KR101466856B1 - 연료전지용 탄소복합 기체확산전극 및 그 제조방법 - Google Patents

연료전지용 탄소복합 기체확산전극 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101466856B1
KR101466856B1 KR1020120105750A KR20120105750A KR101466856B1 KR 101466856 B1 KR101466856 B1 KR 101466856B1 KR 1020120105750 A KR1020120105750 A KR 1020120105750A KR 20120105750 A KR20120105750 A KR 20120105750A KR 101466856 B1 KR101466856 B1 KR 101466856B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas diffusion
diffusion electrode
carbon
fuel cell
composite gas
Prior art date
Application number
KR1020120105750A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140039520A (ko
Inventor
이홍기
심중표
김인태
한춘수
황상문
Original Assignee
우석대학교 산학협력단
주식회사 프로파워
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 우석대학교 산학협력단, 주식회사 프로파워 filed Critical 우석대학교 산학협력단
Priority to KR1020120105750A priority Critical patent/KR101466856B1/ko
Publication of KR20140039520A publication Critical patent/KR20140039520A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101466856B1 publication Critical patent/KR101466856B1/ko

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96Carbon-based electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 고분자전해질 연료전지 및 직접메탄올 연료전지용 기체확산전극 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 탄소분말과 고분자수지를 혼합하여 고분자망(mesh)에 결착시켜, 높은 기체투과성과 전기전도도, 소수성과 기계적 강도를 가지는 연료전지용 기체확산전극을 제조하는데 목적이 있다.
본 발명의 기체확산전극은 연료 및 반응 기체가 원활하게 촉매층에 전달되고, 전자의 전달을 원활히 하고, 촉매층에 생성된 물을 용이하게 외부로 배출할 수 있도록 하는 기체확산전극을 제공한다.

Description

연료전지용 탄소복합 기체확산전극 및 그 제조방법{Carbon Composite Gas Diffusion Electrode Use for Fuel Cell and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 연료전지용 탄소복합 기체확산전극(gas diffusion electrode, GDE) 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 카본블랙, 활성탄소, 탄소나노튜브 또는 그라파이트 등의 탄소분말과 폴리테트라플루오르에틸렌, 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체 또는 폴리비닐리덴플루오라이드 등의 고분자수지를 95:5 내지 50:50의 중량비율로 혼합하여 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오르에틸렌, 나일론 또는 폴리에스터 등의 고분자망(mesh)에 결착시켜, 고분자망은 크기가 10 내지 150 메쉬(mesh)이고, 두께가 0.01 내지 0.3mm로 구성된다.
본 발명은 높은 기체투과성과 전기전도도, 소수성과 기계적 강도를 가지는 연료전지용 기체확산전극을 제조하는데 목적이 있다. 본 발명의 기체확산전극은 연료 및 반응 기체가 원활하게 촉매층에 전달되고, 전자의 전달을 원활히 하고, 촉매층에 생성된 물을 용이하게 외부로 배출할 수 있도록 하는 기체확산전극을 제공한다.
본 발명은 연료전지용 기체확산전극에 관한 것으로 다공성이고 소수성을 가지며 높은 전기전도도를 가지는 고분자 연료전지용 기체확산전극에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 다공성이고, 소수성을 가지며 높은 전기전도도를 가지는 연료전지용 기체확산전극의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소, 메탄올 등)와 산소(공기)를 전기화학적으로 반응시켜 전기와 열을 생산하는 전력장치로서, 출력밀도와 에너지 전환효율이 높고, 공해물질을 유발하지 않아 화석 에너지를 대체활 수 있는 미래의 청정에너지원이다. 연료전지는 산업용, 가정용 및 전기자동차용, 휴대용 전원으로 사용이 가능하다.
고분자전해질을 사용하는 연료전지는 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; 이하 PEMFC)와 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; 이하 DMFC)로 구분할 수 있으며, 사용하는 연료가 수소이면 PEMFC이고, 메탄올이면 DMFC로 분류할 수 있다. 사용하는 연료에 따라 촉매가 다소 차이가 있으나, 모두 백금을 포함하는 촉매를 사용한다.
PEMFC는 작동온도가 100℃ 이하이고, 출력밀도가 크고, 효율이 높으며, 소음이 거의 없고 공해물질을 유발하지 않는 장점을 가지고 있어, 가정용 발전장치 또는 전기자동차용 전원으로 사용이 가능하다. DMFC는 연료로 메탄올 용액을 사용하여, 휴대가 용이하고, 연료의 교체가 상당히 편리하고, 단위중량 및 부피당 출력밀도가 2차 전지와 비교하여 월등히 높아 휴대용 전자기기의 전원으로 사용이 유망하다.
연료전지의 구성요소는 전해질, 촉매, 기체확산전극 및 분리판으로 구성되며, 연료와 산화제인 산소의 전기화학반응은 촉매층과 기체확산전극에서 이루어진다. 상기의 기체확산전극은 전기화학반응으로 생성되는 전류를 외부 도선으로 공급하는 역할을 하며, 외부로부터 연료와 산화제인 산소 혹은 공기를 촉매층으로 공급하고, 또한 촉매층에서 생성된 물을 외부로 배출하며, 촉매가 전해질막과 접합된 상태를 유지할 수 있도록 하는 지지체 역할도 한다.
기체확산전극은 일반적으로 탄소종이(carbon paper)나 탄소섬유직물(carbon cloth)을 사용한다. 상기 탄소종이나 탄소섬유직물은 고분자 섬유를 2,000℃ 이상의 고온에서 탄화시키고 압착하여 종이형태로 제조하거나 섬유를 복잡한 직조공정을 통해 직물형태로 제조하기 때문에 제조공정이 어렵고 복잡하여 제조원가가 상당히 높은 단점이 있다.
상기의 탄소종이와 탄소섬유직물의 표면은 상당히 다공성이며 평탄하지 않아 직접 촉매물질을 표면에 코팅하기 어려운 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 한국특허출원 2003-0066941호, 2005-0036269호, 2006-0010078호, 2006-0115919호에서는 상기 탄소종이 또는 탄소섬유직물 상에 탄소분말과 고분자수지로 이루어진 미세다공성층을 형성하여 촉매층의 이용률을 개선하고 연료를 균일하게 확산시키고 생성물의 배출을 원활하게 하는 방법이 개시되었다. 이 또한 고가의 기재 (substrate)인 탄소종이 또는 탄소섬유직물 상에 다공성층을 형성하는 것이므로 성능향상에는 도움이 될 수 있으나 제조원가가 비싸다는 단점이 있다.
상기의 탄소종이와 탄소섬유직물을 사용하지 않고 제조할 수 있는 방법이 한국특허출원 2003-0036092호에 탄소분말과 고분자 수지를 혼합하고 박판으로 캐스팅한 후 압착하여 시트형태로 기체확산전극을 제조하는 방법을 개시하였으나, 상기 방법으로는 일정 수준의 기계적 강도를 얻을 수 없다는 단점이 있다.
일반적으로 기체확산전극은 탄소종이(carbon paper)나 탄소섬유직물(carbon cloth)을 사용하여 2,000℃ 이상의 고온에서 탄화시키고 압착하여 종이형태로 제조하거나, 섬유를 직물형태로 제조하기 때문에 제조공정이 복잡하고 제조원가가 높은 단점이 있다. 또한 탄소종이와 탄소섬유직물의 표면은 상당히 다공성이며 평탄하지 않아 직접 촉매물질을 표면에 코팅하기 어렵고, 일정 수준의 기계적 강도를 얻을 수 없다는 단점이 있다.
본 발명은 탄소분말과 고분자수지 및 고분자망을 이용하여 다공성이며 높은 전기전도도를 가지고, 소수성이면서 일정 수준의 기계적 강도를 갖는 연료전지용 탄소복합 기체확산전극 및 그의 제조방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 탄소복합 기체확산전극은 기존의 탄소종이로 제조된 기체확산전극과 비교하여 유사한 성능을 보여줌으로서 연료전지의 기체확산전극으로 사용이 가능하고 복잡한 제조공정을 거치지 않고 손쉬운 공정을 통해 저가의 연료전지용 기체확산전극을 대량을 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1의 기체확산전극의 표면 전자현미경 사진을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 2의 기체확산전극의 표면 전자현미경 사진을 나타낸 도면이다.
도 3은 비교예 1의 따른 기체확산전극의 표면 전자현미경 사진을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1과 2, 비교예 1에 따른 기체확산전극을 이용하여 제조한 MEA의 연료전지성능의 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명은 탄소분말에 전기전도성을 부여하고 이들 탄소분말의 결착을 위하여 고분자 수지를 사용함에 있어서, 탄소분말과 고분자수지를 용매에 잘 분산시키기 위해 사용하는 분산제는 탄소 슬러리(slurry)를 포함하여 기체확산전극을 제조한다. 또한 기체확산전극에 일정 수준의 기계적 강도를 부여하기 위해 탄소슬러리를 고분자망에 도포하는 방법을 포함한다. 이하에서는 본 발명을 더욱 상세히 설명하고 자 한다.
본 발명은 탄소분말, 고분자수지, 분산제 및 용매를 혼합하여 탄소 슬러리를 얻는 단계; 상기의 탄소 슬러리를 고분자망에 도포시키는 단계; 상기 탄소 슬러리가 도포된 고분자망을 건조하고 압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 연료전지용 기체확산전극의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서 탄소분말의 예로 카본블랙(carbon black), 활성탄소(activated carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그라파이트(graphite), 익스펜디드 그라파이트(expanded graphite) 또는 카본섬유(carbon fiber) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명에서 탄소분말 100중량부에 고분자 수지 5∼50중량부를 사용할 수 있다.
본 발명에서 탄소분말 100중량부에 고분자 수지 10∼30중량부를 사용할 수 있다.
본 발명에서 고분자수지는 예로들면 폴리테트라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene), 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(Tetra Fluorinated ethylene - Hexa Fluorinated Propylene) 또는 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene Fluoride) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명에서 탄소분말 100중량부에 고분자 수지 1∼10중량부를 사용할 수 있다.
본 발명에서 탄소분말 100중량부에 고분자 수지 5.5중량부를 사용할 수 있다.
본 발명에서 분산제는 예로 들면 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제 및 양쪽성 계면활성제 중에서 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명에서 탄소분말 100중량부에 용매 150∼300중량부를 사용할 수 있다.
본 발명에서 탄소분말 100중량부에 용매 225중량부를 사용할 수 있다.
본 발명에서 용매의 예로 물, 프로판올, 에탄올, 아세톤, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone) 및 부틸아세테이트 중에서 선택된 어느 하나 이상의 용매를 사용할 수 있다.
본 발명에서 고분자망의 재료로는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리테트라플루오르에틸렌 및 나일론(Nylon) 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 고분자망은 mesh의 크기가 10 내지 150mesh인 것이 바람직하며, 더욱 바람직한 mesh 크기는 30 내지 80mesh이다. 상기 고분자망의 두께는 0.01 내지 0.3mm인 것이 바람직하며, 더욱 바람직한 두께는 0.05 내지 0.15mm 이다.
본 발명에서 탄소 슬러리를 고분자망에 도포하는 방법으로는 롤링(rolling), 브러싱(brushing), 스프레이(spray), 닥터블레이드(d℃tor blade), 다이 스릿(die slit) 등이 있다.
상기 탄소 슬러리를 고분자망에 도포시 탄소 슬러리의 도포 두께는 10 내지 300㎛이 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 150 내지 200㎛가 적당하다.
고분자망에 도포된 탄소 슬러리는 75∼85℃의 오븐에서 6시간 이상 1차 건조, 바람직하게는 80℃의 오븐에서 6∼9시간 동안 1차 건조를 거쳐 150℃ 이상의 진공오븐에서 3시간 이상 2차 건조, 바람직하게는 150∼180℃의 진공오븐에서 3∼6시간 동안 2차 건조를 하여 용매 및 분산제를 제거한다.
상기 결과물을 핫프레스(hot-press)에서 120℃ 이상의 온도와 10kgf/cm2 이상의 압력에서 3분 이상, 바람직하게는 120∼150℃의 온도와 10∼20kgf/cm2의 압력에서 3∼10분 동안 열간 압착하여 연료전지용 탄소복합 기체확산전극 제조한다.
상기 연료전지용 기체확산전극 내의 유기 잔류물을 완전히 제거하기 위해 추가적으로 아세톤(acetone)에 1시간 이상, 바람직하게는 1∼2시간 동안 담가 처리할 수 있다.
본 발명의 연료전지용 탄소복합 기체확산전극의 제조방법에 대해 다양한 조건으로 실시한바, 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 상기에서 언급한 조건에 의해 연료전지용 탄소복합 기체확산전극의 제조방법을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기에서 언급한 방법에 의해 제조한 탄소분말과 고분자수지를 혼합하여 고분자망에 결착시켜 압착한 연료전지용 탄소복합 기체확산전극을 포함한다.
본 발명은 상기에서 언급한 방법에 의해 제조한 탄소분말과 고분자수지를 혼합하여 고분자망에 결착시켜 압착한 연료전지용 탄소복합 기체확산전극에 촉매 잉크가 도포되고 고분자전해질막의 양쪽에 이를 압착시킨 전극전해질 접합체를 포함한다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 예시하지만, 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> : 탄소복합 기체확산전극
폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF, Aldrich) 1.0g, 계면활성제로서 소디움 스테아레이트(sodium stearate) 0.5g을 NMP(N-methyl 2-pyrrolidinon, Aldrich) 20g에 용해시킨 용액에 카본블랙 4.5g, 그라파이트 4.5g을 첨가하여 24시간 동안 교반하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 고분자망(polyethylene, 50mesh)에 닥터블레이드법을 이용하여 캐스팅한 후 60℃에서 2시간 건조하였다. 건조된 시트를 100℃, 진공오븐에서 6시간 완전히 건조하였다. 상기 시트를 핫프레스에서 120℃의 온도에서 10kgf/cm2의 압력으로 5분 동안 압착하여 기체확산전극을 제조하였다. 제조된 기체확산전극의 두께는 150∼200㎛로 조절하였다. 제조된 기체확산전극을 아세톤(acetone)에서 2시간 담가 내부에 존재하는 계면활성제를 제거하였다.
촉매인 Pt/C 분말(Johnson Matthey Fuel Cell)에 이소프로필알콜 (isopropyl alcohol)을 첨가하여 초음파조에서 촉매분말을 분산시킨 후 5% Nafion solution (DuPont)을 첨가하여 촉매 잉크를 제조하였다. 얻어진 촉매 잉크를 상기 기체확산전극 상에 스프레이방식으로 도포하여 전극을 제조하였다. 이때 전극에 도포된 백금의 양은 0.3mg/cm2가 되도록 촉매 잉크의 도포를 조절하였다.
상기 전극을 고분자전해질막인 Nafion 112(DuPont)의 양쪽에 위치시키고 120℃의 온도에서 200atm의 압력을 가하여 2분 동안 압착하여 전극전해질 접합체(membrane electrode assembly, 이하 MEA)를 제조하였다.
도 1에 상기에서 제조한 기체확산전극의 표면 전자현미경 사진을 나타내었다.
<실시예 2> : 기체확산전극과 MEA 제조
폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF, Aldrich) 1.0g, 계면활성제로서 소디움 스테아레이트(sodium stearate) 0.5g을 NMP(N-methyl 2-pyrrolidinon, Aldrich) 20g에 용해시킨 용액에 그라파이트 9.0g을 첨가하여 실시예 1과 동일한 방법으로 기체확산전극과 MEA를 제조하였다.
도 2에 상기에서 제조한 기체확산전극의 표면 전자현미경 사진을 나타내었다.
<비교예 1>
SGL사에서 제조된 발수처리된 탄소종이(carbon paper, 25BA, 두께 175㎛)를 기체확산전극으로 사용하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 전극과 MEA를 제조하였다.
도 3에 상기에서 제조한 기체확산전극의 표면 전자현미경 사진을 나타내었다.
<실시예 3>
탄소슬러리의 분산성을 좋게 하기 위하여 양이온성 계면활성제로서 알킬트리메틸암모니움 염(alkyltrimethylammonium salt,) 0.5g과 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF, Aldrich) 1.0g을 NMP(N-methyl 2-pyrrolidinon, Aldrich) 20g에 용해시킨 후, 그 용액에 활성탄소 3g, 카본섬유 3g 및 탄소나노튜브 3g을 첨가하여 24시간 동안 교반하여 슬러리를 제조하였다. 이후의 공정은 상기 실시예 1에 기재된 방법과 동일하게 하여 기체확산전극과 MEA를 제조하였다.
상기에서 양이온성 계면활성제인 알킬트리메틸암모니움 염(alkyltrimethylammonium salt,)은 [CH3(CH2)17NMe3]Br을 사용하였다.
<실시예 4-1>
탄소슬러리의 분산성을 좋게 하기 위하여 음이온성 계면활성제로서 알킬 설페이트(alkyl sulfate) 0.5g과 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF, Aldrich) 1.0g을 NMP(N-methyl 2-pyrrolidinon, Aldrich) 20g에 용해시킨 후, 그 용액에 활성탄소 3g, 카본섬유 3g 및 탄소나노튜브 3g을 첨가하여 24시간 동안 교반하여 슬러리를 제조하였다. 이후의 공정은 상기 실시예 1에 기재된 방법과 동일하게 하여 기체확산전극과 MEA를 제조하였다.
상기에서 음이온성 계면활성제인 알킬 설페이트는 암모니움 라우릴 설페이트(ammonium lauryl sulfate)를 사용하였다.
<실시예 4-2>
음이온성 계면활성제로서 알킬 술포네이트(alkyl sulfonate)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 4-1과 동일한 방법을 사용하여 기체확산전극과 MEA를 제조하였다.
상기에서 음이온성 계면활성제인 알킬 술포네이트는 소디움 도데실벤젠 술포네이트 (sodium dodecylbenzenesulfonate)를 사용하였다.
<실시예 5-1>
탄소슬러리의 분산성을 좋게 하기 위하여 비이온성 계면활성제로서 폴리옥시에틸렌 글리콜 알킬 에스터 (polyoxyethylene glycol alkyl ethers) 0.5g과 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF, Aldrich) 1.0g을 NMP(N-methyl 2-pyrrolidinon, Aldrich) 20g에 용해시킨 후, 그 용액에 활성탄소 3g, 카본섬유 3g 및 탄소나노튜브 3g을 첨가하여 24시간 동안 교반하여 슬러리를 제조하였다. 이후의 공정은 상기 실시예 1에 기재된 방법과 동일하게 하여 기체확산전극과 MEA를 제조하였다.
<실시예 5-2>
비이온성 계면활성제로서 폴리옥시에틸렌 글리콜 옥틸페닐 에스터 (polyoxyethylene glycol ℃tylphenol ethers)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 5-1과 동일한 방법을 사용하여 기체확산전극과 MEA를 제조하였다.
<실시예 6>
탄소슬러리의 분산성을 좋게 하기 위하여 양쪽성 계면활성제로서 1차 알킬아민 술포네이트(alkylamine sulfonate) 0.5g과 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF, Aldrich) 1.0g을 NMP(N-methyl 2-pyrrolidinon, Aldrich) 20g에 용해시킨 후, 그 용액에 활성탄소 3g, 카본섬유 3g 및 탄소나노튜브 3g을 첨가하여 24시간 동안 교반하여 슬러리를 제조하였다. 이후의 공정은 상기 실시예 1에 기재된 방법과 동일하게 하여 기체확산전극과 MEA를 제조하였다.
상기에서 양쪽성 계면활성제인 1차 알킬아민 술포네이트(alkylamine sulfonate)에서 알킬기는 탄소수가 1개인 메틸기와 탄소수가 12개인 알킬기가 혼합된 것을 사용하였다.
<연료전지 성능평가>
상기 실시예 1에서 제조된 MEA를 단위전지 셀프레임(cell frame)에 장착하였고, 셀프레임에 공급되는 수소와 공기는 가습장치를 통과하도록 하였으며 수소쪽의 가습장치는 70, 공기쪽의 가습장치는 60로 유지하였으며, 셀은 60의 온도에서 연료전지의 성능을 평가하였다.
실시예 1에서 제조한 연료전지의 성능이 비교예 1로 제조한 연료전지의 전류와 전압에 대한 성능평가 결과를 도 4에 나타내었다. 전압이 낮아짐에 따라 전류가 점차 증가하게 되는데 실시예 1과 비교예 1의 연료전지 성능이 유사하게 나타났으며 이를 통해 탄소복합 기체확산전극이 기존에 사용되고 있는 탄소종이 (carbon paper)와 동일 성능을 구현하고 있음을 알 수 있다.
한편, 실시예 3 내지 실시예 6의 양이온성계면활성제, 음이온성계면활성제, 비이온성 및 양쪽성 계면활성제를 사용하여 제조한 탄소복합 기체확산전극이 기존에 사용되고 있는 탄소종이(carbon paper)와 성능을 비교하였다. 그 결과 실시예 3 내지 6의 경우에도 도 2에 나타난 전지전압(v) 0.9에서 전류밀도(A/cm2)가 0.5 내지 0.6 에서도 유사하게 나타남을 알 수 있다.
본 발명은 복잡한 제조공정을 거치지 않고 간단한 공정으로 저가의 연료전지용 기체확산전극을 대량으로 생산할 수 있다. 또한 연료전지용 기체확산전극으로 사용이 가능하므로 산업상 이용가능성이 크다.

Claims (10)

  1. 탄소분말, 고분자수지, 분산제 및 용매를 혼합하여 탄소 슬러리를 얻는 단계;
    상기의 슬러리를 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오르에틸렌, 나일론 및 폴리에스터로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자망에 도포시키는 단계; 및
    상기 슬러리가 도포된 고분자망을 건조하고 압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소복합 기체확산전극의 제조방법
  2. 제 1항에 있어서, 탄소분말은 카본블랙, 활성탄소, 탄소나노튜브, 그라파이트, 익스펜디드 그라파이트 또는 카본섬유로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소복합 기체확산전극의 제조방법
  3. 제 1항에 있어서, 고분자수지는 폴리테트라플루오르에틸렌, 테트라플루오르에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체 또는 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소복합 기체확산전극의 제조방법
  4. 제 1항에 있어서, 탄소분말 100중량부에 대하여 고분자수지 5∼50중량부, 분산제 1∼10중량부, 용매 150∼300중량부 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소복합 기체확산전극의 제조방법
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 고분자망은 크기가 10 내지 150 메쉬이고, 두께가 0.01 내지 0.3mm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소복합 기체확산전극의 제조방법
  7. 제 1항에 있어서, 분산제는 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제, 비이온성 계면활성제 또는 양쪽성 계면활성제 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소복합 기체확산전극의 제조방법
  8. 제 1항에 있어서, 용매는 물, 프로판올, 에탄올, 아세톤, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 메틸피롤리돈 또는 부틸아세테이트 중에서 선택된 어느 하나 또는 두 가지 이상의 용매를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소복합 기체확산전극의 제조방법
  9. 탄소분말과 고분자수지를 혼합하여, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오르에틸렌, 나일론 및 폴리에스터로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 고분자망에 결착시켜 압착한 연료전지용 탄소복합 기체확산전극
  10. 제 9항의 기체확산전극에 촉매 잉크가 도포되고 고분자전해질막의 양쪽에 이를 압착시킨 전극전해질 접합체
KR1020120105750A 2012-09-24 2012-09-24 연료전지용 탄소복합 기체확산전극 및 그 제조방법 KR101466856B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120105750A KR101466856B1 (ko) 2012-09-24 2012-09-24 연료전지용 탄소복합 기체확산전극 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120105750A KR101466856B1 (ko) 2012-09-24 2012-09-24 연료전지용 탄소복합 기체확산전극 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140039520A KR20140039520A (ko) 2014-04-02
KR101466856B1 true KR101466856B1 (ko) 2014-11-28

Family

ID=50650123

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120105750A KR101466856B1 (ko) 2012-09-24 2012-09-24 연료전지용 탄소복합 기체확산전극 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101466856B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990071833A (ko) * 1995-11-28 1999-09-27 악커만, 야코비 중합체 전해질 막 연료 전지용 기체 확산 전극
JP2003317724A (ja) * 2002-04-23 2003-11-07 Choichi Furuya ガス拡散電極、その製法及びそれを用いた燃料電池
KR20040104837A (ko) * 2003-06-04 2004-12-13 주식회사 협진아이엔씨 연료전지용 전극의 확산층

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990071833A (ko) * 1995-11-28 1999-09-27 악커만, 야코비 중합체 전해질 막 연료 전지용 기체 확산 전극
JP2003317724A (ja) * 2002-04-23 2003-11-07 Choichi Furuya ガス拡散電極、その製法及びそれを用いた燃料電池
KR20040104837A (ko) * 2003-06-04 2004-12-13 주식회사 협진아이엔씨 연료전지용 전극의 확산층

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140039520A (ko) 2014-04-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1764001B (zh) 用于直接氧化燃料电池的聚合物电解液及其制备方法以及包含它的直接氧化燃料电池
US7763374B2 (en) Membrane fuel cell electrodes incorporated with carbon nanomaterial-supported electrocatalysts and methods of making the same
KR101183801B1 (ko) 연료 전지 촉매층의 제조 방법
Kim et al. A novel process to fabricate membrane electrode assemblies for proton exchange membrane fuel cells
CN1913206A (zh) 膜电极组件及其制备方法以及包含它的燃料电池系统
JP5693208B2 (ja) 燃料電池用膜−電極接合体、燃料電池用膜−電極接合体の製造方法、燃料電池システム、及び燃料電池用スタック
KR20110043908A (ko) 고분자 전해질 연료전지용 막전극접합체 제조 방법
JP2006339018A (ja) 燃料電池用ガス拡散層、およびこの製造方法
WO2011040059A1 (ja) 燃料電池用電極触媒層の製造方法、それを用いた膜電極接合体および固体高分子形燃料電池ならびに複合粒子
JP2006253124A (ja) 電解質膜用支持体、それを用いた高分子電解質複合膜の処理方法、およびその処理が施された高分子電解質複合膜、ならびにそれを用いた燃料電池。
KR101881139B1 (ko) 연료전지용 미세다공층, 이를 포함하는 기체확산층 및 이를 포함하는 연료전지
JPH10334923A (ja) 固体高分子型燃料電池用膜・電極接合体
JP5347251B2 (ja) 膜電極複合体の製造方法
JP5740889B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用の炭素被覆触媒物質、その製造方法、電極触媒層、及び膜電極接合体
KR101466856B1 (ko) 연료전지용 탄소복합 기체확산전극 및 그 제조방법
JP4649094B2 (ja) 燃料電池用膜電極接合体の製造方法
KR100761523B1 (ko) 연료전지용 기체확산층 제조를 위한 탄소 슬러리 조성물
KR20080041844A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지용 시스템
JP2009049004A (ja) 液体供給型燃料電池の製造方法
KR100761525B1 (ko) 일체형 기체확산층, 이를 포함하는 전극, 이를 포함하는막전극조립체, 및 이를 포함하는 연료전지
KR100759436B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
JP4529345B2 (ja) 固体高分子型燃料電池の製造方法
KR20070002254A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료전지용 스택
JP5682390B2 (ja) 電極触媒層及びこの製造方法、膜電極接合体及びこの製造方法、固体高分子形燃料電池、並びに複合粒子及びこの製造方法
JP2008311154A (ja) 触媒層および膜−電極接合体

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171124

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181226

Year of fee payment: 5

R401 Registration of restoration
R401 Registration of restoration