KR20180002089A - 전해질 막 점착층을 도입한 연료전지용 막전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

전해질 막 점착층을 도입한 연료전지용 막전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해질 막 점착층을 도입한 연료전지용 막전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매층에 아이오노머 분사(ionomer spraying)를 통해 점착층(ionomer layer)을 형성하여 전해질 막에 접착시킴으로써 전사압력을 높이지 않으면서 촉매층이 완전히 전해질 막으로 전사되는 전극 전사 방법, 상기 전사 방법을 이용한 연료전지용 막전극 접합체의 제조 방법, 상기 제조 방법으로 제조된 연료전지용 막전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.

Description

전해질 막 점착층을 도입한 연료전지용 막전극 접합체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지{Membrane electrode assembly with adhesive layer between membrane and electrode, method for preparing the same, and fuel cell comprising the same}
본 발명은 연료전지용 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매층 위에 아이오노머(ionomer) 도포에 의한 점착층(ionomer layer)을 도입한 전극 전사 방법, 상기 방법을 이용한 연료전지용 막전극 접합체의 제조 방법, 및 상기 방법으로 제조된 연료전지용 막전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 수소나 메탄올 같은 연료를 산소와 전기화학적으로 반응시켜 연료의 화학 에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치로 기존의 화력 발전과는 달리 카르노 사이클을 거치지 않아 발전 효율이 높고 NOX, SOX와 같은 오염 물질의 배출량이 적으며 운전 중 소음이 발생하지 않아 차세대 청정 에너지원으로서 각광받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질 막과 전해질 막 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 반응식 1(수소를 연료로 사용한 경우의 연료전지의 반응식)을 참조하면, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서는 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부 회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
[반응식 1]
애노드 전극: H2 → 2H++ 2e-
캐소드 전극: 1/2O2 + 2H++ 2e- → H2O
전체 반응식: H2 + 1/2O2 → H2O
연료전지용 막전극 접합체의 일반적인 구성을 살펴보면, 연료전지는 전해질 막 및 전해질 막을 사이에 두고 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 구성되며, 애노드 전극 및 캐소드 전극은 촉매층 및 기체확산층으로 구성된다.
종래 이러한 막-전극 복합체를 제조하는 방법으로는 스프레이(spray) 방법, 스크린 프린팅(screen printing), 슬롯다이(slot die)와 같은 기존의 코팅장치가 사용되어 왔으며, 촉매, 고분자 전해질, 용매로 이루어진 잉크를 전해질 막에 직접 도포하는 방법이 일반적이었으며, 이에 대해 잉크의 조성을 변화시키거나 제조 공정(특히 코팅 공정)을 개선시킴으로써 막-전극 복합체의 성능을 개선하려는 시도가 많았다(일본 특개 2000-353528; 일본 특개평 08-264190; 일본 특개 2000-188110; 및 일본 특개 2005-108827 등).
그러나 종래 코팅 방법으로는 특정 촉매로 인한 전사가 잘 안되는 단점, 얇은 막으로 인한 전사가 잘 안되는 단점, 및 전사압력 상승에 의한 고 전류밀도 저하에 대한 단점이 있다. 구체적으로, 소수성 촉매의 경우 전사 조건이 민감하여 전사가 잘 안되며, 촉매와 코팅지와의 접착성이 좋아서 막에 전사가 잘 되지 않으며, 기존보다 전사 압력을 높혀 전사가 잘 되어지게 만들면 높은 전사 압력으로 인해 고 전류밀도에서 성능이 저하되는 문제점들이 있다. 따라서, 이와 같은 문제점을 해결하려는 노력이 관련 분야에서 꾸준하게 이루어져 왔으며, 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출되었다.
본 발명의 목적은 연료전지 전해질 막에 아이오노머 분사(ionomer spraying)를 통해 점착층(ionomer layer)을 도입함으로써, 전사압력을 기존과 동일하게 맞추고 전사를 깔끔하게 진행할 수 있음을 밝힘으로써, 촉매층 위에 아이오노머가 도포되어 점착층을 형성시킨 연료전지용 막전극 접합체 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 막전극 접합체를 사용함으로써 성능이 향상된 연료전지 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 전해질 막; 및 금속촉매 또는 탄소 담지체에 담지된 금속촉매 또는 금속-유기 복합촉매에 아이오노머(ionomer)가 도포되어 아이오노머 층(ionomer layer)이 형성된 점착층;을 포함하고, 상기 전해질 막 양면에 상기 점착층이 접착되어 있거나, 상기 전해질 막의 한면에는 촉매층만 접착되어 있고 다른 한면에는 상기 점착층이 접착되어 있는 구조를 갖는, 연료전지용 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 제공한다.
또한, 본 발명은 1) 금속촉매 또는 탄소 담지체에 담지된 금속촉매 또는 금속-유기 복합촉매를 코팅지(coating paper)에 코팅한 후 건조하는 단계; 2) 스프레이 건(spray gun)을 이용하여 아이오노머(ionomer)를 촉매를 코팅한 코팅지에 도포한 후 건조시켜 점착층을 형성시키는 단계; 3) 전해질 막 양면에 아이오노머를 도포한 촉매 코팅지를 놓거나, 또는 전해질 막 한 면에는 아이오노머가 도포되지 않은 촉매 코팅지를 놓고 다른 한 면에는 아이오노머를 도포한 촉매 코팅지를 놓은 다음, 고온가압으로 접착시키는 단계; 및, 4) 전해질 막에 있는 코팅지를 분리하는 단계;를 포함하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된, 연료전지용 막전극 접합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 가스켓(Gasket), 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 상기 본 발명에 따른 연료전지용 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 및 가스켓(Gasket)을 순서대로 체결하여 제조하는 연료전지 셀, 및 이의 제조 방법을 제공한다.
아울러, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 연료전지용 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명은 촉매층에 아이오노머 분사(ionomer spraying)를 통해 점착층(ionomer layer)을 형성하여 전해질 막에 접착시킴으로써, 전사압력을 기존과 동일하게 맞추고 전사를 깔끔하게 진행할 수 있다.
본 발명을 통해 특정 촉매(예를 들면, 소수성 촉매)로 인한 전사가 잘 안되는 단점을 보완할 수 있고, 얇은 막으로 인한 전사가 잘 안되는 단점을 보완할 수 있으며, 전사압력 상승에 의한 고 전류밀도 저하를 보완할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전해질 막 점착층 도입 과정을 보여주는 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 전해질 막 점착층 도입 여부에 따른 MEA의 성능 변화를 관찰한 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 전해질 막 점착층의 두께에 따른 MEA의 성능 변화를 관찰한 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 전해질 막 점착층의 두께에 따른 연료전지 셀의 성능을 IV(Cmurrent-Voltage) 테스트로 분석한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 전해질 막 점착층의 두께에 따른 연료전지 셀의 성능을 임피던스(impedance)를 분석한 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 연료전지용 전극 전사에 있어서, 종래에 특정 촉매로 인한 전사가 잘 안되는 단점을 보완하고, 얇은 막으로 인한 전사가 잘 안되는 단점을 보완하며, 전사압력 상승에 의한 고 전류밀도 저하를 보완하고자, 촉매층 위에 아이오노머 분사(ionomer spraying)를 통해 점착층(ionomer layer)을 형성시킴으로써, 전사가 깨끗하게 잘 진행되는 전극 전사 방법을 개발함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.
구체적으로, 본 발명은,
전해질 막; 및,
금속촉매 또는 탄소 담지체에 담지된 금속촉매 또는 금속-유기 복합촉매에 아이오노머(ionomer)가 도포되어 아이오노머 층(ionomer layer)이 형성된 점착층;을 포함하고,
상기 전해질 막 양면에 상기 점착층이 접착되어 있거나, 상기 전해질 막의 한면에는 촉매층만 접착되어 있고 다른 한면에는 상기 점착층이 접착되어 있는 구조를 갖는, 연료전지용 막전극 접합체를 제공한다.
상기 전해질 막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리에세테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 이들의 염기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함할 수 있다.
상기 금속촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 팔라듐, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 단일물 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 탄소 담지체는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60), 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 단일물 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 유기-금속 복합촉매는 비귀금속 원자, 탄소, 질소, 황, 인, 보론, 산소 등으로 구성된 화합물일 수 있다.
상기 아이오노머는 고분자전해질(polyelectrolyte)로서 전기적으로 중성인 반복단위와 이온화된 단위를 포함하는 공중합체로서, 고분자 전해질 연료전지 분야에서는 통상적으로 술포산기(SO3H)를 가지는 불소수지를 의미하고, 대표적으로 나피온(Nafion) 아이오노머(술포네이티드 테트라플루오로에틸렌) 또는 술포네이티드 폴리트리플루오르스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 사용될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
예를 들면, 상기 아이오노머는 폴리에테르술폰, 교차 결합된 폴리스티렌술폰산, 폴리아크릴산, 폴리비닐술폰산, 폴리(2-아크릴아미드-2-메틸프로필술폰산), 술포네이티드 폴리이미드(sulfonated polyimides), 술포네이티드 폴리술폰(sulfonated polysulfone), 술포알킬레이티드 폴리술폰(sulfoaklylated polysulfones), 술포네이티드 폴리카보네이트(sulfonated polycarbonates), 술포페녹시 벤질 그룹(sulfophenoxy benzyl groups)으로 치환된 폴리(ρ-페닐렌)(poly(ρ-phenylene)), 술포네이티드 폴리퀴녹살린(sulfonated polyquinoxalines), 술포네이티드(포스포네이티드) 폴리포스파젠(sulfonated (phosphonated) polyphosphazene), 술포네이티드 폴리키톤(sulfonated polyketones), 술포네이티드 폴리(페닐렌 옥사이드)(sulfonated poly(phenylene oxides)), 폴리벤즈이미다졸(polyimidazole), 술포네이티드 폴리에테르술폰(sulfonated polyether sulfone), 술포네이티드 폴리에테르케톤(sulfonated polyether ketones), 술포네이티드 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyether ether ketones), 술포네이티드 폴리페닐렌설파이드(sulfonated polyphenylene sulfide), 술포네이티드 폴리페닐렌술폰(sulfonated polyphenylene sulfone), 술포네이티드 폴리페닐렌설파이드술폰(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone), 폴리페닐렌설파이드술폰니트릴(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile), 술포네이티드 폴리설파이드키톤(sulfonated polysulfide ketone), 술포네이티드 폴리아릴렌에테르(sulfonated polyarylene ether), 술포네이티드 폴리아릴렌에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether nitrile). 술포네이티드 폴리아릴렌에테르에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether ether nitrile), 술포네이티드 폴리아릴렌에테르술폰키톤(sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), 및 술포네이티드 폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated polyarylene ether sulfone)으로부터 선택된 1종 이상의 아이오노머를 사용할 수 있다.
상기 아이오노머는 액체가 첨가되어 아이오노머 조성물로 사용될 수 있다. 상기 액체로는, 예를 들어 물, N-메틸-2-피롤리돈, N,N'-디메틸아세트아미드, N,N'-디메틸포름아미드, N,N'-디메틸이미다졸리디논, γ-부티로락톤, 테트라히드로푸란, 시클로헥사논, 및 디메틸설폭시드로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 액체가 사용될 수 있으며, 이에 제한되지 않고 당해 기술분야에서 사용할 수 있는 모든 액체의 사용이 가능하다. 상기 아이오노머 조성물의 경우, 아이오노머의 농도는 상기 아이오노머 조성물 전체 중량을 기준으로 예를 들어, 0.1중량% 내지 50중량%일 수 있다.
상기 연료전지용 막전극 접합체는 점착층이 전해질 막의 양면 중 한면에만 도입될 수 있으며, 양면 모두에 도입될 수도 있다.
또한, 본 발명은
1) 금속촉매 또는 탄소 담지체에 담지된 금속촉매 또는 금속-유기 복합촉매를 코팅지(coating paper)에 코팅한 후 건조하는 단계;
2) 스프레이 건(spray gun)을 이용하여 아이오노머(ionomer)를 촉매를 코팅한 코팅지에 도포한 후 건조시켜 점착층을 형성시키는 단계;
3) 전해질 막 양면에 아이오노머를 도포한 촉매 코팅지를 놓거나, 또는 전해질 막 한 면에는 아이오노머가 도포되지 않은 촉매 코팅지를 놓고 다른 한 면에는 아이오노머를 도포한 촉매 코팅지를 놓은 다음, 고온가압으로 접착시키는 단계; 및
4) 전해질 막에 있는 코팅지를 분리하는 단계;를 포함하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조 방법을 제공한다.
상기 방법에 있어서, 사용되는 전해질 막, 촉매 및 아이오노머의 종류는 상술한 바와 같다.
상기 방법에 있어서, 아이오노머의 도포는 스프레이 건을 이용하여 1 내지 5회 분사할 수 있고, 1 내지 3회 분사하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 방법에 있어서, 단계 2) 도포는
i) 스프레이 판을 가열한 후 가열된 스프레이 판 위에 촉매를 코팅한 코팅지를 올리는 단계;
ii) 스프레이 건 안에 아이오노머를 넣은 후 코팅지 위에 아이오노머를 1 내지 5회 분사하는 단계; 및
iii) 촉매를 코팅한 코팅지를 스프레이 판에서 분리하는 단계;를 포함하는 방법으로 수행될 수 있다.
상기 방법에 있어서, 단계 3)의 접착은
i) 캡톤 필름 위에 촉매만 코팅된 코팅지 또는 촉매 위에 아이오노머가 분사된 코팅지를 놓은 단계;
ii) 상기 단계 i)의 코팅지 위에 전해질 막을 놓은 단계;
iii) 상기 단계 ii)의 전해질 막 위에 촉매 위에 아이오노머가 분사된 코팅지를 올려 놓는 단계;
iv) 열압력(hot press)을 이용하여 접착시키는 단계; 및
v) 촉매층이 전해질 막으로 전사된 후 코팅지를 제거하는 단계;를 포함하는 방법으로 수행될 수 있다.
상기 방법에 있어서, 열압력은 10 내지 200 kgf/cm2의 압력 하에서, 90 내지 180℃의 온도로, 10초 내지 30분 동안 시행할 수 있다. 열압력이 10 kgf/cm2 미만에서 시행되면 촉매층 및 점착층이 전해질막층에 고정되지 못해서 바람직하지 못하고, 200 kgf/cm2을 초과하여 시행되면 촉매층 및 점착층이 너무 압착되어 미세 기공층이 무너지므로 바람직하지 못하다. 또한, 열압력이 90℃ 미만에서 시행되면 촉매층 및 점착층이 전해질 막에 고착되지 못해서 바람직하지 않으며, 180℃를 초과하는 온도에서 시행되면 점착층의 아이오노머가 손상되어 바람직하지 못하다. 또한, 열압력이 10초 미만으로 시행되면 촉매층 및 점착층이 전해질 막에 고착되지 못해서 바람직하지 못하고, 30분을 초과하여 시행되면 촉매 및 아이오노머가 손상되어 바람직하지 않다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 연료전지용 막전극 접합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 가스켓(Gasket), 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 상기 본 발명에 따른 연료전지용 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 및 가스켓(Gasket)을 순서대로 체결하는 단계를 포함하는 연료전지 셀의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 연료전지용 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.
상기 연료전지용 막 전극 접합체는 전해질 막과, 상기 전해질 막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비한다. 애노드 전극은 애노드 촉매층과 애노드 기체 확산층으로 구성되고, 상기 애노드 기체 확산층은 다시 애노드 미세 기공층과 애노드 전극 기재로 구성될 수 있으며, 캐소드 전극은 캐소드 촉매층과 캐소드 기체 확산층으로 구성되고, 상기 캐소드 기체 확산층은 다시 캐소드 미세 기공층과 캐소드 전극 기재로 구성될 수 있다.
상기 연료전지는 스택, 산화제 공급부 및 연료 공급부를 포함하여 이루어진다. 상기 스택은 막 전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막 전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 막 전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다. 상기 산화제 공급부는 산화제를 스택으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(70)로 주입하여 사용할 수 있다. 상기 연료 공급부는 연료를 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크 및 연료 탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 펌프로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 전해질 막 점착층 도입 연료전지용 막전극 접합체의 제조
연료극에는 전해질 막과 촉매층 사이에 점착층을 도입하여 전사가 잘되지 않는 촉매를 전사 방법으로 전해질 막에 코팅하였다. 코팅 방법은 다음과 같다. PTFE 계열의 코팅지(coating paper)에 RTX사의 PC50 촉매를 코팅한 후 상온에서 건조하였다. 33 X 33 mm2의 크기로 자른 후 가열된 스프레이 판에 촉매가 코팅된 코팅필름을 고정시키고 촉매층 위에 아이오노머 용액을 분사하였다. 이때 사용한 스프레이 건은 Rich pen사의 Apollo 112B이었으며 Dupont 사의 Nafion DE521 용액을 구매한 그대로 사용하여 0.5 bar의 질소 압력으로 코팅하였다. 분사 시간을 달리하여 코팅한 아이오노머 층(점착층)의 두께를 세 가지로 조절하였다. 점착층의 두께는 SEM 사진으로 측정하였다. 공기극에는 일반적인 촉매를 이용하여 점착층을 사용하지 않는 기존의 전사 방법을 사용하였다. 연료극과 공기극 촉매를 코팅한 필름을 전해질막의 양쪽에 두고 온도를 100℃로 올린 후 100 bar의 압력으로 20분간 유지하여 촉매층을 필름에서 전해질 막으로 전사하였다. Nafion HP 막을 사용하였으며 코팅한 촉매층의 두께는 약 10 um이었다. 사용한 hot press 장치는 Carver사의 모델명 CMV75H-15-BOLPX 제품이다.
< 실시예 2> 연료전지 셀의 제조
Fuel Cell Technology 사의 5 X 5 cm2 단위전지 시험용 셀에 가스켓(Gasket), 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 상기 <실시예 1>의 연료전지용 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 및 가스켓(Gasket)을 순서대로 놓고 체결한 후, 스테이션에 셀을 체결하였다. GDL은 SGL 사의 10BC, 가스켓은 PP필름과 실리콘필름이 결합된 필름을 사용하였다.
< 실험예 1> 전해질 막 점착층 도입에 따른 전극 전사 확인
점착층 두께를 달리하였을 때 전사 정도를 알아보기 위하여 두께 0.17 μm, 0.34 μm, 0.85 μm의 점착층을 연료극에 각각 도입하여 세 가지 MEA를 제작하였다. 연료극에 RTX의 PC50 촉매를 사용하고 공기극에는 Johnson & matthey 사의 JM4000 촉매를 사용하였다.
그 결과, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이 점착층을 도입하지 않은 RTX사의 PC50 촉매의 경우 전사가 잘 되지 않아 hot-press 후에도 전사 필름에 촉매가 남아 있는 것을 볼 수 있었다. 그러나 점착층을 도입한 경우에는 RTX사의 PC50 촉매가 전해질 막에 전사가 잘 됨을 확인하였다. 또한, 점착층의 두께를 0.17 μm, 0.34 μm, 0.85 μm로 달리하여 도입하였을 때 세 가지 두께 모두 PC50 촉매층의 전사를 용이하게 함을 확인하였다(도 2 및 도 3).
< 실험예 2> 전해질 막 점착층 도입에 따른 IV( Cmurrent -Voltage) 분석
점착층 도입에 따른 연료전지 셀의 성능 변화를 확인하기 위해, 애노드(anode)에 H2, 캐소드(cathode)에 공기(Air)를 주입하면서 3시간 동안 활성화(activation)를 시킨 후, 전류(current)의 변화를 주면서 전압(voltage)을 측정하여 그래프로 나타내었다. 이때, 실험 조건은 활성 부위(Active area): 10 cm2, 흐름율(Flow rate): H2(0.14 L/m), 공기(0.6 L/m), 작동 온도(Operation temp): 80℃, RH100%, 압력(pressure): 0 bar, 촉매(catalyst): RTX PC50(애노드)/JM4000 (캐소드)였다.
그 결과, 하기 표 1에 나타난 바와 같이, 전류 밀도가 늘어날수록 0.17 μm, 0.34 μm 두께의 점착층의 경우 셀 성능의 차이가 없었으나, 0.85 μm 두께의 점착층의 경우 농도 손실(concentration loss)이 발생해 셀 성능이 저하되는 것을 확인하였다.
점착층 두께(μm)
0.17 0.34 0.85
Pt loading
(mg/cm²)(An/Ca)		 0.2/0.4 0.2/0.4 0.2/0.4
Current density
(A/cm²)		 1.15 1.15 1.05
< 실험예 3> 전해질 막 점착층 도입에 따른 임피던스(impedance) 분석
점착층 도입에 따른 연료전지 셀의 성능 변화를 확인하기 위해, 활성화 후 biologics사의 모델명 HCP-803을 이용해 임피던스(impedance)를 분석하였다. 이때, 실험 조건은 활성 부위(Active area): 10 cm2, 흐름율(Flow rate): H2(0.14 L/m), 공기(0.6 L/m), 작동 온도(Operation temp): 80℃, RH100%, 압력(pressure): 0 bar, 촉매(catalyst): RTX PC50(애노드)/JM4000 (캐소드)였다.
그 결과, 하기 표 2에 나타난 바와 같이, 전류 밀도가 늘어날수록 0.17 μm, 0.34 μm 두께의 점착층의 경우 셀 성능의 차이가 없었으나, 0.85 μm 두께의 점착층의 경우 농도 손실(concentration loss)이 발생해 셀 성능이 저하되는 것을 확인하였다.

 전류밀도 (A/cm2)
 점착층 두께(μm)
0.17 0.34 0.85
옴 저항
(Ω*cm²)
 0.12 A/cm2 0.056 0.056 0.053
0.25 A/cm2 0.051 0.054 0.051
0.5 A/cm2 0.066 0.074 0.062
전하 이동 저항
(Ω*cm²)
 0.12 A/cm2 0.410 0.433 0.431
0.25 A/cm2 0.259 0.28 0.274
0.5 A/cm2 0.168 0.18 0.463

Claims (14)

  1. 전해질 막; 및
    금속촉매 또는 탄소 담지체에 담지된 금속촉매 또는 금속-유기 복합촉매에 아이오노머(ionomer)가 도포되어 아이오노머 층(ionomer layer)이 형성된 점착층;을 포함하고,
    상기 전해질 막 양면에 상기 점착층이 접착되어 있거나, 상기 전해질 막의 한면에는 촉매층만 접착되어 있고 다른 한면에는 상기 점착층이 접착되어 있는 구조를 갖는,
    연료전지용 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전해질 막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리에세테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 이들의 염기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 팔라듐, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 단일물 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소 담지체는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60), 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 단일물 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 유기-금속 복합촉매는 비귀금속 원자, 탄소, 질소, 황, 인, 보론 및 산소로 구성된 군으로부터 선택되는 1종의 단일물 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 아이오노머는 나피온 아이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오르스티렌인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체.
  7. 1) 금속촉매 또는 탄소 담지체에 담지된 금속촉매 또는 금속-유기 복합촉매를 코팅지(coating paper)에 코팅한 후 건조하는 단계;
    2) 스프레이 건(spray gun)을 이용하여 아이오노머(ionomer)를 촉매를 코팅한 코팅지에 도포한 후 건조시켜 점착층을 형성시키는 단계;
    3) 전해질 막 양면에 아이오노머를 도포한 촉매 코팅지를 놓거나, 또는 전해질 막 한 면에는 아이오노머가 도포되지 않은 촉매 코팅지를 놓고 다른 한 면에는 아이오노머를 도포한 촉매 코팅지를 놓은 다음, 고온가압으로 접착시키는 단계; 및
    4) 전해질 막에 있는 코팅지를 분리하는 단계;를 포함하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 단계 2) 도포는
    i) 스프레이 판을 가열한 후 가열된 스프레이 판 위에 촉매를 코팅한 코팅지를 올리는 단계;
    ii) 스프레이 건 안에 아이오노머를 넣은 후 코팅지 위에 아이오노머를 1 내지 5회 분사하는 단계; 및
    iii) 촉매를 코팅한 코팅지를 스프레이 판에서 분리하는 단계;를 포함하는 방법으로 처리하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 단계 3)의 접착은
    i) 캡톤 필름 위에 촉매만 코팅된 코팅지 또는 촉매 위에 아이오노머가 분사된 코팅지를 놓은 단계;
    ii) 상기 단계 i)의 코팅지 위에 전해질 막을 놓은 단계;
    iii) 상기 단계 ii)의 전해질 막 위에 촉매 위에 아이오노머가 분사된 코팅지를 올려 놓는 단계;
    iv) 열압력(hot press)을 이용하여 접착시키는 단계; 및
    v) 촉매층이 전해질 막으로 전사된 후 코팅지를 제거하는 단계;를 포함하는 방법으로 처리하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 열압력(hot press)은 90 내지 180℃의 온도에서 10 내지 200 kgf/cm2의 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극 접합체의 제조 방법.
  11. 제 7항의 제조 방법으로 제조된, 연료전지용 막전극 접합체.
  12. 가스켓(Gasket), 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 제 1항 또는 제 11항의 연료전지용 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 및 가스켓(Gasket)을 순서대로 체결하는 단계를 포함하는 연료전지 셀의 제조 방법.
  13. 제 1항 또는 제 11항의 연료전지용 막전극 접합체를 포함하는 연료전지.
  14. 제 13항에 있어서,
    하나 또는 둘 이상의 연료전지용 막전극 접합체와 상기 연료전지용 막전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택;
    연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및
    산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.



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