KR100578977B1 - 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용전극의 제조방법 - Google Patents

연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용전극의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극기재, 및 상기 전극기재의 표면에 형성된 나노카본층과 상기 나노카본층에 증착 코팅된 촉매를 포함하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지용 전극은 촉매의 표면적이 커서, 적은 양의 촉매를 사용하면서도, 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
연료전지, 촉매, 표면적, 나노카본, 전극, 막-전극 접합체

Description

연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법{ELECTRODE FOR FUEL CELL, FUEL CELL COMPRISING THE SAME, AND METHOD FOR PREPARING THE ELECTRODE}
도 1a는 촉매를 증착시키기 전의 전극기재를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 1b는 촉매를 증착시킨 본 발명의 연료전지용 전극의 모식적 단면도.
도 2는 본 발명의 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지를 모식적으로 나타낸 분해 사시도.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 연료전지의 전압 및 전류 발생 효율을 나타낸 그래프.
[산업상 이용분야]
본 발명은 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 넓은 표면적을 갖는 촉매층이 형성된 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
[종래기술]
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.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키고 그 수소 기체를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하 고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 분리판(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate))으로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 접합체는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가진다.
상기 분리판은 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 통로의 역할과 각 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원반응이 일어나며 이 때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극은 통상적으로 백금(Pt) 촉매를 포함한다. 그러나, 상기 백금은 고가의 귀금속이므로 다량 사용할 수 없는 문제가 있으 며, 종래에는 백금의 사용량을 줄이기 위해서 백금을 탄소에 담지시킨 것을 주로 사용하였다.
그러나, 탄소에 담지된 백금 촉매를 사용하는 경우에는 촉매층의 두께가 두꺼워지고, 백금의 저장량에 한계가 있으며, 촉매층과 전해질막의 접촉상태가 좋지 못하여 연료전지의 성능을 떨어뜨리는 문제가 있다.
따라서, 막-전극 접합체의 촉매층 내에 포함되는 촉매의 함량을 줄이면서도 우수한 전지 성능을 나타낼 수 있는 막-전극 접합체의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 촉매의 표면적이 넓은 연료전지용 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 전극기재, 및 상기 전극기재의 표면에 형성된 나노카본층과 상기 나노카본층에 증착 코팅된 촉매를 포함하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.
본 발명은 또한, 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막의 양면에 배치되는 상기 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체, 및 상기 막-전극 접합체의 양면에 배치되는 분리판(bipolar plate)을 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명은 또한, 전극기재의 표면에 나노카본을 습식코팅하여 나노카본층을 형성시키는 단계; 및 상기 나노카본층에 촉매를 증착 코팅하여 촉매층을 형성시키는 단계를 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
연료전지의 막-전극 접합체용 금속 촉매로는 대부분 고가의 귀금속이 사용되고 있으며, 그 중에서도 백금이 가장 널리 사용되고 있다. 따라서, 상기 촉매의 사용량을 줄이면서, 연료전지의 성능을 유지시키는 것이 가장 큰 과제라고 할 수 있다.
상기 촉매의 사용량을 줄일 수 있는 방법으로는 촉매를 기재에 증착시켜 촉매층을 형성시키는 증착법이 있다. 그러나, 촉매가 증착되는 기재의 표면적에 따라 촉매층의 표면적이 결정되며, 촉매층의 표면적이 낮은 경우에는 연료전지의 출력 특성이 낮아지게 된다. 따라서, 촉매가 증착되는 기재의 표면적을 넓히는 것이 중요하다.
본 발명의 연료전지용 전극은 전극기재의 표면적을 극대화시킨 후, 촉매를 증착시킨 것으로서, 촉매층의 두께가 얇고 표면적이 넓은 특징을 갖는다.
도 1a는 표면적을 극대화시킨 전극기재를 모식적으로 나타낸 단면도이며, 도 1b는 상기 전극기재의 표면에 촉매를 증착시킨 본 발명의 연료전지용 전극의 모식적 단면도이다.
도 1a 및 1b를 참고하면, 본 발명의 연료전지용 전극(100)은 전극기재(101), 상기 전극기재(101)의 표면에 형성된 나노카본층(102)과 상기 나노카본층에 증착 코팅된 촉매(103)를 포함하는 촉매층(105)을 포함한다.
상기 전극기재(101)는 전극(100)을 지지하는 지지체의 역할을 함과 동시에, 연료 및 산소기체를 촉매(105)에 전달해주는 통로역할을 하는 것으로서, 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다. 상기 탄소지 또는 탄소천으로 이루어진 전극기재를 통상 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)이라 부른다.
또한, 상기 전극기재(101)는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층과, 미세기공층(micro porous layer:MPL)을 포함할 수도 있다. 상기 미세기공층은 기체확산층을 통하여 전달되는 연료 및 산소 기체를 골고루 퍼지도록 하여 촉매와 기체의 접촉을 돕는 역할을 하는 것으로서, 미세기공이 형성된 탄소층인 것이 바람직하며, 흑연, 플러렌(C60), 활성탄소, 또는 카본블랙 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 더 바람직하다.
상기 전극기재의 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)은 10 내지 1000 ㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하며, 상기 미세기공층은 1 내지 100 ㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 상기 기체확산층의 두께가 10 ㎛ 미만인 경우에는 지지체의 역할을 할 수 없게 되며, 1000 ㎛를 초과하는 경우에는 연료 및 산소기체의 공급이 원활하지 못하게 된다. 또한, 상기 미세기공층의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 연료 및 기체 확산의 균일한 확산 및 촉매층과의 균일한 접촉이 어려우며, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 연료 및 산소기체의 공급이 원활하지 못하게 된다.
상기 전극 기재에 형성된 나노카본층은 0.05 내지 10 ㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 나노카본층의 두께가 0.05 ㎛ 미만인 경우에는 표면적 증가의 효과가 미미하며, 10 ㎛를 초과하는 경우에는 더 이상의 표면적 증가 효과를 얻을 수 없고, 전극을 두껍게 하므로 바람직하지 못하다.
상기 나노카본층에 포함되는 나노카본은 카본나노튜브(CNT), 카본나노파이버(carbon nano fiber), 카본나노와이어(carbon nano wire), 카본나노혼(carbon nano horn), 또는 카본나노링(carbon nano ring) 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 나노카본은 1 내지 500 nm의 직경을 가지는 것이 바람직하며, 또한, 50 내지 5000 nm의 길이를 가지는 것이 바람직하다. 상기 나노카본의 직경은 작을수록 좋으나, 직경이 1 nm 미만인 나노카본은 제조상의 어려움이 있으며, 직경이 500 nm를 초과하는 경우에는 표면적 증가의 효과가 적다. 또한, 상기 나노카본의 길이가 50 nm 미만인 경우에는 나노카본의 치밀한 배열로 인해 기공도가 감소하게 되어 연료의 공급이 어려우며, 500 nm를 초과하는 경우에는 슬러리제조시 나노카본의 분산이 어려운 문제가 발생한다.
상기 촉매층에 포함되는 촉매의 함량은 단위면적당 0.001 내지 0.5 mg/cm2인 것이 바람직하며, 0.01 내지 0.05 mg/cm2인 것이 더 바람직하다. 상기 촉매층에 포함되는 촉매의 함량이 0.001 mg/cm2 미만인 경우에는 연료전지의 효율이 충분하지 못하며, 0.5 mg/cm2를 초과하는 경우에는 촉매의 활용도가 떨어질 수 있다.
또한, 상기 촉매층에 포함되는 촉매의 단위무게당 비표면적은 10 내지 500 m2/g인 것이 바람직하다. 연료전지의 산화/화원반응은 촉매의 표면에서 일어나는 것이므로, 단위무게당 비표면적이 클수록 연료전지의 효율이 우수하다. 따라서, 촉매의 단위무게당 비표면적이 10 m2/g미만인 경우에는 연료전지의 효율이 떨어지며, 500 m2/g를 초과하는 경우에는 제조상의 어려움이 따른다.
상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 더 바람직하다.
상기 연료전지용 전극은 고분자 전해질막의 양 면에 배치되어 막-전극 접합체를 형성한다.
도 2는 본 발명의 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체(10)는 고분자 전해질막(110) 및 상기 고분자 전해질막(110)의 양면에 각각 배치되는 상기 연료전지용 전극(100, 100')을 포함한다. 상기 연료전지용 전 극은 전극기재(101,101') 및 촉매층(105, 105')을 포함한다.
상기 막-전극 접합체(10)에서, 고분자 전해질막(110)의 일면에 배치되는 전극(100)을 애노드 전극(또는 캐소드 전극)이라 하고, 다른 일면에 배치되는 전극(100')을 캐소드 전극(또는 애노드 전극)이라 한다. 애노드 전극은 연료로부터 수소이온과 전자를 분리시키는 산화반응을 일으키고, 고분자 전해질막은 상기 애노드 전극에서 발생한 수소이온을 캐소드 전극으로 이동시키며, 캐소드 전극은 상기 고분자 전해질막을 통해 공급받은 수소이온과 외부로부터 공급된 산소기체로부터 물을 생성시키는 환원반응을 일으킨다.
따라서, 상기 고분자 전해질막(110)은 수소이온 전도성이 우수한 고분자를 포함하며, 바람직하게는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 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 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다.
상기 막-전극 접합체는 촉매의 표면적이 넓어 우수한 성능을 나타낼 수 있 다.
도 3은 본 발명의 연료전지를 모식적으로 나타낸 분해 사시도이다. 도 3을 참고하면, 본 발명의 연료전지(1)는 상기 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체(10) 및 상기 막-전극 접합체의 양면에 배치되는 분리판(bipolar plate)(20)을 포함한다.
본 발명의 연료전지용 전극의 제조방법은 전극기재의 표면에 나노카본을 습식코팅하여 나노카본층을 형성시키는 단계; 및 상기 나노카본층에 촉매를 증착 코팅하여 촉매층을 형성시키는 단계를 포함한다.
상기 전극기재는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)을 사용할 수 있으며, 필요에 따라서, 상기 기체확산층의 표면에 형성되는 미세기공층(micro porous layer:MPL)을 더 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)은 10 내지 1000 ㎛의 두께를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 미세기공층은 1 내지 100 ㎛의 두께를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 미세기공층은 상기 미세기공층은 미세기공이 형성된 탄소층인 것이 바람직하며, 흑연, 플러렌(C60), 활성탄소, 또는 카본블랙 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 더 바람직하다.
상기 전극기재의 표면에는 습식코팅방법을 이용하여 나노카본층을 도포하며, 나노카본층이 도포된 전극기재의 단면은 도 1a과 유사하다. 상기 습식코팅방법의 예로는 나노카본을 유기용매 및 바인더와 혼합하여 기재에 도포하는 슬러리법, 스크린프린팅법, 닥터블레이드법 또는 스프레이코팅법 등이 있다. 그러나, 본 발명의 나노카본층의 형성 방법이 상기 방법으로만 한정되는 것은 아니다.
상기 습식코팅방법은 통상적으로 잘 알려진 기술이므로, 본 발명에서는 상세한 설명을 생략한다. 다만, 상기 바인더로는 수소이온 전도성 고분자를 사용하는 것이 바람직하며, 더 바람직한 수소이온 전도성 고분자의 예는 상기 고분자 전해질막에 사용된 수소이온 전도성 고분자의 예와 동일하다. 또한, 상기 수소이온 전도성 고분자 이외에도 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 폴리스티렌-부타디엔 공중합체 또는 셀룰로오스 등의 통상적인 바인더가 사용될 수 있다. 다만, 본 발명의 습식코팅방법에 사용되는 바인더의 종류가 상기 예에만 한정되는 것은 아니다.
습식코팅방법에 사용되는 용매는 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 물, 메탄올 에탄올 이소프로필알코올 등의 알코올류, 타피네올등 방향족 알코올류, 에테르류, 케톤류, 벤젠류, 아미드류 또는 에스테르류 등의 용매를 사용할 수 있다.
상기 나노카본층은 0.05 내지 10 ㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 나노카본층에 포함되는 나노카본은 카본나노튜브(CNT), 카본나노파이버(carbon nano fiber), 카본나노와이어(carbon nano wire), 카본나노혼(carbon nano horn), 또는 카본나노링(carbon nano ring) 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 나노카본은 1 내지 500 nm의 직경을 가지는 것이 바람직하며, 또한, 50 내지 5000 nm의 길이를 가지는 것이 바람직하다.
상기 방법으로 제조된 전극기재의 나노카본층에 촉매를 증착하여 코팅함으로써 촉매층을 형성시킨다. 상기 촉매층에 포함되는 촉매의 함량은 단위면적당 0.001 내지 0.5 mg/cm2인 것이 바람직하며, 0.01 내지 0.05 mg/cm2인 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 촉매층에 포함되는 촉매의 단위무게당 비표면적은 10 내지 500 m2/g이 되도록 하는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 촉매층은 통상적인 증착법을 이용하여 형성시킬 수 있으며, 바람직하게는 스퍼터링(sputtering)법, 물리적 기상 증착(PVD)법, 열화학증착법(Thermal CVD), 플라즈마강화 화학증착법(Plasma Enhanced CVD; PECVD), 열증발법, 전기화학증착법(electrochemical depostion) 또는 전자선(e-beam)증발법 등에서 선택되는 증착법을 사용할 수 있다. 다만, 증착방법이 상기 방법으로 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 상기 방법 중에서 2가지 이상을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.
상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 더 바람직하다.
상기 방법으로 제조되는 연료전지용 전극을 고분자 전해질의 양면에 배치하여 접합시킴으로써, 막-전극 접합체를 제조할 수 있다.
막-전극 접합체의 제조에 사용되는 고분자 전해질막으로는 수소이온 전도성을 가지는 고분자 전해질막을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 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 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
평균 직경 30 nm, 평균길이 1000 nm인 카본나노튜브(CNT)를 폴리(퍼플루오로 술폰산) 용액(DuPont사의 NafionTM solution)에 혼합하여 카본나노튜브 슬러리를 제조하였다.
두께 280 ㎛인 탄소천(carbon cloth)의 표면에 두께 20 ㎛의 활성탄소층을 형성시킨 전극기재를 준비하고, 상기 전극기재의 활성탄소층 표면에 상기 제조된 카본나노튜브 슬러리를 도포하고, 건조하여 나노카본층을 형성시켰다.
상기 전극기재의 나노카본층 표면에 단위면적당 0.05 mg/cm2의 백금을 스퍼터링 증착하여 연료전지용 전극을 제조하였다.
상기 연료전지용 전극을 폴리(퍼플루오로술폰산)막(DuPont사의 NafionTM)의 양면에 배치하여 접합시킴으로써, 막-전극 접합체를 제조하였다.
상기 제조된 막-전극 접합체의 양면에 분리판을 배치하여 연료전지를 제조하였다.
비교예 1
두께 280 ㎛인 탄소천(carbon cloth)의 표면에 단위면적당 0.05 mg/cm2의 백금을 스퍼터링 증착하여 연료전지용 전극을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
비교예 2
두께 280㎛인 탄소천(carbon cloth)의 표면에 두께 20 ㎛의 활성탄소층을 형성시킨 전극기재의 활성탄소층 표면에 단위면적당 0.05 mg/cm2의 백금을 스퍼터링 증착하여 연료전지용 전극을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
비교예 3
탄소에 담지된 백금 촉매(백금 함량 20 중량%) 3 g과 폴리(퍼플루오로술폰산) 용액(DuPont사의 NafionTM solution) 1 g을 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 상기 제조된 슬러리를 두께 280 ㎛인 탄소천(carbon cloth)과 두께 20 ㎛의 활성탄소층을 포함하는 전극기재의 활성탄소층 표면에 도포하고, 건조하여 연료전지용 전극을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다. 이 때, 촉매층에 포함된 백금 촉매의 함량은 단위면적당 0.4 mg/cm2였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 연료전지에 대하여, 전압 및 전류 발생 효율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 도 4에 도시하였다.
상기 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 연료전지는 비교예 3에 따라 제조된 연료전지에 포함되는 촉매의 양의 1/8만으로도 우수한 성능을 나타내며, 나노탄소층을 포함하지 않고, 촉매를 증착시킨 비교예 1, 2의 연료전지보다 우수한 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.
본 발명의 연료전지용 전극은 촉매의 표면적이 커서, 적은 양의 촉매를 사용하면서도, 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (25)

  1. 전극기재, 및
    상기 전극기재의 표면에 형성된 나노카본층과 상기 나노카본층에 포함되는 나노카본의 표면에 증착 코팅된 촉매를 포함하는 촉매층
    을 포함하는 연료전지용 전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전극기재는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)인 연료전지용 전극.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)은 10 내지 1000 ㎛의 두께를 가지는 것인 연료전지용 전극.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극기재는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층과 상기 기체확산층 위에 형성된 미세기공층(micro porous layer:MPL)을 포함하는 것인 연료전지용 전극.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)은 10 내지 1000 ㎛의 두께를 가지고, 상기 미세기공층은 1 내지 100 ㎛의 두께를 가지는 것인 연료전지용 전극.
  6. 제4항에 있어서, 상기 미세기공층은 흑연, 플러렌(C60), 활성탄소, 및 카본블랙으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 연료전지용 전극.
  7. 제1항에 있어서, 상기 나노카본층은 0.05 내지 10 ㎛의 두께를 가지는 것인 연료전지용 전극.
  8. 제1항에 있어서, 상기 나노카본층은 카본나노튜브(CNT), 카본나노파이버(carbon nano fiber), 카본나노와이어(carbon nano wire), 카본나노혼(carbon nano horn), 및 카본나노링(carbon nano ring)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 나노카본을 포함하는 것인 연료전지용 전극.
  9. 제1항에 있어서, 상기 나노카본은 1 내지 500 nm의 직경을 가지는 것인 연료전지용 전극.
  10. 제1항에 있어서, 상기 나노카본 50 내지 5000 nm의 길이를 가지는 것인 연료전지용 전극.
  11. 제1항에 있어서, 상기 촉매층에 포함되는 촉매의 함량은 단위면적당 0.001 내지 0.5 mg/cm2인 연료전지용 전극.
  12. 제1항에 있어서, 상기 촉매층에 포함되는 촉매의 단위무게당 비표면적은 10 내지 500 m2/g 인 연료전지용 전극.
  13. 제1항에 있어서, 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것인 연료전지용 전극.
  14. 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막의 양면에 배치되는 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체, 및
    상기 막-전극 접합체의 양면에 배치되는 분리판(bipolar plate)
    을 포함하는 연료전지.
  15. 제14항에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군 으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것인 연료전지.
  16. 제14항에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 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)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것인 연료전지.
  17. 전극기재의 표면에 나노카본을 습식코팅하여 나노카본층을 형성시키는 단계; 및
    상기 나노카본층에 촉매를 증착 코팅하여 촉매층을 형성시키는 단계
    를 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전극기재는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)인 연료전지용 전극의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 전극기재는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층과 상기 기체확산층 위에 형성된 미세기공층(micro porous layer:MPL)을 포함하는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 미세기공층은 흑연, 플러렌(C60), 활성탄소, 및 카본블랙으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기 나노카본층은 0.05 내지 10 ㎛의 두께로 형성되는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
  22. 제17항에 있어서, 상기 나노카본층은 카본나노튜브(CNT), 카본나노파이버(carbon nano fiber), 카본나노와이어(carbon nano wire), 카본나노혼(carbon nano horn), 및 카본나노링(carbon nano ring)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 나노카본을 포함하는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
  23. 제17항에 있어서, 상기 촉매층에 포함되는 촉매의 함량은 단위면적당 0.001 내지 0.5 mg/cm2인 연료전지용 전극의 제조방법.
  24. 제17항에 있어서, 상기 촉매층은 스퍼터링(sputtering)법, 물리적 기상 증착(PVD)법, 열화학증착법(Thermal CVD), 플라즈마강화 화학증착법(Plasma Enhanced CVD; PECVD), 열증발법, 전기화학증착법(electrochemical depostion) 및 전자선(e-beam)증발법으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 증착법으로 증착되는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
  25. 제17항에 있어서, 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 촉매를 증착하여 형성시키는 것인 연료전지용 전극의 제조방법.
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