KR20110002127A - Membrane electrode assembly for direct methanol fuel cell and stack comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 직접 메탄올 연료전지의 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물질 전달성을 향상시키고 촉매 입자 응집체의 크기를 줄여 촉매의 이용 효율을 증대시킴으로써 전지 성능을 향상시킬 수 있는 직접 메탄올 연료전지의 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane-electrode assembly of a direct methanol fuel cell and a stack including the same, and more particularly, to improve cell performance by improving mass transfer and reducing the size of catalyst particle aggregates, thereby increasing the utilization efficiency of the catalyst. And a stack comprising the membrane-electrode assembly of a direct methanol fuel cell.
연료 전지(Fuel cell)는 수소 또는 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 hydrogen or 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 소 형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다. This fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and has a merit that can produce a wide range of outputs by stacking unit cells, and has an energy density of 4 to 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)와 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) 등을 들 수 있다.Representative examples of the fuel cell include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) and 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 부대설비를 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 메탄올 연료전지는 액체 메탄올을 직접 연료로 사용하여 작동되므로, 연료의 저장, 시스템의 운전 및 보수가 비교적 간단 용이하여 차세대 이동용 발전 전원으로 주목 받고 있는 신에너지 변환 기술이다. 그러나 직접 메탄올 연료전지의 상용화를 위해서는 고분자 전해질 막으로의 메탄올 투과로 인한 전지의 성능 저하 및 연료극에서 메탄올의 느린 산화 반응 등의 문제점들을 해결해야 한다.In contrast, the direct methanol fuel cell is operated by using liquid methanol directly as a fuel, and is a new energy conversion technology that is attracting attention as a next generation mobile power source because fuel storage, system operation and maintenance are relatively simple and easy. However, in order to commercialize a direct methanol fuel cell, problems such as deterioration of the cell performance due to methanol permeation into the polymer electrolyte membrane and slow oxidation of methanol at the anode must be solved.
이와 같이 직접 메탄올 연료전지에서의 전극층에 관한 연구는 주로 메탄올 산화 반응의 향상을 위해 촉매를 개선, 개발하는 방향으로 이루어져 왔다. 그러나 이에 못지 않게 전극층 구조를 최적화하여 촉매의 이용율을 높이고 전극층 내에서의 물질 전달을 향상시키는 것도 중요하다. As such, the research on the electrode layer in a direct methanol fuel cell has been mainly focused on improving and developing a catalyst for improving the methanol oxidation reaction. However, it is equally important to optimize the electrode layer structure to increase the utilization of the catalyst and to improve mass transfer in the electrode layer.
이와 관련하여 기존에 나피온 이오노머의 촉매층 함량을 최적화 하거나, 새로운 전극 구조를 도입하여 전극-전해질간 계면 특성을 향상시키거나, 분산제를 다 양화하는 등 분산방법을 최적화하는 연구들이 선행되어 왔다. 촉매층의 기공 형성 역시 이와 관련한 주요 사항인데, PTFE(poly-tetrafluoroethylene)이나 기공 형성 첨가제를 써서 촉매층에 기공을 형성, 촉매층의 촉매 이용 효율 및 물진 전달성을 향상시키는 등의 연구가 이루어져 왔다.In this regard, researches on optimizing the dispersion method such as optimizing the catalyst layer content of the Nafion ionomer, introducing a new electrode structure to improve the interfacial characteristics between the electrode and the electrolyte, or diversifying the dispersant have been preceded. Pore formation of the catalyst layer is also a major issue in this regard, studies have been made to form pores in the catalyst layer by using PTFE (poly-tetrafluoroethylene) or pore-forming additives to improve the catalyst utilization efficiency and the transferability of the catalyst layer.
본 발명은 연료극의 전극 구조 개선을 통하여 물질 전달성, 촉매 이용 효율 및 전도성을 향상시켜 단위 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 직접 메탄올 연료전지의 막-전극 어셈블리를 제공하는 데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly of a direct methanol fuel cell capable of improving the performance of a unit cell by improving mass transferability, catalyst utilization efficiency, and conductivity through improving an electrode structure of an anode.
본 발명은 또한 상기 막-전극 어셈블리를 포함하는 직접 메탄올 연료전지의 스택을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention also aims to provide a stack of direct methanol fuel cells comprising the membrane-electrode assembly.
본 발명은 또한 전극 구조 개선을 통하여 물질 전달성, 촉매 이용 효율 및 전도성을 향상시켜 단위 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 직접 메탄올 연료전지의 애노드 촉매층 형성방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.It is also an object of the present invention to provide a method for forming an anode catalyst layer of a direct methanol fuel cell which can improve the performance of a unit cell by improving mass transfer, catalyst utilization efficiency and conductivity through electrode structure improvement.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극 사이에 위치하는 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 전극 기재 및 상기 전극 기재 위에 위치하는 촉매층을 포함하며, 상기 애노드 전극의 촉매층은 촉매, 기상성장탄소섬유 및 바인더수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지의 막-전극 어셈블리를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention includes 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, the anode electrode and the cathode electrode is an electrode substrate and the electrode And a catalyst layer positioned on the substrate, wherein the anode electrode catalyst layer comprises a catalyst, vapor-grown carbon fiber, and a binder resin.
상기 애노드 전극의 촉매층은 상기 기상성장탄소섬유를 상기 촉매 중량 대비 2 내지 4 중량% 포함하는 것이 바람직하다.The anode catalyst layer preferably comprises 2 to 4% by weight of the gas phase growth carbon fiber relative to the catalyst weight.
상기 애노드 전극의 촉매층은 기상성장탄소섬유에 의한 기공 형성을 추가적으로 제어하고 기능을 보강하기 위해 카본블랙과 같은 탄소나노입자를 더 포함할 수 있다. 또한, 애노드 전극의 촉매층은 이온전도성 바인더 수지로 첨가되는 나피온 이외에 친수성 및 소수성 제어에 의한 물질 전달 통로를 추가적으로 제공하고 전극의 구조적 내구성 향상을 위하여 PTFE (polytetrafuluoroethylene), PVDF (polyvinylidene fluoride), SBR (styrene butadiend rubber)과 같은 바인더를 더 포함할 수 있다. The catalyst layer of the anode electrode may further include carbon nanoparticles such as carbon black to further control the formation of pores by the vapor-grown carbon fiber and reinforce the function. In addition, the catalyst layer of the anode electrode provides a mass transfer path by hydrophilicity and hydrophobicity control in addition to Nafion added to the ion conductive binder resin, and in order to improve the structural durability of the electrode, PTFE (polytetrafuluoroethylene), PVDF (polyvinylidene fluoride), SBR ( styrene butadiend rubber) may be further included.
상기 기상성장탄소섬유는 직경이 100~300 nm 범위, aspect ratio (섬유길이/직경의 비)가 10 이상, 전기전도도가 100 S/cm 이상, 진밀도는 1.8g/ml 이상인 것이 바람직하다.The vapor-grown carbon fiber has a diameter in the range of 100 to 300 nm, aspect ratio (fiber length / diameter ratio) is 10 or more, electrical conductivity is 100 S / cm or more, the true density is preferably 1.8 g / ml or more.
상기 애노드 전극은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 애노드 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이 를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 가장 바람직하게 사용될 수 있다.The anode electrode is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, And a catalyst selected from the group consisting of Zn, Sn, Mo, W, Rh, and combinations thereof) and combinations thereof. A platinum-ruthenium alloy catalyst may be most preferably used to prevent the catalyst poisoning phenomenon caused by CO generated during the anode electrode reaction.
상기 캐소드 전극은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하는 것이 바람직하다.The cathode electrode is platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, And a catalyst selected from the group consisting of Zn, Sn, Mo, W, Rh, and combinations thereof) and combinations thereof.
상기 고분자 전해질막은 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 포함하는 것이 바람직하다.The polymer electrolyte membrane preferably includes a polymer resin having 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.
상기 고분자 수지는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.The polymer resin may be 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 poly It is preferably selected from the group consisting of ether ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers and copolymers thereof.
본 발명은 또한, 상기 본 발명에 따른 막-전극 어셈블리를 포함하는 직접 메탄올 연료전지의 스택을 제공한다.The invention also provides a stack of direct methanol fuel cells comprising the membrane-electrode assembly according to the invention.
본 발명은 또한, 과량의 분산용매에 기상성장탄소섬유를 첨가한 후 초음파 분해를 이용하여 분산시키는 단계; 제조된 기상성장탄소섬유 분산액을 촉매 및 바인더수지와 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하는 단계; 및 상기 촉매 슬러리를 전극 기재에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지의 애노드 촉매층 형성방법을 제공한다. The present invention also comprises the step of dispersing by using ultrasonic decomposition after adding the vapor-grown carbon fiber to the excess dispersion solvent; Preparing a catalyst slurry by mixing the prepared vapor-grown carbon fiber dispersion with a catalyst and a binder resin; And applying the catalyst slurry to an electrode substrate to provide an anode catalyst layer forming method of a direct methanol fuel cell.
상기 분산용매는 메탄올, 에탄올, n-프로판올, iso-프로판올, n-부탄올, iso-부탄올, sec-부탄올, tert-부탄올 및 이들의 혼합액으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.The dispersion solvent is preferably selected from the group consisting of methanol, ethanol, n-propanol, iso-propanol, n-butanol, iso-butanol, sec-butanol, tert-butanol and mixtures thereof.
상기 기상성장탄소섬유는 상기 촉매 중량 대비 2 내지 4 중량% 첨가되는 것이 바람직하다.The gas phase growth carbon fiber is preferably added 2 to 4% by weight based on the weight of the catalyst.
상기 바인더수지는 이온전도성 바인더 수지인 나피온을 포함하는 것이 바람직하다.The binder resin preferably contains Nafion, which is an ion conductive binder resin.
상기 촉매 슬러리 제조시에 카본블랙과 PTFE (polytetrafuluoroethylene), PVDF (polyvinylidene fluoride) 및 SBR (styrene butadiend rubber)로 이루어진 군에서 선택되는 바인더 수지가 더 첨가되는 것이 바람직하다.In preparing the catalyst slurry, a binder resin selected from the group consisting of carbon black, polytetrafuluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and styrene butadiend rubber (SBR) is further added.
상기 기상성장탄소섬유는 직경이 100~300 nm 범위, aspect ratio (섬유길이/직경의 비)가 10 이상, 전기전도도가 100 S/cm 이상, 진밀도는 1.8g/ml 이상인 것이 바람직하다.The vapor-grown carbon fiber has a diameter in the range of 100 to 300 nm, aspect ratio (fiber length / diameter ratio) is 10 or more, electrical conductivity is 100 S / cm or more, the true density is preferably 1.8 g / ml or more.
본 발명에 의한 직접 메탄올 연료전지용 막-전극 어셈블리에 따르면, 탄소 나노 섬유의 일종인 기상성장탄소섬유를 연료극의 촉매층에 첨가함으로써 전극 구조를 개선시켜 촉매층 내에 공간 형성을 유도하여 물질 전달성을 향상시키고, 이와 더불어 촉매층을 이루고 있는 촉매 입자 응집체의 크기를 줄여 비표면적을 증대시킴으로써 촉매의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.According to the membrane-electrode assembly for direct methanol fuel cell according to the present invention, by adding vapor-grown carbon fiber, which is a kind of carbon nanofibers, to the catalyst layer of the anode, the electrode structure is improved to induce the formation of space in the catalyst layer, thereby improving mass transfer properties. In addition, the utilization efficiency of the catalyst can be improved by reducing the size of the catalyst particle aggregate forming the catalyst layer and increasing the specific surface area.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 가능한 한 동일한 부호를 부가한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the embodiments according to the present invention, detailed descriptions of related well-known configurations or functions will be omitted. In addition, in adding the reference numerals to the components of each drawing, the same reference numerals are added to the same components as much as possible.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and should be construed in accordance with the technical meanings and concepts of the present invention.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.The embodiments described in the specification and the configuration shown in the drawings are preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention, various equivalents and modifications that can replace them at the time of the present application are There may be.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지의 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a membrane-electrode assembly of a direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 어셈블리는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극(100) 및 캐소드 전극(200)과 상기 애노드 전극(100) 및 캐소드 전극(200) 사이에 위치하는 고분자 전해질막을 포함한다. Referring to FIG. 1, a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention may be disposed between an
또한, 상기 애노드 전극(100) 및 캐소드 전극(200)은 전극 기재(120, 220) 및 상기 전극 기재(120, 220) 위에 위치하는 촉매층(110, 210)을 포함한다.In addition, the
상기 애노드 전극(100)의 촉매층(110)은 촉매, 기상성장탄소섬유 및 바인더수지를 포함한다. The
상기 촉매는 메탄올 연료의 산화 반응을 촉진시키는 역할을 하는 것으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 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, Pt/Ru/Sn/W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 직접 메탄올 연료 전지에서는 애노드 전극(100) 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생함에 따라 이를 방지하기 위하여, 백금-루테늄 합금 촉매가 애노드 전극(100) 촉매로 가장 바람직하다.The catalyst serves to promote the oxidation reaction of methanol fuel, platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Transition metals selected from the group consisting of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh and combinations thereof) and a catalyst selected from the group consisting of combinations thereof. 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 combinations thereof may be used. In a direct methanol fuel cell, a platinum-ruthenium alloy catalyst is most preferred as the
이러한 백금계 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노와이어, 카본나노볼, 또는 활성탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 널리 사용되고 있다.Such a platinum-based catalyst may be used as a 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 nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball, or activated carbon may be used, or alumina, silica, titania Inorganic fine particles such as zirconia and the like may be used, but carbon-based materials are generally used.
상기 바인더 수지는 촉매층(110)의 접착력 향상 및 수소 이온 전달을 위하여 첨가되는 것으로 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지가 사용된다. 이러한 수소 이온 전도성 고분자 수지로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지가 사용할 수 있다. The binder resin is added to improve adhesion of the
바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 고분자이 사용될 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자가 사용될 수 있다.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 may be used, more preferably poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), or sulfonic acid groups Copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether, defluorinated sulfide polyether ketone, aryl ketone, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole (poly ( 2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), a poly (2,5-benzimidazole), and a hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of these may be used.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용 가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막(300)과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 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 compound for the purpose of further improving adhesion to the
상기 비전도성 화합물로는 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, 소르비톨(Sorbitol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 보다 바람직하다.Examples of the non-conductive compound include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer (PFA), and ethylene / tetrafluoro Ethylene / tetrafluoroethylene (ETFE), ethylenechlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), dode More preferably, it is selected from the group consisting of silbenzenesulfonic acid, sorbitol, and combinations thereof.
상기 기상성장탄소섬유는 로 벤젠이나 메탄 등과 같은 탄화수소 계열의 물질을 1000 - 1300 ℃의 고온에서 전이금속 촉매의 존재 하에 분해시켜 성장시킨 나노섬유의 일종으로 기계적 강도가 우수하고 전기 전도도 및 열 전도도가 우수하다. 도 2는 Showa Denko사의 VGCF(Vapor-grown carbon fiber)인 VGCF®-H의 현미경 사진이다.The vapor-grown carbon fiber is a kind of nanofibers grown by decomposing hydrocarbon-based materials such as benzene or methane in the presence of a transition metal catalyst at a high temperature of 1000-1300 ℃, and has excellent mechanical strength, electrical conductivity and thermal conductivity. great. Figure 2 is a micrograph of VGCF ®- H, Vapor-grown carbon fiber (VGCF) from Showa Denko.
본 발명은 애노드 전극(100)의 촉매층(110)에 기상성장탄소섬유를 첨가함으로써 전극 구조를 개선시켜 촉매층 내에 공간 형성을 유도하여 물질 전달성을 향상시키고, 이와 더불어 촉매층(110)을 이루고 있는 촉매 입자 응집체의 크기를 줄여 비표면적을 증대시킴으로써 촉매의 이용 효율을 향상시킨다.The present invention improves the electrode structure by adding a vapor-grown carbon fiber to the
상기 촉매층(110)에서 기상성장탄소섬유의 함량은 특별히 제한되지 않으나, 상기 촉매 중량 대비 2 내지 4 중량% 포함하는 것이 바람직하다. 기상성장탄소섬유의 함량이 4 중량%를 초과할 경우 촉매층이 두꺼워져 저항이 커지므로 바람직하지 못하며, 2 중량% 미만일 경우 촉매층의 구조 개선 효과를 보기에는 미미한 양이므로 바람직하지 못하다.The content of the gaseous growth carbon fiber in the
상기 애노드 전극(100)의 촉매층(110)은 기상성장탄소섬유, 촉매 및 바인더 수지를 포함하는 슬러리를 제조한 후 이를 전극 기재(120)에 도포하여 제조할 수 있는데, 기상성장탄소섬유가 잘 분산되게 하기 위하여, 분산용매에 기상성장탄소섬유를 첨가한 후 초음파 분해(Sonication)를 이용하여 분산시킨 후, 이를 통해 제조된 분산액을 촉매 및 바인더수지와 혼합하여 슬러리를 제조하고 이를 전극 기재(120)에 도포하여 제조하는 것이 바람직하다. 상기 분산용매로는 메탄올, 에탄올, n-프로판올, iso-프로판올, n-부탄올, iso-부탄올, sec-부탄올, tert-부탄올 및 이들의 혼합액으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하게 사용될 수 있다.The
상기 전극 기재(120)는 전극을 지지하는 역할을 하면서 촉매층(110)으로 연료 및 산화제를 확산시켜 촉매층(110)으로 연료 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 전극 기재(120)로는 도전성 기재를 사용하며 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 또는 금속천((섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속 필름이 형성된 것(metalized polymer fiber)을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The
또한 상기 전극 기재(120)는 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 for the
또한, 상기 전극 기재(120)에서의 반응물 확산 효과를 증진시키기 위한 미세 기공층(microporous layer: 미도시)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, the
한편, 상기 캐소드 전극(200)의 촉매층은 촉매 및 바인더 수지를 포함한다.Meanwhile, the catalyst layer of the
상기 촉매는 캐소드 전극(200)에서 산소와 같은 산화제의 환원 반응을 촉진시키는 역할을 하는 것으로, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 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, Pt/Ru/Sn/W 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. The catalyst serves to promote a reduction reaction of an oxidant such as oxygen in the
이러한 백금계 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카블랙, 케첸블랙, 아세틸렌 블랙, 카본나노튜브, 카본나노파이버, 카본나노와이어, 카본나노볼, 또는 활성탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 티타니아, 지르코 니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 널리 사용되고 있다.Such a platinum-based catalyst may be used as a 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 nanotube, carbon nanofiber, carbon nanowire, carbon nanoball, or activated carbon may be used, or alumina, silica, titania Inorganic fine particles such as zirconia and the like may be used, but in general, carbon-based materials are widely used.
상기 바인더 수지 및 전극 기재(220)는 애노드 전극(100)에서 사용된 것과 동일한 것들이 캐소드 전극(200)에서도 사용될 수 있다.The binder resin and the
상기 고분자 전해질 막(300)은 애노드 전극(100)의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(200)의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하는 것으로, 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지로 제조된다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있다. The
상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 또는 이들의 공중합체를 들 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), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 또는 이들의 공중합체를 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 Polymers, polyether-etherketone-based polymers, polyphenylquinoxaline-based polymers or copolymers thereof, more preferably poly (perfluorosulfonic acid) (generally marketed as Nafion), poly (purple) Fluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5, 5'-bibenzimidazole (poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole) or copolymers thereof.
또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기 에서 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.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 ion-exchange group of the side chain terminal, NaOH is substituted for the preparation of the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is used when tetrabutylammonium is used. It can be substituted using. Since this substitution method is well known in the art, detailed description thereof will be omitted.
스택은 이상에서 설명한 하나 또는 2 이상의 막-전극 어셈블리와 및 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하여 이루어진다. 상기 세퍼레이터는 지지체의 역할을 할 뿐만 아니라, 애노드 전극(100)과 캐소드 전극(200)을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 하는 것으로, 그 표면에는 연료 전지의 반응에 필요한 산화제와 연료를 막-전극 어셈블리의 애노드 전극(100)과 캐소드 전극(200)으로 공급하기 위한 유로 채널이 형성되어 있는 것이 바람직하다.The stack includes one or more membrane-electrode assemblies described above and separators located on both sides of the membrane-electrode assembly. The separator not only functions as a support, but also serves as a conductor connecting the
상기 세퍼레이터로는 금속, 그라파이트 또는 탄소-수지 복합체 등이 사용될 수 있다. 상기 금속으로는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 티타늄, 구리 또는 이들의 합금 등을 사용할 수 있으며, 또한, 상기 탄소-수지 복합체로는 에폭시계 수지, 에스테르계 수지, 비닐 에스테르계 수지, 요소 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 수지와 그라파이트 등의 탄소계 물질과의 복합체가 사용될 수 있다. 그러나 본 발명의 세퍼레이터가 이에 한정되는 것은 아니다.As the separator, a metal, graphite, or carbon-resin composite may be used. The metal may be stainless steel, aluminum, titanium, copper, or an alloy thereof, and the like, and the carbon-resin composite may include epoxy resins, ester resins, vinyl ester resins, urea resins, and the like. A composite of a resin selected from the group consisting of combinations with a carbon-based material such as graphite may be used. However, the separator of the present invention is not limited thereto.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수 정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid the understanding of the present invention, but the following examples are merely for exemplifying the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope and spirit of the present invention. It is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
막-전극 어셈블리의 제조(Fabrication of the membrane-electrode assembly 실시예Example 1~3, 1 to 3, 비교예Comparative example 1) One)
애노드 전극 촉매로 사용한 PtRu Black에 탄소섬유를 첨가하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 탄소섬유는 Showa Denko 사의 VGCF(VGCF®-H, 도 2 참조)를 사용하였다. 탄소섬유의 분산을 위하여 분산제로써 과량의 이소프로판올을 사용하여 VGCF를 초음파 분해(Sonication)로 분산시켰다. 이후 VGCF 분산액을 Pt Black과 Nafion solution의 혼합액에 첨가한 후 교반하여 애노드 전극용 촉매 슬러리를 제조하였다. VGCF의 첨가량은 PtRu Black 촉매의 중량 대비 0 %(비교예 1), 2 %(실시예 1), 4 %(실시예 2), 6 %(실시예 3)로 변화시켰다. A catalyst slurry was prepared by adding carbon fibers to PtRu Black used as the anode electrode catalyst. Carbon fiber used VGCF (VGCF ® -H, see Figure 2) of Showa Denko. VGCF was dispersed by sonication using an excess of isopropanol as a dispersant to disperse the carbon fibers. After the VGCF dispersion was added to the mixture of Pt Black and Nafion solution and stirred to prepare a catalyst slurry for the anode electrode. The amount of VGCF added was changed to 0% (Comparative Example 1), 2% (Example 1), 4% (Example 2), 6% (Example 3) based on the weight of the PtRu Black catalyst.
애노드 전극의 지지층으로는 5 wt% PTFE(poly-tetrafluoroethylene) 처리된 탄소 종이(TGP-H-060, Toray Co.)를 사용하였다. 촉매는 PtRu Black(HiSpec 6000, Johnson Matthey)를 Nafion solution과의 중량 비율 90:10으로 혼합하여 슬러리를 제조, PtRu Black 기준 6mg/cm2로 Brushing하여 도포하였다. 5 wt% PTFE (poly-tetrafluoroethylene) treated carbon paper (TGP-H-060, Toray Co.) was used as a support layer of the anode electrode. The catalyst was prepared by mixing PtRu Black (HiSpec 6000, Johnson Matthey) in a weight ratio of 90:10 with Nafion solution to prepare a slurry, and applying a brush to 6 mg / cm 2 based on PtRu Black.
캐소드 전극(200)의 지지층으로는 탄소 종이(Sigracet GDL 35BC, SGL)를 사용하였고, 촉매는 Pt Black(HiSpec 1000, Johnson Matthey)를 Nafion solution과의 중량 비율 93:7로 혼합하여 슬러리 제조 후 Pt Black 기준 5mg/cm2로 Brushing하여 도포하였다. 고분자 전해질 막은 Nafion115(Du Pont)을 사용하였다. 막-전극 어셈 블리(Membrane-Electrode Assembly, MEA)는 단위면적당 100kg/cm2의 압력으로 135℃에서 10분간 Hot Pressing 방법으로 제작하였다. MEA 면적은 9cm2로 하였다.Carbon paper (Sigracet GDL 35BC, SGL) was used as the support layer of the
단위 전지 성능 평가Unit battery performance evaluation
단위 전지의 성능 평가를 위하여 상기의 방법으로 제조된 MEA를 단위 전지로 조합한 후, 단위 전지 성능평가 장치에 장착하였으며, 애노드 전극 쪽에는 2M의 메탄올을 1.2cc/min으로, 캐소드 전극 쪽에는 공기를 350cc/min으로 주입하였다. 단위전지 성능은 60 oC에서 측정되었다.In order to evaluate the performance of the unit cell, the MEA prepared by the above method was combined into a unit cell, and then mounted in the unit cell performance evaluation device. 2 M of methanol was 1.2cc / min on the anode electrode side and air on the cathode electrode side. Was injected at 350 cc / min. Unit cell performance was measured at 60 ° C.
애노드 전극의 과전압은 애노드 전극 쪽에 2M의 메탄올을 1.2cc/min으로, 캐소드 전극 쪽에는 Dynamic Hydrogen Electrode 조건을 이루기 위해 수소를 100cc/min으로 주입하여 30 ~ 80 oC의 온도범위에서 측정되었다. The overvoltage of the anode electrode was measured at a temperature range of 30 to 80 oC by injecting hydrogen at 100 cc / min to achieve dynamic hydrogen electrode conditions at 1.2 cc / min with 2 M methanol on the anode side.
몰폴로지Morphology 관찰 및 기공 측정을 통한 전극 구조 분석 Electrode structure analysis through observation and pore measurement
탄소섬유의 애노드 전극 촉매 내 도포 상태를 관찰하기 위하여 Scanning Electron Microscopy(Hitachi S-4700, EMAX)로 분석하였다. 애노드 전극 지지층으로 사용된 탄소 종이(TGP-H-060, Toray Co.)에 촉매층을 Brushing으로 도포하여 촉매층의 단면을 관찰하였다.Scanning Electron Microscopy (Hitachi S-4700, EMAX) was used to observe the application state of the carbon fiber in the anode electrode catalyst. The cross section of the catalyst layer was observed by brushing the catalyst layer to carbon paper (TGP-H-060, Toray Co.) used as the anode electrode support layer.
또한 VGCF가 첨가된 촉매층의 구조 변화를 살펴보기 위하여 기공 분석을 행 하였다. 기공 분석은 수은 기공분석법(Auropore IV 9500, Micromeritics)을 통해 이루어졌다.In addition, pore analysis was performed to investigate the structural change of the catalyst layer added with VGCF. Pore analysis was performed by mercury pore analysis (Auropore IV 9500, Micromeritics).
순환전류전압법Cyclic Current Voltage Method 및 임피던스 측정을 통한 전극의 전기화학적 특성 분석 Analysis of Electrochemical Characteristic of Electrode by Measuring Electrode and Impedance
VGCF의 첨가가 촉매층에 미치는 전기화학적 변화는 순환전류전압법 및 교류 임피던스법으로 분석되었다. The electrochemical change of VGCF added to the catalyst layer was analyzed by cyclic voltammetry and AC impedance method.
순환전류전압법에서는 애노드 전극에 대한 전류전압곡선을 얻기 위하여, 60 oC의 단위전지 캐소드 전극에 수소를 100 cc/min로 주입하고 애노드 전극에는 물을 순환시켜 주어, 0.1 ~ 1.2 V의 전압 범위에서 20 mV/sec의 전압 스캔 속도로 전류를 측정하였다. 교류 임피던스법에서는 60oC의 단위전지 애노드 전극에 2M 메탄올을 1.2 cc/min으로, 캐소드 전극에는 Dynamic Hydrogen Electrode 조건을 이루기 위해 수소를 100cc/min으로 주입하여, 5 kHz~50 mHz의 주파수 범위에서 섭동 전위를 10mV로 하여 임피던스를 측정하였다.In the cyclic voltammetry, in order to obtain a current voltage curve for the anode electrode, hydrogen is injected at 100 cc / min into a unit cell cathode electrode of 60 ° C. and water is circulated to the anode electrode, thereby providing a voltage range of 0.1 to 1.2 V. The current was measured at a voltage scan rate of 20 mV / sec at. In the AC impedance method, 2M methanol is injected at 1.2 cc / min into the unit cell anode electrode at 60 o C, and hydrogen is injected into the cathode at 100 cc / min to achieve dynamic hydrogen electrode conditions. The frequency range is 5 kHz to 50 mHz. The impedance was measured at a perturbation potential of 10 mV.
실험결과Experiment result
1) 단위 전지 성능1) unit battery performance
VGCF의 첨가 비율 별로 측정한 단위 전지 성능을 도 3에 나타내었다. 단위 전지의 성능은 VGCF가 PtRu Black 중량 대비 2, 4 % 첨가되었을 때 성능 향상을 보였으며, 2 % 첨가하였을 때 성능이 최대로 향상되었다. 이보다 높은 VGCF 6 %의 첨 가 비율에서는 첨가되지 않은 경우에 비해 성능이 낮았다.The unit cell performance measured for each VGCF addition ratio is shown in FIG. 3. The performance of the unit cell was improved when VGCF was added 2, 4% of the PtRu Black weight, and the performance was maximized when 2% was added. At a
VGCF가 첨가된 애노드 전극 촉매의 효과를 확인하기 위하여 온도를 변화시키면서(30℃, 40℃, 50℃, 60℃, 70℃, 80℃) 애노드 전극의 과전압을 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. 도 3의 성능 평가 결과와 같이 애노드 전극에 2, 4 wt%의 VGCF를 첨가하였을 때 애노드 전극 과전압이 적게 나타남을 확인할 수 있다. 특히, 2 % 첨가 시에는 측정한 모든 온도에서 첨가하지 않은 경우보다 과전압이 낮았고, 30 ~ 50 oC의 낮은 온도 영역과 낮은 전류밀도에서는 섬유를 첨가한 모든 애노드 전극에서 그렇지 않은 애노드 전극에 비해 과전압이 낮게 측정되었다.In order to confirm the effect of the anode electrode catalyst to which the VGCF is added, the result of measuring the overvoltage of the anode electrode while changing the temperature (30 ° C, 40 ° C, 50 ° C, 60 ° C, 70 ° C, 80 ° C) is shown in FIG. 4. . As shown in the performance evaluation results of FIG. 3, when the 2, 4 wt% VGCF was added to the anode, the anode overvoltage was found to be less. In particular, at 2% addition, the overvoltage was lower than at all the measured temperatures, and at low temperature ranges of 30 to 50 o C and at low current densities, all the anode electrodes with fibers were compared with the non-anode electrodes. This was measured low.
2) 2) 촉매층의Of catalyst bed 몰폴로지Morphology 및 기공 변화 And pore changes
도 5는 VGCF 0 %. 2 %, 4 %, 6 %(각각 (a), (b), (c), (d)) 첨가시 애노드 전극 전극층의 SEM 이미지(좌)와 애노드 전극 촉매층의 SEM 이미지(우)를 나타낸 사진이다. 모든 첨가 비율에서 VGCF가 촉매층에 비교적 고르게 분포함을 알 수 있다. VGCF가 첨가된 비율이 증가할수록 촉매층의 두께도 증가한 반면(도 5 좌측 참조), 섬유 첨가에 의하여 촉매입자 응집체 사이에 공간이 형성되는 등 촉매층의 구조가 변화된 것을 확인할 수 있다(도 5 우측 참조).5 is VGCF 0%. Photo showing SEM image (left) of anode electrode electrode layer and SEM image (right) of anode electrode catalyst layer when 2%, 4%, 6% ((a), (b), (c), (d)) were added to be. It can be seen that VGCF is relatively evenly distributed in the catalyst bed at all addition ratios. As the proportion of the VGCF added increased, the thickness of the catalyst layer also increased (see left side of FIG. 5), but the structure of the catalyst layer changed such that a space was formed between the aggregates of the catalyst particles due to fiber addition (see right side of FIG. 5). .
또한 VGCF가 첨가된 촉매층의 구조 변화를 알아 보기 위해 기공 분석법를 이용하여 그 분포와 기공도를 도 6 및 표 1에 나타내었다. 1000 nm 이상의 영역에서 관찰되는 높은 피크는 촉매를 도포한 탄소 종이(TGP-H-060)를 구성하고 있는 탄소 섬유(Polyacryolonitrile 계의 탄소섬유)들의 사이 공간에 의해 나타나는 기공 분포이다. 주목해야 할 부분은 1000 nm 이하의 기공 분포가 VGCF의 첨가량 증가에 따라 함께 증가한 것이다. VGCF의 첨가가 PtRu 촉매층에 구조적 변화를 일으켜 이것이 특정 영역의 기공 분포 증가로 나타난 것이다. 즉, 촉매층에 섬유가 첨가됨에 따라 형성된 공간들에 의해 1000 nm 이하의 기공이 증가, 이로 인해 촉매층 내의 물질 전달성이 향상되는 한편, 촉매 입자의 응집체 크기가 줄어드는 효과로 촉매의 이용 효율을 증대시킬 수 있다.In addition, the distribution and the porosity of the catalyst layer to which the VGCF is added by using a pore analysis method are shown in Figure 6 and Table 1. The high peak observed in the region of 1000 nm or more is the pore distribution represented by the space between the carbon fibers (Polyacryolonitrile-based carbon fibers) constituting the catalyst coated carbon paper (TGP-H-060). It should be noted that the pore distribution below 1000 nm increased with increasing amount of VGCF added. The addition of VGCF caused structural changes in the PtRu catalyst layer, indicating an increase in pore distribution in certain regions. That is, as the fibers are added to the catalyst layer, pores of 1000 nm or less increase due to the spaces formed, thereby improving mass transfer in the catalyst layer, and increasing the utilization efficiency of the catalyst by reducing the aggregate size of the catalyst particles. Can be.
[표 1]TABLE 1
3) 3) 촉매층의Of catalyst bed 전기화학적 특성 변화 Change of electrochemical properties
VGCF 첨가에 의한 애노드 전극 촉매층의 전기화학적 영향은 도 7, 표 2 및 도 8에 나타나 있다. 도 7 및 표 2은 순환전류 전압법에 의한 애노드 전극의 분석 결과를 나타낸다. VGCF의 첨가 비율이 4 % 까지 증가하였을 때 전기 이중층에 의한 캐패시턴스 및 수소 산화 영역의 전기화학적 활성 면적도 함께 증가하였고, 6 % 첨가 비율에서는 다시 소폭 감소하였으며 이러한 결과는 도 3 및 5 에 나타난 성능 결과와 유사하다. 이는 VGCF 첨가의 비율이 증가하면서 촉매층 내 Nafion 이오노머의 상대적인 비율은 감소하였지만, 촉매와 나피온 간의 계면 및 촉매의 전기화학적 활성면적이 증가하였음을 의미한다. 즉 섬유 첨가에 의하여 촉매 입자 응집체의 크기가 작아지면서 더 많은 촉매의 전기화학적 활성면적이 노출되고, 아울러 촉매와 나피온 간의 계면도 증가한 것으로 판단된다.The electrochemical effects of the anode electrode catalyst layer by VGCF addition are shown in FIG. 7, Table 2 and FIG. 7 and Table 2 show the analysis results of the anode electrode by cyclic voltammetry. When the addition rate of VGCF was increased to 4%, the electrochemically active area of the capacitance and hydrogen oxidation region by the electric double layer also increased, and slightly decreased again at the 6% addition rate. Similar to This means that the relative proportion of Nafion ionomer in the catalyst layer decreased as the ratio of VGCF addition increased, but the interface between the catalyst and Nafion and the electrochemical active area of the catalyst increased. In other words, as the size of the catalyst particles becomes smaller due to fiber addition, more electrochemically active areas of the catalyst are exposed, and the interface between the catalyst and Nafion is also increased.
[표 2]TABLE 2
도 8은 0.5V에서 측정된 VGCF 첨가에 따른 교류 임피던스 변화를 나타낸 그래프이다. 도 8은 애노드 전극 촉매에 VGCF를 첨가하였을 때 애노드 전극의 임피던스가 크게 변화하지 않는다는 것을 나타낸다. VGCF의 전기전도도가 매우 높은 것으로 알려져 있긴 하지만, 금속인 백금-루테늄의 전기전도도 보다는 여전히 낮다. 그럼에도 불구하고 VGCF의 첨가가 전극의 전기적 저항, 이온 저항 및 전자전달 저항에 큰 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다.8 is a graph showing the change of the AC impedance with the addition of VGCF measured at 0.5V. 8 shows that the impedance of the anode electrode does not change significantly when VGCF is added to the anode electrode catalyst. Although the electrical conductivity of VGCF is known to be very high, it is still lower than that of the metal platinum-ruthenium. Nevertheless, it can be seen that the addition of VGCF does not significantly affect the electrical resistance, ion resistance and electron transfer resistance of the electrode.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 메탄올 연료전지의 막-전극 어셈블리를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a membrane-electrode assembly of a direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 2는 실시예 1~3 및 비교예 1의 막-전극 어셈블리 제조를 위해 사용된 VGCF의 현미경 사진이다.2 is a micrograph of the VGCF used for the preparation of the membrane-electrode assembly of Examples 1-3 and Comparative Example 1. FIG.
도 3은 VGCF의 첨가 비율 별로 측정한 단위 전지 성능 평가 결과를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the results of evaluation of unit cell performance measured for each VGCF addition ratio.
도 4는 온도를 변화시키면서 애노드 전극의 과전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.4 is a graph illustrating a result of measuring an overvoltage of an anode electrode while changing temperature.
도 5는 기VGCF 0 %. 2 %, 4 %, 6 %(각각 (a), (b), (c), (d)) 첨가시 애노드 전극층의 SEM 이미지(좌)와 애노드 촉매층의 SEM 이미지(우)를 나타낸 사진이다.5 shows GGCF 0%. SEM image (left) of the anode electrode layer and SEM image (right) of the anode catalyst layer when 2%, 4%, and 6% ((a), (b), (c) and (d)) were added, respectively.
도 6은 수은 기공법으로 얻어진 VGCF 첨가에 따른 전극층의 기공 분포를 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the pore distribution of the electrode layer according to the addition of VGCF obtained by the mercury pore method.
도 7은 VGCF 첨가에 따른 애노드 전극의 전류전압 곡선이다.7 is a current voltage curve of an anode electrode according to the addition of VGCF.
도 8은 0.5V에서 측정된 VGCF 첨가에 따른 교류 임피던스 변화를 나타낸 그래프이다. 8 is a graph showing the change of the AC impedance with the addition of VGCF measured at 0.5V.
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