KR20070039360A - 전사공정을 이용한 막전극 접합체 제작방법 - Google Patents

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Abstract

전사공정을 이용한 막전극 접합체의 제작 방법이 개시된다. 개시된 막전극 접합체 제작방법은 전해질막 양면에 촉매층을 형성하는 단계와, 확산층 단위체 준비를 위해 지지층 상에 미세기공층을 형성하는 단계와, 촉매층 상에 카본과 바인더의 슬러리를 도포하는 단계, 및 촉매층 상에 슬러리가 도포된 전해질막과 확산층 단위체를 열간가압하는 단계를 포함한다. 본 방법에 의하면, 촉매층과 확산층 간의 계면 접촉이 우수하고 다공성이 유지되며, 그것에 의해 연료의 확산 및 물 배출이 용이한 전극을 갖는 고성능 막전극 접합체를 제공할 수 있다.
연료 전지, 막전극 접합체, MEA, 전사, 촉매층, 확산층, 계면 접촉

Description

전사공정을 이용한 막전극 접합체 제작방법{Method for manufacturing membrane electrode assembly using decal process}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전사공정을 이용한 막전극 접합체 제작방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 도 1의 전사공정을 이용한 막전극 접합체 제작방법으로 제작된 막전극 접합체를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체 제작방법에 있어서 촉매층 위에 코팅된 슬러리의 두께에 따른 임피던스 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체 제작방법을 이용하여 제작된 막전극 접합체에 있어서 촉매층 위에 코팅된 슬러리의 두께에 따른 전지 성능 결과를 보여주는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 전해질막 12, 30: 캐리어막
14: 촉매층 16, 18, 22, 38: 롤러
24, 24a: 슬러리 26: 코팅 수단
32: 지지층 34: 미세기공층
36: 확산층 단위체 40: 가압 플레이트
본 발명은 막전극 접합체 제작방법에 관한 것으로, 특히 촉매층과 확산층과의 계면 접촉을 좋게 할 수 있는 막전극 접합체 제작방법에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료가 가지고 있는 에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환하는 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지는 수소와 산소로부터 물이 생성되는 반응, 즉 수소의 연소 반응을 이용해 전기 에너지를 얻는다. 전술한 연료전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
그 가운데, 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮으며, 아울러 빠른 시동 및 응답특성과 함께, 휴대용 전자기기용과 같은 이동용(transportable) 전원이나 자동차용 동력원과 같은 수송용 전원은 물론, 주택, 공공건물의 정지형 발전소와 같은 분산용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다. 또한, 고분자 전해질형 연료전지의 일종으로 액상의 메탄올 연료를 직접 사용하는 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)는 고분자 전해질형 연료전지와 달리 개질기를 사용하지 않기 때문에 소형화에 더욱 유리하다.
상기 고분자 전해질형 연료전지는 연료를 연소시켜 전기를 발생시키는 기본적인 구성요소로서 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)를 구비한다. 막전극 접합체는 전해질막과 이 전해질막의 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한다. 여기서, 각 전극은 통상 촉매층과 확산층으로 이루어지며, 확산층은 통상 미세기공층과 지지층으로 이루어진다. 일반적으로 막전극 접합체 제작방법으로는 크게 두 가지 방식이 있다.
첫번째 방식은 카본 페이퍼 등의 지지층 상에 미세기공층을 형성하고 미세기공층 상에 촉매층을 형성한 전극 단위체를 제작한 다음, 애노드 전극 단위체와 캐소드 전극 단위체 사이에 전해질막을 얼라인한 후 온도 120~140℃, 압력 100~150㎏f/㎠의 조건에서 전해질막과 그 양면에 위치하는 전극 단위체를 열간 가압하여 막전극 접합체를 제조한다.
두번째 방식은 전해질막의 양면에 촉매층을 형성한 막전극 단위체를 제작하고, 이와는 별도로 지지층 상에 미세기공층을 형성한 확산층 단위체를 제작한 다음, 막전극 단위체와 확산층 단위체를 얼라인한 후, 온도 120~140℃, 압력 100~150㎏f/㎠의 조건에서 막전극 단위체와 그 양면에 위치하는 확산층 단위체를 열간 가압하여 막전극 접합체를 제조한다.
하지만, 상기 두 방식 모두는 고압의 조건에서 접합 공정을 수행하기 때문에 접합되는 계면의 접촉 상태가 불량하다는 단점이 있다. 다시 말해서, 위와 같은 조건으로 막전극 접합체를 제조하는 경우, 가압으로 인해 다공성을 갖는 전극의 기공 이 파괴된다. 전극의 기공이 파괴되면, 공급되는 연료가 원활하게 확산되어 촉매층에 도달하지 못하고, 반응에 의하여 생성된 물이 원활하게 배출되지 못하게 된다. 그것은 연료전지의 성능을 감소시키는 주요 원인으로 작용하게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저압의 조건에서 열간가압함으로써 촉매층과 확산층의 계면 접촉을 좋게 할 수 있는 전사공정을 이용한 막전극 접합체 제작방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 측면에 의하면, 막전극 단위체 준비를 위해 전해질막 양면에 촉매층을 형성하는 단계와, 확산층 단위체 준비를 위해 지지층 상에 미세기공층을 형성하는 단계와, 촉매층 상에 카본과 바인더의 슬러리를 코팅하는 단계, 및 촉매층 상에 슬러리가 코팅된 막전극 단위체와 확산층 단위체를 열간가압하는 단계를 포함하는 막전극 접합체 제작방법이 제공된다.
바람직하게, 미세기공층은 슬러리와 동일한 재료로 이루어진다.
또한, 상기 막전극 단위체와 확산층 단위체를 열간가압하는 단계는, 25~75㎏f/㎠, 120~140℃ 조건에서 열간가압하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 열간가압하는 단계는 핫 롤러 및 플레이트 중 적어도 어느 하나 를 이용하여 열간가압하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 전해질막 양면에 촉매층을 형성하는 단계는, 캐리어 필름에 촉매를 코팅하는 단계, 및 촉매를 전해질막 양면에 전사하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 촉매를 전해질막 양면에 전사하는 단계는, 온도 190~210℃, 압력 230~270㎏f/㎠의 조건에서 전사하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 촉매층 상에 코팅되는 슬러리의 두께는 지지층 상에 코팅되는 미세기공층의 두께보다 얇다.
또한, 상기 슬러리의 두께와 미세기공층의 두께의 합은 40~60㎛이다.
또한, 상기 촉매층 상에 카본과 바인더의 슬러리를 코팅하는 단계는, 스크린 프린터, 스프레이 코팅, 바 코팅, 슬롯 다이 방식 중 적어도 어느 하나의 방식을 이용하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 막전극 접합체 제작방법은 지지층 상에 미세기공층이 형성된 확산층 단위체를 온도 150~350℃에서 열처리하는 단계를 추가적으로 포함한다.
또한, 상기 카본은 탄소나노튜브, 플러렌, 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함한다.
또한, 상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌, 불화에틸렌프로필렌 및 폴리비닐리덴플루오라이드으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체 제작방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전사공정을 이용한 막전극 접합체 제작방법을 나타내는 흐름도이다. 도 1을 참조하여 본 실시예에 따른 전사공정을 이용한 막전극 접합체 제작방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 멤브레인 슬러리(membrane slurry)를 준비한다(S10).
상기 멤브레인 슬러리는 수소이온 전도성이 우수한 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸)(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 더 바람직하다.
다음, 촉매층 슬러리를 준비한다(S12).
상기 촉매층 슬러리는 담지촉매를 액체에 분사시킨 것이거나, 매트릭스에 촉매 입자를 분산시키고 매트릭스를 액체에 분산시킨 것일 수 있다. 또, 제조하고자 하는 촉매층이 애노드 역할의 전극에 사용될 것이지, 혹은 캐소드 역할을 하는 전극에 사용될 것인지에 따라 사용되는 촉매의 조성 및 성분을 달리할 수 있다.
상기 액체는 분산매의 역할을 하게 되는데, 바람직한 분산매로는 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알콜이 바람직하며, 그 이외에 n-프로필알코올, 부틸알코올 등이 사용될 수 있다.
상기 촉매층 슬러리는 또한 나피온(Nafion)의 경우와 같이 전도성 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 촉매층 슬러리 제조시 담지촉매, 분산매, 전도성 물질의 바람직한 배합비는 1:3:0.15 이지만 여기에 한정되는 것은 아니다. 또한, 촉매층 슬러리는 적절한 배합비로 섞은 혼합물을 초음파 조(sonic bath)에서 1~3시간 동안 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 촉매층 슬러리에서는 제작된 슬러리를 온도 60~120℃에서 1~4시간 동안 건조시켜 사용된 분산매를 제거할 수 있다.
상기 촉매층 슬러리는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 다른 한편으로, 상기 촉매층 슬러리는 담지체에 담지된 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함할 수도 있다. 담지체는 전도성을 가지는 물질이라면 어느 것이라도 좋으나, 탄소 담지체인 것이 바람직하다.
다음, 미세기공층(microporous layer, MPL) 슬러리를 준비한다(S14).
상기 미세기공층 슬러리는 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 카본(탄소물질)을 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 미세기공층 슬러리는 분산매를 포함할 수 있으며, 분산매는 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알콜, n-프로필알코올, 부틸알코올 등을 들 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다. 이들 탄소물질, 바인더 및 분산매의 배합비는 0.7: 0.3: 10이 바람직하지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
다음, 멤브레인 슬러리를 코팅한다(S16). 본 단계는 멤브레인 롤(membrane roll)을 준비하기 위한 과정으로서, 코팅된 멤브레인 슬러리는 건조되고 두루마리 형태로 감겨질 수 있다.
다음, 지지층 상에 MPL 슬러리를 코팅한다(S18). 지지층 상에 MPL 슬러리가 코팅된 확산층 단위체는 온도 150~350℃에서 30분 내지 2시간 동안의 열처리 공정에 의해 소결된다. 제조된 확산층 단위체는 두루마리 형태로 감겨질 수 있다.
상기 열처리 공정은 MPL 슬러리에 사용된 분산매를 제거하는 것 외에 바인더를 적절히 분포시켜 적정 수준의 발수성을 얻고, 바인더가 알맞게 분포하여 탄소 성분이 소실되는 것을 막는 데 있다. 소결 온도는 바인더의 종류에 따라 조절되는 것이 바람직하며, 보다 구체적으로는 사용되는 바인더의 녹는점 근방의 온도로 설정하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 지지층은 탄소천(carbon cloth), 탄소종이(carbon paper)와 같은 탄소 기재로 구현되는 것이 바람직하다.
다음, 촉매층 슬러리로부터 준비된 촉매층은 캐리어막 상에 입혀진다(S20). 캐리어막 상에 촉매층을 형성하는 공정은 테이프 캐스팅(tape casting), 스프레이(spray) 코팅, 스크린 프린팅(screen printing) 등의 방법으로 코팅할 수 있지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 촉매층은 단위면적당 질량이 2~8㎎/㎠인 것이 바람직하다. 촉매층 단위체의 단위면적당 질량이 상기 범위를 벗어나 너무 작으면 촉매층의 기계적 강도가 약해지는 문제점이 있고, 촉매층 단위체의 단위면적당 질량이 상기 범위를 벗어나 너무 크면 반응물질의 확산에 저항으로 작용하여 물질 전달이 잘 되지 않는 문제점이 발생될 수 있다.
상기 캐리어막은 테프론 필름, PET 필름, 캡톤(captone) 필름, 테드라 필름, 알루미늄 호일, 마일라(mylar) 필름을 포함하지만, 여기에 한정되지 않으며, 필름 자신 위에 형성되는 확산층을 전사시킬 수 있는 필름이면 무엇이든 가능하다.
다음, 전사공정을 이용하여 촉매층을 멤브레인(이하 전해질막이라고도 한다) 양면에 전사하여 전해질막과 촉매층을 적층한다(S22). 촉매층을 전해질막 양면에 전사하는 공정은 온도 190~210℃, 압력 230~270㎏f/㎠의 조건에서 수행된다. 본 단 계에서 전해질막과 촉매층으로 이루어진 3층의 막전극 단위체가 준비된다.
다음, 막전극 단위체의 촉매층 상에 카본과 바인더의 슬러리를 코팅한다(S24). 촉매층 상에 카본과 바인더의 슬러리를 코팅하는 공정은 스크린 프린터 방식을 이용하는 것이 바람직하며, 그 이외에 스프레이 코팅, 바(bar) 코팅, 슬롯 다이(slot die), 그래비어(gravier) 코팅 등의 방법이 적용될 수 있다. 카본과 바인더의 슬러리는 MPL 슬러리인 것이 바람직하다. 그리고 카본과 바인더의 슬러리의 두께는 지지층 상에 코팅되는 MPL 슬러리의 두께보다 얇은 것이 바람직하고, 제작된 막전극 접합체의 촉매층 위에 위치하는 활성층의 두께가 10~20㎛ 정도가 되도록 설정되는 것이 더욱 바람직하다.
상기와 같이 카본과 바인더의 슬러리의 두께를 한정한 이유는, 카본과 바인더의 슬러리의 두께가 MPL 슬러리의 두께 이상으로 코팅되면, 대략 5~300㎛의 기공(pore)을 가지고 있는 카본 페이퍼 등의 지지층 위에 확산층을 레이어(layer) 형태로 도포하기 어렵기 때문이다.
다음, 막전극 단위체와 확산층 단위체를 어셈블리한다(S26). 본 단계에서는 전사공정을 이용하여 캐리어막 상에 코팅된 확산층 단위체를 막전극 단위체에 전사하여 막전극 접합체를 제조한다. 또한, 본 단계에서는 확산층 단위체 사이에 막전극 단위체를 얼라인한 후, 핫 롤러(hot roller)나 가압 플레이트(plate)를 이용하여 압력 25~75㎏f/㎠, 온도 120~140℃의 조건에서 열간가압하여 막전극 접합체를 제조한다. 그 후, 제작된 막전극 접합체에는 활성화 공정, 세정 공정, 건조 공정, 절단 공정이 수행될 수 있다.
도 2는 도 1의 전사공정을 이용한 막전극 접합체 제작방법으로 제작된 막전극 접합체를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 막전극 접합체 제작방법을 이용하여 제작된 막전극 접합체는 전해질막(10), 촉매층(14), 미세기공층(34a) 및 지지층(32)을 포함한다.
본 발명에 의해 제작된 막전극 접합체에서 미세기공층(34a)은 막전극 단위체의 촉매층 상에 코팅된 슬러리와 확산층 단위체의 지지층 위에 코팅된 미세기공층으로 구성된다. 미세기공층(34a)의 두께(T)는 10~20㎛인 것이 바람직하다. 상기 범위의 두께는 연료전지의 막전극 접합체의 전극으로서 연료의 확산과 물 배출을 원활하게 할 수 있는 두께이다.
본 발명에 의하면, 전해질막과 촉매층을 미리 접합하고, 지지층에 미세기공층을 미리 형성한 다음, 미세기공층과 동일한 재료의 슬러리를 촉매층 상에 코팅하고, 이것들을 저압의 조건에서 접합하여 촉매층과 확산층의 기공을 보호/유지함으로써, 전해질막과 촉매층과의 계면 접촉이 우수하고 동시에 촉매층과 확산층과의 계면 접촉이 우수한 막전극 접합체를 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체 제작방법에 있어서 촉매층 위에 코팅된 슬러리의 두께에 따른 임피던스 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 촉매층에 코팅된 슬러리의 두께가 0㎛인 경우의 임피던스는 대략 최대 0.5(Ω㎠)을 나타내었고, 촉매층에 코팅된 슬러리의 두께가 10㎛와 20㎛인 경우의 임피던스는 대략 최대 0.3(Ω㎠)을 나타내었다. 여기서, 슬러리는 확산층, 보다 구체적으로는 미세기공층의 슬러리를 사용한다.
이와 같이, 촉매층 위에 슬러리를 코팅한 경우의 임피던스가 촉매층 위에 슬러리를 코팅하지 않은 경우의 임피던스보다 낮았다. 그것은 상기 본 발명에서 언급한 바와 같이 촉매층 위에 슬러리를 코팅하여 제작한 막전극 접합체의 촉매층과 확산층과의 계면 접촉이 촉매층 위에 슬러리를 코팅하지 않고 제작한 막전극 접합체의 촉매층과 확산층의 계면 접촉보다 좋다는 것을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 막전극 접합체 제작방법을 이용하여 제작된 막전극 접합체에 있어서 촉매층 위에 코팅된 슬러리의 두께에 따른 전지 성능 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제작방법에 의해 제작된 막전극 접합체, 보다 구체적으로 촉매층 위에 미세기공층과 동일한 재료의 슬러리를 코팅하여 제작된 막전극 접합체의 출력은 기존의 제작방법에 의해 제작된 종래의 막전극 접합체의 출력보다 높은 출력을 나타내었다.
예를 들면, 촉매층 위에 10㎛와 20㎛의 슬러리가 각각 코팅된 본 발명의 막전극 접합체들은 0.2V에서 대략 0.33㎃/㎠와 0.35㎃/㎠의 전류밀도를, 0.4V에서 대략 0.12㎃/㎠와 0.12㎃/㎠의 전류밀도를 나타내었다. 반면에, 종래의 막전극 접합체는 0.2V에서 대략 0.18㎃/㎠의 전류밀도를, 0.4V에서 대략 0.03㎃/㎠의 전류밀도를 나타내었다.
이와 같이, 본 발명에 따른 막전극 접합체 제작방법에 의하면, 촉매층과 확 산층의 계면 접촉을 좋게 하여 전극의 기공을 유지함으로써, 연료의 확산 및 물 배출 등이 원활한 고성능의 막전극 접합체를 제공할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그것들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 전해질막, 촉매층, 미세기공층, 지지층의 소재, 길이, 폭, 형태를 다양하게 형성할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해지는 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전사공정을 이용한 막전극 접합체 제작방법은 저압 조건에서 막전극 접합체를 제조함으로써, 전극의 기공이 유지될 수 있고, 그것에 의해 연료의 확산 및 물 배출 등이 원활하게 이루어질 수 있다는 이점이 있다. 아울러, 전지 성능을 향상시킬 수 있는 고성능의 막전극 접합체를 제공할 수 있다는 이점이 있다.

Claims (12)

  1. 막전극 단위체 준비를 위해 전해질막 양면에 촉매층을 형성하는 단계;
    확산층 단위체 준비를 위해 지지층 상에 미세기공층을 형성하는 단계;
    상기 촉매층 상에 카본과 바인더의 슬러리를 코팅하는 단계; 및
    상기 촉매층 상에 상기 슬러리가 코팅된 상기 막전극 단위체와 상기 확산층 단위체를 열간가압하는 단계를 포함하는 막전극 접합체 제작방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세기공층은 상기 슬러리와 동일한 재료로 이루어지는 막전극 접합체 제작방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 막전극 단위체와 상기 확산층 단위체를 열간가압하는 단계는, 25~75㎏f/㎠, 120~140℃ 조건에서 열간가압하는 단계를 포함하는 막전극 접합체 제작방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열간가압하는 단계는 핫 롤러 및 플레이트 중 적어도 어느 하나를 이용하여 열간가압하는 단계를 포함하는 막전극 접합체 제작방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질막 양면에 촉매층을 형성하는 단계는, 캐리어 필름에 촉매를 코팅하는 단계, 및 상기 촉매를 상기 전해질막 양면에 전사하는 단계를 포함하는 막전극 접합체 제작방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 촉매를 상기 전해질막 양면에 전사하는 단계는, 온도 190~210℃, 압력 230~270㎏f/㎠의 조건에서 전사하는 단계를 포함하는 막전극 접합체 제작방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매층 상에 코팅되는 상기 슬러리의 두께는 상기 지지층 상에 코팅되는 미세기공층의 두께보다 얇은 막전극 접합체 제작방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 슬러리의 두께와 상기 미세기공층의 두께의 합은 40~60㎛인 막전극 접합체 제작방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매층 상에 카본과 바인더의 슬러리를 코팅하는 단계는, 스크린 프린터, 스프레이 코팅, 바 코팅, 슬롯 다이 방식 중 적어도 어느 하나의 방식을 이용 하는 단계를 포함하는 막전극 접합체 제작방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지층 상에 상기 미세기공층이 형성된 상기 확산층 단위체를 온도 150~350℃에서 열처리하는 단계를 추가적으로 포함하는 막전극 접합체 제작방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본은 탄소나노튜브, 플러렌, 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 막전극 접합체 제작방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌, 불화에틸렌프로필렌 및 폴리비닐리덴플루오라이드으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 막전극 접합체 제작방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101362894B1 (ko) * 2009-12-09 2014-02-14 한국세라믹기술원 전사 방법을 이용한 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법
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US11108069B2 (en) 2016-09-30 2021-08-31 Kolon Industries, Inc. Method for manufacturing membrane electrode assembly including transferring electrode layer to electrolyte membrane by gas pressure
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