KR100585551B1 - 연료전지용 전극의 제조방법 - Google Patents

연료전지용 전극의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로, 1) 탄소 담지체를 수소이온전도성 고분자와 함께 제1용매 중에 분산시키는 단계, 2) 분산액에 금속 촉매 전구체를 첨가하여 탄소 담지체에 금속 촉매를 담지시키는 단계, 3) 금속 촉매가 담지된 촉매를 분리하여 제2용매와 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하는 단계 및 4) 촉매 슬러리를 탄소 지지체 상에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 이러한 본 발명의 제법에 의하면, 탄소 담지체에 나노 크기의 금속 촉매가 균일하게 담지된 연료전지용 전극을 간편하게 제조할 수 있고, 이 전극을 포함하는 막 전극 어셈블리는 우수한 전류 특성을 나타낸다.

Description

연료전지용 전극의 제조방법{METHOD FOR PREPARING ELECTRODES FOR A FUEL CELL}
도 1은 기존의 연료전지용 전극의 제조 공정도이고,
도 2는 본 발명의 하나의 실시양태에 따른 연료전지용 전극의 제조 공정도이고,
도 3a 및 도 3b는 각각 실시예 및 비교예에서 제조한, 탄소에 백금이 담지된(Pt/탄소) 촉매의 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM) 사진이고,
도 4는 실시예 및 비교예에서 제조한 Pt/탄소 촉매의 비표면적을 전기화학적 방법으로 측정하여 나타낸, 싸이클로볼타모그람(cyclovoltamogram) 그래프이고,
도 5는 실시예 및 비교예에서 제조한 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly, MEA)에 대해서 측정한 전류 특성(전류밀도-전압) 그래프이다.
본 발명은 탄소 담지체에 금속 촉매가 균일하게 담지된 촉매를 함유하는, 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 화력발전과는 달리 카르노 사이클을 거치지 아니하므로 그 이론적인 발전 효율이 매우 높다. 또한, 연료전지는 화력발전에 비하여 NOx와 CO2의 배출량 및 소음이 적어서, 환경친화적인 발전장치라 할 수 있다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자전해질막 연료전지( PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료전지(PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지(SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분된다. 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다.
이들 중 고분자전해질막 연료전지는 작동온도가 낮고 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력밀도가 크고, 시동시간 및 연료주입시간이 짧으며, 부하변화에 대한 응답이 빠르다는 특징을 갖는다. 또한, 고분자전해질막 연료전지는 전해질로서 고분자막을 사용하기 때문에 부식이 적고, 디자인이 간단하며, 제작이 쉽고, 작동원리가 같은 인산형 연료전지에 비해 부피와 무게가 작다는 장점을 갖는다. 따라서, 고분자전해질막 연료전지는 전기자동차의 축전지를 대체하는 수송용 동력원, 이동 및 비상용 전원, 군사용 전원 등으로 유용하게 사용된다.
고분자전해질막 연료전지는 연료극, 공기극 및 상기 연료극과 공기극 사이에 위치하는 고분자전해질막으로 이루어진 막 전극 어셈블리(MEA: membrane electrode assembly)를 포함하며, 이 MEA는 고분자전해질막 연료전지의 심장으로서 실질적으로 전지의 출력 성능을 좌우한다. 연료극에는 연료로서 수소 가스 또는 메탄올 수용액 등이 공급되고, 공기극에는 산화제로서 공기가 공급된다. 연료극에서는 연료가 반응하여 수소이온 및 전자(electron)가 생성된다. 생성된 수소이온은 전해질막을 통해 공기극 쪽으로 이동하며, 전자는 외부회로를 구성하는 도선 및 부하를 통하여 공기극으로 이동한다. 공기극에서는 수소이온과 전자가 공기 중의 산소와 결합되어 물이 생성되고 물은 전지 외부로 배출된다.
연료전지의 전극, 즉 공기극 및 연료극은 촉매, 전도성 고분자 및 용매로 이루어진 촉매 슬러리를 탄소종이 또는 탄소천 위에 도포하여 촉매 층을 형성함으로써 제조된다. 상기 촉매로는 탄소 담지체에 백금, 루테늄과 같은 금속을 담지시킨 것이 바람직하게 사용되며, 비표면적이 활성탄소에 비해 매우 높으면서도 전기전도성이 매우 우수한 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 또는 탄소나노섬유(carbon nanofiber, CNF) 등이 상기 탄소 담지체로서 사용되어 높은 촉매 이용율 및 높은 MEA 성능을 가져옴이 최근 보고된 바 있다(미국 특허공개공보 제2002-106552호 및 한국 특허공개공보 제2004-14470호).
탄소 담지체에 금속 촉매가 담지된 촉매를 이용하여 연료전지 전극을 제조하기 위해서는, 탄소 담지체를 용매에 분산시킨 다음 금속 촉매를 담지시키는 것이 필요하다. 탄소 담지체 자체가 분산이 잘 안 되어 있으면, 그 표면에 흡착 및 담지되는 금속 촉매간의 분산도 제대로 안 되어, 촉매의 반응 면적이 작아져 반응 효율이 저하되고 결과적으로 MEA의 성능이 낮아진다.
특히, CNT의 경우는, 합성과정 중에 흑연상(graphite phase)이나 비정질 상태의 탄소 덩어리, 탄소 덩어리보다 미세한 탄소입자, 및 합성을 위해 첨가된 Fe, Ni, Co 등의 금속 촉매와 같은 다양한 종류의 불순물이 생성되어 CNT의 표면이나 팁(tip)안에 존재하면서 CNT의 전기화학적 특성을 저하시키므로 이들을 정제하는 과정이 필요한데, CNT를 정제하는 동안에 사슬형태의 CNT는 정전기적 인력에 의해 뭉쳐지고 CNT의 사슬과 사슬이 겹치는 부분은 교반을 하거나 초음파로 분산을 하여도 풀리지 않고 더 뭉치는 경향이 있다.
따라서, 이제까지는, 비극성 용매에 낮은 함량의 CNT를 넣어서 장시간 교반을 하거나, 또는 소듐 도데실설페이트(SDS)와 같은 계면활성제를 이용하여 분산시키거나, 또는 폴리비닐피리딘(PVP)과 같은 고분자 용액에 CNT를 첨가하여 CNT 사슬과 사슬사이를 고분자 사슬로 연결함으로써, CNT 사슬들이 뭉치는 것을 억제하는 방법이 사용되었다.
그러나, 분산을 위해 첨가된 비극성 용매가 촉매 담지 과정 중 환원을 방해하고 계면활성제 및 고분자는 CNT 표면에 덮여 있으면서 촉매의 담지를 방해하며, 촉매 담지 후에, 계면활성제는 400℃ 이상의 고온에서 산화시키고(이 과정에서 촉매 입자가 뭉쳐 비표면적이 작아지고 촉매의 활성이 감소됨) 고분자는 열분해시켜 제거해야 하는 등, 기존 분산방법은 여러 가지 문제점을 갖는다.
따라서, 본 발명의 목적은 탄소 담지체를 기존 분산방법에 비해 보다 효율적 으로 분산시킴으로써 탄소에 금속 촉매가 균일하게 담지된 연료전지용 전극 및 이를 이용한 막 전극 어셈블리(MEA)를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 1) 탄소 담지체(support)를 수소이온전도성 고분자와 함께 제1용매 중에 분산시키는 단계, 2) 분산액에 금속 촉매 전구체를 첨가하여 탄소 담지체에 금속 촉매를 담지시키는 단계, 3) 금속 촉매가 담지된 촉매를 분리하여 제2용매와 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하는 단계 및 4) 촉매 슬러리를 탄소 지지체 상에 도포하는 단계를 포함하는, 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 전극 제법은, 금속 촉매의 담지에 앞서, 탄소 담지체를 고분자전해질막의 재료이면서 전극층의 재료로 사용되는 수소이온전도성 고분자로 분산시키는 것을 기술구성상 특징으로 하며, 이러한 본 발명 제법에 따르면 수소이온전도성 고분자가 촉매와 촉매 사이, 담지체와 담지체 사이, 그리고 담지체와 촉매 사이를 연결시켜 주는 망상(network) 구조의 형성이 가능하여, 수소이온전도성 고분자를 추가로 첨가하지 않고도 연료전지의 전극 반응에 필요한 최적의 3상계면 구조를 갖는 전극을 제조할 수 있다.
도 1은 기존의 연료전지용 전극의 제조 공정도이다. 도 1에 있어서, 탄소 담지체를 용매(제1용매)와 교반하여 분산시킨 후, 여기에 금속 촉매 전구체(예: H2PtCl2)를 첨가하여 탄소 담지체에 금속 촉매를 담지시킨 다음, 제조된 담지 촉매(예: Pt/C 촉매)를 수소이온전도성 고분자 및 용매(제2용매)와 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하고, 이와 같이 제조된 촉매 슬러리를 탄소종이에 도포하여 연료전지용 전극을 제조한다. 그러나, 이와 같이, 담지 촉매, 수소이온전도성 고분자 및 용매 각각을 혼합하여 얻은 촉매 슬러리를 탄소종이나 탄소천 위에 도포하여 전극을 제조하는 경우에는, 분산조건이나 온도 등에 의해 촉매의 분산상태와 촉매와 고분자의 연결 상태가 크게 영향을 받아서 재현성있는 촉매 슬러리와 전극을 제조하기 어려운 단점이 있다.
본 발명의 하나의 실시양태에 따른 연료전지용 전극의 제조 공정도를 도 2에 나타내었다. 도 2에서는, 먼저 탄소 담지체를 용매(제1용매) 중에서 수소이온전도성 고분자와 교반함으로써 분산시킨 후에, 여기에 금속 촉매 전구체(예: H2PtCl2)를 첨가하여 탄소 담지체에 금속 촉매를 담지시킨 다음, 수소이온전도성 고분자로 분산된 담지 촉매(예: Pt/C 촉매 + 수소이온전도성 고분자)를 용매(제2용매)와 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하고, 이와 같이 제조된 촉매 슬러리를 탄소종이에 도포하여 연료전지용 전극을 제조한다.
본 발명의 방법에 따르면, 제1용매 중에서 탄소 담지체 및 수소이온전도성 고분자를 상온에서 30분 내지 2시간 동안 교반함으로써 탄소 담지체가 수소이온전도성 고분자에 의해 연결되어 분산되도록 한다.
본 발명에 사용되는 탄소 담지체로는 활성 탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노섬 유, 탄소나노혼, 전도성 탄소 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 또한, 본 발명에 사용되는 수소이온전도성 고분자로는 통상 고분자전해질막의 재료이면서 전극층의 재료로 사용되는, 전기전도성이 높고 큰 비표면적을 갖는 고분자를 사용할 수 있으며, 그의 구체적인 예로는 설폰산기를 함유한 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로비닐에테르 공중합체(나피온(NafionTM), 듀폰(Dupont)사제)와 같은 퍼플루오로알킬설폰산계 고분자; 및 설폰산화 방향족 폴리에테르, 설폰산화 폴리페닐렌설파이드, 설폰산화 포스파젠 및 트리플루오로스티렌과 같은, 강산성기로 치환된 탄화수소계 고분자를 들 수 있다. 본 발명에 따르면, 수소이온전도성 고분자를 탄소 담지체 1 중량부 기준으로 0.01 내지 5 중량부, 바람직하게는 0.05 내지 1 중량부의 양으로 사용할 수 있다.
탄소 담지체의 분산에 사용되는 제1용매로는 메탄올, 에탄올 및 프로판올과 같은 알콜; 테트라하이드로퓨란(THF) 및 아세톤과 같은 비극성 용매; 벤젠 및 톨루엔과 같은 극성 용매; 및 물을 들 수 있으며, 이들은 이후 실시되는 촉매 담지 방법에 따라서 선택될 수 있다.
분산공정에 이어, 탄소 담지체와 수소이온전도성 고분자의 현탁액에 금속 촉매 전구체를 첨가하여, 수소이온전도성 고분자로 분산된 탄소 담지체에 금속 촉매를 담지시킨다.
본 발명에서는, 백금, 루테늄, 이리듐, 몰리브덴, 텅스텐, 오스뮴, 팔라듐, 로듐, 레늄, 금 등의 희토류 금속; 니켈, 티타늄 등의 금속; 및 이들의 2종 내지 4종 합금이 촉매로서 적합하며, 이의 염화물, 염산화물, 아세틸아세톤화물, 암모늄 염 및 브롬화물 등이 금속 촉매 전구체로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 금속 촉매 전구체를 탄소 담지체 1 중량부 기준으로 금속 촉매가 0.01 내지 20 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 10 중량부가 되는 양으로 사용할 수 있다.
본 발명에 사용되는 촉매 담지방법으로는 흡착/환원 방법, 콜로이달(Colloidal) 방법 및 와타나베(Watanabe) 방법 등을 들 수 있다. 예컨대, 흡착/환원 방법을 사용하는 경우에는, 탄소 담지체와 수소이온전도성 고분자의 현탁액에 금속 촉매 전구체를 첨가하고 상온에서 1 내지 6시간 동안 교반하여 탄소 담지체 표면에 금속 촉매를 흡착시킨 다음, 환원처리하여 금속 촉매를 탄소 담지체에 담지시킬 수 있다. 이때, 환원처리를 위해, 환원제(예: NaBH4, 알콜, 알데하이드)를 현탁액에 첨가하고 상온에서 1 내지 2시간 동안 교반하거나, 또는 300 내지 400℃의 전기로에서 수소를 흘려줄 수 있다.
이와 같이 얻어진, 수소이온전도성 고분자로 분산(연결)된 담지 촉매를 여과에 의해 분리 및 건조한 후 제2용매와 혼합함으로써, 담지 촉매, 분산제로서의 수소이온전도성 고분자 및 용매(제2용매)를 포함하는, 본 발명에 따른 촉매 슬러리를 제조할 수 있다. 촉매 슬러리를 구성하는 제2용매는 탄소 담지체의 분산에 사용가능한 제1용매 중에서 적절히 선택할 수 있으며, 담지 촉매 100 중량부 기준으로 1 내지 100 중량부, 바람직하게는 5 내지 50 중량부의 양으로 사용할 수 있다.
본 발명 방법에 의해 제조된 촉매 슬러리를 지지체인 탄소종이나 탄소천 위에 도포하여 촉매 층을 형성함으로써 연료전지용 전극, 즉 연료극 및 공기극 각각을 제조한다.
나아가, 본 발명 방법에 의해 제조된 전극, 즉 연료극 및 공기극을 이용하여, 이 양 전극 사이에 고분자전해질막을 위치시키고 가열 가압함으로써, 연료극, 고분자전해질막 및 공기극이 차례로 적층된, 연료전지용 막 전극 어셈블리(MEA)를 제조한다. 이때, 상기 가열 가압공정은 100 내지 150℃의 온도에서 80 내지 130 kgf/㎠의 압력을 가함으로써 수행될 수 있으며, 상기 고분자전해질막은 바람직하게는 탄소 담지체 분산에 사용된 수소이온전도성 고분자와 동일한 성분으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따라 제조된, 탄소 담지체에 금속이 담지된 촉매는 이미 수소이온전도성 고분자가 촉매와 촉매 사이, 담지체와 담지체 사이, 및 담지체와 촉매 사이를 연결시켜 주는, 연료전지의 전극 반응에 필요한 최적의 3상계면 구조를 갖는다. 종래의 방법으로 형성된 촉매 층은 촉매간의 분산이 제대로 안 되어서 촉매의 반응 면적이 작고 수소이온전도성 고분자가 촉매 표면을 덮어서 연료의 공급 및 연료의 분해를 위한 3상계면 형성이 제대로 이루어지지 않아, 촉매의 반응 효율이 저하되고 MEA의 성능이 저하되는 반면, 본 발명에서는 촉매 층을 형성하기 전 담지 촉매를 제조하는 단계에서 서로 뒤엉켜 있는 담지체를 수소이온전도성 고분자를 사용하여 각각의 사슬로 분산시켜 촉매가 담지될 수 있는 최대한의 표면적을 제공하고 촉매와 촉매 사이의 뭉침 현상을 억제하여 촉매의 반응 표면적을 증가시킴으로써 MEA의 성능을 향상시킨다.
이와 같이, 본 발명의 촉매 슬러리 제법에 의하면, 탄소 담지체에 나노 크기의 금속 촉매가 균일하게 담지된 연료전지용 전극을 간편하게 제조할 수 있으며, 이 전극을 포함하는 막 전극 어셈블리는 우수한 전류 특성을 나타낸다.
이하, 본 발명을 하기 실시예 및 비교예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.
<실시예>
우선, 합성된 탄소나노튜브(CNT(제품명: MWNT, 일진나노택사제)) 10g을 6M 농도의 질산 1000mL 용액에 110℃의 온도에서 6시간 교반하고 24시간 방냉한 후 여과하고 초순수로 충분히 세정하여, CNT를 정제하였다.
정제된 CNT 6g을 초순수 5L에 넣고 교반하면서 수소이온전도성 고분자 용액인 5% 나피온 용액(NafionTM, 듀폰(Dupont)사제) 8g을 첨가하여 1시간 동안 교반하였다. 제조된 CNT-나피온 현탁액을 금속 촉매 전구체 용액인 H2PtCl6 수용액(알드리치(Aldrich)사제)에 탄소와 Pt의 중량비가 6:4가 되도록 첨가하고 상온에서 2시간 동안 교반하였다. 이 분산액에 0.2M NaBH4 용액(알드리치사제)을 넣고 1시간 동안 교반하여 환원을 수행하였다. 이렇게 만들어진 분산액을 여과장치를 이용하여 거름종이로 거르고, 분리된 담지 촉매를 초순수로 세정한 후 촉매 100 중량부 대비 30 중량부의 초순수를 첨가하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 이 촉매 슬러리를 탄소종이(토레이(Toray)사제) 위에 Pt/탄소 촉매가 5mg/cm2가 되도록 도포하여 공기극을 제조하였다.
이어, 상기 공기극 제조시와 동일한 방법으로 연료극을 제조하였는데, 단, CNT-나피온 현탁액을 금속 촉매 전구체 용액인 H2PtCl6 수용액과 RuCl3 수용액(알드리치사제)에 탄소와 Pt/Ru의 중량비가 6:4가 되도록 첨가하고, 이때 Pt와 Ru의 몰비가 1:1이 되도록 농도를 조절하여 촉매 슬러리를 제조하였으며, 이 촉매 슬러리를 탄소종이(토레이사제) 위에 Pt/Ru/탄소 촉매가 5mg/cm2가 되도록 도포하여 연료극을 제조하였다.
제조된 연료극과 공기극 사이에 수소이온전도성 고분자막인 나피온 117(듀폰사제)을 위치시킨 후 130℃의 온도에서 100 kg/cm2의 압력을 가하여 약 3분 동안 가열 압착하여 막 전극 어셈블리(MEA)를 제조하였다.
<비교예>
상기 실시예와 동일한 방법으로 정제된 CNT 6g을 초순수 5L에 넣고 교반하면서 폴리비닐피리딘(PVP, 알드리치사제) 8g을 첨가하여 1시간 동안 교반하였다. 제조된 CNT 현탁액을 금속 촉매 전구체 용액인 H2PtCl6 수용액(알드리치사제)에 탄소와 Pt의 중량비가 6:4가 되도록 첨가하고 상온에서 2시간 동안 교반하였다. 이렇게 만들어진 분산액을 여과장치를 이용하여 거름종이로 거르고, 분리된 담지 촉매를 초순수로 세정하였다. 세정된 담지 촉매를 400℃의 전기로에 넣고, 산소를 5mL/분의 유속으로 1시간 동안 흘려주면서 담지 촉매 중의 PVP를 열분해시켜 제거하였다. 이어, 담지 촉매를 다시 350℃의 전기로에 넣고, 수소를 5mL/분의 유속으로 흘려주 면서 백금을 환원시켰다. 결과적으로 생성된 담지 촉매에, 5% 나피온 용액(NafionTM, 듀폰사제)을 촉매와 나피온 용액의 중량비가 90:10이 되도록 첨가하고, 촉매 100 중량부 대비 30 중량부의 초순수를 첨가하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 이 촉매 슬러리를 탄소종이(토레이사제) 위에 Pt/탄소 촉매가 5mg/cm2가 되도록 도포하여 공기극을 제조하였다.
이어, 상기 공기극 제조시와 동일한 방법으로 연료극을 제조하였는데, 단, CNT 현탁액을 금속 촉매 전구체 용액인 H2PtCl6 수용액과 RuCl3 수용액(알드리치사제)에 탄소와 Pt/Ru의 중량비가 6:4가 되도록 첨가하고, 이때 Pt와 Ru의 몰비가 1:1이 되도록 농도를 조절하여 촉매 슬러리를 제조하였으며, 이 촉매 슬러리를 탄소종이(토레이사제) 위에 Pt/Ru/탄소 촉매가 5mg/cm2가 되도록 도포하여 연료극을 제조하였다.
제조된 연료극과 공기극을 사용하여 상기 실시예와 동일한 방법으로 막 전극 어셈블리(MEA)를 제조하였다.
실시예와 비교예에서 제조한 Pt/탄소 촉매의 TEM 사진을 도 3a 및 도 3b에 각각 나타내었다. 실시예에서 제조된 담지 촉매는 백금이 2 내지 4nm의 크기로 CNT 표면에 균일하게 잘 담지되어 있는 반면(도 3a), 비교예에서 제조된 담지 촉매는 백금이 고르게 담지되어 있지 않고 PVP를 제거하기 위하여 고온에서 열처리하는 동 안 촉매 입자들끼리 뭉쳐서 입자 크기가 불균일하고 10nm 이상의 크기를 갖는 것을 볼 수 있다(도 3b).
또한, 실시예 및 비교예에서 제조한 Pt/탄소 촉매의 비표면적을 전기화학적 방법으로 측정하여, 그에 해당하는 각각의 싸이클로볼타모그람(cyclovoltamogram) 그래프를 도 4에 나타내었다. 동일한 촉매 양에도 불구하고 비교예의 촉매는 입자가 크고 불규칙적이기 때문에 수소의 흡착과 탈착 피크(peak)가 분명하지 않았으며, 측정된 비표면적도, 실시예의 경우가 50m2/g인데 비하여 비교예의 경우는 35m2/g으로 낮은 값을 나타내었다.
실시예와 비교예에서 제조한 MEA의 전류 특성을 측정하여 전류밀도-전압 그래프로서 도 5에 나타내었다. 3상계면이 적절하게 형성되고 촉매 입자가 작고 고르게 분산된 실시예가 비교예에 비해 MEA 성능이 높게 나오고 높은 전류영역에서도 성능이 유지됨을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제법에 의하면, 탄소 담지체에 나노 크기의 금속 촉매가 균일하게 담지된 연료전지용 전극을 간편하게 제조할 수 있으며, 이 전극을 포함하는 막 전극 어셈블리는 우수한 전류 특성을 나타낸다.

Claims (15)

1) 탄소 담지체(support)를 수소이온전도성 고분자와 함께 제1용매 중에 분산시키는 단계, 2) 분산액에 금속 촉매 전구체를 첨가하여 탄소 담지체에 금속 촉매를 담지시키는 단계, 3) 금속 촉매가 담지된 촉매를 분리하여 제2용매와 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하는 단계 및 4) 촉매 슬러리를 탄소 지지체 상에 도포하는 단계를 포함하는, 연료전지용 전극의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
상온에서 30분 내지 2시간 동안 교반하여 탄소 담지체의 분산을 수행하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 전극의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
탄소 담지체가 활성 탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼 및 전도성 탄소로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 것임을 특징으로 하는, 연료전지용 전극의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
수소이온전도성 고분자가 퍼플루오로알킬설폰산계 고분자, 설폰산화 방향족 폴리에테르, 설폰산화 폴리페닐렌설파이드, 설폰산화 포스파젠 및 트리플루오로스티렌로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 것임을 특징으로 하는, 연료전지용 전극의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
수소이온전도성 고분자를 탄소 담지체 1 중량부 기준으로 0.01 내지 5 중량부의 양으로 사용하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 전극의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
제1용매 또는 제2용매가 메탄올, 에탄올, 프로판올, 테트라하이드로퓨란, 아세톤, 벤젠, 톨루엔 및 물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상임을 특징으로 하는, 연료전지용 전극의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
금속 촉매 전구체가 백금, 루테늄, 이리듐, 몰리브덴, 텅스텐, 오스뮴, 팔라듐, 로듐, 레늄, 금, 니켈, 티타늄, 및 이들의 2종 내지 4종 합금으로부터 선택된 하나 이상의 금속의 염화물, 염산화물, 아세틸아세톤화물, 암모늄염 및 브롬화물로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 것임을 특징으로 하는, 연료전지용 전극의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
금속 촉매 전구체를 탄소 담지체 1 중량부 기준으로 금속 촉매가 0.01 내지 20 중량부가 되는 양으로 사용하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 전극의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
금속 촉매의 담지가, 탄소 담지체 표면에 금속 촉매를 흡착시킨 다음 환원처리하여 이루어지는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 전극의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
제2용매를 담지 촉매 100 중량부 기준으로 1 내지 100 중량부의 양으로 사용하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 전극의 제조방법.
제 1 항에 있어서,
탄소 지지체가 탄소 종이 또는 탄소 천인 것을 특징으로 하는, 연료전지용 전극의 제조방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된, 연료전지용 전극.
제 12 항의 전극을 연료극 및 공기극으로 하여 이 양 전극 사이에 고분자전해질막을 위치시키고 가열 가압하여 제조된, 연료전지용 막 전극 어셈블리.
제 13 항에 있어서,
100 내지 150℃의 온도에서 80 내지 130 kgf/㎠의 압력으로 가열 가압하여 제조되는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 막 전극 어셈블리.
제 13 항에 있어서,
고분자전해질막이 탄소 담지체 분산에 사용된 수소이온전도성 고분자와 동일한 성분으로 이루어진 것임을 특징으로 하는, 연료전지용 막 전극 어셈블리.
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