KR101334088B1 - 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물 및 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법 - Google Patents

고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물 및 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물 및 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물은 전극에 도포하여 고온형 고분자 전해질 연료전지의 인산 누출을 억제하며 이를 통해 수소 이온 전달 능력이 우수한 고온형 고분자 전해질 연료전지의 제공이 가능하게 된다.
또한 이를 통해 전기 저항성의 증가를 막을 수 있어 성능이 우수한 고온형 고분자 전해질 연료전지의 제공이 가능하게 된다.
또한 인산의 누출을 방지하기 때문에 기존의 고온형 고분자 전해질 연료전지에 비해 수명이 향상된 연료전지의 제공이 가능하다.
또한 상기 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물을 사용하여 전극을 제조하게 되면 막을 개질하여 인산의 누출을 방지하는 방법에 비해 간편하게 인산의 누출을 방지하는 고온형 고분자 전해질 연료전지 전극의 제조가 가능하다.

Description

고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물 및 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법{Composition for electrode coating of High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell and preparation method of electrode for High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell}
본 발명은 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물 및 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 인산 누출량을 감소시켜 연료전지의 성능을 향상시키는 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물 및 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
최근 유가의 급등과 기후 변화협약에 따른 환경 규제로 대체 에너지의 중요성이 크게 부각되고 있는 현실 속에서 연료전지는 이에 대응할 수 있는 차세대 동력 에너지원으로 각광 받고 있다. 이러한 연료전지는 기체 및 액체 연료 내에 저장된 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 에너지 전환 장치의 일종으로써 이들의 종류로는 전해질 및 작동 온도에 따라 알칼리 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 및 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 등으로 나눌 수 있다.
특히 수소이온교환막(proton exchange membrane, PEM)을 사용하는 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 화석연료를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로 작동온도가 낮아 스타트-업(start up)이 빠르고, 고체 전해질을 사용하여 제작이 용이하며, 출력밀도 및 에너지 전환효율이 매우 우수하여 고분자 전해질 연료전지를 휴대용, 가정용 및 군수용 전원과 전기 자동차의 동력원 등으로 응용하기 위한 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다.
고분자 전해질 연료전지의 연료로는 수소를 연료극(음극)에, 공기를 산화극(양극)에 사용하는 것이 가장 실용적인 것으로 평가되고 있으며, 수소를 직접 탑재하여 연료로 사용하는 것보다는 안전성을 고려하여 천연가스, 가솔린, 메탄올 등의 원료로부터 부분 산화(partial oxidation), 증기 개질(steam reforming) 및 분해(decomposition) 등의 반응을 통하여 수소를 생산하는 방식이 채택되고 있다. 또한 가격이 저렴하며 수송 및 저장이 용이한 메탄올을 직접 연료극에 주입시켜 산화반응을 통해 수소이온을 생산하는 직접메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)도 휴대용 전자 제품 및 전기 자동차용 전원으로 최근 각광 받고 있다.
한편 고온에서 작동이 가능한 고온형 고분자 전해질 연료전지(HT-PEMFC)는 100℃ 이상의 높은 온도에서 작동이 가능하기 때문에 많은 장점을 가지고 있다.
일산화탄소와 같은 연료에 포함되어 있는 오염물질에 대한 저항성 증가, 연료전지 반응 속도 증가, 저가습 혹은 무가습 상태 운전에 의한 물 관리 장치의 단순화가 이에 해당한다. 고온에서 작동하는 고온형 고분자 전해질 연료전지는 불소계 나피온(Nafion) 막을 사용하지 못하며 인산이 함침 된 PBI(polybinzimidazole)계 막을 사용하고 있다. 이때 인산은 막과 전극 내에서 수소 이온을 전달하는 전해질 역할을 하지만, 연료전지의 외부로 누출되는 문제점이 있다. 이러한 인산의 누출은 수소이온의 전도성을 감소시키게 되며, 촉매의 전기화학적 반응의 저항을 증가 시켜 내구성을 감소시키는 문제점이 있다. 그러므로 이러한 인산 누출을 방지하면서 전극과 막에 잔류하는 인산의 양을 많게 하고 또한 인산의 잔류 시간을 길게 하려는 노력이 계속 되고 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위한 노력의 일환으로서 석고(gypsums), 지르코늄 인산염(zirconium phosphate), 포스포텅스텐산(phosphotungstic acid), 규텅스텐산(silicotungstic acid)과 같은 고체 산염과 무기 충전제를 막에 첨가하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 이러한 막의 개질을 통하여는 인산의 누출을 억제하는데 한계가 있으며, 또한 막의 물리적 성질을 변화시켜 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전체적인 성능을 오히려 떨어뜨리는 문제점이 있다. 또한 막의 개질을 통한 접근 방법으로서 그 제조방법이 매우 복잡하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 인산의 누출을 억제하고 고온형 고분자 전해질 연료전지의 성능을 향상시키는 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물을 제공하는 것이다. 또한 간편한 방법으로 인산의 누출을 억제하여 연료전지의 성능을 향상시키는 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물은 알루미늄 산화물(Al203)을 포함한다.
또한 상기 알루미늄 산화물(Al2O3)은 고온형 고분자 전해질 연료전지 내에서 인산과 반응하여 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 알루미늄 산화물(Al203)은 상기 전극 도포용 조성물 내의 총 고형분 중 1~8중량%의 함량으로 포함된다.
또한 상기 알루미늄 산화물(Al203)이 포함된 전극 도포용 조성물을 전극에 도포하여 고온형 고분자 전해질 연료전지를 제조하는 경우, 상기 알루미늄 산화물(Al203)이 포함되지 않은 전극 도포용 조성물을 사용하는 경우에 비해 상기 고온형 고분자 전해질 연료전지의 인산 누출양을 30~40%로 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극은 상기 전극 도포용 조성물이 도포된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 고온형 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체는 본 발명에 따른 상기 전극을 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 고온형 고분자 전해질 연료전지는 상기 전극을 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법은 1) 알루미늄 산화물(Al203)을 혼합하여 고온형 고분자 전해질 연료저지의 전극 도포용 조성물을 제조하는 단계, 및 2) 상기 전극 도포용 조성물을 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극에 도포하는 단계를 포함한다.
또한 상기 알루미늄 산화물(Al2O3)은 고온형 고분자 전해질 연료전지 내에서 인산과 반응하여 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 알루미늄 산화물(Al203)은 상기 전극 도포용 조성물 내의 총 고형분 중 1~8중량%의 함량으로 포함된다.
본 발명에 따른 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물은 전극에 도포하여 고온형 고분자 전해질 연료전지의 인산 누출을 억제하며 이를 통해 수소 이온 전달 능력이 우수한 고온형 고분자 전해질 연료전지의 제공이 가능하게 된다.
또한 이를 통해 전기 저항성의 증가를 막을 수 있어 성능이 우수한 고온형 고분자 전해질 연료전지의 제공이 가능하게 된다.
또한 인산의 누출을 방지하기 때문에 기존의 고온형 고분자 전해질 연료전지에 비해 수명이 향상된 연료전지의 제공이 가능하다.
또한 상기 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 잉크 조성물을 사용하여 전극을 제조하게 되면 막을 개질하여 인산의 누출을 방지하는 방법에 비해 간편하게 인산의 누출을 방지하는 고온형 고분자 전해질 연료전지 전극의 제조가 가능하다.
도 1은 고온형 고분자 전해질 연료전지 내에서 알루미늄 산화물(Al203)과 인산이 반응한 후 생성된 알루미늄 디하이드로포스페이트의 X선 회절 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1과 비교예 1에 따른 경우 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전류 밀도 차이를 비교한 그래프이다.
도 3은 실시예 1과 비교예 1에 따른 경우 고온형 고분자 전해질 연료전지의 백금 촉매 활성 면적의 차이를 비교한 그래프이다.
도 4는 실시예 1과 비교예 1에 따른 경우 고온형 고분자 전해질 연료전지의 막 저항 및 전하전달 저항 차이를 비교한 그래프이다.
도 5은 실시예 1과 비교예 1에 따른 경우 고온형 고분자 전해질 연료전지의 인산 누출양 차이를 비교한 그래프이다.
도 6은 실시예 1과 비교예 1에 따른 경우 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전압 감소율 차이를 비교한 그래프이다.
도 7은 비교예 1이 적용된 고온형 고분자 전해질 연료전지에 있어서 실험예 4 및 실험예 5의 수행 전후 전류 밀도 차이를 비교한 그래프이다.
도 8은 실시예 1이 적용된 고온형 고분자 전해질 연료전지에 있어서 실험예 4 및 실험예 5의 수행 전후 전류 밀도 차이를 비교한 그래프이다.
도 9은 비교예 1이 적용된 고온형 고분자 전해질 연료전지에 있어서 실험예 4 및 실험예 5의 수행 전후 백금 촉매 활성 면적 차이를 비교한 그래프이다.
도 10은 실시예 1이 적용된 고온형 고분자 전해질 연료전지에 있어서 실험예 4 및 실험예 5의 수행 전후 백금 촉매 활성 면적 차이를 비교한 그래프이다.
도 11은 비교예 1이 적용된 고온형 고분자 전해질 연료전지에 있어서 실험예 4 및 실험예 5의 수행 전후 전하전달 저항 차이를 비교한 그래프이다.
도 12은 실시예 1이 적용된 고온형 고분자 전해질 연료전지에 있어서 실험예 4 및 실험예 5의 수행 전후 전하전달 저항 차이를 비교한 그래프이다.
도 13은 실시예 1과 비교예 2가 적용된 경우 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전류밀도 차이를 비교한 그래프이다.
도 14은 실시예 1과 비교예 2가 적용된 경우 고온형 고분자 전해질 연료전지의 막 저항 및 전하전달 저항 차이를 비교한 그래프이다.
이에 본 발명자들은 인산의 누출을 방지하는 고온형 고분자 전해질 연료전지를 개발하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 본 발명에 따른 인산의 누출을 억제하여 고온형 고분자 전해질 연료전지의 성능을 전반적으로 향상시키는 전극 도포용 조성물 및 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
일반적으로 고온형 고분자 전해질 연료전지(HT-PEMFC)는 100℃ 이상의 높은 온도에서 작동하는 연료전지로서 전해질로는 보편적으로 인산을 사용한다. 이러한 고온형 고분자 전해질 연료전지는 상기 전해질로 사용하는 인산이 누출되지 않도록 하는 것이 그 성능을 좌우하는 핵심이다.
한편, 알루미늄 산화물(Al2O3)는 하기 화학식 1과 같이 인산과 반응할 수 있다.
Figure 112012072501697-pat00001
상기 알루미늄 산화물(Al2O3)과 인산은 상기 화학식 1과 같이 반응하여 알루미늄 디하이드로포스페이트(aluminum dihydrophosphate)를 생성할 수 있다.
즉 상기 화학식 1에 있어서, 상기 알루미늄 산화물(Al2O3)과 인산은 150℃ 내외의 온도에서 반응이 일어날 수 있으며, 이러한 반응을 통해 상기 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)를 생성한다. 이러한 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)는 프로톤(H+)이온을 전달하는 능력이 우수하다. 또한 상기 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)가 고온형 고분자 전해질 연료전지 내에서 생성시키게 된다면 이를 통해 인산의 누출을 억제할 수 있다.
그러므로 본 발명은 알루미늄 산화물(Al2O3)과 인산을 고온형 고분자 전해질 연료전지 내에서 반응시키고, 이를 통해 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)를 생성시킬 수 있도록 하며, 상기 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)가 촉매 및 연료와 삼상 계면을 형성하는 범위를 넓히게 되어 저항이 줄어들게 할 수 있다. 결국 본 발명은 이러한 요인들로 인해 인산의 누출을 억제시키고 연료전지의 성능 및 내구성을 전체적으로 향상시키는 것에 관한 발명이다.
구체적으로 본 발명에 따른 전극 도포용 조성물은 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함하는 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물일 수 있다.
상기 알루미늄 산화물(Al2O3)을 전극 도포용 조성물에 포함한 후 이를 전극에 도포하게 되면 전극에 포함된 알루미늄 산화물(Al2O3)과 누출되려는 인산이 반응하여 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)를 생성할 수 있다. 이를 통해 최종 제조되는 고온형 고분자 전해질 연료전지의 인산 누출을 억제할 수 있어 바람직하며, 상기 알루미늄 산화물(Al2O3)이 전극에 도포된 후 상기 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)과 촉매 및 연료가 삼상 계면을 이루어 저항을 낮출 수 있어 바람직하고, 촉매의 활성 면적을 증가시킬 수 있어 바람직하다. 그 결과 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전체적인 성능 향상과 내구성 향상 및 수명 연장 효과에도 기여할 수 있다.
상기 알루미늄 산화물(Al2O3)은 상기 전극 도포용 조성물 내의 총 고형분 중 바람직하게는 1~8중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 알루미늄 산화물(Al2O3)이 1중량% 미만으로 포함되는 경우에는 고온형 고분자 전해질 연료전지의 인산 누출 억제 효과 및 성능 개선 효과가 미미하여 바람직하지 않으며, 상기 알루미늄 산화물(Al2O3)이 8중량%를 초과하여 포함되는 경우에는 알루미늄 산화물(Al2O3)이 백금 촉매를 스크린 하는 효과가 발생하여 고온형 고분자 전해질 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 전극 도포용 조성물에는 촉매가 포함될 수 있으며, 상기 촉매는 고온형 고분자 전해질 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있는 것이지만, 바람직하게는 백금 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금 촉매를 사용하는 경우 알루미늄 산화물상기 화학식 1에 따른 생성물인 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3) 및 연료와 삼상 계면을 형성할 수 있어 바람직하며, 전해질로 사용되는 인산의 효과도 우수하게 달성할 수 있어 바람직하고, 또한 알루미늄 산화물(Al2O3)과 함께 상기 백금 촉매 전극 도포용 조성물에 포함되어 전극에 도포되는 경우 연료전지 내에서 백금 촉매의 활성 면적도 최대치로 증가할 수 있어 바람직하다.
상기 알루미늄 산화물(Al2O3)이 포함된 전극 도포용 조성물을 전극에 도포하여 고온형 고분자 전해질 연료전지를 제조하는 경우, 상기 알루미늄 산화물(Al2O3)이 포함되지 않은 전극 도포용 조성물 사용하는 경우에 비해 상기 고온형 고분자 전해질 연료전지의 인산 누출양을 바람직하게는 30~40%로 감소시킬 수 있다. 상기 알루미늄 산화물(Al2O3)은 전극에 도포되어 누출되려는 인산과 반응할 수 있으며, 이러한 반응으로 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)가 생성될 수 있고, 이를 통해 결과적으로 인산의 누출을 방지할 수 있으며, 또한 촉매 및 연료와의 삼상 계면을 달성하여 저항을 낮출 수 있다. 상기 인산 누출양을 알루미늄 산화물이 포함되지 않은 전극 도포용 조성물로 전극을 도포한 경우에 비해 30~40%로 감소시킴은 고온형 고분자 연료전지의 성능을 크게 향상시키고 그 수명을 연장시킬 수 있어 바람직하다.
구체적으로는 상기 인산 누출양이 크게 감소됨으로 인해 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함하지 않은 경우에 비해 전류 밀도를 크게 증가시켜 바람직하며, 백금 촉매의 활성 면적도 크게 증가시켜 바람직하다. 또한 막 저항 및 전하전달 저항 등 연료전지의 전체적인 저항도 크게 낮추는 효과가 있어 바람직하다. 또한 알루미늄 산화물(Al2O3)을 전극 도포용 조성물에 포함하는 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 전압 감소율도 크게 감소시킬 수 있어 바람직하다.
또한 여기에 그치지 않고, 연료전지의 계속적 사용에도 알루미늄 산화물(Al2O3)을 전극 도포용 조성물에 포함하여 전극에 도포하는 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 전류 밀도 증가율의 격차를 점차 벌릴 수 있으며, 백금 촉매의 활성 면적 차이도 점차 벌어지게 하고, 전체적인 저항의 차이도 점차 벌어지며 전압 감소율의 차이도 점차 벌어지게 할 수 있어 바람직하다. 이렇게 그 성능과 관련된 요인들에 있어서, 연료전지의 계속적 사용시 알루미늄 산화물(Al2O3)을 전극 도포용 조성물에 포함시킨 경우가 그렇지 않은 경우와의 성능 격차를 벌어지게 함은 알루미늄 산화물(Al2O3)을 전극 도포용 조성물에 포함시켜 제조한 최종 연료전지의 수명 연장에도 기여할 수 있다.
이는 알루미늄 산화물(Al2O3)을 전극 도포용 조성물에 포함시킨 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 인산 누출양을 현저하게 감소시키는 것이 그 원인이 될 수 있으며, 이는 상기 알루미늄 산화물(Al2O3)이 전극에 도포되어 누출되려는 인산과 반응할 수 있으며, 이러한 반응으로 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)가 생성될 수 있고, 이를 통해 결과적으로 인산의 누출을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극은 바람직하게는 본 발명에 따른 상기 전극 도포용 조성물이 도포된 것일 수 있다.
상기 전극은 고온형 고분자 전해질 조성물에 적용될 수 있는 것이면 특별한 제한 없이 모두 적용될 수 있으며, 바람직하게는 당업계에 공지된 모든 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 고온형 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체는 바람직하게는 본 발명에 따른 상기 전극을 포함할 수 있다.
상기 막은 고온형 고분자 전해질 연료전지에 적용될 수 있는 막이라면 특별한 제한 없이 모두 적용될 수 있으며, 당업계에 공지된 모든 고온형 고분자 전해질 연료 전지용 막을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 고온형 고분자 전해질 연료전지는 바람직하게는 본 발명에 따른 상기 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법은 1) 알루미늄 산화물(Al2O3)을 혼합하여 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물을 제조하는 단계, 및 2) 상기 전극 도포용 조성물을 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극에 도포하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 산화물(Al2O3)은 상기 전극 도포용 조성물 내의 총 고형분 중 바람직하게는 1~8중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 상기 알루미늄 산화물(Al2O3)이 1중량% 미만으로 포함되는 경우에는 인산 누출을 억제하는 효과 및 연료전지의 성능 개선에 기여하는 효과가 미미하여 바람직하지 않고, 상기 알루미늄 산화물이 8중량%을 초과하여 포함되는 경우에는 알루미늄 산화물(Al2O3)이 백금 촉매를 스크린 하는 효과가 발생하여 고온형 고분자 전해질 연료전지의 성능 저하를 야기 할 수 있어 바람직하지 않다.
이하 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1: 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 잉크 조성물의 제조
상용 Johnson Matthey을 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물 전체에서 40 중량%가 되도록 준비하였다. 또한 탄소 담지 백금 촉매 (Pt/C) 150mg를 준비하였다. 또한 상기 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물 내의 총 고형분 중 6중량%에 해당하는 알루미늄 산화물(Al2O3) 9.5 mg와 160 μL 막 용해 용액을 준비하였다. 그리하여 이들을 4.5 mL의 n-methyl-2-pyrrolidone (NMP)에 넣었다. 여기서 막 용해 용액은 고온형 연료전지에서 사용되는 동일한 고분자막을 NMP에 1.9 중량% 녹인 용액이었다. 이러한 혼합물은 초음파 세척기 (ultrasonic bath)에서 30분간 분산 시켜주었다. 그리고 30분 뒤 12시간 동안 상온에서 교반 시켜 최종 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물을 제조하였다.
실시예 2: 실시예 1의 잉크 조성물이 전극에 도포된 막-전극 접합체의 제조
기체 확산층 (GDL, SGL-35BC, 350 μm thickness)을 5 cm2로 2개 잘랐다. 준비된 GDL을 SUS 판에 고정 시켰다. 실시예 1에서 준비한 전극 도포용 조성물을 스프레이건을 사용하여 GDL층에 도포하였다. 상기 조성물이 도포되기 전후의 질량을 비교하여 백금 기준으로 0.4 mg cm-2 올라가도록 하였다. 도포가 끝난 GDL은 오븐 80℃ 조건에서 1시간 건조 시킨 뒤 160℃ 조건 진공 오븐에서 2시간 건조시켰다. 막-전극 접합체에 사용되는 막은 Advant TPS®을 사용하였으며 인산 도핑 조건은 85% 인산에 막을 넣고 19시간 동안 140℃ 조건 오븐에서 진행 하였다. 인산 도핑 전후 막의 질량을 측정하여 질량 변화율이 185 질량%가 되도록 하였다. 인산 도핑이 끝난 막과 전극을 가열 압착기 (Hot-presser)을 사용하여 150℃, 3 N m 조건에서 20분 동안 압력을 가하였다.
제조예 : 고온형 고분자 전해질 연료전지의 제조
상기 실시예 2에 의해 제조된 막-전극 접합체를 포함하여 고온형 고분자 전해질 연료전지를 제조하였다.
비교예
비교예 1
상기 실시예1과는 다르게 알루미늄 산화물(Al2O3)을 첨가하지 않고 전극 도포용 조성물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물을 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1 및 실시예 2와는 다르게 상기 알루미늄 산화물(Al2O3)과 동일한 양을 실시예 1의 전극 도포용 조성물 제조에 첨가하지 않고 실시예 2의 막에 첨가하여 상기 막-전극 접합체를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물을 제조하였으며, 상기 실시예 2와 동일한 방법을 사용하여 막-전극 접합체를 제조하였다.
실험예
< 실험예 1: 알루미늄 산화물( Al 2 O 3 )을 첨가한 전극 도포용 조성물을 사용한 고온형 고분자 전해질 연료전지 내에서 알루미늄 디하이드로포스페이트 생성 여부 확인>
알루미늄 산화물(Al2O3)을 본 발명에 따른 상기 실시예1과 같이 전극 도포용 조성물에 포함하고 이를 전극에 도포하여 고온형 고분자 전해질 연료전지를 제조하는 경우 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)를 생성하는지 확인하는 실험을 X선 회절 분석법을 사용하여 진행하였으며, 이의 결과는 하기 도 1에 나타냈다.
하기 도 1에서 (a)는 본 발명에 사용된 알루미늄 산화물(Al2O3)의 X선 회절 분석 결과이다. 또한 도 1(b)는 참고 문헌(JCPDS, card No: 04-0878)에 개시된 알루미늄 산화물(Al2O3)의 X선 회절 분석 값이다. 또한 도 1(c)는 본 발명에 따른 실시예 1의 전극 도포용 조성물을 도포한 전극을 사용하여 제조된 고온형 고분자 전해질 연료전지 내에서 생성된 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)의 X선 회절 분석 결과이다. 또한 도 1(d)는 참고 문헌(JCPDS, card No: 14-0377)에 개시된 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)의 X선 회절 분석 값이다.
구체적으로는 하기 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에 사용되는 참고문헌의 수치 (b)는 본 발명의 전극 도포용 조성물에 포함되는 알루미늄 산화물(Al2O3)의 측정값 (a)와 일치하는 피크를 보임을 확인할 수 있었다. 또한 실시예 1이 적용되어 제조된 고온형 고분자 전해질 연료전지에서 생성되는 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3) 측정값 (c)도 참고문헌의 수치 (d)와 일치하는 피크를 보임을 확인할 수 있었다. 결국, 이를 통해 본 발명에 따른 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함한 전극 도포용 조성물을 사용하여 최종 제조되는 고온형 고분자 전해질 연료전지는 전극에 포함된 알루미늄 산화물과 누출되려는 인산이 반응하여 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)를 생성하게 되는 것임을 확인할 수 있는 것이다. 이는 또한 대략 150℃에서 내외에서 알루미늄 산화물(Al2O3)과 인산이 반응하여 생성되는 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)가 본 발명에 따라 제조되는 고온형 고분자 전해질 연료전지 내에서도 생성되는 것임을 확인할 수 있는 것이다. 이렇게 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)는 고온형 고분자 전해질 연료전지 내에서 프로톤 이온(H+)을 전달할 수 있는 이온전도도를 증가시키며, 인산의 누출을 억제하고, 촉매 및 연료와 삼상 계면을 형성하여 전체적인 저항을 낮추게 되어 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전반적 성능 향상 및 내구성 향상에 기여하게 된다.
< 실험예 2: 전극 도포용 조성물 제조시 알루미늄 산화물( Al 2 O 3 ) 첨가 유무에 따른 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전류 밀도 비교 측정 실험>
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 각각의 전극 도포용 조성물을 사용하여 막-전극 접합체를 제조하였으며, 이를 가지고 고온형 고분자 전해질 연료전지 제조하여 이의 성능을 비교하는 실험을 진행하였다. 즉, 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물 제조시 알루미늄 산화물(Al2O3)의 첨가 유무가 최종 제조되는 연료전지의 성능에 어떠한 영향을 미치는지를 실험하였다. 이의 실험은 실시예 1 및 비교예 1을 전극에 도포하여 제조된 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전류 밀도를 측정하여 비교하였으며, 이의 결과는 하기 도 2에 나타냈다.
하기 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 실시예 1을 전극에 도포하여 제조된 고온형 고분자 전해질 연료전지의 경우에는 0.6 V 기준으로 대략 330 mA cm-2의 값을 보이는 것으로 확인되었다. 반면에 비교예 1의 경우에는 0.6 V 기준으로 대략 250 mA cm-2의 값을 보이는 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 통해 알루미늄 산화물(Al2O3)이 첨가된 전극 도포용 조성물을 전극에 도포하여 고온형 고분자 전해질 연료전지를 제조하여 사용하게 되면 알루미늄 산화물(Al2O3)이 첨가되지 않은 전극 도포용 조성물을 전극에 도포하는 경우에 비해 최종 수득되는 고온형 고분자 전해질 연료전지의 성능이 보다 우수하게 향상되는 것임을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명에 따른 전극 도포용 조성물을 전극에 도포하여 연료전지를 제조하는 경우에 알루미늄 산화물과 인산이 반응하여 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)가 생성되며, 이러한 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)는 인산 누출을 억제하고, 또한 프로톤(H+) 이온을 전달하는 능력이 매우 우수함에 따른 결과로도 볼 수 있다.
< 실험예 3: 전극 도포용 조성물 제조시 알루미늄 산화물( Al 2 O 3 ) 첨가 유무에 따른 백금 촉매의 활성 면적 측정 실험>
상기 실시예 1 및 비교예 1에 사용된 백금 촉매의 활성 면적을 측정하는 실험을 진행하였다. 이는 백금 촉매의 활성 면적의 변화를 나타낸 CV(Cyclic Voltammgram)를 측정하여 비교하였다. 또한 이의 결과는 하기 도 3에 나타냈다.
하기 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 1의 경우 백금 촉매의 활성 면적은 대략 12.3 m2 g-1인 것으로 확인되었다. 반면에 비교예 1의 경우 10.0 m2 g-1의 면적을 보이는 것으로 확인되어 본 발명과 같이 알루미늄 산화물(Al2O3)을 전극 도포용 조성물에 포함하는 실시예 1의 경우가 알루미늄 산화물(Al2O3)을 전극 도포용 조성물에 포함하지 않는 비교예 1의 경우보다 백금 촉매의 활성 면적을 크게 증가시키는 것임을 확인할 수 있었다. 이는 또한 상기 실험예 1에 의해 본 발명으로서 연료전지 내에서 생성되는 알루미늄 디하이드로 포스페이트(Al(H2PO4)3)가 백금 촉매 및 연료와 삼상 계면을 형성하여 그 면적이 증가한 것으로도 볼 수 있을 것이다. 이러한 실험 결과는 실시예 1이 비교예 1 보다 고온형 고분자 전해질 연료전지의 성능을 크게 향상시키는 실험예 2의 결과를 더욱 확실하게 뒷받침 해주는 원인이 될 수 있다.
< 실험예 4: 전극 도포용 조성물 제조시 알루미늄 산화물( Al 2 O 3 ) 첨가 유무에 따른 저항 측정 실험>
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 전극 도포용 조성물을 가지고 알루미늄 산화물(Al2O3) 첨가 유무에 따른 막 저항 및 전하전달 저항의 차이를 임피던스를 사용하여 비교 측정하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 4에 나타냈다.
하기 도 4에서 확인 할 수 있는 바와 같이 실시예 1의 경우 막 저항은 대략 0.056Ω 임에 반하여 비교예 1의 경우 막 저항은 대략 0.059Ω인 것으로 확인되어 비교예 1의 경우가 실시예 1의 경우보다 막 저항을 증가시키는 것으로 확인되었다. 또한 전하전달 저항의 경우에도 실시예 1은 대략 0.714Ω임에 반하여 비교예 1의 경우는 대략 0.825Ω 임을 확인 할 수 있어 역시 비교예 1의 경우가 실시예 1의 경우보다 전하전달 저항을 증가시키는 것임을 확인 할 수 있었다. 이러한 실험 결과를 통해 비교예 1의 경우가 실시예 1의 경우보다 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전체적인 저항을 증가시키는 것임을 확인할 수 있다. 이는 또한 상기 실예험 1에 의해 본 발명으로서 연료전지 내에서 생성되는 알루미늄 디하이드로 포스페이트(Al(H2PO4)3)가 백금 촉매 및 연료와 삼상 계면을 형성하여 연료전지 내의 전체적인 저항을 낮춘 것으로도 볼 수 있을 것이다. 또한 이는 실시예 1이 비교예 1 보다 고온형 고분자 전해질 연료전지의 성능을 크게 향상시키는 실험예 2의 결과를 더욱 확실하게 뒷받침 해주는 원인이 될 수 있다.
하기 표 1은 상기 실험예 2 내지 실험예 4의 결과를 정리한 것이다.
Figure 112012072501697-pat00002
< 실험예 5: 전극 도포용 조성물 제조시 알루미늄 산화물( Al 2 O 3 ) 첨가 유무에 따른 인산 누출양 비교 측정 실험>
실시예 1과 비교예 1의 전극 도포용 조성물이 각각 적용되어 최종 제조된 고온형 고분자 전해질 연료전지에 0.2 A cm-2의 정전류를 360시간 공급한다. 내구성 평가 중 전압 변화를 측정하고 24시간 마다 인산의 누출 양을 유도 결합형 플라즈마 발광 분광 분석법 (Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy, ICP-AES)을 사용하여 측정 하였다. 이의 결과는 하기 도 5에 나타냈다.
하기 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 1이 적용된 경우는 인산 누출양이 2.0514 mg인 것으로 확인되었다. 반면에 비교예 1의 경우는 인산 누출양이 3.2046 mg인 것으로 확인되었다. 그리하여 실시예 1이 적용된 경우가 비교예 1이 적용된 경우보다 인산 누출양에 있어서 35% 감소한 것임을 확인할 수 있었다. 이를 통해 알루미늄 산화물을 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물에 포함하고, 이를 전극에 도포하여 고온형 고분자 전해질 연료전지를 제조하는 실시예 1의 경우가 알루미늄 산화물을 전극 도포용 조성물에 첨가하지 않고 제조한 비교예 1의 경우보다 인산 누출을 억제하는 것임을 확인할 수 있었다. 이는 또한 상기 실험예 1에 의해 본 발명으로서 연료전지 내에서 전극에 포함된 알루미늄 산화물과 누출되려는 인산이 반응하여 알루미늄 디하이드로 포스페이트(Al(H2PO4)3)가 생성됨에 따른 결과로도 볼 수 있을 것이다. 또한 이를 통해 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함하는 실시예 1의 경우가 연료전지의 내구성에 기여할 수 있으며, 또한 이는 연료전지의 수명 연장에도 기여하는 것임을 확인할 수 있었다.
< 실험예 6: 전극 도포용 조성물 제조시 알루미늄 산화물( Al 2 O 3 ) 첨가 유무에 따른 전압 변화 측정 실험>
실시예 1 및 비교예 1의 경우를 적용하여 제조된 고온형 고분자 전해질 연료전지를 가지고 전압 변화를 측정하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 6에서 확인할 수 있었다.
하기 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 1이 적용된 연료전지의 전압 감소율은 0.1 mV h-1인 것을 확인할 수 있었다. 반면에 비교예 1이 적용된 연료전지의 전압 감소율은 0.3 mV h-1로서 실시예 1이 적용된 경우보다 전압 감소율이 증가한 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 실시예 1이 적용된 연료전지가 비교예 1이 적용된 연료전지보다 전압 감소율이 낮고, 이는 상기 실험예 5의 인산 누출량에서 실시예 1이 비교예 1보다 적음에 따른 결과와 동일한 양상을 보이는 것이라고 할 것이다. 또한 본 실험 결과를 통해 실시예 1이 적용된 고온형 고분자 전해질 연료전지의 경우가 비교예 1이 적용된 경우보다 내구성이 우수하며, 연료전지의 수명도 향상되는 것임을 확인할 수 있었다.
< 실험예 7: 실험예 5 및 실험예 6의 수행 후 전류 밀도 측정 실험>
실험예 5 및 실험예 6의 실험 수행 후 실시예 1 및 비교예 1이 적용된 각각의 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전류 밀도를 비교하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 7 및 도 8에 나타냈다.
하기 도 7은 비교예 1이 적용된 경우로서, 인산 누출양을 측정한 후의 비교예 1이 적용된 연료전지의 전류 밀도는 0.6 V 기준 250 mA cm-2에서 151 mA cm-2로 39.6 %의 전류 밀도가 감소되는 것임을 확인할 수 있었다. 반면에 실시예 1이 적용된 경우로서 인산 누출양을 측정한 후의 전류 밀도를 나타내는 도 8의 경우는 전류 밀도가 0.6V 기준 330 mA cm-2에서 238 mA cm-2로 27.9 %의 전류 밀도 감소를 보이는 것임을 확인할 수 있었다. 이를 통해 실시예 1이 적용된 경우가 비교예 1이 적용된 경우에 비해 실험예 5 및 실험예 6의 수행 후에도 전류 밀도 감소가 적은 것임을 확인할 수 있었다. 이는 실시예 1이 적용된 경우가 인산 누출양을 보다 감소시키며 이러한 결과가 전류 밀도 감소도 적게 만드는 것임을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명에 따른 전극 도포용 조성물을 전극에 도포하여 연료전지를 제조하는 경우에 알루미늄 산화물(Al2O3)과 인산이 반응하여 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)가 생성되며, 이러한 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)는 프로톤(H+) 이온을 전달하는 능력이 매우 우수함에 따른 결과로 볼 수 있다. 즉, 인산의 누출은 누적적으로 억제되며, 결과적으로 생성되는 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)의 양도 누적적을 증가하며, 이는 결국 프로톤(H+) 이온의 이온전도도를 증가시키게 되므로 결과적으로는 연료전지의 계속된 사용에도 불구하고 전류 밀도 감소율을 낮추는 결과로 나타나는 것이다.
< 실험예 8: 실험예 5 및 실험예 6의 수행 후 백금 촉매의 활성 면적 측정 실험>
실험예 5 및 실험예 6의 실험 수행 후 실시예 1 및 비교예 1이 적용된 각각의 고온형 고분자 전해질 연료전지의 백금 촉매 활성 면적을 비교하는 실험을 CV(Cyclic Voltammgram)를 측정하여 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 9 및 도 10에 나타냈다.
하기 도 9는 인산 누출 후의 비교예 1이 적용된 연료전지의 백금 촉매 활성 면적을 나타내는 것으로서, 비교예 1이 적용된 경우는 백금 촉매의 활성 면적이 10.0 m2 g-1에서 5.2 m2 g-1로 48.0 % 감소하였다. 반면에 실시예 1이 적용된 경우인 도 10은 인산 누출 후의 백금 촉매 활성 면적이 12.3 m2 g-1에서 9.2 m2 g-1로 25.2 % 감소하였다. 이를 통해 인산 누출양이 실시예 1이 적용된 경우가 더 적고, 결과적으로 이를 통해 백금 촉매의 활성 면적도 더 넓으며, 또한 그 면적의 감소율도 더 적은 것임을 확인할 수 있었다. 이는 결국, 본 발명에 따른 전극 조성물을 전극에 도포하고 이를 포함하여 고온형 고분자 전해질 연료전지를 제조하는 경우 연료전지 내에서 생성된 알루미늄 디하이드로 포스페이트(Al(H2PO4)3)에 의해 내구성이 향상됨과 동시에 연료전지의 수명연장에도 기여하는 것임을 확인할 수 있다. 또한 이의 결과는 상기 실험예 7의 결과를 뒷받침 해 주는 것이기도 하다.
< 실험예 9: 실험예 5 및 실험예 6의 수행 후 저항 측정 실험>
실험예 5 및 실험예 6의 실험 수행 후 실시예 1 및 비교예 1이 적용된 각각의 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전하전달 저항을 임피던스를 사용하여 비교하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 11 및 도 12에 나타냈다.
하기 도 11은 인산 누출 후의 비교예 1이 적용된 연료전지의 전하전달 저항을 나타내는 것으로서, 비교예 1이 적용된 경우의 전하전달 저항은 0.825 Ω에서 1.645 Ω으로 199.5 % 증가하였다. 반면에 실시예 1이 적용된 경우인 도 12는 인산 누출 후의 전하전달 저항이 0.714 Ω에서 1.018 Ω으로 142.6 % 증가 하였다. 이를 통해 실시에 1이 적용된 경우가 전하전달 저항값의 증가율이 비교예 1이 적용된 경우보다 현저하게 낮은 것임을 확인할 수 있었다. 이는 곧 인산 누출양이 실시예 1이 적용된 경우가 비교예 1이 적용된 경우보다 적음에 따른 결과임을 보여준다. 이는 결국, 본 발명에 따른 전극 조성물을 전극에 도포하고 이를 포함하여 고온형 고분자 전해질 연료전지를 제조하는 경우 연료전지 내에서 생성된 알루미늄 디하이드로 포스페이트(Al(H2PO4)3)가 백금 촉매 및 연료와의 삼상 계면을 형성하며, 이를 통해 낮춰진 저항을 계속 유지하는 것임을 확인할 수 있었다.
상기 실험예 7, 실험예 8 및 실험예 9의 결과는 하기 표 2에 정리하였다.
Figure 112012072501697-pat00003
< 실험예 10: 알루미늄 산화물( Al 2 O 3 )을 전극 도포용 조성물에 포함( 실시예 1)하여 전극에 도포한 경우와 알루미늄 산화물( Al 2 O 3 )을 막에 포함한 경우( 비교예 2)의 성능 측정 실험>
전극 도포용 조성물에 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함하여 전극에 도포하는 실시예 1의 경우와 막의 제조시에 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함하여 막을 제조하는 비교예 2의 경우를 가지고 전류밀도와 막 저항 및 전하전달 저항을 측정하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 13 및 도 14와 표 3에 나타냈다.
Figure 112012072501697-pat00004
하기 도 13은 전류밀도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 14는 막 저항 및 전하전달 저항 측정의 결과를 나타낸 그래프이다.
하기 도 13 및 도 14와 상기 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 1의 경우가 모든 경우에서 우수한 결과를 보임을 확인할 수 있었다. 이를 통해 알루미늄 산화물(Al2O3)이 포함된 전극 도포용 조성물을 사용하여 전극에 도포한 경우가 막에 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함시킨 경우보다 최종 고온형 고분자 전해질 연료전지의 성능을 우수하게 개선시키는 것임을 확인할 수 있었다. 또한 본 발명에 따른 실시예는 전극 도포용 조성물에 의해 전극에 도포하는 방식이므로 막 자체를 직접 제조하여야 하는 비교예 2의 경우보다 그 제조방법에 있어서 훨씬 간편한 방법이라 할 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (10)

  1. 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함하는 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄 산화물(Al2O3)은 고온형 고분자 전해질 연료전지 내에서 인산과 반응하여 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)를 생성하는 것을 특징으로 하는 전극 도포용 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄 산화물(Al2O3)은 상기 전극 도포용 조성물 내의 총 고형분 중 1~8 중량%의 함량으로 포함되는 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄 산화물(Al2O3)이 포함된 전극 도포용 조성물을 전극에 도포하여 고온형 고분자 전해질 연료전지를 제조하는 경우, 상기 알루미늄 산화물(Al2O3)이 포함되지 않은 전극 도포용 조성물 사용하는 경우에 비해 상기 고온형 고분자 전해질 연료전지의 인산 누출양을 30~40%로 감소시키는 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물.
  5. 제 1항 내지 제 3 중 어느 한 항에 따른 전극 도포용 조성물이 도포된 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극.
  6. 제 5항에 따른 전극을 포함하는 고온형 고분자 전해질 연료전지용 막-전극 접합체.
  7. 제 5항에 따른 전극을 포함하는 고온형 고분자 전해질 연료전지.
  8. 1) 알루미늄 산화물(Al2O3)을 혼합하여 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극 도포용 조성물을 제조하는 단계; 및
    2) 상기 전극 도포용 조성물을 고온형 고분자 전해질 연료전지의 전극에 도포하는 단계;
    를 포함하는 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 알루미늄 산화물(Al2O3)은 고온형 고분자 전해질 연료전지 내에서 인산과 반응하여 알루미늄 디하이드로포스페이트(Al(H2PO4)3)를 생성하는 것을 특징으로 하는 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 알루미늄 산화물(Al2O3)은 상기 전극 도포용 조성물 내의 총 고형분 중 1~8 중량%의 함량으로 포함되는 고온형 고분자 전해질 연료전지용 전극의 제조방법.

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160118590A (ko) * 2015-04-02 2016-10-12 주식회사 동진쎄미켐 연료 전지용 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20180128310A (ko) 2017-05-23 2018-12-03 중앙대학교 산학협력단 Pt-Cu 합금촉매를 포함하는 고온 고분자 전해질 막 연료전지용 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고온 고분자 전해질 막 연료전지
CN114883583A (zh) * 2022-06-09 2022-08-09 北京航空航天大学 一种燃料电池用高稳定性的高温膜电极及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070011158A (ko) * 2005-07-19 2007-01-24 주식회사 엘지화학 수명 특성이 향상된 전극 촉매 및 이를 이용한 연료전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070011158A (ko) * 2005-07-19 2007-01-24 주식회사 엘지화학 수명 특성이 향상된 전극 촉매 및 이를 이용한 연료전지

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160118590A (ko) * 2015-04-02 2016-10-12 주식회사 동진쎄미켐 연료 전지용 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR102390018B1 (ko) 2015-04-02 2022-04-25 주식회사 동진쎄미켐 연료 전지용 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20180128310A (ko) 2017-05-23 2018-12-03 중앙대학교 산학협력단 Pt-Cu 합금촉매를 포함하는 고온 고분자 전해질 막 연료전지용 전극, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 고온 고분자 전해질 막 연료전지
CN114883583A (zh) * 2022-06-09 2022-08-09 北京航空航天大学 一种燃料电池用高稳定性的高温膜电极及其制备方法
CN114883583B (zh) * 2022-06-09 2023-10-24 北京航空航天大学 一种燃料电池用高稳定性的高温膜电极及其制备方法

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