KR20230154546A - Catalyst and stack for hydrogen fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소연료전지용 촉매 및 스택에 관한 것으로, 제1 전해질층과 상기 제1 전해질층의 이면에 플래티넘(Pt) 재질로 형성되는 제1 촉매층과 상기 제1 촉매층의 이면에 니켈(Ni) 재질로 형성되는 제2 촉매층과 상기 제1 전해질층 표면에 상기 제1 촉매층과 동일한 재질로 형성되는 제3 촉매층 및 상기 제1 전해질층과 상기 제3 촉매층 사이에 YSZ(Yttria-stabilized sirconia) 전해질로 형성되는 제2 전해질층을 포함하며, 상기 제1 촉매층과 상기 제2 촉매층을 조합하여 전극을 형성하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a catalyst and stack for a hydrogen fuel cell, and includes a first electrolyte layer and a first catalyst layer formed of a platinum (Pt) material on the back of the first electrolyte layer and a nickel (Ni) material on the back of the first catalyst layer. A second catalyst layer formed of a third catalyst layer formed on the surface of the first electrolyte layer of the same material as the first catalyst layer, and a Yttria-stabilized sirconia (YSZ) electrolyte between the first electrolyte layer and the third catalyst layer. It includes a second electrolyte layer, and is characterized in that the electrode is formed by combining the first catalyst layer and the second catalyst layer.
Description
본 발명은 수소연료전지용 촉매 및 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소연료전지용 촉매 및 비용 절감 및 반응성을 향상시킬 수 있는 수소연료전지용 촉매 및 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst and stack for hydrogen fuel cells, and more specifically, to a catalyst for hydrogen fuel cells and a catalyst and stack for hydrogen fuel cells that can reduce costs and improve reactivity.
연료전지는 수소 가스와 산소 가스를 이용하여 전기 화학적으로 전기를 생산하는 장치로서, 외부에서 연속적으로 공급되는 연료(수소) 및 공기(산소)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지와 열에너지로 변환시키는 장치이다.A fuel cell is a device that electrochemically produces electricity using hydrogen gas and oxygen gas. It directly converts fuel (hydrogen) and air (oxygen) supplied continuously from the outside into electrical energy and heat energy through electrochemical reaction. It is a device.
이러한 연료전지는, 산화전극(anode)에서의 산화반응 및 환원전극(cathode)에서의 환원반응을 이용하여 전력(electric power)을 생성하게 된다. 이때, 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위해 백금 또는 백금-루테늄 금속 등을 포함하는 촉매층과 고분자 전해질막으로 구성된 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)가 사용되며 막-전극 집합체 영단으로 전도성 물질의 분리판이 체결되어 셀(Cell) 구조를 이루게 된다.These fuel cells generate electric power using an oxidation reaction at the anode and a reduction reaction at the cathode. At this time, in order to promote oxidation and reduction reactions, a membrane-electrode assembly (MEA) consisting of a catalyst layer containing platinum or platinum-ruthenium metal and a polymer electrolyte membrane is used, and the conductive material is used at the end of the membrane-electrode assembly. The separation plate is fastened to form a cell structure.
상기와 같은 셀 구조가 적층되어 연료전지 스택을 구성하게 되는데, 현재 상술한 연료전지는 대체 에너지(alternative energy source)로서 다양한 용도로 연구 및 사용되고 있으며, 대표적으로는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)를 들 수 있다. 고분자 전해질막 연료전지는 출력밀도 및 에너지 전환효율이 놓고 소형화 및 밀폐화가 가능한 장점 등 다양한 장점을 가지고 있다. 때문에, 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신장비, 군사용 장비, 의료기기 등 여러 가지 분야에서 대체에너지로 사용되고 있다.The above-described cell structures are stacked to form a fuel cell stack. Currently, the above-mentioned fuel cells are being studied and used for various purposes as an alternative energy source, and a representative example is a polymer electrolyte membrane fuel cell. Fuel Cell; PEMFC). Polymer electrolyte membrane fuel cells have various advantages, including power density and energy conversion efficiency, as well as miniaturization and sealability. Therefore, it is used as an alternative energy in various fields such as zero-emission vehicles, home power generation systems, mobile communication equipment, military equipment, and medical devices.
또한, 연료전지를 작동하기 위해서는 수소가스를 필요로 하는데, 이러한 수소는 프로톤(proton)과 전자(electron)로 분리되고 이때 발생하는 전자의 이동에 의해 전류가 발생하게 된다.In addition, hydrogen gas is required to operate a fuel cell. This hydrogen is separated into protons and electrons, and current is generated by the movement of electrons.
수소가스를 분해하기 위해서는 촉매(electrocatalyst)를 필요로 하는데, 저온형 연료전지인 인산형과 고분자전해질형 연료전지에서는 주로 Pt가 이러한 역할을 수행하게 된다.In order to decompose hydrogen gas, a catalyst (electrocatalyst) is required, and in low-temperature fuel cells, phosphoric acid type and polymer electrolyte type fuel cells, Pt mainly performs this role.
연료전지의 연로로 사용되는 수소가스를 얻기 위해서는 일반적으로 연료개질기(reformer), 즉 메탄과 같은 가스에서 수소가스를 분리해 내는 장치를 필요로 하는데, 이러한 개질기를 통해 수소가스를 만들게 되면 일산화탄소(CO)가 수소가스에 소량 함유되고, 2~6M의 메탄올 용액을 사용하는 직접메탄올 연료전지(DMFC)의 경우에도 메탄올의 분해과정 중에 일산화탄소가 발생하게 된다. 일산화탄소는 Pt에 대한 흡착력이 매우 높아서, Pt이 수소가스를 프로톤과 전자로 변환시키는 영역, 즉 반응영역의 감소를 가져오게 된다는 문제점이 생긴다.In order to obtain hydrogen gas used as a fuel for fuel cells, a fuel reformer, that is, a device that separates hydrogen gas from gases such as methane, is required. When hydrogen gas is produced through such a reformer, carbon monoxide (CO ) is contained in a small amount in hydrogen gas, and even in the case of a direct methanol fuel cell (DMFC) using a 2~6M methanol solution, carbon monoxide is generated during the decomposition process of methanol. Carbon monoxide has a very high adsorption capacity for Pt, so a problem arises in that it reduces the area where Pt converts hydrogen gas into protons and electrons, that is, the reaction area.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 등장한 것이 PtRu와 같은 합금촉매이지만, 카본에 제조된 촉매를 담지시키는 추가적인 공정이 요구되는 실정이다.Accordingly, alloy catalysts such as PtRu have emerged to solve this problem, but an additional process to support the catalyst manufactured on carbon is required.
이러한 문제를 해결하기 위해, 제조원가가 저렴한 고분자전해질 수소연료전지용 촉매 및 스택을 개발하여 제공하고자 한다.To solve this problem, we would like to develop and provide catalysts and stacks for polymer electrolyte hydrogen fuel cells that are inexpensive to manufacture.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전극 제조시 고가 촉매인 플래티넘(Pt)의 사용량을 줄이는 대신 반응성이 우수한 저가 촉매인 니켈(Ni)로 대체 사용하여 스택의 비용 절감 및 반응성을 향상시킬 수 있게 한 수소연료전지용 촉매 및 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.The technical problem to be achieved by the present invention is to reduce the use of platinum (Pt), an expensive catalyst, when manufacturing electrodes, but replace it with nickel (Ni), a low-cost catalyst with excellent reactivity, to reduce the cost of the stack and improve the reactivity of hydrogen. The purpose is to provide catalysts and stacks for fuel cells.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 수소연료전지용 촉매 및 스택은, 제1 전해질층과 상기 제1 전해질층의 이면에 플래티넘(Pt) 재질로 형성되는 제1 촉매층과 상기 제1 촉매층의 이면에 니켈(Ni) 재질로 형성되는 제2 촉매층과 상기 제1 전해질층 표면에 상기 제1 촉매층과 동일한 재질로 형성되는 제3 촉매층 및 상기 제1 전해질층과 상기 제3 촉매층 사이에 YSZ(Yttria-stabilized sirconia) 전해질로 형성되는 제2 전해질층을 포함하며, 상기 제1 촉매층과 상기 제2 촉매층을 조합하여 전극을 형성하는 것을 특징으로 한다.The catalyst and stack for hydrogen fuel cells according to the characteristics of the present invention to solve these problems include a first electrolyte layer and a first catalyst layer formed of platinum (Pt) material on the back of the first electrolyte layer. A second catalyst layer formed of a nickel (Ni) material on the back side, a third catalyst layer formed on the surface of the first electrolyte layer of the same material as the first catalyst layer, and YSZ (Yttria) between the first electrolyte layer and the third catalyst layer. -stabilized sirconia) and a second electrolyte layer formed of an electrolyte, and the electrode is formed by combining the first catalyst layer and the second catalyst layer.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 수소연료전지용 촉매 및 스택에 따르면, 전극 제조시 고가 촉매인 플래티넘(Pt)의 사용량을 줄이는 대신 반응성이 우수한 저가 촉매인 니켈(Ni)로 대체 사용하여 스택의 비용 절감 및 반응성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the catalyst and stack for hydrogen fuel cells according to the present invention, instead of reducing the amount of platinum (Pt) used, which is an expensive catalyst, when manufacturing electrodes, nickel (Ni), which is a low-cost catalyst with excellent reactivity, is used instead, thereby increasing the amount of the stack. It has the effect of reducing costs and improving responsiveness.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소연료전지용 촉매 및 스택의 구성을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of a catalyst and stack for a hydrogen fuel cell according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 하기에 설명되는 본 발명의 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상을 충분하게 전달하기 위한 것임에 유의하여야 한다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. It should be noted that the embodiments of the present invention described below are intended to sufficiently convey the idea of the present invention to those skilled in the art.
본 발명은 수소연료전지용 촉매 및 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소연료전지용 촉매 및 비용 절감 및 반응성을 향상시킬 수 있는 수소연료전지용 촉매 및 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst and stack for hydrogen fuel cells, and more specifically, to a catalyst for hydrogen fuel cells and a catalyst and stack for hydrogen fuel cells that can reduce costs and improve reactivity.
연료전지는 수소 가스와 산소 가스를 이용하여 전기 화학적으로 전기를 생산하는 장치로서, 외부에서 연속적으로 공급되는 연료(수소) 및 공기(산소)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지와 열에너지로 변환시키는 장치이다.A fuel cell is a device that electrochemically produces electricity using hydrogen gas and oxygen gas. It directly converts fuel (hydrogen) and air (oxygen) supplied continuously from the outside into electrical energy and heat energy through electrochemical reaction. It is a device.
이러한 연료전지는, 산화전극(anode)에서의 산화반응 및 환원전극(cathode)에서의 환원반응을 이용하여 전력(electric power)을 생성하게 된다. 이때, 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위해 백금 또는 백금-루테늄 금속 등을 포함하는 촉매층과 고분자 전해질막으로 구성된 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)가 사용되며 막-전극 집합체 영단으로 전도성 물질의 분리판이 체결되어 셀(Cell) 구조를 이루게 된다.These fuel cells generate electric power using an oxidation reaction at the anode and a reduction reaction at the cathode. At this time, in order to promote oxidation and reduction reactions, a membrane-electrode assembly (MEA) consisting of a catalyst layer containing platinum or platinum-ruthenium metal and a polymer electrolyte membrane is used, and the conductive material is used at the end of the membrane-electrode assembly. The separation plate is fastened to form a cell structure.
상기와 같은 셀 구조가 적층되어 연료전지 스택을 구성하게 되는데, 현재 상술한 연료전지는 대체 에너지(alternative energy source)로서 다양한 용도로 연구 및 사용되고 있으며, 대표적으로는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)를 들 수 있다. 고분자 전해질막 연료전지는 출력밀도 및 에너지 전환효율이 놓고 소형화 및 밀폐화가 가능한 장점 등 다양한 장점을 가지고 있다. 때문에, 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신장비, 군사용 장비, 의료기기 등 여러 가지 분야에서 대체에너지로 사용되고 있다.The above-described cell structures are stacked to form a fuel cell stack. Currently, the above-mentioned fuel cells are being studied and used for various purposes as an alternative energy source, and a representative example is a polymer electrolyte membrane fuel cell. Fuel Cell; PEMFC). Polymer electrolyte membrane fuel cells have various advantages, including power density and energy conversion efficiency, as well as miniaturization and sealability. Therefore, it is used as an alternative energy in various fields such as zero-emission vehicles, home power generation systems, mobile communication equipment, military equipment, and medical devices.
또한, 연료전지를 작동하기 위해서는 수소가스를 필요로 하는데, 이러한 수소는 프로톤(proton)과 전자(electron)로 분리되고 이때 발생하는 전자의 이동에 의해 전류가 발생하게 된다.In addition, hydrogen gas is required to operate a fuel cell. This hydrogen is separated into protons and electrons, and current is generated by the movement of electrons.
수소가스를 분해하기 위해서는 촉매(electrocatalyst)를 필요로 하는데, 저온형 연료전지인 인산형과 고분자전해질형 연료전지에서는 주로 Pt가 이러한 역할을 수행하게 된다.In order to decompose hydrogen gas, a catalyst (electrocatalyst) is required, and in low-temperature fuel cells, phosphoric acid type and polymer electrolyte type fuel cells, Pt mainly performs this role.
연료전지의 연로로 사용되는 수소가스를 얻기 위해서는 일반적으로 연료개질기(reformer), 즉 메탄과 같은 가스에서 수소가스를 분리해 내는 장치를 필요로 하는데, 이러한 개질기를 통해 수소가스를 만들게 되면 일산화탄소(CO)가 수소가스에 소량 함유되고, 2~6M의 메탄올 용액을 사용하는 직접메탄올 연료전지(DMFC)의 경우에도 메탄올의 분해과정 중에 일산화탄소가 발생하게 된다. 일산화탄소는 Pt에 대한 흡착력이 매우 높아서, Pt이 수소가스를 프로톤과 전자로 변환시키는 영역, 즉 반응영역의 감소를 가져오게 된다는 문제점이 생긴다.In order to obtain hydrogen gas used as a fuel for fuel cells, a fuel reformer, that is, a device that separates hydrogen gas from gases such as methane, is required. When hydrogen gas is produced through such a reformer, carbon monoxide (CO ) is contained in a small amount in hydrogen gas, and even in the case of a direct methanol fuel cell (DMFC) using a 2~6M methanol solution, carbon monoxide is generated during the decomposition process of methanol. Carbon monoxide has a very high adsorption capacity for Pt, so a problem arises in that it reduces the area where Pt converts hydrogen gas into protons and electrons, that is, the reaction area.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 등장한 것이 PtRu와 같은 합금촉매이지만, 카본에 제조된 촉매를 담지시키는 추가적인 공정이 요구되는 실정이다.Accordingly, alloy catalysts such as PtRu have emerged to solve this problem, but an additional process to support the catalyst manufactured on carbon is required.
이러한 문제를 해결하기 위해, 제조원가가 저렴한 고분자전해질 수소연료전지용 촉매 및 스택을 개발하여 제공하고자 한다.To solve this problem, we would like to develop and provide catalysts and stacks for polymer electrolyte hydrogen fuel cells that are inexpensive to manufacture.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전극 제조시 고가 촉매인 플래티넘(Pt)의 사용량을 줄이는 대신 반응성이 우수한 저가 촉매인 니켈(Ni)로 대체 사용하여 스택의 비용 절감 및 반응성을 향상시킬 수 있게 한 수소연료전지용 촉매 및 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.The technical problem to be achieved by the present invention is to reduce the use of platinum (Pt), an expensive catalyst, when manufacturing electrodes, but replace it with nickel (Ni), a low-cost catalyst with excellent reactivity, to reduce the cost of the stack and improve the reactivity of hydrogen. The purpose is to provide catalysts and stacks for fuel cells.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소연료전지용 촉매 및 스택의 구성을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of a catalyst and stack for a hydrogen fuel cell according to an embodiment of the present invention.
상기 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 전해질층과 상기 제1 전해질층의 이면에 플래티넘(Pt) 재질로 형성되는 제1 촉매층과 상기 제1 촉매층의 이면에 니켈(Ni) 재질로 형성되는 제2 촉매층과 상기 제1 전해질층 표면에 상기 제1 촉매층과 동일한 재질로 형성되는 제3 촉매층 및 상기 제1 전해질층과 상기 제3 촉매층 사이에 YSZ(Yttria-stabilized sirconia) 전해질로 형성되는 제2 전해질층을 포함하며, 상기 제1 촉매층과 상기 제2 촉매층을 조합하여 전극을 형성한다.As shown in FIG. 1, a first electrolyte layer, a first catalyst layer formed of a platinum (Pt) material on the back of the first electrolyte layer, and a first catalyst layer formed of a nickel (Ni) material on the back of the first catalyst layer. 2 a catalyst layer and a third catalyst layer formed on the surface of the first electrolyte layer from the same material as the first catalyst layer, and a second electrolyte formed with YSZ (Yttria-stabilized sirconia) electrolyte between the first electrolyte layer and the third catalyst layer It includes a layer, and an electrode is formed by combining the first catalyst layer and the second catalyst layer.
본 발명에 의한 수소연료전지용 촉매 및 스택에 따르면, 전극 제조시 고가 촉매인 플래티넘(Pt)의 사용량을 줄이는 대신 반응성이 우수한 저가 촉매인 니켈(Ni)로 대체 사용하여 스택의 비용 절감 및 반응성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the catalyst and stack for hydrogen fuel cells according to the present invention, when manufacturing electrodes, the amount of platinum (Pt), an expensive catalyst, is reduced and replaced with nickel (Ni), a low-cost catalyst with excellent reactivity, thereby reducing the cost of the stack and improving reactivity. There is an effect that can be achieved.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible without departing from the scope of the present invention as is known in the field to which the present invention pertains. It will be clear to those who have knowledge.
Claims (1)
상기 제1 전해질층의 이면에 플래티넘(Pt) 재질로 형성되는 제1 촉매층;
상기 제1 촉매층의 이면에 니켈(Ni) 재질로 형성되는 제2 촉매층;
상기 제1 전해질층 표면에 상기 제1 촉매층과 동일한 재질로 형성되는 제3 촉매층;
상기 제1 전해질층과 상기 제3 촉매층 사이에 YSZ(Yttria-stabilized sirconia) 전해질로 형성되는 제2 전해질층을 포함하며,
상기 제1 촉매층과 상기 제2 촉매층을 조합하여 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지용 촉매 및 스택.
first electrolyte layer;
A first catalyst layer formed of platinum (Pt) material on the back side of the first electrolyte layer;
a second catalyst layer formed of nickel (Ni) material on the back side of the first catalyst layer;
a third catalyst layer formed on the surface of the first electrolyte layer from the same material as the first catalyst layer;
It includes a second electrolyte layer formed of Yttria-stabilized sirconia (YSZ) electrolyte between the first electrolyte layer and the third catalyst layer,
A catalyst and stack for a hydrogen fuel cell, characterized in that an electrode is formed by combining the first catalyst layer and the second catalyst layer.
Priority Applications (1)
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| KR1020220054073A KR20230154546A (en) | 2022-05-02 | 2022-05-02 | Catalyst and stack for hydrogen fuel cell |
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-
2022
- 2022-05-02 KR KR1020220054073A patent/KR20230154546A/en unknown
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