KR20200082356A - 연료전지 전극 형성용 조성물, 이를 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체 - Google Patents

연료전지 전극 형성용 조성물, 이를 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체 Download PDF

Info

Publication number
KR20200082356A
KR20200082356A KR1020180172868A KR20180172868A KR20200082356A KR 20200082356 A KR20200082356 A KR 20200082356A KR 1020180172868 A KR1020180172868 A KR 1020180172868A KR 20180172868 A KR20180172868 A KR 20180172868A KR 20200082356 A KR20200082356 A KR 20200082356A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
fuel cell
indium hydroxide
catalyst
weight
Prior art date
Application number
KR1020180172868A
Other languages
English (en)
Inventor
안승연
양회택
김용수
양휘찬
이창형
김태윤
Original Assignee
주식회사 동진쎄미켐
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 주식회사 동진쎄미켐 filed Critical 주식회사 동진쎄미켐
Priority to KR1020180172868A priority Critical patent/KR20200082356A/ko
Publication of KR20200082356A publication Critical patent/KR20200082356A/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
    • H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • 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
    • H01M4/8605—Porous electrodes
    • H01M4/861—Porous electrodes with a gradient in the porosity
    • 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
    • H01M4/8663—Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/8668—Binders
    • 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
    • H01M4/92—Metals of platinum group
    • 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
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • 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
    • 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
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

균일한 크기의 기공을 가지는 연료전지 전극을 형성할 수 있는 조성물, 이를 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체이 개시된다. 상기 연료전지 전극 형성용 조성물은 촉매; 바인더 수지; 수산화인듐; 및 용매를 포함한다.

Description

연료전지 전극 형성용 조성물, 이를 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체{Composition for forming fuel cell electrode, porous electrode and membrane-electrode assembly formed from the same}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 균일한 크기의 기공을 가지는 연료전지 전극을 형성할 수 있는 조성물, 이를 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 변환시키는 발전 장치이다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 인산형(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융 탄산염형(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고분자 전해질형(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 직접 메탄올형(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) 등으로 구분된다. 이 중 고분자 전해질 연료전지는 에너지 밀도 및 출력이 높으며 작동온도가 낮으므로, 가정용 및 자동차의 전력 공급용 전지로 활발하게 연구되고 있다.
통상적인 고분자 전해질형 연료전지는 전기를 생산하는 단위 전지로서 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)를 포함한다. 도 1은 고분자 전해질형 연료전지에 사용되는 막-전극 접합체의 구조를 보여주는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고분자 전해질형 연료전지의 막-전극 접합체는 산소(공기) 가 공급되는 양극(20, Cathode, "공기극", "산소극" 또는 "환원 전극" 이라고도 함), 수소가 공급되는 음극(30, Anode, "연료극" 또는 "산화 전극" 이라고도 함) 및 상기 양극(20) 및 음극(30) 사이에 위치하며, 수소이온이 이동하는 고분자 전해질막(10)을 포함한다. 상기 음극(30)은 반응 기체(수소)를 고르게 분포시키고 발생된 전기를 전달하는 기체확산층(34, Gas Diffusion Layer, GDL) 및 공급된 수소를 촉매 작용에 의해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해시키는 음극 전극(32, 촉매층)를 포함하고, 상기 양극(20)은 전해질막(10)을 통하여 공급된 수소이온과 외부로부터 공급된 공기 중의 산소를 반응시켜 물을 생성하는 양극 전극(22, 촉매층) 및 반응 기체(공기)를 고르게 분포시키고 발생된 전기를 전달하는 기체확산층(24)를 포함한다. 이러한 고분자 전해질형 연료전지의 전극반응을 반응식으로 나타내면 아래와 같다.
[음극(30)에서의 반응] 2H2 → 4H+ + 4e-
[양극(20)에서의 반응] O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
상기 전극(22, 32)은 반응 기체의 산화 또는 환원 반응을 유도하는 백금 등의 촉매와 상기 촉매를 지지하고 결합시키며, 수소 이온을 이동시키는 이오노머 바인더(ionomer binder)로 이루어진다. 또한 상기 전극(22, 32)에는 반응물(공기 또는 수소)을 전극(22, 32) 내부로 전달하여, 반응물이 각각의 백금 촉매에 도달하는 경로를 제공하기 위하여, 약 0.01 내지 0.2 ㎛의 직경을 가지는 다수의 미세 기공이 형성되어 있다. 그러나, 고분자 전해질형 연료전지의 막-전극 접합체에 있어서, 이러한 미세 기공만으로는 반응물의 공급이 원활하지 않으며, 특히 고전류 영역에서는 많은 양의 반응물이 이동해야 하기 때문에 반응물의 공급 경로가 불충분한 문제가 있다. 반응물의 공급 문제에 의해 고전류 영역에서 연료전지 성능이 감소하는 현상을 물질전달저항(mass transfer resistance)에 의한 성능 감소라 한다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 전극(22, 32)을 형성하는 촉매 슬러리에 건식 실리카(fumed silica)를 혼합하여 전극(22, 32)을 만들고 이를 염기성 용액으로 녹여내 기공을 형성하는 방법이 미국 특허 6649299호에 개시되어 있다. 또한, 기체확산층(24, 34)에 반응물이 공급되는 기공을 형성하기 위하여, 무기산화물, 알칼리 금속의 탄산염, 고체 고분자 물질 등을 사용하는 기술이 대한민국 특허공개 10-2008-0044493호에 개시되어 있다. 그러나, 상기 선행 문헌들에 개시된 기공 형성 방법의 경우, 형성된 기공의 크기가 작거나 불균일하여, 반응물의 공급 및 생성물의 배출이 원활히 이루어지지 못하는 단점이 있다. 또한, 대한민국 특허공개 10-2016-0118590호에는 알루미늄 하이드록사이드를 포함하는 막-전극 접합체가 개시된 바 있으나, 전극 내에 미세기공이 효과적으로 형성되지 못하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 전극에 형성되는 기공 구조를 확장하여 반응물의 공급을 원활히 하여 고전류 영역에서도 높은 성능을 나타낼 수 있는 연료전지 전극 형성용 조성물, 이를 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 전극에 형성되는 기공의 크기를 조절하여, 균일한 크기의 기공을 형성할 수 있는 연료전지 전극 형성용 조성물, 이를 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 촉매; 바인더 수지; 수산화인듐; 및 용매를 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은, 촉매; 및 바인더 수지를 포함하며, 평균 직경이 0.1 내지 100 nm인 기공이 형성되어 있는 연료전지 전극을 제공한다.
또한, 본 발명은, 산화 반응이 일어나는 음극 전극; 환원 반응이 일어나는 양극 전극; 및 상기 양극 전극 및 음극 전극 사이에 위치하며, 수소이온이 이동하는 고분자 전해질막을 포함하며, 상기 음극 전극 및 양극 전극의 어느 하나 이상은 산화 반응 또는 환원 반응을 촉진하는 촉매; 및 바인더 수지를 포함하며, 평균 직경이 0.1 내지 100 nm인 기공을 포함하는 것인, 막-전극 접합체를 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지 전극 형성용 조성물은, 전극에 형성되는 기공의 크기를 조절하여, 기공 구조를 확장하고, 균일한 크기의 기공을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 전극 형성용 조성물을 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체는 반응물의 공급을 원활히 하여 고전류 영역에서도 높은 성능을 나타낼 수 있다.
도 1은 고분자 전해질형 연료전지에 사용되는 막-전극 접합체의 구조를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 촉매층의 기공 크기 측정 결과를 보여주는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 있어서, 반응물에 의한 전기화학 반응은 연료전지 내부에 있는 전극층(촉매층)에서 일어나게 되며, 이때 발생된 수소 이온은 전극층 내부의 전해질(이오노머; ionomer)과 고분자 전해질막(polymer membrane)을 통해 이동하고, 전자는 전극층, 기체확산층, 분리판을 통해 전기 발생 장치로 들어가게 된다. 이때, 전극층 내부의 전해질은 고분자 전해질막과 같이 수소이온을 음극에서 양극으로 전달하는 역할을 한다. 원활한 전기 화학 반응을 위해서는 반응물이 전극층 내부에 있는 촉매에 원활이 도달하여야 하며, 이를 위하여 전극에는 적절한 크기의 미세기공이 균일하게 형성되어 있어야 한다.
본 발명에 따른 연료전지 전극 형성용 조성물은 촉매, 바인더 수지, 수산화인듐(Indium(Ⅲ) hydroxide, In(OH)3) 및 용매를 포함한다.
상기 촉매로는 연료전지의 산화-환원 반응에 참여하여, 산화 반응 또는 환원 반응을 촉진하는 촉매로 작용하는 물질을 특별한 제한없이 사용할 수 있으며, 대표적으로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금(Pt), 백금-루테늄(Rh) 합금, 백금-오스뮴(Os) 합금, 백금-팔라듐(Pd) 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W 등의 전이 금속) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매의 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 양극 전극 및 음극 전극의 형성에 있어서, 동일한 촉매를 사용하여도 무방하나, 직접 산화 연료 전지에서는 음극 전극 반응 중에서 발생되는 CO에 의한 촉매 피독 현상이 발생하므로, 이를 방지하기 위하여, 음극 전극 촉매로서 백금-루테늄 합금 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 이러한 백금 촉매는 촉매 자체를 사용하거나, 담체에 담지시켜 사용할 수 있다. 이러한 담체로는 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케젠 블랙(Ketjen black), 아세틸렌 블랙(Acetylene black), 활성 탄소, 카본 나노 튜브(Carbon nanotube), 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 에어로겔, 카본나노링 등의 탄소계 물질을 사용할 수 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용될 수 있다.
상기 촉매에 있어서, 촉매 중 백금의 함유량은 0.1 내지 100 중량%, 구체적으로는 0.1 내지 70 중량%, 더욱 구체적으로는 0.1 내지 60 중량%이다. 담지 촉매를 사용할 경우, 백금의 양은 담지 촉매 전체에 대하여 0.1 내지 50 중량%, 더욱 구체적으로 0.1 내지 40 중량%이다. 여기서, 상기 백금의 함유량이 너무 작으면, 산화-환원 반응이 불충분하게 수행되어, 발전 효율이 저하될 우려가 있고, 백금의 함유량이 너무 많으면, 제조 비용이 과도하게 증가하는 문제가 있다.
상기 바인더 수지로는 상기 촉매를 지지하고 결합시킬 수 있는 기계적 강도와, 수소 이온을 이동시키는 수소 이온 전도성을 가지는 고분자 수지를 사용할 수 있고, 구체적으로는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 가지는 고분자 수지를 특별한 제한없이 사용할 수 있다. 상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 이들의 공중합체, 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는 폴리(퍼플루오로술폰산) (일반적으로 나피온으로 시판됨), 폴리(퍼플루오로 카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸 (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'- bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 들 수 있다.
상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용 가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로 에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라 플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/ 테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로 트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 공중합체(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산, 소르비톨(Sorbitol), 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것이 보다 바람직하다. 상기 비전도성 화합물은 바인더 수지 100 중량부에 대하여 0.1 내지 20 중량부의 함량으로 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 비전도성 화합물이 과량으로 포함될 경우 전극 특성이 저하되는 문제가 있으며, 미량의 비전도성 화합물이 포함될 경우 접착 특성이 향상되지 않을 수 있다.
상기 수산화인듐(Indium(Ⅲ) hydroxide, In(OH)3)은 본 발명의 전극 형성용 조성물을 이용하여 전극을 형성할 때, 전극 내부에 미세 기공을 형성하는 기공 형성제의 역할을 한다. 상기 수산화인듐(In(OH)3)의 입자 크기는 0.1 내지 100 ㎚, 예를 들면 5 내지 80 nm이다. 여기서, 상기 수산화인듐의 입자 크기가 너무 작으면, 전극에 형성되는 미세 기공의 크기가 너무 작아, 반응물 및 생성물의 이동이 원활히 이루어지지 않을 우려가 있고, 상기 수산화인듐의 입자 크기가 너무 크면, 미세 기공이 형성되지 않고, 접촉 저항으로 작용할 우려가 있다. 만일, 수산화인듐의 크기가 너무 크면, 수산화인듐을 용매에 녹여 슬러리를 형성하고, 수산화인듐 슬러리를 분쇄기를 이용하여 분쇄하여, 원하는 크기의 입자 크기를 가지는 수산화인듐을 제조할 수 있다.
상기 용매는 촉매, 바인더 수지 및 수산화인듐을 분산시키는 역할을 하는 것으로서, 상기 용매로는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로필알코올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라에틸렌글리콜, 글리세롤, 디메틸에테르, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 아세톤, 아세토니트릴, 디메틸포름아마이드, 니트로메탄, N-메틸- 2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), 디메틸술폭사이드, 헥사메틸포스포아마이드, 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있고, 구체적으로는 N-메틸- 2-피롤리돈을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 전극 형성용 조성물에 있어서, 상기 촉매의 함량은 5 내지 90 중량%, 구체적으로는 7 내지 80 중량%, 더욱 구체적으로는 10 내지 70 중량%이고, 상기 바인더 수지의 함량은 1 내지 30 중량%, 구체적으로는 2 내지 20 중량%, 더욱 구체적으로는 3 내지 15 중량%이며, 상기 수산화인듐(In(OH)3) 기공 형성제의 함량은 0.01 내지 20 중량%, 구체적으로는 0.01 내지 15 중량%, 더욱 구체적으로는 0.01 내지 10 중량%이며, 나머지 성분은 용매이다. 구체적으로, 상기 용매의 함량은 8.9 내지 93.9 중량%, 구체적으로는 17.5 내지 90.5 중량%, 더욱 구체적으로는 26 내지 86 중량%일 수 있다. 여기서, 상기 촉매의 함량이 너무 작으면, 산화-환원 반응이 불충분하게 수행되어, 발전 효율이 저하될 우려가 있고, 촉매의 함유량이 너무 많으면, 제조 비용이 과도하게 증가하는 문제가 있다. 상기 바인더 수지의 함량이 너무 작으면, 촉매층의 지지력이 저하되어 성능이 감소하고, 너무 많으면 물질 전달을 방해하여 성능이 감소할 우려가 있다. 또한, 상기 수산화인듐의 함량이 너무 작으면 기공 형성이 미미하고, 너무 많으면 전극 구조가 붕괴될 수 우려가 있다.
본 발명에 따른 전극 형성용 조성물은 각 성분을 통상의 방법으로 혼합하여 제조할 수 있다. 예를 들면, 백금 촉매와 용매를 혼합하고 초음파를 가하면서 교반하여 분산시킨 뒤, 바인더 수지 및 기공 형성제를 첨가하고, 다시 초음파를 가하면서 교반하여 분산시킨다. 이때, 적절한 고체 함유량(solid content)과 점도를 맞추기 위해 감압 또는 가열하여 용매를 증발시킬 수 있다. 전극 형성용 조성물의 고체 함유량(solid content)은 5 내지 30 중량%가 적절하다. 제조한 조성물은 촉매 및 기공 형성제의 입도를 조절하기 위하여 회전 분쇄기(planetary bead mill)를 이용하여 분쇄할 수 있다.
본 발명에 따른 전극 형성용 조성물을 이용하여 전극을 형성하기 위해서는, 촉매 조성물을 예를 들면, 5 내지 100 ㎛의 두께로 전극 기재 또는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)에 코팅하고, 용매를 휘발시켜 전극층을 만든 다음, 제조된 전극층을 인산 용액에 침지시켜 기공 형성제를 제거한 후, 필요에 따라 세척하여, 기공이 형성된 전극, 구체적으로 촉매층을 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 전극 형성용 조성물로부터 용매가 휘발되어 형성된 전극을 인산 등의 용액에 침지시키면, 전극 형성용 조성물의 수산화인듐 중, 약 5 내지 95 중량%가 용해되어, 촉매층에 기공을 형성하며, 나머지 약 5 내지 95 중량%의 수산화인듐은 촉매층(연료전지의 전극)에 잔류한다. 예를 들어, 본 발명의 전극 형성용 조성물에 의하여 형성된 전극은, 전극 전체 전극에 대하여 0.01 내지 20 중량%, 구체적으로는 0.01 내지 10 중량%의 수산화인듐을 포함할 수 있다.
상기 촉매 조성물의 코팅은 와이어-바(wire-bar) 코팅 등의 통상의 코팅 방법으로 수행될 수 있다. 기공 형성제의 제거를 위한 인산 용액은 30 내지 95 중량% 농도의 인산 수용액을 사용할 수 있다. 상기 인산 용액의 농도가 너무 낮으면, 용액의 양이 많이 필요하여 비경제적이고, 너무 높으면, 촉매 금속이 손상될 우려가 있다. 상기 세척 과정은 증류수로 수행될 수 있다.
본 발명의 연료전지 전극(구체적으로, 촉매층)은, 구체적으로 수산화인듐; 촉매; 및 바인더 수지를 포함하며, 평균 직경이 0.1 내지 100 nm, 예를 들면 0.5 내지 90 nm, 구체적으로는 1 내지 80 nm인 미세 기공을 포함한다. 본 발명의 연료전지 전극은, 두께가 5 내지 100 ㎛, 예를 들면 30 내지 70 ㎛이고, 전극에 형성되어 있는 미세기공은 평균 직경이 0.1 내지 100 nm인 미세기공을 포함할 수 있다. 즉, 1 ㎛ 이하의 크기로 설명할 수 있는 미세기공에 있어서, 본 발명의 연료전지 전극은 특히 평균 직경이 0.1 내지 100 nm인 미세기공을 포함할 수 있다. 또한, 전체 미세기공의 개수에 대하여, 직경이 0.1 내지 100 nm인 미세기공의 비율은 5 내지 95%이다. 이와 같은 미세기공의 분포 비율은 수은 침투를 이용한 방법으로 측정할 수 있다. 이와 같이 미세기공의 크기를 제어함으로써, 확산저항 감소 및 연료 분산율이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
만약, 전극에 형성된 기공 중 0.1 nm 보다 작은 평균 직경을 갖는 미세기공이 많을 경우, 반응 기체의 확산 저항이 증가할 우려가 있고, 평균 직경이 100 nm를 초과하는 미세기공이 많을 경우 오히려 접촉 저항으로 작용할 문제가 있다. 또한, 상기 전극의 전체 부피에 대하여 미세기공의 부피는 0.01 내지 20 %, 구체적으로는 0.01 내지 10 %이다. 상기 촉매층에 형성된 기공의 크기 및 부피는 AutoPore IV 9500 수은 기공 측정기(미국, Micromerirics사 제품)를 이용하여 외부로부터 압력을 가하여 기공에 수은을 침투시키는 방법으로 측정될 수 있다. 전체 전극 부피에 대한 미세기공의 부피가 0.01 % 미만일 경우에는 기공 부족으로 인하여 전극 특성이 저하될 수 있으며, 미세기공의 부피가 20%를 초과하는 경우에는 전극 구조가 붕괴될 수 있는 문제가 있다.
본 발명의 연료전지 전극은, 전극 전체 전극 중량에 대하여, 0.01 내지 20 중량%의 수산화인듐을 포함할 수 있다. 전극에 기공을 형성시키는 수산화인듐은 인산 등의 용액에 침지시키면, 전체 수산화인듐 중 약 5 내지 95 중량%가 용해되어 촉매층에 기공을 형성하며, 나머지 약 5 내지 95 중량%의 수산화인듐은 전극(촉매층)에 잔류한다. 잔류하는 일부의 수산화인듐은 전해질 역할을 하는 인산이 빠져나가는 것을 억제하는 효과가 있으며, 잔류하는 수산화인듐의 함량이 너무 적을 경우, 인산이 빠져나가는 것을 억제하는 효과를 나타낼 수 없는 문제가 있으며, 과량의 수산화 인듐이 잔류할 경우에는 오히려 전극 특성을 저해하는 문제가 발생할 수 있다. 본 발명에 의하면, 전극 형성용 조성물에 포함되는 수산화인듐 함량에 따라, 미세기공의 크기 및 분포를 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 최적의 미세구조를 갖는 전극을 제조하여, 반응기체에 대한 확산저항을 낮추고, 연료 분산율을 개선하며, 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 막-전극 접합체는 통상의 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들면, 기체확산층(24, 34, 도 1 참조) 또는 전극 기재 위에 상기 방법을 통하여 전극(22, 32)을 형성하고, 이것을 고분자 전해질막(10)과 열압착하여 제조하거나, 상기 전극 형성용 조성물을 고분자 전해질막(10)에 직접 코팅하고, 가열 및 기공 형성 과정을 수행하여, 전극(22, 32)을 형성한 다음, 기체 확산층(24, 34)과 열압착하여 제조할 수 있다. 또 다른 방법으로는, 상기 전극 형성용 조성물을 이형지에 코팅하여, 전극(22, 32)을 형성하고, 이를 고분자 전해질막(10)에 전사한 후, 이를 기체확산층(24, 34)과 접합할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 막-전극 접합체는 수소가 공급되어 환원 반응이 일어나는 양극 전극(22), 산소(공기)가 공급되어 산화 반응이 일어나는 음극 전극(32) 및 상기 양극 전극(22) 및 음극 전극(32) 사이에 위치하며, 수소이온이 이동하는 고분자 전해질막(10)을 포함한다.
음극(30)은 반응 기체(수소)를 고르게 분포시키고 발생된 전기를 전달하는 기체확산층(34) 및 공급된 수소를 촉매 작용에 의해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해시키는 음극 전극(32)를 포함할 수 있고, 양극(20)은 전해질막(10)을 통하여 공급된 수소이온과 외부로부터 공급된 공기 중의 산소를 반응시켜 물을 생성하는 양극 전극(22) 및 반응 기체(공기)를 고르게 분포시키고 발생된 전기를 전달하는 기체확산층(24)를 포함할 수 있다.
상기 음극 전극 및 양극 전극의 어느 하나 이상은 산화 반응 또는 환원 반응을 촉진하는 촉매 및 바인더 수지를 포함하며, 평균 직경이 0.1 내지 100 nm인 미세 기공을 포함할 수 있으며, 전극 중으로는 수산화인듐이 0.01 내지 20 중량% 포함됨에 따라 전해질 역할을 하는 인산이 빠져나가는 것을 억제하는 효과를 나타낼 수 있다.
상기 고분자 전해질막(10)은 음극 전극(32)에서 생성된 수소 이온을 양극 전극(22)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 하는 통상의 전해질막으로서, 전도성이 우수한 고분자로 이루어지고, 예를 들면, 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지로 이루어질 수 있다. 상기 고분자 수지의 대표적인 예로는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 이들의 공중합체, 및 이들의 혼합물로 등을 예시할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예1] 막 전극 접합체의 제조
양극용 촉매로서 백금 촉매 4 g, 바인더 수지로서 폴리비닐리덴 플루오라이드 1.2 g, 기공 형성제로서 입자 크기가 100 nm 이하인 수산화인듐(In(OH)3) 2.8 g, 용매로서 N-메틸- 2-피롤리돈 32 g을 혼합하여 양극 전극 형성용 조성물을 준비하였다. 또한, 음극용 촉매로서 백금 촉매 4 g, 바인더 수지로서 폴리비닐리덴 플루오라이드 1.2 g, 기공 형성제로서 입자 크기가 100 ㎛ 이하인 수산화인듐(In(OH)3) 2.8 g, 및 용매로서 N-메틸- 2-피롤리돈 32 g을 혼합하여 음극 전극 형성용 조성물을 준비하였다.
전극 기재 위에 상기 촉매층 코팅용 조성물을 와이어-바(wire-bar) 코터로 각각 코팅하고, 80 ℃에서 60분 및 150 ℃에서 40분 동안 건조시켜 용매를 휘발시킴으로써, 양극 및 음극 전극을 형성하였다. 제조된 전극을 85 중량% 인산 수용액에 담그고, 12시간 후에 증류수로 세척하고 80 ℃에서 건조시켜, 5000 nm 이하의 기공을 갖는 촉매층을 형성하였다. 제조된 촉매층의 기공 크기 측정 결과를 도 2에 나타내었다. 상기 촉매층에 형성된 기공의 크기는 AutoPore IV 9500 수은기공 측정기(미국, Micromerirics사 제품)를 이용하여 외부로부터 압력을 가하여 기공에 액체를 침투시키는 방법으로 측정될 수 있다. 도 2의 세로축은 기공 크기에 따른 부피 비율을 나타낸다. 도 2에서 보는 것과 같이 100 ㎚ 이하의 미세기공 비율이 전체 기공의 40% 이상을 차지하였다. 가스켓이 부착된 상기 양극 및 음극 전극을 고분자 전해질막에 접합하여 막-전극 접합체를 제조하였다. 얻어진 막-전극 접합체의 전지(cell) 전압은 0.689 V @ 0.2 A/㎠ 였다. 이하의 실시예 및 비교예에 있어서, 수산화인듐의 함량과 용해시간을 조절하여 미세기공의 부피 비율을 제어하였다.
[실시예 2] 막 전극 접합체의 제조
기공형성제로 평균 입자 크기가 200 nm인 수산화인듐을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 막 전극 접합체를 제조하였다.
[실시예 3] 막 전극 접합체의 제조
80℃ 조건으로 수산화인듐을 인산에 0.5시간 용해시켜 전극 전체 기공 부피 중 100 nm 이하의 미세기공 부피의 비율을 0.005 %로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 막 전극 접합체를 제조하였다.
[실시예 4] 막 전극 접합체의 제조
80℃ 조건으로 수산화인듐을 인산에 용해시켜 전극 전체 기공 부피 중 100nm 이하의 미세기공 부피의 비율을 약 25%로 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 막 전극 접합체를 제조하였다.
[실시예 5] 막 전극 접합체의 제조
전체 조성물 중 수산화인듐을 0.001 중량%로 조절한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 막-전극 접합체를 제조하였다.
[실시예 6] 막 전극 접합체의 제조
전체 조성물 중 수산화인듐을 21 중량%로 조절한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 막-전극 접합체를 제조하였다.
[실시예 7] 막 전극 접합체의 제조
80℃ 조건으로 수산화인듐을 인산에 용해시켜 전극 전체 중량 중 수산화인듐이 23 중량% 잔류하도록 한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 막 전극 접합체를 제조하였다.
[실시예 8] 막 전극 접합체의 제조
80℃ 조건으로 수산화인듐을 인산에 용해시켜 전극 전체 중량 중 수산화인듐이 0.005 중량% 잔류하도록 한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 막 전극 접합체를 제조하였다.
[실시예 9] 막 전극 접합체의 제조
양극용 촉매로서 백금 촉매 4 g, 바인더 수지로서 폴리비닐리덴 플루오라이드 1.2 g, 기공 형성제로서 입자 크기가 100 nm 이하인 수산화인듐(In(OH)3) 0.04 g, 용매로서 N-메틸- 2-피롤리돈 32 g을 혼합하여 양극 전극 형성용 조성물을 준비하였다. 또한, 음극용 촉매로서 백금 촉매 4 g, 바인더 수지로서 폴리비닐리덴 플루오라이드 1.2 g, 기공 형성제로서 입자 크기가 100 ㎛ 이하인 수산화인듐(In(OH)3) 0.04 g, 및 용매로서 N-메틸-2-피롤리돈 32 g을 혼합하여 음극 전극 형성용 조성물을 준비한 것을 제외하면, 실시예 1과 동일하게 수행하여 막-전극 접합체를 제조하였다. 얻어진 막-전극 접합체의 전지(cell) 전압은 0.682 V @ 0.2 A/㎠ 였다.
[실시예 10] 막 전극 접합체의 제조
전체 조성물 중 수산화인듐을 20 중량%로 조절한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 막-전극 접합체를 제조하였다.
[실시예 11] 막 전극 접합체의 제조
전체 조성물 중 수산화인듐을 0.01 중량%로 조절한 것을 제외하면 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 막-전극 접합체를 제조하였다.
[실시예 12] 막 전극 접합체의 제조
80℃ 조건으로 수산화인듐을 인산에 용해시켜 전극 전체 중량 중 수산화인듐이 19.5 중량% 잔류하도록 한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 막 전극 접합체를 제조하였다.
[실시예 13] 막 전극 접합체의 제조
80℃ 조건으로 수산화인듐을 인산에 용해시켜 전극 전체 중량 중 수산화인듐이 0.017 중량% 잔류하도록 한 것을 제외하면, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 막 전극 접합체를 제조하였다.
[비교예 1] 막 전극 접합체의 제조
양극용 촉매로서 백금 촉매 4 g, 바인더 수지로서 폴리비닐리덴 플루오라이드 1.2 g, 및 용매로서 N-메틸-2-피롤리돈 32 g을 혼합하여 양극 촉매층 형성용 조성물을 준비하였다. 또한, 음극용 촉매로서 백금 촉매 4 g, 바인더 수지로서 폴리비닐리덴 플루오라이드 1.2 g, 및 용매로서 N-메틸- 2-피롤리돈 32 g을 혼합하여 음극 촉매층 형성용 조성물을 준비하였다. 전극 기재 위에 상기 촉매층 코팅용 조성물을 와이어-바(wire-bar) 코터로 각각 코팅하고, 80 ℃에서 60분 및 150 ℃에서 40분 동안 건조시켜 용매를 휘발시킴으로써, 양극 및 음극 전극을 형성하였다. 가스켓이 부착된 양극 및 음극 전극을 고분자 전해질막에 접합하여 막-전극 접합체를 제조하였다. 얻어진 막-전극 접합체의 전지 전압은 0.670 V @ 0.2 A/㎠ 였다.
[비교예 2] 막 전극 접합체의 제조
기공형성제로 수산화인듐이 아닌 실리카 나노입자(입자 크기 30 nm)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 막 전극 접합체를 제조하였다.
[비교예 3] 막 전극 접합체의 제조
기공형성제로 수산화인듐이 아닌 수산화 알루미늄 (입자 크기 3 ㎛을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 막 전극 접합체를 제조하였다.
[시험예] 단위전지 성능 평가
실시예 및 비교예에 따른 막-전극 접합체를 포함하는 단위 전지의 성능을 시험하기 위하여, 전극 기재층(SGL 35DC, SGL Carbon Group)을 사용하고 셀 체결압을 40 torque로 하고, 활성화 면적이 25 cm2인 단위 전지들을 조립하였다. 셀 온도는 150 ℃, 수소극과 공기극 유량은 각각 1.5, 2.0 stoichiometry로 하였고, 전지 활성화는 30 시간 이상 실시하였다. 제조된 전지의 성능을 평가하여, 그 결과를 아래 표 1에 나타내었다. 이하에서, 전극 내 미세기공 부피 비율은 평균 직경이 0.1 내지 100 nm에 해당하는 미세기공을 측정한 것이다.
조성물 중
수산화인듐
함량
(중량%)		 수산화인듐
입자크기
(nm)		 전극 내
수산화인듐
잔류량
(중량%)		 전극 내
미세기공
부피비율
(%)		 전지 성능
비교예 1 0 - - 0.001 0.670 V @ 0.2 A/cm2
비교예 2 0
(실리카 7)		 - - 16.3 0.673 V @ 0.2 A/cm2
비교예 3 0
(수산화알루미늄 7)		 - - 0.001 0.671 V @ 0.2 A/cm2
실시예 1 7 100 5.9 15.7 0.689 V @ 0.2 A/cm2
표 1에서 나타낸 바와 같이, 수산화인듐을 포함하지 않는 조성물(비교예 1 및 3)을 사용할 경우, 미세기공이 형성되지 않아 제조된 전지의 성능이 저하됨을 알 수 있다. 또한, 기존의 실리카 기공형성제를 사용할 경우, 미세기공이 형성되긴 하나, 수산화인듐이 전극에 포함되는 실시예 1이 더욱 높은 전지 성능을 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 표 2에서, 전극 내 미세기공 부피 비율은 평균 직경이 0.1 내지 100 nm에 해당하는 미세기공을 측정한 것이다.
조성물 중
수산화인듐
함량
(중량%)		 수산화인듐
입자크기
(nm)		 전극 내
수산화인듐
잔류량
(중량%)		 전극 내
미세기공
부피비율
(%)		 성능
실시예 1 7 100 5.9 15.7 0.689V @ 0.2 A/cm2
실시예 2 7 200 7.6 0.007 0.675 V @ 0.2 A/cm2
실시예 1 및 2를 통해서, 수산화인듐의 입자크기에 따른 전지 성능을 비교해 보면, 100 nm 크기의 수산화인듐을 사용한 실시예 1이, 200 nm 크기의 수산화인듐이 사용된 실시예 2보다 전지 성능이 우수함을 알 수 있다. 이는, 상대적으로 큰 수산화인듐이 사용될 경우, 평균 직경이 0.1 내지 100 nm에 해당하는 미세기공의 형성 비율이 감소되기 때문으로, 바람직하게는 100 nm 이하인 수산화인듐을 사용할 경우, 전지의 성능이 더욱 향상될 수 있음을 알 수 있다.
조성물 중
수산화인듐
함량
(중량%)		 수산화인듐
입자크기
(nm)		 전극 내
수산화인듐
잔류량
(중량%)		 전극 내
미세기공
부피비율
(%)		 성능
실시예 1 7 100 5.9 15.7 0.689 V @ 0.2 A/cm2
실시예 5 0.001 100 - 0.001 0.675 V @ 0.2 A/cm2
실시예 6 21 100 22.1 19.8 0.674 V @ 0.2 A/cm2
실시예 9 0.1 100 0.13 1.1 0.682 V @ 0.2 A/cm2
실시예 10 20 100 17.6 18.2 0.684 V @ 0.2 A/cm2
실시예 11 0.01 100 0.07 0.8 0.682 V @ 0.2 A/cm2
전극 형성 조성물 중 수산화인듐 함량에 따른 전지의 성능을 비교하여 보면, 상기 표 3과 같이, 0.01 내지 20 중량%의 함량으로 수산화인듐이 포함될 경우(실시예 1, 9, 10 및 11), 전지 성능이 더욱 향상됨을 알 수 있다. 실시예 5 및 6의 경우, 수산화인듐을 포함하는 조성물을 사용함에 따라, 전지의 성능이 적어도 실리카 또는 수산화알류미늄이 사용된 경우(비교예 2 및 3)보다는 높았지만, 상기 표 3의 결과와 같이 수산화인듐의 함량을 0.01 내지 20중량%로 최적화시킬 경우, 전지의 성능을 더욱 높일 수 있음을 알 수 있다.
조성물 중
수산화인듐
함량
(중량%)		 수산화인듐
입자크기
(nm)		 전극 내
수산화인듐
잔류량
(중량%)		 전극 내
미세기공
부피비율
(%)		 성능
실시예 1 7 100 5.9 15.7 0.689V @ 0.2 A/cm2
실시예 3 7 100 29.1 0.005 0.676 V @ 0.2 A/cm2
실시예 4 7 100 0.001 25 0.675 V @ 0.2 A/cm2
실시예 7 7 100 23 6.8 0.675 V @ 0.2 A/cm2
실시예 8 7 100 0.005 20.8 0.674 V @ 0.2 A/cm2
실시예 12 7 100 19.5 10.9 0.681 V @ 0.2 A/cm2
실시예 13 7 100 0.017 19.1 0.686 V @ 0.2 A/cm2
본 발명에 있어서, 수산화인듐은 기공형성제로 사용될 수 있으며, 일부 수산화인듐은 전극 내에 잔류하여 전지의 성능을 더욱 높일 수 있다. 수산화인듐의 잔류량은 용해시간을 통해 조절할 수도 있으며, 이를 통해 전극 내 미세기공이 형성되는 정도도 함께 조절할 수 있다. 상기 표 4와 같이, 전극 내 수산화 인듐 잔류량이 0.01 내지 20 중량%이고, 전극 내 미세기공의 부피비율이 0.01 내지 20 %인 경우(실시예 1, 12 및 13), 전지의 성능을 더욱 최적화할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 수산화인듐을 사용함에 따라, 종래기술(비교예 2 및 3)과 비교하여 전지의 성능이 향상될 수 있으며, 특히 수산화인듐 잔류량 및 미세기공 부피비율을 최적화할 경우, 전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (13)

  1. 촉매;
    바인더 수지;
    수산화인듐; 및
    용매를 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 촉매는 백금(Pt), 백금-루테늄(Rh) 합금, 백금-오스뮴(Os) 합금, 백금-팔라듐(Pd) 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, 또는 W) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 백금계 촉매인 것인, 연료전지 전극 형성용 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수산화인듐의 입자 크기는 0.1 내지 100 ㎚ 인 것인, 연료전지 전극 형성용 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로필알코올, 부탄올, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 테트라에틸렌글리콜, 글리세롤, 디메틸에테르, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 아세톤, 아세토니트릴, 디메틸포름아마이드, 니트로메탄, N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸술폭사이드, 헥사메틸포스포아마이드, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것인, 연료전지 전극 형성용 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 바인더 수지는, 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자, 이들의 공중합체 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 수소 이온 전도성 바인더 수지인 것인, 연료전지 전극 형성용 조성물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 촉매의 함량은 5 내지 90 중량%이고, 상기 바인더 수지의 함량은 1 내지 30 중량%이며, 상기 수산화인듐의 함량은 0.01 내지 20 중량%이며, 나머지 성분은 용매인 것인, 연료전지 전극 형성용 조성물.
  7. 수산화인듐;
    촉매; 및
    바인더 수지를 포함하며,
    평균 직경이 0.1 내지 100 nm인 미세 기공을 포함하는 연료전지 전극.
  8. 제7항에 있어서, 전체 미세기공의 개수에 대하여, 평균 직경이 0.1 내지 100 nm인 미세기공의 비율은 5 내지 95% 인 것인, 연료전지 전극.
  9. 제7항에 있어서, 상기 전극의 전체 부피에 대하여 평균 직경이 0.1 내지 100 nm인 미세기공의 부피는 0.01 내지 20 % 것인, 연료전지 전극.
  10. 제7항에 있어서, 상기 연료전지 전극은, 전극 전체 중량 중 0.01 내지 20 중량%의 수산화인듐을 포함하는 것인 연료전지 전극.
  11. 산화 반응이 일어나는 음극 전극;
    환원 반응이 일어나는 양극 전극; 및
    상기 음극 전극 및 양극 전극 사이에 위치하며, 수소이온이 이동하는 고분자 전해질막을 포함하며,
    상기 음극 전극 및 양극 전극의 어느 하나 이상은 산화 반응 또는 환원 반응을 촉진하는 촉매 및 바인더 수지를 포함하며, 평균 직경이 0.1 내지 100 nm인 미세 기공을 포함하는 것인, 막-전극 접합체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 음극 전극 또는 양극 전극에 부착된 기체확산층을 더욱 포함하는 것인, 막-전극 접합체.
  13. 제10항에 있어서, 상기 음극 전극, 또는 양극 전극, 또는 양극 및 음극 전극은, 각각의 전극 전체 중량 중 0.01 내지 20 중량%의 수산화인듐을 포함하는 것인, 막-전극 접합체.
KR1020180172868A 2018-12-28 2018-12-28 연료전지 전극 형성용 조성물, 이를 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체 KR20200082356A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180172868A KR20200082356A (ko) 2018-12-28 2018-12-28 연료전지 전극 형성용 조성물, 이를 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180172868A KR20200082356A (ko) 2018-12-28 2018-12-28 연료전지 전극 형성용 조성물, 이를 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200082356A true KR20200082356A (ko) 2020-07-08

Family

ID=71600437

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180172868A KR20200082356A (ko) 2018-12-28 2018-12-28 연료전지 전극 형성용 조성물, 이를 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20200082356A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100937961B1 (ko) 연료 전지용 담체, 이를 포함하는 연료 전지용 촉매,막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템
KR102339036B1 (ko) 라디칼 분해 촉매, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리, 그리고 이를 포함하는 연료 전지
KR101233343B1 (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 시스템
KR20130041015A (ko) 고분자 전해질형 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템
EP3079194A1 (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell and membrane-electrode assembly for fuel cell including same
EP1916728B1 (en) Electrode for fuel cell, and membrane-electrode assembly and fuel cell system including the same
EP2365569B1 (en) A membrane-electrode assembly for a fuel cell
KR20070106200A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR100953617B1 (ko) 연료 전지용 전극, 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20180036107A (ko) 담체, 연료전지용 전극, 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지
KR20090040124A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR20070098136A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지시스템
US8445163B2 (en) Membrane electrode assembly for fuel cell having catalyst layer with mesopore volume, method of preparing same, and fuel cell system including the same
KR20070099120A (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20070091936A (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
KR20080047765A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR101639783B1 (ko) 연료전지용 가스확산층의 제조방법, 상기 방법으로 제조된 가스확산층, 이를 채용한 전극 및 연료전지
KR101265194B1 (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리, 이의 제조방법, 및 이를포함하는 연료전지 시스템
KR20200082356A (ko) 연료전지 전극 형성용 조성물, 이를 이용하여 형성된 다공성 전극 및 막-전극 접합체
KR102153934B1 (ko) 연료전지용 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지
KR100823503B1 (ko) 연료전지용 고분자 전해질 막, 이의 제조방법, 이를포함하는 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템
KR100759432B1 (ko) 연료 전지용 캐소드 촉매, 이를 포함하는 연료 전지용막-전극 어셈블리 및 연료 전지 시스템
KR20070099121A (ko) 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
KR20090039423A (ko) 연료전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지시스템
KR20220076681A (ko) 전극 형성용 조성물, 전극, 전극의 제조 방법, 막-전극 어셈블리 및 연료 전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination