KR102088547B1 - 가용성 플루오로중합체 코팅을 갖는 액체 전해질 연료 전지 전극 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

인산 연료 전지용 전극이 인산 전극; 인산 전극 상의 촉매 입자; 및 촉매 입자 상의 플루오로중합체를 포함한다. 가용성 플루오로중합체를 이용한 이러한 전극의 제조 방법이 또한 제공된다.

Description

가용성 플루오로중합체 코팅을 갖는 액체 전해질 연료 전지 전극 및 그의 제조 방법 {LIQUID-ELECTROLYTE FUEL-CELL ELECTRODES WITH SOLUBLE FLUOROPOLYMER COATING AND METHOD FOR MAKING SAME}
본 개시내용은 연료 전지용 전극, 보다 특히 액체 전해질 연료 전지, 예컨대 인산 연료 전지에 사용하기 위한 플루오로중합체 처리된 촉매를 갖는 전극에 관한 것이다.
연료 전지 분야에서, 연료 전지 반응을 향상시키기 위해 전극 촉매를 포함하는 전극 (애노드 및 캐소드)을 사용하는 것이 일반적이다. 연료 전지 반응은 1) 기체 반응물, 예컨대 애노드 상의 수소 또는 캐소드 상의 산소의 접근, 2) 반응의 전자를 공급 또는 제거하기 위한 촉매, 및 3) 이온성 반응물 또는 생성물을 공급 또는 제거하기 위한 전해질의 3가지 상을 필요로 한다. 전해질이 적으면, 이러한 반응은 이온성 종이 적절한 속도로 공급 또는 제거될 수 없기 때문에 억제된다. 그러나, 인산 연료 전지 (PAFC) 중 하나인 일부 설정에서는, 인산 전해질이 촉매 근처에 과량으로 축적될 수 있다. 상기는 기체 반응물의 접근을 억제하며, 이는 촉매의 유효성을 감소시켜서 연료 전지의 적합한 기능을 방해한다.
너무 적은 인산 전해질과 너무 많은 인산 전해질 사이의 균형을 해결하기 위해, 전극은 플루오로중합체 물질, 예컨대 듀폰(Dupont)에 의해 판매되는 플루오로중합체인 테플론(TEFLON)®으로 처리되어 왔다. 플루오로중합체의 첨가는 인산 필름 두께를 제한 및 제어하려는 의도이다.
PAFC에서 현재 사용되는 모든 플루오로중합체는 수성 분산액으로서 공급된다. 이러한 분산액의 입자 크기는 촉매 입자보다 더 크다. 따라서, 이러한 중합체를 전극에 분포시키는 경우에, 플루오로중합체 입자가 덩어리지고 일부 영역에서는 플루오로중합체의 두꺼운 층을 유발하고, 다른 영역에서는 플루오로중합체이 적어서 인산의 두꺼운 층을 유발할 수 있기 때문에 분포가 항상 균일하지는 않다. 이러한 경우에, 두꺼운 플루오로중합체 층 및 인산 층은 촉매로의 반응물의 확산을 억제하여 성능에서의 문제를 초래한다.
공지된 전극 제조 방법은 전극 상의 습식 화학물질 플록형성 및 건조 분말의 분산을 포함하는데, 이는 번거롭고, 고비용이고, 침착될 층의 얇은 두께를 제한한다.
추가로, 전극 제조 방법은 플루오로중합체, 전형적으로 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)을 대략 350℃에서 소결시키는 것을 필요로 하는데, 이는 몇몇 이유로 인해 바람직하지 않다. 소결은 제조 단계를 부가하고, 촉매의 존재 하에서 PTFE에 대해 유해하고, 전극 촉매의 산화를 유발하여 더 큰 PTFE 함량의 사용을 필요로 한다.
전극의 제조에 사용되는 전형적인 PTFE는 PAFC 작동 온도보다 150℃를 초과하게 낮은 유리 전이 온도를 갖고, 따라서 전극이 작동 동안 크리프되어 그의 공극률 및 성능이 감소된다.
상기 제기된 다양한 문제에 대한 해결책의 필요성이 여전히 존재하는 것은 명백하다. 본 개시내용은 이러한 필요성에 따른 것이다.
본 개시내용에 따라, 상기에 논의된 바와 같은 플루오로중합체 분포된 전극과 관련된 문제를 해결한 전극 및 그의 제조 방법, 뿐만 아니라 수반되는 구조체가 제공된다.
본 개시내용에 따라, 인산 전극; 인산 전극 내의 촉매 입자; 및 촉매 입자 상의 플루오로중합체를 포함하는 인산 연료 전지 (PAFC)용 전극이 제공된다.
또한, 촉매 입자를 플루오로중합체 용액과 조합하여 플루오로중합체로 코팅된 코팅 촉매 입자를 함유하는 촉매-플루오로중합체 분산액을 형성하는 단계; 및 코팅 촉매 입자를 전극 기판에 적용하는 단계를 포함하는 PAFC용 전극의 제조 방법이 제공된다.
PAFC 설정에서의 플루오로중합체의 이익은 플루오로중합체의 분포에 중요하게 좌우된다는 것을 발견하였다. 플루오로중합체의 비교적 얇고, 균일한 필름이 또한 촉매에 대한 인산의 보다 균일한 분포로 이어지고, 본 개시내용의 방법은 플루오로중합체의 실질적으로 균일한 분포를 보장하는 것을 돕는다.
테플론® 또는 다른 플루오로중합체가 전극에 분포되는 경우; 기체 반응물은 촉매에 도달하기 위해 인산의 필름 이외에 플루오로중합체를 통해 확산해야 한다. 플루오로중합체를 통한 이러한 기체 반응물의 투과도는 인산을 통한 투과도보다 적어도 10X 더 크기 때문에, 플루오로중합체의 첨가는 대부분의 경우, 특히 본 개시내용에 의해 달성되는 바와 같이, 플루오로중합체 및 인산이 촉매 상에서 비교적 얇고 균일한 필름으로 유지되는 경우에 PAFC의 작동에 유익하다.
본 개시내용의 추가 상세사항을 하기에 나타낸다.
바람직한 실시양태의 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 하기와 같다:
도 1은 본 개시내용에 따른 전극의 제조 방법을 모식적으로 도시한 흐름도이다.
도 2는 대략 200X의 배율에서 본 개시내용의 전극의 구조를 PTFE를 갖는 최신 (SOA) PAFC 전극과 비교한다.
도 3은 PAFC 전극의 구조를 모식적으로 도시한다.
도 4는 선행 기술 전극의 촉매의 확대된 부분을 도시한다.
도 5는 도 4와의 비교를 위해 가용성 플루오로중합체로 제조된 본 개시내용에 따른 전극의 확대된 부분을 모식적으로 도시하고, 본 개시내용에 따른 촉매 입자의 코팅된 응집물(aggregate)을 도시한다.
도 6은 확산-제한 성능 하에서 작동된 섭스케일(subscale) 전지의 SOA 전극에서 PTFE의 성능에 비해 본 개시내용의 플루오로중합체 및 제조 방법의 개선된 성능을 보여준다.
도 7은 전형적인 스택 작동 조건에서 구동되는 섭스케일 전지의 SOA PAFC 전극에 비해 개선된 본 발명의 성능을 보여준다.
본 발명은 연료 전지용 전극 구조체, 특히 인산 연료 전지 (PAFC)에 특히 유용한 촉매 및 플루오로중합체로 제조된 전극 구조체에 관한 것이다.
최신 PAFC의 전극 촉매는 연료 전지의 정상 작동 동안 인산의 두꺼운 필름 및 플루오로중합체의 두꺼운 필름으로 코팅되는 것에 의해 손상된 촉매 활성을 갖는 경향이 있는 것으로 밝혀졌다. 인산은 정상 작동 동안 촉매에 축적되며, 플로오로중합체를 사용하여 이러한 축적을 제어하려는 노력은 이제까지는 플루오로중합체의 덩어리짐 및 일관성없는 배치로 인한 문제를 완전히 해결하지는 못하였다.
본 개시내용에 따라, 촉매를 플루오로중합체의 얇은 필름 및 인산의 얇은 필름으로 균일하게 코팅하여 목적하는 촉매 활성을 보존하는 방법이 제공된다.
본 개시내용에 따라, 촉매 입자 자체 상에 플루오로중합체 화합물의 비교적 얇고 균일한 층을 생성하고, 이어서 이러한 촉매 입자를 전극 기판 상에 침착시키는 방법이 제공된다. 이는 유리하게는, 촉매로의 반응물의 수송을 방해하는 전극 전반에 걸친 플루오로중합체 층을 생성시키지 않으면서 플루오로중합체를 촉매 옆에 배치한다. 이는 정상 작동 동안 전극에서 생성된 인산 필름이 균일 두께이며 목적하는 두께를 갖게 되는 것을 추가로 보장한다. 인산 필름의 목적하는 두께는, 이온 전도를 위해 전극에서 이온-저항 손실을 최소화하기에 충분하게 두꺼운 것과, 산소 또는 수소의 확산에 대한 부정적인 영향을 최소화하기에 충분히 얇은 것 사이에서의 절충결과이다.
본 개시내용에 따라, 가용성 플루오로중합체를 사용하여 플루오로중합체 물질이 촉매 상의 얇고 균일한 층으로 배치되는 것을 가능하게 하는 플루오로중합체 용액을 제조하며, 이는 전극 전반에 걸친 과도한 플루오로중합체의 문제를 제거한다. 촉매 상에 플루오로중합체를 배치하는 이러한 해결책의 사용은 또한 소결에 대한 필요성을 제거하고, 특정 무정형 플루오로중합체 물질은 생성된 전극이 작동 동안 크리프하지 않도록 충분히 높은 유리 온도를 갖는다. 또한, 무정형 플루오로중합체는 촉매, 특히 탄소 상에 지지된 촉매에 보다 양호하게 결합하며, 이는 유리하게는 백금 입자 크기의 안정화를 가능하게 할 수 있다.
마지막으로, 촉매의 산화 및 소결 단계의 제거는 또한 플루오로중합체 물질 요건이 적은 전극의 제조를 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 개시내용에 따른 전극의 임의의 제조 방법을 모식적으로 도시한다. 방법은 촉매(10), 용매(12), 플루오로중합체 입자(14) 및 전극 기판(16)을 비롯한 사용된 원료 또는 출발 물질을 도시한다. 이러한 물질은 하기에 추가로 논의되고, 도 1은 이들 물질 각각이 방법에서 사용되는 것을 도시한다.
유용한 촉매는 바람직하게는 미립자 촉매, 바람직하게는 지지된 미립자 촉매이고, 촉매는 PAFC 연료 전지 작동에 유용한 것으로 공지된 하나 이상의 물질일 수 있다. 적합한 촉매 물질에는 Pt, Pt-합금, Pt 및 Pd 코어 쉘 구조체, 메탈로센, 비-귀금속 및 그의 조합이 포함되지만, 이에 제한되는 것은 아고, 촉매는 불칸(Vulcan)® XC72 (캐보트 코포레이션(Cabot Corporation) 제품) 및 열-처리된 불칸® XC72와 같이 탄소 상에 지지될 수 있다. 촉매는 바람직하게는 나노구조체이다. 탄소 촉매 지지체는 100 내지 1000 nm 길이의 분지쇄로 응집된 직경이 전형적으로 20 내지 80 nm인 구체형(sphereoidal) 1차 탄소 입자로 구성된다. 이러한 분지쇄는 탄소 입자 "구조체"를 제공하고, 입자 간의 양호한 전기적 접촉을 부여한다. 애노드 지지체와 캐소드 지지체 간의 차이는 1차 입자의 내부 공극률 중 하나이다. Pt 및 Pt 합금은 탄소 입자 상에 지지된 반응 중심이다. 전형적으로, 금속 입자 크기는 애노드 면에서는 1 내지 2 nm이고, 캐소드 면에서는 5 내지 10 nm이다.
적합한 전극 기판은 50 마이크로미터 내지 500 마이크로미터의 두께를 갖는 전극 기판일 수 있다. 적합한 기판에는 도레이 인더스트리즈(Toray Industries) (일본 도쿄 소재)로부터의 T060 및 T120, 및 에스지엘 테크놀로지즈(SGL Technologies) (독일 마이티겐 소재)로부터의 시그라셋(Sigracet) GDL 24 및 25 AA가 포함되지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 개시내용에 따른 가용성 플루오로중합체는 바람직하게는 가용성 퍼플루오로중합체이고, 이것에는 무정형 플루오로중합체, 부분적으로 결정질인 플루오로중합체 또는 반결정질인 플루오로중합체 및 그의 조합이 포함될 수 있다.
적합한 무정형 플루오로중합체에는 2,2-비스(트리플루오로메틸)-4,5-디플루오로-1,3-디옥솔과 테트라플루오로에틸렌 (TFE)의 공중합체의 부류가 포함되고, 그의 적합한 한 시판 예는 듀폰의 테플론 AF®이다. 또다른 적합한 무정형 플루오로중합체는 2,2,4-트리플루오로-5-트리플루오로메톡시-1,3-디옥솔과 테트라플루오로에틸렌 (TFE)의 공중합체의 부류가 포함되고, 그의 적합한 한 시판 예는 솔베이(Solvay)로부터의 하이플론(HYFLON) AD®이다. 적합한 무정형 플루오로중합체의 추가의 비제한적인 예에는 퍼플루오르화 디엔인 퍼플루오로-4-(비닐옥시-1-부텐)의 사이클로중합에 의해 제조된 단일 중합체의 부류가 포함되고, 그의 적합한 한 시판 예는 아사히 글래스(Asahi Glass)로부터의 사이톱(Cytop)®이다. 단독중합체의 또다른 적합한 부류에는 치환된 퍼플루오로 2-메틸렌-1,3-디옥솔란 단량체의 중합체의 부류가 포함된다. 또다른 비제한적인 예는 치환된 퍼플루오로 2-메틸렌-1,3-디옥솔란 단량체와 퍼플루오로 비닐 단량체의 공중합체이다.
적합한 반결정질 플루오로중합체의 비제한적인 예에는 테트라플루오로에틸렌 (TFE)의 단독중합체, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)이 포함된다. 또다른 적합한 예는 TFE와 헥사플루오로프로필렌 (FEP)의 공중합체의 부류이다. 또다른 적합한 반결정질 플루오로중합체는 TFE와 퍼플루오로알콕시 비닐 에테르의 공중합체의 부류이다.
적합한 반결정질 플루오로중합체의 추가의 비제한적인 예에는 바람직하게는 1,200 당량을 초과하는, 양성자 형태 또는 플루오로술포네이트 형태의 퍼플루오르화 술폰화 비닐 에테르와 TFE의 공중합체의 부류가 포함된다. 또다른 비제한적인 예는 1,200 당량을 초과하는 퍼플루오르화 술폰이미드 비닐 에테르와 TFE의 공중합체의 부류이다.
무정형 플루오로중합체는 주변 온도에서 용매 중에 가용성일 수 있지만, 반결정질 공중합체는 용매 중에서 가용성이 되기 위해 승온이 요구될 수 있다.
추가적인 적합한 퍼플루오로중합체 물질에 적합한 용매는 문헌 [W.H. Tuminello and G.T. Dee in "Thermodynamics of Poly(tetrafluoroethylene) Solubility," Macromolecules 27 669-676 (1994)]에 교시된 용매; 도데카플루오로시클로헥산 (C6F12); 옥타플루오로나프탈렌 (C10F8); 퍼플루오로테트라코산 (n-C24F50); 퍼플루오로테트라데카히드로페난트렌 (C14F24); 퍼플루오로퍼히드로벤질나프탈렌의 이성질체의 혼합물 (C17F30); 퍼플루오로트리헥실 아민 및 쓰리엠(3M)으로부터 제품명 플루오르이너트(Fluorinert)® 하에 상업적으로 입수가능한 유사한 화합물; 폴리헥사플루오로프로필렌 옥시드의 올리고머 (예를 들어, 듀폰 크리톡스(Krytox)® 16350); 플루오로카본 오일; 테트라플루오로에틸렌의 올리고머 및 그의 조합일 수 있다. 또한 미국 특허 5,683,557, 5,690,878 및 2,580,078에 개시된 용매를 참조한다.
촉매 분산액에 적합한 용매는 플루오로중합체의 경우와 동일할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 촉매(10) 및 용매(12)를 바람직하게는 고전단 (HS) 혼합기(18) 내에서 혼합함으로써 방법을 시작한다. 이것은 촉매 분산액(20)을 생성한다.
플루오로중합체-촉매 분산액은 유리하게는 혼합 단계(22)에서 가용성 플루오로중합체(14)를 용매(12)와 혼합하여 플루오로중합체 용액(24)을 생성함으로써 형성된다. 플루오로중합체 용액을 촉매 및 추가의 용매와 혼합하여 플루오로중합체를 임의의 목적하는 수준, 예를 들어 약 1 중량％로 함유할 수 있는 목적하는 플루오로중합체 용액을 형성한다.
계속 도 1을 참조하면, 이어서 촉매 분산액(20) 및 플루오로중합체 용액(24)을 고전단/초고전단 혼합 단계(26)에서 혼합한다. 용액 및 분산액을 바람직하게 혼합하여 촉매 대 플루오로중합체의 목적하는 비율을 제공하고, 이러한 비율은 생성된 전극의 목적하는 특성에 일치될 수 있다. 이러한 혼합 단계(26) 이후에, 이어서 혼합된 용액을 예를 들어, 분무 침착 방법(28)을 통해 가열된 기판(16) 상에 침착하여 기판 상의 침착물(30)을 생성한다. 침착물은 용매 증발에 의해 생성된 큰 부피의 기체로 인해 초다공성이다.
가열된 기판은 목적하는 전극 중량에 도달될 때까지 그 상에 촉매/AF 용액이 분무될 수 있다. 그 때, 기판 및 초다공성 침착물을 용매(12)로 습윤시킬 수 있고, 이어서 적당한 온도에서 프레싱(32)하여 전극(34)의 목적하는 두께 및 전기 저항을 수득할 수 있다.
촉매 현탁액의 혼합은 고전단, 예를 들어 IKA 고전단 혼합기를 사용하는 경우 약 13k rpm에서 2분 동안 수행할 수 있다. 이어서, 플루오로중합체 용액을 첨가한 후 이러한 동일한 전단을 5분 동안 추가로 계속할 수 있고, 이어서 혼합물을 초음파 소니케이터를 사용하여 예를 들어 20％, 50 w의 전력에서 5초 온 및 5초 오프의 펄스로 5분 동안 초음파처리할 수 있다.
가열된 기판을 약 70℃에서 금속 플레이트 상에서 가열할 수 있고, 그 후 플루오로중합체/촉매 용액/분산액을 기판 상에 분무한다.
15 psi 및 주변 온도에서, 질소 하에서 에어브러쉬를 사용하여 분무 침착을 수행할 수 있다. 일부 유형의 기판의 경우 백금 적재량이 0.70 내지 0.75 mg Pt/cm2일 때까지, 다른 것의 경우 더 낮은 범위, 예컨대 0.5 내지 0.598 mg Pt/cm2일 때까지, 코팅 중량을 모니터링할 수 있다. 생성된 전극의 최종 두께를 또한 측정 및 기록할 수 있다.
도 2는 PTFE로 제조된 선행 기술 PAFC 전극의 구조 (좌측 도면)를 본 개시내용에 따라 제조된 전극 (우측 도면에 도시됨)과 비교한다. 도면은 선행 기술 전극의 주사 전자 현미경 사진 (SEM) 및 본 개시내용에 따른 전극의 광학 현미경 사진이다. 탄소 종이 전극 기판(50), (54)이 전극(52), (56)과 마찬가지로 각각의 영상에 나타나 있다.
도 2는 선행 기술 전극(52)의 입자성을 보여주며, 이것은 촉매-PTFE 플록의 유체 밀링을 인해 3 내지 10 마이크로미터 입자로부터 형성된 1 내지 3 마이크로미터의 중간 공극 크기에서 유래한다. 본 개시내용에 따라 제조된 전극의 영상은 전극(56)이 분무된 플루오로중합체 및 촉매의 혼합물을 프레싱함으로써 마이크로미터보다 작은 공극으로 제조되어, 균일하고 더 얇은 것을 보여준다. 이러한 특징은 촉매 층에 관련되고, 본 개시내용에 따른 영상에서 촉매 층은 훨씬 더 균일하고 얇은 것이 명백하다.
도 3은 본 개시내용과 관련된 유형의 전극을 구조적으로 도시하고, 300 내지 350 μ의 두께를 갖는 전극 기판(58)을 도시하며, 촉매 층(60)이 그 위에 배치되어 있다. 본 개시내용에 따라, 촉매 층(60)은 선행 기술에 따라 전극 기판 상에 침착된 촉매 층보다 훨씬 더 얇다.
본 개시내용에 따라 수득된 유리한 구조체를 추가로 설명하기 위해, 선행 기술 또는 공지된 절차를 사용하여 제조된 선행 기술 전극의 촉매 층의 부분을 본 개시내용에 따라 제조된 전극의 촉매 층의 부분과 마찬가지로 크게 확대하였다 (~150, 00X). 이러한 확대된 두 도면은 도 3의 층(60)의 배율에 상응하고, 각각 도 4 및 5에 도시되어 있다.
도 4는 탄소 입자(70) 및 그 위에 배치된 촉매 입자(72)의 형태의 촉매가 일부 경우에 플루오로중합체 물질의 다소 두꺼운 층(74)에 의해 피복되어 있고, 다른 예에서는 인산의 다소 두꺼운 층(76)에 의해 피복되어 있는 것을 보여준다. 이것은 플루오로중합체 물질이 선행 기술 제조 방법 동안 플록형성하는 경향이 있고, 이것은 촉매 입자를 완전하게 임의의 방식으로 균일하게 에워싸지 않는 플루오로중합체 물질(74)의 덩어리를 유발한다는 사실로 인한 것이다. 일관성없고 불균일한 플로오로중합체는 플루오로중합체가 많지 않은 영역에서는 작동 동안 훨썬 더 높은 농도의 인산 이동을 유발하고, 다른 영역에서는, 플루오로중합체 자체가 너무 두껍다. 따라서, 도 4에 도시된 확대된 도면은, 플루오로중합체 및 궁극적으로 인산이 균질하게 분포되지 않은 선행 기술에 따른 문제점을 보여준다.
도 5는 본 개시내용에 따라 제조된 전극의 촉매의 확대된 부분을 도시하고, 이는 (70)과 동일한 탄소 입자(80) 및 (72)와 동일한 촉매 입자(82)를 포함하는 촉매 입자의 응집물을 유리하게 도시하고, 이러한 응집물은 플루오로중합체의 비교적 얇고, 실질적으로 균일한 얇은 층(84)을 갖고, 그 아래에 인산의 비교적 얇고, 실질적으로 균일한 층(86)을 갖는다. 인산이 플루오로중합체의 층 아래에 배치되는데, 그 이유는 이러한 전극을 사용하는 PAFC의 작동 동안, 인산이 촉매 입자를 향해 이동하는 경향이 있기 때문이다. 인산은 그것이 플루오로중합체에 도달한 경우에 플루오로중합체 내의 간극을 통해 새어나가며, 따라서 도 5는 플루오로중합체 층의 내부의 인산을 도시하고, 이들 둘 다의 층은 비교적 얇고 두께가 실질적으로 균일하다.
표준 플루오로중합체 함량으로 처리된 선행 기술 플루오로중합체를 갖는 전극 및 표준 플루오로중합체 함량의 절반으로 본 개시내용에 따라 처리된 전극을 시험하였다.
이러한 전극을 30％ 이용도 및 4％ 산소 균형에서 애노드 상의 100％ 수소를 사용하고, 캐소드 상에서 50％ 이용도에서 질소를 사용하여 확산 제어 전류에 대해 시험하였다. 결과를 도 6에 도시하며, 여기서 본 개시내용에 따라 처리된 전극은 곡선(90)으로 나타내고, 선행 기술 플루오로중합체 처리된 전극을 곡선(92)으로 나타낸다. 도시된 바와 같이, 본 개시내용에 따라 가용성 플루오로중합체로 처리된 전극은 선행 기술 플루오로중합체 처리된 것에 비해 상당히 우수한 결과로 전압 당 최대 전류 밀도를 제공하였다.
전형적인 스택 조건 (175℃, 80％ 이용도를 갖는 애노드 상의 78％ 수소, 60％의 이용도를 갖는 캐소드 상의 공기) 하에서 시험을 또한 수행하였고, 선행 기술 플루오로중합체 처리된 전극 및 본 개시내용에 따라 가용성 플루오로중합체로 처리된 전극에 대해 시험을 수행하였다. 도 7은 ir-프리 전지 전압 대 전류 밀도에 대한 이러한 시험 결과를 나타내고, 도 7로부터, 본 개시내용에 따라 가용성 플루오로중합체로 처리된 전극이 작동 지점에서 대략 25％의 전력 밀도 증가 및 대략 14 mV 개선을 제공한다는 것이 명백하다. 도 7은 본 개시내용에 따라 가용성 플루오로중합체로 처리된 전극을 나타내는 곡선(96), 및 선행 기술 처리된 전극을 나타내는 곡선(98)의 이러한 결과를 나타낸다.
본 개시내용의 하나 이상의 실시양태가 기재되어 있다. 그럼에도 불구하고, 본 개시내용의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 개질이 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 촉매-중합체 현탁액이 제조될 수 있는 용매 중에 가용성인 PAFC 작동 조건에서 안정한 다른 중합체를 사용하는 것이 가능하고, 기재된 플루오로중합체에 대한 대안의 용매, 분무 및 웜 프레싱 이외의 대안의 촉매 층 형성 방법, 예를 들어 중합체-촉매 분산액의 막대 코팅 등이 사용될 수 있다. 따라서, 다른 실시양태가 하기 청구범위의 범주 내이다.

Claims (20)

  1. 촉매 입자를 플루오로중합체 용액과 조합하여 촉매-플루오로중합체 분산액을 형성하는 단계;
    촉매-플루오로중합체 분산액을 가열된 기판 상에 침착하여 기판 상의 침착물을 생성하는 단계;
    침착물 및 기판을 용매로 습윤시키는 단계; 및
    습윤된 침착물 및 기판을 프레싱하여 인산 연료 전지용 전극을 수득하는 단계
    를 포함하는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 플루오로중합체 용액이 무정형 플루오로중합체 및 용매의 용액을 포함하는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 촉매 입자가 금속 상에 지지된 촉매 금속을 포함하는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 촉매 금속이 Pt, Pt-합금, Pt 및 Pd 코어 쉘 구조체, 메탈로센, 비-귀금속 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 플루오로중합체가 가용성 플루오로중합체인, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 가용성 플루오로카본이 무정형 플루오로중합체, 반결정질 플루오로중합체 및 그의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 인산 연료 전지용 전극이 5 내지 200 마이크로미터의 두께를 갖는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 프레싱 단계는 전극의 목적하는 두께 및 전기 저항을 얻는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 침착 단계는 분무 침착을 포함하는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 기판 상의 침착물은 촉매-플루오로중합체 분산액 내 용매의 증발에 의해 생성된 기체로 인한 다공성을 가지는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 조합 단계는
    촉매 입자와 용매를 혼합하여 촉매 분산액을 생성하는 단계;
    플루오로중합체와 용매를 혼합하여 플루오로중합체 용액을 생성하는 단계; 및
    촉매 분산액과 플루오로중합체 용액을 혼합하여 촉매-플루오로중합체 분산액을 얻는 단계
    를 포함하는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 조합 단계는
    촉매 현탁액을 고전단에서 2분 동안 혼합하는 단계;
    플루오로중합체 용액을 촉매 현탁액에 첨가하는 단계;
    첨가 단계 후, 첨가된 플루오로중합체 용액을 촉매 현탁액과 고전단에서 5분 동안 혼합하는 단계; 및
    혼합물을 초음파처리하는 단계
    를 포함하는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 초음파처리 단계는 초음파 소니케이터를 사용하여 5초 온 및 5초 오프의 펄스로 5분 동안 초음파처리하는 단계를 포함하는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 침착 단계는 15 psi 및 주변 온도에서, 질소 하에서 에어브러쉬를 사용하여 수행하는, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 침착물은 0.70 내지 0.75 mg Pt/cm2의 백금 적재량을 갖는 코팅인, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 침착물은 0.5 내지 0.598 mg Pt/cm2의 백금 적재량을 갖는 코팅인, 인산 연료 전지용 전극을 제조하는 방법.
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