KR20080041844A - Membrane-electrode assembly for fuel cell, method of producing same, and fuel cell system comprising same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.1 is a view schematically showing the structure of a fuel cell system of the present invention.
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촉매 사용량을 감소시킬 수 있어 경제적이고, 또한 간단하게 제조할 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell membrane-electrode assembly, a method for manufacturing the same, and a fuel cell system including the same. More particularly, the fuel cell membrane-electrode can be manufactured economically and simply by reducing the amount of catalyst used. An assembly, a method of manufacturing the same, and a fuel cell system including 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.
연료 전지 시스템의 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 system 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 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 출력 밀도 및 에너지 전환 효율이 높고, 상온에서 작동이 가능하며 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신 장비의 휴대용 전원, 군사용 장비 등의 분야에 폭넓게 사용이 가능하다.The polymer electrolyte fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has high power density and energy conversion efficiency, can be operated at room temperature, and can be miniaturized and encapsulated. It can be widely used in fields such as portable power supply and military equipment.
상기 고분자 전해질형 연료 전지는 에너지 밀도가 크다는 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, but requires attention to handling hydrogen gas and a unit such as a fuel reformer for reforming methane, methanol, natural gas, etc. to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem requiring equipment.
이에 반해 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지에 비해 에너지 밀도는 낮으나 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮아, 상온에서 운전이 가능하며, 특히 연료 개질 장치를 필요하지 않는다는 특성에 기인하여, 소형 및 범용 이동용 전원으로서 적합한 시스템으로 인정되고 있다. 또한 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 새로운 휴대전원으로 주목받고 있다.In contrast, the direct oxidation fuel cell has a lower energy density than the polymer electrolyte fuel cell, but is easy to handle in a liquid state and has a low operating temperature, and thus can be operated at room temperature. As a result, it is recognized as a system suitable as a compact and general-purpose mobile power supply. In addition, the stack configuration by stacking unit cells has the advantage that can produce a wide range of output, it is attracting attention as a new portable power source because it shows an energy density of 4-10 times compared to a small lithium battery.
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 "산화전극"이라 한다)과 캐소드 전극(일명, "공기극" 또는 "환원 전극"이라고 한다)이 접착된 구조를 가진다.In such fuel cell systems, the stack that substantially generates electricity may comprise several to several unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also known as a bipolar plate). It has a structure stacked in dozens. The membrane-electrode assembly is called an anode electrode (also called "fuel electrode" or "oxide electrode") and a cathode electrode (also called "air electrode" or "reduction electrode") with a polymer electrolyte membrane including a hydrogen ion conductive polymer therebetween. Has a bonded structure.
본 발명의 목적은 촉매 사용량을 감소시킬 수 있어 경제적인 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an economical fuel cell membrane-electrode assembly that can reduce the amount of catalyst used.
본 발명의 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 간단하게 제조할 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, which can easily manufacture the membrane-electrode assembly.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a fuel cell system comprising the membrane-electrode assembly.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고분자 전해질 막 및 이 고분자 전해질 막 양면에 형성되어 있고, 촉매층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. 상기 촉매층은 촉매, 바인더 및 이온성 액체(ionic liquid)를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a polymer electrolyte membrane and a fuel cell membrane-electrode assembly including an anode electrode and a cathode electrode formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane and including a catalyst layer. The catalyst layer comprises a catalyst, a binder and an ionic liquid.
본 발명은 또한 다공성 이형 필름에 촉매, 바인더, 증점제, 이온성 액체 및 용매를 포함하는 촉매 조성물을 코팅하고, 촉매 조성물이 코팅된 다공성 이형 필름 의 일면에 고분자 전해질 막을 위치시킨 후, 열간 압연하여 촉매, 바인더 및 이온성 액체를 포함하는 촉매층을 고분자 전해질 막에 전사시키고, 상기 다공성 이형 필름을 고분자 전해질 막에 전사된 촉매층으로부터 제거하는 공정을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 방법을 제공한다.The present invention also coats a catalyst composition comprising a catalyst, a binder, a thickener, an ionic liquid and a solvent on a porous release film, places a polymer electrolyte membrane on one side of the porous release film coated with the catalyst composition, and then hot rolls the catalyst. And transferring the catalyst layer including the binder and the ionic liquid to the polymer electrolyte membrane and removing the porous release film from the catalyst layer transferred to the polymer electrolyte membrane.
본 발명은 또한 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 산화제 공급부를 포함하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 상기 전기 발생부는 본 발명의 막-전극 어셈블리를 적어도 하나 포함하고, 세퍼레이터를 포함하며, 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 생성시키는 역할을 한다. 상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다.The invention also provides a fuel cell system comprising at least one electricity generator, a fuel supply and an oxidant supply. The electricity generating unit includes at least one membrane-electrode assembly of the present invention, includes a separator, and serves to generate electricity through an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant. The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant to the electricity generation unit.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 촉매 사용량을 감소시킬 수 있고, 경제적으로 제조할 수 있는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell which can reduce the amount of catalyst used and can be manufactured economically.
본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 고분자 전해질 막 및 이 고분자 전해질 막 양면에 형성되어 있고, 촉매층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 제공한다. 상기 촉매층은 촉매, 바인더 및 이온성 액체(ionic liquid)를 포함한다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention is provided on both sides of a polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane, and provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell including an anode electrode and a cathode electrode including a catalyst layer. The catalyst layer comprises a catalyst, a binder and an ionic liquid.
상기 이온성 액체는 액체 상태로 존재하는 것이므로, 본 발명의 막-전극 어셈블리를 장기간 보존하여도 지나치게 건조되는 것을 방지할 수 있으며, 또한 이 막-전극 어셈블리를 이용하여 연료 전지 시스템을 제조하는 경우 사용과정에서 고 분자 전해질 막이 작동하게 하기 위해서 별도로 가습 조건을 부여하기 위한 활성화 공정(activation)을 실시할 필요가 없다. 따라서 사용상에서도 간단한 잇점이 있다.Since the ionic liquid is present in a liquid state, it is possible to prevent excessive drying even when the membrane-electrode assembly of the present invention is stored for a long time, and also used when manufacturing a fuel cell system using the membrane-electrode assembly. In order for the high molecular electrolyte membrane to work in the process, it is not necessary to perform an activation process for imparting humidification conditions separately. Therefore, there is a simple advantage in use.
상기 이온성 액체는 유기 양이온 및 이 유기 양이온과 결합하는 음이온을 포함한다.The ionic liquid includes an organic cation and an anion that binds to the organic cation.
상기 유기 양이온으로는 헤테로 고리 화합물의 양이온이 바람직하다. 헤테로 고리 화합물의 헤테로 원자는 N, O, S 또는 이들의 조합에서 선택되며 헤테로 원자의 수는 1 내지 4개가 바람직하며, 1 내지 2개가 더 바람직하다. 이러한 헤테로 고리 화합물의 양이온으로는 피리디늄(Pyridinium), 피리다지늄(Pyridazinium), 피리미디늄(Pyrimidinium), 피라지늄(Pyrazinium), 이미다졸륨(Imidazolium), 피라졸륨(Pyrazolium), 티아졸륨(Thiazolium), 옥사졸륨(Oxazolium), 및 트리아졸륨(Triazolium)으로 이루어진 군에서 선택되는 화합물 또는 이들의 치환된 화합물의 양이온을 들 수 있다.As said organic cation, the cation of a heterocyclic compound is preferable. The hetero atom of the heterocyclic compound is selected from N, O, S or a combination thereof, and the number of hetero atoms is preferably 1 to 4, more preferably 1 to 2 atoms. Cations of such heterocyclic compounds include pyrididinium, pyrididazinium, pyrimidinium, pyrazinium, imidazolium, pyrazolium, thiazolium Cations of a compound selected from the group consisting of Thiazolium, Oxazolium, and Triazolium, or substituted compounds thereof.
상기 이온성 액체는 유기 양이온에 결합되는 음이온을 더 포함할 수 있다. The ionic liquid may further comprise an anion bound to an organic cation.
상기 음이온은 100Å3 이상의 반데르발스 부피를 갖는 다가 음이온을 포함하는 비루이스산이 바람직하다. 이러한 음이온의 반데르 발스 부피가 클수록 분자의 격자 에너지(lattice energy)가 감소하여 이온전도도가 우수하다. The anion is preferably a non-Lewis acid containing a polyvalent anion having a van der Waals volume of 100Å 3 or more. The larger the van der Waals volume of the anion, the lower the lattice energy of the molecule and the better the ion conductivity.
보다 바람직하게는 상기 이온성 액체는 하기 화학식 1 내지 9의 구조식을 갖는 군에서 선택되는 것이다.More preferably, the ionic liquid is selected from the group having the structural formulas of the following Chemical Formulas 1-9.
[화학식 1][Formula 1]
[화학식 2][Formula 2]
[화학식 3][Formula 3]
[화학식 4][Formula 4]
[화학식 5][Formula 5]
[화학식 6][Formula 6]
[화학식 7][Formula 7]
[화학식 8][Formula 8]
[화학식 9][Formula 9]
상기 화학식 1 내지 9에 있어서, R1, R2, R3, R4, R5, 및 R6는 H, 할로겐, 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기이거나, 또는 서로 결합하여 N을 둘러싸는 링 구조를 형성하는 탄소수 2 내지 4의 알킬렌, 라디칼을 구성하는 것이거나 분리 페닐기를 구성하는 것이고, 그리고, 상기 알킬기, 알킬렌 라디칼 또는 페닐기는 F-, Cl-, CF3 -, SF5 -, CF3S-, (CF3)2CHS- 및 (CF3)3CS-로 이루어진 군에서 선택되는 전자 끌기(electron-withdrawing) 기로 치환할 수 있고, 그리고 X-는 100Å3을 넘는 반데르발스 부피를 갖는 다가 음이온을 포함하는 비루이스산이다. In
보다 더 바람직하게는 상기 X-는 CF3CO2 -, CF3SO3 -, BF4 -, PF6 -, -O-(SO2R), -N-(SOR)2, -C-(SO2R)3, BR4 -, PR6 -, 비스(퍼플루오로에틸설포닐)이미드(N(C2F5SO2)2 -, Beti), 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드)(N(CF3SO2)2 -, Im), 트리스(트리플루오로메틸설포닐메타이드)(C(CF3SO2)2 -, Me), 트리플루오로메탄설폰이미드, 트리플루오 로메틸설폰이미드, 트리플루오로메틸설포네이트, AsF6 -, ClO4 -, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되며, 상기 R은 수소, 탄소수1 내지 12의 알킬기, 히드록시기, 탄소수 1 내지 6의 알콕시기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다. Wherein X is more preferably - is CF 3 CO 2 -, CF 3 SO 3 -, BF 4 -, PF 6 -, - O- (SO 2 R), - N- (SOR) 2, - C- ( SO 2 R) 3, BR 4 -, PR 6 -, bis (perfluoroethyl sulfonyl) imide (N (C 2 F 5 SO 2) 2 -, Beti), methyl-sulfonyl-bis (trifluoromethyl) Imide) (N (CF 3 SO 2 ) 2 − , Im), tris (trifluoromethylsulfonylmethide) (C (CF 3 SO 2 ) 2 − , Me), trifluoromethanesulfonimide, trifluoromethoxy naphthyl sulfonimide, methyl sulfonate, trifluoromethyl, AsF 6 -, ClO 4 - , and is selected from the group consisting of, wherein R is hydrogen, an alkyl group, a hydroxyl group having 1 to 12 carbon atoms, having a carbon number of 1 It is selected from the group consisting of alkoxy groups of 6 to 6 and combinations thereof.
본 발명에 있어서, 상기 이온성 액체는 전극 전체 중량에 20 내지 50 중량%로 포함되는 것이 바람직하고, 30 내지 40 중량%로 포함되는 것이 더욱 바람직하다. 상기 이온성 액체의 중량이 20 중량% 미만인 경우에는 양이 너무 작아서 촉매층이 완전 건조 상태가 되어, 촉매층이 깨질수 있어 바람직하지 않고, 50 중량%를 초과하는 경우에는 너무 과량이라 촉매층이 증발될 우려가 있어 바람직하지 않다.In the present invention, the ionic liquid is preferably included in 20 to 50% by weight, more preferably 30 to 40% by weight in the total weight of the electrode. If the weight of the ionic liquid is less than 20% by weight, the amount is so small that the catalyst layer becomes completely dry, which is undesirable because the catalyst layer may be broken. If the amount of the ionic liquid exceeds 50% by weight, the catalyst layer may be excessively evaporated. It is not desirable to have.
상기 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(Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 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.As the catalyst, any one that can be used as a catalyst may participate in the reaction of the fuel cell, and as a representative example, a platinum-based catalyst may be used. The platinum-based catalyst may be platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy or platinum-M alloy (Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru and a transition metal selected from the group consisting of a combination thereof) can be used one or more catalysts selected from. 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 One or more selected from the group consisting of / Mo, Pt / Ru / V, Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, and Pt / Ru / Sn / W can be used.
또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체 에 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. 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.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. 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.
본 발명의 전극에서 촉매의 로딩량은 2 내지 4mg/cm2로서, 전지 출력의 저하를 발생시키지 않고, 종래 약 6 내지 8mg/cm2 보다 작게 할 수 있어, 고가의 촉매 사용량을 감소시킬 수 있어 경제적이다.The loading amount of the catalyst in the electrode of the present invention is 2 to 4 mg / cm 2 , can be made less than about 6 to 8 mg / cm 2 conventionally, without causing a decrease in battery output, it can reduce the amount of expensive catalyst used It is economical.
또한, 상기 바인더로는 퍼플루오로설포네이트 등과 같은 플루오로계 고분자, 폴리아미드계 고분자, 폴리에테르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤게 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 등과 같은 수소 이온 전도성 고분자를 1종 이상 사용할 수 있다. 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, 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.The binder may be a fluoro-based polymer such as perfluorosulfonate, a polyamide-based polymer, a polyether-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, or a polyphenylene sulfide-based polymer. At least one hydrogen ion conductive polymer such as a polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether ether ketone crab polymer or a polyphenylquinoxaline polymer may be used. 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 with Na in the side chain terminal ion exchanger, NaOH is substituted for the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is substituted for tetrabutylammonium, and K, Li or Cs may be 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 바인더는 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 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, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene), 클로로트리플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체, 폴리비닐리덴플루오라이드, 및 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머, 도데실벤젠술폰산, 소르비톨(Sorbitol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 사용할 수 있다.The non-conductive polymer may be polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer ethylene / tetrafluoroethylene, chloro Copolymers of trifluoroethylene-ethylene copolymer, polyvinylidene fluoride, and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene, dodecylbenzenesulfonic acid, sorbitol, and combinations thereof. Can be.
아울러, 상기 촉매층의 일면에는 연료 전지의 애노드 및 캐소드 전극에서 일반적으로 사용되는 전극 기재가 위치한다. In addition, an electrode substrate generally used in the anode and cathode electrodes of the fuel cell is located on one surface of the catalyst layer.
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. A conductive substrate is used as the electrode substrate, and representative examples thereof include carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth (porous film or polymer composed of metal cloth in a fibrous state). It means that the metal film is formed on the surface of the cloth formed of fibers) 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 또는 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.
또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 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. In addition, a microporous layer may be further included to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring.
또한, 상기 전극 기재에서의 반응물 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. In addition, a microporous layer may be further included to enhance the reactant diffusion effect in the electrode substrate. These microporous layers are generally conductive powders having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, fullerene, carbon nanotubes, carbon nanowires, and carbon nanohorns. -horn or carbon nano ring.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 상기 전극 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드, 알콕시비닐 에테르, 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트 또는 이들의 코폴리머 등이 바람직하게 사용될 수 있다. 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 microporous layer is prepared by coating a composition comprising a conductive powder, a binder resin and a solvent on the electrode substrate. The binder resin 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. 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.
본 발명의 막-전극 어셈블리에서 고분자 전해질 막으로는 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. In the membrane-electrode assembly of the present invention, a 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, 폴 리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있고, 더 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산)(일반적으로 나피온으로 시판됨), 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 one or more selected from a polymer, a polyether-ether ketone-based polymer or a polyphenylquinoxaline-based polymer, more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally marketed as Nafion), Poly (perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) Or at least one selected from -5,5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) or poly (2,5-benzimidazole) Can be.
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, 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 case of replacing H with Na in the side chain terminal ion exchanger, NaOH is substituted for the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is substituted for tetrabutylammonium, and K, Li or Cs may be 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.
이러한 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 다음과 같은 공정으로 제조된다.The membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention is manufactured by the following process.
이형 필름에 촉매 조성물을 코팅하여 촉매층을 형성한다. 상기 이형 필름은 촉매와 반응하지 않는 폴리머로 구성된 것이 바람직하며, 그 예로 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 또는 폴리에스테르(polyester) 등을 들 수 있다.The catalyst composition is coated on the release film to form a catalyst layer. The release film is preferably composed of a polymer that does not react with the catalyst, for example, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate terephthalate) or polyesters.
상기 촉매 조성물은 촉매, 바인더, 이온성 액체 및 증점제를 포함한다. 이때 이온성 액체가 용매로서의 역할도 할 수 있으므로 별도로 용매를 사용하지 않아도 무방하며, 물론 용매를 더욱 사용할 수도 있다. 이 촉매 조성물에서 촉매, 바인더, 이온성 액체 및 증점제의 함량은 촉매 100 중량부에 대하여 바인더 10 내지 25 중량부, 증점제 75 내지 150 중량부 및 이온성 액체 20 내지 50 중량부를 사용하는 것이 바람직하며, 바인더 10 내지 20 중량부, 이온성 액체 30 내지 40 중량부 및 증점제 70 내지 140 중량부가 더욱 바람직하다. 이때 용매를 사용하는 경우 촉매와 동일양을 사용하는 것이 적당하다. 촉매 조성물의 조성이 상기 범위인 경우 막-전극 어셈블리를 제조한 후, 촉매층 내 촉매, 바인더, 이온성 액체, 및 수분이 삼상 계면이 원활하게 형성될 수 있으므로 바람직하고, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 촉매층의 전기 저항, 이온 저항 또는 물질 전달 저항 중 한 성분이 과도하게 증가하므로 바람직하지 않다. The catalyst composition comprises a catalyst, a binder, an ionic liquid and a thickener. At this time, since the ionic liquid may also serve as a solvent, a solvent may be used separately, and of course, a solvent may be further used. In the catalyst composition, the content of the catalyst, the binder, the ionic liquid and the thickener is preferably 10 to 25 parts by weight of the binder, 75 to 150 parts by weight of the thickener and 20 to 50 parts by weight of the ionic liquid, based on 100 parts by weight of the catalyst, More preferred are 10 to 20 parts by weight of the binder, 30 to 40 parts by weight of the ionic liquid and 70 to 140 parts by weight of the thickener. In this case, when using a solvent, it is appropriate to use the same amount as the catalyst. When the composition of the catalyst composition is in the above range, after the membrane-electrode assembly is manufactured, the catalyst, the binder, the ionic liquid, and the moisture in the catalyst layer may be smoothly formed in the three-phase interface. It is not desirable because one component of the electrical resistance, ionic resistance or mass transfer resistance increases excessively.
상기 촉매, 바인더 및 이온성 액체로는 상술한 바와 같다.The catalyst, binder and ionic liquid are as described above.
상기 증점제는 고분자 전해질 막에 직접 촉매층을 형성하는 경우 촉매층 형성용 조성물에 포함되는 용매가 고분자 전해질 막내로 침투하여 고분자 전해질 막을 팽윤시켜 막-전극 어셈블리의 구조적 안정성을 감소시키는 것을 방지하는 역할을 한다. 그러나, 증점제는 촉매층 내 잔류시 연료전지 구동에 따른 산화 환원 반응시 화학적으로 분해되어 촉매층의 이온 전도성 또는 전자 전도성을 저하시킬 우려가 있기 때문에, 최종 제조된 막-전극 어셈블리의 촉매층에 잔존하지 않도록 촉매층 형성 후 산 처리하여 제거하는 것이 바람직하다. When the thickener is formed directly on the polymer electrolyte membrane, the solvent included in the composition for forming the catalyst layer penetrates into the polymer electrolyte membrane and swells the polymer electrolyte membrane to prevent structural stability of the membrane-electrode assembly. However, since the thickener may be decomposed chemically during the redox reaction caused by the fuel cell operation when remaining in the catalyst layer, thereby decreasing the ion conductivity or the electron conductivity of the catalyst layer, the catalyst layer does not remain in the catalyst layer of the finally prepared membrane-electrode assembly. It is preferable to remove by acid treatment after formation.
상기 증점제로는 글리세롤, 디프로필렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜 등 글리콜 종류, 에틸셀룰로즈, 하이드록시프로필셀룰로즈, 메틸셀룰로즈, 카스터 오일 유도체(Castor oil derivative) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.As the thickener, glycol types such as glycerol, dipropylene glycol, diethylene glycol, ethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, methyl cellulose, castor oil derivatives, or a combination thereof may be used.
상기 용매로는 물, 메탄올, 에탄올, 이소프로필알콜과 같은 알콜, N-메틸피롤리돈, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 테트라하이드로퓨란, 아세톤 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.The solvent may be water, methanol, ethanol, alcohol such as isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, tetrahydrofuran, acetone or a combination thereof.
본 발명의 촉매층 조성물의 점도는 500 내지 7000cps가 바람직하고, 3000 내지 5000cps가 더욱 바람직하다. 촉매 조성물의 점도가 500cps보다 작으면 고밀도 백금 입자가 침강되는 문제가 있고, 7000cps보다 높으면 원래 형상이 유지되지 않아 바람직하지 않다.The viscosity of the catalyst layer composition of the present invention is preferably 500 to 7000 cps, more preferably 3000 to 5000 cps. If the viscosity of the catalyst composition is less than 500cps, there is a problem that the high-density platinum particles are settled, and if the viscosity of the catalyst composition is higher than 7000cps, the original shape is not maintained, which is not preferable.
이어서, 이형 필름에 형성된 촉매층에 고분자 전해질 막을 위치시킨다. 이때, 이온성 액체가 고분자 전해질 막으로 스며들게 되며, 이후 열간 압연하여 촉매층을 고분자 전해질 막에 전사시킨다.Next, the polymer electrolyte membrane is placed on the catalyst layer formed on the release film. At this time, the ionic liquid penetrates into the polymer electrolyte membrane and is then hot rolled to transfer the catalyst layer to the polymer electrolyte membrane.
상기 고분자 전해질 막으로는 상술한 바와 같다.The polymer electrolyte membrane is as described above.
상기 열간 압연하는 공정은 100 내지 150℃의 온도에서 실시하는 것이 바람직하며, 500 내지 1000 psi의 압력으로 실시하는 것이 바람직하다. 상기 열간 압연 공정을 100℃ 미만의 온도에서 실시하는 경우, 촉매층 및 고분자 전해질 막의 수소 이온 전도성 고분자가 서로 결착이 되지 않고, 150℃보다 높을 경우 열적 및 물리적 열화(thermal/ physical decomposition: 이온클러스터 영역이 너무 축소되어서 수분에 의해 다시 팽윤되지 않으므로 초기저항이 과도하게 높아짐) 가능성이 있어 바람직하지 않다. The hot rolling step is preferably carried out at a temperature of 100 to 150 ℃, preferably at a pressure of 500 to 1000 psi. When the hot rolling process is performed at a temperature below 100 ° C., the hydrogen ion conductive polymers of the catalyst layer and the polymer electrolyte membrane do not bind to each other, and when the temperature is higher than 150 ° C., thermal and physical decomposition (ion / cluster region) It is unfavorable because it may shrink so much that it will not swell again by moisture and the initial resistance may become excessively high.
아울러, 본 발명에 있어서, 촉매층 조성물의 바인더 및 고분자 전해질 막의 수소 이온 전도성 고분자에서 수소 이온 전도성 기의 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환한 것을 사용하는 경우, 열적 안정성이 향상되어 상기 열간 압연 공정을 200℃ 이상으로 실시하여도 이오노머 바인더 및 수소 이온 전도성 고분자가 열화되거나 또는 이에 따른 연료 전지의 수명이 감소될 우려가 없다. 또한 이러한 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환된 경우 이후 촉매층에 대한 산처리를 실시하여, 이 산처리로 인해 다시 프로톤형(H+-form) 고분자 전해질 막이 된다. In addition, in the present invention, thermal stability is improved when a binder of the catalyst layer composition and a hydrogen-conductive polymer of the polymer electrolyte membrane are substituted with H, Na, K, Li, Cs, or tetrabutylammonium in the hydrogen-ion conductive group. Therefore, even if the hot rolling process is performed at 200 ° C. or more, there is no fear that the ionomer binder and the hydrogen ion conductive polymer deteriorate or the life of the fuel cell is reduced accordingly. In addition, when substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium, the catalyst layer is then subjected to an acid treatment, which results in a proton type (H + -form) polymer electrolyte membrane.
또한 상기 열간 압연 공정에서 압력은 전기전도도, 이온전도도 및 반응물 이동(mass transport)의 최적 상태를 얻기 위해서 조절될 필요가 있는데, 압력이 500psi보다 높을 경우, 촉매층이 너무 치밀해져(compact) 반응물 이동에 저항이 생겨 연료와 산화제의 유입과 제거 측면에서 확산 저항(diffusion resistance)가 커지므로 바람직하지 않고, 압력이 1000psi보다 낮을 경우 전자 및 이온전도 저항이 높아질 수 있어 바람직하지 않다.In addition, in the hot rolling process, the pressure needs to be adjusted to obtain an optimum state of electrical conductivity, ion conductivity, and mass transport. When the pressure is higher than 500 psi, the catalyst layer becomes too compact to react with the reactant. It is not preferable because the resistance is increased and the diffusion resistance (diffusion resistance) in terms of the inflow and removal of the fuel and the oxidant is not preferable, and if the pressure is lower than 1000 psi, the electron and ion conduction resistance may be high.
상기 열간 압연 공정에서 용매가 모두 휘발되나, 이온성 액체는 일부 극소량만 휘발될 뿐 거의 액체 상태로 존재하게 된다. 결과적으로, 종래 이온성 액체를 사용하지 않고 막-전극 어셈블리를 제조하는 경우 공정이 복잡했던 문제를 해결할 수 있다.All of the solvent is volatilized in the hot rolling process, but only a very small amount of the ionic liquid volatilizes to be almost in a liquid state. As a result, when the membrane-electrode assembly is manufactured without using the conventional ionic liquid, the problem of complicated process can be solved.
종래 이온성 액체를 사용하지 않고 막-전극 어셈블리를 제조하는 경우, 열 압착 공정을 그대로 실시하면 열화가 일어나서 수소 이온 전도성 고분자(즉, 이오노머)를 열가소성 플라스틱(thermoplastic) 형태로 변화시킨 후, 열 압착 공정을 실시하고, 다시 열가소성 플라스틱 형태로 변화된 수소 이온 전도성 고분자를 화학적인 전환(chemical conversion)에 의해 수소 이온 전도성을 갖는 H+ 형태로 변환시키는 공정을 실시해야 했으므로 공정이 복잡한 문제가 있었다.In the case of manufacturing a membrane-electrode assembly without using a conventional ionic liquid, if the thermal compression process is performed as it is, deterioration occurs and the hydrogen ion conductive polymer (ie, ionomer) is transformed into a thermoplastic form, followed by thermocompression. Since the process was carried out and the process of converting the hydrogen ion conductive polymer changed into the thermoplastic form into H + form having hydrogen ion conductivity by chemical conversion, the process was complicated.
압착 공정이 완료되면, 고분자 전해질 막에 전사된 촉매층으로부터 상기 이형 필름을 제거한다. 이 공정에 따라 고분자 전해질 막의 일면에 촉매층이 접합된 생성물이 얻어지며, 고분자 전해질 막의 다른 일면에도 동일한 공정을 실시하면 고분자 전해질 막의 양면에 촉매층이 형성된 막-전극 어셈블리가 얻어진다.When the pressing process is completed, the release film is removed from the catalyst layer transferred to the polymer electrolyte membrane. According to this process, a product in which a catalyst layer is bonded to one surface of a polymer electrolyte membrane is obtained. When the same process is performed on the other surface of the polymer electrolyte membrane, a membrane-electrode assembly having catalyst layers formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane is obtained.
이어서, 이오노머 바인더 및 고분자 전해질 막으로, 수소 이온 전도성 기의 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환한 것을 사용하는 경우, 산처리를 실시하여 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄을 다시 프로톤형(H+-form)으로 치환한다. 상기 산 처리는 상기 막-전극 어셈블리를 80 내지 100℃에서 산으로 처리하고, 물로 세척하는 공정으로 실시할 수 있다. 상기 산으로는 황산이 대표적으로 사용되나 이에 한정되는 것은 아니며, 일반적으로는 약 1M 농도의 황산 수용액이 사용된다. Subsequently, in the case of using the ionomer binder and the polymer electrolyte membrane in which H of the hydrogen ion conductive group is substituted with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium, an acid treatment is performed to perform Na, K, Li, Cs or tetra Butyl ammonium is again replaced with a proton form (H + -form). The acid treatment may be performed by treating the membrane-electrode assembly with an acid at 80 to 100 ° C. and washing with water. Sulfuric acid is typically used as the acid, but is not limited thereto. Generally, an aqueous sulfuric acid solution having a concentration of about 1 M is used.
상기 구성을 갖는 본 발명의 막-전극 어셈블리는 전기 발생부에서 사용되며, 이를 포함하는 본 발명의 연료 전지 시스템은 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공 급부 및 산화제 공급부를 포함한다.The membrane-electrode assembly of the present invention having the above configuration is used in an electricity generating unit, and the fuel cell system of the present invention including the same includes at least one electricity generating unit, a fuel supply unit, and an oxidant supply unit.
상기 전기 발생부는 본 발명의 막-전극 어셈블리를 포함하며, 또한 세퍼레이터(바이폴라 플레이트라고도 함)를 포함한다. 상기 전기 발생부는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통하여 전기를 발생시키는 역할을 한다.The electricity generator includes the membrane-electrode assembly of the present invention and also includes a separator (also called a bipolar plate). The electricity generation unit serves to generate electricity through the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of the oxidant.
상기 연료 공급부는 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 산화제 공급부는 산소 또는 공기와 같은 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. 본 발명에서 연료로는 기체 또는 액체 상태의 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 천연 가스와 같은 탄화수소 연료를 의미한다. 물론, 수소를 사용할 수도 있다.The fuel supply unit serves to supply fuel to the electricity generation unit, and the oxidant supply unit serves to supply an oxidant such as oxygen or air to the electricity generation unit. In the present invention, the fuel refers to a hydrocarbon fuel such as methanol, ethanol, propanol, butanol, and natural gas in a gas or liquid state. Of course, hydrogen can also be used.
본 발명의 연료 전지 시스템의 개략적인 구조를 도 1에 나타내었으며, 이를 참조로 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1에 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. 1, which will be described in more detail with reference to the following. Although the structure shown in FIG. 1 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
또한 상기 연료를 공급하는 연료 공급부(5)는 연료를 저장하는 연료 탱 크(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
상기 전기 발생부(3)로 산화제를 공급하는 산화제 공급부(7)는 소정의 펌핑력으로 산화제를 흡입하는 적어도 하나의 산화제 펌프(13)를 구비한다.The
상기 전기 발생부(3)는 연료와 산화제를 산화 및 환원 반응시키는 막-전극 어셈블리(17)와 이 막-전극 어셈블리의 양측에 연료와 산화제를 공급하기 위한 세퍼레이터(19,19')로 구성되며, 이러한 전기 발생부(3)가 적어도 하나 모여 스택(15)을 구성한다. The
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 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)
각각 5.0g의 Pt-Ru 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 6000) 애노드 촉매 및 Pt 블랙(Johnson Matthey, HiSpec 100) 캐소드 촉매를 각각 5.0g의 탈이온수로 적신(wetting) 후 10.0g의 5 중량% 나피온/H2O/2-프로판올(Solution Technology Inc.), 0.5g의 1M 테트라부틸암모늄 하이드록사이드/메탄올(Aldrich) 및 양이온이 이미다졸륨이고, 음이온이 AsF6 - 인 이온성 액체를 첨가하여 6시간 동안 상온에서 기계적으로 교반하고, 디프로필렌 글리콜 10g을 첨가하여 6시간 동안 상온에서 기 계적으로 교반하여 애노드 촉매 슬러리 및 캐소드 촉매 슬러리를 각각 제조하였다. 이 공정에서 상기 나피온의 H이 테트라부틸암모늄으로 치환된 테트라부틸암모늄형 나피온으로 존재하게 된다.5.0 g Pt-Ru black (Johnson Matthey, HiSpec 6000) anode catalyst and Pt black (Johnson Matthey, HiSpec 100) cathode catalyst, respectively, were wetted with 5.0 g of deionized water, respectively, and then 10.0 g of 5% Nafion. / H 2 O / 2-propanol (Solution Technology Inc.), 0.5 g of 1M tetrabutylammonium hydroxide / methanol (Aldrich) and an ionic liquid with cation imidazolium and anion AsF 6 − Mechanical stirring at room temperature for 6 hours, and mechanically stirred at room temperature for 6 hours by adding 10 g of dipropylene glycol to prepare an anode catalyst slurry and a cathode catalyst slurry, respectively. In this process, H of the Nafion is present as tetrabutylammonium type Nafion substituted with tetrabutylammonium.
75㎛ 두께를 갖는 폴리테트라플루오로에틸렌 이형 필름에 상기 애노드 촉매 슬러리 및 캐소드 촉매 슬러리를 각각 5 X 5 cm2로 스크린 프린팅한 후, 50℃의 질소분위기에서 12시간 동안 건조하였다. 이 공정으로 상기 폴리테트라플루오로에틸렌 필름의 표면에 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층이 각각 형성되었다. 이때, 최종 촉매 로딩량은 각각 3mg/cm2로 조절하였다. The anode catalyst slurry and the cathode catalyst slurry were screen printed on a polytetrafluoroethylene release film having a thickness of 75 μm at 5 × 5 cm 2 , respectively, and then dried in a nitrogen atmosphere at 50 ° C. for 12 hours. In this process, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer were formed on the surface of the polytetrafluoroethylene film, respectively. At this time, the final catalyst loading was adjusted to 3mg / cm 2 respectively.
이어서, 상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층이 각각 형성된 폴리테트라플루오로에틸렌 필름의 촉매층 사이에 나트륨 폼 퍼플루오로설포네이트 고분자 전해질 막 (Na+-form Nafion 115)을 위치시킨 후, 130 ℃의 온도 및 750 psi의 압력으로 3분간 열간 압연하여, 상기 고분자 전해질 막과 상기 촉매층이 접합하도록 하였다. 이어서, 상기 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 이형필름을 제거한 후, 촉매 코팅된 고분자 전해질 막을 100℃의 1M 황산 수용액에서 1 시간 처리하여 퍼플루오로설포네이트를 프로톤-폼(H+-form)으로 치환하고, 100℃의 탈이온수에서 1 시간 처리하여 세척후 상온에서 건조하였다. Subsequently, a sodium foam perfluorosulfonate polymer electrolyte membrane (Na + -form Nafion 115) was placed between the catalyst layers of the polytetrafluoroethylene film having the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer formed thereon, and then the temperature of 130 ° C. and 750 psi. The film was hot rolled at a pressure of 3 minutes to bond the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer. Subsequently, after removing the porous polytetrafluoroethylene release film, the catalyst-coated polymer electrolyte membrane was treated in a 1M sulfuric acid solution at 100 ° C. for 1 hour to replace the perfluorosulfonate with proton-form (H + -form). After treatment for 1 hour in deionized water at 100 ℃, and dried at room temperature.
마지막으로 미세기공층이 형성된 상업용 전극 기재(gas diffusion layer, SGL Carbon, 31BC)를 촉매층 양면에 130 ℃의 온도 및 500 psi의 압력으로 결착시켜 고분자 전해질 막 양면에 애노드 전극 및 캐소드 전극이 각각 형성된 연료 전지 용 막-전극 어셈블리를 제조하였다. Finally, the gas diffusion layer (SGL Carbon, 31BC) on which the microporous layer is formed is bound to both the catalyst layer at a temperature of 130 ° C. and a pressure of 500 psi to form anode and cathode electrodes on both sides of the polymer electrolyte membrane. A membrane-electrode assembly for a battery was prepared.
상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 기체 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 세퍼레이터에 삽입하고 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.The fuel cell membrane-electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two separators having a predetermined gas flow channel and a cooling channel and pressed between copper end plates to manufacture a unit cell. It was.
상기 단위 전지를 70℃로 유지한 상태에서 1M 메탄올과 공기(ambient air)를 stoichiometry(애노드에 메탄올 공급양/캐소드에 공기 공급양, 전기 화학 반응을 위한 이론치)= 3.0/3.0으로 유입시키면 0.4 V의 작동전압에서 전류밀도 및 출력밀도를 조사하였다. While maintaining the unit cell at 70 ° C., 1M methanol and ambient air were stoichiometry (the amount of methanol supplied to the anode / the amount of air supplied to the cathode, and the theoretical value for the electrochemical reaction) = 0.4 / 3.0, and the flow was 0.4 V. The current density and power density were investigated at the operating voltage of.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
이온성 액체를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 단위 전지를 제조하였다. A unit cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that no ionic liquid was added.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
열간 압연 공정을 130℃에서 1500psi 압력 하에 실시한 것을 제외하고는 단위 전지를 제조하였다.A unit cell was prepared except that the hot rolling process was conducted at 130 ° C. under 1500 psi pressure.
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 2로 제조된 연료 전지의 출력 밀도를 70℃에서 측정하였다. 그 결과, 실시예 1이 비교예 1 및 2에 비하여 매우 높은 출력 밀도가 얻어졌다. 이는 비교예 1의 경우 열간 압연 공정에서 고분자 전해질 막 열화가 발생되어 출력 밀도가 매우 낮게 되었고, 비교예 2의 경우 너무 고압에서 열간 압연 공정을 실시함에 따라 확산 저항이 커져 출력 밀도가 저하된 것으로 생각된다. 이에 반하여 실시예 1은 이온성 액체를 사용함에 따라 열간 압연 공정에서 고분자 전해질 막의 열화가 발생하지도 않았고, 적정 압력으로 실시하므로 높은 수준의 출력 밀도가 얻어진 것으로 생각된다.The power densities of the fuel cells prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were measured at 70 ° C. As a result, a very high output density was obtained in Example 1 compared to Comparative Examples 1 and 2. This is because, in the case of Comparative Example 1, the polymer electrolyte membrane was deteriorated in the hot rolling process, and the output density was very low.In the case of Comparative Example 2, as the hot rolling process was performed at too high pressure, the diffusion resistance was increased and the output density was deteriorated. do. On the contrary, in Example 1, the deterioration of the polymer electrolyte membrane did not occur in the hot rolling process due to the use of the ionic liquid.
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.
상술한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 촉매 로딩량을 감소시켜도 고출력을 얻을 수 있으며 또한 별도의 가습 조건을 부여하기 위한 활성화 공정을 실시하지 않아도 되므로 경제적으로 제조할 수 있다.As described above, the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention can be manufactured economically because high output can be obtained even if the catalyst loading amount is reduced, and an activation process for imparting additional humidification conditions is not required.
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---|---|---|---|---|
KR100967626B1 (en) * | 2008-06-23 | 2010-07-05 | 한국에너지기술연구원 | Polymer composite membranes containing ionic liquids for polymer electrolyte fuel cells under the condition of a high temperature/low humidification and a preparation method using the same |
KR101228545B1 (en) * | 2010-04-14 | 2013-01-31 | 한국과학기술연구원 | A Catalyst Slurry Composition, a Method for Preparing a Membrane-Electrode Assembly For Fuel Cell Using the Same and the Membrane-Electrode Assembly For Fuel Cell Prepared Therefrom |
JP2020109752A (en) * | 2019-01-03 | 2020-07-16 | トヨタ モーター エンジニアリング アンド マニュファクチャリング ノース アメリカ,インコーポレイティド | Novel catalytic layer constitution for improving performance of membrane electrode assembly having ion liquid |
-
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100967626B1 (en) * | 2008-06-23 | 2010-07-05 | 한국에너지기술연구원 | Polymer composite membranes containing ionic liquids for polymer electrolyte fuel cells under the condition of a high temperature/low humidification and a preparation method using the same |
KR101228545B1 (en) * | 2010-04-14 | 2013-01-31 | 한국과학기술연구원 | A Catalyst Slurry Composition, a Method for Preparing a Membrane-Electrode Assembly For Fuel Cell Using the Same and the Membrane-Electrode Assembly For Fuel Cell Prepared Therefrom |
JP2020109752A (en) * | 2019-01-03 | 2020-07-16 | トヨタ モーター エンジニアリング アンド マニュファクチャリング ノース アメリカ,インコーポレイティド | Novel catalytic layer constitution for improving performance of membrane electrode assembly having ion liquid |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |