KR20110022431A - 기공 형성제를 포함하는 연료 전지용 촉매 조성물, 다공성 전극 촉매층 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지의 전극 바인더로서, 탄화수소계 고분자를 기본으로 하고 이에 물에 녹는 고분자를 기공형성제로 사용하고, 이를 첨가한 다공성 탄화수소계 전극 촉매층 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
탄화수소계 바인더 촉매층 내의 최적화된 기공 크기와 공극률을 형성시켜 줄 뿐만 아니라 탄화수소계 막/전극 접합체의 접합성을 개선시켜 주는 고분자 기공형성제와 이를 포함하는 연료전지를 제공한다.
연료전지, 탄화수소계 바인더, 가소제, 고분자 기공형성제

Description

기공 형성제를 포함하는 연료 전지용 촉매 조성물, 다공성 전극 촉매층 및 그 제조방법{Porous electrode catalyst layer with porogen for fuel cell, manufacturing method thereof, and catalyst composition comprising the same}
본 발명은 고분자 전해질 연료전지용 전극에 관한 것이다.
현재 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)용 고분자 전해질 막으로 가장 널리 사용되는 것은 나피온이다. 나피온은 우수한 수소 이온 전도성 및 열적, 전기화학적 안정성 등 많은 장점에도 불구하고, 고온(80 ℃ 이상)에서의 수소 이온 전도도의 감소 및 높은 단가로 인하여 PEMFC용 고분자 전해질 막으로 사용하는데 한계가 있다.
이를 해결하기 위해, poly(ether ketone) 계열, poly(ether sulfone) 계열, polyimide 계열 등 탄화수소계 고분자 전해질 막 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 이들 탄화수소계 고분자 전해질 막은 나피온막에 비해 낮은 연료 투과성 및 고온에서의 높은 수소 이온 전도성에도 불구하고, 연료전지 셀 성능과 장기 안정성은 나피온막이 도입된 셀의 수준에 크게 미치지 못하고 있다. 이는 탄화수소계 고분자 전해질막과 기존의 나피온 바인더가 도입된 전극의 상용성이 낮아 MEA(Membrane/Electrode Assembly) 제조시 안정적인 계면 접합이 이루어지지 못했기 때문이다. 따라서, 탄화수소계 고분자 막에 적합한 바인더의 개발을 통한 막/전극 계면의 안정성 확보가 절실히 요구된다.
탄화수소계 고분자 바인더를 도입하여 제조한 전극 촉매층의 기공 구조 및 물질 전달 특성이 기존의 나피온 바인더를 도입한 전극 촉매층과는 다른 성질을 보이기 때문에 탄화수소계 고분자 바인더를 기초로 한 최적화 연구가 필요하다. 이와 관련된 연구가 국내외의 몇몇 그룹에 의해 진행중이나 아직 시작단계에 불과하며, 우수한 전극 성능을 보이는 전극의 개발을 위해서는 여러 가지 극복해야 하는 문제점이 있다.
기존의 나피온 바인더가 도입된 촉매층의 경우에 1차기공(primary pore)과 2차기공(secondary pore)가 적절히 균형을 이루고 있지만, 탄화수소계 고분자 바인더가 도입된 촉매층의 경우에는 나피온과는 달리 바인더가 1차기공을 과도하게 침투하여 1차기공 내에 형성되는 삼상계면(연료/전해질/촉매)의 면적이 부족하게 되어 촉매의 이용 효율이 저하된다. 또한, 이러한 기공구조는 연료의 전달을 방해하고 탄화수소계 고분자 바인더의 낮은 소수성과 더불어 양극에서 생성되는 물의 배출을 저해하는 요소로 작용하여 연료전지의 성능을 떨어뜨리는 주요원인이 되고있다. 따라서 물질(수소,산소,물)전달 능력과 효과적인 물 제거를 위해서는 촉매층 내의 최적화된 기공 크기와 공극률이 필요하다.
탄화수소계 바인더의 높은 유리전이온도 때문에 데칼 전사법(decal transfer method)에 의한 막/전극 접합체 제조시 전극과 막의 접착성이 나피온 바인더를 사용한 경우에 비해 현저히 떨어지는 문제가 있다. 따라서 탄화수소계 바인더의 유리전이온도를 저하시켜 탄화수소계 막과의 접합성을 개선한 전극의 개발이 요구된다.
본 발명은 종래기술의 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 탄화수소계 바인더 촉매층내의 최적화된 기공 크기와 공극률을 형성시켜 줄 뿐만 아니라 탄화수소계 막/전극 접합체의 접합성을 개선시켜 주는 고분자 기공형성제와 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 고분자 전해질 연료전지의 전극 바인더로서, 탄화수소계 고분자를 기본으로 하고 이에 물에 녹는 고분자를 기공형성제로 사용하고, 이를 첨가한 다공성 탄화수소계 전극 촉매층 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 물에 녹는 고분자를 기공형성제로 사용하고, 고분자 기공형성제를 통해 술폰화된 고분자 바인더의 유리전이온도를 낮추어 막/전극 접합체의 접합성을 개선시켜주고, 탄화수소계 바인더 촉매층 내에 최적화된 기공 크기와 공극률을 형성시켜 탄화수소계 고분자 바인더와 이를 포함하는 전극촉매층을 가진 연료전지를 제공한다.
본 발명은 고분자 전해질 연료전지의 전극 바인더로서, 탄화수소계 고분자를 기본으로 하고 이에 물에 녹는 고분자를 기공형성제로 사용하고, 이를 첨가한 다공성 탄화수소계 전극 촉매층에 관한 것이다.
본 발명은 술폰화 탄화수소, 기공형성제 및 백금촉매를 포함하는 연료전지용 전극 촉매 조성물에 관한 것이다.
상기 술폰화 탄화수소는 폴리술폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리이미다졸, 폴리벤지이미다졸, 폴리에테르벤지이미다졸, 폴리아릴렌에틸렌케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤 및 폴리스타이렌 중에서 1종 또는 2종 이상의 탄화수소가 술폰화 된 것임을 특징으로 하고, 수소 이온 전도도가 우수한 고분자인 경우 상기 예에 한정되는 것은 아니다. 상기 술폰화 탄화수소는 바인더의 역활을 한다.
상기 기공형성제는 폴리에틸렌글리콜, 폴리테트라메틸렌글리콜, 폴리아크릴아마이도메틸프로판술폰닉엑시드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리프로필렌 글리콜 및 폴리히드록시부티레이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하고, 술폰화된 탄화수소계 바인더의 유리전이온도를 낮추어주는 가소제도 적용 가능하다. 또한 기공형성제의 역할을 할 수 있는 고분자 물질인 경우 상기 예에 한정되는 것은 아니다. 상기 기공형성제로 사용가능한 고분자 물질의 분자량은 수평균 분자량이 200 내지 40,000인 것으로부터 선택된다.
또한, 본 발명은 술폰화 탄화수소, 기공형성제 및 백금촉매를 포함하는 전극 촉매 조성물로 제조하고, 기공형성제를 제거한 연료전지용 다공성 전극 촉매층에 관한 것이다.
본 발명의 다공성 전극 촉매층은 기공형성제를 도입하여, 고분자 기공형성제를 통해 술폰화된 고분자 바인더의 유리전이온도를 낮추어 막/전극 접합체의 접합성을 개선시켜주고, 탄화수소계 바인더 촉매층 내의 최적화된 기공 크기와 공극률을 형성시켜 탄화수소계 고분자 바인더와 이를 포함하는 전극촉매층을 가진 연료전지를 제공한다. 특히 본 발명의 기공형성제는 물에 용해가 가능하므로 제거가 용이하여 바인더의 공극률이 매우 높아 고전류에서도 성능이 우수하다.
상기 술폰화 탄화수소는 폴리술폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리이미다졸, 폴리벤지이미다졸, 폴리에테르벤지이미다졸, 폴리아릴렌에틸렌케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤 및 폴리스타이렌 중에서 1종 또는 2종 이상의 탄화수소가 술폰화 된 것임을 특징으로 하고, 수소 이온 전도도가 우수한 고분자인 경우 상기 예에 한정되는 것은 아니다. 상기 술폰화 탄화수소는 바인더의 역활을 한다.
상기 기공형성제는 폴리에틸렌글리콜, 폴리테트라메틸렌글리콜, 폴리아크릴아마이도메틸프로판술폰닉엑시드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리프로필렌 글리콜 및 폴리히드록시부티레이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하고, 술폰화된 탄화수소계 바인더의 유리전이온도를 낮추어주는 가소제도 적용 가능하다. 또한 기공형성제의 역할을 할 수 있는 고분자 물질인 경우 상기 예에 한정되는 것은 아니다. 상기 기공형성제로 사용가능한 고분자 물질의 분자량은 수평균 분자량이 200 내지 40,000인 것으로부터 선택된다.
본 발명은 분산용매 100 중량부; 백금촉매 50 ~ 99 중량부; 술폰화 탄화수소 10 ~ 45 중량부; 및 상기 술폰화 탄화수소 100 중량부당 폴리에틸렌글리콜 10 ~ 300 중량부;로 용해시킨 고분자 촉매 슬러리를 제조하는 단계; 상기 고분자 촉매 슬러리를 고분자 촉매층을 제조하는 단계; 상기 고분자 촉매층을 건조시켜서 잔류하는 분산용매를 제거하고, 상기 고분자 촉매층을 막에 접합시켜 막/전극 접합체를 제조하는 단계; 및 제조된 막/전극 접합체에서 기공형성제를 제거하는 단계;를 포함하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다.
바람직하게는 본 발명은 상기 분산용매는 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드 및 N-메틸피롤리돈 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법에 대한 것이다.
수소 이온 전도성 고분자 전해질 막을 사이에 두고 상기 고분자 촉매층을 양쪽에 대면시켜 열 가압 프레스로 가압하여 막/전극 접합체를 제조한다. 상기 열가압 프레스의 압력은 500 ~ 4,000psi, 온도는 100 ~ 150℃, 가압 시간은 1 ~ 20분 동안 열가압 한다.
더 바람직하게는 본 발명은 상기 술폰화 탄화수소는 폴리술폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리이미다졸, 폴리벤지이미다졸, 폴리에테르벤지이미다졸, 폴리아릴렌에틸렌케톤, 폴리에테르에테 르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤 및 폴리스타이렌 중에서 1종 또는 2종 이상의 탄화수소가 술폰화 된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법에 대한 것이다.
바람직하게는 본 발명은 상기 기공형성제는 폴리에틸렌글리콜, 폴리테트라메틸렌글리콜, 폴리아크릴아마이도메틸프로판술폰닉엑시드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리프로필렌 글리콜 및 폴리히드록시부티레이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법에 대한 것이다.
이하, 첨부된 도면 및 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
제조예 1. 술폰화된 폴리에테르에테르케톤 고분자 제조
폴리에테르에테르케톤을 술폰화시키기 위하여 100 ml의 둥근 바닥 플라스크에 98 % 진한 황산 50 ml를 넣고, 질소를 퍼지한 후, 100 ℃에서 24시간 동안 진공 건조한 폴리에테르에테르케톤 고분자 2 g을 첨가하여 반응기 온도 50 ℃에서 격렬하게 교반하였다. 12 시간 동안 반응시킨 후 반응물을 증류수에 침전시키고 여과하여 회수하였다. 동일한 방법으로 반응물을 수차례 수세하여 산성도가 중성이 되도록 하고 여과를 통하여 반응물을 재회수하였다. 이들 회수한 반응물을 50 ℃에서 24시간 동안 진공 건조하여 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(sPEEK) 고분자를 얻었다.
제조예 2. 폴리에틸렌글리콜 / 폴리에테르에테르케톤 =0.5 바인더제조
상기 제조예 1에서 제조한 술폰화된 폴리에테르에테르케톤을 고분자 바인더로 사용하고, 상기 고분자 바인더 대비 0.5 중량배의 폴리에틸렌글리콜을 첨가한 후 용액 내에 이러한 혼합물이 5 중량%가 되도록 디메틸아세트아미드를 추가하여 균일하게 교반하였다.
제조예 3. 폴리에틸렌글리콜 / 폴리에테르에테르케톤 =1.0 바인더제조
상기 제조예 1에서 제조한 술폰화된 폴리에테르에테르케톤을 고분자 바인더로 사용하고, 상기 고분자 바인더 대비 1 중량배의 폴리에틸렌글리콜을 첨가한 후 용액 내에 이러한 혼합물이 5 중량%가 되도록 디메틸아세트아미드를 추가하여 균일하게 교반하였다.
제조예 4. 폴리에틸렌글리콜 / 폴리에테르에테르케톤 =2.0 바인더제조
상기 제조예 1에서 제조한 술폰화된 폴리에테르에테르케톤을 고분자 바인더로 사용하고, 상기 고분자 바인더 대비 2 중량배의 폴리에틸렌글리콜을 첨가한 후 용액 내에 이러한 혼합물이 5중량%가 되도록 디메틸아세트아미드를 추가하여 균일하게 교반한다.
비교제조예 1. sPEEK 바인더의 제조
상기 제조예 1에서 제조한 술폰화된 폴리에테르에테르케톤을 5중량%가 되도록 디메틸아세트아미드를 추가하여 균일하게 교반하였다.
시험예 1. 바인더 막의 유리전이 온도
상기 제조예 3과 비교제조예 1에서 제조한 각각의 바인더가 균일한 혼합이 이루어진 후 유리판 위에서 닥터블레이드로 캐스팅하였다. 이를 100℃ 오븐에서 48시간 동안 건조한 후 다시 100℃ 진공오븐에서 24 시간 동안 건조하여 최종적으로 각각의 바인더 막을 제조하였다.
제조한 각각의 바인더 막과 순수한 폴리에틸렌글리콜의 유리전이 온도 변화를 측정하고 그 결과를 도 1의 그래프로 나타내었다. 도 1의 결과에서 알 수 있듯이, 폴리에틸렌글리콜/폴리에테르에테르케톤=1.0 바인더인 제조예 3의 유리전이 온도가 비교제조예 1에 비해 크게 감소함을 알 수 있었다.
또한 폴리에틸렌글리콜의 유리전이온도도 나타난 것을 알 수 있었다. 즉, 도 1에서 알 수 있듯이, 폴리에틸렌글리콜은 기공형성제의 역할뿐만 아니라 가소제의 역할을 하고 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 데칼전사법 적용시 좀 더 용이하게 막/전극 접합체를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
실시예 1. 폴리에틸렌글리콜 / 폴리에테르에테르케톤 바인더 촉매 잉크 제조
백금 촉매(Johnson Matthey, HiSPEC 9100)는 양극의 촉매로 사용하였으며, 이들을 실시예 2-4에 의해 제조한 바인더 용액 (5 중량%)과 각각 혼합하여 양극 바인더의 함량이 1 ~ 50 중량%가 되도록 제조하였다. 이들을 분산용매인 디메틸아세트아미드에 넣고 교반하여 분산시킨 후 촉매 잉크를 제조하였다. 디메틸아세트아미드의 양은 백금 촉매와 전극 바인더(술폰화된 폴리에테르에테르케톤)의 중량과 동일하게 조절하였다.
비교예 1. 술폰화된 폴리에테르에테르케톤 바인더 적용된 잉크 제조
상기 비교제조예 1을 통해 제조된 sPEEK 바인더를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 양극 촉매 잉크를 제조하였다.
비교예 2. 나피온 바인더를 적용한 음극 촉매 잉크 제조
음극은 통상적으로 사용되는 나피온 바인더를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 음극 촉매 잉크를 제조하였다.
실시예 2. 폴리에틸렌글리콜 / 폴리에테르에테르케톤 바인더 양극 제조
상기 실시예 1로 제조된 각각의 촉매 잉크를 PTFE가 처리된 탄소 종이(Carbon paper) 위에 0.1 - 5 mg/cm2의 양으로 도포하였다. 촉매가 도포된 탄소 종이를 오븐에 넣고 100 ℃에서 48 시간 동안 건조하여 양극을 각각 제조하였 다.
비교예 3. 술폰화된 폴리에테르에테르케톤 바인더를 적용한 양극 제조
상기 비교예 1로 제조된 촉매 잉크를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2에서와 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.
비교예 4. 나피온 바인더를 적용한 음극 제조
상기 비교예 2로 제조된 촉매 잉크를 사용한 것을 제외하고는, 상기의 실시예 2에서와 동일한 방법으로 음극을 제조한다.
제조예 5. 막/전극 접합체 제조
상기 비교예 4에서 준비한 음극과 실시예 2으로 준비한 양극 전극 사이에 나피온계 고분자 전해질 막을 놓고 열가압 프레스를 통하여 막/전극 접합체를 제조하였다. 이때 열가압 프레스의 온도는 120 ℃에서 2,000 psi로 가압한 상태로 15 분간 유지하였다.
비교제조예 2. 비교용 막/전극 접합체 제조
상기 비교예 3으로 제조한 양극을 사용한 것을 제외하고는, 상기의 제조예 5와 동일한 방법으로 비교용 막/전극 접합체를 제조하였다.
시험예 2. 막/전극 접합체의 성능시험
상기 제조예 5와 비교제조예 2와 같이 제조한 막/전극 접합체의 셀 성능을 측정하기 위하여 전류밀도에 따른 전압의 변화를 측정하였다. 이때 셀 운용 조건은 30 ~ 90 ℃이었으며, 수소가스의 공급량은 100 ~ 500 ccm, 산소 또는 공기 공급량은 500 ~ 1500 ccm으로 유지하도록 운전하였다. 그 결과를 도 2에 나타냈다.
도 2는 양극에서 생성된 폴리에틸렌글리콜이 빠져나간 후의 성능을 도시한 것으로 4 ~ 7 일후의 성능을 나타낸 것이다. 도 2의 그래프에서 알 수 있듯이, 폴리에틸렌글리콜이 첨가된 경우 순수한 sPEEK 바인더가 적용된 경우보다 고전류에서 성능이 우수하였으며, 이는 sPEEK 바인더의 공극률이 높아진 것이 가장 큰 요인이라 할 수 있다.
시험예 3. 막/전극 접합체의 양극에서의 산소 환원 반응시험
상기 시험예 3과 동일한 막/전극 접합체를 가지고 산소 환원 반응 시험을 측정하기 위해 1.2V ~ 0V로 전압을 낮추어주면서 전류밀도의 변화를 측정하였다. 이때 셀 운용 조건은 30 ~ 90 ℃이었으며, 음극의 질소가스의 공급량은 10 ~ 100 ccm, 산소 또는 공기 공급량은 10 ~ 100 ccm으로 유지하도록 운전하였다. 그 결과를 도 3에 나타냈다.
도 3의 그래프에서 알 수 있듯이, 폴리에틸렌글리콜이 첨가된 경우 순수한 sPEEK 바인더가 적용된 경우보다 모든 구간에서 성능이 우수하였으며, 특히 0.2 ~ 0.7 V 구간에서 상대적으로 우수한 것을 알 수 있었다.
도 1은 순수한 폴리에틸렌글리콜, 실시예 2와 비교예 1에서 제조한 각각의 바인더의 유리전이 온도 변화를 비교한 것이다.
도 2는 실시예 7과 비교예 6에 의해 제조한 막/전극 접합체의 셀 성능을 비교한 것이다.
도3 은 실시예 7과 비교예 6에 의해 제조한 막/전극 접합체의 산소 환원력을 비교한 것이다.

Claims (10)

  1. 술폰화 탄화수소, 기공형성제 및 백금촉매를 포함하는 연료전지용 전극 촉매 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 술폰화 탄화수소는 폴리술폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리이미다졸, 폴리벤지이미다졸, 폴리에테르벤지이미다졸, 폴리아릴렌에틸렌케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤 및 폴리스타이렌 중에서 1종 또는 2종 이상의 탄화수소가 술폰화 된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기공형성제는 폴리에틸렌글리콜, 폴리테트라메틸렌글리콜, 폴리아크릴아마이도메틸프로판술폰닉엑시드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리프로필렌 글리콜 및 폴리히드록시부티레이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 촉매 조성물.
  4. 술폰화 탄화수소, 기공형성제 및 백금촉매를 포함하는 전극 촉매 조성물로 제조하고, 기공형성제를 제거한 연료전지용 다공성 전극 촉매층.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 술폰화 탄화수소는 폴리술폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리이미다졸, 폴리벤지이미다졸, 폴리에테르벤지이미다졸, 폴리아릴렌에틸렌케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤 및 폴리스타이렌 중에서 1종 또는 2종 이상의 탄화수소가 술폰화 된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 다공성 전극 촉매층.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 기공형성제는 폴리에틸렌글리콜, 폴리테트라메틸렌글리콜, 폴리아크릴아마이도메틸프로판술폰닉엑시드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리프로필렌 글리콜 및 폴리히드록시부티레이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 다공성 전극 촉매층.
  7. 분산용매 100 중량부; 백금촉매 50 ~ 99 중량부; 술폰화 탄화수소 10 ~ 45 중량부; 및 상기 술폰화 탄화수소 100 중량부당 폴리에틸렌글리콜 10 ~ 300 중량부;로 용해시킨 고분자 촉매 슬러리를 제조하는 단계;
    상기 고분자 촉매 슬러리를 고분자 촉매층을 제조하는 단계;
    상기 고분자 촉매층을 건조시켜서 잔류하는 분산용매를 제거하고, 상기 고분자 촉매층을 막에 접합시켜 막/전극 접합체를 제조하는 단계; 및
    제조된 막/전극 접합체에서 기공형성제를 제거하는 단계;
    를 포함하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 분산용매는 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드 및 N-메틸피롤리돈 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 술폰화 탄화수소는 폴리술폰, 폴리아릴렌에테르술폰, 폴리에테르에테르술폰, 폴리에테르술폰, 폴리이미드, 폴리이미다졸, 폴리벤지이미다졸, 폴리에테르벤지이미다졸, 폴리아릴렌에틸렌케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴 리에테르케톤케톤 및 폴리스타이렌 중에서 1종 또는 2종 이상의 탄화수소가 술폰화 된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 기공형성제는 폴리에틸렌글리콜, 폴리테트라메틸렌글리콜, 폴리아크릴아마이도메틸프로판술폰닉엑시드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리프로필렌 글리콜 및 폴리히드록시부티레이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막/전극 접합체의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070264551A1 (en) * 2006-03-16 2007-11-15 Atsushi Matsunaga Membrane/Electrode Assembly and Fuel Cell
KR101451803B1 (ko) * 2007-12-07 2014-10-17 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 막전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함한연료전지

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2501112A2 (en) 2011-03-14 2012-09-19 LG Electronics Inc. Locking mechanism for battery cover

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