KR20070098136A - 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템 - Google Patents

연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템 Download PDF

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KR20070098136A
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Abstract

본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재 및 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 촉매, 친수성 이오노머 및 소수성 바인더를 포함한다.
본 발명의 막-전극 어셈블리는 촉매층에 친수성 이오노머와 소수성 바인더를 함께 사용하여 촉매의 활용도를 향상시키면서, 연료 공급과 산화제 공급을 원활하게 하고 전지 작동중에 발생되는 부산물을 효과적으로 배출할 수 있어 고효율 및 고출력 전지를 제공할 수 있다.
연료전지,DMFC,소수성바인더,친수성이오노머,캐소드

Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 촉매의 활용도가 높아 고효율 및 고출력을 나타내는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 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.
이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 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.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 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.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 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 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또 는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고또한 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.
본 발명의 목적은 촉매의 활용도가 높아, 고효율 및 고출력을 나타내는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재 및 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 상기 전극 기재에 형성되고, 촉매, 친수성 이오노머 및 소수성 바인더를 포함한다. 바람직하게는 캐소드 전극의 촉매층에 친수성 이오노머 및 소수성 바인더가 포함되 는 것이 전지 반응에서 발생되는 물 배출이 용이하다.
또한, 상기 막-전극 어셈블리는 직접 산화형 연료 전지에 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료를 포함하고, 상기 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 특히 막-전극 어셈블리를 구성하는 촉매층에 관한 것이다. 전극 촉매층은 전기화학적 특성뿐만 아니라 연료 등의 전달(mass transfer)을 결정짓는 요인이므로 막-전극 어셈블리의 성능에 큰 영향을 미친다.
이에 따라 본 발명에서는 막-전극 어셈블리의 성능을 향상시키기 위한 방법으로 촉매층의 구성을 최적화하였다.
본 발명의 막-전극 어셈블리는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하고, 이 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다.
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 전극 기재를 포함하고, 이 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함한다. 본 발명에서 이 촉매층, 즉 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층 중 적어도 하나는 촉매와 함께 친수성 이오노머 및 소수성 바인더를 포함할 수 있으며, 캐소드 촉매층에 친수성 이오노머 및 소수성 바인더가 포함되는 것이 전지 반응에서 발생되는 물 배출이 용이하므로 바람직하다. 캐소드 촉매층에만 친수성 이오노머 및 소수성 바인더가 포함되는 경우, 애노드 촉매층은 종래 촉매층 구성을 갖는다.
본 발명의 촉매층에서 상기 친수성 이오노머와 소수성 바인더의 총 사용량은 촉매 100 중량부당 12 내지 16 중량부가 바람직하다. 상기 친수성 이오노머와 소수성 바인더의 총 사용량이 촉매 100 중량부당 12 중량부 미만이면, 전도성이 저하되어 저항이 증가하여 전지 출력이 감소되므로 바람직하지 않고, 16 중량부를 초과하면, 촉매 활용율이 저하되어 바람직하지 않다.
또한 상기 친수성 이오노머와 소수성 바인더의 혼합 비율은 50 : 50 내지 70 : 30이 바람직하다. 친수성 이오노머와 소수성 바인더의 혼합 비율이 50 : 50에서, 상기 친수성 이오노머의 함량이 저하되면, 전도성이 저하되어 바람직하지 않고, 70 : 30에서, 친수성 이오노머의 함량이 증가되도 더 이상의 효과가 증가하지 않으므로 더 이상 증가시킬 필요가 없다.
상기 소수성 바인더는 촉매 입자들 사이에 기공을 형성시킬 수 있어서, 연료 및 산화제를 보다 효과적으로 확산시킬 수 있으며 또한 전지 반응 중에 발생되는 물을 촉매층으로부터 쉽게 분리시킬 수 있어 바람직하다. 아울러, 탄화수소 연료를 사용시 형성되는 부산물이며 연료의 산화 반응을 저해하는 CO2를 원활하게 배출시킬 수 있어서 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 결과적으로 고출력 및 고 효율 전지를 제공할 수 있다.
또한 이와 같이 물을 촉매층으로부터 쉽게 분리시키는 효과에 근거하여 캐소드 촉매층에 친수성 이오노머 및 소수성 바인더를 함께 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 소수성 바인더로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 친수성 이오노머로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 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.
본 발명의 촉매층을 갖는 전극을 제조시, 촉매 및 친수성 이오노머를 1차로 혼합하여 촉매 주변에 친수성 이오노머가 존재하도록 하고, 이 혼합물에 소수성 바인더를 첨가하여 친수성 이오노머 주변에 소수성 바인더가 존재하도록 할 수도 있고, 촉매 및 소수성 바인더를 먼저 혼합할 수도 있다. 즉, 본 발명의 촉매층을 갖는 전극 제조시 혼합 순서는 중요하지 않다.
이때, 상기 친수성 이오노머가 일반적으로 용매에 분산된 상태로 시판되므로, 별도의 용매를 사용할 필요는 없다.
이와 같이 제조된 촉매층 조성물을 이용하여 막-전극 어셈블리를 제조하는 방법은 촉매층을 전극 기재에 형성시키는 방법(CCS: Catalyst Coated Substrate) 또는 촉매층을 고분자 전해질 막에 형성시키는 방법(CCM: Catalyst Coated Membrane) 중 어떠한 방법을 적용하여도 무방하다. 그러나 CCM 방식이 본 발명의 효과를 보다 극대화할 수 있어 바람직하다.
상기 CCS 방법을 보다 자세히 설명하면, 상기 조성물을 전극 기재에 도포하여 애노드 전극과 캐소드 전극을 각각 제조한 후, 이 전극들 사이에 고분자 전해질 막을 삽입한 후, 압연하여 제조하는 방법을 말한다.
또한, 상기 CCM 방법은 이형 기재에 도포하여 애노드 및 캐소드 촉매층 필름을 각각 형성한 후, 상기 촉매층 필름들 사이에 고분자 전해질 막을 위치시킨 후, 압연하는 전사법 또는 상기 조성물을 고분자 전해질 막에 직접 코팅하는 두가지 방법을 모두 포함할 수 있다.
본 발명에서 상기 촉매층을 구성하는 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백 금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 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, Zn, Sn, Mo, W 및 Rh으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 이와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 바람직하다. 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
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, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다.
본 발명의 촉매층을 포함하는 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지는 고출력 및 고효율 효과를 얻을 수 있다. 또한 본 발명의 촉매층을 포함하는 막-전극 어셈블리는 직접 산화형 연료 전지에 적용될 때 보다 효과적이므로, 직접 산화형 연료 전지에 적용하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 전극을 구성하는 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 또는 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 또는 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 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 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), 플루오로에틸렌 폴리머 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 전극 기재에서의 기체 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 기체 확산층에 코팅하여 제조된다. 상기 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.
또한 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하여 막-전극 어셈블리를 구성하는 고분자 전해질 막은 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 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-페닐 렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상술한 구성을 갖는 본 발명의 막-전극 어셈블리의 구조를 도 1에 개략적으로 나타내었다. 즉, 본 발명의 막-전극 어셈블리(20)는 고분자 전해질 막(25)을 포함하고, 이 고분자 전해질 막(25)의 양면에 위치하는 캐소드 전극(21) 및 애노드 전극(22)을 포함한다. 상기 캐소드 전극 및 애노드 전극 중 적어도 하나는 촉매와 함께 친수성 이오노머 및 소수성 바인더를 포함한다.
본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 본 발명의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 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 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.
상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세 퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(17)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량% 및 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 사용하여 애노드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다.
Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량%와 5 wt% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 6 중량% 및 폴리테트라플루오로에틸렌 6 중량%를 사용하여 캐소드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다.
상기 애노드 전극용 촉매 조성물과 상기 캐소드 전극용 촉매 조성물을 상업용 Nafion 115(폴리(퍼플로오로설폰산)) 고분자 전해질 막의 양면에 각각 도포하여 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층을 형성하였다. 이어서, 0.2mg/cm2의 탄소 함량을 갖는 탄소지 전극 기재를 상기 애노드 촉매층에 또한 1.3mg/cm2의 탄소 함량을 갖는 탄소지 전극 기재를 상기 캐소드 촉매층에 위치시킨 후, 100℃ 열간 압연하여 막-전극 어셈블리를 제조하고, 이를 단위 전지로 사용하였다. 이때, 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 촉매 로딩량은 8mg/cm2로 하였다.
(비교예 1)
캐소드 전극용 촉매 조성물에 폴리테트라플루오로에틸렌을 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(비교예 2)
캐소드 전극용 촉매 조성물에 나피온을 사용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 전지의 0.45V 및 0.4V에서의 출력 밀도를 70℃에서 각각 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1(mW/cm2) 실시예 1(mW/cm2)
0.40V 0.45V 0.40V 0.45V
70℃ 130 110 140 115
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 친수성 이오노머와 함께 소수성 바인더를 사용한 실시예 1의 연료 전지의 출력 밀도가 비교예 1보다 우수함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 막-전극 어셈블리는 촉매층에 친수성 이오노머와 소수성 바인더를 함께 사용하여 촉매의 활용도를 향상시키면서, 연료 공급과 산화제 공급을 원활하게 하고 전지 작동중에 발생되는 부산물을 효과적으로 배출할 수 있어 고효율 및 고출력 전지를 제공할 수 있다.

Claims (13)

  1. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막
    을 포함하고,
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 중 적어도 하나는
    전극 기재 및 촉매층을 포함하며,
    상기 촉매층은 촉매, 친수성 이오노머 및 소수성 바인더를 포함하는 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 이오노머와 소수성 바인더의 총 함량은 상기 촉매 100 중량부당 12 내지 16 중량부인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 이오노머와 소수성 바인더의 혼합 비율은 50 : 50 내지 70 : 30 중량비인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 친수성 이오노머는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지인 연료 전지 용 막-전극 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 친수성 이오노머는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 친수성 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 친수성 이오노머는 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 군에서 선택되는 1종 이상인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 바인더는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은
    상기 촉매층을 고분자 전해질 막에 형성하는 방법(CCM)으로 제조된 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 막-전극 어셈블리는 직접 산화형 연료 전지용인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  11. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막
    을 포함하고,
    상기 캐소드 전극은
    전극 기재 및 촉매층을 포함하며,
    상기 촉매층은 촉매, 친수성 이오노머 및 소수성 바인더를 포함하는 것인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    연료를 포함하고, 상기 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지용인 연료 전지 시스템.
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