KR20090047781A - 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법 - Google Patents

연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20090047781A
KR20090047781A KR1020070113808A KR20070113808A KR20090047781A KR 20090047781 A KR20090047781 A KR 20090047781A KR 1020070113808 A KR1020070113808 A KR 1020070113808A KR 20070113808 A KR20070113808 A KR 20070113808A KR 20090047781 A KR20090047781 A KR 20090047781A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
catalyst layer
polymer
membrane
fuel cell
electrolyte membrane
Prior art date
Application number
KR1020070113808A
Other languages
English (en)
Inventor
김유미
안성국
송민규
황지석
송형석
조현석
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020070113808A priority Critical patent/KR20090047781A/ko
Publication of KR20090047781A publication Critical patent/KR20090047781A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8814—Temporary supports, e.g. decal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8846—Impregnation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8896—Pressing, rolling, calendering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 관한 것으로서, 촉매층 형성용 조성물을 이형기재의 일면에 도포하여 촉매층을 형성하는 단계, 상기 촉매층이 형성된 이형기재를 산 및 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전처리 용액에 담지시켜 전처리하는 단계, 상기 전처리된 이형기재의 촉매층에 고분자 전해질막을 위치시키고 열간 압연하여 이형기재에 형성된 촉매층을 고분자 전해질막으로 전사시키는 단계 및 상기 고분자 전해질막으로 전사된 촉매층에 전극기재를 위치시킨 후 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 제조방법은 산 및 수소 이온 전도성 고분자를 포함한 전처리 용액에 촉매층이 형성된 이형기재를 담지시키는 전처리 공정을 통해 촉매층에 잔존한 유기물질을 제거하는 공정과 고분자 전해질막 표면에 수소 이온 전도성 고분자를 물리적으로 흡착하는 공정을 동시에 실시할 수 있다. 그 결과 막-전극 어셈블리를 제조하는 공정 횟수를 줄일 수 있어서 생산효율을 증가시키고 경제적인 효과를 얻는다.
연료전지, 고분자 전해질막, 촉매층, 전사, 제조방법

Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법{METHOD OF PREPARING MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간단한 공정을 이용하여 경제적으로 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있는 막-전극 어셈블리의 제조방법에 관한 것이다.
연료 전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4 내지 10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 직접 산화형 연료 전지(direct oxidation fuel cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: direct methanol fuel cell)라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, “연료극” 또는 “산화 전극”이라 한다)과 캐소드 전극(일명 “공기극” 또는 “환원 전극”이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
본 발명의 목적은 막-전극 어셈블리를 전사 공정으로 제조하는 공정에서 전체 공정 횟수를 감소시켜, 보다 간단한 공정으로 경제적으로 제조할 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 평균적 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 본 발명의 일 구현예는 촉매층 형성용 조성물을 이형기재의 일면에 도포하여 촉매층을 형성하는 단계, 상기 촉매층이 형성된 이형기재를 산 및 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전처리 용액에 담지시켜 전처리하는 단계, 상기 전처리된 이형기재의 촉매층에 고분자 전해질막을 위치시키고 열간 압연하여 이형기재에 형성된 촉매층을 고분자 전해질막으로 전사시키는 단계 및 상기 고분자 전해질막으로 전사된 촉매층에 전극기재를 위치시킨 후 접합하는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 제공하는 것이다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 막-전극 어셈블리는 산 및 수소 이온 전도성 고분자를 포함한 전처리 용액에 촉매층이 형성된 이형기재를 담지시키는 전처리 공정을 통하여 촉매층에 잔존한 오염물질을 제거하는 공정과 촉매층이 형성된 이형기재 표면에 수소 이온 전도성 고분자를 물리적으로 흡착하는 공정을 동시에 실시할 수 있다. 그 결과 막-전극 어셈블리를 제조하는 공정 횟수를 줄일 수 있어서 생산효율을 증가시키고 경제적인 효과가 있다.
이하 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지에서 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질막과 이 고분자 전해질막 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 구성되며, 이 막-전극 어셈블리에서, 연료 및 산화제에 의한 산화 및 환원 반응에 따라 전기를 발생시킨다.
이러한 막-전극 어셈블리를 제조하는 방법 중 하나로 이형기재에 촉매층을 형성한 후, 이 촉매층을 고분자 전해질막으로 전사시키는 공정(decal process)이 있다.
본 발명은 이러한 전사 공정을 이용한 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리의 제조방법은 촉매층 형성용 조성물을 이형기재의 일면에 도포하여 촉매층을 형성하는 단계; 상기 촉매층이 형성된 이형기재를 산 및 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전처리 용액에 담지시켜 전처리하는 단계; 상기 전처리된 이형기재를 열간 압연하여 이형기재에 형성된 촉매층을 고분자 전해질막으로 전사시키는 단계; 및 상기 고분자 전해질막으로 전사된 촉매층에 전극기재를 위치시킨 후 접합하는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조공정을 나타낸 공정도이다. 도 1을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 먼저 촉매층 형성용 조성물을 이형기재의 일면에 도포하여 촉매층을 형성한다(S1).
상기 촉매층 형성용 조성물은 촉매, 바인더 수지 및 용매를 혼합하여 제조한다. 이때, 촉매, 바인더 수지 및 용매의 혼합 비율은 사용 목적에 따라 적절하게 조절할 수 있다.
상기 촉매는 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 것으로 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다.　 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다.　 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 바람직하다.　 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다.　 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.
상기 바인더 수지는 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온을 전달하는 역할을 하며, 그 예로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다.
이러한 수소 이온 전도성 고분자는 시판되는 액체 상태의 것을 사용하는 경우 별도의 용매를 추가로 사용할 필요는 없다.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴 리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 것을 들 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온(Nafion)으로 시판됨), 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]), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 또는 이들의 공중합체 중에서 선택되는 1종 이상의 것을 들 수 있다.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 공중합체(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.
상기 용매로는 극성을 나타내는 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 물; 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올(IPA) 등의 알코올계 용매; N,N-디메 틸아세트아미드(DMAC), N-메틸 피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF) 등 아미드계 용매; 및 디메틸술폭사이드 등의 술폭사이드계 용매 등을 사용할 수 있다.
상기 이형기재로는 폴리부틸테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)와 같은 폴리알킬렌테레프탈레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(Ethylene/ Tetrafluoroethylene(ETFE)), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 등의 불소계 수지 필름, 또는 폴리이미드(Kapton DuPont 사제), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene)과 같은 폴리올레핀, 폴리에스테르(Mylar DuPont 사제) 등의 비불소계 고분자 필름을 사용할 수 있다.
상기 이형기재에 대한 촉매층 형성용 조성물의 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯다이(slot die)법으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나, 보다 바람직하게는 스크린 프린팅 법을 사용할 수 있다.
상기 촉매층이 형성된 이형기재를 전처리 용액에 침지시켜 전처리시킨다(S2).
상기 전처리 용액은 수소 이온 전도성 고분자와 산을 포함한다. 즉, 본 발명에서는 산처리와 수소 이온 전도성 고분자의 흡착을 동시에 실시할 수 있다.
종래에는 촉매층을 이형기재에 형성한 후, 촉매층이 형성된 이형기재를 황산 용액에 침지하여 산처리 공정을 실시하였다. 상기 산처리 공정을 통하여 촉매층에 바인더로 사용되는 나피온 용액이 이온화(protonation)되고, 촉매층의 표면에 잔존하는 오염물질(산화물, 유기 오염물 등)이 제거된다.
상기 산처리 공정을 거친 후, 촉매층이 고분자 전해질막에 전사가 잘 되도록 스프레이(spray) 방법을 이용하여 상기 이온화된 나피온 용액을 다시 촉매층이 형성된 이형기재의 표면에 물리적으로 흡착시켰다.
이러한 종래기술은 산처리 공정 및 수소 이온 전도성 고분자의 흡착 공정을 별도로 실시하여 공정이 복잡하였고, 스프레이 방법에 의하여 수소 이온 전도성 고분자가 이형기재의 표면에 불균일하게 흡착되는 문제점이 있다.
이에 대하여, 본 발명은 수소 이온 전도성 고분자와 산을 포함하는 전처리 용액을 사용하여 산처리 공정과 수소 이온 전도성 고분자 흡착 공정을 동시에 실시함으로써, 막-전극 어셈블리의 공정을 단순화하여 경제적으로 제조할 수 있으며, 생산효율을 증가시킬 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 본원발명에 따른 전처리 용액은 수소 이온 전도성 고분자가 용액 상에 고르게 분포되어 있어 수소 이온 전도성 고분자가 이형기재의 표면에 균일하게 흡착할 수 있으며, 촉매층이 고분자 전해질막으로 용이하게 전사시킬 수 있어 촉매층의 효율이 증가된다.
상기 수소 이온 전도성 고분자와 산의 혼합비율은 1 : 1 내지 1 : 5 부피비가 바람직하다. 상기 수소 이온 전도성 고분자에 대한 산의 부피비가 1 미만일 경우 이형기재의 표면에 존재하는 오염물질(산화물, 유기 오염물 등)이 완전히 제거 되지 않으므로 바람직하지 않고, 상기 수소 이온 전도성 고분자에 대한 산의 부피비가 5를 초과할 경우 이형기재에 형성된 촉매층이 고분자 전해질막으로 전사가 이루어지지 않아 바람직하지 않다.
상기 산으로는, 염산(HCl), 질산(HNO3), 황산(H2SO4), 아세트산(CH3COOH), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 수소 이온 전도성 고분자는 액체상태로 사용할 수도 있고, 고체상태로 사용할 수도 있다.
상기 수소 이온 전도성 고분자는 액체상태로 사용 시 통상적인 방법에 따라 0.5 내지 2 중량%의 농도로 희석시켜 제조할 수 있다. 이때 사용된 용매는 앞서 말한 바와 동일하다.
또한, 상기 수소 이온 전도성 고분자는 고체상태로 사용시 시판되는 액체상태의 수소 이온 전도성 고분자에서 용매를 휘발(evaporation)시켜 사용할 수 있다.
이때, 상기 전처리 공정 시 온도는 80℃ 내지 120℃이 바람직하다. 또한, 전처리 공정 시 시간은 1 내지 3시간이 바람직하다.
이어서, 상기 전처리 된 이형기재의 촉매층에 고분자 전해질막을 위치시키고 열간 압연하여 이형기재에 형성된 촉매층을 고분자 전해질막으로 전사시킨다(S3).
상기 고분자 전해질막은 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 포함하는 것이 바람직하다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 들 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 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]), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 이와 같이 치환된 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질막을 사용하는 경우에도 황산 등의 촉매층에 대한 설폰화 처리를 실시하여 프로톤 형(form)으로 전환되므로 최종 고분자 전해질막은 프로톤(H+) 형의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하게 된다.
열간 압연시 온도는 120 내지 160℃이 바람직하다. 상기 온도가 120℃ 미만일 경우, 열간 온도가 현저히 낮아지게 되어 촉매층의 전사가 어려워지며, 160℃를 초과할 경우 전해질 막의 열적 안정성이 낮아지게 되어 막의 형태가 유지되지 않는 문제가 있다.
또한, 열간 압연시 압력은 700 내지 1500psi이 바람직하다. 상기 압력이 700psi 미만일 경우, 촉매층의 전사가 어려워지며, 1500psi를 초과할 경우 전해질막의 주름이 생기는 현상(wrinkle 현상)이 생기고, 전해질 막의 촉매층이 지나치게 밀집된 구조를 가지므로 반응물의 유입 및 제거에 바람직하지 않다. 상기와 같은 열간 압연 공정에 의해 촉매층이 이형기재로부터 분리되어 고분자 전해질막으로 전사된다.
상기 고분자 전해질막으로 전사된 촉매층에 전극기재를 위치시킨 후 접합함으로써(S4) 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제조할 수 있다.
상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용할 수 있으며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.　
또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동 시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.　 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드,　폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
또한, 전극 기재와 촉매층 사이에 기체 확산 효과를 더욱 증진시키기 위하여, 전극 기재 위에 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 형성할 수 도 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말 물질, 바인더 및 필요에 따라 아이오노머를 포함하는 조성물을 도포하여 형성된다. 상기 도전성 분말로는 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 또는 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring) 등과 같은 나노 카본 등이 사용될 수 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, 또는 n-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드 등을 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전극 기재와 고분자 전해질막과의 결착 방법은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
본 발명은 또한 상기 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(10)는 고분자 전해질막(50) 및 상기 고분자 전해질막(50)의 양면에 각각 배치되는 상기 연료 전지용 전극(20, 20')을 포함한다. 상기 전극(20, 20')은 전극기재(40, 40')와 상기 전극기재 표면에 형성된 촉매층(30, 30')을 포함한다.
상기 막-전극 어셈블리(10)에서, 고분자 전해질막(50)의 일면에 배치되는 전극(20)을 애노드 전극이라 하면, 다른 일면에 배치되는 전극(20')을 캐소드 전극이라 한다. 애노드 전극(20)은 전극기재(40)를 지나 촉매층(30)으로 전달된 연료로부터 수소 이온과 전자를 생성시키는 산화반응을 일으키고, 고분자 전해질막(50)은 상기 애노드 전극(20)에서 발생한 수소이온을 캐소드 전극(20')으로 이동시키며, 캐소드 전극(20')은 상기 고분자 전해질막(50)을 통해 공급받은 수소이온과, 전극기재(40')를 지나 촉매층(30')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원반응을 일으킨다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전 지 시스템을 제공한다.
상기 연료전지 시스템은 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리를 포함하고, 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 포함하며, 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함한다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 3에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 3에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않고, 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(115)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(120)와, 산화제를 상기 전기 발생부(115)로 공급하는 산화제 공급부(130)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(120)는 연료를 저장하는 연료 탱크(122)를 구비하며, 선택적으로, 상기 연료 탱크(122)에 연결 설치되는 연료 펌프(124)를 더 구비할 수도 있다. 상기한 연료 펌프(124)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(122)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 전기 발생부(115)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(130)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(132)를 구비할 수 있다.
상기 전기 발생부(115)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(112)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(114,114')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(115)가 적어도 하나 모여 스택(110)을 구성한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
Pt-Ru 블랙(Pt-Ru) 1g, 나피온(nafion) 0.12g 및 이소프로필 알코올 용매 9ml를 혼합하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.
상기 촉매층 형성용 조성물을 스크린 인쇄법으로 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate;PET)인 이형기재 일면에 직접 코팅하여 촉매층이 형성된 이형기재를 제조하였다.
5중량% 농도를 갖는 나피온 용액(Nafion Dupont사제, 용매 이소프로필알콜(IPA) 및 물)에 이소프로필알콜 및 물을 첨가하여 1중량% 농도의 나피온 용액으로 희석한 후 1M의 황산과 1:1의 부피비로 혼합하여 전처리 용액을 제조하였다. 상기 촉매층이 형성된 이형기재를 상기 전처리 용액에 100℃에서 2시간 동안 침지하여 전처리시켰다. 이 공정에 따라 촉매층에 남아있는 유기물질을 제거하고, 동시에 촉매층 표면에 나피온을 흡착시켰다.
고분자 전해질막으로서 상업용 Nafion 115막(중량평균분자량: 50 내지 80만)을 각각 90℃의 3% 과산화수소, 0.5M 황산 수용액에서 2시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 H+형 Nafion 115막을 준비하였다(두께 125㎛).
상기 고분자 전해질막의 양면에 촉매층이 대향하도록 상기 유기물질이 제거되고, 표면에 나피온이 흡착된 촉매층이 형성된 이형기재를 고분자 전해질막에 위치시킨 후 120℃, 1500psi의 압력에서 열간 압연하여 이형기재에 형성된 촉매층을 고분자 전해질막으로 전사하였다.
이어서 촉매층이 전사된 고분자 전해질막의 양면에 상업용 전극 기재(SGL Carbon 31BC)를 물리적으로 접착하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
(비교예 1)
상기 실시예 1과 동일한 공정으로 촉매층이 형성된 이형기재를 제조하였다. 1M의 황산에 상기 촉매층이 형성된 이형기재를 넣고 100℃에서 2시간 동안 산처리 하였다.
이어서, 5중량% 농도를 갖는 나피온 용액(Nafion Dupont사제, 용매 이소프로필알콜(IPA) 및 물)에 이소프로필알콜 및 물을 첨가하여 희석한 1중량% 농도의 나피온 용액을 스프레이하여 촉매층 표면에 나피온을 흡착시켰다.
고분자 전해질막으로서 상업용 Nafion 115막(분자량: 50 내지 80만)을 각각 90℃의 3% 과산화수소, 0.5M 황산 수용액에서 2시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 H+형 Nafion 115막을 준비하였다(두께 125㎛).
상기 고분자 전해질막의 양면에 촉매층이 대향하도록 상기 유기물질이 제거되고, 표면에 나피온이 흡착된 촉매층이 형성된 이형기재를 고분자 전해질막에 위치시킨 후 100℃, 1600psi의 압력에서 열간 압연하여 이형기재에 형성된 촉매층을 고분자 전해질막으로 전사하였다.
이어서 촉매층이 전사된 고분자 전해질막의 양면에 상업용 전극 기재(SGL Carbon 31BC)를 물리적으로 접착하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
상기 실시예 1과 비교예 1을 비교해 보면, 실시예 1의 제조방법은 상기 비교예 1에 비하여 촉매층에 잔존하는 유기물질을 제거하는 산처리 공정과 수소 이온 전도성 고분자를 촉매층이 형성된 이형기재에 흡착시키는 수소 이온 전도성 고분자 흡착 공정을 동시에 실시할 수 있어, 공정이 간단한 효과가 있다. 따라서, 막-전극 어셈블리를 제조하는 전체 공정 횟수를 줄일 수 있어, 생산효율을 증가시킬 수 있음을 예측할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

Claims (7)

  1. 촉매층 형성용 조성물을 이형기재의 일면에 도포하여 촉매층을 형성하는 단계;
    상기 촉매층이 형성된 이형기재를 산 및 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 전처리 용액에 담지시켜 전처리하는 단계;
    상기 전처리된 이형기재의 촉매층에 고분자 전해질막을 위치시키고 열간 압연하여 이형기재에 형성된 촉매층을 고분자 전해질막으로 전사시키는 단계; 및
    상기 고분자 전해질막으로 전사된 촉매층에 전극기재를 위치시킨 후 접합하는 단계
    를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산은 염산(HCl), 질산(HNO3), 황산(H2SO4), 아세트산(CH3COOH), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수소 이온 전도성 고분자는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이형기재는 폴리알킬렌테레프탈레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(Ethylene/ Tetrafluoroethylene(ETFE)), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리이미드(polyimide), 폴리올레핀, 및 폴리에스테르(polyester)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열간 압연 공정은 120 내지 160℃의 온도에서 실시되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열간 압연 공정은 700 내지 1500psi의 압력에서 실시되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
KR1020070113808A 2007-11-08 2007-11-08 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법 KR20090047781A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070113808A KR20090047781A (ko) 2007-11-08 2007-11-08 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070113808A KR20090047781A (ko) 2007-11-08 2007-11-08 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20090047781A true KR20090047781A (ko) 2009-05-13

Family

ID=40857081

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070113808A KR20090047781A (ko) 2007-11-08 2007-11-08 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20090047781A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101233343B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR100658688B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR100684767B1 (ko) 연료 전지 캐소드용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 연료 전지 시스템
US20110097651A1 (en) Membrane Electrode Assembly (MEA) Fabrication Procedure on Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
KR100953617B1 (ko) 연료 전지용 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20070098136A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR20080032962A (ko) 연료 전지용 캐소드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
KR20080047765A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR20090055304A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR100759436B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR20090032772A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR20080045461A (ko) 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20090030104A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR20080044495A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법 및 이로부터제조된 연료 전지용 막-전극 어셈블리
KR20090039423A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지시스템
KR20070108009A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법, 이로부터제조된 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR100649569B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법
KR20090019175A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법 및 이에 따라제조된 연료 전지용 막-전극 어셈블리
KR20090047781A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법
KR20070099121A (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20080045421A (ko) 연료전지용 고분자 전해질 막의 제조방법, 이에 따라제조된 연료전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템
KR20070090557A (ko) 연료 전지용 고분자 전해질 막의 제조 방법
KR100709193B1 (ko) 직접 산화형 연료 전지용 스택 및 이를 포함하는 직접산화형 연료 전지 시스템
KR20080010575A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법
KR100766964B1 (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Withdrawal due to no request for examination