KR20090039977A - 연료전지용 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지용 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20090039977A
KR20090039977A KR1020070105503A KR20070105503A KR20090039977A KR 20090039977 A KR20090039977 A KR 20090039977A KR 1020070105503 A KR1020070105503 A KR 1020070105503A KR 20070105503 A KR20070105503 A KR 20070105503A KR 20090039977 A KR20090039977 A KR 20090039977A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
membrane
fuel cell
polymer
fuel
ion exchange
Prior art date
Application number
KR1020070105503A
Other languages
English (en)
Inventor
이한규
권호진
김희탁
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020070105503A priority Critical patent/KR20090039977A/ko
Publication of KR20090039977A publication Critical patent/KR20090039977A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1044—Mixtures of polymers, of which at least one is ionically conductive
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1025—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having only carbon and oxygen, e.g. polyethers, sulfonated polyetheretherketones [S-PEEK], sulfonated polysaccharides, sulfonated celluloses or sulfonated polyesters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1027—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having carbon, oxygen and other atoms, e.g. sulfonated polyethersulfones [S-PES]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/103—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having nitrogen, e.g. sulfonated polybenzimidazoles [S-PBI], polybenzimidazoles with phosphoric acid, sulfonated polyamides [S-PA] or sulfonated polyphosphazenes [S-PPh]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1032—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having sulfur, e.g. sulfonated-polyethersulfones [S-PES]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1039—Polymeric electrolyte materials halogenated, e.g. sulfonated polyvinylidene fluorides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1041—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends
    • H01M8/1046—Mixtures of at least one polymer and at least one additive
    • H01M8/1048—Ion-conducting additives, e.g. ion-conducting particles, heteropolyacids, metal phosphate or polybenzimidazole with phosphoric acid
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지용 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료전지용 고분자 전해질 막은 이온 교환 수지 막, 및 상기 이온 교환 수지 막내에 균일하게 분산된 전기 전도성 고분자를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지용 고분자 전해질 막은 연료의 크로스오버를 방지하여 연료전지의 전지 특성을 향상시킬 수 있다.
연료전지, 고분자 전해질 막, 전기 전도성 고분자, 크로스 오버

Description

연료전지용 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템{POLYMER MEMBRANE FOR FUEL CELL, AND MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
본 발명은 연료전지용 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료의 크로스오버를 방지하여 연료전지의 전지 특성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 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 "산화전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라 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 환원전극인 캐소드 전극에 도달하며, 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 연료의 크로스오버를 방지하여 연료전지의 전지 특성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 고분자 전해질 막을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이온 교환 수지 막, 및 상기 이온 교환 수지 막내에 균일하게 분산된 전기 전도성 고분자를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제공한다.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리, 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 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 고분자 전해질 막은 연료의 크로스오버를 방지하 여 연료전지의 전지 특성을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
연료 전지에서 고분자 전해질 막은 애노드 전극 및 캐소드 전극을 전기적으로 분리하는 절연체이나, 전지 작동 중에 애노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 수소 이온을 전달하는 매개체로 작용하며, 산화제 또는 반응물을 분리하는 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 고분자 전해질 막은 전기화학적 안정성이 우수해야 하고, 고전류 밀도에서 저항 손실(ohmic loss)이 적어야 하며, 전지 작동 중에 반응물의 분리능이 우수하여야 할 뿐만 아니라 스택 구성을 위해서는 일정한 수준의 기계적 물성과 치수 안정성이 요구된다.
일반적으로 고분자 전해질 막으로는 전도성, 기계적 물성 및 내화학성이 우수한 퍼플루오로설폰산의 고분자 전해질막이 주로 사용되고 있다. 그러나, 이와 같은 퍼플루오로설폰산의 고분자 전해질막은, 치수 안정성 및 기계적 안정성을 향상시키기 위하여 두께를 증가시킬 경우에는 고분자 전해질 막의 수소 이온 전도성이 감소하게 되고, 고분자 전해질 막의 저항을 감소시키기 위하여 두께를 감소시킬 경우에는 기계적 물성이 저하되는 문제가 있다. 또한 두께가 일정 수준 이상으로 작을 경우 연료가 캐소드 전극 쪽으로 크로스오버되어 연료의 손실을 초래하고 전지 성능이 저하되는 문제가 있었다.
이에 대하여 본 발명에서는 이온 교환 수지 막 내에 전기 전도성 고분자가 균일하게 분산된 고분자 전해질 막을 제조함으로써, 수소 이온 전도성의 저하없이 연료에 대한 크로스 오버를 방지하여 연료전지의 전지 특성을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 고분자 전해질 막은 이온 교환 수지 막, 및 상기 이온 교환 수지 막 내에 균일하게 분산된 전기 전도성 고분자를 포함한다.
상기 전기 전도성 고분자는 통상적으로 사용되는 전기 전도성 고분자를 포함하며, 대표적으로 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리아센, 폴리티오펜, 폴리알킬티오펜, 폴리(p-페닐렌), 폴리페닐렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리퓨란, 폴리아세틸렌, 폴리세레노펜(polyselenophene), 폴리이소티아나프텐, 폴리티오펜비닐렌, 폴리페리나프탈렌(polyperinaphthalene), 폴리안트라센, 폴리나프탈렌, 폴리프로필렌, 폴리아줄렌(polyazulene), 이들의 유도체 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1종의 전기 전도성 고분자를 포함한다.
이때 상기 전기 전도성 고분자는 이온 교환 수지 막 총 중량에 대하여 1 내지 5중량%로 포함되며, 바람직하게는 1 내지 3중량%로 포함된다. 만약 상기 전기 전도성 고분자의 함량이 1중량% 미만이면 촉매층과의 결착력 또는 물 분해 촉진 효과를 기대할 수 없고, 5중량%를 초과하더라도 더 이상의 효과 향상을 기대할 수 없어 막-저항이 증가하는 문제가 발생한다.
상기 이온 교환 수지막은 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 포함하는 것이 바람직하다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.
구체적으로는 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 것을 사용할 수 있고, 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](poly[2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole]), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 수소 이온 전도성기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 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.
이때, 상기 이온 교환 수지 막으로 두께가 최소 10㎛인 박막을 사용하여도 막내 분산된 전기 전도성 고분자로 인하여 메탄올과 같은 탄화수소 연료의 크로스오버 현상을 방지할 수 있어, 박막 사용에 따른 고분자 전해질 막의 저항 감소 효 과와, 탄화수소 연료의 크로스오버 방지 효과를 동시에 얻을 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 고분자 전해질 막은, 이온 교환 수지 막으로 지지체를 제조하는 단계(S1), 및 상기 지지체의 내부에 전기 전도성 고분자를 중합하여 형성하는 단계(S2)를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
이하 각 단계별로 살펴보면, 먼저 이온 교환 수지 막으로 지지체를 제조한다(S1).
구체적으로 단계 S1에서는 지지체를 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 통상의 제조방법에 의해 박막 형태로 제조할 수 있다.
이때 전극의 촉매층과의 접촉 면적을 증가시키기 위하여, 상기 지지체에 대하여 플라즈마 처리, 산에 의한 에칭 처리, 애노다이징, 코로나 처리법, 러빙법, 일정 패턴을 갖는 플라스틱 기재를 사용한 프레스법, 샌드 페이퍼(sand papering) 또는 샌드블라스팅(sand blasting)법 등의 방법으로 표면 처리하여 표면 조도를 증가시키는 공정을 선택적으로 더 실시할 수도 있다.
단계 S2에서는 상기 단계 S1에서 제조된 상기 지지체의 내부에 전기 전도성 고분자를 중합하여 형성한다.
이때 상기 전기 전도성 고분자는 하기 (A) 및 (B) 두 가지 방법으로 제조된다.
방법 (A)는 지지체의 일 측에 전기 전도성 고분자의 단량체를 포함하는 단량체 함유 용액을 위치시키고, 타 측면에 환원제 함유 용액을 위치시킨 후, 상기 단량체 함유 용액과 환원제 함유 용액을 지지체의 내부로 확산시켜 중합을 수행한다.
방법 (B)는 지지체를 단량체 함유 용액에 제1함침한 후 환원제 함유 용액에 제2함침하여 상기 단량체를 상기 이온 교환 수지 막내에서 중합시키는 공정을 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다. 이때 지지체의 함침순서는 환원제 함유 용액이 단량체 함유 용액에 우선하여도 무방하다.
먼저, 방법 (A)이온 교환 수지 막내로 단량체 및 환원제를 확산시켜 고분자 전해질 막을 제조하는 경우, 일반적으로 고분자 전해질 막으로 사용되는 이온 교환 수지 막의 일면에는 단량체 함유 용액을, 상기 일면에 대향하는 다른 일면에는 환원제 함유 용액을 위치시킨다. 즉, 도 1에 나타낸 것과 같이, 예를 들어 2-구획 확산 셀(2-compartment diffusion cell)를 이용하여 가운데에 이온 교환 수지 막(1)을 위치시킨 후, 그 양면에 전기 전도성 고분자의 단량체 함유 용액(3)과, 환원제 함유 용액(5)을 각각 위치시킨다.
상기 전기 전도성 고분자의 단량체 함유 용액은 전기 전도성 고분자의 단량체를 용매중에 용해시켜 제조할 수 있다.
이때 상기 단량체로는 아닐린, 피롤, 아세틸렌, 아센, 티오펜, 알킬티오펜, p-페닐렌, 페닐렌 등과 같이, 앞서 설명한 전기 전도성 고분자를 중합하는데 사용되는 단량체라면 사용할 수 있다.
상기 단량체는 수용액 또는 유기 용액에 용액된 상태로 사용되는데, 이때 용매로는 탈이온수, 물, 아세토니트릴, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아마이드, 또는 클로로포름 등을 사용할 수 있다.
이때 상기 단량체를 포함하는 수용액 또는 유기 용액은 0.1 내지 1 M의 농도 로 사용되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.2 내지 0.5 M의 농도로 사용될 수 있다. 농도가 0.1 M 미만이면 중합이 잘 이루어지지 않아 바람직하지 않고, 1.0 M을 초과하면 전기 전도성 고분자가 이온 교환 막인 지지체 표면에서 중합되게 되어 바람직하지 않다.
상기 환원제 함유 용액은 환원제 및 용매를 포함한다.
상기 환원제로는 FeCl3, NaBH4, HCHO, (NH4)2S2O8 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 용매로는 탈이온수, 물, 아세토니트릴, 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아마이드, 클로로포름 등을 사용할 수 있다.
상기 환원제 함유 용액은 0.1 내지 1 M의 농도로 환원제를 포함하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.2 내지 0.5 M의 농도로 포함할 수 있다. 환원제 함유 용액의 농도가 0.1 M 미만이면 중합반응이 제대로 진행되지 않아 바람직하지 않고, 1 M을 초과하면 중합반응속도를 제어하기 어려워 바람직하지 않다.
상기 환원제 함유 용액은 또한 NaOH, KOH 등과 같은 알칼리 금속의 수산화물로 이루어진 군에서 선택되는 pH 조절제를 더 포함할 수 있다. 이에 따라 상기 환원제 함유 용액은 11 내지 13의 pH를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 11.5 내지 12.5의 pH를 갖는 것이 좋다. 환원제 함유 용액의 pH가 11 미만이면 반응 속도가 느려져 바람직하지 않고, pH 13을 초과하면 고분자막의 기계적 물성이 저하되어 바람직하지 않다.
이어서, 상기 단량체와 환원제를 이온 교환 수지 막내로 확산시키면, 상기 단량체와 환원제가 이온 교환 수지 막 내에서 서로 만나게 되고, 상기 환원제에 의해 단량체간의 중합반응이 일어나 전기 전도성 고분자가 성장하게 된다.
상기 전기 전도성 고분자의 중합 반응은 20 내지 33℃의 온도에서 실시되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 25 내지 28℃의 온도에서 실시될 수 있다. 온도가 20℃ 미만이면 반응속도가 느려 바람직하지 않고, 33℃를 초과하면 반응속도를 조절하기가 쉽지 않아 바람직하지 않다.
또한 상기 중합반응은 5분 내지 20분동안 실시하는 것이 바람직하고, 10분 내지 15분동안 실시하는 것이 바람직하다. 반응시간이 5분 미만이면 중합되는 전기 전도성 고분자의 양이 충분하지 않아 바람직하지 않고, 20분 을 초과하면 과량의 전기 전도성 고분자가 합성되고, 그 결과 고분자 전해질 막의 이온 전도성이 저하되어 바람직하지 않다.
방법 (B) 지지체를 단량체 함유 용액에 제1함침한 후, 환원제 함유 용액에 제2함침하여 전기 전도성 고분자를 형성하는 경우, 먼저 상기 제1 함침공정에 의해 이온 교환 수지 막 내로 단량체가 균일하게 분산되어 존재하게 된다.
이어서 제1함침 처리된 이온 교환 수지 막을 환원제 함유 용액에 제2함침처리하게 되면 환원제에 의해 이온 교환 수지 막 내에서 단량체가 중합되어 전기 전도성 고분자를 형성하게 된다.
이때 지지체, 단량체 함유 용액 및 환원제 함유 용액은 앞서 방법 (A)에서 설명한 바와 동일하다.
이후 선택적으로 막내 전기 전도성 고분자가 중합된 이온 교환 수지 막을 황산 용액중에서 끓이는 후처리를 더욱 실시할 수 있다.
상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 고분자 전해질 막은 이온 교환 수지 막내 전체에 걸쳐 전기 전도성 고분자가 균일하게 분산되어 수소 이온 전도성의 저하없이 얇은 두께로도 연료의 크로스 오버를 효과적으로 방지할 수 있다. 그 결과, 상기 막-전극 어셈블리는 연료전지에 적용되어 연료전지의 출력 특성을 개선시킬 수 있다. 상기와 같은 이유로 상기 막-전극 어셈블리는 직접 산화형 연료전지에 적용시 보다 우수한 효과를 나타낼 수 있다.
본 발명은 또한 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2를 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 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, 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 캐소드 전극(20) 및 애노드 전극(20')은 각각 전극 기재(40, 40')와 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 불소 계열 수지로 발수 처리된 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 캐소드 전극의 촉매층에서 전기 화학적으로 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드,　폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌,　이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 전극 기재(40, 40')에는 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 어떠 한 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, W, Rh, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 사용할 수 있다. 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 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 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, 폴리페닐렌술 파이드계 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.
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]), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다.
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-퍼플루오로 알킬비닐에테르 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.
또한, 상기 막-전극 어셈블리(151)은 전극 기재(40, 40')에서의 반응물의 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer: 미도시)이 더욱 형성될 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) 등을 포함할 수 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 도포하여 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, 디메틸술폭사이드, 또는 N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 도포 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드 등을 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
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 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.
본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(150)를 갖는 스택(105)과, 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 펌 프(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)
환원제 함유 용액으로서 0.1M (NH4)2S2O8 수용액, 및 용매로 100g의 탈이온수에 0.36M 아닐린 단량체를 첨가하여 제조한 단량체 함유 용액을 각각 준비하였다. 퍼플루오로설포네이트 이온 교환 수지 막을 도 1에 나타낸 2-구획 확산 셀의 가운데에 위치시키고, 일면에는 상기 환원제 함유 용액을 위치시키고, 다른 일면에는 단량체 함유 용액을 위치시켰다. 상온에서 10분 동안 상기 환원제 함유 용액 및 단량체 함유 용액을 이온 교환 수지 막 내로 확산시켜 막내에 전기 전도성 고분자로서 폴리아닐린(검은색)이 중합되도록 하였다. 후처리로 상기 폴리아닐린이 막 내에 중합된 이온 교환 수지 막을 0.5M 황산용액에 넣고 끓여 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 이때 이온 교환 수지 막내 형성된 폴리아닐린의 함량은 이온 교환수지막 총 중량에 대하여 3중량%이었다.
5중량% 나피온/H2O/2-프로판올 용액 (Solution Technology Inc., EW1100), 디프로필렌 글리콜 및 탈이온수를 Pt-Ru 블랙(black, 담체에 담지되지 않은 촉매를 말함, Johnson Matthey, HiSpec 6000) 입자와 혼합하여 애노드 촉매층 형성용 슬러리를 제조한 후 테플론 필름 상에 스크린 프린팅하고 건조하여 애노드 촉매층을 형성하였다. Pt-Ru 블랙 대신에 Pt 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 1000) 입자를 사용하는 것을 제외하고는 상기와 동일한 방법으로 실시하여 캐소드 촉매층을 형성하였다. 형성된 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층을 고분자 전해질 막 상에 각각 위치시킨 후 200℃에서 200 kgf/㎠의 압력으로 3분간 열압착하여 고분자 전해질 막으로 전사하였다. 캐소드 및 애노드 촉매층에서의 촉매 로딩량은 각각 4 mg/㎠ 이었다. 상기 촉매층이 형성된 고분자 전해질 막 양면에 E-Tek사의 ELAT 전극 기재를 위치시킨 후 결착하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.
상기 제조된 막-전극 어셈블리를 폴리테트라플루오로에틸렌이 코팅된 유리 섬유(glass fiber) 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입한 후, 구리 엔드 플레이트(end plate) 사이에서 압착하여 단전지를 제조하였다.
(실시예 2)
아닐린 단량체 대신에 피롤 단량체를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다. 이때 이온 교환 수지 막내 형성된 폴리피롤의 함량은 이온 교환수지막 총 중량에 대하여 3중량%이었다.
(실시예 3)
퍼플루오로설포네이트 이온 교환 수지 막을 100g의 탈이온수에 0.36M 아닐린 단량체를 첨가하여 제조한 단량체 함유 용액에 1차 함침하였다. 상기 제1함침 공정은 상온에서 15분동안 실시하였다. 이어서 100g의 아세토니트릴에 0.1 M의 FeCl3 환원제를 첨가한 용액에 상기 제1함침처리를 거친 이온 교환 수지 막을 제2함침처리하여 폴리아닐린을 포함하는 고분자 전해질 막을 제조하였다. 상기 제2함침 공정은 상온에서 10분동안 실시하였다. 이때 이온 교환 수지 막내 형성된 폴리아닐린의 함량은 이온 교환수지막 총 중량에 대하여 5중량%이었다.
상기 제조된 고분자 전해질 막을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.
(실시예 4)
퍼플루오로설포네이트 이온 교환 수지 막을 0.1 M FeCl3 수용액에 15분동안 함침시켜 1차함침처리한 후, 100g의 탈이온수에 0.36M 아닐린 단량체를 첨가하여 제조한 단량체 함유 용액에 10분동안 담궈 2차 함침을 실시하여 고분자 전해질 막을 제조하였다. 이때 이온 교환 수지 막내 형성된 폴리아닐린의 함량은 이온 교환수지막 총 중량에 대하여 5중량%이었다.
상기 제조된 고분자 전해질 막을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.
(비교예 1)
용매로 100g의 탈이온수에 0.36M 아닐린 단량체 및 1.0M 도데실벤젠 설폰산 유기산 도판트 및 3 중량%의 폴리에틸렌옥사이드(MW=5,000,000) 고분자를 첨가하여 혼합물을 제조하였다. 퍼플루오로설포네이트 이온 교환 수지 막을 도 1에 나타낸 2-구획 확산 셀의 가운데에 위치시키고, 일면에는 상기 혼합물을 위치시키고, 다른 일면에는 용매로 100g의 아세토니트릴에 5 중량%의 FeCl3 산화제를 첨가한 용액을 위치시켰다. 이어서, 상기 아닐린 단량체, 유기산 도판트 및 폴리에틸렌 옥사이드의 혼합물과, 산화제 용액을 4℃에서 24 시간 동안 확산시켜, 상기 이온 교환 수지 막의 일 표면 그리고 그 일 표면으로부터 두께 방향으로 전체 두께의 5%에 해당하는 깊이에 형성된 폴리아닐린과 폴리에틸렌옥사이드를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막을 제조하였다. 또한 폴리아닐린에는 상기 유기산 도판트가 도핑되어 있다. 이때 이온 교환 수지 막내 형성된 폴리아닐린의 함량은 이온 교환수지막 총 중량에 대하여 3중량%이었다.
상기 제조된 고분자 전해질 막을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 단전지를 제조하였다.
상기 실시예 1에서 제조된 고분자 전해질 막을 에너지 분산형 X선 분광기(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy: EDX)를 사용하여 관찰하였다. 결과를 도 4a 및 4b에 나타내었다.
도 4a는 실시예 1에서 제조된 고분자 전해질 막내 폴리아닐린의 구성성분인 질소(N)의 분포를 나타낸 것이고, 도 4b는 상기 고분자 전해질 막에 대한 EDX 관찰 결과를 나타낸 것이다. 도 4a에 있어서 흰 점이 질소를 나타내고, 도 4b에 있어서 x축은 에너지(eV)이고, y축은 강도(a.u.)를 나타낸다.
도 4a 및 4b로부터 알 수 있듯이, 이온 교환 수지 막 내에 전기 전도성 고분자인 폴리아닐린이 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 단전지에 대하여 수소/공기 조건(상대습도 100/75%) 하에서 전류 밀도를 측정하고 고분자 전해질 막의 성능을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예1
70℃, 0.7V작동전압하 전류밀도 (mA/cm2) 900 750 800 500
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 전해질 막을 포함하는 실시예 1 내지 3의 단전지는 동일한 운전조건에서 비교예 1의 단전지에 비해 높은 구동전압을 나타내어 우수한 출력밀도를 나타내는 것으로 확인되었다.
또한 상기 실시예 1, 4, 및 비교예 1의 단전지에 대하여 애노드/캐소드 = 수소/질소(상대습도 100/75%) 조건에서 80℃ 운전시 멤브레인을 통해 애노드에서 캐소드로 투과되는 수소의 양을 측정하였다. 셀 전압을 0.8V로 유지시키면서 측정되는 전류는 멤브레인을 통해 애노드에서 캐소드로 이동한 수소가 전기화학적으로 산화되면서 발생하는 것으로, 이 크로스오버 전류가 클수록 기체투과도가 높은 것이며, 출력을 감소시키게 된다.
측정 결과 실시예 1 및 4의 경우 각각 0.22mA/cm2, 0.15mA/cm2의 크로스오버 전류가 관찰되었으나, 비교예 1의 경우 2.70mA/cm2의 크로스오버 전류가 관찰되었다. 이는 실시예 1 및 4의 단전지는 비교예 1의 단전지에 비하여 멤브레인을 통한 기체반응물의 투과도가 낮아 낮은 크로스오버 전류를 나타내는 동시에 연료전지의 고전압을 유지시켜 우수한 전지특성을 내는 것으로 확인되었다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 고분자 전해질 막을 제조하는 장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 막-전극 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 연료전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 개략도.
도 4a는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 고분자 전해질 막내 폴리아닐린의 구성성분인 질소(N)의 분포를 나타낸 도면.
도 4b는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 고분자 전해질 막에 대한 에너지 분산형 X선 분광기 관찰 결과를 나타낸 도면.
[도면의 주요 부분에 대한 설명]
10: 고분자 전해질 막 20: 캐소드 전극
20': 애노드 전극 30, 30': 촉매층
40, 40': 전극 기재 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 (13)

  1. 이온 교환 수지 막; 및
    상기 이온 교환 수지 막내에 균일하게 분산된 전기 전도성 고분자
    를 포함하는 연료 전지용 고분자 전해질 막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리아센, 폴리티오펜, 폴리알킬티오펜, 폴리(p-페닐렌), 폴리페닐렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리퓨란, 폴리아세틸렌, 폴리세레노펜, 폴리이소티아나프텐, 폴리티오펜비닐렌, 폴리페리나프탈렌, 폴리안트라센, 폴리나프탈렌, 폴리프로필렌, 폴리아줄렌, 이들의 유도체 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기 전도성 고분자는 이온 교환 수지 막 총 중량에 대하여 1 내지 5중량%로 포함되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이온 교환 수지 막은 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포 닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 포함하는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 고분자 전해질 막.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질 막은 직접 산화형 연료 전지용 고분자 전해질 막인 것인 연료전지용 고분자 전해질 막.
  7. 서로 대향하여 위치한 애노드 전극 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며,
    상기 고분자 전해질 막은 이온 교환 수지 막; 및 상기 이온 교환 수지 막 내에 균일하게 분산된 전기 전도성 고분자를 포함하는 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리아센, 폴리티오펜, 폴리알킬티오펜, 폴리(p-페닐렌), 폴리페닐렌, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리퓨란, 폴리아세틸렌, 폴리세레노펜, 폴리이소티아나프텐, 폴리티오펜비닐렌, 폴리페리나프탈렌, 폴리안트라센, 폴리나프탈렌, 폴리프로필렌, 폴리아줄렌, 이들의 유도체 및 이들의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전기 전도성 고분자는 이온 교환 수지 막 총 중량에 대하여 1 내지 5중량%로 포함되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 이온 교환 수지 막은 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 막-전극 어셈블리는 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리인 것인 연료전지용 막-전극 어셈블리.
  12. 제7항 내지 제11항중 어느 한 항에 따른 막-전극 어셈블리, 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 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 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연료 전지 시스템은 직접 산화형 연료 전지 시스템인 것인 연료 전지 시스템.
KR1020070105503A 2007-10-19 2007-10-19 연료전지용 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템 KR20090039977A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070105503A KR20090039977A (ko) 2007-10-19 2007-10-19 연료전지용 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070105503A KR20090039977A (ko) 2007-10-19 2007-10-19 연료전지용 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20090039977A true KR20090039977A (ko) 2009-04-23

Family

ID=40763586

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070105503A KR20090039977A (ko) 2007-10-19 2007-10-19 연료전지용 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20090039977A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100937961B1 (ko) 연료 전지용 담체, 이를 포함하는 연료 전지용 촉매,막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템
KR101233343B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR100717745B1 (ko) 연료전지용 바인더, 이를 이용한 촉매층 형성용 조성물, 및 이를 이용한 연료전지용 막-전극 어셈블리와 이의 제조방법
KR101135477B1 (ko) 다공성 멤브레인 및 그 제조방법, 이를 이용한 연료전지용고분자 전해질막, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
KR101297170B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR20160120078A (ko) 연료전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리
KR20070106200A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR101041125B1 (ko) 연료 전지용 전극, 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR101002654B1 (ko) 연료전지용 고분자 전해질막, 이의 제조방법, 이를포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는연료전지 시스템
KR100959117B1 (ko) 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20090055304A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR20090032772A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR20080045461A (ko) 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20090039423A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지시스템
KR20070108009A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법, 이로부터제조된 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
KR20090030104A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR20090019175A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법 및 이에 따라제조된 연료 전지용 막-전극 어셈블리
KR20090039977A (ko) 연료전지용 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템
KR100759450B1 (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
KR100766975B1 (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매, 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리, 및 연료전지 시스템
KR100709201B1 (ko) 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR100804691B1 (ko) 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지시스템
KR20090044893A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR20080045457A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR20080047123A (ko) 연료전지용 고분자 전해질 막의 제조방법, 이에 따라제조된 연료전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Withdrawal due to no request for examination