KR20060001630A - Electrode for fuel cell, fuel cell comprising the same, and method for preparing the electrode - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극기재, 및 상기 전극기재의 표면에 형성된 나노카본층과 상기 나노카본층에 증착 코팅된 촉매를 포함하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell electrode, a fuel cell including the same, and a method for manufacturing the electrode for a fuel cell, and more particularly, an electrode substrate, and a nanocarbon layer formed on the surface of the electrode substrate and the coating coated on the nanocarbon layer. The present invention relates to a fuel cell electrode including a catalyst layer including a catalyst, a fuel cell including the same, and a method for manufacturing the electrode for a fuel cell.
본 발명의 연료전지용 전극은 촉매의 표면적이 커서, 적은 양의 촉매를 사용하면서도, 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. The electrode for a fuel cell of the present invention has an advantage that the surface area of the catalyst is large and the performance of the fuel cell can be improved while using a small amount of the catalyst.
연료전지, 촉매, 표면적, 나노카본, 전극, 막-전극 접합체Fuel cell, catalyst, surface area, nanocarbon, electrode, membrane-electrode assembly
Description
도 1a는 촉매를 증착시키기 전의 전극기재를 모식적으로 나타낸 단면도. 1A is a cross-sectional view schematically showing an electrode substrate before depositing a catalyst.
도 1b는 촉매를 증착시킨 본 발명의 연료전지용 전극의 모식적 단면도. 1B is a schematic cross-sectional view of an electrode for a fuel cell of the present invention on which a catalyst is deposited.
도 2는 본 발명의 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체를 모식적으로 나타낸 단면도.2 is a cross-sectional view schematically showing a membrane-electrode assembly including an electrode for a fuel cell of the present invention.
도 3은 본 발명의 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지를 모식적으로 나타낸 분해 사시도. 3 is an exploded perspective view schematically showing a fuel cell including the fuel cell electrode of the present invention.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 연료전지의 전압 및 전류 발생 효율을 나타낸 그래프. 4 is a graph showing the voltage and current generation efficiency of the fuel cell prepared according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 3.
[산업상 이용분야][Industrial use]
본 발명은 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 넓은 표면적을 갖는 촉매층이 형성된 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell electrode, a fuel cell including the same, and a method for manufacturing the electrode for a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell electrode having a catalyst layer having a large surface area, a method for manufacturing a fuel cell and a fuel cell electrode including the same. It is about.
[종래기술][Private Technology]
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.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte or alkaline fuel cells, etc., depending on the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, and the like.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), which is being developed recently, has superior output characteristics compared to other fuel cells, has a low operating temperature, fast start-up and response characteristics, and a mobile power source such as an automobile. Of course, it has a wide range of applications, such as distributed power supply for homes, public buildings and small power supply for electronic devices.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키고 그 수소 기체를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하 고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 기체를 발생시키며, 스택에서 이 수소 기체와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다. Such a PEMFC basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to constitute a system. The stack forms the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. The reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack. Therefore, the PEMFC supplies fuel in the fuel tank to the reformer by operation of a fuel pump, reforming the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacting the hydrogen gas and oxygen in the stack to produce electrical energy. Generate.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 스택에 공급할 수 있는 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) 방식을 채용할 수도 있다. 이러한 직접 메탄올형 연료 방식의 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 개질기가 배제된다.On the other hand, the fuel cell may employ a direct methanol fuel cell (DMFC) method that can supply a liquid methanol fuel directly to the stack. Such a direct methanol fuel cell fuel cell, unlike the polymer electrolyte fuel cell, the reformer is excluded.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 분리판(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate))으로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 접합체는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가진다. In such a fuel cell system, a stack that substantially generates electricity includes several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (or bipolar plate). It has a structure laminated to several tens. The membrane-electrode assembly has a structure in which an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") are bonded to each other with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween. Have
상기 분리판은 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 통로의 역할과 각 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 연료의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원반응이 일어나며 이 때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.The separator serves as a passage for supplying fuel required for the reaction of the fuel cell to the anode electrode and for supplying oxygen to the cathode electrode and as a conductor for connecting the anode electrode and the cathode electrode in series in each membrane / electrode assembly. At the same time. In this process, the electrochemical oxidation of the fuel occurs at the anode, the electrochemical reduction of oxygen occurs at the cathode, and electricity, heat, and water can be obtained together due to the movement of electrons.
상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극은 통상적으로 백금(Pt) 촉매를 포함한다. 그러나, 상기 백금은 고가의 귀금속이므로 다량 사용할 수 없는 문제가 있으 며, 종래에는 백금의 사용량을 줄이기 위해서 백금을 탄소에 담지시킨 것을 주로 사용하였다. The anode electrode or cathode electrode typically comprises a platinum (Pt) catalyst. However, since platinum is an expensive precious metal, there is a problem that it cannot be used in large quantities, and conventionally, platinum is mainly used to support platinum to reduce the amount of platinum used.
그러나, 탄소에 담지된 백금 촉매를 사용하는 경우에는 촉매층의 두께가 두꺼워지고, 백금의 저장량에 한계가 있으며, 촉매층과 전해질막의 접촉상태가 좋지 못하여 연료전지의 성능을 떨어뜨리는 문제가 있다. However, when the platinum catalyst supported on carbon is used, the thickness of the catalyst layer becomes thick, there is a limit in the storage amount of platinum, and the contact state between the catalyst layer and the electrolyte membrane is not good, thereby degrading the performance of the fuel cell.
따라서, 막-전극 접합체의 촉매층 내에 포함되는 촉매의 함량을 줄이면서도 우수한 전지 성능을 나타낼 수 있는 막-전극 접합체의 개발이 요구된다. Therefore, there is a need to develop a membrane-electrode assembly that can exhibit excellent battery performance while reducing the amount of catalyst contained in the catalyst layer of the membrane-electrode assembly.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 촉매의 표면적이 넓은 연료전지용 전극을 제공하는 것이다. The present invention is to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide a fuel cell electrode having a wide surface area of the catalyst.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell including the electrode for the fuel cell.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 전극의 제조방법을 제공하는 것이다. Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the fuel cell electrode.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 전극기재, 및 상기 전극기재의 표면에 형성된 나노카본층과 상기 나노카본층에 증착 코팅된 촉매를 포함하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.The present invention provides an electrode for a fuel cell comprising an electrode substrate, and a catalyst layer comprising a nanocarbon layer formed on the surface of the electrode substrate and a catalyst deposited on the nanocarbon layer.
본 발명은 또한, 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막의 양면에 배치되는 상기 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체, 및 상기 막-전극 접합체의 양면에 배치되는 분리판(bipolar plate)을 포함하는 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a fuel comprising a membrane-electrode assembly including a polymer electrolyte membrane and the fuel cell electrode disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane, and a bipolar plate disposed on both sides of the membrane-electrode assembly. Provide a battery.
본 발명은 또한, 전극기재의 표면에 나노카본을 습식코팅하여 나노카본층을 형성시키는 단계; 및 상기 나노카본층에 촉매를 증착 코팅하여 촉매층을 형성시키는 단계를 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다. The present invention also comprises the steps of wet coating the nanocarbon on the surface of the electrode substrate to form a nanocarbon layer; And forming a catalyst layer by depositing and coating a catalyst on the nanocarbon layer.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
연료전지의 막-전극 접합체용 금속 촉매로는 대부분 고가의 귀금속이 사용되고 있으며, 그 중에서도 백금이 가장 널리 사용되고 있다. 따라서, 상기 촉매의 사용량을 줄이면서, 연료전지의 성능을 유지시키는 것이 가장 큰 과제라고 할 수 있다. Expensive precious metals are mostly used as metal catalysts for membrane-electrode assemblies in fuel cells, and platinum is the most widely used among them. Therefore, it can be said that the biggest problem is to maintain the performance of the fuel cell while reducing the amount of the catalyst used.
상기 촉매의 사용량을 줄일 수 있는 방법으로는 촉매를 기재에 증착시켜 촉매층을 형성시키는 증착법이 있다. 그러나, 촉매가 증착되는 기재의 표면적에 따라 촉매층의 표면적이 결정되며, 촉매층의 표면적이 낮은 경우에는 연료전지의 출력 특성이 낮아지게 된다. 따라서, 촉매가 증착되는 기재의 표면적을 넓히는 것이 중요하다. As a method of reducing the amount of the catalyst used, there is a deposition method in which a catalyst layer is formed by depositing a catalyst on a substrate. However, the surface area of the catalyst layer is determined according to the surface area of the substrate on which the catalyst is deposited, and when the surface area of the catalyst layer is low, the output characteristics of the fuel cell are lowered. Therefore, it is important to widen the surface area of the substrate on which the catalyst is deposited.
본 발명의 연료전지용 전극은 전극기재의 표면적을 극대화시킨 후, 촉매를 증착시킨 것으로서, 촉매층의 두께가 얇고 표면적이 넓은 특징을 갖는다. The electrode for a fuel cell of the present invention is to deposit a catalyst after maximizing the surface area of the electrode substrate, and has a feature that the thickness of the catalyst layer is thin and the surface area is wide.
도 1a는 표면적을 극대화시킨 전극기재를 모식적으로 나타낸 단면도이며, 도 1b는 상기 전극기재의 표면에 촉매를 증착시킨 본 발명의 연료전지용 전극의 모식적 단면도이다. FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing an electrode substrate having a maximum surface area, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of an electrode for a fuel cell of the present invention in which a catalyst is deposited on a surface of the electrode substrate.
도 1a 및 1b를 참고하면, 본 발명의 연료전지용 전극(100)은 전극기재(101), 상기 전극기재(101)의 표면에 형성된 나노카본층(102)과 상기 나노카본층에 증착 코팅된 촉매(103)를 포함하는 촉매층(105)을 포함한다. Referring to FIGS. 1A and 1B, an
상기 전극기재(101)는 전극(100)을 지지하는 지지체의 역할을 함과 동시에, 연료 및 산소기체를 촉매(105)에 전달해주는 통로역할을 하는 것으로서, 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다. 상기 탄소지 또는 탄소천으로 이루어진 전극기재를 통상 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)이라 부른다.The
또한, 상기 전극기재(101)는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층과, 미세기공층(micro porous layer:MPL)을 포함할 수도 있다. 상기 미세기공층은 기체확산층을 통하여 전달되는 연료 및 산소 기체를 골고루 퍼지도록 하여 촉매와 기체의 접촉을 돕는 역할을 하는 것으로서, 미세기공이 형성된 탄소층인 것이 바람직하며, 흑연, 플러렌(C60), 활성탄소, 또는 카본블랙 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 더 바람직하다.In addition, the
상기 전극기재의 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)은 10 내지 1000 ㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하며, 상기 미세기공층은 1 내지 100 ㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 상기 기체확산층의 두께가 10 ㎛ 미만인 경우에는 지지체의 역할을 할 수 없게 되며, 1000 ㎛를 초과하는 경우에는 연료 및 산소기체의 공급이 원활하지 못하게 된다. 또한, 상기 미세기공층의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 연료 및 기체 확산의 균일한 확산 및 촉매층과의 균일한 접촉이 어려우며, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 연료 및 산소기체의 공급이 원활하지 못하게 된다.The gas diffusion layer (GDL) of the electrode base material preferably has a thickness of 10 to 1000 μm, and the microporous layer preferably has a thickness of 1 to 100 μm. If the thickness of the gas diffusion layer is less than 10 ㎛ can not serve as a support, if it exceeds 1000 ㎛ supply of fuel and oxygen gas is not smooth. In addition, when the thickness of the microporous layer is less than 1 μm, uniform diffusion of fuel and gas diffusion and uniform contact with the catalyst layer are difficult, and when it exceeds 100 μm, supply of fuel and oxygen gas is not smooth. .
상기 전극 기재에 형성된 나노카본층은 0.05 내지 10 ㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 나노카본층의 두께가 0.05 ㎛ 미만인 경우에는 표면적 증가의 효과가 미미하며, 10 ㎛를 초과하는 경우에는 더 이상의 표면적 증가 효과를 얻을 수 없고, 전극을 두껍게 하므로 바람직하지 못하다. The nanocarbon layer formed on the electrode substrate preferably has a thickness of 0.05 to 10 ㎛. When the thickness of the nanocarbon layer is less than 0.05 μm, the effect of surface area increase is insignificant, and when the thickness of the nanocarbon layer is more than 10 μm, no further surface area increase effect is obtained, and the electrode is thickened, which is not preferable.
상기 나노카본층에 포함되는 나노카본은 카본나노튜브(CNT), 카본나노파이버(carbon nano fiber), 카본나노와이어(carbon nano wire), 카본나노혼(carbon nano horn), 또는 카본나노링(carbon nano ring) 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. The nanocarbons included in the nanocarbon layer may include carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanohorns, or carbon nanorings. nano ring) is preferably one or more selected.
또한, 상기 나노카본은 1 내지 500 nm의 직경을 가지는 것이 바람직하며, 또한, 50 내지 5000 nm의 길이를 가지는 것이 바람직하다. 상기 나노카본의 직경은 작을수록 좋으나, 직경이 1 nm 미만인 나노카본은 제조상의 어려움이 있으며, 직경이 500 nm를 초과하는 경우에는 표면적 증가의 효과가 적다. 또한, 상기 나노카본의 길이가 50 nm 미만인 경우에는 나노카본의 치밀한 배열로 인해 기공도가 감소하게 되어 연료의 공급이 어려우며, 500 nm를 초과하는 경우에는 슬러리제조시 나노카본의 분산이 어려운 문제가 발생한다. In addition, the nanocarbon preferably has a diameter of 1 to 500 nm, and preferably has a length of 50 to 5000 nm. The smaller the diameter of the nanocarbon, the better, but nanocarbon having a diameter of less than 1 nm has difficulty in manufacturing, and when the diameter exceeds 500 nm, the effect of increasing the surface area is small. In addition, when the length of the nanocarbon is less than 50 nm, the porosity is reduced due to the dense arrangement of the nanocarbon, and it is difficult to supply fuel, and when it exceeds 500 nm, it is difficult to disperse the nanocarbon during slurry production. Occurs.
상기 촉매층에 포함되는 촉매의 함량은 단위면적당 0.001 내지 0.5 mg/cm2인 것이 바람직하며, 0.01 내지 0.05 mg/cm2인 것이 더 바람직하다. 상기 촉매층에 포함되는 촉매의 함량이 0.001 mg/cm2 미만인 경우에는 연료전지의 효율이 충분하지 못하며, 0.5 mg/cm2를 초과하는 경우에는 촉매의 활용도가 떨어질 수 있다.The content of the catalyst included in the catalyst layer is preferably 0.001 to 0.5 mg / cm 2 per unit area, more preferably 0.01 to 0.05 mg / cm 2 . When the content of the catalyst included in the catalyst layer is less than 0.001 mg / cm 2, the efficiency of the fuel cell is not sufficient, and when the content of the catalyst is more than 0.5 mg / cm 2 may be reduced the utilization of the catalyst.
또한, 상기 촉매층에 포함되는 촉매의 단위무게당 비표면적은 10 내지 500 m2/g인 것이 바람직하다. 연료전지의 산화/화원반응은 촉매의 표면에서 일어나는 것이므로, 단위무게당 비표면적이 클수록 연료전지의 효율이 우수하다. 따라서, 촉매의 단위무게당 비표면적이 10 m2/g미만인 경우에는 연료전지의 효율이 떨어지며, 500 m2/g를 초과하는 경우에는 제조상의 어려움이 따른다.In addition, the specific surface area per unit weight of the catalyst included in the catalyst layer is preferably 10 to 500 m 2 / g. Since the oxidation / source reaction of the fuel cell occurs on the surface of the catalyst, the greater the specific surface area per unit weight, the better the fuel cell efficiency. Therefore, when the specific surface area per unit weight of the catalyst is less than 10 m 2 / g, the efficiency of the fuel cell is lowered, and when it exceeds 500 m 2 / g there is a manufacturing difficulty.
상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 더 바람직하다. The catalyst layer is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M = Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn At least one catalyst selected from the group consisting of: platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-cobalt More preferably it comprises at least one catalyst selected from alloys or platinum-nickel.
상기 연료전지용 전극은 고분자 전해질막의 양 면에 배치되어 막-전극 접합체를 형성한다. The fuel cell electrodes are disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane to form a membrane-electrode assembly.
도 2는 본 발명의 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체(10)는 고분자 전해질막(110) 및 상기 고분자 전해질막(110)의 양면에 각각 배치되는 상기 연료전지용 전극(100, 100')을 포함한다. 상기 연료전지용 전 극은 전극기재(101,101') 및 촉매층(105, 105')을 포함한다. 2 is a cross-sectional view schematically showing the membrane-electrode assembly including the fuel cell electrode of the present invention. Referring to FIG. 2, the membrane-
상기 막-전극 접합체(10)에서, 고분자 전해질막(110)의 일면에 배치되는 전극(100)을 애노드 전극(또는 캐소드 전극)이라 하고, 다른 일면에 배치되는 전극(100')을 캐소드 전극(또는 애노드 전극)이라 한다. 애노드 전극은 연료로부터 수소이온과 전자를 분리시키는 산화반응을 일으키고, 고분자 전해질막은 상기 애노드 전극에서 발생한 수소이온을 캐소드 전극으로 이동시키며, 캐소드 전극은 상기 고분자 전해질막을 통해 공급받은 수소이온과 외부로부터 공급된 산소기체로부터 물을 생성시키는 환원반응을 일으킨다. In the membrane-
따라서, 상기 고분자 전해질막(110)은 수소이온 전도성이 우수한 고분자를 포함하며, 바람직하게는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 더 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 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다. Accordingly, the
상기 막-전극 접합체는 촉매의 표면적이 넓어 우수한 성능을 나타낼 수 있 다. The membrane-electrode assembly may exhibit excellent performance due to the large surface area of the catalyst.
도 3은 본 발명의 연료전지를 모식적으로 나타낸 분해 사시도이다. 도 3을 참고하면, 본 발명의 연료전지(1)는 상기 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체(10) 및 상기 막-전극 접합체의 양면에 배치되는 분리판(bipolar plate)(20)을 포함한다. 3 is an exploded perspective view schematically showing the fuel cell of the present invention. Referring to FIG. 3, the fuel cell 1 of the present invention includes a membrane-
본 발명의 연료전지용 전극의 제조방법은 전극기재의 표면에 나노카본을 습식코팅하여 나노카본층을 형성시키는 단계; 및 상기 나노카본층에 촉매를 증착 코팅하여 촉매층을 형성시키는 단계를 포함한다. Method of manufacturing an electrode for a fuel cell of the present invention comprises the steps of: wet coating the nanocarbon on the surface of the electrode substrate to form a nanocarbon layer; And depositing and coating a catalyst on the nanocarbon layer to form a catalyst layer.
상기 전극기재는 탄소지(carbon paper) 또는 탄소천(carbon cloth) 중에서 선택되는 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)을 사용할 수 있으며, 필요에 따라서, 상기 기체확산층의 표면에 형성되는 미세기공층(micro porous layer:MPL)을 더 포함하는 것을 사용할 수 있다. The electrode substrate may be a gas diffusion layer (GDL) selected from carbon paper or carbon cloth, and, if necessary, a microporous layer formed on the surface of the gas diffusion layer. It may be used to further include a porous layer (MPL).
상기 기체확산층(gas diffusion layer:GDL)은 10 내지 1000 ㎛의 두께를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 미세기공층은 1 내지 100 ㎛의 두께를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다. Preferably, the gas diffusion layer (GDL) has a thickness of 10 to 1000 μm, and the microporous layer has a thickness of 1 to 100 μm.
또한, 상기 미세기공층은 상기 미세기공층은 미세기공이 형성된 탄소층인 것이 바람직하며, 흑연, 플러렌(C60), 활성탄소, 또는 카본블랙 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이 더 바람직하다. In addition, the microporous layer is preferably a microporous carbon layer in which the micropore layer is formed, more preferably at least one selected from graphite, fullerene (C60), activated carbon, or carbon black.
상기 전극기재의 표면에는 습식코팅방법을 이용하여 나노카본층을 도포하며, 나노카본층이 도포된 전극기재의 단면은 도 1a과 유사하다. 상기 습식코팅방법의 예로는 나노카본을 유기용매 및 바인더와 혼합하여 기재에 도포하는 슬러리법, 스크린프린팅법, 닥터블레이드법 또는 스프레이코팅법 등이 있다. 그러나, 본 발명의 나노카본층의 형성 방법이 상기 방법으로만 한정되는 것은 아니다. The nanocarbon layer is coated on the surface of the electrode substrate by using a wet coating method, and the cross section of the electrode substrate on which the nanocarbon layer is applied is similar to that of FIG. 1A. Examples of the wet coating method include a slurry method, a screen printing method, a doctor blade method, or a spray coating method, in which nanocarbon is mixed with an organic solvent and a binder and applied to a substrate. However, the method of forming the nanocarbon layer of the present invention is not limited to the above method.
상기 습식코팅방법은 통상적으로 잘 알려진 기술이므로, 본 발명에서는 상세한 설명을 생략한다. 다만, 상기 바인더로는 수소이온 전도성 고분자를 사용하는 것이 바람직하며, 더 바람직한 수소이온 전도성 고분자의 예는 상기 고분자 전해질막에 사용된 수소이온 전도성 고분자의 예와 동일하다. 또한, 상기 수소이온 전도성 고분자 이외에도 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 폴리비닐클로라이드, 폴리스티렌-부타디엔 공중합체 또는 셀룰로오스 등의 통상적인 바인더가 사용될 수 있다. 다만, 본 발명의 습식코팅방법에 사용되는 바인더의 종류가 상기 예에만 한정되는 것은 아니다. Since the wet coating method is generally well known, a detailed description thereof will be omitted. However, it is preferable to use a hydrogen ion conductive polymer as the binder, and a more preferable example of the hydrogen ion conductive polymer is the same as the example of the hydrogen ion conductive polymer used in the polymer electrolyte membrane. In addition to the hydrogen ion conductive polymer, a conventional binder such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polystyrene-butadiene copolymer or cellulose may be used. However, the type of binder used in the wet coating method of the present invention is not limited only to the above examples.
습식코팅방법에 사용되는 용매는 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 물, 메탄올 에탄올 이소프로필알코올 등의 알코올류, 타피네올등 방향족 알코올류, 에테르류, 케톤류, 벤젠류, 아미드류 또는 에스테르류 등의 용매를 사용할 수 있다. The solvent used in the wet coating method is not particularly limited, and preferably, alcohols such as water and methanol ethanol isopropyl alcohol, aromatic alcohols such as tapinol, ethers, ketones, benzenes, amides or esters, etc. The solvent of can be used.
상기 나노카본층은 0.05 내지 10 ㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. The nanocarbon layer is preferably formed to a thickness of 0.05 to 10 ㎛.
상기 나노카본층에 포함되는 나노카본은 카본나노튜브(CNT), 카본나노파이버(carbon nano fiber), 카본나노와이어(carbon nano wire), 카본나노혼(carbon nano horn), 또는 카본나노링(carbon nano ring) 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. The nanocarbons included in the nanocarbon layer may include carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanohorns, or carbon nanorings. nano ring) is preferably one or more selected.
상기 나노카본은 1 내지 500 nm의 직경을 가지는 것이 바람직하며, 또한, 50 내지 5000 nm의 길이를 가지는 것이 바람직하다. It is preferable that the nanocarbon has a diameter of 1 to 500 nm, and further preferably has a length of 50 to 5000 nm.
상기 방법으로 제조된 전극기재의 나노카본층에 촉매를 증착하여 코팅함으로써 촉매층을 형성시킨다. 상기 촉매층에 포함되는 촉매의 함량은 단위면적당 0.001 내지 0.5 mg/cm2인 것이 바람직하며, 0.01 내지 0.05 mg/cm2인 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 촉매층에 포함되는 촉매의 단위무게당 비표면적은 10 내지 500 m2/g이 되도록 하는 것이 바람직하다. The catalyst layer is formed by depositing and coating a catalyst on the nanocarbon layer of the electrode substrate prepared by the above method. The content of the catalyst included in the catalyst layer is preferably 0.001 to 0.5 mg / cm 2 per unit area, more preferably 0.01 to 0.05 mg / cm 2 . In addition, the specific surface area per unit weight of the catalyst contained in the catalyst layer is preferably 10 to 500 m 2 / g.
이 때, 상기 촉매층은 통상적인 증착법을 이용하여 형성시킬 수 있으며, 바람직하게는 스퍼터링(sputtering)법, 물리적 기상 증착(PVD)법, 열화학증착법(Thermal CVD), 플라즈마강화 화학증착법(Plasma Enhanced CVD; PECVD), 열증발법, 전기화학증착법(electrochemical depostion) 또는 전자선(e-beam)증발법 등에서 선택되는 증착법을 사용할 수 있다. 다만, 증착방법이 상기 방법으로 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 상기 방법 중에서 2가지 이상을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다. In this case, the catalyst layer may be formed using a conventional deposition method, and preferably, sputtering, physical vapor deposition (PVD), thermal chemical vapor deposition (Thermal CVD), plasma enhanced chemical vapor deposition (Plasma Enhanced CVD); PECVD), a thermal evaporation method, an electrochemical depostion or an e-beam evaporation method and the like can be used. However, the deposition method is not limited to the above method, and if necessary, two or more of the above methods may be mixed and used.
상기 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-코발트 합금 또는 백금-니켈 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 포함하는 것이 더 바람직하다. The catalyst layer is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M = Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn At least one catalyst selected from the group consisting of: platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-cobalt More preferably it comprises at least one catalyst selected from alloys or platinum-nickel.
상기 방법으로 제조되는 연료전지용 전극을 고분자 전해질의 양면에 배치하여 접합시킴으로써, 막-전극 접합체를 제조할 수 있다. A membrane-electrode assembly can be manufactured by arranging the fuel cell electrodes produced by the above method on both sides of the polymer electrolyte and bonding them.
막-전극 접합체의 제조에 사용되는 고분자 전해질막으로는 수소이온 전도성을 가지는 고분자 전해질막을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있고, 더 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 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다. As the polymer electrolyte membrane used in the preparation of the membrane-electrode assembly, a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity may be used. Preferably, a perfluoro polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer , Polyphenylene sulfide polymer, polysulfone polymer, polyether sulfone polymer, polyether ketone polymer, polyether ether ketone polymer or polyphenylquinoxaline polymer containing at least one hydrogen ion conductive polymer selected from It may be used, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid group, defluorinated sulfide polyether Ketones, aryl ketones, poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) (poly (2,2'-(m-ph enylene) -5,5'-bibenzimidazole)) or poly (2,5-benzimidazole) may be used including one or more hydrogen ion conductive polymers.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments 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]EXAMPLE
실시예 1Example 1
평균 직경 30 nm, 평균길이 1000 nm인 카본나노튜브(CNT)를 폴리(퍼플루오로 술폰산) 용액(DuPont사의 NafionTM solution)에 혼합하여 카본나노튜브 슬러리를 제조하였다. A carbon nanotube slurry was prepared by mixing a carbon nanotube (CNT) having an average diameter of 30 nm and an average length of 1000 nm to a poly (perfluoro sulfonic acid) solution (Nafion ™ solution of DuPont).
두께 280 ㎛인 탄소천(carbon cloth)의 표면에 두께 20 ㎛의 활성탄소층을 형성시킨 전극기재를 준비하고, 상기 전극기재의 활성탄소층 표면에 상기 제조된 카본나노튜브 슬러리를 도포하고, 건조하여 나노카본층을 형성시켰다. Prepare an electrode substrate having an active carbon layer having a thickness of 20 µm on a surface of a carbon cloth having a thickness of 280 µm, apply the prepared carbon nanotube slurry to the surface of the activated carbon layer of the electrode substrate, and dry it. To form a nanocarbon layer.
상기 전극기재의 나노카본층 표면에 단위면적당 0.05 mg/cm2의 백금을 스퍼터링 증착하여 연료전지용 전극을 제조하였다. A fuel cell electrode was prepared by sputtering deposition of 0.05 mg / cm 2 platinum per unit area on the surface of the nanocarbon layer of the electrode substrate.
상기 연료전지용 전극을 폴리(퍼플루오로술폰산)막(DuPont사의 NafionTM)의 양면에 배치하여 접합시킴으로써, 막-전극 접합체를 제조하였다. A membrane-electrode assembly was prepared by arranging the fuel cell electrodes on both sides of a poly (perfluorosulfonic acid) membrane (Nafion ™ manufactured by DuPont) and bonding them.
상기 제조된 막-전극 접합체의 양면에 분리판을 배치하여 연료전지를 제조하였다. A fuel cell was manufactured by disposing a separator plate on both sides of the prepared membrane-electrode assembly.
비교예 1Comparative Example 1
두께 280 ㎛인 탄소천(carbon cloth)의 표면에 단위면적당 0.05 mg/cm2의 백금을 스퍼터링 증착하여 연료전지용 전극을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다. A fuel cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that an electrode for a fuel cell was manufactured by sputtering evaporation of 0.05 mg / cm 2 of platinum per unit area on a surface of a carbon cloth having a thickness of 280 μm.
비교예 2Comparative Example 2
두께 280㎛인 탄소천(carbon cloth)의 표면에 두께 20 ㎛의 활성탄소층을 형성시킨 전극기재의 활성탄소층 표면에 단위면적당 0.05 mg/cm2의 백금을 스퍼터링 증착하여 연료전지용 전극을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다. A fuel cell electrode was fabricated by sputtering deposition of 0.05 mg / cm 2 platinum per unit area on the surface of an activated carbon layer of an electrode substrate having an activated carbon layer having a thickness of 20 μm formed on a surface of a carbon cloth having a thickness of 280 μm. Except for producing a fuel cell in the same manner as in Example 1.
비교예 3Comparative Example 3
탄소에 담지된 백금 촉매(백금 함량 20 중량%) 3 g과 폴리(퍼플루오로술폰산) 용액(DuPont사의 NafionTM solution) 1 g을 혼합하여 슬러리를 제조한 후, 상기 제조된 슬러리를 두께 280 ㎛인 탄소천(carbon cloth)과 두께 20 ㎛의 활성탄소층을 포함하는 전극기재의 활성탄소층 표면에 도포하고, 건조하여 연료전지용 전극을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다. 이 때, 촉매층에 포함된 백금 촉매의 함량은 단위면적당 0.4 mg/cm2였다.3 g of a platinum catalyst (
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조된 연료전지에 대하여, 전압 및 전류 발생 효율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 도 4에 도시하였다. For fuel cells manufactured according to Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, voltage and current generation efficiency were measured, and the results are shown in FIG. 4.
상기 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 연료전지는 비교예 3에 따라 제조된 연료전지에 포함되는 촉매의 양의 1/8만으로도 우수한 성능을 나타내며, 나노탄소층을 포함하지 않고, 촉매를 증착시킨 비교예 1, 2의 연료전지보다 우수한 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, the fuel cell manufactured according to Example 1 of the present invention shows excellent performance even with only one eighth of the amount of the catalyst included in the fuel cell prepared according to Comparative Example 3. It can be seen that it does not contain and exhibits better performance than the fuel cells of Comparative Examples 1 and 2 in which the catalyst is deposited.
본 발명의 연료전지용 전극은 촉매의 표면적이 커서, 적은 양의 촉매를 사용하면서도, 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. The electrode for a fuel cell of the present invention has an advantage that the surface area of the catalyst is large and the performance of the fuel cell can be improved while using a small amount of the catalyst.
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