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KR101213476B1 - 연료전지용 막전극 접합체 - Google Patents

연료전지용 막전극 접합체 Download PDF

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KR101213476B1
KR101213476B1 KR1020050077533A KR20050077533A KR101213476B1 KR 101213476 B1 KR101213476 B1 KR 101213476B1 KR 1020050077533 A KR1020050077533 A KR 1020050077533A KR 20050077533 A KR20050077533 A KR 20050077533A KR 101213476 B1 KR101213476 B1 KR 101213476B1
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Abstract

본 발명은 연료전지용 막전극 접합체에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 집전체의 위치를 전극 촉매층에 인접하도록 구성함으로써 확산층과 지지층의 재료를 선택하는 데 있어서 전기전도성을 보유하여야 한다는 제한을 제거한 막전극 접합체에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지용 막전극 접합체에 있어서 집전체를 전극 촉매층에 인접하게 설치함으로써 비전도성의 확산층과 지지층을 사용할 수 있으므로 친수성, 소수성, 다공성, 함수성 등의 물성을 보유하는 재료를 폭넓게 선택할 수 있도록 하는 효과가 있다. 그 결과, 성능이 현저히 향상된 연료 전지의 제조가 가능하다.
또한, 제조 공정에 있어서도 적은 에너지로 더욱 짧은 시간에 제조할 수 있어 연료 전지의 제조 비용을 절감하는 효과가 있다.
집전체, 소수성, 친수성, 함수성, 다공성, 확산층, 지지층

Description

연료전지용 막전극 접합체 {Membrane electrode assembly for fuel cell}
도 1은 종래 기술에 의한 막전극 접합체의 구조를 나타낸 측단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 막전극 접합체의 구조를 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예의 연료전지의 성능 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예의 연료전지의 성능 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 전해질막
21 : 애노드 촉매층 22 : 캐소드 촉매층
31 : 애노드 확산층 32 : 캐소드 확산층
41 : 애노드 지지층 42 : 캐소드 지지층
51 : 애노드 집전체 52 : 캐소드 집전체
본 발명은 연료전지용 막전극 접합체에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 친수성, 소수성, 다공성, 함수성 등 연료전지의 성능 향상에 요구되는 다양한 물성을 선택적으로 보유할 수 있는 확산층 및/또는 지지층을 갖는 연료전지용 막전극 접합체에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 수소 혹은 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
연료전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 연료전지 스택은 일반적으로 막-전극 접합체(MEA: membrane electrode assembly)와 세퍼레이터(separator, 또는 bipolar plate)로 이루어진 단위 셀이 수 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 MEA는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, 연료극 또는 산화전극)과 캐소드 전극(일명, 공기극 또는 환원전극)이 밀착된 구조를 가진다.
즉, 전해질 막을 중심으로 양편에 전극(캐소드와 애노드)이 위치하고, 상기 전극은 다시 촉매층, 확산층, 및 지지층을 포함하여 이루어진다. 종래의 연료전지에 있어서는 전극에서 발생된 전류를 모아 외부의 회로로 전달하는 집전체가 지지 층의 외곽에 위치하였다. 따라서, 촉매층에서 발생된 전류가 집전체까지 전달되기 위해서는 확산층과 지지층이 전기전도성을 띠어야만 했다.
한편, 확산층과 지지층은 물질을 분배시키기 위해 다공성을 띠거나 생성된 물을 잘 배출하기 위해 소수성을 띠는 것이 바람직한 경우도 있고, 또한 물의 원활한 공급을 위해 친수성 및/또는 함수성을 띨 것이 요구되는 경우도 있었지만, 이러한 성질을 갖는 재료를 선택하는 데 있어서 전기전도성도 함께 가져야 한다는 제한이 있었고 이러한 제한은 연료전지의 성능의 제한과 직접 연관되어 있었다.
종래에는 상기 확산층과 지지층의 재료에 관한 연구에 있어서 전기전도성을 띠면서 상기한 바와 같은 물성을 향상시키는 데만 노력이 집중되었으며, 집전체의 위치를 변화시킴으로써 보다 자유로운 재료 선택을 하고자 하는 노력에 관해서는 알려진 바가 없었다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, 전기적으로 비전도성인 확산층을 사용할 수 있는 막전극 접합체의 구조를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 전기적으로 비전도성인 확산층을 사용할 수 있는 막전극 접합체의 다른 구조를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여,
전해질막;
상기 전해질막의 양면에 각각 구비된 애노드 집전체 및 캐소드 집전체;
상기 애노드 집전체 및 캐소드 집전체 상에 각각 구비된 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층; 및
상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층 상에 각각 구비된 애노드 확산층 및 캐소드 확산층을 포함하고,
상기 애노드 확산층 및 캐소드 확산층이 전기적으로 비전도성 물질인 막전극 접합체를 제공한다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여,
전해질막;
상기 전해질막의 양면에 각각 구비된 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층;
상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층 상에 각각 구비된 애노드 집전체 및 캐소드 집전체; 및
상기 애노드 집전체 및 캐소드 집전체 상에 각각 구비된 애노드 확산층 및 캐소드 확산층을 포함하고,
상기 애노드 확산층 및 캐소드 확산층이 전기적으로 비전도성 물질인 막전극 접합체를 제공한다.
본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 이루기 위하여 상기와 같은 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.
이하에서는 본 발명의 막전극 접합체를 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 전해질막; 상기 전해질막의 양면에 각각 구비된 애노드 집전체 및 캐소드 집전체; 상기 애노드 집전체 및 캐소드 집전체 상에 각각 구비된 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층; 및 상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층 상에 각각 구비된 애노드 확산층 및 캐소드 확산층을 포함하고, 상기 애노드 확산층 및 캐소드 확산층이 전기적으로 비전도성 물질인 막전극 접합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 전해질막; 상기 전해질막의 양면에 각각 구비된 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층; 상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층 상에 각각 구비된 애노드 집전체 및 캐소드 집전체; 및 상기 애노드 집전체 및 캐소드 집전체 상에 각각 구비된 애노드 확산층 및 캐소드 확산층을 포함하고, 상기 애노드 확산층 및 캐소드 확산층이 전기적으로 비전도성 물질인 막전극 접합체를 포함한다.
상기 집전체는 전기전도도가 1 S/cm 이상인 전이금속을 사용할 수 있으며, 특히 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 망간(Mn), 아연(Zn), 철(Fe), 주석(Sn) 또는 이들의 합금이 바람직하다. 또한, 폴리아닐린(polyaniline) 등의 전도성 고분자도 집전체로 사용될 수 있다.
상기 집전체의 형성 방법은 전해질막 또는 전극 촉매층 위에 집전체를 직접 형성하는 방법과 집전체를 별도로 제조한 후 전해질막 또는 전극 촉매층과 접합시키는 방법이 있다. 전해질막 또는 전극 촉매층 위에 집전체를 직접 형성하는 방법으로는 스퍼터링 방법, CVD 증착법, 전기적 증착법(electrodeposition) 등이 있고, 집전체를 별도로 제조한 후 전해질막 또는 전극 촉매층과 접합시키는 방법으로는 금속 메쉬(mesh) 또는 지지체 위에 도전성 금속이 형성된 FPCB(flexible printed circuit board)를 사용하는 방법이 있다. 상기 지지체는 예를 들면 전기전도성 고분자 필름일 수 있다.
상기 막전극 접합체의 구성을 도 1, 도 2a 및 도 2b를 참고하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 기술에 의한 막전극 접합체를 나타내고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 막전극 접합체의 일구현예를 나타낸다.
종래 기술에 의한 막전극 접합체(도 1)는 전해질막(10)을 중심으로 일면에는 애노드 촉매층(21), 타면에는 캐소드 촉매층(22)이 위치하고, 상기 애노드 촉매층(21) 및 캐소드 촉매층(22) 위에 애노드 확산층(31) 및 캐소드 확산층(32)이 위치한다. 그리고, 상기 애노드 확산층(31) 및 캐소드 확산층(32) 위에 애노드 지지층(41) 및 캐소드 지지층(42)이 위치하고, 상기 애노드 지지층(41) 및 캐소드 지지층(42) 위에 애노드 집전체(51) 및 캐소드 집전체(52)가 위치할 수 있다.
따라서, 전극(21, 22)에서 발생한 전류를 집전체(51, 52)와 주고받기 위해서는 그 사이에 개재된 확산층(31, 32) 및 지지층(41, 42)이 모두 전기 전도성을 띠어야만 한다.
반면, 본 발명에 따른 막전극 접합체(도 2a)는 전해질막(10)을 중심으로, 일면에는 애노드 집전체(51)가, 타면에는 캐소드 집전체(52)가 위치하고, 상기 애노드 집전체(51) 및 캐소드 집전체(52) 위에는 각각 애노드 촉매층(21) 및 캐소드 촉매층(22)이 위치한다. 그리고, 상기 애노드 촉매층(21) 및 캐소드 촉매층(22) 위에 애노드 확산층(31) 및 캐소드 확산층(32)이 각각 위치하고, 상기 애노드 확산층 (31) 및 캐소드 확산층(32) 위에 애노드 지지층(41) 및 캐소드 지지층(42)이 위치할 수 있다.
또한, 애노드 집전체(51) 및 캐소드 집전체(52)는 도 2a에서와 같이 전해질막(10)과 전극 촉매층(21, 22) 사이에 개재될 수도 있지만, 도 2b에서와 같이 전극 촉매층(21, 22)과 확산층(31, 32) 사이에 개재될 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 막전극 접합체는 전극 촉매층에서 발생한 전류를 집전체와 주고받기 위해 확산층 및 지지층을 통과할 필요가 없기 때문에 확산층 및 지지층의 전기전도성이 요구되지 않는다. 따라서, 종래의 촉매층에서 생성된 전자가 전극의 확산층과 지지층을 통과하면서 발생한 전기저항이 없다. 또한, 전기전도성 외에 연료전지의 성능 향상을 위해 확산층에 요구되던 물성을 보다 풍부하게 만족시키는 재료를 보다 폭넓게 선택할 수 있는 장점이 있다.
뿐만 아니라, 제조 공정에 있어서도 에너지를 적게 요구하고, 신속하게 제조할 수 있는 경우가 많아 제조 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있다.
상기와 같이 확산층이 가질 수 있는 물성으로는 소수성, 친수성, 다공성, 또는 함수성(含水性)을 들 수 있다.
상기 확산층은 전극 촉매층에서 생성되는 물을 신속히 배출하고 공기의 흐름을 원활하게 할 수 있도록 소수성과 친수성의 기능을 다양하게 구현할 수 있다. 이 때, 상기 소수성 물질로는 폴리에틸렌계 고분자 수지, 폴리스티렌계 고분자 수지, 불소계 고분자 수지, 폴리프로필렌계 고분자 수지, 폴리메틸메타크릴레이트계 고분자 수지, 폴리이미드계 고분자 수지, 폴리아미드계 고분자 수지, 폴리에틸렌테레프 탈레이트계 고분자 수지, 또는 이들의 혼합물을 들 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 확산층은 수분의 원활한 공급을 위하여 친수성을 띠는 것이 유리한 경우도 있다. 이러한 친수성 물질로는 말단에 히드록시기, 카르복실기, 아민기 또는 술폰기를 포함하는 고분자 수지를 들 수 있고, 폴리비닐알코올계 고분자 수지, 셀룰로오스계 고분자 수지, 폴리비닐아민계 고분자 수지, 폴리에틸렌옥사이드계 고분자 수지, 폴리에틸렌글리콜계 고분자 수지, 나일론계 고분자 수지, 폴리아크릴산계 고분자 수지, 폴리에스테르계 고분자 수지, 폴리비닐피롤리돈계 고분자 수지, 에틸렌비닐아세테이트계 수지, 또는 이들의 혼합물을 들 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 확산층은 수분의 원활한 공급을 위하여 함수성(含水性)을 띠는 것이 유리할 수 있다. 이러한 함수성 물질로는 상기 친수성 물질 외에 Al2O3, ZrO2, TiO2 등의 금속 산화물, SiO2 등을 들 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 확산층은 공기와 같은 산화제의 원활한 공급을 위하여 다공성을 띠는 것이 유리한 경우도 있다. 이러한 다공성 물질로는 다공성 고분자 수지를 비롯하여 기타 입자상의 물질을 사용할 수 있다. 상기 다공성 고분자 수지는 필요에 따라 상기 친수성 물질 또는 소수성 물질일 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.
상기 다공성 물질의 기공이 갖는 평균 직경은 20 nm 내지 500 μm인 것이 바람직하다. 상기 기공의 평균 직경이 20 nm보다 작으면 압력 강하가 심하여 기체 확 산이 미흡하게 될 수 있고, 상기 기공의 평균 직경이 500 μm보다 크면 기체의 균일한 확산이 어려운 단점이 있다.
상기 다공성 물질의 기공도(void fraction)는 20% 내지 90%인 것이 바람직하다. 만일 상기 기공도가 20%보다 낮으면 기체 확산이 미흡하게 될 수 있고, 상기 기공도가 90%보다 높으면 확산층의 기계적 강도가 낮아지는 단점이 있다.
이상에서 설명한 비전도성 물질은 입자상일 수 있다. 상기 입자상은 막대형, 구형, 섬유형, 기타 불규칙한 형태일 수 있으며 특히 한정되지 않는다. 상기 입자상 비전도성 물질의 크기는 50 nm 내지 500 μm일 수 있다. 상기 비전도성 물질의 크기가 상기 범위에 있는 것이 상기 바람직한 기공 크기 및 기공도를 갖는 데 유리하다.
상기 입자상의 비전도성 물질을 이용하여 확산층을 만들기 위해서는 상기 입자상 비전도성 물질을 결합시켜 주는 바인더를 이용할 수도 있다. 상기 바인더는, 예를 들면 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF: polyvinylidenefluoride)와 같은 고분자 물질을 사용할 수도 있고, 앞서 서술한 친수성 혹은 소수성 고분자 수지 물질을 이용할 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 바인더의 함량은 상기 비전도성 물질 및 바인더의 혼합 무게를 기준으로 20 내지 90 중량%인 것이 바람직하다. 상기 바인더의 함량이 20 중량%에 미달하면 상기 비전도성 물질의 결합이 충분하지 않아 기계적 강도에 문제점이 발생할 수 있고, 상기 바인더의 함량이 90 중량%를 초과하면 비전도성 물질의 원하는 물성이 충분히 발현되지 않는 단점이 있다.
상기 확산층은 이상에서 설명한 물성을 각각 갖는 층을 적층하여 이루어질 수도 있다. 또한, 이상에서 설명한 물성 중 둘 이상의 물성을 하나의 확산층이 동시에 만족할 수도 있다.
또한, 본 발명은 이상에서 설명한 막전극 접합체에 있어서, 애노드 확산층 및 캐소드 확산층 상에 지지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체를 제공한다.
앞서 살펴본 바와 같이 전극 촉매층에서 발생한 전류가 집전체에 도달하기 위해 지지층을 통과할 필요가 없기 때문에 상기 지지층이 반드시 전기전도성을 가질 필요가 없다.
따라서, 상기 지지층은 전기전도성 물질, 비전도성 물질, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 비전도성 물질은 입자상일 수 있다. 상기 입자상은 막대형, 구형, 섬유형, 기타 불규칙한 형태일 수 있으며 특히 한정되지 않는다. 상기 입자상 비전도성 물질의 크기는 50 nm 내지 500 μm일 수 있다. 상기 비전도성 물질의 크기가 상기 범위에 있는 것이 후술하는 바와 같은 바람직한 기공 크기 및 기공도를 갖는 데 유리하다.
상기 비전도성 물질이 막으로 형성되기 어려운 물질인 경우에는 바인더를 이용하여 이들을 결합함으로써 막 형태로 형성할 수 있다. 상기 바인더로는 일반적인 고분자 수지를 거의 모두 이용할 수 있다. 보다 구체적으로는 앞서 기재한 친수성 고분자 물질 또는 소수성 고분자 물질을 사용할 수 있고, 예를 들면, 폴리비닐리덴플루오라이드도 사용할 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
이 때, 상기 바인더의 함량은 상기 전체 지지층의 무게를 기준으로 10 중량% 내지 90 중량%인 것이 바람직하다. 상기 바인더의 함량이 10 중량%에 미달하면 상기 비전도성 물질의 결합이 충분하지 않아 기계적 강도에 문제점이 발생할 수 있고, 상기 바인더의 함량이 90 중량%를 초과하면 비전도성 물질의 원하는 물성이 충분히 발현되지 않는 단점이 있다.
또한, 연료전지의 성능 향상을 위해 전기전도성 외에 지지층에 요구되던 물성을 보다 풍부하게 만족시키는 재료를 보다 폭넓게 선택할 수 있는 장점이 있다
따라서, 상기 지지층는 앞서 설명한 확산층과 같이 소수성, 친수성, 다공성, 또는 함수성 등의 성질을 가질 수 있다.
상기 지지층은 전극에서 생성되는 물을 신속히 배출하고 공기의 흐름을 원활하게 할 수 있도록 소수성과 친수성의 기능을 다양하게 구현할 수 있다. 이 때, 상기 소수성 물질로는 폴리에틸렌계 고분자 수지, 폴리스티렌계 고분자 수지, 불소계 고분자 수지, 폴리프로필렌계 고분자 수지, 폴리메틸메타크릴레이트계 고분자 수지, 폴리이미드계 고분자 수지, 폴리아미드계 고분자 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 고분자 수지, 또는 이들의 혼합물을 들 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 지지층은 수분의 원활한 공급을 위하여 친수성을 띠는 것이 유리한 경우도 있다. 이러한 친수성 물질로는 말단에 히드록시기, 카르복실기, 아민기 또는 술폰기를 포함하는 고분자 수지를 들 수 있고, 폴리비닐알코올계 고분자 수지, 셀룰로오스계 고분자 수지, 폴리비닐아민계 고분자 수지, 폴리에틸렌옥사이드 계 고분자 수지, 폴리에틸렌글리콜계 고분자 수지, 나일론계 고분자 수지, 폴리아크릴산계 고분자 수지, 폴리에스테르계 고분자 수지, 폴리비닐피롤리돈계 고분자 수지, 에틸렌비닐아세테이트계 수지, 또는 이들의 혼합물을 들 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 지지층은 수분의 원활한 공급을 위하여 함수성을 띠는 것이 유리할 수 있다. 이러한 함수성 물질로는 상기 친수성 물질 외에 Al2O3, ZrO2, TiO2 등의 금속 산화물, SiO2 등을 들 수 있지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 지지층은 공기와 같은 산화제의 원활한 공급을 위하여 다공성을 띠는 것이 유리한 경우도 있다. 이러한 다공성 물질로는 다공성 고분자 수지를 비롯하여 기타 입자상의 물질을 사용할 수 있다. 상기 다공성 고분자 수지는 필요에 따라 성기 친수성 물질 또는 소수성 물질일 수 있으며 특별히 한정되지 않는다.
상기 다공성 물질의 기공이 갖는 평균 직경은 0.1 μm 내지 1 mm인 것이 바람직하다. 상기 기공의 평균 직경이 0.1 μm보다 작으면 압력 강하가 심하여 기체 확산이 미흡하게 될 수 있고, 상기 기공의 평균 직경이 1 mm보다 크면 기체의 균일한 확산이 어려운 단점이 있다.
상기 다공성 물질의 기공도(void fraction)는 10% 내지 90%인 것이 바람직하다. 만일 상기 기공도가 10%보다 낮으면 기체 확산이 미흡하게 될 수 있고, 상기 기공도가 90%보다 높으면 지지층의 기계적 강도가 낮아지는 단점이 있다.
또한, 상기 지지층은 금속 또는 카본계 소재 등과 같은 전기전도성 물질일 수도 있고, 전기전도성을 반드시 띨 필요가 없으므로 세라믹 소재일 수도 있다.
상기 카본계 소재는 탄소 섬유, 카본 페이퍼, 카본 클로쓰, 카본 나노튜브, 카본 나노파이버, 카본 나노혼, 카본 나노파이버, 카본 나노링, 카본 블랙, 흑연, 플러렌, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙 등일 수 있다.
상기 세라믹 소재는 알루미나, 텅스텐 옥사이드, 니켈 옥사이드, 바나듐 옥사이드, 지르코니아, 타이타니아 등의 금속 산화물, 제올라이트 등의 실리카계 화합물, 몬트모릴로나이트, 벤토나이트, 뮬라이트 등의 점토류, 실리콘 카바이드, 코디어라이트 등을 포함하지만 여기에 한정되는 것은 아니다.
상기 지지층은 이상에서 설명한 물성을 각각 갖는 층을 적층하여 이루어질 수도 있다. 또한, 이상에서 설명한 물성 중 둘 이상의 물성을 하나의 지지층이 동시에 만족할 수도 있다.
또한, 본 발명은 이상에서 설명한 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명의 연료전지는 상기한 바와 같은 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함한다. 본 발명의 연료전지는, 예를 들면, 양성자 교환막 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 또는 인산염 연료전지(PAFC) 등에 다양하게 적용될 수 있으며, 특히 양성자 교환막 연료전지 및 직접메탄올 연료전지에 더욱 유리하게 적용될 수 있다.
이러한 연료전지의 제조는, 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
<실시예>
구조화된 중다공성 실리카(OMS: ordered mesoporous silica) 7 g과 PVdF 3 g을 아세톤 20 mL에 넣고 60분간 교반하여 충분히 분산시켰다(분산액 1). 그리고, 실리카(SiO2) 7 g과 PVdF 3 g을 아세톤 20 mL에 넣고 60분간 교반하여 충분히 분산시켰다(분산액 2). 나피온 112 전해질 막의 양편에 니켈 집전체를 3 cm × 3cm 의 메쉬(mesh) 형태로 각각 올렸다. 그런 후, 상기 집전체 상에 카본에 백금이 담지된 상용 촉매층을 얹었다.
상기 촉매층 위에 확산층으로서 상기 분산액을 스프레이하여 확산층을 형성하고 상온에서 10분 가량에 걸쳐 건조시켰다. 이 때, 캐소드 확산층으로서 분산액 1을 스프레이하고, 애노드 확산층으로서 분산액 2를 스프레이하였다. 그런 후, 지지체로서 애노드 확산층 위에 탄소지(carbon paper, Toray사 제품)를 올리고, 캐소드 확산층 위에는 20 중량%의 PTFE를 함유하는 탄소지를 올렸다.
실시예의 막전극 접합체의 구조를 하기 표 1에 정리하였다.
상기와 같이 제조한 막전극 접합체를 이용하여 직접메탄올 연료전지를 구성한 후 애노드에 3 M 농도의 메탄올을 공급하고 캐소드에 공기를 수동 공급하여 성능을 시험하였다. 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
<비교예>
탄소 분말 7 g과 PTFE 3g을 이소프로필알콜 20 mL에 넣고 60분간 교반하여 충분히 분산시켰다. 나피온 112 전해질 막의 양편에 카본에 백금이 담지된 상용 촉매층을 얹었다. 그 위에 위에서 제조한 분산액을 각각 스프레이하고 오븐에 넣어 360 ℃에서 40분 동안 소결시켰다. 그런 후, 실시예에서와 같이 지지체로서 애노드 확산층 위에 탄소지(Toray사 제품)를 올리고, 캐소드 확산층 위에는 20 중량%의 PTFE를 함유하는 탄소지를 올렸다. 상기 지지체 상에 각각 집전체를 올렸다.
비교예의 막전극 접합체의 구조를 하기 표 1에 정리하였다.
[표 1]
실시예a 비교예b
애노드 지지층 상용 탄소지
애노드 확산층 SiO2 + PVdF(바인더) 카본 + PTFE
애노드 촉매층 상용 백금 촉매층
전해질막 나피온 112
캐소드 촉매층 상용 백금 촉매층
캐소드 확산층 OMS + PVdF(바인더) 카본 + PTFE
캐소드 지지층 PTFE 20 중량%의 탄소지
a : 집전체가 전해질막과 전극 사이에 위치
b : 집전체가 막전극 접합체 외곽에 위치
상기와 같이 제조한 막전극 접합체를 이용하여 직접메탄올 연료전지를 구성한 후 애노드에 3 M 농도의 메탄올을 공급하고 캐소드에 공기를 수동 공급하여 성능을 시험하였다. 그 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다. 도 4에서 I는 전류밀도, E는 전지 전압을 나타낸다.
도 3에서 보는 바와 같이 실시예의 전력이 비교예에 비하여 훨씬 더 높음을 알 수 있었고 도 4에서 보는 바와 같이 실시예의 전지 성능이 비교예에 비하여 현저하게 향상된 것을 알 수 있었다. 이는 집전체까지 전류가 전달되는 과정에서 저항이 감소하고 중다공성 실리카를 이용한 확산층을 통해 연료의 공급 및 생성된 물의 공급과 배출이 원활해진 데 기인하는 것으로 보인다. 특히 실시예에서 사용된 OMS 및 SiO2가 갖는 소수성이 연료의 균일한 공급을 생성된 물의 역확산에 크게 기여한 바에 기인하는 것으로 보인다.
또, 비교예의 경우에는 360 ℃의 온도에서 40 분 동안 소결시킬 것이 요구되었지만, 실시예의 경우는 스프레이 후 10 분 동안 건조시키는 것으로 충분하였다. 따라서, 제조에 필요한 에너지와 시간이 크게 절감됨을 확인할 수 있었다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
본 발명은 연료전지용 막전극 접합체에 있어서 집전체를 전극 촉매층에 인접하게 설치함으로써 비전도성의 확산층과 지지층을 사용할 수 있으므로 친수성, 소수성, 다공성, 함수성 등의 물성을 보유하는 재료를 폭넓게 선택할 수 있도록 하는 효과가 있다. 그 결과, 성능이 현저히 향상된 연료 전지의 제조가 가능하다.
또한, 제조 공정에 있어서도 적은 에너지로 더욱 짧은 시간에 제조할 수 있어 연료 전지의 제조 비용을 절감하는 효과가 있다.

Claims (19)

  1. 전해질막;
    상기 전해질막의 양면에 각각 구비된 애노드 집전체 및 캐소드 집전체;
    상기 애노드 집전체 및 캐소드 집전체 상에 각각 구비된 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층; 및
    상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층 상에 각각 구비된 애노드 확산층 및 캐소드 확산층을 포함하고,
    상기 애노드 확산층 및 캐소드 확산층이 전기적으로 비전도성 물질인 막전극 접합체.
  2. 전해질막;
    상기 전해질막의 양면에 각각 구비된 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층;
    상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층 상에 각각 구비된 애노드 집전체 및 캐소드 집전체; 및
    상기 애노드 집전체 및 캐소드 집전체 상에 각각 구비된 애노드 확산층 및 캐소드 확산층을 포함하고,
    상기 애노드 확산층 및 캐소드 확산층이 전기적으로 비전도성 물질이고, 상기 애노드 집전체 및 캐소드 집전체는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 망간(Mn), 아연(Zn), 철(Fe), 주석(Sn) 또는 이들의 합금인 막전극 접합체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 확산층이 소수성 물질, 친수성 물질, 함수성(含水性) 물질, 다공성 물질 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 소수성 물질이 폴리에틸렌계 고분자 수지, 폴리스티렌계 고분자 수지, 불소계 고분자 수지, 폴리프로필렌계 고분자 수지, 폴리메틸메타크릴레이트계 고분자 수지, 폴리이미드계 고분자 수지, 폴리아미드계 고분자 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트계 고분자 수지, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 친수성 물질이 말단에 히드록시기, 카르복실기, 아민기 또는 술폰기를 포함하는 고분자 수지, 폴리비닐알코올계 고분자 수지, 셀룰로오스계 고분자 수지, 폴리비닐아민계 고분자 수지, 폴리에틸렌옥사이드계 고분자 수지, 폴리에틸렌글리콜계 고분자 수지, 나일론계 고분자 수지, 폴리아크릴산계 고분자 수지, 폴리에스테르계 고분자 수지, 폴리비닐피롤리돈계 고분자 수지, 에틸렌비닐아세테이트계 수지, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 함수성 물질이 말단에 히드록시기, 카르복실기, 아민기 또는 술폰기를 포함하는 고분자 수지, 폴리비닐알코올계 고분자 수지, 셀룰로오스계 고분자 수지, 폴리비닐아민계 고분자 수지, 폴리에틸렌옥사이드계 고분자 수지, 폴리에틸렌글리콜계 고분자 수지, 나일론계 고분자 수지, 폴리아크릴산계 고분자 수지, 폴리에스테르계 고분자 수지, 폴리비닐피롤리돈계 고분자 수지, 에틸렌비닐아세테이트계 수지, Al2O3, ZrO2, TiO2, SiO2 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 다공성 물질의 기공의 평균 직경이 20 nm 내지 500 μm인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 다공성 물질의 기공도(void fraction)가 10% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 확산층이 바인더를 더 포함하고 상기 바인더의 함량이 비전도성 물질 및 바인더의 혼합 무게를 기준으로 20 중량% 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 애노드 확산층 및 캐소드 확산층 상에 지지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 지지층이 비전도성 물질, 전도성 물질 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 지지층이 바인더를 더 포함하고 상기 바인더의 함량이 전체 지지층의 무게를 기준으로 10 중량% 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 지지층이 다공성 물질인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 다공성 물질의 기공의 평균 직경이 0.1μm 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 다공성 물질의 기공도(void fraction)이 10% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 지지층이 금속, 세라믹, 또는 카본계 소재인 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  17. 삭제
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 애노드 집전체 및 캐소드 집전체는 전기전도성 고분자 필름 상에 도전성 금속이 형성된 FPCB(flexible printed circuit board)를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
  19. 제 1 항 또는 제 2 항의 막전극 접합체를 포함하는 연료전지.
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