KR20080050872A - 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지 - Google Patents

연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20080050872A
KR20080050872A KR1020060121732A KR20060121732A KR20080050872A KR 20080050872 A KR20080050872 A KR 20080050872A KR 1020060121732 A KR1020060121732 A KR 1020060121732A KR 20060121732 A KR20060121732 A KR 20060121732A KR 20080050872 A KR20080050872 A KR 20080050872A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
membrane
fuel cell
electrode assembly
platinum
fuel
Prior art date
Application number
KR1020060121732A
Other languages
English (en)
Inventor
오유진
김준엽
유황찬
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020060121732A priority Critical patent/KR20080050872A/ko
Publication of KR20080050872A publication Critical patent/KR20080050872A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • H01M8/1013—Other direct alcohol fuel cells [DAFC]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체는 이온전도막; 및 상기 이온전도막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 확산층 및 상기 확산층에 형성되는 촉매층을 포함하고, 상기 이온전도막은 연료의 산화를 위한 촉매를 포함하여 형성되는 크로스오버방지층 및 상기 크로스오버방지층을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 고분자 전해질막들을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 따르면, 고분자전해질막 내에 연료의 산화를 위한 촉매를 포함하는 크로스오버방지층을 두어 액상 연료가 물과 함께 전해질막을 통과해 캐소드 전극(공기극)으로 넘어가는 크로스오버(crossover) 현상을 방지하거나 감소시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
연료전지, 막-전극 접합체, 전해질막, 기체확산층, 촉매층, 이온전도막, 크로스오버방지층

Description

연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지{Membrane-electrode assembly of fuel cell and fuel cell}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1에 따라 제조된 막-전극 접합체를 이용하여 제조된 단위전지의 성능 평가 그래프이다.
본 발명은 연료전지의 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것으로, 액상 연료를 사용하는 연료전지에서 연료가 물과 함께 전해질막을 통과해 캐소드 전극으로 넘어가는 크로스오버 현상을 방지하거나 감소시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지의 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막-전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1 및 반응식 1(수소를 연료로 사용한 경우의 연료전지의 반응식)을 참조하면, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서는 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
애노드 전극: H2 → 2H++2e-
캐소드 전극: 1/2O2+2H++2e- → H2O
전체 반응식: H2+1/2O2 → H2O
연료전지에는 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높은 장점이 있으나, 메탄이나 메탄올 같은 연료를 개질하기 위한 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다. 이에 반해, 직접메탄올형 연료전지는 반응속도가 느려서 고분자전해질형 연료전지에 비해 에너지 밀도가 낮고, 출력이 낮으며, 많은 양의 촉매를 사용하여야 한다는 단점이 있으나, 별도의 개질 장치가 필요 없으며, 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮은 장점이 있다. 따라서, 최근에는 메탄올을 포함한 액상 연료를 사용하는 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 이처럼 액상 연료를 사용하는 연료전지에서는 연료가 물과 함께 전해질막을 통과하여 캐소드 전극으로 넘어가는 이른바 크로스오버(crossover)가 발생하여 연료전지의 전력 밀도를 낮추는 문제가 있다. 따라서, 액상 연료를 사용하는 연료전지에 있어서는 연료의 크로스오버를 방지하거나 감소시키는 것이 연료전 지의 성능을 높이는 가장 중요한 요소 중의 하나로 인식되고 있다. 따라서, 이와 같은 문제점을 해결하려는 노력이 관련 분야에서 꾸준하게 이루어져 왔으며, 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출된 것이다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 액상 연료를 사용하는 연료전지에서 연료가 물과 함께 전해질막을 통과해 캐소드 전극으로 넘어가는 크로스오버 현상을 방지하거나 감소시켜 연료전지의 성능을 향상시키고자 함에 있으며, 이러한 기술적 과제를 달성할 수 있는 연료전지의 막-전극 접합체 및 연료전지를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, 이온전도막; 및 상기 이온전도막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 확산층 및 상기 확산층에 형성되는 촉매층을 포함하고, 상기 이온전도막은 연료의 산화를 위한 촉매를 포함하여 형성되는 크로스오버방지층 및 상기 크로스오버방지층을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 고분자 전해질막들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 있어서, 상기 크로스오버방지층에서 의 촉매 로딩량은 0.1 내지 0.5mg/cm2인 것이 바람직하고, 상기 크로스오버방지층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 크로스오버방지층의 두께는 1 내지 30㎛인 것이 바람직하다.
상기 기체확산층은 대표적으로 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하여 이루어질 수 있으며, 상기 고분자 전해질막은 대표적으로 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 애노드 전극의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 촉매는 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다. 상기 캐소드 전극의 촉매층은 백금을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 백금은 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.
상기 막-전극 접합체는 액상 연료를 사용하는 연료전지에 사용되어 연료가 전해질막을 넘어 크로스오버되는 것을 효과적으로 막을 수 있는데, 연료전지에 사용되는 대표적인 액상 연료로는 메탄올, 에탄올, 부탄올, 프로판올, 또는 개미산을 들 수 있다. 상기 막-전극 접합체는 대표적으로 직접메탄올 연료전지에 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 하나 또는 둘 이상의 본 발명에 따른 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및 산화제를 상기 전기발생부로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 대하여 살펴본다.
일반적인 연료전지의 막-전극 접합체에서는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 고분자전해질막이 위치한다. 그러나, 본 발명의 막-전극 접합체는 두 층의 고분자전해질막(201a) 사이에 연료의 산화를 위한 촉매를 포함하는 촉매층 즉 크로스오버방지층(201b)을 위치시켜 연료의 크로스오버를 방지한다. 즉, 본 발명의 막-전극 접합체는 종래의 고분자전해질막의 구조를 개선하여, 연료의 산화를 위한 촉매를 포함하는 크로스오버방지층(201b) 및 상기 크로스오버방지층(201b)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 고분자 전해질막(201a)을 포함하는 이온전도막(201)을 포함한다. 이와 같은 구조의 이온전도막(201) 양면에는 각각 애노드 전극 및 캐소드 전극이 위치하고, 애노드 전극 및 캐소드 전극은 각각 촉매층(203, 205) 및 기체확산층(209)을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 막-전극 접합체에서는 애노드 전극(203, 209)에서 산화되지 못하고 물과 함께 고분자전해질막(201a)을 통과해 가는 액상 연료가 크로스오버방지층(201b)의 촉매들에 의해 산화되므로, 연료의 크로스오버를 방지하거나 크게 감소시킬 수 있다.
상기 크로스오버방지층(201b)에는 연료의 산화를 위한 촉매들이 사용될 수 있으며, 연료전지의 애노드 전극에 사용되는 촉매들이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 대표적으로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-전이금속 합금 등이 사용될 수 있으며, 이들은 그 자체로 사용될 수도 있지만, 담체에 담지되어 사용될 수 있으며 대표적인 담체로는 덴카블랙, 아세틸렌블랙, 흑연 등의 탄소계 담체를 들 수 있다.
상기 크로스오버방지층(201b)의 촉매 로딩량은 0.1 내지 0.5mg/cm2인 것이 바람직한데, 촉매 로딩량이 상기 하한치에 미달되면 소망하는 정도의 크로스오버 방지 효과를 기대할 수 없으며, 상기 상한치를 초과하면 전해질막의 이온전도도를 떨어뜨려 바람직하지 못하다. 상기 크로스오버방지층(201b)의 두께는 1 내지 30㎛인 것이 바람직한데, 두께가 상기 하한치에 미달되면 소망하는 정도의 크로스오버 방지 효과를 기대할 수 없으며, 상기 상한치를 초과하면 전해질막의 이온전도도를 떨어뜨려 바람직하지 못하다.
크로스오버방지층(201b)을 도입하는 방법은 촉매층을 전해질막에 형성하는 방법과 동일하게 진행할 수 있는데, 예를 들어 촉매 잉크를 전해질막에 직접적으로 코팅한 후 그 위에 전해질막을 접착시켜 제조할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다. 촉매 잉크는 촉매, 폴리머 이오노머(polymer ionomer) 및 용매로 이루어질 수 있다.
폴리머 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질 막으로 이동하기 위한 통로를 제공해주는 역할을 하는데, 그 예로는 나피온 이오노머, 술포네이티드 폴리트리플루오르스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
사용 가능한 용매의 예로는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜 등이 있고, 이들 용매를 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 전해질막(201a)은 애노드 전극에서 발생한 수소 이온이 캐소드 전극으로 전달되는 전달 통로가 되는 것으로, 전해질막에는 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 또는 염기가 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 애노드 전극은 연료의 산화 반응이 일어나는 곳으로, 그 촉매층(203)에는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 캐소드 전극은 산화제의 환원 반응이 일어나는 곳으로, 그 촉매층(205)에는 백금이 촉매로 사용될 수 있다. 상기 촉매들은 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있으며, 대표적인 담체로는 덴카블랙, 아세틸렌블랙, 흑연 등의 탄소계 담체를 들 수 있다.
상기 촉매층들(203, 205)을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법들이 채용될 수 있으며, 앞서 크로스오버방지층을 전해질막에 형성하는 방법 또한 채용될 수 있다.
상기 기체확산층(209)은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물을 이동시키고 확산시키는 곳으로, 대표적으로 탄소페이퍼, 탄소천 또는 탄소펠트를 포함하여 이루어질 수 있으며, 기체확산층의 촉매층과 접하는 면에는 미세기공층이 형성될 수 있다.
상기 막-전극 접합체는 액상 연료를 사용하는 연료전지에 사용되어 연료가 전해질막(201a)을 넘어 크로스오버되는 것을 효과적으로 막을 수 있는데, 연료전지에 사용되는 대표적인 액상 연료로는 메탄올, 에탄올, 부탄올, 프로판올, 또는 개미산을 들 수 있다. 액상 연료를 사용하는 가장 대표적인 연료전지에는 직접메탄올 연료전지가 있다.
본 발명은 또한 상기 본 발명의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 연료전지는 스택(200), 연료공급부(400) 및 산화제공급부(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 스택(200)은 본 발명의 막-전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 상기 세퍼레이터는 막-전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.
상기 연료 공급부(400)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(410) 및 연료탱크(410)에 저장된 연료를 스택(200)으로 공급하는 펌프(420)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.
상기 산화제 공급부(300)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다.　 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(300)로 주입하여 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다.　 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
1) 막-전극 접합체의 제조
실시예 1
본 발명에 따른 이중막 구조의 막-전극 접합체의 제조를 위해, 애노드 대향면에 쓰인 전해질막은 나피온 115(듀퐁, 125㎛)으로, 캐소드 대향면에 쓰인 전해질막은 캐리어 웹(솔루퍼, 25㎛)으로 하고, 나피온 115의 한 쪽에는 PtRu 블랙 촉매 와 나피온 아이오노머를 섞어서 1.4Ptmg/cm2로 로딩하였고, 캐리어 웹막의 한쪽면에는 Pt 블랙 촉매와 나피온 아이오노머를 섞어서 4 Ptmg/cm2로 로딩하였다. 크로스오버 방지층은 PtRu 블랙 촉매를 0.2 Ptmg/cm2로 로딩하였고, 크로스오버방지층의 두께는 약 15㎛이다. 크로스오버 방지층은 나피온 115 전해질막의 애노드 촉매층을 코팅하지 않은 다른 한쪽면에 코팅하였다. 이용된 코팅방식은 스프레이 코팅이다. 이 후 이들 두 막을 맞대고 140oC에서 1ton의 무게로 3분 유지시켜 열간 압착함으로써 막-전극 접합체를 제조하였다.
실시예 2
크로스오버 방지층의 PtRu 블랙 촉매를 0.6 Ptmg/cm2로딩하고, 크로스오버 방지층의 두께를 약 35㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 막-전극 접합체를 제조하였다.
비교예 1
나피온 115 막 (125㎛) 을 이용하여 한 쪽면에는 PtRu 블랙 촉매와 나피온 아이오노머를 섞어서 2 Ptmg/cm2 를 로딩하였고, 다른 한쪽 면에는 Pt 블랙 촉매를 4 Ptmg/cm2 를 로딩하여 크로스오버 방지층이 없는 막-전극 접합체를 제조하였다. 나머지 조건은 실시예 1과 동일하다.
2) 성능 평가
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1의 막-전극 접합체를 이용하여 단위전지를 제조하고, 이들에 대하여 성능 평가를 하였다. 단위전지의 유효면적은 50cm2이고, 성능 평가시 상압 70oC를 유지한 상태에서 애노드에 메탄올을 흘려주고, 캐소드에 공기를 흘려주었다. 성능 평가 결과를 도 4에 도시하였다.
도 4를 참조하면, 실시예 1의 결과 크로스오버 방지층이 작용으로 애노드의 촉매 로딩양이 비교예 1에 비하여 적었음에도 불구하고 더 높은 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 크로스오버 방지층이 없는 비교예 1와 크로스오버 방지층이 있는 실시예 1을 비교할 때 0.4V에서 얻을 수 있는 전류 밀도가 약 50mA/cm2 정도 차이가 났다.
실시예 2의 경우도 비교예 1에 비해 우수한 성능을 나타내기는 하였지만, 실시예 1에 훨씬 못 미치는 결과를 나타내었다. 이는 크로스오버 방지층의 두께가 과도하게 형성되어 수소 이온의 이온전도도가 떨어져 성능에 부정적인 영향을 끼쳤기 때문으로 생각된다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미 로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 따르면, 고분자전해질막 내에 연료의 산화를 위한 촉매를 포함하는 크로스오버방지층을 두어 액상 연료가 물과 함께 전해질막을 통과해 캐소드 전극(공기극)으로 넘어가는 크로스오버 현상을 방지하거나 감소시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (14)

  1. 이온전도막; 및
    상기 이온전도막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고,
    상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 확산층 및 상기 확산층에 형성되는 촉매층을 포함하고,
    상기 이온전도막은 연료의 산화를 위한 촉매를 포함하여 형성되는 크로스오버방지층 및 상기 크로스오버방지층을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 고분자 전해질막들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 크로스오버방지층에서의 촉매 로딩량은 0.1 내지 0.5mg/cm2인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 크로스오버방지층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 크로스오버방지층의 두께는 1내지 30㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기체확산층은 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 전극의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선 택되는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촉매는 탄소계 담체에 담지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드 전극의 촉매층은 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 백금은 탄소계 담체에 담지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체는 액상 연료를 사용하는 연료전지에 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 연료는 메탄올, 에탄올, 부탄올, 프로판올 및 개미산으로 이루어진 군 에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체는 직접메탄올 연료전지에 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
  14. 하나 또는 둘 이상의 제1항 내지 13항 중 어느 한 항에 따른 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택;
    연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및
    산화제를 상기 전기발생부로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
KR1020060121732A 2006-12-04 2006-12-04 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지 KR20080050872A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060121732A KR20080050872A (ko) 2006-12-04 2006-12-04 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060121732A KR20080050872A (ko) 2006-12-04 2006-12-04 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20080050872A true KR20080050872A (ko) 2008-06-10

Family

ID=39806039

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060121732A KR20080050872A (ko) 2006-12-04 2006-12-04 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20080050872A (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016163773A1 (ko) * 2015-04-08 2016-10-13 주식회사 엘지화학 고분자 전해질막, 이를 포함하는 전기화학 전지 및 흐름전지, 고분자 전해질막의 제조방법 및 흐름 전지용 전해액
CN114899462A (zh) * 2022-05-31 2022-08-12 成都岷山绿氢能源有限公司 一种固体氧化物燃料电池

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0790111A (ja) * 1993-06-18 1995-04-04 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk 高分子固体電解質組成物
JPH1040936A (ja) * 1996-07-26 1998-02-13 Honda Motor Co Ltd 直接メタノール型燃料電池
US5958616A (en) * 1998-02-06 1999-09-28 Lynntech, Inc. Membrane and electrode structure for methanol fuel cell
JP2005068396A (ja) * 2003-04-18 2005-03-17 Toyobo Co Ltd 複合イオン交換膜
KR20060098756A (ko) * 2005-03-07 2006-09-19 삼성에스디아이 주식회사 막-전극 어셈블리, 그 제조방법, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0790111A (ja) * 1993-06-18 1995-04-04 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk 高分子固体電解質組成物
JPH1040936A (ja) * 1996-07-26 1998-02-13 Honda Motor Co Ltd 直接メタノール型燃料電池
US5958616A (en) * 1998-02-06 1999-09-28 Lynntech, Inc. Membrane and electrode structure for methanol fuel cell
JP2005068396A (ja) * 2003-04-18 2005-03-17 Toyobo Co Ltd 複合イオン交換膜
KR20060098756A (ko) * 2005-03-07 2006-09-19 삼성에스디아이 주식회사 막-전극 어셈블리, 그 제조방법, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016163773A1 (ko) * 2015-04-08 2016-10-13 주식회사 엘지화학 고분자 전해질막, 이를 포함하는 전기화학 전지 및 흐름전지, 고분자 전해질막의 제조방법 및 흐름 전지용 전해액
JP2018506138A (ja) * 2015-04-08 2018-03-01 エルジー・ケム・リミテッド 高分子電解質膜、これを含む電気化学電池及びフロー電池、高分子電解質膜の製造方法、及びフロー電池用電解液
US10826100B2 (en) 2015-04-08 2020-11-03 Lg Chem, Ltd. Polymer electrolyte membrane, electrochemical cell and flow cell comprising same, method for manufacturing polymer electrolyte membrane, and flow cell electrolyte
CN114899462A (zh) * 2022-05-31 2022-08-12 成都岷山绿氢能源有限公司 一种固体氧化物燃料电池
CN114899462B (zh) * 2022-05-31 2024-03-26 成都岷山绿氢能源有限公司 一种固体氧化物燃料电池

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100969475B1 (ko) 두 종류의 발수성을 갖는 연료전지용 캐소드 전극 및 그제조방법과 이를 포함하는 막전극 접합체 및 연료전지
KR100717790B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템.
US20100196594A1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
US20060257715A1 (en) Direct oxidation fuel cell and manufacturing method therefor
US20100062307A1 (en) Direct oxidation fuel cell
US20090214918A1 (en) Anode of direct methanol fuel cell and direct methanol fuel cell employing the same
EP2287955A2 (en) Method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for fuel cell, membrane electrode assembly, and polymer electrolyte membrane type fuel cell
KR100999289B1 (ko) 복층 촉매층을 포함하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극및 그 제조방법
KR20180004592A (ko) 막 전극 접합체의 제조방법, 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료 전지
KR100969476B1 (ko) 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지
KR101312971B1 (ko) 불소계 이오노모를 이용하여 표면 개질한 탄화수소계 고분자 전해질 분리막, 막 전극 접합체 및 연료전지
US11843122B2 (en) Method for preparing fuel cell catalyst electrode and fuel cell catalyst electrode prepared therefrom
KR101008155B1 (ko) 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지
US20100075204A1 (en) Anode catalyst layer and membrane-electrode assembly of direct liquid feed fuel cell and direct liquid feed fuel cell
KR102075180B1 (ko) 막 전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지
KR20080050872A (ko) 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지
KR100907183B1 (ko) 연료전지용 기체확산층, 막-전극 접합체 및 연료전지
KR102090860B1 (ko) 고분자 전해질막, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료 전지
KR101098676B1 (ko) 연료전지용 전극의 제조방법과 이로부터 제조된 전극을포함하는 막전극 접합체 및 연료전지
KR20070014621A (ko) 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템
KR20140035621A (ko) 병렬형 연료전지 스택 및 그를 포함하는 연료전지
KR100969162B1 (ko) 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지
KR20170004747A (ko) 막 전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지 및 연료 전지를 포함하는 전지 모듈
KR101132459B1 (ko) 연료전지용 전극의 제조방법과 그로부터 제조된 연료전지용전극 및 이를 포함하는 막전극 접합체 및 연료전지
KR20110035123A (ko) 연료전지용 막전극 접합체 및 이의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application