KR20060003682A - 연료 전지의 전극 및 그 제조 방법 - Google Patents

연료 전지의 전극 및 그 제조 방법 Download PDF

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박명석
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김철환
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고승태
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료 전지의 전극 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 연료 전지의 전극은 전극 촉매와, 상기 전극 촉매와 어우러져 그 전극 촉매를 담아 가두는 촉매 담지체와, 상기 촉매 담지체와 함께 어우러져 수소 분자의 분해를 촉진시키는 수소 분해촉매를 포함하여 구성되고, 또한 본 발명의 연료 전지의 전극 제조 방법은 소정의 두께와 면적을 갖는 담지체에 전극 촉매를 분사시키는 단계와, 소정의 두께와 면적을 갖는 담지체에 수소 분해촉매를 분사시키는 단계와, 상기 전극 촉매가 분사된 담지체의 양쪽면에 수소 분해촉매가 분사된 담지체를 각각 위치시키는 단계와, 상기 세개의 담지체를 프레싱하는 단계를 포함하도록 진행됨으로써 연료 전지의 발전 중 연료 전극에서 가수분해 반응으로 발생되는 수소 분자를 이온화하여 전자 발생의 감소를 최소화하고 또한 그 제작을 간단하게 할 수 있도록 한 것이다.

Description

연료 전지의 전극 및 그 제조 방법{ANODE OF FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
도 1은 종래의 연료 전지의 단위 셀을 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 연료 전지의 전극이 구비된 연료 전지의 단위 셀을 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 연료 전지의 전극을 도시한 측면도,
도 4는 본 발명의 연료 전지의 전극 제조 방법의 일 실시예를 도시한 순서도,
도 5는 상기 연료 전지의 전극 제조 방법의 작업 공정 순서도,
도 6은 본 발명의 연료 전지의 전극 제조 방법의 다른 실시예를 도시한 작업 공정 순서도,
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
41; 전극 촉매 42: 촉매 담지체
43; 수소 분해촉매
본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 특히 연료 전극에서 가수분해 반응으로 발생되는 수소 분자를 이온화하여 전자 발생의 감소를 최소화할 수 있도록 한 연료 전지의 전극 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료 전지는 환경 친화적인 에너지로 기존의 화석 연료를 대체하기 위하여 개발이 진행되고 있다. 연료 전지는 수소를 포함하는 연료가 지속적으로 공급됨과 동시에 산소가 포함된 공기가 지속적으로 공급되어 그 수소와 산소의 전기 화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환시키는 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 연료의 종류에 따라 인산형 연료 전지(Phosphoric Acid Fuel Cell), 알칼리형 연료 전지(Alkaline Fuel Cell), 고분자 전해질형 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), 용융탄산염형 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물형 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell), 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell), 직접 브롬염 연료 전지(Direct Borohydride Fuel Cell)등 다양하다.
또한, 상기 연료 전지는 가정에 전기를 공급하는 가정용 연료 전지와, 전기 자동차에 사용되는 연료 전지와, 휴대용 단말기나 노트북 컴퓨터 등에 사용되는 연료 전지 그리고 가정에서 이동 가능하면서 전기를 공급하는 연료 전지 등 다양한 적용 분야를 두고 연구 개발이 진행되고 있다.단
연료 전지의 일반적인 구조는 전기 에너지를 발생시키는 기본 단위인 단위 셀이 요구되는 전기 에너지에 따라 다수개 적층되어 구성된다. 상기 단위 셀이 다 수개 적층된 것을 스택이라 하며 그 스택에는 연료가 지속적으로 순환 공급되는 연료 순환유로와 공기가 지속적으로 공급되는 공기 공급유로가 구비된다.
상기 연료 전지의 단위 셀은, 도 1에 도시한 바와 같이, 두개의 바이폴라 플레이트(10)(경우에 따라 모노 폴라플레이트가 될 수 있음)와, 그 두개의 바이폴라 플레이트(10)사이에 위치하는 엠이에이(M.E.A.;Membrane Electrode Assembly)(20)로 구성된다.
상기 바이폴라 플레이트(10)의 양면에 유체가 흐르는 소정 형상의 유로 홈(11)(12)이 각각 형성되고, 그 유로 홈(11)(12)은 엠이에이(20)와 함께 연료가 유동하는 연료 유로(F1)와 공기가 유동하는 공기 유로(F2)를 형성하게 된다.
상기 엠이에이(20)는 일정 면적을 갖는 전해질막(21)과 그 전해질막(21)의 양면에 각각 부착되는 연료 전극(22)과 공기 전극(23)을 포함하여 구성되며, 상기 연료 전극(22)은 연료 유로(F1)측에 위치하게 되고 상기 공기 전극(23)은 공기 유로(F2)측에 위치하게 된다.
상기한 바와 같은 연료 전지는 연료 유로(F1)에 연료가 공급되고 공기 유로(F2)에 공기가 공급되면 상기 엠이에이의 연료 전극(220에서 전기 화학적 산화 반응이 발생되고 그 이온화된 양이온은 전해질막(21)을 통해 공기 전극(23)으로 이동하게 되며 전자는 연료 전극(22)과 공기 전극(23)을 연결하는 부하(미도시)를 거쳐 공기 전극(23)으로 이동하게 된다. 이와 동시에 엠이에이의 공기 전극(23)에서 전기 화학적 환원 반응이 발생되어 양이온과 산소가 결합하여 물과 반응열 기타 부산물이 발생된다.
이와 같은 과정이 지속적으로 진행되면서 전자가 양극에서 음극으로 부하를 통해 이동하여 전기 에너지를 발생시키게 된다.
상기 연료 전지에서 산화와 환원이 일어나는 엠이에이의 연료 전극(22)과 공기 전극(23)은 보통, 반응을 활성화시키는 촉매를 포함하게 된다.
한편, 상기 연료 전지에 사용되는 연료를 NaBH4 분말, 전해해질 수용액인 NaOH 그리고 H2O를 혼합하여 사용하였을 경우, 연료 전극에서 일어나는 반응은
NaBH4 + 8Na+ + 8OH- -> NaBO2 - + 6 H2 O + 8e- 이다.
이때, 이온 Na+ 는 전해질막(21)을 통해 공기 전극(23)으로 이동하고, 전자 8e-는 외부 회로를 통해 연결되는 부하를 거쳐 공기 전극(23)으로 이동하게 되면서 전기 에너지를 발생시키게 된다.
그러나 실제적으로 상기 연료 전극(220에서 발생되는 반응은 반응 중 물의 일부가 가수분해되어 수소 분자와 산소 분자로 만들어지면서 전자의 일부를 흡수하여 전자의 양이 감소하게 된다. 이로 인하여 연료 전극(22)에서 발생되는 총 전하의 양이 감소하게 됨으로써 부하를 거쳐 공기 전극(23)으로 이동하는 전하량이 감소하게 되어 전기 발생 효율을 저하시키게 되는 요인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명한 것으로, 본 발명의 목적은 연료 전극에서 가수분해 반응으로 발생되는 수소 분자를 이온화하여 전자 발생의 감 소를 최소화할 수 있도록 한 연료 전지의 전극 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 전극 촉매와, 상기 전극 촉매와 어우러져 그 전극 촉매를 담아 가두는 촉매 담지체와, 상기 촉매 담지체와 함께 어우러져 수소 분자의 분해를 촉진시키는 수소 분해촉매를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지의 전극이 제공된다.
또한, 소정의 두께와 면적을 갖는 촉매 담지체에 전극 촉매를 분사시키는 단계와, 소정의 두께와 면적을 갖는 촉매 담지체에 수소 분해촉매를 분사시키는 단계와, 상기 전극 촉매가 분사된 촉매 담지체의 양쪽면에 수소 분해촉매가 분사된 촉매 담지체를 각각 위치시키는 단계와, 상기 세개의 촉매 담지체를 프레싱하는 단계를 포함하여 진행됨을 특징으로 하는 연료 전지의 전극 제조방법이 제공된다.
이하, 본 발명의 연료 전지의 전극 및 그 제조 방법을 첨부 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 연료 전지 전극의 일 실시예가 구비된 연료 전지의 단위 셀을 도시한 단면도이다.
이에 도시한 바와 같이, 먼저, 연료 전지의 단위 셀은 양쪽면에 유로 홈(11)(12)이 각각 형성된 두개의 바이폴라 플레이트(10)와, 그 바이폴라 플레이트(10)들 사이에 위치하여 유로 홈(11)(12)과 함께 연료가 유동하는 연료 유로(F1)와 공기가 유동하는 공기 유로(F2)를 형성하는 전해질막(30)과, 상기 전해질막(30)에 분리되어 연료 유로(F1)내에 위치하는 연료 전극(40)과, 상기 전해질막(30)의 일면 에 부착되어 공기 유로(F2)내에 위치하는 공기 전극(50)을 포함하여 구성된다.
상기 단위 셀은 요구되는 전기 에너지에 따라 다수개 적층되며, 그 단위 셀이 다수개 적층된 것을 스택이라 한다. 상기 스택은 그 스택을 구성하는 단위 셀들의 각 연료 유로에 연료를 순환 공급하는 연료 순환유로와 각 공기 유로에 공기를 공급하는 공기 공급유로가 구비된다.
상기 연료 유로(F1)내에 위치하는 연료 전극(40)은 전극 촉매(41)와, 상기 전극 촉매(41)와 어우러져 그 전극 촉매(41)를 담아 가두는 촉매 담지체(42)와, 상기 촉매 담지체(42)와 함께 어우러져 수소 분자의 분해를 촉진시키는 수소 분해촉매(43)를 포함하여 구성된다.
상기 촉매 담지체(42)는 소정의 면적을 갖는 판 형상으로 형성되며, 그 조직은 미세 섬유가 엉켜진 형태로 형성된다. 그 섬유의 직경은 1 내지 100㎛이고, 그 길이는 10 내지 10,000㎛으로 형성됨이 바람직하다.
상기 전극 촉매(41)와 수소 분해촉매(43)는 알갱이 형태의 미세 입자로 형성된다.
상기 전극 촉매(41)의 알갱이와 수소 분해촉매(43)의 알갱이는 미세 섬유 구조를 갖는 촉매 담지체(42)에 엉겨 감싸진 형태로 그 촉매담지체(42)에 담겨진다.
상기 수소 분해촉매(43)는 전극 촉매(41)와 촉매 담지체(42)가 엉켜져 판 형상을 갖는 상태에서 양측면에 층을 형성하는 상태로 분포되는 것이 바람직하다. 즉, 촉매 담지체(42)의 가운데 부분에 전극 촉매(41)가 주로 분포하고 그 전극 촉매(41)를 중심으로 양측면에 수소 분해촉매(43)가 분포되는 것이 바람직하다.
상기 전극 촉매(41)와 수소 분해촉매(43)의 다른 변형예로, 상기 전극 촉매(41)와 수소 분해촉매(43)의 형상이 상기 촉매 담지체(42)의 형상과 같이 미세 섬유 형태로 형성될 수 있다.
상기 전극 촉매(41)는 Zr 혹은 Ti를 베이스로 하는 Metal Hydride 합금, 또는 Au, Pt, Ru 등이 사용될 수 있다. 이때, Au, Pt, Ru 등은 카본 또는 이온교환수지의 담체에서 성장시킨 다음 촉매 담지체에 분사되어 촉매층을 형성하게 된다.
상기 촉매 담지체(42)는 Co 혹은 Cr과의 Ni 합금이 사용될 수 있고, 또한 그 위에 S, Se 혹은 Te 등이 표면 처리되어 사용될 수 있다.
상기 수소 분해촉매(43)는 Au, Pt, Ru, Ir, Pd, Ni 등이 사용될 수 있다. 이때, Au, Pt, Ru, Ir, Pd, Ni 등은 SnO2, Ta2O5, MoO3 등의 담체에 함침 제조되어 그 담체와 함께 촉매 담지체에 분사되어 촉매층을 형성하게 된다.
도 4는 본 발명의 연료 전지의 전극 제조 방법의 일 실시예를 도시한 순서도이고, 도 5는 작업 과정을 각각 도시한 공정도이다.
이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지 전극 제조 방법은 소정의 두께와 면적을 갖는 촉매 담지체(42)에 전극 촉매(41)를 분사시키는 단계와, 소정의 두께와 면적을 갖는 촉매 담지체(42)에 수소 분해촉매(43)를 분사시키는 단계와, 상기 전극 촉매(41)가 분사된 촉매 담지체(42)의 양쪽면에 수소 분해촉매(43)가 분사된 촉매 담지체(42)를 각각 위치시키는 단계와, 상기 세개의 촉매 담지체(42)를 프레싱하는 단계를 포함하여 진행된다.
상기 촉매 담지체(42)는 판 형상으로 형성되며 그 조직은 미세 섬유들이 엉킨 형태이다. 그리고 상기 전극 촉매(41)와 수소 분해촉매(43)는 알갱이 형태의 미세 입자이다.
상기 전극 촉매(41)는 접착성이 강한 용액에 섞은 상태에서 상기 촉매 담지체(42)에 분사된다.
한편, 상기 촉매 담지체에 전극 촉매를 어우러지게 하는 방법의 변형예로, 상기 전극상기 전극 촉매(41)가 접착성이 강한 용액에 섞인 상태에서 상기 촉매 담지체(42)를 그 용액에 담근 다음 꺼내므로써 상기 촉매 담지체(42)에 전극 촉매(41)를 투입시킬 수 있다.
상기 수소 분해촉매(43)는 접착성이 강한 용액에 섞은 상태에서 상기 촉매 담지체(42)에 분사된다. 상기 수소 분해촉매(43)는 촉매 담지체(42)의 한쪽면에만 분사됨이 바람직하다.
상기 전극 촉매(41)가 분사된 촉매 담지체(42)의 양측면에 상기 수소 분해촉매(43)가 분사된 촉매 담지체(42)를 각각 위치시킨다. 이때 상기 수소 분해촉매(43)가 분사된 촉매 담지체(42)는 그 수소 분해촉매(43)가 분사된 면이 상기 전극 촉매(41)가 분사된 촉매 담지체(42)에 접촉되게 위치시키는 것이 바람직하다.
이와 같이 세개의 촉매 담지체(42)가 서로 포개진 상태에서 롤러로 프레싱하게 된다.
이와 같이 프레싱된 촉매 담지체(42)들이 연료 전극이 된다.
상기 전극 촉매(41)는 Zr 혹은 Ti를 베이스로 하는 Metal Hydride 합금, 또는 Au, Pt, Ru 등이 사용될 수 있다. 이때, Au, Pt, Ru 등은 카본 또는 이온교환수지의 담체에서 성장시킨 다음 촉매 담지체에 분사되어 촉매층을 형성하게 된다.
상기 촉매 담지체(42)는 Co 혹은 Cr과의 Ni 합금이 사용될 수 있고, 또한 그 위에 S, Se 혹은 Te 등이 표면 처리되어 사용될 수 있다.
상기 수소 분해촉매(43)는 Au, Pt, Ru, Ir, Pd, Ni 등이 사용될 수 있다. 이때, Au, Pt, Ru, Ir, Pd, Ni 등은 SnO2, Ta2O5, MoO3 등의 담체에 함침 제조되어 그 담체와 함께 촉매 담지체에 분사되어 촉매층을 형성하게 된다.
도 6은 본 발명의 연료 전지의 전극 제조 방법의 다른 실시예를 도시한 작업 공정 순서도이다.
이에 도시한 바와 같이, 상기 연료 전지의 전극 제조 방법은 소정의 두께와 면적을 갖는 미세 섬유가 엉켜진 형태의 촉매 담지체(42)에 전극 촉매(41)를 분사하는 단계와, 상기 전극 촉매(41)가 분사된 촉매 담지체(42)의 양측면에 수소 분해촉매(43)를 각각 분사시키는 단계와, 상기 전극 촉매(41)와 수소 분해촉매(43)가 분사된 촉매 담지체(42)를 롤러로 프레싱하는 단계를 포함하여 진행된다.
상기 전극 촉매(41)는 알갱이 형태의 미세 분말이며, 그 미세 분말의 전극 촉매(41)는 액체에 섞은 후 상기 촉매 담지체(42)에 분사시킨다. 상기 전극 촉매(41)는 상기 촉매 담지체(42)의 일면에 분사시킨 후 그 분사된 전극 촉매(41)가 촉매 담지체(42)의 중심으로 스며들도록 휘발성 액체를 그 촉매 담지체(42)에 분사시킨다.
상기 수소 분해촉매(43)는 알갱이 형태의 미세 분말이며, 그 미세 분말의 수소 분해촉매(43)는 액체에 섞은 후 상기 전극 촉매(41)가 분사된 촉매 담지체(42)의 양쪽면에 각각 분사된다.
상기 전극 촉매(41)와 수소 분해촉매(43)가 분사된 촉매 담지체(42)는 두개의 롤러사이에서 프레싱된다.
이하, 본 발명의 연료 전지의 전극 및 그 제조 방법의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 단위 셀을 구성하는 연료 유로(F1)와 공기 유로(F2)에 연료와 공기가 각각 공급되면 그 연료 유로(F1)와 공기 유로(F2)로 연료와 공기가 흐르게 된다. 상기 연료는 NaBH4, KBH4, LiAlH4, KH, NaH 등이 사용되고, 상기 연료는 분말 형태로 물에 섞은 상태에서 전해질 수용액인 NaOH, KOH 등 중의 하나와 혼합된다.
상기 연료 유로(F1)에 연료가 흐르게 되면 반응이 촉진되는 주어진 온도 조건과 전극 촉매(41) 등에 의해 연료 전극(40)측에서 전기 화학적 산화 반응이 발생하게 되면서 연료가 이온화된다. 상기 연료 전극(40)측에서 이온화된 이온은 전해질 수용액 및 전해질막(30)을 통해 공기 전극(50)측으로 이동하게 되고 연료가 이온화되면서 발생된 전자는 연료 전극(40)과 공기 전극(50)을 연결하는 부하(미도시)를 거쳐 공기 전극(50)으로 이동하게 된다. 이와 동시에 공기 유로(F2)측에 위치하는 공기 전극(50)에서 전기 화학적 환원 반응이 발생되어 양이온과 산소가 결합하여 물과 반응열 기타 부산물이 발생된다.
이와 같은 과정이 지속적으로 진행되면서 전자가 연료 극에서 공기 극으로 부하를 통해 이동하여 전기 에너지를 발생시키게 된다.
상기 연료 전지에 사용되는 연료를 NaBH4 분말, 전해해질 수용액인 NaOH 그리고 H2O를 혼합하여 사용하였을 경우, 연료 전극에서 일어나는 반응은
NaBH4 + 8Na+ + 8OH- -> NaBO2 - + 6 H2 O + 8e- 이다.
이때, 이온 Na+ 는 전해질막(30)을 통해 공기 전극(50)으로 이동하고, 전자 8e-는 외부 회로를 통해 연결되는 부하를 거쳐 공기 전극(50)으로 이동하게 되면서 전기 에너지를 발생시키게 된다. 그리고 반응 중 물의 일부가 가수분해되며 이때 만들어지는 수소 분자는 연료 전극(40)의 수소 분해촉매(43)에 의해 수소 이온으로 분해되므로 물이 가수분해 되면서 전자의 일부를 흡수하는 것을 방지하게 된다. 따라서 위에서 기술한 이상적인 반응식 상태를 유지하여 전자의 발생을 높이게 된다.
또한, 연료 전극(40)은 촉매 담지체(42)에 전극 촉매(41)와 수소 분해촉매(43)를 액체와 섞어 분사하고 그 전극 촉매(41)과 수소 분해촉매(43)가 분사된 촉매 담지체(42)를 롤러로 프레싱하여 제작하게 되므로 제작이 간단하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지의 전극 및 그 제조 방법은 연료 전지의 발전 중 연료 전극측에서 발생되는 가수분해에 의해 전자가 감소되는 것을 최소화하게 됨으로써 연료 전지의 발전 효율을 높일 수 있고, 또한 그 전극의 제조가 간단하고 수월하여 생산성을 높이고 제작 단가를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 전극 촉매와, 상기 전극 촉매와 어우러져 그 전극 촉매를 담아 가두는 촉매 담지체와, 상기 촉매 담지체와 함께 어우러져 수소 분자의 분해를 촉진시키는 수소 분해촉매를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지의 전극.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 수소 분해촉매는 상기 전극 촉매를 중심으로 그 전극 촉매의 양측에 각각 위치하도록 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지의 전극.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 수소 분해촉매는 Au, Pt, Ru, Ir, Pd, Ni 중의 하나이고, 그 Au, Pt, Ru, Ir, Pd, Ni 중의 하나는 SnO2, Ta2O5, MoO3 중의 하나로 이루어진 담체에 함침 제조된 것을 특징으로 하는 연료 전지의 전극.
  4. 소정의 두께와 면적을 가지며 미세 섬유가 엉켜진 형태의 촉매 담지체에 전극 촉매를 분사시키는 단계와, 소정의 두께와 면적을 갖는 촉매 담지체에 수소 분해촉매를 분사시키는 단계와, 상기 전극 촉매가 분사된 촉매 담지체의 양쪽면에 수소 분해촉매가 분사된 촉매 담지체를 각각 위치시키는 단계와, 상기 세개의 촉매 담지체를 프레싱하는 단계를 포함하여 진행됨을 특징으로 하는 연료 전지의 전극 제조 방법.
  5. 소정의 두께와 면적을 가지며 미세 섬유가 엉켜진 형태의 촉매 담지체에 전극 촉매를 분사하는 단계와, 상기 전극 촉매가 분사된 촉매 담지체의 양측면에 수소 분해촉매를 각각 분사시키는 단계와, 상기 전극 촉매와 수소 분해촉매가 분사된 촉매 담지체를 롤러로 프레싱하는 단계를 포함하여 진행됨을 특징으로 하는 연료 전지의 전극 제조 방법.
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