KR101098633B1 - 2종의 촉매를 포함하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극및 이를 사용하는 막전극 접합체 및 직접메탄올 연료전지 - Google Patents

2종의 촉매를 포함하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극및 이를 사용하는 막전극 접합체 및 직접메탄올 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2종의 촉매를 포함하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극 및 이를 사용하는 막전극 접합체 및 직접메탄올 연료전지에 관한 것이다. 전해질막의 일측면에 구비되며, 상기 전해질막과 대향하는 면에 구비되는 기체확산층 및 상기 전해질막과 상기 기체확산층 사이에 개재되는 촉매층을 포함하는 본 발명의 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극은, 상기 촉매층이 백금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매; 및 백금-루테늄 합금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금-루테늄 합금촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극은 특정한 2종의 촉매를 포함하여, 메탄올 크로스오버의 영향을 최소화하며 촉매량을 저감하여도 연료전지가 우수한 성능을 가지게 한다.
직접메탄올 연료전지, 촉매층, 캐소드

Description

2종의 촉매를 포함하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극 및 이를 사용하는 막전극 접합체 및 직접메탄올 연료전지{Cathode comprising two kinds of catalysts for direct methanol fuel cell and Membrane electrode assembly and Direct methanol fuel cell comprising the same}
본 발명은 2종의 촉매를 포함하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극 및 이를 사용하는 막전극 접합체 및 직접메탄올 연료전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 무공해 자동차 전원, 업무용 전원, 가정용 전원, 이동 기기용 전원 등에 사용될 수 있는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극 및 이를 사용하는 막전극 접합체 및 직접메탄올 연료전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
이 중에서 메탄올을 연료로서 사용하는 직접메탄올 연료전지(DMFC)는 수소를 직접 사용하는 연료전지보다는 전극 작용이 미약하여 출력밀도는 낮지만, 연료인 메탄올이 에너지밀도가 높고 저장이 용이하여 저출력 및 장시간 사용에는 매우 유리하다.
직접메탄올 연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형성되는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 구성된다. 직접메탄올 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1 및 반응식 1을 참조하면, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서는 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
연료극(애노드) : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
공기극(캐소드) : 3/2O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
전체 반응 : CH3OH + H2O → CO2 + 3H2O
연료전지용 막전극 접합체의 일반적인 구성을 나타낸 도 2를 참조하면, 연료전지의 막전극 접합체는 전해질막(201) 및 전해질막(201)을 사이에 두고 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 구성되며, 애노드 전극 및 캐소드 전극은 촉매층(203, 205) 및 기체확산층(208)으로 구성된다. 기체확산층은 전극 기재(209a, 209b) 및 그 위에 형성된 미세기공층(207a, 207b)으로 구성된다.
상기와 같은 반응은 각 전극의 촉매층에서 진행되는데, 캐소드 촉매층에서는 백금 촉매가 주로 사용되며 애노드 촉매층에서는 산화반응으로 인해 부수적으로 발생하는 CO로 인해 촉매의 반응활성점이 피독되기 쉬우므로, CO에 대해 내피독성이 우수한 백금-루테늄 합금촉매가 주로 사용된다.
하지만, 애노드 전극에서의 메탄올 산화반응은 상대적으로 매우 느리기 때문에 이를 보완하기 위해서는 다량의 백금 촉매를 사용해야 한다. 따라서, 촉매의 사용량을 줄일 필요가 있는데, 두 전극의 촉매량을 줄이게 되면, 애노드 전극에서는 절대적인 촉매표면적이 줄어들고 이로 인해 메탄올의 산화량이 감소하며 잔존 메탄올의 크로스오버 현상이 더 심해지게 된다. 게다가, 전체 촉매량이 줄어든 캐소드 전극의 촉매는 더 늘어난 메탄올 크로스오버로 인해 CO 피독면적이 더 커지고 환원반응을 일으킬 반응활성점을 점점 잃게 되는 문제점이 존재한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 캐소드 전극에서 메탄올 크로스오버로 인한 CO에 대한 내피독성이 우수하며, 전극의 단위면적당 촉매 사용량을 줄이기 위한 다양한 촉매에 관한 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 지금까지 알려진 바로는 촉매 사용량의 저감 효과가 충분치 못한 경우가 많았다.
예를 들어, 한국공개특허 2004-7854호는 백금, 루테늄, 몰리브데늄, 텅스텐, 금 등으로 형성되는 4성분계 이상의 촉매를 갖는 연료전지를 개시한다. 이 경우 촉매의 활성은 다소 개선되었으나, 촉매의 사용량 저감에 대해서는 개선된 효과를 나타내지 못한다.
또한, 한국공개특허 2005-89324호는 백금-은 또는 백금-금 주촉매에 로듐, 세리아 성분 또는 루테늄과 같은 조촉매를 사용하는 연료전지용 전극을 개시한다. 이 경우에도 촉매의 활성은 어느 정도 개선되었으나, 촉매의 사용량 저감에 대해서는 개선된 효과를 나타내지 못한다.
이와 같이, 메탄올 크로스오버에 내피독성이 우수하여 사용량을 저감시켜도 전지의 성능이 우수한 직접메탄올 연료전지를 제공할 수 있는 촉매를 사용하는 캐소드 전극의 개발이 시급하다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 메탄올 크로스오버에 저항성이 강하고, 촉매 사용량을 감소시켜도 성능이 우수한 촉매를 포함하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극은, 전해질막의 일측면에 구비되며, 상기 전해질막과 대향하는 면에 구비되는 기체확산층 및 상기 전해질막과 상기 기체확산층 사이에 개재되는 촉매층을 포함하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극에 있어서, 상기 촉매층이 백금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매; 및 백금-루테늄 합금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금-루테늄 합금촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 캐소드 전극의 촉매층은 백금촉매 및 백금-루테늄 합금촉매를 동시에 사용함으로써 메탄올 크로스오버로 인한 CO 피독에 대해 저항성을 높여 촉매 활성을 우수하게 유지할 수 있고, 촉매의 사용량도 저감시킬 수 있다.
본 발명의 캐소드 전극은 백금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매 및 백금-루테늄 합금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금-루테늄 합금촉매가 서로 혼합되어 촉매층이 단일층으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서는, 백금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매 및 백금-루테늄 합금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금-루테늄 합금촉매가 각각 별개의 층을 형성하여 촉매층이 2중층으로 형성될 수 있다.
전술한 본 발명의 캐소드 전극은 직접메탄올 연료전지용 막전극 접합체 및 직접메탄올 연료전지에 사용될 수 있다.
본 발명의 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극은 메탄올 크로스오버에 저항성이 강하고, 촉매 사용량을 감소시켜도 연료전지의 성능을 우수하게 유지하며, 연료전지의 수명 연장에 현저한 개선효과를 나타낸다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
전술한 바와 같이, 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극은 통상적으로 전해질막의 일측면에 구비되며, 상기 전해질막과 대향하는 면에 구비되는 기체확산층 및 상기 전해질막과 상기 기체확산층 사이에 개재되는 촉매층을 포함한다. 일반적으로 촉매층은 촉매층 형성용 잉크를 전해질막 또는 기체확산층에 도포한 후 건조시켜 형성된다. 통상적인 촉매층 형성용 잉크는 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속 촉매 폴리머 이오노머 및 용매를 포함한다. 본 발명에는 당분야에서 사용되는 촉매층 형성용 잉크가 제한없이 적용될 수 있다.
본 발명의 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극에 있어서, 촉매층은 백금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매; 및 백금-루테늄 합금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금-루테늄 합금촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극은 본 발명의 백금촉매와 백금-루테늄 합금촉매를 동시에 사용함으로써 메탄올 크로스오버에도 불구하고 촉매 활성을 우수하게 유지하여 촉매의 사용량 저감에도 연료 전지의 성능을 우수하게 유지할 수 있는, 당업자가 예측할 수 있는 정도를 넘어서는 현저한 시너지 효과를 나타낸다.
본 발명에 따른 촉매층에는 당분야에서 사용되는 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매가 더 포함될 수 있으며, 대표적인 금속촉매로는 루테늄, 오스뮴, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명에 따라 백금촉매, 백금-루테늄 합금촉매 또는 다른 금속촉매가 담지될 수 있는 탄소계 지지체로는 당분야에서 사용되는 것이 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직한 예가 될 수 있다.
촉매층 형성용 잉크에 사용되는 폴리머 이오노머로는 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 대표적으로 사용될 수 있다.
촉매층 형성용 잉크에 사용되는 용매로는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트 및 에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명의 한 측면으로서, 본 발명에 따른 백금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매 및 백금-루테늄 합금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금-루테늄 합금촉매는 서로 혼합되어 촉매층이 단일층으로 형성될 수 있다. 도 3에는 폴리머 이오노머(211)와 함께 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매(Pt/C 촉매)(212) 및 탄소계 지지체에 담지된 백금-루테늄 합금촉매(PtRu/C 촉매)(213)가 서로 혼합되어 단일층으로 형성된 촉매층이 나타나 있다. 도 3에 나타난 본 발명의 일 실시예와 같이 촉매층을 단일층으로 형성하기 위해서는 전술한 촉매층 형성용 잉크를 제조할 때 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매(Pt/C 촉매)(212)와 탄소계 지지체에 담지된 백금-루테늄 합금촉매(PtRu/C 촉매)(213)를 같이 첨가하여 촉매층 형성용 잉크를 제조한다. 이렇게 제조된 촉매층 형성용 잉크를 전해질막(201)에 도포하여 건조시키면 단일층의 촉매층을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면으로서, 본 발명에 따른 백금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매 및 백금-루테늄 합금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금-루테늄 합금촉매는 각각 별개의 층을 형성하여 촉매층이 2중층으로 형성될 수 있다. 도 4에는 폴리머 이오노머(211)와 함께 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매(Pt/C 촉매)(212)를 포함하는 제1층 및 백금-루테늄 합금촉매(PtRu 촉매)(214)를 포함하는 제2층으로 형성된 2중층인 촉매층이 나타나 있다. 도 4에 나타난 본 발명의 일 실시예와 같이 촉매층을 2중층으로 형성하기 위해서는 전술한 촉매층 형성용 잉크를 제조할 때 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매(Pt/C 촉매)(212)를 첨가하여 제조된 제 1 촉매층 형성용 잉크와, 백금-루테늄 합금촉매(PtRu 촉매)(214)를 첨가하여 제조된 제 2 촉매층 형성용 잉크를 각각 따로 제조한다. 이렇게 제조된 촉매층 형성용 잉크들 중에서, 제 2 촉매층 형성용 잉크를 먼저 전해질막(201)에 도포하여 건조시킨 후, 다음으로 제 1 촉매층 형성용 잉크를 그 위에 도포하여 건조시키면 2중층의 촉매층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따라 촉매층을 형성하는 백금촉매와 백금-루테늄 합금촉매의 함량비는 필요에 따라 적절하게 조절할 수 있으며, 예를 들면 중량비가 백금촉매:백금-루테늄 합금촉매=1:0.2~0.7일 수 있다. 상기 범위에서 메탄올 크로스오버에 대한 내피독성이 매우 우수하면서도, 촉매량 감소의 효과를 나타낼 수 있는 적절한 전극층 두께를 가지게되고, 전기적 저항과 물질전달저항을 증가시키지 않을 수 있다.
본 발명의 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극에 포함되는 촉매층은 종래의 촉매층에 사용되는 촉매와는 달리 촉매 사용량을 적게 해도 전지의 성능을 우수하게 유지할 수 있다. 종래에 알려진 직접메탄올 연료전지용 전극에 사용되는 통상적인 촉매 사용량은 전극당 4mg/cm2 이상 이지만, 당업자는 필요에 따라 본 발명의 촉 매의 사용량을 조절할 수 있으며, 예를 들면, 연료전지의 성능을 가장 우수하게 유지할 수 있는 1 ~ 2.5 mg/cm2일 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 따라 형성되는 캐소드 전극의 촉매층의 두께는 바람직하게는 5~100㎛일 수 있다.
전술한 본 발명의 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극은 전해질막 또는 기체확산층 상에 형성되어 본 발명의 연료전지용 막전극 접합체의 제조에 사용될 수 있다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 직접메탄올 연료전지용 막전극 접합체는 전해질막(201); 및 상기 전해질막(201)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 촉매층(203) 및 캐소드 촉매층(205);을 포함한다. 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 기체확산층(208) 및 촉매층(203, 205)을 포함할 수 있으며, 본 발명의 연료전지용 기체확산층(208)은 기재(209a, 209b)와 기재의 일면에 형성되는 미세기공층(207a, 207b)을 포함할 수 있다.
본 발명의 전해질막으로는 당분야에서 사용되는 전해질막이 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들면 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명의 기체확산층은 당분야에서 사용되는 기체확산층이 제한없이 사용될 수 있으며, 대표적으로 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 기체확산층은 상기 도전성 기재의 일면에 형성되는 미세기공층을 더 포함하여 형성될 수 있으며, 미세기공층은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 탄소계 물질로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 불소계수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP) 또는 스티렌-부타디엔고무(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
이때 촉매층은 상기 기체확산층과 전해질막사이에 형성된다.
본 발명은 또한 상기 본 발명의 막전극 접합체를 포함하는 직접메탄올 연료전지를 제공한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 연료전지는 스택(200), 연료공급부(400) 및 산화제공급부(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 스택(200)은 본 발명의 막전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.
상기 연료 공급부(400)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(410) 및 연료탱크(410)에 저장된 연료를 스택(200)으로 공급하는 펌프(420)로 구성될 수 있다.
상기 산화제 공급부(300)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(300)로 주입하여 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
실시예1
촉매의 담지체로서 모두 카본블랙을 사용하는 Pt/C 촉매와 PtRu/C 촉매를 Pt:PtRu=2:1의 중량비로 혼합한 혼합촉매, 상기 혼합촉매 100중량부에 대하여 나피온 30 중량부 및 용매로서 물과 이소프로판올을 포함하는 촉매층 형성용 잉크를 제 조하였다.
상기 촉매층 형성용 잉크를 건식분사코팅으로 전해질막(Nafion 115) 위에 단위면적당 혼합촉매의 도포량을 1.5 mg/cm2으로 조절하여 촉매층을 형성시켜, 본 발명에 따른 캐소드 전극용 촉매층을 제조하였다.
한편, PtRu 합금촉매를 도포량 2 mg/cm2으로 상기 전해질막에 도포하여 애노드 전극용 촉매층을 형성시켜 막전극 접합체를 제조하였다.
실시예2
캐소드 전극용 촉매로서Pt/C 촉매만을 사용한 제 1 촉매층 형성용 잉크 및 PtRu 합금촉매만을 사용한 제 2 촉매층 형성용 잉크를 각각 제조한 후, 제 2 촉매층 형성용 잉크를 전해질막에 먼저 도포하고, 그 다음에 제 1 촉매층 형성용 잉크를 도포하여 촉매층을 2중층으로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 캐소드 전극용 촉매층, 애노드 전극용 촉매층 및 막전극 접합체를 제조하였다.
비교예
캐소드 전극용 촉매로서 백금촉매만을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 캐소드 전극용 촉매층, 애노드 전극용 촉매층 및 막전극 접합체를 제조하였다.
상기 실시예 1~2 및 비교예에서 제조된 막전극 접합체을 사용하여 제조된 단위 셀의 테스트 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다. 도 6은 전류-전압 특성을 나타 내며, 도 7은 장기 성능 테스트 결과를 나타낸다.
도 6 및 도 7에 따르면, 본 발명에 따른 실시예들이 비교예보다 전류-전압 특성이 우수하며, 장기 성능 테스트에서도 시간이 지나도 성능을 우수하게 유지하여 전지의 수명이 연장되는 것을 알 수 있다.
도 1은 직접메탄올 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2는 일반적인 직접메탄올 연료전지용 막전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 단일층으로 형성된 촉매층을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 2중층으로 형성된 촉매층을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지의 한 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 단위 셀의 전류-전압 특성 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 단위 장기 성능 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.

Claims (8)

  1. 전해질막의 일측면에 구비되며, 상기 전해질막과 대향하는 면에 구비되는 기체확산층 및 상기 전해질막과 상기 기체확산층 사이에 개재되는 촉매층을 포함하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극에 있어서,
    상기 촉매층이,
    백금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매를 포함하는 제1층; 및
    백금-루테늄 합금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금-루테늄 합금촉매를 포함하는 제2층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 백금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금촉매; 및 백금-루테늄 합금촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 백금-루테늄 합금촉매는 서로 혼합되어 촉매층이 단일층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 백금촉매와 백금-루테늄 합금촉매의 중량비는 백금촉매:백금-루테늄 합금촉매=1:0.2~0.7인 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 촉매 사용량이 1 ~ 2.5 mg/cm2 인 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 루테늄, 오스뮴, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물인 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 상기 금속촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 캐소드 전극.
  7. 전해질막 및 상기 전해질막을 사이에 두고 형성되며, 각각 촉매층 및 기체확산층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 연료전지용 막전극 접합체에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 상기 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 캐소드 전극인 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 막전극 접합체.
  8. 하나 또는 둘 이상의 제7항에 따른 막전극 접합체와 상기 막전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택;
    연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및
    산화제를 상기 스택으로 공급하는 산화제공급부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지.
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