KR102187990B1 - 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법 - Google Patents

연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법 {MANUFACTURING METHOD OF CATALYST INK FOR FORMING FUEL CELL ELECTRODE CATALYST LAYER}
본 발명은 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 전기화학반응에 의해 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 최근 전자 산업의 급속한 발달과 함께 휴대용 이동 전자제품들이 대중화되어 가는 추세에 가장 적합한 에너지원으로 여겨지고 있다. 또한, 현재 휴대용 전자제품들의 전원으로 사용되고 있는 배터리에 비해 다양한 범위의 출력을 내면서도 높은 에너지 밀도를 나타내기 때문에 고성능의 휴대용 전자제품의 전원으로 연료전지가 주목받고 있다.
이러한 연료전지의 대표적인 예로는, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)나 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등을 들 수 있으며, 이들에 관한 개발 및 연구가 활발히 이루어지고 있다.
PEMFC 또는 DMFC 에서 성능을 좌우하는 것은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)이다. MEA는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고체 고분자 전해질막과 이에 의하여 분리된 두 개의 촉매화된 전극들로 구성되는데, 이 두 전극을 애노드 전극(일명, "산화 전극" 또는 "연료극") 과 캐소드 전극(일명, "환원 전극" 또는 "공기극")이라 한다.
애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동하며, 전자는 도선(또는 집전체)을 통하여 외부회로로 전달된다. 캐소드 전극에서는 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 외부회로로부터 전달된 전자가 산화제인 산소와 반응하여 물이 생성되는데, 이 때, 애노드, 외부회로 및 캐소드를 경유하는 전자의 이동이 곧 전력이다.
애노드에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, 캐소드에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다.
촉매층의 반응속도를 높이기 위해서는 촉매층의 구조가 균일해야 하는데, 이를 위해서는 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크 제조시 이오노머가 촉매 내 탄소 지지체에 충분히 흡착되도록 해야한다. 흡착이 불충분한 촉매 잉크를 사용하여 촉매층 구조가 불균일할 경우, 전기화학반응이 일어나는 삼상계면(three phase poundary)으로의 반응물 전달 저항이 증가하여, 전극 성능이 저하될 수 있다.
종래에는 균일한 촉매층의 제조를 위해 이오노머와 촉매를 혼합한 후에, 즉, 이오노머가 탄소 지지체에 흡착된 후에 초음파 처리를 수행하여 촉매 입자를 균일하게 분산된 촉매 잉크를 제조하였는데, 연료전지에 사용되는 촉매 입자는 입자 크기가 매우 작기 때문에 흡착 후 분산 만으로는 고분산에 어려움이 따르는 실정이다.
대한민국 특허공개공보 제10-2011-0114992호
본 발명은 상기 서술한 종래기술의 문제점을 해결하고자, 균일한 구조의 촉매층을 형성할 수 있는 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 명세서의 일 구현예는
1) 이오노머와 용매의 혼합물을 초음파 처리하는 단계; 및
2) 상기 초음파 처리된 혼합물에 촉매를 투입하는 단계
를 포함하는 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법은 촉매를 투입하기 전, 이오노머와 용매의 혼합물을 초음파 처리하여 이오노머의 입자 크기를 축소시킴으로써, 이오노머와 촉매 내 탄소 지지체 간의 흡착성이 우수하며, 이에 따라 균일도가 높은 전극 촉매층을 형성할 수 있는 촉매 잉크의 제조 방법을 제공한다.
도 1은 본 명세서의 실시 상태에 따른 촉매 잉크의 제조 프로세스를 요약한 흐름도이다.
도 2는 본 명세서의 실시예 1에 따른 촉매 잉크를 사용하여 형성한 전극 촉매층의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 본 명세서의 비교예 1에 따른 촉매 잉크를 사용하여 형성한 전극 촉매층의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 당 기술분야에서 사용되는 연료전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 명세서의 일 실시상태는,
1) 이오노머와 용매의 혼합물을 초음파 처리하는 단계; 및
2) 상기 초음파 처리된 혼합물에 촉매를 투입하는 단계
를 포함하는 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법을 제공한다.
구체적으로는, 촉매를 투입하기 전, 상기 단계 1)의 초음파 처리를 통해 이오노머 입자의 크기를 축소시켜 이오노머와 촉매 내 탄소 지지체 간의 흡착성을 높이고, 결과적으로 전극 촉매층 내에 균일한 흡착 구조를 형성함으로써 전극 성능을 높일 수 있는 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법을 제공한다.
상기 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질 막으로 이동하기 위한 통로를 제공하는 역할을 할 수 있다.
본 명세서의 일 실시 상태에 따르면, 상기 단계 1)에 사용되는 이오노머의 중량평균분자량은 240 g/mol 내지 200,000 g/mol, 구체적으로 240 g/mol 내지 10,000 g/mol일 수 있다.
본 명세서의 일 실시 상태에 따르면, 상기 이오노머는 퍼플루오로설폰산(perfluorosulfonic acid: PFSA)계 고분자 또는 퍼플루오로카복실산(perfluorocarboxylic acid: PFCA)계 고분자일 수 있다. 퍼플루오로설폰산계 고분자로는 나피온(Nafion, Dupont 社)을, 퍼플루오로카복실산계 고분자로는 플레미온(Flemion, Asahi Glass 社)을 사용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시 상태에 따르면, 상기 이오노머는 상기 촉매 잉크 총 중량을 기준으로 0.01 중량% 내지 0.1 중량%로 포함되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 0.01 중량% 내지 0.05 중량%, 더욱 바람직하게는 0.01 중량% 내지 0.03 중량%일 수 있다.
이오노머의 함량이 상기 범위일 때, 이오노머가 촉매층을 과도하게 덮지 않아 촉매와 연료의 반응을 용이하게 하면서도, 촉매층 내에서의 이온 전달 통로가 제대로 형성되어 이온의 이동이 가장 원활할 수 있다.
본 명세서의 일 실시 상태에 따르면, 상기 단계 1)에 사용되는 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜, 글리세롤, 1-메틸-2-피롤리돈(1-methyl-2-pyrrolidinone, NMP), N,N-디메틸아세트아마이드(N,N-dimethylacetamide, DMA), N-N-디메틸포름아마이드(N,N-dimethylformamide, DMF), 헥사메틸포스포아마이드(Hexamethylphosphoramide, HMPA) 및 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논(1,3-Dimethyl-2-imidazolidinone, DMI)로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상일 수 있으며 바람직하게는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜 및 글리세롤로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 프로판올일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시 상태에 따르면, 상기 용매는 상기 촉매 잉크 총 중량을 기준으로 50 중량% 내지 95 중량%로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 65 중량% 내지 95 중량%, 더욱 바람직하게는 75 중량% 내지 95 중량%일 수 있다.
상기 촉매 잉크 중 용매의 함량이 50 중량% 이상이 되면 촉매 잉크의 점도가 너무 높아지는 것을 방지하므로, 촉매 입자의 분상성 저하 및 촉매층의 불균일한 형성을 방지할 수 있다. 용매의 함량이 95 중량% 이하가 되면, 촉매 잉크의 점도가 너무 낮아지는 것을 방지하므로, 촉매층의 두께가 얇아 코팅을 수회 반복하게 되는 문제를 방지할 수 있다.
본 명세서의 일 실시 상태에 따르면, 상기 1) 단계의 초음파 처리는 팁형(tip type) 또는 배스형(bath type)으로 이루어질 수 있다.
본 명세서에서 초음파 처리란, 20kHz 이상의 주파수를 갖는 에너지를 입자에 가하여 분산시키는 행위를 의미하는데, 상기 배스형(bath type)은 비교적 낮고 일정한 크기의 에너지가 사용되며, 상기 팁형(tip type)은 배스형의 약 50배에 달하는 높은 에너지를 가변적으로 가할 수 있다.
일반적으로, 이오노머는 용매 내에서 서로 정전기적 인력으로 뭉쳐져 입경이 0.01 ㎛ 내지 1 ㎛인 응집체로 존재하며, 이렇게 용매 내에서 이오노머가 뭉쳐져 형성된 단위 입자를 이오노머 클러스터(Cluster)라고 한다. 이들을 초음파 처리, 구체적으로, 상기 팁형(tip type) 또는 배스형(bath type) 초음파 처리를 통해 분산시키게 되면, 상기 이오노머 클러스터의 대부분은 10 nm 내지 500 nm, 바람직하게는 10 nm 내지 300 nm의 평균 입경을 갖도록 균일하게 분산된다.
상기 팁형 초음파 처리는 이로 제한되는 것은 아니나, 10분 내지 30분 동안 수행될 수 있다. 상기 배스형 초음파 처리는 20분 내지 120분, 바람직하게는 30분 내지 60분 동안 수행될 수 있다.
초음파 처리가 상기 시간 범위 내에서 이루어지는 경우, 국부적인 이오노머 뭉침 현상의 발생을 방지할 수 있다. 상기 시간 범위를 초과하여 수행될 경우, 시간 대비 분산 효과가 크지 않아 비효율적일 수 있다.
균일한 구조의 촉매층을 형성하기 위해서는 이오노머와 촉매 내 탄소 지지체간의 충분한 흡착력이 중요한데, 이러한 초음파 처리를 통하여 이오노머의 입경을 작게 조절하면, 이오노머가 촉매 내 탄소 지지체에 균일하게 흡착될 수 있다.
도 2 및 도 3에 각각 본 명세서의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 촉매 잉크를 사용하여 형성한 전극 촉매층의 SEM 사진을 나타내었다. 초음파 처리를 실시한 실시예 1의 촉매 잉크를 사용한 전극 촉매층이 훨씬 균일한 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다.
본 명세서의 일 실시 상태에 따르면, 상기 촉매로는 탄소 지지체의 표면에 금속이 담지된 촉매를 사용할 수 있다.
상기 탄소 지지체로는, 이에 한정되는 것은 아니나, 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될수 있다.
상기 금속으로는, 이에 한정되는 것은 아니나, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금/루테늄 합금, 백금/오스뮴 합금, 백금/팔라듐 합금, 백금/M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 또는 이들의 조합의 전이 금속), 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 상기 촉매의 구체적인 예로는, Pt, Pt/C, Pt/Ir, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W, 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시 상태에 따르면, 상기 촉매는 백금 담지 탄소(Pt/C) 또는 백금-루테늄 합금 담지 탄소(PtRu/C)일 수 있으며, 바람직하게는 백금 담지 탄소(Pt/C)일 수 있다.
여기서 슬래시(/)를 삽입하여 병기한 것은, 기재된 금속들의 합금을 의미한다. 예를 들어, Pt/Ru는 백금(Pt)과 루테늄(Ru)의 합금을 의미한다.
본 명세서의 일 실시 상태에 따르면, 상기 촉매는 상기 촉매 잉크 총 중량을 기준으로 1 중량% 내지 20 중량% 포함되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 1 중량% 내지 15 중량%, 더욱 바람직하게는 5 중량% 내지 15 중량% 포함되는 것일 수 있다.
상기 촉매 잉크 중 촉매의 함량이 1 중량% 이상이 되면 촉매 잉크의 점도가 너무 낮아지는 것을 방지하므로, 촉매층의 두께가 얇아 코팅을 수회 반복하게 되는 문제를 방지할 수 있다. 촉매의 함량이 20 중량% 이하가 되면, 촉매 잉크의 점도가 너무 높아지는 것을 방지하므로, 촉매 입자의 분상성 저하 및 촉매층의 불균일한 형성을 방지할 수 있다.
본 명세서의 일 실시 상태에 따르면, 상기 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법은 상기 촉매 잉크를 초음파 처리 및 고전단 믹서로 분산시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 도 1에서 촉매 잉크의 분산 단계를 포함한 촉매 잉크의 제조 프로세스 흐름도를 간략히 도시하였다.
상기 촉매 잉크의 팁형 초음파 처리는 이로 제한되는 것은 아니나, 10분 내지 30분 동안 수행될 수 있다. 상기 촉매 잉크의 배스형 초음파 처리는 20분 내지 120분, 바람직하게는 30분 내지 60분 동안 수행될 수 있다.
초음파 처리가 상기 시간 범위 내에서 이루어지는 경우, 국부적인 촉매 입자의 뭉침 현상의 발생을 방지할 수 있다. 상기 시간 범위를 초과하여 수행될 경우, 지지체에 담지된 촉매 입자의 탈리가 발생하여, 촉매층의 전기화학적 활성 면적이 감소할 수 있다.
상기 고전단 믹서 방식은 이로 한정되는 것은 아니나, 10 m/s 내지 40 m/s의 속도로 15분 내지 35분 동안 수행되는 것이 바람직하다.
상기 촉매 잉크의 제조 방법에 따라 제조된 촉매 잉크는 연료전지용 전극 촉매층을 형성하는데 사용될 수 있다.
상기 전극 촉매층은 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 예를 들면 상기 촉매 잉크를 기체 확산층 위에 도포 및 건조함으로써 형성할 수 있다. 이 때, 이오노머의 함량을 달리한 촉매 잉크를 차례로 도포 및 건조함으로써 복수의 촉매층을 형성할 수도 있다.
이 때, 상기 촉매 잉크를 기체확산층 위에 도포하는 방법으로는 프린팅(printing), 테이프 캐스팅(tape casting), 슬롯 다이 캐스팅(slot die casting), 분무(spray), 롤링(rolling), 블레이드 코팅(blade coating), 스핀 코팅(spin coating), 잉크젯 코팅(inkjet coating) 또는 브러싱(brushing) 등의 방법이 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 기체확산층은 일반적으로 도전성 및 80% 이상의 다공도를 갖는 기재라면 특별한 제한이 없으며, 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 기재의 두께는 30 내지 500㎛일 수 있다. 상기 범위 내의 값이면 기계적 강도와 가스 및 물의 확산성과의 균형이 적절하게 제어될 수 있다. 상기 기체확산층은 상기 도전성 기재의 일면에 형성되는 미세 기공층을 더 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 미세 기공층은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다. 상기 미세 기공층은 촉매층에 존재하는 과잉 수분의 배출을 촉진시켜서 플러딩(flooding) 현상의 발생을 억제할 수 있다.
상기 탄소계 물질로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP) 및 스티렌-부타디엔고무(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 연료전지용 전극 촉매층을 포함하는 연료전지는 전술한 연료전지용 전극 촉매층을 포함하는 것을 제외하고는, 당 기술분야에 알려진 재료 및 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 도 4을 참조하면, 상기 연료전지는 스택(60), 연료공급부(80) 및 산화제공급부(70)를 포함하여 형성된다.
상기 스택(60)은 막-전극 접합체(MEA)를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.
상기 연료 공급부(80)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.
상기 산화제 공급부(70)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(82)로 주입하여 사용할 수 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
< 실시예 >
실시예 1.
상용 나피온 이오노머 솔루션(D2021, 나피온 20% 함량, Dupont 社) 1.65g에 용매로 프로판올 10g 첨가한 후 팁형(tip type) 초음파 처리를 15분간 수행하여 이오노머 용액을 제조하였다.
상기 제조된 용액에서 이오노머 클러스터의 평균 입경을 측정하여 하기 표 1에 기재하였다. 상기 측정은 Malven사의 zetasizer를 사용하여 동적 광산란 광도계(dynamic light scattering spectrometer, DLS)로 수행되었다.
상기 이오노머 용액을 냉각한 후 촉매로 Pt/C(TEC10V50E, Tanaka 社) 1g을 첨가하여 촉매 잉크를 제조하였다.
상기에서 제조된 촉매 잉크를 전극 기재에 잉크젯 코팅법으로 도포하여 전극 촉매층을 형성하였고, 제조된 촉매층의 SEM 사진을 도 2에 나타내었다.
상기 촉매층 형성 후, 100℃에서 1시간 동안 건조하여 전극을 제조하였고, 이를 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 고분자 전해질 막의 양 표면에 접합시켜 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였다.
실시예 2.
팁형(tip type) 초음파 처리를 30분간 수행하여 이오노머 용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여, 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였다.
실시예 3.
팁형(tip type) 대신 배스형(bath type)으로 초음파 처리 방식을 변경하여 이오노머 용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 수행하여, 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였다.
실시예 4.
배스형(bath type) 초음파 처리를 60분간 수행하여 이오노머 용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 수행하여, 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였다.
실시예 5.
배스형(bath type) 초음파 처리를 90분간 수행하여 이오노머 용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 수행하여, 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였다.
실시예 6.
배스형(bath type) 초음파 처리를 120분간 수행하여 이오노머 용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 수행하여, 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였다.
< 비교예 >
비교예 1.
초음파 처리 대신 단순 교반(stirring)으로 이오노머 용액을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여, 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였으며, 이 과정에서 제조된 전극 촉매층의 SEM 사진을 도 3에 나타내었다.
이오노머 용액 분산 조건 이오노머 클러스터의 입경(nm)
실시예 1 Tip sonic (15min.) 224
실시예 2 Tip sonic (30min.) 223
실시예 3 Bath sonic (30min.) 360
실시예 4 Bath sonic (60min.) 311
실시예 5 Bath sonic (90min.) 298
실시예 6 Bath sonic (120min.) 294
비교예 1 Stirring 674
상기 표 1을 통해 이오노머 용액을 단순 교반한 비교예 1 보다 초음파 처리를 실시한 실시예 1 내지 6에서 이오노머 클러스터의 입경이 현저하게 감소함을 확인할 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3의 전극 촉매층 SEM 사진을 비교하였을 때, 비교예 1에 따른 촉매층에 비하여 실시예 1에 따른 촉매층이 훨씬 균일함을 확인할 수 있다.
60: 스택
70: 산화제공급부
80: 연료공급부
81: 연료탱크
82: 펌프

Claims (10)

1) 이오노머(ionomer)와 용매의 혼합물을 초음파 처리하는 단계; 및
2) 상기 초음파 처리된 혼합물에 촉매를 투입하는 단계
를 포함하며,
상기 단계 1)의 초음파 처리는 팁형(tip type) 또는 배스형(bath type)으로 수행되는 것이고,
상기 팁형 초음파 처리는 10분 내지 30분 동안 수행되며,
상기 배스형 초음파 처리는 20분 내지 120분 동안 수행되는 것인 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법으로서,
상기 촉매 잉크를 초음파 처리 및 고전단 믹서로 분산시키는 단계를 더 포함하고
상기 고전단 믹서 방식이 10 m/s 내지 40 m/s의 속도로 15분 내지 35분 동안 수행되는 것인 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 단계 1) 완료 후 용매 내에서 이오노머가 뭉쳐져 형성된 단위 입자인 이오노머 클러스터(Cluster)의 평균 입경이 10 nm 내지 500 nm인 것인 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 단계 1)의 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜 및 글리세롤로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상인 것인 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 이오노머는 퍼플루오로설폰산(perfluorosulfonic acid: PFSA)계 고분자 또는 퍼플루오로카복실산(perfluorocarboxylic acid: PFCA)계 고분자인 것인 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 이오노머는 상기 촉매 잉크 총 중량을 기준으로 0.01 중량% 내지 0.1 중량% 포함되는 것인 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 단계 1)의 용매는 상기 촉매 잉크 총 중량을 기준으로 50 중량% 내지 95 중량% 포함되는 것인 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 촉매는 Pt, Pt/C, Pt/Ir, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 촉매는 상기 촉매 잉크 총 중량을 기준으로 1 중량% 내지 20 중량% 포함되는 것인 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법.
삭제
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