KR20050121932A - A electrode for fuel cell and a fuel cell comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 상기 연료전지용 전극은 백금-전이금속 합금 촉매를 포함하는 촉매층; 및 도전성 기재로 이루어진 가스 확산층을 포함하고, 상기 백금 표면에 흡착되어 있는 수소가 산화될 때의 전하량(Qw; Quantity of Coulomb of week bonding)이 100 Coulomb/ g of Pt이상이다. 상기 연료전지는 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴러 플레이트를 포함하고, 상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 상기 전극으로 이루어진다.The present invention relates to a fuel cell electrode and a fuel cell comprising the same, the fuel cell electrode comprising a catalyst layer comprising a platinum-transition metal alloy catalyst; And a gas diffusion layer made of a conductive substrate, wherein a quantity of Coulomb of week bonding (Qw) when hydrogen adsorbed on the platinum surface is oxidized is 100 Coulomb / g of Pt or more. The fuel cell includes at least one membrane / electrode assembly including an anode and a cathode electrode facing each other, and a polymer electrolyte membrane located between the anode and the cathode electrode; And a bipolar plate having a flow channel for supplying a gas in contact with one of the anode and the cathode of the membrane / electrode assembly, wherein at least one of the anode and the cathode is made of the electrode.
Description
[산업상 이용 분야][Industrial use]
본 발명은 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응속도가 빠르고 반응 활성이 우수하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell electrode and a fuel cell including the same, and more particularly, to a fuel cell electrode and a fuel cell including the same, which can improve the efficiency of the fuel cell with a fast reaction rate and excellent reaction activity. .
[종래 기술][Prior art]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas into electrical energy.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.Fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte or alkaline fuel cells, etc., depending on the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, and the like.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.Among these, the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), which is being developed recently, has superior output characteristics compared to other fuel cells, has a low operating temperature, fast start-up and response characteristics, and a mobile power source such as an automobile. Of course, it has a wide range of applications, such as distributed power supply for homes, public buildings and small power supply for electronic devices.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크, 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 이 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.Such a PEMFC basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to constitute a system. The stack forms the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer. The reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack. Thus, the PEMFC supplies fuel in the fuel tank to the reformer by operation of the fuel pump, reforming the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacting the hydrogen gas and oxygen in the stack to generate electrical energy. Let's do it.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA)와 이의 양면에 밀착하는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 갖는다. 막/전극 접합체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 결합된 구조를 가진다. 상기 바이폴러 플레이트는 상기 각각의 막/전극 접합체를 분리하고 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할과, 각 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 바이폴러 플레이트를 통해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.In such a fuel cell system, a stack that substantially generates electricity is stacked with several to several tens of unit cells including a membrane electrode assembly (MEA) and a bipolar plate that adheres to both sides thereof. Has a structure. The membrane / electrode assembly has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are coupled with an electrolyte membrane interposed therebetween. The bipolar plate separates the respective membrane / electrode assemblies and serves as a passage for supplying hydrogen gas and oxygen required for the reaction of the fuel cell to the anode electrode and the cathode electrode of the membrane / electrode assembly, and for each membrane / electrode assembly. It simultaneously serves as a conductor that connects the anode and cathode electrodes in series. Hydrogen gas is supplied to the anode electrode through the bipolar plate, while oxygen is supplied to the cathode electrode. In this process, an oxidation reaction of hydrogen gas occurs at the anode electrode, and a reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode, thereby generating electricity due to the movement of electrons generated, and additionally generating heat and moisture.
본 발명의 목적은 반응속도가 빠르고 반응 활성이 우수하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하기 위한 것이다. An object of the present invention is to provide a fuel cell electrode and a fuel cell including the same that can improve the efficiency of the fuel cell by the fast reaction speed and excellent reaction activity.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 백금-전이금속 합금 촉매를 포함하는 촉매층; 및 도전성 기재로 이루어진 가스 확산층을 포함하고, 상기 백금 표면에 흡착되어 있는 수소가 산화될 때의 전하량(Qw; Quantity of Coulomb of week bonding)이 100 Coulomb/ g of Pt 이상인 연료전지용 전극을 제공한다.In order to achieve the above object, a catalyst layer comprising a platinum-transition metal alloy catalyst; And a gas diffusion layer made of a conductive substrate, wherein a quantity of coulomb of week bonding (Qw) when hydrogen adsorbed on the platinum surface is oxidized is 100 Coulomb / g of Pt or more.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴러 플레이트를 포함하고, The invention also includes at least one membrane / electrode assembly comprising an anode and a cathode electrode positioned opposite each other, and a polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode electrode; And a bipolar plate having a flow channel for supplying a gas in contact with one of an anode and a cathode of the membrane / electrode assembly.
상기 애노드 및 캐소드 전극 중 적어도 하나는 백금-전이금속 합금 촉매를 포함하는 촉매층; 및 도전성 기재로 이루어진 가스 확산층을 포함하고, 상기 백금 표면에 흡착되어 있는 수소가 산화될 때의 전하량(Qw; Quantity of Coulomb of week bonding)이 100 Coulomb/ g of Pt 이상인 연료전지를 제공한다.At least one of the anode and the cathode electrode comprises a catalyst layer comprising a platinum-transition metal alloy catalyst; And a gas diffusion layer made of a conductive substrate, the fuel cell having a quantity of Coulomb of week bonding (Qw) of 100 Coulomb / g of Pt or more when hydrogen adsorbed on the platinum surface is oxidized.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
연료전지용 촉매는 애노드 전극의 수소의 산화 반응 및 캐소드 전극의 산소의 환원 반응을 촉매적으로 도와주는 것으로서, 백금이 바람직하게 사용되고 있다. The catalyst for a fuel cell catalyzes the oxidation reaction of hydrogen of an anode electrode and the reduction reaction of oxygen of a cathode electrode, and platinum is used preferably.
애노드 전극에서 생성된 수소이온이 캐소드 전극의 백금 촉매에 흡착되어 있는 산소와 반응하여 물을 생성하게 되는데, 이때 수소가 너무 강하게 백금 촉매에 흡착되어 있으면 반응 후 물이 탈착되기 어렵다. 따라서 백금 촉매의 표면에 수소가 흡착되어 있는 결합력은 촉매활성과 밀접한 관련이 있다. 즉, 결합력이 너무 강하면 환원반응 후 물의 탈착반응이 일어나기 어렵고 전체 반응속도가 저하되어 연료전지의 효율을 감소시킨다. Hydrogen ions generated at the anode electrode react with oxygen adsorbed on the platinum catalyst of the cathode to generate water. At this time, if hydrogen is so strongly adsorbed to the platinum catalyst, water is difficult to desorb after the reaction. Therefore, the bonding force of hydrogen adsorbed on the surface of the platinum catalyst is closely related to the catalytic activity. That is, if the binding force is too strong, desorption reaction of water hardly occurs after the reduction reaction, and the overall reaction rate is lowered, thereby reducing the efficiency of the fuel cell.
본 발명에서는 백금 격자구조 내에 전이금속을 삽입하여 백금 원자간 거리를 변화시켜 수소가 백금원자에 흡착되는 결합력을 조절함으로써 촉매 활성을 우수하게 개선한다. 백금-전이금속의 합금에서 백금 표면에 흡착되어 있는 수소가 산화될 때의 전하량(Qw; Quantity of Coulomb of week bonding)이 100 Coulomb/ g of Pt 이상, 바람직하게는 110 내지 140 Coulomb/ g of Pt의 범위내에 존재하도록 조절한다. 상기 전하량은 수소의 흡착세기를 나타내는 것으로 상기 범위로 조절될 경우 우수한 촉매활성을 나타낸다.In the present invention, by inserting a transition metal in the platinum lattice structure to change the distance between the platinum atoms to adjust the bonding force that the hydrogen is adsorbed to the platinum atom to improve the catalytic activity excellent. The quantity of Coulomb of week bonding (Qw) when the hydrogen adsorbed on the platinum surface in the platinum-transition metal alloy is more than 100 Coulomb / g of Pt, preferably 110 to 140 Coulomb / g of Pt Adjust to be within the range of. The charge amount represents the adsorption intensity of hydrogen, and when it is adjusted in the above range, it shows excellent catalytic activity.
상기 전이금속으로는 코발트, 철, 크롬, 니켈 등이 바람직하다. 백금과 전이금속은 40 : 60 내지 60 : 40 의 몰비로 합금을 형성하는 것이 바람직하고 50 : 50 의 몰비로 합금을 형성하는 것이 더 바람직하다. 백금과 전이금속의 몰비가 상기 범위를 벗어나는 경우 경우에는 바람직한 수소 흡착세기를 가지는 합금을 형성하기 어렵다. Cobalt, iron, chromium, nickel and the like are preferable as the transition metal. The platinum and the transition metal preferably form an alloy at a molar ratio of 40:60 to 60:40, and more preferably form an alloy at a molar ratio of 50:50. When the molar ratio of platinum and transition metal is out of the above range, it is difficult to form an alloy having a desirable hydrogen adsorption intensity.
본 발명의 백금-전이금속 합금 촉매는 전이금속이 백금 격자구조에 삽입되어 촉매입자의 크기를 40 내지 60 Å 범위로 조절한다. 상기 범위에서 촉매입자의 활성(mass activity)이 가장 우수하게 조절된다.In the platinum-transition metal alloy catalyst of the present invention, the transition metal is inserted into the platinum lattice structure to control the size of the catalyst particles in the range of 40 to 60 mm 3. In this range, the activity of the catalyst particles (mass activity) is best controlled.
상기 백금-전이금속 합금 촉매는 백금 함유물질과 전이금속 함유물질을 혼합한 다음 건조한 후 열처리하여 제조될 수 있다. 상기 백금 함유 물질은 연료전지에 통상적으로 사용되는 담체에 지지된 백금을 사용할 수 있으며, 상기 담체의 구체적인 예로는 탄소, 알루미나 또는 실리카 등이 있다. 이중에서도 바람직하게는 탄소를 담체로 하여 지지된 백금을 사용할 수 있으며, 이 때, 상기 탄소는 아세틸렌블랙, 흑연 등인 것이 더 바람직하다. The platinum-transition metal alloy catalyst may be prepared by mixing a platinum-containing material and a transition metal-containing material, followed by drying and heat treatment. The platinum-containing material may use platinum supported on a carrier commonly used in fuel cells. Specific examples of the carrier include carbon, alumina, silica, and the like. Of these, preferably platinum supported using carbon as a carrier can be used, and in this case, the carbon is more preferably acetylene black, graphite or the like.
상기 담체에 지지된 백금은 상용화된 것을 사용할 수도 있고, 또한 담체에 백금을 담지하여 사용할 수도 있다. 담체에 백금을 담지하는 공정은 당해 분야에서 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다. Platinum supported by the carrier may be commercially available, or may be used by supporting platinum on the carrier. The process of supporting platinum on the carrier is well known in the art, and thus detailed description thereof will be omitted.
또한, 상기 전이금속 함유 물질은 전이금속을 포함하며, 백금-전이금속 합금을 형성할 수 있는 화합물이라면 어느 것이라도 사용할 수 있으나, 바람직하게는 코발트, 철, 크롬, 니켈 등을 포함하는 화합물을 1종 이상 사용할 수 있고, 더 바람직하게는 상기 금속을 포함하는 금속할라이드, 질산염, 염산염, 황산염 또는 아민류 등을 1종 이상 사용할 수 있으며, 가장 바람직하게는 철, 니켈, 크롬 또는 코발트 등을 포함하는 금속 할라이드 또는 질산염 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다. In addition, the transition metal-containing material includes a transition metal, and any compound that can form a platinum-transition metal alloy may be used, but preferably includes a compound including cobalt, iron, chromium, nickel, and the like. It can use more than 1 type, More preferably, it can use 1 or more types of metal halide, nitrate, hydrochloride, sulfate, or amine containing the said metal, Most preferably metal containing iron, nickel, chromium, cobalt, etc. One or more selected from halides or nitrates can be used.
상기 전이금속 함유 물질은 액상으로 혼합하여 사용하며, 바람직하게는 상기 금속 함유 물질이 알코올, 물 또는 알코올과 물의 혼합물에 용해된 용액 상태로 사용할 수 있다. 상기 용액은 전이금속 함유 물질의 농도가 0.1 내지 1 M인 것이 바람직하다. The transition metal-containing material is mixed and used in a liquid phase, and preferably, the metal-containing material may be used in a solution state in which alcohol, water, or a mixture of alcohol and water is dissolved. The solution preferably has a concentration of 0.1 to 1 M of the transition metal-containing material.
백금 함유 물질과 전이금속 함유 물질을 혼합하여 혼합물을 제조한 후에, 건조과정을 거친다. 상기 건조과정은 상기 혼합물에 포함된 물, 알코올 등의 용매를 증발시키는 과정으로서, 통상적인 건조과정에 따른다. After the mixture is prepared by mixing the platinum-containing material and the transition metal-containing material, it is dried. The drying process is a process of evaporating a solvent, such as water and alcohol, included in the mixture, according to a conventional drying process.
상기 혼합물의 건조를 마친 후, 열처리 과정을 거치게 되며, 상기 열처리는 환원분위기에서 500 내지 800℃의 온도로 실시하는 것이 바람직하고, 600 내지 800℃인 것이 더 바람직하다. 열처리 시간은 1 내지 5 시간인 것이 바람직하다. 열처리 온도가 500℃ 미만이거나 열처리 시간이 1시간 미만인 경우에는 합금 형성이 어렵고 열처리온도가 800℃를 초과하거나 열처리 시간이 5시간을 초과하는 경우에는 합금 촉매입자의 입경이 지나치게 커져 촉매활성이 저하되므로 바람직하지 않다. After drying the mixture, the heat treatment is performed, and the heat treatment is preferably performed at a temperature of 500 to 800 ° C. in a reducing atmosphere, and more preferably 600 to 800 ° C. It is preferable that heat processing time is 1 to 5 hours. If the heat treatment temperature is less than 500 ℃ or the heat treatment time is less than 1 hour, it is difficult to form the alloy. If the heat treatment temperature is higher than 800 ℃ or heat treatment time is more than 5 hours, the particle size of the alloy catalyst particles is too large, the catalyst activity is lowered Not desirable
상기 열처리 시의 환원분위기는 수소기체, 질소기체, 또는 수소와 질소의 혼합기체를 사용할 수 있다. In the reducing atmosphere during the heat treatment, a hydrogen gas, a nitrogen gas, or a mixed gas of hydrogen and nitrogen may be used.
본 발명의 백금-전이금속 합금 촉매는 바인더 수지와 용매와 혼합한 조성물을 도전성 기재(기체 확산층)에 코팅하여 촉매층을 포함하는 전극을 제조한다.In the platinum-transition metal alloy catalyst of the present invention, an electrode including a catalyst layer is prepared by coating a composition mixed with a binder resin and a solvent on a conductive substrate (gas diffusion layer).
상기 바인더 수지로는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 등의 플루오르 함유 고분자 또는 스티렌-부타디엔 고무 등의 고무계 고분자가 사용될 수 있다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 이소프로필알코올과 같은 알코올, 물 등이 사용될 수 있다.The binder resin may be a fluorine-containing polymer such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), or a rubber-based polymer such as styrene-butadiene rubber. The solvent may be N-methylpyrrolidone (NMP), alcohol such as isopropyl alcohol, water and the like.
상기 조성물의 코팅방법은 특히 한정되지 않는다. 예를 들어 닥터 블레이드법(doctor blade method), 침지법(dip method), 리버스롤법(reverse roll method), 다이렉트 롤법(direct roll method), 그라비아법(gravure method), 압출성형법(extrusion method), 브러쉬법 등이 이용될 수 있다.The coating method of the composition is not particularly limited. For example, doctor blade method, dip method, reverse roll method, direct roll method, gravure method, extrusion method, brush Law and the like can be used.
또는 상기 조성물을 필름화한 후 도전성 기재와 라미네이팅하여 전극을 제조할 수도 있다.Alternatively, the composition may be filmed and then laminated with a conductive substrate to prepare an electrode.
상기 도전성 기재로는 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbon felt) 등이 사용될 수 있다. 상기 도전성 기재는 촉매층을 지지하는 역할을 함과 동시에 촉매층에 반응가스를 전달하는 기체 확산(gas diffusion) 통로 역할을 한다. 상기 도전성 기재는 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 불소계 고분자로 발수처리하여 사용할 수도 있다.As the conductive substrate, carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or the like may be used. The conductive substrate serves to support the catalyst layer and at the same time serves as a gas diffusion passage for delivering the reaction gas to the catalyst layer. The conductive substrate can also be used after water repellent treatment with a fluorine-based polymer such as polytetrafluoroethylene.
본 발명의 연료전지용 전극은 상기 촉매층과 촉매 지지층 사이에 가스 확산 효과를 증진시키기 위하여 미세 기공층(microporous layer)을 더 포함할 수 있다. 이러한 미세 기공층은 반응 가스를 균일하게 촉매층에 공급하고 촉매층에 형성된 전자를 촉매 지지층에 전달하는 역할을 한다. 일반적으로 입경이 작은 도전성 분말, 예를 들어 탄소 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 등을 포함할 수 있다.The electrode for a fuel cell of the present invention may further include a microporous layer to enhance the gas diffusion effect between the catalyst layer and the catalyst support layer. The microporous layer serves to uniformly supply the reaction gas to the catalyst layer and to transfer electrons formed in the catalyst layer to the catalyst support layer. In general, it may include a conductive powder having a small particle diameter, such as carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, and the like.
상기 미세 기공층은 도전성 분말, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 조성물을 도전성 기재에 코팅하여 제조된다. 상기 불소계열 바인더 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 등의 불소계열 바인더 수지 또는 스티렌-부타디엔 고무(SBR) 등의 고분자가 사용될 수도 있다. 상기 용매로는 N-메틸피롤리돈(NMP), 이소프로필알코올과 같은 알코올, 물 등이 사용될 수 있다. 코팅공정은 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법 또는 닥터 블레이드를 이용한 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.The microporous layer is prepared by coating a conductive substrate with a composition comprising a conductive powder, a binder resin, and a solvent. As the fluorine-based binder resin, a fluorine-based binder resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), or a polymer such as styrene-butadiene rubber (SBR) may be used. The solvent may be N-methylpyrrolidone (NMP), alcohol such as isopropyl alcohol, water and the like. The coating process may be screen printing, spray coating, or a coating method using a doctor blade according to the viscosity of the composition, but is not limited thereto.
연료 전지에서 캐소드 및 애노드 전극은 물질로 구별되는 것이 아니라, 그 역할로 구별되는 것으로서, 연료 전지용 전극은 수소 산화용 애노드 및 산소의 환원용 캐소드로 구별된다. 따라서, 본 발명의 연료 전지용 전극은 캐소드 및 애노드 전극에 모두 사용가능하다. In the fuel cell, the cathode and the anode electrode are not distinguished by materials but in their role, and the fuel cell electrode is divided into an anode for hydrogen oxidation and a cathode for reducing oxygen. Therefore, the fuel cell electrode of the present invention can be used for both the cathode and the anode electrode.
도 1은 애노드(3), 캐소드(5), 및 고분자 전해질 막(7)을 포함하는 연료전지(1)의 작동상태를 개략적으로 보인 도면이다. 상기 애노드(3)와 캐소드(5) 전극으로 본 발명의 전극이 사용될 수 있다. 특히 캐소드 전극에 상기 백금-전이금속 합금 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 도 1을 참조하여 설명하면, 수소 가스 또는 연료가 상기 애노드(3)에 공급되면 전기화학적 산화반응이 일어나면서 수소이온 H+와 전자 e-로 이온화되면서 산화된다. 이온화된 수소이온은 고분자 전해질 막(7)을 통하여 캐소드(5)로 이동하고 전자는 외부 회로를 통해 캐소드(5)로 이동한다. 캐소드(5)로 이동한 수소 이온은 캐소드(5)로 공급되는 산소와 전기화학적 환원반응을 일으켜 반응열과 물을 생성시키고 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.FIG. 1 is a view schematically showing an operating state of a fuel cell 1 including an anode 3, a cathode 5, and a polymer electrolyte membrane 7. The electrode of the present invention may be used as the anode 3 and the cathode 5 electrodes. In particular, it is preferable to use the platinum-transition metal alloy catalyst as the cathode. Referring to FIG. 1, when hydrogen gas or fuel is supplied to the anode 3, an electrochemical oxidation reaction occurs and is oxidized while being ionized with hydrogen ions H + and electrons e − . Ionized hydrogen ions move to the cathode 5 through the polymer electrolyte membrane 7 and electrons move to the cathode 5 through an external circuit. The hydrogen ions transferred to the cathode 5 cause an electrochemical reduction reaction with oxygen supplied to the cathode 5 to generate heat of reaction and water, and electrical energy is generated by the movement of electrons.
상기 고분자 전해질 막(7)은 수소이온-전도성 중합체 물질, 즉 이오노머(ionomer)로 이루어지며, 일반적으로 불소계 고분자, 케톤계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자, 이미드계 고분자, 설폰계 고분자, 스티렌계 고분자 등이 사용될 수 있으며, 이들의 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 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), 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리스티렌, 폴리페닐렌 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The polymer electrolyte membrane 7 is made of a hydrogen ion-conductive polymer material, that is, an ionomer, and is generally a fluorine-based polymer, a ketone-based polymer, a benzimidazole-based polymer, an ester-based polymer, an amide-based polymer, or an imide-based polymer. , Sulfonic polymers, styrene polymers, etc. may be used. Specific examples thereof include poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarboxylic acid), and tetrafluoroethylene and fluoro containing sulfonic acid groups. Vinyl ether copolymers, defluorinated sulfide polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2 '-(m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole) (poly (2,2'-(m -phenylene) -5,5'-bibenzimidazole)), poly (2,5-benzimidazole), polyimide, polysulfone, polystyrene, polyphenylene and the like can be used, but is not limited thereto.
연료전지는 막/전극 접합체를 가스 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 바이폴러 플레이트 사이에 삽입하여 단위 전지를 제조하고, 이를 적층하여 스택을 제조한 후, 이를 두 개의 엔드 플레이트(end plate) 사이에 삽입하여 제조할 수 있다. 연료 전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 용이하게 제조될 수 있다. The fuel cell inserts a membrane / electrode assembly between a gas flow channel and a bipolar plate on which a cooling channel is formed to fabricate a unit cell, stacks it, and manufactures a stack, and then inserts it between two end plates. Can be prepared. Fuel cells can be readily manufactured by conventional techniques in the art.
본 발명의 연료전지용 전극은 모든 연료전지에 적용가능하며, 특히 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC)와 직접 메탄올 전지(DMFC)에 바람직하게 적용될 수 있다.The electrode for fuel cells of the present invention is applicable to all fuel cells, and is particularly preferably applied to polymer electrolyte fuel cells (PEMFC) and direct methanol cells (DMFC).
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples and comparative examples of the present invention are described. However, the following examples are only one preferred embodiment of the present invention and the present invention is not limited to the following examples.
실시예 1Example 1
존슨 매세이 사(Johnson Matthey Co.)의 상용 백금/탄소(Pt/C) 촉매(백금함량 10 중량%)에 CoCl2의 1 M 수용액을 적하하여 혼합하였다. 이 때, 백금:코발트의 몰비가 50:50 이 되도록 혼합하였다. 혼합물을 100℃에서 1시간 건조한 후 수소와 질소의 혼합기체(수소 10 부피%, 질소 90 부피%) 존재 하에서 600℃로 2.5시간 동안 열처리하여 백금-전이금속 촉매를 제조하였다.A 1 M aqueous solution of CoCl 2 was added dropwise to a commercial platinum / carbon (Pt / C) catalyst (platinum content 10 wt%) by Johnson Matthey Co. and mixed. At this time, it mixed so that the molar ratio of platinum: cobalt might be 50:50. The mixture was dried at 100 ° C. for 1 hour and then heat-treated at 600 ° C. for 2.5 hours in the presence of a mixed gas of hydrogen and nitrogen (10% by volume of hydrogen and 90% by volume of nitrogen) to prepare a platinum-transition metal catalyst.
실시예 2Example 2
열처리 온도를 700℃로 한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 백금-전이금속 촉매를 제조하였다. A platinum-transition metal catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 700 ° C.
비교예 1Comparative Example 1
존슨 매세이 사(Johnson Matthey Co.)의 상용 백금/탄소(Pt/C) 촉매Johnson Matthey Co. commercial platinum / carbon (Pt / C) catalyst
비교예 2Comparative Example 2
열처리 온도를 900℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 백금-전이금속 촉매를 제조하였다. A platinum-transition metal catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 900 ° C.
비교예 3Comparative Example 3
열처리 온도를 1100℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 백금-전이금속 촉매를 제조하였다. A platinum-transition metal catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature was 1100 ° C.
상기 실시예 1 내지 2 및 비교예 1 내지 3의 촉매 100 중량부, 폴리테트라플루오로에틸렌 고분자 10 중량부 및 용매로 이소프로필알콜 100 중량부를 혼합하여 제조한 조성물을 탄소 페이퍼에 코팅하여 연료전지용 전극을 제조하였다. 상기 전극을 애노드 및 캐소드로 하여 그 사이에 Nafion(DuPont 사 제품) 고분자 막을 놓고 100도에서 30초간 소성한 후 열간압연하여 막/전극 접합체(MEA)를 제조하였다. 상기 제조된 막/전극 접합체를 두 장의 가스켓(gasket) 사이에 삽입한 후 일정형상의 가스 유로 채널과 냉각 채널이 형성된 2개의 바이폴러 플레이트에 삽입한 후 구리 엔드(end) 플레이트 사이에서 압착하여 단위 전지를 제조하였다.Electrode for fuel cell by coating a composition prepared by mixing 100 parts by weight of the catalyst of Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 3, 10 parts by weight of polytetrafluoroethylene polymer and 100 parts by weight of isopropyl alcohol with a solvent Was prepared. The electrode was used as an anode and a cathode, and a Nafion (manufactured by DuPont) polymer membrane was placed therebetween, fired at 100 degrees for 30 seconds, and hot rolled to prepare a membrane / electrode assembly (MEA). The prepared membrane / electrode assembly is inserted between two gaskets, and then inserted into two bipolar plates in which a gas flow channel and a cooling channel of a predetermined shape are formed, and then compressed between copper end plates. The battery was prepared.
상기 전극과 카운터 전극으로 백금 플레이트를 사용하고, 전해질로 1 M H2S04 수용액을 사용하고, 표준전극으로 포화칼로멜전극(SCE)을 사용하여 순환전류법(Cyclic Voltametry)으로 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3의 각 촉매의 백금 표면에 흡착되어 있는 수소가 산화될 때의 전하량(Qw; Quantity of Coulomb of week bonding)을 측정하였다. 이 때, 스캔속도는 10 mV/sec로 하였다.Example 1, 2 using a platinum plate as the electrode and the counter electrode, 1 MH 2 S0 4 aqueous solution as the electrolyte, and a saturated calomel electrode (SCE) as the standard electrode by cyclic voltammetry And the quantity of Coulomb of week bonding (Qw) when hydrogen adsorbed on the platinum surface of each catalyst of Comparative Examples 1 to 3 was oxidized. At this time, the scanning speed was 10 mV / sec.
또한 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3의 전극에 대하여 수소 기준 전극 대비 600mV에서의 전류밀도를 측정하였다. 이 측정된 전류값을 촉매의 중량으로 나누어 중량활성도(mass activity)를 산출하였다. 그 결과는 하기 표 1과 같다.In addition, for the electrodes of Examples 1, 2 and Comparative Examples 1 to 3 were measured the current density at 600mV compared to the hydrogen reference electrode. The measured current value was divided by the weight of the catalyst to calculate mass activity. The results are shown in Table 1 below.
[표 1]TABLE 1
상기 표 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 실시예 1 내지 2의 백금-코발트 합금은 입자크기도 촉매활성에 우수한 범위로 조절되었고, 백금 표면에 흡착되어 있는 수소가 산화될 때의 전하량(Qw; Quantity of Coulomb of week bonding)이 100 Coulomb/ g of Pt이므로 촉매활성을 나타내는 중량활성도도 매우 우수함을 알 수 있다. 비교예 1의 백금촉매는 100 Coulomb/ g of Pt의 전하량을 보이기는 하였으나 입자크기가 너무 작아서 촉매 활성이 낮음을 알 수 있으며 비교예 1과 2의 백금-코발트 합금 촉매는 입자 크기도 크고 Qw가 너무 낮아 촉매활성이 낮았다. As shown in Table 1, the platinum-cobalt alloys of Examples 1 to 2 prepared according to the present invention were adjusted to a range excellent in catalytic activity, and the amount of charge when hydrogen adsorbed on the platinum surface was oxidized ( Qw; Quantity of Coulomb of week bonding) is 100 Coulomb / g of Pt, it can be seen that the weight activity indicating the catalytic activity is also very good. Although the platinum catalyst of Comparative Example 1 showed a charge amount of 100 Coulomb / g of Pt, it was found that the catalytic activity was low because the particle size was too small. The platinum-cobalt alloy catalysts of Comparative Examples 1 and 2 had large particle sizes and Qw. Too low the catalytic activity was low.
본 발명의 연료전지용 촉매는 합금 입자크기와 백금 표면에 흡착되어 있는 수소가 산화될 때의 전하량이 촉매활성에 우수한 범위로 조절됨으로써 반응속도가 빠르고 반응 활성이 우수하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다. In the fuel cell catalyst of the present invention, the alloy particle size and the amount of charge when hydrogen adsorbed on the surface of platinum are oxidized to a range excellent for catalytic activity, thereby improving the efficiency of the fuel cell due to the fast reaction rate and excellent reaction activity. have.
도 1은 고분자 전해질 막을 포함하는 연료전지의 작동상태를 개략적으로 보인 도면이다.1 is a view schematically showing an operating state of a fuel cell including a polymer electrolyte membrane.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1: 연료전지 3: 애노드1: fuel cell 3: anode
5: 캐소드 7: 고분자 전해질 막5: cathode 7: polyelectrolyte membrane
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2004
- 2004-06-23 KR KR1020040047040A patent/KR20050121932A/en not_active Ceased
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