KR20110114992A - 촉매 슬러리 조성물, 이를 사용한 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지용 막-전극 접합체 - Google Patents

촉매 슬러리 조성물, 이를 사용한 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지용 막-전극 접합체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 촉매; 변성 알콕시레이트 화합물을 유효성분으로 포함하는 분산제; 전도성 이오노머; 및 용매를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)의 제조를 위한 촉매 슬러리 조성물, 이를 사용한 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지용 막-전극 접합체에 관한 것이다.
촉매 슬러리 조성물에 포함된 촉매 및 전도성 이오노머 입자의 분산성을 향상시킬 수 있고, 이러한 촉매 슬러리 조성물을 도포하는 코팅공정과 용매를 제거하는 건조공정을 거친 후에 경우 균일성이 매우 우수하고 촉매와 이오노머 입자 사이가 연속적으로 이어지지 않아, 데드 스페이스(dead space)라 불리는 큰 크랙이 없는 구조 배열을 가진 촉매층을 형성할 수 있고, 궁극적으로 기공구조를 적용한 막-전극 접합체의 경우 향상된 성능을 나타낼 수 있다.

Description

촉매 슬러리 조성물, 이를 사용한 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지용 막-전극 접합체{A Catalyst Slurry Composition, a Method for Preparing a Membrane-Electrode Assembly For Fuel Cell Using the Same and the Membrane-Electrode Assembly For Fuel Cell Prepared Therefrom}
본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)의 제조를 위한 촉매 슬러리 조성물, 이를 사용한 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지용 막-전극 접합체에 관한 것으로, 구체적으로는 촉매 슬러리 조성물 코팅시 용매 중에 분산된 촉매 및 전도성 이오노머 입자 배열을 구조적으로 안정화시켜 우수한 분산성을 달성할 수 있는 분산제 포함 촉매 슬러리 조성물, 이를 사용한 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지용 막-전극 접합체에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 전기화학반응에 의해 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료전지는 최근 전자 산업의 급속한 발달로 인한 휴대폰, 노트북, PDA 등의 휴대용 이동 전자제품들이 대중화되어 가는 추세에 가장 적합한 에너지원으로 여겨지고 있다. 현재 휴대용 전자제품들은 대중화되었지만 이러한 제품들의 전원으로 사용되고 있는 배터리는 아직까지 제품의 고성능화에 있어서 만족할 만한 성능을 제공하지 못하고 있을 뿐 아니라, 가격도 비싸고 무겁다는 단점을 가진다.
따라서, 이러한 요구에 부응하고자 최근 메탄올을 연료로 한 소형 고분자전해질연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; 이하, "PEMFC"라고 한다)나 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; 이하, "DMFC"라고 한다) 등의 연료전지에 관한 개발 및 연구가 활발히 이루어지고 있다.
PEMFC 또는 DMFC 에서 성능을 좌우하는 것은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)이다. MEA는 이온 전도성막(Ion Conducting Membrane; 이하, "ICM"이라고 한다)인 고체 고분자 전해질막과 이에 의하여 분리된 두 개의 촉매화된 전극들로 구성되는데, 탄소천 또는 탄소종이 같은 지지층 위에 도포된 탄소 분말이 기체 확산층을 형성하며, 촉매가 담지된 탄소 분말이 확산층 위에 도포되어 촉매층을 형성한다.
MEA의 우수한 성능을 달성하기 위해서는, 촉매 및 전도성 이오노머 입자의 용매에 대한 분산성이 중요하다. 이는 코팅 공정의 물성에 큰 영향을 주기 때문이다.
코팅 공정은 진공 틀에 기재를 고정시켜 놓은 후, 촉매 슬러리를 3ml 투입하여 전단응력을 주어 밀어내면서 진행한다. 이러한 코팅 공정시 슬러리의 물성이 점성이 너무 낮게 되면, 흐름성이 너무 좋아져 응력을 준 후에 원래 입자들이 재배열 하는 응집이나 레벨링 단계를 거치지 못하게 되고, 두께를 제대로 유지할 수 없게 된다.
이 상태에서 건조공정으로 들어가 용액을 제거하게 되면, 재응집을 적절히 거치지 못한 촉매 슬러리는 전도성 이오노머를 통한 입자들의 연결 사이트가 적어지거나 고립되게 되어 후에 셀 성능 테스트시, 기공구조가 충분치 못하거나, 크랙이 발생하여 연료전지가 충분한 성능을 얻을 수 없다.
종래에는 촉매 슬러리의 분산 특성을 위해 점성을 낮추는 것에만 초점을 맞추어 진행하였으나, 코팅 공정을 거친 후 건조공정을 거치게 되면서 용매의 증발로 인해 슬러리의 입자들이 불균일하게 분포되거나 크랙이 발생하여, 열압착에 의한 MEA를 제조한다고 하더라도 기공구조가 불안정하게 되어 성능이 저조한 현상이 나타났다.
따라서, 본 출원의 발명자들은 단순하게 촉매 슬러리 조성물의 점도 저하를 통해 분산성을 조절하던 종래 기술과 달리, 소정의 분산제 첨가를 통해 촉매 슬러리 조성물의 적절한 탄성값을 가지도록 함으로서 분산성을 향상시켜 입자의 균일한 분포를 달성하게 하고, 촉매 용액을 기재에 코팅하는 공정, 즉 기재위에 전단응력을 주어 일정 두께의 촉매를 유지하게 하는 공정 이후, 초기 전단응력을 제거함에도 기재 위에서 분자들의 구조가 일정 배열을 유지하도록 한다. 이와 같은 촉매 슬러리 조성물은 이후 건조공정을 거치더라도 촉매 도포층에 크랙이나 손상이 유발되는 것을 방지하여, 최후 MEA의 기공구조 안정성을 확보함으로써, 궁극적으로 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 하나의 실시예는 촉매; 변성 알콕시레이트 화합물을 유효성분으로 포함하는 분산제; 전도성 이오노머; 및 용매를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)의 제조를 위한 촉매 슬러리 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 하나의 실시예는 (a) 상기 촉매 슬러리 조성물을 초음파(sonication) 처리 및 균일화(homogenizing)하는 단계; (b) 상기 단계 (a)를 거친 촉매 슬러리 조성물을 기재 상에 도포하고 건조시키는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)를 거친 기재를 전해질막의 일면 또는 양면에 전사하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체 (MEA)의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 하나의 실시예는 상기 제조방법에 따라 제조된 연료전지용 막-전극 접합체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 촉매 슬러리 조성물은 변성 알콕시레이트 화합물을 유효성분으로 포함하는 분산제를 통해 촉매 슬러리 조성물에 포함된 촉매 및 전도성 이오노머 입자의 분산성을 향상시킬 수 있고, 슬러리가 적절한 점탄성을 유지하도록 함으로써 MEA를 제조하기 위한 준비 공정, 즉 코팅/건조 공정을 거치는 경우에도 분포가 안정화되고 용매가 제거되어도 구조 안정성을 확보할 수 있다. 이를 통해, 촉매와 이오노머 입자 사이가 연속적으로 이어지지 않아 데드 스페이스(dead space)라 불리는 큰 크랙이 없는 구조 배열을 가진 촉매층을 형성할 수 있도록 하여, 균일성이 매우 우수할 뿐 아니라 최후 MEA 기공 구조의 안정성을 확보하도록 한 막-전극 접합체를 형성할 수 있는 바, 궁극적으로 이를 적용한 연료전지의 경우 향상된 성능을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 촉매 슬러리 조성물의 점도 측정결과를 나타낸 그래프이다;
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 촉매 슬러리 조성물의 프리퀀시 스윕 테스트(frequency sweep test) 결과를 나타낸 그래프이다;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 촉매 슬러리 조성물의 변형 정도를 살펴보는 실험 결과를 나타낸 그래프이다; 및
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 촉매 슬러리 조성물을 기재에 코팅하고 용매를 제거하는 건조공정을 거친 후, 기재 위에 도포된 촉매와 나피온 이오노머 도포 상태 및 구조안정성을 확대 관찰한 FE-SEM(Field Emission-Scanning Electron Microscope) 결과를 나타낸 사진이다.
촉매 슬러리 조성물에 포함된 촉매와 전도성 이오노머 등의 초기 안정화를 통해 이루어지는 점탄성 특성에 따라, 코팅된 촉매층의 물성을 결정하게 된다. 이러한 점탄성을 목적하는 바에 적합하게 결정짓기 위해, 촉매와 전도성 이오노머의 분산을 안정화 시키고자 하였으며, 본 발명에 따른 촉매 슬러리 조성물은 변성 알콕시레이트 화합물을 유효성분으로 포함하는 분산제를 포함함으로써, 정전기적 반발력과 입체장애 효과를 통한 코팅공정 후 입자 분포의 안정화를 이룰 수 있음을 확인하였다.
코팅시 전단 응력의 힘이 제거된 후에도, 입자들이 원 상태로 되돌아 가려는 특성을 가져 적절한 구조를 이루기 위한 적절한 탄성을 가질 수 있도록 분산제를 투입하였다. 상기 분산제는 탄소 촉매 입자와 전도성 이오노머 및 용매 사이의 계면장력을 감소시키고 습윤을 가속화시켜 분산을 용이하게 하며, 입자 표면에 강하게 흡착한 후, 주위 용액에 알콕시레이트 사슬을 늘어뜨려 촉매 표면에 입체 장애효과를 주거나, 반대이온을 통해 전기 이중층을 형성하여 정전기적 반발력을 가지도록 할 수 있다.
이를 통해, 입자들의 분산을 안정하게 유지하고, 습윤과 분산을 용이하게 하여 분산제를 포함하지 않은 기존의 촉매 슬러리 조성물에 비해 개선된 유동학적 특성 및 점 탄성 특성을 보유할 수 있도록 함으로써, 크랙이 없는 구조 배열을 가진 촉매층 및 안정된 기공 구조를 가지는 MEA를 형성할 수 있도록 하였다.
하나의 실시예에서, 상기 분산제는 촉매 입자의 분산성 향상을 위한 정전기적 반발력과 입체장애 효과를 달성할 수 있는 것이라면 어떠한 형태의 변성 알콕시레이트 화합물이라도 포함할 수 있으나, 예를 들어 MgSO4 또는 이의 수화물(MgSO4·7H2O)을 유효성분으로 포함할 수 있다.
상기 분산제는 예를 들어 5 내지 6의 pH를 나타낼 수 있다. 통상 촉매 슬러리 조성물은 촉매와 전도성 이오노머, 물, IPA등의 알코올 용매류와 혼합된 상태로 pH가 2 내지 3의 강한 산성을 나타낸다. 이러한 환경에서 소량의 첨가제를 첨가하는 경우에는 촉매 슬러리 조성물 및 연료전지 내부 환경이 가지는 pH에 큰 변화를 주지 않으면서 목적하는 효과를 달성하는 것이 중요하다. 이에, 본 발명에서는 다른 성분의 pH에 크게 영향을 미치지 않는 변성 알콕시레이트 화합물을 유효성분으로 포함하는 분산제를 통해, 슬러리 전체의 내부 pH에 큰 영향을 주지 않으면서도 목적하는 촉매 및 전도성 이오노머 입자의 분산성 향상 효과를 달성할 수 있다.
상기 분산제의 함량은 예를 들어 조성물의 총 중량을 기준으로 1 내지 5 중량%, 구체적으로 2 내지 4 중량%로 포함될 수 있다. 상기 분산제의 함량이 정의된 범위와 비교하여 너무 적으면 목적하는 분산성 향상 효과를 기대하기 어렵고, 너무 많으면 촉매 및 전도성 이오노머 외의 불순문이 과다 존재하여 전도성 저하 및 오염 등의 문제로 인해 오히려 더 성능이 떨어질 수 있어 이의 함량이 중요하다.
상기 촉매 슬러리 조성물에 포함된 촉매, 전도성 이오노머 및 분산용매의 함량은 첨가된 분산제의 함량을 고려하여, 예를 들어 촉매 슬러리 조성물 총 중량을 기준으로 2 내지 4 중량%의 분산제와 4 내지 5 중량%의 촉매, 9 내지 11 중량%의 전도성 이오노머 및 80 내지 85 중량%의 용매를 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 촉매는 예를 들어 백금담지탄소 촉매(platinized carbon: Pt/C)일 수 있으며, 촉매 중 백금의 양은 촉매 전체의 40 내지 50 중량%일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전도성 이오노머는 통상 막-전극 접합체의 제조에서 사용되는 퍼플루오로설폰산(perfluorosulfonic acid: PFSA) 계통의 나피온(듀폰사 제품) 이오노머나, 탄화수소계통의 고분자 전해질 이오노머가 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 용매는 예를 들어 이소프로판올, 노말프로판올, 에탄올, 메탄올, 물, 노말부틸아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
경우에 따라서, 상기 촉매 슬러리 조성물에 포함된 백금 촉매의 큰 활성으로 인하여, 분산용매와의 이상 반응에 의해 연소 현상이 발생하는 것을 방지하기 위해 용매로 물을 필수적으로 포함할 수 있으며, 투입된 물에 의해 촉매 슬러리 조성물은 초기 안정성을 확보할 수 있다.
본 발명은 또한, (a) 상기 촉매 슬러리 조성물을 초음파(sonication) 처리 및 균일화(homogenizing)하는 단계; (b) 상기 단계 (a)를 거친 촉매 슬러리 조성물을 기재 상에 도포하고 건조시키는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)를 거친 기재를 전해질막의 일면 또는 양면에 전사하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체 (MEA)의 제조방법에 관한 것이다.
경우에 따라서, 용액 중에 촉매 및 전도성 이오노머가 분산된 형태의 촉매 슬러리 조성물 자체는 침강상태를 유지하고 있어, 안정한 분산상태 유지가 어렵기 때문에, 단계 (a) 전에 촉매 슬러리 조성물을 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다.
촉매 슬러리 조성물을 통해 연료전지용 막-전극 접합체를 제조하는 경우, 초음파(sonication) 처리 및 균일화(homogenizing)하는 단계만을 포함하는 경우 목적하는 분산성 향상 효과를 이루지 못하였다.
촉매 슬러리 조성물이 침강 상태가 되어 안정한 분산상태를 이루지 못하는 경우 이후 진행되는 코팅 또는 전해질막에의 전사 과정에서 침강 상태로 인해 촉매의 분포량이 달라, 각 부분에서의 촉매량 및 분포도에 차이가 있게 된다. 또한, 하부에 가라앉은 입자들의 응집에 의해 점도가 일관성 없이 증가하여 일정한 물성을 얻기가 어려운 점이 있었다.
그러나, 촉매 슬러리를 교반하는 과정을 포함함으로써, 상대적으로 촉매 입자의 분포도를 좁게 하여 입자들의 응집 현상을 방지하고, 촉매 입자의 응집에 의해 슬러리의 점성이 일관성 없이 증가하는 것을 막아, 균일한 분산상태를 유지한 촉매 슬러리의 제조, 이를 통해 크랙이 없는 촉매층을 제조할 수 있음을 확인하였다.
상기 교반은 목적하는 효과를 달성할 수 있다면 어떠한 장치라도 사용할 수 있으나, 교반(Magnetic Stirrer; Model명: MS-300) 장치를 통해 교반할 수 있으며, 이 때 교반 속도는 500 내지 1000 rpm, 구체적으로 800 rpm일 수 있다.
상기 교반 이후 초음파 처리 및 균일화 과정은 통상 사용되는 어떠한 방법이라도 제한없이 사용될 수 있으나, 예를 들어 25 내지 30분 동안 촉매 슬러리를 초음파 처리하고, 호모지나이저(homogenizer)를 통해 110 내지 120분 동안 균일화 할 수 있다.
상기 단계 (a)는 촉매 슬러리 조성물을 기재 상에 도포하고 건조시키는 단계로, 상기 기재는 예를 들어, 탄소천 또는 탄소 종이 등과 같은 지지체일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 촉매 슬러리 조성물을 기재 상에 도포하는 방법은 예를 들어, 코팅법(spray coating), 스크린 프린팅법(screen printing), 테잎 캐스팅법(tape casting), 붓칠법(brushing) 및 슬롯 다이 캐스팅법(slot die casting)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 방법을 통해 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 도포된 촉매 슬러리 조성물의 건조는 통상 사용되는 건조 조건, 예를 들어 20 내지 60℃의 온도의 진공상태에서 건조될 수 있다.
이후, 단계 (a)를 거친 기재를 전해질막의 일면 또는 양면에 전사하여 촉매층을 형성하는 단계 (b)를 거치게 된다. 상기 전사는 예를 들어, 단계(c)를 거친 기재를 전해질막 상에 적층하고 핫프레싱(hot pressing)하여 이루어질 수 있으며, 핫프레싱기의 가열 온도는 100 내지 140℃, 핫프레싱기로부터 가하여지는 압력은 100 내지 200kgf/cm2인 것이 바람직하다.
상기 전해질막은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 퍼플루오르술폰산 폴리머, 퍼플루오로카본 술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이의 산 또는 염기로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어진 것일 수 있으며, 그 두께는 약 20 내지 200㎛, 바람직하게는 40 내지 60㎛일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 연료전지용 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 막-전극 접합체는 우수한 분산성을 가져, 많은 변형을 거침에도 일정한 형태를 유지할 수 있는 촉매 슬러리 조성물을 사용하여 제조된 것인 바, 촉매층에 크랙이 존재하지 않으며 촉매의 입자 분포가 우수하여, 이를 포함하는 MEA는 안정된 기공 구조를 가질 수 있으며, 상기 MEA를 포함하는 연료전지는 향상된 성능을 발휘할 수 있다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예 및 실험예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 범주가 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
MgSO4·7H2O를 유효 성분으로 포함하는 분산제(분산제 총 중량 중 MgSO4·7H2O의 함량은 2 wt%), Pt/C 촉매 1g(또는 전체 분산 용액의 5wt%) 및 나피온 아이오노머 2g(또는 전체 분산 용액의 10wt%)를 IPA(이소프로판올) 및 물에 분산시켰다. 25℃의 온도에서 800rpm의 속도로 교반한 후, 상온에서 초음파 처리를 30분간 실시하였으며, 호모지나이저(homogenizer)를 이용하여 12000rpm의 속도로 120분간 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다.
[비교예 1]
실시예 1의 과정 중 분산제를 포함하지 않았다는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 촉매 슬러리를 제조하였다.
[실험예 1]
제조된 실시예 1 및 비교예 1의 촉매 슬러리가 가지는 점탄성에 대한 유동학적 분석을 위하여 레오미터로 슬러리 자체에 대한 strain sweep test 분석을 Rheometer(Rheoplus, Model:MCR500)의 0.1~1000[1/s]까지 Shear rate를 변화시키면서 점탄성을 측정하는 동적모드(Dynamic mode), 25℃에서 진행하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참조하면, 저변형 속도 부근에서는 실시예 1의 슬러리와 비교예 1의 슬러리 모두 비슷한 영역을 지니지만, 고전단 속도로 변형시킬 때는 입자의 배열에 의해 점도가 점점 낮아지는 shear-thinning 거동을 나타내면서도, 상대적으로 고전단 속도에서 실시예 1의 슬러리가 점성이 높은 거동을 보이고 있음을 확인하여, 상대적으로 분산제를 투입한 슬러리가 코팅공정에서 너무 많은 흐름성을 지니지 않고 탄성을 지님을 확인함으로서 분산제를 소량 첨가한 실시예가 비교예에 비해 변형을 많이 주는 전단영역에서도 좀 더 안정함을 살펴볼 수 있었다.
[실험예 2]
Rheometer(Rheoplus, Model:MCR500)의 Frequency를 0.08~10Hz로 변화시키는 Dynamic mode의 과정[25℃] 으로 Frequency sweep test를 진행하였으며, 그 결과를 하기 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 상대적으로 낮은 헤르츠 범위에서 낮은 점도를 나타내는 것을 확인하였으며, 이는 입자들의 분산이 뭉치지 않고 용매 내에 잘 균일하게 퍼져있음을 의미한다. 또한, 낮은 헤르츠 범위에서 높은 스토리지 모듈러스(Storage modulus)를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 이는 분산 구조를 잘 유지할 수 있는 탄성 능력을 가지는 것임을 의미하는 것이다. 이 경우, 실시예 1이 비교예 1과 비교하여 처음에는 비슷한 점성을 가지면서도, 많은 변형을 거치는 경우라도 점도의 하강폭이 비교예에 비해 적어 일정 형태를 유지 가능한 개선된 조성을 가질 수 있음을 확인할 수 있다.
[실험예 3]
실험예 2의 방법으로 stress sweep test를 진행한 이후, 일정한 변형을 주는 힘을 가했다가 그 힘을 제거하는 Loop test를 5회 진행시켜, 슬러리 자체의 변형 정도를 확인하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 변형속도를 늘린 후 그 힘을 제거하는 5회의 루프테스트시, 비교예 1의 슬러리가 실시예 1의 슬러리에 비해 더 변형이 심함을 알 수 있었고, 이로서 실시예 1이 종래의 촉매 슬러리 조성물보다 더 분산 안정성을 가지게 되었음을 상대 비교 확인할 수 있었다.
[실험예 4]
제조된 실시예 1 및 비교예 1의 촉매 슬러리를 이미드 필름의 기재위에 데칼의 방법으로 150~200 ㎛ 두께를 가지는 블레이드를 전단응력을 주어 밀어주어 코팅을 한 후, 이를 진공오븐에서 상온에서 24hr 건조시켜 용제를 제거시킨후, 남은 촉매층의 입자 분포 및 구조 안정성을 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)로 1000배 확대하여 관찰한 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4를 참고하면, 소량의 분산제를 투입한 실시예가 비교예에 비해, 이는 코팅 공정 시 일정한 전단응력에 지나가고 난 후에 적절한 탄성 값을 지닌 슬러리의 특성이 입자들의 재배열을 통해 촉매 및 이오노머 입자들이 잘 분포되어, 이후 건조공정을 지나치더라도 표면의 크랙과 같은 흠집이 거의 없고, 구조를 유지함을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1을 코팅 공정에 적용한 결과(b), 비교예 1의 종래 슬러리를 코팅한 것(a)에 비해 훨씬 개선된 입자 분포를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

Claims (12)

  1. 촉매;
    변성 알콕시레이트 화합물을 유효성분으로 포함하는 분산제;
    전도성 이오노머; 및
    용매를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)의 제조를 위한 촉매 슬러리 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산제는 조성물의 총 중량을 기준으로 1 내지 5 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 촉매 슬러리 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성물은 촉매 슬러리 조성물 총 중량을 기준으로 2 내지 4 중량%의 분산제, 4 내지 5 중량%의 촉매, 9 내지 11 중량%의 전도성 이오노머 및 80 내지 85 중량%의 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 슬러리 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산제는 MgSO4 또는 이의 수화물을 유효성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 슬러리 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산제는 용매 중에서 4 내지 7의 pH를 나타내는 것을 특징으로 하는 촉매 슬러리 조성물.
  6. (a) 제 1 항에 따른 촉매 슬러리 조성물을 초음파(sonication) 처리 및 균일화(homogenizing)하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)를 거친 촉매 슬러리 조성물을 기재 상에 도포하고 건조시키는 단계; 및
    (c) 상기 단계 (b)를 거친 기재를 전해질막의 일면 또는 양면에 전사하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체 (MEA)의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제조방법은 단계 (a) 전에 촉매 슬러리 조성물을 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제조방법은 촉매 슬러리 조성물을 500 내지 1000 rpm으로 교반하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 단계 (b)는 스프레이 코팅법(spray coating), 스크린 프린팅법(screen printing), 테잎 캐스팅법(tape casting), 붓칠법(brushing) 및 슬롯 다이 캐스팅법(slot die casting)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 방법을 통해 촉매 슬러리 조성물을 기재 상에 도포하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 단계 (c)는 단계 (b)를 거친 기재를 전해질막 상에 적층하고, 100 내지 140℃의 온도에서 100 내지 200kgf/cm2의 압력을 가하여 핫프레싱(hot pressing)하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  11. 제 6 항의 제조방법에 따라 제조된 연료전지용 막-전극 접합체.
  12. 제 11 항의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지.

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