KR102338573B1 - 연료전지 및 그 제조 방법. - Google Patents

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Abstract

고 성능, 고 내구성 carbon-free 전극을 포함하는 연료전지 및 그 제조방법에 관한 발명으로, 보다 상세하게 전도성 고분자를 식각하여 기공이 수직 정렬되어 있는 전도성 고분자 기반 전극을 포함하는 연료전지 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
일 측면에 따른 전도성 고분자 기반 전극을 포함하는 연료전지는, 연료전지 스택에 수소를 공급하는 연료 공급부; 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 연료 공급부 및 공기 공급부로부터 공급된 수소 및 공기를 이용하여 에너지를 생성하는 연료전지 스택;을 포함하고, 상기 연료전지 스택은 메쉬 구조로 마련되고, 1,000내지 6,000 kg/mol의 분자량을 갖는PEO(Polyethylene oxide)를 0.1 내지 1 wt% 포함하는 전도성 고분자 전극을 포함한다.

Description

연료전지 및 그 제조 방법. {FUEL CELL AND THE MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
연료전지 및 그 제조방법에 관한 발명이다.
연료전지는 연료(수소, 메탄올, 석탄, 천연가스, 석유 등)가 가지고 있는 화학 에너지를 연료전지 스택 내에서 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환시키는 장치로, 기존의 발전 기술보다 높은 발전 효율을 가짐과 동시에 공해 물질의 배출을 줄이면서 전기와 열을 동시에 생산 가능한 기술이다.
본 발명은 메쉬형태로 정렬된 기공을 포함하는 전도성 고분자 전극을 포함하는 연료전지 및 그 제조방법을 제공한다.
일 측면에 따른 연료전지는 연료전지 스택에 수소를 공급하는 연료 공급부; 상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급부; 및 상기 연료 공급부 및 공기 공급부로부터 공급된 수소 및 공기를 이용하여 에너지를 생성하는 연료전지 스택;을 포함하고,
상기 연료전지 스택은 메쉬(mesh) 구조로 마련되고, 1,000내지 6,000 kg/mol의 분자량을 갖는PEO(Polyethylene oxide)를 0.1 내지 1 wt% 포함하는 전도성 고분자 전극을 포함한다.
또한, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리(o-메톡시아닐린)(poly(o-methoxyaniline)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), 폴리싸이오펜(polythiophene), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(3-헥실싸이오펜-2,5-다이일)(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl), 폴리(3-메틸싸이오펜)(poly(3-methylthiophene)) 및 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자 전극은 주기 50 nm~2 μm, 채널 직경 20~500 nm, 깊이 0.2~1.6 μm, 종횡비 0.5~3를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 측면에 따른 연료전지의 제조방법은 1,000 내지 6,000 kg/mol 의 분자량을 갖는 PEO(Polyethylene oxide)를 0.1 내지 1 wt% 포함하는 전도성 고분자 혼합물을 이용하여 전도성 고분자 필름을 제조하는 단계; 및 상기 전도성 고분자 필름이 메쉬(mesh) 형태를 갖도록 상기 전도성 고분자 필름을 가공하는 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리(o-메톡시아닐린)(poly(o-methoxyaniline)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), 폴리싸이오펜(polythiophene), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(3-헥실싸이오펜-2,5-다이일)(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl), 폴리(3-메틸싸이오펜)(poly(3-methylthiophene)) 및 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자 필름을 제조하는 단계는 상기 전도성 고분자 및 상기 PEO를 포함하는 혼합물을 제조하고; 상기 제조된 혼합물을 스핀 코팅하는 것; 을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자 필름을 제조하는 단계는 산처리를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 스핀 코팅하는 것은 상기 혼합물을 800rpm의 속도로 40초 동안 스핀 코팅하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자 필름을 제조하는 단계는 상기 전도성 고분자 필름의 물에 대한 안정성을 향상시키도록 건조 및 열 처리하는 것; 을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자 필름을 가공하는 단계는 상기 전도성 고분자 필름의 일면에 메쉬 형태의 마스크를 마련하고; 상기 마스크가 마련된 전도성 고분자 필름을 식각하여 메쉬 형태의 전극을 제조하는 것; 을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자 필름을 가공하는 단계는 나노 전사 프린팅 공정을 이용하여 상기 메쉬 형태의 마스크를 제조하는 것; 을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자 필름을 식각하는 단계는 100W의 Source 파워와, 70 내지 80W의 Bias 파워로, 50 내지 200초 동안 상기 전도성 고분자 필름을 식각하는 것; 을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지의 제조방법은 상기 가공된 전도성 고분자 전극을 분리판에 장착하는 것;을 더 포함할 수 있다.
개시된 실시예는, 메쉬구조의 전극을 포함하여 연료전지에서 일어나는 반응에 필요한 물질(H2, O2)의 이동 속도가 증가된 연료전지를 제공할 수 있다.
또한, 전도성 고분자는 연료 전지의 시작-정지 과정에서 발생 되는 촉매 담체의 부식을 저감시킬 수 있다.
도 1은 고분자 전해질막 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 연료전지 스택의 단위 셀 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자 전극 소재의 구조 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자 전극 소재의 식각과정 및 메쉬형태로 제조된 전도성 고분자 전극을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지의 제조 과정을 도시한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 균일한 전도성 고분자 필름을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 PEDOT:PSS 용액에 황산처리시, 전기 전도도 향상 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 PEDOT:PSS 용액에 첨가하는 PEO의 분자량 및 함량과 물에 대한 안정성과의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 과도한 식각으로 인한 전극 소재의 벽면 구조가 파괴된 것을 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 연료전지 및 그 제조방법에 대해 설명한다.
일 실시 예에 따른 연료전지는 연료 공급부, 공기 공급부, 연료전지 스택을 포함한다.
연료 공급부는 연료전지 스택에 수소를 공급하고, 공기 공급부는 연료전지 스택에 공기를 공급한다. 연료 공급부 및 공기 공급부의 구성은 연료전지 스택에 수소(H2) 및 산소(O2)를 공급할 수 있는 범위 내에서 통상의 기술자가 채용 가능한 구성을 포함할 수 있다.
연료전지 스택은 전술한 수소와 공기(구체적으로, 공기 중에 포함된 산소)의 산화환원반응을 이용해 에너지를 발생시킨다. 즉, 연료전지 스택은 수소의 산화와 산소의 환원 반응에서 생성되는 전류를 에너지로 이용할 수 있다.
수소의 산화와 산소의 환원 반응에서 부산물로 물이 생성될 수 있다.
이하, 연료전지 스택의 구성이 보다 상세하게 설명된다.
연료전지 스택은 막-전극 접합체(MEA; membrane electrode assembly)와 가스확산층(GDL: gas diffusion layer) 및 분리판(bipolar plate)을 포함하는 단위 셀이 적층된 구조로 마련될 수 있다. 단위 셀들은 서로 직렬 연결되어 하나의 연료전지 스택을 구성한다.
도 1은 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 스택의 단위 셀 구조를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바를 참조하면, 일 실시 예에 따른 연료전지 스택의 단위 셀은 막전극 접합체(10, membrane-electrode assembly, MEA)와, 막전극 접합체(10)와 이웃하도록 배치된 수전해층(20)과, 수전해층(20)과 이웃하도록 배치된 가스 확산층(30)을 포함할 수 있다. 보다 상세하게 중앙의 막전극 접합체(10)를 기준으로 좌우 양측에 수전해층(20), 가스 확산층(30), 분리판(40)이 차례로 적층된 형태를 가질 수 있다.
막전극 접합체(10)는 고분자전해질 막(11)의 양쪽 면에 각각 애노드(Anode, 12)와 캐소드(Cathode, 13)가 마련된다. 즉, 애노드(12)와 캐소드(13)의 두 전극을 고분자전해질 막(11)과 일체형으로 제작한 것을 막전극 접합체(10)라 하는데, 막전극 접합체(10)의 구성과 성능이 고분자전해질 연료 전지의 핵심적 역할을 담당한다.
가스 확산층(30)은 분리판(40)과 전극 사이에 마련되어 반응기체를 고르게 분포시키고 산화환원 반응 시 생성되는 전자를 전달하는 역할을 수행한다.
분리판(40)은 반응기체들 및 냉각수를 이동시키기 위한 것으로, 내부에 유로가 형성될 수 있다. 분리판은 전류 집전체의 역할도 한다. 이하, 이러한 연료전지의 동작 원리에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 바를 참조하면, 수소는 애노드(12)에 공급되고 산소(공기)는 캐소드(13)에 공급된다. 공급된 수소는 애노드(12)에서 전극층 내 촉매의 도움으로 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)으로 분해되며, 이 중 수소 이온이 양이온교환막인 고분자전해질 막(11)을 통해 캐소드(13)로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 가스 확산층(30)과 분리판(40)을 통해 캐소드(13)로 전달된다.
캐소드(13)에서는 고분자전해질 막(11)을 통해 전달된 수소 이온과 분리판(40)을 통해 전달된 전자가 캐소드(13)로 공급된 공기 중 산소와 만나서 촉매 반응을 통해 물을 생성한다. 애노드(12)에서 형성되는 전자가 외부 도선을 통해 흘러 전류가 생성된다.
이러한 여러 단위 셀들은 서로 직렬 연결되어 하나의 연료전지 스택을 구성하고, 스택은 하나의 단위 셀에 비하여 높은 전압을 생성할 수 있다.
연료전지는 친환경적이고 높은 에너지 효율을 가지고 있음에도 상용화를 어렵게 만드는 문제점들을 가지고 있다. 이 중 하나가 일반적으로 사용되는 탄소 기반 담체의 부식이다.
이를 해결하기 위해 다양한 대체 담체가 연구되고 있으며, 이러한 담체는 전기화학적으로 안정할 뿐만 아니라, 전기 전도도가 높아야 하며, 촉매활성을 위한 표면적이 넓어야 한다.
한편, 개시된 실시예는 연료전지의 전극으로 표면적이 증가된 전도성 고분자 담체를 이용하여, 그 성능이 향상된 연료전지 및 그 제조방법을 제공한다.
이하 개시된 실시예에 따른 연료전지 및 그 제조방법이 구체적으로 설명된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자 전극의 단면을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자 전극의 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 전극을 기공이 수직 정렬되어 있는 메쉬 구조로 제작하여 반응에 필요한 물질(수소, 산소)들의 이동 효율을 극대화하고, 동시에 전기화학반응 중 생성된 물을 효과적으로 배출할 수 있어 연료전지 셀을 구성하는 담체나 배터리 양극 소재로 유용하게 사용될 수 있다.
또한, 전도성 고분자는 탄소 기반 담체 (2~5 S/cm) 이상의 높은 전도도 (수십 S/cm)를 가지므로 전자 이동이 용이하여 연료 전지의 성능 향상에 기여할 뿐만 아니라 특히, PEMFC 운전 조건에서 전기화학적으로 매우 안정하므로 기존 탄소 기반인 연료 전지 담체에서 발생하는 부식을 효과적으로 억제하여 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
전도성 고분자로는, PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate)) (이하, "PEDOT:PSS"로 약칭함)가 사용될 수 있다.
PEDOT:PSS는 인쇄 가능한 전극 재료로서 많은 관심을 받고 있다. 구체적으로 순수 H2O에서 제조된 PEDOT:PSS는 열적으로 안정하며, 쉽게 스핀 코팅할 수 있어 공정 용이성 또한 우수하여 상용화된 전도성 고분자이다.
다만, 전도성 고분자의 예가 이에 한정되는 것은 아니며 폴리아닐린(polyaniline), 폴리(o-메톡시아닐린)(poly(o-methoxyaniline)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), 폴리싸이오펜(polythiophene), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(3-헥실싸이오펜-2,5-다이일)(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl), 폴리(3-메틸싸이오펜)(poly(3-methylthiophene)) 및 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나가 사용될 수도 있다.
또한, 전도성 고분자 전극에 물에 대한 안정성을 부여하기 위해 전도성 고분자와 가교반응하는 PEO(Polyethylene Oxide)를 첨가할 수 있다.
한편, 사용하는 PEO의 분자량이 낮거나 함량이 부족하면 물에서의 안정성을 확보하지 못해 쉽게 구조가 무너진다.
또한, PEO의 함량이 과도하면 용해도의 한계로 인해 PEO를 충분히 용해할 수 없어 후술하는 균일한 필름을 제작할 수 없다.
바람직하게, 전도성 고분자는 1000 내지 6000 kg/mol의 분자량을 갖는 PEO를 0.1 내지 1 wt% 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 고분자 전극 소재로 제작된 구조체는, 50 nm ~ 2 μm의 주기와, 20 ~ 500 nm의 채널 직경과, 0.2 ~ 1.6 μm의 깊이를 갖도록 마련될 수 있다. 그러나 구조체의 주기, 채널직경 및 깊이가 전술한 범위에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전도성 고분자 전극 소재로 제작된 담체의 기공은 0.5 ~ 3의 종횡비를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 관련된 자세한 설명은 후술한다.
도 4는 일 실시예에 따른 연료전지의 제조방법에 대한 순서도이다.
도 4에 도시된 바를 참조하면, 개시된 실시예에 따른 연료전지의 제조방법은 전도성 고분자 필름을 제조하는 단계(100), 전도성 고분자 필름의 가공 단계(110), 고분자 전해질막-전극 접합체(MEA), 분리판 등과 적층되어 단위 셀을 구성하는 단계(120)를 포함한다.
전도성 고분자 필름을 제조하는 단계에서는, 전도성 고분자에 1000 내지 6000 kg/mol의 분자량을 갖는 PEO를 0.1 내지 1wt% 첨가하고 완전히 녹을 때까지 섞어준다. PEO가 충분히 녹은 blend 용액은 실리콘 기판 위에 고르게 펼친 후 스핀 코팅으로 균일한 필름을 만든다.
이러한 전도성 고분자는 전기 전도도 향상을 위해, 황산, 염산 및 질산과 같은 무기산을 이용한 산처리 과정을 거칠 수 있다.
이후, 전도성 고분자 필름의 물에 대한 안정성을 향상시키도록 건조 및 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전도성 고분자 필름의 가공 단계에서는, 마스크 템플릿에 원하는 금속을 증착하여 나노 와이어를 얻은 후, 전도성 고분자 필름 상에 나노 전사 프린팅 공정으로 나노 와이어를 몰드를 통해 전도성 고분자 필름 상에 프린팅하여 메쉬 패턴의 식각 마스크를 제작하고,
플라즈마를 이용하여 전도성 고분자 필름의 식각을 통해 기공이 수직 정렬된 나노 구조를 형성함으로써 반응에 필요한 물질들(수소, 산소)의 이동 속도를 향상시킬 수 있는 있는 전극 소재를 제조한다.
플라즈마 식각은 O2, Ar, N2, He, CF4, CHF3, C2F6, HF 또는 SiF4를 사용하는 것일 수 있다. 또한, 상기 식각은 건식 식각(Dry etching)이나 습식 식각(Wet etching) 등 표면 구조를 만들 수 있는 방식 중 어느 하나를 선택 또는 둘 이상을 혼합하여 사용함으로써 가능하다.
본 발명의 플라즈마 식각 공정에서 고종횡비 나노 구조의 크기 및 형상은 Bias 파워 및 식각 시간 (플라즈마 조사 시간)을 조절하여 제어할 수 있으며, 이 때 Source의 파워는 100W, Bias의 파워는 80W, 식각 시간은 120 초를 표준으로 한다. 표준 조건에서 구조체의 식각 깊이는 약 1μm 이다.
Source 대비 Bias의 파워가 약해질 경우 구조가 대칭적으로 만들어지면서 구조체의 벽면을 식각하여 무너뜨린다. 이러한 과도한 식각은 구체적으로 기준 조건에서, Source 파워 기준 Bias 파워가 70W 이하로 내려갈 때 나타난다.
또한, 플라즈마 식각 시간에 따른 표면 나노 구조의 형성이 연료전지 셀의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 적정 시간을 설정하여 플라즈마 조사하는 것이 중요한데, 50 ~ 200초 내로 설정하여 플라즈마 식각을 실시하는 것이 바람직하다.
식각 시간이 50초 미만이면 식각 효과가 너무 적어 나노 구조의 발달이 뚜렷하지 않으므로 바람직하지 않고, 200초를 초과하면 과도한 식각으로 인해 원하는 나노 구조 표면 형상을 조절하기 어려운 것은 물론 표면 처리 사이클 시간이 너무 길어 생산성이 저하되는 문제가 있다.
도 11은 과도한 식각으로 전극 소재의 벽면 구조가 붕괴된 것을 나타낸 것이다.
이러한 제조 방법은 마스크 템플릿의 반영구적인 재사용이 가능하며, 플라즈마 식각을 통해 대면적에서 대량생산에 용이하다는 점에서 공정의 효율성을 높일 수 있다.
상기와 같이 제조되는 전극 소재는 고분자 전해질막-전극 접합체(MEA), 분리판 등과 적층되어 단위 셀을 구성하게 되며, 이러한 셀들을 반복 적층할 경우 고분자 전해질막 연료전지를 제조할 수 있게 된다.
이하, 실시 예를 통해 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 후술하는 실시 예는 발명을 예시하기 위한 것으로서, 발명의 기술적 사상이 이들 실시 예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실시 예 1]
전도성 고분자 필름을 제조하는 단계
PEDOT:PSS 용액(1.2 wt%) 10 g 당 PEO 0.03 g(분자량: 4,000 kg/mol)을 첨가하고 충분히 녹을 때까지 섞는다. PEO가 충분히 녹은 blend 용액은 실리콘 기판 위에 고르게 펼친 후, 800 rpm의 속도로 40 초 동안 스핀 코팅하여 균일한 필름을 제조하고, 80 ℃의 핫플레이트에서 건조한다.
제작된 필름의 두께는 1μm이며 이는 도 5와 같다.
이후, PEO와 PSS 사이의 가교 반응을 통해 PEDOT:PSS, PEO 복합 필름의 물에 대한 안정성을 높이기 위해 150 ℃ 진공 오븐에서 6 시간 동안 열처리 한다.
전도성 고분자 필름을 가공하는 단계
마스크 템플릿을 72o 기울여서 E-beam 증착 방식을 이용하여 Cr 을 3nm의 두께로 증착하여 나노 와이어를 얻는다.
상기 나노 와이어를 나노 전사 프린팅 공정을 이용하여 앞서 제작한 전도성 고분자 필름 위로 전사(transfer)한다. 다음으로, 나노 와이어가 전사된 전도성 고분자 필름을 90 o 회전하고, 나노 전사 프린팅 공정을 반복하여 메쉬 형태의 etch 마스크를 제작한다.
이때, 나노 와이어의 주기 및 폭은 금속 증착 시 이용하는 마스크 템플릿의 주기와 폭, 증착 두께 등을 조절하여 원하는 구조에 따라 다양하게 제작할 수 있다.
다음으로, 메쉬 형태의 etch 마스크가 올려진 전도성 고분자를 O2 플라즈마 분위기에서 Source와 Bias는 각각 100W, 80W의 파워를 이용하고, 120초 동안 1μm 식각하여 도3과 같이 기공이 수직 정렬되어 있는 전도성 고분자 기반 전극 소재를 제작한다.
[비교 예 1]
전술한 [실시 예 1]에서 첨가하는 PEO의 분자량을 각각 400 kg/mol,
100 kg/mol으로 달리하였고, 다른 조건은 [실시 예 1]과 동일하며 이하 [실시 예 1]과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 기공이 수직 정렬되어 있는 전도성 고분자 전극의 물에서의 안정성을 테스트하기 위해 전극을 물에 담근 후 구조의 변화 유무를 확인한 것이다.
도 7은 PEDOT:PSS 용액에 PEO를 첨가하지 않고 제조한 전극 소재를 1시간 동안 물에 담근 후의 모습이고, 도 8은 PEDOT:PSS 용액에 Mw가 4,000 kg/mol인 PEO를 0.3 wt% 첨가하여 제조한 전극 소재를 24 시간 동안 물에 담근 후의 모습이다.
도 9는 PEDOT:PSS 용액에 Mw가 400 kg/mol인 PEO를 0.3 wt% 첨가하여 제조한 전극 소재를 6 시간 동안 물에 담근 후의 모습이고, 도 10은 PEDOT:PSS 용액에 Mw가 100 kg/mol인 PEO를 0.3 wt% 첨가하여 제조한 전극 소재를 6 시간 동안 물에 담근 후의 모습이다.
도 8을 참조하면, PEO의 분자량이 4,000 kg/mol 이상인 것을 사용하였을 때 충분한 효과를 발휘하며, 첨가하는 PEO의 분자량이 4,000kg/mol 보다 낮거나, 함량이 0.3wt% 미만이면, 도 7, 도 9 및 도 10에서 확인할 수 있듯이 물에서의 안정성을 확보하지 못해 쉽게 구조가 무너진다.
이상에서와 같이 첨부된 도면을 참조하여 개시된 실시 예들을 설명하였다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고도, 개시된 실시 예들과 다른 형태로 본 발명이 실시될 수 있음을 이해할 것이다.
10: 막전극 접합체
11: 고분자전해질 막
12: 애노드(Anode)
13: 캐소드(Cathode)
20: 수전해층
30: 가스 확산층
40: 분리판

Claims (13)

  1. 연료전지 스택에 수소를 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료전지 스택에 공기를 공급하는 공기 공급부; 및
    상기 연료 공급부 및 공기 공급부로부터 공급된 수소 및 공기를 이용하여 에너지를 생성하는 연료전지 스택;을 포함하고,
    상기 연료전지 스택은 메쉬(mesh) 구조로 마련되고, 1,000내지 6,000 kg/mol의 분자량을 갖는PEO(Polyethylene oxide)를 0.1 내지 1 wt% 포함하는 전도성 고분자 전극을 포함하는 연료전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는,
    폴리아닐린(polyaniline), 폴리(o-메톡시아닐린)(poly(o-methoxyaniline)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), 폴리싸이오펜(polythiophene), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(3-헥실싸이오펜-2,5-다이일)(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl), 폴리(3-메틸싸이오펜)(poly(3-methylthiophene)) 및 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 연료전지.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 전극은,
    주기 50 nm~2 μm, 채널 직경 20~500 nm, 깊이 0.2~1.6 μm, 종횡비 0.5~3를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  4. 1,000내지 6,000 kg/mol의 분자량을 갖는PEO(Polyethylene oxide)를 0.1 내지 1 wt% 포함하는 전도성 고분자 혼합물을 이용하여 전도성 고분자 필름을 제조하는 단계; 및
    상기 전도성 고분자 필름이 메쉬(mesh) 형태를 갖도록 상기 전도성 고분자 필름을 가공하는 단계;를 포함하는 연료전지의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는,
    폴리아닐린(polyaniline), 폴리(o-메톡시아닐린)(poly(o-methoxyaniline)), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리(p-페닐렌)(poly(p-phenylene)), 폴리(3-헥실싸이오펜-2,5-다이일)(poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl), 폴리(3-메틸싸이오펜)(poly(3-methylthiophene)) 및 폴리(p-페닐렌비닐렌)(poly(p-phenylenevinylene)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 연료전지의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 필름을 제조하는 단계는.
    상기 전도성 고분자 및 상기 PEO를 포함하는 혼합물을 제조하고;
    상기 제조된 혼합물을 스핀 코팅하는 것;을 포함하는 연료전지의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    산처리를 더 포함하는 연료전지의 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 스핀 코팅하는 것은,
    상기 혼합물을 800rpm의 속도로 40초 동안 스핀 코팅하는 것을 포함하는 연료전지의 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 필름의 물에 대한 안정성을 향상시키도록 건조 및 열 처리하는 것;을 더 포함하는 연료전지 제조방법.
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 필름을 가공하는 단계는,
    상기 전도성 고분자 필름의 일면에 메쉬 형태의 마스크를 마련하고;
    상기 마스크가 마련된 전도성 고분자 필름을 식각하여 메쉬 형태의 전극 을 제조하는 것;을 포함하는 연료전지의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    나노 전사 프린팅 공정을 이용하여 상기 메쉬형태의 마스크를 제조하는 것;을 더 포함하는 연료전지의 제조방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 전도성 고분자 필름을 식각하는 단계는,
    100W의 Source 파워와, 70 내지 80W의 Bias 파워로, 50 내지 200초 동안 상기 전도성 고분자 필름을 식각하는 것;을 포함하는 연료전지의 제조방법.
  13. 제 4항에 있어서,
    상기 가공된 전도성 고분자 전극을 분리판에 장착하는 것;을 더 포함하는 연료전지의 제조방법.


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