KR20060019851A - Electrode for fuel cell and a fuel cell system comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촉매금속이 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 및 납(Pb)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 4B족 원소 또는 이를 포함하는 합금으로 이루어진 촉매담체에 지지된 촉매층과 전극기재를 구비한 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell electrode and a fuel cell including the same, more particularly, at least one catalyst metal is selected from the group consisting of silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn) and lead (Pb). A fuel cell electrode having a catalyst layer and an electrode base supported on a catalyst carrier made of a Group 4B element or an alloy containing the same, and a fuel cell system including the same.
본 발명은 촉매금속을 지지하는 담체로 상기 실리콘, 게르마늄, 주석 및 납과 같은 물질을 사용함으로써 종래 카본을 채용한 연료전지용 전극과 비교하여 동등 이상의 전기 전도도를 가질 뿐만 아니라 가격이 저렴하여 생산비의 저감을 이룰 수 있다.The present invention uses materials such as silicon, germanium, tin, and lead as carriers for supporting catalytic metals, which not only has an electrical conductivity higher than or equal to that of a fuel cell electrode employing conventional carbon, but is also inexpensive and reduces production costs. Can be achieved.
촉매금속, 4B족, 촉매담체, 전극 기재, 전기 전도도, 연료전지Catalytic Metal, Group 4B, Catalyst Carrier, Electrode Base, Electric Conductivity, Fuel Cell
Description
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스탬의 스택의 구조를 보여주는 분해 사시도이다.1 is an exploded perspective view showing the structure of a stack of a fuel cell system according to the present invention.
[산업상 이용분야][Industrial use]
본 발명은 촉매금속이 주기율표의 4B족에 해당하는 원소를 포함하는 촉매담체에 지지된 촉매층과 전극기재를 구비한 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell electrode having a catalyst layer and an electrode base supported by a catalyst carrier comprising an element in which the catalyst metal comprises an element corresponding to group 4B of the periodic table, and a fuel cell system including the same.
[종래기술] [Private Technology]
연료전지는 전기화학 전지로서 연료(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학적으로 반응시켜 생긴 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템이다. A fuel cell is an electrochemical cell and is a power generation system that directly converts energy generated by electrochemical reaction between fuel (hydrogen or methanol) and oxidant (oxygen or air) to electrical energy.
연료전지용 전극은 연료전지의 핵심 부품으로, 애노드 및 캐소드 전극에서 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응을 통해 전기화학 에너지를 발생시키며, 이러 한 산화, 환원과 같은 전기화학반응 속도를 증가시키기 위해 촉매가 필수적으로 사용되고 있다.The fuel cell electrode is a core part of the fuel cell, and generates electrochemical energy through the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen at the anode and cathode electrodes, and to increase the rate of electrochemical reaction such as oxidation and reduction. Is essentially used.
구체적으로, 연료전지용 전극의 구조는 크게 촉매층과 이를 지지하기 위한 전극기재(또는 '기재층'이라고도 한다.)로 나뉜다. Specifically, the structure of the fuel cell electrode is largely divided into a catalyst layer and an electrode substrate (or also referred to as a 'substrate layer') for supporting it.
상기 촉매층은 전극 중 실제적으로 반응물들이 전기화학적으로 반응하여 전기를 발생시키는 영역으로, 일반적으로 산소의 환원반응이 수소의 산화반응에 비해 그 속도가 매우 느리기 때문에 고활성의 촉매가 바람직하다.The catalyst layer is a region in which the reactants are actually electrochemically reacted to generate electricity in the electrode. In general, a catalyst having a high activity is preferable because the reduction of oxygen is very slow compared to the oxidation of hydrogen.
현재 촉매층을 형성하는 물질로는 백금(Pt)이 가장 적합하다고 알려져 있으나, 고가의 금속으로 대량 생산에 적합하지 못한 문제가 있다. 이에 최근에는 백금에 루테늄(Ru), 철(Fe), 코발트(Co), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)과 같은 전이금속 또는 베이스 금속을 첨가하여 합금화시켜 사용하거나, 전기전도도가 우수한 촉매담체에 담지시켜 사용하고 있다. Platinum (Pt) is known to be the most suitable material for forming a catalyst layer, but there is a problem that it is not suitable for mass production as an expensive metal. In recent years, platinum has been alloyed with transition metals or base metals such as ruthenium (Ru), iron (Fe), cobalt (Co), chromium (Cr), and nickel (Ni), or catalyst carriers with excellent electrical conductivity. It is supported by using.
상기 촉매담체로는 카본계열의 분말이 주로 사용되고 있으며, 수 nm에서 수십 mm까지의 다양한 입경 및 넓의 범위의 기공의 크기 및 비표면적을 가지는 카본계열 분말이 사용되고 있다.Carbon-based powders are mainly used as the catalyst carrier, and carbon-based powders having various particle diameters and pore sizes and specific surface areas ranging from several nm to several tens of mm are used.
그러나, 상기 카본계열 분말은 석유계 원료를 연소 또는 열분해하여 제조되는 고가의 물질이다. 더욱이, 상기 카본계열 분말은 원료로 하는 석유계 원료의 가격이 상승되면 필연적인 가격의 동반 상승이 야기되어, 이를 대체할 수 있는 물질의 개발이 시급하다. However, the carbon-based powder is an expensive material produced by burning or pyrolyzing petroleum-based raw materials. Moreover, when the price of the petroleum-based raw material of the carbon-based powder is increased, an inevitable increase in price is caused, and it is urgent to develop a material that can replace the carbon-based powder.
상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 촉매금속을 지지하는 촉매담체로 주기율표의 4B족에 해당하는 원소를 포함하는 촉매층을 구비한 연료전지용 전극을 제공하는 것이다. An object of the present invention for solving the above problems is to provide a fuel cell electrode having a catalyst layer containing an element corresponding to the group 4B of the periodic table as a catalyst carrier for supporting the catalytic metal.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 연료전지용 전극을 구비한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide a fuel cell system having the fuel cell electrode described above.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 촉매금속이 주기율표의 4B족에 해당하는 원소를 포함하는 촉매담체에 지지된 촉매층과 전극기재를 구비한 연료전지용 전극을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell electrode having a catalyst layer and an electrode base supported on a catalyst carrier, the catalyst metal comprising an element corresponding to group 4B of the periodic table.
이때, 상기 주기율표의 4B족에 해당하는 원소는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 및 납(Pb)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 물질이다. In this case, the element corresponding to Group 4B of the periodic table is at least one material selected from the group consisting of silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn) and lead (Pb).
바람직하기로, 상기 촉매담체는 상기 4B족의 원소를 단독 사용하거나, 카본계 분말과 블랜딩하거나, 다른 금속과 합금화하여 사용한다. Preferably, the catalyst carrier is used alone, blended with carbon-based powder, or alloyed with another metal.
상기 카본계 분말은 카본블랙(carbon black), 케첸블랙(ketjen black), 아세틸렌블랙(acetylene black), 활성카본분말(activated carbon powder), 플러렌(flurrene, C60), 카본 나노튜브(carbon nano tube), 카본 나노파이버(carbon nano fiber), 카본 나노와이어(carbon nano wire), 카본 나노혼(carbon nano horn) 및 카본 나노링(carbon nano ring)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 가능하다.The carbon powder is carbon black, ketjen black, acetylene black, activated carbon powder, fullerene (C60), carbon nanotube At least one selected from the group consisting of carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanowires, carbon nanohorns, and carbon nanorings may be used.
또한, 상기 합금화가 가능한 금속은 티타늄 (Ti), 스트론튬(Sr), 세륨(Ce), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 알루미늄 (Al), 몰리브덴 (Mo), 셀레늄 (Se), 팔라듐 (Pd), 텅스텐 (W), 이리듐 (Ir), 오스뮴 (Os), 로듐 (Rh), 니오븀 (Nb) 및 탄탈륨 (Ta) 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함한다. In addition, the alloyable metal is titanium (Ti), strontium (Sr), cerium (Ce), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel ( Ni), copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al), molybdenum (Mo), selenium (Se), palladium (Pd), tungsten (W), iridium (Ir), osmium (Os), rhodium ( Rh), niobium (Nb) and tantalum (Ta).
또한, 본 발명은, In addition, the present invention,
고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막의 양면에 배치되며, 촉매금속이 주기율표의 4B족에 해당하는 원소를 포함하는 촉매담체에 지지된 촉매층과 전극기재를 구비한 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체와, 상기 막-전극 접합체의 양면에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부; A membrane-electrode assembly disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane, the catalyst metal including a catalyst layer supported on a catalyst carrier comprising an element corresponding to group 4B of the periodic table, and a fuel cell electrode having an electrode base; An electricity generator including separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly;
수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료공급부; 및, A fuel supply unit supplying a fuel containing hydrogen to the electricity generation unit; And,
산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.It provides a fuel cell system including an oxygen supply unit for supplying oxygen to the electricity generation unit.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
연료전지의 전극은 촉매층 및 이를 지지하기 위한 전극기재로 이루어지며, 고분자 전해질막과 세퍼레이터(또는 '바이폴러 플레이트'라 한다.) 사이에 위치하고, 애노드 및 캐소드로 구분되어 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응을 통해 전기화학 에너지를 발생시킨다.The electrode of the fuel cell is composed of a catalyst layer and an electrode base for supporting the same, and is located between a polymer electrolyte membrane and a separator (or referred to as a bipolar plate), and is divided into an anode and a cathode to oxidize hydrogen and oxygen. The reduction reaction generates electrochemical energy.
본 발명에서는 상기 촉매층을 구성하는 재질로서 촉매금속과, 상기 촉매금속을 지지하기 위한 촉매담체로서 주기율표의 4B족에 해당하는 원소를 사용한다.In the present invention, a catalyst metal is used as a material constituting the catalyst layer, and an element corresponding to group 4B of the periodic table is used as a catalyst carrier for supporting the catalyst metal.
주기율표의 4B족에 해당하는 원소는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 및 납(Pb)으로, 상기 실리콘 및 게르마늄은 진성 반도체로 이미 반도체 분야에 널리 사용되고 있을 정도로 우수한 전기전도도를 가지고, 주석 및 납 또한 우수한 전기적 특징을 가지는 금속이다.Elements of Group 4B of the periodic table are silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), and lead (Pb). The silicon and germanium are intrinsic semiconductors. Tin and lead are also metals with good electrical properties.
이러한 4B족 원소는 전기 전도도가 우수하여 종래 촉매담체로 사용하는 카본계 분말과 동등이상의 전기적 성질을 가지며, 연료전지 시스템의 운전 환경에 대해 내부식성이 우수한 특징이 있어, 상기 카본계 분말을 대체할 수 있다.The Group 4B element is excellent in electrical conductivity and has electrical properties equivalent to or higher than that of the carbon-based powder used as a conventional catalyst carrier, and has excellent corrosion resistance to the operating environment of the fuel cell system, thereby replacing the carbon-based powder. Can be.
상기 4B족 원소를 포함하는 촉매담체는 분말 상태인 것이 바람직하며, 금속촉매를 충분히 담지할 수 있도록 미세 기공을 가져야하고, 촉매층을 전극기재 상에 균일하게 형성하여야 하므로 입자 크기도 제한되어야 한다.The catalyst carrier including the Group 4B element is preferably in a powder state, and should have fine pores to sufficiently support the metal catalyst, and the catalyst layer should be uniformly formed on the electrode substrate, thereby limiting the particle size.
바람직하기로, 본 발명에 따른 촉매담체는 최종적으로 얻고자 하는 전극의 촉매담지량을 고려하여 금속촉매를 충분히 담지할 수 있도록 비표면적이 10 m2/g 내지 900 m2/g 인 것을 사용한다. 또한, 입경의 크기도 0.1 nm 내지 10 mm, 바람직하기로 10 nm 내지 1 mm인 것을 사용하며, 이때 입경의 크기가 상기 범위 미만이면 형성된 촉매층이 너무 조밀하여 물질 전달시 저항이 증가하고, 상기 범위를 초과하게 되면 코팅에 의한 촉매층의 형성이 곤란해진다. Preferably, the catalyst carrier according to the present invention has a specific surface area of 10 m 2 / g to 900 m 2 / g so that the metal catalyst can be sufficiently supported in consideration of the catalyst loading of the electrode to be finally obtained. In addition, the size of the particle size is also used in the range of 0.1 nm to 10 mm, preferably 10 nm to 1 mm, wherein if the size of the particle diameter is less than the above range, the formed catalyst layer is too dense to increase the resistance during mass transfer, the range If it exceeds, it becomes difficult to form the catalyst layer by coating.
이러한 촉매담체는 상기 열거된 실리콘, 게르마늄, 주석 및 납으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 4B족 원소를 사용하거나, 다른 분말 상태의 카본계 분말과 블렌딩하여 사용할 수 있다.The catalyst carrier may be used by using at least one group 4B element selected from the group consisting of silicon, germanium, tin, and lead as listed above, or by blending with carbon powder in another powder state.
상기 카본계 분말은 종래 촉매담체로 널리 사용되고 있는 물질로, 카본블랙(carbon black), 케첸블랙(ketjen black), 아세틸렌블랙(acetylene black), 활성카 본분말(activated carbon powder), 플러렌(C60), 카본 나노튜브(carbon nano tube), 카본 나노파이버(carbon nano fiber), 카본 나노와이어(carbon nano wire), 카본 나노혼(carbon nano-horn) 및 카본 나노링(carbon nano ring)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 가능하다.The carbon-based powder is a material that is widely used as a conventional catalyst carrier, carbon black, ketjen black, acetylene black, activated carbon powder, fullerene (C 60 ), Carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nano-horns and carbon nano rings One or more selected from is possible.
본 발명에 따른 촉매담체와 블렌딩되는 카본계 분말은 균일한 촉매층을 형성하고, 금속촉매의 담지량을 일정하게 조절할 수 있도록 상기 촉매담체의 입경 및 비표면적과 유사한 범위의 것을 사용하며, 촉매담체 100 중량부에 대해 10000 중량부 미만으로 혼합하여 사용한다. 이때, 상기 카본계 분말의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우에는 고가의 카본계 분말의 사용에 따라 전체 연료전지 시스템의 비용 상승이 초래된다. The carbon-based powder blended with the catalyst carrier according to the present invention forms a uniform catalyst layer and uses a range similar to the particle diameter and specific surface area of the catalyst carrier so as to uniformly control the amount of the metal catalyst supported thereon. It is used by mixing less than 10000 weight part with respect to parts. In this case, when the content of the carbon-based powder exceeds the above range, the cost of the entire fuel cell system is caused by the use of expensive carbon-based powder.
이러한 카본과의 블렌딩과 더불어, 본 발명에 따른 4B족의 원소를 포함하는 촉매담체는 전도성이 우수한 금속과 합금화하여 사용한다. 합금화가 가능한 금속으로는 티타늄 (Ti), 스트론튬(Sr), 세륨(Ce), 바나듐 (V), 크롬 (Cr), 망간 (Mn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 알루미늄 (Al), 몰리브덴 (Mo), 셀레늄 (Se), 팔라듐 (Pd), 텅스텐 (W), 이리듐 (Ir), 오스뮴 (Os), 로듐 (Rh), 니오븀 (Nb) 및 탄탈륨 (Ta) 으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속과 합금화하여 사용한다. In addition to such blending with carbon, the catalyst carrier containing the element of Group 4B according to the present invention is used by alloying with a metal having excellent conductivity. Alloyable metals include titanium (Ti), strontium (Sr), cerium (Ce), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) , Copper (Cu), zinc (Zn), aluminum (Al), molybdenum (Mo), selenium (Se), palladium (Pd), tungsten (W), iridium (Ir), osmium (Os), rhodium (Rh) , Niobium (Nb) and tantalum (Ta) and alloy with at least one metal selected from the group consisting of.
이때, 4B족 원소를 포함하는 합금 또한 균일한 촉매층을 형성하고, 금속촉매의 담지량을 일정하게 조절할 수 있도록 상기 촉매담체의 입경 및 비표면적과 유사 한 범위의 것을 사용하며, 촉매담체 100 중량부에 대해 1000 중량부 미만으로 혼합하여 사용한다. 이때, 상기 카본계 분말의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우에는 카본특성만 나타나 블렌딩의 효과가 없는 문제가 발생한다.At this time, the alloy containing a Group 4B element also forms a uniform catalyst layer, and uses a range similar to the particle diameter and specific surface area of the catalyst carrier to uniformly control the amount of metal catalyst supported, 100 parts by weight of the catalyst carrier It is used by mixing less than 1000 parts by weight. At this time, when the content of the carbon-based powder exceeds the above range, only the carbon properties appear, there is a problem that there is no effect of blending.
전술한 바의 촉매담체를 포함하는 촉매층의 형성은 이 분야에서 통상적으로 사용되는 방법이 가능하다.Formation of the catalyst layer including the catalyst carrier as described above may be a method commonly used in the art.
대표적으로, 촉매금속전구체 및 촉매담체를 물 또는 유기 용매에 분산시킨 후, 수소 분위기 하에서 150 내지 350 ℃에서 0.5 내지 5 시간 동안 열처리를 수행하여 상기 촉매금속전구체의 환원반응을 통해 촉매담체의 미세기공 내에서 촉매금속 입자로 전환된다. Typically, after the catalyst metal precursor and the catalyst carrier are dispersed in water or an organic solvent, heat treatment is performed at 150 to 350 ° C. for 0.5 to 5 hours in a hydrogen atmosphere to reduce the fine pores of the catalyst carrier through the reduction reaction of the catalyst metal precursor. It is converted into catalytic metal particles within.
이때, 열처리 온도가 너무 낮으면 촉매금속전구체의 환원반응이 미비하고, 너무 높으면 구성 재료의 화학적 변형이 발생할 수 있어, 상기 범위 내에서 수행하는 것이 바람직하다. 열처리 시간 또한, 너무 짧으면 금속촉매 입자로의 환원율이 낮고, 길게 하더라도 환원률이 더 이상 증가하지 않으므로 상기 범위 내에서 수행한다.At this time, if the heat treatment temperature is too low, the reduction reaction of the catalytic metal precursor is insufficient, if too high chemical deformation of the constituent material may occur, it is preferable to carry out within the above range. In addition, if the heat treatment time is too short, the reduction rate to the metal catalyst particles is low, and even if it is long, the reduction rate no longer increases, so it is performed within the above range.
상기 촉매금속전구체는 이러한 촉매금속의 염화물 (chlorides), 질산염 (nitrates), 황산염 (sulfates) 또는 이들의 혼합물이거나, 서로 다른 금속촉매의 전구체의 혼합물일 수 있다.The catalytic metal precursor may be chlorides, nitrates, sulfates or mixtures of these catalyst metals or mixtures of precursors of different metal catalysts.
사용가능한 촉매금속은 백금(Pt), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 철(Fe), 코발트(Co), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 이들의 혼합물 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속일 수 있다. Catalytic metals that can be used include platinum (Pt), ruthenium (Ru), osmium (Os), iron (Fe), cobalt (Co), chromium (Cr), nickel (Ni), mixtures thereof, and alloys thereof. It may be at least one metal selected from.
이와 같이 촉매담체에 지지된 촉매금속은 슬러리 상태로 제조하여 전극기재에 습식 코팅하여 연료전지용 전극을 형성한다.The catalyst metal supported on the catalyst carrier is prepared in a slurry state and wet-coated on the electrode base to form an electrode for a fuel cell.
상기 습식 코팅은 공정이 간단하며, 촉매금속 물질을 다공성의 전극기재에 용액 상태로 도포하기 때문에 형성되는 촉매층과 고분자 전해질막 간의 표면 접촉능이 증가하여, 연료전지의 출력의 상승을 유도한다. 이러한 습식코팅 방법은 본 발명에서 한정하지 않으며, 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등 통상적인 방법이 사용될 수 있다. 이때, 슬러리의 도포량 또는 도포 두께는 특별히 한정하지 않으며, 슬러리의 조성 즉, 얻고자 하는 전극의 촉매 담지량을 고려하여 적절히 조절한다.The wet coating process is simple and the surface contact ability between the formed catalyst layer and the polymer electrolyte membrane is increased because the catalyst metal material is applied to the porous electrode substrate in a solution state, leading to an increase in the output of the fuel cell. Such a wet coating method is not limited in the present invention, and conventional methods such as screen printing, spray coating or coating using a doctor blade may be used depending on the viscosity of the composition. At this time, the coating amount or coating thickness of the slurry is not particularly limited, and is appropriately adjusted in consideration of the composition of the slurry, that is, the catalyst loading amount of the electrode to be obtained.
상기 전극기재는 전극을 지지하는 지지체의 역할을 함과 동시에, 바이폴러 플레이트의 가스 유로로부터 촉매층 안의 촉매로 균일하게 연료가스 또는 공기 등의 반응가스를 공급하기 위한 확산 기능과, 촉매층에서 반응에 의해 생성된 물을 신속하게 가스 유로로 배출하는 역할을 하며, 더불어, 반응에 필요하거나, 반응 중 생성된 전자를 도전하는 기능을 한다. 사용가능한 전극기재는 카본 페이퍼(carbon paper), 카본천(carbon cloth), 카본 펠트(carbon felt) 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하기로는 폴리테트라플루오로에틸렌(Poly(tetrafluoroethylene); PTFE)와 같은 소수성 고분자로 발수처리 하여 사용한다. The electrode base serves as a support for supporting the electrode, and at the same time, a diffusion function for uniformly supplying a reaction gas such as fuel gas or air from the gas flow path of the bipolar plate to the catalyst in the catalyst layer, and by reaction in the catalyst layer. It serves to quickly discharge the generated water into the gas flow path, and also serves to challenge the electrons required for the reaction or generated during the reaction. The electrode base that can be used is preferably any one selected from carbon paper, carbon cloth, and carbon felt, and more preferably polytetrafluoroethylene; It is used by water repellent treatment with hydrophobic polymer such as PTFE).
이와 같이, 전극기재 상에 금속촉매 및 이를 지지하기 위한 주기율표의 4B족 원소를 포함하는 촉매담체를 포함하는 촉매층이 형성된 연료전지용 전극은 연료전 지 시스템에 바람직하게 적용한다.As such, the fuel cell electrode having a catalyst layer including a metal catalyst on the electrode base and a catalyst carrier including a Group 4B element of the periodic table for supporting the metal catalyst is preferably applied to a fuel cell system.
본 발명에 따른 연료전지용 전극이 구비된 연료전지 시스템은,Fuel cell system provided with an electrode for a fuel cell according to the present invention,
고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막의 양면에 배치되며, 촉매금속이 주기율표의 4B족에 해당하는 원소를 포함하는 촉매담체에 지지된 촉매층과 전극기재를 구비한 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 접합체와, 상기 막-전극 접합체의 양면에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부; A membrane-electrode assembly disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane, the catalyst metal including a catalyst layer supported on a catalyst carrier comprising an element corresponding to group 4B of the periodic table, and a fuel cell electrode having an electrode base; An electricity generator including separators disposed on both sides of the membrane-electrode assembly;
수소를 함유한 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부; 및, A fuel supply unit supplying a fuel containing hydrogen to the electricity generation unit; And,
산소를 상기 전기 발생부로 공급하는 산소 공급부를 포함한다.An oxygen supply unit for supplying oxygen to the electricity generating unit.
구체적으로, 상기 전기 발생부(11)는 도 1에 도시한 바와 같이, 막-전극 접합체(12)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(16)를 배치하여 전기를 발생시키는 최소 단위의 스택을 형성하고, 복수로 구비되어 적층 구조의 스택(10)을 형성하고, 상기 스택(10)의 최 외곽에는 상기한 복수의 전기 발생부(11)를 밀착시키는 별도의 엔드 플레이트(13)와, 상기 엔드 플레이트(13)는 수소를 함유한 연료 및 산화제 가스를 주입 및 배출시키기 위한 주입부(13a, 13b) 및 배출부(13c, 13d)를 구비한다.Specifically, as shown in FIG. 1, the
상기 막-전극 접합체(12)는 고분자 전해질막의 양측에 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 수소 가스와 공기 중의 산소를 산화/환원 반응시키는 기능을 하게 된다. 그리고 세퍼레이터(16)는 막-전극 접합체(12)의 양측에 수소 가스와 공기를 공급하는 기체 통로를 형성하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 하게 된다.
The membrane-
특히, 본 발명에서는 상기 막-전극 접합체(12)를 구성하는 애노드 및 캐소드와 같은 연료전지용 전극의 촉매층으로, 금속촉매와 이를 담지하기 위한 촉매담체로서 주기율표의 4B족에 해당하는 원소를 채용함으로써, 종래 촉매담체로 사용되는 카본계 분말과 동등 이상의 전기전도도를 가져 상기 카본계 분말의 대체물질로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 가격이 저렴하여 전체적인 연료전지 시스템의 가격의 저하를 유도하여 제품의 경쟁력을 증가시킨다. In particular, in the present invention, by employing an element corresponding to group 4B of the periodic table as a catalyst layer of the electrode for fuel cells, such as the anode and the cathode constituting the membrane-
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
<실시예 1> Pt-Si 촉매층을 포함하는 단위셀 제작Example 1 Fabrication of a Unit Cell Comprising a Pt-Si Catalyst Layer
염화백금(PtCl, 98%) 0.4 g을 테트라하이드로푸란 200 ml에 첨가한 후, 50 ℃에서 3시간 동안 교반하여 충분히 용해시켰다. 다른 반응기에 분말 상태의 실리콘을 촉매와 지지체의 질량비가 40:60이 되도록 0.6g을 테트라하이드로푸란 200 ml에 첨가한 후, 50 ℃에서 3시간 동안 교반하여 충분히 용해시킨 다름, 상기 염화백금이 포함된 용액과 혼합하여 5시간 동안 교반하였다.0.4 g of platinum chloride (PtCl, 98%) was added to 200 ml of tetrahydrofuran, followed by stirring at 50 ° C. for 3 hours to sufficiently dissolve. In another reactor, 0.6 g of powdered silicon was added to 200 ml of tetrahydrofuran so that the mass ratio of the catalyst to the support was 40:60, followed by stirring at 50 ° C. for 3 hours to sufficiently dissolve the platinum chloride. The solution was mixed and stirred for 5 hours.
상기 얻어진 혼합 반응액을 150 ℃ 로 가열하여 상기 반응액 내의 용매를 제거한 후, 퍼니스에 장입시켜 100 ℃ 에서 6 시간 동안 수소 분위기 하에 열처리를 수행하여 실리콘에 담지된 백금 입자(Pt/Si)를 제조하였다.The obtained mixed reaction solution was heated to 150 ° C. to remove the solvent in the reaction solution, charged into a furnace, and heat-treated under hydrogen atmosphere at 100 ° C. for 6 hours to prepare platinum particles (Pt / Si) supported on silicon. It was.
상기 얻어진 Pt/Si 분말을 이용하여 촉매층을 형성하기 위해, Pt/Si 분말(Pt 함량 20wt%) 20중량부, Nafion 13.4중량부를 물/이소프로필알코올의 혼합 용매 (4/1) 66.6중량부에 혼합한 다음, 30분 동안 초음파 처리하고 마그네틱 교반기를 사용하여 3 시간 동안 교반하여 슬러리를 제조하였다. In order to form a catalyst layer using the obtained Pt / Si powder, 20 parts by weight of Pt / Si powder (Pt content 20wt%) and 13.4 parts by weight of Nafion were added to 66.6 parts by weight of a mixed solvent of water / isopropyl alcohol (4/1). After mixing, sonication for 30 minutes and stirring for 3 hours using a magnetic stirrer to prepare a slurry.
상기 얻어진 슬러리를 카본 펠트 재질의 전극기재에 슬러리 코팅을 수행한 다음, 건조하여 수행하여 60 ㎛ 두께의 촉매층이 형성된 애노드 및 캐소드 전극을 제조하였다.The slurry obtained was slurry coated on an electrode substrate made of carbon felt and then dried to prepare an anode and a cathode electrode having a catalyst layer having a thickness of 60 μm.
상기 제조된 애노드 전극 및 캐소드 전극을 나피온 112 막의 양쪽에 제조된 전극층을 포개어 놓고 120 ℃의 온도에서 약 3분간, 100 kgf/cm2의 하중으로 열간 압연(hot-pressing)하여 막-전극 접합체를 제조한 다음, 상기 막-전극 접합체의 양측에 바이폴러 플레이트를 체결하여 단위 셀을 제작하였다.The anode and cathode electrodes were stacked on both sides of the Nafion 112 membrane and hot-pressed at a temperature of 120 ° C. for about 3 minutes at a load of 100 kgf / cm 2 to form a membrane-electrode assembly. Next, a bipolar plate was fastened to both sides of the membrane-electrode assembly to prepare a unit cell.
<실시예 2> Pt-Ge 촉매층을 포함하는 단위셀 제작Example 2 Fabrication of Unit Cell Comprising Pt-Ge Catalyst Layer
촉매담체로 게르마늄(Ge)을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 단위 셀을 제작하였다.A unit cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that germanium (Ge) was used as a catalyst carrier.
<실시예 3> Pt-Sn 촉매층을 포함하는 단위셀 제작Example 3 Fabrication of a Unit Cell Comprising a Pt-Sn Catalyst Layer
촉매담체로 주석(Sn)을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 단위 셀을 제작하였다.A unit cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that tin (Sn) was used as a catalyst carrier.
<실시예 4> Pt-Pb 촉매층을 포함하는 단위셀 제작Example 4 Fabrication of a Unit Cell Comprising a Pt-Pb Catalyst Layer
촉매담체로 납(Pb)을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 단위 셀을 제작하였다.A unit cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that lead (Pb) was used as a catalyst carrier.
<실시예 5> Pt/Si-C 촉매층을 포함하는 단위셀 제작Example 5 Fabrication of Unit Cell Comprising Pt / Si-C Catalyst Layer
실시예 1의 담지 단계에서 실리콘 분말에 카본블랙을 50:50의 중량비로 혼합하여 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 단위 셀을 제작하였다.A unit cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that carbon black was mixed and mixed with silicon powder in a weight ratio of 50:50 in the supporting step of Example 1.
<실시예 6> Pt/Si-Ni 촉매층을 포함하는 단위셀 제작Example 6 Fabrication of Unit Cell Comprising Pt / Si-Ni Catalyst Layer
실리콘 분말 대신 Si-Ni 합금을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 단위 셀을 제작하였다.A unit cell was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the Si-Ni alloy was used instead of the silicon powder.
<비교예 1> Pt/C 촉매층을 포함하는 단위셀 제작Comparative Example 1 Preparation of a Unit Cell Comprising a Pt / C Catalyst Layer
촉매담체로 카본블랙을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 단위 셀을 제작하였다.A unit cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that carbon black was used as the catalyst carrier.
<실험예 1>Experimental Example 1
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 단위 셀을 70 ℃의 온도, 상압에서 가습된 상태의 수소 공기를 단위전지 셀에 유입하여 전류 밀도에 따른 전압을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.Hydrogen air in a humidified state at a temperature of 70 ° C. and an atmospheric pressure of the unit cells prepared in Examples and Comparative Examples was introduced into a unit battery cell, and voltages according to current densities were measured.
상기 표 1에 따르면, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 단위 셀이 기존의 카본블랙을 사용한 비교예에 비교하여 동등 이상의 출력을 나타냄을 확인하였다.According to the above Table 1, it was confirmed that the unit cell prepared according to the embodiment of the present invention showed an output equal to or higher than that of the comparative example using the conventional carbon black.
상술한 것과 같이, 본 발명에 의해 촉매금속이 주기율표의 4B족에 해당하는 원소를 포함하는 담체에 지지된 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극을 제작하였다.As described above, according to the present invention, an electrode for a fuel cell including a catalyst layer supported on a carrier containing a catalyst metal containing an element corresponding to group 4B of the periodic table was produced.
상기 연료전지용 전극의 촉매담체로 4B족 원소들은 전기 전도도가 우수하여 종래 촉매 담체로 사용하는 카본을 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 가격이 저렴하여 연료전지용 전극의 생산비를 낮출 수 있어, 연료전지 시스템에 유용하게 적용할 수 있다. As the catalyst carrier of the fuel cell electrode, Group 4B elements are excellent in electrical conductivity, and can not only replace carbon used as a conventional catalyst carrier, but also are inexpensive and can lower the production cost of the electrode for fuel cell. It can be usefully applied.
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