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KR20080044492A - 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

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KR20080044492A
KR20080044492A KR1020060113414A KR20060113414A KR20080044492A KR 20080044492 A KR20080044492 A KR 20080044492A KR 1020060113414 A KR1020060113414 A KR 1020060113414A KR 20060113414 A KR20060113414 A KR 20060113414A KR 20080044492 A KR20080044492 A KR 20080044492A
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KR
South Korea
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electrode
electrode substrate
fuel cell
carbon
membrane
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020060113414A
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English (en)
Inventor
한상일
손인혁
신찬균
조성용
안성국
남기현
김형욱
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 KR1020060113414A priority Critical patent/KR20080044492A/ko
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Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극중 적어도 하나는 기공을 포함하는 전극 기재, 상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함한다. 또한 상기 전극 기재내 기공은 기공 유지용 고분자에 의해 충진된다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리는, 제조시 가압 공정에 따른 전극 기재의 변형 및 눌림의 우려가 없고, 이에 따라 전극 기재내 기공을 통한 물질 이동을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
막-전극 어셈블리, 전극 기재, 기공 유지용 고분자, 물질 이동.

Description

연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 {MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, PREPARING METHOD FOR SAME, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제조시 가압 공정에 따른 전극 기재의 변형 및 눌림의 우려가 없고, 이에 따라 전극 기재내 기공을 통한 물질 이동을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 연료전지 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 Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우를 직접 메탄올형 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 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또 는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원전극" 이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 환원극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 상기 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
본 발명의 목적은 막-전극 어셈블리의 제조시 가압 공정에 따른 전극 기재의 변형 및 눌림의 우려가 없고, 이에 따라 전극 기재내 기공을 통한 물질 이동을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나는, 기공을 포함하는 전극 기재와 상기 전극기재에 형성된 촉매층을 포함하며, 상기 전극 기재내 기공은 기공 유지용 고분자로 충진되어 있다.
본 발명은 또한 기공을 갖는 전극 기재를 준비하고, 상기 전극 기재내 포함된 기공을 기공 유지용 고분자로 충진하고, 상기 기공 유지용 고분자로 충진된 기공을 포함하는 전극 기재위에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질 막과 접합하거나, 또는 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 상기 전극 기재와 접합하는 단계를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부, 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
연료전지의 운전 특성은 막-전극 어셈블리에서의 전극 기재의 다공도(porosity), 평균 기공크기(average pore size), 기공크기 분포(pore size distribution), 전기 저항(electrical resistivity) 및 기체투과도(gas permeability) 등에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서, 연료전지의 성능을 향상시 키기 위해서는 전극 기재내 포함된 기공을 최적 상태로 유지하여 물질 이동에 대한 저항을 최소화하는 것이 중요하다.
통상적으로 막-전극 어셈블리는 전극 기재상에 촉매층을 적절한 기법을 사용하여 형성한 후 고분자 전해질 막과 열압착하여 제조된다. 그러나 전극 기재는 카본 페이퍼와 같은 유연한 물질로 상기 막-전극 어셈블리 제조시 가해지는 열 및 압력에 의해 전극 기재 및 전극 기재내 포함된 기공에 눌림 또는 변형이 발생하게 된다. 이에 따라 전극 기재가 본래 가지고 있는 기공도를 이용한 반응물 확산 능력을 제대로 발휘하기 어렵다. 결과 전극 기재에서의 물질이동에 대한 저항이 증가하게 되고 연료전지의 성능 저하가 초래하게 된다.
이에 대하여 본 발명에서는 수용성이면서 우수한 접착성을 갖는 기공 유지용 고분자로 기공이 충진된 전극 기재를 사용하여 막-전극 어셈블리를 제조함으로써, 제조시 가압 공정에 따른 전극 기재의 변형 및 눌림의 우려가 없고, 이에 따라 전극 기재내 기공을 통한 물질 이동을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1를 참고하여 보다 상세히 설명하면, 본 발명의 막-전극 어셈블리(151)는 서로 대향하는 캐소드 전극(20) 및 애노드 전극(20')을 포함하며, 이 캐소드 전극(20)과 애노드 전극(20') 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(50)을 포함한다.
상기 캐소드 전극(20) 및 애노드 전극(20')은 각각 전극 기재(40, 40')와 촉 매층(30, 30')을 포함한다.
상기 전극 기재(40, 40')는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층(30, 30')으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다.
상기 전극 기재(40, 40')로는 도전성 기재를 사용할 수 있으며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt), 금속천((섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 전극 기재(40, 40')로는 불소 계열 수지로 발수 처리된 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 캐소드 전극의 촉매층에서 전기 화학적으로 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene) 또는 플루오로에틸렌 폴리머 등이 사용될 수 있다.
또한 상기 전극 기재(40, 40')로는 반응물의 용이한 이동을 위하여 기공을 갖는 다공성인 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 전극 기재는 전극 기재 총 부피에 대하여 50 내지 90부피%의 기공도를 가질 수 있고, 보다 바람직하 게는 75 내지 85부피%의 기공도를 가질 수 있다. 전극 기재의 기공도가 50부피% 미만이면 연료의 원활한 분산과 부산물의 배출이 용이하지 않고 90부피%를 초과하면 눌림에 대한 기계적 저항성이 저하될수 있어 바람직하지 않다.
상기 전극 기재(40, 40')내 기공은 또한 기공 유지용 고분자(42)에 의해 충진될 수 있다.
상기 기공 유지용 고분자는 수용성이며 우수한 접착력을 갖는 것으로, 구체적으로는 폴리(메타)아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리알킬렌글리콜, 지방족 폴리에스테르, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 이때 상기 알킬렌은 탄소수 1 내지 6의 알킬렌을 의미한다. 바람직하게는 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리테트라메틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 폴리히드록시부티레이트, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
또한 상기 기공 유지용 고분자는 1000 내지 500000의 수평균 분자량을 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 20000 내지 200000의 수평균 분자량을 가질 수 있다. 기공 유지용 고분자의 수평균 분자량이 1000 미만이면 액상 형태로 기공유지 효과가 미미하며, 500000을 초과하면 높은 점도로 기공 침투가 바람직하지 않다.
상기 기공 유지용 고분자는 전극 기재의 기공 총 부피에 대하여 5 내지 40부피%로 충진되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10 내지 20부피%로 충진되는 것이 좋다. 기공 유지용 고분자의 충진량이 5부피% 미만이면 기공 유지 효과가 미 미하여 바람직하지 않고, 40부피%를 초과하면 오히려 기공을 막는 역할을 하여 물질 전달의 방해가 되어 바람직하지 않다.
상기 기공 유지용 고분자(42)는 기공을 충진함으로써 전극 기재(40, 40')에 대해 강도를 제공하여 연료전지의 제조시 가압 공정에 의한 전극 기재(40, 40')의 눌림 및 이에 따른 변형을 방지할 수 있다. 또한, 상기 기공 유지용 고분자(42)는 이후 연료전지의 구동시 공급되는 연료에 의해 용해되게 된다. 이에 따라 연료전지의 구동시에는 전극 기재(40, 40')가 가지고 있던 기공을 원형대로 제공할 수 있어 가압조건에서도 전극 기재(40, 40')내 기공을 확보할 수 있고, 결과 전극 기재를 통한 물질 이동을 보다 원활하게 할 수 있다. 메탄올, 에탄올 연료전지나 물이 발생될 수 있는 수소 연료 전지 등에 적용시 보다 우수한 효과를 나타낼 수 있다.
뿐만 아니라 상기 기공 유지용 고분자(42)는 접착력을 갖기 때문에 막-전극 어셈블리 제조시 전극 기재(40, 40')와 촉매층(30, 30')간의 접착력을 향상시킬 수 있다.
상기 전극 기재(40, 40')에는 촉매층(30, 30')이 위치한다.
상기 촉매층(30, 30')은 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 것으로, 촉매를 포함한다.
상기 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 사용할 수 있다. 구체적인 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, Pt/Ru/Sn/W, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
또한 이러한 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노와이어, 카본나노볼, 또는 활성탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 또는 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.
상기 촉매층(30, 30')은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있고, 보다 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 및 이들이 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 고분자와 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산, 소르비톨(Sorbitol), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리(151)는 전극 기재(40, 40')에서의 반응물의 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer: 미도시)이 더욱 형성될 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) 등을 포함할 수 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 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, 디메틸술폭사이드, 또는 N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드 등을 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 구조를 갖는 전극(20, 20')을 포함하는 막-전극 어셈블리(151)는 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(50)을 포함한다.
고분자 전해질 막(50)은 애노드 전극(20')의 촉매층(30')에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(20)의 촉매층(30)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하는 것이다. 따라서 상기 고분자 전해질 막(50)으로는 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용하는 것이 바람직하다.
그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.
구체적으로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 및 이들이 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같은 구조를 갖는 막-전극 어셈블리는 기공을 갖는 전극 기재를 준비하는 단계; 상기 전극 기재내 포함된 기공을 기공 유지용 고분자로 충진하는 단계; 상기 기공 유지용 고분자로 충진된 기공을 포함하는 전극 기재 위에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질 막과 접합하거나 또는 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 상기 전극 기재와 접합하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
이하 보다 상세히 설명하면, 먼저 기공을 갖는 전극 기재를 준비한다.
상기 전극 기재는 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 전극 기재는 또한 기공 유지용 고분자로의 충진에 앞서 반응 부산물인 물의 배출을 용이하게 할 수 있도록 불소 계열 수지로 통상의 방법에 따라 발수 처리될 수도 있다.
다음으로 전극 기재내 포함된 기공을 기공 유지용 고분자로 충진한다.
보다 상세하게는 20 내지 70중량%의 농도, 보다 바람직하게는 30 내지 50중량%의 농도로 기공 유지용 고분자를 포함하는 조성물을 전극 기재내 기공을 충진한다. 이때 상기 조성물은 기공 유지용 고분자를 포함하는 수용액일수도 있고, 유기용액일 수도 있다.
또한 상기 조성물중 기공 유지용 고분자의 농도가 20중량% 미만이면 전극 기재내 기공 유지용 고분자의 충진량이 작아 빈 공간을 형성하게 될 우려가 있어 바람직하지 않고, 또한 농도가 70중량%를 초과하면 기공 유지용 고분자 용액의 점도가 높아 전극 기재내 기공에 침투하지 못하여 기공을 충진시키기 어렵게 되어 바람직하지 않다. 기공 유지용 고분자는 앞서 설명한 바와 동일하다. 용매로는 극성을 나타내는 유기 용매가 바람직하며, 구체적으로는 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매, 디메틸아세트아미드등의 아미드계 용매, 디메틸설폭사이드 등의 설폭사이드계 용매 또는 N-메틸피롤리돈 등 극성의 용매가 사용될 수 있다.
상기 기공 유지용 고분자를 충진하는 단계는 침지법, 가압침지법, 감압침지법, 스프레이법, 닥터 블레이드법, 실크스크린법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 전극 기재내 기공을 진공화한 후 전극 기재를 기공 유지용 고분자 용액에 침전시키는 감압 침지법, 또는 전극 기재를 기공 유지용 고분자 용액에 침전시킨 후 고압을 가하는 가압 침지법을 이용할 수 있다.
이후 선택적으로 기공 유지용 고분자에 의해 충진된 기공을 포함하는 전극 기재에 대하여 미세 기공층을 형성할 수도 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 형성할 수 있다.
다음으로 상기 기공 유지용 고분자로 충진된 기공을 포함하는 전극 기재위에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질 막과 접합하거나, 또는 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 상기 전극 기재와 접합하여 막-전극 어셈블리를 제조한다.
상기 촉매층 형성은 직접 도포 또는 전사 코팅법에 의해 실시될 수 있다.
직접 도포법에 의해 촉매층을 형성할 경우, 촉매층 형성용 조성물을 전극 기재 또는 고분자 전해질 막에 직접 도포한 후 건조하여 형성할 수 있다. 이때 상기 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯다이(slot die)법으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이 에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 스크린 프린팅 법을 사용할 수 있다.
전사 코팅법에 의해 촉매층을 형성할 경우, 촉매층 형성용 조성물을 이형 필름에 도포하고 건조하여 촉매층을 형성하고 이를 열간 압연에 의해 전극 기재 또는 고분자 전해질 막으로 전사함으로써 촉매층을 형성할 수 있다.
상기 이형 필름으로는 200㎛ 내외의 두께를 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA) 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(Ethylene/Tetrafluoroethylene(ETFE)) 등의 불소계 수지 필름, 또는 폴리이미드(Kapton® DuPont 사제), 폴리에스테르(Mylar® DuPont 사제)등의 비불소계 고분자 필름을 사용할 수 있으며, 상기 이형 필름에 대한 촉매층 형성용 조성물의 도포 공정은 앞서 설명한 바와 같다.
전사 공정은 이형 필름에 형성된 촉매층을 고분자 전해질 막상에 위치시킨 후 열간 압연하여 전사시킨다. 열간 압연시 온도는 100 내지 250℃, 보다 바람직하게는 100 내지 200℃인 것이 바람직하다. 또한, 열간 압연시 압력은 300 내지 2000psi, 보다 바람직하게는 300 내지 1500psi인 것이 바람직하다. 상기 온도 및 압력범위 내에서는 촉매층의 전사가 원활하여 바람직하고, 상기 범위를 벗어나면 촉매층의 전사가 완전하지 않거나 촉매층이 지나치게 밀집된 구조를 가지므로 반응물의 유입 및 제거에 바람직하지 않다.
상기 고분자 전해질 막 및 촉매층은 앞서 설명한 바와 동일하며, 고분자 전 해질 막에 전극 기재를 결착하는 방법은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기와 같이 하여 제조된 막-전극 어셈블리는 전극 기재내 기공이 기공 유지용 고분자로 충진되어 있어, 제조시 가압에 의한 전극 기재의 눌림 및 변형을 방지하고, 이후 연료전지 구동시에는 연료에 의해 기공 유지용 고분자가 용해 됨으로써 전극 기재가 가진 본래의 기공을 제공할 수 있으므로 물질 이동을 용이하게 하여 연료 전지의 연료전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 연료전지 시스템은 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리를 포함하고, 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 포함하며, 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함한다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않고, 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(150)를 갖는 스택(105)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(101)와, 산화제를 상기 전기 발생부(150)로 공급하는 산화제 공급부(103)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(101)는 연료를 저장하는 연료 탱크(110)를 구비하며, 선택적으로, 상기 연료 탱크(110)에 연결 설치되는 연료 펌프(120)를 더 구비할 수도 있다. 상기한 연료 펌프(120)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(110)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 스택(105)의 전기 발생부(150)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(103)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(130)를 구비할 수 있다.
상기 전기 발생부(150)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(151)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(152,153)로 구성된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
전극 기재로서 200 ㎛의 두께와 80 부피%의 기공도를 가지며, 평균 기공 직경 1 ㎛의 기공이 형성된 탄소 페이퍼(도레이사제)를 준비하고, 상기 탄소 페이퍼 전극 기재를 40중량%의 폴리아크릴산 용액에 침지한 후 다시 꺼내어 건조시킴으로써 전극 기재의 기공 내부에 수 평균 분자량 300000을 갖는 폴리아크릴산을 채워넣었다. 기공에 균일하게 폴리아크릴산이 채워지도록 상기 과정을 수회 반복하였다. 이때 전극기재의 기공내 충진된 폴리아크릴산은 전극기재의 기공 총부피에 대하여 20부피%이었다.
상업용 NAFION 115막(분자량: 50~80만, 두께: 125㎛)을 각각 90℃의 3% 과산화수소, 0.5M 황산 수용액에서 2시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 H+형 NAFION 115막을 고분자 전해질 막으로 준비하였다.
Pt 블랙 (Hispec®1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec®6000, Johnson Matthey사제) 촉매 3.0g에 10wt% 나피온(NAFION®, Dupont사제) 수계 분산액 4.5g을 적하한 후 기계적으로 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.
상기 촉매층 형성용 조성물을 스크린 인쇄법으로 상기 고분자 전해질 막의 일면에 직접 코팅하였다. 이때 촉매층 형성 면적은 5 X 5 cm2이며 촉매 로딩량은 각각 3 mg/cm2 이다. 고분자 전해질 막의 나머지 일면에 대해서도 동일하게 실시하여 고분자 전해질막 양면에 대하여 애노드 전극과 캐소드 전극 촉매층을 각각 형성하였다.
이후 촉매층이 형성된 고분자 전해질막의 양면에 상기 폴리아크릴산으로 충진된 기공을 포함하는 전극 기재를 물리적으로 접착하고, 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.
[실시예 2]
전극 기재로서 50 부피%의 기공도를 갖는 탄소 천을 사용하고, 기공 유지용 고분자로서 수평균분자량 1000의 폴리비닐알코올을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다. 이때 전극기재의 기공내 충진된 폴리비닐알코올은 전극기재의 기공 총 부피에 대하여 40부피%이었다.
[실시예 3]
전극 기재로서 90 부피%의 기공도를 갖는 탄소 페이퍼를 사용하고, 기공 유지용 고분자로서 수평균분자량 500000의 폴리에틸렌글리콜을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다. 이때 전극기재의 기공내 충진된 폴리에틸렌글리콜은 전극기재의 기공 총 부피에 대하여 5부 피%이었다.
[실시예 4]
전극 기재로서 70 부피%의 기공도를 갖는 탄소 펠트를 사용하고, 기공 유지용 고분자로서 수평균분자량 300000의 폴리히드록시부티레이트를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다. 이때 전극기재의 기공내 충진된 폴리히드록시부티레이트는 전극기재의 기공 총 부피에 대하여 25부피%이었다.
[실시예 5]
전극 기재로서 200 ㎛의 두께와 80 부피%의 기공도를 가지며, 평균 기공 직경 1 ㎛의 기공이 형성된 탄소 페이퍼(도레이사제)를 준비하고, 상기 탄소 페이퍼 전극 기재를 40중량%의 폴리아크릴산 용액에 침지한 후 다시 꺼내어 건조시킴으로써 전극 기재의 기공 내부에 수 평균 분자량 300000을 갖는 폴리아크릴산을 채워넣었다. 기공에 균일하게 폴리아크릴산이 채워지도록 상기 과정을 수회 반복하였다. 이때 전극기재의 기공내 충진된 폴리아크릴산은 전극기재의 기공 총부피에 대하여 30부피%이었다.
이소프로필알코올 100ml중에 카본 블랙 5g, 및 폴리테트라플루오로에틸렌 2g을 혼합하여 제조한 미세기공층 형성용 조성물을 상기 기공충진된 전극기재위에 스크린 프린팅한 후 350℃에서 30분간 소결하여 미세기공층을 형성하였다.
상업용 NAFION 115막(분자량: 50~80만, 두께: 125㎛)을 각각 90℃의 3% 과산화수소, 0.5M 황산 수용액에서 2시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 H+형 NAFION 115막을 고분자 전해질 막으로 준비하였다.
Pt 블랙 (Hispec®1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec®6000, Johnson Matthey사제) 촉매 3.0g에 10wt% 나피온(NAFION®, Dupont사제) 수계 분산액 4.5g을 적하한 후 기계적으로 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.
상기 촉매층 형성용 조성물을 스크린 인쇄법으로 상기 고분자 전해질 막의 일면에 직접 코팅하였다. 이때 촉매층 형성 면적은 5 X 5 cm2이며 촉매 로딩량은 각각 3 mg/cm2 이다. 고분자 전해질 막의 나머지 일면에 대해서도 동일하게 실시하여 고분자 전해질막 양면에 대하여 애노드 전극과 캐소드 전극 촉매층을 각각 형성하였다.
이후 촉매층이 형성된 고분자 전해질막의 양면에 상기 폴리아크릴산으로 충진된 기공을 포함하는 전극 기재를 물리적으로 접착하고, 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.
[비교예 1]
폴리아크릴산의 충진없이 상기 실시예 1의 전극 기재를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 단전지에 대하여 수소/공기 및 1M 메 탄올/공기하에서 전지 성능을 측정하고 전극 기재의 성능을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
평가항목 실시예 1 비교예 1
60℃, 200mA/cm2에서의 운전전압(V) 0.46 0.41
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 기재를 포함하는 실시예 1의 단전지는 동일한 운전조건 (1M 메탄올/공기(5ccpm/50ccpm), 200mA/cm2 at 60℃)에서 비교예 1의 단전지에 비해 높은 구동전압을 나타내어 우수한 출력밀도를 나타내는 것으로 확인되었다.
또한 상기 실시예 1 및 비교예 1의 단전지에 대하여 수소/공기(상대습도 100/75%) 조건에서 80℃ 운전시 기체투과도를 측정하였다.
평가항목 실시예 1 비교예 1
기체 투과도 (cm3/cm2sec) 0.46 0.41
측정 결과, 실시예 1에서의 전극 기재는 비교예 1의 전극 기재에 비하여 높은 기체 투과도를 나타내었다. 이로부터 실시예 1의 전극기재가 비교예 1의 전극 기재에 비해 기체반응물의 확산 저항(diffusion resistance)이 낮아 높은 거얼리 수(Gurley Number)를 나타내는 동시에 연료전지 구동시 물질 이동(mass transport)에 의해 발생하는 한계 전류가 높아 우수한 전지특성을 나타낼 것임을 예상할 수 있었다.
상기 실시예 2 내지 5의 단전지에 대해서도 상기와 동일한 방법으로 실시하여 기체 투과도를 측정하였다.
결과, 실시예 1에서와 동등한 수준의 기체 투과도를 나타내었다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리는, 제조시 가압 공정에 따른 전극 기재의 변형 및 눌림의 우려가 없고, 이에 따라 전극 기재내 기공을 통한 물질 이동을 용이하게 할 수 있어 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (22)

  1. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극중 적어도 하나는
    기공을 포함하는 전극 기재; 및
    상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함하며,
    상기 전극 기재내 기공은 기공 유지용 고분자에 의해 충진된 것인
    연료전지용 막-전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기공 유지용 고분자는 폴리(메타)아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리알킬렌글리콜, 지방족 폴리에스테르, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기공 유지용 고분자는 1000 내지 500000의 수평균 분자량을 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기공 유지용 고분자는 전극 기재의 기공 총 부피에 대하여 5 내지 40부피%로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극 기재는 탄소 페이퍼, 탄소 천, 탄소 펠트, 금속 천 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극 기재는 전극 기재 총 부피에 대하여 50 내지 90부피%의 기공도를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 막-전극 어셈블리는 전극 기재와 촉매층 사이에 미세 기공층을 더 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 미세기공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼, 카본 나노 링, 카본 에어로겔, 카본 크레로겔, 플러렌 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 에서 선택된 도전성 분말을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  9. 기공을 갖는 전극 기재를 준비하는 단계;
    상기 전극 기재내 포함된 기공을 기공 유지용 고분자로 충진하는 단계;
    상기 기공 유지용 고분자로 충진된 기공을 포함하는 전극 기재위에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질 막과 접합하거나, 또는 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 상기 전극 기재와 접합하는 단계
    를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극 기재는 전극 기재 총 부피에 대하여 50 내지 90부피%의 기공도를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기공 유지용 고분자는 폴리(메타)아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리알킬렌글리콜, 지방족 폴리에스테르, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 기공 유지용 고분자는 1000 내지 500000의 수평균 분자량을 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 충진 단계는 침지법, 가압침지법, 감압침지법, 스프레이법, 닥터 블레이드법, 실크스크린법 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 실시되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  14. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하며,
    상기 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극중 적어도 하나는 기공을 포함하는 전극 기재; 및 상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함하며,
    상기 전극 기재내 기공은 기공 유지용 고분자에 의해 충진된 것인 연료 전지 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기공 유지용 고분자는 폴리(메타)아크릴산, 폴리비닐알코올, 폴리알킬 렌글리콜, 지방족 폴리에스테르, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 기공 유지용 고분자는 1000 내지 500000의 수평균 분자량을 갖는 것인 연료 전지 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 기공 유지용 고분자는 전극 기재의 기공 총 부피에 대하여 5 내지 40부피%로 포함되는 것인 연료 전지 시스템.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 기공 유지용 고분자는 연료 전지의 작동시 공급되는 연료에 용해되어 제거되는 것인 연료 전지 시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 전극 기재는 탄소 페이퍼, 탄소 천, 탄소 펠트, 금속 천 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 전극 기재는 전극 기재 총 부피에 대하여 50 내지 90부피%의 기공도를 갖는 것인 연료 전지 시스템.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 막-전극 어셈블리는 전극 기재와 촉매층 사이에 미세 기공층을 더 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 미세기공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼, 카본 나노 링, 카본 에어로겔, 카본 크레로겔, 플러렌 및 이들의 혼합물으로 이루어진 군에서 선택된 도전성 분말을 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
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