연료 전지용 탄소 나노 파이버, 이를 포함한 나노 복합체,그 제조 방법 및 이를 채용한 연료 전지 document_id A220623035483

최근에 화석연료의 환경문제와 사용할 수 있는 에너지 자원의 고갈에 대한 걱정이 늘어나면서 자동차나 소비자의 전자기구에 응용될 수 있는 연료전지의 설계나 제조에 대하여 많은 관심이 쏟아지고 있다. 연료전지는 연료에 저장되어 있는 에너지를 연료와 산화가스의 전기화학적 반응을 통하여 전기로 변화시킬 수 있는 새로운 에너지 전환 장치이다. 이는 고체산화물을 이용하여 1000℃에서 작동하는 고체산화물 연료전지, 500 내지 700℃ 에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃ 근방에서 작동하는 인산 전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지 및 고분자 전해질형 연료전지 등이 있다. 상기 고분자 전해질형 연료전지로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소 이온 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell: PEMFC)와 액상의 메탄올을 직접 연료로 애노드에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 등이 있다. 고분자 전해질형 연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 미래의 청정 에너지원으로서, 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높다. 또한, 상온에서 작동가능하고 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주 사업용 장비 등의 분야에 폭 넓게 사용 가능하다. PEMFC는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산해내는 전력생성 시스템으로서 애노드와 캐소드 사이에 수소 이온 교환막이 들어있는 구조를 갖고 있다.상기 수소 이온 교환막은 좋은 수소이온 전도성과 캐소드로의 반응하지 않은 가스나 연료가 적게 넘어가는 나피온(Nafion)과 같은 고체 고분자 재료이다. 애노드와 캐소드는 각각 반응기체나 액체의 공급을 위한 지지층, 반응기체의 산화/환원반응이 일어나는 촉매들로 이루어져 있다. 상술한 바와 같은 구조를 갖는 PEMFC는 반응기체인 수소가 공급되면서 애노드에서는 산화반응이 일어나 수소 분자가 수소 이온과 전자로 전환된다. 이 때 수소 이온은 수소이온 교환막을 거쳐 캐소드로 전달된다. 반면, 캐소드에서는 환원반응이 일어나 산소 분자가 전자를 받아 산소 이온으로 전환되며, 산소 이온은 애노드로부터 온 수소 이온과 반응하여 물 분자로 전환된다. PEMFC의 가스 확산층 (gas diffusion layer, GDL)은 애노드와 캐소드 전극에 포함되어 있다. 연료전지의 화학반응을 일으키는 촉매층은 지지층 상부에 각각 형성되어 있다. 이 때 지지층은 탄소 천 또는 탄소종이로 이루어져 있다. 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)는, 상술한 PEMFC와 동일한 구조이나, 반응기체로서 수소 대신 액체상태의 메탄올을 애노드에 공급하여 촉매의 도움으로 산화반응이 일어나서 수소이온과 전자 및 이산화탄소가 발생된다. 이러한 DMFC는 PEMFC에 비하여 전지효율이 떨어지나, 액체 상태로 연료가 주입되므로 휴대용 전자기기용으로 응용하기가 보다 용이하다는 이점이 있다. 연료전지의 에너지밀도를 높여 출력밀도와 출력전압을 향상시키기 위해서, 전극, 연료, 전해질 막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 특히 전극에 사용되는 촉매의 활성을 향상시키려는 시도가 이루어지고 있다. PEMFC나 DMFC에 사용되는 촉매는 일반적으로 Pt, Pd, Rh, Ru나 Pt와 다른 금속간의 합금이 많이 사용되고 있는데, 가격 경쟁력을 확보하기 위해서는 상기 금속촉매의 사용량을 감소시키는 것이 필요하다. 따라서, 연료전지의 성능을 유지하거나 증가시키면서 촉매의 양을 줄이는 방법으로서, 비표면적이 넓은 도전성 탄소 재료를 담체로 사용하고, 이에 Pt 등을 미세한 입자 상태로 분산시켜 촉매금속의 비표면적을 증가시키는 방법이 사용되고 있다. 일반적으로 Pt 같은 촉매들은 페이스트 형태로 제공되어 다공성 탄소 지지체위에 균일하게 도포하여 이용된다. 그러나, 지지체 내에서의 촉매의 분산도는 균일하지 않고 탄소 지지체의 표면적이나 전기 전도도가 그다지 높지 않다. 따라서, 높은 가스 반응 효율을 가지는 연료 전지의 구조에 대한 개발 필요성이 있고, 매우 작고 높은 밀도를 가지는 촉매 입자들이 균일하게 덮여 있는 넓은 표면적을 가진 향상된 전극 재료에 대한 필요성이 대두된다.