KR101845786B1 - 연료전지용 전극의 제조방법 및 그 전극 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 전극의 제조방법 및 그 전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 카본 지지체, 금속 촉매, 바인더 및 제 1 분산용매를 혼합시켜 제 1 혼합용액을 생성하는 혼합 단계; 상기 제 1 혼합용액을 건조시켜 제 1 혼합용액 건조체를 생성하는 건조 단계; 상기 제 1 혼합용액 건조체에 열을 가하는 열처리 단계; 상기 열처리된 제 1 혼합용액 건조체를 제 2 분산용매에 용해시켜 제 2 혼합용액을 생성하는 제 2 혼합용액 생성 단계; 상기 제 2 혼합용액을 이형지 상에 코팅한 후 건조시켜 전극을 생성하는 이형지 코팅단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법 및 그 전극이 개시된다.
Description
본 발명은 연료전지용 전극의 제조방법 및 그 전극에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 카본 지지체, 금속 촉매, 바인더 및 제 1 분산용매를 혼합시켜 제 1 혼합용액을 생성하는 혼합 단계; 상기 제 1 혼합용액을 건조시켜 제 1 혼합용액 건조체를 생성하는 건조 단계; 상기 제 1 혼합용액 건조체에 열을 가하는 열처리 단계; 상기 열처리된 제 1 혼합용액 건조체를 제 2 분산용매에 용해시켜 제 2 혼합용액을 생성하는 제 2 혼합용액 생성 단계; 상기 제 2 혼합용액을 이형지 상에 코팅한 후 건조시켜 전극을 생성하는 이형지 코팅단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법 및 그 전극이 개시된다.
일반적으로, 도 1 에 도시된 바와 같이, 수소연료전지 자동차에 이용되는 연료전지의 전극막 접합체(MEA;Membrane Electrode Assembly)(1)는 두개의 양측 전극(애노드, 캐소드)(1,1')과 양측 전극(1,1') 사이에 게재된 전해질막(2)으로 구성되며, 이를 3-레이어(layer) 구조의 전극막 접합체라 부른다.
또한, 상기와 같은 전극막 접합체의 양측 전극(1,1') 상에 기체확산층(Gas Diffusion Layer, 약칭하여 'GDL'이라 함)(미도시)을 접합시키면 5-레이어 구조의 전극막 접합체가 된다.
여기서, 상기 전극(1,1')은 전자를 발생시키는 금속 촉매와 금속 촉매를 지지하고 전자를 이동시키는 담지체로 구성되며, 통상적으로, 상기 담지체의 재질로서 카본(carbon)이 이용된다.
이때, 상기와 같은 전극(1,1')를 제조하기 위하여 담지체인 카본과 전자를 발생시키는 금속 촉매 및 바인더(binder)(이오노머(ionomer))를 사용하여 상호 혼합함으로써 연료전지용 슬러리(slurry)를 만들게 된다.
도 2 는 종래의 연료전지용 슬러리를 도시한 것으로서, 혼합에 의하여 카본 담지체에 담지된 금속 촉매(3)들이 바인더(4)에 둘러쌓여 있는 상태이다.
그러나, 도시된 바와 같이 바인더(4)가 금속 촉매(3) 주변에 존재하지 않는 영역(V)이 발생하게 되며, 이는 금속 촉매(3)의 전자 전달에 있어서 저항을 증가시켜 이로 인하여 전극의 효율성이 저하되는 문제점이 발생된다.
또한, 상기와 같이 제조되는 슬러리에 포함된 바인더(4)들이 유동됨에 따라서 슬러리의 점도 변화가 심하게 나타나며 이는 슬러리의 분산성 및 안정성을 악화시킬 수 있는 요인으로 작용될 우려가 있다.
상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 연료전지용 전극의 제조방법 및 그 전극은 연료전지용 슬러리의 금속 촉매 주변에 바인더가 존재하지 않는 영역을 제거하고, 바인더의 유동성을 저하시켜 슬러리의 분산성 및 안정성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 전극의 제조방법 및 그 전극의 구성을 제공하는것에 본 발명의 기술적 과제가 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 연료전지용 전극의 제조방법 및 그 전극의 구성은, 카본 지지체, 금속 촉매, 바인더 및 제 1 분산용매를 혼합시켜 제 1 혼합용액을 생성하는 혼합 단계; 상기 제 1 혼합용액을 건조시켜 제 1 혼합용액 건조체를 생성하는 건조 단계; 상기 제 1 혼합용액 건조체에 열을 가하는 열처리 단계; 상기 열처리된 제 1 혼합용액 건조체를 제 2 분산용매에 용해시켜 제 2 혼합용액을 생성하는 제 2 혼합용액 생성 단계; 상기 제 2 혼합용액을 이형지 상에 코팅한 후 건조시켜 전극을 생성하는 이형지 코팅단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법이 개시된다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 연료전지용 전극의 제조방법 및 그 전극은 연료전지용 슬러리 제조시 바인더와 금속 촉매를 혼합하여 건조하는 공정을 적용함으로써 바인더가 금속 촉매 주변에 고착된 상태를 조성하여 금속 촉매의 전자 전달의 저항을 감소시켜 전극의 효율성을 증대시키는 효과를 발현한다.
또한, 바인더와 금속 촉매가 슬러리 내부에서 함께 유동됨으로써 슬러리의 분산성 및 안정성을 향상시키는 효과를 수득하게 된 매우 진보한 발명인 것이다.
도 1 은 일반적인 연료전지용 전극막 접합체의 구성도,
도 2 는 종래의 연료전지용 슬러리를 나타내는 도면,
도 3 은 본 발명의 연료전지용 슬러리를 나타내는 도면,
도 4 및 도 5 는 본 발명의 연료전지용 전극의 성능을 나타내는 그래프이다.
도 2 는 종래의 연료전지용 슬러리를 나타내는 도면,
도 3 은 본 발명의 연료전지용 슬러리를 나타내는 도면,
도 4 및 도 5 는 본 발명의 연료전지용 전극의 성능을 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 연료전지용 전극의 제조방법 및 그 전극의 구성을 상세하게 설명한다.
단, 개시된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분하게 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 실시예로 구체화될 수도 있다.
또한, 본 발명 명세서에서 사용되는 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 연료전지용 전극의 제조방법 및 그 전극은 연료전지용 슬러리 제조시 바인더와 금속 촉매를 혼합하여 건조하는 공정을 적용함으로써 바인더가 금속 촉매 주변에 고착된 상태를 조성하여 금속 촉매의 전자 전달의 저항을 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 바인더와 금속 촉매가 슬러리 내부에서 함께 유동되도록 하여 슬러리의 분산성 및 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.
먼저, 상술한 바와 같은 본 발명의 연료전지용 전극을 제조하기 위하여 다음과 같은 단계가 순차적으로 진행된다.
1) 혼합 단계
담지체인 카본 지지체, 카본 지지체에 담지된 금속 촉매, 바인더 및 제 1 분산용매를 상호 혼합시켜 제 1 혼합용액을 생성하는 단계이다.
상기 카본 지지체는, 카본블랙, CNT(Carbon Nano Tube), CNF(Carbon Nano Fiber), 탄소 분말, 탄소 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 탄소나노와이어, 탄소나노혼, 탄소에어로겔, 탄소크레로겔, 탄소나노링으로 이루어진 1 군의 그룹에서 선택된 어느 하나의 소재, 또는, 상기 1 군의 그룹에서 선택된 적어도 2 이상의 소재들의 혼합으로 이루어지는 소재이다.
또한, 상기 금속 촉매는, 백금, 이리듐, 팔라듐, 루테늄으로 이루어진 1 군의 그룹에서 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어진 촉매, 또는, 상기 1 군의 그룹에서 선택된 어느 하나의 금속의 산화물로 이루어진 촉매, 또는, 상기 1 군의 그룹에서 선택된 적어도 2 이상의 금속들의 합금으로 이루어진 촉매이다.
그리고, 상기 제 1 분산용매는 증류수, 에탄올, IPA(Isopropyl alcohol), 프로판올, 에특시에탄올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 아밀알코올 중 어느 하나, 또는 이들중 2 이상의 분산용매의 조합으로 이루어질 수 있다.
2) 건조 단계
상기 혼합 단계에서 생성된 제 1 혼합용액을 스프레이 드라이어(spray dryer)를 이용하여 질소 분위기에서 5~30mL/min 속도로 분무 건조시켜 분말상의 제 1 혼합용액 건조체를 생성한다. 생성된 제 1 혼합용액 건조체는 금속 촉매에 바인더가 양호하게 고착된 상태에 있게 된다.
상기 건조 단계의 다른 방법으로는, 상기 제 1 혼합용액을 오븐에서 건조시킬 수 있다.
3) 열처리 단계
상기 제 1 혼합용액 건조체에 열을 가하여 바인더의 접합력을 강화시킨다.
4) 제 2 혼합용액 생성단계
열처리된 제 1 혼합용액 건조체를 제 2 분산용매에 용해시켜 제 2 혼합용액을 생성한다.
상기 제 2 분산용매로서 에탄올, IPA, 프로판올, 에톡시에탄올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 증류수, 아밀알코올 중 어느 하나, 또는, 이들중 2 이상의 분산용매 의 조합으로 이루어질 수 있다.
5) 이형지 코팅 단계
상기 제 2 혼합용액을 바코터, 슬롯 다이코터 등의 장비를 이용하여 이형지 상에 코팅한 후 최종 건조시켜 본 발명의 연료전지용 전극을 생성한다.
상기 이형지의 재질은 PEN(Polyethylene naphthalate), PET(Polyethylene terephthalate), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PI(Polyimide) 또는 이들 중 2 종 이상을 적층시킨 필름이 이용가능하다.
따라서, 상기와 같은 단계로 제조되는 본 발명의 연료전지용 전극은 상기 혼합 단계에서 제조된 연료전지용 슬러리인 제 1 혼합용액을 상기 건조 단계와 열처리 단계에서 스프레이 드라이어(spray dryer)를 이용하여 분무 건조시킨 후 열처리함으로써, 도 3 의 본 발명의 연료전지용 슬러리에 도시된 바와 같이, 바인더(4)가 금속 촉매(3) 주변에 고착되어 종래 도 2 에 도시와 같은 바인더의 미존재 영역(V)이 제거됨으로써 금속 촉매(3)의 전자 전달에 있어서 저항이 감소되어 전극의 효율성이 증대되게 된다.
아울러, 바인더와 촉매가 용매 내에서 함께 유동됨으로써 슬러리의 분산성 및 안정성이 향상될 수 있게 된다.
또한, 상기 제 1 혼합용액 생성시 이용되는 바인더는 그 혼합되는 양을 조절하여 총량중 일부분의 분량을 제 1 혼합용액 생성시 투입하고, 나머지 분량을 상기 제 2 혼합용액 생성 단계에서 투입하여도 좋다.
이렇게 바인더의 투입되는 분량을 제 1 혼합용액 생성시와 제 2 혼합용액 생성시를 나누어서 투입하게 되면, 비록 분량을 나누지 않을 경우(제 1 혼합용액 생성시에만 바인더를 투입하는 경우)와 비교하여 투입되는 바인더의 총량은 결국 동일하나, 전극의 효율성을 유지한 채 MEA 에서 막과 전극과의 계면접착력을 보다 향상시킬 수 있는 이점을 수득할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명의 연료전지용 전극의 제조방법에서 상기 제 1 혼합용액을 생성하는 혼합 단계, 또는, 제 2 혼합용액 생성단계에서, 라디칼 스캐빈져(Radical Scavenger)를 첨가할 수 있다.
이때, 상기 라디칼 스캐빈져는, 평균 1~20nm 직경의 나노 입자이고,세륨산화물, 지르코늄산화물, 망간산화물, 알루미늄산화물, 바나듐산화물로 이루어진 1군의 그룹에서 선택된 어느 하나의 산화물, 또는, 상기 1군의 그룹에서 선택된 적어도 2 이상의 산화물들의 혼합으로 이루어진다.
한편, 상기 라디칼 스캐빈져도 상기 바인더와 마찬가지로, 그 혼합되는 양을 조절하여 총량중 일부분의 분량의 라디칼 스케빈져를 제 1 혼합용액 생성시 투입하고, 나머지 분량의 라디칼 스케빈져를 상기 제 2 혼합용액 생성 단계에서 투입하여도 좋다.
도 4 및 도 5 는 본 발명의 연료전지용 전극의 성능을 나타내는 그래프로서, 도 4 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 전극은 전류밀도 1000mA/cm2 내지 1400mA/cm2 의 고전류밀도 구간에서 종래 연료전지용 전극의 셀전압 0.55V 내지 0.64V 을 상회하는 수준의 셀전압 0.59V 내지 0.66V 를 가지게 됨으로써 전극의 전자 전달성이 향상되었음을 나타내고 있다.
또한, 도 5 에 도시된 바와 같이, 셀온도 섭씨 22 도, 가습기온도 섭씨 30 도 상의 저온상태하에서, 본 발명의 연료전지용 전극은 40 분 내지 60 분까지의 시간 구간에서 종래 연료전지용 전극의 셀전압 0.55V 내지 0.58V 를 상회하는 수준의 셀전압 0.58V 내지 0.62V 를 가지게 됨으로써 저온상태하에서도 전극의 전자 전달성이 향상되었음을 보여주고 있다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1,1'; 전극
2; 전해질막
3; 금속촉매
4; 바인더
1,1'; 전극
2; 전해질막
3; 금속촉매
4; 바인더
Claims (12)
- 연료전지용 전극의 제조방법에 있어서,
카본 지지체, 금속 촉매, 바인더 및 제 1 분산용매를 혼합시켜 제 1 혼합용액을 생성하는 혼합 단계;
상기 제 1 혼합용액을 건조시켜 제 1 혼합용액 건조체를 생성하는 건조 단계;
상기 제 1 혼합용액 건조체에 열을 가하는 열처리 단계;
상기 열처리된 제 1 혼합용액 건조체를 제 2 분산용매에 용해시켜 제 2 혼합용액을 생성하는 제 2 혼합용액 생성 단계;
상기 제 2 혼합용액을 이형지 상에 코팅한 후 건조시켜 전극을 생성하는 이형지 코팅단계; 를 포함하여 구성되고,
라디칼 스캐빈져(Radical Scavenger)를 상기 제 1 혼합용액을 생성하는 혼합 단계와 제 2 혼합용액 생성단계에 투입하되,
라디칼 스캐빈져의 총량중 일부분의 분량의 라디칼 스케빈져를 제 1 혼합용액 생성시 투입하고, 나머지 분량의 라디칼 스케빈져를 상기 제 2 혼합용액 생성 단계에서 투입하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 단계의 상기 제 1 분산용매는 증류수, 에탄올, IPA(Isopropyl alcohol), 프로판올, 에특시에탄올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 아밀알코올 중 어느 하나, 또는 이들중 2 이상의 분산용매의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 건조 단계는,
스프레이 드라이어(spray dryer)를 이용하여 분무 건조하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 건조 단계는,
오븐을 이용하여 건조하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 제 2 혼합용액 생성 단계의 상기 제 2 분산용매는, 에탄올, IPA, 프로판올, 에톡시에탄올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 증류수, 아밀알코올 중 어느 하나, 또는, 이들중 2 이상의 분산용매의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 혼합용액 생성시 이용되는 바인더는,
총량중 일부분의 분량을 제 1 혼합용액 생성시 투입하고, 나머지 분량을 상기 제 2 혼합용액 생성 단계에서 투입하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 라디칼 스캐빈져는,
평균 1~20nm 직경의 나노 입자이고,
세륨산화물, 지르코늄산화물, 망간산화물, 알루미늄산화물, 바나듐산화물로 이루어진 1군의 그룹에서 선택된 어느 하나의 산화물, 또는,
상기 1군의 그룹에서 선택된 적어도 2 이상의 산화물들의 혼합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 카본 지지체는,
카본블랙, CNT(Carbon Nano Tube), CNF(Carbon Nano Fiber), 탄소 분말, 탄소 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 탄소나노와이어, 탄소나노혼, 탄소에어로겔, 탄소크레로겔, 탄소나노링으로 이루어진 1 군의 그룹에서 선택된 어느 하나의 소재, 또는,
상기 1 군의 그룹에서 선택된 적어도 2 이상의 소재들의 혼합으로 이루어지는 소재인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 촉매는,
백금, 이리듐, 팔라듐, 루테늄으로 이루어진 1 군의 그룹에서 선택된 어느 하나의 금속으로 이루어진 촉매, 또는,
상기 1 군의 그룹에서 선택된 어느 하나의 금속의 산화물로 이루어진 촉매, 또는,
상기 1 군의 그룹에서 선택된 적어도 2 이상의 금속들의 합금으로 이루어진 촉매인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법.
- 제 1 항의 제조방법에 의하여 제조된 연료전지용 전극.
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