KR20210053709A - 흑연화 된 탄소나노섬유를 포함하는 연료전지용 전극 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 전극 지지체, 상기 전극 지지체에 도포되는 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 흑연화 된 탄소나노물질 및 촉매 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

흑연화 된 탄소나노섬유를 포함하는 연료전지용 전극 및 그의 제조방법{fuel cell for graphitized carbon nanofiber and method of manufacturing the same}
본 발명은 흑연화 된 탄소나노섬유를 포함하는 연료전지용 전극 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
현재 연구되고 있는 수소연료전지는 높은 전류밀도와 낮은 구동온도 등 장점으로 인해 다양한 산업에서 가능성을 보이고 있다. 수소연료전지의 상용화 및 보급화를 위해 개선되어야 할 문제 중 하나는 전극의 물 관리이다.
수소연료전지에서는 환원극 반응으로부터 새성되는 물과 가습된 연료 가스를 통해 주입되는 물이 지속적으로 유입 및 배출되기 때문에 전극에서의 효율적인 물관리는 필수적이라고 볼 수 있다. 물관리가 이루어지지 않는 전극에서는 물이 적체되어 기공을 막게되는 플러딩(flooding)현상이 일어나게 된다. 이러한 플러딩현상은 고 전류밀도 영역에서의 성능을 감소시키고 장기적으로는 탄소 부식으로 인한 내구성 저하를 가속화시키는 악영향을 미치게 된다.
수소연료전지의 효율적인 물 관리를 위해 다양한 전극 제조 기술이 제안되어왔다. 그중 polytetrafluoroethylene (PTFE), polydimethylsiloxane (PDMS) 등 소수성 고분자를 전극 표면에 코팅하는 기술 및 이를 이용한 전극 제조에 대한 기술이 대부분이다. 따라서 표면에 소수성 고분자를 코팅한 전극이더라도 촉매층 내부 기공에서는 물 관리 효과가 취약할 수 있다. 또한 상기 소수성 고분자는 백금, 탄소 등 기타 전극 구성에 비해 전기 전도도 측면에서 취약한 성질을 갖기 때문에 도리어 성능 저하를 일으킬 수 있는 소지가 있다. 따라서, 소수성 고분자 도입 시, 사용량이 제한적이며 동시에 매우 균일한 코팅 방법이 요구된다.
또한, 기존 흑연화된 탄소나노섬유를 이용한 연료전지 전극의 경우 대부분 탄소 나노섬유를 가스확산층 또는 촉매 담지체의 역할로서 사용하였다. 매트 형태의 흑연화된 탄소나노섬유를 가스확산층으로 사용하는 경우, 촉매층 내부의 기공에는 아무런 영향을 미치지 못하기 때문에 전극 물 관리 효과를 극대화하지 못한다.
또한 흑연화된 탄소나노섬유를 촉매 담지체로서 사용하는 경우, 섬유 표면에 산소작용기나 다른 결함이 적기 때문에 백금 촉매가 담지 될 수 있는 site가 적어져서 particle의 뭉침현상이 일어나게 된다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 목적은, 흑연화 된 탄소나노섬유를 포함하는 연료전지용 전극 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 효율적인 물 관리를 통하여 연료전지의 높은 연료전달 및 내구성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 전극 지지체, 상기 전극 지지체에 도포되는 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 흑연화 된 탄소나노물질 및 촉매 물질을 포함하는 것인, 연료전지용 전극을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극 지지체는 다공성 지지체로 탄소소재를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다공성 지지체는 탄소 페이퍼, 탄소 천, 탄소 펠트 중 선택되는 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연화 된 탄소나노물질은 탄소나노섬유(carbon nano fiber), 탄소나노튜브(carbon nano tube) 및 탄소나노와이어(carbon nano wire) 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연화 된 탄소나노물질은 5:1 내지 10:1의 종횡비를 갖고 있는 원통형 섬유 혹은 튜브 형태의 물질 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상기 촉매 물질은 귀금속 블랙 촉매, 귀금속/ 탄소 담지 촉매, 귀금속 합금 촉매, 전이금속 블랙 촉매, 귀금속-전이금속 합금 촉매, 귀금속-전이금속 합금/ 탄소 담지 촉매로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 귀금속 및 상기 전이금속은 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os),이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 관점에 따르면, 연료전지용 전극의 제조방법으로, 전극 지지체를 준비하는 단계, 촉매잉크를 제조하는 단계, 및 상기 전극 지지체에 상기 촉매잉크를 도포하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 것인 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매잉크를 제조하는 단계는, 흑연화 된 탄소나노물질, 촉매 물질, 이오노머(ionomer) 및 용매를 혼합하여 잉크를 제조하고, 상기 잉크는 초음파분산법을 이용하여 분산하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연화 된 탄소나노물질은, 탄소나노물질을 비활성분위기에서 1800℃ 내지 3000℃로 열처리하여 제조하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연화 된 탄소나노물질은 상기 촉매 물질 대비 10wt% 내지 50wt%로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 전극 및 그의 제조방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 한 개에 의하면, 촉매층 내부의 자가적인 물관리가 가능하여 물질전달 효과를 극대화 하는 효과가 있다.
또한, 탄소나노섬유의 표면을 별도의 발수처리 없이 탄소나노섬유의 흑연화를 통하여 표면 소수성을 얻는 효과가 있다.
또한, 별도의 담지과정이 필요하지 않아 공정 상의 편리함이 있으며, 백금 입자 크기에 아무런 영향을 주지 않고 탄소나노섬유를 도입할 수 있는 효과가 있다.
또한, 촉매층 내의 물이 없이 비어있게 되는 공간(water free region)을 통하여 가스연료가 원활하게 공급되어 출력성능이 향상되는 효과 가 있다.
또한, 효율적인 물 관리를 통해 연료전지의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 흑연화 된 탄소나노섬유를 포함하는 연료전지의 전극을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전극의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 촉매 잉크를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 흑연화된 탄소나노섬유가 도포된 촉매층을 관찰 한 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명에 따른 탄소나노 섬유 및 흑연화 된 탄소나노섬유의 contact angle을 관찰한 이미지이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지의 성능평가 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 지시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 “부”한, 특정 기능을 수행하는 한 개의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술 야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 흑연화 된 탄소나노섬유를 포함하는 연료전지용 전극 및 그의 제조방법은 자가 물관리가 가능한 촉매층을 포함하는 것으로, 가스확산층의 흑연화 혹은 표면처리에 관한 기존발명과 달리, 촉매층 내부의 자가적인 물관리가 가능하여 물질전달 효과를 극대화할 수 있다는 차별성이 있다.
또한, 흑연화된 탄소나노섬유를 담지체로 사용하는 기존 발명과는 달리, 별도의 담지과정이 필요하지 않아 공정상의 편리함이 있으며, 백금 입자 크기에 아무런 영향을 주지 않고 탄소나노섬유를 도입할 수 있다는 장점을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 흑연화 된 탄소나노섬유를 포함하는 연료전지용 전극을 나타낸 개략도이다.
도 1을 참고하면, 연료전지용 전극(200)은 전극 지지체(130), 상기 전극 지지체(130)에 도포되는 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 흑연화 된 탄소나노물질(110) 및 촉매 물질(120)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전극 지지체(130)는 다공성 지지체로 탄소소재를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는 상기 탄소소재는 탄소 페이퍼, 탄소 천, 탄소 펠트 중 선택되는 하나인 것이 바람직하며, 이에 제한 되는 것은 아니다.
상기 흑연화 된 탄소나노물질(110)은 원통형 구조의 탄소나노물질을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 상기 흑연화 된 탄소나노물질(110)은 탄소나노섬유, 탄노나노튜브 및 탄소나노와이어 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다. 하지만, 이에 제한되는 것은 아니며 원통형 구조 또는 튜브형 구조를 갖는 탄소나노물질 중 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 원통형 구조 또는 튜브형 구조를 갖는 흑연화 된 탄소나노물질(110)을 사용함으로써 통과하는 연료가 탄소나노물질을 따라 직선적으로 빠르게 전달되어 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 흑연화 된 탄소나노물질은 5:1 내지 10:1의 종횡비(세로:가로의 비)를 갖고 것이 바람직하다. 종횡비가 5:1보다 작을 경우 연료의 직선적 전달이 용이하지 않을 수 있으며, 10:1 보다 클 경우 상기 흑연화 된 탄소나노물질이 동일한 양을 투입하여도 투입되는 양이 적어 연료전지 반응에서 생성 된 물이 원활하게 배출되지 않을 수 있다.
상기 촉매 물질(120)은 연료전지의 반응에 참여하는 것으로, 귀금속 블랙 촉매, 귀금속/ 탄소 담지 촉매, 귀금속 합금 촉매, 전이금속 블랙 촉매, 귀금속-전이금속 합금 촉매, 귀금속-전이금속 합금/ 탄소 담지 촉매 등을 포함한다.
이때, 상기 귀금속 및 상기 전이금속은 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os),이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 촉매 물질은 백금/탄소 담지 촉매인 것이 바람직하다. 상세하게는, 상기 백금/ 탄소 담지 촉매는 백금 이온 전구체와 탄소지지체를 용매에 분산시켜 상기 탄소지지체의 표면에 백금 이온을 흡착시켜 형성하는 것으로, 백금 담지량이 극대화 된 백금/ 탄소 담지 촉매를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 백금이온 전구체는 H2PtCl6, Na2PtCl6, K2PtCl6 및 PtCl4 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 탄소지지체는 전도성 탄소 일 수 있으며, 미세기공(micropore)이 표면에 존재하여 상기 백금 이온이 흡착될 수 있는 자리를 제공할 수 있는 것으로, 상세하게 상기 탄소지지체는 Vulcan, Ketjenblack, Super P, Timcal, Activated carbon 중 적어도 하나 이상이 사용될 수 있다.
즉, 상기 탄소지지체의 표면에 백금 이온이 흡착된 백금/ 탄소 담지 촉매를 사용함으로써 연료전지의 활성이 향상 될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 전극의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참고하면, 전극의 제조방법(S100)은 지지체 준비 단계(S110), 촉매 잉크 제조 단계(S120) 및 촉매층 형성 단계(S130)를 포함한다.
상기 촉매 잉크 제조 단계(S120)는 상기 흑연화 된 탄소나노물질(110) 및 촉매 물질(120)을 포함하는 촉매잉크를 제조하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 촉매 잉크를 나타낸 개략도이다.
도 3을 참고하면, 촉매 잉크(100)는 흑연화 된 탄소나노물질(110) 및 촉매 물질(120), 이오노머(inomer) 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 흑연화 된 탄소나노물질(110)은 탄소나노물질을 흑연화 하여 제조하는 것으로, 상세하게는 상기 탄소나노물질을 비활성분위기에서 1800℃ 내지 3000℃로 열처리하여 제조하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 열처리 시 비활성분위기를 조성하기 위하여 고순도 질소 또는 고순도 아르곤과 같이 순도 99.999%이상의 고순도 비활성기체를 주입하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열처리는 30분 내지 90분으로 진행하는 것이 바람직하다. 30분보다 짧게 열처리 할 경우, 탄소나노물질이 흑연화 되지 못할 수 있으며, 90분 이상 열처리가 진행 될 경우 탄소나노물질의 기공 감소와 잉크 제조 시 분산도에 대한 영향으로 연료전지 성능을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 흑연화 된 탄소나노물질(110)은 상기 촉매 물질(120) 대비 10 wt% 내지 50wt%로 포함되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 흑연화 된 탄소나노물질(110)이 상기 촉매 물질(120) 대비 10wt% 이하로 포함될 경우 성능 개선의 효과가 미미하며, 상기 흑연화 된 탄소나노물질(110)이 상기 촉매 물질(120) 대비 50wt% 이상 포함될 경우, 과량의 소수성 기공으로 인해 오히려 물 배출을 막아 성능을 저하 시킬 수 있다.
상기 이오노머(inomer)는 폴리테트라플로오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드 및 폴리헥사플루오로프로필렌 중 선택되는 1종을 포함할 수 있다. 상기 이오노머는 수소이온의 전도를 유리하게 하여 촉매와의 반응성을 증대시키기 위한 물질이다. 이오노머가 포함되지 않으면 연료전지의 성능을 감소시키며 촉매의 분산도 감소 및 전극의 갈라짐 현상 또한 발생할 수 있다.
상기 용매는 순수, 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올, 부틸알코올 및 디메틸아세트아마이드 중 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 촉매잉크(100)는 상기 흑연화 된 탄소나노물질(110) 및 상기 촉매 물질(120)이 상기 용매에 균일하게 분산되기 위해서 초음파(sonication)분산법을 수행 할 수 있다. 이때, 상기 초음파 분산법은 bath sonicator를 이용하여 60분간 분산하여 처리할 수 있다.
상기 촉매층 형성 단계(S130)는 상기 촉매 잉크 제조 단계(S120)로부터 제조된 상기 촉매 잉크(100) 상기 전극 지지체(130)에 도포하여 촉매층을 형성하는 것으로, 상세하게는 스프레이법, 데칼 법, 및 스핀 코팅 법 등을 이용하여 상기 전극 지지체(130) 상에 상기 촉매 잉크(100)를 도포할 수 있다.
또한, 상기 전극 지지체 상에 상기 촉매 잉크를 도포한 이후에는 건조 과정을 통해 잉크 내 용매를 증발시켜야 한다. 상세하게는 60 ℃의 오븐에서 3 ~ 5 시간 동안 전극을 건조하여 전극 지지체 상의 촉매층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 촉매층은 5 μm 내지 15 μm 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 촉매층이 5 μm 이하의 두께로 형성 될 경우 촉매의 양이 충분치 않아 연료전지 성능을 감소시킬 수 있으며 장기 내구성 측면에서도 취약할 수 있다. 15 μm 두께 이상으로 형성될 경우 전체 전극의 옴 저항과 물질 전달의 저항도 증가시켜 연료전지의 성능을 감소시킬 수 있다.
이하 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조예. 촉매 잉크의 제조.
백금촉매, 흑연화 된 탄소나노섬유, 이오너머, 및 용매(초순수 및 IPA)를 포함하는 촉매잉크를 제조하였다. 조성은 하기 표 1과 같다.
촉매 잉크 조성 조성 비율(질량기준)
백금 촉매(46.5 wt% Pt/C) 1
흑연화 된 탄소나노섬유 0.1 ~ 0.5
초순수(Deionized water) 20 ~ 30
IPA 200 ~ 300
이오노머(Nafion ionomer_10wt%) 4 ~ 5
실시예 1.
백금촉매 대비 45 wt%의 흑연화 된 탄소나노섬유(GCF)를 포함한 촉매잉크를 제조하고 5 x 5 cm2 크기의 전극 지지체 상에 도포하여 연료전지용 환원극을 제조하였다.
실시예 2.
백금촉매 대비 75 wt%의 흑연화 된 탄소나노섬유(GCF)를 포함한 촉매잉크를 제조하고 5 x 5 cm2 크기의 전극 지지체 상에 도포하여 연료전지용 환원극을 제조하였다.
비교예 1.
흑연화 된 탄소나노섬유(GCF)를 포함하지 않은 촉매잉크를 제조하고 5 x 5 cm2 크기의 전극 지지체 상에 도포하여 연료전지용 환원극을 제조하였다.
실험예
상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교에 1에서 제조 된 시편을 80℃의 셀 온도, 80%의 상대습도의 조건으로 단전지 성능을 측정하였다. 이때, 산화극에 공급되는 수소는 1.5의 stoichiometry flow로 유입하였고, 환원극에 공급되는 공기는 1.5, 2.0, 2.5의 stoichiometry flow로 유입하여 진행하였다. Back pressure값은 산화극 1.5 bar, 환원극 2.0 bar로 고정하였다.
도 4는 본 발명에 따른 흑연화 된 탄소나노섬유가 도포된 촉매층을 관찰 한 SEM 이미지이다.
도 4를 참고하면, 상기 흑연화 된 탄소나노섬유 및 백금촉매가 고르게 분산되어 촉매층을 형성하는 것을 확인 할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 탄소나노 섬유 및 흑연화 된 탄소나노섬유의 contact angle을 관찰한 이미지이다.
도 5를 참고하면, 도 5(a)는 흑연화를 진행하지 않은 탄소나노섬유의 contact angle을 확인 한 것으로, contact angle이 약 10도 정도 인 것을 확인 할 수 있다. 도 5(b)는 흑연화된 탄소나노섬유의 contact angle을 확인 한 것으로, contact angle이 약 85도 높아지는 것을 확인 할 수 있다. 즉, 이를 통해 탄소나노섬유의 흑연화를 통하여 탄소나노섬유의 별도의 발수코팅처리없이도 탄소나노섬유 표면의 소수성이 증가한 것을 확인 할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지의 성능평가 결과를 나타낸 것이다.
도 6을 참고하면, 실시예 1의 전극은 비교예 1과 대비하여 높은 전력을 보이는 것을 확인 할 수 있다. 특히, 공기의 stoichionetry 값이 1.5일 때 향상된 전력이 비교예1 대비 18.5%로 가장 높은 것을 확인 할 수 있다.
즉, 물질전달 제한은 낮은 공기 유량에서 매우 심각한 것으로, 따라서 낮은 공기 유량에서 흑연화 된 탄소나노섬유의 물질전달 개선 효과가 현저하게 나타난 것을 확인 할 수 있다.
또한, 실시예 2의 전극은 비교예 1의 전극보다도 낮은 전력을 보이는 것을 확인 할 수 있다. 즉, 촉매층 내의 흑연화 된 탄소나노섬유가 과량으로 도포될 경우 흑연화 된 탄소나노섬유에 의해 물의 배출을 어렵게 하여 오히려 연료전달이 저하되기 때문인 것으로 판단된다.
본 발명에 따른 연료전지용 전극은 흑연화된 탄소나노물질을 도포 된 촉매층을 포함하는 것으로, 상기 탄소나노물질을 고온에서 열처리 하여 흑연화 된 탄소나노물질을 제조함으로써, 상기 흑연화 된 탄소나노물질의 표면은 소수성 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 흑연화 된 탄소나노물질의 표면이 촉매층에 도입됨으로써 생성 된 물이 상대적으로 친수성을 띄는 기공을 통해 배출하게 되고, 상기 소수성을 뛰는 상기 흑연화 된 탄소나노물질의 표면을 따라 물이 없이 비어있게 되는 공간(water free region)이 생성되게 된다. 이때, 이러한 공간을 통하여 가스 연료(수소 또는 산소)가 더 원활하게 공급되어 출력이 향상되는 효과가 있으며, 효율적으로 물관리를 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 효율적으로 물관리를 함으로써, 전극내의 탄소 담지체의 부식을 방지하여 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
100: 촉매잉크
110: 흑연화 된 탄소나노물질
120: 촉매물질
130: 전극 지지체
200: 연료전지용 전극

Claims (11)

  1. 전극 지지체;
    상기 전극 지지체에 도포되는 촉매층;을 포함하고,
    상기 촉매층은 흑연화 된 탄소나노물질 및 촉매 물질을 포함하는 것인,
    연료전지용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 지지체는 다공성 지지체로 탄소소재를 포함하는 것인,
    연료전지용 전극.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 탄소 페이퍼, 탄소 천, 탄소 펠트 중 선택되는 하나인,
    연료전지용 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흑연화 된 탄소나노물질은 탄소나노섬유, 탄소나노튜브 및 탄소나노와이어 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
    연료전지용 전극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 흑연화 된 탄소나노물질은 5:1 내지 10:1의 종횡비를 갖고 있는 원통형 섬유 혹은 튜브 형태의 물질 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
    연료전지용 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 물질은 귀금속 블랙 촉매, 귀금속/ 탄소 담지 촉매, 귀금속 합금 촉매, 전이금속 블랙 촉매, 귀금속-전이금속 합금 촉매, 귀금속-전이금속 합금/ 탄소 담지 촉매로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인,
    연료전지용 전극.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 귀금속 및 상기 전이금속은 백금(Pt), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os),이리듐(Ir), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 주석(Sn), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인,
    연료전지용 전극.
  8. 제1항 내지 제7항의 연료전지용 전극의 제조방법으로,
    전극 지지체를 준비하는 단계;
    촉매잉크를 제조하는 단계;
    상기 전극지지체에 촉매잉크를 도포하여 촉매층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것인,
    연료전지용 전극의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 촉매잉크를 제조하는 단계는,
    흑연화 된 탄소나노물질, 촉매 물질, 이오노머(ionomer) 및 용매를 혼합하여 잉크를 제조하고,
    상기 잉크는 초음파분산법을 이용하여 분산하는 것인,
    연료전지용 전극의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 흑연화 된 탄소나노물질은,
    탄소나노물질을 비활성분위기에서 1800℃ 내지 3000℃로 열처리하여 제조하는 것인,
    연료전지용 전극의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 흑연화 된 탄소나노물질은 상기 촉매 물질 대비 10wt% 내지 50wt%로 포함되는 것인,
    연료전지용 전극의 제조방법.
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