KR101877755B1

KR101877755B1 - 연료전지용 복합 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 이들의 제조방법

Info

Publication number: KR101877755B1
Application number: KR1020160041854A
Authority: KR
Inventors: 정지홍; 정성기; 서영균; 권정오; 양연화; 양의석
Original assignee: (주)상아프론테크
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2018-07-13
Anticipated expiration: 2036-04-05
Also published as: WO2017175892A1; KR20170114612A

Abstract

본 발명은 전해질막에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 함침성이 우수한 동시에 기계적 물성이 향상된 효과를 나타내는 연료전지용 복합 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.

Description

연료전지용 복합 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 이들의 제조방법{Composite electrolyte membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly including thereof, fuel cell including thereof, and manufacturing method thereof}

본 발명은 전해질막에 관한 것으로, 함침성이 우수한 동시에 기계적 물성이 향상된 효과를 나타내는 연료전지용 복합 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.

연료전지는 연료(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소)를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 화학적 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 차세대 에너지원으로 연구 개발되고 있다. 연료전지는 적용분야에 따라 고온용 및 저온용 연료전지를 선택하여 사용할 수 있으며, 통상적으로 전해질의 종류에 따라 분류되고 있는데, 고온용에는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 등이 있고, 저온용에는 알칼리 전해질 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) 및 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등이 대표적으로 개발되고 있다.

이중 고분자 전해질 연료전지를 세분하면 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)와, 액상의 메탄올을 직접 연료로 산화극(Anode)에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등이 있다. 고분자 전해질 연료전지는 100 미만의 낮은 작동온도, 고체 전해질 사용으로 인한 누수문제 배제, 빠른 시동과 응답 특성, 및 우수한 내구성 등의 장점으로 휴대용, 차량용, 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다. 특히 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용 연료전지로의 연구가 계속 진행되고 있다.

이러한 연료전지의 단위전지 구조는 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 양쪽에 산화극(Anode, 연료극) 및 환원극(Cathode, 산소극)이 도포되어 있는 구조를 이루고 있는데, 이를 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)라 칭한다. 이 막-전극 접합체(MEA)는 수소와 산소의 전기화학적 반응이 일어나는 부분으로서 환원극과 산화극 그리고 전해질막, 즉 이온 전도성 전해질막(예, 수소이온 전도성 전해질막)으로 구성되어 있다.

산화극에서는 연료인 수소 또는 메탄올이 공급되어 수소의 산화 반응이 일어나 수소이온과 전자를 발생시키며, 환원극에서는 고분자 전해질막을 통과한 수소이온과 산소가 결합하여 산소의 환원 반응에 의해 물이 생성된다.

이 막-전극 접합체는 이러한 산화극과 환원극의 전극 촉매층이 이온 전도성 전해질막의 양면에 도포되어 있는 형태를 이룬다. 연료전지의 전기화학적 반응의 핵심부품으로 볼 수 있는 막-전극 접합체(MEA)에는 특히 가격 구성 비율이 높은 이온 전도성 전해질막과 백금 촉매 등이 사용되며, 전력 생산 효율과 직결된 부분이기 때문에 연료전지의 성능향상과 가격경쟁력을 높이는데 가장 중요한 부분으로 간주되고 있다.

일반적으로 사용되고 있는 MEA를 제조하는 기존의 방법은 촉매 물질과 수소이온 전도성 바인더(binder), 즉 불소계 나피온 이오노머(Nafion Ionomer) 그리고 물 및/또는 알코올 용매를 혼합하여 반죽(paste)을 제조하고, 이를 촉매층을 지지해주는 전극 지지체이면서 동시에 기체 확산층의 역할을 하는 카본 천(carbon cloth)이나 카본페이퍼(carbon paper) 등에 코팅한 다음, 건조하고 수소이온 전도성 전해질 막에 열 융착하는 방법을 사용한다.

촉매층에서는 촉매에 의한 수소와 산소의 산화환원 반응; 밀착된 탄소 입자에 의한 전자의 이동; 수소, 산소 및 수분을 공급하고 반응 후 잉여 가스를 배출하기 위한 통로의 확보; 산화된 수소이온의 이동 등이 동시에 이루어져야만 한다. 더욱이 성능의 향상을 위해서는 공급연료와 촉매 및 이온 전도성 고분자 전해질막이 만나는 3상 계면영역(Triple Phase Boundary)의 면적을 증대시켜 활성분극(Activation polarization)을 줄여야 하며, 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면을 균일하게 접합하여 계면에서의 저항 분극(Ohmic polarization)을 줄여야 한다. 따라서, 촉매층과 전해질막과의 계면 저항을 최대한 감소시킴으로써 연료전지의 성능을 향상시키기 위해서는, MEA 제조시 촉매층과 전해질막의 접합력이 있어야 할 뿐만 아니라, 연료전지 구동 중에도 촉매층과 전해질막 사이의 계면 접합이 계속 유지되어야 한다.

이에, 최근에는 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면을 균일하게 접합하기 위한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있지만, 계면 균일성이 여전히 제한적인 단점이 있다.

또한, 전술된 구조를 갖는 MEA의 경우 통상적으로 두께가 두꺼운 전해질막을 사용하므로, 수소 이온의 전달이 지연되어 성능 저하가 발생할 수 있다.

또한, 연료 전지 구동 시 수소 이온의 이동과 사용 시간이 길어짐에 따라 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면 접합성이 약해져 서로 분리되게 된다. 이에, 연료전지에 적용됐을 때 연료전지의 성능 저하를 야기할 수 있었으며, 함침성 및 기계적 물성을 동시에 향상시킬 수 없는 문제가 있었다.

KR 2010-0077483 A (공개일 2010.07.08)

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 함침성이 우수한 동시에 기계적 물성이 향상된 효과를 나타내는 연료전지용 복합 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 이들의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 제조 공정을 간소화할 수 있는 연료전지용 복합 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지의 제조방법을 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 PTFE 다공성 지지체 및 PTFE 다공성 지지체의 표면 및 기공 내에 불소계 이오노머를 포함하며, 상기 PTFE 다공성 지지체에 형성된 기공은 평균직경 100 nm 미만의 기공 10 ~ 50 %, 평균직경 100 ~ 500 nm의 기공 20 ~ 60 % 및 평균직경 500 nm를 초과하는 기공 -10~ 50 %로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 연료전지용 복합 전해질막은 전체 기공의 부피에 대하여 폐색된 기공의 부피가 90 부피% 이상일 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 불소계 이오노머는 나피온(Nafion), 플레미온(Flemion), 및 아시플렉스(Aciplex)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, PTFE 다공성 지지체의 표면 및 기공 내에 제올라이트, 티타니아, 지르코니아, 및 몬모릴로나이트 중에서 선택된 1종 이상의 흡습제를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, PTFE 다공성 지지체의 표면 및 기공 내에 백금 담지 탄소입자를 포함할 수 있고, 상기 백금 담지 탄소입자는 평균직경 1 ~ 3 ㎛의 제1탄소입자 및 평균직경 300 nm 이하의 제2탄소입자를 단독 또는 혼합으로 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 백금 담지 탄소입자는 제1탄소입자 및 제2탄소입자를 1 : 0.1 ~ 5 의 중량비로 포함할 수 있다.

삭제

한편, 소정의 종횡비를 갖는 기공을 포함하는 PTFE 다공성 지지체를 형성하는 단계, 상기 PTFE 다공성 지지체를 불소계 이오노머 용액에 함침하는 단계 및 함침한 PTFE 다공성 지지체를 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 연료전지용 복합 전해질막의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 다공성 지지체의 표면 및 기공 내에 백금 담지 탄소입자를 포함할 수 있고, 상기 백금 담지 탄소입자는 평균직경 1 ~ 3 ㎛의 제1탄소입자 및 평균직경 300 nm 이하의 제2탄소입자를 단독 또는 혼합으로 포함할 수 있다.

삭제

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 다공성 지지체는 2축연신된 PTFE 시트를 소결하여 형성될 수 있고, 상기 2축연신은 1축연신비 및 2축연신비가 1 : 5 ~ 15일 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 소결은 250℃ ~ 450℃ 온도에서 수행할 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 2축연신된 PTFE 시트는, 비중 2.14 ~ 2.17인 PTFE 미세분말 100 중량부에 대하여 윤활제 10 ~ 20 중량부를 포함하는 페이스트를 형성하는 단계, 상기 페이스트를 50 ~ 90 ℃의 온도에서 10 ~ 15 시간 동안 숙성하는 단계, 상기 숙성된 페이스트를 압축하여 PTFE 블록을 제조하는 단계, 상기 PTFE 블록을 400 ~ 800 psi 압력으로 압출하여 PTFE 시트를 형성하는 단계, 상기 PTFE 시트를 건조시켜 상기 윤활제를 제거하는 단계 및 윤활제가 제거된 PTFE 시트를 2축연신하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 다공성 지지체는 평균기공 크기가 0.10 ~ 0.50 ㎛일 수 있고, 기공률이 60 ~ 90 % 일 수 있다

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 불소계 이오노머 용액은 용매 75 ~ 95 중량% 및 불소계 이오노머 5 ~ 25 중량%를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 불소계 이오노머는 나피온(Nafion), 플레미온(Flemion), 및 아시플렉스(Aciplex) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 상기 불소계 이오노머 용액은 제올라이트, 티타니아, 지르코니아, 및 몬모릴로나이트 중에서 선택된 1종 이상의 흡습제를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 건조는 60 ~ 100 온도에서 1분 ~ 30 분 동안 수행할 수 있고, 상기 열처리는 100 ~ 200 온도에서 1분 ~ 5분 동안 수행할 수 있다.

한편, 상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 상기 상술한 연료전지용 복합 전해질막 및 상기 연료전지용 복합 전해질막 양면에 접합되고, 촉매층 및 기체 확산층을 포함하는 전극을 포함하는 막-전극 접합체를 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 PTFE 다공성지지체는 상기 기공의 장축이 상기 전극 사이에 흐르는 전류의 방향을 향하도록 배치될 수 있다.

한편, 상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 상기 막-전극 접합체 및 세퍼레이터를 포함하고, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료전지를 제공한다.

본 발명에 의한 연료전지용 복합 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 이들의 제조방법은 함침성이 우수한 동시에 기계적 물성이 향상된 효과가 있다.

본 발명에 의한 연료전지용 복합 전해질막, 이를 포함하는 막-전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지의 제조방법을 따르면 제조 공정을 간소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 개략도이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

상술한 바와 같이 종래의 전해질막 구성은 전술된 구조를 갖는 MEA의 경우 통상적으로 연료 전지 구동 시 수소 이온의 이동과 사용 시간이 길어짐에 따라 촉매층과 전해질막과의 계면 및 촉매층과 기체확산층과의 계면 접합성이 약해져 서로 분리되어 연료전지에 적용됐을 때 연료전지의 성능 저하를 야기할 수 있었으며, 함침성 및 기계적 물성을 동시에 향상시킬 수 없는 문제가 있었다.

이에 본 발명은 PTFE 다공성 지지체 및 PTFE 다공성 지지체의 표면 및 기공 내에 불소계 이오노머를 포함하며, 상기 PTFE 다공성 지지체에 형성된 기공은 특정 기공분포를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 이를 통해 종래의 발명과는 달리 함침성이 우수한 동시에 기계적 물성이 향상된 효과를 달성할 수 있다.

이러한, 본 발명의 연료전지용 복합 전해질막을 제조방법을 통해서 설명하면 다음과 같다.

소정의 종횡비를 갖는 기공을 포함하는 PTFE 다공성 지지체를 형성하는 단계, 상기 PTFE 다공성 지지체를 불소계 이오노머 용액에 함침하는 단계 및 함침한 PTFE 다공성 지지체를 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조할 수 있다

먼저, 소정의 종횡비를 갖는 기공을 포함하는 PTFE 다공성 지지체를 형성하는 단계를 설명한다.

상기 PTFE 다공성 지지체는 2축연신된 PTFE 시트를 소결하여 형성될 수 있고, 상기 2축연신된 PTFE 시트는, 비중 2.14 ~ 2.17인 PTFE 미세분말 100 중량부에 대하여 윤활제 10 ~ 20 중량부를 포함하는 페이스트를 형성하는 단계, 상기 페이스트를 50 ~ 90 ℃의 온도에서 10 ~ 15 시간 동안 숙성하는 단계, 상기 숙성된 페이스트를 압축하여 PTFE 블록을 제조하는 단계, 상기 PTFE 블록을 400 ~ 800 psi 압력으로 압출하여 PTFE 시트를 형성하는 단계, 상기 PTFE 시트를 건조시켜 상기 윤활제를 제거하는 단계 및 윤활제가 제거된 PTFE 시트를 2축연신하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.

상기 PTFE 미세분말은 비중 2.14 ~ 2.17 일 수 있으며, 바람직하게는 비중 2.15 ~ 2.16 일 수 있다. 만일 상기 PTFE 미세분말 비중이 2.14 미만이면 형성한 PTFE 다공막의 평균기공이 100nm보다 작아 연료전지 복합막 제조 시 전해질 함침이 어려워 제작한 복합막의 폐색된 기공의 부피가 90 부피% 이하로 감소되는 문제가 발생할 수 있고, PTFE 미세분말의 비중이 2.17을 초과하면 형성한 PTFE 다공막 평균기공이 500nm를 초과하여 기계적강도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.

상기 혼합 용액은 PTFE 미세분말 100 중량부에 대하여 윤활제 10 ~ 20 중량부를, 바람직하게는 12 ~ 18 중량부를 포함할 수 있다. 만일 상기 윤활제가 10 중량부 미만이면 후술되는 2축연신 공정에 의해 PTFE 다공성 지지체 형성 시 기공도가 낮아질 수 있고, 20 중량부를 초과하면 PTFE 다공성 지지체 형성 시 기공의 크기가 커져 전해질막의 강도가 약해질 수 있다.

그리고, 상기 페이스트를 숙성하는 단계는 50℃ ~ 90℃의 온도에서 10 ~ 15 시간 동안, 바람직하게는 60℃ ~ 80℃에서 11 ~ 14 시간 동안 수행할 수 있다. 만일 상기 숙성 온도가 50℃ 미만이거나 숙성 시간이 10 시간 미만이면 후술되는 2축연신 시 PTFE 시트의 연신률이 제한적일 수 있고, 90℃를 초과하거나 15 시간을 초과하면 PTFE 다공성 지지체 형성 시 기공의 크기가 커져 전해질막의 강도가 약해질 수 있다.

그리고, 상기 PTFE 블록을 제조하는 단계는 통상적으로 PTFE를 블록화하는 공정이라면 제한되지 않으며, 바람직하게는 압축기에서 압축하여 수행할 수 있다.

그리고, 상기 PTFE 시트를 형성하는 단계는 통상적으로 PTFE 블록으로 시트를 형성할 수 있는 방법이라면 제한되지 않으며, 바람직하게는 상기 PTFE 블록을 400 ~ 800 psi 압력으로 압출하여 PTFE 시트를 형성할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 상기 PTFE 칩을 500 ~ 700 psi 압력으로 압출하여 PTFE 시트를 형성할 수 있다. 만일 상기 압출하는 압력이 400 psi 미만이면 PTFE 다공성 지지체 형성 시 기공의 크기가 커져 전해질막의 강도가 약해질 수 있고, 800 psi를 초과하면 후술되는 2축연신 공정에 의해 PTFE 다공성 지지체 형성 시 기공도가 낮아질 수 있다.

그리고, 상기 윤활제를 제거하는 단계는 통상적으로 PTFE를 건조하는 방법이라면 제한 없이 사용할 수 있다.

한편, 건조된 PTFE 시트는 통상의 PTFE 시트는 롤러를 통해 이송되고, 롤러간의 속도차를 이용하여 종방향으로 연신하여 1축연신을 수행할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

이 때, 종방향에서의 변형비는 1 : 1.1 ~ 2 일 수 있다. 만약 종방향에서의 변형비가 1 : 1.1 미만일 경우 2축연신에 의해 형성되는 PTFE 다공성지지체의 기공 크기가 작아져 후술되는 불소계이오노머의 함침량이 제한적일 수 있다. 또한, 종방향에서의 변형비가 2를 초과할 경우 1축연신 시트의 두께가 얇아 두께 구배를 부여하기 어려울 수 있다. 또한, 연신온도는 150 ~ 250℃일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.

그리고, 상기 1축연신된 PTFE 시트를 2축연신한다. 이때, 전술된 바와 같이 상기 1축연신과 다른 연신비로 2축연신 공정이 수행된다. 이로써, 2축연신한 PTFE 다공성지지체의 기공은 소정의 종횡비를 갖게된다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 복합 전해질막이 막-전극 접합체에 적용될 때 기공의 장축의 방향이 수소이온의 전달방향, 즉 전류의 방향을 향하도록 배치됨에 따라 장축방향으로의 수소 이온 전달력이 향상된다. 이에, 전지 특성이 향상될 수 있다.

2축연신의 경우 상기 1축연신과 수직하는 방향으로 수행될 수 있다. 2축연신 또한 1축연신과 마찬가지로 롤러를 통해 이송되고 롤러간의 속도차를 이용하여 횡방향으로 연신할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며 통상의 시트 제조 시 사용되는 연신방법에 따라 연신될 수 있다. 횡방향에서의 변형비는1 : 6 ~ 30일 수 있다. 만약 횡방향에서의 변형비가 1 : 6 미만일 경우 PTFE 다공성지지체의 기공의 종횡비가 작아짐에 따라 수소 이온 전달력 향상 효과가 미미할 수 있다. 또한, 횡방향에서의 변형비가 30을 초과할 경우 횡연신 시트의 피브릴과노드 구조가 파괴될 수 있다.

상기 2축연신은 PTFE 시트를 200℃ ~ 320℃에서, 바람직하게는 280℃ ~ 320℃에서 수행할 수 있다. 만일 상기 2축연신 온도가 200℃ 미만이면 연신 과정에서 PTFE 다공막의 기공 사이즈가 작아지는 문제가 발생할 수 있고, 온도가 320℃를 초과하면 PTFE 다공막의 기공 사이즈가 커지는 문제가 발생할 수 있다.

또한, 상기 2축 연신은 1축연신비 및 2축연신비가 1 : 5 ~ 15, 바람직하게는 1 : 7 ~ 13일 수 있다. 만일 상기 1축연신비 및 2축연신비가 1 : 5 미만이면 PTFE 다공막의 기공 사이즈가 감소하여 이오노머 함침이 어려운 문제가 발생할 수 있고, 상기 1축연신비 및 2축연신비가 1 : 15를 초과하면 제작한 PTFE 다공막의 기계적 강도가 감소되는 문제가 발생할 수 있다.

한편, 상기 소결은 2축연신 PTFE 시트를 250℃ ~ 450℃의 온도에서, 바람직하게는 300℃ ~ 400℃의 온도에서 소결시켜서 PTFE 다공성 지지체를 형성할 수 있다. 만일 상기 소결 온도가 250℃ 미만일 경우 PTFE 다공성 지지체의 강도가 낮아질 수 있고, 400℃를 초과할 경우 온도 상승에 따른 소결 효과가 떨어질 수 있다.

한편, 상기 소결을 통해 형성된 PTFE 다공성 지지체는 평균기공 크기가 0.10 ~ 0.50 ㎛이고, 기공률이 60 ~ 90%일 수 있고, 바람직하게는 평균기공 크기가 0.20 ~ 0.40 ㎛이고 기공률이 80 ~ 85%일 수 있다. 만일 상기 평균기공의 크기가 0.10㎛ 미만이거나 기공률이 60% 미만일 경우 기공 내로 불소계 이오노머 용액의 함침 정도가 제한적일 수 있다. 또한, 상기 평균기공의 크기가 0.50㎛을 초과하거나 기공률이 90%를 초과할 경우 후술하는 함침 공정에서 불소계 이오노머 용액에 함침됐을 때 PTFE 다공성 지지체 구조가 변형될 수 있다.

다음으로, 상기 PTFE 다공성 지지체를 불소계 이오노머 용액에 함침하는 단계를 설명한다.

상기 함침을 통해 PTFE 다공성 지지체의 기공에 불소계 이오노머 용액이 충진된다.

상기 불소계 이오노머 용액은 제올라이트, 티타니아, 지르코니아 및 몬모릴로나이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 흡습제를 더 포함할 수 있다. 상기 흡습제를 더 포함할 경우 상기 PTFE 다공성 지지체에 불소계 이오노머 용액 함침량을 더 증가시킬 수 있다.

상기 불소계 이오노머는 나피온(Nafion), 플레미온(Flemion) 및 아시플렉스(Aciplex)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 나피온일 수 있다.

상기 불소계 이오노머 용액은 용매 75~ 95 중량% 및 불소계 이오노머 5~ 25 중량%를, 바람직하게는 용매 80 ~ 90 중량% 및 불소계 이오노머 10~ 20 중량%를 포함할 수 있다. 상기 용매는 통상적으로 불소계 이오노머의 용매로 사용되는 것이라면 제한되지 않으며, 바람직하게는 증류수, n-propanol, isopropanol, Ethanol, NMP, DMAc등 을 사용할 수 있다.

한편, 상기 불소계 이오노머 용액은 불소계 이오노머 용액 100 중량부에 대하여 백금 담지 탄소입자 0.05 ~ 5 중량부를 포함할 수 있다. 만일 상기 불소계 이오노머 용액 100 중량부에 대하여 백금 담지 탄소입자가 0.05 중량부 미만이면 첨가제의 효과가 미비한 문제가 발생할 수 있고, 5 중량부를 초과하면 고형분중의 이오노머 함량이 적어 이온전도도가 감소하는 문제가 발생할 수 있다.

한편, 상기 백금 담지 탄소입자는 평균직경 1 ~ 3 ㎛의, 바람직하게는 1.5 ~ 2.5 ㎛의 제1탄소입자 및 평균직경 300 nm 이하의, 바람직하게는 200 nm 이하의 제2탄소입자를 단독 또는 혼합으로 포함할 수 있다.

한편, 상기 제1탄소입자 및 제2탄소입자를 혼합으로 포함할 경우, 상기 제1탄소입자 및 제2탄소입자를 1 : 0.1~ 5 의 중량비로, 바람직하게는 1 : 0.2 ~ 2 의 중량비로 포함할 수 있다.

삭제

다음으로, 함침한 PTFE 다공성 지지체를 건조 및 열처리하는 단계를 설명한다.

상기 건조 및 열처리 공정을 수행함에 따라 상기 함침된 불소계 이오노머 용액의 보액성을 향상시키고, 막-전극 접합체 제조시 전극과의 접착성을 향상시킬 수 있다.

상기 건조는 온도 60 ~ 100 ℃에서 1 ~ 30 분 동안, 바람직하게는 65 ~ 95 에서 5 ~ 20 분 동안 수행할 수 있으며, 상기 열처리는 온도 100 ~ 200에서 1분 ~ 5분 동안, 바람직하게는 120 ~ 180에서 2 ~ 4 분 동안 수행할 수 있다. 만일 상기 건조의 온도가 60 미만이거나 시간이 1분 미만이면 상기 PTFE 다공성 지지체에 함침된 불소계 이오노머 용액의 보액성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 100를 초과하거나 시간이 30분을 초과하면 막-전극 접합체 제조시 전극과의 접착성이 저하될 수 있다. 또한, 만일 상기 열처리온도가 100 미만이거나 시간이 1분 미만이면 상기 PTFE 다공성 지지체에 함침된 불소계 이오노머 용액의 보액성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 200를 초과하거나 시간이 5 분을 초과하면 막-전극 접합체 제조시 전극과의 접착성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

상기 열처리 단계 이후, 상기 열처리한 PTFE 다공성 지지체에서 폐색된 기공의 부피는 전체 기공 부피에 대하여 90 부피% 이상, 바람직하게는 93 부피% 이상일 수 있다.

한편, 상기 제조방법을 통해 제조된 본 발명에 따른 연료전지용 복합 전해질막은 PTFE 다공성 지지체 및 PTFE 다공성 지지체의 표면 및 기공 내에 불소계 이오노머를 포함하며, 상기 PTFE 다공성 지지체에 형성된 기공은 평균직경 100 nm 미만의 기공 10 ~ 50%, 평균직경 100 ~ 500 nm의 기공 20 ~ 60% 및 평균직경 500 nm를 초과하는 기공10 ~ 50%로, 바람직하게는 평균직경 100 nm 미만의 기공 20 ~ 40 %, 평균직경 100 ~ 500 nm의 기공 30 ~ 50 % 및 평균직경 500 nm를 초과하는 기공 20 ~ 40 % 포함할 수 있다. 만일 상기 평균직경 100 nm 미만의 기공이 10 % 미만이면 기계적 물성이 좋지않은 문제가 발생할 수 있고, 50%를 초과하면 함침성이 좋지 않은 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일 상기 평균직경 100 ~ 500 nm의 기공이 20% 미만이면 PTFE 다공막의 균일성이 감소하는 한 문제가 발생할 수 있고, 60 %를 초과하면 함침성과 기계적 강도가 동시에 개선되기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일 상기 평균직경 500 nm를 초과하는 기공이 10% 미만이면 함침성이 좋지 않은 문제가 발생할 수 있고, 50 %를 초과하면 기계적 물성이 좋지 않은 문제가 발생할 수 있다.

또한, 상기와 같은 기공분포를 가짐에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 복합 전해질막은 함침성이 개선되고 기계적 물성이 향상되는 효과를 갖는다. 구체적으로, 함침성이 개선되어 하기 관계식 2에 따른 두께 변동계수(CV1) 값이 13 % 이하, 바람직하게는 12 % 이하이고, 하기 관계식 3에 따른 무게 변동계수(CV2) 값이 170 % 이상, 바람직하게는200 % 이상일 수 있다.

[관계식 2]

두께 변동계수(CV1,%) = ((연료전지용 복합 전해질막 두께 - PTFE 다공성 지지체 두께) / (PTFE 다공성 지지체 두께)) × 100

[관계식 3]

무게 변동계수(CV2,%) = ((연료전지용 복합 전해질막 전체 무게 - PTFE 다공성 지지체 무게) / (PTFE 다공성 지지체 무게)) × 100

또한, 본 발명에 따른 연료전지용 복합 전해질막은 인장강도가 28 ~ 60 MPa, 바람직하게는 인장강도가 29 ~ 59 MPa 일 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 막-전극 접합체의 제조방법은 전술된 연료전지용 복합 전해질막을 제조하는 단계, 및 상기 연료전지용 복합 전해질막의 양면에 촉매층 및 기체 확산층을 포함하는 전극을 접합하는 단계를 포함한다.

도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체는 연료전지용 복합 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 산화 전극(20) 및 환원 전극(20')를 구비한다. 이때, 상기 산화 전극(20) 및 환원 전극(20')은 각각 기체 확산층 (21, 21'), 촉매층(22, 22'), 및 전극 기재(23, 23')를 포함한다.

상기 연료전지용 복합 전해질막에 대한 상세한 설명은 전술된 내용을 참고하기로 한다.

상기 산화전극(20)은 기체 확산층(21) 및 산화 촉매층(22)을 구비할 수 있다. 상기 기체 확산층(21)은 연료전지에 주입되는 연료의 급격한 확산을 방지하고, 이온 전도도의 저하를 방지하기 위해 구비될 수 있다. 상기 기체 확산층(21)은 열처리 또는 전기화학적 처리를 통하여 연료의 확산 속도를 조절할 수 있다. 상기 기체 확산층(21)은 탄소섬유 또는 탄소종이일 수 있다. 여기서, 상기 연료는 개미산 용액, 메탄올, 포름알데히드, 또는 에탈올과 같은 액체연료일 수 있다.

상기 산화 촉매층(22)은 촉매가 도입되는 층으로서, 도전성 지지체 및 이온 전도성 바인더(미도시)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 산화 촉매층(22)은 상기 도전성 지지체에 부착된 주촉매를 포함할 수 있다. 상기 도전성 지지체는 카본 블랙일 수 있고, 상기 이온 전도성 바인더는 나피온 이오노머 또는 술폰화된 폴리머일 수 있다. 또한, 상기 주촉매는 금속촉매일 수 있으며, 일 예로서 백금(Pt)일 수 있다.

상기 산화 촉매층(22)은 전기도금법, 스프레이법, 페인팅법, 닥터블레이드법 또는 전사법을 사용하여 형성할 수 있다.

상기 환원전극(20')은 기체 확산층(21') 및 환원 촉매층(22')을 포함할 수 있다. 상기 기체 확산층(21')은 상기 환원전극(20')에 주입되는 가스의 급격한 확산을 방지하고, 상기 환원전극(20')에 주입된 가스를 균일하게 분산시켜주기 위해 구비될 수 있다. 상기 기체 확산층은(21') 탄소 종이 또는 탄소 섬유일 수 있다.

상기 환원 촉매층(22')은 촉매가 도입되는 층으로서, 도전성 지지체 및 이온 전도성 바인더(미도시)를 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 환원 촉매층(22')은 상기 도전성 지지체에 부착된 주촉매를 포함할 수 있다. 상기 도전성 지지체는 카본 블랙일 수 있고, 상기 이온 전도성 바인더는 나피온 이오노머 또는 술폰화된 폴리머일 수 있다. 또한, 상기 주촉매는 금속촉매일 수 있으며, 일 예로서 백금(Pt)일수 있다.

상기 환원 촉매층(22')은 전기도금법, 스프레이법, 페인팅법, 닥터블레이드법 또는 전사법을 사용하여 형성할 수 있다.

상기 막-전극 접합체는 상기 산화전극(20), 연료전지용 복합 전해질막(10) 및 환원전극(20') 각각을 배치시킨 후 체결하여 형성하거나, 이를 고온 및 고압으로 압착하여 형성할 수 있다.

상기 연료전지용 복합 전해질막(10)의 양면에 상기 전극(20, 20')을 접합하는 단계는 먼저 상기 연료전지용 복합 전해질막(10)의 일면에 기체 확산층 형성 물질을 도포하여 기체 확산층(21, 21')을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 기체 확산층(21, 21')은 상기 연료전지용 복합 전해질막(10)과 상기 촉매층(22, 22') 사이에서 전류 전도체 역할을 수행하며, 반응물인 가스와 생성물인 물의 통로가 된다. 따라서, 기체 확산층(21, 21')은 가스가 잘 통할 수 있도록 기공률이 20 ~ 90%인 다공성 구조일 수 있다. 기체 확산층(21, 21')의 두께는 필요에 따라 적절하게 채택될 수 있으며, 예를 들면 100 ~ 400 ㎛일 수 있다. 상기 기체 확산층(21, 21')의 두께가 100 ㎛이하일 경우 촉매층과 상기 전극 기재 사이에서 전기 접촉 저항이 커지고, 압축에 의해 구조가 불안정해질 수 있다. 또한, 상기 기체 확산층(21, 21')의 두께가 400 ㎛를 초과할 경우 반응물인 가스의 이동이 어려워질 수 있다.

상기 기체 확산층(21, 21')은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다. 탄소계 물질로는 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 또는 스티렌-부타디엔고부(SBR)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.

다음으로, 상기 기체 확산층(21, 21') 상에 촉매층(22, 22')을 형성한다. 상기 촉매층(22,22')은 상기 기체 확산층(21, 21') 상에 촉매층 형성 물질을 도포하여 형성될 수 있다.

상기 촉매층 형성 물질은 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매를 사용할 수 있다. 금속 촉매로는 대표적으로 백금, 루테늄, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한, 상기 탄소계 지지체로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 케천 블랙, 활성카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌 및 수퍼P로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 전극 기재(23, 23')는 탄소페이퍼, 탄소천, 및 탄소펠트로 이루어진 군으로부터 선택되는 도전성 기재를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않고, 고분자 전해질 연료전지에 적용이 가능한 캐소드 전극 물질 또는 애노드 전극 물질은 모두 사용이 가능하다. 상기 전극 기재는 통상의 증착 방법을 통해 형성될 수 있고, 상기 전극 기재(23, 23')에 상기 촉매층(22, 22')을 형성한 뒤 상기 기체 확산층(21, 21') 상에 상기 촉매층(22, 22') 및 상기 기체 확산층(21, 21')이 접하도록 배치시켜 형성될 수 있다.

다른 한편, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부와, 전술된 연료를 상기 전기 발생부에 공급하는 연료 공급부와, 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공극부를 포함하여 구성된다.

상기 막-전극 접합체는 하나 이상을 포함할 수 있고, 상기 막-전극 접합체의 양단에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터가 배치되어 전기 발생부가 구성된다. 이러한 전기 발생부 적어도 하나가 모여서 스택을 구성할 수 있다.

이때, 상기 연료전지의 배치 형태 또는 제조 방법은 고분자 전해질 연료전지에 적용 가능한 형태라면 제한없이 형성이 가능하므로, 종래 기술을 참조하여 다양하게 적용할 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예들을 통해 설명한다. 이때, 하기 실시예들은 발명을 예시하기 위하여 제시된 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

준비예 : PTFE 시트의 제조

비중 2.15의 PTFE 미세 파우더 100 중량부에 대하여 액상 윤활제 15 중량부를 혼합하여 블렌딩하고 70 ℃에서 12 시간 동안 숙성 후, 성형 지그를 이용하여 PTFE 블록을 제조하였다. 그 후, 상기 PTFE 블록을 압출금형에 투입 후 600 psi 압력 하에서 가압압출을 실시하였고, 압연롤을 통해 두께 0.3 mm로 시트화한 후 건조과정을 통해 윤활제를 제거하여 PTFE 시트를 준비하였다.

실시예 1

상기 준비예에서 제조된 PTFE 시트를 280℃에서 종축 연신비 : 횡축 연신비 = 1 : 10 으로 연신 후 360℃에서 소결하여 PTFE 다공성 지지체를 제조하였다. 상기 방법으로 제조된 PTFE 다공성 지지체는 최대기공크기 0.83 ㎛, 평균기공크기가 0.35㎛ 및 기공률이 75% 였다.

다음으로, PTFE 다공성 지지체를 PET 필름위에 고정하고, 불소계 이오노머인 나피온 20 중량%를 불소계 이오노머 용액을 사용하였다. 상기 불소계 이오노머 용액은 불소계 이오노머 용액 100 중량부에 대하여 백금 담지 탄소입자를 0.5 중량부 혼합하였다. 그 후 불소계 이오노머 용액을 도포하여 80℃의 온도에서, 10 분 동안 진공오븐에서 건조하였고, 160 ℃의 온도에서, 3 분 동안 열처리를 수행하여 20 ㎛ 두께의 연료전지용 복합 전해질막을 제조하였다. 상기 백금 담지 탄소입자는 평균직경이 2 ㎛인 제1탄소입자 및 평균직경이 150 nm인 제2탄소입자를 1 : 1.5의 중량비로 포함하고, 상기 제1탄소입자 및 제2탄소입자 각각은 평균직경 3 nm 인 백금을 20 중량% 포함하였다.

삭제

실시예 2 ~ 12

상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하되, 하기 표 1 및 표 2와 같이 연신비, 연신온도, 미세분말 밀도 및 탄소입자 함량 등을 달리하여 연료전지용 복합 전해질막을 제조하였다.

비교예 1

종축 연신비 : 횡축 연신비 = 1 : 3 로 2축연신한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하여 연료전지용 복합 전해질막을 제조하였다.

비교예 2

종축 연신비 : 횡축 연신비 = 1 : 18 로 2축연신한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하여 연료전지용 복합 전해질막을 제조하였다.

비교예 3

연신온도를 180℃로 2축연신한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하여 연료전지용 복합 전해질막을 제조하였다.

비교예 4

연신온도를 340℃로 2축연신한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하여 연료전지용 복합 전해질막을 제조하였다.

실험예 1 : 함침성 측정

(1) 두께 변동계수(CV1) 측정

실시예 1 ~ 12, 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 PTFE 다공성 지지체 및 연료전지용 복합 전해질막에 대하여, 임의의 10개의 지점에 대하여 두께를 측정하였고, 상기 10개 지점에 대한 두께의 평균값을 계산하여 하기 두께 변동계수에서 두께 값으로 적용하여 하기 관계식 2을 통해 계산하였다. 이를 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.

[관계식 2]

(2) 무게 변동계수(CV2) 측정

실시예 1 ~ 12, 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 PTFE 다공성 지지체 및 연료전지용 복합 전해질막의 무게를 측정하여 하기 관계식 3을 통해 무게 변동계수를 계산하였다. 이를 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.

[관계식 3]

실험예 2 : 인장강도 측정

실시예 1 ~ 12, 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 PTFE 다공성 지지체 및 연료전지용 복합 전해질막에 대하여, ASTM-D882에 따라, 샘플을 10mm×50mm의 크기로 잘라, UTM(Universal esting Machine)에서 인장 속도(Grip Separation Speed) 50mm/min로 인장하면서 인장강도를 측정하여 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.

구분		실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시예 6	실시예 7	실시예 8
연신비		1:10	1:6	1:14	1:10	1:10	1:10	1:10	1:10
2축 연신	연신온도(℃)	280	280	280	220	330	280	280	280
PTFE 미세분말 비중		2.15	2.15	2.15	2.15	2.15	2.13	2.145	2.165
백금담지탄소입자 함량(중량부)		0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
직경100nm미만(%)		22	45	22	37	15	39	32	18
직경100~500nm(%)		50	30	32	45	51	32	43	45
직경500nm초과(%)		28	15	47	18	34	29	25	27
두께변동계수(%)		8	8	9	8	9	9	9	8
무게변동계수(%)		224	171	211	181	211	165	178	206
인장강도(MPa)		57	51	28	50	29	31	45	28

구분		실시예 9	실시예 10	실시예 11	실시예 12	비교예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4
연신비		1:10	1:10	1:10	1:10	1:3	1:18	1:10	1:10
2축 연신	연신온도(℃)	280	280	280	280	280	280	180	340
PTFE 미세분말 비중		2.18	2.15	2.15	2.15	2.15	2.15	2.15	2.15
백금담지탄소입자 함량(중량부)		0.5	0.01	4.5	6	0.5	0.5	0.5	0.5
직경100nm미만(%)		9	20	17	15	54	13	49	9
직경100~500nm(%)		49	48	53	59	27	36	32	25
직경500nm초과(%)		41	32	30	26	19	51	19	66
두께변동계수(%)		8	8	12	15	16	9	14	9
무게변동계수(%)		207	163	252	304	121	187	138	207
인장강도(MPa)		18	58	12	7	51	13	50	17

상기 표 1 및 표 2를 참조하면 특정 기공비율을 만족하는 실시예 1 ~ 5 실시예 7, 실시예 8 및 실시예 11이, 이 중 하나라도 누락된 실시예 6, 실시예 9, 실시예 10, 실시예 12 및 비교예 1 ~ 4에 비하여 두께변동계수가 낮고, 무게변동계수가 높았으며, 인장강도가 우수하였다.

10 : 연료전지용 복합 전해질막 21 : 기체 확산층
22 : 촉매층 23 : 전극 기재
20 : 전극

Claims

PTFE 다공성 지지체; 및
PTFE 다공성 지지체의 표면 및 기공 내에 불소계 이오노머;를 포함하며,
상기 PTFE 다공성 지지체에 형성된 기공은 평균직경 100 nm 미만의 기공 10~50%, 평균직경 100 ~ 500 nm의 기공 20~ 60% 및 평균직경 500 nm를 초과하는 기공 10 ~ 50%로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막.
제1항에 있어서, 상기 연료전지용 복합 전해질막은 전체 기공의 부피에 대하여 폐색된 기공의 부피가 90 부피% 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막.
제1항에 있어서, 상기 불소계 이오노머는 나피온(Nafion), 플레미온(Flemion), 및 아시플렉스(Aciplex)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막.
제1항에 있어서, PTFE 다공성 지지체의 표면 및 기공 내에 제올라이트, 티타니아, 지르코니아, 및 몬모릴로나이트 중에서 선택된 1종 이상의 흡습제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막.
제1항에 있어서, 상기 PTFE 다공성 지지체의 표면 및 기공 내에 백금 담지 탄소입자를 포함하고,
상기 백금 담지 탄소입자는 평균직경 1 ~ 3 ㎛의 제1탄소입자 및 평균직경 300 nm 이하의 제2탄소입자를 단독 또는 혼합으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막.
삭제
제5항에 있어서, 상기 백금 담지 탄소입자는 제1탄소입자 및 제2탄소입자를 1 : 0.1~ 5 의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막.
소정의 종횡비를 갖는 기공을 포함하는 PTFE 다공성 지지체를 형성하는 단계;
상기 PTFE 다공성 지지체를 불소계 이오노머 용액에 함침하는 단계; 및
함침한 PTFE 다공성 지지체를 건조 및 열처리하는 단계;를 포함하고,
상기 PTFE 다공성 지지체에 형성된 기공은 평균직경 100 nm 미만의 기공을 10 ~ 50%, 평균직경 100 ~ 500 nm의 기공을 20 ~ 60% 및 평균직경 500 nm를 초과하는 기공을 10 ~ 50%로 포함하는 연료전지용 복합 전해질막의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 PTFE 다공성 지지체의 표면 및 기공 내에 백금 담지 탄소입자를 포함하고,
상기 백금 담지 탄소입자는 평균직경 1 ~ 3 ㎛의 제1탄소입자 및 평균직경 300 nm 이하의 제2탄소입자를 단독 또는 혼합으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막의 제조방법.
삭제
제9항에 있어서, 상기 백금 담지 탄소입자는 제1탄소입자 및 제2탄소입자를 1 : 0.1~ 5 의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 PTFE 다공성 지지체는 2축연신된 PTFE 시트를 소결하여 형성되고,
상기 2축연신은 1축연신비 및 2축연신비가 1 : 5 ~ 15인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 소결은 250℃ ~ 450℃ 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 2축연신된 PTFE 시트는,
비중 2.14 ~ 2.17인 PTFE 미세분말 100 중량부에 대하여 윤활제 10 ~ 20 중량부를 포함하는 페이스트를 형성하는 단계;
상기 페이스트를 50 ~ 90 ℃의 온도에서 10 ~ 15 시간 동안 숙성하는 단계;
상기 숙성된 페이스트를 압축하여 PTFE 블록을 제조하는 단계;
상기 PTFE 블록을 400 ~ 800 psi 압력으로 압출하여 PTFE 시트를 형성하는 단계;
상기 PTFE 시트를 건조시켜 상기 윤활제를 제거하는 단계; 및
윤활제가 제거된 PTFE 시트를 2축연신하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 PTFE 다공성 지지체는 평균기공 크기가 0.10 ~ 0.50 ㎛이고, 기공률이 60 ~ 90 %인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 불소계 이오노머 용액은 용매 75 ~ 95 중량% 및 불소계 이오노머 5 ~ 25 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막의 제조방법.
제16항에 있어서, 상기 불소계 이오노머는 나피온(Nafion), 플레미온(Flemion), 및 아시플렉스(Aciplex) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
상기 불소계 이오노머 용액은 제올라이트, 티타니아, 지르코니아, 및 몬모릴로나이트 중에서 선택된 1종 이상의 흡습제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 건조는 60 ~ 100 온도에서 1분 ~ 30 분 동안 수행하고,
상기 열처리는 100 ~ 200 ℃ 온도에서 1분 ~ 5분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합 전해질막의 제조방법.
제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 한 항의 연료전지용 복합 전해질막; 및
상기 연료전지용 복합 전해질막 양면에 접합되고, 촉매층 및 기체 확산층을 포함하는 전극;을 포함하는 막-전극 접합체.
제19항에 있어서, 상기 PTFE 다공성지지체는 상기 기공의 장축이 상기 전극 사이에 흐르는 전류의 방향을 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체.
제19항의 막-전극 접합체 및 세퍼레이터를 포함하고, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 전기 발생부;
연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
산화제를 상기 발생부로 공급하는 산화제 공급부;를 포함하는 연료전지.