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KR20240170101A - 연료전지 촉매 전극 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지 촉매 전극 - Google Patents

연료전지 촉매 전극 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지 촉매 전극 Download PDF

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KR20240170101A
KR20240170101A KR1020230068135A KR20230068135A KR20240170101A KR 20240170101 A KR20240170101 A KR 20240170101A KR 1020230068135 A KR1020230068135 A KR 1020230068135A KR 20230068135 A KR20230068135 A KR 20230068135A KR 20240170101 A KR20240170101 A KR 20240170101A
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KR
South Korea
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catalyst
fuel cell
electrode
powder
manufacturing
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Pending
Application number
KR1020230068135A
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English (en)
Inventor
이지은
이성철
김동진
조영익
조민주
조성용
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Publication date
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Priority to US18/639,101 priority patent/US20240396054A1/en
Priority to EP24170940.1A priority patent/EP4468424A1/en
Priority to JP2024067906A priority patent/JP2024170292A/ja
Priority to CN202410541354.0A priority patent/CN119069720A/zh
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Abstract

본 발명은 연료전지 촉매 전극 제조방법에 관한 것으로, 제1 촉매, 바인더 및 제1 용매를 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S10); 제1 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 제1 촉매 분말을 제조하는 단계(S20); 제2 촉매, 바인더 및 제2 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S30); 제2 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 제2 촉매 분말을 제조하는 단계(S40); 제1 촉매 분말, 및 제2 촉매 분말을 제3 용매에 분산하여 제3 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S50); 및 제3 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅 또는 전사하여 촉매층이 형성된 전극을 제조하는 단계(S60)를 포함하는 것이다.

Description

연료전지 촉매 전극 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지 촉매 전극{METHOD FOR PREPARING FUEL CELL CATALYST ELECTRODE AND FUEL CELL CATALYST ELECTRODE PREPARED BY THE METHOD}
본 발명은 연료전지 촉매 전극 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 출력 특성이 개선된 연료전지 촉매 전극을 제조할 수 있는 연료전지 촉매 전극 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 전지 내에서 수소, 메탄올 등 연료를 전기화학적으로 산화시켜, 연료의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이다. 특히, 고분자 전해질막 연료전지(PEFC, Polymer Electrolyte membrane Fuel Cell)는 이온 전도성을 가지는 고체 고분자 전해질막을 이용하여 고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 등의 고온 운전 연료전지 대비 저온 운전이 가능하고, 간이한 시스템 구현이 가능하여 차량 및 건물 등의 전원으로 사용되고 있다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 음극(수소극), 양극(공기극) 및 수소이온 전도성 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)를 포함한다. 여기서, 상기 음극(수소극) 및 양극(공기극)은 각각 연료의 산화 반응과 산소의 환원 반응을 일으킬 수 있는 동종 또는 이종의 귀금속 촉매가 다공성 담지체 표면에 고르게 분산된 형태로 존재한다. 촉매는 종류에 따라 전하이동저항 등에서 차이를 나타내고, 촉매의 표면 형상으로부터 유래하는 비표면적, 소수성 등의 물성으로 인해, 물배출 특성 등에서도 차이를 나타낸다. 마찬가지로, 담지 촉매의 제조에 사용되는 다공성 담지체 역시 그 표면적과 결정성에 따라 표면 특성과 이오노머와의 친화력이 달라지게 된다.
따라서, 막전극 접합체(MEA)의 전극층 설계시, 촉매의 선정, 촉매를 담지 촉매로 사용시 담지체의 선정, 바인더의 선정 문제에 대해 검토하고, 전극 내에 포함되는 촉매의 종류와 바인더의 종류에 따른 물질간의 친화력 등을 고려한 다음, 이로부터 발휘되는 연료전지 셀의 출력 특성에 대한 최종적인 검토가 필요하다.
본 발명의 발명자들은 이러한 이해를 바탕으로, 연료전지용 전극에 2종의 촉매를 적용하되, 적용되는 2종의 촉매를 단순히 혼합하여 적용하는 것이 아닌 별도의 공정을 거쳐 전극 내에 포함시킴으로써, 연료전지용 전극의 고출력 특성을 개선하여 연료전지 스택의 출력 밀도를 높이고, 이를 통해 전체 연료전지 시스템의 부피를 감소시킬 수 있는 연료전지 촉매 전극의 제조방법을 개발하게 되었다.
KR 2007-0099935 A KR 10-1113311 B1
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 연료전지의 촉매 전극, 특히 양극(공기극) 내에서 촉매 반응의 활성이 우수하고, 높은 연료 투과도를 나타내며, 물배출 특성이 향상되어, 연료전지용 전극의 고출력 특성이 개선되어 이를 포함하는 연료전지 스택이 높을 출력 밀도를 가져, 전체 연료전지 시스템의 부피를 감소시킬 수 있는 연료전지 촉매 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 제1 촉매, 바인더 및 제1 용매를 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S10); 제1 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 제1 촉매 분말을 제조하는 단계(S20); 제2 촉매, 바인더 및 제2 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S30); 제1 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 제2 촉매 분말을 제조하는 단계(S40); 제1 촉매 분말, 및 제2 촉매 분말을 제3 용매에 분산하여 제3 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S50); 및 제3 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅 또는 전사하여 촉매층이 형성된 전극을 제조하는 단계(S60)를 포함하고, 상기 단계 (S50)에서 상기 제1 촉매 분말과 제2 촉매 분말은 100:5 내지 100:60의 중량비로 제3 용매에 분산되는 연료전지 촉매 전극 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지 촉매 전극 제조방법은, 전하 이동 저항, 물 배출 특성 등에서 서로 다른 장점을 갖는 2종의 촉매를 적용하고, 별도 분산 방법을 이용하여 촉매와 바인더가 균일하게 분산되도록 하여, 연료전지 촉매 내의 물질 전달 저항 및 전하 이동 저항을 감소시킨 연료전지 촉매 전극을 구현할 수 있다. 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 연료전지 촉매 전극은 우수한 고출력 특성을 발휘할 수 있고, 이에 따라 연료전지 스택의 출력 밀도를 높일 수 있으므로, 전체 연료전지 시스템의 부피를 감소시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 실시예 1 내지 4에 대하여 RH50 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선이다.
도 2는 실시예 1 내지 4에 대하여 RH100 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선이다.
도 3은 실시예 3 및 비교예 1 내지 3에 대하여 RH50 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선이다.
도 4는 실시예 3 및 비교예 1 내지 3에 대하여 RH100 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에서 용어 '제1' 및 '제2' 등과 같은 숫자는 구성의 구분을 쉽게 하기 위해 임의로 기재된 숫자일 뿐, 각 구성에 대하여 특별한 의미를 부여하는 것은 아니다.
본 발명은 연료전지 촉매 전극, 구체적으로 연료전지의 음극을 제조하기 위한 연료전지 촉매 전극 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 촉매 전극 제조방법은 제1 촉매, 바인더 및 제1 용매를 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S10); 제1 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 제1 촉매 분말을 제조하는 단계(S20); 제2 촉매, 바인더 및 제2 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S30); 제2 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 제2 촉매 분말을 제조하는 단계(S40); 제1 촉매 분말, 및 제2 촉매 분말을 제3 용매에 분산하여 제3 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S50); 및 제3 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅 또는 전사하여 촉매층이 형성된 전극을 제조하는 단계(S60)를 포함하고, 상기 단계 (S50)에서 상기 제1 촉매 분말과 제2 촉매 분말은 100:5 내지 100:60의 중량비로 제3 용매에 분산되는 연료전지 촉매 전극 제조방법을 제공한다.
제1 촉매, 바인더 및 제1 용매를 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S10)
상기 (S10) 단계는 연료전지 촉매 전극, 특히 양극의 촉매층에 제1 촉매를 포함시키기 위해 제1 촉매 슬러리를 제조하기 위한 단계이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 촉매는 촉매 금속, 및 상기 촉매 금속이 담지된 도전재를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 촉매는 백금 또는 백금계 합금을 포함할 수 있고, 상기 백금계 합금은 백금과 금, 은, 구리, 팔라듐, 주석, 이리듐, 로듐, 루테늄, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐, 망간, 및 바나듐으로부터 선택된 1종 이상의 합금일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 촉매는 Pt-M으로 표시되는 백금계 합금을 포함하며, 상기 Pt는 백금이고, 상기 M은 금, 은, 구리, 팔라듐, 주석, 이리듐, 로듐, 루테늄, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐, 망간, 및 바나듐으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 도전재는 활성화 탄소일 수 있고, 구체적인 예로, 상기 촉매 금속을 담지시키기 위한 다공성 활성화 탄소일 수 있다. 보다 구체적인 예로, 상기 수소 산화 반응 촉매는 상기 백금계 합금이 다공성 탄소 담지체에 담지된 Pt-M/C 촉매일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 촉매는 촉매 금속이 도전재 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 150 중량부, 30 중량부 내지 120 중량부, 또는 50 중량부 내지 100 중량부로 담지된 것일 수 있고, 이 범위 내에서 도전재에 의한 전극 안정성 및 이온 전도도를 충분히 확보하면서도, 수소 산화 반응 활성을 향상시키는 효과가 있다.
상기 활성화 탄소는 BET 비표면적이 400 m2/g 내지 1,000 m2/g인 것일 수 있고, 구체적으로 BET 비표면적이 500 m2/g 내지 1,000 m2/g, 더욱 구체적으로 600 m2/g 내지 900 m2/g인 것일 수 있다. 또한, 상기 활성화 탄소는 세로(높이 방향) 결정 크기인 Lc가 1.0 nm 내지 3.2 nm인 것일 수 있고, 구체적으로 Lc가 2.5 nm 내지 3.2 nm, 더욱 구체적으로 3.0 nm 내지 3.2 nm인 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전재가 활성화 탄소일 때, 상기 촉매 금속이 담지된 활성화 탄소의 BET 비표면적은 200 m2/g 내지 600 m2/g일 수 있고, 구체적으로 BET 비표면적이 250 m2/g 내지 550 m2/g, 더욱 구체적으로 50 m2/g 내지 150 m2/g일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바인더는 이온 전도성 고분자일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 이온 전도성 고분자는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이온 전도성 고분자는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이온 전도성 고분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이온 전도성 고분자는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산) 또는 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체일 수 있다. 또한, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중 하나의 고분자에서, 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기가 결합된 이온 전도성 고분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바인더는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있고, 필요에 따라 비전도성 화합물을 더 포함할 수 있으며, 이 경우 고분자 전해질막과의 접착력을 보다 향상시킬 수 있다. 이 때, 상기 비전도성 화합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루-4-오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 용매는 제1 촉매 슬러리를 제조함에 있어서, 제1 촉매 및 바인더를 혼합 및 분산시키기 위한 분산제일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 제1 용매는 수계 용매 또는 유기계 용매일 수 있다. 상기 수계 용매는 물, 알코올 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 알코올은 에탄올, 이소프로필 알코올 등과 같은 1차 알코올; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜 등과 같은 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 또한, 상기 유기계 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
제1 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 제1 촉매 분말을 제조하는 단계(S20)
상기 (S20) 단계는 제1 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 제1 촉매 분말을 제조하는 단계이다.
본 발명의 연료전지 촉매 전극 제조방법은 단계 (S20)에서 우선 제1 촉매 슬러리만을 이용하여 제1 촉매 분말을 제조하게 된다. 본 발명의 연료전지 촉매 전극 제조방법은 제1 촉매가 분산, 혼합된 제1 촉매 슬러리로부터 제1 촉매 분말을 수득한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 촉매 전극 제조방법은, 단계 (S10) 및 (S20)의 과정을 통하여 제2 촉매와는 별개로 제1 촉매만을 이용하여 제1 촉매 분말을 제조하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계의 열처리는 100 ℃ 내지 200 ℃, 100 ℃ 내지 180 ℃, 또는 100 ℃ 내지 150 ℃에서 실시될 수 있고, 이 범위 내에서 바인더의 기계적 안정성을 향상시킴과 동시에, 결정성 및 이온 채널 크기의 변화를 최소화할 수 있고, 제1 촉매 슬러리에 존재하는 제1 용매가 모두 제거된 제1 촉매를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계의 분쇄는 상기 열처리에 의해 수득된 제1 촉매 덩어리를 분말 형태로 수득하기 위해 통상적으로 이용할 수 있는 분쇄장치를 이용하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 촉매 분말은 상기 제1 촉매에 상기 바인더가 코팅되어 있는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계에서 제조된 제1 촉매 분말은 제1 촉매 입자의 일부 또는 전부가 바인더에 의해 덮여 있고, 제1 촉매 입자들이 바인더에 의해 결합된 형태로 존재할 수 있다.
제2 촉매, 바인더 및 제2 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S30)
상기 단계(S30)은 제2 촉매, 바인더 및 제2 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 촉매는 촉매 금속, 및 상기 촉매 금속이 담지된 도전재를 포함하는 것일 수 있다. 상기 촉매 금속은 백금, 금, 은, 구리, 팔라듐, 주석, 이리듐, 로듐, 루테늄, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐, 망간, 및 바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 촉매가 포함하는 상기 도전재는 결정성 탄소 담지체일 수 있고, 구체적으로 고결정성 탄소 담지체일 수 있다. 상기 결정성 탄소 담지체의 예로는 카본 나노 튜브(CNT) 및 카본 나노 섬유(CNF)를 들 수 있고, 상기 카본 나노 튜브의 일례 중, 헤링본 타입의 카본 나노 튜브가 고결정성 탄소 담지체에 해당될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 결정성 탄소 담지체는 BET 비표면적이 100 m2/g 내지 500 m2/g인 것일 수 있고, 구체적으로 BET 비표면적이 100 m2/g 내지 400 m2/g, 더욱 구체적으로 100 m2/g 내지 300 m2/g인 것일 수 있다. 또한, 상기 활성화 탄소는 세로(높이 방향) 결정 크기인 Lc가 3.3 nm 내지 4.5 nm인 것일 수 있고, 구체적으로 Lc가 3.3 nm 내지 4.0 nm, 더욱 구체적으로 3.3 nm 내지 3.6 nm인 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전재가 결정성 탄소 담지체일 때, 상기 촉매 금속이 담지된 결정성 탄소 담지체의 BET 비표면적은 30 m2/g 내지 300 m2/g일 수 있고, 구체적으로 BET 비표면적이 40 m2/g 내지 200 m2/g, 더욱 구체적으로 50 m2/g 내지 150 m2/g일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 촉매는 촉매 금속이 도전재 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 150 중량부, 30 중량부 내지 120 중량부, 또는 50 중량부 내지 100 중량부로 담지된 것일 수 있고, 상기 범위를 만족할 경우 담지체에 의한 전극 안정성 및 이온 전도도를 충분히 확보하면서도, 촉매 반응 활성을 향상시키는 효과가 더욱 적절히 발휘될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바인더는 이온 전도성 고분자일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 이온 전도성 고분자는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이온 전도성 고분자는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이온 전도성 고분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이온 전도성 고분자는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산) 또는 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체일 수 있다. 또한, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중 하나의 고분자에서, 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기가 결합된 이온 전도성 고분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바인더는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있고, 필요에 따라 비전도성 화합물을 더 포함할 수 있으며, 이 경우 고분자 전해질막과의 접착력을 보다 향상시킬 수 있다. 이 때, 상기 비전도성 화합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루-4-오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 용매는 제2 촉매 슬러리를 제조함에 있어서, 제2 촉매 및 바인더를 혼합 및 분산시키기 위한 분산제일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 제2 용매는 수계 용매 또는 유기계 용매일 수 있다. 상기 수계 용매는 물, 알코올 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 알코올은 에탄올, 이소프로필 알코올 등과 같은 1차 알코올; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜 등과 같은 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 또한, 상기 유기계 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
제2 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 제2 촉매 분말을 제조하는 단계(S40)
상기 단계 (S40)은 제2 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 제2 촉매 분말을 제조하는 단계이다.
본 발명의 연료전지 촉매 전극 제조방법은 단계 (S40)에서 제2 촉매 슬러리만을 이용하여 제2 촉매 분말을 제조하게 되며, 이를 통해 제1 촉매의 영향을 고려할 필요 없이 제2 촉매를 바인더와 균일하게 혼합할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S40) 단계의 열처리는 100 ℃ 내지 200 ℃, 100 ℃ 내지 180 ℃, 또는 100 ℃ 내지 150 ℃에서 실시될 수 있고, 이 범위 내에서 바인더의 기계적 안정성을 향상시킴과 동시에, 결정성 및 이온 채널 크기의 변화를 최소화할 수 있고, 제2 촉매 슬러리에 존재하는 제2 용매가 모두 제거된 제2 촉매 분말을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S40) 단계의 분쇄는 상기 열처리에 의해 수득된 제2 촉매 덩어리를 분말 형태로 수득하기 위해 통상적으로 이용할 수 있는 분쇄장치를 이용하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 촉매 분말은 상기 제2 촉매에 상기 바인더가 코팅되어 있는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S40) 단계에서 제조된 제2 촉매 분말은 제2 촉매 입자의 일부 또는 전부가 바인더에 의해 덮여 있고, 제2 촉매 입자들이 바인더에 의해 결합된 형태로 존재할 수 있다.
제1 촉매 분말, 및 제2 촉매 분말을 제3 용매에 분산하여 제3 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S50)
상기 단계 (S50)에서는 제1 촉매 분말, 및 제2 촉매 분말을 제3 용매에 분산하여 제3 촉매 슬러리를 제조한다.
본 발명은 단계 (S50)에서 제조되는 상기 제3 촉매 슬러리는 촉매 전극을 형성하기 위한 것으로, 상기 단계들을 통해 각각 제조된 제1 촉매 분말 및 제2 촉매 분말을 제3 용매에 함께 분산하여 혼합함으로써, 제1 촉매 및 제2 촉매 각각이 모두 바인더와 균일하게 혼합되어 있고, 전극층 내에 제1 촉매 및 제2 촉매가 모두 균일하게 분포되어 있는 연료전지 촉매 전극을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 연료전지 촉매 전극은 상기 제1 촉매 분말과 제2 분말은 100:5 내지 100:60의 중량비로 제3 용매에 분산된다.
또한, 상기 제1 촉매 분말과 제2 분말은 구체적으로 100:8 내지 100:50의 중량비, 더욱 구체적으로 100:10 내지 100:45의 중량비로 제3 용매에 분산될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 촉매 및 제2 촉매를 함께 포함하면서, 상기 중량비를 만족할 경우, 우수한 촉매 반응 및 우수한 물배출 특성을 발휘할 수 있고, 전 영역대의 전류밀도에서 우수한 성능을 발휘할 수 있으며, 특히 고전류 영역에서 우수한 출력을 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제3 용매는 제3 촉매 슬러리를 제조함에 있어서, 제1 촉매 분말 및 제2 촉매 분말을 혼합 및 분산시키기 위한 분산제일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 제3 용매는 앞서 기재한 제1 용매 및 제2 용매와 동일 또는 상이한 것일 수 있고, 수계 용매 또는 유기계 용매일 수 있다. 상기 수계 용매는 물, 알코올 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 알코올은 에탄올, 이소프로필 알코올 등과 같은 1차 알코올; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜 등과 같은 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 또한, 상기 유기계 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S50) 단계에서 혼합되는 상기 제1 촉매 분말과 제2 촉매 분말은 각각 바인더가 코팅된 것일 수 있으므로, 상기 단계 (S10) 및 (S30)에서 혼합된 바인더 외에, 추가적인 바인더의 투입 없이 실시될 수 있다.
제3 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅 또는 전사하여 촉매층이 형성된 전극을 제조하는 단계(S60)
상기 (S60) 단계는 제3 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅 또는 전사하여 촉매층이 형성된 전극을 제조하는 단계로서, 연료전지 촉매 전극을 수득하기 위한 단계이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S60) 단계는 제3 촉매 슬러리에 포함된 제2 용매를 건조시키기 위한 건조 단계 또는 휘발시키기 위한 열처리 단계를 포함하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기재는 제2 촉매 슬러리로부터 연료전지 촉매 전극을 제조하기 위한 지지층으로서, 연료전지 촉매 전극에 사용될 수 있는 기재라면 특별한 제한 없이 이용 가능하다. 또한, 상기 기재는 경우에 따라 고분자 전해질막 자체일 수 있다.
본 발명은 상기 연료전지 촉매 전극 제조방법으로부터 제조된 연료전지 촉매 전극을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 촉매 전극은 기재; 및 기재의 적어도 일측 표면에 형성된 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 제1 촉매, 제2 촉매 및 바인더를 포함하는 것일 수 있다. 이와 같이, 촉매층에 제1 촉매 및 제2 촉매의 2종의 촉매를 적용하면서, 제1 촉매 및 제2 촉매에 개별적으로 바인더를 코팅시킨 다음, 이를 혼합한 슬러리를 이용하여 촉매층을 제조할 경우, 촉매층 내에 그 성질이 다른 제1 촉매 및 제2 촉매를 함께 포함하면서, 상기 제1 촉매 및 제2 촉매가 고르게 분포될 수 있다. 이와 같은 본 발명의 연료 전지 촉매 전극은 우수한 촉매 반응을 발휘할 수 있고, 고전류 영역에서 우수한 출력을 발휘할 수 있으며, 우수한 물배출 특성을 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체를 제공한다. 상기 막전극 접합체는 음극; 양극; 및 음극 및 양극 사이에 개재된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 양극은 본 발명에 따른 연료전지 촉매 전극인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 수소 가스 등과 같은 연료와 산소를 포함하는 공기의 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극 및 수소 이온의 전달이 일어나는 고분자 전해질막의 접합체일 수 있고, 음극, 양극 및 음극 및 양극 사이에 개재된 고분자 전해질막이 서로 접착된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 반응 가스를 공급하는 음극(연료극 또는 수소극) 및 양극(산소극 또는 공기극)의 일면에 기체확산층이 도입된 것일 수 있다. 구체적인 예로, 음극 및 양극 각각의 일면에 도입된 기체확산층 사이에 상기 막전극 접합체가 개재된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 반응 가스를 공급하는 음극(연료극 또는 수소극) 및 양극(산소극 또는 공기극)의 다른 일면에 촉매층이 도입된 것일 수 있다. 구체적인 예로, 음극 및 양극 각각의 일면에 도입된 촉매층 사이에 상기 고분자 전해질막이 개재된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 음극/고분자 전해질막/양극, 기체확산층/음극/고분자 전해질막/양극, 음극/고분자 전해질막/양극/기체확산층, 기체확산층/음극/고분자 전해질막/양극/기체확산층, 음극/촉매층/고분자 전해질막/양극, 음극/고분자 전해질막/촉매층/양극, 음극/촉매층/고분자 전해질막/촉매층/양극, 기체확산층/촉매층/음극/고분자 전해질막/양극, 기체확산층/음극/고분자 전해질막/촉매층/양극, 기체확산층/촉매층/음극/고분자 전해질막/촉매층/양극, 음극/고분자 전해질막/촉매층/양극/기체확산층, 음극/촉매층/고분자 전해질막/양극/기체확산층, 음극/촉매층/고분자 전해질막/촉매층/양극/기체확산층, 및 기체확산층/촉매층/음극/고분자 전해질막/촉매층/양극/기체확산층으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종의 적층 구성을 갖는 적층체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극은 앞서 기재한 연료전지 촉매 전극일 수 있고, 이에 따라 상기 촉매층은 앞서 기재한 연료전지 촉매 전극의 촉매층일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극의 촉매층은, 촉매 금속 및 촉매 금속이 담지된 도전재를 포함할 수 있다. 상기 양극의 촉매는 산소의 환원 반응을 촉진하는 금속을 포함하는 것일 수 있고, 구체적인 예로 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐, 망간, 바나듐 및 이들의 합금 등 일 수 있다. 또한, 상기 도전재는 활성화 탄소일 수 있다. 또한, 상기 양극의 촉매층은 바인더로 상기 연료전지 촉매 전극의 바인더와 동일한 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 전해질막은 이온 전도성 고분자일 수 있고, 앞서 기재한 연료전지 촉매 전극의 바인더와 동일한 이온전도성 고분자일 수 있다. 또 다른 예로, 상기 이온 전도성 고분자는 술폰산기를 포함하는 이온 전도성 고분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 술폰산기를 포함하는 이온 전도성 고분자는 불소계 고분자, 탄화수소계 고분자 및 부분 불소계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자가 술폰화된 것일 수 있고, 이 경우 수소이온 전도성 및 반응 가스 차단성이 우수한 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 술폰화 불소계 고분자는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산) 및 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 술폰화 탄화수소계 고분자는 술폰화 폴리이미드, 술폰화 폴리아릴에테르술폰, 술폰화 폴리에테르에테르케톤, 술폰화 폴리벤즈이미다졸, 술폰화 폴리술폰, 술폰화 폴리스티렌, 술폰화 폴리포스파젠, 술폰화 폴리에테르에테르술폰, 술폰화 폴리에테르술폰, 술폰화 폴리에테르벤즈이미다졸, 술폰화 폴리아릴렌에테르케톤, 술폰화 폴리에테르케톤, 술폰화 폴리스타이렌, 술폰화 폴리이미다졸, 술폰화 폴리에테르케톤케톤 및 술폰화 폴리아릴에테르벤즈이미다졸로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 술폰화 부분 불소계 고분자는 술폰화 폴리(아릴렌에테르술폰-코-비닐리덴플로라이드), 술폰화 트리플로오로스티렌-그래프트-폴리(테트라플로오로에틸렌) 및 스티렌-그래프트 술폰화 폴리비닐리덴플로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 음극; 양극; 및 음극 및 양극 사이에 개재된 고분자 전해질막을 서로 밀착시킨 상태에서 열압착 등의 압착에 의해 제조될 수 있다. 또한, 상기 막전극 접합체는 고분자 전해질막의 일면, 또는 양면에 음극과 양극의 촉매층을 형성하기 위한 촉매층 슬러리를 직접 도포 및 건조하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기체확산층은 미세 기공층 (Micro-Porous Layer, MPL)과, 거대 기공 지지체 (Macro-Porous Substrate)의 이중층 구조로 구성된 것일 수 있다. 상기 미세 기공층은 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조한 후, 용도에 따라 거대 기공 지지체의 일면 또는 양면에 도포될 수 있다. 상기 거대 기공 지지체는 탄소 섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌 계열의 소수성 물질로 구성될 수 있고, 구체적인 예로, 탄소 섬유 천(Cloth), 탄소 섬유 펠트(Felt) 및 탄소 섬유 종이(Paper)형 등의 탄소 섬유가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 상기 연료전지는 스택, 연료공급부 및 산화제공급부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스택은 상기 막전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하는 것일 수 있고, 막전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 바이폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 바이폴라 플레이트는 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막전극 접합체로 전달함과 동시에, 음극 및 양극을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료 공급부는 연료를 상기 스택으로 공급하는 것일 수 있고, 연료를 저장하는 연료탱크 및 연료탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 펌프를 포함할 수 있다. 상기 연료는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올 등의 알코올, 또는 천연가스일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 것일 수 있다. 상기 산화제는 공기가 대표적으로 사용될 수 있고, 산소 또는 공기를 펌프로 주입하여 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지는 고분자 전해질막 연료전지, 직접 액체 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 직접 개미산 연료전지, 직접 에탄올 연료전지, 또는 직접 디메틸에테르 연료전지 등일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예
디프로필렌글리콜과 물을 8:2의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 PtCo 합금 촉매(Pt:Co의 중량비 8:1) 13.6 중량부 및 바인더로 이오노머 4.1 중량부를 투입하고, 고르게 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하였다. 이 후, 제1 촉매 슬러리를 건조한 뒤 분쇄하여 제1 촉매 분말을 수득하였다.
이어서, 디프로필렌글리콜과 물을 8:2의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 상기에서 제조된 Pt 담지 촉매 13.6 중량부 및 바인더로 이오노머 4.1 중량부를 투입하고, 고르게 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하였다. 이 후, 제2 촉매 슬러리를 건조한 뒤 분쇄하여 제2 촉매 분말을 수득하였다.
그 다음으로, 디프로필렌글리콜과 물을 8:2의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 수득된 제1 촉매 분말 18.0 중량부 및 제2 촉매 분말 2.0 중량부를 투입하고, 고르게 분산 및 혼합하여 제3 촉매 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 제3 촉매 슬러리를 불화 폴리이미드(Fluorinated Polyimide, FPI) 필름 상에 0.3 mg/cm2으로 코팅하고, 건조시켜 연료전지 촉매 전극을 제조하였다.
실시예 2
제3 촉매 슬러리 제조시 제1 촉매 분말 및 제2 촉매 분말을 각각 17.0 중량부 및 3.0 중량부 투입한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 연료전지 촉매 전극을 제조하였다.
실시예 3
제3 촉매 슬러리 제조시 제1 촉매 분말 및 제2 촉매 분말을 각각 16.0 중량부 및 4.0 중량부 투입한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 연료전지 촉매 전극을 제조하였다.
실시예 4
제3 촉매 슬러리 제조시 제1 촉매 분말 및 제2 촉매 분말을 각각 14.0 중량부 및 6.0 중량부 투입한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 연료전지 촉매 전극을 제조하였다.
비교예 1
디프로필렌글리콜과 물을 8:2의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 PtCo 합금 촉매(Pt:Co의 중량비 8:1) 13.6 중량부 및 바인더로 이오노머 4.1 중량부를 투입하고, 고르게 분산 및 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 촉매 슬러리를 불화 폴리이미드(Fluorinated Polyimide, FPI) 필름 상에 0.3 mg/cm2으로 코팅하고, 건조시켜 연료전지 촉매 전극을 제조하였다.
비교예 2
PtCo 합금 촉매를 대신하여 상기 실시예 1의 과정에서 제조된 Pt 담지 촉매를 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 마찬가지의 방법으로 연료전지 촉매 전극을 제조하였다.
비교예 3
디프로필렌글리콜과 물을 8:2의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 PtCo 합금 촉매(Pt:Co의 중량비 8:1) 및 상기 실시예 1의 과정에서 제조된 Pt 담지 촉매를 90:10의 중량비로 포함하는 혼합 촉매 13.6 중량부 및 바인더로 이오노머 4.1 중량부를 투입하고, 고르게 분산 및 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 촉매 슬러리를 불화 폴리이미드(Fluorinated Polyimide, FPI, 에프엠투社) 필름 상에 0.3 mg/cm2으로 코팅하고, 건조시켜 연료전지 촉매 전극을 제조하였다.
실험예
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 연료전지 촉매 전극에 대한 성능 측정을 실시하였다.
(막전극 접합체의 제조)
디프로필렌글리콜과 물을 1:1의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 PtCo 합금 촉매(Pt:Co의 중량비 6:4) 및 상기 실시예 1의 과정에서 제조된 Pt 담지 촉매를 90:10의 중량비로 포함하는 혼합 촉매 13.6 중량부 및 바인더로 이오노머 4.1 중량부를 투입하고, 고르게 분산 및 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1 내지 3 각각에서 제조된 촉매 슬러리를 0.5 mg/cm2으로 코팅하고 건조시켰다.
이와 같은 방법을 통해, 상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1 내지 3 각각에서 제조된 연료전지 촉매 전극을 양극으로 하는 막전극 접합체(MEA)를 제조하였다.
실험예
상기 제조된 막전극 접합체를 셀에 체결한 뒤 단위전지 성능곡선을 측정하였다. 단위전지 성능은 음극에 수소 150 ccm, 양극에 산소 150 ccm를 흘려주고 상압, 셀 온도 75℃에서 측정하였다.
단위전지의 작동을 시작하기 전에 습도센서(viasensoe HS-1000)를 이용하여 음극 및 양극의 가습장치를 조절하였다. 음극 및 양극의 연료 공급라인의 온도를 가습장치의 온도보다 높게 유지하여 수증기가 응축되지 않도록 하였다. 연료 기체의 공급은 습한 수소기체와 습한 공기를 일정한 속도로 공급하면서 수행되었다.
상기 단위전지 성능곡선 측정은 RH50 조건과 RH100 조건에서 실시되었다.
도 1에는 실시예 3 및 비교예 1 내지 3에 대하여 RH50 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선을, 도 2에는 실시예 3 및 비교예 1 내지 3에 대하여 RH100 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선을 나타내었다.
도 1 및 2를 참조하면, PtCo 합금 촉매만 사용한 비교예 1의 연료전지 촉매 전극의 경우, 1A/cm2 이하에서는 상대적으로 높은 출력을 나타내고 있지만, 1A/cm2 이상에서는 상대적으로 큰 성능 감소를 나타내었다. 또한, Pt 담지 촉매만을 사용한 비교예 2의 경우 1A/cm2 이하에서는 상대적으로 낮은 출력을 나타내고 있지만, 1A/cm2 이상에서는 상대적으로 높은 출력을 나타내었다.
이에 비하여, 비교예 3은 PtCo 합금 촉매 및 Pt 담지 촉매를 함께 사용하여 비교예 1의 1A/cm2 이상에서의 상대적으로 큰 성능 감소 및 비교예 2의 1A/cm2 이하에서의 상대적으로 낮은 출력을 감소시킬 수 있었지만, 단순한 촉매 혼합 분산 방식으로 인해 각 촉매의 장점을 발현하지 못하였다. 실시예 3과 비교시 전류 밀도의 증가에 따른 전압 강하 정도가 크고, 이러한 점은 RH100에서 더욱 두드러짐을 확인할 수 있었다.
도 1을 참조하면, 실시예 3의 연료전지 촉매 전극을 양극으로 하는 막전극 접합체(MEA) 단위전지 성능곡선은 저전류 영역에서 고전류 영역까지 완만한 곡선을 그리며 고전류 영역에서 상대적으로 낮은 전압 강하를 나타내며, 특히 고전류 영역에서 전압 강하가 비교예 1 내지 3에 비해 낮음을 확인할 수 있다. 이에 비해 비교예 1 내지 3은 고전류 영역으로 갈수록 크게 전압 강하를 나타내었다. 따라서, 실시예 3의 연료전지 촉매 전극은 별도의 촉매 혼합 방식을 적용하여 고출력을 필요로 하는 연료전지에 적용시 우수한 출력 특성을 발휘할 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 실시예 3의 연료전지 촉매 전극을 양극으로 하는 막전극 접합체(MEA) 단위전지 성능곡선은 RH100 조건에서도 비교예 1 내지 3에 비해 저전류 영역에서 고전류 영역까지 완만한 전압 강하를 나타내며 고전류 영역에서도 낮은 전압강하를 나타냈다.
한편, 도 3에는 실시예 1 내지 4에 대하여 RH50 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선을, 도 4에는 실시예 1 내지 4에 RH100 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선을 나타내었다
도 3을 참조하면, RH50 조건에서 실시예 1, 2 및 4는 각각 실시예 3과 전류밀도에 따른 전압 강하의 거동이 유사하였으며, 도 4를 참조하면, RH100 조건에서도 실시예 1, 2 및 4는 각각 실시예 3과 전류밀도에 따른 전압 강하의 거동이 유사하였으며, 실시예 1은 1.5 A/cm2 이상에서는 상대적으로 전압 강하가 커졌지만, 1.5 A/cm2 까지는 실시예 3과 유사한 전류밀도에 따른 전압 강하 거동을 나타내었다.
이를 통해, 실시예 1 내지 4의 연료전지 촉매 전극은 낮은 전류 밀도 및 높은 전류 밀도에서도 상대적으로 우수한 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다.

Claims (9)

  1. 제1 촉매, 바인더 및 제1 용매를 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S10);
    제1 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 제1 촉매 분말을 제조하는 단계(S20);
    제2 촉매, 바인더 및 제2 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S30);
    제2 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 제2 촉매 분말을 제조하는 단계(S40);
    제1 촉매 분말, 및 제2 촉매 분말을 제3 용매에 분산하여 제3 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S50); 및
    제3 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅 또는 전사하여 촉매층이 형성된 전극을 제조하는 단계(S60)를 포함하고,
    상기 단계 (S50)에서 상기 제1 촉매 분말과 제2 촉매 분말은 100:5 내지 100:60의 중량비로 제3 용매에 분산되는 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 촉매는 백금 또는 백금계 합금을 포함하고,
    상기 백금계 합금은 백금과 금, 은, 구리, 팔라듐, 주석, 이리듐, 로듐, 루테늄, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐, 망간, 및 바나듐으로부터 선택된 1종 이상의 합금인 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (S10) 및 (S30)의 바인더는 각각 이온 전도성 고분자인 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 촉매는 촉매 금속이 담지체에 담지된 담지 촉매를 포함하는 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 담지 촉매에 담지된 촉매 금속은 백금, 금, 은, 구리, 팔라듐, 주석, 이리듐, 로듐, 루테늄, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐, 망간, 및 바나듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 담지체는 고결정성 카본 담지체이고, 상기 고결정성 카본 담지체는 세로 결정 크기인 2.5 내지 4.5 nm이고, BET 비표면적이 100 내지 600 m2/g인 연료전지 촉매 전극 제조방법.

  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 촉매 분말과 제2 촉매 분말은 각각 바인더가 코팅된 것인 촉매 전극 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 (S50)에서 상기 제1 촉매 분말과 제2 촉매 분말은 100:10 내지 100:45의 중량비로 제3 용매에 분산되는 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  9. 기재; 및 기재의 적어도 일측 표면에 형성된 촉매층을 포함하며,
    상기 촉매층은 제1 촉매 분말 및 제2 촉매 분말을 포함하고,
    상기 제1 촉매 분말은 상기 제1 촉매에 바인더가 코팅되어 있고, 상기 제2 촉매 분말은 상기 제2 촉매에 바인더가 코팅되어 있으며,
    상기 제1 촉매 분말과 제2 촉매 분말은 100:5 내지 100:60의 중량비를 만족하는 연료전지 촉매 전극.
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