KR102633027B1 - 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법 및 이로부터 제조된 고분자 전해질 연료전지 - Google Patents

점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법 및 이로부터 제조된 고분자 전해질 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료극의 일 측면에 촉매를 도포하여 제1 촉매층을 형성하고, 공기극의 일 측면에 촉매를 도포하여 제2 촉매층을 형성하는 촉매층 형성 단계, 상기 제1 촉매층 상면에 점착제를 전사하여 제1 점착제층을 형성하고, 상기 제2 촉매층 상면에 점착제를 전사하여 제2 점착제층을 형성하는 점착제층 형성 단계, 및 상기 제1 점착제층과 상기 제2 점착제층 사이에 전해질막을 위치시키고 압착기로 가압하여 막-전극 접합체를 형성하는 단계를 포함함으로써, 연료극과 공기극인 전극이 전해질막을 상온에서 가압되어 빠르고 간단하게 막-전극 접합체를 완성할 수 있는 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법 및 이의 제조방법을 통해 제조된 고분자 전해질 연료전지에 관한 것이다.

Description

점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법 및 이로부터 제조된 고분자 전해질 연료전지{MANUFACTURING METHOD OF POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL USING ADHESIVE TRANSFER AND POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL MANUFACTURED BY THE SAME}
본 발명은 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법 및 이의 제조방법으로 제조된 고분자 전해질 연료전지에 관한 것이다.
고분자 전해질 연료전지는 음극(Anode)인 연료극에서 수소 및 알코올 분자 등의 산화 반응과 양극(Cathode)인 공기극에서 산소 분자의 환원 반응의 조합으로 전기를 생산하는 에너지 변환장치이다.
고분자 전해질 연료전지의 단위셀 혹은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)는 연료극과 공기극, 그리고 고분자 전해질막으로 구성되며, 일반적으로 연속식 혹은 비연속식의 고온 및 고압의 라미네이션 공정으로 막-전극 접합체가 제조된다.
막-전극 접합체의 제조는 크게 Catalyst-Coated Membrane(CCM) 방법, Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법, 전사(Decal transfer) 방법이 있으며, 이들의 방법의 공정을 예시적으로 보여주는 도면으로 도 1 내지 도 3에 나타내었다.
Catalyst-Coated Membrane(CCM) 방법은 전해질막의 양면에 연료극과 공기극의 촉매층을 직접 코팅하는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 전극 촉매, 이온성 바인더, 용매를 혼합하여 전극으로 각각의 연료극 물질과 공기극 물질을 제조하고(S111, S131), 전해질막의 양측 면에 순차적으로 공기극 물질과 연료극 물질을 코팅하고 압착하여 막-전극 접합체를 제조한다. 구체적으로 전해질 막의 일 측면에 공기극 물질을 코팅하고(S122) 압착하여 공기극을 접착 형성하고, 공기극이 접착된 면의 반대에 위치하는 전해질막의 타측면에 연료극 물질을 코팅하고(S125), 압착하는 과정(S127)으로 연료극을 접착 형성하여 최종 막-전극 접합체를 제조한다.
CCM 방법으로 막-전극 접합체를 제조하는 경우 slot-die 코터 등으로 패턴 코팅을 적용할 경우 전극의 절단이 불필요하고 전극과 전해질막간의 접착 구현이 용이하다. 또한 다른 공정 대비 고로딩(high-loading) 전극 제조가 용이할 수 있다.
하지만 CCM 방법은 전극과 조립공정의 구분이 어려워 공정 관리가 어렵고, 권취 풀린 전해질막의 대기 노출 기간이 길어 공정 라인의 습도, 온도 등 관리가 중요하다. 또한 압착 과정에서 코팅된 전극의 탈리 가능성이 높다. 따라서, 비연속식 배치 타입으로는 막-전극 접합체를 제조하는 데 적용할 수 있겠으나 양산을 위한 연속식 R/R 공정으로 적용하기는 어렵다.
Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법은 도 2에 도시된 바와 같이 전극 촉매, 이온성 바인더, 용매를 혼합하여 전극으로 각각의 연료극 물질과 공기극 물질을 제조하고(S211, S231), 반응물 및 생성물의 확산과 집전체로서의 기능을 하는 지지체로 탄소 페이퍼(carbon paper) 등의 표면에 전극의 촉매층을 코팅, 건조하고 적절한 크기로 절단하여 전극을 제조하고, 라미네이션(Lamination, S240)으로 전극과 전해질막의 접착하여 막-전극 접합체를 제조한다.
CCS 방법의 경우 전극과 조립공정의 구분이 가능해 공정 관리가 용이하다. 전해질막의 권취 풀린 기간이 짧아 CCM 대비하여 라인의 습도, 온도 관리가 용이하다. 연속식 R/R 공정 구현이 용이하고 지지체(carbon paper 등)를 포함하여 막-전극 접합체를 제조하기 때문에 스택 공정이 간소화 될 수 있다.
그러나 CCS 방법은 전극과 전해질막간 접착을 구현하기 어려울 수 있어 라미네이션을 위해 과한 온도, 압력, 시간 등이 설정되어야 한다. 대면적의 막-전극 접합체 제조를 위해서는 거대한 프레스 설비의 온도 및 압력 설계가 이루어져야 하며, 공정 조건의 off-set 등 설계 반영 필요할 수 있으며, 균일한 공정 조건 인가의 반복성(Repeatability) 및 재현성(Reproducibility) 확보가 어려워 공정 속도 상향에 제약이 있어 생산 효율을 만족하기가 어렵다.
또한 CCS 방법을 사용할 경우 과한 라미네이션에 따른 전해질막 및 바인더(이오노머)의 주재료인 Perfluorosulfonic acids(PFSAs)의 손상을 방지하기 위해 곁가지 사슬 말단에 존재하는 술폰산기(-SO3)의 수소 양이온(H+)에서 Na+, K+, Tert-butylammonium(TBA)+으로 치환하거나 혹은 그 반대로 역치환하는 양이온 치환 및 역치환 공정이 필요할 수 있다.
CCS 방법에서 다른 크기의 연료극과 공기극을 적용할 경우 크기가 큰 전극의 모서리에서 전극 깨짐 등의 불량이 발생할 수 있으므로 연료극과 공기극의 치수를 다르게 설계하기 어렵고, 지지체를 포함한 절단에서 절단면의 품질 확보가 필요하다. 다공성 지지체 표면에 전극 슬러리를 코팅하기 때문에 슬러리의 지지체 기공 내 침입에 의한 지지체 성능 저하가 발생할 수 있다.
완성된 전해질막-전극 접합체의 전극 모서리부에서의 전해질막 손상(Edge-failure)에 수소 및 산소 혼입에 따른 혼합 전위(Mixed Potential) 발생으로 저전압 발생 등과 같은 초기성능 저하 문제가 발생될 수 있다. 또한, 공기극에서 불완전 환원으로 발생한 히드록실(hydroxyl, HO·) 혹은 히드로퍼옥시(hydroperoxyl, HO2·) 라디칼의 음극으로의 수송이 원활해져 고분자 전해질막 혹은 음극 바인더 혹은 이오노머(ionomer)의 열화가 가속될 수 있다.
데칼 전사(Decal transfer) 방법은 앞서 살펴본 CCS 방법과 유사하며, 도 3에 도시된 바와 같이 지지체 대신에 별도의 이형필름 표면에 전극의 촉매층을 코팅(S313, S333), 건조한 후 전해질막 표면에 전사(Decal transfer)하고, 라미네이션(Lamination, S340)으로 전극과 전해질막의 접착하여 막-전극 접합체를 제조하는 방법이다.
전사(Decal transfer) 방법의 경우 CCM과 유사한 공정 흐름과 장점을 갖지만 이형 필름을 사용해야 해서 재료비가 증가하고, 전사 효율을 고려할 때 공정 속도의 상향이 어려워 생산 capacity를 확보하기 어렵다. 또한, CCM과 마찬가지로 전극과 전해질막간 접착 구현을 위해 과한 온도, 압력, 시간 등과 같은 과한 라미네이션 조건이 필요로 한다.
한국등록특허 제10-0774729호
상기와 같이 종래 막-전극 접합체의 제조 방법은 다양하게 있으나, 앞서 살펴본 바와 같이 다양한 기술적 문제가 발생한다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 전극 표면 혹은 전해질막 얇게 점착제를 전사하여 도포한 후 전극과 전해질막을 상온에서 약하게 가압하여 빠르고 간단하게 막-전극 접합체를 완성할 수 있는 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고분자 전해질 연료전지를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고분자 전해질 연료전지 제조방법은 연료극의 일 측면에 촉매를 도포하여 제1 촉매층을 형성하고, 공기극의 일 측면에 촉매를 도포하여 제2 촉매층을 형성하는 촉매층 형성 단계, 상기 제1 촉매층 상면에 점착제를 전사하여 제1 점착제층을 형성하고, 상기 제2 촉매층 상면에 점착제를 전사하여 제2 점착제층을 형성하는 점착제층 형성 단계, 및 상기 제1 점착제층과 상기 제2 점착제층 사이에 전해질막을 위치시키고 온도 인가 없이 15℃ 내지 25℃ 상온에서 압착기로 가압하는 라미네이션(Lamination)으로 전극과 전해질막의 접착하여 막-전극 접합체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 고분자 전해질 연료전지 제조방법에 있어서, 상기 촉매층 형성 단계는 Catalyst-Coated Membrane(CCM) 방법, Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법 및 데칼 전사(Decal Transger) 방법 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 사용하여 촉매층을 형성할 수 있다.
상기 촉매층 형성 단계에서 Catalyst-Coated Membrane(CCM) 방법을 사용하여 촉매층을 형성하는 경우는, 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 촉매를 직접 도포하여 촉매층을 형성할 수 있다.
상기 촉매층 형성 단계에서 Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법을 사용하여 촉매층을 형성하는 경우는, 지지체의 표면에 촉매를 도포하여 촉매층이 형성된 지지체를 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 부착하여 촉매층을 형성할 수 있다.
상기 촉매층 형성 단계는 데칼 전사(Decal Transger) 방법을 사용하여 촉매층을 형성하는 경우는 이형 필름의 표면에 촉매를 도포하여 촉매층이 형성된 이형 필름을 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 부착하여 촉매층을 형성할 수 있다.
상기 점착제는 압력 감응형 점착제를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 점착제가 전사되어 형성된 상기 제1 점착제층 및 상기 제2 점착제층의 두께는 1 ㎛ 내지 2㎛인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 고분자 전해질 연료전지는 앞서 설명한 제조방법에 따라 제조된 고분자 전해질 연료 전지이다.
본 발명의 고분자 전해질 연료전지는 일 측면에 제1 촉매층이 형성된 연료극, 일 측면에 제2 촉매층이 공기극, 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 형성된 전해질막, 및 상기 제1 촉매층과 상기 전해질막 사이에 점착제가 전사되어 형성된 제1 점착제층이 위치하고, 상기 제2 촉매층과 상기 전해질막 사이에 점착제가 전사되어 형성된 제2 점착제층이 위치하여 접합된 막-전극 접합체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
점착제를 적용하지 않는 기존 막-전극 접합체 제조방법은 본 발명의 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법과 달리 상대적으로 고온, 고압의 프레스는 온도 전달을 위한 열전도율이 높으며, 높은 하중을 가하기 위해 무거운 금속 소재의 롤을 적용되는데, 이는 프레스 압력 및 열전도의 균일함을 얻기 어려워 막-전극 접합체 제조의 반복성과 균일함이 확보되기 어렵다. 또한 과도한 압력 인가 시 압력을 받은 전극의 스프링백 현상 등에 의해 전극이 쉽게 깨지는 문제가 발생할 수 있다. 또한 전하전달의 매개 역할을 하는 이온을 수용하는 전극(H+에 의한 전지는 +극, -OH에 의한 전지는 - 극)의 크기를 상대적으로 크게 설계하는 것이 필요할 수 있는데 이때 막-전극 접합체 제조를 위해 과도한 압력을 인가할 경우 다른 크기의 연료극과 공기극 때문에 전극의 깨짐 뿐 아니라 전해질막의 edge-failure가 가속되는 문제점이 발생하였다.
그러나 본 발명은 기존 막-전극 접합체의 제조방법과 달리 별도의 온도 인가 없이 상온에서도 열전달 효율이 낮은 고무 소재의 프레스 롤과 같은 저압의 압착기로 충분히 전극과 전해질막의 접착이 가능하기 때문에 프레스 롤의 재료 선정을 유연하게 선택하여 제조공정 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법으로 제조된 고분자 전해질 연료전지의 성능은 기존 제조방법에 따라 제조된 막-전극 접합체의 성능에 상당하는 출력 밀도를 보이는 효과가 있다.
도 1은 Catalyst-Coated Membrane (CCM) 공정의 순서도이다.
도 2는 Catalyst-Coated Substrate (CCS) 공정의 순서도이다.
도 3은 데칼 전사(Decal Transger) 공정의 순서도이다.
도 4는 점착제 전사를 이용한 CCS 공정의 순서도이다.
도 5는 점착제 전사를 이용한 전사(Decal Transfer) 공정의 순서도이다.
도 6은 본 발명의 점착제 전사를 이용한 제조방법으로 제조된 막-전극 접합체 구성을 나타낸 모식도이다.
도 7은 종래 제조 방법에 따른 막-전극 접합체 구성을 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 점착제 전사를 이용하여 제조한 고분자 전해질 연료전지 막-전극 접합체의 성능을 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 제조방법은 고분자 전해질막, 전극으로 양극(Anode)인 연료극과 음극(Cathode)인 공기극을 포함하고 전극과 전해질막의 접착으로 막-전극 집합체를 제조한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 점착제 전사를 이용한 CCS 방법에 대한 공정의 순서도이다.
점착제 전사를 이용한 CCS 방법은 상기 도 2에 도시된 Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법과 유사하나, 도 4에 도시된 바와 같이 전극을 제조한 후 전극과 전해질막을 압착기로 가압하는 라미네이션(Lamination, S240)을 수행하기 이전에 전극의 촉매층 상면에 점착제를 전사하는 단계(S217, S237)를 포함한다.
상기 도 4에서 상기 점착제를 전사하는 단계(S217, S237)는 S211 내지 S216 또는 S231 내지 S236을 거쳐 광폭의 점보롤 전극 제조 후 공정 방향(Machine Direction, MD)으로 슬리팅된 전극으로 연료극과 공기극 각각의 표면에 점착제를 전사하여 부착한다.
상기 점착제로는 압력 감응형 점착제(Pressure Sensitive Adhesive, PSA)를 사용할 수 있다. 상기 압력 감응형 점착제는 감압 점척제라고도 하며 점탄성 물질로 압력에 의해 접착면에 적용되어 압력이 가해질 때 접착물질이 작용하는 접착제를 의미한다. 압력 감응형 점착제로는 2-에틸헥실 아크릴레이트(2-ethylhexyl acrylate) 및 n-부틸 아크릴레이트(n-butyl acrylate) 등이 단량체로 적용된 아크릴계 점착제를 사용하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 실리콘 처리를 통해 전사 효율이 개선된 PET 필름의 기재 표면에 아크릴계 점착제가 1㎛ 내지 2㎛ 두께로 얇게 도포된 필름을 사용할 수 있다. 필요에 따라 점착제 필름을 타공하여 점착제에 의한 전극과 전해질막간 접착 면적을 최소화할 수도 있다.
점착제가 전사된 지지체 포함한 전극은 절단된 후 절단되지 않은 권취 풀린 전해질막의 양면에 라미네이션(Lamination, S240)을 수행하여 접착된다.
본 발명의 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법에서 전극과 전해질막의 접착하여 막-전극 접합체를 제조하는 과정으로 라미네이션(Lamination)을 수행시 사용하는 압착기는 열전달 효율이 낮은 고무 소재의 프레스 롤을 적용할 수 있다. 또한 롤의 크기도 기존 막-전극 접합체를 제조할 때 사용되었던 프레스 롤보다 상대적으로 작아도 적용할 수 있다.
고분자 전해질 연료전지에서 막-전극 접합체를 구성하는 물질의 종류에 대해서는 통상적으로 당 업계에서 이용되는 것이라면 특별히 한정하지 않는다.
예를 들어 CCS 방법에서 사용되는 지지체는 탄소 종이(carbon paper) 또는 탄소 천(carbon cloth)일 수 있다.
막-전극 접합체의 전극으로 연료극에 사용되는 촉매는 수소, 알코올, 암모니아, 액상유기수소화합물(Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC), 수소화붕소나트륨 (Sodium borohydride, NaBH4) 등 연료전지에 사용될 수 있는 연료의 산화반응을 촉진시킬 수 있는 백금계 촉매이다.
막-전극 접합체의 전극으로 공기극에 사용되는 촉매는 Pt, PtNi, PtCo, PtFe, PtPd 등 백금계 촉매로서 산소의 환원반응을 촉진할 수 있는 촉매를 포함할 수 있다.
상기 연료극과 상기 공기극 사이위 위치하는 전해질 막은 고분자 전해질막 (polyelectrolyte membrane)일 수 있다.
또는 상기 전해질 막은 이온교환막일 수 있다. 상기 이온교환막은 양성자 교환막(proton exchange membrane, PEM), 음이온교환막 (anion exchange membrane, AEM), 양이온교환막 (cation exchange membrane: CEM), 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 전해질 막은 수소 이온을 포함한 양이온, 음이온 또는 이들을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 점착제 전사를 이용한 데칼 전사(Decal Transfer) 방법에 대한 공정의 순서도이다.
데칼 전사(Decal Transfer) 방법도 상기 도 3에 도시된 데칼 전사(Decal Transfer) 방법과 유사하나, 도 5에 도시된 바와 같이 전극을 제조한 후 전극과 전해질막을 압착기로 가압하는 라미네이션(Lamination, S340)을 수행하기 이전에 전극의 촉매층 상면에 점착제를 전사하는 단계(S317, S337)를 포함한다.
도 4의 CCS 방법과 도 5의 데칼 전사 방법에서 라미네이션(Lamination)을 수행하기 이전에 상기 제1 점착제층이 형성된 연료극 및 상기 제2 점착제층이 형성된 공기극을 적정한 크기로 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 점착제 전사를 이용한 제조방법으로 제조된 막-전극 접합체 구성을 나타낸 모식도이다.
도 6에 도시된 바와 같은 본 발명의 점착제 전사를 이용한 제조방법으로 제조된 막-전극 접합체 구성에는 일 측면에 제1 촉매층(13)이 형성된 연료극(11), 일 측면에 제2 촉매층(14)이 공기극(12), 상기 연료극(11)과 상기 공기극(12) 사이에 형성된 전해질막(15), 및 상기 제1 촉매층(13)과 상기 전해질막(15) 사이에 점착제가 전사되어 형성된 제1 점착제층(16)이 위치하고, 상기 제2 촉매층(14)과 상기 전해질막(15) 사이에 점착제가 전사되어 형성된 제2 점착제층(17)이 포함되며, 제1 점착제층(16)과 제2 점착제층(17)과 같은 점착제층이 존재함으로써, 별도의 온도 인가 없이 15℃ 내지 25℃ 정도의 상온에서도 상대적으로 낮은 압력으로도 접착이 가능하다.
도 7은 기존 제조방법에 따른 막-전극 접합체 구성을 나타낸 모식도이다. 도 7에 도시된 바와 같이 점착제를 전사하지 않는 상기 도 1 내지 도 3에 나타낸 기존 제조방법에 따른 막-전극 접합체의 경우에는 제1 촉매층(23)이 형성된 연료극(21), 일 측면에 제2 촉매층(24)이 공기극(22), 상기 연료극(21)과 상기 공기극(22) 사이에 형성된 전해질막(25)이 위치되고, 점착제층이 없으므로 라미네이션 접착 구현을 위해 무거운 금속 소재의 롤로 이루어진 압착기를 적용하여 상대적으로 고온, 고압 뿐만 아니라 접착에 필요한 시간의 인가가 요구되었다.
본 발명의 일 실시예에 따라 점착제 전사를 이용하여 제조한 고분자 전해질 연료전지의 성능을 확인하고자, 고분자 전해질 연료전지는 전극 면적 5 cm2으로 막-전극 접합체를 제조하였으며 단전지 온도 80℃에서 연료극과 공기극에 각각 200 sccm, 500 sccm의 유량으로 수소와 공기를 공급하였다. 역압(back pressure)은 각각 20 psig를 설정하였으며 풀(full) 가습 조건에서 평가하였으며, 그 결과는 도 8에 나타내었다.
도 8에 도시된 바와 같이, 점착제 전사를 이용하여 제조한 고분자 전해질 연료전지는 800 mW/cm2 이상의 단전지 출력을 얻는 것을 확인하였다. 이는 기존 제조방법에 따른 막-전극 접합체의 성능에 상당하는 것으로, 점착제 전사를 이용한 고분자 전해질 연료전지를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
11 : 연료극
12 : 공기극
13 : 제1 촉매층
14 : 제2 촉매층
15 : 전해질막
16 : 제1 점착제층
17 : 제2 점착제층
21 : 연료극
22 : 공기극
23 : 제1 촉매층
24 : 제2 촉매층
25 : 전해질막

Claims (8)

  1. 연료극의 일 측면에 촉매를 도포하여 제1 촉매층을 형성하고, 공기극의 일 측면에 촉매를 도포하여 제2 촉매층을 형성하는 촉매층 형성 단계;
    상기 제1 촉매층 상면에 점착제를 전사하여 제1 점착제층을 형성하고, 상기 제2 촉매층 상면에 점착제를 전사하여 제2 점착제층을 형성하는 점착제층 형성 단계; 및
    상기 제1 점착제층과 상기 제2 점착제층 사이에 전해질막을 위치시키고 온도 인가 없이 15℃ 내지 25℃ 상온에서 압착기로 가압하는 라미네이션(Lamination)으로 전극과 전해질막을 접착하여 막-전극 접합체를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 점착제는 2-에틸헥실 아크릴레이트(2-ethylhexyl acrylate) 및 n-부틸 아크릴레이트(n-butyl acrylate)가 단량체로 포함하는 압력 감응형 점착제이며,
    상기 제1 점착제층 및 상기 제2 점착제층의 두께는 1 ㎛ 내지 2㎛이고,
    상기 촉매층 형성 단계는 Catalyst-Coated Membrane(CCM) 방법, Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법 및 데칼 전사(Decal Transger) 방법 중에서 선택된 어느 하나의 방법을 사용하여 촉매층을 형성하되,
    상기 촉매층 형성 단계에서 Catalyst-Coated Membrane(CCM) 방법을 사용하여 촉매층을 형성하는 경우는, 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 촉매를 직접 도포하여 촉매층을 형성하고,
    상기 촉매층 형성 단계에서 Catalyst-Coated Substrate(CCS) 방법을 사용하여 촉매층을 형성하는 경우는, 지지체의 표면에 촉매를 도포하여 촉매층이 형성된 지지체를 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 부착하여 촉매층을 형성하고,
    상기 촉매층 형성 단계는 데칼 전사(Decal Transger) 방법을 사용하여 촉매층을 형성하는 경우는 이형 필름의 표면에 촉매를 도포하여 촉매층이 형성된 이형 필름을 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 부착하여 촉매층을 형성하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층 형성 단계는 상기 연료극 및 상기 공기극의 일 측면에 촉매를 직접 도포하여 촉매층을 형성하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항의 제조방법에 따라 제조된 고분자 전해질 연료전지.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100774729B1 (ko) 2006-11-15 2007-11-08 현대자동차주식회사 서브레이어를 이용한 전사법으로 3-레이어 전해질막/전극접합체를 제조하는 방법
KR101451803B1 (ko) * 2007-12-07 2014-10-17 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 막전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함한연료전지
JP2015097195A (ja) * 2013-10-09 2015-05-21 日東電工株式会社 燃料電池用膜／電極複合体の製造方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006265277A (ja) * 2005-03-22 2006-10-05 Dainippon Ink & Chem Inc 固体高分子型燃料電池用粘着シート

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