KR20050119765A - 신규 촉매층 형성용 조성물 및 이를 이용한 전극막접합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 촉매층 형성용 조성물 및 이를 이용한 전극막접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 본 발명에서 백금 담지 카본 촉매, 이온전도성 바인더, 카본나노튜브 및 용매로 구성되며 상기 카본나노튜브를 0.1 내지 60 중량%로 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 이용함으로써 기존에 사용된 백금 담지 카본 촉매 및 이온전도성 바인더로 구성된 촉매층 형성용 조성물과 유사한 전기화학적 성능을 유지하면서도 고가인 백금의 사용량을 감소시키므로, 연료전지를 경제적으로 제조하는데 매우 유용하다.

Description

신규 촉매층 형성용 조성물 및 이를 이용한 전극막접합체{New Catalyst Layer Forming Composition and Membrane Electrode Assembly Using Said Composition}

본 발명은 연료전지의 촉매층 형성용 조성물 및 이를 이용한 전극막접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)에 관한 것이다.

현재의 추세대로 진행된다면 2050년경에는 화석에너지의 고갈로 인해 인류가 에너지 위기에 처하게 될 뿐 아니라, 환경은 갈수록 악화될 것이다. 따라서, 현재 자원의 이용률을 높이고 환경 오염을 감소시키는 기술이 연구개발의 주요한 과제가 되고 있다. 이러한 상황에서 연료전지의 기술은 일종의 차세대 청정 에너지 기술로 국제 하이테크 경쟁의 핵심이 되고 있다.

연료전지는 지난 수년 동안 우주선의 전력과 물을 공급하기 위해 연구개발되어 왔으며 기술의 발전과 생산가격의 지속적인 절감으로 상업화의 전기를 맞고 있다. 현재 그 응용분야로서는 우주선부터 보조 발전기(uninterrupted power supply(UPS), auxiliary power supply(APS)), 휴대용 발전기(portable power generator), 잠수함, 자동차, 버스 등으로 응용범위를 넓혀 나가고 있다. 특히, 연료전지가 차세대 에너지원으로 주목받는 이유는 높은 에너지 전환 효율과 환경 친화적 특성에 기인한다. 연료전지는 배터리나 연소기관(combustion engine)보다 더 효율적이며 연료가 공급되는 한, 계속적으로 전기를 생산할 수 있다.

수소와 산소를 연료로 하는 고분자 연료전지(PEMFC)는 자동차용으로의 적용을 목표로 꾸준한 성능향상과 기술발전을 이루고 있으며 근래에는 가정용 발전기(residential power generator), 휴대용 발전기(portable generator)로서 많은 응용예가 보고되고 있다.

직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 메탄올이 비교적 싸고 풍부하여 연료의 안정적 공급이 가능하고 휴대와 연료저장이 편리하다는 장점을 갖고 있다. 또한 시스템의 구조가 간단하고 체적이 작고 작동시간이 연료의 휴대량에 결정되며 전지의 정격용량의 제한을 받지 않는다. 또한 유해 배기가스가 거의 배출되지 않는다. 이러한 이유로 인해 메탄올 연료전지는 연구의 주제로서 산업/학계의 관심을 받고 있다. 이 전지는 단독으로 사용될 수 있는데 높은 에너지 용량을 요구하는 노트북, 비디오카메라, PDA 등 작은 이동전원용 발전기나 원거리 센서(remote sensor) 등에 사용될 수 있어 그 응용전망이 매우 크다.

상기에서 언급된 바와 같이, 연료전지는 수소 또는 메탄올 연료와 공기중의 산소를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 전환시켜주는 장치이다. 모든 연료전지는 음극(anode)과 양극(cathode)이라 불리는 두 전극과 그 사이에 고분자 전해질막으로 구성되어 있으며 전기를 생성하는 반응이 이들 양 전극에서 일어난다. 일반적으로 전극막접합체는 연료확산층(gas diffusion layer)이라 불리우는 카본페이퍼층 또는 카본천층(보통 100~300 ㎛)을 포함하는데, 도 1에 나타난 바와 같이 연료극 확산층, 음극, 고분자막, 양극, 공기극 확산층의 5개 층으로 구성된다. 특히 다공성 구조의 연료극 확산층은 연료와 산화제가 촉매층에 직접적으로 균일하게 접촉하도록 하는 역할, 촉매의 유실을 방지하는 지지체의 역할 및 촉매 층에서 발생된 전자를 이동시키는 역할을 하여 연료전지시스템의 성능과 장기성능(durability)에 기여한다.

보통 전극막접합체의 제조방법에는 두 가지가 알려져 있다. 첫번째는 촉매 잉크를 확산층 쪽에 코팅한 다음 이를 고분자막에 접합하는 방법으로, 이는 전통적으로 사용해 오던 방법이며, 기재가 다공성이어서 촉매 잉크의 침투가 빠르므로 다양한 코팅 방법이 적용될 수 있다. 두 번째는 촉매 잉크를 고분자막 표면에 직접적으로 코팅한 다음 확산층을 고분자막의 양면에 접합하는 방법으로, 이는 첫번째 방법과 비교하여 높은 전기화학적 성능과 높은 촉매 이용율(catalyst utilization rate)을 나타내므로 전극막접합체의 제조원가 절감에 잘 부합하는 방법으로 인식되어 왔다. 그러나, 기재인 고분자막이 촉매 잉크 중의 용매를 흡수하여 변형되는 관계로 촉매 잉크 중의 용매양이 많은 코팅 방법의 경우에는 그 적용에 한계가 있었다.

현재 일반적으로 수소연료전지의 경우 약 0.4 mg/cm²의 백금 촉매를 사용하며, 메탄올 연료전지의 경우 약 4 mg/cm²의 백금 촉매를 사용하고 있기 때문에 전극막접합체 제조과정 중 성능의 저하없이 촉매 사용량을 절대적으로 줄이는 기술이 필요하다.

본 발명자들은 전기화학적 성능을 유지하면서도 고가인 백금 촉매의 사용량을 감소시킬 수 있는 전극막접합체의 제조를 연구하던 중, 백금 담지 카본 촉매의 사용량을 줄이기 위하여 카본나노튜브를 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 개발함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

이에, 본 발명은 백금 담지 카본 촉매, 이온전도성 바인더, 카본나노튜브 및 용매로 구성되며 상기 카본나노튜브를 0.1 내지 60 중량%로 포함하는 연료전지의 촉매층 형성용 조성물 및 이를 이용한 전극막접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 백금 담지 카본 촉매, 이온전도성 바인더, 카본나노튜브 및 용매로 구성되며 상기 카본나노튜브를 0.1 내지 60 중량%로 포함하는 촉매층 형성용 조성물을 제공한다.

상기 카본나노튜브의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우에는 백금 담지 촉매의 절감 효과가 없어 비경제적이며, 60 중량%를 초과하는 경우에는 백금 담지 촉매의 절감 효과는 높으나 전지 성능이 급격히 하락하는 문제가 있다.

상기 촉매층 형성용 조성물은 백금 담지 카본 촉매, 카본나노튜브, 이온전도성 바인더를 촉매입자에 대한 분산성이 좋은 극성용매 예를들어 알코올, 물 또는 알코올과 물의 혼합용매에 기계적, 화학적 방법을 통해 분산시킴으로써 얻어진다. 본 발명에서 사용된 카본나노튜브는 기존에 사용되어 온 백금 담지 카본 촉매를 일정양 대체하여 기존 방법과 같은 극성용매에 분산된다.

본 발명에서 사용된 이온전도성 바인더는 나피온(Nafion) 용액이며 EW가 500 내지 1500인 수소이온 전도성 고분자를 사용한다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 2에서는 종래 사용되는 연료전지용 전극층에서 촉매 입자의 기능과 이온전도성 바인더의 기능에 대하여 설명해 준다. 공급된 연료가 백금 담지 카본 촉매(3)의 촉매 표면에서 백금에 의해 수소 이온과 전자로 분해된다

H₂ → 2H⁺ + 2e^-

발생된 수소 이온은 이온전도성 바인더(4)를 따라 이온 교환막(2)으로 이동하여 반대편 전극으로 보내진다. 또한, 발생된 전자는 백금 촉매의 지지체인 전도성 카본을 따라 카본 페이퍼(1)로 이동, 외부 단자에 의해 전기로 회수된다.

즉, 종래 사용되는 연료전지용 전극은 백금 담지 카본 촉매와 이온전도성 바인더로 구성되며 고가인 백금 촉매의 사용량을 줄이기 위해서는 촉매의 코팅양을 줄이는 방법이 유일한 방법이었다. 그러나 촉매 코팅양을 줄여 전극의 두께를 줄일 경우 노출된 촉매 표면적이 줄어들기 때문에 전극막접합체의 성능이 감소한다.

따라서, 본 발명에서는 종래 사용하던 전극의 구성성분인 백금 담지 카본 촉매와 이온전도성 바인더에 새로운 성분인 카본나노튜브를 첨가함으로써 백금 촉매의 사용량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 촉매층 형성용 조성물을 제공한다.

본 발명에서는 절대 촉매 사용량을 감소하기 위하여, 카본나노튜브 또는 카본나노섬유(carbon nano fiber)와 같은 고전도성 카본을 백금 담지 카본 촉매와 함께 용매에 분산하였다. 이때 고전도성 카본을 상기 촉매 중량의 5% 내지 200%까지 사용하여 촉매층 형성용 조성물의 전극 코팅시에 백금의 사용량을 최대 80%까지 감소시킨다. 전극 제조 후의 전극 두께는 자유롭게 조절될 수 있다.

도 3은 본 발명의 신규 전극구조를 나타낸다. 본 발명에서 사용되는 카본나노튜브 또는 카본나노섬유는 백금 촉매를 담지하기 위하여 사용되는 표면적이 150-1200 m²/g인 카본 지지체보다 전기전도성이 훨씬 우수하다. 따라서 백금 촉매의 표면에서 발생된 전자를 카본페이퍼 및 외부단자로 전달하는 역할이 탁월하여 촉매의 활성을 높여주는 역할을 한다. 또한 전극의 두께를 일정수준으로 유지시켜 주기 때문에 연료가 백금 촉매 표면 위에서 충분히 반응할 시간을 제공할 뿐 아니라, 백금 담지체인 카본이 보통 구형인데 반해 카본나노튜브는 섬유형이기 때문에 전극의 미세기공(micropore)을 제공하여 연료의 촉매 표면 침투를 원활하게 한다.

또한, 본 발명은 상기 연료전지의 촉매층 형성용 조성물을 전극 지지체 상에 형성된 확산층 상부에 코팅하여 촉매층을 형성함으로써 양극과 음극을 각각 제조한 후, 상기 양극과 음극 사이에 전해질막을 개재하여 제조된 연료전지용 전극막접합체를 제공한다.

이때, 상기 코팅은 그라비어(gravure), 블레이드(blade) 코팅, 스퓨터링(sputtering), 스크린 프린팅(screen printing), 데칼(decal), 스프레이(spray) 등의 다양한 코팅방법을 적용할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 전극막접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.

특히, 상기 연료전지는 고체고분자 연료전지(PEMFC) 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)이다.

상기 살펴본 바와 같이, 본 발명의 촉매층 형성용 조성물을 이용하면 기존에 사용된 백금 담지 카본 촉매 및 이온전도성 바인더로 구성된 촉매층 형성용 조성물과 유사한 전기화학적 성능을 유지하면서도 고가인 백금의 사용량을 감소시키므로, 경제적으로 매우 유용한 연료전지를 제조할 수 있다.

도 1은 프로톤 교환막 연료전지용 전극막접합체의 개략도이고,

1: 연료극 확산층(anode gas diffusion layer)

2: 연료전극, 음극(anode)

3: 고분자 막(proton exchange membrane)

4: 공기전극, 양극(cathode)

5: 공기극 확산층(cathode gas diffusion layer)

도 2는 종래에 사용하던 전극 구조에 관한 것이고,

1: 카본 페이퍼

2: 이온 교환막

3: 백금 담지 카본 촉매

4: 이온전도성 바인더

도 3은 본 발명의 신규 전극 구조에 관한 것이다.

Claims (3)

1. 백금 담지 카본 촉매, 이온전도성 바인더, 카본나노튜브 및 용매로 구성되며 상기 카본나노튜브를 0.1 내지 60 중량%로 포함하는 촉매층 형성용 조성물.
2. 제 1항의 촉매층 형성용 조성물을 전극 지지체 상에 형성된 확산층 상부에 코팅하여 촉매층을 형성함으로써 양극과 음극을 각각 제조한 후, 상기 양극과 음극 사이에 전해질막을 개재하여 제조된 연료전지용 전극막접합체.
3. 제 2항의 전극막접합체를 포함하는 연료전지.