KR20190057787A - 수전해용 막 전극 접합체 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 수전해용 막 전극 접합체 - Google Patents

수전해용 막 전극 접합체 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 수전해용 막 전극 접합체 Download PDF

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허국진
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 촉매 물질을 포함하는 촉매 슬러리를 이용하여 전해질 막의 양면에 스프레이 분사하여 촉매층을 형성하는 수전해용 막 전극 접합체 제조방법으로서, 열융착 공정 없이도 막 전극 접합체를 제조할 수 있어 열융착 공정에 따른 변형 위험이 감소하고, 계면 형성이 연속적으로 이루어지기 때문에 계면이 분리될 위험이 적고 계면 저항이 감소하는 효과를 제공할 수 있다.

Description

수전해용 막 전극 접합체 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 수전해용 막 전극 접합체{Method for manufacturing membrane electrode assembly for water electroysis and membrane electrode assembly manufactured using the same}
본 발명은 수전해용 막 전극 접합체 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 수전해용 막 전극 접합체에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.
최근 연료전지 등에 사용되는 수소의 사용량이 증가됨에 따라 재생에너지를 이용한 수소생산이 많은 주목을 받고 있다. 특히 태양광발전 또는 풍력발전 설비로부터의 잉여전기를 이용한 다양한 수전해 시스템이 개발 중에 있다. 또한 플루 가스나 바이오 가스 등 다양한 원인에서 발생하는 이산화탄소를 소진하여 유용한 가스로 전환하는 개질 기술 또한 환경보존 및 에너지 활용 차원에서 각광받고 있다.
수전해(water electrolysis)는 물의 산화 환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 수소와 산소를 생산하는 방법이다. 수전해의 단위 전지 구조는 고분자 물질로 구성된 고체고분자전해질 막(membrane)을 중심으로 양쪽에 애노드(Anode)과 캐소드(Cathode)가 코팅된 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)와 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체 확산층(Gas Diffusion Layer)으로 구성된다. 애노드에서는 물이 공급되어 전극촉매 상에서 반응하여 산소, 수소 이온과 전자를 발생시킨다. 음극에서는 고체 고분자 막을 통과한 수소이온이 전자와 결합하여 순수한 수소가 발생된다.
양극 : H2O → 1/2O2 + 2H++ 2e-
음극 : 2H++ 2e- → H2
전체 : H2O → H2 + 1/2O2
이러한 막 전극 접합체는 주로 데칼(Decal)법을 이용하여 형성된다. 데칼법은 촉매물질과 프로톤 전도성 바인더 및 용매가 혼합된 전극 페이스트를 테프론 시트에 코팅한 다음 열융착을 이용하여 전도성 전해질막에 촉매층을 전이시킨다. 그러나, 이 데칼법은 촉매물질이 코팅될 때 표면에 균일한 두께로 분포되지 않기 때문에 촉매의 이용율을 감소시켜 성능이 저하된다는 것이 가장 큰 단점이다. 또한, 이차적으로 열 융착해야 하기 때문에 공정이 복잡해질 수 있고 계면 형성이 불연속적으로 형성된다는 것도 단점으로 들 수 있다.
또한 상기와 같은 단위 전지의 구성을 수십~ 수백개 이상 적층하여 사용하는데, 적층을 위해서는 막 전극 접합체와 기체 확산층을 열압착을 통해 서로 고정시키게 된다. 그러나 막 전극 접합체와 기체 확산층을 접착하는 고온 및 고압의 열압착 공정으로 기체 확산층 및 막 전극 접합체의 변형이 일어날 수 있고, 접착 상태로 장기간 보관 시 접착력의 약화될 수 있다. 또한 막 전극 접합체와 기체 확산층의 표면 성질이 상이할 경우 접합력이 약화될 수 있다.
1. 한국등록특허 제10-0822034호 (2009.04.07) 2. 한국등록특허 제10-1063067호 (2011.08.31)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 열융착 공정 없이 제조 가능한 수전해용 막 전극 접합체 제조방법으로서, 계면저항 감소 효과가 우수한 수전해용 막 전극 접합체를 제공하는 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 전해질 막을 제조하는 전해질 막 제조단계; 및 촉매 물질을 포함하는 촉매 슬러리를 상기 전해질 막의 양면에 스프레이 분사하여 촉매층을 형성하는 촉매층 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 막 전극 접합체 제조방법을 제공한다.
또한 상기 촉매층 형성단계는 제1 촉매 물질을 포함하는 촉매 슬러리를 이용하여 상기 전해질 막의 일면에 스프레이 분사하여 촉매층을 형성하는 제1 촉매층 형성단계 및 제2 촉매 물질을 포함하는 촉매 슬러리를 이용하여 상기 전해질 막의 다른 일면에 스프레이 분사하여 촉매층을 형성하는 제2 촉매층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 촉매층 형성단계는 촉매 물질, 바인더 수지 및 용매를 포함하여 혼합하여 촉매 슬러리를 제조한 후, 상기 촉매 슬러리를 상기 전해질 막에 스프레이 분사하여 도포한 후 건조하여 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전해질 막 제조단계는 상기 전해질 막의 표면에 미세 기공을 형성하는 전처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 촉매 물질 및 상기 제2 촉매 물질은 각각 독립적으로 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Au), 이리듐(Ir) 및 오스뮴(Os)으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 금속을 담체에 담지시켜 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 촉매층 형성단계는 상기 제1 촉매 물질 100 중량부에 대하여 바인더 수지를 250 내지 350 중량부, 용매를 150 내지 250 중량부로 포함하여 혼합된 제1 촉매 슬러리를 상기 전해질 막 상에 스프레이 분사하여 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 촉매층 형성단계는 상기 제1 촉매 물질 100 중량부에 대하여 바인더 수지를 450 내지 600 중량부, 용매를 400 내지 500 중량부로 포함하여 혼합된 제2 촉매 슬러리를 상기 전해질 막 상에 스프레이 분사하여 형성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 촉매 물질은 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 및 주석(Sn)으로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 제1 촉매 물질을 포함하여 형성된 제1 촉매층; 제2 촉매 물질을 포함하여 형성된 제2 촉매층; 및 상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층 사이에 개재된 전해질 막;을 포함하는 수전해용 막 전극 접합체로서, 상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층과 상기 전해질 막의 계면이 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 수전해용 막 전극 접합체를 제공한다.
또한 상기 전해질 막은 표면에 미세한 기공을 구비하고, 상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층은 상기 미세한 기공의 전부 또는 일부를 차지하면서 연속적으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 수전해용 막 전극 접합체의 제조 방법에 관한 기술로서 확산층 상에 촉매층을 형성하지 않고 직접 고분자 막에 스프레이 분사하여 총매층을 형성함으로써 확산층을 형성할 필요가 없고, 열융착 공정 없이도 막 전극 접합체를 제조할 수 있다. 이에 따라, 제조 공정이 간단하고, 열융착 공정에 따른 변형 위험이 감소하며, 계면 형성이 연속적으로 이루어지기 때문에 계면이 분리될 위험이 적고 계면 저항이 감소하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해용 막 전극 접합체의 구조 및 반응을 나타낸 것이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 수전해용 막 전극 접합체 제조방법은 전해질 막을 제조하는 전해질 막 제조단계, 촉매 물질을 포함하는 촉매 슬러리를 상기 전해질 막의 양면에 스프레이 분사하여 촉매층을 형성하는 촉매층 형성단계를 포함한다.
상기 전해질 막 제조단계는 프로톤(proton)이 투과할 수 있는 물질로서, 불소계 고분자 화합물, 탄화수소계 고분자 화합물이나 무기 고분자 화합물과의 혼합물 또는 고분자쇄 내에 C-H 결합과 C-F 결합의 양쪽을 포함하는 부분 불소계 고분자 화합물 등을 이용하여 형성된 막을 준비함으로써 수행될 수 있다.
상기 불소계 고분자 화합물의 구체예로서는, 측쇄에 술폰산기를 갖는 퍼플루오로 중합체인 나피온(등록 상표)(듀퐁사제), 아시플렉스(등록 상표)(아사히 가세이사제) 및 플레미온(등록 상표)(아사히 가라스사제)을 들 수 있다.
상기 탄화수소계 고분자 화합물의 구체예로서, 술폰산기 등의 전해질기가 도입된 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴계 수지, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르등 및 이들의 유도체(지방족 탄화수소계 고분자 전해질), 술폰산기 등의 전해질기가 도입된 폴리스티렌, 방향환을 갖는 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리카르보네이트 등 및 이들의 유도체(부분 방향족 탄화수소계 고분자 전해질), 술폰산기 등의 전해질기가 도입된 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리카르보네이트, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리에스테르, 폴리페닐렌술피드 등 및 이들의 유도체(전체 방향족 탄화수소계 고분자 전해질) 등을 들수 있다.
상기 무기 고분자 화합물로서는, 실록산계 또는 실란계의, 특히 알킬 실록산계의 유기 규소 고분자 화합물이 적합하며, 구체예로서 폴리디메틸실록산, γ-글리시독시프로필 트리메톡시실란 등을 들 수 있다.
상기 부분 불소계 고분자 화합물의 구체예로서는, 술폰산기 등의 전해질기가 도입된 폴리스티렌-그래프트-에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리스티렌-그래프트-폴리테트라플루오로에틸렌 등 및 이들의 유도체를 들 수 있다.
바람직하게는 폴리테트라플루오르에틸렌의 골격에 술폰산기를 도입한 폴리머인 나피온(Nafion, DuPont社)을 이용하여 제조된 것을 사용한다.
상기 전해질 막 제조단계가 전해질 막을 전처리하는 단계를 더 포함하는 경우 과산화수소 용액 및 황산 용액을 이용하여 전처리할 수 있으며, 더욱 구체적으로, 상기 준비된 전해질 막에 대해 80 내지 100℃에서 과산화수소 용액(5%)에서 30 분 내지 90분 처리한 후, 동일 온도에서 황산 용액(0.5M)에서 30분 내지 90분 처리한 후 증류수로 세척하여 수행될 수 있다.
상기 촉매층 형성단계는 제1 촉매 물질을 포함하는 슬러리를 이용하여 상기 전해질 막의 일면에 스프레이 분사하여 촉매층을 형성하는 제1 촉매층 형성단계 및 제2 촉매 물질을 포함하는 슬러리를 이용하여 상기 전해질 막의 다른 일면에 스프레이 분사하여 촉매층을 형성하는 제2 촉매층 형성단계를 포함한다. 이 때, 상기 제1 촉매층 형성 단계 및 제2 촉매층 형성단계는 그 순서에 무관하다.
상기 제1 촉매 물질 및 상기 제2 촉매 물질은 각각 독립적으로 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Au), 이리듐(Ir) 및 오스뮴(Os)으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 금속을 담체에 담지시켜 구성된 촉매 물질을 사용한다.
상기 제2 촉매 물질은 이산화탄소 전환을 위하여 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 및 주석(Sn)으로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함하는 금속을 담체에 담지시켜 구성된 촉매 물질을 사용할 수 있다.
상기 담체는 넓은 표면적을 이용하여 귀금속의 촉매 물질을 넓게 분산시키고, 금속의 촉매 물질만으로는 얻기 어려운 열적 및 기계적 안정성 등의 물리적 성질을 향상시키기 위하여 사용되며 다공성 탄소, 전도성 고분자 및 금속 산화물로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함한다. 다공성 탄소로는 활성탄, 탄소 섬유, 흑연 섬유, 그래핀 또는 탄소 나노튜브 등이 사용 가능하며, 전도성 고분자는 폴리비닐카발졸(polyvinylcarbazole), 폴리아닐린(polyanilin), 폴리피롤(polypyrrole) 또는 그들의 유도체를 사용할 수 있다. 또한, 금속산화물은 텅스텐, 티타늄, 니켈, 루테늄, 탄탈륨 또는 코발트 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속산화물을 사용할 수 있다.
바람직하게는 제1 촉매 물질로서 이리듐(Ir) 블랙(99.8%), 이리듐 산화물(IrO2) 또는 티타늄(Ti)에 담지된 이리듐 블랙이나 이리듐 산화물을 사용하고, 제2 촉매 물질로서 백금(Pt) 블랙, 탄소(C)에 담지된 백금(Pt 40 내지 60wt%) 또는 티타늄(Ti)에 담지된 백금(Pt 30 내지 50wt%)을 사용한다.
상기 바인더 수지는 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기, 및 이들의 유도체 중 선택된 어느 하나 혹은 둘 이상의 혼합물로 이루어진 측쇄를 가지는 고분자 수지를 사용한다. 바람직하게는 폴리테트라플루오르에틸렌의 골격에 술폰산기를 도입한 폴리머인 나피온(Nafion, DuPont社) 이오노머를 사용하는 것이 좋다.
상기 용매는 물, 이소프로필알콜, 에탄올 및 1-프로판올로 구성되는 군에서 선택된 어느 1종 이상을 포함한다.
촉매층 형성단계의 일 실시예를 들면 상기 촉매 물질, 수소 이온 전도도가 높은 고분자 물질 및 촉매분산을 증진시키는 용매를 포함하여 혼합하여 촉매 슬러리를 제조한 후 상기 전해질 막 상에 스프레이 분사(spray)한 후 건조하여 형성할 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 제1 촉매층 형성단계는 제1 촉매 물질, 바인더 수지 및 용매를 혼합하고, 상온에서 초음파(sonication) 교반 1 내지 3시간 실시 후 상온에서 자석 교반 10 내지 15시간 실시하여 제1 촉매 슬러리를 제조할 수 있다.
상기 제조된 제1 촉매 슬러리를 전해질 막 상에 1.0 내지 2.3mg/cm2의 로딩량으로 스프레이 분사하여 도포하고 건조하여 제1 촉매층을 형성한다. 바람직하게는 1.1 내지 2.1mg/cm2의 로딩량으로 스프레이 분사하여 도포하고 건조하여 제1 촉매층을 형성하는 것이 좋다.
이 때, 제1 촉매 물질 100 중량부에 대하여 바인더 수지를 250 내지 350 중량부, 용매를 150 내지 250 중량부 포함하여 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조한다. 바람직하게는 제1 촉매 물질 100 중량부에 대하여 바인더 수지를 280 내지 320 중량부, 용매를 180 내지 220 중량부 포함하여 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조한다.
또한 상기 제2 촉매층 형성단계는 제2 촉매 물질, 바인더 수지 및 용매를 혼합하고, 상온에서 초음파(sonication) 교반 1 내지 3시간 실시 후 상온에서 자석 교반 10 내지 15시간 실시하여 제2 촉매 슬러리를 제조할 수 있다.
상기 제조된 제2 촉매 슬러리를 전해질 막 상에 0.1 내지 0.7mg/cm2의 로딩량으로 스프레이 분사하여 도포하고 건조하여 제2 촉매층을 형성한다. 바람직하게는 0.2 내지 0.5mg/cm2의 로딩량으로 스프레이 분사하여 도포하고 건조하여 제2 촉매층을 형성하는 것이 좋다.
본 발명의 일실시예에 따른 수전해용 막 전극 접합체는 상기 제조방법에 의하여 제조되어, 촉매 물질을 포함하여 형성된 한 쌍의 촉매층(20) 및 상기 한 쌍의 촉매층 사이에 개재된 전해질 막(10)을 포함하는 수전해용 막 전극 접합체로서, 더욱 구체적으로 제1 촉매 물질을 포함하여 형성된 제1 촉매층(21)과 제2 촉매 물질을 포함하여 형성된 제2 촉매층(22) 및 상기 제1 촉매층 및 제2 촉매층 사이에 개재된 전해질 막(10)을 포함한다.
촉매층(20)은 촉매 물질, 바인더 수지 및 용매가 혼합된 전극 슬러리를 이용하여 제조되며, 본 발명에 따른 촉매층은 전해질 막에 직접 스프레이 분사하여 형성된 층으로서 데칼법을 이용하여 전해질 막과 촉매층이 별도로 제작된 후 열융착된 경우와 비교하여 계면이 연속적으로 형성되기 때문에 접착력이 우수하고, 계면 저항 감소 효과가 우수하다.
상기 전해질 막(10)은 프로톤(proton)이 투과할 수 있는 물질로서, 불소계 고분자 화합물, 탄화수소계 고분자 화합물이나 무기 고분자 화합물과의 혼합물 또는 고분자쇄 내에 C-H 결합과 C-F 결합의 양쪽을 포함하는 부분 불소계 고분자 화합물일 수도 있다.
본 발명에 따른 수전해용 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)는 도 1에 나타낸 것과 같이 물과 이산화탄소의 산화환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 수소, 산소 및 일산화탄소를 생산하는 것으로서, 물과 이산화탄소의 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극과 수소 이온의 전달이 일어나는 전해질 막의 접합체를 의미하는 것으로서, 촉매층과 전해질 막이 접착된 단일의 일체형 유니트(unit)이다.
본 발명에 따른 수전해용 막 전극 접합체에는 물에 이산화탄소를 용해시켜 물과 이산화탄소를 함께 공급하거나 물을 공급하면서 펌프 등을 이용하여 이산화탄소를 주입하는 등 다양한 방법으로 제공할 수 있다. 예를 들면 중공사막 필터의 내부에 물이 흐르게 하고 중공사막 필터의 외부에서 이산화탄소를 가압하여 이산화탄소가 중공사막의 기공을 통해 중공사막 필터 내부로 침투하면서 마이크로 버블화 하여 물 속에 용해되도록 하면서 막 전극 접합체에 공급할 수 있다.
실시예
(1) 실시예
전해질 막으로서 6cm x 6cm 크기의 Nafion 117(Dufont)을 준비한 후, 전처리 하여 전해질 막 표면에 미세한 기공을 형성하였다.
Iridium black 100mg, Nafion Ionomer 용액(5wt%) 302mg, IPA 100mg, 증류수 100mg로 혼합하고, 상온에서 초음파(sonication) 교반 2시간 실시 후, 상온에서 자석 교반기 12시간 실시하여 제1 촉매 슬러리를 제조하였다.
Pt/C(Pt60wt%) 100mg, Nafion Ionomer 용액(5wt%) 520mg, IPA 206mg, 증류수 245mg로 혼합하고, 상온에서 초음파(sonication) 교반 2시간 실시 후, 상온에서 자석 교반기 12시간 실시하여 제2 촉매 슬러리를 제조하였다.
노즐을 구비하는 분사 장치를 이용하여 상기 제조된 촉매 슬러리를 압력을 가하여 상기 전해질 막의 양면에 각각 분사하였다. 제1 촉매 슬러리는 로딩량 1.68 mg/cm2으로 분사하고, 제2 촉매 슬러리는 로딩량 0.2 mg/cm2으로 분사하고 건조하여 2.3cm x 2.2cm 크기의 촉매층을 형성하여 6cm x 6cm 크기의 막 전극 접합체를 제조하였다.
(2) 비교예 1
Iridium black 100mg, Nafion Ionomer 용액(5wt%) 302mg, IPA 100mg, 증류수 100mg로 혼합하고, 상온에서 초음파(sonication) 교반 2시간 실시 후, 상온에서 자석 교반기 12시간 실시하여 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 폴리이미드(polyimide) 필름상에서 캐스팅하여 도포하며, 로딩량 1.68 mg/cm2으로 제조하고, 2.3cm x 2.2cm 크기로 제1 촉매층을 제작하였다.
Pt/C(Pt60wt%) 100mg, Nafion Ionomer 용액(5wt%) 520mg, IPA 206mg, 증류수 245mg 로 혼합하고, 상온에서 초음파(sonication) 교반 2시간 실시 후, 상온에서 자석 교반기 12시간 실시하여 슬러리를 제조하였다. 제조된 슬러리를 폴리이미드(polyimide) 필름상에서 캐스팅하여 도포하며, 로딩량 0.2 mg/cm2으로 제조하고, 2.3cm x 2.2cm 크기로 제2 촉매층을 제작하였다.
Nafion 117(Dufont)에 대해 90℃에서 5wt% 과산화수소용액에서 1시간 처리한 후, 동일온도에서 0.5M 황산용액에서 1시간 처리한 후, 증류수로 세척하였다.
상기 폴리이미드 필름 상에 캐스팅된 제2 촉매층 상에 나피온 멤브레인막을 적층하고, 멤브레인막 위에 제1 촉매층 면이 오도록 적층한 후, 130℃, 4Mpa 의 핫프레스 조건에서 1분 30초 동안 전사(열처리) 한 후, 상하부의 폴리이미드 필름을 제거하여 6cm x 6cm 크기의 막 전극 접합체를 제작하였다.
(3) 비교예 2
제1 촉매 물질로는 이리듐 블랙을, 제2 촉매 촉매 물질로는 백금 블랙을 사용하였으며, 각각의 촉매에 나피온 바인더(촉매 대비 25~35wt%), 이소프로필 용매(촉매 대비 45~55wt%)를 혼합하여 촉매 슬러리를 제조한 후, 잘 분산되도록 교반과 초음파 처리를 진행하였다. 잘 분산된 촉매 슬러리를 기체 이송식 스프레이법을 사용하여 티타늄(Ti) 메쉬(기체 확산층)에 촉매층을 형성시켰으며, 이 후 유기용매를 제거하기 위해 90℃ 1일 동안 오븐에서 건조시켰다. 이렇게 제조한 기체 확산층에 촉매층이 코팅된 두 전극을 나피온 막을 가운데 두고 135℃ 6ton의 압력으로 5분간 고온압착하여 최종적으로 막 전극접합체를 제조하였다. 이때 전극의 크기는 2.3cm x 2.2cm, 나피온 막의 크기는 6cm x 6cm가 되게 하였다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 전해질 막
20: 촉매층
21: 제1 촉매층
22: 제2 촉매층

Claims (10)

  1. 전해질 막을 제조하는 전해질 막 제조단계; 및
    촉매 물질을 포함하는 촉매 슬러리를 상기 전해질 막의 양면에 스프레이 분사하여 촉매층을 형성하는 촉매층 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 막 전극 접합체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층 형성단계는 제1 촉매 물질을 포함하는 촉매 슬러리를 이용하여 상기 전해질 막의 일면에 스프레이 분사하여 촉매층을 형성하는 제1 촉매층 형성단계 및 제2 촉매 물질을 포함하는 촉매 슬러리를 이용하여 상기 전해질 막의 다른 일면에 스프레이 분사하여 촉매층을 형성하는 제2 촉매층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 막 전극 접합체 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층 형성단계는 촉매 물질, 바인더 수지 및 용매를 포함하여 혼합하여 촉매 슬러리를 제조한 후, 상기 촉매 슬러리를 상기 전해질 막에 스프레이 분사하여 도포한 후 건조하여 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 수전해용 막 전극 접합체 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 막 제조단계는 상기 전해질 막의 표면에 미세 기공을 형성하는 전처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 막 전극 접합체 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 촉매 물질 및 상기 제2 촉매 물질은 각각 독립적으로 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Au), 이리듐(Ir) 및 오스뮴(Os)으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 금속을 담체에 담지시켜 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해용 막 전극 접합체 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 촉매층 형성단계는 상기 제1 촉매 물질 100 중량부에 대하여 바인더 수지를 250 내지 350 중량부, 용매를 150 내지 250 중량부로 포함하여 혼합된 제1 촉매 슬러리를 상기 전해질 막 상에 스프레이 분사하여 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 수전해용 막 전극 접합체 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 촉매층 형성단계는 상기 제1 촉매 물질 100 중량부에 대하여 바인더 수지를 450 내지 600 중량부, 용매를 400 내지 500 중량부로 포함하여 혼합된 제2 촉매 슬러리를 상기 전해질 막 상에 스프레이 분사하여 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 수전해용 막 전극 접합체 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 촉매 물질은 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu), 아연(Zn), 카드뮴(Cd) 및 주석(Sn)으로 구성되는 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해용 막 전극 접합체 제조방법.
  9. 제1 촉매 물질을 포함하여 형성된 제1 촉매층;
    제2 촉매 물질을 포함하여 형성된 제2 촉매층; 및
    상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층 사이에 개재된 전해질 막;을 포함하는 수전해용 막 전극 접합체로서,
    상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층과 상기 전해질 막의 계면이 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 수전해용 막 전극 접합체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전해질 막은 표면에 미세한 기공을 구비하고, 상기 제1 촉매층 및 상기 제2 촉매층은 상기 미세한 기공의 전부 또는 일부를 차지하면서 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 수전해용 막 전극 접합체.
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