KR100728127B1 - 연료 전지용 막-전극 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리는, 멤브레인을 중심에 두고 이의 양면에 각각 형성되는 촉매층과, 상기 촉매층 내에 설치되는 금속 소재의 메쉬부재를 포함한다.

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Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리 {MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL}

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시한 메쉬부재를 개략적으로 나타내 보인 평면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 특히 탄화수소 연료를 사용하는 직접 산화형 연료 전지(direct oxidation fuel cell)용 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 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 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도가 낮고, 출력이 낮으며, 많은 양의 전극 촉매를 사용하여야 하나, 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈브리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 멤브레인을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고 또한 전자가 발생하며, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 이온화된 연료는 멤브레인을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 이온화된 연료 및 전자가 캐소드 전극 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.

한편, 종래의 막-전극 어셈블리에 있어, 애노드 전극과 캐소드 전극은 멤브레인의 표면에 촉매 물질이 코팅된 촉매층을 포함하는 바, 이 촉매층은 멤브레인의 표면에 촉매 물질이 코팅된 상태에서 이 촉매 물질을 핫 프레스 방식으로 압축함으로써 형성된다.

그런데, 이와 같은 종래의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 멤브레인에 코팅된 촉매 물질을 기설정된 프레스 압력으로 압축시킴으로써 소정 두께의 촉매층을 형성하게 되는 바, 이러는 과정에서 프레스 압력에 의해 촉매층의 고유한 기공도가 변형됨에 따라 탄화수소 연료 및/또는 산화제가 용이하게 침투하여 반응하지 못하면서 결과적으로는 촉매층의 촉매 활성이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 프레스 압력에 의한 촉매층의 기공도 변형을 최소화시킬 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리는, 멤브레인을 중심에 두고 이의 양면에 각각 형성되는 촉매층과, 상기 촉매층 내에 설치되는 금속 소재의 메쉬부재를 포함한다.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 메쉬부재는 금속 와이어가 망상으로서 배치되어 다수의 구멍을 형성하고 있다.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리는, 상기 금속 와이어의 두께가 상기 촉매층 두께의 1/2인 것이 바람직하다.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리는, 상기 금속 와이어가 금 또는 은으로서 형성될 수 있다.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 촉매층은 상기 멤브레인의 일측면에 형성되는 애노드 전극층, 및 상기 멤브레인의 다른 일측면에 형성되는 캐소드 전극층으로서 구성될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

이 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리(100)를 설명하면, 이 막-전극 어셈블리(100)는 연료 개질 가스 또는 탄화수소 연 료, 및 산화제 가스를 제공받아 수소의 산화 반응 및 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지 또는 직접 산화형 연료 전지에 모두 적용될 수 있다. 그러나, 이하에서는 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올계 탄화수소 연료와 산화제 가스를 직접적으로 제공받아 연료 중에 함유된 수소의 산화 반응, 및 산화제 가스에 함유된 산소의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지를 예로 하여 설명하기로 한다.

이러한 막-전극 어셈블리(100)는 기본적으로, 멤브레인(30)을 중심에 두고 이의 양측면에 각각 형성되는 촉매층(10, 20)을 포함하여 구성된다.

상기에서, 멤브레인(30)의 일측면에 형성되는 촉매층(10)(이하에서는, "제1 촉매층" 이라고 한다.)은 전극 기재(도면에 도시되지 않음)와 이 전극 기재에 형성되는 애노드 전극층(11)으로서 형성된다. 여기서, 제1 촉매층(10)은 연료에 함유된 수소를 산화 반응시켜 이 수소를 전자와 수소 이온으로 분리시키는 기능을 하게 된다.

멤브레인(30)의 다른 일측면에 형성되는 촉매층(20)(이하에서는, "제2 촉매층" 이라고 한다.)은 전극 기재(도면에 도시되지 않음)와 이 전극 기재에 형성되는 캐소드 전극층(21)으로서 형성된다. 이 때, 제2 촉매층(20)은 제1 촉매층(10)으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 산화제 가스에 함유된 산소를 환원 반응시켜 수분, 및 열을 발생시키는 기능을 하게 된다.

여기서, 상기 제1 촉매층(10)과 제2 촉매층(20)은 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 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 이 때, 제1 촉매층(10)과 제2 촉매층(20)은 어떠한 공정으로 형성하여도 무방하며, 일반적인 예로 스프레이 공정, 스크린 프린팅 공정, 슬롯 다이(slot die) 공정 또는 닥터 블레이딩 공정을 들 수 있다. 그리고, 언급한 바 있는 전극 기재는 제1 촉매층(10)과 제2 촉매층(20)을 지지하는 역할을 하면서 각각의 촉매층으로 반응원을 확산시켜 이 반응원이 촉매층으로 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다.

멤브레인(30)은 제1 촉매층(10)에서 수소로부터 분리된 수소 이온을 제2 촉매층(20)으로 이동시키는 기능을 하게 된다. 이러한 멤브레인(30)은 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다.

이러한 막-전극 어셈블리(100)에 있어, 촉매층(10, 20)의 내부에 설치되는 메쉬부재(50)가 제공되는 바, 이 메쉬부재(50)는 막-전극 어셈블리(100)를 제조하는 과정에서, 핫 프레스 방식에 의해 촉매층(10, 20)을 압착하여 이 촉매층(10, 20)의 표면을 고르게 하는 경우, 촉매층(10, 20)에 가해지는 프레스 압력을 분산시켜 이 촉매층(10, 20)의 기공도 변형을 최소화시키기 위한 것이다. 또한, 메쉬부재(50)는 각 촉매층(10, 20)에 대해 전도성을 부가적으로 부여하는 기능을 하게 된다.

본 실시예에 의한 메쉬부재(50)는 도 2에 도시한 바와 같이, 복수의 금속 와이어(51)가 가로 및 세로 방향으로 배치된 망상(격자상) 구조로서 이루어진다. 이 메쉬부재(50)는 이들 금속 와이어(51)가 망상으로 배치됨에 따라 복수의 구멍들(52)을 형성하고 있다. 이 때, 금속 와이어(51)는 통상적으로 전도성이 우수한 금 또는 은으로서 형성된다.
구체적으로, 메쉬부재(50)는 단위 ㎝당 500~5000개의 구멍들(52)을 형성하며, 바람직하게는 2000~4000개의 구멍들(52)을 형성하고 있다. 이 경우 메쉬부재(50)는 구멍들(52)이 500개 미만이면 촉매층(10, 20)의 전면적에 가해지는 프레스 압력을 저항하기에 부적당하며, 구멍들(52)이 5000개를 초과할 경우에는 그 구멍들(52)의 크기가 너무 작아져서 촉매 입자가 필터링 될 우려가 있다.
여기서, 메쉬부재(50)가 단위 ㎝당 500~5000개의 구멍들(52)을 형성하고 있기 때문에, 이 구멍들(52)의 크기는 매쉬 정도에 따라 다양하게 변형될 수 있으므로 어느 특정한 값으로 한정되지 않는다.

이러한 매쉬부재(50)는 도면에서와 같이 멤브레인(13)의 표면에 금속 와이어(51)가 접촉되게 배치될 수 있으며, 대안으로서 촉매층(10, 20)에 금속 와이어(51)가 내재되게 배치될 수도 있다.

그리고, 금속 와이어(51)는 이의 두께가 대략 전체 촉매층(10, 20) 두께의 1/2 정도인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이 금속 와이어(51)의 두께를 전체 촉매층(10, 20) 두께의 1/2 정도로 한정하는 이유는, 금속 와이어(51)의 두께가 전체 촉매층(10, 20) 두께의 1/2 보다 큰 경우에는, 촉매층(10, 20)의 한정된 두께에 대해 촉매 물질의 로딩량이 감소하여 촉매 활성이 저하되기 때문이다. 그리고, 금속 와이어(51)의 두께가 전체 촉매층(10, 20) 두께의 1/2 보다 작은 경우에는, 촉매 물질에 대한 접촉 면적이 작아지게 되어 프레스 압력을 분산시키는 능력이 저하되기 때문이다.

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 막-전극 어셈블리(100)의 제조 공정을 간략하게 살펴 보면, 멤브레인(30)의 표면에 메쉬부재(50)를 위치시키고, 통상적인 코터(coater)를 이용하여 촉매 물질을 스프레이 방식으로 메쉬부재(50)에 분 사시킨다. 그러면, 이 촉매 물질이 메쉬부재(50)를 덮으면서 소정 두께의 전처리 촉매층을 형성하게 된다.

이와 같은 상태에서, 핫 프레스 방식으로 전처리 촉매층을 압축시키게 되면, 전처리 촉매층이 압축되면서 이의 내부에 메쉬부재(50)가 배치된 소정 두께의 촉매층(10. 20)을 형성할 수 있게 된다.

이 과정에서, 종래와 같은 기설정된 프레스 압력으로 전처리 촉매층을 압축시키는 경우, 메쉬부재(50)에 의해 프레스 하중에 대한 촉매 물질의 단위 면적당 접촉 면적이 증가하게 됨에 따라, 프레스 압력이 메쉬부재(50)로 분산되면서 실질적으로 촉매 물질에 가해지는 프레스 압력은 감소하게 된다.

따라서, 종래와 같은 기설정된 프레스 압력으로 전처리 촉매층을 압축하여도 프레스 압력이 메쉬부재(50)에 의해 분산되면서 기공도의 변형이 최소화 된 촉매층(10, 20)을 형성할 수 있게 된다. 이 때, 촉매층(10, 20)은 종래와 같은 두께를 유지하면서 프레스 자체의 하중에 의해 균일한 표면도를 유지할 수 있게 된다.

이로써, 본 실시예에 의한 막-전극 어셈블리(100)는 종래와 달리 프레스 압력에 의한 촉매층(10, 20)의 기공도 변형이 최소화됨에 따라 촉매층(10, 20)의 촉매 활성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 실시예에 의한 막-전극 어셈블리(100)는 촉매층(10, 20) 내부에 금 또는 은으로서 이루어진 메쉬부재(50)가 설치됨에 따라, 촉매층(10, 20)의 전기 전도성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

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.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 촉매층의 내부에 메쉬부재를 구비함에 따라, 프레스 압력에 의한 촉매층의 기공도 변형을 최소화시킬 수 있다. 따라서, 탄화수소 연료 및/또는 산화제가 촉매층으로 용이하게 침투하여 반응함으로써 결과적으로는 촉매층의 촉매 활성이 더욱 향상된다.

또한, 본 발명에 의하면, 금 또는 은으로서 이루어지는 메쉬부재를 촉매층 내부에 구비함에 따라, 촉매층의 전기 전도성을 더욱 향상시킴으로써 전기 에너지의 출력 성능이 향상된다.

Claims (5)

1. 멤브레인을 중심에 두고 이의 양면에 각각 형성되는 촉매층; 및

   상기 촉매층 내에 설치되는 금속 소재의 메쉬부재

   를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 메쉬부재는 금속 와이어가 망상으로서 배치되어 다수의 구멍을 형성하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 금속 와이어의 두께가 상기 촉매층 두께의 1/2인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
4. 제2 항에 있어서,

   상기 금속 와이어가 금 또는 은으로서 형성되는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 촉매층은,

   상기 멤브레인의 일측면에 형성되는 애노드 전극층, 및 상기 멤브레인의 다른 일측면에 형성되는 캐소드 전극층으로서 구성되는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.

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