KR20200065611A - Catalyst composition for fuel cell, manufacturing method for the same, catalyst layer for fuel cell and membrane eletrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
본 명세서는 연료전지용 촉매 조성물, 이의 제조방법, 연료전지용 촉매층 및 막-전극 접합체에 관한 것이다.The present specification relates to a catalyst composition for a fuel cell, a manufacturing method thereof, a catalyst layer for a fuel cell, and a membrane-electrode assembly.
연료전지용 전극 제조시 아세틸렌 블랙(acetylene black) 또는 케첸 블랙(ketjen black) 처럼 표면적이 높은 카본에 담지된 촉매는 전극 이오노머를 과량 넣지 않으면 크랙이 발생하여 성능을 저하시키는 문제를 가지고 있다. 특히, 0.4 mg/cm2 이상의 로딩양을 갖는 촉매층을 제조하면 이러한 문제가 두드러지게 나타난다. 이를 해결하기 위해 전극 이오노머를 많이 넣으면 되지만 이럴 경우 전극 내 포어를 막아 오히려 성능이 감소하는 문제가 있다.When preparing an electrode for a fuel cell, a catalyst supported on carbon having a high surface area, such as acetylene black or ketjen black, has a problem of cracking and deteriorating performance unless excessive electrode ionomer is added. Particularly, when a catalyst layer having a loading amount of 0.4 mg/cm 2 or more is prepared, this problem is remarkable. To solve this, a lot of electrode ionomers may be added, but in this case, there is a problem in that performance is reduced by blocking pores in the electrode.
본 명세서는 연료전지용 촉매 조성물, 이의 제조방법, 연료전지용 촉매층 및 막-전극 접합체에 관한 것이다.The present specification relates to a catalyst composition for a fuel cell, a manufacturing method thereof, a catalyst layer for a fuel cell, and a membrane-electrode assembly.
본 명세서는 이오노머; 촉매; 및 셀룰로오스 화이버(fiber)를 포함하고, 상기 촉매 100 중량부에 대한 상기 셀룰로오스 화이버의 중량비는 1 중량% 이상 10 중량% 이하인 연료전지용 촉매 조성물을 제공한다.This specification is an ionomer; catalyst; And it comprises a cellulose fiber (fiber), the weight ratio of the cellulose fiber to 100 parts by weight of the catalyst provides a catalyst composition for a fuel cell of 1% by weight or more and 10% by weight or less.
또한, 본 명세서는 셀룰로오스 화이버(fiber)를 준비하는 단계; 상기 셀룰로오스 화이버 및 이오노머를 혼합하는 단계; 상기 혼합물에 촉매를 투입하는 단계; 및 초음파 처리하는 단계를 포함하는 상술한 연료전지용 촉매 조성물의 제조방법을 제공한다.In addition, the present specification is a step of preparing a cellulose fiber (fiber); Mixing the cellulose fiber and ionomer; Adding a catalyst to the mixture; And it provides a method for producing a catalyst composition for a fuel cell described above comprising the step of ultrasonic treatment.
또한, 본 명세서는 상술한 연료전지용 촉매 조성물을 포함하는 것인 연료전지용 촉매층을 제공한다.In addition, the present specification provides a catalyst layer for a fuel cell that includes the catalyst composition for a fuel cell described above.
또한, 본 명세서는 캐소드 촉매층; 애노드 촉매층; 및 상기 캐소드 촉매층과 상기 애노드 촉매층 사이에 구비된 전해질막을 포함하고, 상기 캐소드 촉매층 및 상기 애노드 촉매층 중 어느 하나 이상은 상술한 연료전지용 촉매층인 것인 막-전극 접합체를 제공한다.In addition, the present specification is a cathode catalyst layer; Anode catalyst layer; And an electrolyte membrane provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, wherein at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is a catalyst layer for a fuel cell described above.
본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지용 촉매 조성물 및 이를 이용하여 제조된 연료전지 촉매층은 셀룰로오스 화이버(fiber)를 특정 함량으로 포함하여, 촉매를 과량 포함하더라도 촉매층에 크랙이 발생하지 않는 장점이 있다.The catalyst composition for a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present specification and the fuel cell catalyst layer manufactured using the same include cellulose fibers in a specific content, and even if the catalyst is excessively contained, cracks do not occur in the catalyst layer.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 연료전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 실험예에 따른 결과를 나타낸 도면이다.1 is a schematic view showing the principle of electricity generation in a fuel cell.
2 is a view schematically showing the structure of a membrane electrode assembly.
3 is a view schematically showing an embodiment of a fuel cell.
4 is a view showing the results according to the experimental example.
이하, 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in detail.
본 명세서는 이오노머; 촉매; 및 셀룰로오스 화이버(fiber)를 포함하고, 상기 촉매 100 중량부에 대한 상기 셀룰로오스 화이버의 중량비는 1 중량% 이상 10 중량% 이하인 연료전지용 촉매 조성물을 제공한다.This specification is an ionomer; catalyst; And it comprises a cellulose fiber (fiber), the weight ratio of the cellulose fiber to 100 parts by weight of the catalyst provides a catalyst composition for a fuel cell of 1% by weight or more and 10% by weight or less.
상기 연료전지용 촉매 조성물은 셀룰로오스 화이버(fiber)를 특정 함량으로 포함함으로써, 촉매가 과량 포함될 때 발생할 수 있는 촉매층의 크랙 현상을 방지할 수 있다. 촉매가 과량 포함될 때, 촉매층 내의 촉매 간의 뭉침 현상으로 인하여 뭉친 부분과 뭉치지 않은 부분이 벌어지게 되는데, 셀룰로오스 화이버를 포함하는 경우 셀룰로오스 화이버가 일정 방향으로 긴 형태의 모양을 갖고 있기 때문에, 촉매층에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.The catalyst composition for the fuel cell includes cellulose fibers in a specific content, thereby preventing cracking of the catalyst layer that may occur when the catalyst is excessively included. When the catalyst is excessively contained, the agglomerated and non-agglomerated portions are opened due to the agglomeration between catalysts in the catalyst layer. In the case of containing cellulose fibers, since the cellulose fibers have a long shape in a certain direction, cracks are formed in the catalyst layer. It can be prevented from occurring.
또한, 상기 셀룰로오스 화이버(fiber)는 나노 사이즈로 안정적인 분산이 가능하므로, 촉매층의 전류 밀도를 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 셀룰로오스 화이버는 표면에 술폰산 그룹 또는 하이드록시 그룹을 포함할 수 있는데, 상기 그룹들이 조성물에 포함되는 용매와의 친화력이 높아 용매에 대한 분산성이 향상될 수 있다.In addition, since the cellulose fiber can be stably dispersed in a nano size, it is possible to improve the current density of the catalyst layer. Specifically, the cellulose fiber may include a sulfonic acid group or a hydroxy group on the surface, and the dispersibility for the solvent may be improved because the groups have high affinity with a solvent included in the composition.
본 명세서에 있어서, 상기 셀룰로오스 화이버의 함량을 조절함으로써, 상술한 성능을 증대시킬 수 있다. 또한, 상기 셀룰로오스 화이버의 함량은 촉매, 조성물 전체, 또는 이오노머를 기준으로 계산될 수 있으며 그 설명은 아래와 같다.In the present specification, by controlling the content of the cellulose fiber, it is possible to increase the above-described performance. In addition, the content of the cellulose fiber can be calculated based on the catalyst, the composition as a whole, or ionomer, and the description is as follows.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매 100 중량부에 대한 상기 셀룰로오스 화이버의 중량비는 1 중량% 이상 10 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 6 중량% 이상 9 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 7 중량% 이상 9 중량% 이하이다.In one embodiment of the present specification, the weight ratio of the cellulose fiber to 100 parts by weight of the catalyst is 1% by weight or more and 10% by weight or less, more preferably 6% by weight or more and 9% by weight or less, more preferably 7% by weight % Or more and 9% by weight or less.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머 100 중량부에 대한 상기 셀룰로오스 화이버의 중량비는 5 중량% 이상 23 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 10 중량% 이상 20 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 15 중량% 이상 20 중량% 이하이다.In one embodiment of the present specification, the weight ratio of the cellulose fiber to 100 parts by weight of the ionomer is 5% by weight or more and 23% by weight or less, more preferably 10% by weight or more and 20% by weight or less, more preferably 15% by weight % Or more and 20% by weight or less.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료전지용 촉매 조성물 전체 100 중량부에 대한 상기 셀룰로오스 화이버의 중량비는 0.1 중량% 이상 15 중량% 이하, 바람직하게는 0.15 중량% 이상 10 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 0.2 중량% 이상 5 중량% 이하일 수 있다. 셀룰로오스 화이버(fiber)의 함량이 상기 범위일 경우, 점도가 조절되어 조성물의 코팅성이 개선될 수 있고, 조성물 내의 분산성이 증대될 수 있으며, 촉매층으로 제조시 촉매층에 크랙이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 산소 확산 저항을 감소시켜 우수한 촉매 성능을 확보할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the weight ratio of the cellulose fiber to 100 parts by weight of the total catalyst composition for the fuel cell is 0.1% by weight or more and 15% by weight or less, preferably 0.15% by weight or more and 10% by weight or less, more preferably May be 0.2% by weight or more and 5% by weight or less. When the content of cellulose fibers is in the above range, the viscosity can be adjusted to improve the coating properties of the composition, the dispersibility in the composition can be increased, and effectively prevent the occurrence of cracks in the catalyst layer when manufacturing the catalyst layer. can do. In addition, excellent catalyst performance can be secured by reducing the oxygen diffusion resistance.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 셀룰로오스 화이버(fiber)의 종횡비(aspect ratio)가 50 이상 200 이하, 바람직하게는 50 이상 150 이하, 더욱 바람직하게는 50 이상 100 이하일 수 있다. 상기 수치 범위를 만족할 때, 셀룰로오스 화이버(fiber)의 촉매 조성물에 대한 안정적인 분산이 가능하여 촉매층의 전류 밀도를 향상시킬 수 있다. 상기 종횡비는 상기 셀룰로오스 화이버의 단면의 최단축 직경 대 최장축 직경의 비율이다.In one embodiment of the present specification, the aspect ratio of the cellulose fiber (fiber) may be 50 or more and 200 or less, preferably 50 or more and 150 or less, and more preferably 50 or more and 100 or less. When the above numerical range is satisfied, stable dispersion of the cellulose fiber into the catalyst composition is possible, thereby improving the current density of the catalyst layer. The aspect ratio is the ratio of the shortest shaft diameter to the longest shaft diameter of the cross section of the cellulose fiber.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 셀룰로오스 화이버(fiber)는 길이가 너비보다 긴 형태를 가질 수 있다.In one embodiment of the present specification, the cellulose fiber may have a shape in which the length is longer than the width.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 셀룰로오스 화이버(fiber)의 단면적이 20nm2 이상 32,000nm2 이하, 바람직하게는 30nm2 이상 25,000nm2 이하, 더욱 바람직하게는 40nm2 이상 20,000nm2 이하일 수 있다. 상기 단면적은 상기 셀룰로오스 화이버의 어느 한 방향으로의 단면이 나타내는 면적을 의미할 수 있다.In one embodiment of the present disclosure, the cross-sectional area of the cellulose fibers (fiber) 20nm 2 more than 32,000nm 2 or less, preferably more than 30nm 2 25,000nm 2 or less, and more preferably may be less than 20,000nm 2 40nm 2 or more . The cross-sectional area may mean an area indicated by a cross-section in one direction of the cellulose fiber.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 셀룰로오스 화이버(fiber)의 평균 직경이 2.5nm 이상 100nm 이하, 바람직하게는 3nm 이상 90nm 이하, 더욱 바람직하게는 3.6nm 이상 80nm 이하일 수 있다. 상기 평균 직경은 상기 셀룰로오스 화이버의 너비 방향으로의 단면의 가장 긴 길이를 의미할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the average diameter of the cellulose fibers may be 2.5 nm or more and 100 nm or less, preferably 3 nm or more and 90 nm or less, and more preferably 3.6 nm or more and 80 nm or less. The average diameter may mean the longest length of the cross section in the width direction of the cellulose fiber.
상기 셀룰로오스 화이버의 단면적 및/또는 평균 직경 범위를 만족할 때, 촉매층의 크랙 발생이 방지되는 효과가 있다.When the cross-sectional area and/or the average diameter range of the cellulose fiber is satisfied, it is effective to prevent cracking of the catalyst layer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료전지용 촉매 조성물의 25℃에서의 점도가 20 cPs 이상 2,000 cPs 이하, 바람직하게는 25 cPs 이상 1,800 cPs 이하, 더욱 바람직하게는 30 cPs 이상 1,500 cPs 이하일 수 있다. 상기 점도는 브룩필드 점도계(Brook Field 사 제조)를 이용하여 18번 스핀들(spindle)을 이용하여 25℃에서 측정한다. 이때, 조성물의 양은 6.5mL 내지 10mL이 적절하며, 빛에 장시간 노출되는 것을 피하기 위하여 5분 이내에서 안정화된 수치를 측정한다. 상기 점도 범위를 만족할 때, 코팅성이 개선되고, 조성물이 뭉치지 않는 장점이 있다.In one embodiment of the present specification, the viscosity at 25°C of the catalyst composition for a fuel cell may be 20 cPs or more and 2,000 cPs or less, preferably 25 cPs or more and 1,800 cPs or less, and more preferably 30 cPs or more and 1,500 cPs or less. . The viscosity is measured at 25°C using a spindle 18 using a Brookfield viscometer (manufactured by Brook Field). At this time, the amount of the composition is 6.5mL to 10mL is appropriate, and to avoid exposure to light for a long time, the stabilized value is measured within 5 minutes. When the viscosity range is satisfied, coating properties are improved, and there is an advantage that the composition does not clump.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1 또는 2 이상의 조합일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the ionomer is a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer , Polyether ketone-based polymer, polyether-ether ketone-based polymer, and polyphenylquinoxaline-based polymer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머의 중량평균분자량은 240 g/mol 내지 200,000 g/mol, 구체적으로 240 g/mol 내지 10,000 g/mol일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the weight average molecular weight of the ionomer may be 240 g/mol to 200,000 g/mol, and specifically 240 g/mol to 10,000 g/mol.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료전지용 촉매 조성물은 촉매 조성물의 총 중량을 기준으로 상기 이오노머를 0.01 중량% 이상 6 중량% 이하, 0.05 중량% 이상 5 중량% 이하, 바람직하게는 0.1 중량% 이상 4 중량% 이하로 포함할 수 있다. 이오노머의 함량이 상기 범위일 때, 이오노머가 촉매층을 과도하게 덮지 않아 촉매와 연료의 반응을 용이하게 하면서도, 촉매층 내에서의 이온 전달 통로가 잘 형성되어 이온의 이동이 가장 원활할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the catalyst composition for a fuel cell is 0.01 wt% or more and 6 wt% or less, 0.05 wt% or more, and 5 wt% or less, preferably 0.1 wt%, based on the total weight of the catalyst composition It may contain more than 4% by weight or less. When the content of the ionomer is within the above range, the ionomer does not overly cover the catalyst layer, facilitating the reaction of the catalyst with the fuel, while the ion transfer passage in the catalyst layer is well formed so that the movement of ions may be most smooth.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료전지용 촉매 조성물은 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜 및 글리세롤로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 용매를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the catalyst composition for a fuel cell is one or two selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, butanol, n-propanol, isopropanol, n-butyl acetate, ethylene glycol, dipropylene glycol and glycerol The solvent may be further included.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 용매는 상기 촉매 조성물 총 중량을 기준으로 50 중량% 내지 95 중량%, 바람직하게는 65 중량% 내지 95 중량%, 더욱 바람직하게는 75 중량% 내지 95 중량%일 수 있다. 상기 촉매 조성물 중 용매의 함량이 50 중량% 이상이 되면 촉매 조성물의 점도가 너무 높아지는 것을 방지하므로, 촉매 입자의 분상성 저하 및 촉매층의 불균일한 형성을 방지할 수 있다. 용매의 함량이 95 중량% 이하가 되면, 촉매 조성물의 점도가 너무 낮아지는 것을 방지하므로, 촉매층의 두께가 얇아 코팅을 수회 반복하게 되는 문제를 방지할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the solvent is 50% to 95% by weight based on the total weight of the catalyst composition, preferably 65% to 95% by weight, more preferably 75% to 95% by weight Can be When the content of the solvent in the catalyst composition is 50% by weight or more, the viscosity of the catalyst composition is prevented from being too high, so it is possible to prevent the deterioration of the particle size of the catalyst particles and the uneven formation of the catalyst layer. When the content of the solvent is 95% by weight or less, since the viscosity of the catalyst composition is prevented from being too low, the thickness of the catalyst layer is thin, thereby preventing the problem of repeating the coating several times.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매로는 탄소 지지체의 표면에 금속이 담지된 촉매를 사용할 수 있다.In one embodiment of the present specification, as the catalyst, a catalyst in which metal is supported on the surface of the carbon support may be used.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄소 지지체로는, 이에 한정되는 것은 아니나, 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the carbon support is not limited to this, graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, cachon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon One or two or more mixtures selected from the group consisting of nanofibers, carbon nanohorns, carbon nanorings, carbon nanowires, fullerenes (C60), and superP may be used.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 금속으로는, 이에 한정되는 것은 아니나, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금/루테늄 합금, 백금/오스뮴 합금, 백금/팔라듐 합금, 백금/M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 또는 이들의 조 합의 전이 금속), 또는 이들의 조합을 들 수 있다.In one embodiment of the present specification, the metal is, but is not limited to, platinum, ruthenium, osmium, platinum/ruthenium alloy, platinum/osmium alloy, platinum/palladium alloy, platinum/M alloy (M is Ga, And transition metals of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru, or combinations thereof), or combinations thereof.
본 명세서의 일 실시 상태에 있어서, 상기 촉매는 백금 담지 탄소(Pt/C) 또는 백금-루테늄 합금 담지 탄소(PtRu/C)일 수 있으며, 바람직하게는 백금 담지 탄소(Pt/C)일 수 있다. 여기서 슬래시(/)를 삽입하여 병기한 것은, 기재된 금속들의 합금을 의미한다. 예를 들어, Pt/Ru는 백금(Pt)과 루테늄(Ru)의 합금을 의미한다.In one embodiment of the present specification, the catalyst may be platinum-carrying carbon (Pt/C) or platinum-ruthenium alloy-carrying carbon (PtRu/C), preferably platinum-carrying carbon (Pt/C). . Here, the slash (/) is inserted and used together means an alloy of the metals described. For example, Pt/Ru means an alloy of platinum (Pt) and ruthenium (Ru).
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매는 Pt, Pt/C, Pt/Ir, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W 또는 이들의 조합으로부터 선택되는것일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the catalyst is Pt, Pt/C, Pt/Ir, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W or their It may be selected from combinations.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매는 상기 촉매 조성물 총 중량을 기준으로 1 중량% 내지 20 중량%, 바람직하게는 1 중량% 내지 15 중량%, 더욱 바람직하게는 5 중량% 내지 15 중량%로 포함되는 것일 수 있다. 상기 촉매 조성물 중 촉매의 함량이 1 중량% 이상이 되면 촉매 조성물의 점도가 너무 낮아지는 것을 방지하므로, 촉매층의 두께가 얇아 코팅을 수회 반복하게 되는 문제를 방지할 수 있다. 촉매의 함량이 20 중량% 이하가 되면, 촉매 조성물의 점도가 너무 높아지는 것을 방지하므로, 촉매 입자의 분산성 저하 및 촉매층의 불균일한 형성을 방지할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the catalyst is 1 wt% to 20 wt%, preferably 1 wt% to 15 wt%, more preferably 5 wt% to 15 wt%, based on the total weight of the catalyst composition It may be included as. When the content of the catalyst in the catalyst composition is 1% by weight or more, the viscosity of the catalyst composition is prevented from being too low, so that the thickness of the catalyst layer is thin, thereby preventing the problem of repeating the coating several times. When the content of the catalyst is 20% by weight or less, since the viscosity of the catalyst composition is prevented from being too high, it is possible to prevent the dispersion of the catalyst particles and the uneven formation of the catalyst layer.
본 명세서는 셀룰로오스 화이버(fiber)를 준비하는 단계; 상기 셀룰로오스 화이버 및 이오노머를 혼합하는 단계; 상기 혼합물에 촉매를 투입하는 단계; 및 초음파 처리하는 단계를 포함하는 상술한 연료전지용 촉매 조성물의 제조방법을 제공한다.This specification comprises the steps of preparing a cellulose fiber (fiber); Mixing the cellulose fiber and ionomer; Adding a catalyst to the mixture; And it provides a method for producing a catalyst composition for a fuel cell described above comprising the step of ultrasonic treatment.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 셀룰로오스 화이버(fiber)를 준비하는 단계는 이 기술이 속하는 분야의 일반적인 방법에 의하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 셀룰로오스 화이버(fiber)는 미더덕, 멍게 등의 우렁쉥이의 껍질에서 추출할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the step of preparing the cellulose fiber may be performed by a general method in the field to which this technology belongs. For example, the cellulose fiber may be extracted from the skin of a snail, such as a midduck or a sea urchin.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 셀룰로오스 화이버(fiber)를 준비하는 단계는 우렁쉥이 껍질을 탈색 용액을 통해 탈색하는 단계; 우렁쉥이 껍질을 분쇄하여 분말을 얻는 단계; 상기 우렁쉥이 껍질 분말을 산처리하는 단계; 및 산처리된 우렁쉥이 껍질 분말을 필터를 통해 필터링 하는 단계를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the preparing of the cellulose fiber may include decoloring the snail shell through a decoloring solution; Crushing the snail shell to obtain a powder; Acid-treating the snail shell powder; And filtering the acid-treated snail shell powder through a filter.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 탈색 용액은 5% 농도를 갖는 하이포아염소산 용액일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the decolorization solution may be a hypochlorous acid solution having a concentration of 5%.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 필터는 0.2㎛ 직경 크기를 갖는 포어를 포함하는 나일론 소재의 필터일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the filter may be a filter of nylon material including pores having a diameter of 0.2 μm.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 우렁쉥이 껍질 분말을 산처리하는 단계는 염산 등의 산성 용액을 이용하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the step of acid-treating the snail shell powder may be using an acidic solution such as hydrochloric acid.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 셀룰로오스 화이버 및 이오노머를 혼합하는 단계는 용매를 더 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 즉, 셀룰로오스 화이버, 이오노머 및 용매를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the step of mixing the cellulose fiber and the ionomer may further include mixing a solvent. That is, it may include the step of mixing a cellulose fiber, an ionomer and a solvent.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료전지용 촉매 조성물의 제조방법은 상기 셀룰로오스 화이버(fiber) 및 이오노머를 혼합하는 단계 이후에 상기 혼합물을 5℃ 이하의 온도 조건에서 10분 내지 60분 간 저온 처리하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the method for preparing the catalyst composition for a fuel cell is a low temperature treatment for 10 minutes to 60 minutes at a temperature condition of 5° C. or less after the step of mixing the cellulose fibers and ionomer. It may include the steps.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 초음파 처리하는 단계는 팁형(tip type) 또는 배스형(bath type)으로 수행되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the ultrasonic treatment may be performed in a tip type or a bath type.
본 명세서에 있어서, 상기 "초음파 처리"란, 20kHz 이상의 주파수를 갖는 에너지를 입자에 가하여 분산시키는 행위를 의미하는데, 상기 배스형(bath type)은 비교적 낮고 일정한 크기의 에너지가 사용되며, 상기 팁형(tip type)은 배스형의 약 50배에 달하는 높은 에너지를 가변적으로 가할 수 있다. 균일한 구조의 촉매층을 형성하기 위해서는 이오노머와 촉매 내 탄소 지지체간의 충분한 흡착력이 중요한데, 이러한 초음파 처리를 통하여 이오노머의 입경을 작게 조절하면, 이오노머가 촉매 내 탄소 지지체에 균일하게 흡착될 수 있다.In the present specification, the "ultrasonic treatment" refers to an act of dispersing by applying energy having a frequency of 20 kHz or more to particles, wherein the bath type has a relatively low and constant size of energy, and the tip type ( tip type) can variably apply high energy up to 50 times that of the bath type. In order to form a catalyst layer having a uniform structure, a sufficient adsorption force between the ionomer and the carbon support in the catalyst is important. If the particle diameter of the ionomer is adjusted through such ultrasonic treatment, the ionomer can be uniformly adsorbed on the carbon support in the catalyst.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 초음파 처리하는 단계 이후에 이오노머가 뭉쳐져 형성된 단위 입자인 이오노머 클러스터(Cluster)의 평균 입경이 10 nm 내지 500 nm일 수 있다. 일반적으로, 이오노머는 용매 내에서 서로 정전기적 인력으로 뭉쳐져 입경이 0.01 ㎛ 내지 1 ㎛인 응집체로 존재하며, 이렇게 용매 내에서 이오노머가 뭉쳐져 형성된 단위 입자를 이오노머 클러스터(Cluster)라고 한다. 이들을 초음파 처리, 구체적으로, 상기 팁형(tip type) 또는 배스형(bath type) 초음파 처리를 통해 분산시키게 되면, 상기 이오노머 클러스터의 대부분은 10 nm 내지 500 nm, 바람직하게는 10 nm 내지 300 nm의 평균 입경을 갖도록 균일하게 분산된다.In one embodiment of the present specification, an average particle diameter of the ionomer cluster (Cluster), which is a unit particle formed by aggregating ionomers after the ultrasonic treatment, may be 10 nm to 500 nm. In general, ionomers are agglomerated by electrostatic attraction to each other in a solvent to exist as aggregates having a particle diameter of 0.01 μm to 1 μm, and the unit particles formed by agglomeration of ionomers in a solvent are called ionomer clusters. When these are dispersed through ultrasonic treatment, specifically, the tip type or bath type ultrasonic treatment, most of the ionomer clusters are 10 nm to 500 nm, preferably an average of 10 nm to 300 nm. It is dispersed uniformly to have a particle size.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 팁형 초음파 처리는 이로 제한되는 것은 아니나, 10분 내지 30분 동안 수행될 수 있다. 상기 배스형 초음파 처리는 20분 내지 120분, 바람직하게는 30분 내지 60분 동안 수행될 수 있다. 초음파 처리가 상기 시간 범위 내에서 이루어지는 경우, 국부적인 이오노머 뭉침 현상의 발생을 방지할 수 있다. 상기 시간 범위를 초과하여 수행될 경우, 시간 대비 분산 효과가 크지 않아 비효율적일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the tip type ultrasonic treatment is not limited to this, but may be performed for 10 minutes to 30 minutes. The bath ultrasonic treatment may be performed for 20 minutes to 120 minutes, preferably 30 minutes to 60 minutes. When the ultrasonic treatment is performed within the time range, it is possible to prevent the occurrence of localized ionomer aggregation. When it is performed in excess of the time range, the dispersion effect over time may be insignificant and may be inefficient.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료전지용 촉매 조성물의 제조방법은 상기 촉매 조성물을 고전단 믹서로 분산시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the method for preparing the catalyst composition for a fuel cell may further include dispersing the catalyst composition with a high shear mixer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고전단 믹서 방식은 이로 한정되는 것은 아니나, 10 m/s 내지 40 m/s의 속도로 15분 내지 35분 동안 수행되는 것이 바람직하다.In one embodiment of the present specification, the high shear mixer method is not limited to this, but is preferably performed for 15 minutes to 35 minutes at a speed of 10 m/s to 40 m/s.
본 명세서는 상술한 연료전지용 촉매 조성물을 포함하는 촉매층을 제공한다. 상기 촉매층은 상술한 연료전지용 촉매 조성물로부터 형성된 것일 수 있다.The present specification provides a catalyst layer comprising the catalyst composition for a fuel cell described above. The catalyst layer may be formed from the catalyst composition for a fuel cell described above.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료전지용 촉매층은 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 예를 들면 상기 촉매 조성물을 기체 확산층 위에 도포 및 건조함으로써 형성할 수 있다. 이 때, 이오노머의 함량을 달리한 촉매 조성물을 차례로 도포 및 건조함으로써 복수의 촉매층을 형성할 수도 있다.In one embodiment of the present specification, the catalyst layer for the fuel cell may be prepared according to a conventional method known in the art, for example, may be formed by applying and drying the catalyst composition on a gas diffusion layer. At this time, a plurality of catalyst layers may be formed by sequentially applying and drying a catalyst composition having a different ionomer content.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매 조성물을 기체확산층 위에 도포하는 방법으로는 프린팅(printing), 테이프 캐스팅(tape casting), 바 캐스팅(bar casting), 슬롯 다이 캐스팅(slot die casting), 분무(spray), 롤링(rolling), 블레이드 코팅(blade coating), 스핀 코팅(spin coating), 제트 코팅(inkjet coating) 또는 브러싱(brushing) 등의 방법이 있으나, 이에 한정되지는 않는다.In one embodiment of the present specification, as a method of applying the catalyst composition on the gas diffusion layer, printing, tape casting, bar casting, slot die casting, spraying (spray), rolling (rolling), blade coating (blade coating), spin coating (spin coating), jet coating (inkjet coating) or brushing (brushing) and the like, but is not limited thereto.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 도포된 촉매 조성물을 건조하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 20℃ 내지 200℃의 온도에서 10분 내지 60분간 수행될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the method for drying the coated catalyst composition is not particularly limited, and may be performed at a temperature of 20°C to 200°C for 10 minutes to 60 minutes.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 도포된 촉매 조성물을 2회 이상 건조할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the applied catalyst composition may be dried two or more times.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기체확산층은 일반적으로 도전성 및 80% 이상의 다공도를 갖는 기재라면 특별한 제한이 없으며, 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 기재의 두께는 30㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 상기 범위 내의 값이면 기계적 강도와 가스 및 물의 확산성과의 균형이 적절하게 제어될 수 있다. 상기 기체확산층은 상기 도전성 기재의 일면에 형성되는 미세 기공층을 더 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 미세 기공층은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다. 상기 미세 기공층은 촉매층에 존재하는 과잉 수분의 배출을 촉진시켜서 플러딩(flooding) 현상의 발생을 억제할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the gas diffusion layer is generally not limited as long as it is a substrate having conductivity and porosity of 80% or more, and may be made of a conductive substrate selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, and carbon felt. have. The thickness of the substrate may be 30 μm to 500 μm. If the value is within the above range, the balance between mechanical strength and diffusivity of gas and water can be appropriately controlled. The gas diffusion layer may further include a microporous layer formed on one surface of the conductive substrate, and the microporous layer may include a carbon-based material and a fluorine-based resin. The microporous layer can promote the discharge of excess moisture present in the catalyst layer, thereby suppressing the occurrence of flooding.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄소계 물질로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.In an exemplary embodiment of the present specification, the carbon-based material includes graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, cachon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, and carbon nanohorns , Carbon nanorings, carbon nanowires, fullerene (C60) and one or more mixtures selected from the group consisting of super P may be used, but is not limited thereto.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스 화이버(fiber) 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP) 및 스티렌-부타디엔고무(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.In one embodiment of the present specification, the fluorine-based resin includes polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol, cellulose fiber acetate, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene One or two or more mixtures selected from the group consisting of copolymers (PVdF-HFP) and styrene-butadiene rubber (SBR) may be used, but are not limited thereto.
본 명세서는 연료전지용 촉매층 총 중량을 기준으로 1 중량% 내지 10 중량%로 포함되는 셀룰로오스 화이버(fiber); 촉매; 및 이오노머를 포함하는 연료전지용 촉매층을 제공한다.The present specification is a cellulose fiber (fiber) contained in 1 to 10% by weight based on the total weight of the catalyst layer for the fuel cell; catalyst; And it provides a catalyst layer for a fuel cell comprising an ionomer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 셀룰로오스 화이버(fiber)는 상기 연료전지용 촉매층 총 중량을 기준으로 1 중량% 이상 10 중량% 이하, 바람직하게는 3 중량% 이상 7 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 3 중량% 이상 6 중량% 이하일 수 있다. 상기 셀룰로오스 화이버(fiber)가 상기 수치 범위로 포함될 때, 어느 한 방향으로 길이가 긴 화이버가 크랙이 벌어지지 않게 잡아주는 역할을 하고, 촉매들이 뭉치는 것을 억제하여 포어 볼륨이 작아지는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해, 산소 확산 저항이 감소하여 전류 밀도가 증가하는 효과를 갖는다. 반대로, 셀룰로오스 화이버가 너무 많은 양으로 포함되는 경우 오히려 화이버가 서로 뭉쳐 상술한 효과가 나타나지 않을 수 있다.In one embodiment of the present specification, the cellulose fiber is 1 wt% or more and 10 wt% or less, preferably 3 wt% or more and 7 wt% or less, more preferably, based on the total weight of the catalyst layer for the fuel cell It may be 3% by weight or more and 6% by weight or less. When the cellulose fiber (fiber) is included in the numerical range, a long fiber in one direction serves to hold cracks from cracking and prevents catalysts from agglomerating to prevent the pore volume from being reduced. have. Through this, the oxygen diffusion resistance decreases, thereby increasing the current density. Conversely, if the cellulose fibers are contained in too large a quantity, the above-described effects may not appear due to the fibers being bundled together.
본 명세서는 캐소드 촉매층; 애노드 촉매층; 및 상기 캐소드 촉매층과 상기 애노드 촉매층 사이에 구비된 전해질막을 포함하고, 상기 캐소드 촉매층 및 상기 애노드 촉매층 중 어느 하나 이상은 상술한 연료전지용 촉매층인 것인 막-전극 접합체를 제공한다.The present specification is a cathode catalyst layer; Anode catalyst layer; And an electrolyte membrane provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, wherein at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is a catalyst layer for a fuel cell described above.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층 중 적어도 어느 하나의 수소 이온 전달 저항은 0.2 Ω cm2 이하, 0.1 Ω cm2 이하, 바람직하게는 0.05 Ω cm2 이하이다. 경우 원활한 수소이온 전달로, 촉매 활용률을 향상할 수 있는 장점이 있다. 이때, 상기 촉매층의 수소이온전달저항은 낮으면 낮을수록 좋으므로, 이의 하한치는 특별히 한정하지 않는다.In one embodiment of the present specification, the hydrogen ion transfer resistance of at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is 0.2 Ω cm 2 or less, 0.1 Ω cm 2 or less, and preferably 0.05 Ω cm 2 or less. In the case of smooth hydrogen ion transfer, there is an advantage of improving the utilization rate of the catalyst. At this time, the lower the hydrogen ion transfer resistance of the catalyst layer, the better, so the lower limit is not particularly limited.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 막-전극 접합체의 옴 저항은 200 mΩ cm2이하, 바람직하게는 100 mΩ cm2이하, 더욱 바람직하게는 70 mΩ cm2이하일 수 있다. 이 경우, 막-전극 접합체의 성능 자체가 향상되는 효과가 있다. 상기 막-전극 접합체의 옴 저항은 막-전극 접합체의 캐소드 촉매층 또는 애노드 촉매층을 상술한 연료전지용 촉매 조성물로 제조하여 달성할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the ohmic resistance of the membrane-electrode assembly may be 200 mΩ cm 2 or less, preferably 100 mΩ cm 2 or less, and more preferably 70 mΩ cm 2 or less. In this case, the performance of the membrane-electrode assembly itself is improved. The ohmic resistance of the membrane-electrode assembly can be achieved by manufacturing the cathode catalyst layer or anode catalyst layer of the membrane-electrode assembly with the catalyst composition for the fuel cell described above.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매층의 수소이온전도도(σ)는 하기 식 1로 계산될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the hydrogen ion conductivity (σ) of the catalyst layer may be calculated by Equation 1 below.
[식 1][Equation 1]
R=t/AσR=t/Aσ
상기 식 1에서, R은 촉매층의 수소이온전달저항, t는 촉매층의 평균두께, A는 촉매층의 면적이다.In Equation 1, R is the hydrogen ion transfer resistance of the catalyst layer, t is the average thickness of the catalyst layer, and A is the area of the catalyst layer.
촉매층의 평균두께가 10㎛이고, 촉매층의 면적이 25cm2일 때, 상기 촉매층의수소이온전도도는 0.02 mS cm-1이상일 수 있으며, 구체적으로 0.03 mS cm-1이상일 수 있다. 이 경우 원활한 수소이온 전달로, 촉매 활용률을 향상할 수 있는 장점이 있다. 이때, 상기 촉매층의 수소이온전도도는 높으면 높을수록 좋으므로, 이의 상한치는 특별히 한정하지 않는다.When the average thickness of the catalyst layer is 10 μm and the area of the catalyst layer is 25 cm 2 , the hydrogen ion conductivity of the catalyst layer may be 0.02 mS cm −1 or more, and specifically, 0.03 mS cm −1 or more. In this case, there is an advantage of improving the utilization rate of the catalyst by smooth hydrogen ion transfer. At this time, the higher the hydrogen ion conductivity of the catalyst layer, the better, so the upper limit is not particularly limited.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매층의 평균두께는 3 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하일 수 있으며, 구체적으로 0.3mgPt/cm2(기준면적(1 cm2)당 Pt의 중량이 0.3mg)를 기준으로 할 때 5 ㎛ 이상 12㎛ 이하일 수 있다. 이 경우, 적절한 기공도와 수소이온전도도를 확보할 수 있는 장점이 있다.In one embodiment of the present specification, the average thickness of the catalyst layer may be 3 μm or more and 15 μm or less, and specifically, based on 0.3 mgPt/cm 2 (the weight of Pt per reference area (1 cm 2 ) is 0.3 mg). It may be 5 µm or more and 12 µm or less. In this case, there is an advantage of ensuring proper porosity and hydrogen ion conductivity.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질막은 고분자 전해질막일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the electrolyte membrane may be a polymer electrolyte membrane.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막은 상기 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되며, 상기 고분자 전해질막에 포함된 고분자는 이온 전도성 고분자일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the polymer electrolyte membrane is provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and the polymer contained in the polymer electrolyte membrane may be an ion conductive polymer.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자는 탄화수소계 고분자, 부분불소계 고분자 또는 불소계 고분자일 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 전해질막은 탄화수소계 고분자 전해질막 또는 불소계 고분자 전해질막일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the ion-conducting polymer may be a hydrocarbon-based polymer, a partially fluorine-based polymer, or a fluorine-based polymer. Specifically, the polymer electrolyte membrane may be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane or a fluorine-based polymer electrolyte membrane.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 탄화수소계 고분자는 플루오린기가 없는 탄화수소계 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있으며, 반대로 불소계 고분자는 플루오린기로 포화된 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있고, 상기 부분불소계 고분자는 플루오린기로 포화되지 않은 술폰화(sulfonated) 고분자일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the hydrocarbon-based polymer may be a hydrocarbon-based sulfonated polymer having no fluorine group, and on the contrary, the fluorine-based polymer may be a sulfonated polymer saturated with a fluorine group. The partially fluorine-based polymer may be a sulfonated polymer not saturated with a fluorine group.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이온 전도성 고분자는 퍼플루오르술폰산계 고분자, 탄화수소계 고분자, 방향족 술폰계 고분자, 방향족 케톤계 고분자, 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리비닐리덴 플루오라이드계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리 페닐렌옥사이드계 고분자, 폴리포스파젠계 고분자, 폴리에틸렌나프탈레이트계 고분자, 폴리에스테르계 고분자, 도핑된 폴리벤즈이미다졸계 고분자, 폴리에테르케톤계고분자, 폴리에테르에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 폴리술폰계고분자, 폴리피롤계 고분자 및 폴리아닐린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 고분자일 수 있다. 상기 고분자는 술폰화(sulfonated)하여 사용될 수 있으며, 단일 공중합체, 교대 공중합체, 랜덤 공중합체, 블록 공중합체, 멀티블록 공중합체 또는 그라프트 공중합체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present specification, the ion conductive polymer is a perfluorosulfonic acid-based polymer, a hydrocarbon-based polymer, an aromatic sulfone-based polymer, an aromatic ketone-based polymer, a polybenzimidazole-based polymer, a polystyrene-based polymer, a polyester-based polymer, Polyimide polymer, polyvinylidene fluoride polymer, polyether sulfone polymer, polyphenylene sulfide polymer, poly phenylene oxide polymer, polyphosphazene polymer, polyethylene naphthalate polymer, polyester polymer, One or two selected from the group consisting of doped polybenzimidazole polymers, polyether ketone polymers, polyether ether ketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, polysulfone polymers, polypyrrole polymers and polyaniline polymers It may be a polymer. The polymer may be sulfonated, and may be a single copolymer, an alternating copolymer, a random copolymer, a block copolymer, a multi-block copolymer, or a graft copolymer, but is not limited thereto.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막이 탄화수소계 고분자를 포함하는 경우, 친수성 블록과 소수성 블록을 포함하는 블록형 공중합체인 탄화수소계 고분자일 수 있다.In one embodiment of the present specification, when the polymer electrolyte membrane includes a hydrocarbon-based polymer, it may be a hydrocarbon-based polymer that is a block-type copolymer including a hydrophilic block and a hydrophobic block.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 고분자 전해질막의 평균두께는 1㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the average thickness of the polymer electrolyte membrane may be 1 μm or more and 100 μm or less.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 막 전극 접합체는 상기 캐소드 촉매층의 면 중 전해질막이 구비된 면의 반대면에 구비된 캐소드 기체확산층, 및 상기 애노드 촉매층의 면 중 전해질막이 구비된 면의 반대면에 구비된 애노드 기체확산층을 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the membrane electrode assembly has a cathode gas diffusion layer provided on an opposite side of the surface of the cathode catalyst layer provided with an electrolyte membrane, and an opposite surface of a surface of the anode catalyst layer provided with an electrolyte membrane An anode gas diffusion layer provided in may be further included.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 애노드 기체확산층 및 캐소드 기체확산층은 촉매층의 일면에 각각 구비되며, 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층은 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present specification, the anode gas diffusion layer and the cathode gas diffusion layer are respectively provided on one surface of the catalyst layer, and serve as a current conductor and a passage for reaction gas and water, and have a porous structure. Therefore, the gas diffusion layer may be formed of a conductive substrate.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 도전성 기재로는 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있으나, 예를 들면 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있으며 이에 한정되지 않는다.In one embodiment of the present specification, a conventional material known in the art may be used as the conductive substrate, for example, carbon paper, carbon cloth, or carbon felt. ) May be preferably used, but is not limited thereto.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 기체확산층의 평균두께는 100㎛ 이상 500㎛ 이하일 수 있다. 이 경우 가스확산층을 통한 반응물가스 전달 저항 최소화와 가스확산층 내 적정수분 함유 관점에서 최적의 상태가 되는 장점이 있다.In one embodiment of the present specification, the average thickness of the gas diffusion layer may be 100 μm or more and 500 μm or less. In this case, there is an advantage of minimizing the resistance of the reactant gas transmission through the gas diffusion layer and being in an optimal state from the viewpoint of containing adequate moisture in the gas diffusion layer.
본 명세서는 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.The present specification provides a fuel cell including the membrane-electrode assembly.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막 전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막(M)과 이 전해질막(M)의 양면에 형성되는 애노드(A) 및 캐소드(C)로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 애노드(A)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료(F)의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(M)을 통해 캐소드(C)으로 이동한다. 캐소드(C)에서는 전해질막(M)을 통해 전달된 수소 이온과, 산소와 같은 산화제(O) 및 전자가 반응하여 물(W)이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.FIG. 1 schematically shows the principle of electricity generation in a fuel cell. In a fuel cell, the most basic unit for generating electricity is a membrane electrode assembly (MEA), which is an electrolyte membrane M and this electrolyte membrane M It consists of an anode (A) and a cathode (C) formed on both sides of. Referring to Fig. Showing the electricity generating principle of a fuel cell 1, an anode (A) in the hydrogen or methanol, butane and the oxidation of the fuel (F) of the hydrocarbon and so on up the hydrogen ions (H +) and electron (e -), such as Occurs, and hydrogen ions move to the cathode C through the electrolyte membrane M. In the cathode C, hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane M react with oxidizing agent O such as oxygen and electrons to generate water W. The reaction causes electron movement to occur in the external circuit.
도 2에 도시된 바와 같이, 막 전극 접합체는 전해질막(10)과, 이 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 캐소드(50) 및 애노드(51)를 구비할 수 있다. 구체적으로, 캐소드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 구비된 캐소드 촉매층(20)과 캐소드 기체확산층(30)을 포함하고, 애노드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 구비된 애노드 촉매층(21)과 애노드 기체확산층 (31)을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly may include an
상기 연료전지용 전극 촉매층을 포함하는 연료전지는 전술한 연료전지용 전극 촉매층을 포함하는 것을 제외하고는, 당 기술분야에 알려진 재료 및 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 도 3을 참조하면, 상기 연료전지는 스택(60), 연료공급부(80) 및 산화제공급부(70)를 포함하여 형성된다.The fuel cell including the electrode catalyst layer for a fuel cell may be formed using materials and methods known in the art, except for including the electrode catalyst layer for a fuel cell described above. Referring to FIG. 3, the fuel cell is formed by including a
상기 스택(60)은 막-전극 접합체(MEA)를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.The
상기 연료 공급부(80)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The
상기 산화제 공급부(70)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(82)로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidizing
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be described in detail to specifically describe the present specification. However, the embodiments according to the present specification may be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not interpreted to be limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more fully describe the present specification to those skilled in the art.
<실시예 및 비교예><Examples and Comparative Examples>
<실시예 1><Example 1>
<셀룰로오스 화이버(fiber)의 준비><Preparation of cellulose fibers>
우렁쉥이 껍질에서 나노 셀룰로오스 화이버(fiber)를 검출하였다. 구체적으로, 상기 우렁쉥이 껍질을 5% 하이포아염소산을 통해 탈색하고, 우렁쉥이 껍질을 분쇄하여 분말을 얻은 후, 상기 우렁쉥이 껍질 분말을 HCl 등의 용액으로 산처리하였다. 이후, 산처리된 우렁쉥이 껍질 분말을 0.2㎛ 직경 크기를 갖는 포어를 포함하는 나일론 소재의 필터를 통해 필터링 하여 최종 셀룰로오스 나노 화이버를 검출하였다.Nanocellulose fibers were detected in the snail shell. Specifically, the snail shell was discolored through 5% hypochlorous acid, the snail shell was pulverized to obtain a powder, and the snail shell powder was acid treated with a solution such as HCl. Subsequently, the final cellulose nanofiber was detected by filtering the acid-treated snail shell powder through a filter made of a nylon material containing pores having a diameter of 0.2 μm.
전자 현미경을 통하여 종횡비가 50 이상인 나노 화이버가 검출된 것을 확인하였으며, 푸리에 변환 적외선 분광 방법(FT-IR: Fourier transform infrared)을 통하여 화이버 표면에 있는 술폰산 그룹을 검출할 수 있으며, 1350 cm-1 내지 1342 cm-1 및 1120 cm-1 내지 1230 cm-1 파장 범위에서의 피크(peak)를 통해 확인할 수 있다.It was confirmed that an nanofiber having an aspect ratio of 50 or more was detected through an electron microscope, and a sulfonic acid group on the fiber surface can be detected through a Fourier transform infrared (FT-IR) method, 1350 cm -1 to 1 1342 cm -1 and 1120 cm -1 to 1230 cm -1 can be confirmed through peaks in the wavelength range.
이때, 상기 셀룰로오스 화이버의 평균 직경은 100nm 이하이며, 길이가 10㎛ 이상이었다.At this time, the average diameter of the cellulose fibers was 100 nm or less, and the length was 10 µm or more.
<막-전극 접합체의 제조><Production of membrane-electrode assembly>
3M 825 불소계 이오노머를 1-프로판올(1-propanol)과 디프로필렌 글리콜(dipropylene glycol, DPG) 용매의 질량비율을 9 : 1로 조절하여 분산시키고, 여기에 상기 추출된 셀룰로오스 화이버(fiber) 3g을 첨가하였다. 이후, 30분간 2℃로 저온 유지시킨 후, 용액에 Tanaka사에서 판매하는 TEC 10F50E 촉매 1g을 첨가했다. 1시간 동안 초음파 분산 후 촉매층 조성물을 완성했다.The 3M 825 fluorine-based ionomer is dispersed by adjusting the mass ratio of 1-propanol and dipropylene glycol (DPG) solvent to 9:1, and 3 g of the extracted cellulose fiber is added thereto. Did. Thereafter, after maintaining at a low temperature of 2° C. for 30 minutes, 1 g of a TEC 10F50E catalyst sold by Tanaka was added to the solution. After ultrasonic dispersion for 1 hour, the catalyst layer composition was completed.
상기 촉매층 조성물을 준비된 폴리테트라플루오에틸렌(Polytetrafluoroethylene: PTFE) 필름 위에 닥터 블레이드를 이용하여 캐스팅한 후 35℃에서 30분 동안 1차 건조하고, 140℃에서 30분 동안 2차 건조하여 최종적으로 전극 촉매층을 제조하였다.After casting the catalyst layer composition on a prepared polytetrafluoroethylene (PTFE) film using a doctor blade, primary drying at 35° C. for 30 minutes, and secondary drying at 140° C. for 30 minutes to finally obtain an electrode catalyst layer. It was prepared.
전극촉매층을 적용한 막-전극 접합체의 평가를 진행하였다. 이때, 전해질막은 술폰화된 폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated Polyetheretherketone)계 탄화수소계 막을 사용하였으며, 가스확산층(GDL)은 JNTG사 JNT30-A3를 사용하였고, 두께는 280μm 내지 320 μm의 범위를 가지는 것을 사용했다. 가스확산층의 압축률은 25%로 설정하였고 이를 유지시키기 위해 글래스 파이버 시트(glass fiber sheet) 가스켓을 사용하였다. 막-전극 접합체의 활성 면적은 25 cm2으로 제조했다.The membrane-electrode assembly to which the electrode catalyst layer was applied was evaluated. At this time, as the electrolyte membrane, a sulfonated polyetheretherketone-based hydrocarbon membrane was used, and a gas diffusion layer (GDL) was used as JNTG JNT30-A3, and a thickness of 280 μm to 320 μm was used. did. The compression ratio of the gas diffusion layer was set to 25%, and a glass fiber sheet gasket was used to maintain it. The active area of the membrane-electrode assembly was prepared as 25 cm 2 .
<실시예 2, 3 및 비교예 1 및 2><Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 and 2>
셀룰로오스 화이버(fiber)의 함량을 아래 표 1과 같이 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 막-전극 접합체를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1, except that the content of cellulose fibers was changed as shown in Table 1 below.
<비교예 3><Comparative Example 3>
셀룰로오스 화이버(fiber)를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 막-전극 접합체를 제조하였다.A membrane-electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 1, except that cellulose fiber was not added.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 셀룰로오스 화이버의 촉매 또는 이오노머 기준으로 환산한 값을 아래 표 1에 나타내었다. 이때, 촉매의 중량은 모두 1g이었다.Table 1 below shows values converted based on the catalysts or ionomers of the cellulose fibers of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. At this time, the weight of the catalyst was all 1 g.
<실험예 1: I-V 성능 테스트><Experimental Example 1: I-V performance test>
실시예 및 비교예의 단위전지에 대한 성능은 나라셀의 PEMFC station 장비를 이용하였으며 정전류 모드로 I-V 성능을 측정했다. 구체적으로, 0 내지 1,500 mA/cm2 범위를 100 mA/cm2 스텝으로 스캔하여 측정하였으며, 0.6V에서의 mA/cm2 값으로 성능을 비교 했다. 단위 전지의 온도는 70℃, 상대습도는 100% RH 조건으로 운전하여 측정하였다. 그 결과를 아래 표 2 및 도 4에 나타냈다.The performance of the unit cells of Examples and Comparative Examples was measured using the PEMFC station equipment of Nara Cell and IV performance in a constant current mode. Specifically, the range of 0 to 1,500 mA/cm 2 was measured by scanning in 100 mA/cm 2 steps, and the performance was compared with the mA/cm 2 value at 0.6V. The unit cell temperature was measured by operating at 70°C and relative humidity at 100% RH. The results are shown in Table 2 and FIG. 4 below.
<실험예 2: 산소 확산 저항 성능 테스트><Experimental Example 2: Oxygen diffusion resistance performance test>
실시예 및 비교예의 단위전지에 대한 성능은 전기화학적 임피던스 장비(Biologic 사의 HCP-803)를 이용하여 측정하였다. 애노드 측에는 수소 가스를 450mL/min으로 투입하고, 캐소드 측에는 1:99의 산소/질소 혼합가스를 투입하여 voltage scan을 통해 반응하는 전류값을 얻을 수 있었다. 이를 바탕으로 아래 문헌에 기재된 계산식에 대입하여 산소 확산 저항값을 계산하였다. 상기 산소 확산 저항 성능 테스트는, 공지된 문헌[Journal of electrochemical society, 158 (4) B416-B423 (2011)]에 기재된 측정 공정이다.The performance of the unit cells of Examples and Comparative Examples was measured using an electrochemical impedance device (HCP-803 from Biologic). Hydrogen gas was injected at 450 mL/min on the anode side, and a mixed oxygen/nitrogen gas of 1:99 was added on the cathode side to obtain a current value reacting through a voltage scan. Based on this, the oxygen diffusion resistance value was calculated by substituting into the calculation formula described in the literature below. The oxygen diffusion resistance performance test is a measurement process described in a known literature of the Journal of electrochemical society, 158 (4) B416-B423 (2011).
(mA/cm2)Performance (@0.6V, 100% RH)
(mA/cm 2 )
상기 결과로부터, 촉매층이 셀룰로오스를 포함할 때, 촉매층 성능이 개선되고, 산소 확산 저항이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 셀룰로오스의 함량이 일정 범위로 조절하는 경우(실시예 1 내지 3)에 상기 성능이 특히 좋은 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 셀룰로오스의 함량이 너무 많은 비교예 1 및 2는 오히려 성능이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.From the above results, it was confirmed that when the catalyst layer contains cellulose, the performance of the catalyst layer is improved and the oxygen diffusion resistance is decreased. On the other hand, when the content of cellulose is adjusted to a certain range (Examples 1 to 3), it was confirmed that the performance is particularly good. On the other hand, it was confirmed that Comparative Examples 1 and 2 having too much cellulose content had poor performance.
Claims (15)
촉매; 및
셀룰로오스 화이버(fiber)를 포함하고, 상기 촉매 100 중량부에 대한 상기 셀룰로오스 화이버의 중량비는 1 중량% 이상 10 중량% 이하인 연료전지용 촉매 조성물.Ionomers;
catalyst; And
A catalyst composition for a fuel cell comprising cellulose fiber, wherein a weight ratio of the cellulose fiber to 100 parts by weight of the catalyst is 1% by weight or more and 10% by weight or less.
촉매; 및
이오노머를 포함하는 연료전지용 촉매층.The method according to claim 13, Cellulose fiber (fiber) contained in 1 to 10% by weight based on the total weight of the catalyst layer for the fuel cell;
catalyst; And
Catalyst layer for fuel cell containing ionomer.
상기 캐소드 촉매층 및 상기 애노드 촉매층 중 어느 하나 이상은 청구항 13에 따른 연료전지용 촉매층인 것인 막-전극 접합체.Cathode catalyst layer; Anode catalyst layer; And an electrolyte membrane provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer,
Membrane-electrode assembly wherein at least one of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is a catalyst layer for a fuel cell according to claim 13.
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