KR102098708B1

KR102098708B1 - 연료전지용 전극 구조 제어 기술 및 제작방법

Info

Publication number: KR102098708B1
Application number: KR1020170163025A
Authority: KR
Inventors: 김희탁; 이동현
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2020-04-08
Also published as: KR20190063898A

Abstract

본 발명은 연료전지용 막 전극 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층을 포함하고, 물질전달 및 출력 성능이 향상된 연료전지용 막 전극 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 면내 채널 구조를 갖는 촉매층을 포함하는 막 전극 어셈블리는 물질전달 특성을 향상시키고, 소량의 Pt가 담지된 막 전극 어셈블리에서도 출력 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 고분자 막을 패터닝하는 것은 다른 분야에서도 사용되고 있던 것임에 반해, 다공성의 부서지기 쉬운 전극을 패터닝한 경우는 없었으며, 이를 통해서 다양한 구조를 전극에 생성할 수 있으며, 전극 구조 제어 및 최적화의 기반 기술이 될 수 있다.

Description

연료전지용 전극 구조 제어 기술 및 제작방법{Electrode structure control technology for fuel cell and manufacturing method}

본 발명은 연료전지용 막 전극 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층을 포함하고, 물질전달 및 출력 성능이 향상된 연료전지용 막 전극 어셈블리 및 그 제조방법에 관한 것이다.

연료전지는 친환경 발전 시스템의 유망한 후보로 여겨져왔다. 다양한 연료전지 시스템 중에서, 고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 가요성 고분자 전해질막의 사용으로 인해 적정한 작동 온도, 높은 출력 밀도 및 높은 기계적 견고성과 같은 장점을 갖는다(Steele, B. C. et al., Nature 2001, 414(6861), 345-352; Perry, M. L. et al., Journal of the electrochemical society 2002, 149(7), S59-S67; Wee, J.-H., Renewable and sustainable energy reviews 2007, 11(8), 1720-1738; Kirubakaran, A. et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews 2009, 13(9), 2430-2440). 이러한 이유로, PEFMC는 수십 년 동안 집중적으로 연구되어 왔으며 발전용 및 자동차 분야에서 상용화되었다(Ticianelli, E. et al., Journal of the Electrochemical Society 1988, 135(9), 2209-2214; Costamagna, P. et al., Journal of power sources 2001, 102(1), 253-269; Winter, M. et al., What are batteries, fuel cells, and supercapacitors? ACS Publications: 2004). 그러나, 값 비싼 백금 촉매는 PEFMC 시스템의 광범위한 사용에 대한 주요 장벽이다. 이러한 비용 문제를 해결할 수 있는 한 가지 방법은 성능 저하를 최소화하면서 백금이 담지된 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly, MEA)를 개발하는 것이다. 그러나, MEA에서 백금 담지량을 감소시키는 것은 일반적으로 증가된 운동(kinetic) 및 질량(mass) 전달 분극화로 인하여 MEA의 출력 성능에서의 상당한 손실을 동반한다(Billy, E. et al., Journal of Power Sources 2010, 195(9), 2737-2746; Ono, Y. et al., Ecs Transactions 2010, 28(27), 69-78; Brouzgou, A. et al., Applied Catalysis B: Environmental 2012, 127, 371-388). 따라서, 높은 활성을 갖는 향상된 촉매 및 향상된 물질 전달 특성을 갖는 향상된 촉매층(catalyst layer, CL) 구조의 개발은 소량의 Pt가 담지된 촉매층을 달성하는데 매우 중요하다(Lefevre, M. et al., science 2009, 324(5923), 71-74; Kim, H. Y. et al., Small 2016, 12(38), 5347-5353; Gan, L. et al., small 2016, 12(23), 3189-3196; Choi, K.-H. et al., Chemical Communications 2016, 52(3), 597-600; Bayatsarmadi, B. et al., small 2017; Tian, Z. Q. et al., Advanced Energy Materials 2011, 1(6), 1205-1214; Kim, O.-H. et al., Nature communications 2013, 4, 2473; Choo, M. J. et al., ChemSusChem 2014, 7(8), 2335-2341; Choo, M. J. et al., ChemElectroChem 2015, 2(3), 382-388).

촉매층에서의 물질 전달은 기체와 물이 다양한 스케일의 기공을 통해 이동하고 이오노머(ionomer) 박막이 관련되는 복잡한 과정이다. Pt 입자로 덮인 얇은 이오노머 필름을 통한 촉매층 및 막 확산의 메조/매크로 기공을 통한 크누센(Knudsen) 확산은 소량의 Pt가 담지된 MEA에 큰 관심의 대상이었다. 하지만, 촉매층의 물질전달은 유동 필드 및 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL)의 영향을 받는다. 이는 전형적으로 PEMFC의 근본적인 문제 중 하나로, 채널/리브 효과에 의해 입증된다. 유동 판의 리브 영역 아래에서, 접촉 압력으로 인해 가스 확산층이 압축되고, 압축된 가스 확산층에서 기체와 물이 이송되고, 밑에 있는 촉매층 영역이 억제되었다(Sinha, P. K. et al., Electrochemical and Solid-State Letters 2006, 9(7), A344-A348; Nitta, I. et al., Fuel Cells 2008, 8(6), 410-421; Wang, L. et al., Journal of Power Sources 2008, 180(1), 365-372; Higier, A. et al., Journal of Power Sources 2009, 193(2), 639-648; Mahmoudi, A. et al., Energy Conversion and Management 2016, 110, 78-89). 최근, 요시다 등은 유동 필드/가스 확산층 접촉 면적이 최소화되어 채널/리브 효과를 완화시킬 수 있는 3차원 파인 메쉬(fine mesh) 유동 필드를 보고하였다(Yoshida, T. et al., The Electrochemical Society Interface 2015, 24(2), 45-49). 그러나, 메쉬 타입 유동 필드의 경우에도 유동 필드와 가스 확산층 사이의 전기적 접촉이 필수적이므로 가스 확산층 압축을 완전히 피할 수는 없다. 따라서, 압축된 가스 확산층 하에서 촉매층의 일부분을 보다 효율적으로 사용하기 위해서는 촉매층에서 면내 물질 전달을 사용해야 한다.

본 발명에서는 소량의 Pt가 담지된 MEA의 출력 성능을 향상시키기 위하여 면내 채널 구조의 패턴화된 촉매층(patterned catalyst layer, PCL)을 제공한다. 촉매층의 핵심적인 특징은 압축된 가스 확산층 하에서 촉매층의 일부분의 사용을 향상시키면서 면내 채널이 촉매층에 새겨져 있다는 것이다. 촉매층 슬러리를 역패턴화된 몰드에 주조하고 촉매층을 막으로 옮김으로써 라인 패턴이 촉매층에 직접 형성되었다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매층의 구조적 특징을 나타낸 것이다. 촉매층의 면내 채널은 압축 및 비압축 가스 확산층 하에서 촉매층 세그먼트 사이에서 효율적인 면내 물질전달을 제공한다. 이전에, 패턴화된 막 표면을 형성한 다음, 막 표면 상에 촉매층 코팅을 형성함으로써 패턴화된 촉매층 구조를 제조하려는 약간의 시도가 있었다(Shah, K. et al., Journal of power sources 2003, 123(2), 172-181; Bae, J. W. et al., Journal of Industrial and Engineering Chemistry 2012, 18(3), 876-879; Cho, H. et al., Nature communications 2015, 6, 8484; Seo, J. et al., ACS applied materials & interfaces 2016, 8(26), 16656-16663; Jang, S. et al., ACS applied materials & interfaces 2016, 8(18), 11459-11465; Kim, S. M. et al., Journal of Power Sources 2016, 317, 19-24). 그러나, 패턴화된 막으로부터 유래된 패턴화된 촉매층 구조는 촉매층 코팅 및 건조 공정 동안 변화하는 막의 구조적 변화로 인해 높은 구조적 정확도를 갖지 않는다. 이전 촉매층 패터닝 기술과 비교하여, 최근 패터닝 방법은 촉매층 패터닝을 위한 치수 안정성 기판(dimensionally stable substrate)의 사용으로 인해 보다 높은 구조적 정확도(structural fidelity)를 가질 수 있다.

이에, 본 발명자들은 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 촉매층을 포함하는 막 전극 어셈블리가 물질전달 특성을 향상시키고, 소량의 Pt가 담지된 막 전극 어셈블리에서도 출력 성능을 크게 향상시킬 수 있으며, 직접 촉매층 패턴화 전략이 고급 연료전지 개발을 위한 다목적 플랫폼이 될 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 물질전달 특성 및 출력 성능이 향상된 연료전지용 막 전극 어셈블리를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 막 전극 어셈블리를 포함하는 연료전지를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질막의 일면에 접촉하여 배치되는 촉매층; 및 상기 고분자 전해질막의 이면에 접촉하여 배치되고, 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층을 포함하는 연료전지용 막 전극 어셈블리를 제공한다.

본 발명은 또한, (a) 패턴화된 제1기판을 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 제1기판을 플라즈마 처리하는 단계; (c) 상기 플라즈마 처리된 제1기판에 소수성 화학물질을 증착시키는 단계; (d) 상기 증착된 제1기판에 촉매층 잉크를 분무하여 제1기판 상에 촉매층을 형성시키는 단계; (e) 상기 제1기판 상에 형성된 촉매층의 일면에 고분자 전해질막을 적층시키는 단계; (f) 제2기판 상에 촉매층을 형성시키는 단계; (g) 상기 적층된 고분자 전해질막의 일면에 상기 제2기판 상에 형성된 촉매층을 적층시키는 단계; (h) 상기 제1기판 상에 형성된 촉매층, 고분자 전해질막 및 제2기판 상에 형성된 촉매층을 데칼 전사하는 단계; 및 (i) 상기 제1기판 및 제2기판을 제거하는 단계를 포함하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 막 전극 어셈블리; 및 세퍼레이터(separator) 또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)를 포함하는 연료전지를 제공한다.

본 발명에 따른 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 촉매층을 포함하는 막 전극 어셈블리는 물질전달 특성을 향상시키고, 소량의 Pt가 담지된 막 전극 어셈블리에서도 출력 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 고분자 막을 패터닝하는 것은 다른 분야에서도 사용되고 있던 것임에 반해, 다공성의 부서지기 쉬운 전극을 패터닝한 경우는 없었으며, 이를 통해서 다양한 구조를 전극에 생성할 수 있으며, 전극 구조 제어 및 최적화의 기반 기술이 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면내 채널 구조 촉매층 및 면내 채널을 통한 물질 전달 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면내 채널 구조 패턴화된 촉매층의 제조 공정 및 SEM 이미지와 디지털 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 구성 및 iV 분극 곡선과 산소 게인(gain)을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 구성의 총 산소 전달 저항, 분자 확산 저항 및 크누센 및 필름 확산 저항의 합계를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원래의 패턴화된 기판 및 소수성 처리된 패턴화된 가판의 물 접촉각을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 편평한 촉매층의 단면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 구성의 나이퀴스트 플롯(Nyquist plots) 및 CV 곡선을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전지 작동 후 패턴화된 촉매층의 단면 SEM 이미지를 나타낸 것이다.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본 발명의 명세서에서는 다음 약어를 사용하였다.

CL : 촉매층(catalyst layer)

FCL : 편평한 촉매층(flat catalyst layer)

PCL : 패턴화된 촉매층(patterned catalyst layer)

PA-PCL : PCL 내 채널 방향 및 유동 필드 방향이 평행(parallel)

PE-PCL : PCL 내 채널 방향 및 유동 필드 방향이 수직(perpendicular)

CCM : 촉매 코팅막(catalyst coated membrane)

MEA : 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly)

GDL : 가스 확산층(gas diffusion layer)

PUA : 폴리 우레탄 아크릴레이트(poly(urethane acrylate))

PDMS : 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)

FEP : 플루오르화 에틸렌 폴리머(fluorinated ethylene polymer)

ECSA : 전기화학 표면적(electrochemical surface area)

CV : 순환전압전류법(cyclic voltammetry)

RH : 상대 습도(relative humidity)

본 발명의 명세서에서, 연료전지는 다양한 부품이 적층되어 있는 형태로 제작이 되는데 이때 적층되는 방향 즉, 막-전극을 관통하는 수직방향이 through-plane 방향을 의미하고, In-plane 방향은 이와는 수직하게 평면 내에서 형성된 방향을 의미한다. 따라서, 본 발명에 따른 촉매층은 촉매층 표면에 패턴이 형성되어 있는 것이며, 특히 기체 확산층과 닿아 있는 표면에 형성되어 있는 것이다.

본 발명에서는 기존 연료전지의 고분자 막이 아닌 전극을 직접적으로 패터닝 했다는 점에 있어서 차별성을 가지고 있으며, 면내(in-plane) 채널을 갖는 촉매층은 역행 패턴을 갖는 표면 처리된 기판 상에 촉매층 잉크(슬러리)를 코팅하고, 건조하여 패턴화된 촉매층이 제조되고, 패턴화되지 않은 편평한 촉매층(flat catalyst layer, FCL)과 비교하여 높은 전류 밀도에서 우수한 출력 성능을 나타내는 면내 채널 패턴화된 촉매층(in-plane channel-patterned catalyst layer, IC-CL)을 포함하는 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly, MEA)는 촉매층에 새겨진 면내 채널에 의하여 물질전달 특성이 현저하게 향상되는 것을 확인하였다. 또한, 산소 게인(gain)은 패턴화된 촉매층의 채널 방향이 유동 필드 방향에 수직일 때 더욱 두드러지며, 이는 면내 채널이 리브 영역 아래에서 촉매층의 활용도를 증가시킨다는 것을 나타낸고, 산소 전달 저항 분석(oxygen transport resistance analysis)은 면내 채널의 도입으로 분자 및 크누센(Knudsen) 확산이 촉진될 수 있음을 나타낸다. 또한, 고분자 막을 패터닝하는 것은 다른 분야에서도 사용되고 있던 것임에 반해, 다공성의 부서지기 쉬운 전극을 패터닝한 경우는 없었으며, 이를 통해서 다양한 구조를 전극에 생성할 수 있으며, 전극 구조 제어 및 최적화의 기반 기술이 될 수 있다는 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명은 일 관점에서, 고분자 전해질막; 상기 고분자 전해질막의 일면에 접촉하여 배치되는 촉매층; 및 상기 고분자 전해질막의 이면에 접촉하여 배치되고, 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층을 포함하는 연료전지용 막 전극 어셈블리에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 패턴화된 촉매층의 귀금속 촉매 담지량은 0.01 내지 5 mg/cm²인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.20 mg/cm², 0.162 내지 0.170 mg/cm²인 것이 가장 바람직하다.

상기 귀금속 촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 백금 합금 및 팔라듐 합금으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하고, 백금 합금 촉매로는 백금-코발트(Pt-Co), 백금-루테늄(Pt-Ru) 등이 있으며, 연료전지 분야에서 통상적으로 사용되는 귀금속 촉매 또는 귀금속 촉매를 포함하는 합금이면 이에 한정되지 않고 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 패턴화된 촉매층의 채널 중 일부 혹은 전체가 바이폴라 플레이트의 랜드 부위를 가로지르는 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 패턴화된 촉매층의 채널 방향은 유동 필드의 방향과 서로 수직(perpendicular) 또는 평행(parallel)인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 상기 패턴화된 촉매층은 패턴화된 기판 위에 촉매층을 코팅하고 패턴화된 촉매층을 막에 전사하여 제조되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 일면에 접촉하여 배치되는 촉매층은 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층일 수 있으며, 이 때 연료전지용 막 전극 어셈블리는 고분자 전해질막 및 상기 고분자 전해질막의 양면에 접촉하여 배치되고, 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층을 포함할 수 있다.

본 발명은 다른 관점에서, (a) 패턴화된 제1기판을 제조하는 단계; (b) 상기 제조된 제1기판을 플라즈마 처리하는 단계; (c) 상기 플라즈마 처리된 제1기판에 소수성 화학물질을 증착시키는 단계; (d) 상기 증착된 제1기판에 촉매층 잉크를 분무하여 제1기판 상에 촉매층을 형성시키는 단계; (e) 상기 제1기판 상에 형성된 촉매층의 일면에 고분자 전해질막을 적층시키는 단계; (f) 제2기판 상에 촉매층을 형성시키는 단계; (g) 상기 적층된 고분자 전해질막의 일면에 상기 제2기판 상에 형성된 촉매층을 적층시키는 단계; (h) 상기 제1기판 상에 형성된 촉매층, 고분자 전해질막 및 제2기판 상에 형성된 촉매층을 데칼 전사하는 단계; 및 (i) 상기 제1기판 및 제2기판을 제거하는 단계를 포함하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 제1기판은 PUA(poly(urethane acrylate)) 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)인 것이 바람직하고, PUA(poly(urethane acrylate))가 더욱 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 패턴화된 제1기판은 경화성 용액을 PET 필름 상에 스핀코팅하고, 캐스트 상에 패턴화된 실리콘 마스터 몰드를 넣은 다음 경화시키는 것이 바람직하고, 상기 실리콘 마스터 몰드는 PDMS(polydimethylsiloxane), PUA(polyurethane acrylate) 또는 polysilicon wafer인 것이 바람직하고, PDMS(polydimethylsiloxane)이 더욱 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 플라즈마 처리는 산소(O₂) 플라즈마 처리하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 소수성 화학물질은 C₈H₄F₁₃SiCl₃또는 fluoro carbon 화합물인 것이 바람직하고, C₈H₄F₁₃SICl₃이 더욱 바람직하며, 상기 fluoro carbon 화합물은 fluoro carbon 계열의 물질이면 한정되지 않고 사용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 촉매층 잉크는 Pt/C 촉매 및 나피온 용액을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 Pt/C 촉매는 Pt 함량이 46.9 wt%이고, 상기 나피온 용액은 3 wt%의 고형분을 함량을 갖는 나피온 용액이 더욱 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 제1기판 상에 촉매층을 형성시킨 다음, 130℃에서 4 시간 동안 어닐링하여 잔류 용매를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 제2기판은 PI(polyimide), PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate) 또는 FEP(fluorinated ethylene propylene)인 것이 바람직하고, PI(polyimide)가 더욱 바람직하다.

본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 방법으로 제조된 막 전극 어셈블리; 및 세퍼레이터(separator) 또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

본 발명은 고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cells, PEMFC)에서 물질 전달을 향상시키기 위해 면내(in-plane) 유동 채널을 갖는 신규한 촉매층(catalyst layer, CL)에 관한 것이다. 그 표면상의 면내(in-plane) 채널을 갖는 촉매층(CL)은 역행 패턴(inverse line pattern)을 갖는 표면 처리된 기판 상에 촉매층(CL) 슬러리를 코팅하고, 건조된 촉매층(CL)을 기판으로부터 막으로 전달함으로써 제조된다. 패턴화되지 않은 편평한 촉매층(flat catalyst layer, FCL)과 비교하여 높은 전류 밀도에서 우수한 출력 성능을 나타내는 면내 채널 패턴화된 촉매층(in-plane channel-patterned catalyst layer, IC-CL)을 갖는 막 전극 어셈블리(membrane electrode assembly, MEA)는 촉매층에 새겨진 면내 채널에 의한 물질 전달 특성이 현저하게 향상되었음을 입증하였다. 성능 게인(gain)은 채널 방향이 유동 필드 방향에 수직일 때 더욱 두드러지며, 이는 면내 채널이 리브 영역 아래에서 촉매층의 활용도를 증가시킨다는 것을 나타낸다. 산소 전달 저항 분석(oxygen transport resistance analysis)은 면내 채널의 도입으로 분자 및 크누센(Knudsen) 확산이 촉진될 수 있음을 나타낸다. 직접 촉매층 패터닝 기술은 높은 구조적 정확도(structural fidelity)와 설계 유연성(design flexibility)을 갖춘 향상된 촉매층 구조의 제조 플랫폼 및 고성능 촉매층 설계를 위한 합리적인 가이드 라인을 제공한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1: 면내 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층(in-plane channel-structured patterned catalyst layer)을 포함하는 막 전극 어셈블리의 제조

구조적 정확도가 높은 면내 채널 구조 PCL을 제조하는 것이 가장 큰 과제이며, 다공성 CL의 높은 취약성으로 인해 구조적 손상을 일으키지 않으면서 CL에 패턴을 새기는 것은 어렵다. 본 실시예에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 도 2a에 나타난 바와 같이, 패턴화된 기판 위에 CL을 코팅하고 PCL을 막에 전사하는 새로운 제조 공정을 개발하였다.

1-1. 패턴화된 기판의 제조

패턴화된 PUA 기판은 경화성 PUA 용액(MINS-311RM)을 PET 필름(SKC KOREA) 상에 1000 rpm으로 1분 동안 스핀코팅하고, PUA 캐스트 상의 패턴화된 PDMS 마스터 몰드를 넣은 다음, 10분 동안 UV 경화시켜 제조하였다. PET 필름 상의 패턴화된 PUA 층으로부터 PDMS 몰드를 제거한 후, PUA 표면을 O₂ 플라즈마(MyPL-150, APPLASMA) 처리한 다음, 진공하에 상온에서 3분 동안 소수성 화학 물질(C₈H₄F₁₃SiCl_3,SIT8174.0, Gelest Inc.)을 화학 기상 증착시켰다.

1-2. 패턴화된 촉매층 및 막 전극 어셈블리의 제조

캐소드 촉매층은 Pt/C 촉매(46.9 wt% Pt, Tanaka Kikinzoku Kogyo) 및 3 wt%의 고형분 함량을 갖는 나피온 용액(D520™, Dupont)을 포함하는 촉매층 잉크를 분무함으로써 핫 플레이트(150℃) 상에 고정시킨 패턴화 및 표면 처리된 PUA 기판 상에 형성시켰다. 상기 캐소드 촉매층 잉크는 사용하기 2시간 전에 팁 초음파 처리에 의해 균질하게 분산시켰다. 잉크의 이오노머/탄소 비(I/C ratio)는 1.0으로 설정하였다. 촉매층 코팅 후, PUA 기판 상의 촉매층은 130℃에서 4시간 동안 어닐링하여 잔류 용매를 제거하였다. 애노드 촉매층은 볼 밀링 공정과 혼합된 동일한 촉매층 슬러리를 주조하여 FEP 필름 상에 형성시키고, 오븐에서 12시간 동안 60℃에서 건조시켰다. CCM은 데칼 전사 방법으로 제조하였다. PUA 기판 상의 캐소드 촉매층, 나피온 211 막(25 μm 두께, Dupont™) 및 폴리아미드 기판 상의 애노드 촉매층의 스택은 130℃, 25 atm에서 10분 동안 가압하고, PUA 및 폴리이미드 기판을 라미네이트로부터 제거하였다. CCM의 활성 영역은 12.25 cm² 이다.

패턴화된 기판 및 패턴화된 촉매층의 구조를 특성화하기 위하여 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM, Sirion, FEI)을 사용하였다. 촉매층의 Pt 담지량은 0.166±0.004 mg_Pt cm^-2 이었다. 단일 전지는 CCM, 한 쌍의 GDL(JNT20-A3, JNTG), 한 쌍의 경질 가스켓, 단일의 구불구불한 유동필드를 갖는 한 쌍의 그라파이트 블록 및 8개의 나사를 갖는 한 쌍의 엔드 플레이트로 조립하였다. 단일 전지는 토크 압력 75 kgf cm^-1으로 고정시켰다.

패턴화된 PUA 기판은 실리콘 마스터 몰드로부터 나노 임프린트 기술에 의해 제조하였다. 경화성 PUA를 편평한 PET 필름 상에 스핀 코팅하고, PDMS 몰드를 캐스트 상에 놓았다. PUA의 경화 후, PET 필름(~ 100 ㎛)에 의해 지지된 패턴화된 PUA 층(~ 10 ㎛)을 PDMS 마스터 패턴으로부터 박리시켰다. 패턴화된 PUA 두께의 균일성은 최종 CL의 품질을 결정한다. 두께의 변화는 데칼 전달 중에 더 두꺼운 부분에 더 큰 압력을 가하여 CL의 국부적인 붕괴를 초래한다. PUA 기판의 높은 두께 균일성을 얻기 위해, 스핀 코팅 공정을 사용하였다. 도 2b 및 도 2c는 제조된 PUA 기판의 두께가 매우 균일하고, 윤곽이 명확한 채널 구조를 갖는 것을 보여주고 있다. 또한, 압력 분포를 완화하기 위해 데칼 전사 공정 중에 FEP 필름의 압력 분배 층을 삽입하였다. 고품질 CL 패터닝을 위한 또 다른 중요한 단계는 CL 잉크의 적절한 습윤 및 PUA 기판으로부터 건조된 CL의 용이하게 분리시킬 수 있는 PUA 기판의 표면 처리이다. 표면 개질은 산소 플라즈마 처리를 통해 패턴화된 PUA 상에 하이드록시기 표면 관능기를 먼저 형성한 다음, 하이드록시기와 화학 결합을 형성할 수 있는 C₈H₄F₁₃SiCl₃을 화학 증착법으로 증착하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 물의 접촉각은 표면 처리 후 87°에서 98°로 달라졌으며, 이를 통해 표면 개질을 확인할 수 있었다. 표면 개질의 전형적인 효과는 도 2d에 나타나 있다. 소수성 처리된 PUA 기판 상에 코팅된 CL은 막으로 완벽하게 전달되었으며, 이는 처리되지 않은 PUA 기판에 대한 부분적인 CL 전달과는 대조적인 것을 확인할 수 있었다.

CCM의 전달된 PCL은 표면에 생생한 프리즘을 나타내고 있으며(도 2e), 규칙적인 패턴이 형성된 것을 확인할 수 있다. SEM을 이용하여 PCL의 구조와 제조된 CCM을 조사하였다. 도 2f에 도시된 바와 같이, 매우 정돈되고 규칙적으로 배열된 평면 채널이 PCL에서 성공적으로 형성되었다. PCL의 표면은 기존의 CL에서 관찰된 것 처럼 매우 다공성이었다(도 2g). 데칼 전달 후, PCL에 국소적인 치밀화 또는 국소적인 열화는 관찰되지 않았다. PCL의 SEM 이미지 측정 결과, 채널 깊이, 폭 및 간격은 각각 1.8 μm, 1.5 μm 및 2.6 μm였다(도 2h). 상기 값은 실리콘 마스터 패턴(깊이 1.8 μm, 폭 1.5 μm, 간격 2.7 μm) 값에 가깝기 때문에 이전의 제조 전략으로는 불가능한 CL 패터닝 방법의 높은 구조적 정확도를 나타내었다. CCM의 단면 SEM 이미지는 PCL의 두께가 매우 균일하고(3.0 ± 0.4 μm), 멤브레인과 밀착 된 계면 결합이 형성된 것을 확인할 수 있었다(도 2i). 비교를 위해, 동일한 Pt 담지량을 갖는 패턴화되지 않은 FCL을 준비하였다. FCL과 해당 CCM의 SEM 이미지는 도 6에 나타나 있으며, FCL의 두께는 2.4 ± 0.2 μm였다.

실시예 2: 단일 전지 작동 및 전기화학 분석

2-1. 단일 전지 작동(Single cell operation)

브레이크-인(break-in) 및 iV 분극(polarization) 실험은 연료전지 테스트 스테이션(Scitech Korea)을 사용하여 수행하였다. 브레이크-인 실험은 전지에 수소/산소(H₂/O₂, 300/1000 sccm)를 일정한 유량으로 주입하고, 50 mV s^-1에서 전지 전압을 0.07 및 1.2 V 사이에서 10회 스위핑함으로써 수행하였다. iV 분극 곡선은 절대 압력 180 kPa, 80℃ 및 50% 및 100%의 상대 습도에서 측정하였다. 공급 기체의 화학양론계수는 수소 및 공기 모두 1.5이다. 400 mA cm^-2이하의 전류 밀도를 위해, 400 mA cm^-2에서 화학양론계수 1.5와 동등한 수소(H₂, 57 sccm) 및 공기(air, 137 sccm)를 일정한 유량으로 사용하였다. iV 분극 곡선은 전지 전압을 측정 할 때, 전지를 안정화시킬 수 있는 10mA cm^-2 단위로 전류 밀도를 높임으로써 얻어졌다. 안정화를 위해 0.1A cm^-2이하의 전류 밀도에서 2분을 보내고, 0.1A cm^-2이상의 전류 밀도에서 3분을 각각 보냈다.

2-2. 전기화학 분석(Electrochemical analysis)

전기화학 특성분석은 potentiostat(HCP-803, BioLogics Science Instrument)을 사용하여 수행하였다. 촉매층의 프로톤 전달 저항을 정량화하기 위하여, 수소/질소(H₂/N₂,counter/working, 500/1500 sccm) 피드와 함께 OCV에서 전기화학 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 측정하였다. 전기화학 표면적은(electro chemical surface area, ECSA) 수소(anode, 100 sccm)/질소(cathode, 0 sccm) 대기 하에서 단일 전지의 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV) 측정으로부터 계산하였다. 촉매층의 산소 전달 저항은 제한 전류법으로 획득하였다; 선형 스윕 전압전류(linear sweep voltammetry)는 과량의 수소(500 sccm) 및 희석된 산소(1% oxygen in nitrogen or helium, 650 sccm)를 절대 압력 150 kPa에서 애노드 및 캐소드에 각각 주입하여, 다양한 온도(50, 60, 70 및 80℃) 및 90%의 상대 습도에서 5 mV s^-1의 스캔 속도로 OCV에서 0.15 V까지 단일 전지에 대해 측정하였다.

CL에서의 출력 성능에 대한 면내 채널의 영향은 본 발명의 주요 관심사이다. 효과를 입증하기 위해, 면내 채널의 방향은 PE-PCL 및 PA-PCL로 각각 표시되는 단일의 구불구불한 유동 필드의 방향에 수직 또는 평행하게 배열되었다(도 3a). FCL은 리브 영역 아래에서 GDL의 국부 압축으로 인해 채널/리브 효과를 가질 수 있다. PA-PCL의 경우, PCL의 면내 채널은 리브 영역을 가로지르지 않는다. 따라서, 채널 및 리브 영역 아래의 CL 세그먼트 사이의 채널을 통한 면내 물질 전달은 허용되지 않는다. 하지만, 패턴화된 구조는 두께 방향에서의 CL의 물질 전달에 영향을 미칠 수 있는데, 이를 '관통면 효과(through-plane effect)'라고 한다. 반면에, PE-PCL 구성은 리브 및 채널 영역을 가로 지르는 면내 채널을 제공한다. 따라서, 리브와 채널 영역 아래의 CL 세그먼트 사이에서 평면 내에서 물질 전달을 일으킬 수 있다.

CL에서의 물질 전달에 대한 면내 채널의 영향이 본 발명의 주요 초점이기 때문에, CL의 프로톤 전도 및 촉매 활성은 세 가지(FCL, PA-PCL, PE-PCL) 전지 구성과는 무관하게 주의깊게 제어하였다. H₂/N₂(양극/음극) 분위기 하에 개방전압(open circuit voltage, OCV)에서의 AC 임피던스로부터 CL의 프로톤 전도 저항(R_CL) 및 옴 저항(R_ohm)을 측정하였다. R_ohm은 막 저항과 계면 저항이 가장 큰 기여를 한 것으로, 나이퀴스트(Nyquist) 플롯에서 X축의 고주파 임피던스의 절편(intercept)으로부터 결정되었다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 세 가지 전지에 대한 절편은 동일한 막 및 막/CL 계면 구조의 사용으로 인해 거의 동일하였다. R_CL은 고주파 절편 및 X축 상의 약간 경사진 저주파 임피던스에서 연장되는 점근선의 절편 사이 거리의 세 배에 해당한다. R_CL 값(FCL; 0.0147 Ω㎠, PA-PCL; 0.0190 Ω㎠, PE-PCL; 0.0166 Ω㎠)은 서로 가깝고 얇은 CL 두께로 인해 R_ohm 값(FCL; 0.0563 Ω㎠, PA-PCL; 0.0535 Ω㎠, PE-PCL; 0.0551 Ω㎠) 보다 매우 작다. 따라서, CL에서 프로톤 전달은 CL의 분극 거동에 큰 영향을 미치지 않으며 세 가지 전지간의 상당한 전력 성능 차이를 유발하지 않는다. CL의 전기화학 표면적(ECSA)은 순환전압전류법(CV) 기술로 측정하였다. Pt 표면상의 수소의 전기 흡착에 대한 전하량으로부터 ESCA에 대한 값을 정량화 하였다. 도 7b에 도시된 바와 같이, FCL, PA-PCL 및 PE-PCL의 CV 곡선은 CL에 대하여 유사한 ECSA 값(FCL; 54.8 m²g^-1, PA-PCL; 55.1 m²g^-1, PE-PCL; 58.7 m²g^-1)을 나타내는 것이 거의 동일하였다. 이러한 전기화학 분석은 본 발명에서 비교된 CL이 유사한 프로톤 전도 특성 및 촉매 활성을 갖고, 물질 전달 특성에 대한 면내 채널의 효과를 조사하기 위해 적절히 설계되었음을 확인할 수 있다.

도 3b 및 도 3c는 각각 50% 및 100% 상대 습도(relative humidity, RH)에서 FCL, PA-PCL 및 PE-PCL의 i-V 분극 곡선을 나타낸 것이다. 분극은 수소/공기 피드에 대해 1.5/1.5의 화학양론계수 및 180 kPa의 절대 압력에서 측정하였다. 상기 두 가지 RH 조건의 비교는 CL에서의 면내 채널이 어떻게 물 범람 거동에 영향을 미치는지 이해하기 위한 것이다. 1.5의 상대적으로 낮은 공기 화학양론계수는 면내 채널 효과의 보다 명확한 검출을 위해 물질전달 저항을 증폭시키기 위해 선택하였다. 전반적으로, 출력 성능은 낮은 전류 밀도 영역에서는 무관하지만 CL 구조 및 전지 구성에 따라 높은 전류 밀도 영역에서 매우 다양하게 나타났다. 구체적으로, 50% RH에서 세 가지 전지의 iV 곡선은 0.6 Acm^-2 이하로 서로 겹쳐지며, 이는 임피던스 및 CV 분석으로부터 전지의 운동(kinetic) 분극 및 저항(ohmic) 분극이 예상과 거의 동일하다는 것을 나타낸다. 0.6 Acm^-2 이상에서 PE-PCL은 FCL 및 PA-PCL보다 높은 출력 성능을 보였으며, 이는 물질 전달 분극이 더 작다는 것을 나타낸다. 하지만, PA-PCL은 FCL에 비해 상당한 개선을 보이지 않았다. 따라서, 50% RH에서 면내 효과는 명확하게 관찰되었지만, 관통면 효과는 명백하지 않았다. 100% RH에서, 면내 채널 효과는 더욱 두드러졌다. 0.2 Acm^-2 이하에서, iV 분극은 50% RH 결과에서 관찰된 것과 동일하였다. PE-PCL 및 PA-PCL은 0.2 Acm^-2 이상에서, FCL보다 높은 출력 성능을 보였으며, 높은 RH 작동시 면내 및 관통면 효과 모두 존재하는 것을 입증하였다. iV 분극 곡선의 오차 막대는 각 전류 밀도에서 정전류 측정 중 전압 변동의 정도를 나타낸다. 전압 변동은 액체 물의 축적 및 제거의 역동적인 과정을 반영하므로 물 범람의 지표가 될 수 있다. 100% RH에서의 분극 곡선은 50% RH에서 분극 곡선 보다 더 큰 오차 막대를 나타내었으며, 높은 RH 조건에서 더욱 현저한 물 범람을 나타냈었다. 도 3b 및 도 3c는 고정 전류 밀도에서 전압 변동이 FCL > PA-PCL > PE-PCL 순으로 감소되어 면내 채널이 물 범람을 효과적으로 완화시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

FCL 및 PA-PCL 사이의 비교는 관통면 효과를 보여준다. 100% RH에서 물질 전달은 관통면 효과에 의해 촉진될 수 있음이 분명합니다. 대조적으로, 50% RH에서, 관통면 효과는 분명하지 않다. 이러한 결과는 채널 구조에 의해 CL로부터 수분 제거가 촉진될 수 있음을 시사한다. PCL의 확장된 외부 표면적으로 인해, CL에서 벌크 기체상으로 물의 증발이 촉진될 수 있다. 채널 및 리브 영역을 연결하는 채널을 통한 물질 전달인 면내 효과는 PA-PCL과 PE-PCL의 비교를 통해 입증하였다. PE-PCL은 RH 조건에 관계없이, 면내 효과의 존재를 확인하는 PA-PCL보다 높은 출력 성능을 보였다. 50% RH에서의 전지 전압의 큰 차이는 채널 영역에서 리브 영역으로의 기체 전달이 높은 전류 밀도에서 리브 영역 아래 CL 세그먼트의 보다 높은 이용을 유도할 수 있다는 것을 나타낸다. 100% RH에서, 면내 효과가 더 두드러졌으며; 수직적 구성을 갖는 출력 성능 향상 및 오차 막대 크기의 감소는 보다 높은 RH에서 더 중요하게 되었다. 이는 채널 및 리브 영역을 가로 지르는 면내 채널이 전체 기체와 물 전달을 향상시킬 수 있다는 것을 의미한다.

면내 및 관통면 효과를 추가로 확인하기 위하여, 물질 전달 분극의 지표인 산소 게인은 산소 피드 전지 전압로부터 공기 피드 전지 전압을 빼서 얻어졌다. 도 3d 및 3e는 각각 50% 및 100% RH에서 FCL, PA-PCL 및 PE-PCL의 산소 게인을 비교한 것이다. 산소 게인은 물질 전달 분극의 증가로 인해 전류 밀도가 기하급수적으로 증가하였다. 50% RH에서 PE-PCL의 산소 게인은 조사된 모든 전류 밀도에서 FCL 및 PA-PCL의 산소 게인보다 높았다. 또한, FCL과 PA-PCL은 산소 게인에 어떠한 차이도 보이지 않았다. 반면에, 100% RH에서 산소 게인은 FCL > PA-PCL > PE-PCL 순으로 감소하였다. 이러한 결과는 면내 효과가 기체와 물의 전달에 모두 기여한다는 것을 다시한번 확인할 수 있었고, 관통면 효과는 주로 물 전달에 기여하고 이는 iV 분극 분석 결과와 매우 일치하는 것을 알 수 있다. iV 분극 측정 후 전지를 분해하고, 전지 압축 하에서 면내 채널 구조를 보존하기 위하여, PCL의 구조를 SEM으로 조사하였다. 전지 작동 후 PCL의 단면 SEM 이미지는 면내 채널 구조가 보존되었음을 나타내었다(도 8).

채널 CL 구조의 입증된 면내 효과 및 관통면 효과의 메커니즘을 이해하기 위하여, 제한 전류법으로 FCL, PA-PCL 및 PE-PCL의 분자 확산 및 크누센(Knudsen) 확산 저항을 분석하였다. MEA의 전체 기체 전달 저항(r_Total)은 일반적으로 세 가지 첨가제 기여를 포함한다: GDL에서의 거대 공극을 통한 O₂ 전달로부터의 분자 확산 저항(r_MD); GDL과 CL의 미세다공성층에서의 O₂ 전달로부터의 메조기공을 통한 크누센 확산 저항(r_KD); 및 O₂ 전달로부터의 촉매 표면을 덮는 이오노머 박막을 통한 막 확산 저항(r_film). r_MD와 r_KD 및 r_film의 합계(r_others)는 N₂ 및 He 밸런스 기체로 두 개의 희석된 O₂ 피드와 제한 전류법으로 정량화할 수 있다. FCL과 PCL의 미세구조는 임피던스와 CV 분석에서 나타난 것과 매우 유사하기 때문에, r_film은 CL에 대해 동일하고 r_others의 차이는 r_KD의 차이에 기인한다고 가정 할 수 있다.

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 각각 r_total, r_MD 및 r_others(r_KD+r_film)를 비교한 것이다. 분석의 신뢰도를 높이기 위하여, 상기 저항은 다양한 온도에서 측정하였다. r_total값은 다음 순서로 감소하였으며 이는 iV 분극 및 산소 게인 분석 결과와 일치하였다: FCL > PA-PCL > PE-PCL(도 4a). 흥미로운 점은, r_MD를 비교하면 PE-PCL의 r_MD가 FCL 및 PA-PCL의 r_MD보다 상당히 작음을 나타내고, 이는 압축된 GDL로 인해 하락한 분자 확산이 면내 기체 전달 채널을 제공함으로써 회복할 수 있음을 나타낸다. 압축된 GDL 하에서 CL 세그먼트로의 분자 확산이 PA-PCL에 대해 향상될 수 없기 때문에, FCL 및 PA-PCL 사이의 r_MD에서 무관심이 초래되었다. 반면, PA-PCL 및 PE-PCL의 경우 r_others 값은 서로 매우 유사하고 FCL의 값보다 상당히 작다. 면내 채널 구조 CL은 패턴화된 CL의 상부 표면뿐만 아니라 측벽으로부터의 크누센 확산을 허용하는 것으로 이해될 수 있다. 확장된 확산 표면으로 인해, CL을 통한 효과적인 확산 거리는 방향에 관계없이 PCL 구조에 대해 단축될 수 있다. 따라서, 면내 채널 구조에 의한 입증된 물질 전달 향상은 두 가지이다: 분자 확산과 크누센 확산 모두가 가속화된다. 이중 효과(double effects)는 소량의 Pt가 담지된 연료전지의 설계 가이드를 제공한다. CL의 확장된 외부 표면 및 압축된 영역과 압축되지 않은 영역을 연결하는 면내 채널은 독립적으로 그리고 부가적으로 물질 전달 특성을 향상시킬 수 있다. 이러한 이해를 바탕으로, 본 발명에서는 새로운 고성능 CL 구조물을 보다 합리적으로 설계할 수 있다.

본 발명은 직접 촉매층 패터닝 방법을 개발하고 면내 채널 구조화된 촉매층을 발명하였다. 촉매층 코팅을 위한 패턴화된 기판의 표면 처리를 사용함으로써 높은 구조적 정확도를 갖는 패턴화된 촉매층을 제조하였다. 유동 필드 방향에 대해 상이한 면내 채널 방향을 갖는 편평한 촉매층 및 2개의 패턴화된 촉매층을 비교하면, 유동 채널 하부의 촉매층 및 리브 하부의 촉매층 부분을 연결하는 촉매층 내 면내 채널은 리브 하부의 촉매층에 용이한 기체 및 물 전달을 제공할 수 있다는 것을 나타내었다. 산소 전달 저항 분석은 면내 채널이 촉매층에서 분자 및 크누센(Kunudsen) 확산을 향상시키는 것을 나타내었다. 이러한 결과는 직접 촉매층 패터닝 전략이 구조적 정확도가 높은 향상된 촉매층 구조를 달성하기 위한 효과적인 플랫폼이 될 수 있다는 것을 입증하였다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

고분자 전해질막;
상기 고분자 전해질막의 일면에 접촉하여 배치되는 촉매층; 및
상기 고분자 전해질막의 이면에 접촉하여 배치되고, 면내(in-plane) 유동 채널 구조를 가지며, 0.01 내지 5 mg/cm²의 귀금속 촉매가 담지된 패턴화된 촉매층을 포함하고,
상기 패턴화된 촉매층의 채널방향은 유동 필드의 방향과 서로 수직 또는 수평인 것을 특징으로 하며,
상기 면내(in-plane) 유동 채널 구조는 전해질막에 접하는 면과 반대쪽의 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리.
삭제
제1항에 있어서, 상기 귀금속 촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 백금 합금 및 팔라듐 합금으로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 패턴화된 촉매층의 채널 중 일부 혹은 전체가 바이폴라 플레이트의 랜드 부위를 가로지르는 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 패턴화된 촉매층은 패턴화된 기판 위에 촉매층을 코팅하고 패턴화된 촉매층을 막에 전사하여 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 일면에 접촉하여 배치되는 촉매층은 면내(in-plane) 채널 구조를 갖는 패턴화된 촉매층인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리.
(a) 패턴화된 제1기판을 제조하는 단계;
(b) 상기 제조된 제1기판을 플라즈마 처리하는 단계;
(c) 상기 플라즈마 처리된 제1기판에 소수성 화학물질을 증착시키는 단계;
(d) 상기 증착된 제1기판에 촉매층 잉크를 분무하여 제1기판 상에 촉매층을 형성시키는 단계;
(e) 상기 제1기판 상에 형성된 촉매층의 일면에 고분자 전해질막을 적층시키는 단계;
(f) 제2기판 상에 촉매층을 형성시키는 단계;
(g) 상기 적층된 고분자 전해질막의 일면에 상기 제2기판 상에 형성된 촉매층을 적층시키는 단계;
(h) 상기 제1기판 상에 형성된 촉매층, 고분자 전해질막 및 제2기판 상에 형성된 촉매층을 데칼 전사하는 단계; 및
(i) 상기 제1기판 및 제2기판을 제거하는 단계
를 포함하는 제1항의 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 제1기판은 PUA(poly(urethane acrylate)) 또는 PDMS(polydimethylsiloxane)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 패턴화된 제1기판은 경화성 용액을 PET 필름 상에 스핀코팅하고, 캐스트 상에 패턴화된 실리콘 마스터 몰드를 넣은 다음 경화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 실리콘 마스터 몰드는 PDMS(polydimethylsiloxane), PUA(polyurethane acrylate) 또는 polysilicon wafer인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 플라즈마 처리는 산소(O₂) 플라즈마 처리인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 소수성 화학물질은 C₈H₄F₁₃SiCl₃또는 플루오로카본(fluoro carbon) 화합물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 촉매층 잉크는 Pt/C 촉매 및 나피온 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 제1기판 상에 촉매층을 형성시킨 다음, 130℃에서 4 시간 동안 어닐링하여 잔류 용매를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 제2기판은 PI(polyimide), PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate) 또는 FEP(fluorinated ethylene propylene)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막 전극 어셈블리의 제조방법.
제1항 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 막 전극 어셈블리; 및 세퍼레이터(separator) 또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)를 포함하는 연료전지.