KR100767521B1 - 촉매가 불균일하게 도포된 연료전지용 막-전극 접합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매가 불균일하게 도포된 연료전지용 막-전극 접합체에 관한 것으로, 고분자 전해질 막 및 상기 고분자 전해질 막의 양쪽 면에 접합되는 전극으로 구성된 막-전극 접합체와, 상기 막-전극 접합체의 양쪽 면에 결합되어 연료 및 냉각수 공급용 유로가 형성된 분리판을 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 고분자 전해질 막의 양쪽 면에는 상기 분리판의 유로 위치에 대응하는 부분과 상기 분리판의 유로 위치에 대응하지 않는 부분의 촉매량이 다르게 도포되는 것을 특징으로 한다. 이에 분리판의 유로 형상에 따라 촉매를 불균일하게 도포함으로써 유로에 의한 불균일 반응을 상쇄하여 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있다.

연료전지, 막-전극 접합체, 촉매, 불균일, 유로 형상

Description

촉매가 불균일하게 도포된 연료전지용 막-전극 접합체{A membrane-clectrode assembly which is irregularly applicated catalyst for a fuel-cell}

도 1a는 종래의 단위전지에 따른 저전류 영역에서의 촉매 반응을 도시한 모식도.

도 1b는 종래의 단위전지에 따른 고전류 영역에서의 촉매 반응을 도시한 모식도.

도 2는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지에 따른 단위전지의 구조를 도시한 단면도.

도 3은 도 2에 따른 단위전지에서 반응물의 이동을 도시한 모식도.

도 4는 본 발명에 따른 분리판과 고분자 전해질 막의 코팅층을 도시한 사시도.

도 5는 본 발명의 단위전지에 따른 고전류 영역에서의 촉매 반응을 도시한 모식도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 단위전지 110 : 막-전극 접합체

112 : 고분자 전해질 막 114 : 양극

116 : 음극 120 : 가스 확산층

130 : 분리판 132 : 유로

132a : 요입부 132b : 돌출부

본 발명은 촉매가 불균일하게 도포된 연료전지용 막-전극 접합체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리판의 유로 위치에 대응하여 막-전극 접합체에 촉매를 불균일하게 도포함으로써 유로에 의한 불균일 반응을 상쇄하여 연료전지의 내구성을 향상시키고, 촉매 사용량을 감소시킬 수 있는 촉매가 불균일하게 도포된 연료전지용 막-전극 접합체에 관한 것이다.

연료전지는 전기 화학 반응에 의해 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 장치로, 연료 중 수소와 공기 중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 전기를 생산하는 것이 특징이다.

연료전지의 연료극(anode, 양극)에 공급된 수소가 수소 이온과 전자로 분리되면, 분리된 수소 이온이 전해질 층을 통해 공기극(cathod, 음극)으로 이동하고 전자는 외부 회로를 통해 공기극으로 이동하게 된다. 공기극 쪽에서 산소 이온과 수소 이온이 만나 반응 생성물인 물을 생성하게 되고, 최종적으로 수소와 산소가 결합하면서 전기와 물 및 열을 생성하게 된다.

반응 생성물로 수소와 물, 그리고 잔여 공기가 배출되므로, 화석 연료에 비해 오염 물질을 거의 배출하지 않으므로 저공해 자동차를 비롯한 많은 분야에 사용 되고 있다.

연료전지의 종류는 사용 용도에 따라 여러 가지로 분류되나, 그 중 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel-cell, PRMFC)는 다른 연료전지에 비해 작동 온도가 낮고, 효율이 높으며, 전류 밀도 및 출력 밀도가 큰 장점이 있다. 또한, 시동 시간이 짧은 동시에 부하 변화에 대한 응답 특성이 빠른 장점이 있어 자동차 분야에서 많이 적용되고 있다.

고분자 전해질 연료전지의 기본 단위는 단위 전지로, 양쪽 표면에 촉매가 도포된 고분자 전해질 막에 연료극과 공기극을 접합시킨 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)와, 각각의 막-전극 접합체를 분리하며 연료 및 냉각수를 공급하는 유로가 형성된 분리판을 결합하여 구성된다.

그런데 이러한 고분자 전해질 연료전지는 도 1a에 도시된 바와 같이 저 전류 영역, 즉 반응물의 농도가 비교적 고르게 분포할 수 있는 경우에는 전류의 흐름이 작기 때문에 발생되는 물의 양도 적고 발열량도 적어 분리판의 유로의 형성 여부에 관계 없이 도포된 촉매 모두가 고르게 반응할 수 있다.

그러나 도 1b에 도시된 바와 같이, 고전류 영역으로 갈수록 즉, 전류의 흐름이 커질수록 분리판의 유로 형태에 따라 열의 배출 정도가 달라지면서 온도 차가 발생하고 물의 발생량과 배출 정도도 달라진다. 이는 유로에 따라 습도와 가스 전달 속도가 달라지게 하여 결국 촉매에서의 반응 속도가 유로를 따라 불균일하게 나타나는 원인이 된다.

이는 고가의 촉매 사용 효율을 저하시키는 요인이 되며, 유로 형상에 따라 반응하지 못한 촉매가 촉매층 내부에 전위차를 형성하여 국부전지(local cell)를 만들어 촉매 부식과 같은 비정상 반응의 원인을 제공하게 된다. 이에 따라 발생된 물이 불균일하게 배출되고 다시 촉매 반응이 불균일해지는 악순환을 일으켜 연료전지의 내구성을 저하시키는 근본적인 원인이 되기도 한다.

따라서 저전류 영역에서는 물론, 고전류 영역에서도 분리판의 유로에 무관하게 고른 촉매 반응을 일으킬 수 있도록 하는 기술이 필요하다.

본 발명의 목적은 분리판의 유로 위치에 따라 막-전극 접합체에 촉매를 불균일하게 도포함으로써 유로에 의한 불균일 반응을 상쇄하여 연료전지의 내구성을 향상시키고, 촉매 사용량을 감소시킬 수 있는 촉매가 불균일하게 도포된 연료전지용 막-전극 접합체를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고분자 전해질 막 및 상기 고분자 전해질 막의 양쪽 면에 접합되는 전극으로 구성된 막-전극 접합체와, 상기 막-전극 접합체의 양쪽 면에 결합되어 연료 및 냉각수 공급용 유로가 형성된 분리판을 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 고분자 전해질 막의 양쪽 면에는 상기 분리판의 유로 위치에 대응하는 부분과 상기 분리판의 유로 위치에 대응하지 않는 부분의 촉매량이 다르게 도포되는 것을 특징으로 하는 촉매가 불균일하게 도포된 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.

상기 분리판의 유로 위치에 대응하지 않는 부분에 도포되는 촉매량은 상기 분리판의 유로 위치에 대응하는 부분에 도포되는 촉매량의 0% 초과 100% 미만의 비율인 것을 특징으로 한다.

상기 유로는 요입부 및 돌출부의 한 쌍이 주기적으로 반복됨으로써 형성되며, 상기 막-전극 접합체에는 상기 한 쌍의 요입부 및 돌출부의 주기와 같은 주기로 촉매 도포량이 다르게 도포되는 것을 특징으로 한다.

상기 막-전극 접합체에는 상기 한 쌍의 요입부 및 돌출부의 주기와 같은 주기로 촉매 슬러리 양이 다르게 도포되는 것을 특징으로 한다.

상기 막-전극 접합체에는 상기 한 쌍의 요입부 및 돌출부의 주기와 같은 주기로 촉매 슬러리의 혼합비가 다르게 도포되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 고분자 전해질 연료전지를 본 발명의 일 실시 예로 하고, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 촉매가 불균일하게 도포된 연료전지용 막-전극 접합체에 대해 상세히 설명하기로 한다.

첨부된 도 2는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지에 따른 단위전지의 구조를 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2에 따른 단위전지에서 반응물의 이동을 도시한 모식도이다. 도 4는 본 발명에 따른 분리판과 고분자 전해질 막의 코팅층을 도시한 사시도이며, 도 5는 본 발명의 단위전지에 따른 고전류 영역에서의 촉매 반응을 도시한 모식도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 단위 전지(100)는 고분자 전해질 막(112)의 양쪽 면에 양극(anode) 및 음극(cathod)이 결합된 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA, 110)와, 막-전극 접합체(110)의 양측에 결합되는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL, 120)와, 가스 확산층(120)의 바깥쪽에 결합되어 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하는 유로(132)가 형성된 분리판(130)으로 구성된다.

유로(132)는 분리판(130)의 판면에 내측으로 함몰 형성된 요입부(132a)와, 외측으로 돌출된 돌출부(132b)가 반복적으로 형성된 형상을 갖는다.

도 3에 도시된 바와 같이, 단위 전지(100)의 양극(114)에서는 물을 사용한 수소의 산화반응이 진행되어 수소 이온과 전자가 발생하며(A 영역 참조), 이때 생성된 수소 이온과 전자는 각각 고분자 전해질 막(112)과 도선(미도시)을 통해 음극(116)으로 이동하게 된다. 이와 동시에 음극(116)에서는 양극(114)으로부터 수소 이온과 전자를 받아 산소의 환원반응이 진행되면서 물을 생성한다(B 영역 참조). 이때 도선을 따라 흐르는 전자의 흐름에 의해 전기 에너지가 생성된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 고분자 전해질 막(112)의 양쪽 면에는 백금과 같은 촉매 물질이 도포되는데, 이러한 촉매 물질은 분리판(130)의 유로(132)가 형성된 위치에 대응하는 부분(C)과 분리판(130)의 유로(132)가 형성된 위치에 대응하지 않는 부분(D)으로 나뉘어 불균일하게 도포 된다.

그 방법을 자세히 살펴보면, 먼저 백금계 촉매와 나피온 이오노머(Nafion ionomer)를 이소프로필 알코올 용매에 넣고 충분히 혼합하여 촉매 슬러리를 제조한다. 이렇게 제조된 촉매 슬러리를 고분자 전해질 막(112)(또는 가스 확산층(120))에 도포하는데, 분리판(130)의 유로(132) 형상에 대응하여 일정 간격을 두고 도포한다.

촉매가 도포된 부분(C)과 도포되지 않은 부분(D)은 촉매 슬러리의 물리적 성질인 점도에 의해 건조 과정에서 자연스럽게 경계를 이루게 되며, 촉매가 도포된 부분(C)과 도포되지 않은 부분(D)의 촉매 도포량은 촉매 슬러리의 양이나 혼합 비, 건조 방법 등을 달리함으로써 조절이 가능하다.

일반적으로 연료전지 자동차에 적용되는 고분자 전해질막 연료전지의 경우, 고분자 전해질 막(112)에 도포되는 촉매량의 범위는 약 0.4 ~ 1.0mg Pt/㎠(백금 기준 도포량) 정도이다. 이러한 백금(Pt) 도포량은 백금에 코발트(Co), 루세늄(Ru), 니켈(Ni) 등을 합금하거나, 백금을 담지시키는 담지체(카본 블랙, 흑연화 카본 등)를 변형시키는 방법으로 0.1mg Pt/㎠까지 낮출 수 있다(촉매 도포량에 대해서는 백금을 담지하는 담지체와 백금 합금 등의 방법에 따라 그 도포 기준이 다를 수 있으므로 본 발명에서는 편의상 촉매 도포량을 순수한 백금량으로만 표시하기로 한다).

이렇게 고분자 전해질 막(112)에 불균일하게 도포되는 촉매층에서 분리판(130)의 유로(132) 위치에 대응하여 촉매가 도포된 부분(C)의 촉매량은 약 0.1 ~ 1.0mg Pt/㎠ 정도의 범위를 갖는다. 또한, 분리판(130)의 유로(132) 위치에 대응하지 않는 부분(D)의 촉매 도포량은 C 부분에 도포된 촉매량 대비 0% 초과 100% 미만의 범위를 가지게 된다.

또한, 분리판(130)의 유로(132)는 한 쌍의 요입부(132a) 및 요출부(132b)가 주기적으로 반복되는 형상이므로 고분자 전해질 막(112)에 도포되는 촉매는 이 주기를 따라 촉매 도포량이나 촉매 슬러리의 양, 그리고 촉매 슬러리의 혼합비를 다르게 하여 도포할 수도 있다.

즉, 요입부(132a)에 대응하는 부분에는 도포되는 촉매량을 늘리고, 요출부(132b)에 대응하는 부분에는 도포되는 촉매량을 줄이며, 이를 주기적으로 반복하는 것이다.

이에 따라 촉매의 도포량은 도 5에 도시된 바와 같이 부드러운 파도형(wave type)의 주기를 갖게 된다. 따라서 유로(132) 위치에 대응하는 부분(C)과 그렇지 않은 부분(D)의 촉매 도포량 비율은 촉매 도포량 주기의 최대값과 최소값의 비율로써 나타나게 된다.

이렇게 촉매를 불균일하게 도포하기 위해서는 다양한 형태의 디스펜서를 중복되게 사용하거나, 요철 형상의 코팅 바(bar) 등을 사용할 수 있다. 이러한 촉매의 도포 이후에는 일반적인 고분자 전해질 연료전지의 제작 방법에 따라 연료전지를 제작한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 촉매가 불균일하게 도포된 본 발명의 막-전극 접합체(110)는 저전류 영역에서는 물론, 고전류 영역에서도 물 잔여량과 온도 분포가 균일해져 분리판(130)에 도포된 모든 촉매를 균일하게 사용할 수 있다.

촉매 반응이 균일하게 일어나면서 유로(132)의 유무, 즉 유로(132)가 형성되거나 형성되지 않은 부분에 따라 불균일하게 일어나던 물 발생 및 열 발생이 불균일한 촉매 반응을 일으키던 악순환을 반복하지 않게 된다. 이에 따라 연료전지의 내구성이 향상되고, 고전류 영역에서 반응하지 못해 낭비되었던 촉매량을 처음부터 감소시킬 수 있으므로, 동일 성능의 종래 기술 대비 최대 50%까지 재료비를 감소할 수 있는 이점이 있다.

전술한 실시 예에서 촉매가 고분자 전해질 막에 도포된다고 하였으나, 촉매를 도포하는 위치는 막-전극 접합체를 만드는 방법에 따라 달라질 수 있다. 즉, 촉매를 도포하는 위치는 전극, 기체 확산층, 고분자 전해질 막 등으로 나뉠 수 있다.

촉매가 전극에 도포되는 경우는 최종적으로 고분자 전해질 막으로 전사(이형, decal)되어 고분자 전해질 막에 도포된 것과 같은 결과를 보이며, 기체 확산층에 도포된 경우는 그 자체가 고분자 전해질 막에 닿아 접합되어 막-전극 접합체가 된다. 이는 제조 과정상의 차이일 뿐으로, 본 발명에서와 같이 촉매를 유로에 따라 불균일하게 도포하면 어느 곳에 촉매를 도포하느냐에 상관없이 동일한 결과를 얻을 수 있다.

한편 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 촉매가 불균일하게 도포된 연료전지용 막-전극 접합체는 분리판의 유로 위치에 대응하도록 막-전극 접합체에 촉매를 불균일하게 도포함으로써 유로에 의한 불균일 반응을 상쇄하여 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 고전류 영역에서 반응하지 못하는 촉매를 처음부터 사용하지 않음으로써 촉매의 사용량을 줄일 수 있어 원가 절감의 효과가 있다.

Claims (5)

1. 고분자 전해질 막(112) 및 상기 고분자 전해질 막(112)의 양쪽 면에 각각 접합되는 양극(114) 및 음극(116)으로 구성된 막-전극 접합체(110)와, 상기 막-전극 접합체(110)의 양쪽 면에 결합되어 연료 및 냉각수 공급용 유로(132)가 형성된 분리판(130)을 포함하는 연료전지에 있어서,

   상기 고분자 전해질 막(112)의 양쪽 면에는 상기 분리판(130)의 유로(132) 위치에 대응하는 부분(C)과 상기 분리판(130)의 유로(132) 위치에 대응하지 않는 부분(D)의 촉매량이 다르게 도포되는 것을 특징으로 하는 촉매가 불균일하게 도포된 연료전지용 막-전극 접합체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 고분자 전해질 막(112)의 상기 분리판(130)의 유로(132) 위치에 대응하지 않는 부분(D)에 도포되는 촉매량은 상기 분리판(130)의 유로(132) 위치에 대응하는 부분(C)에 도포되는 촉매량의 0% 초과 100% 미만의 비율인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
3. 제1항에 있어서,

   상기 유로(132)는 요입부(132a) 및 돌출부(132b)의 한 쌍이 주기적으로 반복됨으로써 형성되며, 상기 고분자 전해질 막(112)에는 상기 한 쌍의 요입부(132a) 및 돌출부(132b)의 주기와 같은 주기로 촉매 도포량이 다르게 도포되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 상기 고분자 전해질 막(112)에는 상기 한 쌍의 요입부(132a) 및 돌출부(132b)의 주기와 같은 주기로 촉매 슬러리 양이 다르게 도포되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 상기 고분자 전해질 막(112)에는 상기 한 쌍의 요입부(132a) 및 돌출부(132b)의 주기와 같은 주기로 촉매 슬러리의 혼합비가 다르게 도포되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.

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