다공성 전극 촉매층을 갖는 막 전극 접합체, 그 제조 방법및 이를 채용한 연료전지 document_id A220623035929

연료전지는 연료와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 생산하는 장치로서, 화력발전과는 달리 카르노 사이클을 거치지 아니하므로 그 이론적인 발전 효율이 매우 높다. 연료전지는 산업용, 가정용 및 차량구동용 전력의 공급뿐 만 아니라, 소형의 전기/전자 제품, 특히 휴대용 장치의 전력공급에도 적용될 수 있다. 현재 알려져 있는 연료전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라 PEM (polymer electrolyte membrane, 고분자 전해질 막) 방식, 인산 (phosphoric acid) 방식, 용융탄산염 (molten carbonate) 방식, 고체산화물 (solid oxide) 방식 등으로 구분될 수 있으며, 사용되는 전해질에 따라 연료전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다. 연료전지는 애노드에 대한 연료 공급방식에 따라, 연료개질기를 통하여 연료를 수소부화가스로 전환시킨 후 애노드에 공급하는 외부개질형과, 기체 또는 액체 상태의 연료를 직접 애노드에 공급하는 연료 직접 공급형 또는 내부 개질형으로 구분될 수 있다. 연료 직접 공급형의 대표적인 예가 직접메탄올연료전지 (direct methanol fuel cell : DMFC) 이다. DMFC에 있어서, 일반적으로 메탄올 수용액, 또는 메탄올과 물의 혼합증기가 애노드에 공급된다. DMFC는, 외부 개질기를 필요로 하지 않으며, 연료의 취급이 용이하기 때문에, 연료전지의 다양한 종류 중에서 소형화 가능성이 가장 높은 종류인 것으로 알려져 있다. DMFC의 전기화학적 반응과정은, 연료가 산화되는 애노드 반응과, 수소이온과 산소의 환원에 의한 캐소드 반응으로 구성되며, 반응식은 다음과 같다. 애노드 반응 : CH3OH + H2O → 6 H+ + 6 e- + CO2 캐소드 반응 : 1.5 O2 + 6 H+ + 6 e- → 3 H2O 전체 반응 : CH3OH + 1.5 O2 → 2 H2O + CO2 상기 반응식에 나타난 바와 같이, 애노드에서는 메탄올과 물이 반응하여 이산화탄소, 6개의 수소이온 및 6개의 전자가 생성된다. 생성된 수소이온은, 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 수소 이온 전도성 전해질막을 매체로 하여, 캐소드로 이동한다. 캐소드에서는 수소이온, 외부회로를 통해 전달된 전자 및 산소가 반응하여 물이 생성된다. DMFC의 전체 반응은 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성하는 것이고, 이 과정에서 메탄올의 연소열에 해당하는 에너지의 상당량이 전기에너지로 전환된다. 이러한 반응을 촉진시키기 위하여, 애노드와 캐소드에는 촉매가 포함된다. 상기 수소 이온 전도성 전해질막은 애노드에서 산화반응에 의해 발생한 수소이온이 캐소드로 이동하기 위한 통로 역할을 할 뿐 만 아니라, 애노드와 캐소드를 분리시키는 격리막의 역할도 한다. 일반적으로 수소 이온 전도성 전해질막은 친수성을 가지고 있으며, 적정량의 물을 함습함으로써 이온 전도성을 발휘한다. 애노드에 공급된 메탄올의 일부는 친수성을 갖는 수소 이온 전도성 전해질막으로 확산되어 캐소드로 이동한다. 이러한 현상을 메탄올 크로스오버 (cross-over)라 한다. 일반적으로 DMFC의 캐소드에는 백금 촉매가 사용되는데, 백금촉매는 산소의 환원반응뿐만 아니라 메탄올의 산화반응도 촉진시킨다. 그리하여 크로스오버된 메탄올은 캐소드에서 산화되며, 이에 따라 DMFC의 성능은 현저하게 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 메탄올의 투과를 억제시킬 수 있는 수소 이온 전도성 전해질막을 개발 및 메탄올과의 반응성이 낮은 캐소드용 촉매를 개발하려는 노력이 진행되고 있다. 이외에 캐소드 촉매층은 산소 전달 능력과 효과적인 물 제거 능력을 요구된다. 산소의 흡착 능력이 우수하기 위해서는 기공 크기가 작고 전체 공극률을 향상시켜야 하나 기공 크기가 작으면 촉매층 내의 물이 제거 되기가 어려운 문제가 있고, 기공 크기가 너무 크면 물은 제거가 잘되지만, 전체 공극률이 작아 산소 흡착능력이 떨어지는 문제가 있다. 따라서 산소 전달 능력과 효과적인 물 제거를 위해서는 촉매층내의 최적의 기공 크기 및 공극률이 필요하다. 이러한 특성을 갖는 캐소드 촉매층 설계를 위해서 일본 공개 특허 2006-147371에서는 Pt입자와 Fe입자를 함께 스퍼터링하고 나중에 염산을 이용하여 Fe입자만 제거함으로써 서로 다른 2종류의 기공 크기를 갖는 촉매층막을 얻는 방법이 개시되어 있다. 종래 기술은 이와 같이 다양한 기공 크기를 갖는 촉매층을 제조함으로서 반응 가스를 공급하고, 생성된 물을 효과적으로 배출하여 고출력의 연료전지용 전극 촉매를 얻고자 하였다.