KR20140126597A - Fuel battery membrane electrode assembly comprising micro graphite and method thereof - Google Patents

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KR20140126597A
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권민기
김준범
허승현
김재덕
정승일
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주식회사 동희홀딩스
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Abstract

The present invention relates to a method for preparing an electrode catalyst and a membrane electrode complex for a fuel cell using micro-graphite. The method includes the steps of: carrying a metal catalyst in a carbon support to prepare a commercial catalyst; spraying catalyst slurry of an anode in which the commercial catalyst is used on one surface of an electrolyte membrane using a spray gun; spraying catalyst slurry of a cathode containing micro-graphite on the other surface of the electrolyte membrane; and mixing after ultrasonic treatment using binding. According to the present invention, the electrode catalyst and the membrane electrode complex for a fuel cell using micro-graphite has electric conductivity, thermal stability and durability and, therefore, can be effectively used as novel fuel cells.

Description

마이크로 그래파이트를 함유한 연료전지용 막전극복합체 및 이의 제조방법{Fuel battery membrane electrode assembly comprising micro graphite and method thereof}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell containing micrographite and a method for manufacturing the same,

본 발명은 전기 전도성, 열적 안정성 및 내구성이 향상된 마이크로 그래파이트를 이용한 연료전지용 전극 촉매와 막전극복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode catalyst and a membrane electrode assembly for a fuel cell using micrographite having improved electrical conductivity, thermal stability and durability, and a method for producing the same.

연료전지(fuel cell)란, 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 화학 반응은 촉매 층 내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다. 여러 단계를 거치는 동안 효율의 손실이 발생하는 기존의 발전 방식과는 달리 연료전지는 직접 전기를 만들 수 있어 내연기관보다 효율이 2배가량 높으며, 또한 환경오염문제 및 자원고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다. A fuel cell is a device that generates electrical energy by electrochemically reacting a fuel and an oxidant. This chemical reaction is carried out by the catalyst in the catalyst bed and is generally capable of continuous power generation as long as the fuel is continuously supplied. Unlike conventional power generation systems where efficiency is lost during various stages, fuel cells can produce direct electricity, which is twice as efficient as internal combustion engines and can also reduce concerns about environmental pollution and resource depletion. have.

연료전지는 메탄올, 에탄올, 천연기체와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소(H2)와 산소(O2)가 가진 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전기 화학적 장치로서 수소와 산소를 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 발전기술이다. A fuel cell is an electrochemical device that converts the chemical energy of hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) contained in a hydrocarbon-based material such as methanol, ethanol and natural gas into direct electrical energy. (anode) and cathode (cathode), respectively, to continuously generate electricity.

이러한 연료 전지는 작동되는 온도에 따라 고온형 연료 전지와 저온형 연료 전지로 분류된다. 이중에서 저온형 연료 전지로는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Cell), 직접 액체 연료 전지(DLFC : Direct Liquid Feed Fuel Cell)를 들 수 있다. 상기 직접 액체 연료 전지에서 연료로 메탄올을 사용하는 경우에는 직접 메탄올형 연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)라 한다. 상기 고분자 전해질형 연료 전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 solid polymer electrolyte fuel cell(SPEFC), solid polymer fuel cell(SPFC), polymer electrolyte fuel cell(PEFC), 또는 proton-exchange membrane fuel cell(PEMFC) 등의 다양한 이름으로 불리고 있다. 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동 온도가 낮은 고분자전해질 연료전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다(L. J. M. J. Blomen and M. N. Mugerwa, "Fuel Cell Systems", Plenum Press, New York, 1993).Such a fuel cell is classified into a high temperature type fuel cell and a low temperature type fuel cell depending on the operating temperature. Of these, low-temperature fuel cells include a polymer electrolyte membrane cell (PEMFC) and a direct liquid fuel cell (DLFC). When methanol is used as the fuel in the direct liquid fuel cell, it is referred to as a direct methanol fuel cell (DMFC). The polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell using a polymer membrane having hydrogen ion-exchange properties as an electrolyte. The fuel cell includes a solid polymer electrolyte fuel cell (SPEFC), a solid polymer fuel cell (SPFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) exchange membrane fuel cell (PEMFC). Polymer electrolyte fuel cells with lower operating temperatures than other types of fuel cells have high efficiency, high current density and power density, short startup times and fast response to load changes (LJMJ Blomen and MN Mugerwa, " Fuel Cell Systems ", Plenum Press, New York, 1993).

특히 전해질로 고분자막을 사용하므로 전해질 손실이 없고, 기존의 확립된 기술인 메탄올 개질기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 연료전지 본체 재료로 여러 가지를 사용할 수 있는 동시에, 부피와 무게도 작동원리가 같은 인산 연료전지에 비해 작다. 이러한 특성 외에도 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 고분자전해질 연료전지는 무공해 차량의 동력원, 현지설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다.Especially, since the polymer membrane is used as the electrolyte, there is no electrolyte loss, and it is possible to apply the methanol reformer, which is an established technology, and is less sensitive to the change of the reaction gas pressure. In addition, the design is simple, easy to manufacture, and various materials can be used for the fuel cell body material, and the volume and weight are smaller than those of a phosphoric acid fuel cell having the same principle of operation. In addition to these characteristics, the polymer electrolyte fuel cell can be applied to a wide variety of fields such as power source for non-polluting vehicles, locally installed power generation, space power, mobile power, and military power.

한국 공개특허 2010-001286259에는 내구성이 뛰어난 연료전지용 전극 촉매에 관한 것으로서, 백금을 활성성분으로 하는 촉매를 사용한 연료전지용 전극 촉매의 제조 방법에 대해 개시하고 있다.Korean Patent Laid-Open No. 2010-001286259 discloses an electrode catalyst for fuel cells having excellent durability, and discloses a method for producing an electrode catalyst for a fuel cell using a catalyst containing platinum as an active ingredient.

일반적으로 백금(Pt)을 활성 성분으로 하는 촉매가 애노드 및 캐소드의 구성 요소로서 이용되고 있다. 그러나 백금계 촉매는 매장량이 적고 가격이 고가이므로 전체 연료전지 생산 비용 중에서 많은 부분을 차지하게 되어서 연료전지의 대량생산 및 상업화를 제한하는 걸림돌이 되고 있다. 따라서 연료 전지 촉매의 소재로 Pt의 사용을 줄이면서 동시에 효능이 우수한 새로운 촉매 소재의 개발이 필요한 실정이다.In general, a catalyst containing platinum (Pt) as an active component is used as a constituent element of an anode and a cathode. However, since platinum-based catalysts have a small amount of reserves and are expensive, they are a large part of the total cost of producing fuel cells, which is a hindrance to the mass production and commercialization of fuel cells. Therefore, it is necessary to develop a new catalyst material having excellent efficacy while reducing the use of Pt as a fuel cell catalyst material.

대한민국 공개특허 제2010-001286259호Korea Patent Publication No. 2010-001286259

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명의 목적은 열적안정성, 전기전도성 및 내구성이 향상된 연료전지용 막전극복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.In order to solve the above-mentioned problems, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell having improved thermal stability, electrical conductivity and durability.

또한 본 발명의 다른 목적은 전해질막; 상기 전해질막을 사이에 두고 형성되는 애노드 전극용 촉매층을 포함하는 애노드 전극; 캐소드 전극용 촉매층을 포함하는 캐소드 전극을 포함하는 연료전지용 막전극복합체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an electrolyte membrane; An anode electrode including a catalyst layer for an anode electrode formed between the electrolyte membrane; And a cathode electrode including a catalyst layer for a cathode electrode.

또한, 본 발명의 다른 목적은 본 발명의 방법에 따른 막전극복합체를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a fuel cell including a membrane electrode assembly according to the method of the present invention.

이에 본 발명은, 탄소 지지체에 금속 촉매가 담지된 촉매를 제조하는 단계; 상기 촉매를 포함하는 애노드의 촉매 슬러리를 전해질막의 한쪽 면에 분사하여 애노드 전극용 촉매층을 형성하는 단계; 탄소 지지체에 금속 촉매가 담지된 촉매에 마이크로 그래파이트(MG)를 첨가한 캐소드 촉매 슬러리를 상기 전해질막의 다른쪽 면에 분사하여 캐소드 전극용 촉매층을 형성하는 단계; 및 상기 촉매층은 열압착기를 이용하여 열압착하는 단계를 포함하는, 연료전지용 막전극복합체의 제조방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a method of manufacturing a carbon-based catalyst, comprising: preparing a catalyst having a metal catalyst supported on a carbon support; Forming a catalyst layer for an anode electrode by spraying a catalyst slurry of the anode including the catalyst on one surface of the electrolyte membrane; Forming a catalyst layer for a cathode electrode by spraying a cathode catalyst slurry obtained by adding micrographite (MG) to a catalyst having a metal catalyst supported on a carbon support, on the other surface of the electrolyte membrane; And thermocompression bonding the catalyst layer using a thermocompressor. The present invention also provides a method for manufacturing a membrane electrode assembly for a fuel cell.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 탄소 지지체는, 카본블랙(Carbon Black), 그래파이트 카본(Graphite carbon), 카본 나노 튜브(Carbon nanotube), 아세틸렌블랙(Acetylene Black), 케첸블랙(Ketjen Black) 및 카본 파이버(Carbon Fiber)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the carbon support may be selected from the group consisting of carbon black, graphite carbon, carbon nanotube, acetylene black, Ketjen black, Carbon fibers, and carbon fibers.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 금속 촉매는, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-팔라듐, 백금-루테늄 합금, 백금-코발트 합금, 백금-니켈 합금, 백금-이리듐 합금 및 백금-오스뮴 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the metal catalyst comprises at least one of platinum, ruthenium, osmium, platinum-palladium, platinum-ruthenium alloy, platinum-cobalt alloy, platinum-nickel alloy, platinum-iridium alloy and platinum- Lt; / RTI >

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 캐소드 촉매 슬러리는 탄소 지지체에 금속 촉매가 담지된 촉매 대 마이크로 그래파이트(MG)를 3:1~6:1의 중량비로 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cathode catalyst slurry may include a catalyst supported on a carbon support and a micrographite (MG) at a weight ratio of 3: 1 to 6: 1.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 슬러리는 이소프로필알콜 및 나피온 용액일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the slurry may be isopropyl alcohol and Nafion solution.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 애노드 전극용 촉매층 형성에 사용되는 금속 로딩(loading)량은 0.4㎎/㎠일 수 있다. In an embodiment of the present invention, the metal loading used for forming the anode catalyst layer may be 0.4 mg / cm 2.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 캐소드 전극용 촉매층 형성에 사용되는 금속 로딩(loading)량은 0.34㎎/㎠ 일 수 있다. In an embodiment of the present invention, the metal loading used to form the cathode catalyst layer may be 0.34 mg / cm 2.

본 발명의 일실시예에 있어서, 열압착된 막전극복합체의 양측에 가스확산층을 접합시키는 단계를 더 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the method may further include bonding the gas diffusion layer to both sides of the thermally compressed membrane electrode assembly.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 열압착은 120~140℃의 온도에서 4~6MPa의 압력으로 130~160초 동안 수행하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the thermocompression bonding may be performed at a temperature of 120 to 140 ° C. and a pressure of 4 to 6 MPa for 130 to 160 seconds.

또한, 본 발명은 전해질막; 상기 전해질막을 사이에 두고 형성되는 애노드 전극용 촉매층을 포함하는 애노드 전극; 캐소드 전극용 촉매층을 포함하는 캐소드 전극을 포함하는 연료전지용 막전극복합체를 제공한다. 이때, 상기 애노드 전극은 본 발명의 방법에 따른 애노드 전극용 촉매층이 도포되어 형성된 것이고, 상기 캐소드 전극은 본 발명의 방법에 따른 캐소드 전극용 촉매층이 도포되어 형성된 것일 수 있다. The present invention also provides an electrolyte membrane comprising: an electrolyte membrane; An anode electrode including a catalyst layer for an anode electrode formed between the electrolyte membrane; There is provided a membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a cathode electrode including a catalyst layer for a cathode electrode. In this case, the anode electrode may be formed by applying a catalyst layer for an anode according to the method of the present invention, and the cathode may be formed by applying a catalyst layer for a cathode according to the method of the present invention.

나아가 본 발명은 상기 본 발명의 방법에 따른 막전극복합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.Further, the present invention provides a fuel cell including the membrane electrode assembly according to the method of the present invention.

본 발명은 마이크로 그래파이트(MG)를 이용한 연료전지용 촉매 및 막전극복합체(MEA)의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 마이크로 그래파이트를 이용한 연료전지용 촉매 및 막전극복합체는 우수한 전기 전도성, 열적 안정성 및 내구성을 가지므로 종래 연료전지에 비해 더 우수한 연료전지로 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a catalyst for a fuel cell and a method for producing a membrane electrode assembly (MEA) using the micrographite (MG), and the catalyst and the membrane electrode assembly for a fuel cell using the micrographite according to the present invention have excellent electrical conductivity, Durability and thus can be usefully used as a fuel cell superior to the conventional fuel cell.

도 1은 마이크로 그래파이트와 카본 블랙의 한 종류인 vulcan과 Pt/C 촉매의 X선 회절분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 Raman 분석을 통한 카본의 결정성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 전기전도도 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 고분자 전해질 연료전지 성능 평가를 나타낸 그래프이다.
도 5는 연료 부족(Fuel starvation)을 이용한 촉매 열화를 위한 가속화 내구성 실험(Accelation Durability Test : ADT) 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis of vulcan and Pt / C catalyst, which are one kind of micrographite and carbon black.
2 is a graph showing a result of measuring the crystallinity of carbon through Raman analysis.
3 is a graph showing the results of electrical conductivity.
4 is a graph showing the performance evaluation of a polymer electrolyte fuel cell.
5 is a graph showing Acceleration Durability Test (ADT) results for catalyst deterioration using fuel starvation.

본 발명은 마이크로 그래파이트를 이용한 연료전지용 전극 촉매와 막전극복합체에 관한 것이다. 연료전지용 전극 촉매 제조시 마이크로 그래파이트를 활용한 결과, 성능 및 내구성이 향상된 결과를 보인다는 발견에 근거한 것이다. The present invention relates to an electrode catalyst for a fuel cell and a membrane electrode assembly using micrographite. It is based on the finding that utilizing micrographite in the production of electrode catalysts for fuel cells results in improved performance and durability.

용어 “그래파이트(graphite)”란 기계적 가공이 쉽고, 열전도율이 높으며 마찰성과 윤활성 및 높은 열적, 화학적 저항과 온도 상승에 따른 강도 증가의 특성을 지니는 물질로서, 온도나 습도의 변화에도 거의 영향을 받지 않는 장점이 있다. 카본 그래파이트라고 부르기도 한다.The term " graphite " refers to a material which is easy to mechanically process, has a high thermal conductivity, has characteristics of friction, lubrication, high thermal and chemical resistance, and strength increase due to temperature rise and is hardly affected by changes in temperature or humidity There are advantages. It is also called carbon graphite.

용어 “막전극복합체 (membrane electrode assembly : MEA)”란 애노드와 캐소드의 두 전극을 고분자전해질 막에 hot-pressing 방법으로 부착시킨 것을 뜻한다. The term " membrane electrode assembly " (MEA) refers to a hot-pressing method in which two electrodes, an anode and a cathode, are attached to a polymer electrolyte membrane.

한편, 본 발명은 앞서 기술한 바와 같이, 촉매 제조 시 마이크로 그래파이트를 사용함으로써 열적안정성, 전기전도성 및 내구성이 향상된 연료전지를 제조할 수 있음을 규명하였다는 점에 특징이 있다.As described above, the present invention is characterized in that a fuel cell having improved thermal stability, electrical conductivity and durability can be manufactured by using micrographite in the production of a catalyst.

본 발명에서 제공하는 연료전지용 막전극복합체의 제조방법은, 탄소 지지체에 금속 촉매가 담지된 촉매를 제조하는 단계; 상기 촉매를 포함하는 애노드의 촉매 슬러리를 전해질막의 한쪽 면에 분사하여 애노드 전극용 촉매층을 형성하는 단계; 탄소 지지체에 금속 촉매가 담지된 촉매에 마이크로 그래파이트(MG)를 첨가한 캐소드 촉매 슬러리를 상기 전해질막의 다른쪽 면에 분사하여 캐소드 전극용 촉매층을 형성하는 단계; 및 상기 촉매층은 열압착기를 이용하여 열압착하는 단계를 포함할 수 있다. The method for producing a membrane electrode assembly for a fuel cell according to the present invention comprises the steps of: preparing a catalyst carrying a metal catalyst on a carbon support; Forming a catalyst layer for an anode electrode by spraying a catalyst slurry of the anode including the catalyst on one surface of the electrolyte membrane; Forming a catalyst layer for a cathode electrode by spraying a cathode catalyst slurry obtained by adding micrographite (MG) to a catalyst having a metal catalyst supported on a carbon support, on the other surface of the electrolyte membrane; And the step of thermocompression bonding the catalyst layer using a thermocompressor.

또한, 본 발명에 따른 상기 마이크로 그래파이트를 이용한 연료전지용 전극 촉매는 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 적합한 금속촉매를 사용하고, 촉매의 유효 표면적을 크게 늘리기 위하여 2~5nm 크기의 금속 입자를 카본 블랙(carbon black)류의 카본 담지체와 같은 미세한 탄소 입자 표면에 입힌 형태로 제조할 수 있다. In addition, the electrode catalyst for fuel cells using the micrographite according to the present invention uses a metal catalyst suitable for oxidation of hydrogen and reduction reaction of oxygen, and in order to increase the effective surface area of the catalyst significantly, (carbon black) on the surface of fine carbon particles such as carbon black.

본 발명에서 사용할 수 있는 상기 상기 탄소 지지체는, 카본블랙(Carbon Black), 그래파이트 카본(Graphite carbon), 카본 나노 튜브(Carbon nanotube), 아세틸렌블랙(Acetylene Black), 케첸블랙(Ketjen Black) 및 카본 파이버(Carbon Fiber)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 사용할 수 있으며, 이에 제한되지는 않는다.The carbon support which can be used in the present invention is at least one selected from the group consisting of carbon black, graphite carbon, carbon nanotube, acetylene black, Ketjen black, (Carbon Fiber), but not limited thereto.

또한, 본 발명에서 사용할 수 있는 상기 금속 촉매는, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-팔라듐, 백금-루테늄 합금, 백금-코발트 합금, 백금-니켈 합금, 백금-이리듐 합금 및 백금-오스뮴 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 백금을 사용할 수 있다. The metal catalyst that can be used in the present invention may be one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-palladium, platinum-ruthenium alloys, platinum-cobalt alloys, platinum-nickel alloys, platinum-iridium alloys and platinum- May be used, and platinum may be preferably used.

또한, 상기 캐소드 촉매 슬러리는 탄소 지지체에 금속 촉매가 담지된 촉매 대 마이크로 그래파이트(MG)를 3:1~6:1의 중량비로 포함하는 것이 바람직한데, 본 발명의 일실시예에 따르면, 금속 촉매로 백금을 사용한 경우, Pt/C와 MG의 총 중량의 합이 5mg일 경우, Pt/C 대 MG를 4.25mg 대 0.75mg으로 혼합하여 사용할 경우 가장 성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다.In addition, the cathode catalyst slurry preferably contains a catalyst supported on a carbon support and a micrographite (MG) in a weight ratio of 3: 1 to 6: 1. According to one embodiment of the present invention, , It was confirmed that when Pt / C and MG were combined at a total weight of 5 mg, Pt / C vs. MG was used at a ratio of 4.25 mg to 0.75 mg.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 애노드 전극용 촉매층 형성에 사용되는 금속으로 백금을 사용할 경우, 백금의 로딩(loading)량은 0.4㎎/㎠의 양으로 로딩하였고, 캐소드 전극용 촉매층 형성에 사용되는 백금의 로딩(loading)량은 0.34㎎/㎠의 양으로 로딩하였다.According to an embodiment of the present invention, when platinum is used as the metal for forming the anode catalyst layer, the amount of loading of platinum is loaded in an amount of 0.4 mg / cm 2, Was loaded in an amount of 0.34 mg / cm < 2 >.

이외에도 연료전지용 막전극복합체의 제조과정에서 상기 열압착된 막전극복합체의 양측에 가스확산층을 접합시키는 단계를 더 수행할 수 있다. In addition, a step of bonding the gas diffusion layer to both sides of the thermally compressed membrane electrode assembly in the process of manufacturing the membrane electrode assembly for a fuel cell may be further performed.

상기 열압착은 120~140℃의 온도에서 4~6MPa의 압력으로 130~160초 동안 수행하는 것이 바람직하다.The thermocompression bonding is preferably performed at a temperature of 120 to 140 ° C. and a pressure of 4 to 6 MPa for 130 to 160 seconds.

나아가 본 발명은 전해질막; 상기 전해질막을 사이에 두고 형성되는 애노드 전극용 촉매층을 포함하는 애노드 전극; 캐소드 전극용 촉매층을 포함하는 캐소드 전극을 포함하는 연료전지용 막전극복합체 및 상기 막전극복합체를 포함하는 연료전지를 제공할 수 있다.
Further, the present invention provides an electrolyte membrane comprising: an electrolyte membrane; An anode electrode including a catalyst layer for an anode electrode formed between the electrolyte membrane; A membrane electrode assembly for a fuel cell including a cathode electrode including a catalyst layer for a cathode electrode, and a fuel cell including the membrane electrode assembly.

이상, 본 발명에 따른 마이크로 그래파이트를 이용한 연료전지용 촉매 및 이를 활용한 막전극복합체는 기존 연료전지의 막전극복합체를 대체하여 새로운 연료전지로서 유용하게 사용될 수 있다.
As described above, the catalyst for fuel cells using the micrographite according to the present invention and the membrane electrode assembly utilizing the same can be used as a new fuel cell in place of the membrane electrode assembly of existing fuel cells.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, the following Examples are only the preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited by the following Examples.

<< 실시예Example 1>  1>

마이크로 그래파이트를 이용한 전극 제조Electrode fabrication using micrographite

애노드의 촉매 슬러리는 상용촉매(Johnson Matthey Inc.)를 사용하였고, 상기 애노드의 촉매 슬러리는 스프레이건을 사용하여 전해질막(NRE-212, Dupont Co.)의 한쪽 면에 뿌렸다. 애노드의 백금 담지량은 0.4mg/cm2을 기준으로 하였고, 캐소드의 촉매 슬러리는 마이크로 그래파이트(MG)(HP9, JEIO Co.)를 다양한 함량으로 준비하였다(하기 표 1 참조). 상기 촉매 슬러리는 이소프로필알콜 500mg과 MG(HP9, JEIO CO.)와 5wt% 나피온용액 1.4mg을 사용하였다. 제조된 촉매 슬러리는 초음파 처리(ultrasonication)로 혼합한 후, 전해질막의 캐소드(0.4mg/cm2)에 애노드에 뿌린 양과 동일한 양을 뿌렸다. 각 막전극복합체(MEA)에 사용된 촉매와 마이크로 그래파이트(MG)의 함량은 표 1에 요약하였다. 막전극복합체의 전극 사이즈는 5cm2이고, 폴리아미드이미드(polyamideimide, PAI)필름 사이에 막전극복합체(MEA)를 놓고 열압착기를 사용하여 130℃, 5 MPa 그리고 150초의 조건으로 열압착하였다. 그 후에 MEA의 양쪽 극에 가스 확산층(GDL)을 붙이고 단위전지에 체결하여 전극을 제조하였다.The catalyst slurry of the anode was a commercial catalyst (Johnson Matthey Inc.), and the catalyst slurry of the anode was sprayed on one side of the electrolyte membrane (NRE-212, Dupont Co.) using a spray gun. The supported amount of platinum on the anode was 0.4 mg / cm 2 , and the catalyst slurry of the cathode was prepared with various contents of micrographite (MG9, HP9, JEIO Co.) (see Table 1 below). As the catalyst slurry, 500 mg of isopropyl alcohol, MG (HP9, JEIO CO.) And 1.4 mg of 5 wt% Nafion solution were used. The prepared catalyst slurry was mixed by ultrasonication and then sprayed to the cathode (0.4 mg / cm 2 ) of the electrolyte membrane in an amount equal to that sprinkled on the anode. The contents of the catalyst and micrographite (MG) used in each membrane electrode assembly (MEA) are summarized in Table 1. The membrane electrode assembly had an electrode size of 5 cm 2 , and a membrane electrode assembly (MEA) was placed between the polyamideimide (PAI) films and thermocompression was performed using a thermocompressor at 130 ° C., 5 MPa, and 150 seconds. Thereafter, a gas diffusion layer (GDL) was attached to both electrodes of the MEA, and they were tightened with a unit cell to produce an electrode.

막전극복합체 전극의 촉매 성분Catalyst Component of Membrane Electrode Composite Electrode AnodeAnode Pt loading
(mg cm-2)
Pt loading
(mg cm -2 )
CathodeCathode Pt loading
(mg cm-2)
Pt loading
(mg cm -2 )
Weight (mg)Weight (mg)
Pt/CPt / C MGMG Pt/CPt / C 0.40.4 Pt/CPt / C 0.400.40 5.005.00 -- Pt/C-MG5Pt / C-MG5 0.380.38 4.754.75 0.250.25 Pt/C-MG15Pt / C-MG15 0.340.34 4.254.25 0.750.75 Pt/C-MG30Pt / C-MG30 0.280.28 3.503.50 1.501.50 Pt/C-MG60Pt / C-MG60 0.240.24 2.002.00 3.003.00

<< 실시예Example 2>  2>

Pt/C촉매와 마이크로그래파이트(MG)의 특성 분석 Characterization of Pt / C catalyst and micrographite (MG)

본 발명자들은 상기 실시예 1에서 전극제조에 사용된 마이크로 그래파이트(MG)와 Pt/C의 특성을 분석하였는데, 먼저 마이크로 그래파이트(MG)와 Pt/C의 양을 측정하기 위하여 열중량분석기((Thermogravimetric analyzer : TGA), Q50, TA Instruments)를 사용하였고, 비표면적 측정을 위해 Brunauer-Emmett-Teller 분석기를 사용하였다. Pt의 결정구조와 입자크기는 20 min-1의 속도 (Cu-Kα(λ=1.541Å))로 X-ray 회절분석기(XRD, RAD-3C, Rigaku Corporation)를 사용하여 확인하였다. Raman(Thermo Fisher DXR Raman Microscope)은 MG와 Pt/C의 탄소 결정성 및 표면의 결함을 비교하기 위해 사용하였다. 탄소와 Pt의 촉매 표면층은 SupraTM 35 scanning electron microscopy(SEM, ZEISS Co.)와 energy dispersive X-ray spectroscopy(EDX)에 의해 특성 분석하였다.
The present inventors analyzed the characteristics of the micrographite (MG) and Pt / C used in the electrode preparation in Example 1. The micrographite (MG) and the amount of Pt / C were measured by using a thermogravimetric analyzer analyzer (TGA), Q50, TA Instruments) were used. The Brunauer-Emmett-Teller analyzer was used for the specific surface area measurement. The crystal structure and particle size of Pt were confirmed using an X-ray diffractometer (XRD, RAD-3C, Rigaku Corporation) at a rate of 20 min -1 (Cu-Kα (λ = 1.541 Å)). Raman (Thermo Fisher DXR Raman Microscope) was used to compare carbon crystallinity and surface defects of MG and Pt / C. The catalytic surface layer of carbon and Pt was characterized by SupraTM 35 scanning electron microscopy (SEM, ZEISS Co.) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX).

분석 결과에 대해, 마이크로 그래파이트(MG)와 카본 블랙(carbon black)의 한 종류인 vulcan과 Pt/C 촉매의 XRD 분석 결과는 도 1에 나타내었으며, 20~30도 사이에 탄소체의 결정성을 나타내는 피크가 측정되며, 마이크로 그래파이트(MG)의 카본 결정성이 vulcan 및 Pt/C 보다 높은 것을 확인할 수 있었다. The results of the XRD analysis of vulcan and Pt / C catalysts, which are one kind of micrographite (MG) and carbon black, are shown in FIG. 1, and the crystallinity of the carbon body between 20 and 30 degrees And the carbon crystallinity of micrographite (MG) was higher than that of vulcan and Pt / C.

또한, 도 2는 Ramam분석을 통한 카본의 결정성을 확인한 결과로서, 2D 피크가 카본의 결정성을 나타내는 것이며, G-band 와 D-band의 비율(ID/IC)이 작을수록 표면의 결정성이 높다. 따라서 Ramam 분석결과에 의해 마이크로 그래파이트는 2D 피크가 존재하므로 카본 결정성을 갖는다는 것을 확인할 수 있었고, MG의 ID/IC의 값도 Pt/C보다 작게 측정되었다. 따라서 상기 XRD 분석 결과와 본 발명에서 사용한 마이크로 그래파이트는 카본 결정성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
FIG. 2 shows the crystallinity of carbon through the Ramam analysis. The 2D peak shows the crystallinity of carbon. The smaller the ratio (I D / I C ) between the G-band and the D-band, High crystallinity. Therefore, Ramam analysis showed that the micrographite had carbon crystallinity due to the presence of the 2D peak, and the I D / I C value of MG was also measured to be smaller than Pt / C. Therefore, it was found that the XRD analysis results and the micrographite used in the present invention have excellent carbon crystallinity.

<실시예 3>&Lt; Example 3 >

전기 전도도 측정Electrical conductivity measurement

상기 실시예 1에서 제조한 막전극복합체들을 대상으로 전기 전도도 정도를 측정하였다. 촉매 샘플은 통상적으로 Pt/C를 사용하였고, 다른 성분의 전기전도성은 4 point probe방법에 의해 측정하였고, 표준절차에 따라 전기 전도도를 실온에서 측정하였다. 시트저항은 각 샘플에서 측정하였고, 보정요소(C.F : correction factors)를 적용하였다. MEA의 동일한 조건에서의 샘플 측정을 하였고, 전기 전도도는 다음의 식으로 계산하였다.The electric conductivity of the membrane electrode assemblies prepared in Example 1 was measured. The catalyst samples were typically Pt / C and the electrical conductivity of the other components was measured by the 4 point probe method and the electrical conductivity was measured at room temperature according to standard procedures. The sheet resistance was measured in each sample and correction factors (C.F) were applied. The sample was measured under the same conditions of the MEA, and the electric conductivity was calculated by the following equation.

V/I = ohmV / I = ohm

ohm x C.F = ohm /sq
ohm x CF = ohm / sq

상기 식에서 얻은 결과로 비저항을 계산 할 수 있다.As a result of the above equation, the resistivity can be calculated.

(ohm /sq) x Thickness(cm) = ohm.cm(ohm / sq) x Thickness (cm) = ohm.cm

위의 결과를 토대로 막전극복합체(MEA)의 비저항은 전기 전도도로 계산할 수 있다.
Based on the above results, the resistivity of the membrane electrode assembly (MEA) can be calculated by the electrical conductivity.

전기 전도도 분석 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, Pt/C에 마이크로 그래파이트(MG)가 첨가되는 양이 많을수록 전기전도도가 높아지는 것으로 나타났다. 따라서 마이크로 그래파이트(MG)를 연료전지 촉매에 적용 시 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.
As a result of the electrical conductivity analysis, as shown in FIG. 3, it was found that the higher the amount of micrographite (MG) added to Pt / C, the higher the electric conductivity. Therefore, it was found that the performance can be improved when the micrographite (MG) is applied to the fuel cell catalyst.

<< 실시예Example 4> 4>

고분자 전해질의 연료전지 성능평가Performance Evaluation of Polymer Electrolyte for Fuel Cell

또한, 본 발명자들은 상기 실시예 1에서 제조한 막전극복합체들을 대상으로 연료전지 성능평가를 수행하였는데, 즉, 다양한 MEA의 성능을 평가하기 위해 애노드, 캐소드 와 단위전지의 온도는 70 °C 로 구성하였고, 상대습도 100%의 수소와 공기의 양론비를 1.5와 2.0으로 적용하여 가스를 단위전지에 주입하였고, 단위전지의 성능을 비교하기 위해 각 MEA의 분극곡선을 측정하였다.
In addition, the present inventors performed fuel cell performance evaluation on the membrane electrode composites prepared in Example 1, that is, in order to evaluate the performance of various MEAs, the temperatures of the anode, the cathode and the unit cell were set to 70 ° C The gas was injected into the unit cell at a ratio of 1.5 and 2.0, respectively, and the polarization curves of each MEA were measured to compare the performance of the unit cell.

분설 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이, Pt/C-MG60을 제외한 다른 MEA들은 0.6V에서 Pt/C 보다 높은 성능을 나타내었으며, 그 중 Pt/C-MG15가 가장 높은 성능을 나타내었다. 따라서 이러한 결과를 통해 MG가 첨가될수록 전기전도도가 높아져 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있었고, 특히 4.25mg의 Pt/C 및 0.75mg의 MG를 이용하여 제조된 막전극복합체가 가장 우수한 성능을 갖는다는 것을 알 수 있었다.
As shown in FIG. 4, the MEAs other than Pt / C-MG60 showed higher performance than Pt / C at 0.6 V, and Pt / C-MG15 showed the highest performance. As a result, it was found that the performance was improved by increasing the electrical conductivity as MG was added. In particular, the membrane electrode composite prepared using 4.25 mg of Pt / C and 0.75 mg of MG had the best performance .

<< 실시예Example 5> 5>

내구성 분석 측정Durability analysis measurement

본 발명의 방법으로 제조된 막전극복합체의 내구성 분석을 분석하기 위해 연료 부족(Fuel starvation)을 이용하여 촉매의 열화를 가속화하여 성능의 변화를 살펴보았다.In order to analyze the durability analysis of the membrane electrode assembly manufactured by the method of the present invention, the degradation of the catalyst was accelerated by the use of fuel starvation, and the change of the performance was examined.

그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, Pt/C는 0.6V를 기준으로 초기 성능 대비 60% 감소하였고, Pt/C-MG15는 25% 감소한 것으로 나타났다. 따라서 MG의 첨가만으로 연료전지의 내구성이 증가되는 것을 알 수 있었고, 특히 Pt/C-MG15의 내구성이 가장 높게 증가된다는 것을 알 수 있었다.
As a result, as shown in FIG. 5, Pt / C decreased by 60% from the initial performance based on 0.6 V, and Pt / C-MG15 decreased by 25%. Therefore, it was found that the durability of the fuel cell was increased only by the addition of the MG, and the durability of the Pt / C-MG15 was particularly increased.

<< 실시예Example 6> 6>

MassMass activityactivity 비교 compare

본 발명에서 사용된 전극의 Pt 함량에 따른 mass activity를 분석하였다. 그 결과 하기 표 2에 나타낸 바와 같이, MG가 첨가된 모든 전극에서 Mass activity가 Pt/C 보다 높은 결과를 나타내는 것으로 나타났고, 특히 MG가 15%로 첨가된 Pt/C-MG15에서 가장 높은 Mass activity를 보였다.The mass activity according to the Pt content of the electrode used in the present invention was analyzed. As a result, as shown in Table 2, the mass activity was higher than Pt / C in all the electrodes to which MG was added, and the highest mass activity was observed in Pt / C-MG15 added with 15% Respectively.

ElectrodeElectrode TGA (Wt. %)TGA (Wt.%) Mass activity at 0.6 V (A mg-1 Pt)Mass activity at 0.6 V (A mg -1 Pt ) Pt/CPt / C 40.740.7 1.751.75 Pt/C-MG5Pt / C-MG5 38.238.2 1.841.84 Pt/C-MG15Pt / C-MG15 35.635.6 2.352.35 Pt/C-MG30Pt / C-MG30 30.930.9 2.322.32 Pt/C-MG60Pt / C-MG60 24.724.7 2.082.08

따라서, 본 발명에 따른 Pt/C 촉매에 마이크로 그래파이트(MG)를 첨가한 연료전지용 전극 촉매 및 이를 활용한 막전극복합체(MEA)는 전기 전도성, 열적 안정성 및 내구성 향상을 보여주므로 고분자전해질 연료전지의 촉매 및 막전극복합체로서 유용하게 사용될 수 있다는 것을 알 수 있었고, 특히 마이크로 그래파이트(MG) 15%의 양으로 첨가할 경우 그 효능이 가장 우수하다는 것을 알 수 있었다.
Therefore, the electrocatalyst for a fuel cell and the membrane electrode assembly (MEA) using the same, in which micro graphite (MG) is added to the Pt / C catalyst according to the present invention show improved electrical conductivity, thermal stability and durability, Catalyst and membrane electrode assembly. Especially, when the amount of micrographite (MG) is 15%, the effect is most excellent.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 잇는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. It is intended that the present invention covers the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents.

Claims (11)

탄소 지지체에 금속 촉매가 담지된 촉매를 제조하는 단계;
상기 촉매를 포함하는 애노드의 촉매 슬러리를 전해질막의 한쪽 면에 분사하여 애노드 전극용 촉매층을 형성하는 단계;
탄소 지지체에 금속 촉매가 담지된 촉매에 마이크로 그래파이트(MG)를 첨가한 캐소드 촉매 슬러리를 상기 전해질막의 다른쪽 면에 분사하여 캐소드 전극용 촉매층을 형성하는 단계;
상기 촉매층은 열압착기를 이용하여 열압착하는 단계를 포함하는, 연료전지용 막전극복합체의 제조방법.
Preparing a catalyst having a metal catalyst supported on a carbon support;
Forming a catalyst layer for an anode electrode by spraying a catalyst slurry of the anode including the catalyst on one surface of the electrolyte membrane;
Forming a catalyst layer for a cathode electrode by spraying a cathode catalyst slurry obtained by adding micrographite (MG) to a catalyst having a metal catalyst supported on a carbon support, on the other surface of the electrolyte membrane;
Wherein the catalyst layer comprises thermocompression-bonding the catalyst layer using a thermocompressor.
제 1항에 있어서,
상기 탄소 지지체는, 카본블랙(Carbon Black), 그래파이트 카본(Graphite carbon), 카본 나노 튜브(Carbon nanotube), 아세틸렌블랙(Acetylene Black), 케첸블랙(Ketjen Black) 및 카본 파이버(Carbon Fiber)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
The carbon support may be one selected from the group consisting of carbon black, graphite carbon, carbon nanotube, acetylene black, Ketjen black and carbon fiber. Wherein the membrane electrode assembly is at least one selected from the group consisting of a membrane electrode assembly and a membrane electrode assembly.
제 1항에 있어서,
상기 금속 촉매는, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-팔라듐, 백금-루테늄 합금, 백금-코발트 합금, 백금-니켈 합금, 백금-이리듐 합금 및 백금-오스뮴 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal catalyst is at least one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-palladium, platinum-ruthenium alloy, platinum-cobalt alloy, platinum-nickel alloy, platinum-iridium alloy and platinum- Wherein the membrane electrode assembly is formed of a membrane electrode assembly.
제1항에 있어서,
상기 캐소드 촉매 슬러리는 탄소 지지체에 금속 촉매가 담지된 촉매 대 마이크로 그래파이트(MG)를 3:1~6:1의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the cathode catalyst slurry comprises a catalyst supported on a carbon support and a micrographite (MG) in a weight ratio of 3: 1 to 6: 1.
제1항에 있어서,
상기 슬러리는 이소프로필알콜 및 나피온 용액을 사용한 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the slurry is prepared by using isopropyl alcohol and a Nafion solution.
제1항에 있어서,
상기 애노드 전극용 촉매층 형성에 사용되는 금속 로딩(loading)량은 0.4㎎/㎠인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein a metal loading amount used to form the catalyst layer for an anode is 0.4 mg / cm 2.
제1항에 있어서,
상기 캐소드 전극용 촉매층 형성에 사용되는 금속 로딩(loading)량은 0.34㎎/㎠인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein a loading amount of metal used for forming the cathode catalyst layer is 0.34 mg / cm &lt; 2 &gt;.
제1항에 있어서,
열압착된 막전극복합체의 양측에 가스확산층을 접합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
And bonding the gas diffusion layers to both sides of the thermocompression-bonded membrane electrode assembly.
제1항에 있어서,
상기 열압착은 120~140℃의 온도에서 4~6MPa의 압력으로 130~160초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극복합체의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thermocompression bonding is performed at a temperature of 120 to 140 DEG C and a pressure of 4 to 6 MPa for 130 to 160 seconds.
전해질막; 상기 전해질막을 사이에 두고 형성되는 애노드 전극용 촉매층을 포함하는 애노드 전극; 캐소드 전극용 촉매층을 포함하는 캐소드 전극을 포함하는 연료전지용 막전극복합체에 있어서,
상기 애노드 전극은 제1항의 방법에 따른 애노드 전극용 촉매층이 도포되어 형성된 것이고, 상기 캐소드 전극은 제1항의 방법에 따른 캐소드 전극용 촉매층이 도포되어 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지용 막전극복합체.
An electrolyte membrane; An anode electrode including a catalyst layer for an anode electrode formed between the electrolyte membrane; 1. A membrane electrode assembly for a fuel cell comprising a cathode electrode including a catalyst layer for a cathode electrode,
Wherein the anode electrode is formed by applying a catalyst layer for an anode according to the method of claim 1, and the cathode electrode is formed by applying a catalyst layer for a cathode according to the method of claim 1.
제10항의 막전극복합체를 포함하는 연료전지.11. A fuel cell comprising the membrane electrode assembly of claim 10.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2019017538A1 (en) * 2017-07-19 2019-01-24 한국에너지기술연구원 Method for manufacturing electrode capable of suppressing ionomer creep occurring during dissolution of platinum for polymer fuel cell

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