KR20180086882A - 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지 - Google Patents

막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20180086882A
KR20180086882A KR1020170010891A KR20170010891A KR20180086882A KR 20180086882 A KR20180086882 A KR 20180086882A KR 1020170010891 A KR1020170010891 A KR 1020170010891A KR 20170010891 A KR20170010891 A KR 20170010891A KR 20180086882 A KR20180086882 A KR 20180086882A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
exchange membrane
anode electrode
cathode electrode
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020170010891A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101913124B1 (ko
Inventor
김형준
이소영
채지언
장종현
유성종
김진영
박현서
디억 헨켄스마이어
Original Assignee
한국과학기술연구원
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 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020170010891A priority Critical patent/KR101913124B1/ko
Priority to US15/679,562 priority patent/US10396383B2/en
Publication of KR20180086882A publication Critical patent/KR20180086882A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101913124B1 publication Critical patent/KR101913124B1/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
    • H01M8/1004—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
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • 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
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • 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
    • 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
    • H01M8/1053—Polymer electrolyte composites, mixtures or blends consisting of layers of polymers with at least one layer being 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
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/1065—Polymeric electrolyte materials characterised by the form, e.g. perforated or wave-shaped
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • 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
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • 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
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0082—Organic 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
    • 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
    • Y02E60/521—

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)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

막 전극 접합체는, 양이온 교환막 전극 접합체 및 음이온 교환막 전극 접합체를 포함한다. 상기 양이온 교환막 전극 접합체는 양이온 교환막, 상기 양이온 교환막 상부에 배치되는 제1 캐소드 전극, 상기 양이온 교환막 하부에 배치되는 제1 애노드 전극을 포함한다. 상기 음이온 교환막 전극 접합체는 음이온 교환막, 상기 음이온 교환막 상부에 배치되는 제2 캐소드 전극, 상기 음이온 교환막 하부에 배치되는 제2 애노드 전극을 포함한다. 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막은 부분적으로 접촉하며, 상기 제1 캐소드 전극, 제1 애노드 전극, 제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극은 서로 접촉하지 않는다.

Description

막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA) 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 하이브리드형 막 전극 접합체(hybrid MEA) 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에 대한민국 미래창조과학부의 한국연구재단에서 시행하는 기후변화대응 기술개발사업의 지원에 의하여 이루어진 것으로, 연구과제명은 '고온 PEMFC용 저가 전해질막 및 막전극 접합체(MEA) 제조기술개발'이다(과제 번호: 2016937136).
높은 에너지 효율과 오염물 배출이 적은 친환경 특성으로 인해 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 연료 전지는 전해질에 따라 그 종류가 다양하다. 그 중 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 및 고체 알카라인 연료전지(Solide Alkaline Fuel Cell, SAFC)는 전해질이 고체로서 전해질 누출 문제가 발생하지 않고, 예컨대 약 100℃ 이하의 비교적 낮은 온도에서 작동이 가능한 장점을 갖고 있어 자동차, 비행기 등에 가장 적합하게 사용될 수 있다.
이때, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 수소 이온을 이동시킬 수 있는 양이온 교환막을 포함하고, 고체 알카라인 연료전지(SAFC)는 수산화 이온을 이동시킬 수 있는 음이온 교환막을 포함하며, 이러한 이온 교환막들은 이온 전도성을 유지하기 위하여 적절한 수분을 함유하고 있어야 한다. 즉, 해당 이온 교환막들이 건조되어 이들의 이온 전도성이 저하되면 해당 연료전지의 운전이 불가능해진다. 때문에, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 및 고체 알카라인 연료전지(SAFC)는 해당 이온 교환막, 연료극 및 공기극을 포함하는 막 전극 접합체 이외에, 물을 공급할 수 있는 가습 시스템을 필수적으로 더 필요로 한다.
하지만, 본 발명자들의 연구 결과에 의하면, 이러한 가습 시스템은 해당 연료전지의 상당 부분을 차지하여 해당 연료전지의 부피 및 무게를 현격히 증가시킬 수 있다. 특히, 드론(drone), 무인 비행기 등과 같이 최소의 부피 및 무게를 요구하는 장치에는, 증가된 부피 및 무게로 인하여 연료전지 사용에 제약이 있을 수 있다. 그러므로, 별도의 가습 시스템 없이, 즉 무가습 조건(non-humidified condition) 하에서 운전이 가능한 연료 전지 개발에 대한 요구가 점차 증가하고 있다.
A Self-Humidifying Acidic-Alkaline Bipolar Membrane Fuel Cell, (2015) Hybrid Anion and Proton Exchange Membrane Fuel Cells, (2009)
본 발명의 일 목적은 무가습 조건 하에서 안정적이고 효율적으로 구동이 가능한 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가습 시스템 없이 운전이 가능하여 획기적으로 감소된 부피 및 무게를 갖고, 이에 따라 드론(drone), 무인 비행기 등에 사용될 수 있는 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 예시적인 구현예들에 따른 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)는, 양이온 교환막 전극 접합체 및 음이온 교환막 전극 접합체를 포함한다. 상기 양이온 교환막 전극 접합체는 양이온 교환막, 상기 양이온 교환막 상부에 배치되는 제1 캐소드 전극, 상기 양이온 교환막 하부에 배치되는 제1 애노드 전극을 포함한다. 상기 음이온 교환막 전극 접합체는 음이온 교환막, 상기 음이온 교환막 상부에 배치되는 제2 캐소드 전극, 상기 음이온 교환막 하부에 배치되는 제2 애노드 전극을 포함한다. 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막은 부분적으로 접촉하며, 상기 제1 캐소드 전극, 제1 애노드 전극, 제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극은 서로 접촉하지 않는다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막은 부분적으로 겹치거나, 접착제를 통해 부분적으로 맞닿을 수 있으며, 이에 따라 부분적으로 접촉할 수 있다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 접촉하는 부분에는 상기 제1 캐소드 전극, 제1 애노드 전극, 제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극이 배치되지 않으며, 이온 교환 및 물질 이동이 일어나지 않을 수 있다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 양이온 교환막 전극 접합체는 상기 음이온 교환막 전극 접합체와 실질적으로 동일한 면적 또는 상이한 면적을 가질 수 있다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극으로 산소가 공급될 수 있고, 상기 제1 애노드 전극 및 제2 애노드 전극으로 수소가 공급될 수 있다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 막 전극 접합체에 전류 발생 시, 상기 양이온 교환막을 통해 상기 제1 애노드 전극에서 상기 제1 캐소드 전극으로 수소 이온(H+)이 이동하고, 상기 음이온 교환막을 통해 상기 제2 캐소드 전극에서 상기 제2 애노드 전극으로 수산화 이온(OH-)이 이동하여, 상기 제1 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극에서 각각 물이 생성될 수 있다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 예시적인 구현예들에 따른 연료 전지는, 예시적인 구현예들에 따른 막 전극 접합체를 포함할 수 있다. 상기 연료 전지에 전류 발생 시, 상기 연료 전지 내에서 물을 생성 및 공급할 수 있다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 연료 전지는 제1 기체 공급부 및 제2 기체 공급부를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 기체 공급부는 상기 막 전극 접합체의 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극에 산소를 공급하기 위해 상기 제1 캐소드 전극에 연결될 수 있다. 상기 제2 기체 공급부는 상기 막 전극 접합체의 제1 애노드 전극 및 제2 애노드 전극에 수소를 공급하기 위해 상기 제2 애노드 전극에 연결될 수 있다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 연료 전지는 제1 분리판 및 제2 분리판을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 분리판은 상기 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극과 접하도록 상기 막 전극 접합체 상부에 배치될 수 있고, 상기 제1 기제 공급부를 통해 공급되는 산소를 이동시키기 위한 제1 채널부를 가질 수 있다. 상기 제2 분리판은 상기 제1 애노드 전극 및 제2 애노드 전극과 접하도록 상기 막 전극 접합체 하부에 배치될 수 있고, 상기 제2 기체 공급부를 통해 공급되는 수소를 이동시키기 위한 제2 채널부를 를 가질 수 있다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 제1 채널부는 상기 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극과 접하는 상기 제1 분리판의 일 면 상에 구비된 것이며, 상기 제1 기체 공급부와 직접 연결되고 상기 제1 캐소드 전극에 인접하는 제1 유입구; 및 상기 제2 캐소드 전극에 인접하는 제1 배출구를 포함할 수 있다. 상기 제2 채널부는 상기 제1 애노드 전극 및 제2 애노드 전극과 접하는 상기 제2 분리판의 일 면 상에 구비된 것이며, 상기 제2 기체 공급부와 직접 연결되고 상기 제2 애노드 전극에 인접하는 제2 유입구; 및 상기 제1 애노드 전극에 인접하는 제2 배출구를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 연료 전지는 단전지(sigle cell), 또는 단전지를 하나 이상 포함하는 연료 전지 스택(stack)일 수 있다.
본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 막 전극 접합체는, 양이온 교환막 전극 접합체 및 음이온 교환막 전극 접합체를 포함, 즉 양이온 교환막, 음이온 교환막, 2개의 캐소드 전극, 및 2개의 애노드 전극을 포함함으로써, 하이브리드형(hybrid type)으로 구현될 수 있다. 이에 따라, 상기 막 전극 접합체는 연료극 전극(애노드 전극) 및 공기극 전극(캐소드 전극)에서 모두 물(H2O)을 생성할 수 있으므로, 이를 이용하여, 무가습 조건(non-humidified condition) 하에서 안정적이고 효율적으로 장시간 운전이 가능한 연료 전지를 용이하게 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 막 전극 접합체(MEA)의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 막 전극 접합체(MEA)의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 연료 전지(single fuel cell)의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 연료 전지 스택(fuel cell stack)의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 제1 분리판의 사진이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 제2 분리판의 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라, 제1 애노드 전극 및 제2 애노드 전극이 도포된 연료 전지의 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 연료 전지의 저항 특성 평가 결과를 도시한 그래프이다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 연료 전지의 성능 평가 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서, 양이온 교환막 전극 접합체의 면적이란, 제1 캐소드 전극 및 제1 애노드 전극이 양이온 교환막과 접촉하는 면적, 즉 양이온 교환막 전극 접합체에 전류 발생 시 해당 양이온 교환막을 통해 실질적인 수소 이온의 이동이 이루어지는 부분의 면적을 의미한다.
본 명세서에서, 음이온 교환막 전극 접합체의 면적이란, 제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극이 음이온 교환막과 접촉하는 면적, 즉 음이온 교환막 전극 접합체에 전류 발생 시 해당 음이온 교환막을 통해 실질적인 수산화 이온의 이동이 이루어지는 부분의 면적을 의미한다.
막 전극 접합체
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 상기 막 전극 접합체는 하이브리드형 막 전극 접합체(hybrid MEA)로서, 양이온 교환막 전극 접합체 및 음이온 교환막 전극 접합체를 포함한다. 이때, 상기 양이온 교환막 전극 접합체는 양이온 교환막(10), 제1 캐소드 전극(31) 및 제1 애노드 전극(41)을 포함하고, 상기 음이온 교환막 전극 접합체는 음이온 교환막(20), 제2 캐소드 전극(33) 및 제2 애노드 전극(43)을 포함한다.
양이온 교환막(10)은 제1 캐소드 전극(31) 및 제1 애노드 전극(41) 사이에 구비되는 고분자 전해질 이온 교환막으로서, 예를 들어 나피온 이오노머(Nafion ionomer)와 같은 과불소계 술폰화(perfluorinated sulfonic acid, PFSA) 고분자를 전해질로서 포함하여 양이온 전도성을 가질 수 있다. 일 구현예에 있어서, 양이온 교환막(10)은, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)과 같은 불소계 고분자를 포함하는 다공성 불소계 지지체; 및 이의 기공 내부에 충진된 과불소계 술폰화(perfluorinated sulfonic acid, PFSA) 고분자를 포함하는 복합 구조의 양이온 교환막일 수 있다. 또는, 다른 일 구현예에 있어서, 불소를 포함하지 않는 탄화수소계 술폰화 고분자가 양이온 교환막(10)에 전해질로서 사용될 수 있다.
음이온 교환막(20)은, 예를 들어 4차 암모늄 폴리술폰(quaternary ammonium polysulfone, QAPS) 등을 전해질로서 포함하여 음이온 전도성을 가질 수 있다. 음이온 교환막(20)은 제2 캐소드 전극(33) 및 제2 애노드 전극(43) 사이에 구비될 수 있으며, 양이온 교환막(10)과 부분적으로 접촉할 수 있다.
구체적으로, 예시적인 구현예들에 있어서, 음이온 교환막(20)은 도 1에 도시된 바와 같이 양이온 교환막(10)과 부분적으로 겹쳐 접촉할 수 있다. 또는, 다른 예시적인 구현예들에 있어서, 음이온 교환막(20)은 도 2에 도시된 바와 같이, 예컨대 에폭시계 접착제와 같은 접착제를 통해 양이온 교환막(10)과 부분적으로 맞닿아 접촉할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 양이온 교환막(10) 및 음이온 교환막(20)이 겹쳐 부분적으로 서로 접촉할 경우, 실제로는 양이온 교환막(10) 및 음이온 교환막(20)은 매우 얇은 두께로 구현되기 때문에 도 1에서 나타나는 것과 같은 이온 교환막들(10, 20) 사이 단차는 실질적으로 존재하지 않을 수 있다.
제1 캐소드 전극(31)은 양이온 교환막(10) 상부에 이와 접촉하도록 배치될 수 있고, 제1 애노드 전극(41)은 양이온 교환막(10) 하부에 이와 접촉하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 캐소드 전극(31) 및 제1 애노드 전극(41)은 서로 대향할 수 있다.
제2 캐소드 전극(33)은 음이온 교환막(20) 상부에 이와 접촉하도록 배치될 수 있고, 제2 애노드 전극(43)은 음이온 교환막(20) 하부에 이와 접촉하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 제2 캐소드 전극(33) 및 제2 애노드 전극(43)은 서로 대향할 수 있다.
단, 제1 캐소드 전극(31), 제1 애노드 전극(41), 제2 캐소드 전극(33) 및 제2 애노드 전극(43)은 양이온 교환막(10) 및 음이온 교환막(21)이 부분적으로 접촉하는 부분에는 배치되지 않을 수 있다. 이에 따라, 제1 캐소드 전극(31) 및 제2 캐소드 전극(33)은 서로 접촉하지 않을 수 있고, 제1 애노드 전극(41) 및 제2 애노드 전극(43)은 서로 접촉하지 않을 수 있다. 또한, 양이온 교환막(10) 및 음이온 교환막(20)이 겹치거나 맞닿아 접촉하는 부분에서는 이온 교환 및 물질 이동이 일어나지 않아 절연될 수 있다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 양이온 교환막 전극 접합체의 면적(제1 캐소드 전극(31) 및 제1 애노드 전극(41)이 양이온 교환막(10)과 접촉하는 면적), 및 상기 음이온 교환막 전극 접합체의 면적(제2 캐소드 전극(33) 및 제2 애노드 전극(43)이 음이온 교환막(20)과 접촉하는 면적)은 실질적으로 동일하거나 상이할 수 있다.
제1 캐소드 전극(31) 및 제2 캐소드 전극(33)으로 산소 기체(O2)가 공급될 수 있으며, 제1 애노드 전극(41) 및 제2 애노드 전극(43)으로 수소 기체(H2)가 공급될 수 있다. 이에 따라, 상기 막 전극 접합체에 전류 발생 시, 양이온 교환막(10)을 통해 제1 애노드 전극(41)에서 제1 캐소드 전극(31)으로 수소 이온(H+)이 이동하고, 음이온 교환막(20)을 통해 제2 캐소드 전극(33)에서 제2 애노드 전극(43)으로 수산화 이온(OH-)이 이동하여, 하기 반응식 1에 따라 제1 캐소드 전극(31)에서 물(H2O)이 생성될 수 있고, 하기 반응식 2에 따라 제2 애노드 전극(43)에서 물(H2O)이 생성될 수 있다.
[반응식 1]
O2(g) + 4H+ + 4e- → 2H2O(l)
[반응식 2]
2H2(g) + 4OH- →4H2O(l) + 4e-
한편, 도시하지는 않았으나, 상기 막 전극 접합체는 전극 촉매층들과 기체 확산층들을 더 포함할 수 있다.
상기 전극 촉매층들은, 양이온 교환막(10) 및 제1 캐소드 전극(31) 사이에 구비되는 제1 전극 촉매층; 양이온 교환막(10) 및 제1 애노드 전극(41) 사이에 구비되는 제2 전극 촉매층; 음이온 교환막(20) 및 제2 캐소드 전극(33) 사이에 구비되는 제3 전극 촉매층; 및 음이온 교환막(20) 및 제2 애노드 전극(43) 사이에 구비되는 제4 전극 촉매층을 포함하여, 총 4개가 상기 막 전극 접합체에 포함될 수 있다.
상기 전극 촉매층들은 각각 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지의 전기화학적 반응에 참여할 수 있는 촉매라면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 백금계(Pt-based) 촉매를 포함할 수 있다.
백금계 촉매는, 예컨대 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, 및 이들의 조합으로 이루어진 군) 등일 수 있다. 보다 구체적으로, 백금계 촉매는 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/Fe/Cr, Pt/Ru/Rh/Ni 또는 Pt/Ru/Sn/W일 수 있다.
또는, 이외에도 비-백금계(non-Pt-based) 촉매가 사용될 수 있다.
상기 전극 촉매층들은 상술한 바와 같은 백금계 또는 비-백금계 촉매 그 자체를 포함할 수도 있지만, 담지체에 담지된 백금계 촉매를 포함할 수 있다. 즉, 예시적인 구현예들에 있어서, 상기 전극 촉매층들은 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 섬유 또는 활성 탄소 등의 탄소계(C-based) 담지체에 담지된 백금계 촉매, 예컨대 Pt/C를 포함할 수 있다.
상기 기체 확산층들은, 상기 제1 전극 촉매층 및 제1 캐소드 전극(31) 사이에 구비는 제1 기체 확산층; 상기 제2 전극 촉매층 및 제1 애노드 전극(41) 사이에 구비되는 제2 기체 확산층; 상기 제3 전극 촉매층 및 제2 캐소드 전극(33) 사이에 구비되는 제3 기체 확산층; 및 상기 제4 전극 촉매층 및 제2 애노드 전극(43) 사이에 구비되는 제4 기체 확산층을 포함하여, 총 4개가 상기 막 전극 접합체에 포함될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 막 전극 접합체는 양이온 교환막 전극 접합체 및 음이온 교환막 전극 접합체를 포함, 즉 양이온 교환막, 음이온 교환막, 2개의 캐소드 전극, 및 2개의 애노드 전극을 포함함으로써, 하이브리드형(hybrid type)으로 구현될 수 있다. 이에 따라, 상기 막 전극 접합체는 연료극 전극(애노드 전극) 및 공기극 전극(캐소드 전극)에서 모두 물(H2O)을 생성할 수 있어, 무가습 조건(non-humidified condition) 하에서 운전될 것이 요구되는 연료 전지에 활용될 수 있다.
특히, 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 모두 포함하더라도 연료극 전극(애노드 전극) 및 공기극 전극(캐소드 전극)을 각각 하나씩 포함할 경우, 막 전극 접합체는 대향하는 전극들 사이에 서로 접촉하도록 결합된 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 구비되는 구조를 가질 수 밖에 없다. 따라서, 해당 막 전극 접합체에 전류 발생 시, 이온 교환막들이 직접 접촉하는 계면에서 연료 전지 운전에 바람직하지 않은 다양한 부반응이 발생될 수 있으며, 물(H2O) 이 생성되더라도 해당 계면에 머물러 결과적으로 막 전극 접합체에서의 물(H2O) 생성 및 공급이 용이하지 않을 수 있다.
그러나 이와 달리, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 막 전극 접합체는 2개의 캐소드 전극(공기극 전극) 및 2개의 애노드 전극(연료극 전극)을 포함하고, 이때 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 접촉하는 부분은 전극들이 배치되지 않아 절연되므로, 이온 교환막들 사이에서 바람직하지 않은 다양한 부반응들이 발생되는 것이 근본적으로 제어될 수 있으며, 나아가 물(H2O)의 생성 및 공급이 더욱 용이할 수 있다.
그러므로 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 막 전극 접합체를 이용하여, 무가습 조건 하에서 보다 안정적이고 효율적으로 장시간 운전이 가능한 연료 전지를 구현할 수 있다.
막 전극 접합체의 제조 방법
본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 막 전극 접합체는 다음의 공정들을 수행함으로써 제조될 수 있다.
전술한 바와 같은 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 부분적으로 접촉시킨다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막을 도 1에 도시된 바와 같이 부분적으로 겹치게 하거나, 접착제를 이용하여 도 2에 도시된 바와 같이 부분적으로 맞닿게 함으로써 접촉시킬 수 있다.
상기 양이온 교환막의 상부 및 하부에 각각 제1 캐소드 전극 및 제1 애노드 전극을 형성하고, 상기 음이온 교환막 상부 및 하부에 각각 제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극을 형성한다.
예시적인 구현예들에 있어서, 상기 제1 캐소드 전극, 제1 애노드 전극, 제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극은 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막의 접촉 부분을 제외한 해당 이온 교환막 부분에 전극 물질을 도포함으로써 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 캐소드 전극 및 제1 애노드 전극이 서로 대향하고, 상기 제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극이 서로 대향하며, 제1 캐소드 전극, 제1 애노드 전극, 제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극이 서로 접촉하지 않도록 형성될 수 있다.
한편, 제1 캐소드 전극, 제1 애노드 전극, 제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극의 형성 전, 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막의 상부 및 하부에 순차적으로 적층된 전극 촉매층들과 기체 확산층들을 더 형성할 수 있다.
구체적으로, 바인더(binder)를 사용하여, 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막의 접촉 부분을 제외한 상기 양이온 교환막의 상면 및 저면 상에 각각 제1 전극 촉매층 및 제2 전극 촉매층을 서로 대향하도록 형성하고, 상기 제1 전극 촉매층 및 제2 전극 촉매층 상에 제1 기체 확산층 및 제2 기체 확산층을 서로 대향하도록 형성할 수 있다. 또한, 바인더(binder)를 사용하여, 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막의 접촉 부분을 제외한 상기 음이온 교환막의 상면 및 저면 상에 각각 제3 전극 촉매층 및 제4 전극 촉매층을 서로 대향하도록 형성하고, 상기 제3 전극 촉매층 및 제4 전극 촉매층 상에 제3 기체 확산층 및 제4 기체 확산층을 서로 대향하도록 형성할 수 있다. 이때, 상기 전극 촉매층들은 전술한 바와 동일한 것일 수 있다.
연료 전지
도 3는 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 연료 전지의 단면도이다.
도 3를 참조하면, 연료 전지(100)는 전술한 바와 동일한 막 전극 접합체를 포함할 수 있으며, 이에 따라 연료 전지(100)에 전류 발생 시 상기 [반응식 1] 및 [반응식 2]로부터 내부에서 물(H2O)을 생성 및 공급할 수 있다.
또한, 연료 전지(100)는 제1 기체 공급부(50) 및 제2 기체 공급부(60)를 더 포함할 수 있다.
제1 기체 공급부(50)는 상기 막 전극 접합체의 제1 캐소드 전극(31) 및 제2 캐소드 전극(33)에 산소 기체(O2)를 공급하기 위한 기체 공급부이다. 예시적인 구현예들에 있어서, 제1 기체 공급부(50)는 산소 기체(O2)가 도 3에 도시된 바와 같이 제1 캐소드 전극(31)에서 제2 캐소드 전극(33)으로 이동할 수 있도록 제1 캐소드 전극(31)에 직접 연결될 수 있다.
제2 기체 공급부(60)는 상기 막 전극 접합체의 제1 애노드 전극(41) 및 제2 애노드 전극(43)에 수소 기체(H2)를 공급하기 위한 기체 공급부이다. 예시적인 구현예들에 있어서, 제2 기체 공급부(60)는 수소 기체(H2)가 도 3에 도시된 바와 같이 제2 애노드 전극(43)에서 제1 애노드 전극(41)으로 이동할 수 있도록 제2 애노드 전극(43)에 직접 연결될 수 있다.
제1 캐소드 전극(31) 및 제2 캐소드 전극(33)으로 산소 기체(O2)를 공급할 수 있고 제1 애노드 전극(41) 및 제2 애노드 전극(43)으로 수소 기체(H2)를 공급할 수 있다면 제1 기체 공급부(50) 및/또는 제2 기체 공급부(60)의 연결 위치는 특별히 제한되지 않고 다양한 변경이 가능할 수 있다. 그러나 연료 전지(100)에 전류 발생 시 구체적으로는 제1 캐소드 전극(31) 및 제2 애노드 전극(43)에서 물(H2O)이 생성되는 것을 고려할 때, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 기체 공급부(50) 및 제2 기체 공급부(60)가 각각 제1 캐소드 전극(31) 및 제2 애노드 전극(43)에 직접 연결되는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우, 연료 전지(100) 내에서 물(H2O)의 생성 및 공급이 훨씬 용이할 수 있다.
한편, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 연료 전지는 도 3에 도시된 바와 같이 단전지(sigle cell)일 수 있고, 또는 이를 포함하는 연료 전지 스택(fuel cell stack)일 수 있다. 연료 전지 스택은 단전지가 복수 개 적층된 것으로서, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 연료 전지가 연료 전지 스택일 경우, 이는 도 4에 도시된 바와 같은 구조를 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 4를 참조하면, 연료 전지 스택(200)은 도 3에 도시된 바와 같은 단전지(100)가 복수 개 적층된 것으로서, 전술한 바와 같은 막 전극 접합체(도 1 또는 2 참조)를 하나 이상 포함할 수 있다. 또한, 단전지(100)의 상부 및 하부, 즉 상기 막 전극 접합체(도 1 또는 2 참조)의 상부 및 하부에 각각 배치됨으로써, 인접하는 2개의 단전지들(100) 사이에 구비되는 제1 분리판(70) 및 제2 분리판(80)을 더 포함할 수 있다.
제1 분리판(70)은 단전지(100)의 상부, 즉 상기 막 전극 접합체의 제1 캐소드 전극(31) 및 제2 캐소드 전극(33) 상부에 배치되어 이들과 접하도록 단전지(100)와 체결될 수 있다. 제1 분리판(70)은 제1 캐소드 전극(31) 및 제2 캐소드 전극(30)과 접하는 이의 일 면 상에 제1 채널부(75, 도 5 참조)를 가질 수 있으며, 구체적으로 예시적인 구현예들에 있어서, 도 5에 도시된 바와 같은 구조를 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 제1 채널부(75)는 제1 기체 공급부(50, 도 3 참조)를 통해 공급되는 산소 기체(O2)를 이동시키기 위한 것으로서, 산소 기체(O2)가 유입되는 제1 유입구(71); 및 산소 기체(O2)가 배출되는 제1 배출구(73)를 포함할 수 있다. 예시적인 구현예들에 있어서, 제1 유입구(71)는 제1 기체 공급부(50, 도 3 참조)와 직접 연결될 수 있고 제1 캐소드 전극(31)에 인접할 수 있으며, 제1 배출구(73)는 제2 캐소드 전극(33)에 인접할 수 있다. 제1 채널부(75)의 이러한 구조는 연료 전지 스택(200) 내에서 물(H2O)의 생성 및 공급을 보다 용이하게 하는 데 기여할 수 있다.
제2 분리판(80)은 단전지(100)의 하부, 즉 상기 막 전극 접합체의 제1 애노드 전극(41) 및 제2 애노드 전극(43) 하부에 배치되어 이들과 접하도록 단전지(100)와 체결될 수 있다. 제2 분리판(80)은 제1 애노드 전극(41) 및 제2 애노드 전극(43)과 접하는 이의 일 면 상에 제2 채널부(85, 도 6 참조)를 가질 수 있으며, 구체적으로 예시적인 구현예들에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같은 구조를 가질 수 있다.
도 6을 참조하면, 제2 채널부(85)는 제2 기체 공급부(60, 도 3 참조)를 통해 공급되는 수소 기체(H2)를 이동시키기 위한 것으로서, 수소 기체(H2)가 유입되는 제2 유입구(81); 및 수소 기체(H2)가 배출되는 제2 배출구(83)를 포함할 수 있다. 예시적인 구현예들에 있어서, 제2 유입구(81)는 제2 기체 공급부(60, 도 3 참조)와 직접 연결될 수 있고 제2 애노드 전극(43)에 인접할 수 있으며, 제2 배출구(83)는 제1 애노드 전극(41)에 인접할 수 있다. 제2 채널부(85)의 이러한 구조는 연료 전지 스택(200) 내에서 물(H2O)의 생성 및 공급을 보다 용이하게 하는 데 기여할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 연료 전지는 외부로부터의 물(H2O) 공급 없이 내부에서 자체적으로 물(H2O)을 생성 및 공급할 수 있으므로. 무가습 조건(non-humidified condition) 하에서 운전될 수 있다.
특히, 산소 기체(O2)를 제1 캐소드 전극에 직접 공급하여 상기 제1 캐소드 전극에서 제2 캐소드 전극으로 흐르게 하고, 수소 기체(H2)를 제2 애노드 전극에 직접 공급하여 상기 제2 애노드 전극에서 제2 애노드 전극으로 흐르게 함으로써, 상기 연료 전지 내에서 물(H2O)의 생성 및 공급이 보다 용이하여 상기 연료 전지는 무가습 조건 하에서 보다 안정적이고 효율적으로 장시간 운전이 가능할 수 있다.
이하의 실시를 통하여 본 발명은 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
Nafion 211(Dupont) 및 Tokuyama membrane(Tokuyama)을 부분적으로 겹치게 하여 접촉시켰다. Nafion 211(Dupont) 및 Tokuyama membrane(Tokuyama)이 접촉하는 부분을 제외하고는, Nafion binder를 이용하여 Nafion 211(Dupont)의 상면 및 저면 상에 각각 Pt/C를 포함하고 크기가 2.5cm X 5.0cm인 제1 전극 촉매층 및 제2 전극 촉매층을 형성하였으며, Tokuyama binder를 이용하여 Tokuyama membrane(Tokuyama)의 상면 및 저면 상에 각각 Pt/C를 포함하고 크기가 2.5cm X 5.0cm인 제3 전극 촉매층 및 제4 전극 촉매층을 형성하였다. 이어, 상기 제1 전극 촉매층 및 제3 전극 촉매층 상에 전극 물질을 도포하여 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극을 각각 2.5cm X 5.0cm의 크기로 형성하였고, 상기 제2 전극 촉매층 및 제4 전극 촉매층 상에 전극 물질을 도포하여 제1 애노드 전극 및 제2 애노드 전극을 각각 2.5cm X 5.0cm의 크기로 형성하였다. 이에 따라, 양이온 교환막 전극 접합체 및 음이온 교환막 전극 접합체를 포함하는 하이브리드형 막 전극 접합체가 제조되었다.
이후, 제1 캐소드 전극에 제1 기체 공급부를 연결하고, 제2 애노드 전극에 제2 기체 공급부를 연결하여, 도 7에 도시된 바와 같은 구조를 가지며 상기 막 전극 접합체를 포함하는 단전지(single fuel cell)를 제조하였다. 도 7은 상기 제1 애노드 전극 및 제2 애노드 전극이 도포된 부분의 상기 단전지 사진이다.
상기 단전지에 전류를 발생시키고, 상기 제1 기체 공급부를 통해 상기 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극으로 산소 기체(O2)를 공급하며, 상기 제2 기체 공급부를 통해 상기 제1 애노드 전극 및 제2 애노드 전극으로 수소 기체(H2)를 공급함으로써, 상기 단전지를 무가습 조건 하에서(외부로부터의 물(H2O) 공급 없이) 운전할 수 있었다.
연료 전지의 저항 특성 평가
연료 전지의 저항 특성을 평가하기 위하여, 실시예에 따라 제조된 단전지를 50℃의 온도 및 무가습 조건 하에서 운전하여 전류(I)-전압(V) 변화를 측정하였다. 이때, 제1 기체 공급부를 통해 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극으로 산소 기체(O2)를 공급하고, 제2 기체 공급부를 통해 제2 애노드 전극 및 제1 애노드 전극으로 수소 기체(H2)를 공급하였으며, 상기 단전지를 운전하면서 0.0A부터 1.1A까지 전류를 변화시켰다. 그 결과는 도 8에 도시된 바와 같다.
도 8을 참조하면, 실시예에 따라 제조된 단전지는 50℃의 온도 및 무가습 조건 하에서 운전 시 전류(I)-전압(V) 변화가 일정한 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 막 전극 접합체(MEA)를 통해, 무가습 조건 하에서 저항(R)의 변화 없이 안정적으로 구동이 가능한 연료 전지를 구현할 수 있음을 알 수 있다.
연료 전지의 성능 평가
연료 전지의 성능을 평가하기 위하여, 실시예에 따라 제조된 단전지를 50℃의 온도 및 무가습 조건 하에서 250시간까지 운전하면서 전류 밀도 변화를 측정하였다. 이때, 산소 기체(O2) 및 수소 기체(H2)의 공급 없이 50℃의 온도 및 무가습 조건을 유지하면서 상기 단전지를 2시간 동안 운전하여 상기 단전지 내 수분을 모두 제거한 뒤, 동일 조건 하에서 산소 기체(O2) 및 수소 기체(H2)를 공급하면서 0.6V로 250시간까지 운전하여 전류 밀도 변화를 측정하였다. 그 결과는 도 9에 도시된 바와 같다.
도 9를 참조하면, 실시예에 따라 제조된 단전지는 약 150시간 이후부터 안정적인 성능을 보이기 시작하였으며, 250시간이 경과될 때까지 안정적으로 성능이 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 기존의 연료 전지들이 동일 조건(50℃, 내부에 수분을 전혀 함유하지 않은 상태에서 무가습으로 운전) 하에서 운전이 불가하여 성능을 전혀 나타내지 않는 것을 고려할 때, 실시예에 따라 제조된 단전지는 성능 면에서 현격한 차이를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
그러므로 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 막 전극 접합체를 이용하여, 무가습 조건 하에서 운전이 가능할 뿐만 아니라 안정적이고 효율적으로 장시간 운전이 가능한 연료 전지를 용이하게 구현할 수 있음을 알 수 있다.
10: 양이온 교환막
20: 음이온 교환막
31, 33: 제1 및 제2 캐소드 전극
41, 43: 제1 및 제2 애노드 전극
50, 60: 제1 및 제2 기체 공급부
70. 80: 제1 및 제2 분리판
71, 81: 제1 및 제2 유입구
73, 83: 제1 및 제2 배출구
75, 85: 제1 및 제2 채널부
100: 연료 전지(single fuel cell)
200: 연료 전지 스택(fuel cell stack)

Claims (11)

  1. 막 전극 접합체로서, 상기 막 전극 접합체는
    양이온 교환막, 상기 양이온 교환막 상부에 배치되는 제1 캐소드 전극, 상기 양이온 교환막 하부에 배치되는 제1 애노드 전극을 포함하는 양이온 교환막 전극 전합체; 및
    음이온 교환막, 상기 음이온 교환막 상부에 배치되는 제2 캐소드 전극, 상기 음이온 교환막 하부에 배치되는 제2 애노드 전극을 포함하는 음이온 교환막 전극 접합체를 포함하고,
    상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막은 부분적으로 접촉하며,
    상기 제1 캐소드 전극, 제1 애노드 전극, 제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극은 서로 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막은 부분적으로 겹치거나, 접착제를 통해 부분적으로 맞닿음으로써 접촉하는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막이 접촉하는 부분에는 상기 제1 캐소드 전극, 제1 애노드 전극, 제2 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극이 배치되지 않으며, 이온 교환 및 물질 이동이 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양이온 교환막 전극 접합체는 상기 음이온 교환막 전극 접합체와 동일한 면적 또는 상이한 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극으로 산소가 공급되고,
    상기 제1 애노드 전극 및 제2 애노드 전극으로 수소가 공급되는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 막 전극 접합체에 전류 발생 시, 상기 양이온 교환막을 통해 상기 제1 애노드 전극에서 상기 제1 캐소드 전극으로 수소 이온(H+)이 이동하고, 상기 음이온 교환막을 통해 상기 제2 캐소드 전극에서 상기 제2 애노드 전극으로 수산화 이온(OH-)이 이동하여, 상기 제1 캐소드 전극 및 제2 애노드 전극에서 각각 물이 생성되는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체.
  7. 연료 전지로서,
    제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 막 전극 접합체를 포함하며,
    연료 전지에 전류 발생 시, 연료 전지 내에서 물을 생성 및 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연료 전지는,
    상기 막 전극 접합체의 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극에 산소를 공급하기 위해 상기 제1 캐소드 전극에 연결되는 제1 기체 공급부; 및
    상기 막 전극 접합체의 제1 애노드 전극 및 제2 애노드 전극에 수소를 공급하기 위해 상기 제2 애노드 전극에 연결되는 제2 기체 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연료 전지는,
    상기 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극과 접하도록 상기 막 전극 접합체 상부에 배치되고, 상기 제1 기제 공급부를 통해 공급되는 산소를 이동시키기 위한 제1 채널부를 갖는 제1 분리판; 및
    상기 제1 애노드 전극 및 제2 애노드 전극과 접하도록 상기 막 전극 접합체 하부에 배치되고, 상기 제2 기체 공급부를 통해 공급되는 수소를 이동시키기 위한 제2 채널부를 갖는 제2 분리판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 채널부는 상기 제1 캐소드 전극 및 제2 캐소드 전극과 접하는 상기 제1 분리판의 일 면 상에 구비된 것이며, 상기 제1 기체 공급부와 직접 연결되고 상기 제1 캐소드 전극에 인접하는 제1 유입구; 및 상기 제2 캐소드 전극에 인접하는 제1 배출구를 포함하고,
    상기 제2 채널부는 상기 제1 애노드 전극 및 제2 애노드 전극과 접하는 상기 제2 분리판의 일 면 상에 구비된 것이며, 상기 제2 기체 공급부와 직접 연결되고 상기 제2 애노드 전극에 인접하는 제2 유입구; 및 상기 제1 애노드 전극에 인접하는 제2 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 연료 전지는 단전지(sigle cell), 또는 단전지를 하나 이상 포함하는 연료 전지 스택(stack)인 것을 특징으로 하는 연료 전지.
KR1020170010891A 2017-01-24 2017-01-24 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지 KR101913124B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170010891A KR101913124B1 (ko) 2017-01-24 2017-01-24 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지
US15/679,562 US10396383B2 (en) 2017-01-24 2017-08-17 Membrane electrode assembly and fuel cell comprising the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170010891A KR101913124B1 (ko) 2017-01-24 2017-01-24 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180086882A true KR20180086882A (ko) 2018-08-01
KR101913124B1 KR101913124B1 (ko) 2018-12-28

Family

ID=62907335

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170010891A KR101913124B1 (ko) 2017-01-24 2017-01-24 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10396383B2 (ko)
KR (1) KR101913124B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210086509A (ko) 2019-12-31 2021-07-08 코오롱인더스트리 주식회사 연료전지의 역전압 내구성을 향상시킬 수 있는 막-전극 어셈블리, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 연료전지
KR20220097216A (ko) * 2020-12-31 2022-07-07 코오롱인더스트리 주식회사 막-전극 어셈블리 및 그 제조방법

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3738956B2 (ja) 2000-06-19 2006-01-25 スズキ株式会社 燃料電池
JP4576792B2 (ja) 2001-01-19 2010-11-10 ソニー株式会社 電極モジュール及び燃料電池並びに電池スタック
KR101201816B1 (ko) 2005-03-07 2012-11-15 삼성에스디아이 주식회사 막-전극 어셈블리, 그 제조방법, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
KR100787865B1 (ko) 2005-04-19 2007-12-27 한국과학기술연구원 제한된 두께의 나피온 캐스트 막을 구비하는 고분자전해질막 연료전지 및 그 작동 방법
GB0605393D0 (en) * 2006-03-16 2006-04-26 Itm Fuel Cells Ltd Composite menbranes for electrochemical cells
KR100864957B1 (ko) 2007-01-03 2008-10-23 한국과학기술연구원 두께 구배를 가지는 촉매층을 포함하는 막 전극 집합체, 그제조 방법, 상기 막 전극 집합체를 포함하는 연료전지 및그 운전 방법
EP2294644A4 (en) 2008-06-04 2013-05-22 Cellera Inc ALKALINE MEMBRANE FUEL CELLS AND APPARATUS AND METHOD FOR INTRODUCING WATER INSIDE THERETO
US20100028736A1 (en) * 2008-08-01 2010-02-04 Georgia Tech Research Corporation Hybrid Ionomer Electrochemical Devices
KR101127004B1 (ko) 2009-08-05 2012-03-26 서울대학교산학협력단 내부 막가습기를 포함하는 연료전지 스택
KR101669469B1 (ko) * 2015-07-24 2016-10-26 창원대학교 산학협력단 연료전지용 하이브리드형 단위전지 및 이를 포함하는 연료전지 스택

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Self-Humidifying Acidic-Alkaline Bipolar Membrane Fuel Cell, (2015)
Hybrid Anion and Proton Exchange Membrane Fuel Cells, (2009)

Also Published As

Publication number Publication date
US20180212264A1 (en) 2018-07-26
KR101913124B1 (ko) 2018-12-28
US10396383B2 (en) 2019-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9537156B2 (en) Method for making membrane-electrode assembly for fuel cell and method for making fuel cell system comprising the same
US8617770B2 (en) Electrodes containing oxygen evolution reaction catalysts
US20020192530A1 (en) Fuel cell that can stably generate electricity with excellent characteristics
US20070003822A1 (en) Voltage cycling durable catalysts
EP2612390B1 (en) Assembly for reversible fuel cell
US20070202388A1 (en) Membrane Electrode Unit
KR102141882B1 (ko) 혼합 촉매를 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물, 연료전지용 전극 및 이의 제조방법
KR20170069783A (ko) 고분자 전해질 연료전지용 촉매 슬러리 조성물, 막-전극 접합체, 및 막 -전극 접합체의 제조방법
KR101913124B1 (ko) 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지
KR101312971B1 (ko) 불소계 이오노모를 이용하여 표면 개질한 탄화수소계 고분자 전해질 분리막, 막 전극 접합체 및 연료전지
JP2019040705A (ja) 燃料電池用触媒層および電解質膜−電極接合体および燃料電池
JP2001236976A (ja) 燃料電池
US20130157167A1 (en) Alternate material for electrode topcoat
JP2009043688A (ja) 燃料電池
US20100183940A1 (en) Fuel cell stack
KR20170069590A (ko) 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지
KR20150138103A (ko) 연료전지용 전극, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료전지
EP2157643B1 (en) Polymer electrolyte fuel cell
KR20160025110A (ko) 중앙 냉각 방식의 원통형 고분자 연료전지
US20230099815A1 (en) Fuel cells with improved membrane life
KR20140035621A (ko) 병렬형 연료전지 스택 및 그를 포함하는 연료전지
JP2012099332A (ja) 燃料電池システム
JP2011181374A (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体および固体高分子形燃料電池
KR20180018106A (ko) 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지
KR101794326B1 (ko) 중앙 냉각 방식의 원통형 고분자 연료전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant