KR100599811B1 - Membrane/electrode for fuel cell and fuel cell system comprising same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료 전지용 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 연료 전지용 막/전극 어셈블리는 제 1 촉매층, 제 1 미세 기공층 및 기체 확산층을 포함하는 캐소드 전극; 제 2 촉매층, 제 2 미세 기공층 및 기체 확산층을 포함하는 애노드 전극; 및 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 캐소드 전극의 두께가 상기 애노드 전극 두께의 1.1 내지 5배이다.The present invention relates to a fuel cell membrane / electrode assembly and a fuel cell system comprising the same, the fuel cell membrane / electrode assembly comprising: a cathode electrode comprising a first catalyst layer, a first microporous layer, and a gas diffusion layer; An anode comprising a second catalyst layer, a second microporous layer and a gas diffusion layer; And a polymer electrolyte membrane positioned between the cathode electrode and the anode electrode, wherein the thickness of the cathode electrode is 1.1 to 5 times the thickness of the anode electrode.
본 발명의 연료 전지용 막/전극 어셈블리는 캐소드 전극에서 물을 효과적으로 보존할 수 있어, 무가습 조건 하에서도 작동이 가능한 연료 전지 시스템을 제공할 수 있어, 연료 전지의 소형화를 가능하게 할 수 있고 경제적이다.The membrane / electrode assembly for a fuel cell of the present invention can provide a fuel cell system capable of effectively conserving water at the cathode and operating under a non-humidity condition, thereby making it possible to miniaturize the fuel cell and be economical. .
무가습,두께조절,연료전지,캐소드Humidification, thickness control, fuel cell, cathode
Description
도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.1 is a schematic representation of a fuel cell system of the present invention;
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 연료 전지용 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물의 보존 능력을 향상시켜 무가습 조건으로 작동이 가능한 연료 전지용 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell membrane / electrode assembly and a fuel cell system including the same, and more particularly, to a fuel cell membrane / electrode assembly capable of operating in a non-humidified condition by improving water storage capability and a fuel cell system including the same. It is about.
[종래 기술][Prior art]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전 지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte or alkaline fuel cells according to the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, and the like.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), which is being developed recently, has superior output characteristics compared to other fuel cells, has a low operating temperature, fast start-up and response characteristics, and is a mobile power source such as an automobile. Of course, it has a wide range of applications, such as distributed power supply for homes, public buildings and small power supply for electronic devices.
이러한 연료 전지에서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막/전극 접합체는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가진다.The stack that substantially generates electricity in such a fuel cell has a structure in which several to tens of unit cells consisting of a membrane / electrode assembly (MEA) and a bipolar plate are stacked. The membrane / electrode assembly has a structure in which an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") are bonded to each other with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. Have
본 발명의 목적은 무가습 조건 하에서 작동가능한 연료 전지용 막/전극 어셈블리를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a membrane / electrode assembly for a fuel cell operable under humidification conditions.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료 전지용 막/전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell system comprising the fuel cell membrane / electrode assembly.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1 촉매층, 제 1 미세 기공층 및 기체 확산층을 포함하는 캐소드 전극; 제 2 촉매층, 제 2 미세 기공층 및 기체 확산층을 포함하는 애노드 전극; 및 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 캐소드 전극의 두께가 상기 애노드 전극 두께의 1.1 내지 5배인 연료 전지용 막/전극 어셈블리를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a cathode electrode comprising a first catalyst layer, a first fine pore layer and a gas diffusion layer; An anode comprising a second catalyst layer, a second microporous layer and a gas diffusion layer; And a polymer electrolyte membrane positioned between the cathode electrode and the anode electrode, wherein the thickness of the cathode electrode is 1.1 to 5 times the thickness of the anode electrode.
본 발명은 또한 제 1 촉매층, 제 1 미세 기공층 및 기체 확산층을 포함하는 캐소드 전극; 제 2 촉매층, 제 2 미세 기공층 및 기체 확산층을 포함하는 애노드 전극; 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 캐소드 전극의 두께가 상기 애노드 전극 두께의 1.1 내지 5배인 적어도 하나 이상의 막/전극 어셈블리; 및 세퍼레이터를 포함하며, 수소와 산소의 전기화학적인 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부; 수소를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및 산소를 상기 전지 발생부로 공급하는 산소 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.The invention also provides a cathode electrode comprising a first catalyst layer, a first microporous layer and a gas diffusion layer; An anode comprising a second catalyst layer, a second microporous layer and a gas diffusion layer; And at least one membrane / electrode assembly including a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode, wherein the thickness of the cathode is 1.1 to 5 times the thickness of the anode electrode; And a separator, the at least one electricity generating unit generating electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen; A fuel supply unit supplying hydrogen to the electricity generation unit; And an oxygen supply unit supplying oxygen to the battery generator.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 무가습 조건 하에서 작동이 가능한 연료 전지를 제공할 수 있는 연료 전지용 막/전극 어셈블리에 관한 것이다. 일반적으로 연료 전지는 일정한 습도가 유지되는 상태에서 작동하므로, 적절한 수준으로 습도를 유지해주는 것이 필요하다. 따라서 별도로 가습 장치 등이 요구되어 연료 전지 시스템이 대형화되고 비용이 증가하는 문제점이 있어, 최근에는 무가습 조건 하에서도 작동이 가능한 연료 전지에 대한 연구가 진행되고 있다. The present invention relates to a fuel cell membrane / electrode assembly capable of providing a fuel cell operable under humidification conditions. In general, fuel cells operate at a constant humidity level, so it is necessary to maintain the humidity at an appropriate level. Therefore, there is a problem in that a humidification device or the like is required and the fuel cell system is enlarged and the cost increases. Recently, research on a fuel cell that can operate under a non-humidified condition has been conducted.
이러한 연구로는 고분자 전해질 막으로 사용되는 나피온(Nafion)에 SiO2 등의 무기물을 첨가하는 방법, 다층의 멤브레인을 만드는 방법, 나노 카본이나 카본의 기공 사이즈를 작게하여 물의 보존 능력을 증대시키는 방법, 바인더의 물성을 변화시키는 방법 등이 알려져 있다. 그러나 여전히 만족할만한 성능을 갖는 연료 전지를 얻을 수 없었다.These studies include adding inorganic materials such as SiO 2 to Nafion used as a polymer electrolyte membrane, making a multilayer membrane, and increasing the water preservation ability by reducing the pore size of nano carbon or carbon. The method of changing the physical property of a binder, etc. are known. However, it was still impossible to obtain a fuel cell with satisfactory performance.
본 발명에서는 이러한 무가습 조건 하에서도 작동가능하도록 하기 위하여, 연료 전지의 에너지 발생 반응 중에서 하기 반응식 1에 나타낸 것과 같이 캐소드 전극에서 발생되는 물을 이용하였다.In the present invention, in order to be operable even under such a non-humidifying condition, water generated at the cathode electrode was used as shown in Scheme 1 in the energy generation reaction of the fuel cell.
[반응식 1]Scheme 1
캐소드: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O Cathode: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O
애노드: H2 → 2H+ + 2e- Anode: H 2 → 2H + + 2e -
전체 반응: 2H2 + O2 → 2H2OTotal reaction: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O
즉, 본 발명에서는 캐소드 전극에서 발생되는 물을 캐소드 전극에 보존되도록 캐소드 전극의 두께를 애노드 전극 두께보다 두껍게 구성한 연료 전지용 막/전극 어셈블리를 제안한다. That is, the present invention proposes a fuel cell membrane / electrode assembly in which the thickness of the cathode electrode is made thicker than the thickness of the anode electrode so that water generated at the cathode electrode is preserved in the cathode electrode.
본 발명의 연료 전지용 막/전극 어셈블리는 제 1 촉매층, 제 1 미세 기공층(microporous layer) 및 기체 확산층(gas diffusion layer)을 포함하는 캐소드 전극과 제 2 촉매층, 제 2 미세 기공층 및 기체 확산층을 포함하는 애노드 전극을 포 함하고, 상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. The membrane / electrode assembly for a fuel cell of the present invention comprises a cathode electrode including a first catalyst layer, a first microporous layer and a gas diffusion layer, a second catalyst layer, a second microporous layer, and a gas diffusion layer. It includes an anode electrode, and comprises a polymer electrolyte membrane positioned between the cathode electrode and the anode electrode.
본 발명에 있어서, 상기 캐소드 전극의 두께는 상기 애노드 전극보다 1.1 내지 5배인 것이 바람직하다. 상기 캐소드 전극 두께가 상기 애노드 전극보다 5배보다 더 두꺼운 경우 성능이 저하되어 바람직하지 않다.In the present invention, the thickness of the cathode electrode is preferably 1.1 to 5 times than the anode electrode. If the cathode electrode thickness is more than 5 times thicker than the anode electrode, the performance is deteriorated, which is not preferable.
본 발명에 있어서, 상기 캐소드 전극을 상기 애노드 전극보다 두껍게 형성시키기 위한 방법으로는 상기 제 1 촉매층을 상기 제 2 촉매층보다 두껍게 형성할 수도 있고, 상기 미세 기공층을 다층으로 형성할 수도 있으며, 또는 상기 기체 확산층을 두껍게 형성할 수도 있다. 이 중에서, 상기 제 1 촉매층을 상기 제 2 촉매층보다 두껍게 형성시키는 것이 발생한 수분의 투과율을 조절할 수 있어 가장 바람직하다. 기체 확산층을 두껍게 형성시키는 경우에도, 전체 캐소드 전극 두께는 상기 애노드 전극 두께에 비하여 바람직하게는 1.1 내지 5배, 더욱 바람직하게는 1.1 내지 2배 두껍게 형성한다. In the present invention, as the method for forming the cathode electrode thicker than the anode electrode, the first catalyst layer may be formed thicker than the second catalyst layer, the fine pore layer may be formed in multiple layers, or The gas diffusion layer may be formed thick. Among these, forming the first catalyst layer thicker than the second catalyst layer can adjust the transmittance of the generated water, which is most preferable. Even when the gas diffusion layer is made thick, the total cathode electrode thickness is preferably 1.1 to 5 times, more preferably 1.1 to 2 times thicker than the anode electrode thickness.
상기 방법 중에서 촉매층의 두께를 조절하는 경우에는, 상기 제 1 촉매층의 두께를 상기 제 2 촉매층의 두께의 1.1 내지 6배가 되도록 구성하는 것이 바람직하며, 1.1 내지 2배가 더욱 바람직하다. 상기 제 1 촉매층의 두께가 상기 제 2 촉매층의 두께보다 6배가 넘게 두꺼울 경우에는 전지 성능이 저하되어 바람직하지 않다.In adjusting the thickness of the catalyst layer in the above method, the thickness of the first catalyst layer is preferably configured to be 1.1 to 6 times the thickness of the second catalyst layer, more preferably 1.1 to 2 times. When the thickness of the first catalyst layer is thicker than six times the thickness of the second catalyst layer, battery performance is deteriorated, which is not preferable.
또한, 미세 기공층의 두께를 조절하는 경우에는 상기 제 1 미세 기공층을 2 내지 5층의 다층으로 구성하여 상기 애노드 전극보다 상기 캐소드 전극의 두께를 증가시킬 수도 있다. 물론, 상기 제 2 미세 기공층도 다층으로 형성할 수도 있으나, 결과적으로, 전체 캐소드 전극 두께가 애노드 전극 두께에 비하여 1.1 내지 5배가 되도록 조절하면 된다. 또한, 이 경우에도 캐소드 전극 두께가 애노드 전극 두께에 비하여 5배가 넘게 두껍게 되면 전지 성능이 저하되어 바람직하지 않다.In addition, when adjusting the thickness of the microporous layer, the first microporous layer may be formed in a multilayer of 2 to 5 layers to increase the thickness of the cathode electrode rather than the anode electrode. Of course, the second fine pore layer may also be formed in multiple layers, but as a result, the total cathode electrode thickness may be adjusted to be 1.1 to 5 times the thickness of the anode electrode. Also in this case, if the cathode electrode thickness becomes more than five times thicker than the anode electrode thickness, the battery performance is deteriorated, which is not preferable.
본 발명에서 상기 제 1 및 제 2 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.In the present invention, the first and second catalyst layers are platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe , At least one catalyst selected from the group consisting of Co, Ni, Cu, and Zn), and may include platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, More preferably it comprises at least one catalyst selected from platinum-palladium alloys, platinum-cobalt alloys or platinum-nickel.
또한 상기 고분자 전해질 막으로는 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 포함하며, 바람직하게는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2 ㎛의 두께를 갖는다.In addition, the polymer electrolyte membrane includes a polymer having excellent hydrogen ion conductivity, preferably a perfluoro-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a poly It may include at least one hydrogen ion conductive polymer selected from sulfone polymer, polyether sulfone polymer, polyether ketone polymer, polyether-ether ketone polymer or polyphenylquinoxaline polymer, more preferably Poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyetherketones, aryl ketones, poly (2, Have a thickness of 2 μm.
상기 제 1 및 제 2 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene) 또는 카본 나노 튜브를 포함할 수 있다. 상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 기체 확산층에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알콜, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알콜, n-프로필알콜, 부틸알콜 등과 같은 알콜, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 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. The first and second microporous layers may generally include conductive powder having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, or carbon nanotubes. The microporous layer is prepared by coating a composition including a conductive powder, a binder resin, and a solvent on the gas diffusion layer. As the binder resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, cellulose acetate, and the like may be preferably used. The solvent may be ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, or the like. Alcohols, water, dimethylacetamide, dimethylsulfoxide, N-methylpyrrolidone and the like can be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.
상기 기체 확산층은 일반적으로 도전성 기재로 구성되며, 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼 또는 탄소 천(carbon cloth) 등이 일반적으로 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니다. The gas diffusion layer is generally composed of a conductive substrate, and as a representative example thereof, carbon paper or carbon cloth is generally used, but is not limited thereto.
이와 같이 캐소드 전극이 애노드 전극보다 두껍게 구성된 본 발명의 연료 전지용 막/전극 어셈블리는 연료 전지 작동 중 캐소드 전극 쪽에서 발생되는 물을 캐소드 전극에 잘 보존시킬 수 있어, 별도의 가습 장치를 사용하지 않고도 고분자 전해질 막이 활성화되어 연료 전지로서 작용이 가능하게 된다.As such, the membrane / electrode assembly for a fuel cell of the present invention having a cathode electrode thicker than the anode electrode can preserve water generated at the cathode electrode side in the cathode electrode during operation of the fuel cell, so that a polymer electrolyte is not used without using a separate humidifier. The membrane is activated so that it can act as a fuel cell.
본 발명의 연료 전지용 막/전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템은 본 발명의 막/전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부, 연료 공급부 및 산소 공급부를 포함한다.A fuel cell system including the membrane / electrode assembly for a fuel cell of the present invention includes an electricity generator, a fuel supply, and an oxygen supply including the membrane / electrode assembly and the separator of the present invention.
상기 전기 발생부는 수소와 산소의 전기화학적인 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 하며, 상기 연료 공급부는 수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산소 공급부는 산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The electricity generation unit serves to generate electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, the fuel supply unit serves to supply fuel containing hydrogen to the electricity generation unit, and the oxygen supply unit supplies oxygen to the electricity It serves to supply to the generator.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 연료 전지 시스템(100)은 수소 가스와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(19)를 갖는 스택(7)과, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(1)과, 공기를 전기 발생부(19)로 공급하는 산소 공급부(5)를 포함하여 구성된다.A schematic structure of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. 1, which will be described in more detail with reference to the following. The
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(1)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9)와, 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비한다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.In addition, the fuel supply unit 1 for supplying the fuel includes a fuel tank 9 for storing fuel and a fuel pump 11 connected to the fuel tank 9. The fuel pump 11 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 9 by a predetermined pumping force.
상기 스택(7)의 전기 발생부(19)로 산소를 공급하는 산소 공급부(5)는 소정의 펌핑력으로 공기를 흡입하는 적어도 하나의 공기 펌프(13)를 구비한다.The
상기 전기 발생부(19)는 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시키는 막/전극 어셈블리(21)와 이 막/전극 어셈블리의 양측에 수소 가스와 산소를 함유한 공기를 공급하기 위한 세퍼레이터(23,25)로 구성된다. The
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실 시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
(실시예 1)(Example 1)
카본 분말 및 폴리테트라플루오로에틸렌을 75: 25 중량비로 이소프로필 알코올과 물의 혼합 용매(1 : 1 부피비) 중에서 혼합하여 미세 다공층 형성용 코팅 조성물을 제조하였다. 이 코팅 조성물을 폴리테트라플루오로에틸렌으로 발수처리한 카본 페이퍼인 기체 확산층에 코팅하여 미세 다공층을 기체 확산층에 형성하였다. Carbon powder and polytetrafluoroethylene were mixed in a 75: 25 weight ratio in a mixed solvent of isopropyl alcohol and water (1: 1 volume ratio) to prepare a coating composition for forming a microporous layer. The coating composition was coated on a gas diffusion layer which is carbon paper water-repellent treated with polytetrafluoroethylene to form a fine porous layer on the gas diffusion layer.
이어서, 상기 미세 다공층에 촉매 슬러리를 도포하여 40㎛ 두께의 촉매층을 형성하여 연료 전지용 캐소드 전극을 제조하였다. 상기 촉매 슬러리는 백금이 담지된 탄소 분말(Pt/C), 폴리테트라플루오로에틸렌 고분자를 이소프로필 알코올과 물의 혼합 용매(1 : 1 부피비) 중에서 혼합하여 제조하였다.Subsequently, a catalyst slurry was applied to the microporous layer to form a catalyst layer having a thickness of 40 μm to prepare a cathode for a fuel cell. The catalyst slurry was prepared by mixing platinum-supported carbon powder (Pt / C) and polytetrafluoroethylene polymer in a mixed solvent (1: 1 volume ratio) of isopropyl alcohol and water.
촉매층 두께를 20㎛으로 변경한 것을 제외하고는 상기 캐소드 전극과 동일하게 애노드 전극을 제조하였다. An anode electrode was prepared in the same manner as the cathode electrode except that the thickness of the catalyst layer was changed to 20 μm.
이어서, 상기 캐소드 전극 및 애노드 전극 사이에 퍼플루오네이트 고분자(Nafion 112)막을 놓고 열간 압연하여 막/전극 접합체를 제조하였다.Subsequently, a perfluorate polymer (Nafion 112) membrane was placed between the cathode electrode and the anode electrode and hot rolled to prepare a membrane / electrode assembly.
상기 제조된 막/전극 접합체를 두장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후, 일정 형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴라 플레이트에 삽입한 후, 구리 엔드 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.The prepared membrane / electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two bipolar plates in which a gas flow channel and a cooling channel of a predetermined shape are formed, and then a unit cell is pressed between copper end plates. Prepared.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
캐소드 전극과 애노드 전극에서의 촉매층 두께를 모두 20㎛으로 동일하게 형 성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same process as in Example 1 was carried out except that the thicknesses of the catalyst layers at the cathode electrode and the anode electrode were all formed in the same manner as 20 μm.
(실시예 2)(Example 2)
캐소드 전극과 애노드 전극에서의 촉매층 두께를 각각 22㎛와 20㎛으로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same process as in Example 1 was carried out except that the thicknesses of the catalyst layers at the cathode and anode electrodes were formed to be 22 µm and 20 µm, respectively.
(실시예 3)(Example 3)
캐소드 전극과 애노드 전극에서의 촉매층 두께를 각각 100㎛와 20㎛으로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same process as in Example 1 was carried out except that the thicknesses of the catalyst layers at the cathode electrode and the anode electrode were set to 100 µm and 20 µm, respectively.
(실시예 4)(Example 4)
캐소드 전극과 애노드 전극에서의 촉매층 두께를 각각 120㎛와 20㎛으로 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same process as in Example 1 was carried out except that the thicknesses of the catalyst layers at the cathode and anode electrodes were formed to be 120 µm and 20 µm, respectively.
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 따라 제조된 전지를 하루동안 작동시킨 후, 캐소드 전극에 남아있는 수분의 양을 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.After operating the battery prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 for one day, the amount of water remaining on the cathode electrode was measured, the results are shown in Table 1 below.
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 실시예 1 내지 4의 연료 전지는 비교예 1보다 물을 효과적으로 과량 보존할 수 있으므로 무가습 조건 하에서도 작동이 가능할 것을 예측할 수 있다.As shown in Table 1, the fuel cells of Examples 1 to 4 can be effectively stored in excess of water than Comparative Example 1, it can be expected that the operation even under the non-humidity conditions.
본 발명의 연료 전지용 막/전극 어셈블리는 캐소드 전극에서 물을 효과적으 로 보존할 수 있어, 무가습 조건 하에서도 작동이 가능한 연료 전지 시스템을 제공할 수 있어, 연료 전지의 소형화를 가능하게 할 수 있고 경제적이다.The membrane / electrode assembly for a fuel cell of the present invention can effectively store water at the cathode, and can provide a fuel cell system that can operate even under a non-humidity condition, thereby making it possible to miniaturize a fuel cell. It is economical.
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