KR20160091512A - 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법, 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극 및 이 시트를 이용한 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체 - Google Patents

전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법, 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극 및 이 시트를 이용한 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체 Download PDF

Info

Publication number
KR20160091512A
KR20160091512A KR1020150011509A KR20150011509A KR20160091512A KR 20160091512 A KR20160091512 A KR 20160091512A KR 1020150011509 A KR1020150011509 A KR 1020150011509A KR 20150011509 A KR20150011509 A KR 20150011509A KR 20160091512 A KR20160091512 A KR 20160091512A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon black
layer
carbon
sheet
platinum
Prior art date
Application number
KR1020150011509A
Other languages
English (en)
Inventor
유연태
이홍기
Original Assignee
전북대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 전북대학교산학협력단 filed Critical 전북대학교산학협력단
Priority to KR1020150011509A priority Critical patent/KR20160091512A/ko
Publication of KR20160091512A publication Critical patent/KR20160091512A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9075—Catalytic material supported on carriers, e.g. powder carriers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8853—Electrodeposition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 촉매적 활성을 극대화할 수 있는 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법에 관한 것으로서, 카본페이퍼상에 카본블랙층을 형성하고, 콜로이드 상태의 금속나노입자 현탁전해액을 펄스도금법으로 상기 카본블랙층 상에 전기영동현상을 이용하여 석출시켜 금속나노입자 박막층을 형성시켜 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트를 제조하고, 상기 카본블랙층의 카본블랙 중량이 3~5 mg/cm2가 되도록 상기 카본페이퍼 상에 카본블랙슬러리를 도포하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법, 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극 및 이 시트를 이용한 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체{Manufacturing method of carbon black sheet for PEMFC using electrophoretical deposition, carbon black sheet and MEA for fuel cell prepared by using this sheet}
본 발명은 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 촉매적 활성을 극대화할 수 있는 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법에 관한 것이다.
고분자전해질 연료전지는 크게 end plate, 전기집전판, bi-polar plate, 가스확산층, 금속나노입자 촉매층 및 고분자전해질 막으로 구성되어 있으며, 이중에 양/음극의 가스확산층, 양/음극의 백금 담지 카본블랙 촉매층 및 고분자전해질 막을 하나로 묶어 고분자전해질막/전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)라고 한다.
이 MEA는 고분자전해질 연료전지 스택의 재료비 중 약 70% 이상의 가격을 차지하고 있으며 고분자전해질 연료전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다. 또한 MEA를 구성하는 요소 중 백금 촉매가 차지하는 가격 비중이 가장 높다. 따라서 미국 에너지성(DOE)에서는 현재 약 0.3mg/cm2 인 Pt의 사용량을 0.05mg/cm2 이하로 감량할 목표를 제시하고 있다.
고분자전해질 연료전지에 있어서 백금의 감량화 방법은 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있다. 첫째는 백금 촉매의 나노화로, 촉매의 크기를 균일하게 미분화시켜 반응에 기여하는 표면적을 올리는 것이다. 두 번째는 촉매층을 박막화하는 방법이다. 저온형 고분자전해질 연료전지의 백금 촉매 담지 카본블랙시트 전극은 일반적으로 백금 화합물과 카본블랙 분말의 수용액을 혼합하여 백금을 환원시키면 카본블랙 입자 위에 백금이 석출 담지되고, 이것을 고분자전해질 용액 중에 분산시켜 카본페이퍼(가스확산층) 위에 도포하여 제작되었다. 일반적으로 연료전지의 전자생성 반응은 촉매층의 표면에서 주로 발생하게 되고 내부에 존재하는 촉매는 이 반응에 참여율이 낮기 때문에, 백금 나노입자 촉매층을 박막화하여 백금 촉매의 효율성은 향상시키고 사용량은 줄이려는 시도가 계속되고 있다.
지금까지의 백금의 감량화를 위한 기술개발 동향은 백금 입자의 미세화 및 고분산에 역점을 두고 진행되어 왔으나, 백금 입자의 크기는 2 nm 수준까지 소형화되어 거의 한계치에 도달되어 있다. 따라서 백금의 활성 및 수명을 높이기 위해서는 이종금속의 복합화가 한 가지 방법으로 제시되고 있다. 한편, MEA 중 백금 촉매층의 구조를 최적화하여 백금 감량 및 고효율화를 달성하고자 하는 노력도 상대적으로 적었다. 백금의 감량화를 위해서는 백금 촉매층에서의 반응 메카니즘을 정확히 파악하고 MEA 중의 백금 촉매층의 구조를 최적화할 필요가 있다.
한편, 백금의 사용량을 줄이기 위해서는 백금 촉매층의 두께를 얇게 하고 수소를 이온화하는 촉매반응이 촉매층과 멤브레인층 사이에서 주로 발생하도록 백금촉매를 멤브레인층 가까이에 집중시킬 필요가 있으나, 종래의 백금 나노입자 촉매층을 형성시키는 방법인 스프레이법 또는 데칼법으로는 촉매층 내부의 특정한 부위에 선택적으로 백금층을 형성시킬 수 없다.
구체적으로 종래 고분자전해질 연료전지의 백금 나노입자 촉매층은 도 1과 같이 백금 화합물 수용액 중에 카본블랙 분말을 분산하고 환원제를 가하여 백금 나노입자를 카본블랙 위에 환원 석출(110)시키고, 이 백금 담지 카본블랙을 용액으로부터 분리하여 세정 후, 고분자전해질 용액과 용매의 혼합용액에 혼합하여 백금 담지 카본블랙슬러리(130)를 제조하고, 이것을 스프레이(spray) 법 또는 데칼(decal) 법 등을 이용하여 가스확산층인 카본페이퍼(150) 위에 도포하여 백금 나노입자 담지 카본블랙시트 전극(140)(150)을 제조하고, 고분자전해질막/전극 접합체(MEA)는 고분자전해질 막(M)을 사이에 두고 위에서 제조한 백금 담지 카본블랙시트를 위/아래에 설치하고 고온 프레스를 이용하여 열간(100℃) 압착하여 제조하였다.
백금 촉매층의 제조과정에서 백금 담지 카본블랙 분체는 가스확산층인 카본페이퍼 위에 고착시키기 위하여 고분자전해질인 나피온 혼합 용액(Nafion solution)에 현탁되어 스프레이법 또는 데칼법에 의하여 카본페이퍼 위에 도포되는데, 이때 백금 금속 촉매가 도 2와 같이 고분자전해질 속에 매몰되어 촉매의 성능을 충분히 발휘할 수 없게 된다. 이러한 문제점 때문에 필요이상으로 백금 촉매층을 두껍게 도포해야 했고, 결과적으로 이것이 백금 촉매의 사용량을 줄일 수 없는 원인이 되어 왔다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자는 특허문헌 1의 펄스도금법을 이용한 금속나노입자 박막층을 갖는 가본블랙시트의 제조방법을 제안한 바 있다.
특허문헌 1은 카본페이퍼 상에 카본블랙층을 형성하고, 금속나노입자 현탁전해액을 전해액으로 하여 상기 카본블랙층 상에 금속나노입자를 전기영동 현상에 의해 석출시켜 금속나노입자 박막층을 형성시키는 것을 특징으로 한다. 귀금속 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법은, 도 3과 같이 금속나노입자 촉매가 담지되어 있지 않은 카본블랙 분말만을 Nafion solution 등의 고분자전해질용액에 현탁하여 카본블랙슬러리(300)을 제조한 후 카본블랙 슬러리를 스프레이법 또는 데칼법 등의 방법으로 카본페이퍼(310) 상에 카본블랙층(330)을 도포하여 카본블랙시트(310)(330)를 제조하고, 금속나노입자 현탁전해액을 전해액으로 하여 상기 카본블랙시트 상에 금속나노입자를 전기영동현상에 의해 석출시켜 금속나노입자 촉매층(Pt)을 형성한다.
그러나 특허문헌 1에서는 카본블랙시트(310)(330) 제조에 있어서, 카본페이퍼(310) 상에 도포되는 카본블랙슬러리(300) 중 고분자전해질의 첨가량 및 카본블랙슬러리(300)의 도포량에 대해서는 최적화하고 있지 않고, 이 때문에 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 촉매적 활성을 극대화시키지 못하였다.
등록특허 제1134814호
이와 같은 특허문헌 1의 문제점을 해결하기 위하여 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 촉매적 활성을 극대화할 수 있는 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
카본페이퍼상에 카본블랙층을 형성하고, 콜로이드 상태의 금속나노입자 현탁전해액으로 하여 펄스도금법으로 상기 카본블랙층 상에 전기영동현상을 이용하여 석출시켜 금속나노입자 박막층을 형성시켜 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트를 제조하고,
상기 카본블랙층의 카본블랙 중량이 3~5 mg/cm2가 되도록 상기 카본페이퍼 상에 카본블랙슬러리를 도포하는 것을 특징으로 하는 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법을 제공한다.
특히, 상기 카본블랙 슬러리는 카본블랙에 나피온용액 10~15 wt.%를 혼합하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법은, 카본페이퍼상에 카본블랙층을 형성하는 단계와, 콜로이드 상태의 금속나노입자 현탁전해액을 펄스도금법으로 상기 카본블랙층 상에 전기영동현상을 이용하여 석출시켜 금속나노입자 박막층을 형성시키는 단계를 포함한다.
먼저, 카본블랙을 나피온 용액에 현탁하여 카본블랙 슬러리를 제조한 후 카본블랙 슬러리를 스프레이법, 데칼법 등의 방법으로 가스확산층인 카본페이퍼 상에 도포하여, 카본페이퍼 상에 카본블랙층을 형성된 카본블랙시트를 얻는다.
상기 카본블랙 슬러리는 카본블랙에 나피온용액 10~15 wt.%를 혼합하여 이루어지는 것이 좋다. 나피온용액이 10 wt.% 미만으로 혼합될 경우 카본블랙의 응집력이 좋지 못하여 전기전도도가 낮고, 15 wt.% 초과로 혼합될 경우 카본블랙의 응집력을 향상시키나 나피온의 양면적 효과로 인해 전기전도도가 오히려 크게 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 카본페이퍼 상에 형성되는 카본블랙층의 카본블랙 중량이 3~5 mg/cm2이 되도록 상기 카본페이퍼 상에 상기 카본블랙 슬러리를 도포한다. 상기 카본블랙 중량이 3 mg/cm2 미만일 경우 전기전도도가 낮아 연료전지용 전극으로서 부적합하고, 5mg/cm2 초과일 경우 전기전도도의 상승효과는 미비한 반면 원재료 비용이 크게 높아지는 문제가 있다.
카본블랙을 나피온용액과 혼합할 때 초음파 교반기를 이용하여 교반하는 것이 좋다.
그리고, 상기 카본블랙층과 상기 카본페이퍼의 결합력을 향상시키기 위하여 고온프레스를 이용하여 상기 카본블랙층과 상기 카본페이퍼를 압착하는 것이 바람직하다.
다음으로, 콜로이드상태의 금속나노입자 현탁전해액을 전해액으로 하여 펄스도금법으로 상기 카본블랙층 상에 금속나노입자를 전기영동현상을 이용하여 석출시켜 금속나노입자 박막층을 형성한다. 상기 금속나노입자 박막층을 형성하는 단계는 본 발명자가 제안하여 등록된 등록특허 제1134814호와 동일하기 때문에 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명에 의해 제조된 고분자 전해질막/전극 접합체의 구조를 나타내는 도면이다.
이와 같이 제조된 상기 금속나노입자 박막층을 갖는 카본블랙시트(310)(330)의 사이에 고분자전해질 막(M)을 게재한 상태에서 고온프레스로 압착하면 도 4와 같이 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체를 얻을 수 있다.
도 5는 다층의 금속나노입자 박막층을 갖는 카본블랙시트를 이용하여 제조된 고분자 전해질막/전극 접합체의 구조를 나타내는 도면이다.
한편, 상기 카본블랙시트의 카본블랙층 상에 펄스도금법에 의해 금속나노입자 박막층을 형성한 후 재차 카본블랙슬러리를 도포하여 카본블랙층을 형성하고, 펄스도금법에 의해 재차 형성된 카본블랙층에 금속나노입자를 전기영동현상을 이용하여 석출시키는 공정을 1회 이상 반복하여 다층의 금속나노입자 박막층을 형성시킬 수 있음은 물론이다. 이와 같이 제조된 다층의 금속나노입자 박막층을 갖는 카본블랙시트(310)(330)의 사이에 고분자전해질 막(M)을 게재한 상태에서 고온프레스로 압착하면 도 5와 같은 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체를 얻을 수 있다.
도 6은 다농도 다중 금속나노입자 박막층을 갖는 카본블랙시트를 이용하여 제조된 고분자 전해질막/전극 접합체의 구조를 나타내는 도면이다.
또한, 도 6과 같이 상기 금속나노입자 박막층 상에 상기 금속나노입자 박막층 상에 사용된 금속과 다른 이종금속나노입자 현탁전해액을 전해액으로 하여 펄스도금법으로 상기 금속나노입자 박막층 상에 이종금속나노입자를 전기영동현상을 이용하여 석출시켜 복합금속나노입자 박막층을 형성시킬 수 도 있다. 이와 같이 제조된 복합금속나노입자 박막층을 갖는 카본블랙시트(310)(330)의 사이에 고분자전해질 막(M)을 게재한 상태에서 고온프레스로 압착하면 복합 촉매층 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체를 얻을 수 있다.
이와 같이 펄스도금시 전해액 중에 현탁되어 있는 금속나노입자의 종류만 바꾸어 주면, 용이하게 복합 금속나노입자 촉매층의 제조가 가능하다.
본 발명의 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법은 카본블랙시트 전극 중 나피온 함량과 카본블랙 도포량을 최적화하여 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 촉매적 활성을 극대화하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 고분자 전해질막/전극 접합체의 제조공정을 나타내는 도면이고,
도 2는 종래방법에 의해 제조된 고분자 전해질막/전극 접합체의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 특허문헌 1의 고분자 전해질막/전극 접합체의 제조공정을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 의해 제조된 고분자 전해질막/전극 접합체의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 다층의 금속나노입자 박막층을 갖는 카본블랙시트를 이용하여 제조된 고분자 전해질막/전극 접합체의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 이종의 금속나노입자 박막층을 갖는 카본블랙시트를 이용하여 제조된 고분자 전해질막/전극 접합체의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 카본블랙슬러리의 도포량에 따른 백금나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 Cyclic Voltamogram 그래프이다.
도 8은 카본블랙시트 전극 중 나피온 용액의 함량에 따른 백금나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 Cyclic Voltamogram 그래프이다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 1]
[카본블랙슬러리 및 카본블랙시트 전극 제조]
카본블랙슬러리 제조를 위하여, 카본블랙 1 g에 H2O 3ml, isopropyle alcohol(IPA) 2ml 및 고분자전해질를 섞어서 초음파 교반하였다. 고분자전해질용액으로서 나피온 용액(Nafion solution)을 이용하였고, 나피온 용액을 중량비로 계산하여 5 wt.%가 되도록 카본블랙과 혼합하고, 초음파 중에서 50분간 교반하여 카본블랙슬러리를 제조하였다. 에어건 스프레이를 이용하여 100×100mm의 카본페이퍼에 카본블랙슬러리를 도포하였다. 카본블랙슬러리의 도포량은 카본블랙시트 전극의 건조 후 카본블랙시트 상에 도포된 카본블랙의 중량이 0 mg/cm2에서 5 mg/cm2이 되도록 조절하였다. 카본블랙이 도포된 카본블랙시트는 고온프레스를 이용하여 100℃의 온도에서 100 Kgf/cm2의 하중으로 카본블랙층과 카본페이퍼를 압착하여 카본블랙시트 전극을 제조하였다. 이렇게 제조된 카본블랙시트를 1×2mm 크기로 절단하여 펄스도금공정의 전극으로 사용하였다.
[백금나노입자 콜로이드 전해액 제조]
전해질 용액 중에 첨가할 백금 콜로이드를 합성하기 위한 출발물질로는 H2PtCl66H2O, 환원제로는 sodium citrate를 사용하였다. 백금 콜로이드를 합성하기 위해 먼저 5 %의 H2PtCl66H2O를 제조하여 이 중 5 ml를 취하여 195 ml의 물에 희석시켰다. 이 수용액을 약 90 ℃까지 가열한 후 이 상태에서 1% sodium citrate 45 ml를 첨가한 후 마그네틱 바를 이용하여 강하게 교반시켰고, 첨가 후 4시간 동안 온도를 유지하여 3~4nm 크기의 백금 콜로이드를 얻었고, 이것을 전기영동 펄스 석출공정의 전해액으로 사용하였다.
[백금나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극 제조 및 촉매적 활성 평가]
상기 카본블랙시트의 전극 상에 백금 나노입자를 석출시키기 위해, 상대전극으로는 백금판을 사용하였고, 음극과 양극 간의 거리는 10cm로 유지하였다. 참조전극으로는 SCE (saturated calomel electrode, sat’d KCl)을 사용하였다. 전해질로서는 1M H2SO4과 1M CH3OH 혼합 용액을 사용하였다. 전해질 용액 200ml에 위에서 제조한 백금나노입자 콜로이드 50ml를 혼합하여 백금나노입자 현탁 전해액으로 사용하였다.
전기영동 펄스 석출공정에서는 Ion을 30 mA/cm2로 Ioff을 0 mA/cm2로 유지하고 ton 시간을 0.25 초로 하여, 백금나노입자 현탁전해액의 pH를 2로 조정하고, 백금나노입자의 전기영동 석출을 10분간 실시하여 0.3 mg/cm2 백금나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극을 제조하였다. 이렇게 제조된 카본블랙시트 전극은 메탄올산화반응에 의해 그 촉매적 활성을 평가하였다. 메탄올산화반응의 활성은 0.5 M의 황산과 1 M의 메탄올 혼합 수용액에서 50 mV/s의 조건으로 Cyclic Voltamogram 측정하여 피크 전류밀도의 변화로 평가하였고, 그 결과는 도 7로 나타냈다.
카본블랙슬러리의 카본블랙의 도포량에 따른 백금나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 피크전류밀도를 표 1로 나타냈다..
카본블랙의 도포량에 따른 백금촉매담지 카본블랙시트 전극의 피크전류밀도
카본블랙 도포량 (mg/cm2) 피크 전류밀도 (mA/cm2)
0 32.9
1 56.6
3 81.1
5 108.9
표 1에서 알 수 있듯이 카본블랙시트 전극 중 카본블랙의 도포량이 많을수록 전극의 피크 전류밀도가 상승하고 있으며 특히 카본블랙 도포량이 3 mg/cm2 이상에서 역시 크게 향상하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서 백금나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극 중 카본블랙의 도포량의 범위는 3 mg/cm2 에서 5 mg/cm2 가 가장 적절하였다.
[ 실시예 2]
실시예 1과 달리 카본블랙시트 전극 중 카본블랙 도포량을 5 mg/cm2 으로 고정하고 나피온 용액의 함량을 5 wt.%에서 20 wt.%까지 변화시켜 백금나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극을 제조하였고, 카본블랙시트 전극 중 나피온 용액의 함량에 따른 백금나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 Cyclic Voltamogram 그래프는 도 8로 나타냈다.
표 2에는 도 8로부터 얻은 카본블랙시트 전극 중 나피온 용액의 함량에 따른 백금나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 피크전류밀도를 나타내고 있다.
나피온용액의 함량에 따른 백금촉매담지 카본블랙시트 전극의 피크전류밀도
Nafion 함량 (wt.%) 피크 전류밀도 (mA/cm2)
5 108.9
10 303.6
15 250.2
20 126.3
표 2에서 알 수 있듯이 카본블랙시트 전극 중 나피온용액의 함량이 10 wt.%에서 크게 향상되었고 20 wt.% 이하에서 크게 저하하는 것을 알 수 있다. 이것은 나피온용액의 함량 증가에 따라 카본블랙 분말의 응집력을 향상시키지만 전기전도도가 저하되는 양면적 효과 때문이다.
따라서 본 발명에서는 백금나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극 중 나피온용액의 함량은 10 내지 15 wt.%에서 전극의 촉매적 활성이 극대화됨을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. 카본페이퍼상에 카본블랙층을 형성하고, 콜로이드 상태의 금속나노입자 현탁전해액을 펄스도금법으로 상기 카본블랙층 상에 전기영동현상을 이용하여 석출시켜 금속나노입자 박막층을 형성시켜 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트를 제조하고,
    상기 카본블랙층의 카본블랙 중량이 3~5 mg/cm2가 되도록 상기 카본페이퍼 상에 카본블랙슬러리를 도포하는 것을 특징으로 하는 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카본블랙 슬러리는 카본블랙에 나피온용액 10~15 wt.%를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법.
  3. 카본페이퍼와, 상기 카본페이퍼 상에 형성되는 카본블랙층과, 콜로이드 상태의 금속나노입자 현탁전해액을 펄스도금법으로 상기 카본블랙층 상에 전기영동현상을 이용하여 석출시켜 형성되는 금속나노입자 박막층을 포함하고,
    상기 카본블랙층은 카본블랙 중량이 3~5 mg/cm2가 되도록 상기 카본페이퍼 상에 카본블랙슬러리를 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극
  4. 제3항에 있어서,
    상기 카본블랙 슬러리는 카본블랙에 나피온용액 10~15 wt.%를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극.
  5. 제3항 또는 제4항의 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체.
KR1020150011509A 2015-01-23 2015-01-23 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법, 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극 및 이 시트를 이용한 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체 KR20160091512A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150011509A KR20160091512A (ko) 2015-01-23 2015-01-23 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법, 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극 및 이 시트를 이용한 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150011509A KR20160091512A (ko) 2015-01-23 2015-01-23 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법, 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극 및 이 시트를 이용한 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20160091512A true KR20160091512A (ko) 2016-08-03

Family

ID=56708457

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150011509A KR20160091512A (ko) 2015-01-23 2015-01-23 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법, 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극 및 이 시트를 이용한 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20160091512A (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107768020A (zh) * 2017-08-30 2018-03-06 南京航空航天大学 植根式柔性薄膜电极的制备方法
KR20180138005A (ko) * 2017-06-20 2018-12-28 주식회사 엘지화학 전극의 제조방법
CN111001406A (zh) * 2019-10-19 2020-04-14 宁波鸿朗环保科技有限公司 用于含氯挥发性有机物催化燃烧的催化剂及其制备方法
KR102108646B1 (ko) * 2018-11-06 2020-05-07 전북대학교산학협력단 직접메탄올 연료전지용 삼중 촉매층 구조 백금계 복합촉매전극 및 그 제조방법
KR20200059787A (ko) * 2018-11-21 2020-05-29 중앙대학교 산학협력단 연료전지용 전극 및 이의 제조방법
KR102393974B1 (ko) * 2020-11-09 2022-05-03 한국세라믹기술원 화학기상증착법을 이용하여 전이금속 및 백금을 담지시킨 백금 나노촉매의 제조 방법 및 그 백금 나노촉매와, 그 연료전지

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101134814B1 (ko) 2009-01-30 2012-04-16 전북대학교산학협력단 펄스도금법을 이용한 금속나노입자 박막층을 갖는 카본블랙시트의 제조방법, 카본블랙시트 및 이 시트를 이용하여 제조한 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101134814B1 (ko) 2009-01-30 2012-04-16 전북대학교산학협력단 펄스도금법을 이용한 금속나노입자 박막층을 갖는 카본블랙시트의 제조방법, 카본블랙시트 및 이 시트를 이용하여 제조한 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180138005A (ko) * 2017-06-20 2018-12-28 주식회사 엘지화학 전극의 제조방법
CN107768020A (zh) * 2017-08-30 2018-03-06 南京航空航天大学 植根式柔性薄膜电极的制备方法
KR102108646B1 (ko) * 2018-11-06 2020-05-07 전북대학교산학협력단 직접메탄올 연료전지용 삼중 촉매층 구조 백금계 복합촉매전극 및 그 제조방법
KR20200059787A (ko) * 2018-11-21 2020-05-29 중앙대학교 산학협력단 연료전지용 전극 및 이의 제조방법
CN111001406A (zh) * 2019-10-19 2020-04-14 宁波鸿朗环保科技有限公司 用于含氯挥发性有机物催化燃烧的催化剂及其制备方法
CN111001406B (zh) * 2019-10-19 2023-01-17 漯河市新旺化工有限公司 用于含氯挥发性有机物催化燃烧的催化剂及其制备方法
KR102393974B1 (ko) * 2020-11-09 2022-05-03 한국세라믹기술원 화학기상증착법을 이용하여 전이금속 및 백금을 담지시킨 백금 나노촉매의 제조 방법 및 그 백금 나노촉매와, 그 연료전지

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5037338B2 (ja) ルテニウム−ロジウム合金電極触媒及びこれを含む燃料電池
Moraes et al. Synthesis and performance of palladium-based electrocatalysts in alkaline direct ethanol fuel cell
Maiyalagan Silicotungstic acid stabilized Pt–Ru nanoparticles supported on carbon nanofibers electrodes for methanol oxidation
KR20160091512A (ko) 전기영동석출법을 이용한 고분자전해질 연료전지용 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극의 제조방법, 금속나노입자 촉매담지 카본블랙시트 전극 및 이 시트를 이용한 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체
US9343747B2 (en) Membrane electrode assembly, fuel cell comprising the membrane electrode assembly, and method for preparing an electrode catalyst
Lim et al. Low-loading IrO2 supported on Pt for catalysis of PEM water electrolysis and regenerative fuel cells
KR101134814B1 (ko) 펄스도금법을 이용한 금속나노입자 박막층을 갖는 카본블랙시트의 제조방법, 카본블랙시트 및 이 시트를 이용하여 제조한 연료전지용 고분자 전해질막/전극 접합체
US20040109816A1 (en) Proton conductive carbon material for fuel cell applications
US9331341B2 (en) Durable platinum/multi-walled carbon nanotube catalysts
US10669640B2 (en) Ultral-low loading of Pt-decorated Ni electrocatalyst, manufacturing method of the same and anion exchange membrane water electrolyzer using the same
WO2012023535A1 (ja) 水電解セル
WO2007011153A1 (en) Electrode catalyst with improved longevity properties and fuel cell using the same
Hosseini et al. Preparation method of Ni@ Pt/C nanocatalyst affects the performance of direct borohydride-hydrogen peroxide fuel cell: Improved power density and increased catalytic oxidation of borohydride
Carrillo et al. Polypyrrole and platinum deposited onto carbon substrate to enhance direct methanol fuel cell electrodes behaviour
Wang et al. Simple fabrication of pineapple root-like palladium-gold catalysts as the high-efficiency cathode in direct peroxide-peroxide fuel cells
Yang et al. Bimetallic Face-Centered Cubic Pd–Ag Nano-dendritic Alloys Catalysts Boost Ethanol Electrooxidation
Devadas et al. Poly (amidoamine) dendrimer-protected Pt nanoparticles as a catalyst with ultra-low Pt loading for PEM water electrolysis
Kim et al. Synthesis and electrochemical properties of nano-composite IrO2/TiO2 anode catalyst for SPE electrolysis cell
Adilbish et al. Effect of the deposition time on the electrocatalytic activity of Pt/C catalyst electrodes prepared by pulsed electrophoresis deposition method
Arjona et al. A new type of high performance air-breathing glucose membraneless microfluidic fuel cell
Gangeri et al. Synthesis and performances of carbon-supported noble metal nanoclusters as electrodes for polymer electrolyte membrane fuel cells
Yasutake et al. Ru-core Ir-shell electrocatalysts deposited on a surface-modified Ti-based porous transport layer for polymer electrolyte membrane water electrolysis
KR102065530B1 (ko) 고분자전해질막 연료전지용 Pt층 이중구조 촉매전극 및 그 제조방법
Youn et al. Carbon-supported PtPb intermetallic compounds for electrooxidation of methyl formate
US20230366112A1 (en) Method of preparing metal oxide catalysts for oxygen evolution

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application