KR100829554B1 - 연료전지용 전극 및 이를 구비한 연료전지 - Google Patents

연료전지용 전극 및 이를 구비한 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR100829554B1
KR100829554B1 KR1020060129010A KR20060129010A KR100829554B1 KR 100829554 B1 KR100829554 B1 KR 100829554B1 KR 1020060129010 A KR1020060129010 A KR 1020060129010A KR 20060129010 A KR20060129010 A KR 20060129010A KR 100829554 B1 KR100829554 B1 KR 100829554B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
electrode
polyol
weight
compound
Prior art date
Application number
KR1020060129010A
Other languages
English (en)
Inventor
김태영
조명동
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020060129010A priority Critical patent/KR100829554B1/ko
Priority to US11/845,437 priority patent/US8148029B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100829554B1 publication Critical patent/KR100829554B1/ko

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
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/08—Fuel cells with aqueous electrolytes
    • H01M8/086—Phosphoric acid fuel cells [PAFC]
    • 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
    • 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
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H01M4/926—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers on carbon or graphite
    • 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
    • H01M8/02—Details
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Polyurethanes Or Polyureas (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 지지체; 및 상기 지지체상에 형성된 촉매층을 구비하는 연료전지용 전극에 있어서, 상기 촉매층이 담지촉매; 및 폴리우레탄계 화합물을 포함하며 상기 폴리우레탄계 화합물의 전부 또는 일부가 인산기 함유 폴리올로부터 합성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극, 그 제조방법 및 이를 구비한 연료전지를 제공한다. 본 발명의 전극은 고온 작동 조건에서 안전성을 유지하며, 인산의 함침량이 우수하여 특히 고온에서 인산 보존 능력이 개선되어 이온 전도도 특성이 우수하다. 상술한 전극을 이용하면 100℃ 이상의 고온 및 무가습의 조건하에서 동작 가능하며 발전 성능이 향상된 연료전지를 제작할 수 있다.

Description

연료전지용 전극 및 이를 구비한 연료전지{Electrode for fuel cell and fuel cell using the same}
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 연료전지에 있어서,전류밀도에 따른 포텐셜 및 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지에 있어서, 전류밀도에 따른 포텐셜 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 연료전지에 있어서, 시간에 따른 포텐셜 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 연료전지에 있어서,전류밀도에 따른 포텐셜 및 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 연료전지용 전극 및 이를 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 인산 함침율이 뛰어나 고온에서도 이온 전도도 특성이 우수하고 안정성이 우수한 연료전지용 전극 및 이를 채용한 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라 양성자 교환막 연료전지(PEMFC: proton exchange membrane fuel cell), 인산 연료전지(PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지(SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분될 수 있다.
연료전지 중 PEMFC는 높은 출력 밀도, 빠른 기동 시간, 높은 효율 등에 의해 정치형, 자동차용, 휴대용 등의 넓은 용도로 이용될 것으로 기대되고 있다. 기존의 PEMFC의 운전 온도를 80℃에서 100℃이상으로 높이려는 시도가 진행되고 있는데, 그것은 고온 시스템이 다음과 같은 장점들을 지니고 있기 때문이다. 고온화를 통해, 1) 양쪽 극의 전기화학 반응이 빨라지고, 2) 물 관리가 간단해지며, 3) 스택과 냉매간의 온도차가 커 냉각 시스템이 간단해지고, 4) 배열 이용이 용이하며, 5) CO에 의한 피독이 감소하므로 개질기의 크기를 줄일 수 있다.
그러나 고온 시스템의 근본적인 장애는 150℃ 정도의 고온에서 프로톤 전도 특성을 유지하면서 안정성을 갖는 고분자 전해질막의 확보가 시급하다는 것이다. 기존의 저온형 PEMFC에서 전해질막으로 사용되는 나피온의 경우, 물을 흡수한 상태에서 높은 이온전도성을 보인다. 나피온의 이러한 특성으로 인해 전극에서도 이온 전도체이자 바인더로 사용되어졌다. 그러나 나피온은 고가이고 150℃의 온도에서는 물이 액상으로 나피온에 흡수될 수 없으므로 나피온의 이온전도도가 급격하게 떨어져 프로톤 전도체의 역할을 할 수 없기 때문에 바인더로서의 매력이 떨어진다.
따라서 고온 연료전지 시스템 하의 전극에서는 장시간 운전에도 안정적으로 바인더 역할을 할 수 있고 고유의 물성으로 전극 성능을 향상시킬 수 있는 고분자 재료가 필요하다.
현재 고온 PEMFC의 전극에는 주로 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)나 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)가 바인더로 사용되는데 이 재료들은 주로 발수성(hydrophobicity)을 갖는다. 고온 PEMFC에는 주로 프로톤 전도체로 액체인 인산이 사용되므로 전극의 성능은 전극 내로의 인산 흡수량과 분포에 의해 크게 영향을 받는다. 그런데 전극 내에서 바인더로 사용되는 발수성 재료는 가스 경로로는 작용하지만 동시에 인산의 흡수를 막는 성질이 있어, 전극 성능이 낮게 나타나거나 전극 성능이 최고점에 달하는 데 시간이 많이 걸리는 등의 문제가 있다. 따라서 전극 설계 목적에 따라 고온에서 안정한 친수성 고분자 재료가 바인더로 필요할 경우가 있다.
이에 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 문제점을 해결하여 고온에서도 안정하며 인산 흡수율이 뛰어나 높은 이온 전도도를 유지할 수 있는 친수성 바인더를 포함하는 연료전지용 전극 및 이를 채용한 연료전지를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는, 지지체; 및 상기 지지체상에 형성된 촉매층을 구비하는 연료전지용 전극에 있어서, 상기 촉매층이 담지촉매 및 폴리우레탄계 화합물을 포함하며, 상기 폴리우레탄계 화합물은 폴리올, 디이소시아네이트 및 사슬연장제의 중합반응 생성물이고, 상기 폴리올의 전부 또는 일부가 인산기 함유 폴리올인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극이 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 인산기 함유 폴리올은 전체 폴리올 중 7 몰% 내지 100몰% 일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면 상기 폴리우레탄계 화합물은 담지 촉매 중 0.1 내지 50중량%의 양으로 포함될 수 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 캐소드; 애노드 및 전해질막을 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 캐소드와 애노드중 하나 이상이 상술한 전극인 것을 특징으로 하는 연료전지가 제공된다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에서는 고온용 연료전지의 캐소드 및 애노드 중 하나 이상에 친수성 폴리우레탄계 화합물을 바인더의 일부 또는 전부로 사용하여 전극에의 인산 흡수율을 향상시켜 연료전지의 이온전도도를 높일 수 있게 된다.
즉 본 발명의 연료전지용 전극은 지지체; 및 상기 지지체상에 형성된 촉매층을 구비하는 연료전지용 전극에 있어서, 상기 촉매층이 담지촉매 및 폴리우레탄계 화합물을 포함하며, 상기 폴리우레탄계 화합물은 폴리올, 디이소시아네이트 및 사슬연장제의 중합반응 생성물이고, 상기 폴리올의 전부 또는 일부가 인산기 함유 폴리올인 것을 특징으로 한다.
전체 폴리우레탄계 화합물 중 전부 또는 일부를 인산기 함유 폴리올로부터 합성된 폴리우레탄계 화합물로 대체함으로써, 촉매층을 지지체에 고정시키는 역할을 하면서 향상된 친수성으로 인하여 프로톤 전도체로 사용되는 인산에 대한 흡수율을 높일 수 있게 되어 결과적으로 촉매 이용률을 증가시켜 연료전지의 성능을 향상시킨다. 상기 인산기 함유 폴리올은 인산과의 친화력을 높이기 위하여 인산기가 그래프트된 디올로서, 이를 통하여 전극의 인산 함침 능력을 높여 이온 전도도가 개선된다.
본 발명에서 인산기 함유 폴리올은 전체 폴리올 7몰% 내지 100몰%, 바람직하게는 7몰% 내지 85몰%인 것이 바람직하다. 상기 범위내에서 원하는 친수성 정도에 따라 인산기 함유 폴리올의 함량을 조절할 수 있다.
상기 폴리우레탄계 화합물은 담지 촉매 중 0.1 내지 50중량%의 양으로 포함될 수 있다. 0.1중량%보다 적으면 원하는 친수성 효과를 얻을 수 없으며 50중량%보다 많으면 전극 내 인산의 흡수가 과량이 되어 연료나 공기등의 가스의 물질전달이 어렵게 되어 성능이 떨어질 수 있다.
폴리우레탄계 화합물의 제조에 사용되는 폴리올로는 디메틸올부탄산(dimethylol butanoic acid), 디메틸올 프로피온산(dimethylol propionic acid), 폴리(테트라메틸렌 에테르 글리콜)poly(tetramethylene ether glycol)(PTMEG), 폴리(프로필렌 글리콜)(poly(propylene glycol): PPG), 폴리카프로락톤(polycaprolactone diol: PCL)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 인산기 함유 폴리올로는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 들 수 있다.
[화학식 ]
Figure 112006093227980-pat00001
상기식중, R1 및 R2는 서로에 관계없이 C1-C20 알킬기이고, c 및 d는 서로에 관계없이 1 내지 4의 정수이다.
상기 인산기 함유 폴리올의 구체적인 예로서, 하기 화학식 2로 표시되는 {[비스-(2-하이드록시에틸)-아미노]-메틸}-포스폰산 디에틸 에테르 {[bis-(2-hydroxyethyl)-amino]-methyl}-phosphonic acid diethyl ester 가 있다.
[화학식 2]
Figure 112006093227980-pat00002
본 발명에서 사용되는 인산기 함유 폴리올을 포함한 전체 폴리올의 함량은 디이소시아네이트계 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 70 내지 90 중량부인 것이 바람직하다. 70중량부보다 적으면 중합이 충분치 않아 미반응물질이 생기고 90중량부보다 많으면 과량으로 반응하고 남는 양이 많아질 수 있다.
본 발명에서 폴리우레탄계 화합물 합성시 사용되는 출발물질인 디이소시아네이트계 화합물로는 지방족 디이소시아네이트계 화합물을 사용하며, 그 구체적인 예로서 이소포론 디이소시아네이트, 디이소시아네이트계 모노머로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 사슬확장제의 구체적인 예로는 에틸렌 디아민(ethylene diamine) 등을 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 폴리우레탄계 화합물의 중량 평균 분자량은 5,000 내지 500,000 이며 바람직하게는 약 10,000이다.
상기 사슬 확장제의 함량은 디이소시아네이트계 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 20 중량부인 것이 바람직하다.
상기 중합반응시 용매로는 물 또는 NMP 등을 사용하며, 그 함량은 디이소시아네이트계 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 100 내지 400 중량부인 것이 바람직하다.
상기 폴리우레탄 합성 반응에서 폴리올 및 인산기 함유 폴리올의 총 함량, 사슬확장제의 함량 및 용매의 함량이 상술한 범위일 때 폴리우레탄의 수율이 우수하다.
본 발명에서 촉매층 형성시 사용되는 촉매는 담체와 이러한 담체에 담지된 금속 촉매 입자로 이루어진 담지촉매를 사용한다.
상기 담지 촉매를 구성하는 금속 촉매 입자로는 특별하게 제한되지는 않으나, 백금(Pt), 루테늄(Ru), 주석(Sn), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크 롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 셀레늄(Se), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 납(Pb) 또는 이들의 혼합물이며, 이 중에서도 특히 나노 크기를 갖고 있는 백금과 그 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 캐소드로는 Pt/C, PtCo/C, PtCr/C 등의 Pt 합금 촉매를 사용할 수 있으며, 애노드로는 Pt/C, PtRu/C등의 합금 촉매를 사용할 수 있다.
상기 지지체로는 카본 페이퍼, 카본 클로쓰(cloth), 다공성층(microporous layer)이 코팅된 카본 페이퍼/클로쓰 등을 사용한다.
상술한 연료전지용 전극의 제조방법을 살펴보면 다음과 같다.
상기 폴리우레탄계 화합물은 물에 현탁된 상태의 것을 사용하거나 N-메틸피롤리돈(N-methylpyrrolidone: NMP)에 용해되어 있는 것을 사용할 수 있다. 물에 현탁된 것을 사용하는 경우에는 NMP를 넣고 70 내지 90℃ 에서 24시간이상 교반하여 물을 제거한 뒤 전극 제조에 사용한다. 이 때 폴리우레탄계 화합물의 농도는 3 내지 10중량%인 것이 바람직하다. NMP에 용해되어 있는 것을 사용하는 경우에는 추가로 NMP를 첨가하여 3 내지 10중량%의 농도가 되도록 희석한 뒤 전극 제조에 사용한다.
상기 폴리우레탄계 화합물은 캐소드와 애노드 양쪽에 모두 사용되거나 한쪽에 선택적으로 사용될 수 있다.
촉매, 용매 및 폴리우레탄계 화합물 용액을 혼합한 다음 교반하여 슬러리를 제조한다. 이렇게 제조된 슬러리를 지지체에 코팅한 다음 건조시켜 전극을 제조한 다.
상기 과정에 따라 얻은 전극은 지지체와, 이 상부에 형성되며 담지촉매와 폴리우레탄계 화합물로 이루어진 촉매층을 구비하게 되는 것이다.
전해질막으로는 특별하게 제한되는 것을 아니지만, 폴리벤즈이미다졸(PBI), 가교결합된 폴리벤드이미다졸, ABPBI, PBOA, 폴리우레탄(Polyurethane), 개질된 폴리테트라플루오로에틸렌(modified PTFE)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상으로 이루어진 전해질막을 상기 캐소드와 애노드 사이에 개재하여 연료전지를 제작할 수 있다.
상기 전해질막에 산을 함침시키게 되는데, 상기 산의 비제한적인 예로서, 인산 등을 사용한다. 상기 인산의 농도는 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 80 내지 100 중량%, 특히 85중량% 인산 수용액을 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 들어 보다 상세하게 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.
합성예 1: 폴리우레탄의 제조 (인산기 함유 폴리올인 Fyrol-6이 100몰%인 사용된 예)
인산기 함유 폴리올인 수평균 분자량이 255인 Fyrol-6(제조사명:Akzo Nobel Chemicals Inc.) 80 중량부, 이소포렌 디이소시아네이트 100중량부, 사슬연장제인 에틸렌디아민 10중량부 및 용매인 물 300 중량부를 혼합하고 이를 60℃에서 반응하여 수분산성 폴리우레탄을 합성하였다.
합성예 2: 폴리우레탄의 제조 ( 인산기 함유 폴리올인 Fyrol -6이 10몰 %이고, 폴리올인 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜이 90몰 % 사용된 예)
수평균 분자량이 1,000인 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜 72 중량부, 이소포렌 디이소시아네이트 100 중량부, 인산기 함유 폴리올인 수평균 분자량이 255인 Fyrol-6 8 중량부, 사슬연장제인 에틸렌 디아민 10중량부 및 용매인 물 300 중량부를 혼합하고 이를 60℃에서 반응하여 수분산성 폴리우레탄을 합성하였다.
합성예 3: 폴리우레탄의 제조 (인산기 함유 폴리올인 Fyrol-6이 20몰%이고, 폴리올인 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜이 80몰% 사용된 예)
수평균 분자량이 1,000인 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜 64 중량부, 이소포렌 디이소시아네이트 100 중량부, 인산기 함유 폴리올인 수평균 분자량이 255인 Fyrol-6 16 중량부, 사슬연장제인 에틸렌 디아민 10중량부 및 용매인 물 300중량부를 혼합하고 이를 60℃에서 반응하여 수분산성 폴리우레탄을 합성하였다.
실시예 1
캐소드 제조
촉매로는 TKK사의 PtCo/C(TEC36E52) 0.75g과 용매로서 NMP 3.5g을 용기에 넣고 고속교반기(AR-250)로 2분간 교반하였다. 이 혼합물에, 합성예 2에서 제조한 폴리우레탄계 화합물의 현탁액 2g에 NMP 9.6g을 첨가한 다음 80℃에서 12시간 교반하 여 물을 제거하고 NMP를 추가로 첨가하여 4%로 희석한 용액 0.5g을 넣고 2분간 추가 교반하여 슬러리를 제조하였다.
7×7㎠로 잘라낸 카본페이퍼 (SGL35BC)위에 바 코팅(bar coating) (#100)으로 상기 슬러리를 코팅한 뒤, 건조를 통해 용매를 제거하였다. 건조 조건은 상온에서 1시간, 이후 오븐에서 80℃로 30분, 120℃로 30분 그리고 마지막으로 150℃에서 10분 건조한 뒤 노냉하였다. 여기서 Pt 로딩량은 약 1.402mg/cm2이었다.
애노드 제조
촉매는 TKK사의 PtRu/C(TEC36E52) 0.75g과 용매로서 NMP 3.5g을 용기에 넣고 고속교반기(AR-250)로 2분간 교반하였다. 이 혼합물에 PVdF 2.5% 용액을 5 g을 넣고 2분간 추가 교반하여 슬러리를 제조하였다.
7×7㎠로 잘라낸 카본페이퍼 (SGL35BC)위에 바 코팅(bar coating) (#100)으로 상기 슬러리를 코팅한 뒤, 건조를 통해 용매를 제거하였다. 건조 조건은 상온에서 1시간, 이후 오븐에서 80℃로 30분, 120℃로 30분 그리고 마지막으로 150℃에서 10분 건조한 뒤 노냉하였다. 여기서 Pt 로딩량은 약 1.180mg/cm2이었다.
MEA의 제조
MEA 테스트를 위해 전극은 3.1×3.1㎠의 면적으로 절단한 뒤 캐소드에는 6mg/cm2의 인산(85% 기준)을, 애노드에는 2mg/cm2의 인산을 가한 뒤 150℃에서 건 조시켰다. 상기 캐소드, 전해질막 및 애노드를 적층하여 MEA를 제조하였다. 전해질막으로는 가교결합된 PBI를 사용하고, 60℃에서 85% 인산으로 40분간 함침하였다. 함침율은 약 350%였다.
애노드와 캐소드간 기체 투과를 막기 위하여 메인 가스킷, 200㎛ 테프론막과 서브 가스킷용으로 20㎛ 테프론막을 전극/전해질막 계면에 겹쳐 사용하였다.
MEA에 가해지는 압력은 토크 렌치를 사용하여 조절하였으며, 1, 2, 3 Nㆍm 토크까지 단계적으로 증가시키면서 조립하였다.
실시예 2
실시예 1의 캐소드 제조에서 발수성 바인더인 PTFE를 추가로 첨가하였다. PTFE는 60% 현탁액인 PTFE30J를 0.135g을 슬러리에 첨가하였다. 이후 코팅 및 건조 공정까지는 실시예1과 일치하며 건조 후의 전극은 340℃ 질소 분위기에서 12시간 이상 열처리하고 이후 상온까지 노냉하였다. 이후의 애노드 및 MEA는 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
비교예 1
고분자 바인더로 PBI가 캐소드 고체 성분의 질량비로 2.5%가 되도록 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 캐소드, 애노드 및 MEA를 제조하였다. 이 때 Pt 로딩량은 캐소드가 약 1.980mg/cm2이고 애노드가 약 0.9mg/cm2 이 었다.
연료전지의 성능 시험을 위해 150℃에서 무가습으로 공기 250ccm 및 수소 100ccm을 흘려서 운전하였다. 전극의 실제 반응 면적은 2.8x2.8cm2으로 고정하였다.
전류를 증가시키면서 변화되는 포텐셜을 측정하여 I-V 곡선을 구하였다. 이 때 저항값은 1kHz에서 교류저항을 측정하여 평가하였다.
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 연료전지의 전류 밀도에 따른 포텐셜 변화 및 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1에서 보듯이, 본 발명에 따른 폴리우레탄계 바인더를 사용하여 전지를 제조할 경우 1.402g/㎠의 캐소드 Pt 로딩량에 대해 0.3A/㎠의 전류밀도에서 0.686V의 성능을 보였으며 저항은 8mΩ으로 낮은 값을 보이는 것을 알 수 있다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1의 연료전지의 전류 밀도에 따른 포텐셜 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2에서 보듯이, 표준 PBI 전극의 Pt 로딩양이 높음에도 불구하고 인산기 함유 폴리우레탄계 화합물을 바인더로 채용한 실시예 1의 전극이 0.3A/ cm2 에서 30mV 정도 높은 성능을 보였다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료전지의 시간에 따른 포텐셜 변화를 나타낸 그래프이다. 이 때 전류밀도는 0.3A/cm2이었다.
도 3에서 보듯이, 인산기 함유 폴리우레탄계 화합물의 우수한 인산 흡수 능력 때문에 작동 초기부터 높은 성능을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
도 4는 실시예 1 및 실시예 2에 따른 연료전지의 전류 밀도에 따른 포텐셜 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4에서 보듯이, 본 발명에 따른 연료전지가 전반적으로 유사한 성능을 나타내지만 플러딩이 되기 쉬운 고전류 영역에서 PTFE를 첨가한 전극이 다소 향상된 성능을 보이는 것을 알 수 있다.
한편, 하기 표 1에 나타낸 실시예 1 및 실시예 2의 타펠 슬로프(Tafel Slope)를 비교해보면 PTFE를 첨가한 경우가 약간 낮아지는 것을 볼 수 있는데, 이는 전극 촉매 주변의 인산량이 발수성 PTFE로 인해 낮아지는 것을 의미한다. 이상의 결과로부터 친수성 바인더인 인산기 함유 폴리우레탄계 화합물과 발수성 바인더간의 적절한 조합을 통해 전극의 인산 흡수 능력을 목적에 맞게 조절할 수 있음을 알 수 있다.
[표 1]
구분 타펠 슬로프 (mV/dec)
실시예 1 116.84
실시예 2 97.06
본 발명의 친수성 폴리우레탄 바인더를 사용한 연료전지는 가정용 연료전지의 운전조건인 저전류 영역 (≤ 0.3A/㎠)에서 전위 상승 효과를 나타내며, 성능이 최적화되는 시간이 짧고, 난연성 재료인 인산기 함유 폴리올을 바인더 제조에 사용 함으로써 열적 안정성이 뛰어나고, 고온에서도 인산을 효과적으로 포함하고 있을 수 있어 높은 이온 전도도를 유지할 수 있다.

Claims (9)

  1. 지지체; 및 상기 지지체상에 형성된 촉매층을 구비하는 연료전지용 전극에 있어서, 상기 촉매층이 담지촉매 및 폴리우레탄계 화합물을 포함하며, 상기 폴리우레탄계 화합물은 폴리올, 디이소시아네이트 및 사슬연장제의 중합반응 생성물이고, 상기 폴리올의 전부 또는 일부가 인산기 함유 폴리올인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인산기 함유 폴리올은 전체 폴리올 중 7 내지 85몰%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 폴리우레탄계 화합물은 담지촉매중 0.1 내지 50중량%의 양으로 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 인산기 함유 폴리올이 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극:
    [화학식 1]
    Figure 112007085858566-pat00003
    상기식중, R1 및 R2는, 서로 동일하거나 상이하게, C1-C20 알킬기이고, c 및 d는, 서로 동일하거나 상이하게, 1 내지 4의 정수이다..
  5. 제4항에 있어서, 상기 인산기 함유 폴리올이 하기 화학식 2로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
    [화학식 2]
    Figure 112006093227980-pat00004
  6. 제1항에 있어서, 상기 인산기 함유 폴리올을 포함한 전체 폴리올의 함량이 상기 디이소시아네이트계 화합물 100 중량부 기준으로 70 내지 90 중량부인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  7. 제1항에 있어서, 상기 디이소시아네이트계 화합물은 이소포론 디이소시아네이트 또는 디이소시아네이트계 모노머인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  8. 제1항에 있어서, 상기 사슬확장제가 에틸렌 디아민(ethylene diamine) 이고, 상기 사슬 확장제의 함량은 디이소시아네이트계 화합물 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극.
  9. 캐소드; 애노드 및 전해질막을 포함하는 연료전지에 있어서, 상기 캐소드와 애노드중 하나 이상이 제 1항 내지 제 8항중 어느 한 항에 따른 전극인 것을 특징으로 하는 연료전지.
KR1020060129010A 2006-12-15 2006-12-15 연료전지용 전극 및 이를 구비한 연료전지 KR100829554B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060129010A KR100829554B1 (ko) 2006-12-15 2006-12-15 연료전지용 전극 및 이를 구비한 연료전지
US11/845,437 US8148029B2 (en) 2006-12-15 2007-08-27 Electrode for fuel cell and fuel cell using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060129010A KR100829554B1 (ko) 2006-12-15 2006-12-15 연료전지용 전극 및 이를 구비한 연료전지

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR100829554B1 true KR100829554B1 (ko) 2008-05-14

Family

ID=39527717

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060129010A KR100829554B1 (ko) 2006-12-15 2006-12-15 연료전지용 전극 및 이를 구비한 연료전지

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8148029B2 (ko)
KR (1) KR100829554B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110092547A (ko) * 2010-02-09 2011-08-18 삼성전자주식회사 하이퍼브랜치 폴리머, 이를 포함한 연료전지용 전극과 전해질막 및 이를 채용한 연료전지
US8802318B2 (en) 2010-05-14 2014-08-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Compound and composition including compound, with fuel cell, fuel cell electrode and fuel cell electrolyte membrane using same
US9051433B2 (en) 2010-02-04 2015-06-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Polymer and cross-linked polymer composition, electrode and electrolyte membrane including cross-linked polymer, and fuel cell including electrode and electrolyte membrane
US9112232B2 (en) 2010-02-05 2015-08-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Composition, polymer thereof, electrode and electrolyte membrane for fuel cell, and fuel cell including the same
US9368803B2 (en) 2010-03-03 2016-06-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Composition, method of preparing the composition, electrode including the composition, and fuel cell including the electrode

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101978538B (zh) * 2008-03-24 2013-09-18 昭和电工株式会社 燃料电池用催化剂的制造方法和燃料电池用催化剂
GB201117093D0 (en) 2011-10-05 2011-11-16 Fujifilm Imaging Colorants Ltd Dispersions, process for preparing dispersions, inks and users
US9406974B2 (en) 2013-04-25 2016-08-02 Samsung Sdi Co., Ltd. Additive for electrolyte of lithium battery, organic electrolytic solution comprising the same, and lithium battery using the organic electrolytic solution

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4247678A (en) 1979-08-17 1981-01-27 The Goodyear Tire & Rubber Company Polyurethane derived from both an aliphatic dicarboxylic acid and an aromatic dicarboxylic acid and fuel container made therefrom
JP2004273386A (ja) 2003-03-12 2004-09-30 Toyota Motor Corp プロトン伝導性材料、プロトン伝導性材料膜、及び燃料電池
JP2007035305A (ja) 2005-07-22 2007-02-08 Bridgestone Corp 燃料電池用液体燃料保持体、燃料電池用液体燃料タンク及び固体高分子型燃料電池

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002175837A (ja) * 2000-12-06 2002-06-21 Nisshinbo Ind Inc 高分子ゲル電解質及び二次電池並びに電気二重層キャパシタ
JP2003212954A (ja) * 2002-01-21 2003-07-30 Showa Denko Kk リン含有ウレタン（メタ）アクリレート化合物および感光性組成物
EP1827681A4 (en) * 2004-11-17 2011-05-11 Hyperion Catalysis Int METHODS FOR PREPARING CATALYTIC CARRIERS AND SUPPORTED CATALYSTS FROM SINGLE-WALL CARBON NANOTUBES
US7816052B2 (en) * 2005-05-27 2010-10-19 Samsung Sdi Co., Ltd. Portion conductive electrolyte, method of preparing the same, electrode for fuel cell, method of manufacturing the electrode, and fuel cell including the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4247678A (en) 1979-08-17 1981-01-27 The Goodyear Tire & Rubber Company Polyurethane derived from both an aliphatic dicarboxylic acid and an aromatic dicarboxylic acid and fuel container made therefrom
JP2004273386A (ja) 2003-03-12 2004-09-30 Toyota Motor Corp プロトン伝導性材料、プロトン伝導性材料膜、及び燃料電池
JP2007035305A (ja) 2005-07-22 2007-02-08 Bridgestone Corp 燃料電池用液体燃料保持体、燃料電池用液体燃料タンク及び固体高分子型燃料電池

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9051433B2 (en) 2010-02-04 2015-06-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Polymer and cross-linked polymer composition, electrode and electrolyte membrane including cross-linked polymer, and fuel cell including electrode and electrolyte membrane
US9112232B2 (en) 2010-02-05 2015-08-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Composition, polymer thereof, electrode and electrolyte membrane for fuel cell, and fuel cell including the same
US9680156B2 (en) 2010-02-05 2017-06-13 Samsung Electronics Co., Ltd Composition, polymer thereof, electrode and electrolyte membrane for fuel cell, and fuel cell including the same
KR20110092547A (ko) * 2010-02-09 2011-08-18 삼성전자주식회사 하이퍼브랜치 폴리머, 이를 포함한 연료전지용 전극과 전해질막 및 이를 채용한 연료전지
US9178218B2 (en) 2010-02-09 2015-11-03 Samsung Electronics Co., Ltd. Hyper-branched polymer, electrode and electrolyte membrane including the hyper-branched polymer, and fuel cell including at least one of the electrode and the electrolyte membrane
KR101670966B1 (ko) 2010-02-09 2016-11-09 삼성전자주식회사 하이퍼브랜치 폴리머, 이를 포함한 연료전지용 전극과 전해질막 및 이를 채용한 연료전지
US9368803B2 (en) 2010-03-03 2016-06-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Composition, method of preparing the composition, electrode including the composition, and fuel cell including the electrode
US10355284B2 (en) 2010-03-03 2019-07-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Composition, method of preparing the composition, electrode including the composition, and fuel cell including the electrode
US8802318B2 (en) 2010-05-14 2014-08-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Compound and composition including compound, with fuel cell, fuel cell electrode and fuel cell electrolyte membrane using same

Also Published As

Publication number Publication date
US8148029B2 (en) 2012-04-03
US20080145744A1 (en) 2008-06-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100829554B1 (ko) 연료전지용 전극 및 이를 구비한 연료전지
US8679705B2 (en) Electrode for fuel cell and fuel cell employing the electrode
US6939640B2 (en) Anode electrocatalysts for coated substrates used in fuel cells
KR101234232B1 (ko) 다중 블럭 공중합체, 그 제조방법, 상기 다중 블럭공중합체로부터 제조된 고분자 전해질막, 그 제조방법 및상기 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지
US8530113B2 (en) Electrode catalyst for fuel cell comprising palladium and iridium, method of preparing electrode catalyst, and fuel cell using electrode catalyst
EP2134768B1 (en) Proton conducting aromatic polyether type copolymers bearing main and side chain pyridine groups and use thereof in proton exchange membrane fuel cells
US20120122016A1 (en) Fuel Cell Durability Through Oxide Supported Precious Metals in Membrane
US11735746B2 (en) Catalyst complex for fuel cell and method of manufacturing same
JP4701126B2 (ja) プロトン伝導性電解質とその製造方法、燃料電池用の電極とその製造方法、及びこれらを利用した燃料電池
US20080107956A1 (en) Catalyst used to form fuel cell and fuel cell using the same
US9325026B2 (en) Co(II)tetramethoxyphenylporphyrin additive to PFSA PEMs for improved fuel cell durability
US20220263096A1 (en) Membrane electrode assembly with improved cohesion
JP2013225433A (ja) 燃料電池
US20100151298A1 (en) Proton conductor for fuel cell, electrode for fuel cell including the proton conductor, and fuel cell including the electrode
US7862922B2 (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR101558536B1 (ko) 하이퍼브랜치 폴리머, 이를 포함하는 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지용 전해질막 및 이를 채용한 연료전지
US9178218B2 (en) Hyper-branched polymer, electrode and electrolyte membrane including the hyper-branched polymer, and fuel cell including at least one of the electrode and the electrolyte membrane
US8466084B2 (en) Non-noble metal based catalyst and fuel cell including the non-noble metal based catalyst
KR100738058B1 (ko) 연료 전지용 전극 및 이를 구비한 연료전지
Merkt et al. Jahn--Teller Effect

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: 20130422

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140423

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee