KR20230140748A - 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법 및 이를 사용하는 막-전극 접합체 - Google Patents
불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법 및 이를 사용하는 막-전극 접합체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층 및 막-전극 접합체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 입자를 준비하는 제1 단계; 플루오린 가스를 포함하는 혼합 기체로 상기 제1 단계의 나노입자를 열처리 또는 플라즈마 처리하거나, 무기계 불소 전구체와 상기 제1 단계의 나노입자를 비드밀(Bead Mill)로 혼합 후 열처리 또는 플라즈마 처리하여 불화처리된 미담지 나노입자를 만드는 제2 단계; 및 상기 제2 단계의 불화처리된 미담지 나노입자로 촉매층을 만드는 제3 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법 및 이를 사용하는 막-전극 접합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고결정성 흑연, 흑연화 탄소 또는 질화붕소와 같은 나노입자를 불화처리 후 얻어진 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법 및 이를 사용하는 막-전극 접합체에 관한 것이다.
최근에 화석연료의 과도한 사용에 따른 환경오염과 석유 가격 급등의 영향으로 환경오염원의 배출이 적고, 에너지 효율이 높은 연료전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 연료전지는 원료 물질이 가진 화학에너지를 기계적인 에너지로 변환시키지 않고 전기화학적 변환방법을 이용하여 직접 전기에너지로 변환시키는데, 연료전지는 물의 전기분해와 반대되는 원리로, 물을 전기분해할 때는 외부의 전기를 통해 물을 수소와 산소로 분해하는 반면에, 연료전지는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기를 발생시킨다. 이를 화학반응식으로 표기하면 식 (1) 및 식 (2)와 같다.
식 (1)
Anode 전극 : H2 → 2H+ + 2e-
Anode극에서의 반응은 산화반응이며 수소의 산화는 백금으로 구성된 촉매에서 쉽게 일어나며, 저온 연료전지의 Anode촉매는 수소를 산화시켜야하며, 실제 시스템에서는 연료가 순수한 수소인 경우보다는 CO, S 또는 NH3 등을 포함 할 수도 있다. 이 중 CO는 저온 연료전지의 주요한 독성 물질이며 백금 촉매에 흡착 되기 쉽다. 백금 촉매에 흡착된 일산화 탄소는 촉매의 활성 점에 붙어 수소와의 반응영역을 줄여 촉매를 약화시킨다. 일산화탄소의 피해를 줄이기 위해서는 CO를 CO2로 산화시켜야 한다
식 (2)
Cathode 전극 : 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O
Cathode극에서의 반응은 환원반응이며, 전해질을 거쳐 Anode에 이르러 Anode에서 산화된 수소와 다시 결합하는 과정을 통해 물을 만든다. Cathode는 백금 계열 촉매의 우수성으로 인하여, 널리 연구되어 왔으며, 물질이 산소의 환원작용에 있어서 가장 뛰어나다. 저온 동작으로 인한 낮은 반응성을 보상하기 위해 산소 촉매를 위한 금속의 첨가량이 높고 또한 이러한 타입의 연료전지는 공기를 Cathode 가스로 사용하는데 이 중 산소의 부분압력은 순수 산소에 비해 낮기 때문에 반응의 활성이 감소된다. Cathode 층의 다공성은 기공 형성 물질을 추가 함으로써 최적화될 수 있다.
연료전지는 연료나 재질에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC) 등의 다양한 종류가 존재한다. 연료전지 발전 장치는 화학적으로 수소를 함유하는 일반 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스 메탄올 등)로부터 연료전지가 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변환하는 장치인 연료 개질기(Fuel Reformer), 연료 개질기에서 들어오는 수소와 공기 중의 산소로 직류 전기와 물 및 부산물인 열을 발생시키는 스택(Stack), 연료전지에서 나오는 직류 전원을 교류 전원으로 변환시키는 인버터(Inverter)로 구성된다. 상기 스택의 가장 주요한 부분이 막-전극 접합체이다. 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)는 산소와 수소의 화학적 반응을 이끌어내 전기에너지로 변환시키는 역할을 하는 필름형태의 접합체이다. 연료전지에 공급된 수소와 산소는 각각 음극과 양극에서 전자를 내어놓으며 이온이 되고 내어진 전자는 외부로 빠져나가 전류가 된다. 이런 반응이 막-전극 접합체에서 일어나게 된다. 막-전극 접합체는 전해질 막, 애노드(Anode), 캐소드(Cathode)로 구성된다.
연료전지에서는 환원극 반응으로부터 생성되는 물과 가습된 연료 가스를 통해 주입되는 물이 지속적으로 유입 및 배출되기 때문에 전극에서의 효율적인 물관리는 필수적이라고 볼 수 있다. 물관리가 이루어지지 않는 전극에서는 물이 적체되어 기공을 막게되는 플러딩(flooding) 현상이 일어나게 된다. 이러한 플러딩 현상은 고전류 밀도 영역에서의 성능을 감소시키고 장기적으로는 탄소 부식으로 인한 내구성 저하를 가속화시키는 악영향을 미치게 된다. 연료전지의 효율적인 물 관리를 위해 다양한 전극 제조 기술이 제안되어왔지만, 효율적인 물 관리와 관련해서는 더 많은 연구가 필요한 실정이다.
Fluorination of Vulcan XC-72R for cathodic microporous layer of passive micro direct methanol fuel cell, J Appl Electrochem (2010) 40:2117-2124
Fluorine-enriched mesoporous carbon as efficient oxygen reduction catalyst: understanding the defects in porous matrix and fuel cell applications, Nanoscale Adv., 2019, 1, 4926-4937
PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL WITH ENHANCED DURABILITY USING FLUORINATED CARBON AS ELECTROCATALYST, E3S Web of Conferences 16, 17001 (2017)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로,
불화처리된 미담지 나노입자의 소수성과 입자간 기공 형성에 의한 촉매층 기공 구조를 형성을 이용한 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층 및 막-전극 접합체의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법은, 나노입자를 준비하는 제1 단계; 플루오린 가스를 포함하는 혼합 기체로 상기 제1 단계의 나노입자를 열처리 또는 플라즈마 처리하거나, 무기계 불소 전구체와 상기 제1 단계의 나노입자를 비드밀(Bead Mill)로 혼합 후 열처리 또는 플라즈마 처리하여 불화처리된 미담지 나노입자를 만드는 제2 단계; 및 상기 제2 단계의 불화처리된 미담지 나노입자로 촉매층을 만드는 제3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 단계의 나노입자는 고결정성 흑연, 흑연화 탄소 및 질화붕소 중 어느 하나 또는 그의 혼합물인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 혼합 기체는 HF(플루오린화 수소), NaF(플루오린화 나트륨), AgF(플루오린화 은), H2SiF6(플루오린화 규산), CFC(염화 플루오린화 탄소, 프레온 가스), SF6(육플루오린화 황), SiF4(사플루오린화 규소) 및 HFC(수소 플루오린화 탄소) 중 어느 하나 또는 그의 혼합물을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 단계의 열처리는 200 내지 800℃의 온도에서, 10 내지 300분간 진행하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 무기계 불소 전구체는, HF, NH4F, CaF2, SiF6, PF3, PF5, (NH4)2SiF6, ClF6, NH4BF4 및 (NH4)2AlF6로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제2 단계의 상기 불화처리된 미담지 나노입자 내에서, 불소의 함량은 5 내지 20 중량%인 것이 바람직하다.
여기서, 불화처리 전후의 나노입자의 크기는 ±5% 이내의 크기 변화를 가지는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제2 단계의 상기 불화처리된 미담지 나노입자는 전체 전극 고형분 대비 5 내지 15 중량%인 것이 바람직하다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 막-전극 접합체는 전술한 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법에 의하여 제조된 촉매층을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 불화처리된 미담지 나노입자를 촉매층 내 포함함으로써 촉매층의 기공도 향상을 통한 물질전달 개선 효과가 있다.
또한, 본 발명은 불화처리된 미담지 나노입자의 소수성 특성으로 인해 기공 내 물 축적 방지를 통해 막-전극 접합체의 성능 및 내구성을 개선하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 불화처리된 미담지 나노입자의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예와 비교예의 촉매를 활용해 제작된 연료전지의 성능평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 불화처리된 미담지 나노입자의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예와 비교예의 촉매를 활용해 제작된 연료전지의 성능평가 결과를 보여주는 그래프이다.
하기에 나타난 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법 및 이를 사용하는 막-전극 접합체에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법의 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법은 다음과 같다.
제1 단계(S10) : 나노입자를 준비하는 단계
제2 단계(S20) : 플루오린 가스를 포함하는 혼합 기체로 상기 제1 단계(S10)의 나노입자를 열처리 또는 플라즈마 처리하거나, 무기계 불소 전구체와 제1 단계(S10)의 나노입자를 비드밀(Bead Mill)로 혼합 후 열처리 또는 플라즈마 처리하여 불화처리된 미담지 나노입자를 만드는 단계
제3 단계(S30) : 상기 제2 단계(S20)의 불화처리된 미담지 나노입자로 촉매층을 만드는 단계
제1 단계(S10)는 불화처리된 미담지 나노입자를 만들기 위해 우선 나노입자를 준비하는 단계이다. 나노입자로는 고결정성 흑연, 흑연화 탄소 또는 질화붕소를 사용할 수 있다. 고결정성 흑연은 코크스, 천연흑연, 석탄, 피치, 그 밖의 탄소재료를 2,500℃ 이상으로 열처리함으로써 얻을 수 있다. 고결정성 흑연의 원료로서 코크스를 사용할 경우, 하소 코크스 또는 생 코크스를 사용할 수 있다. 코크스의 원료로서는, 예를 들면 석유 피치, 석탄 피치, 석탄 피치 코크스, 석유 코크스 및 이것들의 혼합물을 사용할 수 있다. 이것들 중에서도, 특정 조건 하에서 딜레이드 코킹을 행한 코크스를 불활성 분위기에서 가열한 것이 바람직하다. 본 발명의 고결정성 흑연은, 분말 X선 회절법(XRD)에 의해 측정되는 능면체정비(능면체정 구조와 육방정 구조의 합계에 대한 능면체정 구조의 비율)가 0.02 이하인 것이 바람직하다. 고결정성 흑연 중에 능면체정이 많으면 충방전시의 구조 변화가 커지기 때문에 전극 밀도의 저하가 커지고, 전지의 에너지 밀도의 저하가 현저해진다. 또한, 흑연화 탄소는 원통형 구조의 탄소나노물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 흑연화 탄소는 탄소나노섬유, 탄노나노튜브, 탄소나노와이어 및 다공성 탄소 구조체 중 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 제한되는 것은 아니며 원통형 구조, 튜브형 구조 및 다공성 구조를 갖는 탄소나노물질 중 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 추가적으로 질화붕소는 나노입자, 나노시트 및 선형 구조의 질화붕소 중 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 나노입자는 상기 물질에만 한정되지 않고, 소수성을 나타내는 안정적인 나노입자는 모두 활용 가능하다.
제2 단계(S20)는 플루오린 가스를 포함하는 혼합 기체로 상기 제1 단계(S10)의 나노입자를 열처리 또는 플라즈마 처리하거나, 무기계 불소 전구체와 제1 단계(S10)의 나노입자를 비드밀(Bead Mill) 등으로 혼합 후 열처리 또는 플라즈마 처리하여 불화처리된 미담지 나노입자를 만드는 단계이다. 본 발명은 불화처리를 하기 위하여 플루오린(Fluorine) 가스를 사용할 수 있다. 원소 상태의 플루오린은 이원자 분자인 F2로 존재하며 독성과 부식성이 큰 연한 황록색 가스이다. 플루오린 가스는 반응성이 크고, 강한 산화제이며 전기음성도가 큰 원소이며, 막-전극 접합체의 기공 내에 발생할 수 있는 물 축적 방지를 통해 막-전극 접합체의 성능 및 내구성은 개선할 수 있다.
본 발명의 플루오린 가스를 포함하는 혼합 기체는 HF(플루오린화 수소), NaF(플루오린화 나트륨), AgF(플루오린화 은), H2SiF6(플루오린화 규산), CFC(염화 플루오린화 탄소, 프레온 가스), SF6(육플루오린화 황), SiF4(사플루오린화 규소), HFC(수소 플루오린화 탄소) 중 하나 또는 복수를 포함하는 기체를 사용할 수 있다. 플루오린 혼합 가스의 열처리 조건은 200 내지 800℃의 온도에서 10 내지 300분간 진행하며, 더욱 바람직하게는 300 내지 700℃의 온도에서 20 내지 200분간 진행할 수 있다.
또한, 플루오린 혼합 기체 대신 무기계 불소 전구체를 상기 제1 단계의 고결정성 흑연, 흑연화 탄소 또는 질화붕소와 0.1mm 내지 0.5mm의 비드를 사용하는 비드밀 또는 상기 비드를 포함하는 공명음향혼합으로 분쇄, 분산 및 혼합 후 열처리를 거쳐 제조한다. 상기 무기계 불소 전구체는 HF, NH4F, CaF2, SiF6, PF3, PF5, (NH4)2SiF6, ClF6, NH4BF4 및 (NH4)2AlF6로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 무기계 불소 전구체와의 혼합물의 열처리 조건은 200 내지 800 ℃의 온도에서 10 내지 300분으로 진행하며, 더욱 바람직하게는 300 내지 700℃의 온도에서 20 내지 200분으로 진행할 수 있다. 비드밀 분산과 관련된 팩터들은 질량속(Mass Flux, MF), 비드밀 로터의 속도(Rotor Speed, RS), 비드의 크기(Bead Size, BS), 패스 회수(pass number, P) 등을 제어하며, 공명음향혼합과 관련된 팩터들은 중력가속도(g), 진동수(Hz), 처리시간, 비드 크기 및 종류 등을 물리적으로 흑연, 흑연화 탄소 또는 질화붕소의 표면에 불화처리를 수행 후 열처리를 통해 결정 내에 고착화할 수 있다.
한편, 기체를 이용한 열처리 및 비드밀을 통한 균질 혼합 후 열처리 외에 플루오린 혼합 기체를 10 내지 30MHz의 RF power를 이용하여 플라즈마를 발생시켜서 10 내지 60분 동안 플라즈마 처리하여 불화처리된 미담지 나노입자를 만들 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 불화처리된 미담지 나노입자의 개략도이다. 도 2를 참조하면, 제2 단계(S20)를 거치게 되면 나노입자의 표면에 플루오린이 미담지 상태로 남게 되는 불화처리된 미담지 나노입자가 생성되게 된다.
상기 불화처리된 미담지 나노입자는 종래의 수용액상에서 불소계 고분자 수지와 혼합 후 열처리 등을 통해 제조되는 불화처리된 미담지 나노입자와 대비하여 불화처리 후 나노입자의 크기는 ±5% 이내의 크기 변화를 가지며, 종래의 방법으로 제조된 나노입자가 고분자 수지층을 가지는 것과 구별되게, 본 발명의 불화처리된 미담지 나노입자는 분석 이미지상 식별이 안된다. 이때, 상기 나노입자의 크기 변화는 TEM 또는 SEM 분석을 통해 확인할 수 있다. 이처럼, 나노입자의 크기 변화가 작다는 것은 원래의 나노입자의 형태 및 크기와 거의 동일하다는 것을 의미한다. 나노입자의 크기 변화가 큰 경우에는, 그 크기 변화에 맞춰 전극 설계도 바뀌어야 하는 번거로움이 발생하게 된다. 또한, 나노입자의 크기 변화가 큰 종래의 수용액상에서 불화처리된 미담지 나노입자의 경우, 목표한 크기 이외에 벌크(bulk)한 형태로 제조될 수 있어 제조상 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
상기 제2 단계(S20)의 불화처리된 미담지 나노입자는 5 중량% 내지 20중량%의 플루오린을 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 플루오린의 함량은 나노입자의 원소분석을 통한 함량 측정을 통해 확인할 수 있다. 불화처리된 미담지 나노입자가 5 중량% 미만일 경우에는 비표면적과 소수성의 증대에 효과가 미미하고, 20 중량%를 초과하는 경우에는 플로오린의 과다한 산화력으로 캐소드에서의 환원 작용이 방해받을 수 있기 때문에 불화처리된 미담지 나노입자는 5 중량% 내지 20 중량%의 플루오린을 포함하는 것이 바람직하다.
불화처리된 고결정성 탄소의 경우에 비표면적이 처리 전에 비해 2.5배 이상 증가되며, BET 비표면적 곡선은 히스테리시스 형태가 나타난다. 전압 및 온도에 안정적인 막-전극 접합체를 얻을 수 있다. 이는 불화처리로 인하여 기공도는 증가되고 전극 영역 내에 생성된 물의 응집을 방지하게 되어 성능 및 내구성이 강화된 막-전극 접합체를 얻을 수 있다.
제3 단계(S30)는 상기 제2 단계(S20)의 불화처리된 미담지 나노입자로 촉매층을 만드는 단계이다. 연료전지의 촉매층은 애노드에서 수소의 산화에 이용되고, 캐소드에서 산소의 환원에 이용된다. 예를 들어, 고분자 전해질막과 각각의 2개의 측면에 제공된 촉매층들 사이의 가급적 양호한 결합이 고분자 전해질막에 애노드 또는 캐소드의 가급적 양호한 접촉에 의해 달성되도록 하기 위해, 촉매층들은 각각 촉매 잉크의 형태로 고분자 전해질막에 도포된다. 또한, 이러한 촉매 잉크를 이형필름 또는 기체 확산층에 도포하고, 상기 기체 확산층을 다시 해당하는 고분자 전해질막에 압착하는 것도 가능하다. 촉매 잉크는 일반적으로 촉매, 첨가제, 고분자 전해질 및 용매를 포함한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 모식도로, 촉매 잉크에 의해 고분자 전해질막에 도포된 모습을 나타내고 있다.
또한, 본 발명은 상기 제1 단계(S10) 내지 제3 단계(S30)의 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법에 의해 얻어진 불화처리된 미담지 나노입자 이용하여 막-전극 접합체를 제조하는 방법을 포함한다. 막-전극 접합체의 제조를 위해 촉매 잉크는 균일하게 분산된 형태로 기판 위에, 예를 들어 이온 전도성 고분자 전해질막, 이형필름 또는 기체 확산층에 도포된다. 균일하게 분산되는 잉크의 제조를 위해 고압 분산, 유성 교반, 3롤밀, 초음파, 공명음향혼합 또는 볼 밀링이 이용될 수 있다. 균일해진 잉크는 후속해서 프린팅, 용사, 나이프 코팅, 롤링, 브러싱, 페인팅, 스크린 프린팅 또는 분사 프린팅을 이용해서 기판에 도포될 수 있다. 또한, 촉매 잉크의 도포 후에 코팅된 기판은 건조 또는 전사를 통해 막-전극 접합체를 제조할 수 있다.
(실시예 1)
고결정성 흑연 또는 흑연화 나노입자에 10% 플루오린 가스를 포함하는 혼합 기체를 사용하여, 열처리 조건은 500℃의 온도에서 2시간 반응시켜 플루오린 함량이 15 중량%인 불화처리된 미담지 나노입자를 제조하고, 불화처리된 고결정성 흑연 나노 입자를 전극 전체 고형분 대비 10 중량%를 사용하여 직접 코팅 방식으로 고분자 전해질 막에 도포 후 건조하여 막-전극 접합체를 제조하였다.
(실시예 2)
고결정성 흑연 또는 흑연화 나노입자 85 중량%와 무기계 불소 전구체 NH4F 15 중량%를 비드밀을 이용해 30분간 혼합 후 비활성 기체 하에서 500℃의 온도에서 2시간 반응시켜 플루오린 함량이 15 중량%인 불화처리된 미담지 나노입자를 제조해 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 막-전극 접합체를 제조하였다.
(실시예 3)
고결정성 흑연 또는 흑연화 나노입자에 10% 플루오린 가스를 포함하는 혼합 기체로 발생시킨 플라즈마를 이용하여 상압에서 30분간 플라즈마 처리하여 플루오린 함량이 15 중량%인 불화처리된 미담지 나노입자를 제조해 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 막-전극 접합체를 제조하였다.
(비교예 1)
불화처리를 수행하지 않은 미담지 나노입자를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 막-전극 접합체를 제조하였다.
(비교예 2)
수용액상에서 고결정성 흑연 또는 흑연화 나노 입자 85 중량%와 PTFE 15 중량%를 혼합 및 건조 후 350℃의 온도에서 2시간 반응시켜 플루오린 함량이 15 중량%인 불화처리된 미담지 나노입자를 제조해 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 조건으로 막-전극 접합체를 제조하였다.
하기 표 1은 각 실시예들과 비교예들에서 제조된 미담지 나노입자의 평균 크기를 나타낸 것으로 TEM을 통해 측정한 것이다. 하기 표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 3의 경우, 불화처리를 수행하지 않은 비교예 1과 비교하여 ±5% 이내의 크기 변화를 가지는 것을 확인할 수 있으나, 종래기술의 방식으로 제조된 불화처리된 미담지 나노입자인 비교예 2의 경우, 30% 가까이 크기가 증가하였음을 확인할 수 있다.
| 샘플 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 비교예 1 | 비교예 2 |
| 평균 크기 (nm) | 309 | 311 | 320 | 315 | 405 |
도 4에는 실시예 및 비교예의 촉매를 이용하여 제조된 막-전극 접합체의 80℃, 상압, 상대습도 100% 조건에서 연료전지 성능평가 결과가 나타나 있다.실시예들과 비교예 2는 비교예 1보다 기공 내 물 관리 향상에 의하여 고전류 밀도영역에서 성능 개선효과를 나타내었고, 실시예들은 비교예 2에 비해 벌크한 부분을 포함하지 않아 저전류영역의 성능감소도 덜한 성능 개선효과를 나타내었다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (9)
- 나노입자를 준비하는 제1 단계;
플루오린 가스를 포함하는 혼합 기체로 상기 제1 단계의 나노입자를 열처리 또는 플라즈마 처리하거나, 무기계 불소 전구체와 상기 제1 단계의 나노입자를 비드밀(Bead Mill)로 혼합 후 열처리 또는 플라즈마 처리하여 불화처리된 미담지 나노입자를 만드는 제2 단계; 및
상기 제2 단계의 불화처리된 미담지 나노입자로 촉매층을 만드는 제3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 단계의 나노입자는 고결정성 흑연, 흑연화 탄소 및 질화붕소 중 어느 하나 또는 그의 혼합물인 것을 특징으로 하는 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 혼합 기체는 HF(플루오린화 수소), NaF(플루오린화 나트륨), AgF(플루오린화 은), H2SiF6(플루오린화 규산), CFC(염화 플루오린화 탄소, 프레온 가스), SF6(육플루오린화 황), SiF4(사플루오린화 규소) 및 HFC(수소 플루오린화 탄소) 중 어느 하나 또는 그의 혼합물을 포함하는 촉매층의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 단계의 열처리는 200 내지 800℃의 온도에서, 10 내지 300분간 진행하는 촉매층의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 무기계 불소 전구체는, HF, NH4F, CaF2, SiF6, PF3, PF5, (NH4)2SiF6, ClF6, NH4BF4 및 (NH4)2AlF6로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 촉매층의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제2 단계의 상기 불화처리된 미담지 나노입자 내에서, 불소의 함량은 5 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
불화처리 전후의 나노입자의 크기는 ±5% 이내의 크기 변화를 가지는 것을 특징으로 하는 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제2 단계의 상기 불화처리된 미담지 나노입자는 전체 전극 고형분 대비 5 내지 15 중량%인 것을 특징으로 하는 촉매층의 제조방법. - 청구항 1 내지 8에서 선택된 어느 한 항의 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법에 의하여 제조된 촉매층을 구비하는 막-전극 접합체.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220039391A KR20230140748A (ko) | 2022-03-30 | 2022-03-30 | 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법 및 이를 사용하는 막-전극 접합체 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220039391A KR20230140748A (ko) | 2022-03-30 | 2022-03-30 | 불화처리된 미담지 나노입자를 포함하는 촉매층의 제조방법 및 이를 사용하는 막-전극 접합체 |
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| KR102178482B1 (ko) | 2017-09-19 | 2020-11-13 | 주식회사 엘지화학 | 연료전지용 촉매의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 연료전지용 촉매 |
| KR102271430B1 (ko) | 2018-04-27 | 2021-07-01 | 한국과학기술연구원 | 나노홀 그래핀 시트가 코팅된 연료전지용 복합 고분자 전해질막 및 그 제조 방법 |
| KR20210130031A (ko) | 2020-04-21 | 2021-10-29 | 한국전력공사 | 전극촉매, 그 제조방법 및 이를 이용한 연료전지 |
-
2022
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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| Title |
|---|
| Fluorination of Vulcan XC-72R for cathodic microporous layer of passive micro direct methanol fuel cell, J Appl Electrochem (2010) 40:2117-2124 |
| Fluorine-enriched mesoporous carbon as efficient oxygen reduction catalyst: understanding the defects in porous matrix and fuel cell applications, Nanoscale Adv., 2019, 1, 4926-4937 |
| PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL WITH ENHANCED DURABILITY USING FLUORINATED CARBON AS ELECTROCATALYST, E3S Web of Conferences 16, 17001 (2017) |
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