KR20180053088A - Oxygen Electrode For Regenerative Fuel Cell, Regenerative Fuel Cell Including The Same and Method For Preparing The Oxygen Electrode - Google Patents

Oxygen Electrode For Regenerative Fuel Cell, Regenerative Fuel Cell Including The Same and Method For Preparing The Oxygen Electrode Download PDF

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한종희
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Abstract

The present invention provides a regenerative fuel cell including a substrate, an iridium oxide layer electroplated on the substrate, and a layer of palladium (Pd) or platinum (Pt) or a platinum and ruthenium mixture (Pt-Ru) formed on the iridium oxide layer, in particular, an oxygen electrode for an unitized regenerative fuel cell (URFC), a regenerative fuel cell including the same, and in particular, an URFC and a method for producing the electrode. The oxygen electrode can exhibit excellent cell performance while lowering the loading amount of noble metal, especially platinum.

Description

재생 연료전지용 산소 전극, 이를 포함하는 재생 연료전지 및 상기 산소 전극의 제조 방법{Oxygen Electrode For Regenerative Fuel Cell, Regenerative Fuel Cell Including The Same and Method For Preparing The Oxygen Electrode}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen electrode for a regenerative fuel cell, a regenerative fuel cell including the same, and a method of manufacturing the oxygen electrode.

본 명세서는 재생 연료전지, 특히 일체형 재생 연료전지용 산소 전극, 이를 포함하는 재생 연료전지, 특히 일체형 재생 연료전지 및 상기 산소 전극의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 예컨대 고분자 전해질 막(polymer electrolyte membrane) 타입 일체형 재생 연료전지용 산소 전극, 이를 포함하는 일체형 재생 연료전지 및 상기 산소 전극의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a regenerative fuel cell, in particular, an oxygen electrode for an integral regenerative fuel cell, a regenerative fuel cell including the regenerative fuel cell, and more particularly, Type integrated regenerative fuel cell, an integral regenerative fuel cell including the same, and a method of manufacturing the oxygen electrode.

재생 연료전지, 특히 일체형 재생 연료전지(Unitized regenerative fuel cell; 이하 URFC로 표시할 수 있다)는 대면적 에너지 저장/전환 장치로서 유망한 후보로 생각되어 왔다. 이 단일 장치는 전기 에너지로부터 수소 가스를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 전기로 다시 전환할 수 있어서, 수소 연료 형태의 에너지 저장을 가능하게 한다.Renewable fuel cells, particularly unitized regenerative fuel cells (URFC), have been viewed as promising candidates for large area energy storage / conversion devices. This single device not only can produce hydrogen gas from electrical energy, but it can also convert it back into electricity, enabling energy storage in the form of hydrogen fuel.

또한, URFC는 자기 방전(self-discharge) 및 3600 Wh kg-1의 높은 이론 에너지 밀도를 가지는데, 이는 기존 배터리 보다 몇 배나 높다.In addition, URFCs have self-discharge and high theoretical energy density of 3600 Wh kg -1 , which is several times higher than conventional batteries.

현재 URFC 기술에서 중요한 과제 중 하나는 ORR(oxygen reduction reaction)과 OER (oxygen evolution reaction) 에 대한 낮은 오버 전압을 부여할 수 있는 고효율의 안정적인 산소 전극을 디자인하는 것이다.One of the key challenges in the current URFC technology is designing a highly efficient, stable oxygen electrode that can provide low overvoltage for ORR (oxygen reduction reaction) and OER (oxygen evolution reaction).

이러한 목적을 위하여, 효과적인 양 기능성 촉매(bifunctional catalyst), 부식 저항성 촉매 지지체, 안정적이고 효율적인 확산 층 등의 개발을 위한 연구가 진행되어 왔다.For this purpose, research has been conducted to develop effective bifunctional catalysts, corrosion resistant catalyst supports, stable and efficient diffusion layers, and the like.

그럼에도 불구하고, 현재 URFC 성능은 개별적인 물 전해 장치(water electrolyzer, WE)나 연료전지(fuel cell, FC) 보다 낮다.Nonetheless, current URFC performance is lower than for individual water electrolyzers (WE) or fuel cells (FC).

URFC 및 기존의 연료전지와의 주목할 만한 차이점은 산소 전극을 위한 촉매 지지체(catalyst support for oxygen electrode)이다.A notable difference between the URFC and conventional fuel cells is the catalyst support for the oxygen electrode.

연료전지에 있어서는 탄소 지지체가 일반적으로 사용되어 왔지만, 물 전기 분해 운전 동안 가혹한 부식 환경 하에서의 탄소 부식으로 인하여 탄소 지지체가 물 전기 분해 장치(WE) 또는 URFC에는 직접 적용될 수 없다. 이러한 이유로 이리듐 또는 이리듐 산화물 지지된 백금 촉매, 비지지된 PtIr, 필름 타입 PtIr 촉매 층, Ti 기반 촉매 지지체 등의 대안들이 URFC 적용을 위하여 제안되었으나, 이들 대부분은 수 mg/cm2의 높은 촉매 로당양을 필요로 한다. Carbon supports have been commonly used in fuel cells, but carbon supports can not be applied directly to water electrolysis devices (WE) or URFCs due to carbon corrosion under severe corrosive conditions during water electrolysis operation. For this reason, iridium or iridium oxide-supported platinum catalysts, non-supported PtIr, film type PtIr catalyst layer, Ti-based catalyst alternatives to the support such that has been proposed for URFC applied, most of them dangyang to be high catalyst in mg / cm 2 need.

이러한 연구들에서는 백금 촉매의 함량이 높기 때문에 귀금속 촉매의 함량을 낮추기 위한 시도들이 진행되어 왔다. 그러나, URFC의 수전해 및 연료전지 성능은 만족스럽지 않은 수준에 있으며 여전히 귀금속 촉매의 함량이 높게 요구되는 실정이다.In these studies, attempts have been made to lower the content of precious metal catalysts because of the high content of platinum catalysts. However, the URFC's electrolytic solution and fuel cell performance are unsatisfactory and still require a high content of noble metal catalyst.

비특허문헌 1: B.-S. Lee, S. H. Ahn, H.-Y. Park, I. Choi, S. J. Yoo, H.-J. Kim, D. Henkensmeier, J. Y. Kim, S. Park, S. W. Nam, K.-Y. Lee and J. H. Jang, Appl. Catal. B, 179, 285 (2015).Non-Patent Document 1: B.-S. Lee, S. H. Ahn, H.-Y. Park, I. Choi, S. J. Yoo, H.-J. Kim, D. Henkensmeier, J. Y. Kim, S. Park, S. W. Nam, K.-Y. Lee and J. H. Jang, Appl. Catal. B, 179, 285 (2015). 비특허문헌 2: B.-S. Lee, H.-Y. Park, I. Choi, M. K. Cho, H.-J. Kim, S. J. Yoo, D. Henkensmeier, J. Y. Kim, S. W. Nam, S. Park, K.-Y. Lee and J. H. Jang, J. Power Sources, 309, 127 (2016).Non-Patent Document 2: B.-S. Lee, H.-Y. Park, I. Choi, M. K. Cho, H.-J. Kim, S. J. Yoo, D. Henkensmeier, J. Y. Kim, S. W. Nam, S. Park, K.-Y. Lee and J. H. Jang, J. Power Sources, 309, 127 (2016). 비특허문헌 3: B.-S. Lee, H.-Y. Park, M. K. Cho, J. W. Jung, H.-J. Kim, D. Henkensmeier, S. J. Yoo, J. Y. Kim, S. Park, K.-Y. Lee and J. H. Jang, Electrochem. Commun., 64, 14 (2016).Non-Patent Document 3: B.-S. Lee, H.-Y. Park, M. K. Cho, J. W. Jung, H.-J. Kim, D. Henkensmeier, S. J. Yoo, J. Y. Kim, S. Park, K.-Y. Lee and J. H. Jang, Electrochem. Commun., 64, 14 (2016). 비특허문헌 4: S. Altmann, T. Kaz and K. A. Friedrich, Electrochim. Acta, 56, 4287 (2011).Non-Patent Document 4: S. Altmann, T. Kaz and K. A. Friedrich, Electrochim. Acta, 56, 4287 (2011). 비특허문헌 5: X. Zhuo, S. Sui and J. Zhang, Int. J. Hydrogen Energy, 38, 4792 (2013).Non-Patent Document 5: X. Zhuo, S. Sui and J. Zhang, Int. J. Hydrogen Energy, 38, 4792 (2013). 비특허문헌 6: S. A. Grigoriev, P. Millet, K. A. Dzhus, H. Middleton, T. O. Saetre and V. N. Fateev, Int. J. Hydrogen Energy, 35, 5070 (2010).Non-Patent Document 6: S. A. Grigoriev, P. Millet, K. A. Dzhus, H. Middleton, T. O. Saetre and V. N. Fateev, Int. J. Hydrogen Energy, 35, 5070 (2010). 비특허문헌 7: S. Zhigang, Y. Baolian and H. Ming, J. Power Sources, 79, 82 (1999).Non-Patent Document 7: S. Zhigang, Y. Baolian and H. Ming, J. Power Sources, 79, 82 (1999). 비특허문헌 8: G. Chen, H. Zhang, J. Cheng, Y. Ma and H. Zhong, Electrochem. Commun., 10, 1373 (2008).Non-Patent Document 8: G. Chen, H. Zhang, J. Cheng, Y. Ma and H. Zhong, Electrochem. Commun., 10, 1373 (2008). 비특허문헌 9: S. Song, H. Zhang, X. Ma, Z.-G. Shao, Y. Zhang and B. Yi, Electrochem. Commun., 8, 399 (2006).Non-Patent Document 9: S. Song, H. Zhang, X. Ma, Z.-G. Shao, Y. Zhang and B. Yi, Electrochem. Commun., 8, 399 (2006).

본 발명의 구현예들에서는, 일측면에서, 귀금속 특히 백금 로딩량을 낮추면서도 우수한 재생연료전지, 특히 일체형 재생연료전지 셀 성능을 나타낼 수 있는 효율적인 구조를 가지는 재생연료전지, 특히 일체형 재생연료전지용 산소 전극, 이를 포함하는 재생연료전지 특히, 일체형 재생연료전지 및 상기 산소 전극의 제조 방법을 제공하는 것이다. Embodiments of the present invention, in one aspect, provide an improved regenerative fuel cell, particularly a regenerative fuel cell having an efficient structure capable of exhibiting the performance of an integral regenerative fuel cell, especially a single regenerative fuel cell, Electrode, and a regenerative fuel cell including the same, in particular, an integral regenerative fuel cell and a method of manufacturing the oxygen electrode.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 기판; 상기 기판 상에 전기 도금된 산화 이리듐 층; 및 상기 산화 이리듐 층에 형성된 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 혼합물 층;을 포함하는 재생연료전지, 특히 일체형 재생연료전지용 산소 전극 및 이를 포함하는 재생연료전지, 특히 일체형 재생연료전지를 제공한다.In exemplary embodiments of the present invention, a substrate includes a substrate; An iridium oxide layer electroplated on the substrate; And a palladium (Pd) or platinum (Pt) or platinum-ruthenium (Pt-Ru) mixture layer formed on the iridium oxide layer, and particularly to an oxygen electrode for an integrated regenerative fuel cell and a regenerative fuel cell comprising the same, Particularly an integral type regenerative fuel cell.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는 또한, 상기 산소 전극의 제조 방법으로서, 기판 상에 산화 이리듐 층을 전기 도금으로 형성하는 단계; 및 상기 산화 이리듐 층에서 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금과 루테늄의 혼합물(Pt-Ru) 층을 형성하는 단계;를 포함하는 재생연료전지 특히, 일체형 재생연료전지용 산소 전극 제조 방법을 제공한다.Exemplary embodiments of the present invention also include a method of fabricating the oxygen electrode, comprising: forming an iridium oxide layer on the substrate by electroplating; And forming a layer of palladium (Pd) or platinum (Pt) or a mixture of platinum and ruthenium (Pt-Ru) on the iridium oxide layer, and a method of manufacturing an oxygen electrode for an integrated regenerative fuel cell do.

본 발명의 예시적인 구현예들에 따르면, 귀금속, 특히 백금 로딩량을 낮추면서도 우수한 재생연료전지, 특히 일체형 재생연료전지 셀 성능을 나타낼 수 있는 효율적인 구조를 가지는 재생연료전지 특히, 일체형 재생연료전지용 산소 전극 및 이를 포함하는 재생연료전지 특히 일체형 재생연료전지를 제공할 수 있다. According to exemplary embodiments of the present invention, there is provided a regenerative fuel cell having an efficient structure capable of exhibiting noble metals, particularly an excellent regenerative fuel cell while reducing the amount of platinum loading, particularly an integral regenerative fuel cell, Electrode and a regenerative fuel cell including the same, in particular, an integral regenerative fuel cell can be provided.

도 1은 본 발명의 실시예들에 있어서, (a) Pt/IrO2/CP1, (b) Pt/IrO2/CP2, 및 (c) Pt/IrO2/TP 전극의 표면 몰폴로지 및 대응되는 EDS 매핑 결과를 나타내는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 있어서, 80℃의 물 전기 분해 모드에서의 Pt/IrO2/CP1, Pt/IrO2/CP2 및 Pt/IrO2/TP 전극의 IV 커브 (도 2a) 및 1.6, 1.7, 1.8V에서의 전류 밀도 및 기판의 거칠기 인자의 상관 관계를 나타내는 것(도 2b)이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 있어서, 80℃의 연료전지 모드에서의 Pt/IrO2/CP1, Pt/IrO2/CP2 및 Pt/IrO2/TP 전극의 IV 커브 (도 3a) 및 0.5, 0.6, 0.7V에서의 전류 밀도 및 기판의 거칠기 인자간의 상관 관계를 나타내는 것(도 3b)이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 있어서 (a) Pd/IrO2/CP1 및 (b) Pt-Ru/IrO2/CP1 전극의 표면 몰폴로지 및 대응되는 EDS 매핑 결과를 나타내는 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예들 및 비교예에 있어서, 80℃ 물 전기 분해 모드 동안의 IrO2/CP1, Pt/IrO2/CP1, Pd/IrO2/CP1 및 Pt-Ru/IrO2/CP1 전극의 IV 커브이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 있어서, 80℃ 연료전지 모드 동안의 Pt/IrO2/CP1, Pd/IrO2/CP1 및 Pt-Ru/IrO2/CP1 전극의 IV 커브이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 있어서, Pt/IrO2/CP1, Pd/IrO2/CP1, Pt-Ru/IrO2/CP1 전극의 촉매 로딩량에 따른 1.7 V (물 전기 분해 모드)(도 7a) 및 0.6 V (연료전지 모드)에서의 전류 밀도(도 7b)이다. 도 7에서 문헌상의 참고 값들이 비교로서 기재되어 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 있어서, 0.2 A/cm2(도 8a)와 0.4 A/cm2(도 8b)에서의 Pt/IrO2/CP1 및 Pt-Ru/IrO2/CP1의 Round trip 효율을 나타내는 것이다. 도 8에서 문헌상의 참고 값들이 비교로서 기재되어 있다.
FIG. 1 is a graph showing the surface morphology and correspondence of (a) Pt / IrO 2 / CP 1, (b) Pt / IrO 2 / CP 2 , and (c) Pt / IrO 2 / Gt; EDS < / RTI >
Figure 2 according to embodiments of the present invention, Pt / IrO at 80 ℃ of water electrolysis mode 2 / CP1, Pt / IrO 2 / CP2 and the Pt / IrO 2 / TP electrode of IV curves (Figure 2a) and 1.6, 1.7, and 1.8 V and the roughness factor of the substrate (FIG. 2B).
Figure 3 according to embodiments of the present invention, Pt / IrO 2 / CP1, Pt / IrO 2 / CP2 and the Pt / IrO 2 / TP electrode of the IV curve (Figure 3a) in 80 ℃ fuel cell mode and 0.5 , The current density at 0.6, 0.7 V and the roughness factor of the substrate (Fig. 3B).
4 shows the surface morphology and corresponding EDS mapping results of (a) Pd / IrO 2 / CP1 and (b) Pt-Ru / IrO 2 / CP1 electrodes in embodiments of the present invention.
5 is a graph showing the relationship between IrO 2 / CP 1, Pt / IrO 2 / CP 1, Pd / IrO 2 / CP 1 and Pt-Ru / IrO 2 / CP 1 during 80 ° C water electrolysis mode in Examples and Comparative Examples of the present invention It is the IV curve of the electrode.
FIG. 6 is an IV curve of Pt / IrO 2 / CP 1, Pd / IrO 2 / CP 1 and Pt-Ru / IrO 2 / CP 1 electrodes during the 80 ° C. fuel cell mode in the embodiments of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the amount of catalyst loaded on Pt / IrO 2 / CP 1, Pd / IrO 2 / CP 1 and Pt-Ru / IrO 2 / 7A) and the current density at 0.6 V (fuel cell mode) (FIG. 7B). Reference values in the literature are shown as a comparison in Fig.
Figure 8 according to embodiments of the present invention, 0.2 A / cm 2 (Fig. 8a) and 0.4 A / cm 2 (Fig. 8b) Pt / IrO 2 / CP1 and Pt-Ru / IrO of 2 / CP1 Round at trip efficiency. Reference values in the literature are described as a comparison in Fig.

이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail.

본 명세서에서의 거칠기 인자는 단위 면적당 실제 표면적을 나타내는 값으로, 예컨대 기판이 카본 섬유 또는 티타늄 섬유로 이루어지는 경우 단위 면적의 기판에 포함된 섬유의 총 표면적을 의미한다.The roughness factor in this specification is a value representing an actual surface area per unit area, which means, for example, the total surface area of fibers contained in a substrate of a unit area when the substrate is made of carbon fiber or titanium fiber.

본 발명자들은 PEMWE에서 촉매 로딩양을 낮추기 위해 촉매 층 형성 시 전기 도금(electrodeposition, ED) 방법을 사용하는 것을 제안한 바 있는데, 전기 도금된 IrO2 필름은 매우 낮은 로딩량 0.1mg/cm2에도 불구하고 우수한 촉매 활성을 보여주었다(비특허문헌 1, 2). The present inventors have proposed using an electrodeposition (ED) method in forming a catalyst layer to lower the amount of catalyst loading in PEMWE, although the electroplated IrO 2 film has a very low loading of 0.1 mg / cm 2 And exhibited excellent catalytic activity (Non-Patent Documents 1 and 2).

또한, 본 발명자들은 카본 페이퍼에 스프레이로 형성된 백금 블랙과 전기 도금된 산화 이리듐의 이중 층(bilayers of sprayed Pt black and electrodeposited IrO2)을 URFC의 산소 전극으로 사용하는 경우 낮은 촉매 로딩에도 불구하고 우수한 round-trip 효율과 양호한 사이클 지속성(cycle durability)을 나타내는 것을 보인바 있다(비특허문헌 3). The present inventors have also found that when platinum black formed by spraying carbon paper and bilayers of sprayed Pt black and electrodeposited IrO 2 are used as the oxygen electrode of the URFC, -trip efficiency and good cycle durability (Non-Patent Document 3).

그러나, 본 발명자들의 연구 결과에 의하면, 실제적 관점에서 수용 가능한 셀 성능을 유지하면서 귀금속 특히 백금 로딩을 낮추기 위하여는 여전히 연구가 필요한 실정이다. However, according to the research results of the present inventors, in order to lower the noble metal, especially the platinum loading while maintaining the acceptable cell performance from the practical point of view, still needs research.

한편, 재생 연료전지(이하, RFC), 특히 일체형 재생연료전지 (이하, URFC)에 있어서 물 전기 분해 및 연료전지 작동 동안 높은 밀도의 3 상 계면을 제공할 수 있는 기판을 사용하는 것은 촉매 활용도를 높이고 백금 로딩을 낮추기 위한 가능한 방법 중 하나이다. 그러나, RFC 또는 URFC의 성능에 대한 기판의 효과를 다룬 연구들은 현재 전무한 실정이다. On the other hand, the use of a substrate capable of providing a high-density three-phase interface during water electrolysis and fuel cell operation in a regenerative fuel cell (hereinafter RFC), particularly an integral regenerative fuel cell (hereinafter URFC) And is one of the possible ways to lower platinum loading. However, there are currently no studies addressing the effect of a substrate on the performance of RFCs or URFCs.

한편, Ru은 백금 비용의 15%에 해당하는 낮은 비용(Johnson Matthey Co. 가격 표 참조)을 가지면서 효율적인 OER 성능을 가질 수 있기 때문에 백금 로딩량을 낮추는 것이 가능하지만, Ru 단독의 경우에는 연료전지 작동 동안의 효율 감소가 불가피하다.On the other hand, it is possible to reduce the amount of platinum loading because Ru can have an effective OER performance while having a low cost equivalent to 15% of the platinum cost (see the Johnson Matthey Co. price table), but in the case of Ru alone, Reduction of efficiency during operation is inevitable.

이에 본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 기판; 상기 기판 상에 전기 도금으로 형성된 산화 이리듐 층; 및 상기 산화이리듐 층에 형성되는 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금과 루테늄의 혼합물(Pt-Ru) 층;을 포함하는 RFC 특히 URFC 용 산소 전극 및 이를 포함하는 RFC 특히 URFC를 제공한다.Thus, in exemplary embodiments of the present invention, there is provided a lithographic apparatus comprising: a substrate; An iridium oxide layer formed on the substrate by electroplating; And a mixture (Pt-Ru) layer of palladium (Pd) or platinum (Pt) or platinum and ruthenium formed in the iridium oxide layer, and an RFC, particularly a URFC, comprising the same.

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 또한, 상기 산소 전극의 제조 방법으로서, 기판 상에 산화 이리듐 층을 전기 도금으로 형성하는 단계; 및 상기 산화 이리듐 층에서 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금과 루테늄의 혼합물(Pt-Ru) 층을 형성하는 단계;를 포함하는 RFC 특히 URFC 용 산소 전극 제조 방법을 제공한다.In an exemplary embodiment of the present invention, there is also provided a method of manufacturing the oxygen electrode, comprising: forming an iridium oxide layer on a substrate by electroplating; And forming a layer of palladium (Pd) or platinum (Pt) or a mixture of platinum and ruthenium (Pt-Ru) in the iridium oxide layer.

다공성 기판 재료, 바람직하게는 매크로 포어를 가지는 다공성 기판 재료 상에 IrO2 을 형성, 특히 전해 도금을 통해 형성한 재료를 사용하고 또한 해당 IrO2 상에 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 혼합물 층을 형성함으로써, IrO2 로딩량을 줄여 귀금속인 이리듐 사용 함량을 현저히 줄이면서도 산소 및 물의 물질 전달을 향상하여 우수한 셀 성능(우수한 연료 전지 성능 및 물 전기 분해 성능)를 달성할 수 있다. On a porous substrate material having a porous substrate material, preferably a macropore, an IrO 2 In particular using a material formed through electrolytic plating, and also using the corresponding IrO 2 A palladium (Pd) or platinum (Pt) or a platinum-ruthenium (Pt-Ru) by forming a mixture layer, IrO 2 reduces the loading amount of the noble metal is iridium using line significantly the content, yet improve the oxygen and water mass transfer and high Cell performance (excellent fuel cell performance and water electrolysis performance) can be achieved.

또한, 특히 백금-루테늄(Pt-Ru) 혼합물 층을 형성하는 경우 백금 로딩량을 낮추면서도 우수한 셀 성능을 나타낼 수 있다.In particular, when a platinum-ruthenium (Pt-Ru) mixture layer is formed, excellent cell performance can be achieved while lowering the amount of platinum loading.

예시적인 일 구현예에서, 백금 또는 팔라듐 로딩량은 0.01 ~1 mg cm-2 또는 0.1 ~ 0.3 mg cm-2일 수 있다.In an exemplary embodiment, the loading amount of platinum or palladium may be from 0.01 to 1 mg cm -2 or from 0.1 to 0.3 mg cm -2 .

예시적인 일 구현예에서, 상기 백금과 루테늄의 혼합물(Pt-Ru) 층에서 백금의 중량 범위는 0.05-0.5 mg/cm2, 백금과 루테늄을 합친 중량 범위는 0.1-1.0 mg/cm2이다. 백금의 중량이 0.05 mg/cm2미만으로 떨어지는 경우 연료전지 모드에서의 성능 감소가 있을 수 있고, 0.5 mg/cm2를 초과하는 경우 수전해 모드에서의 성능 감소가 있을 수 있다. 더불어, 총 중량이 0.1 mg/cm2 미만인 경우에서는 연료전지 모드에서의 성능 감소가 있을 수 있고, 1.0 mg/cm2을 넘어가는 경우 수전해 모드에서의 성능 감소가 있을 수 있다.In one exemplary embodiment, the platinum and the mixture (Pt-Ru) of platinum in a weight range of the ruthenium layer is 0.05-0.5 mg / cm 2, the sum of platinum and ruthenium weight range is 0.1-1.0 mg / cm 2. If the weight of the platinum falls below 0.05 mg / cm 2 , there may be a decrease in performance in the fuel cell mode, and if it exceeds 0.5 mg / cm 2 , there may be a decrease in performance in the power dissipation mode. In addition, if the total weight is less than 0.1 mg / cm 2 , the performance in the fuel cell mode may be decreased. If the total weight exceeds 1.0 mg / cm 2 , the performance in the power failure mode may be decreased.

예시적인 일 구현예에서, 상기 기판의 거칠기 인자는 30-300이다. 30 미만의 거칠기 인자에서는 3상 계면 감소로 인한 성능 감소가 뚜렷하고, 300 초과의 거칠기 인자에서는 기판 탄소 섬유 두께 감소로 인한 내구성 저하, 혹은 기공도 감소로 인한 물질전달 저하가 예측된다.In an exemplary embodiment, the roughness factor of the substrate is 30-300. In the roughness factor of less than 30, the decrease in the performance due to the reduction of the 3-phase interface is remarkable. In the roughness factor of more than 300, the durability due to the decrease of the carbon fiber thickness of the substrate,

예시적인 일 구현예에서, 상기 기판은 다공성 재료, 바람직하게는 친수성 다공성 재료일 수 있다. In an exemplary embodiment, the substrate can be a porous material, preferably a hydrophilic porous material.

예시적인 일 구현예에서, 상기 다공성 재료는 섬유 간 공간(inter-fiber space)에 의한 매크로 포어를 가지는 다공성 재료일 수 있다. In an exemplary embodiment, the porous material may be a porous material having macropores by inter-fiber space.

예시적인 일 구현예에서, 상기 기판의 기공도는 30%-90%이다. 30% 미만의 기공도에서는 물질전달 저하로 인한 성능 감소가 있을 수 있고, 90% 초과의 기공도에서는 3상 계면 감소로 인한 성능 감소가 있을 수 있다.In an exemplary embodiment, the porosity of the substrate is between 30% and 90%. For porosity less than 30%, there may be a decrease in performance due to degradation of mass transfer, and for porosities greater than 90%, there may be a decrease in performance due to the reduction of the 3-phase interface.

예시적인 일 구현예에서, 상기 기판은 카본 또는 티타늄인 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the substrate is preferably carbon or titanium.

예시적인 일 구현예에서, 상기 기판은 카본 섬유로 이루어진 카본 페이퍼 또는 티타늄 섬유로 이루어진 티타늄 페이퍼인 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the substrate is preferably a titanium paper made of carbon paper or titanium fiber made of carbon fibers.

예시적인 일 구현예에서, 전해 도금에 의하여 기판에 IrO2 층을 형성하는 경우, 기판 표면이 IrO2 층으로 커버되고, 해당 IrO2 층에는 IrO2 입자가 부착(또는 deposit)된 구조를 가지게 된다. In one exemplary embodiment, IrO 2 to a substrate by electrolytic plating Layer is formed, the surface of the substrate is made of IrO 2 Layer, and the corresponding IrO < 2 > Lt; RTI ID = 0.0 & So that the particles have a structure in which they are deposited.

예시적인 일 구현예에서, IrO2 층이 기판 표면을 커버하는 것이되, 기판 재료가 노출되지 않도록 커버하는 것이 바람직하다. 즉, 바람직한 구조는 기판 표면을 IrO2 층이 커버하되 기판 재료 노출이 없는 구조(exposure free structure)이다. In an exemplary embodiment, IrO 2 It is preferred that the layer covers the substrate surface, so that the substrate material is not exposed. That is, a preferable structure is that the substrate surface is made of IrO 2 Layer is covered but the structure is exposed free.

예시적인 일 구현예에서, IrO2 층이 기판 표면을 커버하는 것이고, IrO2 층은 크랙이 없는(crack free) 구조를 가지는 것이 바람직하다. 즉, 바람직한 구조는 기판 표면을 IrO2 층이 커버하되 IrO2 층은 크랙이 없는 구조(crack free structure)이다. In an exemplary embodiment, IrO 2 Lt; RTI ID = 0.0 > IrO2 < / RTI > The layer preferably has a structure free from cracks. That is, a preferable structure is that the substrate surface is made of IrO 2 Layer covered with IrO 2 The layer is a crack free structure.

본 발명의 예시적인 구현예들에서와 같이, IrO2 가 전해 도금되는 경우 IrO2 는 다공성 재료 중에서 곡면을 가지도록 형성될 수 있다. 예컨대 섬유로 이루어지는 카본 또는 티타늄 페이퍼에 IrO2 가 전해 도금되는 경우 전해 도금된 IrO2 /CP 또는 IrO2 /Ti는 곡면을 가지기 때문에 여기에 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 촉매 잉크를 뿌리고 용매 증발을 통해 건조하는 경우 예를 들어 숯이 갈라지는 형상처럼 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 도포층의 수축률이 상이하게 됨에 따라 다공성이 높은 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 층이 얻어질 수 있다. As in the exemplary embodiments of the present invention, IrO 2 Lt; RTI ID = 0.0 > IrO2 < / RTI & May be formed to have a curved surface in the porous material. For example, carbon or titanium paper made of fibers is coated with IrO 2 Lt; RTI ID = 0.0 > IrO2 < / RTI > / CP or IrO 2 / Ti has a curved surface. When palladium (Pd), platinum (Pt) or platinum-ruthenium (Pt-Ru) catalyst ink is sprayed thereon and dried by solvent evaporation, for example, palladium (Pd) Palladium (Pd) or platinum (Pt) or platinum-ruthenium (Pt-Ru) layers can be obtained as the shrinkage rate of the platinum (Pt) or platinum- ruthenium .

따라서, 예시적인 일 구현예에서, 산소 전극은, 탄소 재료 표면이 IrO2 층으로 커버되고, 해당 IrO2 층에는 IrO2 입자가 부착(또는 deposit)된 구조이며, 상기 IrO2 층 또는 IrO2 입자에 다공성 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 층이 형성된 것이다. Thus, in one exemplary embodiment, the oxygen electrode, a carbon material surface IrO 2 Layer, and the corresponding IrO < 2 > Lt; RTI ID = 0.0 & Particles are deposited (or deposited), and the IrO 2 Layer or IrO 2 Porous palladium (Pd) or platinum (Pt) or platinum-ruthenium (Pt-Ru) layers are formed on the particles.

상기 IrO2 코팅된 다공성 재료(예컨대, IrO2-coated CP 또는 Ti)에 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 층이 도포된 전극 구조는 매크로 포어를 가지는 오픈 구조를 가질 수 있다. The IrO 2 An electrode structure having a layer of palladium (Pd) or platinum (Pt) or platinum-ruthenium (Pt-Ru) applied to a coated porous material (e.g., IrO 2 -coated CP or Ti) may have an open structure with a macropore have.

구체적으로, 서브 마이크로미터 사이즈 예컨대 1~10마이크로미터의 기공(sub-micrometer-sized pores)인 매크로 포어를 가지는 다공성 구조일 수 있으며, 이 구조는 전극의 기공이 멤브레인의 계면과 연결될 수 있는 오픈 구조이다. 이에 따라 반응물의 공급 및 생성물의 배출이 용이하게 된다.Specifically, the porous structure may be a porous structure having a sub-micrometer size, for example, a macro-pore, which is sub-micrometer-sized pores, which has an open structure in which pores of the electrode can be connected to the interface of the membrane to be. Thereby facilitating the supply of the reactants and the discharge of the products.

예시적인 일 구현예에서, 상기 매크로 포어는 다공성 재료의 기공으로부터 유래된 것일 수 있다. 예컨대, 다공성 재료는 섬유 간 공간(inter-fiber space)에 의하여 매크로 포어가 형성되는 것일 수 있고, 상기 IrO2 층 및 다공성 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 층은 섬유의 개별 가닥 상에 형성됨에 따라 다공성 재료가 가지는 매크로 포어가 유지되는 것일 수 있다. 또한, 다공성 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 층 더 작은 마이크로 포어를 가진다. In an exemplary embodiment, the macropore may be derived from pores of a porous material. For example, the porous material may be a macropore formed by an inter-fiber space, and the IrO 2 Layer and a porous palladium (Pd) or platinum (Pt) or platinum-ruthenium (Pt-Ru) layer is formed on a separate strand of fiber, the macropore of the porous material may be retained. In addition, porous palladium (Pd) or platinum (Pt) or platinum-ruthenium (Pt-Ru) layers have smaller micropores.

이에 따라, 본 발명의 예시적인 구현예들의 산소 전극은 다공성 재료에 의한 매크로 포어 및 다공성 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 층에 의한 마이크로 포어를 가질 수 있다.Accordingly, the oxygen electrode of the exemplary embodiments of the present invention can have macropores by porous materials and micropores by porous palladium (Pd) or platinum (Pt) or platinum-ruthenium (Pt-Ru) layers.

전술한 바와 같이, 매크로 포어는 전기화학 촉매와 멤브레인의 계면에까지 연결되어 있는 오픈 구조인데, 본 발명의 예시적인 구현예들에서는 이러한 오픈 구조에서 매크로 포어가 마이크로 포어를 가지는 ORR 촉매층에 의하여 거의 방해받지 않게 된다. 매크로 포어는 마이크로 포어와 통하도록 연결될 수 있다.As described above, the macrophore is an open structure that is connected to the interface of the electrochemical catalyst and the membrane. In this exemplary embodiment of the present invention, in such an open structure, the macrophore is hardly disturbed by the ORR catalyst layer having a micropore . The macropore can be connected to the micropore.

따라서, 해당 오픈 구조를 통하여 산소 공급 및 물 제거의 물질 전달이 원활히 이루어질 수 있다. IrO2 층에서 생성된 산소는 다공성 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 층을 통하여 쉽게 제거될 수 있고 IrO2 층에서는 거의 OER을 방해하지 않을 수 있게 된다. Therefore, the oxygen supply and water removal can be smoothly performed through the open structure. The oxygen generated in the IrO 2 layer is porous palladium (Pd) or platinum (Pt) or a platinum-ruthenium (Pt-Ru) can be easily removed through the layer and to be able not substantially interfere with the OER the IrO 2 layer.

예컨대, 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 층 등의 다공성 ORR층에 의한 마이크로 포어가, 섬유 간 공간에 의한 매크로 포어(예컨대 1 내지 100 마이크로미터의 포어 사이즈)에 직접 연결되어 있기 때문에, IrO2 층에서 생성된 산소가 다공성 ORR 층을 통하여 쉽게 제거될 수 있고 내부 IrO2 층에서 거의 OER을 방해하지 않을 수 있다. For example, micropores formed by a porous ORR layer such as palladium (Pd) or platinum (Pt) or platinum-ruthenium (Pt-Ru) layer are used as macropores (for example, pore size of 1 to 100 micrometers) because it is directly connected to, the oxygen generated in the IrO 2 layer can be easily removed through the porous layer and ORR may not interfere with the substantially OER within the IrO 2 layer.

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2 층의 두께는 0.01~1㎛, 바람직하게는 10 ~ 210 nm이고, 더욱 바람직하게는 70 ~ 210 nm이며, IrO2 입자 사이즈는 0.1~3㎛, 바람직하게는 0.25 ~ 1.2 ㎛이다. In an exemplary embodiment, the IrO 2 The thickness of the layer is 0.01 to 1 탆, preferably 10 to 210 nm, more preferably 70 to 210 nm, and IrO 2 The particle size is 0.1 to 3 탆, preferably 0.25 to 1.2 탆.

예시적인 구현예에서, 상기 다공성 기판 재료 상의 IrO2 로딩 양은 0.01 ~ 1.00 mg cm-2 또는 0.01 ~ 0.54 mg cm-2일 수 있다.In an exemplary embodiment, the IrO 2 on the porous substrate material The loading amount may be 0.01 to 1.00 mg cm -2 or 0.01 to 0.54 mg cm -2 .

예시적인 구현예에서, 상기 다공성 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금-루테늄(Pt-Ru) 층의 두께는 0.5 내지 3㎛일 수 있다. In an exemplary embodiment, the thickness of the porous palladium (Pd) or platinum (Pt) or platinum-ruthenium (Pt-Ru) layer may be 0.5 to 3 占 퐉.

예시적인 일 구현예에서, 상기 산소 전극은 특히 0.3 A/cm2 미만의 낮은 전류 밀도로 운전되는 경우에 적합하다.In an exemplary embodiment, the oxygen electrode is particularly suitable when operated at a low current density of less than 0.3 A / cm < 2 >.

이하, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 구체적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것임이 이해될 것이다. Hereinafter, specific embodiments according to exemplary embodiments of the present invention will be described in more detail. It should be understood, however, that the invention is not limited to the embodiments described below, but that various embodiments of the invention may be practiced within the scope of the appended claims, It will be understood that the invention is intended to facilitate the practice of the invention to those skilled in the art.

[[ 실시예Example ]]

실험 과정Experimental course

기판으로서, 두 개의 상용 카본 페이퍼를 사용하여 각각 CP1 (TGPH-090, Toray) 및 CP2 (35AA, SGL carbon)로 명명하였고, 티타늄 페이퍼(titanium paper)를 준비하여 TP (ST/Ti/20/600/73, Bekinit)로 명명하였다. 각 기판의 상세 사항은 표 1에 나타내었다.Titanium paper was prepared as TP (ST / Ti / 20/600) by using two commercially available carbon paper as CP1 (TGPH-090, Toray) and CP2 (35AA, SGL carbon) / 73, Bekinit). Details of each substrate are shown in Table 1.

CP1CP1 CP2CP2 TPTP 물질matter 탄소carbon 탄소carbon 티타늄titanium 기공도(%)Porosity (%) 7878 8888 7373 거칠기 인자Roughness factor 35.735.7 18.618.6 13.313.3

전해 도금 및 스프레이 법을 사용하여 OER 및 ORR 촉매 층을 각각 형성하였다. The OEL and ORR catalyst layers were formed by electroplating and spraying, respectively.

우선, OER 촉매로서, IrO2 필름을 형성하였다. 이를 위해 10 mM 4염화이리듐(IrCl4H2O), 100 mM 과산화수소(H2O2), 40 mM 옥살산 (COOH22H2O, 340 mM), 0.34 M 탄산칼륨(KCO3)이 혼합된 도금액을 준비하고 상온 중에 3일간 보관하였다. First, an IrO 2 film was formed as an OER catalyst. For this, a mixture of 10 mM iridium tetrachloride (IrCl 4 H 2 O), 100 mM hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), 40 mM oxalic acid (COOH 2 2H 2 O, 340 mM) and 0.34 M potassium carbonate (KCO 3 ) The plating solution was prepared and stored at room temperature for 3 days.

이후 탄소 종이, 혹은 티타늄 종이를 양극으로, 티타늄 메쉬를 음극으로, 표준 칼로멜 전극을 기준 전극으로 하는 전기화학 회로를 구성한 다음, 이를 도금액에 침지하고 탄소 종이 등에 0.7 VSCE의 전위를 10분 동안 인가하여 IrO2 이 0.1 mg/cm2로 로딩된 전극을 형성하였다. 이때 전해 도금은 정전위기(potentiostat equipment, AUT302N, AUTO LAB Ltd.)로 수행하였다.Thereafter, an electrochemical circuit comprising a carbon paper or a titanium paper as an anode, a titanium mesh as a cathode, and a standard calomel electrode as a reference electrode was constructed, followed by immersing it in a plating solution and applying a potential of 0.7 V SCE to carbon paper for 10 minutes to the IrO 2 to form the electrode by loading 0.1 mg / cm 2. At this time, electroplating was performed with an electrostatic charger (potentiostat equipment, AUT302N, AUTO LAB Ltd.).

다음으로, IrO2 전해 도금 후, 후술하는 ORR 촉매, 5 wt% 나피온 용액(Dupont), 이소프로필 알코올 (IPA, J.T. Baker) 및 탈이온수로 이루어진 촉매 잉크를 기판에 스프레이 하였다.Next, after the IrO 2 electroplating, a catalyst ink comprising an ORR catalyst, a 5 wt% naphthene solution (Dupont), isopropyl alcohol (IPA, JT Baker) and deionized water to be described later was sprayed on the substrate.

Pt 블랙(Johnson Matthey), Pd 블랙 (Alpha aesar), 또는 Pt와 Ru의 1:1 혼합물(mixture of Pt black 및 Ru black) (Alpha aesar)을 ORR 촉매로 사용하였다. ORR 촉매 로딩양을 0.3 mg/cm2로 조절하였다.A 1: 1 mixture of Pt black (Johnson Matthey), Pd black (Alpha aesar), or Pt and Ru (mixture of Pt black and Ru black) (Alpha aesar) was used as the ORR catalyst. The ORR catalyst loading amount was adjusted to 0.3 mg / cm < 2 & gt ;.

얻어진 전극 구성을 ORR 촉매/OER 촉매/기판으로 명명하였다.The resulting electrode configuration was named ORR catalyst / OER catalyst / substrate.

전극의 표면 형상 및 조성을 FESEM(field emission scanning electron microscope, Inspect F50, Field emission Inc.) 및 전자 탐침 마이크로 분석기(electron probe micro analyzer, JXA-8500F, JEOL)로 분석하였다.The surface morphology and composition of the electrodes were analyzed by FESEM (field emission scanning electron microscope, Inspect F50, Field emission Inc.) and electron probe micro analyzer (JXA-8500F, JEOL).

한편, 수소 전극을 준비하고자, 46.5wt% Pt/C, 5 wt% 나피온 용액, IPA 및 탈이온수로 이루어진 촉매 잉크를 상용 카본 페이퍼 (10BC, SGL carbon)에 스프레이하였다. In order to prepare a hydrogen electrode, catalyst ink composed of 46.5 wt% Pt / C, 5 wt% Nafion solution, IPA and deionized water was sprayed on a commercial carbon paper (10BC, SGL carbon).

나피온 함량은 30wt%이고, 백금 양은 0.4 mg/cm2로 고정하였다. 산소 및 수소 전극을 나피온 막(NR-212, Dupont) 상에 각각 놓아 MEA를 제조하였다.Nafion content was 30 wt% and platinum content was fixed at 0.4 mg / cm 2 . MEAs were prepared by placing oxygen and hydrogen electrodes on a Nafion membrane (NR-212, Dupont) respectively.

연료전지(FC) 테스트를 위하여, 완전히 가습된 H2 및 O2 가스를 100 mL/min의 흐름 속도로 각각 수소 및 산소 전극에 주입하였다. 전류 밀도를 0에서 1.2 A/cm2로 올려 IV 커브를 얻었다. For fuel cell (FC) testing, fully humidified H 2 and O 2 gases were injected into the hydrogen and oxygen electrodes, respectively, at a flow rate of 100 mL / min. The current density was raised from 0 to 1.2 A / cm < 2 > to obtain an IV curve.

물 전해 장치(WE) 테스트를 위하여, 탈이온수를 산소 전극에 15 mL/min의 흐름 속도로 주입하였다. 1.35 내지 1.8 V의 다단계 chronoamperometry 실험을 통해 셀들의 IV 커브를 얻었다. 각각의 단계의 지속 시간을 60초로 고정하였다. For the water electrolysis (WE) test, deionized water was injected into the oxygen electrode at a flow rate of 15 mL / min. The IV curves of the cells were obtained through a multistage chronoamperometry experiment of 1.35 to 1.8 V. The duration of each step was fixed at 60 seconds.

모든 측정은 파워 부스터가 장착된 정전위기(potentiostat, HCP-803, biologic)를 사용하여 80℃에서 수행하였다.All measurements were performed at 80 ° C using a potentiostat (HCP-803, biologic) equipped with a power booster.

결과result

표 1에 기재한 바와 같이, CP1 및 CP2 모두 7~8㎛의 두께를 가지는 탄소 섬유로 이루어져 있지만, 이들은 거칠기 인자와 기공도가 다르다.As shown in Table 1, both CP1 and CP2 are made of carbon fibers having a thickness of 7 to 8 mu m, but they differ in roughness factor and porosity.

CP2는 높은 기공도를 가지므로 반응물과 생성물의 물질 전달이 빠르지만, 거칠기 인자가 낮아 전해질/전극 계면 크기가 작다.CP2 has a high porosity, so mass transfer of reactants and products is fast, but the roughness factor is low and electrolyte / electrode interface size is small.

TP는 두께 20㎛의 Ti 섬유로 이루어져 있으며 거칠기 인자와 기공도 모두 낮다. 그러나, 탄소와 대비하여 상대적으로 친수성 표면(hydrophilic surface)을 가지므로, 물 전기 분해 작동 동안 긍정적인 효과를 부여할 수 있다.TP is composed of Ti fibers with a thickness of 20 ㎛, and both the roughness factor and porosity are low. However, since it has a relatively hydrophilic surface compared to carbon, it can provide a positive effect during water electrolysis operation.

Pt/IrO2/CP1, Pt/IrO2/CP2 및 Pt/IrO2/TP 산소 전극의 몰폴로지 및 이에 대응되는 전해 도금 및 스프레이 도포 후 Pt 및 Ir의 EMPA 결과를 도 1a-c에 도시하였다. 구체적으로, 도 1은 (a) Pt/IrO2/CP1, (b) Pt/IrO2/CP2, 및 (c) Pt/IrO2/TP 전극의 표면 몰폴로지 및 대응되는 EDS 매핑 결과를 나타내는 것이다.The EMPA results of Pt / IrO 2 / CP1, Pt / IrO 2 / CP2 and the Pt / IrO 2 / TP if the oxygen electrode morphology and delivered to be the corresponding plating and then sprayed Pt and Ir is illustrated in Figure 1a-c . Specifically, Figure 1 (a) Pt / IrO 2 / CP1, (b) Pt / IrO 2 / CP2, and (c) Pt / IrO 2 / TP represents the surface morphology support and a corresponding EDS mapping results of the electrode will be.

기판에 관계 없이 서브 마이크로미터 사이즈의 기공을 가지는 다공성 전극이 관찰되었다. EMPA 결과는 Pt 및 IrO2 모두 균일하게 분포하며 카본 및 티타늄 기판의 매크로포어(macropore) 구조에 주목할만한 변경을 가져오지 않았음을 보여준다.Porous electrodes having submicrometer size pores were observed regardless of the substrate. The EMPA results show that both Pt and IrO 2 are uniformly distributed and do not result in significant changes in the macropore structure of the carbon and titanium substrates.

도 2는 80℃의 물 전기 분해(WE) 모드에서의 Pt/IrO2/CP1, Pt/IrO2/CP2 및 Pt/IrO2/TP 전극의 IV 커브 (도 2a) 및 1.6-1.8V에서의 전류 밀도 및 기판의 거칠기 인자간의 상관 관계를 나타내는 것(도 2b)이다.2 is at 80 ℃ of water electrolysis (WE) mode Pt / IrO in 2 / CP1, Pt / IrO 2 / CP2 and the Pt / IrO 2 / TP electrode IV curve (Fig. 2a) and of 1.6-1.8V (Fig. 2B) showing the correlation between the current density and the roughness factor of the substrate.

전극 성능은 Pt/IrO2/CP1 > Pt/IrO2/CP2 > Pt/IrO2/TP의 순서로 나타났다. 도 2b에도 나타난 바와 같이, 전극 성능이 전극의 거칠기 인자와 대략 관련이 있음은 주목할만하다.The electrode performance was in the order of Pt / IrO 2 / CP 1> Pt / IrO 2 / CP 2 > Pt / IrO 2 / TP. It is noteworthy that, as shown in Figure 2b, the electrode performance is roughly related to the roughness factor of the electrode.

상술하면, 거칠기 인자를 35.7 (CP1)에서 18.6 (CP2)로 감소할 때, 1.7 V에서의 전류 밀도가 1.56 A/cm2 에서 0.85 A/cm2로 감소하였다.Specifically, when the roughness factor was reduced from 35.7 (CP1) to 18.6 (CP2), the current density at 1.7 V decreased from 1.56 A / cm 2 to 0.85 A / cm 2 .

18.6 에서 13.3으로의 거칠기 인자에서의 추가적인 감소도 0.85 A/cm2 에서 0.70 A/cm2로의 전류 밀도 감소를 가져왔다.An additional reduction in the roughness factor from 18.6 to 13.3 also resulted in a reduction of the current density from 0.85 A / cm 2 to 0.70 A / cm 2 .

이러한 성능 차이는 기판의 거칠기 인자에 따른 촉매 활용도 변화와 관련 있다고 보인다. 일반적으로, 반응이 일어나는 면적을 3상 계면이라고 부르는데, 이 3상 계면은 반응물의 물질 전달이 충분히 빠를 때 전해질 및 전극 사이의 접촉 면적에 직접적인 영향을 받는다. 따라서, 높은 거칠기 인자를 가지는 전극은 더 많은 3상 계면을 제공하고, 이에 따라 우수한 전극 성능을 가져올 수 있다. This performance difference seems to be related to the change in catalyst utilization depending on the roughness factor of the substrate. In general, the area where the reaction takes place is called the three-phase interface, which is directly affected by the contact area between the electrolyte and the electrode when mass transfer of the reactants is fast enough. Thus, an electrode with a high roughness factor provides more three-phase interfaces and, therefore, good electrode performance.

도 3은 80℃의 연료전지 모드에서의 Pt/IrO2/CP1, Pt/IrO2/CP2 및 Pt/IrO2/TP 전극의 IV 커브 (도 3a) 및 0.5, 0.6, 0.7V에서의 전류 밀도 및 기판의 거칠기 인자간의 상관 관계를 나타내는 것(도 3b)이다.FIG. 3 shows the IV curves (FIG. 3A) of Pt / IrO 2 / CP 1, Pt / IrO 2 / CP 2 and Pt / IrO 2 / TP electrodes in the fuel cell mode at 80 ° C. and the current density at 0.5, 0.6, And the roughness factor of the substrate (Fig. 3B).

물 전기 분해(WE) 모드와 일치하게, 전극의 연료 전지(FC) 성능에 있어서도 Pt/IrO2/CP1 > Pt/IrO2/CP2 > Pt/IrO2/TP의 순서로 나타났다(도 3a 참조). 도 3b는 또한 거칠기 인자와 전극 성능 간의 선형 관계를 보여준다.Pt / IrO 2 / CP 2 > Pt / IrO 2 / TP in the order of Pt / IrO 2 / CP 1> Pt / IrO 2 / CP 2 (see FIG. . Figure 3b also shows a linear relationship between roughness factor and electrode performance.

도 2 내지 3은 테스트 기판 중 CP1이 높은 거칠기 인자에 기인한 효율적인 촉매 활성을 나타내어 가장 우수한 것임을 보여준다.Figures 2 to 3 show that CP1 in the test substrate exhibits the most excellent catalytic activity due to the high roughness factor.

CP1 기판 상에 저비용 ORR 촉매로서 Pd 및 Pt 및 Ru의 혼합물 층(Pt-Ru)을 대신 형성하고 OER 및 ORR 특성을 평가하였다. On the CP1 substrate, a mixture layer of Pt and Ru (Pt-Ru) was formed instead as a low-cost ORR catalyst, and the OER and ORR characteristics were evaluated.

도 4a는 Pd/IrO2/CP1, 도 4b는 Pt-Ru/IrO2/CP1 산소 전극의 표면 이미지 및 이들의 EDS 결과를 보여준다. FIG. 4A shows Pd / IrO 2 / CP 1, FIG. 4B shows surface images of Pt-Ru / IrO 2 / CP 1 oxygen electrodes and their EDS results.

Pt/IrO2/CP1 전극과 마찬가지로, 다공성 구조의 Pd 및 Pt-Ru는 균일하게 CP1 전체 표면에 분포하였다. 도 4는 또한 Pd 및 Pt-Ru 층의 기공 사이즈가 Pt 층과 마찬가지로 서브마이크론 스케일임을 보여준다. Like the Pt / IrO 2 / CP 1 electrode, Pd and Pt-Ru of the porous structure were uniformly distributed on the entire surface of CP 1. Figure 4 also shows that the pore size of the Pd and Pt-Ru layers is submicron scale like the Pt layer.

Pd/IrO2/CP1 및 Pt-Ru/IrO2/CP1 전극의 물 전기 분해 성능을 측정하여 도 5에 표시하였다. Pd / IrO 2 / CP 1 and Pt-Ru / IrO 2 / CP 1 electrodes were measured and shown in FIG.

즉, 도 5는 본 발명의 실시예에 있어서, 80℃ 물 전기 분해 모드 동안의 Pt-Ru/IrO2/CP1 전극의 IV 커브이다. 도 5에는 또한 Pt/IrO2/CP1 전극 및 비교예인 IrO2/CP1 전극의 물 전기 분해 성능이 함께 표시되어 있다.That is, FIG. 5 is an IV curve of the Pt-Ru / IrO 2 / CP 1 electrode during the 80 ° C water electrolysis mode in an embodiment of the present invention. Figure 5 also has a Pt / IrO 2 / CP1 electrode and a comparative example, IrO 2 / CP1 electrode of the water electrolytic performance is shown together.

도 5에서 알 수 있듯이, Pt/IrO2/CP1 전극의 물 전기 분해 성능이 IrO2/CP1 전극보다 더 나았는데, 이는 백금의 OER에 대한 추가적인 촉매 활동(additional catalytic action)에 의한 것으로 생각된다.As can be seen in FIG. 5, the water electrolysis performance of the Pt / IrO 2 / CP 1 electrode was better than that of the IrO 2 / CP 1 electrode, which is believed to be due to additional catalytic action on the OER of the platinum.

도 5는 또한 모든 전류 밀도에서 Pt-Ru/IrO2/CP1 전극이 Pt/IrO2/CP 전극 보다 더 낮은 과전압(overvoltage)을 나타내는 것을 보여준다. 이는 OER에 대해 Ru 및 Pd 표면이 Pt보다 효과적인 촉매 면임을 보여준다.Figure 5 also shows that represents the Pt-Ru / IrO 2 / CP1 electrode is lower than the over-voltage 2 / CP electrode Pt / IrO (overvoltage) at all current densities. This shows that Ru and Pd surfaces for OER are more effective catalyst surfaces than Pt.

도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 있어서, 80℃ 연료전지 모드 동안의 Pt/IrO2/CP1, Pd/IrO2/CP1 및 Pt-Ru/IrO2/CP1 전극의 IV 커브이다.FIG. 6 is an IV curve of Pt / IrO 2 / CP 1, Pd / IrO 2 / CP 1 and Pt-Ru / IrO 2 / CP 1 electrodes during a fuel cell mode at 80 ° C. in Examples and Comparative Examples of the present invention.

물 전기 분해 모드와 달리, Pd/IrO2/CP1 및 Pt-Ru/IrO2/CP1 모두 Pt/IrO2/CP1 보다 성능이 매우 떨어졌는데 이는 ORR에 대한 백금보다 Pd 및 Ru의 상대적으로 낮은 촉매 활성 때문이다.Unlike the water electrolysis mode, both Pd / IrO 2 / CP 1 and Pt-Ru / IrO 2 / CP 1 were much less effective than Pt / IrO 2 / CP 1 because of the relatively low catalytic activity of Pd and Ru than platinum for ORR Because.

도 7은 본 발명의 실시예들에 있어서, Pt/IrO2/CP1, Pd/IrO2/CP1, Pt-Ru/IrO2/CP1 전극의 촉매 로딩량에 따른 1.7 V (물 전기 분해 모드)(도 7a) 및 0.6 V (연료전지 모드)에서의 전류 밀도(도 7b)이다. 도 7에서 문헌 상의 참고 값들이 함께 기재되어 있다. 비특허문헌 3-9(Ref. 3-9)는 모두 Pt와 IrO2의 혼합물을 산소 전극 촉매로 사용하였다. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the amount of catalyst loaded on Pt / IrO 2 / CP 1, Pd / IrO 2 / CP 1 and Pt-Ru / IrO 2 / 7A) and the current density at 0.6 V (fuel cell mode) (FIG. 7B). Reference values in the literature are also shown in Fig. Non-Patent Document 3-9 (Ref. 3-9) used a mixture of Pt and IrO 2 as an oxygen electrode catalyst.

비특허 문헌 3(Ref. 3)[Pt/IrO2/CP1]은 본 발명자들의 연구 결과이고, 비특허문헌 4-9 (Ref. 4-9)는 타기관 또는 타 발명자들이 보고한 입자형 촉매의 결과이다.Non-Patent Document 3 (Ref. 3) [Pt / IrO 2 / CP1] is a result of research conducted by the present inventors, and Non-Patent Document 4-9 (Ref. 4-9) .

도 7을 참조하면, 낮은 촉매 로딩 양(0.4 mg/cm2)에도 불구하고, Pd/IrO2/CP1 및 Pt-Ru/IrO2/CP1 전극은 기존 문헌에서의 높은 로딩양과 대비할 때 물 전기 분해 동안 우수한 성능을 보여주었다. 이는 전기 도금된 산화 이리듐의 우수한 촉매 활성에 기인하는 것으로 보인다. 7, despite the low loading of the catalyst (0.4 mg / cm 2 ), the Pd / IrO 2 / CP 1 and Pt-Ru / IrO 2 / CP 1 electrodes, While showing excellent performance. This seems to be due to the excellent catalytic activity of the electroplated iridium oxide.

또한, 도 7로부터, 특히 Pt-Ru/IrO2/CP1 전극이 URFC에 사용될 수 있음을 보여준다. Pt-Ru/IrO2/CP1 전극의 활용성을 평가하기 위하여, 0.2, 0.4 A/cm2에서의 Pt-Ru/IrO2/CP1 전극의 순환 효율 (εRT) 및 기존 문헌 값들을 도 8에 도시하였다. In addition, it shows that from Fig. 7, in particular Pt-Ru / IrO 2 / CP1 electrode can be used for the URFC. The Pt-Ru / IrO Pt-Ru / IrO cycle efficiency (ε RT) and the literature value of 2 / CP1 electrode in 2 / CP1 in order to evaluate the applicability of the electrode, 0.2, 0.4 A / cm 2 in FIG. 8 Respectively.

즉, 도 8은 본 발명의 실시예들에 있어서, 0.2 A/cm2(도 8a)와 0.4 A/cm2(도 8b)에서의 Pt/IrO2/CP1 및 Pt-Ru/IrO2/CP1의 Round trip 효율을 나타내는 것이다. 도 8에서 문헌상의 참고 값들이 비교로서 기재되어 있다. That is, FIG. 8 according to embodiments of the present invention, 0.2 A / cm 2 (Fig. 8a) and 0.4 A / cm 2 (Fig. 8b) Pt / IrO 2 / CP1 and Pt-Ru / IrO 2 / CP1 in Is the round trip efficiency. Reference values in the literature are described as a comparison in Fig.

도 8에 도시된 바와 같이, Pt-Ru/IrO2/CP1 전극은 특히 전류 밀도가 0.2 A/cm2 일 때 양호한 εRT 를 보여주었다. As shown in Figure 8, Pt-Ru / IrO 2 / CP1 electrode showed satisfactory ε RT when the particular current density of 0.2 A / cm 2 days.

보다 상세하게는, 전류 밀도 0.2 A/cm2 일 때 백금과 산화 이리듐이 각각 0.15 mg/cm2 로딩된 Pt-Ru/IrO2/CP1 전극의 εRT 는 0.50 이었고, 백금이 0.2 mg/cm2 로딩된 Pt/IrO2/CP1 전극의 경우는 0.48이었다. 이러한 결과는 전류 밀도가 0.2 A/cm2 일 때 Pt-Ru/IrO2/CP1 전극이 Pt/IrO2/CP1 전극에 비해 낮은 백금 로딩양에 불구하고 높은 성능을 가진다는 것을 보여준다. 따라서 경제적 관점에서, 특히 0.2 A/cm2 이하의 낮은 전류의 경우에는, Pt-Ru/IrO2/CP1 전극이 바람직하다는 것을 알 수 있다.More specifically, the 竜RT of the Pt-Ru / IrO 2 / CP 1 electrode loaded with 0.15 mg / cm 2 of platinum and iridium oxide at a current density of 0.2 A / cm 2 was 0.50, and platinum was 0.2 mg / cm 2 And 0.48 for the loaded Pt / IrO 2 / CP1 electrode. These results show that the Pt-Ru / IrO 2 / CP1 electrode has a higher performance than the Pt / IrO 2 / CP1 electrode at a current density of 0.2 A / cm 2 despite the lower platinum loading. Therefore, it can be seen from the economic point of view that a Pt-Ru / IrO 2 / CP 1 electrode is preferred, especially for low currents of less than 0.2 A / cm 2 .

Claims (13)

기판;
상기 기판 상에 전기 도금으로 형성된 IrO2 층; 및
상기 IrO2 층에 형성되는 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금과 루테늄의 혼합물(Pt-Ru) 층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 재생연료전지용 산소 전극.
Board;
An IrO 2 layer formed on the substrate by electroplating; And
(Pt) or a mixture of platinum and ruthenium (Pt-Ru) layer formed on the IrO 2 layer.
제 1 항에 있어서,
매크로 포어를 가지는 다공성 기판 표면이 IrO2 층 의하여 커버되고, 상기 IrO2 층에 IrO2 입자들이 부착되어 있는 것이며,
상기 IrO2 층 또는 IrO2 입자들에 다공성 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금과 루테늄의 혼합물(Pt-Ru) 층이 형성된 것이고,
상기 전극은 다공성 기판 재료에 의한 매크로 포어 및 다공성 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금과 루테늄의 혼합물(Pt-Ru) 층에 의한 마이크로 포어를 가지는 것을 특징으로 하는 재생연료전지용 산소 전극.
The method according to claim 1,
The surface of the porous substrate having the macro pores was treated with IrO 2 Layer, and the IrO 2 layer is coated with IrO 2 Particles are attached,
The IrO 2 Layer or IrO 2 (Pd) or platinum (Pt) or a mixture of platinum and ruthenium (Pt-Ru) is formed on the particles,
Wherein said electrode has a micropore formed by a macropore and porous palladium (Pd) or platinum (Pt) or a mixture of platinum and ruthenium (Pt-Ru) layer by a porous substrate material.
제 2 항에 있어서,
상기 다공성 기판 재료는 섬유 간 공간에 의하여 매크로 포어를 가지는 것이고,
다공성 기판 재료 표면의 섬유 가닥들이 IrO2 층 의하여 커버되고, 상기 IrO2 층에 IrO2 입자들이 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 재생연료전지용 산소 전극.
3. The method of claim 2,
The porous substrate material has macropores due to the space between the fibers,
Fiber strands of the porous ceramic material surfaces IrO 2 Layer is covered by, the IrO 2 Wherein the IrO 2 particles are adhered to the layer.
제 1 항에 있어서,
상기 백금과 루테늄의 혼합물(Pt-Ru) 층의 중량은 0.1-1.0 mg/cm2이고, 백금의 중량은 0.05-0.5 mg/cm2인 것을 특징으로 하는 재생연료전지용 산소 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the weight of the platinum-ruthenium mixture (Pt-Ru) layer is 0.1-1.0 mg / cm 2 and the weight of platinum is 0.05-0.5 mg / cm 2 .
제 1 항에 있어서,
상기 기판의 거칠기 인자는 30-300인 것을 특징으로 하는 재생연료전지용 산소 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the roughness factor of the substrate is 30-300.
제 1 항에 있어서,
상기 기판의 기공도는 30% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 재생연료전지용 산소 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the porosity of the substrate is 30% to 90%.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 친수성 기판인 것을 특징으로 하는 재생연료전지용 산소 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate is a hydrophilic substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 카본 또는 티타늄인 것을 특징으로 하는 재생연료전지용 산소 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate is carbon or titanium.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 카본 섬유로 이루어진 카본 페이퍼 또는 티타늄 섬유로 이루어진 티타늄 페이퍼인 것을 특징으로 하는 재생연료전지용 산소 전극.
The method according to claim 1,
Wherein the substrate is a titanium paper made of carbon paper or titanium fiber made of carbon fibers.
제 1 항에 있어서,
상기 산소 전극은 0.2 A/cm2 이하의 전류 밀도로 운전되는 재생연료전지에 사용되는 것을 특징으로 하는 재생연료전지용 산소 전극.
The method according to claim 1,
Wherein said oxygen electrode is used in a regenerative fuel cell operated at a current density of 0.2 A / cm < 2 > or less.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 산소 전극을 포함하는 재생연료전지.
A regenerative fuel cell comprising an oxygen electrode according to any one of claims 1 to 10.
제 11 항에 있어서,
상기 재생연료전지는 일체형 재생연료전지인 것을 특징으로 하는 재생연료전지.
12. The method of claim 11,
Wherein the regenerative fuel cell is an integral regenerative fuel cell.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 재생연료전지용 산소 전극의 제조 방법으로서,
기판 상에 산화 이리듐 층을 전기 도금으로 형성하는 단계; 및
상기 산화 이리듐 층에 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 또는 백금과 루테늄의 혼합물(Pt-Ru) 층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생연료전지용 산소 전극 제조 방법.
11. A method of manufacturing an oxygen electrode for a regenerative fuel cell according to any one of claims 1 to 10,
Forming an iridium oxide layer on the substrate by electroplating; And
And forming a palladium (Pd) or platinum (Pt) or a mixture of platinum and ruthenium (Pt-Ru) on the iridium oxide layer.
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