KR20220043886A - 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 막 전극 어셈블리 - Google Patents

고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 막 전극 어셈블리 Download PDF

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KR20220043886A
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Abstract

본 발명은 이온 전도체를 포함하는 고분자 막, 및 복수개의 복합섬유를 포함하며, 상기 복합섬유는 상기 복합섬유의 길이방향으로 연속적으로 형성된 코어부 및 상기 코어부를 감싸는 매트릭스부를 포함하고, 상기 코어부는 이온 교환 작용기를 포함하는 고분자 전해질 막에 관한 것이다.

Description

고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 막 전극 어셈블리{POLYMER ELECTOLYTE MEMBRANE, AND MEMBRANE-ELECTROLYTE ASSEMBLY COMPRISING THE SAME}
본 발명은 고분자 전해질 막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 형태 안정성이 우수하면서도, 이온 전도도 성능이 우수한 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.
연료 전지는 메탄올, 에탄올, 천연 기체와 같은 탄화수소 계열의 연료물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 산화/환원반응과 같은 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템을 구비한 전지로서, 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 화석 에너지를 대체할 수 있는 차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있다.
이러한 연료 전지는 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4 내지 10 배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목을 받고 있다.
연료 전지에서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly, MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가지며, 막-전극 어셈블리는 일반적으로 전해질 막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(Anode, 또는, 연료극)과 환원극(Cathode, 또는, 공기극)이 각각 배치된 구조를 이룬다.
연료 전지는 전해질의 상태 및 종류에 따라 알칼리 전해질 연료 전지, 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등으로 구분될 수 있는데, 그 중에서 고분자 전해질 연료 전지는 100 ℃ 미만의 낮은 작동온도, 빠른 시동과 응답특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다.
고분자 전해질 연료 전지의 대표적인 예로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 액상의 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등을 들 수 있다.
고분자 전해질 연료 전지에서 일어나는 반응을 요약하면, 우선, 수소가스와 같은 연료가 산화극에 공급되면, 산화극에서는 수소의 산화반응에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원극으로 전달되고, 생성된 전자는 외부회로를 통해 환원극으로 전달된다. 환원극에서는 산소가 공급되고, 산소가 수소이온 및 전자와 결합하여 산소의 환원반응에 의해 물이 생성된다.
한편, 고분자 전해질 연료 전지의 상업화를 실현하기 위해서는 아직까지 해결해야 할 많은 기술적 장벽들이 존재하며, 필수적인 개선 요인은 고성능, 장수명화, 생산 비용 감소의 실현 등이 있다. 이에 가장 많은 영향을 미치는 구성 요소가 막-전극 어셈블리이며, 그 중에서도 고분자 전해질 막은 막-전극 어셈블리의 성능과 가격에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 요소 중 하나이다.
상기 고분자 전해질 연료 전지의 운전에 필요한 고분자 전해질 막의 요구 조건으로는 높은 수소이온 전도도, 화학적 안정성, 낮은 연료 투과성, 높은 기계적 강도, 낮은 함수율, 우수한 치수 안정성 등이 있다. 종래의 고분자 전해질 막은 특정의 온도 및 상대 습도 환경, 특히 고온/저가습 조건에서 정상적으로 고성능을 발현하기 어려운 경향이 있다. 이로 인해 종래의 고분자 전해질 막이 적용된 고분자 전해질 연료 전지는 그 사용 범위의 제한을 받게 된다.
이러한 고분자 전해질 막의 성능 및 내구성, 기계적, 화학적 물성을 동시에 확보하기 위해 보강재가 적용된 강화 복합막 타입의 고분자 전해질 막의 개발이 진행되어 왔다. 그러나, 전해질 막의 기계적 내구성 향상을 위해 보강재를 도입할 경우 저항 손실이 증가되고, 전해질 막의 이온 전도도가 감소하여 결과적으로 이를 포함하는 연료 전지의 성능이 저감될 수 있는 단점이 있다.
한편, 강화 복합막은 다공성의 보강재를 다공성의 보강재를 이온 전도체가 분산된 분산 용액에 침지시켜 제조하거나, 추가로 일면 또는 양면에 이온 전도체 층을 추가로 부가하여 형성할 수 있으며, 상기 보강재에 수소 이온을 전달할 수 있는 작용기를 포함하지 않기 때문에, 보강재 자체가 전해질 막의 저항으로 작용하여 고분자 전해질 막 전체의 수소 이온 전달 능력을 저하시키는 문제점이 있다.
따라서, 고분자 전해질 막의 상용화를 위해서는 높은 성능과 함께 함습 건조시에 치수 안정성을 높여 기계적 내구성을 향상시켜야 하고, 이를 위해서는 강화 복합막의 최적 구조를 확보하고 이온 전도도를 함께 향상시키는 것이 요구된다.
본 발명의 목적은 형태 안정성이 우수하여 전해질 막의 물리적, 기계적 내구성이 향상되는 동시에 이온 전도도가 우수한 고분자 전해질 막을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예는, 이온 전도체를 포함하는 고분자 막, 및 복수개의 복합섬유를 포함하며, 상기 복합섬유는 상기 복합섬유의 길이방향으로 연속적으로 형성된 코어부 및 상기 코어부를 감싸는 매트릭스부를 포함하고, 상기 코어부는 이온 교환 작용기를 포함하는 고분자 전해질 막을 제공한다.
상기 복합섬유는 상기 코어부에 이온 교환 작용기를 포함하는 이온 전도체를 포함하거나, 상기 매트릭스부의 내측면에 이온 교환 작용기가 위치하거나, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 복합섬유는 상기 고분자 막의 두께 방향(Through-plane, TP)으로 배향하는 것일 수 있다.
상기 복합섬유는 실 형상, 섬유상, 침상, 와이어 형상 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 이온 교환 작용기는 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 술폰산 플루오라이드기 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 복합섬유의 평균 직경은 1 nm 내지 10 ㎛ 일 수 있다.
상기 복합섬유의 코어부의 평균 직경은 상기 복합섬유의 평균 직경에 50 % 내지 95 %의 범위일 수 있다.
상기 고분자 전해질 막은 80 ℃, 상대 습도(RH) 50 %에서의 수소 이온 전도도가 0.02 S/cm 내지 0.2 S/cm일 수 있다.
상기 고분자 전해질 막은 80 ℃, 상대 습도(RH) 95 %에서의 수소 이온 전도도가 0.1 S/cm 내지 1.0 S/cm일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예는, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 그리고 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는, 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지를 제공한다.
본 발명의 고분자 전해질 막은 고분자 막에 이온 전도성이 부여된 복합섬유를 도입하여, 형태 안정성이 우수하고 전해질 막의 기계적 내구성이 향상되는 동시에, 이온 전도도가 우수한 고분자 전해질 막을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질 막을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질 막에 포함된 복합섬유의 단면을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
본 명세서에서 특별히 언급하지 않는 한 중량평균분자량은 분체 시료를 테트라하이드로퓨란(THF)에 녹인 후, Agilent Technologies社의 1200 series 겔 투과 크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography; GPC)를 이용하여 측정(컬럼은 Shodex社 LF-804, 표준시료는 Shodex社 폴리스티렌을 사용함)한 것이다.
이하 일 실시예에 따른 고분자 전해질 막에 관하여 설명한다.
본 발명은 연료 전지의 구동 과정에서 가습, 건조 조건의 반복에 따른 전해질막의 물리적 내구성 저하를 최소화하고, 전해질 막의 이온 전도도 및 성능을 향상시킬 수 있는 고분자 전해질 막, 및 이를 포함하는 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 전해질 막은 이온 전도체를 포함하는 고분자 막, 및 복수개의 복합섬유를 포함하며, 상기 복합섬유는 상기 복합섬유의 길이방향으로 연속적으로 형성된 코어부 및 상기 코어부를 감싸는 매트릭스부를 포함하고, 상기 코어부는 이온 교환 작용기를 포함한다.
도 1은 상기 고분자 전해질 막의 개략적인 구성은 나타낸 모식도이고, 도 2는 상기 복합섬유를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 상기 고분자 전해질 막(1)은 이온 전도체를 포함하는 고분자 막(2)에 복수개의 복합섬유(3)를 포함하며, 상기 복합섬유(3)는 이온 교환 작용기를 포함하고, 복합섬유의 길이방향으로 연속적으로 형성된 코어부(4) 및 상기 코어부를 감싸는 매트릭스부(5)를 포함한다.
상기 이온 전도체(미도시)는 프로톤과 같은 양이온 교환 작용기를 가지는 양이온 전도체이거나, 또는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온 교환 작용기를 가지는 음이온 전도체일 수 있다.
상기 양이온 교환 작용기는 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 술폰산 플루오라이드기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 일반적으로 술폰산기 또는 카르복실기일 수 있다.
상기 양이온 전도체는 상기 양이온 교환 작용기를 포함하며, 주쇄에 불소를 포함하는 플루오르계 고분자; 벤즈이미다졸, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리아세탈, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴 수지, 폴리에스테르, 폴리술폰, 폴리에테르, 폴리에테르이미드, 폴리에스테르, 폴리에테르술폰, 폴리에테르이미드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤, 폴리아릴에테르술폰, 폴리포스파젠 또는 폴리페닐퀴녹살린 등의 탄화수소계 고분자; 폴리스티렌-그라프트-에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체, 또는 폴리스티렌-그라프트-폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체 등의 부분 불소화된 고분자; 술폰 이미드 등을 들 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 양이온 전도체가 수소 이온 양이온 전도체인 경우 상기 고분자들은 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 포함할 수 있으며, 그 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤 또는 이들의 혼합물을 포함하는 플루오르계 고분자; 술폰화된 폴리이미드(sulfonated polyimide, S-PI), 술폰화된 폴리아릴에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone, S-PAES), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone, SPEEK), 술폰화된 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole, SPBI), 술폰화된 폴리술폰(sulfonated polysulfone, S-PSU), 술폰화된 폴리스티렌(sulfonated polystyrene, S-PS), 술폰화된 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene), 술폰화된 폴리퀴녹살린(sulfonated polyquinoxaline), 술폰화된 폴리케톤(sulfonated polyketone), 술폰화된 폴리페닐렌옥사이드(sulfonated polyphenylene oxide), 술폰화된 폴리에테르술폰(sulfonated polyether sulfone), 술폰화된 폴리에테르케톤(sulfonated polyether ketone), 술폰화된 폴리페닐렌술폰(sulfonated polyphenylene sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드(sulfonated polyphenylene sulfide), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰니트릴(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르(sulfonated polyarylene ether), 술폰화된 폴리아릴렌에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether ether nitrile), 폴리아릴렌에테르술폰케톤(sulfonated polyarylene ether sulfone ketone), 및 이들의 혼합물을 포함하는 탄화수소계 고분자를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 음이온 전도체는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온을 이송시킬 수 있는 폴리머로서, 음이온 전도체는 하이드록사이드 또는 할라이드(일반적으로 클로라이드) 형태가 상업적으로 입수 가능하며, 상기 음이온 전도체는 산업적 정수(water purification), 금속 분리 또는 촉매 공정 등에 사용될 수 있다.
상기 음이온 전도체로는 일반적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리머를 사용할 수 있으며, 구체적으로 금속 수산화물이 도핑된 폴리(에테르술폰), 폴리스티렌, 비닐계 폴리머, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(테트라플루오로에틸렌), 폴리(벤즈이미다졸) 또는 폴리(에틸렌글리콜) 등을 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 이온 전도체는 불소화된 고분자일 수 있고, 구체적으로 고도로 불소화된 측쇄를 포함하는 고도로 불소화된 고분자일 수 있다. 상기 용어 "고도로 불소화된"은 할로겐 및 수소 원자들의 전체 수의 적어도 90 몰% 이상이 불소 원자들로 치환된 것을 의미한다.
상기 고도로 불소화된 고분자는 고분자 골격 및 상기 골격에 부착된 순환 측쇄들을 포함하며, 상기 측쇄들은 상기 이온 교환 작용기를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 불소화 비닐 단량체 및 술폰산기를 갖는 제 2 불소화 비닐 단량체의 공중합체들일 수 있다.
상기 제 1 불소화 비닐 단량체는 테트라플루오로에틸렌(TFE), 헥사플루오로프로필렌, 비닐 플루오라이드, 비닐리딘 플루오라이드, 트리플루오로에틸렌, 클로로트리플루오로에틸렌, 퍼플루오로(알킬 비닐 에테르), 및 이들의 혼합물일 수 있고, 상기 술폰산기를 갖는 제 2 불소화 비닐 단량체는 술폰산기를 갖는 다양한 불소화 비닐 에테르류일 수 있다.
상기 복합섬유(3)는, 복합섬유의 길이방향으로 연속적으로 형성된 코어부(4)와 이를 감싸는 매트릭스부(5)를 포함하며, 상기 코어부(4)는 이온 교환 작용기를 포함한다.
상기 복합섬유(3)는, 복합섬유의 단면을 중심으로 동심원 모양의 코어부-매트릭스부 구조를 형성할 수 있으나, 상기 코어부(4)가 반드시 원형의 단면을 가지고 있을 필요는 없으며, 예를 들어 타원형의 코어부를 포함할 수 있고, 예를 들어 공연속체의 형상의 코어부를 포함할 수 있다. 상기 복합섬유의 길이방향으로 연속적으로 형성된 코어부 및 상기 코어부를 감싸는 매트릭스부(5)를 포함한다.
고성능의 연료 전지를 구현하기 위해 고분자 전해질 막의 내구성, 기계적, 화학적 물성을 동시에 확보하고자 보강재를 적용한 이른바 강화 복합막 타입의 고분자 전해질 막의 경우, 상기 보강재에 수소 이온을 전달할 수 있는 작용기를 포함하지 않기 때문에, 보강재 자체가 전해질 막의 저항으로 작용하여 고분자 전해질 막 전체의 수소 이온 농도를 저하시키는 문제점이 있다.
상기 일 실시예에 따른 고분자 전해질 막(1)은 전해질 막의 물리적, 기계적 특성을 확보하기 위해 높은 강성을 나타내는 매트릭스부(5)를 포함하는 복합섬유(3)를 전해질 막에 포함하면서도, 상기 복합섬유의 코어부(4)에 이온 교환 작용기를 도입함으로써, 고분자 전해질 막 전체의 이온 전도도의 저하가 적고, 고분자 전해질 막의 제조 과정에서 이온 전도체의 함침성(wetting) 또한 향상될 수 있다.
상기 매트릭스부(5)는, 하나의 예시로서 열적 및 화학적 분해에 대한 저항성이 우수한 고도로 불소화된 중합체, 바람직하게는 과불소와 중합체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 다공성 지지체는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 테트라플루오로에틸렌과 CF2=CFCnF2n+1(n은 1 내지 5의 실수) 또는 CF2=CFO-(CF2CF(CF3)O)mCnF2n+1(m은 0 내지 15의 실수, n은 1 내지 15의 실수)과의 공중합체일 수 있다.
또한 상기 복합섬유(3)의 매트릭스부(5)는 탄화수소계 섬유 형성 중합체 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들어 폴리올레핀, 예컨대 폴리부틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌; 폴리에스테르, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트; 폴리아미드(나일론-6 및 나일론-6,6); 폴리우레탄; 폴리부텐; 폴리락트산; 폴리비닐 알코올; 폴리페닐렌 설파이드; 폴리설폰; 유체 결정질 중합체; 폴리에틸렌-co-비닐아세테이트; 폴리아크릴로니트릴; 사이클릭 폴리올레핀; 폴리옥시메틸렌; 폴리올레핀계 열가소성 탄성중합체; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
또 다른 하나의 예시로서, 상기 복합섬유(3)의 매트릭스부(5)는 우수한 내화학성을 나타내고, 소수성을 가져 고습의 환경에서 수분에 의한 형태 변형의 우려가 없는 탄화수소계 고분자를 바람직하게 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 탄화수소계 고분자로는 나일론, 폴리이미드, 폴리아라미드, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아닐린, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 스티렌 부타디엔 고무, 폴리스티렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐 부틸렌, 폴리우레탄, 폴리벤즈옥사졸, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아미드이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 이중에서도 내열성, 내화학성, 및 형태 안정성이 보다 우수한 폴리이미드를 바람직하게 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복합섬유의 코어부(4)는 이온 교환 작용기를 포함하는 이온 전도체를 포함하거나, 상기 매트릭스부(5)의 내측면에 이온 교환 작용기가 위치하거나, 또는 이들의 조합의 형태일 수 있다. 구체적으로 상기 이온 교환 작용기를 포함하는 이온 전도체가 상기 복합섬유의 코어부(4)에 함침된 형태일 수 있다.
상기 복합섬유의 코어부(4)에 이온 교환 작용기를 포함하는 이온 전도체가 포함되는 경우, 상기 이온 전도체는 전술한 바와 같이, 프로톤과 같은 양이온 교환 작용기를 가지는 양이온 전도체 이거나, 또는 하이드록시 이온, 카보네이트 또는 바이카보네이트와 같은 음이온 교환 작용기를 가지는 음이온 전도체일 수 있으며, 상기 이온 전도체에 포함되는 양이온 교환 작용기로는 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 술폰산 플루오라이드기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 일반적으로 술폰산기 또는 카르복실기일 수 있다. 구체적인 양이온 전도체는 전술한 것과 동일한 종류의 것일 수 있다. 상기 이온 전도체에 포함되는 음이온 작용기로는 하이드록시기 또는 할라이드기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 구체적인 음이온 전도체는 전술한 것과 동일한 종류의 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복합섬유(3)는 고분자 전해질 막의 두께 방향(Through-plane, TP)으로 배향하는 것일 수 있다. 상기 용어 "배향"은 복수개의 복합섬유가 고분자 전해질 막의 두께 방향으로 우선적으로 배열하는 상태를 말하며, 상기 복합섬유가 고분자 전해질 막의 두께 방향에 수직으로 배향된 배열뿐만 아니라, 상기 복합섬유의 길이 방향과 상기 고분자 전해질 막의 어느 한 면이 이루는 각의 크기가 예를 들어 45° 내지 90°인 경우를 포함하는 개념일 수 있고, 또한 복합섬유의 어느 한 말단과 다른 한 말단이 고분자 전해질 막의 두께를 가로지르도록 배향되는 등의 배열을 함께 포함하는 개념일 수 있으며, 복합섬유가 고분자 전해질 막의 면 방향(In-plane, IP)으로 우선적으로 배열하는 상태가 아닌 것을 의미할 수 있다. 도 1을 참조하면, 이와 같이, 상기 코어부(4)에 이온 교환 작용기를 포함하는 복합섬유(3)가 상기 고분자 전해질 막(1)의 두께 방향으로 배향됨으로써, 이온의 효과적인 이동 경로를 제공하여 고분자 전해질 막의 이온 전도도가 저감되지 않고, 저항 손실을 방지할 수 있으며, 전해질 막의 기계적 강도 및 건습 치수 안정성이 뛰어난 고분자 전해질 막을 구현할 수 있다. 상기 복합섬유(3)는 정전기력, 자력 등과 같이 상기 복합섬유를 일 방향으로 배열할 수 있는 방법을 사용하여 상기 고분자 전해질 막(1)의 두께 방향으로 배향되도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복합섬유는 실 형상, 섬유상, 침상, 와이어 형상 또는 이들의 조합을 포함하는 형상일 수 있고, 바람직하게는 섬유상일 수 있으나, 상기 고분자 전해질 막의 두께 방향의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 소정의 강도를 갖는 형상의 복합섬유이면 특별히 그 형상에 제한되지 않는다.
일 실시예에서, 상기 복합섬유(3)의 평균 직경은 1 nm 내지 10 ㎛일 수 있고, 예를 들어 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛, 예를 들어 1 ㎛ 내지 10 ㎛, 예를 들어 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 일 수 있다. 상기 복합섬유(3)의 평균 직경이 1 nm 미만인 경우, 상기 복합섬유의 코어부에 이온 교환 작용기 도입이 용이하지 않을 수 있음에 따라 상기 고분자 전해질 막의 두께 방향으로의 이온 전달 경로가 줄어들어 고분자 전해질 막의 이온 전도도가 감소할 수 있다. 상기 복합섬유(3)의 평균 직경이 10 ㎛를 초과하는 경우, 고분자 전해질 막의 물리적, 기계적 강도가 감소하여 고분자 전해질 막의 내구성 및 치수 안정성이 저하될 수 있다.
상기 복합섬유(3)의 코어부(4)의 평균 직경은 상기 복합섬유(3)의 평균 직경에 50 % 내지 95 %의 범위일 수 있고, 구체적으로 75 % 내지 95 % 일 수 있다. 상기 코어부(4)의 평균 직경이 상기 복합섬유(3)의 평균 직경에 50 % 범위 미만인 경우, 복합섬유에 이온 전달 작용기가 충분히 도입되지 못해 고분자 전해질 막의 이온 전도도가 감소할 수 있다. 상기 코어부(4)의 평균 직경이 상기 복합섬유(3)의 평균 직경에 95 % 범위를 초과하는 경우, 복합섬유 자체의 기계적 강도가 감소함에 따라 고분자 전해질 막의 물리적, 기계적 강도가 감소하여 치수 안정성이 저하될 수 있다.
상기 복합섬유(3)의 평균 직경 및 복합섬유 코어부(4)의 평균 직경은, 예를 들어 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope, JSM6700F, JEOL)을 이용하여 측정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고분자 전해질 막(1)은 수소 이온 전도도가 80 ℃, 상대 습도(RH) 50 % 에서 0.02 S/cm 내지 0.2 S/cm일 수 있고, 구체적으로 상기 고분자 전해질 막(1)의 함습량(water uptake) 3% 내지 15% 일 때의 수소 이온 전도도가 0.02 S/cm 내지 0.2 S/cm 일 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 상기 고분자 전해질 막(1)은 수소 이온 전도도가 80 ℃, 상대 습도(RH) 95 % 에서 0.1 S/cm 내지 1.0 S/cm일 수 있고, 구체적으로 상기 고분자 전해질 막(1)의 함습량(water uptake) 15% 내지 25% 일 때의 수소 이온 전도도가 0.1 S/cm 내지 1.0 S/cm 일 수 있다.
상기 고분자 전해질 막(1)은 복합섬유(3)의 코어부(4)에 이온 교환 작용기를 포함함으로써, 전해질 막의 두께 방향의 이온 전달 경로 형성이 용이해진 결과, 동일한 함습량을 가지는 고분자 전해질 막에 비해 높은 이온 전도도를 나타낼 수 있다,
상기 고분자 전해질 막(1)의 수소 이온 전도도는, 예를 들어 막 테스트 시스템(Membrane Test System)(Scribner Associates, MTS 740)을 이용하여 고분자 전해질 막의 양 면에 백금(Pt) 촉매를 도포하고, 기체 확산층(GDL)을 올려 Through-Plane Holder에 체결한 후, 온도 80 ℃, 상대 습도 30 %에서 95 %까지의 조건에서 Frequency Reponse Analyzer(Solatron 社)를 이용하여 두께방향 저항을 측정하여 수소 이온 전도도가 계산될 수 있다.
또한 Magnetic Suspension Balance(Rubotherm 社)를 사용하여 온도 80 ℃, 상대 습도 30 %에서 95 %까지의 조건에서 고분자 전해질 막의 함습량이 측정될 수 있다.
한편, 상기 고분자 막, 복합섬유 및 이들의 조합 중 어느 하나는 산화 방지제를 더 포함할 수 있다.
고분자 전해질 연료 전지의 캐소드 전극에서의 산소의 환원 반응은 과산화수소(H2O2)를 경유해서 진행되기 때문에, 캐소드 전극에서는 과산화수소 또는 상기 생성된 과산화수소로부터 수산화 라디칼(·OH-)이 생성될 수 있다. 또한, 상기 고분자 전해질 연료 전지의 애노드 전극에서는 산소 분자가 고분자 전해질 막을 투과함에 따라 애노드 전극에서도 상기 과산화수소 또는 수산화 라디칼이 생성될 수 있다. 상기 생성된 과산화수소 또는 수산화 라디칼은 상기 고분자 전해질 막 또는 촉매 전극에 포함된 술폰산기를 포함하는 폴리머를 열화시키는 원인이 된다.
이에, 상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 산화 방지제를 포함함으로써, 상기 과산화물로부터 라디칼 생성을 억제하거나, 상기 생성된 라디칼을 분해하여, 상기 고분자 전해질 막 또는 상기 촉매 전극의 열화를 방지함으로써, 상기 고분자 전해질 막의 화학적 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 산화 방지제로는 고분자 전해질 연료 전지의 운전 중에 생성되는 과산화물(특히, 과산화수소) 또는 라디칼(특히, 수산화 라디칼)을 빠르게 분해시킬 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않고 본 발명에서 모두 사용이 가능하다. 구체적으로 예를 들면, 상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 산화 방지제는 상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 전이 금속, 상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 귀금속, 이들의 이온 형태, 이들의 염 형태, 또는 이들의 산화물 형태일 수 있다.
구체적으로, 상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 전이 금속은 세륨(Ce), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 코발트(Co), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 이트륨(Y), 망간(Mn), 철(Fe), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 란탄(La) 및 네오디뮴(Nd)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 귀금속은 은(Au), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 전이 금속 또는 상기 귀금속의 이온은 세륨 이온, 니켈 이온, 텅스텐 이온, 코발트 이온, 크롬 이온, 지르코늄 이온, 이트륨 이온, 망간 이온, 철 이온, 티타늄 이온, 바나듐 이온, 몰리브덴 이온, 란탄 이온, 네오디뮴 이온, 은 이온, 백금 이온, 루테늄 이온, 팔라듐 이온 및 로듐 이온으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 구체적으로 세륨을 예로 들면 세륨 3가 이온(Ce3+) 또는 세륨 4가 이온(Ce4+)일 수 있다.
또한, 상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 전이 금속 또는 상기 귀금속의 산화물은 산화 세륨, 산화 니켈, 산화 텅스텐, 산화 코발트, 산화 크롬, 산화 지르코늄, 산화 이트륨, 산화 망간, 산화 철, 산화 티타늄, 산화 바나듐, 산화 몰리브덴, 산화 란탄 및 산화 네오디뮴으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 과산화물 또는 라디칼을 분해할 수 있는 전이 금속 또는 상기 귀금속의 염은 상기 전이 금속 또는 상기 귀금속의 탄산염, 초산염, 염화염, 불화염, 황산염, 인산염, 텅스텐산염, 수산화염, 초산암모늄염, 황산암모늄염 및 아세틸아세토네이트염으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 구체적으로 세륨을 예로 들면 탄산 세륨, 초산 세륨, 염화 세륨, 초산 세륨, 황산 세륨, 초산 2암모늄 세륨, 황산 4암모늄 세륨 등을 들 수 있고, 유기금속착염으로서 세륨 아세틸아세토네이트 등을 들 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 전해질 막을 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료 전지를 제공한다.
구체적으로, 상기 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 상기한 고분자 전해질 막을 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하여 설명하면, 상기 막-전극 어셈블리(100)는 상기 고분자 전해질 막(50) 및 상기 고분자 전해질 막(50)의 양면에 각각 배치되는 상기 연료 전지용 전극(20, 20')을 포함한다. 상기 전극(20, 20')은 전극 기재(40, 40')와 상기 전극 기재(40, 40') 표면에 형성된 촉매층(30, 30')을 포함하며, 상기 전극 기재(40, 40')와 상기 촉매층(30, 30') 사이에 상기 전극 기재(40, 40')에서의 물질 확산을 용이하게 하기 위해 탄소분말, 카본 블랙 등의 도전성 미세 입자를 포함하는 미세 기공층(미도시)을 더 포함할 수도 있다.
상기 막-전극 어셈블리(100)에 있어서, 상기 고분자 전해질 막(50)의 일면에 배치되어 상기 전극 기재(40)를 지나 상기 촉매층(30)으로 전달된 연료로부터 수소 이온과 전자를 생성시키는 산화 반응을 일으키는 전극(20)을 애노드 전극이라 하고, 상기 고분자 전해질 막(50)의 다른 일면에 배치되어 상기 고분자 전해질 막(50)을 통해 공급받은 수소 이온과 전극 기재(40')를 지나 상기 촉매층(30')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원 반응을 일으키는 전극(20')을 캐소드 전극이라 한다.
상기 애노드 및 캐소드 전극(20, 20')의 촉매층(30, 30')은 촉매를 포함한다. 상기 촉매로는 전지의 반응에 참여하여, 통상 연료 전지의 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 구체적으로는 바람직하게는 백금계 금속을 사용할 수 있다.
상기 백금계 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금-M 합금(상기 M은 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 란탄(La) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상), 비백금 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 백금계 촉매 금속 군에서 선택된 2종 이상의 금속을 조합한 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 기술 분야에서 사용 가능한 백금계 촉매 금속이라면 제한 없이 사용할 수 있다.
구체적으로 상기 백금 합금은 Pt-Pd, Pt-Sn, Pt-Mo, Pt-Cr, Pt-W, Pt-Ru, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-Rh-Ni, Pt-Ru-Sn-W, Pt-Co, Pt-Co-Ni, Pt-Co-Fe, Pt-Co-Ir, Pt-Co-S, Pt-Co-P, Pt-Fe, Pt-Fe-Ir, Pt-Fe-S, Pt-Fe-P, Pt-Au-Co, Pt-Au-Fe, Pt-Au-Ni, Pt-Ni, Pt-Ni-Ir, Pt-Cr, Pt-Cr-Ir 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 비백금 합금은 Ir-Fe, Ir-Ru, Ir-Os, Co-Fe, Co-Ru, Co-Os, Rh-Fe, Rh-Ru, Rh-Os, Ir-Ru-Fe, Ir-Ru-Os, Rh-Ru-Fe, Rh-Ru-Os 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
이러한 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다.
상기 담체는 탄소계 담체, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 실리카, 세리아 등의 다공성 무기산화물, 제올라이트 등에서 선택될 수 있다. 상기 탄소계 담체는 흑연, 수퍼피(super P), 탄소섬유(carbon fiber), 탄소시트(carbon sheet), 카본 블랙(carbon black), 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 카본나노튜브(carbon nano tube, CNT), 탄소구체(carbon sphere), 탄소리본(carbon ribbon), 풀러렌(fullerene), 활성탄소, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 카본 나노 혼, 카본 나노 케이지, 카본 나노 링, 규칙성 나노다공성탄소(ordered nano-/meso-porous carbon), 카본 에어로겔, 메소포러스카본(mesoporous carbon), 그래핀, 안정화 카본, 활성화 카본, 및 이들의 하나 이상의 조합에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 기술분야에서 사용가능한 담체는 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 촉매 입자는 담체의 표면 위에 위치할 수도 있고, 담체의 내부 기공(pore)을 채우면서 담체 내부로 침투할 수도 있다.
상기 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 상기 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
상기 촉매 입자는 상기 촉매 전극(30, 30')의 전체 중량 대비 20 중량% 내지 80 중량%로 함유될 수 있으며, 20 중량% 미만으로 함유될 경우에는 활성 저하의 문제가 있을 수 있고, 80 중량%를 초과할 경우에는 상기 촉매 입자의 응집으로 활성 면적이 줄어들어 촉매 활성이 반대로 저하될 수 있다.
또한, 상기 촉매 전극(30, 30')은 상기 촉매 전극(30, 30')의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더를 포함할 수 있다. 상기 바인더로는 이온 전도성을 갖는 이온 전도체를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 이온 전도체에 대한 설명은 상기한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.
다만, 상기 이온 전도체는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막(50)과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 사용될 수 있다.
상기 바인더는 상기 촉매 전극(30, 30') 전체 중량에 대하여 20 중량% 내지 80 중량%로 포함될 수 있다. 상기 바인더의 함량이 20 중량% 미만일 경우에는 생성된 이온이 잘 전달되지 못할 수 있고, 80 중량%를 초과하는 경우에는 기공이 부족하여 수소 또는 산소(공기)의 공급이 어려우며 반응할 수 있는 활성면적이 줄어들 수 있다.
상기 전극 기재(40, 40')로는 수소 또는 산소의 원활한 공급이 이루어질 수 있도록 다공성의 도전성 기재가 사용될 수 있다. 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 전극 기재(40, 40')는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
또한, 상기 전극 기재(40, 40')에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재(40, 40')에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필 알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 막-전극 어셈블리(100)는 상기 고분자 전해질 막(50)으로서 본 발명에 따른 고분자 전해질 막(50)을 사용하는 것을 제외하고는 통상의 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조방법에 따라 제조할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 연료 전지는 상기 막-전극 어셈블리(100)를 포함할 수 있다.
도 4는 상기 연료 전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.
상기 도 4를 참조하면, 상기 연료 전지(200)는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부(210), 상기 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부(220), 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스가 산화제와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(230), 및 산화제를 상기 개질부(220) 및 상기 스택(230)으로 공급하는 산화제 공급부(240)를 포함한다.
상기 스택(230)은 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 공급부(240)로부터 공급되는 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 구비한다.
각각의 단위 셀은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 상기 막-전극 접합체와, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제를 막-전극 접합체로 공급하기 위한 분리판(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 하며, 이하 '분리판'이라 칭한다)을 포함한다. 상기 분리판은 상기 막-전극 접합체를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이 때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 분리판을 특별히 엔드 플레이트라 칭하기도 한다.
상기 분리판 중 상기 엔드 플레이트에는 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(231)과, 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(232)이 구비되고, 다른 하나의 엔드 플레이트에는 복수의 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1 배출관(233)과, 상기한 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 산화제를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출관(234)이 구비된다.
상기 연료 전지에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(100)가 사용되는 것을 제외하고는 상기 전기 발생부를 구성하는 세퍼레이터, 연료 공급부 및 산화제 공급부는 통상의 연료 전지에서 사용되는 것이므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[실시예: 고분자 전해질 막의 제조]
(실시예 1)
불화폴리비닐리덴(PVDF) 중공사로 제조된 10㎛ 두께의 부직포(기공률 70%, 중공사의 배향은 랜덤 배향임)에 이오노머 분산액(Nafion D2021)을 함침 시킨 후, 80℃에서 1 시간, 150 ℃에서 30 분 동안 건조 및 열처리하여　20㎛ 두께의 강화 복합막인 고분자 전해질 막을 제조하였다.
상기 불화폴리비닐리덴(PVDF) 중공사는, 그 평균 직경의 75%에 해당하는 코어부에 이온 전도체인 과불화술폰산 이오노머(PFSA)가 도입된 복합섬유인 것을 사용하였다.
(실시예 2)
상기 실시예 1에서, 불화폴리비닐리덴(PVDF) 중공사의 평균 직경의 85%에 해당하는 코어부에 이온 전도체인 과불화술폰산 이오노머(PFSA)가 도입된 것을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 하여 고분자 전해질 막을 제조하였다.
(실시예 3)
상기 실시예 1에서, 불화폴리비닐리덴(PVDF) 중공사의 평균 직경의 95%에 해당하는 코어부에 이온 전도체인 과불화술폰산 이오노머(PFSA)가 도입된 것을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 하여 고분자 전해질 막을 제조하였다.
(실시예 4)
불화폴리비닐리덴(PVDF) 중공사를 니들펀칭(needle-punching)하여 그 배향을 균일하게 하여 제조된 10㎛ 두께의 부직포(기공률 75%)에 이오노머 분산액(Nafion D2021)을 함침 시킨 후, 80 ℃에서 1 시간, 150 ℃에서 30 분 동안 건조 및 열처리하여　20㎛ 두께의 강화 복합막인 고분자 전해질 막을 제조하였다.
상기 불화폴리비닐리덴(PVDF) 중공사는, 그 평균 직경의 75%에 해당하는 코어부에 이온 전도체인 과불화술폰산 이오노머(PFSA)가 도입된 복합섬유인 것을 사용하였다.
(실시예 5)
상기 실시예 4에서, 불화폴리비닐리덴(PVDF) 중공사의 평균 직경의 85%에 해당하는 코어부에 이온 전도체인 과불화술폰산 이오노머(PFSA)가 도입된 것을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 4와 동일하게 하여 고분자 전해질 막을 제조하였다.
(실시예 6)
상기 실시예 4에서, 불화폴리비닐리덴(PVDF) 중공사의 평균 직경의 95%에 해당하는 코어부에 이온 전도체인 과불화술폰산 이오노머(PFSA)가 도입된 것을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 4와 동일하게 하여 고분자 전해질 막을 제조하였다.
(비교예 1)
이오노머 분산액(Nafion D2021)을 이형필름인 폴리에틸렌 필름에 도포한 뒤, 이를 80 ℃에서 1 시간, 150 ℃에서 30 분 동안 건조 및 열처리하였다.
상기 건조된 고분자 막을 이형필름에서 떼어내어 20㎛ 두께의 고분자 전해질 막을 제조하였다.
(비교예 2)
10㎛ 두께의 불화폴리비닐리덴(PVDF) 부직포(기공률 70%)에 이오노머 분산액(Nafion D2021)을 함침 시킨 후, 80 ℃에서 1 시간, 150 ℃에서 30 분 동안 건조 및 열처리하여　20㎛ 두께의 강화 복합막인 고분자 전해질 막을 제조하였다.
(비교예 3)
불화폴리비닐리덴(PVDF) 중공사로 제조된 10㎛ 두께의 부직포(기공률 70%, 중공사의 배향은 랜덤 배향임)에 이오노머 분산액(Nafion D2021)을 함침 시킨 후, 80 ℃에서 1 시간, 150 ℃에서 30 분 동안 건조 및 열처리하여　20㎛ 두께의 강화 복합막인 고분자 전해질 막을 제조하였다.
(비교예 4)
불화폴리비닐리덴(PVDF) 중공사를 니들펀칭(needle-punching)하여 그 배향을 균일하게 하여 제조된 10㎛ 두께의 부직포(기공률 70%)에 이오노머 분산액(Nafion D2021)을 함침 시킨 후, 80 ℃에서 1 시간, 150 ℃에서 30 분 동안 건조 및 열처리하여　20㎛ 두께의 강화 복합막인 고분자 전해질 막을 제조하였다.
[평가예: 고분자 전해질 막의 수소 이온 전도도 측정]
상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 각 고분자 전해질 막에 대하여, 막 두께 방향의 수소 이온 전도도를 측정하였다.
상기 고분자 전해질 막의 두께 방향의 수소 이온 전도도는 막 테스트 시스템(Membrane Test System)(Scribner Associates, MTS 740)을 이용하여 측정하였다. 구체적으로, 상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 각 고분자 전해질 막의 샘플(10 mm × 30 mm)을 80 ℃, 50 % 상대습도(RH) 조건 및 80 ℃, 95 % 상대습도(RH) 조건 하에서 교류 전류를 샘플의 양면에 인가하면서 샘플 내에서 발생하는 교류 전위 차이를 측정하여 막 저항(R)(Ω)을 얻었다. 이어서, 아래의 식 1을 이용하여 고분자 전해질막의 두께방향　이온　전도도를 산출하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[식 1]
σ=L/[R×A]
(단, 여기서, σ는 두께방향　이온　전도도(S/cm)이고, L은 전극들 간의 거리(cm)이고, R은 막 저항(Ω)이며, A는 막의 유효면적(cm2)임])
수소 이온 전도도(S/cm)
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
80 ℃, 50% (RH) 0.023 0.028 0.032 0.025 0.031 0.036 0.041 0.012 0.021 0.023
80 ℃, 95% (RH) 0.90 0.92 0.94 0.94 0.97 1.0 1.05 0.71 0.86 0.92
상기 표 1을 참고하면, 실시예 1 내지 6에 따른 고분자 전해질 막의 80 ℃, 상대 습도(RH) 50 % 및 80 ℃, 상대 습도(RH) 95 %의 조건 모두에서의 수소 이온 전도도가 비교예 2 내지 4에 따른 고분자 전해질 막의 수소 이온 전도도에 비해 모두 높게 나타나는 것을 통해, 고분자 전해질 막에 포함된 복합섬유가 코어부에 이온 교환 작용기를 포함함에 따라 고분자 전해질 막의 이온 전도도 저하를 방지하는 것을 알 수 있었다.
또한, 니들펀칭을 통해 고분자 전해질 막 내 복합섬유가 상기 막의 두께 방향으로 균일하게 배향된 실시예 4 내지 6의 경우, 복합섬유가 랜덤하게 배열된 실시예 1 내지 3에 따른 고분자 전해질 막의 수소 이온 전도도보다 높은 것을 통해 복합섬유가 상기 고분자 전해질 막의 두께 방향으로 배향됨으로써, 이온의 효과적인 이동 경로를 제공하여 고분자 전해질 막의 이온 전도도가 저감 되지 않고, 저항 손실을 방지할 수 있는 것을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 고분자 전해질 막
2: 고분자 막 3: 복합섬유
4: 코어부 5: 매트릭스부
20, 20': 전극
30, 30': 촉매층
40, 40': 전극 기재
50: 고분자 전해질 막
100: 막-전극 어셈블리
200: 연료 전지
210: 연료 공급부 220: 개질부
230: 스택 231: 제 1 공급관
232: 제 2 공급관 233: 제 1 배출관
234: 제 2 배출관 240: 산화제 공급부

Claims (11)

  1. 이온 전도체를 포함하는 고분자 막, 및
    복수개의 복합섬유를 포함하며,
    상기 복합섬유는 상기 복합섬유의 길이방향으로 연속적으로 형성된 코어부 및 상기 코어부를 감싸는 매트릭스부를 포함하고,
    상기 코어부는 이온 교환 작용기를 포함하는 고분자 전해질 막.
  2. 제1항에서,
    상기 복합섬유는 상기 코어부에 이온 교환 작용기를 포함하는 이온 전도체를 포함하거나, 상기 매트릭스부의 내측면에 이온 교환 작용기가 위치하거나, 또는 이들의 조합을 포함하는 고분자 전해질 막.
  3. 제1항에서,
    상기 복합섬유는 상기 고분자 막의 두께 방향(Through-plane, TP)으로 배향하는 것인, 고분자 전해질 막.
  4. 제1항에서,
    상기 복합섬유는 실 형상, 섬유상, 침상, 와이어 형상, 또는 이들의 조합을 포함하는 고분자 전해질 막.
  5. 제1항에서,
    상기 이온 교환 작용기는 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 술폰산 플루오라이드기 또는 이들의 조합을 포함하는 고분자 전해질 막.
  6. 제1항에서,
    상기 복합섬유의 평균 직경은 1 nm 내지 10 ㎛인,
    고분자 전해질 막.
  7. 제1항에서,
    상기 복합섬유의 코어부의 평균 직경은 상기 복합섬유의 평균 직경에 50 % 내지 95 %의 범위인,
    고분자 전해질 막.
  8. 제1항에서,
    상기 고분자 전해질 막은 80 ℃, 상대 습도(RH) 50 %에서의 수소 이온 전도도가 0.02 S/cm 내지 0.2 S/cm 인 것인 고분자 전해질 막.
  9. 제1항에서,
    상기 고분자 전해질 막은 80 ℃, 상대 습도(RH) 95 %에서의 수소 이온 전도도가 0.1 S/cm 내지 1.0 S/cm 인 것인 고분자 전해질 막.
  10. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 그리고
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 제1항에 따른 고분자 전해질 막
    을 포함하는 막-전극 어셈블리.
  11. 제10항에 따른 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지.
KR1020210127495A 2020-09-29 2021-09-27 고분자 전해질 막 및 이를 포함하는 막 전극 어셈블리 KR20220043886A (ko)

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