KR20080032962A - Cathod for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and fuel cell system comprising same - Google Patents

Cathod for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and fuel cell system comprising same Download PDF

Info

Publication number
KR20080032962A
KR20080032962A KR1020060099418A KR20060099418A KR20080032962A KR 20080032962 A KR20080032962 A KR 20080032962A KR 1020060099418 A KR1020060099418 A KR 1020060099418A KR 20060099418 A KR20060099418 A KR 20060099418A KR 20080032962 A KR20080032962 A KR 20080032962A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fuel cell
electrode
cathode
fuel
carbon
Prior art date
Application number
KR1020060099418A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
박찬희
민명기
최고울
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020060099418A priority Critical patent/KR20080032962A/en
Publication of KR20080032962A publication Critical patent/KR20080032962A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M2004/8678Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells characterised by the polarity
    • H01M2004/8684Negative electrodes
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

A cathode for a fuel cell is provided to facilitate oxygen supply even when using air as an oxidant, thereby increasing the rate of an electrochemical reaction and improving the cost efficiency and quality of a fuel cell. A cathode for a fuel cell comprises: an electrode substrate(20); an oxygen supplying layer(100) formed on the electrode substrate; and a catalyst layer(40) formed on the oxygen supplying layer. The oxygen supplying layer comprises a metal oxide. The metal oxide is selected from the group consisting of ceria(CeO2), ceria doped with a dopant and a combination thereof.

Description

연료 전지용 캐소드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템{CATHOD FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL COMPRISING SAME, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}Cathode electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly and fuel cell system for fuel cell comprising same {CATHOD FOR FUEL CELL, MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL COMPRISING SAME, AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 캐소드 전극을 개략적으로 나타낸 단면도.1 is a cross-sectional view schematically showing a cathode electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지용 캐소드 전극을 개략적으로 나타낸 단면도.2 is a cross-sectional view schematically showing a cathode electrode for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention.

도 4는 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.4 schematically shows the structure of a fuel cell system of the present invention;

[산업상 이용 분야][Industrial use]

본 발명은 연료 전지용 캐소드 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 캐소드 전극의 포텐셜을 증가시켜 전기화학적 반응 속도를 증가시킬 수 있는 연료 전지용 캐소드 전 극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode electrode for a fuel cell, a membrane-electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell system including the same, and more particularly, a cathode electrode for a fuel cell that can increase the potential of the cathode electrode to increase the electrochemical reaction rate. It relates to a membrane-electrode assembly and a fuel cell system for a fuel cell comprising the same.

[종래 기술][Prior art]

연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.

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. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has the advantage of generating a wide range of outputs by stacking unit cells, and having an energy density of 4-10 times that of a small lithium battery. It is attracting attention as a compact and mobile portable power source.

연료 전지의 대표적인 예로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel 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. Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and a direct oxidation fuel cell (Direct Oxidation Fuel Cell). When methanol is used as a fuel in the direct oxidation fuel cell, it is called a direct methanol fuel cell (DMFC).

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.The polymer electrolyte fuel cell has an advantage of having a high energy density and a high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms fuel for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a device.

이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가 능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 장점이 있다.On the other hand, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but it is easy to handle the fuel and has a low operating temperature, so that it can be operated at room temperature, and in particular, it does not require a fuel reforming device.

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" 또는 "산화 전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명 "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다.In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity comprises several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). It has a structure laminated to several tens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxidation electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer therebetween. ) Is located.

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.The principle of generating electricity in a fuel cell is that fuel is supplied to an anode electrode, which is a fuel electrode, adsorbed to a catalyst of the anode electrode, fuel is ionized by an oxidation reaction, and electrons are generated, and the generated electrons are oxidized according to an external circuit. Reaching the cathode, which is the pole, hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and are delivered to the cathode. An oxidant is supplied to the cathode, and the oxidant, hydrogen ions, and electrons react on the catalyst of the cathode to generate electricity while producing water.

본 발명의 목적은 전기화학적 반응 속도를 향상시킬 수 있는 연료 전지용 캐소드 전극을 제공한다.It is an object of the present invention to provide a cathode electrode for a fuel cell which can improve the electrochemical reaction rate.

본 발명의 다른 목적은 상기 캐소드 전극을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다.Another object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the cathode electrode.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 캐소드 전극을 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.Still another object of the present invention is to provide a fuel cell system including the cathode electrode.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전극 기재 전극 기재에 형성된 산소 공급층 및 상기 산소 공급층에 형성된 촉매층을 포함하는 연료 전지용 캐소드 전극을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a cathode electrode for a fuel cell comprising an oxygen supply layer formed on the electrode substrate electrode substrate and a catalyst layer formed on the oxygen supply layer.

본 발명은 또한 서로 대향하여 위치하며, 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. The present invention also provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane positioned opposite one another and positioned between the anode electrode and the cathode electrode and between the anode electrode and the cathode electrode.

본 발명은 또한 상기 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 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다.The invention also includes at least one membrane-electrode assembly and a separator, at least one electricity generating unit for generating electricity through an oxidation reaction of the fuel and a reduction reaction of the oxidant, a fuel supply unit for supplying fuel to the electricity generating unit and It provides a fuel cell system including an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 연료 전지용 캐소드 전극에 관한 것이다. 일반적으로 연료 전지의 캐소드 전극에서, 산화제로 공기를 사용하는 경우 산소를 사용하는 경우에 비하여 약 50% 이상의 성능 감소가 발생하는 문제가 있었다. 따라서, 순수 산소를 산화제로 사용하여야하나 이는 별도의 산소 연료 탱크 사용이 요구되어, 시스템 부피 면에서나, 또한 순수 산소의 가격이 비싸 경제적이지 못하고 취급이 어려운 문제가 있다. The present invention relates to a cathode electrode for a fuel cell. In general, in the cathode of the fuel cell, there is a problem that performance is reduced by about 50% or more when air is used as the oxidizing agent as compared with oxygen. Therefore, pure oxygen should be used as an oxidizing agent, but this requires the use of a separate oxygen fuel tank, which is problematic in terms of the volume of the system and also the price of pure oxygen is not economical and difficult to handle.

본 발명에서는 공기 중에서 산소를 원활하게 공급시켜줄 수 있는 산소 공급층을 캐소드 전극에 사용하여 이러한 문제를 해결할 수 있었다. In the present invention, this problem can be solved by using an oxygen supply layer for the cathode electrode which can supply oxygen smoothly in the air.

본 발명의 캐소드 전극은 전극 기재, 이 전극 기재에 형성된 산소 공급층 및 이 산소 공급층에 형성된 촉매층을 포함한다.The cathode electrode of this invention contains an electrode base material, the oxygen supply layer formed in this electrode base material, and the catalyst layer formed in this oxygen supply layer.

상기 산소 공급층(100)은 도 1에 나타낸 것과 같이, 전극 기재(20)에 형성된 도전성 물질과 금속 산화물을 포함하는 단일층(22)으로 형성될 수도 있고, 도 2에 나타낸 것과 같이, 도전성 물질로 형성된 도전층(32) 및 이 도전층에 형성된 금속 산화물층(34)의 이중층으로 형성될 수도 있다. 촉매층(40)은 상기 산소 공급층(100)의 위에 형성된다.As shown in FIG. 1, the oxygen supply layer 100 may be formed of a single layer 22 including a conductive material and a metal oxide formed on the electrode substrate 20, and as shown in FIG. 2. It may be formed of a double layer of the conductive layer 32 formed of the metal oxide layer 34 and the metal oxide layer 34 formed on the conductive layer. The catalyst layer 40 is formed on the oxygen supply layer 100.

상기 금속 산화물로는 산소를 전달할 수 있으며, 산소를 선택적으로 저장 및 방출할 수 있는 금속 산화물이 바람직하며, 바람직한 금속 산화물로는 세리아(CeO2) 및 도펀트가 도핑된 세리아 및 이들의 조합이 바람직하다. 상기 도펀트가 도핑된 세리아가 열적 안정성이 우수하여 보다 바람직하다. 상기 도펀트로는 가돌리움 (Gd), 지르코늄 (Zr), 사마리움 (Zm), 이트리움 (Y), 스트론튬 (Sr), 란타늄 (La), 칼슘 (Ca), 이들의 산화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 도펀트의 도핑량은 세리아 중량에 대하여 30 중량% 이하가 적당하며, 0.001 중량% 내지 30 중량%가 바람직하다. The metal oxide is preferably a metal oxide capable of transferring oxygen and selectively storing and releasing oxygen, and a preferred metal oxide is ceria (CeO 2 ) and ceria doped with dopants and combinations thereof. . Ceria doped with the dopant is more preferred because of its excellent thermal stability. The dopants include gadolium (Gd), zirconium (Zr), samarium (Zm), yttrium (Y), strontium (Sr), lanthanum (La), calcium (Ca), oxides thereof and mixtures thereof. One selected from the group consisting of can be used. The doping amount of the dopant is suitably 30% by weight or less based on the weight of ceria, and preferably 0.001% to 30% by weight.

본 발명의 캐소드 전극에서 상기 금속 산화물의 함량은 산소 공급층의 구조가 단일층이던 이중층이던 상관없이 도전성 물질 중량에 대하여 5 내지 30 중량%가 바람직하며, 8 내지 15 중량%가 더욱 바람직하다. 상기 금속 산화물의 함량이 5 중량% 미만이면, 본 발명의 효과를 볼 수 없고, 30 중량%를 초과하는 경우에는 산소 공급층의 전기 전도성이 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 않다.The content of the metal oxide in the cathode of the present invention is preferably 5 to 30% by weight, more preferably 8 to 15% by weight, based on the weight of the conductive material, regardless of whether the structure of the oxygen supply layer is a single layer or a double layer. If the content of the metal oxide is less than 5% by weight, the effect of the present invention is not seen, and if it exceeds 30% by weight, there is a problem that the electrical conductivity of the oxygen supply layer is poor, which is not preferable.

상기 금속 산화물을 포함하는 산소 공급층은 산소를 저장 및 방출할 수 있으므로, 공기 산화제를 사용하는 경우에도 산소를 백금 촉매 표면에 잘 분산시켜, 촉매 표면에서의 산소 분압을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명의 이러한 효과는 본 발명에서 사용되는 금속 산화물이 전기 전도성이 없으므로, 촉매층에 사용하는 것에 비하여 전극 기재에 형성되는 산소 공급층에 사용되는 것이 보다 극대화될 수 있어서 바람직하다. 아울러, 이 산소 공급층이 반응물의 확산 및 생성물의 원활한 배출을 도와주는 역할도 하므로, 전지 특성을 향상시킬 수 있고, 이러한 효과 역시 금속 산화물을 촉매층에 사용하는 경우 얻을 수 없다.Since the oxygen supply layer including the metal oxide can store and release oxygen, even when an air oxidant is used, oxygen can be dispersed well on the platinum catalyst surface, thereby improving the oxygen partial pressure on the catalyst surface. In addition, this effect of the present invention is preferable because the metal oxide used in the present invention is not electrically conductive, it can be maximized to be used in the oxygen supply layer formed on the electrode substrate as compared to the use in the catalyst layer. In addition, since the oxygen supply layer also serves to assist the diffusion of the reactants and the smooth discharge of the product, it is possible to improve the battery characteristics, this effect is also not obtained when using a metal oxide in the catalyst layer.

본 발명에서 산소 공급층의 두께는 발명의 효과에 영향을 미치지 않으므로, 두께는 특별하게 한정할 필요가 없다.Since the thickness of the oxygen supply layer in the present invention does not affect the effect of the invention, the thickness need not be particularly limited.

상기 도전성 물질로는 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 사용할 수 있다.The conductive material may be carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nano-horn or carbon nano ring ) Can be used.

또한, 상기 산소 공급층은 바인더를 더욱 포함할 수 있다. 상기 바인더로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하 게 사용될 수 있다. In addition, the oxygen supply layer may further include a binder. The binder may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride, alkoxy vinyl ether, polyvinyl alcohol, cellulose acetate or Copolymers thereof and the like can be preferably used.

상기 산소 공급층은 도전성 물질, 금속 산화물, 바인더 및 용매를 혼합하고, 이 혼합물을 전극 기재에 도포하여 형성되는 것이다. 상기 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 등과 같은 알코올, 물, 디메틸아세트아마이드, 디메틸술폭사이드, N-메틸피롤리돈, 테트라하이드로퓨란 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.The oxygen supply layer is formed by mixing a conductive material, a metal oxide, a binder, and a solvent, and applying the mixture to an electrode substrate. As the solvent, alcohols such as ethanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, water, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc. may be preferably used. The coating process may be screen printing, spray coating, or coating using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.

상기 전극 기재는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 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 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The electrode substrate plays a role of supporting the electrode and diffuses the fuel and the oxidant to the catalyst layer, thereby serving to easily access the fuel and the oxidant to the catalyst layer. The electrode substrate is a conductive substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer fiber composed of metal cloth in a fibrous state). The metal film is formed on the surface of the cloth formed with)) may be used, but is not limited thereto.

또한 상기 전극 기재는 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylene propylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또 는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다. In addition, it is preferable to use a water-repellent treatment with a fluorine-based resin as the electrode base material because it can prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered by water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxy vinyl ether, and fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylene propylene), polychlorotrifluoroethylene or copolymers thereof can be used.

본 발명의 촉매층에서 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, Rh 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 중에서 선택되는 1종 이상의 촉매를 사용할 수 있다. 이와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극은 동일한 물질을 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극 촉매로는 보다 바람직하다. 구체적인 예로는Pt, 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, Pt/Ru/Sn/W 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.In the catalyst layer of the present invention, any catalyst that can be used as a catalyst may be used as a catalyst, and a platinum-based catalyst may be used as a catalyst. The platinum-based catalyst may be platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Transition metals selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh and mixtures thereof). As described above, the anode electrode and the cathode electrode may use the same material, but in order to prevent the catalyst poisoning caused by CO generated during the anode electrode reaction in the direct oxidation fuel cell, a platinum-ruthenium alloy catalyst is used as the anode. It is more preferable as an electrode catalyst. Specific examples include 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, Pt / Ru / Sn / W and mixtures thereof may be used.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다. In addition, such a metal catalyst may be used as the metal catalyst (black) itself, or may be supported on a carrier. As the carrier, carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs or activated carbon may be used, or alumina, silica, zirconia, Inorganic fine particles such as titania may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 촉매층은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바 인더 수지를 더 포함할 수도 있다. The catalyst layer may also further comprise a binder resin to improve adhesion of the catalyst layer and transfer of hydrogen ions.

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, 벤즈이미다졸계 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. It is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity as the binder resin, more preferably a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphonic acid group and derivatives thereof in the side chain. Any polymer resin which has can be used. Preferably, a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether One or more hydrogen ion conductive polymers selected from ether ketone polymers or polyphenylquinoxaline polymers, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene with fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole One containing at least one hydrogen ion conductive polymer selected from (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) may be used.

상기 수소 이온 전도성 고분자는 측쇄 말단의 이온 교환기에서 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.The hydrogen ion conductive polymer may replace H with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in an ion exchange group at the side chain end. In case of replacing H by Na in the ion-exchange group of the side chain terminal, NaOH is substituted in the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is used in the case of using tetrabutylammonium, and K, Li or Cs is also substituted with appropriate compounds. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

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.The binder resin may be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used with a nonconductive polymer for the purpose of further improving adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the usage-amount so that it may be suitable for a purpose of use.

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)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 보다 바람직하다.Examples of the nonconductive polymer include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkylvinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dode At least one selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid and sorbitol is more preferred.

상기 캐소드 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. 본 발명의 막-전극 어셈블리를 도 3에 개략적으로 나타내었다. 즉, 본 발명의 막-전극 어셈블리(50)는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극(52) 및 본 발명의 캐소드 전극(51)을 포함하고, 이 애노드 전극(52) 및 캐소드 전극(51) 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(55)을 포함한다. 상기 캐소드 전극(51)은 도 1 또는 도 2에 나타낸 구성을 갖으나, 본 도면에서는 간략하게 나타내었다.The membrane-electrode assembly of the present invention including the cathode electrode includes an anode electrode and a cathode electrode positioned to face each other, and includes a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode. The membrane-electrode assembly of the present invention is schematically shown in FIG. That is, the membrane-electrode assembly 50 of the present invention includes an anode electrode 52 and a cathode electrode 51 of the present invention positioned opposite each other, and between the anode electrode 52 and the cathode electrode 51. A polymer electrolyte membrane 55 is located. The cathode electrode 51 has the configuration shown in FIG. 1 or 2, but is briefly shown in this drawing.

상기 애노드 전극은 전극 기재 및 이 전극 기재에 형성된 촉매층을 포함한 다. 캐소드 전극의 촉매층에서 촉매로는 애노드 전극에서 설명한 촉매는 모두 사용할 수 있으므로 별도의 설명은 생략하기로 한다.The anode electrode includes an electrode substrate and a catalyst layer formed on the electrode substrate. Since the catalyst described in the anode electrode can be used as a catalyst in the catalyst layer of the cathode, a separate description will be omitted.

또한 상기 촉매층도 캐소드 전극과 동일하게 바인더 수지를 더 포함할 수 있으며, 사용되는 바인더 수지는 애노드 전극과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한 상기 전극 기재도 애노드 전극과 동일하므로 이에 대한 설명도 생략하기로 한다.In addition, the catalyst layer may further include a binder resin in the same manner as the cathode electrode, and since the binder resin used is the same as the anode electrode, a description thereof will be omitted. In addition, since the electrode substrate is the same as the anode electrode, description thereof will be omitted.

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. The polymer electrolyte membrane is generally used as a polymer electrolyte membrane in a fuel cell, and any one made of a polymer resin having hydrogen ion conductivity may be used. Representative examples thereof include a polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphoric acid groups, phosphonic acid groups and derivatives thereof in the side chain.

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. Representative examples of the polymer resin include a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer and a polyether ketone It may include at least one selected from a polymer, a polyether-etherketone-based polymer or a polyphenylquinoxaline-based polymer, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), Copolymers of tetrafluoroethylene with fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfided polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole or at least one selected from (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole).

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 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.In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, H may be substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium. In the hydrogen ion conductive group of the hydrogen ion conductive polymer, NaOH is substituted when H is replaced with Na, and tetrabutylammonium hydroxide is used when the substituent is substituted with tetrabutylammonium. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함한다. 본 발명의 연료 전지 시스템은 고분자 전해질형 연료 전지 시스템 및 직접 산화형 연료 전지 시스템에 모두 적용될 수 있다.The fuel cell system including the membrane-electrode assembly of the present invention includes at least one electricity generator, a fuel supply and an oxidant supply. The fuel cell system of the present invention can be applied to both a polymer electrolyte fuel cell system and a direct oxidation fuel cell system.

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.The electricity generating unit includes at least one membrane-electrode assembly and a separator (also referred to as a bipolar plate) of the present invention, and serves to generate electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant.

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.The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generator. In the present invention, the fuel may include hydrogen or hydrocarbon fuel in gas or liquid state. Representative examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제로는 산소 또는 공기를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 공기를 사용하 더라도, 전기 화학적 반응 속도가 감소되지 않는, 즉 향상된 전기 화학적 반응 속도를 나타내므로, 본 발명의 효과는 공기를 사용하는 경우 극대화될 수 있다. 따라서, 경제적인 공기를 산화제로 사용하는 것이 보다 바람직하다. The oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generator, and may use oxygen or air as the oxidant. In the present invention, even when using air, the rate of electrochemical reaction does not decrease, that is, shows an improved rate of electrochemical reaction, and therefore, the effect of the present invention can be maximized when using air. Therefore, it is more preferable to use economical air as the oxidizing agent.

본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 4에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 4에 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.A schematic structure of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. 4, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 4 shows a system for supplying fuel and oxidant to an electric generator using a pump, the fuel cell system of the present invention is not limited to such a structure, and a fuel cell using a diffusion method without using a pump is shown. Of course, it can also be used for system architecture.

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.The fuel cell system 1 of the present invention includes at least one electricity generation unit 3 for generating electrical energy through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant, a fuel supply unit 5 for supplying the fuel, And an oxidant supply unit 7 for supplying an oxidant to the electricity generation unit 3.

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.In addition, the fuel supply unit 5 for supplying the fuel may include a fuel tank 9 storing fuel and a fuel pump 11 connected to the fuel tank 9. The fuel pump 11 serves to discharge the fuel stored in the fuel tank 9 by a predetermined pumping force.

상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.The oxidant supply unit 7 for supplying the oxidant to the electricity generating unit 3 includes at least one oxidant pump 13 for sucking the oxidant with a predetermined pumping force.

이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실 시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred 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)

0.1M 농도의 질산 세륨 (Ce(NO3)3) 수용액과 0.1M 농도의 질산 지르코늄 (Zr(NO3)4) 수용액을 80 :20 중량%로 혼합한 용액에, 1M의 암모니아 수용액을 적가(dropping)하여, pH를 4~5를 유지하였다. 얻어진 혼합 용액을 1시간 동안 교반하고, 교반 용액을 여과하여 얻어진 여과물을 세척 및 건조하여 얻어진 공침전물을 세척 및 건조시키고, 건조 생성물을 600℃에서 3시간 동안 소성시켜 지르코늄이 도핑된 세리아(Ce0.8Zr0.2O2)를 제조하였다. 이때, 지르코늄의 도핑량은 세리아 중량에 대하여 20 중량%였다.1M aqueous ammonia solution was added dropwise to a solution obtained by mixing an aqueous solution of cerium nitrate (Ce (NO 3 ) 3 ) at 0.1 M concentration with an aqueous solution of zirconium nitrate (Zr (NO 3 ) 4 ) at 0.1 M concentration at 80: 20% by weight. dropping) to maintain a pH of 4-5. The resulting mixed solution was stirred for 1 hour, the stirred solution was filtered and the resulting filtrate was washed and dried to wash and dry the co-precipitate obtained, and the dried product was calcined at 600 ° C. for 3 hours to produce zirconium-doped ceria (Ce 0.8 Zr 0.2 O 2 ) was prepared. At this time, the doping amount of zirconium was 20% by weight based on the weight of ceria.

탄소 분말, 폴리테트라플루오로에틸렌 바인더, 이소프로필알코올 용매 및 상기 제조한 지르코늄이 도핑된 세리아를 혼합하여, 산소 공급층 형성용 조성물을 제조하였다. 이때, 상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량은 탄소 분말 중량에 대하여 15 중량%로 하였다. 상기 탄소 분말, 바인더및 이소프로필알코올 용매의 혼합비율은 1 : 0.2 : 10 였다. 이 산소 공급층 형성용 조성물을 스크린 프린팅법을 이용하여 탄소 페이퍼 전극 기재 위에 고르게 도포하였다. A carbon powder, a polytetrafluoroethylene binder, an isopropyl alcohol solvent, and ceria doped with zirconium prepared above were mixed to prepare a composition for forming an oxygen supply layer. In this case, the amount of ceria doped with zirconium was set to 15% by weight based on the weight of the carbon powder. The mixing ratio of the carbon powder, the binder, and the isopropyl alcohol solvent was 1: 0.2: 10. The composition for forming an oxygen supply layer was evenly applied on the carbon paper electrode substrate by screen printing.

용매로 사용되었던 이소프로필알코올을 제거하고 첨가한 폴리테트라플루오로에틸렌 바인더가 탄소 분말간 바인더 역할을 충분히 하고 고르게 분산되게 하기 위하여, 상기 산소 공급층 조성물이 도포된 탄소 페이퍼 전극 기재를 350℃의 온도 및 질소 분위기에서 1시간 동안 열처리를 하였다.In order to remove the isopropyl alcohol used as the solvent and add the polytetrafluoroethylene binder to the carbon powder, the carbon paper electrode substrate coated with the oxygen supply layer composition was heated at a temperature of 350 ° C. And heat treatment for 1 hour in a nitrogen atmosphere.

제조된 산소 공급층이 형성된탄소 페이퍼에 5g의 Pt 블랙 캐소드촉매 및 10.0g의 10 중량% 나피온/H2O/2-프로판올 바인더를 혼합하여 제조된캐소드 촉매층 조성물을 도포하여, 캐소드 전극을 제조하였다.A cathode electrode was prepared by applying a cathode catalyst layer composition prepared by mixing 5 g of Pt black cathode catalyst and 10.0 g of 10 wt% Nafion / H 2 O / 2-propanol binder to carbon paper on which the oxygen supply layer was formed. It was.

(실시예 2)(Example 2)

상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량을 탄소 분말 중량에 대하여 5 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same method as in Example 1 was performed except that the amount of ceria doped with zirconium was changed to 5 wt% based on the weight of the carbon powder.

(실시예 3)(Example 3)

상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량을 탄소 분말 중량에 대하여 30 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.Except that the amount of ceria doped with zirconium was changed to 30% by weight based on the weight of the carbon powder was carried out in the same manner as in Example 1.

(실시예 4)(Example 4)

상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량을 탄소 분말 중량에 대하여 8 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same method as in Example 1 was carried out except that the amount of ceria doped with zirconium was changed to 8 wt% based on the weight of the carbon powder.

(실시예 5)(Example 5)

상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량을 탄소 분말 중량에 대하여 10 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.Except that the amount of ceria doped with zirconium was changed to 10% by weight based on the weight of the carbon powder was carried out in the same manner as in Example 1.

(실시예 6)(Example 6)

상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량을 탄소 분말 중량에 대하여 20 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.The same method as in Example 1 was carried out except that the amount of ceria doped with zirconium was changed to 20% by weight based on the weight of the carbon powder.

(실시예 7)(Example 7)

상기 지르코늄이 도핑된 세리아의 사용량을 탄소 분말 중량에 대하여 25 중량%로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.Except that the amount of the ceria doped with zirconium was changed to 25% by weight based on the weight of the carbon powder was carried out in the same manner as in Example 1.

(실시예 8)(Example 8)

지르코늄이 도핑된 세리아 대신 지르코늄이 도핑되지 않은 세리아를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.Except for using ceria doped with zirconium, instead of ceria doped with zirconium, the same procedure as in Example 1 was carried out.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

탄소 분말, 폴리테트라플루오로에틸렌 바인더 및 이소프로필 알코올을 1 : 0.2 : 10 중량비로 혼합하여 미세 기공층 형성용 조성물을 제조하고, 이 미세 기공층 형성용 조성물을 스크린 프린팅법을 이용하여 탄소 페이퍼 위에 고르게 도포하였다. 용매로 사용되었던 이소프로필 알코올을 제거하고 첨가한 폴리테트라플루오로에틸렌이 탄소 분말간 바인더 역할을 충분히 하고 고르게 분산되게 하기 위하여, 미세 기공층 형성 조성물이 도포된 탄소 페이퍼를 350℃, 질소 분위기에서 1시간 동안 열처리를 하였다.Carbon powder, polytetrafluoroethylene binder and isopropyl alcohol were mixed at a weight ratio of 1: 0.2: 10 to prepare a composition for forming a microporous layer, and the composition for forming a microporous layer was formed on a carbon paper by screen printing. Apply evenly. In order to remove the isopropyl alcohol used as a solvent and add polytetrafluoroethylene as a binder between the carbon powders sufficiently and evenly, the carbon paper coated with the microporous layer-forming composition was applied at 350 ° C. in a nitrogen atmosphere. Heat treatment was performed for a time.

미세 기공층이 형성된 탄소 페이퍼에 실시예 1에서 사용한 촉매층 조성물을 도포하여, 캐소드 전극을 제조하였다.The catalyst layer composition used in Example 1 was apply | coated to the carbon paper in which the microporous layer was formed, and the cathode electrode was manufactured.

상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 캐소드 전극과 Pt-Ru 애노드 전극을 이용하여 연료 전지를 제조하였다. 이 연료 전지에 메탄올 연료 및 공기 산화제를 공급하면서, 연료 전지의 전류 밀도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.A fuel cell was manufactured using the cathode electrode and the Pt-Ru anode electrode prepared according to Example 1 and Comparative Example 1. While supplying methanol fuel and air oxidant to this fuel cell, the current density of the fuel cell was measured and the results are shown in Table 1 below.

전류밀도(mA/cm2)@0.6VCurrent density (mA / cm 2 ) @ 0.6V 실시예 1Example 1 810810 비교예 1Comparative Example 1 690690

상기 표 1에 나타낸 것과 같이, 실시예 1의 미세 기공층이 형성된 캐소드 전극을 사용한 연료 전지는 비교예 1에 비하여 산화제로 공기를 사용하더라도, 매우 높은 전류 밀도를 나타냄을 알 수 있다. 아울러, 상기 실시예 2 내지 8의 미세 기공층이 형성된 캐소드 전극을 사용한 연료 전지의 전류 밀도를 측정한 결과 실시예 1과 유사한 높은 전류 밀도를 나타내는 것으로 나타났다.As shown in Table 1, it can be seen that the fuel cell using the cathode electrode having the fine pore layer of Example 1 exhibits a very high current density even when air is used as the oxidant as compared to Comparative Example 1. In addition, as a result of measuring the current density of the fuel cell using the cathode electrode in which the microporous layers of Examples 2 to 8 were formed, it was found to exhibit a high current density similar to that of Example 1.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.All simple modifications or changes of the present invention can be easily carried out by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be seen to be included in the scope of the present invention.

본 발명의 캐소드 전극은 산소 공급층을 포함하므로, 산화제로 공기를 사용하더라도 산소 공급이 원활하여 전기화학적 반응 속도를 향상시킬 수 있어, 경제적이면서도 우수한 성능을 나타내는 연료 전지를 제공할 수 있다.Since the cathode electrode of the present invention includes an oxygen supply layer, even if air is used as the oxidant, the oxygen supply is smooth and the electrochemical reaction rate can be improved, thereby providing a fuel cell having economical and excellent performance.

Claims (12)

전극 기재;Electrode substrates; 상기 전극 기재에 형성된 산소 공급층; 및An oxygen supply layer formed on the electrode substrate; And 상기 산소 공급층에 형성된 촉매층Catalyst layer formed in the oxygen supply layer 을 포함하는 연료 전지용 캐소드 전극.Cathode electrode for a fuel cell comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 산소 공급층은 금속 산화물을 포함하는 것인 연료 전지용 캐소드 전극.And the oxygen supply layer comprises a metal oxide. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 금속 산화물은 세리아(CeO2), 도펀트가 도핑된 세리아 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 캐소드 전극.Wherein the metal oxide is selected from the group consisting of ceria (CeO 2 ), dopant-doped ceria and combinations thereof. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 금속 산화물의 함량은 상기 도전성 물질 중량에 대하여 5 내지 30 중량%인 연료 전지용 캐소드 전극.The content of the metal oxide is 5 to 30% by weight based on the weight of the conductive material cathode electrode for fuel cells. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 금속 산화물의 함량은 상기 도전성 물질 중량에 대하여 8 내지 15 중량%인 연료 전지용 캐소드 전극.The content of the metal oxide is 8 to 15% by weight of the cathode electrode for a fuel cell based on the weight of the conductive material. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 산소 공급층은 도전성 물질을 포함하는 것인 연료 전지용 캐소드 전극.And the oxygen supply layer comprises a conductive material. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 도전성 물질은 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 파이버, 플러렌(fullerene), 카본 나노 튜브, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn), 카본 나노 링(carbon nano ring) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 캐소드 전극.The conductive material may be carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, carbon nano-horn, carbon nano ring And a combination thereof and a cathode for a fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 산소 공급층은 도전성 물질과 금속 산화물을 포함하는 단일층인 연료 전지용 캐소드 전극.And the oxygen supply layer is a single layer comprising a conductive material and a metal oxide. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 산소 공급층은 The oxygen supply layer 상기 전극 기재에 형성되고, 도전성 물질을 포함하는 도전층; 및 A conductive layer formed on the electrode substrate and including a conductive material; And 상기 도전층에 형성된 금속 산화물층A metal oxide layer formed on the conductive layer 을 포함하는 이중층인 연료 전지용 캐소드 전극.The cathode electrode for a fuel cell comprising a double layer. 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극; 및An anode electrode and a cathode electrode located opposite each other; And 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질 막A polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode 을 포함하고,Including, 상기 캐소드 전극은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전극인The cathode is the electrode of any one of claims 1 to 9. 연료 전지용 막-전극 어셈블리.Membrane-electrode assembly for fuel cell. 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;And at least one membrane-electrode assembly and a separator comprising an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode electrode and the cathode electrode, wherein the membrane comprises an electrode reaction and a reduction reaction of the oxidant. At least one electricity generating unit for generating electricity through; 상기 전기 발생부로 연료를 공급하는 연료 공급부; 및A fuel supply unit supplying fuel to the electricity generation unit; And 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부Oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit 를 포함하는 연료 전지 시스템으로서,A fuel cell system comprising: 상기 캐소드 전극은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 전극인 연료 전지 시스템.10. The fuel cell system of claim 1, wherein the cathode is the electrode of any one of claims 1-9. 제11항에 있어서,The method of claim 11, 상기 산화제는 공기인 연료 전지 시스템.And the oxidant is air.
KR1020060099418A 2006-10-12 2006-10-12 Cathod for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and fuel cell system comprising same KR20080032962A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060099418A KR20080032962A (en) 2006-10-12 2006-10-12 Cathod for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and fuel cell system comprising same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060099418A KR20080032962A (en) 2006-10-12 2006-10-12 Cathod for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and fuel cell system comprising same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20080032962A true KR20080032962A (en) 2008-04-16

Family

ID=39573303

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060099418A KR20080032962A (en) 2006-10-12 2006-10-12 Cathod for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and fuel cell system comprising same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20080032962A (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190021548A (en) 2017-08-23 2019-03-06 (주)엘켐텍 Electrode catalyst layer of web structure, membrane electrode assembly for electrochemical cell using the same, and manufacturing method
KR20190040678A (en) 2017-10-11 2019-04-19 (주)엘켐텍 Pressure pad with anti-corrosion coating layer using metal foam, electrochemical reaction chamber frame, and electrochemical cell and electrochemical stack having the same
KR20200052752A (en) 2018-11-07 2020-05-15 (주)엘켐텍 Long Life Membrane Electrode Assembly and the Electrochemical Cell using Membrane Electrode Assembly
KR20200052757A (en) 2018-11-07 2020-05-15 (주)엘켐텍 Electrochemical Stack
KR20200052756A (en) 2018-11-07 2020-05-15 (주)엘켐텍 Water Electrolysis System Having High Safety System
KR20220095058A (en) 2020-12-29 2022-07-06 (주)엘켐텍 Hydrogen purification apparatus in hydrogen generating system using water electrolysis

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190021548A (en) 2017-08-23 2019-03-06 (주)엘켐텍 Electrode catalyst layer of web structure, membrane electrode assembly for electrochemical cell using the same, and manufacturing method
KR20190040678A (en) 2017-10-11 2019-04-19 (주)엘켐텍 Pressure pad with anti-corrosion coating layer using metal foam, electrochemical reaction chamber frame, and electrochemical cell and electrochemical stack having the same
KR20200052752A (en) 2018-11-07 2020-05-15 (주)엘켐텍 Long Life Membrane Electrode Assembly and the Electrochemical Cell using Membrane Electrode Assembly
KR20200052757A (en) 2018-11-07 2020-05-15 (주)엘켐텍 Electrochemical Stack
KR20200052756A (en) 2018-11-07 2020-05-15 (주)엘켐텍 Water Electrolysis System Having High Safety System
KR20220095058A (en) 2020-12-29 2022-07-06 (주)엘켐텍 Hydrogen purification apparatus in hydrogen generating system using water electrolysis

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100658688B1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR100728182B1 (en) Cathode catalyst for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and system for fuel cell comprising same
KR101223630B1 (en) Catalyst for cathode of fuel cell, method of preparing same, membrane-electrode assembly and fuel cell comprising same
KR20070098135A (en) Anode for fuel cell and, membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising same
KR100953617B1 (en) Electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and fuel cell system comprising same
KR20140003309A (en) Supporter for fuel cell, method of preparing same, and electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for a fule cell and fuel cell system including same
KR20070114494A (en) Catalyst for cathode of fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same
KR20070098136A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR20080032962A (en) Cathod for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and fuel cell system comprising same
KR101309159B1 (en) Cathode catalyst for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same and fuel cell system comprising same
KR101093703B1 (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell system and manufacturing method thereof
KR20070099120A (en) Anode for fuel cell and, membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising same
KR100976453B1 (en) Anode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising the same, and fuel cell system comprising the same
KR100959117B1 (en) Electrode for fuel cell and fuel cell system including same
KR100749497B1 (en) Catalyst for anode of fuel cell and membrane-electrode assembly for fuel cell
KR20090055304A (en) Membrane electrode assembly for fuel cell, method for preparing same, and fuel cell system inclulding same
KR20080047765A (en) Membrane electrode assembly for fuel cell, preparing method for same, and fuel cell system comprising same
KR20080045461A (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell, membrane-electrode assembly comprising for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR100778437B1 (en) Cathode catalyst for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same and fuel cell system comprising same
KR20070099935A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR100759435B1 (en) Catalyst for fuel cell and membrane-electrode assembly for fuel cell
KR20080013101A (en) Electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR20080041846A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, method of preparing same and fuel cell system comprising same
KR20070105701A (en) Cathode catalyst for fuel cell, and membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR20070099121A (en) Anode for fuel cell and, membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising same

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Withdrawal due to no request for examination