KR200364489Y1 - 이중구조 촉매층을 갖는 막-전극 접합체 - Google Patents

Abstract

본 고안은 연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 산화환원 반응이 일어나는 촉매층을 소수성 고분자 촉매층과 이온전도성 고분자 촉매층을 접합하여 이중구조로 제작하고, 제작된 이중구조 촉매층을 이온전도성 고분자 전해질 막의 양면에 접합함으로써 제조되는 막-전극 접합체(MEA)에 관한 것이다.

Description

이중구조 촉매층을 갖는 막-전극 접합체{Membrane Electrode Assembly with Dual Structure Catalyst Layers}

본 고안은 연료전지의 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화환원 반응이 일어나는 촉매층의 조성 및 구조를 효율적으로 제작함으로서 연료전지의 성능을 향상시킨 이중구조 촉매층을 갖는 막-전극 접합체에 관한 것이다.

화석연료의 점진적인 고갈과 심화되고 있는 환경문제로 인하여 대체에너지에 대한 관심과 연구가 급속히 증가하면서, 수소에너지, 태양에너지, 풍력, 조력, 지열 등에 관한 연구 개발이 세계적으로 이루어지고 있다. 특히 수소에너지는 높은 에너지 밀도와 발전효율성, 시간과 장소에의 비제약성, 초소형부터 초대형까지의 다양한 적용능 등, 다른 대체에너지에 비하여 많은 장점을 가지고 있기 때문에 빠른 시일 내에 대표적인 대체에너지 원으로 각광을 받을 것으로 전망되고 있다.

수소에너지는 연료전지를 통하여 수소의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환하여 사용함으로써 높은 에너지 효율을 가질 수 있으며, 적용분야에 따라 고온형 및 저온형 연료전지를 선택하여 사용할 수 있다. 연료전지는 통상적으로 전해질의 종류에 따라 분류되고 있으며, 고온형에는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 등이 있고, 저온형에는 고체 고분자 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등이 대표적으로 개발되고 있다.

화석연료의 소모와 환경공해 발생의 대부분을 차지하고 있는 차량의 경우에는 시동시간이 짧고 부하변동에 대한 응답특성이 빠른 고체 고분자 연료전지가 대체에너지 원으로써 개발이 되어 있으며, 차량에 탑재시켜 시험운행 중에 있다. 노트북 컴퓨터, 휴대폰, PDA 등 이동용 가전분야에서는 연료사용이 편리한 직접 메탄올 연료전지가 탑재 되어 시판을 앞두고 있다. 직접 메탄올 연료전지는 연료의 취급이 용이하다는 장점이 있으나, 메탄올 크로스오버 등의 문제로 인한 에너지효율의 감소, 일산화탄소의 백금촉매에 대한 피독성 문제로 인한 촉매 사용량의 증가 등으로 단위 전력 발생량 당 가격이 높은 편이어서 현재로서는 소형 전력공급원 이외에는 적합하지 않다.

고체 고분자 연료전지는 에너지 효율이 높으면서 고분자막을 전해질로 사용하기 때문에 부식이나 크랙 발생의 염려가 없고, 전해질이 누출될 염려도 없으며 제작이 간편하여 차량용 이외에도 현지 설치형 발전용 및 군사용 전원으로써도 응용되고 있다. 또한 소형 및 초소형 개질기의 개발로 직접 메탄올 연료전지의 분야에 까지 응용분야가 확대될 것으로 예측된다.

현재 시험 중인 연료전지 개발 제품들은 아직 기존의 에너지원에 비해 가격이 높아 시장진입에 어려움을 겪고 있으며, 이런 문제를 해결하기 위하여 연료전지 성능의 향상, 제작공정의 개선, 신소재개발 및 사용량 감소 등을 통하여 꾸준히 발전되고 있는 상태이다.

시장진입이 목전에 온 것으로 생각되고 있는 고체 고분자 연료전지는 아직 각 구성부품의 단가가 현실적으로 높은 상태이다. 주요부품으로는 이온전도성 전해질막, 백금촉매, 담체와 바인더, 가스확산층, 전기전도층, 밀봉용 가스켓, 유로판, 기타 전류 집전기 및 스택 조립을 위한 부속품으로 구성되어 있다. 시스템화를 위해서는 수소와 산소의 공급 및 조절을 위한 부분, 습도 조절 부분, 냉각 및 온도 조절 부분 등이 있다. 그 외에도 발전된 전기에너지의 제어장치와, 수소를 연료로 사용하지 않았을 때 필요한 수소 발생장치 등을 주요 부분으로 볼 수 있다.

고체 고분자 연료전지의 전기화학적 반응의 핵심부품으로 볼 수 있는 막-전극 접합체(MEA)에는 특히 가격구성 비율이 높은 이온전도성 전해질막과 백금촉매 등이 사용된다. 이 부분은 전력 생산효율과 직결된 부분이기 때문에 연료전지의 성능향상과 가격경쟁력을 높이는데 가장 중요한 부분으로 간주되고 있다.

일반적으로 사용되고 있는 막-전극 접합체의 제조방식은 몇 가지로 나눌 수 있다. 먼저 고분자 전해질 용액을 포함한 촉매 페이스트를 제작하여 건조, 형성된 촉매층 필름을 고분자 전해질 막의 양면에 열 압착하여 제작하거나, 촉매 페이스트를 전해질 막 상에 인쇄 또는 스프레이 등으로 도포한 후 건조하여 제작할 수도 있다. 촉매 페이스트는 고분자 전해질 용액뿐 아니라 소수성 고분자 용액을 사용하기도 하며, 고분자 전해질 용액과 소수성 고분자 용액을 혼합하여 사용하기도 한다. 그 후 양쪽바깥 면에 가스확산층을 열 압착하여 완성한다.

다른 방법으로는 가스확산층의 한 면에 스프레이나 인쇄에 의하여 촉매층을 형성한 후, 촉매층이 형성된 가스확산층의 면을 고분자 전해질 막의 양면에 열 압착하여 제작할 수도 있다. 이 때에도 촉매 페이스트는 고분자 전해질 용액 또는 소수성 고분자 용액을 사용하며, 고분자 전해질 용액과 소수성 고분자 용액을 혼합하여 사용하기도 한다.

촉매층에서는 탄소입자에 담지된 백금촉매에 의한 수소와 산소의 산화환원 반응; 밀착된 탄소입자에 의한 전자의 이동; 수소, 산소 및 수분을 공급하고 반응 후 잉여 가스를 배출하기 위한 유로의 확보; 산화된 수소이온의 이동 등이 동시에 이루어져야만 한다. 더욱이 성능의 향상을 위해서는 공급가스와 백금촉매 및 이온전도성 고분자 전해질이 만나는 삼상계면영역(Triple Phase Boundary)의 면적을 증대시켜 활성분극(Activation Overpotential)을 줄여야 하며, 촉매층과 전해질 막과의 계면 및 촉매층과 가스확산층과의 계면을 균일하게 접합하여 계면에서의 오옴저항(Ohmic Overpotential)을 줄여야 한다. 또한 수소이온 이동에 따른 오옴저항을 줄이기 위해서는 전해질막의 두께가 되도록 얇아야 한다. 전해질막이 지나치게 얇게 되면 가스의 혼입이 일어나게 되어 효율이 낮아지게 되며, 또한 열 압착 시 전해질막의 양편에 있는 탄소 담지 촉매의 쇼트가 일어날 가능성이 커지게 되므로 제조공정의 어려움이 따르게 된다.

전류밀도가 높은 수준에서 연료전지를 작동할 때는 가스의 공급이 산화환원 반응보다 늦어져 농도분극(Concentration Polarization)이 일어나게 되는데 이 문제를 줄이기 위해서는 잉여 반응물을 신속하게 제거해야 한다. 즉 가스유로의 확보가 요구되며 이를 가장 크게 방해하는 요인은 물의 응축으로 인한 유로의 막힘 현상(Flooding)이다.

촉매층 형성에 있어서 촉매 페이스트를 제작할 때 소수성 고분자 용액을 사용하는 목적은 물의 응축을 방지하여 가스의 원활한 움직임을 확보하기 위한 것이다. 또 소수성 고분자 용액은 촉매입자의 바인더로써의 역할을 수행한다.

도 1은 종래의 기술에 따라 촉매층을 형성함에 있어서, 바인더로써 소수성 고분자 용액만을 사용한 경우의 막-전극 접합체를 나타낸 것이다. 이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 삼상계면영역이 전해질막(1)과 촉매층(2, 21) 사이의 비교적 평탄한 계면으로써 넓은 영역을 갖지 못하며, 제조시 열 압착에 의한 약간의 굴곡 정도가 예상될 뿐이다. 따라서 삼상계면영역 이외의 위치에 있는 대다수의 촉매는 전자를 전도시키는 역할정도만 할 뿐 고유의 산화환원 반응을 완성할 수가 없게 된다는 문제점이 있다. 또 지나친 열 압착은 양쪽의 촉매층(2, 21) 사이에서 쇼트가 일어날 수도 있으며, 열 압착이 너무 약한 경우에는 전해질막(1)과 소수성 고분자 바인더 사이에서 상분리(Phase Separation)가 일어나 계면저항이 높아질 수도 있다.

도 2는 종래의 기술에 따라 촉매층을 형성함에 있어서, 바인더로써 이온 전도성 고분자 전해질 용액만을 사용한 경우의 막-전극 접합체를 나타낸 것이다. 이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 촉매층(3, 31) 내부에 물이 응축될 가능성이 높아져서 가스유로의 확보가 어려워지고, 따라서 삼상계면영역이 촉매층(3, 31)과 가스확산층(4, 41) 사이의 비교적 평탄한 계면으로써 넓은 영역을 갖지 못하며, 제조시 열 압착에 의한 약간의 굴곡 정도가 예상될 뿐이다. 따라서 삼상계면영역 이외의 위치에 있는 대다수의 촉매는 고유의 기능을 수행하지 못하고 사장될 수 있다는 문제점이 있다. 또한 지나친 열 압착은 양쪽의 촉매층(3, 31) 사이에서 쇼트가 일어날 수도 있으며, 이와는 별도로 이온전도성 촉매층 바인더와 발수처리된 가스확산층(4, 41) 사이에서 상분리가 일어나 계면저항이 높아질 수도 있다.

도 3은 종래의 기술에 따라 촉매층을 형성함에 있어서, 바인더로써 이온 전도성 고분자 전해질 용액과 소수성 고분자 용액을 혼합하여 사용한 경우의 막-전극 접합체를 나타낸 것이다.

촉매 페이스트 제작시 바인더로써 이온전도성 고분자 전해질 용액과 소수성 고분자 용액을 혼합하여 사용하는 경우, 두 고분자 용액의 구성비는 대체적으로 소수성 고분자 용액을 위주로 사용하고 전해질 용액을 소량 첨가하는 방식이 주로 이용된다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 구성성분이 적은 이온전도성 고분자 전해질 촉매층(5, 51)은 분리된 상(Separate Phase)으로 존재하게 되며, 소수성 고분자 촉매층(52, 53)이 연속상(Continuous Phase)으로 존재하게 된다. 이러한 구조를 갖는 촉매층은 상기한 소수성 고분자 용액만을 사용한 경우의 문제점을 그대로 내포하고 있으며, 부분적인 물의 응축으로 인하여 오히려 가스의 유로를 더욱 방해할 가능성도 있을 수 있다. 분리된 상으로 존재하는 전해질 층은 수소이온을 전해질 막까지 전달할 확률이 매우 적으며, 막을 통과한 수소이온 역시 분리된 상으로 존재하는 공기극 측의 전해질 층으로 전달될 확률이 매우 적기 때문에 불필요한 삼상계면영역이라고 볼 수 있다. 수소이온의 이동은 그로터스 메커니즘(Grotthuss Mechanism)으로 설명될 수 있다. 수소이온은 H₃O⁺의 형태로 되어 있으며, 주변의 다른 물분자들과 수소결합된다. H₃O⁺의 한 OH 공유결합은 수소결합 된 OH와 동일 선상에 있으며, 중간에 있는 H 원자의 작은 진동에 의해서도 공유결합과 수소결합이 교환될 수 있다. 이러한 과정이 반복되면서 수소이온은 빠르게 이동할 수 있다. 결국 H₃O⁺이온의 이동은 자리이동에 의한 전달이 아니고 주변의 다른 물 분자의 회전에 의해서 전하의 중심이 뒤바뀌는 것이라고 볼 수 있다. 따라서 분리된 상으로 존재하는 전해질 층에서는 물 분자의 연속상도 불가능하므로 수소이온의 전달확율도 매우 적다고 할 수 있다. 다만 약간의 고분자 전해질 촉매층은 전해질 막(1)과 접합될 가능성이 있으므로 이 경우에는 삼상계면영역의 약간의 확대를 기대할 수 있다. 그러나 분리된 상으로 존재하는 전해질 촉매층에 의한 가스유로의 방해요인이 이를 상쇄한다고 예상할 수 있으며, 이는 전해질 용액의 구성비를 높여가도 비슷한 결과를 예상할 수 있다.

만일 촉매 페이스트를 제작할 때 바인더로써 고분자 전해질 용액의 구성비가 소수성 고분자 용액보다 높아진다면 고분자 전해질 촉매층이 연속상이 될 것이며, 소수성 촉매층이 분리된 상으로 될 것이다. 분리된 상으로써의 소수성 촉매층은 주변과의 가스확산이 어려워져 결국 상기한 고분자 전해질 용액만을 사용했을 때의 문제점을 그대로 내포하게 되며, 오히려 수소이온 통로의 단면적을 축소시킬 가능성도 있다.

본 고안에 있어서, 소수성 고분자 촉매층을 제조하는데 사용된 고분자는 폴리테트라 플루오로에틸렌이고, 이온전도성 고분자 촉매층을 제조하는데 사용된 고분자는 퍼플루오로설포네이트 이오노머가 바람직하다.

촉매층의 조성과는 별도로 막-전극 접합체(MEA)의 형상이나 소재 자체의 변형 등을 통하여 성능향상을 기하고자 하는 노력도 시도되고 있다. 이러한 시도들은 대체적으로 시설비용이 추가되어야만 하고, 또한 공정상의 애로점도 존재하여 결과적으로 연료전지의 성능향상과 가격경쟁력 강화라는 두 가지 필수적인 요건을 동시에 충족시키지는 못하고 있는 실정이다.

본 고안의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 추가적인 시설비용이 소요되지 않고 공정상의 애로점도 없으면서 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 촉매층의 조성 및 구조를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래의 촉매층 형성에 있어서 바인더로써 소수성 고분자 용액만을 사용했을 때의 막-전극 접합체의 단면도.

도 2는 종래의 촉매층 형성에 있어서 바인더로써 이온 전도성 고분자 전해질 용액만을 사용했을 때의 막-전극 접합체의 단면도.

도 3은 종래의 촉매층 형성에 있어서 바인더로써 이온 전도성 고분자 전해질 용액과 소수성 고분자 용액을 혼합하여 사용했을 때의 막-전극 접합체의 단면도.

도 4는 본 고안에 의한 촉매층의 구조가 소수성 고분자 촉매층과 이온 전도성 고분자 촉매층의 두 층으로 나뉘어져 있으며, 그 계면이 빗살 형태를 갖는 막-전극 접합체의 단면도.

도 5a는 본 고안에 의한 이중구조 촉매층을 제작하기 위하여 두 촉매층 필름을 열 압착한 것을 나타낸 단면도.

도 5b는 본 고안에 의한 이중구조 촉매층이 맞물려 있는 구조를 나타낸 단면도.

도 5c는 도 5b의 A를 확대한 도면으로, 계면에서 두 촉매층의 촉매 사이에 접촉된 것을 나타낸 단면도.

본 고안에 의한 막-전극 접합체의 구조는 도 4에 도시된 바와 같이, 산화환원 반응이 일어나는 촉매층의 구조가 소수성 고분자 촉매층(6, 61)과 이온전도성 고분자 촉매층(62, 63)의 두 층으로 구성되어 있으며, 특히 이 두 층 사이의 계면은 두 개의 빗살이 맞물려 있는 형태로 되어 있다. 또한 소수성 고분자 촉매층(6, 61)은 발수처리된 가스확산층(4, 41)과 접하고 있고, 이온전도성 고분자 촉매층(62, 63)은 이온전도성 고분자 전해질 막(1)의 양 면과 접하고 있다.

이하, 본 고안에 의한 막-전극 접합체의 제조방법과 이 제조방법에 따른 막-전극 접합체의 구조 및 각 구성 성분들의 작용을 설명한다.

본 고안의 핵심을 이루고 있는 이중구조 촉매층의 제작에 있어서, 먼저 소수성 고분자 촉매층과 이온전도성 고분자 촉매층을 각각 제작한 후 이 둘을 열 압착의 방식으로 접합한다. 접합 후, 계면 상에 빗살이 맞물려 있는 구조를 형성하기 위하여 각 촉매층의 조성을 다음과 같이 한다.

소수성 고분자 촉매층의 조성은 이 촉매층이 건조된 후 담체를 포함한 촉매의 부피%가 소수성 고분자 수지의 부피%의 4 내지 5배가 되도록 하며, 이 촉매층의 공극율이 10 내지 20 부피%가 되도록 한다. 이온전도성 고분자 촉매층의 조성은 이 촉매층이 건조된 후, 담체를 포함한 촉매의 부피%가 이온전도성 고분자 수지의 부피%와 같거나 약간 작게 되도록 하며 공극율은 무시한다. 이렇게 제조된 두 촉매층 간의 부피 비율은 비슷하게 되도록 한다. 건조된 두 촉매층 필름을 도 5(a)와 같이 열 압착기를 이용하여 100 내지 150℃의 온도에서 100 내지 200 기압의 고압으로 30초 내지 1분 동안 접합한다.

본 고안에서 사용된 촉매로는 백금을 들 수 있다. 또 본 고안에서 사용된 담체로는 탄소입자, 백금블랙, 카아본블랙, 카아본나노튜브 및 그라파이트 나노화이버를 들 수 있으며, 탄소입자가 가장 바람직하다.

이렇게 접합된 이중구조 촉매층은 도 5(b)와 같이 소수성 고분자 촉매층(7)과 이온전도성 고분자 촉매층(8)이 빗살이 맞물려 있는 구조로 접합이 된다. 그 이유는 두 촉매층의 조성이 상기와 같이 다르기 때문에 경도의 차이가 생기게 되고, 더욱이 이온전도성 고분자 촉매층(8)은 자체 내부의 경도차이가 특히 커 경도가 작은 부분이 뒤로 물러나게 되며, 이에 따라 다른 부분은 앞으로 나오게 되어 소수성 고분자 촉매층(7)의 비교적 낮은 경도의 부분을 파고 들어가게 된다. 이 때 계면에서는 도 5(c)와 같이 양 촉매층의 담체를 포함한 촉매 사이에 마찰 또는 압착이 일어나게 되고, 수지 부분을 밀어내거나 파괴시키며 접촉을 할 수도 있게 된다.

상기와 같이 제작된 이중구조 촉매층은 빗살 형태의 계면이 삼상계면영역의 역할을 하게 되는데, 이는 소수성 고분자 촉매층(7)이 계면의 모든 영역까지 연속상으로 연결되어 있어 가스의 유로를 확보하여 계면까지 가스를 원활하게 공급할 수 있다. 계면에는 양 촉매층에서 만난 촉매들이 접하고 있고, 계면 상의 촉매표면에서 반응한 수소이온은 곧바로 연결된 이온전도성 고분자 촉매층(8)으로 전달되어 연속상인 이온 전도성 수지를 통해 전해질 막까지 이동할 수 있으며 막을 통과한 수소이온 역시 연속상인 공기극 측의 이온전도성 수지를 통하여 공기극 측 계면영역에 전달될 수 있기 때문이다. 따라서 본 고안에 의한 삼상계면영역의 확장은 3차원적인 실제 모델을 생각할 때 수 내지 수십 배의 증가를 가져올 수 있다.

소수성 고분자 촉매층(7)에 담체를 포함한 촉매의 양이 70 내지 80 부피%가 되도록 조성한 이유는 삼상계면영역의 확장을 위한 경도의 조절뿐 아니라, 압착 후 확고한 전기 전도성을 갖게 하고 가스의 통로를 확보하기 위한 것이다. 반면에 이온전도성 고분자 촉매층(8)은 수지의 양을 50 부피% 이상으로 한다. 이는 삼상계면영역의 확장을 위한 경도의 조절과 함께 막-전극의 압착 시 쇼트의 확률을 줄이고자 하기 위한 것이고, 전기 전도도와 가스의 통로가 중요한 요소가 아니기 때문에 불필요한 촉매의 낭비를 막기 위한 것이다.

상기 제작된 두 개의 이중구조 촉매층 필름은 이온전도성 고분자 촉매층(8)측을 안쪽으로 하여 전해질 막의 양면에 열 압착기를 사용하여 접합한다. 열 압착의 조건은 100 내지 150℃의 온도와 10 내지 50기압의 압력으로 30초 내지 1분 동안 압착하여 형성한다. 형성된 양 측의 바깥 면인 소수성 고분자 촉매층(7)에 발수처리된 가스확산층과 밀봉 가스켓을 열 압착하여 접합한다. 열 압착의 조건은 100 내지 150℃의 온도와 10 내지 30기압의 압력으로 30초 내지 1분 동안 압착하여 도 4와 같은 형태의 막-전극 접합체를 완성한다.

이렇게 제작된 막-전극 접합체는 도 4에 도시된 바와 같이 소수성 고분자 촉매층(6, 61)은 발수처리된 가스확산층(4, 41)과 접하게 되고, 이온전도성 고분자 촉매층(62, 63)은 이온전도 고분자 전해질 막(1)의 양 면과 접하게 된다. 따라서 이중구조 촉매층 내부에 있는 빗살 형태의 계면영역 이외의 계면들은 모두 같은 종류의 수지끼리 접하고 있어 낮은 압력조건에서 열 압착을 하여도 상분리가 일어나지 않기 때문에 계면에서의 저항이 높아질 염려가 없다.

낮은 압력조건에서 열 압착을 하여도 좋은 성능을 가진다는 것은 제조공정에서 연료극과 공기극 사이의 촉매층 간의 쇼트의 확률을 줄일 수 있다는 의미이다. 이는 앞서 기술한 이온전도성 고분자 촉매층에서 수지의 조성비율을 높여 막-전극의 압착시 쇼트의 확률을 줄이고자 하는 시도와 함께 이를 더욱 확고히 할 수 있는 것이다.

이중구조 촉매층 내부에 있는 빗살 형태의 계면영역은 소수성 고분자 촉매층과 이온전도성 고분자 촉매층의 접합으로 되어 있지만, 이는 앞서 기술한 바와 같이 고압의 조건에서 접합하게 되므로 접합면의 균일성을 확보할 수 있고, 이러한 고압의 접합은 상기한 바와 같이 전해질 막과는 별도의 공정에서 수행되기 때문에 아무런 지장이 없다. 만일 이종 수지간에 약간의 상분리가 존재한다고 하여도 담체를 포함한 촉매는 밀착되어 있으며, 이는 삼상계면영역의 가스확산에 오히려 도움이 된다고도 볼 수 있다.

이하, 본 고안을 다음의 실시예에 따라 상세히 기술하지만, 본 고안이 이에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

먼저 소수성 고분자 촉매층을 제조하기 위하여 탄소입자에 담지된 백금촉매 (Vulcan XC-72R 탄소 담체에 20 중량 % 백금 담지) 180 mg을 비이커에 넣고, Teflon emulsion (듀폰사의 PTFE-30) 56 mg이 분산되어 있는 에탄올 용액 20 ml를 혼합하여 1시간 동안 초음파 교반기로 교반한 후, 이 용액을 PTFE 필름 위에 50 cm의 거리에서 질소가스를 사용하여 100 cm²면적에 균일하게 스프레이 코팅하였다. 촉매 층이 코팅 된 PTFE 필름을 25℃에서 24시간 방치하여 1차 건조하고, 120℃에서 30분간 2차 건조한 후 290℃에서 30분간 3차 건조하고, 마지막으로 350℃에서 30분 동안 소성하였다.

다음 이온전도성 고분자 촉매층을 제조하기 위하여 탄소입자에 담지된 백금촉매 120 mg을 비이커에 넣고 증류수 10 ml를 가한 후, 여기에 Nafion 5 중량% 용액 (듀폰사의 DE-520) 2.3 g이 분산되어 있는 에탄올 용액 10 ml를 가하여 1시간 동안 초음파 교반기로 교반한 후, 이 용액을 PTFE 필름 위에 50 cm의 거리에서 질소가스를 사용하여 100 cm²면적에 균일하게 스프레이 코팅하였다. 촉매 층이 코팅 된 PTFE 필름을 25℃에서 24시간 방치하여 1차 건조한 후 130℃에서 30분간 2차 건조하였다.

상기 제조된 두 촉매층을 사용하여 이중구조 촉매층을 제작하기 위하여, 소수성 고분자 촉매층의 PTFE 필름을 아래쪽으로 하고, 이온전도성 고분자 촉매층의 PTFE 필름을 위쪽으로 하여 열 압착기 사이에 끼우고 150℃의 온도와 100기압의 압력으로 30초간 압착하여 접합하였다. 이렇게 하여 제작된 이중구조 촉매층을 5 cm²면적의 규격으로 양 쪽의 필름과 함께 절단하였다.

전해질 막은 듀폰사의 Nafion 112를 사용하였다. 전해질 막을 25 cm²면적으로 절단한 후 80℃의 증류수에 1시간 동안 침지시키고, 이를 5 중량%의 과산화수소수에 옮겨 80℃에서 2시간 침지시킨 후, 이를 다시 80℃의 증류수에 옮겨 1시간 동안 침지시키고, 이를 다시 5 중량% 질산용액으로 옮겨 80℃에서 2시간 침지시키고, 이를 다시 80℃의 증류수에 옮겨 1시간 동안 침지시킨 후, 새 증류수로 한번 더 반복하였다. 이를 50℃의 새 증류수로 옮겨 필요한 경우 표면의 물을 제거한 후 사용하였다.

상기 제작된 이중구조 촉매층 2매와 전해질 막 1매를 사용하여 막-전극 접합체를 제조하였다. 먼저 이중구조 촉매층 1매의 소수성 고분자 촉매층 측 PTFE 필름을 아래쪽으로 하고, 이온전도성 고분자 촉매층 측 PTFE 필름을 박리한 후, 그 위에 전해질 막을 올려놓고, 다른 1매의 이중구조 촉매층의 이온전도성 고분자 촉매층 측 PTFE 필름을 박리하여, 이 면을 전해질 막과 접하게 올려놓았다. 이러한 적층체를 열 압착기로 150℃의 온도와 30기압의 압력으로 30초간 압착하여 막-전극 접합체를 제작하였다.

가스확산층은 0.17 mm 두께의 카본페이퍼(도레이사 제품)를 5 cm²면적으로 절단하여 증류수로 10분간 세정한 후 150℃에서 20분간 건조하고, 건조된 카본페이퍼를 Teflon 수용액(듀폰사의 FEP 121A)에 30초간 담근 후 꺼내어 25℃에서 24시간 방치하여 건조하며, 건조된 카본페이퍼를 107℃에서 30분간 재건조하고, 이를 250℃에서 30분간 재건조한 후, 이를 300℃에서 30분간 소성하여 사용하였다.

가스켓은 0.125 mm 두께의 실리콘 고무를 25 cm²의 면적으로 절단하고 중앙에 5 cm²면적의 구멍을 내어 증류수로 10분간 세정한 후, 150℃에서 20분간 건조하여 사용하였다.

마지막으로, 상기 형성된 막-전극 접합체의 양쪽 PTFE 필름을 박리하고 상기 가스확산층과 가스켓을 양면에 접한 후, 열 압착기를 사용하여 150℃의 온도와 10기압의 압력으로 접합하여 가스확산층과 가스켓을 부착한 이중구조 촉매층을 갖는 막-전극 접합체를 제조하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 의해 제조된 이중구조의 촉매층을 갖는 막-전극 접합체는 삼상계면영역의 확장, 각 계면에서의 저항 감소, 불필요한 촉매 사용의 감소, 공정 중 쇼트 가능성의 최소화 등을 추가적 시설비용이나 공정상의 애로점없이 달성할 수 있어 연료전지의 성능향상과 가격경쟁력 강화라는 두 가지 요소를 동시에 충족시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 전극, 이온전도성 전해질막, 이온전도성 고분자 촉매층, 소수성 고분자 촉매층 및 가스확산층으로 이루어진 막-전극 접합체에 있어서, 이온전도성 전해질막, 이온전도성 고분자 촉매층, 소수성 고분자 촉매층 및 가스확산층이 순차적으로 배치되며, 상기 이온전도성 고분자 촉매층과 상기 소수성 고분자 촉매층은 빗살무늬 형태로 서로 맞물려 이중구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체.
2. 제 1항에 있어서, 상기 이온전도성 전해질막, 이온전도성 고분자 촉매층, 소수성 고분자 촉매층은 별도로 각각 제조되어 순차적으로 배치되며, 상기 이온 전도성 전해질막의 양면에 열압착을 통해 상기 이온전도성 고분자 촉매층이 구성되고, 상기 이온전도성 고분자 촉매층의 외측으로 열압착을 통해 소수성 고분자 촉매층이 구성되며, 소수성 고분자 촉매층의 외측에 가스확산층을 열압착을 통해 구성한 것을 특징을 하는 막-전극 접합체.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 소수성 고분자는 폴리테트라 플루오로에틸렌이고, 상기 이온전도성 고분자는 퍼플루오로설포네이트 이오노머인 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 소수성 고분자 촉매층은 담체, 촉매 및 소수성 고분자 수지로 구성되어 있고, 상기 담체 및 촉매의 부피%는 상기 소수성 고분자 수지의 부피%의 4 내지 5배이며, 상기 소수성 고분자 촉매층의 공극율은 10 내지 20 부피%인 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 이온전도성 고분자 촉매층은 담체, 촉매 및 이온전도성 고분자 수지로 구성되어 있고, 상기 담체 및 촉매의 부피%는 상기 이온전도성 고분자 수지의 부피%와 같거나 또는 적은 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 촉매는 백금이고, 상기 담체는 탄소입자, 백금블랙, 카아본블랙, 카아본나노튜브 또는 그라파이트 나노화이버인 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체.