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KR20240154911A - 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법 - Google Patents

연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법 Download PDF

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KR20240154911A
KR20240154911A KR1020230051457A KR20230051457A KR20240154911A KR 20240154911 A KR20240154911 A KR 20240154911A KR 1020230051457 A KR1020230051457 A KR 1020230051457A KR 20230051457 A KR20230051457 A KR 20230051457A KR 20240154911 A KR20240154911 A KR 20240154911A
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sub
electrode
fuel cell
electrode assembly
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KR1020230051457A
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김영택
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주식회사 제로테크놀로지
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Publication date
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Abstract

친환경 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법은, 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 일면 상에 형성된 제1 전극, 상기 고분자 전해질막의 타면 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 막-전극체를 제공하는 단계와, 상기 일면 상에 제1 서브가스켓을 제공하고, 상기 타면 상에 제2 서브가스켓을 제공하는 단계와, 상기 제1 서브가스켓을 상기 일면 상에 접합하고, 상기 제2 서브가스켓을 상기 타면 상에 접합하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법{Manufacturing method of membrane-electrode assembly for fuel cell}
본 발명은 친환경 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 고분자 전해질막, 제1 전극, 제2 전극으로 이루어진 막-전극체 상에 제1 및 제2 서브가스켓을 프레스-에어로 접합하는 것으로, 1회의 공정으로 고분자 전해질막, 제1 전극, 제2 전극, 제1 서브가스켓 및 제2 서브가스켓을 포함하는 막-전극 접합체를 제조하는 것이다.
연료전지는 연료로 사용되는 수소 및 수소를 포함하고 있는 물질이 전기화학적으로 산화되면서 발생하는 전자를 이용하여 전류를 생산해 내는 전기화학적 에너지 변환/생성 장치이다. 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 변화하기 때문에 효율이 높고, 환경오염을 일으키지 않는 무공해 에너지원이라는 점에서 장점이 많다.
이러한 연료전지의 종류는 다음과 같다. 즉, 연료전지는 탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고분자전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 직접메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell), 직접탄소 연료전지(DCFC, Direct Carbon Fuel Cells) 및 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell) 등 다양한 종류가 있다.
이중에서 고분자 전해질 연료전지는 작동온도가 낮고, 에너지 전환 효율 및 출력 밀도가 높으며, 응답 특성이 빠른 장점이 있어, 특히 자동차의 동력 장치로 개발되고 있다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 기본 원리는 다음과 같다. 먼저 연료(수소) 및 공기(산소)가 각각 촉매가 형성된 연료극과 공기극으로 유입되고, 연료극으로 유입된 수소는 백금 촉매 표면에서 산화되어 양성자와 전자를 생산하게 된다. 양성자는 고분자 전해질막을 통과하여 공기극의 산소와 만나서 물을 생성하고, 발생한 전자는 외부 회로를 통해 전기 에너지를 발생시킨다.
한편, 막-전극 접합체가 연료전지의 핵심구성 소자로 기능하는데, 이에 대한 제조공정의 단순화가 필요하였다.
대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0050710호
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 친환경 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 연료전지용 막-전극 접합체의 제조는 전사 공정을 통해 고분자 전해질막 상에 제1 및 제2 전극을 패터닝하여 막-전극체를 형성하는 공정과, 막-전극체 상에 서브가스켓을 접합하는 2단의 공정으로 구성된다.
각 공정은 열과 압력을 가하여 접합하는 유사한 방식이지만, 전극과 서브가스켓의 2 가지 구성품을 동시에 접합할 때, 전극과 서브가스켓의 두께 차이에 의한 단차로 인하여, 동일한 프레스로 한번에 접합하지 못하는 문제가 있다.
공기 가압 방식은 소재 두께가 다름으로 인한 단차가 존재하여도 평판이나 롤 프레스 방식처럼 가장 두꺼운 부분만 가압되는 방식과 다르게, 두께가 다른 모든 영역에서 동일한 압력으로 가압할 수 있는 장점이 있으므로, 단일 공정으로 전극과 서브가스켓을 접합할 수 있다.
공기를 이용한 가열 방식은 기존의 평판이나 롤-프레스처럼 상부 또는 하부에서만 열을 가하기 때문에 온도에 대한 편차가 존재하게 되는 단점을 극복할 수 있다.
결과적으로 공기를 가압과 가열하여 접합하는 방식은 접합하는 모든 면적에서 동일한 압력과 온도를 가하기 때문에 제조된 막-전극 접합체의 품질을 향상 시킬 수 있고, 단일 공정으로 제조할 수 있기 때문에, 공정 원가과 운영 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법은, 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 일면 상에 형성된 제1 전극, 상기 고분자 전해질막의 타면 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 막-전극체를 제공하는 단계와, 상기 일면 상에 제1 서브가스켓을 제공하고, 상기 타면 상에 제2 서브가스켓을 제공하는 단계와, 상기 제1 서브가스켓을 상기 일면 상에 접합하고, 상기 제2 서브가스켓을 상기 타면 상에 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 서브가스켓을 접합하는 단계는, 상기 제1 및 제2 서브가스켓에 프레스-에어를 가하여 이루어질 수 있다.
상기 프레스-에어의 압력은 10 내지 50Mpa이다.
상기 제1 및 제2 서브가스켓의 접합은 70 내지 150℃의 온도분위기에서 이루어질 수 있다.
상기 제1 및 제2 서브가스켓의 접합은 1 내지 20분 동안 수행될 수 있다.
상기 제1 전극이 외부로 노출되도록, 상기 제1 전극과 중첩되는 상기 제1 서브가스켓의 일부 영역이 타공된 것이다.
상기 제2 전극이 외부로 노출되도록, 상기 제2 전극과 중첩되는 상기 제2 서브가스켓의 일부 영역이 타공된 것이다.
상기 제1 및 제2 서브가스켓은 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)로 형성될 수 있다.
상기 고분자 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리에테르케톤 및 폴리술폰으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나이다.
상기 제1 전극 및 제2 전극은 담지체 및 상기 담지체에 담지된 금속촉매를 포함한다.
상기 금속촉매는 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 주석(Sn), 티타늄(Ti) 및 크로뮴(Cr) 중에서 선택된 어느 하나이거나 이들의 합금이다.
상기 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 막-전극 접합체가 제공된다.
본 발명에 의하면, 친환경 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법이 제공된다. 즉, 공기를 가압과 가열하여 접합하는 방식으로 막-전극 접합체를 제조함으로써, 접합하는 모든 면적에서 동일한 압력과 온도를 가하기 때문에 제조된 막-전극 접합체의 품질을 향상 시킬 수 있고, 단일 공정으로 제조할 수 있기 때문에, 공정 원가과 운영 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 이외의 발명의 효과도 청구범위의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2 및 도 3은 연료전지용 막-전극 접합체의 제조과정을 설명하기 위한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법을 나타낸 순서도이고, 도 2 및 도 3은 연료전지용 막-전극 접합체의 제조과정을 설명하기 위한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법은, 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 일면 상에 형성된 제1 전극, 상기 고분자 전해질막의 타면 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 막-전극체를 제공하는 단계(S10)와, 상기 일면 상에 제1 서브가스켓을 제공하고, 상기 타면 상에 제2 서브가스켓을 제공하는 단계(S20)와, 상기 제1 서브가스켓을 상기 일면 상에 접합하고, 상기 제2 서브가스켓을 상기 타면 상에 접합하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
먼저, 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 일면 상에 형성된 제1 전극, 상기 고분자 전해질막의 타면 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 막-전극체를 제공한다(S10).
막-전극체(100)는 고분자 전해질막(10) 연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로써, 기존 내연기관에 비해 높은 효율로 에너지를 활용할 수 있으며, 에너지 변환 과정에서 이산화탄소, 질산화물, 황산화물 등의 환경 오염 물질이 배출되지 않는 청정 에너지원이다.
연료전지의 경우, 수소 등의 기체 연료는 산화극(anode)에 공급되고 산소 등의 공기 연료는 환원극(cathode)에 공급되며, 산화극에서 수소가 산화되는 과정에서 연료전지에 연결된 외부 회로를 통해 전자가 방출되고, 환원극에서 방출된 전자를 이용해 산소가 환원되는 과정에서 발생하는 이온들이 산화극과 환원극 사이에 존재하는 고분자 전해질 막을 통해 전달되는 과정을 반복하며 전기 에너지를 생산하는 것을 특징으로 한다. 이하에서는, 설명의 편의상 산화극을 제1 전극(11)으로, 환원극을 제2 전극(12)으로 나타내었으나, 환원극이 제1 전극(11), 산화극이 제2 전극(12)이 될 수 있음은 물론이다.
고분자 전해질막 연료전지는 낮은 작동온도, 높은 성능, 빠른 구동, 다양한 출력을 낼 수 있는 장점이 있으므로 휴대용, 차량용, 및 발전용 에너지원으로 사용될 수 있다. 고분자 전해질막 연료전지는 앞서 살펴본 바와 같이 산화극(anode), 환원극(cathode) 및 전해질(electrolyte)의 역할을 하는 고분자 막으로 이루어져 있다.
한편, 고분자 전해질막(10)은 고분자 물질로 형성될 수 있다. 고분자 전해질막(10)은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리에테르케톤 및 폴리술폰으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
한편, 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)은 담지체(미도시) 및 상기 담지체에 담지된 금속촉매(미도시)를 포함할 수 있다. 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)에서는 연료가스의 산화 환원을 통해 전기를 발생시킬 수 있다.
여기서, 담지체는 카본블랙(carbon black), 그라파이트(graphite), 탄소나노튜브(carbon nano-tube), 그래핀(graphene), 풀러렌(fullerene), 세라믹 산화물 등일 수 있다.
금속촉매는 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 주석(Sn), 티타늄(Ti) 및 크로뮴(Cr) 중에서 선택된 어느 하나이거나, 이들의 합금일 수 있다. 담지체에 담지된
금속촉매 입자의 평균입경은 2 내지 10㎚ 일 수 있고, 바람직하게는 3 내지 7㎚이며, 보다 바람직하게는 1.5 내지 4㎚일 수 있다. 이때, 담지체 전체에 대해, 금속촉매는 10 내지 70wt% 정도가 담지될 수 있다.
한편, 막-전극체(100)는 고분자 전해질막(10) 상의 일면에 제1 전극(11)을, 타면에 제2 전극(12)을 전사하여 형성될 수 있다. 고분자 전해질막(10)에 제1 전극(11)과 제2 전극(12)을 전사하는 방법은 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 바 코팅, 딥 코팅 잉크젯 코팅 등의 방법으로 수행될 수 있다.
한편, 제1 전극(11) 또는 제2 전극(12)은 전극 반응을 효과적으로 활성화시키고, 전기 저항이 지나치게 커지는 것을 막기 위하여 1 내지 50㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5㎛ 내지 40㎛, 보다 바람직하게는 10㎛ 내지 25㎛의 두께로 형성할 수 있다. 제1 및 제2 전극(11, 12) 두께가 1㎛ 미만인 경우에는 전극 반응의 활성화가 저하될 수 있고, 50㎛ 초과하는 경우에는 전기 저항 및 물질전달 저항이 커지므로 연료전지의 출력이 저하될 수 있다.
다음으로, 상기 일면 상에 제1 서브가스켓(21)을 제공하고, 상기 타면 상에 제2 서브가스켓(22)을 제공한다(S20).
제1 서브가스켓(21)과 제2 서브가스켓(22)은 막-전극체(100)의 일측 및 타측에 제공된다. 보다 구체적으로, 제1 서브가스켓(21)은 제1 전극(11)이 형성된 고분자 전해질막(10)의 일면 상에, 제2 서브가스켓(22)은 제2 전극(22)이 형성된 고분자 전해질막(10)의 타면 상에 제공될 수 있다.
제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)은 고분자 전해질막(10)을 보호하고, 연료전지의 조립성을 확보하기 위해 제공될 수 있다. 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)으로는 연료전지 반응에 불활성인 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)가 사용될 수 있다.
한편, 제1 전극(11) 및 제2 전극(12) 에서 연료전지 반응이 일어날 수 있도록, 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)의 일부 영역이 타공(23, 24)되어 제공될 수 있다. 이는, 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)이 불활성인 고분자 필름으로 제조되는바, 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)이 고분자 전해질막(10)의 일면 및 타면에 그대로 접합되면, 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)이 외부로 노출되지 않고 절연되어, 연료전지 반응이 이루어지지 않을 수 있다,
이에, 상기 제1 전극(11)이 외부로 노출되도록, 상기 제1 전극(11)과 중첩되는 상기 제1 서브가스켓(21)의 일부 영역(23)이 타공될 수 있다. 또한, 상기 제2 전극(12)이 외부로 노출되도록, 상기 제2 전극(12)과 중첩되는 상기 제2 서브가스켓(22)의 일부 영역(24)이 타공될 수 있다.
한편, 고분자 전해질막(10)의 일면과 맞닿는 제1 서브가스켓(21)의 일부에는, 접합력 향상을 위해필요에 따라 접착제가 도포될 수 있다. 또한, 고분자 전해질막(10)의 타면과 맞닿는 제2 서브가스켓(22)의 일부에도, 접합력 향상을 위해 필요에 따라 접착제가 도포될 수 있다. 이러한 접착제는 핫멜트 성분일 수 있으며, 후술할 반응 챔버 내의 접합공정시, 고분자 전해질막(10)과 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22) 간의 접합력을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 상기 제1 서브가스켓(21)을 상기 일면 상에 접합하고, 상기 제2 서브가스켓(22)을 상기 타면 상에 접합할 수 있다(S30).
제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)의 접합은 다음과 같이 진행될 수 있다.
먼저, 상술한 바와 같이, 막-전극체(100)의 일측에 제1 서브가스켓(21)을 제공하고, 일측과 반대되는 타측에 제2 서브가스켓(22)을 제공한다. 보다 구체적으로, 제1 서브가스켓(21)에 타공된 영역(23)에 의해 제1 전극(11)이 외부로 노출되고, 제2 서브가스켓에 타공된 영역(24)에 의해 제2 전극(12)이 외부로 노출되도록, 제1 서브가스켓(21)을 고분자 전해질막(10)의 일면 상에 제공하고, 제2 서브가스켓(22)을 고분자 전해질막(10)의 타면 상에 제공한다.
막-전극체(100)에 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)이 제공된 적층체(101)를 반응 챔버(미도시)에 인입시킨다. 반응 챔버의 온도와 압력은 공정조건에 따라 조절 가능하다. 한편, 막-전극체(100)에 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)이 제공된 적층체(101)는 반응 챔버 내에 다수 개가 인입 가능하다. 즉, 단수 개뿐만 아니라, 다수의 적층체(101)를 동시에 반응시킴으로써, 막-전극체(100)에 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)이 접합된 막-전극 접합체(200)를 반응 챔버 내에서 다량으로 제조할 수 있다.
한편, 막-전극체(100)의 고분자 전해질막(10)의 일면 상에 제1 서브가스켓(21)을 접합하고, 타면 상에 제2 서브가스켓(22)을 접합하는 것은 프레스-에어를 통해 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 반응 챔버 내에 인입된 적층체(101)에 프레스-에어를 가한다. 프레스-에어는 적층체(101)의 일면과 타면을 향해 고르게 분사될 수 있다.
이때, 프레스-에어의 압력은 10 내지 50Mpa일 수 있다. 프레스-에어의 압력이 10Mpa 미만이면, 고분자 전해질막(10) 상에 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)의 접합이 충분히 이루어지지 않을 수 있다. 프레스-에어의 압력이 50Mpa를 초과하면, 고분자 전해질막(10)이나 제1 및 제2 전극(11, 12)을 파손시킬 가능성이 있어, 바람직하지 않다.
고분자 전해질막(10) 상에 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)을 프레스-에어로 접합시킬 경우, 프레스롤러를 이용하여 접합시킬 경우와 달리, 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22) 전역에 고르게 압력을 가할 수 있다. 즉, 프레스롤러를 이용할 경우, 제1 및 제2 전극(11, 12)에 의해 형성된 단차에 의해, 제1 및 제2 전극(11, 12)에 근접한 영역의 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)에는 압력이 전달되기 어려운 점이 있다. 이에 의해, 제1 및 제2 전극(11, 12)에 근접한 영역에서는 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)이 고분자 전해질막(10) 상에서 미접합되는 현상이 발생되어, 추가의 공정을 통해 해당 부분에서 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)을 접합을 시도하였다. 즉, 부득이하게 접합공정이 수회 진행되는 번거로움이 있었다.
본 발명에 의할 경우, 프레스-에어에 의해 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)의 접합을 진행하는바, 제1 및 제2 전극(11, 12)에 의해 고분자 전해질막(10) 상에 단차가 있더라도, 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)의 전영역에 고르세 압력이 가해질 수 있다. 이에 의해, 제1 및 제2 전극(11, 12)과 근접하는 영역에서도 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)의 접합이 이루어질 수 있고, 추가의 접합공정이 필요하지 않은 장점이 있다.
계속해서, 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)의 접합 공정시, 반응 챔버 내의 온도분위기는 70 내지 150℃일 수 있다. 온도분위기가 70℃미만이면, 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)과 고분자 전해질막(10)간의 열융착 반응이 활성화되기 어려워 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)이 고분자 전해질막(10)에 접합되기 어려울 수 있다. 한편, 온도분위기가 150℃를 초과하면, 고분자 물질인 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22) 또는 고분자 전해질막(10)에서 열변성이 발생될 가능성이 있다.
한편, 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)의 접합 공정은 1 내지 20분 동안 수행될 수 있다. 공정시간이 1분 미만이면, 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)과 고분자 전해질막(10) 간의 접합이 충분히 이루어지지 않을 수 있다. 공정시간이 20분을 초과하면, 투입되는 시간대비 제1 및 제2 서브가스켓(21, 22)과 고분자 전해질막(10) 간의 접합이 충분히 이루어지나, 투입되는 시간만큼 더 큰 접합효과가 발생되지는 않아, 공정효율상 바람직하지 않다.
상술한 공정에 의해, 고분자 전해질막(10), 제1 전극(11), 제2 전극(12), 제1 서브가스켓(21) 및 제2 서브가스켓(22)을 포함하는 막-전극 접합체(200)가 제조될 수 있다. 제조된 막-전극 접합체(200)는 연료전지에 사용될 수 있다.
추가적으로, 본 발명의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지 시스템(미도시)이 제공될 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 당해 기술분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있다. 또한, 상기 연료전지는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택 또는 평판형 (planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템은 막-전극 접합체, 및 상기 막-전극 접합체의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하고, 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 상기 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 상기 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법을 설명하도록 한다.
제조예 1 - 막-전극체의 제조
제1 및 제2 전극을 형성하기 위하여, 금속촉매로 백금(Pt)을 준비하고, 담지체로 카본블랙을 준비하였다. 금속촉매의 입경을 4 내지 7㎚로 준비하였고, 카본블랙 담지체 중량의 60 내지 70 wt%이 되도록 금속촉매를 카본블랙에 담지시켰다. 금속촉매가 담지된 카본블랙을 폴리테트라플루오로에틸렌에 분산시켜 전극형성용 잉크를 제조하였다.
고분자 전해질막으로 폴리이미드를 선택하였고, 고분자 전해질막은 가로Ⅹ세로 4㎝Ⅹ6㎝의 크기로 선정하였다.
제조된 전극형성용 잉크로 고분자 전해질막의 일면에 제1 전극을 타면에 제2 전극을 형성하였다. 제1 및 제2 전극은 스프레이 코팅 방법으로 형성하였다. 제1 전극과 제2 전극은 각각 70㎛의 두께로 형성되었다. 그리고, 제1 전극 및 제2 전극은 가로Ⅹ세로 1.5㎝Ⅹ3㎝의 크기로 형성하였다.
제조예 2 - 막-전극 접합체의 제조
제조예 1에서 제조된 막-전극체 상에 제1 및 제2 서브가스켓을 제공하였다. 제1 및 제2 서브가스켓으로 폴리에틸렌(PE)이 선택되었다. 제1 및 제2 서브가스켓은 가로Ⅹ세로 4㎝Ⅹ6㎝의 크기로 선택되었다. 제1 및 제2 전극이 노출되도록, 제1 및 제2 전극과 맞닿는 제1 및 제2 서브가스켓의 일부 영역을 타공하였다. 제1 및 제2 전극의 가로/세로 크기와 동일하게, 상기 타공은 가로Ⅹ세로 1.5㎝Ⅹ3㎝의 크기로 형성되었다.
막-전극체와 제1 및 제2 서브가스켓을 포함하는 적층체를 반응 챔버에 인입시켰다. 반응 챔버 내의 온도 분위기를 95℃로 설정한 후, 적층체에 30Mpa 기압의 프레스-에어를 가하였다. 프레스-에어를 10분 동안 적층체에 가하여, 막-전극체에 제1 및 제2 서브가스켓에 접합시켜, 최종적으로 막-전극 접합체를 제조하였다.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 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.
10: 고분자 전해질막 11: 제1 전극 12: 제2 전극
21: 제1 서브가스켓 22: 제2 서브가스켓
100: 막-전극체 101: 적층체
200: 막-전극 접합체

Claims (12)

  1. 친환경 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법에 있어서,
    고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 일면 상에 형성된 제1 전극, 상기 고분자 전해질막의 타면 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 막-전극체를 제공하는 단계;
    상기 일면 상에 제1 서브가스켓을 제공하고, 상기 타면 상에 제2 서브가스켓을 제공하는 단계; 및
    상기 제1 서브가스켓을 상기 일면 상에 접합하고, 상기 제2 서브가스켓을 상기 타면 상에 접합하는 단계를 포함하는, 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 서브가스켓을 접합하는 단계는,
    상기 제1 및 제2 서브가스켓에 프레스-에어를 가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 프레스-에어의 압력은 10 내지 50Mpa인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 서브가스켓의 접합은 70 내지 150℃의 온도분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 서브가스켓의 접합은 1 내지 20분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극이 외부로 노출되도록, 상기 제1 전극과 중첩되는 상기 제1 서브가스켓의 일부 영역이 타공된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극이 외부로 노출되도록, 상기 제2 전극과 중첩되는 상기 제2 서브가스켓의 일부 영역이 타공된 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 서브가스켓은 폴리에틸렌(PE) 또는 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 고분자 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 폴리비닐리덴플루오라이드, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리에테르케톤 및 폴리술폰으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 담지체 및 상기 담지체에 담지된 금속촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 금속촉매는 백금(Pt), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 주석(Sn), 티타늄(Ti) 및 크로뮴(Cr) 중에서 선택된 어느 하나이거나 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 의해 제조된 연료전지용 막-전극 접합체.
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