KR20060086115A - 연료 전지용 전극, 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는연료 전지 - Google Patents

연료 전지용 전극, 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는연료 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것으로서, 상기 연료 전지용 전극은 도전성 분말, 불소계 수지 및 도전성 기재를 포함하는 기체 확산층 및 상기 기체 확산층에 형성된 촉매층을 포함한다.
본 발명은 기체 확산층의 발수 처리시 도전성 물질을 함께 혼합하여 형성하므로, 간단한 공정으로 종래 미세 기공층을 형성시킨 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
연료전지,전극,촉매효율

Description

연료 전지용 전극, 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지{ELECTRODE AND MEMBRANE/ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 기체 확산층을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 전극을 포함하는 연료 전지의 작동 상태를 개략적으로 나타낸 도면.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 전극, 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 간단한 공정으로 제조할 수 있으며, 효율이 우수한 연료 전지용 전극, 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 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.
본 발명의 목적은 간단한 공정으로 제조할 수 있으며, 촉매 효율이 향상된 연료 전지용 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료 전지용 전극을 포함하는 연료 전지용 막/전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료 전지용 전극을 포함하는 연료 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 도전성 분말, 불소계 수지 및 도전성 기재를 포함하는 기체 확산층; 및 상기 기체 확산층에 형성된 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극을 제공하는 것이다.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극 및 이 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지용 막/전극 어셈블리로서, 상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 도전성 분말, 불소계 수지 및 도전성 기재를 포함하는 기체 확산층; 및 상기 기체 확산층에 형성된 촉매층을 포함하는 연료 전지용 막/전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명은 또한 상기 막/전극 어셈블리를 적어도 하나 이상 포함하고, 상기 막/전극 어셈블리의 애노드와 캐소드 전극 중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 세퍼레이터를 포함하는 연료 전지를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료 전지용 전극에 관한 것으로서, 일반적으로 연료 전지의 전극은 일반적으로 기체 확산층(gas diffusion layer)과 촉매층으로 구성된다. 또한 상기 기체 확산층의 기공 사이즈가 다소 크기 때문에 기체 확산이 균일하게 일어나지 않을 수 있어, 보다 균일한 기체 확산 효과를 얻기 위하여, 상기 기체 확산층에미세 기공층을 작은 기공 사이즈로 형성한다. 이러한 구성을 갖는 연료 전지의 전극은 연료 전지 작동시 발생되는 물로 인하여 기체 확산층의 기공이 막혀 기체가 확산되지 않는 것을 방지하기 위하여 기체 확산층을 먼저 발수 처리한 후, 발수 처리된 기체 확산층에 미세 기공층을 형성하는 것으로서, 공정이 복잡한 문제점이 있었다.
이에 대하여, 본 발명에서는 기체 확산층을 발수 처리하는 과정에서 도전성 물질인 탄소 분말을 혼합하여 발수 처리를 실시하여, 발수 처리 효과와 종래 미세 기공층 형성에 따른 균일한 기체 확산 효과를 동시에 얻을 수 있었다.
본 발명의 연료 전지용 전극은 도전성 분말, 불소계 수지 및 도전성 기재를 포함하는 기체 확산층과 이 기체 확산층에 형성된 촉매층을 포함한다. 이러한 기체 확산층(1)과 이 기체 확산층에 형성된 촉매층(10)의 구성을 갖는 본 발명의 연료 전지용 전극의 구조를 개략적으로 도 1에 나타내었다.
상기 기체 확산층(1)은 도전성 분말과 불소계 수지를 포함하는 조성물을 도전성 기재에 도포하여 형성되는 것으로서, 도 1에 나타낸 것과 같이, 도전성 기재를 구성하는 탄소 페이퍼(carbon paper) 또는 탄소 천(carbon cloth)의 골격 구조(5) 또는 기공 사이에 도전성 분말(7)이 존재하므로 도전성 기재의 기공 사이즈를 감소시키게 된다. 따라서, 도전성 기재의 기공 사이즈가 커서 기체를 골고루 확산시키지 못함에 따라 미세 기공층을 기체 확산층에 더욱 형성시켜 얻는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 일반적으로 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지하기 위하여 불소계 수지로 발수처리하는 공정에 사용되는 조성물에 도전성 분말을 첨가하여 기체 확산층을 형성하므로, 전체적인 공정이 간단한 장점이 있다.
상기 도전성 물질로는 탄소 분말, 카본 블랙, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙, 케첸블랙 또는 카본 나노 튜브 등을 사용할 수 있다.
상기 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVdF, Poly Vinylidene difluoride), 폴리비닐리덴 디플루오라이드-헥 사플루오로프로판(PVdF-HFP, Poly Vinylidene difluoride-hexafluoropropane)을 사용할 수 있다. 또한 상기 조성물에 사용되는 용매로는 알코올, 물과 알코올의 혼합용액 또는 물을 사용할 수 있다. 상기 알코올로는 이소프로필알코올이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 형성된 기체 확산층에 촉매층은 촉매층 조성물을 도포하여 형성한다. 상기 촉매층 조성물은 촉매, 바인더 및 필요에 따라 아이오노머를 포함하는 것으로서, 이 공정은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기 촉매층은 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 포함하는 것으로서, 그 예로는 백금 또는 백금과 전이 금속을 포함하는 2원계 내지 4원계 합금을 사용할 수 있다. 상기 전이 금속으로는 루테늄, 크롬, 구리 또는 니켈을 들 수 있다. 또한 이러한 금속 촉매는 담체에 지지시켜 사용하는 것이 바람직하다. 또한 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.
연료 전지에서 캐소드 및 애노드 전극은 물질로 구별되는 것이 아니라, 그 역할로 구별되는 것으로서, 연료 전지용 전극은 연료 산화용 애노드 및 산화제의 환원용 캐소드로 구별된다. 따라서, 본 발명의 연료 전지용 전극은 캐소드 및 애노드 전극의 모든 전극에 사용할 수 있다. 즉, 연료 전지에서 연료를 상기 애노드에 공급하고 산화제를 상기 캐소드에 공급하여, 애노드와 캐소드의 전기화학 반응에 의하여 전기를 생성한다. 상기 연료로는 수소가 바람직하고, 상기 산화제로는 산소 또는 공기가 바람직하다. 애노드에서 연료의 산화 반응이 일어나고 캐소드에서 산화제의 환원 반응이 일어나 두 전극간의 전압차를 발생시키게 된다.
도 2에 캐소드(10a) 및 애노드(10b) 전극 사이에 고분자 전해질막(15)이 위치하는 막/전극 어셈블리(20)가 구비된 연료 전지의 작동 상태를 개략적으로 나타내었다. 도 2에는 산화제로 공기를 사용하는 일 예를 나타낸 것으로서, 본 발명에서 산화제를 공기로 한정하는 것은 아니다.
상기 고분자 전해질막(15)은 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용할 수 있다. 바람직한 고분자 전해질 막으로는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'- bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. 일반적으로 상기 고분자 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.
상기 막/전극 어셈블리(20)를 가스 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함) 사이에 삽입하여 단위 전지를 제조하고, 이를 적층하여 스택을 제조한 후, 이를 두 개의 엔드 플레이트(end plate) 사이에 삽입하여 연료 전지를 제조할 수 있다. 연료 전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 용이하게 제조될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
탄소 분말 및 폴리테트라플루오로에틸렌을 40 : 60 중량비로 물과 이소프로필 알코올 용매 중에서 혼합하여 도전성 발수 처리 조성물을 제조하였다. 이 도전성 발수 처리 조성물을 탄소 페이퍼 도전성 기재에 코팅하여 기체 확산층을 제조하였다.
상기 기체 확산층에 촉매 슬러리를 도포하여 촉매층을 형성하여 연료 전지용 전극을 제조하였다. 상기 촉매 슬러리는 백금이 담지된 탄소 분말(Pt/C), 폴리테트라플루오로에틸렌 고분자 및 용매로 물과 이소프로필알코올의 혼합 용매를 혼합하여 제조하였다.
(비교예 1)
폴리테트라플루오로에틸렌으로 탄소 페이퍼를 발수처리하여 기체 확산층을 제조하였다.
상기 발수처리된 기체 확산층에 탄소 분말 및 폴리테트라플루오로에틸렌을 40 : 60 중량비로 물과 이소프로필 알코올 용매 중에서 혼합하여 형성한 미세 기공층 형성용 코팅 조성물을 도포하여 상기 기체 확산층에 미세 기공층을 형성하였다.
이어서, 상기 미세 기공층에 촉매 슬러리를 도포하여 촉매층을 형성하여 연료 전지용 전극을 제조하였다. 상기 촉매 슬러리는 백금이 담지된 탄소 분말(Pt/C), 폴리테트라플루오로에틸렌 고분자 및 용매로 물과 이소프로필알콜의 혼합용매를 혼합하여 제조하였다.
상술한 것과 같이, 본 발명은 기체 확산층의 발수 처리시 도전성 물질을 함께 혼합하여 형성하므로, 간단한 공정으로 종래 미세 기공층을 형성시킨 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

Claims (14)

  1. 도전성 분말, 불소계 수지 및 도전성 기재를 포함하는 기체 확산층; 및
    상기 기체 확산층에 형성된 촉매층
    을 포함하는 연료 전지용 전극.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 분말 및 상기 불소계 수지는 상기 도전성 섬유 사이의 기공에 함께 존재하는 것인 연료 전지용 전극.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기체 확산층은 도전성 분말 및 불소계 수지를 포함하는 조성물을 도전성 기재에 도포하여 형성되는 것인 연료 전지용 전극.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 물질은 탄소 분말, 카본 블랙, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙 및 케첸블랙으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 전극.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 불소계 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 디플루오라이드 및 폴리비닐리덴 디플루오라이드-헥사플루오로프로판으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 전극.
  6. 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극; 및
    상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막
    을 포함하는 연료 전지용 막/전극 어셈블리로서,
    상기 애노드와 캐소드 전극 중 적어도 하나는 도전성 분말, 불소계 수지 및 도전성 기재를 포함하는 기체 확산층; 및 상기 기체 확산층에 형성된 촉매층
    을 포함하는 것인 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 도전성 분말 및 상기 불소계 수지는 상기 도전성 섬유 사이의 기공에 함께 존재하는 것인 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 기체 확산층은 도전성 분말 및 불소계 수지를 포함하는 조성물을 도전성 기재에 도포하여 형성되는 것인 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 도전성 물질은 탄소 분말, 카본 블랙, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙 및 케첸블랙으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 불소계 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 디플루오라이드 및 폴리비닐리덴 디플루오라이드-헥사플루오로프로판으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 막/전극 어셈블리.
  11. 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 어셈블리; 및 상기 막/전극 어셈블리의 애노드와 캐소드 전극 중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 도전성 분말, 불소계 수지 및 도전성 기재를 포함하는 기체 확산층; 및 상기 기체 확산층에 형성된 촉매층
    을 포함하는 연료 전지.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 도전성 분말 및 상기 불소계 수지는 상기 도전성 섬유 사이의 기공에 함께 존재하는 것인 연료 전지.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 기체 확산층은 도전성 분말 및 불소계 수지를 포함하는 조성물을 도전성 기재에 도포하여 형성되는 것인 연료 전지.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 불소계 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 디플루오라이드 및 폴리비닐리덴 디플루오라이드-헥사플루오로프로판으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지.
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