KR100670284B1

KR100670284B1 - 연료전지

Info

Publication number: KR100670284B1
Application number: KR1020050010821A
Authority: KR
Inventors: 김지래; 김혜경; 이승재; 장혁
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2007-01-16
Also published as: CN100438173C; JP2006216559A; JP4776386B2; US20060177726A1; KR20060090000A; US8187764B2; CN1848498A

Abstract

본 발명은, 캐소드, 애노드 및 이들 사이에 개재된 전해질막을 구비한 연료전지에 있어서, 상기 애노드가 상기 전해질막에 인접되게 위치한 애노드 촉매층 및 상기 애노드 촉매층과 인접되게 위치한 애노드 확산층으로 이루어지며, 상기 애노드 촉매층과 전해질막 사이에 물 함습 물질을 함유하는 다공성막을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다. 본 발명에 따르면, 사용중 펌프의 오작동이나 연료 이동 통로의 막힘으로 인하여 순간적으로 연료의 공급이 원할하지 않은 경우, 연료전지의 성능을 안정적으로 유지할 수 있게 된다.

Description

연료전지{Fuel cell}

도 1a, 1b 및 도 1c는 본 발명의 일실시예에 따른 MEA(membrane electrode assembly)의 적층 구조를 각각 나타낸 도면이고,

도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 MEA에 있어서, 시간 경과에 따른 포텐셜 변화를 나타낸 도면이고,

도 3a-3d는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조한 MEA에 있어서, 전류밀도에 따른 전지 포텐셜 변화를 각각 나타낸 도면들이고,

도 4a-4b는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 얻은 애노드 전극의 분극 곡선을 각각 나타낸 도면들이다.

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 전해질막과 애노드의 촉매층사이에 및/또는 애노드 촉매층과 확산층 사이에 물 합습 물질을 함유하는 코팅층을 형성하여 연료 공급이 일시적으로 중단되어도 성능이 안정적으로 유지되는 연료전지에 관한 것이다.

연료전지에는 전해액의 종류에 따라 알칼리형, 인산형, 용융탄산염형, 고체 고분자 전해질형, 고체 고분자형 등 여러 가지 타입의 연료전지가 있는데, 저온에서 가동할 수 있고, 다루기 쉬우며, 또한 출력밀도가 높은 고체 고분자형 전해질이 전기자동차, 가정 등의 에너지원으로 주목을 받고 있다.

이 고체 고분자 전해질형 연료전지의 전해질로는 프로톤 전도막이 이용된다. 프로톤 전도막은 연료전지의 전극반응에 관여하는 프로톤에 대해 높은 이온전도성이 요구된다. 이와 같은 프로톤 전도막으로는 초강산기 함유 불소계 고분자가 알려져 있다. 그러나, 이러한 고분자 전해질 재료는 불소계 고분자이기 때문에 매우 비싸고, 또한 프로톤 전도의 매체가 물이라는 점에서 항상 가습하여 물을 보급할 필요가 있는 등 문제가 있다.

미국 특허공개 2004/0166397은 지지층위에 소수성 촉매층을 코팅하고 거칠게 처리된 전해질막에 소수성이 없는 촉매층을 코팅한 것을 접합하여 MEA를 제조하고, 캐소드쪽에 소수성 처리를 실시한 직접 메탄올 연료전지를 개시하고 있다.

그런데 지금까지 알려진 연료전지는 펌프의 오작동이나 연료 이동 통로의 막힘으로 인하여 연료의 공급이 순간적으로 원할 하지 않은 경우, 그 성능이 현저하게 저하되는 문제점이 있다.

이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 문제점을 해결하여 연료가 순간적으로 공급되지 않는 경우에도 포텐셜 등의 성능이 안정적으로 유지될 수 있는 연료전지를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는, 캐소드, 애노드 및 이들 사이에 개재된 전해질막을 구비한 연료전지에 있어서,

상기 애노드가 상기 전해질막에 인접되게 위치한 애노드 촉매층 및 상기 애노드 촉매층과 인접되게 위치한 애노드 확산층으로 이루어지며,

상기 애노드 촉매층과 전해질막 사이에 물 함습 물질을 함유하는 다공성막(porous layer)을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.

상기 다공성막은 촉매와 프로톤 전도성 수지중에서 선택된 하나 이상을 더 포함한다. 상기 다공성막은 물 함습 물질 100 중량부에 대하여 100 내지 1000 중량부의 프로톤 전도성 수지와 2,000 내지 3,000 중량부의 촉매를 함유한다.

상기 애노드 촉매층과 애노드 확산층 사이에 물 함습 물질을 함유하는 다공성막이 구비된다.

상기 다공성막은 연속적인 코팅막 또는 불연속적인 코팅막이며, 상기 다공성막의 두께는 0.5 내지 5㎛이다.

상기 물 함습 물질의 평균 입경이 50nm 내지 10⁴nm인 것이 바람직하다.

본 발명의 기술적 과제는 또한 캐소드, 애노드 및 이들사이에 개재된 전해질막을 구비한 연료전지에 있어서,

상기 애노드 촉매층과 애노드 확산층 사이에 물 함습 물질을 함유하는 다공 성막을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지에 의하여 이루어진다.

상기 애노드 촉매층과 전해질막 사이에 물 함습 물질을 함유하는 다공성막을 갖는다. 이 다공성막은 촉매와 프로톤 전도성 수지중에서 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

상기 다공성막은 물 함습 물질 100 중량부에 대하여 100 내지 1,000 중량부의 프로톤 전도성 수지, 2,000 내지 3,000 중량부의 촉매를 함유한다.

본 발명의 기술적 과제는 또한 캐소드, 애노드 및 이들 사이에 개재된 전해질막을 구비한 연료전지에 있어서,

상기 애노드 촉매층과 전해질막 사이에, 물 함습 물질과 촉매와 프로톤 전도성 수지를 함유하는 다공성막(porous layer)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지에 의하여 이루어진다.

상기 애노드 촉매층과 전해질막 사이에, 실리카(SiO₂) 다공성막(porous layer)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지에 의하여 이루어진다.

본 발명의 연료전지는 전해질막과 애노드의 촉매층사이에 및/또는 애노드 촉매층과 확산층 사이에 물 합습 물질을 함유하는 다공성막을 형성하여 연료 공급이 일시적으로 중단되어도 성능이 안정적으로 유지될 수 있다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.

도 1a, 1b 및 도 1c는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 MEA의 적층 구조를 나타낸 도면이다.

도 1a를 참조하면, 전해질막(10)을 사이에 두고, 애노드를 구성하는 애노드 촉매층(11a)와 캐소드(12)가 위치해 있고, 애노드의 촉매층(11a)과 전해질막(10) 사이에는 물 함습 물질을 함유하는 다공성막(13)이 형성되어 있고, 애노드 촉매층(11a)의 다른 일면에도 물 함습 물질을 함유하는 다공성막(13')이 형성되어 있다. 도 1a에서 애노드를 구성하는 애노드 확산층은 미도시된 상태이다.

도 1b를 참조하면, 전해질막(10)을 사이에 두고, 애노드 촉매층(11a)와 캐소드(12)가 위치해 있고, 애노드 촉매층(11a)과 전해질막(10) 사이에는 물 함습 물질을 함유하는 다공성막(13)이 형성되어 있다.

도 1c를 참조하면, 전해질막(10)을 사이에 두고 애노드의 촉매층(11a)와 캐소드(12)가 위치해 있고, 상기 애노드는 애노드 확산층(11b)과 애노드 촉매층(11a)로 구성되며, 상기 애노드 확산층(11b)과 애노드 촉매층(11a) 사이에는 물 함습 물질을 함유하는 다공성막(13)이 형성되어 있다. 도 1c에는 나타나 있지는 않으나, 전해질막(10)과 애노드 촉매층(11a) 사이에 물 함습 물질을 함유하는 다공성막이 더 형성될 수 있다.

또한, 도 1a 및 도 1 b의 연료전지에 있어서, 상기 다공성막(13)은 물 함습 물질이외에 촉매와 프로톤 전도성 수지중에서 선택된 하나 이상을 더 함유할 수 있다. 이 때 촉매의 함량은 물 함습 물질 100 중량부에 대하여 2,000 내지 3,000 중량부이고, 프로톤 전도성 수지의 함량은 물 함습 물질 100 중량부에 대하여 100 내지 1000 중량부인 것이 바람직하다. 만약 촉매 및 프로톤 전도성 수지의 함량이 상기 범위를 벗어나면 프로톤의 이동 특성이 저하되어 바람직하지 못하다.

상기 물 함습 물질로는 SiO₂, TiO₂, ZrO₂, 모덴나이트(mordenite) 및 제올라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 있고, 바람직하게는 SiO₂을 사용한다. 그리고 상기 촉매로는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 및 금(Pt), 그 혼합물, 그 합금 또는 이들 금속이 카본 블랙, 아세틸렌 블랙 등의 카본 블랙, 활성탄 및 흑연에 분산된 담지 촉매를 들 수 있고, 바람직하게는 PtRu/C 촉매를 이용한다.

상기 프로톤 전도성 수지로는 나피온, 폴리테트라플루오르에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오르 알킬비닐 에테르 공중합체 등을 들 수 있다.

본 발명에 있어서, 상술한 물 함습 물질을 함유하는 다공성막의 두께는 0.5 내지 5㎛인 것이 바람직하다. 만약 다공성막의 두께가 0.5㎛ 미만이면, 물 함습 기능을 제대로 발휘하지 못하므로 촉매층이나 전해질막이 건조되기 쉽고, 5㎛를 초과하면 촉매층과 전해질막 사이에 절연 물질로 작용하여 계면 저항을 크게 하여 성능을 떨어뜨리므로 바람직하지 못하다.

본 발명에서 물 함습 물질을 함유하는 다공성막은 연속적인 코팅층 또는 불연속적인 코팅층 형태일 수 있는데, 그 중에서도 불연속적인 코팅층 형태인 것이 적절한 물 함습 능력을 가짐으로써 촉매층과 전해질이 건조하는 것을 방지할 뿐 아니라 전해질막으로 이온의 이동 및 CO₂의 배출 측면에서 바람직하다.

이하, 본 발명의 연료전지의 제조방법을 살펴보기로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 즉, 도 1a와 같은 적층 구조를 갖는 연료전지의 제조방법을 살펴보기로 하되, 이로 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다. 특히 하기 설명에서 캐소드 및 애노드 촉매층 형성시 데칼 공정(decal process)을 이용하는데, 본 발명의 연료전지가 이러한 데칼 공정을 이용해서만 제조가능한 것은 아니다.

먼저 촉매에 용매 및 바인더를 혼합하여 촉매층 형성용 조성물을 준비하고, 이를 실리카와 같이 물 함습 물질이 처리된 지지막에 도포 및 건조하여 애노드 촉매층을 형성한다.

본 발명에서 사용하는 물 함습 물질의 예로서, SiO₂, TiO₂, ZrO₂, 모덴나이트(mordenite) 및 제올라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 있고, 바람직하게는 SiO₂을 사용한다. 이러한 물 함습 물질의 평균 입경은 3nm 내지 수십 ㎛ (10⁴nm)이며, 특히 50 내지 100nm인 것이 바람직하다.

상기 물 함습 물질이 처리된 지지막은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 켑톤 (keptone) 등 고분자 물질의 필름위에 SiO₂ 또는 TiO₂이 0.5㎛ 내지 5 ㎛ 코팅된 것을 사용한다. 이때 불연속적인 막을 얻기 위해서는 기존에 코팅된 필름에 원하는 형태의 마스크를 사용하여 필요 없는 부분은 필요 없는 부분은 제거한 것을 이용한다.

상기 바인더로는 프로톤 전도성 수지를 사용하는 것이 바람직한데, 다른 수지예를 들어 발수성을 가진 불소 수지가 바람직하다. 불소 수지 중에서도 융점이 400℃ 이하의 것이 바람직하며, 예를 들어, 나피온, 폴리테트라플루오르에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오르 알킬비닐 에테르 공중합체 등을 들 수 있다. 그리고 바인더의 함량은 촉매 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 15 중량부를 사용한다.

상기 촉매의 비제한적인 예로서, 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os) 및 금(Pt), 그 혼합물, 그 합금 또는 이들 금속이 카본 블랙, 아세틸렌 블랙 등의 카본 블랙, 활성탄 및 흑연에 분산된 담지 촉매를 들 수 있고, 바람직하게는 PtRu/C 촉매를 이용한다.

상기 용매로는 물, 1-프로판올, 에틸렌글리콜, 2-프로판올 등을 이용하며, 이의 함량은 촉매 100 중량부를 기준으로 하여 5 내지 250 중량부인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 설명하면 용매로서 물을 사용하는 경우, 물의 함량은 5 내지 10 중량부가 적당하며, 1-프로판올의 경우 150 내지 250 중량부가 적당하며 에틸렌 글리콜의 경우 100 내지 200 중량부이며 2-프로판올의 경우 150 내지 250 중량부이 다.

이와 별도로, 촉매, 용매 및 바인더를 혼합하여 캐소드 촉매층 형성용 조성물을 준비한다. 여기에서 바인더 및 용매의 종류 및 함량은 캐소드 촉매층 형성용 조성물 제조시와 동일하거나 또는 유사한 것을 사용한다. 이 조성물을 지지막에 코팅하여 캐소드 형성용 조성물이 코팅된 지지막을 얻는다. 이 때 상기 지지막으로는 SiO₂가 코팅된 PET 필름 등을 사용한다.

한편, 전해질막으로는 주로, 불소화 알킬렌으로 구성된 주쇄와, 말단에 술폰산기를 갖는 불소화비닐 에테르로 구성된 측쇄를 갖는 술폰화된 고불화폴리머 (예: Nafion : Dupont사의 상표)와 같은 양이온교환성 폴리머 전해질이 사용된다.

상기 전해질막은 전처리 과정을 거쳐 H⁺ 형태로 만든 후, 이를 실리카와 같이 물 함습 물질로 처리된 지지막과 핫 프레스(hot press)를 실시하여 전해질막상에 물 함습 물질로 된 표면코팅층을 형성한다. 이 때 표면코팅층은 불연속적인 코팅막 형태이거나 또는 연속적인 코팅막 형태일 수 있다. 상기 핫 프레스 조건은 70 내지 100℃의 온도, 1 내지 5ton의 압력하에서 실시된다. 이 때 프레스 시간은 가열온도 및 압력 조건에 따라 가변적이지만, 3 내지 10분동안 실시한다.

나피온막 상부에 코팅된 실리카와 같은 물 함습 물질의 함량과 코팅된 부분의 비율의 조절은 막 상부에 실리카를 입히는 방법을 조절함으로써 연속적 혹은 불연속적으로 실리카를 필름위에 코팅하여 나피온막위에 전사시키는 실리카의 양을 조절할 수 있다.

상기한 바와 같이 일 면을 실리카와 같은 물 함습 물질로 처리한 전해질막과 애노드 촉매층 형성용 조성물이 코팅된 지지막과 캐소드 촉매층 형성용 조성물이 코팅된 지지막에 대한 핫 프레스 공정을 거쳐 CCM (catalyst coated membrane)을 제조한다. 이 때 프레스는 80 내지 130℃에서 0.5 내지 5ton의 압력으로 1 내지 5분동안 실시하여 애노드 촉매층 형성용 조성물이 코팅된 막과 캐소드 촉매층 형성용 조성물이 코팅된 막으로부터 촉매층을 전해질막으로 각각 전사시켜 CCM(Catalyst coated Membrane)을 얻는다.

한편, 캐소드 및 애노드 확산 전극은 카본 블랙에 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)와 같은 불소계 수지 함유 에멀젼을 균일하게 분산시킨 잉크를 스프레이하여 제조하고, 잉크를 스프레이하기 위한 지지층(backing layer)으로는 PTFE가 처리된 카본 종이(carbon paper)를 사용한다.

최종적으로, 애노드 확산 전극과 캐소드 확산 전극 사이에 앞서 제조한 CCM을 두고 핫 프레스를 실시하여 MEA (membrane electrode assembly)를 제조한다. 이 때 상기 핫 프레스 공정은 온도 100 내지 140℃, 압력 0.1 내지 5 ton에서 이루어진다.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

먼저 PtRu black 촉매 (johnson matthey) 1.2 g에 DI (deionized water, 순수)를 0.5 g을 넣어 DI가 PtRu black촉매에 잘 웨팅(wetting)되도록 혼합하였다. 여기에 나피온 이오노머(dupont) 3g을 첨가하여 다시 혼합한 후 1-프로판올 1.5 g과 EG 1.5g을 첨가하여 스터러를 이용하여 분산시켜 애노드 촉매 슬러리를 제조하였다.

상기 애노드 촉매 슬러리는 실리카가 처리된 지지막위에 닥터 블레이드 방식을 이용하여 코팅한 후, 이를 80℃, 진공건조시켜 애노드 촉매층을 제조하였다. 여기에서 실리카가 처리된 지지막은 PET, 필름위에 SiO2가 코팅된 것을 사용하며, 1 um 두께의 연속막을 사용하였다.

이와 별도로, 캐소드 전극은60 wt% PtRu/C 0.8g에 0.1g의 DI를 첨가하여 DI가 촉매내로 잘 웨팅(wetting)되도록 혼합하였다. 여기에 6.4g의 나피온 이오노머와 2g의 EG를 첨가하여 교반기를 이용하여 분산시켜 캐소드 촉매 슬러리를 제조하였다.

상기 캐소드 촉매 슬러리는 실리카가 처리되지 않은 PET 지지막위에 닥터 블레이드 방식을 이용하여 코팅한 후, 이를 80℃, 진공건조시켜 캐소드 촉매층을 제조하였다.

한편, 전해질막은 하기 방법에 따라 준비하였다.

먼저, 나피온막 115 (nafion membrane 115) (Dupont)를 80℃의 5wt% H₂O₂로 세척하여 불순물을 제거하고 다시 80도의 1M H₂SO₄ 용액으로 처리하여 H+ 형태로 치환하여 사용하였다. 이렇게 얻은 나피온막과 실리카가 처리된 지지막을 85℃에서 1 ton의 압력으로 1분간 프레스하여 나피온막에 실리카를 코팅하였다.

상기한 바와 같이 일면을 실리카로 처리한 전해질막과 애노드 촉매 슬러리가 코팅된 지지막과 캐소드 촉매 슬러리가 코팅된 지지막에 대한 핫 프레스 공정을 거쳐 CCM (catalyst coated membrane)을 제조하였다. 이 때 프레스는 85℃에서 3ton의 압력으로 5분동안 실시하여 애노드 촉매 슬러리가 코팅된 지지막과 캐소드 촉매 슬러리가 코팅된 지지막으로부터 촉매층을 전해질막으로 전사시켜 CCM을 제조하였다.

캐소드 및 애노드 확산 전극은 카본 블랙에 PTFE 에멀젼을 균일하게 분산시킨 잉크를 스프레이하여 제조하였고, 잉크를 스프레이하기 위한 지지층(backing layer)으로 는 PTFE가 처리된 카본 종이(carbon paper)를 사용하였다. 여기에서 애노드 확산 전극 및 캐소드 확산 전극 제조시 PTFE의 함량은 각각 10wt% 및

20wt%를 사용하였다.

상기 애노드 확산 전극과 캐소드 확산 전극 사이에 상기 과정에 따라 얻은CCM을 배치하고 핫 프레스를 실시하여 MEA를 제조하였다. 이 때 접합은 온도 125℃, 압력 1 ton에서 5분간 프레스하는 공정을 통하여 이루어졌다.

실시예 2

나피온막을 실리카로 코팅하는 공정을 거치지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 연료전지의 MEA를 제조하였다.

실시예 3

애노드 촉매층 제조시 애노드 촉매 슬러리를 실리카가 처리되지 않은 지지막 상부에 닥터 블래이드를 이용하여 코팅한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방 법에 따라 실시하여 연료전지의 MEA를 제조하였다.

실시예 4

애노드 촉매층 제조시 실시예 1의 방법으로 제조한 애노드 촉매 슬러리에 촉매 100 중량부를 기준으로 하여 SiO2를 5 중량부를 첨가하여 실리카가 처리되지 않는 지지막 상부에 닥터 블레이드를 이용하여 코팅한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 연료전지의 MEA를 제조하였다.

한편, 전해질막은 하기 방법에 따라 준비하였다.

먼저, 나피온막 115 (nafion membrane 115) (Dupont)를 80℃의 5wt% H₂O₂로 세척하여 불순물을 제거하고 다시 80℃의 1M H₂SO₄ 용액으로 처리하여 H+ 형태로 치환하여 사용하였다.

비교예 1

애노드 및 촉매층 제조시 실리카가 처리되지 않은 지지막을 사용하고 전해질막으로서 실리카가 코팅되지 않은 나피온막을 이용하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 연료전지의 MEA를 제조하였다.

상기 실시예 1및 비교예 1에 따라 제조한 MEA를 동일한 조건에서 성능을 측정하였고, 그 결과는 도 2 , 도3a, 도 3a-d 및 도4a, 도 4a-b에 나타내었다. 여기에서 측정 조건은 상온에서 애노드쪽에는 2M 메탄올을 공급하였고 캐소드쪽에는 공기를 공급하였다. 그리고 상기MEA를 모두 활성화(activation )시킨 상태에서 메탄올 연료의 공급을 중단하였다. 그리고 실험 시작 후 30분에 연료의 공급을 중단하 여 성능의 변화를 관찰하였다.

측정 결과, 도 2에 나타나 있듯이 비교예 1의 경우 MEA의 성능이 점차 떨어져 연료의 공급을 중단한지3분후에는 초기 성능의 절반 이하로 낮아졌다. 그러나 실리카층을 추가한 실시예 1 및 2에서는 40분까지 거의 동일한 성능을 유지하는 것을 볼 수 있었다. 이러한 결과로부터 사용중 펌프의 오작동이나 연료 이동 통로의 막힘으로 인하여 순간적으로 연료의 공급이 원할하지 않은 경우, 안정적으로 연료전지의 성능을 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 3a, 도3d는 분극 곡선(polarization curve)을 통해 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조한 MEA의 성능을 비교한 것이다. 도 3a, 도 3d에 나타난 바와 같이 실시예 1의 성능 곡선의 기울기가 비교예 1의 경우와 비교하여 작다는 것을 알 수 있었다. 이는 촉매층내와 촉매층과 전해질막에 존재하는 실리카가 반응에 적절한 수준으로 물을 함유함으로써 촉매층과 전해질간의 계면저항이나 전해질내의 내부 저항값이 줄었기 때문이다. 이와 같이 실시예 1의 MEA 성능이 비교예 1의 경우와 비슷하거나 대등한 것으로 보여 실리카층이 존재함으로써 전도도가 감소하여 성능이 저하되지 않는 것을 알 수 있었다.

도 4a-4b는 애노드 전극의 분극 곡선을 비교한 것으로서, 이를 참조하면, 실시예 1의 MEA 성능이 초기에서 비교예 1의 경우에 비해서 낮았으나 고전류(high current) 영역으로 이동함으로써 오히려 성능이 안정이 되는 것을 볼 수 있었다. 이것은 실리카가 메탄올의 크로스 오버를 감소시켜 주는 효과를 나타내기 때문이다.

본 발명에 따르면, 사용중 펌프의 오작동이나 연료 이동 통로의 막힘으로 인하여 순간적으로 연료의 공급이 원할하지 않은 경우, 연료전지의 성능을 안정적으로 유지할 수 있게 된다. 또한 첨가한 물 함습 물질은 캐소드 전극에서 생성된 물이 역확산(back diffusion)되어 애노드 전극으로 이동할 때 이 물을 잡아주는 완층 역할을 하므로 애노드 촉매층내의 플러딩(flooding) 현상을 줄일수 있는 잇점이 있다.

Claims

캐소드, 애노드 및 이들 사이에 개재된 전해질막을 구비한 연료전지에 있어서,

상기 애노드가 상기 전해질막에 인접되게 위치한 애노드 촉매층 및 상기 애노드 촉매층과 인접되게 위치한 애노드 확산층으로 이루어지며,

상기 애노드 촉매층과 전해질막 사이에 물 함습 물질을 함유하는 다공성막(porous layer)을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 물 함습 물질이 SiO₂, TiO₂, ZrO₂, 모덴나이트(mordenite) 및 제올라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 다공성막이 촉매와 프로톤 전도성 수지중에서 선택된 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제3항에 있어서, 상기 다공성막이 물 함습 물질 100 중량부에 대하여 100 내지 1000 중량부의 프로톤 전도성 수지와 2,000 내지 3,000 중량부의 촉매를 함유하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항에 있어서, 상기 애노드 촉매층과 애노드 확산층 사이에 물 함습 물질을 함유하는 다공성막이 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항, 제3항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성막이 연속적인 코팅막 또는 불연속적인 코팅막인 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항, 제3항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성막의 두께가 0.5 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지.
제1항, 제2항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물 함습 물질의 평균 입경이 50nm 내지 10⁴nm인 것을 특징으로 하는 연료전지.
캐소드, 애노드 및 이들사이에 개재된 전해질막을 구비한 연료전지에 있어서,

상기 애노드가 상기 전해질막에 인접되게 위치한 애노드 촉매층 및 상기 애노드 촉매층과 인접되게 위치한 애노드 확산층으로 이루어지며,

상기 애노드 촉매층과 애노드 확산층 사이에 물 함습 물질을 함유하는 다공성막을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제9항에 있어서, 상기 물 함습 물질이 SiO₂, TiO₂, ZrO₂, 모덴나이트(mordenite) 및 제올라이트로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지.
제9항에 있어서, 상기 애노드 촉매층과 전해질막 사이에 물 함습 물질을 함유하는 다공성막을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제11항에 있어서, 상기 다공성막이 촉매와 프로톤 전도성 수지중에서 선택된 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제12항에 있어서, 상기 다공성막이 물 함습 물질 100 중량부에 대하여 100 내지 1,000 중량부의 프로톤 전도성 수지, 2,000 내지 3,000 중량부의 촉매를 함유하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제9항, 제11항, 제12항 또는 제13항중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성막이 연속적인 코팅막 또는 불연속적인 코팅막인 것을 특징으로 하는 연료전지.
제9항, 제11항, 제12항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성막의 두께가 0.5 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지.
제9항, 제10항, 제11항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물 함습 물질의 평균 입경이 50nm 내지 10⁴ nm인 것을 특징으로 하는 연료전지.
캐소드, 애노드 및 이들 사이에 개재된 전해질막을 구비한 연료전지에 있어서,

상기 애노드가 상기 전해질막에 인접되게 위치한 애노드 촉매층 및 상기 애노드 촉매층과 인접되게 위치한 애노드 확산층으로 이루어지며,

상기 애노드 촉매층과 전해질막 사이에, 물 함습 물질과 촉매와 프로톤 전도성 수지를 함유하는 다공성막(porous layer)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제17항에 있어서, 상기 다공성막에서 촉매의 함량은 물 함습 물질 100 중량부에 대하여 2,000 내지 3,000 중량부이고, 프로톤 전도성 수지의 함량은 물 함습 물질 100 중량부에 대하여 100 내지 1000 중량부인 것을 특징으로 하는 연료전지.
캐소드, 애노드 및 이들 사이에 개재된 전해질막을 구비한 연료전지에 있어서,

상기 애노드가 상기 전해질막에 인접되게 위치한 애노드 촉매층 및 상기 애노드 촉매층과 인접되게 위치한 애노드 확산층으로 이루어지며,

상기 애노드 촉매층과 전해질막 사이에, 실리카(SiO₂) 다공성막(porous layer)을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.