KR20200053161A - 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법 및 이를 이용한 막전극 접합체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법 및 이를 이용한 막전극 접합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 연료전지의 촉매 슬러리를 제조할 때 바인더를 고르게 분산시켜 연료전지의 성능과 재현성을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 고온형 고분자 전해질막 연료전지의 촉매 슬러리를 제조할 때 바인더 소재가 고르게 분산되어 있어, 연료전지의 성능과 재현성을 향상시킬 수 있는 전극의 제조방법 및 이를 이용한 막전극 접합체, 나아가 상기 막전극 접합체를 포함하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지를 제공할 수 있다.

Description

고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법 및 이를 이용한 막전극 접합체{Method for manufacturing electrode for high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell and membrane electrode assembly using the same}
본 발명은 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법 및 이를 이용한 막전극 접합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 연료전지의 촉매 슬러리를 제조할 때 바인더를 고르게 분산시켜 연료전지의 성능을 저하시키지 않고 유지할 수 있는 기술에 관한 것이다.
최근 화석연료 기반의 에너지 생산 및 저장 기술을 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서 양성자 교환막 연료전지가 지속적으로 연구되고 있다. 특히, 100 ℃ 내지 200 ℃ 사이의 온도에서 작동하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지는 100 ℃ 이하에서 작동하는 저온형 고분자 전해질막 구동 시스템에 비해 개선된 전극 반응 동역학, 뛰어난 물 및 열 관리, 연료 불순물에 대한 내성 및 폐열 이용과 같은 많은 이점을 제공한다(비특허문헌 1).
연료전지(Fuel Cell)는 전기화학반응에 의해 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
특히, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell)는 작동 온도가 높지 않고, 에너지 밀도가 높으며, 부식성이 적을 뿐 아니라 취급이 용이하다는 장점으로 인하여, 이동형 또는 고정형 전원으로 사용 가능한 깨끗하고 효율적인 에너지 전환 장치인 것으로 받아들여지고 있다.
연료전지 시스템은 예컨대 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)와 발생된 전기를 집전하고, 연료를 공급하는 양극판(bipolar plate) 등의 연속적인 복합체로 구성될 수 있다.
일반적으로 고온형 고분자 전해질막 연료전지의 전극을 제조할 때 사용되는 바인더는 전극의 촉매층 내부에서 전해질인 인산의 적절한 분배 및 연료기체의 통로를 형성하는 중요한 역할을 하여 연료전지의 성능에 영향을 미친다. 즉, 촉매층 내부에 상기 바인더가 고르게 분포되어야 연료전지의 성능과 재현성을 향상시킬 수 있으므로, 촉매 슬러리를 제조할 때는 상기 바인더의 분산 유지가 매우 중요한 요소이다. 하지만 상기 바인더는 소성으로 인하여 쉽게 응집되어 금방 가라앉는 단점을 갖게 된다(특허문헌 1).
따라서, 본 발명에서는 고온형 고분자 전해질막 연료전지의 촉매 슬러리를 제조할 때 바인더가 가라앉지 않고 분산된 상태를 유지시키고자 하는 것이며, 바인더가 고르게 분산된 촉매 슬러리를 이용함으로써 연료전지의 성능과 재현성을 향상시킬 수 있는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법, 이를 이용한 막전극 접합체 및 나아가 이를 이용한 연료전지를 제공하고자 하는 것이다.
한국공개특허 제2018-0002089호
1 S. Han, et al., Journal of Sensors, 2016(2015).
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고온형 고분자 전해질막 연료전지의 촉매 슬러리를 제조할 때, 바인더 소재를 고르게 분산시켜 연료전지의 성능과 재현성을 향상시킬 수 있는 전극의 제조방법 및 이를 이용한 막전극 접합체를 제공하고자 하는 것이다.
나아가, 상기 막전극 접합체를 포함하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, (A) 계면활성제 용액에 바인더를 첨가하여 혼합물로 제조하는 단계;
(B) 상기 혼합물에 촉매를 첨가하여 촉매 슬러리를 제조하는 단계; 및
(C) 상기 촉매 슬러리를 전극 지지체 상에 도포하여 전극으로 제조하는 단계;를 포함하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
상기 (A) 단계는 계면활성제 용액에 바인더를 첨가하고 1 내지 30분 동안 소니케이션으로 분산시키는 것이 바람직하다.
상기 계면활성제 용액은 계면활성제, 증류수 및 이소프로필 알코올을 포함하며,
상기 계면활성제는 불소계 계면활성제, 실리콘계 계면활성제, 비이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제 및 음이온계 계면활성제 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.
상기 바인더는 플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 촉매는 금속 촉매 또는 탄소 담지체에 담지된 금속 촉매이며,
상기 금속 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 갈륨, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리 또는 아연) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 도포는 바 코팅법, 스프레이 코팅법 및 붓칠법 중에서 선택된 어느 하나 이상의 방법을 통해 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 대표적인 일 측면에 따르면, (D) 고분자 전해질막을 열처리하는 단계; 및
(E) 상기 제조방법을 통해 제조된 전극의 일측, 또는 양측에 상기 고분자 전해질막을 형성하여 전극을 조립하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다.
상기 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 퍼플루오로카본 술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 메타-폴리벤즈이미다졸, 파라-폴리벤즈이미다졸, 폴리[2-5-벤즈이미다졸], 및 무기산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 열처리는 100 내지 130 ℃의 온도에서 1 내지 2시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 제조방법으로 제조된 막전극 접합체를 포함하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 고온형 고분자 전해질막 연료전지의 촉매 슬러리를 제조할 때 바인더 소재가 고르게 분산되어 있어, 연료전지의 성능과 재현성을 향상시킬 수 있는 전극의 제조방법 및 이를 이용한 막전극 접합체, 나아가 상기 막전극 접합체를 포함하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예 1에서 FC-4430(불소계 계면활성제)의 유무에 따른 용매에서의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 분산 상태를 비교한 사진으로, 1a는 분산 직후를 나타내고, 1b는 분산 후 1시간이 경과한 사진을 나타낸다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 전극을 나타낸 사진이다.
도 3은 비교예 2에서 제조된 막전극 접합체를 이용한 고온형 고분자 전해질막 연료전지의 전기화학적 특성을 분석한 결과를 나타낸 전류-전압 곡선 그래프이다.
도 4는 실시예 2에서 제조된 막전극 접합체를 이용한 고온형 고분자 전해질막 연료전지의 전기화학적 특성을 분석한 결과를 나타낸 전류-전압 곡선 그래프이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (A) 계면활성제 용액에 바인더를 첨가하여 혼합물로 제조하는 단계;
(B) 상기 혼합물에 촉매를 첨가하여 촉매 슬러리를 제조하는 단계; 및
(C) 상기 촉매 슬러리를 전극 지지체 상에 도포하여 전극으로 제조하는 단계;를 포함하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.
상기 (A) 단계는 계면활성제 용액에 바인더를 첨가하여 혼합물로 제조하는 단계이다.
상기 계면활성제 용액은 계면활성제, 증류수 및 이소프로필 알코올을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 계면활성제는 상기 바인더가 촉매 슬러리 내에서 고르게 분산될 수 있도록 하는 역할을 하였으며, 반드시 용액 상태에서 바인더와 혼합되어야 촉매 슬러리 내에 바인더를 고르게 분산시킬 수 있다. 이는 도 1을 통해 육안으로도 직접 확인할 수 있는데, 도 1a는 바인더 분산 직후의 사진으로 계면활성제 유무에 따른 차이가 없다. 도 1b는 바인더 분산 후 1시간이 경과한 사진이다. 왼쪽 용액은 계면활성제가 첨가되지 않은 것을 나타낸 것으로, 바인더가 아래쪽에 가라앉아 분리된 층을 형성하는 것을 알 수 있다. 반면에, 오른쪽의 계면활성제가 첨가된 경우에는 바인더가 고르게 분산되어 있어, 상기 계면활성제는 바인더의 분산 상태에 매우 중요한 역할을 하는 것을 확인할 수 있다.
구체적으로, 상기 계면활성제는 불소계 계면활성제, 실리콘계 계면활성제, 비이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제 및 음이온계 계면활성제 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 불소계 계면활성제인 것이다.
상기 불소계 계면활성제는 3M 사의 노벡(Novec)계, Du Pont 사의 조닐(Zonyl)계, 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 구체적으로, 상기 노벡계 계면활성제로는 Novec 4200(Ammonium Fluoroalkylsulfonamide), Novec 4300(Ammonium Fluoroalkylsulfonate), Novec 4430(polymeric fluorochemical active), Novec 4432(polymeric fluorochemical actives) 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 조닐계 계면활성제로는 Zonyl TBS(RfCH2CH2SO3X(X=H 또는 NH4), Rf=F(CF2CF2)3-8), Zonyl FSN(RfCH2CH2O(CH2CH2O)xH)), Zonyl FSP(RfCH2CH2O)P(O)(ONH4)2 등이 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는 Novec 4430(polymeric fluorochemical active)인 것으로, 상기 Novec 4430를 사용했을 때, 연료전지의 전기화학적 특성을 전혀 저하시키지 않는 것을 확인하였다.
또한, 상기 바인더는 플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
보다 상세하게는 상기 바인더는 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 스티렌 부타디엔 고무 및 폴리우레탄 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 폴리테트라플루오르에틸렌인 것으로, 고분자 전해질막에서 무기산이 방출되는 것을 억제할 수 있다.
상기 (B) 단계는 상기 (A) 단계를 통해 제조된 혼합물에 촉매를 첨가하여 촉매 슬러리를 제조하는 단계이다.
상기 (B) 단계는 상기 (A) 단계를 통해 제조된 혼합물에 촉매를 첨가하여 촉매 슬러리를 제조하는 단계이다.
상기 촉매는 연료전지의 반응(수소의 산화 및 산소 환원)을 촉매적으로 도와줄 수 있는 금속 촉매 또는 탄소 담지체에 담지된 금속 촉매를 포함할 수 있다. 상기 금속 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 갈륨, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리 또는 아연 중에서 선택된 어느 하나 이상의 전이 금속이다)을 포함하는 것이 바람직하다.
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 수퍼 P 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 촉매가 백금 담지탄소(platinized carbon: Pt/C)인 것이며, 상기 촉매 중 백금의 양은 바람직하게 촉매 전체의 40 내지 50 중량%일 수 있다.
상기 (C) 단계는 상기 (B) 단계를 통해 제조된 촉매 슬러리를 전극 지지체 상에 도포하여 전극으로 제조하는 단계이다.
상기 전극 지지체는 기체 확산층일 수 있으며, 도전성 기재로 이루어질 수도 있다. 상기 기체 확산층은 연료전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서, 촉매층으로 반응 기체를 확산하여 촉매층으로 반응 기체가 접근할 수 있는 역할을 하였다.
상기 도포는 바 코팅법(Bar-coating), 스프레이 코팅법(spray coating), 붓칠법(brushing) 등의 방법을 통해 수행되는 것이 바람직하다.
상기 전극은 아르곤 분위기에서 200 내지 500 ℃의 온도로 1 내지 5 시간 동안 열처리하여 최종적으로 제조하는 것이 더욱 바람직하다. 만일 상기 온도 범위를 벗어나는 경우에는 전극에 균열이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
상술한 제조방법을 통해 제조된 전극은 연료전지의 애노드 및 캐소드 각각 또는 모두에 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (D) 고분자 전해질막을 열처리하는 단계; 및
(E) 상술한 제조방법에 따라 제조된 전극의 일측, 또는 양측에 상기 고분자 전해질막을 형성하여 전극을 조립하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법을 제공한다.
상기 (D) 단계는 고분자 전해질막을 열처리하는 단계이다.
상기 열처리는 100 내지 130 ℃의 온도에서 1 내지 2시간 동안 수행되는 것이 바람직한데, 상기 온도 및 시간 범위를 벗어나는 경우에는 전해질막의 균열을 발생시킬 수 있어 바람직하지 않다.
상기 고분자 전해질막은 이오노머로 이루어지는 것으로서, 구체적으로 퍼플루오르술폰산 폴리머, 퍼플루오로카본 술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 메타-폴리벤즈이미다졸, 파라-폴리벤즈이미다졸, 폴리[2-5-벤즈이미다졸], 및 무기산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 인산이 도핑된 폴리벤지이미다졸 고분자 전해질막인 것이다.
예를 들어 인산과 같은 무기산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸을 사용하는 경우에는, 상기 열처리 공정에 앞서 인산을 폴리벤즈이미다졸에 도핑시키는 공정을 추가로 실시할 수도 있다.
상기 (E) 단계는 앞서 상술한 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법에 따라 제조된 전극의 일측, 또는 양측에 상기 고분자 전해질막을 형성하여 전극을 조립하는 단계이다. 앞서 상술한 바와 같이, 상기 전극은 연료전지의 애노드 및 캐소드 각각 또는 모두에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상술한 제조방법을 통해 제조된 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공할 수 있다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
제조예 1: 인산이 도핑된 p- Polybenzimidazole (p- PBI ) 막의 제조
건조된 3.3'-Diaminobenzidine(3 g), Terephthalic acid(2.3497 g)과 Polyphosphoric acid(125 g)을 둥근 바닥 플라스크에 넣고 아르곤 분위기에서 150 ℃의 온도로 15시간 동안 교반한다. 그 후 220 ℃로 승온하고 4-7 시간 동안 교반한 뒤 적당한 점도에 도달하면 인산(50 ml)을 넣고 반응을 종결시킨다. 2-3 시간 동안 교반하여 고분자를 인산에 완전히 녹인 뒤 고분자 혼합물을 유리판 위에 붓고 닥터블레이드를 이용하여 캐스팅하였다. 캐스팅한 고분자는 가습 챔버 안에서 50 ℃의 온도 및 RH 80%(습도) 조건으로 24 시간 동안 가수분해하여 고분자 전해질막을 제조하였다.
실시예 1: 계면활성제(Surfactant)를 이용한 촉매 슬러리 및 애노드 전극의 제조
FC-4430(1 g, 3M 사/Novec 4430)에 Distilled water(10.6 g), Isopropyl alcohol(10.6 g)을 넣고 울트라소니케이션(Ultrasonication)으로 분산시켜 계면활성제 용액을 제조한다. 그리고, 여기에 Polytetrafluoroethylene(PTFE, 2.054 g)을 넣고 팁 소니케이션(Tip sonication)으로 10분 동안 분산시켜 준다. 이 용액을 46.2% Pt/C(3.858 g)에 넣고 다시 팁 소니케이션을 25분 동안 진행하고 호모자이저(Homgenizer)를 이용하여 1시간 동안 분산시켜 촉매슬러리를 제조한다. 완성된 촉매슬러리를 이용하여 기체 확산층(Gas diffusion layer, GDL) 위에 필름 애플리케이터(Film Applicator)로 바 코팅(Bar-coating)하여 Pt 함량이 0.6 mg/cm2이 되도록 전극을 제조한다. 제조된 전극은 아르곤 분위기에서 350 ℃의 온도로 2시간 동안 열처리하여 최종적으로 애노드(anode) 전극을 제조하였다.
실시예 2: 막전극 접합체의 제조
제조예 1에서 만들어진 인산이 도핑(doping)된 Polybenzimidazole(PBI, 구조식 참조) 전해질막을 오븐 속에 넣고 130 ℃의 온도에서 30분 동안 열처리하였다. 그리고, 인산용액과 에탄올 용액의 비가 1:6인 혼합 용액을 만들어 캐소드(Cathode) 전극(Pt 함량 1.0 mg/cm2, 바스프 전극)의 표면에 붓을 이용하여 주입한 후, 오븐 속에 넣고 130 ℃의 온도에서 1시간 동안 열처리하였다. 상기 실시예 1에서 제조한 애노드(Anode) 전극 및 열처리한 전해질막과 캐소드(Cathode) 전극을 테프론 및 캡톤 가스켓과 함께 제조하여 막전극 접합체를 제조하였다.
[구조식]
Figure pat00001

비교예 1: 계면활성제가 없는 촉매 슬러리 및 애노드 전극의 제조
실시예 1과 동일하게 실시하되, FC-4430를 사용하지 않고 촉매 슬러리 및 애노드 전극을 제조하였다.
비교예 2: 막전극 접합체의 제조
실시예 2와 동일하게 실시하되, 실시예 1 대신에 비교예 1의 애노드 전극을 이용하여 막전극 접합체를 제조하였다.
도 1은 실시예 1에서 FC-4430의 유무에 따른 용매에서의 PTFE 분산 상태를 비교한 사진이다.
도 1a는 PTFE 분산 직후의 사진으로 FC-4430의 유무에 따른 차이가 없다. 반면에, 도 1b는 분산 후 1시간이 경과한 사진으로 왼쪽의 용액은 FC-4430가 첨가되지 않은 것으로 PTFE가 아래쪽에 가라앉아 분리된 층을 형성하는 것을 알 수 있다. 반면에, 오른쪽의 FC-4430를 첨가한 용액을 살펴보면 PTFE가 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 전극을 나타낸 사진으로, 실시예 1의 제조된 전극을 육안으로 확인할 수 있다.
도 3은 비교예 2에서 제조된 막전극 집합체를 이용한 고온형 고분자 전해질막 연료전지의 전기화학적 특성을 분석한 결과를 나타낸 것으로 재현성을 알아보기 위해 막전극 접합체 2개를 제조하여 각각 분석하였다.
도 4는 실시예 2에서 제조된 막전극 집합체를 이용한 고온형 고분자 전해질막 연료전지의 전기화학적 특성을 분석한 결과를 나타낸 것으로 재현성을 알아보기 위해 막전극 접합체 2개를 제조하여 각각 분석하였다.
도 3 및 4는 각각 비교예 2와 실시예 2의 막전극 접합체를 이용하여 제조된 고온형 고분자 전해질막 연료전지를 이용한 테스트 결과를 나타낸 전류-전압 곡선 그래프로, 그래프에서의 X축은 단위 면적당 전류(A/cm2)이고, Y축은 전압(V)을 나타낸다.
따라서, 본 발명에 따르면 고온형 고분자 전해질막 연료전지의 촉매 슬러리를 제조할 때 바인더 소재가 고르게 분산되어 있어, 연료전지의 성능을 저하시키지 않고 유지할 수 있는 전극의 제조방법 및 이를 이용한 막전극 접합체, 나아가 상기 막전극 접합체를 포함하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. (A) 계면활성제 용액에 바인더를 첨가하여 혼합물로 제조하는 단계;
    (B) 상기 혼합물에 촉매를 첨가하여 촉매 슬러리를 제조하는 단계; 및
    (C) 상기 촉매 슬러리를 전극 지지체 상에 도포하여 전극으로 제조하는 단계;를 포함하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계면활성제 용액은 계면활성제, 증류수 및 이소프로필 알코올을 포함하며,
    상기 계면활성제는 불소계 계면활성제, 실리콘계 계면활성제, 비이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제 및 음이온계 계면활성제 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (A) 단계는 계면활성제 용액에 바인더를 첨가하고 1 내지 30분 동안 소니케이션으로 분산시키는 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 금속 촉매 또는 탄소 담지체에 담지된 금속 촉매이며,
    상기 금속 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 갈륨, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리 또는 아연) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도포는 바 코팅법, 스프레이 코팅법 및 붓칠법 중에서 선택된 어느 하나 이상의 방법을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법.
  7. (D) 고분자 전해질막을 열처리하는 단계; 및
    (E) 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따라 제조된 전극의 일측, 또는 양측에 상기 고분자 전해질막을 형성하여 전극을 조립하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 퍼플루오로카본 술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 메타-폴리벤즈이미다졸, 파라-폴리벤즈이미다졸, 폴리[2-5-벤즈이미다졸], 또는 인산이 도핑된 폴리벤즈이미다졸인 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 열처리는 100 내지 130 ℃의 온도에서 1 내지 2시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 막전극 접합체의 제조방법.
  10. 제7항에 따라 제조된 막전극 접합체를 포함하는 고온형 고분자 전해질막 연료전지.
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