KR20190076131A - 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그 제조방법 - Google Patents

적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20190076131A
KR20190076131A KR1020170177682A KR20170177682A KR20190076131A KR 20190076131 A KR20190076131 A KR 20190076131A KR 1020170177682 A KR1020170177682 A KR 1020170177682A KR 20170177682 A KR20170177682 A KR 20170177682A KR 20190076131 A KR20190076131 A KR 20190076131A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
boron nitride
hexagonal boron
nitride thin
thin film
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020170177682A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102070042B1 (ko
Inventor
신현석
김태영
윤성인
김광우
서동준
Original Assignee
울산과학기술원
한국에너지기술연구원
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 울산과학기술원, 한국에너지기술연구원 filed Critical 울산과학기술원
Priority to KR1020170177682A priority Critical patent/KR102070042B1/ko
Publication of KR20190076131A publication Critical patent/KR20190076131A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102070042B1 publication Critical patent/KR102070042B1/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]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/34—Nitrides
    • C23C16/342—Boron nitride
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8814—Temporary supports, e.g. decal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
    • 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
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • 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
    • H01M2300/0094—Composites in the form of layered products, e.g. coatings
    • 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)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지 막전극접합체에 관한 것으로, 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지용 막전극접합체와 그 제조방법에 관한 것이며, 본 발명의 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체는, 애노드 전극층; 캐소드 전극층; 및 상기 애노드 전극층과 상기 캐소드 전극층 사이에 형성되는 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 AA′ 구조로 적층된 수소이온 교환층;을 포함한다.

Description

적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그 제조방법{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY OF FUEL CELL COMPRISING STACKED THIN FILM OF HEXAGONAL BORON NITRIDE AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 연료전지 막전극접합체에 관한 것으로, 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지용 막전극접합체와 그 제조방법에 관한 것이다.
육방정계 질화붕소는 그래핀과 유사한 2차원적 강한 sp2 공유결합을 갖는 허니컴 구조로서, 높은 기계적 강도와 열전도도로 인해 주목을 받고 있는 소재이다. 그러나, 그래핀은 반금속 성질과 0의 밴드갭을 가지는 반면, 육방정계 질화붕소는 5-6 eV 의 직접 밴드갭을 갖는 절연체인데, 이는 B-N 사이의 부분적 이온 결합에서 야기된다. 또한, 그래핀과 달리, 육방정계 질화붕소는 1000℃와 같은 고온의 대기 중에 화학적으로 안정한 것으로 알려져 있다.
정제된 육방정계 질화붕소는 215 내지 227 nm의 파장에 대한 민감한 엑시톤 발광 밴드를 나타내며, 이는 유도방출을 초래하기에 충분한 값이다. 따라서, 고성능 육방정계 질화붕소는 자외선보다 더 짧은 자외선(deep UV) 광전자 소자를 개발하기 위해 유용한 소재로 사용될 수 있다.
또한, 최근에는 육방정계 질화붕소 및 촉매를 함유하는 혼합물을 입방정계 질화붕소의 안정한 존재에 열역학적으로 유리한 압력 및 온도 조건 하에 유지시켜 입방정계 질화붕소를 함유하는 복합괴를 형성시키고, 이 복합괴를 알칼리 용액에 용해시켜 입방정계 질화붕소를 회수하는 것을 포함하는 입방정계 질화붕소의 제조 방법에 대해 연구가 수행된 바 있지만, 보다 고성능이면서 대면적의 단일층 육방정계 질화붕소를 제조할 수 있는 방법에 대해 여전히 산업계의 수요가 존재하고 있었다.
한편, 연료전지는 친환경적이고 높은 효율을 가지는 에너지 변환 장치로서 향후 저탄소 기반 산업을 주도할 기술로 주목을 받고 있으며, 특히 휴대용 전자기기, 가정용 및 운송용 에너지 변환장치로서의 응용성이 크게 기대되고 있는 전지이다.
연료전지는 사용되는 전해질 및 사용되는 연료의 종류에 따라 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC), 인산 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등으로 분류될 수 있다.
고분자 전해질형 연료전지 및 직접 메탄올 연료전지는 통상적으로 애노드 전극, 캐소드 전극 및 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함하는 막전극접합체(membrane electrode assembly, MEA)로 구성된다. 수소 또는 연료가 공급되는 애노드 전극에서 연료의 산화 반응이 일어나고, 애노드 전극에서 생성된 수소 이온이 고분자 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 전도되며, 산소가 공급되는 캐소드 전극에서 산소의 환원 반응이 일어남으로써 두 전극 간의 전압차가 발생되어 전기가 생성되는 것이 연료 전지의 원리이다.
연료전지의 애노드 전극은 연료를 산화시켜 수소 이온을 생성하는 반응을 촉진시키기 위한 촉매를 포함하며, 캐소드 전극은 산소의 환원을 촉진시키기 위한 촉매를 포함한다. 그리고 연료전지 촉매는 주로 촉매 금속 입자와 이를 균일하게 분산하기 위한 전기전도성이 높은 담체로 이루어져 있음이 일반적이다.
연료전지의 막전극접합체는 앞서 설명한 것과 같이 고분자 전해질 막을 포함하고 있으며, 고분자 전해질 막은 수소이온 교환막 등으로 불리우기도 한다. 대표적으로 상용화되는 고분자 전해질 막 소재로는　나피온(Nafion) 막이 있다. 나피온 막의 경우 높은 수소이온 전도도, 우수한 화학안정성, 이온 선택성 등으로 인하여 널리 사용되고 있긴 하나, 높은 가격으로 산업용 이용도가 제한되며 무엇보다도 연료전지의 구동 과정에서 메탄올이 고분자 막을 통과하는 가스 투과성(Gas Crossover) 현상이 발생하는 등의 문제를 내재하고 있었다. 또한, 나피온 막을 사용할 경우 고온 안정성이 떨어지고, 구현가능한 연료전지의 성능에 한계가 있었다. 따라서 이를 개선하기 위하여 나피온 막을 대체하기 위한 소재에 대한 연구가 다양하게 수행 중에 있었다.
본 발명에서는, 화학적 안정성이 뛰어난 육방정계 질화붕소가 가지는 높은 수소이온 전달성에 주목하고, 육방정계 질화붕소 박막을 제조한 후 복수 겹으로 적층하여 이용하면서, 높은 효율의 연료전지를 구현할 수 있는 육방정계 질화붕소 박막의 적층 방법을 제공하고, 그를 이용한 연료전지 막전극접합체, 그를 이용한 연료전지 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체는, 애노드 전극층; 캐소드 전극층; 및 상기 애노드 전극층과 상기 캐소드 전극층 사이에 형성되는 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 AA′ 구조로 적층된 수소이온 교환층;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 단원자(monatomic)층인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소이온 교환층은, 세 겹의 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드 전극층과 상기 수소이온 교환층 사이, 상기 캐소드 전극층과 상기 수소이온 교환층 사이 또는 둘 다에 형성되는 계면 접합층;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면 접합층은, 나피온(Nafion, Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면 접합층은 두께가 2 μm 내지 50 μm 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드 전극층, 상기 캐소드 전극층 또는 둘 다는, 백금, 루테늄, 백금을 포함하는 합금 및 코어를 포함하는 쉘 구조의 백금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 두께가 0.3 nm 내지 3.0 nm 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수 겹의 육방정계 질화붕소 박막 중 하나 이상은, H, O 및 F로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 기능기화 된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지는, 분리판; 집전체; 및 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지 막전극접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법은, 제1 기판 상에 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층하는 단계; 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막의 상기 제1 기판이 위치한 반대쪽 면 상에 제1 계면접합층을 형성하고 습식 전사(wet transfer) 기법으로 상기 제1 기판을 분리하는 단계; 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막의 상기 제1 계면접합층이 위치한 반대쪽 면이 제2 기판 상에 형성된 제2 전극 및 상기 제2 전극 상에 형성된 제2 계면접합층 상에 접하도록 전사하는 단계; 상기 제1 계면접합층의 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 위치한 반대쪽 면 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 기판을 제거하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 기판 상에 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA' 구조로 적층하는 단계는, 저압 화학 기상 증착법을 이용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극을 형성하는 단계는, 스프레이 코팅법 또는 바 코팅법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나에 의해 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 기판을 제거하는 단계는, HF, H2NO3 및 H3PO4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 산 수용액을 사용하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 기판을 제거하는 단계 후에, 핫플레이트를 이용하여 건조하는 단계; 및 가장자리를 밀봉(edge sealing)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는, 육방정계 질화붕소 박막을 산소 플라즈마에 노출시키는 단계; 육방정계 질화붕소 박막층을 수소 플라즈마에 노출시키는 단계; 및 육방정계 질화붕소 박막층을 XeF2 기체에 노출시키는 단계;로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측에 따르는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지는, 분리판; 집전체; 및 본 발명의 일 실시예에 따르는 제조방법을 이용하여 형성된 막전극접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 복수 겹으로 적층하고 연료전지 막전극접합체에 적용함으로써, 적층에도 불구하고 성능 저하 현상의 발생이 거의 없고 메탄올 등의 가스 크로스오버 현상을 방지할 수 있으며, 수소이온의 전달이 원활하게 수행되면서 화학적으로 안정하여 내구성이 우수하게 확보된 수소이온 교환막을 확보할 수 있다.
또한, 이를 이용하여 확보된 육방정계 질화붕소 박막의 적층체를 포함하는 연료전지를 제조함으로써, 종래의 나피온 막을 포함하던 연료전지의 성능을 뛰어넘고, 가스 투과성을 낮춘 고성능 연료전지를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는, 3개의 육방정계 질화붕소 박막이 적층된 구조를 나타내는 개략도로서, 도 2(a)는 3개의 육방정계 질화붕소 박막이 난층 구조(turbostatic)를 형성하며 랜덤(random)하게 적층된 형태를 나타내는 그림이고, 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예로서, 3개의 육방정계 질화붕소 박막이 AA′ 구조를 형성하며 적층된 형태를 나타내는 그림이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법의 각 단계의 순서를 나타내는 순서도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그를 포함하는 연료전지의 제조방법의 각 단계 공정 과정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 5는, 단일층 그래핀과 본 발명의 일 실시예에 따르는 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막(실시예)과 본 발명의 비교예들의 가스 크로스오버 현상의 발생 정도를 확인할 수 있는 그래프로서, 도 5(a)는 전류 밀도-셀 전압을 나타내는 I-V 그래프이고, 도 5(b)는 전압에 따른 전류 압력을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막(실시예)와 비교예들의 장기 내구성 평가의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에서는 육방정계 질화붕소 박막이 수소이온 전달 특성이 우수한 점을 확인하고, 연료전지의 막전극접합체의 수소이온 교환막 소재로 육방정계 질화붕소 박막을 이용한, 신개념 연료전지 막전극접합체를 제공한다.
종래의 육방정계 질화붕소 박막의 경우, 단원자 층의 박막을 이용할 경우 내구성 측면에서 다소 아쉬운 점이 발생하였다. 한편, 단원자 층의 박막을 복수 겹 적층시켜 이용할 경우에는 내구성 측면에서는 장점이 있었으나, 가스 크로스오버 현상을 방지하기 어렵고 수소이온 전달 기능이 저하되는 특징이 발생하였다.
본 발명에서는 복수 겹 적층된 육방정계 질화붕소 박막층을 수소이온 교환층으로 포함하면서, 그 적층 구조를 정밀하게 제어하여 내구성의 향상과 수소이온 전달 특성의 유지 및 가스 크로스오버 현상의 방지 기능이 모두 구비된 연료전지 막전극접합체를 제공한다.
본 발명에서는 수소이온 교환막을 적층된 육방정계 질화붕소 박막으로 구비한 신개념의 연료전지 막전극접합체와 그를 이용한 고성능 연료전지를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 구조를 나타낸 개략도이다.
본 발명의 일 측에서는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체를 제공한다.
본 발명의 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체는, 애노드 전극층(110); 캐소드 전극층(140); 및 상기 애노드 전극층과 상기 캐소드 전극층 사이에 형성되는 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 AA′ 구조로 적층된 수소이온 교환층(130);을 포함한다.
본 발명의 일 측에서 제공하는 연료전지 막전극접합체는, 연료전지의 막전극접합체 내부에 육방정계 질화붕소 박막을 적층시켜 수소이온 교환층으로 이용하는 특징을 갖는다. 본 발명의 일 측면에서 제공하는 육방정계 질화붕소 박막층은, 애노드 전극층과 캐소드 전극층 사이에 형성되어 수소이온의 이동 통로 역할을 하면서 연료전지의 성능을 향상시키는 역할을 한다.
육방정계 질화붕소 박막을 막전극접합체 내에 포함시킬 경우, 육방정계 질화붕소 박막이 Nafion 또는 탄화수소계 물질과 같은 고분자가 아니기 때문에 화학적 안정성 및 열적 안정성이 보다 우수한 효과 연료전지를 구현할 수 있다.
도 2는, 3개의 육방정계 질화붕소 박막이 적층된 구조를 나타내는 개략도로서, 도 2(a)는 3개의 육방정계 질화붕소 박막이 난층 구조(turbostratic)를 형성하며 랜덤(random)하게 적층된 형태를 나타내는 그림이고, 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예로서, 3개의 육방정계 질화붕소 박막이 AA′ 구조를 형성하며 적층된 형태를 나타내는 그림이다.
본 발명에서 상기 육방정계 질화붕소 박막은 도 2(b)와 같이 AA′ 구조로 적층된다. 흑연의 일반적인 적층 구조로 AA' 구조 또는 AB 구조 등이 있다. 결정학적인 관점에서 AA' 적층 구조와 AB 적층 구조는 같은 성분으로 형성된 구조일지라도 서로 다른 물리화학적 특성을 보유하게 된다. 육방정계 질화붕소와 구조적으로 유사한 흑연의 AA′ 적층 구조는 최근에 발견된 새로운 결정학적 적층 구조로서, AA′ 구조로 적층된 흑연은 반도체적 특성을 가지는 새로운 개념의 소재로서 주목받고 있다.
육방정계 질화붕소의 경우 AA′ 구조가 AB 적층 구조 보다 에너지적 관점에서 안정한 특징이 있다. 따라서, 적층 후에도 그 적층된 구조를 안정적으로 유지할 수 있다. 본 발명에서는 AA′ 적층 구조로 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 적층하고 이를 연료전지용 막전극접합체에 적용할 수 있다.
일 예로서 AA' 구조는 적층된 박막의 수직한 방향에서 볼 때, 제1 층 (A 층)의 육각 고리 안에 제2 층 (A' 층)의 육각 고리를 형성하는 두 개의 원자가 위치하고, 제2 층의 육각 고리 안에 제1 층의 육각 고리를 형성하는 두 개의 원자가 위치하는 적층 구조일 수 있다.
도 2(a)와 같이 AA′ 구조가 아닌 규칙성이 없는 난층 구조 형태로 육방정계 질화붕소 박막을 적층할 경우, 본 발명에서 의도하는 수준의 안정적인 수소이온 전달 성능을 확보할 수 없다. 그렇다고 육방정계 질화붕소 박막을 단층으로 형성할 경우 수소이온 전달층의 내구성이 문제되고 본연의 기능을 충실하게 수행할 수 없다.
따라서 본 발명에서는 도 2(b)와 같이 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 이용하여 수소이온 교환층을 형성하고, 계면 접합층을 대체하거나 또는 계면 접합층과 함께 사용하는 방법을 제안하는 것이다. 본 발명에서 제공하는 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 이용할 경우, 막전극접합체 내에서 연료전지의 안정적인 수소이온 전달 성능을 확보할 수 있다. 이 때 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막은 랜덤하게 난층 구조로 적층된 경우와는 달리 연료전지의 막전극접합체 내에서 가스 크로스오버 현상의 방지가 가능하고 높은 내구성 및 수소이온 전달 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 단원자(monatomic)층인 것일 수 있다.
상기 복수 개가 적층되는 각각의 육방정계 질화붕소 박막은 단원자층으로 구성된 수 나노미터 두께의 박막일 수 있다. 즉, 두께 방향에서 봤을 때 적층되는 각각의 육방정계 질화붕소 박막은 복수 개의 원자가 층을 구성하지 않는 것일 수 있다. 육방정계 질화붕소 박막을 단원자층으로 형성하는 것은 특별한 온도 및 압력 조건에서 적절하게 선택된 기판 소재(사파이어 등)를 도입함으로써 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소이온 교환층은, 세 겹의 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 것일 수 있다.
후술할 본 발명의 실시예에 따르면, 세 겹의 육방정계 질화붕소 박막을 적층했을 때, 가스 크로스오버 현상의 방지가 가능하고 높은 내구성 및 수소이온 전달 특성을 확보가능함을 확인한 바 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드 전극층과 상기 수소이온 교환층 사이, 상기 캐소드 전극층과 상기 수소이온 교환층 사이 또는 둘 다에 형성되는 계면 접합층(120, 120');을 더 포함할 수 있다.
상기 계면 접합층은 각각의 전극층과 수소이온 교환층 사이를 접합하기 위한 목적으로 도입되는 것일 수 있다.
상기 계면 접합층은 수소이온 전달 특성을 구비한 유기 물질로 형성된 층일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면 접합층은, 나피온(Nafion, Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
일 예로서, 계면 접합층의 소재로 이용가능한 나피온(Nafion, 퍼플루오르화 술폰산 중합체)은 이온전도도, 화학적 안정성, 이온 선택성 등이 우수한 장점이 있다. 다만, 나피온 소재는 연료전지의 구동 과정에서 높은 가스(메탄올 등) 투과성으로 인해 일부 구동 환경에서 문제가 되어 왔다. 본 발명의 일 측면에서는 육방정계 질화붕소 박막을 수소이온 교환층으로 막전극접합체 내에 포함함으로써 나피온 유기바인더층이 갖는 가스 투과성 문제를 해소할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 계면 접합층은 두께가 2 μm 내지 50 μm 인 것일 수 있다.
상기 계면 접합층의 두께가 2 μm 미만일 경우 물리적 강성이 약해지는 단점이 생길 수 있고, 두께가 50 μm 초과일 경우 수소 이온 전달 저항이 커져서 연료전지의 성능이 떨어지는 문제가 생길 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 계면 접합층의 두께는 5 μm 내지 20 μm 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드 전극층, 상기 캐소드 전극층 또는 둘 다는, 백금, 루테늄, 백금을 포함하는 합금 및 코어를 포함하는 쉘 구조의 백금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막은 두께가 0.3 nm 내지 3.0 nm 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수 겹의 육방정계 질화붕소 박막 중 하나 이상은, H, O 및 F로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 기능기화 된 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 육방정계 질화붕소 박막 중 하나 이상을 수소 결합을 형성 하는 원자인 H, O, F 원자 중 하나 이상의 성분을 포함하도록 기능기화 처리할 수 있다. 이 때, 기능기화 처리 된 육방정계 질화붕소 박막층 B-H, B-O, B-F 및 B-F2 결합을 표면 상에 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서는 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 기판에 형성시킨 상태에서 산소 플라즈마 및 수소 플라즈마를 이용하여 산소 기능기화 및 수소 기능기화 처리 공정을 수행할 수 있다. 또한, 기판에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 XeF2 기체에 노출시킴으로써 불소 기능기화 된 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측에서는 막전극접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명의 다른 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지는, 분리판; 집전체; 및 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지 막전극접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함한다.
본 발명의 다른 일 측에서는 본 발명의 일 실시예에 따르는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환층을 포함하는 연료전지 막전극접합체를 포함하고, 추가적인 구성으로 분리판, 집전체를 구비한 단위 셀을 하나 이상 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 측에서는 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법을 제공한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법의 각 단계의 순서를 나타내는 순서도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그를 포함하는 연료전지의 제조방법의 각 단계 공정 과정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
아래에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지 막전극접합체 및 그를 포함하는 연료전지의 제조방법의 각 단계에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 예로서 아래에서 설명하는 연료전지 막전극 접합체는, 양 전극 사이에 육방정계 질화붕소 박막의 수소이온 교환층 외에 계면접합층을 포함하여 형성된 구조의 제조방법에 관한 것이다. 그러나, 본 발명의 다른 일 예에서는 하나 또는 둘 다의 전극과 육방정계 질화붕소 박막의 수소이온 교환층 사이 계면접합층을 포함하지 않고 연료전지 막전극 접합체를 형성할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 일 측에 따르는 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법은, 제1 기판 상에 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층하는 단계(S10); 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막의, 상기 제1 기판이 위치한 반대쪽 면 상에 제1 계면접합층을 형성하고, 습식 전사(wet transfer) 기법으로 상기 제1 기판을 분리하는 단계(S20); 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막의 상기 제1 계면접합층이 위치한 반대쪽 면이 제2 기판 상에 형성된 제2 전극 및 상기 제2 전극 상에 형성된 제2 계면접합층 상에 접하도록 전사하는 단계(S30); 상기 제1 계면접합층의 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 위치한 반대쪽 면 상에 제1 전극을 형성하는 단계(S40); 및 상기 제2 기판을 제거하는 단계(S50);를 포함한다.
일 예로서, 상기 습식 전사 기법으로 상기 제1 기판을 분리하는 단계는, 전기분해 방식에 의해 발생된 수소 가스 기포를 이용하거나 에칭제(Etchant)를 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
상기 전기분해 방식에 의해 발생된 수소 가스 기포를 이용하는 공정은, 예를 들어 NaOH를 포함하는 용매 환경에서 전기분해를 수행하여 수소 가스를 형성하고 그를 이용하는 것일 수 있다. 상기 에칭제를 이용하는 공정은, 예를 들어 에칭제로서 HF, HNO3 , H3PO4 로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 이용하는 것일 수 있다.
상기 제1 전극과 제2 전극은 서로 다른 극성을 가지는 전극일 수 있다. 일 예로서, 제1 전극이 캐소드 전극일 경우 제2 전극은 애노드 전극일 수 있고, 다른 일 예로서, 제1 전극이 애노드 전극일 경우 제2 전극은 캐소드 전극일 수 있다.
일 예로서, 상기 육방정계 질화붕소 박막을 제1 기판 상에 형성하는 과정에서는, 화학적 기상 증착법(CVD법)을 이용하여 암모니아 보란을 가열하고, 상기 가열된 암모니아 보란을 수소가스를 이용하여 고온으로 유지되는 로(Furnace) 내로 확산시켜 로 내에 구비한 제1 기판 상에 육방정계 질화붕소 박막이 형성되도록 하는 것일 수 있다.
일 예로서, 상기 암모니아 보란을 가열하는 단계의 온도는 80 ℃ 내지 130 ℃ 인 것일 수 있다. 일 예로서, 상기 고온으로 유지되는 로의 온도는 800 ℃ 내지 1500 ℃ 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 기판 상에 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층하는 단계는, 저압 화학 기상 증착법(Low pressure chemical vapor deposition)을 이용하는 것일 수 있다.
상기 저압 화학 기상 증착법은 1300 ℃ 내지 1400 ℃ 의 합성 온도 조건에서 기판과 에피텍시 성장 방법을 이용하여 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 있다.
육방정계 질화붕소 박막을 적층하는 과정에서는 적층되는 구조에 따라서 다른 반발력이 작용할 수 있다. 이 때, 육방정계 질화붕소의 경우, AA′ 구조가 AB 적층 구조 보다 에너지적 관점에서 안정한 특징이 있다. 따라서, 적층 후에도 그 적층된 구조를 안정적으로 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전극을 형성하는 단계는, 스프레이 코팅법 또는 바 코팅법에 의해 수행되는 것일 수 있다.
일 예로서, 상기 제1 전극을 형성하는 단계에서 스프레이 코팅법을 이용할 경우, 형성되는 제1 전극의 두께를 손쉽게 조절 가능한 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 기판을 제거하는 단계는, HF, H2NO3 및 H3PO4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 산 수용액을 사용하는 것일 수 있다.
상기 제2 기판을 제거하는 단계는 산 수용액 중에서 육방정계 질화붕소 박막과 기판과의 상호작용을 제거하는 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 이 때 상기 단계가 산 수용액 중에서 수행됨으로써 육방정계 질화붕소 박막을 기판으로부터 분리하는 효과가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 기판을 제거하는 단계 후에, 핫플레이트를 이용하여 건조하는 단계; 및 가장자리를 밀봉(edge sealing)하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는, 육방정계 질화붕소 박막을 산소 플라즈마에 노출시키는 단계; 육방정계 질화붕소 박막층을 수소 플라즈마에 노출시키는 단계; 및 육방정계 질화붕소 박막층을 XeF2 기체에 노출시키는 단계;로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 상기 육방정계 질화붕소 박막층은 수소 결합을 형성하는 원자인 H, O, F 원자 중 하나 이상의 성분을 포함하도록 기능기화 처리 된 육방정계 질화붕소 박막층 일 수 있다. 상기 기능기화 처리 된 육방정계 질화붕소 박막층은 B-H, B-O, B-F 및 B-F2 결합을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서는 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 기판에 형성시킨 상태에서 산소 플라즈마 및 수소 플라즈마를 이용하여 산소 기능기화 및 수소 기능기화 공정을 수행할 수 있다. 또한, 기판에 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 XeF2 기체에 노출시킴으로써 불소 기능기화 된 육방정계 질화붕소 박막을 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측에서는 상기 제조방법을 이용하여 제조한 막전극접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 측에 따르는 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지는, 분리판; 집전체; 및 본 발명의 일 실시예에 따르는 제조방법을 이용하여 형성된 막전극 접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함할 수 있다.
실시예
본 발명에서 제공하는 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 수소이온 교환층으로 적용하고 연료전지 성능의 향상을 확인하기 위하여 저압 화학 기상 증착법과 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 제조방법을 이용하여 기판 상에 단원자층의 육방정계 질화붕소 박막이 3 개 AA′ 구조로 적층된 형태의 수소이온 교환층을 제조하였다. 그 후 이를 이용하여 상기 수소이온 교환층 상하로 각각 50 ㎛ 두께의 나피온 계면 접합층을 형성하였고, 애노드 전극층 - 나피온 계면접합층 - AA′ 구조의 육방정계 질화붕소 박막(3층)층 - 나피온 계면접합층 - 캐소드 전극층 형태의 샌드위치 구조를 포함하는 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)의 막전극 접합체 모델을 제작하고 성능을 평가하였다.
상기 본 발명의 실시예와 비교하기 위하여, 3 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층한 것 대신 통상적으로 이용되는 나피온 211 을 수소이온 교환층으로 사용한 것을 제외하면 동일한 방법을 이용하여 본 발명의 비교예 1을 제작하였다.
상기 본 발명의 실시예와 비교하기 위하여, 단원자층 육방정계 질화붕소 박막을 복수 개 적층하지 않고 단원자층 육방정계 질화붕소 박막 한 개로 대체한 것을 제외하면 동일한 방법을 이용하여 본 발명의 비교예 2를 제작하였다.
상기 본 발명의 실시예와 비교하기 위하여, 단원자층 육방정계 질화붕소 박막을 복수 개 적층하지 않고 단원자층 그래핀 박막 한 개로 대체한 것을 제외하면 동일한 방법을 이용하여 본 발명의 비교예 3을 제작하였다.
상기 본 발명의 실시예와 비교하기 위하여, 3 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층한 것 대신 난층 구조(turbostratic)로 적층한 것을 제외하면 동일한 방법을 이용하여 본 발명의 비교예 4를 제작하였다.
도 5는, 단일층 그래핀과 본 발명의 일 실시예에 따르는 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막(실시예)과 본 발명의 비교예들의 가스 크로스오버 현상의 발생 정도를 확인할 수 있는 그래프로서, 도 5(a)는 전류 밀도-셀 전압을 나타내는 I-V 그래프이고, 도 5(b)는 전압에 따른 전류 압력을 나타내는 그래프이다.
도 5(a)의 결과를 보면, 비교예 2 및 비교예 3은 약 1.05 A cm- 2 의 전류 밀도를 보여주지만, 도 5(b)에서 10 mA cm-2 에 가까운 투과 전류 값을 보이는 것을 보면, 결함이나 결정립계를 통한 가스 크로스오버 현상이 많이 발생하는 것을 알 수 있다.
반면, 본 발명의 실시예인 AA' 구조로 적층된 3 개의 육방정계 질화붕소 박막은 1.0 A cm-2 전류 밀도를 나타내면서, 투과 전류는 2.5 mA cm-2로 매우 낮은 수준을 보이므로, 이를 통해 결함이나 결정립계를 통한 가스 크로스오버 현상이 매우 적게 발생한 것을 알 수 있다.
한편 비교예 4는, 0.875 A cm-2 전류밀도를 보이고 있는데 AA′ 구조에 비해 수소이온의 통과가 어려운 구조를 하고 있으므로 전류 밀도 측면에서 그 성능이 저하되는 것을 확인하였다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 AA′ 구조로 적층된 육방정계 질화붕소 박막 및 비교예(비교예 1 및 비교예 2)들의 장기 내구성 평가의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
장기 내구성 평가의 실험 결과를 보면 비교예 1의 경우 화학적으로 안정하지 않기 때문에 40시간부터 성능 저하 현상이 급격하게 일어 나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명의 실시예와 비교예 2의 경우 육방정계 질화붕소 박막을 사용하였기 때문에 화학적으로 안정하여 성능 저하 현상이 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. 애노드 전극층;
    캐소드 전극층; 및
    상기 애노드 전극층과 상기 캐소드 전극층 사이에,
    복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 AA′ 구조로 적층된 수소이온 교환층;을 포함하는,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 육방정계 질화붕소 박막은 단원자(monatomic)층인 것인,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소이온 교환층은, 세 겹의 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 것인,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전극층과 상기 수소이온 교환층 사이, 상기 캐소드 전극층과 상기 수소이온 교환층 사이 또는 둘 다에 형성되는 계면 접합층;을 더 포함하는,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 계면 접합층은, 나피온(Nafion, Polytrifluorostyrene sulfonic acid), PMMA, 백금 및 탄소지지체로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 계면 접합층은 두께가 2 μm 내지 50 μm 인 것인,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전극층, 상기 캐소드 전극층 또는 둘 다는, 백금, 루테늄, 백금을 포함하는 합금 및 코어를 포함하는 쉘 구조의 백금으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하는 것인,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 육방정계 질화붕소 박막은 두께가 0.3 nm 내지 3.0 nm 인 것인,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수 겹의 육방정계 질화붕소 박막 중 하나 이상은, H, O 및 F로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 기능기화 된 것인,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체.
  10. 분리판;
    집전체; 및
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 연료전지 막전극접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함하는,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지.
  11. 제1 기판 상에 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층하는 단계;
    상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막의 상기 제1 기판이 위치한 반대쪽 면 상에 제1 계면접합층을 형성하고 습식 전사(wet transfer) 기법으로 상기 제1 기판을 분리하는 단계;
    상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막의 상기 제1 계면접합층이 위치한 반대쪽 면이, 제2 기판 상에 형성된 제2 전극 및 상기 제2 전극 상에 형성된 제2 계면접합층 상에 접하도록 전사하는 단계;
    상기 제1 계면접합층의 상기 적층된 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막이 위치한 반대쪽 면 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 기판을 제거하는 단계;를 포함하는,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 기판 상에 복수 개의 육방정계 질화붕소 박막을 AA′ 구조로 적층하는 단계는, 저압 화학 기상 증착법을 이용하는 것인,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 전극을 형성하는 단계는, 스프레이 코팅법 또는 바 코팅법에 의해 수행되는 것인,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제2 기판을 제거하는 단계는, HF, H2NO3 및 H3PO4로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 산 수용액을 사용하는 것인,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제2 기판을 제거하는 단계 후에,
    핫플레이트를 이용하여 건조하는 단계; 및
    가장자리를 밀봉(edge sealing)하는 단계;를 더 포함하는 것인,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 육방정계 질화붕소 박막을 준비하는 단계는,
    육방정계 질화붕소 박막을 산소 플라즈마에 노출시키는 단계;
    육방정계 질화붕소 박막층을 수소 플라즈마에 노출시키는 단계; 및
    육방정계 질화붕소 박막층을 XeF2 기체에 노출시키는 단계;로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 단계;를 더 포함하는,
    적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체의 제조방법.
  17. 분리판;
    집전체; 및
    제11항 내지 제16항 중 어느 한 항의 제조방법을 이용하여 형성된 막전극접합체를 포함하는 하나 이상의 단위 셀;을 포함하는,
    육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지.
KR1020170177682A 2017-12-22 2017-12-22 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그 제조방법 KR102070042B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170177682A KR102070042B1 (ko) 2017-12-22 2017-12-22 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170177682A KR102070042B1 (ko) 2017-12-22 2017-12-22 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190076131A true KR20190076131A (ko) 2019-07-02
KR102070042B1 KR102070042B1 (ko) 2020-01-29

Family

ID=67258328

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170177682A KR102070042B1 (ko) 2017-12-22 2017-12-22 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102070042B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210089965A (ko) * 2020-01-09 2021-07-19 울산과학기술원 전기 전도성을 갖는 질화 붕소 및 이의 제조 방법

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Amir Pakdel et al., Plasma-Assisted Interface Engineering of Boron Nitride Nanostructure Films. ACSNANO. 2014 1부.* *
S.hu et al., Proton transport through one-atom-thick crystals, Nature. 2014.12.11. 516. pp.227-230 1부.* *
stuart M.Holmes et al., 2D Crystals Significantly Enhance the Performance of a Working Fuel Cell, ADVANCED ENERGY MATERIALS. 2016. 1601216 1부.* *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210089965A (ko) * 2020-01-09 2021-07-19 울산과학기술원 전기 전도성을 갖는 질화 붕소 및 이의 제조 방법
KR20210113144A (ko) * 2020-01-09 2021-09-15 울산과학기술원 전기 전도성을 갖는 질화 붕소 및 이의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR102070042B1 (ko) 2020-01-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pu et al. Synthesis and modification of boron nitride nanomaterials for electrochemical energy storage: from theory to application
JP4625719B2 (ja) 燃料電池用膜／電極アセンブリ，その製造方法及びこれを含む燃料電池
US20080003485A1 (en) Fuel cell having patterned solid proton conducting electrolytes
US11075395B2 (en) Fuel cell membrane electrode assembly (MEA) with hexagonal boron nitride thin film
KR20160041309A (ko) 공기극 구조체, 이를 포함하는 연료 전지, 상기 연료 전지를 포함하는 전지 모듈 및 공기극 구조체의 제조방법
JP4539145B2 (ja) 膜電極接合体及び燃料電池
KR20100127577A (ko) 그라핀이 코팅된 연료전지용 분리판 및 이의 제조방법
JP5353437B2 (ja) 膜電極接合体の製造方法、燃料電池の製造方法
EP2244324B1 (en) Cambered Flow-field Plate
Sun et al. Advances in boron nitride‐based materials for electrochemical energy storage and conversion
KR102093536B1 (ko) 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지
EP2287955A2 (en) Method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for fuel cell, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte membrane type fuel cell
KR101922622B1 (ko) 육방정계 질화붕소 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체 및 그 제조방법
KR101922636B1 (ko) 계면 접합층이 제거된 육방정계 질화붕소 박막층을 포함하는 연료전지 막전극접합체
KR102070042B1 (ko) 적층된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극접합체 및 그 제조방법
US8278012B2 (en) Membrane electrode assembly for fuel cell, and fuel cell system including the same
US11670790B2 (en) Fuel cell membrane electrode assemblies
KR101922643B1 (ko) 금속 촉매 입자가 형성된 육방정계 질화붕소 박막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체 및 그 제조방법
KR101922605B1 (ko) 결함 치유한 이차원 물질의 단원자 층 막 연료전지로의 응용
JP2012084460A (ja) プロトン伝導体薄膜の作製方法
JP5870643B2 (ja) 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体の製造方法
KR101968468B1 (ko) 그래핀 수소이온 교환막을 포함하는 연료전지 막전극 접합체
KR102097507B1 (ko) 고분자 전해질 연료전지용 수소이온 전도성 고분자 섬유 매트릭스 내장 전극 및 이를 포함하는 막-전극 접합체
JP2022547289A (ja) プロトン交換膜燃料電池のガス拡散層およびその作製方法
KR20130098672A (ko) 선택적 투과가 가능한 박리된 미세다공성 층상 실리케이트 입자가 적층된 직접메탄올 연료전지용 고분자 전해질막 및 그 제조방법과 이를 사용하는 막전극 접합체 및 직접메탄올 연료전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant