KR20060066892A - Electrode for fuel cell, method for preparating the same, membrane-electrode assembly comporising the same, and fuel cell system comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 전극, 이의 제조방법, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극기재 및 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 10 내지 80 %의 공극률, 50 nm 내지 1 ㎛의 두께, 및 ± 5%의 두께편차를 가지는 것인 연료전지용 전극, 이의 제조방법, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell electrode, a method for manufacturing the same, a membrane-electrode assembly including the same, and a fuel cell system including the same, and more particularly, including an electrode substrate and a catalyst layer. The present invention relates to a fuel cell electrode having a porosity, a thickness of 50 nm to 1 μm, and a thickness deviation of ± 5%, a manufacturing method thereof, a membrane-electrode assembly including the same, and a fuel cell system including the same.
본 발명의 연료전지용 전극은 촉매층의 밀도가 높고, 두께가 얇으며, 전극기재와의 접촉성이 우수한 장점이 있으며, 이를 포함하는 연료전지 시스템은 우수한 효율을 나타낼 수 있다. The electrode for a fuel cell of the present invention has an advantage of having a high density of the catalyst layer, a thin thickness, and excellent contact with an electrode substrate, and a fuel cell system including the same may exhibit excellent efficiency.
연료전지, 공극률, 밀도, 두께편차, 전극, 스프레이, 회전Fuel cell, porosity, density, thickness deviation, electrode, spray, rotation
Description
도 1은 본 발명의 연료전지용 전극의 일 예를 나타낸 단면도.1 is a cross-sectional view showing an example of an electrode for a fuel cell of the present invention.
도 2는 본 발명의 연료전지용 전극의 제조에 사용되는 코팅장치의 일 예를 나타낸 사시도.Figure 2 is a perspective view showing an example of a coating apparatus used in the production of the electrode for fuel cells of the present invention.
도 3은 본 발명의 막-전극 어셈블리의 일 예를 나타낸 단면도.Figure 3 is a cross-sectional view showing an example of the membrane-electrode assembly of the present invention.
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템의 일 예를 나타낸 구성도. 4 is a configuration diagram showing an example of a fuel cell system of the present invention.
[산업상 이용분야][Industrial use]
본 발명은 연료전지용 전극, 이의 제조방법, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매층의 두께가 얇고, 균일한 연료전지용 전극과 이의 제조방법, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell electrode, a method for manufacturing the same, a membrane-electrode assembly including the same, and a fuel cell system including the same. More specifically, the thickness of the catalyst layer is thin, and the electrode for the fuel cell and the method for producing the same, Membrane-electrode assembly comprising the same, and a fuel cell system comprising the same.
[종래기술][Private Technology]
연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 외부로부터 공급되는 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 supplied from a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy.
연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.A fuel cell is classified into a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, a solid oxide fuel cell, a polymer electrolyte type or an alkaline fuel cell according to 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, and electrolyte.
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, 공공건물과 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 전기발전부(또는 스택(stack)), 개질기(Reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 전기발전부는 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 전기발전부로 공급한다. Such a PEMFC basically includes an electric generator (or stack), a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to configure a system. The electric power generation unit forms a main 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 electric generator.
따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 전기발전부에 서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.Therefore, the PEMFC supplies fuel in the fuel tank to the reformer by operation of the fuel pump, reforming the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacting the hydrogen gas and oxygen in the electric power generation unit to generate electricity. Generates energy.
한편, 연료 전지는 액상의 메탄올 연료를 직접 전기발전부에 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 the liquid methanol fuel directly to the electric power generation unit. 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 전기발전부는 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터이터(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 단독으로 존재하거나, 수 개 내지 수 십 개로 적층된 구조를 가진다. In the fuel cell system as described above, the electric power generation unit that generates electricity substantially is a unit cell composed of a membrane electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate) alone. It exists, or has a structure stacked in a few to several tens.
상기 막-전극 어셈블리는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또는 "산화전극"이라고 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원전극"이라고 한다)이 부착된 구조를 가진다. 그리고 세퍼레이터는 연료 전지의 반응에 필요한 연료를 애노드 전극에 공급하고, 산소를 캐소드 전극에 공급하는 통로의 역할과 각 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 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 attached with an electrolyte membrane interposed therebetween. . The separator supplies fuel required for the reaction of the fuel cell to the anode electrode and simultaneously serves as a path for supplying oxygen to the cathode electrode and a conductor for connecting the anode electrode and the cathode electrode in series in each membrane-electrode assembly. Perform.
이 과정에서 애노드 전극에서는 연료의 전기 화학적인 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원 반응이 일어나며 이 때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물을 함께 얻을 수 있다.In this process, the electrochemical oxidation of the fuel occurs at the anode electrode, the electrochemical reduction of oxygen occurs at the cathode electrode, and electricity, heat, and water can be obtained together due to the movement of the generated electrons.
연료전지의 애노드 전극 및 캐소드 전극은 전극기재와 촉매층을 포함한다. 종래에는 촉매층을 형성하기 위하여, 주로 슬러리 코팅법을 사용하였으나, 이러한 방법으로 코팅되는 촉매층은 두껍고, 공극률이 낮으며, 그 표면이 균일하지 못하여 연료전지의 효율을 높이는 데에 한계가 있었다. The anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell include an electrode substrate and a catalyst layer. Conventionally, in order to form a catalyst layer, the slurry coating method was mainly used, but the catalyst layer coated by this method was thick, the porosity was low, and the surface was not uniform, and there was a limit in increasing the efficiency of the fuel cell.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 얇고, 균일하면서, 전극기재에 대한 밀착도가 우수한 연료전지용 전극과 이의 제조방법, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다. The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is a thin, uniform, excellent adhesion to the electrode substrate electrode for fuel cells and its manufacturing method, a membrane-electrode assembly comprising the same, and the like It is to provide a fuel cell system.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 전극기재 및 촉매층을 포함하며, 상기 촉매층은 10 내지 80 %의 공극률, 50 nm 내지 1 ㎛의 두께, 및 ± 5 %의 두께편차를 가지는 것인 연료전지용 전극을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention includes an electrode substrate and a catalyst layer, wherein the catalyst layer has a porosity of 10 to 80%, a thickness of 50 nm to 1 μm, and a thickness deviation of ± 5%. To provide.
본 발명은 또한, 촉매, 바인더 및 용매를 혼합하여 촉매 코팅액을 제조하는 단계; 전극기재를 10 내지 10000 rpm으로 회전시키면서, 상기 촉매 코팅액을 코팅하는 단계; 및 상기 촉매 코팅액을 건조하여 촉매층을 형성시키는 단계를 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.The present invention also comprises the steps of preparing a catalyst coating liquid by mixing a catalyst, a binder and a solvent; Coating the catalyst coating solution while rotating an electrode substrate at 10 to 10000 rpm; And it provides a method for producing an electrode for a fuel cell comprising the step of drying the catalyst coating liquid to form a catalyst layer.
본 발명은 또한, 상기 연료전지용 전극; 및 연료전지용 고분자 전해질막을 포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell electrode; And it provides a fuel cell membrane-electrode assembly comprising a polymer electrolyte membrane for a fuel cell.
본 발명은 또한, 상기 막-전극 어셈블리, 및 상기 막-전극 어셈블리의 양 면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 전기발생부; 연료공급부; 및 산소공급부를 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다. The present invention also includes an electricity generation unit including the membrane-electrode assembly and the separator located on both sides of the membrane-electrode assembly; A fuel supply unit; And it provides a fuel cell system comprising an oxygen supply.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
도 1은 본 발명의 연료전지용 전극의 일 예를 나타낸 단면도이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 전극(10)은 전극기재(1) 및 촉매층(2)을 포함한다. 상기 촉매층(2)은 10 내지 80 %의 공극률을 가지는 것이 바람직하고, 50 내지 80%의 공극률을 가지는 것이 더 바람직하며, 70 내지 80 %의 공극률을 가지는 것이 가장 바람직하다. 촉매층의 공극률이 80 %를 초과하는 경우에는 촉매에 의해 생성되는 전자의 전도도가 낮아질 수 있으며, 10% 미만인 경우에는 연료 또는 산소의 공급을 원활하게 할 수 없어서 연료전지의 효율을 떨어뜨릴 수 있다.1 is a cross-sectional view showing an example of an electrode for a fuel cell of the present invention. As shown in FIG. 1, the
또한, 상기 촉매층의 두께는 50 nm 내지 1 ㎛ 이하인 것이 바람직하며, 50 nm 내지 0.1 ㎛인 것이 더 바람직하다. 촉매층의 두께가 1 ㎛를 초과하는 경우에는 반응물과 생성물의 공급과 배출이 원할하지 못해 효율이 떨어질 수 있다.In addition, the thickness of the catalyst layer is preferably 50 nm to 1 μm or less, more preferably 50 nm to 0.1 μm. When the thickness of the catalyst layer exceeds 1 μm, the supply and discharge of the reactants and products may be undesired and the efficiency may be reduced.
상기 촉매층은 ± 5% 이내의 두께편차를 가지는 것이 바람직하며, ±2 % 이내의 두께편차를 가지는 것이 더 바람직하다. 촉매층의 두께편차가 ±5 %를 초과하는 경우에는 반응이 불균일하여 활성효율이 떨어진다. The catalyst layer preferably has a thickness deviation within ± 5%, more preferably within a thickness deviation within ± 2%. If the thickness deviation of the catalyst layer exceeds ± 5%, the reaction is uneven and the activity efficiency is lowered.
본 발명의 연료전지용 전극은 흡인기가 장착된 지지판을 이용하여 촉매층을 형성시킨 것으로서, 전극기재의 일면에 촉매 코팅 용액을 코팅하면서, 상기 전극기재의 다른 일면에서 흡인기로 흡인하는 방법으로 제조하여, 상기 공극률, 두께 및 두께편차를 가지는 촉매층을 형성시킬 수 있다. The electrode for a fuel cell of the present invention is a catalyst layer formed by using a support plate equipped with an aspirator, and is manufactured by a method of sucking on an aspirator on another side of the electrode substrate while coating a catalyst coating solution on one surface of the electrode substrate. It is possible to form a catalyst layer having porosity, thickness and thickness deviation.
상기 연료전지용 전극에 포함되는 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. The catalyst layer included in the electrode for the fuel cell is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M = Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co) , At least one metal catalyst selected from the group consisting of Ni, Cu, and Zn).
또한 상기 촉매층은 담지체에 담지된 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함할 수도 있다. 상기 담지체는 전도성을 가지는 물질이라면 어느 것이라도 좋으나, 탄소 담지체인 것이 바람직하다.In addition, the catalyst layer is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M = Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co supported on the carrier) And at least one metal catalyst selected from the group consisting of Ni, Cu and Zn). The carrier may be any material as long as it is conductive, but is preferably a carbon carrier.
상기 촉매층은 전체 촉매층의 중량에 대하여 10 내지 80 중량%의 금속촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 20 내지 60 중량%의 금속촉매를 포함하는 것이 더 바람직하다. 상기 금속촉매의 함량이 10 중량% 미만인 경우에는 촉매층의 두께를 두껍게 해야하므로 반응물과 생성물의 공급 배출이 원할치 못하고, 80 중량%를 초과하는 경우에는 촉매의 입자크기가 커서, 반응 비표면적이 줄어들고, 효율이 떨어지며, 촉매의 낭비가 생겨 제조비용이 증가할 수 있다.The catalyst layer preferably contains 10 to 80% by weight of the metal catalyst, more preferably 20 to 60% by weight of the metal catalyst, based on the weight of the entire catalyst layer. When the content of the metal catalyst is less than 10% by weight, the thickness of the catalyst layer must be thickened, so that the supply and discharge of the reactants and products are undesired. When the content of the metal catalyst exceeds 80% by weight, the particle size of the catalyst is large, and the reaction specific surface area is reduced. The efficiency is lowered, and waste of catalyst can increase, leading to increased manufacturing costs.
상기 코팅장치의 지지판은 특별한 형태로 제한되지는 않으나, 회전이 가능한 형태인 것이 바람직하다. 상기 지지판은 코팅과 동시에 전극기재를 회전시켜 균일한 코팅을 할 수 있도록 한다. 상기 지지판이 반드시 회전하는 것은 아니며, 다만, 지지판이 회전하는 경우에는 상기 지지판의 회전속도는 10 내지 10000 rpm인 것이 바람직하고, 50 내지 8000 rpm인 것이 더 바람직하다. 지지판의 회전속도가 10 rpm 미만인 경우에는 회전에 따른 효과가 미미하며, 10000 rpm을 초과하는 경우에는 촉매층의 공극율이 필요 이상으로 작아질 수 있다.The support plate of the coating device is not limited to a particular form, but preferably is a rotatable form. The support plate rotates the electrode substrate at the same time as the coating to enable a uniform coating. The support plate is not necessarily rotated, however, when the support plate is rotated, the rotation speed of the support plate is preferably 10 to 10000 rpm, more preferably 50 to 8000 rpm. If the rotational speed of the support plate is less than 10 rpm, the effect of the rotation is insignificant, and if it exceeds 10000 rpm, the porosity of the catalyst layer may be smaller than necessary.
상기 연료전지용 전극에 포함되는 전극기재는 연료 또는 산소의 확산작용과 함께, 촉매층에서 생성되는 전자를 전달하는 역할을 한다. 따라서, 상기 전극기재는 전자 전도성이 있는 탄소 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. The electrode substrate included in the fuel cell electrode serves to transfer electrons generated in the catalyst layer together with the diffusion action of fuel or oxygen. Therefore, the electrode base material is preferably made of a carbon material having electronic conductivity.
구체적으로, 상기 전극기재는 탄소천(carbon cloth) 또는 탄소종이(carbon paper) 중에서 선택되는 기체확산층인 것이 바람직하며, 필요에 따라서, 미세기공층을 더 포함할 수도 있다. Specifically, the electrode base material is preferably a gas diffusion layer selected from carbon cloth or carbon paper, and may further include a microporous layer as necessary.
상기 미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함할 수도 있다. The microporous layer comprises at least one carbon material selected from the group consisting of graphite, carbon nanotubes (CNT), fullerenes (C60), activated carbon, vulcans, ketjen black, carbon black, and carbon nano horns. It is preferable to include, and may further include at least one binder selected from the group consisting of poly (perfluorosulfonic acid), poly (tetrafluoroethylene) and florinated ethylene-propylene.
상기 연료전지용 전극은 촉매, 바인더 및 용매를 혼합하여 촉매 코팅액을 제조하는 단계; 전극기재를 10 내지 10000 rpm으로 회전시키면서, 상기 촉매 코팅액을 코팅하는 단계; 및 상기 촉매 코팅액을 건조하여 촉매층을 형성시키는 단계를 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법에 따라 제조될 수 있다.The fuel cell electrode is prepared by mixing a catalyst, a binder and a solvent to prepare a catalyst coating solution; Coating the catalyst coating solution while rotating an electrode substrate at 10 to 10000 rpm; And drying the catalyst coating solution to form a catalyst layer.
상기 코팅장치의 지지판은 특별한 형태로 제한되지는 않으나, 회전이 가능한 형태인 것이 바람직하다. 상기 지지판은 코팅과 동시에 전극기재를 회전시켜 균일한 코팅을 할 수 있도록 한다. 상기 지지판이 반드시 회전하는 것은 아니며, 다 만, 지지판이 회전하는 경우에는 상기 지지판의 회전속도는 10 내지 10000 rpm인 것이 바람직하고, 50 내지 8000 rpm인 것이 더 바람직하다. 지지판의 회전속도가 10 rpm 미만인 경우에는 회전에 따른 효과가 미미하며, 10000 rpm을 초과하는 경우에는 촉매층의 공극율이 너무 작아 질 수 있다.The support plate of the coating device is not limited to a particular form, but preferably is a rotatable form. The support plate rotates the electrode substrate at the same time as the coating to enable a uniform coating. The support plate is not necessarily rotated, but when the support plate is rotated, the rotation speed of the support plate is preferably 10 to 10000 rpm, more preferably 50 to 8000 rpm. If the rotational speed of the support plate is less than 10 rpm, the effect of the rotation is insignificant, and if it exceeds 10000 rpm, the porosity of the catalyst layer may be too small.
상기 촉매 코팅액의 제조에 사용되는 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. Catalysts used in the preparation of the catalyst coating solution are platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M = Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Preference is given to using at least one metal catalyst selected from the group consisting of Co, Ni, Cu and Zn).
또한, 상기 촉매는 담지체에 담지된 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M=Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 사용할 수도 있다. 상기 담지체는 전도성을 가지는 물질이라면 어느 것이라도 좋으나, 탄소 담지체인 것이 바람직하다. In addition, the catalyst is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-M alloy (M = Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, One or more metal catalysts selected from the group consisting of Co, Ni, Cu and Zn) may be used. The carrier may be any material as long as it is conductive, but is preferably a carbon carrier.
상기 바인더는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다. The binder is preferably at least one selected from the group consisting of poly (perfluorosulfonic acid), poly (tetrafluoroethylene) and florinated ethylene-propylene.
상기 촉매 코팅액의 제조에 사용되는 용매는 통상적인 코팅용 용매를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 이소프로필알코올, 노말프로필 알코올, 에틸 알코올, 메 틸알코올 및 노말 부틸 아세테이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 용매를 사용할 수 있다. 다만, 본 발명의 촉매 코팅액에 사용되는 용매가 상기 예에 한정되는 것은 아니다.The solvent used in the preparation of the catalyst coating solution may be used a conventional coating solvent, preferably at least one selected from the group consisting of isopropyl alcohol, normal propyl alcohol, ethyl alcohol, methyl alcohol and normal butyl acetate Solvents may be used. However, the solvent used for the catalyst coating liquid of the present invention is not limited to the above examples.
상기 촉매 코팅액에 있어서, 바인더 및 용매의 함량은 코팅방법 및 기타 필요에 따라 적절하게 조절할 수 있으며, 본 발명에서는 특별히 제한되지 않는다. In the catalyst coating liquid, the content of the binder and the solvent can be appropriately adjusted according to the coating method and other needs, it is not particularly limited in the present invention.
도 2는 상기 촉매 코팅액의 코팅에 사용되는 코팅장치의 일 예를 나타낸 사시도이다. 도 2를 참조하면, 상기 코팅장치(500)는 기체 흡입구(501)와 기체 방출구(502)가 형성된 글로브 박스(503) 내에 회전이 가능하도록 고안된 지지판(504)과 촉매 코팅액을 코팅할 수 있는 분사장치(505)를 포함하며, 상기 지지판은 회전 속도를 콘트롤할 수 있는 스핀조절기(506)와 연결되어 있다. 상기 지지판 위에는 전극기재(507)가 위치하며, 상기 전극기재(507)를 회전시키면서, 그 일면에 촉매 코팅액을 코팅할 수 있도록 되어 있다. 2 is a perspective view showing an example of a coating apparatus used for coating the catalyst coating solution. Referring to FIG. 2, the
상기 촉매 코팅액의 코팅 방법은 통상적인 슬러리법, 스크린프린팅법, 닥터블레이드법 또는 스프레이코팅법 등을 사용할 수 있으며, 그 중에서도 스프레이코팅법을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 촉매 코팅액의 코팅 방법이 상기 방법으로만 한정되는 것은 아니다As the coating method of the catalyst coating solution, a conventional slurry method, screen printing method, doctor blade method, spray coating method, or the like may be used, and among them, spray coating method is preferable. However, the coating method of the catalyst coating liquid of the present invention is not limited to the above method.
상기 촉매 코팅액의 코팅 공정은 수소분위기, 질소분위기 또는 불활성 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다. The coating process of the catalyst coating liquid is preferably carried out in a hydrogen atmosphere, a nitrogen atmosphere or an inert atmosphere.
본 발명의 연료전지용 전극의 제조에 사용되는 전극기재는 탄소천(carbon cloth) 또는 탄소종이(carbon paper) 중에서 선택되는 기체확산층인 것이 바람직하 며, 상기 전극기재는 미세기공층을 더 포함할 수 있다. Preferably, the electrode substrate used in the manufacture of an electrode for a fuel cell of the present invention is a gas diffusion layer selected from carbon cloth or carbon paper, and the electrode substrate may further include a microporous layer. have.
상기 미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함하는 것이 바람직하며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함할 수도 있다. The microporous layer comprises at least one carbon material selected from the group consisting of graphite, carbon nanotubes (CNT), fullerenes (C60), activated carbon, vulcans, ketjen black, carbon black, and carbon nano horns. It is preferable to include, and may further include at least one binder selected from the group consisting of poly (perfluorosulfonic acid), poly (tetrafluoroethylene) and florinated ethylene-propylene.
상기 코팅공정이 끝난 후에는 건조과정을 거쳐 촉매층을 형성시킴으로써, 본 발명의 연료전지용 전극을 제조할 수 있다. 이 때, 건조온도는 생산시간, 사용되는 용매의 종류 및 양에 따라 적절히 조절할 수 있으므로 특별히 제한되지는 않으나, 60 내지 80℃인 것이 바람직하다.After the coating process is completed, by forming a catalyst layer through a drying process, it is possible to manufacture the electrode for a fuel cell of the present invention. At this time, the drying temperature is not particularly limited because it can be appropriately adjusted according to the production time, the type and amount of the solvent used, but is preferably 60 to 80 ℃.
상기 연료전지용 전극의 제조 방법은 전극기재의 회전속도를 조절하여 촉매층의 공극률을 자유로이 조절할 수 있으며, 동일한 양의 촉매금속을 포함하는 기존의 연료전지용 전극보다 두께가 얇고, 표면의 균일도가 우수한 촉매층을 포함하는 전극을 제조할 수 있다. In the fuel cell electrode manufacturing method, the porosity of the catalyst layer can be freely adjusted by controlling the rotational speed of the electrode substrate, and the catalyst layer has a thinner thickness and excellent surface uniformity than the conventional fuel cell electrode containing the same amount of catalyst metal. It is possible to manufacture an electrode comprising.
도 3은 본 발명의 막-전극 어셈블리의 일 예를 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 막-전극 어셈블리(100)는 상기 연료전지용 전극(10, 10'); 및 연료전지용 고분자 전해질막(20)을 포함하며, 고분자 전해질막(20)의 양 옆에 상기 연료전지용 전극(10, 10')이 배치되는 구조를 가진다. 3 is a cross-sectional view showing an example of the membrane-electrode assembly of the present invention. Referring to FIG. 3, the membrane-
상기 연료전지용 고분자 전해질막은 수소이온 전도성이 우수한 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분 자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 바람직하며, 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)) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것이 더 바람직하다. The fuel cell polymer electrolyte membrane may be a perfluoro polymer having excellent hydrogen ion conductivity, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer , Polyether ketone-based polymer, polyether-etherketone-based polymer, and polyphenylquinoxaline-based polymer, and preferably include at least one hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of poly (perfluorosulfonic acid), poly ( Perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2 '-(m-phenylene)- 5,5'-bibenzimidazole) (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole)) and poly (2,5-benzimidazole) More preferably comprises at least one hydrogen ion conductive polymer.
상기 연료전지용 고분자 전해질막의 일면에 배치되는 전극은 애노드의 역할을 하여 전자 및 수소이온을 발생시키며, 상기 고분자 전해질막의 다른 일면에 배치되는 전극은 캐소드의 역할을 하여 고분자 전해질막을 통해 전달되는 수소이온과 외부로부터 공급되는 산소로부터 물을 생성한다. The electrode disposed on one surface of the polymer electrolyte membrane for fuel cells serves as an anode to generate electrons and hydrogen ions, and the electrode disposed on the other surface of the polymer electrolyte membrane serves as a cathode and the hydrogen ions transferred through the polymer electrolyte membrane. Water is produced from oxygen supplied from the outside.
도 4는 본 발명의 연료전지 시스템의 일 예를 나타낸 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 연료전지 시스템은 상기 막-전극 어셈블리(100), 및 상기 막-전극 어셈블리의 양 면에 위치하는 세퍼레이터(101)를 포함하는 전기발생부(110); 연료공급부(120); 및 산소공급부(130)를 포함한다. 4 is a configuration diagram showing an example of a fuel cell system of the present invention. Referring to FIG. 4, the fuel cell system of the present invention includes an
상기 연료전지 시스템은 고분자전해질형 연료전지(PEMFC)와 직접메탄올형 연료전지(DMFC)를 모두 포함하며, 고분자전해질형 연료전지인 경우에는 수소를 포함하는 연료로부터 수소기체를 발생시키는 개질기를 더 포함할 수 있다. The fuel cell system includes both a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct methanol fuel cell (DMFC), and in the case of a polymer electrolyte fuel cell, the fuel cell system further includes a reformer for generating hydrogen gas from a fuel containing hydrogen. can do.
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
탄소에 담지된 백금 촉매(백금 함량 20 중량%) 2g과 폴리(퍼플루오로술폰산) 용액(DuPont사의 NafionTM solution) 4.8g을 혼합하여 촉매 코팅액을 제조하였다. A catalyst coating solution was prepared by mixing 2 g of a platinum catalyst (
두께 200㎛인 탄소종이(carbon paper)를 회전이 가능한 지지판 위에 위치시키고, 수소분위기 하에서, 상기 지지판을 1000rpm으로 회전시키며, 상기 탄소종이 위에 상기 촉매 코팅액을 스프레이 분사하여 코팅하였다. 상기 코팅공정 후에 60℃의 온도에서 건조하여 연료전지용 전극을 제조하였다. A carbon paper having a thickness of 200 μm was placed on a rotatable support plate, under a hydrogen atmosphere, the support plate was rotated at 1000 rpm, and coated by spray spraying the catalyst coating solution on the carbon paper. After the coating process was dried at a temperature of 60 ℃ to prepare an electrode for a fuel cell.
실시예 2Example 2
지지판을 500rpm으로 회전시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지용 전극을 제조하였다. A fuel cell electrode was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the support plate was rotated at 500 rpm.
비교예 1Comparative Example 1
탄소에 담지된 백금 촉매(백금 함량 20 중량%) 2g과 폴리(퍼플루오로술폰산) 용액(DuPont사의 NafionTM solution) 4.8g을 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다. A catalyst slurry was prepared by mixing 2 g of a platinum catalyst (
상기 촉매 슬러리를 두께 200㎛인 탄소종이(carbon paper) 위에 50㎛의 두께로 슬러리 코팅하고, 60℃에서 건조하여 연료전지용 전극을 제조하였다. The catalyst slurry was slurry coated to a thickness of 50 μm on carbon paper having a thickness of 200 μm, and dried at 60 ° C. to prepare an electrode for a fuel cell.
상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지용 전극의 촉매층에 대하여 공극률, 두께 및 두께 편차를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다. The porosity, thickness, and thickness variation of the catalyst layers of the fuel cell electrodes prepared according to Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 were measured, and the results are summarized in Table 1 below.
상기 공극률은 porosimeter방법으로 측정하였고, 두께는 thinkness profiler방법으로 측정하였으며, 두께 편차는 상기 두께의 평균에 대한 최고치와 최저치의 비율로 계산하였다.The porosity was measured by the porosimeter method, the thickness was measured by the thinkness profiler method, the thickness deviation was calculated as the ratio of the highest and lowest values to the average of the thickness.
[표 1]TABLE 1
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 2에 따라 제조된 연료전지용 전극은 촉매층의 공극률이 크고, 두께가 얇으며, 두께 편차가 적은 것을 알 수 있다. As shown in Table 1, it can be seen that the fuel cell electrode manufactured according to Examples 1 to 2 of the present invention has a large porosity, a thin thickness, and a small thickness variation of the catalyst layer.
실시예 3 내지 4 및 비교예 2Examples 3 to 4 and Comparative Example 2
각각 상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지용 전극을 두께 120 ㎛인 폴리(퍼플루오로술폰산)의 양면에 접합시켜 막-전극 어셈블리를 제조하였으며, 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 세퍼레이터를 배치하고, 도 4와 같은 구성으로 연료공급부 및 산소공급부를 설치하여 각각 실시예 3, 4 및 비교예 2에 따른 연료전지 시스템을 제조하였다. Membrane-electrode assemblies were prepared by bonding the fuel cell electrodes prepared according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 to both sides of poly (perfluorosulfonic acid) having a thickness of 120 μm, respectively. The separator was disposed in the fuel cell, and the fuel supply unit and the oxygen supply unit were installed in the configuration as shown in FIG. 4 to manufacture the fuel cell systems according to Examples 3, 4, and Comparative Example 2.
상기 실시예 3 내지 4 및 비교예 2에 따라 제조된 연료전지 시스템에 대하여 0.6 V에서의 전압특성을 측정하였으며, 그 결과를 비교예 2의 연료전지 시스템의 전류에 대한 상대값으로 하기 표 2에 나타내었다. The voltage characteristics at 0.6 V of the fuel cell systems prepared according to Examples 3 to 4 and Comparative Example 2 were measured, and the results are shown in Table 2 as a relative value with respect to the current of the fuel cell system of Comparative Example 2. Indicated.
[표 2]TABLE 2
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 3 내지 4에 따라 제조된 연료전지 시스템은 전류 특성이 우수한 것을 알 수 있다.As shown in Table 2, it can be seen that the fuel cell system manufactured according to Examples 3 to 4 of the present invention has excellent current characteristics.
본 발명의 연료전지용 전극은 촉매층의 두께가 얇으며, 전극기재와의 접촉성이 우수한 장점이 있으며, 이를 포함하는 연료전지 시스템은 우수한 효율을 나타낼 수 있다. The electrode for a fuel cell of the present invention has a thin thickness of the catalyst layer, and has an advantage of excellent contact with an electrode substrate, and a fuel cell system including the same may exhibit excellent efficiency.
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