KR20060108819A - 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지시스템 - Google Patents

연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지시스템 Download PDF

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KR20060108819A
KR20060108819A KR1020050030993A KR20050030993A KR20060108819A KR 20060108819 A KR20060108819 A KR 20060108819A KR 1020050030993 A KR1020050030993 A KR 1020050030993A KR 20050030993 A KR20050030993 A KR 20050030993A KR 20060108819 A KR20060108819 A KR 20060108819A
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Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지용 고분자 전해질막, 상기 연료전지용 고분자 전해질막의 일면에 접하여 형성된 애노드, 및 상기 연료전지용 고분자 전해질막의 다른 일면에 접하여 형성된 캐소드를 포함하며, 상기 캐소드는 Na, K, Ca, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb, Pt, 및 La로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 및 상기 금속을 포함하는 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매, 및 음이온 교환수지 바인더를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리는 저렴한 비용으로 생산 가능하며, 종래의 연료전지용 촉매와 대등한 효과를 나타내므로, 대량생산 및 연료전지의 원가 절감에 우수한 효과를 나타낸다.
연료전지, 촉매, 수산화이온, 음이온교환수지

Description

연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
도 1은 일반적인 연료전지용 캐소드 촉매의 표면에서 발생하는 산소의 환원반응 메커니즘의 모식도.
도 2는 본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리의 일 예를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리의 캐소드 촉매 표면에서 발생하는 산소 환원반응 메커니즘의 모식도.
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템의 일 예를 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명의 실시예 3, 4, 및 비교예 2에 따른 연료전지 시스템의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프.
[산업상 이용분야]
본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캐소드에서 수산화이온을 발생시키는 산소환원반응이 일어나는 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것 이다.
[종래기술]
연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 외부로부터 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 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, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 전기발전부(또는 스택(stack)), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 전기발전부는 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 전기발전부로 공급한다.
따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 전기발전부에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
한편, 연료 전지는 액상의 연료를 직접 전기발생부에 공급할 수 있는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell: DOFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 산화형 연료전지의 예로는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC)가 있으며, 상기 직접 산화형 연료전지에서는 개질기가 배제될 수 있다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 전기발생부는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 단독으로 존재하거나, 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다.
상기 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 애노드(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드에 공급하고, 산소를 캐소드에 공급하는 통로의 역할과 각 막-전극 어셈블리의 애노드와 캐소드를 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.
이 과정에서 애노드에서는 연료의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드에서는 산소의 전기 화학적인 환원 반응이 일어나며 이 때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 연료전지의 캐소드 내에서 백금 촉매가 수소이온을 흡착하 여 산소의 환원반응을 일으키는 메커니즘을 나타낸 모식도이다. 도 1에서 보는 바와 같이 일반적인 백금촉매(1)는 애노드로부터 전자(e-)를 공급받아 수소이온(H+)을 흡착시키며, 상기 흡착된 수소가 다시 산소(O2)와 결합하여 물(H2O)을 생성하는 산소 환원반응을 일으킨다.
그러나, 상기 백금 촉매는 가격이 비싼 귀금속이기 때문에 그 사용량을 줄이면서도 일정효과를 유지하도록 고안하기 위한 연구가 진행되고 있으며, 이를 대체하기 위한 촉매가 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 캐소드에서 수산화이온을 발생시키는 산소환원반응을 일으키는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 연료전지용 고분자 전해질막, 상기 연료전지용 고분자 전해질막의 일면에 접하여 형성된 애노드, 및 상기 연료전지용 고분자 전해질막의 다른 일면에 접하여 형성된 캐소드를 포함하며, 상기 캐소드는 Na, K, Ca, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb, Pt, 및 La로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 및 상기 금속을 포함하는 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매, 및 음이온 교환수지 바인더를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명은 또한, a) i) 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 ii) 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부, b) 연료공급부, 및 c) 산화제(oxidizing agent)공급부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리의 일 예를 나타낸 단면도이다. 단, 본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리의 구조가 상기 도 2의 구조로만 한정되는 것은 아니다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 막-전극 어셈블리(100)는 연료전지용 고분자 전해질막(10), 상기 연료전지용 고분자 전해질막의 일면에 접하여 형성된 애노드(20), 및 상기 연료전지용 고분자 전해질막의 다른 일면에 접하여 형성된 캐소드(30)을 포함하며, 상기 캐소드(30)는 Na, K, Ca, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb, Pt, 및 La로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 및 상기 금속을 포함하는 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매, 및 음이온 교환수지 바인더를 포함한다.
도 3은 본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리의 캐소드에서 발생하는 산소 환원반응을 나타낸 모식도이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 본원발명의 막-전극 어 셈블리의 캐소드 촉매(5) 표면에서는 애노드로부터 전자(e-)를 공급받아 산소(O2) 및 물(H2O)로부터 수산화이온(OH+-)을 발생시키는 산소의 환원반응이 일어나는 것을 알 수 있다.
상기 촉매의 표면에서 발생하는 산소환원반응의 반응식은 아래와 같다.
[반응식 1]
O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-
상기 촉매를 이루는 금속은 Na, K, Ca, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb, Pt, 및 La로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하며, Ag인 것이 더 바람직하다.
또한, 상기 촉매를 이루는 금속산화물은 MaOb, MpNqOr, 및 MxNyPwOz (상기 M, N, 및 P는 각각 독립적으로 Na, K, Ca, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb, Pt, 및 La로 이루어진 군에서 선택되는 금속이며, 0.1 ≤ a ≤ 3, 0.1 ≤ b ≤ 8, 0.1 ≤ p ≤ 3, 0.1 ≤ q ≤ 3.0, 0.1 ≤ r ≤ 12, 0.1 ≤ x ≤ 3.0, 0.1 ≤ y ≤ 3.0, 0.1 ≤ w ≤ 3, 0.1 ≤ z ≤ 20 임.)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속산화물인 것이 바람직하며, MnO2, Co3O4, NiCo2O4, Rb2Ru2Pb1-mO1-n(0 ≤ m ≤ 1, 0 ≤ n ≤ 0.2), Pb2Ru2O6.5, Na0.8Pt3O4, 및 La0.6Ca0.4CoO3로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속산화물인 것이 더 바람직하고, MnO2인 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 금속 및 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매는 전기전도성 담지체에 담지된 것이 바람직하다.
상기 전기전도성 담지체는 전도성을 가지는 물질이라면 어느 것이라도 좋으나, 탄소 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 담지체인 것이 바람직하다.
상기 캐소드에 포함되는 음이온 교환수지 바인더는 수산화이온(OH-)의 전달능력이 있는 고분자 수지이며, 바람직하게는 고분자 사슬의 측쇄 말단에 아민계 작용기가 공유결합된 음이온 교환수지를 포함하는 바인더이고, 더 바람직하게는 고분자 사슬의 측쇄 말단에 -NH2, -NR2, -NHR, -NR3 +OH-, -NHR2 +OH-, -NH2R+OH-, 및 -NH3 +OH-로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상(상기 R은 각각 독립적으로 CkH2k+1, CkF2k+1, 및 CkCl2k+1 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, k는 1 내지 5의 정수)의 아민계 작용기가 공유결합된 음이온 교환수지를 포함하는 바인더이다.
이 때, 상기 음이온 교환수지는 고분자 사슬의 주쇄가 폴리올레핀, 퍼플루오르계 고분자, 폴리에테르에테르케톤, 폴리슬폰, 및 폴리에테르이미드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자인 것이 바람직하다.
상기 연료전지용 막-전극 어셈블리의 애노드 또는 캐소드는 전자의 전달 효과를 높이기 위하여 카본블랙, 카본 파이버, 카본나노튜브, 카본 나노스피어, 카본나노혼, 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 도전제를 더 포 함할 수 있다.
또한, 상기 애노드 또는 캐소드는 결착력을 높이기 위하여 폴리테트라플루오로에틸론, 플루오리네이티드에틸렌프로필렌, 및 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함할 수 있다.
상기 캐소드는 상기 촉매 및 바인더를 포함하는 촉매층과 상기 촉매층을 지지하기 위한 전극기재로 구성되며, 상기 전극기재는 탄소종이(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층인 것이 바람직하다.
또한, 상기 전극기재는 필요에 따라서 촉매층과 전극기재 사이에 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함하는 미세기공층을 더 포함할 수 있다.
이러한 전극 기재의 구성은 애노드에도 동일하게 적용될 수 있다. 다만, 애노드에 포함되는 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매인 것이 바람직하다.
또한, 상기 애노드 촉매는 전기전도성 담지체에 담지된 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매일 수 있으며, 상기 전기전도성 담지체는 전도성을 가지는 물질이라면 어느 것이라도 좋으나, 탄소 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 담지체인 것이 바람직하다.
상기 애노드는 또한 통상적인 연료전지용 양이온교환수지 바인더를 포함할 수 있으며, 고분자 사슬의 측쇄 말단에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 및 히드록시기로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 작용기가 공유결합된 양이온교환수지를 포함하는 바인더를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 양이온교환수지 바인더의 예로는 양이온 전도성이 우수한 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 양이온교환수지를 포함하는 것이 바람직하며, 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)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 양이온 교환수지를 포함하는 것이 더 바람직하다.
또한, 상기 막-전극 어셈블리에 사용되는 고분자 전해질막은 통상적인 연료전지용 고분자 전해질막이며, 바람직하게는 수소이온 전도성이 우수한 퍼플루오르 계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는 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)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 더 바람직하다.
상기 구성을 가지는 연료전지용 막-전극 어셈블리는 통상적인 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 따라 제조될 수 있으며, 이하 상기 막-전극 어셈블리의 제조방법에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템의 일 예를 나타낸 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 연료전지 시스템은 a) i) 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리(100), 및 ii) 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터(101)를 포함하는 전기발생부(110); 연료공급부(120), 및 산화제(oxidizing agent)공급부(130)를 포함한다.
상기 연료전지 시스템은 고분자전해질형 연료전지(PEMFC)와 직접메탄올형 연 료전지(DMFC)를 모두 포함하며, 고분자전해질형 연료전지 인 경우에는 수소를 포함하는 연료로부터 수소기체를 발생시키는 개질기를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
(캐소드의 제조)
물을 용매로 하여 MnO2 파우더(금속산화물 촉매), 폴리알릴아민염(음이온교환수지 바인더), 및 벌칸 XC(도전제)를 5:1:1의 중량비로 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다.
상기 제조된 촉매 슬러리를 SGL사의 BC30 diffusion layer(기체확산층) 위에 50㎛의 두께로 스크린 프린팅하고, 80℃에서 건조하여 막-전극 어셈블리용 캐소드를 제조하였다.
(애노드의 제조)
Pt-Ru 블랙 촉매 5g과 폴리(퍼플루오로술폰산) 1g과 이소프로필 알코올을 20g 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다.
상기 촉매 슬러리를 SGL사의 BC20 diffusion layer 위에 50㎛의 두께로 스크린 프린팅하고, 80℃에서 건조하여 막-전극 어셈블리용 애노드를 제조하였다.
(막-전극 어셈블리의 제조)
상기 제조된 캐소드 및 애노드를 두께 120 ㎛인 폴리(퍼플루오로술폰산) 전해질막(DuPont사의 NafionTM)의 양면에 각각 접합시켜 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
실시예 2
물을 용매로 하여 탄소에 담지된 은 촉매(평균입경 3 nm인 은(Ag)의 함량 20 중량%)를 폴리알릴아민염(음이온교환수지 바인더)와 4:1의 중량비로 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하여 캐소드를 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
비교예 1
(캐소드 및 애노드의 제조)
백금 블랙 촉매(백금 함량 98 중량%), 폴리(퍼플루오로술폰산) 과 이소프로필알코올을 5:1:20의 중량비로 혼합하여 캐소드 촉매 슬러리를 제조하였다. 또한 백금-루테늄 촉매 (몰비 1:1), 폴리(퍼플루로로술폰산 (DuPont사의 NafionTM)과 이소프로필알코올을 5:1:20의 중량비로 혼합하여 애노드 촉매 슬러리를 제조하였다.
상기 촉매 슬러리를 SGL사의 BC30 diffusion layer위에 50㎛의 두께로 슬러리 코팅하고, 60℃에서 건조하여 연료전지용 전극을 제조하였다.
상기 제조된 전극을 애노드 및 캐소드로 하여 두께 120 ㎛인 폴리(퍼플루오로술폰산) 전해질막(DuPont사의 NafionTM)의 양면에 각각 접합시켜 막-전극 어셈블 리를 제조하였다.
실시예 3
실시예 1에 따라 제조된 막-전극 어셈블리의 양면에 세퍼레이터를 배치하고, 도 4와 같은 구성으로 연료공급부 및 산소공급부를 설치하여 연료전지 시스템을 제조하였다.
실시예 4
실시예 2에 따라 제조된 막-전극 어셈블리의 양면에 세퍼레이터를 배치하고, 도 4와 같은 구성으로 연료공급부 및 산소공급부를 설치하여 연료전지 시스템을 제조하였다.
비교예 2
비교예 1에 따라 제조된 막-전극 어셈블리의 양면에 세퍼레이터를 배치하고, 도 4와 같은 구성으로 연료공급부 및 산소공급부를 설치하여 연료전지 시스템을 제조하였다.
실시예 3, 4 및 비교예 2에서 제시된 연료전지를 캐소드에 공기를 애노드에 1M의 메탄올을 주입하여 40℃에서 출력밀도를 측정하였다. 이 경우 화학양론(stoichiometry)은 캐소드 및 애노드 모두 3으로 고정하였으며, 상압조건에서 측정되었다.
도 5는 본 발명의 실시예 3, 4, 및 비교예 2에 따른 연료전지 시스템의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도 5에서 보는 바와 같이, 실시예 3 및 4는 일반적인 직접메탄올형 연료전지(DMFC)의 작동범위(operation range)인 0.5 내지 0.4 V에서 일반적인 DMFC 전지인 비교예 2와 유사한 성능을 나타내었다. 이는 본 발명의 연료전지용 촉매 복합체는 종래의 연료전지용 촉매와 유사한 산소 환원반응속도를 가지는 것을 알 수 있다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 어셈블리는 저렴한 비용으로 생산가능하며, 종래의 연료전지용 촉매와 대등한 효과를 나타내므로, 대량생산 및 연료전지의 원가 절감에 우수한 효과를 나타낸다.

Claims (17)

  1. 연료전지용 고분자 전해질막, 상기 연료전지용 고분자 전해질막의 일면에 접하여 형성된 애노드, 및 상기 연료전지용 고분자 전해질막의 다른 일면에 접하여 형성된 캐소드를 포함하며,
    상기 캐소드는 Na, K, Ca, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb, Pt, 및 La로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 및 상기 금속을 포함하는 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매, 및 음이온 교환수지 바인더를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캐소드에 포함되는 금속산화물은 MaOb, MpNqOr, 및 MxNyPwOz (상기 M, N, 및 P는 각각 독립적으로 Na, K, Ca, Ag, Cu, Ni, Co, Mo, Ru, Re, Rb, Pb, Pt, 및 La로 이루어진 군에서 선택되는 금속이며, 0.1 ≤ a ≤ 3, 0.1 ≤ b ≤ 8, 0.1 ≤ p ≤ 3, 0.1 ≤ q ≤ 3, 0.1 ≤ r ≤ 12, 0.1 ≤ x ≤ 3, 0.1 ≤ y ≤ 3, 0.1 ≤ w ≤ 3, 0.1 ≤ z ≤ 20 임.)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속산화물인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서, 상기 캐소드에 포함되는 금속산화물은 MnO2, Co3O4, NiCo2O4, Rb2Ru2Pb1-mO1-n(0 ≤ m ≤ 1, 0 ≤ n ≤ 0.2), Pb2Ru2O6.5, Na0.8Pt3O4, 및 La0.6Ca0.4CoO3 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속산화물인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 및 금속산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 촉매는 전기전도성 담지체에 담지된 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전기전도성 담지체는 카본 및 전도성 고분자 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서, 상기 음이온 교환수지 바인더는 고분자 사슬의 측쇄 말단에 아민계 작용기가 공유결합된 음이온 교환수지를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서, 상기 음이온 교환수지 바인더는 고분자 사슬의 측쇄 말단에 -NH2, -NR2, -NHR, -NR3 +OH-, -NHR2 +OH-, -NH2R+OH-, 및 -NH3 +OH-로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상(상기 R은 각각 독립적으로 CkH2k+1, CkF2k+1, 및 CkCl2k+1 로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고, k는 1 내지 5의 정수)의 아민계 작용기가 공유결합된 음이온 교환수지를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  8. 제6항에 있어서, 상기 음이온 교환수지 바인더는 폴리올레핀, 퍼플루오르계 고분자, 폴리에테르에테르케톤, 폴리술폰, 및 폴리에테르이미드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 고분자 사슬의 측쇄 말단에 아민계 작용기가 공유결합된 음이온 교환수지를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서, 상기 캐소드는 카본 및 전도성 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 도전제를 더 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서, 상기 캐소드는 폴리테트라플루오로에틸렌, 퍼플루오리네이티드에틸렌프로필렌, 및 폴리비닐리덴플루오라이드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  11. 제1항에 있어서, 상기 캐소드는 탄소종이(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  12. 제11항에 있어서, 상기 캐소드는 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함하는 미세기공층을 더 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  13. 제1항에 있어서, 상기 애노드는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  14. 제1항에 있어서, 상기 애노드는 탄소종이(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층을 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  15. 제14항에 있어서, 상기 애노드는 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함하는 미세기공층을 더 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  16. 제1항에 있어서, 상기 연료전지용 고분자 전해질막은 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  17. a) i) 제1항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리; 및 ii) 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부;
    b)연료공급부; 및
    c)산화제(oxidizing agent)공급부
    를 포함하는 연료전지 시스템.
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