KR20230009108A - 연료전지 촉매 전극 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지 촉매 전극 - Google Patents

연료전지 촉매 전극 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지 촉매 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 촉매 전극 제조방법에 관한 것으로, 수소 산화 반응 촉매, 바인더 및 제1 용매를 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S10); 제1 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 촉매 전구체 분말을 제조하는 단계(S20); 촉매 전구체 분말, 산소 발생 반응 촉매 및 제2 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S30); 및 제2 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅 또는 전사하여 촉매층이 형성된 전극을 제조하는 단계(S40)를 포함하는 연료전지 촉매 전극 제조방법, 이로부터 제조된 연료전지 촉매 전극, 이를 포함하는 막전극 조립체 및 연료전지에 관한 것이다.

Description

연료전지 촉매 전극 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지 촉매 전극{METHOD FOR PREPARING FUEL CELL CATALYST ELECTRODE AND FUEL CELL CATALYST ELECTRODE PREPARED BY THE METHOD}
본 발명은 연료전지 촉매 전극 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 역전압에 대한 내구성이 개선된 연료전지 촉매 전극을 제조할 수 있는 연료전지 촉매 전극 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지 촉매 전극에 관한 것이다.
연료전지는 전지 내에서 수소, 메탄올 등 연료를 전기화학적으로 산화시켜, 연료의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이다. 특히, 고분자 전해질막 연료전지(PEFC, Polymer Electrolyte membrane Fuel Cell)는 이온 전도성을 가지는 고체 고분자 전해질막을 이용하여 고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 등의 고온 운전 연료전지 대비 저온 운전이 가능하고, 간이한 시스템 구현이 가능하여 차량 및 건물 등의 전원으로 사용되고 있다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 음극(수소극), 양극(공기극) 및 수소이온 전도성 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)를 포함한다. 여기서, 상기 음극(수소극) 및 양극(공기극)은 각각 연료의 산화 반응과 산소의 환원 반응을 일으킬 수 있는 동종 또는 이종의 귀금속 촉매가 다공성 담지체 표면에 고르게 분산된 형태로 존재한다. 상기 다공성 담지체는 일반적으로 탄소가 사용되는데, 탄소는 전기 화학 반응 시 전기 전도성 및 화학적 안정성 등은 우수하나, 고전위 조건에서 취약한 산화 특성을 나타내고, 이는 연료전지 성능의 주요한 열화 메커니즘 중 하나이다. 이에, 연료전지에 사용되는 탄소의 열화를 최소화하기 위해, 탄소 소재 자체의 내구성을 강화하거나, 다양한 작동 환경에서도 수소 공급이 원활하도록 부품 구조 및 시스템을 개선하거나, 산소 발생 반응(OER, Oxygen Evolution Reaction) 촉매를 함께 사용하는 방안 등이 제안되고 있다.
특히, 연료전지가 전기 화학 반응을 통해 전류를 생산하고 있을 때, 음극(수소극)에서는 하기 반응식 1과 같은 정상 수소 산화 반응(HOR, Hydrogen Oxidation Reaction)이 진행된다.
[반응식 1]
2H2 → 4H+ + 4e- (E0 = 0 V vs. RHE)
그러나, 수소가 부족하거나, 공급되지 않을 경우 하기 반응식 2 및 3과 같은 탄소 부식 및 하기 반응식 4와 같은 물 분해 반응이 일어난다.
[반응식 2]
C + 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e- (E0 = 0.207 V vs. RHE)
[반응식 3]
C + H2O → CO + 2H+ + 2e- (E0 = 0.518 V vs. RHE)
[반응식 4]
2H2O → O2 + 4H+ + 4e- (E0 = 1.23 V vs. RHE)
대체로, 연료전지의 시동/정지(start-up/shutdown), 플루딩(flooding), 냉시동(cold start) 및 수소 공급계에 이상 작동이 발생하는 등과 같은 경우에 수소가 부족하거나, 공급되지 않는 상황이 빈번하게 발생할 수 있다. 이와 같이, 수소가 희박한 경우 발생하는 역전압은 전극 내 탄소가 물과 산화 반응하여 직접적인 탄소 부식 및 전극 손상을 야기한다. 탄소의 급격한 부식을 방지하거나, 탄소의 부식을 최소화하기 위한 방안으로 OER 촉매를 전극에 같이 사용하는 방안이 제안되고 있다.
예를 들어, 한국 등록특허공보 제10-1664627호에는 수소산화반응촉매(HOR 촉매)와 수전해촉매(OER 촉매)를 포함하는 애노드 슬러리를 고분자 필름 상에 코팅 및 건조하여 애노드 전극을 형성하는 고분자 전해질막 연료전지의 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 음극 슬러리를 제조함에 있어서, HOR 촉매와 OER 촉매 및 이오노머인 전극 바인더를 혼합하여 슬러리를 제조하는 경우에는 HOR 촉매뿐만 아니라 OER 촉매까지 전극 바인더에 의해 덮여지는 문제가 있다. 이러한 경우, 결국 OER 촉매가 충분히 노출되지 않아 산소 발생 반응을 유도하는데 한계가 있어, 역전압 환경에 대한 내구성이 충분하다고 할 수 없고, 연료 부족이 지속될수록 결국 음극을 열화시키는 원인이 된다.
또한, 한국 등록특허공보 제10-1438891호에는 애노드용 전극 상에 물을 전기분해시키기 위한 전기분해촉매(OER 촉매)를 원자층증착(ALD, Atomic Layer Deposition) 방법에 의해 입자상으로 합성하면서 동시에 로딩하는 연료전지용 애노드의 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 전극 촉매층, 즉 HOR 촉매층은 얇은 두께로 적층되어 있는 일종의 필름 형태이므로, 상기 원자층증착과 같은 증착 또는 침착 기술을 이용하여 OER 촉매를 증착 또는 침착시키는 경우에는, OER 촉매가 HOR 촉매층 내부까지 코팅되기 어려운 것은 물론, HOR 촉매층의 외측 부분에 코팅이 집중될 수 밖에 없는 문제가 있다. 이러한 경우, HOR 촉매 조차 OER 촉매로 코팅될 수 밖에 없어, 오히려 HOR 촉매에 의한 수소 산화 반응의 활성 반응 면적을 감소시켜, 음극의 전극 활성을 저하시키는 문제가 있다.
KR10-1664627B1 KR10-1438891B1
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 연료전지의 촉매 전극, 특히 음극(수소극) 내에서 수소 산화 반응(HOR)과 산소 발생 반응(OER)이 모두 효과적으로 일어날 수 있는 연료전지 촉매 전극을 제조하는 것이다.
이에, 본 발명은 역전압 환경에 노출되더라도 음극(수소극)의 물 분해 성능을 향상시켜 역전압에 대한 내구성이 개선된 연료전지 촉매 전극을 제조하기 위한 연료전지 촉매 전극 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 연료전지 촉매 전극 제조방법으로부터 제조되어 역전압에 대한 내구성이 개선되고, 이에 따라 연료전지의 고효율, 장기 운전 안정성을 향상시킬 수 있는 연료전지 촉매 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 수소 산화 반응 촉매, 바인더 및 제1 용매를 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S10); 제1 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 촉매 전구체 분말을 제조하는 단계(S20); 촉매 전구체 분말, 산소 발생 반응 촉매 및 제2 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S30); 및 제2 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅 또는 전사하여 촉매층이 형성된 전극을 제조하는 단계(S40)를 포함하는 연료전지 촉매 전극 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 기재; 및 기재의 적어도 일측 표면에 형성된 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 수소 산화 반응 촉매, 산소 발생 반응 촉매 및 바인더를 포함하며, 상기 산소 발생 반응 촉매는 수소 산화 반응 촉매와 바인더 사이에 존재하는 비율 보다 바인더 외부로 노출된 비율이 더 높은 것인 연료전지 촉매 전극을 제공한다.
또한, 본 발명은 음극; 양극; 및 음극 및 양극 사이에 개재된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 음극은 상기 연료전지 촉매 전극인 막전극 접합체를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명에 따른 연료전지 촉매 전극 제조방법에 따라 제조된 연료전지 촉매 전극은, 수소 산화 반응(HOR)과 산소 발생 반응(OER)이 모두 효과적으로 일어날 수 있어, 수소 산화 반응에 대한 전극의 촉매 활성은 충분히 확보하면서도, 역전압 환경에 노출되었을 때, 물 분해 성능이 향상되어 내구성까지 충분히 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 연료전지 촉매 전극의 형상을 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에서 용어 '제1' 및 '제2' 등과 같은 숫자는 구성의 구분을 쉽게 하기 위해 임의로 기재된 숫자일 뿐, 각 구성에 대하여 특별한 의미를 부여하는 것은 아니다.
본 발명은 연료전지 촉매 전극, 구체적으로 연료전지의 음극을 제조하기 위한 연료전지 촉매 전극 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 촉매 전극 제조방법은 수소 산화 반응 촉매, 바인더 및 제1 용매를 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S10); 제1 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 촉매 전구체 분말을 제조하는 단계(S20); 촉매 전구체 분말, 산소 발생 반응 촉매 및 제2 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S30); 및 제2 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅 또는 전사하여 촉매층이 형성된 전극을 제조하는 단계(S40)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계는 연료전지 촉매 전극, 특히 음극에 있어서, 수소 산화 반응 촉매를 포함하는 촉매층을 형성하기 위한 제1 촉매 슬러리를 제조하기 위한 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 산화 반응 촉매는 촉매 금속 및 촉매 금속이 담지된 도전재를 포함하는 것일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 촉매 금속은 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐, 망간, 바나듐 및 이들의 합금을 포함하는 것일 수 있고, 보다 구체적인 예로 백금일 수 있다. 또한, 상기 도전재는 활성화 탄소일 수 있고, 구체적인 예로, 상기 촉매 금속을 담지시키기 위한 다공성 활성화 탄소일 수 있다. 보다 구체적인 예로, 상기 수소 산화 반응 촉매는 백금이 다공성 탄소 담지체에 담지된 Pt/C 촉매일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 산화 반응 촉매는 촉매 금속이 도전재 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 150 중량부, 30 중량부 내지 120 중량부, 또는 50 중량부 내지 100 중량부로 담지된 것일 수 있고, 이 범위 내에서 도전재에 의한 전극 안정성 및 이온 전도도를 충분히 확보하면서도, 수소 산화 반응 활성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바인더는 이온 전도성 고분자인 것일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 이온 전도성 고분자는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이온 전도성 고분자는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이온 전도성 고분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이온 전도성 고분자는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산) 또는 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체일 수 있다. 또한, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중 하나의 고분자에서, 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기가 결합된 이온 전도성 고분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 바인더는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있고, 필요에 따라 비전도성 화합물을 더 포함할 수 있으며, 이 경우 고분자 전해질막과의 접착력을 보다 향상시킬 수 있다. 이 때, 상기 비전도성 화합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루-4-오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 용매는 제1 촉매 슬러리를 제조함에 있어서, 수소 산화 반응 촉매 및 바인더를 혼합 및 분산시키기 위한 분산제일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 제1 용매는 수계 용매 또는 유기계 용매일 수 있다. 상기 수계 용매는 물, 알코올 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 알코올은 에탄올, 이소프로필 알코올 등과 같은 1차 알코올; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜 등과 같은 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 또한, 상기 유기계 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 제1 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 촉매 전구체 분말을 제조하는 단계로서, 촉매 슬러리를 기재 상에 직접 코팅 또는 전사하여 코팅층을 형성하지 않고, 우선 제1 촉매 슬러리로부터 촉매 전구체 분말을 수득하는 것을 특징으로 한다. 연료전지 촉매 전극이 역전압 환경에 노출되더라도 음극(수소극)의 물 분해 성능을 향상시켜 역전압에 대한 내구성이 개선하기 위해서는 산소 발생 반응 촉매를 적절히 도입할 필요가 있다. 그러나, 앞서 기재한 바와 같이 산소 발생 반응 촉매를 상기 (S10) 단계의 제1 촉매 슬러리에 직접 도입하는 경우에는, 산소 발생 반응 촉매까지 바인더에 의해 덮여지는 문제가 있고, 이에 따라 산소 발생 반응 촉매가 촉매층에서 충분히 노출되지 않아 산소 발생 반응을 유도하는데 한계가 있어, 역전압 환경에 대한 내구성이 충분하다고 할 수 없고, 연료 부족이 지속될수록 결국 연료전지 촉매 전극을 열화시키는 원인이 된다.
따라서, 본 발명의 연료전지 촉매 전극 제조방법은 산소 발생 반응 촉매를 수소 산화 반응 촉매와 바인더 사이에 존재하는 비율 보다 바인더 외부로 노출된 비율이 더 높게 하기 위해, 본 (S20) 단계에 의해 촉매 전구체 분말을 수득한 후, 이어서 기재하는 (S30) 단계에서 산소 발생 반응 촉매를 도입하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계의 열처리는 100 ℃ 내지 200 ℃, 100 ℃ 내지 180 ℃, 또는 100 ℃ 내지 150 ℃에서 실시될 수 있고, 이 범위 내에서 바인더의 기계적 안정성을 향상시킴과 동시에, 결정성 및 이온 채널 크기의 변화를 최소화할 수 있고, 제1 촉매 슬러리에 존재하는 제1 용매가 모두 제거된 촉매 전구체를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계의 분쇄는 상기 열처리에 의해 수득된 촉매 전구체 덩어리를 분말 형태로 수득하기 위해 통상적으로 이용할 수 있는 분쇄장치를 이용하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계에서 제조된 촉매 전구체 분말은 수소 산화 반응 촉매 입자의 일부 또는 전부가 바인더에 의해 덮여있고, 수소 산화 반응 촉매 입자들이 바인더에 의해 결합된 형태로 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S30) 단계는 촉매 전구체 분말, 산소 발생 반응 촉매 및 제2 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계로서, 산소 발생 반응 촉매를 수소 산화 반응 촉매와 바인더 사이에 존재하는 비율 보다 바인더 외부로 노출된 비율이 더 높게 하기 위해 실시되는 단계이다. 이와 같이, 수소 산화 반응 촉매와 바인더가 이미 결합된 촉매 전구체 분말과 산소 발생 반응 촉매를 제2 용매를 이용하여 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 경우, 산소 발생 반응 촉매가 수소 산화 반응 촉매와 바인더 사이에 도입되는 것을 최소화함은 물론, 오히려 바인더의 외부에 안착되도록 유도하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산소 발생 반응 촉매는 산화 이리듐, 산화 루테늄 및 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있고, 구체적인 예로 산화 이리듐일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산소 발생 반응 촉매는 수소 산화 반응 촉매에 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 90 중량부, 20 중량부 내지 80 중량부, 20 중량부 내지 70 중량부, 또는 25 중량부 내지 50 중량부로 혼합될 수 있고, 이 범위 내에서 수소 산화 반응에 대한 전극의 촉매 활성은 충분히 확보하면서도, 역전압 환경에 노출되었을 때, 물 분해 성능이 향상되어 내구성까지 충분히 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 용매는 제2 촉매 슬러리를 제조함에 있어서, 촉매 전구체 분말 및 산소 발생 반응 촉매를 혼합 및 분산시키기 위한 분산제일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 제2 용매는 앞서 기재한 제1 용매와 동일 또는 상이한 것일 수 있고, 수계 용매 또는 유기계 용매일 수 있다. 상기 수계 용매는 물, 알코올 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 알코올은 에탄올, 이소프로필 알코올 등과 같은 1차 알코올; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜 등과 같은 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 또한, 상기 유기계 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S30) 단계는 산소 발생 반응 촉매를 바인더의 외부에 안착시키기 위해 실시하는 단계인 만큼, 상기 (S10) 단계에서 혼합된 바인더 이외에, 추가적인 바인더를 투입하지 않고 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S40) 단계는 제2 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅 또는 전사하여 촉매층이 형성된 전극을 제조하는 단계로서, 연료전지 촉매 전극을 수득하기 위한 단계일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S40) 단계는 제2 촉매 슬러리에 포함된 제2 용매를 건조시키기 위한 건조 단계 또는 휘발시키기 위한 열처리 단계를 포함하여 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기재는 제2 촉매 슬러리로부터 연료전지 촉매 전극을 제조하기 위한 지지층으로서, 연료전지 촉매 전극에 사용될 수 있는 기재라면 특별한 제한 없이 이용 가능하다. 또한, 상기 기재는 경우에 따라 고분자 전해질막 자체일 수 있다.
본 발명은 상기 연료전지 촉매 전극 제조방법으로부터 제조된 연료전지 촉매 전극을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 촉매 전극은 기재; 및 기재의 적어도 일측 표면에 형성된 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 수소 산화 반응 촉매, 산소 발생 반응 촉매 및 바인더를 포함하며, 상기 산소 발생 반응 촉매는 수소 산화 반응 촉매와 바인더 사이에 존재하는 비율 보다 바인더 외부로 노출된 비율이 더 높은 것일 수 있다. 이와 같이, 산소 발생 반응 촉매를 바인더 외부로 노출시키는 비율을 높임으로써, 수소 산화 반응(HOR)과 산소 발생 반응(OER)이 모두 효과적으로 일어날 수 있고, 수소 산화 반응에 대한 전극의 촉매 활성은 충분히 확보하면서도, 역전압 환경에 노출되었을 때, 물 분해 성능이 향상되어 내구성까지 충분히 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체를 제공한다. 상기 막전극 접합체는 음극; 양극; 및 음극 및 양극 사이에 개재된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 음극은 본 발명에 따른 연료전지 촉매 전극인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 수소 가스 등과 같은 연료와 산소를 포함하는 공기의 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극 및 수소 이온의 전달이 일어나는 고분자 전해질막의 접합체일 수 있고, 음극, 양극 및 음극 및 양극 사이에 개재된 고분자 전해질막 서로 접착된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 반응 가스를 공급하는 음극(연료극 또는 수소극) 및 양극(산소극 또는 공기극)의 일면에 기체확산층이 도입된 것일 수 있다. 구체적인 예로, 음극 및 양극 각각의 일면에 도입된 기체확산층 사이에 상기 막전극 접합체가 개재된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 반응 가스를 공급하는 음극(연료극 또는 수소극) 및 양극(산소극 또는 공기극)의 다른 일면에 촉매층이 도입된 것일 수 있다. 구체적인 예로, 음극 및 양극 각각의 일면에 도입된 촉매층 사이에 상기 고분자 전해질막이 개재된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 음극/고분자 전해질막/양극, 기체확산층/음극/고분자 전해질막/양극, 음극/고분자 전해질막/양극/기체확산층, 기체확산층/음극/고분자 전해질막/양극/기체확산층, 음극/촉매층/고분자 전해질막/양극, 음극/고분자 전해질막/촉매층/양극, 음극/촉매층/고분자 전해질막/촉매층/양극, 기체확산층/촉매층/음극/고분자 전해질막/양극, 기체확산층/음극/고분자 전해질막/촉매층/양극, 기체확산층/촉매층/음극/고분자 전해질막/촉매층/양극, 음극/고분자 전해질막/촉매층/양극/기체확산층, 음극/촉매층/고분자 전해질막/양극/기체확산층, 음극/촉매층/고분자 전해질막/촉매층/양극/기체확산층, 및 기체확산층/촉매층/음극/고분자 전해질막/촉매층/양극/기체확산층으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종의 적층 구성을 갖는 적층체일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음극은 앞서 기재한 연료전지 촉매 전극일 수 있고, 이에 따라 상기 촉매층은 앞서 기재한 연료전지 촉매 전극의 촉매층일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극의 촉매층은, 촉매 금속 및 촉매 금속이 담지된 도전재를 포함할 수 있다. 상기 양극의 촉매는 산소의 환원 반응을 촉진하는 금속을 포함하는 것일 수 있고, 구체적인 예로 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐, 망간, 바나듐 및 이들의 합금 등 일 수 있다. 또한, 상기 도전재는 활성화 탄소일 수 있다. 또한, 상기 양극의 촉매층은 바인더로 상기 연료전지 촉매 전극의 바인더와 동일한 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 전해질막은 이온 전도성 고분자일 수 있고, 앞서 기재한 연료전지 촉매 전극의 바인더와 동일한 이온전도성 고분자일 수 있다. 또 다른 예로, 상기 이온 전도성 고분자는 술폰산기를 포함하는 이온 전도성 고분자일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 술폰산기를 포함하는 이온 전도성 고분자는 불소계 고분자, 탄화수소계 고분자 및 부분 불소계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자가 술폰화된 것일 수 있고, 이 경우 수소이온 전도성 및 반응 가스 차단성이 우수한 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 술폰화 불소계 고분자는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산) 및 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 술폰화 탄화수소계 고분자는 술폰화 폴리이미드, 술폰화 폴리아릴에테르술폰, 술폰화 폴리에테르에테르케톤, 술폰화 폴리벤즈이미다졸, 술폰화 폴리술폰, 술폰화 폴리스티렌, 술폰화 폴리포스파젠, 술폰화 폴리에테르에테르술폰, 술폰화 폴리에테르술폰, 술폰화 폴리에테르벤즈이미다졸, 술폰화 폴리아릴렌에테르케톤, 술폰화 폴리에테르케톤, 술폰화 폴리스타이렌, 술폰화 폴리이미다졸, 술폰화 폴리에테르케톤케톤 및 술폰화 폴리아릴에테르벤즈이미다졸로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 술폰화 부분 불소계 고분자는 술폰화 폴리(아릴렌에테르술폰-코-비닐리덴플로라이드), 술폰화 트리플로오로스티렌-그래프트-폴리(테트라플로오로에틸렌) 및 스티렌-그래프트 술폰화 폴리비닐리덴플로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 음극; 양극; 및 음극 및 양극 사이에 개재된 고분자 전해질막을 서로 밀착시킨 상태에서 열압착 등의 압착에 의해 제조될 수 있다. 또한, 상기 막전극 접합체는 고분자 전해질막의 일면, 또는 양면에 음극과 양극의 촉매층을 형성하기 위한 촉매층 슬러리를 직접 도포 및 건조하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기체확산층은 미세 기공층 (Micro-Porous Layer, MPL)과, 거대 기공 지지체 (Macro-Porous Substrate)의 이중층 구조로 구성된 것일 수 있다. 상기 미세 기공층은 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조한 후, 용도에 따라 거대 기공 지지체의 일면 또는 양면에 도포될 수 있다. 상기 거대 기공 지지체는 탄소 섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌 계열의 소수성 물질로 구성될 수 있고, 구체적인 예로, 탄소 섬유 천(Cloth), 탄소 섬유 펠트(Felt) 및 탄소 섬유 종이(Paper)형 등의 탄소 섬유가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 상기 연료전지는 스택, 연료공급부 및 산화제공급부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스택은 상기 막전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하는 것일 수 있고, 막전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 바이폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 바이폴라 플레이트는 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막전극 접합체로 전달함과 동시에, 음극 및 양극을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료 공급부는 연료를 상기 스택으로 공급하는 것일 수 있고, 연료를 저장하는 연료탱크 및 연료탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 펌프를 포함할 수 있다. 상기 연료는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올 등의 알코올, 또는 천연가스일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 것일 수 있다. 상기 산화제는 공기가 대표적으로 사용될 수 있고, 산소 또는 공기를 펌프로 주입하여 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지는 고분자 전해질막 연료전지, 직접 액체 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 직접 개미산 연료전지, 직접 에탄올 연료전지, 또는 직접 디메틸에테르 연료전지 등일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예
디프로필렌글리콜과 물을 1:1의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 50 중량% Pt/C 촉매(Pt:C의 중량비 1:1, Tanaka Kikinzoku Kogyo KK) 13.6 중량부 및 바인더로 이오노머(AsahiKasei社) 4.1 중량부를 투입하고, 3-롤 밀을 이용하여 고르게 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하였다. 이 후, 제1 촉매 슬러리를 진공 오븐을 이용하여 120 ℃에서 2 시간 동안 건조한 후, 막자 사발로 잘게 분쇄하여 촉매 전구체 분말을 수득하였다. 이어서, 디프로필렌글리콜과 물을 1:1의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 수득된 촉매 전구체 분말 17.7 중량부 및 산화 이리듐(IrO2) 3.4 중량부를 투입하고, 3-롤 밀을 이용하여 고르게 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 제2 촉매 슬러리를 불화 폴리이미드(Fluorinated Polyimide, FPI, 에프엠투社) 필름 상에 0.05 mg/cm2으로 코팅하고, 건조 오븐을 이용하여 60 ℃에서 2 시간 동안 건조시켜 연료전지 촉매 전극을 제조하였다.
비교예
디프로필렌글리콜과 물을 1:1의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 50 중량% Pt/C 촉매(Pt:C의 중량비 1:1, Tanaka Kikinzoku Kogyo KK) 13.6 중량부, 바인더로 이오노머(AsahiKasei社) 4.1 중량부 및 산화 이리듐(IrO2) 3.4 중량부를 투입하고, 3-롤 밀을 이용하여 고르게 분산 및 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 촉매 슬러리를 불화 폴리이미드(Fluorinated Polyimide, FPI, 에프엠투社) 필름 상에 0.05 mg/cm2으로 코팅하고, 건조 오븐을 이용하여 60 ℃에서 2 시간 동안 건조시켜 연료전지 촉매 전극을 제조하였다.
실험예
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 연료전지 촉매 전극에 대한 역전압 환경에 노출된 시간에 따른 내구성을 확인하기 위해, BOL(Beginning Of Life)를 측정하고, 하기와 같은 방법으로 역전압 시험에 따른 시간별 EOL(End Of Life)를 측정하여, 성능저하량과 성능저하율을 계산하여 표 1에 나타내었다.
* 역전압 시험: 상기 실시예 및 비교예에서 제조된 연료전지 촉매 전극을 상압, 상대 습도 50 %, 200 ma/cm2의 조건에서, 수소 대신 질소를 공급하면서, 1 시간 내지 5 시간의 EOL(End Of Life)를 측정하고, 하기 수학식 1에 따라 성능저하량을 계산하였고, 하기 수학식 2에 따라 성능저하율을 계산하였다.
[수학식 1]
성능저하량(mV) = BOL - EOLx (x는 시간)
[수학식 2]
성능저하율(%) = (BOL - EOLx)/BOL * 100 (x는 시간)
구분 1 시간 2 시간 3 시간 4 시간 5 시간
실시예 성능저하량 (mV) 14 26 30 22 29
성능저하율 (%) 2.29 4.26 4.91 3.6 4.75
비교예 성능저하량 (mV) 10 27 40 46 46
성능저하율 (%) 1.59 4.3 6.37 7.33 7.33
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 실시예의 연료전지 촉매 전극은, 본 발명에 따른 (S10) 단계 내지 (S30) 단계의 구분 없이 산소 발생 반응 촉매를 수소 산화 반응 촉매 및 바인더와 함께 촉매 슬러리를 제조한 비교예의 연료전지 촉매 전극에 비해 역전압 환경에 장시간 노출되더라도 성능의 저하를 최소화할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
이는 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 실시예의 연료전지 촉매 전극이, 비교예의 연료전지 촉매 전극과 비교하여, 산소 발생 반응 촉매가 수소 산화 반응 촉매와 바인더 사이에 존재하는 비율 보다 바인더 외부로 노출된 비율이 더 높은 것으로부터 기인한 것이다.
이와 같은 결과로부터, 본 발명에 따른 연료전지 촉매 전극 제조방법에 따라 제조된 연료전지 촉매 전극은, 수소 산화 반응(HOR)과 산소 발생 반응(OER)이 모두 효과적으로 일어날 수 있어, 수소 산화 반응에 대한 전극의 촉매 활성은 충분히 확보하면서도, 역전압 환경에 노출되었을 때, 물 분해 성능이 향상되어 내구성까지 충분히 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (11)

  1. 수소 산화 반응 촉매, 바인더 및 제1 용매를 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S10);
    제1 촉매 슬러리를 열처리하고, 분쇄하여 촉매 전구체 분말을 제조하는 단계(S20);
    촉매 전구체 분말, 산소 발생 반응 촉매 및 제2 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S30); 및
    제2 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅 또는 전사하여 촉매층이 형성된 전극을 제조하는 단계(S40)를 포함하는 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소 산화 반응 촉매는 촉매 금속 및 촉매 금속이 담지된 도전재를 포함하는 것인 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐, 망간, 바나듐 및 이들의 합금을 포함하는 것인 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 도전재는 활성화 탄소인 것인 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 이온 전도성 고분자인 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (S20) 단계의 열처리는 100 ℃ 내지 200 ℃에서 실시되는 것인 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 산소 발생 반응 촉매는 산화 이리듐, 산화 루테늄 및 이들의 혼합물을 포함하는 것인 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 산소 발생 반응 촉매는 수소 산화 반응 촉매에 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 90 중량부로 혼합되는 것인 연료전지 촉매 전극 제조방법.
  9. 기재; 및 기재의 적어도 일측 표면에 형성된 촉매층을 포함하고,
    상기 촉매층은 수소 산화 반응 촉매, 산소 발생 반응 촉매 및 바인더를 포함하며,
    상기 산소 발생 반응 촉매는 수소 산화 반응 촉매와 바인더 사이에 존재하는 비율 보다 바인더 외부로 노출된 비율이 더 높은 것인 연료전지 촉매 전극.
  10. 음극; 양극; 및 음극 및 양극 사이에 개재된 고분자 전해질막을 포함하고,
    상기 음극은 제9항에 따른 연료전지 촉매 전극인 막전극 접합체.
  11. 제10항에 따른 막전극 접합체를 포함하는 연료전지.
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CN117385471A (zh) * 2023-10-27 2024-01-12 三亚深海科学与工程研究所 一种六方镍黄铁矿、其制备方法及电催化析氢

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101438891B1 (ko) 2012-07-03 2014-09-05 현대자동차주식회사 연료전지용 애노드의 제조방법
KR101664627B1 (ko) 2014-12-30 2016-10-10 현대자동차주식회사 고분자 전해질막 연료전지 및 이의 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101438891B1 (ko) 2012-07-03 2014-09-05 현대자동차주식회사 연료전지용 애노드의 제조방법
KR101664627B1 (ko) 2014-12-30 2016-10-10 현대자동차주식회사 고분자 전해질막 연료전지 및 이의 제조방법

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