KR20020076653A - 효율적인 수분 조절이 가능한 수소이온교환막 연료전지. - Google Patents

효율적인 수분 조절이 가능한 수소이온교환막 연료전지. Download PDF

Info

Publication number
KR20020076653A
KR20020076653A KR1020010016661A KR20010016661A KR20020076653A KR 20020076653 A KR20020076653 A KR 20020076653A KR 1020010016661 A KR1020010016661 A KR 1020010016661A KR 20010016661 A KR20010016661 A KR 20010016661A KR 20020076653 A KR20020076653 A KR 20020076653A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
exchange membrane
cathode
anode
polymer electrolyte
Prior art date
Application number
KR1020010016661A
Other languages
English (en)
Inventor
홍병선
김호석
신미남
Original Assignee
홍병선
김호석
신미남
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 홍병선, 김호석, 신미남 filed Critical 홍병선
Priority to KR1020010016661A priority Critical patent/KR20020076653A/ko
Publication of KR20020076653A publication Critical patent/KR20020076653A/ko

Links

Classifications

    • 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

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)의 산화전극 및 환원전극을 구성하는 탄소분말의 입자크기를 조절함으로써 수분 이동에 모세관 현상(capillary phenomenon)을 이용하고 소수성(hydrophobic) 농도구배를 이용하는 다층(multilayer) 구조의 전극층을 제조하여 연료전지 운전 시에, 고분자 전해질 막의 수분 함유 변화량을 최소화시키고 고분자 전해질 막의 수분함유율을 결정하는 전극과 고분자 전해질 막 계면에서의 수분 변화량에 즉각적인 제어가 가능하다. 고분자 전해질 막, 산화전극(anode) 및 환원전극(cathode)과의 막전극접합체(MEA)가 너무 수분이 많거나, 너무 건조하지 않은 일정 수준의 수분을 유지시켜 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)의 이온전도성과 촉매 효율을 극대화 시켜 재현성 있는 고성능 연료전지의 특성을 구현한다.

Description

효율적인 수분 조절이 가능한 수소이온교환막 연료전지.{A PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cells) having efficient water-balance properties}
대체에너지로 각광받고 있는 여러 종류의 연료전지 중, 고분자 전해질을 사용하는 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)는 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높고 80℃ 이하의 낮은 온도에서 작동 가능하며, 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 장점들을 가지고 있다. 또한 소형화, 밀폐화가 가능해 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신장비, 군사용장비, 의료기기 등에 사용될 수 있어서 그 응용분야가 매우 다양하다. 수소이온교환막 연료전지의 기본구조는 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 산화전극(anode)과 환원전극(cathode)이 부착되어 있는 형태로 되어 있으며산화전극(anode)에서는 연료인 수소의 전기 화학적 산화가, 환원전극(cathode)에서는 산화제인 산소의 전기 화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.
각 전극에서의 반응식은 다음과 같다.
산화전극(anode): H2→ 2H＋＋ 2e－
환원전극(cathode) :O2＋ 2H＋＋ 2e－→ H2O
이 연료전지는 여러 개의 막전극접합체(Membrane and Electrode Assembly, 이하 "MEA" 라 약칭한다)가 적층되어진 형태로 구성되어 사용되는데 막전극접합체(MEA)가 한 개로만 이루어진 형태를 단위전지라 한다. 도 1에 종래 단위전지의 개략적인 단면도를 도시하였다. 단위전지의 산화전극(anode)(100)은 수소가 공급, 배출되는 과정에서 산화반응이 일어나서 전자가 생성되고, 환원전극(cathode)(110)은 산소가 공급, 배출되는 과정에서 환원반응이 일어나 물이 생성된다. 이러한 산화와 환원반응은 다공성(porous)으로 이루어진 전극(100,110)들을 통하여 발생하며 중간에 위치한 고분자 전해질 막(120)은 산화전극(100)에서 이온화된 수소를 환원전극(110) 쪽으로 전달시켜주는 역할을 한다. 이러한 단위전지에 있어서 상기의 고분자 전해질 막(120)과 고분자 전해질 막 외면의 두 전극(100,110)은 열 압착에 의하여 막전극접합체(MEA)를 구성하게 되고 상기의 막전극접합체는 연료인 수소와 환원제인 산소를 공급하여 주고 산화환원 반응에의하여 생성되는 물을 배출시켜줄 수 있는 유로(130)가 형성된 지지체(140,150)에 의하여 지지되며, 상기 지지체의 유로(130)를 통하여 공급 또는 배출되는 기체 또는 액체가 유출되지 아니하도록 가스켓(160,170)이 구성되어 있으며, 상기의 막전극접합체(MEA), 지지체(140,150) 및 가스켓(160,170)은 이들을 고정하는 수단으로 양끝에 동판(copper plate)(180,190)으로 고정하여 하나의 단위전지가 구성된다.
수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)는 고분자 전해질 막이 적절히 수분을 함유한 상태에서만 이온전도성을 유지하여 전기화학적 반응이 진행될 수 있다. 대표적인 고분자 전해질 막인 나피온(Nafion, 듀퐁사 제조)은 고분자 무게의 20% 정도가 수화(水化)되면 수소이온에 대한 높은 전도성을 나타내는데, 이때 수소이온은 수화(水化)된 H3O＋형태로 막을 통과하게 된다. 따라서 고분자막이 수분을 잃고 건조해지면 수소이온 전도도가 떨어지게 되고 고분자 전해질 막의 수축을 유발하여 막과 전극 사이의 접촉저항을 증가 시킨다. 반대로 물이 너무 많으면 전극에 과잉(flooding) 현상이 일어나 전극 반응속도가 저하된다. 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)에서는 액체전해질은 없지만 전극촉매 표면에 얇은 수막이 형성되는데, 이때 과량의 물이 존재하게 되면 다공성 촉매 표면에 반응기체의 접근이 어려워지고 특히, 환원전극(cathode)에서는 산화제의 물질전달 한계 때문에 전지성능의 감소가 크게 일어난다. 이와 같은 과잉(flooding)현상은 산화전극(anode)에서 환원전극(cathode)으로 이동되는 물 때문에 더욱 심화되는데, 이것은 anode쪽에서형성된 수소이온이 물과 강하게 결합하여 물을 산화전극(anode)으로 부터 환원전극(cathode)쪽으로 이동시키기 때문이다.
단위전지 내에서의 수분함량은 수분의 이동에 의해 결정되는데 수분의 이동은 전류의 함수일 뿐만 아니라 고분자 전해질 막 및 전극 특성과도 관계가 있다. 또한 수분의 이동은 수소이온이 물과 결합하려는 힘(water drag), 환원전극(cathode)으로 부터 산화전극(anode)으로의 역확산(back diffusion)등에 의해 영향을 받는다. 종래에는, 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)에서 생성되는 대부분의 물은 일반적으로 환원전극(cathode) 쪽으로 산화제 기체를 과량 흘러 제거하는데, 일반적으로 전지반응에 필요한 산소요구량의 두 배 정도를 흘려 보낸다. 이와는 다른 방법으로 환원전극(cathode)에서 생성된 물을 그대로 제거하지 않고 따로 모아 두었다가 고분자 전해질 막을 통한 농도구배에 의해 산화전극(anode)의 연료기체 쪽으로 이동시켜 제거하는 방법도 사용된다[J.Power Sources, 49, 117(1994), Wilkinson,D.K., Voss,H.H. and Prater,K.]. 또한 환원전극(cathode)으로 부터 고분자 전해질 막으로 심지(Porous polyester threads)를 직접 연결하여 물을 고분자 전해질 막 쪽으로 이동시키는 방법도 있다[The Electrochemical Society, Vol.93-8, P.302(1993), Watanabe,M., Satch,Y. and Shimura,C.].
수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)에 쓰이는 반응기체는 막의 탈수를 줄이기 위해 물로 포화시켜야 한다. 특히 환원전극(cathode)쪽에서는 생성된 물을 제거하여야 하지만 산화전극(anode)쪽에서는 물이 증발되어 고분자 전해질 막이 건조해지기 때문에 물을 효과적으로 공급함으로써 고분자 전해질 막의 수분함량을 충분히 유지(water balance)하는 것이 연료전지 성능에 있어서 매우 중요하다.
종래의 물을 공급하는 방법에는 반응기체를 물이 들어 있는 반응기(bubbler) 속을 통과시킨 뒤 전지 내로 유입시키는 방법이 대표적인데[U.S.Patent 4,759,882(1998)] 이것은 반응기체의 유량에 따라 가습 정도가 크게 영향을 받을 뿐만 아니라 유량이 너무 크면 작은 물방울 형태로 물이 운반되어 수분조절이 어려운 단점이 있다. 이외에도 물 투과성 막으로 된 가는 관을 이용하는 방법[U.S.Patent 5,512,831(1996)], 미세하게 분산된 물입자를 반응기체에 직접 공급하는 방법 등이 있다. 또한 물을 함유한 다공성 고분자막을 통해 반응기체를 통과시킴으로써 물을 공급하는 방법[U.S.Patent 5,382,478(1995)], 고분자 전해질 막을 직접 가습시키는 방법, 다공성 분리판을 이용하는 방법 등이 있는데, 위의 방법들은 수분의 공급량을 일정하게 유지시키는 데는 어느 정도 효과적일 수 있으나 연료전지 스택의 크기가 커지는 단점이 있으며 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells) 운전 시, 반응 촉매의 활성화와 고체전해질 막의 이온전도성과 관련된 열 및 수분의 적절하고 정밀한 관리 및 제어에는 효과적이지 않다. 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)는 전극에서의 촉매특성 및 고분자 전해질 막 특성과 관련된 열관리, 수분관리의 운전변수(operation parameter)들의 정밀제어가 필요하고 정밀제어 운전기술에 대한 체계적인 연료전지 제조 공정기술이 필수적이다.
수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)의 경우에는 다른 연료전지 시스템과는 달리 고분자 전해질 막이 적절히 수분을 함유한 상태에서만 이온전도성을 유지하여 전기화학적 반응이 진행될 수 있기 때문에 고분자 전해질 막에 수분을 공급하여 수소이온 전도성을 일정하게 유지하기 위한 여러 형태의 장치 및 연료전지 운전 시에 고분자 전해질 막의 수분 함량에 따른 항시 변동되는 복잡한 제어처리가 필요하게 된다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위하여 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)의 고분자 전해질 막이 일정수준의 수분을 함유, 유지할 수 있도록, 모세관 현상(capillary phenomenon)을 이용하는 새로운 전극 구조층에 관한 것으로서, 이 전극 구조층을 사용하여 촉매특성 및 고분자 전해질 막 특성과 관련된 열관리, 수분관리의 연료전지 운전 변수들을 단순화하여 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)의 운전 시에, 단순화된 제어처리로 이상적인 운전성능이 도출되도록 체계적인 공정기술을 확립하고 고분자 전해질 막과 접촉되어 있는 전극층을 구조적으로 일정수준 자동 가습하는 공정기술을 제공하여 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)의 운전 시, 우수한 성능을 도출하기 위한 제어처리를 단순화하고 연료전지 성능의 안정성을 제공하는 것이다.
[도 1] 종래 단위전지의 개략적인 단면도.
[도 2] 본 발명에 관한 단위전지의 개략적인 단면도.
[도 3] 본 발명에 관한 고분자 전해질 막의 수분 조절과 관련된 전체 구성도.
본 발명에서는 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane FuelCells)의 전극층을 모세관 현상(capillary phenomenon)을 이용하여 구조적으로 일정하게 가습이 가능하도록 제조하여 고분자 전해질 막, 산화전극(anode) 및 환원전극(cathode)과의 막전극접합체(MEA)가 너무 수분이 많거나, 너무 건조하지 않은 일정 수준의 수분을 유지시켜 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)의 이온전도성과 촉매 효율을 극대화시켜 재현성 있는 고성능 연료전지의 특성을 구현한다.
도 2에 본 발명에 관한 단위전지의 개략적인 단면도를 도시하였다. 단위전지의 수소가 공급, 배출되는 과정에서 산화반응이 일어나서 전자가 생성되는 산화전극(anode)(200)은 제1전극(201)과 제2전극(202)으로 구성되며, 제1전극(201)은 촉매로 사용하는 백금(Pt)를 함유(보통 10∼20%)하고 있으며 제2전극(202)을 구성하는 탄소분말 입자크기는 제1전극(201)을 구성하는 탄소분말 입자크기 보다 2배 이상 크다.
산소가 공급, 배출되는 과정에서 환원반응이 일어나 물이 생성되는 환원전극(cathode)(210)도 제1전극(211)과 제2전극(212)으로 구성되며, 제1전극(211)은 촉매로 사용하는 백금(Pt)를 함유하며 , 제1전극(211)을 구성하는 탄소분말 입자크기는 제2전극(212)을 구성하는 탄소분말 입자크기 보다 1.5배 이상 크다. 이러한 산화, 환원반응은 기체확산 역할을 담당하는 다공성(porous)의 다층(multilayer) 전극으로 구성되며, 연료인 가습화된 수소와 환원제인 산소를 공급하여 준다. 산화전극(200)에서는 탄소분말 입자크기를 이용한 다공도(Porosity)를 조절하여 일정수준의 수분을 모세관 현상(capillary phenomenon)으로 산화전극과 고분자 전해질 막(220) 사이에 유지시키며, 환원전극(210)에서는 산화전극(200)과는 반대로, 탄소분말 입자 크기를 이용한 다공도(porosity)를 조절하여 수소와 산소의 반응에 의해 생성되는 물을 이동시켜 환원전극(210)에서 물을 배출시킬 수 있는 유로(230)가 형성된 지지체(245)로 이동시키며, 상기 지지체(240,245)의 유로(230)를 통하여 공급, 배출되는 기체 또는 액체가 유출되지 않도록 가스켓(250,255)이 구성되어 있으며, 동작 시 발생된 열을 제거 또는 사용하기 위하여 액체인 냉각매체를 공급하고 배출하는 채널(260)로 구성되어 있다. 상기의 막전극접합체(MEA), 지지체(240,245) 및 가스켓(250,255)은 이들을 고정하는 수단으로 채널(260)이 형성된 분리판(270,280)으로 고정하여 하나의 단위전지를 형성한다.
모세관 현상(capillary phenomenon)을 이용하여 고분자 전해질 막의 수분을 일정하게 조절(water balance)하는 새로운 구조의 다층(multilayer) 전극으로 구성되는 막전극접합체(MEA)의 제조방법은 다음과 같다.
우선, 촉매인 백금(Pt)이 담지된 탄소분말을 제조하기 위해 염화백금산 수용액과 티오황산 나트륨을 혼합하여, 아황산백금착체의 수용액을 제조한다.
이 수용액을 교반하면서 과산화 수소물을 적하하여, 수용액 중에 콜로이드상의 백금입자를 석출시킨 후에, 카본 블랙(Vulcan XC-72, CABOT사 제조)을 첨가하면서 교반하여 카본 블랙의 표면에 콜로이드 상의 백금입자를 부착시킨다. 이 용액을 흡인여과 또는 가압여과하여 백금입자가 부착한 카본 블랙을 분리하고 탈이온수(deionized water)로 반복 세정한 후, 실온에서 완전 건조한 후, 응집한카본 블랙을 분쇄기로 분쇄한 후, 수소환원 분위기에서 250℃∼350℃로 2시간 가열하여 카본 블랙의 백금을 환원함과 동시에 잔류하고 있는 염소를 완전히 제거하여 백금촉매가 담지된 탄소분말을 제조한다.
산화전극을 구성하는 제2전극을 제조하기 위해 다공성의 탄소층(carbon paper)을 탈이온수(deionized water)와 테프론-120(Teflon-120, Dupont사 제조)의 수용액에 3∼5분 동안 담그(dip)었다가 건조시킨 후, 360℃의 오븐(oven)에서 3∼5분 동안 소결(sintering)시켜 균질(homogeneous)하고 소수성(hydrophobic)인 탄소층 표면을 얻는다. 그 다음 단계로 표면활성제(surfactant)와 탈이온수(deionized water)로 구성된 현탁액(상용제품: Windex)에 탄소분말을 섞어 교반한 후, 소수성(hydrophobic) 농도구배를 구비하기 위해 테프론-30(Teflon-30)을 전체 현탁액의 0.5% 정도의 양을 첨가시킨다. 이 현탁액을 상기의 탄소층(carbon paper) 위에 스프레이 방법으로 도포하고 열판(hot plate)에서 건조하여 표면활성제(surfactant)와 탈이온수(deionized water)를 증기화하여 제거한다. 상기의 도포 및 건조과정을 반복하여 일정량(보통 5mg/㎠)이 형성된 제2전극을 형성한다.
산화전극을 구성하는 제1전극은 상기 제2전극 위에 표면활성제(surfactant)와 탈이온수(deionized water)로 구성된 현탁액(상용제품: Windex)에 상기 제2전극에서 보다 입자크기가 작고, 백금촉매가 담지(擔持)된 탄소분말을 섞어 교반한 후, 소수성(hydrophobic) 농도구배를 구비하기 위해 테프론-30(Teflon-30)을 전체 현탁액의 0.2% 정도의 양을 첨가시킨다. 이 현탁액을 상기의 탄소층(carbon paper) 위에 스프레이 방법으로 도포하고 열판(hot plate)에서 건조하여 표면활성제(surfactant)와 탈이온수(deionized water)를 증기화하여 제거한다. 상기의 도포 및 건조과정을 반복하여 일정량(보통 1.5mg/㎠)의 제1전극을 형성한다.
환원전극을 구성하는 제2전극을 제조하기 위해 다공성의 탄소층(carbon paper)을 탈이온수(deionized water)와 테프론-120(Teflon-120, Dupont사 제조)의 수용액에 3∼5분 동안 담그(dip)었다가 건조시킨 후, 360℃의 오븐(oven)에서 3∼5분 동안 소결(sintering)시켜 균질(homogeneous)하고 소수성(hydrophobic)인 탄소층 표면을 얻는다. 그 다음 단계로 표면활성제(surfactant)와 탈이온수(deionized water)로 구성된 현탁액(상용제품: Windex)에 탄소분말을 섞어 교반한 후, 소수성(hydrophobic) 농도구배를 구비하기 위해 테프론-30(Teflon-30)을 전체 현탁액의 0.2% 정도의 양을 첨가시킨다. 이 현탁액을 상기의 탄소층(carbon paper) 위에 스프레이 방법으로 도포하고 열판(hot plate)에서 건조하여 표면활성제(surfactant)와 탈이온수(deionized water)를 증기화하여 제거한다. 상기의 도포 및 건조과정을 반복하여 일정량(보통 5mg/㎠)이 형성된 제2전극을 형성한다.
환원전극을 구성하는 제1전극은 상기 제2전극 위에 표면활성제(surfactant)와 탈이온수(deionized water)로 구성된 현탁액(상용제품: Windex)에 상기 제2전극에서 보다 1.5배 이상 입자크기가 크고 백금촉매가 담지(擔持)된 탄소분말을 섞어 교반한 후, 소수성(hydrophobic) 농도구배를 구비하기 위해 테프론-30(Teflon-30)을 전체 현탁액의 0.5% 정도의 양을 첨가시킨다. 이 현탁액을 상기의탄소층(carbon paper) 위에 스프레이 방법으로 도포하고 열판(hot plate)에서 건조하여 표면활성제(surfactant)와 탈이온수(deionized water)를 증기화하여 제거한다. 상기의 도포 및 건조과정을 반복하여 일정량(보통 1.5mg/㎠)의 제1전극을 형성한다.
수소이온교환막인 고분자전해질(Nafion 117,115,112 :Du Pont사 제조, XUS 13204.40 :Dow Chemical사 제조, Gore Select :W.L. Gore ＆ Associates사 제조 등) 막을 상기의 산화전극과 환원전극으로 이루어진 샌드위치 구조를 형성함으로써 막전극접합체(MEA)를 형성한다. 이 샌드위치 구조의 막전극접합체는 200∼300bar 하에 100℃∼150℃온도에서 1분 동안 열간 압축시켜 긴밀한 결합을 갖도록 한다.
다음 단계로, 기체 또는 액체가 흐를 수 있는 유로가 형성된 지지체와 기체 또는 액체가 유출되지 않도록 하는 가스켓은 프레스 금형을 사용하여 프레스 가공에 의하여 제조하고, 상기의 막전극접합체(MEA), 지지체 및 가스켓은 이들을 고정하는 수단으로 냉각매체를 공급, 배출할 수 있는 채널이 형성된 판으로 고정하여 하나의 단위전지를 제조하며, 이 단위전지를 적층함으로써 연료전지 스택(stack)을 구성하여 원하는 용량의 수소이온교환막 연료전지(PEMFC)를 제조한다.
도 3에 고분자 전해질 막의 수분 조절과 관련된 전체 구성도를 도시하였다.
수소이온교환막 연료전지(ProtonExchange Membrane Fuel Cells) 운전 시, 출력전압(E)이 소정전압(E0)으로 변화될때 중앙제어장치(300)는 임피던스계(310)에서 검출된 임피던스(Z)를 판독하여 그 임피던스(Z)가 백금촉매 피독이나 전지의 온도변화에 기인된 임피던스(Z) 변화량인, 소정임피던스(Z)가 Z1∼ Z2값의 범위 내에서 변화할 때는 고분자 전해질 막의 수분조절과 관련된 제어를 실행하지 않는다. 임피던스(Z)가 Z2값을 상회하는 경우에는 바이패스통로의 유량조절밸브(320)를 조절, 유량을 감소하는 방향으로 제어하여 연료전지스택(330)에 공급되는 가스가 개질기(340)를 통해 가습기(350)를 흐르는 습도가 높은 가스량의 상대적 비율을 증가시켜 연료전지스택의 수분 부족현상을 해소한다. 한편 임피던스(Z)가 Z1값을 하회하는 경우에는 바이패스통로의 유량조절밸브(320)를 조절, 유량이 증가하는 방향으로 제어하여 연료전지스택(330)에 공급되는 가스가 개질기(340)를 통해 가습기(350)를 흐르는 습도가 높은 가스량의 상대적 비율을 감소시켜 연료전지스택의 수분 과잉현상을 해소한다.
수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells) 운전 시, 연료전지스택의 산화전극(anode)과 환원전극(cathode)의 모세관 현상(capillary phenomenon)을 이용하는 새로운 구조의 다층 전극을 사용하여 고분자 전해질 막과 직접 접촉하고 있는 계면에서의 국부적 수분 조절의 제어 속도를 획기적으로 증가시키고 고분자 전해질 막이 높은 수소이온 전도성 특성을 갖도록 수분 변화량을 감소시켜 수분함유율을 일정하게 유지시킬 수 있다.
본 발명은 수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cells)의 산화전극 및 환원전극을 구성하는 탄소분말의 입자크기를 조절함으로써 수분 이동에 모세관 현상(capillary phenomenon)을 이용하고 소수성(hydrophobic) 농도구배를 이용하는 다층(multilayer) 구조의 전극층을 제조하여 연료전지 운전 시에, 고분자 전해질 막의 수분 함유 변화량을 최소화시키고 고분자 전해질 막의 수분함유율을 결정하는 전극과 고분자 전해질 막 계면에서의 수분 변화량에 즉각적인 제어가 가능하다.
상기의 다층(multilayer) 전극의 제조공정은 단순공정으로 이루어져 대량생산이 용이하며, 상기 전극이 구비된 연료전지스택을 구성하는 고분자 전해질 막의 이온전도성과 촉매 효율을 극대화 시켜 재현성 있는 고성능 연료전지의 특성을 구현한다.

Claims (3)

  1. 공급되는 가스들의 전기화학반응으로 소정의 전류를 발생하는, 촉매를 담지(擔持)한 산화전극(anode)과 환원전극(cathode)을 구비한 연료전지에 있어서,
    (A) 다공성의 탄소층(carbon paper)에 탄소분말 입자크기를 다르게 하여 다공도(porosity)를 조절, 수분의 이동을 용이하게 하는 다층(multilayer)의 산화전극 및 환원전극을 제조하는 단계와
    (B) 수소이온교환막인 고분자 전해질 막을 상기의 산화전극과 환원전극으로 이루어진 샌드위치 구조로 열간압축(hot pressing)하여 막전극접합체(MEA)를 형성하는 단계와
    (C) 상기의 막전극접합체(MEA), 지지체 , 가스켓 그리고 냉각매체를 공급, 배출할 수 있는 채널이 형성된 판으로 고정하여 하나의 단위전지를 구성하는 단계와
    (D) 상기의 단위전지를 적층하여 연료전지 스택(stack)을 제조하는 단계로 구성되는 효율적인 수분 조절이 가능한 수소이온교환막 연료전지.
  2. 제1항에 있어서 상기 (A)단계의 다층(multilayer)의 산화전극과 환원전극 제조 시, 테프론(Teflon) 계열의 용액(Teflon-30) 양을 변화시켜 소수성(hydrophobic) 농도구배 효과가 함께 구비된 전극으로 구성되는 효율적인 수분 조절이 가능한 수소이온교환막 연료전지.
  3. 수소이온교환막 연료전지 운전 시, 출력전압이 변화될 때 검출된 임피던스 값에 따라, 연료가스 공급 시 바이패스 통로의 유량조절밸브를 조절하여 고분자 전해질 막에 수분을 공급하는 효율적인 수분 조절이 가능한 수소이온교환막 연료전지.
KR1020010016661A 2001-03-29 2001-03-29 효율적인 수분 조절이 가능한 수소이온교환막 연료전지. KR20020076653A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020010016661A KR20020076653A (ko) 2001-03-29 2001-03-29 효율적인 수분 조절이 가능한 수소이온교환막 연료전지.

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020010016661A KR20020076653A (ko) 2001-03-29 2001-03-29 효율적인 수분 조절이 가능한 수소이온교환막 연료전지.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20020076653A true KR20020076653A (ko) 2002-10-11

Family

ID=27699220

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020010016661A KR20020076653A (ko) 2001-03-29 2001-03-29 효율적인 수분 조절이 가능한 수소이온교환막 연료전지.

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20020076653A (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100704440B1 (ko) * 2005-02-28 2007-04-06 (주)엘켐텍 다공성 전극 촉매층을 갖는 막전극접합체의 제조방법
KR100829060B1 (ko) * 2006-12-22 2008-05-19 한국과학기술연구원 이중 전극을 갖는 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지
KR20190037878A (ko) * 2017-09-29 2019-04-08 코오롱인더스트리 주식회사 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료 전지 스택
CN109659493A (zh) * 2018-12-26 2019-04-19 国联汽车动力电池研究院有限责任公司 一种包含固态电解质、低孔隙率的负极及应用该负极的锂电池

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4824741A (en) * 1988-02-12 1989-04-25 International Fuel Cells Corporation Solid polymer electrolyte fuel cell system with porous plate evaporative cooling
JPH05283094A (ja) * 1992-03-31 1993-10-29 Toshiba Corp 燃料電池
JPH07320753A (ja) * 1994-05-27 1995-12-08 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体高分子電解質膜型燃料電池
JPH08287924A (ja) * 1995-04-07 1996-11-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体高分子型燃料電池
KR20020010544A (ko) * 2000-07-29 2002-02-04 빈더 폴커 중합체 전해질 연료 전지용 막 전극 단위 및 이의 제조방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4824741A (en) * 1988-02-12 1989-04-25 International Fuel Cells Corporation Solid polymer electrolyte fuel cell system with porous plate evaporative cooling
JPH05283094A (ja) * 1992-03-31 1993-10-29 Toshiba Corp 燃料電池
JPH07320753A (ja) * 1994-05-27 1995-12-08 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 固体高分子電解質膜型燃料電池
JPH08287924A (ja) * 1995-04-07 1996-11-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd 固体高分子型燃料電池
KR20020010544A (ko) * 2000-07-29 2002-02-04 빈더 폴커 중합체 전해질 연료 전지용 막 전극 단위 및 이의 제조방법

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100704440B1 (ko) * 2005-02-28 2007-04-06 (주)엘켐텍 다공성 전극 촉매층을 갖는 막전극접합체의 제조방법
KR100829060B1 (ko) * 2006-12-22 2008-05-19 한국과학기술연구원 이중 전극을 갖는 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지
KR20190037878A (ko) * 2017-09-29 2019-04-08 코오롱인더스트리 주식회사 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를 포함하는 연료 전지 스택
CN109659493A (zh) * 2018-12-26 2019-04-19 国联汽车动力电池研究院有限责任公司 一种包含固态电解质、低孔隙率的负极及应用该负极的锂电池

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7803490B2 (en) Direct methanol fuel cell
CN100508266C (zh) 膜电极单元
JP4956870B2 (ja) 燃料電池および燃料電池の製造方法
CN110797546B (zh) 一种微孔层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池
JP2004158388A (ja) 固体高分子型燃料電池用の電極
US8475964B2 (en) Membrane-electrode assembly, fuel cell, and fuel cell system
JP5260009B2 (ja) 膜電極接合体および燃料電池
JP2001006708A (ja) 固体高分子型燃料電池
CN100388539C (zh) 复合催化层质子交换膜燃料电池电极及其制造方法
JP3354550B2 (ja) 固体高分子型燃料電池および固体高分子型燃料電池スタック
JP3813406B2 (ja) 燃料電池
CN101978536B (zh) 膜电极接合体和燃料电池
US20050147868A1 (en) Fuel cell
KR101326190B1 (ko) 연료전지용 막 전극 접합체 및 이를 이용한 연료전지
JP3500086B2 (ja) 燃料電池用セル及びこれを用いた燃料電池
JP4945887B2 (ja) セルモジュール及び固体高分子電解質型燃料電池
JP5339261B2 (ja) 燃料電池
KR20020076653A (ko) 효율적인 수분 조절이 가능한 수소이온교환막 연료전지.
KR20090030665A (ko) 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
JP2008123941A (ja) 高分子電解質膜、触媒電極、膜電極接合体、及びそれらの製造方法、並びに結着剤
JP2001093544A (ja) 燃料電池用電極、その製造方法並びに燃料電池
JP4586358B2 (ja) 燃料電池システム
KR100570769B1 (ko) 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지
KR100599811B1 (ko) 연료 전지용 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
KR100881366B1 (ko) 연료전지용 기체 확산층 및 이를 이용한 연료전지용 전극

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
E601 Decision to refuse application