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KR20080032962A - 연료 전지용 캐소드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 캐소드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템 Download PDF

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KR20080032962A
KR20080032962A KR1020060099418A KR20060099418A KR20080032962A KR 20080032962 A KR20080032962 A KR 20080032962A KR 1020060099418 A KR1020060099418 A KR 1020060099418A KR 20060099418 A KR20060099418 A KR 20060099418A KR 20080032962 A KR20080032962 A KR 20080032962A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
electrode
cathode
fuel
carbon
Prior art date
Application number
KR1020060099418A
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English (en)
Inventor
박찬희
민명기
최고울
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020060099418A priority Critical patent/KR20080032962A/ko
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Abstract

본 발명은 연료 전지용 캐소드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 캐소드 전극은 전극 기재, 전극 기재에 형성되고, 산소 공급층 및 이 산소 공급층에 형성된 촉매층을 포함한다.
본 발명의 캐소드 전극은 산소 공급층을 포함하므로, 산화제로 공기를 사용하더라도 산소 공급이 원활하여 전기화학적 반응 속도를 향상시킬 수 있어, 경제적이면서도 우수한 성능을 나타내는 연료 전지를 제공할 수 있다.
캐소드전극,연료전지,세리아,산소

Description

연료 전지용 캐소드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템{CATHOD FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL COMPRISING SAME, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 캐소드 전극을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지용 캐소드 전극을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 캐소드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 캐소드 전극의 포텐셜을 증가시켜 전기화학적 반응 속도를 증가시킬 수 있는 연료 전지용 캐소드 전 극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가 능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고또한 전자가 발생하며, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
본 발명의 목적은 전기화학적 반응 속도를 향상시킬 수 있는 연료 전지용 캐소드 전극을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 캐소드 전극을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 캐소드 전극을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전극 기재 전극 기재에 형성된 산소 공급층 및 상기 산소 공급층에 형성된 촉매층을 포함하는 연료 전지용 캐소드 전극을 제공한다.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하며, 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부, 상기 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료 전지용 캐소드 전극에 관한 것이다. 일반적으로 연료 전지의 캐소드 전극에서, 산화제로 공기를 사용하는 경우 산소를 사용하는 경우에 비하여 약 50% 이상의 성능 감소가 발생하는 문제가 있었다. 따라서, 순수 산소를 산화제로 사용하여야하나 이는 별도의 산소 연료 탱크 사용이 요구되어, 시스템 부피 면에서나, 또한 순수 산소의 가격이 비싸 경제적이지 못하고 취급이 어려운 문제가 있다.
본 발명에서는 공기 중에서 산소를 원활하게 공급시켜줄 수 있는 산소 공급층을 캐소드 전극에 사용하여 이러한 문제를 해결할 수 있었다.
본 발명의 캐소드 전극은 전극 기재, 이 전극 기재에 형성된 산소 공급층 및 이 산소 공급층에 형성된 촉매층을 포함한다.
상기 산소 공급층(100)은 도 1에 나타낸 것과 같이, 전극 기재(20)에 형성된 도전성 물질과 금속 산화물을 포함하는 단일층(22)으로 형성될 수도 있고, 도 2에 나타낸 것과 같이, 도전성 물질로 형성된 도전층(32) 및 이 도전층에 형성된 금속 산화물층(34)의 이중층으로 형성될 수도 있다. 촉매층(40)은 상기 산소 공급층(100)의 위에 형성된다.
상기 금속 산화물로는 산소를 전달할 수 있으며, 산소를 선택적으로 저장 및 방출할 수 있는 금속 산화물이 바람직하며, 바람직한 금속 산화물로는 세리아(CeO2) 및 도펀트가 도핑된 세리아 및 이들의 조합이 바람직하다. 상기 도펀트가 도핑된 세리아가 열적 안정성이 우수하여 보다 바람직하다. 상기 도펀트로는 가돌리움 (Gd), 지르코늄 (Zr), 사마리움 (Zm), 이트리움 (Y), 스트론튬 (Sr), 란타늄 (La), 칼슘 (Ca), 이들의 산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 도펀트의 도핑량은 세리아 중량에 대하여 30 중량% 이하가 적당하며, 0.001 중량% 내지 30 중량%가 바람직하다.
본 발명의 캐소드 전극에서 상기 금속 산화물의 함량은 산소 공급층의 구조가 단일층이던 이중층이던 상관없이 도전성 물질 중량에 대하여 5 내지 30 중량%가 바람직하며, 8 내지 15 중량%가 더욱 바람직하다. 상기 금속 산화물의 함량이 5 중량% 미만이면, 본 발명의 효과를 볼 수 없고, 30 중량%를 초과하는 경우에는 산소 공급층의 전기 전도성이 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 않다.
상기 금속 산화물을 포함하는 산소 공급층은 산소를 저장 및 방출할 수 있으므로, 공기 산화제를 사용하는 경우에도 산소를 백금 촉매 표면에 잘 분산시켜, 촉매 표면에서의 산소 분압을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명의 이러한 효과는 본 발명에서 사용되는 금속 산화물이 전기 전도성이 없으므로, 촉매층에 사용하는 것에 비하여 전극 기재에 형성되는 산소 공급층에 사용되는 것이 보다 극대화될 수 있어서 바람직하다. 아울러, 이 산소 공급층이 반응물의 확산 및 생성물의 원활한 배출을 도와주는 역할도 하므로, 전지 특성을 향상시킬 수 있고, 이러한 효과 역시 금속 산화물을 촉매층에 사용하는 경우 얻을 수 없다.
본 발명에서 산소 공급층의 두께는 발명의 효과에 영향을 미치지 않으므로, 두께는 특별하게 한정할 필요가 없다.
상기 도전성 물질로는 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 사용할 수 있다.
또한, 상기 산소 공급층은 바인더를 더욱 포함할 수 있다. 상기 바인더로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하 게 사용될 수 있다.
상기 산소 공급층은 도전성 물질, 금속 산화물, 바인더 및 용매를 혼합하고, 이 혼합물을 전극 기재에 도포하여 형성되는 것이다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 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.
상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또 는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
본 발명의 촉매층에서 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 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, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 이와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 바람직하다. 구체적인 예로는Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.
상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바 인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 고분자와 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.
상기 캐소드 전극을 포함하는 본 발명의 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 본 발명의 막-전극 어셈블리를 도 3에 개략적으로 나타내었다. 즉, 본 발명의 막-전극 어셈블리(50)는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극(52) 및 본 발명의 캐소드 전극(51)을 포함하고, 이 애노드 전극(52) 및 캐소드 전극(51) 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(55)을 포함한다. 상기 캐소드 전극(51)은 도 1 또는 도 2에 나타낸 구성을 갖으나, 본 도면에서는 간략하게 나타내었다.
상기 애노드 전극은 전극 기재 및 이 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함한 다. 캐소드 전극의 촉매층에서 촉매로는 애노드 전극에서 설명한 촉매는 모두 사용할 수 있으므로 별도의 설명은 생략하기로 한다.
또한 상기 촉매층도 캐소드 전극과 동일하게 바인더 수지를 더 포함할 수 있으며, 사용되는 바인더 수지는 애노드 전극과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한 상기 전극 기재도 애노드 전극과 동일하므로 이에 대한 설명도 생략하기로 한다.
상기 고분자 전해질 막은 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다. 본 발명의 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 시스템 및 직접 산화형 연료 전지 시스템에 모두 적용될 수 있다.
상기 전기 발생부는 본 발명의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서, 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제로는 산소 또는 공기를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 공기를 사용하 더라도, 전기 화학적 반응 속도가 감소되지 않는, 즉 향상된 전기 화학적 반응 속도를 나타내므로, 본 발명의 효과는 공기를 사용하는 경우 극대화될 수 있다. 따라서, 경제적인 공기를 산화제로 사용하는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 4에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 4에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실 시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
0.1M 농도의 질산 세륨 (Ce(NO3)3) 수용액과 0.1M 농도의 질산 지르코늄 (Zr(NO3)4) 수용액을 80 :20 중량%로 혼합한 용액에, 1M의 암모니아 수용액을 적가(dropping)하여, pH를 4~5를 유지하였다. 얻어진 혼합 용액을 1시간 동안 교반하고, 교반 용액을 여과하여 얻어진 여과물을 세척 및 건조하여 얻어진 공침전물을 세척 및 건조시키고, 건조 생성물을 600℃에서 3시간 동안 소성시켜 지르코늄이 도핑된 세리아(Ce0.8Zr0.2O2)를 제조하였다. 이때, 지르코늄의 도핑량은 세리아 중량에 대하여 20 중량%였다.
탄소 분말, 폴리테트라플루오로에틸렌 바인더, 이소프로필알코올 용매 및 상기 제조한 지르코늄이 도핑된 세리아를 혼합하여, 산소 공급층 형성용 조성물을 제조하였다. 이때, 상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량은 탄소 분말 중량에 대하여 15 중량%로 하였다. 상기 탄소 분말, 바인더및 이소프로필알코올 용매의 혼합비율은 1 : 0.2 : 10 였다. 이 산소 공급층 형성용 조성물을 스크린 프린팅법을 이용하여 탄소 페이퍼 전극 기재 위에 고르게 도포하였다.
용매로 사용되었던 이소프로필알코올을 제거하고 첨가한 폴리테트라플루오로에틸렌 바인더가 탄소 분말간 바인더 역할을 충분히 하고 고르게 분산되게 하기 위하여, 상기 산소 공급층 조성물이 도포된 탄소 페이퍼 전극 기재를 350℃의 온도 및 질소 분위기에서 1시간 동안 열처리를 하였다.
제조된 산소 공급층이 형성된탄소 페이퍼에 5g의 Pt 블랙 캐소드촉매 및 10.0g의 10 중량% 나피온/H2O/2-프로판올 바인더를 혼합하여 제조된캐소드 촉매층 조성물을 도포하여, 캐소드 전극을 제조하였다.
(실시예 2)
상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량을 탄소 분말 중량에 대하여 5 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 3)
상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량을 탄소 분말 중량에 대하여 30 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 4)
상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량을 탄소 분말 중량에 대하여 8 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 5)
상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량을 탄소 분말 중량에 대하여 10 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 6)
상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량을 탄소 분말 중량에 대하여 20 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 7)
상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량을 탄소 분말 중량에 대하여 25 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 8)
지르코늄이 도핑된 세리아 대신 지르코늄이 도핑되지 않은 세리아를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(비교예 1)
탄소 분말, 폴리테트라플루오로에틸렌 바인더 및 이소프로필 알코올을 1 : 0.2 : 10 중량비로 혼합하여 미세 기공층 형성용 조성물을 제조하고, 이 미세 기공층 형성용 조성물을 스크린 프린팅법을 이용하여 탄소 페이퍼 위에 고르게 도포하였다. 용매로 사용되었던 이소프로필 알코올을 제거하고 첨가한 폴리테트라플루오로에틸렌이 탄소 분말간 바인더 역할을 충분히 하고 고르게 분산되게 하기 위하여, 미세 기공층 형성 조성물이 도포된 탄소 페이퍼를 350℃, 질소 분위기에서 1시간 동안 열처리를 하였다.
미세 기공층이 형성된 탄소 페이퍼에 실시예 1에서 사용한 촉매층 조성물을 도포하여, 캐소드 전극을 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 캐소드 전극과 Pt-Ru 애노드 전극을 이용하여 연료 전지를 제조하였다. 이 연료 전지에 메탄올 연료 및 공기 산화제를 공급하면서, 연료 전지의 전류 밀도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
전류밀도(mA/cm2)＠0.6V
실시예 1 810
비교예 1 690
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 미세 기공층이 형성된 캐소드 전극을 사용한 연료 전지는 비교예 1에 비하여 산화제로 공기를 사용하더라도, 매우 높은 전류 밀도를 나타냄을 알 수 있다. 아울러, 상기 실시예 2 내지 8의 미세 기공층이 형성된 캐소드 전극을 사용한 연료 전지의 전류 밀도를 측정한 결과 실시예 1과 유사한 높은 전류 밀도를 나타내는 것으로 나타났다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 캐소드 전극은 산소 공급층을 포함하므로, 산화제로 공기를 사용하더라도 산소 공급이 원활하여 전기화학적 반응 속도를 향상시킬 수 있어, 경제적이면서도 우수한 성능을 나타내는 연료 전지를 제공할 수 있다.

Claims (12)

  1. 전극 기재;
    상기 전극 기재에 형성된 산소 공급층; 및
    상기 산소 공급층에 형성된 촉매층
    을 포함하는 연료 전지용 캐소드 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산소 공급층은 금속 산화물을 포함하는 것인 연료 전지용 캐소드 전극.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 세리아(CeO2), 도펀트가 도핑된 세리아 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 캐소드 전극.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 금속 산화물의 함량은 상기 도전성 물질 중량에 대하여 5 내지 30 중량%인 연료 전지용 캐소드 전극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속 산화물의 함량은 상기 도전성 물질 중량에 대하여 8 내지 15 중량%인 연료 전지용 캐소드 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산소 공급층은 도전성 물질을 포함하는 것인 연료 전지용 캐소드 전극.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 도전성 물질은 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn), 카본 나노 링(carbon nano ring) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 캐소드 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 산소 공급층은 도전성 물질과 금속 산화물을 포함하는 단일층인 연료 전지용 캐소드 전극.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산소 공급층은
    상기 전극 기재에 형성되고, 도전성 물질을 포함하는 도전층; 및
    상기 도전층에 형성된 금속 산화물층
    을 포함하는 이중층인 연료 전지용 캐소드 전극.
  10. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및
    상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막
    을 포함하고,
    상기 캐소드 전극은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전극인
    연료 전지용 막-전극 어셈블리.
  11. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 것인 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;
    상기 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및
    산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부
    를 포함하는 연료 전지 시스템으로서,
    상기 캐소드 전극은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전극인 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 산화제는 공기인 연료 전지 시스템.
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