KR102039536B1 - 연료 전지 전극 재료 및 장치 - Google Patents

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Abstract

약 500 nm 내지 5 mm의 실질적으로 균일한 크기를 가지며, < 20%의 분산도를 갖고, 약 40 내지 85%의 공극률을 갖는 복수의 기공을 포함하는 연료 전지 전극 재료가 본원에 개시된다. 이러한 연료 전지 전극 재료는 연료 전지 장치에서 촉매 층, 기체 융합 층 또는 수처리 층에 사용될 수 있다. 상이한 설계를 갖는 이러한 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료를 포함하는 연료 전지 장치, 및 이러한 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 제조 방법이 또한 본원에 개시된다.

Description

연료 전지 전극 재료 및 장치
배경기술
연료 전지는 디젤 및 메탄올과 같은 수소 및 탄화수소를 포함하는 연료로부터의 화학 에너지를 산소 또는 과산화수소와 같은 산화제와의 화학 반응을 통해 전기로 변환하는 전기화학적 장치의 한 유형이다. 이의 높은 에너지 효율 및 연료가 공급되는 한 지속적으로 전기를 생산할 수 있는 이의 능력으로 인해, 연료 전지는 운송, 재료 취급, 고정식, 휴대용 및 비상 백업 전력 적용을 비롯하여 광범위한 적용을 갖는다.
연료 전지는 전형적으로, 그로부터 전기가 발생되는 화학 반응에 요구되는 활성화 에너지를 낮추기 위해 이의 애노드 및 캐소드 전극 어셈블리에서 촉매 층의 존재를 요구한다. 촉매 층은 통상적으로 촉매의 활성 표면적 및 전기촉매 활성 둘 모두를 증가시키기 위해, 높은 표면적을 갖는 전도성 캐리어, 예컨대 탄소 종이, 탄소 천 및 탄소 나노튜브 상에 귀금속 촉매, 예컨대 백금의 미세 분산 미결정을 갖도록 설계된다. 그러나, 이러한 구성은 보통 고비용 및 신뢰성의 결여와 같은 문제를 가지며, 이는 연료 전지의 실제적인 적용을 크게 제한하여 왔다.
본 개시내용은 연료 전지 장치에 사용하기 위한 연료 전지 전극 재료, 및 구체적으로 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료에 관한 것이며, 추가로 연료 전지 장치에서의 상기 연료 전지 전극 재료의 적용에 관한 것이다.
본 개시내용은 연료 전지 장치에 사용하기 위한 연료 전지 전극 재료를 제공한다. 상기 연료 전지 전극 재료는 전형적으로, 약 500 nm 내지 5 mm, 바람직하게는 1000 내지 50000 nm의 크기를 갖는 복수의 기공을 갖는 미세-배열 다공성 재료를 포함하고； 상기 복수의 기공의 크기는 약 20% 미만의 분산도(variation)로 실질적으로 균일하고； 상기 미세-배열 다공성 재료는 약 40 내지 85%의 공극률을 갖는다. 일부 구현예에서, 상기 미세-배열 다공성 재료는 금속, 예컨대 Ni, Al, Cu, Au, Ag, Ti, Fe, Pt, Pd, Ru, Mn, Co 및 Cr로 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 미세-배열 다공성 재료는 합금, 예컨대 스테인리스 강, Pt-Co, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ti, Pt-Mn, Pt-Cu, Pt-V, Pt-Cr-Co, Pt-Fe-Cr, Pt-Fe-Mn, Pt-Fe-Co, Pt-Fe-Ni, Pt-Fe-Cu, Pt-Cr-Cu, Pt-Co-Ga로 구성될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 미세-배열 다공성 재료는 CoTMPP-TiO2, MnOx-CoTMPP, CoFe2O4, Pt-WO3, Pt-TiO2, Pt-Cu-MOx, MnO2, CrO2, CuxMnyOz, LaMnO3 및 La1-xSrxFeO3으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 산화물로 구성될 수 있다.
일부 구현예에서, 연료 전지 전극 재료는 애노드 또는 캐소드 촉매 층에 사용될 수 있으며, 전형적으로 약 74%의 공극률을 갖는 미세-배열 다공성 재료를 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 미세-배열 다공성 재료는 실질적으로 전적으로 촉매 물질, 예컨대 금속 (예를 들어, Ru, Pd, Ni, Al, Cu, Au, Ag, Ti, Fe, Pt, Mn, Co 및 Cr), 합금 (예를 들어, Pt-기재 합금, 예컨대 Pt-Co, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ti, Pt-Mn, Pt-Cu, Pt-V, Pt-Cr-Co, Pt-Fe-Cr, Pt-Fe-Mn, Pt-Fe-Co, Pt-Fe-Ni, Pt-Fe-Cu, Pt-Cr-Cu, Pt-Co-Ga), 또는 금속 산화물 (예를 들어, CoTMPP-TiO2, MnOx-CoTMPP, CoFe2O4, Pt-WO3, Pt-TiO2, Pt-Cu-MOxMnO2, CrO2, CuxMnyOz, LaMnO3 및 La1-xSrxFeO3)로 구성된다. 일부 다른 구현예에서, 상기 미세-배열 다공성 재료는, 비용-효과적인 금속 (예를 들어, Ni, Al, Cu, Fe, Ti, Cr, Mn, Co, Zn), 전도성 세라믹 (예를 들어, ZnO, Cu2O, ITO, AZO, IZO, IGZO) 또는 전도성 중합체 (예를 들어, 폴리피롤, 폴리페닐렌 술피드, 프탈로시아닌, 폴리아닐린 및 폴리티오펜)로 제조된 촉매 캐리어, 및 Pt, Ru, Pd, CoPc, CoTMPP-TiO2, MnOx-CoTMPP 또는 CoFe2O4 중 적어도 하나를 포함하는 촉매 성분을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 촉매 성분은 촉매 캐리어의 표면 상에 코팅될 수 있다. 또한 일부의 다른 구현예에서, 촉매 성분의 입자는 미세-배열 다공성 촉매 캐리어의 복수의 기공 내에 배치될 수 있다. 또한 일부의 다른 구현예에서, 촉매 성분의 입자는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노구와 같은 제2 촉매 캐리어의 입자의 표면 상에 부착될 수 있고, 이들은 미세-배열 다공성 촉매 캐리어의 복수의 기공 내에 함께 배치된다.
일부 구현예에서, 연료 전지 전극 재료는 애노드 또는 캐소드에서의 수처리 층에 사용될 수 있고, 전형적으로, 예를 들어 금속 조성물의 산화에 의해 또는 친수성이 되도록 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 지정된 영역에서 친수성 재료로 코팅함으로써 표면-처리된다. 수처리 층 전극 재료의 친수성 표면 처리는 일부 구현예에서는 상기 전극 재료를 친수성 플라즈마로 코팅함으로써, 일부 다른 구현예에서는 상기 전극 재료를 계면활성제 (예를 들어, 암모늄 라우릴 술페이트, 소듐 라우릴 술페이트 (SDS), 디옥틸 소듐 술포숙시네이트, 퍼플루오로옥탄술포네이트 (PFOS), 퍼플루오로부탄술포네이트, 소듐 라우로일 사코시네이트, 퍼플루오로노나노에이트 또는 퍼플루오로옥타노에이트)로 처리함으로써, 또는 일부의 또 다른 구현예에서는 상기 전극 재료를 히드록실 (-OH) 기 또는 카복실 (-COOH) 기와 같은 친수성 관능기를 갖는 화합물질로 화학적으로 개질함으로써 달성될 수 있다.
일부 구현예에서, 연료 전지 전극 재료는 애노드 또는 캐소드에서의 기체 확산 층에 사용될 수 있고, 전형적으로, 예를 들어 소수성이 되도록 지정된 영역에서 소수성 재료로 코팅함으로써 표면-처리된다. 기체 확산 층 전극 재료의 소수성 표면 처리는 일부 구현예에서는 상기 전극 재료를 소수성 플라즈마로 코팅함으로써, 일부 다른 구현예에서는 상기 전극 재료를 플루오로실리콘, 실록산 또는 플루오로카본으로 처리함으로써 달성될 수 있다.
본 개시내용은 또한 상기 개시된 바와 같은 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료를 적용하는 연료 전지 장치를 제공한다. 연료 전지 장치는 막 전해질 어셈블리 (MEA)를 포함하며, 이는 중합체 전해질 막 (PEM), 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층을 포함하고, 여기서 중합체 전해질 막 (PEM)은 애노드 층 및 캐소드 층 사이에 샌드위칭되고； 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나는 약 74%의 공극률을 갖는 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료 및 촉매를 포함한다.
연료 전지 장치의 일부 구현예에서, 연료 전지 전극 재료는 Ni, Al, Cu, Fe, Ti, Cr, Mn, Co 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 구성되고； 촉매는 Pt, Ru, Pd, CoPc, CoTMPP-TiO2, MnOx-CoTMPP 또는 CoFe2O4 중 적어도 하나이다. 일부 구현예에서, 촉매는 미세-배열 다공성 재료의 표면 상에 균등하게 코팅되고； 일부 다른 구현예에서, 촉매의 입자는 미세-배열 다공성 재료 복수의 기공 내에 배치되고； 또한 일부의 다른 구현예에서, 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노구와 같은 촉매 캐리어를 추가로 포함하고, 여기서 촉매 캐리어의 입자의 외부 표면 상에 촉매 입자의 입자를 보유하는 촉매 캐리어의 입자는 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나에서의 미세-배열 다공성 재료의 복수의 기공 내에 배치된다.
일부 구현예에서, 연료 전지 장치는 조합형 촉매-기체 확산 층 설계를 포함한다. 이러한 구현예에서, 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나는 반응성 기체가 이를 통해 확산되는 것을 허용하도록 추가로 구성된다. 일부 구현예에서, 애노드 촉매 층, 캐소드 촉매 층 또는 이 둘 모두는 반응성 기체가 이를 통해 확산되는 것을 용이하게 하기 위해 소수성이도록 지정된 영역에서 추가로 표면-처리된다. 일부 구현예에서, 연료 전지 장치는 개별 촉매-기체 확산 층 설계를 포함할 수 있다. 이러한 구현예에서, 연료 전지 장치는 애노드 기체 확산 층 및 캐소드 기체 확산 층을 추가로 포함하며, 상기 애노드 기체 확산 층 및 캐소드 기체 확산 층은 중합체 전해질 막 (PEM)에 대향하는 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층의 측면 상에 각각 배열되고； 상기 애노드 기체 확산 층 및 캐소드 기체 확산 층 중 적어도 하나는 상기 개시된 바와 같은 제2의 미세-배열 연료 전지 전극 재료를 포함한다. 일부 구현예에서, 애노드 기체 확산 층 및 캐소드 기체 확산 층 중 적어도 하나에서의 제2의 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 기공 크기는 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나에서의 연료 전지 전극 재료의 기공 크기보다 더 작고； 애노드 기체 확산 층 및 캐소드 기체 확산 층의 적어도 하나는 Ru 또는 Pd 중 적어도 하나로부터 선택된 제2 촉매를 추가로 포함한다.
일부 구현예에서, 연료 전지 장치는 애노드 기체 확산 층, 애노드 촉매 층, 캐소드 촉매 층 및 캐소드 기체 확산 층의 하부 상에 배열된 수처리 층을 추가로 포함하며, 상기 수처리 층은 상기 개시된 바와 같은 제3의 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료를 포함하고, 상기 수처리 층에서의 제3의 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 기공 크기는 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나에서의 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 기공 크기보다 더 크고, 애노드 기체 확산 층 및 캐소드 기체 확산 층 중 적어도 하나에서의 제2의 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 기공 크기보다 더 크고； 상기 수처리 층에서의 제3의 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료는 친수성이 되도록 임의로 표면-처리된다. 일부 구현예에서, 연료 전지 장치는 애노드 수처리 층 및 캐소드 수처리 층을 추가로 포함하며, 여기서 애노드 수처리 층 및 캐소드 수처리 층은 각각, 애노드 촉매 층 및 중합체 전해질 막 사이에 그리고 캐소드 촉매 층 및 중합체 전해질 막 사이에 배열되고； 애노드 수처리 층 및 캐소드 수처리 층 중 적어도 하나는 제2의 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료를 포함하고, 제2의 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 기공 크기는 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나에서의 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 기공 크기보다 더 크고； 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층은 이를 통해 반응성 기체가 확산되는 것을 허용하도록 구성된다.
일부 구현예에서, 연료 전지 장치는, 애노드로부터 캐소드로의 순서로 애노드 기체 확산 층, 애노드 촉매 층, 중합체 전해질 막 (PEM) 및 캐소드 촉매 층을 포함하는 막 전해질 어셈블리 (MEA)를 포함하고, 여기서 애노드 기체 확산 층 및 캐소드 기체 확산 층 중 적어도 하나는 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료를 포함한다. 연료 전지 장치의 일부 구현예에서, 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노구로부터 선택된 촉매 캐리어를 포함한다.
본 개시내용은 (i) 미세-배열 다공성 재료를 3D 프린팅에 의해 또는 템플레이트 제작 접근법에 의해 제조하는 단계를 포함하는, 상기 개시된 바와 같은 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 제조 방법을 또한 제공한다. 상기 방법의 일부 구현예에서, 미세-배열 다공성 재료는 3D 프린팅에 의해 제조될 수 있다. 일부 다른 구현예에서, 미세-배열 다공성 재료는, a) 콜로이드 입자 템플레이트를 전기영동으로 제작하는 단계； b) 상기 콜로이드 입자 템플레이트를 전극 재료로 침윤시키는 단계； 및 c) 상기 콜로이드 입자 템플레이트를 제거하는 단계의 하위-단계를 포함하는 템플레이트 제작 접근법에 의해 제조될 수 있다. 일부 구현예에서, 하위-단계 b)는 전착, PVD (물리적 기상 증착), CVD (화학적 기상 증착) 또는 졸-겔 (졸-겔 공정) 중 적어도 하나에 의해 달성된다.
일부 구현예에서, 상기 방법은 (ii) 3D 프린팅에 의해 또는 템플레이트 제작 접근법에 의해 상기 미세-배열 다공성 재료의 상단 상에 제2 미세-배열 다공성 재료를 제조하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 구현예에서, 단계 (ii)에서의 제2 미세-배열 다공성 재료는 미세-배열 다공성 재료의 기공 크기보다 더 큰 기공 크기를 갖도록 구성되고, 상기 제2 미세-배열 다공성 재료는 친수성 표면을 갖도록 구성된다. 상기 제2 미세-배열 다공성 재료는 일부 구현예에서 친수성 전도성 중합체로 구성될 수 있거나 또는 일부 다른 구현예에서는 친수성이 되도록 표면-처리될 수 있다. 하나의 예로, 상기 제2 미세-배열 다공성 재료는 Ni, Al, Cu, Fe, Ti, Cr, Mn, Co 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 구성되고, 상기 제2 미세-배열 다공성 재료의 표면은 산화에 의해 처리된다. 또 다른 예로, 상기 제2 미세-배열 다공성 재료는 친수성 재료로 코팅될 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 방법은 (ii) 촉매 입자를 보유하는 촉매 캐리어의 입자를 상기 미세-배열 다공성 재료의 표면 상에 또는 상기 미세-배열 다공성 재료에서의 복수의 기공 내로 분포하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 촉매 캐리어는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노구일 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 방법은 단계 (ii) 직후에, (iii) 촉매 입자를 연료 전지 전극 재료 내 미세-배열 다공성 재료와 결합시키는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이는 일부 구현예에서 가열에 의해 달성될 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 방법은 (ii) 상기 미세-배열 다공성 재료에 내부식성 처리를 가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 미세-배열 다공성 재료가 Zn, Ti 및 Ni와 같은 금속으로 구성되는 경우, 단계 (ii)에서의 내부식성 처리는 일부 구현예에서 산화 처리일 수 있고, 일부 다른 구현예에서는 내부식성 재료로의 표면-코팅일 수 있다.
본원에 개시된 바와 같은 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료는 또한 다른 유형의 연료 전지 장치, 예컨대 SOFC (고체 산화물 연료 전지), DMFC (직접 메탄올 연료 전지), PAFC (인산 연료 전지), FC, MCFC (용융 탄산염 연료 전지) 또는 PFC에 적용될 수 있다. 본원의 개시내용은 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료를 포함하는, SOFC (고체 산화물 연료 전지), DMFC (직접 메탄올 연료 전지), PAFC (인산 연료 전지), FC, MCFC (용융 탄산염 연료 전지) 또는 PFC 중 적어도 하나인 연료 전지 장치를 또한 제공한다.
촉매 입자로 코팅된 탄소 종이/천/나노튜브와 같은 종래의 연료 전지 전극 재료와 비교하여, 본원에 개시된 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료는 하기의 이점을 갖는다. 첫째로, 이는 미세-배열 다공성 구조의 유의하게 더 높은 표면적-대-부피 비로 인하여 훨씬 더 높은 효과적인 전기촉매 면적을 갖는다. 두번째로, 이의 막 구조는 종래 연료 전지의 전도성 캐리어로부터 촉매 입자가 떨어져 나가는 것으로 인해 신뢰성이 점진적으로 손실되는 문제를 제거한다. 세번째로, 이는 종래 연료 전지에서 전도성 캐리어에 촉매 입자를 단단히 부착시키기 위한 결합제의 사용을 제거하여, 연료 전지의 제조에 사용되는 촉매의 양 및 이에서 발생되는 비용을 극적으로 감소시키고, 신뢰성을 크게 상승시킨다. 네번째로, 고가의 귀금속 촉매 (예를 들어, Pt)로 코팅된 미세-배열 다공성 전도성 캐리어를 형성하는 덜 고가의 금속 또는 금속 산화물의 화합물 (예를 들어, Cu, Fe, Al, CoPc, CoTMPP-TiO2, MnOx-CoTMPP, CoFe2O4 등)을 갖는 설계는 연료 전지의 제조 비용을 추가로 감소시킬 수 있고, 종래 사용되는 탄소 종이/옷/나노튜브/나노구보다 더 높은 전도성을 달성할 수 있다. 다섯번째로, 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 주기적인 구조의 존재는 탄소-기재 전도성 캐리어 상에서의 국부 결함 또는 촉매 입자의 비균등 분포로 인한 일부 스폿에서의 열 축적의 문제를 제거한다. 여섯번째로, 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 주기적인 구조의 존재는 상기 재료를 가로지르는/통한 반응성 기체 또는 반응성 용매 (예를 들어, H2, O2, 에탄올, 메탄올), 액체 폐기물 (예를 들어, H2O) 및 전자의 효율적인 분포 및 이동을 또한 허용한다. 마지막으로, 일부 설계는 연료 전지에서의 촉매 층 및 기체 확산 층의 조합을 달성할 수 있으며, 이는 설계를 단순화하고, 비용을 감소시키며, 신뢰성을 증가시킬 수 있다.
도 1은 미세 분산된 촉매 입자로 코팅된 탄소 나노튜브로 제조된 촉매 층을 갖는 종래 양성자 교환 막 연료 전지 (PEMFC) 장치를 예시한다.
도 2는 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 미세-배열 다공성 전극 재료를 포함하는 연료 전지 막 전극 어셈블리를 예시한다.
도 3은 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 미세-배열 다공성 전극 재료를 포함하는 연료 전지 막 전극 어셈블리를 예시한다.
도 4는 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 미세-배열 다공성 전극 재료를 포함하는 연료 전지 막 전극 어셈블리를 예시한다.
도 5는 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 미세-배열 다공성 전극 재료를 포함하는 연료 전지 막 전극 어셈블리를 예시한다.
도 6은 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 미세-배열 다공성 전극 재료를 포함하는 또 다른 막 전극 어셈블리를 예시한다.
도 1은 미세 분산된 촉매 입자로 코팅된 탄소 나노튜브로 제조된 촉매 층을 갖는 종래 양성자 교환 막 연료 전지 (PEMFC) 장치를 예시한다. PEMFC 장치(100)은 애노드로부터 캐소드로의 순서로 애노드 엔드플레이트(endplate)(101), 애노드 바이폴라 플레이트(bipolar plate)(102), 애노드 가스켓(103), 애노드 기체 확산 층(104), 막 전극 어셈블리 (MEA)(105), 캐소드 기체 확산 층(106), 캐소드 가스켓(107), 캐소드 바이폴라 플레이트(108) 및 캐소드 엔드플레이트(109)를 포함한다. 기체 채널은 전형적으로 애노드 바이폴라 플레이트(102) 및 캐소드 바이폴라 플레이트(108) 둘 모두에 배열되어, H2 및 O2를 각각 연료 전지의 애노드 및 캐소드 내로 공급하기 위한 경로로서의 역할을 한다. 제한된 시야로 인하여, 도 1은 캐소드 바이폴라 플레이트(108) 내의 O2 기체 채널(110)만을 오직 도시한다. MEA(105)는 전형적으로, 애노드 촉매 층(112) 및 캐소드 촉매 층(113) 사이에 샌드위칭된 중합체 전해질 막 (PEM)(111)을 포함한다. 전형적으로 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층 둘 모두는 각각 애노드 촉매 및 캐소드 촉매의 매우 미세한 분말로 코팅된 촉매 캐리어를 포함한다. 촉매 캐리어는 전형적으로 탄소 종이, 탄소 천 또는 탄소 나노튜브의 필름으로 구성되고； 애노드 촉매는 Pt와 같은 금속, Pt-Ru와 같은 합금, 세륨(IV) 산화물과 같은 금속 산화물, Mox Ruy Sz 및 Mox Rhy Sz와 같은 금속 술피드, 또는 (Ru1-xMox) SeOz와 같은 칼코게나이드로 구성될 수 있고； 캐소드 촉매는 Pt 또는 Ni로 구성될 수 있다. 도 1은 Pt의 나노입자(115)로 코팅된 탄소 나노튜브의 필름(114)을 포함하는 전형적인 애노드 촉매 층의 사진을 또한 도시한다.
도 1에 예시된 바와 같은 종래 연료 전지는 하기의 약점을 갖는다. 첫째로, 전도성 캐리어의 표면 상에의 촉매 입자의 안정한 부착 및 효과적인 분산을 위해 보통 결합제가 요구된다. 그러나 결합제의 존재는 연료 전지 내 촉매의 효과적인 전기촉매 면적을 감소시키고, 이에 따라 이러한 감소에 대해 보상하기 위해, 주어진 수준의 전력 출력에 대해 보다 큰 양의 촉매가 필요하다. 두번째로, 전도성 캐리어의 표면 상에 코팅된 촉매 입자는 진동/충격 환경에서, 또는 심지어 연료 전지로의 기체의 공급 동안 또는 연료 전지로부터의 물/다른 반응 생성물의 처분 동안 쉽게 헐거워져 상기 캐리어로부터 떨어져 나갈 수 있다. 이는 연료 전지에 대한 신뢰성 문제를 생성시킨다.
도 2는 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 미세-배열 다공성 전극 재료를 포함하는 연료 전지 막 전극 어셈블리 (MEA)를 예시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 막 전극 어셈블리 (MEA)(200)은 애노드 촉매 층(202) 및 캐소드 촉매 층(203) 사이에 샌드위칭된 중합체 전해질 막 (PEM)(201)을 포함한다. 애노드 촉매 층(202) 및 캐소드 촉매 층(203)은 둘 모두 미세-배열 다공성 구조를 갖는 연료 전지 전극 재료(204)를 포함할 수 있다. 이러한 연료 전지 전극 재료(204)는 전형적으로 약 500 nm 내지 5 mm의 기공 크기를 갖는 복수의 기공을 갖는 미세-배열 다공성 재료를 포함하고； 상기 복수의 기공의 크기는 약 20% 미만의 분산도로 실질적으로 균일하고； 상기 미세-배열 다공성 재료는 약 40 내지 85%의 공극률을 갖는다. 일부 바람직한 구현예에서, 연료 전지 전극 재료는 약 74% (이는 다공성 재료에 대한 이론상 가장 높은 표면적-대-부피 비임)의 공극률을 갖는 고도로 조밀한 미세-배열 다공성 재료를 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, (205)에 예시된 바와 같이, 미세-배열 다공성 재료는 전적으로 Pt 또는 일부 다른 연료 전지 촉매 물질로 구성될 수 있고, 이에 따라 연료 전지 내 MEA에서의 촉매 층 재료로서 직접 사용될 수 있다. 일부 다른 구현예에서, Cu, Al, Fe, Ni 및 스테인리스 강과 같은 금속/합금 또는 ZnxO1-x와 같은 전도성 금속-산화물로 구성된 미세-배열 다공성 캐리어는 이의 표면 상에 Pt와 같은 연료 전지 촉매 물질로 균등하게 코팅될 수 있으며, 이는 또한 (205)에 예시되어 있다. 일부 다른 구현예에서, 미세-배열 다공성 재료는 연료 전지의 촉매 층에서 촉매 입자를 보유하는 높은 표면적의 전도성 캐리어로서의 역할을 할 수 있다. 일부 다른 구현예에서, (206)에 예시된 바와 같이, Cu, Al, Fe, 스테인리스 강 및 Ni와 같은 금속/합금 또는 ZnxO1-x와 같은 전도성 금속-산화물로 구성된 미세-배열 다공성 캐리어는 이의 기공 내에 Pt와 같은 연료 전지 촉매의 나노입자로 코팅될 수 있다. 일부의 또 다른 구현예에서, (207)에 예시된 바와 같이, 탄소 나노튜브, 그래핀 및 탄소 나노구와 같은 제2 전도성 캐리어는 제2 전도성 캐리어가 그의 표면 상에 보유하는 촉매 입자와 함께, Cu, Al, Fe, 스테인리스 강 또는 Ni, 또는 ZnxO1-x와 같은 전도성 금속-산화물로 구성된 제1 미세-배열 다공성 전도성 캐리어의 기공 내에 배치된다.
미세-배열 다공성 구조에서의 주기적인 기공의 존재로 인하여, 상기 개시된 바와 같은 연료 전지 전극 재료는 기체 확산 층 재료로서 또한 사용되어, H2 및 O2와 같은 반응성 기체가 미세-배열 다공성 구조의 기공을 통해 균등하고 효율적으로 확산되는 것을 허용할 수 있으며, 동시에 미세-배열 다공성 전도성 캐리어의 표면 상의 또는 이의 기공 내의 촉매의 존재는 효과적인 촉매 반응이 연료 전지에서 발생하는 것을 허용한다. 이러한 특징은 연료 전지 장치에서 단일의 조합형 촉매-기체 확산 층의 설계를 허용하며, 이는 연료 전지에서 촉매 층 및 기체 확산 층 둘 모두로서 작용한다. 미세-배열 다공성 구조를 갖는 이러한 조합형 촉매-기체 확산 층은 연료 전지의 모듈식 설계 및 제조를 크게 단순화할 수 있다. 또한, 소수성/친수성이 되도록 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 특정한 영역을 처리하기 위한 설계로, 연료 전지의 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 이러한 지정된 영역으로부터의 물과 같은 최종 반응 생성물의 처분을 용이하게 하는 것이 또한 가능하다. 도 3은 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 미세-배열 다공성 전극 재료를 포함하는 연료 전지 막 전극 어셈블리 (MEA)를 예시한다. 연료 전지 막 전극 어셈블리(300)은 중합체 전해질 막 (PEM)(301), 조합형 애노드 촉매-기체 확산 층(302), 조합형 캐소드 촉매-기체 확산 층(303) 및 수처리 층(304)를 포함하며, 여기서 PEM(301)은 조합형 애노드 촉매-기체 확산 층(302) 및 조합형 캐소드 촉매-기체 확산 층(303) 사이에 샌드위칭되어 있고, 수처리 층(304)는 PEM(301), 조합형 애노드 촉매-기체 확산 층(302) 및 조합형 캐소드 촉매-기체 확산 층(303)의 하부에 배열되어 있다. 조합형 애노드 촉매-기체 확산 층(302) 및 조합형 캐소드 촉매-기체 확산 층(303) 둘 모두는 전적으로 애노드 촉매 또는 캐소드 촉매로 구성되거나, 또는 다르게는 제2 촉매 캐리어를 포함하거나 포함하지 않고 애노드 또는 캐소드 촉매 입자로 코팅 또는 침윤된 미세-배열 다공성 금속 캐리어를 포함하는 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료 (도 2에서 (205), (206) 및 (207)에 예시된 바와 같음)를 포함한다. 촉매 층으로서의 작용 이외에, 조합형 애노드 촉매-기체 확산 층(302) 및 조합형 캐소드 촉매-기체 확산 층(303)은 또한 연료 전지 막 전극 어셈블리 (MEA)에서 기체 확산 층의 역할을 한다. 임의로, 조합형 애노드 촉매-기체 확산 층(302) 및 조합형 캐소드 촉매-기체 확산 층(303)은 연료 전지에서 상기 층의 기체 확산 효율을 추가로 증가시키기 위해 두 층 내에 위치된 특정 영역의 소수성을 증가시키도록 표면-처리될 수 있다. 수처리 층(304)는 미세-배열 다공성 재료를 또한 포함하고, 연료 전지 내부로부터의 최종 반응 생성물, 예컨대 물의 처분을 위해 설계되고, 수처리 효율을 추가로 증가시키기 위해 친수성을 증가시키도록 임의로 표면-처리된다.
도 4는 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 미세-배열 다공성 전극 재료를 포함하는 연료 전지 막 전극 어셈블리 (MEA)를 예시한다. 도 4A에 예시된 바와 같이, 연료 전지 막 전극 어셈블리 (MEA)(400)은 애노드로부터 캐소드로의 순서로 배열된 애노드 기체 확산 층(401), 애노드 촉매 층(402), 중합체 전해질 막 (PEM)(403), 캐소드 촉매 층(404) 및 캐소드 기체 확산 층(405)의 성분을 포함한다. 일부 구현예에서, 애노드 촉매 층(402) 및 캐소드 촉매 층(404)는 둘 모두 각각 애노드 촉매 및 캐소드 촉매를 포함하는 도 2 ((205), (206) 및 (207))에 개시된 바와 같은 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료를 포함할 수 있는 반면, 애노드 기체 확산 층(401) 및 캐소드 기체 확산 층(405)는 미세-배열 다공성 구조를 갖지 않는 기체 확산 재료를 포함할 수 있다. 또한 일부의 다른 구현예에서, 애노드 기체 확산 층(401) 및 캐소드 기체 확산 층(405)는 둘 모두 미세-배열 다공성 전극 재료를 포함할 수 있는 반면, 애노드 촉매 층(402) 및 캐소드 촉매 층(404)는 각각 애노드 및 캐소드 촉매로 코팅된 탄소 종이, 탄소 천 또는 탄소 나노튜브와 같은, 미세-배열 다공성 구조를 갖지 않는 종래 촉매 층 재료를 포함할 수 있다. 또한 일부의 다른 구현예에서, 애노드 촉매 층(402), 캐소드 촉매 층(404), 애노드 기체 확산 층(401) 및 캐소드 기체 확산 층(405)는 모두 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료를 포함할 수 있지만, 상이한 기공 크기 또는 조성을 갖는다. 다른 일부 구현예에서, 애노드 촉매 층(402) 및 애노드 기체 확산 층(401), 또는 캐소드 촉매 층(404) 및 캐소드 기체 확산 층(405)는 균일한 기공 크기를 갖는 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 전체 덩어리를 포함할 수 있고, 이는 중합체 전해질 막 (PEM)(403)의 바로 옆 부분에서 제2 촉매 캐리어를 포함하거나 또는 포함하지 않고 애노드/캐소드 촉매 입자로 코팅 또는 침윤되어 애노드/캐소드 촉매 층(402)/(404)를 형성하는 반면； 촉매 성분이 없는 부분은 애노드/캐소드 기체 확산 층(401)/(405)를 형성한다. 일부 구현예에서, 연료 전지 막 전극 어셈블리 (MEA)는 중합체 전해질 막 (PEM)(403) 및 애노드/캐소드 촉매 층(402)/(404) 사이에 추가의 애노드/캐소드 촉매 층을 추가로 포함할 수 있다. 하나의 예로, 도 4C에 예시된 바와 같이, 애노드/캐소드 촉매로 코팅된 탄소 종이/천/나노튜브를 포함하는 종래 탄소-유래 촉매 층(423)은 기공 내에 애노드/캐소드 촉매 입자를 보유하는 탄소 캐리어 입자를 포함하는 미세-배열 다공성 촉매 층(422)의 일측 상에 배열되는 반면, 미세-배열 다공성 기체 확산 층(421)은 미세-배열 다공성 촉매 층(422)의 다른 측 상에 배열된다.
도 4B에 예시된 바와 같은 일 구현예에서, 연료 전지 막 전극 어셈블리 (MEA)(410)은 애노드로부터 캐소드로의 순서로 애노드 기체 확산 층(411), 애노드 촉매 층(412), 중합체 전해질 막 (PEM)(413), 캐소드 촉매 층(414) 및 캐소드 기체 확산 층(415)를 포함하고, 여기서 애노드 촉매 층(412) 및 캐소드 촉매 층(414) 둘 모두는 Pt 촉매를 포함하는 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료를 포함하고； 애노드 기체 확산 층(411) 및 캐소드 기체 확산 층(415) 둘 모두는, 애노드 및 캐소드 촉매 층(412 및 414)에 사용된 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료의 기공 크기보다 더 작은 기공 크기를 가지며 Ru/Pd 촉매로 코팅된 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료를 포함한다. 이러한 구성으로, 애노드 및 캐소드 기체 확산 층(411 및 415)는 H2 및 O2와 같은 반응성 기체가 연료 전지의 애노드 및 캐소드 촉매 층(412 및 414)의 표면 상에서 반응하는 것을 허용하는 확산 경로를 제공할 뿐만 아니라, Ru/Pd의 존재에 의해 반응성 기체로부터 일산화탄소를 제거하는 여과 층으로서의 역할을 하여, 반응성 기체에 존재하는 일산화탄소가 애노드 및 캐소드 촉매 층(412 및 414) 내의 Pt 촉매를 피독시키는 것을 방지한다.
도 5는 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 미세-배열 다공성 전극 재료를 포함하는 연료 전지 막 전극 어셈블리를 예시한다. 도 5A에 예시된 바와 같이, 연료 전지 막 전극 어셈블리 (MEA)(500)은 애노드로부터 캐소드로의 순서로 배열된 애노드 기체 확산 층(501), 애노드 촉매 층(502), 중합체 전해질 막 (PEM)(503), 캐소드 촉매 층(504) 및 캐소드 기체 확산 층(505)의 성분을 포함하고, 상술된 MEA 성분(501 내지 505)의 하부에 배열된 수처리 층(506)을 또한 포함한다. MEA 성분(501 내지 505)의 조성 및 구조는 도 4A에 예시된 바와 같은 연료 전지 MEA에서의 MEA 성분(401 내지 405)와 유사하다. 수처리 층(506)은 애노드 기체 확산 층(501) 및 캐소드 기체 확산 층(505)의 기공 크기의 약 0.5 내지 100배의 기공 크기를 갖는 미세-배열 다공성 재료를 포함하고, 연료 전지의 내부로부터의 물과 같은 최종 액체 반응 생성물의 처분을 위해 설계되며, 처분 효율을 추가로 증가시키기 위해 표면 상에 증가된 친수성을 갖도록 임의로 표면-처리된다.
또 다른 구현예에서, 도 5B에 예시된 바와 같이, 연료 전지 막 전극 어셈블리 (MEA)(510)은 애노드로부터 캐소드로의 순서로 배열된 애노드 조합형 촉매-기체 확산 층(511), 애노드 수처리 층(512), 중합체 전해질 막 (PEM)(513), 캐소드 수처리 층(514) 및 캐소드 조합형 촉매-기체 확산 층(515)의 성분을 포함한다. 애노드 조합형 촉매-기체 확산 층(511) 및 캐소드 조합형 촉매-기체 확산 층(515) 둘 모두는 도 3에 예시된 바와 같은 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료를 포함하며, 이는 보다 작은 기공 크기를 갖고, 각각 애노드 및 캐소드 촉매로 코팅된다. 이들은 연료 전지에서 촉매 층 및 기체 확산 층 둘 모두로서의 역할을 한다. 애노드 수처리 층(512) 및 캐소드 수처리 층(514) 둘 모두는 미세-배열 다공성 재료를 포함하고, 연료 전지 내부로부터의 물과 같은 최종 액체 반응 생성물의 처분을 위해 설계된다. 애노드 수처리 층(512) 및 캐소드 수처리 층(514)에서의 미세-배열 다공성 재료는 임의로, 애노드 조합형 촉매-기체 확산 층(511) 및 캐소드 조합형 촉매-기체 확산 층(515)에서의 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료보다 더 크거나 또는 다르게는 그리고 바람직하게는 더 작은 기공 크기를 가질 수 있다. 애노드 및 캐소드 수처리 층(512 및 514)는 수처리의 효율을 증가시키기 위해 표면 상에 증가된 친수성을 갖도록 임의로 표면-처리될 수 있고； 다르게는 그리고 바람직하게는 이들은 애노드/캐소드 조합형 촉매-기체 확산 층(511 및 515)에서 물을 멀리하도록 표면 상에 증가된 소수성을 갖도록 표면-처리되어, 반응성 기체의 효율적인 유동이 애노드/캐소드 조합형 촉매-기체 확산 층(511 및 515)에서의 촉매와 효과적으로 접촉하는 것을 허용할 수 있다.
도 6은 본 개시내용의 일부 구현예에 따른 미세-배열 다공성 전극 재료를 포함하는 연료 전지 막 전극 어셈블리를 예시한다. 연료 전지 막 전극 어셈블리 (MEA)(600)은 애노드로부터 캐소드로의 순서로 배열된 애노드 기체 확산 층(601), 애노드 촉매 층(602), 중합체 전해질 막 (PEM)(603), 캐소드 촉매 층(604) 및 캐소드 기체 확산 층(605)의 성분을 포함한다. 애노드 촉매 층(602) 및 캐소드 촉매 층(604) 둘 모두는 각각 애노드 촉매 및 캐소드 촉매로 코팅된 탄소 종이, 탄소 천, 탄소 나노튜브의 필름 또는 탄소 나노구의 필름과 같은 촉매 캐리어를 포함한다. 애노드 기체 확산 층(601) 및 캐소드 기체 확산 층(605) 둘 모두는 미세-배열 다공성 재료를 포함하며, 이는 연료 전지에서 상기 층의 기체 확산 효율을 증가시키기 위해 상기 층의 표면의 소수성을 증가시키도록 임의로 표면-처리된다.
이것이 촉매 층, 기체 확산 층 또는 수처리 층에서 이용되는지에 관계없이 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료를 포함하는 연료 전지 장치의 일부 구현예에서, 미세-배열 다공성 연료 전지 전극 재료는 연료 전지 장치에 존재하거나 또는 여기에서 발생하는 전기화학적 반응으로부터 생성된 산 및 알칼리의 부식을 방지하도록 상기 전극 재료의 부분 또는 전체 상에서 산화에 의해 표면-처리될 수 있다.
구체적인 구현예가 상기에 상세히 설명되었지만, 이러한 설명은 단지 예시의 목적을 위한 것이다. 따라서, 상술된 다수의 측면은 명시적으로 달리 언급되지 않는 한 요구되거나 또는 필수적인 요소로서 의도되지 않는다는 것을 알아야 한다. 예시적인 구현예의 개시된 측면의 다양한 변형 및 이에 상응하는 등가의 작용이 상술된 것에 더하여 당업자에 의해 이루어질 수 있으며, 이는 하기 청구범위에 한정된 개시내용의 취지 및 범주를 벗어나지 않으면서 본 개시내용의 이점을 갖고, 이의 범주는 이러한 변형 및 등가의 구조를 포함하도록 하는 가장 넓은 해석으로 간주되어야 한다.

Claims (46)

  1. 미세-배열 다공성 재료를 포함하는, 연료 전지 장치에 사용하기 위한 연료 전지 전극 재료로서,
    상기 미세-배열 다공성 재료는 500 nm 내지 5 mm의 기공 크기를 갖는 복수의 기공을 포함하고；
    상기 복수의 기공의 크기는 20% 미만의 분산도(variation)로 실질적으로 균일하고；
    상기 미세-배열 다공성 재료는 40 내지 85%의 공극률을 갖는,
    연료 전지 전극 재료.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미세-배열 다공성 재료가 Ni, Al, Cu, Au, Ag, Ti, Fe, Pt, Pd, Ru, Mn, Co 및 Cr로 이루어진 군으로부터 선택된 금속, 스테인리스 강, Pt-Co, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ti, Pt-Mn, Pt-Cu, Pt-V, Pt-Cr-Co, Pt-Fe-Cr, Pt-Fe-Mn, Pt-Fe-Co, Pt-Fe-Ni, Pt-Fe-Cu, Pt-Cr-Cu 및 Pt-Co-Ga로 이루어진 군으로부터 선택된 합금, 또는 CoTMPP-TiO2, CoFe2O4, Pt-WO3, Pt-TiO2, MnO2, CrO2 및 LaMnO3으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 산화물로 구성된 것인 연료 전지 전극 재료.
  3. 제1항에 있어서, 상기 미세-배열 다공성 재료의 복수의 기공의 기공 크기가 1000 내지 50000 nm인 연료 전지 전극 재료.
  4. 제3항에 있어서, 상기 미세-배열 다공성 재료가 74%의 공극률을 갖는 것인 연료 전지 전극 재료.
  5. 제4항에 있어서, 상기 미세-배열 다공성 재료가 Ru, Pd, Ni, Al, Cu, Au, Ag, Ti, Fe, Pt, 스테인리스 강, Mn, Co 또는 Cr; 또는 Pt-Co, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ti, Pt-Mn, Pt-Cu, Pt-V, Pt-Cr-Co, Pt-Fe-Cr, Pt-Fe-Mn, Pt-Fe-Co, Pt-Fe-Ni, Pt-Fe-Cu, Pt-Cr-Cu, 및 Pt-Co-Ga으로 이루어진 군으로부터 선택된 Pt-기재 합금; 또는 CoTMPP-TiO2, CoFe2O4, Pt-WO3, Pt-TiO2, MnO2, CrO2 및 LaMnO3으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 산화물로 구성된 것인 연료 전지 전극 재료.
  6. 제4항에 있어서, 상기 미세-배열 다공성 재료가 Ni, Al, Cu, Fe, Ti, Cr, Mn, Co 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속, ZnO, Cu2O, ITO, AZO, IZO 및 IGZO로 이루어진 군으로부터 선택된 전도성 세라믹, 또는 폴리피롤, 폴리페닐렌 술피드, 프탈로시아닌, 폴리아닐린 및 폴리티오펜으로 이루어진 군으로부터 선택된 전도성 중합체로 구성된 것인 연료 전지 전극 재료.
  7. 제6항에 있어서, 상기 미세-배열 다공성 재료가 Pt, Ru, Pd, CoPc, CoTMPP-TiO2 또는 CoFe2O4 중 적어도 하나로 코팅된 것인 연료 전지 전극 재료.
  8. 제6항에 있어서, Pt, Ru, Pd, CoPc, CoTMPP-TiO2 및 CoFe2O4 중 적어도 하나로 구성된 촉매 입자를 추가로 포함하며, 상기 촉매 입자는 상기 미세-배열 다공성 재료의 복수의 기공 내에 배치된 것인 연료 전지 전극 재료.
  9. 제6항에 있어서, 촉매 캐리어 입자 및 촉매 입자를 추가로 포함하며, 상기 촉매 입자는 상기 촉매 캐리어 입자의 표면 상에 배치되고； 상기 촉매 입자를 보유하는 촉매 캐리어 입자는 상기 미세-배열 다공성 재료의 복수의 기공 내에 배치된 것인 연료 전지 전극 재료.
  10. 제9항에 있어서, 상기 촉매 캐리어가 탄소 나노튜브, 그래핀 또는 탄소 나노구 중 적어도 하나를 포함하는 것인 연료 전지 전극 재료.
  11. 제10항에 있어서, 상기 촉매 입자가 Pt, Ru, Pd, CoPc, CoTMPP-TiO2 또는 CoFe2O4 중 적어도 하나로 구성된 것인 연료 전지 전극 재료.
  12. 제1항에 있어서, 상기 미세-배열 다공성 재료의 일부가 친수성이 되도록 표면-처리된 것인 연료 전지 전극 재료.
  13. 제12항에 있어서, 상기 미세-배열 다공성 재료가 상기 연료 전지 전극 재료의 표면 상에서 산화에 의해 표면-처리되거나, 친수성 플라즈마로 코팅되거나, 계면활성제로 처리되거나 또는 적어도 하나의 친수성 관능기를 갖는 화학물질로 개질된 것인 연료 전지 전극 재료.
  14. 제1항에 있어서, 상기 미세-배열 다공성 재료의 일부가 소수성이 되도록 표면-처리된 것인 연료 전지 전극 재료.
  15. 중합체 전해질 막 (PEM), 애노드 촉매 층 및 캐소드 촉매 층을 포함하는 막 전해질 어셈블리 (MEA)를 포함하는 연료 전지 장치로서,
    상기 중합체 전해질 막 (PEM)은 애노드 층 및 캐소드 층 사이에 샌드위칭되고;
    상기 애노드 촉매 층 및 상기 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나는 제4항에 따른 연료 전지 전극 재료 및 촉매를 포함하는,
    연료 전지 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 연료 전지 전극 재료에서의 미세-배열 다공성 재료가 Ni, Al, Cu, Fe, Ti, Cr, Mn, Co 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 구성되고； 상기 촉매가 Pt, Ru, Pd, CoPc, CoTMPP-TiO2 또는 CoFe2O4 중 적어도 하나인 연료 전지 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 촉매가 상기 미세-배열 다공성 재료의 표면 상에 균등하게 코팅된 것인 연료 전지 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 촉매의 입자가 상기 미세-배열 다공성 재료의 복수의 기공 내에 배치된 것인 연료 전지 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 애노드 촉매 층 및 상기 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나가 탄소 나노튜브, 그래핀 또는 탄소 나노구 중 적어도 하나로부터 선택된 촉매 캐리어를 추가로 포함하며, 상기 촉매 캐리어의 입자는 외부 표면 상에 상기 촉매의 입자를 보유하고, 상기 촉매 캐리어의 입자가 상기 애노드 촉매 층 및 상기 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나에서의 미세-배열 다공성 재료의 복수의 기공 내에 배치된 것인 연료 전지 장치.
  20. 제15항에 있어서, 상기 애노드 촉매 층 및 상기 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나가 이를 통해 반응성 기체가 확산되는 것을 허용하도록 구성된 것인 연료 전지 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 애노드 촉매 층의 일부 및 상기 캐소드 촉매 층의 일부 중 적어도 하나가 이를 통해 반응성 기체가 확산되는 것을 용이하게 하기 위해, 소수성이 증가하도록 표면-처리된 것인 연료 전지 장치.
  22. 제15항에 있어서, 애노드 기체 확산 층 및 캐소드 기체 확산 층을 추가로 포함하며,
    상기 애노드 기체 확산 층 및 상기 캐소드 기체 확산 층은 상기 중합체 전해질 막 (PEM)에 대향하는 상기 애노드 촉매 층 및 상기 캐소드 촉매 층의 측면 상에 각각 배열되고；
    상기 애노드 기체 확산 층 및 상기 캐소드 기체 확산 층 중 적어도 하나는 제1항에 따른 제2의 연료 전지 전극 재료를 포함하는 것인
    연료 전지 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 애노드 기체 확산 층 및 상기 캐소드 기체 확산 층 중 적어도 하나에서의 제2의 연료 전지 전극 재료의 기공 크기가 상기 애노드 촉매 층 및 상기 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나에서의 연료 전지 전극 재료의 기공 크기보다 더 작고；
    상기 애노드 기체 확산 층 및 상기 캐소드 기체 확산 층 중 적어도 하나가 Ru 또는 Pd 중 적어도 하나로부터 선택된 제2 촉매를 추가로 포함하는 것인
    연료 전지 장치.
  24. 제22항에 있어서, 상기 애노드 기체 확산 층, 상기 애노드 촉매 층, 상기 캐소드 촉매 층 및 상기 캐소드 기체 확산 층의 하부 상에 배열된 수처리 층을 추가로 포함하며,
    상기 수처리 층은 미세-배열 다공성 재료를 포함하는 제3의 연료 전지 전극 재료를 포함하고, 상기 미세-배열 다공성 재료는 500 nm 내지 5 mm의 기공 크기를 갖는 복수의 기공을 포함하고, 상기 복수의 기공의 크기는 20% 미만의 분산도(variation)로 실질적으로 균일하고, 상기 미세-배열 다공성 재료는 40 내지 85%의 공극률을 가지며, 여기서
    상기 수처리 층에서의 제3의 연료 전지 전극 재료의 기공 크기는 상기 애노드 촉매 층 및 상기 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나에서의 연료 전지 전극 재료의 기공 크기보다 더 크고, 상기 애노드 기체 확산 층 및 상기 캐소드 기체 확산 층 중 적어도 하나에서의 제2의 연료 전지 전극 재료의 기공 크기보다 더 크고；
    상기 수처리 층에서의 제3의 연료 전지 전극 재료는 친수성이 되도록 표면-처리된 것인
    연료 전지 장치.
  25. 제15항에 있어서, 애노드 수처리 층 및 캐소드 수처리 층을 추가로 포함하며,
    상기 애노드 수처리 층 및 상기 캐소드 수처리 층은 각각, 상기 애노드 촉매 층 및 상기 중합체 전해질 막 사이에 그리고 상기 캐소드 촉매 층 및 상기 중합체 전해질 막 사이에 배열되고；
    상기 애노드 수처리 층 및 상기 캐소드 수처리 층 중 적어도 하나는 제1항에 따른 제2의 연료 전지 전극 재료를 포함하고, 상기 제2의 연료 전지 전극 재료의 기공 크기는 상기 애노드 촉매 층 및 상기 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나에서의 연료 전지 전극 재료의 기공 크기보다 더 크고；
    상기 애노드 촉매 층 및 상기 캐소드 촉매 층은 이를 통해 반응성 기체가 확산되는 것을 허용하도록 구성된 것인
    연료 전지 장치.
  26. 제15항에 있어서, 애노드로부터 캐소드로의 순서로 애노드 기체 확산 층, 애노드 촉매 층, 중합체 전해질 막 (PEM), 캐소드 촉매 층 및 캐소드 기체 확산 층을 포함하는 막 전해질 어셈블리 (MEA)를 포함하며,
    상기 애노드 기체 확산 층 및 상기 캐소드 기체 확산 층 중 적어도 하나는 제1항에 따른 연료 전지 전극 재료를 포함하는 것인
    연료 전지 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 애노드 촉매 층 및 상기 캐소드 촉매 층 중 적어도 하나가 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노구로부터 선택된 촉매 캐리어를 포함하는 것인 연료 전지 장치.
  28. 제1항의 연료 전지 전극 재료의 제조 방법으로서, 상기 방법은
    (i) 상기 미세-배열 다공성 재료를 3D 프린팅에 의해 또는 템플레이트 제작 접근법에 의해 제조하는 단계
    를 포함하며, 상기 템플레이트 제작 접근법은
    a) 콜로이드 입자 템플레이트를 전기영동으로 제작하는 단계；
    b) 상기 콜로이드 입자 템플레이트를 전극 재료로 침윤시키는 단계； 및
    c) 상기 콜로이드 입자 템플레이트를 제거하는 단계
    의 하위-단계를 포함하는, 제1항의 연료 전지 전극 재료의 제조 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 템플레이트 제작 접근법에서, 하위-단계 b)가 전착, PVD (물리적 기상 증착), CVD (화학적 기상 증착) 또는 졸-겔 (졸-겔 공정) 중 적어도 하나에 의해 달성되는 것인 방법.
  30. 제28항에 있어서, 단계 (i) 직후에
    (ii) 3D 프린팅에 의해 또는 템플레이트 제작 접근법에 의해 상기 미세-배열 다공성 재료의 상단 상에 제2 미세-배열 다공성 재료를 제조하는 단계
    를 추가로 포함하는, 연료 전지 전극 재료의 제조 방법.
  31. 제30항에 있어서, 단계 (ii)에서 상기 제2 미세-배열 다공성 재료가 상기 미세-배열 다공성 재료의 기공 크기보다 더 큰 기공 크기를 갖도록 구성되고, 상기 제2 미세-배열 다공성 재료가 친수성 표면을 갖도록 구성된 것인 방법.
  32. 제31항에 있어서, 단계 (ii)에서 상기 제2 미세-배열 다공성 재료가 친수성 전도성 중합체로 구성된 것인 방법.
  33. 제31항에 있어서, 단계 (ii)에서 상기 제2 미세-배열 다공성 재료가 친수성이 되도록 표면-처리된 것인 방법.
  34. 제33항에 있어서, 단계 (ii)에서 상기 제2 미세-배열 다공성 재료가 Ni, Al, Cu, Fe, Ti, Cr, Mn, Co 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 구성되고, 상기 제2 미세-배열 다공성 재료의 표면이 산화에 의해 처리된 것인 방법.
  35. 제33항에 있어서, 단계 (ii)에서 상기 제2 미세-배열 다공성 재료가 친수성 재료로 코팅된 것인 방법.
  36. 제28항에 있어서, 단계 (i) 직후에
    (ii) 촉매 입자를 보유하는 촉매 캐리어의 입자를 상기 미세-배열 다공성 재료의 표면 상에 또는 상기 미세-배열 다공성 재료에서의 복수의 기공 내로 분포하는 단계
    를 추가로 포함하는, 연료 전지 전극 재료의 제조 방법.
  37. 제36항에 있어서, 상기 촉매 캐리어가 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노구 중 적어도 하나로부터 선택된 것인 연료 전지 전극 재료의 제조 방법.
  38. 제37항에 있어서, 단계 (ii) 직후에
    (iii) 상기 촉매 입자를 상기 연료 전지 전극 재료 내 미세-배열 다공성 재료와 결합시키는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  39. 제38항에 있어서, 상기 단계 (iii)이 가열에 의해 달성되는 것인 방법.
  40. 제28항에 있어서, 단계 (i) 직후에
    (ii) 상기 미세-배열 다공성 재료에 내부식성 처리를 가하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  41. 제40항에 있어서, 단계 (i)에서 상기 미세-배열 다공성 재료가 Zn, Ti 및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 구성되고； 단계 (ii)에서 상기 내부식성 처리가 산화 처리인 방법.
  42. 제40항에 있어서, 단계 (i)에서 상기 미세-배열 다공성 재료가 Zn, Ti 및 Ni로 이루어진 군으로부터 선택된 금속으로 구성되고； 단계 (ii)에서 상기 내부식성 처리가 내부식성 재료로의 표면-코팅인 방법.
  43. 제1항에 따른 연료 전지 전극 재료를 포함하며, SOFC (고체 산화물 연료 전지), DMFC (직접 메탄올 연료 전지), PAFC (인산 연료 전지), FC, MCFC (용융 탄산염 연료 전지) 또는 PFC 중 적어도 하나인 연료 전지 장치.
  44. 제13항에 있어서, 상기 미세-배열 다공성 재료가 상기 연료 전지 전극 재료의 표면 상에서 계면활성제로 처리함으로써 표면-처리되고, 상기 계면활성제가 암모늄 라우릴 술페이트, 소듐 라우릴 술페이트 (SDS), 디옥틸 소듐 술포숙시네이트, 퍼플루오로옥탄술포네이트 (PFOS), 퍼플루오로부탄술포네이트, 소듐 라우로일 사코시네이트, 퍼플루오로노나노에이트 또는 퍼플루오로옥타노에이트 중 적어도 하나인 연료 전지 전극 재료.
  45. 제13항에 있어서, 상기 미세-배열 다공성 재료가 상기 연료 전지 전극 재료의 표면 상에서 적어도 하나의 친수성 관능기를 갖는 화학물질로 개질함으로써 표면-처리되고, 상기 친수성 관능기가 히드록실 (-OH) 기 또는 카복실 (-COOH) 기인 연료 전지 전극 재료.
  46. 제14항에 있어서, 상기 미세-배열 다공성 재료가 상기 연료 전지 전극 재료의 표면 상에서 소수성 플라즈마로 코팅함으로써 또는 플루오로실리콘, 실록산 또는 플루오로카본 중 적어도 하나로 처리함으로써 표면-처리된 것인 연료 전지 전극 재료.
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