KR20050121911A - 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 상기 연료전지용 전극은 촉매층; 수분 함습성이나 수분 보유력을 가지는 고분자로 이루어진 다공성 고분자층; 및 도전성 기재로 이루어진 기체 확산층을 포함한다. 상기 연료전지는 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극중 어느 하나에 접촉하여 기체를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴러 플레이트를 포함하고, 상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 촉매층; 수분 함습성이나 수분 보유력을 가지는 고분자로 이루어진 다공성 고분자층; 및 도전성 기재로 이루어진 기체 확산층을 포함한다.

Description

연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지{A ELECTRODE FOR FUEL CELL AND A FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수분을 함습할 수 있거나 용이하게 제조할 수 있는 다공성 고분자층 전극을 사용하여 가습장치를 제거하여 연료전지 시스템을 소형화할 수 있는 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키고 그 수소 기체를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)와 이의 양면에 밀착하는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 복수개 적층되어 전기적으로 직렬 접속된 구조를 갖는다. 막/전극 접합체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 결합된 구조를 가진다. 상기 바이폴러 플레이트는 상기 각각의 막/전극 접합체를 분리하고 연료 전지의 반응에 필요한 수소 기체와 산소를 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할과, 각 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 바이폴러 플레이트를 통해 애노드 전극에는 수소 기체가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 하기 반응식과 같이 애노드 전극에서는 수소 기체의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.
애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 전극: 2H+ + 1/2 O2 + 2e- → H2O
상기 반응식에서 프로톤은 불소계 고분자 전해질막을 통하여 이동되는데 프로톤이 이동되기 위해서는 가습을 시켜야 하므로 별도로 가습장치를 만들어 구동해야 하므로 연료전지 시스템의 대형화를 초래하고 비용이 증가한다는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 별도의 가습장치가 필요없는 연료전지 시스템을 제공할 수 있는 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 촉매층; 수분 함습성이나 수분 보유력을 가지는 고분자로 이루어진 다공성 고분자층; 및 도전성 기재로 이루어진 기체 확산층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극중 어느 하나에 접촉하여 기체를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴러 플레이트를 포함하고,
상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 촉매층; 수분 함습성이나 수분 보유력을 가지는 고분자로 이루어진 다공성 고분자층; 및 도전성 기재로 이루어진 기체 확산층을 포함하는 연료전지를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
연료전지의 전극은 일반적으로 촉매층과 기체 확산층(gas diffusion layer; GDL)으로 이루어지며, 기체 확산층의 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여 촉매층과 기체 확산층 사이에 일정 두께 범위의 미세 기공층(microporous layer)을 포함한다.
본 발명에서는 상기 촉매층과 기체 확산층 사이에 수분 함습성이나 수분 보유력을 가지는 고분자로 이루어진 다공성 고분자층을 두어 캐소드에서 생성된 물이 고분자 전해질 막과 캐소드 사이에 일정량 존재하게 한다. 통상적인 연료전지는 일정한 정도의 습도가 유지되는 상태에서 작동하기 때문에 적절한 수준으로 습도를 유지해 주는 것이 필요하다. 본 발명에서는 상기 다공성 고분자층이 캐소드 전극에서 발생하는 물을 흡수하여 연료전지용 고분자 전해질막의 습도를 일정하게 유지하는 역할을 하므로, 별도의 가습장치를 필요로 하지 않는 저온 무가습형 연료전지의 개발을 가능하게 한다.
상기 고분자층은 기체 투과성을 가지므로 반응기체를 통과시키나 물을 일정량 함습하여 고분자 전해질 막에 수분을 공급하여 전해질 막의 프로톤 전도성을 향상시킨다. 캐소드의 환원반응에 의하여 과량의 물이 발생하면 상기 고분자층을 통과하여 기체 확산층으로 배출된다. 본 발명에서 고분자 무게의 10 내지 100,000%, 바람직하게는 10 내지 10,000%, 더 바람직하게는 10 내지 200%의 수분을 함습하거나 보유할 수 있는 고분자가 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 함습성 고분자 또는 수분 보유력을 가지는 고분자의 예로는 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 폴리히드록시에틸메틸아크릴레이트(PHEMA) 또는 이들의 복합화된 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 또한 고분자 골격내에 -OH, -CO2H, -SO3H 등의 극성기가 붙어 있는 고분자도 가능하다. 본 발명에 사용되는 상기 고분자들은 가공성이 용이하여 다공성 고분자층을 제조하기에 용이하다.
상기 다공성 고분자층은 0.1 내지 90%의 기공도, 바람직하게는 0.1 내지 50%의 기공도를 가진다. 기공도가 0.1% 미만이면 기체의 투과도가 미미하여 바람직하지 않고, 90%를 초과하면 기계적 강도가 저하되어 바람직하지 않다.
상기 다공성 고분자층은 각각 1 내지 100 ㎛의 평균직경을 가지는 기공을 포함하는 것이 바람직하며, 1 내지 50 ㎛인 것이 더 바람직하다. 기공의 크기가 1 ㎛ 미만이면 기체의 투과도가 미미하여 바람직하지 않고, 100 ㎛를 초과하면 기계적 강도가 저하되어 바람직하지 않다.
상기 다공성 고분자층은 3차원적으로 연결된 개방형 미세기공이 형성되어 있는 다공성 고분자층을 사용하는 것이 바람직하며, 3차원으로 연결된 개방형 미세기공이 형성되어 있는 박막이나 부직포 형태로 제조하여 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 박막이나 부직포를 제조하는 방법은 특별히 한정되지 아니하며, 바람직하게는 용매증발, 추출, 또는 상분리 방법 등을 통하여 박막에 미세 기공을 형성하거나 통상적인 부직포 제조방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들면, 섬유(fiber), 바인더 및 용매의 혼합 슬러리를 코팅한 후, 용매를 증발시키거나, 고분자가 용매에 균일하게 용해된 고분자 용액을 도포한 후, 용매를 급격히 휘발시켜 기공을 형성시키거나, 또는 고분자가 용매에 균일하게 용해된 고분자 용액을 상기 고분자에 대한 친화성이 낮은 다른 용매에 담그어 상분리를 유도시키는 방법으로 다공성 고분자층을 제조할 수 있다. 또한, 고분자와 휘발성이 낮은 용매 또는 분자량 10,000 이하의 유기물 또는 무기물을 혼합하여 필름을 제조한 후 휘발성이 낮은 용매 또는 분자량 10,000 이하의 유기물 혹은 무기물 만을 선택적으로 용해시킬 수 있는 용매에 담그어 이를 추출해내는 방법으로 다공성 고분자층을 제조할 수 있다. 또한, 발포제와 고분자가 혼합된 필름을 제조한 후 가열 혹은 광조사(光照射)를 이용하여 발포를 일으켜 다공성 고분자층을 제조할 수 있다. 이러한 고분자층은 필름 형태로 만들어 촉매층과 기체 확산층 사이에 끼워 넣을 수도 있고 기체 확산층 위에 필름을 형성시켜 고분자층을 만들 수도 있다.
상기 촉매층은 관련 반응(수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 포함하는 것으로서, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-전이금속 합금이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 백금과 합금을 이루는 전이금속의 바람직한 예로는 루테늄, 오스뮴, 코발트, 철, 크롬, 니켈 등이 있다.
이들 금속 촉매는 담체에 지지되어 사용되는 것이 바람직하다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연 등과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기 기체 확산층은 연료 전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 반응 기체를 확산시켜 촉매층으로 반응 기체가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 하는 것으로서, 일반적으로 도전성 기재(substrate)로 구성되며, 이러한 도전성 기재로는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 등을 사용할 수 있다. 상기 도전성 기재는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 발수 처리하여 사용될 수도 있다.
상기 다공성 고분자층과 촉매층 사이에 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여 미세 기공층을 더 둘 수 있다. 상기 미세 기공층은 기체를 균일하게 촉매층에 공급하고 촉매층에 형성된 전자를 다공성 고분자층에 전달하는 역할을 한다. 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노와이어 등과 같은 나노카본, 또는 카본나노혼(carbon nano-horn)을 포함할 수 있다.
상기 미세기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 도전성 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고 상기 용매로는, 에탄올, 이소프로필알코올, 에틸알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아미드(DMAc), 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드(DMSO), N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
연료 전지에서 캐소드 및 애노드 전극은 물질로 구별되는 것이 아니라, 그 역할로 구별되는 것으로서, 연료 전지용 전극은 수소 산화용 애노드 및 산소의 환원용 캐소드로 구별된다. 따라서, 본 발명의 연료 전지용 전극은 캐소드 및 애노드 전극에 모두 사용가능하다. 즉, 연료 전지에서 수소 또는 연료를 상기 애노드에 공급하고 산소를 상기 캐소드에 공급하여, 애노드와 캐소드의 전기화학 반응에 의하여 전기를 생성한다. 애노드에서 수소 또는 유기 연료의 산화 반응이 일어나고 캐소드에서 산소의 환원 반응이 일어나 두 전극간의 전압차를 발생시키게 된다.
도 1은 애노드(3), 캐소드(5), 및 고분자 전해질 막(7)을 포함하는 연료전지(1)의 작동상태를 개략적으로 보인 도면이다. 상기 애노드(3)와 캐소드(5) 전극으로 본 발명의 전극이 사용될 수 있다. 도 1을 참조하여 설명하면, 수소 기체 또는 연료가 상기 애노드(3)에 공급되면 전기화학적 산화반응이 일어나면서 수소이온 H+와 전자 e-로 이온화되면서 산화된다. 이온화된 수소이온은 고분자 전해질 막(7)을 통하여 캐소드(5)로 이동하고 전자는 외부 회로를 통해 캐소드(5)로 이동한다. 캐소드(5)로 이동한 수소 이온은 캐소드(5)로 공급되는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시키고 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.
상기 고분자 전해질 막(7)은 수소이온-전도성 중합체 물질, 즉 이오노머(ionomer)로 이루어지며, 일반적으로 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤 또는 폴리벤즈이미다졸 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로 상기 고분자 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.
연료전지는 막/전극 접합체를 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 바이폴러 플레이트 사이에 삽입하여 단위 전지를 제조하고, 이를 적층하여 스택을 제조한 후, 이를 두 개의 엔드 플레이트(end plate) 사이에 삽입하여 제조할 수 있다. 연료 전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 용이하게 제조될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1: 전극 및 단위 전지의 제조)
백금이 담지된 탄소분말(Pt/C), 폴리테트라플루오로에틸렌 고분자 및 용매로 이소프로필알콜을 혼합하여 촉매층 형성용 코팅 조성물을 제조하였다.
N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 50ml에 폴리비닐클로라이드 7g과 디부틸프탈레이트 3g을 혼합한 후 필름 캐스팅하여 20마이크로미터 두께의 필름을 만든 후 메탄올에서 디부틸프탈레이트를 추출하여 다공성 고분자층을 제조하였다. 이렇게 만든 다공성 고분자층을 탄소 페이퍼 위에 두거나 추출하기전의 용액을 탄소페이퍼에 코팅한 후 디부틸프탈레이트를 추출하고 촉매층 슬러리를 다공성 폴리머층 위에 코팅한 후 고온에서 용매를 증발시켰다.
상기 전극을 애노드 및 캐소드로 하여 그 사이에 Nafion(DuPont 사 제품) 고분자 막을 놓고 열간 압연하여 막/전극 접합체(MEA)를 제조하였다.
상기 제조된 막/전극 접합체를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴러 플레이트에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.
(비교예 1)
상기 촉매층과 탄소 페이퍼 사이에 있는 다공성 고분자층을 형성하지 않은 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1의 전지의 전압과 전류밀도를 측정하여 도 2에 기재하였다. 도 2에 도시된 바와 같이 실시예 1의 전류밀도가 비교예 1에 비하여 우수한 것으로 나타났다.
또한 실시예 1에 따라 제조된 전지는 별도의 가습장치로 가습하지 않아도 100시간 이상 운전이 가능하였으나 비교예 1의 전지는 가습을 하지 않은 상태에서 30 시간 운전 후에는 성능이 저하되는 것으로 나타났다.
본 발명의 연료전지용 전극에서는 촉매층과 기체 확산층 사이에 수분 함습력이나 수분 보유력이 우수한 다공성 고분자층을 두어 캐소드의 환원반응에 의하여 생성된 수분을 일정량 보유하여 전해질 막에 공급함으로써 별도의 가습장치없이 연료전지의 운전을 가능하게 할 수 있다. 따라서 연료전지 시스템의 소형화를 꾀할 수 있으며, 비용을 절감할 수 있고 설치공간이 부족한 차량용 연료전지 시스템에 적합하게 이용될 수 있다.
도 1은 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지의 작동상태를 개략적으로 보인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1에 따른 단위 전지의 전압과 전류밀도 특성을 보인 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 연료전지 3: 애노드
5: 캐소드 7: 고분자 전해질 막

Claims (18)

  1. 촉매층;
    수분 함습성 또는 수분 보유력을 가지는 고분자로 이루어진 다공성 고분자층; 및
    도전성 기재로 이루어진 기체 확산층을 포함하는 연료전지용 전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴 또는 백금-전이금속 합금의 금속 촉매를 포함하는 연료전지용 전극.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자층은 고분자 무게의 10 내지 100,000%, 의 수분을 함습할 수 있는 것인 연료전지용 전극.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자층은 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리히드록시에틸메틸아크릴레이트 및 이들의 복합화된 고분자로 이루어지는 연료전지용 전극.
  5. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자층은 고분자 골격내에 -OH, -CO2H, 및 -SO3H으로 이루어진 군에서 선택되는 극성기를 포함하는 고분자로 이루어지는 연료전지용 전극.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자층은 0.1 내지 90%의 기공도를 가지는 것인 연료전지용 전극.
  7. 제6항에 있어서, 상기 다공성 고분자층은 0.1 내지 50%의 기공도를 가지는 것인 연료전지용 전극.
  8. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자층은 각각 1 내지 100 ㎛의 평균직경을 가지는 기공을 포함하는 것인 연료전지용 전극.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다공성 고분자층과 촉매층 사이에 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여 미세 기공층을 더 포함하는 것인 연료전지용 전극.
  10. 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극중 어느 하나에 접촉하여 기체를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴러 플레이트를 포함하고,
    상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 촉매층; 수분 함습성이나 수분 보유력을 가지는 고분자로 이루어진 다공성 고분자층; 및 도전성 기재로 이루어진 기체 확산층을 포함하는 연료전지.
  11. 제10항에 있어서, 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴 또는 백금-전이금속 합금의 금속 촉매를 포함하는 연료전지.
  12. 제10항에 있어서, 상기 다공성 고분자층은 고분자 무게의 10 내지 100,000%, 의 물을 함습할 수 있는 것인 연료전지용 전극.
  13. 제10항에 있어서, 상기 다공성 고분자층은 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리히드록시에틸메틸아크릴레이트 및 이들의 복합화된 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지.
  14. 제10항에 있어서, 상기 다공성 고분자층은 고분자 골격내에 -OH, -CO2H, 및 -SO3H으로 이루어진 군에서 선택되는 극성기를 포함하는 고분자로 이루어지는 연료전지.
  15. 제10항에 있어서, 상기 다공성 고분자층은 0.1 내지 90%의 기공도를 가지는 것인 연료전지.
  16. 제15항에 있어서, 상기 다공성 고분자층은 0.1 내지 50%의 기공도를 가지는 것인 연료전지.
  17. 제10항에 있어서, 상기 다공성 고분자층은 각각 1 내지 100 ㎛의 평균직경을 가지는 기공을 포함하는 것인 연료전지.
  18. 제10항에 있어서, 상기 다공성 고분자층과 촉매층 사이에 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여 미세 기공층을 더 포함하는 것인 연료전지.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100670284B1 (ko) * 2005-02-04 2007-01-16 삼성에스디아이 주식회사 연료전지
WO2008030198A1 (en) * 2006-09-07 2008-03-13 Nanyang Technological University Electrode composite material
WO2018118875A1 (en) * 2016-12-20 2018-06-28 3M Innovative Properties Company Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101882863B1 (ko) 2013-01-10 2018-08-24 삼성전자주식회사 고분자, 그 제조방법, 이로부터 형성된 복합체, 이를 포함한 전극과 복합막 및 이를 채용한 연료전지

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001093544A (ja) 1999-09-24 2001-04-06 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池用電極、その製造方法並びに燃料電池
JP3812901B2 (ja) 2002-11-08 2006-08-23 本田技研工業株式会社 固体高分子型燃料電池用の電極構造体

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100670284B1 (ko) * 2005-02-04 2007-01-16 삼성에스디아이 주식회사 연료전지
WO2008030198A1 (en) * 2006-09-07 2008-03-13 Nanyang Technological University Electrode composite material
US8148027B2 (en) 2006-09-07 2012-04-03 Nanyang Technological University Electrode composite material
WO2018118875A1 (en) * 2016-12-20 2018-06-28 3M Innovative Properties Company Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell
US11063284B2 (en) 2016-12-20 2021-07-13 3M Innovative Properties Company Membrane electrode assembly and solid polymer fuel cell

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