연료 전지용 전극의 제조 방법 및 제조 장치 document_id A220623029019

본 발명은 연료 전지용 전극의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것으로, 특히 단순한 제조 공정으로 미세한 촉매 입자가 균일하게 분산되어 있는 연료 전지용 전극을 제조할 수 있는 연료 전지용 전극의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다. 연료 전지는 연료 가스와 산화제 가스가 반응할 때 생기는 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 용융탄산염 전해질형 연료 전지, 인산 전해질형 연료 전지, 알칼리 전해질형 연료 전지 및 고분자 전해질형 연료 전지로 구분된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리로 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 등이 서로 다르다. 이들 중 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높고 상온에서 작동 가능할 뿐만 아니라 소형화가 가능하여 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비 등의 분야에 폭 넓게 사용되고 있다. 도 1은 고분자 전해질형 연료 전지 중 수소 가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료 전지를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료 전지는 애노드와 캐소드(이하에서는 애노드와 캐소드를 통칭하여 ''가스 확산 전극''이라 한다) 사이에 수소 이온 교환막(1)이 개재된 구조를 가진다. 수소 이온 교환막(1)은 고체 고분자 전해질로 되어 있고, 가스 확산 전극은 반응 기체의 공급을 위한 지지층(2, 3)과 반응 기체의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층(4, 5)으로 구성된다. 이러한 촉매층(4, 5)의 재료로는 백금과 같은 금속 촉매가 코팅된 탄소 분말이 주로 사용된다. 탄소 분말은 반응 기체의 반응 영역을 넓히는 역할을 하고, 금속 촉매는 반응 기체의 산화/환원 반응을 촉진한다. 이와 같은 촉매층을 제조하는 방법은 크게 침전법과 콜로이드법으로 구분된다. 이와 관련하여 미국특허 제4,186,110호에는 카본 지지체와 물의 슬러리를 염기화하고, 염화백금산 수용액을 주입한 후, 포름알데히드와 같은 환원제를 첨가하여 백금을 액상 환원하는 방법이 개시되어 있고, 일본공개특허 제2002-42825호에는 염화백금산 및 폴리아크릴산 수용액에 수소를 넣어 백금콜로이드를 형성하고, 여기에 카본지지체를 가하여 담지한 후 질소분위기에서 폴리아크릴산염을 제거하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 미국특허 제4,186,110호에 개시된 방법은 제조 과정이 비교적 단순하다는 장점이 있으나, 백금의 분산이 균일하지 못하고 입자의 크기가 큰 문제점을 가진다. 또한 일본공개특허 제2002-42825호에 개시된 방법은 폴리아크릴산과 같은 카르본산의 첨가로 보다 미세한 백금 입자를 얻을 수 있으나, 투입된 카르본산의 제거라는 부가적인 절차로 인하여 공정이 복잡해지는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 위와 같은 방법들은 기본적으로 백금이 포함된 화합물을 통해 금속 촉매를 제조하므로 순수한 금속 촉매를 얻는데 한계를 가지며, 또 촉매 입자의 크기를 용이하게 제어할 수 없는 문제점을 가진다.