KR101172356B1 - 폴리벤지이미다졸이 함유된 전극, 이를 포함하는 막전극접합체와 연료전지 및 이들의 제조 방법 - Google Patents

폴리벤지이미다졸이 함유된 전극, 이를 포함하는 막전극접합체와 연료전지 및 이들의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101172356B1
KR101172356B1 KR1020100002597A KR20100002597A KR101172356B1 KR 101172356 B1 KR101172356 B1 KR 101172356B1 KR 1020100002597 A KR1020100002597 A KR 1020100002597A KR 20100002597 A KR20100002597 A KR 20100002597A KR 101172356 B1 KR101172356 B1 KR 101172356B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polybenzimidazole
electrode
mixture
catalyst
carrier
Prior art date
Application number
KR1020100002597A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110082724A (ko
Inventor
김형준
남석우
임태훈
김수길
장종현
조은애
황승준
김용민
오인환
홍성안
Original Assignee
한국과학기술연구원
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 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020100002597A priority Critical patent/KR101172356B1/ko
Publication of KR20110082724A publication Critical patent/KR20110082724A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101172356B1 publication Critical patent/KR101172356B1/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
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828—Coating with slurry or ink
    • 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
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
    • 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
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/1027—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having carbon, oxygen and other atoms, e.g. sulfonated polyethersulfones [S-PES]
    • 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
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H01M8/102—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer
    • H01M8/103—Polymeric electrolyte materials characterised by the chemical structure of the main chain of the ion-conducting polymer having nitrogen, e.g. sulfonated polybenzimidazoles [S-PBI], polybenzimidazoles with phosphoric acid, sulfonated polyamides [S-PA] or sulfonated polyphosphazenes [S-PPh]
    • 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
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • 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
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

담체에 담지된 촉매와 폴리벤지이미다졸의 제 1 혼합물을 제공하는 단계; 및 상기 혼합물에 폴리테트라플루오르에틸렌을 혼합하여 제 2 혼합물을 제조하는 단계;를 포함하는 폴리벤지이미다졸이 함유된 전극 제조 방법이 제공된다. 담체에 담지된 촉매 및 폴리벤지이미다졸을 먼저 혼합하여 혼합물을 제조한 것에 폴리테트라플루오르에틸렌을 혼합하여 전극을 제조함으로써, 삼상 계면의 활성을 높이고, 향상된 성능을 가지는 막전극접합체를 제조할 수 있다.

Description

폴리벤지이미다졸이 함유된 전극, 이를 포함하는 막전극접합체와 연료전지 및 이들의 제조 방법{Electrode Including Polybenzimidazole, Membrane Electrolyte Assembly and Fuel Cell Including the Electrode, and Method for Manufacturing the Same}
본 명세서는 폴리벤지이미다졸이 함유된 전극, 이를 포함하는 막전극접합체와 연료전지 및 이들의 제조 방법에 관하여 기술한다.
고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cells; PEFCs)는 휴대용기기, 자동차, 전력 생산 등에 사용 가능한 친환경 미래 에너지원이다.
현재까지 고분자 전해질 연료전지에 사용되어 온 고분자 전해질 막은 듀폰(DuPont)에서 생산되는 과불소계술폰산 고분자막인 나피온 막(Nafion® membrane)이다. 그러나, 나피온 막은 높은 가격으로 인해 산업용으로서의 이용도가 낮으며, 메탄올 투과성이 높고, 80℃ 이상에서의 고분자 막의 효율이 감소되는 단점이 있어서, 비불소계 고분자 예컨대 탄화수소 계열 고분자를 이용한 전해질막에 대한 연구가 진행되고 있다.
고분자 전해질 연료전지 특히 고온용 고분자 전해질 연료전지의 전해질 막에는 강산과 같은 무기산이 도핑된 폴리벤지미다졸(PBI: polybenzimidazole) 계열 고분자를 이용할 수 있다.
연료전지에서의 실제 반응 위치인 삼상 계면의 활성이 높고 향상된 전극 성능을 나타낼 수 있는 폴리벤지이미다졸이 함유된 전극, 이를 포함하는 막전극접합체와 연료전지 및 이들의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 구현예들에서는, 담체에 담지된 촉매와 폴리벤지이미다졸의 제 1 혼합물을 제공하는 단계; 및 상기 혼합물에 폴리테트라플루오르에틸렌을 혼합하여 제 2 혼합물을 제조하는 단계;를 포함하는 폴리벤지이미다졸이 함유된 전극 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 상기 전극 층을 무기산 도핑된 폴리벤지이미다졸 고분자 전해질 막의 일측 또는 양측에 각각 형성하여 막전극 접합체를 제조하는 막전극 접합체 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 담체에 담지된 촉매와 폴리벤지이미다졸의 제 1 혼합물; 및 폴리테트라플루오르에틸렌;의 제 2 혼합물을 포함하는 폴리벤지이미다졸이 함유된 연료전지 전극을 제공한다.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 상기 연료전지 전극을 포함하는 막전극전합체를 제공한다.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 상기 막전극접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 담체에 담지된 촉매 및 폴리벤지이미다졸을 먼저 혼합하여 혼합물을 제조한 것에 폴리테트라플루오르에틸렌을 혼합하여 전극을 제조함으로써, 삼상 계면의 활성을 높이고 이에 따라 향상된 성능을 가지는 막전극접합체를 제조할 수 있다. 특히 본 발명의 구현예들에 따른 전극 및 막전극접합체는 고온(예컨대, 120~200℃)용 고분자 전해질 연료전지, 특히 무기산 도핑된 폴리벤지미다졸(PBI: polybenzimidazole) 계열 고온용 고분자 전해질 연료전지의 성능을 증대시키는데 적합하다.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 제 1 혼합물(Pt/C+PBI) 형성 후 제 2 혼합물[(Pt/C+PBI)+PTFE]을 이용하여 형성된 전극층(도 1a)의 구성을 3 성분 단순 혼합물(Pt/C+PBI+PTFE)을 이용하여 형성된 전극층(도 1b)의 구성과 대비하여 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 전극 제조 및 막전극 접합체의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 실시예 및 비교예의 전극을 이용하여 제조된 단전지를 이용한 단전지 테스트 결과를 나타내는 전류-전압 커브이다. 도 3에서 X축은 단위 면적당 전류(mA/cm2)이고, Y축은 전압(V)이다.
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 설명한다.
본 명세서에서 제 1 혼합물이란, 담체 담지 촉매(촉매/담체)와 폴리벤지이미다졸계 고분자(PBI)를 혼합한 것을 의미한다. 제 1 혼합물은 "(촉매/담체+PBI)"로 표현될 수 있다. 여기서, 상기 폴리벤지이미다졸계 고분자는 무기산 도핑된 것이거나 도핑되지 않은 것일 수 있다.
본 명세에서 제 2 혼합물이란, 상기 제 1 혼합물에 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)이 혼합된 것을 의미한다. 제 2 혼합물은 "[(촉매/담체+PBI)+PTFE]"로 표현될 수 있다.
본 명세서에서 3 성분 단순 혼합물이란, 담체 담지 촉매(촉매/담체), 폴리벤지이미다졸계 고분자, 폴리테트라플루오르에틸렌이 한꺼번에 혼합된 혼합물을 의미한다. 3 성분 단순 혼합물은 "(촉매/담체+PBI+PTFE)"로 표현될 수 있다.
강산과 같은 무기산 도핑된 폴리벤지미다졸(PBI: polybenzimidazole) 계열 고분자를 이용하는 고분자 전해질 연료전지의 전극 바인더로서 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethylene)을 이용할 수 있다. 상기 폴리테트라플루오르에틸렌은 무기산 도핑된 폴리벤지이미다졸로 이루어진 고분자 전해질 막에서 무기산이 방출되는 것을 억제할 수 있다.
그런데, 이와 같이 전극층에 바인더로서 폴리테트라플루오르에틸렌이 함유되는 경우, 폴리테트라플루오르에틸렌의 소수성에 기인하여 프로톤 전달 장애가 발생할 수 있다.
따라서, 상기 전극 층에 폴리테트라플루오르에틸렌을 함유시키는 것 외에, 수소 이온 전도성을 가지는 폴리벤지이미다졸을 전극 내에 첨가하면 전극과 전해질 간의 계면 저항을 낮추고 연료전지와 막전극접합체의 성능을 증대시킬 수 있다. 또한, 상기 폴리벤지이미다졸은 전극 내에 첨가됨으로써 전극과 전해질 막의 접착성을 향상시킬 수 있다.
그런데, 위와 같은 폴리벤지이미다졸을 전극 층에 첨가 시 무기산 도핑에 기인하여 공기와 수소의 유입이 방해될 수 있다.
폴리벤지이미다졸을 전극 층에 담체에 담지된 촉매, 폴리테트라플루오르에틸렌 바인더 수지와 함께 구성함에 있어서, 삼상 계면의 활성을 최대한 높이면서 공기와 수소의 유입의 방해를 최소화하고, 해당 전극층을 포함하는 막전극접합체와 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있도록 하여야 한다.
본 발명자들은, 담체 담지 촉매(촉매/담체)와 폴리벤지이미다졸계 고분자(PBI) 및 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)을 동시에 혼합하여 3 성분 단순 혼합물(촉매/담체+PBI+PTFE)을 제조하는 경우, 바인더 수지인 폴리테트라플루오르에틸렌의 존재로 인하여, 담체 담지 촉매(촉매/담체)에 대한 폴리벤지이미다졸계 고분자의 접촉 빈도가 저조하게 되고, 이에 따라 프로톤 전달이 저조하게 되는 것에 주목하여 왔다.
본 발명자들은 이를 해결하고자 많은 연구를 수행하였는데, 이 과정에서 놀랍게도, 혼합의 순서를 단계화하여 제조한 전극 층으로 제조된 막전극접합체를 사용한 고분자 전해질 연료전지의 성능이 크게 상승되는 것을 인지하고 본 발명에 이르렀다.
구체적으로, 본 발명의 구현예들에서는 담체 담지 백금 촉매(촉매/담체)와 폴리벤지이미다졸계 고분자(PBI)로 제 1 혼합물(촉매/담체+PBI)을 먼저 형성한 후, 이에 바인더 수지로서 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)을 혼합하여 제 2 혼합물[(촉매/담체+PBI)+PTFE]을 형성한다.
이와 같이, 제 1 혼합물(촉매/담체+PBI) 형성 후, 제 2 혼합물[(촉매/담체+PBI)+PTFE]을 형성하게 되면, 실제 반응이 일어나는 탄소 담지 백금 촉매(촉매/담체)의 주위에 폴리벤지이미다졸계 고분자(PBI)의 접촉 빈도가 높아지게 될 뿐만 아니라, 인산과 같은 무기산의 분포도 향상되어 프로톤 전달이 유리하게 되는 것으로 판단된다.
비제한적인 예시에서, 상기 촉매/담체 중 촉매는 연료전지의 반응(수소의 산화 및 산소 환원)을 촉매적으로 도와줄 수 있는 금속 촉매를 포함한다. 이러한 금속 촉매의 예는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 갈륨, 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리 또는 아연 중 1종 이상의 전이 금속이다) 등을 포함하며, 대표적인 것은 백금이다.
비제한적인 예시에서, 상기 촉매/담체 중 담체는 아세틸 블랙, 흑연과 같은 탄소, 알루미나 실리카 등의 무기물 미립자를 포함하며, 대표적인 것은 탄소 담체이다.
비제한적인 예시에서, 상기 제 1 혼합물을 제조하는 단계에서는 폴리벤지이미다졸을 용매(분산매)에 용해한 용액에 담체에 담지된 촉매를 첨가하고 분산액을 형성한 후, 상기 분산액으로부터 용매를 제거하는 것이 바람직하다. 상기 용매(분산매)로서는 알코올, 극성 유기 용매 등이 사용될 수 있으며, 그 비제한적인 예시는 디메틸아세트아미드, 이소프로필 알코올, N-메틸피롤리돈(NMP: N-methyl-2-pyrrolidone), 아세톤, 트리플루오르아세트산(TFA: trifluoroacetic acid)과 인산의 혼합물 등을 포함할 수 있다.
비제한적인 예시에서, 상기 제 1 혼합물 중의 폴리벤지이미다졸은 무기산으로 도핑된 것이거나 도핑되지 않은 것일 수 있다.
비제한적인 예시에서, 상기 제 2 혼합물을 제조하는 단계에서는 상기 제 1 혼합물에 용매 및 폴리테트라플루오르에틸렌 에멀젼을 혼합하여 제 2 혼합물을 제조하고 이를 전극 지지체 상에 도포한 후 건조하여 전극층을 제조하는 것이 바람직하다.
비제한적인 예시에서, 상기 전극 지지체는 기체 확산층일 수 있으며, 도전성 기재로 이루어질 수 있다. 상기 기체 확산층의 예시에는 탄소 페이퍼나 탄소 천이 포함된다.
참고로, 상기 기체 확산층은 연료전지용 전극을 지지하는 역할을 하면서 또한 촉매층으로 반응 기체를 확산하여 촉매층으로 반응 기체가 접근할 수 있는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 이 기체 확산층은 기체 확산 효율의 저하를 방지하기 위하여 탄소 페이퍼나 탄소 천을 폴리테트라플루오르에틸렌과 같은 불소 계열 수지로 발수 처리하는 것이 바람직하다.
본 발명의 구현예들에서는 또한 이상과 같이 제조된 전극 층을 고분자 전해질 막의 일측 또는 양측에 형성하여 막전극 접합체를 제조한다.
상기 고분자 전해질 막은 이오노머로 이루어지는 것으로서, 비제한적인 예시는 술폰산 그룹을 포함하는 테트라플루오르에틸렌과 플루오르비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤 등을 포함할 수 있다.
비제한적인 예시에서, 또한 상기 고분자 전해질 막은 특히 바람직하게는 무기산 도핑된 폴리벤지이미다졸 고분자 전해질 막일 수 있다.
본 발명의 구현예들에서는 상기와 같은 전극, 이를 포함하는 막전극접합체 및 연료전지를 제공한다. 상기 전극은 연료전지의 애노드 및 캐소드의 각각 또는 모두에 사용될 수 있다.
상기 전극은 담체에 담지된 촉매와 폴리벤지이미다졸의 제 1 혼합물; 및 폴리테트라플루오르에틸렌;의 제 2 혼합물을 포함하는 것이다. 이러한 전극 구성은 담체에 담지된 촉매, 폴리벤지이미다졸 및 폴리테트라플루오르에틸렌의 3 성분 단순 혼합물 구성과 전극 층 구조에서 분명한 차이를 나타내게 된다(후술하는 도 1 참조).
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 제 1 혼합물(Pt/C+PBI) 형성 후 제 2 혼합물[(Pt/C+PBI)+PTFE]을 이용하여 형성된 전극층(도 1a)의 구성을 3 성분 단순 혼합물(Pt/C+PBI+PTFE)을 이용하여 형성된 전극층(도 1b)의 구성과 대비하여 나타내는 개략도이다. 상기 구현예에서는 담체로서 탄소를 사용하고, 촉매로서 백금을 사용하여 탄소 담지 백금 촉매(Pt/C)를 사용하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 2 혼합물[(Pt/C+PBI)+PTFE]을 이용하여 형성된 전극층(도 1a)은 모든 탄소 담지 백금 촉매의 주위로 첨가제(additive)인 폴리벤지이미다졸계 고분자가 접촉될 수 있으며, 또한 탄소 담지 백금 촉매와 접촉하지 않는 폴리벤지이미다졸계 고분자는 존재하지 않는 것이 가능하게 된다.
반면, 3 성분 단순 혼합물을 이용하여 형성된 전극층(도 1b)의 경우에는 폴리벤지이미다졸계 고분자와 접촉하지 않는 탄소 담지 백금 촉매가 존재하며, 또한 탄소 담지 백금 촉매와 접촉하지 않는 폴리벤지이미다졸계 고분자도 존재하게 될 수밖에 없다.
이와 같이, 제 2 혼합물[(Pt/C+PBI)+PTFE]을 이용하여 구성된 전극층은 탄소 담지 백금 촉매 주위로 폴리벤지이미다졸계 고분자의 접촉 내지 분포가 향상될 수 있다. 이와 같은 접촉 향상에 의하면 연료전지 운전 시 전극 층 중의 촉매, 전해질, 연료의 삼상 계면(연료전지의 운전 시 실제 연료전지의 반응이 발생하는 부위)의 활성을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 전극 제조 및 막전극접합체의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 우선, 폴리벤지이미다졸의 용액(PBI solution)을 제조하고, 이에 탄소 담지 백금 촉매(Pt/C)를 혼합하여, 탄소 탄지 백금 촉매 및 폴리벤지이미다졸의 제 1 혼합물(Pt/C+PBI)을 제조한다.
비제한적인 예시에서, 상기 제 1 혼합물 제조 시 폴리벤지이미다졸을 용매에 용해한 용액에 탄소 담지 백금 촉매를 첨가하여 호모나이져를 이용하여 균일한 디스퍼젼을 형성한 후 용매를 제조하는 것이, 탄소 담지 백금 촉매의 주위에 폴리벤지이미다졸의 분포를 더욱 균일하게 할 수 있다는 점에서 바람직하다.
이어서, 상기 탄소 담지 백금 촉매 및 폴리벤지이미다졸의 제 1 혼합물(Pt/C+PBI)에 바인더인 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)을 혼합하여, 탄소 담지 백금 촉매 및 폴리벤지이미다졸의 혼합물에 폴리테트라플루오르에틸렌이 배합된 제 2 혼합물[(Pt/C+PBI)+PTFE]을 제조한다.
상기 제 2 혼합물을 제조 시, 상기 제 1 혼합물에 용매 및 폴리테트라플루오르에틸렌 에멀젼을 혼합하여 제 2 혼합물을 제조하는 것이 제 1 혼합물에 바인더 수지를 더 균일하게 분포시킬 수 있다는 점에서 바람직하다.
다음으로 상기 제 2 혼합물을 전극 지지체인 가스 확산 층(GDL)에 스프레이하여 전극층을 제조한 후 상기 전극 층 두개 사이에 예컨대 인산과 같은 강산이 도핑된 전해질막을 개재하여 막전극접합체를 제조한다.
비제한적인 예시에서, 상기 폴리벤지이미다졸은 벤지이미다졸 작용기를 포함하는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 비제한적인 예시에서, 상기 폴리벤지이미다졸은 바람직하게는 강산과 같은 무기산으로 도핑되어 프로톤 전도도가 향상된 것일 수 있다. 비제한적인 예시에서, 상기 폴리벤지이미다졸은 술폰산 그룹을 가지는 것일 수 있다.
구체적으로, 폴리벤지이미다졸계 고분자의 비제한적인 예시는 다음의 [화학식 1] 내지 [화학식 7]의 폴리벤지이미다졸계 고분자를 포함할 수 있다.
Figure 112010001854755-pat00001
Figure 112010001854755-pat00002
Figure 112010001854755-pat00003
Figure 112010001854755-pat00004
Figure 112010001854755-pat00005
Figure 112010001854755-pat00006
Figure 112010001854755-pat00007
(상기 화학식 5~7에서, A는 0~99이며, B는 100~1이다. 상기 화학식 5에서 X는 O 또는 S이다. 상기 화학식 7에서 Y는 원자가 존재하지 않거나, 존재하는 경우 O 또는 S이다. 상기 화학식 1~7에서 n은 반복 단위 수이다.)
이하, 본 발명의 예시적인 구현예를 하기하는 실시예 및 비교예, 실험예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 범주가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 - 　제 2 혼합물[(Pt/C+PBI)+PTFE]을 이용한 전극 제조>
PBI 분말 0.5g을 디메틸아세트아마이드(DMAc; dimethylacetamide) 25g에 녹인 용액에 Pt/C(20wt%) 5g을 넣고 호모지나이져를 이용하여 혼합하였다. 제조된 디스퍼션(dispersion)을 감압 오븐에 넣고 디메틸아세트아마이드를 제거하여 제1혼합물[Pt/C+PBI]을 제조하였다. 제1혼합물[Pt/C+PBI] 5.5g, 이소프로판올(IPA; iso-propanol)과 PTFE 에멀젼(emulsion)(60wt%) 5.0g을 섞어 호모지나이져를 이용하여 균일하게 섞어 잉크 슬러리(ink slurry)를 제조하고 이를 기체 확산층(GDL; gas diffusion layer) 위에 균일하게 스프레이(spray)하였다. 백금(Pt)은 단위 cm2당 1mg을 로딩하였다.　 이렇게 만들어진 촉매층을 300℃ 오븐에서 질소 분위기를 유지하며 3시간 정도 건조시켜 막전극접합체 제작을 위한 전극을 제조하였다.
<비교예 - 3 성분 단순 혼합물(Pt/C+PBI+PTFE)를 이용한 전극 제조>
PBI 분말 0.5g을 디메틸아세트아마이드에 녹인 용액과 이소프로판올과 PTFE 에멀젼(60wt%) 5g이 섞여진 분산액을 혼합하였다. 여기에 Pt/C(20wt%) 5g을 조심스럽게 첨가한 뒤 다시 1시간 동안 호모지나이져를 이용하여 분산시켰다.　　제조된 잉크 슬러리를 기체 확산층 위에 균일하게 스프레이하였다. 백금(Pt)은 단위 cm2당 1mg을 로딩하였다.　이렇게 만들어진 촉매층을 300℃ 오븐에서 질소 분위기를 유지하며 3 시간 정도 건조시켜 막전극접합체 제작을 위한 전극을 제조하였다.
<고분자 전해질 연료전지용 막전극 접합체 제조>
실시예 및 비교예에서 제조된 전극층을 이용하여 면적 25 ㎠, 백금(Pt) 로딩양이 음극 1.0 ㎎/㎝2, 양극 1.0 ㎎/㎝2가 되도록 전극을 각각 제조하였으며, 이 전극들에 인산이 도핑된 전해질막을 사이에 위치하여 단전지를 제조하였다.
<단일 셀 테스트>
상기 실시예 및 비교예의 전극을 이용한 각각의 단전지를 이용하여 운전을 수행하였다. 운전 온도는 150℃였고, 단전지의 성능은 Daegil Electrode, EL500P를 이용하여 전류-전압(current-voltage, i-V)을 측정하는 방법을 사용하였다.
<측정 결과>
도 3은 실시예 및 비교예의 전극을 이용하여 제조된 단전지를 이용한 단전지 테스트 결과를 나타내는 전류-전압 커브이다. 도 3에서 X축은 단위 면적당 전류(mA/cm2)이고, Y축은 전압(V)이다.
도 3에 도시된 바와 같이, Pt/C, PBI 및 PTFE의 혼합물로 이루어진 비교예의 전극으로 제조된 막전극접합체(도 3에서 "비교예"로 표시)보다 [(Pt/C+PBI)+PTFE] 로 이루어진 실시예의 전극으로 이루어진 막전극접합체(도 3에서 "실시예"로 표시)가 높은 전지 성능을 보이는 것을 알 수 있다.

Claims (15)

  1. 폴리벤지이미다졸을 용매에 용해한 용액에 담체에 담지된 촉매를 첨가하고 분산액을 형성한 후, 상기 분산액으로부터 용매를 제거하여 담체에 담지된 촉매와 폴리벤지이미다졸의 제 1 혼합물을 제공하는 단계; 및
    상기 제 1 혼합물에 용매 및 폴리테트라플루오르에틸렌 에멀젼을 혼합하여 제 2 혼합물을 제조하고 이를 전극 지지체 상에 도포하고 건조하여 전극층을 제조하는 폴리벤지이미다졸이 함유된 전극 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 담체는 탄소이고, 상기 촉매는 백금인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리벤지이미다졸은 무기산이 도핑되거나 또는 도핑되지 않은 것인 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
KR1020100002597A 2010-01-12 2010-01-12 폴리벤지이미다졸이 함유된 전극, 이를 포함하는 막전극접합체와 연료전지 및 이들의 제조 방법 KR101172356B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100002597A KR101172356B1 (ko) 2010-01-12 2010-01-12 폴리벤지이미다졸이 함유된 전극, 이를 포함하는 막전극접합체와 연료전지 및 이들의 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100002597A KR101172356B1 (ko) 2010-01-12 2010-01-12 폴리벤지이미다졸이 함유된 전극, 이를 포함하는 막전극접합체와 연료전지 및 이들의 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110082724A KR20110082724A (ko) 2011-07-20
KR101172356B1 true KR101172356B1 (ko) 2012-08-09

Family

ID=44920586

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100002597A KR101172356B1 (ko) 2010-01-12 2010-01-12 폴리벤지이미다졸이 함유된 전극, 이를 포함하는 막전극접합체와 연료전지 및 이들의 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101172356B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100829060B1 (ko) * 2006-12-22 2008-05-19 한국과학기술연구원 이중 전극을 갖는 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100829060B1 (ko) * 2006-12-22 2008-05-19 한국과학기술연구원 이중 전극을 갖는 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110082724A (ko) 2011-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gu et al. A soluble and highly conductive ionomer for high‐performance hydroxide exchange membrane fuel cells
Su et al. Optimization of gas diffusion electrode for polybenzimidazole-based high temperature proton exchange membrane fuel cell: Evaluation of polymer binders in catalyst layer
US8039414B2 (en) Method for preparing metal catalyst and electrode
KR100542203B1 (ko) 연료전지용 바인더 조성물, 막-전극 접합체 및 막-전극접합체의 제조방법
Jeong et al. High-performance membrane-electrode assembly with an optimal polytetrafluoroethylene content for high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells
KR100717745B1 (ko) 연료전지용 바인더, 이를 이용한 촉매층 형성용 조성물, 및 이를 이용한 연료전지용 막-전극 어셈블리와 이의 제조방법
KR101233343B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR20130122507A (ko) 전극촉매용 담체 및 그 제조방법과 연료 전지
KR20140082448A (ko) 연료전지용 촉매 슬러리, 이를 이용하여 형성된 전극, 상기 전극을 구비하는 막전극 접합체, 이를 포함하는 연료전지, 및 상기 전극의 제조방법
US20080248364A1 (en) Proton conducting aromatic polyether type copolymers bearing main and side chain pyridine groups for use in proton exchange membrane fuel cells
JP2015527706A (ja) 親水性添加物を有する微細孔層
US20150162619A1 (en) Electrode catalyst, method for preparing same, and membrane electrode assembly and fuel cell including same
KR100829060B1 (ko) 이중 전극을 갖는 막-전극 바인더, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지
US20100112409A1 (en) Polymer membrane for fuel cell, method of preparing the same, membrane-electrode assembly including the same, and fuel cell system including the same
JP5233065B2 (ja) イオン性基を有するポリマー、高分子電解質材料、高分子電解質部品、膜電極複合体および高分子電解質型燃料電池
EP1759431A2 (en) Novel membrane electrode assemblies
JP2010238373A (ja) 高分子電解質膜、その製造方法、及びこれを用いた電極−膜接合体、固体高分子型燃料電池
KR101172356B1 (ko) 폴리벤지이미다졸이 함유된 전극, 이를 포함하는 막전극접합체와 연료전지 및 이들의 제조 방법
KR20080041844A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지용 시스템
KR20070014619A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료 전지용 스택 및 연료 전지 시스템
KR20070002254A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료전지용 스택
KR20200053161A (ko) 고온형 고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법 및 이를 이용한 막전극 접합체
JP4992184B2 (ja) イオン性基を有するポリマー、高分子電解質材料、高分子電解質部品、膜電極複合体、および高分子電解質型燃料電池
JP5870495B2 (ja) 高分子電解質および該高分子電解質を用いた膜電極接合体ならびに燃料電池
JP2008166050A (ja) 高分子電解質膜／触媒接合体及びその製造方法、燃料電池

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: 20150730

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160728

Year of fee payment: 5