KR20060001603A - 연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는연료전지 - Google Patents

연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 상기 고분자 막/전극 접합체는 촉매층과 전극 지지체로 이루어진 애노드와 캐소드 전극; 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 막을 포함하고, 상기 고분자 막은 측쇄에 수소 이온 전도성 관능기가 도입된 폴리페닐렌비닐렌계 고분자로 이루어진다. 상기 고분자 막은 고온에서 안전하고 수소이온 전도성이 우수하여 고온에서 연료전지의 무가습 운전을 가능하게 하며 기계적 강도도 우수하다.
연료전지, 고분자 전해질막, 폴리페닐렌비닐렌

Description

연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에{A MEMBRANE/ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND A FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
도 1은 고분자 막을 포함하는 연료전지의 작동상태를 개략적으로 보인 단면이다.
도 2는 본 발명의 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따른 단위 셀의 전압 및 전류밀도 특성을 보인 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 연료전지 3: 애노드
5: 캐소드 7: 고분자 막
10: 막/전극 접합체 100, 100': 전극
101, 101': 전극 지지체 103,103':촉매층
105,105': 미세기공층
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온에서 안전하고 수소이온 전도성이 우수하여 고온에서 연료전지의 무가습 운전을 가능하게 하며 기계적 강도도 우수한 고분자 막/전극 접합체 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.
연료 전지는 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염형 연료 전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높고, 작동 온도가 낮고, 아울러 빠른 시동 및 응답특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용(transportable) 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 고분자 전해질형 연료전지는 기본적으로 시스템을 구성하기 위 해, 스택(stack), 개질기(reformer), 연료탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료전지의 본체를 형성하며, 연료펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소기체를 발생시키고 그 수소 기체를 스택으로 공급한다. 따라서, 상기 고분자 전해질형 연료전지는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시킨다.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막/전극 접합체는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다.
도 1은 애노드(3), 캐소드(5), 및 고분자 전해질 막(7)을 포함하는 연료전지(1)의 작동상태를 개략적으로 보인 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 수소 가스 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 외부회로를 통하여 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. 이러한 전기화학적 반응은 하기 반응식 1로 나타낼 수 있다.
[반응식 1]
애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e-
캐소드 전극: 2H+ + 1/2 O2 + 2e- → H2O
상기 고분자막/전극 접합체는 고분자 전해질막(solid polymer electrolyte membrane)과 탄소담지 촉매전극층(carbon supported catalysts electrode layer)으로 구성된다. 이때, 전해질의 역할을 하는 고분자 전해질막으로는 나피온(Nafion, DuPont사 제조의 상품명), 프레미온(Flemion, Asahi Glass사 제조의 상품명), 아시프렉스(Asiplex, Asahi Chemical사 제조의 상품명) 및 다우 XUS(Dow XUS, Dow Chemical사 제조의 상품명) 전해질막과 같은 퍼플루오로설포네이트 아이오노머막(perfluorosulfonate ionomer membrane)이 많이 사용되고 있으며, 탄소담지 촉매전극층은 다공성의 탄소 페이퍼(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 등의 전극 지지체에 백금(Pt) 또는 루테늄(Ru) 등의 미세한 촉매입자를 담지시킨 탄소분말을 방수성 결합제로 결합시켜서 사용하고 있다.
종래의 나피온과 같은 고분자 막은 수소이온 전도성이 우수하고, 부식이 잘 안되며 내화학성이 우수한 장점은 있으나, 가격이 고가이고 메탄올 크로스 오버(cross over)가 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 또한 수분을 공급해주어야 H+를 이동시킬 수 있으므로 가습장치를 별도로 설치해야 하며, 이러한 경우 설비기가 들고 설치공간이 넓어지며, 고온에서 운전할 경우 수분이 증발되어 수소 이온 전도성을 저하시키는 문제가 발생하고 있다.
본 발명의 목적은 고온에서 안전하고 수소이온 전도성이 우수하여 고온에서 연료전지의 무가습 운전을 가능하게 하며 기계적 강도도 우수한 고분자 막/전극 접합체를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 또한 상기 고분자 막/전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 촉매층과 전극 지지체로 이루어진 애노드와 캐소드 전극; 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 막을 포함하고, 상기 고분자 막은 측쇄에 수소 이온 전도성 관능기가 도입된 폴리페닐렌비닐렌계 고분자로 이루어진 연료전지용 고분자 막/전극 접합체를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 막/전극 접합체와 이를 협지하는 바이폴러 플레이트를 포함하는 연료전지를 제공한다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 고온에서 안전하고 수소 이온 전도성이 우수하여 연료전지의 고온 운전을 가능하게 하고 또한 무가습 운전이 가능하여 가습기 설치에 따른 비용을 절감할 수 있고, 공간절약 효과를 이룰 수 있게 하는 연료전지용 고분자 막/전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지용 고분자 막/전극 접합체는 촉매층과 전극 지지체로 이루어진 애노드와 캐소드 전극; 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 막을 포함하고, 상기 고분자 막은 측쇄에 수소 이온 전도성 관능기가 도입된 폴리페닐렌비닐렌계 고분자로 이루어진다.
본 발명에서 고분자 막으로 사용되는 폴리페닐렌비닐렌계 고분자는 폴리페닐렌비닐렌 주쇄를 가지므로 고온에서 안전하고 기계적 강도가 우수하다. 상기 폴리페닐렌비닐렌계 고분자의 측쇄에 수소 이온 전도성 관능기를 도입하여 수소 이온 전도성을 부여한다. 상기 수소 이온 전도성 관능기로는 설폰산기(SO3H), 카르복실기(COOH), 히드록시기, 인산기 등이 있다. 상기 수소 이온 전도성 관능기는 이온화되어 수소 이온의 전도성을 가진다.
상기 수소이온 전도성 관능기가 도입된 폴리페닐렌비닐렌 고분자는 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112004029042836-PAT00001
상기 식에서 X, Y, Z, 및 T는 각각 독립적으로 수소 또는 수소 이온 전도성 관능기이며, X, Y, Z, 및 T중 적어도 하나는 수소 이온 전도성 관능기이며, n은 중합도를 나타내며, 분자량이 1만 내지 300만의 범위에 있는 것이 바람직하고 분자량이 1만 내지 200만의 범위에 있는 것이 더 바람직하다.
상기 폴리페닐렌비닐렌 고분자는 이온 전도성 고분자와 블렌딩하여 고분자막으로 제조할 수 있다. 상기 이온 전도성 고분자는 이온 전도도가 우수하고 온도 의존성이 적은 퍼플루오로설포네이트 고분자(perfluorosulfonate polymer), 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2’-(m-phenylene)-5,5’-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 등의 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), 폴리이미드(polyimide), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리에테르케톤(polyetherkethone) 및 폴리포스파진(polyphosphazene) 등이 바람직하다. 상기 이온 전도성 고분자는 고분자막의 이온 전도성과 강도를 고려하여 폴리페닐렌비닐렌 고분자 100 중량부에 대하여 0.01 내지 98 중량부로 사용되는 것이 바람직하다. 상기 이온 전도성 고분 자의 함량이 0.01 중량부 미만이면 이온 전도성 향상효과가 미미하며 98 중량부 이상이면 폴리페닐렌비닐렌 고분자의 성능이 나타나지 않을 수 있어 바람직하지 않다.
또한 본 발명에서는 상기 폴리페닐렌비닐렌 고분자에 무기 충진제 및 나노 분말로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가 물질과 함께 블렌딩하여 복합체(composite) 형태의 고분자 막으로 제조될 수 있다. 이러한 복합체 형태의 고분자 막은 메탄올 크로스 오버를 억제할 수 있어 바람직하다. 상기 무기 충진제로는 실리카, 알루미나 등으로 이루어진 군에서 선택되는 1종이 가능하다. 상기 나노 분말은 나노사이즈 즉, 100 마이크로미터의 입자를 의미하는 것으로 예를 들어 퓸드 실리카(건식 실리카) 등을 예로 들 수 있다. 상기 첨가 물질은 고분자막에 대하여 0.01 내지 50 중량%로 사용되는 것이 바람직하다. 상기 첨가 물질의 함량이 0.01 중량% 미만이면 첨가효과가 별로 없으며 50 중량%를 초과하면 폴리페닐렌비닐렌 고분자의 성능이 나타나지 않을 수 있어 바람직하지 않다.
상기 폴리페닐렌비닐렌 고분자는 이온 전도성을 향상시키기 위하여 인산(H3PO4) 또는 황산(H2SO4)으로 도핑하여 사용될 수도 있다. 도핑량은 고분자막에 대하여 0.001 내지 90 중량%인 것이 바람직하다.
상기 폴리페닐렌비닐렌계 고분자 막은 연료전지에서 캐소드와 애노드 사이에 위치하여 막/전극 접합체를 이룬다. 이러한 막/전극 접합체의 단면도를 도 2에 도시하였다. 도 2에서 보는 바와 같이 막/전극 접합체(10)는 고분자 전해질막(110) 및 상기 고분자 전해질막(110)의 양면에 각각 배치되는 애노드 전극(100)과 캐소드 전극(100')을 포함한다. 상기 전극은 각각 전극 지지체(101, 101')와 촉매층(103, 103')을 포함한다.
상기 전극 지지체(101, 101')는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 등이 사용될 수 있으며, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등으로 발수 처리하여 사용할 수 있다. 상기 전극 지지체는 고분자 막/전극 접합체를 지지하는 역할을 함과 아울러 고분자 막/전극 접합체에 반응기체를 확산시키는 기체 확산층(gas diffusion layer; GDL)의 역할을 한다.
상기 촉매층(103, 103')은 관련 반응(수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 증착하여 형성하는 것으로, 상기 금속 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-전이금속 합금 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 전이금속의 예로는 루테늄, 오스뮴, 크롬, 구리, 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.
본 발명의 연료전지용 막/전극 접합체는 상기 전극 지지체(101, 101')와 촉매층(103, 103') 사이에 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여 미세 기공층(105, 105')(microporous layer)을 더 포함할 수 있다. 이러한 미세 기공층은 반응 기체 를 균일하게 촉매층에 공급하고 촉매층에 형성된 전자를 전극 지지체에 전달하는 역할을 한다. 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 플러렌(C60), 카본나노튜브, 카본나노혼(carbon nano horn), 카본나노링(carbon nano ring) 등을 포함할 수 있다.
상기 제조된 막/전극 접합체는 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 바이폴러 플레이트 사이에 삽입하여 단위 셀을 제조하고 이를 적층하여 스택을 제조한 후, 이를 두개의 엔드 플레이트 사이에 삽입하여 연료전지를 제조할 수 있다. 연료전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 모두 제조될 수 있다. 본 발명의 막/전극 접합체는 저온가습형, 저온무가습형, 및 고온무가습형 전지에 모두 적용될 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)
하기 화학식 2의 폴리페닐렌비닐렌 고분자로 성형된 필름을 고분자 막으로 사용하고, 고분자 막의 양면에 백금 촉매층이 형성된 탄소 페이퍼를 위치하게 하고 가압하여 막/전극 접합체를 제조하였다. 상기 제조된 막/전극 접합체를 두장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴러 플레이트에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 셀을 제조하였다.
[화학식 2]
Figure 112004029042836-PAT00002
(실시예 2)
상기 화학식 2의 폴리페닐렌비닐렌 고분자와 실리카를 100:10의 중량비로 혼합한 후 필름으로 성형하여 고분자막을 제조한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 단위 셀을 제조하였다.
(실시예 3)
상기 화학식 2의 폴리페닐렌비닐렌 고분자와 Nafion 112 고분자(Dupont 사 제품)를 100:95의 중량비로 블렌딩한 후 필름으로 성형하여 고분자막을 제조한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 단위 셀을 제조하였다.
(비교예 1)
폴리(퍼플루오로설폰산) 전해질막(NafionTM , DuPont)을 연료전지용 고분자 막으로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 단위 셀을 제조하였다.
60도의 온도, 상압에서 수소 공기를 상기 실시예 1 및 비교예 1의 단위 셀에 유입하여 전류밀도와 전압을 측정하였다. 그 결과를 도 3에 도시하였다. 도 3에 도시된 바와 같이 실시예 1의 전류밀도 및 전압특성이 비교예 1에 비하여 우수한 것으로 나타났다.
본 발명의 연료전지용 고분자막/전극 접합체는 고온에서 안전하고 수소 이온 전도성이 우수하여 연료전지의 고온 운전을 가능하게 하고 또한 무가습 운전이 가능하여 가습기 설치에 따른 비용을 절감할 수 있고, 공간절약 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 촉매층과 전극 지지체로 이루어진 애노드와 캐소드 전극; 및
    상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 막을 포함하고,
    상기 고분자 막은 측쇄에 수소 이온 전도성 관능기가 도입된 폴리페닐렌비닐렌계 고분자로 이루어진 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수소 이온 전도성 관능기는 설폰산기(SO3H), 카르복실기(COOH), 히드록시기(OH) 및 인산기로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폴리페닐렌비닐렌계 고분자는 하기 화학식 1로 나타내어지는 것인 연료전지용 고분자 막/전극 접합체:
    [화학식 1]
    Figure 112004029042836-PAT00003
    상기 식에서 X, Y, Z, 및 T는 각각 독립적으로 수소 또는 수소 이온 전도성 관능기이며, X, Y, Z, 및 T중 적어도 하나는 수소 이온 전도성 관능기이며, n은 중합도를 나타냄.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고분자 막은 상기 폴리페닐렌비닐렌계 고분자 및 이온 전도성 도분자를 블렌드하여 제조된 것인 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자는 퍼플루오로설포네이트 고분자(perfluorosulfonate polymer), 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), 폴리이미드(polyimide), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리에테르케톤(polyetherkethone) 및 폴리포스파진(polyphosphazene)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.
  6. 제4항에 있어서, 상기 폴리페닐렌비닐렌 고분자와 이온 전도성 고분자는 100:0.01 내지 98의 중량비로 사용되는 것인 연료전지용 막/전극 접합체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고분자막은 폴리페닐렌비닐렌 고분자와 무기충전제 및나노분말로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 첨가물질을 포함하는 것인 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 첨가물질은 고분자 막에 대하여 0.01 내지 50 중량%로 사용되는 것인 연료전지용 막/전극 접합체.
  9. 제4항에 있어서, 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속 촉매를 포함하는 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전이금속은 루테늄, 오스뮴, 크롬, 구리, 및 니켈로 로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 촉매층과 전극 지지체 사이에 미세 기공층을 더 포함하는 연료전지용 고분자 막/전극 접합체.
  12. 촉매층과 전극 지지체로 이루어진 애노드와 캐소드 전극; 및
    상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 막
    을 포함하는 막/전극 접합체; 및
    상기 막/전극 접합체를 협지하는 바이폴러 플레이트를 포함하고,
    상기 고분자 막은 측쇄에 수소 이온 전도성 관능기가 도입된 폴리페닐렌비닐렌계 고분자로 이루어진 연료전지.
  13. 제12항에 있어서, 상기 수소 이온 전도성 관능기는 설폰산기(SO3H), 카르복실기(COOH), 히드록시기 및 인산기로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지.
  14. 제12항에 있어서, 상기 폴리페닐렌비닐렌계 고분자는 하기 화학식 1로 나타내어지는 것인 연료전지:
    [화학식 1]
    Figure 112004029042836-PAT00004
    상기 식에서 X, Y, Z, 및 T는 각각 독립적으로 수소 또는 수소 이온 전도성 관능기이며, X, Y, Z, 및 T중 적어도 하나는 수소 이온 전도성 관능기이며, n은 중합도를 나타냄.
  15. 제12항에 있어서, 상기 고분자 막은 상기 폴리페닐렌비닐렌계 고분자 및 이온 전도성 도분자를 블렌드하여 제조된 것인 연료전지.
  16. 제12항에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자는 퍼플루오로설포네이트 고분자(perfluorosulfonate polymer), 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), 폴리 이미드(polyimide), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리에테르케톤(polyetherkethone) 및 폴리포스파진(polyphosphazene)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 연료전지.
  17. 제12항에 있어서, 상기 폴리페닐렌비닐렌 고분자와 이온 전도성 고분자는 100:0.01 내지 98 중량비로 사용되는 것인 연료전지.
  18. 제12항에 있어서, 상기 고분자막은 폴리페닐렌비닐렌 고분자와 무기충전제 및 나노분말로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 첨가물질을 포함하는 것인 연료전지.
  19. 제18항에 있어서, 상기 첨가물질은 고분자 막에 대하여 0.01 내지 50 중량%로 사용되는 것인 연료전지.
  20. 제12항에 있어서, 상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속 촉매를 포함하는 연료전지.
  21. 제20항에 있어서, 상기 전이금속은 루테늄, 오스뮴, 크롬, 구리, 및 니켈로 로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나인 연료전지.
  22. 제12항에 있어서, 상기 촉매층과 전극 지지체 사이에 미세 기공층을 더 포함하는 연료전지.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100696688B1 (ko) * 2005-07-27 2007-03-20 삼성에스디아이 주식회사 직접 산화형 연료 전지 장치
US20080114183A1 (en) * 2006-11-14 2008-05-15 General Electric Company Monomers comprising superacidic groups, and polymers therefrom
US20080114149A1 (en) * 2006-11-14 2008-05-15 General Electric Company Polymers comprising superacidic groups, and uses thereof
JP5094295B2 (ja) * 2007-09-10 2012-12-12 富士フイルム株式会社 膜電極接合体および燃料電池
KR100959117B1 (ko) * 2007-09-20 2010-05-25 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
CN108878931A (zh) * 2018-05-31 2018-11-23 江苏大学 一种高温聚合物电解质膜燃料电池

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5367041A (en) * 1987-12-14 1994-11-22 The Regents Of The University Of California Self-doped zwitterionic polymers
US6248469B1 (en) * 1997-08-29 2001-06-19 Foster-Miller, Inc. Composite solid polymer electrolyte membranes
US6025092A (en) * 1998-02-13 2000-02-15 E. I. Du Pont De Nemours And Company Fluorinated ionomers and their uses
CA2256829A1 (en) * 1998-12-18 2000-06-18 Universite Laval Composite electrolyte membranes for fuel cells
JP3354550B2 (ja) * 2000-04-21 2002-12-09 三洋電機株式会社 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
US6946211B1 (en) * 1999-09-09 2005-09-20 Danish Power Systems Aps Polymer electrolyte membrane fuel cells
JP2002289222A (ja) 2001-03-26 2002-10-04 Mitsui Chemicals Inc イオン伝導性高分子およびそれを用いた高分子膜と燃料電池
JP3956661B2 (ja) * 2001-03-30 2007-08-08 Ｊｓｒ株式会社 ハロゲン化芳香族化合物、該化合物の重合体、及び該重合体からなるプロトン伝導膜
AU2002363823A1 (en) 2001-11-22 2003-07-30 Haring, Rima Modified covalently cross-linked polymers
KR100486728B1 (ko) * 2002-12-12 2005-05-03 삼성에스디아이 주식회사 나노복합전해질막 및 이를 채용한 연료전지
US7795335B2 (en) * 2003-01-28 2010-09-14 Toppan Forms Co., Ltd. Conductive polymer gel and process for producing the same actuator, patch label for ion introduction, bioeletrode, toner, conductive functional member antistatic sheet, printed circuit member, conductive paste, electrode for fuel cell, and fuel cell

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