KR20040104837A - 연료전지용 전극의 확산층 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 전기회로와 원활한 전기적 연결을 가능하게 하는 균질한 전자전도성을 가지며, 또한 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근을 가능하게 하는 다공성을 가질 뿐만아니라, 메탄올수용액과 같은 연료를 담지할 수 있고 연료전지 작동 중에는 상기 담지된 연료를 촉매층에 공급할 수 있는 다공성을 갖는, 연료전지용 전극의 개선된 확산층을 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 확산층을 포함하는 연료전지용 전극, 및 상기 확산층을 포함하는 전극을 채용한 연료전지를 제공한다.

Description

연료전지용 전극의 확산층 {Diffusion layer in electrode for fuel cell}

본 발명은 연료전지에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 연료전지용 전극의 확산층에 관한 것이다.

연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 화력발전과는 달리 카르노 사이클을 거치지 아니하므로 그 이론적인 발전 효율이 매우 높다. 또한, 연료전지는 화력발전에 비하여 NO_x와 CO₂의 배출량 및 소음이 적어서, 환경친화적인 발전장치라 할 수 있다.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자전해질막 연료전지 ( PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료전지(PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지 (MCFC: molten carbonate fuelcell), 고체산화물 연료전지 (SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분된다. 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다.

또한, 연료전지는 애노드에 대한 연료 공급방식에 따라, 연료 개질기를 통하여 연료를 수소부화가스로 전환시킨 후 애노드에 공급하는 외부 개질형과, 연료를 직접 애노드에 공급하는 직접 산화형 또는 내부 개질형으로 구분될 수 있다. 연료전지에 사용되는 연료로서는 일반적으로 천연가스, 메탄올 등이 사용되고 있으나, 다른 탄화수소계 연료 또는 그 유도체 등이 사용될 수도 있다.

고분자막연료전지는 애도드에 공급되는 연료의 종류에 따라서 수소나 탄화수소계 가스를 쓰는 PEMFC와 메탄올 수용액을 쓰는 직접메탄올연료전지(diret methanol fuel cell)로 구분될 수 있다. 고분자막연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮고 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력 밀도가 크고, 시동시간이 짧으며, 부하변화에 대한 응답이 빠르다는 특징을 갖는다. 또한, 전해질로서 고분자막을 사용하기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없고, 디자인이 간단하며, 제작이 쉽고, 작동원리가 같은 인산형 연료전지에 비해 부피와 무게가 작은 장점이 있다. 전기 자동차용 동력원으로 개발되고 있는 이차전지와 비교하면, 고분자전해질막 연료전지의 에너지 밀도(energy density)는 약 200 Wh/kg ~ 수 천 Wh/kg이며, 이차전지는 약 200 Wh/kg 이하의 에너지밀도를 갖기 때문에, 고분자전해질막 연료전지는 에너지 밀도 측면에서 이차전지보다 월등히 우수하다. 또한, 충전시간 측면에서도 리튬계 이차전지가 3 시간 정도의 충전시간을 필요로 하는데 반해, 연료전지는 수 초에 불과한 연료 주입 시간을 필요로 할 뿐이다. 따라서, 고분자전해질막 연료전지는 전기자동차의 축전지를 대체하는 수송용 동력원, 이동 및 비상용 전원, 군사용 전원 등으로 적용될 수 있다.

고분자전해질막 연료전지는 애노드, 캐소드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 고분자전해질막을 포함하는 MEA(membrane electrode assembly)와, 전기전도체의 역할을 하며 연료 또는 산화제 가스가 전극과 접하면서 흐르도록 하는 채널을 구비하고 있는 바이폴라 플레이트 또는 모노폴라 플레이트를 포함한다. 애노드에는 연료로서 일반적으로 수소가스 또는 메탄올 수용액 등이 공급된다. 애노드에서 연료가 반응하여 수소이온 및 전자(electron)가 생성된다. 생성된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드 쪽으로 이동하며, 전자는 외부회로를 구성하는 도선 및 부하를 통하여 캐소드로 이동한다. 캐소드에는 산화제로서 일반적으로 공기가 공급된다. 캐소드에서는 수소이온과 전자가 공기 중의 산소와 결합되어 물이 생성되고 물은 전지 외부로 배출된다.

실제 사용시에는 연료전지는 부하에서 요구하는 전력을 공급하기 위하여 복수의 단위전지를 직렬 및/또는 병렬로 배치한 팩(pack)형태로 구성된다. 팩형태의 연료전지는 복수의 단위전지를 적층하는 바이폴라 플레이트(bipolar plate) 방식, 복수의 단위전지를 평면상에 배열한 모노폴라 플레이트(monopolar plate) 방식, 또는 이들을 복합한 방식 등이 사용된다. 바이폴라 플레이트 및 모노폴라 플레이트는 전기전도체의 역할을 하며, 또한 연료 또는 산화제가 전극과 접하면서 흐를 수 있도록 하는 채널을 구비하고 있다.

전기화학적 반응을 일으키는 전극은 통상적으로 확산층과 촉매층으로 이루어진다. 확산층은 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근을 가능하게 하는 다공성 재료로 이루어진다. 확산층은 또한, 전기화학 반응시 생성되는 전류를 바이폴라 플레이트 또는 모노폴라 플레이트로 연결시킬 수 있도록 하기 위하여 전자전도성을 갖는다.

일반적으로, 확산층의 재료로서는 탄소종이 (carbon paper) 또는 탄소섬유직물 (carbon fiber fabric)이 사용된다. PAN과 같은 고분자를 2000℃이상의 고온에서 탄화시켜서 만든 탄소를 섬유형태로 사출하고 이를 다시 압축해서 종이형태의 박판으로 형성시킴으로써 탄소종이를 제조할 수 있다. 상기 섬유를 복잡한 직조공정을 통해서 직물형태로 형성시킴으로써 탄소섬유직물을 제조할 수 있다.

탄소종이를 박판형태로 제조하는 공정은 매우 까다롭고 어려운 공정이며, 탄소종이 내부에 일정한 다공성과 기계적 강도를 유지하기가 어렵다. 상품화되어 있는 탄소종이의 단면을 촬영해 보면 다공성이 부분마다 매우 다른 것을 알 수 있다. 특히, 수 나노 크기의 촉매를 탄소종이 위에 도포하면 상당히 많은 촉매들이 다공성 탄소종이 안으로 들어가게되고, 이는 촉매의 반응 효율을 떨어뜨리는 주요한 요인이 된다. 또한, 불규칙한 다공성으로 인해서 전류가 많이 흐르는 영역에서는, 발생된 전자를 외부회로로 전달하기 위한 전압강하가 부분적으로 크게 발생한다. 탄소섬유직물은 탄소종이보다 훨씬 큰 다공성을 갖기 때문에 이런 현상이 더 크게 일어날 뿐만아니라 얇게 만들 수 없다는 단점이 있다.

본 발명은 외부 전기회로와 원활한 전기적 연결을 가능하게 하는 균질한 전자전도성을 가지며, 또한 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근을 가능하게 하는 다공성을 가질 뿐만아니라, 메탄올수용액과 같은 연료를 담지할 수 있고 연료전지 작동 중에는 상기 담지된 연료를 촉매층에 공급할 수 있는 다공성을 갖는, 연료전지용 전극의 개선된 확산층을 제공한다.

본 발명은, 상기 확산층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.

본 발명은, 상기 확산층을 포함하는 전극을 채용한 연료전지를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 일 구현예를 보여준다.

도 2는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 연료전지의 전류밀도에 따른 전압강하 곡선을 보여준다.

본 발명에서 제공하는 연료전지용 전극의 확산층은, 탄소 분말과 고분자 바인더를 포함한다. 본 발명의 확산층은 미세한 기공크기 및 균질한 다공성을 가지며, 메탄올수용액과 같은 연료의 저장기능을 갖는다.

본 발명에서 제공하는 연료전지용 전극은 촉매층과 확산층을 포함하는데, 이때 상기 확산층이 본 발명에 따른 확산층인 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제공하는 연료전지는, 애노드; 캐소드; 및 수소이온전도성 전해질막을 포함하는데, 이때 상기 애노드, 또는 상기 캐소드, 또는 상기 애노드 및 상기 캐소드가 본 발명에 따른 확산층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 먼저, 본 발명의 연료전지용 전극의 확산층에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 확산층은 다공성 및 전기 전도성을 갖는 탄소 분말; 및 상기 탄소 분말을 고정시켜 확산층의 구조를 유지하는 고분자 바인더를 포함한다. 본 발명의 확산층은 외부 전기회로와 원활한 전기적 연결을 가능하게 하는 균질한 전자전도성을 가지며, 또한 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근을 가능하게 하는 다공성을 가질 뿐만아니라, 메탄올수용액과 같은 연료를 담지할 수 있고 연료전지 작동 중에는 상기 담지된 연료를 촉매층에 공급할 수 있는 다공성을 갖는다.

상기 탄소 분말로서는, 예를 들면, 활성탄소 (active carbon) 분말, 탄소나노튜브 (carbon nanotube) 분말, 탄소나노혼 (carbon nanohorn) 분말, 천연 또는 합성 흑연 분말, 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.

상기 탄소 분말의 평균입자크기, 표면적, 평균기공크기 등에 대하여 특별한 제한은 없다. 다만, 상기 탄소 분말의 평균입자크기가 너무 작으면, 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근이 방해될 수 있으며, 반응중 생성된 이산화탄소와 물의 배출 능력이 저하될 수 있다. 반면에, 상기 탄소 분말의 평균입자크기가 너무 크면, 마크로 포어가 형성되어 연료 담지 능력이 저하될 수 있으며, 반응 중 생성된 전자와 집전체와의 계면저항이 지나치게 증가할 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 탄소 분말의 평균입자크기는 약 10 nm 내지 약 2000 nm 정도로 할 수 있다.

상기 탄소 분말의 비표면적이 너무 작으면 연료의 담지 능력이 저하될 뿐만아니라 촉매와의 접촉저항이 증가될 수 있으며, 너무 크면 과도한 미세 다공성으로 인해서 반응생성물이 원활하게 배출되지 못 할 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 탄소 분말의 비표면적은 약 20 ㎡/g 내지 약 2000 ㎡/g 정도로 할 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 약 50 ㎡/g 내지 약 1500 ㎡/g 정도로 할 수 있으며, 더더욱 바람직하게는, 약 100 ㎡/g 내지 약 800 ㎡/g 정도로 할 수 있다.

상기 확산층의 평균기공크기가 너무 작으면 연료의 담지 및 배출이 원활하게 이루어지지 않을 수 있으며, 너무 크면 전자전도성이 저하될 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 확산층의 평균기공크기는 약 0.01 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 정도인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 약 0.1㎛ 내지 약 10 ㎛ 이며, 더더욱 바람직하게는 약 0.5㎛ 내지 약 2㎛ 이다. 상기 확산층의 다공성은 애노드의 경우는 약 30 내지 약 70%, 캐소드의 경우는 약 50 내지 약 90%인 것이 바람직하다.

상기 고분자 바인더로서는, 예를 들면, 테트라플루오로에틸렌계 호모폴리머 또는 코폴리머, 비닐리덴플루오라이드계 호모폴리머 또는 코폴리머, 비닐알코올계 호모폴리머 또는 코폴리머, 비닐부타디엔계 호모폴리머 또는 코폴리머, 실란계 호모폴리머 또는 코폴리머, 실록산계 호모폴리머 또는 코폴리머, 포스파젠계 호모폴리머 또는 코폴리머, 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다.

상기 고분자 바인더의 또 다른 예로서는, 친수성 단량체 또는 프리폴리머; 및 소수성 단량체 또는 프리폴리머의 공중합체가 있다. 상기 친수성 단량체 또는 프리폴리머의 예로서는 아크릴산, 메타크릴산, 무수말레인산, 아크릴아미드, 2-아크릴아미도-2-메틸프로판술폰산, 2-아크릴아미도-2-프로판카르복시산, 스티렌술폰산, 스티렌카르복시, 비닐피롤리돈, 비닐술폰산, 히드록시에틸아크릴레이트, 히드록시에틸메타크릴레이트 등이 있다. 상기 소수성 단량체 또는 프리폴리머의 예로서는 알킬 아크릴레이트 계, 알킬 메타크릴레이트 계, 또는 스티렌 계 등이 있다. 이때, 소수성 단량체에 비하여 친수성 단량체의 함량이 너무 작으면 담지된 연료가 애노드로 원활하게 공급되지 못할 가능성이 있으며, 너무 크면 담지되는 연료의 양이 너무 증가하여 애노드가 팽윤될 수 있을 뿐만아니라 발생한 이산화탄소의 배출이 원활히 이루어지지 않을 가능성이 있다. 캐소드에서는 이와 반대의 현상이 일어나기 때문에 확산층 중의 친수성 혹은 소수성 특성은 전극별로 적절한 친수성 혹은 소수성을 갖도록 해야 한다. 예를 들면, 상기 공중합체 중의 친수성 단량체 또는 프리폴리머 : 소수성 단량체 또는 프리폴리머의 중량비는 약 1 : 1 ~ 약 1 : 9 정도로 할 수 있다.

상기 확산층 중의 고분자 바인더의 함량이 너무 작으면 확산층의 기계적 강도가 과도하게 저하될 수 있으며, 너무 크면 확산층의 기공을 막아 연료 및 반응 기체의 촉매층으로의 공급이 원활하지 않을 가능성이 있을 뿐만 아니라 확산층의 전기저항이 과도하게 높아질 가능성이 있다. 이를 고려하여 상기 확산층 중의 고분자 바인더의 함량은 약 1 중량% 내지 약 60 중량%가 되도록 할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 약 2 중량% 내지 약 45 중량%가 되도록 할 수 있으며, 더더욱 바람직하게는 약 3 중량% 내지 약 40 중량%가 되도록 할 수 있다.

본 발명의 확산층의 두께가 너무 얇으면 그 기계적 강도가 과도하게 저하될 수 있고, 너무 두꺼우면 연료 및 반응 기체의 촉매층으로의 공급이 원활하지 않게될 가능성이 있다. 이를 고려하여 상기 확산층의 두께는 약 50 ㎛ 내지 약 1,000 ㎛이 되도록 할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 약 100 ㎛ 내지 약 600 ㎛이 되도록 할 수 있으며, 더더욱 바람직하게는 약 150 ㎛ 내지 약 300 ㎛이 되도록 할 수 있다.

본 발명의 확산층은 통상적으로는, 약 1 Ω·㎝ 이하의 전기적저항(electrical resistivity; in-plane과 thru-plane 저항)을 가질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 약 0.1 Ω·㎝ 이하의 저항을 가질 수 있으며, 더더욱 바람직하게는 약 0.01 Ω·㎝ 이하의 저항을 가질 수 있다.

본 발명의 확산층은 예를 들면 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다. 즉, i) 탄소 분말과 고분자 바인더를, 상기 고분자 바인더를 분산 또는 용해시킬 수 있는 알코올계 또는 그 외 극성 및 무극성의 적당한 용매를 사용하여 혼합하는 단계, ii) 상기 혼합물을 캐스팅 (casting)하여 필름으로 만드는 단계, iii) 상기 필름을 프레싱 (pressing)하여 얇은 필름을 형성하는 단계, iv) 이렇게 얻은 필름을 약 300℃ ~ 약 400℃의 온도에서 열처리하는 단계를 통하여 본 발명에 따른 확산층을 제조할 수 있다.

이렇게 제조된 확산층은 사용되는 고분자 바인더의 물성에 따라, 예를 들면, 유연특성을 갖거나 굳기특성을 가질 수 있다. 본 발명의 확산층은 취급하기에 충분한 기계적 강도를 가지며, 상기 확산층의 디멘젼(dimension)은 원하는 출력조건에 따라 다양하게 변화될 수 있다.

본 발명의 확산층은 연료전지의 애노드와 캐소드의 확산층으로서 적용될 수 있다. 특히, 본 발명의 확산층이 애노드의 확산층으로 적용되는 경우에, 애노드의 확산층은 메탄올 수용액과 같은 액상연료의 저장기능을 수행할 수도 있다. 이렇게 저장된 연료는 연료전지 작동 중에 애노드의 촉매층에 공급된다.

이하에서는, 본 발명의 연료전지용 전극에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서 제공하는 연료전지용 전극은 촉매층과 확산층을 포함하며, 이때상기 확산층은 본 발명에 따른 확산층인 것을 특징으로 한다.

연료전지용 전극이라 함은, 연료전지에 사용되는 애노드와 캐소드를 말한다. 애노드의 촉매층에서는 연료의 산화반응이 일어나며, 캐소드의 촉매층에서는 산소의 환원반응이 일어난다.

예를 들면, PEMFC 또는 DMFC(direct methanol fuel cell)의 애노드와 캐소드의 촉매층은, 일반적으로, 각각 연료의 산화반응과 산소의 환원반응을 일으킬 수 있는 촉매와, 상기 촉매를 고정시키고 촉매층의 기계적 강도를 유지하는 수소이온전도성 바인더 수지를 포함한다.

상기 촉매는 금속 촉매 또는 담지 촉매일 수 있다. 금속 촉매라 함은 연료의 산화반응 또는 산소의 환원반응을 일으킬 수 있는 촉매 금속 분말 그 자체를 의미한다. 담지 촉매라 함은 미세기공을 갖는 촉매 담체와 상기 촉매 담체의 미세기공에 담지된 촉매 금속 입자로 구성된 촉매를 의미한다. 상기 촉매 금속 입자로서는, 예를 들면, 백금 분말, Pt-Ru 분말 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 촉매 담체로서는, 예를 들면, 활성탄소 분말(active carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotube) 분말, 탄소나노혼(carbon nanohorn) 분말, 인조 또는 천연 카본블랙 등이 사용될 수 있다.

상기 수소이온전도성 바인더 수지로서는, 예를 들면, 술폰산기, 카르복실기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 히드록시기 등과 같은 양이온교환기를 갖는 폴리머를 사용할 수 있다. 양이온 교환기를 갖는 폴리머의 구체적인 예를 들면, 트리플루오로에틸렌 (trifluoroethylene), 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene), 스티렌-디비닐 벤젠 (styrene-divinyl benzene), α,β,β-트리플루오로스티렌 (α,β,β-trifluorostyrene), 스티렌 (styrene), 이미드 (imide), 술폰 (sulfone), 포스파젠 (phosphazene), 에테르에테르 케톤 (etherether ketone), 에틸렌옥사이드 (ethylene oxide), 폴리페닐렌 설파이드 (polyphenylene sulfide) 또는 방향족기 (aromatic group) 의 호모폴리머 (homopolymer) 및 코폴리머 (copolymer) 및 이들의 유도체 등이 있으며, 이들 폴리머는 단독 또는 조합으로 사용될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 양이온교환기를 갖는 폴리머는, 그 주쇄 및 측쇄의 탄소원자에 결합되어 있는 불소원자의 갯수 및 수소원자의 갯수의 총합 중 에서 불소원자의 갯수가 90% 이상인, 고불화폴리머 (highly fluorinated polymer)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 양이온교환기를 갖는 폴리머는, 측쇄의 말단에 양이온교환기로서 술포네이트 (sulfonate)를 가지며, 그 주쇄 및 측쇄의 탄소원자에 결합되어 있는 불소원자의 갯수 및 수소원자의 갯수의 총합 중 에서 불소원자의 갯수가 90% 이상인, 술포네이트고불화폴리머 (highly fluorinated polymer with sulfonate groups)를 포함할 수 있다.

상기 전극은, 예를 들면, 다음과 같은 방법으로 제조될 수 있다. 즉, (i) 촉매와 수소이온전도성 바인더 수지를 용매에 균질하게 분산시켜 촉매잉크를 제조하는 단계, (ii) 예를 들어, 프린팅(printing), 분무(spray), 롤링(rolling), 브러싱(brushing) 등과 같은 방법으로, 촉매잉크를 확산층 위에 고르게 도포하는 단계 및 (iii) 상기 결과물을 건조하여 촉매층을 형성하는 단계를 통하여, 촉매층과 확산층을 포함하는 전극이 제조된다.

이하에서는, 본 발명에서 제공하는 연료전지에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서 제공하는 연료전지는, 애노드; 캐소드; 및 수소이온전도성 전해질막을 포함하는데, 이때 상기 애노드, 또는 상기 캐소드, 또는 상기 애노드 및 상기 캐소드가 본 발명에 따른 확산층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료전지는, 예를 들면, PAFC, PEMFC, DMFC 등에 적용될 수 있다. 이러한 종류의 연료전지의 구성 및 제조방법은 많은 문헌에 공지되어 있어서 당업자라면 용이하게 알 수 있으므로, 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기의 실시예로 제한되는 것은 아니다.

<실시예>

실시예 1

용매인 초순수 500 ml에 폴리테트라플루오로에틸렌 3 g을 분산시킨 후 활성탄소 분말 97 g을 첨가하여 2 시간 동안 교반하였다. 상기 혼합된 슬러리를 약 100℃의 오븐에서 약 1 시간 이상 건조하였다. 건조된 고체 혼합물에 이소프로필알코올 300 ml을 섞어 다시 혼합한 후 캐스팅(casting) 및 프레싱(pressing)하여 200 ㎛ 두께의 박판으로 성형하고 350℃에서 열처리하여, PTFE 함량이 약 3 중량%인 확산층을 제조하였다.

용매인 초순수 500 ml에 폴리테트라플루오로에틸렌 30 g을 분산시킨 후 활성탄소 분말 70 g을 첨가하여 2 시간 동안 교반하였다. 상기 혼합된 슬러리를 약 100℃의 오븐에서 약 1 시간 이상 건조하였다. 건조된 고체 혼합물에 이소프로필알코올 300 ml을 섞어 다시 혼합한 후 캐스팅(casting) 및 프레싱(pressing)하여 200 ㎛ 두께의 박판으로 성형하고 350℃에서 열처리하여, PTFE 함량이 약 30 중량%인 확산층을 제조하였다.

Pt-Ru 분말 및 나피온(Nafion)을 이소프로필알콜과 노르말부틸알콜의 혼합 용매에 투입한 후 약 10분 이상 초음파조에서 분산시켰다. 이렇게 얻어진 촉매 잉크를, 앞에서 얻은 PTFE 함량이 약 3 중량%인 확산층에 스프레이 방식으로 도포한 후 건조함으로써 애노드 전극을 제조하였다. 이때, 건조된 촉매층의 나피온 함량은 약 10 중량%가 되도록 하였으며, 상기 애노드의 촉매로딩(loading) 양은 약 5 mg/cm²이었다.

Pt 블랙 분말 및 나피온(Nafion)을 이소프로필알콜과 노르말부틸알콜의 혼합 용매에 투입한 후 약 10분 이상 초음파 조에서 분산시켰다. 이렇게 얻어진 촉매 잉크를, 앞에서 얻은 PTFE 함량이 약 30 중량%인 확산층에 스프레이 방식으로 도포한 후 건조함으로써 캐소드 전극을 제조하였다. 이때, 건조된 촉매층의 나피온 함량은 약 10 중량%가 되도록 하였으며, 상기 캐소드의 촉매로딩(loading) 양은 약 5 mg/cm²이었다.

수소이온전도성 고분자전해질 막은, 듀퐁(Dupont)사의 나피온(Nafion) 115를 과산화수소와 황산으로 처리하여 표면의 유기물질을 제거하고 나피온 관능기 중의 나트륨이온을 수소이온으로 치환함으로써 준비하였다.

제조된 애노드 전극과 캐소드 전극을 가로 3㎝, 세로 3㎝의 크기로 절단하고, 준비된 수소이온 전도성 전해질 막을 전극 보다 큰 가로 5㎝, 세로 5㎝의 크기로 절단하였다. 애노드의 촉매층과 캐소드의 촉매층이 수소이온 전도성 전해질 막과 접촉하도록 배치한 후 약 140℃의 온도에서 약 200kg의 압력을 가하여 약 3 분 동안 가열·압착하여 MEA를 제조하였다.

본 실시예에서 제조된 단위전지의 구현예를 도 1에 나타내었다. 상기 제조된 MEA(100)의 애노드(101)와 캐소드(102)의 양단에 스테인레스강 재질의 연료채널(31, 32)을 두어 단위전지를 제작하였다. 상기 제조된 단위전지의 온도 조절을 위하여 연료채널(31, 32) 외부에 가열판(41, 42)을 둘 수 있고, 연료와 반응 기체가 유입되는 외벽을 둘 수 있다. 양쪽 전극(101, 102)과 연료채널(31, 32) 사이; 가열판(41, 42)과 외벽(61, 62) 사이에 연료와 반응 기체가 새지 않도록, 예를 들면, 실리콘, PTFE 혹은 그 유도체 재질의 개스킷(21, 22, 51, 52)을 사용할 수 있다.

상기 제조된 단위전지는 실온에서 애노드에 2M 메탄올 수용액을 펌프를 사용하여 1 ㎖/min의 속도로 공급하고, 캐소드에 산소를 2 ℓ/min의 속도로 공급하였다. 이와 같은 조건하에서, 상기 단위전지에 전자부하(electronic load)를 연결하여 전류밀도에 따른 전압강하를 측정하였다.

실시예 2

애노드 확산층의 PTFE 함량이 10 중량%인 것을 제외하고는, 실시예 1에서 얻은 것과 동일한 연료전지에 대하여 전류밀도에 따른 전압강하를 측정하였다.

비교 예

애노드 및 캐소드 확산층에 상업적으로 판매되는 일본 도레이(Toray)사의 탄소 종이(carbon paper)를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1에서 얻은 것과 동일한 연료전지에 대하여 전류밀도에 따른 전압강하를 측정하였다. 상기 비교예를 위하여 제조된 MEA의 애노드 확산층은 PTFE가 함침되지 않은 것을 사용하였고, 캐소드 확산층은 PTFE 함량이 약 30 중량%인 것을 사용하였다.

<평가 결과>

실시예 1, 2와 비교예에서 측정한 전압강하 곡선을 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타나 있는 바와 같이, 실시예 1, 2에서의 전류밀도 증가에 따른 전압강하의 정도가 비교예보다 완만함을 알 수 있다. 전압강하 곡선의 기울기가 완만하다는 것은 본 발명에 따른 고분자 전해질 막 연료전지가 더 효율적으로 부하변동에 응답할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 실시예 1, 2에서의 최대전류밀도가 비교예보다 더 크다는 것을 알 수 있다. 최대전류밀도의 향상은 공급전력의 최대치의 향상으로 나타난다.

상기와 같은 사실로부터 본 발명에 따른 확산층은, 외부 전기회로와 원활한 전기적 연결을 가능하게 하는 균질한 전자전도성을 가지며, 또한 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한 접근을 가능하게 하는 다공성을 가지기 때문에, 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 확산층은 외부 전기회로와 원활한 전기적 연결을 가능하게 하는 균질한 전자전도성을 가지며, 또한 촉매층에 대한 연료와 반응기체의 원활한접근을 가능하게 하는 다공성을 가질 뿐만아니라, 메탄올수용액과 같은 연료를 담지할 수 있고 연료전지 작동 중에는 상기 담지된 연료를 촉매층에 공급할 수 있는 다공성을 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 확산층은, 제작이 간편하고, 제작시 형태 변형이 자유로워 사용자의 요구 사양에 따른 다양한 형태로의 제작이 가능하다.

본 발명의 연료전지용 전극 및 연료전지는, 상기와 같은 본 발명에 따른 확산층을 채용함으로써, 향상된 성능을 발휘할 수 있다.

Claims (13)

1. 탄소 분말과 고분자 바인더를 포함하는 연료전지용 전극의 확산층.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 분말이 활성탄소 분말, 탄소나노튜브 분말, 탄소나노혼 분말, 흑연 분말 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 확산층.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 분말의 평균입자크기가 10 nm 내지 2000 nm인 것을 특징으로 하는 확산층.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 분말의 비표면적이 20 ㎡/g 내지 2000 ㎡/g인 것을 특징으로 하는 확산층.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 확산층의 평균기공크기가 0.01 ㎛내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 확산층.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 바인더가 테트라플루오로에틸렌계 호모폴리머 또는 코폴리머, 비닐리덴플루오라이드계 호모폴리머 또는 코폴리머, 비닐알코올계 호모폴리머 또는 코폴리머, 비닐부타디엔계 호모폴리머 또는 코폴리머, 실란계 호모폴리머 또는 코폴리머, 실록산계 호모폴리머 또는 코폴리머, 포스파젠계 호모폴리머 또는 코폴리머, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 확산층.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 바인더가 친수성 단량체 또는 프리폴리머; 및 소수성 단량체 또는 프리폴리머의 공중합체인 것을 특징으로 하는 확산층.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 고분자 바인더의 함량이 1 중량% 내지 60 중량%인 것을 특징으로 하는 확산층.
9. 제 1 항에 있어서, 50 ㎛ 내지 1,000 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 확산층.
10. 촉매층과 확산층을 포함하는 연료전지용 전극에 있어서, 상기 확산층이 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 확산층인 것을 특징으로 하는 연료전지용전극.
11. 연료의 산화반응이 일어나는 애노드;

    산화제의 환원반응이 일어나는 캐소드; 및

    수소이온전도성 전해질막을 포함하는 연료전지에 있어서,

    상기 애노드, 또는 상기 캐소드, 또는 상기 애노드 및 상기 캐소드가 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 확산층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
12. (i) 탄소 분말과 고분자 바인더를, 상기 고분자 바인더를 분산 또는 용해시킬 수 있는 알코올계 또는 그 외 극성 및 무극성의 적당한 용매를 사용하여 혼합하는 단계;

    (ii) 상기 혼합물을 캐스팅 (casting)하여 필름으로 만드는 단계;

    (iii) 상기 필름을 프레싱 (pressing)하여 얇은 필름을 형성하는 단계; 및

    (iv) 이렇게 얻은 필름을 300℃ 내지 400℃의 온도에서 열처리하는 단계를 포함하는, 연료전지용 전극의 확산층 제조 방법.
13. 애노드의 확산층에 메탄올수용액과 같은 연료를 담지시키고, 연료전지 작동 중에 상기 담지된 연료가 촉매층에 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 작동 방법.