KR20110124698A - Electrode for fuel cell, preparing method thereof, and membrane electrode assembly and fuel cell employing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An electrodefor a fuel cell is provided to stably maintain properties from the early stage of operation in a high temperature operation condtion. CONSTITUTION: An electrode(1) for a fuel cell comprising an electrode catalyst layer(5), wherein the electrode catalyst layer comprises an electrode catalyst including a conductive carrier(11) and catalyst particles(13) supported on the conductive carrier, and the electrode catalyst includes an acid impregnated electrode catalyst(20) in which the conductive carrier is impregnated with an acid component having proton conductivity and a non-impregnated electrode catalyst(10) in which the conductive carrier is not impregnated with the acid component.

Description

연료 전지용 전극, 이의 제조 방법, 및 이를 구비한 막전극접합체와 연료 전지{Electrode for fuel cell, preparing method thereof, and membrane electrode assembly and fuel cell employing the same}Electrode for fuel cell, method for manufacturing same, and membrane electrode assembly and fuel cell having same {Electrode for fuel cell, preparing method etc, and membrane electrode assembly and fuel cell employing the same}

본 발명은 연료 전지용 전극, 연료 전지용 전극의 제조 방법 및, 상기 연료전지용 전극을 구비한 막전극접합체 및 연료 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell electrode, a fuel cell electrode manufacturing method, a membrane electrode assembly provided with the fuel cell electrode, and a fuel cell.

현재, 연료 전지용 전해질막으로서 나피온(등록상표, 듀퐁사제) 등의 퍼플루오로설폰산막으로 대표되는 불소계 전해질막을 이용한 연료 전지가 이용되고 있다. 이 전해질막의 경우, 소수성의 주쇄 및 친수성의 측쇄가 상분리하여, 소위 이온 클러스터 구조를 형성한다. 프로톤 수송 형태로서는 이 전해질막 구조중에 많은 물분자가 받아들여져 설폰산기의 해리를 촉진하고, 동시에 물분자의 높은 운동성을 이용함으로써 높은 프로톤 전도성을 발현시키는 것이 알려져 있다.Currently, a fuel cell using a fluorine-based electrolyte membrane represented by a perfluorosulfonic acid membrane such as Nafion (trademark, manufactured by DuPont) is used as an electrolyte membrane for a fuel cell. In the case of this electrolyte membrane, the hydrophobic main chain and the hydrophilic side chain are phase separated to form a so-called ion cluster structure. As a proton transport mode, it is known that many water molecules are taken in this electrolyte membrane structure to promote dissociation of sulfonic acid groups and at the same time to express high proton conductivity by utilizing high motility of water molecules.

그러나, 상술한 것과 같은 연료 전지는 물에 의존하는 프로톤 전도 때문에 운전 온도가 70~80℃로 제한되는 것 이외에 가습기가 보조 장치로서 필요하므로 수분 관리 시스템 등이 복잡하게 되어 버린다. 또, 연료 전지 시스템의 관점에서, 상기 운전 온도가 큰 제약이 되어, 수소 가스를 제조할 때에 발생하는 부생성물인 일산화탄소에 의한 촉매의 피독 등의 문제가 생기는 것 이외에 일산화탄소 제거 장치도 필요불가결하게 되므로 연료 전지 시스템이 전체적으로 매우 고가가 되어 버리는 문제가 있었다.However, the fuel cell as described above is not limited to the operating temperature of 70 to 80 ° C due to the proton conduction depending on the water, but also requires a humidifier as an auxiliary device, which complicates the water management system. In addition, from the viewpoint of a fuel cell system, the operating temperature is a big limitation, and in addition to the problem of poisoning of the catalyst with carbon monoxide, which is a by-product generated when hydrogen gas is produced, a carbon monoxide removing device is also indispensable. There has been a problem that the fuel cell system as a whole becomes very expensive.

이러한 문제를 감안하여, 차세대의 크린 에너지로서 주목받고 있는 연료 전지의 분야에 있어서, 100℃ 이상의 고온에서의 운전이 가능할 수 있도록 무가습 또는 저가습하에서 프로톤이 전도될 수 있는 전해질막의 개발이 활발하게 행해지고 있다. 이와 같이, 물에 의존하지 않는 고온하에서 프로톤 전도가 가능한 전해질막이 제공되면, 연료 전지 시스템의 간략화를 도모할 수 있기 때문에 가정용 코제너레이션 용도 또는 자동차용 용도로서 보급하는 것이 기대될 수 있다. 이러한 연료 전지의 하나로서, 예를 들면, 인산형 연료 전지(phosphoric acid fuel cell: PAFC)이 있으며, 종래부터 여러가지 개발이 이루어지고 있다(예를 들면, 이하의 특허 문헌 1 및 2 참조).In view of these problems, in the field of fuel cells, which are attracting attention as the next-generation clean energy, development of an electrolyte membrane capable of conducting protons under no-humidity or low-humidity to enable operation at a high temperature of 100 ° C. or higher is actively carried out. It is done. In this way, if an electrolyte membrane capable of proton conduction at a high temperature that does not depend on water is provided, the fuel cell system can be simplified, and it can be expected to be used as a home cogeneration or an automobile. One such fuel cell is, for example, a phosphoric acid fuel cell (PAFC), and various developments have been made in the past (for example, refer to Patent Documents 1 and 2 below).

근년, 100℃ 이상에서 구동하는 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte fuel cell:PEFC)에 관한 여러가지 제안이 이루어지고 있다. 일반적으로, 100℃ 이상에서의 발전에서는 촉매 활성이 향상되기 때문에 일산화탄소에 의한 피독의 정도가 경감될 가능성이 시사되어 있으며, 나아가서는 연료 전지 수명이 향상된다고 생각되고 있다. 그러나, 150℃ 정도의 중온역에서의 운전에 있어서는 물분자가 안정적으로 존재할 수 없으므로, 예를 들면, 이하의 특허 문헌 3과 같이, 인산을 함침한 폴리벤즈이미다졸을 중심으로 하는 물매체에 의존하지 않는 전해질계를 이용한 연료 전지가 제안되고 있다. 이러한 연료 전지에서는, 150℃ 정도의 중온역에서도 발전이 가능한 것으로 여겨지고 있다.In recent years, various proposals have been made regarding a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) which operates at 100 ° C or higher. In general, in the power generation above 100 ° C, the catalytic activity is improved, suggesting that the degree of poisoning by carbon monoxide may be reduced, and furthermore, it is considered that fuel cell life is improved. However, since the water molecules cannot be stably present in the operation in the medium temperature range of about 150 ° C, for example, it depends on the water medium mainly based on polybenzimidazole impregnated with phosphoric acid, as in Patent Document 3 below. A fuel cell using an electrolyte system which is not used has been proposed. In such a fuel cell, it is considered that power generation is possible even in a medium temperature region of about 150 ° C.

[특허문헌1] [Patent Document 1]

일본 특개평 10-144324호 공보Japanese Patent Laid-Open No. 10-144324

[특허문헌2] [Patent Document 2]

일본 특허공개 2001-52718호 공보Japanese Patent Laid-Open No. 2001-52718

[특허문헌3] [Patent Document 3]

미국특허 제5,525,436호 공보.US Patent No. 5,525,436.

인산을 함침한 폴리벤즈이미다졸계 전해질을 이용한 연료 전지는 인산을 프로톤 전도체로서 이용하고 있기 때문에, 발전 특성을 향상시키기 위해서는 전해질내 및 전극 촉매층 내의 모두에서 인산이 프로톤 전도체의 역할을 할 필요가 있다. 이 때문에, 전극 촉매층에서의 인산의 분산 정도나 인산의 존재량이 발전 성능을 좌우하는 문제가 있었다.Since a fuel cell using a polybenzimidazole-based electrolyte impregnated with phosphoric acid uses phosphoric acid as a proton conductor, phosphoric acid must act as a proton conductor both in the electrolyte and in the electrode catalyst layer in order to improve power generation characteristics. . For this reason, there existed a problem which the degree of dispersion of phosphoric acid and the amount of phosphoric acid in an electrode catalyst layer determine power generation performance.

또, 인산을 함침한 전해질막을 이용한 연료 전지에서는, 장시간 발전하면, 전해질막내에서 인산이 침출하여 외부에 유출하기 때문에 장시간에 걸쳐서 충분한 발전 성능을 발휘하는 것이 곤란해지는 문제가 있었다. 또한, 이러한 인산 유출 과정에서 전해질막내에서 침출한 인산이 전극 촉매층중의 가스 확산을 위한 공극(空隙)을 막아 버려, 전극 반응이 충분히 행해지지 않는 문제가 있었다.In addition, in a fuel cell using an electrolyte membrane impregnated with phosphoric acid, when power is generated for a long time, phosphoric acid leaches out of the electrolyte membrane and flows out to the outside, which makes it difficult to exert sufficient power generation performance for a long time. In addition, phosphoric acid leaching in the electrolyte membrane during the phosphoric acid outflow process prevents the voids for gas diffusion in the electrode catalyst layer, thereby causing insufficient electrode reaction.

따라서 본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 고온의 운전 조건하에서 초기시부터 안정적으로 특성을 유지할 수 있는 연료전지용 전극, 연료전지용 전극의 제조방법 및 연료전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell electrode, a method for manufacturing a fuel cell electrode, and a fuel cell capable of stably maintaining characteristics from an initial stage under high temperature operating conditions. It is done.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 관점에 의하면, In order to solve the said subject, according to one aspect of the present invention,

전극 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극으로서,An electrode for a fuel cell comprising an electrode catalyst layer,

상기 전극 촉매층이 도전성 담체 및 상기 도전성 담체에 담지된 촉매 입자를 포함하는 전극 촉매를 포함하고,The electrode catalyst layer comprises an electrode catalyst comprising a conductive carrier and catalyst particles supported on the conductive carrier,

상기 전극 촉매는 프로톤 전도성을 갖는 산성분이 상기 도전성 담체에 함침된 산함침 전극 촉매 및 상기 산성분이 상기 도전성 담체에 함침되지 않은 산미함침 전극 촉매를 포함하는 연료전지용 전극이 제공된다.The electrode catalyst is provided with an electrode for a fuel cell comprising an acid impregnated electrode catalyst in which an acid component having proton conductivity is impregnated in the conductive carrier and an acid impregnated electrode catalyst in which the acid component is not impregnated in the conductive carrier.

상기 전극 촉매층 형성시 상기 산함침 전극촉매의 중량 : 상기 산미함침 전극촉매의 중량의 혼합비는 5 내지 95 : 95 내지 5일 수 있다. 전극 촉매층이 이러한 비율로 이루어진 산함침 전극 촉매와 산미함침 전극 촉매로 구성되는 것에 의하여, 고분자 전해질막으로부터 침출한 수용성 유리산을 적절히 흡착할 수 있다. 그 결과, 가스 확산 경로의 공극(空隙)이 막힐 수 있는 현상을 억제할 수 있고, 또한 전극 촉매층의 내구성을 향상시킬 수 있다.When the electrode catalyst layer is formed, the mixing ratio of the weight of the acid-impregnated electrode catalyst to the weight of the acid-impregnated electrode catalyst may be 5 to 95: 95 to 5. When the electrode catalyst layer is composed of an acid-impregnated electrode catalyst and an acid-impregnated electrode catalyst composed of such a ratio, the water-soluble free acid leached from the polymer electrolyte membrane can be adsorbed appropriately. As a result, the phenomenon that the space | gap of a gas diffusion path can be clogged can be suppressed, and durability of an electrode catalyst layer can be improved.

상기 도전성 담체는 탄소 재료일 수 있다.The conductive carrier may be a carbon material.

상기 촉매 입자는 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 철(Fe), 납(Pb), 망간(Mn), 크롬(Cr), 갈륨(Ga), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 촉매 입자는 백금(Pt) 단독; 백금과, 금(Au), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 철(Fe), 납(Pb), 망간(Mn), 크롬(Cr), 갈륨(Ga), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 혼합물 또는 합금; 또는 금(Au), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 철(Fe), 납(Pb), 망간(Mn), 크롬(Cr), 갈륨(Ga), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택된 2종 이상의 금속의 혼합물 또는 합금일 수 있다.The catalyst particles are platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), cobalt (Co), iron (Fe), lead (Pb), manganese It may include at least one metal selected from the group consisting of (Mn), chromium (Cr), gallium (Ga), tin (Sn), molybdenum (Mo), and vanadium (V). Specifically, the catalyst particles are platinum (Pt) alone; Platinum, gold (Au), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), cobalt (Co), iron (Fe), lead (Pb), manganese (Mn), chromium ( Mixtures or alloys comprising at least one metal selected from the group consisting of Cr), gallium (Ga), tin (Sn), molybdenum (Mo), and vanadium (V); Or gold (Au), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), cobalt (Co), iron (Fe), lead (Pb), manganese (Mn), chromium (Cr) , Gallium (Ga), tin (Sn), molybdenum (Mo) and vanadium (V) may be a mixture or alloy of two or more metals selected from the group consisting of.

상기 산은 인산, 인산 유도체, 포스폰산, 포스폰산 유도체, 포스핀산, 포스핀산 유도체, 황산, 황산 유도체, 설폰산 및 설폰산 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 산일 수 있다.The acid may be at least one acid selected from the group consisting of phosphoric acid, phosphoric acid derivatives, phosphonic acid, phosphonic acid derivatives, phosphinic acid, phosphinic acid derivatives, sulfuric acid, sulfuric acid derivatives, sulfonic acid and sulfonic acid derivatives.

상기 전극 촉매층은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리(비닐리덴플루오라이드)(PVDF), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로에틸렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE), 스티렌 부타디엔 러버(SBR), 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 소수성 결착수지를 더 포함할 수 있다.The electrode catalyst layer is polytetrafluoroethylene (PTFE), poly (vinylidene fluoride) (PVDF), tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polychloro Trifluoroethylene (PCTFE), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE), styrene butadiene rubber (SBR), may further comprise at least one hydrophobic binder resin selected from the group consisting of polyurethane.

상기 도전성 담체는 50 내지 1,500m2/g의 BET 비표면적을 갖는 다공성 입자일 수 있다.The conductive carrier may be porous particles having a BET specific surface area of 50 to 1500 m 2 / g.

이러한 도전성 담체, 촉매 입자, 산성분, 및 소수성 결착수지를 이용함으로써 본 발명의 일 관점에 관한 연료 전지용 전극의 특성을 향상시킬 수 있고, 나아가서는 본 발명의 일 관점에 관한 연료 전지용 전극을 갖는 연료 전지의 발전 특성을 향상시킬 수 있다.By using such a conductive carrier, a catalyst particle, an acid component, and a hydrophobic binder resin, the characteristics of the fuel cell electrode according to one aspect of the present invention can be improved, and further, a fuel having the fuel cell electrode according to one aspect of the present invention. The power generation characteristics of the battery can be improved.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 다른 관점에 의하면,In order to solve the said subject, according to another viewpoint of this invention,

프로톤 전도성을 갖는 산성분이 도전성 담체에 함침된 산함침 전극촉매 및 상기 산성분이 상기 도전성 담체에 함침되지 않은 산미함침 전극 촉매를 포함하는 전극 촉매층용 조성물을 지지체상에 도포하는 도포단계; 및An application step of applying a composition for an electrode catalyst layer comprising an acid impregnated electrode catalyst having an acid component having proton conductivity impregnated in a conductive carrier and an acid impregnated electrode catalyst having the acid component not impregnated in the conductive carrier; And

도포된 상기 촉매층용 조성물을 건조하여 전극 촉매층을 형성하는 건조단계를 갖는 연료전지용 전극의 제조방법이 제공된다.Provided is a method of manufacturing an electrode for a fuel cell having a drying step of drying the coated composition for a catalyst layer to form an electrode catalyst layer.

상기 촉매층용 조성물에서 상기 산함침 전극촉매의 중량 : 상기 산미함침 전극촉매의 중량의 혼합비는 5 내지 95 : 95 내지 5일 수 있다.The mixing ratio of the weight of the acid-impregnated electrocatalyst in the catalyst layer composition: the weight of the acid-impregnated electrocatalyst may be 5 to 95: 95 to 5.

상기 산함침 전극촉매는, 상기 산미함침 전극 촉매를 상기 산성분중에 분산하여 진공 열처리하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 산함침 전극촉매는, 상기 산미함침 전극 촉매를 상기 산성분중에 분산한 후, 이 분산물을 감압하에서 유지하여 상기 산미함침 전극 촉매의 상기 도전성 담체의 기공내에 산성분을 함침하여 산함침 전극 촉매를 얻는 단계;The acid-impregnated electrode catalyst may be prepared by a method including dispersing the acid-impregnated electrode catalyst in the acid component to perform vacuum heat treatment. For example, the acid-impregnated electrode catalyst disperses the acid-impregnated electrode catalyst in the acid component, and then maintains the dispersion under reduced pressure to impregnate the acid component in the pores of the conductive carrier of the acid-impregnated electrode catalyst. Obtaining an acid impregnated electrode catalyst;

상기 산함침 전극 촉매를 열처리하여 상기 산함침 전극 촉매의 기공내에 상기 산성분을 더 고농도로 함침하는 단계; 및Heat-treating the acid impregnated electrode catalyst to impregnate the acid component with higher concentration in pores of the acid impregnated electrode catalyst; And

상기 산함침 전극촉매를 세척 및 건조하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 제조될 수 있다.It may be prepared by a method comprising the step of washing and drying the acid-impregnated electrocatalyst.

상기 열처리는 100~150℃에서 실시될 수 있다. 이러한 온도 범위에서 대기압보다 낮은 감압하에서 열처리함으로써 산을 변성시키지 않고 도전성 담체의 기공의 내부에 효율적으로 산을 함침시킬 수 있다. 상기 산은 농도 85 중량% 이하의 수용액인 것이 바람직하다. 이러한 농도의 산 수용액을 이용함으로써 산 수용액은 처리에 적당한 점도를 가져 효율적으로 산의 함침 처리를 실시할 수 있다.The heat treatment may be carried out at 100 ~ 150 ℃. By heat treatment under a reduced pressure lower than atmospheric pressure in this temperature range, the acid can be efficiently impregnated into the pores of the conductive carrier without denaturing the acid. It is preferable that the said acid is an aqueous solution of 85 weight% or less of concentration. By using the acid aqueous solution of such a concentration, an acid aqueous solution has the viscosity suitable for a process, and can carry out an acid impregnation process efficiently.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 또 다른 관점에 의하면, In order to solve the said subject, according to another viewpoint of this invention,

서로 대향하여 위치하는 캐소드와 애노드, 및 상기 캐소드와 상기 애노드의 사이에 위치하는 고체 전해질막을 구비하는 연료전지용 막 전극 접합체(MEA)로서,A fuel cell membrane electrode assembly (MEA) comprising a cathode and an anode positioned opposite to each other, and a solid electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode,

상기 고체 전해질막이 산성분이 도프된 염기성 폴리머를 포함하고, 상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극 중의 적어도 하나가 상기한 본 발명의 일 관점에 따른 연료전지용 전극인 막 전극 접합체가 제공된다.There is provided a membrane electrode assembly in which the solid electrolyte membrane comprises a basic polymer doped with an acid component, wherein at least one of the cathode electrode and the anode electrode is an electrode for a fuel cell according to one aspect of the present invention described above.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 또 다른 관점에 의하면, In order to solve the said subject, according to another viewpoint of this invention,

본 발명의 일 관점에 따른 연료전지용 전극을 포함하는 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 제공된다. 상기 연료전지는 예를 들면 애노드 전극에 연료 가스가 공급되는 것과 동시에 상기 캐소드 전극에 산화제 가스가 공급되고, 운전 온도가 100℃ 이상인 고분자 전해질 연료전지일 수 있다.A fuel cell including a membrane electrode assembly including a fuel cell electrode according to an aspect of the present invention is provided. For example, the fuel cell may be a polymer electrolyte fuel cell in which a fuel gas is supplied to an anode electrode and an oxidant gas is supplied to the cathode electrode, and an operating temperature is 100 ° C. or higher.

이러한 구성에 의하면, 산함침 전극 촉매의 도전성 담체의 기공 내부에 프로톤 패스인 인산 등의 산성분이 효과적으로 함침되어 있기 때문에, 촉매 반응 면적의 증대에 의한 연료 전지의 발전 특성의 향상과 초기 발전 활성화를 위한 에이징(콘디셔닝) 시간의 단축을 도모할 수 있다. 또한, 산함침 전극 촉매 및 산미함침 전극 촉매가 균일하게 분산되어 있는 전극 촉매층을 갖기 때문에, 경시적으로 고분자 전해질막 내로부터 침출한 산을 트랩(trap)할 수 있고, 또한, 전극 촉매층에서 가스 확산을 위한 공극(空隙)을 유지할 수 있다. 그 결과, 연료 전지의 발전 특성의 저하를 경감하는 것과 동시에 내구성을 향상시킬 수 있다.According to this structure, since acid components such as phosphoric acid, which is a proton pass, are effectively impregnated into the pores of the conductive carrier of the acid impregnated electrode catalyst, it is necessary to improve the power generation characteristics of the fuel cell and to activate the initial generation by increasing the catalytic reaction area. The aging (conditioning) time can be shortened. In addition, since the acid-impregnated electrode catalyst and the acid-impregnated electrode catalyst have an electrode catalyst layer uniformly dispersed, the acid leached from the inside of the polymer electrolyte membrane can be trapped over time, and the gas diffusion in the electrode catalyst layer It is possible to maintain voids for the purpose. As a result, the fall of the power generation characteristic of a fuel cell can be reduced, and durability can be improved.

이상 설명한 것처럼 본 발명의 연료전지용 전극 및 이를 채용한 막 전극 접합체와 연료전지에 의하면, 전극 촉매층을 형성하는데 있어서 촉매 입자에 미리 산을 흡착시켜 산을 균일하게 배치하는 처리를 실시한 촉매를 이용함으로써 운전 초기시부터 안정적으로 특성을 유지할 수 있다.As described above, according to the fuel cell electrode of the present invention, the membrane electrode assembly and the fuel cell employing the same, the operation is carried out by using a catalyst which is treated by adsorbing acid to catalyst particles in advance to uniformly arrange the acid in forming the electrode catalyst layer. The characteristics can be stably maintained from the beginning.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 연료 전지용 전극의 구조를 나타내는 설명도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 연료 전지용 전극을 포함하는 막전극 접합체의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 관한 단 셀(single cell)의 발전 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 관한 단 셀의 발전 특성의 경시 변화를 나타낸 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is explanatory drawing which shows the structure of the electrode for fuel cells which concerns on one Embodiment of this invention.
2 is a cross-sectional view showing the structure of a membrane electrode assembly including a fuel cell electrode according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing power generation characteristics of a single cell according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 is a graph showing changes over time of power generation characteristics of a single cell according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에서 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용함으로써 중복 설명을 생략한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiment of this invention is described in detail with reference to an accompanying drawing. In addition, in this specification and drawing, the component which has substantially the same functional structure is abbreviate | omitted redundant description by using the same code | symbol.

연료 전지용 전극Fuel Cell Electrode

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시형태에 관한 연료 전지용 전극의 구조에 대하여 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 관한 연료 전지용 전극의 구조를 나타내는 설명도이다.First, with reference to FIG. 1, the structure of the electrode for fuel cells which concerns on 1st Embodiment of this invention is demonstrated. 1 is an explanatory diagram showing a structure of an electrode for a fuel cell according to the present embodiment.

본 실시형태에 관한 연료 전지용 전극(1)은 도 1에 예시한 것처럼 고분자 전해질막(3) 및 전극 촉매층(5)을 갖는다.The fuel cell electrode 1 according to the present embodiment has a polymer electrolyte membrane 3 and an electrode catalyst layer 5 as illustrated in FIG. 1.

고분자 전해질막(3)Polymer Electrolyte Membrane (3)

먼저, 본 실시형태에 관한 고분자 전해질막(3)에 대하여 설명한다. 고분자 전해질막(3)은 산성분이 도프된 염기성 폴리머를 포함하며 후술하는 전극 촉매층(5)을 지지한다.First, the polymer electrolyte membrane 3 according to the present embodiment will be described. The polymer electrolyte membrane 3 includes a basic polymer doped with an acid component and supports the electrode catalyst layer 5 described later.

염기성 폴리머는 특히 한정되지 않지만, 이 염기성 폴리머에 도핑되는 산 및 극성 용매와의 상용성이나 성막 가공성, 내열성 등을 고려하면, 주골격이 방향족계 엔지니어링 플라스틱인 것이 바람직하다. 이러한 방향족 엔지니어링 플라스틱으로서는, 방향족성을 갖는 엔지니어링 플라스틱이면 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, 폴리벤즈이미다졸, 폴리(피리딘), 폴리(피리미딘), 폴리이미다졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조옥사졸, 폴리옥사졸, 폴리퀴놀린, 폴리퀴녹사린, 폴리티아디아졸, 폴리(테트라디피렌), 폴리옥사졸, 폴리티아졸, 폴리비닐피리딘, 폴리비닐이미다졸, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페닐렌옥사이드, 방향족 폴리이미드, 방향족 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리아릴레이트, 폴리이미드 등을 들 수 있다.Although a basic polymer is not specifically limited, In consideration of compatibility with the acid and polar solvent doped with this basic polymer, film forming processability, heat resistance, etc., it is preferable that a main skeleton is an aromatic engineering plastic. Such an aromatic engineering plastic is not particularly limited as long as it is an engineering plastic having aromaticity. For example, polybenzimidazole, poly (pyridine), poly (pyrimidine), polyimidazole, polybenzothiazole, polybenzooxa Sol, polyoxazole, polyquinoline, polyquinoxaline, polythiadiazole, poly (tetradipyrene), polyoxazole, polythiazole, polyvinylpyridine, polyvinylimidazole, polyetheretherketone, poly Phenylene oxide, aromatic polyimide, aromatic polyamide, polycarbonate, polyethylene terephthalate, polyarylate, polyimide, etc. are mentioned.

이러한 고분자 전해질막(3)에는, 산성분, 예를 들면수용성 유리산이 도핑되어 있다. 본 실시형태에 관한 수용성 유리산으로서는, 특히 한정되지 않으며, 인산, 포스폰산, 포스핀산, 황산, 메틸설폰산, 트리플루오로메틸 설폰산, 트리플루오로메탄 설포닐아미드 설폰산 등 여러가지 산을 들 수 있다. 본 실시형태에 관한 수용성 유리산은 상술한 산 중에서도 열안정성의 관점에서, 특히 산성 무기 인화합물 또는 산성 유기 인화합물인 것이 바람직하다.The polymer electrolyte membrane 3 is doped with an acid component, for example, a water-soluble free acid. The water-soluble free acid according to the present embodiment is not particularly limited, and various acids such as phosphoric acid, phosphonic acid, phosphinic acid, sulfuric acid, methylsulfonic acid, trifluoromethyl sulfonic acid and trifluoromethane sulfonylamide sulfonic acid may be mentioned. Can be. Among the acids described above, the water-soluble free acid according to the present embodiment is preferably an acidic inorganic phosphorus compound or an acidic organic phosphorus compound from the viewpoint of thermal stability.

상기 산성 무기 인화합물로서는, 예를 들면 인산, 폴리인산, 축합인산, 포스폰산, 포스핀산 등을 들 수 있다. 상기 산성 유기 인화합물로서는, 예를 들면 메틸 인산 또는 에틸 인산 등으로 대표되는 알킬 인산, 비닐 포스폰산, 알릴 포스폰산(allyl phosphonic acid), 메틸 포스폰산 또는 에틸 포스폰산 등으로 대표되는 알킬 포스폰산, 페닐 포스폰산과 같은 아릴 포스폰산, 메틸 인산 에스테르, 에틸 인산 에스테르, 부틸 인산 에스테르 등으로 대표되는 산성 인산 에스테르 등을 들 수 있다.As said acidic inorganic phosphorus compound, phosphoric acid, polyphosphoric acid, condensed phosphoric acid, phosphonic acid, phosphinic acid, etc. are mentioned, for example. As said acidic organic phosphorus compound, For example, alkyl phosphate represented by methyl phosphate, ethyl phosphate, etc., alkyl phosphonic acid represented by vinyl phosphonic acid, allyl phosphonic acid, methyl phosphonic acid, ethyl phosphonic acid, etc., And acidic phosphoric acid esters such as aryl phosphonic acid such as phenyl phosphonic acid, methyl phosphate ester, ethyl phosphate ester, butyl phosphate ester and the like.

수용성 유리산으로서 유리산과 루이스 염기의 혼합물 또는 유리산과 유기염의 혼합물을 이용해도 된다.As the water-soluble free acid, a mixture of free acid and Lewis base or a mixture of free acid and organic salt may be used.

유리산과 혼합하여 사용될 수 있는 루이스 염기로서는, 예를 들면 이미다졸, 트리아졸, 벤즈이미다졸, 벤조트리아졸과 같은 아졸계 화합물, 피리딘, 피리다진, 피리미딘, 피라진, 트리아진 등의 함질소 복소육원환 화합물, 퀴놀린, 퀴녹사린, 인돌, 페나진 등의 함질소 축합 다환 복소환 화합물, 퓨린, 우라실, 티민, 시토신, 아데닌, 구아닌 등의 핵산 염기 등을 들 수 있다.As a Lewis base which can be used in admixture with the free acid, for example, an azole compound such as imidazole, triazole, benzimidazole, benzotriazole, nitrogen-containing complexes such as pyridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, and triazine And nitrogen-containing condensed polycyclic heterocyclic compounds such as six-membered ring compounds, quinoline, quinoxaline, indole, and phenazine, and nucleic acid bases such as purine, uracil, thymine, cytosine, adenine, and guanine.

또, 유리산과 혼합하여 사용될 수 있는 유기염으로서는, 예를 들면, 유기 화합물 양이온 및 옥소산 음이온으로 이루어진 중성염을 들 수 있다. 유기 화합물 양이온으로서는, 통상, 헤테로환식 화합물의 양이온류, 특히 1~5개의 헤테로 원자를 포함하는 3~6원환의 헤테로 환식 화합물의 양이온류, 특히 헤테로 원자로서 1~5개의 질소 원자를 포함하는 3~6원환 화합물의 양이온류 등을 들 수 있으며, 구체적으로 이미다졸륨 양이온, 피롤리디늄 양이온, 피페리디늄 양이온, 피리디늄 양이온 등을 들 수 있다. 또, 쇄상의 제4급 암모늄 양이온, 제4급 포스포늄 양이온 등도 이용할 수 있다.Moreover, as an organic salt which can be used by mixing with a free acid, the neutral salt which consists of an organic compound cation and an oxo acid anion is mentioned, for example. As an organic compound cation, the cations of a heterocyclic compound, especially the cations of the 3-6 membered heterocyclic compound containing 1-5 heteroatoms, 3 containing 1-5 nitrogen atoms as a hetero atom in particular Cations of the 6-membered ring compound, and the like, and specific examples thereof include imidazolium cation, pyrrolidinium cation, piperidinium cation, and pyridinium cation. Moreover, a linear quaternary ammonium cation, quaternary phosphonium cation, etc. can also be used.

이상과 같은 고분자 전해질과 수용성 유리산을 포함한 고분자 전해질막(3)은 공지의 방법에 의해 제조될 수 있다. 고분자 전해질막의 제조 방법을 간단하게 설명하면, 이하와 같다. 먼저, 공지의 용매를 이용하여 고분자 전해질 용액을 조정하고, 조정된 용액을 공지의 코팅 방법을 이용하여 기재상에 캐스팅 제막하고 건조시킨다. 그 후, 제막된 고분자 전해질막을 수용성 유리산을 포함하는 용액에 침지하여 수용성 유리산에 의해 팽윤된 수용성 유리산 도핑된 막을 얻는 것으로, 본 실시형태에 관한 고분자 전해질막(3)을 제조할 수 있다.The polymer electrolyte membrane 3 including the polymer electrolyte and the water-soluble free acid as described above may be manufactured by a known method. The manufacturing method of the polymer electrolyte membrane is briefly described as follows. First, the polymer electrolyte solution is adjusted using a known solvent, and the adjusted solution is cast-coated on a substrate using a known coating method and dried. Thereafter, the polymer electrolyte membrane 3 according to the present embodiment can be produced by immersing the film-formed polymer electrolyte membrane in a solution containing a water-soluble free acid to obtain a water-soluble free acid-doped membrane swollen with a water-soluble free acid. .

또, 상기 방법 이외에도, 예를 들면 이하와 같은 방법으로 고분자 전해질막을 제조할 수 있다. 즉, 공지의 용매를 이용하여 고분자 전해질 및 수용성 유리산을 포함하는 용액을 조정하고, 조정된 용액을 공지의 코팅 방법을 이용해 기재상에 캐스팅한다. 그 후, 기재상에 캐스팅된 고분자 전해질막을 건조함으로써 본 실시형태에 관한 고분자 전해질막(3)을 제조할 수 있다.In addition to the above method, for example, a polymer electrolyte membrane can be produced by the following method. That is, a solution containing a polymer electrolyte and a water-soluble free acid is adjusted using a known solvent, and the adjusted solution is cast on a substrate using a known coating method. Thereafter, the polymer electrolyte membrane 3 according to the present embodiment can be produced by drying the polymer electrolyte membrane cast on the substrate.

또한, 수용성 유리산의 고분자 전해질에의 도핑량은 고분자 전해질막에 요구되는 성능에 따라 적당히 설정하면 된다.The doping amount of the water-soluble free acid to the polymer electrolyte may be appropriately set in accordance with the performance required for the polymer electrolyte membrane.

전극촉매층(5)Electrocatalyst layer (5)

이어서, 본 실시형태에 관한 전극촉매층(5)에 대하여 상세하게 설명한다.Next, the electrode catalyst layer 5 which concerns on this embodiment is demonstrated in detail.

본 실시형태에 관한 전극 촉매층(5)은, 도1에 나타낸 것처럼, 고분자 전해질막(3)에 지지된 층이다. 이 전극 촉매층(5)중에는 후술하는 산에 의한 전처리가 실시된 산함침 전극 촉매와 전처리를 하지 않은 산미함침 전극 촉매가 균일하게 분산되어 있다. 본 실시형태에 관한 전극 촉매층(5)에 포함된 산함침 전극 촉매(이하, 도핑 촉매라고도 칭한다)와 산미함침 전극 촉매(이하, 미도핑 촉매라고도 칭한다)의 차이점은 후술하는 산에 의한 전처리의 유무이다.The electrode catalyst layer 5 according to the present embodiment is a layer supported by the polymer electrolyte membrane 3 as shown in FIG. 1. In this electrode catalyst layer 5, an acid impregnated electrode catalyst subjected to pretreatment with an acid described later and an acid impregnated electrode catalyst not pretreated are uniformly dispersed. The difference between an acid-impregnated electrode catalyst (hereinafter also referred to as a doping catalyst) and an acid-impregnated electrode catalyst (hereinafter also referred to as an undoped catalyst) included in the electrode catalyst layer 5 according to the present embodiment is the presence or absence of pretreatment with an acid described later. to be.

본 실시형태에 관한 전극 촉매는 도전성 담체 및 이 도전성 담체에 담지된 촉매 입자로 이루어진다. 이러한 전극 촉매가 본 실시형태에 관한 미도핑 촉매(10)이다. 또, 미도핑 촉매(10)에 대하여 이하에 설명하는 산에 의한 전처리하면 도핑 촉매(20)가 된다.The electrode catalyst according to the present embodiment consists of a conductive carrier and catalyst particles supported on the conductive carrier. Such an electrode catalyst is the undoped catalyst 10 which concerns on this embodiment. The undoped catalyst 10 is subjected to pretreatment with an acid described below to form the dope catalyst 20.

즉, 미도핑 촉매(10)는 도 1의 좌측 아래에 나타낸 것처럼, 도전성 담체(11) 및 이 도전성 담체(11)에 담지된 전극 촉매(13)로 이루어지고, 도핑 촉매(20)는 도 1의 우측 아래에 나타낸 것처럼, 전처리에 의해 산이 함침된 도전성 담체 (15) 및 전처리가 실시된 도전성 담체(15)에 담지된 촉매 입자(13)로 이루어진다.That is, the undoped catalyst 10 is composed of the conductive carrier 11 and the electrode catalyst 13 supported on the conductive carrier 11, as shown in the lower left of FIG. 1, the doping catalyst 20 is shown in FIG. As shown in the lower right of the figure, the conductive carrier 15 impregnated with acid by the pretreatment and the catalyst particles 13 supported by the conductive carrier 15 subjected to the pretreatment are formed.

본 실시형태에 관한 도전성 담체는 도전성을 갖는 것이면 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, 도전성을 갖는 탄소 재료를 주체로 하는 다공질체를 이용할 수 있다. 이러한 탄소 재료의 예로서 예를 들면, 퍼니스 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙 등의 카본 블랙, 활성탄 및 흑연 등을 들 수 있다. The conductive carrier according to the present embodiment is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, a porous body mainly composed of a carbon material having conductivity can be used. As an example of such a carbon material, carbon black, such as furnace black, Ketjen black, acetylene black, activated carbon, graphite, etc. are mentioned, for example.

여기서, 도전성 담체의 비표면적은 본 실시형태에 관한 고분자 전해질막(3)의 특성에 맞추어 적당히 선택하면 된다. 예를 들면, 고분자 전해질막(3)에 포함되는 수용성 유리산의 함유량이 상대적으로 낮은 경우(이하, 저도핑 상태라고도 칭한다)에는, 도전성 담체의 비표면적은 작아도 된다. 또, 고분자 전해질막(3)에 포함되는 수용성 유리산의 함유량이 상대적으로 높은 경우(이하, 고도핑 상태라고도 칭한다)에는, 경시적으로 고도핑 상태의 고분자 전해질막내로부터 침출한 산을 트랩하기 위해서도 도전성 담체의 비표면적은 큰 것이 바람직하다. 또, 도전성 담체인 탄소의 산화 내성의 관점에서, 고온하에서 운전하는 고체 고분자형 연료 전지에서의 촉매의 담체로서 일반적인 카본 블랙류를 이용하는 것보다 흑연화시킨 카본 블랙류를 이용하는 것이 바람직하다.Here, the specific surface area of the conductive carrier may be appropriately selected in accordance with the properties of the polymer electrolyte membrane 3 according to the present embodiment. For example, when the content of the water-soluble free acid contained in the polymer electrolyte membrane 3 is relatively low (hereinafter also referred to as a low doping state), the specific surface area of the conductive carrier may be small. In addition, when the content of the water-soluble free acid contained in the polymer electrolyte membrane 3 is relatively high (hereinafter also referred to as a high doping state), in order to trap the acid leached from the polymer electrolyte membrane in the high doping state over time. It is preferable that the specific surface area of a conductive support is large. In addition, from the viewpoint of oxidation resistance of carbon, which is a conductive carrier, it is preferable to use graphitized carbon blacks rather than general carbon blacks as carriers for catalysts in solid polymer fuel cells operating at high temperatures.

이러한 비표면적의 하나로 BET 비표면적이 있지만, 본 실시형태에 관한 도전성 담체의 BET 비표면적은, 예를 들면, 50~1,500 m2/g인 것이 바람직하다. 이러한 BET 비표면적은 분체 입자 표면에 흡착 점유 면적이 기지인 분자를 저온에서 흡착시키고, 그 흡착량으로부터 측정하는 흡착법, 또는 습윤열법, 투과법 및 확산 속도법 등의 공지의 방법을 이용하여 측정할 수 있다. 흑연 구조가 너무 발달한 탄소 담체는 비표면적이 작기 때문에 발수성이 높아져 산성분이 흡수되기 어렵고 또한 산성분의 흡수에 시간이 걸리므로 바람직하지 않다.Although one BET specific surface area is one of such specific surface areas, it is preferable that the BET specific surface area of the electroconductive carrier which concerns on this embodiment is 50-1,500 m <2> / g, for example. This BET specific surface area can be measured using a known method such as adsorption method which measures the adsorption occupied area on the surface of powder particles at low temperature and measures it from the adsorption amount, or wet heat method, permeation method and diffusion rate method. Can be. Carbon carriers with too much graphite structure are not preferable because their specific surface area is small, so that the water repellency increases, so that the acid component is hardly absorbed and the absorption of the acid component takes time.

도전성 담체에 담지되는 촉매 입자는 특히 한정되는 것은 않지만, 예를 들면, 백금, 또는, 백금을 포함하며 적어도 1종 이상의 비귀금속을 갖는 합금을 이용할 수 있다. 백금을 포함하며 적어도 1종 이상의 비귀금속을 갖는 합금의 예로서는, 백금과 코발트를 포함하는 Pt-Co 합금, 백금과 루테늄을 포함하는 Pt-Ru 합금, 백금과 철을 포함한 Pt-Fe 합금 등을 들 수 있다.The catalyst particles supported on the conductive carrier are not particularly limited, but for example, platinum or an alloy containing platinum and having at least one non-noble metal can be used. Examples of alloys containing platinum and having at least one non-noble metal include Pt-Co alloys containing platinum and cobalt, Pt-Ru alloys containing platinum and ruthenium, Pt-Fe alloys containing platinum and iron, and the like. Can be.

또한 백금 또는 백금을 포함하며 적어도 1종 이상의 비귀금속을 갖는 합금 이외에도, 금, 납, 철, 망간, 코발트, 크롬, 갈륨, 바나듐, 텅스텐, 루테늄, 이리듐, 팔라듐, 로듐, 또는 이들의 어느 2종 이상의 합금 등을 들 수 있다.In addition to alloys containing platinum or platinum and having at least one non-noble metal, gold, lead, iron, manganese, cobalt, chromium, gallium, vanadium, tungsten, ruthenium, iridium, palladium, rhodium, or any two thereof The above alloys are mentioned.

여기서, 본 실시형태에 관한 도전성 담체에 담지되어 있는 촉매 입자의 담지량은 본 실시형태에 관한 연료 전지용 전극에 요구되는 성능에 따라 적절히 결정될 수 있으며, 촉매 입자의 도전성 담체에의 담지 방법도 공지의 방법을 적절히 이용하면 된다.Here, the supporting amount of the catalyst particles supported on the conductive carrier according to the present embodiment can be appropriately determined according to the performance required for the fuel cell electrode according to the present embodiment, and the method for supporting the catalyst particles on the conductive carrier is also a known method. What is necessary is just to use suitably.

본 실시형태에서는, 상술한 것과 같이 도전성 담체 및 촉매 입자로 이루어진 전극 촉매에 대하여 산을 이용한 전처리(예를 들면, 산을 이용한 진공 열처리)를 실시함으로써 미도핑 촉매(10)의 도전성 담체에 산을 함침시킨다. 이에 의하여, 전처리를 실시한 미도핑 촉매는 도핑 촉매가 된다.In the present embodiment, the acid is added to the conductive carrier of the undoped catalyst 10 by performing pretreatment with acid (for example, vacuum heat treatment using acid) to the electrode catalyst composed of the conductive carrier and the catalyst particles as described above. Impregnate As a result, the undoped catalyst subjected to the pretreatment becomes a doping catalyst.

진공 열처리에 이용되는 산은 인산 및 이의 유도체, 포스폰산 및 이의 유도체, 포스핀산 및 이의 유도체, 황산 및 이의 유도체, 설폰산 및 이의 유도체, 예를 들면 및 메틸 설폰산, 트리플루오로메틸 설폰산, 트리플루오로메탄설포닐아미드 설폰산 등의 다양한 산을 포함할 수 있다. 본 실시형태에 관한 진공 열처리에서는, 이러한 산의 1종 또는 2종 이상의 산의 조합이 이용될 수 있다. 상술한 산 중에서도 열안정성 등의 관점에서, 특히 산성 무기 인화합물 또는 산성 유기 인화합물인 것이 바람직하다.Acids used in vacuum heat treatment are phosphoric acid and derivatives thereof, phosphonic acid and derivatives thereof, phosphinic acid and derivatives thereof, sulfuric acid and derivatives thereof, sulfonic acid and derivatives thereof such as and methyl sulfonic acid, trifluoromethyl sulfonic acid, tri Various acids such as fluoromethanesulfonylamide sulfonic acid. In the vacuum heat treatment according to the present embodiment, one kind or a combination of two or more kinds of these acids can be used. Among the acids mentioned above, it is particularly preferable that they are acidic inorganic phosphorus compounds or acidic organic phosphorus compounds from the viewpoint of thermal stability and the like.

산성 무기 인 화합물로서는, 예를 들면, 인산(오르토인산), 폴리인산, 축합인산, 포스폰산, 포스핀산 등을 들 수 있다. 산성 유기 인화합물로서는, 예를 들면 메틸 인산 또는 에틸 인산 등으로 대표되는 알킬 인산, 비닐 포스폰산, 알릴 포스폰산(allyl phosphonic acid), 메틸 포스폰산 또는 에틸 포스폰산 등으로 대표되는 알킬 포스폰산, 페닐 포스폰산과 같은 아릴 포스폰산, 메틸 인산 에스테르, 에틸 인산 에스테르, 부틸 인산 에스테르 등으로 대표되는 산성 인산 에스테르 등을 들 수 있다. 이러한 인 화합물 중에서, 특히 오르토인산, 축합인산, 알킬 인산, 포스폰산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 산이다. 알킬 인산은 구체적으로 C1~C20 알킬 인산일 수 있다, 알킬 포스폰산은 구체적으로 C1~C20 알킬 포스폰산일 수 있다.As an acidic inorganic phosphorus compound, phosphoric acid (orthophosphoric acid), polyphosphoric acid, condensed phosphoric acid, phosphonic acid, phosphinic acid, etc. are mentioned, for example. As the acidic organic phosphorus compound, for example, alkyl phosphoric acid represented by methyl phosphoric acid or ethyl phosphoric acid or the like, vinyl phosphonic acid, allyl phosphonic acid, alkyl phosphonic acid or ethyl phosphonic acid or the like And acidic phosphoric acid esters such as aryl phosphonic acid such as phosphonic acid, methyl phosphate ester, ethyl phosphate ester, butyl phosphate ester and the like. Among these phosphorus compounds, in particular, at least one acid selected from the group consisting of orthophosphoric acid, condensed phosphoric acid, alkyl phosphoric acid, phosphonic acid. The alkyl phosphoric acid may specifically be C1 to C20 alkyl phosphoric acid, and the alkyl phosphonic acid may specifically be C1 to C20 alkyl phosphonic acid.

산을 이용한 진공 열처리는, 먼저, 상술한 산을 포함하는 용액(예를 들면, 수용액) 중에 전극 촉매(미도핑 촉매(10))를 분산시키고, 교반 후, 진공 장치내에서 소정 시간 유지한다. 이에 의해, 도전성 담체의 기공내에 존재하는 공기가 빠지고 그 대신에 기공내에 산이 함침된다. 그 후, 산이 함침된 전극 촉매에 대해서, 예를 들면 100~150℃의 범위에서 열처리를 실시한다. 열처리 후의 전극 촉매를 수세 여과한 후에 건조하여 본 실시형태에 관한 도핑 촉매(20)를 제조할 수 있다. 100℃ 이상의 온도에서 열처리하는 것에 의하여 기공내에 침투한 인산 용액중의 물분자가 빠지고, 빠진 후에 산이 안으로 들어가는 것이 가능해진다. 이에 의해, 상술한 것과 같은 산이 도전성 담체의 기공 내부에 고밀도로 함침되게 된다.In the vacuum heat treatment using an acid, first, the electrode catalyst (the undoped catalyst 10) is dispersed in a solution (for example, an aqueous solution) containing the above-described acid, and after stirring, it is maintained for a predetermined time in a vacuum apparatus. As a result, the air present in the pores of the conductive carrier is released and acid is impregnated into the pores instead. Thereafter, the electrode catalyst impregnated with acid is subjected to a heat treatment, for example, in a range of 100 to 150 ° C. The electrode catalyst after the heat treatment is filtered after washing with water, and the doped catalyst 20 according to the present embodiment can be produced. By heat-processing at the temperature of 100 degreeC or more, the water molecule in the phosphoric acid solution which permeated in the pore comes out, and it becomes possible to make acid enter in after it falls out. As a result, an acid as described above is impregnated with high density inside the pores of the conductive carrier.

또한, 열처리 온도가 100℃ 미만인 경우에는, 산을 포함하는 용액중의 물분자를 제거하는 것이 곤란하기 때문에 바람직하지 않다. 또, 열처리 온도가 150℃ 초과인 경우에는, 함침시키는 산(예를 들면, 인산 등)의 성질이 변성하기 시작하기 때문에 바람직하지 않다.Moreover, when the heat processing temperature is less than 100 degreeC, since it is difficult to remove the water molecule in the solution containing an acid, it is not preferable. Moreover, when the heat processing temperature is more than 150 degreeC, since the property of the impregnated acid (for example, phosphoric acid etc.) starts to denature, it is unpreferable.

또, 진공 열처리에 이용되는 산용액(예를 들면, 인산 수용액)의 농도는 85 중량% 이하 일 수 있다. 이러한 농도의 용액으로 함으로써, 산용액은 진공 열처리에 적합한 비교적 저점도의 용액이 되어, 효율적으로 산을 함침시킬 수 있다.In addition, the concentration of the acid solution (eg, phosphoric acid aqueous solution) used in the vacuum heat treatment may be 85% by weight or less. By setting it as the solution of such a density | concentration, an acid solution turns into a solution of relatively low viscosity suitable for vacuum heat processing, and can impregnate an acid efficiently.

여기서, 미도핑 촉매(10)에 함침시키는 산의 양(즉 도핑량)은 본 실시형태에 관한 연료 전지용 전극에 요구되는 성능이 나타날 수 있도록 적절히 결정 될 수 있다. 또, 진공 전처리에 이용하는 산용액의 농도, 용액량, 촉매종(도전성 담체의 비표면적), 열처리 온도, 처리 시간 등을 적절히 조정함으로써 도핑량을 제어할 수 있다. 또한 도핑량은 각종의 분석 방법을 이용해 측정될 수 있지만, 예를 들면, 유도 결합 플라스마 발광 분광법(Inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry: ICP-AES)을 이용하여 정량될 수 있다.Here, the amount of acid (ie, doping amount) impregnated in the undoped catalyst 10 can be appropriately determined so that the performance required for the fuel cell electrode according to the present embodiment can be exhibited. In addition, the doping amount can be controlled by appropriately adjusting the concentration of the acid solution used for vacuum pretreatment, the solution amount, the catalyst species (specific surface area of the conductive carrier), the heat treatment temperature, the treatment time, and the like. In addition, the doping amount may be measured using various analytical methods, but may be quantified using, for example, inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES).

본 실시형태에서는, 이와 같이 하여 제조한 도핑 촉매(20) 및 산에 의한 진공 열처리가 실시되지 않은 미도핑 촉매(10)을 조합하고 이용하여 전극 촉매층(5)을 제조한다. 이때, 도핑 촉매(20) 대 미도핑 촉매(10)의 중량비가 5 내지 95 : 95 내지 5가 되도록 각각의 촉매를 혼합하고, 각 촉매가 균일하게 분산되도록 전극 촉매층(5)을 형성한다. 구체적으로는, 도핑 촉매(20)와 미도핑 촉매(10)의 비율은 도핑 촉매(20) 대 미도핑 촉매(10)의 중량비는 80 내지 95 : 5 내지 20일 수 있다.In this embodiment, the electrode catalyst layer 5 is manufactured by combining and using the dope catalyst 20 produced in this way and the undoped catalyst 10 which is not subjected to the vacuum heat treatment by an acid. At this time, the respective catalysts are mixed such that the weight ratio of the doped catalyst 20 to the undoped catalyst 10 is 5 to 95:95 to 5, and the electrode catalyst layer 5 is formed to uniformly disperse each catalyst. Specifically, the ratio of the dope catalyst 20 and the undoped catalyst 10 may be a weight ratio of the dope catalyst 20 to the undoped catalyst 10 may be 80 to 95: 5 to 20.

도핑 촉매 및 미도핑 촉매의 초기 혼합 비율이 상술한 범위가 되도록 전극 촉매층(5)을 형성함으로써 전극 촉매층(5) 내의 프로톤 패스(프로톤 전도경로)인 산분포를 균일하게 할 수 있고, 나아가서는, 이러한 전극을 이용한 연료 전지의 특성을 향상시킬 수 있다. 또, 전극 촉매층(5) 내에서의 산의 분포가 안치화하기 위해, 초기 운전 콘디셔닝(에이징) 시간의 단축화를 도모할 수 있다. 또한, 고분자 전해질막(3)으로부터 침출한 산(수용성 유리산)을 도전성 담체의 기공내에 함침할 수 있는 여지를 갖는 미도핑 촉매가 전극 촉매층(5) 내에 존재하기 때문에 전극의 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 고분자 전해질막(3)으로부터 침출한 산을 트랩하여 가스 확산 공극(空隙)을 확보할 수 있게 된다. 그 결과, 이러한 전극 촉매층(5)을 갖는 연료 전지용 전극은 연료 전지의 특성 및 내구성의 향상을 도모할 수 있다.By forming the electrode catalyst layer 5 so that the initial mixing ratio of the dope catalyst and the undoped catalyst is in the above-mentioned range, the acid distribution which is the proton pass (proton conduction path) in the electrode catalyst layer 5 can be made uniform, and further, The characteristic of the fuel cell using such an electrode can be improved. In addition, in order to stabilize the acid distribution in the electrode catalyst layer 5, the initial operation conditioning (aging) time can be shortened. In addition, since the undoped catalyst having room for impregnating the acid (water-soluble free acid) leached from the polymer electrolyte membrane 3 into the pores of the conductive carrier is present in the electrode catalyst layer 5, durability of the electrode can be improved. In addition, an acid leached from the polymer electrolyte membrane 3 can be trapped to ensure a gas diffusion gap. As a result, the fuel cell electrode having such an electrode catalyst layer 5 can improve the characteristics and durability of the fuel cell.

도핑 촉매(20)의 중량비가 5 미만인 경우(즉, 미도핑 촉매의 함유비가 95초과인 경우) 및 도핑 촉매(20)의 중량비가 95 초과인 경우(즉, 미도핑 촉매의 중량비가 5 미만인 경우)에는 상술한 것과 같은 효과를 얻을 수 있으나, 그 효과가 만족스럽지 않다. 또, 도핑 촉매(20)의 중량비가 80 내지 95이며, 미도핑 촉매(10)의 중량비가 5 내지 20인 경우에는, 상술한 것과 같은 연료 전지의 특성 및 내구성을 더 한층 향상시킬 수 있다.When the weight ratio of the dope catalyst 20 is less than 5 (that is, the content ratio of the undoped catalyst is greater than 95) and when the weight ratio of the dope catalyst 20 is greater than 95 (that is, the weight ratio of the undoped catalyst is less than 5). ), The same effects as described above can be obtained, but the effects are not satisfactory. When the weight ratio of the doping catalyst 20 is 80 to 95 and the weight ratio of the undoped catalyst 10 is 5 to 20, the characteristics and durability of the fuel cell as described above can be further improved.

본 실시형태에서는, 상술한 것과 같은 비율로 혼합된 전극 촉매를 바인더에 의해 고형 성형함으로써 고분자 전해질막(3) 상에 전극 촉매층(5)을 형성한다. 바인더의 함량은 미도핑 촉매(10) 및 도핑 촉매(20)의 총중량을 기준으로 50중량 내지 500중량%, 예를 들면 10중량% 내지 250중량%, 구체적으로는 20중량 내지 200중량%일 수 있다. 상기한 바인더 함량 범위라면 전극 촉매층의 기계적 특성 및 출력 특성의 균형을 도모할 수 있다.In the present embodiment, the electrode catalyst layer 5 is formed on the polymer electrolyte membrane 3 by solid-forming the electrode catalyst mixed in the same ratio as described above with a binder. The content of the binder may be 50 to 500% by weight, for example 10 to 250% by weight, specifically 20 to 200% by weight, based on the total weight of the undoped catalyst 10 and the doped catalyst 20. have. Within the above binder content range, it is possible to balance the mechanical and output characteristics of the electrode catalyst layer.

전극 촉매층(5)의 형성에 이용되는 바인더로서는, 예를 들면, 내열성이 뛰어난 불소 수지가 이용될 수 있다. 바인더로서 불소 수지를 이용하는 경우에는, 융점이 400℃ 이하의 불소 수지가 바람직하고, 그러한 불소 수지로서 폴리4불화에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐 에테르 공중합체, 폴리불화비닐리덴, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로에틸렌 공중합체, 퍼플루오로에틸렌 등의 소수성 및 내열성이 뛰어난 수지를 이용할 수 있다. 소수성 바인더를 첨가함으로써 발전 반응에 수반하여 생성되는 물에 의해 촉매층이 과잉으로 젖는 것을 방지할 수 있어 연료극 및 산소극 내부에서의 연료 가스 및 산소의 확산 저해를 방지할 수 있다.As a binder used for formation of the electrode catalyst layer 5, for example, a fluororesin excellent in heat resistance can be used. In the case of using a fluororesin as a binder, a fluororesin having a melting point of 400 ° C. or less is preferable, and as such a fluororesin, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer, polyvinylidene fluoride, tetra Resin excellent in hydrophobicity and heat resistance, such as a fluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer and perfluoroethylene, can be used. By adding a hydrophobic binder, the catalyst layer can be prevented from being excessively wetted by water generated with the power generation reaction, thereby preventing the diffusion of fuel gas and oxygen inside the fuel electrode and the oxygen electrode.

본 실시형태에 관한 전극 촉매층(5)에는 또한 도전제가 첨가될 수 있다. 도전제로서는 전기 전도성 물질이면 어떠한 것이어도 이용될 수 있으며, 각종 금속 또는 탄소 재료 등을 들 수 있다. 이러한 탄소 재료의 예로서는, 아세틸렌 블랙 등의 카본 블랙, 활성탄 및 흑연 등을 들 수 있으며, 이들 탄소 재료 및 각종 금속을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.A conductive agent may also be added to the electrode catalyst layer 5 according to the present embodiment. As the conductive agent, any material can be used as long as it is an electrically conductive material, and various metals or carbon materials may be used. As an example of such a carbon material, carbon black, such as acetylene black, activated carbon, graphite, etc. are mentioned, These carbon materials and various metals can be used individually or in mixture.

이상, 도 1을 참조하면서 본 실시형태에 관한 전극 촉매층(5)에 대하여 설명하였다. 도 1은 전극 촉매층(5)의 일부를 모식적으로 도시한 것이며, 전극 촉매층(5) 전체적으로는 미도핑 촉매(10) 및 도핑 촉매(20)가 균일하게 분산되어 있는 점에 주의하여야 한다.In the above, the electrode catalyst layer 5 which concerns on this embodiment was demonstrated, referring FIG. FIG. 1 schematically shows a part of the electrode catalyst layer 5, and it should be noted that the undoped catalyst 10 and the doped catalyst 20 are uniformly dispersed throughout the electrode catalyst layer 5.

전극 촉매층의 제조 방법Method for producing electrode catalyst layer

이어서 본 실시형태에 관한 전극 촉매층의 제조 방법에 대하여 순서대로 설명한다.Next, the manufacturing method of the electrode catalyst layer which concerns on this embodiment is demonstrated in order.

본 실시형태에 관한 전극 촉매층의 제조 방법은 (1) 미도핑 촉매의 제조 공정, (2) 산에 의한 진공 열처리 공정(도핑 촉매의 제조 공정), (3) 제막공정, 및 (4) 건조 공정의 4개의 공정을 포함한다.The method for producing an electrode catalyst layer according to the present embodiment includes (1) a step of producing an undoped catalyst, (2) a vacuum heat treatment step of using an acid (a step of producing a doping catalyst), (3) a film forming step, and (4) a drying step. It includes four processes of.

(1) 미도핑 촉매의 제조 공정(1) manufacturing process of undoped catalyst

본 공정은 상술한 도전성 담체 및 촉매 입자를 이용하여 도전성 담체에 촉매 입자를 담지시켜서 미도핑 촉매를 제조하는 공정이다. 본 실시형태에 관한 촉매 입자를 도전성 담체에 담지시키는 방법은 공지의 방법을 이용할 수 있기 때문에 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.This step is a step of preparing an undoped catalyst by supporting catalyst particles on a conductive carrier using the above-described conductive carrier and catalyst particles. Since the well-known method can be used for the method of supporting the catalyst particle which concerns on this embodiment on a conductive support, detailed description is abbreviate | omitted here.

(2) 산에 의한 진공 열처리 공정(2) vacuum heat treatment step with acid

본 공정은 공정 (1)에 의해 제조된 미도핑 촉매를 이용하여, 미도핑 촉매의 도전성 담체에 상술한 산성분(예를 들면, 인산 등)을 함침시켜 도핑 촉매를 제조하는 공정이다. 또한, 이하에서는, 촉매 담체의 기공내에 인산을 함침시키는 경우를 예로 들어 설명한다.This step is a step of manufacturing a doping catalyst by impregnating the above-described acid component (for example, phosphoric acid, etc.) on the conductive carrier of the undoped catalyst using the undoped catalyst prepared in step (1). In addition, below, the case where phosphoric acid is impregnated in the pore of a catalyst carrier is demonstrated as an example.

먼저, 공정 (1)에 의해 제조된 미도핑 촉매를 소정량 칭량하여, 농도 85중량% 이하의 인산 수용액 중에 분산시키고, 미캐니칼 스터러 또는 마그네틱 스터러 등을 이용하여 교반한다. 물론, 교반에 이용하는 기구는 미캐니칼 스터러 또는 마그네틱 스터러에 한정되지 않고, 미도핑 촉매를 인산 수용액 중에서 충분히 혼합할 수 있는 것이면 다른 기구를 이용할 수 있다. 또, 교반에 의해 기포가 발생하는 경우 진공탈포 또는 원심탈포 등에 의해 교반중의 용액을 탈포할 수 있다.First, a predetermined amount of the undoped catalyst prepared in step (1) is weighed, dispersed in an aqueous solution of phosphoric acid having a concentration of 85% by weight or less, and stirred using a mechanical stirrer, a magnetic stirrer, or the like. Of course, the mechanism used for stirring is not limited to a mechanical stirrer or a magnetic stirrer, If the undoped catalyst can fully be mixed in aqueous solution of phosphoric acid, another mechanism can be used. In addition, when bubbles are generated by stirring, the solution in stirring can be degassed by vacuum defoaming or centrifugal defoaming.

상술한 것과 같은 교반처리 후, 얻어진 슬러리를 진공 장치내에 설치하고, 소정 시간(예를 들면, 1시간 정도) 유지하여 도전성 담체의 기공내에 인산을 함침시킨다. 그 후, 인산이 함침된 전극 촉매를 100~150℃의 범위내에서 열처리를 실시한다. 이에 의해 도전성 담체의 기공내에 존재하는 물분자가 빠지고 인산이 기공내에 고밀도로 함침된다. 계속하여, 인산이 함침된 전극 촉매를 수세 여과한 후에 건조시켜, 인산이 함침된 전극 촉매(즉, 도핑 촉매)를 얻는다.After the agitation treatment as described above, the obtained slurry is placed in a vacuum apparatus and held for a predetermined time (for example, about 1 hour) to impregnate phosphoric acid in the pores of the conductive carrier. Thereafter, the electrode catalyst impregnated with phosphoric acid is subjected to heat treatment in the range of 100 to 150 ° C. As a result, water molecules present in the pores of the conductive carrier are removed, and phosphoric acid is impregnated into the pores at high density. Subsequently, the electrode catalyst impregnated with phosphoric acid is washed with water and then dried to obtain an electrode catalyst impregnated with phosphoric acid (ie, a doping catalyst).

(3) 제막공정(3) Filmmaking Process

먼저, 공정 (2)에 의해 제조된 도핑 촉매 및 공정 (1)에 의해 제조된 미도핑 촉매를 소정의 중량비가 되도록 혼합한다. 즉, 도핑 촉매(20) 대 미도핑 촉매(10)의 중량비가 5 내지 95 : 95 내지 5, 예를 들면 80 내지 95 : 5 내지 20이 되도록 각각의 상술한 2종류의 전극 촉매를 혼합한다.First, the dope catalyst prepared by the step (2) and the undoped catalyst prepared by the step (1) are mixed to a predetermined weight ratio. That is, the two types of electrode catalysts described above are mixed so that the weight ratio of the dope catalyst 20 to the undoped catalyst 10 is 5 to 95:95 to 5, for example, 80 to 95: 5 to 20.

다음에, 얻어진 전극 촉매의 혼합물을, 용액 상태의 바인더 중에 분산시켜 교반하여 페이스트화된 전극 촉매를 제조한다. 또한, 바인더를 용해하기 위해서 이용하는 용매는 전극 촉매 및 바인더 조성물의 상용성을 고려하여 결정하는 것이 바람직하다.Next, the mixture of the obtained electrode catalysts is dispersed in a binder in a solution state and stirred to prepare a paste-formed electrode catalyst. The solvent used for dissolving the binder is preferably determined in consideration of the compatibility of the electrode catalyst and the binder composition.

계속하여, 페이스트화된 전극 촉매를 공지의 코팅 방법을 이용하여 전극 지지기재상에 캐스팅함으로써 전극 촉매층을 제막한다. 코팅 방법으로서는, 예를 들면, 다이 코터, 코마 코터(등록상표), 닥터 블레이드, 어플리케이션 롤 등을 사용하여 기재에 캐스팅하는 방법을 들 수 있다.Subsequently, the electrode catalyst layer is formed by casting the paste electrode catalyst onto an electrode support base material using a known coating method. As a coating method, the method of casting to a base material using a die coater, a coma coater (trademark), a doctor blade, an application roll, etc. is mentioned, for example.

(4) 건조 공정(4) drying process

건조 공정은 제막공정(3)에 의해 형성된 전극 촉매층을 용매의 비점 이상 바람직하지는 150℃ 이하에서 적어도 20분 이상 건조시키는 공정이다. 이 건조 공정은 전극 촉매층내에 포함되어 있는 수분이나 용매의 제거를 목적으로 한다. 상술한 온도 범위에서 소정시간 건조시킴으로써 전극 촉매층내에 포함되어 있는 수분이나 용매가 휘발하여 전극 촉매층을 충분히 건조시킬 수 있다. 이러한 건조 공정을 거치는 것에 의하여 본 실시형태에 관한 전극 촉매층을 얻을 수 있다.The drying step is a step of drying the electrode catalyst layer formed by the film forming step 3 at least 20 minutes or more at the boiling point of the solvent, preferably 150 ° C. or less. This drying process aims at removing water and a solvent contained in the electrode catalyst layer. By drying for a predetermined time in the above-described temperature range, the moisture and the solvent contained in the electrode catalyst layer may be volatilized to sufficiently dry the electrode catalyst layer. By passing through such a drying process, the electrode catalyst layer which concerns on this embodiment can be obtained.

또한, 상기 건조 공정에 앞서 전극 촉매층의 표면을 형성시키는 것과 동시에, 전극 촉매층중에 포함되어 있는 용매를 대강 제거하는 것을 목적으로 하는 예비 건조 공정을 실시해도 된다.Moreover, you may perform the preliminary drying process for the purpose of roughly removing the solvent contained in an electrode catalyst layer at the same time as forming the surface of an electrode catalyst layer prior to the said drying process.

막전극 접합체Membrane electrode assembly

본 실시형태에 관한 연료 전지는 복수의 단 셀이 한 쌍의 홀더에 샌드위치 되어 있다. 단 셀은 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA) 및 막전극 접합체의 두께방향 양측으로 배치된 바이폴라 플레이트(separator)를 포함하고, 운전 온도 100~200℃, 습도가 무가습 또는 상대습도 50% 이하의 조건에서 작동하는 것이다. 바이폴라 플레이트는 도전성을 갖는 금속 또는 카본 등으로 형성되어 있고, 막전극 접합체에 각각 접합함으로써 집전체로서 기능하는 것과 동시에 막전극 접합체의 전극 촉매층에 대하여 산소 및 연료를 공급한다.In the fuel cell according to the present embodiment, a plurality of single cells are sandwiched in a pair of holders. However, the cell includes a membrane electrode assembly (MEA) and a bipolar plate disposed on both sides in the thickness direction of the membrane electrode assembly, and the operating temperature is 100 to 200 ° C., the humidity is not humidified or the relative humidity is 50% or less. It will work in the condition. The bipolar plate is made of a conductive metal, carbon, or the like, and is bonded to the membrane electrode assembly to function as a current collector and to supply oxygen and fuel to the electrode catalyst layer of the membrane electrode assembly.

먼저, 도 2를 참조하면서, 본 실시형태에 관한 막전극 접합체에 대해 설명한다. 도 2는 본 실시형태에 관한 막전극 접합체의 구조를 나타내는 단면도이다.First, the membrane electrode assembly according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 2. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the membrane electrode assembly according to the present embodiment.

본 실시형태에 관한 막전극 접합체(100)는 도 2에 나타낸 것처럼, 고분자 전해질막(3), 고분자 전해질막(3)의 두께 방향 양측으로 배치된 전극 촉매층(5, 5'), 전극 촉매층(5, 5')에 각각 적층된 제1 기체확산층(30, 30'), 및 제1 기체확산층(30, 30')에 각각 적층된 제2 기체확산층(40, 40')으로 구성되어 있다. 전극 촉매층(5, 5'), 제1 기체확산층(30, 30'), 및 제2 기체확산층(40, 40')에 의해서 한 쌍의 전극이 구성되어 있다.As shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly 100 according to the present embodiment includes the electrode catalyst layers 5 and 5 ′ and the electrode catalyst layers disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane 3 and the polymer electrolyte membrane 3 in the thickness direction. 5 and 5 ', respectively, and the first gas diffusion layers 30 and 30' and the second gas diffusion layers 40 and 40 'respectively stacked on the first gas diffusion layers 30 and 30'. A pair of electrodes is comprised by the electrode catalyst layers 5 and 5 ', the 1st gas diffusion layers 30 and 30', and the 2nd gas diffusion layers 40 and 40 '.

여기서, 고분자 전해질막(3) 및 전극 촉매층(5,5')은 앞에서 설명한 것이 그대로 적용되므로 여기서는 중복 설명은 생략한다.Here, since the polymer electrolyte membrane 3 and the electrode catalyst layers 5 and 5 'are the same as described above, the description thereof will not be repeated here.

제1 기체확산층(30, 30') 및 제2 기체확산층(40, 40')은 각각 카본 시트 등으로 형성되고 있고, 바이폴라 플레이트를 통하여 공급된 산소 가스 및 연료 가스를 전극 촉매층(5,5')의 전면에 확산시킨다.The first gas diffusion layers 30 and 30 'and the second gas diffusion layers 40 and 40' are each formed of a carbon sheet or the like, and the oxygen gas and the fuel gas supplied through the bipolar plate are transferred to the electrode catalyst layers 5 and 5 '. ) To the front of the spread.

이 막전극 접합체(100)를 포함하는 연료 전지는 100~200℃의 온도에서 작동하며, 한쪽의 전극 촉매층 측에 바이폴라 플레이트를 통하여 연료 가스로서 예를 들면 수소 가스가 공급되고, 다른 쪽의 전극 촉매층 측에는 바이폴라 플레이트를 통하여 산화제로서 예를 들면 산소 가스가 공급된다. 그리고, 한쪽의 전극 촉매층에서 수소가 산화되어 프로톤이 발생하고, 이 프로톤이 고분자 전해질막(3)을 전도하여 다른 쪽의 전극 촉매층에 도달하고, 다른 쪽의 전극 촉매층에서 프로톤과 산소가 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하는 것과 동시에 전기 에너지를 발생시킨다.The fuel cell including the membrane electrode assembly 100 operates at a temperature of 100 to 200 ° C., for example, hydrogen gas is supplied as a fuel gas through a bipolar plate to one electrode catalyst layer side, and the other electrode catalyst layer. On the side, for example, oxygen gas is supplied as an oxidant through a bipolar plate. Hydrogen is oxidized in one electrode catalyst layer to produce protons, which protons conduct the polymer electrolyte membrane 3 to reach the other electrode catalyst layer, and protons and oxygen electrochemically in the other electrode catalyst layer. React to produce water and at the same time generate electrical energy.

또한 연료로서 공급되는 수소는 탄화수소 또는 알코올의 개질에 의해 발생된 수소이어도 되고, 또, 산화제로서 공급되는 산소는 공기에 포함되는 상태로 공급되어도 된다.In addition, hydrogen supplied as a fuel may be hydrogen generated by the reforming of a hydrocarbon or alcohol, and oxygen supplied as an oxidant may be supplied in a state contained in air.

연료전지Fuel cell

이하에 본 실시형태에 관한 연료 전지에 대하여 설명한다.The following describes the fuel cell according to the present embodiment.

본 실시형태에 관한 고분자 전해질형 연료 전지는 복수의 막전극 접합체와 바이폴라 플레이트가 교대로 적층하여 이루어진 적층체, 이 적층체의 양측에 설치된 애노드용 집전체 및 캐소드용 집전체, 절연체를 개재하여 애노드용 집전체 및 캐소드용 집전체에 각각 붙어있는 엔드 플레이트 및 엔드 플레이트를 구비한다.According to the present embodiment, a polymer electrolyte fuel cell includes a laminate in which a plurality of membrane electrode assemblies and a bipolar plate are alternately stacked, an anode collector, an anode collector, and an insulator provided on both sides of the laminate. An end plate and a end plate are respectively attached to the current collector for molten metal and the current collector for cathode.

각 바이폴라 플레이트의 애노드 측에는 연료가 유통하는 연료 유로가 설치되고, 각 바이폴라 플레이트)의 캐소드 측에는 산화제가 유통하는 산화제 유로가 설치되어 있다. 또한, 바이폴라 플레이트 대신에, 연료 유로가 설치된 연료 플레이트와, 산화제 유로가 설치된 산화제 플레이트와, 연료 플레이트와 산화제 플레이트의 사이에 개재하는 세퍼레이터가 설치될 수도 있다.On the anode side of each bipolar plate, a fuel flow path through which fuel flows is installed, and on the cathode side of each bipolar plate, an oxidant flow path through which an oxidant flows is installed. In addition, instead of the bipolar plate, a fuel plate provided with a fuel flow path, an oxidizer plate installed with an oxidizer flow path, and a separator interposed between the fuel plate and the oxidizer plate may be installed.

각 막전극 접합체를 중심으로 하는 각 셀은 연료 전지의 단위 셀로서 기능하고, 각 셀에서 발생하는 전력은 애노드용 집전체 및 캐소드용 집전체을 개재하여 외부에 출력된다.Each cell serving as the center of each membrane electrode assembly functions as a unit cell of a fuel cell, and the power generated from each cell is output to the outside via an anode current collector and a cathode current collector.

이상 설명한 것처럼, 본 발명의 실시형태에 관한 전극 촉매는 촉매 담체(도전성 담체)의 기공 내부에 프로톤 패스인 인산을 효과적으로 함침할 수 있다. 그 때문에, 이러한 전극 촉매를 이용한 전극에서는, 촉매 반응 면적의 증대에 의한 산도핑형 연료 전지의 발전 특성의 향상 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시형태에 관한 전극을 이용한 산도핑형 연료 전지에서는, 초기 발전 활성화의 에이징(콘디셔닝) 시간이 큰 폭으로 단축될 수 있는 효과가 있다.As described above, the electrode catalyst according to the embodiment of the present invention can effectively impregnate the proton pass phosphoric acid into the pores of the catalyst carrier (conductive carrier). Therefore, in the electrode using such an electrode catalyst, the effect of improving the power generation characteristics of the acid-doped fuel cell can be obtained by increasing the catalytic reaction area. Further, in the acid-doped fuel cell using the electrode according to the embodiment of the present invention, there is an effect that the aging (conditioning) time of initial power generation activation can be greatly shortened.

또, 본 발명의 실시형태에 관한 연료 전지용 전극에서는 도핑 촉매 및 미도핑 촉매가 균일하게 분산되어 있는 전극 촉매층을 갖기 때문에, 경시적으로 고분자 전해질막중으로부터 침출한 산을 트랩하는 것이 가능해지고, 한편, 전극 촉매층에 서의 가스 확산을 위한 공극을 유지할 수 있기 때문에 발전 특성의 저하를 경감시키고 내구성이 향상된다.In addition, in the fuel cell electrode according to the embodiment of the present invention, since the doping catalyst and the undoped catalyst have an electrode catalyst layer uniformly dispersed, it is possible to trap acid leached from the polymer electrolyte membrane over time. Since the space for gas diffusion in the electrode catalyst layer can be maintained, the degradation of power generation characteristics is reduced and the durability is improved.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 아래의 실시예에 의해서 한정되는 것은 아니다Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated in more detail, this invention is not limited by the following Example.

제조예 1: 산미함침 전극 촉매의 제조Preparation Example 1 Preparation of Acid-impregnated Electrode Catalyst

VULCAN XC-72(캐보트사제)를 부분 흑연화 처리한 탄소 담체(BET 비표면적: 약 60 m2/g)를 도전성 담체로서 이용하고, 이에 백금-코발트 합금(백금 : 코발트의 중량비 = 10:1)을 촉매 입자로서 담지한 전극 촉매를 산미함침 전극 촉매(미도핑 촉매)로서 이용하였다. 이 미도핑 전극 촉매의 백금 담지량은 카본 담체의 중량을 기준으로 약 50 중량%이었다.A carbon carrier (BET specific surface area: about 60 m 2 / g) obtained by partially graphitizing VULCAN XC-72 (manufactured by Cabot Co., Ltd.) was used as a conductive carrier, and thus a platinum-cobalt alloy (weight ratio of platinum to cobalt = 10: An electrode catalyst carrying 1) as catalyst particles was used as an acid-impregnated electrode catalyst (undoped catalyst). The platinum loading of this undoped electrode catalyst was about 50% by weight based on the weight of the carbon carrier.

제조예 2: 산함침 전극 촉매의 제조Preparation Example 2 Preparation of Acid Impregnated Electrode Catalyst

제조예 1에서 얻어진 미도핑 전극 촉매 5g을 85중량%의 인산 수용액 100g 중에 분산시키고, 교반 후, 진공 장치내에서 1시간 유지하여 탄소 담체의 기공내에 인산을 함침시켰다. 그 후, 150℃로 열처리를 실시하였다. 그 후, 인산이 탄소 담체에 함침된 전극 촉매를 수세 및 여과한 후 건조하여 인산 함침 촉매(도핑 촉매)를 얻었다.5 g of the undoped electrode catalyst obtained in Production Example 1 was dispersed in 100 g of 85% by weight aqueous solution of phosphoric acid, and after stirring, the mixture was kept in a vacuum apparatus for 1 hour to impregnate the phosphoric acid in the pores of the carbon carrier. Then, heat processing was performed at 150 degreeC. Thereafter, the electrode catalyst in which phosphoric acid was impregnated with the carbon carrier was washed with water, filtered and dried to obtain a phosphoric acid impregnation catalyst (dope catalyst).

얻어진 도핑 촉매에 함침된 인산량을 특정하기 위해서, 유도 결합 플라스마 발광 분광법을 이용하여 함침된 인산의 정량 분석을 실시하였다. 분석 장치로서 에스아이아이나노테크노로지 사제의 유도 결합 플라스마 발광 분광 분석 장치(SPS-1700HVR)를 이용하였다.In order to specify the amount of phosphoric acid impregnated in the obtained dope catalyst, quantitative analysis of phosphoric acid impregnated was performed using inductively coupled plasma emission spectroscopy. An inductively coupled plasma emission spectrophotometer (SPS-1700HVR) manufactured by SIA INA Technology Co., Ltd. was used as the analyzer.

측정한 결과, 상기 도핑 촉매에 함침된 인산량은 탄소 담체의 중량을 기준으로 약 0.73중량% 이었다.As a result, the amount of phosphoric acid impregnated in the doping catalyst was about 0.73% by weight based on the weight of the carbon carrier.

실시예 1Example 1

상기 제조예에서 제조한 도핑 촉매 및 미도핑 촉매를 이용하여, 연료 전지용 전극을 제조하였다.An electrode for a fuel cell was manufactured using the dope catalyst and the undoped catalyst prepared in the preparation example.

우선, 도핑 촉매 0.8g 및 미도핑 촉매 0.2g(도핑 촉매 중량 : 미도핑 촉매 중량의 비 = 80:20)을, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF) 결착 수지 1.0g을 N,N-디메틸포름아미드(DMF) 19g에 용해한 용액(PVdF 5중량% 용액)에 가하고, 마그네틱 스터러로 약 10분간 분산하여 전극 슬러리를 조제하였다.First, 0.8 g of dope catalyst and 0.2 g of undoped catalyst (ratio of doping catalyst weight to weight of undoped catalyst = 80:20) were used, and 1.0 g of polyvinylidene fluoride (PVdF) binder resin was added N, N-dimethylformamide. (DMF) was added to a solution (PVdF 5% by weight solution) dissolved in 19 g, and dispersed in a magnetic stirrer for about 10 minutes to prepare an electrode slurry.

이 전극 슬러리를 미세다공층이 부착되어 있는 가스확산층(SGL 카본사제: GDL 34BC)위에 닥터 블레이드를 이용하여 도포하고, 60℃에서 약 20분간 예비 건조 및 150℃에서 약 30분간 건조하여 전극촉매층을 형성하여 전극을 제작하였다.The electrode slurry is coated on a gas diffusion layer (GDL 34BC manufactured by SGL Carbon, Inc.) with a microporous layer, using a doctor blade, and preliminarily dried at 60 ° C. for about 20 minutes, and dried at 150 ° C. for about 30 minutes to form an electrode catalyst layer. To form an electrode.

고분자 전해질막으로서 폴리벤즈이미다졸(PBI)(황산에 30중량% 농도로 용해하여 측정하였을 때 고유점도(intrinsic iscosity) 0.7~0.9 dL/g)이 10중량% 용해된 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용액을 캐스트하여 얻은 건조 PBI 막(두께 35㎛)을 60℃로 가열한 85중량% 인산 수용액에 2시간 침지하여 인산에 의해 팽윤한 인산 도핑 PBI막을 얻었다. 이 PBI막의 팽윤후의 두께는 약 100㎛이었으며 인산의 도핑량은 PBI막 100중량%에 대해서 약 350중량%이었다.Polybenzimidazole (PBI) (intrinsic viscosity 0.7-0.9 dL / g as measured by dissolving in sulfuric acid at a concentration of 30% by weight) as a polymer electrolyte membrane was dissolved in 10% by weight of N-methyl-2-pi A dried PBI membrane (thickness: 35 μm) obtained by casting a Lollidon (NMP) solution was immersed in an 85 wt% aqueous solution of phosphoric acid, heated at 60 ° C. for 2 hours, to obtain a phosphoric acid doped PBI membrane, which was swollen by phosphoric acid. The thickness of the PBI film after swelling was about 100 μm and the doping amount of phosphoric acid was about 350 wt% relative to 100 wt% of the PBI film.

위와 같이 하여 준비한 전극을 한 변이 5cm인 정사각형으로 커팅하여 애노드 및 캐소드로서 사용하였다. 한 변이 7cm인 정사각형으로 커팅한 상기 고분자 전해질막을 양 측면에 상기 애노드 및 캐소드의 촉매층이 고분자 전해질막에 접하도록 샌드위치하여, 도 2에 도시한 것과 같이 하여 막전극 접합체(100)를 제작하였다.The electrode prepared as described above was cut into a square having a width of 5 cm and used as an anode and a cathode. The polymer electrolyte membrane cut into squares having a width of 7 cm was sandwiched so that the anode and cathode catalyst layers were in contact with the polymer electrolyte membrane on both sides thereof, thereby producing a membrane electrode assembly 100 as shown in FIG.

비교예 1Comparative Example 1

도핑 촉매를 사용하지 않고 제조예 1에서 얻어진 미도핑 촉매 1.0g(미도핑 촉매 100중량%)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에 설명된 방법과 동일한 방법을 사용하여 전극 및 막전극 접합체(100)를 제작하였다.The electrode and membrane electrode assembly (100) were prepared using the same method as described in Example 1, except that 1.0 g of the undoped catalyst (100 wt% of the undoped catalyst) obtained in Preparation Example 1 was not used. ) Was produced.

비교예 2Comparative Example 2

미도핑 촉매를 사용하지 않고 제조예 2에서 얻어진 도핑 촉매 1.0g(도핑 촉매 100중량%)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에 설명된 방법과 동일한 방법을 사용하여 전극 및 막전극 접합체(100)를 제작하였다.Electrode and membrane electrode assembly 100 were prepared using the same method as described in Example 1, except that 1.0 g (100 wt% of doping catalyst) obtained in Preparation Example 2 was used without using an undoped catalyst. Was produced.

<연료 전지의 제작><Production of fuel cells>

막전극 접합체(100)의 전극 주위에 폴리테트라플루오로에틸렌(TEFRON

Figure pat00001
)으로 이루어진 개스킷(두께 200㎛)을 설치한 다음, 이것을 가스 유로가 딸린 카본 세퍼레이터로 샌드위치하였다. 이것을 다시 집전판으로 샌드위치하고 양단을 스테인레스강으로 이루어진 엔드 플레이트로 샌드위치한 후, 조임 압력이 5×105 Pa이 되도록 토크 렌치로 볼트를 단단히 조여서 테스트 셀을 제작하였다.Polytetrafluoroethylene (TEFRON) around the electrode of the membrane electrode assembly 100
Figure pat00001
Gaskets (thickness: 200 mu m) were formed and sandwiched with a carbon separator with a gas flow path. This was again sandwiched by a current collector plate and sandwiched at both ends by an end plate made of stainless steel, and a test cell was manufactured by tightening a bolt with a torque wrench so that the tightening pressure was 5 × 10 5 Pa.

<연료 전지의 발전 특성의 시험><Test of power generation characteristics of fuel cell>

테스트 셀을 질소 퍼지하면서, 150℃로 승온하고, 애노드에는 연료 가스로서 순수한 수소 가스 및 캐소드에는 산화제로서 공기를 수소 가스 이용율 및 산소 가스 이용율이 각각 80% 및 50%가 되도록 봄베로부터 유량을 컨트롤하는 매스 플로우를 통하여 직접(가습기를 통하지 않고 무가습의 조건으로) 테스트 셀에 도입하였다. 발전의 분극 특성 및 연속 발전 특성을 측정하기 위하여 전자 부하 장치(계측기술연구소 사제 ELZ-303)를 이용하여 연속 발전 특성은 0.3A/cm2의 정전류 운전을 실시하였고, 이 때의 발전 특성의 경시 변화를 조사하였다.While purging the test cell with nitrogen purge, the temperature was raised to 150 ° C., and the flow rate was controlled from the bomb so that the hydrogen gas utilization rate and oxygen gas utilization rate were 80% and 50%, respectively, as pure hydrogen gas as anode and fuel as oxidant in cathode. The test cells were introduced directly through the mass flow (without humidifier conditions and without humidification). In order to measure the polarization characteristics and continuous power generation characteristics of the power generation, the continuous power generation characteristics were 0.3A / cm 2 constant current operation using an electronic load device (ELZ-303 manufactured by the Institute of Measurement Technology). The change was investigated.

도 3은 실시예 1 및 비교예 1에서의 막전극 접합체를 이용한 테스트 셀의 발전 특성을 나타낸 전류-전압 특성 그래프이며, 도 4는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 막전극 접합체를 이용한 테스트 셀의 연속 발전 특성의 경시 변화를 나타낸 그래프이다.3 is a current-voltage characteristic graph showing the power generation characteristics of the test cell using the membrane electrode assembly in Example 1 and Comparative Example 1, Figure 4 is a membrane electrode assembly of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 It is a graph showing the change over time of the continuous power generation characteristics of the test cell used.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 전극을 이용한 MEA(◇)는 비교예 1(□)의 미처리 전극을 이용한 MEA에 비해 뛰어난 발전 특성을 나타내고 있다. 이는 촉매에 미리 인산 처리 공정을 행하여 촉매층내에 산이 균일하게 분포함으로써 효과적인 프로톤 패스가 형성되고, 이에 의하여 특성 향상이 얻어졌기 때문이라고 추측된다.As can be seen from FIG. 3, MEA () using the electrode of Example 1 exhibits superior power generation characteristics as compared to MEA using the untreated electrode of Comparative Example 1 (□). This is presumably because an effective proton path is formed by uniformly dispersing the acid in the catalyst layer by performing a phosphoric acid treatment step on the catalyst, whereby a characteristic improvement is obtained.

도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1에서 제작한 연료 전지용 전극을 이용한 MEA(◇)는 비교예 1에서 제작한 미처리 전극을 이용한 MEA(□)에 비해, 전압값이 높았다. 초기 시동(콘디셔닝) 시간이 약 250 시간(비교예 1)으로부터 약 50시간(실시예 1)으로 단축되었다(도 5에서는 잘 보이지 않지만 전압이 660mV까지 상승하는데 소요되는 시간이 비교예 1의 경우는 약 250시간이었고, 실시예 1의 경우에는 약 50시간이었다). 이는 실시예 1에서 제작한 MEA는 비교예 1에서 제작한 MEA에 비해 발전 특성이 향상되고, 또한 초기 시동(콘디셔닝) 시간이 약 1/5로 단축된 것을 나타낸다.As can be seen in FIG. 4, the MEA () using the fuel cell electrode produced in Example 1 had a higher voltage value than the MEA (□) using the untreated electrode produced in Comparative Example 1. The initial start-up (conditioning) time was shortened from about 250 hours (Comparative Example 1) to about 50 hours (Example 1) (not shown in FIG. 5, but the time required for the voltage to rise to 660 mV is the case of Comparative Example 1 Was about 250 hours, and in Example 1 it was about 50 hours). This indicates that the MEA produced in Example 1 has improved power generation characteristics compared to the MEA produced in Comparative Example 1, and the initial start-up (conditioning) time is reduced to about 1/5.

실시예 1에서 제작한 MEA는 인산 처리 공정을 행한 도핑 촉매 100 중량%를 이용한 전극(비교예 2)으로 제작한 MEA(△)와 비교하면, 발전 특성의 초기 시동(콘디셔닝)에서는 약간 뒤떨어지지만, 경시 변화에서는 발전 특성을 더 장시간 유지하는 것이 확인되었다.The MEA produced in Example 1 is slightly inferior to the initial start (conditioning) of the power generation characteristics, compared to the MEA (Δ) produced with the electrode (Comparative Example 2) using 100% by weight of the doped catalyst subjected to the phosphoric acid treatment step. As a result, it has been confirmed that the power generation characteristics are maintained for a longer period of time over time.

이와 같이, 촉매에 미리 인산 처리 공정을 행함으로써 촉매층 내의 산분포의 균일화에 의하여 효과적인 프로톤 패스가 형성되어 특성 향상을 얻을 수 있고, 또, 초기시부터 촉매층내에 최적인 산량이 콘트롤되어 있기 때문에, 콘디셔닝 시간의 단축화가 가능지고, 특성의 차이를 달성할 수 있었다.In this way, by performing a phosphoric acid treatment step on the catalyst in advance, an effective proton pass is formed by homogenizing the acid distribution in the catalyst layer, so that the characteristic improvement can be obtained, and since the optimum amount of acid in the catalyst layer is controlled from the beginning, Shortening of the shunting time was made possible and the difference of the characteristic was achieved.

또, 장기적으로는 고분자 전해질막 중에 도핑된 산이 촉매층에 침출되고, 그 후 MEA의 외부로 배출되어 가는 문제가 있지만, 그 경우라도, 도 4로부터 분명한 것과 같이, 실시예 1에 관한 연료 전지용 전극은 미도핑 촉매의 도전성 담체가 산을 함침할 수 있는 허용치를 갖기 때문에 MEA 내에 산을 트랩하여, 외부로 산이 유출되는 것을 막고, 또한 가스 확산을 위한 공극을 손상하지 않는 복합적인 기능을 겸비하는 것이 가능해지므로, 이러한 MEA 구조보다 내구성의 향상을 도모할 수 있다고 추측된다.In the long term, the acid doped in the polymer electrolyte membrane leaches into the catalyst layer and is subsequently discharged to the outside of the MEA. In that case, however, as is apparent from FIG. Since the conductive carrier of the undoped catalyst has an allowance to impregnate the acid, it is possible to trap the acid in the MEA, to prevent the acid from flowing out, and to have a complex function that does not damage the pores for gas diffusion. Therefore, it is estimated that durability can be improved rather than such MEA structure.

이상과 같이, 인산 함침 처리 공정으로 얻어진 촉매를 이용한 연료 전지용 전극에서는 전극 촉매층 내의 인산의 분포가 균일해지고, 또한 촉매의 활성 면적이 증가(담체 카본 기공에의 산균일 분포)하여, 특성의 향상 및 발전 초기에 신속하게 평형 전압에 도달할 수 있게 되었다. 또, 인산 함침 처리 공정으로 얻어진 촉매와 미처리 촉매를 혼합하여 제작한 전극을 이용함으로써 장기적으로 막으로부터 침출한 인산을 미처리 촉매의 담체 카본내에 트랩하는 기능도 발현하여 내구성을 향상시킬 수 있게 되었다.As described above, in the fuel cell electrode using the catalyst obtained in the phosphoric acid impregnation treatment step, the distribution of phosphoric acid in the electrode catalyst layer becomes uniform, and the active area of the catalyst increases (acid uniform distribution in the carrier carbon pores), thereby improving the characteristics and It was possible to reach the equilibrium voltage quickly at the beginning of power generation. In addition, by using the electrode produced by mixing the catalyst obtained in the phosphoric acid impregnation process with the untreated catalyst, the function of trapping phosphoric acid leached from the membrane in the carrier carbon of the untreated catalyst in the long term can also be expressed to improve durability.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해 상세하게 설명했지만, 본 발명은 이러한 예로 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 사람이면, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주내에서 각종의 변경예 또는 수정예를 착상할 수 있는 것이 명백하며, 이들도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, referring an accompanying drawing, this invention is not limited to this example. It is apparent that any person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs can conceive various modifications or modifications within the scope of the technical idea described in the claims, and these are naturally the technical scope of the present invention. It is understood to belong to.

예를 들면, 상기 실시형태에서는, 도핑 촉매 및 미도핑 촉매가 전극 촉매층중에 균일하게 분산되어 있는 경우에 대하여 설명했지만, 도핑 촉매 및 미도핑 촉매가 전극 촉매층중에 불균일에 분산되어 있는 경우에도 균일하게 분산되어 있는 경우에 비해 성능은 뒤떨어지지만, 본 발명의 실시형태에 관한 효과를 어느 정도 발휘할 수 있다. 또, 전극 촉매층이 고분자 전해질막측에 위치하는 미도핑 촉매로 이루어진 제1 촉매층 및 제1 촉매층상에 적층된 도핑 촉매로 이루어진 제2 촉매층의 적층 구조를 가져도 된다.For example, in the above embodiment, the case where the doped catalyst and the undoped catalyst are uniformly dispersed in the electrode catalyst layer has been described. However, even when the doped catalyst and the undoped catalyst are uniformly dispersed in the electrode catalyst layer, the dispersion is uniformly performed. Although performance is inferior compared with the case where it is, the effect concerning embodiment of this invention can be exhibited to some extent. The electrode catalyst layer may have a laminated structure of a first catalyst layer made of an undoped catalyst positioned on the polymer electrolyte membrane side and a second catalyst layer made of a doped catalyst deposited on the first catalyst layer.

1: 연료 전지용 전극
3: 고분자 전해질막
5: 전극 촉매층
10: 산미함침 전극 촉매(미도핑 촉매)
11: 도전성 담체
13: 촉매 입자
15: 산함침 도전성 담체
20: 산함침 전극 촉매(도핑 촉매)
30: 제1 기체확산층
40: 제2 기체확산층
100: 막전극 접합체.
1: Electrode for Fuel Cell
3: polymer electrolyte membrane
5: electrode catalyst layer
10: acid-impregnated electrode catalyst (undoped catalyst)
11: conductive carrier
13: catalyst particles
15: acid-impregnated conductive carrier
20: acid impregnated electrode catalyst (dope catalyst)
30: first gas diffusion layer
40: second gas diffusion layer
100: membrane electrode assembly.

Claims (17)

전극 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극으로서,
상기 전극 촉매층이 도전성 담체 및 상기 도전성 담체에 담지된 촉매 입자를 포함하는 전극 촉매를 포함하고,
상기 전극 촉매는 프로톤 전도성을 갖는 산성분이 상기 도전성 담체에 함침된 산함침 전극 촉매 및 상기 산성분이 상기 도전성 담체에 함침되지 않은 산미함침 전극 촉매를 포함하는 연료전지용 전극.
An electrode for a fuel cell comprising an electrode catalyst layer,
The electrode catalyst layer comprises an electrode catalyst comprising a conductive carrier and catalyst particles supported on the conductive carrier,
The electrode catalyst includes an acid impregnated electrode catalyst in which an acid component having proton conductivity is impregnated in the conductive carrier and an acid impregnated electrode catalyst in which the acid component is not impregnated in the conductive carrier.
제1항에 있어서, 상기 전극 촉매층은 상기 전극 촉매층 형성시 상기 산함침 전극촉매의 중량 : 상기 산미함침 전극촉매의 중량 = 5 내지 95 : 95 내지 5의 혼합 비를 갖는 연료 전지용 전극.The electrode for a fuel cell of claim 1, wherein the electrode catalyst layer has a mixing ratio of the weight of the acid-impregnated electrode catalyst to the weight of the acid-impregnated electrode catalyst = 5 to 95: 95 to 5 when the electrode catalyst layer is formed. 제1항에 있어서, 상기 도전성 담체는 탄소 재료인 연료 전지용 전극.The fuel cell electrode according to claim 1, wherein the conductive carrier is a carbon material. 제1항에 있어서, 상기 촉매 입자가, 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 철(Fe), 납(Pb), 망간(Mn), 크롬(Cr), 갈륨(Ga), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 연료전지용 전극.The method of claim 1, wherein the catalyst particles are platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), cobalt (Co), iron (Fe) , Fuel cell electrode including at least one metal selected from the group consisting of lead (Pb), manganese (Mn), chromium (Cr), gallium (Ga), tin (Sn), molybdenum (Mo), and vanadium (V) . 제1항에 있어서, 상기 산은 인산, 인산 유도체, 포스폰산, 포스폰산 유도체, 포스핀산, 포스핀산 유도체, 황산, 황산 유도체, 설폰산 및 설폰산 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 산인 연료 전지용 전극.The fuel cell of claim 1, wherein the acid is at least one acid selected from the group consisting of phosphoric acid, phosphoric acid derivatives, phosphonic acid, phosphonic acid derivatives, phosphinic acid, phosphinic acid derivatives, sulfuric acid, sulfuric acid derivatives, sulfonic acid and sulfonic acid derivatives. electrode. 제1항에 있어서, 상기 전극 촉매층은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리(비닐리덴플루오라이드)(PVDF), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로에틸렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE), 스티렌 부타디엔 러버(SBR), 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 결착수지를 더 포함하는 연료전지용 전극.The method of claim 1, wherein the electrode catalyst layer is polytetrafluoroethylene (PTFE), poly (vinylidene fluoride) (PVDF), tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoro A fuel further comprising at least one binder resin selected from the group consisting of propylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE), styrene butadiene rubber (SBR), and polyurethane Battery electrode. 프로톤 전도성을 갖는 산성분이 도전성 담체에 함침된 산함침 전극촉매 및 상기 산성분이 상기 도전성 담체에 함침되지 않은 산미함침 전극 촉매를 포함하는 전극 촉매층용 조성물을 지지체상에 도포하는 단계; 및
도포된 상기 촉매층용 조성물을 건조하여 전극 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 전극의 제조방법.
Applying a composition for an electrode catalyst layer comprising an acid-impregnated electrode catalyst in which an acid component having proton conductivity is impregnated in the conductive carrier and an acid-impregnated electrode catalyst in which the acid component is not impregnated in the conductive carrier; And
A method of manufacturing an electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6, comprising forming the electrode catalyst layer by drying the applied composition for the catalyst layer.
제7항에 있어서, 상기 촉매층용 조성물에서 상기 산함침 전극촉매의 중량 : 상기 산미함침 전극촉매의 중량의 혼합비는 5 내지 95 : 95 내지 5인 연료 전지용 전극의 제조방법.The method of claim 7, wherein the mixing ratio of the weight of the acid-impregnated electrode catalyst to the weight of the acid-impregnated electrode catalyst is 5 to 95:95 to 5 in the catalyst layer composition. 제7항에 있어서, 상기 산함침 전극촉매는,
상기 산미함침 전극 촉매를 상기 산성분중에 분산하여 진공 열처리하는 단계를 포함하는 방법에 의하여 얻어지는 연료전지용 전극의 제조방법.
The method of claim 7, wherein the acid impregnated electrode catalyst,
And dispersing the acid impregnated electrode catalyst in the acid component to perform vacuum heat treatment.
제7항에 있어서, 상기 진공 열처리는 100~150℃의 온도에서 실시되는 연료전지용 전극의 제조방법.The method of claim 7, wherein the vacuum heat treatment is performed at a temperature of 100 ~ 150 ℃. 제7항에 있어서, 상기 도전성 담체는 탄소 재료인 연료 전지용 전극의 제조방법.The method for manufacturing an electrode for a fuel cell according to claim 7, wherein the conductive carrier is a carbon material. 제8항에 있어서, 상기 촉매 입자가, 백금(Pt), 금(Au), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 철(Fe), 납(Pb), 망간(Mn), 크롬(Cr), 갈륨(Ga), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법.The method of claim 8, wherein the catalyst particles, platinum (Pt), gold (Au), palladium (Pd), rhodium (Rh), iridium (Ir), ruthenium (Ru), cobalt (Co), iron (Fe) , Fuel cell electrode including at least one metal selected from the group consisting of lead (Pb), manganese (Mn), chromium (Cr), gallium (Ga), tin (Sn), molybdenum (Mo), and vanadium (V) Manufacturing method. 제7항에 있어서, 상기 산은 인산, 인산 유도체, 포스폰산, 포스폰산 유도체, 포스핀산, 포스핀산 유도체, 황산, 황산 유도체, 설폰산 및 설폰산 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 산인 연료 전지용 전극의 제조방법.The fuel cell of claim 7, wherein the acid is at least one acid selected from the group consisting of phosphoric acid, phosphoric acid derivatives, phosphonic acid, phosphonic acid derivatives, phosphinic acid, phosphinic acid derivatives, sulfuric acid, sulfuric acid derivatives, sulfonic acid and sulfonic acid derivatives. Method of manufacturing the electrode. 제7항에 있어서, 상기 전극 촉매층은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리(비닐리덴플루오라이드)(PVDF), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로에틸렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE), 스티렌 부타디엔 러버(SBR), 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 결착수지를 더 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법.The method of claim 7, wherein the electrode catalyst layer is polytetrafluoroethylene (PTFE), poly (vinylidene fluoride) (PVDF), tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoro A fuel further comprising at least one binder resin selected from the group consisting of propylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE), styrene butadiene rubber (SBR), and polyurethane Method for producing a battery electrode. 제7항에 있어서, 상기 산성분은 인산, 인산 유도체, 포스폰산, 포스폰산 유도체, 포스핀산, 포스핀산 유도체, 황산, 황산 유도체, 설폰산 및 설폰산 유도체로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종 이상의 산의 수용액인 연료 전지용 전극의 제조 방법.The method of claim 7, wherein the acid component is at least one acid selected from the group consisting of phosphoric acid, phosphoric acid derivatives, phosphonic acid, phosphonic acid derivatives, phosphinic acid, phosphinic acid derivatives, sulfuric acid, sulfuric acid derivatives, sulfonic acid and sulfonic acid derivatives The manufacturing method of the electrode for fuel cells which is aqueous solution of. 서로 대향하여 위치하는 캐소드와 애노드, 및 상기 캐소드와 상기 애노드의 사이에 위치하는 고체 전해질막을 구비하는 연료전지용 막 전극 접합체(MEA)로서,
상기 고체 전해질막이 산성분이 도프된 염기성 폴리머를 포함하고, 상기 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극 중의 적어도 하나가 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 전극인 막 전극 접합체.
A fuel cell membrane electrode assembly (MEA) comprising a cathode and an anode positioned opposite to each other, and a solid electrolyte membrane positioned between the cathode and the anode,
A membrane electrode assembly, wherein the solid electrolyte membrane comprises a basic polymer doped with an acid component, and at least one of the cathode electrode and the anode electrode is an electrode for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지용 전극을 포함하는 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지.A fuel cell comprising a membrane electrode assembly comprising the electrode for fuel cells according to any one of claims 1 to 6.
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