KR100728181B1 - 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지시스템 - Google Patents

연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재, 및 상기 전극기재에 형성되며, 액정 물질 및 금속 촉매를 포함하는 촉매층을 포함한다.
본 발명의 막-전극 어셈블리는 촉매효율을 극대화할 수 있으며, 연료 또는 반응 생성물을 용이하게 공급 또는 제거할 수 있어 연료전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
연료전지, 막-전극 어셈블리, 액정 물질, 촉매층, 저증기압 계면활성제, 출력 특성

Description

연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 시스템{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매효율을 극대화할 수 있고, 전지운전시 연료 또는 반응 생성물을 용이하게 공급 또는 제거할 수 있으며, 우수한 출력 특성을 나타낼 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리 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 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 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)(또는 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 고 분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 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 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
따라서 연료 전지의 효율을 향상시키기 위한 하나의 파라미터로 촉매의 효율이 중요하다.
본 발명의 목적은 반응 면적의 증가로 촉매 효율을 극대화할 수 있고, 연료 또는 반응 생성물을 용이하게 공급 또는 제거할 수 있으며, 이에 따라 연료전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. 이때, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재, 및 상기 전극기재에 형성되며, 금속 촉매 및 액정 물질(liquid crystal)을 포함하는 촉매층을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 상기 전기 발생부는 상기 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 존재하는 세퍼레이터를 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다. 상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 전기장하에서 일정한 방향으로 배열하는 액정 물질을 촉매층에 첨가함으로써, 촉매층의 반응 면적을 증가시키고, 연료전지 구동시 촉매층내 액정 물질의 수직 배열로 연료나 산화제와 같은 반응물의 공급, 및 이산화탄소나 물과 같은 반응 생성물의 배출을 용이하게 할 수 있다. 또한 이에 따라 연료 전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리는,
서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및
상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질 막을 포함하 고,
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재; 및 상기 전극기재에 형성되며, 액정 물질 및 금속 촉매를 포함하는 촉매층을 포함한다.
도 1은 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(10)는 고분자 전해질막(50) 및 상기 고분자 전해질막(50)의 양면에 각각 배치되는 상기 연료 전지용 전극(20, 20')을 포함한다. 상기 전극은 전극기재(40, 40')과 상기 전극기재 표면에 형성된 촉매층(30, 30')을 포함한다.
상기 막-전극 어셈블리(10)에서, 고분자 전해질막(50)의 일면에 배치되는 전극(20)을 애노드 전극(또는 캐소드 전극)이라 하고, 다른 일면에 배치되는 전극(20')을 캐소드 전극(또는 애노드 전극)이라 한다. 애노드 전극(20)은 전극기재(40)를 지나 촉매층(30)으로 전달된 연료로부터 수소이온과 전자를 생성시키는 산화반응을 일으키고, 고분자 전해질막(50)은 상기 애노드 전극(20)에서 발생한 수소이온을 캐소드 전극(20')으로 이동시키며, 캐소드 전극(20')은 상기 고분자 전해질막(50)을 통해 공급받은 수소이온과 전극기재(40')를 지나 촉매층(30')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원반응을 일으킨다.
상기 촉매층(30, 30')은 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 것으로, 액정 물질 및 금속 촉매를 포함한다.
상기 액정 물질은 분자구조 특성상 일정한 방향으로 배열하는 성질을 가지 며, 전계에 의해 촉매층 내에서 선형으로 배열되며, 90도 단위로 회전이 가능하다. 액정 물질은 수~수십 V의 저전압에 의하여 동작하기 때문에, 연료전지가 구동하자마자 촉매와 함께 수직 배열하여 촉매 반응 면적을 증가시킨다. 또한 이 같은 수직 배열로 연료 및 산화제의 이동 통로가 형성되어 반응물의 공급 및 반응 생성물의 배출을 용이하게 할 수 있다.
상기 액정 물질은 나노 노드의 형태로 1:5 내지 1:20 의 종횡비를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1:7 내지 1:15 의 종횡비를 가질 수 있다. 액정 물질의 종횡비가 상기 범위 내에서는 액정의 배열에 의하여 반응물의 이동 통로 역할에 용이하여 바람직하고, 상기 범위를 벗어날 경우 균일한 수직배열의 어려움이 있어 바람직하지 않다. 특히 종횡비가 지나치게 작을 경우 액정 배열시의 효과를 얻기 어려우므로 바람직하지 않다.
또한 상기 액정물질은 50 nm 이하의 평균 길이를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30 내지 50 nm의 평균 길이를 갖는다. 액정 물질의 평균 크기가 50nm 를 초과하면 배열에 어려움이 생겨 바람직하지 않다.
상기 액정 물질로는 단분자 물질 또는 고분자 물질을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 벤조산콜레스테린, 파라아족시페네톨, 파라메톡시신남산, 올레산나트륨, 폴리아미드, 폴리벤조티아졸, 방향족 폴리에스테르 및 폴리(알킬)글루타메이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 또한 상기 액정 물질이 고분자 물질일 경우 1,000 내지 200,000의 중량 평균 분자량을 갖는 것이 바람직하다.
상기 액정 물질은 촉매층내에서 금속 촉매 100중량부에 대하여 2 내지 20중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 5 내지 10중량부로 포함될 수 있다. 액정 물질의 함량이 2중량부 미만이면 배열에 의한 효과를 볼수 없으므로 바람직하지 않고, 10중량부를 초과하면 액정 물질끼리의 결합으로 인해 반응 표면적을 감소시킬수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 금속 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금, 및 백금-루테늄-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다. 이와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 바람직하다. 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 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다.
상기 금속 촉매는 촉매층 총 중량에 대하여 50 내지 80 중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 60 내지 70 중량%로 포함될 수 있다. 상기 금속 촉매의 함량이 50 중량% 미만이면 반응 면적이 작아져 바람직하지 않고, 80 중량%를 초과하면 촉매층의 결합력이 낮아서 촉매층에 손실이 있으므로 바람직하지 않다.
상기 촉매층은 또한 고분자 전해질 막과의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달능을 향상시키기 위하여 이온 전도성을 갖는 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
상기 바인더 수지로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. 이때 상기 고분자로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 등을 사용할 수 있다.
상기 바인더 수지는 금속 촉매 100중량부에 대하여 10 내지 40중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15 내지 25중량부로 포함될 수 있다. 바인더 수지의 함량이 10중량부 미만일 경우 이온 전달력이 부족하고 촉매의 바인딩 역할을 할 수 없어 바람직하지 않고, 40중량부를 초과할 경우 촉매의 반응면적을 감소시켜 바람직하지 않다.
상기와 같은 구성을 갖는 촉매층은 400 ㎛ 이하의 두께, 보다 바람직하게는 50 내지 400㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 두께가 400㎛ 를 초과하면 연료의 공급 및 배출이 용이하지 않아 바람직하지 않다.
상기 촉매층은 전극 기재에 의해 지지된다.
상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 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.
또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 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), 플루오로에틸렌 폴리머 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 전극 기재위에 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 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, 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.
상기와 같은 구조를 갖는 연료전지용 전극은 애노드 또는 캐소드 전극중 적어도 어느 하나로 사용될 수 있으며, 보다 바람직하게는 양쪽 모두에 사용될 수 있다.
이와 같은 전극을 포함하는 막/전극 어셈블리는 상기 애노드 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(50)을 포함한다.
상기 고분자 전해질 막(50)은 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능하는 것으로서, 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.
또한 상기 양이온 교환 수지는 이온 교환비가 3 내지 33이고, 당량 중량(equivalent weight: EW)이 700 내지 2,000인 것이 바람직하다. 상기 이온 교환 수지의 이온 교환비란, 고분자 주쇄(backbone)의 탄소 및 양이온 교환기의 수에 의하여 정의된다. 또한, 이온 교환비가 3 내지 33이면, 당량 중량이 700 내지 2,000에 해당된다.
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 등을 들 수 있다. 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) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 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.
또한 상기 고분자 전해질 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
고분자 전해질 막의 제조 방법 및 조건은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리는, 액정 물질, 금속 촉매 및 용매를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 이용하여 전극 기재 또는 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 먼저, 용매중에 금속 촉매 및 액정 물질을 혼합하여 촉매층 형성용 조성물을 제조한다. 이때 상기 금속 촉매 및 액정 물질은 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, 에틸알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 또는 물 등을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 물과 2-프로판올의 혼합물을 사용할 수 있다. 상기 용매는 적절한 점도로 촉매층을 형성할 수 있도록 적절한 양으로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 용매는 금속 촉매 100중량부에 대하여 200 내지 600중량부, 보다 바람직하게는 300내지 400 중량부로 포함될 수 있다. 용매의 함량이 600 중량부를 초과하면 점성이 저하되어 흐름성이 증가되므로 균일한 면적의 코팅에 바람직하지 않고, 300 중량부 미만이면 점도가 높아 인쇄성이 저하되므로 바람직하지 않다.
상기 촉매층 형성용 조성물은, 앞서 설명한 바와 같이 선택적으로 바인더 수지를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 바인더 수지는 금속 촉매 100중량부에 대하여 10 내지 40중량부로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 15 내지 25중량부로 포함될 수 있다. 바인더 수지의 함량이 10중량부 미만일 경우 이온 전달력이 부족하고 촉매의 바인딩 역할을 할 수 없어 바람직하지 않고, 40중량부를 초과할 경우 촉매의 반응면적을 감소시켜 바람직하지 않다.
상기 촉매층 형성용 조성물을 구성하는 각 성분은 기계 혼합 또는 초음파 혼합의 방법으로 균일하게 혼합할 수 있다.
다음으로 상기 촉매층 형성용 조성물을 전극 기재 또는 고분자 전해질 막에 통상의 방법으로 코팅하고 건조하여 촉매층을 형성한다.
상기 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯 다이 코팅법 등으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 스크린 프린팅법을 사용할 수 있다.
전극기재에 촉매층이 형성된 경우 고분자 전해질 막을, 고분자 전해질 막에 촉매층이 형성된 경우 전극기재를 결착하여 막-전극 어셈블리를 제조한다.
상기 전극기재 및 고분자 전해질 막은 앞서 설명한 바와 동일하며, 결착하는 방법은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 막-전극 어셈블리는 촉매층내에 액정 물질을 포함함으로써, 촉매층의 반응 면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 연료 전지 구동시 액정의 수직 배열에 의해 촉매층내 연료 및 산화제의 이동 통로가 마련되어 반응물의 유입 저항을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 반응생성물인 이산화탄소와 수분을 신속히 제거할 수 있다. 이에 따라 결과적으로 연료전지의 출력을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리는 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)을 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 이 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 캐소드 및 애노드 전극을 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 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 포함할 수 있다. 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 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(3)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명은 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
이소프로필알코올 9 ml 중의 Pt 블랙 (Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)의 촉매 3.0g에 10wt% 나피온(Nafion®, Dupont사제) 수계 분산액 6.0 g을 적하한 후 기계적으로 교반하였다. 다음으로, 벤조산 콜레스테린의 액정 물질 0.45 g을 더 첨가하고 30분 간격으로 기계적 교반과 초음파 교반을 3회 반복한 후 12시간 동안 자석 교반기를 이용하여 기계적으로 더욱 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.
상기 촉매층 형성용 조성물을 150 메쉬의 스테인레스 스틸 마스크(stainless steel mask)를 이용하여 10% 발수처리된 TGPH090 탄소지 일면에 면적 5x5cm2, 두께 50mm으로 코팅하였다. 촉매층이 코팅된 탄소지를 질소 분위기의 80℃ 건조로에서 6시간 동안 건조하여 용매를 증발시켜 캐소드 전극을 제조하였다. 동일한 방법으로 하여 애노드 전극을 제조하였다.
상업용 Nafion 115막(125㎛)을 각각 100℃의 3% 과산화수소, 0.5M 황산수용액에서 1시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 준비한 고분자 전해질 막을 상기 제조된 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 놓고 열간 압연하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
상기 제조된 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터 사이에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지(single cell)를 제조하였다.
(비교예 1)
이소프로필알코올 9 ml 중의 Pt 블랙 (Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)의 촉매 3.0g에 10wt% 나피온(Nafion®, Dupont사제) 수계 분산액 6.0g을 적하한 후 기계적으로 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하여 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 단전지에 각각 대하여, 1M 메탄올과 건조 공기를 공급하고 70℃의 온도에서 10시간 동안 운전하고, 운전 전압을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
평가항목 실시예 1 비교예 1
200mA/cm2에서의 전압(V) 0.5 0.41
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 촉매층에 액정물질을 포함하는 실시예 1의 단전지는 동일한 운전 조건에서 비교예 1에 비하여 높은 운전 전압을 나타내어 우수한 출력 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
본 발명의 막-전극 어셈블리는 촉매층의 반응 면적을 증가시켜 촉매효율을 극대화할 수 있고, 전지운전시 반응물의 공급 및 반응 생성물의 제거가 용이하여, 연료 전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질 막을 포함하고,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는
    전극 기재; 및
    상기 전극기재에 형성되며, 액정 물질 및 금속 촉매를 포함하는 촉매층을 포함하는 것인
    연료전지용 막-전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액정 물질은 1:5 내지 1:20의 종횡비를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액정 물질은 50nm 이하의 평균 길이를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 액정 물질은 벤조산콜레스테린, 파라아족시페네톨, 파라메톡시신남산, 올레산나트륨, 폴리 아미드, 폴리벤조티아졸, 방향족 폴리에스테르 및 폴리(알킬) 글루타메이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 액정 물질은 금속 촉매 100중량부에 대하여 2 내지 20중량부로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금 및 백금-루테늄-M 합금 (M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 및 담체에 지지된 이들 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 촉매는 촉매층 총 중량에 대하여 50 내지 80 중량%로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 이온 전도성을 갖는 바인더 수지를 더 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 바인더 수지는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지인 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 바인더 수지는 금속 촉매 100중량부에 대하여 10 내지 40 중량부로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전극 기재는 탄소 페이퍼, 탄소 천, 탄소 펠트 및 금속 천으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 막은 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 막-전극 어셈블리는 전극기재 위에 형성되며 도전성 분말 및 바인더 수지를 포함하는 미세기공층을 더 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  15. 제1항 내지 제10항 및 제12항 내지 제14항중 어느 한 항에 따른 막-전극 어셈블리, 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 존재하는 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 공급부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
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