KR20120107397A - 고분자 전해질막 연료전지용 촉매층 일체형 전극의 제조방법 - Google Patents

고분자 전해질막 연료전지용 촉매층 일체형 전극의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 연료전지의 운전 기간 동안 적합한 촉매층 및 기공 구조를 지속적으로 유지할 수 있으면서 다양한 크기 및 분포의 기공 구조를 갖는 전극을 제조할 수 있고, 촉매층 구조와 기공 구조의 제어가 용이한 연료전지용 전극 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 나노미터 또는 마이크로미터 단위의 기공 구조를 갖는 판상 구조의 다공성 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제공하는 과정과, 상기 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔에 촉매를 고정하여 촉매층 일체형의 전극을 제조하는 과정을 포함하는 고분자 전해질막 연료전지용 촉매층 일체형 전극의 제조방법이 개시된다.

Description

고분자 전해질막 연료전지용 촉매층 일체형 전극의 제조방법{Method for manufacturing electrode for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지의 운전 기간 동안 적합한 촉매층 및 기공 구조를 지속적으로 유지할 수 있으면서 다양한 크기 및 분포의 기공 구조를 가지는 전극의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동시간과 빠른 전력변환 반응시간의 특성을 갖는다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온이 이동하는 고분자 전해질막을 중심으로 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응가스들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응가스들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응가스들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.
이러한 단위 셀 구성을 이용하여 연료전지 스택을 조립할 때 가장 안쪽에는 주요 구성부품인 막전극접합체 및 기체확산층의 조합이 위치하는데, 이 중 막전극접합체는 고분자 전해질막 양면에 수소(연료)와 산소(산화제)가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극, 즉 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)를 가지며, 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에 기체확산층, 가스켓 등이 적층된다.
한편, 고분자 전해질막의 양면에 촉매전극을 접합하여 막전극접합체를 제조함에 있어서 촉매전극의 촉매층 구조와 기공 구조의 제어는 데칼전사법, 스크린 프린트법, 브러시법, 잉크젯법, 스프레이법 등 막전극접합체를 제조하는 방식에 의존된다.
이러한 막전극접합체의 제조방식에서 현재 양산화를 위해 사용 가능한 방식은 데칼전사법, 스크린 프린트법 등으로 제한적인데, 데칼전사법에서는 이형필름 표면에 촉매 슬러리를 코팅 후 건조하여 촉매전극층을 형성하고, 전해질막 양면으로 촉매전극층이 형성된 이형필름을 적층한 다음, 핫 프레싱(Hot Pressing) 공법을 이용하여 촉매전극층을 전해질막 양면에 전사시켜 접합하게 된다.
양산화에 적합한 막전극 접합체의 제조방식 적용시 촉매전극의 촉매층 구조 및 기공 구조의 제어를 위해서는 기공형성제를 사용하며, 문제는 이 기공형성제를 제거해야 하는 데에 있다.
제거 과정의 유기 용매 사용이나 열처리는 촉매 등의 다른 구성요소에 좋지 않은 영향을 주게 되고, 제거 과정에도 많은 시간이 소요된다.
또한 탄소 담지체에 촉매를 고정시킨 종래의 촉매전극 구조에서는 연료전지의 장기간 운전시 탄소 담지체가 부식됨으로 인해 촉매층 구조 및 기공 구조가 변형되는 문제가 있고, 탄소 담지체의 부식 및 소손으로 인한 활성 백금 촉매의 손실이 발생한다.
두께가 얇은 촉매층의 지지를 위해 전극으로 탄소 섬유로 된 기체확산층을 사용하는 방식도 있는데, 이 방식에서는 촉매층과 전극(기체확산층)의 기공 크기 차이로 인하여 물질의 이동성에 문제가 있는 것으로 알려져 있다.
또한 촉매층과 전극(기체확산층) 사이의 계면 저항 과다 및 계면 분리의 문제가 있고, 미세기공층을 이용하여 물질의 이동성을 향상시키고 촉매층과의 계면 저항을 최소화하려는 시도가 있으나, 미세기공층의 친수성 및 기공 구조의 제어에 어려움이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 연료전지의 운전 기간 동안 적합한 촉매층 및 기공 구조를 지속적으로 유지할 수 있으면서 다양한 크기 및 분포의 기공 구조를 갖는 전극을 제조할 수 있고, 촉매층 구조와 기공 구조의 제어가 용이한 연료전지용 전극 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 나노미터 또는 마이크로미터 단위의 기공 구조를 갖는 판상 구조의 다공성 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제공하는 과정과, 상기 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔에 촉매를 고정하여 촉매층 일체형의 전극을 제조하는 과정을 포함하는 고분자 전해질막 연료전지용 촉매층 일체형 전극의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 판상 구조의 다공성 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제공하는 과정에서, 큰 기공을 갖는 판상의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제작하는 단계; 상대적으로 작은 기공을 갖는 판상의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제작하는 단계; 기공 크기가 상이한 상기 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 서로 적층하여 접합하는 단계; 및 절단장비로 적층된 상태의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 판상 구조가 되도록 횡방향으로 절단하는 단계;를 진행하여, 다양한 크기의 기공이 혼재된 판상의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제작하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔은, 기공들이 내부를 통해 기체 및 액체의 이동이 가능하도록 서로 연결되어 있는 개기공 형태로 존재하면서, 전자가 이동할 수 있도록 금속 부분이 연결된 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 촉매가 고정된 촉매층 일체형의 전극에 이온전도물질을 함침시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 전극 제조방법에 의하면, 나노 또는 마이크로 크기의 기공을 갖는 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔의 기공 구조에 촉매층을 일체형으로 고정하여 제조함으로써, 연료전지의 운전 기간 동안 적합한 촉매층 및 기공 구조, 즉 반응가스의 이동, 전자 및 이온의 이동, 물 배출이 원활한 구조를 지속적으로 유지할 수 있으면서 다양한 크기 및 분포의 기공 구조를 갖는 전극을 제조할 수 있고, 촉매층 구조와 기공 구조의 제어가 용이한 이점이 있게 된다.
도 1은 큰 기공 구조를 갖는 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔과, 이와 비교해 상대적으로 작은 기공 구조를 갖는 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에서 다양한 기공 크기 및 분포를 갖는 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔 판상 구조의 제작 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에서 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 사용하여 촉매층이 일체형으로 된 모듈화된 전극을 제조하는 과정의 여러 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 전극의 기공 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 사용한 촉매층 일체형의 모듈화된 전극을 사용하여 막전극접합체를 제조하는 방법을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 촉매층 및 기공 구조를 유지하는 지지체(동시에 전극체임)로서 나노 또는 마이크로 크기의 기공을 갖는 메탈 폼(Metal Foam) 또는 메탈 에어로겔(Metal Aerogel)을 사용하여 촉매층 일체형의 전극을 제조하는 것에 주된 특징이 있는 것이다.
최근 나노 크기까지의 기공을 갖는 메탈 폼(Nanoporous Metal Foam) 또는 메탈 에어로겔을 제조하는 기술이 개발된 바 있으며, 본 발명에서는 이러한 메탈 폼 및 메탈 에어로겔을 지지체로 사용하여 고분자 전해질막 연료전지의 운전에 적합한 구조 및 기공 분포를 지속적으로 유지할 수 있는 촉매전극을 제조하는 것이다.
본 발명의 제조 과정은 나노미터 또는 마이크로미터 단위의 기공 구조를 갖는 판상 구조의 다공성 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제공하는 과정, 그리고 상기 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔에 촉매를 고정하여 촉매층 일체형의 모듈화된 전극을 제조하는 과정을 포함한다.
도 1은 큰 기공 구조를 갖는 메탈 폼(2a) 또는 메탈 에어로겔과, 이와 비교해 상대적으로 작은 기공 구조를 갖는 메탈 폼(2b) 또는 메탈 에어로겔을 도시한 도면이다.
먼저, Pd, Ni, Ti, Fe, Cu, Pt, Au 등에서 선택된 원소로 이루어진 금속판(1)을 사용하여 연료전지용 촉매전극에서 요구되는 기공 크기, 예컨대 1 nm ~ 100 ㎛ 크기의 기공을 갖는 다공성 메탈 폼(2) 또는 메탈 에어로겔을 제조하는데, Pd, Ni, Ti, Fe, Cu, Pt, Au 등의 원소를 포함하는 기공 크기 1 nm ~ 100 ㎛의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제조하기 위해 제조 방법으로는 알려진 연소합성법 또는 자전연소합성법이 이용될 수 있다.
또는 두 가지 이상의 금속을 함유한 금속판, 또는 한 가지 이상의 금속과 기공형성제를 혼합하여 금속판을 제조한 뒤 한 가지 이상의 물질을 선택적으로 제거함으로써 다공성의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제조하는 방식이 적용될 수 있다.
또한 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔의 제조 과정에서 다양한 기공 구조 제어 기술이 적용될 수 있으며, 이를 통해 통상적인 고분자 전해질막 연료전지의 촉매전극 기공 구조와 유사한 기공 구조를 갖는 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제조한다.
대부분의 기공들이 기체 및 액체의 이동이 가능하도록 서로 연결되어 있는 개기공(통기공)(Open Pore) 형태로 존재하면서 그 크기 및 분포가 기존 고분자 전해질막 연료전지의 촉매전극 기공 크기 및 분포와 유사한 형태를 갖는 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제조하여 사용하는 것이다.
이때, 기공 표면의 일부 또는 전부가 산화된 상태로 존재하는 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제조하여 사용할 수도 있다.
본 발명에서 사용되는 메탈 폼(2) 또는 메탈 에어로겔은 통상의 촉매전극에서와 마찬가지로 전기화학 반응을 일으키기 위한 반응가스인 수소(연료) 및 공기(산화제)의 이동(도 1의 (a) 참조), 반응에 의해 생성된 전자 및 이온의 이동(도 1의 (b) 참조), 그리고 물 배출이 용이한 기공 구조를 가져야 한다.
또한 액체가 이동하기 용이한 크기의 개기공과 기체가 이동하기 용이한 크기의 개기공 구조, 전자가 이동할 수 있는 연결된 금속 구조를 가져야 하며, 이에 1 nm ~ 100 ㎛ 크기의 기공을 갖는 다공성 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔의 사용이 적합하다.
또한 통상의 연료전지용 촉매전극에서와 마찬가지로 필요에 따라 이오노머, 즉 이온전도물질의 사용이 가능하도록 이온전도물질을 함침시킬 수 있는 금속 구조를 가지는 다공성 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔의 사용이 적합하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 다양한 기공 크기를 갖는 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 사용하여 추가적인 공정을 통해 다양한 기공 크기 및 분포를 갖는 구조로 제작할 수도 있는데, 제작 과정의 일례를 도 2에 나타내었다.
다양한 크기의 기공이 혼재된 하나의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔 판상 구조를 제작하기 위하여, 도 1에서와 같이 큰 기공을 갖는 판상의 메탈 폼(2a) 또는 메탈 에어로겔을 제작하고, 이에 비해 상대적으로 작은 기공을 갖는 판상의 메탈 폼(2b) 또는 메탈 에어로겔을 제작한 뒤, 이들을 적층하여 접합한 다음, 절단장비(3)로 적층된 상태의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 소정 두께의 판상 구조가 되도록 횡방향으로 절단하는 공정을 진행한다.
나노에서 마이크로 크기의 다양한 기공 구조를 가지는 메탈 폼의 제조는 분말소결법(Powder Sintering), 아르곤 기체 등의 첨가에 의한 기체팽창법(Argon Gas Expansion), 그리고 프리폼 슬러리 제조법 등이 있으며, 상기 언급된 각각의 메탈 폼 제조방식이 모두 적용 가능하다.
이와 같이 적층상태에서 횡방향으로 절단하게 되면 기공이 큰 부분과 상대적으로 기공이 작은 부분이 함께 존재하는 판상의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제작할 수 있게 된다.
상기의 적층 과정에서 판상의 메탈 폼과 메탈 에어로겔을 접합하는 방법으로는 핫 프레싱(Hot Pressing)이나 일반적인 가압 공정, 혹은 접합층을 이용한 방법 등이 이용될 수 있다.
이에 1종 또는 2종 이상의 다양한 금속 물질을 사용하여 기공의 크기 및 분포가 다양한 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제조할 수 있게 된다.
다음으로, 메탈 폼(2,2a~2c) 또는 메탈 에어로겔을 사용하여 촉매층과 일체형으로 이루어진 모듈화된 전극을 제조하는데, 공지의 촉매 물질 및 촉매층 형성 과정이 적용될 수 있으며, 촉매를 합성 후 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔에 함침하거나, 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔의 표면에 직접 촉매를 합성 혹은 코팅하는 방식 등 다양한 방식이 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명에서 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 사용하여 촉매층이 일체형으로 된 모듈화된 전극을 제조하는 과정의 여러 실시예를 나타내는 도면이다.
촉매층을 형성하는 과정의 일례로서, 제조된 메탈 폼(2,2a~2c) 또는 메탈 에어로겔 내에 수 나노미터 수준의 백금 촉매 입자 또는 백금합금 촉매 입자를 통상의 고분자 전해질막 연료전지의 촉매층으로 사용될 수 있는 구조로 표면에 코팅, 증착하여 형성할 수 있다.
또는 백금 또는 백금 합금 촉매의 전구체를 유기 또는 무기 용매에 녹인 후 환원시키는 통상의 백금 또는 백금합금 촉매 입자 합성법을 통하여 합성된 촉매가 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔의 내부나 외부, 또는 내부 및 외부에 위치되도록 함으로써 촉매층 일체형의 모듈화된 전극을 제조할 수 있다.
또는 백금 또는 백금합금 촉매의 전구체를 유기 또는 무기 용매에 녹여서 만든 용액에 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔의 일부 또는 전부를 넣은 뒤 전기화학증착법이나 무전해도금법을 이용하여 박막 촉매가 코팅된 모듈화된 전극을 제조할 수 있다.
또는 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔에 스퍼터 증착법을 이용하여 백금 또는 백금합금 촉매가 코팅된 모듈화된 전극을 제조할 수 있다.
또한 원활한 이온 이동을 위해 상기한 여러 방식 중 어느 하나를 이용하여 제작된 모듈화된 전극에 필요에 따라서는 이온전도물질을 함침시켜 고분자 전해질막 연료전지의 촉매층 기능을 수행할 수 있는 전극을 완성하는 것이 실시 가능하다.
도 4는 본 발명에 따라 제조될 수 있는 전극의 기공 구조를 나타내는 도면으로서, 니켈 메탈 폼, 백금 촉매, 이온전도물질인 이오노머의 사용을 예로 하여 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면 촉매층-전극이 일체형으로 연결된 구조로 제조할 수 있으므로 계면이 최소화될 수 있으며, 다양한 촉매 및 금속 재료를 활용하여 다양한 크기의 기공을 갖는 구조로 제조할 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 전극 제조방법에 의하면, 나노 또는 마이크로 크기의 기공을 갖는 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 사용함으로써, 적합한 촉매층 및 기공 구조를 지속적으로 유지할 수 있으면서 다양한 크기 및 분포의 기공 구조를 갖는 촉매층 일체형의 전극을 제조할 수 있고, 촉매층 구조와 기공 구조의 제어가 용이해지는 이점이 있게 된다.
도 5는 본 발명에 따라 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 사용한 촉매층 일체형의 모듈화된 전극을 사용하여 막전극접합체를 제조하는 방법을 나타낸 도면이다.
메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 사용한 전극을 사용하여 고분자 전해질막 연료전지용 막전극 접합체를 제조하기 위해서는 핫 프레싱 공법 등 기존의 여러 방법이 적용될 수 있으며, 금속-고분자 계면 저항의 최소화 및 계면 안정성의 향상을 위하여 접착층이 추가로 개재될 수 있다.
즉, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 불소계 또는 탄화수소계 전해질막 등 고분자 전해질막과 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 사용한 전극을 접합하기 위하여, 일례로서 전극과 전해질막, 전극을 차례로 적층한 뒤 핫 프레싱(고온/가압)하여 접합할 수 있으며, 이를 통해 전해질막과 전극 사이의 계면에서 이온이 이동할 때 발생하는 저항을 최소화할 수 있다.
또는 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 고분자 전해질막과 전극 사이에 접합층을 둘 수 있는데, 전해질막과 전극 간에 접합층을 두어 양측을 접착하는 방식으로 제조함으로써 계면 저항의 최소화 및 계면 안정성 향상을 도모할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 금속판
2, 2a ~ 2c : 메탈 폼

Claims (4)

  1. 나노미터 또는 마이크로미터 단위의 기공 구조를 갖는 판상 구조의 다공성 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제공하는 과정과, 상기 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔에 촉매를 고정하여 촉매층 일체형의 전극을 제조하는 과정을 포함하는 고분자 전해질막 연료전지용 촉매층 일체형 전극의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 판상 구조의 다공성 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제공하는 과정에서,
    큰 기공을 갖는 판상의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제작하는 단계;
    상대적으로 작은 기공을 갖는 판상의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제작하는 단계;
    기공 크기가 상이한 상기 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 서로 적층하여 접합하는 단계; 및
    절단장비로 적층된 상태의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 판상 구조가 되도록 횡방향으로 절단하는 단계;
    를 진행하여, 다양한 크기의 기공이 혼재된 판상의 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔을 제작하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지용 촉매층 일체형 전극의 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 메탈 폼 또는 메탈 에어로겔은, 기공들이 내부를 통해 기체 및 액체의 이동이 가능하도록 서로 연결되어 있는 개기공 형태로 존재하면서, 전자가 이동할 수 있도록 금속 부분이 연결된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지용 촉매층 일체형 전극의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매가 고정된 촉매층 일체형의 전극에 이온전도물질을 함침시키는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지용 촉매층 일체형 전극의 제조방법.
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