KR20050056584A - 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법 - Google Patents

Abstract

연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법이 개시된다. 개시된 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법은, (a) 연료 전지용 촉매로 백금 촉매를 용제와 혼합하여 촉매 잉크를 제조하는 단계와; (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 상기 촉매 잉크를 전극 지지체 위에 백금 촉매를 담지하고, 상기 전극 지지체를 건조시킨 후, 이오노머를 상기 전극 지지체에 담지시키는 단계와; (c) 이오노머를 담지시킨 것을 건조시켜 양극 및 음극의 전극을 완성시키는 단계와; (d) 상기 양극과 상기 음극의 전극을 각각 1장씩 준비하고, 고체 고분자 전해질의 양면에 위치시킨 후, 소정 온도와 압력에서 핫 프레싱한 후 식혀 막-전극 접합체를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 막-전극 접합체에서 전극 내 촉매의 이용률을 크게 향상시킬 수 있고, 막-전극 접합체의 성능을 증대시킬 수 있으며, 전극 내 촉매의 이용률을 높임으로 해서 성능은 더 우수하고, 제조단가는 낮은 막-전극 접합체의 제작이 가능하며, 기존의 연료 전지 스택보다 가격이 싸고, 성능 및 출력 밀도가 더 우수한 연료 전지 스택을 제작하는 것이 가능한 이점이 있다.

Description

연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매 이용률을 향상시켜 높은 성능을 얻기 위한 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법에 관한 것이다.

막-전극 접합체는 연료 전지 스택을 이루는 부품 중 핵심 부품에 해당하는 매우 중요한 구성 요소 중의 하나이다. 이 막-전극 접합체에서는 수소와 공기를 전기 화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 연료 전지 반응이 일어나며, 연료 전지 스택의 성능은 이 막-전극 접합체의 성능에 좌우된다고 해도 과언이 아니다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기한 막-전극 접합체는, 고체 고분자 전해질 막(1)과 두 개의 전극으로 이루어져 있는데, 그 하나는 양극(cathode)(2)이며, 다른 하나는 음극(anode)(3)이다. 상기 고체 고분자 전해질 막(1)은 음극(3)에서 생성된 수소 양이온을 양극(2)으로 전달해주는 역할을 하며, 양극(2)에서는 산소 환원 반응이 일어나고, 음극(3)에서는 수소 산화 반응이 일어난다. 이렇게 두 전극(2,3)에서 일어나는 반응은 서로 다르나, 구성 재료는 두 전극(2,3) 모두 거의 비슷하다.

그리고 촉매로는 카본 블랙에 백금이 잘 분산되어 있는 백금 촉매를 사용하며, 이것을 전극 지지체(substrate)인 카본종이 또는 카본 천에 담지하여 전극(2,3)으로 사용한다.

또한 전극(2,3)에서 고체 고분자 전해질 막(1)까지 이온의 이동 통로를 만들어주기 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 고체 고분자 전해질 막(1)과 거의 비슷한 재료로 이루어진 이오노머(ionomer)(12)가 전극(2,3) 내부에 잘 분포되어 있어야 한다.

이러한 막-전극 접합체용 전극(2,3)을 제조하는데 사용되는 종래의 방법으로는, 백금 촉매와 이오노머(12)를 섞어 묽은 촉매 잉크를 만든 후 이것을 전극 지지체인 카본종이나 카본 천에 뿌리는 스프레이 방법과, 촉매와 이오노머(12)를 섞어 슬러리(slurry)를 만든 후 전극 지지체에 바르는 스크린 프린팅 방법 등이 있다.

이와 같은 기존의 막-전극 접합체의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.

우선, 촉매와 이오노머를 적당한 혼합비로 하고 적절한 용제를 사용 혼합하여 촉매와 이오노머가 함께 혼합된 촉매 잉크를 제조한다.(단계 110)

그리고 단계 110에서 만든 촉매 잉크를 전극 지지체에 적당량을 담지한다.(단계 120)

이때, 촉매를 담지하는 방법으로는 전극 지지체를 촉매 잉크에 담갔다가 빼는 디핑(dipping) 방법과, 촉매 잉크를 스프레이 건을 사용하여 전극 지지체 위에 뿌리는 스프레이 방법과, 그리고 촉매 잉크를 슬러리화한 후 전극 지지체 위에 스크린 프린트를 이용하여 도포하는 스크린 프린팅 방법 등이 사용될 수 있다.

이어서, 상기와 같은 방법으로 촉매가 담지된 전극 지지체를 잘 건조시킨다.(단계 130)

또한 상기 단계 110 내지 130의 방법으로 두 장의 전극 즉, 양극과 음극을 준비한다.(단계 140)

그리고 준비된 두 장의 전극을 고체 전해질 막 양면에 각각 놓고 적당한 조건에서 핫 프레싱(hot pressing)하여 접합시킨 후, 이를 식히면 막-전극 접합체가 완성된다.(단계 150)

한편, 백금 촉매가 전극에서 활성이기 위해서는, 카본 화이버(11)와 직접적으로 접촉을 유지하고 있어야 하고, 이오노머(12)와도 동시에 접촉을 유지하고 있어야 하는데, 전술한 바와 같은 종래의 제조방법은, 백금 촉매와 이오노머(12)를 같이 혼합하여 전극을 제조하기 때문에 전극 제조 완료 후 백금 촉매가 전극 지지체를 구성하고 있는 카본 화이버(11)로부터 떨어져 비활성인 채로 있는 경우가 많이 있다.

도 2에서 설명되지 않은 참조부호 13은 활성 촉매를, 14는 비활성 촉매를 각각 나타내 보인 것이다.

실제로 많은 연구자들이 상기와 같은 방법들로 전극을 제조한 경우, 촉매의 이용률이 15~25%에 불과하며, 이는 담지한 백금 촉매 중 75~85% 정도에 해당하는 부분이 아무 역할을 수행하지 못한 채 버려지고 있음을 의미한다.

이와 같이, 종래의 제조방법으로 제조한 전극에서 백금 촉매의 이용률과 백금 촉매의 희소성 및 경제성을 생각해볼 때, 기존 전극 제조방법은 매우 비효율적인 방법이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 백금 촉매와 이오노머를 섞지 않고 따로 분리 담지하여 전극을 제조하여 전극 지지체에 담지된 촉매의 이용률을 높이고, 이로 인해 막-전극 접합체의 성능을 향상시키며, 나아가서는 연료 전지 스택의 성능 및 출력 밀도를 증가시키도록 한 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법은, (a) 연료 전지용 촉매로 백금 촉매를 용제와 혼합하여 촉매 잉크를 제조하는 단계와; (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 상기 촉매 잉크를 전극 지지체 위에 백금 촉매를 담지하고, 상기 전극 지지체를 건조시킨 후, 이오노머를 상기 전극 지지체에 담지시키는 단계와; (c) 이오노머를 담지시킨 것을 건조시켜 양극 및 음극의 전극을 완성시키는 단계와; (d) 상기 양극과 상기 음극의 전극을 각각 1장씩 준비하고, 고체 고분자 전해질의 양면에 위치시킨 후, 소정 온도와 압력에서 핫 프레싱한 후 식혀 막-전극 접합체를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4에는 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법은, 우선, 연료 전지용 촉매로 많이 쓰이는 백금 촉매를 용제와 혼합하여 촉매 잉크를 제조한다.(단계 210)

이렇게 제조한 촉매 잉크를 전극 지지체 위에 스프레이 건을 사용하여 백금 촉매를 약 0.4 mg/㎠을 담지한다.(단계 220)

이렇게 촉매를 담지한 전극 지지체를 건조 오븐에서 잘 건조시킨 후, 이오노머를 스프레이 건을 사용하여 촉매가 담지된 전극 지지체에 담지시킨다.(단계 230)

상기한 이오노머를 담지시킨 것을 건조 오븐에서 잘 건조시켜 전극을 완성한다.(단계 240)

이런 방법으로 양극과 음극을 각각 1장씩 준비하고, 고체 고분자 전해질막의 양면에 위치시킨 후 적당한 온도와 압력에서 핫 프레싱한 후 식혀 막-전극 접합체를 제조한다.(단계 250)

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법에 따라 제조한 막-전극 접합체에서 전극의 미세구조가 도 5에 도시되어 있다.

도 5에서 참조부호 21은 카본 화이버, 22는 이오노머, 23은 활성 촉매를 각각 나타내 보인 것이다.

한편, 본 발명과 종래의 제조방법을 각각 비교하기 위해 종래의 방법으로도 막-전극 접합체를 제조하였다. 모든 제조 조건 및 재료는 위에서 사용한 것과 동일한 것을 적용하였으며, 단지 촉매 잉크 제조시 이오노머를 촉매와 같이 혼합하여 제조하는 것이 달랐다.

이하에서는 편의상 종래의 방법으로 제조한 막-전극 접합체를 A, 본 발명의 제조방법을 적용한 막-전극 접합체를 B라고 한다.

아래는 표 1은 A와 B의 비교표이다.

	A	B	비고
촉매 이용률	21%	87%
전류밀도	0.768 A/㎠	0.997 A/㎠	@ 0.6V
출력밀도	0.461 W/㎠	0.598 W/㎠	@ 0.6V

Tcell = 60C, λH2/λair = 1.5/2.0, RHH2/RHair = 95%/95%

상기한 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 제조방법을 적용했을 경우, 막-전극 접합체의 촉매의 이용률이 21%에서 87%로 4배 이상 현격히 증가하는 것을 볼 수 있다.

그리고 촉매 이용률의 측정방법으로는 전기 화학적 수소 흡착법을 사용하였다. 상기한 표 1에서는 셀 전압이 0.6V일 때의 전류밀도와 출력밀도를 비교한 수치도 나타나있는데, 전류밀도는 29.4%, 출력밀도는 29.7% 증가하였다.

또한 도 6은 A와 B의 분극 성능을 비교한 그래프인데, 셀 전압 전 영역에서 본 발명의 제조방법을 적용한 막-전극 접합체의 성능이 우수한 것을 볼 수 있다.

위와 같은 실시예를 통하여 기존의 제조방법을 적용한 막-전극 접합체보다 본 발명의 제조방법으로 제조한 막-전극 접합체의 성능 및 촉매 이용률이 훨씬 우수함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.

막-전극 접합체에서 전극 내 촉매의 이용률을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이를 바탕으로 막-전극 접합체의 성능을 증대시킬 수 있다.

또한 이렇게 전극 내 촉매의 이용률을 높임으로 해서 성능은 더 우수하고, 제조단가는 낮은 막-전극 접합체의 제작이 가능하며, 기존의 연료 전지 스택보다 가격이 싸고, 성능 및 출력밀도가 더 우수한 연료 전지 스택을 제작하는 것이 가능해진다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1a 및 도 1b는 막-전극 접합체의 외형과 그 단면 구조를 각각 나타내 보인 도면.

도 2 는 종래의 기술에 따른 제조방법으로 제작한 막-전극 접합체에서의 전극의 미세구조를 나타내 보인 도면.

도 3은 종래의 기술에 따른 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도.

도 4는 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도.

도 5는 본 발명에 따른 방법으로 제작한 막-전극 접합체에서의 전극의 미세구조를 나타내 보인 도면.

도 6은 종래의 기술에 따른 제조방법과 본 발명에 따른 제조방법으로 제작한 막-전극 접합체로 각각 단전지를 제작하여 성능을 비교한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21. 카본 화이버

22. 이오노머

23. 활성 촉매

Claims (4)

1. (a) 연료 전지용 촉매로 백금 촉매를 용제와 혼합하여 촉매 잉크를 제조하는 단계와;

   (b) 상기 단계 (a)에서 제조한 상기 촉매 잉크를 전극 지지체 위에 백금 촉매를 담지하고, 상기 전극 지지체를 건조시킨 후, 이오노머를 상기 전극 지지체에 담지시키는 단계와;

   (c) 이오노머를 담지시킨 것을 건조시켜 양극 및 음극의 전극을 완성시키는 단계와;

   (d) 상기 양극과 상기 음극의 전극을 각각 1장씩 준비하고, 고체 고분자 전해질의 양면에 위치시킨 후, 소정 온도와 압력에서 핫 프레싱한 후 식혀 막-전극 접합체를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 단계 (b)에서, 상기 촉매 잉크를 상기 전극 지지체 위에 스프레이 건을 사용하여 백금 촉매를 0.4 mg/㎠를 담지하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 단계 (b)에서, 상기 전극 지지체는 건조 오븐에서 건조시키고, 상기 이오노머를 스프레이 건을 사용하여 상기 전극 지지체에 담지시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 단계 (c)에서, 상기 이오노머를 담지시킨 것은 건조 오븐에서 건조시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택용 막-전극 접합체 제조방법.