KR20060082327A - 다공성 멤브레인 및 그 제조방법, 이를 이용한 연료전지용고분자 전해질막, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

다공성 멤브레인 및 그 제조방법, 이를 이용한 연료전지용고분자 전해질막, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성 멤브레인 및 그 제조방법, 이를 이용한 연료전지용 고분자 전해질막, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로, 상기 다공성 멤브레인은 세라믹 섬유들이 네트워크 형태로 서로 교차되어 기공이 형성된다. 본 발명은 또한, 세라믹 섬유, 교차점 형성제(intersection forming agent), 유기 섬유, 및 펄프를 물에 분산시킨 후 압축하여 웨트 페이퍼(wet paper)를 제조하고, 상기 웨트 페이퍼를 건조하여 필름을 제조한 후 열처리하여 기공을 형성하는 것인 다공성 멤브레인의 제조방법을 제공한다.
연료전지, 다공성 멤브레인, 세라믹 섬유

Description

다공성 멤브레인 및 그 제조방법, 이를 이용한 연료전지용 고분자 전해질막, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템{A POROUS MEMBRANE AND METHOD FOR PREPARING THEREOF, POLYMER ELECTRODE MEMBRANE FOR FUEL CELL USING THE SAME, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
도 1은 본 발명의 다공성 멤브레인의 구성을 나타낸 간략도.
도 2는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구성을 나타낸 간략도.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료전지의 사용시간에 따른 출력전류를 비교하여 나타낸 그래프.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 세라믹 섬유로 이루어진 다공성 멤브레인을 이용하여, 이 멤브레인의 기공내에 이온 전도성 고분자를 채워넣음으로써, 열적 안정성 및 기계적강도가 우수하고, 치수 안정성을 나타내어 장수명 특성을 부여할 수 있는 다공성 멤브레인 및 그 제조방법, 이를 이용한 연료전지용 고분자 전해질막, 및 연료전지 시스템에 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 전해질령 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 응압특성을 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 위해, 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 수소기체 를 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 어셈블리는 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.
이때, 상기 막/전극 어셀블리는 고분자 전해질막(solid polymer electrolyte membrane)과 탄소담지 촉매전극층(carbon supported catalysts electrode layer)으로 구성된다. 상기 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 있다. 상기 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.
그러나, 종래 연료전지의 전해질막으로 사용되는 고분자는 고가 이며, 이온전도도를 만족할지라도 강도가 낮아 이온전도도가 높으며 고강도를 가지는 저가의 고분자전해질막이 요구되고 있다.
상기 종래 기술에서의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 열적안성성과 이온전도성이 우수하고 특히 기계적 강도가 우수하여 막의 두께를 줄일 수 있으며, 치수 안정성을 나타내어 장수명 특성을 부여할 수 있는 다공성 멤브레인 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 다공성 멤브레인을 이용한 연료전지용 고분자 전해질막을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 고분자 전해질막을 포함하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 막/전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 막/전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 세라믹 섬유들이 네트워크 형태로 서로 교차되어 기공이 형성되는 다공성 멤브레인을 제공한다.
본 발명은 또한, 세라믹 섬유, 교차점 형성제(intersection forming agent), 유기 섬유, 및 펄프를 물에 분산시킨 후 압축하여 웨트 페이퍼(wet paper)를 제조하고, 상기 웨트 페이퍼를 건조하여 필름을 제조한 후 열처리하여 기공을 형성하는 것인 다공성 멤브레인의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 세라믹 섬유로 이루어진 다공성 멤브레인의 기공 내에 수소 이온전도성 고분자를 포함하는 것인 연료전지용 고분자 전해질막을 제공한다.
상기 고분자 전해질막은 세라믹 섬유로 이루어진 다공성 멤브레인에 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하여 고분자 복합막을 제조하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명은 또한, 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는, 고분자 전해질막을 포함하며, 상기 고분자 전해질막은 세라믹 섬유로 이루어진 다공성 멤브레인의 기공 내에, 수소 이온전도성 고분자를 포함하는 것인 연료전지용 막/전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 막/전극 어셈블리; 및 세퍼레이터를 포함하며, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료공급부; 및 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소공급부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 저가이면서 높은 이온전도도 및 강도를 갖는 다공성 멤브레인과 그 제조방법, 그리고 상기 멤브레인을 이용한 고분자 전해질막, 막/전극 어셈블리 및 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명의 다공성 멤브레인은 세라믹 섬유들이 네트워크 형태로 서로 교차되어 있어 기공을 가진다.
본 발명은 상기 다공성으로 이루어진 멤브레인에 수소 이온 전도성 고분자를 채워 넣어 고분자 전해질 복합막을 제공하며, 본 발명의 고분자 전해질막은 3차원으로 연결된 세라믹 섬유가 기계적 강도를 부여하고, 기공에 채워진 수소 이온 전도성 고분자가 이온전달을 부여하는 역할을 한다.
상기 다공성 멤브레인은 세라믹 섬유, 교차점 형성제(intersection forming agent), 유기 섬유(organic fiber), 펄프, 물을 포함하는 조성물을 이용하고, 일반적인 제지공정을 이용하여 제조된다.
본 발명은 세라믹 섬유, 교차점 형성제(intersection forming agent), 유기 섬유(organic fiber), 및 펄프를 물에 분산시킨 후, 가압(압축)하여 일반적인 제지공정에 의해 페이퍼(paper)를 제조하고, 용매를 50 내지 200 ℃의 온도에서 휘발시켜, 세라믹 섬유, 유기 섬유 및 교차점 형성제로 구성된 필름이 얻어진다.
이 필름을 800 내지 1400 ℃의 온도로 가열하면, 소성 반응에 의해 교차점 형성제와 세라믹 섬유가 반응하여 도 1에 나타낸 바와 같은 교차점(intersection point)이 형성된다. 도 1에서, 도면부호 2는 세라믹 섬유이고, 4번은 고분자 전해질막 제조시 수소이온 전도성 고분자를 채워넣을 수 있는 기공이고, 6번은 교차점을 나타낸다. 또한, 유기 섬유가 존재하던 자리는 모두 산화되어 제거되고 빈공간으로 남게되어 기공이 형성되어, 다공성 멤브레인을 얻을 수 있다.
본 발명의 세라믹 섬유로 이루어진 다공성 멤브레인은 기공도가 50 내지 90 부피%인 것이 바람직하다. 또한, 상기 다공성 멤브레인의 기공크기는 0.01 내지 3 ㎛인 것이 바람직하다.
상기 세라믹 섬유는 실리카, 알루미나, 알루미노실리케이트, 알루미노보로실리케이트 섬유, 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 세라믹 섬유는 전체 조성물에 대하여 3 내지 30 중량%의 양으로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 교차점 형성제는 열을 가했을때, 상기 세라믹 섬유와 반응하여 세라믹 섬유를 결합시키는 역할을 한다. 상기 교차점 형성제는 800 내지 1400 ℃의 온도에서 세라믹 섬유와 반응하여 보로실리케이트, 알루미노보로실리케이트를 형성한다. 상기 교차점 형성제로는 B2O3, BN, B4C, SiB4, SiB6 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 교차점 형성제는 세라믹 섬유에 대하여 2 내지 15 중량%로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 교차점 형성제의 함량이 2 중량% 미만이면 교차점이 잘 생성되지 않아 섬유의 결합이 나쁘며, 15 중량%를 초과하면 교차점이 너무 많아져서 플렉서블(flexible)한 성질을 잃게 된다.
상기 유기 섬유의 함량은 다공성 세라믹 멤브레인의 기공형태 및 크기를 결정한다. 따라서, 유기 섬유는 세라믹 섬유 부피의 0.3 내지 3 배의 부피를 가지도록 첨가하는 것이 바람직하다. 이때, 유기 섬유의 부피가 0.3배 미만이면 이온전도성 고분자가 채워질 기공의 부피가 너무 낮으며, 부피가 3배를 초과하면 세라믹 섬유의 함량이 낮아 기계적 강도가 불충분하다.
상기 유기 섬유는 코튼(cotton)등의 셀룰로오스계 섬유, 비닐론(vinylon)등의 폴리비닐알코올계 섬유, 나일론, 아크릴 고분자, 폴리에스테르 고분자, 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 상기 세라믹으로 이루어진 다공성 멤브레인에 이온전도성 고분자를 채워 넣어 열적안정성을 가지면서 기계적 강도가 우수하고 장수명 특성을 가지는 연료전지용 고분자 전해질막을 제공할 수 있다.
본 발며에서 다공성 멤브레인의 기공에 이온전도성 고분자를 채워 넣은 방법은 일반적인 코팅방법에 의해 이루어질 수 있다.
상기 코팅공정은 분산액의 점성에 따라 딥코팅법, 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 고분자 전해질막은 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 위치하여 막/전극 어셈블리를 이룬다.
상기 캐소드 전극과 애노드 전극은 기체확산층(gas diffusion layer)과 촉매층을 포함한다.
본 발명의 전극에서 촉매층은 관련 반응(수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 포함하는 것으로서, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상 의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 또한 본 발명의 전극에서 사용되는 금속촉매는 일반적으로 담체에 지지된 것이 사용된다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 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 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
상기 기체 확산층(gas diffusion layer)은 연료 전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 반응 기체를 확산시켜 촉매층으로 반응 기체가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 기체 확산층(gas diffusion layer)은 탄소 페이퍼나 탄소 천이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 기체 확산층은 탄소 페이퍼나 탄소 천을 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.
또한, 상기 전극은 상기 기체 확산층과 상기 촉매층 사이에 기체 확산층의 기체 확산 효과를 더욱 증진시키기 위하여, 미세 다공층(microporous layer: MPL) 을 더욱 포함할 수 있다. 상기 미세 다공층은 탄소 분말, 카본 블랙, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙 등의 도전성 물질, 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 바인더 및 필요에 따라 아이오노머를 포함하는 조성물을 도포하여 형성된다.
또한, 본 발명은 상기 전극을 이용한 막/전극 접합체를 제공할 수 있다. 상기 막/전극 접합체는 상기에서 제조된 전극을 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 어느 하나로 하고, 이들이 서로 대향하여 위치한 사이에 고분자 전해질막을 위치시키고 소성한 후 열간 압연하는 공정에 의하여 이루어진다.
상기 고분자 전해질막은 수소이온 전도성 고분자를 포함하며, 이는 미세기공 내부에서 3차원적으로 연결되어 이온 전달 경로를 형성한다. 상기 수소이온 전도성 고분자로는 수소이온전도성을 갖는 것이라면 어느 것이나 사용 가능하고, 예를 들면 퍼플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리에테르계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리아미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 수소이온 전도성 고분자의 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸)(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 상기 막/전극 접합체를 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 세퍼레이터(또는 바이폴라 플레이트) 사이에 삽입하여 제조된 적어도 하나 이상의 단위셀을 가지는 전기발생부, 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료공급부 및 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소공급부을 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 전기 발생부는 수소와 산소의 전기화학적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다. 상기 연료 공급부는 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산소 공급부는 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(19)를 갖는 스택(7)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급원(1)과, 공기를 전기 발생부(19)로 공급하는 산소 공급원(5)을 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급원(1)은 연료를 저장하는 연료 탱크(9)와, 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 스택(7)의 전기 발생부(19)로 산소를 공급하는 산소 공급원(5)은 소 정의 펌핑력으로 공기를 흡입하는 적어도 하나의 공기 펌프(13)를 구비한다.
상기 전기 발생부(19)는 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시키는 막/전극 어셈블리(21)와 이 막/전극 어셈블리의 양측에 수소 가스와 산소를 함유한 공기를 공급하기 위한 세퍼레이터(23,25)로 구성된다.
또한, 연료 전지의 작동상태를 간략히 설명하면, 수소 또는 연료를 상기 애노드 전극에 공급하고, 산소를 상기 캐소드 전극에 공급하여, 애노드 전극과 캐소드 전극의 전기 화학 반응에 의하여 전기를 생성한다. 이때, 애노드 전극에서 수소 또는 유기 원료의 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서 산소의 환원 반응이 일어나 두 전극 간의 전압차를 발생시키게 된다.
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)
2.1 g의 무정형 실리카 섬유(amorphous silica fiber), 0.5 g의 알루미나 섬유(alumina fiber), 유기 섬유로서 폴리비닐알코올 1.5 g, 0.08 g의 질화 붕소(boron nitride), 1.2g의 펄프(pulp)를 50g의 탈이온수(deionized water)에 분산시킨 후, 페이퍼 몰딩(paper molding)시켰다. 상기에서 얻은 웨트 페이퍼(wet paper)를 100 ℃에서 건조시켜 수분을 어느 정도 제거하고, 이를 1300 ℃에서 30분간 처리하여 펄프를 제거함으로써, 세라믹 섬유가 결합되어 삼차원 네트워크를 형성시켜 다공성 세라믹 멤브레인을 제조하였다.
이 다공성 세라믹 멤브레인에 폴리(퍼플루오로술폰산)(NafionTM, 듀퐁사)을 포함하는 이온전도성 고분자 용액에 딥코팅(dip coating)한 후 60도에서 1차 건조를 하고, 이후 막의 양면에 나피온을 포함하는 고분자 용액을 슬롯다이 코팅하여 고분자 전해질막을 제조하였다.
상기에서 제조된 고분자 전해질막을 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 넣고 적층한 후 100 ℃에서 1분간 소성한 후 열간 압연하여 막/전극 어셈블리를 제조하였다.
상기 제조된 막/전극 어셈블리를 두장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터(또는 바이폴러 플레이트)에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위셀을 제조하였다.
(비교예 1)
다공성 멤브레인을 이용하지 않고 폴리(퍼플루오로술폰산)(NafionTM, 듀퐁사)을 전해질막으로 한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실험예)
상기 실시예 및 비교예의 단위셀을 이용하여 통상의 방법으로 연료전지를 제조하였다.
제조된 연료전지는 양극과 음극에 50% 가습된 공기와 수소를 공급하였으며 백프래셔(back pressure)는 없으며 60도에서 운전시켰다. 양극의 화학양론 (stiochiometry)으로서 2.0, 음극의 화학양론(stiochiometry)으로서 1.3의 연료를 주입하였으며, 단위셀을 0.4V로 유지시키면서 출력밀도를 측정하였다. 실시예 1 및 비교예 1의 사용시간에 따른 출력전류가 도 3에 도시되어 있다. 도 3의 결과에서 보면, 실시예 1의 경우가 비교예 1의 경우보다 안정된 수명을 나타내었으며, 이는 멤브레인의 무기물 네트워크에 의한 기계적 강도의 증가에 기인하는 것이다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명의 고분자 전해질막은 세라믹 섬유로 이루어져 기공을 형성한 다공성 멤브레인에 이온전도성 고분자를 포함하여, 열적안정성 및 기계적 강도를 향사시킬 수 있으며, 막두께를 30 마이크론 이하로 줄일 수 있고, 치수 안정성을 가져 장수명 특성을 부여할 수 있으므로, 상기 고분자 전해질막을 이용하여 막/전극 어셈블리를 이룰 경우 성능이 우수한 연료전지를 제공할 수 있다.

Claims (17)

  1. 세라믹 섬유들이 네트워크 형태로 서로 교차되어 기공이 형성되는 다공성 멤브레인.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 멤브레인은 기공크기가 0.01 내지 3 ㎛인 세라믹 섬유로 이루어진 다공성 멤브레인.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 섬유는 실리카 섬유, 알루미나 섬유, 알루미노실리케이트 섬유, 알루미노보로실리케이트 섬유, 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것인 세라믹 섬유로 는루어진 다공성 멤브레인.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 섬유는 전체 조성물에 대하여 3 내지 30 중량%의 양으로 포함하는 세라믹 섬유로 이루어진 다공성 멤브레인.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 교차점은 B2O3, BN, B4C, SiB4, SiB 6 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 화합물과 세라믹 섬유의 반응에 의해 형성되는 것인 다공성 멤브레인.
  6. 세라믹 섬유, 교차점 형성제(intersection forming agent), 유기 섬유, 및 펄프를 물에 분산시킨 후 압축하여 웨트 페이퍼(wet paper)를 제조하고,
    상기 웨트 페이퍼를 건조하여 필름을 제조한 후 열처리하여 기공을 형성하는 것인 다공성 멤브레인의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 다공성 멤브레인의 기공은 열처리에 의해 유기섬유가 산화되어 형성되는 것인 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 교차점 형성제는 B2O3, BN, B4C, SiB4, SiB6 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것인 제조방법.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 교차점 형성제는 세라믹 섬유에 대하여 2 내지 15 중량%의 양으로 포함하는 것인 제조방법.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 유기 섬유는 셀룰로오스계 섬유, 나일론, 아크릴 고분자, 폴리에스테르 고분자, 폴리비닐알코올 수지 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것인 제조방법.
  11. 제 6항에 있어서, 상기 유기 섬유는 세라믹 섬유의 부피에 대하여 0.3 내지 3배의 양으로 포함하는 것인 제조방법.
  12. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 세라믹 섬유로 이루어진 다공성 멤브레인의 기공 내에 수소 이온전도성 고분자를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 수소 이온전도성 고분자는 퍼플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리에테르계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리아미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것인 연료전지용 고분자 전해질막.
  14. 제 6항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따라 제조되는 다공성 멤브레인에 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 용액을 코팅하여 고분자 복합막을 제조하는 단계를 포함하는 연료전지용 고분자 전해질막의 제조방법.
  15. 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는, 고분자 전해질막을 포함하며,
    상기 고분자 전해질막은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 세라믹 섬 유로 이루어진 다공성 멤브레인의 기공 내에, 수소 이온전도성 고분자를 포함하는 것인 연료전지용 막/전극 어셈블리.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 수소이온 전도성 고분자는 퍼플루오로계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리에테르계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리아미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것인 연료전지용 막/전극 어셈블리.
  17. 제16항에 따른 막/전극 어셈블리; 및 세퍼레이터를 포함하며, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료공급부; 및
    산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소공급부
    를 포함하는 연료전지 시스템.
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