KR20060102849A - Electrode for fuel cell and fuel cell comprising same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것으로서, 상기 연료 전지용 전극은 도전성 분말, 불소계 수지 및 도전성 기재를 포함하는 기체 확산층 및 상기 기체 확산층에 증착된 촉매층을 포함한다.The present invention relates to a fuel cell electrode and a fuel cell including the same, wherein the fuel cell electrode includes a gas diffusion layer including a conductive powder, a fluorine resin and a conductive substrate, and a catalyst layer deposited on the gas diffusion layer.
본 발명은 기체 확산층의 발수 처리시 도전성 물질을 함께 혼합하여 형성하므로, 간단한 공정으로 종래 미세 기공층을 형성시킨 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있으며 또한 촉매층을 증착 공정으로 형성함으로 균일한 박막으로 형성할 수 있다. 또한 촉매가 고분자 전해질막에 가까운 전극의 표면에 많이 존재하게 할 수 있으므로 촉매 효율을 향상시킬 수 있다.In the present invention, since the conductive material is mixed and formed together during the water repellent treatment of the gas diffusion layer, the same effect as that of the conventional microporous layer may be obtained by a simple process, and the catalyst layer may be formed by a deposition process to form a uniform thin film. Can be. In addition, since the catalyst can be present on the surface of the electrode close to the polymer electrolyte membrane, the catalyst efficiency can be improved.
연료전지,전극,증착,촉매효율 Fuel cell, electrode, deposition, catalyst efficiency
Description
도 1은 본 발명의 기체 확산층을 나타낸 도면.1 is a view showing a gas diffusion layer of the present invention.
도 2는 본 발명의 전극을 포함하는 연료 전지의 작동 상태를 개략적으로 나타낸 도면.2 schematically illustrates an operating state of a fuel cell comprising an electrode of the invention.
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 간단한 공정으로 제조할 수 있으며, 효율이 우수한 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell electrode and a fuel cell including the same, and more particularly, to a fuel cell electrode and a fuel cell including the same, which can be manufactured by a simple process and excellent efficiency.
[종래 기술][Prior art]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 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 is 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.
본 발명의 목적은 간단한 공정으로 제조할 수 있으며, 촉매 효율이 향상된 연료 전지용 전극을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a fuel cell electrode which can be manufactured by a simple process and has improved catalytic efficiency.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료 전지용 전극을 포함하는 연료 전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell including the fuel cell electrode.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 도전성 분말, 불소계 수지 및 도전성 기재를 포함하는 기체 확산층; 및 상기 기체 확산층에 증착된 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극을 제공하는 것이다.In order to achieve the above object, the present invention is a gas diffusion layer comprising a conductive powder, a fluorine-based resin and a conductive substrate; And it provides a fuel cell electrode comprising a catalyst layer deposited on the gas diffusion layer.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 어셈블리; 및 상기 막/전극 어셈블리의 애노드와 캐소드 전극 중 어느 하 나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 세퍼레이터를 포함하고, 상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 도전성 분말, 불소계 수지 및 도전성 기재를 포함하는 기체 확산층; 및 상기 기체 확산층에 증착된 촉매층을 포함하는 연료 전지를 제공한다.The invention also includes at least one membrane / electrode assembly comprising an anode and a cathode electrode positioned opposite each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode; And a separator in which a flow channel is formed in contact with one of the anode and the cathode of the membrane / electrode assembly to supply gas, and at least one of the anode and the cathode includes a conductive powder, a fluorine resin, and a conductive substrate. A gas diffusion layer; And it provides a fuel cell comprising a catalyst layer deposited on the gas diffusion layer.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 연료 전지용 전극에 관한 것으로서, 일반적으로 연료 전지의 전극은 일반적으로 기체 확산층(gas diffusion layer)과 촉매층으로 구성된다. 또한 상기 기체 확산층의 기공 사이즈가 다소 크기 때문에 기체 확산이 균일하게 일어나지 않을 수 있어, 보다 균일한 기체 확산 효과를 얻기 위하여, 상기 기체 확산층에미세 기공층을 작은 기공 사이즈로 형성한다. 이러한 구성을 갖는 연료 전지의 전극은 연료 전지 작동시 발생되는 물로 인하여 기체 확산층의 기공이 막혀 기체가 확산되지 않는 것을 방지하기 위하여 기체 확산층을 먼저 발수 처리한 후, 발수 처리된 기체 확산층에 미세 기공층을 형성하는 것으로서, 공정이 복잡한 문제점이 있었다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrode for a fuel cell, and in general, an electrode of a fuel cell is generally composed of a gas diffusion layer and a catalyst layer. In addition, since the pore size of the gas diffusion layer is somewhat large, gas diffusion may not occur uniformly, and in order to obtain a more uniform gas diffusion effect, a fine pore layer is formed in the gas diffusion layer with a small pore size. The electrode of the fuel cell having such a configuration is a water repellent treatment of the gas diffusion layer in order to prevent the gas diffusion layer is blocked by the water generated during operation of the fuel cell, and then the microporous layer on the water-repellent gas diffusion layer As to form, there was a complicated problem in the process.
이에 대하여, 본 발명에서는 기체 확산층을 발수 처리하는 과정에서 도전성 물질인 탄소 분말을 혼합하여 발수 처리를 실시하여, 발수 처리 효과와 종래 미세 기공층 형성에 따른 균일한 기체 확산 효과를 동시에 얻을 수 있었다.On the other hand, in the present invention, in the process of water repellent treatment of the gas diffusion layer by mixing the carbon powder of the conductive material to perform a water repellent treatment, it was possible to obtain a water repellent treatment effect and a uniform gas diffusion effect according to conventional microporous layer formation at the same time.
본 발명의 연료 전지용 전극은 도전성 분말, 불소계 수지 및 도전성 기재를 포함하는 기체 확산층과 이 기체 확산층에 증착된 촉매층을 포함한다.An electrode for a fuel cell of the present invention includes a gas diffusion layer containing a conductive powder, a fluorine resin and a conductive substrate, and a catalyst layer deposited on the gas diffusion layer.
상기 기체 확산층은 도전성 분말과 불소계 수지를 포함하는 조성물을 도전성 기재에 도포하여 형성되는 것으로서, 도 1에 나타낸 것과 같은 구조를 갖는다. 즉, 본 발명의 전극은 도 1에 나타낸 것과 같이, 기체 확산층(1)과 이 기체 확산층(1)에 형성된 촉매층(10)의 구성을 갖으며, 상기 기체 확산층(1)은 도전성 기재를 구성하는 탄소 페이퍼(carbon paper) 또는 탄소 천(carbon cloth)의 골격 구조(5) 또는 기공 사이에 도전성 분말(7)이 존재하므로 도전성 기재의 기공 사이즈를 감소시키게 된다. 따라서, 도전성 기재의 기공 사이즈가 커서 기체를 골고루 확산시키지 못함에 따라 미세 기공층을 기체 확산층에 더욱 형성시켜 얻는 효과를 얻을 수 있다. The gas diffusion layer is formed by applying a composition containing a conductive powder and a fluorine resin to a conductive substrate, and has a structure as shown in FIG. 1. That is, the electrode of the present invention has a constitution of a gas diffusion layer 1 and a
또한, 일반적으로 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지하기 위하여 불소계 수지로 발수처리하는 공정에 사용되는 조성물에 도전성 분말을 첨가하여 기체 확산층을 형성하므로, 전체적인 공정이 간단한 장점이 있다.In addition, in order to prevent the gas diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven, conductive powder is added to the composition used in the step of water repellent treatment with a fluorine-based resin to form a gas diffusion layer. There is a simple advantage.
상기 도전성 물질로는 탄소 분말, 카본 블랙, 활성 탄소, 아세틸렌 블랙 또는 케첸 블랙을 사용할 수 있다.As the conductive material, carbon powder, carbon black, activated carbon, acetylene black or Ketjen black may be used.
상기 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVdF, Poly Vinylidene difluoride), 폴리비닐리덴 디플루오라이드-헥사플루오로프로판(PVdF-HFP, Poly Vinylidene difluoride-hexafluoropropane)을 사용할 수 있다. 또한 상기 조성물에 사용되는 용매로는 알코올, 물과 알코올의 혼합용액 또는 물을 사용할 수 있다. 상기 알코올로는 이소프로필알코올이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As the fluorine resin, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene difluoride (PVdF, poly vinylidene difluoride), polyvinylidene difluoride-hexafluoropropane (PVdF-HFP, poly vinylidene difluoride-hexafluoropropane) may be used. have. In addition, the solvent used in the composition may be alcohol, water or a mixed solution of alcohol or water. Isopropyl alcohol may be used as the alcohol representatively, but is not limited thereto.
이와 같이 형성된 기체 확산층에 촉매층은 금속을 증착시켜 형성한다. 즉, 상기 기체 확산층에 금속 촉매를 스퍼터링 또는 증발법(Evaporation)(열적(thermal) 또는 전자빔(electron beam) 증발법 등) 공정과 같은 증착 공정으로 증착시켜 촉매층을 형성한다. 이와 같이 증착 공정으로 촉매층을 형성하는 경우 종래 슬러리 코팅 공정에 비하여 균일한 박막으로 코팅할 수 있다. 따라서 종래 슬러리 코팅 공정으로 형성하는 경우 촉매층이 두껍게 형성됨에 따라 고분자 전해질막으로부터 먼쪽, 즉 기체 확산층에 가까운 쪽에 위치하는 촉매의 경우 거의 반응에 참여하지 않는 문제점을, 본 발명에서는 촉매를 전해질에 가까운 쪽에 많이 존재하게 할 수 있으므로 해결할 수 있으며 따라서 촉매 효율을 향상시킬 수 있다. The catalyst layer is formed by depositing a metal on the gas diffusion layer thus formed. That is, the catalyst layer is formed on the gas diffusion layer by a deposition process such as sputtering or evaporation (thermal or electron beam evaporation). As such, when the catalyst layer is formed by the deposition process, the catalyst layer may be coated with a uniform thin film as compared with the conventional slurry coating process. Therefore, when the catalyst layer is formed in the conventional slurry coating process, the catalyst layer is formed thick, so that the catalyst located at a side far from the polymer electrolyte membrane, i.e., close to the gas diffusion layer, rarely participates in the reaction. It can be solved because it can exist a lot, and thus can improve the catalyst efficiency.
상기 촉매층은 관련 반응(수소 등과 같은 연료의 산화 및 산소, 공기등과 같은 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 이른바 금속 촉매를 포함하는 것으로서, 원소 주기율표의 백금족 금속, 즉 백금 또는 루테늄 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 또한 일반적으로 담체에 지지된 것이 사용된다. 상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있다. 담체에 담지된 귀금속을 촉매로 사용하는 경우에는 상용화된 시판되는 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 귀금속을 담지시켜 제조하여 사용할 수도 있다. 담체에 귀금속을 담지시키는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하여도, 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 이해될 수 있는 내용이다.The catalyst layer includes a so-called metal catalyst that catalyzes the related reaction (oxidation of fuel such as hydrogen and reduction of oxidant such as oxygen, air, etc.), and a platinum group metal of the periodic table of the elements, that is, platinum or ruthenium is preferable. Can be used. Also generally, those supported on a carrier are used. As the carrier, carbon such as acetylene black or graphite may be used, or inorganic fine particles such as alumina or silica may be used. In the case of using the noble metal supported on the carrier as a catalyst, a commercially available commercially available product may be used, or the noble metal supported on the carrier may be prepared and used. Since the process of supporting the precious metal on the carrier is well known in the art, detailed descriptions thereof will be readily understood by those skilled in the art even if the detailed description is omitted.
연료 전지에서 캐소드 및 애노드 전극은 물질로 구별되는 것이 아니라, 그 역할로 구별되는 것으로서, 연료 전지용 전극은 연료 산화용 애노드 및 산화제의 환원용 캐소드로 구별된다. 따라서, 본 발명의 연료 전지용 전극은 캐소드 및 애노드 전극의 모든 전극에 사용할 수 있다. 즉, 연료 전지에서 연료를 상기 애노드에 공급하고 산화제를 상기 캐소드에 공급하여, 애노드와 캐소드의 전기화학 반응에 의하여 전기를 생성한다. 애노드에서 연료의 산화 반응이 일어나고 캐소드에서 산화제의 환원 반응이 일어나 두 전극간의 전압차를 발생시키게 된다.In fuel cells, the cathode and anode electrodes are not distinguished by materials, but by their role, and the fuel cell electrodes are distinguished from anodes for fuel oxidation and cathodes for reducing oxidants. Therefore, the fuel cell electrode of this invention can be used for all the electrodes of a cathode and an anode electrode. That is, in a fuel cell, fuel is supplied to the anode and oxidant is supplied to the cathode to generate electricity by an electrochemical reaction between the anode and the cathode. Oxidation of the fuel occurs at the anode and reduction of the oxidant at the cathode results in a voltage difference between the two electrodes.
도 2에 캐소드(10a) 및 애노드(10b) 전극 사이에 고분자 전해질막(15)이 위치하는 막/전극 어셈블리(20)가 구비된 연료 전지의 작동 상태를 개략적으로 나타내었다.2 schematically shows an operating state of a fuel cell including a membrane /
상기 고분자 전해질막(15)은 양성자-전도성 중합체 물질, 즉 이오노머(ionomer)로 이루어지며, 일반적으로 설폰산 그룹을 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤 또는 폴리벤즈이미다졸 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로 상기 고분자 전해질막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.The
이 막/전극 어셈블리(20)를 가스 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 바이폴러 플레이트 사이에 삽입하여 단위 전지를 제조하고, 이를 적층하여 스택을 제조한 후, 이를 두 개의 엔드 플레이트(end plate) 사이에 삽입하여 연료 전지를 제조할 수 있다. 연료 전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 용이하게 제조될 수 있다.The membrane /
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니 다.Hereinafter, examples and comparative examples 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 1)(Example 1)
탄소 분말 및 폴리테트라플루오로에틸렌을 40 : 60 중량비로 물과 이소프로필 알코올 용매 중에서 혼합하여 도전성 발수 처리 조성물을 제조하였다. 이 도전성 발수 처리 조성물을 탄소 페이퍼 도전성 기재에 코팅하여 기체 확산층을 제조하였다.Carbon powder and polytetrafluoroethylene were mixed in a 40:60 weight ratio in water and an isopropyl alcohol solvent to prepare a conductive water repellent treatment composition. The conductive water repellent treatment composition was coated on a carbon paper conductive substrate to prepare a gas diffusion layer.
상기 기체 확산층에 백금을 스퍼터링하여 촉매층을 형성하여 연료 전지용 전극을 제조하였다.Platinum was sputtered on the gas diffusion layer to form a catalyst layer, thereby preparing an electrode for a fuel cell.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
폴리테트라플루오로에틸렌으로 탄소 페이퍼를 발수처리하여 기체 확산층을 제조하였다.A gas diffusion layer was prepared by water repelling carbon paper with polytetrafluoroethylene.
상기 발수처리된 기체 확산층에 탄소 분말 및 폴리테트라플루오로에틸렌을 40 : 60 중량비로 물과 이소프로필 알코올 용매 중에서 혼합하여 형성한 미세 기공층 형성용 코팅 조성물을 도포하여 상기 기체 확산층에 미세 기공층을 형성하였다.Applying a coating composition for forming a fine pore layer formed by mixing carbon powder and polytetrafluoroethylene in water and isopropyl alcohol solvent in a 40:60 weight ratio to the water diffusion treated gas diffusion layer to form a fine pore layer on the gas diffusion layer. Formed.
이어서, 상기 미세 기공층에 촉매 슬러리를 도포하여 촉매층을 형성하여 연료 전지용 전극을 제조하였다. 상기 촉매 슬러리는 백금이 담지된 탄소 분말(Pt/C), 폴리테트라플루오로에틸렌 고분자 및 용매로 물과 이소프로필알코올의 혼합 용매를 혼합하여 제조하였다.Subsequently, a catalyst slurry was applied to the microporous layer to form a catalyst layer, thereby preparing an electrode for a fuel cell. The catalyst slurry was prepared by mixing a mixed solvent of water and isopropyl alcohol with platinum-supported carbon powder (Pt / C), a polytetrafluoroethylene polymer, and a solvent.
상술한 것과 같이, 본 발명은 기체 확산층의 발수 처리시 도전성 물질을 함 께 혼합하여 형성하므로, 간단한 공정으로 종래 미세 기공층을 형성시킨 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있으며 또한 촉매층을 증착 공정으로 형성함으로 균일한 박막으로 형성할 수 있다. 또한 촉매가 고분자 전해질막에 가까운 쪽에 많이 존재하게 할 수 있으므로 촉매 효율을 향상시킬 수 있다.As described above, the present invention is formed by mixing the conductive material together during the water repellent treatment of the gas diffusion layer, it is possible to obtain the same effect as in the case of forming a conventional fine pore layer by a simple process and by forming the catalyst layer by the deposition process It can be formed into a uniform thin film. In addition, since the catalyst can be present on the side closer to the polymer electrolyte membrane, the catalyst efficiency can be improved.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
WITN | Withdrawal due to no request for examination |