KR101009624B1 - 연료 전지용 막-전극어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 막-전극어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를포함하는 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 구현예에 따르면, 촉매층 및 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재를 각각 포함하며, 상기 각각의 촉매층이 서로 마주보도록 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 촉매층이 형성된 기재의 일변과 평행한 대칭축을 따라 상기 기재에 수직하게 자른 단면에서, 상기 촉매층의 일단에서의 기재상의 한 점을 s1이라 하고, 상기 고분자 전해질 막과 기재 사이의 거리를 h1이라 하고, 상기 기재상의 임의의 한 점을 s라 하고, 상기 s에서의 상기 촉매층의 높이를 h라 하고, 상기 h가 상기 h1과 같아지는 s들 중에서 s1과 가장 가까운 것을 s2라 하고, 상기 s1과 s2 사이의 거리를 t1이라 할 때, 상기 h1/t1이 0.5 이상인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
상기 막-전극 어셈블리는 촉매층 형성시 발생하는 쉐도우 효과를 줄여 더 많은 양의 촉매를 포함할 수 있으며, 촉매층 형성용 조성물의 용매 휘발에 의한 촉매층의 수축 현상을 방지하여 단위 부피당 에너지 밀도가 크다.
연료전지, 연료전지시스템, 막-전극어셈블리, 촉매층, 개스킷, 접착층

Description

연료 전지용 막-전극어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 더 많은 양의 촉매를 포함하며, 단위 부피당 에너지 밀도가 더 큰 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료 전지시스템에 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 내지 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 경우를 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
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, 상기 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
한편, 상기 애노드 전극의 촉매 또는 캐소드 전극의 촉매는 금속 마스크를 이용하여 고분자 전해질 막의 소정의 영역에만 형성하게 된다. 그러나 촉매층 형성시 상기 금속 마스크를 이용하게 됨으로써, 상기 금속 마스크를 씌우는 공정에 많은 시간이 소요되고, 상기 금속 마스크의 두께가 두꺼워, 촉매층 형성시 금속 마스크에 가려져 촉매층 상면의 가장자리 부분에 촉매층이 형성되지 않는 쉐도우 효과(shadow effect)가 문제되고 있다.
본 발명의 목적은 더 많은 촉매를 포함하며, 단위 부피당 에너지 밀도가 더 큰 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 제공하는 것이 다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 촉매층 및 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재를 각각 포함하며, 상기 각각의 촉매층이 서로 마주보도록 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 촉매층이 형성된 기재의 일변과 평행한 대칭축을 따라 상기 기재에 수직하게 자른 단면에서, 상기 촉매층의 일단에서의 기재상의 한 점을 s1이라 하고, 상기 고분자 전해질 막과 기재 사이의 거리를 h1이라 하고, 상기 기재상의 임의의 한 점을 s라 하고, 상기 s에서의 상기 촉매층의 높이를 h라 하고, 상기 h가 상기 h1과 같아지는 s들 중에서 s1과 가장 가까운 것을 s2라 하고, 상기 s1과 s2 사이의 거리를 t1이라 할 때, 상기 h1/t1이 0.5 이상인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
상기 h1/t1이 0.5 내지 2인 것이 바람직하다.
상기 기재는 고분자 전해질 막일 수 있고, 전극 기재일 수도 있다.
상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 상기 촉매층의 외주면을 둘러싸며 촉매층을 밀봉하는 개스킷을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 개스킷은 일면에 접착층을 구비하고, 상기 접착층에 의하여 상기 기재의 소정 영역에 고정되는 것이 바람직하다.
상기 접착층은 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 폴리에스테르-폴리우레탄 중합의 2액형 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 접착층의 두께는 10 내지 50um인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 일면에 접착층을 구비한 개스킷을, 상기 개스킷의 접착층이 기재의 소정의 영역에 접착되도록 하여, 상기 기재 위에 고정시키는 단계 및 상기 개스킷을 마스크로 하여 상기 기재 위에 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 제공한다.
상기 기재는 고분자 전해질 막이거나, 전극 기재일 수 있다.
상기 개스킷의 두께는 100 내지 300um인 것이 바람직하고, 상기 접착층의 두께는 10 내지 50um인 것이 바람직하다.
상기 접착층은 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 폴리에스테르-폴리우레탄 중합의 2액형 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부, 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극어셈블리는 촉매층 형성시 발생하는 쉐도우 효과를 줄여 더 많은 양의 촉매를 포함할 수 있으며, 촉매층 형성용 조성물의 용매 휘발에 의한 촉매층의 수축 현상을 방지하여 단위 부피당 에너지 밀도가 크다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따른 막-전극어셈블리의 제조 방법은 촉매층 형성시 발생하는 쉐도우 효과를 감소시키며, 촉매층 형성용 조성물의 용매 휘발에 의한 촉매층의 수축 현상을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일구현예에 따른 연료 전지 시스템은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하여 전류 밀도가 향상되고, 수명이 연장된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 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 일 구현예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 어셈블리의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1은 촉매층이 형성된 기재의 일변과 평행한 대칭축을 따라 상기 기재에 수직하게 자른 단면도이다.
일반적으로, 연료전지의 막-전극 어셈블리를 제조하는 방법은 크게 두 가지 방식으로 구분할 수 있다. 첫 번째는 전극 기재에 촉매를 코팅하고, 고분자 전해질 막과 라미네이트시켜 막-전극 어셈블리를 제조하는 방식이며, 두 번째는 고분자 전해질 막의 양면에 촉매층을 형성시킨 후, 전극 기재를 라미네이트시켜 막-전극 어셈블리를 형성시키는 방식이다. 상기 첫 번째 방식을 CCS(Catalyst Coated Substrate) 방식이라 하고, 두 번째 방식을CCM(Catalyst Coated Membrane) 방식이라 한다.
상기 촉매층을 CCS 방식으로 형성하는 경우, 상기 기재는 전극 기재가 될 수 있고, 상기 촉매층을 CCM 방식으로 형성하는 경우, 상기 기재는 고분자 전해질 막이 될 수 있다.
도 1은 CCM 방식으로 촉매층을 형성하는 경우를 나타내고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, CCS 방식으로도 촉매층을 형성할 수 있다. 즉, 도 1에서는 상기 기재가 고분자 전해질 막(130)인 경우를 나타내고 있다.
도 1을 참조하면, 상기 막-전극 어셈블리(100)는 일면에 애노드 전극(110), 다른 일면에 캐소드 전극(120)을 구비하고, 상기 두 전극 사이에 고분자 전해질 막(130)을 구비하는 구조로 이루어져 있다.
여기서 상기 애노드 전극(110)은 수소를 산화 반응시켜 수소 이온(프로톤)과 전자로 변환시키는 기능을 하는 애노드 촉매층(111)과, 상기 애노드 촉매층(111)을 지지하는 애노드 전극 기재(112)를 포함한다. 상기 캐소드 전극(120)은 상기 수소 이온과 산화제를 환원 반응시켜, 소정 온도의 열과 수분을 발생시키는 기능을 하는 캐소드 촉매층(121)과, 상기 캐소드 촉매층(121)을 지지하는 캐소드 전극 기재(122)를 포함한다. 상기 고분자 전해질 막(130)은 애노드 전극(110)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(120)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하게 된다.
또한, 상기 막-전극 어셈블리(100)는 상기 애노드 촉매층(111), 및 캐소드 촉매층(121)의 외주면을 둘러싸며 촉매층을 밀봉하는 개스킷(140a, 140b)을 포함한다. 상기 개스킷(140a, 140b)은 일면에 접착층(141a, 141b)을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 접착층(141a, 141b)은 개스킷(140a, 140b)과 고분자 전해질 막(130)의 부착을 위해 사용되며, 충분한 실링을 이루기 위해 내수, 내열 및 내산성을 가지는 물질이 사용 가능하다.
바람직하기로, 상기 접착층(141a, 141b)의 재질로는 연료 전지 구동시 발생하는 열을 충분히 견딜 수 있는 내열성 접착제가 바람직하게 사용될 수 있으며, 150 내지 200℃에서 내열성을 가지는 접착제면 어느 것이든 사용 가능하다.
대표적으로, 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 폴리에스테르-폴리우레탄 중합의 2액형 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 접착층(141a, 141b)은 상기 부착 및 실링을 이룰 수 있도록 10 내지 50um의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 20 내지 40um로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 어셈블리(100)는 촉매층 형성시 상기 접착층(141a, 141b)을 포함하는 개스킷(140a, 140b)을 마스크로 이용함에 따라 촉매층 형성시 마스크에 가려져 촉매층 상면의 가장자리 부분에 촉매층이 형성되지 않는 쉐도우 효과(shadow effect)를 줄일 수 있다. 도 1의 인용부호 150a, 및 150b는 쉐도우 효과에 의하여 촉매층이 형성되지 않은 빈 공간을 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시한 A의 확대도이다. 도 2에서 도 1과 같은 부재에 대해 서는 동일한 인용부호를 사용한다. 도 2를 참조하면, 상기 촉매층(111)의 일단(230)에서의 기재상(240)의 한 점을 s1이라 하고, 상기 고분자 전해질 막(130)과 전극기재(112) 사이의 거리를 h1이라 하고, 상기 기재상(240)의 임의의 한 점을 s라 하고, 상기 s에서의 상기 촉매층(111)의 높이를 h라 하고, 상기 h가 상기 h1과 같아지는 s들 중에서 s1과 가장가까운 것을 s2라 하고, 상기 s1과 s2 사이의 거리를 t1이라 하다.
이 때, 상기 h1/t1이 0.5 이상인 것이 바람직하고, 1 이상인 것이 더욱 바람직하고, 1.5 이상인 것이 더더욱 바람직하다. 상기 h1/t1이 0.5 이상인 경우, 동일한 부피 내에 존재하는 촉매의 양이 증가됨으로써, 촉매층의 활성 영역이 더욱 증가하게 되므로 바람직하다. 상기 h1/t1은 클수록 단위 부피 당 에너지 밀도가 상승하여 바람직하다. 다만, 상기 h1/t1이 2를 초과하도록 촉매층을 형성하는 것은 어렵다.
상기 h1의 값은 전극의 제조 공정에 따라 크게 달라지므로 일정한 값을 한정하는 것은 무의미하다. 즉, 일반적으로 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)의 경우 촉매의 도포량이 약 0.2mg/cm2 정도이고, 직접 메탄올 산화 연료 전지(DMFC)의 경우 촉매의 도포량이 약 4 mg/cm2이기 때문에, 고분자 전해질과 기재의 절대적인 두께를 정하는 것은 무의미한 것이다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 일면에 접착층을 구비한 개스킷을, 상기 개스킷의 접착층이 기재의 소정의 영역에 접착되도록 하여, 상기 기재 위에 고정시키는 단계 및 상기 개스킷을 마스크로 하여 기재 위에 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 제공한다.
상기 촉매층을 CCS(전극기재에 촉매층을 형성) 방식으로 형성하는 경우, 상기 기재는 전극 기재가 될 수 있고, 상기 촉매층을 CCM(고분자 전해질 막에 촉매층을 형성( 방식으로 형성하는 경우, 상기 기재는 고분자 전해질 막이 될 수 있다.
도 3은 금속 마스크를 이용하는 종래의 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 도시한 단면도이다. 도3을 참조하면, 고무 자석판(310) 위에 금속 마스크(320)를 이용하여 고분자 전해질 막(330)을 고정시키고, 고분자 전해질 막(330)의 수축을 방지하기 위하여, 고분자 전해질 막(330)의 가장자리를 테이프(340a, 340b)로 고정시킨다. 상기 금속 마스크(320)가 형성된 고분자 전해질 막(330) 위에 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등을 이용하여 촉매층을 형성한 후, 금속 마스크(320)를 제거한다.
상기 종래의 막-전극 어셈블리의 제조 방법의 경우, 상기 고무 자석판(310) 위에 고분자 전해질 막(330)과 금속 마스크(320)를 씌우는 공정에 많은 시간이 소요되고, 고분자 전해질 막(330)의 일면에 애노드 촉매층을 형성한 후에 고분자 전해질 막(330)의 반대면에 캐소드 촉매층을 형성하는 때에 애노드 전극과의 위치를 일치시키는데 많은 수고가 든다. 또한, 상기 금속 마스크(320)와 고무 자석판(310) 사이의 자력이 강하지 못하면 촉매층 형성시 고분자 전해질 막(330)이 수 축되는 문제점도 있다.
따라서, 상기 금속 마스크(320)와 고무 자석판(310) 사이의 자력을 일정 정도 이상 유지하기 위하여, 일정 두께 이상의 금속 마스크(320)가 필요하다. 상기와 같이 일정 두께 이상의 금속 마스크(320)를 사용하는 경우, 촉매층 형성시 금속 마스크(320)에 가려져 촉매층 상면의 가장자리 부분에 촉매층이 형성되지 않는 쉐도우 효과(shadow effect)가 문제된다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 도시한 단면도이다. 도 4는 CCM 방식으로 촉매층을 형성하는 경우에 대하여 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고 CCS 방식으로도 촉매층을 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 어셈블리의 제조 방법은 진공 플레이트(410) 위에 고분자 전해질 막(420)을 고정시키고, 일면에 접착층을 구비한 개스킷(430)을, 상기 개스킷(430)의 접착층이 고분자 전해질 막(420)의 소정의 영역에 접착되도록 하여, 상기 고분자 전해질 막(420) 위에 고정시킨다. 상기 개스킷(430)을 마스크로 하여 상기 개스킷(430)이 부착된 영역을 제외한 고분자 전해질 막(420) 위에 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등을 이용하여 촉매층을 형성한다.
촉매층 형성시 상기 접착층을 포함하는 개스킷(430)을 마스크로 이용하는 경우, 상기 개스킷(430)은 금속 마스크에 비하여 두께가 얇아 촉매층 형성시 쉐도우 효과(shadow effect)를 줄일 수 있다. 또한, 촉매층 형성 후에도 개스킷(430)이 그대로 남아 있어, 고분자 전해질 막(420)의 일면에 애노드 촉매층을 형성한 후에 반대면에 캐소드 촉매층을 형성하는 때에도 애노드 전극과의 위치를 일치시키는데 많은 수고가 들지 않는다.
상기 접착층을 포함하는 개스킷(430)의 두께는 100 내지 300um인 것이 바람직하고, 150 내지 200 um인 것이 더욱 바람직하다. 상기 개스킷(430)의 두께가 100 um 미만인 경우, 전극의 패턴을 형성하는데 문제점이 있고, 300 um을 초과하는 경우 쉐도우 효과가 발생하는 문제점이 있다. 반면, 상기 도 3의 금속 마스크의 두께는 700㎛ 정도이다.
또한, 상기 고분자 전해질 막(420)을 진공 플레이트(410)로 고정시키기 때문에 촉매층 형성시 촉매층 형성용 조성물의 용매 휘발에 의한 고분자 전해질 막(420)의 수축을 방지할 수 있다.
상기 접착층은 개스킷(430)과 고분자 전해질 막(420)의 부착을 위해 사용되며, 충분한 실링을 이루기 위해 내수, 내열 및 내산성을 가지는 물질이 사용 가능하다.
상기 접착층의 재질로는 연료 전지 구동시 발생하는 열을 충분히 견딜 수 있는 내열성 접착제가 바람직하게 사용될 수 있으며, 150 내지 200℃에서 내열성을 가지는 접착제면 어느 것이든 사용 가능하다.
대표적으로, 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 폴리에스테르-폴리우레탄 중합의 2액형 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 접착층은 상기 부착 및 실링을 이룰 수 있 도록 10 내지 50um의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 20 내지 40um로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 접착층을 포함하는 개스킷(430)은 접착층의 경화를 통하여 고분자 전해질 막(420)에 고정시킬 수 있다. 상기 경화는 상기 접착층의 재질에 따라 달라질 수있으며, 고분자 전해질 막(420)의 물성에 영향을 주지 않도록 자외선, X-선을 조사하거나 열을 가해 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 전기 발생부, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부, 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5에 도시한 스택(510)의 구조를 나타내 보인 분해 사시도이다.
도 5을 참조하면, 상기 연료 전지 시스템(500)은 수소를 함유한 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 이 수소의 산화 반응과 산화제의 환원반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식을 채용한다.
상기 연료 전지 시스템(500)에 있어 산화제는 별도의 저장 공간에 저장된 산소 또는 산소를 포함하는 공기가 가능하다.
본 발명에 따른 연료 전지 시스템(500)은, 개질기(530)를 통해 개질된 개질 가스와 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생 부(511)와, 연료를 개질기(530)로 공급하는 연료 공급부(550)와, 상기 연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 이 수소를 전기 발생부(511)로 공급하는 개질기(530)와, 상기 개질기(530)와 전기 발생부(511)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(570)를 포함하여 구성된다. 상기 전기 발생부(511)를 적층하여 스택(510)을 구성한다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(500)의 작동시, 개질기(530)로부터 발생되는 수소를 스택(510)의 전기 발생부(511)로 공급하고, 산화제를 상기 전기 발생부(511)로 공급하게 되면, 이 스택(510)에서는 수소의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 기설정된 출력량의 전기 에너지와 물 그리고 열을 발생시킨다.
상기 개질기(530)는 수소를 함유한 연료로부터 수소를 발생시키고, 이 수소를 스택(510)으로 공급하는 구조로 이루어진다. 상기 개질기(530)는 수증기 개질(Steam Reforming: SR), 자열 개질 반응(Autothermal Reforming: ATR), 또는 부분 산화 반응(Partial Oxidation: POX)에 의하여 상기 연료로부터 수소를 발생시키고, 상기 수소를 스택(510)으로 공급한다. 또한, 상기 개질기(530)는 일산화탄소를 선택적으로 산화시키는 일산화탄소 저감부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다.
상기 개질기(530)로 연료를 공급하는 연료 공급부(550)은 연료를 저장하는 연료 탱크(551)와, 이 연료 탱크(551)에 연결 설치되어 상기 연료 탱크(551)로부터 연료를 배출시키는 연료 펌프(553)를 포함한다.
그리고 산화제 공급부(570)는 소정 펌핑력으로 산화제를 흡입하여 이 산화제를 스택(510)의 전기 발생부(511) 및 상기 개질기(530)로 각각 공급하는 산화제 펌 프(571)를 포함한다. 상기 산화제 공급부(570)은 도 5에서와 같이, 단일의 산화제 펌프(571)를 통해 스택(510)과 개질기(530)로 산화제를 공급하는 구조로 되어 있으나, 이에 한정되지 않고 상기 스택(510) 및 개질기(530)와 각각 연결 설치되는 한 쌍의 산화제 펌프를 구비할 수도 있다.
도 6을 참조하면, 상기 스택(510)은 전기 발생부(511)를 적층하여 구성한다. 상기 전기 발생부(511)는 막-전극 어셈블리(512)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(또는, 바이폴라 플레이트라고 한다)(516)를 배치하여 최소 단위의 연료전지(fuel cell)를 형성한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시에는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(막-전극 어셈블리의 제조)
(실시예 1)
두께가 125㎛인 NAFION 115막TM(Dupont사제)을 90℃의 3% 과산화수소, 및 0.5M 황산 수용액에서 각각 2시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 준비한 H+형 NAFION 115막을 고분자 전해질 막으로 하였다.
폴리에스테르 폴리우레탄(polyester polyurethane) 중합의 2액형 수지 접착제를 바 코터를 사용하여 2 내지 3 g/m2의 양으로 개스킷의 일면에 코팅한 후 건조 하여 10㎛ 두께의 접착층을 포함하는 개스킷을 제조하였다.
상기 개스킷의 접착층이 고분자 전해질 막을 바라보도록, 개스킷과 고분자 전해질 막을 접촉시킨 후, 60℃의 온도에서 24시간 동안 경화시켜 상기 개스킷을 고분자 전해질 막 위에 고정시켰다. 상기 개스킷의 두께는 150㎛ 정도 였다.
이소프로필알코올 30ml중의 Pt/C(20중량%, E-tek사제) 3.0g에, 10중량% NAFIONTM(Dupont사제) 수계 분산액 10g을 첨가한 후 기계적으로 교반하여 캐소드 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.
진공 플레이트 위에 상기 개스킷이 부착된 고분자 전해질 막을 올려 놓고, 상기 개스킷을 마스크로 하여 상기 캐소드 촉매층 형성용 조성물을 스프레이 인쇄법으로 고분자 전해질 막의 일면에 코팅하여 캐소드 촉매층을 형성하였다. 이때 캐소드 촉매층 형성 면적은 5 X 5cm2이며 촉매 로딩량은 3mg/cm2 이었다. 상기와 동일한 방법으로 실시하여 고분자 전해질 막의 다른 일면에 애노드 촉매층을 형성하였다.
캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층이 양면에 각각 형성된 고분자 전해질 막 양면에 전극 기재를 두고 컴프레션 몰더(compression molder)를 이용하여 135℃에서 300psi, 3분 동안 가압하여 고분자 전해질 막에 전극 기재를 접합하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
( 비교예 1)
두께가 125㎛인 NAFIONTM 115막(Dupont사제)을 90℃의 3% 과산화수소, 및 0.5M 황산 수용액에서 각각 2시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 준비한 H+형 NAFION115막을 고분자 전해질 막으로 하였다.
이소프로필알코올 30ml중의 Pt/C(20중량%, E-tek사제) 3.0g에, 10중량% NAFIONTM(Dupont사제) 수계 분산액 10g을 첨가한 후 기계적으로 교반하여 캐소드 촉매층 형성용 조성물을 제조하였다.
고무 자석판 위에 금속 마스크를 이용하여 고분자 전해질 막을 고정시키고, 고분자 전해질 막의 가장자리를 테이프로 고정시켰다. 상기 금속 마스크가 형성된 고분자 전해질 막 위에 상기 캐소드 촉매층 형성용 조성물을 스크린 인쇄법으로 고분자 전해질 막의 일면에 코팅하여 캐소드 촉매층을 형성한 후, 상기 금속 마스크를 제거하였다. 이때 캐소드 촉매층 형성 면적은 5 X 5cm2이며 촉매 로딩량은 3mg/cm2 이었다. 상기와 동일한 방법으로 실시하여 고분자 전해질 막의 다른 일면에 애노드 촉매층을 형성하였다.
상기 금속 마스크가 존재하던 촉매층의 외주면에 개스킷을 두고, 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층이 양면에 각각 형성된 고분자 전해질 막 양면에 전극 기재를 둔 후, 컴프레션 몰더(compression molder)를 이용하여 135℃에서 300psi, 3분 동안 가압하여 고분자 전해질 막에 전극 기재를 접합하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
(광학 현미경 관찰)
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 막-전극어셈블리의 촉매층이 형성된 고분자 전해질 막의 일변과 평행한 대칭축을 따라 상기 고분자 전해질 막에 수직하게 자른 단면을 광학 현미경으로 관찰하였고, 그 결과를 각각 도 7 및 도 8에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 실시예 1의 막-전극 어셈블리에서는 약 10um 이내에서 촉매층의 높이가 고분자 전해질 막과 기재 사이의 거리(약 16um)에 도달하지만, 도 8을 참조하면, 비교예 1의 막-전극 어셈블리는 약 50um 이후부터 촉매층의 높이가 고분자 전해질 막과 기재 사이의 거리(약 16um)에 도달하는 것을 알 수 있다. 즉, 실시예 1의 경우 h1/t1이 약 1.6이고, 비교예 1의 경우 h1/t1이 약 0.32임을 알 수 있다.
(연료 전지의 성능 측정)
상기 실시예 1, 및 비교예 1에서 제조한 연료 전지에 대하여 전류 밀도에 따른 전압 특성을 측정하였고, 그 결과를 도 9에 나타내었다.
상기 도 9를 참조하면, 실시예 1의 연료 전지가 비교예 1의 연료 전지에 비하여 성능이 우수함을 알 수 있다. 이것은 실시예 1의 연료 전지는 막-전극 어셈블리 제조시 접착성 개스킷을 사용함으로써, 촉매층 형성시 발생하는 쉐도우 효과를 줄여 단위 부피당 에너지 밀도가 증가된 결과이다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른막-전극 어셈블리의 단면을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시한 A의 확대도.
도 3은 마스크를 이용하는 종래의 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 6은 도 5에 도시한 스택(510)의 구조를 나타내 보인 분해 사시도.
도 7은 실시예 1에서 제조한 막-전극 어셈블리의 광학 현미경 사진.
도 8은 비교예 1에서 제조한 막-전극 어셈블리의 광학 현미경 사진.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 연료 전지의 성능을 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 막-전극 어셈블리 110 : 애노드 전극
111 : 애노드 촉매층 112 : 애노드 전극 기재
120 : 캐소드 전극 121 : 캐소드 촉매층
122 : 캐소드 전극 기재 130 : 고분자 전해질 막
140a, 140b : 개스킷 141a, 141b : 접착층
310 : 고무 자석판 320 : 금속 마스크
330 : 고분자 전해질 막 340a, 340b : 테이프
410 : 진공 플레이트 420 : 고분자 전해질 막
430 : 개스킷 500 : 연료 전지 시스템
510 : 스택 511 : 전기 발생부
530 : 개질기 550 : 연료 공급부
551 : 연료 탱크 553 : 연료 펌프
570 : 산화제 공급부 571 : 산화제 펌프

Claims (15)

  1. 촉매층 및 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재를 각각 포함하며, 상기 각각의 촉매층이 서로 마주보도록 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며,
    촉매층이 형성된 기재의 일변과 평행한 대칭축을 따라 상기 기재에 수직하게 자른 단면에서,
    상기 촉매층의 일단에서의 기재상의 한 점을 s1이라 하고,
    상기 고분자 전해질 막과 기재 사이의 거리를 h1이라 하고,
    상기 기재상의 임의의 한 점을 s라 하고, 상기 s에서의 상기 촉매층의 높이를 h라 하고,
    상기 h가 상기 h1과 같아지는 s들 중에서 s1과 가장 가까운 것을 s2라 하고, 상기 s1과 s2 사이의 거리를 t1이라 할 때,
    상기 h1/t1이 0.5 이상인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 h1/t1이 0.5 내지 2인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기재는 고분자 전해질 막인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기재는 전극 기재인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 상기 촉매층의 외주면을 둘러싸며 촉매층을 밀봉하는 개스킷을 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리
  6. 제4항에 있어서,
    상기 개스킷은 일면에 접착층을 구비하고, 상기 접착층에 의하여 상기 기재의 일 영역에 고정되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 접착층은 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 폴리에스테르-폴리우레탄 중합의 2액형 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 접착층의 두께는 10 내지 50um인 것인연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  9. 일면에 접착층을 구비한 개스킷을, 상기 개스킷의 접착층이 기재의 일 영역에 접착되도록 하여, 상기 기재 위에 고정시키는 단계 및
    상기 개스킷을 마스크로 하여 상기 기재 위에 촉매층을 형성하는 단계
    를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법이되,
    상기 막-전극 어셈블리는 상기 촉매층 및 상기 촉매층을 지지하는 전극 기재를 각각 포함하며, 상기 각각의 촉매층이 서로 마주보도록 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 촉매층이 형성된 기재의 일변과 평행한 대칭축을 따라 상기 기재에 수직하게 자른 단면에서, 상기 촉매층의 일단에서의 기재상의 한 점을 s1이라 하고, 상기 고분자 전해질 막과 기재 사이의 거리를 h1이라 하고, 상기 기재상의 임의의 한 점을 s라 하고, 상기 s에서의 상기 촉매층의 높이를 h라 하고, 상기 h가 상기 h1과 같아지는 s들 중에서 s1과 가장 가까운 것을 s2라 하고, 상기 s1과 s2 사이의 거리를 t1이라 할 때, 상기 h1/t1이 0.5 이상인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기재는 고분자 전해질 막인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기재는 전극 기재인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 개스킷의 두께는 100 내지 300um인 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 접착층의 두께는 10 내지 50um인 것인연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 접착층은 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아크릴계 수지, 폴리에스테르-폴리우레탄 중합의 2액형 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 막-전극 어셈블리를 포함하는 전기 발생부,
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부, 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하는 연료 전지.
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