KR101256934B1

KR101256934B1 - 직접 메탄올 연료전지의 이종 복합으로 구성되는 환원극 촉매층

Info

Publication number: KR101256934B1
Application number: KR1020100112103A
Authority: KR
Inventors: 성영은; 정남기; 조윤환; 안민제; 임주완; 조용훈; 강윤식; 김진호; 정동영
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2013-04-25
Also published as: KR20120050710A

Abstract

본 발명은 직접 메탄올 연료전지에 관한 것이며, 특히 메탄올 크로스오버로 인한 일산화탄소 피독 등의 문제점을 효과적으로 극복하기 위한 이종 복합으로 구성되는 환원극 촉매층 구조를 제안한다.
본 발명의 환원극 촉매층 구조는, 백금 담지 탄소 촉매(Pt/C catalyst), 유기용매, 나피온 이오노머를 혼합하여 제조된 1단계 촉매 잉크에, 백금-루테늄 블랙 촉매(PtRu black catalyst) 및 폴리테트라플루로에틸렌(PTFE) 용액을 2단계 촉매 잉크로서 상기 1단계 촉매에 첨가하여 이종 복합 촉매 잉크를 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 환원극 촉매층을 구성하기 위한 최종 촉매 잉크 안에 들어 있는 상기 백금 담지 탄소 촉매 중 백금의 질량과, 상기 백금-루테늄 블랙의 백금-루테늄 질량의 비는 3:1인 것이 바람직하다.

Description

직접 메탄올 연료전지의 이종 복합으로 구성되는 환원극 촉매층{CATHODE CATALYST LAYER OF DIRECT METHANOL FUEL CELL COMPOSED OF HETEROGENEOUS COMPOSITES AND FUEL CELL THEREWITH}

본 발명은 직접 메탄올 연료전지에 관한 것이며, 특히 메탄올 크로스오버의 영향을 저감하기 위한 직접 메탄올 연료전지의 환원극 촉매층 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; DMFC)는 연료인 메탄올 및 물의 혼합 용액과, 산화제인 순수 산소 또는 공기와의 전기 화학적 반응에 의해, 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환장치이다. 직접 메탄올 연료전지는 높은 에너지 밀도를 갖고, 액체(메탄올)를 연료로 사용하기 때문에 연료의 저장과 사용이 용이하다는 장점 때문에, 소형 연료전지로 주목 받고 있다.

그러나 소형 연료전지에 적용하기 위해서는 연료의 부피가 작아야 한다. 그래야 전체 시스템의 크기가 감소되어 사용에 유리하다. 이런 연유로 고농도 메탄올을 연료로 사용해야 한다. 그런데 고농도 메탄올을 사용할 경우, 산화극에서 미 반응된 메탄올이 고분자 전해질을 통과해 환원극까지 넘어가는 메탄올 크로스오버 현상이 매우 심각하게 발생한다. 그리고 이러한 메탄올 크로스오버 현상은 환원극 촉매층에 큰 손상을 주게 된다.

메탄올 크로스오버로 인해 환원극 내에서, 메탄올 산화반응이 산소 환원반응과 동시에 발생함으로써 혼합전압(mixed potential) 현상이 나타나며, 이로 말미암아 연료전지 성능이 저하된다. 또한 환원극 내에서 메탄올 산화반응 중 발생하는 중간 생성물질인 일산화탄소(CO)가 환원극 촉매 표면에 흡착, 피독시켜 산소의 흡착을 방해하고, 그로 인해 개방 회로 전압(open circuit voltage; OCV)이 낮아지며, 동시에 연료전지 반응 중 산소 환원반응을 방해하여 환원극 촉매의 활용도를 감소시키는 결과를 가져온다.

한편, 크로스오버 된 메탄올은 환원극에서 산소 환원반응으로 인해 발생되는 물과 함께 플러딩(flooding)을 일으켜 환원극 촉매층 내 기공을 막아버림으로써 산소 환원반응 면적을 감소시켜 연료전지 성능을 떨어지게 만든다.

이러한 메탄올 크로스오버의 환원극에 미치는 영향을 줄이기 위해, 본 발명의 발명가들은 종래 환원극 촉매로 사용하고 있는 백금 담지 탄소(60 wt.% Pt/C) 촉매 및 나피온 이오노머(Nafion ionomer)에 대해서, 촉매 표면의 일산화탄소 피독과 촉매층 내 플러딩을 방지하기 위한 이하의 효과적이고 신규한 기술을 제안한다.

본 발명은 직접 메탄올 연료전지의 성능을 향상시키고자 하며, 특히 메탄올 크로스오버에도 불구하고 환원극 쪽으로 넘어온 메탄올의 산화반응으로 인한 백금 담지 촉매 표면의 일산화탄소 피독을 빠르게 저감시킴으로써 백금 담지 탄소 촉매의 산소 환원반응에 대한 촉매 효율을 향상시키는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 크로스오버 된 메탄올과 산소 환원 반응으로 발생하는 물을 효과적으로 외부로 배출할 수 있는 방법을 제공한다.

결과적으로 본 발명은 높은 전력 밀도를 갖는 직접 메탄올 연료전지를 제조하고자 함에 그 근본적인 목적이 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 직접 메탄올 연료전지의 환원극 촉매층은,

백금 담지 탄소 촉매(Pt/C catalyst), 유기용매, 나피온 이오노머를 혼합하고 교반하여 제조된 1단계 촉매 잉크에, 백금-루테늄 블랙 촉매(PtRu black catalyst) 및 소수성 고분자 용액을 2단계 촉매 잉크로서 상기 1단계 촉매 잉크에 첨가하여 교반함으로써 이종 복합으로 구성되며,

상기 환원극 촉매층을 구성하기 위한 최종 촉매 잉크 안에 들어 있는 상기 백금 담지 탄소 촉매 중 백금의 질량은, 상기 백금-루테늄 블랙 촉매의 백금-루테늄 질량보다 큰 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 백금 담지 탄소 촉매 중 백금의 질량 대 상기 백금-루테늄 블랙의 백금-루테늄 질량의 비는 3:1인 것이 좋다.

또한, 바람직한 실시예에 있어서, 상기 소수성 고분자 용액은 폴리테트라플루로에틸렌(PTFE) 용액인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 위와 같은 환원극 촉매층을 갖는 직접 메탄올 연료전지 또는 그 전극을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 직접 메탄올 연료전지의 환원극에 촉매층을 형성함에 있어서 RtRu 블랙 및 PTFE가 첨가됨으로써 환원극에서의 메탄올 크로스오버의 영향을 완화시키킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따라 일산화탄소 피독을 감소시키고 물과 스며들어온 메탄올을 쉽게 제거함으로써 MEA의 최대 전력 밀도를 향상시킬 수 있으며, 고농동 메탄올을 보다 용이하게 사용할 수 있도록 된다.

본 발명의 명세서에서 구체적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 상기 실시예와 상기 비교예의 환원극 기공율 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 2(a)는 본 발명에 따른 이종 복합으로 이루어진 MEA의 횡단면, (b)는 종래 기술에 따른 MEA의 횡단면, (c)는 본 발명에 따른 이종 복합으로 이루어진 MEA 환원극의 SEM 이미지, (d)는 본 발명에 따른 이종 복합으로 이루어진 MEA 환원극의 EDS 이미지를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예의 일산화탄소 스트리핑을 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 MEA 환원극의 접촉각을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 MEA 환원극의 접촉각을 나타내는 도면이다.
도 6(a)는 1M 메탄올 용액에서의 극성 커브(Polarization curve)를, (b)는 3M 메탄올 용액에서의 극성 커버를 나타내며, (c)는 1M 메탄올 용액에서의 EIS, (d)는 3M 메탄올 용액에서의 EIS를 나타낸다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 일산화탄소 산화반응과 메탄올 산화반응이 매우 빠르다고 알려진 백금-루테늄 블랙 (PtRu black) 촉매와 소수성을 지닌 PTFE 입자를 추가로 혼합하여 이종 복합 (heterogeneous composite) 전극을 구성하였다.

본 발명 이전까지, 직접 메탄올 연료전지 기술분야에서, 백금-루테늄 촉매는 산소가 환원되는 환원극이 아닌 메탄올을 산화시키는 산화극 촉매로 주로 사용되어 왔다. 환원극 촉매로는 일반적으로 백금 담지 탄소 촉매(Pt/C 촉매)만을 사용하였다. 이러한 환원극 촉매로서의 백금 담지 촉매는 기존의 여러 촉매보다 훨씬 뛰어난 산소 환원반응 촉매물질로 알려져 왔다.

백금-루테늄 촉매는 산소 환원반응에 대한 활성이 백금 담지 촉매보다 현저히 떨어지기 때문에, 환원극 촉매가 아닌 산화극 촉매로만 사용되어 왔다. 백금-루테늄 촉매를 환원극 촉매로 사용하게 되면 연료 전지의 성능이 매우 열화 되는 불이익이 초래된다.

한편, 메탄올 산화반응에는 활성이 별로 없고 산소 환원반응에는 활성을 갖는 합금촉매를 사용하기도 한다. 그러나 통상 그와 같은 합금촉매는 산소 환원반응의 활성이 백금 촉매보다 크게 떨어지는 단점을 갖는다.

위와 같은 문제점과 기술적 불이익을 해소하기 위하여, 본 발명은 환원극 촉매로서 서로 다른 촉매인 백금 담지 촉매와 백금-루테늄 촉매를 함께 사용한다. 즉 본 발명의 환원극 촉매층은 이종 복합이 된다. 보다 상세하게는 1차로 백금 담지 촉매(Pt/C 촉매)를 유기용매 등과 혼합하여 촉매 잉크를 제조한 다음에, 백금-루테늄 블랙 촉매(PtRu black 촉매)를 2차로 소량 첨가하고 최종 촉매 잉크를 제조하게 된다.

이러한 본 발명의 구성에 따라, 백금 담지 촉매와 백금-루테늄 촉매를 함께 사용하는 촉매층은 산소 환원 반응에 대한 촉매 이용률을 극대화할 수 있다. 환원극으로 넘어온 메탄올이 반응할 때 발생하는 일산화탄소는 백금 촉매 표면에 피독되는데, 이 때 백금 촉매 근처에 있는 백금-루테늄 촉매가 백금 표면에 흡착되어 있는 일산화탄소를 빠르게 산화시켜버림으로써, 백금 촉매 표면에서 산소 환원반응을 위한 반응 면적을 충분히 확보할 수 있는 것으로 분석되었다.

한편, 산소 환원반응에 대한 활성이 현저히 떨어지는 백금-루테늄 촉매가 환원극에 너무 많아지게 되면, 산소 환원반응 자체가 어려워 지는 문제가 발생한다. 따라서 백금의 양이 백금-루테늄 양보다 많아야 한다. 따라서 백금의 질량은 백금-루테늄의 질량보다 더 크다. 바람직하게는 백금-루테늄의 질량보다 백금의 질량이 대략 3배 큰 것이 좋다.

또한, 본 발명은 환원극 촉매층을 형성함에 있어서, 백금-루테늄 촉매와 동시에 소수성 고분자 수지 용액도 함께 첨가한다. 바람직하게는 PTFE 용액을 첨가한다. 소수성 고분자를 넣은 촉매층에 열과 압력을 가해서 고분자를 녹여내 촉매층에 스며들게 하는 방법이 종래의 소수성 고분자 활용 방법이다. 그러나 본 발명은, 별 다른 처리 없이 고분자 수지 용액, 바람직하게는 PTFE 용액만 백금-루테늄 촉매와 함께 첨가할 뿐이다.

즉, 본 발명은 백금 담지 촉매와 백금-루테늄 블랙 촉매를 혼용함과 동시에, 소수성 고분자 수지 용액도 함께 혼합한다. 소수성 고분자 수지 용액을 넣지 않으면 백금 담지 촉매와 백금-루테늄 촉매를 혼용하는 것만으로는 좋은 성능을 낼 수 없었다. 소수성 고분자가 들어있는 촉매층에, 단순히 소수성 고분자, 바람직하게는 200nm 크기의 PTFE를 첨가함으로써, 촉매들 사이에 충분한 기공이 형성되는 것으로 분석된다. 또한, 그 때문에 액체가 잘 빠져나가고 동시에 반응 기체가 쉽게 드나들 수 있는 구조가 만들어 지는 것으로 분석된다. 재차 첨언하건대 본 발명의 소수성 고분자 수지 용액의 첨가는 단순 첨가에 의한 혼합을 의미하며, 종래와 같이 열과 압력을 가해서 소수성 고분자가 필름형태로 촉매에 늘어 붙는 형태를 의미하지 않는다.

또한, 소수성 고분자 바람직하게는 PTFE를 첨가하지 않을 경우, 백금-루테늄 블랙 촉매가 매우 작은 나노입자이므로, 백금 담지 촉매에 의해서 만들어질 수 있는 기공을 밀집도 있게 막아버리므로 PTFE를 첨가하여 적절한 기공을 만들어내야만 성능의 증가를 기대할 수 있는 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 이종 복합 촉매층(실시예)의 기공율과, 일반적인 백금 담지 촉매와 나피온 이오노머만을 사용한 촉매층(비교예)의 기공율을 측정/비교 했을 때 기공 분포가 거의 유사하게 나왔다(도 1 참조). 이 결과를 통해, 소수성 고분자 수지인 PTFE 입자가 들어감으로써 촉매 사이의 밀집도가 해소되고 적절한 기공을 가질 수 있었다는 것을 알 수 있었다.

본 발명에서 사용하고 있는 용어인 "이종 복합(heterogeneous composite)"은 환원극 촉매층을 형성함에 있어서, 백금 담지 촉매와 백금-루테늄 블랙 촉매를 혼용했다는 것을 의미하며, 또한, 바인더로서 나피온 이오노머와 소수성 고분자 수지를 같이 사용했다는 의미를 포함한다.

백금 담지 촉매는 60~70nm정도되는 탄소 담지체 위에 3~4nm의 백금 나노입자가 붙어 있는 형태이고, 백금-루테늄 블랙 촉매는 담지체가 없는 4~5nm 정도 크기의 나노입자만으로 된 촉매이다. 따라서 이것을 혼합하여 촉매 잉크를 만들게 되면 백금 담지 촉매들이 형성하는 촉매층 사이사이에 백금-루테늄 블랙 촉매를 고르게 분포시킬 수 있다.

또한, 나피온 이오노머의 형상은 대략 40~50nm 정도로 알려져 있고, 여기에 진술한 바와 같은 200nm 정도의 PTFE 입자를 촉매층에 같이 넣게 되면 촉매입자들 사이사이에 소수성을 갖는 입자가 위치할 수 있으므로 촉매층 안에서 플러딩을 방지 할 수 있게 된다.

[실시예]

본 발명의 새로운 전극 구조에 적용되는 환원극 촉매 잉크를 제조하기 위하여, 60 wt.% 탄소 담지 백금 촉매 Pt/C(Johnson Matthey사), 백금-루테늄 블랙 PtRu black (Johnson Matthey사), 듀폰사의 5wt.% Nafion ionomer 용액, Aldrich사의 60wt.% 폴리테트라플루로에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 용액 및 유기용매인 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol; IPA)를 준비하였다.

준비한 촉매 잉크는 Pt/C와 PtRu black의 이종의 촉매(heterogeneous catalysts)와 이종의 바인더(나피온 이오노머와 PTFE)를 갖는다.

① 제1단계로, 60 wt.% Pt/C 촉매와 IPA와 나피온 이오노머 용액을 혼합하여 초음파 교반기로 교반함으로써 1차 촉매 잉크를 제조하였다.

② 제2단계로, PtRu black 촉매 및 60 wt.% PTFE 용액을 1차 촉매 잉크에 첨가하여 초음파 교반기로 교반하여 혼합함으로써 최종 촉매 잉크를 제조하였다.

③ 최종 촉매 잉크 안에 들어 있는 Pt/C 중 백금의 질량과 PtRu black의 백금-루테늄 질량의 비율은 3:1(Pt : PtRu = 3 : 1 임)로 하였다. 또한, ④ 최종 촉매 잉크 안에 들어 있는 나피온 이오노머의 양은 백금 담지 촉매 무게의 20 wt.%이고, PTFE의 양은 백금-루테늄 블랙 촉매양의 10 wt.%로 실시하였다.

⑤ 다음으로 제조된 촉매 잉크를 스프레이 건을 사용해 고분자 전해질 막에 뿌려서 0.5 mg/cm² 의 금속 촉매 무게만큼을 올렸다.

다음으로 다음과 같은 방법으로 산화극을 제조하였다.

먼저, 75 wt.% PtRu/C 촉매, 물, 유기용매 (IPA), 나피온 이오노머를 혼합하여 촉매 잉크를 제조하였다. 촉매 잉크 안에 들어 있는 나피온 이오노머의 양은 백금-루테늄 (PtRu) 무게의 20 wt.%이며, 제조된 촉매잉크를 이종 복합 전극이 올라가 있는 고분자 전해질의 반대편에 각각 2 mg/cm² 씩 스프레이 하여 촉매를 올렸다.

[비교예]

비교예의 환원극은 60 wt.% Pt/C 촉매와 IPA와 나피온 이오노머 용액을 혼합하여 촉매잉크를 제조하였다. 그리고 제조된 촉매 잉크를 스프레이 건을 사용해 고분자 전해질 막에 뿌려서 0.5 mg/cm² 의 금속 촉매 무게만큼을 올렸다.

산화극은 상기 실시예와 같은 방법, 같은 촉매, 같은 양을 사용하여 제조하였다. 즉, 실시예와 비교예는 환원극에서만 차이를 갖는다.

[실험예]

SUPRA 55VP (Carl Zeiss사)를 이용하여, FM-SEM(Field emission scanning electron microscopy)과 EDS(energy dispersive X-ray spectroscopy)가 각각 환원극 촉매 층의 구조 및 두께를 측정하기 위하여, 또한 이종 복합(heterogeneous composites)으로 구성된 환원극 내의 백금-루테늄 분포를 검사하기 위하여 사용된다.

막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)의 환원극 내에 흡착되는 메탄올 흡착물의 산화에 대한 두 개의 상이한 전극 구조의 효과를 검증하기 위하여 일산화탄소 스트리핑(stripping)을 실시하였다. 수소 가스와 일산화탄소 가스가 용해된 물은 상온에서 각각 산화극과 환원극로 흘러 들어갔다. 일산화탄소는 30분간 0.1V에서 환원극 촉매 표면 위에 흡착되었다. 일산화탄소 흡착 후에, 일산회탄소 가스가 용해된 물을 질소 가스로 대체시켜 1시간 동안 0.1V에서 purging을 하여 환원극을 깨끗하게 하였다. 상기 촉매에 흡착된 일산화탄소는 0.1V에서 1V의 포텐셜 스윕(potential sweep)에 의해 스트립되었다. 환원극 촉매 층의 친수성을 검사하기 위하여 DSA 100(KRUSS)로 접촉 각을 측정하였다. 70℃에서의 단위 셀 성능을 테스트하기 위하여 메탄올 용액은 산화극에 공급되었으며, 공기는 환원극 안으로 주입되었다.

단위 셀의 전기화학 임피던스 분광(EIS; Electrochemical impedance spectroscopy)(IM6, Zahner)은 0.1~10kHz 사이의 주파수 범위 및 10mV의 진폭을 갖는 0.4V에서 전도되었다.

도 2(a)는 이종 복합으로 구성된 상기 본 실시예의 MEA 횡단면을, 도 2(b)는 비교예의 MEA를 각각 나타낸다. 촉매층의 두께는, 본 실시예의 이종 복합으로 구성된 MEA 내의 Pt/C 촉매의 양이 종래의 MEA의 양보다 25% 작음에도 불구하고, 상호 유사하다. 이것은 환원극 내에서 비교적 큰 입자의 PTFE 입자들과 작은 PtRu 블랙이 혼합되어 있기 때문인 것으로 분석된다.

도 2(c)는 이종 복합으로 구성된 MEA가 상이한 촉매 층 구조를 가지는 것을 나타내며, PTFE 입자들(ca. 200nm)은 촉매 응집체와 함께 분포한다. 또한, 도 2(d)에 나타난 바와 같이, 백금-루테늄 블랙은 그 입자의 크기가 작기 때문에 Pt/C 촉매 응집체와 PTFE 입자들 내에서 잘 분포되어 있다. 따라서 신규한 환원 전극 구조를 갖는 MEA는 잘 혼합된 Pt/C, 나피온 이오노머, 두 개의 첨가물들, 즉 PtRu black과 PTFE 입자들로 구성되며, 환원극 내에서 이종 복합체를 형성한다.

도 3은 본 발명의 백금-루테늄 블랙 촉매 첨가의 효과를 나타내고 있다. 같은 양의 일산화탄소를 각 환원극 촉매에 흡착시킨 후, 전압을 이동하며 일산화탄소가 산화되어 촉매 표면에서 떨어질 때 발생하는 전류 밀도를 측정한 결과에서, 이종 복합 전극에서 on set 전압(약 0.45 V)과 peak 전압 (약 0.65 V)이 모두 기존 전극보다 낮은 전압에서 나타난다는 것을 알 수 있다. 이를 통해 일산화탄소 산화가 빠르다는 것을 확인할 수 있고, 따라서 일산화탄소 피독 방지 효과가 있음을 알 수 있다.

도 4 및 도 5는 PTFE 입자 첨가의 효과를 나타낸다. 그 효과를 확인할 수 있는 접촉각 측정 결과이다. 비교예의 MEA 환원극 접촉각(146.8˚)보다 약 15도 향상된 161.6˚로 향상되었다. 이와 같이, 이종 복합 전극은 소수성의 PTFE 입자를 갖고 있으므로 기존 전극보다 큰 접촉각을 갖게 되며, 이러한 소수성을 지닌 촉매층 내에서 액체의 배출이 용이해질 수 있음을 예상할 수 있게 된다.

도 6은 상기 실시예와 상기 비교예의 막전극 접합체의 성능과 EIS를 비교하여 그 차이를 나타내고 있다. 도 6(a)는 1M 메탄올 용액을 연료로 사용하였고, 도 6(b)는 3M 메탄올 용액(고농도)을 연료로 사용하였으며, 도 6(c)는 1M 메탄올 용액, 도 6(d)는 3M 메탄올에서의 EIS이다.

도 6에 나타난 바와 같은 연료전지의 성능의 차이는, 백금-루테늄 블랙 촉매가 백금 담지 촉매 표면에 피독 되어 있을 수 있는 일산화탄소를 빠르게 산화시켜 줌으로 나타난다. 상대적으로 높은 개방 회로 전압을 갖는 것은 일산화탄소 피독 현상이 감소되어 산소가 많이 흡착할 수 있음을 보여주며, 또한, 메탄올 크로스오버 현상이 심한 저전류 영역에서 성능의 차이가 벌어지는 이유도 마찬가지로 설명될 수 있다. 크로스오버 되어 환원극으로 넘어온 메탄올을 백금-루테늄 블랙 촉매가 빠르게 반응시킴으로써 백금 담지 탄소 촉매 쪽으로 메탄올이 확산되지 못하도록 하는 역할을 하는 것을 분석되었다.

한편, 이종 복합 전극 안에 혼합되어 있는 PTFE 입자는 크로스오버 된 메탄올과 산소 환원반응으로 발생하는 물을 효과적으로 외부로 배출하게 해주는 역할을 한다. 이는 저전류 영역에서도 그 효과를 발휘할 수 있으나 최종적으로는 플러딩 현상이 심각하게 발생하게 되는 고전류 영역에서의 최고 출력 밀도를 향상시켜 주게 된다.

따라서 위의 두 가지 효과로 인하여 메탄올 크로스오버가 발생함에도 불구하고 높은 전력 밀도를 얻을 수 있었고 모든 전류 밀도에서 높은 성능을 보여주었다.

[다른 실시형태]

상기 PTFE 외에 폴리스티렌(Polystyrene) 또는 PMMA(폴리메틸메타아크릴레이트)이 대용 고분자 수지로 사용될 수 있다. 상기 실시예의 ② 단계에서 60 wt.% PTFE 용액 대신에 폴리스티렌이나 PMMA 용액을 사용할 수 있다.

이상에서 상세히 기술된 설명들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 발명에 대한 다양하고 예시적인 실시예 중의 하나로서, 그와 같은 실시예의 기재에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지 않으며, 다른 변형이나 치환이 제안되더라도 본 발명의 청구범위에 기재된 사항과 그 기술 사상의 범위 내라면 역시 본 발명의 권리범위에 속하는 것임을 명확히 첨언해 둔다.

Claims

직접 메탄올 연료전지의 환원극 촉매층은,
백금 담지 탄소 촉매(Pt/C catalyst), 유기용매, 나피온 이오노머를 혼합 교반하여 제조된 1단계 촉매 잉크에, 백금-루테늄 블랙 촉매(PtRu black catalyst) 및 소수성 고분자 용액(-이 소수성 고분자 용액의 입자의 크기는 상기 촉매들의 입자 및 상기 나피온 이오노머의 입자보다 크다)을 2단계 촉매 잉크로서 상기 1단계 촉매 잉크에 첨가(-소수성 고분자 용액을 첨가함에 있어 열과 압력을 가하지 않는다)하여 교반함으로써 이종 복합으로 구성되며,
상기 환원극 촉매층을 구성하기 위한 최종 촉매 잉크 안에 들어 있는 상기 백금 담지 탄소 촉매 중 백금의 질량은, 상기 백금-루테늄 블랙 촉매의 백금-루테늄 질량보다 큰 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지의 이종 복합 환원극 촉매층.
제1항에 있어서, 상기 백금 담지 탄소 촉매 중 백금의 질량 대 상기 백금-루테늄 블랙의 백금-루테늄 질량의 비는 3:1인 직접 메탄올 연료전지의 이종 복합 환원극 촉매층.
제1항에 있어서, 상기 소수성 고분자 용액은 폴리테트라플루로에틸렌(PTFE) 용액인, 직접 메탄올 연료전지의 이종 복합 환원극 촉매층.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 환원극 촉매층을 갖는 직접 메탄올 연료전지.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 환원극 촉매층을 갖는 직접 메탄올 연료전지의 전극.