KR20130091842A - 연료전지용 막-전극 접합체의 계면 접착층 제조방법, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 연료전지 - Google Patents

연료전지용 막-전극 접합체의 계면 접착층 제조방법, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 연료전지 Download PDF

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추민주
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남관우
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Abstract

본 발명은 연료전지용 막 전극 접합체 제조용 코팅액 및 이를 이용한 막 전극 계면접착층의 제조방법, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 연료전지에 관한 것으로서, 제조방법은 수소 이온 전도성 제1고분자 기재에 다공성 가교 제2고분자를 포함하는 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층의 표면에 애노드 및 캐소드 전극을 형성하여 가교를 통해 계면 접착층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제조방법에 의해 제조된 막 전극 접합체는 촉매층과 고분자 전해질막간의 계면접착력이 향상되어 장기 운전시에도 계면 탈리로 인한 연료전지의 성능 저하를 방지할 수 있다.

Description

연료전지용 막-전극 접합체의 계면 접착층 제조방법, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 연료전지{Proton conducting membrane-electrolyte assembly containing porous interfacial adhesion layer and preparation method thereof}
본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체 제조용 코팅액 및 이를 이용한 막-전극 계면 접착층 제조방법, 이를 포함하는 막-전극 접합체 및 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촉매층과 고분자 전해질막간의 계면 접착력이 향상되어 장기 운전시에도 계면 탈리로 인한 연료전지의 성능 저하를 방지할 수 있는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 에탄올, 메탄올, 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질에서 얻을 수 있는 수소와 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 장치로, 고효율, 고전력 밀도를 가진다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 전해질의 선택에 따라 다양한 구동온도를 가지며 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있다. 따라서 소형 및 이동용 전원에서부터 소규모 발전에 다양하게 적용 가능한 에너지원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Cell) 및 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)가 있다. 상기 연료전지는, 전해질로서 이온전도 가능한 고분자 막을 이용한다. 상기 고분자 전해질 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 탄화 수소계 연료를 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 추가 설비를 필요로 하는 문제점이 있다. 이에 반해 직접 메탄올 연료 전지는 고분자 전해질 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 촉매와 전해질막으로 구성된 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 그 중 연료전지 기술의 핵심이라고 할 수 있는 막-전극 접합체는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, “연료극” 또는 “산화 전극”이라 한다)과 캐소드 전극(일명 “공기극” 또는 “환원 전극”이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착된 후 산화되어 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
본 발명의 목적은 전극의 촉매층과 고분자 전해질막간의 계면 접착력이 향상되어 장기 운전시에도 계면 탈리로 인한 연료전지의 성능 저하를 방지할 수 있는 연료 전지용 막-전극 접합체를 형성하기 위해, 연료 전지용 막-전극 접합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가교 고분자의 전구체, 경화제 및 기공 형성제를 포함하는 계면 접착층 형성용 조성물을 제조하는 단계; 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막의 일면 또는 양면에 상기 계면 접착층 형성용 조성물을 이용하여 계면 접착층을 형성하는 단계; 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막의 양면에 애노드 전극 및 캐소드 전극을 형성하는 단계; 및 상기 계면 접착층을 가교하고, 상기 계면 접착층에 기공을 형성하는 단계;를 포함하는 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 막-전극 접합체의 제조방법에 있어서, 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합물의 양이온 교환기를 갖고 있거나, 주쇄에 이미다졸, 벤즈이미다졸기를 가진 고분자를 사용하는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 막-전극 접합체의 제조방법에 있어서, 상기 가교 고분자의 전구체는 에폭시 말단을 가지고, 상기 경화제는 아민 말단기를 가지는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 막-전극 접합체의 제조방법에 있어서, 상기 가교 고분자의 전구체는 비스페놀 에이 디글리시딜애씨드(bisphenol A diglycidyl acid) 말단을 가지고, 상기 경화제는 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine) 말단을 가지는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 막-전극 접합체의 제조방법에 있어서, 상기 계면 접착층을 가교하는 단계는, 70 ~ 130℃의 온도 및 500 ~ 2000psi의 압력으로 1 ~ 10분간 유지한 후, 다시 실압에서 70 ~ 130℃의 온도로 1 ~ 5시간 유지하여 가교를 완료하는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 막-전극 접합체의 제조방법에 있어서, 상기 계면 접착층에 기공을 형성하는 단계는, 상기 기공 형성제로 물에 용해되는 저분자량 고분자 또는 70 ~ 130℃에서 열분해 되어 기화하는 이온성 물질을 사용하여 상기 계면 접착층을 가교하는 단계에서 기공이 형성되는 것을 특징으로 하는 계면 접착층을 도입한 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 막-전극 접합체의 제조방법에 있어서, 상기 계면 접착층 형성 공정은 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크스크린법, 페인팅법, 슬롯 다이 코팅법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 계면 접착층을 도입한 막-전극 접합체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 막-전극 접합체의 제조방법에 있어서, 상기 전극 형성 공정은 계면 접착층이 형성된 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 전극 기재를 접합하거나, 또는 촉매층이 형성된 전극 기재와 계면 접착층이 형성된 고분자 전해질막을 접합하여 제조된 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 막-전극 접합체를 이용한 연료전지을 제공한다.
본 발명은 수소 이온 전도성 제 1 고분자 기재;와 상기 제 1 고분자 기재의 적어도 일면에 형성되는 다공성 제 2 고분자를 포함하는 계면 접착층;으로 형성된 고분자 전해질 막; 상기 고분자 전해질 막의 일면에 형성되는 애노드 전극; 및 상기 고분자 전해질 막의 타면에 형성되는 캐소드 전극;을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.
본 발명은 상기 연료전지용 막-전극 접합체에 있어서, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 중에 적어도 하나 이상의 전극과 상기 고분자 전해질 막 사이에 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.
본 발명에 의하면 다공성 가교 고분자를 계면 접착층으로 도입하여 고분자 전해질 막의 부피 변화를 막음과 동시에 이온의 이동을 용이하게 하고, 저항 증가를 최소화하면서 계면 안정성을 향상시켜, 우수한 장기성능을 갖는 막-전극 접합체를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 막 전극 접합체는 촉매층과 고분자 전해질 막 간의 계면 접착력이 향상되어 장기 운전시에도 계면 탈리로 인한 연료전지의 성능 저하를 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 막 전극 접합체를 개략적으로 나타낸 단면도다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 의해 제조된 막 전극 접합체의 최고 성능을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예와 비교예에 의해 제조된 막 전극 접합체의 20일간 구동시 OCV의 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 계면접착층 형성용 조성물을 단독으로 가교한 후 그 미세구조를 나타낸 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 가교 고분자의 전구체, 경화제 및 기공 형성제를 포함하는 계면 접착층 형성용 조성물을 제조하는 단계, 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막(110)의 일면 또는 양면에 상기 계면 접착층 형성용 조성물을 이용하여 계면 접착층(120)을 형성하는 단계, 상기 계면 접착층(120)이 형성된 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막(110)의 양면에 애노드 전극(200) 및 캐소드 전극(300)을 형성하는 단계 및 상기 계면 접착층(120)을 가교하고, 상기 계면 접착층(120)에 기공(400)을 형성하는 단계를 포함하는 막-전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
연료 전지에서 막-전극 접합체는 고분자 전해질 막과 이 고분자 전해질 막 양면에 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 구성되며, 이 막-전극 접합체에서, 연료의 산화 및 산소의 환원 반응에 따라 전기를 발생시킨다. 이러한 막-전극 접합체에서 일어나는 반응은 상기 고분자 전해질 막과 전극과의 계면 접착이 우수해야 잘 일어날 수 있다. 이에 따라, 촉매층 형성용 조성물에 폴리(퍼플루오로술폰산) 또는 PTFE을 포함시킨 후 고분자 전해질 막과 열압착하여 일체화함으로써 고분자 전해질 막과 전극내 촉매층과의 계면 접착력을 높이는 방법이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 이와 같은 방법으로도 형성된 촉매층과 고분자 전해질 막 사이의 계면 접착이 충분하지 않아, 연료전지의 장기 운전시 전극의 촉매층과 고분자 전해질 막 사이의 계면 탈리가 발생하여 연료전지의 성능이 저하되는 문제가 있었다.
이에 대해 본 발명의 일실시예는 고분자 전해질 막(110) 기재에 다공성 계면 접착층(120)을 형성함으로써, 전극의 촉매층(210, 220)과 고분자 전해질 막간(110)의 계면 접착력을 향상시키고, 결과 장기 운전시에도 계면 탈리로 인한 연료전지의 성능 저하를 방지할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법은 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막(110) 기재에 다공성 가교 고분자를 포함하는 계면 접착층(120)을 형성하여 고분자 전해질 막(100)을 제조하고, 상기 고분자 전해질 막(100)의 양면에 애노드 전극(200) 및 캐소드 전극(300)을 형성하는 단계를 포함하여 전극의 촉매층과 고분자 전해질 막간(100)의 계면 접착력을 향상시킨다.
이하 본 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법을 자세하게 살펴보도록 한다.
먼저 수소 이온 전도성 고분자로부터 전해질 막(110)을 제조한다. 상기 고분자 전해질 막은 애노드 전극(200)의 촉매층(210)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(300)의 촉매층(220)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 한다. 상기 고분자 전해질 막(110)을 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자를 이용하여 통상의 제조방법에 의해 박막 형태로 제조될 수 있다.
상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막(110)으로는 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지라면 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. 상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 또는 이들의 공중합체 등을 들 수있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 것을 들 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서는 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이후 상기 방법으로 제조된 고분자 전해질 막(110)에 다공성의 가교 고분자를 포함하는 계면 접착층(120)을 형성하여, 수소 이온 전도성 제 1 고분자 기재(110) 및 상기 기재의 적어도 일면에 형성되는 다공성 제 2 고분자 계면 접착층(120)이 형성된 고분자 전해질 막(100)을 형성한다.
계면 접착층 형성용 조성물은 가교 고분자 전구체, 경화제 및 기공 형성제를 용매 중에 용해 또는 분산시켜 제조할 수 있으며, 계면 접착층(120)은 상기 계면 접착층 형성용 조성물을 이용하여 통상의 코팅 방법에 의해 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막(110) 기재에 코팅하여 제조할 수 있다.
상기 가교 고분자 전구체로는 에폭시 말단기를 가진 가교 가능한 올리고머를 이용할 수 있으며, 상기 경화제로는 아민 말단기를 가진 경화제를 사용할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 가교 후 뛰어난 물리적 특성을 보이는 벤젠 고리를 가진 에폭시 전구체를 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 비스페놀 에이 디글리시딜애씨드(bisphenol A diglycidyl ether)와 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine)을 사용할 수 있다. 상기 전구체를 이용할 경우 가교 후 우수한 물리적 특성과 접착성으로 장기구동시의 고분자 전해질 막(100)의 부피 변화 및 계면 탈리를 효과적으로 억제할 수 있다. 그러나 상기 조건을 벗어나 지나치게 고분자 사슬의 유동성이 좋거나 수소 이온과의 친화성이 클 경우, 팽윤 정도가 지나쳐 촉매층과의 접합성이 상대적으로 저하될 우려가 있어 바람직하지 않고, 장기 구동시 계면 탈리의 억제 효과가 떨어질 수 있다.
상기 기공 형성제로는 다양한 분자량을 가진 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌글리콜-폴리프로필렌글리콜 블록 공중합체 (Pluronic) 등의 수용성 고분자, 또는 탄산암모늄, 탄산수소암모늄 등의 열분해성 이온 결정을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌글리콜 또는 탄산암모늄을 사용할 수 있다. 상기 기공 형성제는 상기 계면 접착층 형성용 조성물에 포함될 수 있으며, 바람직하게는 적절한 점도로 계면 접착층(120)이 형성될 수 있도록 계면 접착층 형성용 조성물에 적절한 양으로 첨가되어야 한다. 수용성 고분자의 경우 완전히 용해, 열분해성 이온 결정의 경우 용해가 아닌 분산되는 것이 바람직하다.
상기 용매로는 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 에틸알코올, 이소프로필알코올, 부틸알코올, 물 또는 이들의 혼합용매 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 테트라하이드로퓨란을 이용할 수 있다. 상기 용매는 상기 코팅층 형성용 조성물에 잔부로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 적절한 점도로 계면 접착층(120)을 형성할 수 있도록 적절한 양으로 첨가되는 것이 바람직하다.
상기 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯 다이 코팅법 등으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 페인팅법 또는 스프레이법을 사용할 수 있다.
상기와 같이 하여 제조된 막-전극 접합체는 서로 대향하여 위치한 애노드 전극(200) 및 캐소드 전극(300), 및 상기 애노드 전극(200)과 캐소드 전극(300) 사이에 위치한 고분자 전해질 막(100)을 포함하며, 상기 고분자 전해질 막(100)은 수소 이온 전도성 제 1 고분자 기재(110) 및 상기 기재의 적어도 일면에 형성되는 다공성 제 2 고분자 계면 접착층(120)을 포함한다.
이와 같이 본 발명의 막-전극 접합체는 전극 촉매층(210, 220)과 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막(110) 사이에 계면 접착층(120)을 포함함으로써 촉매 로딩량을 증가시킬 수 있고, 또한 상기 코팅층(계면 접착층, 120)에 의해 촉매층과 고분자 전해질 막(100) 사이의 계면 접착이 증가되어 촉매층과 고분자 전해질 막(100) 간의 상호작용을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 촉매층에서 고분자 전해질 막(100)으로의 수소 이온 이동이 용이하게 되어 결과 연료전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 장기 운전시 계면 탈리로 인한 연료전지의 성능 저하의 우려가 없다. 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체는 고분자 전해질 연료전지에 적용될 수 있다.
본 발명의 보다 확실한 이해를 돕기 위해 상기 제조 단계가 보다 구체화된 바람직한 실시예를 통해, 본 발명의 내용을 상세히 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리 범위가 이들 실시예에 한정 되어지는 것으로 해석되어서는 아니된다.
계면 접착층 형성용 조성물을 만들기 위하여 2.7 g의 bisphenol A diglycidyl ether와 기공 형성제로 0.9g의 탄산암모늄, 용매로 3g의 테트라하이드로퓨란(THF)을 혼합하고 실온에서 하루 이상 교반한 후, 0.3g의 polyethyleneimine을 첨가하여 다시 교반한다. 이 용액을 잘 닦아 건조시킨 폴리벤즈이미다졸(PBI) 의 캐소드 쪽 표면에 얇게 페인팅한 후 촉매층이 형성된 캐소드 기재(E-tek)와 함께 120℃, 1500psi에서 3분 동안 열압착하였다. 계면접착층의 가교를 돕기 위하여 이후 온도만 120℃로 두 시간동안 유지하였다. 이 열압착 및 가교 과정에서 탄산암모늄 결정이 열분해되며 다공성 계면접착층을 형성하였다. 계면접착층이 형성된 이 고분자 전해질 막과 전극을 이후 인산에 2일 이상 함침하였다. 사용한 인산 농도에 따른 인산함침율을 표 1에 나타내었다.
인산 농도(M) 10 11 12 13 14.61
인산 함침율(mol/unit) 5.21 6.13 5.72 8.4 12.45
상기 13M 인산에 2일 이상 함침된 PBI 막과 캐소드 전극을 애노드(E-tek)와 물리적으로 접착하였다. 이 때, 촉매층 형성 면적은 5×5cm2이었다. 이 막 전극 접합체를 두 장의 가스켓 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴라 플레이트에 삽입하고 구리 엔드플레이트 사이에서 압연하여 단전지를 제조하였다.
[비교예 1]
잘 건조시킨 PBI 막을 13M 인산에 2일 이상 인산에 함침하였다. 이 때의 인산 농도에 따른 인산함침율은 상기 [표 1]과 같다. 인산함침 후의 막을 [실시예 1]과 동일한 애노드 및 캐소드와 함께 물리적으로 접착하였다. 이 때, 촉매층 형성 면적은 5×5cm2이었다. 이 막 전극 접합체를 두 장의 가스켓 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴라 플레이트에 삽입하고 구리 엔드플레이트 사이에서 압연하여 단전지를 제조하였다.
[비교예 2]
기공 형성제를 도입하지 않은 것을 제외하고, 상기한 [실시예 1]과 같은 구성성분 및 조성을 사용하고 동일한 방법으로 양극을 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2에서 제조된 단전지에 대하여 애노드 전극측에는 수소를, 캐소드 전극 측에는 공기를 각각 공급한 후 130℃의 온도에서 하루 2시간씩 운전하고 그 출력 밀도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
기준 0.4V 3일 후 출력밀도(A/cm2) 10일 후 출력밀도 (A/cm2) 18일 후 출력밀도 (A/cm2)
비교예 1 0.1443 0.1434 0.1148
비교예 2 0.0253 0.0662 0.0764
실시예 1 0.1451 0.1587 0.1769
상기 [표 2]에 나타난 바와 같이, 다공성의 계면접착층을 갖는 [실시예 1]의 단전지는 기공이 없는 계면 접착층을 갖는 [비교예 2]의 단전지에 비하여 모든 기간에 걸쳐 높은 출력 밀도를 나타내었다. 이는 기공의 존재로 인해 인산이나 물 등 수소이온을 전도하는 이온의 이동이 용이하기 때문이다. 또한 계면 접착층을 형성하지 않는 [비교예 1]의 단전지에 비해서 3일째에 유사한 출력 밀도를 나타내었다.
또한 계면 접착층을 갖는 [실시예 1]의 단전지는 동일한 운전 조건에서 계면 접착층을 형성하지 않은 [비교예 1]의 단전지에 비하여 10일 후 높은 출력 밀도를 나타내었다. 이는 [비교예 1]의 단전지에서 급격한 온도변화로 인해 계면 손상이 빠르게 일어나며 성능이 감소하는 속도가 빠르기 때문이다. 이로부터 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 [실시예 1]의 단전지가 보다 우수한 장기성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
도 3에서 [실시예 1], [비교예 1] 및 [비교예 2]의 장기성능을 OCV를 통해 관찰하였다. OCV는 막의 손상과 함께 감소한다. 도 2에서 계면 접착층이 없는 [비교예 1]은 계면 접착층이 형성된 [실시예 1]과 [비교예 2]에 비하여 OCV의 감소가 뚜렷한 것을 볼 수 있다. 이로부터 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 계면 접착층이 장기 구동에 따른 막의 손상을 확연히 감소시키는 것을 확인하였다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.
100: 고분자 전해질 막
110: 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막
120: 계면 접착층
200: 제 1 전극 (애노드)
210: 제 1 전극 촉매층
220: 제 2 전극 촉매층
300: 제 2 전극 (캐소드)
310: 제 1 전극 기재 (Gas Diffusion Layer)
320: 제 2 전극 기재 (Gas Diffusion Layer)
400: 기공

Claims (11)

  1. 가교 고분자의 전구체, 경화제 및 기공 형성제를 포함하는 계면 접착층 형성용 조성물을 제조하는 단계;
    수소 이온 전도성 고분자 전해질 막의 일면 또는 양면에 상기 계면 접착층 형성용 조성물을 이용하여 계면 접착층을 형성하는 단계;
    상기 계면 접착층이 형성된 상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막의 양면에 애노드 전극 및 캐소드 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 계면 접착층을 가교하고, 상기 계면 접착층에 기공을 형성하는 단계;를 포함하는 막-전극 접합체의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합물의 양이온 교환기를 갖고 있거나, 주쇄에 이미다졸, 벤즈이미다졸기를 가진 고분자를 사용하는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가교 고분자의 전구체는 에폭시 말단을 가지고,
    상기 경화제는 아민 말단기를 가지는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 가교 고분자의 전구체는 비스페놀 에이 디글리시딜애씨드(bisphenol A diglycidyl acid) 말단을 가지고,
    상기 경화제는 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine) 말단을 가지는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 계면 접착층을 가교하는 단계는, 70 ~ 130℃의 온도 및 500 ~ 2000psi의 압력으로 1 ~ 10분간 유지한 후, 다시 실압에서 70 ~ 130℃의 온도로 1 ~ 5시간 유지하여 가교를 완료하는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 계면 접착층에 기공을 형성하는 단계는, 상기 기공 형성제로 물에 용해되는 저분자량 고분자 또는 70 ~ 130℃에서 열분해 되어 기화하는 이온성 물질을 사용하여 상기 계면 접착층을 가교하는 단계에서 기공이 형성되는 것을 특징으로 하는 계면 접착층을 도입한 막-전극 접합체의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 계면 접착층 형성 공정은 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크스크린법, 페인팅법, 슬롯 다이 코팅법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 계면 접착층을 도입한 막-전극 접합체의 제조 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 형성 공정은 계면 접착층이 형성된 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 전극 기재를 접합하거나, 또는 촉매층이 형성된 전극 기재와 계면 접착층이 형성된 고분자 전해질막을 접합하여 제조된 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조 방법.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 막-전극 접합체를 이용한 연료전지.
  10. 수소 이온 전도성 제 1 고분자 기재;와 상기 제 1 고분자 기재의 적어도 일면에 형성되는 다공성 제 2 고분자를 포함하는 계면 접착층;으로 형성된 고분자 전해질 막;
    상기 고분자 전해질 막의 일면에 형성되는 애노드 전극; 및
    상기 고분자 전해질 막의 타면에 형성되는 캐소드 전극;을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 중에 적어도 하나 이상의 전극과 상기 고분자 전해질 막 사이에 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
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CN107649330A (zh) * 2017-09-06 2018-02-02 涓ョ考 一种非全覆盖式涂覆隔膜的制备装置和制备工艺

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015065159A1 (ko) * 2013-11-04 2015-05-07 주식회사 엘지화학 이차 전지용 접착층 형성 방법
US10193120B2 (en) 2013-11-04 2019-01-29 Lg Chem, Ltd. Method for forming adhesion layer for secondary battery
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