KR20070098135A - 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 - Google Patents
연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20070098135A KR20070098135A KR1020060029410A KR20060029410A KR20070098135A KR 20070098135 A KR20070098135 A KR 20070098135A KR 1020060029410 A KR1020060029410 A KR 1020060029410A KR 20060029410 A KR20060029410 A KR 20060029410A KR 20070098135 A KR20070098135 A KR 20070098135A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- catalyst
- fuel cell
- electrode
- noble metal
- anode electrode
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 77
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 98
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims abstract description 14
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 11
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- AMWVZPDSWLOFKA-UHFFFAOYSA-N phosphanylidynemolybdenum Chemical compound [Mo]#P AMWVZPDSWLOFKA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 20
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 17
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 17
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 14
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 claims description 14
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 11
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 10
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 9
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 6
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 claims description 4
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 3
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 abstract description 3
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 abstract 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 21
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 11
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 7
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 6
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 5
- 229910002848 Pt–Ru Inorganic materials 0.000 description 5
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 5
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 5
- 239000002952 polymeric resin Substances 0.000 description 5
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 description 5
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 4
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 4
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 4
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 229920001643 poly(ether ketone) Polymers 0.000 description 4
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 4
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 4
- BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N tetrafluoroethene Chemical group FC(F)=C(F)F BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N fluorosulfonic acid Chemical compound OS(F)(=O)=O UQSQSQZYBQSBJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 3
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- HYZJCKYKOHLVJF-UHFFFAOYSA-N 1H-benzimidazole Chemical compound C1=CC=C2NC=NC2=C1 HYZJCKYKOHLVJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- DPZVOQSREQBFML-UHFFFAOYSA-N 3h-pyrrolo[3,4-c]pyridine Chemical compound C1=NC=C2CN=CC2=C1 DPZVOQSREQBFML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004812 Fluorinated ethylene propylene Substances 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical group OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004697 Polyetherimide Substances 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- 239000004734 Polyphenylene sulfide Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 2
- ABDBNWQRPYOPDF-UHFFFAOYSA-N carbonofluoridic acid Chemical compound OC(F)=O ABDBNWQRPYOPDF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001732 carboxylic acid derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 125000002843 carboxylic acid group Chemical group 0.000 description 2
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 150000002170 ethers Chemical class 0.000 description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N palladium Substances [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920009441 perflouroethylene propylene Polymers 0.000 description 2
- ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N phosphonic acid group Chemical group P(O)(O)=O ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 2
- 229920006393 polyether sulfone Polymers 0.000 description 2
- 229920001601 polyetherimide Polymers 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 229920000069 polyphenylene sulfide Polymers 0.000 description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- DZLFLBLQUQXARW-UHFFFAOYSA-N tetrabutylammonium Chemical compound CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC DZLFLBLQUQXARW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VDZOOKBUILJEDG-UHFFFAOYSA-M tetrabutylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC VDZOOKBUILJEDG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- FBPFZTCFMRRESA-FSIIMWSLSA-N D-Glucitol Natural products OC[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)CO FBPFZTCFMRRESA-FSIIMWSLSA-N 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 229920006275 Ketone-based polymer Polymers 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000820 Os alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001252 Pd alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 1
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 1
- 229910000929 Ru alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 229920002301 cellulose acetate Polymers 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N ethene;prop-1-ene Chemical group C=C.CC=C HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001038 ethylene copolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 150000002506 iron compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 239000002063 nanoring Substances 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IYZXTLXQZSXOOV-UHFFFAOYSA-N osmium platinum Chemical compound [Os].[Pt] IYZXTLXQZSXOOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- CFQCIHVMOFOCGH-UHFFFAOYSA-N platinum ruthenium Chemical compound [Ru].[Pt] CFQCIHVMOFOCGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920005569 poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) Polymers 0.000 description 1
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 1
- 229920005594 polymer fiber Polymers 0.000 description 1
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000600 sorbitol Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 150000003568 thioethers Chemical class 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
- H01M4/8652—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites as mixture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/923—Compounds thereof with non-metallic elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/925—Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
본 발명은 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 상기 애노드 전극은 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되고, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 철 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 비귀금속 함유 화합물을 1종 이상 포함하는 제1 촉매 및 귀금속을 포함하는 제2 촉매를 포함하는 촉매층을 포함한다.
본 발명의 애노드 전극은 코발트, 크롬, 몰리브덴 또는 철 화합물을 주촉매로 사용하고, 종래 촉매로 사용되던 귀금속 촉매를 소량 사용하여, 경제적이면서도 우수한 활성을 나타낸다.
코발트,크롬,몰리브덴,철화합물,애노드전극,연료전지,촉매활성
Description
도 1은 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경제적이며, 고출력을 나타낼 수 있는 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
[종래 기술]
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. 이러한 연료 전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4-10배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.
연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Cell), 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 산화형 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)라 한다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 및 천연 가스 등을 개질하기 위한 연료 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(Separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수 십개로 적층된 구조를 가진다. 상기 막-전극 어셈블리는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, "연료극" 또 는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.
연료 전지에서 전기를 발생시키는 원리는 연료가 연료극인 애노드 전극으로 공급되어 애노드 전극의 촉매에 흡착되고, 산화 반응에 의하여 연료가 이온화되고또한 전자가 발생하며, 이때 발생된 전자는 외부 회로에 따라 산화극인 캐소드 전극에 도달하며, 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통과하여 캐소드 전극으로 전달된다. 캐소드 전극으로 산화제가 공급되고, 이 산화제, 수소 이온 및 전자가 캐소드 전극의 촉매 상에서 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키게 된다.
본 발명의 목적은 경제적이며, 활성이 우수한 연료 전지용 애노드 전극을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 애노드 전극을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전극 기재 및 상기 전극 기재에 형성되고, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 철 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 비귀금속 원소 함유 화합물을 1종 이상 포함하는 제1 촉매 및 귀금속을 포함하는 제2 촉매를 포함하는 촉매층을 포함하는 연료 전지용 애노드 전극을 제공한다.
상기 비귀금속 원소로는 코발트, 몰리브덴 및 이들의 조합이 가장 바람직하다. 또한, 상기 화합물은 카바이드, 설파이드, 포스파이드, 나이트라이드 및 이들이 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하며, 포스파이드가 가장 바람직하다. 따라서, 상기 제1 촉매로는 코발트 포스파이드, 몰리브덴 포스파이드 및 이들의 조합이 가장 바람직하다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료 전지용 애노드 전극의 촉매에 관한 것이다. 일반적으로 연료 전지용 애노드 전극의 촉매로는 Pt, Ru와 같은 귀금속 촉매가 사용되고 있으나, 이러한 촉매는 고가의 물질이며 또한 소결(sintering)에 의해 촉매가 뭉쳐 하나의 덩어리가 형성되므로 활성 저하의 문제가 있다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 귀금속계 촉매와 함께 비귀금속계 화합물을 촉매층에 사용하였다. 본 발명의 애노드 전극은 코발트, 크롬, 몰리브덴, 철 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 비귀금속 함유 화합물을 1종 이상 포함하는 제1 촉매와, 귀금속을 포함하는 제2 촉매를 포함하는 촉매층을 포함하며, 이 촉매층을 지지하는 전극 기대를 포함한다.
상기 비귀금속 원소로는 코발트, 몰리브덴 및 이들의 조합이 바람직하다. 또한, 상기 비귀금속 원소의 화합물로는 카바이드, 설파이드, 포스파이드, 나이트라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하며, 포스파이드가 가장 바람직하다. 따라서, 본 발명에서 가장 바람직한 비귀금속 원소의 화합물로는 코발트 포스파이드, 몰리브덴 포스파이드 및 이들의 조합이다.
상기 제1 촉매의 대표적인 예로는 CoC, Co2C, CoS, Co2S, CoP, Co2P, CoN, Co2N, CrN, Cr2N, CrC, Cr2C, CrS, Cr2S, CrP, Cr2P, MoS, Mo2S, MoP, Mo2P, MoC, Mo2C, FeP, Fe2P, Fe3P, FeC, Fe2C, FeN, Fe2N, FeS 및 Fe2S로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 들 수 있다.
상기 귀금속을 포함하는 제2 촉매로는 Pt, Ru, Pd, Au, Rh, Ag, Ir, Os 및 Re로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있고, 이 중에서 Pt가 가장 바람직하다.
상기 제1 촉매 및 제2 촉매는 담체에 담지되지 않은 블랙(black) 타입으로 사용하거나, 담체에 담지시켜 사용할 수 있다.
담체에 담지되지 않은 블랙 타입으로 사용하는 경우, 제1 촉매와 제2 촉매를 단순히 혼합하여 사용할 수도 있고, 제1 촉매에 상기 제2 촉매를 담지시키는 형태로 사용할 수도 있다. 즉, 상기 제1 촉매는 촉매 이외에 담체 역할을 할 수도 있다. 본 발명의 촉매층에서, 제1 촉매와 제2 촉매의 혼합 비율은 단순 혼합인 경우에는 99 내지 50 : 1 내지 50 중량%가 바람직하며, 담지 형태로 사용하는 경우에는 99.99 내지 50 : 0.01 내지 50 중량%가 바람직하다. 상기 제2 촉매의 사용량이 1 중량% 또는 0.01 중량% 미만인 경우에는 제2 촉매를 사용하는 효과가 미미하고, 50 중량%를 초과하는 경우에는 제2 촉매의 사용량이 너무 많아 제2 촉매가 응집되거나 또는 담지시키는 경우 제1 촉매를 모두 둘러싸서 결과적으로 촉매 입자 크기가 증가하여 활성이 저하되므로 바람직하지 않다.
제1 담체 및 제2 담체에 각각 담지되어 있거나, 상기 제1 촉매 및 제2 촉매는 하나의 담체에 함께 담지되어 있을 수 있다. 어떠한 형태로 담지되어 있더라도, 담지된 것이 전도성을 향상시켜, 촉매 저항을 줄일 수 있어 바람직하다.
상기 담체로는 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 카본 블랙, 케첸 블랙, 활성 탄소, 흑연과 같은 탄소를 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소가 널리 사용되고 있다.
상기 전극 기재로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천((섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 탄화수소 연료, 카르복실산 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 탄화수소 연료, 카르복실산 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다.
또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 기체 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene), 플루오로에틸렌 폴리머 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 전극 기재에서의 기체 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer)을 더욱 포함할 수도 있다. 이 미세 기공층은 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn) 또는 카본 나노 링(carbon nano ring)을 포함할 수 있다.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 기체 확산층에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 등이 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸설폭사이드, N-메틸피롤리돈 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 코팅 공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수도 있다.
상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이 미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 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 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 고분자와 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 비전도성 고분자로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌- 퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.
상기 애노드 전극을 포함하는 본 발명의 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고, 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함한다. 도 1에 본 발명의 막-전극 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타내었다. 즉, 본 발명의 막-전극 어셈블리(20)는 고분자 전해질 막(25)을 포함하고, 이 고분자 전해질 막(25)의 양면에 위치하는 캐소드 전극(21) 및 애노드 전극(22)을 포함한다.
상기 캐소드 전극의 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W 및 Rh으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 것을 사용할 수 있다.
또한 상기 촉매가 담체에 담지된 것을 사용할 수도 있다. 상기 담체로는 애노드 전극에서 사용된 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.
또한, 캐소드 전극도 애노드 전극과 동일하게 바인더를 더욱 포함할 수 있다.
상기 고분자 전해질 막은 일반적으로 연료 전지에서 고분자 전해질 막으로 사용되며, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된 것은 어떠한 것도 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다.
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 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 이상을 들 수 있다.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다.
상기 전기 발생부는 본 발명의 막-전극 어셈블리와 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서, 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료를 포함할 수 있다. 상기 탄화수소 연료의 대표적인 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연 가스를 들 수 있다.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 2에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2에 나타낸 구조는 연료 및 산화제를 펌프를 사용하여 전기 발생부로 공급하는 시스템을 나타내었으나, 본 발명의 연료 전지 시스템이 이러한 구조에 한정되는 것은 아니며, 펌프를 사용하지 않는 확산 방식을 이용하는 연료 전지 시스템 구조에 사용할 수도 있음은 당연한 일이다.
본 발명의 연료 전지 시스템(1)은 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 적어도 하나의 전기 발생부(3)와, 상기한 연료를 공급하는 연료 공급부(5)와, 산화제를 상기 전기 발생부(3)로 공급하는 산화제 공급부(7)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱크(9), 연료 탱크(9)에 연결 설치되는 연료 펌프(11)를 구비할 수 있다. 상기한 연료 펌프(11)는 소정의 펌핑력에 의해 연료 탱크(9)에 저장된 연료를 배출시키는 기능을 하게 된다.
상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
CoP 제1 촉매, Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey) 제2 촉매 및 바인더로 5 중량% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.)를 44 중량%, 44 중량% 및 56 중량%의 양으로 혼합하여 애노드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다. 이어서, 상기 애노드 전극용 촉매 조성물을 0.2mg/cm2의 탄소 함량을 갖는 탄소지 전극 기재에 도포하여 애노드 전극을 제조하여, 제1 촉매 및 제2 촉매 로딩량이 각각 2mg/cm2(토탈 4mg/cm2)인 애노드 전극을 제조하였다.
Pt 블랙(Johnson Matthey) 촉매 88 중량%와 바인더로 5 중량% 농도의 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.) 12 중량%를 혼합하여 캐소드 전극용 촉매 조성물을 제조하였다. 상기 캐소드 전극용 촉매 조성물을 1.3mg/cm2의 탄소 함량을 갖는 탄소지 전극 기재에 도포하여 촉매 로딩량이 4mg/cm2인 캐소드 전극을 제 조하였다.
제조된 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상업용 Nafion 115(퍼플루오로설포네이트) 고분자 전해질 막을 이용하여, 단위 전지를 제조하였다.
(실시예 2)
제1 촉매로 CoP 대신 CoS를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 3)
제1 촉매로 CoP 대신 CoC를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 4)
제1 촉매로 CoP 대신 CoN를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 5)
제1 촉매로 CoP 대신 MoC를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 6)
제1 촉매로 CoP 대신 MoS를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 7)
제1 촉매로 CoP 대신 MoP를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하 게 실시하였다.
(실시예 8)
제1 촉매로 CoP 대신 FeC를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 9)
제1 촉매로 CoP 대신 FeS를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 10)
제1 촉매로 CoP 대신 FeP를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(실시예 11)
제1 촉매로 CoP 대신 FeN를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
(비교예 1)
제1 촉매를 사용하지 않고, Pr-Ru 블랙(Johnson Matthey) 촉매를 88 중량% 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
상기 실시예 1, 3, 7, 및 비교예 1에 따라 제조된 전지의 0.4V에서의 출력 밀도를 70℃에서 각각 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 실시예 1 | 실시예 3 | 실시예 11 | 비교예 1 | |
| 출력 밀도(mW/cm2) | 100 | 70 | 100 | 100 |
상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 코발트 포스파이드 및 몰리브덴 포스파이드를 사용한 실시예 1 및 11이 가장 우수한 출력 밀도를 나타내며 또한, Pt-Ru 블랙 촉매의 사용량이 비교예 1보다 1/2로 줄였음에도 동등한 출력 밀도를 나타내었으므로, Pt-Ru 블랙 촉매를 값이 보다 저렴한 코발트 포스파이드 또는 몰리브덴 포스파이드로 대체할 수 있음을 알 수 있다. 아울러, Pt-Ru 촉매 사용량이 비교예 1보다 1/2로 줄었음에도 동등한 출력 밀도를 나타내는 것으로부터, Pt-Ru 촉매의 소결 등으로 인한 활성 저하를 방지할 수 있으며, 결과적으로 촉매 활성을 향상시킬 수 있음을 예측할 수 있다.
본 발명의 애노드 전극은 비귀금속 화합물로 코발트, 크롬, 몰리브덴 또는 철 화합물을 주촉매로 사용하고, 종래 촉매로 사용되던 귀금속 촉매를 소량 사용하여, 경제적이면서도 우수한 활성을 나타낸다.
Claims (12)
- 전극 기재; 및상기 전극 기재에 형성되고, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 철 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 비귀금속 함유 화합물을 1종 이상 포함하는 제1 촉매 및 귀금속을 포함하는 제2 촉매를 포함하는 촉매층을 포함하는 연료 전지용 애노드 전극.
- 제1항에 있어서,상기 비귀금속은 코발트, 몰리브덴 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 연료 전지용 애노드 전극.
- 제1항에 있어서,상기 비귀금속 함유 화합물은 카바이드, 설파이드, 포스파이드, 나이트라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 애노드 전극.
- 제1항에 있어서,상기 비귀금속 함유 화합물은 포스파이드인 연료 전지용 애노드 전극.
- 제1항에 있어서,상기 제1 촉매는 코발트 포스파이드, 몰리브덴 포스파이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된느 것인 연료 전지용 애노드 전극.
- 제1항에 있어서,상기 귀금속을 포함하는 제2 촉매는 Pt, Ru, Pd, Au, Rh, Ag, Ir, Os, Re 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 연료 전지용 애노드 전극.
- 제1항에 있어서,상기 제1 촉매 및 제2 촉매는 물리적으로 혼합되어 있는 것인 연료 전지용 애노드 전극.
- 제7항에 있어서,상기 제1 촉매 및 제 2 촉매의 혼합 비율은 99 내지 50 : 1 내지 50 중량%인 연료 전지용 애노드 전극.
- 제1항에 있어서,상기 제2 촉매는 상기 제1 촉매에 담지되어 있는 것인 연료 전지용 애노드 전극.
- 제9항에 있어서,상기 제1 촉매 및 제2 촉매의 혼합 비율은 99.99 내지 50 : 0.01 내지 50 중량%인 연료 전지용 애노드 전극.
- 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하고,상기 애노드 전극은 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 애노드 전극인 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
- 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극; 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 것인 막-전극 어셈블리 및 세퍼레이터를 적어도 하나 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 적어도 하나의 전기 발생부;상기 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템으로서,상기 애노드 전극은 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 애노드 전극인 연료 전지 시스템.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020060029410A KR101309158B1 (ko) | 2006-03-31 | 2006-03-31 | 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 |
| US11/730,337 US20070298293A1 (en) | 2006-03-31 | 2007-03-30 | Electrode for fuel cell and, membrane-electrode assembly and fuel cell system including the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020060029410A KR101309158B1 (ko) | 2006-03-31 | 2006-03-31 | 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20070098135A true KR20070098135A (ko) | 2007-10-05 |
| KR101309158B1 KR101309158B1 (ko) | 2013-09-17 |
Family
ID=38804228
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020060029410A KR101309158B1 (ko) | 2006-03-31 | 2006-03-31 | 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20070298293A1 (ko) |
| KR (1) | KR101309158B1 (ko) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100709198B1 (ko) * | 2006-04-28 | 2007-04-18 | 삼성에스디아이 주식회사 | 직접 산화형 연료 전지용 스택 및 이를 포함하는 직접산화형 연료 전지 시스템 |
| JP2010507220A (ja) * | 2006-10-18 | 2010-03-04 | ビーディーエフ アイピー ホールディングス リミテッド | 燃料電池のための触媒担体 |
| KR20140085148A (ko) * | 2012-12-27 | 2014-07-07 | 현대자동차주식회사 | 연료 전지용 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용 전극, 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템 |
| US20150167181A1 (en) * | 2013-12-16 | 2015-06-18 | Timothy D. Vaden | Synthesis of Molybdenum Catalyst Formulations for Hydrogen Generation |
| JP6209123B2 (ja) * | 2014-04-02 | 2017-10-04 | 日本電信電話株式会社 | リチウム空気二次電池 |
| JP6302424B2 (ja) * | 2015-03-10 | 2018-03-28 | 日本電信電話株式会社 | リチウム空気二次電池 |
| EP3170921A1 (en) * | 2015-11-20 | 2017-05-24 | INL - International Iberian Nanotechnology Laboratory | Electrode material |
| KR101755920B1 (ko) * | 2015-12-08 | 2017-07-07 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 기체확산층과, 이를 제조하기 위한 장치 및 방법 |
| CN106637290B (zh) * | 2016-12-20 | 2019-05-14 | 华南理工大学 | 一种利用原位造孔方法制备的多孔高效电化学催化剂及其制备方法与应用 |
| KR20180073133A (ko) * | 2016-12-22 | 2018-07-02 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 하이브리드 촉매 및 그 제조 방법 |
| CN109678108B (zh) * | 2017-10-18 | 2021-04-27 | 清华大学 | 锂硫电池 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2328050C3 (de) * | 1973-06-01 | 1978-10-05 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen | Katalysator für Brennstoffelektroden von Brennstoffelementen |
| US6232008B1 (en) * | 1997-07-16 | 2001-05-15 | Ballard Power Systems Inc. | Electrochemical fuel cell stack with improved reactant manifolding and sealing |
| US6939640B2 (en) * | 2001-09-21 | 2005-09-06 | E. I. Dupont De Nemours And Company | Anode electrocatalysts for coated substrates used in fuel cells |
| US20030186109A1 (en) * | 2002-03-26 | 2003-10-02 | Wayne Huang | Electrode, membrane electrode assembly, fuel cell and method for their production |
| KR100831143B1 (ko) * | 2004-06-10 | 2008-05-20 | 스미토모덴키고교가부시키가이샤 | 금속촉매와 그 제조방법 |
| WO2007098432A2 (en) * | 2006-02-17 | 2007-08-30 | Monsanto Technology Llc | Transition metal-containing catalysts and processes for their preparation and use as fuel cell catalysts |
| WO2007121336A2 (en) * | 2006-04-14 | 2007-10-25 | Applied Materials, Inc. | Reliable fuel cell electrode design |
-
2006
- 2006-03-31 KR KR1020060029410A patent/KR101309158B1/ko not_active IP Right Cessation
-
2007
- 2007-03-30 US US11/730,337 patent/US20070298293A1/en not_active Abandoned
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101309158B1 (ko) | 2013-09-17 |
| US20070298293A1 (en) | 2007-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101309158B1 (ko) | 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR100658688B1 (ko) | 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템 | |
| KR100728182B1 (ko) | 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR101319377B1 (ko) | 연료 전지용 촉매, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR20080042551A (ko) | 연료 전지용 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리 및이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR100953617B1 (ko) | 연료 전지용 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR20070106200A (ko) | 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료전지 시스템 | |
| KR20070114494A (ko) | 연료 전지용 캐소드 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 | |
| KR20070098136A (ko) | 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템 | |
| KR20070099120A (ko) | 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR100976453B1 (ko) | 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR20080032962A (ko) | 연료 전지용 캐소드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템 | |
| KR100749497B1 (ko) | 연료 전지용 애노드 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 | |
| KR20090055304A (ko) | 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템 | |
| KR100959117B1 (ko) | 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR100839372B1 (ko) | 연료 전지용 촉매의 제조 방법 | |
| KR100709198B1 (ko) | 직접 산화형 연료 전지용 스택 및 이를 포함하는 직접산화형 연료 전지 시스템 | |
| KR20070099935A (ko) | 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템 | |
| KR20080045461A (ko) | 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR100728188B1 (ko) | 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템 | |
| KR20070099121A (ko) | 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR20080041846A (ko) | 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템 | |
| KR100759435B1 (ko) | 연료 전지용 촉매 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극어셈블리 | |
| KR20070103569A (ko) | 직접 산화형 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를포함하는 직접 산화형 연료 전지 시스템 | |
| KR100759431B1 (ko) | 연료 전지용 캐소드 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는연료 전지용 막-전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |