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KR102900703B1 - 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지

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KR102900703B1
KR102900703B1 KR1020210190343A KR20210190343A KR102900703B1 KR 102900703 B1 KR102900703 B1 KR 102900703B1 KR 1020210190343 A KR1020210190343 A KR 1020210190343A KR 20210190343 A KR20210190343 A KR 20210190343A KR 102900703 B1 KR102900703 B1 KR 102900703B1
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KR
South Korea
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membrane
polymer electrolyte
electrode assembly
electrode
gasket
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KR1020210190343A
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조동준
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코오롱인더스트리 주식회사
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Abstract

본 발명은 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 고분자 전해질막, 고분자 전해질막의 둘레부를 감싸며 형성된 서브가스켓, 고분자 전해질막의 중심부 상에 서브가스켓과 서로 이격되어 형성된 전극층, 서브가스켓과 전극층 사이 및 고분자 전해질막 상에 형성된 접착부, 및 상기 전극층 및 상기 접착부 상에 형성된 기체확산층을 포함하여 내구성 및 촉매 사용률이 우수한 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

Description

막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL COMPRISING SAME}
본 발명은 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 메탄올, 에탄올, 천연 기체와 같은 탄화수소 계열의 연료물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 산화/환원반응과 같은 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템을 구비한 전지로서, 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 화석 에너지를 대체할 수 있는 차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있다.
이러한 연료전지는 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4 내지 10 배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목 받고 있다.
연료전지에서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)와 분리판(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가지며, 막-전극 접합체는 일반적으로 전해질 막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(애노드 또는 연료극)과 환원극(캐소드 또는 공기극)이 각각 형성된 구조를 이룬다.
연료전지는 전해질의 상태 및 종류에 따라 알칼리 전해질 연료전지, 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등으로 구분될 수 있는데, 그 중에 고분자 전해질 연료전지는 100 ℃ 미만의 낮은 작동온도, 빠른 시동과 응답특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다.
고분자 전해질 연료전지의 대표적인 예로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 액상의 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등을 들 수 있다.
고분자 전해질 연료전지에서 일어나는 반응을 요약하면, 우선, 수소가스와 같은 연료가 산화극에 공급되면, 산화극에서는 수소의 산화반응에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원극으로 전달되고, 생성된 전자는 외부회로를 통해 환원극에 전달된다. 환원극에서는 산소가 공급되고, 산소가 수소이온 및 전자와 결합하여 산소의 환원반응에 의해 물이 생성된다.
한편, 연료전지를 FCV(Fuel Cell Vehicle)에 적용하기 위해서는 연료전지 시스템의 소형화가 필수적이며, 이를 위해서는 단위 면적당 우수한 출력 밀도를 나타낼 수 있는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)의 개발이 요구되고, 특히 FCV의 실제적인 운행을 위해서는 MEA 촉매층의 내구성 증대가 필요한 실정이다.
일반적인 5-레이어(layer) MEA의 구조는 PEM과 전극이 결합된 촉매 코팅막(Catalyst Coated Membrane) 위에 활성영역이 뚫려있는 서브가스켓이 접합된 구조로 되어있다. 그리고 7-레이어 MEA의 경우 활성영역 주변의 서브가스켓 위에 접착제를 도포하고 기체확산층(GDL)을 접합하는 구조로 구성된다.
그러나 종래 MEA의 구조는 GDL 접합부 단차에서 기인하는 응력집중현상으로 열화 가속 및 GDL 파티클로 인한 스택 오염 문제가 있으며, 서브가스켓과 전극의 낮은 접합력으로 인해 MEA의 장기간 운전시 탈리 가능성 및 내구성이 저하되는 문제가 있고, 단차로 인한 활성영역의 전극과 GDL 밀착성 저하로 인한 저항 증가 및 워터트랩사이트(water trap site)가 발생할 가능성이 있으며, 전극층의 활성영역부에 도포된 접착제로 인하여 촉매 사용률이 저하되는 문제가 존재한다.
본 발명은 목적은 상기 종래 MEA에서 발생하는 문제들이 개선된 막-전극 접합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 막-전극 접합체가 적용되어 성능 및 내구성이 개선된 연료전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체(MEA)는 고분자 전해질막, 상기 고분자 전해질막의 둘레부를 감싸며 형성된 서브가스켓, 상기 고분자 전해질막의 중심부 상에 상기 서브가스켓과 서로 이격되어 형성된 전극층, 상기 서브가스켓과 상기 전극층 사이 및 상기 고분자 전해질막 상에 형성된 접착부, 및 상기 전극층 및 상기 접착부 상에 형성된 기체확산층을 포함하는 것이다.
상기 접착부는 상기 고분자 전해질막, 상기 서브가스켓, 상기 전극층 및 상기 기체확산층 각각과 모두 접할 수 있다.
상기 서브가스켓은 상기 고분자 전해질막과 접할 수 있다.
상기 전극층과 상기 접착부는 상기 고분자 전해질 상에 동일한 두께로 형성될 수 있다.
상기 기체확산층은 상기 전극층과 접할 수 있다.
상기 접착부를 이루는 접착물질의 일부는 상기 기체확산층의 일부로 흡수된 형태일 수 있다.
상기 접착부는 세리아 및 산화이리듐 중 1종 이상의 무기첨가제를 포함하는 접착물질로 형성된 것일 수 있다.
상기 서브가스켓, 상기 전극층, 상기 접착부 및 상기 기체확산층은 상기 고분자 전해질막의 양면에 각각 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 연료전지는 상기 막-전극 접합체를 포함하는 것이다.
본 발명의 막-전극 접합체는 서브가스켓이 고분자 전해질막과 직접적으로 접합될 수 있어 서브가스켓과 전극의 접합으로 인한 낮은 접합력 문제를 해결할 수 있어 종래 MEA의 탈리와 내구성 저하 문제를 해결한 효과가 있다.
본 발명의 막-전극 접합체의 구조는 기체확산층의 단차가 존재하지 않고, 응력이 집중되지 않아 응력집중으로 인한 MEA 열화 가속 및 기체확산층 파티클에 의한 스택 오염 문제를 해결한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 막-전극 접합체는 전극과 기체확산층의 우수한 밀착성으로 인해 스택 물 관리가 용이하며, 전극에 별도의 접착물질을 도포할 필요가 없어 전극의 촉매 사용률이 높은 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 단면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 상기 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체의 단면을 나타낸 것이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체(100)는 고분자 전해질막(1), 고분자 전해질막(1)의 둘레부를 감싸며 형성된 서브가스켓(2, 2'), 고분자 전해질막(1)의 중심부 상에 상기 서브가스켓(2, 2')과 이격되어 형성된 전극층(3), 서브가스켓(2, 2')과 전극층(3) 사이 및 상기 고분자 전해질막(1) 상에 형성된 접착부(4) 및 전극층(3) 및 접착부(4) 상에 형성된 기체확산층(5)을 포함하는 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 접합체는 기체확산층으로 인한 단차가 존재하지 않을 수 있는 구조로서, 종래 기체확산층으로 인한 단차로 인해 발생하는 막-전극 접합체의 성능 저하 및 내구성 저하를 방지할 수 있고, 종래 연료전지에 포함되는 막-전극 접합체보다 내구성 및 성능이 향상된 특징이 있다.
상기 접착부(4)는 접착물질을 전극층(3)과 서브가스켓(2, 2') 사이의 고분자 전해질막(1)이 노출된 부위에 도입한 후, 기체확산층(5)을 덮은 후 경화시킴으로써 형성할 수 있으며, 접착부(4)는 고분자 전해질막(1), 서브가스켓(2), 전극층(3) 및 기체확산층(5)과 각각 모두 접착되어 막-전극 접합체의 우수한 내구성을 구현할 수 있다.
서브가스켓(2, 2')은 전해질막의 둘레부를 감싸며 형성되며, 구체적으로 서브가스켓이 고분자 전해질막과 직접적으로 접할 수 있다. 서브가스켓이 고분자 전해질막과 접하는 경우가, 서브가스켓이 전극과 접하는 경우보다 우수한 접합력 구현이 가능하다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지의 경우, 서브가스켓과 전극이 접하는 경우보다 장시간 구동시 탈리 가능성을 크게 낮출 수 있고 높은 내구성을 발휘할 수 있다.
전극층(3)과 서브가스켓(2)의 간극에는 접착부(4)가 형성되며, 접착부(4)는 전극층(3)의 테두리 전체를 연속적으로 실링(sealing)하는 형태로 형성되어야, 누출(Leak) 방지 및 기체확산층(5) 접합력 향상을 통한 막-전극 접합체의 내구성 향상에 바람직하다. 이때 접착부(4)의 폭은 전극층(3)과 서브가스켓(2)의 간극의 폭과 같을 수 있으며, 이때 전극층(3)의 면적과 기체확산층(5)의 두께(무게) 등을 함께 고려하여 전극층과 서브가스켓의 간극 폭(접착부 폭)이 결정될 수 있으며, 예를 들어 접착부(4)의 폭은 1 내지 5 mm로 형성될 수 있다.
전극층(3)과 서브가스켓(2) 사이에 고분자 전해질막(1)이 노출된 부위에 접착물질을 도포하여 접착부(4)를 형성하는 과정에서 고분자 전해질막(1) 표면을 기준으로 접착부(4)의 높이가 전극층(3)의 높이와 동일하도록 접착부(4)를 형성하는 것이 바람직하다. 접착부(4)의 높이가 전극층(3)의 높이보다 낮게 형성된 경우 접착부(4)와 기체확산층(5) 사이에 간극이 생겨 막-전극 접합체의 내구성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있으며, 접착부(4)의 높이가 전극층(3)의 높이보다 높게 형성된 경우 전극층(3)과 기체확산층(5) 사이에 간극이 생겨 막-전극 접합체의 저항이 높아지며 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지의 효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
기체확산층(5)은 전극층(3)과 접하는 것이 막-전극 접합체의 저항 값을 낮출 수 있으며, 연료전지 구동에 따라 발생하는 물이 막-전극 접합체 내부에 고여 발생하는 워터트랩사이트(water trap site)를 방지할 수 있다. 도 1을 참고하면, 기체확산층(5)이 전극층(3)과 접하는 구성을 위해서 서브가스켓(2, 2')이 형성되지 않은 고분자 전해질막 상에만 기체확산층(5)이 형성되는 것이 바람직하며, 기체확산층(5)이 전극층(3)과 접하면서도 접착부(4)에 의해 막-전극 접합체(100)에 안정적으로 접하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 막-전극 접합체의 구조는 서브가스켓(2)과 전극층(3) 사이에 별도의 접착부(4)를 형성하였기 때문에, 기체확산층(5)을 고정하기 위하여 서브가스켓 또는 전극층 상에 접착물질을 도포할 필요가 없다. 서브가스켓 상에 접착물질을 도포하여 서브가스켓과 기체확산층이 접합되는 경우 전극과 기체확산층 사이에 공간이 발생하여 막-전극 접합체의 성능을 저하시킬 수 있으며, 전극층 상에 접착물질이 도포된 경우 전극층 내부로 접착물질이 스며들며 전극층에 포함된 촉매의 효율을 저해시키고 전극층의 활성영역 부분이 줄어드는 문제가 있을 수 있다. 따라서 본 발명의 막-전극 접합체 구조는 별도의 접착층 배치를 통하여 연료전지의 내구성 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
전극층과 서브가스켓 사이에 노출된 고분자 전해질막 상에 전극층의 높이보다 조금 높은 두께로 접착물질을 도입한 후 기체확산층을 전극층과 밀착시키는 공정을 통해, 접착물질의 일부가 기체확산층의 일부로 흡수되도록 할 수 있다. 접착물질의 일부가 기체확산층의 일부로 흡수되고 경화된 경우 접착부(4)가 기체확산층(5)을 더욱 단단히 고정시킬 수 있으며, 막-전극 접합체의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다. 접착제의 도입은 코팅, 디스펜싱, 전사, UV 노광 또는 고형 타입 등의 다양한 방식으로 가능하며 특별히 제한되지 않는다.
접착부(4)를 형성하는 접착물질은 막-전극 접합체를 구성하는 소재들과 불필요한 화학/물리적인 반응이 없으며, 100℃이하의 고온 다습한 환경에서 장시간 운전하여도 견딜 수 있는 내구성을 지닌 물질이면 특별히 제한되지 않으나, 추가적으로 세리아 및 산화이리듐 중 1종 이상의 무기첨가제를 더 포함할 수 있다. 접착부에 무기첨가제를 도입하는 경우 막-전극 접합체의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리는 도 1을 참조하면, 상기 고분자 전해질막, 서브가스켓, 전극층, 접착부 및 기체확산층의 구조가 고분자 전해질막 일면에 한정되는 것이 아니라 고분자 양면에 각각 형성된 구조일 수 있다.
도 1을 참고하면, 고분자 전해질막(1)의 일면에 배치되어 가스확산층(5)으로부터 전달된 연료를 수소 이온과 전자로 분리시키며 산화 반응을 일으키는 전극층(3)을 애노드 전극이라 하고, 고분자 전해질막(1)의 다른 일면에 배치되어 고분자 전해질막(1)을 통해 공급받은 수소 이온과 가스확산층(5')으로 전달된 산화제로부터 물을 생성시키는 환원 반응을 일으키는 전극층(3')을 캐소드 전극이라 한다.
고분자 전해질막(1) 및 전극층(3, 3')은 이오노머를 포함하며, 이오노머는 불소계 이오노머 및 탄화수소계 이오노머로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 이오노머를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소계 이오노머는 공지된 탄화수소계 고분자를 모두 사용할 수 있으며, 예를 들어 sulfonated derivatives of poly(arylene ether)s (SPAEs), poly(arylene sulfide)s (SPASs), polyimides (SPIs), polybenzimidazoles (PBIs), polyphenylenes (PPs), 폴리에테르에테르케톤 (PEEK)일 수 있다. 또한 상기 불소계 고분자는 공지된 불소계 고분자를 모두 사용할 수 있으며, 예를 들어 과불소계술폰산, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌, 트리플루오로에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 또는 이들의 공중합체 중 하나일 수 있다.
다만, 이오노머는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용 가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질막(1)과 전극층(3, 3')의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 사용될 수 있다.
전극층(3, 3')은 촉매를 포함한다. 촉매로는 전지의 반응에 참여하여, 통상 연료전지의 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 구체적으로는 바람직하게는 백금계 금속을 사용할 수 있다.
백금계 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 백금-M 합금(상기 M은 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 갈륨(Ga), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 아연(Zn), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 란탄(La) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상), 비백금 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 백금계 촉매 금속 군에서 선택된 2종 이상의 금속을 조합한 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 기술 분야에서 사용 가능한 백금계 촉매 금속이라면 제한 없이 사용할 수 있다.
구체적으로 백금 합금은 Pt-Pd, Pt-Sn, Pt-Mo, Pt-Cr, Pt-W, Pt-Ru, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-Rh-Ni, Pt-Ru-Sn-W, Pt-Co, Pt-Co-Ni, Pt-Co-Fe, Pt-Co-Ir, Pt-Co-S, Pt-Co-P, Pt-Fe, Pt-Fe-Ir, Pt-Fe-S, Pt-Fe-P, Pt-Au-Co, Pt-Au-Fe, Pt-Au-Ni, Pt-Ni, Pt-Ni-Ir, Pt-Cr, Pt-Cr-Ir 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 비백금 합금은 Ir-Fe, Ir-Ru, Ir-Os, Co-Fe, Co-Ru, Co-Os, Rh-Fe, Rh-Ru, Rh-Os, Ir-Ru-Fe, Ir-Ru-Os, Rh-Ru-Fe, Rh-Ru-Os 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
이러한 촉매는 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 담체는 탄소계 담체, 지르코니아, 알루미나, 티타니아, 실리카, 세리아 등의 다공성 무기산화물, 제올라이트 등에서 선택될 수 있다. 상기 탄소계 담체는 흑연, 수퍼피(super P), 탄소섬유(carbon fiber), 탄소시트(carbon sheet), 카본 블랙(carbon black), 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 카본나노튜브(carbon nano tube, CNT), 탄소구체(carbon sphere), 탄소리본(carbon ribbon), 풀러렌(fullerene), 활성탄소, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 카본 나노 혼, 카본 나노 케이지, 카본 나노 링, 규칙성 나노다공성탄소(ordered nano-/meso-porous carbon), 카본 에어로겔, 메소포러스카본(mesoporous carbon), 그래핀, 안정화 카본, 활성화 카본, 및 이들의 하나 이상의 조합에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 기술분야에서 사용 가능한 담체는 제한 없이 사용할 수 있다.
촉매 입자는 담체의 표면 위에 위치할 수도 있고, 담체의 내부 기공(pore)을 채우면서 담체 내부로 침투할 수도 있다.
담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지 시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.
기체확산층(5, 5')은 수소 또는 산소의 원활한 공급이 이루어질 수 있도록 다공성의 도전성 기재가 사용될 수 있다. 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 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 기체확산층(5, 5')은 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료전지의 구동 시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.
또한, 기체확산층(5, 5')에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 풀러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다.
미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 용매로는 에탄올, 이소프로필 알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시에 따른 연료전지는 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 포함하는 것이다.
도 2는 상기 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 연료전지(200)는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부(210), 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부(220), 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스가 산화제와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(230), 및 산화제를 개질부(220) 및 스택(230)으로 공급하는 산화제 공급부(240)를 포함한다.
스택(230)은 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 공급부(240)로부터 공급되는 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 구비한다.
각각의 단위 셀은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 어셈블리와, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제를 막-전극 어셈블리로 공급하기 위한 분리판(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 하며, 이하 '분리판'이라 칭한다)을 포함한다. 분리판은 막-전극 어셈블리를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이 때, 스택의 최외측에 각각 위치하는 분리판을 특별히 엔드 플레이트라 칭하기도 한다.
분리판 중 엔드 플레이트에는 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(231)과, 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(232)이 구비되고, 다른 하나의 엔드 플레이트에는 복수의 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1 배출관(233)과, 상기한 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 산화제를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출관(234)이 구비된다.
상기 연료전지에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체(100)가 사용되는 것을 제외하고는 전기 발생부를 구성하는 세퍼레이터, 연료 공급부 및 산화제 공급부는 통상의 연료 전지에서 사용되는 것이므로, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : 막-전극 어셈블리
1 : 고분자 전해질막
2, 2' : 서브가스켓
3, 3': 전극층
4, 4' : 접착부
5, 5': 기체확산층
200: 연료전지
210: 연료 공급부
220: 개질부
230: 스택
231: 제1 공급관
232: 제2 공급관
233: 제1 배출관
234: 제2 배출관
240: 산화제 공급부

Claims (9)

  1. 고분자 전해질막;
    상기 고분자 전해질막의 둘레부를 감싸며 형성된 서브가스켓;
    상기 고분자 전해질막의 중심부 상에 상기 서브가스켓과 서로 이격되어 형성된 전극층;
    상기 서브가스켓과 상기 전극층 사이 및 상기 고분자 전해질막 상에 형성된 접착부; 및
    상기 전극층 및 상기 접착부 상에 형성된 기체확산층;을 포함하고,
    상기 접착부는 상기 고분자 전해질막, 상기 서브가스켓, 상기 전극층 및 상기 기체확산층 각각과 모두 접하는, 막-전극 접합체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서브가스켓은 상기 고분자 전해질막과 접하는, 막-전극 접합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극층과 상기 접착부는 상기 고분자 전해질 상에 동일한 두께로 형성된, 막-전극 접합체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기체확산층은 상기 전극층과 접하는, 막-전극 접합체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 접착부를 이루는 접착물질의 일부는 상기 기체확산층의 일부로 흡수된 형태인, 막-전극 접합체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 접착부는 세리아 및 산화이리듐 중 1종 이상의 무기첨가제를 포함하는 접착물질로 형성된, 막-전극 접합체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 서브가스켓, 상기 전극층, 상기 접착부 및 상기 기체확산층은 상기 고분자 전해질막의 양면에 각각 형성된, 막-전극 접합체.
  9. 제1항 및 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지.
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