KR102642597B1 - 전극층의 전기전도도를 향상시킬 수 있는 ｐｅｍ 수전해용 막전극접합체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전극층의 전기전도도를 향상시킬 수 있는 PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질막의 일면에 위치하며 애노드 촉매를 포함하는 애노드; 상기 고분자 전해질막의 다른 일면에 위치하며 캐소드 촉매를 포함하는 캐소드; 및 상기 애노드 표면 상에 위치하는 백금층을 포함하는 PEM 수전해용 막전극접합체 및 상기 PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전극층의 전기전도도를 향상시킬 수 있는 PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 성능이 향상된 PEM 수전해용 막전극접합체에 관한 것이다.
수소는 미래의 에너지 저장매체로써 매우 중요한 역할을 담당할 것으로 여겨지고 있고, 무한한 에너지원과 무공해의 지속발전 가능한 재생에너지의 사용에는 에너지 저장의 문제가 부각될 것이며 현재 수소가 그 대안으로 자리 잡고 있다. 수소는 기존의 화석연료가 사용되는 모든 부분에 있어서 유해물질의 배출 없이 연료로서의 대체가 가능한 매우 가치 있는 물질로 평가되고 있다. 재생에너지의 수소에너지로서의 전환은 여러 가지 방식이 연구되고 있으며 그 중 중요한 방법으로 물의 전기분해가 한 분야를 차지한다.
특히 고분자전해질 수전해 방식은 기존의 알칼라인 수전해방식에 비해 높은 전류밀도로 수소를 생산할 수 있으며, 에너지 효율과 수소의 순도가 높고 전해질의 관리가 불필요하며 압축기의 사용 없이 고압의 수소를 생산 할 수 있는 등 여러 가지 장점이 있어 매우 유망한 기술로 여겨진다.
고분자 전해질 막 수전해(이하 PEM 수전해)기술은 수소이온이 이동할 수 있는 양이온 교환막을 전해질로 이용하여 물을 전기분해하는 방법으로, PEM 수전해에서 중요한 구성요소 중 하나는 막-전극접합체(Membrane electrode assembly; MEA)이며, 애노드, 캐소드 및 고분자 전해질 막으로 구성된다.
특히 전기 화학반응이 일어나는 막-전극접합체(MEA)의 최적화는 수전해의 성능에 중요한 영향을 줄 수 있는 구성요소로서, 우수한 성능을 확보하기 위한 막-전극접합체의 최적화에 많은 연구가 진행되고 있다.
한편, 이러한 막-전극접합체의 촉매층은 백금, 이리듐 또는 루테늄과 같은 촉매들이 사용되고 있는데, 촉매의 사용량이 적을 경우에는 전기 전도도가 감소되는 문제가 발생하고 있어 이를 해결할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
이에 본 발명자들은 수전해용 막-전극접합체(MEA)의 애노드 촉매층에서 촉매 사용이 적을 경우 전기 전도도가 감소되는 문제점을 해결하기 위해 연구하던 중, 막전극접합체의 애노드 촉매층에 백금을 코팅시킬 경우, 적은 촉매 사용량에도 전극층의 전기 전도도를 향상시킬 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질막의 일면에 위치하며 애노드 촉매를 포함하는 애노드; 상기 고분자 전해질막의 다른 일면에 위치하며 캐소드 촉매를 포함하는 캐소드; 및 상기 애노드 표면 상에 위치하는 백금층을 포함하는, PEM 수전해용 막전극접합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 본 발명의 PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질막의 일면에 위치하며 애노드 촉매를 포함하는 애노드; 상기 고분자 전해질막의 다른 일면에 위치하며 캐소드 촉매를 포함하는 캐소드; 및 상기 애노드 표면 상에 위치하는 백금층을 포함하는, PEM 수전해용 막전극접합체를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 애노드 촉매는 산화이리듐(IrO2)일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 캐소드 촉매는 백금이 코팅된 탄소 분말(Pt/C)일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 백금층은 20~100nm의 두께로 형성된 것일 수 있다.
또한 본 발명은, (1) 애노드 촉매 및 이온 전도성 고분자를 포함하는 애노드 촉매 슬러리를 제조하고 상기 애노드 촉매 슬러리를 전사필름의 표면에 코팅하여 애노드 전극을 제조하는 단계; (2) 캐소드 촉매 및 이온 전도성 고분자를 포함하는 캐소드 촉매 슬러리를 제조하고 상기 캐소드 촉매 슬러리를 전사필름의 표면에 코팅하여 캐소드 전극을 제조하는 단계; (3) 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극을 각각 고분자 전해질막의 양면에 각각 전사하는 단계; 및 (4) 상기 애노드 전극에 백금층을 코팅하여 애노드 전극 표면에 백금층을 형성시키는 단계를 포함하는, PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 애노드 촉매는 산화이리듐(IrO2)일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 캐소드 촉매는 백금이 코팅된 탄소 분말(Pt/C)일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 백금층은 20~100nm의 두께로 코팅하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 백금층은 스퍼터링 방법으로 코팅하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 스퍼터링 방법은 아르곤 스퍼터링 방법일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자는 양이온 전도성 이오노머(ionomer)일 수 있다.
본 발명에 따른 PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법으로 제조된 막전극접합체는 애노드 표면 상에 스퍼터링 방법으로 코팅된 백금층을 포함하는 구조를 갖는 특징이 있으며, 이로 인해 애노드 촉매층에 촉매의 함량 감소로 인한 전기전도도의 저감 문제를 개선할 수 있는 효과가 있고, 애노드 촉매의 사용을 감소시킬 수 있어 경제적인 효과를 극대화할 수 있으며, 전극층의 전기전도도를 향상시켜 효율적으로 수소를 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에서 제조한 PEM 수전해용 막전극접합체의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 애노드 촉매층에 백금을 코팅하여 제조한 본 발명의 PEM 수전해용 막전극접합체에 대하여 주사전자현미경으로 코팅된 백금층의 표면과 단면을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에서 제조한 PEM 수전해용 막전극접합체들에 대한 성능분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에서 제조한 PEM 수전해용 막전극접합체들에 대한 전기화학적 특성분석 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에서 애노드 촉매층에 백금을 코팅하여 제조한 본 발명의 PEM 수전해용 막전극접합체에 대하여 주사전자현미경으로 코팅된 백금층의 표면과 단면을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에서 제조한 PEM 수전해용 막전극접합체들에 대한 성능분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에서 제조한 PEM 수전해용 막전극접합체들에 대한 전기화학적 특성분석 결과를 나타낸 것이다.
본 발명은 전극층의 전기전도도를 향상시킬 수 있는 PEM 수전해용 막전극접합체를 제공하는 점에 특징이 있으며, 구체적으로 본 발명은, 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질막의 일면에 위치하며 애노드 촉매를 포함하는 애노드; 상기 고분자 전해질막의 다른 일면에 위치하며 캐소드 촉매를 포함하는 캐소드; 및 상기 애노드 표면 상에 위치하는 백금층을 포함하는 PEM 수전해용 막전극접합체를 제공한다.
본 발명에서 PEM 수전해란, 전해질과 분리막으로써 고분자 전해질막을 이용하여 물을 전기분해하여 산소 및 수소를 획득하는 기술을 의미하며, 일반적으로 PEM 수전해용 막전극접합체는 애노드, 캐소드 및 생성된 수소와 산소 가스 분리와 수소 이온이 애노드에서 캐소드로 이동 가능하게 하는 이온 교환막으로 구성된다.
한편, 이러한 PEM 수전해용 막전극접합체는 애노드 촉매 사용량이 적을 경우, 전기전도도가 감소한다는 문제점이 있다. 이에 본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위해 연구하던 중, 애노드 표면 상에 추가로 백금층을 코팅할 경우, 애노드 촉매의 사용량 감소에 따른 전기전도도의 감소 문제를 개선하여 전극층의 전기전도도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
그러므로 본 발명은 애노드 표면 상에 코팅된 백금층을 포함하는 전극층의 전기전도도가 향상된 PEM 수전해용 막전극접합체를 제공한다는 점에 특징이 있다.
본 발명에 따른 상기 PEM 수전해용 막전극접합체는 고분자 전해질막을 포함하는데, 상기 고분자 전해질막은 수소이온을 전달할 수 있는 양이온교환기를 갖는 고분자로 형성된 막을 말하며, 수전해 장치에서 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 위치하는 물질로서 수소이온이 이동하는 통로로 역할을 하며, 불소계 고분자 또는 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 탄화 수소계 고분자는 술폰화 폴리술폰(sulfonatedpolysulfone), 술폰화 폴리에테르술폰(sulfonated polyethersulfone) , 술폰화 폴리에테르케톤(sulfonatedpoly ether ketone), 술폰화폴리에테르에테르케톤(sulfonated poly ether ether ketone), 술폰화폴리아릴렌에테르에테르케톤(sulfonated poly etherether ketone), 술폰화폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated poly aryreneether sulfone), 술폰화폴리아릴에테르벤즈이미다졸(sulfonated poly aryrene ether benzimidazole) 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있고, 상기 불소계 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리비닐플루오라이드(polyvinylfluoride; PVF), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 불소화된 에틸렌프로필렌(fluorinated ethylene-propylene; FEP) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자 전해질막은 대표적인 불소계 고분자인 나피온(dupont; 미국)을 사용하였다.
또한 본 발명에 따른 PEM 수전해용 막전극접합체는 상기 고분자 전해질막의 일면에 위치하며 애노드 촉매를 포함하는 애노드, 즉 애노드 전극을 포함한다.
상기 애노드 촉매는 PEM 수전해 장치에서, 산소발생반응(OER; oxygen evolution reaction)을 촉진하는 물질로, 백금, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 팔라듐, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 이들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 단일물 또는 2종 이상의 혼합물, 예를 들면, 산화이리듐(IrO2)일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 PEM 수전해용 막전극접합체는 상기 고분자 전해질막의 다른 일면에 위치하며 캐소드 촉매를 포함하는 캐소드, 즉 캐소드 전극을 포함한다.
상기 캐소드 촉매는 PEM 수전해 장치에서, 수소발생반응(HER; hydrogen evolution reaction)을 촉진하는 물질로, 백금, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 팔라듐, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 이들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 단일물 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 본 발명의 일실시예에서는 백금이 코팅된 탄소 분말(Pt/C)을 사용하였다.
또한 본 발명에 따른 PEM 수전해용 막전극접합체는 애노드 표면 상에 위치하는 백금층을 포함한다.
상기 백금층은 애노드의 표면 상에 20~100nm의 두께로 형성되어 있으며, 바람직하게는 40~80nm의 두께로 형성된 것일 수 있고, 상기 백금층은 스터퍼링 방법, 바람직하게는 아르곤 스퍼터링 방법으로 애노드 표면 상에 코팅되어 형성된다.
본 발명에 따른 상기 애노드 표면 상에 형성된 백금층을 포함하는 PEM 수전해용 막전극접합체의 구조는 도 1에 나타내었다.
본 발명자들은 애노드 표면 상에 형성된 백금층을 포함하는 본 발명의 PEM 수전해용 막전극접합체에 대한 성능 분석을 수행하였는데, 그 결과 산화이리듐 촉매의 양을 줄여서 제조한 막전극접합체는 적은 촉매 로딩으로 인해 PEM 수전해 성능이 낮아진 것으로 나타났으나, 본 발명의 막전극접합체는 PEM 수전해 성능이 우수한 것으로 나타났고, 애노드 촉매의 전기화학적 활성 피크도 잘 나타났으며 전기화학적 활성 면적도 높게 확인되어 우수한 PEM 수전해 성능이 있음을 확인할 수 있었다.
나아가 본 발명은 상기 본 발명에 따른 PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법을 제공할 수 있는데, 상기 방법은 (1) 애노드 촉매 및 이온 전도성 고분자를 포함하는 애노드 촉매 슬러리를 제조하고 상기 애노드 촉매 슬러리를 전사필름의 표면에 코팅하여 애노드 전극을 제조하는 단계; (2) 캐소드 촉매 및 이온 전도성 고분자를 포함하는 캐소드 촉매 슬러리를 제조하고 상기 캐소드 촉매 슬러리를 전사필름의 표면에 코팅하여 캐소드 전극을 제조하는 단계; (3) 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극을 각각 고분자 전해질막의 양면에 각각 전사하는 단계; 및 (4) 상기 애노드 전극에 백금층을 코팅하여 애노드 전극 표면에 백금층을 형성시키는 단계를 포함한다.
구체적으로 본 발명의 PEM 수전해용 막전극접합체 제조는, 애노드 촉매 및 이온 전도성 고분자를 포함하는 애노드 촉매 슬러리를 제조하고 상기 애노드 촉매 슬러리를 전사필름의 표면에 코팅하여 애노드 전극을 제조한다.
이때 상기 애노드 촉매는 이에 제한되지는 않으나, 백금, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 팔라듐, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 이들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 단일물 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있고, 바람직하게는 산화이리듐(IrO2)을 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는, 산화이리듐(IrO2) 촉매 파우더, 물, 이소프로필알콜 및 나피온 이오노머를 혼합하여 애노드 촉매 슬러리를 제조한 후, PTFE 필름에 코팅하였다.
애노드 전극 제조가 완료되면, 캐소드 촉매 및 이온 전도성 고분자를 포함하는 캐소드 촉매 슬러리를 제조하고 상기 캐소드 촉매 슬러리를 전사필름의 표면에 코팅하여 캐소드 전극을 제조한다.
상기 캐소드 촉매는 이에 제한되지는 않으나, 백금, 루테늄, 이리듐, 오스뮴, 팔라듐, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 이들의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 단일물 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며 바람직하게는, 백금이 코팅된 탄소 분말(Pt/C)을 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는, 백금이 코팅된 탄소(Pt/C) 촉매 파우더, 물, 이소프로필알콜 및 나피온 이오노머를 혼합하여 캐소드 촉매 슬러리를 제조한 후, PTFE 필름에 코팅하였다.
또한, 상기 애노드 촉매 또는 캐소드 촉매의 전사필름 표면에서의 코팅은 당업계의 통상적인 코팅 방법이라면 모두 사용할 수 있으며, 이에 제한되지는 않으나, 스프레이 코팅법(spray coating), 스크린 프린팅법(screen printing), 테잎캐스팅법(tape casting), 붓칠법(brushing) 및 슬롯 다이 캐스팅법(slot die casting)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 방법을 통해 수행할 수 있다.
이후, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극을 각각 고분자 전해질막의 양면에 전사한다.
이때 상기 고분자 전해질막은 수소이온을 전달할 수 있는 양이온교환기를 갖는 고분자로 형성된 막을 말하며, 수전해 장치에서 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 위치하는 물질로서 수소이온이 이동하는 통로로 역할을 하며, 불소계 고분자 또는 탄화수소 고분자를 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 고분자 전해질막은 이에 제한되지는 않으나, 술폰화 폴리술폰(sulfonatedpolysulfone), 술폰화 폴리에테르술폰(sulfonated polyethersulfone), 술폰화 폴리에테르케톤(sulfonatedpoly ether ketone), 술폰화폴리에테르에테르케톤(sulfonated poly ether ether ketone), 술폰화폴리아릴렌에테르에테르케톤(sulfonated poly etherether ketone), 술폰화폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated poly aryreneether sulfone), 술폰화폴리아릴에테르벤즈이미다졸(sulfonated poly aryrene ether benzimidazole) 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있고, 상기 불소계 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride; PVDF), 폴리비닐플루오라이드(polyvinylfluoride; PVF), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 불소화된 에틸렌프로필렌(fluorinated ethylene-propylene; FEP) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
또한 상기 전사 방법은 당업계에 알려진 방법이라면 모두 사용할 수 있고, 본 발명에서는 데칼 전사방법, 즉 열과 압력을 동시에 가하여 전사체를 피전사체에 전사하는 방법을 사용하였다.
다음으로. 상기 애노드 전극에 백금층을 코팅하여 애노드 전극 표면에 백금층을 형성시키는 단계를 수행한다.
이때 상기 백금층을 애노드 전극 표면에 형성시키는 방법은 스퍼터링 방법을 사용할 수 있고, 바람직하게는 아르곤 스퍼터링 방법을 사용하여 20~100nm의 두께의 백금층을 형성시킨다.
만일 100nm 두께를 초과하게 될 경우, 물질 전달저항이 생겨서 고전류에서 성능이 감소하는 문제점이 발생할 수 있으며 백금코팅에 의한 가격 상승의 문제가 발생할 수 있고, 반면 20nm 두께 미만으로 얇게 형성되면 전기전도도를 부여하는 기능이 감소하는 문제점이 생길 수 있다. 따라서 상기 백금층은 20~100nm의 두께로 형성하는 것이 중요하며, 바람직하게는 40~80nm의 두께로 형성할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서는, 아르곤 스퍼터링 방법으로 100W에서 10분간 코팅하여 80nm 두께의 백금층을 형성시켰고, 다른 일실시예에서는 100W에서 5분간 코팅하여 40nm 두께의 백금층 형성시켰다.
상기 기술된 방법과 같이, 애노드 전극 표면에 백금층이 코팅된 구조를 갖는 본 발명의 막전극접합체는 애노드 촉매층에 촉매 사용량이 적을 경우, 발생하는 전기전도도의 저감 문제를 개선할 수 있으며, 궁극적으로 전극층의 전기전도도 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
애노드 촉매층에 백금이 코팅된 PEM 수전해용 막전극접합체의 제조
본 발명자들은 전극층의 전기전도도를 향상시킬 수 있는 막전극접합체의 제조를 위해 다음과 같은 방법으로 PEM 수전해용 막전극접합체를 제조하였다.
먼저, 산화이리듐 촉매 파우더 0.3 g, 물 0.12 g, 이소프로필 알콜 0.68 g, 20% 나피온 분산액 0.224g가 혼합된 애노드 촉매 슬러리를 제조한 후, 이를 PTFE(polytetrafluoroethylene) 필름의 애노드에 코팅하였다. 또한, 50%백금/카본(Pt/C) 촉매 파우더 0.1 g, 물 0.52 g, 이소프로필 알콜 1.1 g, 20% 나피온 분산액 0.1875 g가 혼합된 캐소드 촉매 슬러리를 제조한 후, 이를 PTFE 필름의 캐소드에 코팅하였다. 이후 핫프레스를 이용하여 상기 촉매층이 코팅된 애노드 및 캐소드 필름을 나피온 막의 양쪽에 각각 전사하였다.
그런 다음, 상기 산화이리듐 촉매가 코팅된 애노드 촉매층에 아르곤 스퍼터링 방법으로 백금층을 코팅하였는데, 이때 상기 코팅은 100W에서 10분 동안 코팅하여 80 nm두께의 백금층이 형성되도록 하여, 산화이리듐 촉매가 코팅된 애노드 촉매층에 백금층이 추가로 형성된 본 발명에 따른 PEM 수전해용 막전극접합체(MEA2)를 제조하였다.
<실시예 2>
애노드 촉매층에 백금이 코팅된 PEM 수전해용 막전극접합체의 제조
상기 실시예 1의 방법과 동일하게 수행하되, 상기 산화이리듐 촉매가 코팅된 애노드 촉매층에 아르곤 스퍼터링 방법으로 백금층을 코팅할 때, 100 W에서 5분 간 코팅하여 40 nm 두께의 백금층이 형성되도록 코팅하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 본 발명에 따른 PEM 수전해용 막전극접합체(MEA3)를 제조하였다.
<비교예 1>
PEM 수전해용 막전극접합체의 산화이리듐 촉매층(애노드)에서 산화이리듐 촉매의 로딩양을 줄여서 0.5 mg/cm2 양을 사용하여 PEM 수전해용 막전극접합체를 제조하였고, 단 상기 실시예 1에서 수행한 산화이리듐 촉매가 코팅된 애노드 촉매층에 아르곤 스퍼터링 방법으로 백금층을 코팅하는 과정은 수행하지 않고 PEM 수전해용 막전극접합체(MEA1)를 제조하였다. 즉, 애노드 촉매층에 백금층의 코팅층이 없고 산화이리듐 촉매는 상기 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 양을 사용하여 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1에 따른 PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법에서 애노드 층에 산화이리듐 촉매층 형성없이 아르곤 스퍼터링 방법으로 백금층만 코팅하여 PEM 수전해용 막전극접합체(MEA4)를 제조하였다.
상기 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 2 및 비교예 1 내지 비교예 2의 방법으로 제조된 PEM 수전해용 막전극접합체의 구조를 도 1에 나타내었다.
<실험예 1>
스퍼터링 방법으로 코팅된 백금층의 표면분석
상기 실시예 1에서 제조한 본 발명의 PEM 수전해용 막전극접합체에서 산화이리듐 촉매가 코팅된 애노드 촉매층에 백금층이 형성되었는지는 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다.
그 결과, 도 2에 나타낸 바와 같이, 나피온 전해질 막의 애노드 촉매층에 약 80 nm두께의 백금층이 잘 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
<실험예 2>
막전극접합체의 성능분석
본 발명자들은 상기 실시예 및 비교예의 방법으로 제조된 총 4종류의 막전극접합체를 대상으로 성능 분석을 수행하였다. 상기 성능분석은 제조한 막전극접합체( MEA)의 애노드에 물을 흘리는 상태에서 포텐시오스탯을 이용하여 전류를 증가시키면서 전압을 측정함으로써 성능 곡선을 얻었다.
그 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 산화이리듐 촉매의 양을 줄여서 제조한 막전극접합체(MEA-1)는 적은 촉매 로딩으로 인해 전도성이 낮아져 PEM 수전해 성능이 낮아진 것을 확인할 수 있었고, 비교예 2의 애노드에 산화이리듐 촉매층 없이 백금층만을 코팅하여 제조한 막전극접합체(MEA-4)에서는 애노드가 촉매 성능이 전혀 없는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 애노드 촉매층에 80nm 두께로 백금층을 코팅하여 제조한 본 발명의 막전극접합체(MEA-2)는 PEM 수전해 성능이 우수한 것으로 나타났고, 40nm 두께로 백금층을 코팅하여 제조한 본 발명의 막전극접합체(MEA-3) 역시 PEM 수전해 성능이 우수한 것으로 나타났다.
이러한 결과를 통해 본 발명자들은 애노드 촉매층에 백금층을 코팅하여 막전극접합체를 제조할 경우, PEM 수전해 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었고, 산화이리듐의 촉매 사용량이 적을 경우, 감소되는 전기전도도의 문제점을 개선할 수 있음을 알 수 있었다.
<실험예 3>
막전극접합체의 전기화학적 평가
본 발명자들은 상기 실시예 및 비교예의 방법으로 제조된 총 4종류의 막전극접합체에 대한 전기화학적 평가를 수행하였다. 이를 위해 상기 제조한 막전극접합체의 애노드에 물을 흘리고 캐소드에는 수소를 흘리는 상태에서 전류를 0 ~ 1.3 V까지, 1.3 ~ 0 V까지 변화시키면서 발생하는 전류를 측정하였다.
그 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 산화이리듐 촉매의 양을 줄여서 제조한 막전극접합체(MEA-1)는 산화이리듐 촉매의 전기화학적 활성이 잘 나타나지 않으며, 전기화학적 활성 면적도 매우 낮은 것으로 나타났다. 또한, 비교예 2의 애노드에 산화이리듐 촉매층 없이 백금층만을 코팅하여 제조한 막전극접합체(MEA-4)는 물분해 성능과 관련된 전기화학 피크가 전혀 나타나지 않았다.
한편, 애노드에 백금층이 코팅된 본 발명의 막전극접합체(MEA-2)는 산화이리듐 촉매의 전기화학적 활성 피크가 잘 나타났으며, 전기화학적 활성 면적도 높은 것을 확인할 수 있었다.
이상의 결과를 통해 본 발명자들은 수전해용 막전극접합체의 애노드 촉매층에 스퍼터링 방법으로 백금층을 코팅할 경우, 막전극접합체의 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 종래 산화이리듐의 촉매 사용량 감소에 따른 전기전도도의 감소를 효과적으로 개선시킬 수 있음을 알 수 있었다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (11)
- 삭제
- 삭제
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- (1) 애노드 촉매 및 이온 전도성 고분자를 포함하는 애노드 촉매 슬러리를 제조하고 상기 애노드 촉매 슬러리를 전사필름의 표면에 코팅하여 애노드 전극을 제조하는 단계;
(2) 캐소드 촉매 및 이온 전도성 고분자를 포함하는 캐소드 촉매 슬러리를 제조하고 상기 캐소드 촉매 슬러리를 전사필름의 표면에 코팅하여 캐소드 전극을 제조하는 단계;
(3) 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극을 각각 고분자 전해질막의 양면에 각각 전사하는 단계; 및
(4) 상기 애노드 전극에 백금층을 코팅하여 애노드 전극 표면에 백금층을 형성시키는 단계를 포함하는,
PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 애노드 촉매는 산화이리듐(IrO2)인 것을 특징으로 하는, PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 캐소드 촉매는 백금이 코팅된 탄소 분말(Pt/C)인 것을 특징으로 하는, PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 백금층은 20~100nm의 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는, PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 백금층은 스퍼터링 방법으로 코팅되는 것을 특징으로 하는, PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 스퍼터링 방법은 아르곤 스퍼터링 방법인 것을 특징으로 하는, PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법. - 제5항에 있어서,
상기 이온 전도성 고분자는 양이온 전도성 이오노머(ionomer)인 것을 특징으로 하는, PEM 수전해용 막전극접합체의 제조방법.
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2021
- 2021-12-29 KR KR1020210191365A patent/KR102642597B1/ko active IP Right Grant
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2022
- 2022-12-28 US US18/090,122 patent/US20230203679A1/en active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013082999A (ja) | 2011-09-28 | 2013-05-09 | Toshiba Corp | 触媒層、膜電極接合体及び電気化学セル |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230101340A (ko) | 2023-07-06 |
| US20230203679A1 (en) | 2023-06-29 |
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