[go: up one dir, main page]

KR100637486B1 - 연료전지용 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

연료전지용 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR100637486B1
KR100637486B1 KR1020040050772A KR20040050772A KR100637486B1 KR 100637486 B1 KR100637486 B1 KR 100637486B1 KR 1020040050772 A KR1020040050772 A KR 1020040050772A KR 20040050772 A KR20040050772 A KR 20040050772A KR 100637486 B1 KR100637486 B1 KR 100637486B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
membrane
polymer
platinum
electrolyte membrane
Prior art date
Application number
KR1020040050772A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20060001629A (ko
Inventor
노형곤
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020040050772A priority Critical patent/KR100637486B1/ko
Priority to JP2005176802A priority patent/JP4410156B2/ja
Priority to US11/155,859 priority patent/US20060003195A1/en
Priority to CNB2005100813756A priority patent/CN100474673C/zh
Publication of KR20060001629A publication Critical patent/KR20060001629A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100637486B1 publication Critical patent/KR100637486B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1023—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon, e.g. polyarylenes, polystyrenes or polybutadiene-styrenes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1025—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon and oxygen, e.g. polyethers, sulfonated polyetheretherketones [S-PEEK], sulfonated polysaccharides, sulfonated celluloses or sulfonated polyesters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1027—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having carbon, oxygen and other atoms, e.g. sulfonated polyethersulfones [S-PES]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/103—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having nitrogen, e.g. sulfonated polybenzimidazoles [S-PBI], polybenzimidazoles with phosphoric acid, sulfonated polyamides [S-PA] or sulfonated polyphosphazenes [S-PPh]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1032—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having sulfur, e.g. sulfonated-polyethersulfones [S-PES]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1039—Polymeric electrolyte materials halogenated, e.g. sulfonated polyvinylidene fluorides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1053—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends consisting of layers of polymers with at least one layer being ionically conductive
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0088—Composites
    • H01M2300/0094—Composites in the form of layered products, e.g. coatings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지용 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소이온 전도성 고분자막, 및 상기 수소이온 전도성 고분자막의 일면 또는 양면에 위치하는 흡습성 고분자막을 포함하는 연료전지용 전해질막과 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지용 전해질막은 흡습성이 우수하여, 자체가습형 연료전지에 사용될 수 있는 장점이 있다.
연료전지, 전해질막, 흡습성

Description

연료전지용 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지{ELECTROLITE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
도 1은 본 발명의 연료전지용 전해질막의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 연료전지의 단위셀의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 3은 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지의 전류밀도 그래프.
[산업상 이용분야]
본 발명은 연료전지용 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자체 가습이 가능한 연료전지용 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
[종래기술]
연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염 형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스 택은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막/전극 접합체는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.
상기 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 통로의 역할과 각 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원이 반응이 일어나며 이 때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
상기 막/전극 접합체에서 전해질의 역할을 하는 고분자 전해질막으로는 퍼플루오로술포네이트 아이오노머막(perfluorosulfonate ionomer membrane) 등의 불소계 전해질막이 많이 사용되고 있다.
그러나, 상기 불소계 고분자 전해질막은 술폰산기(-SO3H)가 수화되어야 수소이온 전도성이 나타나므로, 연료전지에 별도의 가습장치를 필요로 한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 흡습성이 우수한 연료전지용 전해질막을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 전해질막을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 수소이온 전도성 고분자막, 및 상기 수소이온 전도성 고분자막의 일면 또는 양면에 위치하는 흡습성 고분자막을 포함하는 연료전지용 전해질막을 제공한다.
본 발명은 또한, a) 상기 연료전지용 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체(MEA:membrane-electrode assembly), 및 b) 상기 막-전극 접합체의 양면에 접하도록 위치하는 분리판(BP:bipolar plate)을 포함하는 연료전지를 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 연료전지용 전해질막의 구조를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 전해질막(10)은 수소이온 전도성 고분자막(11), 및 상기 수소이온 전도성 고분자막의 일면 또는 양면에 위치하는 흡습성 고분자막(13, 13')을 포함한다.
상기 수소이온 전도성 고분자막(11)은 통상적으로 연료전지용 전해질막의 재료로 사용되는 수소이온 전도성 고분자를 포함하며, 바람직하게는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리 에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸)(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 등으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 연료전지용 전해질막에 포함되는 수소이온 전도성 고분자가 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 흡습성 고분자막(13, 13')은 수분을 흡수하여 상기 수소이온 전도성 고분자막에 수분을 공급하는 역할을 하는 것으로서, 친수성 작용기를 가지는 고분자를 포함하는 것이 바람직하고, 아크릴산, 히드록시에틸메타크릴레이트, 히드록시기, 또는 술폰기 중에서 선택되는 1종 이상의 친수성 작용기를 가지는 흡습성 고분자를 포함하는 것이 더 바람직하며, 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리히드록시에틸메타크릴레이트(PHEMA) 또는 곁가지에 히드록시기나 술폰기 아크릴산을 가지는 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 포함하는 것이 가장 바람직하다.
상기 흡습성 고분자막은 1 내지 1000 ㎛의 평균 두께를 가지는 것이 바람직하며, 10 내지 200 ㎛의 평균 두께를 가지는 것이 더 바람직하다. 흡습성 고분자막의 평균 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 충분한 흡습성을 유지할 수 없으며, 1000 ㎛를 초과하는 경우에는 수소이온의 투과 성능이 떨어질 수 있다.
상기 흡습성 고분자막은 필름 형태일 수 있으며, 수소이온의 투과 성능을 높이기 위해서, 직물 또는 부직포의 형태일 수도 있다.
상기 수소이온 전도성 고분자막과 흡습성 고분자막을 포함하는 본 발명의 연료전지용 전해질막은 통상적인 연료전지에 사용될 수 있는 것은 물론이고, 흡습성이 우수하여 별도의 가습장치 없이도 구동되는 자체가습형 연료전지에 사용되기에도 적합하다.
도 2는 본 발명의 연료전지의 단위셀을 모식적으로 나타낸 단면도이다. 다만, 본 발명의 연료전지가 상기 도 2의 형태로만 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 연료전지는 a) 상기 연료전지용 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체(MEA:membrane-electrode assembly)(20)와 b) 상기 막-전극 접합체의 양면에 접하도록 위치하는 분리판(BP:bipolar plate)(30)을 포함한다.
상기 막-전극 접합체(20)는 i) 상기 연료전지용 전해질막(10), ii) 상기 전해질막의 일면에 형성되는 캐소드 촉매층(21a), iii) 상기 전해질막의 다른 일면에 형성되는 애노드 촉매층(21b), iv) 상기 캐소드 촉매층(21a) 및 애노드 촉매층(21b)의 바깥면에 접하여 형성되는 기체확산층(GDL:gas diffusion layer)(25)을 포함하는 것이 바람직하며, 필요에 따라서, 캐소드 촉매층(21a) 및 애노드 촉매층(21b)과 기체확산층(25) 사이에 미세기공층(MPL:microporous layer)(23)을 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 흡습성 고분자막이 수소이온 전도성 고분자막의 일면에만 위치하 는 경우에는 수소이온과 산소가 결합하여 물을 생성하는 캐소드 촉매층에 상기 흡습성 고분자막이 접하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 막-전극 접합체의 캐소드 촉매층(21a) 및 애노드 촉매층(21b)은 각각 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 더 바람직하다.
상기 막-전극 접합체의 기체확산층(25)은 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth)인 것이 바람직하다.
상기 미세기공층(MPL)(23)은 수 ㎛ 이하의 미세기공이 형성된 탄소층인 것이 바람직하며, 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 탄소나노혼 또는 카본블랙 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 더 바람직하다.
상기 분리판(BP:bipolar plate)(30)에는 연료 및 공기가 통과할 수 있도록 유로(31)가 형성되어 있다.
상기 연료전지용 전해질막을 포함하는 연료전지는 가습장치가 부착된 상태로 작동될 수도 있는 것은 물론이고, 전해질막의 흡습성이 우수하여, 별도의 가습장치가 없더라도 작동될 수 있는 자체가습형 연료전지일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1 (연료전지용 전해질막의 제조)
폴리(퍼플루오로술폰산)막(DuPont사의 NafionTM)의 양면에 평균 두께 10 ㎛인 폴리히드록시에틸메타크릴레이트(PHEMA) 필름을 닥터블레이드로 코팅하는 방법으로 적층하여 연료전지용 전해질막을 제조하였다.
실시예 2 (연료전지의 제조)
2장의 탄소천(carbon cloth)위에 백금 촉매를 포함하는 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층을 각각 형성시킨 후, 실시예 1에 따라 제조된 전해질막의 양면에 상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층이 각각 접하도록 적층하여 막-전극 접합체를 제조하였다.
상기 제조된 막-전극 접합체의 양 면에, 유로가 형성된 분리판(bipolar plate)을 적층하여 단위셀을 만들고, 상기 단위셀을 다수 적층하여 연료전지를 제조하였다.
비교예 1 (연료전지의 제조)
폴리(퍼플루오로술폰산)막(DuPont사의 NafionTM) 만을 연료전지용 전해질막으로 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
상기 실시예 1에 따라 제조된 연료전지용 전해질 막과 비교예 1에 사용된 폴 리(퍼플루오로술폰산)막에 대하여 각각의 연료전지용 전해질막에 5시간 동안 수증기를 흘려주었을 때 함습된 수분의 무게로 흡습성을 측정하였고, 이온 전도도 측정 장치로 수소이온 전도도를 측정하였으며, 상기 측정 결과를 하기 표 1에 정리하였다.
[표 1]
전해질막의 흡습성 전해질막의 수소이온 전도도
실시예 1 300 % 0.13 S/cm
비교예 1 60 % 0.11 S/cm
상기 표 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 고분자 전해질막은 비교예 1에 사용된 전해질막에 비하여 5배 가량 높은 흡습성을 나타내며, 수소이온 전도도도 우수한 것을 알 수 있다.
상기 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지에 대하여 가습장치를 부착하지 않은 상태로 연료전지를 가동하여 전류 밀도 특성을 측정하였으며, 상기 전류 밀도 특성의 측정 결과를 도 3에 정리하였다.
상기 도 3에서 보는 바와 같이, 실시예 2에 따라 제조된 본 발명의 연료전지는 별도의 가습장치를 부착하지 아니하여도 우수한 전류밀도 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
본 발명의 연료전지용 전해질막은 흡습성이 우수하며, 자체가습형 연료전지에 사용될 수 있는 장점이 있다.

Claims (18)

  1. 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 수소이온 전도성 고분자막, 및
    상기 수소이온 전도성 고분자막의 일면 또는 양면에 위치하는 흡습성 고분자막
    을 포함하며,
    상기 흡습성 고분자막은 아크릴산, 히드록시에틸 메타크릴레이트, 히드록시 및 술폰산기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 친수성 작용기를 가지는 고분자를 포함하며,
    상기 고분자는 폴리아크릴산, 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 및 폴리히드록시에틸메타크릴레이트(PHEMA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 것인 연료전지용 전해질막.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 수소이온 전도성 고분자막은 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸)(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것인 연료전지용 전해질막.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 흡습성 고분자막은 1 내지 1000 ㎛의 두께를 가지는 것인 연료전지용 전해질막.
  7. 제6항에 있어서, 상기 흡습성 고분자막은 10 내지 200 ㎛의 두께를 가지는 것인 연료전지용 전해질막.
  8. 제1항에 있어서, 상기 흡습성 고분자막은 필름 형태인 연료전지용 전해질막.
  9. 제1항에 있어서, 상기 흡습성 고분자막은 직물 또는 부직포의 형태인 연료전지용 전해질막.
  10. a) 제1항, 제3항, 및 제6항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 따른 연료전지용 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체(MEA:membrane-electrode assembly), 및
    b) 상기 막-전극 접합체의 양면에 접하도록 위치하는 분리판(BP:bipolar plate)
    을 포함하는 연료전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 막-전극 접합체는
    i) 상기 연료전지용 전해질막,
    ii) 상기 전해질막의 일면에 형성되는 캐소드 촉매층,
    iii) 상기 전해질막의 다른 일면에 형성되는 애노드 촉매층,
    iv) 상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층의 바깥면에 접하여 형성되는 기체확산층(GDL:gas diffusion layer)
    을 포함하는 것인 연료전지.
  12. 제11항에 있어서, 상기 연료전지용 전해질막은 캐소드 촉매층에 접하는 일면에만 흡습성 고분자막이 위치하는 것인 연료전지.
  13. 제11항에 있어서, 상기 막-전극 접합체의 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층은 각각 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합 금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것인 연료전지.
  14. 제11항에 있어서, 상기 막-전극 접합체의 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층은 각각 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 및 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것인 연료전지.
  15. 제11항에 있어서, 상기 막-전극 접합체의 기체확산층은 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth)인 연료전지.
  16. 제11항에 있어서, 상기 막-전극 접합체는 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층과 기체확산층 사이에 미세기공층(MPL:microporous layer)을 더 포함하는 것인 연료전지.
  17. 제16항에 있어서, 상기 미세기공층(MPL)은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 탄소나노혼 및 카본블랙으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 도전성 탄소를 포함하는 것인 연료전지.
  18. 제10항에 있어서, 상기 연료전지는 별도의 가습장치를 필요로 하지 않는 자체가습형인 연료전지.
KR1020040050772A 2004-06-30 2004-06-30 연료전지용 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지 KR100637486B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040050772A KR100637486B1 (ko) 2004-06-30 2004-06-30 연료전지용 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지
JP2005176802A JP4410156B2 (ja) 2004-06-30 2005-06-16 燃料電池用電解質膜及びこれを含む燃料電池
US11/155,859 US20060003195A1 (en) 2004-06-30 2005-06-16 Electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell comprising the same
CNB2005100813756A CN100474673C (zh) 2004-06-30 2005-06-28 燃料电池的电解液膜及包括它的燃料电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040050772A KR100637486B1 (ko) 2004-06-30 2004-06-30 연료전지용 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060001629A KR20060001629A (ko) 2006-01-06
KR100637486B1 true KR100637486B1 (ko) 2006-10-20

Family

ID=35514320

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040050772A KR100637486B1 (ko) 2004-06-30 2004-06-30 연료전지용 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20060003195A1 (ko)
JP (1) JP4410156B2 (ko)
KR (1) KR100637486B1 (ko)
CN (1) CN100474673C (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100786841B1 (ko) 2007-01-11 2007-12-20 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 막-전극어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100833056B1 (ko) * 2006-03-31 2008-05-27 주식회사 엘지화학 연료전지용 강화-복합 전해질막

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8455144B2 (en) * 2003-06-27 2013-06-04 The University Of Western Ontario Bio-fuel cell system
KR101135479B1 (ko) * 2005-01-26 2012-04-13 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
EP2008333B1 (en) * 2006-04-07 2011-04-06 UTC Power Corporation Composite water management electrolyte membrane for a fuel cell
JPWO2007148382A1 (ja) * 2006-06-20 2009-11-12 満 末松 駆動ユニット、油圧式の作業用機械および電気自動車
KR100801657B1 (ko) * 2006-10-11 2008-02-05 한국에너지기술연구원 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유의 마이크로 층으로 코팅된기체확산층을 포함하는 연료전지 셀
KR100821789B1 (ko) * 2006-10-31 2008-04-14 현대자동차주식회사 고강도 복합막 및 이를 이용한 막-전극 접합체
JP5298436B2 (ja) 2007-02-06 2013-09-25 トヨタ自動車株式会社 膜−電極接合体およびそれを備えた燃料電池
JP2009070631A (ja) * 2007-09-11 2009-04-02 Fujifilm Corp 電解質膜、膜電極接合体および膜電極接合体を用いた燃料電池
JP2009187799A (ja) * 2008-02-06 2009-08-20 Toyota Motor Corp 膜電極複合体および燃料電池
CN102017256B (zh) * 2008-05-08 2014-01-22 日东电工株式会社 固体聚合物型燃料电池用电解质膜及其制造方法
US9077014B2 (en) 2011-04-01 2015-07-07 The Hong Kong University Of Science And Technology Self-humidifying membrane and self-humidifying fuel cell
US9048471B2 (en) 2011-04-01 2015-06-02 The Hong Kong University Of Science And Technology Graphene-based self-humidifying membrane and self-humidifying fuel cell
KR102338573B1 (ko) * 2017-07-10 2021-12-14 현대자동차주식회사 연료전지 및 그 제조 방법.
CN109485885B (zh) * 2018-10-06 2021-08-06 天津大学 一种交联的聚丙烯基n-甲基咪唑化阴离子交换膜及其制备方法
CN111370761B (zh) * 2020-03-25 2021-08-20 中航锂电技术研究院有限公司 Peo膜及其制备方法与固态电池
CN117965027B (zh) * 2024-02-21 2024-11-01 有研资源环境技术研究院(北京)有限公司 一种改性聚砜类多孔膜及其制备方法和应用

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5766787A (en) * 1993-06-18 1998-06-16 Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. Solid polymer electrolyte composition
US5795668A (en) * 1994-11-10 1998-08-18 E. I. Du Pont De Nemours And Company Fuel cell incorporating a reinforced membrane
JP3262708B2 (ja) * 1996-03-26 2002-03-04 日本電信電話株式会社 複合高分子電解質膜
US5688614A (en) * 1996-05-02 1997-11-18 Motorola, Inc. Electrochemical cell having a polymer electrolyte
GB9708365D0 (en) * 1997-04-25 1997-06-18 Johnson Matthey Plc Proton conducting membranes
US6232008B1 (en) * 1997-07-16 2001-05-15 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell stack with improved reactant manifolding and sealing
US6248469B1 (en) * 1997-08-29 2001-06-19 Foster-Miller, Inc. Composite solid polymer electrolyte membranes
US6635384B2 (en) * 1998-03-06 2003-10-21 Gore Enterprise Holdings, Inc. Solid electrolyte composite for electrochemical reaction apparatus
US6523699B1 (en) * 1999-09-20 2003-02-25 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Sulfonic acid group-containing polyvinyl alcohol, solid polymer electrolyte, composite polymer membrane, method for producing the same and electrode
JP4887558B2 (ja) * 2000-11-07 2012-02-29 ソニー株式会社 燃料電池の使用方法
KR100413801B1 (ko) * 2001-10-30 2004-01-03 삼성전자주식회사 전도성 무기 나노 입자 함유 고분자 전해질 및 이를채용한 연료전지
ATE539105T1 (de) * 2002-06-14 2012-01-15 Toray Industries Poröse membran und verfahren zur herstellung der porösen membran
DE50302082D1 (de) * 2002-08-02 2006-02-02 Pemeas Gmbh Protonenleitende polymembran, welche sulfonsäuregruppen enthaltende polymere umfasst, und deren anwendung in brennstoffzellen
EP1403953A3 (en) * 2002-09-26 2009-07-29 FUJIFILM Corporation Organic-inorganic hybrid material, organic-inorganic hybrid proton-conductive material and fuel cell
TWI251366B (en) * 2004-01-19 2006-03-11 High Tech Battery Inc Alkaline polyvinyl alcohol doped polyepichlorohydrin polymer electrolyte thin film and its application
US20050181275A1 (en) * 2004-02-18 2005-08-18 Jang Bor Z. Open electrochemical cell, battery and functional device
KR100658739B1 (ko) * 2004-06-30 2006-12-15 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법
US20060029841A1 (en) * 2004-08-09 2006-02-09 Engelhard Corporation High surface area, electronically conductive supports for selective CO oxidation catalysts
KR101135479B1 (ko) * 2005-01-26 2012-04-13 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100833056B1 (ko) * 2006-03-31 2008-05-27 주식회사 엘지화학 연료전지용 강화-복합 전해질막
KR100786841B1 (ko) 2007-01-11 2007-12-20 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 막-전극어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
JP4410156B2 (ja) 2010-02-03
KR20060001629A (ko) 2006-01-06
US20060003195A1 (en) 2006-01-05
CN100474673C (zh) 2009-04-01
JP2006019261A (ja) 2006-01-19
CN1716670A (zh) 2006-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100599799B1 (ko) 연료전지용 고분자 전해질막, 막-전극 접합체, 연료전지및 막-전극 접합체의 제조방법
KR100637486B1 (ko) 연료전지용 전해질막 및 이를 포함하는 연료전지
KR102300275B1 (ko) 이온-전도막
JP5109311B2 (ja) 膜電極接合体、および、これを用いた燃料電池
KR101135479B1 (ko) 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
US8257825B2 (en) Polymer electrode membrane for fuel, and membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising the same
KR100599813B1 (ko) 연료전지용 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지시스템
KR100717790B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템.
KR20140084052A (ko) 이온-전도성 막
KR20170069783A (ko) 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물, 막-전극 접합체, 및 막 -전극 접합체의 제조방법
KR20070098136A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR100696680B1 (ko) 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법
KR101107076B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
JP2011171301A (ja) 直接酸化型燃料電池
KR20090030665A (ko) 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100542228B1 (ko) 연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는연료전지
KR100953613B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR100599811B1 (ko) 연료 전지용 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
KR101073014B1 (ko) 연료전지용 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지
KR101343077B1 (ko) 연료 전지용 전극, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 접합체 및 연료 전지 시스템
KR100709201B1 (ko) 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20090031001A (ko) 연료 전지 스택
KR20080045458A (ko) 직접 산화형 연료 전지용 스택의 활성화 방법
KR20080045456A (ko) 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템
KR20070050590A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20040630

PA0201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20051209

Patent event code: PE09021S01D

PG1501 Laying open of application
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
PE0601 Decision on rejection of patent

Patent event date: 20060602

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PE06012S01D

Patent event date: 20051209

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event code: PE06011S01I

J201 Request for trial against refusal decision
PJ0201 Trial against decision of rejection

Patent event date: 20060705

Comment text: Request for Trial against Decision on Refusal

Patent event code: PJ02012R01D

Patent event date: 20060602

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PJ02011S01I

Appeal kind category: Appeal against decision to decline refusal

Decision date: 20060912

Appeal identifier: 2006101005756

Request date: 20060705

AMND Amendment
PB0901 Examination by re-examination before a trial

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20060804

Patent event code: PB09011R02I

Comment text: Request for Trial against Decision on Refusal

Patent event date: 20060705

Patent event code: PB09011R01I

Comment text: Amendment to Specification, etc.

Patent event date: 20060209

Patent event code: PB09011R02I

B701 Decision to grant
PB0701 Decision of registration after re-examination before a trial

Patent event date: 20060912

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event code: PB07012S01D

Patent event date: 20060817

Comment text: Transfer of Trial File for Re-examination before a Trial

Patent event code: PB07011S01I

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20061016

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20061017

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20090928

Start annual number: 4

End annual number: 4

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20100927

Start annual number: 5

End annual number: 5

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20110926

Start annual number: 6

End annual number: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120921

Year of fee payment: 7

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20120921

Start annual number: 7

End annual number: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130924

Year of fee payment: 8

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20130924

Start annual number: 8

End annual number: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150925

Year of fee payment: 10

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20150925

Start annual number: 10

End annual number: 10

LAPS Lapse due to unpaid annual fee
PC1903 Unpaid annual fee

Termination category: Default of registration fee

Termination date: 20170726