KR20170069783A - 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물, 막-전극 접합체, 및 막 -전극 접합체의 제조방법 - Google Patents

고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물, 막-전극 접합체, 및 막 -전극 접합체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물, 막-전극 접합체, 및 막-전극 접합체의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물, 막-전극 접합체, 및 막 -전극 접합체의 제조방법{CATALYST SLURRY COMPOSITION FOR POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY, AND MANUFACTURING METHODE OF MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY}
본 출원은 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물, 막-전극 접합체, 및 막-전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)란 전기화학반응에 의해 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전기화학 장치를 말한다. 현재까지 개발된 연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 인산형(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염형(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자전해질형(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 메탄올형(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) 등이 있다. 특히 고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 작동온도가 낮으며 빠르게 초기성능을 얻을 수 있는 장점이 있다. 초기에는 주로 우주용, 해저개발용으로 고분자 전해질 연료전지의 연구가 진행되었으나, 환경문제와 유가상승으로 인해 최근에는 가정용과 자동차의 전력 공급용으로 초점이 맞추어졌다.
연료전지의 성능을 높이기 위해서는 전극의 조성과 구조의 최적화가 이루어져야 한다. 특히 고분자 전해질 연료전지에서 성능을 좌우하는 중요 요소 중 하나는 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)이다. 막-전극 접합체는 고체 고분자 전해질을 바탕으로 제조된 이온 전도성막(ion conducting membrane)과 이에 의하여 분리된 두 개의 전극들로 구성되며, 지지층 위에 기체 확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)이 형성되고 확산층 위에는 촉매층이 형성된다.
막(Membrane)은 애노드에서 공급된 수소가 이온화되고, 막을 통과하여 캐소드로 가서 산소와 만나게 되는 장소이다. 따라서, 무엇보다도 높은 프로톤 전도도를 가져야 하며, 물리적, 기계적, 화학적 안정성이 좋아야 한다. 저가습에서도 높은 프로톤 전도도를 갖는 저 당량(EW, equivalent weight)의 이오노머를 전극에 적용하거나 전극층과 전해질 막 사이에 이오노머 층을 적용하는 방법 등의 저가습 운전 성능 개선을 위한 시도들이 진행되고 있다. 그러나 이오노머의 당량(EW)이 일정 수준 이하에서는 장기 운전 구동시 내구성의 문제가 있다. 또한 전해질막은 당량(EW)이 작을수록 습도 환경의 변화에 따라 큰 팽윤과 수축을 일으키는 성질이 있어, 전해질막이 무질서하게 치수 변화를 일으키고 그 결과 전해질막에 주름을 발생시킨다. 그리고, 전해질막의 두께가 얇은 경우 그 주름에 의해 전해질막이 파손되는 경우가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2006-0086642호
본 발명은 다양한 가습 조건(Humidified condition)에서 안정적인 막-전극 접합체의 성능을 발현할 수 있고, 우수한 내구성을 갖는 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물, 막-전극 접합체, 및 막-전극 접합체의 제조방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 출원은 하기 화학식 1로 표시되며 서로 다른 당량(EW)을 가지는 2 종의 이오노머;
용매; 및
촉매를 포함하는 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
화학식 1에서, m 및 n은 각각 독립적으로 1 내지 15의 정수이고, X는 H+, NH4 +, K+, Li+, 및 Na+으로 이루어진 군에서 선택된다.
또한, 고분자 전해질막;
고분자 전해질막의 일 측에 구비되고, 촉매층 및 기체 확산층을 포함하는 애노드 전극; 및
고분자 전해질막의 다른 측에 형성되고, 촉매층 및 기체 확산층을 포함하는 캐소드 전극을 구비하고,
상기 촉매층은 본 발명에 따른 촉매 슬러리 조성물로 형성되는 것인 막-전극 접합체, 및 상기 막-전극 접합체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 촉매 슬러리 조성물에 서로 다른 당량(EW)을 가지는 2종의 이오노머가 혼합하여 포함되고, 단일의 이오노머가 적용된 경우와 대비하여 다양한 가습 조건(Humidified condition)에서 안정적인 막-전극 접합체의 성능을 발현할 수 있고, 우수한 내구성을 갖는다.
도 1은 실시예 1 및 비교예 1의 연료전지의 전류-전압 특성 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 2는 연료전지용 막-전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지의 한 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태는, 하기 화학식 1로 표시되며 서로 다른 당량(EW)을 가지는 2 종의 이오노머;
용매; 및
촉매를 포함하는 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00002
화학식 1에서, m 및 n은 각각 독립적으로 1 내지 15의 정수이고, X는 H+, NH4 +, K+, Li+, 및 Na+으로 이루어진 군에서 선택된다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 용매는 증류수 및 알코올을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 2종의 이오노머는 각각 당량(EW)이 800 ~ 850 또는 700 ~750 범위를 가진다.
이오노머의 특성화에 이용되는 중요한 파라미터 중 하나는 당량(EW, equivalent weight)이다. 본 명세서에서 당량(EW)은 히드록실 이온 1당량을 중화시키는데 필요한 산 형태의 중합체의 중량을 의미한다. EW가 더 높다는 것은 존재하는 활성 이온 종 (예컨대, 양성자)이 더 적다는 것을 의미한다. 히드록실 이온 1 당량을 중화시키기 위한 중합체 소요량이 더 많다면 그 중합체 내에는 활성 이온 종이 더 적은 것을 의미한다. 이온 전도도는 일반적으로 중합체 내 활성 이온 종의 수에 비례하므로, 당 기술분야의 통상의 기술자는 전도도를 증가시키기 위해 당량(EW)을 감소시키고자 할 것이다. 그러나, 이오노머의 당량(EW)이 일정 수준 이하에서는 고분자 결정성이 낮아지기 때문에 장기 운전 구동시 내구성에 문제가 될 수 있다.
본원 발명은 연료전지의 촉매층 조성물에 서로 다른 당량(EW)을 갖는 이오노머들을 혼합함으로써, 단일의 이오노머가 적용되는 경우와 대비하여 다양한 가습조건에서 막-전극 접합체의 성능이 안정적이고 내구성이 우수한 효과를 얻을 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물에는 촉매 100 중량부당 이오노머는 10 내지 50 중량부 포함되며, 상기 용매는 500 내지 1000 중량부 포함될 수 있다.
촉매 슬러리 조성물의 함량이 상기 범위를 만족하는 경우에는 스프레이 코팅법, 바-코팅법, 잉크젯 코팅법 등의 다양한 방법으로의 촉매층 형성이 용이하다. 또한, 촉매 슬러리 조성물에 포함되는 용매의 함량이 상기 500 내지 1000 중량부의 범위인 경우에, 촉매 슬러리 조성물의 점도가 가장 적절하게 유지되어 코팅시 촉매 입자의 분산성이 우수하고 균일한 촉매층을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 최소의 횟수로 코팅작업이 가능하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
그러나, 연료전지의 제조환경 및 사용환경에 따라 적절하게 조절될 수 있고 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 2종의 이오노머간 중량비는 1:1 또는 Y : 1-Y ( 0.1 ≤ Y ≤ 0.9)이다. 연료전지의 우수한 성능과 내구성을 고려하였을 때, 상기 2종의 이오노머간의 중량비의 범위가 1:1인 것이 바람직하다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고, 목표 수준에 따라 상기 범위를 적절히 조절할 수 있다.
본 발명의 촉매는 Pt, Pt/C, Pt/Ir, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 것이 사용될 수 있다. 다만, 이에만 한정되는 것이 아니라, 당 기술분야에서 사용되는 촉매라면 제한 없이 사용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물에 포함되는 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는, 고분자 전해질막;
고분자 전해질막의 일 측에 구비되고, 촉매층 및 기체 확산층을 포함하는 애노드 전극; 및
고분자 전해질막의 다른 측에 형성되고, 촉매층 및 기체 확산층을 포함하는 캐소드 전극을 구비하고,
상기 촉매층은 본원 발명에 따른 촉매 슬러리 조성물로 형성되는 것인 막-전극 접합체를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는, 하기 화학식 1로 표시되며 서로 다른 당량(EW)을 가지는 2 종의 이오노머와 용매를 포함하는 이오노머 용액을 제조하는 단계;
상기 이오노머 용액에 촉매를 부가하여 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물을 제조하는 단계;
상기 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물을 전극기재 상에 도포하여 촉매층을 형성하는 단계;
상기 촉매층을 건조하여 전극을 제조하는 단계; 및
고분자 전해질 막의 양 표면에 상기 제조된 전극을 각각 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 접합시켜 막-전극 접합체를 제조하는 단계;를 포함하는 막-전극 접합체 제조 방법을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00003
화학식 1에서, m 및 n은 각각 독립적으로 1 내지 15의 정수이고, X는 H+, NH4 +, K+, Li+, 및 Na+으로 이루어진 군에서 선택된다.
연료전지용 막-전극 접합체의 구성을 나타낸 도면 2를 참조하면, 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체는 전해질 분리막(10)을 사이에 두고 대향하여 구비되는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 포함한다. 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 촉매층(20, 21) 및 기체확산층(50, 51)으로 구성된다. 상기 기체확산층은 탄소 기재 (40, 41) 및 미세기공층(30, 31)을 포함할 수 있다.
이오노머 용액이 준비되면 이오노며 용액에 촉매를 부가하고, 상기 혼합물을 고속 믹서기, 기계적 교반기, 또는 초음파기 등을 이용하여 교반하여, 촉매 입자가 균일하게 분산된 촉매 슬러리 조성물을 제조한다.
이어서, 상기 제조된 촉매 슬러리 조성물을 전극기재 상에 도포하여 촉매층을 형성한다.
상기 도포 공정은 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 바-코팅법, 잉크젯 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 브러싱법, 데칼법 등이 사용될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 당 기술분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행 가능하다.
상기 촉매층을 형성한 후에는 건조공정을 더 수행할 수 있으며, 바람직하게는 촉매층을 30℃ 내지 150℃의 온도에서 건조를 수행하며, 상기 건조는 10분 내지 3시간 동안 수행한다. 다만, 건조조건은 제조환경이나 생산성 등을 고려하여 적절하게 선택할 수 있으며, 상기의 온도 범위 및 건조 시간에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 전해질막은 당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 탄화수소계 고분자는 폴리설폰, 폴리폴리에테르설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리설포네이티드에테르케톤, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리포스파젠, 폴리비닐알콜, 폴리(페닐렌옥사이드), 및 폴리(페닐렌설파이드)로 이루어진 군에서 선택되는 고분자일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄화수소계 고분자는 수소이온 교환기를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄화수소계 고분자는 설폰산기, 인산기, 히드록시기 및 카르복실산기로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 수소이온 교환기를 포함하는 고분자일 수 있다.
상기 수소이온 교환기는 상기 탄화수소계 고분자에 수소이온 전도성을 갖게 하는 역할을 할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄화수소계 고분자는 브랜치된 술폰화 공중합체일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄화수소계 고분자는 친수성 블록과 소수성 블록을 포함하는 블록형 공중합체일 수 있다.
상기 “블록형 공중합체”란, 친수성 블록과 소수성 블록이 주쇄 구조를 형성하고 있는 공중합 양식의 것에 더하여, 한쪽의 블록이 주쇄 구조를 형성하고 다른 쪽의 블록이 측쇄 구조를 형성하고 있는 그래프트 중합의 공중합 양식의 공중합체를 포함하는 개념이다. 한편, 본 발명에서 사용되는 고분자는 상술한 블록형 공중합체에 한정되는 것은 아니고, 불소계 원소를 포함하는 고분자도 사용될 수 있다.
당 기술분야에서는 촉매층과 전해질막을 접착시키는 다양한 방법이 존재하며, 일반적으로 촉매층을 전해질막에 직접 코팅하거나, 전극 기재에 촉매층을 도포 후 전해질 막에 접합시키는 방법, 또는 촉매층을 기체확산층에 도포한 후 전해질막을 접합하는 방법 등이 있다. 본 발명의 막-전극 접합체는 상기와 같은 당 기술분야에서 사용되는 다양한 접합 방법이 제한없이 사용될 수 있다.
본 발명의 기체확산층은 분리막과 촉매층 사이에서 전류 전도체 역할을 하며 반응물인 가스와 생성물인 물의 통로가 된다. 따라서 가스확산층은 가스가 잘 통할 수 있도록 다공성 구조로 되어 있다.
기체확산층으로는 당 기술분야에서 사용되는 기체확산층이 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들면 상기 기체확산층은 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 기체확산층은 상기 도전성 기재의 일면에 형성되는 미세기공층을 포함하여 형성될 수 있다. 미세기공층은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 탄소계 물질로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 및 플러렌(C60)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 불소계수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP) 또는 스티렌-부타디엔고무(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 명세서의 일 실시상태는, 하나 또는 둘 이상의 막-전극 접합체, 및 상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 분리막을 포함하는 스택;
연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및
산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지를 제공한다.
상기 스택은 본 발명의 막-전극 접합체를 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에 이들 사이에는 분리막이 개재된다. 상기 분리막은 막-전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크 및 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 펌프로 구성될 수 있다. 상기 연료는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있고, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 또는 부탄올을 들 수 있다.
상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로의 예로는 산소를 들 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 발명의 실시예는 당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예 1
본 발명에 따른 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였다. 막으로는 자사(LG화학)에서 제조한 탄화수소계 전해질 막을 사용하였고, 상기 탄화수소계 전해질막으로는 폴리설포네이티드에테르케톤을 사용하였다.
EW 825(회사명:3M, 제품명:E-22122) 이오노머와 EW725(회사명:3M, 제품명:E-22122A) 이오노머를 증류수 및 알코올이 포함된 용매에 초음파 처리하여 이오노머 용액을 제조하였다. 상기 이오노머 용액을 냉각한 후 Pt/C(제품명:TEC10V50E) 촉매를 첨가하여 촉매 슬러리 조성물을 제조하였고, 이를 전극기재에 도포하여 촉매층을 형성하였다. 도포시 코팅 방법으로는 잉크젯 코팅법을 사용하였다. 촉매층을 형성한 후 100℃온도에서 1시간 동안 건조를 수행하여 전극을 제조하였다.
상기와 같이 제조한 촉매층이 도포되어 있는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 고분자 전해질 막을 준비하였다. 상기 고분자 전해질 막의 양 표면에 애노드 전극 및 캐소드 전극을 접합시켜 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였다.
비교예 1
촉매 슬러리 조성물에 포함되는 이오노머 용액에 EW 825(회사명:3M, 제품명:E-22122)인 단일의 이오노머가 적용된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였다.
비교예 2
촉매 슬러리 조성물에 포함되는 이노모머 용액에 EW 725(회사명:3M, 제품명:E-22122A)인 단일의 이오노머가 적용된 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였다.
상기 제조한 막-전극 접합체를 사용하여 연료 전지를 제작였다.
상기 실시예 1, 비교예 1, 및 비교예 2에서 제조한 막-전극 접합체를 적용한 연료 전지를 이용하여, 막-전극 접합체의 성능을 측정하였다. 이에 대한 측정 결과 값은 하기 표 1에 나타내었다.
막-전 극접합체의 성능 측정을 위해 나라셀텍 연료전지 평가장비를 사용하였으며, 전류-전압 곡선을 도면 1에 도시하였다.
상기 막-전극접합체의 성능 측정은 연료 전지의 온도는 70℃, 상대 습도는 가습기 출구를 기준으로 RH 50%의 반응물을 공급하는 조건하에서 수행되었다. 그리고, 반응물 유량은 연료극으로 1.5 당량, 산화극으로 2.0 당량의 반응물을 공급하였다.
MEA 성능 (RH50%)
@ 600mA/cm2 		MEA 성능 (RH50%)
@ 1300mA/cm2
실시예 1 0.677 V 0.552 V
비교예 1 0.670 V 0.537 V
비교예 2 0.676 V 0.552 V
상기 표 1에서 @는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 막-전극 접합체의 성능 비교시 각각 600 mA/cm2, 1300mA/cm2 하에서 전압을 측정한 것을 의미한다.
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 600 mA/cm2 하에서 전압을 측정시, 실시예 1에 따른 막-전극 접합체의 경우 비교예 1 및 비교예 2에 따른 막-전극 접합체에 비해 막-전극 접합체(MEA)의 성능이 우수함을 확인할 수 있다.
연료전지 구동시 고전류 영역에서는 생성물인 물의 생성량 증가로 인하여 홍수(Flooding) 현상이 생기며, 물질전달 저항이 크게 증가한다.
비교예 1에 따른 막-전극 접합체와 대비하여, 실시예 1에 따른 막-전극 접합체는 고전류 영역에서 전극 내 산소 및 수소이온의 전달 능력 향상으로 인해 저가습 환경에서도 성능이 향상되었음을 확인할 수 있다. 또한, 고전류 영역에서 물질전달 저항이 감소하였음을 확인할 수 있다.
또한, 1300mA/cm2 하에서 전압 측정시, 단일 이오노머(EW725)만 적용된 비교예 2에 따른 막-전극접합체와 실시예 1에 따른 막-전극접합체가 동등한 성능을 나타냄을 확인하였다.
촉매층 조성물에 서로 다른 당량(EW)을 갖는 2종의 이오노머들을 혼합함으로써 이오노머 결정성 증가로 인해 다양한 가습 조건(Humidified condition)에서 안정적인 막-전극 접합체의 성능을 발현할 수 있고, 내구성 향상의 효과를 얻을 수 있다.
도면 1은 본 발명의 막-전극접합체를 포함하는 연료 전지의 전류-전압 특성 측정값을 나타낸 그래프로서, 촉매층에 서로 다른 당량(EW)을 가지는 2종의 이오노머가 혼합되는 경우 단일의 이오노머가 적용되는 경우에 비해, 성능이 우수한 막-전극 접합체를 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
10: 고분자 전해질 분리막
20, 21: 촉매층
30, 31: 미세 기공층
40, 41: 탄소 기재
50, 51: 기체 확산층
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프

Claims (12)

  1. 하기 화학식 1로 표시되며 서로 다른 당량(EW)을 가지는 2 종의 이오노머;
    용매; 및
    촉매를 포함하는 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물:
    [화학식 1]
    Figure pat00004

    상기 화학식 1에서,
    m 및 n은 각각 독립적으로 1 내지 15의 정수이고,
    X는 H+, NH4 +, K+, Li+, 및 Na+으로 이루어진 군에서 선택된다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용매는 증류수 및 알코올을 포함하는 것인 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 2종의 이오노머는 각각 당량(EW)이 800 ~ 850 또는 700 ~750 범위를 가지는 것인 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매 100 중량부당 상기 이오노머는 10 내지 50 중량부 포함되며, 상기 용매는 500 내지 1000 중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 2종의 이오노머간 중량비는 1:1 또는 Y : 1-Y ( 0.1 ≤ Y ≤ 0.9)인 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매는 Pt, Pt/C, Pt/Ir, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 및 부탄올로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상인 것인 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물.
  8. 고분자 전해질막;
    고분자 전해질막의 일 측에 구비되고, 촉매층 및 기체 확산층을 포함하는 애노드 전극; 및
    고분자 전해질막의 다른 측에 형성되고, 촉매층 및 기체 확산층을 포함하는 캐소드 전극을 구비하고,
    상기 애노드 전극에 포함되는 촉매층 및 캐소드 전극에 포함되는 촉매층은 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항의 촉매 슬러리 조성물로 형성되는 것인 막-전극 접합체.
  9. 하기 화학식 1로 표시되며 서로 다른 당량(EW)을 가지는 2 종의 이오노머와 용매를 포함하는 이오노머 용액을 제조하는 단계;
    상기 이오노머 용액에 촉매를 부가하여 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물을 제조하는 단계;
    상기 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물을 전극기재 상에 도포하여 촉매층을 형성하는 단계;
    상기 촉매층을 건조하여 전극을 제조하는 단계; 및
    고분자 전해질 막의 양 표면에 상기 제조된 전극을 각각 접합시켜 막-전극접합체를 제조하는 단계;를 포함하는 막-전극 접합체 제조 방법.
    [화학식 1]
    Figure pat00005

    상기 화학식 1에서,
    m 및 n은 각각 독립적으로 1 내지 15의 정수이고,
    X는 H+, NH4 +, K+, Li+, 및 Na+으로 이루어진 군에서 선택된다.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 건조는 30℃ 내지 150℃의 온도에서 수행되는 것인 막-전극 접합체 제조 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 건조는 30분 내지 3시간 동안 수행되는 것인 막-전극 접합체 제조 방법.
  12. 둘 이상의 청구항 8의 막-전극 접합체, 및 상기 막-전극 접합체들 사이에 구비되는 분리막을 포함하는 스택;
    연료를 상기 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하는 고분자 전해질 연료 전지.
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