KR20080067837A - 정전 분사법에 의한 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조방법 - Google Patents

정전 분사법에 의한 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로톤 전도성 이오노머와 연료전지용 촉매 및 알코올계 용매로 구성되는 촉매층 형성 슬러리를 열처리 중인 멤브레인에 정전 분사법으로 직접 코팅한 후, 핫프레스 처리를 통해 제조되는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법은 스프레이 코팅에 따른 촉매 손실 문제를 개선시킬 수 있고, 이로부터 제조된 막-전극 어셈블리는 높은 촉매 이용률로 인해 성능 개선효과가 있고, 제조공정이 간단하여 대량 생산에 유리한 장점이 있다.
연료전지, 전극, 막-전극 어셈블리, 정전 분사법

Description

정전 분사법에 의한 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조방법{Method for preparation of a membrane-electrode assembly for fuel cell by the electrospray technique}
도 1은 정전 분사법에 의해 열처리 중인 멤브레인 위에 촉매층 형성 슬러리를 코팅하는 과정의 개략도이다.
1. 촉매층 형성 슬러리 시료컵
2. 스프레이건
3. 고전압 발생 모듈장치
4. 대전된 촉매 입자
5. 멤브레인
6. 접지된 핫플레이트(hot plate)
본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프로톤 전도성 이오노머와 연료전지용 촉매 및 알코올계 용매로 구성되는 촉매층 형성 슬러리를 열처리 중인 멤브레인에 정전 분사법으로 직접 코팅한 후(전극 생성), 핫프레스 처리를 통해 제조되는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 천연 가스와 메탄올 등의 연료로부터 수소를 취득하여, 대기 중의 산소와 반응시켜 만드는 발전 장치로서, 발전 효율이 40~60% 정도로 대단히 높으며, 반응과정에서 나오는 배출열을 이용하면 최대 80% 가까이 에너지로 바꿀 수 있다. 게다가 천연 가스와 메탄올, LPG, 나프타, 등유, 석탄 가스화 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지자원을 확보하기 쉽고, 연료를 태우지 않기 때문에 지구 환경보호에도 기여할 수 있는 미래의 에너지원이다.
연료전지의 일반적인 특성은, 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열도 발생하므로 총 효율을 80% 이상으로 높이는 고효율 발전이 가능하며, 기존의 화력발전에 비해 효율이 높으므로 발전용 연료의 절감이 가능하고, 열병합 발전도 가능하다. 또한 NOx 및 CO2의 배출량이 각각 석탄 화력 발전의 1/38 및 1/3 정도이며, 소음도 매우 적어, 공해 배출 요인이 거의 없는 무공해 에너지원이다. 이와 더불어 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고, 입지선정이 용이하다. 따라서 도심 지역 또는 건물 내 설치가 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있다.
연료전지는 통상적으로 사용되는 전해질의 종류에 따라 분류되고 있으며, 고온형에는 고체 산화물 연료전지, 용융탄산염 연료전지 등이 있고, 저온형에는 고체 고분자 전해질형 연료전지, 직접 메탄올 연료전지 등이 대표적이다.
그 중 고분자 전해질형 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다. 또한 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 무공해 차량의 동력원, 현지설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다.
고분자 전해질형 연료전지의 주요 구성 요소는 고분자 전해질막과 전극, 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판으로 이루어져 있다. 특히 애노드와 캐소드의 두 전극을 고분자 전해질막에 부착시킨 것을 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly, MEA)라고 하는데, 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자 전해질형 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다.
일반적인 MEA의 제조 방법은 촉매, 프로톤 전도성 이오노머, 용매, 첨가제 등을 포함한 촉매 슬러리를 제조하고, 이를 전극 지지체인 탄소 확산층 또는 멤브레인에 코팅한 후 열압착하는 방법이다. 촉매 슬러리를 탄소 확산층에 코팅하여 이를 멤브레인에 접합하는 방법을 CCG법이라 하고, 촉매 슬러리를 멤브레인에 코팅하는 방법을 CCM법이라 한다.
CCM법에는 촉매 슬러리를 직접 멤브레인에 분사하여 막-전극 어셈블리를 제조하는 직접 코팅법(direct coating)과 촉매 슬러리를 테프론과 같은 고분자필름에 도포하고, 촉매가 도포된 고분자필름 두장 사이에 멤브레인을 놓은 후 핫프레싱(Hot pressing)하여 멤브레인에 촉매를 전사시키고, 이 후 고분자필름을 분리하여 막-전극 어셈블리를 제조하는 전사 방법(decal method)이 있다.
CCG법의 경우 전극과 전해질의 접촉은 좋으나 핫프레싱에 의해 탄소 확산층의 기공 구조가 변형되는 단점이 있고, 촉매 물질이 탄소 확산층의 기공속으로 침투해 들어가기 쉬워, 실제 MEA 운전 시 촉매의 이용률을 감소시켜 성능이 저하되는 단점이 있다.
그리고 CCM법 중 촉매 슬러리를 직접 멤브레인에 분사하여 막-전극 어셈블리를 제조하는 방법의 경우는 공정이 단순하나 촉매슬러리내에 포함된 용매로 인해 멤브레인이 수화(swelling)되어 균일한 전극코팅이 어렵다.
또한 전사 방법의 경우에는 CCG법에 비해 높은 촉매 이용률로 인해 높은 전기화학적 성능을 낼 수 있고, 직접코팅법의 멤브레인 수화 문제를 해결할 수 있으나, 고분자 필름 위의 촉매층내에 포함되어 있는 과량의 용매가 건조되어 휘발시 촉매층을 갈라지게 하는 문제가 있어 촉매사용량에 한계가 있다. 또한 핫프레싱 과정에서 휘발되는 일부 용매가 멤브레인에 흡수되어 변형되는 경우도 있다.
고분자필름상에 촉매층이 효과적으로 유지되기 위해서는 촉매슬러리의 분산 및 점도가 중요하다. 이를 위해 바인더 역할을 할 수 있는 용매가 필요한데, 비점이 높고 점도가 높은 글리세롤 등의 용매가 효과적이다. 하지만 촉매층에 잔류하고 있는 용매가 휘발하는 과정에서 위와 같은 촉매층 갈라짐이나 멤브레인을 변형시킬 수 있다.
MEA 제조시 탄소확산층, 멤브레인 내지 고분자필름 위에 전극을 코팅하는 방법에는 블러싱(brushing), 롤링(rolling), 스크린프린팅(screen printing), 스프레이(spray) 등이 있다. 블러싱이나 스크린프린팅법은 얇고 균일한 촉매층을 형성하 는데 어려움이 있고, 스프레이는 얇고 균일한 촉매층 형성에는 유리하나, 촉매 손실율이 커서 대량생산시 비용적인 문제가 될 수 있다.
본 발명자들은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과, 프로톤 전도성 이오노머와 연료전지용 촉매 및 알코올계 용매로 구성되는 촉매층 형성 슬러리를 열처리 중인 멤브레인에 정전 분사법으로 직접 코팅한 후 핫프레스 처리하여 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 촉매슬러리를 열처리 중인 멤브레인에 직접코팅하여 멤브레인의 수화없이 균일한 촉매층을 얻고, 정전 분사법에 의해 스프레이로 인한 촉매 손실문제를 최소화함으로써 높은 촉매 이용률과 성능 개선효과 및 간단한 제조공정으로 대량 생산에 유리한 장점을 지닌 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리 제조방법은,
(1) 연료전지용 촉매 100중량부와 프로톤 전도성 이오노머 20~60중량부 및 알코올계 용매 500~1500중량부를 혼합하여 촉매층 형성 슬러리를 제조하는 단계;
(2) 상기 촉매층 형성 슬러리를 40~150℃의 온도로 열처리 중인 멤브레인에 정전 분사법으로 직접 코팅하여 상기 멤브레인 상에 촉매층을 형성하는 단계; 및
(3) 상기 형성된 촉매층을 핫프레스로 고정시켜 막-전극 어셈블리를 제조하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 상기 촉매층 형성 슬러리의 구체적인 제조 방법은 프로톤 전도성 이오노머와 알코올계 용매를 상온에서 교반하면서, 질소 분위기하에 연료전지용 촉매를 투입하여 교반한 후, 초음파분산기를 이용하여 상기 혼합물을 분산시켜 제조한다.
본 발명의 연료전지용 촉매는 연료전지에 통상적으로 사용되는 것으로, 예로서 백금이 탄소에 담지된 촉매(Pt/C 촉매)가 사용가능하다.
본 발명의 프로톤 전도성 이오노머는 수소 이온 전도성 고분자가 바람직하며, 나피온(Nafion)이 더욱 바람직하다.
일반적으로, 연료전지에서 전해질로 사용되는 멤브레인은 고체이므로 전극의 촉매층과 멤브레인과의 계면형성에는 한계가 있다. 이러한 계면의 면적을 증가시키기 위해 촉매층에 프로톤 전도성 이오노머를 함침시켜 연료전지용 촉매와 상기 이오노머의 접촉을 향상시켜 주어야 하며, 이때 형성된 삼상 계면에 의해 촉매 이용률이 높아지게 된다. 따라서, 촉매층에 이오노머를 함침하는 방법은 촉매층을 먼저 만든 후 그 면에 이오노머 용액을 얇게 도포하는 방법과 촉매를 이오노머 용액과 함께 혼합하여 슬러리를 제조하는 방법이 있다.
본 발명에서는 후자의 방법에 의해 촉매층에 프로톤 전도성 이오노머를 함침한다. 이때 상기 프로톤 전도성 이오노머의 함량은 전극의 물질이동 및 프로톤 전도도 등에 영향을 미치므로, 상기 프로톤 전도성 이오노머의 함량은 상기 연료전지용 촉매량 100중량부 대비 20~60중량부인 것이 바람직하다. 촉매량 대비 이오노머 함량이 20중량부 미만이면 촉매층과 이오노머와의 삼상 계면 형성이 높지 않아 프 로톤 전도성이 나빠지게 되고, 60중량부를 초과하면 과량의 이오노머가 촉매를 덮게 되어 전자의 이동을 방해하고 기체확산을 방해하게 된다.
상기 용매는 멤브레인을 직접 코팅하는 과정에서의 수화 문제를 해결하기 위해, 비점이 낮아 열처리시 쉽게 휘발될 수 있는 용매이면 사용가능하며, 에탄올 또는 이소프로필알코올과 같은 알코올계의 용매가 바람직하다. 알코올계의 용매를 사용하는 경우에는 바인더 기능의 수행을 위해 촉매 입자를 분산시키기 위한 초음파 분산을 수행할 수 있다.
상기 용매의 함량은 상기 연료전지용 촉매량 100중량부 대비 500~1500중량부인 것이 바람직하다. 촉매량 대비 상기 용매의 함량이 500중량부 미만이면 촉매 슬러리 내의 촉매 분산이 어렵게 되고, 1500중량부를 초과하면 점도가 지나치게 낮아져 촉매가 쉽게 뭉치면서 가라앉아 스프레이건 노즐을 막히게 할 수 있다.
상기 멤브레인은 연료전지에서 통상적으로 사용되는 멤브레인, 예를 들면, 나피온 112(듀폰사)를 사용할 수 있으며, 이 경우 사용 전에 전처리 과정을 거친다.
시판용 나피온 막은 보관을 목적으로 하여 Na+ 형태로 공급되고 있어서 이를 H+이온을 갖는 SO3H의 형태로 변환시키기 위해 전처리가 필요하다. 전처리 과정은 당 분야에 공지되어 있으며, 구체적으로는, 우선 과산화수소에서 2시간 정도 끓인 후, 물로 세척하여 잔존하는 유기물질을 제거한 다음, 다시 0.5M 황산에 2시간 정 도 끓인 후, 물로 세척하여 H+형태의 나피온을 얻는다.
상기 (1)단계에서 제조된 촉매층 형성 슬러리를 상기 멤브레인 위에 분사하는 경우에, 상기 슬러리 내의 비점이 낮은 알코올계의 용매가 순식간에 휘발되면서 멤브레인 수화 현상 없이 균일한 촉매층을 얻기 위해, 상기 멤브레인을 40~150℃, 더 바람직하게는 80~120℃로 유지되는 핫플레이트(hot plate)위에 올려 놓고 모서리 끝을 고정시켜 열처리한다. 상기 멤브레인의 열처리 온도가 40℃ 미만이면 용매의 휘발성이 저하되어 멤브레인 수화문제가 발생하게 되고, 150℃를 초과하면 열에 약한 SO3기가 멤브레인으로부터 떨어져 나가 수소이온전도성을 저하시키게 된다.
이때 핫플레이트는 열 및 전기전도성이 우수한 것이 바람직하며, 알루미늄판이 바람직하다.
본 발명은 일반 스프레이법에 의해 발생하는 촉매 손실을 줄이기 위해 정전 분사법에 의해 상기 촉매층 형성 슬러리를 코팅한다. 구체적으로, 촉매층 형성 슬러리는 탄소의 영향으로 0.5MΩ 이하의 매우 낮은 저항치를 보이므로 고전압 인가에 따라 쉽게 하전될 수 있다. 고전압 모듈 장치를 통해 10~100kV의 고전압을 촉매층 형성 슬러리에 가하여 입자를 음전하로 하전시키면, 접지된 핫플레이트 사이에 전위차에 의한 전기장이 형성되고, 분사된 촉매 슬러리 입자들이 에어 흐름에 따라 핫플레이트 쪽으로 이동하면서 높은 효율로 멤브레인에 도포된다. 고전압 인가에 의해 일정 수준 이상의 전하량으로 대전된 입자의 전하량을 상기 입자가 멤브레인에 전사될 때까지 유지시키는 것이 중요하다. 따라서 대전된 촉매 슬러리가 방전되 지 않도록 절연에 유의해야 한다.
상기 촉매층 형성 슬러리에 가해지는 전압이 10kV 미만이면, 대전되는 촉매입자의 전하량이 적게 되어 정전분사에 의한 효과가 떨어지게 되고, 100kV를 초과하면 정전분사효과를 최대로 낼 수 있는 대전된 입자의 전하량을 이미 확보한 상태이므로 불필요한 전력을 낭비하게 되는 것이다.
MEA 제조시 양극과 음극 형성이 필요하므로 멤브레인 한 쪽 면에 전극코팅을 한 후, 무게 측정을 통해 일정량 이상의 촉매가 로딩되면 반대쪽에 동일한 공정으로 전극코팅을 실시한다. 본 발명에서 촉매의 로딩량은 한쪽 전극당 0.1~1.0mg/㎠이 바람직하다. 한쪽 전극당 촉매 로딩량이 0.1mg/㎠ 미만이면, 전극성능이 낮게 나오고, 1.0mg/㎠을 초과하면 실제 Pt촉매 투입량 대비 촉매 이용률이 떨어져 성능 상승폭이 떨어지게 되고, 비싼 귀금속 촉매의 사용증가로 인한 비용문제가 발생한다.
상기 과정 다음으로 촉매층과 멤브레인 사이의 계면저항을 줄이면서 상기 촉매층을 멤브레인에 고착시키기 위해 핫프레스를 통해 열과 압력을 가하는 과정을 거친다. 핫프레스의 운전 조건은, 온도는 50~150℃, 압력은 코팅된 촉매층 단위 면적당 50~200kg/㎠, 시간은 30초~10분이 바람직하다.
핫프레스의 운전조건이 상기 범위를 벗어나면 촉매층이 멤브레인에 효과적으로 고착되지 않는다.
이하 실시예 및 비교예에 의해 본 발명을 상세히 설명하나, 이에 의해 본 발 명이 제한되는 것은 아니다.
실시예
이소프로필 알코올 30g에 프로톤 전도성 이오노머로서 당량 무게가 500~1500인 5중량% 희석 나피온용액 20g을 투입한 후 교반하면서 질소분위기 하에 Pt/C촉매 3g을 투입하고 초음파 분산을 통해 촉매층 형성 슬러리를 제조했다.
전처리로서, 과산화수소에서 2시간 정도 끓인 후, 물로 세척하여 잔존하는 유기물질을 제거한 다음, 다시 0.5M 황산에 2시간 정도 끓인 후, 물로 세척한 나피온 112를 100℃의 핫플레이트에 고정시키고, 상기 촉매층 형성 슬러리를 정전 분사기에 장치한 후 50kV 전압을 인가하여, 상기 나피온 112에 분사 코팅하였다. 그 후 핫프레스(온도:100℃, 압력:100kg/㎠, 시간:5분)를 통해 상기 촉매 코팅층을 멤브레인에 고착시켜 MEA를 제조하였다.
비교예 1
상기 촉매층 형성 슬러리에 전압을 인가하지 않고, 멤브레인에 스프레이법으로 분사 코팅한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 조건으로 MEA를 제조하였다.
비교예 2
상기 촉매층 형성 슬러리를 탄소확산층에 스크린 프린트법으로 코팅한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 조건으로 MEA를 제조하였다.
시험예 1
상기 실시예와 비교예 1에 따라 제조된 MEA에 대해, 코팅에 따른 촉매로딩량을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 멤브레인 위에 도포되는 전극면적은 25cm2(5cm*5cm)로 하였다.
[표 1]
사용된 촉매슬러리량(g) 실제 도포된 Pt/C 촉매량(g) 실제 도포된 Pt 로딩량(mg/㎠) 상대값 비교
실시예 20 0.7898 4.7388 1.26
비교예 1 20 0.6253 3.7518 1
상기 표 1의 측정결과는, 동일한 촉매슬러리량에 대해 스프레이 조건(왕복횟수, 스프레이속도, 토출량)을 동일하게 할 때, 실시예에 따라 제조된 MEA는 비교예 1에 따라 제조된 MEA에 비해 멤브레인에 도포되는 촉매로딩량이 약 26% 향상됨을 나타낸다.
시험예 2
또한, 실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조하되, 촉매 로딩량이 동일하도록 제조된 MEA를 이용한 단위전지를 제조한 후, 성능테스트를 실시하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 단위전지는 양쪽에 탄소확산층을 붙인 MEA를 두장의 가스켓 사이에 삽입하고, 이것을 2개의 바이폴라 플레이트에 삽입한 후, 엔드 플레이트 사이에서 압착하여 제조하였다. 단위전지 성능테스트는 연료로 수소와 산소를 이용하였고, 동일한 기체유량, 셀온도, 가습온도 하에서 실시하였다. 성능측정은 0.6V 전압에서의 전류밀도를 측정하였다.
[표 2]
전류밀도(A/㎠) 전압(V)
실시예 1.30 0.6
비교예 1 1.16 0.6
비교예 2 1.02 0.6
상기 표 2의 성능테스트 결과는, 실시예에 따라 제조된 MEA는 비교예 1 및 2에 의해 제조된 MEA에 비해, 같은 촉매 로딩량에서, 약 10~20% 향상된 전극 성능을 나타낸다.
상기와 같이 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법은 스프레이 코팅에 따른 촉매 손실 문제를 개선시킬 수 있고, 이로부터 제조된 막-전극 어셈블리는 높은 촉매 이용률로 인해 성능 개선효과가 있고, 제조공정이 간단하여 대량 생산에 유리한 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 다음의 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법:
    (1) 연료전지용 촉매 100중량부와 프로톤 전도성 이오노머 20~60중량부 및 알코올계 용매 500~1500중량부를 혼합하여 촉매층 형성 슬러리를 제조하는 단계;
    (2) 상기 촉매층 형성 슬러리를 40~150℃의 온도로 열처리 중인 멤브레인에 정전 분사법으로 직접 코팅하여 상기 멤브레인 상에 촉매층을 형성하는 단계; 및
    (3) 상기 코팅된 촉매층을 핫프레스로 고정시켜 막-전극 어셈블리를 제조하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정전분사법은 10~100kV의 전압하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 코팅된 촉매층의 핫프레스는 온도가 50~150℃, 압력이 코팅된 촉매층 단위 면적당 50~200kg/㎠, 처리시간이 30초~10분인 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012169836A2 (ko) * 2011-06-09 2012-12-13 한국생산기술연구원 층 구조물 및 그 제조방법
KR101283045B1 (ko) * 2011-05-09 2013-07-05 기아자동차주식회사 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치
US9276281B2 (en) 2010-12-03 2016-03-01 Hyundai Motor Company Manufacturing a fuel cell membrane-electrode assembly
KR20200019467A (ko) * 2018-08-14 2020-02-24 풍원화학(주) 연료전지용 막전극접합체 제조방법, 막전극접합체 및 연료전지
CN114976045A (zh) * 2022-04-22 2022-08-30 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池催化层孔径调节的制备方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9276281B2 (en) 2010-12-03 2016-03-01 Hyundai Motor Company Manufacturing a fuel cell membrane-electrode assembly
KR101283045B1 (ko) * 2011-05-09 2013-07-05 기아자동차주식회사 막-전극 어셈블리 제조용 핫 프레스 장치
WO2012169836A2 (ko) * 2011-06-09 2012-12-13 한국생산기술연구원 층 구조물 및 그 제조방법
WO2012169836A3 (ko) * 2011-06-09 2013-04-11 한국생산기술연구원 층 구조물 및 그 제조방법
US9508995B2 (en) 2011-06-09 2016-11-29 Korea Institute Of Industrial Technology Laminar structure and a production method for same
KR20200019467A (ko) * 2018-08-14 2020-02-24 풍원화학(주) 연료전지용 막전극접합체 제조방법, 막전극접합체 및 연료전지
CN114976045A (zh) * 2022-04-22 2022-08-30 中国科学院大连化学物理研究所 一种燃料电池催化层孔径调节的制备方法
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