KR101357146B1 - 연료전지용 전극, 이를 구비한 전극-막 접합체, 이를구비한 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법 - Google Patents

연료전지용 전극, 이를 구비한 전극-막 접합체, 이를구비한 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법 Download PDF

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Abstract

금속망사형태의 집전체가 촉매층 또는 확산층에 위치하거나 전극지지체로서 사용되는 연료전지용 전극, 상기 연료전지용 전극을 구비한 전극-막 접합체(membrane electrode assembly ; MEA), 상기 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지 및 상기 금속망사형태 집전체가 촉매층 또는 확산층에 위치하거나 전극지지체로서 사용되는 연료전지용 전극의 제조방법이 개시된다.
본 발명에 따르면, 금속망사형태 집전체가 촉매층에 형성되는 경우 애노드의 촉매층에서 연료의 산화로 발생한 전자가 바로 집전체를 거쳐 외부 회로로 흐를 수 있고 외부 회로를 거쳐서 캐소드에 도달한 전자가 곧 바로 캐소드의 촉매층에서, 확산되어 들어온 산소 및 수소이온교환막을 통과해 도달한 수소이온과 반응하여 물을 생성시킬 수 있으므로 저항손실을 최소화시키며, 출력을 증대시킬 수 있다. 또한 종래의 방법과 같이 집전체를 추가적으로 설치하기 위한 별도의 공정이 필요가 없어 제조공정에 단순화로 인한 제조원가 절감효과를 기대할 수 있다.
집전체, 연료전지, 계면저항

Description

연료전지용 전극, 이를 구비한 전극-막 접합체, 이를 구비한 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법{Electrode for fuel cell, membrane electrode assembly with the electrode, fuel cell with the electrode and method for manufacturing the same}
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따라 금속망사형태 집전체가 촉매층에 삽입된 연료전지용 전극을 구비한 전극-막 접합체(membrane electrode assembly)를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따라 금속망사형태 집전체가 확산층에 삽입된 연료전지용 전극을 구비한 전극-막 접합체를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따라 금속망사형태 집전체가 전극지지체로서 사용되는 연료전지용 전극을 구비한 전극-막 접합체를 도시한 도면이다.
도 4는 종래기술의 전극-막 접합체와 집전체의 위치를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>
110, 230, 420: 애노드 전극지지체
120, 240, 330, 430: 애노드 확산층
130, 250, 340, 440: 애노드 촉매층
140: 애노드 촉매층이 도포된 집전체
150, 280: 캐소드 전극지지체
160. 260, 350: 캐소드 확산층
170, 270, 360: 캐소드 촉매층
180: 캐소드 촉매층이 도포된 집전체
190, 290, 370, 450: 수소이온교환막(전해질막)
210: 애노드 확산층이 도포된 집전체
220: 캐소드 확산층이 도포된 집전체
310: 애노드 전극지지체인 집전체
320: 캐소드 전극지지체인 집전체
410: 애노드 집전체
본 발명은 연료전지용 전극, 이를 구비한 전극-막 접합체(Membrane Electrode Assembly; 이하 "MEA" 로 표기), 이를 구비한 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 저항손실을 최소화시키며, 출력을 증대시킬 수 있는 연료전지용 전극, 이를 구비한 전극-막 접합체, 이를 구비한 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 출력 밀도 및 에너지 전환효율이 우수하며 상온에서 작동하고 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 분산형 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용, 우주사업용 등 그 응용분야가 매우 다양하다.
연료전지의 단위전지는 기본적으로 전극 지지체 위에 연료가스의 공급 및 전류 집전을 위한 가스 확산층과 연료 가스의 산화 및 환원 반응이 일어나는 전기화학적 촉매를 포함하는 전극 촉매층이 형성된 구조로 이루어진 전극이 각각 캐소드와 애노드를 구성한다. 그리고 통상적으로 이 캐소드와 애노드는 50 내지 200㎛ 두께의 수소이온교환막(전해질막)에 의하여 분리되며, 전기 전도성 물질로서 전류 집전 역할과 전극 표면에 반응 가스를 균일하게 공급해주기 위한 가스 통로가 새겨져 있는 이중극판사이에 고정되는 형태로 구성되어 있다. 이와 같은 캐소드, 애노드 및 이들 사이에 개재된 수소이온교환막으로 이루어진 MEA가 복수개 연결되어 스택(stack)을 구성한다. 연료전지의 동작원리는 다음과 같다.
애노드에 공급된 수소는 애노드 촉매층내 백금 촉매상에서 하기 반응식 1의 산화반응을 일으켜서 수소 이온으로 변환되고, 이러한 수소 이온은 수소 이온 교환막을 통하여 이동하여 캐소드 촉매층내 백금 촉매상에서 산소와 하기 반응식 2의 환원반응을 일으키고 이 환원반응 결과, 물이 발생됨과 동시에 전류를 발생시키는 전원 공급 장치이다.
H2 → 2H+ + 2e-
1/2O2 + 2H+ +2e-→H2O
도 4는 종래기술의 MEA와 집전체의 위치를 도시한 도면이다.
이를 참조하면, 연료전지는 MEA와 집전체(410) 그리고, 연료를 공급하는 연료탱크(미도시)로 구성되어 있으며, MEA는 전극지지체(420), 확산층(430), 촉매층(440) 및 수소이온교환막(450)으로 구성된다. 연료전지에서 발생된 전기는 집전체(410)를 통해서 외부회로로 이동한다. 이러한 집전체는 일반적으로 외부압력에 의하여 MEA와 접촉하게 된다. 즉, MEA와 집전체의 접촉을 통한 집전방식은 계면저항요인이 발생하여 출력감소의 큰 원인으로 제기되고 있다.
이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 금속선 함유 탄소 천을 이용해 전극과 집전체를 일체로 제조하는 방법이 등장했으며, 상기 방법은 연료전지의 공정성 단순화와 전극-집전체의 접촉저항이 최소화 되도록 하는 목적을 지녔다. 하지만, 금속선 함유 탄소 천 위에 확산층 및 촉매층을 형성함으로써 계면저항이 완전히 제거되는 것은 아니다. 실제로 전기가 발생하는 곳은 촉매층이고, 촉매층에서 생성된 전자는 촉매층과 접촉하는 확산층 계면, 그리고 확산층과 접촉하는 탄소 천 사이의 계면을 통과하면서 저항으로 손실된다. 더 나아가서는 각각의 층 안에 존재하는 저항에 의한 손실도 있다. 또한, 얇은 금속선을 삽입시키는 공정이 추가적으로 필요하여 더 많은 공정이 요구된다. 따라서, 최대한 계면저항을 저감시킬 수 있는 방안 및 공정의 단순화등이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자, 저항손실을 최소화시키며, 출력을 증대시킬 수 있는 연료전지용 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 전극을 구비한 전극-막 접합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 연료전지용 전극을 구비한 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 연료전지용 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여,
금속망사형태 집전체가 촉매층 또는 확산층에 위치하거나 전극지지체로서 사용되는 연료전지용 전극을 제공한다.
본 발명의 일 구현예는 상기 목적을 달성하기 위하여,
탄소 종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물의 전극지지체;
상기 전극지지체 위에 형성되어 있으며, 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 확산층; 및
상기 확산층 위에 형성되어 있으며, 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층으로서, 금속망사형태 집전체가 삽입되어 있는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 목적을 달성하기 위하여,
탄소 종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물의 전극지지체;
상기 전극지지체 위에 형성되어 있으며, 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 확산층으로서, 금속망사형태 집전체가 삽입되어 있는 확산층; 및
상기 확산층 위에 형성되어 있으며, 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 목적을 달성하기 위하여,
금속망사형태의 전극지지체;
상기 전극지지체 위에 형성되어 있으며, 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 확산층; 및
상기 확산층 위에 형성되어 있으며, 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.
본 발명은 상기 다른 목적을 달성하기 위하여,
수소이온 전도성 수소이온교환막 ;
상기 수소이온교환막의 일 측면에 형성되어 있으며, 상기 연료전지용 전극으로 이루어진 애노드; 및
상기 수소이온교환막의 다른 측면에 형성되어 있으며, 상기 연료전지용 전극으로 이루어진 캐소드를 포함하는 전극-막 접합체(MEA)를 제공한다.
본 발명은 상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여,
상기 연료전지용 전극 또는 상기 MEA를 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명은 상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여,
금속망사형태 집전체가 촉매층에 위치한 연료전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
(a) 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매 슬러리를 금속망사형태 집전체의 양면에 도포하여 상기 집전체가 삽입된 촉매층을 형성하는 단계;
(b) 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 탄소 슬러리를 탄소 종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물 상부에 도포하여 확산층을 얻는 단계; 및
(c) (a)단계에 의해 형성된 촉매층과 (b)단계에 의해 형성된 확산층을 접합하는 단계를 포함하는 연료전지용 전극의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여,
금속망사형태 집전체가 확산층에 위치한 연료전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
(a) 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 탄소 슬러리를 금속망사형태 집전체의 양면에 도포하여 상기 집전체가 삽입된 상부 확산층을 형성하는 단계;
(b) 탄소 종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물 상부에 상기 탄소 슬러리를 도포하여 하부 확산층을 형성하는 단계;
(c) 상기 상부 확산층과 상기 하부 확산층을 접합하여 확산층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 확산층 상부에 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매 슬러리를 도포하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 전극의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여,
금속망사형태 집전체를 전극지지체로 사용하여 연료전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
(a) 전극지지체인 금속망사의 한쪽 면에만 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 탄소 슬러리를 도포하여 확산층을 형성하는 단계; 및
(b) 상기 확산층 상부에 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매 슬러리를 도포하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 전극의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 연료전지용 전극은 금속망사형태 집전체가 촉매층, 확산층 또는 전극지지체 부분 중의 어느 하나에 위치한 연료전지용 전극으로서, 전극과 집전체가 일체형으로 제조되는 바 제조 공정이 단순화되며, 전극과 집전체의 접촉저항이 최소화되고 반응물의 원활한 공급성을 가지므로 연료전지의 성능이 크게 개선된다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 연료전지용 전극은 금속망사형태 집전체가 촉매층 또는 확산층에 위치하거나 또는 전극지지체로서 사용되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따라 금속망사형태 집전체가 촉매층에 삽입된 연료전지용 전극을 구비한 전극-막 접합체(MEA)를 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 전극은 탄소 종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물의 전극지지체(110, 150)와 상기 전극지지체 위에 형성되어 있으며, 탄 소분말 및 바인더 수지를 포함하는 확산층(120, 160) 및 상기 확산층 위에 형성되어 있으며, 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층으로서, 금속망사형태 집전체(140, 180)가 삽입되어 있는 촉매층(130, 170)을 포함하는 것을 특징으로 한다.　 또한, 금속망사형태 집전체가 촉매층에 삽입된 연료전지용 전극을 구비한 MEA는 수소이온교환막(190)의 일 측면에 상기 전극지지체(110), 상기 확산층(120) 및 상기 금속망사형태 집전체(140)가 삽입된 촉매층(130)으로 이루어진 애노드 전극이 접합되고 수소이온교환막(190)의 다른 측면에 상기 전극지지체(150), 상기 확산층(160) 및 상기 금속망사형태 집전체(180)가 삽입된 촉매층(170)으로 이루어진 캐소드 전극이 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 집전체가 촉매층에 형성되는 경우 애노드의 촉매층에서 연료의 산화로 발생한 전자가 바로 집전체를 거쳐 외부 회로로 흐를 수 있고 외부 회로를 거쳐서 캐소드에 도달한 전자가 곧 바로 캐소드의 촉매층에서, 확산되어 들어온 산소 및 수소이온교환막을 통과해 도달한 수소이온과 반응하여 물을 생성시킬 수 있으므로 다른 저항요인이 작용하지 않아 가장 좋은 성능을 보인다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따라 금속망사형태 집전체가 확산층에 삽입된 연료전지용 전극을 구비한 MEA를 도시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 구현예에 따른 연료전지용 전극은 탄소 종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물의 전극지지체(230, 280)와 상기 전극지지체 위에 형성되어 있으며, 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 확산층으로서, 금속망사형태 집전체(210, 220)가 삽입되어 있는 확산층(240, 260) 및 상기 확산층 위에 형성되어 있으며, 촉매 및 바인더 수 지를 포함하는 촉매층(250, 270)을 포함하는 것을 특징으로 한다.　 또한, 금속망사형태 집전체가 확산층에 삽입된 연료전지용 전극을 구비한 MEA는 수소이온교환막(290)의 일 측면에 상기 전극지지체(230), 상기 금속망사형태 집전체(210)가 삽입된 상기 확산층(240) 및 촉매층(250)으로 이루어진 애노드 전극이 접합되고 수소이온교환막(290)의 다른 측면에 상기 전극지지체(280), 상기 금속망사형태 집전체(220)가 삽입된 상기 확산층(260) 및 촉매층(270)으로 이루어진 캐소드 전극이 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 집전체가 확산층에 형성되는 경우 애노드의 촉매층에서 연료의 산화로 발생한 전자는 확산층을 거쳐 집전체에 도달후 외부 회로로 흐를 수 있고 외부 회로를 거쳐서 캐소드에 도달한 전자는 확산층을 거쳐 캐소드의 촉매층에 도달해서 산소 및 수소이온교환막을 통과해 도달한 수소이온과 반응하여 물을 생성시킬 수 있는바 상기 집전체가 촉매층에 형성되어질 경우보다 확산층과 촉매층 사이의 계면저항이 발생할 수 있으므로 상기 집전체가 촉매층에 형성되는 전극구성의 경우에 비하여 성능이 저하될 수 있으나, 종래 기술에 의해 형성되는 전극구성 보다는 성능이 뛰어나다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 금속망사형태 집전체가 전극지지체로서 사용되는 연료전지용 전극을 구비한 MEA를 도시한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 또 다른 구현예인 연료전지용 전극은 금속망사형태의 전극지지체(310 , 320)와 상기 전극지지체 위에 형성되어 있으며, 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 확산층(330, 350) 및 상기 확산층 위에 형성되어 있으며, 촉매 및 바인더 수지 를 포함하는 촉매층(340, 360)을 포함하는 것을 특징으로 한다.　 또한, 금속망사형태 집전체가 전극지지체로서 사용되는 연료전지용 전극을 구비한 MEA는 수소이온교환막(370)의 일 측면에 금속망사형태의 전극지지체(310), 상기 확산층(330) 및 상기 촉매층(340)으로 이루어진 애노드 전극이 접합되고, 수소이온교환막(370)의 다른 측면에　 금속망사형태의 전극지지체(320), 상기 확산층(350) 및 상기 촉매층(360)으로 이루어진 캐소드 전극이 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 집전체가 전극지지체로 사용되는 경우는 상기 집전체가 촉매층 또는 확산층에 형성되는 경우에 비하여 계면저항이 더 많이 발생할 수 있으므로 집전형 전극 중에서 성능이 가장 크게 저하될 수 있으나, 종래 기술에 의해 형성되는 전극구성보다는 성능이 뛰어나다.
상기 구현예들의 연료전지용 전극의 공통되는 요소인 전극지지체, 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 확산층 및 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층에 대해서 좀 더 구체적으로 설명한다.
본 발명의 연료전지용 전극에 사용되는 전극지지체는 특별히 제한되지 않으며 탄소 종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물 등이 가능하다.
상기 탄소종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물의 경우 5% 내지 40% PTFE 또는 FEP 등으로 처리되고 소결 과정을 거칠 수 있다. 이와 같이 발수 처리된 탄소종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물의 경우 연료공급과 기체공급 및 물 배출을 원활하게 한다.
상기 확산층 및 촉매층의 바인더 수지는 불소계 고분자 전해질 이오노머, 비 불소계 고분자 전해질 이오노머 또는 이들의 혼합물 중의 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 상기 불소계 고분자 전해질 이오노머로서, 예를 들어, 술포네이트고불화이오노머계 나피온, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: polytetrafluoro ethylene), 플루오리네이티드에틸렌프로필렌 공중합체(FEP: fluorinated ethylene propylene copolymer), 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVdF: polyvinylidenefluoride)등이 있고, 상기 비불소계 고분자 전해질 이오노머로서, 예를 들어, 설포네이티드폴리에테르에테르케톤(SPEEK: sulfonated poly ether ether keton)등이 있으나 이에 한하지 않는다. 확산층의 바인더 수지 양은 탄소 분말의 총중량을 기준으로 5 wt% 내지 50 wt%인 것이 바람직하다. 상기 촉매층에서 바인더 수지의 양은 촉매의 총중량을 기준으로 5 wt% 내지 30 wt% 인 것이 더욱 바람직하다. 이는 전극에서 형성된 수소 이온이 전해질 막으로 잘 이동되도록 하기 위해서는 전극과 전해질 막의 접촉을 양호하게 해야 하는데, 이를 위해서는 전극 표면에 바인더가 충분히 존재하도록 하여 촉매층과 수소이온교환막의 접촉 면적을 최대화하기 위함이다. 상기 촉매층의 바인더 수지의 함량이 촉매 총중량을 기준으로 5wt% 미만이면 촉매층과 수소이온교환막의 접촉면적이 작아 수소 이온의 이동이 어려운 문제가 있고, 30wt% 를 초과하면 촉매의 활성 면적이 줄어들게 됨에 따라 전극의 성능이 감소하는 문제가 있다. 한편, 캐소드의 경우 PTFE 또는 FEP을 바인더로 쓰는 경우 소수성에 의하여 연료전지 반응 중에 생성되는 반응 생성수를 신속히 제거함으로써, 전극 반응을 방해하는 홍수현상(flooding)을 방지하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.　 본 발명에 의한 연료전지 제조방법으로, 직접 메탄올 연료전지용 전극을 제조하는 경우, 확산층 제조시 사용되는 탄소 분말은 5wt% 내지 40wt%의 나피온(Perfluorosulfonic Acid), 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오네이트에틸렌프로필 등을 함유하거나, 설포네이티드폴리에테르에테르케톤를 함유할 수도 있다.
상기 확산층의 탄소 분말로서 예를 들어, 캐봇사의 벌칸 XC-72R, 다중벽탄소나노튜브(Multi Wall Carbon Nano tube; MWNT), 단일벽탄소나노튜브(Single Wall Carbon Nano Tube; SWNT) 또는 이중기공탄소(Dual Porous Carbon; DPC), 또는 이들의 혼합물등이 있으나 이에 한하지 않는다. 상기 탄소 분말의 도포량은 전극면적을 기준으로 0.1 mg/cm2 내지 8 mg/cm2 인 것이 바람직하다.
상기 촉매층의 촉매는 탄소 분말에 담지된 백금, 백금-루테늄, 백금족산화물 또는 이들의 혼합물중의 어느 하나일 수 있으나, 탄소 분말에 담지되지 않은 상태의 금속 입자상태일 수도 있다. 상기 촉매를 담지하는 탄소 분말의 예로 다중벽탄소나노튜브(Multi Wall Carbon Nano tube; MWNT), 단위벽탄소나노튜브(Single Wall Carbon Nano Tube; SWNT) 또는 이중기공탄소(Dual Porous Carbon; DPC), 또는 이들의 혼합물 중의 어느 하나를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속 촉매의 도포량은 전극면적을 기준으로 0.3 mg/cm2 내지 10 mg/cm2인 것이 바람직하다.
촉매층 또는 확산층에 삽입되거나 전극 지지체로 사용되는 상기 금속망사형태 집전체는 금속망사 또는 금속합금 망사 등의 형태로서, 상기 금속망사형태 집전체가 연료전지에 사용되는 경우 망사는 연료 및 공기에 접촉하게 되고 또한 연료의 산화반응과 산소의 환원반응에 노출된다. 따라서 사용되는 액체연료의 산화범위와 공기 중의 산소의 환원범위에서 안정한 금속을 사용하여야 하는 바, 이러한 화학반응에 대해 안정한 범위에 속하는 금속망사 또는 금속합금 망사의 금속은 아래의 <표1>에 있는 금속의 표준 전위, 연료의 표준 전위 및 금속의 저항을 고려하여 선택하는 것이 바람직하다.
25℃에서 표준수소전극에 대한 표준 전극 전위 전기 저항률[10-8 Ωcm (25℃)]
Mo Mo3 + + 3e
Figure 112006083686988-pat00001
Mo		 -0.200 5
Ni Ni2 + + 2e
Figure 112006083686988-pat00002
Ni		 -0.257 6
Ti Ti2 + + 2e
Figure 112006083686988-pat00003
Ti		 -1.630 39
W W3 + + 3e
Figure 112006083686988-pat00004
W		 0.100 5
Ag Ag+ + e
Figure 112006083686988-pat00005
Ag		 0.799 1
Au Au+ + e
Figure 112006083686988-pat00006
Au		 1.830 2
Pt Pt2 + + e
Figure 112006083686988-pat00007
Pt		 1.188 10
Cu Cu2 + + e
Figure 112006083686988-pat00008
Cu		 0.340 2
SUS 316L -0.2V~1.4V 사이에서 산화 환원반응하지 않는다.3) 73
흑연 6000
1) Journal of Power Sources 153 (2006 ) 125-129
2) Hand Book of Chemistry and Physics Version 2
3) The Journal of Corrosion Science and Engineering (2001) volume 3의 8쪽
상기 금속망사형태 집전체의 선택 기준으로서 다음의 두 가지를 들 수 있으며, 두 조건을 모두 만족하는 금속을 금속망사형태 집전체의 재질로 선택하는 것이 바람직하다.
첫째, 상기 망사의 금속 또는 금속 합금류들은 연료의 산화, 산소의 환원 전위 범위인 0V ~ 1.1V (표준 수소 전극에 대해) 사이에서 안정해야 한다. 집전체의 금속류들이 0V ~ 1.1V 의 전위 값을 가지는 경우, 이러한 금속류들은 연료 및 산소의 산화 환원반응에 참여하여 전기성능의 저하를 일으키는 원인이 된다. 따라서, 상기 망사의 금속 또는 금속 합금류들은 0V 미만의 전위를 갖거나, 또는 1.18V 초과의 전위를 가져야 하는데 예를 들어, 백금, 금, 니켈, 몰리브덴, 티타늄 등이 산화범위에 안정하며 집전형 전극의 집전체로서 좋은 소재이다.
둘째, 상기 금속망사형태 집전체가 전류를 집전하기 위해서는 전기저항률이 낮은 물질이어야 한다. 전기저항률이 0 내지 73(10-8 Ωcm)이하의 범위 금속을 채택하는 것이 바람직하다. 전기저항률은 최소한의 값을 가질수록 좋고, 73 × 10-8 Ωcm을 초과하는 경우는 전기적저항이 커짐에 따라서 전기 출력이 줄어드는 원인이 되기 때문에 문제가 있다. 예를 들어, 전기저항률이 낮은 물질로서 은, 구리, 금 등이 있으며 이들은 매우 낮은 전기저항률을 가진다. 하지만, 은 또는 구리의 산화, 환원 전위는 연료 산소의 산화환원전위에 포함되므로 (예를 들어, 표준수소전극에 대해 구리의 산화환원전위는0.34V 이다) 집전체의 소재로서 제외된다.
상기 두 가지 기준에 의해, 연료 및 산소의 산화환원 범위에서 안정한 전위를 가지며, 전기저항률이 낮은 금속으로서, 백금, 금, 니켈, 몰리브덴 등을 채택하는 것이 바람직하다.
상기 채택된 각각의 금속만을 단독으로 사용하여 금속망사를 제조할 수 있으나, 이러한 경우 비용이 큰 부담이 될 수 있으므로 집전체 이용시 일반적으로 저가의 금속합금류를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 합금은 스테인레스스틸, 티타늄 합금-TiNiMo, 니켈 합금계-NiCrCoW등의 합금을 사용할 수 있다. 금속합금 망사를 이용하는 경우 그에 대한 전기저항률을 낮추기 위해서 상기 금속망사의 합금 표면을 전기저항률이 0 Ωcm 내지 73 × 10-8 Ωcm 이고, 산화,환원 전위가 0 V 미만 1.1V 초과 전위를 가지는 금속으로 코팅하여 사용하는 것이 바람직하다. 전위가 0V 이상 1.1V 이하인 경우, 전기저항률이 73 × 10-8 Ωcm을 초과하는 경우 상기 금속망사형태 집전체와 동일한 문제가 발생할 수 있다.　 상기 코팅용 금속으로서 백금, 금, 니켈, 몰리브덴 또는 이들의 혼합물 중의 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 연료전지용 전극에 사용되는 집전체는 금속망사 또는 금속합금 망사등 형태로서 망사수가 20 망사 내지 400 망사인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 금속망사는 선 망사(wire mesh), 팽창망사(expanded mesh) 등을 사용하는 것이 바람직하다. 팽창망사란 다이아몬드 결합 모양이 유니폼한 상태로 오픈된　금속형의 시트형 망사를 뜻한다.
이어서, 본 발명의 MEA 및 연료전지에 대하여 설명한다.
본 발명의 전극-막 접합체(MEA)는 수소이온 전도성 수소이온교환막; 상기 수소이온교환막의 일 측면에 형성되어 있으며, 상기 연료전지용 전극으로 이루어진 애노드; 및 상기 수소이온교환막의 다른 측면에 형성되어 있으며, 상기 연료전지용 전극으로 이루어진 캐소드를 포함하는 것을　 특징으로 한다.
본 발명의 연료전지는 상기 연료전지용 전극 또는 상기 전극-막 접합체를 포함하는 것을 특징으로 한다.　 상기 연료전지는 바람직하게 직접알코올 연료전지이다.
본 발명의 일 구현예로서 금속망사형태 집전체가 촉매층에 형성되는 경우, 애노드의 촉매층에서 연료의 산화로 발생한 전자가 바로 집전체를 거쳐 외부 회로로 흐를 수 있고 외부 회로를 거쳐서 캐소드에 도달한 전자가 곧 바로 캐소드의 촉매층에서, 확산되어 들어온 산소 및 수소이온교환막을 통과해 도달한 수소이온과 반응하여 물을 생성시킬 수 있으므로 저항손실을 최소화시키며, 출력을 증대시킬 수 있다. 또한 종래의 방법과 같이 집전체를 추가적으로 설치하기 위한 별도의 공정이 필요가 없어 제조공정에 단순화로 인한 제조원가에 절감효과를 기대할 수 있다.
이어서, 상기한 본 발명에 따른 연료전지용 전극의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 금속망사형태 집전체가 촉매층에 위치한 연료전지용 전극을 제조하는 방법은, (a) 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매 슬러리를 금속망사형태 집전체의 양면에 도포하여 상기 집전체가 삽입된 촉매층을 형성하는 단계; (b) 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 탄소 슬러리를 탄소 종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물 상부에 도포하여 확산층을 얻는 단계; 및 (c) (a)단계에 의해 형성된 촉매층과 (b)단계에 의해 형성된 확산층을 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 촉매 슬러리는 상기한 표면적이 큰 탄소분말에 분산된 백금 또는 백금족산화물 또는 백금-루테늄 촉매를 바인더인 고분자 전해질 이오노머, 분산매 및 유기 용매 등과 혼합함으로써 제조될 수 있다. 바인더 수지는 상기 언급한 것과 같은 것을 사용할 수 있으며, 분산매 및/또는 유기용매 등은 종래 기술분야의 일반적인 것을 사용할 수 있는데, 분산매 및/또는 유기용매의 구체적인 예는 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올 등을 포함하며, 상기 분산매 및 유기 용매의 비율은 특별히 제한되지는 않으나 중량비로 1 : 0.5 내지 1 : 2 인 것이 바람직하고, 분산매와 유기 용매의 총량은 상기 촉매 슬러리 총량을 기준으로 90 내지 95 wt%인 것이 바람직하다. 상기 분산매 및 유기 용매의 총량이 90 wt% 미만인 경우, 상기 촉매 슬러리의 점도가 지나치게 높아 도포하기 어려울 뿐만 아니라 촉매층의 두께도 일정하지 않게 되는 문제점이 있고, 95 wt%를 초과하는 경우 점도가 너무 낮아 요구되는 양을 도포하기 위해 수 차례 도포해야하므로, 생산성이 떨어진다는 문제점이 있다.
상기 탄소 슬러리는 연료확산을 위한 탄소 분말과 가스배출을 위한 발수 물질, 분산매 및 유기 용매를 혼합함으로써 제조될 수 있다. 분산매의 대표적 예로 물이 있으며, 유기 용매는 당해 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로서 이소프로필알코올,　에탄올,　아세톤 등이 있다. 유기 용매 및 분산매의 비율은 상기 촉매 슬러리의 경우와 같고 유기 용매 및 분산매의 양은 상기 탄소 슬러리 총량을 기준으로 90 내지 96 wt%인 것이 바람직하다. 상기 유기 용매의 양이 90 wt% 미만인 경우, 상기 탄소 슬러리의 점도가 지나치게 높아 도포하기 어렵다는 문제점이 있고, 96 wt%를 초과하는 경우 점도가 너무 낮아, 요구되는 양을 도포하기 위해 수 차례 도포해야하므로, 생산성이 떨어진다는 문제점이 있다. 상기 촉매층과 상기 확산층은 일반적인 핫 프레스 공정으로 핫 프레스하여 접합한다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 금속망사형태 집전체가 확산층에 위치한 연료전지용 전극을 제조하는 방법은, (a) 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 탄소 슬러리를 금속망사형태 집전체의 양면에 도포하여 상기 집전체가 삽입된 상부 확산층을 형성하는 단계; (b) 탄소 종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물 상부에 상기 탄소 슬러리를 도포하여 하부 확산층을 형성하는 단계; (c) 상기 상부 확산층과 상기 하부 확산층을 접합하여 확산층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 확산층 상부에 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매 슬러리를 도포하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 경우 탄소종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물 상부에 확산층 역할을 하는 탄소 분말과 발수 물질의 혼합물(즉, 탄소 슬러리)을 얇게 도포하여 하부 확산층을 형성할 수 있고, 상기 탄소 슬러리를 다시 금속망사형태 집전체 양면에 도포하여 상부 확산층을 형성할 수도 있다. 이들 각각의 상부 및 하부 확산층을 핫 프레스 과정을 통하여 접합하고, 접합된 확산층 상부에 표면적이 큰 탄소분말에 분산된 백금 또는 백금족산화물 또는 백금-루테늄 촉매와 바인더인 고분자 전해질 이오노머를 포함하는 촉매 슬러리를 도포한 후, 바인더인 고분자 전해질 이오노머를 촉매상부에 도포함으로써 집전체가 일체화된 전극이 형성된다. 상기 탄소 슬러리 및 상기 촉매 슬러리는 앞서 설명한 금속망사형태 집전체가 확산층에 위치한 연료전지용 전극을 제조하는 방법의 경우와 같고, 상부 확산층 및 하부 확산층은 일반적인 핫 프레스 공정으로 핫 프레스하여 접합한다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 상기 금속망사형태 집전체를 전극지지체로 하여 연료전지용 전극을 제조하는 방법은, (a) 전극지지체인 금속망사의 한쪽 면에만 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 탄소 슬러리를 도포하여 확산층을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 확산층 상부에 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매 슬러리를 도포하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 경우 금속망사형태 집전체 한쪽 면에 확산층 역할을 하는 탄소 분말, 발수 물질 및 유기용매의 혼합물(즉, 탄소 슬러리)을 도포한 후, 확산층 상부에 표면적이 큰 탄소분말에 분산된 백금 또는 백금족산화물 또는 백금-루테늄 촉매, 바인더인 고분자 전해질 이오노머, 분산매 및 유기용매를 포함하는 촉매 슬러리를 도포하고, 고분자 전해질 이오노머를 촉매상부에 도포함으로써 집전체가 일체화된 전극이 형성된다. 상기 탄소 슬러리 및 상기 촉매 슬러리는 앞서 설명한 금속망사형태 집전체가 확산층에 위치한 연료전지용 전극을 제조하는 방법의 경우와 같다.
상기 금속망사형태 집전체를 촉매층 또는 확산층에 삽입하거나, 상기 금속망사형태 집전체를 전극지지체로 사용하여 연료전지용 전극을 제조하는 방법에 있어서, 상기 촉매 슬러리 또는 상기 탄소 슬러리는 스프레이 코팅법(에어브러쉬건을 이용) 또는 50 망사 내지 200 망사의 스크린을 이용한 스크린프린트법으로 도포될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속망사형태 집전체가 확산층에 삽입된 경우 탄소종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물이나 금속망사형태 집전체 상부에 확산층이 형성되면, 확산층 상부에 촉매 슬러리를 상기 스프레이 코팅법 또는 스크린프린트법으로 도포하여 촉매층을 형성시킬 수 있고, 상기 금속망사형태 집전체가 촉매층에 삽인된 경우 금속망사 형태 집전체 양면에 상기 스프레이 코팅법 또는 스크린프린트법으로 촉매 슬러리를 도포시킨 후, 탄소종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물 상부에 형성된 확산층과 핫 프레스 과정을 통하여 결합시킬 수 있다.
이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.
본 발명에서 사용되는 스프레이 코팅 또는 스크린 프린팅을 위한 에어 브러쉬건, 핫 프레스기 및 건조오븐 등은 특별히 한정되는 것이 아니고, 종래기술로부터 연료전지용 전극 제조에 일반적으로 사용되고 것들을 사용할 수 있다.
실시예
실시예 1 : 집전형 전극제조 - 금속합금망사 집전체가 촉매층에 위치하는 경우
촉매 슬러리의 제조
애노드 전극용
상용 60%PtRu/C (미국 존슨 매티사, 제품번호: HiSPEC 10000) 1g, 나피온 바인더(미국 듀퐁사, 제품번호: DE 1021) 0.17g, 증류수 8g 및 이소프로필알콜 8g을 혼합하여 애노드 전극용 촉매층 슬러리를 제조하였다.
캐소드 전극용
상용 60%Pt/C (미국 존슨 매티사, 제품번호: HiSPEC 9000) 1g, 나피온 바인더 (미국 듀퐁사, 제품번호: DE 1021) 0.11g, 증류수 8g 및 이소프로필알콜 8g을 혼합하고 균일하게 교반하여 캐소드 전극용 촉매층 슬러리를 제조하였다.
탄소 슬러리의 제조
애노드 전극용
10 중량%의 Nafion을 함유하는 수계 나피온 바인더(미국 듀퐁사, 제품번호: DE 1021) 1.7 g과 카본블랙 (미국 Vulcan사, Vulcan XC 72R) 1 g을 이소프로필알코올 20 g 및 증류수 20g에 혼합하고 균일하게 교반하여 애노드 전극용 탄소 슬러리를 제조하였다.
캐소드 전극용
60 중량%의 PTFE를 함유하는 수계 PTFE 분산액 1.1 g과 카본블랙 (미국 Vulcan사, Vulcan XC 72R) 1 g을 이소프로필알코올 20 g 및 증류수 20g에 혼합하고 균일하게 교반하여 캐소드 전극용 탄소 슬러리를 제조하였다.
금속합금망사 집전체가 삽입된 촉매층의 형성
백금으로 도금된 스테인레스스틸(ASADA mesh사, 제품명: AD 39/25)의 400 mesh 금속합금망사를 애노드용 및 캐소드용 집전체로 하여 이들 각각의 금속합금망사 양면에 상기 애노드용 및 캐소드용 촉매 슬러리를 에어브러쉬건을 이용하여 각각의 전극 면적을 기준으로 3 mg/cm2이 되도록 도포한 후 50℃ 건조오븐에서 1 시간 동안 건조시켰다.
확산층의 형성
애노드측
상기 애노드용 탄소 슬러리를 5% FEP로 발수 처리된 탄소 섬유 종이(E-Tek사, TGPH 090) 위에 에어브러쉬건을 이용하여 전극 면적을 기준으로 1 mg/cm2이 되도록 도포한 후 50℃ 건조오븐에서 1 시간 동안 건조시켰다.
캐소드측
상기 캐소드용 탄소 슬러리를 20% FEP로 발수 처리된 탄소 섬유 종이(TGPH 090, E-Tek사) 위에 에어브러쉬건을 이용하여 전극 면적을 기준으로 3 mg/cm2이 되도록 도포한 후 50℃ 건조오븐에서 1 시간 동안 건조시켰다.
집전형 전극의 제조
각각의 상기 촉매층 및 상기 확산층을 130℃의 온도에서 100kgf/cm2의 압력을 가하여 3분 동안 핫 프레스하여 금속합금망사 집전체가 촉매층에 삽입된 연료전지용 전극으로서 애노드 및 캐소드를 제조하였다.
집전형 전극을 이용한 MEA 제조
상기 핫 프레스과정을 통해서 형성된 각각의 집전형 전극 촉매층 표면 위에 나피온 115 바인더(Dupont사), 증류수 및 이소프로판올을 1 : 1 : 1 비율로 혼합하여 에어브러쉬건을 이용하여 적당량 도포하였다. 나피온이 도포된 애노드 및 캐소드는 다시 50 ℃의 건조오븐에서 1 시간 동안 건조했다. 이렇게 건조된 전극을 각각 애노드 및 캐소드 모양으로 오려낸 후 애노드의 촉매층과 캐소드의 촉매층이 수소이온 전도성 고분자 전해질막(Dupont사, Nafion 115)과 접촉하도록 배치한 후 핫 프레스기를 이용해 130℃에서 약 3분간 동안 100kgf/cm2의 압력으로 압착하여 MEA를 제조하였다.
실시예 2 : 집전형 전극제조 - 금속합금망사 집전체가 확산층에 위치하는 경우
실시예 1의 방법과 동일한 방법을 이용하여 촉매 슬러리 및 탄소 슬러리를 제조하였다.
금속합금망사 집전체가 삽입된 상부 확산층의 형성
백금으로 도금된 스테인레스스틸(ASADA mesh사, 제품명: AD 39/45)의 400 mesh 금속합금망사의 양면에 상기 탄소 슬러리를 에어브러쉬건을 이용하여 전극 면적을 기준으로 3 mg/cm2이 되도록 도포한 후 50℃ 건조오븐에서 1 시간 동안 건조시켰다. 이때. 애노드측에는 애노드용 탄소 슬러리를, 캐소드에는 캐소드용 탄소 슬러리를 도포했다.
하부 확산층의 형성
애노드측
상기 애노드용 탄소 슬러리를 5% FEP로 발수 처리된 탄소 섬유 종이(TGPH 090, E-Tek사) 위에 에어브러쉬건을 이용하여 전극 면적을 기준으로 1 mg/cm2이 되도록 도포한 후 50℃ 건조오븐에서 1 시간 동안 건조시켰다.
캐소드측
상기 캐소드용 탄소 슬러리를 20% FEP로 발수 처리된 탄소 섬유 종이(E-Tek사, TGPH 090) 위에 에어브러쉬건을 이용하여 전극 면적을 기준으로 1 mg/cm2이 되도록 도포한 후 50℃ 건조오븐에서 1 시간 동안 건조시켰다.
집전형 전극 및 이를 이용한 MEA 의 제조
각각의 상기 상부 확산층 및 상기 하부 확산층을 130℃의 온도에서 100 kgf/cm2의 압력을 가하여 3 분 동안 핫 프레스하여 접합한 후, 접합된 확산층의 위에 상기 촉매 슬러리를 에어브러쉬건을 이용하여 전극 면적을 기준으로 3 mg/cm2이 되도록 도포한 후 50℃ 건조오븐에서 1 시간 동안 건조시켜 촉매층을 형성시켰다. 이때, 애노드측에는 애노드용 촉매 슬러리를 캐소드측에는 캐소드용 촉매슬러리를 도포했다. 계속해서 바인더인 고분자 전해질 이오노머로서 나피온 115 바인더(Dupont사)를 적당량 각각의 상기 촉매층 위에 도포한 후　 50℃ 건조오븐에서 1 시간 동안 건조시켜 금속합금망사 집전체가 확산층에 삽입된 연료전지용 전극으로서 애노드 및 캐소드를 제조하였다. 상기 제조된 전극들을 이용해 실시예 1과 같은 방법으로 MEA를 제조하였다
실시예 3 : 집전형 전극제조 - 금속합금망사 집전체를 전극지지체로 사용하는 경우
실시예 1의 방법과 동일한 방법을 이용하여 촉매 슬러리 및 탄소 슬러리를 제조하였다.
집전형 전극 및 이를 이용한 MEA 의 제조
백금으로 도금된 스테인레스스틸(ASADA mesh사, 제품명: AD 178/76)의 100 mesh 금속합금망사의 일 면에 상기 탄소 슬러리를 에어브러쉬건을 이용하여 전극 면적을 기준으로 3 mg/cm2이 되도록 도포한 후 50℃ 건조오븐에서 1 시간 동안 건조시켜 확산층을 형성시켰다. 이때, 애노드측에는 애노드용 탄소 슬러리를, 캐소드에는 캐소드용 탄소 슬러리를 도포했다. 형성된 상기 확산층 위에 상기 촉매 슬러리를 에어브러쉬건을 이용하여 전극 면적을 기준으로 3 mg/cm2이 되도록 애노드측에는 애노드용 촉매 슬러리를 캐소드측에는 캐소드용 촉매슬러리를 도포했다. 이후, 마찬가지로 50℃ 건조오븐에서 1 시간 동안 건조시켜 금속합금망사 집전체를 전극지지체로 하는 연료전지용 전극으로서 애노드 및 캐소드를 제조하였다. 상기 제조된 전극들을 이용해 실시예 1과 같은 방법으로 MEA를 제조하였다.
비교예 1: 종래기술에 의한 경우
실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 탄소 슬러리 및 촉매 슬러리의 제조하였다.
전극 및 MEA 의 제조
상기 탄소 슬러리를 20% FEP로 발수 처리된 탄소 섬유 종이(E-Tek사, TGPH 090) 위에 닥터-블레이드로 0.8 mm로 도포한 후 50℃ 건조오븐에서 1 시간 동안 건조시켜 확산층을 형성시켰다. 상기 확산층 위에 상기 촉매 슬러리를 닥터-블레이드로 0.8 mm로 도포한 후 50℃ 건조오븐에서 1 시간 동안 건조시켜 촉매층을 형성시켜, 종래 기술에 위한 연료전지용 전극을 제조하였다. 이때, 애노드측에는 애노드용 탄소슬러리 및 애노드용 촉매슬러리를 도포했고, 캐소드측에는 캐소드용 탄소슬러리 및 캐소드용 촉매슬러리를 도포했다. 상기 제조된 전극을 이용해 실시예 1과 같은 방법으로 MEA를 제조하였다
직접메탄올 연료전지의 제조
실시예 1 및 비교예 1의 MEA를 이용하여 직접메탄올 연료전지를 제조하였다. 애노드에는 2M 농도의 메탄올 수용액을 공급하였고, 캐소드에는 건조공기를 공급하면서 상온에서 작동시켜 전류 밀도에 대한 전압을 측정하여 비교한 결과　 각각의 전류 밀도에서 비교예 1의 MEA를 이용한 경우보다 실시예 1의 MEA를 이용한 경우가 전압이 더 커서, 본 발명에 따른 금속망사형태 집전체가 촉매층에 위치한 연료전지용 전극을 구비한 직접 알코올 연료전지가, 종래 기술에 의한 연료전지용 전극을 구비한 직접 알코올 연료전지보다 월등히 우수함을 알 수 있었다. 이는 본 발명에 따른 금속망사형태 집전체가 촉매층 또는 확산층에 위치하거나 전극 지지체로서 사용되므로써 계면저항이 현저히 감소했기 때문이다.
본 발명에 따르면, 금속망사형태 집전체가 촉매층에 형성되는 경우 애노드의 촉매층에서 연료의 산화로 발생한 전자가 바로 집전체를 거쳐 외부 회로로 흐를 수 있고 외부 회로를 거쳐서 캐소드에 도달한 전자가 곧 바로 캐소드의 촉매층에서, 확산되어 들어온 산소 및 수소이온교환막을 통과해 도달한 수소이온과 반응하여 물을 생성시킬 수 있으므로 저항손실을 최소화시키며, 출력을 증대시킬 수 있다. 또한 종래의 방법과 같이 집전체를 추가적으로 설치하기 위한 별도의 공정이 필요가 없어 제조공정에 단순화로 인한 제조원가에 절감효과를 기대할 수 있다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 탄소 종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물의 전극지지체;
    상기 전극지지체 위에 형성되어 있으며, 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 확산층; 및
    상기 확산층 위에 형성되어 있으며, 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매층으로서, 금속망사형태 집전체가 삽입되어 있는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서, 상기 금속망사 금속의 전기저항률이 0 Ωcm 내지 73 × 10-8 Ωcm 이고, 상기 금속망사 금속의 산화환원 전위가 0 V 미만 또는 1.1V 초과전위 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  6. 제2항에 있어서, 상기 촉매층의 촉매가 백금, 백금-루테늄, 백금족산화물 또는 이들의 혼합물 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  7. 제2항에 있어서, 상기 바인더는 불소계 고분자 전해질 이오노머, 비불소계 고분자 전해질 이오노머 또는 이들의 혼합물 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  8. 수소이온 전도성 수소이온교환막;
    상기 수소이온교환막의 일 측면에 형성되어 있으며, 제2항의 연료전지용 전극으로 이루어진 애노드; 및
    상기 수소이온교환막의 다른 측면에 형성되어 있으며, 제2항의 연료전지용 전극으로 이루어진 캐소드를 포함하는 전극-막 접합체.
  9. 제2항의 연료전지용 전극 또는 제8항의 전극-막 접합체를 포함하는 연료전지.
  10. 제9항에 있어서, 상기 연료전지가 직접알코올 연료전지인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  11. 금속망사형태 집전체가 촉매층에 삽입된 연료전지용 전극을 제조하는 방법으로서,
    (a) 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 촉매 슬러리를 금속망사형태 집전체의 양면에 도포하여 상기 집전체가 삽입된 촉매층을 형성하는 단계;
    (b) 탄소분말 및 바인더 수지를 포함하는 탄소 슬러리를 탄소 종이, 탄소 부직포 또는 탄소직물 상부에 도포하여 확산층을 얻는 단계; 및
    (c) (a)단계에 의해 형성된 촉매층과 (b)단계에 의해 형성된 확산층을 접합하는 단계
    를 포함하는 연료전지용 전극의 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서, 상기 금속망사에 상기 탄소 슬러리 또는 상기 촉매 슬러리를 에어브러쉬건을 이용하거나 또는 스크린 프린터법을 이용하여 도포하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극 제조 방법.
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