KR100735416B1 - 연료전지의 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매 지지층에서 발생하는 전력 손실을 줄이며 촉매 지지층과 전류 집전체 사이의 접촉 저항을 줄일 수 있는 전극을 제공한다. 이를 위한 본 발명은 전도성의 촉매 지지층의 일측 표면에 결합된 촉매층을 구비하는 연료전지의 전극에 있어서, 촉매 지지층의 타측 표면에 코팅되는 금속 전도체층을 구비한다.

연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 전극, 연료극, 공기극.

Description

연료전지의 전극{ELECTRODE FOR FUEL CELL}

도 1은 통상적인 직접 메탄올 연료전지의 전극 구조도,

도 2는 도 1에 따른 전자 전도 상태도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지의 전극 구조도,

도 4는 도 3a 및 도 3b에 따른 전자 전도 상태도.

본 발명은 연료전지(fuel cell)에 관한 것으로, 특히 연료전지의 전극(electrode)에 관한 것이다.

연료전지는 연료인 수소와 공기중의 산소를 직접 연소시키는 대신에, 이온만 통과시킬 수 있는 전해질을 통하여 이온만이 이동하고 이와 함께 전자가 이동하는 전기화학반응을 일으킴으로써 전기를 발생시키는 고효율의 발전장치를 말한다. 여러 종류의 연료전지가 존재하는데, 전해질이 고체상의 고분자인 것을 고분자 전해 질 연료전지라고 하며, 연료로서 기체인 수소를 사용하지 않고 물과 혼합된 메탄올을 사용하는 연료전지를 직접 메탄올 연료전지, 즉 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)라고 한다. DMFC는 에너지밀도가 수소를 연료로 사용하는 경우에 비하여 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전온도가 낮기 때문에 초소형화가 가능한 특징을 갖는다. 이와 같은 장점으로 인하여 1차 및 2차 전지를 대체하기 위한 최적 동력원으로서 DMFC가 주목을 받고있다.

DMFC는 고분자 전해질 층을 사이에 두고 2개의 전극, 즉 연료극과 공기극으로 구성된다. 이 전극들은 도 1에 단면도로서 보인 바와 같이 촉매 지지층(12) 상에 촉매층(10)을 부착시켜 제조된다. 촉매 지지층(12)은 탄소섬유로 구성된 다공성의 전도성 지지체로서, 탄소 종이나 탄소 천으로 이루어진다. 촉매층(10)은 다공성의 백금/탄소, 백금+루테늄/탄소 등으로 이루어진다.

DMFC에서 메탄올과 물은 전기화학적으로 반응하여 메탄올이 산화되며, 연료극인 음극에서 하기 화학식 1과 같이 이산화탄소, 수소이온 및 전자를 생성한다.

상기 화학식 1과 같은 반응을 통하여 음극에서 생성된 수소이온은 고분자 전해질을 통과하여 공기극인 양극으로 이동하여 통상적으로 공기로 제공되는 산소와 반응하여 하기 화학식 2와 같이 물을 생성한다. 이와 같이 음극에서 생성된 전자들은 화학반응의 자유에너지변화와 함께 외부 회로를 통해 부하(load)로 이동한다.

전체 반응은 하기 화학식 3과 같이 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성한다. 실제 DMFC 단위전지들로 이루어지는 DMFC 시스템에 있어서 이러한 반응은 전극 내의 백금 기초 전극촉매 물질의 존재 하에서 일어난다.

상기한 DMFC에서 전류의 흐름은, 도 2에 보인 바와 같이 촉매층(10)에서 전기화학반응에 의해 발생한 전자가 촉매층(10)과 접촉된 촉매 지지층(12)을 통해 전류 집전체(도시하지 않았음)와 연결되는 외부의 도선(도시하지 않았음)으로 화살표로 표시한 바와 같이 이동함으로써 일어나게 된다. 상기 전류 집전체는 DMFC 단위 전지들에서 발생되는 전류를 집전하여 외부 부하로 공급하는데 사용된다.

상기한 바와 같은 연료전지의 전극에 있어서, 촉매 지지층(12)인 탄소 섬유층의 전자 전도도는 낮기 때문에 발생한 전력 중 상당한 부분이 촉매 지지층(12)을 이동하는 도중에 저항 손실(ohmic loss)로 인해 소모된다. 또한 외부 도선과 촉매 지지층(12)의 접촉 부분도 상당한 전력소모를 일으키게 되는데, 이는 탄소섬유층과 외부 도선이 친밀한 접촉을 유지하기 어렵기 때문에 접촉 저항이 커지기 때문이다. 이에따라 전극의 면적을 크게하기 어려웠었다.

따라서 본 발명의 목적은 연료전지의 전극에 있어서 촉매 지지층에서 발생하는 전력 손실을 줄일 수 있는 전극을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 연료전지의 전극에 있어서 촉매 지지층과 전류 집전체 사이의 접촉 저항을 줄일 수 있는 전극을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명은, 전도성의 촉매 지지층의 일측 표면에 결합된 촉매층을 구비하는 연료전지의 전극에 있어서, 촉매 지지층의 타측 표면에 코팅되는 금속 전도체층을 구비함을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 DMFC의 전극 구조도를 보인 것으로, 도 3a는 평면도를 보인 것이고, 도 3b는 단면도를 보인 것이다. 도 3a,3b에서 보는 바와 같이 본 발명의 전극은 촉매 지지층(12)에서 촉매층(10)과 결합되는 면의 반대편 표면에 형성된 금속 전도체층(14)을 구비한다. 금속 전도체층(14)은 전자 전도성이 우수하고 화학적으로 안정한 금속을 촉매 지지층(12)의 표면에 코팅하여 전자의 이동 통로를 확보하도록 한 것이다. 도 3a는 금속 전도체층(14)을 촉매 지지층(12)의 표면의 일부분에만 코팅하여 격자 형태의 패턴을 형성한 것을 보인 것으로, 이와 달리 촉매 지지층(12)의 표면 전체에 코팅할 수도 있다.

그리고 코팅하는 금속의 종류는 금(gold), 백금(platinum), 은(silver) 등 산화물이 잘 생성되지 않는 귀금속 종류나, 티타늄(titanium), 탄탈(tantalum), 지르코늄(zirconium) 등의 내 부식성 금속이 적당하다. 또한 코팅 방법은 촉매 지지층(12)의 내부 기공을 막지 않고, 촉매 지지층(12)을 손상시키지 않는 방법이어야 하며, 코팅 후 바람직하지 않은 잔류물을 남기지 않는 방법이어야 한다. 그러므로 스퍼터링(sputtering)방법, 진공증착-응축(evaporation-condensation)방법 등이 적당하며, 습식 코팅방법 중에는 전해도금방법 이외의 방법은 잔류물을 남기므로 적당하지 않다. 코팅 면적은 코팅 두께를 얇게 하여 촉매 지지층(12)의 기공을 막지 않게 되는 경우는 촉매 지지층(12)의 표면 전체를 코팅하며, 코팅 두께를 두껍게 하여 기공을 막게 되는 경우에는 예를 들어 표면적의 10∼30%가 적당하다. 도 3b에 참조부호 T로서 나타낸 코팅 두께가 너무 두꺼우면 촉매 지지층(12)의 기공을 막게 되며 이와 달리 너무 얇으면 전자 전도성이 적게 향상된다. 이러한 점을 감안할 때, 촉매 지지층(12) 표면 전체를 코팅하는 경우는 1∼10㎛, 도 3a와 같이 일부 패턴 부분을 코팅하는 경우는 1∼100㎛ 정도가 적당하다.

상기한 바와 같이 촉매 지지층(12) 위에 금속 전도체를 코팅하여 금속 전도체층(14)를 형성하면, 전술한 도 2에서와 같이 전자 전도도가 낮은 촉매 지지층(12)을 통해서만 이루어지던 전자 전도가 도 4에서 보는 바와 같이 추가된 금속 전도체층(14)를 통해서도 이루어짐으로써 전자 흐름이 원활해지게 된다.

이에 따라 본 발명의 전극을 사용하는 경우, 연료극에서는 생성된 전자의 집전이 원활해지고, 공기극에서는 반응 촉매에 대한 전자의 공급이 원활해지게 된다. 그러므로 촉매층(10)에서 생성된 전자가 전도성 촉매 지지층(12)를 이동하는 중에 손실되는 양을 최소화하며, 촉매 지지층(12) 및 금속 전도체층(14)와 전류 집전체의 접촉성을 높여 DMFC 시스템의 성능이 향상된다.

또한 촉매 지지층(12) 표면에 코팅된 금속 전도체층(14)의 금속은 액상에 대한 반발력이 탄소보다 커서 메탄올이 촉매 지지층(12)의 탄소 섬유내로 쉽게 침투하여 DMFC의 성능을 저하하는 것을 방지하며, 공기극에서 생성된 수분이 원활히 제거되게 된다.

참고로 본 발명에 따라 촉매 지지층(12)에 대한 금속 코팅의 효과를 표면의 전기적 저항 측면에서 시험하였는데, 촉매 지지층(12)으로서 탄소 종이를 사용한 경우에 동일한 조건에서 측정한 결과, 코팅 전에는 표면 전기 저항이 1.2Ω이었던 경우에 있어서 코팅 후에는 0.2Ω으로 약 83%의 감소를 보였다.

또한 공기 호흡형 DMFC 성능 시험장치에서 동일한 조건으로 실험을 하였을 때, 25℃에서 측정한 단위전지 성능 측면에서 하기 표 1과 같은 금속 코팅 효과를 확인하였다.

	코팅 전			코팅 후
	전류(㎃/㎠)	전압(V)	전력(㎽/㎠)	전류(㎃/㎤)	전압(V)	전력(㎽/㎠)
단위전지 성능	16	0.382	6.11	16	0.408	6.53
	36	0.318	11.45	36	0.343	12.35
	86	0.204	17.60	86	0.228	19.67

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 특히 본 발명의 실시 예에서는 연료전지로서 DMFC의 예를 설명하였으나, 동일한 구조의 전극을 사용하는 다른 연료전지에도 마찬가지로 적용된다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 촉매 지지층 표면에 전자 전도성이 우수하고 화학적으로 안정한 금속을 코팅하여 금속 전도체층을 형성하여 전자의 이동 통로를 확보함으로써, 촉매층에서 생성된 전자가 전도성 촉매 지지층를 이동하는 중에 손실되는 양을 최소화하며 전류 집전체와의 접촉성을 높여 DMFC 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (11)

1. 전도성의 촉매 지지층과, 상기 촉매 지지층의 일측 표면에 결합된 촉매층을 구비하는 연료전지의 전극에 있어서,

   상기 촉매 지지층의 타측 표면에 코팅되는 금속 전도체층을 구비함을 특징으로 하는 연료전지의 전극.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속 전도체층이, 상기 촉매층에서 발생한 전자의 전도로로 사용됨을 특징으로 하는 연료전지의 전극.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속 전도체층이, 전류 집전체에 연결됨을 특징으로 하는 연료전지의 전극.
4. 제1항에 있어서, 상기 금속 전도체가, 금, 백금, 은, 티타늄, 탄탈, 지르코늄 중에 하나임을 특징으로 하는 연료전지의 전극.
5. 제1항에 있어서, 상기 금속 전도체층이, 스퍼터링법, 진공증착-응축법, 전해도금법 중에 하나의 방법에 의해 코팅됨을 특징으로 하는 연료전지의 전극.
6. 제1항 내지 제5항에 있어서, 상기 촉매 지지층이, 탄소 천, 탄소 종이 중에 하나로 이루어짐을 특징으로 하는 연료전지의 전극.
7. 제6항에 있어서, 상기 금속 전도체층이, 상기 촉매 지지층의 타측 표면의 일부에 코팅됨을 특징으로 하는 연료전지의 전극.
8. 제7항에 있어서, 상기 금속 전도체층이, 격자 형태의 패턴이 형성되게 코팅됨을 특징으로 하는 연료전지의 전극.
9. 제7항에 있어서, 상기 금속 전도체층의 두께가, 1∼10㎛임을 특징으로 하는 연료전지의 전극.
10. 제6항에 있어서, 상기 금속 전도체층이, 상기 촉매 지지층의 타측 표면의 전체에 코팅됨을 특징으로 하는 연료전지의 전극.
11. 제10항에 있어서, 상기 금속 전도체층의 두께가, 1∼100㎛임을 특징으로 하는 연료전지의 전극.

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