KR101167409B1 - 연료 전지용 막-전극 접합체, 연료 전지 및 그 제조방법 - Google Patents

연료 전지용 막-전극 접합체, 연료 전지 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101167409B1
KR101167409B1 KR1020100061970A KR20100061970A KR101167409B1 KR 101167409 B1 KR101167409 B1 KR 101167409B1 KR 1020100061970 A KR1020100061970 A KR 1020100061970A KR 20100061970 A KR20100061970 A KR 20100061970A KR 101167409 B1 KR101167409 B1 KR 101167409B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
fuel cell
electrolyte
microcurrent
electrode
Prior art date
Application number
KR1020100061970A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120001266A (ko
Inventor
이언수
성영은
안민제
조용훈
정남기
장재혁
Original Assignee
삼성전기주식회사
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 삼성전기주식회사 filed Critical 삼성전기주식회사
Priority to KR1020100061970A priority Critical patent/KR101167409B1/ko
Priority to US13/073,460 priority patent/US20110318668A1/en
Publication of KR20120001266A publication Critical patent/KR20120001266A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101167409B1 publication Critical patent/KR101167409B1/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
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807—Gas diffusion layers
    • 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
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • 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
    • H01M8/0245—Composites in the form of layered or coated products
    • 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]
    • 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
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료 전지용 막-전극 접합체, 연료 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 기체 확산층과 미세 기공층 사이에 미세 전류 집전층을 형성하고, 전해질 용액의 도포에 의해서 형성된 각 전해질층이 서로 맞닿도록 한 쌍의 전극용 적층체를 면접촉시킴으로써 전자의 이동거리를 단축시켜 집전저항 및 손실을 최소화하고 계면 저항을 감소시킬 수 있다.

Description

연료 전지용 막-전극 접합체, 연료 전지 및 그 제조방법 {Membrane-electrode assembly for fuel cell, fuel cell and manufacturing method thereof}
본 발명은 연료 전지용 막-전극 접합체, 연료 전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료 전지의 한 종류로서 고분자 전해질 연료 전지(PEM fuel cells)가 다각도로 연구되어왔다. 상기 고분자 전해질 연료 전지는 구조적으로 중간면에 전해질이 위치하고, 양면으로 전극, 즉 양극과 음극이 위치하여 극성을 갖게 된다. 또한 양극 및 음극의 물질은 전기전도성을 가지면서도 동시에 연료가스 및 공기를 공급해주고 반응물질인 물을 빼내주는 역할을 동시에 해주어야 하는 것이 특징이다. 이러한 양극 및 음극 물질층을 기체 확산층(gas diffusion layer)이라고 일반적으로 일컫는다. 이때 이러한 기체 확산층의 가스 확산 및 반응된 물의 배출성능을 높여주기 위해서 전해질층과 기체 확산층의 사이에 미세 기공층(micro porous layer)을 추가하여 기체 확산성능 및 반응물의 배출 성능을 높여주기도 한다.
일반적으로 단위셀 제작은 기체 확산층과 전해질층을 각각 별도로 제작한 후 결합함으로써 수행된다. 이때 미세 기공층을 기체 확산층 위에 도포하여 미세 기공층이 결합된 기체 확산층을 제작하고 나서 전해질층을 결합하는 방법이 있고, 미세 기공층을 전해질층면에 도포하여 미세기공층이 도포된 전해질층을 제작한 후 기체 확산층과 결합하여 셀을 제작하는 방법이 있다.
그러나, 상기와 같이 기체 확산층과 전해질층을 각각 별도로 제작하여 결합하는 경우, 결합되는 층들 사이의 계면 저항을 감소시키기 위하여 고온 고압의 핫 프레싱 공정을 적용하여야 하며, 각 계면의 접촉 상태가 불량하여 성능 저하가 나타나는 문제점이 있다. 또한, 통상적으로 전해질층으로 사용되는 전해질 막의 제작에 고가의 비용이 들고, 전해질 막의 전처리 과정이 요구되는 등, 비용 및 양산적 측면에서 불리한 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 계면의 접촉 면저항이 최소화되고 각 계면이 치밀하게 접촉된 연료 전지용 막-전극 접합체 및 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 집전 시 집전저항과 손실을 최소화할 수 있는 연료 전지용 막-전극 접합체 및 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 분리된 공정을 거치지 않고 일체화된 연속적 공정으로 연료 전지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 별도의 열처리 공정을 거치지 않고 단위 전지에 바로 체결하는 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1측면에 따르면:
2개의 전해질 용액이 서로 면접촉하여 이루어진 전해질층;
상기 전해질층의 양면에 형성된 촉매층;
상기 촉매층의 양면에 형성된 미세 기공층;
상기 미세 기공층의 양면에 배치된 미세 전류 집전층; 및
상기 미세 전류 집전층의 양면에 형성된 기체 확산층;
을 포함하는 연료 전지용 막-전극 접합체가 제공된다.
상기 연료 전지용 막-전극 접합체에서, 상기 미세 전류 집전층은, 바람직하게는, Au, Ag, Cu, Al, Fe, 이들의 합금 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
상기 미세 전류 집전층은 메쉬구조를 갖는 것이 바람직하다.
상기 미세 전류 집전층은 바람직하게는 각각 수 마이크로(㎛) 내지 수십 마이크로(㎛)의 두께를 가질 수 있다.
상기 미세 전류 집전층은 또한 미세 기공층 내에 함침되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2측면에 따르면:
2개의 전해질 용액이 서로 면접촉하여 이루어진 전해질층;
상기 전해질층의 양면에 형성된 촉매층;
상기 촉매층의 양면에 형성된 미세 기공층;
상기 미세 기공층의 양면에 배치된 미세 전류 집전층;
상기 미세 전류 집전층의 양면에 형성된 기체 확산층; 및
상기 기체 확산층의 양면에 배치된 분리판;
을 포함하는 연료 전지가 제공된다.
본 발명의 제3측면에 따르면:
제1의 분리판 상에 제1의 기체 확산층, 제1의 미세 전류 집전층, 제1의 미세 기공층 및 제1의 촉매층을 순차적으로 배치하고, 상기 제1의 촉매층 상에 전해질 용액의 도포를 통해서 제1의 전해질층을 형성하여 제1의 전극용 적층체를 준비하는 단계;
제2의 분리판 상에 제2의 기체 확산층, 제2의 미세 전류 집전층, 제2의 미세 기공층 및 제2의 촉매층을 순차적으로 배치하고, 상기 제2의 촉매층 상에 전해질 용액의 도포를 통해서 제2의 전해질층을 형성하여 제2의 전극용 적층체를 준비하는 단계; 및
상기 제1의 전극용 적층체의 제1의 전해질층과 상기 제2의 전극용 적층체의 제2의 전해질층이 서로 맞닿도록 상기 제1의 전극용 적층체와 상기 제2의 전극용 적층체를 면접촉시키는 단계;
를 포함하는 연료 전지의 제조방법이 제공된다.
이때, 상기 제1의 미세 전류 집전층 및 제2의 미세 전류 집전층이 각각 상기 제1의 미세 기공층 및 제2의 미세 기공층 내에 함침될 수 있다.
또한, 상기 면접촉단계는 상기 제1의 전극용 적층체와 상기 제2의 전극용 적층체를 각각 미건조된 상태로 면접촉시켜 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따른 연료 전지용 막-전극 접합체 및 연료 전지는 기체 확산층, 미세 전류 집전층, 미세 기공층, 촉매층 및 전해질층이 비어 있는 공간이 거의 없이 한 번에 형성될 수 있기 때문에 각 계면 사이의 저항을 최소화할 수 있어 성능의 증가 효과가 발생된다.
또한, 기존의 방법은 전해질 막을 사용하는 관계로 촉매층과 전해질 막 사이의 계면 저항을 감소시키기 위하여 고온 고압의 핫 프레싱 공정을 사용하나, 본 발명에서는 전해질 용액을 사용하여 바로 도포하는 관계로 이러한 핫프레싱 공정을 제거할 수 있고, 전해질 막 전처리 과정이 필요하지 않아 그에 따른 처리 시간 및 비용을 감소시킬 수 있으며, 전해질 막을 생산하기 위한 물질 비용 및 기계 설비 비용의 감소 효과가 발생된다. 나아가, 연속되는 한 번의 공정으로 연료 전지용 막-전극 접합체의 제작이 가능하기 때문에 비용감소 및 대량 생산 시에 더욱 효율적이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 연료 전지용 막-전극 접합체의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 연료 전지의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 연료 전지의 제조방법을 개략적으로 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료 전지의 극 곡선(polaration curve) 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료 전지의 0.7V에서의 임피던스(impedance) 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료 전지의 0.5V에서의 임피던스(impedance) 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
연료 전지용 막-전극 접합체 및 연료 전지
도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 연료 전지용 막-전극 접합체 및 연료 전지의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 연료 전지용 막-전극 접합체는 2개의 전해질 용액이 서로 면접촉하여 이루어진 전해질층(11a+11b)과, 상기 전해질층(11a+11b)의 양면에 형성된 촉매층(12a, 12b)과, 상기 촉매층(12a, 12b)의 양면에 형성된 미세 기공층(13a, 13b)과, 상기 미세 기공층(13a, 13b)의 양면에 배치된 미세 전류 집전층(14a, 14b)과, 상기 미세 전류 집전층(14a, 14b)의 양면에 형성된 기체 확산층(15a, 15b)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 연료 전지는 상기 도 1의 구조를 갖는 막-전극 접합체와, 상기 막-전극 접합체의 양면에 배치된 분리판(16a, 16b)을 포함한다.
상기 전해질층(11a+11b)은 2개의 전해질 용액이 면접촉되어 이루어짐으로써 계면의 접촉 면저항이 최소화되고 계면 간 치밀한 접촉이 가능하다. 상기 전해질 용액으로는 고체 전해질이 분산된 액체 또는 졸(sol), 또는 고체 전해질이 용해된 액체가 사용 가능하다.
상기 고체 전해질로는 통상적으로 연료 전지용 전해질 막의 재료로 사용되는 불소계 고체 고분자 전해질, 탄화수소계 고체 고분자 전해질과 같은 수소이온 전도성 고분자를 포함하며, 예를 들어, 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 좀 더 구체적으로는 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)) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 연료 전지에 사용되는 고체 전해질이 이에 한정되는 것은 아니며, 실제 사용되는 고분자 전해질의 종류에 따라 용매의 종류도 특별히 한정되지 않고 선택 가능하다.
상기 촉매층(12a, 12b)은 일측의 연료극용 촉매층과 타측의 공기극용 촉매층으로 이루어지며, 공기극(cathode, 음극) 또는 연료극(anode, 양극) 촉매 물질로서, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 미세 기공층(13a, 13b)은 수소 기체 및 산소 기체의 확산을 돕기 위한 것으로서, 수 ㎛ 이하의 미세 기공이 형성된 탄소층으로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들어, 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 또는 카본블랙 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 미세 전류 집전층(14a, 14b)은 전자의 이동거리를 짧게 하여 저항이 감소되도록 하는 기능을 한다. 기존의 전류 집전은 촉매층-> 미세 기공층-> 기체 확산층-> 분리판으로 집전이 되는데, 이것은 전자의 이동거리가 길어서 저항이 크게 작용하며, 결정적으로 기체 확산층 자체의 전기 저항과 양쪽면의 접촉면에서의 접촉저항이 커서 전류 집전시에 손실이 크게 작용한다. 반면, 본 발명에서는 집전 위치가 분리판 끝단이 아닌 촉매층 바로 위에서 미세 기공층과 같이 배치되어 있으므로, 적은 전력손실을 가진 전자가 바로 미세 전류 집전층으로 이동되므로 전체적인 전력 손실을 줄일 수 있다.
바람직하게는, 상기 미세 전류 집전층은 전류 집전 시 저항을 최소화하여 성능손실을 최소화할 수 있도록, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이를 포함하는 합금(Alloy), 또는 이들의 조합으로 된 고전도성 금속재료로 이루어질 수 있다.
상기 미세 전류 집전층은, 바람직하게는, 기체 확산층으로부터 미세 기공층, 촉매층으로의 가스 투과 및 확산이 용이하여 성능이 높게 유지되도록 메쉬 구조를 가질 수 있으며, 좀 더 바람직하게는 10-1000 메쉬 번호(mesh number)의 메쉬 구조를 가질 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 미세 전류 집전층은 또한 그 위에 미세 기공층을 도포할 때 미세 기공층이 충분히 미세 전류 집전층의 두께를 포함하거나 또는 대부분을 포함하여 미세 전류 집전층이 미세 기공층 속에 함침된 효과를 낼 수 있도록 수 마이크로미터(㎛) 에서 수십 마이크로미터(㎛)의 얇은 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 촉매층에서 발생된 전자가 짧은 이동거리를 가지고 미세 기공층에 접촉되어 있는 미세 전류 집전층으로 바로 전달되어 집전 저항과 손실을 최소화할 수 있다.
상기 기체 확산층(15a, 15b)은 외부로부터 공급되는 수소기체 및 산소기체를 상기 촉매층에 원활히 공급하여 촉매-전해질 막-기체의 삼상계면의 형성을 돕는 역할을 하는 것으로서, 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth)이 사용될 수 있다.
상기 분리판(16a, 16b)에는 상기 막-전극 접합체의 기체 확산층(15a, 15b)의 바깥쪽에 결합되어 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하는 유로가 형성되는 것이 전형적이다.
상술한 본 발명의 연료 전지는 기체 확산층, 미세 전류 집전층, 미세 기공층, 촉매층 및 전해질층이 비어 있는 공간이 거의 없이 치밀하게 접촉하여 각 계면 사이의 저항을 최소화할 수 있어 성능의 증가 효과가 발생된다.
이와 같이 구성된 단위 전지의 연료극에서는 물을 사용한 수소의 산화반응이 진행되어 수소 이온과 전자가 발생하며, 이때 생성된 수소 이온과 전자는 각각 전해질층과 도선을 통해 반대측의 공기극으로 이동하게 된다. 이와 동시에 공기극에서는 연료극으로부터 수소 이온과 전자를 받아 산소의 환원반응이 진행되면서 물을 생성한다. 이때 도선을 따라 흐르는 전자의 흐름에 의해 전기 에너지가 생성된다.
연료 전지의 제조방법
도 3 내지 도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 연료 전지의 제조방법을 개략적으로 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
우선, 도 3 내지 도 4를 참조하면, 제1의 분리판(101) 상에 제1의 기체 확산층(102)을 배치한다.
상기 분리판(101)에는 기체 확산층(102)의 바깥쪽에 결합되어 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하는 유로가 형성되는 것이 전형적이다.
상기 기체 확산층(102)은 외부로부터 공급되는 수소기체 및 산소기체를 상기 촉매층에 원활히 공급하여 촉매-전해질 막-기체의 삼상계면의 형성을 돕는 역할을 하는 것으로서, 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth)이 사용될 수 있다.
다음, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 제1의 기체 확산층(102) 상에 제1의 미세 전류 집전층(103)을 배치한다.
상기 미세 전류 집전층(103)은 촉매층에서 발생된 전자가 짧은 이동거리를 가지고 미세 기공층에 접촉되어 있는 미세 전류 집전층으로 바로 전달되어 집전 저항과 손실이 최소화되도록 한다.
상기 미세 전류 집전층은, 바람직하게는, 메쉬 구조로서, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe) 또는 이를 포함하는 합금(Alloy), 또는 이들의 조합으로 된 고전도성 금속재료로 이루어질 수 있다. 또한, 이후 단계에서 미세 전류 집전층 위에 미세 기공층을 도포할 때 미세 기공층이 충분히 미세 전류 집전층의 두께를 포함하거나 또는 대부분을 포함하여 미세 전류 집전층이 미세 기공층 속에 함침된 효과를 낼 수 있도록 수 마이크로미터(㎛) 에서 수십 마이크로미터(㎛)의 얇은 두께를 갖는 것이 바람직하다.
다음, 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 제1의 미세 전류 집전층(103) 상에 제1의 미세 기공층(104)을 배치한다.
상기 미세 기공층(104)은 수소 기체 및 산소 기체의 확산을 돕기 위한 것으로서, 수 ㎛ 이하의 미세 기공이 형성된 탄소층으로 이루어지는 것이 바람직하며, 예를 들어, 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 또는 카본블랙 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상기 미세 전류 집전층이 상기 미세 기공층 내에 함침될 수 있다.
다음, 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 제1의 미세 기공층(104) 상에 제1의 촉매층(105)을 배치한다.
상기 촉매층(105)은 예를 들어, 연료극용 촉매물질 또는 공기극용 촉매물질을 유기 용매에 분산시켜 촉매 잉크를 제작한 후, 이를 각각 증착하여 코팅함으로써 형성될 수 있다. 이때, 상기 촉매층은 통상적인 증착법을 이용하여 형성될 수 있으며, 바람직하게는 스퍼터링, 열화학증착법(Thermal CVD), 플라즈마강화 화학증착법(Plasma Enhanced CVD; PECVD), 열증발법, 전기화학증착법(electrochemical deposition) 또는 전자선(e-beam)증발법 중 선택되는 증착법을 사용할 수 있다. 다만, 증착방법이 상기 방법으로 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 상기 방법 중에서 2가지 이상을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다.
상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 더 바람직하나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
다음, 도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 제1의 촉매층(105) 상에 전해질 용액의 도포를 통해서 제1의 전해질층(106)을 형성하여 제1의 전극용 적층체를 준비한다.
상기 전해질 용액으로는 고체 전해질이 분산된 액체 또는 졸(sol), 또는 고체 전해질이 용해된 액체가 사용 가능하다.
상기 고체 전해질로는 통상적으로 연료 전지용 전해질 막의 재료로 사용되는 불소계 고체 고분자 전해질, 탄화수소계 고체 고분자 전해질과 같은 수소이온 전도성 고분자를 포함한다. 다만, 본 발명의 연료 전지의 제조에 사용되는 고체 전해질은 당업계에 공지된 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 또한 실제 사용되는 고체 전해질의 종류에 따라 용매도 특별히 한정되지 않고 적절히 선택될 수 있다.
다음, 도 9에 나타낸 바와 같이, 제2의 분리판(201) 상에 제2의 기체 확산층(202), 제2의 미세 전류 집전층(203), 제2의 미세 기공층(204) 및 제2의 촉매층(205)을 순차적으로 배치하고, 상기 제2의 촉매층(205) 상에 전해질 용액의 도포를 통해서 제2의 전해질층(206)을 형성하여 제2의 전극용 적층체를 준비한다.
각 층에 관한 구성은 도 3 내지 도 8의 제1의 전극용 적층체 준비과정에서 상술한 바와 같다. 다만, 제1 및 제2의 전극용 적층체 중 하나가 연료극측으로서 준비되는 경우, 다른 하나가 공기극측으로서 준비됨은 당업자라면 충분히 인식할 수 있을 것이다.
마지막으로, 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기와 같이 준비된 제1의 전극용 적층체와 상기 제2의 전극용 적층체를 상기 제1의 전극용 적층체의 제1의 전해질층(106)과 상기 제2의 전극용 적층체의 제2의 전해질층(206)이 서로 맞닿도록 면접촉시켜 연료 전지를 제작한다.
이때, 상기 제1의 전극용 적층체와 상기 제2의 전극용 적층체는 각각 미건조된 상태로 면접촉되는 것이 바람직하다.
이와 같이 제작된 연료 전지는 바로 단위 전지로 운전됨으로써 별도의 핫 프레싱 공정 없이 각 층의 계면이 치밀하게 접촉될 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 한 쌍의 전극용 전극체를 2개의 전해질 용액으로 이루어진 전해질층이 서로 맞닿도록 면접촉시키고 바로 단위 전지에 체결함으로써 별도의 전해질 막 제작과정이 필요 없고, 또한 통상의 핫 프레싱 공정을 생략하고도 계면의 접촉 면저항을 최소화하는 동시에 각 계면을 치밀하게 접촉시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 기존의 방법은 전해질 막을 사용하는 관계로 촉매층과 전해질 막 사이의 계면 저항을 감소시키기 위하여 고온 고압의 핫 프레싱 공정을 사용하나, 본 발명에 따른 연료 전지의 제조방법은 전해질 용액을 사용하여 바로 도포하는 관계로 이러한 핫프레싱 공정을 제거할 수 있다.
또한, 전해질 막 전처리 과정이 필요하지 않아 그에 따른 처리 시간 및 비용을 감소시킬 수 있으며, 전해질 막을 생산하기 위한 물질 비용 및 기계 설비 비용의 감소 효과가 발생된다.
나아가, 본 발명에 따르면, 연속되는 한 번의 공정으로 연료 전지의 제작이 가능하기 때문에 비용감소 및 대량 생산 시에 더욱 효율적이다.
본 발명에 따른 연료 전지 제조방법은 고분자 전해질 연료 전지(proton exchange membrane fuel cells)를 기본으로 하는 연료 전지 타입에서는 모두 적용 가능하다. 즉, 고분자 전해질을 기본으로 하는 모든 종류의 연료 전지 제품의 연료 전지 셀 및 스택 제작에 적용이 가능하며, 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)에도 적용이 가능하다.
한편, 적용제품으로는, 예를 들어, 휴대폰, 노트북 또는 MP3용 연료 전지 등의 소형 모바일용 연료 전지에서부터, 예를 들어, 자동차용 연료 전지와 같은 대형 연료 전지의 제작에 적용될 수 있다.
이하, 하기 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만 이에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
도 3 내지 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1의 분리판(101) 상에 제1의 기체 확산층(102), 제1의 미세 전류 집전층(103), 제1의 미세 기공층(104) 및 제1의 촉매층(연료극용 촉매 물질이 분산된 촉매 잉크에 의해 형성)(105)을 순차적으로 배치한 후, 전해질 용액(예를 들어, 상표명 나피온 분산 용액)을 제1의 촉매층(105)에 도포하여 제1의 전해질층(106)을 형성함으로써 제1의 전극(연료극)용 적층체를 준비한다.
다음, 도 9에 나타낸 바와 같이, 제2의 분리판(201) 상에 제2의 기체 확산층(202), 제2의 미세 전류 집전층(203), 제2의 미세 기공층(204) 및 제2의 촉매층(공기극용 촉매 물질이 분산된 촉매 잉크에 의해 형성)(205)을 순차적으로 배치한 후, 전해질 용액(예를 들어, 상표명 나피온 분산 용액)을 제2의 촉매층(205)에 도포하여 제2의 전해질층(206)을 형성함으로써 제2의 전극(공기극)용 적층체를 준비한다.
다음, 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 제1의 전극(연료극)용 적층체와 제2의 전극(공기극)용 적층체를 제1의 전해질층(106)과 제2의 전해질층(206)이 서로 맞닿도록 면접촉시켜 연료 전지를 제작한다.
이와 같이 제작된 연료 전지를 바로 단위 전지에 체결하여 운전하고, 이로부터 극 곡선 성능과, 임피던스(0.7V, 0.5V) 성능을 각각 측정하여 그 결과를 도 11 내지 도 13에 나타내었다.
비교예 1
폴리(퍼플루오로술폰산)막(상품명 Nafion112)을 고분자 전해질 막으로 하여 양면에 촉매층을 형성하고, 미세 기공층을 입힌 2장의 기체 확산층을 상기 촉매층의 양면에 배치시키고 핫 프레싱하여 막-전극 접합체를 제조하였다. 이와 같이 제조된 막-전극 접합체의 양면에 분리판을 배치하여 연료전지를 제조하였다.
이와 같이 제작된 연료 전지를 단위 전지에 체결하여 운전하고, 이로부터 H2/공기 공급조건에서의 극 곡선(polarization curve) 성능과, 임피던스(작동전압: 0.7V, 0.5V) 성능을 각각 측정하여 그 결과를 도 11 내지 도 13에 나타내었다.
도 11 내지 도 13은 각각 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료 전지의 극 곡선(polaration curve) 성능, 작동 전압 0.7V에서의 임피던스(impedance) 성능, 및 작동 전압 0.5V에서의 임피던스 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
상기 도 11에 나타낸 바와 같이, 수소와 공기 주입 조건의 극 곡선에서 본 발명에 따른 연료 전지(실시예 1: Modified)가 기존 기술을 이용한 경우(비교예 1: conventional)보다 더 높은 성능 값(Power density)을 보였다.
또한, 도 12 내지 도 13에 나타낸 바와 같이, 임피던스 분석을 통해서 본 발명에 따른 연료 전지(실시예 1: Modified)가 기존 기술을 이용한 경우(비교예 1: conventional)보다 동일 전압에서 더 낮은 저항 값을 보임을 확인할 수 있었다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 연료 전지용 막-전극 접합체, 연료 전지 및 그 제조방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
11a, 11b, 106, 206 : 전해질층
12a, 12b, 105, 205 : 촉매층
13a, 13b, 104, 204 : 미세 기공층
14a, 14b, 103, 203 : 미세 전류 집전층
15a, 15b, 102, 202 : 기체 확산층
16a, 16b, 101, 201 : 분리판

Claims (17)

  1. 2개의 전해질 용액이 서로 면접촉하여 이루어진 전해질층;
    상기 전해질층의 양면에 형성된 촉매층;
    상기 촉매층의 양면에 형성된 미세 기공층;
    상기 미세 기공층의 양면에 배치된 미세 전류 집전층; 및
    상기 미세 전류 집전층의 양면에 형성된 기체 확산층;
    을 포함하는 연료 전지용 막-전극 접합체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세 전류 집전층이 Au, Ag, Cu, Al, Fe, 이들의 합금 또는 이들의 조합으로 이루어지는 연료 전지용 막-전극 접합체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세 전류 집전층이 메쉬구조를 갖는 연료 전지용 막-전극 접합체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세 전류 집전층이 수 마이크로(㎛) 내지 수십 마이크로(㎛)의 두께를 갖는 연료 전지용 막-전극 접합체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세 전류 집전층이 상기 미세 기공층 내에 함침되는 연료 전지용 막-전극 접합체.
  6. 2개의 전해질 용액이 서로 면접촉하여 이루어진 전해질층;
    상기 전해질층의 양면에 형성된 촉매층;
    상기 촉매층의 양면에 형성된 미세 기공층;
    상기 미세 기공층의 양면에 배치된 미세 전류 집전층;
    상기 미세 전류 집전층의 양면에 형성된 기체 확산층; 및
    상기 기체 확산층의 양면에 배치된 분리판;
    을 포함하는 연료 전지.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 미세 전류 집전층이 Au, Ag, Cu, Al, Fe, 이들의 합금 또는 이들의 조합으로 이루어지는 연료 전지.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 미세 전류 집전층이 메쉬구조를 갖는 연료 전지.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 미세 전류 집전층이 수 마이크로(㎛) 내지 수십 마이크로(㎛)의 두께를 갖는 연료 전지.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 미세 전류 집전층이 상기 미세 기공층 내에 함침되는 연료 전지.
  11. 제1의 분리판 상에 제1의 기체 확산층, 제1의 미세 전류 집전층, 제1의 미세 기공층 및 제1의 촉매층을 순차적으로 배치하고, 상기 제1의 촉매층 상에 전해질 용액의 도포를 통해서 제1의 전해질층을 형성하여 제1의 전극용 적층체를 준비하는 단계;
    제2의 분리판 상에 제2의 기체 확산층, 제2의 미세 전류 집전층, 제2의 미세 기공층 및 제2의 촉매층을 순차적으로 배치하고, 상기 제2의 촉매층 상에 전해질 용액의 도포를 통해서 제2의 전해질층을 형성하여 제2의 전극용 적층체를 준비하는 단계; 및
    상기 제1의 전극용 적층체의 제1의 전해질층과 상기 제2의 전극용 적층체의 제2의 전해질층이 서로 맞닿도록 상기 제1의 전극용 적층체와 상기 제2의 전극용 적층체를 면접촉시키는 단계;
    를 포함하는 연료 전지의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 및 제2의 미세 전류 집전층이 각각 Au, Ag, Cu, Al, Fe, 이들의 합금 또는 이들의 조합으로 이루어지는 연료 전지의 제조방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 및 제2의 미세 전류 집전층이 각각 메쉬구조를 갖는 연료 전지의 제조방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 및 제2의 미세 전류 집전층이 각각 수 마이크로(㎛) 내지 수십 마이크로(㎛)의 두께를 갖는 연료 전지의 제조방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1의 미세 전류 집전층이 상기 제1의 미세 기공층 내에 함침되는 연료 전지의 제조방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2의 미세 전류 집전층이 상기 제2의 미세 기공층 내에 함침되는 연료 전지의 제조방법.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 면접촉단계는 상기 제1의 전극용 적층체와 상기 제2의 전극용 적층체를 각각 미건조된 상태로 면접촉시켜 수행되는 연료 전지의 제조방법.
KR1020100061970A 2010-06-29 2010-06-29 연료 전지용 막-전극 접합체, 연료 전지 및 그 제조방법 KR101167409B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100061970A KR101167409B1 (ko) 2010-06-29 2010-06-29 연료 전지용 막-전극 접합체, 연료 전지 및 그 제조방법
US13/073,460 US20110318668A1 (en) 2010-06-29 2011-03-28 Membrane-electrode assembly for fuel cell, fuel cell and manufacturing the method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100061970A KR101167409B1 (ko) 2010-06-29 2010-06-29 연료 전지용 막-전극 접합체, 연료 전지 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120001266A KR20120001266A (ko) 2012-01-04
KR101167409B1 true KR101167409B1 (ko) 2012-07-19

Family

ID=45352861

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100061970A KR101167409B1 (ko) 2010-06-29 2010-06-29 연료 전지용 막-전극 접합체, 연료 전지 및 그 제조방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20110318668A1 (ko)
KR (1) KR101167409B1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201220825D0 (en) * 2012-11-20 2013-01-02 Univ Leeds Proton exchange membrane fuel cell
KR101500067B1 (ko) 2013-03-29 2015-03-06 현대자동차주식회사 연료전지용 분리판 및 이의 제조방법
CN113346114A (zh) * 2020-03-02 2021-09-03 上海交通大学 一体式膜电极及其制备方法
CN113346115A (zh) * 2020-03-02 2021-09-03 上海交通大学 增强式一体式膜电极及其制备方法
US11271241B1 (en) * 2020-09-01 2022-03-08 Chuni Lal Ghosh Stackable fuel cell

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007165083A (ja) 2005-12-13 2007-06-28 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007165083A (ja) 2005-12-13 2007-06-28 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池

Also Published As

Publication number Publication date
US20110318668A1 (en) 2011-12-29
KR20120001266A (ko) 2012-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kumar et al. An overview of unsolved deficiencies of direct methanol fuel cell technology: factors and parameters affecting its widespread use
JP4565644B2 (ja) 燃料電池用高分子電解質膜，膜−電極アセンブリー，燃料電池システム及び膜−電極アセンブリーの製造方法
JP6312666B2 (ja) イオン伝導性膜
CN101373842B (zh) 改善了水管理的质子交换膜燃料电池
WO2012053638A1 (ja) 固体高分子型燃料電池用電極触媒
EP3520892A1 (en) Carrier, electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly, and fuel cell comprising same
CN101510611B (zh) 钝化金属双极板及其制造方法
US20100227255A1 (en) Cell module for fuel cell, method for forming cell module, and fuel cell
KR101167409B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 접합체, 연료 전지 및 그 제조방법
US20090023032A1 (en) Electrode for fuel cell, electrolyte-dispersed solution for forming electrode, method of producing the solution, and polymer electrolyte fuel cell
EP2134768A2 (en) Proton conducting aromatic polyether type copolymers bearing main and side chain pyridine groups and use therefor in proton exchange membrane fuel cells
JP2006019300A (ja) 燃料電池用電極，燃料電池，燃料電池用電極の製造方法
JP4642656B2 (ja) 燃料電池用電極およびこれを用いた燃料電池
EP2779287B1 (en) Fuel cell electrode catalyst layer, fuel cell electrode, fuel cell membrane-electrode assembly, and fuel cell
US20110159403A1 (en) Layered Catalyst Assembly and Electrode Assembly Employing the Same
JP2010536151A (ja) 直接酸化型燃料電池の炭化水素系膜電極接合体用電極
KR101312971B1 (ko) 불소계 이오노모를 이용하여 표면 개질한 탄화수소계 고분자 전해질 분리막, 막 전극 접합체 및 연료전지
KR20090132214A (ko) 연료전지용 막전극 접합체, 그 제조방법 및 이를 포함하는연료전지
JP4400212B2 (ja) 燃料電池用膜・電極接合体の製造方法
JP2020057516A (ja) 電極層ならびに当該電極層を用いた膜電極接合体および燃料電池
JP2008269847A (ja) 燃料電池触媒層用インク及びその製造方法、燃料電池用膜電極接合体
WO2017154475A1 (ja) 触媒組成物、高分子電解質膜電極接合体の製造方法、および高分子電解質膜電極接合体
JP2002110190A (ja) 燃料電池
KR20170112542A (ko) 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체 및 이의 제조방법
KR100578977B1 (ko) 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용전극의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee