는 장점이 있으며, 동일한 양의 촉매금속을 포함하는 기존의 연료전지용 전극보다 두께가 얇고, 표면의 균일도가 우수한 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극을 제조할 수 있다.
본 발명의 연료전지용 전극에 포함되는 상기 촉매층의 두께는 50 nm 내지 100 ㎛인 것이 바람직하며, 50 nm 내지 10 ㎛인 것이 더 바람직하다. 촉매층의 두께가 100 ㎛를 초과하는 경우에는 반응물과 생성물의 공급과 배출이 원활하지 못해 효율이 떨어질 수 있다.
상기 촉매 코팅액의 제조에 사용되는 용매는 통상적인 코팅용 용매를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 이소프로필알코올, 노말프로필 알코올, 에틸 알코올, 메틸알코올 및 노말 부틸 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 용매를 사용할 수 있다. 다만, 본 발명의 촉매 코팅액에 사용되는 용매가 상기 예에 한정되는 것은 아니다.
상기 촉매 코팅액에 있어서, 바인더 및 용매의 함량은 코팅방법 및 기타 필요에 따라 적절하게 조절할 수 있으며, 본 발명에서는 특별히 제한되지 않는다.
도 1은 상기 촉매층의 형성에 사용되는 코팅장치의 일 예를 나타낸 사시도이다. 다만, 본 발명의 연료전지용 전극의 제조에 사용되는 코팅장치가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 상기 코팅장치는 기체 흡입구(501)와 기체 방출구(502)가 형성된 글로브 박스(503) 내에 온도조절이 가능한 지지판(504)과 촉매 코팅액을 코팅할 수 있는 코팅장치(505)를 포함하며, 상기 지지판은 회전 속도 및 온도를 조절할 수 있는 회전-온도 조절장치(506)와 연결되어 있다. 또한, 상기 글로브 박스(503)의 기체흡입구(501)와 기체 방출구(502)는 온도 조절이 가능한 기체 온도 조절장치(507)와 연결되어 있어서, 글로브 박스 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있게 되어 있다. 상기 지지판 위에는 전극기재(508)를 위치시킬 수 있으며, 가 위치하며, 상기 전극기재(508)의 일면에 촉매 코팅액을 코팅하면서, 상기 지지판(504)을 가열하여 건조시킴으로써, 촉매층의 공극률 및 두께 편차를 조절할 수 있도록 되어 있다.
상기 전극 제조 장치에 있어서, 상기 코팅 장치는 통상적인 슬러리 코팅장치, 스크린프린팅 장치, 닥터블레이드, 또는 스프레이 분사 장치 중에서 선택되는 1종인 것이 바람직하나, 그 중에서도 스프레이 분사 장치인 것이 더 바람직하다.
도 2는 상기 도 1의 전극 제조 장치 중에서 지지판(504)만을 분리하여 도시한 투시도이다. 도 2에서 보는 바와 같이, 지지판 내에는 열선(514)이 장치되어 있으며, 회전-온도 조절기에 의해 상기 지지판의 온도를 조절할 수 있도록 되어 있다.
상기 전극 제조 장치의 지지판은 특별한 형태로 제한되지는 않으나, 회전이 가능한 형태인 것이 바람직하다. 상기 지지판은 코팅과 동시에 전극기재를 회전시켜 균일한 코팅을 할 수 있도록 한다. 상기 지지판이 반드시 회전하는 것은 아니며, 다만, 지지판이 회전하는 경우에는 상기 지지판의 회전속도는 10 내지 10000 rpm인 것이 바람직하고, 50 내지 8000 rpm인 것이 더 바람직하다. 지지판의 회전속도가 10 rpm 미만인 경우에는 회전에 따른 효과가 미미하며, 10000 rpm을 초과하는 경우에는 촉매층의 공극률이 너무 작아 산소 및 연료의 공급이 원활하지 못하게 된다.
상기 전극기재의 온도는 -10 내지 150℃로 유지될 수 있어 전극기재의 공극률을 바람직한 범위로 조절할 수 있다. -10 ℃ 이상, 0℃ 미만의 온도에서는 저온 건조가 가능하여 용매가 고화된 상태에서 용매를 건조시킬 수 있으므로, 높은 공극률을 가지는 촉매층을 형성할 수 있다. 또한, 0℃ 이상, 30℃ 미만의 온도에서는 촉매의 코팅과정에서 용매가 흘러내리게 되어 공극률이 낮은 촉매층을 형성할 수 있으며, 30 ℃ 이상, 100℃ 미만의 온도에서는 코팅공정과 동시에 용매의 증발이 일어나 높은 공극률과 균일한 표면을 가지는 촉매층의 제조가 가능하다. 다만, 상기 공극률은 온도 이외에도 전극기재의 스핀 속도, 사용되는 용매 등에 관계가 있으므로, 상기 온도범위는 변동이 가능하다.
상기 전극기재의 온도는 전극기재가 위치하는 지지판의 온도를 조절하거나, 공정 분위기의 온도를 조절하는 방법으로 유지할 수 있다.
도 3은 상기 방법으로 제조되는 본 발명의 연료전지용 전극의 일 예를 나타 낸 단면도이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 전극(10)은 전극기재(1) 및 촉매층(2)을 포함한다.
상기 촉매층은 10 내지 70 %의 공극률을 가지는 것이 바람직하며, 40 내지 70%의 공극률을 가지는 것이 더 바람직하다. 촉매층의 공극률이 70 %를 초과하는 경우에는 촉매에 의해 생성되는 전자의 전도도가 낮아질 수 있으며, 10 % 미만인 경우에는 연료 또는 산소의 공급을 원활하게 할 수 없어서 연료전지의 효율을 떨어뜨릴 수 있다.
상기 연료전지용 전극에 포함되는 촉매 및 전극기재에 관한 사항은 앞서 기재한 것과 동일하므로, 이하 상세한 설명을 생략한다.
상기 연료전지용 전극의 촉매층은 전체 촉매층의 중량에 대하여 10 내지 80 중량%의 금속촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 20 내지 60 중량%의 금속촉매를 포함하는 것이 더 바람직하다. 상기 금속촉매의 함량이 10 중량% 미만인 경우에는 촉매층의 두께가 두꺼워져 반응물과 생성물의 공급 배출이 원활하지 못하고, 80 중량%를 초과하는 경우에는 촉매의 입자 크기가 증가하여 반응 비표면적이 줄어들어 효율이 떨어지고 촉매의 낭비가 생겨 제조비용이 증가할 수 있다.
본 발명의 연료전지용 전극에 포함되는 상기 촉매층의 두께는 50 nm 내지 100 ㎛인 것이 바람직하며, 50 nm 내지 50 ㎛인 것이 더 바람직하고, 50 nm 내지 10 ㎛인 것이 가장 바람직하다. 촉매층의 두께가 50 nm 미만인 경우에는 충분한 활성을 나타낼 수 없으며, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 반응물과 생성물의 공급과 배출이 원활하지 못해 효율이 떨어질 수 있다.
상기 촉매층은 또한, ± 20% 이하의 두께편차를 가지는 것이 바람직하며, ±10 %의 두께편차를 가지는 것이 더 바람직하고, ±5 %의 두께 편차를 가지는 것이 가장 바람직하다. 촉매층의 두께편차가 ±20 %를 초과하는 경우에는 반응이 불균일하여 활성효율이 떨어진다.
도 4는 본 발명의 막-전극 어셈블리의 일 예를 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 막-전극 어셈블리(100)는 상기 제조방법으로 제조된 한 쌍의 연료전지용 전극(10, 10'); 및 연료전지용 고분자 전해질막(20)을 포함하며, 상기 연료전지용 전극(10, 10')의 사이에 고분자 전해질막(20)이 배치되는 구조를 가진다.
상기 연료전지용 고분자 전해질막은 수소이온 전도성이 우수한 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸)(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 더 바람직하다.
상기 연료전지용 고분자 전해질막의 일면에 배치되는 전극은 애노드의 역할을 하여 전자 및 수소이온을 발생시키며, 상기 고분자 전해질막의 다른 일면에 배치되는 전극은 캐소드의 역할을 하여 고분자 전해질막을 통해 전달되는 수소이온과 외부로부터 공급되는 산소로부터 물을 생성한다.
도 5는 본 발명의 연료전지 시스템의 일 예를 나타낸 구성도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 연료전지 시스템은 상기 막-전극 어셈블리(100), 및 상기 막-전극 어셈블리의 양 면에 위치하는 세퍼레이터(101)를 포함하는 전기발생부(110); 연료공급부(120); 및 산소공급부(130)를 포함한다.
상기 연료전지 시스템은 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC)이거나 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)일 수 있으며, 고분자전해질형 연료전지인 경우에는 수소를 포함하는 연료로부터 수소기체를 발생시키는 개질기를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
탄소에 담지된 백금 촉매(백금 함량 20 중량%) 2g과 폴리(퍼플루오로술폰산) 용액(DuPont사의 NafionTM solution) 4.8 g을 혼합하여 촉매 코팅액을 제조하였다.
두께 200㎛인 탄소종이(carbon paper)를 온도조절이 가능한 지지판 위에 위 치시키고, 수소분위기 하에서, 상기 탄소종이 위에 상기 촉매 코팅액을 스프레이 분사하면서, 동시에 상기 지지판을 1000rpm으로 회전시키고, 60℃의 온도로 가열하여 촉매층이 형성된 연료전지용 전극을 제조하였다.
실시예 2
지지판을 500rpm으로 회전시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 전극을 제조하였다.
실시예 3
지지판을 150℃로 가열한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 전극을 제조하였다.
실시예 4
지지판을 가열하지 않고, 수소분위기의 온도를 80℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 전극을 제조하였다.
비교예 1
탄소에 담지된 백금 촉매(백금 함량 20 중량%) 2g과 폴리(퍼플루오로술폰산) 용액(DuPont사의 NafionTM solution) 4.8g을 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다.
상기 촉매 슬러리를 두께 200㎛인 탄소종이(carbon paper) 위에 50㎛의 두께로 슬러리 코팅하고, 60℃에서 건조하여 연료전지용 전극을 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지용 전극의 촉매층에 대하여 공극률, 두께 및 두께 편차를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 정 리하였다.
상기 공극률은 포로시미터(porosimeter) 방법으로 측정하였고, 두께는 프로파일러(thinkness profiler) 방법으로 측정하였으며, 두께 편차는 상기 두께의 평균에 대한 최고치와 최저치의 비율로 계산하였다.
[표 1]
공극률(%) 두께(㎛) 두께편차(%)
실시예 1 60 50 10
실시예 2 70 45 6
실시예 3 75 50 5
실시예 4 40 55 20
비교예 1 20 50 30
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 8에 따라 제조된 연료전지용 전극은 두께가 얇고, 두께편차가 적으면서도 다양한 공극률을 가지는 것을 알 수 있다.
실시예 5 내지 8 및 비교예 2
각각 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 2에 따라 제조된 연료전지용 전극을 두께 120㎛인 폴리(퍼플루오로술폰산) 막(DuPont사의 NafionTM)의 양면에 접합시켜 막-전극 어셈블리를 제조하였으며, 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 세퍼레이터를 배치하고, 도 5와 같은 구성으로 연료공급부 및 산소공급부를 설치하여 연료전지 시스템을 제조하였다.
상기 실시예 5 내지 8 및 비교예 2에 따라 제조된 연료전지 시스템에 대하여 전압-전류 특성을 측정하였으며, 그 결과를 비교예 2의 연료전지 시스템의 전류에 대한 상대값으로 하기 표 2에 나타내었다.
[표 2]
전류특성(상대값) 전압특성(V)
실시예 5 167 0.6
실시예 6 200 0.6
실시예 7 183 0.6
실시예 8 217 0.6
비교예 2 100 0.6
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 5 내지 8에 따라 제조된 연료전지 시스템은 전류-전압 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
본 발명의 연료전지용 전극의 제조방법은 촉매층의 밀도 조절이 용이하고, 두께편차가 적으면서도 다양한 공극률을 가지며, 전극기재와의 접촉성이 우수한 연료전지용 전극을 제조할 수 있는 장점이 있으며, 이를 포함하는 연료전지 시스템은 우수한 효율을 나타낼 수 있다.

Claims (14)

  1. 촉매, 바인더 및 용매를 혼합하여 촉매 코팅액을 제조하는 단계;
    열선이 형성된 지지판 위에 전극기재를 위치시키는 단계;
    상기 전극기재를 10 내지 100000 rpm으로 회전시키면서, 상기 전극기재 위에 상기 촉매 코팅액을 코팅하는 단계; 및
    상기 전극기재의 온도를 -10 내지 150℃로 유지하는 단계
    를 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극기재의 온도를 30 내지 100℃로 유지하는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 코팅단계와 온도 유지 단계가 동시에 이루어 지는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매인 연료전지용 전극의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 담지체에 담지된 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금- 루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 바인더는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 연료전지용 전극의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 코팅단계는 진공분위기, 수소분위기, 질소분위기 또는 불활성 분위기에서 실시하는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전극기재는 탄소천(carbon cloth) 또는 탄소종이(carbon paper) 중에서 선택되는 기체확산층인 연료전지용 전극의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전극기재는 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함하는 미세기공층을 더 포함하는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 미세기공층은 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 포함하는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
  11. a) i) 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되며, 전극기재 및 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 10 내지 70 %의 공극률, 50 nm 내지 100 ㎛의 두께, 및 ± 20 %의 두께편차를 가지는 한쌍의 연료전지용 전극 및 상기 연료전지용 전극의 사이에 위치하는 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및
    ii) 상기 막-전극 어셈블리의 양 면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부;
    b) 연료공급부; 및
    c) 산소공급부
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 연료전지용 고분자 전해질막은 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것 인 연료전지 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 연료전지용 고분자 전해질막은 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸)(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것인 연료전지 시스템.
  14. 기체 흡입구와 기체 방출구가 형성된 글로브 박스;
    상기 글로브 박스 내에 위치하며, 온도조절이 가능한 지지판;
    상기 지지판 위로 촉매 코팅액을 코팅할 수 있도록 장착된 코팅장치;
    상기 지지판의 회전 속도 및 온도를 조절할 수 있는 회전-온도 조절장치; 및
    상기 글로브 박스 내부의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 기체흡입구 및 기체 방출구에 부착된 기체 온도 조절장치
    를 포함하는 연료전지용 전극 제조 장치.
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