KR20110080799A - 양성자 전도성 막, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents
양성자 전도성 막, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20110080799A KR20110080799A KR1020100001207A KR20100001207A KR20110080799A KR 20110080799 A KR20110080799 A KR 20110080799A KR 1020100001207 A KR1020100001207 A KR 1020100001207A KR 20100001207 A KR20100001207 A KR 20100001207A KR 20110080799 A KR20110080799 A KR 20110080799A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- proton conductive
- polymer
- fuel cell
- metal plate
- conductive membrane
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 40
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 61
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 25
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 30
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 15
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 8
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N phencyclidine Chemical compound C1CCCCN1C1(C=2C=CC=CC=2)CCCCC1 JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000002048 anodisation reaction Methods 0.000 claims description 4
- VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N selanylidenegallium;selenium Chemical compound [Se].[Se]=[Ga].[Se]=[Ga] VSZWPYCFIRKVQL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 3
- 238000007743 anodising Methods 0.000 claims description 2
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 2
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 claims description 2
- 125000004354 sulfur functional group Chemical group 0.000 claims 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical group [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QYKIQEUNHZKYBP-UHFFFAOYSA-N Vinyl ether Chemical group C=COC=C QYKIQEUNHZKYBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 125000002947 alkylene group Chemical group 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 239000003637 basic solution Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000004925 denaturation Methods 0.000 description 1
- 230000036425 denaturation Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005429 filling process Methods 0.000 description 1
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 1
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000412 polyarylene Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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
- H01M8/1058—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties
- H01M8/106—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties characterised by the chemical composition of the porous support
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
- C08J5/20—Manufacture of shaped structures of ion-exchange resins
- C08J5/22—Films, membranes or diaphragms
- C08J5/2206—Films, membranes or diaphragms based on organic and/or inorganic macromolecular compounds
-
- 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
- H01M8/02—Details
- H01M8/0289—Means for holding the electrolyte
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
- C08J2341/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a bond to sulfur or by a heterocyclic ring containing sulfur; Derivatives of such polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0088—Composites
-
- 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
- H01M8/1058—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties
- H01M8/1062—Polymeric electrolyte materials characterised by a porous support having no ion-conducting properties characterised by the physical properties of the porous support, e.g. its porosity or thickness
-
- 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
-
- 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
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
- Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
Abstract
양성자 전도성 막, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 일 이상의 관통홀을 포함하는 금속 산화막, 및 상기 일 이상의 관통홀에 충진되어 있는 중합체(polymer)를 포함하는 양성자 전도성 막이 제공된다.
Description
본 발명은 양성자 전도성 막, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 양극 산화 반응을 통해 간편한 방법으로 제조될 수 있으면서도 양성자 전도율이 뛰어나며, 수분량에 따른 구조적 변성이 적은 양성자 전도성 막, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
최근 환경문제, 에너지원 고갈 및 연료전지 자동차의 실용화와 더불어 높은 에너지 효율을 가지며 상온에서 작동이 가능하면서도 신뢰성이 높은 고성능 연료전지에 대한 개발이 요구되고 있다.
이러한 추세와 더불이 연료전지에 통상적으로 포함되는 전도성 막에 대한 개발 또한 요구되고 있는 상황이다.
연료전지는 연료 가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 새로운 전기에너지 발생 시스템이다. 이러한 연료전지의 종류로는 500℃~700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃ 근방에서 작동하는 인산 전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃이하에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지 및 고분자 전해질형 연료전지 등을 들 수 있다.
한편, 상기 고분자 전해질형 연료전지로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지(PEMFC; Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 및 액상의 메탄올을 직접 연료로 애노드에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; Direct Methanol Fuel Cell) 등이 있다. 이러한 고분자 전해질형 연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 미래의 청정에너지원으로서, 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높다. 또한, 상온에서 작동가능하고 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주사업용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용가능하다는 장점이 있다.
고분자 전해질형 연료전지의 기본 구조는 애노드와 캐소드 사이에 양성자 전도성 막(즉, 수소이온 교환막)이 개재되어 있는 기본 구조를 갖는다.
양성자 전도성 막은 통상적으로 50㎛ 내지 200㎛의 두께를 갖으며, 고체 고분자 전해질로 이루어져 있을 수 있다. 이러한 고분자 전해질형 연료전지의 동작 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다. 반응기체인 수소가 공급되면 애노드에서는 산화반응이 일어나 수소 분자가 수소 이온과 전자로 전환되는데, 이 때 수소 이온은 양성자 전도성 막을 통해 캐소드로 전달되게 된다. 한편, 캐소드에서는 환원 반응이 일어나 산소 분자가 전자를 받아 산소 이온으로 전환되며, 산소 이온은 애노드로부터 전달된 수소 이온과 반응하여 물분자로 전환된다.
여기서, 양성자 전도성 막에는 높은 이온 전도도, 전기 화학적 안전성, 전도막으로서의 기계적 물성, 작동 온도에서의 열적안정성, 얇은 막으로서의 제조 가능성 등이 요구된다. 현재, 통상적으로는, 주사슬에 불소화 알킬렌을 가지고 있고, 불소화비닐 에테르 측쇄사슬의 말단에 술폰산기를 가지는 과풀루오로설폰산 고분자(perfluorosulfonic acid polymer)막이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 불소계 막은 불소 치환 공정이 복잡하기 때문에 제조단가가 매우 높아지는 단점이 있고, 수분 함유량에 따라 팽창도의 변화가 커 물리적으로 변성되는 문제와 함께 온도에 따라 이온 전도도 또한 급격히 저하되는 문제점 또한 갖고 있다. 한편, 이와는 다른 양성자 전도성 막으로서 폴리아릴렌이써 계열의 고분자막이 있으나, 기계적 물성이 열악하고, 전지의 수명을 짧게 한다는 문제점을 갖고 있다.
한편, 양성자 전도성 막과 애노드 사이 및 양성자 전도성 막과 캐소드 사이에는 촉매층이 형성될 수 있는데, 통상적으로 이러한 촉매층은 다음과 같은 방식으로 만들어진다. 즉, 탄소 분말에 촉매 모액을 담지하여 형성되는 잉크 상태의 촉매액을 양성자 전도성 막에 바름으로써 촉매층이 형성되는데, 이러한 방식에 따르면 탄소 분말을 통해 형성되는 촉매층 두께 만큼의 저항이 생길 수 밖에 없게 되고, 이에 따라 전체적인 전지의 효율이 낮아지는 문제점이 생길 수 밖에 없었다.
따라서, 제조 단가가 낮으면서도 제조가 쉽고, 높은 이온 전도도, 전기 화학적 안전성을 가지며, 높은 효율을 갖는 연료전지용 양성자 전도성 막에 대한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양극 산화 반응, 에칭 공정, 폴리머 충진 공정만으로 이루어지는 간소화된 공정만으로도 제조될 수 있으면서도 높은 이온 전도성을 갖음과 동시에 온도와 습도의 변화에 대해 구조적으로 안정성을 갖는 양성자 전도성 막, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 연료전지에 있어서 양성자 전도성 막의 표면에 촉매 모액을 바로 담지하여 촉매층을 형성시킴으로써 촉매층 형성을 위한 다른 구성물질에 따른 저항 발생을 제거하여 높은 효율을 가지는 연료전지를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 일 이상의 관통홀을 포함하는 금속 산화막, 및 상기 일 이상의 관통홀에 충진되어 있는 중합체(polymer)를 포함하는 양성자 전도성 막이 제공된다.
한편, 상술한 목적으로 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, (a) 전도성 금속판에 대해 양극 산화 반응을 발생시켜 상기 전도성 금속판의 상부 영역에 다공질 구조를 갖는 산화막층을 형성하는 단계, (b) 상기 산화막층의 하단 영역 이하를 제거하되, 제거된 후에 얻어지는 산화막층의 두께가 상기 다공질 구조를 형성하는 구멍 중 적어도 하나의 깊이보다 얇게 형성되도록 제거하여 적어도 하나의 관통홀을 포함하는 산화막층을 얻는 단계, 및 (c) 상기 적어도 하나의 관통홀에 중합체를 충진시키는 단계를 포함하는 양성자 전도성 막의 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 양성자 전도성 막을 포함하여 구성되는 연료전지가 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 중합체가 충진되어 있는 일 이상의 관통홀을 갖는 양성자 전도성 막을 제조하는 단계, 및 상기 양성자 전도성 막의 표면에 촉매 모액을 담지시켜 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 간소화된 공정만으로도 높은 이온 전도성을 갖음과 동시에 온도와 습도의 변화에 대해 구조적으로 안정성을 갖는 양성자 전도성 막이 제조될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 양성자 전도성 막의 표면에 촉매 모액을 바로 담지하는 방법을 통해 연료전지의 촉매층이 형성되기 때문에 촉매층 형성을 위한 별도 구성물질 부가에 따른 저항 발생 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 막의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 막에 있어서 양성자의 이동 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 막의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 막을 포함하는 연료전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 막에 있어서 양성자의 이동 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 막의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 막을 포함하는 연료전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
[본 발명의 바람직한 실시예]
양성자 전도성 막의 구조
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 막의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 양성자 전도성 막(100)은 일 이상의 관통홀(111)을 포함하는 산화막(110) 및 산화막(110)에 형성되어 있는 일 이상의 관통홀(111)에 충진되어 있는 중합체(polymer; 120)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 산화막(110)은 소정 금속의 산화물(oxide)로 이루어져 있을 수 있다. 여기서 소정 금속이라 함은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 철(Fe) 또는 금속에 다른 원소가 첨가되어 생성된 합금 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않음은 물론이다.
한편, 이러한 산화막(110)에는 일 이상의 관통홀(111)이 형성되어 있을 수 있다. 관통홀(111)에는 중합체(120)가 충진되어 있을 수 있는데, 이러한 중합체(120)가 충진되어 있는 관통홀(111)이 양성자의 이동 경로가 된다. 도 2는 이러한 양성자의 이동 과정에 대해 상세히 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 중합체(120)는 유황 중합체, 즉, 서퍼(sulfur)기를 종단에 포함하고 있는 중합체일 수 있다. 중합체(120)에 포함되는 서퍼(sulfur)기는 음 이온성을 가지므로, 양성자(H+)를 끌어당기는 힘을 갖게 된다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 중합체(120)의 종단에 서퍼기가 차례로 형성되어 있기 때문에, 이를 따라 양성자(H+)가 이동할 수 있게 된다. 즉, 도 2의 상부 방향에서 양성자(H+)가 산화막(110)의 관통홀(111)로 인입된다면, 해당 양성자(H+)는 차례로 형성되어 있는 서퍼기를 따라 도면상 아래 방향으로 점핑(jumping)을 하게 되고, 이에 따라 관통홀(111)의 윗 방향에서 아래 방향으로 이동할 수 있게 되는 것이다.
이하에서는, 이러한 특징을 갖는 양성자 전도성 막의 제조 방법에 대해 설명하기로 한다.
양성자 전도성 막의 제조 방법
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 막의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 양성자 전도성 막의 제조를 위해서는 먼저 도 3a에 도시되는 바와 같이, 전도성 금속판(310)과 전도성 금속선(320)을 준비한다. 전도성 금속판(310)과 전도성 금속선(320)는 외부를 탈지하여 준비한다. 탈지법으로서는 산 용액을 이용한 통상의 탈지법 등이 이용될 수 있다. 그 후, 탈지한 금속판(310)과 금속선(320)을 에칭하여 금속 산화물들을 제거한다. 에칭 방법으로는 염기 에칭법 등의 통상의 에칭법이 이용될 수 있다. 여기서 전도성 금속판(310)과 전도성 금속선(320)의 구성 물질인 금속은 위에서 설명한 바와 같은 금속, 즉, 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 철(Fe) 또는 금속에 다른 원소가 첨가되어 생성된 합금 등일 수 있다. 또한, 여기서는 금속판(310)과 금속선(320)인 것으로 설명을 하였으나, 금속판(310)은 후에 양성자 전도성 막(100)의 산화막(110; 도 1 참조)이 될 부분으로서 제조 하고자 하는 막의 형상에 따라 달리 변형될 수 있으며, 금속선(320) 또한 선 형상에 한정되는 것이 아니며, 이와는 다른 판 형상 또는 입체 도형 형상 등일 수 있다. 한편, 전도성 금속판(310) 및 전도성 금속선(320)을 준비하는 것만으로도 본 발명의 양성자 전도성 막을 제조 하기 위한 준비 과정으로서는 충분하며, 상기 설명한 탈지 과정 또는 에칭 과정은 얼마든지 생략될 수 있다.
전도성 금속판(310) 및 전도성 금속선(320)이 준비되면, 도 3b에 도시되는 바와 같이, 전도성 금속판(310)과 전도성 금속선(320)에 전류를 인가하되, 전도성 금속판(310)에는 양극 전류, 전도성 금속선(320)에는 음극 전류를 가한다. 이 때, 양극과 음극 사이, 즉, 전도성 금속판(310)과 전도성 금속선(320) 사이에는 전해액을 흘려주어 양극 산화 반응이 발생할 수 있도록 한다. 전해액으로서는 저온의 황산 용액 또는 염기성 용액이 이용될 수 있다. 양극 산화 반응의 과정 중에는 음극 전류가 인가된 전도성 금속선(320) 주위에서 수소가 발생하고, 양극 전류가 인가된 전도성 금속판(310) 주위에서는 산소가 발생하게 되는데, 이러한 산소가 금속판(310)과 반응함으로써 금속판(310)이 산화되게 된다.
도 3c는 이러한 양극 산화 반응을 거친 금속판(310)의 변형물을 나타내는 단면도이다.
도 3c에 도시되는 바와 같이, 양극 산화 반응의 결과 금속판(310)의 표면, 즉, 산화가 활발히 이루어진 부분에는 다수의 구멍이 형성되어 다공질 구조가 형성되게 된다. 그 결과 금속판(310)은 다공질 구조를 포함하는 산화막층(311)과 산화가 활발히 이루어지지 않은 금속층(312)을 포함하게 된다. 여기서 다공질 구조를 형성하는 구멍의 깊이, 즉, 산화막층(311)의 높이는 양극 산화 반응의 강도 또는 그 시간에 따라 달라질 수 있는데, 제조하고자 하는 산화막(110; 도 1 참조)의 두께에 따라 반응 강도 또는 시간 등을 제어함으로써 구멍의 깊이를 조절할 수 있다. 또한, 부분적으로만 양극 산화 반응을 발생시켜 금속판(310) 중 적어도 일부는 상부 영역에 산화막층(311)이 형성되지 않도록 할 수도 있다. 즉, 산화막층(311)의 높은 취성으로 인해 깨지기 쉬운 특성을 보상하기 위해 일부분의 금속판(310)은 그대로 남겨놓아 구조적 강성을 유지할 수도 있다. 일례로서, 격자 또는 이와 유사한 형태로 산화막층(311)이 형성되는 부분을 선택할 수 있다.
양극 산화 반응의 결과 금속판(310)이 도 3c에 도시되는 바와 같이 변형이 되면, 도 3d에 도시되는 바와 같이 산화막층(311)과 금속층(312)이 맞닿아 있는 부분을 절단하되, 산화막층(311)의 두께가 다공질 구조를 형성하는 구멍의 깊이보다는 얇도록 절단한다. 즉, 도면상 A-A'로 표현되는 절단선을 따라 절단한다. 산화막층(311)의 두께가 다공질 구조를 형성하는 구멍의 깊이보다 얇도록 절단하는 이유는 상기 구멍들의 최하단 부분 이하를 절단함으로써 산화막층(311)에 다수의 관통홀이 형성될 수 있도록 하기 위함이다. 절단의 방법으로는 통상의 에칭법 등이 이용될 수 있다. 즉, 에칭법 등을 이용하여 금속층(312)으로부터 산화막층(311)에 형성되는 다수 구멍의 최하단 부분까지를 제거함으로써 산화막층(311)과 금속층(312)이 인접하는 부분을 절단하는 것과 같은 결과를 낼 수 있다.
이렇게 하여 다수의 관통홀을 포함하는 산화막층(311)이 형성되면, 도 3e에 도시되는 바와 같이 관통홀에 중합체(330)를 충진시킨다. 앞서 설명한 바와 같이 중합체(330)로서는 종단에 서퍼기를 갖는 유황 중합체 등이 이용될 수 있다. 이렇게 함으로써, 본 발명에 따른 양성자 전도성 막이 얻어질 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 막을 포함하는 연료전지에 대해 간단히 설명하기로 한다.
연료전지
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양성자 전도성 막을 포함하는 연료전지의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 연료전지(400)는 애노드(410)와 캐소드(420), 그 사이에 개재되는 양성자 전도성 막(430), 및 양성자 전도성 막(430)과 애노드(410) 및 캐소드(420) 사이에 형성되는 촉매층(440)을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 연료전지는 수소 이온 교환막 연료전지(PEMFC; Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 또는 직접 메탄올 연료전지(DMFC; Direct Methanel Fuel Cell)로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매층(440)은 양성자 전도성 막(430)의 표면에 바로 형성시킬 수 있다. 즉, 양성자 전도성 막(430)의 표면에 촉매 모액을 바로 담지함으로써 촉매층(440)을 형성시킬 수 있다. 여기서, 촉매 모액으로서는 귀금속 또는 비귀금속 계열의 촉매 모액이 사용될 수 있다. 일례로서는, 백금, 루테늄, 로듐 중 선택되는 적어도 하나의 귀금속 계열 촉매 모액 또는 그 혼합물이 이용될 수 있다.
이러한 본 발명의 연료전지 제조 방법에 따르면 양성자 전도성 막(430) 상에 촉매 모액을 직접적으로 담지시킴으로써 촉매층(440)을 형성시키기 때문에, 촉매층 형성을 위한 별도의 물질(예를 들면, 탄소 분말 등) 부가에 따른 저항이 없어지게 되며, 이에 따라 자연히 전체적인 전지의 효율이 향상될 수 있게 된다.
한편, 촉매층(440)은 이상에서 설명한 방법으로도 형성될 수 있으나, 종래기술에서와 같이 분말(예를 들면, 탄소 분말)을 이용하여 잉크 상태로 된 촉매 모액을 양성자 전도성 막(430)에 바르는 방법 등에 의해서도 형성될 수 있음은 물론이다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 산화막
111: 관통홍
120: 중합체
310: 전도성 금속판
320: 전도성 금속선
311: 산화막층
312: 금속층
111: 관통홍
120: 중합체
310: 전도성 금속판
320: 전도성 금속선
311: 산화막층
312: 금속층
Claims (12)
- 일 이상의 관통홀을 포함하는 금속 산화막, 및
상기 일 이상의 관통홀에 충진되어 있는 중합체(polymer)를 포함하는 양성자 전도성 막. - 제1항에 있어서,
상기 금속 산화막은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 철(Fe) 또는 합금 중 선택되는 적어도 하나에 대한 금속 산화막인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 막. - 제1항에 있어서,
상기 중합체는 서퍼(sulfur)기를 종단에 포함하고 있는 중합체인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 막. - (a) 전도성 금속판에 대해 양극 산화 반응을 발생시켜 상기 전도성 금속판의 상부 영역에 다공질 구조를 갖는 산화막층을 형성하는 단계,
(b) 상기 산화막층의 하단 영역 이하를 제거하되, 제거된 후에 얻어지는 산화막층의 두께가 상기 다공질 구조를 형성하는 구멍 중 적어도 하나의 깊이보다 얇게 형성되도록 제거하여 적어도 하나의 관통홀을 포함하는 산화막층을 얻는 단계, 및
(c) 상기 적어도 하나의 관통홀에 중합체를 충진시키는 단계를 포함하는 양성자 전도성 막의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
별도의 전도성 금속을 준비하여 상기 전도성 금속판에는 양극 전류, 상기 전도성 금속에는 음극 전류를 인가하고, 상기 전도성 금속과 상기 전도성 금속판 사이에 전해액을 가하여 양극 산화 반응을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 막의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 전도성 금속판은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 철(Fe) 또는 합금 중 선택되는 적어도 하나의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 막의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 (b) 단계는 에칭법을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 막의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 중합체는 서퍼(sulfur)기를 종단에 포함하고 있는 중합체인 것을 특징으로 하는 양성자 전도성 막의 제조 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 양성자 전도성 막을 포함하는 연료전지.
- 중합체가 충진되어 있는 일 이상의 관통홀을 갖는 양성자 전도성 막을 제조하는 단계, 및
상기 양성자 전도성 막의 표면에 촉매 모액을 담지시켜 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 양성자 전도성 막을 제조하는 단계는,
전도성 금속판에 대해 양극 산화 반응을 발생시켜 상기 전도성 금속판의 상부 영역에 다공질 구조를 갖는 산화막층을 형성하는 단계,
상기 산화막층의 하단 영역 이하를 제거하되, 제거된 후에 얻어지는 산화막층의 두께가 상기 다공질 구조를 형성하는 구멍 중 적어도 하나의 깊이보다 얇게 형성되도록 제거하여 적어도 하나의 관통홀을 포함하는 산화막층을 얻는 단계, 및
상기 적어도 하나의 관통홀에 중합체를 충진시키는 단계를 포함하는 연료전지의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
상기 촉매 모액은 귀금속 또는 비귀금속 계열의 촉매 모액인 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조 방법.
제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되는 양성자 전도성 막을 포함하는 연료전지.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100001207A KR20110080799A (ko) | 2010-01-07 | 2010-01-07 | 양성자 전도성 막, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 |
| PCT/KR2011/000100 WO2011084000A2 (ko) | 2010-01-07 | 2011-01-07 | 양성자 전도성 막, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020100001207A KR20110080799A (ko) | 2010-01-07 | 2010-01-07 | 양성자 전도성 막, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20110080799A true KR20110080799A (ko) | 2011-07-13 |
Family
ID=44305962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020100001207A KR20110080799A (ko) | 2010-01-07 | 2010-01-07 | 양성자 전도성 막, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20110080799A (ko) |
| WO (1) | WO2011084000A2 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220140179A (ko) * | 2021-04-09 | 2022-10-18 | (주)포인트엔지니어링 | 막-전극 접합체 및 이를 구비하는 연료전지 셀 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7947405B2 (en) * | 2004-09-29 | 2011-05-24 | Giner Electrochemical Systems, Llc | Solid polymer electrolyte composite membrane comprising porous ceramic support |
| JP4644759B2 (ja) * | 2005-07-22 | 2011-03-02 | 日産自動車株式会社 | イオン伝導体、及びこれを用いた燃料電池セル |
| JP2008065988A (ja) * | 2006-09-04 | 2008-03-21 | Dainippon Printing Co Ltd | プロトン伝導性電解質膜とこれを用いた電解質膜−触媒層接合体及び電解質膜−電極接合体、並びに燃料電池 |
| JP5196765B2 (ja) * | 2006-11-17 | 2013-05-15 | 日産自動車株式会社 | プロトン伝導性コンポジット型電解質膜及びその製造方法 |
| JP2011518958A (ja) * | 2008-04-29 | 2011-06-30 | イー．エム．ダブリュ．エナジー カンパニー リミテッド | 無機イオン伝導膜とこれを含む燃料電池及びその製造方法 |
-
2010
- 2010-01-07 KR KR1020100001207A patent/KR20110080799A/ko not_active Application Discontinuation
-
2011
- 2011-01-07 WO PCT/KR2011/000100 patent/WO2011084000A2/ko active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2011084000A2 (ko) | 2011-07-14 |
| WO2011084000A3 (ko) | 2011-11-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20200407858A1 (en) | Titanium base material, method for producing titanium base material, electrode for water electrolysis, and water electrolysis device | |
| CN105514465B (zh) | 拒水层和燃料电池 | |
| Cloutier et al. | Electrolytic production of hydrogen from aqueous acidic methanol solutions | |
| CN102132448A (zh) | 燃料电池和燃料电池层 | |
| KR20040099149A (ko) | 연료 전지 | |
| JP2006012816A (ja) | 燃料電池用セパレータ、その製造方法及びこれを含む燃料電池 | |
| KR20040032063A (ko) | 연료 재생 가능한 연료전지, 발전 방법 및 연료의 재생 방법 | |
| JP2018154898A (ja) | 電気化学反応装置 | |
| JP4400177B2 (ja) | 燃料電池用電極 | |
| JP2013127865A (ja) | 燃料電池用電極触媒、電極触媒に用いられるアイオノマーの製造方法、膜電極接合体の製造方法、膜電極接合体、および燃料電池 | |
| JP2007213988A (ja) | 高分子電解質型燃料電池用電極触媒層、その製造方法および高分子電解質型燃料電池 | |
| CA2685798C (en) | Membraneless fuel cell and method of operating same | |
| KR20070087454A (ko) | 고분자막, 그 제조방법 및 이를 채용한 연료전지 | |
| KR20140053139A (ko) | 높은 활성과 적당한 h2o2 생성을 갖는 pemfc 전지용 ptxmy 나노구조 촉매 | |
| JP2011171301A (ja) | 直接酸化型燃料電池 | |
| US9401512B2 (en) | Method for manufacturing an electrode/proton-exchange membrane assembly | |
| KR20110080799A (ko) | 양성자 전도성 막, 그 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 | |
| KR20100095258A (ko) | 고온형 연료전지 전극의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 막전극 접합체 | |
| KR20110007350A (ko) | 연료전지용 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 저가습 막전극 집합체 | |
| KR20140133301A (ko) | 전기화학셀용 막전극 접합체 | |
| JP4658793B2 (ja) | プロトン伝導体，プロトン伝導体を含む高分子電解質とその製造方法，及びプロトン伝導体を用いた燃料電池 | |
| JP2006244721A (ja) | 燃料電池及び燃料電池の製造方法 | |
| JP2002110190A (ja) | 燃料電池 | |
| KR20150075442A (ko) | 고체산화물 연료전지용 금속 집전체 및 그를 포함하는 고체산화물 연료전지 | |
| JP2009117294A (ja) | 燃料電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |