KR100953617B1 - Electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and fuel cell system comprising same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 상기 전극은 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되고, 활성 촉매 및 무기 담체에 담지된 헤테로폴리산 첨가제를 포함하는 촉매층을 포함한다.The present invention relates to a fuel cell electrode and a fuel cell membrane-electrode assembly including the same, wherein the electrode includes an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate and including an active catalyst and a heteropolyacid additive supported on an inorganic carrier. .

본 발명의 연료 전지용 전극은 높은 전자 및 수소 이온 전도성을 갖는 첨가제를 포함하므로, 고출력을 나타낼 수 있고, 또한 이 첨가제가 고가의 촉매를 대체하는 역할도 하므로 경제적이다.Since the electrode for fuel cells of the present invention includes an additive having high electron and hydrogen ion conductivity, it can exhibit high power and is economical because this additive also serves to replace an expensive catalyst.

연료전지,헤테로폴리산,첨가제,출력 Fuel Cell, Heteropoly Acid, Additive, Output

Description

연료 전지용 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템{ELECTRODE FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL COMPRISING SAME, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}Electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and fuel cell system comprising same {ELECTRODE FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL COMPRISING SAME, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}

본 발명은 연료 전지용 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고출력을 나타낼 수 있고, 또한 경제적인 연료 전지용 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell electrode, a fuel cell membrane-electrode assembly including the same, and a fuel cell system including the same, and more particularly, to display a high output and economical fuel cell electrode, including a fuel cell membrane including the same. An electrode assembly and a fuel cell system comprising the same.

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 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.

이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, in particular, it does not require a fuel reformer.

이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, “연료극” 또는 “산화 전극”이라 한다)과 캐소드 전극(일명 “공기극” 또는 “환원 전극”이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity comprises several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a structure laminated to several tens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called a “fuel electrode” or an “oxidation electrode”) and a cathode electrode (also called “air electrode” or “reduction electrode”) with a polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer therebetween. ) Is located.

연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 연료가 산화되어, 수소 이온과 전자를 생성시키고, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하 며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.The principle of generating electricity in a fuel cell is that fuel is supplied to an anode electrode, which is a fuel electrode, adsorbed to a catalyst of the anode electrode, and the fuel is oxidized to generate hydrogen ions and electrons. Reaching the cathode electrode, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode electrode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while producing water.

본 발명의 목적은 출력을 향상시킬 수 있으며, 경제적인 연료 전지용 전극을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electrode for fuel cells which can improve the output and is economical.

본 발명의 다른 목적은 상기 전극을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell membrane-electrode assembly comprising the electrode.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.Yet another object of the present invention is to provide a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되고, 활성 촉매 및 무기 담체에 담지된 헤테로폴리산 첨가제를 포함하는 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an electrode for a fuel cell comprising an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate and comprising a heteropolyacid additive supported on an active catalyst and an inorganic carrier.

상기 첨가제는 1nm 내지 100㎛의 평균 입경을 갖는다.The additive has an average particle diameter of 1 nm to 100 μm.

상기 무기 담체는 SiO2, 제올라이트, 알루미나 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.The inorganic carrier may be selected from the group consisting of SiO 2 , zeolite, alumina or combinations thereof.

상기 헤테로폴리산은 [PMo12O40]3-, [PW12O40]3-, [GeMo12O40]4-, [GeW12O40]4-, [P2W18O62]6-, [SiW12O40]4-, [PMo11O39]7-, [P2Mo5O23]6-, [H2W12O40]6- 및 [PW11O39]7-으로 이루어진 군에서 선택되는 음이온을 포함하는 화합물을 적어도 하나 포함할 수 있다.The heteropolyacid is [PMo 12 O 40 ] 3- , [PW 12 O 40 ] 3- , [GeMo 12 O 40 ] 4- , [GeW 12 O 40 ] 4- , [P 2 W 18 O 62 ] 6- , [SiW 12 O 40 ] 4- , [PMo 11 O 39 ] 7- , [P 2 Mo 5 O 23 ] 6- , [H 2 W 12 O 40 ] 6- and [PW 11 O 39 ] 7- It may include at least one compound containing an anion selected from the group.

상기 헤테로폴리산은 H+ 양이온을 포함하는 화합물을 적어도 하나 포함할 수 있다.The heteropolyacid may include at least one compound including H + cation.

상기 헤테로폴리산의 담지량은 담체 중량에 대하여 0.01 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 5 중량%일 수 있다.The supported amount of the heteropolyacid may be 0.01 to 10% by weight, preferably 0.1 to 5% by weight based on the weight of the carrier.

본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하며, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 상기 구성을 갖는 전극인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The invention also includes an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite each other and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, wherein at least one of the anode electrode and the cathode electrode is an electrode having the above configuration. Provide an electrode assembly.

본 발명은 또한 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 상기 전기 발생부는 본 발명의 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리를 포함하고, 세퍼레이터를 포함한다. 또한, 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다. 상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The invention also provides a fuel cell system comprising at least one electricity generator, a fuel supply and an oxidant supply. The electricity generating unit includes a membrane-electrode assembly including the electrode of the present invention and includes a separator. In addition, the electricity generating unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant. The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generation unit.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 연료 전지용 전극에 관한 것으로서, 최근 고활성 전극 촉매로서의 연구가 활발하게 진행되고 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an electrode for a fuel cell, and recently, research as a high active electrode catalyst has been actively conducted.

그 중 하나로 H3PW12O40과 같은 헤테로폴리산(heteropoly acid)은 고체 촉매로 서 높은 전자 및 수소 이온 전도성을 나타내어 백금계 대체 고활성 촉매로 인식되어 많은 연구가 수행되고 있다. 하지만 물, 메탄올 및 에탄올과 같은 극성 수용액에서 잘 용해되어 많은 양의 촉매가 반응하지 못하는 단점과 담체에서 쉽게 탈리되는 단점이 있어 실제 사용에는 제한이 있었다.Among them, heteropoly acid such as H 3 PW 12 O 40 is a solid catalyst, and has been recognized as a platinum-based alternative high activity catalyst because of its high electron and hydrogen ion conductivity. However, there are limitations in the practical use because it dissolves well in a polar aqueous solution such as water, methanol and ethanol, and a large amount of catalyst does not react and easily desorbs from the carrier.

본 발명에서는 이러한 헤테로폴리산을 무기 담체에 담지시킨 후, 전극에 첨가제로 사용하여 출력을 향상시킬 수 있었다.In the present invention, the heteropoly acid was supported on the inorganic carrier and then used as an additive in the electrode to improve the output.

본 발명의 전극은 전극 기재 및 이 전극 기재에 형성되고, 활성 촉매 및 첨가제를 포함하는 촉매층을 포함한다. 상기 첨가제는 무기 담체에 담지된 헤테로폴리산을 포함한다. 헤테로폴리산이 무기 담체에 담지되지 않을 경우 헤테로폴리산이 반응물인 연료, 즉 탄화수소 연료 또는 선택적으로 물과의 혼합물에 녹아 용출되어 출력이 유지되지 않는 문제점이 있다. The electrode of the present invention includes an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate and comprising an active catalyst and an additive. The additive includes a heteropoly acid supported on an inorganic carrier. When the heteropoly acid is not supported on the inorganic carrier, the heteropoly acid is dissolved in a fuel that is a reactant, that is, a hydrocarbon fuel or, optionally, a mixture with water, so that the output is not maintained.

상기 첨가제는 1nm 내지 100㎛의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하며, 50 내지 100nm의 평균 입경을 갖는 것이 더욱 바람직하다. 첨가제의 평균 입경이 상기 범위에 포함되는 경우 촉매와 크기가 거의 유사하여, 균일하게 혼합될 수 있어 첨가제 사용에 다른 효과를 균일하게 얻을 수 있다.It is preferable that the said additive has an average particle diameter of 1 nm-100 micrometers, and it is more preferable to have an average particle diameter of 50-100 nm. When the average particle diameter of the additive is included in the above range, the size is almost similar to that of the catalyst, so that it may be uniformly mixed, so that other effects on the use of the additive may be uniformly obtained.

상기 무기 담체는 SiO2, 제올라이트 및 알루미나로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다. 이러한 담체를 사용하는 경우 헤테로폴리산을 보다 안정적으로 담지시킬 수 있어 결과적으로 헤테로폴리산을 사용함에 따른 효과를 최대로 할 수 있다.The inorganic carrier is preferably selected from the group consisting of SiO 2 , zeolite and alumina. In the case of using such a carrier, the heteropoly acid can be more stably supported, and as a result, the effect of using the heteropoly acid can be maximized.

상기 헤테로폴리산은 [PMo12O40]3-, [PW12O40]3-, [GeMo12O40]4-, [GeW12O40]4-, [P2W18O62]6-, [SiW12O40]4-, [PMo11O39]7-, [P2Mo5O23]6-, [H2W12O40]6- 및 [PW11O39]7-으로 이루어진 군에서 선택되는 음이온을 포함하는 화합물을 하나 이상 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 헤테로폴리산의 양이온으로는 H+이 바람직하다. 이러한 헤테로폴리산은 전자 및 수소 이온 전도성이 매우 높은 물질이다.The heteropolyacid is [PMo 12 O 40 ] 3- , [PW 12 O 40 ] 3- , [GeMo 12 O 40 ] 4- , [GeW 12 O 40 ] 4- , [P 2 W 18 O 62 ] 6- , [SiW 12 O 40 ] 4- , [PMo 11 O 39 ] 7- , [P 2 Mo 5 O 23 ] 6- , [H 2 W 12 O 40 ] 6- and [PW 11 O 39 ] 7- It is preferable to include at least one compound containing an anion selected from the group. As the cation of the heteropolyacid, H + is preferable. Such heteropolyacids are highly electron and hydrogen ion conductive materials.

상기 헤테로폴리산의 담지량은 담체 중량에 대하여 0.01 내지 10 중량%가 바람직하며, 담지량이 0.01 중량% 미만이면 효과가 너무 적고 문제가 있고, 10 중량%를 초과하는 경우, 촉매층 형성 과정에서 사용되는 용매에 용해될 우려가 있어 바람직하지 않다.The supported amount of the heteropolyacid is preferably 0.01 to 10% by weight based on the weight of the carrier, and if the supported amount is less than 0.01% by weight, the effect is too small and problematic. It is not preferable because it may be.

상기 첨가제는 헤테로폴리산을 용매에 용해시킨 후, 나노 사이즈의 무기 담체와 혼합하여 얻을 수 있다. 이때 상기 용매로는 H2O, 에탄올, 메탄올, 이소프로필 알코올 등 극성을 띠는 용매는 어떠한 것도 사용할 수 있다. The additive may be obtained by dissolving the heteropolyacid in a solvent and then mixing with a nano-sized inorganic carrier. In this case, any solvent having polar polarity such as H 2 O, ethanol, methanol, isopropyl alcohol, and the like may be used.

본 발명에서, 상기 첨가제의 함량은 전체 촉매층 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%가 바람직하다. 상기 첨가제의 함량이 0.1 중량% 미만이면, 첨가제 사용에 다른 효과가 미미하고, 5 중량%를 초과하는 경우 첨가제 함량 증가에 따라 결과적으로 촉매층 두께가 두꺼워져 출력이 저하되는 문제가 있어 바람직하지 않다.In the present invention, the content of the additive is preferably 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the catalyst layer. When the content of the additive is less than 0.1% by weight, other effects on the use of the additive are insignificant, and when the content of the additive is more than 5% by weight, the thickness of the catalyst layer increases as a result of the increase in the content of the additive, which is not preferable because the output is lowered.

상기 활성 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 Ru으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.The active catalyst may participate in the reaction of a fuel cell, and any one that can be used as a catalyst may be used, and a platinum-based catalyst may be used as a representative example. The platinum-based catalyst may be platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, At least one catalyst selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh and Ru). Specific examples include Pt, Pt / Ru, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Mo, Pt / Pd, Pt / Fe, Pt / Cr, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / Ru One or more selected from the group consisting of / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W can be used.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다. In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs or activated carbon may be used, or alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다. The catalyst layer may further include a binder resin for improving the adhesion of the catalyst layer and the transfer of hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술 파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸[poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder resin, more preferably a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. Any polymer resin which has can be used. Preferably, a fluoropolymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether One or more hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone polymers or polyphenylquinoxaline polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene with fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole One containing at least one hydrogen ion conductive polymer selected from [poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole] or poly (2,5-benzimidazole) can be used.

상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.The hydrogen ion conductive polymer may replace H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in an ion exchange group at the side chain end. In case of replacing H with Na in the side chain terminal ion exchanger, NaOH is substituted for the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is substituted for tetrabutylammonium, and K, Li or Cs may be substituted with appropriate compounds. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 고분자와 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다. The binder resin may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a nonconductive polymer for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.Examples of the nonconductive polymer include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dode At least one selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid and sorbitol is more preferred.

상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffuses the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. The electrode substrate is a conductive substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer fiber composed of metal cloth in a fibrous state). The metal film is formed on the surface of the cloth formed with)) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다. In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene or copolymers thereof can be used.

또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다. In addition, a microporous layer may be further included to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring.

상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 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 composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. The binder resin may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate Or copolymers thereof and the like can be preferably used. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

본 발명의 전극은 상기 첨가제를 활성 촉매와 혼합한 후, 얻어진 혼합물과 바인더를 혼합하여 촉매 조성물을 제조하여 형성할 수도 있고, 상기 첨가제를 바인더와 먼저 혼합한 후, 얻어진 혼합물과 활성 촉매를 혼합하여 촉매 조성물을 제조하여 형성할 수도 있다. 촉매 조성물을 이용하여 전극을 형성하는 공정은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 혼합 공정을 별도의 용매 중에서 실시할 수도 있고, 바인더가 일반적으로 용매 중에 존재하는 형태로 판매되므로 별도의 용매를 사용하지 않아도 될 수도 있다. 용매를 사용하는 경우, 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 테트라하이드로퓨란 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The electrode of the present invention may be formed by mixing the additive with an active catalyst and then mixing the obtained mixture with a binder to prepare a catalyst composition, or by mixing the additive with a binder first, then mixing the obtained mixture with an active catalyst The catalyst composition may also be prepared and formed. Since the process of forming the electrode using the catalyst composition is well known in the art, detailed description thereof will be omitted. The mixing process may be carried out in a separate solvent, and since the binder is generally sold in a form present in the solvent, it may not be necessary to use a separate solvent. When using a solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone tetrahydrofuran, etc. are preferably used. Can be. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상기 구성을 갖는 본 발명의 전극은 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 어느 하나 또는 양쪽 모두에 사용될 수 있다. 본 발명의 전극을 애노드 전극에 사용하는 경우 연료 산화 능력을 향상시킬 수 있고, 또한 캐소드 전극에 사용하는 경우 수소 이온 전도도를 향상시킬 수 있어 결과적으로 산화제 환원 반응이 향상되어 고출력 막-전극 어셈블리를 얻을 수 있다. 또한, 종래 백금계 촉매에 비하여 저렴한 헤테로폴리산이 촉매로서의 역할도 할 수 있어, 헤테로폴리산을 사용하는 양만큼 촉매의 사용량도 감소시킬 수 있으므로, 경제적이다.The electrode of the present invention having the above configuration can be used for either or both of the anode electrode and the cathode electrode. When the electrode of the present invention is used for the anode electrode, the fuel oxidation ability can be improved, and when used for the cathode electrode, the hydrogen ion conductivity can be improved, and as a result, the oxidant reduction reaction is improved to obtain a high output membrane-electrode assembly. Can be. In addition, inexpensive heteropolyacids can also serve as catalysts compared to conventional platinum catalysts, and the amount of catalyst used can be reduced by the amount of heteropolyacids, which is economical.

상기 전극을 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나로 포함하는 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention including the electrode as at least one of an anode electrode and a cathode electrode includes a polymer electrolyte membrane positioned between an anode electrode and a cathode electrode positioned to face each other.

상기 고분자 전해질 막으로는 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있 는 고분자 수지를 들 수 있다. The polymer electrolyte membrane is generally used as a polymer electrolyte membrane in a fuel cell, and any one made of a polymer resin having hydrogen ion conductivity may be used. Representative examples thereof include a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain.

상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸[poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] 또는 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다. Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone It may include one or more selected from polymers, polyether-etherketone-based polymers or polyphenylquinoxaline-based polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally marketed as Nafion), poly (Perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene)- And at least one selected from 5,5'-bibenzimidazole [poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole] or poly (2,5-benzimidazole). .

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium. In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, NaOH is substituted when H is replaced with Na, and tetrabutylammonium hydroxide is used when the substituent is substituted with tetrabutylammonium. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

또한 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.The fuel cell system of the present invention including the membrane-electrode assembly also includes at least one electricity generator, a fuel supply and an oxidant supply.

상기 전기 발생부는 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)을 포함한다. 상기 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막과 이 고분자 전해질 막 양면에 존재하는 캐소드 및 애노드 전극을 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generating portion includes a membrane-electrode assembly and a separator (also called bipolar plate). The membrane-electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane and cathode and anode electrodes existing on both sides of the polymer electrolyte membrane. The electricity generation unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant.

상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generation unit.

본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.In the present invention, the fuel may include hydrogen or hydrocarbon fuel in gas or liquid state. Representative examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.A schematic structure of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. 1, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 1 shows a system for supplying fuel and oxidant to an electric generator using a pump, the fuel cell system of the present invention is not limited to such a structure, and a fuel cell using a diffusion method without using a pump is shown. Of course, it can also be used for system architecture.

본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공 급부(7)를 포함하여 구성된다.The fuel cell system 1 of the present invention includes at least one electricity generation unit 3 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, a fuel supply unit 5 for supplying the fuel, And an oxidant supply unit 7 for supplying an oxidant to the electricity generating unit 3.

또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.In addition, the fuel supply unit 5 for supplying the fuel may include a fuel tank 9 storing fuel and a fuel pump 11 connected to the fuel tank 9. The fuel pump 11 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 9 by a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.The oxidant supply unit 7 for supplying the oxidant to the electricity generating unit 3 includes at least one oxidant pump 13 for sucking the oxidant with a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(3)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다. The electricity generator 3 is composed of a membrane-electrode assembly 17 for oxidizing and reducing a fuel and an oxidant, and a separator 19 and 19 'for supplying fuel and an oxidant to both sides of the membrane-electrode assembly. At least one of these electricity generating units 3 constitutes a stack 15.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.

(실시예 1)(Example 1)

H3PW12O40를 물 용매에 용해시킨 후, 100nm의 평균 입경을 갖는 SiO2(비표면적: 150m2/g) 담체에 담지시켜 SiO2 담체에 담지된 H3PW12O40 첨가제를 제조하였다. 이때, 상기 H3PW12O40의 담지량은 SiO2 중량에 대하여 0.01 중량%였다. After dissolving H 3 PW 12 O 40 in a water solvent, it was supported on an SiO 2 (specific surface area: 150 m 2 / g) carrier having an average particle diameter of 100 nm to prepare an H 3 PW 12 O 40 additive supported on an SiO 2 carrier. It was. At this time, the loading amount of the H 3 PW 12 O 40 was 0.01% by weight based on the weight of SiO 2 .

제조된 첨가제 5%과 Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 애노드 촉매 95 중량%를 혼합하였다. 얻어진 혼합물 88 중량%와 5 중량% 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 바인더 12 중량%를 혼합하여 애노드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다. 5% of the prepared additives and 95% by weight of the Pt-Ru black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) anode catalyst were mixed. A catalyst composition for the anode electrode was prepared by mixing 88% by weight of the obtained mixture and 12% by weight of 5% by weight Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) binder.

Pt 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 100) 캐소드 촉매 88 중량% 및 나피온/H2O/2-프로판올(농도: 5 중량%, Solution Technology Inc.) 바인더 12 중량%를 혼합하여 캐소드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다. 88 wt% Pt black (Johnson Matthey, HiSpec 100) cathode catalyst and 12 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (concentration: 5 wt%, Solution Technology Inc.) binder were mixed to form a catalyst composition for the cathode electrode. Prepared.

상기 애노드 전극용 촉매 조성물 및 캐소드 전극용 촉매 조성물을 탄소지에 도포하여 애노드 전극 및 캐소드 전극을 각각 제조하였다.The anode electrode catalyst composition and the cathode electrode catalyst composition were coated on carbon paper to prepare an anode electrode and a cathode electrode, respectively.

제조된 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 이용하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared using the prepared anode and cathode electrodes and a commercial Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) polymer electrolyte membrane.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.The fuel cell membrane-electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two separators having a predetermined gas flow channel and a cooling channel and pressed between copper end plates to manufacture a unit cell. It was.

(실시예 2)(Example 2)

H3PW12O40의 담지량을 SiO2 중량에 대하여 1 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.Except for changing the amount of H 3 PW 12 O 40 to 1% by weight relative to the weight of SiO 2 it was performed in the same manner as in Example 1.

(실시예 3)(Example 3)

H3PW12O40의 담지량을 SiO2 중량에 대하여 2 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The loading of H 3 PW 12 O 40 was carried out in the same manner as in Example 1 except for changing the loading amount to 2 wt% based on the weight of SiO 2 .

(실시예 4)(Example 4)

H3PW12O40의 담지량을 SiO2 중량에 대하여 6 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The loading of H 3 PW 12 O 40 was carried out in the same manner as in Example 1 except for changing the loading amount to 6 wt% based on the weight of SiO 2 .

(실시예 5)(Example 5)

H3PW12O40의 담지량을 SiO2 중량에 대하여 10 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The loading was carried out in the same manner as in Example 1 except that the loading amount of H 3 PW 12 O 40 was changed to 10 wt% based on the weight of SiO 2 .

(참고예 1)(Reference Example 1)

H3PW12O40의 담지량을 SiO2 중량에 대하여 0.001 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.Except for changing the amount of H 3 PW 12 O 40 to 0.001% by weight relative to the weight of SiO 2 it was performed in the same manner as in Example 1.

(참고예 2)(Reference Example 2)

H3PW12O40의 담지량을 SiO2 중량에 대하여 11 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.Except for changing the amount of H 3 PW 12 O 40 to 11% by weight relative to the weight of SiO 2 it was performed in the same manner as in Example 1.

(실시예 1) (Example 1)

H3PW12O40를 물 용매에 용해시킨 후, 50nm의 크기를 갖는 SiO2 담체에 담지시켜 SiO2 담체에 담지된 H3PW12O40 첨가제를 제조하였다. 이때, 상기 H3PW12O40의 담지량은 SiO2 중량에 대하여 2 중량%였으며, 첨가제의 평균 입경은 50nm였다. After dissolving H 3 PW 12 O 40 in a water solvent, it was supported on an SiO 2 carrier having a size of 50 nm to prepare an H 3 PW 12 O 40 additive supported on an SiO 2 carrier. At this time, the loading amount of the H 3 PW 12 O 40 was 2% by weight based on the weight of SiO 2 , the average particle diameter of the additive was 50nm.

제조된 첨가제 5%과 Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 애노드 촉매 95 중량%를 혼합하고, 이 혼합물 88 중량%와 5 중량% 나피온/H2O/2-프로판 올(Solution Technology Inc.) 바인더 12 중량%를 혼합하여 애노드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다. 5% of the prepared additives and 95% by weight of Pt-Ru black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) anode catalyst were mixed, and 88% by weight of this mixture and 5% by weight of Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc .) 12 wt% of the binder was mixed to prepare a catalyst composition for the anode electrode.

Pt 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 100) 캐소드 촉매 88 중량% 및 5 중량% 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 바인더 12 중량%를 혼합하여 캐소드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다. A catalyst composition for the cathode electrode was prepared by mixing 88 wt% Pt black (Johnson Matthey, HiSpec 100) cathode catalyst and 12 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) binder.

상기 애노드 전극용 촉매 조성물 및 캐소드 전극용 촉매 조성물을 탄소지에 도포하여 애노드 전극 및 캐소드 전극을 각각 제조하였다.The anode electrode catalyst composition and the cathode electrode catalyst composition were coated on carbon paper to prepare an anode electrode and a cathode electrode, respectively.

제조된 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 이용하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared using the prepared anode and cathode electrodes and a commercial Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) polymer electrolyte membrane.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.The fuel cell membrane-electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two separators having a predetermined gas flow channel and a cooling channel and pressed between copper end plates to manufacture a unit cell. It was.

(실시예 2) (Example 2)

실시예 1에서 제조된 첨가제 5 중량%와 Pt 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 애노드 촉매 95 중량% 혼합하고, 이 혼합물 88 중량%와 5 중량% 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 바인더 12 중량%를 혼합하여 캐소드 전극용 촉매 조성물을 제조하여 사용하여 캐소드 전극을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 5 wt% of the additive prepared in Example 1 and 95 wt% of Pt black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) anode catalyst were mixed, and 88 wt% of the mixture and 5 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) was prepared in the same manner as in Example 1, except that 12 wt% of the binder was mixed to prepare a cathode electrode catalyst composition.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 애노드 촉매 88 중량% 및 5 중량% 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 바인더 12 중량%를 혼합하여 애노드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다. Pt-Ru Black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) 88% by weight of anode catalyst and 5% by weight of Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) binder was mixed to prepare a catalyst composition for the anode electrode It was.

Pt 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 100) 캐소드 촉매 88 중량% 및 5 중량% 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 바인더 12 중량%를 혼합하여 캐소드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다. A catalyst composition for the cathode electrode was prepared by mixing 88 wt% Pt black (Johnson Matthey, HiSpec 100) cathode catalyst and 12 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) binder.

상기 애노드 전극용 촉매 조성물 및 캐소드 전극용 촉매 조성물을 탄소지에 도포하여 애노드 전극 및 캐소드 전극을 각각 제조하였다.The anode electrode catalyst composition and the cathode electrode catalyst composition were coated on carbon paper to prepare an anode electrode and a cathode electrode, respectively.

제조된 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 이용하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared using the prepared anode and cathode electrodes and a commercial Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) polymer electrolyte membrane.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.The fuel cell membrane-electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two separators having a predetermined gas flow channel and a cooling channel and pressed between copper end plates to manufacture a unit cell. It was.

상기 실시예 1 내지 5, 참고예 1 내지 2 및 비교예 1에 따라 제조된 연료 전지의 0.35V, 0.4V 및 0.45V 출력 밀도를 70℃에서 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.0.35V, 0.4V and 0.45V output densities of the fuel cells prepared according to Examples 1 to 5, Reference Examples 1 to 2, and Comparative Example 1 were measured at 70 ° C., and the results are shown in Table 1 below.

H3PW12O40의 담지량(SiO2 중량에 대하여), 중량%Loading amount of H 3 PW 12 O 40 (relative to the weight of SiO 2 ), wt% 70℃, mW/cm2 70 ℃, mW / cm 2 0.45V0.45V 0.4V0.4 V 0.35V0.35V 참고예 1Reference Example 1 0.0010.001 8585 112112 128128 실시예 1Example 1 0.010.01 8585 113113 132132 실시예 2Example 2 1One 9090 125125 145145 실시예 3Example 3 22 9595 128128 154154 실시예 4Example 4 66 9898 135135 165165 실시예 5Example 5 1010 8686 115115 145145 참고예 2Reference Example 2 1111 8282 110110 131131 비교예 1Comparative Example 1 00 8585 112112 131131

상기 표 1에 나타낸 것과 같이, H3PW12O40 첨가제를 SiO2 담체에 대하여 0.01 내지 10 중량%의 양으로 함침시켜 전극에 사용한 실시예 1 내지 5의 경우 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1에 비하여 출력 밀도가 우수해짐을 알 수 있다. 또한 첨가제를 너무 소량(0.001 중량%, 참고예 1) 및 너무 과량(11 중량%, 참고예 2) 사용한 경우에는 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1과 유사하거나 오히려 낮은 출력 밀도가 얻어졌음을 알 수 있다.As shown in Table 1, in Examples 1 to 5 in which the H 3 PW 12 O 40 additive was impregnated in an amount of 0.01 to 10 wt% based on the SiO 2 carrier, and used in the electrode, It can be seen that the output density is excellent compared to. It can also be seen that when the additives are used in too small amounts (0.001% by weight, Reference Example 1) and in excessive amounts (11% by weight, Reference Example 2), output densities similar to or lower than those of Comparative Example 1 without additives were obtained. have.

(실시예 6)(Example 6)

실시예 3에서 제조된 SiO2 담체 중량에 대하여 2 중량%의 양으로 상기 담체에 담지된 H3PW12O40 첨가제 0.1 중량%를 Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 애노드 촉매 99.9 중량%와 혼합하여 혼합물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.0.1% by weight of the H 3 PW 12 O 40 additive carried on the carrier in an amount of 2% by weight based on the weight of the SiO 2 carrier prepared in Example 3, 99.9% by weight of the Pt-Ru black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) anode catalyst The same process as in Example 1 except that the mixture was prepared by mixing with.

(실시예 7)(Example 7)

H3PW12O40 첨가제 1 중량%를 Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 애노드 촉매 99 중량%와 혼합하여 혼합물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 실시하였다.1 wt% of the H 3 PW 12 O 40 additive was mixed with 99 wt% of the Pt-Ru black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) anode catalyst to prepare a mixture as in Example 6 above.

(실시예 8)(Example 8)

H3PW12O40 첨가제 2 중량%를 Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 애노드 촉매 99 중량%와 혼합하여 혼합물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 실시하였다.2 wt% of the H 3 PW 12 O 40 additive was mixed with 99 wt% of the Pt-Ru black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) anode catalyst to prepare a mixture as in Example 6 above.

(실시예 9)(Example 9)

H3PW12O40 첨가제 3 중량%를 Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 애노드 촉매 97 중량%와 혼합하여 혼합물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 실시하였다.3 wt% of the H 3 PW 12 O 40 additive was mixed with 97 wt% of the Pt-Ru black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) anode catalyst to prepare a mixture as in Example 6 above.

(참고예 3)(Reference Example 3)

H3PW12O40 첨가제 0.01 중량%를 Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 애노드 촉매 99.99 중량%와 혼합하여 혼합물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 실시하였다.Example 3 was carried out in the same manner as in Example 6, except that 0.01 wt% of the H 3 PW 12 O 40 additive was mixed with 99.99 wt% of the Pt-Ru black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) anode catalyst to prepare a mixture.

(참고예 4)(Reference Example 4)

H3PW12O40 첨가제 6 중량%를 Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 애노드 촉매 94 중량%와 혼합하여 혼합물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 실시하였다.6 wt% of the H 3 PW 12 O 40 additive was mixed with 94 wt% of the Pt-Ru black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) anode catalyst to prepare a mixture as in Example 6 above.

상기 실시예 6 내지 9 및 참고예 3 내지 4에 따라 제조된 연료 전지의 0.35V, 0.4V 및 0.45V 출력 밀도를 70℃에서 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 또한 실시예 3 및 비교예 1의 결과도 하기 표 2에 함께 나타내었다.0.35V, 0.4V and 0.45V output densities of the fuel cells prepared according to Examples 6 to 9 and Reference Examples 3 to 4 were measured at 70 ° C., and the results are shown in Table 2 below. In addition, the results of Example 3 and Comparative Example 1 are also shown in Table 2 below.

첨가제 사용량, 중량%Additive usage, weight percent 70℃, mW/cm2 70 ℃, mW / cm 2 0.45V0.45V 0.4V0.4 V 0.35V0.35V 참고예 3Reference Example 3 0.010.01 8585 112112 131131 실시예 6Example 6 0.10.1 8686 114114 132132 실시예 7Example 7 1One 8888 121121 148148 실시예 8Example 8 22 9090 123123 150150 실시예 9Example 9 33 9393 123123 152152 실시예 3Example 3 55 9595 126126 154154 참고예 4Reference Example 4 66 8181 128128 120120 비교예 1Comparative Example 1 00 8585 112112 131131

상기 표 2에 나타낸 것과 같이, H3PW12O40 첨가제를 0.1 내지 5 중량%의 양으Pt 애노드 촉매와 혼합하여 전극에 사용한 실시예 3, 6 내지 9의 경우 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1에 비하여 출력 밀도가 우수해짐을 알 수 있다. 또한 첨가제를 애노드 촉매에 대하여 너무 소량(0.01 중량%, 참고예 3) 및 너무 과량(6 중량%, 참고예 4) 사용한 경우에는 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1과 유사하거나 오히려 낮은 출력 밀도가 얻어졌음을 알 수 있다.As shown in Table 2, in Examples 3, 6 to 9 using the H 3 PW 12 O 40 additive in an amount of 0.1 to 5% by weight with a Pt anode catalyst in Comparative Example 1 without an additive It can be seen that the output density is excellent compared to. In addition, when the additive is used in a small amount (0.01% by weight, Reference Example 3) and too much (6% by weight, Reference Example 4) relative to the anode catalyst, a power density similar to or lower than that of Comparative Example 1 without using the additive is obtained. It can be seen that.

(실시예 10)(Example 10)

실시예 3에서 제조된 SiO2 담체 중량에 대하여 2 중량%의 양으로 상기 담체에 담지된 H3PW12O40 첨가제 0.1 중량%와 Pt 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 캐소드 촉매 99.9 중량%를 혼합하였다. 얻어진 혼합물 88 중량%와 5 중량% 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 바인더 12 중량%를 혼합하여 캐소드 전극용 촉매 조성물을 제조하여 사용하여 캐소드 전극을 제조하였다.0.1 wt% of H 3 PW 12 O 40 additive supported on the carrier and 99.9 wt% of Pt black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) cathode catalyst were mixed in an amount of 2 wt% based on the weight of SiO 2 carrier prepared in Example 3. It was. A cathode electrode was prepared by using a mixture of 88 wt% of the obtained mixture and 12 wt% of 5 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) binder to prepare a catalyst composition for the cathode electrode.

Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 애노드 촉매 88 중량% 및 5 중량% 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 바인더 12 중량%를 혼합하여 애노드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다. Pt-Ru Black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) 88% by weight of anode catalyst and 5% by weight of Nafion / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.) binder was mixed to prepare a catalyst composition for the anode electrode It was.

상기 애노드 전극용 촉매 조성물을 탄소지에 도포하여 애노드 전극을 제조하였다.The anode electrode was prepared by applying the anode catalyst catalyst composition to carbon paper.

제조된 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설폰산) 고분자 전해질 막을 이용하여 막-전극 어셈블리를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared using the prepared anode and cathode electrodes and a commercial Nafion 115 (perfluorosulfonic acid) polymer electrolyte membrane.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.The fuel cell membrane-electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two separators having a predetermined gas flow channel and a cooling channel and pressed between copper end plates to manufacture a unit cell. It was.

(실시예 11)(Example 11)

H3PW12O40 첨가제 2 중량%를 Pt 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 캐소드 촉매 98 중량%와 혼합하여 혼합물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 10과 동일하게 실시하였다.2 wt% of the H 3 PW 12 O 40 additive was mixed with 98 wt% of the Pt black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) cathode catalyst, and was prepared in the same manner as in Example 10, except that the mixture was prepared.

(실시예 12)(Example 12)

H3PW12O40 첨가제 5 중량%를 Pt 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 캐소드 촉매 95 중량%와 혼합하여 혼합물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 10과 동일하게 실시하였다.5 wt% of the H 3 PW 12 O 40 additive was mixed with 95 wt% of the Pt black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) cathode catalyst, and was prepared in the same manner as in Example 10, except that the mixture was prepared.

(참고예 5)(Reference Example 5)

H3PW12O40 첨가제 0.01 중량%를 Pt 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 캐소드 촉매 99.99 중량%와 혼합하여 혼합물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 10과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 10 was conducted except that a mixture was prepared by mixing 0.01 wt% of H 3 PW 12 O 40 additive with 99.99 wt% of Pt black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) cathode catalyst.

(참고예 6)(Reference Example 6)

H3PW12O40 첨가제 6 중량%를 Pt 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 캐소드 촉매 94 중량%와 혼합하여 혼합물을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 10과 동일하게 실시하였다.6 wt% of the H 3 PW 12 O 40 additive was mixed with 94 wt% of the Pt black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) cathode catalyst, and was prepared in the same manner as in Example 10, except that the mixture was prepared.

상기 실시예 10 내지 12 및 참고예 5 내지 6에 따라 제조된 연료 전지의 0.35V, 0.4V 및 0.45V 출력 밀도를 70℃에서 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 또한 비교예 1의 결과도 하기 표 3에 함께 나타내었다.0.35V, 0.4V and 0.45V output densities of the fuel cells prepared according to Examples 10 to 12 and Reference Examples 5 to 6 were measured at 70 ° C., and the results are shown in Table 3 below. In addition, the results of Comparative Example 1 are also shown in Table 3 below.

첨가제 사용량, 중량%Additive usage, weight percent 70℃, mW/cm2 70 ℃, mW / cm 2 0.45V0.45V 0.4V0.4 V 0.35V0.35V 참고예 5Reference Example 5 0.010.01 8585 112112 131131 실시예 10Example 10 0.10.1 8787 114114 133133 실시예 11Example 11 22 9696 130130 150150 실시예 12Example 12 55 8989 118118 134134 참고예 6Reference Example 6 66 8686 118118 134134 비교예 1Comparative Example 1 00 8585 112112 131131

상기 표 3에 나타낸 것과 같이, H3PW12O40 첨가제를 0.1 내지 5 중량%의 양으로 Pt 캐소드 촉매와 혼합하여 전극에 사용한 실시예 10 내지 12의 경우 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1에 비하여 출력 밀도가 우수해짐을 알 수 있다. 또한 첨가제를 캐소드 촉매에 대하여 너무 소량(0.01 중량%, 참고예 5) 및 너무 과량(6 중량%, 참고예 6) 사용한 경우에는 첨가제를 사용하지 않은 비교예 1과 유사하거나 오히려 낮은 출력 밀도가 얻어졌음을 알 수 있다.As shown in Table 3, in the case of Examples 10 to 12 where the H 3 PW 12 O 40 additive was mixed with the Pt cathode catalyst in an amount of 0.1 to 5% by weight, compared to Comparative Example 1 without using the additive It can be seen that the output density is excellent. In addition, when the additive is used in a small amount (0.01% by weight, Reference Example 5) and too much (6% by weight, Reference Example 6) relative to the cathode catalyst, a power density similar to or lower than that of Comparative Example 1 without using the additive is obtained. It can be seen that.

상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1의 전지의 출력 특성을 측정한 결과, 실시예 1 내지 2가 비교예 1에 비하여 매우 높은 출력을 나타내는 결과가 얻어졌다.본 발명의 연료 전지용 전극은 높은 전자 및 수소 이온 전도성을 갖는 첨가제를 포함하므로, 고출력을 나타낼 수 있고, 또한 이 첨가제가 고가의 촉매를 대체하는 역할도 하므로 경제적이다.As a result of measuring the output characteristics of the batteries of Examples 1 to 2 and Comparative Example 1, it was found that Examples 1 to 2 showed a very high output compared to Comparative Example 1. The electrode for a fuel cell of the present invention is a high electron And additives having hydrogen ion conductivity, which can exhibit high power and are also economical because these additives also serve to replace expensive catalysts.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.1 is a view schematically showing the structure of a fuel cell system of the present invention.

Claims (21)

전극 기재; 및Electrode substrates; And 상기 전극 기재에 형성되고, 활성 촉매 및 무기 담체에 담지된 헤테로폴리산 첨가제를 포함하는 촉매층을 포함하고,A catalyst layer formed on the electrode substrate and comprising a heteropolyacid additive supported on an active catalyst and an inorganic carrier, 상기 첨가제의 함량은 전체 촉매층 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%인 연료 전지용 전극.The content of the additive is a fuel cell electrode of 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the catalyst layer. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 첨가제는 1nm 내지 100㎛의 평균 입경을 갖는 것인 연료 전지용 전극.The additive is a fuel cell electrode having an average particle diameter of 1nm to 100㎛. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 무기 담체는 SiO2, 제올라이트 및 알루미나로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 전극.The inorganic carrier is a fuel cell electrode is selected from the group consisting of SiO 2 , zeolite and alumina. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 헤테로폴리산은 [PMo12O40]3-, [PW12O40]3-, [GeMo12O40]4-, [GeW12O40]4-, [P2W18O62]6-, [SiW12O40]4-, [PMo11O39]7-, [P2Mo5O23]6-, [H2W12O40]6- 및 [PW11O39]7-으로 이루어진 군에서 선택되는 음이온을 포함하는 화합물을 적어도 하나 포함하는 것인 연 료 전지용 전극.The heteropolyacid is [PMo 12 O 40 ] 3- , [PW 12 O 40 ] 3- , [GeMo 12 O 40 ] 4- , [GeW 12 O 40 ] 4- , [P 2 W 18 O 62 ] 6- , [SiW 12 O 40 ] 4- , [PMo 11 O 39 ] 7- , [P 2 Mo 5 O 23 ] 6- , [H 2 W 12 O 40 ] 6- and [PW 11 O 39 ] 7- A fuel cell electrode comprising at least one compound containing an anion selected from the group. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 헤테로폴리산은 H+ 양이온을 포함하는 화합물을 적어도 하나 포함하는 것인 연료 전지용 전극. The heteropolyacid is a fuel cell electrode comprising at least one compound containing a H + cation. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 헤테로폴리산의 담지량은 담체 중량에 대하여 0.01 내지 10 중량%인 연료 전지용 전극.The supported amount of the heteropolyacid is a fuel cell electrode of 0.01 to 10% by weight based on the weight of the carrier. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 첨가제의 함량은 전체 촉매층 중량에 대하여 2 내지 5 중량%인 연료 전지용 전극.The content of the additive is a fuel cell electrode of 2 to 5% by weight based on the total weight of the catalyst layer. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막A polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode 을 포함하며,Including; 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 At least one of the anode electrode and the cathode electrode 전극 기재; 및Electrode substrates; And 상기 전극 기재에 형성되고, 활성 촉매 및 무기 담체에 담지된 헤테로폴리산 첨가제를 포함하는 촉매층을 포함하고,A catalyst layer formed on the electrode substrate and comprising a heteropolyacid additive supported on an active catalyst and an inorganic carrier, 상기 첨가제의 함량은 전체 촉매층 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The amount of the additive is 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the catalyst layer electrode assembly for a fuel cell. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 첨가제는 1nm 내지 100㎛의 평균 입경을 갖는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The additive is a membrane-electrode assembly for a fuel cell having an average particle diameter of 1nm to 100㎛. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 무기 담체는 SiO2, 제올라이트 및 알루미나로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.Wherein the inorganic carrier is selected from the group consisting of SiO 2 , zeolite and alumina. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 헤테로폴리산은 [PMo12O40]3-, [PW12O40]3-, [GeMo12O40]4-, [GeW12O40]4-, [P2W18O62]6-, [SiW12O40]4-, [PMo11O39]7-, [P2Mo5O23]6-, [H2W12O40]6- 및 [PW11O39]7-으로 이루어진 군에서 선택되는 음이온을 포함하는 화합물을 적어도 하나 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The heteropolyacid is [PMo 12 O 40 ] 3- , [PW 12 O 40 ] 3- , [GeMo 12 O 40 ] 4- , [GeW 12 O 40 ] 4- , [P 2 W 18 O 62 ] 6- , [SiW 12 O 40 ] 4- , [PMo 11 O 39 ] 7- , [P 2 Mo 5 O 23 ] 6- , [H 2 W 12 O 40 ] 6- and [PW 11 O 39 ] 7- Membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising at least one compound containing an anion selected from the group. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 헤테로폴리산은 H+ 양이온을 포함하는 화합물을 적어도 하나 포함하는 것인 연료 전지용 막-전극 어셈블리. Wherein said heteropolyacid comprises at least one compound comprising H + cation. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 헤테로폴리산의 담지량은 담체 중량에 대하여 0.01 내지 10 중량%인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The support amount of the heteropolyacid is 0.01 to 10% by weight based on the weight of the carrier membrane-electrode assembly for a fuel cell. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 첨가제의 함량은 전체 촉매층 중량에 대하여 2 내지 5 중량%인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.The amount of the additive is 2 to 5% by weight relative to the total weight of the catalyst layer for a fuel cell membrane electrode assembly. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 적어도 하나의 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 포함하는 전기 발생부;An electricity generator including at least one membrane-electrode assembly and a separator including an anode electrode and a cathode electrode positioned to face each other and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode; 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부Oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit 를 포함하는 연료 전지 시스템으로서,A fuel cell system comprising: 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 전극 기재; 및At least one of the anode electrode and the cathode electrode is an electrode substrate; And 상기 전극 기재에 형성되고, 활성 촉매 및 무기 담체에 담지된 헤테로폴리산 첨가제를 포함하는 촉매층을 포함하고,A catalyst layer formed on the electrode substrate and comprising a heteropolyacid additive supported on an active catalyst and an inorganic carrier, 상기 첨가제의 함량은 전체 촉매층 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%인 연료 전지 시스템.The amount of the additive is 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the catalyst layer fuel cell system. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 첨가제는 1nm 내지 100㎛의 평균 입경을 갖는 것인 연료 전지 시스템.The additive is a fuel cell system having an average particle diameter of 1nm to 100㎛. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 무기 담체는 SiO2, 제올라이트 및 알루미나로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지 시스템.The inorganic carrier is selected from the group consisting of SiO 2 , zeolite and alumina. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 헤테로폴리산은 [PMo12O40]3-, [PW12O40]3-, [GeMo12O40]4-, [GeW12O40]4-, [P2W18O62]6-, [SiW12O40]4-, [PMo11O39]7-, [P2Mo5O23]6-, [H2W12O40]6- 및 [PW11O39]7-으로 이루어진 군에서 선택되는 음이온을 포함하는 화합물을 적어도 하나 포함하는 것인 연료 전지 시스템.The heteropolyacid is [PMo 12 O 40 ] 3- , [PW 12 O 40 ] 3- , [GeMo 12 O 40 ] 4- , [GeW 12 O 40 ] 4- , [P 2 W 18 O 62 ] 6- , [SiW 12 O 40 ] 4- , [PMo 11 O 39 ] 7- , [P 2 Mo 5 O 23 ] 6- , [H 2 W 12 O 40 ] 6- and [PW 11 O 39 ] 7- A fuel cell system comprising at least one compound comprising an anion selected from the group. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 헤테로폴리산은 H+ 양이온을 포함하는 화합물을 적어도 포함하는 것인 연료 전지 시스템. Wherein said heteropolyacid comprises at least a compound comprising an H + cation. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 헤테로폴리산의 담지량은 담체 중량에 대하여 0.01 내지 10 중량%인 연료 전지 시스템.The supported amount of the heteropoly acid is 0.01 to 10% by weight based on the weight of the carrier. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 첨가제의 함량은 전체 촉매층 중량에 대하여 2 내지 5 중량%인 연료 전지 시스템.The amount of the additive is 2 to 5% by weight based on the total weight of the catalyst layer fuel cell system.
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