KR100728183B1 - 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

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

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극중 적어도 하나는 전극 기재, 및 상기 전극 기재와 고분자 전해질 막 사이에 위치하며, 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머가 가교 결합하여 형성된 폴리머, 금속 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층을 포함한다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리는, 용매에 의한 고분자 전해질 막의 팽윤이 감소되어 연료전지의 구조적 안정성 및 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
막-전극 어셈블리, 촉매층, 고분자 전해질 막, 팽윤, 증점제.

Description

연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 시스템{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, METHOD FOR PREPARING SAME, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도이고,
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료전지의 전압 및 출력 변화를 나타낸 그래프이다.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용매에 의한 고분자 전해질 막의 팽윤이 감소되어 연료전지의 구조적 안정성 및 전지 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 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) 및 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우를 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점이 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료 가스인 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.
이와 같은 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 갖는다. 또한 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 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 갖는다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고 또한 전자가 발생하며, 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.
본 발명의 목적은 반응 기체에 대하여 낮은 확산 저항을 가짐으로써 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제조하는 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 제1실시예에 따르면 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재와, 상기 전극 기재와 고분자 전해질 막 사이에 위치하며, 말단에 적어도 1 이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머가 가교 결합하여 형성된 폴리머, 금속 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따르면, 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머, 금속 촉매, 바인더 수지, 개시제 및 잔부 양의 용매를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 이용하여 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 이를 전극 기재와 결착시키는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따르면, 상기 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 위치하는 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기 화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하고, 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.
연료 전지의 막-전극 어셈블리(MEA)의 제조시, 촉매층 형성용 조성물에 포함되는 용매는 고분자 전해질 막내로 침투하여 고분자 전해질 막을 팽윤시켜 막-전극 어셈블리의 구조적 안정성을 감소시키는 문제가 있었다. 이 같은 문제를 해결하기 위하여 촉매층 형성용 조성물내에 글리세린, 디프로필렌글리콜 등과 같은 증점제 (thicker)를 사용하였다. 그러나, 이러한 증점제는 연료전지 구동에 따른 산화 환원 반응시 분해가 되기 때문에, 막-전극 어셈블리 제조공정중 열간 압연 후 황산 처리하여 반드시 제거하여야 한다는 문제가 있었다.
이에 대해 본 발명에서는 촉매층 형성용 조성물에 증점제로서 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머를 사용함으로써, 용매의 고분자 전해질 막으로의 침투 및 이로 인한 고분자 전해질 막의 팽윤을 감소시켜 연료 전지의 구조적 안정성 및 전지 특성을 향상시킬 수 있었다.
즉, 본 발명의 예시적인 제1실시예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리는,
서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및
상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며,
상기 애노드 전극과 캐소드 전극중 적어도 하나는,
전극 기재, 및
상기 전극 기재와 고분자 전해질 막 사이에 위치하며, 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머가 가교 결합하여 형성된 폴리머, 금속 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층을 포함한다.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극중 적어도 하나는 촉매층과 이를 지지하는 전극 기재를 포함한다.
상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 이와 같은 전극 기재로는 도전성 기재를 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속 천(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.
상기 전극 기재에 의해 지지되는 촉매층은 말단에 적어도 1 이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머가 가교결합하여 형성된 폴리머, 금속 촉매 및 바인더 수지를 포함한다.
상기 말단에 적어도 1 이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머는 증점제의 역할을 하는 것으로, 막-전극 어셈블리의 제조시 열처리 또는 광 조사에 의해 가교 결합을 형성하며 경화된다.
이와 같은 말단에 적어도 1 이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머로는 1,4-부탄디올디아크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 펜타에리스리톨테트라아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 디펜타에리스리톨디아크릴레이트, 솔비톨트리아크릴레이트, 비스페놀 A 디아크릴레이트 및 그의 유도체, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 에틸렌옥사이드 부가형 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 디펜타에리스리톨폴리아크릴레이트, 1,4-부탄디올디메타크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 펜타에리스리톨테트라메타크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 디펜타에리스리 톨디메타크릴레이트, 솔비톨트리메타크릴레이트, 비스페놀 A 디메타크릴레이트 및 그의 유도체, 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트, 에틸렌옥사이드 부가형 트리메틸프로판트리메타크릴레이트, 디펜타에리스리톨메타크릴레이트, 테트라메틸올프로판 테트라아크릴레이트, 펜타에리스리톨테트라아크릴레이트 및 테트라메틸올프로판 테트라메타크릴레이트로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
이와 같은 친수성 모노머들은 막-전극 어셈블리 제조공정중 열처리 또는 광조사에 의한 가교 결합으로 경화된다. 이에 따라, 최종 제조된 막-전극 어셈블리에서의 촉매층에는 상기 친수성 모노머가 가교결합하여 형성된 폴리머가 존재하게 된다. 이와 같이 형성된 폴리머는 가교결합간 거리가 알킬 사슬 길이로 적어도 3개 이상인 것이 바람직하다.
상기 친수성 모노머가 가교결합하여 형성된 폴리머는 촉매층 총 중량에 대하여 2 내지 50 중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 5 내지 40 중량%로 포함된다. 2 중량% 미만으로 포함되면 가교 구조와 촉매 입자와의 결합능력이 저하되어 바람직하지 않고, 50 중량%를 초과하면 전기 저항이 증가하여 바람직하지 않다.
상기 금속 촉매는 촉매층내 관련 반응(연료의 산화 및 산소의 환원)을 도와주는 것으로, 대표적으로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금 및 백금-루테늄-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, W, Mo, Rh, Sn 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이 상의 금속)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 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. 보다 바람직하게는 탄소에 담지된 백금의 이원 또는 삼원 합금계 촉매를 사용할 수 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
상기 금속 촉매는 촉매층 총 중량에 대하여 47 내지 95 중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 60 내지 95 중량%로 포함된다. 47 중량% 미만으로 포함되면 연료와 산화제의 반응속도가 느려져 하여 바람직하지 않고, 95 중량%를 초과하면 수소이온전달 매개체인 이오노머(ionomer)의 함량이 낮아져 이온전달저항이 높아지므로 하여 바람직하지 않다.
상기 바인더 수지는 촉매층과 고분자 전해질 막과의 접착력 향상 및 수소 이온 전도도를 향상시키는 역할을 한다. 따라서 상기 바인더 수지로는 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 고분자를 사용할 수 있다. 가장 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) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 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), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA) 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (Ethylene/Tetrafluoroethylene(ETFE)), 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 및 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하고, 폴리(퍼플루오로설포네이트)가 가장 바람직하다.
상기 바인더 수지는 촉매층 총 중량에 대하여 3 내지 48 중량%로 포함되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 3 내지 40 중량%로 포함된다. 3 중량% 미만으로 포함되면 수소 이온 전달 저항이 증가하여 바람직하지 않고, 48 중량%를 초과하면 전자전달 저항이 증가하고, 낮은 촉매로딩으로 인하여 산화환원 반응속도가 느려져서 바람직하지 않다.
상기와 같은 구성을 갖는 촉매층은 3 내지 100㎛, 보다 바람직하게는 5 내지 50 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 촉매층의 두께가 3㎛미만이면 전체 촉매 로딩이 낮아 바람직하지 않고, 100 ㎛를 초과하면 과도한 촉매 로딩으로 경제성이 낮고, 촉매층의 기계적 취성이 증가될 가능성이 높아 바람직하지 않다.
또한 상기 촉매층은 소정의 패턴을 가질 수 있으며, 보다 바람직하게는 세퍼레이터의 유로 형상에 대응하는 패턴을 가질 수 있다.
상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에는 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 갖는 고분자 전해질 막이 존재한다.
이와 같은 고분자 전해질 막으로는 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스 포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. 바람직한 고분자 전해질 막으로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 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) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
또한, 고분자 전해질 막으로 상기 퍼플루오로설폰산(상품명: Nafion)을 사용할 경우, 측쇄 말단의 이온 교환기(-SO3X)에서, X를 나트륨, 칼륨, 세슘 등 1가 이온; 또는 테트라부틸암모니움 이온으로 치환하여 사용하는 것이 보다 바람직하다.
상기와 같이 측쇄 말단의 이온 교환기를 치환하여 사용할 경우, 열적 안정성이 증가하기 때문에, 막-전극 어셈블리의 제조시 열간압연 공정중 200℃ 이상의 고온으로 열처리하여도 고분자 수지가 열화되어 이온 전도성이 저하되거나 또는 이에 따라 연료전지의 수명이 감소될 우려가 없다. 또한 나트륨, 칼륨, 세슘 또는 테트 라부틸암모니움 등의 이온으로 치환된 이온 교환기를 갖는 고분자 전해질 막, 예를 들면 나트륨 이온으로 치환된 경우 나트륨형(sodium-form) 고분자 전해질 막은 이후 촉매층에 대한 황산 처리시 재술폰화되어 프로톤형(proton-form)이 된다.
또한, 상기 막-전극 어셈블리는 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여, 전극 기재 상에 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene) 또는 카본 나노 튜브를 포함할 수 있다. 상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 전기 전도성을 갖는 고분자를 사용할 수 있으며, 구체적으로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 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 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머, 금속 촉매, 바인더 수지, 개시제 및 잔부 양의 용매를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 이용하여 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 이를 전극 기재와 결착시키는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
즉, 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법은, 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머, 금속 촉매, 바인더 수지, 개시제 및 잔부 양의 용매를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 제조하는 단계; 상기 촉매층 형성용 조성물을 고분자 전해질 막의 양면에 직접 도포한 후 열처리 또는 광조사하거나, 또는 상기 촉매층 형성용 조성물을 이형 필름에 도포하여 촉매층을 형성한 후 열간 압연에 의해 이를 고분자 전해질 막에 전사하여 촉매층을 형성하는 단계; 및, 상기 촉매층이 형성된 고분자 전해질 막의 양면에 전극 기재를 결착하는 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
상세하게는, 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머, 금속 촉매, 바인더 수지 및 개시제를 용매중에 첨가하여 촉매층 형성용 조성물을 제조한다.
이때, 상기 촉매층 형성용 조성물은 촉매층 형성용 조성물 총 중량에 대하여 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머 5 내지 20중량%, 금속 촉매 20 내지 40중량%, 바인더 수지 10 내지 30중량%, 개시제 0.5 내지 5중량% 및 잔부 양의 용매를 포함한다. 상기 함량 범위 내에서는 촉매층내 금속촉매, 이오노머 및 수분의 삼상 계면이 원활하게 형성될 수 있으므로 바람직하고, 상기 함량 범위를 벗어날 경우 촉매층의 전기저항, 이온저항 또는 물질전달 저항중 한 성분이 과도하게 증가하므로 바람직하지 않다.
상기 제조된 촉매층 형성용 조성물은 1,000 내지 100,000cps의 점도를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2,000 내지 50,000 cps의 점도를 가질 수 있다. 촉매층 형성용 조성물의 점도가 1,000cps 미만이면 조성물의 흐름성이 너무 높아 바람직하지 않고, 100,000cps를 초과하면 인쇄성이 결여되어 바람직하지 않다.
상기 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머, 금속 촉매 및 바인더 수지는 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 개시제는 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머의 가교반응을 유도하는 역할을 하는 것으로서, 제조 공정이 완료되어 촉매층이 형성되면, 형성된 촉매층내에는 잔존하지 않는다.
상기 개시제로는 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머의 가교 반응을 개시할 수 있는 화합물이라면 특별히 한정되지 않는다. 대표적으로는 벤조인류; 벤조인메틸에테르, 벤조인에틸에테르, 벤조인이소프로필에틸 등의 벤조인 알킬 에테르류; 아세토페논, 2,2-디메톡시-2-페닐아세토페논, 2,2-디에톡시-2-페닐아세토페논, 1,1-디클로로아세토페논 등의 아세토페논류; 아미노아세토페논, 2-메틸-1-[4-(메틸티오)페닐]-2-모르몰리노프로파논-1,2-벤질-2-디메틸아미노-1-(4-모르폴리노페닐)-부타논-1 등의 아미노아세토페논류; 2-메틸안트라퀴논, 2-에틸안트라퀴논, 2-t-부틸안트라퀴논 등의 안트라퀴논류; 2,4-디메틸티오크산톤 등의 티오크산톤류; 아세토페논디메틸케탈, 벤질디메틸케탈 등의 케탈류; 벤조페논 등의 벤조페논류; 크산톤류; 트리아진류; 이미다졸류; (2,6-디메톨시벤조일)-2,4,4-펜틸포스핀옥사이드, 비스(2,4,6-트리메틸벤조일)-페닐포스핀옥사이드, 2,4,6-트리메틸벤조일디페닐포스핀옥사이드, 에틸-2,4,6-트리메틸벤조일페닐포스피네이트 등의 포 스핀옥사이드류; 또는 각종 퍼옥사이드류 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 α-아미노 아세토페논(α-Amino Acetophenone: Irgacure907® 시바스페셜티케미칼사제)이다.
상기 용매로는 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올, 에틸알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, N-메틸-2-피롤리디논(N-methyl-2-pyrrolidinone; NMP), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide; DMF), 디메틸 아세트아마이드(dimethyl acetamide; DMA), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran; THF), 디메틸 설폭사이드(dimethyl sulfoxide; DMSO), 아세톤, 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone; MEK), 테트라메틸우레아(tetramethylurea), 트리메틸포스페이트(trimethyl phosphate), 부티로락톤(butyrolactone), 이소포론(isophorone), 카르비톨 아세테이트(carbitol acetate), 메틸이소부틸케톤(methyl isobutyl ketone), N-부틸 아세테이트(N-butyl acetate), 사이클로헥사논(cyclohexanone), 디아세톤 알코올(diacetone alcohol), 디이소부틸 케톤(diisobutyl ketone), 에틸아세토아세테이트(ethyl acetoacetate), 글리콜 에테르(glycol ether), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate), 디에틸카보네이드(diethyl carbonate), 탈이온수 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 물과 2-프로판올의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 용매는 상기 촉매층 형성용 조성물에 잔부의 양으로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 적절한 점도로 촉매층을 형성할 수 있도록 촉매층 형성용 조성물 총 중량에 대하여 20 내지 70 중량%의 양으로 포함될 수 있다.
이후 제조된 촉매층 형성용 조성물을 기계 혼합 또는 초음파 혼합의 방법에 의해 균일하게 혼합할 수도 있다.
다음으로 상기 촉매층 형성용 조성물을 이용하여 고분자 전해질 막 양면에 촉매층을 형성한다.
상기 촉매층은 촉매층 형성용 조성물을 고분자 전해질 막의 양면에 직접 도포한 후 열처리 또는 광조사하거나, 또는 상기 촉매층 형성용 조성물을 이형 필름에 도포하여 촉매층을 형성한 후 열간압연에 의해 이를 고분자 전해질 막으로 전사하여 열가교를 유도하면서 촉매층을 형성할 수도 있다.
상기 고분자 전해질 막은 앞서 설명한 바와 동일하며, 10 내지 200㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 고분자 전해질 막의 제조 방법은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
일례로 촉매층 형성용 조성물을 고분자 전해질 막의 양면에 직접 도포하는 경우, 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, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 스크린 프린팅 법을 사용할 수 있다.
이후 촉매층 형성용 조성물이 도포된 고분자 전해질 막을 열처리 또는 광조 사하여 촉매층 형성용 조성물내 존재하는 용매를 증발시키고, 또한 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머를 가교 결합시켜 경화시킨다. 상기와 같이 열처리 공정에 의해 친수성 모노머가 가교 결합하여 경화된다. 따라서, 이후 막-전극 어셈블리 제조공정중 열간 압연 공정에 의해서도 분해되지 않고 친수성 모노머가 가교결합하여 형성한 폴리머의 형태로 최종 제조된 막-전극 어셈블리의 촉매층내에 남아있게 된다.
상기 열처리 공정은 50 내지 200℃에서 실시되는 것이 바람직하고, 80 내지 200℃의 온도에서 실시되는 것이 보다 바람직하다. 열 처리 온도가 50℃ 미만이면 경화반응이 느려져 바람직하지 않고, 200℃를 초과하면 모노머를 열적으로 열화시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한 상기 열처리 공정은 질소 또는 아르곤 분위기하에서 실시되는 것이 바람직하다.
또 다른 예로 상기 촉매층 형성용 조성물을 이형 필름의 일면에 도포하고 건조하여 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질 막에 전사하는 경우, 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 사 용할 수 있다.
상기 전사 필름으로의 촉매층 형성용 조성물의 도포 공정은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 전사 공정은 이형 필름에 형성된 촉매층을 고분자 전해질 막상에 위치시킨 후 100 내지 250℃ 및 300 내지 2000 psi의 조건에서 열간 압연하여 실시하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 100 내지 200℃ 및 300 내지 1500 psi의 조건에서 열간 압연하여 전사할 수 있다. 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.
이후 상기 촉매층이 형성된 고분자 전해질 막의 양면에 전극 기재를 결착하여 막-전극 어셈블리를 제조한다.
상기 전극 기재는 앞서 설명한 바와 동일하며, 고분자 전해질 막에 전극 기재를 결착하는 방법은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기에서 설명한 바와 같이 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법은, 촉매층 형성용 조성물의 도포 후 열처리 또는 광조사한다. 이에 따라 촉매층 형성용 조성물내 증점제로서 사용된, 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머가 가교 결합하게 되며, 또한 촉매층 형성용 조성물내의 잔류하는 용매가 증발하게 된다. 따라서, 촉매층내 용매의 고분자 전해질 막으로의 침투를 방지하여 고분 자 전해질 막의 팽윤을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 막-전극 어셈블리의 구조적 안정성 및 전지 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 예시적인 제3실시예에 따르면, 상기 구성을 갖는 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 연료전지 시스템은 상기 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 존재하는 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 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에 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]
Pt 블랙(Hispec® 1000, Johnson Matthey사제) 및 Pt/Ru 블랙 (Hispec® 6000, Johnson Matthey사제)의 캐소드 전극 및 애노드 전극용 촉매 3.0 g을 각각 탈이온수 3.0g을 각각 적하하여 촉매입자를 수분으로 웨팅(wetting)하였다. 상기 촉매에 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 1g, 아세토페논 0.1g, 10wt% 나피온(Nafion®, Dupont사제) 수계 분산액 2.0g을 적하한 후 기계적으로 교반하고 1M TBAOH/메탄올 용액 0.5g을 첨가하여 30분 간격으로 기계적 교반과 초음파 교반을 3회 반복한 후 12시간 동안 자석 교반기를 이용하여 기계적으로 더욱 교반하여 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.
상업용 Nafion 115막(125㎛)을 각각 100℃의 3% 과산화수소, 0.5M NaOH 수용액에서 1시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 소듐형 Nafion 115막을 준비하였다.
상기 촉매층 형성용 조성물을 상기 고분자 전해질 막의 일면에 직접 코팅하였다. 이때 촉매로딩은 각각 3 mg/cm2 이고, 전체 5 X 5 cm2로 형성하였다. 이후 80℃의 질소분위기 하에서 열처리하며 에틸렌글리콜디메타크릴레이트의 경화반응을 유도하였다. 고분자 전해질 막의 나머지 일면에 대해서도 동일하게 실시하여 고분자 전해질 막 양면에 대하여 캐소드 전극과 애노드 전극의 촉매층을 각각 형성하였다.
이후 촉매층이 형성된 고분자 전해질 막을 1M 황산 수용액과 탈이온수에서 각각 1시간 처리하고, 촉매층 양면에 발수처리된 탄소 페이퍼의 일면에 카본블랙 미세기공층이 형성된 상업용 전극 기재(uncatalyzed gas diffusion electrode, SGL Carbon 31BC)을 결합하고 130℃에서 1,000 psi로 3분동안 열간 압연하여 5층 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
상기 제조된 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 25 cm2 단위 전지를 제조하였다.
[비교예 1]
촉매층 형성용 조성물의 제조시 에틸렌글리콜디메타크릴레이트 및 개시제인 아세토페논을 사용하지 않고, 10wt% 나피온(Nafion®, Dupont사제) 수계 분산액 4.5g을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 연료전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료전지를 1 M 메탄올과 건조 공기(dry air)를 화학양론적으로 3.0의 조건으로 유입한 상태에서 전지온도를 50 내지 60℃로 변화시키며 1000시간동안 구동하여 단위전지의 전압 및 출력 변화를 측정하였다. 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에서 △ 또는 ▲을 포함하는 라인은 실시예 1의 연료전지를, □ 또는 ■를 포함하는 라인은 비교예 1의 연료전지를 나타낸다.
도 2에 나타나 바와 같이, 실시예 1에 따른 연료전지는 비교예 1의 연료전지에 비하여 보다 높은 전압 및 출력밀도를 나타내었다. 이로부터 본 발명에 따른 실 시예 1의 연료전지는 용매에 의한 촉매층의 팽윤이 감소되어 장기운전에도 우수한 구조적 안정성 및 전지 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리는, 용매에 의한 촉매층의 팽윤이 감소되어 연료전지의 구조적 안정성 및 전지 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며,
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극중 적어도 하나는,
    전극 기재, 및
    상기 전극 기재와 고분자 전해질 막 사이에 위치하며, 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머가 가교 결합하여 형성된 폴리머, 금속 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머는 1,4-부탄디올디아크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 펜타에리스리톨테트라아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디아크릴레이트, 에틸렌글리콜디아크릴레이트, 디펜타에리스리톨디아크릴레이트, 솔비톨트리아크릴레이트, 비스페놀 A 디아크릴레이트 및 그의 유도체, 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 에틸렌옥사이드 부가형 트리메틸올프로판트리아크릴레이트, 디펜타에리스리톨아크릴레이트, 1,4-부탄디올디메타크릴레이트, 1,3-부틸렌글리콜디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 펜타에리스리톨테트라메타크릴레이트, 트리에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 에틸렌글리콜디메타크릴레이트, 디펜타에리스리톨디메타크릴레이트, 솔비톨트리메타크릴레이트, 비스페놀 A 디메타크릴레이트 및 그의 유도체, 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트, 에틸렌옥사이드 부가형 트리메틸프로판트리메타크릴레이트, 디펜타에리스리톨메타크릴레이트, 테트라메틸올프로판 테트라아크릴레이트, 펜타에리스리톨 테트라아크릴레이트, 테트라메틸올프로판 테트라메타크릴레이트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머가 가교 결합하여 형성된 폴리머는 촉매층 총 중량에 대하여 2 내지 50중량%로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  4. 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(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, W, Mo, Rh, Sn, Zn, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 촉매는 촉매층 총 중량에 대하여 47 내지 95중량%로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바인더 수지는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 바인더 수지는 촉매층 총 중량에 대하여 3 내지 48중량%로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 3 내지 100㎛의 두께를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 세퍼레이터의 유로 형상에 대응하는 형상으로 형성된 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 막은 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지로부터 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 막은 측쇄 말단의 이온 교환기 -SO3X에서, X가 나트륨, 칼륨 및 세슘으로 이루어진 군에서 선택된 1가 이온; 또는 테트라부틸암모니움 이온으로 치환된 퍼플루오로 술폰산인 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  12. 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머, 금속 촉매, 바인더 수지, 개시제 및 잔부 양의 용매를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 이용하여 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 이를 전극 기재와 결착시키는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법은
    말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머, 금속 촉매, 바인더 수지, 개시제 및 잔부 양의 용매를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 제조하는 단 계;
    상기 촉매층 형성용 조성물을 고분자 전해질 막의 양면에 직접 도포한 후 열처리 또는 광조사하거나, 또는 상기 촉매층 형성용 조성물을 전사 필름에 도포하여 촉매층을 형성한 후 열간 압연에 의해 이를 고분자 전해질 막에 전사하여 촉매층을 형성하는 단계; 및,
    상기 촉매층이 형성된 고분자 전해질 막의 양면에 전극 기재를 결착하는 단계
    를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 촉매층 형성용 조성물은 조성물 총 중량에 대하여 말단에 적어도 1이상의 이중결합을 갖는 친수성 모노머 5 내지 20중량%, 금속 촉매 20 내지 40중량%, 바인더 수지 10 내지 30중량%, 개시제 0.5 내지 5중량% 및 잔부 양의 용매를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 촉매층 형성용 조성물은 1,000 내지 100,000cps의 점도를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 개시제는 벤조인류, 벤조인 알킬 에테르류, 아세토페논류, 아미노아세토페논류, 안트라퀴논류, 티오크산톤류, 케탈류, 벤조페논류, 크산톤류, 트리아진류, 이미다졸류, 포스핀옥사이드류, 퍼옥사이드류, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 막에 도포된 촉매층 형성용 조성물에 대한 열처리 공정은 50 내지 200℃의 온도 범위내에서 실시되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 막에 도포된 촉매층 형성용 조성물에 대한 열처리 공정은 질소 또는 아르곤 분위기하에서 실시되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 막으로의 촉매층 전사 공정은 100 내지 250℃ 및 300 내지 2000 psi 의 조건에서 열간 압연하여 실시되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  20. 제1항 내지 제11항중 어느 한 항에 따른 막-전극 어셈블리 및 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 위치하는 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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