KR102164049B1 - 막-전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

막-전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 막-전극 접합체 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 좀 더 상세하게는, 산소가 투입되는 산소 투입부와 대응되는 위치의 양극 촉매층의 기공율 보다 산소 배출부와 대응되는 위치의 양극 촉매층의 기공율이 큼으로써, 연료전지의 전기화학적 반응에 의해 생성되는 반응물의 배출이 원활한 막-전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

Description

막-전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지{MEMBRANE AND ELECTRODE ASSEMBLY, MANUFACTURING METHOD, AND FUEL CELL USING THE SAME}
본 발명은 막-전극 접합체 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 좀 더 상세하게는, 산소가 투입되는 산소 투입부와 대응되는 위치의 양극 촉매층의 기공율 보다 산소 배출부와 대응되는 위치의 양극 촉매층의 기공율이 큼으로써, 연료전지의 전기화학적 반응에 의해 생성되는 반응물의 배출이 원활한 막-전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 공기 중 산소의 전기화학 반응을 통해 직접 전기를 생산하는 장치로서, 친환경적이며 에너지 효율이 높고 기술개발을 통한 부가가치가 높은 에너지원이다. 연료 전지의 전해질막, 공기극층 및 연료극층이 한 쌍으로 이루어진 것을 통상 단위셀(single cell)라고 하며, 공기극층 및 연료극층은 촉매층과 확산층으로 나누어 질 수 있다.
단위셀에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 환원극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 상기 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
전해질막과 촉매층과의 경계에서는 프로톤 이동에 따른 수분 이동 외 연료극층과 공기극층과의 수분 농도 기울기로 인한 역확산의 수분 이동도 행해지고 있다. 그러나 수분이 과잉 되면 촉매층이나 가스 확산층의 부식을 초래하거나, 수소 혹은 산소의 가스 확산이 저해되고 연료전지의 전압 강하를 초래하는 문제점이 발생하였다.
이에 대해, 공기극 촉매층의 최내측의 기공율과 최외측의 기공율이 상이하게 구성하여 물질 이동 및 배출을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있었다.
그러나, 촉매층의 최내측과 촉매층의 최외측의 기공 구배에 의해 반응물이 배출되는 것에는 한계가 있고, 단위셀의 전기화학 반응에 의해 생성되는 반응물은 공기극의 위치되는 세퍼레이터의 배출부 부분에 누적됨으로써, 촉매층의 최내측 및 최외측의 기공율 구배에 의해 배출은 미비한 실정이다.
이에 본 발명자는 세퍼레이터의 유입부 및 배출부와 대응하는 부분의 공기극 촉매층의 기공율 구배가 제공되는 막-전극 접합체를 개발하기에 이르렀다.
일본등록특허 5501044호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 일 실시 예에 따른 본 발명의 목적은, 연료전지의 산화환원반응에 의해 생성되는 반응물의 배출을 촉진시키고 물 범람(water flooding: 이하에서는 편의상 "플로딩"이라고 한다)현상을 최소화하기 위해, 양극 촉매층 혹은 음극 촉매층의 산소가 유입되는 부분과 반응물이 배출되는 부분의 기공율이 상이한 막-전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 막-전극 접합체 제조방법은 이형필름에 촉매층을 형성한 후, 상기 촉매층이 형성된 이형필름을 전해질 막의 양면에 적층하여 적층체를 제조하는 단계; 및 상기 적층체에 압력을 가하여 상기 촉매층을 상기 전해질 막에 전사하고, 상기 이형필름을 제거하는 단계;를 포함하고, 상기 전사하는 단계는, 상기 적층체의 길이 방향으로 전사압력이 상이한 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 막-전극 접합체 제조방법은, 상기 촉매층이 형성된 이형필름에 확산층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 막-전극 접합체 제조방법은, 상기 이형필름을 제거한 후, 상기 촉매층의 최외각부에 확산층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전사하는 단계는, 핫 프레스(Hot press) 및 롤투롤(roll-to-roll) 중 어느 하나의 방법에 의해 상기 촉매층이 상기 전해질 막에 전사되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전사하는 단계는, 상기 이형필름의 길이 방향으로 상기 전사압력이 감소되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전사하는 단계는, 상기 전해질 막 양면에 위치되는 상기 촉매층 중 어느 하나의 촉매층에 상이한 전사압력을 가하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉매층을 형성하는 단계는, 상기 이형필름의 길이 방향으로 상기 촉매층의 두께가 상이한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 막-전극 접합체는 본 발명에 따른 막-전극 접합체 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 막-전극 접합체는, 양극 촉매층, 음극 촉매층, 양극 확산층, 음극 확산층 및 전해질 막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 양극 촉매층, 음극 촉매층, 양극 확산층 및 음극 확산층 중 어느 하나 이상은, 길이 방향에 따라 기공율이 상이한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료 전지는 본 발명에 따른 막-전극 접합체; 상기 막-전극 접합체의 일면에 위치되는 제1 세퍼레이터; 상기 막-전극 접합체의 타면에 위치되는 제2 세퍼레이터;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 세퍼레이터 및 상기 제2 세퍼레이터 중 어느 하나 이상는, 일측에 형성된 유입구; 및 타측에 형성된 배출구;를 포함하고, 상기 막-전극 접합체의 양극 촉매층, 음극 촉매층, 양극 확산층 및 음극 확산층 중 어느 하나 이상은, 상기 유입구와 대응되는 영역과 상기 배출구와 대응되는 영역의 기공율이 상이한 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 막-전극 접합체의 촉매층은, 상기 유입구와 대응되는 영역의 기공율보다 상기 배출구와 대응되는 영역의 기공율이 높은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 세퍼레이터의 배출부와 대응되는 위치의 양극 촉매층의 기공율을 증가시킴으로써, 연료전지의 산화환원 반응에 의한 반응물의 배출을 원활하게 하여 연료전지의 플로딩을 개선할 수 있는 효과가 발생하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 막-전극 접합체 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 막-전극 접합체를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전해질, 양극 촉매층 및 양극 확산층을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지를 나타낸 단면도이다.
도 5는 막-전극 접합체를 접합하기 위한 핫-프레스 장치의 프레스를 도시한 것으로써, 도 5(a)는 판형 프레스 내 정중앙에 막-전극 적층체를 위치시켜 비교예 1을 제조하는 방법을 도시한 도면이고, 도 5(b)는 판형 프레스 내 정중앙을 기준으로 하측으로 일정거리 이동하여 막-전극 적층체를 위치시켜 실시예 1 및 2를 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 연료전지의 방전 시 전류-전압(I-V)의 변화 및 프로파일의 기울기를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 연료전지의 임피던스를 나타내는 그래프이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장될 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 용이하게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
<막-전극 접합체 제조방법>
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 막-전극 접합체(10) 제조방법의 순서도이다. 본 발명에 따른 막-전극 접합체(10)의 제조방법은 촉매층(1, 2)을 형성한 후, 전해질 막(11)의 양면에 적층하여 적층체를 제조하는 단계(S100), 전해질 막(11)에 촉매층(1, 2)을 전사하고, 이형필름을 제거하는 단계(S200)를 포함할 수 있다.
S100단계는 이형필름에 촉매층(1, 2)을 도포한 후, 촉매층이 형성된 이형필름을 전해질 막(11) 양면에 적층하여 적층체를 제조하는 단계이다.
좀 더 상세하게는, 촉매, 바인더 및 용매를 혼합하여 촉매층 슬러리를 제조한 후, 이형필름에 촉매층 슬러리를 도포하는 단계이다. 여기서, 촉매는 백금, 백금이 코팅된 탄소분말, 루테늄，　오스뮴，백금－루테늄　합금，백금－오스뮴　합금，백금－팔라듐　합금 및백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전이 금속) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 또는 바인더는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖는 고분자 수지를 포함할 수 있다. 용매는 이소프로판올, 노말프로판올, 에탄올, 메탄올, 물 및 노말부틸아세테이트로 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이형필름은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(Ethylene/Tetrafluoroethylene(ETFE)), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 불소계 수지 필름; 또는 폴리이미드, 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리에스테르, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 비불소계 고분자 필름으로 제공될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 촉매층 슬러리는 기공 형성제를 더 포함할 수 있다. 기공 형성제는 (NH4)2CO3, NH4HCO3, Me2CO3(Me는 Li, Na, K, Rb, Cs 또는 Fr임), MeHCO3(Me는 Li, Na, K, Rb, Cs 또는 Fr임) 및 암모니움 옥살레이트((NH4)2C2O4) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 막-전극 접합체 제조방법은 이형필름에 촉매층 슬러리를 도포한 후, 건조 혹은 초음파 처리를 할 수 있다. 건조 혹은 초음파 처리를 통해 기공 형성제가 제거되어 기공 형성제가 위치하던 부분에 기공이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 S100단계는 후술되는 S200단계에 의해 이형필름의 길이 방향으로 촉매층, 즉 촉매층 슬러리의 두께를 상이하게 도포할 수 있다. S200단계는 적층체의 길이 방향을 따라 전사 압력이 상이한 것을 특징으로 함으로, 이형필름의 길이 방향을 따라 촉매층 슬러리가 압축되는 두께가 상이할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 이형필름 길이 방향을 기준으로 상부부터 하부 방향으로 촉매층 슬러리의 두께가 점점 얇아질 수 있다.
그리고, 전해질 막(11)은 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖는 고분자 수지를 포함할 수 있다.
S200단계는 적층체에 압력을 가하여 전해질 막(11) 양면에 촉매층(1, 2)을 전사시키는 단계이다. 여기서, 촉매층(1, 2)을 전해질 막(11)에 전사하는 방법으로는 핫 프레스(Hot press) 및 롤투롤(roll-to-roll) 중 어느 하나의 방법을 사용할 수 있다. 핫-프레스 및 롤투롤은 80℃ 내지 180℃의 온도에서 5MPa 내지 11MPa의 압력으로 촉매층(1, 2)을 전해질 막(11) 일측 혹은 양측에 열간 압연하는 방법이다. 여기서, 핫-프레스는 대향되는 방향에 판이 위치되고 그 사이 적층체를 위치시켜 압력을 가하는 방식이고, 롤투롤은 두 개의 롤 사이를 적층체가 통과하는 방식일 수 있다. 그리고, 핫-프레스 조건이 80℃ 및 5MPa 미만일 경우, 전해질 막(11)에 촉매층이 완전하게 전사되지 않는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 핫-프레스 조건이 180℃ 및 11MPa 초과일 경우, 온도 및 압력에 의해 전해질 막(11)의 변형이 일어날 수 있고, 촉매층(1, 2)이 지나지게 밀집된 구조를 가짐으로 촉매층의 기공 구배가 일어나지 않고, 반응물의 유입 및 제거에 바람직하지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 S300단계는 적층체의 길이 방향으로 전사압력을 상이하게 가할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 적층체를 롤투롤 방법에 의해 전사할 경우, 시간에 따라 롤프레스의 압력을 감소하게 설정하여 롤프레스를 처음 통과하는 적층체 부분과 마지막으로 통과하는 적층체 부분에 가해지는 압력이 상이해질 수 있다. 예를 들어, 상부 롤프레스의 압력을 11MPa로 설정하고, 하부 롤프레스 압력을 5MPa 내지 9MPa 설정할 수 있다.
또는, 롤프레스의 길이 방향을 따라 상부 및 하부 롤의 높이를 조절하여 압력 구배를 제공할 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 롤이 접촉되어 있는 롤프레스의 상부롤 및 하부롤 사이 높이를 롤프레스의 오른쪽에서 왼쪽으로 갈수록 증가시켜 적층체의 상부와 하부에 상이한 압력을 가할 수 있다.
이에 따라, 적층체의 길이 방향을 따라 촉매층(1, 2)의 기공율이 상이하게 제공될 수 있다. 즉, 롤프레스를 처음 통과하는 촉매층(1, 2)의 기공율보다 마지막으로 통과하는 촉매층(1, 2)의 기공율이 크게 형성될 수 있다. 또한, 적층체의 길이 방향을 따라 촉매층(1, 2)의 기공율은 점진적으로 커지는 것을 유의한다.
다른 실시 예에 있어서, 적층체를 핫-프레스 방법에 의해 전사할 경우, 판형 프레스의 정중앙을 기준으로 적층체를 하측 또는 상측 방향으로 이동시켜 압력 구배를 조절할 수 있다. 적층체의 길이 방향을 기준으로 상부에는 11MPa압력을 가하고, 하부에는 5MPa 내지 9MPa압력을 가하여 적층체에 압력 구배를 제공할 수 있다.
S200단계는 전해질 막(11)의 양면에 촉매층(1, 2)이 형성되는데, 이때, 전해질 막(11) 양면에 위치되는 촉매층(1, 2) 중 어느 하나의 촉매층(1,2)에만 상이한 전사압력을 가할 수 있다.
촉매층(1, 2)이 전해질 막(11) 양면에 전사되면, 촉매층(1, 2) 일측에 위치한 이형필름을 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 막-전극 접합체 제조방법은 확산층(3, 4)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 확산층(3, 4)은 이형필름에 촉매층(1, 2)을 형성한 후, 이형필름과 대향되는 위치에 확산층(3, 4)을 형성하거나, 촉매층(1, 2)을 전해질 막(11)에 전사한 후, 이형필름을 제거하고 이형필름이 제거된 위치에 확산층(3, 4)을 위치시킬 수 있다.
여기서, 확산층(3, 4)은 탄소종이(carbon paper), 탄소천(carbon cloth) 및 탄소펠트(carbon felt) 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 이형필름에 촉매층(1, 2)을 형성한 후 확산층을 형성할 경우, 적층체 길이 방향을 따라 상이한 압력을 가하여 촉매층(1, 2) 길이 방향을 따라 상이한 기공율이 형성될 때, 확산층(3, 4) 또한 길이 방향을 따라 상이한 기공율이 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 있어서, 이형필름이 제거된 후, 촉매층(1, 2) 일측에 확산층(3, 4)을 적층할 경우, 추가적인 과정을 거치지 않고 그대로 사용하거나, 혹은 열간 압연하여 확산층(3, 4)을 접합할 수 있다. 여기서, 열간 압연 시, 막-전극 접합체의 길이 방향을 따라 전사 압력이 상이할 수 있고, 동일한 압력을 가할 수 있다.
<막-전극 접합체>
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 막-전극 접합체(10)를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전해질 막(11), 양극 촉매층(1) 및 양극 확산층(3)을 나타낸 단면도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 막-전극 접합체(10) 제조방법에 의해 제조된 막-전극 접합체(10)는 전해질 막(11), 양극 촉매층(1), 양극 확산층(3), 음극 촉매층(2) 및 음극 확산층(4)으로 구성될 수 있다.
양극 촉매층(1), 음극 촉매층(2), 양극 확산층(3) 및 음극 확산층(4) 중 하나 이상은 막-전극 접합체(10)의 길이 방향에 따라 기공율이 상이하게 제공될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 양극 촉매층(1) 및 양극 확산층(3) 중 어느 하나 이상은 길이 방향을 기준으로 상부보다 하부 기공율이 크게 형성될 수 있다. 이때, 양극 촉매층(1) 및 양극 확산층(3)의 기공율은 35% 내지 55%인 것을 유의한다.
<연료전지>
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지(100)를 타나낸 단면도이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 막-전극 접합체(10) 제조방법에 의해 제조된 막-전극 접합체(10)를 포함하는 연료전지(100)는 제1 세퍼레이터(20) 및 제2 세퍼레이터(30)를 더 포함할 수 있다.
제1 세퍼레이터(20) 및 제2 세퍼레이터(30) 중 어느 하나 이상은 유입구 및 배출구를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 제1 세퍼레이터(20)가 양극에 위치되고 제2 세퍼레이터(30)가 음극에 위치할 경우, 제1 세퍼레이터(20)의 유입구에는 산소가 유입되고, 배출구에는 반응물(물) 및 공기가 배출될 수 있다. 여기서, 양극 촉매층(1) 및 양극 확산층(3) 중 어느 하나 이상은 길이 방향을 따라 기공율이 상이하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 연료전지(100)가 수직 방향으로 세워져 있고 산소가 유입되는 유입구가 상부에 위치될 때, 양극 촉매층(1) 및 양극 확산층(3)은 상부에서 하부로 갈수록 기공율이 증가할 수 있다. 따라서, 산화환원 반응물인 물이 하부에 누적되지 않고 기공을 통해 외부로 배출되어 이차전지의 플로딩 현상을 최소화하는 효과가 발생할 수 있다.
<실험예>
도 5는 막-전극 접합체를 접합하기 위한 핫-프레스 장치의 프레스를 도시한 것으로써, 도 5(a)는 판형 프레스 내 정중앙에 막-전극 적층체를 위치시켜 비교예 1을 제조하는 방법을 도시한 도면이고, 도 5(b)는 판형 프레스 내 정중앙을 기준으로 하측으로 일정거리 이동하여 막-전극 적층체를 위치시켜 실시예 1 및 2를 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
비교예 1은 막-전극 적층체 상부 및 하부에 11MPa의 일정한 압력을 가하여 40%의 획일적인 기공율을 가지는 막-전극 접합체이다.
실시예 1은 막-전극 적층체 상부에 11MPa의 압력을 가하고, 하부에 9MPa의 압력을 가하여 상부는 40%의 기공율을 가지고, 하부는 43%의 기공율을 가지는 막-전극 접합체이다.
실시예 2는 막-전극 적층체 상부에 11MPa의 압력을 가하고, 하부에 5MPa의 압력을 가하여 상부는 40%의 기공율을 가지고, 하부는 50%의 기공율을 가지는 막-전극 접합체이다.
상부압력 하부압력 상부 기공률 하부 기공률
비교예 1 11MPa 11MPa 40% 40%
실시예 1 11MPa 9MPa 40% 43%
실시예 2 11MPa 5MPa 40% 50%
도 6은 본 발명의 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 연료전지의 방전 시 전류-전압(I-V)의 변화 및 프로파일의 기울기를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 연료전지의 임피던스를 나타내는 그래프이다.
EIS 저항요소분석결과[RH100%, 1A/㎝2]
단위[㏁*㎝2] Rohm
오믹저항		 Rct
전하전달저항		 Rmt
물질전달저항
비교예 1 43.6 289.2 304.3
실시예 1 44.0 256.7 185.2
실시예 2 49.3 324.3 304.3
비교예 1은 막-전극 접합체 하부 촉매층 기공율과 상부 기공율이 동일하게 제공되고, 실시예 1은 하부 촉매층 기공율이 상부 기공율보다 크게 형성됨으로써, 실시예 1은 플로딩 현상이 개선됐음을 알 수 있다. 즉, 도 6을 참고하면, 플로딩 영향을 많이 받는 고전류 영역에서의 성능 차이가 증가하였다.
아울러, 실시예 2는 막-전극 접합체의 상부와 하부 기공율 차이가 10% 이상으로 증가했을 때는 비교예 1 보다 낮은 성능을 나타냈다.
또한, 도 7을 참고하면, 실시예 1은 비교예 1 및 실시예 2보다 촉매와 이오노머 계면에서의 전하전달저항 및 물질전달저항이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 막-전극 접합체에 포함되는 촉매층의 하부 기공율이 상부 기공율 보다 클 경우, 생성물의 제거가 용이하여 플로딩 현상이 개선됨을 확인할 수 있다. 그리고, 촉매층 하부의 기공율이 43%를 초과할 경우, 전하전달저항이 다시 증가하는 것을 확인할 수 있다.
상기 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 양극 촉매층
2: 음극 촉매층
3: 양극 확산층
4: 음극 확산층
10: 막-전극 접합체
11: 전해질
12: 양극
13: 음극
20: 제1 세퍼레이트
30: 제2 세퍼레이트
100: 연료전지

Claims (13)

  1. 이형필름에 확산층을 형성한 후 촉매층을 형성하고, 상기 확산층 및 상기 촉매층이 형성된 이형필름을 전해질 막의 양면에 적층하여 적층체를 제조하는 단계; 및
    상기 적층체의 길이 방향을 따라 상이한 압력을 가하여 상기 확산층 및 상기 촉매층을 상기 전해질 막에 전사하고, 상기 이형필름을 제거하는 단계;를 포함하고,
    상기 확산층 및 상기 촉매층은 길이방향을 따라 기공율이 상이한 것을 특징으로 하는,
    막-전극 접합체 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전사하는 단계는,
    핫 프레스(Hot press) 및 롤투롤(roll-to-roll) 중 어느 하나의 방법에 의해 상기 촉매층이 상기 전해질 막에 전사되는 것을 특징으로 하는, 막-전극 접합체 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전사하는 단계는,
    상기 이형필름의 길이 방향으로 상기 전사압력이 감소되는 것을 특징으로 하는, 막-전극 접합체 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전사하는 단계는,
    상기 전해질 막 양면에 위치되는 상기 촉매층 중 어느 하나의 촉매층에 상이한 전사압력을 가하는 것을 특징으로 하는, 막-전극 접합체 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층을 형성하는 단계는,
    상기 이형필름의 길이 방향으로 상기 촉매층의 두께가 상이한 것을 특징으로 하는, 막-전극 접합체 제조방법.
  8. 제1항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의해 제조된 막-전극 접합체는,
    양극 촉매층, 음극 촉매층, 양극 확산층, 음극 확산층 및 전해질 막을 포함하고,
    상기 양극 촉매층 및 상기 양극 확산층은 길이 방향에 따라 기공율이 상이한 것을 특징으로 하는,
    막-전극 접합체.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의해 제조된 막-전극 접합체;
    상기 막-전극 접합체의 일면에 위치되는 제1 세퍼레이터;
    상기 막-전극 접합체의 타면에 위치되는 제2 세퍼레이터;을 포함하고,
    상기 막-전극 접합체는,
    양극 촉매층, 음극 촉매층, 양극 확산층, 음극 확산층 및 전해질 막을 포함하고,
    상기 양극 촉매층 및 상기 양극 확산층은 길이 방향에 따라 기공율이 상이한 것을 특징으로 하는,
    연료 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 세퍼레이터 및 상기 제2 세퍼레이터 중 어느 하나 이상는,
    일측에 형성된 유입구; 및
    타측에 형성된 배출구;를 포함하고,
    상기 막-전극 접합체의 양극 촉매층, 음극 촉매층, 양극 확산층 및 음극 확산층 중 어느 하나 이상은,
    상기 유입구와 대응되는 영역과 상기 배출구와 대응되는 영역의 기공율이 상이한 것을 특징으로 하는, 연료 전지.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체의 촉매층은,
    상기 유입구와 대응되는 영역의 기공율보다 상기 배출구와 대응되는 영역의 기공율이 높은 것을 특징으로 하는, 연료 전지.
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