KR20220103414A - Anode electrode for fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지용 애노드 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2종의 소수성 바인더를 이용하여 인산의 유출 방지가 가능한 것을 특징으로 하는 연료전지용 애노드 전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an anode electrode for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an anode electrode for a fuel cell, characterized in that it is possible to prevent leakage of phosphoric acid by using two types of hydrophobic binders, and a method for manufacturing the same.
고분자 전해질막 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 solid polymer electrolyte fuel cell (SPEFC), solid polymer fuel cell (SPFC), polymer electrolyte fuel cell (PEFC), 또는 proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) 등의 다양한 이름으로 불리고 있다. 이러한 고분자 전해질막 연료전지는 형태의 연료전지에 비하여 효율이 높고 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 디자인이 간단하고 제작이 쉬운 장점이 있다. 이러한 특성으로 인해 고분자 전해질막 연료전지는 무공해 차량의 동력원, 현지 설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다. A polymer electrolyte membrane fuel cell is a fuel cell that uses a polymer membrane with hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte. It is called by various names such as membrane fuel cell (PEMFC). The polymer electrolyte membrane fuel cell has the advantages of high efficiency, high current density and power density, simple design, and easy fabrication compared to fuel cells in the form of polymer electrolyte membrane fuel cells. Due to these characteristics, the polymer electrolyte membrane fuel cell can be applied to a wide variety of fields, such as a power source for pollution-free vehicles, locally installed power generation, power source for spacecraft, power source for mobile use, and power source for military use.
고분자 전해질막 연료전지는 저온형과 120℃ 이상에서 운전되는 고온형으로 구분될 수 있다.The polymer electrolyte membrane fuel cell can be divided into a low-temperature type and a high-temperature type operated at 120°C or higher.
저온형 고분자 전해질막 연료전지(LT-PEMFC)는 100℃ 이하의 온도에서 작동할 수 있고 높은 출력을 낼 수 있어 수송용, 소형 발전용 등으로 사용 가능하지만, 가습기와 개질기가 필수적으로 필요하므로 시스템이 복잡하고, 버려지는 열을 재활용하기 어렵다는 특성이 있다.Low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells (LT-PEMFC) can operate at temperatures below 100°C and produce high output, so they can be used for transportation and small-sized power generation. This complex, waste heat has a characteristic that it is difficult to recycle.
반면 고온형 고분자 전해질막 연료전지(HT- PEMFC)는 저온형에 비해 여러 가지 장점을 갖는다. 예를 들어, 고온형 고분자전해질 연료전지는 양성자 전도 현상이 물에 의존하지 않으므로 저온형에서는 반드시 필요했던 가습기를 필요로 하지 않으며, 저온형에서 발생할 수 있는 flooding 현상과 같은 응축수로 인한 여러 가지 문제를 갖지 않아 스택의 설계가 수월한 장점이 있다. 이외에도 120℃ ~ 180℃ 에서 구동 가능한 높은 운전 온도로 인해 개질 가스 속 일산화탄소에 대한 촉매 피독이 적고, 연료전지의 전기화학 반응을 향상시킬 수 있으며, 물질 전달 저항도 줄어들어 농도 분극 또한 감소시킬 수 있다.On the other hand, the high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HT-PEMFC) has several advantages over the low-temperature type. For example, the high-temperature type polymer electrolyte fuel cell does not require a humidifier, which is necessary for the low-temperature type, because the proton conduction phenomenon does not depend on water. It has the advantage of easy stack design. In addition, due to the high operating temperature that can be operated from 120 ° C to 180 ° C, catalyst poisoning to carbon monoxide in the reformed gas is small, the electrochemical reaction of the fuel cell can be improved, and the concentration polarization can also be reduced by reducing the mass transfer resistance.
하지만 고온형 고분자 전해질막 연료전지는 120℃ 이상의 온도에서 작동하기 때문에 나피온을 이오노머로 사용할 수 없어 바인더에 수소 이온을 이동시킬 수 있는 인산을 함침한 형태로 주로 사용된다. 그러나 이렇게 함침한 인산이 전극을 통해 유출되는 인산 유출 현상과 전극 내의 촉매 표면을 덮는 인산 피독 현상에 의해 성능과 내구성이 저하되고 이는 특히 애노드에서 많이 나타나게 된다.However, since high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells operate at a temperature of 120°C or higher, Nafion cannot be used as an ionomer, so it is mainly used in the form of impregnated phosphoric acid that can move hydrogen ions in the binder. However, the performance and durability are deteriorated due to the phosphoric acid leakage phenomenon in which the impregnated phosphoric acid flows through the electrode and the phosphoric acid poisoning phenomenon covering the catalyst surface in the electrode, which is especially seen in the anode.
따라서, 이러한 연료전지의 애노드 전극의 인산 피독 및 인산 유출 현상을 해결하고 이를 개선하기 위한 연구가 필요한 실정이었다.Therefore, there was a need for research to solve and improve the phosphoric acid poisoning and phosphoric acid leakage of the anode electrode of the fuel cell.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 120℃ 이상의 고온에서 작동 가능하면서도 전극, 특히 애노드에서의 인산 유출을 방지하여 연료전지 성능의 향상이 가능한 연료전지용 애노드 전극 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to solve the problems of the prior art described above, and while being able to operate at a high temperature of 120° C. or higher, the electrode, in particular, an anode electrode for a fuel cell capable of improving fuel cell performance by preventing phosphoric acid leakage from the anode and to provide a method for manufacturing the same.
또한, 상기 연료전지용 애노드를 포함하는 막 전극 접합체를 제공하는 것이다.In addition, it is to provide a membrane electrode assembly including the anode for the fuel cell.
또한, 상기 연료전지용 애노드 전극을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다. In addition, it is to provide a fuel cell including the anode electrode for the fuel cell.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 연료전지용 애노드 전극을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, an embodiment of the present invention provides an anode electrode for a fuel cell.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 연료전지용 애노드 전극은, 미세기공층을 포함하지 않는 기체확산층; 상기 기체확산층 상에 위치하되, 제1바인더를 포함하는 제1촉매층; 및 상기 제1촉매층 상에 위치하되, 제2바인더를 포함하는 제2촉매층;을 포함하되, 상기 제1바인더는, PTFE인 것을 특징으로 하고, 상기 제2바인더는, 상기 PTFE와 다른 종류의 소수성 바인더인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the anode electrode for the fuel cell, the gas diffusion layer does not include a microporous layer; a first catalyst layer positioned on the gas diffusion layer and including a first binder; and a second catalyst layer positioned on the first catalyst layer and including a second binder, wherein the first binder is PTFE, and the second binder is a different type of hydrophobicity from the PTFE. It may be characterized as a binder.
상기 기체확산층은, 탄소 천(carbon cloth), 탄소 종이(carbon paper) 및 탄소 펠트(carbon felt)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The gas diffusion layer may be characterized in that it includes any one or more selected from the group consisting of carbon cloth, carbon paper, and carbon felt.
상기 제2바인더는, PTFE보다 상대적으로 낮은 소수성 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The second binder may be characterized in that it has a relatively lower hydrophobicity than PTFE.
상기 제2바인더는, PVDF, PBI, PVA 및 PAA로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The second binder may be characterized in that it includes any one or more selected from the group consisting of PVDF, PBI, PVA and PAA.
상기 제1촉매층 및 제2촉매층은, 각각 독립적으로 백금, 팔라듐, 코발트, 금, 루테늄, 주석, 몰리브테늄, 로듐, 이리듐, 비스무트, 구리, 이트륨 및 크롬으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The first catalyst layer and the second catalyst layer are each independently any one or more metals selected from the group consisting of platinum, palladium, cobalt, gold, ruthenium, tin, molybthenium, rhodium, iridium, bismuth, copper, yttrium and chromium. It may be characterized in that it contains a catalyst.
상기 제1촉매층 및 상기 제2촉매층을 포함하는 전체 촉매층에 대한 상기 금속 촉매의 단위면적당 중량(M/A)은 0.1 mg/cm2 내지 0.5 mg/cm2 인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The weight per unit area (M/A) of the metal catalyst with respect to the entire catalyst layer including the first catalyst layer and the second catalyst layer is 0.1 mg/cm 2 to 0.5 mg/cm 2 It may be characterized by being.
상기 제1촉매층에 담지된 상기 금속 촉매 및 상기 제2촉매층에 담지된 상기 금속 촉매의 중량비는, 1:9 내지 6:4 인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.A weight ratio of the metal catalyst supported on the first catalyst layer and the metal catalyst supported on the second catalyst layer may be 1:9 to 6:4.
상기 제1촉매층은 스프레이(spray)를 통해 상기 기체확산층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The first catalyst layer may be formed on the gas diffusion layer through spraying.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 막 전극 접합체를 제공한다.In order to achieve the above technical object, another embodiment of the present invention provides a membrane electrode assembly.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 막 전극 접합체는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 애노드 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the membrane electrode assembly may include the anode electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 연료전지를 제공한다.In order to achieve the above technical object, another embodiment of the present invention provides a fuel cell.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 연료전지는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 애노드 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the fuel cell may include the anode electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 연료전지용 애노드 전극의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical object, another embodiment of the present invention provides a method of manufacturing an anode electrode for a fuel cell.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 연료전지용 애노드 전극의 제조방법은, 제1바인더 및 금속 촉매를 포함하는 제1촉매층 형성용 조성물을 준비하는 단계; 상기 제1촉매층 형성용 조성물을 기체확산층 상에 도포하여 제1촉매층을 형성하는 단계; 제2바인더 및 금속 촉매를 포함하는 제2촉매층 형성용 조성물을 준비하는 단계; 및 상기 제2촉매층 형성용 조성물을 상기 제1촉매층 상에 도포하여 제2촉매층을 형성하는 단계;를 포함하되, In an embodiment of the present invention, the method for manufacturing the anode electrode for a fuel cell includes: preparing a composition for forming a first catalyst layer including a first binder and a metal catalyst; forming a first catalyst layer by applying the composition for forming a first catalyst layer on a gas diffusion layer; preparing a composition for forming a second catalyst layer including a second binder and a metal catalyst; and applying the composition for forming a second catalyst layer on the first catalyst layer to form a second catalyst layer;
상기 기체확산층은, 미세기공층을 포함하지 않는 것을 특징으로 하고, 상기 제1바인더는, PTFE인 것을 특징으로 하고, 상기 제2바인더는, 상기 PTFE와 다른 종류의 소수성 바인더인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.The gas diffusion layer is characterized in that it does not include a microporous layer, the first binder is characterized in that it is PTFE, and the second binder is a hydrophobic binder of a different type from the PTFE. can
상기 제1촉매층을 형성하는 단계에서는, 상기 제1촉매층 형성용 조성물을 스프레이(spray) 공정을 통해 상기 기체확산층 상에 도포하여 상기 제1촉매층을 형성하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.In the forming of the first catalyst layer, the composition for forming the first catalyst layer is applied on the gas diffusion layer through a spray process to form the first catalyst layer.
본 발명의 실시예에 따르면, 서로 다른 2종의 소수성 바인더를 이용하여 촉매층을 2중층으로 구성함으로써 전극의 인산 유출을 방지하면서도 충분한 인산 담지량을 확보하여 고온에서도 높은 효율로 구동 가능한 연료전지용 애노드 전극 및 이의 제조방법을 제공 가능한 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, by configuring the catalyst layer as a double layer using two different types of hydrophobic binders, the anode electrode for a fuel cell that can be driven with high efficiency even at high temperatures by securing sufficient phosphoric acid loading while preventing phosphoric acid leakage from the electrode and There is an effect that can provide a manufacturing method thereof.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and it should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 애노드 전극을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 막 전극 접합체의 애노드 전극의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 3은는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 막 전극 접합체의 전류 밀도 당 전압 및 출력 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 막 전극 접합체의 전압 및 피크 출력 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 막 전극 접합체의 시간에 따른 전압 변화를 관찰하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 연료전지용 애노드 전극의 상단을 잘라 TGA 분석하기 위한 샘플을 수득하는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 연료전지용 애노드 전극 각 부분 샘플을 TGA 분석하여 나타낸 그래프이다.1 is a schematic diagram schematically showing an anode electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing an SEM image of the anode electrode of the membrane electrode assembly manufactured according to the embodiment of the present invention.
3 is a graph showing voltage and power density per current density of membrane electrode assemblies according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 is a graph showing voltage and peak power density of membrane electrode assemblies according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing voltage changes according to time of membrane electrode assemblies according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
6 is a schematic diagram schematically showing a process of obtaining a sample for TGA analysis by cutting the top of the anode electrode for a fuel cell prepared in Example 1 of the present invention.
7 is a graph showing the TGA analysis of each partial sample of the anode electrode for a fuel cell prepared in Example 1 of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in several different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected (connected, contacted, coupled)" with another part, it is not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member interposed therebetween. "Including cases where In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 애노드 전극을 설명한다.An anode electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 애노드 전극을 개략적으로 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram schematically showing an anode electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 애노드 전극은, 미세기공층을 포함하지 않는 기체확산층(10); 상기 기체확산층 상에 위치하되, 제1바인더를 포함하는 제1촉매층(20); 및 상기 제1촉매층 상에 위치하되, 제2바인더를 포함하는 제2촉매층(30);을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , an anode electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes: a
이때, 상기 제1바인더는, PTFE(polytetrafluoroethylene)인 것을 특징으로 할 수 있다.In this case, the first binder may be made of polytetrafluoroethylene (PTFE).
상기 PTFE는 주쇄가 탄소로 되어 있으며 모든 탄소에는 두 개의 불소 기(-F)가 결합된 특징을 갖는다. 상기 불소 기로 인하여, PTFE 분자 간에는 서로 끌어당기는 인력이 강하게 작용하고 PTFE에 접근하는 다른 종류의 분자들은 밀어내는 경향이 뚜렷하게 나타난다. 이로 인하여, PTFE는 초소수성의 성질을 갖는 것을 특징으로 한다. The PTFE has a main chain made of carbon, and two fluorine groups (-F) are bonded to all carbons. Due to the fluorine group, there is a strong attractive force between the PTFE molecules, and the tendency to repel other types of molecules approaching the PTFE is evident. Due to this, PTFE is characterized in that it has superhydrophobic properties.
이러한 특징으로 인하여, 본 발명과 같이 기체확산층 상에 제1촉매층을 PTFE를 바인더로 하여 형성함으로써, PTFE의 초 소수성 성질로 인하여 전극을 통해 인산이 유출되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.Due to these characteristics, as in the present invention, by forming the first catalyst layer on the gas diffusion layer using PTFE as a binder, phosphoric acid can be prevented from leaking through the electrode due to the superhydrophobic property of PTFE.
이때, 상기 제2바인더는, 상기 PTFE와 다른 종류의 소수성 바인더인 것을 특징으로 할 수 있다.In this case, the second binder may be a hydrophobic binder of a different type from the PTFE.
바람직하게는, 상기 제2바인더는, PTFE보다 상대적으로 낮은 소수성 특성을 갖는 바인더 인 것을 특징으로 할 수 있다.Preferably, the second binder may be a binder having a relatively lower hydrophobicity than PTFE.
더욱 바람직하게는, 상기 제2바인더는, PVDF(Polyvinylidene fluoride), PBI(Polybenzimidazole), PVA(polyvinyl alcohol) 및 PAA(Poly(acrylic acid))로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. More preferably, the second binder comprises at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVDF), polybenzimidazole (PBI), polyvinyl alcohol (PVA) and poly (acrylic acid) (PAA). can be done with
가장 바람직하게는, 상기 제2바인더는, PVDF인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다. Most preferably, the second binder may be PVDF.
전술한 바와 같이 PTFE는 주쇄의 모든 탄소가 각 2개씩의 불소 기(-F)를 갖는 특성으로 인하여 초 소수성의 성질을 갖는다. 이러한 PTFE를 바인더로 사용함으로써 인산이 유출되는 것을 방지 가능한 효과가 있으나, 연료전지의 효율성 향상을 위해서는 촉매층이 일정 수준 이상의 인산을 담지하고 있어야 할 필요성 또한 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 PTFE 단일로만 촉매층을 구성할 경우 인산의 유출은 효과적으로 방지 가능하나 전극 내 인산이 충분하게 담지 및 함침되는 효과가 저하될 수 있다.As described above, PTFE has superhydrophobic properties due to the property that every carbon in the main chain has two fluorine groups (-F). The use of PTFE as a binder has the effect of preventing phosphoric acid from leaking, but there is also a need for the catalyst layer to support phosphoric acid at a certain level or more in order to improve the efficiency of the fuel cell. However, as described above, when the catalyst layer is composed of only PTFE, the leakage of phosphoric acid can be effectively prevented, but the effect of sufficiently supporting and impregnating the phosphoric acid in the electrode may be reduced.
반면 상기 PVDF는, 주쇄가 탄소로 되어있는 것은 PTFE와 동일하지만, PTFE의 모든 탄소가 두 개의 불소 기를 갖는 것과 달리, 두 개의 수소 기(-H)를 갖는 탄소와 두 개의 불소 기(-F)를 갖는 탄소가 번갈아 존재함으로써 상기 PTFE보다는 상대적으로 낮은 소수성 특성을 갖게 된다.On the other hand, PVDF has the same main chain as PTFE, but all carbons in PTFE have two fluorine groups, whereas a carbon having two hydrogen groups (-H) and two fluorine groups (-F) By alternately presenting carbons with
따라서, 본 발명에서는 상기 PTFE보다 상대적으로 낮은 소수성 특성을 갖는 PVDF를 제2촉매층으로 도포하여 촉매층을 2중층으로 형성함으로써, 전술한 인산 유출 방지 효과뿐 아니라 충분한 인산 담지 효과까지 호적하게 만족 가능한 애노드를 구성하기에 이르렀다.Therefore, in the present invention, PVDF having a relatively lower hydrophobicity than PTFE is applied as a second catalyst layer to form the catalyst layer as a double layer. came to configure.
이때, 상기 기체확산층은, 탄소 천(carbon cloth), 탄소 종이(carbon paper) 및 탄소 펠트(carbon felt)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하되, 미세기공층(micro porous layer, MPL)을 포함하지 않는 것을 특징으로 한다.In this case, the gas diffusion layer is characterized in that it comprises any one or more selected from the group consisting of carbon cloth, carbon paper, and carbon felt, microporous layer (micro porous layer). layer, MPL) is not included.
가장 바람직하게는, 상기 기체확산층은, 탄소 펠트(carbon felt)로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.Most preferably, the gas diffusion layer may be made of carbon felt.
고분자 전해질막 연료전지는 일반적으로 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 구분되는 전극, 상기 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 수소이온전도성 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane)을 포함하는MEA(membrane electrode assembly)구조를 포함하여 이루어진다. 이때 전기화학적 반응을 일으키는 애노드, 캐소드의 전극은 일반적으로 각각 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)과 촉매층(catalyst layer)을 포함하여 이루어진다. A polymer electrolyte membrane fuel cell is generally an electrode divided into an anode and a cathode, and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode MEA (membrane electrode assembly) including structure. In this case, the electrodes of the anode and the cathode causing the electrochemical reaction generally include a gas diffusion layer (GDL) and a catalyst layer, respectively.
여기서 기체확산층(GDL)은, 일반적으로 한쪽 면에 코팅된 미세기공층(Micro Porous Layer, MPL)을 포함하는 형태로 이용된다.Here, the gas diffusion layer (GDL) is generally used in a form including a microporous layer (MPL) coated on one surface.
그러나, MPL은 기공의 크기가 미세하고 조밀하므로 이는 전체 GDL의 기체 투과성 및 확산성을 낮추는 요인이 된다. 이로 인해 MPL을 포함하는 GDL을 이용한 전극은 촉매층 표면의 농도 저하 및 이로 인한 연료전지의 물질 전달 손실(mass-transport loss)이 두드러지게 나타나는 문제점이 있었다. 또한, 현재 가장 많이 사용되는 MPL은 낮은 기계적 강도로 인해 균열에 취약하고 쉽게 손상이 발생하므로 활용성이 떨어지는 문제점 또한 있었다. However, since MPL has fine and dense pores, it is a factor that lowers the gas permeability and diffusivity of the entire GDL. For this reason, the electrode using GDL including MPL has a problem in that the concentration of the catalyst layer surface is lowered and the mass-transport loss of the fuel cell is markedly due to this. In addition, MPL, which is currently most used, is vulnerable to cracking due to low mechanical strength and is easily damaged, so there is also a problem of poor usability.
따라서 본 발명에서는, 상기 기체확산층이 미세기공층을 포함하지 않도록 함으로써 전술한 발생 가능한 문제점을 개선 가능하도록 하였다.Therefore, in the present invention, the above-mentioned possible problems can be improved by not including the microporous layer in the gas diffusion layer.
뿐만 아니라, 후술하는 실험예에 따르면, 종래 미세기공층을 포함하는 기체확산층으로 구성된 연료전지보다 본 발명의 미세기공층을 포함하지 않는 기체확산층으로 구성된 연료전지가 더 높은 성능을 갖는 것을 확인함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 애노드 전극을 이용하는 경우 향상된 성능을 갖는 연료전지를 제공 가능한 것을 확인할 수 있다.In addition, according to the experimental example to be described later, it was confirmed that the fuel cell composed of the gas diffusion layer not including the microporous layer of the present invention has higher performance than the fuel cell composed of the gas diffusion layer including the microporous layer in the related art, When the anode electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is used, it can be confirmed that a fuel cell having improved performance can be provided.
이때, 상기 제1촉매층 및 제2촉매층은, 각각 독립적으로 백금, 팔라듐, 코발트, 금, 루테늄, 주석, 몰리브테늄, 로듐, 이리듐, 비스무트, 구리, 이트륨 및 크롬으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 수소 산화 반응에 사용될 수 있는 금속 촉매라면 제한 없이 이용 가능하다. In this case, the first catalyst layer and the second catalyst layer are each independently selected from the group consisting of platinum, palladium, cobalt, gold, ruthenium, tin, molybthenium, rhodium, iridium, bismuth, copper, yttrium and chromium. It may be characterized by including the above metal catalyst, but is not limited thereto, and any metal catalyst that can be used in the hydrogen oxidation reaction can be used without limitation.
이때, 상기 제1촉매층 및 상기 제2촉매층을 포함하는 전체 촉매층에 대한 상기 금속 촉매의 단위면적당 중량(M/A)은 0.1 mg/cm2 내지 0.5 mg/cm2 인 것을 특징으로 할 수 있다. In this case, the weight per unit area (M/A) of the metal catalyst with respect to the entire catalyst layer including the first catalyst layer and the second catalyst layer is 0.1 mg/cm 2 to 0.5 mg/cm 2 It may be characterized as being
상기 제1촉매층 및 상기 제2촉매층을 포함하는 전체 촉매층에 대한 상기 금속 촉매의 단위면적당 중량(M/A)이 0.1 mg/cm2 미만이면, 촉매 함량이 너무 적어 연료전지 효율을 충분히 확보하기 어려우므로 바람직하지 않다.The weight per unit area (M/A) of the metal catalyst with respect to the entire catalyst layer including the first catalyst layer and the second catalyst layer is 0.1 mg/cm 2 If it is less than, it is not preferable because the catalyst content is too small and it is difficult to sufficiently secure fuel cell efficiency.
상기 제1촉매층 및 상기 제2촉매층을 포함하는 전체 촉매층에 대한 상기 금속 촉매의 단위면적당 중량(M/A)이 0.5 mg/cm2 초과이면, 고비용인 금속 촉매 필요량이 증가하게 되므로 비용적인 측면에서 바람직하지 않다.The weight per unit area (M/A) of the metal catalyst with respect to the entire catalyst layer including the first catalyst layer and the second catalyst layer is 0.5 mg/cm 2 If it exceeds, the required amount of a metal catalyst, which is expensive, is increased, which is not preferable in terms of cost.
따라서 상기 제1촉매층 및 상기 제2촉매층을 포함하는 전체 촉매층에 대한 상기 금속 촉매의 단위면적당 중량(M/A)은 0.1 mg/cm2 내지 0.5 mg/cm2 인 것이 바람직하다.Therefore, the weight per unit area (M/A) of the metal catalyst with respect to the entire catalyst layer including the first catalyst layer and the second catalyst layer is 0.1 mg/cm 2 to 0.5 mg/cm 2 It is preferable to be
더욱 바람직하게는, 상기 제1촉매층 및 상기 제2촉매층을 포함하는 전체 촉매층에 대한 상기 금속 촉매의 단위면적당 중량(M/A)은 0.2 mg/cm2 내지 0.3 mg/cm2 인 것을 특징으로 할 수 있다. More preferably, the weight per unit area (M/A) of the metal catalyst with respect to the entire catalyst layer including the first catalyst layer and the second catalyst layer is 0.2 mg/cm 2 to 0.3 mg/cm 2 It may be characterized as being
상기와 같은 본 발명의 금속 촉매의 촉매층에 대한 담지량은, 일반적으로 상용되는 종래 기술에 따른 연료전지 촉매층에 금속 촉매가 약 1 mg/cm2 가량 담지되는 것과 비교하여 절반 이상 적은 양에 해당한다. As described above, the amount of the metal catalyst supported on the catalyst layer of the present invention is less than half compared to that of about 1 mg/cm 2 of the metal catalyst supported on the fuel cell catalyst layer according to the conventional technology.
일반적으로 연료전지에 사용되는 금속 촉매는 낮은 활성화 에너지 장벽을 가진 촉매를 요하므로 주로 백금, 루테늄, 이리듐, 금, 은 등의 귀금속이 많이 이용된다. 이러한 귀금속 촉매는 흡착에너지가 낮아 활성 촉매로 활용되기 적합하다는 장점이 있으나, 그 희소성으로 인한 고비용 문제를 가지고 있다. In general, a metal catalyst used in a fuel cell requires a catalyst having a low activation energy barrier, and thus noble metals such as platinum, ruthenium, iridium, gold, and silver are mainly used. These noble metal catalysts have the advantage of being suitable for use as an active catalyst due to their low adsorption energy, but have a high cost problem due to their scarcity.
이에 본 발명은 전술한 것과 같은 2종의 소수성 바인더를 이용하여 촉매층을 구성함으로써 전지 성능을 향상시켜, 종래 연료전지 촉매층보다 적은 금속 촉매 사용량으로도 유사하거나 향상된 출력을 제공 가능하므로 연료전지의 단가를 저감 가능한 효과가 있다.Accordingly, the present invention improves the cell performance by configuring the catalyst layer using the two types of hydrophobic binders as described above, thereby reducing the unit cost of the fuel cell because it is possible to provide a similar or improved output with less metal catalyst usage than the conventional fuel cell catalyst layer. It has a mitigating effect.
이때, 상기 제1촉매층에 담지된 상기 금속 촉매 및 상기 제2촉매층에 담지된 상기 금속 촉매의 중량비는, 1:9 내지 6:4 인 것을 특징으로 할 수 있다.In this case, the weight ratio of the metal catalyst supported on the first catalyst layer and the metal catalyst supported on the second catalyst layer may be 1:9 to 6:4.
상기 제1촉매층에 담지된 상기 금속 촉매 및 상기 제2촉매층에 담지된 상기 금속 촉매의 중량비가 1:9 미만인 경우, PTFE 층이 얇아 인산 유출이 발생하므로 바람직하지 않다.When the weight ratio of the metal catalyst supported on the first catalyst layer and the metal catalyst supported on the second catalyst layer is less than 1:9, it is not preferable because the PTFE layer is thin and phosphoric acid leakage occurs.
상기 제1촉매층에 담지된 상기 금속 촉매 및 상기 제2촉매층에 담지된 상기 금속 촉매의 중량비가 6:4 초과인 경우, 전극 내의 인산 함량이 줄어들어 성능이 감소하므로 바람직하지 않다.When the weight ratio of the metal catalyst supported on the first catalyst layer and the metal catalyst supported on the second catalyst layer exceeds 6:4, the phosphoric acid content in the electrode is reduced, which is not preferable because performance is reduced.
이때, 상기 제1촉매층은, 스프레이(spray) 코팅을 통해 상기 기체확산층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.In this case, the first catalyst layer may be formed on the gas diffusion layer through spray coating.
상기 제1촉매층에 사용되는 본 발명의 바인더는, PTFE와 같이 초소수성 성질을 갖는 것을 특징으로 한다. 이러한 바인더들은 그 특성으로 인하여 용매에 잘 녹지 않기 때문에 기존 연료전지에 촉매층을 형성하기 위한 타 공정, 예를 들면 바 코팅, 스크린 프린팅 및 스핀 코팅을 이용하기 적합하지 않은 면이 있다. 또한, 본 발명의 기체확산층은 특히 미세기공층을 포함하지 않는 것을 특징으로 하므로, 상대적으로 큰 크기의 구멍을 포함하고 있어 이에 바 코팅(bar coating)등을 통해 촉매층을 형성하게 되면 상기 기체확산층의 상기 구멍으로 촉매층을 형성하기 위한 조성물이 유실되므로 적절하지 않다.The binder of the present invention used for the first catalyst layer is characterized in that it has superhydrophobic properties like PTFE. Because these binders do not dissolve well in solvents due to their properties, other processes for forming a catalyst layer in an existing fuel cell, for example, bar coating, screen printing, and spin coating are not suitable for use. In addition, since the gas diffusion layer of the present invention is characterized in that it does not particularly include a microporous layer, it contains relatively large pores. It is not suitable because the composition for forming the catalyst layer is lost through the pores.
따라서, 상기 제1촉매층은, 스프레이(spray) 코팅을 통해 상기 기체확산층 상에 형성되는 것이 바람직할 수 있다.Accordingly, the first catalyst layer may be preferably formed on the gas diffusion layer through spray coating.
상기 제2촉매층에 사용되는 본 발명의 바인더는, 제1촉매층의 PTFE 바인더보다 적은 소수성 특성을 가지므로, 상대적으로 용매에 잘 용해되며 따라서 스프레이 방식이 아닌 다른 방식으로도 상기 제1촉매층 상에 형성될 수 있다. Since the binder of the present invention used for the second catalyst layer has less hydrophobic properties than the PTFE binder of the first catalyst layer, it is relatively well soluble in a solvent, and thus is formed on the first catalyst layer by a method other than a spray method. can be
예를 들어, 상기 제2촉매층은, 바 코팅(bar coating)을 통해 상기 기체확산층 상에 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the second catalyst layer may be formed on the gas diffusion layer through bar coating, but is not limited thereto.
전술한 바와 같이 연료전지의 애노드 전극은 인산이 유출되는 것을 방지 가능한 효과가 있으나, 연료전지의 효율성 향상을 위해서는 촉매층이 일정 수준 이상의 인산을 담지하고 있어야 할 필요성이 있다.As described above, the anode electrode of the fuel cell has the effect of preventing phosphoric acid from leaking, but in order to improve the efficiency of the fuel cell, the catalyst layer needs to support phosphoric acid at a certain level or more.
이때, 상기 제2촉매층은 크랙(crack), 즉 큰 크기의 포어(pore)가 많이 존재하는 형태로 형성되게 된다.At this time, the second catalyst layer is formed in a form in which many cracks, ie, large pores, are present.
따라서, 상기와 같이 형성된 크랙(crack) 내부로 인산이 다량 함침되어 존재할 수 있게 되므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 애노드 전극은 전술한 것과 같이 인산 유출 방지 및 충분한 인산 함침 효과를 동시에 만족 가능한 효과가 있다.Therefore, since a large amount of phosphoric acid can be impregnated inside the crack formed as described above, the anode electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention simultaneously satisfies the phosphoric acid leakage prevention and sufficient phosphoric acid impregnation effect as described above. possible effect.
상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 소수성 특성이 서로 다른 2종의 바인더를 이용하여 촉매층을 2중층으로 구성함으로써 전극의 인산 유출을 방지하면서도 충분한 인산 담지량을 확보하여 고온에서도 높은 효율로 구동 가능한 연료전지용 애노드 전극을 제공 가능한 효과가 있다.Due to the characteristics of the above configuration, according to an embodiment of the present invention, the catalyst layer is configured as a double layer using two kinds of binders having different hydrophobic properties, thereby preventing phosphoric acid leakage of the electrode and securing sufficient phosphoric acid loading. There is an effect that it is possible to provide an anode electrode for a fuel cell that can be driven with high efficiency even at a high temperature.
본 발명의 다른 실시예에 따른 막 전극 접합체를 설명한다.A membrane electrode assembly according to another embodiment of the present invention will be described.
상기 막 전극 접합체는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 애노드 전극을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The membrane electrode assembly may include an anode electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
상기 연료전지용 애노드 전극에 대한 설명은 상기 실시예에서 설명한 것으로 갈음한다.The description of the anode electrode for the fuel cell is replaced with that described in the above embodiment.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지를 설명한다.A fuel cell according to another embodiment of the present invention will be described.
상기 연료전지는, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 애노드 전극을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The fuel cell may include an anode electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
상기 연료전지용 애노드 전극에 대한 설명은 상기 실시예에서 설명한 것으로 갈음한다.The description of the anode electrode for the fuel cell is replaced with that described in the above embodiment.
상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고온에서도 높은 효율로 구동 가능한 연료전지를 제공 가능한 효과가 있다.Due to the characteristics of the above configuration, according to an embodiment of the present invention, there is an effect that it is possible to provide a fuel cell that can be driven with high efficiency even at a high temperature.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지용 애노드 전극의 제조방법을 설명한다.A method of manufacturing an anode electrode for a fuel cell according to another embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 상기 실시예의 구성요소들 중 일부는 본 발명의 일 실시예의 구성요소들과 동일하며, 이에 따라 동일한 구성요소들에 대한 설명은 생략하거나 간단하게 기재하기로 한다.Some of the components of the embodiment of the present invention are the same as those of the embodiment of the present invention, and accordingly, the description of the same components will be omitted or simply described.
상기 연료전지용 애노드 전극의 제조방법은, 제1바인더 및 금속 촉매를 포함하는 제1촉매층 형성용 조성물을 준비하는 단계; 상기 제1촉매층 형성용 조성물을 기체확산층 상에 도포하여 제1촉매층을 형성하는 단계; 제2바인더 및 금속 촉매를 포함하는 제2촉매층 형성용 조성물을 준비하는 단계; 및 상기 제2촉매층 형성용 조성물을 상기 제1촉매층 상에 도포하여 제2촉매층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The manufacturing method of the anode electrode for a fuel cell includes the steps of: preparing a composition for forming a first catalyst layer including a first binder and a metal catalyst; forming a first catalyst layer by applying the composition for forming a first catalyst layer on a gas diffusion layer; preparing a composition for forming a second catalyst layer including a second binder and a metal catalyst; and forming a second catalyst layer by applying the composition for forming a second catalyst layer on the first catalyst layer.
이때, 상기 기체확산층은, 미세기공층을 포함하지 않는 것을 특징으로 하고, 상기 제1바인더는, PTFE인 것을 특징으로 하고, 상기 제2바인더는, 상기 PTFE와 다른 종류의 소수성 바인더인 것을 특징으로 할 수 있다.At this time, the gas diffusion layer is characterized in that it does not include a microporous layer, the first binder is characterized in that it is PTFE, and the second binder is a hydrophobic binder of a different type from the PTFE. can do.
상기와 같이 본 발명의 기체확산층 및 촉매층을 구성함으로써 전극의 인산 유출을 방지하면서도 충분한 인산 담지량을 확보하여 고온에서도 높은 효율로 구동 가능한 연료전지를 제공 가능한 것은 전술한 바와 같다.As described above, by configuring the gas diffusion layer and the catalyst layer of the present invention as described above, it is possible to provide a fuel cell capable of driving with high efficiency even at high temperature by securing sufficient phosphoric acid loading while preventing phosphoric acid leakage from the electrode.
이때, 상기 제1촉매층 형성용 조성물을 준비하는 단계에서의 상기 제1촉매층 형성용 조성물은, 40 wt%의 백금 촉매, 60 wt%의 PTFE 바인더 용액, 계면활성제 및 IPA 혼합용매를 혼합하여 얻어진 것일 수 있다.At this time, the composition for forming the first catalyst layer in the step of preparing the composition for forming the first catalyst layer is obtained by mixing 40 wt% of a platinum catalyst, 60 wt% of a PTFE binder solution, a surfactant, and an IPA mixed solvent. can
상기 제1촉매층 형성용 조성물을 준비하는 단계는, The step of preparing the composition for forming the first catalyst layer,
상기와 같이 제조된 조성물을 sonication을 이용하여 상온에서 1차 혼합하는 단계;First mixing the composition prepared as described above at room temperature using sonication;
상기 1차 혼합된 조성물을 ultra-sonification을 이용하여 상온에서 2차 혼합하는 단계; 및 Secondary mixing of the first mixed composition at room temperature using ultra-sonification; and
상기 2차 혼합된 조성물을 균질기(homogenizer)를 이용하여 13000 RPM에서 1 시간 동안 교반하여 3차 혼합하는 단계;를 포함할 수 있다.A third mixing step by stirring the second mixed composition at 13000 RPM for 1 hour using a homogenizer; may include.
상기 제1촉매층을 형성하는 단계는, The step of forming the first catalyst layer,
상기 조성물을 기체확산층에 spray를 이용하여 도포 후, 형성된 전극을 80℃의 핫 플레이트(hot plate)에서 1차 건조시키는 단계; 및 After applying the composition to the gas diffusion layer by using spray, the first drying step of the formed electrode on a hot plate (hot plate) at 80 ℃; and
상기 1차 건조된 전극을 Ar 분위기에서 307℃의 튜브 퍼니스(tube furnace)에서 15분간 2차 건조시키는 단계;를 포함할 수 있다.Secondary drying of the firstly dried electrode in an Ar atmosphere in a tube furnace at 307° C. for 15 minutes may include.
이때, 상기 제2촉매층 형성용 조성물을 준비하는 단계에서의 상기 제2촉매층 형성용 조성물은, 20 wt%의 백금 촉매, PVDF 바인더, 점도조절제 및 NMP를 혼합하여 얻어진 것일 수 있다. In this case, the composition for forming the second catalyst layer in the step of preparing the composition for forming the second catalyst layer may be obtained by mixing 20 wt% of a platinum catalyst, a PVDF binder, a viscosity modifier, and NMP.
상기 제2촉매층 형성용 조성물을 준비하는 단계는, The step of preparing the composition for forming the second catalyst layer,
상기와 같이 제조된 조성물을 볼 밀링(ball milling)을 통하여 250 RPM에서 1시간 동안 교반하여 혼합하는 단계;를 포함할 수 있다.It may include; mixing the composition prepared as described above by stirring at 250 RPM for 1 hour through ball milling.
상기 제2촉매층을 형성하는 단계는, The step of forming the second catalyst layer,
상기 조성물을 제1촉매층 상에 도포하는 단계; 및applying the composition on the first catalyst layer; and
상기 단계에서 형성된 전극을 60 ℃의 컨벡션 오븐(convection oven)에서 24시간동안 건조시키는 단계;를 포함할 수 있다. drying the electrode formed in the above step in a convection oven at 60° C. for 24 hours.
상기와 같은 구성의 특징으로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 소수성 특성이 서로 다른 2종의 바인더를 이용하여 촉매층을 2중층으로 구성함으로써 전극의 인산 유출을 방지하면서도 충분한 인산 담지량을 확보하여 고온에서도 높은 효율로 구동 가능한 연료전지용 애노드 전극의 제조방법을 제공 가능한 효과가 있다.Due to the characteristics of the above configuration, according to an embodiment of the present invention, the catalyst layer is configured as a double layer using two kinds of binders having different hydrophobic properties, thereby preventing phosphoric acid leakage of the electrode and securing sufficient phosphoric acid loading. There is an effect that it is possible to provide a method for manufacturing an anode electrode for a fuel cell that can be driven with high efficiency even at a high temperature.
이하에서는 실시예, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples, Comparative Examples and Experimental Examples. However, the present invention is not limited to the following Examples and Experimental Examples.
<실시예 1><Example 1>
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 제조하기 위하여 연료전지용 애노드 전극을 제조하였다.In order to manufacture a fuel cell according to an embodiment of the present invention, an anode electrode for a fuel cell was manufactured.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 막 전극 접합체의 애노드 전극의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.2 is a view showing an SEM image of the anode electrode of the membrane electrode assembly manufactured according to the embodiment of the present invention.
상기 연료전지용 애노드 전극을 제조하기 위하여, 먼저 Pt 촉매를 포함하는 PTFE 바인더 혼합 용액을 제조하였다. In order to prepare the anode electrode for the fuel cell, first, a PTFE binder mixed solution containing a Pt catalyst was prepared.
상기 PTFE 바인더 혼합 용액은, 40wt% Pt/C 0.3g, 60wt% PTFE 용액 0.0981g, 계면활성제 0.0325g을 혼합한 증류수 20g 및 IPA(Isopropyl alcohol) 5g을 혼합하여 제조하였다. The PTFE binder mixture solution was prepared by mixing 20 g of distilled water and 5 g of IPA (Isopropyl alcohol) mixed with 40 wt% Pt/C 0.3 g, 60 wt% PTFE solution 0.0981 g, and surfactant 0.0325 g.
상기 제조된 혼합 용액을 sonication을 이용하여 상온에서 20분간 1차 혼합하고, 상기 1차 혼합된 조성물을 ultra-sonification을 이용하여 상온에서 20분간 2차 혼합하고, 상기 2차 혼합된 조성물을 균질기(homogenizer)를 이용하여 13000 RPM에서 1 시간 동안 교반하여 3차 혼합하여 준비하였다.The prepared mixed solution is first mixed for 20 minutes at room temperature using sonication, the first mixed composition is secondarily mixed for 20 minutes at room temperature using ultra-sonification, and the second mixed composition is subjected to a homogenizer (homogenizer) was stirred at 13000 RPM for 1 hour to prepare a third mixing.
상기 준비된 혼합 용액 조성물을, MPL을 포함하지 않는 기체확산층(JNT30)에 spray를 이용하여 도포 후, 80℃의 핫 플레이트(hot plate)에서 1차 건조시키고, 상기 1차 건조된 전극을 Ar 분위기에서 307℃의 튜브 퍼니스(tube furnace)에서 15분간 2차 건조시켜 제1촉매층을 형성하였다.After applying the prepared mixed solution composition to the gas diffusion layer (JNT30) that does not contain MPL using spray, it is dried first on a hot plate at 80° C., and the dried electrode is dried in an Ar atmosphere. The first catalyst layer was formed by secondary drying for 15 minutes in a tube furnace at 307°C.
그 다음, Pt 촉매를 포함하는 PVDF 바인더 혼합 용액을 제조하였다. Then, a PVDF binder mixed solution containing a Pt catalyst was prepared.
상기 PVDF 바인더 혼합 용액은, 0.048g의 PVDF 바인더, 점도조절제 0.0075g 및 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 5.736g을 Resodyn Acoustic Mixer로 혼합하고, 20 wt%의 Pt/C를 첨가하여 제조하였다.The PVDF binder mixture solution was prepared by mixing 0.048 g of PVDF binder, 0.0075 g of a viscosity modifier, and 5.736 g of NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) with a Resodyn Acoustic Mixer, and adding 20 wt% of Pt/C. .
상기 제조된 혼합 용액을 볼 밀링(ball milling)을 통하여 250 RPM에서 1시간 동안 교반하였다.The prepared mixed solution was stirred at 250 RPM for 1 hour through ball milling.
상기 교반된 혼합 용액을 제1촉매층 상에 바 코팅(bar coating)을 통하여 도포하고 60 ℃의 컨벡션 오븐(convection oven)에서 24시간동안 건조시켜 제2촉매층을 형성하여 본 발명의 실시예 1에 따른 애노드 전극을 제조하였다. The stirred mixed solution was applied on the first catalyst layer through bar coating and dried in a convection oven at 60° C. for 24 hours to form a second catalyst layer according to Example 1 of the present invention. An anode electrode was prepared.
이때, 상기 제1촉매층 및 제2촉매층을 포함하는 전체 촉매층에 담지된 Pt 촉매는 단위면적당 중량(M/A)이 0.296 mgmetal/cm2이고, 상기 제1촉매층에 담지된 Pt 촉매 및 상기 제2촉매층에 담지된 Pt 촉매는, 중량비 5:5를 이루도록 제조되었다.At this time, the Pt catalyst supported on the entire catalyst layer including the first catalyst layer and the second catalyst layer has a weight per unit area (M/A) of 0.296 mg metal /cm 2 , the Pt catalyst supported on the first catalyst layer and the agent The Pt catalyst supported on the second catalyst layer was prepared to achieve a weight ratio of 5:5.
<실시예 2><Example 2>
상기 실시예 1에서, 상기 제1촉매층 및 제2촉매층을 포함하는 전체 촉매층에 담지된 Pt 촉매는 단위면적당 중량(M/A)이 0.274 mgmetal/cm2이고, 상기 제1촉매층에 담지된 Pt 촉매 및 상기 제2촉매층에 담지된 Pt 촉매가 중량비 6:4를 이루도록 제조된 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정 조건으로 실시예 2를 제조하였다.In Example 1, the Pt catalyst supported on the entire catalyst layer including the first catalyst layer and the second catalyst layer had a weight per unit area (M/A) of 0.274 mg metal /cm 2 , and Pt supported on the first catalyst layer Example 2 was prepared under the same process conditions as in Example 1, except that the catalyst and the Pt catalyst supported on the second catalyst layer were prepared to have a weight ratio of 6:4.
<실시예 3><Example 3>
상기 실시예 1에서, 상기 제1촉매층 및 제2촉매층을 포함하는 전체 촉매층에 담지된 Pt 촉매는 단위면적당 중량(M/A)이 0.258 mgmetal/cm2이고, 상기 제1촉매층에 담지된 Pt 촉매 및 상기 제2촉매층에 담지된 Pt 촉매가 중량비 8:2를 이루도록 제조된 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정 조건으로 실시예 3을 제조하였다.In Example 1, the Pt catalyst supported on the entire catalyst layer including the first catalyst layer and the second catalyst layer had a weight per unit area (M/A) of 0.258 mg metal /cm 2 , and Pt supported on the first catalyst layer Example 3 was prepared under the same process conditions as in Example 1, except that the catalyst and the Pt catalyst supported on the second catalyst layer were prepared to have a weight ratio of 8:2.
<실시예 4><Example 4>
상기 실시예 1에서, 상기 제1촉매층 및 제2촉매층을 포함하는 전체 촉매층에 담지된 Pt 촉매는 단위면적당 중량(M/A)이 0.207 mgmetal/cm2이고, 상기 제1촉매층에 담지된 Pt 촉매 및 상기 제2촉매층에 담지된 Pt 촉매가 중량비 9:1을 이루도록 제조된 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정 조건으로 실시예 4를 제조하였다.In Example 1, the Pt catalyst supported on the entire catalyst layer including the first catalyst layer and the second catalyst layer had a weight per unit area (M/A) of 0.207 mg metal /cm 2 , and Pt supported on the first catalyst layer Example 4 was prepared under the same process conditions as in Example 1, except that the catalyst and the Pt catalyst supported on the second catalyst layer were prepared to have a weight ratio of 9:1.
<비교예 1><Comparative Example 1>
연료전지용 전극으로 많이 사용되는 동진 쎄미켐 사의 시판 애노드 전극을 비교예 1로 이용하였다.A commercially available anode electrode from Dongjin Semichem, which is widely used as an electrode for a fuel cell, was used as Comparative Example 1.
상기 동진 쎄미켐 사의 애노드 전극은 금속 촉매 담지량이 1 mgmetal/cm2인 제품을 사용하였다.For the anode electrode of Dongjin Semichem, a product having a metal catalyst loading amount of 1 mg metal /cm 2 was used.
<비교예 2><Comparative Example 2>
상기 실시예 1과 동일한 공정 조건으로 PTFE를 포함하는 촉매층을 구성하되, 상기 기체확산층으로는 MPL층을 포함하는 JNT30A3 제품을 사용하여 제조하고, 제2촉매층은 형성하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정 조건으로 비교예 2를 제조하였다.A catalyst layer containing PTFE was formed under the same process conditions as in Example 1, except that the gas diffusion layer was prepared using a JNT30A3 product including an MPL layer, and the second catalyst layer was not formed. Comparative Example 2 was prepared under the same process conditions as in 1.
이때, 상기 PTFE 촉매층에 담지된 Pt 촉매는 단위면적당 중량(M/A)이 0.296 mgmetal/cm2으로 제조되었다.In this case, the Pt catalyst supported on the PTFE catalyst layer had a weight per unit area (M/A) of 0.296 mg metal /cm 2 .
<비교예 3><Comparative Example 3>
상기 실시예 1과 동일한 공정 조건으로 PVDF를 포함하는 촉매층을 구성하되, PTFE를 포함하는 제1촉매층의 형성 없이 기체확산층에 상기 PVDF 촉매층을 곧바로 형성하고, 상기 기체확산층으로는 MPL층을 포함하는 JNT30A3 제품을 사용하여 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정 조건으로 비교예 3을 제조하였다.JNT30A3 comprising a catalyst layer containing PVDF under the same process conditions as in Example 1, but directly forming the PVDF catalyst layer on the gas diffusion layer without forming a first catalyst layer containing PTFE, and including an MPL layer as the gas diffusion layer Comparative Example 3 was prepared under the same process conditions as in Example 1, except that it was prepared using the product.
이때, 상기 PVDF 촉매층에 담지된 Pt 촉매는 단위면적당 중량(M/A)이 0.297 mgmetal/cm2으로 제조되었다.At this time, the Pt catalyst supported on the PVDF catalyst layer had a weight per unit area (M/A) of 0.297 mg metal /cm 2 .
<비교예 4><Comparative Example 4>
상기 비교예 3에서 기체확산층으로 크랙이 거의 없는 H23C2를 이용한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일한 공정 조건으로 비교예 4를 제조하였다. Comparative Example 4 was prepared under the same process conditions as in Comparative Example 3, except that H23C2 having little cracks was used as the gas diffusion layer in Comparative Example 3.
이때, 상기 PVDF 촉매층에 담지된 Pt 촉매는 단위면적당 중량(M/A)이 0.269 mgmetal/cm2으로 제조되었다.At this time, the Pt catalyst supported on the PVDF catalyst layer had a weight per unit area (M/A) of 0.269 mg metal /cm 2 .
하기 표 1은 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4의 공정 조건 등을 정리하여 나타낸 표이다.Table 1 below is a table summarizing the process conditions of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, and the like.
[표 1][Table 1]
<실험예><Experimental example>
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 연료전지용 애노드 전극을 이용하여 막 전극 접합체를 제조하여 실험을 진행하였다.An experiment was conducted by manufacturing a membrane electrode assembly using the anode electrode for a fuel cell prepared in Examples and Comparative Examples.
상기 막 전극 접합체는, 하기와 같은 조건으로 제조되었다.The membrane electrode assembly was prepared under the following conditions.
- Cathode: BASF GDE (Pt loading : 1.0mgPt/cm2)- Cathode: BASF GDE (Pt loading: 1.0mg Pt /cm 2 )
- Membrane : Celtec®membrane - Membrane : Celtec® membrane
- Sub Gasket : 50νm Kapton - Sub Gasket : 50νm Kapton
- Gasket : Teflon (Gasket/GDE = 0.7~0.8 (thickness ratio))- Gasket : Teflon (Gasket/GDE = 0.7~0.8 (thickness ratio))
- H2(dry) : 100mL/min, Air(dry) : 300mL/min- H 2 (dry): 100mL/min, Air (dry): 300mL/min
<실험예 1> 막 전극 접합체 성능 비교 실험<Experimental Example 1> Membrane electrode assembly performance comparison experiment
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 연료전지용 애노드 전극을 포함하는 막 전극 접합체의 성능을 비교하는 실험을 진행하였다. 이때, 구동 온도는 150℃에서 실험이 진행되었다.An experiment was conducted to compare the performance of the membrane electrode assembly including the anode electrode for a fuel cell prepared in Examples and Comparative Examples. At this time, the experiment was carried out at a driving temperature of 150 °C.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 막 전극 접합체의 전류 밀도 당 전압 및 출력 밀도를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing voltage and power density per current density of membrane electrode assemblies according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 막 전극 접합체의 전압 및 피크 출력 밀도를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing voltage and peak power density of membrane electrode assemblies according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
하기 표 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 막 전극 접합체의 전압 및 피크 출력 밀도를 정리하여 나타낸 표이다.Table 2 below is a table summarizing voltages and peak power densities of membrane electrode assemblies according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
[표 2][Table 2]
도 3, 도 4 및 표 2를 참조하면, 본 발명의 실시예와 같이 MPL이 없는 기체확산층에 2종의 소수성 바인더를 2층으로 구성한 촉매층을 갖는 막 전극 접합체가 1종의 바인더만을 포함하는 비교예와 비교하여, 적은 촉매 담지량으로도 향상된 출력을 제공 가능한 효과가 있다.3, 4 and Table 2, as in the example of the present invention, a membrane electrode assembly having a catalyst layer composed of two types of hydrophobic binders in a gas diffusion layer without MPL includes only one type of binder. Compared with the example, there is an effect that an improved output can be provided even with a small catalyst loading amount.
<실험예 2> 내구성 평가 및 인산 유출 측정 실험<Experimental Example 2> Durability evaluation and phosphoric acid leakage measurement experiment
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 연료전지용 애노드 전극을 포함하는 막 전극 접합체의 내구성을 평가하는 실험을 진행하였다.An experiment was conducted to evaluate the durability of the membrane electrode assembly including the anode electrode for a fuel cell prepared in Examples and Comparative Examples.
상기 내구성 평가 실험은, 구동 온도 150℃ 에서 137시간 동안 0.2 A/cm2에서 유지 후 성능 변화를 관찰하는 방식으로 진행되었다.The durability evaluation experiment was conducted in a manner of observing a change in performance after maintaining at 0.2 A/cm 2 at a driving temperature of 150° C. for 137 hours.
이때, 상기 내구성 평가 실험 중 배출되는 기체를 H2O에 포집하여 ICP-MS 분석을 통해 인산을 검출함으로써 인산 유출을 측정하였다.At this time, phosphoric acid leakage was measured by collecting the gas discharged during the durability evaluation experiment in H 2 O and detecting phosphoric acid through ICP-MS analysis.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 막 전극 접합체의 시간에 따른 전압 변화를 관찰하여 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing voltage changes according to time of membrane electrode assemblies according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
하기 표 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 막 전극 접합체의 전압, 애노드에서의 인산 유출량, 캐소드에서의 인산 유출량 및 총 인산 유출량을 정리하여 나타낸 표이다.Table 3 below is a table summarizing the voltage, phosphoric acid outflow from the anode, phosphoric acid outflow from the cathode, and total phosphoric acid outflow of membrane electrode assemblies according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
[표 3][Table 3]
도 5 및 표 3을 참조하면, 본 발명의 실시예 1은 비교예 1보다 137 시간이 지난 이후에도 더 높은 전압을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 애노드에서 인산이 전혀 유출되지 않으며 따라서 비교예와 비교하여 총 인산 유출량이 약 1/9배 이상 감소한 것을 확인할 수 있다.5 and Table 3, it can be seen that Example 1 of the present invention has a higher voltage even after 137 hours have passed than Comparative Example 1, and phosphoric acid is not leaked from the anode at all. It can be seen that the amount of phosphoric acid outflow decreased by about 1/9 times or more.
<실험예 3> TGA 분석 실험<Experimental Example 3> TGA analysis experiment
상기 실시예 1에서 제조된 연료전지용 애노드 전극을 TGA 분석해보는 실험을 진행하였다.An experiment was conducted to analyze the anode electrode for a fuel cell prepared in Example 1 by TGA.
이를 위하여, 실시예 1에서 제조된 이중층으로 이루어진 전극의 상단면을 잘라낸 다음, 자르기 전 전체 전극(실시예 1), 잘라낸 상단 부분(실시예 1(top)), 잘라낸 하단 부분(실시예 1(bottom))으로 나누어 각 sample의 TGA를 측정하였다.To this end, the upper surface of the electrode made of the double layer prepared in Example 1 was cut off, and then the entire electrode before cutting (Example 1), the cut top part (Example 1 (top)), and the cut bottom part (Example 1 (Example 1) bottom)) to measure the TGA of each sample.
상기 TGA 측정은 0 내지 1000℃에서 N2 분위기 하에서 진행되었다.The TGA measurement was carried out at 0 to 1000° C. under N 2 atmosphere.
도 6은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 연료전지용 애노드 전극의 상단을 잘라 TGA 분석하기 위한 샘플을 수득하는 과정을 개략적으로 나타낸 모식도이다.6 is a schematic diagram schematically illustrating a process of obtaining a sample for TGA analysis by cutting the upper end of the anode electrode for a fuel cell prepared in Example 1 of the present invention.
도 7은 연료전지용 애노드 전극 각 부분 샘플을 TGA 분석하여 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing TGA analysis of each partial sample of an anode electrode for a fuel cell.
도6 및 도 7을 참조하면 이중층 전극을 N2 분위기의 TGA로 분석하면 총 4개의 변곡점을 보이는 것을 확인할 수 있다.6 and 7, when the double-layer electrode is analyzed by TGA in an N 2 atmosphere, it can be seen that a total of four inflection points are shown.
이때, 첫 번째 변곡점은 120℃ 부근에서 점도 증점제에 의해, 두 번째 변곡점은 260℃ 부근에서 PVDF에 의해, 세 번째 변곡점은 470℃ 부근에서 PTFE에 의해, 네 번째 변곡점은 800℃ 부근에서 Carbon에 의해 각 나타남을 확인할 수 있다.At this time, the first inflection point is by a viscosity thickener around 120℃, the second inflection point by PVDF near 260℃, the third inflection point by PTFE around 470℃, and the fourth inflection point by carbon around 800℃ You can check each occurrence.
그 다음, 실시예 1에 따른 연료전지용 애노드 전극 이중층의 상단 부분 샘플(실시예 1(top))과 하단 부분 샘플(실시예 2(bottom))을 각 TGA로 분석하게 되면 똑같이 4군데에서 변곡점이 나타나는 것을 확인할 수 있다.Then, when the upper part sample (Example 1 (top)) and the lower part sample (Example 2 (bottom)) of the anode electrode double layer for a fuel cell according to Example 1 are analyzed by each TGA, the inflection points are the same at four places. can be seen to appear.
하지만 각 온도에서 줄어드는 무게비가 달라지는데, 이는 실시예 1에 따른 연료전지용 애노드 전극의 상단 부분과 하단 부분의 바인더 조성이 다르다는 것을 뜻하며, 따라서 두 개의 층이 서로 다른 조성으로 제작되었다는 것을 확인할 수 있다.However, the weight ratio reduced at each temperature is different, which means that the binder composition of the upper part and the lower part of the anode electrode for a fuel cell according to Example 1 is different, and thus it can be confirmed that the two layers are manufactured with different compositions.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.
10: 기체확산층
20: 제1촉매층
30: 제2촉매층10: gas diffusion layer
20: first catalyst layer
30: second catalyst layer
Claims (12)
상기 기체확산층 상에 위치하되, 제1바인더를 포함하는 제1촉매층; 및
상기 제1촉매층 상에 위치하되, 제2바인더를 포함하는 제2촉매층;을 포함하되,
상기 제1바인더는, PTFE인 것을 특징으로 하고,
상기 제2바인더는, 상기 PTFE와 다른 종류의 소수성 바인더인 것을 특징으로 하는 연료전지용 애노드 전극.a gas diffusion layer that does not include a microporous layer;
a first catalyst layer positioned on the gas diffusion layer and including a first binder; and
A second catalyst layer positioned on the first catalyst layer, the second catalyst layer including a second binder;
The first binder is characterized in that PTFE,
The second binder is an anode electrode for a fuel cell, characterized in that the PTFE and a different type of hydrophobic binder.
상기 기체확산층은, 탄소 천(carbon cloth), 탄소 종이(carbon paper) 및 탄소 펠트(carbon felt)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 애노드 전극.According to claim 1,
The gas diffusion layer is an anode electrode for a fuel cell, characterized in that it comprises any one or more selected from the group consisting of carbon cloth (carbon cloth), carbon paper (carbon paper) and carbon felt (carbon felt).
상기 제2바인더는, PTFE보다 상대적으로 낮은 소수성 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 애노드 전극.According to claim 1,
The second binder is an anode electrode for a fuel cell, characterized in that it has a relatively lower hydrophobicity than PTFE.
상기 제2바인더는, PVDF, PBI, PVA 및 PAA로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 애노드 전극.According to claim 1,
The second binder is an anode electrode for a fuel cell, characterized in that it comprises any one or more selected from the group consisting of PVDF, PBI, PVA and PAA.
상기 제1촉매층 및 제2촉매층은, 각각 독립적으로 백금, 팔라듐, 코발트, 금, 루테늄, 주석, 몰리브테늄, 로듐, 이리듐, 비스무트, 구리, 이트륨 및 크롬으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 애노드 전극.According to claim 1,
The first catalyst layer and the second catalyst layer are each independently any one or more metals selected from the group consisting of platinum, palladium, cobalt, gold, ruthenium, tin, molybthenium, rhodium, iridium, bismuth, copper, yttrium and chromium. Anode electrode for fuel cell, characterized in that it contains a catalyst.
상기 제1촉매층 및 상기 제2촉매층을 포함하는 전체 촉매층에 대한 상기 금속 촉매의 단위면적당 중량(M/A)은 0.1 mg/cm2 내지 0.5 mg/cm2 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 애노드 전극. 6. The method of claim 5,
The weight per unit area (M/A) of the metal catalyst with respect to the entire catalyst layer including the first catalyst layer and the second catalyst layer is 0.1 mg/cm 2 to 0.5 mg/cm 2 Anode electrode for fuel cell, characterized in that.
상기 제1촉매층에 담지된 상기 금속 촉매 및 상기 제2촉매층에 담지된 상기 금속 촉매의 중량비는, 1:9 내지 6:4 인 것을 특징으로 하는 연료전지용 애노드 전극.7. The method of claim 6,
A weight ratio of the metal catalyst supported on the first catalyst layer and the metal catalyst supported on the second catalyst layer is 1:9 to 6:4.
상기 제1촉매층은 스프레이(spray)를 통해 상기 기체확산층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 애노드 전극.According to claim 1,
The first catalyst layer is an anode electrode for a fuel cell, characterized in that formed on the gas diffusion layer through a spray (spray).
상기 제1촉매층 형성용 조성물을 기체확산층 상에 도포하여 제1촉매층을 형성하는 단계;
제2바인더 및 금속 촉매를 포함하는 제2촉매층 형성용 조성물을 준비하는 단계; 및
상기 제2촉매층 형성용 조성물을 상기 제1촉매층 상에 도포하여 제2촉매층을 형성하는 단계;를 포함하되,
상기 기체확산층은, 미세기공층을 포함하지 않는 것을 특징으로 하고,
상기 제1바인더는, PTFE인 것을 특징으로 하고,
상기 제2바인더는, 상기 PTFE와 다른 종류의 소수성 바인더인 것을 특징으로 하는 연료전지용 애노드 전극의 제조방법.preparing a composition for forming a first catalyst layer including a first binder and a metal catalyst;
forming a first catalyst layer by applying the composition for forming a first catalyst layer on a gas diffusion layer;
preparing a composition for forming a second catalyst layer including a second binder and a metal catalyst; and
forming a second catalyst layer by applying the composition for forming the second catalyst layer on the first catalyst layer;
The gas diffusion layer is characterized in that it does not include a microporous layer,
The first binder is characterized in that PTFE,
The second binder is a method of manufacturing an anode electrode for a fuel cell, characterized in that the PTFE and a different type of hydrophobic binder.
상기 제1촉매층을 형성하는 단계에서는, 상기 제1촉매층 형성용 조성물을 스프레이(spray) 공정을 통해 상기 기체확산층 상에 도포하여 상기 제1촉매층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 애노드 전극의 제조방법.12. The method of claim 11,
In the forming of the first catalyst layer, the composition for forming the first catalyst layer is applied on the gas diffusion layer through a spray process to form the first catalyst layer. .
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