KR20190044286A - 연료전지용 전극 및 이의 제조 방법 - Google Patents

연료전지용 전극 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 구현예는 전극 지지체 및 상기 전극 지지체 상에 형성된 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 백금 촉매 농도가 상이한 2 이상의 구역을 포함하는 패턴 구조를 갖는 연료전지용 전극에 관한 것이다. 이를 통해 본 발명은 촉매의 이용률 및 전극의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 전극을 제공한다.

Description

연료전지용 전극 및 이의 제조 방법{ELECTRODE FOR FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 전극 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료와 산화제가 가진 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 대표적으로 연료전지는 연료로 수소를 이용하고, 산화제로 산소를 이용하며, 수소와 산소를 전극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산할 수 있다.
일반적으로 연료전지는 산화전극인 애노드에 공급된 수소가 산화전극 표면의 촉매층에서 수소 이온과 전자로 분리된 후, 산화전극과 환원전극을 연결하는 전해질막, 이온전도성막 등을 통해 환원전극인 캐소드로 이동하고, 상기 환원전극 표면의 촉매층에서 산소 분자와 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열, 그리고 부산물인 물을 생성한다.
최근에는 이러한 연료전지를 상용화하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 가격과 내구성 문제가 해결해야할 과제로 남아 있다. 예를 들면, 종래의 연료전지용 전극은 발전 효율을 높이기 위해 촉매 금속으로 백금과 같은 고가의 금속을 이용한다. 그러나 백금은 발전 효율성이 높은 대신 가격이 매우 고가여서 높은 발전 효율과 낮은 제조 비용을 양립하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 전극 표면의 촉매층은 영역에 따라 반응이 진행되는 정도가 달라 반응에 참여하지 않는 부분과 반응에 과도하게 노출되는 부분 간에 물리적 차이가 발생하고, 이에 의해 연료전지 전극의 내구성이 저하되기도 한다.
따라서, 각 전극의 촉매층에 이용되는 고가의 촉매 금속량을 저감하면서도 성능을 더욱 향상시킬 수 있고, 촉매층 표면에 균일한 전기 화학 반응을 유도하여 전극의 내구성도 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 연료전지 상용화의 선결과제로 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 촉매의 이용률 및 전극의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 전극 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예는 전극 지지체 및 상기 전극 지지체 상에 형성된 백금 함유 촉매층을 포함하고, 상기 백금 함유 촉매층은 백금 촉매 농도가 상이한 2 이상의 구역을 포함하는 패턴 구조를 갖는 연료전지용 전극에 관한 것이다.
상기 패턴 구조는 기체 주입구 영역의 백금 촉매 농도가 기체 배출구 영역의 백금 촉매 농도 보다 높게 구배된 것일 수 있다.
상기 패턴 구조는 16 내지 64의 균일한 면적으로 구획되고, 하나의 구획에 하나의 구역이 위치하도록 대칭적(symmetric)으로 분포된 것일 수 있다.
상기 백금 함유 촉매층은 평균 백금 촉매 농도가 0.1 mg/cm2를 초과하고, 0.5 mg/cm2 미만일 수 있다.
상기 패턴 구조는 백금 촉매 농도가 0.5 내지 0.2 mg/cm2인 구역(A), 0.4 내지 0.1 mg/cm2인 구역(B) 및 0.2 내지 0.05 mg/cm2인 구역(C)을 포함하며, 하기 식 1의 농도 구배를 가질 수 있다.
[식 1]
구역(A) 백금 촉매 농도 > 구역(B) 백금 촉매 농도 > 구역(C) 백금 촉매 농도
상기 패턴 구조는 구역(A)의 총 면적이 전체 백금 함유 촉매층의 면적 중 30% 내지 70%이고, 구역(B) 및 구역(C)의 총 면적이 전체 백금 함유 촉매층의 면적 중 30% 내지 70%가 되도록 형성될 수 있다.
상기 촉매층은 두께가 1 ㎛ 내지 10 ㎛ 일 수 있다.
상기 연료전지용 전극은 산화전극 또는 환원전극일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 전극 지지체의 일면에 백금 촉매 농도가 상이한 2 이상의 구역으로 이루어진 패턴으로 백금 함유 촉매층을 형성하는 것을 포함하는 연료전지용 전극 제조 방법에 관한 것이다.
상기 촉매층을 형성하는 것은 전극 지지체의 일면에 마그네틱 소재의 패터닝 마스크를 고정한 후 촉매 잉크를 스프레이 분사하여 패턴에 따라 각 구역을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
상기 스프레이 분사 시 분사 매개체는 비활성 기체이고, 분사 압력은 0.5 bar 내지 1bar일 수 있다.
상기 패터닝 마스크는 두께가 0.8 ㎛ 내지 1 ㎛ 일 수 있다.
본 발명은 촉매의 이용률 및 전극의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 전극 및 이의 제조 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명 실시예 1의 연료전지용 전극의 촉매층 패턴 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명 실시예 2의 연료전지용 전극의 촉매층 패턴 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명 실시예 1의 연료전지용 전극의 촉매층 단면을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명 실시예 2의 연료전지용 전극의 촉매층 단면을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명 실시예 3의 연료전지용 전극의 촉매층 단면을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명 실시예 4의 연료전지용 전극의 촉매층 단면을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명 실시예 5의 연료전지용 전극의 촉매층 단면을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명 실시예 6의 연료전지용 전극의 촉매층 단면을 나타낸 것이다.
도 9는본 발명 실시예 1 및 2와 비교예 1의 촉매 이용률 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 구현예는 전극 지지체 및 상기 전극 지지체 상에 형성된 백금 촉매층을 포함하고, 상기 백금 촉매층이 백금 촉매 농도가 상이한 2 이상의 구역을 포함하는 패턴 구조를 갖는 연료전지용 전극에 관한 것이다.
이를 통해 본 발명은 촉매의 이용률 및 전극의 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 전극을 제공한다.
상기 전극 지지체는 전극을 지지하는 역할을 하면서, 백금 함유 촉매층으로 연료 또는 산화제를 확산시키는 역할을 한다.
구체적으로, 상기 전극 지지체는 다공성 지지체, 도전성 지지체 또는 다공성 지지체 상에 전도성 고분자를 고정하여 분포시킨 것일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 예를 들면, 전극 지지체는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt), 탄소 섬유(carbon fiber) 등 탄소 소재를 포함하는 다공성 지지체, 또는 익스팬디드 메탈(Expanded Metal), 금속 메시(Metal Mesh), 금속천 등과 같은 도전성 지지체일 수 있다.
또한, 상기 전극 지지체는 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 지지체에 코팅하여 제조될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
상기 도전성 분말은 예를 들면, 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 탄소 섬유, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)등을 포함할 수 있다.
상기 바인더 수지는 예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등을 포함할 수 있다.
상기 용매는 예를 들면, 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 탄소수 1 내지 10의 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등을 포함할 수 있다.
상기 촉매층은 전극 지지체 상에 형성되는 것으로 연료 또는 산화제를 각각의 이온과 전자로 분리하여 공급하는 역할을 수행한다. 이때, 본 발명의 촉매층은 백금 촉매 농도가 상이한 2 이상의 구역, 예를 들면, 2 내지 5, 2 내지 3의 구역을 포함하는 패턴 구조를 이루는 것을 특징으로 한다. 이를 통해, 고가인 촉매 금속의 사용량을 저감하면서도, 촉매 이용률은 향상시킬 수 있다. 상기 구역의 개수는 촉매층의 백금 촉매 농도가 상이한 구역을 의미하는 것으로, 후술하는 구획은 포함하지 않는다. 하나의 구역은 다수의 구획에 나누어 배치될 수 있다.
상기 패턴 구조는 들면, 백금 촉매 농도가 0.5~0.2 mg/cm2인 구역(A), 0.4~0.1 mg/cm2인 구역(B) 및 0.2~0.05 mg/cm2인 구역(C)을 포함하며, 하기 식 1의 농도 구배를 가질 수 있다.
[식 1]
구역(A) 백금촉매 농도 > 구역(B) 백금촉매 농도 > 구역(C) 백금촉매 농도
일 구체예에서, 상기 패턴 구조는 기체 주입구 영역의 백금 촉매 농도가 기체 배출구 영역의 백금 촉매 농도 보다 높게 구배를 이룰 수 있다.
상기 구배는 각각 두께 방향 및/또는 평면 방향으로 형성될 수 있다.
이러한 일 구체예의 패턴 구조는 기체 주입구와 연결된 구역의 백금 촉매 농도가 기체 배출구와 연결된 구역의 백금 촉매 농도 보다 높게 구배(gradation)를 이룰 수 있다. 즉, 기체 주입구 영역에서 기체 배출구 영역으로 갈수록 촉매 금속의 농도가 낮아질 수 있다. 이러한 경우, 촉매층에서 반응성이 낮은 영역과 반응성이 높은 영역에 의해 발생하는 물리적 불균일성을 저감하여 전극의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 상기 일 구체예의 예시로 본 발명 실시예 1의 연료전지용 전극의 촉매 패턴을 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 연료전지용 전극은 촉매층이 백금 촉매 농도가 서로 상이한 2 이상의 구역(A, B, C, 예시적으로 3개)를 포함할 수 있다. 이때, 기체 주입구와 연결된 구역(A)의 백금 촉매 농도는 기체 배출구와 연결된 구역(B)의 백금 촉매 농도 보다 높게 구배를 형성할 수 있다. 이러한 경우, 기체 주입구에서 높은 반응도에 촉매층이 부분적으로 소진되는 것을 방지하는 동시에, 기체 배출구에서 낮은 반응도에 의해 촉매 금속이 미반응 상태로 낭비되는 것을 방지하여, 전극의 촉매 이용률이 더욱 향상될 수 있다.
상기 패턴 구조는 예를 들면, 백금 촉매 농도가 0.3 mg/cm2인 구역(A), 0.2 mg/cm2인 구역(B) 및 0.1 mg/cm2인 구역(C)이 농도 구배를 이루는 구조일 수 있다. 상기 범위 내에서, 촉매 금속 사용량 저감에 의한 비용 절감 효과와 촉매의 높은 이용률을 더욱 균형적으로 양립할 수 있다.
또한, 상기 촉매층은 평균 백금 촉매 농도가 0.1 mg/cm2를 초과하고, 0.5 mg/cm2 미만일 수 있다. 상기 범위 내에서, 촉매 금속 사용량 저감에 의한 비용 절감 효과와 촉매의 높은 이용률을 더욱 균형적으로 양립할 수 있다.
또한, 상기 패턴 구조는 구역(A)의 총 면적이 전체 촉매층의 면적 중 30% 내지 70%이고, 구역(B) 및 구역(C)의 총 면적이 전체 촉매층의 면적 중 30% 내지 70%가 되도록 형성될 수 있다. 상기 범위 내에서, 촉매의 이용률을 향상시키고, 전극의 내구성이 더욱 향상될 수 있다.
다른 구체예에서, 상기 패턴 구조는 다수의 영역으로 구획되고, 동일 평면상에 농도가 같거나 다른 구역이 존재하는 형태일 수 있다. 이러한 다른 구체예의 패턴 구조는 16개 내지 64개의 균일한 면적으로 구획되고, 하나의 구획에 하나의 구역이 위치하도록 대칭적(symmetric)으로 분포된 것일 수 있다. 이러한 경우, 촉매층에서 반응성이 낮은 영역과 반응성이 높은 영역에 의해 발생하는 물리적 불균일성을 저감하여 전극의 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 구획의 형태는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 삼각형, 정사각형, 직사각형, 원형, 기타 다면체 등일 수 있다.
도 2는 상기 다른 구체예의 예시로 본 발명 실시예 2의 연료전지용 전극의 촉매 패턴을 나타낸 것이다. 이를 참조하면, 본 발명의 연료전지용 전극은 백금 촉매 농도가 서로 상이한 2 이상의 구역(A, B, C, 예시적으로 25개)를 포함할 수 있다. 이때, 하나의 구획에 하나의 구역이 배치될 수 있다. 또한, 각 구획은 농도가 서로 다른 구역을 대칭적(symmetric)으로 분포할 수 있도록 배치될 수 있다.
예를 들면, 상기 패턴 구조는 백금 촉매 농도가 0.3 mg/cm2인 구역(A), 0.2 mg/cm2인 구역(B) 및 0.1 mg/cm2인 구역(C)이 평면 내에서 교대로 배치되어 대칭을 이루는 구조일 수 있다. 상기 범위 내에서, 촉매 금속 사용량 저감에 의한 비용 절감 효과와 촉매의 높은 이용률을 더욱 균형적으로 양립할 수 있다.
또한, 상기 촉매층은 전술한 바와 같이 평균 백금 촉매 농도가 0.1 mg/cm2를 초과하고, 0.3 mg/cm2 미만일 수 있다. 상기 범위 내에서, 촉매 금속 사용량 저감에 의한 비용 절감 효과와 촉매의 높은 이용률을 더욱 균형적으로 양립할 수 있다.
또한, 상기 패턴 구조는 전술한 바와 같이 구역(A)의 총 면적이 전체 촉매층의 면적 중 30% 내지 70%이고, 구역(B) 및 구역(C)의 총 면적이 전체 촉매층의 면적 중 30% 내지 70%가 되도록 형성될 수 있다. 상기 범위 내에서, 촉매의 이용률을 향상시키고, 전극의 내구성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 촉매층에 사용되는 촉매 금속은 연료전지의 반응에 참여할 수 있는 백금계 촉매계 촉매라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 백금계 촉매는 예를 들면 백금, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 조합 중 1종 이상을 포함하는 전이 금속) 등을 사용할 수 있다. 상기 범위 내에서, 촉매의 이용률을 향상시키고, 전극의 내구성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 촉매층은 촉매 담지체로 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 탄소 섬유, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring) 등의 탄소 물질이 사용될 수 있다. 또한 금속 카바이드 또는 금속 산화물 카바이드도 사용할 수 있다. 이러한 경우, 수소산화반응 및 산소환원반응의 속도 및 활성을 각전극의 종류(산화전극, 환원전극)에 따라 적합하게 조절할 수 있다. 또한, 상기 촉매층은 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. 상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
구체적으로, 상기 바인더 수지는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체 등의 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 바인더 수지는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 바인더 수지로폴리(퍼플루오로술폰산), 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) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 등의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 촉매층은 두께가 1 ㎛ 내지 10 ㎛이고, 가로 길이가 1 cm 내지 20 cm이고, 세로 길이가 1 cm 내지 20 cm일 수 있다. 상기 범위 내에서, 촉매 금속 사용량 저감에 의한 비용 절감 효과와 촉매의 높은 이용률을 더욱 균형적으로 양립할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 촉매층은 구역별로 두께가 다르게 형성될 수 있다. 도 3은 상기 일 구체예의 예시로 본 발명 실시예 1의 연료전지용 전극의 촉매층 단면을 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명 실시예 2의 연료전지용 전극의 촉매층 단면을 나타낸 것이다. 상기 도 3 및 도 4는 각각 도면 1 및 2의 패턴 구조를 좌우 방향을 잇는 점선을 따라 자른 경우의 단면을 나타낸다. 도 3 및 도 4에서, 예를 들면, 백금 촉매 농도가 0.3 mg/cm2인 구역(A), 0.2 mg/cm2인 구역(B) 및 0.1 mg/cm2인 구역(C)이 농도 구배를 이루며, 동시에 두께 구배를 이룰 수 있다. 이러한 경우, 구역 (A)는 두께가 3~5 ㎛, 구역 (B)는 두께가 5~7 ㎛, 구역 (C)는 두께가 7~10 ㎛ 으로 형성될 수 있다. 이러한 구조를 통해 전체 촉매층의 평균 백금 촉매 농도를 더욱 균일하게 형성할 수 있으며, 반응도 차이에 의한 촉매층의 손상을 방지하는 효과가 향상될 수 있다.
다른 구체예에서, 상기 촉매층은 구역별로 두께가 동일하게 형성될 수 있다. 도 5는 상기 일 구체예의 예시로 본 발명 실시예 3의 연료전지용 전극의 촉매층 단면을 나타낸 것이고, 도 6은 본 발명 실시예 4의 연료전지용 전극의 촉매층 단면을 나타낸 것이다. 상기 도 5 및 도 6은 각각 도면 1 및 2의 패턴 구조를 좌우 방향을 잇는 점선을 따라 자른 경우의 단면을 나타낸다. 도 5 및 도 6에서, 예를 들면, 백금 촉매 농도가 0.3 mg/cm2인 구역(A), 0.2 mg/cm2인 구역(B) 및 0.1 mg/cm2인 구역(C)이 농도 구배를 이루며, 동시에 모두 동일한 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 경우, 구역 (A), 구역 (B) 및 구역 (C)는 두께가 7~10 ㎛ 으로 형성될 수 있다. 이러한 구조를 통해 전체 촉매층의 평균 백금 촉매 농도를 저감하면서도 촉매 이용율을 유지하거나 향상시킬 수 있다.
또 다른 구체예에서, 상기 촉매층은 구역별로 두께가 다르게 형성될 수 있다. 도 7은 상기 일 구체예의 예시로 본 발명 실시예 5의 연료전지용 전극의 촉매층 단면을 나타낸 것이고, 도 8은 본 발명 실시예 6의 연료전지용 전극의 촉매층 단면을 나타낸 것이다. 상기 도 7 및 도 8은 각각 도면 1 및 2의 패턴 구조를 좌우 방향을 잇는 점선을 따라 자른 경우의 단면을 나타낸다. 도 7 및 도 8에서, 예를 들면, 백금 촉매 농도가 0.3 mg/cm2인 구역(A), 0.2 mg/cm2인 구역(B) 및 0.1 mg/cm2인 구역(C)이 농도 구배를 이루며, 동시에 두께 구배를 이룰 수 있다. 이러한 경우, 구역 (A)는 두께가 3~5 ㎛, 구역 (B)는 두께가 5~7 ㎛, 구역 (C)는 두께가 7~10 ㎛ 으로 형성될 수 있다. 또한, 동시에 구역 (A)는 백금 촉매 농도가 낮은 구역 (C) 형성용 촉매 조성물로 형성된 층(10)를 예를 들면 3층으로 포함하고, 구역 (B)는 2층으로 포함하고, 구역 (C)는 1층으로 포함하는 것일 수 있다. 이러한 구조를 통해 전체 촉매층의 평균 백금 촉매 농도를 더욱 균일하게 형성할 수 있으며, 반응도 차이에 의한 촉매층의 손상을 방지하는 효과가 향상될 수 있다.
상기 연료전지용 전극은 산화전극 또는 환원전극일 수 있다. 구체적으로, 상기 연료전지용 전극이 환원전극으로 이용되는 경우, 종래의 환원전극이 산화전극에 의해 촉매 활성률이 더욱 낮아 촉매 금속량을 높여야 하는 문제점을 해결하기에 더욱 유리하게 작용할 수 있다
본 발명의 다른 구현예는 전극 지지체의 일면에 백금 촉매 농도가 상이한 2 이상의 구역으로 이루어진 패턴으로 촉매층을 형성하는 것을 포함하는 연료전지용 전극 제조 방법에 관한 것이다.
상기 촉매층을 형성하는 방법은 예를 들면, 촉매 금속, 촉매 담지체, 바인더 수지 및 용매 등을 포함하는 촉매 잉크를 상기 전극 지지체 상에 분사, 코팅, 증착하여 촉매층을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 구체예에서, 상기 촉매층을 형성하는 것은 전극 지지체의 일면에 마그네틱 소재의 패터닝 마스크를 고정한 후 촉매 잉크를 스프레이 분사하여 패턴에 따라 각 구역을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 범위 내에서, 촉매의 이용률 및 전극의 내구성이 더욱 향상될 수 있다.
다른 구체예에서, 상기 촉매층을 형성하는 것은 전극 지지체의 일면에 마그네틱 소재의 패터닝 마스크를 고정한 후 촉매 잉크를 스프레이 분사하여 패턴에 따라 백금 촉매 농도가 가장 적은 구역을 형성하고, 분사 횟수를 늘려 순차적으로 백금 촉매 농도가 높은 영역을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 범위 내에서, 촉매의 이용률 및 전극의 내구성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 스프레이 분사 시 분사 매개체는 비활성 기체이고, 분사 압력은 0.5 bar 내지 1bar일 수 있다. 상기 범위 내에서, 촉매의 이용률 및 전극의 내구성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 마그네틱 소재의 패터닝 마스크를 이용하는 경우, 가스 확산층, 이온교환막 등의 구조물과의 고정이 용이하고, 촉매의 로딩 면적을 제어하기에 더욱 유리할 수 있다.
상기 패터닝 마스크의 형태는 특별히 제한되지 않으나, 판 형인 경우 가스 확산층, 이온교환막 등의 구조물과의 고정이 용이하고, 촉매의 로딩 면적을 제어하기에 더욱 유리할 수 있다.
또한, 상기 패터닝 마스크가 구현하는 패턴의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 목적하는 패턴에 따라 변경될 수 있다.
상기 패터닝 마스크는 두께가 0.8 ㎛ 내지 1 ㎛ 일 수 있다. 상기 범위 내에서, 촉매의 이용률 및 전극의 내구성이 더욱 향상될 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
제조예 1
평균 입도가 3~5 nm 인 백금 분말 40~50 mg 중량, 바인더 수지 양이온 교환 이오노머 180~200 mg 중량 및 용매 이소프로필알코올을 혼합하여 A 구역 패턴 형성용 촉매잉크(0.3 mgPt/cm2)를 제조하였다.
제조예 2
평균 입도가 3~5 nm 인 백금 분말 30~40 mg 중량, 바인더 수지 양이온 교환 이오노머 120~150 mg 중량 및 용매 이소프로필알코올을 혼합하여 B 구역 패턴 형성용 촉매잉크(0.2 mgPt/cm2)를 제조하였다.
제조예 3
평균 입도가 3~5 nm 인 백금 분말 15~20 mg 중량, 바인더 수지 양이온 교환 이오노머 50~70 mg 중량 및 용매 이소프로필알코올을 혼합하여 C 구역 패턴 형성용 촉매잉크(0.1 mgPt/cm2)를 제조하였다.
실시예 1
5㎝2 × 5 ㎝2 크기의 전극 지지체 상에 상기 패턴 구조는 기체 주입구와 연결된 구역의 백금 촉매 농도가 기체 배출구와 연결된 0.3 mg/cm2인 구역(A), 0.2 mg/cm2인 구역(B) 및 0.1 mg/cm2인 구역(C)의 백금 촉매 농도 보다 높게 구배가 형성된 패턴을 갖는 연료전지용 전극을 제조하였다.
보다 구체적으로, 전극 지지체 상에 구역 (A)를 30% 면적으로 분사할 수 있도록 제조된 패터닝 마스크를 부착 후, 제조예 1에서 제조한 촉매 잉크를 기체주입구와 연결된 구역에 30%의 면적으로 도포하여, 두께가 3~5 ㎛인 촉매 구역(A)를 형성하였다. 이어서, 패터닝 마스크를 구역 (B)를 30% 면적으로 분사할 수 있는 것으로 변경하여 부착 후, 제조예 2의 촉매 잉크를 구역(A)와 인접하도록 30%의 면적으로 도포하여, 두께가 5~7 ㎛인 촉매 구역(B)를 형성하였다. 또한, 패터닝 마스크를 구역 (C)를 30% 면적으로 분사할 수 있는 것으로 변경하여 부착 후, 제조예 3의 촉매 잉크를 기체배출구와 연결된 구역에 30%의 면적으로 도포하여, 두께가 7~10 ㎛ 인 촉매 구역(C)를 형성하였다.
실시예 2
5 ㎝2 × 5 ㎝2 크기의 전극 지지체 상에 25개의 균일한 면적으로 구획되고, 하나의 구획에 촉매 금속인 백금의 농도가 0.3 mg/cm2인 구역(A), 0.2 mg/cm2인 구역(B) 및 0.1 mg/cm2인 구역(C) 중 어느 하나의 구역이 위치하도록 대칭적(symmetric)으로 분포된 패턴을 갖는 연료전지용 전극을 제조하였다.
보다 구체적으로, 전극 지지체를 1 ㎝2 × 1 ㎝2 크기의 25개 부분으로 구획하였다. 도 2의 구역(A)와 같은 패턴으로 분사할 수 있도록 제조된 패터닝 마스크를 부착 후, 제조예 1에서 제조한 촉매 잉크를 분사하여, 두께가 3~5 ㎛ 인 촉매 구역(A)를 형성하였다. 이어서, 패터닝 마스크를 구역(B)를 형성할 수 있는 형태로 변경하여 부착 후, 제조예 2의 촉매 잉크를 구역(B)와 같은 패턴으로 분사, 두께가 5~7 ㎛ 인 촉매 구역(B)를 형성하였다. 또한, 패터닝 마스크를 구역(C)를 향성할 수 있는 형태로 변경하여 부착 후, 제조예 3의 촉매 잉크를 분사하여, 두께가 7~10 ㎛ 인 촉매 구역(C)를 형성하였다.
실시예 3
촉매 구역(A), 구역 (B), 구역(C)의 두께를 모두 동일하게 7~10 ㎛으로 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 시편을 제조하였다.
실시예 4
촉매 구역(A), 구역 (B), 구역(C)의 두께를 모두 동일하게 7~10 ㎛으로 형성한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 시편을 제조하였다.
실시예 5
5㎝2 × 5 ㎝2 크기의 전극 지지체 상에 상기 패턴 구조는 기체 주입구와 연결된 구역의 백금 촉매 농도가 기체 배출구와 연결된 0.3 mg/cm2인 구역(A), 0.2 mg/cm2인 구역(B) 및 0.1 mg/cm2인 구역(C)의 백금 촉매 농도 보다 높게 구배가 형성된 패턴을 갖는 연료전지용 전극을 제조하였다.
보다 구체적으로, 전극 지지체 상부 전체에 제조예 3에서 제조한 촉매 잉크를 기체주입구와 연결된 구역에 100%의 면적으로 도포하여, 두께가 3~5 ㎛인 촉매 구역(C)를 형성하였다. 이어서, 패터닝 마스크를 구역 (B)를 60% 면적으로 분사할 수 있는 것으로 변경하여 부착 후, 제조예 3의 촉매 잉크를 60%의 면적으로 도포하여, 두께가 5~7 ㎛인 촉매 구역(B)를 형성하였다. 또한, 패터닝 마스크를 구역 (A)를 30% 면적으로 분사할 수 있는 것으로 변경하여 부착 후, 제조예 3의 촉매 잉크를 기체배출구와 연결된 구역에 30%의 면적으로 도포하여, 두께가 7~10 ㎛ 인 촉매 구역(C)를 형성하였다.
실시예 6
촉매 구역(A), 구역 (B), 구역(C)의 패턴 형상을 실시예 2와 동일하게 변경한 것을 제외하고, 실시예 5와 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
비교예 1
5㎝2 × 5 ㎝2 크기의 전극 지지체 상에 촉매 금속인 백금의 농도가 0.3 mg/cm2인 제조예 1의 촉매 잉크를 균일하게 7~10 ㎛ 두께로 도포하여 연료전지용 전극을 제조하였다.
<평가 방법>
1) 백금량 대비 전력(촉매이용률) 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 시편을 80℃의 셀 온도, 80%의 상대습도 의 조건으로 백금량 대비 전력을 측정하였다. 이때, 산화전극에 수소를 공급하고, 환원전극에 산소를 공급하는 조건에서 수행하였다. 환원전극에서는 2.0, 3.0, 4.0의 stoichiometry flow로 고순도공기를 유입하였고, 산화전극에서는 동일하게 1.5의 stoichiometry flow로 고순도 수소를 유입하여 진행하였다. 결과를 도 9 및 하기 표 1에 나타내었다.
환원전극 stoichiometry flow 실시예 1 실시예 2 비교예 1
2.0 36.9% 12.6% 0%
3.0 37.4% 2.1% 0%
4.0 37.9% 2.7% 0%
패턴 형태 농도 구배 대칭 구조 패턴 없음
백금 촉매 농도
(㎎Pt/㎠)		 0.2 0.2 0.3
촉매층의 패턴이 백금 촉매 농도 구배를 갖는 실시예 1의 전극은 반응성이 높은 영역인 기체 유입구 영역부터 반응성이 낮은 영역인 기체 배출구까지 백금량이 점차 낮아지는 패턴을 갖는 형태이기 때문에 촉매층 표면에 균일한 전기화학반응이 발생하였다.
또한, 촉매층의 패턴이 대칭 구조를 갖는 실시예 2의 전극은 공기 유입량에 상관없이 환원전극의 백금이용률이 더욱 효율적으로 향상되었다.
상기 결과를 통해, 본 발명과 같이 패턴으로 형성된 전극이 연료전지의 전극에 도입되었을 때에 종래 기술에 비해 백금 이용률과 백금량 대비 전력을 향상시키는 효과를 구현하는 것을 알 수 있다.
(A): 촉매량이 0.3 mgPt/cm2인 구역
(B): 촉매량이 0.2 mgPt/cm2인 구역
(C): 촉매량이 0.1 mgPt/cm2인 구역
Gas In : 기체주입구
Gas Out : 기체배출구

Claims (15)

  1. 전극 지지체 및 상기 전극 지지체 상에 형성된 백금 촉매층을 포함하고,
    상기 백금 촉매층은 백금 촉매 농도가 상이한 2 이상의 구역을 포함하는 패턴 구조인 연료전지용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 구조는 기체 주입구 영역의 백금 촉매 농도가 기체 배출구 영역의 백금 촉매 농도 보다 높게 구배를 이루는 연료전지용 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 구조는 16개 내지 64개의 균일한 면적으로 구획되고, 하나의 구획에 하나의 구역이 위치하도록 대칭적(symmetric)으로 분포된 것인 연료전지용 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 평균 백금 촉매 농도가 0.1 mg/cm2를 초과하고, 0.5 mg/cm2 미만인 연료전지용 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 구조는 백금 촉매 농도가 0.5 내지 0.2 mg/cm2인 구역(A), 0.4 내지 0.1 mg/cm2인 구역(B) 및 0.2 내지 0.05 mg/cm2인 구역(C)을 포함하며, 하기 식 1의 농도 구배를 갖는 연료전지용 전극:
    [식 1]
    구역(A) 백금촉매 농도 > 구역(B) 백금촉매 농도 > 구역(C) 백금촉매 농도
  6. 제5항에 있어서,
    상기 패턴 구조는 구역(A)의 총 면적이 전체 촉매층의 면적 중 30% 내지 70%이고, 구역(B) 및 구역(C)의 총 면적이 전체 촉매층의 면적 중 30% 내지 70%가 되도록 형성된 연료전지용 전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 두께가 1 ㎛ 내지 10 ㎛인 연료전지용 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지용 전극은 산화전극 또는 환원전극인 연료전지용 전극.
  9. 전극 지지체의 일면에 백금 촉매 농도가 상이한 2 이상의 구역으로 이루어진 패턴으로 촉매층을 형성하는 것을 포함하는 연료전지용 전극 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 촉매층을 형성하는 것은 전극 지지체의 일면에 마그네틱 소재의 패터닝 마스크를 고정한 후 촉매 잉크를 스프레이 분사하여 형성하는 것을 포함하는 연료전지용 전극 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 촉매층의 형성 시 분사 매개체는 비활성 기체이고, 분사 압력은 0.5 bar 내지 1bar인 연료전지용 전극 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 패턴 구조는 기체 주입구와 연결된 구역의 백금 촉매 농도가 기체 배출구와 연결된 구역의 백금 촉매 농도 보다 높게 구배를 이루는 연료전지용 전극 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 패턴 구조는 16개 내지 64개의 균일한 면적으로 구획되고, 하나의 구획에 하나의 구역이 위치하도록 대칭적(symmetric)으로 분포된 것인 연료전지용 전극 제조 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 패터닝 마스크는 두께가 0.8 ㎛ 내지 1 ㎛인 연료전지용 전극 제조 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 연료전지용 전극은 산화전극 또는 환원전극인 연료전지용 전극 제조 방법.
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