KR100645832B1 - 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체, 그 제조방법 및상기 막전극접합체를 포함하는 연료전지 - Google Patents

고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체, 그 제조방법 및상기 막전극접합체를 포함하는 연료전지 Download PDF

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고려대학교 산학협력단
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Abstract

고분자 전해질형 연료전지가 제공된다.
본 발명에 따른 연료전지는 캐소드 가스확산층, 캐소드 촉매층, 양성자 전도성 고분자막, Pt/C 촉매 100중량부를 기준으로 20 내지 40중량부의 친수성 무기물 나노입자를 포함하는 애노드 촉매층 및 캐소드 가스확산층이 순차적으로 적층되어 있는 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체를 포함하는 것을 특징으로 하며, 저가습 조건하에서 작동이 가능하기 때문에 높은 전류밀도에서도 캐소드측의 과수분 현상을 억제함과 동시에 애노드 촉매층의 건조를 방지함으로써 전체적으로 전지의 성능을 우수하게 유지시킬 수 있다는 장점이 있다.
고분자 전해질형 연료전지, 저가습

Description

고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체, 그 제조방법 및 상기 막전극접합체를 포함하는 연료전지{Membrane Electrode Assembly for ＰＥＭＦＣ, method for preparing the same, and fuel cell using the same}
도 1은 일반적인 수소 이온 교환막 연료전지의 구조를 나타낸다.
도 2는 일반적인 MEA의 내부의 물의 흐름을 도시한 도면이다.
도 3은 실시예 1, 2 및 비교예 1,2에서 제조된 SiO2를 함유 촉매잉크를 알루미늄 호일의 표면에 스프레이 코팅하여 제조된 촉매층에 대한 접촉각 측정 사진이다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조된 막전극접합체에 대하여 애노드 가스확산층으로 공급되는 가스의 상대습도에 따른 0.6V의 작동전압에서의 전류밀도를 측정한 결과 그래프이다.
도 5는 비교예 1, 3 및 4에 의해 제조된 막전극접합체에 대한 전류밀도 대 전압 곡선을 나타낸다.
도 6은 실시예 1, 2 및 비교예 1에 의해 제조된 막전극접합체에 대하여 캐소드 가스확산층으로 공급되는 가스의 상대습도를 변화시키며, 0.6V의 작동전압에서의 전류밀도를 측정한 결과 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11... 수소이온교환막 12... 애노드 촉매층
13... 캐소드 촉매층 14... 애노드 가스확산층
15... 캐소드 가스확산층 16... 카본 플레이트
17... 애노드 플로우채널 18... 캐소드 플로우채널
본 발명은 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저가습운전이 가능한 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
최근, 환경문제, 에너지원의 고갈과 더불어 연료전지 자동차의 실용화와 더불어, 높은 에너지 효율을 가지며 상온에서 작동이 가능하면서도 신뢰성이 있는 고성능 연료전지의 개발이 절실히 요구되어 있다.
연료전지는 연료 가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 새로운 발전시스템으로 이는 고온(500 내지 700℃)에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃ 근방에서 작동하는 인산전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지 및 고분자 전해질형 연료전지 등이 있다.
한편, 상기 고분자 전해질형 연료전지로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수 소 이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC)과 액상의 메탄올을 직접 연료로 애노드에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 등이 있다. 고분자 전해질형 연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 미래의 청정 에너지원으로서, 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높다. 또한, 상온에서 작동가능하고 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주사업용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용가능하다.
PEMFC는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산해내는 전력생성 시스템으로서, 이러한 셀의 기본적인 구조는 도 1에 도시된 바와 같다.
도 1을 참조하면, 연료전지는 애노드와 캐소드사이에 수소이온교환막(11)이 개재되어 있는 구조를 갖고 있다.
상기 수소이온교환막(11)은 두께가 50 내지 200㎛이며 고체 고분자 전해질로 되어 있고, 애노드와 캐소드는 각각 반응기체의 공급을 위한 가스확산층(14), (15)과 반응기체의 산화/환원반응이 일어나는 촉매층(12), (13)으로 되어 있는 가스확산전극(이하, 캐소드와 애노드를 통칭하여 가스 확산 전극"이라고 함)으로 이루어져 있다. 도 1에서 참고번호 (16)은 가스 주입용 홈을 갖고 있는 카본 시트를 나타내며, 이는 집전체 기능도 수행한다.
전술한 바와 같은 구조를 갖는 PEMFC는 반응기체인 수소가 공급되면서 애노드에서는 산화반응이 일어나 수소 분자가 수소 이온과 전자로 전환된다. 이 때 수소 이온은 수소이온교환막(11)을 거쳐 캐소드로 전달된다. 반면, 캐소드에서는 환 원반응이 일어나 산소 분자가 전자를 받아 산소 이온으로 전환되며, 산소 이온은 애노드로부터의 수소 이온과 반응하여 물분자로 전환된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, PEMFC의 가스 확산 전극에서 촉매층(12), (13)은 가스확산층(14), (15) 상부에 각각 형성되어 있다. 이때 가스확산층(14), (15)은 탄소천 또는 탄소종이로 이루어져 있고, 반응기체와 수소이온교환막(11)에 전달되는 물 및 반응 결과 생성된 물이 통과하기 쉽도록 표면처리되어 있다.
한편, PEMFC에서는 애노드와 캐소드 사이에 개재되는 수소이온교환막으로서 양성자 전도성 고분자막을 사용하는데, 이러한 고분자막으로 사용되는 고분자는 이온 전도도가 높으며, 전기 화학적인 안전성과 더불어 전도막으로서의 기계적 물성, 작동 온도에서의 열적안정성, 저항을 줄이기 위한 얇은 막으로서의 제조 가능성 및 액체 함유시 팽창 효과가 적을 것 등의 요건을 충족해야 한다. 현재, 일반적으로 주사슬에 불소화 알킬렌을 가지고 있고, 불소화비닐 에테르 측쇄사슬의 말단에 술폰산기를 가지는 과플루오로설폰산 고분자(perfluorosulfonic acid polymer)막이 사용되고 있다(예: Nafion, Dupont사 제조). 상기 Nafion의 경우 이온전도성을 나타내기 위해서는 물이 필요하기 때문에, 외부 가습기를 통하여 전극에 물을 공급하면서 충분한 가습조건 하에서 작동시키고 있는데 물이 과잉 공급시 'Flooding'현상이 발생하여 전극내부에서 반응가스의 이동을 저해하며 전지성능을 저하시키게 되고, 물 공급이 부족할 경우 Nafion 전해질막의 이온전도도가 감소하여 전지성능이 저하된다. 따라서 전지 내부에서의 효과적인 물관리는 전지성능을 향상시키는데 있어 중요한 인자가 된다.
이처럼 고분자 전해질형 연료전지의 운전성능을 유지하기 위해서는 외부 가습기를 통하여 전극에 물을 공급하면서 충분한 가습조건 하에서 작동하는 것이 일반적이지만, 저가습 또는 무가습 조건에서 작동시킬 수 있는 연료전지를 제조하기 위한 연구가 계속되고 있다. 무가습 조건에서는 외부 가습기가 필요 없기 때문에 연료전지의 전체 부피를 줄일 수 있으며, 촉매 피독을 방지하기 위하여 고온에서 연료전지를 작동하는 경우라도 고압을 유지시킬 필요가 없는 등의 장점이 있다. 또한 저가습 조건에서는 캐소드 측의 과수분 현상을 방지할 수 있는 장점이 있으나, 애노드의 건조를 방지하면서 캐소드의 과수분 현상을 방지하기는 상당히 곤란하다는 문제점이 있었다.
이러한 저가습 또는 무가습 연료전지에 대한 연구들 중, Shanhai Ge 등(S. Ge, X. Li, I. M. Hsing, Electrochim. Acta 50 (2005) 1909)은 캐소드 내부에 물을 흡수할 수 있는 폴리비닐 알콜 스펀지를 이용하여 전지 내부에서 공급가스를 가습하고 발생되는 과잉의 물을 흡수하여 내부적으로 가습이 가능한 시스템을 제안하였다. 이 경우 상기 폴리비닐 알콜은 물과의 친화력이 우수하지만 물에 대한 용해도가 높은 고분자이기 때문에 장기 운전시 전지 내부에 침적될 우려가 있다.
또한, Watanabe 등(M. Watanabe, H. Uchida, Y. Seki, M. Emori, P. Stonehart, J. Electrochem. Soc. 143 (1996) 3847)은 전해질막 내부에 촉매입자를 첨가함으로써 전해질막 내부에서 물이 생성되는 반응을 통하여 물을 공급하는 시스템을 제안하였다. 이러한 방법은 전해질막이 높은 기체 투과도를 가짐으로써 공급 되는 H2와 O2가 전해질막 내부의 촉매입자 표면에서 반응하여 물이 생성되는 원리를 이용한 것이지만 촉매입자의 높은 전기전도도로 인하여 내부단락(short circuit)의 염려가 있다.
또한, Zhigang Qi 등 (Z. Qi, A. Kaufman, J. Power Sources 109 (2002) 469)은 이중관 형태의 유로를 이용하여 전지를 빠져나가는 가스가 가지고 있는 수분을 이용하는 방법을 제시하였는데, 이는 구체적으로 공급가스의 방향과 역방향의 유로를 추가하여 역방향으로 동시에 가스가 공급되는 시스템이다. 그러나 상기 방법은 유로의 복잡성 및 가스공급의 이원화로 인해 장치의 단순화가 어렵고 전극내부의 가스농도의 불균형이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
한편, SiO2 등의 친수성 무기물을 상기 양성자 전도성 고분자 막에 혼합한 복합 고분자막을 사용함으로써 수분 함습량을 증가시켜 과수분 (Water flooding) 현상을 억제하려는 시도가 행해졌으나, 상기 복합 고분자막 내에 상기 무기물의 분산도를 균일하게 조절하기가 곤란하고 제조공정이 복잡할 뿐만 아니라, 상기 양성자 전도성 고분자막의 함습량이 증가함에 따라 부피 및 길이 팽창율이 과도하게 되어 양성자 전도성 고분자막과 전극 계면간의 계면저항이 증가하고 내구성이 떨어진다는 문제점이 있었다. 또한, 이러한 구성만으로 저가습 또는 무가습 연료전지를 구현할 수는 없다는 것도 문제점으로 작용하였다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 저가습 운전시 전 극내부의 물관리 능력을 향상시킴으로써 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 막전극접합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 상기 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체를 채용한 연료전지를 제공하는 것이다.
상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은
캐소드 가스확산층, 캐소드 촉매층, 양성자 전도성 고분자막, Pt/C 촉매 100중량부를 기준으로 20 내지 40중량부의 친수성 무기물 나노입자를 포함하는 애노드 촉매층 및 애노드 가스확산층이 순차적으로 적층되어 있는 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 친수성 무기물 나노입자는 SiO2 일 수 있다.
또한, 상기 애노드 가스확산층으로 공급되는 가스의 상대습도는 0 내지 100중량%일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 상기 애노드 가스확산층으로 공급되는 가스는 가습하지 않는 것일 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,
(a) 친수성 무기물 나노입자를 이소프로필 알콜에 혼합한 후, 초음파를 이용하여 분산시키는 단계;
(b) 상기 친수성 무기물 나노입자 분산액에 Pt/C, 양성자 전도성 고분자를 혼합하여 촉매잉크를 제조하는 단계: 및
(c) 상기 촉매잉크를 양성자 전도성 전해질막 상에 도포하는 단계를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 촉매잉크 내의 Pt/C, 친수성 무기물 나노입자 및 양성자 전도성 고분자의 중량비는 1:0.2∼0.4:0.4∼0.6일 수 있다.
본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 상기 막전극접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 의한 막전극접합체는 애노드 촉매층에 친수성 무기물 나노입자를 혼입함으로써 외부가습에 의해 공급되는 물을 효과적으로 담지하여 낮은 가습량으로도 전극의 촉매층 및 전해질막이 건조하게 되는 것을 방지하며, 캐소드에서 생성된 물을 애노드에서 쉽게 흡수할 수 있도록 함으로써 캐소드 측의 과수분 현상을 방지하고 전지의 효율을 우수하게 유지시킬 수 있다는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 사용되는 친수성 무기물 나노입자는 친수성 무기물로서 물을 함습하는 능력이 우수한 물질인 한 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 SiO2 나노입자 또는 지르코늄 포스페이트 나노입자일 수 있다. 상기 나노입자의 크기 역시 특별히 제한되지 않으며 예컨대 10nm 정도의 평균 입자 직경을 가지는 것을 사용할 수 있다. 상기 친수성 무기물 나노입자의 사용량은 Pt/C 촉매 100중량부를 기준으로 20 내지 40중량부인 것이 바람직한데, 20중량부 미만으로 사용하는 때에는 첨가효과가 미약하고, 40중량부를 초과하는 때에는 촉매층의 이온전도성 또는 전기전도성이 열화될 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명에서는 상기 친수성 무기물 나노입자를 애노드 촉매층에만 사용하는 것을 특징으로 하는데, 후술하는 시험예 3에서 알 수 있는 바와 같이, 캐소드 촉매층에 상기 친수성 무기물 나노입자를 사용하는 경우에는 오히려 과수분 현상이 증가하게 되어 전지의 성능이 열화되기 때문이다.
종래에, 전도성 고분자막에 SiO2 등의 무기입자를 혼입하여 제조된 MEA의 경우에는 전도성 고분자막의 함습량을 증가시킴으로써 과수분 현상을 방지할 수는 있지만, 애노드 촉매층의 건조를 방지하기는 어려우며 수소이온은 애노드 촉매층으로부터 출발하여 고분자막을 통과하여 캐소드로 이동하게 되는데, 애노드 촉매층이 건조되면 애노드 촉매층의 이온전도도가 급격히 저하되어 수소이온의 이동을 제한하게 된다는 문제점이 있다. 한편, 이미 언급한 바와 같이, 무기 입자가 혼입된 양성자 전도성 고분자막의 경우, 팽창율이 과다하여, 전극의 성능 및 내구성이 열화될 염려가 있음에 반하여, 본 발명에 따른 MEA는 양성자 전도성 고분자막에 친수성 무기물 나노입자를 혼입하는 것이 아니므로 부피팽창에 의한 문제가 전혀 없으며, 애노드에 가습을 하지 않는 경우라도 캐소드 촉매층에서 발생하는 물의 역확산 (back diffusion)에 의해 애노드 촉매층의 건조를 방지할 수 있으므로 저가습 조건하에서도 전지의 성능을 우수하게 유지할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 MEA는 저가습 운전에 적합한데, 캐소드 가스확산층으로 공급되는 가스의 상대습도는 60 내지 100%일 수 있으며, 상대습도가 60%로서 저가습 조건인 경우에도 우수한 성능을 보유할 수 있다. 캐소드 가스확산층으로 공급되는 가스의 상대습도가 100%인 경우에는 과수분 현상이 발생하여 전지의 성능이 열화될 우려가 있기 때문에, 상기 상대습도를 약 80%로 조절하는 것이 바람직한데, 캐소드 가스확산층으로 공급되는 가스의 상대습도가 60 내지 80%로서 적절한 가습상태인 경우라도 고 전류밀도에서는 애노드 촉매층이 건조되 버릴 우려가 있다. 그 이유는 애노드로부터 캐소드로 양성자가 전도될 때에 상기 양성자는 물 분자까지도 함께 끌고 이동하는 현상이 발생하게 되는데, 이를 EOD(Electro-Osmotic Drag)라고 한다. 따라서, 물이 캐소드에서 애노드로 적절히 역확산될 수 있도록 전지셀을 설계할 필요가 있는데, 애노드 촉매층의 젖음성을 향상시킴으로써 쉽게 건조되는 것을 방지하는 한편, 역확산에 의해 애노드 촉매층으로 넘어오는 물분자를 용이하게 흡수할 수 있도록 하여 전지의 성능을 전체적으로 향상시키는 것이 필요하다.
도 2에는 통상적인 MEA의 내부의 물의 흐름을 도시하였다. 연료전지 내에서 물은 가습된 공기 및 수소에 의해 공급되고, 작동 중인 연료전지에서는 양성자 전도성 막을 통해 이동하는 양성자에 의한 EOD 때문에 애노드에서 캐소드측으로 물이 이동하게 되며, 캐소드에서는 전기화학 반응에 의해 물이 생성되게 된다. 따라서, 물의 농도는 캐소드 측이 애노드 측보다 높게 되고, 이처럼 증대된 물의 농도 구배 로 인해 캐소드에서 애노드측으로 물의 역확산이 일어나게 되며, 이러한 역확산은 캐소드 측의 가스 압력 증가에 의한 물투과현상(hydraulic permeaton)에 의해 더욱 강화된다.
본 발명에 따른 MEA의 경우에는 애노드 가스확산층으로 공급되는 가스의 상대습도는 0 내지 100중량%일 수 있으며, 애노드 가스확산층으로 공급되는 가스를 전혀 가습을 하지 않더라도 전지의 성능을 우수하게 유지시킬 수 있기 때문에, 캐소드측의 과수분 현상을 방지할 수 있다. 그 이유는 친수성 무기물 나노입자를 애노드 촉매층에 적정량 혼입시킴으로써 캐소드 측으로부터 역확산되는 물을 신속히 흡수하여, 애노드의 건조를 방지할 수 있기 때문이다. 본 발명에 따른 MEA는 상기 EOD 및 역확산에 의한 물의 농도구배를 조절함으로써 애노드의 건조를 방지하는 한편, 캐소드의 과수분현상을 조절할 수 있다는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체의 제조방법은 친수성 무기물 나노입자를 이소프로필 알콜에 혼합한 후, 초음파를 이용하여 분산시키는 단계(제 1단계); 상기 친수성 무기물 나노입자 분산액에 Pt/C, 양성자 전도성 고분자를 혼합하여 촉매잉크를 제조하는 단계(제 2단계): 및 상기 촉매잉크를 양성자 전도성 전해질막 상에 도포하는 단계(제 3단계)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제 1단계에서는 친수성 무기물 나노입자를 이소프로필 알콜에 혼합한 후, 소니케이터를 이용하여 약 10분간 분산시키고, 제 2단계에서는 상기 친수성 무기물 나노입자 분산액에 Pt/C, 양성자 전도성 고분자를 혼합하여 촉매잉크를 제조하는 데, 상기 촉매잉크 내의 Pt/C, 친수성 무기물 나노입자 및 양성자 전도성 고분자의 중량비는 1:0.2∼0.4:0.4∼0.6인 것이 바람직하다. 상기 친수성 무기물 나노입자의 양이 0.2 미만일 때에는 첨가효과가 미약하고, 0.4를 초과하는 때에는 애노드 촉매층의 이온전도성 및 전기전도성이 열악해질 우려가 있다. 또한, 상기 양성자 전도성 고분자는 촉매층과 양성자 전도성 고분자막의 상용성을 향상시키고 촉매층에 이온전도성을 부여하기 위해 혼입하는데, 그 사용량이 0.4 미만인 때에는 충분한 이온전도성을 확보하기 어렵고, 0.6을 초과하는 때에는 촉매표면이 상기 고분자에 의해 가리워져서 촉매의 활성이 떨어질 염려가 있다. 마지막으로, 제 3단계에서는 상기 촉매잉크를 양성자 전도성 고분자막에 스프레이 코팅법 등을 이용하여 코팅한 후, 상온 또는 약 50℃의 온도에서 건조함으로써 이소프로필알콜을 증발에 의해 제거한 다음, 가스확산층으로서 탄소종이를 사용하여 약 10MPa의 압력으로 압착함으로써 막전극접합체를 제조한다.
본 발명에 따른 연료전지는 상기 막전극접합체를 이용하여 통상적인 방법으로서 제조할 수 있다. 즉, 공급하는 연료가스나 산화제가스가 밖으로 누출되거나 두 종류의 가스가 서로 혼합되지 않도록, 전극 주위에 양성자 전도성 고분자막을 끼우고 가스시일재 또는 가스켓을 배치한 다음, 도전성의 세퍼레이터판을 통해 다수의 막전극접합체를 적층하여, 소위 적층전지로서의 연료전지를 구성한다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
SiO2(평균입자크기 7nm, Aldrich사 제조) 0.005g을 이소프로필 알콜 20ml에 혼합한 후, 소니케이터(새한초음파산업 제조)를 이용하여 10분간 균일하게 분산시켰다. 다음으로 상기 분산액에 40중량%의 Pt/C(Jonson Mattey사 제조) 촉매와 5중량%의 나피온 용액(Dupont사 제조)을 혼합하여 촉매잉크를 제조하였다. 다음으로, 상기 촉매잉크를 나피온 112 막의 애노드측 표면에 스프레이하였다. 다음으로 상기 나피온 112막의 캐소드측 표면에는 이소프로필 알콜에 40중량%의 Pt/C(Jonson Mattey사 제조) 촉매와 5중량%의 나피온 용액(Dupont사 제조)만을 혼합한 촉매잉크를 스프레이 코팅한 다음, 상기 코팅된 나피온 112 막을 탄소지(SGL사 제조, GDL 10 BC)의 사이에 개재시킨 후 10MPa의 압력으로 압착하여 막전극접합체를 제조하였다. 상기 막전극접합체의 캐소드와 애노드의 Pt 사용량은 각각 0.4mg/cm2이고 유효면적은 25cm2이었다.
실시예 2
애노드 촉매층에 사용된 SiO2의 사용량을 Pt/C 촉매 100중량부를 기준으로 40중량부로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 막전극접합체를 제조하였다.
비교예 1
SiO2를 전혀 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 막전극접합체를 제조하였다.
비교예 2
애노드 촉매층에 사용된 SiO2의 사용량을 Pt/C 촉매 100중량부를 기준으로 60중량부로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 막전극접합체를 제조하였다.
비교예 3
SiO2(평균입자크기 7nm, Aldrich사 제조) 0.005g을 이소프로필 알콜 20ml에 혼합한 후, 소니케이터(새한초음파산업 제조)를 이용하여 10분간 균일하게 분산시켰다. 다음으로 상기 분산액에 40중량%의 Pt/C(Jonson Mattey사 제조) 촉매와 5중량%의 나피온 용액(Dupont사 제조)을 혼합하여 촉매잉크를 제조하였다. 다음으로, 상기 촉매잉크를 나피온 112 막의 캐소드측 표면에 스프레이하였다. 다음으로 상기 나피온 112막의 애노드측 표면에는 이소프로필 알콜에 40중량%의 Pt/C(Jonson Mattey사 제조) 촉매와 5중량%의 나피온 용액(Dupont사 제조)만을 혼합한 촉매잉크를 스프레이 코팅한 다음, 상기 코팅된 나피온 112 막을 탄소지(SGL사 제조, GDL 10 BC)의 사이에 개재시킨 후 10MPa의 압력으로 압착하여 막전극접합체를 제조하였다. 상기 막전극접합체의 캐소드와 애노드의 Pt 사용량은 각각 0.4mg/cm2이고 유효면적은 25cm2이었다.
비교예 4
캐소드 촉매층에 사용된 SiO2의 사용량을 Pt/C 촉매 100중량부를 기준으로 40중량부로 조절한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일한 방법으로 막전극접합체를 제조하였다.
시험예 1
친수성의 측정
정착유적(sessile drop)법이란 고체표면의 접촉각을 측정할 수 있는 가장 보편적인 방법이다. 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조된 SiO2를 함유 촉매잉크를 알루미늄 호일의 표면에 스프레이 코팅한 다음 50℃에서 건조시켜 이소프로필 알콜을 증발제거한 후에 10MPa의 압력으로 2분간 압착하여 촉매층을 제조하였다. 상기 촉매층을 유리 플레이트상에 고정시킨 다음 물방울을 떨어뜨린 후에 상기 정착유적법을 이용하여 접촉각을 측정하고 그 결과를 도 3에 도시하였다. 도 3을 참조하면, SiO2의 사용량이 증가할수록 접촉각이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 SiO2를 사용함에 따라 상기 촉매층의 친수성이 증가한다는 것을 알 수 있다.
시험예 2
연료전지 셀 테스트
실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조된 막전극접합체에 대하여 셀테스트를 하였다. 본 테스트에서는 애노드측의 가습기의 온도를 70, 65, 58, 50 및 37℃로 조절함으로써 상대습도를 각각 100, 80, 60, 40 및 20%로 조절하였으며, 상대습도가 0%인 경우는 가습을 전혀 하지 않은 수소가스를 사용하였다. 이 경우 캐소드측 의 가습기의 온도는 65℃로서 고정하였으며, 애노드 가스확산층으로 공급되는 가스의 상대습도에 따른 0.6V의 작동전압에서의 전류밀도를 측정하여 그 결과를 도 4에 도시하였다. 도 4를 참조하면, 비교예 1의 경우에 상대습도가 0%인 경우의 전류밀도는 상대습도가 100%인 경우의 전류밀도에 비하여 85%로 감소하였으며, 비교예 2의 경우에는 모든 상대습도에 있어서 매우 낮은 값을 나타낸다는 것을 알 수 있는데, 이는 과도한 SiO2 나노입자의 사용량이 과도하기 때문에 Pt촉매의 활성사이트를 일정부분 덮게 되기 때문이라고 판단된다. 그러나, 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 막전극접합체의 경우에는 상대습도가 0%인 경우의 전류밀도가 상대습도 100%인 경우의 전류밀도에 비교할 때, 각각 90% 및 93%로서 매우 높은 값을 보이며, 실시예 2의 경우에는 전류밀도가 애노드측의 상대습도에 별 영향을 받지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 연료전지는 애노드 가스확산층으로 공급되는 가스를 전혀 가습하지 않더라도 전지의 효율을 우수하게 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 4를 참조할 때에 전지의 성능이 단순히 외부가습에 의한 함습에만 영향을 받는다면, 상대습도가 0%인 경우에는 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2 모두 전류밀도 값에 차이가 없어야 함에도, 실제 결과값을 살펴보면, 전류밀도 값에 차이가 크게 나타나 있음을 볼 수 있다. 이는 물 분자의 역확산에 기인한 것으로 생각되며, 따라서, 본 발명에 따른 연료전지에서는 SiO2 나노입자가 외부가습에 의한 함습량을 증가시켜줄 뿐만 아니라, 역확산에 의한 물분자도 원할히 흡수한다는 것을 확인할 수 있다.
시험예 3
연료전지 셀 테스트
비교예 1, 3 및 4에 의해 제조된 막전극접합체에 대하여 셀테스트를 하였다, 애노드 쪽에는 수소가스를 주입하고 캐소드 쪽에는 산소가스를 주입하였고 주입속도는 300cc/min이었다. 이때 상기 각각의 가스들이 버블러 타입 가습기를 통과하게 함으로써 건조되지 않게 하며 캐소드, 애노드 및 셀의 온도는 전력제어기(Thyristor Power Regulator: TPR)를 이용하여 각각 별개로 조절할 수 있도록 하였다. 대기압하에서 상기 셀의 온도는 70℃로 고정하고, 캐소드와 애노드의 상대습도는 모두 100%로 고정하였으며, 전류밀도 대 전압을 측정하고 그 결과를 도 5에 도시하였다. 도 5를 참조하면, 캐소드 촉매층에 SiO2를 첨가하지 않은 비교예 1의 경우보다 SiO2를 첨가한 비교예 3 및 4의 전지성능이 오히려 열화된다는 것을 확인할 수 있다. 이는 촉매층 내의 과수분 현상때문이라고 판단되는데, 캐소드 촉매층의 물분자가 SiO2나노입자와의 상호작용 때문에 가스확산층으로 빠져나가지 못하고 촉매층에 남아 있게 되는 양이 많아지며, 이에 의해 Pt촉매에 산소가 원할히 공급되기 어렵기 때문이라고 생각된다. 이는 SiO2 나노입자의 사용량이 더 많은 비교예 4의 경우, 비교예 3보다 전지성능이 더 떨어진다는 것을 통해 확인할 수 있다.
시험예 4
캐소드측의 상대습도에 따른 연료전지 셀테스트
실시예 1, 2 및 비교예 1에 의해 제조된 막전극접합체에 대하여 캐소드 가스 확산층으로 공급되는 가스의 상대습도를 변화시키며, 0.6V의 작동전압에서의 전류밀도를 측정하여 그 결과를 도 6에 도시하였다. 도 6을 참조하면, 모든 경우에 상대습도가 80%일 때에 가장 좋은 성능을 보인다는 것을 알 수 있는데, 이는 상대습도가 100%인 때에는 과수분 현상이 발생하기 때문이다. 또한, 캐소드의 상대습도가 40 내지 60%인 경우에는 전지의 성능이 급격히 저하되는데, 이는 양성자 전도성 고분자막 및 촉매층이 건조되기 때문이다. 비교예 1의 경우에는 캐소드의 상대습도가 60%인 때에 약 0.75 A/cm2의 전류밀도를 보임에 반해, 본 발명에 따른 실시예 1의 경우에는 약 0.84 A/cm2의 전류밀도를 보이기 때문에 전지의 성능이 10% 이상 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 이는 이미 설명한 바와 같이, 캐소드 측에서 애노드 측으로 물분자가 역확산 되는 것을 애노드 촉매층이 적정하게 흡수할 수 있기 때문에 저가습 조건하에서 애노드 촉매층의 건조를 방지할 수 있다는 데 기인하는 것으로 판단된다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지는 저가습 조건하에서 작동이 가능하기 때문에 캐소드측의 과수분 현상을 억제함과 동시에 애노드 촉매층의 건조를 방지함으로써 전체적으로 전지의 성능을 우수하게 유지시킬 수 있다는 장점이 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지는 저가습 조건하에서 작동이 가능하기 때문에 높은 전류밀도에서도 캐소드측의 과수분 현상을 억제함과 동시에 애노드 촉매층의 건조를 방지함으로써 전체적으로 전지의 성능을 우수하게 유지시킬 수 있다는 장점이 있다.

Claims (7)

  1. 캐소드 가스확산층, 캐소드 촉매층, 양성자 전도성 고분자막, Pt/C 촉매 100중량부를 기준으로 20 내지 40중량부의 친수성 무기물 나노입자를 포함하는 애노드 촉매층 및 캐소드 가스확산층이 순차적으로 적층되어 있는 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 친수성 무기물 나노입자는 SiO2 나노입자인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 애노드 가스확산층으로 공급되는 가스의 상대습도는 0 내지 100중량%인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 애노드 가스확산층으로 공급되는 가스는 가습하지 않는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체.
  5. (a) 친수성 무기물 나노입자를 이소프로필 알콜에 혼합한 후, 초음파를 이용하여 분산시키는 단계;
    (b) 상기 친수성 무기물 나노입자 분산액에 Pt/C, 양성자 전도성 고분자를 혼합하여 촉매잉크를 제조하는 단계: 및
    (c) 상기 촉매잉크를 양성자 전도성 전해질막 상에 도포하는 단계를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 촉매잉크 내의 Pt/C, 친수성 무기물 나노입자 및 양성자 전도성 고분자의 중량비는 1:0.2∼0.4:0.4∼0.6인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 막전극접합체의 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 의한 막전극접합체를 포함하는 연료전지.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101063067B1 (ko) 2008-11-07 2011-09-07 경희대학교 산학협력단 직접 액체 연료전지용 전극 촉매층의 제조방법 및 이를 사용하는 제조장치
WO2020129575A1 (ja) * 2018-12-17 2020-06-25 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池セル
CN111584888A (zh) * 2020-05-27 2020-08-25 湖南大学 一种二氧化硅掺杂/包覆铂碳催化剂的制备方法
KR20220034421A (ko) 2020-09-11 2022-03-18 인천대학교 산학협력단 촉매층상에 탄소층을 포함하는 막전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지
CN114583187A (zh) * 2022-03-02 2022-06-03 大连理工大学 一种有序多层阴极催化层膜电极制备方法及用途

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003288915A (ja) 2002-03-28 2003-10-10 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子型燃料電池用膜電極接合体
JP2004158388A (ja) 2002-11-08 2004-06-03 Honda Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池用の電極
KR20050121938A (ko) * 2004-06-23 2005-12-28 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 막-전극 접합체 및 그 제조방법
KR20060086531A (ko) * 2005-01-26 2006-08-01 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
KR20060090000A (ko) * 2005-02-04 2006-08-10 삼성에스디아이 주식회사 연료전지

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003288915A (ja) 2002-03-28 2003-10-10 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子型燃料電池用膜電極接合体
JP2004158388A (ja) 2002-11-08 2004-06-03 Honda Motor Co Ltd 固体高分子型燃料電池用の電極
KR20050121938A (ko) * 2004-06-23 2005-12-28 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 막-전극 접합체 및 그 제조방법
KR20060086531A (ko) * 2005-01-26 2006-08-01 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
KR20060090000A (ko) * 2005-02-04 2006-08-10 삼성에스디아이 주식회사 연료전지

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101063067B1 (ko) 2008-11-07 2011-09-07 경희대학교 산학협력단 직접 액체 연료전지용 전극 촉매층의 제조방법 및 이를 사용하는 제조장치
WO2020129575A1 (ja) * 2018-12-17 2020-06-25 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池セル
CN111584888A (zh) * 2020-05-27 2020-08-25 湖南大学 一种二氧化硅掺杂/包覆铂碳催化剂的制备方法
KR20220034421A (ko) 2020-09-11 2022-03-18 인천대학교 산학협력단 촉매층상에 탄소층을 포함하는 막전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지
CN114583187A (zh) * 2022-03-02 2022-06-03 大连理工大学 一种有序多层阴极催化层膜电极制备方法及用途

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