KR20070035712A - 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극과, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 고분자 전해질막이 이온 전도성 고분자층 상에 나노 금속 코팅층이 형성된 복합 고분자 전해질막인 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 막-전극 어셈블리의 고분자 전해질막으로 이온 전도성 고분자층 표면을 나노 금속으로 코팅한 복합 고분자 전해질막을 사용함으로써, 전해질막 내 수분 보유능을 향상시킬 뿐만 아니라 이온 전도도를 향상시켜 연료 전지의 성능을 증가시키고, 연료로 메탄올 또는 에탄올과 같은 액상 탄화수소 연료를 사용하는 연료 전지 시스템에서 발생하는 연료의 크로스오버(crossover) 현상을 효과적으로 억제하여 연료 전지 시스템의 효율 및 수명을 증가시킨다.
막-전극 어셈블리, 연료 전지, 나노 금속, 수분 보유능, 이온 전도도, 크로스오버

Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY, FABRICATING METHOD THEREOF AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 구성을 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 구성을 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예 2에서 제조된 복합 고분자 전해질막을 보여주는 주사전자현미경 사진.
[기술분야]
본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로, 연료의 크로스오버(crossover) 현상을 효과적으로 억제하여 연료 전지 시스템의 효율 및 수명을 증가시킬 수 있는 연료 전지용 막 -전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래기술]
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. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4 내지 10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대 전원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점이 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질 하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
한편 연료 전지 시스템은 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, '연료극' 또는 '산화 전극'이라 한다)과 캐소드 전극(일면 '공기극' 또는 '환원 전극'이라고도 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고 또한 전자가 발생하며, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
한편, 연료 전지를 구성하는 막-전극 어셈블리 제조시 막의 수분 함량이 낮은 상태에서 전극과 결착시키는 경우, 수분 흡수에 의해 막이 팽창되어야 하나, 전극과의 계면이 고정되어 있어 수분 흡수가 어려운 문제가 발생한다. 이러한 낮은 수분 흡수도는 낮은 수분 함수율을 가지는 막이 제조되고, 이에 따라 수소 이온의 전도가 용이하지 못해 결과적으로 연료 전지의 전지 특성이 저하된다.
특히, 기존의 고분자 전해질막을 사용하는 직접 메탄올 연료 전지(Direct methanol fuel cell, DMFC)에서는 연료인 메탄올이 애노드 전극에서 고분자 전해질 막을 통하여 캐소드 전극으로 크로스오버(crossover) 함으로써 연료 전지의 성능이 크게 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은 고분자 전해질막 내 수분 보유능을 증가시키고, 메탄올 또는 에탄올 등의 액상 탄화수소 연료의 크로스오버를 줄일 수 있는 복합 고분자 전해질막이 구비된 막-전극 어셈블리 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 구비하여 효율 및 수명이 증가된 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 복합 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공한다.
상기 복합 고분자 전해질막은 이온 전도성 고분자층 상에 나노 금속 코팅층이 형성된다.
이때 상기 나노 금속 코팅층은 은, 금, 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 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 합금으로 이루어진 나노 금속을 건식 코팅에 의해 형성한다.
또한 본 발명은 이온 전도성 고분자층에 나노 금속을 코팅하여 복합 고분자 전해질막을 제조한 후, 상기 복합 고분자 전해질막을 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 개재하고 가압 성형하는 단계를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조방법을 제공한다.
상기 복합 고분자 전해질막은 나노 금속을 안정화시키고, 애노드 전극 및 캐소드 전극과의 접촉을 높이기 위해 나노 금속 코팅층 상에 이온 전도성 고분자로 이루어진 고분자 코팅층을 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 막-전극 어셈블리가 구비된 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 연료 전지의 전해질막으로 이온 도전성 고분자 표면을 나노 금속으로 코팅한 복합 고분자 전해질막을 사용함으로써, 전해질막 내에서의 수분 보유능을 향상시켜 수분 부족에 따른 연료 전지의 성능 저하를 억제하고, 메탄올 또는 에탄올과 같은 액상 탄화수소 연료의 사용에 따라 발생하는 크로스오버 현상을 효과적으로 억제함을 특징으로 한다.
연료 전지의 막-전극 어셈블리는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하며, 이 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 복합 고분자 전해질 막을 포함한다.
본 발명에서는 복합 고분자 전해질 막으로 이온 전도성 고분자층 상에 나노 금속 코팅층을 형성하여 상기 복합 고분자 전해질막의 강도를 증가시키고, 이온 전도도를 증가시킨다. 또한 나노 금속 코팅층을 이온 전도성 고분자층의 표면 전체에 걸쳐 코팅되어 균일한 박막을 형성하고, 얇은 두께의 박막 형태로 제조하더라도 높은 이온 전도도를 가지며, 액체에 대한 차단특성이 우수하여 복합 고분자 전해질막 내 수분 보유능을 향상시킬 수 있다.
결과적으로, 종래 연료 전지 시스템의 구동시 온도 상승에 따른 전해질막 내 물 부족 현상을 방지하여 연료 전지의 성능을 증가시키고, 메탄올 또는 에탄올과 같은 액상 탄화수소 연료의 크로스오버를 효과적으로 억제할 수 있다.
사용 가능한 나노 금속은 0.5 내지 5.0 nm의 크기를 갖는 것이 적합하며, 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 촉매층과 동일한 금속이 가능하다.
대표적으로 은, 금, 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 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 합금 중에서 선택한다. 바람직하기로 은, 금, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 및 백금-니켈로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용하다. 더욱 바람직하기로는 은, 금, 백금 및 루테늄으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 가능하다.
상기 나노 금속을 이용한 코팅층의 형성은 건식 코팅법이 가능하며, 통상적으로 사용되는 스퍼터링, 진공 증착, 이온 플레이팅, 화학 기상 증착법(CVD), 물리 기상 증착법(PVD) 및 플라즈마 화학 증착법(PECVD)으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법이 가능하다.
종래 습식 코팅법의 경우 용매나 분산제가 휘발하면서 입자들의 응집이 되어 코팅입자의 균일한 분산성을 이루기가 어려운 문제가 있다. 이에 본 발명에 따른 건식 코팅법에 의해 코팅층을 형성하는 경우 코팅되는 입자가 매우 작을 뿐만 아니라 균일하게 분산되어 막의 형성이 용이한 장점이 있으며, 거칠기도(roughness)가 촉매층보다 평탄한(smooth) 멤브레인 위에 직접 금속입자를 코팅함으로써 코팅막의 두께를 용이하게 조절 가능하다.
일예로 스퍼터링(sputtering)에 의해 코팅층을 형성하는 경우 시간 또는 전류나 전압을 조절함으로써 수 나노미터의 금속입자가 증착(deposit)되어 구형 또는 침상형태로 코팅되다가 점차로 막을 형성하게 되는데, 바람직하기로, 상기 스퍼터링을 침상형태로 증착이 되기 전까지 코팅을 수행한다. 만약 침상형태로 막을 형성하게 되는 경우에는 멤브레인을 완전히 도포하고, 멤브레인 내 기공을 막게 되어 연료가 접근하기(Fuel Accessibility)가 매우 어려워진다. 이에 시간, 전류 또는 전압 등의 공정 조건을 적절히 조절하여 증착을 수행할 수 있다. 일예로 본 발명의 실시예에서는 시간으로 이를 조절하였으며, 50초 내지 300초 범위 내에서 증착을 진행하였다.
이때 나노 금속 코팅층 형성시 나노 금속이 이온 전도성 고분자층 내로 더욱 함침시킬 수 있도록 건식 코팅 이전에 상기 이온 전도성 고분자층을 충분히 팽윤시키는 것이 바람직하다.
이러한 방법으로 형성된 나노 금속 코팅층은 전해질막이 효과적인 수분 보유능을 갖게 하면서 연료의 공급을 차단하지 않도록 그 두께가 5.0 내지 200 nm의 범위가 되도록 한다. 만약 그 두께가 상기 범위 미만이면 금속 코팅막의 효과가 미 미하며 이를 초과하면 연료의 공급을 차단하여 연료전지 성능의 저하를 초래할 수 있다.
이온 전도성 고분자층의 재질로는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며 통상적으로 고분자 전해질막으로 사용되는 양이온 교환기를 갖는 고분자가 가능하다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기가 있는 고분자 수지를 들 수 있다.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 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 이상을 들 수 있다.
이온 전도성 고분자는 상기한 재질을 이용하여 제조하여 사용하거나, 시판되는 것을 구입하여 제조할 수 있다. 상기 시판되고 있는 고분자 전해질막은 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 이오노머막(perfluorosulfonate ionomer membrane)이 주로 사용되고 있다.
추가로 본 발명에 따른 복합 고분자 전해질막은 필요에 따라 나노 금속 코팅층 표면에 고분자 코팅층을 더욱 형성하여 상기 나노 금속 코팅층을 더욱 안정화시키고, 애노드 전극 및 캐소드 전극의 촉매층과의 접촉을 높인다.
상기 고분자 코팅층은 이온 전도성 고분자 재질로 이루어지며, 구체적인 성분은 상기 이온 전도성 고분자층에서 전술한 바를 따르며, 이 범위 내에서 이온 전도성 고분자층과 동일하거나 하거나 다른 재질을 사용하여 제조된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 막-전극 어셈블리는 애노드 전극(50)과 캐소드 전극(60)을 포함하고, 이들 전극(50, 60) 사이에 복합 고분자 전해질막(70)을 구비한다.
상기 애노드 전극(50) 및 상기 캐소드 전극(60)은 촉매층(50a, 60a)과 전극 기재(50b, 60b)를 포함한다. 상기 촉매층(50a, 60a)은 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 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 케첸 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티 타니아, 및 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다.
상기 전극 기재(50b, 60b)는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층(50a, 60a)으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층(50a, 60a)으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다.
상기 전극 기재(50b, 60b)로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천((섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 전극 기재(50b, 60b)는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.
불소 계열 수지로는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), 플루오로에틸렌 폴리머 등이 사용될 수 있다.
또한, 기체 확산 효과를 증진시키기 위하여, 전극 기재(50b, 60b) 상에 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다.
미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene) 또는 카본 나노 튜브를 포함할 수 있다.
이때 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재(50b, 60b)에 코팅하여 제조된다.
바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
복합 고분자 전해질막(70)은 이온 전도성 고분자층(70b) 및 나노 금속 코팅층(70a)으로 이루어지며, 이때 상기 나노 금속 코팅층(70a)은 수소 이온이 공급되는 애노드 전극(50)의 촉매층(50b)과 접하도록 배치시키는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 막-전극 어셈블리의 다른 실시를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 애노드 전극(52)과 캐소드 전극(62)을 포함하고, 이들 전극(52, 62) 사이에 복합 고분자 전해질막(72)을 구비한다. 이때 애노드 전극과 캐소드 전극(52,62)은 상기에서 전술한 바를 따른다.
상기 복합 고분자 전해질막(72)은 이온 전도성 고분자층(72b)과 나노 금속 코팅층(72a)이 순차적으로 적층되고, 상기 나노 금속 코팅층(72a) 상에 고분자 코팅층(72c)이 더욱 형성된다. 상기 고분자 코팅층(72c)은 이온 전도성 고분자 용액을 습식 코팅하여 수행한다.
전술한 바의 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리는,
a) 이온 전도성 고분자층 표면에 나노 금속을 코팅하여 복합 고분자 전해질막을 제조하는 단계와,
b) 상기 복합 고분자 전해질막을 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 개재하고 가압 성형하는 단계를 포함한다.
추가로 단계 a)의 나노 금속 코팅 이후 형성된 나노 금속 코팅층 표면에 이온 전도성 고분자 용액을 습식 코팅하여 고분자 코팅층을 형성하는 단계를 더욱 수행한다.
상기한 방법으로 제조되는 본 발명에 따른 나노 금속 코팅층이 포함된 복합 고분자 전해질막이 구비된 막-전극 어셈블리는 연료 전지 시스템에 바람직하게 적용된다.
본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터를 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 이 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 캐소드 및 애노드 전극을 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.
본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 3에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 3에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않고 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
도 3을 참조하면, 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(19)를 갖는 스택(7)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(1)와, 산화제를 전기 발생부(19)로 공급하는 산화제 공급부(5)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(1)는 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 산화제를 공급하는 산화제 공급부(5)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비할 수 있다.
상기 전기 발생부(19)는 연료를 산화 반응시키고, 산화제를 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(21)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(23,25)로 구성된다.
특히 본 발명에 따른 연료 전지 시스템은 막-전극 어셈블리의 고분자 전해질막으로 이온 전도성 고분자층 표면에 나노 금속층이 형성된 복합 고분자 전해질막을 사용함으로써 종래 연료 전지 시스템의 구동시 온도 상승에 따른 전해질막 내 물 부족 현상을 방지하여 연료 전지의 성능을 증가시키고, 메탄올 또는 에탄올과 같은 액상 탄화수소 연료의 크로스오버를 효과적으로 억제한다.
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 ]
실시예 1
나피온 115(듀퐁 화학)막을 물에 충분히 팽윤시킨 후 1.0 에서 10 nm 크기의 은을 스퍼터링하여 100 nm의 두께로 코팅하여 복합 고분자 전해질막을 제조하였다. 상기 제조된 복합 고분자 전해질막의 이온 전도도는 0.09 S/cm 이고, 이때 수분 흡수량(Water Uptake)은 30 중량%이었다.
실시예 2
나피온 115(듀퐁 화학)막을 물에 충분히 팽윤시킨 후, 1.0 에서 10 nm 크기의 백금을 스퍼터링하여 100 nm의 두께로 코팅하여 복합 고분자 전해질막을 제조하였다. 상기 제조된 복합 고분자 전해질막의 이온 전도도는 0.1 S/cm 이고, 이때 수분 흡수량(Water Uptake)은 35 중량% 이었다.
실시예 3
상기 실시예 2에서 제조된 복합 고분자 전해질막의 백금 코팅층 표면에 5 중량% 나피온 용액을 코팅하여 3 mm 두께로 나피온 물질을 코팅시켰다.
실험예 1
상기 실시예 2에서 제조된 복합 고분자 전해질막의 표면 상태를 전자주사현미경으로 관찰하였으며, 이때 얻어진 사진을 도 4에 나타내었다.
도 4를 참조하면, 백금이 나피온 115의 막에 균일하게 코팅됨을 알 수 있다.
실험예 2
상기 실시예에서 제조된 나노 금속이 코팅된 복합 고분자 전해질막을 사용하여 직접 메탄올 연료 전지를 제작하고, 전지의 성능을 측정하였다.
직접 메탄올 연료 전지의 성능 측정은 수동형 메탄올 공급 및 공기호흡형의 조건에서 이루어졌으며, 산화극에는 4.5M 메탄올 용액이 사용되었고, 환원극은 대기중에 노출시켜 산소가 자연적으로 확산되어 공급되도록 하였다.
연료 전지의 성능 측정 결과, 본 발명에 따라 실리콘 박막이 코팅된 연료 전지용 고분자 전해질막을 이용하여 제작된 연료 전지가 기존의 상용 나피온 전해질 막을 사용한 전지보다 30 내지 50 % 더 높은 성능을 보였다.
이러한 결과는 본 발명에 따라 제조된, 나노 백금 코팅층이 코팅된 연료 전지용 고분자 전해질막이 기존의 상용 나피온 전해질막보다 이온 전도도를 향상시키고, 메탄올 투과도는 낮추어 연료 전지의 성능을 향상시켰기 때문이다.
상술한 것과 같이, 본 발명에 따라 이온 전도성 고분자층의 표면이 나노 금속으로 코팅된 복합 고분자 전해질막은 수분 보유능이 향상되어 온도 상승에 따른 전해질막 내 물 부족에 따른 연료 전지 성능 저하를 막고, 메탄올 또는 에탄올과 같은 액상 탄화수소 연료의 크로스오버를 효과적으로 억제하여 연료 전지의 효율 및 수명을 증가시킨다.

Claims (11)

  1. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 복합 고분자 전해질 막을 포함하고,
    상기 복합 고분자 전해질막이 이온 전도성 고분자층 및 나노 금속 코팅층을 포함하는 복합 고분자 전해질막인 막-전극 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 금속은 은, 금, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(이때 M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것인 막-전극 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 금속은 입자 크기가 0.5 내지 5.0 nm 인 것인 막-전극 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 금속 코팅층은 두께가 5.0 내지 200 nm인 것인 막-전극 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 고분자 전해질막은 나노 금속 코팅층 상에 고분자 코팅층을 더 포함하는 막-전극 어셈블리.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 코팅층은 이온 전도성 고분자 재질을 포함하는 막-전극 어셈블리.
  7. a) 이온 전도성 고분자층 표면에 나노 금속 코팅층을 형성하여 복합 고분자 전해질막을 제조하는 단계와,
    b) 상기 복합 고분자 전해질막을 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 개재하고 가압 성형하는 단계
    를 포함하는 막-전극 어셈블리의 제조방법
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 나노 금속 코팅층의 형성은 스퍼터링, 화학 기상 증착법(CVD), 물리 기상 증착법(PVD) 및 플라즈마 화학 증착법(PECVD)으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 건식 코팅법으로 수행하는 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 이온 전도성 고분자층은 나노 금속이 이온 전도성 고분자층 내로 더욱 함침시킬 수 있도록 건식 코팅 이전에 충분히 팽윤시키는 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    추가로 단계 a)의 나노 금속 코팅 이후 형성된 나노 금속 코팅층 표면에 이온 전도성 고분자 용액을 습식 코팅하여 고분자 코팅층을 형성하는 단계를 더욱 수행하는 막-전극 어셈블리의 제조방법.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는
    연료 전지 시스템.
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