KR101055617B1 - 복합무기 수소이온 전해질 막, 이의 제조 방법, 이를 이용한 전해질막 전극접합체（ｍｅａ）및 중온형 연료 전지 - Google Patents

복합무기 수소이온 전해질 막, 이의 제조 방법, 이를 이용한 전해질막 전극접합체（ｍｅａ）및 중온형 연료 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명은 열적 기계적 안정성이 우수하고, 200℃~300℃의 온도 영역에서도 연료 전지의 활용이 가능하기 때문에 일산화탄소(CO)의 오염에 의한 성능 저하를 감소시킬 수 있으며, 귀금속 촉매 대신 저렴한 촉매(Pd, Ni, Co 등)를 사용하여 연료 전지 시스템을 구성할 수 있는 복합무기 수소 이온 전해질 막에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SiO2-P2O5-ZrO2-TiO2-Bi2O3를 포함하는 복합무기 수소이온 전해질 막 및 그 제조방법과, 상기 복합무기 수소이온 전해질 막의 양면에 금속 촉매가 코팅된 전해질막-전극접합체(MEA) 및 상기 복합무기 수소이온 전해질 막을 채용하여 제조된 중온형 연료 전지에 관한 것이다.
복합무기 전해질 막, 연료 전지

Description

복합무기 수소이온 전해질 막, 이의 제조 방법, 이를 이용한 전해질막 전극접합체（ＭＥＡ）및 중온형 연료 전지{Inorganic Composite proton conducting electroyte, method for manufacturing the same, MEA and intermediate temperature fuel cell using the same}
본 발명은 열적 기계적 안정성이 우수하고, 200℃~300℃의 온도 영역에서도 연료 전지의 활용이 가능하기 때문에 일산화탄소(CO)의 오염에 의한 성능 저하를 감소시킬 수 있으며, 귀금속 촉매 대신 저렴한 촉매(Pd, Ni, Co 등)를 사용하여 연료 전지 시스템을 구성할 수 있는 복합무기 수소 이온 전해질 막에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SiO2-P2O5-ZrO2-TiO2-Bi2O3를 포함하는 복합무기 수소이온 전해질 막 및 그 제조방법과, 상기 복합무기 수소이온 전해질 막의 양면에 금속 촉매가 코팅된 전해질막-전극접합체(MEA) 및 상기 복합무기 수소이온 전해질 막을 채용하여 제조된 중온형 연료 전지에 관한 것이다.
최근, 환경문제, 에너지원의 고갈에 대비한 연료 전지 자동차의 실용화에 따라 높은 에너지 효율을 가지며 상온에서 작동이 가능하면서도 신뢰성이 있는 고성 능 연료 전지의 개발이 절실히 요구되고 있다. 이에 따라 연료 전지의 효율을 증가시킬 수 있는 고분자막의 개발에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다.
연료 전지는 연료의 화학에너지를 산화, 환원반응에 의해 전기에너지로 전환을 통한 친환경 신에너지를 제공하는 장치로 전해질물질 종류에 따라 알카리수용액형(AFC), 인산수용액형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC), 고체고분자형(PEMFC) 연료 전지로 분류된다.
이 중 고체고분자 연료 전지(PEMFC:Proton Exchange Membrane Fuel Cell)에 사용되는 전해질막은 양극간의 차압제어와 가압화가 쉽고, 상온에서 기동할 수 있으며, 고전류밀도와 고출력밀도를 얻을 수 있어 소형화 및 경량화가 가능하기 때문에 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주사업용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용가능하다는 장점을 가지고 있다.
PEMFC는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산해내는 전력생성 시스템으로서, 이러한 셀의 기본적인 구조는 도 1에 도시된 바와 같다.
도 1을 참조하면, 연료 전지는 애노드와 캐소드사이에 수소이온교환막(11)이 개재되어 있는 구조를 갖고 있다.
상기 수소이온교환막(11)은 두께가 50 내지 200㎛이며 고체 고분자 전해질로 되어 있고, 애노드와 캐소드는 각각 반응기체의 공급을 위한 지지층(14), (15)과 반응기체의 산화/환원반응이 일어나는 촉매층(12), (13)으로 되어 있는 가스확산전극(이하, 캐소드와 애노드를 통칭하여 가스 확산 전극"이라고 함)으로 이루어져 있다. 도 1에서 참고번호(16)는 가스 주입용 홈이 있는 카본 시트를 나타내며, 이는 집전체 기능도 수행한다.
전술한 바와 같은 구조를 갖는 PEMFC는 반응기체인 수소가 공급되면서 애노드에서는 산화반응이 일어나 수소 분자가 수소 이온과 전자로 전환된다. 이 때 수소 이온은 수소이온교환막(11)을 거쳐 캐소드로 전달된다. 반면, 캐소드에서는 환원반응이 일어나 산소 분자가 전자를 받아 산소 이온으로 전환되며, 산소 이온은 애노드로부터의 수소 이온과 반응하여 물분자로 전환된다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, PEMFC의 가스 확산 전극에서 촉매층(12), (13)은 지지층(14), (15) 상부에 각각 형성되어 있다. 이때 지지층(14), (15)은 탄소천 또는 탄소종이로 이루어져 있고, 반응기체와 수소이온교환막(11)에 전달되는 물 및 반응 결과 생성된 물이 통과하기 쉽도록 표면처리되어 있다.
상기 PEMFC에서 수소이온교환막(11)으로 사용되는 고분자는 이온 전도도가 높으며, 전기 화학적인 안전성과 더불어 전도막으로서의 기계적 물성, 작동 온도에서의 열적안정성, 저항을 줄이기 위한 얇은 막으로서의 제조 가능성 및 액체 함유시 팽창 효과가 적을 것 등의 요건을 충족해야 한다.
현재 사용되는 고체 고분자 전해질 막으로는 다우막(Dow), 나피온막(DuPont), 플레미온(Asahi 초자), 아시프렉스(Asahi Kasei) 등을 들 수 있다. 이러한 고체고분자 전해질 막들은 일반적으로 주사슬에 플루오르화 알킬렌을 가지고 있고, 플루오르화비닐 에테르 측쇄의 말단에 술폰산기를 가지는 과풀루오로설폰산 고분자(perfluorosulfonic acid polymer)막을 사용하고 있다(예: Nafion, Dupont사 제조). 이와 같은 플루오르계 고분자 전해질 막은 화학적 안정성이 높고, 수소이온 전도성도 우수하지만, 플루오르 치환 공정이 복잡하기 때문에 제조 단가가 매우 높아서 자동차용 연료 전지에 적용하기에는 난점이 있으며, 수분의 함습량이 좋지 않기 때문에, 촉매의 피독을 방지하기 위해 100℃이상의 고온운전을 하는 경우에는 수분이 증발하여 이온전도도가 급격히 저하되고 전지의 운전이 정지되며, 유리전이온도가 낮기 때문에 고온에서의 기계적 물성이 열악하다는 문제점이 있었다.
이러한 단점을 개선하기 위하여, 염기성 중합체에 강산을 도핑시킨 양성자 전도성 고분자막들이 개발되었는데, 이들은 폴리벤즈이미다졸(Polybenzimidazole :PBI) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸)(Poly(2,5-benzimidazole:ABPBI)등의 염기성 중합체를 인산 등의 강산으로 도핑시킨 후, 수분이 개재되지 않은 상태에서 상기 인산을 통한 그루트스 메커니즘(Grotthus mechanism)에 의해 전도성을 갖도록 하는 형태의 양성자 전도성 고분자막이다.
상기 PBI 또는 ABPBI의 장점은 나피온보다 가격이 저렴하며, 100℃ 이상의 고온 무가습 조건에서 양성자를 전도시킬 수 있다는 것이다. 천연가스, 가솔린 또는 메탄올 등으로부터 생성된 수소에는 여하한 경우든지 미량의 일산화탄소가 잔류하게 되며, 수 ppm 이상의 일산화탄소는 백금 촉매 표면에 흡착되어 연료의 산화 반응을 방해하므로 연료 전지의 성능을 급격히 저하시키게 된다. 이러한 일산화탄소의 백금촉매에 대한 흡착반응은 발열반응이므로 연료 전지의 작동온도를 120℃ 이상으로 높이게 되면 일산화탄소에 의한 피독현상이 현저하게 줄어들며, 전지의 산화/환원 반응속도를 향상시킬 수 있어서, 전지의 효율이 증가한다는 장점이 있다. 또한, 개질기(reformer) 등을 사용할 경우 시스템 자체에서 열이 발생하게 되 는데, 100℃ 이하의 온도에서 작동되는 연료 전지의 경우에는 시스템의 과열방지를 위해서 상기 발생되는 열을 제거해야 하기 때문에 추가적인 냉각장치가 필요한데 반하여, 고온에서 작동되는 연료 전지의 경우에는 이러한 열을 그대로 사용할 수 있으므로 부가적인 냉각장치 등을 필요로 하지 않는다는 장점도 있다.
그러나, PBI 또는 ABPBI 등의 염기성 중합체를 사용한 연료 전지 시스템은 상기와 같은 장점에도 불구하고, 인산 등이 상기 염기성 중합체에 영구적으로 결합되어 있는 것이 아니라 전해질로서 존재하는 것에 불과하기 때문에, 수분이 존재하는 경우에는 상기 인산이 상기 고분자 막에서 용출되어 나올 수 있다는 치명적인 결점이 있다. 특히, 연료 전지의 작동시 캐소드 측에서는 반응산물로서 물이 생성되는데, 연료 전지의 작동온도가 100℃를 초과하는 때에는 상기에서 생성된 물은 대부분 기체확산 전극을 통해 증기로 빠져나가기 때문에 인산의 손실이 매우 적지만, 일부구간에서 작동온도가 100℃ 미만이 되거나, 높은 전류밀도에서 다량의 수분이 발생하는 때에는 생성된 물이 즉시 제거되지 않기 때문에 상기 물에 의해 인산이 용출되어 전지의 수명을 저하시키게 된다.
또한, 상기 ABPBI의 경우에는 인산의 농도를 증가시킬수록 기계적 물성이 열악해지고, 상기 농도를 80%로 증가시키게 되면 고분자 막이 녹아버리는 현상이 발생하며, 사이클을 반복함에 따라 출력이 많이 저하된다는 문제점이 있었다.
따라서 성능이 우수하고, 열적기계적 안정성이 높으면서, 100℃ 이상의 고온에서도 작동이 가능한 전해질 막의 개발이 요구되어 왔다.
한편 한국과학기술연구원의 한국특허공개공보(2004. 12. 8 공개)에는 플라즈 마 화학기상 증착법을 이용하여 상용의 직접메탄올 연료 전지용 고분자 전해질막의 표면에 실리콘 옥사이드(SiO2), 티타늄 옥사이드(TiO2), 지르코늄 옥사이드(ZrO2) 지르코늄 포스페이트(Zr(HPO4)2), 제올라이트, 실리카라이트 및 알루미늄 옥사이드(Al2O3)로 구성되는 군으로부터 1 이상 선택되는 무기질로 구성되는 무기질 박막을 1.0 내지 500 나노미터의 두께로 코팅한 복합막을 통해 성능을 향상시킨 연료 전지에 관한 발명이 개시되어 있다.
또한 주식회사 파인셀의 한국특허공개공보 제2002-97295호(2002.12.31 공개)에는 무기물 전구체와 탄소 전구체를 동시에 섞은 후 산 또는 염기 촉매 하에 무기물 전구체의 졸-겔 반응과 탄소 전구체의 가교 반응을 동시에 진행시켜 탄소 전구체와 무기물 복합체를 형성한 후, 이를 불활성 분위기에서 열처리하여 무기물 주형/탄소 복합체를 제조한 다음, 염기 또는 산으로 처리하여 무기물 주형을 제거하는 방법이 기재되어 있다. 상기 발명은 무기물 전구체의 졸-겔 반응을 통해 무기물 복합체를 형성하다는 특징이 있으나, 연료 전지용 전해질막의 형성에 관한 것이 아니라 전극 물질로 사용되었다.
그 밖에 엘지화학의 한국공개특허공보 제2007-20907호(2007.12.26 공개), 도시바의 한국공개특허공보 10-2008-0073366(2008.8.8 공개) 및 일본공개특허 제2004-515351호(2004.05.27 공개)에도 무기 재료를 혼합한 유무기 복합 전해질막에 관한 내용이 일부 공개되어 있으나, 본 발명에서와 같이 무기재료로만 전해질 막을 구성한 예는 현재까지 알려져 있지 않다.
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 열적기계적 안정성이 우수하고, 고온에서도 사용가능하여 저렴한 금속 촉매의 사용이 가능한 복합무기 수소이온 전해질 막을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 복합무기 수소이온 전해질 막의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 복합무기 수소이온 전해질 막의 양면에 금속 촉매가 코팅된 전해질막-전극접합체(MEA)를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 네 번째 과제는 상기 복합무기 수소이온 전해질 막을 채용하여 제조된 중온형 연료 전지를 제공하는 데 있다.
상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3를 포함하는 복합무기 수소이온 전해질 막을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 막의 두께는 0.1mm 내지 1mm인 것이 바람직하며, 0.1mm 내지 0.5mm인 것이 더욱 바람직하다.
상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 Si, Ti, Zr, P, Bi를 각각 포함하는 금속화합물들을 알코올에 용해시킨 후 균질하게 혼합하여 졸을 형성하는 단계; 상기 졸을 건조시켜 미세분말을 형성하는 단계; 상기 미세분말을 압축하여 고온 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 졸-겔 공정을 이용한 복합무기 수소이온 전해질 막의 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속화합물은 각각 Si(OC2H5)4, Zr(OC3H7)4, (CH3O)3PO, Ti(OC4H9)4, 4BiNO3(OH)2·BiO(OH)일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 알코올은 에탄올 또는 이소프로필알코올인 것이 바람직하며, 상기 고온 열처리 단계는 1000℃ 내지 1400℃인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 복합무기 전해질 용액을 균질하게 혼합하는 단계는 Si(OC2H5)4, Zr(OC3H7)4, (CH3O)3PO, Ti(OC4H9)4를 먼저 알코올에 용해시킨 다음 산성 촉매하에서 교반하여 균질화시킨 후, 4BiNO3(OH)2·BiO(OH)를 첨가하여 혼합할 수 있다.
또한 본 발명은 세 번째 과제를 해결하기 위하여, SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3를 포함하는 복합무기 수소이온 전해질 막의 양면에 금속 촉매가 코팅된 전해질막-전극접합체(MEA)를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 금속 촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 코발트(Co) 중에서 선택될 수 있다.
또한 본 발명은 네 번째 과제를 해결하기 위하여, SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3를 포함하는 복합무기 수소이온 전해질 막을 채용하여 제조된 중온형 연료 전지를 제공한다.
본 발명에 따른 SiO2-P2O5-ZrO2-TiO2-Bi2O3 복합무기 수소이온 전해질 막은 열적 기계적 안정성이 우수하고, 200℃~300℃의 온도 영역에서도 연료 전지의 활용이 가능하기 때문에 일산화탄소(CO)의 오염에 의한 성능 저하를 감소시킬 수 있으며, 귀금속 촉매 대신 저렴한 촉매(Pd, Ni, Co 등)를 사용하여 연료 전지 시스템을 구성할 수 있으므로, 가격을 낮출 수 있어 유용하다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 복합무기 수소이온 전해질 막은 SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3를 포함하는 것이 특징이다. 상기 전해질 막의 두께는 0.1mm 내지 1mm인 것이 바람직하며, 0.1mm 내지 0.5mm인 것이 더욱 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 복합무기 수소이온 전해질 막은 SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3의 제조 방법은 Si, Ti, Zr, P, Bi를 각각 포함하는 금속화합물들을 알코올에 용해시킨 후 균질하게 혼합하여 졸을 형성하는 단계; 상기 졸을 건조시켜 미세분말을 형성하는 단계; 상기 미세분말을 압축하여 고온 열처리하는 단계;를 포함하는 것이 특징이다. 도 2에는 본 발명에 따른 복합무기 수소이온 전해질 막은 SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3의 제조 공정 흐름도가 상세히 도시되어 있다.
상기 복합무기 수소이온 전해질 막 형성에 사용되는 금속화합물로는 Si(OC2H5)4, Zr(OC3H7)4, (CH3O)3PO, Ti(OC4H9)4, 4BiNO3(OH)2·BiO(OH) 등이 사용될 수 있다. 또한 상기 금속화합물을 용해시키기 위한 알코올 용매로는 에탄올 또는 이소프로필알코올을 들 수 있으며, 상기 압축된 미세분말의 고온 열처리 과정은 1000℃ 내지 1400℃에서 진행되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 복합무기 전해질 용액을 균질하게 혼합하는 단계는 Si(OC2H5)4, Zr(OC3H7)4, (CH3O)3PO, Ti(OC4H9)4의 4성분을 먼저 알코올에 용해시킨 다음 산성 촉매하에서 교반하여 균질화시킨 후, 4BiNO3(OH)2BiO(OH)를 첨가하여 혼합할 수도 있다. 상기 산성 촉매로는 염산을 들 수 있다.
또한 본 발명은 SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3를 포함하는 복합무기 수소이온 전해질 막의 양면에 금속 촉매가 코팅된 전해질막-전극접합체(MEA)를 제공할 수 있으며, 상기 금속 촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 코발트(Co) 중에서 선택될 수 있다. 궁극적으로 본 발명에 따른 SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3를 포함하는 복합무기 수소이온 전해질 막은 연료 전지를 구성하는데 사용될 수 있다.
도 3 및 도 4에는 본 발명에 따른 전해질막-전극접합체(MEA)를 포함하는 중온형 연료 전지 시스템의 구성도가 도시되어 있다. 도 3에는 백금(Pt) 코팅된 MEA가 사용된 연료 전지가 나타나있고, 도 4에는 납(Pb) 코팅된 MEA가 사용된 중온형 연료 전지가 나타나있다
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1: 5성분계 복합무기 전해질 막의 제조
본 발명에 따른 고체 복합무기 수소이온 전해질 막을 제조하기 위하여, 유기금속화합물인 테트라에틸오르소실리케이트(Si(OC2H5)4), 지르코늄포록사이드(Zr(OC3H7)4), 트리메틸포스페이트((CH3O)3PO), 티타늄부톡사이드(Ti(OC4H9)4)를 출발물질로 하고, 에탄올을 용매로 사용하여, 염산 촉매하에 실온에서 1시간 동안 강하게 교반하여, 복합 무기 전해질 용액을 제조하였다. 상기에서 제조된 균질한 혼합용액 77 내지 90 몰%에 비스무스나이트라이트(4BiNO3(OH)2·BiO(OH)) 3 내지 10 몰%를 첨가하여 SiO2-P2O5-ZrO2-TiO2-Bi2O3의 5성분으로 이루어진 졸 상태의 복합무기 전해질 용액을 제조하였다. 상기 복합무기 졸을 건조한 후 볼밀(Ball mill)을 이용하여 복합무기 미세파우더를 만들고, 제조한 파우더를 원형으로 압축시킨 후 1,000℃ ~ 1,200℃로 열처리하여 두께 0.5 내지 1mm의 복합무기 수소이온 전해질 막을 제조했다.
실시예 2: 백금(Pt) 촉매를 사용한 막전극접합체(MEA)의 제조
상기 실시예 1에서 제조된 전해질 막에 백금(Pt) 촉매를 스프레이 방법으로 코팅하여 막전극접합체(MEA)를 만들고, 열적 내구성이 우수한 티타늄 판을 사용하여 연료가스와 산소가스의 유로 및 열선을 심을 수 있는 홈을 가공하여 중온형 연료 전지 단일 스택을 구성하였다. 연료가스와 산소가스의 유입량은 100/min으로 공 급하였다. 연료가스인 수소는 가습기를 거쳐 애노드(anode) 측에 공급하였고, 산소가스는 가습기를 거치지 않고 직접 캐소드(Cathode) 측에 공급하였다. 구성된 연료 전지 시스템의 성능 측정은 실온에서부터 300℃까지 온도변화에 따른 OCV 및 발생전류를 측정하였다.
임피던스 측정 결과 제조한 전해질막의 수소이온 전도도 값은 측정 연료 전지셀 온도 150℃에서 약 6.6x0-3 S/cm의 값을 나타냈고, 최대 전력밀도는 연료 전지 셀 온도 200℃에서 약 2.5mW/cm2 가 발생함을 볼 수 있었다.
실시예 3: 팔라듐(Pd) 촉매를 사용한 막전극접합체(MEA)의 제조
팔라듐 촉매를 사용한 막전극접합체를 제조하기 위해, 먼저 PdCl 용액으로부터 팔라듐 입자 분말을 준비했다. 구체적으로 0.1mol의 PdCl 용액을 0.05mol의 NaBH4를 사용하여 pH를 8로 조절했다. 그 후 3회 반복적으로 원심분리한 후 80℃에서 건조시켜 팔라듐 입자 분말을 제조했다.
그 후 팔라듐(Pd) 촉매를 전해질 막에 스프레이 방법으로 코팅하여 막전극접합체(MEA)를 만들고, 열적 내구성이 우수한 티타늄 판을 사용하여 연료가스와 산소가스의 유로 및 열선을 심을 수 있는 홈을 가공하여 중온형 연료 전지 단일 스택을 구성하였다. 연료가스와 산소가스의 유입량은 100/min으로 공급하였다. 연료가스인 수소는 가습기를 거쳐 애노드(anode) 측에 공급하여 주었고, 산소가스는 가습기를 거치지 않고 직접 캐소드(Cathode) 측에 공급하였다. 도 10에는 본 발명에 따른 막 전극접합체(MEA)를 포함하는 연료 전지 시스템의 구성도가 나타나있다.
구성된 연료 전지 시스템의 온도 증가에 따른 성능을 측정하고, 수소이온전도도 및 CO 영향을 평가하였다.
시험예 1: 복합무기 수소이온 전해질 막의 성능 분석
상기 실시예 1에서 제조한 SiO2-P2O5-ZrO2-TiO2-Bi2O3의 5성분계 복합무기 수소이온 전해질 막의 열적, 구조적 특성은 XRD, TGA/DTA, FT-IR 분석을 통해 실시하였고, 수소이온 전도성 특성 분석은 전기화학장치를 사용하여 임피던스를 측정하였다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 SiO2-P2O5-ZrO2-TiO2-Bi2O3막의 XRD 분석도를 나타내고 있는데, 이에 따르면 본 발명의 복합무기 수소이온 전해질 막이 결정구조를 갖고 있으며, (a) 그래프는 Bi 함량이 10 몰%, (b)와 (c) 그래프는 3몰% 함유된 막으로 Bi 함량이 높은 (a) 막이 더욱 결정화가 잘 되었음을 확인할 수 있다.
도 6의 TG/DTA 분석도에 따르면 약 200 ℃ ~ 900℃ 범위에서 무게 감소가 적게 일어나며, 또한 흡열이나 발열 현상도 일어나지 않았다. 따라서 본 발명에 따른 복합무기 수소이온 전해질 막의 열적 안정도가 매우 높다는 것을 알 수 있다.
도 7의 SiO2-P2O5-ZrO2-TiO2-Bi2O3 막의 FT-IR 분석도에 의하면 파수가 1050 근방에서 큰 투과율(흡수)가 일어나며, 이는 제조한 막이 실리카 옥사이드를 주골격으로 하는 유리구조를 보여주고 있다.
도 8는 실시예 1에 의해 제조된 본 발명에 따른 복합무기 수소이온 전해질막의 이온전도도는 임피던스를 측정하여 계산되었으며, 계산된 수소이온 전도도는 약 10-5 ~ 10-4S/cm였고, 활성화에너지는 0.61 eV였다. 이 결과는 본 발명에 따른 복합무기 수소이온 전해질막의 수소이온 전도도가 상당히 양호하다는 사실을 보여준다.
도 9 및 도 10은 실시예 2와 실시예 3에 의해 제조된 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd) 촉매를 사용한 SiO2-P2O5-ZrO2-TiO2-Bi2O3를 막의 온도별 I-V 측정도를 나타낸다. 상기 결과에 따르면 양쪽을 백금 촉매를 사용했을 경우 최대 전력밀도는 약 2.5 mW/cm2였고, 팔라듐 촉매를 사용했을 경우 최대 전력밀도는 약 0.35mW/cm2였다.
도 11 및 도 12는 실시예 2에 따라 제조된 백금(Pt) 촉매를 사용한 막전극접합체(MEA)와 실시예 3에 따라 팔라듐(Pd) 촉매를 사용한 MEA 연료 전지에 일산화탄소 기체가 미치는 영향을 보여주는 그래프가 도시되어 있다. 두 그래프에 의하면 수소만 사용한 경우와 일산화탄소(CO) 50ppm 이 사용된 경우의 전압과 전류밀도의 상관관계를 보여주는데 두 곡선이 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 복합무기 수소이온 전해질 막을 채용한 연료 전지의 성능이 일산화탄소의 영향을 거의 받지 않고 상당히 안정적이라는 사실을 보여준다.
도 1은 고체고분자형 연료 전지(PEMFC)의 기본적인 구조도이다.
도 2는 SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3 복합무기 수소이온 전해질 막 제조 공정도이다.
도 3은 백금(Pt) 촉매로 코팅된 MEA를 포함하는 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 4는 팔라듐(Pd) 촉매로 코팅된 MEA를 포함하는 연료 전지 시스템의 구성도이다.
도 5는 SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3 막의 XRD 분석 그래프이다.
도 6는 SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3 막의 TGA/DTA 분석 그래프이다.
도 7은 SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3 막의 FT-IR 분석 그래프이다.
도 8은 SiO2-TiO2-ZrO2-P2O5-Bi2O3 막의 수소이온 전도도 그래프이다.
도 9는 백금(Pt) 촉매를 사용한 SiO2-P2O5-ZrO2-TiO2-Bi2O3를 막의 온도별 I-V 측정도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 팔라듐(Pd) 촉매를 사용한 SiO2-P2O5-ZrO2-TiO2-Bi2O3를 막의 온도별 I-V 측정도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 백금(Pt) 촉매를 사용한 MEA 연료 전지에 CO 가스가 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 12는 팔라듐(Pd) 촉매를 사용한 MEA 연료 전지에 CO 가스가 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.

Claims (11)

  1. SiO2, TiO2, ZrO2, P2O5 및 Bi2O3 포함하는 복합무기 수소이온 전해질 막에 있어서, 상기 전해질 막 전체를 기준으로 Bi2O3의 함량은 3 내지 10 몰%이고, SiO2, TiO2, ZrO2, P2O5의 혼합물의 함량은 77 내지 90 몰%인 것을 특징으로 하는 복합무기 수소이온 전해질 막.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 막의 두께가 0.1mm 내지 1mm인 것을 특징으로 하는 복합무기 수소이온 전해질 막.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 막의 두께가 0.1mm 내지 0.5mm인 것을 특징으로 하는 복합무기 수소이온 전해질 막.
  4. 테트라에틸오르소실리케이트(Si(OC2H5)4), 지르코늄포록사이드 (Zr(OC3H7)4), 트리메틸포스페이트((CH3O)3PO), 티타늄부톡사이드(Ti(OC4H9)4)를 먼저 알코올에 용해시킨 다음 염산 촉매하에서 교반하여 균질화시킨 후, 상기 균질한 혼합물 77 내지 90 몰%에 비스무스나이트라이트(4BiNO3(OH)2·BiO(OH)) 3 내지 10 몰%를 첨가하여 혼합하여 졸을 형성하는 단계;
    상기 졸을 건조시켜 미세분말을 형성하는 단계;
    상기 미세분말을 압축하여 1,000℃ 내지 1,200℃의 고온에서 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합무기 수소이온 전해질 막의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제 4항에 있어서, 상기 알코올은 에탄올 또는 이소프로필알코올인 것을 특징으로 하는 복합무기 수소이온 전해질 막의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 따른 복합무기 수소이온 전해질 막의 양면에 금속 촉매가 코팅된 전해질막-전극접합체(MEA).
  10. 제 9항에 있어서, 상기 금속 촉매가 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 코발트(Co) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전해질막-전극접합체(MEA).
  11. 제 9항에 따른 복합무기 수소이온 전해질 막을 사용하여 제조된 것을 특징으 로 하는 중온형 연료 전지.
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