KR100959117B1 - 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR100959117B1
KR100959117B1 KR1020070096105A KR20070096105A KR100959117B1 KR 100959117 B1 KR100959117 B1 KR 100959117B1 KR 1020070096105 A KR1020070096105 A KR 1020070096105A KR 20070096105 A KR20070096105 A KR 20070096105A KR 100959117 B1 KR100959117 B1 KR 100959117B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
fuel cell
hydrophobic polymer
fuel
fiber
Prior art date
Application number
KR1020070096105A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20090030665A (ko
Inventor
황지석
송민규
김유미
송형석
조현석
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020070096105A priority Critical patent/KR100959117B1/ko
Priority to US12/174,034 priority patent/US20090081526A1/en
Publication of KR20090030665A publication Critical patent/KR20090030665A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100959117B1 publication Critical patent/KR100959117B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0239—Organic resins; Organic polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0241—Composites
    • H01M8/0243—Composites in the form of mixtures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

본 발명은 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료 전지용 전극은 탄소 섬유 및 소수성 고분자 섬유를 포함하는 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함한다.
본 발명의 연료 전지용 전극은 소수성 고분자가 전극 기재 전체적으로 균일하게 위치하고 있으므로, 연료 전지 구동시 발생되는 물의 배출 및 유지를 전극 전체적으로 균일하게 일어나게 할 수 있어, 전지 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
소수성고분자섬유,발수처리,연료전지,전극기재

Description

연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{ELECTRODE FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING SAME}
본 발명은 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 균일한 발수 처리가 가능하여, 전지 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
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 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 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.
본 발명의 목적은 균일한 발수 처리가 가능한 연료 전지용 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 전극을 포함하여, 전지 특성이 우수한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소 섬유 및 소수성 고분자 섬유를 포함하는 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극을 제공한다.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하며, 전극 기재 및 촉매층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리 및 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 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 상기 전극 기재는 탄소 섬유 및 소수성 고분자 섬유를 포함한다.
본 발명의 연료 전지용 전극은 소수성 고분자가 전극 기재 전체적으로 균일하게 위치하고 있으므로, 연료 전지 구동시 발생되는 물의 배출 및 유지를 전극 전 체적으로 균일하게 일어나게 할 수 있어, 전지 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료 전지용 전극에 관한 것으로서, 특히 전극 기재에 관한 것이다. 연료 전지에서 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 하며, 또한 촉매층에서 발생한 전류를 세퍼레이터로 전달하는 집전 기능의 일부를 담당한다.
종래 이러한 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하였으며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth) 또는 탄소 펠트(carbon felt)를 사용하였다.
또한, 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지하기 위하여, 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하였다.
상기 발수 처리는 불소 계열 수지의 에멀젼에 도전성 기재를 침적하는 공정을 여러번 반복하면서, 불소 계열 수지의 로딩량을 조절하여 실시하였다. 그러나 이 경우 탄소 페이퍼, 탄소 천 또는 탄소 펠트를 구성하는 탄소 섬유가 흡습성이 뛰어나 불소 계열 수지의 로딩량을 조절하기가 어렵고 또한 불소계 수지가 전극 기재에 고르게 분산되게 조절하기도 어려웠다. 이에 따라 연료 전지 구동시 전극에서 발생되는 물을 균일하게 배출하기 어려운 문제가 있어, 결과적으로 전극에 국부적으로 물이 범람(water flooding)하게 되어 반응물의 물질 전달 저항을 증가시켜 전지 성능을 저하시키는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 연료 전지용 전극에 관한 것이다.
본 발명의 연료 전지용 전극은 전극 기재 및 이 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함한다. 상기 전극 기재는 탄소 섬유 및 소수성 고분자 섬유를 포함하며, 상기 탄소 섬유와 상기 소수성 고분자 섬유가 서로 직조된 것이다.
상기 소수성 고분자 섬유는 100nm 내지 10㎛의 평균 직경을 갖는 것이 바람직하고, 100nm 내지 1㎛의 평균 직경을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 소수성 고분자 섬유 평균 직경이 100nm 내지 10㎛ 범위에 포함되는 것을 사용하는 것이, 탄소 섬유와 직조하여 원하는 발수성의 효과를 얻을 수 있어 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 탄소 섬유의 평균 직경은, 본 발명의 효과에 큰 영향을 미치지 않으므로 적당하게 조절하여 사용할 수 있다.
상기 탄소 섬유와 상기 소수성 고분자 섬유의 혼합 비율은 99 : 1 내지 50 : 50 중량%가 바람직하고, 95 : 5 내지 80 : 20 중량% 더욱 바람직하다. 소수성 고분자 섬유를 1 내지 50 중량%의 범위로 사용할 때, 발수 처리율을 조절하면서, 원하는 발수성 효과를 얻을 수 있어서 바람직하다.
상기 소수성 고분자 섬유로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 이들의 코폴 리머 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 포함하는 섬유를 사용할 수 있다.
종래 침적 방법으로는 불소 계열 수지가 깊이 방향에 따라 그 로딩량이 상이하게 존재하므로, 물 배출이 균일하지 못한 문제를, 본 발명의 전극 기재는 소수성 고분자를 섬유 형태로 사용하여, 탄소 섬유와 함께 직조하여 제조된 것이므로, 전극 기재의 깊이 방향으로도 소수성 고분자가 균일하게 위치하고 있으므로 방지할 수 있다. 또한 종래에는 불소 계열 수지를 침적 방법으로 전극 기재에 첨가하므로, 불소 계열 수지가 전극 기재에 고르게 분포되기 어려웠던 문제가 있었으나, 본 발명의 전극 기재는 소수성 고분자와 탄소 섬유를 함께 직조하므로, 소수성 고분자가 전극 기재에 균일하게 존재하므로 전극 기재 전체적으로 균일한 발수율을 얻을 수 있다.
또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 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, 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, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알 킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 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.
상기 촉매층에서 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 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. 구체적인 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, 담체 에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 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 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테 트라플루오로에틸렌과 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 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 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.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어 진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 전극은 연료 전지용 막-전극 어셈블리에서 애노드 전극 또는 캐소드 전극으로 사용될 수 있다. 본 발명의 전극을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리는서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 본 발명의 전극을 포함한다.
본 발명의 막-전극 어셈블리에서 고분자 전해질 막으로는 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.
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 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 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) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 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 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 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.
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)를 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 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 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(17)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실 시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
100nm의 평균 직경을 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌 얀(yarn)과 탄소 섬유를 5 : 95 중량%의 혼합비로 사용하여, 이들을 직조하여, 탄소천 전극 기재를 제조하였다.
상기 전극 기재에 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막에 Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량%와 바인더로 5 중량% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 포함하는 애노드 전극용 촉매 조성물 및 Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량%와 바인더로 5 중량% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 포함하는 캐소드 전극용 촉매 조성물을 도포하여 애노드 전극 촉매층 및 캐소드 전극 촉매층을 각각 형성하여, 애노드 전극 및 캐소드 전극을 각각 제조하였다.
상기 제조된 애노드 전극, 캐소드 전극 및 상업용 Nafion 115 고분자 전해질 막을 이용하여 통상의 방법으로 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
상기 제조된 막-전극 어셈블리를 폴리테트라플루오로에틸렌이 코팅된 유리 섬유(glass fiber) 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴라 플레이트에 삽입한 후, 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지인 연료 전지 시스템을 제조하였다.
(실시예 2)
평균 직경이 1㎛인 폴리테트라플루오로에틸렌 얀(yarn)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 3)
평균 직경이 500nm인 폴리테트라플루오로에틸렌 얀(yarn)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(비교예 1)
탄소 섬유만으로 형성된 탄소 천을 폴리테트라플루오로에틸렌 수지 용액에 침적하여, 제조된 전극 기재를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 연료 전지에 1 M 메탄올과 건조 공기(dry air)를 유입한 상태에서, 출력을 측정한 결과, 실시예 1 내지 3의 연료 전지 시스템이 비교예 1의 연료 전지 시스템에 비하여 매우 우수하게 나타났다.
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.
도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.

Claims (14)

  1. 탄소 섬유 및 소수성 고분자 섬유를 포함하며, 상기 탄소 섬유와 상기 소수성 고분자 섬유가 직조된 형태인 전극 기재; 및
    상기 전극 기재에 형성된 촉매층
    을 포함하는 연료 전지용 전극.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 고분자 섬유는 100nm 내지 10㎛의 평균 직경을 갖는 것인 연료 전지용 전극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 소수성 고분자 섬유는 100nm 내지 1㎛의 평균 직경을 갖는 것인 연료 전지용 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 섬유와 상기 소수성 고분자 섬유의 혼합 비율은 99 : 1 내지 50 : 50 중량%인 연료 전지용 전극.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탄소 섬유와 상기 소수성 고분자 섬유의 혼합 비율은 95 : 5 내지 80 : 20 중량%인 연료 전지용 전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 고분자 섬유는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 이들의 코폴리머 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 포함하는 것인 연료 전지용 전극.
  8. 서로 대향하여 위치하며, 전극 기재 및 촉매층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리 및 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 시스템으로서,
    상기 전극 기재는 탄소 섬유 및 소수성 고분자 섬유를 포함하며, 상기 탄소 섬유와 상기 소수성 고분자 섬유가 직조된 형태인 연료 전지 시스템.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 소수성 고분자 섬유는 100nm 내지 10㎛의 평균 직경을 갖는 것인 연료 전지시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 소수성 고분자 섬유는 100nm 내지 1㎛의 평균 직경을 갖는 것인 연료 전지 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 탄소 섬유와 상기 소수성 고분자 섬유의 혼합 비율은 99 : 1 내지 50 : 50 중량%인 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 탄소 섬유와 상기 소수성 고분자 섬유의 혼합 비율은 95 : 5 내지 80 : 20 중량%인 연료 전지 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 소수성 고분자 섬유는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 이들의 코폴리머 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
KR1020070096105A 2007-09-20 2007-09-20 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 KR100959117B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070096105A KR100959117B1 (ko) 2007-09-20 2007-09-20 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
US12/174,034 US20090081526A1 (en) 2007-09-20 2008-07-16 Electrode for fuel cell and fuel cell system including same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070096105A KR100959117B1 (ko) 2007-09-20 2007-09-20 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090030665A KR20090030665A (ko) 2009-03-25
KR100959117B1 true KR100959117B1 (ko) 2010-05-25

Family

ID=40471991

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070096105A KR100959117B1 (ko) 2007-09-20 2007-09-20 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20090081526A1 (ko)
KR (1) KR100959117B1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2770565A1 (en) * 2013-02-26 2014-08-27 Vito NV Method of manufacturing gas diffusion electrodes
EP3955350A4 (en) * 2019-04-09 2023-03-01 Toppan Printing Co., Ltd. MEMBRANE-ELECTRODE AND POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL ASSEMBLY
CN115871909A (zh) * 2023-03-03 2023-03-31 世能氢电科技有限公司 一种产氢产电产纳米材料的动力系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11204114A (ja) * 1998-01-20 1999-07-30 Daikin Ind Ltd 電極材料
JP2001216973A (ja) 2000-02-01 2001-08-10 Toray Ind Inc 電極およびその製造方法並びにそれを用いた燃料電池
KR20030014282A (ko) * 2000-07-03 2003-02-15 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 고분자 전해질형 연료전지
JP2003272671A (ja) 2002-03-15 2003-09-26 Riken Corp 固体高分子電解質型燃料電池のセルユニット

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3376653B2 (ja) * 1993-10-12 2003-02-10 トヨタ自動車株式会社 エネルギ変換装置および電極
JPWO2003079477A1 (ja) * 2002-03-15 2005-07-21 株式会社リケン 固体高分子電解質型燃料電池のセルユニット
KR100542228B1 (ko) * 2004-06-30 2006-01-10 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는연료전지

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11204114A (ja) * 1998-01-20 1999-07-30 Daikin Ind Ltd 電極材料
JP2001216973A (ja) 2000-02-01 2001-08-10 Toray Ind Inc 電極およびその製造方法並びにそれを用いた燃料電池
KR20030014282A (ko) * 2000-07-03 2003-02-15 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 고분자 전해질형 연료전지
JP2003272671A (ja) 2002-03-15 2003-09-26 Riken Corp 固体高分子電解質型燃料電池のセルユニット

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090030665A (ko) 2009-03-25
US20090081526A1 (en) 2009-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100658688B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR20080042551A (ko) 연료 전지용 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR101309158B1 (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
JP6328889B2 (ja) 燃料電池用担体、これを含む燃料電池用電極、燃料電池用膜−電極接合体および燃料電池システム
KR20070106200A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR100953617B1 (ko) 연료 전지용 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20070098136A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR101309159B1 (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
KR20070099120A (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20080032962A (ko) 연료 전지용 캐소드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
KR100976453B1 (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100959117B1 (ko) 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100709198B1 (ko) 직접 산화형 연료 전지용 스택 및 이를 포함하는 직접산화형 연료 전지 시스템
KR100728188B1 (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
KR20070099935A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR20080045461A (ko) 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20080041846A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR100759435B1 (ko) 연료 전지용 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극어셈블리
KR20080045416A (ko) 직접 산화형 연료 전지 시스템의 구동 방법
KR20070099121A (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100728199B1 (ko) 연료 전지용 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR20080013101A (ko) 연료 전지용 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및이를 포함하는 연료 전지용 시스템
KR20070103569A (ko) 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템
KR20070105701A (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매, 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템
KR100696672B1 (ko) 혼합 주입형 연료 전지용 스택 및 이를 포함하는 혼합주입형 연료 전지 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130422

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140423

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150421

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee