KR101233317B1 - 연료전지용 전극의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매층과 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재를 포함하고, 상기 전극 기재는 물을 배출시키는 친수성 채널이 형성되어 있고, 상기 친수성 채널을 제외한 영역은 발수성 고분자로 코팅되어 있는 것인 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템에 관한 것이다.

상기 연료전지용 전극은 전극 기재에 친수성 채널을 형성함으로써 이 채널을 통하여 캐소드 전극에서 형성되는 물의 셀 외부로 용이하게 배출될 수 있고, 따라서 물에 의하여 기공이 막히는 현상을 방지하여 고율에서 높은 전류밀도를 나타낼 수 있다.

연료전지, 전극 기재, 기체 확산층, 친수성 채널

Description

연료전지용 전극의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템{METHOD OF MANUFACTURING ELECTRODE FOR FUEL CELL, AND MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE ELECTRODE MANUFACTURED BY THE METHOD}

도 1은 전극 기재의 제조공정을 도시한 도면이다.

도 2는 연료 전지용 스택의 구조를 보여주는 분해 사시도이다.

도 3은 연료 전지의 구동원리를 보여주는 모식도이다.

도 4는 본 발명의 전극을 포함하는 연료전지 시스템의 일 예를 나타낸 구성도이다.

도 5는 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지의 성능을 보인 도면이다.

[산업상 이용 분야]

본 발명은 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 전해질막의 수분 함습도를 일정하게 유지하면서도 캐소드 전극에서 형성되는 물을 용이하게 배출되도록 함으로써 물 에 의하여 기공이 막히는 현상을 방지하고, 이로써 고율에서의 전류밀도를 향상시킬 수 있는 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.

[종래 기술]

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올 및 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 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 및 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

이러한 연료전지 시스템은 전기를 실질적으로 발생시키는 전기 발생부가 적어도 하나 이상 적층 형성된 연료전지 스택을 구비하고 있다.

상기 연료전지 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA, 12)와 이의 양면에 밀착하는 세퍼레이터(바이폴러 플레이트(Bipolar Plate)라고도 한다)로 이루어진 단위 셀이 복수개 적층되어 전기적으로 직렬 접속된 형태로 이루 어진다. 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가지며, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 고분자 전해질막과 접촉 형성된 촉매층과, 상기 촉매층과 접촉 형성된 기체 확산층(Gas diffusion layer; GDL)으로 구성된다. 또한, 상기 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 기체 유로가 형성된다. 스택의 최외측에 각각 위치하는 세퍼레이터는 엔드 플레이트로 정의할 수 있다.

상기 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 결합된 구조를 가지며, 이들 전극들은 산화 반응에 의해 연료를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다.

또한, 상기 세퍼레이터는 각각의 막-전극 어셈블리를 분리하고 연료 전지의 반응에 필요한 연료 기체와 산소를 각각 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할과, 각 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.

세퍼레이터를 통해 애노드 전극에는 수소 또는 연료가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산화제가 공급된다. 이 과정에서 하기 반응식 1과 같이 애노드 전극에서는 수소 또는 연료의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산화제의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키 고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.

[반응식 1]

애노드 전극: H₂ → 2H⁺ + 2e^- 혹은 CH₃OH + H₂ O → 6H⁺ + CO₂ + 6e^-

캐소드 전극: 2H⁺ + 1/2 O₂ + 2e^- → H₂O

상기 반응식에 따르면, 연료 전지 반응 수행 후 캐소드 전극 측에서 물이 발생하며, 이는 막-전극 어셈블리로 산소를 공급하는 세퍼레이터의 입구 영역에서 반응율이 높아 더욱 많은 양으로 발생한다. 상기 생성된 물은 즉각적으로 출구를 통해 제거되어야 하며 그러지 못할 경우, 세퍼레이터를 거쳐 주입되는 산소의 공급압이 점차 상승하게 될 뿐만 아니라, 상기 막-전극 어셈블리 내의 고분자 전해질막의 함수율이 증가한다.

통상적으로, 연료전지 시스템의 고분자 전해질막은 함수율이 증가함에 따라 애노드 전극에서 생성된 수소 이온의 전도도가 증가하기 때문에 일정 수준의 수분을 함유하도록 한다. 그러나, 지나친 수분의 함량은 기체 확산층 또는 세퍼레이터의 기체 유로의 폐색을 유도하여, 결과적으로 기체 확산이 저하되어 전지 성능이 극단적으로 열화된다. 따라서, 고성능의 연료전지를 제작하기 위해서는 상기 고분자 전해질막을 적당한 습윤상태를 유지하면서 과량의 수분을 안전하고 신속하게 제거하는 것이 필요하다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 고분자 전해질막의 수분 함습도를 일정하게 유지하면서도 캐소드 전극에서 형성되는 물을 용이하게 배출되도록 함으로써 물에 의하여 기공이 막히는 현상을 방지하고 이로써 고율에서의 전류밀도를 향상시킬 수 있는 연료전지용 전극을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 촉매층과 (b) 촉매층을 지지하는 전극 기재를 포함하고, 상기 전극 기재는 물을 배출시키는 친수성 채널이 형성되어 있고, 상기 친수성 채널을 제외한 영역은 발수성 고분자로 코팅되어 있는 것인 연료전지용 전극을 제공한다.

본 발명은 또한 상기 전극을 애노드 전극 또는 캐소드 전극으로 사용하고 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 고분자 전해질 막이 개재된 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.

본 발명은 또한 (a) (i) 촉매층과 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재를 포함하고, 상기 전극 기재는 물을 배출시키는 친수성 채널이 형성되어 있고, 상기 친수성 채널을 제외한 영역은 발수성 고분자로 코팅되어 있는 것인 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리; 및 (ii) 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 위치하는 기체 유로가 구비된 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부, (b) 연료공급부, 및 (c) 산화제 공급부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

연료전지용 전극은 일반적으로 전기화학적 반응에 참여하는 촉매층과 이를 지지하는 전극 기재로 이루어진다. 상기 전극 기재는 세퍼레이터와 접촉 형성되어, 상기 세퍼레이터의 기체 유로로부터 촉매층 안의 촉매로 균일하게 연료 또는 공기 등의 반응기체를 공급하기 위한 기체 투과 및 확산 기능을 하므로 기체 확산층(gas diffusion layer; GDL)이라고 한다. 상기 전극 기재는 또한 촉매층에서 반응에 의해 생성된 물을 신속하게 기체 유로로 배출하는 기능을 하는 물 투과능과, 반응에 필요하거나 반응 중 생성된 전자를 도전하는 도전 기능을 하는 전자 도전성의 기능도 수행한다. 상기한 기능을 수행하기 위해 전극 기재는 일반적으로 다공성이 있는 도전성 기재가 사용되고 있다. 상기 전극 기재로는 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 천(carbon cloth) 및 카본 펠트(carbon felt) 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서는 고분자 전해질 막의 수분 함습도를 일정하게 유지하면서도 캐소드 전극에서 형성되는 물을 용이하게 배출되도록 함으로써 물에 의하여 기공이 막히는 현상(water clogging)을 방지하고 이로써 고율에서의 전류밀도를 향상시킬 수 있는 연료전극을 제공하기 위하여 상기 전극 기재에 물 배출능이 우수한 친수성 채널을 형성한다.

상기 전극 기재는 물이 효과적으로 배출될 수 있도록 친수성 채널 이외의 영역은 발수 코팅 처리한다. 발수 코팅은 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이 티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(Polychlorotrifluoroethylene)등으로 처리하는 것이 일반적이다.

또한 상기 전극 기재(50)는 도 1에 기재된 바와 같이 전극 기재(50)를 친수성 채널(52)이 형성되어 있다. 상기 친수성 채널 이외의 영역는 발수 코팅되어 주로 기체 투과영역으로 사용된다. 상기 채널(52)의 크기는 10 내지 1000 마이크론인 것이 바람직하며, 50 내지 500 마이크론인 것이 더 바람직하다. 상기 채널의 크기가 10 마이크론 미만이면 캐소드 전극에서 발생한 물의 배출에 문제가 있고 1000 마이크론을 초과하면 채널에 위치한 촉매층에 기체전달이 안되어 셀 출력이 감소하는 문제가 있어 바람직하지 않다. 상기 채널의 모양은 원형이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 다양한 형상으로 제조될 수 있다.

상기 전극 기재에서 상기 채널이 차지하는 면적의 총합은 전극 기재의 전체 면적에 대하여 5 내지 50%인 것이 바람직하고, 10 내지 40%인 것이 더 바람직하다. 상기 채널의 총면적이 5% 미만일 경우에는 물의 배출에 문제가 있고 50%를 초과하는 경우에는 전극 기재의 기계적 강도가 저하되어 바람직하지 않다.

본 발명의 전극 기재는 기재에 채널과 대응되는 형상을 가지는 마스크를 설치한 다음 비극성 물질을 도포한다. 상기 마스크는 채널에 대응되는 형상을 가지는 것이므로 5 내지 50%의 개구율을 가지는 것이 바람직하고 10 내지 40%의 개구율을 가지는 것이 더 바람직하다. 그런 다음 마스크를 제거하고 발수 코팅 처리한다. 상기 비극성 물질이 도포된 영역에는 발수 코팅되지 않고 나머지 영역에만 발수 코팅 처리된다. 상기 비극성 물질을 비극성 용매로 녹여서 제거하여 물 배출용 친수 성 채널이 형성된 전극 기재를 제조한다. 상기 비극성 물질이 제거되기 전 또는 후에 열처리 공정을 실시할 수 있다. 즉 비극성 물질을 용매로 녹여 낸 다음 열처리할 수도 있고 전극 기재를 열처리한 다음 비극성 물질을 용매로 녹여 제거할 수도 있다.

비극성 물질의 코팅과 발수 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 슬랏다이 코팅, 테이트 코팅 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 비극성 물질은 물 배출용 친수성 채널이 발수 코팅되는 것을 방지하기 위한 캡핑(capping) 물질로 구체적인 예로는 폴리스티렌, 폴리실록산, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플로오라이드, 폴리비닐리덴디플루오라이드, 폴리비닐리덴디플루오라이드-헥사플루오로프로판 공중합체 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 비극성 물질을 녹여내기 위한 용매로는 벤젠, 아세톤 N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란, 클로로포름 등의 비극성 용매가 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 열처리시 열처리 온도는 300 내지 450 도인 것이 바람직하고 열처리 시간은 1 내지 10시간인 것이 바람직하다. 열처리 온도가 450도를 초과하거나 열처리 시간이 10시간을 초과하는 경우에는 발수처리제가 열화되는 문제점이 있고, 열처리 온도가 300도 미만이거나 열처리 시간이 1시간 미만인 경우에는 발수효과가 저해되는 문제점이 있다.

본 발명의 연료전지용 전극은 상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함한다. 상기 촉매층은 관련 반응(수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 포함한다. 상기 금속 촉매로는 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 촉매 또는 담체에 담지된 것을 사용할 수 있다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연 등과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다.

상기 촉매층은 전극 기재에 촉매를 슬러리 코팅하거나 증착하는 방법으로 형성될 수 있다.

상기 촉매층과 전극 기재 사이에 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여 미세 기공층을 더 둘 수 있다. 상기 미세 기공층은 기체를 균일하게 촉매층에 공급하고 촉매층에 형성된 전자를 다공성 고분자층에 전달하는 역할을 한다.

일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 플러렌(fullerene), 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노와이어 등과 같은 나노카본, 카본나노혼(carbon nano horn) 또는 카본나노링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. 상기 미세기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 도전성 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는, 에탄올, 이소프로필알코올, 에틸알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

연료 전지에서 캐소드 전극 및 애노드 전극은 물질로 구별되는 것이 아니라, 그 역할로 구별되는 것으로서, 연료 전지용 전극은 수소 산화용 애노드 전극 및 산소의 환원용 캐소드 전극으로 구별된다. 따라서, 본 발명의 연료 전지용 전극은 캐소드 전극 및 애노드 전극에 모두 사용가능하며, 바람직하기로 물이 생성되는 캐소드 전극에 적용할 수 있다.

상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 양성자 전도성 고분자 막이 위치하게 하여 막-전극 어셈블리를 제조한다. 상기 고분자 막은 수소이온 전도성을 갖는 고분자라면 어느 것이나 사용할 수 있으며, 바람직하게는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리설폰계 고분자, 폴리에테르설폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 등이 사용될 수 있으며, 이들의 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤 또는 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 등의 폴리벤즈이미다졸 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로 상기 고분자 전해질막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.

연료전지 시스템은 상기 막-전극 접합체를 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 세퍼레이터 사이에 삽입하여 단위 전지를 제조하고, 이를 적층하여 스택을 제조한 후, 이를 두 개의 엔드 플레이트(end plate) 사이에 삽입하여 제조할 수 있다. 연료 전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 용이하게 제조될 수 있다.

본 발명에서는 전극 기재에 수분 함습성을 가지는 다공성 물질을 두어 캐소드 전극에서 생성된 물이 고분자 전해질 막과 캐소드 전극 사이에 일정량 존재하게 한다. 통상적인 연료전지는 일정한 정도의 습도가 유지되는 상태에서 작동하기 때문에 적절한 수준으로 습도를 유지해 주는 것이 필요하다. 본 발명에서는 상기 전극 기재가 캐소드 전극에서 발생하는 물을 흡수하여 연료전지용 고분자 전해질막의 습도를 일정하게 유지하는 역할을 하므로, 별도의 가습장치를 필요로 하지 않는 저온 무가습형 연료전지의 개발을 가능하게 한다.

또한 일정량 이상의 물은 전극기재의 채널을 통하여 배출되므로 물에 의하여 기공이 막히는 문제점을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지용 전극은 모든 연료전지 시스템에 적용가능하며, 특히 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC)와 직접 메탄올 전지(DMFC)에 바람직하게 적용될 수 있다.

도 2는 연료전지 스택을 나타내는 분해 사시도이다. 도 2를 참조하면, 연료전지 스택(11)은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA, 12)와 이의 양면에 밀착하는 세퍼레이터(16)로 이루어진 단위 셀이 복수개 적층되어 전기적으로 직렬 접속된 형태로 이루어진다. 상기 막-전극 어셈블리(12)는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가지며, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 고분자 전해질막과 접촉 형성된 촉매층과, 상기 촉매층과 접촉 형성된 기체 확산층(Gas diffusion layer; GDL)으로 구성된다. 또한, 상기 세퍼레이터(16)는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 기체 유로가 형성된다. 스택(11)의 최외측에 각각 위치하는 세퍼레이터(16)는 엔드 플레이트(13)로 정의할 수 있다.

도 3은 애노드 전극(3), 캐소드 전극(5), 및 고분자 전해질 막(7)을 포함하는 연료전지(1)의 작동상태를 개략적으로 보인 도면이다. 상기 애노드 전극(3) 또는 캐소드 전극(5)로 본 발명의 전극이 사용될 수 있다. 도 3을 참조하면, 세퍼레이터를 통해 애노드 전극(3)에는 수소 또는 연료가 공급되는 반면, 캐소드 전극(5)에는 산화제가 공급된다. 상기 산화제로는 공기 또는 산소가 사용될 수 있다. 이 과정에서 애노드 전극(3)에서는 수소 또는 연료의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극(5)에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.

도 4는 본 발명의 전극을 포함하는 연료전지 시스템의 일 예를 나타낸 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 연료전지 시스템은 a) i) 전술한 바의 기체 확산층과 촉매층을 구비하는 한쌍의 전극과, 상기 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 어셈블리(100); 및 ii) 상기 막-전극 어셈블리(100)의 양측면에 위치하는 세퍼레이터(101, 101')를 포함하는 전기발생부(110); 연료공급부(120); 및 산화제 공급부(130)를 포함한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

탄소페이퍼(BA30, SGL사)에 500 마이크론의 지름을 가지는 개구부가 30%의 개구율로 형성된 마스크를 덮은 후 비극성 물질로 5 중량% 폴리스티렌을 함유하는 아세톤 용액을 스크린 프린팅 법으로 도포하였다. 그런 다음 마스크를 제거하고 폴리테트라플루오로에틸렌 용액에 담그어 상기 폴리스티렌이 도포된 영역 이외의 영역을 발수 코팅 처리하였다. 상기 폴리스티렌이 도포된 전극 기재를 아세톤으로 녹여낸 다음 350도에서 5시간 열처리하여 물 배출용 친수성 채널이 형성된 전극 기재를 제조하였다.

상기 전극 기재에 백금이 담지된 카본분말(Pt/C, 백금 담지량 : 20wt%) 20 중량부, 나피온(DuPont 사 제품) 10 중량부 및 물 70 중량부를 혼합하여 촉매층 형성용 코팅 조성물을 제조한 다음, 상기 전극 기재에 코팅하여 전극을 제조하였다.

상기 제조된 전극을 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 하여 그 사이에 나피온(DuPont 사 제품) 고분자 막을 놓고 120 ℃에서 1 분간 소성한 후 열간압연하여 막/전극 어셈블리(MEA)를 제조하였다. 상기 제조된 막/전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.

(실시예 2)

마스크의 지름을 250 마이크론의 개구부가 30%의 개구율로 형성된 마스크를사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조한 후 단위전지를 제조하였다.

(실시예 3)

마스크의 지름을 500 마이크론의 개구부가 50%의 개구율로 형성된 마스크를사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조한 후 단위전지를 제조하였다.

(실시예 4)

비극성 물질로 폴리스티렌 대신 폴리비닐클로라이드를 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조한 후 단위전지를 제조하였다.

(비교예 1)

탄소페이퍼(BA30, SGL사)에 마스크를 사용하지 않고, 폴리테트라플루오로에틸렌 용액에 담그어 상기 비극성 물질이 도포된 영역 이외의 영역을 발수 코팅 처 리하였다. 상기 비극성 물질이 도포된 전극 기재를 아세톤으로 녹여낸 다음 350도에서 5시간 열처리하여 물 배출용 친수성 채널이 형성된 전극 기재를 제조하였다.

상기 전극 기재에 백금이 담지된 카본분말(Pt/C, 백금 담지량 : 20wt%) 20 중량부, Nafion 10 중량부 및 물 70 중량부를 혼합하여 촉매층 형성용 코팅 조성물을 제조한 다음, 상기 전극 기재에 코팅하여 전극을 제조하였다.

상기 제조된 전극을 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 하여 그 사이에 나피온(DuPont 사 제품) 고분자 막을 놓고 120 ℃에서 1 분간 소성한 후 열간압연하여 막/전극 어셈블리(MEA)를 제조하였다. 상기 제조된 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.

60도의 온도, 상압에서 수소와 공기를 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1의 단위 셀에 유입하여 전류밀도와 전압을 측정하였다. 그 결과를 도 5에 도시하였다. 도 5에 나타난 바와 같이 친수성 채널이 형성된 경우가 친수성 채널이 형성되지 않은 경우에 비해 낮은 전압에서 높은 전류밀도를 나타냄을 확인할 수 있었다. 캐소드 전극에서 생성된 수분이 친수성 채널을 통하여 용이하게 배출되어 물막힘(water flooding)을 일으키지 않기 때문이다.

한편 실시예 1과 실시예 2를 비교하면 채널의 크기가 클수록 고전류밀도 영역에서 유리함을 알 수 있다. 이는 고전류밀도 영역에서는 캐소드 전극에서의 수분 발생량이 많아 물 막힘에 의한 성능저하가 심각하므로 친수성 채널의 크기가 클수 록 물막힘 현상을 막을 수 있어 높은 출력을 얻을 수 있다. 같은 이유로 실시예 1과 실시예 3의 비교에서 높은 친수성 채널의 면적을 가지는 실시예 3이 실시예 1에 비해 고전류밀도 영역에서 높은 전류밀도를 나타낸다.

본 발명에서는 전극 기재에 친수성 채널을 두어 캐소드 전극에서 발생하는 물을 용이하게 배출하여 물에 의하여 기공이 막히는 현상을 방지할 수 있다. 이로써 기체의 확산이 원활하게 이루어지므로 높은 전류밀도에서 높은 출력밀도를 얻을 수 있다.

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6. 전극 기재에 채널과 대응되는 형상을 가지는 마스크를 설치한 후 비극성 물질을 도포하고;

   상기 마스크를 제거하고 발수 코팅 처리하여 상기 비극성 물질이 도포된 영역 이외의 영역에 발수 코팅 처리하고;

   상기 비극성 물질을 용매로 녹여 제거하여 연료전지용 전극을 제조하고,

   상기 연료전지용 전극은

   촉매층과 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재를 포함하고,

   상기 전극 기재는 물을 배출시키는 친수성 채널이 형성되어 있고, 상기 친수성 채널을 제외한 영역은 발수성 고분자로 코팅되어 있는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 비극성 물질은 폴리스티렌, 폴리실록산, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐플로오라이드, 폴리비닐리덴디플루오라이드, 폴리비닐리덴디플루오라이드-헥사플루오로프로판 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 용매는 벤젠, 아세톤 N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란, 클로로포름 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 비극성 물질의 제거공정 전 또는 후에 열처리 공정을 추가로 실시하는 공정에 의하여 제조되는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
10. 제6항 내지 제9항중 어느 하나의 항에 따른 연료전지용 전극의 제조방법에 따라 제조된 전극을 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나로 사용하고 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 고분자 전해질 막이 개재된 막-전극 어셈블리.
11. 촉매층과 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재를 포함하고, 상기 전극 기재는 물을 배출시키는 친수성 채널이 형성되어 있고, 상기 친수성 채널을 제외한 영역은 발수성 고분자로 코팅되어 있는 것인 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 상기 막-전극 어셈블리의 양측면에 위치하는 기체 유로가 구비된 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부;

    연료공급부; 및

    산화제 공급부

    를 포함하고,

    상기 연료전지용 전극은 제6항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 따른 연료전지용 전극의 제조방법에 따라 제조된 것인 연료전지 시스템.
12. 제11항에 있어서, 상기 전극 기재는 카본 페이퍼(carbon paper), 카본 천(carbon cloth) 및 카본 펠트(carbon felt)로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지 시스템.
13. 제11항에 있어서, 상기 전극 기재에서 채널이 차지하는 전체 면적은 전체 전극기재의 면적에 대하여 5 내지 50%인 연료전지 시스템.
14. 제11항에 있어서, 상기 채널의 크기는 10 내지 1000 마이크론인 연료전지 시스템.
15. 제14항에 있어서, 상기 채널의 크기는 50 내지 500 마이크론 연료전지 시스템.
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