KR20150138103A - Electrode for fuel cell, membrane electrode assembly comprising the same and fuel cell comprising the membrane electrode assembly - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 연료전지용 전극, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode for a fuel cell, a membrane electrode assembly including the same, and a fuel cell including the membrane electrode assembly.
Description
본 명세서는 연료전지용 전극, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode for a fuel cell, a membrane electrode assembly including the same, and a fuel cell including the membrane electrode assembly.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목받고 있다.Recently, as the exhaustion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of such alternative energies, fuel cells have attracted particular attention due to their advantages such as high efficiency, no emission of pollutants such as NOx and SOx, and abundant fuel.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts the chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electric energy. Hydrogen, hydrocarbons such as methanol and butane are used as fuel, and oxygen is used as an oxidant.
연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다. 이러한 고분자 전해질형 연료전지는 전해질로서 액체가 아닌 고체 고분자 전해질막을 사용한다는 점에서 다른 연료전지와 차이가 있다.BACKGROUND ART Fuel cells include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC), an alkaline fuel cell (AFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC) And a battery (SOFC). Among them, polymer electrolyte fuel cells have been actively studied because they have high energy density and high output. Such a polymer electrolyte fuel cell differs from other fuel cells in that it uses a solid polymer electrolyte membrane instead of a liquid electrolyte.
본 명세서는 연료전지용 전극, 이를 포함하는 막 전극 접합체 및 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.The present invention provides an electrode for a fuel cell, a membrane electrode assembly including the same, and a fuel cell including the membrane electrode assembly.
본 명세서는 촉매 및 친수성 물질을 포함하는 촉매층을 포함하며, 상기 친수성 물질은 상기 촉매 100 중량부를 기준으로 5 중량부 이상 10 중량부 이하로 포함되는 것인 연료전지용 전극을 제공한다. The present invention provides a catalyst layer comprising a catalyst and a hydrophilic material, wherein the hydrophilic material is contained in an amount of 5 parts by weight or more and 10 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the catalyst.
또한, 본 명세서는 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 구비되는 전해질막을 포함하고, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나는 상기 전극인 것인 막 전극 접합체를 제공한다. The present disclosure also relates to a cathode comprising: a cathode; Anode; And an electrolyte membrane provided between the cathode and the anode, wherein at least one of the cathode and the anode is the electrode.
또한, 본 명세서는 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. Further, the present specification provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.
본 명세서의 일 실시상태는 저가습 상태에서도 막 전극 접합체의 성능이 좋은 장점이 있다. One embodiment of the present invention is advantageous in that the performance of the membrane electrode assembly is good even under low humidity conditions.
본 명세서의 일 실시상태는 막 전극 접합체의 함수량을 높임으로써, 주변 환경의 습도 변화에 따른 영향을 줄일 수 있다.In one embodiment of the present invention, by increasing the water content of the membrane electrode assembly, it is possible to reduce the influence of the humidity change of the surrounding environment.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시상태의 연료전지용 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 연료전지의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 상대습도 100%에서 실시예 1-2 및 비교예 1-4의 전류밀도 그래프이다.
도 5는 상대습도 50%에서 실시예 1-2 및 비교예 1-4의 전류밀도 그래프이다.
도 6은 상대습도 32%에서 실시예 1-2 및 비교예 1-4의 전류밀도 그래프이다.1 is a schematic view showing an electricity generation principle of a fuel cell.
2 is a schematic view showing the structure of a membrane electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view showing one embodiment of a fuel cell.
4 is a graph of current densities of Example 1-2 and Comparative Example 1-4 at a relative humidity of 100%.
5 is a graph of current densities of Example 1-2 and Comparative Example 1-4 at a relative humidity of 50%.
6 is a graph of current densities of Example 1-2 and Comparative Example 1-4 at a relative humidity of 32%.
이하에서 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 명세서는 촉매 및 친수성 물질을 포함하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.The present invention provides an electrode for a fuel cell comprising a catalyst and a catalyst layer comprising a hydrophilic material.
상기 촉매층의 두께는 3㎛ 이상 30㎛ 이하일 수 있다. The thickness of the catalyst layer may be 3 탆 or more and 30 탆 or less.
본 명세서에서, 상기 촉매는 연료전지에서 촉매의 역할을 할 수 있다면 그 종류를 한정하지 않으나, 백금, 전이금속 및 백금-전이금속 합금 중 하나를 포함할 수 있다. In this specification, the catalyst is not limited as long as it can serve as a catalyst in a fuel cell, but may include one of platinum, a transition metal, and a platinum-transition metal alloy.
여기서, 전이금속은 주기율표에서 3 내지 11족 원소이며, 예를 들면, 루테늄, 오스뮴, 팔라듐, 몰리브덴 및 로듐 중 어느 하나일 수 있다. Here, the transition metal is an element of Group 3 to Group 11 in the periodic table, and may be any one of ruthenium, osmium, palladium, molybdenum and rhodium.
구체적으로, 상기 촉매는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-몰리브덴 합금 및 백금-로듐 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.Specifically, the catalyst may be selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-molybdenum alloy and platinum-rhodium alloy. .
상기 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있다.The catalysts can be used not only by themselves but also by being supported on a carbon-based carrier.
상기 탄소계 담체로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P블랙(Super P black)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직한 예가 될 수 있다.Examples of the carbon-based support include graphite, carbon black, acetylene black, denka black, cacao black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nano ring, A mixture of two or more selected from the group consisting of fullerene (C 60 ) and Super P black (Super P black) is a preferable example.
본 명세서에서, 상기 친수성 물질은 히드록시기 및 아마이드기 중 어느 하나 이상의 친수성기를 포함할 수 있다. In the present specification, the hydrophilic material may include at least one hydrophilic group selected from a hydroxyl group and an amide group.
상기 히드록시기를 포함하는 친수성 물질은 폴리비닐알코올, 셀룰로오스, 아밀로스, 글리코젠, 베타 글루칸, 덱스트린 및 갈락토즈 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. The hydrophilic material including the hydroxy group may include at least one of polyvinyl alcohol, cellulose, amylose, glycogen, beta glucan, dextrin and galactose.
상기 아마이드기를 포함하는 친수성 물질은 펩타이드 및 폴리아크릴아마이드 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.The hydrophilic substance including the amide group may include at least one of a peptide and a polyacrylamide.
상기 친수성 물질은 폴리비닐알코올 또는 셀룰로오스를 포함하는 것이 바람직하다. The hydrophilic material preferably comprises polyvinyl alcohol or cellulose.
본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 촉매 100 중량부를 기준으로, 상기 친수성 물질의 함량이 5 중량부 이상 10 중량부 이하일 수 있다. 이 경우 친수성 물질이 수소와 공기 반응에 의해 생성된 물과 외부에서 공급된 물을 함유함으로써, 저가습 조건에도 연료전지 성능을 유지하고 전극 내 가스 이동을 방해하지 않는 장점이 있다.In one embodiment of the present invention, the content of the hydrophilic substance may be 5 parts by weight or more and 10 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the catalyst. In this case, since the hydrophilic material contains water generated by the air reaction with hydrogen and water supplied from the outside, the fuel cell performance is maintained even under low humidification conditions and gas migration in the electrode is not hindered.
본 발명에서, 상기 촉매층은 이오노머(ionomer)를 더 포함할 수 있다. 상기 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질막으로 이동하기 위한 통로를 제공하여 주는 역할을 한다. 상기 이오노머는 구체적으로 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 사용될 수 있다.In the present invention, the catalyst layer may further include an ionomer. The ionomer provides a path for ions generated by the reaction between the fuel and the catalyst, such as hydrogen or methanol, to move to the electrolyte membrane. The ionomer may specifically be a sulfonated polymer such as Nafion ionomer or sulfonated polytrifluorostyrene.
상기 촉매층에서, 상기 촉매 100 중량부를 기준으로, 상기 이오노머의 함량이 20 중량부 이상 60 중량부 이하일 수 있다. In the catalyst layer, the content of the ionomer may be 20 parts by weight or more and 60 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the catalyst.
상기 촉매층을 형성하는 촉매 잉크는 촉매, 친수성 물질, 이오노머 및 용매로 이루어질 수 있다.The catalyst ink forming the catalyst layer may be composed of a catalyst, a hydrophilic substance, an ionomer and a solvent.
상기 촉매 잉크에 포함되는 용매로는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트 및 에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다.As the solvent contained in the catalyst ink, any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of water, butanol, isopropanol, methanol, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate and ethylene glycol is preferably used Can be used.
상기 촉매 100 중량부를 기준으로, 상기 용매의 함량은 700 중량부 이상 900 중량부 이하일 수 있으며, 필요에 따라, 750 중량부 이상 850 중량부 이하일 수 있다. The content of the solvent may be 700 parts by weight or more and 900 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the catalyst, and may be 750 parts by weight or more and 850 parts by weight or less, if necessary.
본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 연료전지용 전극은 촉매층의 일면에 구비된 기체확산층을 더 포함할 수 있다. 상기 기체확산층은 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물의 이동 통로가 되는 것으로, 다공성의 구조를 가진다. 따라서, 상기 기체확산층은 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. In one embodiment of the present invention, the electrode for a fuel cell may further include a gas diffusion layer provided on one side of the catalyst layer. The gas diffusion layer serves as a current conductor and serves as a passage for reacting gas and water, and has a porous structure. Therefore, the gas diffusion layer may include a conductive base material.
상기 도전성 기재로는 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있으나, 예를 들면 탄소 페이퍼(Carbon paper), 탄소 천(Carbon cloth) 또는 탄소 펠트(Carbon felt)가 바람직하게 사용될 수 있으며 이에 한정되지 않는다.As the conductive base material, any conventional materials known in the art can be used. For example, carbon paper, carbon cloth or carbon felt can be preferably used. It does not.
상기 기체확산층의 두께는 200㎛ 이상 500㎛ 이하일 수 있다. 이 경우 가스확산층을 통한 반응물가스 전달 저항 최소화와 가스확산층 내 적정수분 함유 관점에서 최적의 상태가 되는 장점이 있다.The thickness of the gas diffusion layer may be 200 탆 or more and 500 탆 or less. In this case, there is an advantage that the reactant gas transfer resistance through the gas diffusion layer is minimized and the optimum state is obtained from the viewpoint of proper water content in the gas diffusion layer.
본 명세서는 캐소드; 애노드; 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 구비되는 전해질막을 포함하고, 상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나는 상기 전극인 것인 막 전극 접합체를 제공한다. The present disclosure includes a cathode; Anode; And an electrolyte membrane provided between the cathode and the anode, wherein at least one of the cathode and the anode is the electrode.
본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 캐소드 및 애노드는 각각 본 명세서의 연료전지용 전극일 수 있다. 구체적으로, 상기 캐소드 및 애노드는 각각 촉매 및 친수성 물질을 포함하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the cathode and the anode may each be an electrode for a fuel cell of the present specification. Specifically, the cathode and the anode may be electrodes for a fuel cell including a catalyst layer including a catalyst and a hydrophilic substance, respectively.
본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 캐소드는 본 명세서의 연료전지용 전극일 수 있다. 구체적으로, 상기 캐소드는 촉매 및 친수성 물질을 포함하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the cathode may be an electrode for a fuel cell of the present specification. Specifically, the cathode may be an electrode for a fuel cell including a catalyst and a catalyst layer including a hydrophilic material.
본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 애노드는 본 명세서의 연료전지용 전극일 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드는 촉매 및 친수성 물질을 포함하는 촉매층을 포함하는 연료전지용 전극일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the anode may be an electrode for a fuel cell of the present specification. Specifically, the anode may be a fuel cell electrode including a catalyst layer including a catalyst and a hydrophilic material.
연료전지 자동차의 경우 고전류 영역에서의 높은 성능이 중요하다. 고전류를 발생하기 위해서는 이에 상응하는 반응물 가스가 필요한데 반응물 가스 전달 저항의 관점에서 애노드에 비해 상대적으로 캐소드가 불리하므로 친수성 물질은 애노드에만 있는 것이 바람직하다. In the case of fuel cell vehicles, high performance in the high current region is important. In order to generate a high current, a corresponding reactant gas is required. However, since the cathode is disadvantageous relative to the anode in terms of reactant gas transfer resistance, it is preferable that the hydrophilic substance is only in the anode.
캐소드의 반응물 가스는 공기인데 실제 반응에 참여하는 기체는 공기 내 산소이므로 애노드의 순도가 높은 수소에 비해 불리하고 또한 분자의 크기 면에서도 수소에 비해 크므로 확산에 불리하다. 이러한 점을 고려할 때 캐소드에 친수성 물질이 있으면 상대적으로 가스 전달이 더 느려질 수 있고 또한 캐소드에서 생성되는 물도 가스확산에 방해가 될 수 있다. 반면, 애노드의 반응물 가스는 순수한 수소가스이고, 수소는 산소보다 상대적으로 분자크기가 작으며, 애노드에서 생성되는 물도 없으므로 친수성 물질이 있더라도 캐소드보다 가스전달 저항이 크지 않다. 더욱이 고전류에서는 전기삼투 끌림에 의한 애노드 측 전해질막 탈수가 심각해져 본질적으로 수분이 필요한 곳은 애노드이므로 애노드에 친수성물질이 있는 것이 유리하다.The reactant gas in the cathode is air. Since the gas involved in the reaction is oxygen in the air, the purity of the anode is disadvantageous compared with the hydrogen, and the molecular size is larger than that of hydrogen. Considering this point, the presence of a hydrophilic substance in the cathode may slow the gas transfer relatively, and the water generated at the cathode may also interfere with gas diffusion. On the other hand, the reactant gas of the anode is pure hydrogen gas, hydrogen is relatively smaller in molecular size than oxygen, and there is no water produced in the anode, so that even if there is a hydrophilic substance, the gas transfer resistance is not larger than that of the cathode. Furthermore, at high currents, dehydration of the electrolyte membrane on the anode side due to electroosmosis is serious, and it is advantageous to have a hydrophilic substance on the anode because the anode is essentially where moisture is required.
상기 애노드의 촉매층에서는 연료의 산화 반응이 일어나며, 상기 캐소드의 촉매층에서는 산화제의 환원 반응이 일어난다. The oxidation reaction of the fuel occurs in the catalyst layer of the anode, and the reduction reaction of the oxidant occurs in the catalyst layer of the cathode.
상기 캐소드 및 애노드는 각각 전해질막측에 구비된 촉매층 및 상기 촉매층 상에 구비된 기체확산층을 포함하는 전극일 수 있다. The cathode and the anode may be an electrode including a catalyst layer provided on the electrolyte membrane side and a gas diffusion layer provided on the catalyst layer, respectively.
촉매층을 도입하는 과정은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법으로 수행할 수 있는데, 예를 들면 촉매 잉크를 전해질막에 직접적으로 코팅하거나, 이형성 기재에 촉매층을 형성한 후 전해질막에 열압착하고 이형성 기재를 제거하여 형성하거나, 기체확산층에 코팅하여 촉매층을 형성할 수 있다. 이때 촉매 잉크의 코팅 방법은 특별하게 제한되는 것은 아니지만, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 블레이드 코팅, 잉크젯 코팅, 다이 코팅 또는 스핀 코팅 방법 등을 사용할 수 있다. The process of introducing the catalyst layer can be performed by a conventional method known in the art. For example, the catalyst ink may be directly coated on the electrolyte membrane, or a catalyst layer may be formed on the releasable substrate, followed by thermocompression bonding to the electrolyte membrane, The catalyst layer may be formed by removing the substrate or by coating the gas diffusion layer. The method of coating the catalyst ink is not particularly limited, but spray coating, tape casting, screen printing, blade coating, inkjet coating, die coating or spin coating may be used.
상기 전해질막의 두께는 5㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있다. 이 경우 전해질막 가스 크로스오버(gas cross over)의 최소화와 양성자이온 저항 최소화의 관점에서 최적의 상태가 되는 장점이 있다.The thickness of the electrolyte membrane may be 5 탆 or more and 50 탆 or less. In this case, there is an advantage that an optimum state is obtained in terms of minimizing the gas cross over of the electrolyte membrane gas and minimizing the proton ion resistance.
본 명세서에서, 상기 전해질막은 캐소드 촉매층과 애노드 촉매층 사이에 구비되며, 양성자가 통하는 매개체이자 공기와 수소 가스의 분리막의 역할을 한다. 전해질막의 양성자 이동도가 높을수록 막 전극 접합체의 성능을 높아진다. In this specification, the electrolyte membrane is provided between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and serves as a medium through which protons pass and serves as a separator between air and hydrogen gas. The higher the proton mobility of the electrolyte membrane, the higher the performance of the membrane electrode assembly.
이때, 전해질막의 양성자 이동도는 습도에 영향을 받으며, 습도가 높을수록 양성자의 이동이 용이하기 때문에, 연료전지 시스템에서는 외부가습기를 통해 습도를 조절한다.At this time, the proton mobility of the electrolyte membrane is influenced by the humidity, and since the proton is more easily moved as the humidity is higher, the humidity is controlled by the external humidifier in the fuel cell system.
연료전지에서 보조 설비(Balance of plant)를 간소화하는 추세에 따라, 외부가습기를 없애거나 간소화할 필요성이 있다. With the trend to simplify the balance of plants in fuel cells, there is a need to eliminate or simplify the external humidifier.
본 명세서의 일 실시상태는 기체확산층 밖으로 빠져나가는 물의 양을 적게 하여 막 전극 접합체가 충분한 습윤 상태에 있도록 함으로써, 외부가습기를 없애거나 간소화할 수 있는 장점이 있다. One embodiment of the present disclosure has the advantage that the amount of water exiting the gas diffusion layer is reduced so that the membrane electrode assembly is in a sufficiently wet state, thereby eliminating or simplifying the external humidifier.
본 명세서의 일 실시상태는 막 전극 접합체의 함수량을 높일 수 있는 장점이 있다. One embodiment of the present invention has the advantage of increasing the water content of the membrane electrode assembly.
본 명세서의 일 실시상태는 저가습 조건에서의 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 더 나아가, 본 명세서의 일 실시상태는 극저가습 조건에서의 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. One embodiment of the present invention has the advantage of improving the performance of the fuel cell under low humidity conditions. Furthermore, one embodiment of the present invention has the advantage of improving the performance of the fuel cell under extremely humid conditions.
연료전지의 반응물 가스는 물이 담긴 금속용기를 가열한 가습기(bubbler)를 통과하여 전지셀까지 가스라인에서 응축되지 않도록 가습기(bubbler)의 세팅온도 보다 가스라인의 온도를 약 10℃ 내지 30℃정도 높게 조절한다. 이때, 전지셀의 상대습도는 반응물 가스가 경유하게 되는 가습기내 물의 온도, 즉 이슬점 온도를 측정한 후 이를 전지셀의 온도를 기준으로 상대습도 환산 관계식에 따라 계산된다.The reactant gas of the fuel cell is heated to a temperature of about 10 ° C to 30 ° C (about 10 ° C to 30 ° C) higher than the setting temperature of the humidifier (bubbler) so as not to condense in the gas line through the bubbler, High. At this time, the relative humidity of the battery cell is calculated according to the relative humidity conversion relation based on the temperature of the water in the humidifier through which the reactant gas passes, that is, the dew point temperature and the temperature of the battery cell.
전해질막의 양성자 이온 전도도가 막 전극 접합체의 성능에 중요한 요소이고 이는 상대습도에 영향을 크게 받으므로, 상대습도는 상대습도에 따라 전해질막 양성자 이온전도도를 측정할 때, 전해질막 양성자 이온전도도의 변화폭이 큰 구간을 기준으로 구분했다.Since the proton ion conductivity of the electrolyte membrane is an important factor in the performance of the membrane electrode assembly, it is highly affected by the relative humidity. Therefore, when measuring the proton conductivity of the electrolyte membrane according to the relative humidity, the relative humidity varies depending on the change in the electrolyte membrane proton conductivity It was distinguished by a large section.
구체적으로, 저가습 조건에서 습도 조건은 셀온도 70℃에서 측정된 상대습도를 의미하며, 본 명세서에서, 저가습 조건은 상대습도가 40% 초과 65% 이하인 경우이며, 극저가습 조건은 상대습도가 0% 이상 40% 이하인 경우를 의미한다. Specifically, in the low humidification condition, the humidity condition refers to the relative humidity measured at the cell temperature of 70 DEG C, and in the present specification, the low humidifying condition is the case where the relative humidity is more than 40% and less than 65% 0% to less than 40%.
상대습도가 고가습일 때, 0.6 V에서의 전류밀도 크기가 1000mA/cm2 이상일 수 있다. When the relative humidity is high humidified, the current density at 0.6 V may be greater than 1000 mA / cm 2 .
상대습도가 저가습일 때, 0.6 V에서의 전류밀도 크기가 1000mA/cm2 이상일 수 있다.When the relative humidity is low, the current density at 0.6 V may be greater than 1000 mA / cm 2 .
상대습도가 극저가습일 때, 0.6 V에서의 전류밀도 크기가 700mA/cm2 이상일 수 있다.When the relative humidity is extremely humid, the current density at 0.6 V may be greater than 700 mA / cm 2 .
본 명세서의 일 실시상태는 막 전극 접합체의 함수량을 높임으로써, 주변 환경의 습도 변화에 따른 영향을 줄일 수 있다.In one embodiment of the present invention, by increasing the water content of the membrane electrode assembly, it is possible to reduce the influence of the humidity change of the surrounding environment.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막 전극 접합체(MEA)인데, 이는 전해질막(M)과 이 전해질막(M)의 양면에 형성되는 애노드(A) 및 캐소드(C)로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 애노드(A)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료(F)의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(M)을 통해 캐소드(C)으로 이동한다. 캐소드(C)에서는 전해질막(M)을 통해 전달된 수소 이온과, 산소와 같은 산화제(O) 및 전자가 반응하여 물(W)이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.FIG. 1 schematically shows an electricity generating principle of a fuel cell. In a fuel cell, the most basic unit for generating electricity is a membrane electrode assembly (MEA), which includes an electrolyte membrane M and an electrolyte membrane M, And an anode (A) and a cathode (C) formed on both sides of the cathode (C). Referring to Fig. Showing the electricity generating principle of a fuel cell 1, an anode (A) in the hydrogen or methanol, butane and the oxidation of the fuel (F) of the hydrocarbon and so on up the hydrogen ions (H +) and electron (e -), such as And the hydrogen ions move to the cathode C through the electrolyte membrane M. In the cathode (C), the hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane (M) react with the oxidizing agent (O) such as oxygen, and water (W) is produced. This reaction causes electrons to migrate to the external circuit.
도 2는 본 발명의 일 실시상태의 연료전지용 막 전극 접합체의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지용 막 전극 접합체는 전해질막(10)과, 이 전해질막(10)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 캐소드(50) 및 애노드(51)를 구비할 수 있다.2 schematically shows the structure of a membrane electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The membrane electrode assembly for a fuel cell comprises an
캐소드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 캐소드 촉매층(20)과 캐소드 기체확산층(30)이 구비되고,The cathode includes a
애노드에는 전해질막(10)으로부터 순차적으로 애노드 촉매층(21)과 애노드 기체확산층 (31)이 구비될 수 있다.The anode may be provided with the
본 명세서에서, 상기 전해질막은 고체 전해질을 이용한 전해질막일 수 있다. In this specification, the electrolyte membrane may be an electrolyte membrane using a solid electrolyte.
본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 전해질막은 전해질로서 고체 고분자 전해질을 사용하는 고분자 전해질막일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane may be a polymer electrolyte membrane using a solid polymer electrolyte as an electrolyte.
본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 전해질막은 탄화수소계 고분자 전해질막 또는 불소계 고분자 전해질막일 수 있으며, 바람직하게는 상기 전해질막은 탄화수소계 고분자 전해질막일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrolyte membrane may be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane or a fluorinated polymer electrolyte membrane, and the electrolyte membrane may be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane.
본 명세서의 일 실시상태에서, 상기 고분자 전해질막을 형성하는 고분자 전해질 조성물은 용매 및 고분자를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the polymer electrolyte composition forming the polymer electrolyte membrane may include a solvent and a polymer.
상기 고분자는 1 이상의 탄화수소계 중합체일 수 있으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다. The polymer may be at least one hydrocarbon polymer, and conventional materials known in the art may be used.
예를 들면, 상기 고분자는 술포네이티드 폴리 에테르에테르키톤, 술포네이티드 폴리키톤, 술포네이티드 폴리(페닐렌 옥사이드), 술포네이티드 폴리(페닐렌 술파이드), 술포네이티드 폴리술폰, 술포네이티드 폴리카보네이트, 술포네이티드 폴리스티렌, 술포네이티드 폴리이미드, 술포네이티드 폴리퀴녹살린, 술포네이티드 (포스포네이티드) 폴리포스파젠 및 술포네이티드 폴리벤즈이미다졸 중에서 선택되는 1종 이상으로 이루어질 수 있다. For example, the polymer may be selected from the group consisting of sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyketone, sulfonated poly (phenylene oxide), sulfonated poly (phenylene sulfide), sulfonated polysulfone, (Phosphonite) polyphosphazene, and a sulfonated polybenzimidazole, and at least one selected from the group consisting of at least one selected from the group consisting of at least one selected from the group consisting of at least one selected from the group consisting of poly (vinylidene fluoride), polycarbonate, sulfonated polystyrene, sulfonated polyimide, sulfonated polyquinoxaline, .
고분자의 함량은 적용하고자 하는 연료전지용 전해질막에 요구되는 적정한 IEC (ion exchange capacity) 값에 따라 조절될 수 있다. 연료전지용 전해질막 제조를 위한 고분자 합성의 경우, IEC (ion exchange capacity) meq./g = mmol/g의 값을 계산하여 고분자를 디자인할 수 있다. 필요에 따라 다르지만, 0.5 ≤ IEC ≤ 3 의 범위 내가 되도록 고분자 함량을 선택할 수 있다. The content of the polymer can be adjusted according to the appropriate IEC (ion exchange capacity) value required for the electrolyte membrane for a fuel cell to be applied. In the case of polymer synthesis for electrolyte membrane production for fuel cells, the polymer can be designed by calculating the ion exchange capacity (IEC) meq./g = mmol / g. The polymer content can be selected so as to be within the range of 0.5 < = IEC <
상기 고분자의 중량평균분자량은 수만에서 수백만일 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자의 중량평균분자량은 1만이상 100만이하에서 선택될 수 있다.The weight average molecular weight of the polymer may range from tens of thousands to millions. Specifically, the polymer may have a weight average molecular weight of 10,000 or less.
상기 고분자 전해질막용 용매는 고분자와 반응하여 고분자를 용해시킬 수 있는 물질이면 크게 제한되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.The solvent for the polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it is a substance capable of reacting with the polymer to dissolve the polymer, and conventional materials known in the art can be used.
상기 고분자 전해질 조성물을 이용하여 전해질막을 형성하는 방법은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 상기 고분자 전해질 조성물을 이용하여 캐스팅법으로 전해질막을 형성될 수 있다.The electrolyte membrane may be formed using the polymer electrolyte composition by a conventional method known in the art. For example, an electrolyte membrane may be formed by casting using the polymer electrolyte composition.
본 명세서에서, 상기 막 전극 접합체는 애노드의 촉매층과 캐소드의 촉매층이 전해질막에 접촉된 형태로서, 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있다. In this specification, the membrane electrode assembly can be produced by a conventional method known in the art, in which the catalyst layer of the anode and the catalyst layer of the cathode are in contact with the electrolyte membrane.
본 명세서의 일 실시상태는 상기 막 전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.One embodiment of the present invention provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.
본 명세서의 또 하나의 실시상태는 본 명세서에 따른 2 이상의 막 전극 접합체와 막 전극 접합체들 사이에 구비된 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 스택으로 공급하는 연료 공급부; 및 산화제를 스택으로 공급하는 산화제 공급부를 포함하는 연료전지를 제공한다. Another embodiment of the present disclosure relates to a stack comprising two or more membrane electrode assemblies according to the present disclosure and a separator provided between the membrane electrode assemblies; A fuel supply unit for supplying fuel to the stack; And an oxidant supply part for supplying the oxidant to the stack.
도 3은 연료전지의 구조를 개략적으로 도시한 것으로, 연료전지는 스택(60), 산화제 공급부(70) 및 연료 공급부(80)를 포함하여 이루어진다.3 schematically shows the structure of a fuel cell, which includes a
스택(60)은 상술한 막 전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막 전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다. 세퍼레이터는 막 전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막 전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.The
산화제 공급부(70)는 산화제를 스택(60)으로 공급하는 역할을 한다. 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(70)로 주입하여 사용할 수 있다.The
연료 공급부(80)는 연료를 스택(60)으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료 탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The
이하에서, 실시예를 통하여 본 명세서를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 명세서를 예시하기 위한 것일 뿐, 본 명세서를 한정하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following embodiments are intended to illustrate the present disclosure and are not intended to limit the present disclosure.
[제조예] [Manufacturing Example]
1) 폴리비닐알콜을 포함하지 않는 전극제조1) Manufacture of electrodes not containing polyvinyl alcohol
잉크젯 코팅 방법으로 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 전사기재 상에 촉매층 조성물의 총 중량을 기준으로 10.5중량% 촉매(카본에 Pt 담지량이 50중량%인 촉매), 17.3중량% Nafion ionomer(용매 내 20중량%으로 분산된 이오노모), 72.3중량% 용매를 포함하는 촉매층 조성물을 이용해 촉매층을 형성하여 비교예 1을 제조하였다.10.5% by weight catalyst (catalyst with 50% by weight of Pt supported on carbon), 17.3% by weight Nafion ionomer (20% by weight in solvent) based on the total weight of the catalyst layer composition on a polytetrafluoroethylene Comparative Example 1 was prepared by forming a catalyst layer using a catalyst layer composition containing 72.3 wt% of a solvent.
2) 폴리비닐알콜을 포함하는 전극제조2) Preparation of electrodes containing polyvinyl alcohol
폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 전사기재 상에 잉크 캐스팅 방법으로 촉매(카본에 Pt 담지량이 50중량%인 촉매), Nafion ionomer (용매 내 20중량%으로 분산된 이오노모), 용매(물, 메탄올) 및 친수성 물질로서 폴리비닐알콜(PVA)을 포함하는 촉매층 잉크로 두께가 10㎛인 촉매층을 형성하였다.(Catalyst having 50% by weight of Pt supported on carbon), Nafion ionomer (Ionomo dispersed in 20% by weight in a solvent), solvent (water, methanol ) And a polyvinyl alcohol (PVA) as a hydrophilic substance.
전극은 표 1 에서와 같이 건조 후 고형분 중 폴리비닐알콜의 함량에 따라 실시예 1-2 및 비교예 2-4를 제조하였다.As shown in Table 1, the electrodes were prepared in accordance with the content of polyvinyl alcohol in the solid content after drying, in Examples 1-2 and 2-4.
[표 1][Table 1]
[실시예][Example]
상기 제조예에서 제조된 전극 각 쌍을 준비하여 이들 사이에 탄화수소계 전해질막(술포네이티드 폴리에테르에테르키톤)을 두고 핫프레스를 이용하여 열압착한 후 양측의 PTFE 전사기재를 제거하여 촉매가 코팅된 전해질막(CCM, catalyst coated membrane)을 제조하였다.Each pair of electrodes prepared in the above Preparation Example was prepared, and a hydrocarbon-based electrolyte membrane (sulfonated polyether etherketone) was placed therebetween, hot-pressed using a hot press, and PTFE transfer substrates on both sides were removed, (CCM, catalyst coated membrane).
이 후 제조된 촉매가 코팅된 전해질막의 양측에 기체확산층(마이크로 다공성층(Micro porous layer)을 포함한 기체확산층), 바이폴라 플레이트(bipolar plate), 집전체(current collector) 및 앤드 플레이트(end plate)를 설치하여 성능 평가를 위한 셀블럭을 조립하였다.A gas diffusion layer (a gas diffusion layer including a micro porous layer), a bipolar plate, a current collector, and an end plate are formed on both sides of the electrolyte membrane coated with the catalyst prepared thereafter And assembled cell blocks for performance evaluation.
[실험예][Experimental Example]
건조된 전극 내 포함 된 폴리비닐알콜의 함량에 따라 PVA가 없는 비교예 1, 함량이 1.5 중량%인 비교예 2, 함량이 1.9 중량%인 실시예 1, 함량이 3.6 중량%인 실시예 2, 함량이 4.0 중량%인 비교예 3 및 함량이 5.4 중량%인 비교예 4에 대하여 성능 평가를 하였다. Comparative Example 1 in which PVA is absent, Comparative Example 2 in which the content is 1.5% by weight, Example 1 in which the content is 1.9% by weight, Example 2 in which the content is 3.6% by weight, Comparative Example 3 having a content of 4.0 wt% and Comparative Example 4 having a content of 5.4 wt% were evaluated for performance.
성능 평가 조건은 셀온도 70℃, 상압이고, 유량의 화학양론(stoichiometry)은 애노드(수소)와 캐소드(공기)에서 각각이 1.5, 2.0 이었다. 측정 절차는 전류밀도를 처음 0 mA/cm2(Open circuit voltage, OCV)에서 시작하여 100 mA/cm2 간격으로 증가하면서 측정하는데 최대 1500 mA/cm2까지 측정 후 반대로 전류밀도를 감소시키면서 OCV까지 측정하게 된다. 셀온도 70℃를 기준하여 상대습도 100%, 50%, 32% 순으로 변경해가며 측정하였다. 그리고 막전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)의 성능 판단 기준은 0.6 V에서의 전류밀도 크기로 하였다. 그 결과를 하기 표 2 및 도 4 내지 도 6에 도시하였다.The performance conditions were
[표 2] [Table 2]
전극내 PVA를 첨가하지 않은 비교예 1의 경우 상대습도 100%, 50%는 0.6V에서의 전류밀도 값이 1000mA/cm2를 넘지만 32%에서는 700mA/cm2 미만으로 성능이 낮다. PVA를 1.5 중량% 포함하는 비교예 2는 여전히 비교예 1과 습도별 성능 경향이 동일하며 특히 극저가습에서는 향상 효과가 나타나지 않는다. In Comparative Example 1 in which PVA in the electrode was not added, the relative humidity was 100% and 50%, the current density value at 0.6 V was higher than 1000 mA / cm 2 , but at 32%, the performance was lower than 700 mA / cm 2 . Comparative Example 2 containing 1.5% by weight of PVA still has the same performance tendency by humidity as Comparative Example 1, and in particular, the improvement effect is not exhibited in the case of extremely low humidification.
한편, PVA가 촉매 100 중량부를 기준으로 5 중량부 이상 10 중량부 이하로 포함된 실시예 1과 2의 경우, 고가습과 저가습의 성능은 유지되면서 극저가습의 성능이 크게 향상됨을 알 수 있다. 이는 PVA가 수소와 공기의 반응에 의해 생성된 물과 외부가습기에서 들어오는 물을 잘 유지시켜주기 때문에 극저가습의 환경에서도 연료전지의 성능을 유지하는 것이다.On the other hand, in the case of Examples 1 and 2 in which PVA is contained in an amount of 5 parts by weight or more and 10 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the catalyst, the performance of the high humidification and the low humidification is maintained, . This allows the PVA to maintain the performance of the fuel cell even in very humid environments because it keeps the water generated by the reaction of hydrogen with air and the water coming from the external humidifier.
그러나, PVA량을 더 늘려 4.0 중량%인 비교예 3에서는 극저가습에서 전류밀도가 낮음을 알 수 있으며, 이는 PVA의 양이 많아짐에 따라 전극 내 가스의 이동이 원활하지 않기 때문이다. 이러한 경향은 PVA를 5.4 중량%까지 넣은 비교예 4에서 더 두드러져 고가습과 저가습 성능 조차 하락함을 알 수 있다.However, in Comparative Example 3 in which the amount of PVA is further increased to 4.0 wt%, the current density is low in the case of extremely low humidification. This is because the gas movement in the electrode is not smooth as the amount of PVA increases. This tendency is more remarkable in Comparative Example 4 in which PVA is added up to 5.4% by weight, which shows that high humidification and low humidification performance are also lowered.
10: 전해질막
20, 21: 촉매층
30, 31: 기체확산층
50: 캐소드
51: 애노드
60: 스택
70: 산화제 공급부
80: 연료 공급부
81: 연료 탱크
82: 펌프10: electrolyte membrane
20, 21: catalyst layer
30, 31: gas diffusion layer
50: cathode
51: anode
60: Stack
70: oxidant supplier
80: fuel supply unit
81: Fuel tank
82: Pump
Claims (11)
상기 친수성 물질은 상기 촉매 100 중량부를 기준으로 5 중량부 이상 10 중량부 이하로 포함되는 것인 연료전지용 전극.A catalyst comprising a catalyst and a hydrophilic material,
Wherein the hydrophilic material is contained in an amount of 5 parts by weight or more and 10 parts by weight or less based on 100 parts by weight of the catalyst.
상기 캐소드 및 애노드 중 적어도 하나는 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항의 전극인 것인 막 전극 접합체.Cathode; Anode; And an electrolyte membrane provided between the cathode and the anode,
Wherein at least one of the cathode and the anode is an electrode according to any one of claims 1 to 7.
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Patent event date: 20171228 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20171026 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I Patent event date: 20170216 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I Patent event date: 20160729 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |