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KR101000214B1 - 이온전도성 수지 파이버, 이온전도성 복합막, 막-전극 접합체 및 연료전지 - Google Patents

이온전도성 수지 파이버, 이온전도성 복합막, 막-전극 접합체 및 연료전지 Download PDF

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KR101000214B1
KR101000214B1 KR1020090046586A KR20090046586A KR101000214B1 KR 101000214 B1 KR101000214 B1 KR 101000214B1 KR 1020090046586 A KR1020090046586 A KR 1020090046586A KR 20090046586 A KR20090046586 A KR 20090046586A KR 101000214 B1 KR101000214 B1 KR 101000214B1
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KR
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conductive resin
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resin fiber
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김혁
문고영
이원호
이상현
최영일
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주식회사 엘지화학
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Publication date
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Abstract

본 발명은 본 발명은 이온전도성 수지 파이버, 이온전도성 복합막, 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 이온전도성 수지 파이버는, 이온전도성 수지를 포함하여 이루어지는 내층; 상기 내층의 이온전도성 수지보다 큰 EW 값을 갖는 이온전도성 수지를 포함하여 이루어지며, 상기 내층을 감싸며 형성되는 외층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 이온전도성 수지 파이버 및 이온전도성 복합막은 저가습 조건에서도 이온전도성이 우수하며 극성 용매 안정성 및 치수 안정성이 우수하다. 따라서, 이를 연료전지에 채용함으로써, 시스템의 안정적 운전 및 관리를 더욱 용이하게 하고, 물 관리와 관련된 부품의 제거 또는 축소를 가능하게 하며, 상대 습도가 낮을 경우에도 80 ℃ 이상의 고온 운전을 가능하게 할 수 있다.
연료전지, 이온전도성 복합막, 이온전도성 수지 파이버, EW

Description

이온전도성 수지 파이버, 이온전도성 복합막, 막-전극 접합체 및 연료전지{Ion conductive resin fiber, ion conductive hybrid membrane, membrane-electrode assembly and fuel cell}
본 발명은 이온전도성 수지 파이버, 이온전도성 복합막, 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것으로, 이온전도성이 우수하고 용매 안정성 및 치수 안정성이 우수한 이온전도성 수지 파이버 및 이를 포함하여 이루어지는 이온전도성 복합막과 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전 지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다. 이러한 고분자전해질형 연료전지는 전해질로서 액체가 아닌 고체 고분자 전해질막을 사용한다는 점에서 다른 연료전지와 차이가 있다.
현재 고분자 전해질 연료전지의 본격적 상업화에 필수적인 개선 요인은 성능의 향상, 수명의 연장, 가격의 저가화이다. 이 세 가지의 개선 요인에 영향을 가장 많이 미치는 부품이 막-전극 접합체(membrane electrode assembly)이며 본 발명은 특히 막-전극 접합체의 이온 교환막의 제조에 대하여 다룬다.
연료전지의 운전에 있어 물의 효율적 관리는 연료전지의 성능에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나이다. 실제 연료의 공급 시에도 막-전극 접합체의 건조를 막기 위해 가습된 연료가 전지 내로 공급되며, 캐소드 전극에서는 발생된 물은 연료의 공급에 방해 받지 않도록 신속하게 제거되어야 한다.
특히 막-전극 접합체에서 물의 중요성을 살펴 보면, 이온 교환막의 경우 그 구조상 충분한 수분이 공급되지 않으면 수소 이온 전도도가 급격히 떨어지게 되고 이는 단기적으로 성능 하락으로 나타나며 장기적으로는 부분적 또는 전체적으로 막의 열화를 촉진하여 막에 핀홀(pinhole)이 생기며, 이는 막-전극 접합체의 수명 종료를 뜻한다. 따라서, 막-전극 접합체의 성능과 수명을 최고로 이끌어 내기 위해서는 각각의 이온 교환막에 요구되는 최적의 수분이 공급/유지되어야 한다.
한편, 수분의 양이 지나치게 많아지면 촉매의 용해(dissolution)나 막-전극 접합체의 기체확산층의 산화 촉진, 운전 안정성의 악화, 가습을 위한 외부 장치의 대형화 및 추가 등의 단점이 발생하게 된다. 따라서, 낮은 즉 50% 또는 50% 이하의 RH에서도 충분한 이온전도도를 확보할 수 있는 이온 교환막의 개발이 필요하다. 이와 같은 저가습 이온교환막은 필요로 하는 물의 절대량이 적기 때문에 시스템의 안정적 운전 및 관리가 용이하며, 물 관리와 관련된 부품의 제거 또는 축소가 가능하고, 무엇보다도 상대 습도가 낮을 경우에도 80 ℃ 이상의 고온 운전이 가능해지는 장점도 있다.
전통적인 불소계 이온 교환막인 퍼플루오로술폰산 막의 경향을 보면 수소 이온 전도 기능을 하는 SO3H 그룹의 양을 나타내는 EW(equivalent weight)를 낮게 즉, 이온 전도성을 높게 하여 주어진 상대습도에서의 이온 전도성을 높게 하려는 시도를 해오고 있다. 불소계의 대체막인 탄화 수소계 막의 경우에는 불소계 이온 교환막과 동일한 이온 전도도를 확보하기 위해서는 EW를 불소계 이온 교환막보다 더 낮게 가져가야 하는 것으로 알려져 있다.
즉, 높은 이온전도도를 달성하기 위해서는 EW를 낮게 가져가야 하며 이는 이온 교환막의 단위 g당 이온 전도부인 SO3H 그룹의 양이 많아진다는 것을 의미한다.
그러나, SO3H 그룹이 많아지면 막의 극성 용매(물, 알코올류) 안정성이 급격히 떨어져 연료전지의 가습 운전 조건에서 치수 안정성을 확보하지 못하고 용해되어 버리는 현상이 발생한다. 본 발명에서는 이온 전도성을 극대화하기 위해 SO3H 그룹의 양을 극대화한 이온전도성 물질을 이온교환막으로 사용하면서 기계적, 화학적 안정성을 확보할 수 있는 구조에 대해서 기술하고 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본발명의 목적은 저가습 조건에서도 이온전도성이 우수하며, 극성 용매 안정성 및 치수 안정성이 우수한 이온전도성 수지 파이버를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 또한, 상기 이온전도성 수지 파이버를 이용하여 제조되는 연료전지용 이온전도성 복합막을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 또한, 상기 이온전도성 복합막을 포함하여 이루어지는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, 이온전도성 수지를 포함하여 이루어지는 내층; 상기 내층의 이온전도성 수지보다 큰 EW 값을 갖는 이온전도성 수지를 포함하여 이루어지며, 상기 내층을 감싸며 형성되는 외층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온전도성 수지 파이버를 제공한다.
상기 이온전도성 수지 파이버에 있어서, 상기 내층에는 대표적으로 폴리아릴렌에테르설폰(poly(arylene ether sulfone)); 및 설폰산(sulfonic acid)기가 도입된 폴리아릴렌에테르케톤(poly(arylene ether ketone)), 폴리아릴렌에테르이미드(poly(arylene ether imide)), 나일론(nylone), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose actetate) 및 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate) 등 이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 외층에도 내층에 사용될 수 있는 것으로 기재된 상기의 이온전도성 수지들이 사용될 수 있으며, 내층 및 외층에는 동일한 고분자 수지가 사용될 수 있을 뿐만 아니라 상이한 고분자 수지가 사용될 수도 있다.
상기 내층 및 외층에 사용되는 이온전도성 수지의 EW 값은 각각 600~1000 및 601~1100인 것이 바람직하다.
상기 이온전도성 수지 파이버들에 있어서, 상기 내층의 직경은 50 nm 내지 300㎛인 것이 바람직하고, 상기 외층의 두께는 100nm 내지 300㎛인 것이 바람직하다.
상기 이온전도성 수지 파이버들의 상기 내층에는 실리카, 티타늄 옥사이드(titanium oxide), 지르코늄 옥사이드(zirconium oxide) 및 포스포텅스틱산(phosphotungstic acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 친수성 무기 물질이 더 포함되는 것이 바람직하다. 이러한 친수성 무기 나노입자는 수분의 보유(retention) 능력이 뛰어나 외부의 저 가습 조건 및 습도 조건 변동 상화에서도 수분을 보유하여 수소이온의 전도를 용이하게 한다. 상기 이온전도성 수지 파이버들은 대표적으로 전기방사법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기의 이온전도성 수지 파이버들 중 어느 하나 또는 2종 이상으로 이루어지는 다공성 매트; 및 상기 다공성 매트에 함침되며, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 비이온전도성 고분자 수지;를 포함하여 이루어지는 이온전도성 복합막을 제공한다.
상기 이온전도성 복합막은 이온전도성 향상을 위해, 상기 다공성 매트에 함침되며, 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰 및 이들의 산과 염기로 이루어진 군에서 선택되는 이온전도성 고분자 수지를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 이온전도성 복합막; 및 상기 이온전도성 복합막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 기체확산층 및 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.
본 발명은 또한, 하나 또는 둘 이상의 상기 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및 산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
본 발명의 이온전도성 수지 파이버 및 이온전도성 복합막은 저가습 조건에서도 이온전도성이 우수하며 극성 용매 안정성 및 치수 안정성이 우수하다. 따라서, 이를 연료전지에 채용함으로써, 시스템의 안정적 운전 및 관리를 더욱 용이하게 하고, 물 관리와 관련된 부품의 제거 또는 축소를 가능하게 하며, 상대 습도가 낮을 경우에도 80 ℃ 이상의 고온 운전을 가능하게 할 수 있다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 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.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 이온전도성 수지 파이버는 연료전지용 이온전도성 복합막의 일 구성 요소인 다공성 매트의 제조를 위한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 내층 및 외층으로 이루어지는 코어-쉘 구조를 갖는다. 즉, 내층(110)은 이온전도성이 우수한 고분자 수지를 포함하여 이루어지고, 외층(120)은 치수 안정성 및 용매 안정성이 우수한 고분자 수지를 포함하여 이루어짐으로써, 우수한 이온전도성을 나타낼 뿐만 아니라 극성 용매 안정성 및 치수 안정성이 우수하다.
이온전도성 고분자 수지에 있어서, 이온 전도 기능을 하는 SO3H 그룹의 양을 나타내는 EW(equivalent weight) 값이 작아지면 이온 전도성은 높아지나 극성 용매 안정성 및 치수 안정성은 낮아지고, EW 값이 커지면 이온 전도성은 낮아지나 극성 용매 안정성 및 치수 안정성은 높아진다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 EW 값에 따른 이온 전도성 및 용매 안정성 등의 상관 관계에 주목하여, 이온전도성 수지를 포함하여 이루어지는 내층 및 외층을 포함하여 이루어지되, 내층의 이온전도성 수지가 외층의 그것에 비해 EW 값이 낮도록 구성된 이온전도성 수지 파이버를 제공한다. 내층 및 외층에는 각각 상이한 종류의 고분자 수지를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 동일한 고분자 수지를 EW 값을 달리하여 사용할 수 있다.
상기 이온전도성 수지 파이버에 있어서, 상기 내층에는 대표적으로 폴리아릴렌에테르설폰(poly(arylene ether sulfone)); 및 설폰산기가 도입된 폴리아릴렌에테르케톤(poly(arylene ether ketone)), 폴리아릴렌에테르이미드(poly(arylene ether imide)), 나일론(nylone), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose actetate) 및 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate); 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 외층에도 내층에 사용될 수 있는 것으로 기재된 상기의 이온전도성 수지들이 사용될 수 있으며, 내층 및 외층에는 동일한 고분자 수지가 사용될 수 있을 뿐만 아니라 상이한 고분자 수지가 사용될 수도 있다.
상기 내층 및 외층에 사용되는 이온전도성 수지의 EW 값은 각각 600~1000 및 601~1100인 경우에는 이온전도성을 더욱 우수하게 유지할 수 있고, 치수 안정성이 최적화되는 술폰산기의 양을 가질 수 있다.
상기 이온전도성 수지 파이버들에 있어서, 상기 내층 및 외층의 직경은 특별히 제한되는 것은 아니나, 이온전도성 파이버의 이온전도성 및 안정성을 고려할 때, 상기 내층의 직경(a)은 50 nm 내지 300 ㎛이고 상기 외층의 두께(b)는 100 nm 내지 300 ㎛인 것이 바람직하다. 또한, 내층 및/또는 외층의 단면 형태는 도 1에 도시된 바와 같이, 원형일 수도 있으나, 삼각형, 사각형, 별형 등의 일정한 수의 모서리를 갖는 각형일 수도 있다.
또한, 상기 이온전도성 수지 파이버들의 내층에는 이온전도성을 더욱 향상시키기 위하여 실리카, 티타늄 옥사이드(titanium oxide), 지르코늄 옥사이드(zirconium oxide) 및 포스포텅스틱산(phosphotungstic acid)으로 이루어진 군에서 선택되는 친수성 무기 물질이 더 포함되는 것이 바람직하다.
상기 설명한 바와 같은 본 발명의 이온전도성 수지 파이버들은 대표적으로 전기방사법(electrospinning)에 의해 제조될 수 있으며, 그 외에도 본 발명과 같이 이중층 수지 파이버를 제조할 수 있는 당분야의 방법이 제한없이 사용될 수 있다. 예를 들면 스피닝(spinning)법, 연신(drawing)법, 상분리(phase separation)법, 템플레이트 합성(template synthesis)법, 자기 조합(self assembly)법 등으로도 제조가 가능하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 2는 전기방사법에 의한 2중 원통형 구조의 이온전도성 수지 파이버를 제조하기 위한 다이(die)의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 또한, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 이온전도성 수지 파이버들 중 어느 하나 또는 2종 이상으로 이루어지는 다공성 매트; 및 상기 다공성 매트에 함침되며, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 비이온전도성 고분자 수지;를 더 포함하여 이 루어지는 이온전도성 복합막을 제공한다. 이와 같은 이온전도성 복합막은 연료전지의 막-전극 접합체에서 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 전달시키는 전해질막으로 활용될 수 있다.
폴리테트라플루오로에틸렌와 폴리비닐리덴플루오라이드는 비이온전도성 불소계 물질로서 다공성 매트에 함침되어 이온전도성 복합막의 기계적 강도와 전기 화학적 안정성을 향상시킨다.
상기 이온전도성 복합막은 이온전도성 향상을 위해, 상기 다공성 매트에 함침되는 이온전도성 고분자 수지를 더 포함하여 이루어질 수 있는데, 이러한 이온전도성 고분자 수지로는 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰 및 이들의 산과 염기가 대표적이다.
상기 다공성 매트는 도 3 및 도 4에 도시된 형태를 비롯하여 다양한 형태로 제조될 수 있다. 다공성 매트의 제조방법은 섬유로 매트를 형성하는 방법이라면 제한없이 적용될 수 있는데, 예를 들면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 직조, 편물 등과 같이 섬유로 일정한 패턴을 갖도록 매트를 제작할 수도 있으며, 부직포와 같은 형태로도 제작될 수 있다.
상기 다공성 매트의 기공도는 30~90%인 것이 바람직한데, 기공도가 기공도가 90%를 초과하면 기계적 강도를 제공하는 다공성 기재(substrate)로서의 역할을 제공하지 못하고, 기공도가 30% 미만이면 수소이온의 이온 전도 체널이 부족하여 충 분한 이온들이 이동되지 못하여 바람직하지 못하다. 이와 같은 다공성 매트의 두께는 이온전도 저항을 낮추기 위하여 얇게 제조하는 것이 바람직하며, 구체적으로 10~50㎛ 정도가 바람직하다.
선택적으로, 방사법에 의해 형성된 다공성 매트는, 방사 도중에 용매가 증발하기 때문에 파이버 사이의 결합은 물리적 오버래핑(physical overlapping)이 주류를 이루어, 기계적 강도가 약하다. 따라서, 다공성 매트를 용매 증기에 노출시켜 파이버들 간의 접촉 부분을 웰딩(welding)하는 방법을 통해 기계적 강도와 치수안정성을 향상시킬 수 있다. 이때, 사용될 수 있는 용매로는 대표적으로 디메틸포름아미드(DMF), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 N-메틸피롤리돈(NMP)이 대표적이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 막-전극 접합체는 앞서 설명한 바와 같은 이온전도성 복합막을 포함하여 이루어진다. 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 단면을 모식적으로 도시한 도 5를 참조하면, 본 발명의 막-전극 접합체는 상기 이온전도성 복합막(201); 및 상기 이온전도성 복합막(201)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극(203, 207a, 209a) 및 캐소드 전극(205, 207b, 209b);을 포함하여 이루어지며, 상기 애노드 전극(203, 207a, 209a) 및 캐소드 전극(205, 207b, 209b)은 기체확산층(207a, 207b, 209a, 209b) 및 촉매층(203, 205)을 포함하여 이루어진다.
상기 애노드 전극의 촉매층(203)은 연료의 산화 반응이 일어나는 곳으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있으며, 상기 캐소드 전극의 촉매층(205)은 산화제의 환원 반응이 일어나는 곳으로, 백금 또는 백금-전이금속 합금이 촉매로 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.
촉매층(203, 205)을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있는데, 예를 들면 촉매 잉크를 이온전도성 복합막(201)에 직접적으로 코팅하거나 기체확산층(207a, 207b, 209a, 209b)에 코팅하여 촉매층을 형성할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다. 촉매 잉크는 대표적으로 촉매, 폴리머 이오노머(polymer ionomer) 및 용매로 이루어질 수 있다.
상기 기체확산층(207a, 207b, 209a, 209b)은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층(207a, 207b, 209a, 209b)은 도전성 기재(209a, 209b)를 포함하여 이루어지며, 도전성 기재(209a, 209b)로는 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 기체확산층(207a, 207b, 209a, 209b)은 촉매층(203, 205) 및 도전성 기재(209a, 209b) 사이에 미세기공층(207a, 207b)을 더 포함하여 이루어질 수 있는데, 상기 미세기공층(207a, 207b)은 저가습 조건에서의 연료전지의 성능을 향상시키기 위하여 사용되는 것으로 기체확산층 밖으로 빠져나가는 물의 양을 적게 하여 이온전도성 복합막(201)이 충분한 습윤 상태에 있도록 하는 역할을 한다.
앞서 설명한 바와 같은 이온전도성 복합막 및 막-전극 접합체는 고체 전해질막을 사용하는 고분자전해질형 연료전지와 직접액체 연료전지에 효과적으로 활용될 수 있다. 직접액체 연료전지의 대표적인 예로는 메탄올을 연료로 사용하는 직접메탄올 연료전지가 있다.
본 발명은 또한 상기 본 발명의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 연료전지는 스택(200), 연료공급부(400) 및 산화제공급부(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 스택(200)은 본 발명의 막-전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막-전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달하는 역할과 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 역할을 한다.
상기 연료 공급부(400)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(410) 및 연료탱크(410)에 저장된 연료를 스택(200)으로 공급하는 펌프(420)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.
상기 산화제 공급부(300)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(300)로 주입하여 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예
두께가 0.5㎛이며 EW값이 800인 폴리아릴렌에테르설폰 수지 용액에 실리카를 10 중량% 첨가하여 고분자 용액을 제조하고, 두께가 0.5㎛이며 EW값이 1000인 폴리아릴렌에테르케톤 수지의 고분자 용액을 제조한 후, 도 2에 나타난 바와 같은 다이를 갖는 전기방사기를 통해 이온전도성 수지 파이버를 제조하였다.
상기 제조된 이온전도성 수지 파이버를 도 3과 같은 형태로 배열하여 다공성매트를 제조한 후, 디메틸포름아미드 증기에 노출시켰다. 그 후 상기 다공성 매트를 폴리테트라플루오로에틸렌에 함침시키고, 이어서 폴리에테르술폰에 함침시켜 이온전도성 복합막을 제조하였다.
제조된 이온전도성 복합막을 사용하여 통상적인 방법에 따라 고분자전해질형연료전지를 제조하였다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온전도성 수지 파이버의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 전기방사법에 의한 2중 원통형 구조의 이온전도성 수지 파이버를 제조하기 위한 다이(die)의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 매트의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.

Claims (13)

  1. 이온전도성 수지를 포함하여 이루어지는 내층;
    상기 내층의 이온전도성 수지보다 큰 EW 값을 갖는 이온전도성 수지를 포함하여 이루어지며, 상기 내층을 감싸며 형성되는 외층;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온전도성 수지 파이버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내층에 포함되는 이온전도성 수지는 폴리아릴렌에테르설폰(poly(arylene ether sulfone)); 및 설폰산기가 도입된 폴리아릴렌에테르케톤(poly(arylene ether ketone)), 폴리아릴렌에테르이미드(poly(arylene ether imide)), 나일론(nylone), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose actetate) 및 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate);로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이온전도성 수지 파이버.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외층에 포함되는 이온전도성 수지는 폴리아릴렌에테르설폰(poly(arylene ether sulfone)); 및 설폰산기가 도입된 폴리아릴렌에테르케톤(poly(arylene ether ketone)), 폴리아릴렌에테르이미드(poly(arylene ether imide)), 나일론(nylone), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose actetate) 및 셀룰로 오스 트리아세테이트(cellulose triacetate);로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 이온전도성 수지 파이버.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내층에 포함되는 이온전도성 수지 및 상기 외층에 포함되는 이온전도성 수지의 EW 값은 각각 600~1000 및 601~1100인 것을 특징으로 하는 이온전도성 수지 파이버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내층의 직경이 50 nm 내지 300 ㎛인 것을 특징으로 하는 이온전도성 수지 파이버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 외층의 두께는 100 nm 내지 300 ㎛인 것을 특징으로 하는 이온전도성 수지 파이버.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 내층 또는 외층의 단면은 원형 또는 각형인 것을 특징으로 하는 이온전도성 수지 파이버.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 내층은 실리카, 티타늄 옥사이드, 지르코늄 옥사이드 및 포스포텅스틱산으로 이루어진 군에서 선택되는 친수성 무기 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온전도성 수지 파이버.
  9. 제1항에 따른 이온전도성 수지 파이버로 이루어지는 다공성 매트; 및
    상기 다공성 매트에 함침되며, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 비이온전도성 고분자 수지;를 포함하여 이루어지는 이온전도성 복합막.
  10. 제1항에 따른 이온전도성 수지 파이버로 이루어지는 다공성 매트;
    상기 다공성 매트에 함침되며, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 비이온전도성 고분자 수지; 및
    상기 다공성 매트에 함침되며, 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰 및 이들의 산과 염기로 이루어진 군에서 선택되는 이온전도성 고분자 수지를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 다공성 매트의 기공도는 50~90%인 것을 특징으로 하는 이온전도성 복합막.
  12. 제9항 또는 제10항에 따른 이온전도성 복합막; 및
    상기 이온전도성 복합막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 기체확산층 및 촉매층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  13. 하나 또는 둘 이상의 제12항에 따른 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택;
    연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및
    산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
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