KR20100020368A - Electrode for fuel cell and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An electrode for a fuel cell is provided to increase porosity and surface area, to easily control the fluid flowing the fluid, to simplify a manufacturing process and to shorten process time. CONSTITUTION: An electrode for a fuel cell(130) comprises nanofibers formed with conductive polymer material. The conductive polymer material comprises polyaniline, polypyrrole or combinations thereof. The diameter of nano fiber is 1-1000 nanometer. A method for manufacturing a fuel cell electrode comprises a step for forming nanofiber by electrospinning the conductive polymer material.

Description

연료 전지용 전극 및 그 제조 방법{Electrode for fuel cell and method of manufacturing the same}Electrode for fuel cell and its manufacturing method {Electrode for fuel cell and method of manufacturing the same}

본 발명은 연료 전지용 전극 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell electrode and a manufacturing method thereof.

연료 전지란, 연료(수소, LNG, LPG, 메탄올 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 연료 전지는 전해질 막과 전극으로 이루어지는 막 전극 접합체(membrane electrode assembly) 및 막 전극 접합체의 양면에 적층되어 막 전극 접합체로 연료와 공기를 공급하는 유로판(flow field plate)으로 구성된다. 또한, 막 전극 접합체의 전극은 촉매층과 기체 확산층으로 이루어진다.A fuel cell is a device which converts chemical energy of fuel (hydrogen, LNG, LPG, methanol, etc.) and air directly into electricity and heat by an electrochemical reaction. The fuel cell includes a membrane electrode assembly composed of an electrolyte membrane and an electrode, and a flow field plate laminated on both sides of the membrane electrode assembly to supply fuel and air to the membrane electrode assembly. In addition, the electrode of a membrane electrode assembly consists of a catalyst layer and a gas diffusion layer.

이와 같은 연료 전지의 전극은, 산화 환원 반응이 일어나도록 촉매층으로 연료 및 공기를 원활히 공급하는 능력과, 이러한 산화 환원 반응을 통해 발생되는 물을 외부로 원활히 배출하는 능력이 요구된다. 따라서, 연료 전지의 전극은 액체(물)와 기체(연료 및 공기)의 유동이 용이하도록 높은 공극률을 가져야 한다. 또 한, 연료 전지의 전극은, 촉매층의 효율적인 산화 환원 반응을 위해 표면적을 증가시킬 필요도 있다.The electrode of such a fuel cell requires the ability to smoothly supply fuel and air to the catalyst layer so that a redox reaction occurs and the ability to smoothly discharge water generated through the redox reaction to the outside. Therefore, the electrodes of the fuel cell must have a high porosity to facilitate the flow of liquid (water) and gas (fuel and air). In addition, the electrode of the fuel cell also needs to increase the surface area for efficient redox reaction of the catalyst layer.

그러나, 종래 기술에 따른 연료 전지의 전극은, 탄소천(carbon cloth) 또는 탄소지(carbon paper) 등으로 형성되어, 공극률 및 표면적을 증가시키는데 한계가 있고, 공극률 및 표면적을 원하는 정도로 조절하기에도 어려움이 있다.However, the electrode of the fuel cell according to the prior art is formed of carbon cloth, carbon paper, or the like, there is a limit to increase the porosity and the surface area, it is difficult to adjust the porosity and the surface area to the desired degree. have.

본 발명은, 공극률 및 표면적이 증가되고 제조 공정이 단순화되는 연료 전지용 전극 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides an electrode for a fuel cell and a method of manufacturing the same, in which the porosity and surface area are increased and the manufacturing process is simplified.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전도성 고분자 물질로 형성된 나노 섬유를 포함하는 연료 전지용 전극이 제공된다.According to one aspect of the invention, there is provided an electrode for a fuel cell comprising nanofibers formed of a conductive polymer material.

여기서, 전도성 고분자 물질은, 폴리아닐린(polyaniline, PANi), 폴리피롤(polypyrrole, PPy) 또는 이들의 조합을 포함하여 이루어질 수 있다.Herein, the conductive polymer material may include polyaniline (PANi), polypyrrole (PPy), or a combination thereof.

또한, 나소 섬유의 직경은, 1 내지 1000 나노미터(nanometer)일 수 있다.In addition, the diameter of the nassau fibers may be 1 to 1000 nanometers (nanometer).

본 발명의 다른 측면에 따르면, 전도성 고분자 물질을 전기 방사(electrospinning)하여 나노 섬유를 형성하는 단계를 포함하는 연료 전지용 전극 제조 방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing an electrode for a fuel cell, which includes forming electrospinning conductive polymer material to form nanofibers.

여기서, 전도성 고분자 물질은 폴리아닐린, 폴리피롤 또는 이들의 조합을 포 함하여 이루어질 수 있다.Here, the conductive polymer material may be made of polyaniline, polypyrrole or a combination thereof.

본 발명의 실시예에 따르면, 연료 전지용 전극의 공극률 및 표면적이 증가되고 유동하는 유체에 따라 원하는 정도로 용이하게 조절될 수 있다.According to the embodiment of the present invention, the porosity and surface area of the fuel cell electrode are increased and can be easily adjusted to a desired degree according to the flowing fluid.

또한, 연료 전지용 전극의 제조 공정이 단순화되어 공정 시간이 단축되고 제조 비용이 절감될 수 있다.In addition, the manufacturing process of the electrode for a fuel cell can be simplified to shorten the process time and reduce the manufacturing cost.

본 발명에 따른 연료 전지용 전극 및 그 제조 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Embodiments of an electrode for a fuel cell and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the accompanying drawings, the same or corresponding components are given the same reference numerals, and Duplicate explanations will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지(100)용 전극(130)의 일 실시예가 적용된 연료 전지(100)를 나타낸 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a fuel cell 100 to which an embodiment of an electrode 130 for a fuel cell 100 according to an aspect of the present invention is applied.

도 1을 참조하면, 전해질 막(electrolyte membrane, 120), 이 전해질 막(120)의 양면에 각각 형성된 애노드(anode, 132) 및 캐소드(cathode, 134)로 구성되는 전극(electrode, 130) 및 전극(130)에 연료 및 산소를 각각 공급하며 전해질 막(120)과 전극(130)을 가압하는 엔드 플레이트(end plate, 110)로 이루어지는 연료 전지(100)가 제시된다.Referring to FIG. 1, an electrode 130 and an electrode composed of an electrolyte membrane 120, an anode 132 and a cathode 134 formed on both surfaces of the electrolyte membrane 120, respectively. A fuel cell 100 is provided that includes an end plate 110 that supplies fuel and oxygen to 130 and pressurizes an electrolyte membrane 120 and an electrode 130, respectively.

여기서, 전해질 막(120)은, 애노드(132)와 캐소드(134) 사이에 개재되어 애노드(132)의 산화 반응에 의하여 발생되는 수소 이온을 캐소드(134)로 이동시킬 수 있으며, 고분자 물질이 이용될 수 있다.Here, the electrolyte membrane 120 may be interposed between the anode 132 and the cathode 134 to move the hydrogen ions generated by the oxidation reaction of the anode 132 to the cathode 134, the polymer material is used Can be.

또한, 애노드(132)는, 전해질 막(120)의 일면에 형성되며 수소 또는 메탄올과 같은 연료를 공급 받아 애노드(132)의 촉매층에서 산화 반응을 일으켜 수소 이온과 전자를 발생시킬 수 있다. 그리고, 캐소드(134)는, 전해질 막(120)의 타면에 형성되며 산소 및 애노드(132)에서 발생된 전자를 공급 받아 캐소드(134)의 촉매층에서 환원 반응을 일으켜 산소 이온을 발생시킬 수 있다.In addition, the anode 132 is formed on one surface of the electrolyte membrane 120 and receives a fuel such as hydrogen or methanol to generate an oxidation reaction in the catalyst layer of the anode 132 to generate hydrogen ions and electrons. In addition, the cathode 134 is formed on the other surface of the electrolyte membrane 120 and receives oxygen and electrons generated from the anode 132 to generate a reduction reaction in the catalyst layer of the cathode 134 to generate oxygen ions.

또한, 엔드 플레이트(110)는, 전극(130)에 각각 적층되어 애노드(132) 및 캐소드(134)에 연료 및 산소를 공급하며, 서로 체결되어 전극(130) 및 전해질 막(120) 사이에 압축력을 제공함으로써, 이들 간의 전기 전도도를 향상시키고, 연료 및 산소의 누수를 방지할 수 있다.In addition, the end plate 110 is stacked on the electrode 130 to supply fuel and oxygen to the anode 132 and the cathode 134, respectively, and are coupled to each other to compress the force between the electrode 130 and the electrolyte membrane 120. By providing a, it is possible to improve the electrical conductivity between them and to prevent leakage of fuel and oxygen.

한편, 본 실시예에 따른 전극(130)은 전도성 고분자 물질로 형성된 나노 섬유로 이루어진다. 즉, 전도성 고분자 물질(도 2의 240)을 전기 방사 장치(도 2의 200)에 의하여 액체 제트(도 2의 250) 형태로 전기 방사함으로써 나노 섬유를 형성하고, 이 나노 섬유가 포집되어 전극(130)이 형성되는 것이다. 이에 대하여는, 이하 도 2를 참조하여 전극(130)의 제조 방법을 설명하는 일 실시예를 제시하는 부분에서 다시 설명하도록 한다.Meanwhile, the electrode 130 according to the present embodiment is made of nanofibers formed of a conductive polymer material. That is, nanofibers are formed by electrospinning a conductive polymer material (240 of FIG. 2) in the form of a liquid jet (250 of FIG. 2) by an electrospinning device (200 of FIG. 2), and the nanofibers are collected to form an electrode ( 130) is formed. This will be described again in the following description with reference to FIG. 2 to describe an embodiment for describing a method of manufacturing the electrode 130.

이 때, 상술한 전도성 고분자 물질로는, 폴리아닐린(polyaniline, PANi), 폴 리피롤(polypyrrole, PPy) 또는 이들 간의 혼합물이 이용될 수 있다. In this case, as the conductive polymer material described above, polyaniline (polyaniline, PANi), polypyrrole (PPy) or a mixture thereof may be used.

또한, 이렇게 전기 방사에 의하여 형성되는 나소 섬유의 직경은, 1 내지 1000 나노미터(nanometer)가 될 수 있다.In addition, the diameter of the Nassau fiber formed by the electrospinning may be 1 to 1000 nanometers (nanometer).

이와 같이, 전극(130)이 나노 섬유로 이루어짐으로써, 전극(130)의 공극률 및 표면적이 종래 탄소천(carbon cloth) 또는 탄소지(carbon paper)에 비하여, 현저하게 증가될 수 있다.As such, since the electrode 130 is made of nanofibers, the porosity and surface area of the electrode 130 may be significantly increased as compared with conventional carbon cloth or carbon paper.

한편, 전기 방사에 의하여 나노 섬유를 형성함으로써, 나노 섬유의 직경을 용이하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 전극(130)을 통해 유동하는 유체의 종류 및 상태에 적합하도록, 전극(130)의 공극률 및 표면적을 원하는 정도로 용이하게 조절할 수 있다.On the other hand, by forming the nanofibers by electrospinning, the diameter of the nanofibers can be easily adjusted. Accordingly, the porosity and surface area of the electrode 130 can be easily adjusted to a desired degree so as to be suitable for the type and state of the fluid flowing through the electrode 130.

또한, 전도성 고분자 물질을 전기 방사함으로써, 전도성이 없는 고분자 물질로 나노 섬유를 형성하는 경우와는 달리, 탄소화 공정을 거칠 필요가 없어, 제조 공정을 단순화하게 되어 공정 시간을 단축하고 제조 비용을 절감할 수 있다. 그리고, 이와 같이 탄소화 공정을 생략함에 따라, 탄소화에 의하여 전도성을 가지게 되는 전극에 비하여 전극(130)의 신축성이 현저히 향상될 수 있다.In addition, unlike the case of forming nanofibers with a non-conductive polymer material by electrospinning the conductive polymer material, there is no need to go through a carbonization process, which simplifies the manufacturing process to shorten the process time and reduce the manufacturing cost can do. As the carbonization process is omitted, the elasticity of the electrode 130 may be remarkably improved as compared with the electrode having conductivity by carbonization.

다음으로, 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지(도 1의 100)용 전극(도 1의 130) 제조 방법의 일 실시예에 대하여 설명하도록 한다.Next, an embodiment of a method for manufacturing an electrode for fuel cell (100 in FIG. 1) (130 in FIG. 1) according to another aspect of the present invention will be described.

이 때, 전극(도 1의 130)은, 상술한 전극(도 1의 130)의 일 실시예에서 설명한 바와 같이, 연료 전지(도 1의 100)의 일 구성 요소로서 이용될 수 있으며, 연료 전지(도 1의 100)는 이미 설명한 바 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.In this case, the electrode 130 of FIG. 1 may be used as one component of the fuel cell 100 of FIG. 1, as described in the above-described embodiment of the electrode 130 of FIG. 1. (100 in FIG. 1) has already been described, so a detailed description thereof will be omitted.

도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지(도 1의 100)용 전극(도 1의 130) 제조 방법의 일 실시예를 나타낸 설명도이다.2 is an explanatory view showing an embodiment of a method for manufacturing an electrode for fuel cell (100 in FIG. 1) (130 in FIG. 1) according to another aspect of the present invention.

도 2를 참조하면, 분사 노즐(210), 집전체(230) 및 분사 노즐(210)과 집전체(230) 사이에 전압을 인가하는 전원(220)으로 이루어지는 전기 방사 장치(200)가 제시된다. 이와 같은 전기 방사 장치(200)의 분사 노즐(210)과 집전체(230) 사이에 전압이 인가되면, 이들 사이에 전기장이 형성될 수 있다. 따라서, 이 전기장에 의해 분사 노즐(210)로부터 전도성 고분자 물질(240)이 액체 제트(250) 형태로 방사되면 나노 섬유가 형성된다. 또한, 전극(도 1의 130)은 이러한 나노 섬유가 집전체(230)에 포집됨으로써 형성된다.Referring to FIG. 2, an electrospinning apparatus 200 including an injection nozzle 210, a current collector 230, and a power source 220 for applying a voltage between the injection nozzle 210 and the current collector 230 is shown. . When a voltage is applied between the injection nozzle 210 of the electrospinning apparatus 200 and the current collector 230, an electric field may be formed therebetween. Therefore, nanofibers are formed when the conductive polymer material 240 is emitted from the spray nozzle 210 in the form of a liquid jet 250 by the electric field. In addition, the electrode (130 of FIG. 1) is formed by collecting the nanofibers on the current collector 230.

이하, 전기 방사 장치(200)를 이용한 전극(도 1의 130)의 제조 방법을 보다 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing the electrode (130 of FIG. 1) using the electrospinning apparatus 200 will be described in more detail.

먼저, 전기 방사 장치(200)의 분사 노즐(210)에 폴리아닐린(polyaniline, PANi), 폴리피롤(polypyrrole, PPy) 또는 이들 간의 혼합물 등의 전도성 고분자 물질(240)을 충전한 후, 전원(220)에 의해 분사 노즐(210)과 집전체(230) 사이에 전압을 인가한다.First, a conductive polymer material 240 such as polyaniline (PANi), polypyrrole (PPy), or a mixture thereof is charged in the injection nozzle 210 of the electrospinning apparatus 200, and then the power source 220 is charged. The voltage is applied between the spray nozzle 210 and the current collector 230.

이에 따라, 분사 노즐(210)과 집전체(230) 사이에는 전기장이 형성되므로, 분사 노즐(210)에 충전된 전도성 고분자 물질(240)이 액체 제트(250) 형태로 전기 방사되어 집전체(230) 상에 나노 섬유가 형성된다. 결국, 전극(도 1의 130)은 이러 한 나노 섬유가 집전체(230) 상에 포집됨으로써, 형성된다.Accordingly, since the electric field is formed between the injection nozzle 210 and the current collector 230, the conductive polymer material 240 filled in the injection nozzle 210 is electrospun in the form of a liquid jet 250, the current collector 230 The nanofibers are formed on (). As a result, an electrode (130 of FIG. 1) is formed by collecting these nanofibers on the current collector 230.

이와 같이 나노 섬유로 전극(도 1의 130)이 구성됨으로써, 전극(도 1의 130)의 공극률 및 표면적이 종래 탄소천(carbon cloth) 또는 탄소지(carbon paper)에 비하여, 현저하게 증가될 수 있다.As the electrode (130 of FIG. 1) is composed of nanofibers as described above, the porosity and surface area of the electrode (130 of FIG. 1) can be significantly increased compared to conventional carbon cloth or carbon paper. .

한편, 전기 방사에 의하여 나노 섬유를 형성함으로써, 나노 섬유의 직경을 용이하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 전극(도 1의 130)을 통해 유동하는 유체의 종류 및 상태에 적합하도록, 전극(도 1의 130)의 공극률 및 표면적을 원하는 정도로 용이하게 조절할 수 있다.On the other hand, by forming the nanofibers by electrospinning, the diameter of the nanofibers can be easily adjusted. Accordingly, the porosity and the surface area of the electrode (130 of FIG. 1) can be easily adjusted to a desired degree so as to be suitable for the type and state of the fluid flowing through the electrode (130 of FIG. 1).

또한, 전도성 고분자 물질(240)을 전기 방사함으로써, 전도성이 없는 고분자 물질로 나노 섬유를 형성하는 경우와는 달리, 탄소화 공정을 거칠 필요가 없어, 제조 공정을 단순화하게 되어 공정 시간을 단축하고 제조 비용을 절감할 수 있다. 그리고, 이와 같이 탄소화 공정을 생략함에 따라, 탄소화에 의하여 전도성을 가지게 되는 전극에 비하여 전극(도 1의 130)의 신축성이 현저히 향상될 수 있다.In addition, unlike the case where the nanofibers are formed of the non-conductive polymer material by electrospinning the conductive polymer material 240, the carbonization process does not need to be performed, thereby simplifying the manufacturing process and shortening the process time. You can save money. In addition, as the carbonization process is omitted, the elasticity of the electrode (130 of FIG. 1) may be remarkably improved as compared with the electrode having conductivity by carbonization.

전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.Many embodiments other than the above-described embodiments are within the scope of the claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지용 전극의 일 실시예가 적용된 연료 전지를 나타낸 개략도.1 is a schematic view showing a fuel cell to which an embodiment of a fuel cell electrode according to an aspect of the present invention is applied.

도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 연료 전지용 전극 제조 방법의 일 실시예를 나타낸 설명도.2 is an explanatory view showing an embodiment of a method for manufacturing an electrode for a fuel cell according to another aspect of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100: 연료 전지(fuel cell) 110: 엔드 플레이트(end plate)100: fuel cell 110: end plate

120: 전해질 막(electrolyte membrane) 130: 전극(electrode)120: electrolyte membrane 130: electrode

132: 애노드(anode) 134: 캐소드(cathode)132: anode 134: cathode

200: 전기 방사 장치 210: 분사 노즐200: electrospinning apparatus 210: spray nozzle

220: 전원230: 집전체 240: 전도성 고분자 물질220: power supply 230: current collector 240: conductive polymer material

250: 액체 제트250: liquid jet

Claims (5)

전도성 고분자 물질로 형성된 나노 섬유를 포함하는 연료 전지용 전극.An electrode for a fuel cell comprising nanofibers formed of a conductive polymer material. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전도성 고분자 물질은, 폴리아닐린(polyaniline, PANi), 폴리피롤(polypyrrole, PPy) 또는 이들의 조합을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극.The conductive polymer material may include polyaniline (polyaniline, PANi), polypyrrole (PPy), or a combination thereof. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나소 섬유의 직경은, 1 내지 1000 나노미터(nanometer)인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극.The diameter of the Nassau fibers, the fuel cell electrode, characterized in that 1 to 1000 nanometers (nanometer). 전도성 고분자 물질을 전기 방사(electrospinning)하여 나노 섬유를 형성하는 단계를 포함하는 연료 전지용 전극 제조 방법.Electrospinning a conductive polymer material to form nanofibers. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 전도성 고분자 물질은 폴리아닐린, 폴리피롤 또는 이들의 조합을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 전극 제조 방법.The conductive polymer material comprises a polyaniline, polypyrrole or a combination thereof.
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WO2017003109A1 (en) * 2015-06-30 2017-01-05 주식회사 엘지화학 Method for manufacturing electrolyte membrane for solid oxide fuel cell, electrolyte membrane for solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell, and fuel cell module

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