KR102602407B1 - 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법 - Google Patents

연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 촉매 금속이 담지된 제1 탄소를 포함한 촉매 복합체에 제1 탄소보다 결정화도가 낮은 제2 탄소를 혼합하여 전극을 형성한 후 상기 전극에 전압을 인가하여 제2 탄소를 제거함으로써 전극 내 기공도를 증가시켜 반응 기체의 물질 전달성이 향상된 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 관한 것이다.

Description

연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법{THE COMPOSITION FOR MANUFACTURING ELECTRODE OF MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING ELECTRODE OF MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL USING THE SAME}
본 발명은 전극 내 기공도를 증가시켜 반응 기체의 물질 전달성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 관한 것이다.
자동차용 연료전지로는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 가장 많이 사용되고 있다. 이 고분자 전해질막 연료전지가 자동차의 다양한 운전조건에서 최소 수십 kW 이상 높은 출력 성능을 정상적으로 발현하려면, 넓은 전류 밀도 범위에서 안정적으로 작동 가능해야 한다.
연료전지는 요구되는 출력 수준을 충족하기 위해 단위 셀(Unit Cell)들을 적층하여 조립한 스택(Stack) 형태로 사용하게 된다. 상기 단위 셀은 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly, 이하, MEA라고 함)의 바깥부분, 즉 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)가 위치한 바깥부분에 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓(Gasket) 등이 적층되고, 기체확산층의 바깥쪽에는 반응기체(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Bipolar Plate or Separator)으로 구성된다. 이러한 단위 셀을 수 백장 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 단위 셀들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(End Plate)를 결합한다.
연료전지의 전기생성을 위한 전기화학반응(Electrochemical Reaction)은 과불소 술폰산계 이오노머 기반 전해질막(Perfluorinated Sulfonic Acid (PFSA) Ionomer-Based Membrane)과 애노드/캐소드의 전극으로 구성된 MEA에서 발생한다. 일반적으로 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle)에 사용되는 전극은 연료전지 반응을 일으키는 백금 촉매(Pt Catalyst), 탄소 지지체(Carbon Support) 및 이러한 백금 촉매/탄소 지지체를 서로 연결해 주는 이오노머 바인더(Ionomer Binder)로 구성된다. 전극의 이오노머 바인더 또한 과불소 술폰산계를 많이 사용한다.
연료전지에서의 전기화학반응은 다음 반응식 1과 같이 연료전지의 산화극인 애노드에 공급된 수소가 수소 산화반응(HOR: Hydrogen Oxidation Reaction)에 의해 수소 이온(Proton)과 전자(Electron)로 분리된 후, 수소 이온은 막을 통해 환원극인 캐소드로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동한다. 상기 수소 이온과 전자는 반응식 2와 같이 캐소드에서 산소 환원반응(ORR: Oxygen Reduction Reaction)에 의해 외부에서 공급된 산소 기체와 반응하며, 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성하게 된다.
[반응식 1]
H2 → 2H+ + 2e-, Eo = 0.000 V (vs. SHE) [1]
[반응식 2]
1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O, Eo = 1.229 V (vs. SHE) [2]
단, 여기서 Eo는 표준전극전위(Standard Electrode Potential)이고 SHE는 표준수소전극(Standard Hydrogen Electrode)이다.
연료전지의 전기화학적 성능을 발현하는 영역은 크게 3가지 부분으로 분류되는데, 첫째로, 전기화학반응 속도 손실에 기인한 "활성화 손실(Activation Loss)" 영역, 둘째로, 각 부품 계면에서의 전기적 접촉 저항(Electrical Contact Resistance) 및 고분자 전해질막에서의 이온 저항(Ionic Resistance) 증가에 기인한 "옴 손실(Ohmic Loss)" 영역, 셋째로, 반응기체들의 물질 전달 능력의 한계에 기인한 "물질 전달 손실(Mass Transport Loss)" 또는 "농도 손실(Concentration Loss)" 영역으로 크게 분류할 수 있다.
이 중에서 특히 물질 전달 손실은 연료전지의 고전류밀도 영역(High Current Density Region)의 성능에 크게 영향을 미치며, 여러 가지 이유에 의해 발생할 수 있다. 예를 들어 연료전지 반응을 통해 생성 및 이동된 물이 전극 내에서 적절한 양으로 존재하면 MEA의 가습성을 유지시켜 주는 바람직한 역할을 할 수 있다. 그러나, 과량의 물이 존재할 때 이를 적절히 제거해 주지 않으면 물 범람(Flooding) 문제가 발생하게 되고, 이 범람된 물은 반응 기체들이 효율적으로 연료전지 셀 내부로 공급되는 것을 방해하는 역할을 하여 물질 전달 손실에 의한 전압 손실이 더욱 더 커지게 된다.
따라서 전극의 물질 전달 손실을 완화하기 위한 종래의 기술은 나노구조화 박막 필름계(NSTF: Nano-Structured Thin Film) 등과 같이 얇은 두께의 전극을 적용하는 것이 제안되었다[미국공개특허 제2010-0047668호; 미국공개특허 제2008-0020923호; 미국등록특허 제7,622,217호]. 그러나 전극의 얇은 두께와 친수성(Hydrophilicity)으로 인해 연료전지 시동 시 물 범람으로 인한 문제가 발생하였다.
또 다른 종래 기술로 백금 촉매의 지지체로서 수직으로 정렬된 탄소나노튜브(VACNT: Vertically Aligned Carbon Nanotube)를 도입하여 반응기체의 확산성을 증대시키는 기술이 제안되었다. 그러나 이러한 방안들은 제조공정을 추가하거나 복잡한 과정을 거쳐야 하므로 제조 비용이 상승하고, 대량으로 양산하기에 부적합한 문제가 있었다.
일반적으로 연료전지용 전극은 반응 기체가 기체확산층을 통해 전극 내에 있는 백금 촉매로 이동하는데, 반응기체 및 연료전지 반응 결과 생성된 물의 원활한 이동을 위해 적절한 기공(Pore)은 반드시 필요하다. 그러나 종래의 전극은 이러한 기공이 부족하여 물질 전달 손실에 의한 전압 손실이 발생하며, 특히 이러한 현상은 반응 기체의 공급이 많아지며, 물이 많이 생성되는 고전류 밀도 영역에서 두드러지게 발생하는 문제가 있다.
미국공개특허 제2010-0047668호 미국공개특허 제2008-0020923호 미국등록특허 제7,622,217호
S. Murata et al., J. Power Sources, 253, 104-113 (2014) J. Yang et al., Electrochem. Solid-State Lett., 13, B55-B57 (2010)
상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 기공 형성을 위한 제2 탄소를 포함한 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한 본 발명은 간단한 방법으로 연료전지용 전극 내 기공을 형성함으로써 반응 기체의 물질 전달성(Mass Transport Capability)이 향상된 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물은 제1 탄소 및 상기 제1 탄소에 담지된 촉매 금속을 포함하는 촉매 복합체; 상기 촉매 복합체에 코팅된 이오노머 바인더; 제2 탄소; 및 용매;를 포함할 수 있다.
상기 제1 탄소는 카본블랙(CB: Carbon black), 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nanotube), 탄소나노섬유(CNF: Carbon Nanofiber), 탄소나노와이어(CNW: Carbon Nanowire), 탄소나노혼(CNH: Carbon Nanohorn) 및 그래핀(Graphene)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 촉매 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 제2 탄소는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어 및 탄소나노혼으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 제2 탄소는 상기 제1 탄소 보다 결정화도가 10% 이상 더 낮은 것일 수 있다.
상기 용매는 이소프로필 알코올(IPA: Isopropyl Alcohol), 노말프로필 알코올(nPA: n-Propyl Alcohol) 및 에틸 알코올(Ethyl Alcohol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 알코올, 탈이온수, 또는 이들의 혼합물인 것일 수 있다.
상기 촉매 복합체, 이오노머 바인더 및 제2 탄소의 전체 중량%를 기준으로, 상기 이오노머 바인더 10 내지 50 중량% 및 상기 제2 탄소 0.1 내지 50 중량%를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법은 제1 탄소 및 상기 제1 탄소에 담지된 촉매 금속을 포함하는 촉매 복합체에 이오노머 바인더를 코팅하는 단계; 상기 이오노머 바인더가 코팅된 촉매 복합체, 제2 탄소 및 용매를 혼합하여 촉매 잉크를 제조하는 단계; 상기 촉매 잉크를 사용하여 전극을 제조하는 단계; 및 상기 전극에 전압을 인가하여 상기 제2 탄소를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 있어서, 상기 제1 탄소는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어, 탄소나노혼 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 있어서, 상기 촉매 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 있어서, 상기 이오노머 바인더를 코팅하는 단계는, 상기 촉매 복합체, 이오노머 바인더 및 용매를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계; 및 상기 혼합용액을 건조 및 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 있어서, 상기 열처리는 상기 이오노머 바인더의 알파전이온도 내지 알파전이온도+100 ℃의 온도에서 10분 내지 10시간 동안 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 있어서, 상기 제2 탄소는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어 및 탄소나노혼으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 있어서, 상기 제2 탄소는 상기 제1 탄소 보다 결정화도가 10% 이상 더 낮은 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 있어서, 상기 용매는 이소프로필 알코올, 노말프로필 알코올 및 에틸 알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 알코올, 탈이온수, 또는 이들의 혼합물인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 있어서, 상기 촉매 잉크는 촉매 복합체, 이오노머 바인더 및 제2 탄소의 전체 중량%를 기준으로, 상기 이오노머 바인더 10 내지 50 중량% 및 상기 제2 탄소 0.1 내지 50 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 있어서, 상기 제2 탄소를 제거하는 단계는 상대습도(RH: Relative Humidity)가 70% 이상인 가습 조건에서 수행하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 있어서, 상기 제2 탄소를 제거하는 단계는 상기 전극에 1.0V 내지 1.6V의 전압을 5초 내지 2분 동안 인가하는 것일 수 있다.
본 발명은 위와 같은 구성을 포함하므로 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따라 제조된 연료전지용 막-전극 접합체의 전극은 촉매 금속이 담지된 제1 탄소를 포함한 촉매 복합체에 제1 탄소 보다 결정화도가 낮은 제2 탄소를 혼합하여 전극을 형성한 후 상기 전극에 전압을 인가하여 제2 탄소만을 선택적으로 제거함으로써 전극 내 기공도를 증가시켜 반응 기체의 물질 전달성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 연료전지용 막-전극 접합체의 전극은 물질 전달성을 향상시켜 연료전지의 성능을 높일 수 있으며, 다양한 운전조건에서의 운행 안정성이 향상될 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 연료전지용 막-전극 접합체의 전극은 비교적 간단하고 저렴한 방법으로 전극 내 기공도를 향상시킬 수 있어 비용절감 및 상품성을 향상시키는 이점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 대한 흐름도이다.
도 2a는 전극 내에 제2 탄소가 제거되기 전인 연료전지용 막-전극 접합체의 전극을 포함하는 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 2b는 전극 내에 제2 탄소가 제거된 후 기공이 충분히 형성된 연료전지용 막-전극 접합체의 전극을 포함하는 막-전극 접합체의 단면도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 관한 것으로, 촉매 금속이 담지된 제1 탄소보다 낮은 결정화도를 갖는 제2 탄소를 혼합하여 전극을 제조한 후 상기 전극에 전압을 인가하여 탄소부식반응에 의해 제2 탄소만을 제거하는 간단한 방법으로 전극 내부에 기공도를 향상시킬 수 있다. 또한 전극 내부의 기공도 향상으로 반응 기체의 물질 전달성을 증대시키는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 대한 흐름도이다. 이를 참조하면, 상기 막-전극 접합체의 전극의 제조방법은 촉매 복합체에 이오노머 바인더 코팅단계(S100), 촉매 잉크 제조단계(S200), 전극 제조단계(S300) 및 전압을 인가하는 단계(S400)를 포함한다.
보다 상세하게는 본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법에 관한 것으로, 제1 탄소 및 상기 제1 탄소에 담지된 촉매 금속을 포함하는 촉매 복합체에 이오노머 바인더를 코팅하는 단계; 상기 이오노머 바인더가 코팅된 촉매 복합체, 제2 탄소 및 용매를 혼합하여 촉매 잉크를 제조하는 단계; 상기 촉매 잉크를 사용하여 전극을 제조하는 단계; 및 상기 전극에 전압을 인가하여 상기 제2 탄소를 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 전극을 제조하기 위한 각 단계는 도 1과 함께 상세히 설명한다.
1) 이오노머 바인더 코팅단계(S100)
상기 이오노머 바인더 코팅단계(S100)는 제1 탄소 및 상기 제1 탄소에 담지된 촉매 금속을 포함하는 촉매 복합체에 이오노머 바인더를 코팅하는 단계일 수 있다. 보다 상세하게는 상기 이오노머 바인더를 코팅하는 단계는, 상기 촉매 복합체, 이오노머 바인더 및 용매를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계; 및 상기 혼합용액을 건조 및 열처리하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 제1 탄소는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어, 탄소나노혼 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있으며, 상기 촉매 금속을 담지시키는 역할을 할 수 있다. 또한 상기 촉매 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 혼합용액을 준비하는 단계에서는 상기 용매에 상기 촉매 복합체 및 이오노머 바인더를 투입한 후 상온에서 교반기로 충분히 교반한 후 초음파 처리하여 혼합용액을 제조할 수 있다.
상기 용매는 이소프로필 알코올, 노말프로필 알코올 및 에틸 알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 알코올, 탈이온수, 또는 이들의 혼합물인 것일 수 있다.
상기 혼합용액을 건조 및 열처리하는 단계에서는 상기 혼합용액을 건조하여 상기 용매를 제거한 후 수득된 케이크(Cake)형태의 상기 촉매 복합체와 이오노머 바인더를 건조기 내에서 열처리하여 상기 촉매 복합체의 표면을 이오노머 바인더로 전면 코팅시킬 수 있다.
상기 열처리는 상기 이오노머 바인더의 알파전이온도 내지 알파전이온도+100 ℃의 온도에서 10 분 내지 10 시간 동안 수행할 수 있다. 여기에서, 알파전이온도(Tα: Alpha Transition Temperature)란 고분자의 결정성이 급격하게 변화하는 온도를 의미한다. 상기 알파전이온도는 이오노머의 구조 및 종류에 따라 다양할 수 있다. 상기 열처리 온도가 상기 이오노머 바인더의 알파전이온도 미만인 경우 상기 촉매 복합체와 이오노머 바인더의 결합력이 약해 용매에 재분산 시 서로 분리될 수 있다. 반면에, 상기 열처리 온도가 알파전이온도+100 ℃ 초과인 경우 이오노머 바인더의 열분해(Thermal Degradation)가 가속화되거나, 이오노머 바인더의 결정화도(Degree of Crystallinity)가 과도하게 증가하여 용해도(Solubility) 감소로 용매에 재분산되지 않을 수 있다. 또한 막-전극 접합체의 제조 시 전해질막과의 계면 접합력(Interfacial Adhesion)이 낮아질 수 있다. 바람직하게는 상기 열처리는 상기 이오노머 바인더의 알파전이온도 내지 알파전이온도+50 ℃의 온도범위인 것이 좋다.
또한 상기 열처리는 10 분 내지 10 시간 동안 수행할 수 있다. 그 이유는 상기 열처리 시간이 10 분 미만인 경우 열처리 효과가 미미하고, 10 시간을 초과하는 경우 상기 이오노머 바인더의 열분해가 가속화되거나 결정도가 과도하게 증가할 수 있고 공정 싸이클 시간이 증가하는 문제들이 있다. 바람직하게는 상기 혼합용액의 열처리는 30 분 내지 5 시간 동안 수행하는 것이 좋다.
상기 이오노머 바인더는 과불소 술폰산계 이오노머(Perfluorinated Sulfonic Acid, PFSA), 탄화수소계(Hydrocarbon) 이오노머 또는 이들의 혼합물인 것일 수 있다. 바람직하게는 과불소 술폰산계 이오노머일 수 있다.
상기 과불소 술폰산계 이오노머(Perfluorinated Sulfonic Acid, PFSA) 또는 탄화수소계(Hydrocarbon) 이오노머의 알파전이온도는 60 내지 130 ℃인 것일 수 있다. 상기 알파전이온도범위는 이오노머 종류 및 구조에 따라 달라질 수 있으므로 이에 한정되는 것은 아니다.
2) 촉매 잉크 제조단계(S200)
상기 촉매 잉크 제조단계(S200)는 상기 이오노머 바인더가 코팅된 촉매 복합체, 제2 탄소 및 용매를 혼합하여 촉매 잉크를 제조하는 단계일 수 있다. 이때, 상기 제2 탄소는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어 및 탄소나노혼으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 제2 탄소는 상기 제1 탄소 보다 결정화도가 10% 이상 더 낮은 것일 수 있다. 여기에서, 결정화도(Degree of Crystallinity)란 결정성 부분과 무정형(Amorphous) 부분으로 구성된 전체함량 중에 차지하는 결정성 부분의 무게분율을 의미한다.
상기 제2 탄소는 상기 제1 탄소에 비해 반드시 결정화도가 10% 이상 낮은 것을 사용해야 하는데, 그 이유는 후술하는 전압을 인가하는 단계(S400)에서 상기 제2 탄소를 효과적으로 제거하기 위함이다. 구체적으로 상기 제2 탄소의 결정화도가 상기 제1 탄소와 동등하거나, 상기 제1 탄소보다 10% 미만으로 낮을 경우, 상기 전압을 인가하는 단계(S400)에서 전극 내에 기공을 형성할 제2 탄소와 상기 촉매 금속의 지지체인 제1 탄소가 동시에 부식되어 제거될 수 있다. 이로 인하여 상기 촉매 금속이 상기 제1 탄소로부터 분리(Detachment)되어 유실되거나 촉매 금속들끼리 서로 뭉침(Agglomeration)으로써 촉매 성능이 저하되어 결과적으로 연료전지의 성능 저하를 유발할 수 있다. 바람직하게는 상기 제2 탄소는 상기 제1 탄소보다 결정화도가 20% 이상 더 낮은 것이 좋다. 이에 따라, 상기 제1 탄소는 상기 제2 탄소에 비해 고결정성이며, 반대로 상기 제2 탄소는 상기 제1 탄소에 비해 저결정성일 수 있다.
상기 용매는 이소프로필 알코올, 노말프로필 알코올 및 에틸 알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 알코올, 탈이온수, 또는 이들의 혼합물인 것일 수 있다.
상기 촉매 잉크는 촉매 복합체, 이오노머 바인더 및 제2 탄소의 전체 중량%를 기준으로, 상기 이오노머 바인더 10 내지 50 중량% 및 상기 제2 탄소 0.1 내지 50 중량%를 포함할 수 있다.
상기 이오노머 바인더는 10 내지 50 중량%의 범위로 사용하는 것이 좋은데, 그 이유로는 상기 이오노머 바인더의 함량이 10 중량% 미만인 경우 상기 촉매 복합체를 3차원 네트워크 구조(Three Dimensional Network Structure)로 충분히 연결하여 결속(Binding)시키기 어려운 문제가 있다. 반대로 50 중량%를 초과하면 과량의 이오노머 바인더가 전극 내부의 기공을 막아 전극 내 물 범람 문제가 발생할 수 있다. 바람직하게는 상기 이오노머 바인더는 20 내지 35 중량%를 사용하는 것이 좋다.
상기 제2 탄소는 0.1 내지 50 중량%를 포함하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 제2 탄소의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 전극 내부에 기공이 적게 생성되어 물질 전달성 증대효과가 미미할 수 있고, 반대로 50 중량% 초과인 경우 전극 내부에 기공이 과도하게 생성되어 전극 구조가 붕괴(Structural Collapse)될 수 있다. 바람직하게는 상기 제2 탄소는 0.5 내지 20 중량%를 포함하는 것이 좋다.
3) 전극 제조단계(S300)
상기 전극 제조단계(S300)는 상기 촉매 잉크를 사용하여 전극을 제조하는 단계일 수 있다. 상기 전극 제조단계(S300)에서 전극을 형성하는 방법으로는 데칼 전사법(Decal Transfer Process), 스프레이법(Spray Process), 잉크젯 프린팅법(Inkjet-Printing Process) 등의 다양한 방법을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일례로서, 상기 데칼 전사법은 상기 촉매 잉크를 데칼전사필름 위에 바 코터(Bar Coater)를 사용하여 코팅한 후 충분하게 건조하여 데칼 전극을 제조할 수 있다. 제조된 상기 데칼 전극은 촉매 잉크의 함량 또는 코팅 두께를 조절하여 백금 촉매의 함량(Loading)을 조절할 수 있다.
또한 상기 데칼전사필름 상에 코팅된 데칼 전극을 전해질막에 전사할 때 상기 데칼전사필름은 잘 분리되면서도 고온 열처리 조건에서 충분히 견뎌야 하기 때문에 내열성 고분자(Heat-Resistant Polymer)를 사용하는 것이 좋다. 이러한 용도의 상기 내열성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET: Poly(ethylene terephthalate)), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT: Poly(butylene terephthalate)), 폴리트리메틸렌테레프탈레이트(PTT: Poly(trimethylene terephthalate)), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN: Poly(ethylene naphthalate)) 및 폴리이미드(PI: Polyimide)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있다. 상기 데칼 전극은 전해질막과 열압착을 한 후 상기 데칼전사필름을 제거함으로써 막-전극 접합체를 제조할 수 있다.
4) 전압을 인가하는 단계(S400)
상기 전압을 인가하는 단계(S400)는 상기 전극에 전압을 인가하여 상기 제2 탄소를 제거하는 단계일 수 있다. 이때, 상기 전극 내에서 제거되는 제2 탄소는 일부 또는 전부가 제거될 수 있다. 상기 전압을 인가하는 단계(S400)에서는 상대습도가 70% 이상인 가습 조건에서 수행하는 것일 수 있다. 즉, 상기 전극에 가습된 기체를 충분히 공급하는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 전극 내부에 가습된 기체를 공급하면서 전압을 인가하면 하기 반응식 3, 4와 같이 전기화학적 탄소부식반응이 일어나면서, 상기 전극 내 함유된 저결정성의 제2 탄소만 선택적으로 산화시켜 제거할 수 있기 때문이다.
[반응식 3]
C + 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e-, Eo = 0.207 V (vs. SHE) [3]
[반응식 4]
C + H2O → CO + 2H+ + 2e-, Eo = 0.518 V (vs. SHE) [4]
이때, 상기 상대습도가 70% 미만인 경우 상기 전극 내부에 탄소부식반응에 필수적인 수분이 충분히 존재하지 않아 상기 제2 탄소의 탄소부식반응이 충분히 발생하지 않게 되면서 결과적으로 전극 내 기공이 제대로 생성되지 않을 수 있다.
또한 상기 전압을 인가하는 단계(S400)에서는 상기 전극에 1.0V 내지 1.6V의 전압을 5초 내지 2분 동안 인가하는 것일 수 있다. 상기 전극에 인가하는 전압이 1.0V 내지 1.6V의 범위인 이유로 상기 전압이 1.0V 미만이면 기공 생성을 위한 저결정성 탄소인 상기 제2 탄소의 탄소부식반응이 충분히 발생하지 않을 수 있다. 반대로, 상기 전압이 1.6V 초과이면 상기 제2 탄소뿐만 아니라 상기 촉매 금속의 지지체로서 사용되는 고결정성 탄소인 상기 제1 탄소도 함께 부식되어 제거될 수 있기 때문이다. 바람직하게는 1.1V ~ 1.4V의 전압 범위에서 인가하는 것이 좋다.
이러한 상기 전압을 인가하는 단계(S400)에서는 전압 범위뿐만 아니라 전압을 인가하는 시간이 중요한데, 상기 전압의 인가 시간으로는 5초 내지 2분 동안 수행하는 것이 좋다. 그 이유로는 전압 인가 시간이 5초 미만인 경우는 기공 생성을 위한 저결정성 탄소인 상기 제2 탄소의 탄소부식반응이 충분히 발생하지 않을 수 있고, 반대로 2분을 초과하는 경우 상기 제2 탄소뿐만 아니라 상기 촉매 금속의 지지체로 사용되는 고결정성 탄소인 상기 제1 탄소도 함께 부식될 수 있기 때문이다. 바람직하게는 상기 전압의 인가 시간으로 10초 내지 30초 동안 수행하는 것이 좋다.
도 2a는 전극 내에 제2 탄소가 제거되기 전인 연료전지용 막-전극 접합체의 전극을 포함하는 막-전극 접합체의 단면도이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 전극(10)의 상부면에는 기체확산층(30)이 형성되고, 상기 전극(10)의 하부면에는 전해질막(20)이 형성된 막-전극 접합체의 단면을 나타낸 것이다. 상기 전극(10)의 내부는 제1 탄소(12)에 촉매 금속(11)이 담지되어 있다. 또한, 상기 제1 탄소(12)와 상기 제1 탄소에 담지된 촉매 금속(11)은 이오노머 바인더(13)로 전면 코팅되어 있고, 여기에 제2 탄소(14)가 혼합된 구성을 보여준다.
도 2b는 전극 내에 제2 탄소가 제거된 후 기공이 충분히 형성된 연료전지용 막-전극 접합체의 전극을 포함하는 막-전극 접합체의 단면도이다. 상기 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 도 2a의 전극(10) 내부에 존재하는 제2 탄소(14)가 전기화학적 탄소부식반응에 의해 제거되면서 기공이 충분히 형성되어 막-전극 접합체의 전극 내 반응 기체들 및 생성수(Product Water)가 원활하게 이동할 수 있음을 보여준다.
10: 전극
11: 촉매 금속
12: 제1 탄소
13: 이오노머 바인더
14: 제2 탄소
20: 전해질막
30: 기체확산층

Claims (18)

  1. 제1 탄소 및 상기 제1 탄소에 담지된 촉매 금속을 포함하는 촉매 복합체;
    제2 탄소; 및
    용매;를 포함하며,
    상기 제2 탄소는 상기 제1 탄소보다 결정화도가 10% 이상 더 낮은 것이며,
    상기 촉매 복합체는 그 표면이 이오노머 바인더로 코팅된 것이고,
    상기 제2 탄소는 이오노머 바인더가 코팅되지 않은 것이며,
    상기 제2 탄소에는 촉매 금속이 담지되지 않은 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄소는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어, 탄소나노혼 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 탄소는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어 및 탄소나노혼으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 이소프로필 알코올, 노말프로필 알코올 및 에틸 알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 알코올, 탈이온수, 또는 이들의 혼합물인 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 복합체, 이오노머 바인더 및 제2 탄소의 전체 중량%를 기준으로, 상기 이오노머 바인더 10 내지 50 중량% 및 상기 제2 탄소 0.1 내지 50 중량%를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극 제조용 조성물.
  8. 제1 탄소 및 상기 제1 탄소에 담지된 촉매 금속을 포함하는 촉매 복합체에 이오노머 바인더를 코팅하는 단계;
    상기 이오노머 바인더가 코팅된 촉매 복합체, 제2 탄소 및 용매를 혼합하여 촉매 잉크를 제조하는 단계;
    상기 촉매 잉크를 사용하여 전극을 제조하는 단계; 및
    상기 전극에 전압을 인가하여 상기 제2 탄소를 제거하는 단계;를 포함하며,
    상기 제2 탄소는 상기 제1 탄소 보다 결정화도가 10% 이상 더 낮은 것이며,
    상기 제2 탄소를 제거하는 단계는 상대습도(RH)가 70% 이상인 가습 조건에서 수행하는 것이고,
    상기 제2 탄소를 제거하는 단계는 상기 전극에 1.0V 내지 1.6V의 전압을 5초 내지 2분 동안 인가하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 탄소는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어, 탄소나노혼 및 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 및 이트륨(Y)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 이오노머 바인더를 코팅하는 단계는,
    상기 촉매 복합체, 이오노머 바인더 및 용매를 포함하는 혼합용액을 준비하는 단계; 및 상기 혼합용액을 건조 및 열처리하는 단계;를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 열처리는 상기 이오노머 바인더의 알파전이온도 내지 알파전이온도+100 ℃의 온도에서 10분 내지 10시간 동안 수행하는 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제2 탄소는 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어 및 탄소나노혼으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제8항에 있어서,
    상기 용매는 이소프로필 알코올, 노말프로필 알코올 및 에틸 알코올로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 알코올, 탈이온수, 또는 이들의 혼합물인 것인 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 촉매 잉크는 촉매 복합체, 이오노머 바인더 및 제2 탄소의 전체 중량%를 기준으로, 상기 이오노머 바인더 10 내지 50 중량% 및 상기 제2 탄소 0.1 내지 50 중량%를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체의 전극의 제조방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
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