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KR20100068028A - 연료 전지용 촉매층, 및 이의 제조 방법 - Google Patents

연료 전지용 촉매층, 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20100068028A
KR20100068028A KR1020080126681A KR20080126681A KR20100068028A KR 20100068028 A KR20100068028 A KR 20100068028A KR 1020080126681 A KR1020080126681 A KR 1020080126681A KR 20080126681 A KR20080126681 A KR 20080126681A KR 20100068028 A KR20100068028 A KR 20100068028A
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KR
South Korea
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catalyst
catalyst layer
fuel cell
metal
ionomer
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KR1020080126681A
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김윤미
최동웅
김남혁
김동일
Original Assignee
주식회사 동진쎄미켐
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Publication date
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Abstract

연료 전지용 촉매층, 상기 촉매층의 제조 방법, 상기 촉매층의 건조 장치, 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극, 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체 및 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 제시된다.

Description

연료 전지용 촉매층, 및 이의 제조 방법{Catalyst layer for fuel cell and method for preparing the same}
연료 전지용 촉매층, 상기 촉매층의 제조 방법, 상기 촉매층의 건조 장치, 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극, 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체 및 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 개시되고, 더욱 구체적으로는 촉매층 내에 이오노머의 농도구배(gradient)를 가지고, 핀홀 및 균열 형성이 억제된 연료 전지용 촉매층, 상기 촉매층의 제조 방법, 상기 촉매층의 건조 장치, 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극, 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체 및 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 개시된다.
과학기술의 발달과 더불어 고용량의 전원에 대한 필요성은 더욱 증대되고 있다. 그러나, 기존의 리튬 이차 전지는 이러한 필요성을 충족시키지 못하고 있으며, 단시간 사용 후 다시 충전해야 하는 번거로움과 수명이 짧다는 단점을 갖고 있다. 이에 대한 해결책으로서, 환경 친화적이며 에너지 밀도가 높고 장수명을 갖는 연료 전지가 차세대 전원으로 주목을 받고 있다.
이러한 연료 전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라, 고분자 전해질형 연료 전지 (PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료 전지 (PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료 전지 (MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체 산화물 연료 전지 (SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분될 수 있으며, 사용되는 전해질에 따라 연료 전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다. 또한, 애노드에 대한 연료 공급방식에 따라, 연료개질기를 통하여 연료를 수소부화가스로 전환시킨 후 애노드에 공급하는 외부개질형과, 기체 또는 액체 상태의 연료를 직접 애노드에 공급하는 연료직접공급형 또는 내부개질형으로 구분될 수 있다. 연료 직접 공급형의 대표적인 예는 직접 메탄올 연료 전지 (DMFC: direct methanol fuel cell)이며, 직접 메탄올 연료 전지는 일반적으로 연료로서 메탄올 수용액을, 전해질로서 수소 이온전도성 고분자 전해질막을 사용한다. 따라서, DMFC도 PEMFC에 속한다. PEMFC는 소형 및 경량이어도 높은 출력밀도를 구현할 수 있으며, 더욱이 PEMFC를 사용하면, 발전 시스템의 구성이 간단해진다.
연료 전지의 기본 구조는 통상적으로, 애노드 (연료 전극), 캐소드 (산화제 전극), 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함한다. 애노드에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, 캐소드에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다. 애노드에서는, 연료가 산화되어 수소이온과 전자가 생성되고, 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드로 전달되며, 전자는 도선 (또는 집전체)을 통하여 외부회로 (부하)로 전달된다. 캐소드에서는, 전해질막을 통하여 전달된 수소이온, 도선 (또는 집전체)을 통하여 외부회로로부터 전달된 전자, 및 산소가 결합하여 물이 생성된다. 이 때, 애노드, 외부 회로 및 캐소드를 경유하는 전자의 이동이 곧 전력이다. 이와 같이 연료 전지의 캐소드 및/또는 애노드에는 연료의 전기화학적 산화 및/또는 산소의 전기화학적 환원을 촉진시키는 촉매층이 함유되어 있다.
상기 연료 전지의 촉매층은 제조 과정은 통상적으로 스프레이 방법, 스크린 프린터법 등등이 있으며, 실험실 스케일 수준에서 스프레이 방법들이 종종 이용되고 있다. 하지만, 스프레이 방법은 다량의 용제를 요구하며 그에 따라 촉매도포 횟수가 증가하여 작업성 면에서 비효율적이다. 또한 한번의 촉매 도포 후에 바로 건조해야만 하며, 건조하지 않은 상태에서 또다시 촉매 슬러리를 도포할 경우에는 소량의 촉매만을 도포했음에도 불구하고 촉매 표면 균열 현상이 발생된다. 또한, 촉매 1회성 도포 후 건조된 전극 표면에 물 용제가 함유된 촉매 슬러리가 아닌 다량의 알코올 성분을 함유한 촉매 슬러리를 다시 도포할 경우 많은 알코올 양은 빈번히 전극 발화 현상의 문제점을 가지고 있다. PEMFC와 같은 낮은 함량의 촉매를 요구하는 경우에는 1회 도포에 따라 다량의 알코올 성분을 포함하는 촉매 슬러리가 바람직하지만, 여전히 DMFC는 고함량의 촉매 요구에 의해서 작업상 여러 번의 도포 횟수를 가짐으로써 촉매 발화에 따른 문제점을 개선하기 위한 공정상의 개선이 매우 시급한 실정이다.
본 발명의 일 측면은 촉매층 내에 이오노머의 농도구배(gradient)를 가지고, 핀홀 및 균열 형성이 억제된 연료 전지용 촉매층을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 촉매층의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 촉매층의 건조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따라,
촉매 금속 입자 및 이오노머를 포함하는 연료 전지용 촉매층으로서, 상기 촉매층이 이오노머의 농도구배(gradient)를 갖는 연료 전지용 촉매층이 제공된다.
상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 수소 이온 전도성 고분자일 수 있다.
상기 이오노머의 농도가 상기 연료 전지용 촉매층의 저면에서 상면 방향으로 증가할 수 있다.
상기 이오노머의 함량은 촉매 금속 입자 100 중량부에 대해서 5 내지 300 중 량부일 수 있다.
상기 연료 전지용 촉매층은 탄소계 지지체를 더 포함할 수 있다.
상기 탄소계 지지체는 카본블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소 분자체, 탄소나노튜브, 미세 기공을 갖고 있는 활성탄, 메조포러스 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 촉매 금속 입자는 주촉매 금속, 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금 및 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 입자일 수 있다.
상기 주촉매 금속은 백금, 금, 루테늄 또는 오스뮴일 수 있다.
상기 보조촉매 금속은 세륨, 루테늄, 주석, 텅스텐, 티타늄, 몰리브덴, 철, 바나듐, 망간, 코발트, 크롬, 니켈, 팔라듐, 로듐 및 이리듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속일 수 있다.
상기 촉매 금속 입자는 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금이거나, 또는 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속인 경우, 상기 주촉매 금속과 보조촉매 금속 사이의 원자비는 9:1 내지 1:9일 수 있다.
상기 촉매 금속 입자는 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금이거나, 또는 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속인 경우, 상기 주촉매 금속/보조촉매 금속의 중량비는 0.3 내지 20일 수 있다.
상기 촉매 금속 입자의 평균 입경은 1.0 내지 10.0 nm일 수 있다.
상기 탄소계 지지체의 함량은 촉매 금속 입자 100 중량부를 기준으로 10 내 지 1,000 중량부일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라 (a) 촉매 금속 입자, 이오노머 및 분산매를 포함하는 촉매 슬러리를 지지체 상면에 도포하고 건조하는 단계; 및
(b) 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 촉매 슬러리의 이오노머 함량을 증가시켜 도포하고 건조하는 공정을 반복하는 단계;를 포함하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법이 제공된다.
상기 반복하는 횟수는 1 내지 5회일 수 있다.
상기 촉매 슬러리는 탄소 지지체를 더 포함할 수 있다.
상기 건조하는 단계는, 상기 촉매 슬러리가 도포된 지지체를 가열기가 연결된 하판 상에 위치시키고 냉각기가 연결된 상판을 상기 도포된 촉매 슬러리 상에 이격시키는 단계; 및 상기 상판과 하판의 온도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 도포된 촉매 슬러리와 상판 사이의 간격은 1 내지 15 mm일 수 있다.
상기 상판의 온도는 -15 내지 5 ℃로 조절되고, 상기 하판의 온도가 0 내지 150 ℃로 조절될 수 있다.
상기 (b) 단계에서 촉매 슬러리를 도포하기 전에 상기 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 이오노머 분산액을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라 냉각기와 연결되어 온도 조절이 가능한 상판;
상기 상판과 대향되며, 상기 상판과의 거리가 조절 가능 하도록 설치되며, 가열기와 연결되어 온도 조절이 가능한 하판; 및 상기 상판 및 하판의 온도가 조절되도록 상기 냉각기 및 상기 가열기를 제어하는 제어부를 포함하는 연료 전지용 촉 매층의 건조 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라 촉매층을 포함하는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 게재되는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체가 제공된다.
상기 촉매층의 일면은 전해질막과 접하고, 타면은 가스확산층과 접할 수 있다.
상기 촉매층은 가스확산층에서 전해질막의 방향으로 증가하는 농도를 갖는 이오노머를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라 상기 촉매층을 포함하는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 게재되는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따르면 전기적 활성, 내구성 및 경제성이 우수하고, 표면에 핀홀 및 균열 발생이 방지된 연료 전지용 촉매층, 우수한 출력 밀도를 갖는 고성능 막전극 접합체 및 연료 전지를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 연료 전지용 촉매층, 상기 촉매층의 제조 방법, 상기 촉매층의 건조 장치, 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극, 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체 및 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지에 대하 여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 촉매층은 탄소계 지지체, 촉매 금속 입자 및 이오노머를 포함하는 연료 전지용 촉매층으로서, 상기 촉매층이 이오노머의 농도구배(gradient)를 갖는다. 즉, 상기 촉매층 내에 포함된 이오노머가 불규칙하게 분포하는 것이 아니라, 일정한 방향성에 따라서 이오노머의 농도, 즉 함량이 변화하는 특성을 가진다.
상기 이오노머의 농도는 상기 연료 전지용 촉매층의 저면에서 상면 방향으로 증가할 수 있다. 즉, 상기 촉매층이 소정의 지지체 상에 형성되는 경우, 지지체에 접하는 저면에서 촉매층의 높이 방향인 상면 방향으로 이오노머의 농도가 증가될 수 있다.
또한, 상기 연료 전지용 촉매층이 가스확산층(GDL) 및 전해질막(membrane) 사이에 개재되는 경우, 상기 이오노머의 농도는 가스확산층에서 전해질막의 방향으로 증가할 수 있다. 그 결과, 가스확산층 근처에는 이오노머의 농도가 작아서 기체 통로를 덜 막히게 하며 동시에 전해질막 근처에 갈수록 이오노머 농도가 커져서 프로톤 이동이 용이하여 고성능의 촉매층을 제공할 수 있게 된다.
상기 촉매 금속 입자는 주촉매 금속, 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금 및 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 입자이다.
상기 주촉매 금속은 연료전지의 전기화학적 산화환원 반응을 직접적으로 촉매하는 역할을 담당하는 것으로서, 이에 대한 비제한적인 예로는, 백금, 금, 루테 늄 또는 오스뮴 등을 들 수 있다.
상기 보조촉매 금속은 주촉매 금속의 전기적 활성을 향상시키는 역할을 담당하는 것으로서, 세륨, 루테늄, 주석, 텅스텐, 티타늄, 몰리브덴, 철, 바나듐, 망간, 코발트, 크롬, 니켈, 팔라듐, 로듐 및 이리듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속일 수 있다.
한편, 상기 촉매 금속 입자가 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금이거나, 또는 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속인 경우, 상기 주촉매 금속과 보조촉매 금속 사이의 원자비는 9:1 내지 1:9일 수 있고, 주촉매 금속/보조촉매 금속의 중량비는 예를 들면 0.3 내지 20, 0.7 내지 7이다.
상기 범위를 벗어나서 주촉매 금속이 과량으로 존재하는 경우에는, 일반적으로 주촉매 금속의 가격이 매우 고가라는 점에서 제조 단가가 상승할 수 있고, 보조촉매 금속이 과량으로 존재하는 경우에는, 연료전지의 전기화학적 산화환원 반응의 촉매로서 충분한 활성을 발휘하지 못할 수 있다.
또한, 상기 촉매 금속 입자의 평균 입경은 예를 들면, 1.0 내지 10.0 nm일 수 있다. 이때, 촉매 금속 입자의 평균 입경이 1.0 nm 미만인 경우에는 촉매가 열화 되기 쉬어 활성 능력이 저하될 수 있고, 촉매 금속 입자의 평균 입경이 10.0 nm 초과인 경우에는 촉매 활성 면적이 줄어들어 성능 저하를 유발할 수 있다.
상기 탄소계 지지체는 금속 전구체 혼합물 용액에 포함되어 금속 전구체를 흡수함으로써 활성 금속입자의 크기를 제어할 수 있는 효과를 가져올 수 있으며, 다공성을 갖고 있고 표면적이 150 m2/g 이상, 특히 500 내지 1200 m2/g 이고, 평균 입경이 10 내지 300nm, 특히 20 내지 100nm인 것을 사용할 수 있다.
상기 탄소계 지지체로는 카본블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소 분자체, 탄소나노튜브, 미세 기공을 갖고 있는 활성탄, 메조포러스 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 사용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 탄소계 지지체의 함량은 촉매 금속 입자 100 중량부를 기준으로 10 내지 1,000 중량부, 25 내지 500 중량부, 50 내지 300 중량부일 수 있다. 이때, 상기 탄소계 지지체의 함량이 10 중량부 미만이면 탄소계 지지체에 담지되는 양이 미비하여 탄소계 지지체의 효과가 없게 되고, 1,000 중량부 초과이면 활성촉매의 밀도가 감소하여 고함량의 촉매를 사용하는 직접메탄올 연료전지에서는 부적절할 수 있다.
상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 구체적인 예로 나피온(Nafion®, DuPont)이 있다.
상기 이오노머의 함량은 촉매 금속 입자 100 중량부에 대해서 예를 들어, 5 내지 300 중량부, 10 내지 200 중량부, 15 내지 150 중량부일 수 있다. 상기 이오 노머의 함량이 5 중량부 미만이면 촉매 분말의 결합성이 약해지고, 50 중량부 초과이면 메탄올 크로스오버를 유도하여 성능저하의 원인으로 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 촉매 금속 입자, 이오노머 및 분산매를 포함하는 촉매 슬러리를 지지체 상면에 도포하고 건조하는 단계; 및 (b) 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 촉매 슬러리의 이오노머 함량을 증가시켜 도포하고 건조하는 공정을 반복하는 단계;를 포함하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법이 제공된다.
이때, 상기 촉매 슬러리를 도포하고 건조하는 공정을 반복하는 횟수는 예를 들면, 1 내지 5회, 1 내지 2회일 수 있다. 상기 반복 횟수가 5회를 초과하는 경우에는 작업성이 저하될 수 있다.
상기 촉매 슬러리의 도포 및 건조하는 공정이 전체적으로 2회가 된다면, 상기 촉매층 제조 방법은 촉매 금속 입자, 이오노머 및 분산매를 포함하는 제1 촉매 슬러리를 전극 지지체 상면에 도포하는 단계; 상기 도포된 제1 촉매 슬러리를 건조하여 제1 촉매층을 형성하는 단계; 상기 제1 촉매층 상면에 촉매 금속 입자, 이오너모 및 분산매를 포함하는 제2 촉매 슬러리를 도포하는 단계; 상기 도포된 제2 촉매 슬러리를 건조하여 제2 촉매층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이후, 촉매 슬러리의 도포 및 건조하는 공정의 반복 횟수를 증가시킴에 따라, 상기 제2 촉매층 상에 제3 내지 그 이상의 촉매층이 연속적으로 형성될 수 있게 된다.
상기 촉매 슬러리는 촉매 금속 입자, 이오노머 및 분산매 이외에 탄소계 지 지체를 더 포함할 수 있다. 이때, 탄소계 지지체, 촉매 금속 입자, 이오노머는 전술한 바와 같다.
상기 분산매는 물, 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 상기 알코올로는 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부탄올, 에틸렌글리콜 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
특히, 상기 촉매 슬러리가 소수성의 지지체에 도포되는 경우에는 분산매가 물로만 이루어질 경우, 효과적으로 도포되기 어려울 수 있으므로, 알코올류의 용제가 10% 이상이 포함될 수 있다. 이때, 알코올을 선택할 때에는 끓는점이 물과 비슷한 정도의 것을 선택해야 한다. 이는, 알코올이 보다 쉽게 지지체를 젖게 하는 특성이 있고 표면장력이 약해 고루 퍼지는 특성으로 이미 도포된 촉매층 표면을 젖게 한 후 쉽게 휘발될 경우에는 촉매 표면 균열을 가져올 수 있기 때문이다.
상기 분산매의 함량은 촉매 금속 입자 100 중량부를 기준으로 100 내지 10,000 중량부, 100 내지 2,000 중량부, 100 내지 1,000 중량부일 수 있다. 이때, 상기 분산매의 함량이 100 중량부 미만이면 촉매 금속 입자와 이오노머의 분산 효과가 줄어들 수 있고, 10,000 중량부 초과이면 촉매 슬러리의 도포시에 작업 횟수가 매우 증가하여 작업 효율성이 저하될 수 있다.
상기 촉매 슬러리의 도포 방식은 통상의 방법이라면 모두 적용 가능하고, 예를 들면, 바코터, 슬릿다이, 잉크젯 또는 스크린 프린터를 이용하여 도포가 가능하다
상기 촉매 슬러리의 도포량은 예를 들면, 1회당 약 0.1mg/cm2 내지 6mg/cm2, 약 1mg/cm2 내지 4mg/cm2, 1.5mg/cm2 내지 2.5mg/cm2일 수 있다. 상기 도포량이 0.1mg/cm2 미만이면 촉매층 형성시에 작업횟수가 상당히 증가할 수 있고, 6mg/cm2 초과이면 촉매층 표면의 균열 현상을 야기할 수 있다.
상기 도포된 촉매 슬러리를 건조하는 단계는, 상기 촉매 슬러리가 도포된 지지체를 가열기가 연결된 하판 상에 위치시키고 냉각기가 연결된 상판을 상기 도포된 촉매 슬러리 상에 이격시키는 단계; 및 상기 상판과 하판의 온도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
이러한 건조 단계는 촉매 슬러리의 상면 건조를 느리게 하면서, 지지체에 맞닿아 있는 저면의 슬러리 부터 천천히 건조시킴으로써 최종 제조되는 촉매층의 표면의 핀홀 및 균열현상을 방지할 수 있게 하는 이점이 있다.
이를 위하여, 상기 도포된 촉매 슬러리와 상판 사이의 간격은 상판이 촉매 슬러리와 닿지 않는 범위 안에서 최대한 가깝게 조절할 수 있으며, 예를 들면 1 내지 15 mm이다. 상기 간격이 1mm 미만으로는 실제 조절이 불가능하고, 상기 간격이 15 mm 초과이면 도포된 촉매 슬러리의 표면에 냉각 효과를 부여하지 못해 촉매층의 표면의 균열을 유발할 수 있다.
상기 상판의 온도는 연결된 냉각기를 이용하여 예를 들면 -15 내지 30 ℃, -10 내지 5 ℃로 조절될 수 있다. 상기 상판의 온도가 -15℃ 미만이면 촉매 슬러리의 상면의 건조가 충분하지 않을 수 있고, 30℃ 초과이면 촉매 슬러리의 상면의 건 조 속도가 빠르게 진행되어 제조되는 촉매층의 표면의 핀홀 및 균열 현상을 방지하지 못할 수 있다.
또한, 상기 하판의 온도는 연결된 가열기를 이용하여 예를 들면 0 내지 150 ℃, 5 내지 40 ℃로 조절될 수 있다. 이때, 상기 하판의 온도가 0℃ 미만이면 촉매 슬러리의 전체적인 건조가 불충분할 수 있고, 150℃ 초과이면 촉매층 표면의 균열 및 핀홀 현상을 방지하지 못할 수 있다.
상기 촉매층의 제조 방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서 촉매 슬러리를 도포하기 전에 상기 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 이오노머 분산액을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 추가로 도포되는 촉매 슬러리가 건조된 촉매 슬러리의 상면에 효과적으로 도포될 수 있도록 중간에 촉매 슬러리와 친화성이 있는 이오노머 분산액을 첨가하는 것이다.
종래의 방식도로 촉매 슬러리를 1회만 도포 및 건조하여 촉매층을 제조할 경우에는, 촉매층 내의 이오노머가 촉매층의 저면으로 가라앉게 되고, 이후 제조된 촉매층이 가스확산층에서 전해질막 사이에 개재되는 경우, 가스확산층과 같은 지지체의 기공을 이오노머가 막을 수 있을 뿐 아니라, 전해질막 부근의 이오노머 비중이 낮아짐에 따라서 프로톤 전달의 저항을 가져올 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매층의 제조 방법에 있어서, 촉매 슬러리를 1회만 도포 및 건조하지 않고, 최소한 2회 이상 도포 및 건조하게 되며, 또한, 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 촉매 슬러리의 이오노머 함량을 증가시켜 도포하고 건조하는 공정을 반복하게 된다. 그 결과, 지지체에 접하는 부분에 서는 이오노머의 농도를 작게하고, 이후 이오노머의 농도가 증가하게 제조한 촉매 슬러리를 반복하여 도포 및 건조함으로써 촉매층의 저면에서 상면 방향으로 갈수록 이오노머의 농도가 증가된 촉매층을 제조할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 촉매층의 제조 방법의 건조 단계를 효과적으로 수행하기 위한 건조 장치로서, 상기 건조 장치는 냉각기와 연결되어 온도 조절이 가능한 상판; 상기 상판과 대향되며, 상기 상판과의 거리가 조절 가능 하도록 설치되며, 가열기와 연결되어 온도 조절이 가능한 하판; 및 상기 상판 및 하판의 온도가 조절되도록 상기 냉각기 및 상기 가열기를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 건조 장치를 도 1을 참고하여 구체적으로 살펴보면, 상판(1)과 하판(2)이 서로 대향되게 구비되며, 하판(2)에는 상면에 촉매 슬러리(12)가 도포된 지지체(11)가 위치될 수 있다. 이때 하판(2)의 하단 부에는 촉매슬러리와 상판(1) 사이의 간격을 조절하기 위한 높이 조절부(3)가 구비되어 있다.
또한, 상판(1)과 하판(2)에는 각각 냉각기(6) 및 가열기(5)가 각각 연결되어 있다. 냉각기(6) 및 가열기(5)와 연결된 제어부(4)를 통하여 촉매 슬러리의 상면이 저면보다 서서히 건조되어 촉매층의 핀홀 및 균열 발생을 억제하기 하도록 온도를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극, 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체 및 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 전극은 전극 기재, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예의 촉매층, 가스확산층 등을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 연료 전지용 전극은 카본 페이퍼 등의 전극 기재 상에, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 탄소나노혼, 탄소나노파이버 등의 탄소 분말; 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE: polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVdF: polyvinylidenefluoride), 불화에틸렌프로필렌 (FEP: fluorinated ethylene propylene) 등의 바인더; 및 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알콜, n-프로필알코올, 부틸알코올 등의 분산매를 혼합하고, 이를 테이프 캐스팅 (tape casting), 스프레이 (spray), 또는 스크린 프린팅 (screen printing) 등의 방법으로 코팅함으로써 균일한 두께로 가스확산층을 형성하고, 이어서 상기 가스확산층 상에, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매층을 형성함으로써 제조될 수 있다.
상기 가스확산층은 촉매층으로 반응 기체가 용이하게 접근할 수 있도록 하는 역할을 수행하며, 더불어 전지 구동시 부산물로 발생하는 물에 의한 성능 저하를 방지하는 역할을 수행한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체 (Membrane Electrode Assembly; MEA)는 촉매층을 포함하는 한 쌍의 전극(애노드 및 캐소드); 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 게재되는 전해질막을 포함한다.
상기 전극은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극이며, 상기 전해질막으로는, 일반적으로, 불소화 알킬렌으로 구성된 주쇄와 말단에 술폰산기를 갖는 불소화비닐 에테르로 구성된 측쇄를 갖는 술포네이트 고불화 폴리머 (예: Nafion : Dupont사의 상표)와 같은 폴리머 전해질이 사용될 수 있다. 이러한 폴리머 전해질막은 적정량의 물을 함습함므로써 우수한 이온 전도성을 발휘하게 된다. 전극 및 전해질막의 접합은 열가압 방법, 열융착 방법 등에 의해서 수행될 수 있다.
상기 촉매층은 촉매 금속 입자; 탄소계 지지체 및 이오노머를 포함하는 연료 전지용 촉매층으로서, 상기 촉매층이 이오노머의 농도구배(gradient)를 갖가스확산층에서 전해질막의 방향으로 증가하는 농도를 갖는 이오노머를 포함한다.
따라서, 상기 막전극 접합체에서 촉매층의 일면은 전해질막과 접하고, 타면은 가스확산층과 접할 수 있으며, 이때, 상기 촉매층은 가스확산층에서 전해질막의 방향으로 증가하는 농도를 갖는 이오노머를 포함할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공하며, 이러한 연료 전지는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 기체 공급부를 포함한다. 상기 전기 발생부는 고분자 전해질막 양면에 구성되는 양극, 음극 및 분리판을 포함하며, 금속 망사 등을 이용하여 전극과 분리판이 일체형으로 제작될 수도 있다. 상기 연료 공급부는 수소 또는 수소 함유 연료, 즉 메탄올과 같은 알코올류를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 기체 공급부는 산소 또는 산소를 포함하는 공기 등을 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 중 직접 메탄올 연료 전지에 대하여 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, DMFC는 연료가 공급되는 애노드 (20), 산화제가 공급되는 캐소드 (30), 및 애노드 (20)와 캐소드 (30) 사이에 위치하는 전해질막 (40)을 포함한다. 일반적으로, 애노드 (20)는 애노드 확산층 (22)과 애노드 촉매층 (21)으로 이루어지며, 캐소드 (30)는 캐소드 확산층(확산층은 이하 기체확산층과 동일한 의미로 사용) (32)과 캐소드 촉매층 (31)으로 이루어진다. 상기 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층은 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법으로 제조된 담지 촉매로 이루어진다.
애노드 분리판 (50)은 애노드에 연료를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 애노드에서 발생한 전자를 외부회로 또는 인접하는 단위전지로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. 캐소드 분리판 (60)은 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 외부회로 또는 인접하는 단위전지로부터 공급된 전자를 캐소드로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. DMFC에 있어서, 애노드에 공급되는 연료로서는 주로 메탄올 수용액이 사용되고 이는 연료 공급부로부터 공급되며, 캐소드에 공급되는 산화제로서는 주로 공기가 사용되고 이는 기체 공급부로부터 공급된다.
애노드 확산층 (22)을 통하여 애노드 촉매층 (21)에 전달된 메탄올 수용액은 전자, 수소이온, 이산화탄소 등으로 분해된다. 수소 이온은 전해질막 (40)을 통하여 캐소드 촉매층 (31)으로 전달되고, 전자는 외부회로로 전달되며, 이산화탄소는 외부로 배출된다. 캐소드 촉매층 (31)에서는, 전해질막 (40)을 통하여 전달된 수소이온, 외부회로로부터 공급된 전자, 그리고 캐소드 확산층 (32)을 통하여 전달된 공기중의 산소가 반응하여 물을 생성한다.
이러한 DMFC에 있어서, 전해질막 (40)은 수소 이온 전도체, 전자 절연체, 격리막 등의 역할을 한다. 이때, 격리막의 역할이라 함은, 미반응 연료가 캐소드로 전달되거나, 또는 미반응 산화제가 애노드로 전달되는 것을 방지하는 것을 의미한다.
이하 본 발명의 실시예들을 통하여 더욱 상세히 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예: 전극 및 막전극 접합체의 제조
(1) 캐소드 전극의 제조
70wt% PtCo/Vulcan(DC1, Dongjin Semichem) 1g과 10% 나피온 분산액(Nafion®, DuPont)을 2.5g을 넣고 7g의 물을 섞은 후 균질기를 이용하여 약 400rpm속도로 10분간 교반하여 고분자형 전해질형 연료 전지의 촉매 슬러리를 제조하였다.
카본 페이퍼인 SGL 24BC (SGL Technology) 표면 위에 0.5wt% 나피온 분산액을 상기 표면을 충분히 적셔서 단위 면적당 나피온의 도포량이 약 0.1mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 그 위에 상기 제조된 촉매 슬러리를 건조 함량이 약 2.5mg/cm2이 되도록 도포하였다. 그 후에 도 1에 따른 건조기를 이용하여 하판을 30℃로 설정하고, 상판을 0℃ 로 설정한 후에, 상기 촉매 슬러리가 도포된 전극 지지체를 하판 위에 올려놓았다.
촉매 슬러리와 상판의 간격이 1mm정도로 유지하면서 맞닿지 않도록 조절한다. 도포된 촉매 슬러리가 건조되면, 그 상면에 다시 0.5wt% 나피온 분산액을 상기 표면을 충분히 적셔서 단위 면적당 나피온의 도포량이 약 0.1mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 이후 그 위에 다시 촉매 건조 함량이 약 1.5mg/cm2이 되도록 촉매 슬러리의 도포시켰다. 젖은 촉매 슬러리 윗면에 전해질막과의 접합상태를 용이하게 하기 위해서 접합용 나피온 용액(10% 나피온 : 이소프로필알콜(IPA) : DI = 1:1:1)을 나피온의 건조 함량을 약 0.5~1.5mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 젖은 슬러리가 도포된 상태에서 다시 위와 같은 건조 과정을 반복했다. 건조된 전극은 촉매층 내의 이오노머의 고착을 위해서 80℃에서 재건조 시켰다.
(2) 애노드 전극의 제조
60wt% PtRu/Vulcan(DA1, Dongjin Semichem) 1g과 10% 나피온 분산액 (Nafion®, DuPont) 분산액을 2.5g을 넣고 7g의 물을 섞은 후 균질기를 이용하여 약 400rpm속도로 10분간 교반시켜서 고분자형 전해질형 연료전지의 촉매 슬러리를 제조하였다. 소수성 물질과 MPL(Microporous layer)이 도포된 TCP(Toray Carbon Paper) 표면 위에 0.5wt% 나피온 분산액을 상기 표면을 충분히 적셔서 단위 면적당 나피온의 도포량이 약 0.01mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 그 위에 촉매 슬러리를 건조 함량이 약 2.0mg/cm2이 되도록 도포 하였다. 그 후에 도 1에 따른 건조기를 이용하여 하판을 30℃로 설정하고, 상판을 0℃로 설정한 후에, 상기 촉매 슬러리가 도포된 전극 지지체를 하판 위에 올려놓았다.
촉매 슬러리와 상판의 간격이 1mm정도로 유지하면서 맞닿지 않도록 조절한다. 도포된 촉매 슬러리가 건조되면, 그 상면에 다시 0.5wt% 나피온 분산액을 상기 표면을 충분히 적셔서 단위 면적당 나피온의 도포량이 약 0.01mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 이후 그 위에 다시 촉매 건조 함량이 약 1.0mg/cm2이 되도록 촉매 슬러리의 도포시켰다.
젖은 촉매 슬러리 윗면에 전해질막과의 접합상태를 용이하게 하기 위해서 접합용 나피온 용액(10% 나피온 : 이소프로필알콜(IPA) : DI = 1:1:1)을 나피온의 건조 함량을 약 0.5~1.5mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 젖은 슬러리가 도포된 상태에서 다시 위와 같은 건조 과정을 반복했다. 건조된 전극은 촉매층 내의 이오노머의 고착을 위해서 80℃에서 재건조 시켰다.
(3) 막전극 접합체의 제조
고분자 전해질막 Nafion 112 (DuPont) 막의 양면에 상기에서 제조된 캐소드 및 애노드 전극을 접하게 하고 열융착(hotpress)방법으로 접합하여 전해질막/전극 접합체를 제조하였다. 이때, 접합은 130oC, 3min, 압력은 100kg/cm2에서 수행하였 다.
비교예
비교예: 전극 및 막전극 접합체의 제조
(1) 캐소드 전극의 제조
70wt% PtCo/Vulcan(DC1, Dongjin Semichem) 1g과 10% 나피온(Nafion®, DuPont) 분산액을 2.5g을 넣고 7g의 물을 섞은 후 균질기를 이용하여 약 400rpm속도로 10분간 교반하여 고분자형 전해질형 연료 전지의 촉매 슬러리를 제조하였다.
카본 페이퍼인 SGL 24BC (SGL Technology) 표면 위에 0.5wt% 나피온 분산액을 상기 표면을 충분히 적셔서 단위 면적당 나피온의 도포량이 약 0.1mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 그 위에 상기 제조된 촉매 슬러리를 건조 함량이 약 4.0mg/cm2이 되도록 도포하였다. 그 후에 건조기를 이용하여 50oC로 건조하였다. 건조된 촉매층 윗면에 전해질막과의 접합상태를 용이하게 하기 위해서 접합용 나피온 용액(10% 나피온 : 이소프로필알콜(IPA) : DI = 1:1:1)을 나피온의 건조 함량을 약 0.5~1.5mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 건조된 전극은 촉매층 내의 이오노머의 고착을 위해서 80℃ 에서 재건조 시켰다.
(2) 애노드 전극의 제조
60wt% PtRu/Vulcan(DA1, Dongjin Semichem) 1g과 10% 나피온 분산액(Nafion ®, DuPont) 을 2.5g을 넣고 7g의 물을 섞은 후 균질기를 이용하여 약 400rpm속도로 10분간 교반시켜서 고분자형 전해질형 연료전지의 촉매 슬러리를 제조하였다. 소수성 물질과 MPL(Microporous layer)이 도포된 TCP(Toray Carbon Paper)표면 위에 0.5wt% 나피온 분산액을 상기 표면을 충분히 적셔서 단위 면적당 나피온의 도포량이 약 0.01mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 그 위에 촉매 슬러리를 건조 함량이 약 3.0mg/cm2이 되도록 도포 하였다. 그 후에 건조기를 이용하여 50oC로 건조하였다. 건조된 촉매층 윗면에 전해질막과의 접합상태를 용이하게 하기 위해서 접합용 나피온 용액(10% 나피온 : 이소프로필알콜(IPA) : DI = 1:1:1)을 나피온의 건조 함량을 약 0.5~1.5mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 건조된 전극은 촉매층 내의 이오노머의 고착을 위해서 80 ℃에서 재건조 시켰다.
(3) 막전극 접합체의 제조
고분자 전해질막 Nafion 112 (DuPont) 막의 양면에 상기에서 제조된 캐소드 및 애노드 전극을 접하게 하고 열융착(hotpress)방법으로 접합하여 전해질막/전극 접합체를 제조하였다. 이때, 접합은 130℃, 3min, 압력은 100kg/cm2에서 수행하였다.
실험 결과
실시예 및 비교예에서 제조된 막전극 접합체를 가지고 단위전지 실험을 진행하였다. 실험조건은 다음과 같다.
연료 공급은 4vol% 메탄올 수용액을 가지고 1cc/min을 공급시키면서, 동시에 공기 유량은 150cc/min으로 공급해주었다. 온도에 따라서 I-V 곡선을 측정하고, 전력(Power)값을 계산하여 I-P 곡선을 얻어서, 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 일정 전압, 예를 들어 0.4V을 기준으로, 전류 및 전력 밀도의 값을 살펴보면, 비교예는 약 0.8A의 전류 및 70mW/cm2의 전력 밀도를 나타내나, 실시예는 약 1.2A의 전류 및 100mW/cm2의 전력 밀도를 나타내고 있다. 따라서, 실시예에 따른 연료 전지가 비교예의 경우보다 일정 전압에서 더 큰 전력 밀도를 갖는 우수한 성능을 발휘한다는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매층의 건조 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 도시한 도면이다.
도 3은 상기 실시예 및 비교예에서 제조한 막전극 접합체의 단위 전지 실험 평가 결과를 도시한 그래프이다.
<도면 부호에 대한 간단한 설명>
1: 상판 2: 하판
3: 높이 조절부 4: 제어부
5: 가열기 6: 냉각기
11: 지지체 12: 촉매 슬러리
20: 애노드 30: 캐소드
40: 전해질막 50: 애노드 분리판
60: 캐소드 분리판 22: 애노드 확산층
21: 애노드 촉매층 31: 캐소드 촉매층
32: 캐소드 확산층

Claims (28)

  1. 촉매 금속 입자; 및 이오노머를 포함하는 연료 전지용 촉매층으로서, 상기 촉매층이 이오노머의 농도구배(gradient)를 갖는 연료 전지용 촉매층.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이오노머가 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이오노머의 농도가 상기 연료 전지용 촉매층의 저면에서 상면 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이오노머의 함량이 촉매 금속 입자 100 중량부에 대해서 5 내지 300 중량부인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.
  5. 제1항에 있어서, 탄소계 지지체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.
  6. 제5항에 있어서, 상기 탄소계 지지체가 카본블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소 분자체, 탄소나노튜브, 미세 기공을 갖고 있는 활성탄, 메조포러스 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.
  7. 제1항에 있어서, 상기 촉매 금속 입자가 주촉매 금속, 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금 및 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 입자인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.
  8. 제7항에 있어서, 상기 주촉매 금속이 백금, 금, 루테늄 또는 오스뮴인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.
  9. 제7항에 있어서, 상기 보조촉매 금속이 세륨, 루테늄, 주석, 텅스텐, 티타늄, 몰리브덴, 철, 바나듐, 망간, 코발트, 크롬, 니켈, 팔라듐, 로듐 및 이리듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.
  10. 제7항에 있어서, 상기 촉매 금속 입자가 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금이거나, 또는 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속인 경우, 상기 주촉매 금속과 보조촉매 금속 사이의 원자비는 9:1 내지 1:9인 것을 특징으로 하는 연료 전지 용 촉매층.
  11. 제7항에 있어서, 상기 촉매 금속 입자가 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금이거나, 또는 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속인 경우, 상기 주촉매 금속/보조촉매 금속의 중량비는 0.3 내지 20인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.
  12. 제1항에 있어서, 상기 촉매 금속 입자의 평균 입경이 1.0 내지 10.0 nm인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.
  13. 제5항에 있어서, 상기 탄소계 지지체의 함량이 촉매 금속 입자 100 중량부에 대해서 10 내지 1,000 중량부인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.
  14. (a) 촉매 금속 입자, 이오노머 및 분산매를 포함하는 촉매 슬러리를 지지체 상면에 도포하고 건조하는 단계; 및
    (b) 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 촉매 슬러리의 이오노머 함량을 증가시켜 도포하고 건조하는 공정을 반복하는 단계;를 포함하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 반복하는 횟수가 1 내지 5회인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 촉매 슬러리가 탄소 지지체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 건조하는 단계가, 상기 촉매 슬러리가 도포된 지지체를 가열기가 연결된 하판 상에 위치시키고 냉각기가 연결된 상판을 상기 도포된 촉매 슬러리 상에 이격시키는 단계; 및 상기 상판과 하판의 온도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 도포된 촉매 슬러리와 상판 사이의 간격이 1 내지 15 mm인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 상판의 온도가 -15 내지 30℃로 조절되고, 상기 하판의 온도가 0 내지 150℃로 조절되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.
  20. 제14항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 촉매 슬러리를 도포하기 전에 상기 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 이오노머 분산액을 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.
  21. 냉각기와 연결되어 온도 조절이 가능한 상판;
    상기 상판과 대향되며, 상기 상판과의 거리가 조절 가능 하도록 설치되며, 가열기와 연결되어 온도 조절이 가능한 하판; 및
    상기 상판 및 하판의 온도가 조절되도록 상기 냉각기 및 상기 가열기를 제어하는 제어부를 포함하는 연료 전지용 촉매층의 건조 장치.
  22. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극.
  23. 제1항 내지 제13항에 따른 촉매층을 포함하는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 게재되는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체.
  24. 제23항에 있어서, 상기 촉매층의 일면이 전해질막과 접하고, 타면이 가스확산층과 접하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  25. 제24항에 있어서, 상기 촉매층이 가스확산층에서 전해질막의 방향으로 증가하는 농도를 갖는 이오노머를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  26. 제1항 내지 제13항에 따른 촉매층을 포함하는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 게재되는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체를 포함하는 연료 전 지.
  27. 제26항에 있어서, 상기 촉매층의 일면이 전해질막과 접하고, 타면이 가스확산층과 접하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  28. 제27항에 있어서, 상기 촉매층이 가스확산층에서 전해질막의 방향으로 증가하는 농도를 갖는 이오노머를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
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