KR101901376B1 - 연료전지용 전극, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 다공성 고분자 필름에 관통 홀을 만들고 그 홀에 전극촉매층을 형성시킴으로써 수직배향 구조의 전극촉매층을 구현할 수 있다. 이와 같이 구현된 연료전지용 전극은 위에서 살펴본 Murtata와 Debe 등의 문헌의 수직 배향된 전극 구조와 매우 유사한 구조를 지니게 되며, 다만 촉매 자체가 수직 배향 구조를 지니는 대신에 본 발명에서는 통상적으로 그 자체로 그대로 사용되는 Pt/C 촉매가 모여서 형성되는 촉매층을 수직 배향 구조로 구현할 수 있게 된다. 결과적으로 상대적으로 간단한 구현 방법을 통해서도 산소 확산 속도가 매우 빠른 이상적인 구조의 전극을 구현할 수 있다는 장점이 있다.

Description

연료전지용 전극, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 이의 제조방법{An electrode for fuel cell, a membrane-electrode assembly comprising the same and a preparation method thereof}
본 발명은 연료전지용 전극, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
통상의 연료전지용 전극촉매(electrocatalyst)는 백금이 담지된 탄소구(Pt/C)를 사용하고 있다. 이때, 탄소구의 크기는 직경이 30 내지 50 nm 정도이며, 이러한 크기의 탄소구 표면에 10 내지 60 중량%의 백금을 담지하여 연료전지용 전극촉매로 사용하게 된다.
연료전지용 전극촉매층은 이러한 전극촉매와 바인더로 사용되는 나피온 이오노머로 구성되며, 일반적으로 전극촉매 함량 70 중량%와 이오노머 30 중량%로 구성하게 된다.
연료전지용 전극촉매층의 물리적 특성인 기공율 및 평균 기공크기는 연료전지 성능에 결정적인 영향을 주는 핵심 제조 변수이다. 일반적으로 기공율은 60%, 기공 크기는 100 nm 미만이며, 이러한 전극촉매층 두께는 10 μm 정도이다.
이러한 기존 전극촉매의 문제점은 전극촉매층에서의 산소 확산 속도가 매우 느리다는 점인데, 그 이유는 전극촉매층 내 기공 크기가 작고 (100 nm 미만), 연료전지 반응과정에서 발생되는 액상의 물이 전극촉매층 기공을 막기 때문이다. 더욱이, 전극촉매층 내에 바인더로서 존재하는 나피온 이오노머가 기공을 막게 되면서, 기공 크기는 더욱 작아지고 기공율은 더욱 낮아져 이러한 문제가 더욱 심화될 수밖에 없다.
종래, 전극촉매층 내에서의 산소 확산 속도를 향상시키기 위하여, Murtata 등과 Debe 등은 수직 배향된 전극촉매 지지체를 이용하여 전극촉매층 내 확산 속도를 증가시키려는 시도를 한 바 있다 (각각 비특허문헌 1과 2, 도 1 참조).
이러한 수직 배향된 구조는 실제로 특히 산소확산 용이성 측면에서 가장 이상적인 연료전지용 전극촉매층 구조로 보고되고 있다.
1. S. Murtata et al., Journal of Power Sources 253 (2014) 104-113 2. M. K. Debe, Nature, 2012, 486, 43
그러나, Murtata와 Debe 등의 기술은 실제 양산화의 어려움 및 얇은 박막 전극에서 발생하는 물 제어의 어려움으로 인해 성능 저감 등이 발생할 수밖에 없어 상용 시스템의 적용에 문제가 있으며, 이에 대한 개선이 필요한 상황이다.
본 발명의 일 측면은 (a) 복수 개의 관통 홀을 포함하는 다공성 고분자 필름, (b) 상기 관통 홀에 내부에 충진되어 있는 전극촉매층을 포함하는 연료전지용 전극으로서, 상기 전극촉매층은 이오노머 고분자에 분산되어 있는, 담지체에 담지된 전극촉매 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 (A) 고분자 전해질막, (B) 상기 고분자 전해질막의 일면에 위치한 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극, (C) 상기 고분자 전해질막의 타면에 위치한 상대전극을 포함하는 막-전극 접합체에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극을 포함하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 (A) 복수 개의 관통 홀을 포함하는 다공성 고분자 필름의 상기 관통 홀 내부에 전극촉매 슬러리를 채우는 단계, (B) 상기 관통 홀 내부에 전극 촉매 슬러리가 채워진 다공성 고분자 필름을 건조하는 단계를 포함하는 연료전지용 전극 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 대표적인 구현예에 따르면, 다공성 고분자 필름에 관통 홀을 만들고 그 홀에 전극촉매층을 형성시킴으로써 수직배향 구조의 전극촉매층을 구현할 수 있다.
이와 같이 구현된 연료전지용 전극은 위에서 살펴본 Murtata와 Debe 등의 문헌의 수직 배향된 전극 구조와 매우 유사한 구조를 지니게 되며, 다만 촉매 자체가 수직 배향 구조를 지니는 대신에 본 발명에서는 통상적으로 그 자체로 그대로 사용되는 Pt/C 촉매가 모여서 형성되는 촉매층을 수직 배향 구조로 구현할 수 있게 된다.
결과적으로 상대적으로 간단한 구현 방법을 통해서도 산소 확산 속도가 매우 빠른 이상적인 구조의 전극을 구현할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 Murtata 등의 비특허문헌 1에서 발췌한 기술 설명도 및 SEM 사진이다.
도 2는 기존 촉매층과 본 발명의 일 구현예에 따른 촉매층을 도식적으로 대비한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 전극의 제조과정을 도식적으로 표현한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 전극을 이용하여 막-전극 접합체를 제조하는 과정을 도식적으로 표현한 도면이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면은 (a) 복수 개의 관통 홀을 포함하는 다공성 고분자 필름, (b) 상기 관통 홀에 내부에 충진되어 있는 전극촉매층을 포함하는 연료전지용 전극으로서, 상기 전극촉매층은 이오노머 고분자에 분산되어 있는, 담지체에 담지된 전극촉매 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극에 관한 것이다.
본 발명에서, 다공성 고분자의 예에는 폴리테트라프루오로에틸렌(PTFE), 플루오르화 폴리비닐리덴(PVDF), 폴리에틸렌(PE) 등이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에서, 이오노머 고분자의 예는 특별히 한정되지 않고, 일반적인 연료전지 이오노머 모두 적용 가능하다.
본 발명에서, 담지체의 예에는 탄소입자, 전도성 산화물 입자, 전도성 고분자 입자 등이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에서, 전극촉매 예에는 Pt, Co 등이 포함되나, 이에 한정되지 않고, 일반적인 연료전지 이오노머 모두 적용 가능하다.
일 구현예에 따르면, 상기 다공성 고분자의 평균 기공 크기는 0.1 내지 1 μm일 수 있다. 만일 다공공 고분자의 평균 기공 크기가 위 범위의 하한값 미만인 경우에는 산소확산 문제가 생길 수 있고, 상한값을 초과하는 경우에는 촉매량 부족으로 인한 연료전지 성능 저하 및 촉매층이 두꺼워지는 문제가 생길 수 있다는 점에서, 상기 범위가 바람직하다.
또한, 상기 연료전지용 전극은 고분자 전해질 연료전지용 공기극일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 관통 홀의 면적은 0.04 내지 10 mm2일 수 있다. 또한, 상기 다공성 고분자 필름의 전체 면적 중에서, 상기 관통 홀을 제외한 영역과 상기 관통 홀의 영역의 면적 비는 1 : 1 내지 2일 수 있다.
만일 관통 홀의 면적이 위 범위의 하한값 미만인 경우에는 촉매량 부족으로 인한 연료전지 성능 저하 문제가 생길 수 있고, 상한값을 초과하는 경우에는 산소 확산에 필요한 기공 부족으로 인한 확산 저항이 커지는 문제가 생길 수 있다는 점에서, 상기 범위가 바람직하다.
만일 다공성 고분자 필름의 영역 비가 위 범위의 하한값 미만인 경우에는 산소 확산에 필요한 기공 부족으로 인한 확산 저항이 커지는 문제가 생길 수 있고, 상한값을 초과하는 경우에는 촉매량 부족으로 인한 연료전지 성능 저하 문제가 생길 수 있다는 점에서, 상기 범위가 바람직하다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 관통 홀의 간격은 0.2 내지 3 mm 일 수 있다.
만일 관통 홀의 간격이 위 범위의 하한값 미만인 경우에는 산소 확산에 필요한 기공 부족으로 인한 확산 저항이 커지는 문제가 생길 수 있고, 상한값을 초과하는 경우에는 촉매량 부족으로 인한 연료전지 성능 저하 문제가 생길 수 있다는 점에서, 상기 범위가 바람직하다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 관통 홀은 모양은 원형 또는 다각형 모양이고, 위치는 일정한 패턴을 가질 수 있다. 위 패턴의 한 예로서, 각 관통 홀의 간격이 서로 동일하도록 위치하는 것일 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 관통 홀은 가로 변의 길이가 0.2 내지 3 mm이고, 세로 변의 길이가 0.2 내지 3 mm일 수 있다.
만일 관통 홀의 가로 변과 세로 변의 길이가 위 범위의 하한값 미만인 경우에는 촉매량 부족으로 인한 연료전지 성능 저하 문제가 생길 수 있고, 상한값을 초과하는 경우에는 산소 확산에 필요한 기공 부족으로 인한 확산 저항이 커지는 문제가 생길 수 있다는 점에서, 상기 범위가 바람직하다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 전극촉매 백금 입자의 평균 크기는 2 nm 내지 10 nm일 수 있다. 또한, 상기 전극촉매 입자의 담지량은 총촉매 무게 대비 백금 무게를 기준으로 하였을 때 10 중량% 내지 60 중량%일 수 있다.
만일 전극촉매 백금 입자의 평균 크기가 위 범위의 하한값 미만인 경우에는 연료전지 성능 저하 및 내구성 문제가 생길 수 있고, 상한값을 초과하는 경우에는 백금 활성 면적이 너무 작아서 연료전지 성능이 낮은 문제가 생길 수 있다는 점에서, 상기 범위가 바람직하다.
또한, 만일 전극촉매 백금 입자의 담지량이 위 범위의 하한값 미만인 경우에는 촉매층이 두꺼워져 산소 확산 저항이 너무 커지는 문제가 생길 수 있고, 상한값을 초과하는 경우에는 촉매층이 얇아져 물 제어가 어려워지는 문제가 생길 수 있다는 점에서, 상기 범위가 바람직하다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 이오노머의 함량은 총 촉매 무게 대비 이오노머 무게를 기준으로 하였을 때 5 내지 50 중량%일 수 있다.
만일 이오노머 함량이 위 범위의 하한값 미만인 경우에는 촉매층에서의 수소이온 전도도가 너무 낮아지는 문제가 생길 수 있고, 상한값을 초과하는 경우에는 촉매층에서 산소 확산 저항이 너무 커지는 문제가 생길 수 있다는 점에서, 상기 범위가 바람직하다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 연료전지용 전극의 두께는 5 내지 50 μm일 수 있다.
만일 연료전지용 전극의 두께가 위 범위의 하한값 미만인 경우에는 촉매층이 너무 얇아서 물 제어 문제 및 그로 인한 산소 확산 저항 문제가 생길 수 있고, 상한값을 초과하는 경우에는 촉매층이 너무 두꺼워서 수소이온 전도도가 낮아지고 동시에 산소 확산 저항이 커지는 문제가 생길 수 있다는 점에서, 상기 범위가 바람직하다.
본 발명의 다른 측면은 (A) 고분자 전해질막, (B) 상기 고분자 전해질막의 일면에 위치한 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극, (C) 상기 고분자 전해질막의 타면에 위치한 상대전극을 포함하는 막-전극 접합체에 관한 것이다. 일 구현예에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 환원극 또는 공기극이고, 상기 상대전극은 산화극 또는 연료극일 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 연료전지용 전극은 산화극 또는 공기극이고, 상기 상대전극은 환원극 또는 연료극일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
일 구현예에 따르면, 상기 연료전지는 고분자 전해질막 연료전지일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 본 발명의 여러 구현예에 따른 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지용 전극을 포함하는 장치에 관한 것이다. 이러한 장치의 예에는 연료전지 자동차와 같은 운송수단, 가정용 연료전지, 휴대용 연료전지 등이 포함되나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 또 다른 측면은 (A) 복수 개의 관통 홀을 포함하는 다공성 고분자 필름의 상기 관통 홀 내부에 전극촉매 슬러리를 채우는 단계, (B) 상기 관통 홀 내부에 전극 촉매 슬러리가 채워진 다공성 고분자 필름을 건조하는 단계를 포함하는 연료전지용 전극 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 전극 촉매 슬러리는 담지체에 담지된 촉매 입자, 이오노머, 용매 등을 포함하는 슬러리로서, 예를 들면 Pt/C, 이오노머, 물 및 이소프로필알코올을 포함하는 슬러리일 수 있다.
상기 (B) 단계는 스프레이 또는 닥터블레이드 방식 등으로 수행될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 (A) 단계 전에 (A') 다공성 고분자 필름에 레이저 가공을 통해서 복수 개의 관통 홀을 형성시킴으로써 상기 복수 개의 관통 홀을 포함하는 다공성 고분자 필름을 수득하는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 (A) 단계 전에, (A1) 실리콘 웨이퍼 표면에, 서로 연결되어 있는 음각 패턴을 형성하는 단계, (A2) 상기 음각 패턴 내에 다공성 고분자 층을 형성하는 단계, (A3') 상기 실리콘 웨이퍼를 제거하거나 또는 상기 실리콘 웨이퍼로부터 상기 다공성 고분자 층을 분리함으로써 상기 복수 개의 관통 홀을 포함하는 다공성 고분자 필름을 수득하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서, 상기 (A2) 단계는 다공성 고분자를 도포한 후 회전 코팅 또는 브러쉬 코팅하여 건조함으로써 수행될 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 구현예에 따른 전극 및 이를 포함하는 막-전극 접합체 제조공정에 대해서 상술한다. 다만 하기 설명은 일 구현예에 대한 설명일 뿐, 이에 기초해서 본 발명의 범위나 내용을 제한하여 해석할 수 없다.
(1) 다공성 고분자 필름에 관통 홀 가공 후 촉매층 형성
먼저 기공 크기가 수십 nm 내지 수백 nm인 다공성 고분자 필름을 준비한다. 준비된 다공성 필름에 수 μm 내지 수백 μm 크기의 관통 홀을 형성시킨다. 관통 홀 형성은 레이저 가공을 비롯한 다양한 가공 방법이 적용 가능하다.
통상적으로 사용되는 촉매 슬러리 (Pt/C + 이오노머 + 물 + 이소프로필알코올)을 스프레이 혹은 닥터블레이드 방식 등으로 위에서 형성시킨 다공성 필름의 관통 홀에 채워 넣는다. 그리고 나서, 건조 과정을 통하여 용매로 사용된 물 및 이소프로필 알콜을 제거한다.
(2) 규칙적인 관통 홀을 포함한 다공성 고분자 필름 합성 및 촉매층 및 MEA 제조
도 4에 제시한 것과 같이, 규칙적인 관통 홀을 포함한 다공성 고분자 필름 합성하고 촉매층을 제조하였다. 또한, 이를 이용하여 MEA를 제조하였다. 이하에서 상술한다.
먼저, 실리콘 웨이퍼 표면에 패턴을 형성한다. 이렇게 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 위에 다공성 고분자 필름의 고분자 용액을 흘려준 후, 건조시킴으로서 다공성 고분자 필름을 제조한다.
일정한 간격으로 관통 홀이 형성된 다공성 고분자 필름 표면에 촉매 슬러리를 스프레이로 분사하거나 혹은 다양한 코팅 공정을 적용하여 다공성 고분자 필름의 관통 홀 내에 촉매층을 형성시킨다. 이렇게 촉매층이 형성된 다공성 고분자 필름과 연료극을 수소이온 전도성 고분자 전해질막 표면에 앞뒤로 두고 핫프레싱함으로써 MEA를 제조한다.
실시예
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
실시예 1: 다공성 고분자 필름에 관통 홀 가공
(1) 평균 기공 300 nm, 두께 20 μm, 기공율 60%인 소수성 PP 필름을 레이저 가공 방법으로 직경 100 μm인 관통 홀을 100 μm 간격으로 가공하였다.
(2) 평균 기공 300 nm, 두께 20 μm, 기공율 60%인 친수성 PP 필름을 레이저 가공 방법으로 직경 100 μm인 관통 홀을 100 μm 간격으로 가공하였다.
(3) 평균 기공 100 nm, 두께 10 μm, 기공율 80%인 소수성 PE 필름을 레이저 가공 방법으로 직경 100 μm인 관통 홀을 100 μm 간격으로 가공하였다.
실시예 2: 촉매 슬러리 제조
(1) Pt/C 촉매 기반 촉매 슬러리 제조
40 중량% Pt/C 1g과 5중량% Nafion ionomer 현탁액 8.5 g과 용매 5 g(IPA : water = 5:1)을 섞어 촉매 슬러리 형태로 만들고 나서, 만들어진 촉매 슬러리는 초음파 교반기에서 30분 동안 충분히 섞어준 후, 스터러에서 12 시간 이상 충분히 교반하였다.
(2) Pt/CNF 촉매 기반 촉매 슬러리 제조
40 중량% Pt/CNF 1g과 5 중량% Nafion ionomer 현탁액 6.5 g과 용매 3 g (IPA : water = 5:1)을 섞어 촉매 슬러리 형태로 만들고 나서, 만들어진 촉매 슬러리는 초음파 교반기에서 30분 동안 충분히 섞어준 후, 스터러에서 12시간 이상 충분히 교반하였다.
(3) Pt black 촉매 기반 촉매 슬러리 제조
Pt black 1 g과 5 중량% Nafion ionomer 현탁액 1.5 g과 용매 0.5 g (IPA : water = 5:1)을 섞어 촉매 슬러리 형태로 만들고 나서, 만들어진 촉매 슬러리는 초음파 교반기에서 30분 동안 충분히 섞어준 후, 스터러에서 12시간 이상 충분히 교반하였다.
실시예 3: 다공성 필름에 촉매 슬러리 코팅
(1) 스프레이 공정
다공성 필름을 70 ℃로 가열된 열판 표면에 고정시키고 나서, 다공성 필름 표면에 마스킹 필름을 부착하여 홀 부분만 노출되도록 하였다. 촉매 슬러리를 스프레이건에 장착하고 다공성 필름 표면에 분사하여 홀 부분에 촉매층을 형성시켰다.
(2) 닥터블레이드 공정
다공성 필름을 70 ℃로 가열된 열판 표면에 고정시키고 나서, 촉매 슬러리를 다공성 필름에 일정량 부은 후에 14 mm/s의 속도로 블레이드를 이동시키며 다공성 필름 홀 부분에 촉매층을 코팅하였다. 형성된 촉매층을 충분히 건조하였다.
실시예 4: MEA 제조
50mm x 50mm Nafion 212 전해질 막 한쪽 면은 PET 필름에 코팅된 33mm x 33mm 크기의 일반적인 전극을 올려두고, 반대편 전해질 막 면에는 촉매층이 형성된 33 mm x 33 mm 크기의 다공성 필름을 올려두었다.
이렇게 준비된 재료를 알루미늄으로 제작된 전사용 판에 끼운 후에 핫프레스에 장착하여 140 ℃로 승온한 후, 140 ℃를 확인한 후에 100 kgf/cm2 압력으로 2분간 유지하였다.
알루미늄 전사용 판을 뒤집은 후에 다시 140 ℃의 온도와 100 kgf/cm2 압력으로 2분간 유지하였다.
온도를 내린 후 압력을 풀고 Nafion 212 전해질 막 한쪽 면에는 일반적인 촉매층이 형성되고 다른 면에는 다공성 필름 전극이 형성된 MEA 제조를 완성하였다.

Claims (13)

  1. (a) 복수 개의 관통 홀을 포함하는 다공성 고분자 필름,
    (b) 상기 관통 홀 내부에 충진 되어 있는 전극 촉매층을 포함하는 연료전지용 공기극으로서;
    상기 전극 촉매층은 이오노머 고분자에 분산되어 있는, 담지체에 담지된 전극촉매 입자를 포함하고,
    상기 관통 홀의 면적은 0.04 내지 10 mm2이며,
    상기 다공성 고분자의 평균 기공 크기는 0.1 내지 1 μm이고,상기 다공성 고분자 필름의 전체 면적 중에서, 상기 관통 홀을 제외한 영역과 상기 관통 홀의 영역의 면적 비는 1 : 1 내지 2이며,상기 관통 홀의 간격은 0.2 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기극.
  2. ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서, 상기 관통 홀은 모양은 원형 또는 다각형 모양이고, 위치는 일정한 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기극.
  3. ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제2항에 있어서, 상기 관통 홀은 가로 변의 길이가 0.2 내지 3 mm이고, 세로 변의 길이가 0.2 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기극.
  4. ◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서, 상기 전극촉매 입자는 백금 입자이고, 상기 백금 입자의 평균 크기는 2 내지 10 nm이고, 상기 전극촉매 백금 입자의 담지량은 총 촉매 중량 대비 백금 무게를 기준으로 하였을 때 10 내지 60 중량%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기극.
  5. ◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제4항에 있어서, 상기 이오노머의 함량은 총 촉매 무게 대비 이오노머 무게를 기준으로 하였을 때 5 내지 50 중량%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기극.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연료전지용 공기극의 두께는 5 내지 50 μm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기극.
  7. (A) 고분자 전해질막,
    (B) 상기 고분자 전해질막의 일면에 위치한 제1항 및 제6항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 공기극,
    (C) 상기 고분자 전해질막의 타면에 위치한 연료극을 포함하는 막-전극 접합체.
  8. 제1항 및 제6항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 공기극을 포함하는 연료전지.
  9. 제1항 및 제6항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 공기극을 포함하는 고분자 전해질 연료전지.
  10. 제1항 및 제6항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 공기극을 포함하는 장치로서,
    상기 장치는 운송수단, 가정용 연료전지, 휴대용 연료전지 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는 장치.
  11. (A) 복수 개의 관통 홀을 포함하는 다공성 고분자 필름의 상기 관통 홀 내부에 전극촉매 슬러리를 채우는 단계,
    (B) 상기 관통 홀 내부에 전극 촉매 슬러리가 채워진 다공성 고분자 필름을 건조하는 단계를 포함하는 연료전지용 공기극 제조방법으로서,
    상기 연료전지용 공기극은 (a) 복수 개의 관통 홀을 포함하는 다공성 고분자 필름, 및 (b) 상기 관통 홀 내부에 충진 되어 있는 전극 촉매층을 포함하고,
    상기 전극 촉매층은 이오노머 고분자에 분산되어 있는, 담지체에 담지된 전극촉매 입자를 포함하며,
    상기 관통 홀의 면적은 0.04 내지 10 mm2이고,
    상기 다공성 고분자의 평균 기공 크기는 0.1 내지 1 μm이며,
    상기 다공성 고분자 필름의 전체 면적 중에서, 상기 관통 홀을 제외한 영역과 상기 관통 홀의 영역의 면적 비는 1 : 1 내지 2이며,상기 관통 홀의 간격은 0.2 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기극 제조방법.
  12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제11항에 있어서, 상기 (A) 단계 전에 하기 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기극 제조방법:
    (A') 다공성 고분자 필름에 레이저 가공을 통해서 복수 개의 관통 홀을 형성시킴으로써 상기 복수 개의 관통 홀을 포함하는 다공성 고분자 필름을 수득하는 단계.
  13. 제11항에 있어서, 상기 (A) 단계 전에 하기 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기극 제조방법:
    (A1) 실리콘 웨이퍼 표면에, 서로 연결되어 있는 음각 패턴을 형성하는 단계,
    (A2) 상기 음각 패턴 내에 다공성 고분자 층을 형성하는 단계,
    (A3') 상기 실리콘 웨이퍼를 제거하거나 또는 상기 실리콘 웨이퍼로부터 상기 다공성 고분자 층을 분리함으로써 상기 복수 개의 관통 홀을 포함하는 다공성 고분자 필름을 수득하는 단계.
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JP2015099772A (ja) * 2013-10-15 2015-05-28 旭硝子株式会社 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体および固体高分子形燃料電池

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