KR20090132214A - 연료전지용 막전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는연료전지 - Google Patents

연료전지용 막전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는연료전지 Download PDF

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Abstract

연료전지용 막전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함한 연료전지가 개시된다. 개시된 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법은 (a) 제1 지지막 상에 제1 전극 촉매층을 형성하고, 상기 제1 전극 촉매층 상에 이온전도성 재료를 코팅하여 제1 이온전도성 피막층을 형성함으로써 제1 전사필름을 제조하는 단계, (b) 제2 지지막 상에 제2 전극 촉매층을 형성하고, 상기 제2 전극 촉매층 상에 이온전도성 재료를 코팅하여 제2 이온전도성 피막층을 형성함으로써 제2 전사필름을 제조하는 단계, 및 (c) 상기 제1 전사필름의 제1 이온전도성 피막층 및 상기 제2 전사필름의 제2 이온전도성 피막층을 전해질막의 일면 및 타면에 각각 인접되게 배치한 후, 상기 제1 전사필름 및 제2 전사필름을 상기 전해질막의 일면 및 타면 상에 동시에 또는 순차적으로 각각 전사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서 개시된 연료전지용 막전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함한 연료전지는 막과 전극 사이의 계면 저항이 감소하고 전극 촉매층 내의 공극률이 증가하여 물질 전달이 용이해진다.

Description

연료전지용 막전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지{Membrane and electrode assembly for fuel cell, manufacturing method, and fuel cell using the same}
본 발명은 연료전지용 막전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전해질막과 전극 촉매층 사이에 이온전도성 피막층을 구비함으로써 전해질막과 전극 촉매층 사이의 계면저항을 줄일 수 있으며, 막전극 접합체 제조후 후처리 공정을 통하여 전극 촉매층 내의 공극율을 확보할 수 있는 연료전지용 막전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료가 가지고 있는 에너지를 화학반응에 의해 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소로부터 물을 생성하는 화학반응을 통하여 전기에너지를 얻는다. 이러한 에너지 변환은 후술하는 막전극 접합체에서 이루어지므로 막전극 접합체는 연료전지의 성능을 좌우하는 핵심 부품이다.
고분자 전해질 연료전지의 스택 내부 구조는, 도 1에 도시된 바와 같이, 전 해질막(12) 및 상기 전해질막(12) 양면 각각에 배치된 한쌍의 전극 촉매층(11, 11')으로 구성된 막전극 접합체(10)를 포함한다.
이러한 막전극 접합체(10)의 양면 각각에는, 비록 여기에서는 도시되지 않았지만, 한쌍의 가스확산층(gas diffusion layer: GDL)이 막전극 접합체(10)를 지지하도록 배치되며, 가스확산층의 바깥쪽 부분에는 연료 및 공기를 전달하고 생성된 물을 배출하는 유로(flow field)가 형성된 한쌍의 분리판(seperator)이 배치된다. 따라서, 단위전지는 1장의 막전극 접합체와 2장의 가스확산층, 및 2장의 분리판(sepeator)으로 구성되며, 이러한 단위전지가 적층됨으로써 스택전지를 형성한다.
막전극 접합체는 촉매 피복막(catalyst coated membrane: CCM)과 촉매 피복 가스확산층(catalyst coated GDL: CCG)의 두 가지 방법으로 제조될 수 있다.
촉매 피복막(CCM) 방법은 먼저, 전사지를 이용하여 전사(데칼)필름을 제조한 후 이 전사필름을 전해질막과 열압착시킴으로써 막전극 접합체를 형성하고, 이와는 별도로 지지층 상에 미세공극이 형성된 가스확산층을 제조한 다음, 상기 막전극 단위체와 상기 가스확산층 단위체를 얼라인하여 셀을 구성하는 방법이다.
촉매 피복 가스확산층(CCG) 방법은 카본 페이퍼 등의 지지체 상에 미세공극이 형성된 가스확산층을 형성하고, 상기 가스확산층 상부에 전극 촉매층을 형성하여 가스확산층-전극 단위체를 제조한 다음, 두 개의 가스확산층-전극 단위체 사이에 전해질막을 열압착시킴으로써 셀을 구성하는 방법이다.
수소와 공기를 주 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지에서는 촉매 피복 막 방법이 촉매 피복 가스확산층 방법에 비해 전해질막과 전극 촉매층 사이의 계면 저항이 낮고 보다 얇은 전극 촉매층의 형성에 유리하기 때문에, 막전극 접합체의 제조에 유리하다고 보고되고 있다(Journal of Power Sources. 170(2007), 140 참조).
그러나, 상기 두 가지 방법은 모두 고온 및 고압의 조건에서 접합공정(즉, 전사공정)이 이루어지기 때문에 전해질막과 전극 촉매층의 접합 상태가 불량하다는 단점이 있으며, 가압시 전극 촉매층 내의 공극이 파괴되어 막전극 접합체의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 전해질막과 전극 촉매층 사이의 계면 저항을 줄일 수 있는 연료전지용 막전극 접합체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 전극 촉매층 내의 공극율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 막전극 접합체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 막전극 접합체를 구비함으로써 셀 전압이 개선된 연료전지를 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
전해질막;
상기 전해질막의 양면에 각각 배치된 한쌍의 전극 촉매층; 및
상기 전해질막과 상기 각각의 전극 촉매층 사이에 배치된 이온전도성 피막층을 구비하는 연료전지용 막전극 접합체를 제공한다.
또한 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
(a) 제1 지지막 상에 제1 전극 촉매층을 형성하고, 상기 제1 전극 촉매층 상에 이온전도성 재료를 코팅하여 제1 이온전도성 피막층을 형성함으로써 제1 전사필름을 제조하는 단계;
(b) 제2 지지막 상에 제2 전극 촉매층을 형성하고, 상기 제2 전극 촉매층 상에 이온전도성 재료를 코팅하여 제2 이온전도성 피막층을 형성함으로써 제2 전사필 름을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 제1 전사필름의 제1 이온전도성 피막층 및 상기 제2 전사필름의 제2 이온전도성 피막층을 전해질막의 일면 및 타면에 각각 인접되게 배치한 후, 상기 제1 전사필름 및 제2 전사필름을 상기 전해질막의 일면 및 타면 상에 동시에 또는 순차적으로 각각 전사시키는 단계를 포함하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 전사필름 및 제2 전사필름의 전사는 열압착 방법 또는 롤투롤(roll-to-roll) 방법에 의해 이루어진다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법은, 상기 제1 전사필름 및 제2 전사필름으로부터 제1 지지막 및 제2 지지막을 각각 제거하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법은, 상기 (c) 단계 이후에, 상기 제1 전극 촉매층 및 제2 전극 촉매층의 공극을 확장시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 제1 전극 촉매층 및 제2 전극 촉매층의 공극을 확장시키는 단계는 산처리, 세척 및 건조 과정을 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 이온전도성 피막층은 퍼플루오로계 양성자 전도성 중합체막, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술포네이티드 폴리(에테르-케톤)계, 과불소화 술폰산기 함유 고분자, 술포네이티드 폴리에테르 에테르 케톤계, 폴리이미드계, 폴리스티렌계, 폴리술폰계 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합 체(clay-sulfonated polysulfone nanocomposite)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 이온전도성 고분자를 포함한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 이온전도성 피막층의 두께는 1 내지 5㎛이다.
또한 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
상기 구현예들 중 어느 한 구현예에 따른 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명에 의하면, 전해질막과 전극 촉매층 사이의 계면 저항을 줄일 수 있는 연료전지용 막전극 접합체 및 그 제조방법이 제공될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 전극 촉매층 내의 공극율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 막전극 접합체 및 그 제조방법이 제공될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 막전극 접합체를 구비함으로써 셀 전압이 개선된 연료전지가 제공될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지용 막전극 접합체 및 그 제조방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 구현예에 따른 연료전지용 막전극 접합체(100)는 전해질막(101), 전극 촉매층(102, 102') 및 이온전도성 피막층(103, 103')을 포함한다.
전해질막(101)은 나피온(듀퐁사)으로 대표되는 퍼플루오로계 양성자 전도성 중합체막, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술포네이티드 폴리(에테르-케톤)계로 대표되는 탄화수소계 고분자, 과불소화 술폰산기 함유 고분자, 술포네이티드 폴리에테르 에테르 케톤계, 폴리이미드계, 폴리스티렌계, 폴리술폰계 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체(clay-sulfonated polysulfone nanocomposite)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 이온전도성 고분자를 포함할 수 있다.
전극 촉매층(102, 102')은 연료전지에 적용되는 통상의 Pt 또는 Pt합금 (PtRu 등) 등의 금속 촉매를 포함하거나 이러한 금속 촉매를 별도의 담체에 담지한 담지 촉매를 포함할 수 있다. 상기 담체로는, 예를 들면, 카본 분말, 활성탄 분말, 그래파이트 분말 또는 탄소분자체인 분말 등이 사용될 수 있다. 상기 활성탄 분말의 구체적인 예로서는 불칸 XC-72(Vulcan XC-72), 케첸블랙(ketzen black) 등이 있다.
이온전도성 피막층(103, 103')은 전해질막(101)과 전극 촉매층(102, 102') 사이에 배치되어 전극 촉매층(102, 102')을 전해질막(101)에 부착시키는 역할과, 연료, 수소이온, 및/또는 부산물의 이동통로로서 작용한다. 이러한 이온전도성 피막층(103, 103')의 두께는 1~5㎛인 것이 바람직하다. 상기 두께가 1㎛ 미만인 경우에는 전해질막(10)에의 부착력이 약화되어서 바람직하지 않고, 상기 두께가 5㎛를 초과하는 경우에는 연료 등의 이동이 원활해지지 않으므로 바람직하지 않다. 이와 같은 이온전도성 피막층을 구비함으로써, 전극 촉매층을 전해질막에 직접 부착시킨 종래기술에 비해 상기 부착력을 향상시키면서도 전해질막과 전극 촉매층 사이의 계면 저항을 낮출 수 있어, 전극 촉매층의 박리현상을 미연에 방지하고 전극 촉매층으로의 연료 등의 전달을 원활하게 할 수 있다. "이온전도성 피막층"에서 "피막층" 이란 수㎛ 이하의 박막으로 형성된 층을 의미하며, 이러한 층은 후술하는 바와 같이 코팅법 등에 의해 형성될 수 있다. 이러한 이온전도성 피막층(103, 103')은 전해질막(101)을 형성하는 전술한 이온전도성 고분자와 동일 또는 유사한 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, "이온전도성 피막층"에서 "이온전도성"은 이온 전달의 저항으로 작용하는 것을 방지하기 위해 상기 층이 갖추어야 할 필수적인 특성이다.
도 3은 본 발명의 한 구현에 따른 막전극 접합체의 제조과정을 설명하기 위한 도면이다. 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조 부호는 동일한 구성요소 또는 동일한 구성요소의 부분을 나타낸다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 막전극 접합체(100)의 제조방법에 관하여 상세히 설명한다.
먼저, 제1 지지막(200), 제1 전극 촉매층(102) 형성용 조성물, 및 제1 이온전도성 피막층(103) 형성용 조성물을 준비한다. 또한, 이와는 별도로, 제2 지지막(200'), 제2 전극 촉매층(102') 형성용 조성물, 및 제2 이온전도성 피막층(103') 형성용 조성물을 준비한다.
제1, 제2 지지막(200, 200')으로는 폴리에틸렌 필름(PE막), 마일라막, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)막, 테프론막, 폴리이미드막 (Kepton film), 폴리테트라플루오로에틸렌막 등이 사용될 수 있다.
제1, 제2 전극 촉매층(102, 102') 형성용 조성물은 금속 촉매 또는 금속 담지 촉매, 이오노머 및 제1 용매를 포함한다. 상기 이오노머로는 불소화 알킬렌으로 구 성된 주쇄와, 말단에 술폰산기를 갖는 불소화 비닐 에테르로 구성된 측쇄를 갖는 술폰화된 고불화 폴리머(예: Nafion, Dupont사의 상표)가 대표적인 예이며 이와 비슷한 성질을 가지는 고분자 물질은 모두 사용될 수 있다. 상기 이오노머는 물과 알코올의 용매에 분산되어 있으며 이오노머의 함량은 금속 촉매 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 50 중량부인 것이 바람직하다. 상기 제1 용매로는 물, 에틸렌글리콜, 이소프로필 알코올, 폴리알콜 등이 사용될 수 있으며, 이의 함량은 금속 촉매 100 중량부를 기준으로 하여 100 내지 1,000 중량부인 것이 바람직하다.
이온전도성 피막층(103, 103') 형성용 조성물은 전술한 이온전도성 고분자 및 제2 용매를 포함한다. 상기 제2 용매로는 물, 에틸렌글리콜, 이소프로필 알코올, 폴리알콜, 또는 이들의 혼합물 등이 사용될 수 있으며, 이의 함량은 이온전도성 고분자 100 중량부를 기준으로 하여 1,000 내지 10,000 중량인 것이 바람직하다.
다음에, 제1 지지막(200) 상부에 전극 촉매층(102) 형성용 조성물 및 이온전도성 피막층(103) 형성용 조성물을 순차적으로 코팅 및 선택적으로 건조하여 제1 전사필름을 얻는다(1단계 및 2단계). 이때 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니며, 닥터 블레이드, 바 코팅, 스핀 코팅, 스크린 프린팅 등이 모두 사용될 수 있다. 상기 건조는 50 내지 160 oC 온도에서 실시하여 용매 잔존율이 30 % 이하가 되도록 제어한다. 이와 같이 용매 잔존율을 제어하면 전극 촉매층(102), 이온전도성 피막층(103) 및 전해질막(101)이 오염되거나 이들(101, 102, 103) 간의 부착력이 약화되는 것을 방지할 수 있다.
제1 지지막(200) 상에 형성된 전극 촉매층(102)의 표면은 일반적으로 매끄럽지가 않고 거칠어 소정 크기의 표면 조도를 갖는다. 그런데, 이온전도성 피막층(103) 형성용 조성물을 상기 전극 촉매층(102)의 표면에 코팅하게 되면 상기 조성물이 전극 촉매층(102)의 표면에 위치하는 촉매 입자들 사이의 빈틈으로 골고루 침투되어 전극 촉매층(102)과 이온전도성 피막층(103)의 접촉면적이 늘어나고 이들 간의 부착력이 향상되게 된다. 또한 이러한 이온전도성 피막층(103)은 전술한 바와 같이 전해질막(101)의 재료와 동일 또는 유사한 물성을 갖는 재료로 형성되므로 이들은 후술하는 전사 과정을 통해 서로 용이하게 부착될 수 있다. 이와 같이 전극 촉매층(102) 상에 이온전도성 피막층(103)을 코팅함으로써, 전극 촉매층(102)은 이온전도성 피막층(103)을 매개로 하여 전해질막(101)과 강하게 부착하게 되고 이들 각각의 막/층 사이의 접촉면적이 늘어나 각각의 계면 저항이 감소하므로 전극 촉매층(102) 등을 통한 물질 이동이 원활해질 수 있다. 만일, 이러한 이온전도성 피막층(103) 없이 전극 촉매층(102)을 전해질막(101)에 직접 전사시키게 되면 전극 촉매층(102)의 촉매입자와 전해질막(101) 사이에는 접착력이나 인력이 거의 작용하지 않기 때문에 매우 높은 열 및 압력 조건하에서 이들을 압착시켜야 할뿐만 아니라 압착 후에도 부착력이 강하지 않은 문제점이 있다.
상기 제1 전사필름의 이온전도성 피막층(103) 상부에 보호필름(미도시)을 덮어 원하는 크기로 절단한 후 사용직전에 이 보호필름을 제거하여 결합시키고자 하는 전해질막(101)의 일면에 배치한다. 여기서, 보호필름으로는 이형 폴리에틸렌테레프탈레이트막이 사용될 수 있다.
이와는 별도로, 제2 지지막(200') 상부에 전극 촉매층(102') 형성용 조성물 및 이온전도성 피막층(103') 형성용 조성물을 순차적으로 코팅 및 선택적으로 건조하여 제2 전사필름을 얻는다. 여기서 이온전도성 피막층(103')은 전술한 이온전도성 피막층(103)과 동일 또는 유사한 재료로 형성될 수도 있고 이와는 다른 재료로 형성될 수도 있다.
다음에, 상기 제1 전사필름의 이온전도성 피막층(103) 및 상기 제2 전사필름의 이온전도성 피막층(103')을 전해질막(101)의 일면 및 타면에 각각 인접되게 배치하고, 상기 제1 전사필름 및 제2 전사필름을 전해질막(101)의 일 표면 및 타 표면 상에 각각 전사시킨다(3단계). 이어서, 상기 결과물로부터 제1 지지막(200) 및 제2 지지막(200')을 박리하여 제거해낸다(3단계). 이러한 제1 전사필름 및 제2 전사필름의 전사는 동시에 이루어질 수도 있고, 하나씩 별도로 이루어질 수도 있다.
상기 제1 전사필름 및 제2 전사필름의 전사는, 열압착 방법 또는 롤투롤(roll-to-roll) 방법에 의해 이루어질 수 있다. 열압착 방법이란 고온하에서 2 이상의 물체를 서로 압착시키는 방법으로서, 이러한 열압착 방법에 의해 전사가 이루어지는 경우, 전사조건으로는 100 내지 160℃의 온도, 1 내지 300kgf/cm2의 압력, 및 1 내지 20분의 시간주기가 바람직하다. 롤투롤 방법이란 2 이상의 물체를 롤러 사이로 연속적으로 통과시켜 이들을 서로 부착시키는 방법이다.
상기 전사과정을 통해 전해질막(101)의 일면 및 타면 각각에 한쌍의 이온전도성 피막층(103, 103')과 한쌍의 전극 촉매층(102, 102')이 형성된 촉매 피복 막(CCM)을 얻을 수 있다 (도 3의 3단계).
그러나, 상기와 같은 전사 과정이 비교적 고온 및 고압하에서 이루어지므로, 전사 과정을 거치면서 전극 촉매층(102, 102') 내의 공극이 일부 파괴되어 이의 공극율(porosity)이 감소하게 된다. 이에 따라 전해질막(101)에 전사된 전극 촉매층(102, 102')을 통한 수소이온, 연료 전달 및/또는 부산물 제거가 어렵게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 상기 제조된 막전극 접합체(100)에 대하여 전극 촉매층(102, 102')의 공극을 확장시키기 위한 후처리를 추가로 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 후처리는 산처리, 사용된 산의 세척 및 건조 과정을 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 후처리는, 상기 제조된 막전극 접합체(100)를 황산 또는 질산 등의 산 수용액에 담근 후 소정 온도에서 소정 시간 동안 가열하고, 순수한 물 등으로 세척한 다음, 진공 오븐 등에서 건조시키는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 막전극 접합체는 전해질막과 전극 촉매층 사이에 이온전도성 피막층을 형성하여 전해질막과 전극 촉매층 사이의 계면 저항이 낮으며, 전극 촉매층의 공극률이 양호하여 이를 이용하면 셀 전압 등의 성능이 향상된 연료전지를 제조할 수 있게 된다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
물 14g 및 1-프로판올 5g으로 구성된 용매에 10 wt% 나피온 용액 (Dupont, Nafion Dispersion, DE 1021) 9g을 혼합한 용액, 촉매(70 wt% PtCo/C, 자체 제조 촉매) 5g 및 에틸렌 글리콜 2.5g을 초음파(Bransonic, Branson 8510) 및 분쇄기 (Daihan Scienticfic. WiseMixTM)를 사용하여 혼합함으로써 촉매 슬러리를 제조하였다.
슬릿 다이 코터(slit die coater, 자체 설계, 제조사: ㈜나래나노텍)를 사용하여 백금 촉매 기준으로 0.4mgPt/㎠로 전사지(SCK, SKC Skyrolㄾ SG31)에 상기 제조된 촉매 슬러리를 도포하여 상기 전사지 상에 전극 촉매층을 형성하였다.
또한, 이와는 별도로 물 9.5g 및 이소프로필 알콜 0.5g으로 구성된 용매에 10 wt% 나피온 용액(Dupont, Nafion Dispersion, DE 1021) 1g을 혼합하여 희석된 나피온 용액을 얻었다.
슬릿 다이 코터(slit die coater, 자체 설계, 제조사: ㈜나래나노텍)를 사용하여 고체 나피온 기준 0.5mg 나피온/㎠로 상기 제조된 전극 촉매층 상에 상기 희석된 나피온 용액을 도포하여 나피온 피막층(즉, 이온전도성 피막층)을 형성하였다. 결과로서, 제1 전사필름을 얻었다.
다음에, 상기 제1 전사필름과 동일한 방법으로 제2 전사필름을 제조하였다.
이어서, 고분자 전해질 막인 NRE211(두께 25㎛, Dupont)막의 일면 및 타면 각각에 상기에서 제조한 제1, 제2 전사필름을 인접되게 동시에 배치하고 이를 고온 및 고압 조건하에서 전사시켜 막전극 접합체를 제조하였다. 전사조건은 120℃, 120kgf/㎠, 2분이었다.
상기 제조된 막전극 접합체를 0.5M 황산 수용액에 담근 후 90~95℃의 온도에서 60분 동안 가열한 후 80℃의 순수한 물에서 2시간 동안 세척한 다음, 40℃의 진공 오븐에서 4시간 동안 건조시켰다(후처리 공정).
비교예 1
나피온 피막층 및 후처리 공정을 생략한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 막전극 접합체를 제조하였다.
평가예
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 막전극 접합체의 단위전지 성능을 시험하기 위하여, 상기 제조한 막전극 접합체의 양면 각각에 가스확산층(SGL 10BC, 상용 GDL, SGL Carbon Group)을 인접하게 배치하여 단위전지를 조립하였다. 애노드 입구/셀/캐소드 입구의 온도를 각각 65/65/65℃, 압력을 대기압(0 psig)으로 유지하고 화학당량 기준으로 수소:공기=1.5:2.0의 비율로 하여 단위전지를 운전하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 단위전지를 운전하여, 전류밀도에 따른 셀 전압을 조사하여, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4를 참조하면, 실시예 1의 단위전지는 비교예 1의 경우에 비해 셀 전압 특성이 개선되었다는 사실을 알 수 있다.
이상에서 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명 되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 막전극 접합체의 일례를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 막전극 접합체를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 구현에 따른 막전극 접합체의 제조과정을 살명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지에 있어서, 전류밀도에 따른 셀 전압의 변화를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 100: 막전극접합체 11, 101: 고분자 전해질 막
12, 12', 102, 102': 전극 촉매층 13, 103': 이온전도성 피막층

Claims (11)

  1. 전해질막;
    상기 전해질막의 양면에 각각 배치된 한쌍의 전극 촉매층; 및
    상기 전해질막과 상기 각각의 전극 촉매층 사이에 배치된 이온전도성 피막층을 구비하는 연료전지용 막전극 접합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이온전도성 피막층이 퍼플루오로계 양성자 전도성 중합체막, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술포네이티드 폴리(에테르-케톤)계, 과불소화 술폰산기 함유 고분자, 술포네이티드 폴리에테르 에테르 케톤계, 폴리이미드계, 폴리스티렌계, 폴리술폰계 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체(clay-sulfonated polysulfone nanocomposite)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 이온전도성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이온전도성 피막층의 두께가 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체.
  4. (a) 제1 지지막 상에 제1 전극 촉매층을 형성하고, 상기 제1 전극 촉매층 상 에 이온전도성 재료를 코팅하여 제1 이온전도성 피막층을 형성함으로써 제1 전사필름을 제조하는 단계;
    (b) 제2 지지막 상에 제2 전극 촉매층을 형성하고, 상기 제2 전극 촉매층 상에 이온전도성 재료를 코팅하여 제2 이온전도성 피막층을 형성함으로써 제2 전사필름을 제조하는 단계; 및
    (c) 상기 제1 전사필름의 제1 이온전도성 피막층 및 상기 제2 전사필름의 제2 이온전도성 피막층을 전해질막의 일면 및 타면에 각각 인접되게 배치한 후, 상기 제1 전사필름 및 제2 전사필름을 상기 전해질막의 일면 및 타면 상에 동시에 또는 순차적으로 각각 전사시키는 단계를 포함하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전사필름 및 제2 전사필름의 전사는 열압착 방법 또는 롤투롤(roll-to-roll) 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 전사필름 및 제2 전사필름으로부터 제1 지지막 및 제2 지지막을 각각 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에, 상기 제1 전극 촉매층 및 제2 전극 촉매층의 공극을 확장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 접합체의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전극 촉매층 및 제2 전극 촉매층의 공극을 확장시키는 단계는 산처리, 세척 및 건조 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 이온전도성 피막층이 퍼플루오로계 양성자 전도성 중합체막, 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술포네이티드 폴리(에테르-케톤)계, 과불소화 술폰산기 함유 고분자, 술포네이티드 폴리에테르 에테르 케톤계, 폴리이미드계, 폴리스티렌계, 폴리술폰계 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체(clay-sulfonated polysulfone nanocomposite)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 이온전도성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 이온전도성 피막층의 두께가 1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법.
  11. 제1항내지 제3항중 어느 한 항에 따른 막전극 접합체를 포함하는 연료전지.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013147520A1 (ko) * 2012-03-29 2013-10-03 코오롱인더스트리 주식회사 고분자 전해질막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리
KR20160039375A (ko) * 2014-10-01 2016-04-11 주식회사 동진쎄미켐 연료 전지용 전해질 막 및 이의 제조 방법
KR20160084182A (ko) * 2015-01-05 2016-07-13 주식회사 동진쎄미켐 연료 전지용 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20170019171A (ko) 2015-08-11 2017-02-21 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 막전극접합체의 제조 방법 및 제조 시스템
KR20190080049A (ko) * 2017-12-28 2019-07-08 현대자동차주식회사 연료전지용 전해질막의 제조방법 및 이를 포함하는 막-전극 접합체의 제조방법

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008041371A (ja) * 2006-08-03 2008-02-21 Toyota Motor Corp 燃料電池用膜電極接合体の製造方法

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013147520A1 (ko) * 2012-03-29 2013-10-03 코오롱인더스트리 주식회사 고분자 전해질막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리
JP2015519681A (ja) * 2012-03-29 2015-07-09 コーロン インダストリーズ インク 高分子電解質膜、その製造方法及びそれを含む膜−電極アセンブリ
US10854904B2 (en) 2012-03-29 2020-12-01 Kolon Industries, Inc. Polymer electrolyte membrane, a method for fabricating the same, and a membrane-electrode assembly including the same
KR20160039375A (ko) * 2014-10-01 2016-04-11 주식회사 동진쎄미켐 연료 전지용 전해질 막 및 이의 제조 방법
KR20160084182A (ko) * 2015-01-05 2016-07-13 주식회사 동진쎄미켐 연료 전지용 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20170019171A (ko) 2015-08-11 2017-02-21 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지용 막전극접합체의 제조 방법 및 제조 시스템
KR20190080049A (ko) * 2017-12-28 2019-07-08 현대자동차주식회사 연료전지용 전해질막의 제조방법 및 이를 포함하는 막-전극 접합체의 제조방법

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