KR100570768B1 - A electrode for fuel cell and a fuel cell comprising the same - Google Patents
A electrode for fuel cell and a fuel cell comprising the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR100570768B1 KR100570768B1 KR1020040039177A KR20040039177A KR100570768B1 KR 100570768 B1 KR100570768 B1 KR 100570768B1 KR 1020040039177 A KR1020040039177 A KR 1020040039177A KR 20040039177 A KR20040039177 A KR 20040039177A KR 100570768 B1 KR100570768 B1 KR 100570768B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode
- fuel cell
- conductive polymer
- anode
- electrically conductive
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/8668—Binders
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
- H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/8673—Electrically conductive fillers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
본 발명은 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 상기 연료전지용 전극은 금속촉매, 전기전도성 고분자 및 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 촉매층; 및 도전성 기재로 이루어진 가스 확산층을 포함한다. 또한 본 발명의 연료전지용 전극은 촉매층; 도전성 분말 및 전기전도성 고분자를 포함하는 미세기공층 및 도전성 기재로 이루어진 가스 확산층을 포함한다. 상기 연료전지는 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴러 플레이트를 포함하고, 상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 상기 전극으로 이루어진다.The present invention relates to a fuel cell electrode and a fuel cell including the same, the fuel cell electrode comprising a catalyst layer comprising a metal catalyst, an electrically conductive polymer and a hydrogen ion conductive polymer; And a gas diffusion layer made of a conductive substrate. In addition, the electrode for a fuel cell of the present invention is a catalyst layer; It includes a microporous layer comprising a conductive powder and an electrically conductive polymer and a gas diffusion layer made of a conductive substrate. The fuel cell includes at least one membrane / electrode assembly including an anode and a cathode electrode facing each other, and a polymer electrolyte membrane located between the anode and the cathode electrode; And a bipolar plate having a flow channel for supplying a gas in contact with one of the anode and the cathode of the membrane / electrode assembly, wherein at least one of the anode and the cathode is made of the electrode.
연료전지, 다공층, 도전성입자, 가스확산층, 전기전도성 고분자 Fuel Cell, Porous Layer, Conductive Particles, Gas Diffusion Layer, Electroconductive Polymer
Description
도 1은 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지의 작동상태를 보인 도면이다.1 is a view showing an operating state of a fuel cell including a polymer electrolyte membrane.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1, 2 및 비교예 1의 연료전지의 전압 및 전류밀도 특성을 보인 그래프이다.2 is a graph showing the voltage and current density characteristics of the fuel cells of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
1: 연료전지 3: 애노드1: fuel cell 3: anode
5: 캐소드 7: 고분자 전해질 막5: cathode 7: polyelectrolyte membrane
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극의 전류전도도를 향상시킬 수 있는 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell electrode and a fuel cell including the same, and more particularly, to a fuel cell electrode and a fuel cell including the same that can improve the current conductivity of the electrode.
[종래 기술][Prior art]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte or alkaline fuel cells, etc., depending on the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, and the like.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), which is being developed recently, has superior output characteristics compared to other fuel cells, has a low operating temperature, fast start-up and response characteristics, and a mobile power source such as an automobile. Of course, it has a wide range of applications, such as distributed power supply for homes, public buildings and small power supply for electronic devices.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.Such a PEMFC basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to constitute a system. The stack forms the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. The reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack. Thus, the PEMFC supplies fuel in the fuel tank to the reformer by operation of the fuel pump, reforming the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacting the hydrogen gas and oxygen in the stack to generate electrical energy. Let's do it.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)와 이의 양면에 밀착하는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 갖는다. 막/전극 접합체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 결합된 구조를 가진다. 상기 바이폴러 플레이트는 상기 각각의 막/전극 접합체를 분리하고 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할과, 각 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 바이폴러 플레이트를 통해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.In such a fuel cell system, a stack that substantially generates electricity is stacked with several to several tens of unit cells including a membrane electrode assembly (MEA) and a bipolar plate that adheres to both sides thereof. Has a structure. The membrane / electrode assembly has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are coupled with an electrolyte membrane interposed therebetween. The bipolar plate separates the respective membrane / electrode assemblies and serves as a passage for supplying hydrogen gas and oxygen required for the reaction of the fuel cell to the anode electrode and the cathode electrode of the membrane / electrode assembly, and for each membrane / electrode assembly. It simultaneously serves as a conductor that connects the anode and cathode electrodes in series. Hydrogen gas is supplied to the anode electrode through the bipolar plate, while oxygen is supplied to the cathode electrode. In this process, an oxidation reaction of hydrogen gas occurs at an anode electrode, and a reduction reaction of oxygen occurs at a cathode electrode, thereby generating electricity due to the movement of electrons generated, and additionally generating heat and moisture.
본 발명의 목적은 촉매층 또는 미세기공층에 전기전도성 고분자를 함유시켜전극의 전류전도도를 향상시키고 발수현상을 억제할 수 있는 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하기 위한 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell electrode and a fuel cell including the same, which include an electrically conductive polymer in a catalyst layer or a microporous layer to improve current conductivity of an electrode and suppress water repellency.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 금속촉매, 전기전도성 고분자 및 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 촉매층; 및 도전성 기재로 이루어진 가스 확산층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다. In order to achieve the above object, a catalyst layer comprising a metal catalyst, an electrically conductive polymer and a hydrogen ion conductive polymer; And it provides a fuel cell electrode comprising a gas diffusion layer made of a conductive substrate.
본 발명은 또한 촉매층; 도전성 분말 및 전기전도성 고분자를 포함하는 미세기공층; 및 도전성 기재로 이루어진 가스 확산층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다. The present invention also provides a catalyst layer; A microporous layer comprising a conductive powder and an electrically conductive polymer; And it provides a fuel cell electrode comprising a gas diffusion layer made of a conductive substrate.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴러 플레이트를 포함하고, The invention also includes at least one membrane / electrode assembly comprising an anode and a cathode electrode positioned opposite each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode; And a bipolar plate having a flow channel for supplying a gas in contact with one of an anode and a cathode of the membrane / electrode assembly.
상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 금속촉매, 전기전도성 고분자 및 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 촉매층; 및 도전성 기재로 이루어진 가스 확산층을 포함하는 것인 연료전지를 제공한다.At least one of the anode and the cathode electrode is a catalyst layer comprising a metal catalyst, an electrically conductive polymer and a hydrogen ion conductive polymer; And it provides a fuel cell comprising a gas diffusion layer made of a conductive substrate.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴러 플레이트를 포함하고, The invention also includes at least one membrane / electrode assembly comprising an anode and a cathode electrode positioned opposite each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode; And a bipolar plate having a flow channel for supplying a gas in contact with one of an anode and a cathode of the membrane / electrode assembly.
상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 촉매층; 도전성 분말 및 전기전도성 고분자를 포함하는 미세기공층 및 도전성 기재로 이루어진 가스 확산층을 포함하는 것인 연료전지를 제공한다.At least one of the anode and the cathode electrode is a catalyst layer; It provides a fuel cell comprising a microporous layer comprising a conductive powder and an electrically conductive polymer and a gas diffusion layer made of a conductive substrate.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
연료전지의 전극은 일반적으로 촉매층과 가스 확산층(gas diffusion layer; GDL))으로 이루어지며, 가스 확산층의 가스 확산 효과를 증진시키기 위한 미세기공 층을 포함한다. The electrode of a fuel cell is generally composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer (GDL), and includes a microporous layer for enhancing the gas diffusion effect of the gas diffusion layer.
본 발명에서는 상기 촉매층 또는 미세기공층 중 적어도 하나에 전기전도성 고분자를 첨가하여 전극의 전류전도도를 증가시키고 발수현상을 억제한다.In the present invention, an electrically conductive polymer is added to at least one of the catalyst layer and the microporous layer to increase the current conductivity of the electrode and to suppress water repellency.
먼저 촉매층에 전기전도성 고분자를 첨가하는 경우 상기 촉매층은 금속촉매, 전기전도성 고분자 및 수소이온 전도성 고분자를 포함한다. First, when an electrically conductive polymer is added to the catalyst layer, the catalyst layer includes a metal catalyst, an electrically conductive polymer, and a hydrogen ion conductive polymer.
상기 금속촉매는 관련 반응(수소의 산화 및 산소의 환원)을 촉매적으로 도와주는 역할을 하며, 원소 주기율표의 백금족 금속, 즉 백금, 백금-루테늄, 루테늄, 오스뮴 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 이들 금속 촉매는 담체에 지지되어 사용되는 것이 바람직하다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연 등과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.The metal catalyst serves to help catalytically related reactions (oxidation of hydrogen and reduction of oxygen), and platinum group metals of the periodic table of elements, that is, platinum, platinum-ruthenium, ruthenium, osmium, and the like may be preferably used. These metal catalysts are preferably supported by a carrier and used. As the carrier, carbon such as acetylene black, graphite, or the like may be used, or inorganic fine particles such as alumina or silica may be used. In the case of using the noble metal supported on the carrier as a catalyst, a commercially available one may be used, or a noble metal supported on the carrier may be prepared and used. The process of supporting the precious metal on the carrier is well known in the art, and thus detailed description thereof will be omitted.
상기 전기전도성 고분자의 예로는 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리페닐렌, 폴리아닐린, 폴리아센(polyacene) 및 이들의 혼합물이 있다.Examples of the electrically conductive polymer include polythiophene, polyacetylene, polyphenylenevinylene, polyphenylene, polyaniline, polyacene, and mixtures thereof.
상기 수소이온 전도성 고분자는 수소이온 전도성을 가지는 것이면 어느 것이라도 사용가능하며, 이들의 바람직한 예로는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리이미드, 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤 또는 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈 이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 등이 있다. The hydrogen ion conductive polymer may be used as long as it has hydrogen ion conductivity, and preferred examples thereof include tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether including poly (perfluorosulfonic acid), polyimide, and sulfonic acid groups. Copolymers, defluorinated sulfide polyetherketones, aryl ketones or poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) (poly (2,2'-(m-phenylene) ) -5,5'-bibenzimidazole)), poly (2,5-benzimidazole), and the like.
상기 전기전도성 고분자는 수소이온 전도성 고분자에 대하여 10-4 내지 5 : 1의 중량비로 사용될 수 있으며, 0.1 내지 0.8:1의 중량비로 사용되는 것이 더 바람직하다. 상기 전기전도성 고분자가 10-4 :1 보다 적은 양으로 사용되는 경우에는 전극의 전류전도도 향상에 기여할 수 없으며, 5 : 1보다 많은 양으로 사용되는 경우에는 전지 성능이 떨어지는 문제점이 있어 바람직하지 않다.The electrically conductive polymer may be used in a weight ratio of 10 −4 to 5: 1 based on the hydrogen ion conductive polymer, and more preferably used in a weight ratio of 0.1 to 0.8: 1. If the electrically conductive polymer is used in an amount less than 10 -4 : 1, it is not possible to contribute to the improvement of the current conductivity of the electrode, and when used in an amount greater than 5: 1 there is a problem that the performance of the battery falls, which is not preferable.
본 발명에서 상기 촉매층은 담지된 금속촉매, 전기전도성 고분자, 및 수소이온 전도성 고분자를 용매에 첨가하여 조성물을 제조한 후 이를 도전성 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 용매로는 이소프로필 알코올, 에탄올, 부탄올과 같은 알코올, 물, 디메틸포름아미드, 테트라하이드로퓨란, 메틸피롤리돈 또는 이들의 혼합물 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 코팅공정은 조성물의 점성에 따라 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 스핀코팅법, 스프레이 코팅법, 그라비어 코팅법, 딥코팅법, 실크 스크린법, 페인팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the catalyst layer is prepared by adding a supported metal catalyst, an electrically conductive polymer, and a hydrogen ion conductive polymer to a solvent to prepare a composition, and then coating it on a conductive substrate. As the solvent, an alcohol such as isopropyl alcohol, ethanol, butanol, water, dimethylformamide, tetrahydrofuran, methylpyrrolidone or a mixture thereof may be preferably used. The coating process may be a coating method using a doctor blade, a spin coating method, a spray coating method, a gravure coating method, a dip coating method, a silk screen method, a painting method, etc., depending on the viscosity of the composition, but is not limited thereto.
상기 가스 확산층은 연료 전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 반응 가스를 확산시켜 촉매층으로 반응 가스가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 하는 것으로서, 일반적으로 도전성 기재(substrate)로 구성되며, 이러한 도전성 기재로는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 등을 사용할 수 있다. 상기 도전성 기재는 상기 전기전도성 고분자로 발수처리하 여 사용할 수도 있다.The gas diffusion layer plays a role of supporting the fuel cell electrode while diffusing the reaction gas into the catalyst layer to easily access the reaction gas to the catalyst layer. The gas diffusion layer is generally composed of a conductive substrate. The carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or the like may be used. The conductive substrate may be used after water repellent treatment with the electrically conductive polymer.
상기 전기전도성 고분자는 미세기공층에 첨가할 수도 있다. 즉 본 발명에서 미세기공층은 도전성 분말과 전기전도성 고분자를 포함한다. 상기 도전성 분말의 바람직한 예로는 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 나노카본, 카본 나노 튜브 등이 있다. 상기 도전성 분말과 전기전도성 고분자는 1: 0.01 내지 0.8의 중량비로 사용되는 것이 바람직하다.The electrically conductive polymer may be added to the microporous layer. That is, in the present invention, the microporous layer includes a conductive powder and an electrically conductive polymer. Preferred examples of the conductive powder include carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, nanocarbon, carbon nanotube, and the like. The conductive powder and the electrically conductive polymer are preferably used in a weight ratio of 1: 0.01 to 0.8.
상기 미세기공층은 도전성 분말, 불소계열 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 도전성 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 불소계열 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드 등이 바람직하게 사용될 수 있고 상기 용매로는 이소프로필알콜, 부탄올, 에탄올 등과 같은 알코올, 테트라하이드로퓨란, 메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is prepared by coating a conductive substrate with a composition comprising a conductive powder, a fluorine-based binder resin, and a solvent. As the fluorine-based binder resin, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride, or the like may be preferably used. The solvent may be an alcohol such as isopropyl alcohol, butanol, ethanol, tetrahydrofuran, methylpyrroli, etc. Don, dimethylformamide and the like can be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or a coating method using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.
상기 미세기공층을 형성한 다음 촉매층을 형성하여 연료전지용 전극을 제조할 수 있다. 상기 촉매층은 전기전도성 고분자를 포함하여도 무방하다.By forming the microporous layer and then forming a catalyst layer, an electrode for a fuel cell may be manufactured. The catalyst layer may contain an electrically conductive polymer.
연료 전지에서 캐소드 및 애노드 전극은 물질로 구별되는 것이 아니라, 그 역할로 구별되는 것으로서, 연료 전지용 전극은 수소 산화용 애노드 및 산소의 환원용 캐소드로 구별된다. 따라서, 본 발명의 연료 전지용 전극은 캐소드 및 애노드 전극에 모두 사용가능하다. 즉, 연료 전지에서 수소 또는 연료를 상기 애노드에 공급하고 산소를 상기 캐소드에 공급하여, 애노드와 캐소드의 전기화학 반응에 의하여 전기를 생성한다. 애노드에서 수소 또는 유기 연료의 산화 반응이 일어나고 캐소드에서 산소의 환원 반응이 일어나 두 전극간의 전압차를 발생시키게 된다.In the fuel cell, the cathode and the anode electrode are not distinguished by materials but in their role, and the fuel cell electrode is divided into an anode for hydrogen oxidation and a cathode for reducing oxygen. Therefore, the fuel cell electrode of the present invention can be used for both the cathode and the anode electrode. That is, in a fuel cell, hydrogen or fuel is supplied to the anode and oxygen is supplied to the cathode to generate electricity by an electrochemical reaction between the anode and the cathode. An oxidation reaction of hydrogen or organic fuel occurs at the anode and a reduction reaction of oxygen occurs at the cathode to generate a voltage difference between the two electrodes.
도 2는 애노드(3), 캐소드(5), 및 고분자 전해질 막(7)을 포함하는 연료전지(1)의 작동상태를 개략적으로 보인 도면이다. 상기 애노드(3)와 캐소드(5) 전극으로 본 발명의 전극이 사용될 수 있다. 상기 고분자 전해질 막(7)은 수소이온-전도성 고분자 물질, 즉 이오노머(ionomer)로 이루어지며, 일반적으로 폴리(퍼플루오로설폰산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로 상기 고분자 막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.FIG. 2 is a schematic view showing an operating state of a
연료전지는 막/전극 접합체를 가스 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 바이폴러 플레이트 사이에 삽입하여 단위 전지를 제조하고, 이를 적층하여 스택을 제조한 후, 이를 두 개의 엔드 플레이트(end plate) 사이에 삽입하여 제조할 수 있다. 연료 전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 용이하게 제조될 수 있다.The fuel cell inserts a membrane / electrode assembly between a gas flow channel and a bipolar plate on which a cooling channel is formed to fabricate a unit cell, stacks it, and manufactures a stack, and then inserts it between two end plates. Can be prepared. Fuel cells can be readily manufactured by conventional techniques in the art.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
(실시예 1: 전극 및 단위 전지의 제조) Example 1 Fabrication of Electrode and Unit Cell
백금이 담지된 탄소분말(Pt/C) 4g 및 Nafion 5% 용액 10g를 이소프로필알코 올50ml와 물 50ml에 첨가한 후 폴리페닐렌비닐렌 1g을 넣고 교반하여 촉매층 형성용 코팅 조성물을 제조하였다. 이 코팅 조성물을 탄소 페이퍼에 코팅하여 촉매층을 형성하여 전극을 제조하였다.4 g of platinum powder (Pt / C) and 10 g of Nafion 5% solution were added to 50 ml of isopropyl alcohol and 50 ml of water. Then, 1 g of polyphenylenevinylene was added thereto and stirred to prepare a coating composition for forming a catalyst layer. The coating composition was coated on carbon paper to form a catalyst layer to prepare an electrode.
상기 전극을 애노드 및 캐소드로 하여 그 사이에 Nafion(DuPont 사 제품) 고분자 막을 놓고 100도에서 30분간 소성한 후 열간압연하여 막/전극 접합체(MEA)를 제조하였다.The electrode was used as an anode and a cathode, and a Nafion (manufactured by DuPont) polymer membrane was placed therebetween, fired at 100 ° C. for 30 minutes, and hot rolled to prepare a membrane / electrode assembly (MEA).
상기 제조된 막/전극 접합체를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 가스 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴러 플레이트에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.The prepared membrane / electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two bipolar plates in which a gas flow channel and a cooling channel of a predetermined shape are formed, and then compressed between copper end plates. The battery was prepared.
(실시예 2)(Example 2)
카본 블랙 10g과 폴리테트라플루오로에틸렌 고분자 2g를 용매로 이소프로필알코올 100ml에 첨가한 후 폴리페닐렌비닐렌 1g을 넣고 교반하여 미세기공층 형성용 코팅 조성물을 제조하였다. 탄소페이퍼에 상기 코팅 조성물을 코팅한 후 열처리하여 미세기공층을 형성하였다. 백금이 담지된 탄소분말(Pt/C) 4g 및 Nafion 5% 용액 10g를 이소프로필알코올 50ml와 물 50ml에 첨가하여 제조한 촉매층 형성용 조성물을 미세기공층이 형성된 탄소페이퍼에 코팅하여 촉매층을 형성하여 전극을 제조하였다. 상기 전극을 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.10 g of carbon black and 2 g of polytetrafluoroethylene polymer were added to 100 ml of isopropyl alcohol as a solvent, and then 1 g of polyphenylene vinylene was added thereto, followed by stirring to prepare a coating composition for forming a microporous layer. The coating composition was coated on carbon paper and then heat-treated to form a microporous layer. A catalyst layer was formed by coating a catalyst layer-forming composition prepared by adding 4 g of platinum-supported carbon powder (Pt / C) and 10 g of Nafion 5% solution to 50 ml of isopropyl alcohol and 50 ml of water on carbon paper having a microporous layer. An electrode was prepared. A fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1 using the electrode.
(비교예1) (Comparative Example 1)
백금이 담지된 탄소분말(Pt/C) 4g 및 Nafion 5% 용액 10g를 이소프로필알코 올 50ml와 물 50ml에 첨가하여 제조한 촉매층 형성용 조성물을 탄소페이퍼에 코팅하여 촉매층을 형성하여 전극을 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.A catalyst layer was formed by coating a catalyst layer on carbon paper by adding 4 g of platinum-supported carbon powder (Pt / C) and 10 g of Nafion 5% solution to 50 ml of isopropyl alcohol and 50 ml of water to form a catalyst layer. A fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that.
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1의 연료전지의 전압과 전류밀도를 측정하여 도 2에 기재하였다. 도 2에 도시된 바와 같이 실시예 1과 2의 전류밀도가 비교예 1에 비하여 우수한 것으로 나타났다. 이로써 실시예 1과 실시예 2의 전극의 전류전도도가 향상되었음을 알 수 있다.Voltage and current densities of the fuel cells of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 were measured and described in FIG. 2. As shown in FIG. 2, the current densities of Examples 1 and 2 were superior to those of Comparative Example 1. It can be seen that the current conductivity of the electrode of Example 1 and Example 2 was improved.
본 발명의 연료전지용 전극은 촉매층 또는 미세기공층에 전기전도성 고분자를 포함함으로써 전류전도도가 우수하고 발수현상을 억제할 수 있다.The electrode for a fuel cell of the present invention includes an electrically conductive polymer in the catalyst layer or the microporous layer, thereby providing excellent current conductivity and suppressing water repellency.
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020040039177A KR100570768B1 (en) | 2004-05-31 | 2004-05-31 | A electrode for fuel cell and a fuel cell comprising the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020040039177A KR100570768B1 (en) | 2004-05-31 | 2004-05-31 | A electrode for fuel cell and a fuel cell comprising the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20050113996A KR20050113996A (en) | 2005-12-05 |
KR100570768B1 true KR100570768B1 (en) | 2006-04-12 |
Family
ID=37288420
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020040039177A KR100570768B1 (en) | 2004-05-31 | 2004-05-31 | A electrode for fuel cell and a fuel cell comprising the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR100570768B1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9178237B2 (en) | 2010-12-14 | 2015-11-03 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Conductive composition and method of preparation, polymer thereof, and electrode, electrolyte membrane and fuel cell including the composition or polymer |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030175579A1 (en) | 2000-08-16 | 2003-09-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Fuel cell electrode and fuel cell |
-
2004
- 2004-05-31 KR KR1020040039177A patent/KR100570768B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030175579A1 (en) | 2000-08-16 | 2003-09-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Fuel cell electrode and fuel cell |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1020010034617 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20050113996A (en) | 2005-12-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2006140152A (en) | Electrode for fuel cell, and membrane/electrode assembly and fuel cell system including it | |
JP2006019300A (en) | Electrode for fuel cell, fuel cell, and manufacturing method therefor | |
KR100578970B1 (en) | Electrode for fuel cell and fuel cell comprising same | |
JP2002343369A (en) | Manufacturing method of electrode for fuel cell, and fuel cell | |
US7842422B2 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell comprising the same | |
JP4846371B2 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system including the same | |
KR101181856B1 (en) | A electrode for fuel cell and a fuel cell and membrane/electrode assembly comprising the same | |
KR101117630B1 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell and method for preparating the same | |
JP2007128665A (en) | Electrode catalyst layer for fuel cell, and manufacturing method of membrane-electrode assembly using it | |
JP7401493B2 (en) | Method for manufacturing catalyst ink and method for manufacturing membrane electrode assembly | |
KR20090055304A (en) | Membrane electrode assembly for fuel cell, method for preparing same, and fuel cell system inclulding same | |
KR100570768B1 (en) | A electrode for fuel cell and a fuel cell comprising the same | |
KR100570769B1 (en) | A electrode for fuel cell and a fuel cell comprising the same | |
KR20090032772A (en) | Membrane electrode assembly for fuel cell, method for preparing same, and fuel cell system including same | |
KR100599811B1 (en) | Membrane/electrode for fuel cell and fuel cell system comprising same | |
KR101093708B1 (en) | A electrode for fuel cell and a fuel cell comprising the same | |
KR101073014B1 (en) | A membrane electrode assembly for fuel cell and a fuel cell comprising the same | |
KR101181853B1 (en) | Electrode and membrane/electrode assembly for fuel cell and fuel cell comprising same | |
KR101125651B1 (en) | A membrane/electrode assembly for fuel cell and a fuel cell comprising the same | |
KR20060034939A (en) | Method for preparing electrode for fuel cell | |
KR20080045457A (en) | Membrane electrode assemble for fuel cell, method of preparing same, and fuel cell system comprising same | |
KR20060001741A (en) | A electrode for fuel cell and a fuel cell comprising the same | |
KR20050121932A (en) | A electrode for fuel cell and a fuel cell comprising the same | |
KR20070013855A (en) | Membrane/electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising the same | |
KR20060102029A (en) | A electrode for fuel cell and a fuel cell comprising the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20120326 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130322 Year of fee payment: 8 |
|
LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |