[go: up one dir, main page]

KR20070071579A - 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 직접 산화형 연료 전지시스템 - Google Patents

직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 직접 산화형 연료 전지시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20070071579A
KR20070071579A KR1020050135165A KR20050135165A KR20070071579A KR 20070071579 A KR20070071579 A KR 20070071579A KR 1020050135165 A KR1020050135165 A KR 1020050135165A KR 20050135165 A KR20050135165 A KR 20050135165A KR 20070071579 A KR20070071579 A KR 20070071579A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
fuel cell
direct oxidation
substrate
catalyst
Prior art date
Application number
KR1020050135165A
Other languages
English (en)
Inventor
손인혁
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 KR1020050135165A priority Critical patent/KR20070071579A/ko
Priority to US11/647,415 priority patent/US20070154775A1/en
Publication of KR20070071579A publication Critical patent/KR20070071579A/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
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • 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
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • 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
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8846—Impregnation
    • 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
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • 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
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • 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
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • 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
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • 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)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 애노드 전극은 전극 기재 및 촉매층을 포함하며, 상기 전극 기재는 촉매가 함침된 기재를 포함한다.
본 발명의 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극은 촉매가 함침된 기재를 포함함에 따라, 고출력 전지를 제공할 수 있다.
촉매함침전극기재,탄화수소연료,DMFC,애노드

Description

직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템{ANODE FOR DIRECT OXIDATION FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND DIRECT OXIDATION FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고출력 전지를 제공할 수 있는 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 직접 산화형 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 반응속도가 느려서 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도가 낮고, 출력이 낮으며, 많은 양의 전극 촉매를 사용하여야 하나, 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮으며 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
본 발명의 목적은 고출력을 나타낼 수 있는 직접 산화형 연료 전지 시스템용 애노드 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 애노드 전극을 포함하는 직접 산화형 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전극 기재 및 촉매층을 포함하며, 상기 전극 기재는 촉매가 함침된 기재를 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극을 제공한다.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하며, 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질을 포함하는 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 포함한다. 상기 애노드 전극은 촉매가 함침된 기재를 포함하는 전극 기재 및 촉매층을 포함한다.
본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료를 포함하고, 상기 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 연료 공급부는 카르복실산을 더욱 포함하여, 상기 전기 발생부로 연료와 함께 카르복실산을 더욱 공급할 수도 있다. 상기 카르복실산은 포름산, 아세트산 및 프로판산으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하고, 포름산이 더욱 바람직하다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 직접 산화형 연료 전지에 관한 것으로서, 이 전지는 일반적으로 탄화수소 연료를 애노드 전극에 공급하여 애노드 전극에서 산화 반응에 의하여 수소 이온을 발생시키고, 이 수소 이온이 캐소드의 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 전지이다.
본 발명은 이러한 직접 산화형 연료 전지의 출력을 높이기 위해서 전극 기재에 촉매를 더욱 함침시킨 것을 사용한 애노드 전극에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 전극 기재를 포함하는 애노드 전극은 탄화수소 연료와 함께 카르복실산을 더욱 사용하기에 적합한 애노드 전극이다. 본 발명에서 탄화수소 연료란 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 의미하며, 카르복실산을 포함하지 않는다.
본 발명의 애노드 전극은 전극 기재와 이 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함하고, 상기 전극 기재는 촉매가 함침된 기재를 포함한다. 종래 촉매층을 전극 기재에 형성시키는 경우에는 촉매층 조성물을 전극 기재에 코팅하는 것으로서, 전극 기재가 다공성이므로 일부 촉매층 조성물이 전극 기재로 스며들어 전극 기재 표면이 본 발명의 전극 기재와 유사하게 형성될 수도 있으나 그 경우에는 촉매층 조성물에 포함된 퍼플로오로설폰산과 같은 이오노머 바인더가 전극 기재에 스며들어 존재하게 되므로 본 발명의 전극 기재와는 상이한 구성을 갖게 된다.
또한 본 발명과 같이 촉매만이 전극 기재에 함침된 것이 촉매를 전극 기재에 함침시켜 얻는 효과인 출력 향상 효과가 보다 우수하여 바람직하다.
상기 전극 기재에 함침된 촉매는 촉매층에서 사용되는 촉매와 동일한 것으로서, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합 금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 사용할 수 있고, 백금-루테늄 합금이 바람직하다. 또한 이 금속이 담체에 담지된 것도 사용할 수 있다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다.
아울러, 상기 전극 기재에 함침된 촉매의 양은 0.2 내지 20 중량%가 바람직하며, 1 내지 5 중량%가 더욱 바람직하다. 상기 전극 기재에 함침된 촉매의 양이 0.2 중량% 미만인 경우에는 촉매를 전극 기재에 함침시켜 얻는 효과가 미미하며, 20 중량%를 초과하는 경우에는 촉매 입자가 서로 응집되서 크기가 너무 커져 촉매를 함침시킴에 따른 효과를 얻을 수 없어 바람직하지 않다.
본 발명의 애노드 전극에서 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천((섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 반응물을 확산시켜 촉매층으로 반응물이 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다.
또한 상기 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), 플루오로에틸렌 폴리머 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 기체 확산층에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 애노드 전극은 상기 구성을 갖는 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함한다. 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합 금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연과 같은 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소 계열 물질이 널리 사용되고 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
상기 애노드 전극을 포함하는 본 발명의 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다.
상기 캐소드 전극은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 사용할 수 있고, 또한 이 금속이 담체에 담지된 것을 사용할 수도 있다. 상기 담체로는 애노드 전극에서 사용된 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.
상기 고분자 전해질 막은 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 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) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.
본 발명에서, 상기 막-전극 어셈블리 중 애노드 전극의 전극 기재는 종래 전극 기재로 사용되는 기재에 촉매를 함침시키는 어떠한 방법으로도 형성할 수 있으 며, 이를 더욱 자세히 설명하면, 촉매 전구체 액에 기재를 함침시킨 후, 열처리하는 공정으로 실시한다.
상기 촉매 전구체로는 H2PtCl6·6H2O, Pt(C5H7O2)2 또는H6Cl2N2Pt를 사용할 수 있으며, 상기 촉매 전구체 액에서 용매로는 물, 에틸 알코올, 메틸 알코올 또는 이소프로필 알코올을 사용할 수 있다.
또한 상기 열처리 공정은 300 내지 800℃에서 1시간 내지 3시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 아울러, 상기 열처리 공정은 H2 또는 H2와 N2의 혼합 가스 분위기 하에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 공정에 따라 환원 반응이 일어나서 촉매 전구체로부터 촉매만이 기재에 존재하게 된다.
상기 열처리 공정을 300℃ 미만에서 실시하는 경우에는 환원 반응이 일어나지 않고 또한 800℃보다 높은 온도에서 실시하는 경우에는 전극 기재가 탈 우려가 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 본 발명의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서, 연료로는 기체 또는 액체 상태의 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상 기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다. 또한, 본 발명의 연료 공급부는 카르복실산을 더욱 포함하여, 연료와 함께 카르복실산을 상기 전기 발생부로 공급할 수도 있다.
상기 카르복실산은 포름산, 아세트산 및 프로판산으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하고, 상기 카르복실산은 포름산이 더욱 바람직하다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에 나타낸 구조는 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.
상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(17)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
H2PtCl6·6H2O를 물 용매에 용해시킨 Pt 전구체 액에 탄소천(E-TeK사)을 침지한 후, 500℃ 환원 분위기 하에서 1시간 동안 반응시켜 Pt가 함침된 전극 기재를 제조하였다. 이때 Pt 함침양은 전체 전극 기재 중량에 대하여 0.2 중량%였다.
상기 전극 기재에 Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매 및 바인더로 12 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)를 88 중량% 및 12 중량%의 양으로 혼합하여 제조된 애노드 전극용 촉매 조성물을 도포하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때, 애노드 전극에서 촉매 로딩량은 5mg/cm2로 하였다.
Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량%와 바인더로 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 혼합하여 캐소드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다. 상기 캐소드 전극용 촉매 조성물을 탄소지 전극 기재(SGL GDL 10DA)에 도포하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 캐소드 전극에서 촉 매 로딩량은 5mg/cm2로 하였다.
제조된 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설포네이트) 고분자 전해질 막을 이용하여 단위 전지를 제조하였다.
(비교예 1)
Pt 함침 공정을 실시하지 않은 전극 기재를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기 단위 전지를 이용하여 스택을 제조하고, 1M 메탄올과 1M 포름산을 이 스택에 공급하였다.
제조된 단위 전지에 1M 메탄올을 상기 단위 전지에 공급하여 구동하였다. 이어서, 이 연료 전지의 0.45V, 0.4V 및 0.35V에서의 출력 밀도를 30℃ 및 50℃에서 각각 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
연료 30℃ 50℃
0.45mW/cm2 0.40mW/cm2 0.35mW/cm2 0.45mW/cm2 0.40mW/cm2 0.35mW/cm2
비교예 1 1M 메탄올 28 35 38 54 62 64
실시예 1 30 38 45 58 70 91
비교예 1 0.1M 포름산 및 1M 메탄올 25 42 53 56 74 91
실시예 1 28 48 65 60 80 102
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 촉매 함침된 전극 기재를 사용한 실시예 1의 연료 전지가 비교예 1의 연료 전지에 비하여 출력 밀도가 향상되었으며, 특히 고온 출력 밀도 향상 효과가 우수함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지용 애노드 전극은 촉매가 함침된 전 극 기재를 사용함에 따라, 고출력 전지를 제공할 수 있다.

Claims (14)

  1. 전극 기재; 및
    촉매층을 포함하며,
    상기 전극 기재는 촉매가 함침된 기재를 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 또는 이 금속이 담체에 담지된 것인 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전극 기재에 함침된 촉매의 함량은 전체 전극 기재 중량에 대하여 0.2 내지 20 중량%를 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 전극 기재에 함침된 촉매의 함량은 전체 전극 기재 중량에 대하여 1 내 지 5 중량%를 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 기재는 탄소 페이퍼, 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 및 금속천으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극.
  6. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질
    을 포함하고,
    상기 애노드 전극은
    전극 기재 및 촉매층을 포함하며,
    상기 전극 기재는 촉매가 함침된 기재를 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 또는 이 금속이 담체에 담지된 것인 직접 산화형 연료 전 지용 막-전극 어셈블리.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 전극 기재에 함침된 촉매의 함량은 전체 전극 기재 중량에 대하여 0.2 내지 20 중량%를 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 전극 기재에 함침된 촉매의 함량은 전체 전극 기재 중량에 대하여 1 내지 5 중량%를 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 기재는 탄소 페이퍼, 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 및 금속천으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  11. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 것인 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    연료를 포함하며, 상기 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템으로서,
    상기 애노드 전극은 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항의 애노드 전극인 직접 산화형 연료 전지 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 연료는 탄화수소 연료인 직접 산화형 연료 전지 시스템.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는 카르복실산을 더욱 포함하는 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 카르복실산은 포름산, 아세트산 및 프로판산으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 직접 산화형 연료 전지 시스템.
KR1020050135165A 2005-12-30 2005-12-30 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 직접 산화형 연료 전지시스템 KR20070071579A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050135165A KR20070071579A (ko) 2005-12-30 2005-12-30 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 직접 산화형 연료 전지시스템
US11/647,415 US20070154775A1 (en) 2005-12-30 2006-12-29 Anode for direct oxidation fuel cell, and membrane-electrode assembly and direct oxidation fuel cell system including the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050135165A KR20070071579A (ko) 2005-12-30 2005-12-30 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 직접 산화형 연료 전지시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070071579A true KR20070071579A (ko) 2007-07-04

Family

ID=38224831

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050135165A KR20070071579A (ko) 2005-12-30 2005-12-30 직접 산화형 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 직접 산화형 연료 전지시스템

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20070154775A1 (ko)
KR (1) KR20070071579A (ko)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5672439A (en) * 1995-12-18 1997-09-30 Ballard Power Systems, Inc. Method and apparatus for reducing reactant crossover in an electrochemical fuel cell
US5904740A (en) * 1997-06-03 1999-05-18 Motorola, Inc. Fuel for liquid feed fuel cells
JP2001160406A (ja) * 1999-12-06 2001-06-12 Toshiba Corp 固体高分子型燃料電池の電極およびその製造方法
US6939640B2 (en) * 2001-09-21 2005-09-06 E. I. Dupont De Nemours And Company Anode electrocatalysts for coated substrates used in fuel cells
EP1435672A1 (de) * 2002-12-30 2004-07-07 Umicore AG & Co. KG Katalysatorhaltiges Gasverteilersubstrat für Brennstoffzellen sowie Verfahren zu dessen Herstellung
US8057847B2 (en) * 2003-10-31 2011-11-15 Utc Fuel Cells, Llc Method for preparing membranes and membrane electrode assemblies with hydrogen peroxide decomposition catalyst

Also Published As

Publication number Publication date
US20070154775A1 (en) 2007-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101319377B1 (ko) 연료 전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20080042551A (ko) 연료 전지용 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR101309158B1 (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
JP4980197B2 (ja) 燃料電池用電極、これを含む燃料電池用膜−電極接合体及びこれを含む燃料電池システム
KR20070119905A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR100658688B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR101233343B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR100953617B1 (ko) 연료 전지용 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR101223630B1 (ko) 연료 전지의 캐소드 전극용 촉매, 이의 제조 방법, 이를포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는연료 전지 시스템
KR20070114494A (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리
KR100684767B1 (ko) 연료 전지 캐소드용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 연료 전지 시스템
KR20070098136A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR100976453B1 (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20070099120A (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20080032962A (ko) 연료 전지용 캐소드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
KR100959117B1 (ko) 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100749497B1 (ko) 연료 전지용 애노드 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리
KR20070099935A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR20080045461A (ko) 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100717747B1 (ko) 직접 산화형 연료 전지용 스택의 회복 방법
KR100696700B1 (ko) 직접 산화형 연료 전지 시스템
KR20070099121A (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100728199B1 (ko) 연료 전지용 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR20070103569A (ko) 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템
KR100759435B1 (ko) 연료 전지용 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극어셈블리

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20051230

PG1501 Laying open of application
A201 Request for examination
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20101125

Comment text: Request for Examination of Application

Patent event code: PA02011R01I

Patent event date: 20051230

Comment text: Patent Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20120925

Patent event code: PE09021S01D

E601 Decision to refuse application
PE0601 Decision on rejection of patent

Patent event date: 20130329

Comment text: Decision to Refuse Application

Patent event code: PE06012S01D

Patent event date: 20120925

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event code: PE06011S01I