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KR20100068028A - Catalyst layer for fuel cell and method for preparing the same - Google Patents

Catalyst layer for fuel cell and method for preparing the same Download PDF

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Publication number
KR20100068028A
KR20100068028A KR1020080126681A KR20080126681A KR20100068028A KR 20100068028 A KR20100068028 A KR 20100068028A KR 1020080126681 A KR1020080126681 A KR 1020080126681A KR 20080126681 A KR20080126681 A KR 20080126681A KR 20100068028 A KR20100068028 A KR 20100068028A
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KR
South Korea
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catalyst
catalyst layer
fuel cell
metal
ionomer
Prior art date
Application number
KR1020080126681A
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Korean (ko)
Inventor
김윤미
최동웅
김남혁
김동일
Original Assignee
주식회사 동진쎄미켐
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: A catalyst layer for a fuel cell is provided to obtain excellent electrical activity and durability, to prevent a pin hole and cracks from being generated on the surface of the fuel cell, and to offer a membrane-electrode assembly having excellent output density. CONSTITUTION: A catalyst layer for a fuel cell includes a catalyst metal particle and an ionomer. The catalyst layer has concentration gradient of the ionomer. The content of the ionomer is 5-300 parts by weight based on 100.0 parts by weight of the catalyst metal particle. A method for manufacturing the catalyst layer comprises the following steps: drying catalyst slurry(12) after spreading the catalyst slurry including the catalyst metal particle, the ionomer, and a dispersing medium on the upper side of a supporter(11); and repeating a process of increasing the content of the ionomer on the upper side of the dried catalyst slurry and drying the catalyst slurry.

Description

연료 전지용 촉매층, 및 이의 제조 방법{Catalyst layer for fuel cell and method for preparing the same} Catalyst layer for fuel cell, and method for preparing the same {Catalyst layer for fuel cell and method for preparing the same}

연료 전지용 촉매층, 상기 촉매층의 제조 방법, 상기 촉매층의 건조 장치, 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극, 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체 및 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 개시되고, 더욱 구체적으로는 촉매층 내에 이오노머의 농도구배(gradient)를 가지고, 핀홀 및 균열 형성이 억제된 연료 전지용 촉매층, 상기 촉매층의 제조 방법, 상기 촉매층의 건조 장치, 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극, 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체 및 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 개시된다. A fuel cell comprising a catalyst layer for a fuel cell, a method for producing the catalyst layer, an apparatus for drying the catalyst layer, an electrode for a fuel cell including the catalyst layer, a membrane electrode assembly including the electrode, and a membrane electrode assembly are disclosed, and more specifically, Is a fuel cell catalyst layer having a gradient of ionomer in the catalyst layer, the formation of pinholes and cracks is suppressed, a method for producing the catalyst layer, an apparatus for drying the catalyst layer, an electrode for a fuel cell including the catalyst layer, and including the electrode. A fuel cell comprising a membrane electrode assembly and the membrane electrode assembly is disclosed.

과학기술의 발달과 더불어 고용량의 전원에 대한 필요성은 더욱 증대되고 있다. 그러나, 기존의 리튬 이차 전지는 이러한 필요성을 충족시키지 못하고 있으며, 단시간 사용 후 다시 충전해야 하는 번거로움과 수명이 짧다는 단점을 갖고 있다. 이에 대한 해결책으로서, 환경 친화적이며 에너지 밀도가 높고 장수명을 갖는 연료 전지가 차세대 전원으로 주목을 받고 있다. With the development of science and technology, the need for a high-capacity power source is increasing. However, the conventional lithium secondary battery does not meet this need, and has a disadvantage in that it has a short time and a long life of recharging after a short time of use. As a solution to this, environmentally friendly, high energy density and long life fuel cells have attracted attention as next generation power sources.

이러한 연료 전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라, 고분자 전해질형 연료 전지 (PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료 전지 (PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료 전지 (MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체 산화물 연료 전지 (SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분될 수 있으며, 사용되는 전해질에 따라 연료 전지의 작동온도 및 구성 부품의 재질 등이 달라진다. 또한, 애노드에 대한 연료 공급방식에 따라, 연료개질기를 통하여 연료를 수소부화가스로 전환시킨 후 애노드에 공급하는 외부개질형과, 기체 또는 액체 상태의 연료를 직접 애노드에 공급하는 연료직접공급형 또는 내부개질형으로 구분될 수 있다. 연료 직접 공급형의 대표적인 예는 직접 메탄올 연료 전지 (DMFC: direct methanol fuel cell)이며, 직접 메탄올 연료 전지는 일반적으로 연료로서 메탄올 수용액을, 전해질로서 수소 이온전도성 고분자 전해질막을 사용한다. 따라서, DMFC도 PEMFC에 속한다. PEMFC는 소형 및 경량이어도 높은 출력밀도를 구현할 수 있으며, 더욱이 PEMFC를 사용하면, 발전 시스템의 구성이 간단해진다. Such fuel cells are polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC) depending on the type of electrolyte used. cell), solid oxide fuel cell (SOFC), etc., depending on the electrolyte used, the operating temperature of the fuel cell and the material of the components are different. In addition, according to the fuel supply method to the anode, the external reforming type for converting the fuel to hydrogen-enriched gas through the fuel reformer and supplying to the anode, and the fuel direct supply type for supplying gas or liquid fuel directly to the anode or It can be divided into internal reforming type. A representative example of the direct fuel supply type is a direct methanol fuel cell (DMFC), and a direct methanol fuel cell generally uses an aqueous methanol solution as a fuel and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane as an electrolyte. Therefore, DMFC also belongs to PEMFC. PEMFCs can achieve high power density, even at small and light weights. Moreover, the use of PEMFCs simplifies the construction of power generation systems.

연료 전지의 기본 구조는 통상적으로, 애노드 (연료 전극), 캐소드 (산화제 전극), 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 고분자 전해질막을 포함한다. 애노드에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, 캐소드에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다. 애노드에서는, 연료가 산화되어 수소이온과 전자가 생성되고, 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드로 전달되며, 전자는 도선 (또는 집전체)을 통하여 외부회로 (부하)로 전달된다. 캐소드에서는, 전해질막을 통하여 전달된 수소이온, 도선 (또는 집전체)을 통하여 외부회로로부터 전달된 전자, 및 산소가 결합하여 물이 생성된다. 이 때, 애노드, 외부 회로 및 캐소드를 경유하는 전자의 이동이 곧 전력이다. 이와 같이 연료 전지의 캐소드 및/또는 애노드에는 연료의 전기화학적 산화 및/또는 산소의 전기화학적 환원을 촉진시키는 촉매층이 함유되어 있다. The basic structure of a fuel cell typically includes an anode (fuel electrode), a cathode (oxidant electrode), and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. The anode is provided with a catalyst layer for promoting the oxidation of the fuel, and the cathode is provided with a catalyst layer for promoting the reduction of the oxidant. In the anode, the fuel is oxidized to produce hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions are transferred to the cathode through the electrolyte membrane, and the electrons are transferred to the external circuit (load) through the conductor (or current collector). In the cathode, water is generated by combining hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane, electrons transferred from an external circuit through a conductor (or current collector), and oxygen. At this time, the movement of electrons via the anode, the external circuit and the cathode is power. As such, the cathode and / or anode of the fuel cell contains a catalyst layer that promotes electrochemical oxidation of the fuel and / or electrochemical reduction of oxygen.

상기 연료 전지의 촉매층은 제조 과정은 통상적으로 스프레이 방법, 스크린 프린터법 등등이 있으며, 실험실 스케일 수준에서 스프레이 방법들이 종종 이용되고 있다. 하지만, 스프레이 방법은 다량의 용제를 요구하며 그에 따라 촉매도포 횟수가 증가하여 작업성 면에서 비효율적이다. 또한 한번의 촉매 도포 후에 바로 건조해야만 하며, 건조하지 않은 상태에서 또다시 촉매 슬러리를 도포할 경우에는 소량의 촉매만을 도포했음에도 불구하고 촉매 표면 균열 현상이 발생된다. 또한, 촉매 1회성 도포 후 건조된 전극 표면에 물 용제가 함유된 촉매 슬러리가 아닌 다량의 알코올 성분을 함유한 촉매 슬러리를 다시 도포할 경우 많은 알코올 양은 빈번히 전극 발화 현상의 문제점을 가지고 있다. PEMFC와 같은 낮은 함량의 촉매를 요구하는 경우에는 1회 도포에 따라 다량의 알코올 성분을 포함하는 촉매 슬러리가 바람직하지만, 여전히 DMFC는 고함량의 촉매 요구에 의해서 작업상 여러 번의 도포 횟수를 가짐으로써 촉매 발화에 따른 문제점을 개선하기 위한 공정상의 개선이 매우 시급한 실정이다. The production process of the catalyst layer of the fuel cell typically includes a spray method, a screen printer method, and the like, and spray methods are often used at a laboratory scale level. However, the spray method requires a large amount of solvent, which increases the number of catalyst coatings and is inefficient in terms of workability. In addition, the catalyst must be dried immediately after application of the catalyst, and when the catalyst slurry is applied again without being dried, catalyst surface cracking occurs even though only a small amount of catalyst is applied. In addition, a large amount of alcohol frequently has a problem of electrode ignition when the catalyst slurry containing a large amount of alcohol components is applied to the dried electrode surface after the one-time application of the catalyst, rather than the catalyst slurry containing the water solvent. If a low catalyst content, such as PEMFC, is required, a catalyst slurry containing a large amount of alcohol component is preferred for one application. However, DMFC still has several application times due to high catalyst requirements. It is very urgent to improve the process to improve the problems caused by the ignition.

본 발명의 일 측면은 촉매층 내에 이오노머의 농도구배(gradient)를 가지고, 핀홀 및 균열 형성이 억제된 연료 전지용 촉매층을 제공하는 것이다.One aspect of the present invention is to provide a catalyst layer for a fuel cell having a gradient of ionomer in the catalyst layer and suppressing pinholes and crack formation.

본 발명의 다른 측면은 상기 촉매층의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a method for producing the catalyst layer.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 촉매층의 건조 장치를 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a drying apparatus of the catalyst layer.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극을 제공하는 것이다.Another aspect of the invention is to provide an electrode for a fuel cell comprising the catalyst layer.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체를 제공하는 것이다.Another aspect of the invention to provide a membrane electrode assembly comprising the electrode.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공하는 것이다. Another aspect of the present invention is to provide a fuel cell including the membrane electrode assembly.

본 발명의 일 측면에 따라, According to one aspect of the invention,

촉매 금속 입자 및 이오노머를 포함하는 연료 전지용 촉매층으로서, 상기 촉매층이 이오노머의 농도구배(gradient)를 갖는 연료 전지용 촉매층이 제공된다. A catalyst layer for a fuel cell comprising catalyst metal particles and ionomers, the catalyst layer having a concentration gradient of the ionomer is provided.

상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 수소 이온 전도성 고분자일 수 있다.The ionomer may be a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether It may be at least one hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of an ether ketone-based polymer, and a polyphenylquinoxaline-based polymer.

상기 이오노머의 농도가 상기 연료 전지용 촉매층의 저면에서 상면 방향으로 증가할 수 있다.The concentration of the ionomer may increase from the bottom surface of the catalyst layer for fuel cell to the top surface direction.

상기 이오노머의 함량은 촉매 금속 입자 100 중량부에 대해서 5 내지 300 중 량부일 수 있다.The ionomer content may be 5 to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst metal particles.

상기 연료 전지용 촉매층은 탄소계 지지체를 더 포함할 수 있다.The fuel cell catalyst layer may further include a carbon-based support.

상기 탄소계 지지체는 카본블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소 분자체, 탄소나노튜브, 미세 기공을 갖고 있는 활성탄, 메조포러스 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.The carbon-based support may be at least one selected from the group consisting of carbon black, ketjen black, acetylene black, activated carbon powder, carbon molecular sieve, carbon nanotubes, activated carbon having fine pores, and mesoporous carbon.

상기 촉매 금속 입자는 주촉매 금속, 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금 및 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 입자일 수 있다.The catalytic metal particles may be one or more metal particles selected from the group consisting of a main catalyst metal, an alloy of a main catalyst metal and a cocatalyst metal, and a main catalyst metal doped with a cocatalyst metal.

상기 주촉매 금속은 백금, 금, 루테늄 또는 오스뮴일 수 있다.The main catalyst metal may be platinum, gold, ruthenium or osmium.

상기 보조촉매 금속은 세륨, 루테늄, 주석, 텅스텐, 티타늄, 몰리브덴, 철, 바나듐, 망간, 코발트, 크롬, 니켈, 팔라듐, 로듐 및 이리듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속일 수 있다.The cocatalyst metal may be at least one metal selected from the group consisting of cerium, ruthenium, tin, tungsten, titanium, molybdenum, iron, vanadium, manganese, cobalt, chromium, nickel, palladium, rhodium and iridium.

상기 촉매 금속 입자는 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금이거나, 또는 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속인 경우, 상기 주촉매 금속과 보조촉매 금속 사이의 원자비는 9:1 내지 1:9일 수 있다.When the catalyst metal particles are an alloy of the main catalyst metal and the cocatalyst metal, or the main catalyst metal doped with the cocatalyst metal, the atomic ratio between the main catalyst metal and the cocatalyst metal is 9: 1 to 1: 9 days. Can be.

상기 촉매 금속 입자는 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금이거나, 또는 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속인 경우, 상기 주촉매 금속/보조촉매 금속의 중량비는 0.3 내지 20일 수 있다. When the catalyst metal particle is an alloy of the main catalyst metal and the cocatalyst metal, or the main catalyst metal doped with the cocatalyst metal, the weight ratio of the main catalyst metal / cocatalyst metal may be 0.3 to 20.

상기 촉매 금속 입자의 평균 입경은 1.0 내지 10.0 nm일 수 있다.The average particle diameter of the catalyst metal particles may be 1.0 to 10.0 nm.

상기 탄소계 지지체의 함량은 촉매 금속 입자 100 중량부를 기준으로 10 내 지 1,000 중량부일 수 있다.The content of the carbon-based support may be 10 to 1,000 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst metal particles.

본 발명의 다른 측면에 따라 (a) 촉매 금속 입자, 이오노머 및 분산매를 포함하는 촉매 슬러리를 지지체 상면에 도포하고 건조하는 단계; 및According to another aspect of the invention (a) applying a catalyst slurry comprising catalyst metal particles, ionomer and dispersion medium on the upper surface of the support and dried; And

(b) 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 촉매 슬러리의 이오노머 함량을 증가시켜 도포하고 건조하는 공정을 반복하는 단계;를 포함하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법이 제공된다.(b) repeating the process of increasing the ionomer content of the catalyst slurry on the upper surface of the catalyst slurry dried in the previous step and applying and drying the catalyst slurry.

상기 반복하는 횟수는 1 내지 5회일 수 있다. The number of repetitions may be 1 to 5 times.

상기 촉매 슬러리는 탄소 지지체를 더 포함할 수 있다. The catalyst slurry may further include a carbon support.

상기 건조하는 단계는, 상기 촉매 슬러리가 도포된 지지체를 가열기가 연결된 하판 상에 위치시키고 냉각기가 연결된 상판을 상기 도포된 촉매 슬러리 상에 이격시키는 단계; 및 상기 상판과 하판의 온도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. The drying may include placing the support on which the catalyst slurry is applied on a lower plate to which a heater is connected and spaced apart from the upper plate to which the cooler is connected on the applied catalyst slurry; And adjusting the temperature of the upper and lower plates.

상기 도포된 촉매 슬러리와 상판 사이의 간격은 1 내지 15 mm일 수 있다. The spacing between the applied catalyst slurry and the top plate may be 1 to 15 mm.

상기 상판의 온도는 -15 내지 5 ℃로 조절되고, 상기 하판의 온도가 0 내지 150 ℃로 조절될 수 있다. The temperature of the upper plate may be adjusted to -15 to 5 ℃, the temperature of the lower plate may be adjusted to 0 to 150 ℃.

상기 (b) 단계에서 촉매 슬러리를 도포하기 전에 상기 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 이오노머 분산액을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include applying an ionomer dispersion to the upper surface of the catalyst slurry dried in the previous step before applying the catalyst slurry in the step (b).

본 발명의 다른 측면에 따라 냉각기와 연결되어 온도 조절이 가능한 상판; According to another aspect of the present invention is connected to the cooler and the top plate temperature adjustable;

상기 상판과 대향되며, 상기 상판과의 거리가 조절 가능 하도록 설치되며, 가열기와 연결되어 온도 조절이 가능한 하판; 및 상기 상판 및 하판의 온도가 조절되도록 상기 냉각기 및 상기 가열기를 제어하는 제어부를 포함하는 연료 전지용 촉 매층의 건조 장치가 제공된다.A lower plate opposed to the upper plate and installed to adjust a distance from the upper plate and connected to a heater to control a temperature; And a control unit for controlling the cooler and the heater so that the temperature of the upper and lower plates is adjusted.

본 발명의 또 다른 측면에 따라 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극이 제공된다. According to another aspect of the invention there is provided an electrode for a fuel cell comprising the catalyst layer.

본 발명의 또 다른 측면에 따라 촉매층을 포함하는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 게재되는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체가 제공된다.A pair of electrodes comprising a catalyst layer according to another aspect of the present invention; And an electrolyte membrane disposed between the pair of electrodes.

상기 촉매층의 일면은 전해질막과 접하고, 타면은 가스확산층과 접할 수 있다.One surface of the catalyst layer may contact the electrolyte membrane, and the other surface may contact the gas diffusion layer.

상기 촉매층은 가스확산층에서 전해질막의 방향으로 증가하는 농도를 갖는 이오노머를 포함할 수 있다.The catalyst layer may include an ionomer having a concentration that increases in the direction of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer.

본 발명의 또 다른 측면에 따라 상기 촉매층을 포함하는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 게재되는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 제공된다. According to another aspect of the invention a pair of electrodes comprising the catalyst layer; And a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane disposed between the pair of electrodes.

본 발명의 일 측면에 따르면 전기적 활성, 내구성 및 경제성이 우수하고, 표면에 핀홀 및 균열 발생이 방지된 연료 전지용 촉매층, 우수한 출력 밀도를 갖는 고성능 막전극 접합체 및 연료 전지를 제공할 수 있다.According to an aspect of the present invention, it is possible to provide a fuel cell catalyst layer having excellent electrical activity, durability, and economy, and preventing pinholes and cracks on its surface, a high performance membrane electrode assembly having an excellent power density, and a fuel cell.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 연료 전지용 촉매층, 상기 촉매층의 제조 방법, 상기 촉매층의 건조 장치, 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극, 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체 및 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지에 대하 여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, a fuel cell catalyst layer according to an embodiment of the present invention, a method for producing the catalyst layer, a drying device of the catalyst layer, a fuel cell electrode including the catalyst layer, a membrane electrode assembly including the electrode and the membrane electrode assembly The fuel cell will be described in more detail.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 촉매층은 탄소계 지지체, 촉매 금속 입자 및 이오노머를 포함하는 연료 전지용 촉매층으로서, 상기 촉매층이 이오노머의 농도구배(gradient)를 갖는다. 즉, 상기 촉매층 내에 포함된 이오노머가 불규칙하게 분포하는 것이 아니라, 일정한 방향성에 따라서 이오노머의 농도, 즉 함량이 변화하는 특성을 가진다.A catalyst layer for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a catalyst layer for a fuel cell including a carbon-based support, catalyst metal particles, and an ionomer, and the catalyst layer has a gradient of ionomer. That is, the ionomer contained in the catalyst layer is not distributed irregularly, but has a characteristic that the concentration of the ionomer, that is, the content, changes according to a certain orientation.

상기 이오노머의 농도는 상기 연료 전지용 촉매층의 저면에서 상면 방향으로 증가할 수 있다. 즉, 상기 촉매층이 소정의 지지체 상에 형성되는 경우, 지지체에 접하는 저면에서 촉매층의 높이 방향인 상면 방향으로 이오노머의 농도가 증가될 수 있다. The concentration of the ionomer may increase in an upward direction from the bottom of the catalyst layer for the fuel cell. That is, when the catalyst layer is formed on a predetermined support, the concentration of the ionomer may be increased in the top direction, which is the height direction of the catalyst layer, from the bottom contacting the support.

또한, 상기 연료 전지용 촉매층이 가스확산층(GDL) 및 전해질막(membrane) 사이에 개재되는 경우, 상기 이오노머의 농도는 가스확산층에서 전해질막의 방향으로 증가할 수 있다. 그 결과, 가스확산층 근처에는 이오노머의 농도가 작아서 기체 통로를 덜 막히게 하며 동시에 전해질막 근처에 갈수록 이오노머 농도가 커져서 프로톤 이동이 용이하여 고성능의 촉매층을 제공할 수 있게 된다.In addition, when the fuel cell catalyst layer is interposed between the gas diffusion layer (GDL) and the electrolyte membrane (membrane), the concentration of the ionomer may increase in the direction of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer. As a result, the concentration of the ionomer is small in the vicinity of the gas diffusion layer, which obstructs the gas passage less, and at the same time, the ionomer concentration increases in the vicinity of the electrolyte membrane, thereby facilitating the movement of protons, thereby providing a high-performance catalyst layer.

상기 촉매 금속 입자는 주촉매 금속, 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금 및 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 입자이다.The catalytic metal particles are one or more metal particles selected from the group consisting of a main catalyst metal, an alloy of a main catalyst metal and a cocatalyst metal, and a main catalyst metal doped with a cocatalyst metal.

상기 주촉매 금속은 연료전지의 전기화학적 산화환원 반응을 직접적으로 촉매하는 역할을 담당하는 것으로서, 이에 대한 비제한적인 예로는, 백금, 금, 루테 늄 또는 오스뮴 등을 들 수 있다. The main catalyst metal plays a role of directly catalyzing the electrochemical redox reaction of the fuel cell, and non-limiting examples thereof include platinum, gold, ruthenium or osmium.

상기 보조촉매 금속은 주촉매 금속의 전기적 활성을 향상시키는 역할을 담당하는 것으로서, 세륨, 루테늄, 주석, 텅스텐, 티타늄, 몰리브덴, 철, 바나듐, 망간, 코발트, 크롬, 니켈, 팔라듐, 로듐 및 이리듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속일 수 있다.The cocatalyst metal plays a role of improving the electrical activity of the main catalyst metal, and includes cerium, ruthenium, tin, tungsten, titanium, molybdenum, iron, vanadium, manganese, cobalt, chromium, nickel, palladium, rhodium and iridium. It may be one or more metals selected from the group consisting of.

한편, 상기 촉매 금속 입자가 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금이거나, 또는 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속인 경우, 상기 주촉매 금속과 보조촉매 금속 사이의 원자비는 9:1 내지 1:9일 수 있고, 주촉매 금속/보조촉매 금속의 중량비는 예를 들면 0.3 내지 20, 0.7 내지 7이다. On the other hand, when the catalyst metal particles are an alloy of the main catalyst metal and the cocatalyst metal, or the main catalyst metal doped with the cocatalyst metal, the atomic ratio between the main catalyst metal and the cocatalyst metal is 9: 1 to 1: 9, the weight ratio of main catalyst metal / cocatalyst metal is, for example, 0.3 to 20, 0.7 to 7.

상기 범위를 벗어나서 주촉매 금속이 과량으로 존재하는 경우에는, 일반적으로 주촉매 금속의 가격이 매우 고가라는 점에서 제조 단가가 상승할 수 있고, 보조촉매 금속이 과량으로 존재하는 경우에는, 연료전지의 전기화학적 산화환원 반응의 촉매로서 충분한 활성을 발휘하지 못할 수 있다.In the case where an excessive amount of the main catalyst metal is out of the above range, the cost of the main catalyst metal is generally very high, and thus the manufacturing cost may increase, and when the auxiliary catalyst metal is present in an excessive amount, It may not be able to exert sufficient activity as a catalyst for the electrochemical redox reaction.

또한, 상기 촉매 금속 입자의 평균 입경은 예를 들면, 1.0 내지 10.0 nm일 수 있다. 이때, 촉매 금속 입자의 평균 입경이 1.0 nm 미만인 경우에는 촉매가 열화 되기 쉬어 활성 능력이 저하될 수 있고, 촉매 금속 입자의 평균 입경이 10.0 nm 초과인 경우에는 촉매 활성 면적이 줄어들어 성능 저하를 유발할 수 있다.In addition, the average particle diameter of the catalyst metal particles may be, for example, 1.0 to 10.0 nm. In this case, when the average particle diameter of the catalyst metal particles is less than 1.0 nm, the catalyst may be easily deteriorated, and thus the active capacity may be reduced. When the average particle diameter of the catalyst metal particles is greater than 10.0 nm, the catalytic active area may be reduced to cause performance degradation. have.

상기 탄소계 지지체는 금속 전구체 혼합물 용액에 포함되어 금속 전구체를 흡수함으로써 활성 금속입자의 크기를 제어할 수 있는 효과를 가져올 수 있으며, 다공성을 갖고 있고 표면적이 150 m2/g 이상, 특히 500 내지 1200 m2/g 이고, 평균 입경이 10 내지 300nm, 특히 20 내지 100nm인 것을 사용할 수 있다. The carbon-based support may be included in the metal precursor mixture solution to absorb the metal precursor, thereby bringing the effect of controlling the size of the active metal particles, having a porosity and having a surface area of 150 m 2 / g or more, particularly 500 to 1200 m 2 / g and an average particle diameter of 10 to 300nm, in particular 20 to 100nm can be used.

상기 탄소계 지지체로는 카본블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소 분자체, 탄소나노튜브, 미세 기공을 갖고 있는 활성탄, 메조포러스 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 사용될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. As the carbon-based support, one or more selected from the group consisting of carbon black, ketjen black, acetylene black, activated carbon powder, carbon molecular sieve, carbon nanotube, microporous activated carbon, and mesoporous carbon may be used. It is not limited.

상기 탄소계 지지체의 함량은 촉매 금속 입자 100 중량부를 기준으로 10 내지 1,000 중량부, 25 내지 500 중량부, 50 내지 300 중량부일 수 있다. 이때, 상기 탄소계 지지체의 함량이 10 중량부 미만이면 탄소계 지지체에 담지되는 양이 미비하여 탄소계 지지체의 효과가 없게 되고, 1,000 중량부 초과이면 활성촉매의 밀도가 감소하여 고함량의 촉매를 사용하는 직접메탄올 연료전지에서는 부적절할 수 있다.The content of the carbon-based support may be 10 to 1,000 parts by weight, 25 to 500 parts by weight, and 50 to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst metal particles. At this time, when the content of the carbon-based support is less than 10 parts by weight, the amount of the carbon-supported support is insufficient and the effect of the carbon-based support is not effective. It may be inappropriate for direct methanol fuel cells.

상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 구체적인 예로 나피온(Nafion®, DuPont)이 있다.The ionomer may be a fluorine polymer, a benzimidazole polymer, a polyimide polymer, a polyetherimide polymer, a polyphenylene sulfide polymer, a polysulfone polymer, a polyether sulfone polymer, a polyether ketone polymer, a polyether It may be at least one selected from the group consisting of an ether ketone-based polymer, and a polyphenylquinoxaline-based polymer. A specific example is Nafion ® , DuPont.

상기 이오노머의 함량은 촉매 금속 입자 100 중량부에 대해서 예를 들어, 5 내지 300 중량부, 10 내지 200 중량부, 15 내지 150 중량부일 수 있다. 상기 이오 노머의 함량이 5 중량부 미만이면 촉매 분말의 결합성이 약해지고, 50 중량부 초과이면 메탄올 크로스오버를 유도하여 성능저하의 원인으로 제공될 수 있다.The amount of the ionomer may be, for example, 5 to 300 parts by weight, 10 to 200 parts by weight, and 15 to 150 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst metal particles. When the content of the ionomer is less than 5 parts by weight, the binding of the catalyst powder is weakened. If the content of the ionomer is more than 50 parts by weight, methanol crossover may be induced to provide a cause of deterioration.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 촉매 금속 입자, 이오노머 및 분산매를 포함하는 촉매 슬러리를 지지체 상면에 도포하고 건조하는 단계; 및 (b) 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 촉매 슬러리의 이오노머 함량을 증가시켜 도포하고 건조하는 공정을 반복하는 단계;를 포함하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법이 제공된다.In addition, according to one embodiment of the invention, (a) applying a catalyst slurry comprising catalyst metal particles, ionomer and dispersion medium on the upper surface of the support and dried; And (b) repeating the step of applying and drying the ionomer content of the catalyst slurry on the upper surface of the catalyst slurry dried in the previous step and repeating the step of applying and drying the catalyst slurry.

이때, 상기 촉매 슬러리를 도포하고 건조하는 공정을 반복하는 횟수는 예를 들면, 1 내지 5회, 1 내지 2회일 수 있다. 상기 반복 횟수가 5회를 초과하는 경우에는 작업성이 저하될 수 있다.In this case, the number of times to repeat the process of applying and drying the catalyst slurry may be, for example, 1 to 5 times, 1 to 2 times. When the number of repetitions exceeds five times, workability may be degraded.

상기 촉매 슬러리의 도포 및 건조하는 공정이 전체적으로 2회가 된다면, 상기 촉매층 제조 방법은 촉매 금속 입자, 이오노머 및 분산매를 포함하는 제1 촉매 슬러리를 전극 지지체 상면에 도포하는 단계; 상기 도포된 제1 촉매 슬러리를 건조하여 제1 촉매층을 형성하는 단계; 상기 제1 촉매층 상면에 촉매 금속 입자, 이오너모 및 분산매를 포함하는 제2 촉매 슬러리를 도포하는 단계; 상기 도포된 제2 촉매 슬러리를 건조하여 제2 촉매층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. If the process of applying and drying the catalyst slurry is performed twice in total, the method for preparing a catalyst layer may include applying a first catalyst slurry including catalyst metal particles, ionomers, and a dispersion medium to an upper surface of an electrode support; Drying the applied first catalyst slurry to form a first catalyst layer; Applying a second catalyst slurry including catalyst metal particles, immonia and a dispersion medium to an upper surface of the first catalyst layer; And drying the applied second catalyst slurry to form a second catalyst layer.

이후, 촉매 슬러리의 도포 및 건조하는 공정의 반복 횟수를 증가시킴에 따라, 상기 제2 촉매층 상에 제3 내지 그 이상의 촉매층이 연속적으로 형성될 수 있게 된다.Thereafter, as the number of times of repeating the application and drying of the catalyst slurry is increased, the third to more catalyst layers may be continuously formed on the second catalyst layer.

상기 촉매 슬러리는 촉매 금속 입자, 이오노머 및 분산매 이외에 탄소계 지 지체를 더 포함할 수 있다. 이때, 탄소계 지지체, 촉매 금속 입자, 이오노머는 전술한 바와 같다.The catalyst slurry may further include a carbon-based support in addition to the catalyst metal particles, the ionomer, and the dispersion medium. At this time, the carbon-based support, the catalyst metal particles, the ionomer are as described above.

상기 분산매는 물, 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 상기 알코올로는 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부탄올, 에틸렌글리콜 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The dispersion medium may be one or a mixture of two or more selected from the group consisting of water and alcohol. The alcohol may be methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, butanol, ethylene glycol or a mixture thereof, but is not limited thereto.

특히, 상기 촉매 슬러리가 소수성의 지지체에 도포되는 경우에는 분산매가 물로만 이루어질 경우, 효과적으로 도포되기 어려울 수 있으므로, 알코올류의 용제가 10% 이상이 포함될 수 있다. 이때, 알코올을 선택할 때에는 끓는점이 물과 비슷한 정도의 것을 선택해야 한다. 이는, 알코올이 보다 쉽게 지지체를 젖게 하는 특성이 있고 표면장력이 약해 고루 퍼지는 특성으로 이미 도포된 촉매층 표면을 젖게 한 후 쉽게 휘발될 경우에는 촉매 표면 균열을 가져올 수 있기 때문이다.In particular, when the catalyst slurry is applied to the hydrophobic support, when the dispersion medium is made of only water, it may be difficult to apply effectively, it may contain 10% or more of the solvent of the alcohols. At this time, when selecting alcohol should be selected to the boiling point similar to water. This is because alcohol has a property of wetting the support more easily, and the surface tension is weak and spreads evenly, so that the surface of the catalyst layer may be cracked if it is easily volatilized after wetting the surface of the already applied catalyst layer.

상기 분산매의 함량은 촉매 금속 입자 100 중량부를 기준으로 100 내지 10,000 중량부, 100 내지 2,000 중량부, 100 내지 1,000 중량부일 수 있다. 이때, 상기 분산매의 함량이 100 중량부 미만이면 촉매 금속 입자와 이오노머의 분산 효과가 줄어들 수 있고, 10,000 중량부 초과이면 촉매 슬러리의 도포시에 작업 횟수가 매우 증가하여 작업 효율성이 저하될 수 있다.The content of the dispersion medium may be 100 to 10,000 parts by weight, 100 to 2,000 parts by weight, and 100 to 1,000 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst metal particles. In this case, when the content of the dispersion medium is less than 100 parts by weight, the dispersing effect of the catalyst metal particles and the ionomer may be reduced, and when the content of the dispersion medium is more than 10,000 parts by weight, the number of operations may be greatly increased during application of the catalyst slurry, thereby reducing work efficiency.

상기 촉매 슬러리의 도포 방식은 통상의 방법이라면 모두 적용 가능하고, 예를 들면, 바코터, 슬릿다이, 잉크젯 또는 스크린 프린터를 이용하여 도포가 가능하다The coating method of the catalyst slurry can be applied as long as it is a conventional method, for example, can be applied using a bar coater, a slit die, an inkjet or a screen printer.

상기 촉매 슬러리의 도포량은 예를 들면, 1회당 약 0.1mg/cm2 내지 6mg/cm2, 약 1mg/cm2 내지 4mg/cm2, 1.5mg/cm2 내지 2.5mg/cm2일 수 있다. 상기 도포량이 0.1mg/cm2 미만이면 촉매층 형성시에 작업횟수가 상당히 증가할 수 있고, 6mg/cm2 초과이면 촉매층 표면의 균열 현상을 야기할 수 있다.The coating amount of the catalyst slurry, for example, one may be a Hall about 0.1mg / cm 2 to 6mg / cm 2, from about 1mg / cm 2 to about 4mg / cm 2, 1.5mg / cm 2 to about 2.5mg / cm 2. If the coating amount is less than 0.1mg / cm 2 It can significantly increase the number of operations when forming the catalyst layer, if it is more than 6mg / cm 2 may cause cracking of the surface of the catalyst layer.

상기 도포된 촉매 슬러리를 건조하는 단계는, 상기 촉매 슬러리가 도포된 지지체를 가열기가 연결된 하판 상에 위치시키고 냉각기가 연결된 상판을 상기 도포된 촉매 슬러리 상에 이격시키는 단계; 및 상기 상판과 하판의 온도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.The drying of the applied catalyst slurry may include: placing a support on which the catalyst slurry is applied on a lower plate to which a heater is connected and spaced apart from the upper plate to which the cooler is connected on the applied catalyst slurry; And adjusting the temperature of the upper and lower plates.

이러한 건조 단계는 촉매 슬러리의 상면 건조를 느리게 하면서, 지지체에 맞닿아 있는 저면의 슬러리 부터 천천히 건조시킴으로써 최종 제조되는 촉매층의 표면의 핀홀 및 균열현상을 방지할 수 있게 하는 이점이 있다. This drying step has the advantage that it is possible to prevent the pinholes and cracks on the surface of the catalyst layer to be finally produced by slowly drying the slurry from the bottom surface in contact with the support while slowing the top surface of the catalyst slurry.

이를 위하여, 상기 도포된 촉매 슬러리와 상판 사이의 간격은 상판이 촉매 슬러리와 닿지 않는 범위 안에서 최대한 가깝게 조절할 수 있으며, 예를 들면 1 내지 15 mm이다. 상기 간격이 1mm 미만으로는 실제 조절이 불가능하고, 상기 간격이 15 mm 초과이면 도포된 촉매 슬러리의 표면에 냉각 효과를 부여하지 못해 촉매층의 표면의 균열을 유발할 수 있다.For this purpose, the spacing between the applied catalyst slurry and the top plate can be adjusted as close as possible within the range that the top plate does not come into contact with the catalyst slurry, for example 1 to 15 mm. If the interval is less than 1mm is not practical control, if the interval is more than 15mm can not give a cooling effect to the surface of the applied catalyst slurry may cause cracking of the surface of the catalyst layer.

상기 상판의 온도는 연결된 냉각기를 이용하여 예를 들면 -15 내지 30 ℃, -10 내지 5 ℃로 조절될 수 있다. 상기 상판의 온도가 -15℃ 미만이면 촉매 슬러리의 상면의 건조가 충분하지 않을 수 있고, 30℃ 초과이면 촉매 슬러리의 상면의 건 조 속도가 빠르게 진행되어 제조되는 촉매층의 표면의 핀홀 및 균열 현상을 방지하지 못할 수 있다. The temperature of the top plate may be adjusted to, for example, -15 to 30 ℃, -10 to 5 ℃ using a connected cooler. If the temperature of the upper plate is less than -15 ℃, the drying of the upper surface of the catalyst slurry may not be sufficient, and if the temperature of the upper plate is higher than 30 ℃ drying rate of the upper surface of the catalyst slurry is rapidly progressed to pinholes and cracks of the surface of the catalyst layer produced It may not be prevented.

또한, 상기 하판의 온도는 연결된 가열기를 이용하여 예를 들면 0 내지 150 ℃, 5 내지 40 ℃로 조절될 수 있다. 이때, 상기 하판의 온도가 0℃ 미만이면 촉매 슬러리의 전체적인 건조가 불충분할 수 있고, 150℃ 초과이면 촉매층 표면의 균열 및 핀홀 현상을 방지하지 못할 수 있다. In addition, the temperature of the lower plate may be adjusted to, for example, 0 to 150 ℃, 5 to 40 ℃ using a heater connected. In this case, when the temperature of the lower plate is less than 0 ° C., the overall drying of the catalyst slurry may be insufficient, and if it is more than 150 ° C., cracks and pinholes on the surface of the catalyst layer may not be prevented.

상기 촉매층의 제조 방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서 촉매 슬러리를 도포하기 전에 상기 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 이오노머 분산액을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 추가로 도포되는 촉매 슬러리가 건조된 촉매 슬러리의 상면에 효과적으로 도포될 수 있도록 중간에 촉매 슬러리와 친화성이 있는 이오노머 분산액을 첨가하는 것이다. In the method of preparing the catalyst layer, the method may further include applying an ionomer dispersion to the upper surface of the catalyst slurry dried in the previous step before applying the catalyst slurry in the step (b). That is, an ionomer dispersion having affinity with the catalyst slurry is added in the middle so that the catalyst slurry to be applied can be effectively applied to the upper surface of the dried catalyst slurry.

종래의 방식도로 촉매 슬러리를 1회만 도포 및 건조하여 촉매층을 제조할 경우에는, 촉매층 내의 이오노머가 촉매층의 저면으로 가라앉게 되고, 이후 제조된 촉매층이 가스확산층에서 전해질막 사이에 개재되는 경우, 가스확산층과 같은 지지체의 기공을 이오노머가 막을 수 있을 뿐 아니라, 전해질막 부근의 이오노머 비중이 낮아짐에 따라서 프로톤 전달의 저항을 가져올 수 있다. In the case of preparing the catalyst layer by applying and drying the catalyst slurry only once in the conventional manner, the ionomer in the catalyst layer sinks to the bottom of the catalyst layer, and when the prepared catalyst layer is interposed between the electrolyte diffusion membrane and the electrolyte membrane in the gas diffusion layer, Not only can the ionomer block pores of the support, but also the resistance of the proton is reduced as the specific gravity of the ionomer near the electrolyte membrane is lowered.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매층의 제조 방법에 있어서, 촉매 슬러리를 1회만 도포 및 건조하지 않고, 최소한 2회 이상 도포 및 건조하게 되며, 또한, 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 촉매 슬러리의 이오노머 함량을 증가시켜 도포하고 건조하는 공정을 반복하게 된다. 그 결과, 지지체에 접하는 부분에 서는 이오노머의 농도를 작게하고, 이후 이오노머의 농도가 증가하게 제조한 촉매 슬러리를 반복하여 도포 및 건조함으로써 촉매층의 저면에서 상면 방향으로 갈수록 이오노머의 농도가 증가된 촉매층을 제조할 수 있게 된다.Therefore, in the method for producing a catalyst layer according to an embodiment of the present invention, the catalyst slurry is applied and dried at least twice without applying and drying the catalyst slurry only once, and further, the catalyst on the upper surface of the catalyst slurry dried in the previous step. The ionomer content of the slurry is increased to repeat the application and drying process. As a result, in the portion in contact with the support, the concentration of the ionomer is decreased, and then the catalyst slurry prepared by repeatedly applying and drying the catalyst slurry prepared to increase the concentration of the ionomer is increased from the bottom of the catalyst layer toward the top surface. It becomes possible to manufacture.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 촉매층의 제조 방법의 건조 단계를 효과적으로 수행하기 위한 건조 장치로서, 상기 건조 장치는 냉각기와 연결되어 온도 조절이 가능한 상판; 상기 상판과 대향되며, 상기 상판과의 거리가 조절 가능 하도록 설치되며, 가열기와 연결되어 온도 조절이 가능한 하판; 및 상기 상판 및 하판의 온도가 조절되도록 상기 냉각기 및 상기 가열기를 제어하는 제어부를 포함한다.In addition, according to an embodiment of the present invention, a drying apparatus for effectively performing the drying step of the above-described method for producing a catalyst layer, the drying apparatus is connected to the cooler and the temperature control panel; A lower plate opposed to the upper plate and installed to adjust a distance from the upper plate and connected to a heater to control a temperature; And a control unit for controlling the cooler and the heater so that the temperature of the upper plate and the lower plate is adjusted.

상기 건조 장치를 도 1을 참고하여 구체적으로 살펴보면, 상판(1)과 하판(2)이 서로 대향되게 구비되며, 하판(2)에는 상면에 촉매 슬러리(12)가 도포된 지지체(11)가 위치될 수 있다. 이때 하판(2)의 하단 부에는 촉매슬러리와 상판(1) 사이의 간격을 조절하기 위한 높이 조절부(3)가 구비되어 있다. Referring to the drying apparatus in detail with reference to FIG. 1, the upper plate 1 and the lower plate 2 are provided to face each other, and the lower plate 2 has a support 11 coated with a catalyst slurry 12 on an upper surface thereof. Can be. At this time, the lower end of the lower plate 2 is provided with a height adjusting unit 3 for adjusting the gap between the catalyst slurry and the upper plate (1).

또한, 상판(1)과 하판(2)에는 각각 냉각기(6) 및 가열기(5)가 각각 연결되어 있다. 냉각기(6) 및 가열기(5)와 연결된 제어부(4)를 통하여 촉매 슬러리의 상면이 저면보다 서서히 건조되어 촉매층의 핀홀 및 균열 발생을 억제하기 하도록 온도를 조절할 수 있다. In addition, the cooler 6 and the heater 5 are respectively connected to the upper board 1 and the lower board 2, respectively. Through the control unit 4 connected to the cooler 6 and the heater 5, the upper surface of the catalyst slurry may be dried more slowly than the bottom surface to adjust the temperature so as to suppress the occurrence of pinholes and cracks in the catalyst layer.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극, 상기 전극을 포함하는 막전극 접합체 및 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지가 제공된다. In addition, according to an embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell electrode including the catalyst layer, a membrane electrode assembly including the electrode, and a fuel cell including the membrane electrode assembly.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 전극은 전극 기재, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예의 촉매층, 가스확산층 등을 포함할 수 있다.An electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention may include an electrode substrate, a catalyst layer, a gas diffusion layer, and the like of the embodiment of the present invention as described above.

예를 들면, 상기 연료 전지용 전극은 카본 페이퍼 등의 전극 기재 상에, 카본블랙, 아세틸렌 블랙, 탄소나노튜브, 탄소나노와이어, 탄소나노혼, 탄소나노파이버 등의 탄소 분말; 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE: polytetrafluoroethylene), 폴리비닐리덴플루오라이드 (PVdF: polyvinylidenefluoride), 불화에틸렌프로필렌 (FEP: fluorinated ethylene propylene) 등의 바인더; 및 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알콜, n-프로필알코올, 부틸알코올 등의 분산매를 혼합하고, 이를 테이프 캐스팅 (tape casting), 스프레이 (spray), 또는 스크린 프린팅 (screen printing) 등의 방법으로 코팅함으로써 균일한 두께로 가스확산층을 형성하고, 이어서 상기 가스확산층 상에, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매층을 형성함으로써 제조될 수 있다. For example, the fuel cell electrode may be a carbon powder such as carbon black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanowires, carbon nanohorns or carbon nanofibers on an electrode substrate such as carbon paper; Binders such as polytetrafluoroethylene (PTFE: polytetrafluoroethylene), polyvinylidene fluoride (PVdF: polyvinylidenefluoride), and fluorinated ethylene propylene (FEP); And a dispersion medium such as water, ethanol, methanol, isopropyl alcohol, n-propyl alcohol, butyl alcohol, and the like, which are coated by a tape casting, spray, or screen printing method. Thereby forming a gas diffusion layer with a uniform thickness, and then forming a catalyst layer according to an embodiment of the present invention on the gas diffusion layer.

상기 가스확산층은 촉매층으로 반응 기체가 용이하게 접근할 수 있도록 하는 역할을 수행하며, 더불어 전지 구동시 부산물로 발생하는 물에 의한 성능 저하를 방지하는 역할을 수행한다. The gas diffusion layer serves to make the reaction gas easily accessible to the catalyst layer, and also serves to prevent performance degradation due to water generated as a by-product when the battery is driven.

본 발명의 일 실시예에 따른 막전극 접합체 (Membrane Electrode Assembly; MEA)는 촉매층을 포함하는 한 쌍의 전극(애노드 및 캐소드); 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 게재되는 전해질막을 포함한다. Membrane Electrode Assembly (MEA) according to an embodiment of the present invention comprises a pair of electrodes (anode and cathode) comprising a catalyst layer; And an electrolyte membrane disposed between the pair of electrodes.

상기 전극은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극이며, 상기 전해질막으로는, 일반적으로, 불소화 알킬렌으로 구성된 주쇄와 말단에 술폰산기를 갖는 불소화비닐 에테르로 구성된 측쇄를 갖는 술포네이트 고불화 폴리머 (예: Nafion : Dupont사의 상표)와 같은 폴리머 전해질이 사용될 수 있다. 이러한 폴리머 전해질막은 적정량의 물을 함습함므로써 우수한 이온 전도성을 발휘하게 된다. 전극 및 전해질막의 접합은 열가압 방법, 열융착 방법 등에 의해서 수행될 수 있다. The electrode is an electrode according to an embodiment of the present invention, and as the electrolyte membrane, a sulfonate high fluorinated polymer having a main chain generally composed of fluorinated alkylene and a side chain composed of fluorinated vinyl ether having a sulfonic acid group at its terminal (eg Polymer electrolytes such as Nafion (trademark of Dupont) may be used. The polymer electrolyte membrane exhibits excellent ion conductivity by moistening an appropriate amount of water. Bonding of the electrode and the electrolyte membrane may be performed by a thermal pressure method, a thermal fusion method, or the like.

상기 촉매층은 촉매 금속 입자; 탄소계 지지체 및 이오노머를 포함하는 연료 전지용 촉매층으로서, 상기 촉매층이 이오노머의 농도구배(gradient)를 갖가스확산층에서 전해질막의 방향으로 증가하는 농도를 갖는 이오노머를 포함한다. The catalyst layer is catalytic metal particles; A catalyst layer for a fuel cell comprising a carbon-based support and an ionomer, wherein the catalyst layer includes an ionomer having a concentration gradient of the ionomer and having a concentration that increases in the direction of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer.

따라서, 상기 막전극 접합체에서 촉매층의 일면은 전해질막과 접하고, 타면은 가스확산층과 접할 수 있으며, 이때, 상기 촉매층은 가스확산층에서 전해질막의 방향으로 증가하는 농도를 갖는 이오노머를 포함할 수 있게 된다.Accordingly, one surface of the catalyst layer in the membrane electrode assembly may contact the electrolyte membrane and the other surface may contact the gas diffusion layer. In this case, the catalyst layer may include an ionomer having a concentration that increases in the direction of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer.

또한, 본 발명의 일 실시예는 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료 전지를 제공하며, 이러한 연료 전지는 적어도 하나의 전기 발생부, 연료 공급부 및 기체 공급부를 포함한다. 상기 전기 발생부는 고분자 전해질막 양면에 구성되는 양극, 음극 및 분리판을 포함하며, 금속 망사 등을 이용하여 전극과 분리판이 일체형으로 제작될 수도 있다. 상기 연료 공급부는 수소 또는 수소 함유 연료, 즉 메탄올과 같은 알코올류를 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 하며, 상기 기체 공급부는 산소 또는 산소를 포함하는 공기 등을 상기 전기 발생부로 공급하는 역할을 한다. In addition, an embodiment of the present invention provides a fuel cell including the membrane electrode assembly, and the fuel cell includes at least one electricity generating unit, a fuel supply unit, and a gas supply unit. The electricity generating unit includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator formed on both sides of the polymer electrolyte membrane, and the electrode and the separator may be integrally manufactured by using a metal mesh. The fuel supply unit serves to supply hydrogen or hydrogen-containing fuel, that is, alcohols such as methanol to the electricity generator, and the gas supply unit serves to supply oxygen or air including oxygen to the electricity generator.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 중 직접 메탄올 연료 전지에 대하여 설명하기로 한다. Hereinafter, a direct methanol fuel cell of a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2.

도 2에 도시된 바와 같이, DMFC는 연료가 공급되는 애노드 (20), 산화제가 공급되는 캐소드 (30), 및 애노드 (20)와 캐소드 (30) 사이에 위치하는 전해질막 (40)을 포함한다. 일반적으로, 애노드 (20)는 애노드 확산층 (22)과 애노드 촉매층 (21)으로 이루어지며, 캐소드 (30)는 캐소드 확산층(확산층은 이하 기체확산층과 동일한 의미로 사용) (32)과 캐소드 촉매층 (31)으로 이루어진다. 상기 애노드 촉매층과 캐소드 촉매층은 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법으로 제조된 담지 촉매로 이루어진다. As shown in FIG. 2, the DMFC includes an anode 20 to which fuel is supplied, a cathode 30 to which an oxidant is supplied, and an electrolyte membrane 40 positioned between the anode 20 and the cathode 30. . In general, the anode 20 consists of an anode diffusion layer 22 and an anode catalyst layer 21, and the cathode 30 is a cathode diffusion layer (the diffusion layer is used in the same sense as the gas diffusion layer) 32 and the cathode catalyst layer 31. ) The anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is made of a supported catalyst prepared by the manufacturing method according to an embodiment of the present invention described above.

애노드 분리판 (50)은 애노드에 연료를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 애노드에서 발생한 전자를 외부회로 또는 인접하는 단위전지로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. 캐소드 분리판 (60)은 캐소드에 산화제를 공급하기 위한 유로를 구비하고 있으며, 외부회로 또는 인접하는 단위전지로부터 공급된 전자를 캐소드로 전달하기 위한 전자전도체의 역할을 한다. DMFC에 있어서, 애노드에 공급되는 연료로서는 주로 메탄올 수용액이 사용되고 이는 연료 공급부로부터 공급되며, 캐소드에 공급되는 산화제로서는 주로 공기가 사용되고 이는 기체 공급부로부터 공급된다. The anode separator 50 has a flow path for supplying fuel to the anode, and serves as an electron conductor for transferring electrons generated from the anode to an external circuit or an adjacent unit cell. The cathode separator 60 has a flow path for supplying an oxidant to the cathode, and serves as an electron conductor for transferring electrons supplied from an external circuit or an adjacent unit cell to the cathode. In DMFC, an aqueous methanol solution is mainly used as the fuel supplied to the anode, which is supplied from a fuel supply section, and air is mainly used as an oxidant supplied to the cathode, which is supplied from a gas supply section.

애노드 확산층 (22)을 통하여 애노드 촉매층 (21)에 전달된 메탄올 수용액은 전자, 수소이온, 이산화탄소 등으로 분해된다. 수소 이온은 전해질막 (40)을 통하여 캐소드 촉매층 (31)으로 전달되고, 전자는 외부회로로 전달되며, 이산화탄소는 외부로 배출된다. 캐소드 촉매층 (31)에서는, 전해질막 (40)을 통하여 전달된 수소이온, 외부회로로부터 공급된 전자, 그리고 캐소드 확산층 (32)을 통하여 전달된 공기중의 산소가 반응하여 물을 생성한다. The aqueous methanol solution transferred to the anode catalyst layer 21 through the anode diffusion layer 22 is decomposed into electrons, hydrogen ions, carbon dioxide, and the like. Hydrogen ions are transferred to the cathode catalyst layer 31 through the electrolyte membrane 40, electrons are transferred to an external circuit, and carbon dioxide is discharged to the outside. In the cathode catalyst layer 31, hydrogen ions delivered through the electrolyte membrane 40, electrons supplied from an external circuit, and oxygen in the air delivered through the cathode diffusion layer 32 react to generate water.

이러한 DMFC에 있어서, 전해질막 (40)은 수소 이온 전도체, 전자 절연체, 격리막 등의 역할을 한다. 이때, 격리막의 역할이라 함은, 미반응 연료가 캐소드로 전달되거나, 또는 미반응 산화제가 애노드로 전달되는 것을 방지하는 것을 의미한다. In such a DMFC, the electrolyte membrane 40 serves as a hydrogen ion conductor, an electronic insulator, a separator, and the like. In this case, the role of the separator means that unreacted fuel is delivered to the cathode, or unreacted oxidant is prevented from being delivered to the anode.

이하 본 발명의 실시예들을 통하여 더욱 상세히 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. The following examples are only intended to help a clear understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

실시예 Example

실시예: 전극 및 막전극 접합체의 제조Example: Preparation of Electrode and Membrane Electrode Assembly

(1) 캐소드 전극의 제조(1) Preparation of Cathode Electrode

70wt% PtCo/Vulcan(DC1, Dongjin Semichem) 1g과 10% 나피온 분산액(Nafion®, DuPont)을 2.5g을 넣고 7g의 물을 섞은 후 균질기를 이용하여 약 400rpm속도로 10분간 교반하여 고분자형 전해질형 연료 전지의 촉매 슬러리를 제조하였다. 2.5g of 70wt% PtCo / Vulcan (DC1, Dongjin Semichem) and 10% Nafion dispersion (Nafion ® , DuPont) were mixed with 7g of water and stirred for 10 minutes at a speed of about 400rpm using a homogenizer. A catalyst slurry of the type fuel cell was prepared.

카본 페이퍼인 SGL 24BC (SGL Technology) 표면 위에 0.5wt% 나피온 분산액을 상기 표면을 충분히 적셔서 단위 면적당 나피온의 도포량이 약 0.1mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 그 위에 상기 제조된 촉매 슬러리를 건조 함량이 약 2.5mg/cm2이 되도록 도포하였다. 그 후에 도 1에 따른 건조기를 이용하여 하판을 30℃로 설정하고, 상판을 0℃ 로 설정한 후에, 상기 촉매 슬러리가 도포된 전극 지지체를 하판 위에 올려놓았다.Sufficiently wet the surface with 0.5 wt% Nafion dispersion on the surface of SGL 24BC (SGL Technology), a carbon paper, so that the coating amount of Nafion per unit area is about 0.1 mg / cm 2. Applied. The catalyst slurry prepared above was applied to a dry content of about 2.5 mg / cm 2 . Thereafter, the lower plate was set to 30 ° C. and the upper plate was set to 0 ° C. using the dryer according to FIG. 1, and then the electrode support to which the catalyst slurry was applied was placed on the lower plate.

촉매 슬러리와 상판의 간격이 1mm정도로 유지하면서 맞닿지 않도록 조절한다. 도포된 촉매 슬러리가 건조되면, 그 상면에 다시 0.5wt% 나피온 분산액을 상기 표면을 충분히 적셔서 단위 면적당 나피온의 도포량이 약 0.1mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 이후 그 위에 다시 촉매 건조 함량이 약 1.5mg/cm2이 되도록 촉매 슬러리의 도포시켰다. 젖은 촉매 슬러리 윗면에 전해질막과의 접합상태를 용이하게 하기 위해서 접합용 나피온 용액(10% 나피온 : 이소프로필알콜(IPA) : DI = 1:1:1)을 나피온의 건조 함량을 약 0.5~1.5mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 젖은 슬러리가 도포된 상태에서 다시 위와 같은 건조 과정을 반복했다. 건조된 전극은 촉매층 내의 이오노머의 고착을 위해서 80℃에서 재건조 시켰다.The gap between the catalyst slurry and the top plate is maintained at about 1 mm so as not to contact. When the applied catalyst slurry is dried, the surface is wetted with 0.5 wt% Nafion dispersion again, so that the coating amount of Nafion per unit area is about 0.1 mg / cm 2. Applied. Thereafter the catalyst slurry was applied again so that the catalyst dry content was about 1.5 mg / cm 2 . Nafion solution for bonding (10% Nafion: Isopropyl Alcohol (IPA): DI = 1: 1: 1) was used to reduce the dry content of Nafion to facilitate the bonding with the electrolyte membrane on the top surface of the wet catalyst slurry. 0.5-1.5 mg / cm <2> was applied. The drying process was repeated again with the wet slurry applied. The dried electrode was re-dried at 80 ° C. to fix the ionomer in the catalyst layer.

(2) 애노드 전극의 제조(2) Preparation of the anode electrode

60wt% PtRu/Vulcan(DA1, Dongjin Semichem) 1g과 10% 나피온 분산액 (Nafion®, DuPont) 분산액을 2.5g을 넣고 7g의 물을 섞은 후 균질기를 이용하여 약 400rpm속도로 10분간 교반시켜서 고분자형 전해질형 연료전지의 촉매 슬러리를 제조하였다. 소수성 물질과 MPL(Microporous layer)이 도포된 TCP(Toray Carbon Paper) 표면 위에 0.5wt% 나피온 분산액을 상기 표면을 충분히 적셔서 단위 면적당 나피온의 도포량이 약 0.01mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 그 위에 촉매 슬러리를 건조 함량이 약 2.0mg/cm2이 되도록 도포 하였다. 그 후에 도 1에 따른 건조기를 이용하여 하판을 30℃로 설정하고, 상판을 0℃로 설정한 후에, 상기 촉매 슬러리가 도포된 전극 지지체를 하판 위에 올려놓았다.Add 2.5g of 60wt% PtRu / Vulcan (DA1, Dongjin Semichem) and 10% Nafion dispersion (Nafion ® , DuPont) and mix 7g of water and stir for 10 minutes at about 400rpm using a homogenizer. A catalyst slurry of an electrolyte fuel cell was prepared. 0.5 wt% Nafion dispersion on the surface of TCP (Toray Carbon Paper) coated with hydrophobic material and microporous layer (MPL) is sufficiently wetted so that the coating amount of Nafion per unit area is about 0.01 mg / cm 2. Applied. The catalyst slurry was applied thereon to a dry content of about 2.0 mg / cm 2 . Thereafter, the lower plate was set to 30 ° C. and the upper plate was set to 0 ° C. using the dryer according to FIG. 1, and then the electrode support to which the catalyst slurry was applied was placed on the lower plate.

촉매 슬러리와 상판의 간격이 1mm정도로 유지하면서 맞닿지 않도록 조절한다. 도포된 촉매 슬러리가 건조되면, 그 상면에 다시 0.5wt% 나피온 분산액을 상기 표면을 충분히 적셔서 단위 면적당 나피온의 도포량이 약 0.01mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 이후 그 위에 다시 촉매 건조 함량이 약 1.0mg/cm2이 되도록 촉매 슬러리의 도포시켰다.The gap between the catalyst slurry and the top plate is maintained at about 1 mm so as not to contact. When the applied catalyst slurry is dried, the surface is sufficiently wetted with 0.5 wt% Nafion dispersion again so that the coating amount of Nafion per unit area is about 0.01 mg / cm 2. Applied. Thereafter, the catalyst slurry was applied again so that the catalyst dry content was about 1.0 mg / cm 2 .

젖은 촉매 슬러리 윗면에 전해질막과의 접합상태를 용이하게 하기 위해서 접합용 나피온 용액(10% 나피온 : 이소프로필알콜(IPA) : DI = 1:1:1)을 나피온의 건조 함량을 약 0.5~1.5mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 젖은 슬러리가 도포된 상태에서 다시 위와 같은 건조 과정을 반복했다. 건조된 전극은 촉매층 내의 이오노머의 고착을 위해서 80℃에서 재건조 시켰다.Nafion solution for bonding (10% Nafion: Isopropyl Alcohol (IPA): DI = 1: 1: 1) was used to reduce the dry content of Nafion to facilitate the bonding with the electrolyte membrane on the top surface of the wet catalyst slurry. 0.5-1.5 mg / cm <2> was applied. The drying process was repeated again with the wet slurry applied. The dried electrode was re-dried at 80 ° C. to fix the ionomer in the catalyst layer.

(3) 막전극 접합체의 제조(3) Preparation of membrane electrode assembly

고분자 전해질막 Nafion 112 (DuPont) 막의 양면에 상기에서 제조된 캐소드 및 애노드 전극을 접하게 하고 열융착(hotpress)방법으로 접합하여 전해질막/전극 접합체를 제조하였다. 이때, 접합은 130oC, 3min, 압력은 100kg/cm2에서 수행하였 다.An electrolyte membrane / electrode assembly was prepared by contacting the cathode and anode electrodes prepared above to both sides of the polymer electrolyte membrane Nafion 112 (DuPont) membrane and bonding them by a hot fusion method. At this time, the bonding was performed at 130 o C, 3 min, pressure 100kg / cm 2 .

비교예 Comparative example

비교예: 전극 및 막전극 접합체의 제조Comparative Example: Preparation of Electrode and Membrane Electrode Assembly

(1) 캐소드 전극의 제조(1) Preparation of Cathode Electrode

70wt% PtCo/Vulcan(DC1, Dongjin Semichem) 1g과 10% 나피온(Nafion®, DuPont) 분산액을 2.5g을 넣고 7g의 물을 섞은 후 균질기를 이용하여 약 400rpm속도로 10분간 교반하여 고분자형 전해질형 연료 전지의 촉매 슬러리를 제조하였다. Add 2.5g of 70wt% PtCo / Vulcan (DC1, Dongjin Semichem) and 10% Nafion (Nafion ® , DuPont) dispersion, mix 7g of water, and stir for 10 minutes at about 400rpm using a homogenizer. A catalyst slurry of the type fuel cell was prepared.

카본 페이퍼인 SGL 24BC (SGL Technology) 표면 위에 0.5wt% 나피온 분산액을 상기 표면을 충분히 적셔서 단위 면적당 나피온의 도포량이 약 0.1mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 그 위에 상기 제조된 촉매 슬러리를 건조 함량이 약 4.0mg/cm2이 되도록 도포하였다. 그 후에 건조기를 이용하여 50oC로 건조하였다. 건조된 촉매층 윗면에 전해질막과의 접합상태를 용이하게 하기 위해서 접합용 나피온 용액(10% 나피온 : 이소프로필알콜(IPA) : DI = 1:1:1)을 나피온의 건조 함량을 약 0.5~1.5mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 건조된 전극은 촉매층 내의 이오노머의 고착을 위해서 80℃ 에서 재건조 시켰다.Sufficiently wet the surface with 0.5 wt% Nafion dispersion on the surface of SGL 24BC (SGL Technology), a carbon paper, so that the coating amount of Nafion per unit area is about 0.1 mg / cm 2. Applied. The prepared catalyst slurry was applied thereon to a dry content of about 4.0 mg / cm 2 . Thereafter, the resultant was dried at 50 ° C. using a dryer. To facilitate bonding with the electrolyte membrane on the dried catalyst layer, Nafion solution (10% Nafion: Isopropyl Alcohol (IPA): DI = 1: 1: 1) was used to reduce the dry content of Nafion. 0.5-1.5 mg / cm <2> was applied. The dried electrode was re-dried at 80 ° C. to fix the ionomer in the catalyst layer.

(2) 애노드 전극의 제조(2) Preparation of the anode electrode

60wt% PtRu/Vulcan(DA1, Dongjin Semichem) 1g과 10% 나피온 분산액(Nafion ®, DuPont) 을 2.5g을 넣고 7g의 물을 섞은 후 균질기를 이용하여 약 400rpm속도로 10분간 교반시켜서 고분자형 전해질형 연료전지의 촉매 슬러리를 제조하였다. 소수성 물질과 MPL(Microporous layer)이 도포된 TCP(Toray Carbon Paper)표면 위에 0.5wt% 나피온 분산액을 상기 표면을 충분히 적셔서 단위 면적당 나피온의 도포량이 약 0.01mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 그 위에 촉매 슬러리를 건조 함량이 약 3.0mg/cm2이 되도록 도포 하였다. 그 후에 건조기를 이용하여 50oC로 건조하였다. 건조된 촉매층 윗면에 전해질막과의 접합상태를 용이하게 하기 위해서 접합용 나피온 용액(10% 나피온 : 이소프로필알콜(IPA) : DI = 1:1:1)을 나피온의 건조 함량을 약 0.5~1.5mg/cm2이 되도록 도포시켰다. 건조된 전극은 촉매층 내의 이오노머의 고착을 위해서 80 ℃에서 재건조 시켰다.1 g of 60 wt% PtRu / Vulcan (DA1, Dongjin Semichem) and 10 g of Nafion dispersion (Nafion ® , DuPont) were mixed with 7 g of water and stirred for 10 minutes at a speed of about 400 rpm using a homogenizer. A catalyst slurry of the type fuel cell was prepared. Apply 0.5 wt% Nafion dispersion on the surface of Toray Carbon Paper (TCP) coated with hydrophobic material and microporous layer (MPL) sufficiently so that the amount of Nafion applied per unit area is about 0.01 mg / cm 2. Applied. The catalyst slurry was applied thereon to a dry content of about 3.0 mg / cm 2 . Thereafter, the resultant was dried at 50 ° C. using a dryer. To facilitate bonding with the electrolyte membrane on the dried catalyst layer, Nafion solution (10% Nafion: Isopropyl Alcohol (IPA): DI = 1: 1: 1) was used to reduce the dry content of Nafion. 0.5-1.5 mg / cm <2> was applied. The dried electrode was re-dried at 80 ° C. to fix the ionomer in the catalyst layer.

(3) 막전극 접합체의 제조(3) Preparation of membrane electrode assembly

고분자 전해질막 Nafion 112 (DuPont) 막의 양면에 상기에서 제조된 캐소드 및 애노드 전극을 접하게 하고 열융착(hotpress)방법으로 접합하여 전해질막/전극 접합체를 제조하였다. 이때, 접합은 130℃, 3min, 압력은 100kg/cm2에서 수행하였다.An electrolyte membrane / electrode assembly was prepared by contacting the cathode and anode electrodes prepared above to both sides of the polymer electrolyte membrane Nafion 112 (DuPont) membrane and bonding them by a hot fusion method. At this time, the bonding was carried out at 130 ℃, 3min, pressure 100kg / cm 2 .

실험 결과Experiment result

실시예 및 비교예에서 제조된 막전극 접합체를 가지고 단위전지 실험을 진행하였다. 실험조건은 다음과 같다.Unit cell experiments were carried out with the membrane electrode assemblies prepared in Examples and Comparative Examples. Experimental conditions are as follows.

연료 공급은 4vol% 메탄올 수용액을 가지고 1cc/min을 공급시키면서, 동시에 공기 유량은 150cc/min으로 공급해주었다. 온도에 따라서 I-V 곡선을 측정하고, 전력(Power)값을 계산하여 I-P 곡선을 얻어서, 도 3에 나타내었다. The fuel supply was supplied at 1 cc / min with 4 vol% methanol aqueous solution, while at the same time the air flow rate was supplied at 150 cc / min. The I-V curve was measured according to the temperature, the power value was calculated, and the I-P curve was obtained.

도 3을 참조하면, 일정 전압, 예를 들어 0.4V을 기준으로, 전류 및 전력 밀도의 값을 살펴보면, 비교예는 약 0.8A의 전류 및 70mW/cm2의 전력 밀도를 나타내나, 실시예는 약 1.2A의 전류 및 100mW/cm2의 전력 밀도를 나타내고 있다. 따라서, 실시예에 따른 연료 전지가 비교예의 경우보다 일정 전압에서 더 큰 전력 밀도를 갖는 우수한 성능을 발휘한다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, when looking at the values of current and power density based on a constant voltage, for example 0.4 V, the comparative example shows a current of about 0.8 A and a power density of 70 mW / cm 2 . A current of about 1.2 A and a power density of 100 mW / cm 2 are shown. Therefore, it can be seen that the fuel cell according to the embodiment exhibits excellent performance with a higher power density at a constant voltage than in the case of the comparative example.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매층의 건조 장치를 도시한 도면이다.1 is a view showing a drying device of a catalyst layer according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 도시한 도면이다. 2 illustrates a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 3은 상기 실시예 및 비교예에서 제조한 막전극 접합체의 단위 전지 실험 평가 결과를 도시한 그래프이다.3 is a graph showing the evaluation results of the unit cell experiment of the membrane electrode assembly prepared in Examples and Comparative Examples.

<도면 부호에 대한 간단한 설명> <Short description of drawing symbols>

1: 상판 2: 하판1: top plate 2: bottom plate

3: 높이 조절부 4: 제어부3: height adjustment part 4: control part

5: 가열기 6: 냉각기5: burner 6: cooler

11: 지지체 12: 촉매 슬러리11: support 12: catalyst slurry

20: 애노드 30: 캐소드 20: anode 30: cathode

40: 전해질막 50: 애노드 분리판 40: electrolyte membrane 50: anode separator

60: 캐소드 분리판 22: 애노드 확산층 60: cathode separator 22: anode diffusion layer

21: 애노드 촉매층 31: 캐소드 촉매층 21: anode catalyst layer 31: cathode catalyst layer

32: 캐소드 확산층 32: cathode diffusion layer

Claims (28)

촉매 금속 입자; 및 이오노머를 포함하는 연료 전지용 촉매층으로서, 상기 촉매층이 이오노머의 농도구배(gradient)를 갖는 연료 전지용 촉매층. Catalytic metal particles; And an ionomer, wherein the catalyst layer is a fuel cell catalyst layer, wherein the catalyst layer has a concentration gradient of the ionomer. 제1항에 있어서, 상기 이오노머가 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.The method of claim 1, wherein the ionomer is a fluoropolymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, a polyether sulfone-based polymer, a polyether A catalyst layer for a fuel cell, characterized in that at least one selected from the group consisting of a ketone-based polymer, a polyether-etherketone-based polymer, and a polyphenylquinoxaline-based polymer. 제1항에 있어서, 상기 이오노머의 농도가 상기 연료 전지용 촉매층의 저면에서 상면 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.The catalyst layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the concentration of the ionomer increases in an upward direction from the bottom of the catalyst layer for fuel cell. 제1항에 있어서, 상기 이오노머의 함량이 촉매 금속 입자 100 중량부에 대해서 5 내지 300 중량부인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.The catalyst layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the ionomer is 5 to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of catalyst metal particles. 제1항에 있어서, 탄소계 지지체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.The catalyst layer for a fuel cell according to claim 1, further comprising a carbon-based support. 제5항에 있어서, 상기 탄소계 지지체가 카본블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소 분자체, 탄소나노튜브, 미세 기공을 갖고 있는 활성탄, 메조포러스 카본으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.The method of claim 5, wherein the carbon-based support is at least one selected from the group consisting of carbon black, Ketjen black, acetylene black, activated carbon powder, carbon molecular sieve, carbon nanotubes, activated carbon having fine pores, mesoporous carbon A catalyst layer for a fuel cell, characterized in that. 제1항에 있어서, 상기 촉매 금속 입자가 주촉매 금속, 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금 및 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 입자인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.The fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst metal particles are at least one metal particle selected from the group consisting of a main catalyst metal, an alloy of the main catalyst metal and the cocatalyst metal, and a main catalyst metal doped with the cocatalyst metal. Catalyst bed. 제7항에 있어서, 상기 주촉매 금속이 백금, 금, 루테늄 또는 오스뮴인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.8. The catalyst layer for a fuel cell according to claim 7, wherein the main catalyst metal is platinum, gold, ruthenium or osmium. 제7항에 있어서, 상기 보조촉매 금속이 세륨, 루테늄, 주석, 텅스텐, 티타늄, 몰리브덴, 철, 바나듐, 망간, 코발트, 크롬, 니켈, 팔라듐, 로듐 및 이리듐으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.8. The method of claim 7, wherein the cocatalyst metal is at least one metal selected from the group consisting of cerium, ruthenium, tin, tungsten, titanium, molybdenum, iron, vanadium, manganese, cobalt, chromium, nickel, palladium, rhodium and iridium. A catalyst layer for a fuel cell, characterized in that. 제7항에 있어서, 상기 촉매 금속 입자가 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금이거나, 또는 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속인 경우, 상기 주촉매 금속과 보조촉매 금속 사이의 원자비는 9:1 내지 1:9인 것을 특징으로 하는 연료 전지 용 촉매층.8. The atomic ratio between the main catalyst metal and the cocatalyst metal according to claim 7, wherein the catalyst metal particles are alloys of the main catalyst metal and the cocatalyst metal or doped with the cocatalyst metal. Catalyst layer for fuel cell, characterized in that 1 to 1: 9. 제7항에 있어서, 상기 촉매 금속 입자가 주촉매 금속과 보조촉매 금속의 합금이거나, 또는 보조촉매 금속으로 도핑된 주촉매 금속인 경우, 상기 주촉매 금속/보조촉매 금속의 중량비는 0.3 내지 20인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.The weight ratio of the main catalyst metal to the cocatalyst metal is 0.3 to 20 when the catalyst metal particles are alloys of the main catalyst metal and the cocatalyst metal or doped with the cocatalyst metal. A catalyst layer for a fuel cell, characterized in that. 제1항에 있어서, 상기 촉매 금속 입자의 평균 입경이 1.0 내지 10.0 nm인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.The catalyst layer for a fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst metal particles have an average particle diameter of 1.0 to 10.0 nm. 제5항에 있어서, 상기 탄소계 지지체의 함량이 촉매 금속 입자 100 중량부에 대해서 10 내지 1,000 중량부인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층.The catalyst layer for a fuel cell according to claim 5, wherein the content of the carbonaceous support is 10 to 1,000 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst metal particles. (a) 촉매 금속 입자, 이오노머 및 분산매를 포함하는 촉매 슬러리를 지지체 상면에 도포하고 건조하는 단계; 및(a) applying and drying a catalyst slurry comprising catalyst metal particles, ionomers and dispersion medium on the support surface; And (b) 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 촉매 슬러리의 이오노머 함량을 증가시켜 도포하고 건조하는 공정을 반복하는 단계;를 포함하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.(b) repeating the step of applying and drying the ionomer content of the catalyst slurry on the upper surface of the catalyst slurry dried in the previous step; and drying. 제14항에 있어서, 상기 반복하는 횟수가 1 내지 5회인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.The method for producing a catalyst layer for a fuel cell according to claim 14, wherein the number of repetitions is 1 to 5 times. 제14항에 있어서, 상기 촉매 슬러리가 탄소 지지체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.15. The method of claim 14, wherein the catalyst slurry further comprises a carbon support. 제14항에 있어서, 상기 건조하는 단계가, 상기 촉매 슬러리가 도포된 지지체를 가열기가 연결된 하판 상에 위치시키고 냉각기가 연결된 상판을 상기 도포된 촉매 슬러리 상에 이격시키는 단계; 및 상기 상판과 하판의 온도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.15. The method of claim 14, wherein the drying step comprises: placing a support to which the catalyst slurry is applied on a lower plate to which a heater is connected and spaced apart from the top plate to which the cooler is connected on the applied catalyst slurry; And controlling the temperature of the upper and lower plates. 제17항에 있어서, 상기 도포된 촉매 슬러리와 상판 사이의 간격이 1 내지 15 mm인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.18. The method of producing a catalyst layer for a fuel cell according to claim 17, wherein the interval between the applied catalyst slurry and the top plate is 1 to 15 mm. 제17항에 있어서, 상기 상판의 온도가 -15 내지 30℃로 조절되고, 상기 하판의 온도가 0 내지 150℃로 조절되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.The method of claim 17, wherein the temperature of the upper plate is adjusted to −15 to 30 ° C., and the temperature of the lower plate is adjusted to 0 to 150 ° C. 18. 제14항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 촉매 슬러리를 도포하기 전에 상기 전단계에서 건조된 촉매 슬러리의 상면에 이오노머 분산액을 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 촉매층의 제조 방법.15. The method of claim 14, further comprising applying an ionomer dispersion to the upper surface of the catalyst slurry dried in the previous step before applying the catalyst slurry in step (b). 냉각기와 연결되어 온도 조절이 가능한 상판; A top plate connected to the cooler and capable of temperature control; 상기 상판과 대향되며, 상기 상판과의 거리가 조절 가능 하도록 설치되며, 가열기와 연결되어 온도 조절이 가능한 하판; 및 A lower plate opposed to the upper plate and installed to adjust a distance from the upper plate and connected to a heater to control a temperature; And 상기 상판 및 하판의 온도가 조절되도록 상기 냉각기 및 상기 가열기를 제어하는 제어부를 포함하는 연료 전지용 촉매층의 건조 장치. And a control unit for controlling the cooler and the heater so that the temperature of the upper and lower plates is controlled. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 촉매층을 포함하는 연료 전지용 전극. An electrode for a fuel cell comprising the catalyst layer according to any one of claims 1 to 13. 제1항 내지 제13항에 따른 촉매층을 포함하는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 게재되는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체.A pair of electrodes comprising a catalyst layer according to claim 1; And an electrolyte membrane disposed between the pair of electrodes. 제23항에 있어서, 상기 촉매층의 일면이 전해질막과 접하고, 타면이 가스확산층과 접하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체. 24. The membrane electrode assembly of claim 23, wherein one surface of the catalyst layer is in contact with the electrolyte membrane and the other surface is in contact with the gas diffusion layer. 제24항에 있어서, 상기 촉매층이 가스확산층에서 전해질막의 방향으로 증가하는 농도를 갖는 이오노머를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체. 25. The membrane electrode assembly of claim 24, wherein the catalyst layer comprises an ionomer having a concentration that increases in the direction of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer. 제1항 내지 제13항에 따른 촉매층을 포함하는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 게재되는 전해질막을 포함하는 막전극 접합체를 포함하는 연료 전 지. A pair of electrodes comprising a catalyst layer according to claim 1; And a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane disposed between the pair of electrodes. 제26항에 있어서, 상기 촉매층의 일면이 전해질막과 접하고, 타면이 가스확산층과 접하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.27. The fuel cell of claim 26, wherein one surface of the catalyst layer is in contact with the electrolyte membrane and the other surface is in contact with the gas diffusion layer. 제27항에 있어서, 상기 촉매층이 가스확산층에서 전해질막의 방향으로 증가하는 농도를 갖는 이오노머를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지. 28. The fuel cell of claim 27, wherein the catalyst layer comprises an ionomer having a concentration that increases in the direction of the electrolyte membrane in the gas diffusion layer.
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