KR20010071286A - Membrane-electrode unit for a fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선택적으로 촉매로 코팅된 애노드, 선택적으로 촉매로 코팅된 캐소드, 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 있는 양자 전도체를 포함하는 연료 전지용 막형 전극 유닛에 관한 것이다. 상기 양자 전도체는 전해질로 포화점까지 함침된 미세 섬유 플리이스 재료로 형성되고, 상기 플리이스 재료는 +200℃까지의 온도 및 산화 환원 조건 하에서 전해질에 대해 화학적으로 불활성이며, 플리이스 재료의 중량은 20 내지 200 g/㎡이고, 플리이스 재료의 두께는 최대 1mm이며 다공 체적은 65 내지 92 % 이다.The present invention relates to a membrane electrode unit for a fuel cell comprising an anode optionally coated with a catalyst, a cathode optionally coated with a catalyst, and a quantum conductor between the anode and the cathode. The quantum conductor is formed of a fine fiber fleece material impregnated to an saturation point with an electrolyte, the fleece material being chemically inert to the electrolyte under temperature and redox conditions up to + 200 ° C., and the weight of the fleece material is 20 to 200 g / m 2, the thickness of the fleece material is at most 1 mm and the pore volume is 65 to 92%.

Description

연료 전지용 막형 전극 유닛 {MEMBRANE-ELECTRODE UNIT FOR A FUEL CELL}Membrane electrode unit for fuel cell {MEMBRANE-ELECTRODE UNIT FOR A FUEL CELL}

이러한 유닛은 공지되어 있다. 상기 유닛은 연료 전지에서 화학적 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키기 위해 수소 및 산소를 포함하는 반응 가스 또는 유동 성분의 반응시 이온적 및 전기적 경로를 분리시킨다.Such units are known. The unit separates the ionic and electrical pathways in the reaction of a reactant gas or flow component comprising hydrogen and oxygen to directly convert chemical energy into electrical energy in a fuel cell.

여러 가지 타입의 연료 전지 및 그 작용은 K.-D. Kreuer 및 J. Maier 저 "Spektrum der Wissenschaft"(1995, 7월), 92-96에 공지되어 있다.Several types of fuel cells and their actions are described in K.-D. Kreuer and J. Maier, "Spektrum der Wissenschaft" (1995, July), 92-96.

전극은 매우 양호한 전자 전도체이어야 한다(전기 저항 약 0.1Ω㎝-1). 전극과 전해질 표면의 반응은 촉매에 의해 촉진되어야 한다. 전해질은 가급적 낮은 전자 전도율과 더불어 높은 이온 전도율을 가져야 한다. 전해질은 또한 출발 가스를 통과시키지 않아야 한다. 모든 재료는 서로에 대해 그리고 반응 파트너에 대해 화학적으로 불활성이어야 한다. 즉, 캐소드에서의 강력한 산화 조건 및 애노드에서의 강력한 환원 조건에서 서로 바람직하지 않은 화합이 이루어져서는 안된다.The electrode should be a very good electron conductor (electrical resistance about 0.1Ωcm −1 ). The reaction of the electrode with the surface of the electrolyte must be facilitated by a catalyst. The electrolyte should have a high ionic conductivity with as low a electron conductivity as possible. The electrolyte must also not pass the starting gas. All materials should be chemically inert with respect to each other and to the reaction partner. That is, undesired compounding should not occur with each other under strong oxidizing conditions at the cathode and strong reducing conditions at the anode.

다수의 개별 전지를 접속하여 전지 스택으로 만들기 위해서는, 개별 전지에 포함된 고체 성분이 충분한 기계적 저항성을 제공해야 한다. 또한, 재료 비용, 프로세스 비용, 전지 성분의 수명 및 환경 친화성이 중요하다.In order to connect multiple individual cells into a cell stack, the solid components contained in the individual cells must provide sufficient mechanical resistance. In addition, material cost, process cost, battery component life and environmental friendliness are important.

작동 온도가 80 내지 90℃인 경우, 양자 전도성 폴리머 막이 연료 전지에 삽입되었다. 상기 막은 분자 및 양자에게 자유 이동도를 주기 위한 액체의 능력 및 형태를 안정하게 하기 위한 고체의 능력을 통합한다. 상기 요구는 술폰화된 퍼플루오르비닐에테르 측쇄를 가진 폴리테트라플루오르에틸렌을 기본 재료로 하는 퍼플루오르화된 로노머(lonomer) 막에 의해 거의 이상적으로 충족된다. 상기 재료는 물의 존재 하에 겔 상태의, 형태 안정한 막의 형성에 의해 혼합되지 않는 소수성 및 친수성 영역으로 이루어진다. 폴리머의 소수성 주쇄는 산화 및 환원에 대해 저항성을 가지며 팽창된 상태에서도 막에 형태 안정한 골격을 제공한다. 물 속에서 팽창된 친수성의, 액체와 유사한 술폰산 함유 측쇄는 매우 양호한 양자 전도율을 가능하게 한다. 수 나노미터의 다공 크기는 적은 수의 물 분자의 크기에 상응한다. 물의 존재는 채널 및 다공에서 양자의 높은 이동도를 제공한다.When the operating temperature was 80 to 90 ° C., a quantum conductive polymer membrane was inserted into the fuel cell. The membrane incorporates the solid's ability to stabilize the liquid's ability and morphology to give molecules and both free mobility. This need is almost ideally met by perfluorinated lonomer membranes based on polytetrafluoroethylene with sulfonated perfluorovinylether side chains. The material consists of hydrophobic and hydrophilic regions which are not mixed by the formation of a morphologically stable film in the gel state in the presence of water. The hydrophobic backbone of the polymer is resistant to oxidation and reduction and provides a morphologically stable backbone to the membrane even in the expanded state. Hydrophilic, liquid-like sulfonic acid-containing side chains expanded in water allow for very good quantum conductivity. A pore size of several nanometers corresponds to the size of a small number of water molecules. The presence of water provides high mobility of both in the channel and in the pores.

인용된 간행물에 이미 공지된 바와 같은 양이온 교환기에서는 복잡한 제조 방법으로 인한 높은 가격이 단점이다. 또한, 그것의 폐기 또는 재활용도 생태학적 문제를 일으킨다.The cation exchanger, as is already known in the cited publications, is disadvantageous due to the high cost due to the complicated production process. Its disposal or recycling also causes ecological problems.

연료 전지의 작동시, 특히 연소 산소가 공기 흐름에 의해 전지에 공급되지만, 양자 흐름의 특성으로 인해 물 분자가 애노드로부터 캐소드로 이동되면, 상기 막이 건조되는 경향이 있다.In operation of a fuel cell, in particular, combustion oxygen is supplied to the cell by air flow, but if the water molecules move from the anode to the cathode due to the nature of the quantum flow, the membrane tends to dry.

공지된 막 또는 그 술폰산기의 열적 안정성의 상한은 90 내지 100℃ 이다. 형태적 구성은 더 높은 온도에서 파괴되기 시작한다.The upper limit of the thermal stability of a known membrane or its sulfonic acid group is 90-100 degreeC. Morphological composition begins to break at higher temperatures.

따라서, 더 높은 작동 온도에서는 독자적인 막으로 공지된 퍼플루오르화된 로노머(lonomer) 막이 폐쇄되므로, 상기 막은 하기 경우에는 부적합하다:Thus, at higher operating temperatures, perfluorinated lonomer membranes, known as proprietary membranes, are closed, such membranes are inadequate when:

a) 130℃ 이상의 온도에서 재형성된 메탄올로부터 나온 수소를 연료로 사용하는 경우 (이 방법은 U.Benz 저, "Spektrum der Wissenschaft"(1995년 7월) 97-104);a) using hydrogen from methanol reformed at temperatures above 130 ° C. as fuel (this method is U.Benz, “Spektrum der Wissenschaft” (July 1995) 97-104);

b) 애노드에서 메탄올의 직접 산화를 위해 130℃ 이상, 통상적으로 150 - 200℃의 온도에서 사용하는 경우.b) when used at a temperature of at least 130 ° C., typically 150-200 ° C., for the direct oxidation of methanol at the anode.

본 발명은 선택적으로 촉매로 코팅된 애노드, 선택적으로 촉매로 코팅된 캐소드, 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 있는 양자 전도체를 포함하는 연료 전지용 막형 전극 유닛에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane electrode unit for a fuel cell comprising an anode optionally coated with a catalyst, a cathode optionally coated with a catalyst, and a quantum conductor between the anode and the cathode.

본 발명의 목적은 퍼플루오르화된 로노머 막의 전술한 바람직한 특성과 더불어 하기 특성:It is an object of the present invention to provide the following properties in addition to the above-mentioned preferred properties of the perfluorinated RONomer membrane:

1. 선행 기술에 따른 폴리머 막에 비해 제조 비용의 감소1. Reduced manufacturing costs compared to polymer membranes according to the prior art

2. 폐기시 유해 물질의 감소2. Reduction of harmful substances at disposal

3. 촉매 독 효과의 감소, 연료로서 재형성된 메탄올로부터 나온 수소의 사용 가능성, 메탄올의 내부 재형성 또는 메탄올의 직접 산화를 위해, 200℃ 까지의 내열성3. Heat resistance up to 200 ° C. for reduced catalytic poison effect, possibility of using hydrogen from reformed methanol as fuel, internal reforming of methanol or direct oxidation of methanol

을 갖는 연료 전지용 막형 전극 유닛을 제공하는 것이다.To provide a fuel cell membrane electrode unit having a.

상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 제 1항의 특징에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 종속항에 제시된다.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1. Preferred embodiments are presented in the dependent claims.

본 발명에 따라 양자 전도체는 전해질로 포화점까지 함침된 미세 섬유 플리이스(fleece) 재료로 형성된다; 상기 플리이스 재료는 +200℃까지의 온도 및 산화 환원 조건 하에서 전해질에 대해 화학적으로 불활성이다. 플리이스 재료의 중량은 20 내지 200 g/㎡이다. 플리이스 재료의 두께는 최대 1mm이며 다공 체적은 65 내지 92 %이다.According to the invention the quantum conductor is formed of a fine fiber fleece material impregnated to the saturation point with an electrolyte; The place material is chemically inert to the electrolyte under temperatures up to + 200 ° C. and redox conditions. The weight of the place material is 20 to 200 g / m 2. The thickness of the fleece material is at most 1 mm and the pore volume is from 65 to 92%.

미세 섬유 플리이스 재료의 평균 다공 반경은 20 nm 내지 10 ㎛ 이다.The average pore radius of the fine fiber place material is 20 nm to 10 μm.

*본 발명에 따른 유닛에서는 미세 섬유 플리이스 재료의 골격이 막의 기계적 저항성을 보장하므로, 전해질이 상기 과제를 해결할 필요가 없다. 이로 인해, 막의 제조 비용이 예컨대 상응하는 치수의, 퍼플루오르화된 로노머로 이루어진 독자적인 막에 비해, 90 % 까지 감소될 수 있다.In the unit according to the invention, the skeleton of the fine fiber pleated material ensures the mechanical resistance of the membrane, so that the electrolyte does not have to solve the above problem. Due to this, the cost of producing the membrane can be reduced by up to 90%, for example, compared to a proprietary membrane consisting of perfluorinated rheomers of corresponding dimensions.

미세 섬유 플리이스 재료는 퍼플루오르화된 로노머로 채워질 수 있다. 퍼플루오르화된 로노머는 술폰화된 퍼플루오르비닐에테르 측쇄를 가진 폴리테트라플루오르에틸렌일 수 있다. 대안으로서, 미세 섬유 플리이스 재료를 1 내지 5몰의 황산 수용액 또는 진한 인산으로 함침시킨다. 또한, 수화된 지르코늄 포스페이트 및 암모늄디히드로겐 포스페이트를 사용하는 것도 가능하다.The fine fiber fleece material may be filled with a perfluorinated rheomer. The perfluorinated ronomer may be polytetrafluoroethylene with sulfonated perfluorovinylether side chains. As an alternative, the fine fiber fleece material is impregnated with 1 to 5 moles of aqueous sulfuric acid solution or concentrated phosphoric acid. It is also possible to use hydrated zirconium phosphate and ammonium dihydrogen phosphate.

하기 실시예에서는 지금까지의 비싼 재료를 사용할 필요 없이, 본 발명이 연료 전지의 출력과 관련해서(이온 전도율) 퍼플루오르화된 로노머로 이루어진 순수한 폴리머 막과 동일하다는 것이 나타나야 한다.In the following examples it should be shown that the present invention is identical to the pure polymer membranes made of perfluorinated rheomers with respect to the output of the fuel cell (ion conductivity), without the need to use expensive materials up to now.

하기에 설명되는 실시예에서 기본 재료는 공통이다:In the examples described below, the base materials are common:

플리이스 재료: 직사각형 횡단면을 가진( 폭 6 내지 13 ㎛, 높이 1.7 내지 2.4 ㎛) 폴리술폰 섬유.Fleece material: Polysulfone fibers with rectangular cross section (6-13 μm wide, 1.7-2.4 μm high).

폴리술폰 재료의 기계적 특성: 용융 범위 343 내지 399℃.Mechanical Properties of Polysulfone Material: Melting Range 343-399 ° C.

인장 강도: 70 MPaTensile Strength: 70 MPa

파괴 연신율: 50 내지 100%Elongation at break: 50 to 100%

탄성 계수: 2.4 GPaModulus of elasticity: 2.4 GPa

1.8 MPa 부하 하에서 휨 온도: 174℃Bending temperature under 1.8 MPa load: 174 ° C

섬유의 제조: 정전기 장에서 메틸렌클로라이드 중에 녹아있는 폴리술폰 용액의 스피닝. 예컨대, 독일 특허 공개 제 26 20 399호에 따른 장치가 사용될 수 있다. 섬유는 선형으로 연속적으로 움직이는 직물 지지체에 모인다.Preparation of fibers: spinning of polysulfone solution dissolved in methylene chloride in electrostatic field. For example, a device according to German Patent Publication No. 26 20 399 can be used. The fibers gather on a fabric support that moves linearly and continuously.

플리이스 재료 특성:Fleece Material Properties:

중량: 150 g/㎡Weight: 150 g / ㎡

두께(압축된): 0.05 mmThickness (compressed): 0.05 mm

두께(전해질로 함침된): 0.18 mmThickness (impregnated with electrolyte): 0.18 mm

압축되지 않은 상태에서 평균 다공 반경: 8 ㎛Average pore radius, uncompressed: 8 μm

압축된 상태에서 평균 다공 반경: 4 ㎛Average pore radius in the compressed state: 4 μm

다공 체적: 83%Porous Volume: 83%

본 발명에 따른 막의 내열성은 다른 반대 이유가 없다면 플리이스 재료에 의해 결정되므로 순수한 섬유 재료인 폴리술폰에 대해 약 174℃에 이른다. 플리이스재료에서 섬유의 기계적 결합으로 인해, 기계적 안정성이 250℃까지 증가된다. 따라서, 연료 전지의 고온 작동이 가능해지고, 이것은 애노드 촉매의 독성을 현저히 감소시킨다.The heat resistance of the membranes according to the invention is determined by the fleece material unless otherwise objected, thus reaching about 174 ° C. for polysulfone which is a pure fibrous material. Due to the mechanical bonding of the fibers in the flake material, the mechanical stability is increased to 250 ° C. Thus, high temperature operation of the fuel cell becomes possible, which significantly reduces the toxicity of the anode catalyst.

실시예 1Example 1

미세 섬유 플리이스 재료를 16 mm 직경의 유리 프릿 중의 액체 Nafion, 즉 DuPont 사의 퍼플루오르화된 로노머로 코팅한다. 약간의 저압을 제공함으로써, 액상이 플리이스 재료의 다공 구조 내로 흡입된다. 용매를 제거하기 위해, 함침된 막을 건조 챔버 내에서 60℃로 처리한다. 그리고 나서, 후속 처리를 위해 증류수에 보관하는 것도 가능하다.The fine fiber fleece material is coated with a liquid Nafion in a 16 mm diameter glass frit, ie perfluorinated rhomer from DuPont. By providing some low pressure, the liquid phase is sucked into the porous structure of the place material. To remove the solvent, the impregnated membrane is treated at 60 ° C. in a drying chamber. It is then also possible to store in distilled water for subsequent processing.

실시예 2 내지 4Examples 2-4

미세 섬유 플리이스 재료를 3개의 상이한 몰의 황산 수용액으로 실시예 1과 같이 함침시키지만, 점도를 낮추기 위해 황산을 약 70℃로 가열한다. 다른 결과가 얻어지지 않으면, 플리이스 재료를 70℃로 가열된 산 속에서 수 분동안 끓일 수 있다.The fine fiber place material is impregnated with three different moles of aqueous sulfuric acid solution as in Example 1, but the sulfuric acid is heated to about 70 ° C. to lower the viscosity. If no other results are obtained, the flake material can be boiled for several minutes in an acid heated to 70 ° C.

이렇게 얻어진 막은 바람직하게는 상응하는 함침 매질 중에 보관할 수 있다.The membrane thus obtained can preferably be stored in the corresponding impregnation medium.

상기 방식으로 제조된 막에서는 1979년 3월의 DIN 53 779에 따른 방법에 의해 하기 고유 전도율이 검출되었다:In membranes prepared in this way the following intrinsic conductivity was detected by the method according to DIN 53 779 of March 1979:

실시예Example 측정 온도(℃)Measurement temperature (℃) 고유 전도율(S/cm)Specific Conductivity (S / cm) 1One 2323 0.0160.016 21 M H2SO4 21 MH 2 SO 4 1818 0.0310.031 33 M H2SO4 33 MH 2 SO 4 1818 0.0410.041 45 M H2SO4 45 MH 2 SO 4 1818 0.0800.080 5(비교 실시예)5 (comparative example) 2525 0.0700.070

표의 실시예 5는 퍼플루오르화된 로노머(Nafion-117, DuPont)로 이루어진, 선행 기술에 따른, 125 ㎛ 두께의, 자체 지지 폴리머 막에서 상응하게 측정한 비교 실시예이다.Example 5 in the table is a comparative example measured on a 125 μm thick, self-supporting polymer membrane according to the prior art, consisting of perfluorinated rhomer (Nafion-117, DuPont).

고유 전도율(S/cm)에 대한 값은, 순수한 Nafion에 비해 훨씬 저렴하고 구조적으로 보다 간단하며 보다 높은 기계적 저항성을 가진 본 발명에 따른 막에 의해 선행 기술에 상응하는 출력으로 연료 전지의 작동이 가능하다는 것을 나타낸다. 100 ℃ 이상의 온도에서 사용하는 경우, 이온 전도체로서 진한 인산이 사용될 수 있다.The value for the intrinsic conductivity (S / cm) is much lower than that of pure Nafion, the structure is simpler, and the membrane according to the invention with higher mechanical resistance allows operation of the fuel cell at a power corresponding to the prior art. It is displayed. When used at temperatures above 100 ° C., concentrated phosphoric acid can be used as the ion conductor.

예컨대, 125 ㎛의 두께를 가진 팽창된 Nafion 막에 비해, 실시예 1 내지 4에 사용된, 전해질로 함침된 플리이스 재료는 2배의 두께를 갖는다.For example, compared to the expanded Nafion membrane with a thickness of 125 μm, the electrolyte-impregnated flake material used in Examples 1 to 4 has twice the thickness.

전압과 전류 세기의 곱으로 나타나는 연료 전지의 출력은 더 높은 산 농도, 즉 더 높은 고유 전도율(S/cm), 및 얇은 플리이스 재료의 사용에 의한 확산 방지의 감소에 의해 얻어질 수 있다.The output of the fuel cell, expressed as the product of voltage and current intensity, can be obtained by higher acid concentrations, ie higher intrinsic conductivity (S / cm), and a reduction in diffusion prevention by the use of thin place material.

도 1에는 실시예 1, 2, 3에 상응하는, 실온에서의 전류/전압 곡선이 도시된다. 본 발명에 따른 막에 의해 선행 기술(실시예 5)에 필적할만한 곡선이 얻어지는 것으로 나타난다. 높은 산 농도 또는 얇은 플리이스 재료에 의한 높은 전지 출력의 상기 효과는 이 도면에서 종좌표의 포지티브 방향으로 곡선의 이동에 의해 나타내진다.1 shows the current / voltage curves at room temperature, corresponding to Examples 1, 2, and 3. FIG. The membrane according to the invention appears to yield a curve comparable to the prior art (Example 5). The above effect of high cell output by high acid concentration or thin place material is shown by the shift of the curve in the positive direction of the ordinate in this figure.

플리이스 재료의 높은 내열성으로 인해 100 ℃ 이상의 온도에서 사용하는 경우 전해질로서 진한 인산이 사용될 수도 있다.Due to the high heat resistance of the flake material, concentrated phosphoric acid may be used as the electrolyte when used at temperatures above 100 ° C.

Claims (7)

선택적으로 촉매로 코팅된 애노드, 선택적으로 촉매로 코팅된 캐소드, 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 있는 양자 전도체를 포함하는 연료 전지용 막형 전극 유닛에 있어서,A membrane electrode unit for a fuel cell comprising an anode optionally coated with a catalyst, a cathode optionally coated with a catalyst, and a quantum conductor between the anode and the cathode, 상기 양자 전도체는 전해질로 포화점까지 함침된 미세 섬유 플리이스 재료로 형성되고, 상기 플리이스 재료는 +200℃까지의 온도 및 산화 환원 조건 하에서 전해질에 대해 화학적으로 불활성이며, 플리이스 재료의 중량은 20 내지 200 g/㎡이고, 플리이스 재료의 두께는 최대 1mm이며 다공 체적은 65 내지 92 % 인 것을 특징으로 하는 막형 전극 유닛.The quantum conductor is formed of a fine fiber fleece material impregnated to an saturation point with an electrolyte, the fleece material being chemically inert to the electrolyte under temperature and redox conditions up to + 200 ° C., and the weight of the fleece material is 20-200 g / m 2, membrane material unit having a thickness of up to 1 mm and a porous volume of 65 to 92%. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 미세 섬유 플리이스 재료가 20 nm 내지 10 ㎛의 평균 다공 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 막형 전극 유닛.The film type electrode unit, wherein the fine fiber fleece material has an average pore radius of 20 nm to 10 μm. 제 1항 또는 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 미세 섬유 플리이스 재료가 퍼플루오르화된 로노머로 채워지는 것을 특징으로 하는 막형 전극 유닛.And the fine fiber pleated material is filled with a perfluorinated rheomer. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 퍼플루오르화된 로노머가 술폰화된 퍼플루오르비닐에테르 측쇄를 가진 폴리테트라플루오르에틸렌인 것을 특징으로 하는 막형 전극 유닛.The membrane electrode unit according to claim 1, wherein the perfluorinated ronomer is polytetrafluoroethylene having sulfonated perfluorovinylether side chains. 제 1항 또는 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 미세 섬유 플리이스 재료가 1 내지 5몰의 황산 수용액으로 함침되는 것을 특징으로 하는 막형 전극 유닛.The membrane type electrode unit, wherein the fine fiber flake material is impregnated with 1 to 5 moles of sulfuric acid solution. 제 1항 또는 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 미세 섬유 플리이스 재료가 진한 인산으로 함침되는 것을 특징으로 하는 막형 전극 유닛.The membrane type electrode unit, wherein the fine fiber flake material is impregnated with concentrated phosphoric acid. 제 1항 또는 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 미세 섬유 플리이스 재료가 수화된 지르코늄 포스페이트 또는 암모늄디히드로겐 포스페이트로 함침되는 것을 특징으로 하는 막형 전극 유닛.Membrane electrode unit, characterized in that the fine fiber flake material is impregnated with hydrated zirconium phosphate or ammonium dihydrogen phosphate.
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