KR20030043113A - 연료전지의 기체확산층 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 기체확산층은 카본페이퍼의 한쪽면에 촉매의 담체와 동일한 물질인 카본블랙을 유기용매와 혼합한 잉크 슬러리를 도포하여 더미(dummy) 전극을 제조하고, 상기 더미 전극을 160 ℃의 온도에서 10∼20 분간 건조시키고, 상기 건조된 더미 전극이 포함된 기체확산층을 소수성 고분자 용액에 함침 또는 소수성 고분자 용액으로 도포하고, 100 ℃의 온도에서 10∼20 분간 건조시키고, 다시 350 ℃의 온도에서 15∼30 분간 열처리하여 제조된다.

Description

연료전지의 기체확산층 및 그 제조방법{Gas Diffusion Layer of Fuel Cell and Method of Preparing the same}

발명의 분야

본 발명은 연료전지의 막전극 결합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 전해질 고분자막에 직접 촉매층(전극층)을 코팅하고, 더미(dummy) 전극이 포함된 신규의 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)을 제조하여 막전극 결합체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 신규의 기체확산층을 제조하는 방법도 포함한다.

발명의 배경

이제까지 막전극 결합체를 제조하는 방법은 기체확산층에 촉매물질을 코팅하여 전극층(또는 촉매층)을 형성하고, 이를 적당한 압력과 온도에서 전해질 고분자막과 고온프레스 과정(hot pressing)을 통하여 접착하는 방법이다. 기체확산층은카본페이퍼 또는 카본클로스(carbon cloth)가 주로 사용되고 있고, 촉매층(전극층)을 형성하기 위한 촉매물질로는 카본블랙을 담체로 하고 백금을 촉매로 하는 Pt/C 이 사용되고 있다.

위와 같은 방법은 소규모로 막전극 결합체를 제조하는 경우에는 큰 문제가 없다. 그러나 대량으로 막전극 결합체를 제조하는 경우에 위와 같은 종래의 방법은 적절하지 못하다. 즉 막전극 결합체를 대량으로 제조하기 위해서는 전극층(촉매층)을 기체확산층에 형성시켜서는 안되고, 전해질 고분자막에 전극층을 직접 코팅하여 형성하여야 한다.

본 발명자는 연료전지의 전해질 고분자막에 촉매층을 직접 코팅하여 전지를 구성하는 경우, 여기에 적용될 수 있는 더미(dummy) 전극이 포함된 기체확산층을 제조하는 새로운 방법을 개발하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 연료전지의 막전극 결합체를 대량으로 제조하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 연료전지의 막전극 결합체를 대량으로 제조하기 위하여 더미 전극이 포함된 기체확산층을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

발명의 요약

본 발명에 따른 기체확산층은 카본페이퍼의 한쪽면에 촉매의 담체와 동일한 물질인 카본블랙을 유기용매와 혼합한 잉크 슬러리를 도포하여 더미(dummy) 전극을 제조하고, 상기 더미 전극을 160 ℃의 온도에서 10∼20 분간 건조시키고, 상기 건조된 더미 전극이 포함된 기체확산층을 소수성 고분자 용액에 함침 또는 소수성 고분자 용액으로 도포하고, 100 ℃의 온도에서 10∼20 분간 건조시키고, 다시 350 ℃의 온도에서 15∼30 분간 열처리하여 제조된다.

발명의 구체예에 대한 상세한 설명

상기 카본블랙은 블렌더(blender)에서 1∼5 분간 밀링하여 분말 밀도(fluffy density)가 20 이상인 것이 바람직하고, 상기 카본블랙과 유기용매의 사용량은 유기용매 1 ㎖에 대하여 0.05∼0.1 g의 카본블랙을 사용하고, 유기용매로는 에틸렌글리콜이 바람직하다. 분말 밀도는 하기 식에 의하여 계산된다.

분말 밀도 = (카본블랙 무게×1000)/물의 무게

유기용매에 카본블랙을 교반하면서 첨가하여 더미 전극을 제조하기 위한 잉크슬러리를 제조한다. 잉크슬러리를 카본페이퍼에 코팅하는데, 이때의 코팅은 스크린 프린팅에 의한 방법이다. 잉크슬러리를 카본페이퍼에 스크린 프린팅하는 방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있다.

스크린 프린팅 방법에 의하여 잉크슬러리가 카본페이퍼에 도포되어 더미 전극이 완성되면, 이 더미 전극을 약 160 ℃의 오븐에서 10∼20 분간 건조시킨다. 상기 건조된 더미 전극이 포함된 기체확산층을 소수성 고분자 용액내에 함침시키거나 소수성 고분자 용액으로 코팅한다. 소수성 고분자 용액의 대표적인 예는 테프론(Teflon) 수용액으로, 이는 테프론 용액과 증류수의 용액이다. 테프론 용액 1 ㎖에 대하여 1.4∼1.7 ㎖의 증류수를 혼합하는 것이 바람직하다.

소수성 고분자 용액으로 도포하거나 소수성 고분자 용액에 함침되었던 더미 전극이 포함된 기체확산층은 약 100 ℃의 오븐에서 10∼20 분간 건조시키고, 다시 약 350 ℃의 온도에서 15∼30 분간 열처리한다.

상기와 같은 방법에 의하여 더미 전극이 포함된 기체확산층이 제조된다.

전해질 고분자막에 촉매층(전극층)을 형성하기 위하여 촉매물질을 전해질 고분자막에 도포한다. 촉매물질은 카본블랙을 담체로 하고 백금을 촉매로 하는 Pt/C이다.

상기에서 제조된 기체확산층을 상기 촉매층(전극층)이 형성된 전해질 고분자막에 적층하거나 또는 고온 프레스 공정(hot pressing)에 의하여 막전극 결합체를 제조한다.

본 발명에서는 전극층(촉매층)을 기체확산층에 형성하지 않고, 전해질 고분자막에 형성하고, 더미 전극이 형성된 기체확산층을 별도로 제조하여 막전극결합체를 제조하기 때문에 막전극결합체를 대량으로 제조하는 경우에 매우 유리하다.

본 발명은 연료전지의 막전극 결합체를 대량으로 제조하기 위하여 더미 전극이 포함된 기체확산층을 제조하는 방법을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (6)

1. 카본페이퍼의 한쪽면에 촉매의 담체와 동일한 물질인 카본블랙을 유기용매와 혼합한 잉크 슬러리를 도포하여 더미(dummy) 전극을 제조하고;

   상기 더미 전극을 160 ℃의 온도에서 10∼20 분간 건조시키고;

   상기 건조된 더미 전극이 포함된 기체확산층을 소수성 고분자 용액에 함침 또는 소수성 고분자 용액으로 도포하고;

   상기 기체확산층을 100 ℃의 온도에서 10∼20 분간 건조시키고; 그리고

   상기 기체확산층을 350 ℃의 온도에서 15∼30 분간 열처리하는;

   단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 카본블랙은 블렌더(blender)에서 1∼5 분간 밀링하여 하기식에 의하여 계산되는 분말 밀도(fluffy density)가 20 이상이고, 상기 카본블랙과 상기 유기용매의 사용량은 유기용매 1 ㎖에 대하여 0.05∼0.1 g의 카본블랙을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층의 제조방법:

   분말 밀도 = (카본블랙 무게×1000)/물의 무게
3. 제1항에 있어서, 상기 유기용매는 에틸렌글리콜인 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 소수성 고분자 용액은 테프론 용액과 증류수의 혼합 용액으로, 상기 테프론 용액 1 ㎖에 대하여 1.4∼1.7 ㎖의 증류수를 혼합하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층의 제조방법.
5. 상기 제1항 내지 제4항의 어느 한 항의 방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 기체확산층.
6. 전해질 고분자막에 촉매층(전극층)을 형성하기 위하여 카본블랙을 담체로 하고 백금을 촉매로 하는 Pt/C 촉매물질을 전해질 고분자막에 도포하고;

   상기 제1항 내지 제4항의 어느 한 항의 방법에 따라 기체확산층을 제조하고; 그리고

   상기에서 제조된 기체확산층을 상기 촉매층(전극층)이 형성된 전해질 고분자막에 적층하거나 또는 고온 프레스 공정(hot pressing)을 행하는;

   단계에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 막전극 결합체의 제조방법.