KR20190019520A - 전기분무방사를 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법 및 그를 이용하여 제조한 고분자 연료전지 전극 - Google Patents

전기분무방사를 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법 및 그를 이용하여 제조한 고분자 연료전지 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고분자 연료전지 전극의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 고분자 연료전지 전극에 관한 것으로, 본 발명의 전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법은, 고분자 이오노머 및 금속 촉매를 포함하는 전구체 슬러리 용액 및 고분자 지지체를 준비하는 단계; 및 상기 고분자 지지체 상에 전기분무방사 방식을 이용하여 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계;를 포함한다.

Description

전기분무방사를 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법 및 그를 이용하여 제조한 연고분자 연료전지 전극{MANUFACURING METHOD OF POLYMER FUEL CELL ELECTRODE USING ELECTROSPRAYING AND POLYMER FUEL CELL ELECTRODE USING THE SAME}
본 발명은 고분자 연료전지 전극의 제조방법 및 그를 이용하여 제조된 고분자 연료전지 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기분무방사 방식을 이용하여 고분자 연료전지 전극을 제조하는 방법 및 그로부터 제조되는 고분자 연료전지 전극에 관한 것이다.
연료전지는 일반 전지와는 달리, 전지의 교환이나 충전이 불필요할 뿐만 아니라, 공급되는 수소나 메탄올 등의 연료를 산화시켜 화학에너지를 발생시키고 이 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전형 전지이다. 연료전지는 약 60% 정도의 에너지 변환 효율을 가능하게 하는 고효율 발전 장치이기 때문에 연료 사용량이 적을 뿐만 아니라 환경 오염 물질을 발생시키지 않는 친환경 에너지원이다. 이러한 장점들을 갖는 연료전지는 다양한 분야 들에 응용될 수 있는데, 특히 자동차 등의 수송용 전원으로서 주목을 받고 있다.
연료전지는 작동되는 온도와 전해질의 종류에 따라 여러 종류로 분류될 수 있는데, 그 중에서 고분자 연료전지(Polymer Fuel Cell)는 최근 들어 미래 전원으로서 특히 주목을 받고 있다.
고분자 연료전지는, 고분자 전해질막 연료전지라고 불리우기도 하며, 고분자연료전지는 애노드 전극, 캐소드 전극, 및 이들 사이에 형성되는 고분자 전해질막을 포함한다. 애노드 전극에 공급되는 연료로는 수소 또는 수소 함유 가스가 사용된다. 캐소드 전극에 공급되는 산화제는 산소 또는 산소 함유 가스이다. 애노드 전극에서는, 연료가 산화되어 수소이온과 전자가 생성되고, 수소이온은 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 전달되며, 전자는 외부 회로로 전달된다. 캐소드 전극에서는, 전해질막을 통하여 전달된 수소이온, 외부 회로로부터 전달된 전자, 및 산소가 결합하여 물이 생성된다.
이러한 연료전지에서 발생하는 반응들은 캐소드 전극에서의 속도가 애노드 전극에서의 속도보다 훨씬 느리게 되어, 캐소드 전극에서의 반응 속도가 연료전지의 전체 반응속도를 지배하게 된다. 이러한 캐소드 전극에서의 느린 반응 속도는 대부분 촉매의 표면까지 산소가 잘 도달하지 않는 것이 원인이 된다. 따라서 산소 고투과성의 캐소드 전극을 제조하는 기술은 연료전지의 효율을 증대시키고 상용화시키는데 있어 핵심적인 부분을 차지한다.
그러나, 기존의 CVD 또는 PLD 등의 제조공정을 이용하여 캐소드 전극을 제조할 경우, 많은 시간이 소요되고 설비를 구비하는데 높은 비용이 필요하며 대면적화 시키기에 어려운 문제점이 존재하였다.
그리하여, 최근에는 새로운 기술로 산소 고투과성 연료전지 전극을 제조하는 기술에 대한 연구가 다방면으로 활발하게 진행 중에 있었으나, 여전히 높은 산소 투과성 및 연료전지로 제조할 경우 우수한 성능 구현이 가능한 고분자 연료전지 전극을 손쉽게 제조할 수 있는 기술은 개발되지 않아, 상용화에 걸림돌이 되고 있는 실정이었다.
본 발명의 목적은 상술한 산업계의 필요에 부응하고 고분자 연료전지를 상용화하기 위한 고분자 연료전지의 전극 제조방법에 관한 기술을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 낮은 생산 비용 및 짧은 제조 시간으로 높은 산소 투과성을 보이고, 우수한 성능을 가지는 고분자 연료전지의 전극을 제조하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법은, 고분자 이오노머 및 금속 촉매를 포함하는 전구체 슬러리 용액 및 고분자 지지체를 준비하는 단계; 및 상기 고분자 지지체 상에 전기분무방사 방식을 이용하여 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 50 %RH 내지 100 %RH 의 가습 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 세라믹 노즐을 통해 0.1 μL/min 내지 15 μL/min 유량으로 전구체 슬러리 용액을 분사하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 복수 개의 세라믹 노즐을 사용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 1.60 cP 내지 2.40 cP 의 점도를 가지는 상기 전구체 슬러리 용액을 사용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 상온 내지 70 ℃의 온도, 상압 및 50 %RH 내지 100 %RH 의 상대습도 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 슬러리 용액이 분사되는 고분자 지지체의 온도는 30 ℃ 내지 70 ℃인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 이오노머는, Nafion, Aquivion 및 과불소계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이고, 상기 금속 촉매는, 백금(Pt), 백금 기반의 이종 또는 삼종 합금 및 백금 기반의 코어쉘로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 고분자 연료전지 전극은, 고분자 이오노머 및 금속 촉매를 포함하는 덴드라이트 형상 구조를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 연료전지 전극은, 본 발명의 일 실시예에 따라서 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 연료전지 전극은, 두께가 0.2 ㎛ 내지 6 ㎛ 이고, 면적이 250 cm2 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 연료전지는, 애노드 전극; 본 발명의 일 실시예에 따르는 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 형성되는 고분자 전해질 막;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고가습 조건의 전기분무방사 방식을 이용하여 안정적인 이온전도도가 형성되고, 덴드라이트 형상 구조를 가져서 높은 산소 투과도가 확보되는 고분자 연료전지 전극을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고분자 연료전지 전극의 제조 공정이 단순해져 생산 단가를 낮출 수 있고, 짧은 공정 시간으로도 대면적의 전극을 효율적으로 제조할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법의 각 단계의 공정을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전기분무방사 방식을 이용하여 전구체 슬러리 용액을 분사하여 고분자 연료전지 전극을 제조하는 과정을 단순화하여 도시한 개략도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전기분무방사 방식을 이용하여 전구체 슬러리 용액을 분사하여 제조한 고분자 연료전지 전극의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 복수 개의 세라믹 노즐을 사용하여 전구체 슬러리 용액을 분사하여 고분자 연료전지 전극을 제조하는 과정을 단순화하여 도시한 개략도이다.
도 5는, 본 발명의 비교예로서 무가습 조건, 2 μL/min의 분사 속도의 전기분무방사 방식을 이용하여 전구체 슬러리 용액을 분사하여 제조한 고분자 연료전지 전극의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은, 본 발명의 실시예로서 85 %RH 가습 조건, 2 μL/min의 분사 속도의 전기분무방사 방식을 이용하여 전구체 슬러리 용액을 분사하여 제조한 고분자 연료전지 전극의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전기분무방사 방식을 이용하여 제조한 낮은 함량의 백금 촉매를 포함하는 고분자 연료전지 전극을 포함하는 연료전지(실시예)와, 종래의 CVD 방식으로 제조한 높은 함량의 백금 촉매를 포함하는 고분자 연료전지 전극을 포함하는 연료전지(비교예) 각각에 대해, 셀 전압과 전류 밀도 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 측면에서는 고분자 연료전지 전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 고분자 연료전지 전극의 제조방법은, 전기분무방사(Electro Spraying) 방식을 이용하여 전극을 제조하는 것을 중요한 특징 중의 하나로 한다.
본 발명에서 이용하는 전기분무방사 방식은 기존의 CVD, PLD 방법 등으로 전극을 제조하는 방식에 비해 이점이 있다. 기존의 CVD, PLD 방식은 고온에서 공정이 수행되고, 진공 공정을 필요로 하여 비싼 설비와 에너지가 소요되는 문제가 있고, 고온으로 승온한 후 냉각시키는 과정에서 많은 시간이 소요되는 문제가 있었다.
반면, 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 전기분무방사 방식을 이용하면 상온 및 상압 조건이 유지되는 반응 챔버 내에서 공정을 수행할 수 있으며, 고온으로 온도를 형성하지 않아도 되는 이점이 있다. 또한, 본 발명의 전기분무방사 방식은 CVD 공정 장비에 비교할 때 장비의 단가가 1/3 수준이며, 짧은 전극 제조시간으로도 균질하게 형성된 전극을 제조할 수 있는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 전기분무방사 방식을 이용하면 종전의 CVD, PLD 방식을 이용한 제조공정에서 발생하는 문제들이 모두 해결되는 이점이 있다.
다만, 본 발명자는 실험 결과, 전극을 제조하는 방법으로 전기분무방사 방식을 이용할 경우에는 부도체인 고분자 막 상에 직접 코팅을 할 경우 이온전도도가 높게 형성되지 않는 문제가 있다거나, 전극 내 덴드라이트 형상의 확보가 어려워 높은 산소 투과도를 구현하기가 어려운 문제 등이 발생할 수 있음을 확인하였다.
이에 본 발명자는 연구 끝에, 이러한 점을 모두 개선한 전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지의 제조방법을 발명하였다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법의 각 단계의 공정을 순차적으로 도시한 순서도이다.
아래에서는 상기 도 1의 각 단계를 참조하여, 본 발명의 고분자 연료전지 전극의 제조방법의 각 단계에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법은, 고분자 이오노머 및 금속 촉매를 포함하는 전구체 슬러리 용액 및 고분자 지지체를 준비하는 단계(S10); 및 상기 고분자 지지체 상에 전기분무방사 방식을 이용하여 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계(S20);를 포함한다.
일 예로서, 방사되는 용액은 고분자 이오노머 및 금속 촉매를 포함한다. 상기 용액은 슬러리 상태일 수 있다. 일 예로서, 상기 전구체 슬러리 용액은 에어로겔 상태로 분무방사 될 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전기분무방사 방식을 이용하여 전구체 슬러리 용액을 분사하여 고분자 연료전지 전극을 제조하는 과정을 단순화하여 도시한 개략도이다.
일 예로서, 상기 전기분무방사 방식은 노즐로부터 전구체 슬러리 용액을 분사하는 방법으로 수행될 수 있다. 에어로겔 상태로 전기분무방사된 전구체 슬러리 용액은 상기 고분자 지지체 상에 균질하게 내려앉아 필름층을 형성할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전기분무방사 방식을 이용하여 전구체 슬러리 용액을 분사하여 제조한 고분자 연료전지 전극의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3에서 확인되는 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전기분무방사 방식을 이용할 경우 균질하고 치밀한 표면 층을 형성하며 고분자 지지체 상에 필름층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 80 %RH 이상의 가습 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 하나의 중요한 특징은 고가습 조건에서 전기분무방사를 수행하는 것이다. 일 예로서, 상기 고가습 조건은 50 %RH 내지 100 %RH의 가습 조건일 수 있다. 상기 고가습 조건은 85 %RH 이상의 가습 조건인 것이 바람직할 수 있다. 상기 고가습 조건은 90 %RH 이상의 가습 조건인 것이 보다 바람직할 수 있다.
고가습 조건에서 상기 전구체 슬러리 용액을 전기분무방사 할 경우, 낮은 습도 조건에서 전기분무방사를 수행한 경우보다 높은 성능의 고분자 연료전지 전극을 형성할 수 있는 이점이 있다.
전기분무방사 방식을 이용할 경우 수소 이온이 발생하게 되는데, 이러한 수소 이온은 방전되지 않고 누적되어 전기장을 간섭하고 전기장의 세기를 저하시키며 이를 통해 최종적인 전극 구조 및 형상의 품질을 악화시키는 문제를 야기할 수 있다. 본 발명은 이러한 문제를 고가습 조건을 도입하여 해결한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 전극 제조시 높은 이온전도도를 가지는 전극이 확보되면서 수소 이온 방전 속도를 획기적으로 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라서 고가습 조건의 전기분무방사 방식을 이용할 경우, 효과적으로 수직으로 성장한 덴드라이트 구조를 형성할 수 있으며, 결과적으로 높은 연료전지 성능을 가지는 전극을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 세라믹 노즐을 통해 0.1 μL/min 내지 15 μL/min 유량으로 전구체 슬러리 용액을 분사하는 것일 수 있다.
상기 전구체 슬러리 용액의 분사 속도가 0.1 μL/min 미만일 경우, 분사 속도가 낮아지더라도 전극 구조 및 형상 개선에 큰 효과가 없으며 분사되는 속도가 너무 느려 제조되는 고분자 연료전지 전극의 생산성이 떨어지는 문제가 생길 수 있고, 15 μL/min 초과의 경우 수직으로 성장한 덴드라이트 형상을 얻을 수 없으며 치밀하고 균질한 전극 필름이 형성되지 않는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 복수 개의 세라믹 노즐을 사용하는 것일 수 있다.
일 예로서, 본 발명의 전기분부방사 방식에 이용되는 노즐은 세라믹 노즐인 것일 수 있다. 세라믹 노즐을 사용할 경우 고점성의 슬러리 용액을 유량을 낮춰서 코팅할 수 있으며, 이 경우 시간당 전하 처리량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
일 예로서, 발명의 전기분부방사 방식에 이용되는 상기 세라믹 노즐은 복수 개인 것일 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 복수 개의 세라믹 노즐을 사용하여 전구체 슬러리 용액을 분사하여 고분자 연료전지 전극을 제조하는 과정을 단순화하여 도시한 개략도이다.
도 4에 나타내는 것과 같이 복수 개의 세라믹 노즐을 이용하면, 효과적으로 단시간에 효과적으로 대면적의 전극을 형성할 수 있다.
고분자 연료전지 스택을 자동차 또는 건물 등에 적용하기 위해서는 최소한 250 cm2 정도의 대면적 전극이 필요하다. 본 발명의 일 실시예에 따르는 고분자 연료전지 전극의 제조방법을 이용하면 250 cm2 정도의 대면적을 가지는 전극의 제조가 용이하게 되는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 1.60 cP 내지 2.40 cP 의 점도를 가지는 상기 전구체 슬러리 용액을 사용하는 것일 수 있다.
상기 전구체 슬러리 용액의 점도가 1.60 cP 미만인 경우에는 형성된 구조의 결합력이 약해 내구도가 떨어지는 문제점이 있을 수 있고, 상기 전구체 슬러리 용액의 점도가 2.40 cP를 초과하는 경우에는 분사 단계에서 노즐이 막히는 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 분사 온도 상온 내지 70 ℃의 온도, 상압 및 50 %RH 내지 100 %RH 의 상대습도 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 전기분무방사 방식은 종전에 이용되던 CVD 또는 PLD 방식의 고온, 진공 조건 비해 낮은 온도 및 낮은 압력에서 수행되는 것일 수 있다. 이로써 본 발명의 일 실시예에 따르면, 생산 비용이 절감되어 고분자 연료전지 전극의 단가가 내려가고 생산성이 향상되는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전구체 슬러리 용액이 분사되는 고분자 지지체의 온도는 분사 온도보다 반드시 같거나 높으면서 그 범위는 30 ℃ 내지 70 ℃인 것일 수 있다.
본 발명에서는 전기분무방사 방식을 이용하여 전구체 슬러리 용액이 코팅되는 고분자 지지체의 표면 온도를 적절한 수준으로 유지하는 것이 중요할 수 있다. 상기 고분자 지지체의 온도가 30℃ 미만인 경우 슬러리 내 존재하는 용매가 매우 느리게 건조되고70 ℃ 이상인 경우, 슬러리 내 용매가 매우 빠르게 건조되어 치밀하고 균질한 전극 필름이 형성되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 이오노머는, Nafion, Aquivion 및 과불소계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이고, 상기 금속 촉매는, 백금(Pt), 백금 기반의 이종 또는 삼종 합금 및 백금 기반의 코어쉘로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에서는, 고분자 연료전지 전극을 제공한다.
본 발명의 고분자 연료전지 전극은, 고분자 이오노머 및 금속 촉매를 포함하는 덴드라이트 형상 구조를 포함한다.
일 예로서, 본 발명의 고분자 연료전지 전극의 제조방법을 이용할 경우 수직으로 성장한 덴드라이트 형상의 구조를 가지는 균질한 전극 필름이 확보되어, 산소 고투과성 특징을 나타내는 우수한 전극을 생산할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 연료전지 전극은, 본 발명의 일 실시예에 따라서 제조된 것일 수 있다.
즉, 본 발명의 고분자 연료전지 전극은, 일 예로서, 전기분무방사(Electro Spraying) 방식을 이용하여 전극을 제조하는 것을 중요한 특징 중의 하나로 하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 연료전지 전극은, 두께가 0.2 ㎛ 내지 6 ㎛ 이고, 면적이 250 cm2 이상인 것일 수 있다.
상기 고분자 연료전지 전극의 두께가 0.2 ㎛ 미만일 경우 촉매 담지량이 실질적인 전극층으로서의 기능을 수행하기에 부족한 두께일 수 있고, 6 ㎛ 초과의 경우 산소 전달저항이 커지고 수소 이온 방전속도 저하에 의해 전극 구조/형상이 악화되어 효과적이지 못할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에서는, 고분자 연료전지 전극을 제공한다.
본 발명의 연료전지는, 애노드 전극; 본 발명의 일 실시예에 따르는 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 형성되는 고분자 전해질 막;을 포함한다.
실시예
본 발명의 실시예로서, 전구체 슬러리 용액 및 고분자 지지체를 준비하였다.
전구체 슬러리 용액은, NMP 용매에 나피온 고분자 이오노머 및 Pt/C 금속 촉매를 각각 15 중량%, 85 중량% 포함하도록 제조하였다. 상기 전구체 슬러리 용액은 1.75 cP 의 점도를 나타내었다.
고분자 지지체는 나피온 고분자로 만들어진 25 μm 내지 50 μm 두께의 고분자 막을 준비하였다.
그 다음, 85 %RH 의 가습 조건이 유지된 챔버 내에서, 상기 고분자 지지체를 60 ℃로 유지한 상태에서 복수 개의 세라믹 노즐을 통해 2 μL/min의 유량으로 상기 전구체 슬러리 용액을 상기 고분자 지지체 상에 전기분무방사 하였다. 이 때, 챔버 내의 온도는 상온을 유지하였으며, 압력 조건은 상압에서 수행되었다.
한편, 무가습 조건을 유지하면서, 실시예와 고가습 조건을 형성하지 않은 것을 제외하면 모두 동일한 방법을 이용하여 본 발명의 비교예로서 고분자 연료전지 전극 필름을 제조하였다.
이 후, 상술한 본 발명의 실시예와 비교예에 따르는 전기분무방사되어 형성된 고분자 지지체 상의 전극 필름들을 건조하고, 생성된 전극 필름의 주사전자현미경을 통해 그 치밀성과 균질성을 확인하였다.
도 5는, 본 발명의 비교예로서 무가습 조건, 2 μL/min의 분사 속도의 전기분무방사 방식을 이용하여 전구체 슬러리 용액을 분사하여 제조한 고분자 연료전지 전극의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은, 본 발명의 실시예로서 85 %RH 가습 조건, 2 μL/min의 분사 속도의 전기분무방사 방식을 이용하여 전구체 슬러리 용액을 분사하여 제조한 고분자 연료전지 전극의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5와 도 6을 통해 본 발명의 실시예의 전극의 경우, 더 치밀하고 균질하며 수직의 덴드라이트 구조가 효과적으로 형성된 것을 확인할 수 있었다.
이후 위에서 제조한 실시예의 전극 필름을 이용하여 고분자 연료전지의 캐소드 전극을 형성하고 나피온 재질의 고분자 전해질 막 및 애노드 전극을 포함하는 고분자 연료전지 셀로 제작하였다. 이 때 최종적으로 캐소드 전극에 포함된 백금의 단위 면적당 함량은 0.05 mg/cm2 이었다.
한편, 본 발명의 다른 비교예로서, 상기 실시예와 CVD 방식을 이용한 것과 백금 함량이 더 포함된 것을 제외하면 모두 동일한 방법을 이용하여 캐소드 전극을 제조하고, 동일한 방법으로 고분자 연료전지 셀을 제작하였다.
상기 실시예로서 제조한 연료전지 셀과 비교예로서 제조한 고분자 연료전지 셀에 대해서 전지의 성능을 측정하면서 그 성능을 비교하였다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 전기분무방사 방식을 이용하여 제조한 낮은 함량의 백금 촉매를 포함하는 고분자 연료전지 전극을 포함하는 연료전지(실시예)와, 종래의 CVD 방식으로 제조한 높은 함량의 백금 촉매를 포함하는 고분자 연료전지 전극을 포함하는 연료전지(비교예) 각각에 대해, 셀 전압과 전류 밀도 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7에 도시된 실험 결과를 통해, 본 발명의 실시예에 따르는 고분자 연료전지는 비교예의 고분자 연료전지에 비해 더 낮은 백금 함량을 가짐에도 불구하고 더 높은 전기적 특성과 성능을 구현할 수 있음을 확인하였다.
이로써 본 발명의 실시예에 따르는 연료 전지는, 종래의 CVD 방식으로 제작한 전극에 비해서 백금의 함량을 줄여 더 낮은 생산 단가를 유지할 수 있으면서도 더 높은 전지의 성능을 확보할 수 있는 것임이 입증된 것이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 고분자 이오노머 및 금속 촉매를 포함하는 전구체 슬러리 용액 및 고분자 지지체를 준비하는 단계; 및
    상기 고분자 지지체 상에 전기분무방사 방식을 이용하여 상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계;를 포함하는,
    전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 50 %RH 내지 100 %RH의 가습 조건에서 수행되는 것인,
    전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 세라믹 노즐을 통해 0.1 μL/min 내지 15 μL/min 유량으로 전구체 슬러리 용액을 분사하는 것인,
    전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 복수 개의 세라믹 노즐을 사용하는 것인,
    전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 1.60 cP 내지 2.40 cP 의 점도를 가지는 상기 전구체 슬러리 용액을 사용하는 것인,
    전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전구체 슬러리 용액을 분사하는 단계는, 상온 내지 70 ℃의 온도, 상압 및 50 %RH 내지 100 %RH 의 상대습도 조건에서 수행되는 것인,
    전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전구체 슬러리 용액이 분사되는 고분자 지지체의 온도는 30 ℃ 내지 70 ℃ 인 것인,
    전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 이오노머는, Nafion, Aquivion 및 과불소계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이고,
    상기 금속 촉매는, 백금(Pt), 백금 기반의 이종 또는 삼종 합금 및 백금 기반의 코어쉘로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
    전기분무방사 방식을 이용한 고분자 연료전지 전극의 제조방법.
  9. 고분자 이오노머 및 금속 촉매를 포함하는 덴드라이트 형상 구조를 포함하는,
    고분자 연료전지 전극.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고분자 연료전지 전극은, 제1항의 제조방법을 이용하여 제조된 것인,
    고분자 연료전지 전극.
  11. 제9항에 있어서.
    상기 고분자 연료전지 전극은, 두께가 0.2 ㎛ 내지 6 ㎛ 이고, 면적이 250 cm2 이상인 것인,
    고분자 연료전지 전극.
  12. 애노드 전극;
    제9항 내지 제11항 중 어느 한 항의 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극 사이에 형성되는 고분자 전해질 막;을 포함하는,
    연료전지.
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