KR20090039423A - 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지시스템 - Google Patents

연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지시스템 Download PDF

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KR20090039423A
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조현석
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극중 적어도 하나는 전극 기재; 상기 전극 기재 위에 형성된 미세기공층; 및 상기 미세기공층 위에 형성된 촉매층을 포함하며, 상기 미세기공층은 400 내지 1500 m2/g의 비표면적을 갖는 제1도전제, 및 200 m2/g 이하의 비표면적을 갖는 제2도전제를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리는 미세기공층내 포함되는 기공 크기의 분포도가 향상되고, 기체 투과도가 증가되어 연료 및 산화제의 균일한 공급이 가능하다. 그 결과 연료전지 적용시 연료전지의 출력특성을 개선시킬 수 있다.
연료전지, 고분자 전해질 막, 미세기공층, 도전제, 비표면적

Description

연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 시스템{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING SAME}
본 발명은 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세기공층내 포함되는 기공 크기의 분포도가 향상되고 기체 투과도가 증가되어, 연료 및 산화제의 균일한 공급이 가능하여 결과 연료전지의 출력 특성을 개선시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
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 Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우를 직접 메탄올형 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" 또는 "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, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 환원 전극인 캐소드 전극에 도 달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 상기 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
본 발명의 목적은 연료와 산화제의 균일하게 공급할 수 있고, 연료전지의 출력 특성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극중 적어도 하나는 전극 기재; 상기 전극 기재 위에 형성된 미세기공층; 및 상기 미세기공층 위에 형성된 촉매층을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
이때 상기 미세기공층은 400 내지 1500 m2/g의 비표면적을 갖는 제1도전제, 및 200 m2/g 이하의 비표면적을 갖는 제2도전제를 포함한다.
본 발명은 또한 적어도 하나의 상기 막-전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 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 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리는 미세기공층내 포함되는 기공 크기의 분포도가 향상되고, 기체 투과도가 증가되어 연료 및 산화제의 균일한 공급이 가능하다. 그 결과 연료전지에 적용시 연료전지의 출력특성을 개선시킬 수 있다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
일반적으로 연료 전지에 있어서, 반응물의 균일한 공급 및 확산을 증진시키기 위하여 발수처리된 탄소지의 전극 기재의 일면에 케첸 블랙 등과 같은 도전제를 포함하는 미세기공층(microporous layer)를 형성한다. 그러나 이와 같이 형성된 미세기공층은 기공 크기 조절이 어려워 기공 크기 분포도가 광범위하고, 또한 기공 크기가 지나치게 미세한 경우 연료전지의 운전시 생성되는 물이 기공내에서 응결되어 기공을 막는 경우가 있었다. 이로 인해 반응물의 물질 전달 저항이 증가되어 연료 및 산화제의 균일한 공급이 어렵고, 그 결과 연료전지의 전지 성능이 저하되는 문제가 있었다.
이에 대하여 본 발명에서는 서로 다른 비표면적을 갖는 이종의 도전제를 사용하여 미세기공층내 기공 크기 분포도를 조절함으로써, 기체 투과도를 높이고 반응물의 물질 전달 저항을 감소시켜 연료와 산화제를 균일하게 공급할 수 있고, 그 결과 전지 성능을 향상시킬 수 있다,
즉, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 막-전극 어셈블리는 400 내지 1500 m2/g의 비표면적을 갖는 제1도전제, 및 200 m2/g 이하의 비표면적을 갖는 제2도전제를 포함하는 미세기공층을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참고하여 보다 상세히 설명하면, 상기 막-전극 어셈블리(151)는 서로 대향하는 캐소드 전극(20) 및 애노드 전극(20')을 포함하며, 이 캐소드 전극(20)과 애노드 전극(20') 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(10)을 포함한다.
상기 캐소드 전극(20) 및 애노드 전극(20')중 적어도 하나는 전극 기재(40, 40'); 상기 전극 기재 위에 형성된 미세기공층(50, 50'); 및 상기 미세기공층 위에 형성된 촉매층(30, 30')을 포함한다.
상기 전극 기재(40, 40')는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층(30, 30')으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다.
상기 전극 기재(40, 40')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 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 전극 기재(40, 40')로는 불소계 수지로 발수 처리된 것을 사용하 는 것이, 연료 전지의 구동시 캐소드 전극의 촉매층에서 전기 화학적으로 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드,　폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 전극 기재(40, 40') 위에는 미세기공층(50, 50')이 위치한다.
상기 미세기공층(50, 50')은 전극 기재(40, 40')에서의 반응물의 확산 효과를 증진시키는 역할을 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 미세기공층은 서로 다른 비표면적을 갖는 2종의 도전제를 포함하는데, 구체적으로는 상기 미세기공층(50, 50')은 400 내지 1500 m2/g의 비표면적을 갖는 제1도전제, 및 200 m2/g 이하의 비표면적을 갖는 제2도전제를 포함하는 것이 바람직하고, 700 내지 1200 m2/g의 비표면적을 갖는 제1도전제, 및 40m2/g 내지 80m2/g의 비표면적을 갖는 제2도전제를 포함하는 것이 보다 바람직하다.
상기와 같은 비표면적을 고려할 때, 상기 제1도전제는 10 내지 20nm의 평균 입자 직경을 갖고, 상기 제2도전제는 20 내지 50nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있으며, 또한 상기 입자 직경 범위내에서 상기 제1도전제 및 제2도전제는 0.2 내지 0.8의 입자 직경비(제1도전제의 입자직경/제2도전제의 입자직경의 비)를 갖는 것이 바람직하다.
상기 제1도전제는 제2도전제에 비하여 큰 비표면적 및 작은 입자 크기를 갖는 것으로, 분산도가 커 미세기공층 형성용 조성물을 안정화시키고, 또한 제조된 미세기공층내에서 전기전도를 용이하게 하여 전기전도성을 향상시킨다. 또한 상기 제2도전제는 제1도전제에 비하여 작은 비표면적 및 큰 입자 크기를 갖는 것으로, 미세기공층내 물질 전달을 용이하게 한다. 따라서, 제1도전제 및 제2도전제가 상기와 같은 범위로 서로 다른 비표면적 및 입자 크기를 가짐으로써 전기 전도성을 향상시키는 동시에, 미세기공층(50, 50')내 포함된 기공이 균일한 기공 크기 분포도를 가져, 그 결과 물질 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제1도전제로는 케첸 블랙(ketjen black®, KetjenBlack International사제), 불칸 블랙(XC72®, Cabot사제), 프린텍스(Printex®XE 2b, DeGussa사제), 블랙 펄(Black pearl 2000®, Cabot사제), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 케첸 블랙, 불칸블랙, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 제2도전제로는 아세틸렌 블랙(Acetylene Black®AB100, CP chem.사제), 덴카블랙(Denka Black®100P 또는 HS100, Denka사제), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 아세틸렌 블랙, 덴카블랙 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 제2도전제는 높은 분산성을 가질 수 있도록 염산, 황산 등과 같은 소량의 강산으로 표면처리한 후 사용할 수도 있다.
상기와 같은 제1도전제 및 제2도전제는 미세기공층내에 90:10 내지 50:50의 중량비로 포함되는 것이 바람직하다. 제1도전제와 제2도전제가 상기와 같은 중량비로 혼합될 경우 미세기공층내 형성되는 기공 크기 분포도가 보다 균일하여 우수한 물질 전달 효율을 나타낼 수 있다.
상기 제1도전제 및 제2도전제와 함께 미세기공층(50, 50')은 도전제간 접착력 향상 및 촉매층 및 전극 기재와의 접착력 향상을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수 있다.
미세기공층이 물질 전달 효율을 높이기 위해서는 적정 수준의 물을 보유하는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 바인더 수지로는 소수성 고분자를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 소수성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 소수성 고분자는 미세기공층(50, 50') 총 중량에 대하여 10 내지 30중량%의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다. 소수성 고분자의 함량이 10중량% 미만이면 충분한 접착 효과를 얻을 수 없고, 30중량%를 초과하면 상대적인 도전제 함량 의 감소로 전기 전도성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다.
상기과 같은 성분들 외에 미세기공층(50, 50') 내에는 미세기공이 형성되어 있다. 본 발명에서는 서로 다른 비표면적을 갖는 이종의 도전제를 함께 포함함으로써 미세기공층내 포함된 기공이 균일한 기공 크기 분포도를 가져 물질 전달이 용이하다.
상기와 같은 미세기공층(50, 50') 위에는 촉매층(30, 30')이 위치한다.
상기 촉매층(30, 30')은 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 것으로, 촉매를 포함한다.
상기 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, Ru, W, Rh, Ru, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 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, Pt/Ru/Sn/W, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사 용할 수 있다.
또한 이러한 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노와이어, 카본나노볼, 또는 활성탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 또는 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.
상기 촉매층(30, 30')은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다. 보다 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]), 폴리(2,5-벤즈 이미다졸), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다.
상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 이온 교환기에서 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.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 공중합체(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산, 소르비톨(Sorbitol), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것이 보다 바람직하다.
상기와 같은 구조를 갖는 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에는 고분자 전해 질 막(10)이 위치한다.
상기 고분자 전해질 막(10)은 애노드 전극(20')의 촉매층(30')에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(20)의 촉매층(30)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하는 것으로, 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다.　 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 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, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리[2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸], 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다.　 수소 이온 전도성 고분자의 양 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 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.
상기와 같은 구성을 갖는 막-전극 어셈블리는 400 내지 1500 m2/g의 비표면적을 갖는 제1도전제, 및 200 m2/g 이하의 비표면적을 갖는 제2도전제, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 미세기공층 형성용 조성물을 제조하는 단계(S1); 상기 미세기공층 형성용 조성물을 전극 기재에 도포하여 미세기공층을 형성하는 단계(S2); 미세기공층 위에 촉매층을 형성하는 단계(S3); 촉매층 위에 고분자 전해질 막을 접합하는 단계(S4)를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
이하 보다 상세히 설명하면, 먼저 400 내지 1500 m2/g의 비표면적을 갖는 제1도전제, 200 m2/g 이하의 제2도전제, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 미세기공층 형성용 조성물을 제조한다(S1).
상기 제1도전제, 제2도전제 및 바인더 수지는 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 용매로는 수계 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 에틸알코올, 이소프로필알코올, 에틸알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 또는 물 등을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 물과 2-프로필알코올의 혼 합물을 사용할 수 있다. 상기 용매는 미세기공층 형성용 조성물에 잔부로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 적절한 점도로 미세기공층을 형성할 수 있도록 적절한 양으로 첨가되는 것이 바람직하다.
또한 상기 미세기공층 형성용 조성물은 도전제의 분산성을 향상시키기 위한 분산제; 소포제 등의 첨가제를 더 포함할 수도 있다.
이들 첨가제는 그 사용 목적에 따라 사용량을 적절히 조절할 수 있다.
이후 제조된 미세기공층 형성용 조성물을 기계적 혼합 또는 초음파 혼합의 방법에 의해 보다 균일하게 혼합할 수도 있다.
상기 미세기공층 형성용 조성물을 전극 기재에 도포하여 미세기공층을 형성한다(S2).
상기 전극 기재는 앞서 설명한 바와 동일하다.
또한 상기 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법, 및 슬롯다이(slot die)를 이용한 코팅법으로 이루어진 군에서 선택된 방법으로 실시될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 바람직하게는 스크린 프린팅법을 사용할 수 있다.
상기 미세기공층이 형성된 전극기재 위에 촉매층을 형성한 후 고분자 전해질 막을 접합하거나, 또는 고분자 전해질 막에 촉매층을 형성한 후 미세기공층이 형성된 전극 기재와 접합하여 막-전극 어셈블리를 제조한다(S4).
상기 촉매층 형성은 촉매층 형성용 조성물을 전극 기재 또는 고분자 전해질 막에 직접 도포하거나, 또는 촉매층을 전극 기재 또는 고분자 전해질 막으로 전사 코팅하여 형성될 수 있다.
직접 도포법에 의해 촉매층을 형성할 경우, 촉매층 형성용 조성물을 전극 기재 또는 고분자 전해질 막에 직접 도포한 후 건조하여 형성할 수 있다. 이때 상기 도포 공정은 미세기공층 형성용 조성물의 도포 공정에서 언급한 방법들로 실시할 수 있으며, 보다 바람직하게는 스크린 프린팅법을 사용할 수 있다.
상기 촉매층 형성용 조성물은 촉매 및 용매를 포함한다.
상기 촉매는 앞서 설명한 바와 동일하다. 상기 용매로는 극성을 나타내는 용매를 사용할 수 있다. 구체적으로는 물; 메탄올, 에탄올, 이소프로필알코올 등의 알코올계 용매; N,N-디메틸아세트아미드(DMAC), N-메틸 피롤리돈(NMP), 디메틸포름아미드(DMF) 등 아미드계 용매; 및 디메틸술폭사이드 등의 술폭사이드계 용매 등을 사용할 수 있다.
상기 촉매층 형성용 조성물은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 앞서 설명한 바와 같은 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
또한 전사 코팅법에 의해 촉매층을 형성할 경우, 촉매층 형성용 조성물을 전사용 기재의 일면에 도포하고 건조하여 촉매층을 형성하고 이를 열간 압연에 의해 전극 기재 또는 고분자 전해질 막에 전사함으로써 촉매층을 형성할 수 있다.
상기 촉매층 형성용 조성물, 전극 기재, 고분자 전해질 막은 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 촉매층 형성을 위한 전사용 기재로는 통상적으로 형성된 촉매층을 용이 하게 박리할 수 있는 기재라면 어느 것이든 사용가능하다. 구체적으로는 유리기재 또는 이형필름을 사용할 수 있으며, 촉매층 박리시 뜯어짐없이 매끈하게 박리할 수 이형필름을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
상기 이형 필름으로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(Ethylene/Tetrafluoroethylene(ETFE)), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 등의 불소계 수지 필름, 또는 폴리이미드(Kapton®, DuPont 사제), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리에스테르(Mylar®, DuPont 사제) 등의 비불소계 고분자 필름을 사용할 수 있다.
상기 촉매층 형성을 위한 전사용 기재에 대한 촉매층 형성용 조성물의 도포 공정은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 전사 코팅 공정은 이형 필름에 형성된 촉매층을 전극 기재 상에 위치시킨 후 열간 압연하여 전사시킨다. 열간 압연시 온도는 70 내지 190℃, 보다 바람직하게는 80 내지 120℃인 것이 바람직하다. 또한, 열간 압연시 압력은 700 내지 3000psi, 보다 바람직하게는 1000 내지 1500psi인 것이 바람직하다. 상기 온도 및 압력범위 내에서는 촉매층의 전사가 원활하여 바람직하고, 상기 범위를 벗어나면 촉매층의 전사가 완전하지 않거나 촉매층이 지나치게 밀집된 구조를 가지므로 반응 물의 유입 및 제거에 바람직하지 않다.
이어서 촉매층이 형성된 미세기공층 포함 전극기재와 고분자 전해질 막, 또는 촉매층이 형성된 고분자 전해질 막과 미세기공층 형성 전극기재를 열간 압연하여 접합할 수 있다.
상기 열간 압연시 온도는 70 내지 190℃, 보다 바람직하게는 80 내지 120℃인 것이 바람직하다. 또한, 열간 압연시 압력은 300 내지 3000psi, 보다 바람직하게는 1000 내지 1500psi인 것이 바람직하다. 상기 온도 및 압력범위 내에서는 캐소드 전극과 고분자 전해질 막과의 결착이 효과적이나, 상기 범위를 벗어날 경우 촉매층이 지나치게 밀집된 구조를 가지므로 반응물의 유입 및 제거에 바람직하지 않다.
상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 막-전극 어셈블리는 미세기공층내 기공 크기 분포도가 균일하여, 기체투과도가 높으며, 그 결과 반응물의 공급 및 확산이 용이하여 연료전지에 적용시 연료전지의 출력 특성을 개선시킬 수 있다.
본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 연료전지 시스템은 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 적어도 하나의 전기 발생부를 포함하며, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리를 포함하고, 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 포함하며, 연료의 산화 반응 및 산화제의 환원 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 포함한다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 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 않고, 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
상기 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(150)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(101)와, 산화제를 상기 전기 발생부(150)로 공급하는 산화제 공급부(103)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(101)는 연료를 저장하는 연료 탱크(110)를 구비하며, 선택적으로, 상기 연료 탱크(110)에 연결 설치되는 연료 펌프(120)를 더 구비할 수도 있다. 상기한 연료 펌프(120)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(110)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 스택(105)의 전기 발생부(150)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(103)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(130)를 구비할 수 있다.
상기 전기 발생부(150)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(151)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(152,153)로 구성된다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
제1도전제로서 불칸블랙(XC72®, Cabot사제, 비표면적 800m2/g, 입자크기: 15nm) 및 제2도전제로서 아세틸렌블랙(Acetylene Black®AB100, CP chem.사제, 비표면적 150m2/g, 입자크기: 35nm)를 50:50의 중량비로 혼합한 후 물 30ml중에서 분산시켜 제조한 분산액을 기계적으로 교반하여 미세기공층 형성용 조성물을 제조하였다. 상기 미세기공층 형성용 조성물을 스크린 인쇄법으로 테플론으로 발수처리된 탄소지 전극 기재의 일면에 직접 도포한 후 건조하여 미세기공층을 형성하였다.
이소프로필알코올 30ml중의 Pt/C(20중량%, E-tek사제) 3.0g에, 10중량% 나피온(Nafion® Dupont사제) 수계 분산액 10g을 첨가한 후 기계적으로 교반하여 제조한 캐소드 촉매층 형성용 조성물을 스크린 인쇄법으로 상기 미세기공층 위에 직접 도포한 후 건조하여 캐소드 전극을 제조하였다. 이때 캐소드 촉매층 형성 면적은 5 X 5cm2이며 촉매 로딩량은 각각 3mg/cm2 이었다.
PtRu 블랙 촉매를 사용하는 것을 제외하고는 상기와 동일한 방법으로 실시하여 애노드 전극을 제조하였다. 이때 애노드 촉매층 형성 면적은 5 X 5cm2이며 촉매 로딩량은 각각 3mg/cm2 이었다.
상기 제조된 캐소드 전극 및 애노드 전극 사이에, 상업용 NAFION 115막(두께: 125㎛)을 각각 90℃의 3% 과산화수소, 0.5M 황산 수용액에서 2시간 처리한 후, 100℃의 탈이온수에서 1시간 동안 세척하여 준비한 H+형 NAFION 115막을 위치시킨 후 컴프레션 몰더(compression molder)를 이용하여 135℃에서 300psi, 3분동안 가압하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
제조된 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1에 있어서 제2도전제인 아세틸렌블랙을 황산에 담궈 표면처리한 후 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.
실시예 3
제1도전제로서 블랙 펄(Printex®XE 2b, DeGussa사제, 비표면적 1000m2/g, 입자크기: 12nm) 및 제2도전제로서 황산 처리된 덴카블랙(Denka Black®100P, Denka사제, 비표면적 80m2/g, 입자크기: 40nm)를 70:30의 중량비로 혼합하여 사용하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.
비교예 1
도전제로서 불칸블랙(XC72®, Cabot사제, 비표면적 800m2/g, 입자크기: 15nm) 1종만을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.
비교예 2
도전제로서 아세틸렌블랙(Acetylene Black®AB100, CP chem.사제, 비표면적 150m2/g, 입자크기: 45nm) 1종만을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1, 2에서 제조된 단전지에 대하여 직접 산화형 연료전지의 구동 조건하(수소/공기 및 3M 메탄올/공기)에서 전류 밀도를 측정하였다.
그 결과, 본 발명에 따른 비표면적이 서로 다른 2종의 도전제를 사용하여 제 조된 미세기공층을 포함하는 실시예 1 내지 3의 단전지는 동일한 운전조건에서 비교예 1 및 2의 단전지에 비해 높은 전류 밀도를 나타내어 우수한 전지 특성을 나타냄을 확인되었다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도.
[도면의 주요 부분에 대한 설명]
10: 고분자 전해질 막 20: 캐소드 전극
20': 애노드 전극 30, 30': 촉매층
40, 40': 전극 기재 50, 50': 미세기공층
100: 연료전지 시스템 101: 연료 공급부
103: 산화제 공급부 105: 스택
110: 연료 탱크 120: 연료 펌프
130: 산화제 펌프 150: 전기 발생부
151: 막-전극 어셈블리 152, 153: 세퍼레이터

Claims (9)

  1. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극중 적어도 하나는 전극 기재; 상기 전극 기재 위에 형성된 미세기공층; 및 상기 미세기공층 위에 형성된 촉매층을 포함하며,
    상기 미세기공층은 400 내지 1500 m2/g의 비표면적을 갖는 제1도전제, 및 200 m2/g 이하의 비표면적을 갖는 제2도전제를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전제 및 제2도전제는 0.2 내지 0.8의 입자 직경비(제1도전제의 입자직경/제2도전제의 입자직경의 비)를 갖는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1도전제는 케첸 블랙(ketjen black®, KetjenBlack International사제), 불칸 블랙(XC72®, Cabot사제), 프린텍스, 블랙 펄(Printex®XE 2b, DeGussa사 제), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2도전제는 산에 의해 표면처리된 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2도전제는 아세틸렌 블랙(Acetylene Black®AB100, CP chem.사제), 덴카블랙(Denka Black®100P 또는 HS100, Denka사제), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미세기공층은 상기 제1도전제와 제2도전제를 90:10 내지 50:50의 중량비로 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미세기공층은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 소수성 고분자를 더 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 소수성 고분자는 미세기공층 총 중량에 대하여 10 내지 30중량%로 포함되는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  9. 적어도 하나의 막 전극 어셈블리, 및 세퍼레이터를 포함하며, 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하고,
    상기 막-전극 어셈블리는 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 따른 것인 연료 전지 시스템.
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