KR20110126988A - 막전극 접합체의 백금 회수방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로부터 백금을 효율적으로 회수하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로부터 전극(가스 확산층 및 백금층)을 절단 회수한 후에 전극으로부터 백금층을 회수하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 고체 고분자 연료전지의 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로부터 백금을 회수하여, 생산량의 한정으로 가격이 매우 높은 백금의 재활용이 가능하다. 아울러 본 발명에 의한 백금의 회수방법은 양이온 교환막과 가스 확산층의 불순물을 최소화하여 효율적으로 백금의 회수가 가능하다.

Description

막전극 접합체의 백금 회수방법{METHOD FOR RECOVERING PLATIUM FROM MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로부터 백금을 효율적으로 회수하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로부터 전극(가스 확산층 및 백금층)을 절단 회수한 후에 전극으로부터 백금층을 회수하는 방법에 관한 것이다.
백금(Pt)은 플라티나라고도 하며 1748년에 발행된 D.A.데울로아의 저서 《남아메리카 서해안 탐험기》에 기재되어 있다. 처음에는 남아메리카에서 유럽으로 전해졌으나, 이때는 은과 혼동하여, 은을 뜻하는 에스파냐어인 'plata'로부터 'platina'라 불렀다. 또 은과 비슷한 금속이라 하여 남아메리카에서 'platina del pinoto'라 부른 데서 'platinum'이라 명명되었다. 희귀금속에 속하며, 클라크수 0.0000005(제74위)이다. 유리상태 또는 다른 동족원소와의 합금으로서 산출되며, 러시아의 우랄지방·남아프리카·콜롬비아·캐나다 등이 주산지이다. 순도(純度)는 75∼85%이고, 불순물은 다른 백금족원소이다. 한국에서는 주로 구리를 전기 제련할 때 부산물로서 얻는다.
또한 백금은 주기율표에서 제8족에 속하는 대표적 전이원소로 화학적 안정성, 내열성, 내식성이 아주 우수하고 전기나 열에 대한 양도체 및 부피의 100배의 산소를 흡착할 수 있기 때문에 산화·수소화 반응에서 촉매작용이라는 특수한 성질을 지니고 있다. 이와 같은 이유 때문에 장식품, 장신구뿐만 아니라 근래에 이르러 전자, 정밀 유리산업 및 화학공업에서는 없어서는 안 될 중요한 소재로 전량 수입에 의존하고 있다. 특히 고체 고분자 연료전지의 막전극 접합체(membrane electrode assembly)에 다량 사용이 되는 백금은 희귀 금속으로 그 생산량의 한정으로 그 가격이 매우 높아 회수/ 재활용이 필요한 실정이다.
특히 전기재료인 접점, 스파크 플러그, 저항체, 열전대 및 광학산업에서 사용하는 백금은 고온에서 사용되기 때문에 백금표면에 산화피막이 생성되는 것을 방지하기 위하여 백금의 순도를 4-nine 이상으로 규정하고 있다.
각 용도로 사용된 후 발생된 백금 스크랩을 다시 원자재로 사용하기 위해서는 백금의 순도를 99.99wt% 이상으로 정제하여야 하나 아직 국내 정제기술이 확립되지 않아 전량 해외로 백금 스크랩을 보내 정제하고 있는 실정이어서 외화낭비를 초래하고, 이 과정에서의 많은 시일 소요에 따른 원자재에 대한 체금금리 부담이 증가하게 되어 제품의 가격 경쟁력에 큰 장애가 되고 있다.
종래에 백금을 정제하는 방법으로는 용도 폐기된 백금 스크랩을 아크 플라즈마(Arc Plazma)을 이용하여 1900℃이상의 고온에서 용융한 후 여기에 염소가스를 주입하여 불순물을 염화물로 변환, 기화시켜 제거하는 염소화 정제방법이 있으나 이 방법은 고온에서 백금을 용해시키기 때문에 에너지 비용이 매우 높으며 또한 염소가스를 사용하므로 인체에 유독하고 부식성이 매우 높아 막대한 설비, 장치비가 소요되는 단점이 있었다.
이에 본 발명자는 고체 고분자 연료전지의 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)에 촉매로 다량 사용이 되는 백금을 효율적으로 회수하는 방법을 고안하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 고체 고분자 연료전지의 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)에 촉매로 다량 사용이 되는 백금을 회수하는 방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
(a) 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로부터 전극을 절단하는 단계; 및
(b) 상기 절단된 전극으로부터 백금층을 회수하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 백금의 회수 방법을 제공한다.
상기 (a) 단계의 전극의 절단은 경사진 날 절단공구(100)를 이용하는 것이 바람직하고, 경사진 날 절단공구는 이에 제한되지 않으나, MEA의 수평면과 절단공구의 각이 1~10도, 절단공구와 접촉하는 MEA의 전극변이 이루는 각도가 +/-2~40도인 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 (a) 단계의 전극을 절단하기 전에 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)를 받침 지그(300)와 고정 지그(200)에 고정시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 받침 지그는 이에 제한되지 않으나, 볼록한 형상인 것과 볼록한 형상부에 공기흡입에 의한 흡착방식의 구조가 바람직하고, 상기 고정 지그는 이에 제한되지 않으나, 볼록한 형상에 MEA의 둘레의 양이온 교환막의 4변을 연속 비연속적으로 고정할 수 있는 구조가 바람직하다.
본 발명은 상기 (b) 단계의 백금층의 회수 전에 전극의 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL)을 고정하는 것을 더 포함할 수 있다. 가스 확산층의 고정은 미세 핀이 부착된 형식의 지그(110)를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계의 백금층의 회수는 절삭공구(400)를 이용하는 것이 바람직하다. 절삭공구는 이에 제한되지 않으나, 연삭숫돌, 사포, 줄, 다이아몬드 또는 합금재인 것이 바람직하다.
고체 고분자 연료전지의 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로부터 백금을 회수하여, 생산량의 한정으로 가격이 매우 높은 백금의 재활용이 가능하다. 아울러 본 발명에 의한 백금의 회수방법은 양이온 교환막과 가스 확산층의 불순물을 최소화하여 효율적으로 백금의 회수가 가능하다.
도 1은 전극사이에 양이온교환막이 압착 조립된 MEA 사진이다.
도 2는 MEA의 단면 구조를 나타낸다. 전극(GDL(2)-백금촉매층(1))-양이온교환막(3)-(백금촉매층(1‘)-GDL(2’))전극의 적층 구조이다.
도 3은 전극(GDL(2)-백금촉매층(1))-양이온교환막(3)-(백금촉매층(1‘)-GDL(2’))전극의 적층 된 MEA를 절단저항을 최소로 하는 경사진 날 절단공구(100)를 이용하여 절단 회수하는 공정의 평면도이다.
도 4는 MEA를 전단지그(200, 300)에 고정 후에, 양이온교환막(3)의 두께를 최소로 하여 전극(GDL(2)-백금촉매층(1))을 경사진 날 절단공구(100)를 이용하여 절단 회수하는 공정의 측면도이다.
도 5는 MEA를 전단지그(200, 300)에 고정 후에, 양이온교환막(3)의 두께를 최소로 하여 전극(GDL(2‘)-백금촉매층(1’))을 경사진 날 절단공구(100)를 이용하여 절단 회수하는 공정의 측면도이다.
도 6은 절단 회수된 전극에서 GDL고정지그(110)에 GDL(2,2‘)층을 고정한 후 배금촉매(1,1‘)를 미세 절삭이 가능한 절삭공구류(400)를 이용하여 절삭 회수하는 공정의 측면도이다.
도 7은 도 6의 확대도이다.
도 8은 경사진 날 절단공구(100)에 관한 것이다.
도 9는 받침 지그(300)와 고정 지그(200)에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
고체 고분자 연료전지의 전극(가스확산층에 백금촉매층 도포된 구조)과 양이온 교환막의 조립체인 막전극 접합체(membrane electrode assembly,MEA)는 전극에 도포된 백금 촉매작용에 의하여 화학 발전이 일어난다. 이와 같은 고체 고분자 연료전지의 MEA에 촉매로 다량 사용이 되는 백금은 다양한 용도의 촉매로 사용이 계속적으로 늘어나고 있으며, 희토류 금속(희귀금속)으로 그 생산량의 한정으로 가격이 매우 높아 회수/재활용이 필요하다.
따라서 막전극 접합체(membrane electrode assembly,MEA)로부터 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL)과 양이온 교환막 사이에 도포되어진 백금을 효율적으로 회수하기 위해서는 양이온 교환막과 GDL의 불순물을 최소화한 회수가 필요하다.
따라서 본 발명은 백금을 효율적으로 회수하기 위한 방법으로서,
(a) 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로부터 전극을 절단하는 단계; 및
(b) 상기 절단된 전극으로부터 백금층을 회수하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 백금의 회수 방법을 제공한다.
상기 (a) 단계의 전극의 절단은 양이온 교환막의 부착양을 최소화하기 위해서 경사진 날 절단공구(100)를 이용하는 것이 바람직하다. 경사진 날 절단공구는 전극을 회수 할 때 절삭저항을 줄여 양이온 교환막의 찢어짐을 방지할 수 있는바, 양이온 교환막의 불순 유입을 최소화 할 수 있게 된다 . MEA의 수평면과 절단공구의 각이 1~10도, 절단공구와 접촉하는 MEA의 전극변이 이루는 각도가 +/-2~40도인 것이 바람직하다.
상기 전극을 절단하기 전에 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)를 흡입으로 부착력과 평면도를 유지를 해 줄 수 있는 받침 지그(300)와 고정 지그(200)에 고정시키는 것이 바람직하다. 상기 받침 지그는 이에 제한되지 않으나, 볼록한 형상인 것과 볼록한 형상부에 공기흡입에 의한 흡착방식의 구조가 바람직하고, 상기 고정 지그는 이에 제한되지 않으나, 볼록한 형상에 MEA의 둘레의 양이온 교환막의 4변을 연속 비연속적으로 고정할 수 있는 구조가 바람직하다.
상기 (b) 단계의 백금층의 회수 전에 전극의 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL)을 고정하는 것을 더 포함하는 것이 바람직하다. 가스 확산층의 고정은 미세 핀이 부착된 형식의 지그(110)를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 상기 미세 핀이 부착된 형식의 지그는, 핀의 방향은 고정면에 80~수직을 이루며, 돌출 크기는 0.1~0.5mm의 돌출부가 뽀족한 원추형의 구조가 바람직하다.
전극으로부터 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL)의 불순 유입을 최소로하여 절삭하는 방법으로는 백금층을 회수할 때 불순물을 최소한 줄일 수 있는 절삭공구(400)를 이용하는 것이 바람직하다. 절삭 공구로는 이에 제한되는 것은 아니나 미세가공이 가능한 연삭숫돌, 사포, 줄이나, 연삭입자의 탈락이 적고 강한 다이아몬드나 합금재 등이 바람직하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하도록 한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예에 지나지 않으며, 이에 의하여 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
< 실시예 >
1. 막전극 접합체( membrane electrode assembly , MEA )로부터 전극의 회수
폐 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)를 받침 지그 및 고정 지그(200)로 고정시켰다. 절단저항을 최소로 하는 경사진 날 절단공구를 이용하여 전극(가스 확산층(2,2’) 및 백금층(1,1’))을 절단하여 회수하였다(도 3, 4, 5 참조).
2. 회수된 전극으로부터 백금의 회수
회수된 전극의 가스 확산층(2,2’)을 미세 핀이 부착된 형식의 지그를 이용하여 가스 확산층(2,2’)을 고정하였다. 그 후 백금촉매(1,1’)를 미세 절삭이 가능한 연삭숫돌을 이용하여 절삭 회수하였다(도 6, 7참조)
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 경사진 날 절단공구, 110: 미세 핀이 부착된 형식의 지그, 200: 고정 지그, 300: 받침지그, 400: 절삭공구, 1,1’: 백금층, 2,2’: 가스 확산층, 3: 양이온교환막,

Claims (10)

  1. (a) 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로부터 전극을 절단하는 단계; 및
    (b) 상기 절단된 전극으로부터 백금층을 회수하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 백금의 회수방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 전극의 절단은 경사진 날 절단공구를 이용하는 것을 특징으로 하는 회수방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 경사진 날 절단공구는 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)의 수평면과 절단공구의 각이 1~10도, 절단공구와 접촉하는 막전극 접합체의 전극변이 이루는 각도가 +/-2~40도인 것을 특징으로 하는 회수방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 전극을 절단하기 전에 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)를 받침 지그와 고정 지그에 고정시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회수방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 받침 지그는 볼록한 형상인 것과 볼록한 형상부에 공기흡입에 의한 흡착방식의 구조인 것을 특징으로 하는 회수방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 고정 지그는 볼록한 형상에 MEA의 둘레의 양이온 교환막의 4변을 연속 비연속적으로 고정할 수 있는 구조인 것을 특징으로 하는 회수방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 백금층의 회수 전에 전극의 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL)을 고정하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회수방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 가스 확산층의 고정은 미세 핀이 부착된 형식의 지그를 이용하는 것을 특징으로 하는 회수방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 백금층의 회수는 절삭공구를 이용하는 것을 특징으로 하는 회수방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 절삭공구는 연삭숫돌, 사포, 줄, 다이아몬드 또는 합금재 인 것을 특징으로 하는 회수방법.
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