KR102091800B1 - 연료전지용 막전극접합체 제조방법, 막전극접합체 및 연료전지 - Google Patents

연료전지용 막전극접합체 제조방법, 막전극접합체 및 연료전지 Download PDF

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Abstract

전압이 인가된 기판 위에 고분자 전해질막을 위치시키는 단계; 상기 고분자 전해질막 일면에 이류체 분사 노즐에 상기 전압과 동일한 전압을 인가하여 촉매슬러리를 도포해 애노드 전극층을 제조하는 단계; 및 상기 고분자 전해질막 다른 일면에 이류체 분사 노즐에 상기 전압과 동일한 전압을 인가하여 상기 촉매슬러리를 도포해 캐소드 전극층을 제조하는 단계를 포함하는 연료전지용 막전극접합체 제조방법, 상기 제조방법으로 제조된 연료전지용 막전극접합체 및 상기 막전극접합체를 포함하는 연료전지가 제공된다.

Description

연료전지용 막전극접합체 제조방법, 막전극접합체 및 연료전지 {MANUFACTURING METHOD OF MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL}
본 기재는 연료전지용 막전극접합체 제조방법, 상기 제조방법으로 제조된 막전극접합체 및 상기막전극접합체를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 연료(수소)와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하게 되며, 이러한 연료전지는 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력의 공급뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력원으로 사용될 수 있는 신재생에너지 발전장치이다.
고분자전해질 연료전지는 높은 출력밀도, 빠른 응답성, 그리고 간단한 시스템 구성 등의 장점을 가짐에따라 현재 차량 동력원 및 정치형 발전장치, 무인 항공기 동력원으로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부는 시범운행 중에 있다.
고분자전해질 연료전지는 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)가 위치하며, 이 막전극접합체는 전해질막을 가운데 두고, 양쪽으로 전극의 기능을 하는 전극촉매층이 위치된 형태로 구성되어 있다.
일반적으로, 고분자전해질 연료전지의 단위 전지는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 1장의 고분자전해질막, 상기 고분자전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 2장의 촉매전극층(애노드 전극 및 캐소드 전극), 상기 촉매전극층 바깥 부분에 위치한 2장의 기체확산층, 상기 기체확산층 바깥 쪽에서 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 2장의 분리판(Separator)으로 구성되며, 이러한 구성의 단위 전지들을 적층함으로써 원하는 규모의 스택 전지를 구성할 수 있다. 따라서, 연료전지 스택의 애노드 전극에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 고분자전해질막과 분리판을 통하여 캐소드 전극으로 이동하게 되어, 상기 캐소드 전극에서는 애노드 전극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기 중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 최종 생성된 전기에너지는 집전판을 통하여 전기에너지를 요하는 부하로 공급된다.
연료전지용 막전극접합체는 전해질막과 촉매전극층으로 이루어진 3-layer 막전극접합체와, 기체확산층을 원활하게 하기 위해 기체확산층을 추가로 붙인 5-layer 막전극접합체로, 두 가지 형태가 있다. 5-layer 막전극접합체의 제조 방법은 전해질막에 촉매전극을 형성한 후 기체확산층을 접합하는 방법과 기체확산층에 촉매전극을 형성한 후 전해질막과 접하하는 두가지 방법이 있다. 동일한 조건에서 전해질막에 촉매전극층을 형성한 방법이 기체확산층에 촉매전극층을 형성한 방법보다 성능이 우수하다고 알려져 있으며, 그 이유는 전체 계면저항 중에 가장 크게 영향을 주는 전해질막과 촉매전극층 간의 계면저항이 기체 확산층에 촉매전극층을 형성하는 것 보다 전해질막에 촉매전극층을 형성하는 방법이 보다 낮기 때문이다.
3-layer 막전극접합체는 촉매전극층이 되는 저농도의 촉매슬러리(Catalyst Slurry)를 전해질막 위에 직접 코팅(Direct Spray Coating)하는 스프레이 건(Spray Gun), 초음파 분무(Ultrasonic Spray) 및 전기 분무 방사(ESD, Electrospray Deposition) 공정을 사용하여 제조하는 방식과 촉매슬러리를 스프레이(Spary), 스크린 프린팅(Screen Printing), 캐스팅 나이프(Casting Knife) 등을 이용해 필름에 코팅한 후 전사하는 방법으로 막전극접합체를 제조한다,
전사하는 방법에서는 촉매슬러리가 코팅된 이형필름(Polymer Film)을 가열, 압착하는 핫 프레스(Hot Press) 공정을 통해 전극을 막에 전사시켜 제조한다.
촉매를 전해질막에 직접 코팅하여 제조한 3-layer 막전극접합체는 촉매전극층과 막 사이의 계면저항을 최소화할 수 있다는 장점이 있으나, 막 위에 저농도의 촉매슬러리를 높은 유량으로 코팅 할 경우 촉매 슬러리에 있는 용매가 전해질막을 팽창(Swelling)시켜 전해질막의 형태가 변형되는 문제가 있기 때문에 낮은 유량으로 여러 번 반복하여 스프레이 코팅을 해야한다.
촉매를 막 표면에 직접 코팅하는 방식을 이용하게 되면 저농도의 촉매슬러리를 막 표면에 직접 코팅한 뒤 용매를 제거하는 과정을 여러 번 반복하여 코팅하거나 매우 낮은 유량으로 코팅하여 용매가 막과 접촉하는 양이 최소화되게 진해하여 극층의 갈라짐이 방지되며, 막의 변형을 최소화할 수 있게 된다.
그 외의 방법을 이용할 경우에는 촉매슬러리에 있는 다량의 용매가 막에 직접 접촉하여 막이 변형되고, 촉매전극층이 고르게 형성되지 않아 막전극접합체의 제조가 불가능하다.
이와 같은 이유로 용매와 접촉해도 변형이 전혀 일어나지 않는 이형필름 위에 스프레이(Spary), 스크린 프린팅(Screen Printing), 캐스팅 나이프(Casting Knife) 등을 이용해 촉매를 코팅한 뒤 고온 건조시킨 다음 막 위에 놓고 고온, 고압에서 프레스하여 이형필름에 코팅된 촉매전극층을 막에 전사시키는 방법이 일반적으로 사용되고 있다.
이와 같은 방법은 긴 건조 공정 시간과 고온 고압의 프레스 공정이 추가되며, 전사를 위해 이형필름을 사용하므로 제조 공정비용이 증가하여 제품 가격인 높아지는 단점이 있다.
또한 용매를 제거한 고체상태의 촉매전극층을 전해질막에 전사시킴으로써 직접 코팅 방법에 비해 전해질막과 촉매전극층 사이의 접촉면적이 줄어들게 되고, 계면저항이 증가하여 연료전지 전류 밀도와 출력 밀도가 낮아지는 단점이 있다.
일 구현예는 연료전지용 막전극접합체의 제조공정 단순화, 제조시간 단축 및 제조원가 절감이 가능한 연료전지용 막전극접합체의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
다른 일 구현예는 상기 제조방법으로 제조된 연료전지용 막전극접합체를 제공하기 위한 것이다.
또 다른 일 구현예는 상기 막전극접합체를 포함하는 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
일 구현예는 전압이 인가된 기판 위에 고분자 전해질막을 위치시키는 단계; 상기 고분자 전해질막 일면에 이류체 분사 노즐에 상기 전압과 동일한 전압을 인가하여 촉매슬러리를 도포해 애노드 전극층을 제조하는 단계; 및 상기 고분자 전해질막 다른 일면에 이류체 분사 노즐에 상기 전압과 동일한 전압을 인가하여 상기 촉매슬러리를 도포해 캐소드 전극층을 제조하는 단계를 포함하는 연료전지용 막전극접합체 제조방법을 제공한다.
상기 기판은 핫플레이트일 수 있다.
상기 애노드 전극층 제조 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 캐소드 전극층 제조 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 촉매슬러리는 백금촉매, 이오노머 분산액 및 용매의 혼합물을 교반 후 초음파분쇄기로 분산시킨 분산액일 수 있다.
상기 백금촉매는 Pt/C 일 수 있다.
상기 이오노머 분산액은 나피온 고분자 분산액일 수 있다.
상기 용매는 n-프로판올(n-propanol), 이소프로판올(isopropanol,IPA), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 물(water), N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrroliodne, NMP), 다이메틸설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 애노드 전극층의 백금 담지량은 상기 캐소드 전극층의 백금 담지량보다 적을 수 있다.
상기 인가되는 전압은 5kV 내지 15 kV 일 수 있다.
상기 노즐의 내경은 16 게이지(G, gauge) 내지 34 게이지고, 상기 노즐의 외경은 13 게이지 내지 30 게이지일 수 있다.
상기 고분자 전해질막에 상기 촉매슬러리의 도포 시 상기 촉매슬러리 유량은 2 ㎕/min 내지 500 ㎕/min이고, 가스 유량은 0.1 L/min 내지 10 L/min이고, 코팅 속도는 1 mm/s 내지 300 mm/s 일 수 있다.
상기 고분자 전해질막에 상기 촉매슬러리의 도포 시 상기 고분자 전해질막 및 상기 노즐 간 거리는 1 cm 내지 20 cm 일 수 있다.
상기 이류체 분사 노즐은 외부혼합형 이류체 분사 노즐일 수 있다.
다른 일 구현예는 상기 제조방법으로 제조된 연료전지용 막전극접합체를 제공한다.
상기 막전극접합체는 애노드 전극층 및 캐소드 전극층 각각의 일면에 기체확산층을 더 포함할 수 있다.
상기 막전극접합체는 상기 기체확산층 일면에 분리판을 더 포함할 수 있다.
또 다른 일 구현예는 상기 막전극접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.
기타 본 발명의 측면들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
일 구현예에 따른 제조방법은 촉매슬러리를 고분자전해질막에 코팅하는 방법을 달리 함으로써, 기존 연료전지용 막전극접합체의 제조공정 상의 문제점인 촉매슬러리 코팅 및 건조에 소요되는 시간이 오래 걸리고, 고가의 이형필름을 사용해야 하는 문제점을 한번에 해결할 수 있다.
도 1은 연료전지용 막전극접합체의 적층구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 이류체 분사 노즐을 도시한 도면이다.
도 3은 전압이 인가된 기판 및 이류체 분사 노즐을 이용하여 고분자 전해질막에 촉매슬러리를 코팅시키는 공정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 닥터 블레이드 및 전사법으로 코팅된 촉매슬러리 표면 이미지이다.
도 5는 이류체 전기분무법으로 코팅된 촉매슬러리 표면 이미지이다.
도 6은 전기분무법으로 코팅된 촉매슬러리 표면 이미지이다.
도 7은 에어분사법으로 코팅된 촉매슬러리 표면 이미지이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 　다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.　
본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
일 구현예는 기존의 연료전지용 막전극접합체 제조공정 상의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 촉매슬러리를 고분자 전해질막에 스프레이 코팅하는 방식을 개선함으로써, 종래의 코팅 방식의 문제점, 즉 전사방식의 경우 촉매슬러리 코팅 및 건조 시간이 오래 걸리는 점, 고가의 이형필름을 사용해야되는 되는 문제점을 해결할 수 있고, 제조공정의 단순화, 제조시간의 단축, 제조원가의 절감 효과를 얻을 수 있는 연료전지용 막전극접합체의 제조방법을 제공한다.
또한 연료전지용 막전극접합체의 촉매층 형성 방식을 개선하여 단위면적당 낮은 촉매 담지량에서도 우수한 성능을 구현할 수 있으며, 공정의 단순화 및 촉매 사용량의 감소는 제조원가를 감소시겨 저비용 고성능 막전극접합체의 제조를 가능케한다.
일 구현예에 따른 연료전지용 막전극접합체의 제조방법은 전압이 인가된 기판 위에 고분자 전해질막을 위치시키는 단계; 상기 고분자 전해질막 일면에 이류체 분사 노즐에 상기 전압과 동일한 전압을 인가하여 촉매슬러리를 도포해 애노드 전극층을 제조하는 단계; 및 상기 고분자 전해질막 다른 일면에 이류체 분사 노즐에 상기 전압과 동일한 전압을 인가하여 상기 촉매슬러리를 도포해 캐소드 전극층을 제조하는 단계를 포함한다.
상기 고분자 전해질막에 촉매슬러리를 도포할 때, 이류체 분사 노즐을 사용하며, 나아가 전압을 인가한 상태에서 상기 촉매슬러리를 도포하기 때문에, 종래 연료전지용 막전극접합체 제조공정 상의 문제점을 한번에 해결할 수 있다.
구체적으로, 일 구현예에 따른 제조방법에는 이류체 전기 분무 코팅 장비가 사용되는데, 상기 이류체 노즐부(Dual Concentric Nozzle)는 도 2와 같이 액체 분사부(5)와 기체 분사부(6)를 동축구조로 가지며, 즉 외부혼합형 구조로서, 촉매슬러리와 기체를 동시에 분사함으로써, 촉매슬러리에 포함된 용매의 증발속도를 증대시켜 고분자 전해질막 표면의 변형을 방지하며, 건조공정 시간을 단축시킬 수 있다.
또한 분사되는 기체는 액체(촉매슬러리)의 분사액적을 작게 쪼개어주며, 전기분무 원리가 적용되기 때문에, 일반 공기 분사 대비 분사액적을 더욱 미립화하여 균일한 도포가 가능하게 한다.
예컨대, 상기 이류체 분사 노즐은 외부혼합형 이류체 분사 노즐일 수 있다. 상기 이류체 분사 노즐이 외부혼합형인 경우, 내부혼합형인 경우보다, 상기 고분자 전해질막 상에 코팅되는 촉매슬러리의 코팅특성이 보다 우수할 수 있다.
상기 이류체 분사 노즐에 인가되는 전압은 5kV 내지 15kV 일 수 있다. 상기 이류체 분사 노즐에 인가되는 전압이 상기와 같이 제어되어야, 전술한 효과를 달성할 수 있다. 예컨대, 이류체 분사 노즐에 인가되는 전압이 5kV 내지 15kV이어야 촉매슬러리 액적의 미립화가 가능하여 균일한 도포가 가능해진다.
또한, 상기 이류체 분사 노즐의 내경은 16 게이지(G, gauge) 내지 34 게이지고, 상기 이류체 분사 노즐의 외경은 13 게이지 내지 30 게이지일 수 있다. 그리고, 상기 고분자 전해질막에 상기 촉매슬러리의 도포 시 상기 촉매슬러리 유량은 2 ㎕/min 내지 500 ㎕/min이고, 가스 유량은 0.1 L/min 내지 10 L/min이고, 코팅 속도는 1 mm/s 내지 300 mm/s 이며, 상기 고분자 전해질막에 상기 촉매슬러리의 도포 시 상기 고분자 전해질막 및 상기 노즐 간 거리는 1 cm 내지 20 cm 일 수 있다.
상기 이류체 분사 노즐의 내경 및 외경이 상기 범위를 만족하여야 상기 촉매슬러시 도포 시의 촉매슬러리 유량, 가스 유량 및 코팅 속도를 상기 범위로 제어할 수 있다. 그리고, 상기 촉매슬러리 유량, 가스 유량 및 코팅 속도가 상기 범위로 제어되어야 고분자 전해질 막의 상변화가 없는 상태에서 촉매층을 안정적으로 형성하여 높은 출력을 얻는 효과가 있다.
나아가, 상기 고분자 전해질막 및 상기 노즐 간 거리를 1 cm 내지 20 cm로 유지하면서 상기 제어조건으로 촉매슬러리를 도포해야, 가장 고른 도포가 가능해지게 된다.
일 구현예에 따르면, 상기 기판 및 이류체 분사 노즐에 모두 전압을 인가하여 전기장을 발생시킨 후, 상기 기판 및 이류체 분사 노즐 사이에 고분자 전해질막을 위치시켜 촉매슬러리를 도포하기 때문에, 단위면적당 촉매 담지량을 최소화하면서도 종래기술과 비교하여 보다 우수한 성능을 구현할 수 있는데, 상기 공정 상에 여러 조건을 동시에 만족시킴으로 인해 더욱 우수한 성능 향상을 꾀할 수가 있다.
상기 전압이 인가된 기판은 핫플레이트일 수 있다. 일반 기판이 아닌, 고온의 핫플레이트 상에 고분자 전해질막을 위치시킨 후 촉매슬러리를 도포하는 바, 별도의 건조 공정이 불요하거나 상기 건조 공정에 소요되는 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
예컨대, 상기 핫플레이트는 20℃ 내지 180℃, 예컨대 20℃ 내지 70℃, 예컨대 25℃ 내지 70℃의 온도를 가질 수 있다.
일 구현예에 따른 제조방법은 상기 애노드 전극층 제조 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있고, 또 상기 캐소드 전극층 제조 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 고분자전해질막으로는 과불화술폰산(PFSA, PerFluorinated Sulfonic Acid)계 고분자, 나피온을 함침한 강화전해질막계 고분자 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 촉매슬러리는 백금촉매, 이오노머 분산액 및 용매의 혼합물을 교반 후 초음파분쇄기로 분산시킨 분산액일 수 있다.
상기 촉매슬러리는 백금, 비백합금, 비백금을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 백금촉매를 사용함이 좋다. 예컨대, 상기 백금 촉매로는 Pt/C, 예컨대 10wt.% 내지 72wt.% Pt/C를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 20wt.% 내지 50wt.% Pt/C를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 40 wt.% Pt/C를 사용하는 것이 좋다.
상기 이오노머 분산액으로는 과불화술폰산(PFSA, PerFluorinated Sulfonic Acid)계 고분자 또는 나피온 고분자가 분산된 용액을 사용할 수 있으며, 상기 이오노머 분산액 내 고분자 함량은 5 wt% 내지 25 wt%일 수 있다. 예컨대, 상기 이오노머 분산액이 나피온 고분자를 포함하는 경우, 상기 나피온 고분자 함량은 약 5 wt%일 수 있다.
용매로는 양성자성 용매(Protic Solvent), 비양성자성 용매(Aprotic Solvent) 등을 모두 사용할 수 있으며, 바람직하게는 n-프로판올(n-propanol), 이소프로판올(isopropanol, IPA), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 물(water), N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrroliodne, NMP), 다이메틸설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 더욱 바람직하게는 이소프로판올, 물, N-메틸피롤리돈으로 이루어진 군에서 선택된 2 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 촉매슬러리 총량에 대해 상기 이오노머 분산액은 10 wt% 내지 50 wt%, 예컨대 10 wt% 내지 25 wt%, 예컨대 10 wt% 내지 20 wt%로 포함될 수 있다.
상기 고분자로 나피온 고분자를 사용할 경우, 상기 나피온 고분자와 탄소 함량비(촉매슬러리에 포함된 나피온 고분자 무게 대비 백금촉매에 포함된 탄소 무게의 비, NCR)는 0.2 내지 2.0, 예컨대 0.2 내지 1.0, 예컨대 0.2 내지 0.5 일 수 있다.
또한, 용매와 탄소 함량비의 무게 대비 백금촉매에 포함된 탄소 무게의 비, SCR)는 10 내지 40, 예컨대 15 내지 25, 예컨대 15 내지 20 일 수 있다.
상기 코팅슬러리는 전술한 백금촉매, 이오노머 분산액 및 용매를 사용하여 제조할 수 있다.
상기 코팅슬러리는 마그네틱 교반, 초음파 분쇄기 및 유성교반기를 이용하여 혼합 및 분산시킨 후, 이류체 전기 분무 방사 장비를 이용하여 고분자전해질막의 양면에 촉매슬러리를 코팅하여 막전극접합체를 제조할 수 있다.
상기 애노드 전극층의 백금 담지량은 상기 캐소드 전극층의 백금 담지량보다 적을 수 있다. 이 경우, 애노드 층의 낮은 백금 담지량에서 높은 성능 출력을 얻을 수 있어 제품 단가를 낮추는 효과를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 애노드 전극층의 백금 담지량은 일반적인 사용량 대비 1/2 내지 1/4, 캐소드 전극층의 백금 담지량은 일반적인 사용량 대비 1/2로 낮게 담지하여도 기존 대비 90% 이상의 높은 성능 출력을 얻을 수 있다. 일 구현예에 따르면 전압을 인가한 채로 이류체 전기 분무 방사를 이용하여 촉매슬러리를 고분자 전해질막에 분사하는 바, 종래보다 적은 양의 촉매를 사용하면서도, 보다 우수한 효과를 달성할 수 있다. 또한, 전극층의 백금 담지량에 대한 조절이 매우 용이하다.
다른 일 구현예는 상기 막전극접합체의 제조방법으로 제조된 연료전지용 막전극접합체를 제공한다.
상기 막전극접합체는 애노드 전극층 및 캐소드 전극층 각각의 일면에 기체확산층을 더 포함할 수 있다.
상기 막전극접합체는 상기 기체확산층 일면에 분리판을 더 포함할 수 있다.
또 다른 일 구현예는 전술한 막전극접합체를 포함하는 연료전지 또는 연료전지 시스템을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(막전극접합체의 제조)
실시예 1
막전극접합체를 제조하기 위한 고분자전해질막으로는 Nafion® 212 막을 사용하였다. 촉매슬러리는 40wt% Pt/C(Johnson Matthey社), D521(Dupont社), 이소프로판올(isopropanol)과 물(water)을 일정 비율로 혼합 한 후, 유성교반기로 30분교반 초음파분쇄기로 5분 교반하여 분산시킨다. 고분자전해질막(36㎠)을 50℃로 가열된 기판 위에 놓은 후, 이류체 전기 분무 장비의 분사 노즐에 전압을 10kV를 인가하여, 3분 40초 동안 촉매슬러리를 도포하여 애노드 전극층을 Pt 담지량 0.1㎎/㎠ 이 되도록 진행하였다. 코팅된 상태에서 5분간 건조 후, 전해질막의 다른 한 면을 7분 20초 동안 도포하여 캐소드 전극층을 Pt 담지량 0.2 ㎎/㎠ 이 되도록 진행하였다. 이 후, 5분간 건조하여 막전극접합체를 제조하였다.
실시예 2
애노드 전극용 Pt 담지량 0.2 ㎎/㎠, 캐소드 전극용 Pt 담지량 0.4 ㎎/㎠이 되도록 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였다.
비교예 1: 전기분무법으로 코팅
실시예 2와 동일한 조건으로 진행하되, 일반 노즐을 사용하여 46분 동안 촉매슬러리를 도포하여 애노드 전극층을 Pt 담지량 0.1㎎/㎠ 이 되도록 하였다. 코팅된 상태에서 5분간 건조 후, 전해질막의 다른 한 면을 92분 동안 도포하여 캐소드 전극층을 Pt 담지량 0.2 ㎎/㎠ 이 되도록 진행하였다. 이 후, 5분간 건조하여 막전극접합체를 제조하였다.
비교예 2: 전압 인가없이 코팅
이류체 전기 분무 장비의 분사노즐에 전압을 인가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 하였다.
비교예 3: 에어분사법으로 코팅
실시예 2와 동일한 막과 동일한 촉매 슬러리를 사용하여, 60℃로 가열된 기판 위에 놓은 후, Gun Spray로 27분 30초 동안 촉매슬러리를 도포(코팅 0.5min, 건조 1.0min/1회, 15회 반복)하여 애노드 전극층의 Pt 담지량이 0.2 ㎎/㎠가 되도록 진행하였다, 코팅된 상태에서 5분간 기판 건조를 진행하였다. 캐소드 전극층은 애노드 전극층과 동일한 방법으로 55분 동안 촉매 슬러리를 도포하여 Pt 담지량이 0.4 ㎎/㎠가 되도록 진행하였다. 이 후, 5분간 건조하여 막전극접합체를 제조하였다.
비교예 4: 닥터 블레이드 및 전사법으로 코팅
실시예 2와 동일하게 하되, 점도를 높이기 위해 용매 함량을 낮추어 촉매 슬러리를 제조하였다. 제조된 촉매 슬러리는 닥터 블레이드를 이용해 전사 필름에 애노드 전극용 Pt 담지량 0.2㎎/㎠, 캐소드 전극용 Pt 담지량 0.4 ㎎/㎠ 으로 코팅한 후, 상온에서 12시간 건조하였다. 건조된 전극층을 고분자전해질막에 Hot Press로 전사하여 막전극접합체를 제조하였다.
(막전극접합체 성능평가)
막전극접합체의 성능평가는 가스확산층으로 GDL 39BC(SGL사)를 사용하여, 25㎠ 반응면적 단위셀(CNL社)에 체결하여 성능 평가를 진행하였다.
성능 평가는 애노드극쪽에 수소(1.5stoic), 캐소드극쪽에 산소(1.5stoic)를 연료로 사용하였으며, 셀 온도는 70도, 상압, 가습도 RH100 상태에서 진행하였다.
평가 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Pt 담지량 (㎎/㎠) 전류 밀도
(A/cm2@0.6V)		 출력 밀도
(W/cm2@0.6V)		 제조 시간
(min)
애노드 캐소드
실시예 1 0.1 0.2 1.62 0.97 21
실시예 2 0.2 0.4 1.81 1.08 42
비교예 1 0.1 0.2 1.48 0.89 148
비교예 2 0.1 0.2 1.54 0.92 42
비교예 3 0.2 0.4 1.54 0.92 82.5
비교예 4 0.2 0.4 1.65 0.99 720 이상
상기 표 1 및 도 4로부터, 이류체 전기 방사 분무 공정을 적용한 일 구현예에 따른 막전극접합체의 성능이 타 공정과 비교하여 낮은 Pt 담지량에서 동등 이상의 성능이 나타남을 확인할 수 있다. 또한, 이류체 전기 방사 분무 공정 적용 시 타 공정과 비교하여 높은 생산성을 가짐도 확인할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.　　그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1 분리판
2 기체확산층
3 촉매전극층
4 고분자 전해질막
5 액체
6 공기(기체)
7 전압이 인가된 이류체 분사 노즐
8 전압이 인가된 기판(핫플레이트)
9 구동부

Claims (18)

  1. 전압이 인가된 기판 위에 고분자 전해질막을 위치시키는 단계;
    상기 고분자 전해질막 일면에, 이류체 분사 노즐에 상기 전압과 동일한 전압을 인가하여 촉매슬러리를 도포해 애노드 전극층을 제조 후 5분간 건조하는 단계; 및
    상기 고분자 전해질막 다른 일면에, 이류체 분사 노즐에 상기 전압과 동일한 전압을 인가하여 상기 촉매슬러리를 도포해 캐소드 전극층을 제조 후 5분간 건조하는 단계
    를 포함하는 연료전지용 막전극접합체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 핫플레이트인 연료전지용 막전극접합체 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매슬러리는 백금촉매, 이오노머 분산액 및 용매의 혼합물을 교반 후 초음파분쇄기로 분산시킨 분산액인 연료전지용 막전극접합체 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 백금촉매는 Pt/C인 연료전지용 막전극접합체 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 이오노머 분산액은 나피온 고분자 분산액인 연료전지용 막전극접합체 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 용매는 n-프로판올(n-propanol), 이소프로판올(isopropanol,IPA), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 물(water), N-메틸피롤리돈(N-Methylpyrroliodne, NMP), 다이메틸설폭사이드(Dimethyl Sulfoxide, DMSO) 또는 이들의 조합을 포함하는 연료전지용 막전극접합체 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 애노드 전극층의 백금 담지량은 상기 캐소드 전극층의 백금 담지량보다 적은 연료전지용 막전극접합체 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 인가되는 전압은 5kV 내지 15 kV인 연료전지용 막전극접합체 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 노즐의 내경은 16 게이지(G, gauge) 내지 34 게이지고, 상기 노즐의 외경은 13 게이지 내지 30 게이지인 연료전지용 막전극접합체 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질막에 상기 촉매슬러리의 도포 시 상기 촉매슬러리 유량은 2 ㎕/min 내지 500 ㎕/min이고, 가스 유량은 0.1 L/min 내지 10 L/min이고, 코팅 속도는 1 mm/s 내지 300 mm/s인 연료전지용 막전극접합체 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질막에 상기 촉매슬러리의 도포 시 상기 고분자 전해질막 및 상기 노즐 간 거리는 1 cm 내지 20 cm인 연료전지용 막전극접합체 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 이류체 분사 노즐은 외부혼합형 이류체 분사 노즐인 연료전지용 막전극접합체 제조방법.
  15. 제1항, 제2항 및 제5항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 연료전지용 막전극접합체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 막전극접합체는 애노드 전극층 및 캐소드 전극층 각각의 일면에 기체확산층을 더 포함하는 연료전지용 막전극접합체.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 막전극접합체는 상기 기체확산층 일면에 분리판을 더 포함하는 연료전지용 막전극접합체.
  18. 제17항의 막전극접합체를 포함하는 연료전지.
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