KR20080050872A - Membrane-electrode assembly of fuel cell and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining the principle of electricity generation of the fuel cell.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체를 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a view schematically showing a fuel cell membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다. 3 is a view schematically showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 4는 실시예 1, 2 및 비교예 1에 따라 제조된 막-전극 접합체를 이용하여 제조된 단위전지의 성능 평가 그래프이다. 4 is a performance evaluation graph of a unit cell manufactured using the membrane-electrode assembly prepared according to Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. FIG.
본 발명은 연료전지의 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것으로, 액상 연료를 사용하는 연료전지에서 연료가 물과 함께 전해질막을 통과해 캐소드 전극으로 넘어가는 크로스오버 현상을 방지하거나 감소시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지의 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다. The present invention relates to a membrane-electrode assembly and a fuel cell of a fuel cell, wherein in a fuel cell using a liquid fuel, a fuel cell is prevented or reduced by passing the electrolyte membrane along with water to the cathode electrode. A fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell can improve performance.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다. Recently, as the depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of the alternative energy sources, the fuel cell is particularly attracting attention due to its advantages such as high efficiency, no pollutants such as NO x and SO x , and abundant fuel used.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electrical energy. Hydrogen, a hydrocarbon such as methanol, butane, and the like are typically used as an oxidant.
연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막-전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1 및 반응식 1(수소를 연료로 사용한 경우의 연료전지의 반응식)을 참조하면, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서는 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다. In a fuel cell, the most basic unit for generating electricity is a membrane-electrode assembly (MEA), which consists of an electrolyte membrane and anode and cathode electrodes formed on both sides of the electrolyte membrane. Referring to FIG. 1 and Reaction Formula 1 (Reaction formula of a fuel cell when hydrogen is used as a fuel) showing the electricity generation principle of a fuel cell, an oxidation reaction of a fuel occurs at an anode electrode, and hydrogen ions and electrons are generated. The electrolyte moves through the electrolyte membrane to the cathode electrode, where water is generated by reaction between oxygen (oxidant) and hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane and electrons. This reaction causes the movement of electrons in the external circuit.
캐소드 전극: 1/2O2+2H++2e- → H2O Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O
전체 반응식: H2+1/2O2 → H2OTotal Reaction Formula: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
연료전지에는 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높은 장점이 있으나, 메탄이나 메탄올 같은 연료를 개질하기 위한 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다. 이에 반해, 직접메탄올형 연료전지는 반응속도가 느려서 고분자전해질형 연료전지에 비해 에너지 밀도가 낮고, 출력이 낮으며, 많은 양의 촉매를 사용하여야 한다는 단점이 있으나, 별도의 개질 장치가 필요 없으며, 액체 상태인 연료의 취급이 용이하고 운전 온도가 낮은 장점이 있다. 따라서, 최근에는 메탄올을 포함한 액상 연료를 사용하는 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuels Batteries (SOFC) and the like. Among them, the polymer electrolyte fuel cell has advantages of high energy density and high output, but has a problem of requiring additional equipment such as a reforming device for reforming fuel such as methane or methanol. On the contrary, the direct methanol fuel cell has a disadvantage of lower energy density, lower power, and a larger amount of catalyst than the polymer electrolyte fuel cell due to the slow reaction rate, but does not require a separate reforming device. The liquid fuel is easy to handle and has an advantage of low operating temperature. Therefore, recently, researches on fuel cells using liquid fuels including methanol have been actively conducted.
그러나, 이처럼 액상 연료를 사용하는 연료전지에서는 연료가 물과 함께 전해질막을 통과하여 캐소드 전극으로 넘어가는 이른바 크로스오버(crossover)가 발생하여 연료전지의 전력 밀도를 낮추는 문제가 있다. 따라서, 액상 연료를 사용하는 연료전지에 있어서는 연료의 크로스오버를 방지하거나 감소시키는 것이 연료전 지의 성능을 높이는 가장 중요한 요소 중의 하나로 인식되고 있다. 따라서, 이와 같은 문제점을 해결하려는 노력이 관련 분야에서 꾸준하게 이루어져 왔으며, 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출된 것이다.However, in the fuel cell using the liquid fuel, there is a problem in that a so-called crossover occurs in which the fuel passes through the electrolyte membrane along with water to the cathode electrode, thereby lowering the power density of the fuel cell. Therefore, in a fuel cell using liquid fuel, preventing or reducing fuel crossover is recognized as one of the most important factors for improving fuel cell performance. Therefore, efforts to solve such problems have been made steadily in the related field, and the present invention has been devised under such technical background.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 액상 연료를 사용하는 연료전지에서 연료가 물과 함께 전해질막을 통과해 캐소드 전극으로 넘어가는 크로스오버 현상을 방지하거나 감소시켜 연료전지의 성능을 향상시키고자 함에 있으며, 이러한 기술적 과제를 달성할 수 있는 연료전지의 막-전극 접합체 및 연료전지를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the technical problem to be achieved in the present invention is a crossover phenomenon in which fuel passes through an electrolyte membrane together with water to a cathode electrode in a fuel cell using liquid fuel. The purpose of the present invention is to provide a fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell that can prevent or reduce the performance of the fuel cell and improve the performance of the fuel cell.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, 이온전도막; 및 상기 이온전도막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 확산층 및 상기 확산층에 형성되는 촉매층을 포함하고, 상기 이온전도막은 연료의 산화를 위한 촉매를 포함하여 형성되는 크로스오버방지층 및 상기 크로스오버방지층을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 고분자 전해질막들을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다. The present invention to achieve the technical problem to be achieved by the present invention, the ion conductive film; And an anode electrode and a cathode electrode disposed to face each other with the ion conductive film interposed therebetween, wherein the anode electrode and the cathode electrode include a diffusion layer and a catalyst layer formed on the diffusion layer, wherein the ion conductive film prevents oxidation of fuel. It provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising a crossover prevention layer formed by including a catalyst and a polymer electrolyte membrane positioned to face each other with the crossover prevention layer therebetween.
본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 있어서, 상기 크로스오버방지층에서 의 촉매 로딩량은 0.1 내지 0.5mg/cm2인 것이 바람직하고, 상기 크로스오버방지층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 크로스오버방지층의 두께는 1 내지 30㎛인 것이 바람직하다. In the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention, the amount of catalyst loading in the crossover prevention layer is preferably 0.1 to 0.5 mg / cm 2 , and the crossover prevention layer is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, It is preferable to include a catalyst selected from the group consisting of a platinum-osmium alloy, a platinum-palladium alloy and a platinum-transition metal alloy, and the thickness of the crossover prevention layer is preferably 1 to 30 µm.
상기 기체확산층은 대표적으로 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하여 이루어질 수 있으며, 상기 고분자 전해질막은 대표적으로 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하여 이루어질 수 있다. The gas diffusion layer may include one selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth and carbon felt, and the polymer electrolyte membrane is typically a perfluorosulfonic acid polymer, a hydrocarbon-based polymer, polyimide, polyvinylidene fluoride, Polyethersulfone, polyphenylenesulfide, polyphenylene oxide, polyphosphazine, polyethylene naphthalate, polyester, doped polybenzimidazole, polyetherketone, polysulfone, acids and bases thereof It may comprise a polymer.
상기 애노드 전극의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 촉매는 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다. 상기 캐소드 전극의 촉매층은 백금을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 백금은 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다. The anode catalyst layer is preferably made of a catalyst selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-transition metal alloy, the catalyst is It can be supported on a carbon-based carrier. Preferably, the catalyst layer of the cathode electrode comprises platinum, and the platinum may be supported on a carbon-based carrier.
상기 막-전극 접합체는 액상 연료를 사용하는 연료전지에 사용되어 연료가 전해질막을 넘어 크로스오버되는 것을 효과적으로 막을 수 있는데, 연료전지에 사용되는 대표적인 액상 연료로는 메탄올, 에탄올, 부탄올, 프로판올, 또는 개미산을 들 수 있다. 상기 막-전극 접합체는 대표적으로 직접메탄올 연료전지에 사용될 수 있다. The membrane-electrode assembly may be used in a fuel cell using a liquid fuel to effectively prevent crossover of the fuel over the electrolyte membrane. Representative liquid fuels used in a fuel cell include methanol, ethanol, butanol, propanol, or formic acid. Can be mentioned. The membrane-electrode assembly can typically be used in direct methanol fuel cells.
본 발명은 또한, 하나 또는 둘 이상의 본 발명에 따른 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및 산화제를 상기 전기발생부로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다. The invention also comprises a stack comprising one or more membrane-electrode assemblies according to the invention and a separator interposed between the membrane-electrode assemblies; A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And an oxidant supply unit supplying an oxidant to the electricity generating unit.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid in understanding the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 대하여 살펴본다. 2 is a view schematically showing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. With reference to Figure 2 looks at with respect to the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention.
일반적인 연료전지의 막-전극 접합체에서는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 고분자전해질막이 위치한다. 그러나, 본 발명의 막-전극 접합체는 두 층의 고분자전해질막(201a) 사이에 연료의 산화를 위한 촉매를 포함하는 촉매층 즉 크로스오버방지층(201b)을 위치시켜 연료의 크로스오버를 방지한다. 즉, 본 발명의 막-전극 접합체는 종래의 고분자전해질막의 구조를 개선하여, 연료의 산화를 위한 촉매를 포함하는 크로스오버방지층(201b) 및 상기 크로스오버방지층(201b)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 고분자 전해질막(201a)을 포함하는 이온전도막(201)을 포함한다. 이와 같은 구조의 이온전도막(201) 양면에는 각각 애노드 전극 및 캐소드 전극이 위치하고, 애노드 전극 및 캐소드 전극은 각각 촉매층(203, 205) 및 기체확산층(209)을 포함하여 이루어진다. In a fuel cell membrane electrode assembly, a polymer electrolyte membrane is positioned between an anode electrode and a cathode electrode. However, the membrane-electrode assembly of the present invention prevents crossover of fuel by placing a catalyst layer, that is, a
본 발명의 막-전극 접합체에서는 애노드 전극(203, 209)에서 산화되지 못하고 물과 함께 고분자전해질막(201a)을 통과해 가는 액상 연료가 크로스오버방지층(201b)의 촉매들에 의해 산화되므로, 연료의 크로스오버를 방지하거나 크게 감소시킬 수 있다.In the membrane-electrode assembly of the present invention, since the liquid fuel that is not oxidized at the
상기 크로스오버방지층(201b)에는 연료의 산화를 위한 촉매들이 사용될 수 있으며, 연료전지의 애노드 전극에 사용되는 촉매들이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 대표적으로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-전이금속 합금 등이 사용될 수 있으며, 이들은 그 자체로 사용될 수도 있지만, 담체에 담지되어 사용될 수 있으며 대표적인 담체로는 덴카블랙, 아세틸렌블랙, 흑연 등의 탄소계 담체를 들 수 있다. Catalysts for oxidizing fuel may be used for the
상기 크로스오버방지층(201b)의 촉매 로딩량은 0.1 내지 0.5mg/cm2인 것이 바람직한데, 촉매 로딩량이 상기 하한치에 미달되면 소망하는 정도의 크로스오버 방지 효과를 기대할 수 없으며, 상기 상한치를 초과하면 전해질막의 이온전도도를 떨어뜨려 바람직하지 못하다. 상기 크로스오버방지층(201b)의 두께는 1 내지 30㎛인 것이 바람직한데, 두께가 상기 하한치에 미달되면 소망하는 정도의 크로스오버 방지 효과를 기대할 수 없으며, 상기 상한치를 초과하면 전해질막의 이온전도도를 떨어뜨려 바람직하지 못하다. It is preferable that the amount of catalyst loading of the
크로스오버방지층(201b)을 도입하는 방법은 촉매층을 전해질막에 형성하는 방법과 동일하게 진행할 수 있는데, 예를 들어 촉매 잉크를 전해질막에 직접적으로 코팅한 후 그 위에 전해질막을 접착시켜 제조할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다. 촉매 잉크는 촉매, 폴리머 이오노머(polymer ionomer) 및 용매로 이루어질 수 있다. The method of introducing the
폴리머 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질 막으로 이동하기 위한 통로를 제공해주는 역할을 하는데, 그 예로는 나피온 이오노머, 술포네이티드 폴리트리플루오르스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. Polymer ionomers provide a path for ions produced by the reaction between a fuel such as hydrogen or methanol to the catalyst to move into the electrolyte membrane, such as nafion ionomers and sulfonated polytrifluorostyrenes. Fonned polymers include, but are not limited to.
사용 가능한 용매의 예로는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜 등이 있고, 이들 용매를 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. Examples of the solvent that can be used include water, butanol, isopropanol, methanol, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate, ethylene glycol, and the like, and these solvents may be used alone or in combination of two or more thereof. .
상기 전해질막(201a)은 애노드 전극에서 발생한 수소 이온이 캐소드 전극으로 전달되는 전달 통로가 되는 것으로, 전해질막에는 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 또는 염기가 바람직하게 사용될 수 있다. The
상기 애노드 전극은 연료의 산화 반응이 일어나는 곳으로, 그 촉매층(203)에는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 캐소드 전극은 산화제의 환원 반응이 일어나는 곳으로, 그 촉매층(205)에는 백금이 촉매로 사용될 수 있다. 상기 촉매들은 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있으며, 대표적인 담체로는 덴카블랙, 아세틸렌블랙, 흑연 등의 탄소계 담체를 들 수 있다.The anode electrode is where the oxidation of the fuel occurs, the
상기 촉매층들(203, 205)을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법들이 채용될 수 있으며, 앞서 크로스오버방지층을 전해질막에 형성하는 방법 또한 채용될 수 있다. In the process of introducing the catalyst layers 203 and 205, conventional methods known in the art may be employed, and a method of forming a crossover prevention layer on the electrolyte membrane may also be employed.
상기 기체확산층(209)은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물을 이동시키고 확산시키는 곳으로, 대표적으로 탄소페이퍼, 탄소천 또는 탄소펠트를 포함하여 이루어질 수 있으며, 기체확산층의 촉매층과 접하는 면에는 미세기공층이 형성될 수 있다. The
상기 막-전극 접합체는 액상 연료를 사용하는 연료전지에 사용되어 연료가 전해질막(201a)을 넘어 크로스오버되는 것을 효과적으로 막을 수 있는데, 연료전지에 사용되는 대표적인 액상 연료로는 메탄올, 에탄올, 부탄올, 프로판올, 또는 개미산을 들 수 있다. 액상 연료를 사용하는 가장 대표적인 연료전지에는 직접메탄올 연료전지가 있다.The membrane-electrode assembly may be used in a fuel cell using a liquid fuel to effectively prevent the crossover of the fuel over the
본 발명은 또한 상기 본 발명의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 연료전지는 스택(200), 연료공급부(400) 및 산화제공급부(300)를 포함하여 이루어진다. The present invention also provides a fuel cell comprising the membrane-electrode assembly of the present invention. 3 is a view schematically showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the fuel cell of the present invention includes a
상기 스택(200)은 본 발명의 막-전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 상기 세퍼레이터는 막-전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달하는 역할을 한다. The
상기 연료 공급부(400)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(410) 및 연료탱크(410)에 저장된 연료를 스택(200)으로 공급하는 펌프(420)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다. The
상기 산화제 공급부(300)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(300)로 주입하여 사용할 수 있다. The
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the Example and comparative example of this 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.
1) 막-전극 접합체의 제조1) Preparation of membrane-electrode assembly
실시예Example 1 One
본 발명에 따른 이중막 구조의 막-전극 접합체의 제조를 위해, 애노드 대향면에 쓰인 전해질막은 나피온 115(듀퐁, 125㎛)으로, 캐소드 대향면에 쓰인 전해질막은 캐리어 웹(솔루퍼, 25㎛)으로 하고, 나피온 115의 한 쪽에는 PtRu 블랙 촉매 와 나피온 아이오노머를 섞어서 1.4Ptmg/cm2로 로딩하였고, 캐리어 웹막의 한쪽면에는 Pt 블랙 촉매와 나피온 아이오노머를 섞어서 4 Ptmg/cm2로 로딩하였다. 크로스오버 방지층은 PtRu 블랙 촉매를 0.2 Ptmg/cm2로 로딩하였고, 크로스오버방지층의 두께는 약 15㎛이다. 크로스오버 방지층은 나피온 115 전해질막의 애노드 촉매층을 코팅하지 않은 다른 한쪽면에 코팅하였다. 이용된 코팅방식은 스프레이 코팅이다. 이 후 이들 두 막을 맞대고 140oC에서 1ton의 무게로 3분 유지시켜 열간 압착함으로써 막-전극 접합체를 제조하였다. In order to manufacture a double-membrane membrane-electrode assembly according to the present invention, the electrolyte membrane used on the anode facing surface is Nafion 115 (Dupont, 125 µm), and the electrolyte membrane used on the cathode facing surface is a carrier web (solluper, 25 µm). ) to, and on one side of the Nafion 115 PtRu was loaded into a black catalyst and Nafion ah mixing 1.4 Pt mg / cm 2 ionomer, the carrier web film on one side, the mixing Pt black catalyst and Nafion ionomer 4 Pt mg Loaded at / cm 2 . The crossover protection layer was loaded with PtRu black catalyst at 0.2 Pt mg / cm 2 , and the thickness of the crossover prevention layer was about 15 μm. The crossover prevention layer was coated on the other side of the anode catalyst layer of the Nafion 115 electrolyte membrane, which was not coated. The coating used was spray coating. Thereafter, the two membranes were bonded together and maintained at a weight of 1 ton at 140 ° C. for 3 minutes, followed by hot pressing to prepare a membrane-electrode assembly.
실시예Example 2 2
크로스오버 방지층의 PtRu 블랙 촉매를 0.6 Ptmg/cm2로딩하고, 크로스오버 방지층의 두께를 약 35㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 막-전극 접합체를 제조하였다. A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.6 Pt mg / cm 2 of the PtRu black catalyst of the crossover prevention layer was loaded and the thickness of the crossover prevention layer was about 35 μm.
비교예Comparative example 1 One
나피온 115 막 (125㎛) 을 이용하여 한 쪽면에는 PtRu 블랙 촉매와 나피온 아이오노머를 섞어서 2 Ptmg/cm2 를 로딩하였고, 다른 한쪽 면에는 Pt 블랙 촉매를 4 Ptmg/cm2 를 로딩하여 크로스오버 방지층이 없는 막-전극 접합체를 제조하였다. 나머지 조건은 실시예 1과 동일하다. Using Nafion 115 membrane (125 μm), PtRu black catalyst and Nafion ionomer were mixed on one side to load 2 Pt mg / cm 2 , and on the other side, Pt black catalyst was loaded with 4 Pt mg / cm 2 . To prepare a membrane-electrode assembly without a crossover prevention layer. The remaining conditions are the same as in Example 1.
2) 성능 평가 2) Performance Evaluation
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1의 막-전극 접합체를 이용하여 단위전지를 제조하고, 이들에 대하여 성능 평가를 하였다. 단위전지의 유효면적은 50cm2이고, 성능 평가시 상압 70oC를 유지한 상태에서 애노드에 메탄올을 흘려주고, 캐소드에 공기를 흘려주었다. 성능 평가 결과를 도 4에 도시하였다. Unit cells were prepared using the membrane-electrode assemblies of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1, and performance evaluations thereof were performed. The effective area of the unit cell was 50 cm 2 , and methanol was flowed into the anode and air was flowed into the cathode while maintaining a normal pressure of 70 ° C. during the performance evaluation. The performance evaluation result is shown in FIG.
도 4를 참조하면, 실시예 1의 결과 크로스오버 방지층이 작용으로 애노드의 촉매 로딩양이 비교예 1에 비하여 적었음에도 불구하고 더 높은 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 크로스오버 방지층이 없는 비교예 1와 크로스오버 방지층이 있는 실시예 1을 비교할 때 0.4V에서 얻을 수 있는 전류 밀도가 약 50mA/cm2 정도 차이가 났다. Referring to FIG. 4, as a result of Example 1, it was confirmed that the crossover prevention layer showed higher performance even though the amount of catalyst loading of the anode was smaller than that of Comparative Example 1. When comparing Comparative Example 1 without the crossover protection layer and Example 1 with the crossover protection layer, the current density obtained at 0.4V was about 50 mA / cm 2 .
실시예 2의 경우도 비교예 1에 비해 우수한 성능을 나타내기는 하였지만, 실시예 1에 훨씬 못 미치는 결과를 나타내었다. 이는 크로스오버 방지층의 두께가 과도하게 형성되어 수소 이온의 이온전도도가 떨어져 성능에 부정적인 영향을 끼쳤기 때문으로 생각된다.Example 2 also showed superior performance compared to Comparative Example 1, but showed much less results than Example 1. This is considered to be because the thickness of the crossover prevention layer is excessively formed and the ion conductivity of the hydrogen ions is lowered, which adversely affects the performance.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미 로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors can appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. Based on the principle, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Therefore, the exemplary embodiments described herein are only exemplary embodiments of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention, and various equivalents and modifications that may substitute them at the time of the present application may be used. It should be understood that there may be.
본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 따르면, 고분자전해질막 내에 연료의 산화를 위한 촉매를 포함하는 크로스오버방지층을 두어 액상 연료가 물과 함께 전해질막을 통과해 캐소드 전극(공기극)으로 넘어가는 크로스오버 현상을 방지하거나 감소시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다. According to the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention, a crossover prevention layer including a catalyst for oxidation of fuel is provided in the polymer electrolyte membrane so that the liquid fuel passes through the electrolyte membrane along with water to the cathode electrode (air electrode). By preventing or reducing the phenomenon, the performance of the fuel cell can be improved.
Claims (14)
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