KR20160078643A - 고분자 전해질막 연료전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

고분자 전해질막 연료전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20160078643A
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Abstract

본 발명은 고분자 전해질막 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 전해질막과 애노드 전극 사이에 수전해촉매층을 형성하여 연료전지를 제조함으로써 역전압 발생 시 애노드 내 탄소산화 반응을 억제하여 연료전지의 내구성 및 전지 성능을 향상시키고, 고분자 전해질막 또는 분리판의 핫 스팟 발생을 방지함으로써 전지의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 고분자 전해질막 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고분자 전해질막 연료전지 및 이의 제조방법{POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 고분자 전해질막 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 전해질막과 애노드 전극 사이에 수전해촉매층을 형성하여 연료전지를 제조함으로써 역전압 발생 시 애노드 내 탄소산화 반응을 억제하여 연료전지의 내구성 및 전지 성능을 향상시키고, 고분자 전해질막 또는 분리판의 핫 스팟 발생을 방지함으로써 전지의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 고분자 전해질막 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료인 수소와 공기 중의 산소를 이용하여 전기를 생산하는 장치이다. 연료전지의 주요 구성품인 전극막 접합체(MEA: membrane electro assembly)는 수소 양이온을 이동시켜 줄 수 있는 전해질 막과 전해질 막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있는 촉매층을 포함하는 구조로 이루어져 있다.
일반적으로 자동차용 고분자 전해질막 연료전지에 부하가 걸려 있는 상태에서 애노드에 수소 공급이 부족하게 되면 애노드의 전위가 높아질 수 있다. 즉, 산화되려고 하는 견인력이 커지는 현상이 발생한다. 이때 전체 전지전압(cathode 전위­anode전위)은 '-' 값을 나타내는 역전압이 형성되고, 애노드에서는 전극층에 포함되어 있는 탄소가 물과 반응하여 산화된다.
이는 자동차의 모터 등이 전류를 요구하고 있는데 애노드에서는 수소가 부족하여 정상적인 전기화학 반응인 수소 산화(수소 분자가 프로톤(H+)과 전자(e-)로 분해되는 반응) 반응이 일어날 수 없어 요구되는 전자를 전극 내 다른 공급원(보통은 촉매 지지체인 탄소)에서 공급하려고 하기 때문이다. 이와 같이 탄소 산화가 진행되는 경우 전극 및 촉매가 크게 손상되어 연료전지 전체 성능이 감소되는 문제가 있다. 그러나 종래 기술에서는 역전압시 탄소 산화를 방지하는데 한계가 있다.
종래 US 6936370에서는 역전압 시 애노드의 탄소 부식을 방지하기 위해 수소산화반응을 담당하는 촉매와 산소발생 촉매(OEC: oxygen evolution catalyst)를 함께 사용하여 애노드를 구성하는 기술이 개시되어 있으나, 연료전지 자동차에서 통상적으로 사용하는 전류 수준에서는 탄소 부식을 만족할 만한 정도로 억제할 수 없는 한계가 있다.
따라서 연료전지 자동차 운전 시 발생할 수 있는 수소연료 부족으로 인한 역전압(reversal voltage or cell reversal) 발생 문제를 방지하고 전지성능을 개선시키기 위한 연구가 필요하다
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 고분자 전해질막 상에 수전해촉매층을 형성시킨 후 그 위에 애노드 전극를 접합시키고, 반대편인 고분자 전해질막 상에는 캐소드 전극를 접합시킴으로써 수소연료 부족으로 인한 애노드 전극에서의 역전압 발생을 방지하여 전지성능을 개선하는 동시에 전지의 안정성 및 신뢰성을 향상시킨다는 것을 알게 되어 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 역전압 발생 시 애노드 내 탄소산화 반응을 억제하여 전지 성능이 향상된 고분자 전해질막 연료전지를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전지의 안정성 및 신뢰성이 향상된 고분자 전해질막 연료전지의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 캐소드 전극; 고분자 전해질막; 수전해촉매층; 및 애노드 전극;을 포함하고, 상기 수전해촉매층은 상기 고분자 전해질막과 상기 애노드 전극 사이에 위치하는 것을 특징으로 고분자 전해질막 연료전지를 제공한다.
또한 본 발명은 캐소드 전극을 준비하는 단계; 애노드 전극을 준비하는 단계; 수전해촉매 및 바인더를 포함하는 수전해촉매 슬러리를 제조하는 단계; 상기 수전해촉매 슬러리를 고분자 필름 상에 코팅 및 건조시켜 수전해촉매층을 형성하는 단계; 상기 수전해촉매층을 고분자 전해질막 상에 형성하는 단계; 및 상기 수전해촉매층이 형성된 고분자 전해질막의 양면 상에 각각 상기 캐소드 및 상기 애노드 전극을 전사하여 접합시키되, 상기 애노드 전극은 상기 수전해촉매층이 형성된 부분에 위치하고, 상기 캐소드 전극은 상기 고분자 전해질막이 형성된 부분에 위치하여 접합시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 캐소드 전극을 준비하는 단계; 애노드 전극을 준비하는 단계; 수전해촉매 및 바인더를 포함하는 수전해촉매 슬러리를 제조하는 단계; 수전해촉매 슬러리를 고분자 전해질막 상에 코팅 및 건조하여 수전해촉매층을 형성하는 단계; 및 상기 수전해촉매층이 형성된 고분자 전해질막의 양면 상에 각각 상기 캐소드 및 상기 애노드 전극을 전사하여 접합시키되, 상기 애노드 전극은 상기 수전해촉매층이 형성된 부분에 위치하고, 상기 캐소드 전극은 상기 전해질막이 형성된 부분에 위치하여 접합시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 고분자 전해질막 연료전지는 고분자 전해질막과 애노드 전극 사이에 수전해촉매층을 형성하여 연료전지를 제조함으로써 역전압 발생 시 애노드 전극 내 탄소산화 반응을 억제하여 연료전지의 내구성 및 전지 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 애노드 전극 상에 수소 공급 부족 시 탄소산화 반응의 반응열로 인해 고분자 전해질막 또는 분리판에 핫 스팟(hot spot)의 발생을 방지함으로써 연료전지의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 제조방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 고분자 전해질막 상에 수전해촉매층이 형성된 것을 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 비교예(a) 및 실시예 1(b)에서 제조된 고분자 전해질막의 시간에 따른 전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 비교예(a) 및 실시예 1(b)에서 제조된 고분자 전해질막의 역전압 평가 전후 연료전지의 성능을 비교한 그래프이다.
이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 고분자 전해질막 연료전지는 캐소드 전극; 고분자 전해질막; 수전해촉매층; 및 애노드 전극;을 포함하고, 상기 수전해촉매층은 상기 고분자 전해질막과 상기 애노드 전극 사이에 위치하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 고분자 전해질막 연료전지는 애노드 전극의 탄소산화 반응을 방지하기 위해 고분자 전해질막에 먼저 수전해촉매층을 형성하고, 상기 수전해촉매층에 애노드 전극을 차례로 접합시킴으로써 탄소산화 반응속도보다 물 전기분해 반응속도가 훨씬 더 빠르기 때문에 역전압이 형성되었을 때 탄소산화 대신에 물이 전기분해 되어 외부 부하로부터 요구되는 전자를 공급할 수 있다. 이는 탄소산화를 방지하고 나아가 연료전지 성능이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 수전해촉매층은 두께가 0.05~1 ㎛인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 수전해촉매층의 두께가 0.05 ㎛ 보다 얇으면 역전압 시 탄소산화 반응을 방지하는 것이 어렵고, 1 ㎛ 보다 두꺼우면 애노드 전극에서 형성된 수소 양이온(proton)의 이동을 방해하여 연료전지의 성능을 감소시킬 수 있다. 바람직하게는 0.1~0.5㎛인 것이 좋다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 수전해촉매층은 수전해촉매 70~95 중량% 및 바인더 5~30 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 수전해촉매층은 상기 수전해촉매와 상기 바인더를 혼합한 후 고분자 필름 상에 코팅 및 건조하여 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 바인더의 비율은 상기 수전해촉매 대비 10~20 중량%인 것이 좋다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 수전해촉매는 이리듐, 루테늄 또는 이 둘의 혼합물로 이루어진 금속의 산화물을 사용할 수 있으며, 상기 바인더는 퍼플루오로술폰산계를 사용할 수 있다. 또한 상기 고분자 전해질막은 고분자전해질 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell or proton exchange membrane fuel cell)에서 통상적으로 사용하는 퍼플루오로술폰산막을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 고분자 전해질막 연료전지의 제조방법은 캐소드 전극을 준비하는 단계; 애노드 전극을 준비하는 단계; 수전해촉매 및 바인더를 포함하는 수전해촉매 슬러리를 제조하는 단계; 상기 수전해촉매 슬러리를 고분자 필름 상에 코팅 및 건조시켜 수전해촉매층을 형성하는 단계; 상기 수전해촉매층을 고분자 전해질막 상에 형성하는 단계; 및 상기 수전해촉매층이 형성된 고분자 전해질막의 양면 상에 각각 상기 캐소드 및 상기 애노드 전극을 전사하여 접합시키되, 상기 애노드 전극은 상기 수전해촉매층이 형성된 부분에 위치하고, 상기 캐소드 전극은 상기 고분자 전해질막이 형성된 부분에 위치하여 접합시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 수전해촉매층을 형성하는 단계에서는 상기 수전해촉매 슬러리를 PET와 같은 고분자 필름에 코팅하여 60~100 ℃의 온도에서 1~2 시간 동안 건조시켜 수전해촉매층을 형성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 수전해촉매층은 상기 고분자 전해질막의 일부 또는 전체 표면 상에 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 애노드 전극의 면적과 동일하게 하는 것이 좋다.
한편, 본 발명의 고분자 전해질막 연료전지의 제조방법은 캐소드 전극을 준비하는 단계; 애노드 전극을 준비하는 단계; 수전해촉매 및 바인더를 포함하는 수전해촉매 슬러리를 제조하는 단계; 수전해촉매 슬러리를 고분자 전해질막 상에 코팅 및 건조하여 수전해촉매층을 형성하는 단계; 및 상기 수전해촉매층이 형성된 고분자 전해질막의 양면 상에 각각 상기 캐소드 및 상기 애노드 전극을 전사하여 접합시키되, 상기 애노드 전극은 상기 수전해촉매층이 형성된 부분에 위치하고, 상기 캐소드 전극은 상기 전해질막이 형성된 부분에 위치하여 접합시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 수전해촉매층을 형성하는 단계에서는 상기 수전해촉매 슬러리를 상기 고분자 전해질막 상에 스프레이 코팅하여 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 단면도이다. 상기 도 1의 단면구조를 보면, 고분자 전해질막(20)의 양면에 캐소드 전극(10)과 애노드 전극(40)이 형성되어 있고, 상기 고분자 전해질막(20)과 상기 애노드 전극(10) 사이에 수전해촉매(31)를 함유한 수전해촉매층(30)이 형성되어 있다. 이러한 구조는 상기 고분자 전해질막(20)에 상기 수전해촉매층(30)이 형성되고, 이후에 상기 애노드 전극(40)과 상기 캐소드 전극(10)을 상기 수전해촉매층(30)이 형성된 고분자 전해질막(20)에 각각 적층하여 동시에 접합함으로써 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 고분자 전해질막 연료전지의 제조방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
따라서 본 발명에 따른 고분자 전해질막 연료전지는 기존의 수전해촉매를 혼합한 애노드 전극을 적용한 연료전지에 비해 고분자 전해질막과 애노드 전극 사이에 수전해촉매층을 형성하여 연료전지를 제조함으로써 수전해촉매의 이용률을 종래 대비 향상시킬 수 있다.
또한 이를 통해 역전압 발생 시 애노드 전극 내 탄소산화 반응을 현저히 억제하여 연료전지의 내구성 및 전지 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 애노드 전극 상에 수소 공급 부족 시 탄소산화 반응의 반응열로 인해 고분자 전해질막 또는 분리판에 핫 스팟(hot spot)의 발생을 방지함으로써 연료전지의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
통상적인 방법에 의해 제조된 캐소드 전극 및 애노드 전극을 준비하고, 고분자 전해질막은 상용 퍼플루오로술폰산 전해질막을 사용하였다. 알코올 용매에 수전해촉매인 IrO2 85 중량%와 퍼플루오로술폰산계 바인더 15 중량%를 첨가하여 수전해촉매 슬러리를 제조하였다. 상기 수전해촉매 슬러리를 PET 고분자 필름에 코팅하여 80 ℃의 온도에서 2시간 동안 건조시켜 수전해촉매층을 형성하였다. 상기 수전해촉매층을 퍼플루오로술폰산 전해질막 상에 전사(decal)시켜 수전해촉매층이 0.3 ㎛의 두께로 코팅된 전해질막을 제조하였다. 상기 전해질막의 수전해촉매층이 코팅된 부분에 애노드 전극이 접합되도록 적층하고, 상기 전해질막 부분에 캐소드 전극을 적층한 후 전사(decal)법을 통해 막전극 접합체인 고분자 전해질막 연료전지를 제조하였다. 도 3은 이렇게 제조된 고분자 전해질막 상에 수전해촉매층이 형성된 것을 보여주는 사진이다. 상기 도 3에서는 고분자 전해질막(20) 상에 2개의 수전해촉매층(30)이 형성된 것을 보여준다.
실시예 2
퍼플루오로술폰산 전해질막을 80 ℃의 온도로 설정한 핫플레이트 상에 위치시키고, 수전해촉매 슬러리를 스프레이 코팅법을 이용하여 상기 전해질막 상에 코팅시켜 수전해촉매층을 형성한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고분자 전해질막 연료전지를 제조하였다.
비교예
수전해촉매인 IrO2를 애노드 전극 슬러리 상에 첨가하여 애노드 전극을 제작한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전해질 막 및 캐소드 전극을 전사(decal)법을 통해 고분자 전해질막 연료전지를 제조하였다.
실험예 1
상기 실시예 1 및 비교예에서 제조된 고분자 전해질막 연료전지의 수소 공급 부족 시, 즉 역전압 상황에서의 내구성을 확인하기 위하여 애노드 전극에는 수소 가스 대신 질소 가스를 공급하고, 캐소드 전극에는 연료전지 정상 운전 조건과 같은 공기를 공급하였다. 그 다음 연료전지에서 강제적으로 전류(0.2A/cm2)를 추출하면서 시간에 따른 전압의 변화를 관찰하였으며, 그 결과는 도 4에 나타내었다.
도 4는 상기 비교예(a) 및 실시예 1(b)에서 제조된 고분자 전해질막의 시간에 따른 전압의 변화를 나타낸 그래프이다. 상기 도 4의 그래프에서 확인할 수 있듯이, 수전해촉매층이 형성된 실시예 1(b)은 이를 포함하지 않은 비교예(a)에 비해 전지의 전압이 약 -0.7~0.8 V 사이에서 유지되는 것을 확인하였다. 이는 애노드 전극에서 수소가 부족한 상황에서도 강제로 추출되는 전류를 공급할 정도로 수전해 반응을 통해 전자와 수소 양이온(H+)이 공급되고 있음을 알 수 있었다. 반면, 비교예의 경우는 요구되는 전류에 상당하는 전자와 수소 양이온을 지속적으로 공급할 수 없어 전지 전압이 -2 V까지 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
도 5는 상기 비교예(a) 및 실시예 1(b)에서 제조된 고분자 전해질막의 역전압(RV) 평가 전후 연료전지의 성능을 비교한 그래프이다. 상기 도 5의 비교예(a)에서는 역전압 전후 1.2A/cm2의 전류밀도에서의 전지전압을 기준으로 할 때 약 20%의 성능감소를 보이는 반면, 상기 실시예 1(b)에서는 역전압 전후에서 전지전압의 차이가 거의 없음을 확인할 수 있었다. 이는 전해질막에 가깝게 형성된 수전해촉매층의 이용 효율이 향상되어 애노드 전극에 수소 가스가 부족할 경우에도 수전해촉매를 통해 요구되는 전류를 만족시키면서 애노드 전극에 포함된 탄소의 산화를 방지하고 있는 것을 나타낸 결과임을 알 수 있었다.
10: 캐소드 전극
20: 고분자 전해질막
30: 수전해촉매층
31: 수전해촉매
40: 애노드 전극

Claims (11)

  1. 캐소드 전극; 고분자 전해질막; 수전해촉매층; 및 애노드 전극;을 포함하고, 상기 수전해촉매층은 상기 고분자 전해질막과 상기 애노드 전극 사이에 위치하는 것을 특징으로 고분자 전해질막 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수전해촉매층은 두께가 0.05~1 ㎛인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수전해촉매층은 수전해촉매 70~95 중량% 및 바인더 5~30 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지.
  4. 제3항 있어서,
    상기 수전해촉매는 이리듐, 루테늄 또는 이 둘의 혼합물로 이루어진 금속의 산화물인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지.
  5. 제3항 있어서,
    상기 바인더는 퍼플루오로술폰산계인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지.
  6. 캐소드 전극을 준비하는 단계;
    애노드 전극을 준비하는 단계;
    수전해촉매 및 바인더를 포함하는 수전해촉매 슬러리를 제조하는 단계;
    상기 수전해촉매 슬러리를 고분자 필름 상에 코팅 및 건조시켜 수전해촉매층을 형성하는 단계;
    상기 수전해촉매층을 고분자 전해질막 상에 형성하는 단계; 및
    상기 수전해촉매층이 형성된 고분자 전해질막의 양면 상에 각각 상기 캐소드 및 상기 애노드 전극을 전사하여 접합시키되, 상기 애노드 전극은 상기 수전해촉매층이 형성된 부분에 위치하고, 상기 캐소드 전극은 상기 고분자 전해질막이 형성된 부분에 위치하여 접합시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수전해촉매층은 수전해촉매 70~95 중량% 및 바인더 5~30 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지의 제조방법.
  8. 제7항 있어서,
    상기 수전해촉매는 이리듐, 루테늄 또는 이 둘의 혼합물로 이루어진 금속의 산화물인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지.
  9. 캐소드 전극을 준비하는 단계;
    애노드 전극을 준비하는 단계;
    수전해촉매 및 바인더를 포함하는 수전해촉매 슬러리를 제조하는 단계;
    수전해촉매 슬러리를 고분자 전해질막 상에 코팅 및 건조하여 수전해촉매층을 형성하는 단계; 및
    상기 수전해촉매층이 형성된 고분자 전해질막의 양면 상에 각각 상기 캐소드 및 상기 애노드 전극을 전사하여 접합시키되, 상기 애노드 전극은 상기 수전해촉매층이 형성된 부분에 위치하고, 상기 캐소드 전극은 상기 전해질막이 형성된 부분에 위치하여 접합시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수전해촉매층은 수전해촉매 70~95 중량% 및 바인더 5~30 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지의 제조방법.
  11. 제10항 있어서,
    상기 수전해촉매는 이리듐, 루테늄 또는 이 둘의 혼합물로 이루어진 금속의 산화물인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지.
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