KR100420068B1 - Method of manufacturing diffusion layer by RuO2 for proton exchange membrane fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 루테늄 금속산화물을 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법에 관한 것이다. 특히 전극 전해질 접합구조 형성시 지지층과 촉매층 사이에 루테늄 금속 산화물 형성을 통해 연료(산화연료로서 수소 혹은 메탄올과 환원연료로서 산소 혹은 공기) 및 반응생성물(이산화탄소, 물)의 확산 효율성 증대, 지지층에 비해 조밀한 층을 형성함에 따른 촉매의 손실 방지 및 루테늄 금속산화물의 축전 특성 및 산소 환원력을 이용한 전지의 성능을 향상시키는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte fuel cell using ruthenium metal oxide. In particular, the formation of ruthenium metal oxide between the support layer and the catalyst layer when forming the electrode electrolyte junction structure increases the diffusion efficiency of fuels (hydrogen or methanol as fuel and oxygen or air as reducing fuel) and reaction products (carbon dioxide, water), compared to the support layer. The present invention relates to a technique for preventing the loss of a catalyst by forming a dense layer, and improving the performance of a battery using the storage capacity of ruthenium metal oxide and oxygen reduction power.

본 발명에 따르면, 소정량의 수용성 알콜계 용매와 혼합한 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 용액에 루테늄 금속 산화물(RuO2)을 혼합하여 충분히 교반시킨 후 촉매의 지지층으로 사용되는 탄소종이 또는 탄소천 위에 소정 두께의 확산층을 형성하는 단계와; 상기 확산층을 열처리한 후, 음극 및 양극 촉매를 이용하여 촉매층을 형성하는 단계와; 상기 결과물에 전처리된 고분자 전해질과 함께 열압착을 통해 전극 전해질 접합 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법이 제시된다.According to the present invention, a ruthenium metal oxide (RuO2) is mixed with a polytetrafluoroethylene (PTFE) solution mixed with a predetermined amount of a water-soluble alcohol solvent and sufficiently stirred, and then a predetermined amount of carbon paper or carbon cloth is used as a support layer of the catalyst. Forming a diffusion layer having a thickness; After heat-treating the diffusion layer, forming a catalyst layer using a cathode and an anode catalyst; A method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell is provided, comprising forming an electrode electrolyte junction structure through thermocompression bonding together with the polymer electrolyte pretreated in the resultant product.

Description

루테늄 금속 산화물을 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법{Method of manufacturing diffusion layer by RuO2 for proton exchange membrane fuel cell}Method for manufacturing polymer electrolyte fuel cell using ruthenium metal oxide {Method of manufacturing diffusion layer by RuO2 for proton exchange membrane fuel cell}

본 발명은 루테늄 금속산화물을 이용한 고분자 전해질 연료전지 제조방법에관한 것이다. 특히, 전극 전해질 접합구조 형성시 지지층과 촉매층 사이에 루테늄 금속 산화물 형성을 통해 연료(산화연료로서 수소 혹은 메탄올과 환원연료로서 산소 혹은 공기) 및 반응생성물(이산화탄소, 물)의 확산 효율성 증대, 지지층에 비해 조밀한 층을 형성함에 따른 촉매의 손실 방지 및 루테늄 금속산화물의 축전 특성 및 산소 환원력을 이용한 전지의 성능을 향상시키는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte fuel cell using ruthenium metal oxide. In particular, the formation of ruthenium metal oxide between the support layer and the catalyst layer when forming the electrode electrolyte junction structure increases the diffusion efficiency of fuels (hydrogen or methanol as fuel and oxygen or air as reducing fuel) and reaction products (carbon dioxide and water), The present invention relates to a technique for preventing the loss of a catalyst due to the formation of a dense layer and improving the performance of a battery using the storage capacity of ruthenium metal oxide and oxygen reducing power.

고분자 전해질 연료전지는 130℃ 이하의 저온에서 동작이 가능한 무공해 에너지원으로서 무공해 차량의 동력원, 현지 설치형 발전 및 이동용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용된다. 그러나, 이 연료전지는 저온에서 작동하기 때문에 그 효율이 타 연료전지에 비해 상대적으로 낮아 성능향상을 위한 다양한 방법이 시도되고 있다.The polymer electrolyte fuel cell is a pollution-free energy source that can be operated at a low temperature of 130 ° C. or lower, and is applied to a wide variety of fields such as a power source of a pollution-free vehicle, a local power generation and a mobile power source. However, since the fuel cell operates at a low temperature, its efficiency is relatively low compared to other fuel cells, and various methods for improving performance have been tried.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 촉매의 지지층과 촉매층 사이에 루테늄 금속 산화물을 이용해 확산층을 형성시킴으로써 연료 및 반응생성물의 확산특성 향상과 촉매의 손실을 방지한다. 또한, 루테늄 산화물의 축전특성 및 산소 환원력을 이용한 전지의 성능을 보완하기 위하여 연구가 진행되고 있는 실정이다.Therefore, in order to solve this problem, by forming a diffusion layer using ruthenium metal oxide between the support layer and the catalyst layer of the catalyst, it is possible to improve the diffusion characteristics of the fuel and the reaction product and to prevent the loss of the catalyst. In addition, research is being conducted to complement the performance of the battery using the storage capacity and the oxygen reduction power of the ruthenium oxide.

이와 관련하여, 고분자 전해질 연료전지용 확산층을 형성하고자 종래에 사용된 탄소분말(Vulcan XC-72R 혹은 acetylene black 등)은 확산층의 제조 방법과 동일한 방법을 통해서 형성되어지나, 이를 통한 전지의 성능 향상은 일정 한계가 있다.In this regard, the carbon powder (Vulcan XC-72R or acetylene black, etc.) conventionally used to form a diffusion layer for a polymer electrolyte fuel cell is formed through the same method as the method of manufacturing a diffusion layer, but the performance improvement of the battery is constant. There is a limit.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 루테늄 금속 산화물을 확산층으로 형성시킬 경우 큰 기공도와 낮은 전기저항 특성을 통해 기존의 확산층에 비해 각각 연료 및 반응 생성물의 원활한 확산과 낮은 오믹(ohmic) 과전압을 보이는 전극 전해질 접합구조를 구성하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide smooth diffusion of fuel and reaction products, respectively, compared to conventional diffusion layers through large porosity and low electrical resistance when forming ruthenium metal oxide as a diffusion layer. It is to construct an electrode electrolyte junction structure showing low ohmic overvoltage.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은 적정량의 수용성 알콜계 용매와 혼합한 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 용액에 루테늄 금속 산화물을 혼합하여 충분히 교반시킨 후 촉매의 지지층으로 사용되는 탄소종이(carbon paper) 혹은 탄소천(carbon cloth)위에 적절한 두께로 확산층을 형성시켜 고효율 전극 전해질 접합 구조를 통한 고성능 고분자 전해질 연료전지를 구현한다.As a technical idea for achieving the above object of the present invention, the present invention is used as a support layer of the catalyst after mixing the ruthenium metal oxide in a polytetrafluoroethylene (PTFE) solution mixed with an appropriate amount of a water-soluble alcohol solvent A diffusion layer is formed to a suitable thickness on carbon paper or carbon cloth to implement a high performance polymer electrolyte fuel cell through a highly efficient electrode electrolyte junction structure.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 전극 전해질 접합 구조의 모식도 및 루테늄 금속 산화물 확산층 형성과 전극 전해질 접합 구조의 형성 과정을 나타낸 플로우차트이다.1A and 1B are flowcharts illustrating a schematic diagram of an electrode electrolyte junction structure, a ruthenium metal oxide diffusion layer, and a process of forming an electrode electrolyte junction structure according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따라 탄소 종이와 기존의 확산층 형성물질로 사용되는 탄소분말 및 루테늄 금속 산화물의 재료적 특성을 측정한 결과를 나타낸 도표이다.Figure 2 is a chart showing the results of measuring the material properties of the carbon powder and ruthenium metal oxide used as carbon paper and the conventional diffusion layer forming material according to the present invention.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따라 루테늄 금속산화물을 확산층이 없는 경우와, 음극 혹은 양극 혹은 음극과 양극 모두에 확산층으로 형성시킨 경우의 단위전지 성능평가 결과를 나타낸 그래프이다.3A to 3D are graphs illustrating the results of evaluation of unit cell performance when ruthenium metal oxide is not provided with a diffusion layer and when a diffusion layer is formed on both a cathode or an anode, or both an anode and an anode according to the present invention.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따라 확산층이 없는 경우와, 기존의 확산층 형성물질인 탄소분말로 확산층을 형성시킨 경우 및 루테늄 금속산화물을 이용하여 확산층을 형성시킨 경우의 단위전지 성능평가의 비교 결과를 나타낸 그래프이다.4A and 4B show a comparison result of unit cell performance evaluation when there is no diffusion layer according to the present invention, when the diffusion layer is formed of carbon powder, which is an existing diffusion layer forming material, and when the diffusion layer is formed using ruthenium metal oxide. Is a graph.

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 전극 전해질 접합 구조의 모식도 및 루테늄 금속 산화물 확산층 형성과 전극 전해질 접합 구조의 형성 과정을 나타낸 플로우차트이다.1A and 1B are flowcharts illustrating a schematic diagram of an electrode electrolyte junction structure, a ruthenium metal oxide diffusion layer, and a process of forming an electrode electrolyte junction structure according to the present invention.

도 1a에 도시된 전극 전해질 접합 구조는 전해질(40)을 중심으로 좌측에는 음극용으로 탄소종이(10a)와; 확산층(20a); 촉매층(PtRu black; 30a)이 형성되고, 우측에는 양극용으로 촉매층(Pt black; 30b); 확산층(20b); 탄소종이(10b)가 순차적으로 형성되어 있다.The electrode electrolyte bonding structure shown in FIG. 1A includes carbon paper 10a for the cathode on the left side of the electrolyte 40; Diffusion layer 20a; A catalyst layer (PtRu black; 30a) is formed, and on the right side, a catalyst layer (Pt black; 30b) for the anode; Diffusion layer 20b; Carbon paper 10b is formed sequentially.

도 1b를 살펴보면, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 0.533 g을 이소프로필알콜(IPA) 20 ㎖에 첨가하고 상온에서 800 rpm의 속도로 10분이상 동안 교반하여 용해시킨다. 상기 속도로 계속해서 교반하면서, 루테늄 금속 산화물(RuO2) 0.8 g을 첨가하여 3시간 이상 동안 교반과 초음파 분쇄를 교대로 행해주어서 완전히 섞이도록 한다.Referring to Figure 1b, 0.533 g of polytetrafluoroethylene (PTFE) is added to 20 ml of isopropyl alcohol (IPA) and dissolved by stirring for at least 10 minutes at a speed of 800 rpm at room temperature. With continued stirring at this rate, 0.8 g of ruthenium metal oxide (RuO 2) is added to alternate stirring and ultrasonic grinding for at least 3 hours to ensure complete mixing.

이 때, 결합제로 사용되어지며 소수성 특성을 가진 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)을 수용성 알콜계 용매인 이소프로필알콜(isopropylalcohol; IPA), 에틸알콜(ethyl alcohol) 또는 부틸아세테이트(butyl acetate)와 혼합하여 충분히 교반시킨 후, 이 용액에 루테늄 금속 산화물 분말을 첨가하여 이를 다시 충분히 교반시켜서 확산층 형성을 위한 혼합용액을 제조할 수 있다.At this time, polytetrafluoroethylene (PTFE), which is used as a binder and has a hydrophobic property, is mixed with isopropylalcohol (IPA), ethyl alcohol, or butyl acetate, which is a water-soluble alcohol solvent. After sufficient stirring, ruthenium metal oxide powder may be added to the solution, followed by further stirring to prepare a mixed solution for forming a diffusion layer.

상기 혼합용액은 폴리테트라플루오르에틸렌 : 루테늄 금속 산화물의 질량비가 10∼50 : 90∼50이 되도록 제조할 수 있으며 수용성 알콜계 용매의 경우 혼합용액이 적절한 점도를 유지할 수 있도록 폴리테트라플로오르에틸렌의 질량에 비해 5 내지 100배의 수용성 알콜계 용매를 첨가할 수 있다.(단계 S100)The mixed solution may be prepared so that the mass ratio of polytetrafluoroethylene: ruthenium metal oxide is 10-50: 90-50, and in the case of a water-soluble alcohol solvent, the mass of polytetrafluoroethylene so that the mixed solution maintains an appropriate viscosity Compared to 5 to 100 times the water-soluble alcohol solvent may be added (step S100).

이어서 상기 현탁액을 지지체인 탄소종이(10a,10b)위에 브러쉬방법(brushing method)을 이용하여 10 ~ 100 ㎛의 두께로 확산층(20a,20b)을 형성한다.(단계 S110)Subsequently, the suspension is formed on the carbon paper 10a, 10b as a support using a brushing method to form the diffusion layers 20a, 20b with a thickness of 10 to 100 µm (step S110).

상기 확산층(20a,20b)이 형성된 탄소종이(10a,10b)는 100 ~ 400℃에서 30분 내지 2시간동안 공기분위기하에서 열처리한 후(단계 S120), 이 위에 음극 및 양극 촉매를 브러쉬 방법을 이용하여 단위면적당(cm2) 5 mg의 촉매층(30a,30b)을 형성한다.(단계 S130)The carbon papers 10a and 10b on which the diffusion layers 20a and 20b are formed are heat-treated under an air atmosphere at 100 to 400 ° C. for 30 minutes to 2 hours (step S120), and the cathode and anode catalysts are brushed thereon using a brush method. To form 5 mg of catalyst layers 30a and 30b per unit area (cm2).

이 때, 상기 단계 S110에서의 확산층(20a,20b) 혹은 단계 S130에서의 촉매층(30a,30b) 형성 방법으로 통상적으로 사용되고 있는 브러쉬방법(brushing method) 혹은 페이스트법(paste method)을 이용하여 루테늄 금속 산화물 확산층을 10 내지 80 마이크로미터(㎛)의 균일한 두께로 형성시킬 수 있다.At this time, ruthenium metal using a brush method or a paste method which is commonly used as a method for forming the diffusion layers 20a and 20b in the step S110 or the catalyst layers 30a and 30b in the step S130. The oxide diffusion layer can be formed to a uniform thickness of 10 to 80 micrometers (µm).

이와 같이 제조된 확산층(20a,20b)은 155 나노미터(nm)의 평균 기공크기를 갖기 때문에 기존의 탄소분말을 이용한 확산층에 비해 고분자 전해질 연료전지에 사용되어 반응연료(산화연료로서 수소 혹은 메탄올과 환원연료로서 산소 혹은 공기)와 반응생성물(이산화탄소 및 물)의 확산특성을 향상시킬 수 있으며, 루테늄 금속 산화물의 낮은 전기저항 특성으로 인해 낮은 오믹(ohmic) 분극현상을 나타내므로 이를 통한 고성능 연료전지의 구현이 가능하다.Since the diffusion layers 20a and 20b thus prepared have an average pore size of 155 nanometers (nm), they are used in a polymer electrolyte fuel cell as compared to a diffusion layer using a carbon powder. As a reducing fuel, it can improve the diffusion characteristics of oxygen and air) and reaction products (carbon dioxide and water), and show low ohmic polarization due to the low electrical resistance of ruthenium metal oxide. Implementation is possible.

도 2에는 탄소 종이와 기존의 확산층 형성물질로 사용되는 탄소분말(Vulcan XC-72R 혹은 acetylene black) 및 루테늄 금속 산화물의 재료적 특성을 측정한 결과치가 제시되어 있다.Figure 2 shows the results of measuring the material properties of carbon paper and carbon powder (Vulcan XC-72R or acetylene black) and ruthenium metal oxide used as a conventional diffusion layer forming material.

또한, 상기 탄소종이(10a,10b)에 비해 조밀한 층이 촉매층(30a,30b) 아래에 형성됨에 따라 탄소종이(10a,10b)로의 촉매의 침투로 인한 전극반응에 참여하는 촉매 손실량을 크게 감소시킬 수 있다.In addition, as a dense layer is formed below the catalyst layers 30a and 30b as compared with the carbon papers 10a and 10b, the amount of catalyst loss participating in the electrode reaction due to the penetration of the catalyst into the carbon papers 10a and 10b is greatly reduced. You can.

본 발명에서 상기 단계 S120에서의 촉매층(30a,30b)에 사용된 음극 촉매(30a)는 예컨대 존슨매티사(Johnson Matthey co.)의 PtRu 블랙(black)이며, 촉매층 형성을 위해 사용된 용액은 촉매 : 나피온(Nafion)의 질량비가 85 : 15가 되도록 조성된 용액을 사용한다. 또한, 사용된 양극 촉매(30b)는 예컨대존슨매티사(Johnson Matthey co.)의 Pt 블랙을 사용하며 이 때 나피온의 함량은 7퍼센트로 조절한다.In the present invention, the cathode catalyst 30a used in the catalyst layers 30a and 30b in step S120 is, for example, PtRu black of Johnson Matthey co., And the solution used for forming the catalyst layer is a catalyst. A solution formulated so that the mass ratio of Nafion is 85:15 is used. In addition, the anode catalyst 30b used uses, for example, Pt black of Johnson Matthey Co., at which time the Nafion content is adjusted to 7 percent.

그 후, 촉매층(30a,30b)과 확산층(20a,20b)을 형성시킨 음극 및 양극용 탄소종이(10a,10b)는 전처리된 나피온 고분자 전해질(Nafion 112,115,117)(40)과 함께 열압착(110℃, 3분)을 통해 전극 전해질 접합구조로 제작되어진다.(단계 S140)Thereafter, the carbon papers 10a and 10b for the cathode and the anode in which the catalyst layers 30a and 30b and the diffusion layers 20a and 20b are formed are thermally compressed 110 together with the Nafion polymer electrolytes (Nafion 112, 115, 117) and 40 which have been pretreated. It is made to the electrode electrolyte bonding structure through 3 minutes) (step S140).

고분자 전해질로 사용된 나피온(Nafion) 112,115,117의 전처리는 네단계에 걸쳐서 행해졌는데 이는 다음과 같다.The pretreatment of Nafion 112,115,117 used as a polymer electrolyte was performed in four stages.

먼저, 질량비 3퍼센트로 3차 증류수와 혼합된 과산화수소(H2O2)용액을 80℃로 가열하면서 1시간동안 처리한 후, 동일온도에서 3차증류수에서 다시 1시간동안 세척하였다. 이후 계속해서 상기온도를 유지시키면서 0.5몰의 황산용액에서 1시간동안 처리한 후, 다시 3차증류수에서 1시간동안 세척하였다.First, the hydrogen peroxide (H2O2) solution mixed with tertiary distilled water at a mass ratio of 3 percent was treated for 1 hour while heating to 80 ° C, and then washed again in tertiary distilled water for 1 hour at the same temperature. Subsequently, the mixture was continuously treated for 1 hour in 0.5 mol of sulfuric acid solution while maintaining the temperature, and then washed again in third distilled water for 1 hour.

제작된 전극 전해질 접합구조는 집전체로 사용하는 전극면적이 2cm로 된 탄소판(carbon plate)을 이용하여 고정시킨 후 다시 외부에 황동(Brass)판을 이용하여 고정하였으며, 이 단위전지에서 전지성능실험을 수행한 결과가 도 3a 및 도 3b 및 도 3c 및 도 3d에 도시되어 있다.The fabricated electrode electrolyte junction structure was fixed by using carbon plate (2cm) of electrode area used as current collector and then fixed by brass plate on the outside. The results of the operation are shown in FIGS. 3A and 3B and 3C and 3D.

상기 도 3a 내지 도 3d에 나타난 결과는 확산층을 사용하지 않은 경우와, 음극에만 확산층을 형성시킨 경우와, 양극에만 확산층을 형성시킨 경우와, 음극과 양극 모두에 확산층을 형성시킨 경우가 표시되어 있다.The results shown in FIGS. 3A to 3D show the case where the diffusion layer is not used, the diffusion layer is formed only on the cathode, the diffusion layer is formed only on the anode, and the diffusion layer is formed on both the cathode and the anode. .

이 때, 사용된 음극연료는 2몰의 메탄올이며 이를 분당 1cc의 속도록 흘려주었고, 양극연료는 초고순도 산소 혹은 초고순도 공기를 사용하였으며 분당 500cc로흘려주었다. 도 3a와 도 3b는 70℃에서 양극연료로 각각 산소와 공기를 사용한 경우이며, 도 3c와 도 3d는 30℃에서 양극연료로 각각 산소와 공기를 사용한 경우이다.At this time, the cathode fuel used was 2 mol of methanol, which was flowed at a rate of 1 cc per minute, and the anode fuel was used at ultra high purity oxygen or ultra high purity air and flowed at 500 cc per minute. 3A and 3B show oxygen and air as anode fuel at 70 ° C., respectively. FIGS. 3C and 3D show oxygen and air as anode fuel at 30 ° C., respectively.

음극에만 확산층을 형성시킨 경우에는 루테늄 금속 산화물 확산층이 갖는 큰 평균 기공 크기로 인해 농도분극이 발생하는 전류영역에서 음극연료인 메탄올의 확산을 용이하게 하여주어서 성능의 증가가 뚜렷이 나타남을 알 수 있다. 양극에만 확산층을 형성시킨 경우에는 확산층의 소수성 특성으로 인해 반응으로 생성된 물의 원활한 배출로 전체 전류영역에서 큰 성능 증가를 보였다.In the case where the diffusion layer is formed only on the cathode, the large average pore size of the ruthenium metal oxide diffusion layer facilitates the diffusion of methanol, which is a cathode fuel, in the current region in which concentration polarization occurs, thereby clearly showing an increase in performance. In the case where the diffusion layer was formed only at the anode, due to the hydrophobic nature of the diffusion layer, the performance was greatly increased in the entire current region due to the smooth discharge of water generated by the reaction.

이 때, 루테늄 금속 산화물 확산층의 낮은 전기저항 특성은 전지 성능 곡선에서 특히 오믹(ohmic) 영역에서 뚜렷한 전지의 성능향상을 가져왔다. 또한 루테늄 금속 산화물을 확산층으로 사용한 경우의 전지의 성능은 저온에서 보다 큰 성능의 증가를 일으킬 수 있음이 도 3c와 도 3d에서 확인되었다.At this time, the low electrical resistance characteristics of the ruthenium metal oxide diffusion layer resulted in a noticeable performance improvement of the battery, particularly in the ohmic region. In addition, it was confirmed in FIG. 3C and FIG. 3D that the performance of the battery when ruthenium metal oxide was used as the diffusion layer could cause a greater increase in performance at low temperatures.

동일한 방법을 이용하여 종래에 확산층 제조 물질로 사용되고 있던 탄소분말(Vulcan XC-72R 혹은 acetylene black)을 이용하여 전극 전해질 접합구조를 제작하였으며, 동일한 조건하에서 전지 성능 검사를 수행하였고, 이를 루테늄 금속 산화물로 확산층을 형성시킨 전지와의 비교결과를 도 4a와 도 4d에 나타내었다.Using the same method, an electrode electrolyte junction structure was fabricated using carbon powder (Vulcan XC-72R or acetylene black), which was used as a diffusion layer preparation material, and was tested under the same conditions, and performed with ruthenium metal oxide. The comparison result with the battery in which the diffusion layer was formed is shown in FIGS. 4A and 4D.

도 4a와 도 4b는 음극연료로는 2몰의 메탄올을 사용하였으며, 양극연료로는 산소를 사용하여 각각 70℃와 30℃의 전지 성능평가 결과이다. 이 결과로부터, 기존의 확산층 형성물질로 사용되던 탄소분말을 이용한 확산층의 경우보다 루테늄 금속 산화물을 확산층으로 사용한 단위전지가 고출력 및 고효율 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.4A and 4B show 2 mol of methanol as the anode fuel and oxygen as the cathode fuel, and the battery performance evaluation results at 70 ° C. and 30 ° C., respectively. From this result, it can be seen that the unit cell using ruthenium metal oxide as the diffusion layer has higher output and higher efficiency than the diffusion layer using the carbon powder used as a conventional diffusion layer forming material.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 루테늄 금속 산화물을 이용한 확산층을 10 내지 80 마이크로미터(㎛)의 두께로 지지체와 촉매층 사이에 균일하게 형성시킬 수 있으며, 제작된 전극 전해질 접합구조는 고분자 전해질 연료전에 사용되어, 고효율 전극 전해질 접합구조를 이루어 고성능 고분자 전해질 연료전지를 구현할 수 있다.As described above, according to the present invention, a diffusion layer using ruthenium metal oxide may be uniformly formed between the support and the catalyst layer at a thickness of 10 to 80 micrometers (µm). The high performance polymer electrolyte fuel cell may be implemented by forming a highly efficient electrode electrolyte junction structure.

Claims (6)

소정량의 수용성 알콜계 용매와 혼합한 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 용액에 루테늄 금속 산화물(RuO2)을 혼합하여 충분히 교반시킨 후 촉매의 지지층으로 사용되는 탄소종이 또는 탄소천 위에 소정 두께의 확산층을 형성하는 단계와;Ruthenium metal oxide (RuO2) is mixed in a polytetrafluoroethylene (PTFE) solution mixed with a predetermined amount of a water-soluble alcoholic solvent and sufficiently stirred to form a diffusion layer having a predetermined thickness on carbon paper or carbon cloth used as a support layer of the catalyst. Making a step; 상기 확산층을 열처리한 후, 음극 및 양극 촉매를 이용하여 촉매층을 형성하는 단계와;After heat-treating the diffusion layer, forming a catalyst layer using a cathode and an anode catalyst; 상기 결과물에 전처리된 고분자 전해질과 함께 열압착을 통해 전극 전해질 접합 구조를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.And forming an electrode electrolyte junction structure through thermocompression bonding together with the polymer electrolyte pretreated in the resultant product. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 산화물을 확산층으로 이용한 연료전지의 작동시 음극연료(산화연료)로서 수소 또는 메탄올을 사용하는 경우와, 양극연료(환원연료)로서 산소 또는 공기를 사용하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.The method of claim 1, wherein when operating a fuel cell using the metal oxide as a diffusion layer, hydrogen or methanol is used as an anode fuel (oxidation fuel), and oxygen or air is used as an anode fuel (reduction fuel). Polymer electrolyte fuel cell manufacturing method. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 금속 산화물을 이용한 확산층의 두께가 10 ~ 100 마이크로미터(㎛)인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.The method of claim 1 or 2, wherein the thickness of the diffusion layer using the metal oxide is 10 to 100 micrometers (µm). 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 금속 산화물의 확산층 형성을 위한 현탁액 제조시 폴리테트라플로오르에틸렌의 질량함량비가 10 ~ 50 퍼센트인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.The method according to claim 1 or 2, wherein the mass content ratio of polytetrafluoroethylene in the preparation of the suspension for forming the diffusion layer of the metal oxide is 10 to 50 percent. 청구항 4에 있어서, 상기 금속 산화물의 확산층 형성을 위한 현탁액 제조시 이소프로필알콜(isopropyl alcohol), 에틸알콜(ethyl alcohol) 또는 부틸아세테이트(butyl acetate) 등의 수용성 알콜계 용매를 사용하며, 그 질량함량비가 폴리테트라플루오르에틸렌에 대해 5배 ~ 100배인 것을 특징으로 고분자 전해질 연료전지 제조방법.The method of claim 4, wherein a water-soluble alcohol solvent such as isopropyl alcohol, ethyl alcohol or butyl acetate is used in the preparation of the suspension for forming the diffusion layer of the metal oxide, the mass content A method for producing a polymer electrolyte fuel cell, wherein the ratio is 5 to 100 times with respect to polytetrafluoroethylene. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 금속 산화물을 이용한 확산층 형성 후 100 ~ 400℃에서 30분 ~ 2시간동안 열처리한 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제조방법.The method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein after forming the diffusion layer using the metal oxide, heat treatment is performed at 100 to 400 ° C. for 30 minutes to 2 hours.
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