KR20240157241A - Method for preparing fuel cell catalyst electrode and fuel cell catalyst electrode prepared by the method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 촉매 전극 제조방법에 관한 것으로, 촉매, 이오노머 및 용매를 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S10); 촉매, 이오노머 및 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S20); 상기 제1 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅하여 제1 촉매층을 형성하는 단계(S30); 및 상기 제2 촉매 슬러리를 상기 제2 촉매층 상에 코팅하여 제2 촉매층을 형성하는 단계(S40)을 포함하고, 상기 제1 촉매 슬러리에 포함된 이오노머는 상기 제2 촉매 슬러리에 포함된 이오노머에 비해 높은 함량비를 갖는, 연료전지 촉매 전극의 제조방법, 이로부터 제조된 연료전지 촉매 전극, 이를 포함하는 막전극 조립체 및 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode, and comprises the steps of: (S10) preparing a first catalyst slurry by dispersing and mixing a catalyst, an ionomer, and a solvent; (S20) preparing a second catalyst slurry by dispersing and mixing a catalyst, an ionomer, and a solvent; (S30) coating the first catalyst slurry on a substrate to form a first catalyst layer; and (S40) coating the second catalyst slurry on the second catalyst layer to form a second catalyst layer, wherein the ionomer included in the first catalyst slurry has a higher content ratio than the ionomer included in the second catalyst slurry, a fuel cell catalyst electrode manufactured thereby, a membrane electrode assembly including the same, and a fuel cell.
Description
본 발명은 연료전지 촉매 전극 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지 촉매 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 촉매 전극 내에 포함된 이오노머 함량 분포가 조절된 연료전지 촉매 전극을 제조할 수 있는 연료전지 촉매 전극 제조방법, 및 이로부터 제조된 연료전지 촉매 전극에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode and a fuel cell catalyst electrode manufactured thereby, and more specifically, to a method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode capable of manufacturing a fuel cell catalyst electrode having a controlled distribution of ionomer content included in the catalyst electrode of a fuel cell, and a fuel cell catalyst electrode manufactured thereby.
연료전지는 전지 내에서 수소, 메탄올 등 연료를 전기화학적으로 산화시켜, 연료의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이다. 특히, 고분자 전해질막 연료전지(PEFC, Polymer Electrolyte membrane Fuel Cell)는 이온 전도성을 가지는 고체 고분자 전해질막을 이용하여 고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 등의 고온 운전 연료전지 대비 저온 운전이 가능하고, 간이한 시스템 구현이 가능하여 차량 및 건물 등의 전원으로 사용되고 있다.A fuel cell electrochemically oxidizes fuels such as hydrogen and methanol within the cell, thereby converting the chemical energy of the fuel into electrical energy. In particular, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEFC) can be operated at low temperatures compared to high-temperature fuel cells such as a solid oxide fuel cell (SOFC), by using a solid polymer electrolyte membrane with ion conductivity, and can be used as a power source for vehicles and buildings due to the implementation of a simple system.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 음극(수소극), 양극(공기극) 및 수소이온 전도성 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)를 포함한다. 여기서, 상기 음극(수소극) 및 양극(공기극)은 각각 연료의 산화 반응과 산소의 환원 반응을 일으킬 수 있는 동종 또는 이종의 귀금속 촉매가 다공성 담지체 표면에 고르게 분산된 형태로 존재한다. These polymer electrolyte membrane fuel cells include a membrane electrode assembly (MEA) including a cathode (hydrogen electrode), an anode (air electrode), and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. Here, the cathode (hydrogen electrode) and the anode (air electrode) each have a homogeneous or heterogeneous noble metal catalyst capable of causing an oxidation reaction of fuel and a reduction reaction of oxygen, which are evenly dispersed on the surface of a porous support.
연료로 사용되는 수소와 공기는 각각 분리판/기체확산층을 통해 공기극과 수소극으로 유입되며 각 전극에서 수소는 산화되어 전자를 생성하고 수소이온은 고분자 전해질막을 통과해 공기극에서 산소와 반응하여 전기와 물을 생성하게 된다. Hydrogen and air used as fuel are introduced into the air electrode and hydrogen electrode through the separator/gas diffusion layer, respectively. At each electrode, hydrogen is oxidized to generate electrons, and hydrogen ions pass through the polymer electrolyte membrane and react with oxygen at the air electrode to generate electricity and water.
공기극의 일반적인 구성요소는 카본에 담지된 촉매, 이온전도 및 구성물의 접착성을 유지하는 바인더 두 가지로 구성되어 있다. 공기극의 산소 환원 반응은 수소극의 산화 반응보다 느리면서도 반응 생성물로서 물이 계속해서 생성되기 때문에 구동 중 연료로 사용되는 공기가 마이크로 구조를 가지는 전극 내부에 균일하게 공급되는 것이 중요하다. 따라서, 공기극 내에서 촉매 반응이 원활히 이루어지기 위해서는 공기극 내에 산소 전달히 원활히 이루어질 수 있도록 공기극의 구조를 설계할 것이 요구된다. The general components of the air electrode are composed of two materials: a catalyst supported on carbon, and a binder that maintains ion conductivity and adhesiveness of the components. Since the oxygen reduction reaction of the air electrode is slower than the oxidation reaction of the hydrogen electrode and water is continuously generated as a reaction product, it is important that the air used as fuel during operation is uniformly supplied to the inside of the electrode having a microstructure. Therefore, in order for the catalytic reaction to occur smoothly within the air electrode, it is required to design the structure of the air electrode so that oxygen can be transferred smoothly within the air electrode.
막 전극 접합체(MEA)의 공기극 내에서는 수소 이온의 전달과 산소의 투과가 모두 원활하게 이루어져야 하지만 2개의 조건은 서로 상반된 관계를 가지고 있다. 즉, 수소 이온의 전달을 높이기 위해서는 이오노머의 함량을 높여야 하지만, 이오노머의 함량을 높일 경우 산소 투과 및 물 배출이 어려워지고, 산소 투과도를 위해 이오노머의 함량을 낮추면 수소 이온의 전달이 어려워진다. In the air electrode of the membrane electrode assembly (MEA), both hydrogen ion transport and oxygen permeation must occur smoothly, but the two conditions are in conflict with each other. That is, in order to increase hydrogen ion transport, the ionomer content must be increased, but if the ionomer content is increased, oxygen permeation and water discharge become difficult, and if the ionomer content is lowered for oxygen permeability, hydrogen ion transport becomes difficult.
이를 해결하기 위해서는 전해질 막에 가까운 영역은 이오노머의 함량을 높이고, 전해질막에서 먼 영역은 이오노머의 함량을 낮추면 되지만, 이러한 형태의 전극은 전사 후 접합 방식에 의해 제조되는 종래 방법의 제조방법에 의할 경우 제조가 어렵다는 문제가 있다. 예컨대, 전사를 위해 기재 필름에 전극을 형성하고자 할 때 이오노머의 함량을 낮추면 전극의 형성이 곤란하고, 기재에 높은 이오노머 함량을 가진 층을 먼저 형성하고, 그 위에 낮은 이오노머 함량을 가진 층을 형성하여 이를 전해질 막에 전사할 경우, 전사가 용이하지 않고, 전사가 이루어지는 경우에도 전해질 막에 가까운 쪽에 이오노머 함량이 낮은 층이 위치하게 된다는 문제가 있다. To solve this problem, the ionomer content can be increased in the area close to the electrolyte membrane and lowered in the area far from the electrolyte membrane. However, this type of electrode is difficult to manufacture using a conventional manufacturing method that is manufactured by a post-transfer bonding method. For example, when trying to form an electrode on a substrate film for transfer, if the ionomer content is lowered, it is difficult to form the electrode, and if a layer with a high ionomer content is first formed on the substrate and a layer with a low ionomer content is formed thereon and then transferred to the electrolyte membrane, the transfer is not easy, and even when transfer is performed, there is a problem that the layer with the low ionomer content is located closer to the electrolyte membrane.
따라서, 전해질 막에 가까운 쪽의 이오노머 함량이 높고, 전해질 막에 먼 쪽의 이오노머 함량이 낮은 형태의 연료전지 전극 및 막 전극 접합체를 실제로 구현할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있다. Therefore, there is a need for the development of a method that can actually implement a fuel cell electrode and membrane electrode assembly having a high ionomer content near the electrolyte membrane and a low ionomer content far from the electrolyte membrane.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전해질 막에 가까운 쪽의 이오노머 함량이 높고, 전해질 막에 먼 쪽의 이오노머 함량이 낮은 형태의 연료전지의 전극을 제조할 수 있는 연료전지 촉매 전극 제조방법을 제공하는 것이다. The problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode capable of manufacturing a fuel cell electrode having a high ionomer content on the side close to the electrolyte membrane and a low ionomer content on the side far from the electrolyte membrane.
본 발명의 다른 해결하고자 하는 과제는 상기 연료전지 촉매 전극 제조방법을 통해 제조된 연료전지 촉매 전극을 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell catalyst electrode manufactured through the above-described method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode.
본 발명의 또 다른 해결하고자 하는 과제는 상기 연료전지 촉매 전극을 포함하는 막전극 접합체를 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a membrane electrode assembly including the fuel cell catalyst electrode.
또한, 본 발명의 또 다른 해결하고자 하는 과제는 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다. In addition, another problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell including the membrane electrode assembly.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 촉매, 이오노머 및 용매를 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S10); 촉매, 이오노머 및 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S20); 상기 제1 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅하여 제1 촉매층을 형성하는 단계(S30); 및 상기 제2 촉매 슬러리를 상기 제2 촉매층 상에 코팅하여 제2 촉매층을 형성하는 단계(S40)을 포함하고, 상기 제1 촉매 슬러리에 포함된 이오노머는 상기 제2 촉매 슬러리에 포함된 이오노머에 비해 높은 함량비를 갖는, 연료전지 촉매 전극의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode, including a step (S10) of preparing a first catalyst slurry by dispersing and mixing a catalyst, an ionomer, and a solvent; a step (S20) of preparing a second catalyst slurry by dispersing and mixing a catalyst, an ionomer, and a solvent; a step (S30) of coating the first catalyst slurry on a substrate to form a first catalyst layer; and a step (S40) of coating the second catalyst slurry on the second catalyst layer to form a second catalyst layer, wherein the ionomer included in the first catalyst slurry has a higher content ratio than the ionomer included in the second catalyst slurry.
상기 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기재, 및 상기 기재의 일면에 형성된 촉매층을 포함하는 연료전지 촉매 전극으로서, 상기 촉매층은 제1 촉매층, 및 상기 제1 촉매층 상에 형성된 제2 촉매층을 포함하고, 상기 제1 촉매층 및 제2 촉매층은 촉매 및 이오노머를 포함하며, 상기 제1 촉매층에 포함된 이오노머는 상기 제2 촉매층에 포함된 이오노머에 비해 높은 함량비를 가지는 연료전지 촉매 전극을 제공한다. In order to solve the other problems described above, the present invention provides a fuel cell catalyst electrode including a substrate and a catalyst layer formed on one surface of the substrate, wherein the catalyst layer includes a first catalyst layer and a second catalyst layer formed on the first catalyst layer, and the first catalyst layer and the second catalyst layer include a catalyst and an ionomer, and the ionomer included in the first catalyst layer has a higher content ratio than the ionomer included in the second catalyst layer.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 음극; 양극; 및 음극 및 양극 사이에 개재된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 양극은 제6항에 따른 연료전지 촉매 전극인 막전극 접합체를 제공한다. In order to solve the above another problem, the present invention provides a membrane electrode assembly including a cathode; an anode; and a polymer electrolyte membrane interposed between the cathode and the anode, wherein the anode is a fuel cell catalyst electrode according to claim 6.
상기 또 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. In order to solve the above another problem, the present invention provides a fuel cell including the membrane electrode assembly.
본 발명에 따른 연료전지 막 전극 접합체의 제조방법은 상대적으로 이오노머의 함량비가 높은 제1 촉매층을 전해질 막에 직접 형성시킨 다음, 상기 제1 촉매층 상에 상대적으로 이오노머의 함량비가 낮은 제2 촉매층을 형성시키는 방법이 수행되므로, 수소 이온의 이동 속도가 우수하고 산소의 확산이 용이하게 이루어지며, 생성된 물배출이 용이한 연료전지용 전극을 실제로 구현할 수 있다. 또한, 이와 같이 제조된 연료전지용 전극 및 이를 포함하는 막 전극 접합체는 고출력 영역에서 우수한 출력 특성을 발휘할 수 있으므로, 고출력이 요구되는 연료전지의 막 전극 접합체로서 유용하게 사용될 수 있다. The method for manufacturing a fuel cell membrane electrode assembly according to the present invention is performed by forming a first catalyst layer having a relatively high ionomer content ratio directly on an electrolyte membrane and then forming a second catalyst layer having a relatively low ionomer content ratio on the first catalyst layer, so that a fuel cell electrode having an excellent hydrogen ion transport rate, easy oxygen diffusion, and easy discharge of generated water can be actually realized. In addition, the fuel cell electrode manufactured in this way and the membrane electrode assembly including the same can exhibit excellent output characteristics in a high output range, and therefore can be usefully used as a membrane electrode assembly for a fuel cell requiring high output.
도 1은 본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 연료전지용 전극의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예 1, 비교예 1 및 2에 대하여 상압, RH50 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선이다.
도 3은 실시예 1, 비교예 1 및 2에 대하여 상압, RH100 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선이다.
도 4는 실시예 1, 비교예 1 및 2에 대하여 가압, RH50 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선이다.
도 5는 실시예 1, 비교예 1 및 2에 대하여 가압, RH100 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선이다. Figure 1 is a drawing schematically showing a cross-section of an electrode for a fuel cell manufactured by the manufacturing method of the present invention.
Figure 2 is a unit cell performance curve measured under atmospheric pressure and RH50 conditions for Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.
Figure 3 is a unit cell performance curve measured under atmospheric pressure and RH100 conditions for Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.
Figure 4 is a unit cell performance curve measured under pressurized, RH50 conditions for Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.
Figure 5 is a unit cell performance curve measured under pressurized, RH100 conditions for Example 1, Comparative Examples 1 and 2.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to help understand the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims should not be interpreted as limited to their usual or dictionary meanings, but should be interpreted as having meanings and concepts that conform to the technical idea of the present invention, based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his or her own invention in the best manner.
본 발명에서 용어 '제1' 및 '제2' 등과 같은 숫자는 구성의 구분을 쉽게 하기 위해 임의로 기재된 숫자일 뿐, 각 구성에 대하여 특별한 의미를 부여하는 것은 아니다.In the present invention, numbers such as the terms 'first' and 'second' are numbers arbitrarily written to make it easy to distinguish between components, and do not impart any special meaning to each component.
본 발명은 연료전지 촉매 전극, 구체적으로 연료전지의 양극을 제조하기 위한 연료전지 촉매 전극 제조방법을 제공한다.The present invention provides a method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode, specifically, a fuel cell catalyst electrode for manufacturing an anode of a fuel cell.
본 발명의 연료전지 촉매 전극의 제조방법은 촉매, 이오노머 및 용매를 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S10); 촉매, 이오노머 및 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S20); 상기 제1 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅하여 제1 촉매층을 형성하는 단계(S30); 및 상기 제2 촉매 슬러리를 상기 제2 촉매층 상에 코팅하여 제2 촉매층을 형성하는 단계(S40)을 포함하는 것으로, 상기 제1 촉매 슬러리에 포함된 이오노머는 상기 제2 촉매 슬러리에 포함된 이오노머에 비해 높은 함량비를 갖는 것을 특징으로 한다. The method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode of the present invention comprises the steps of: (S10) preparing a first catalyst slurry by dispersing and mixing a catalyst, an ionomer, and a solvent; (S20) preparing a second catalyst slurry by dispersing and mixing a catalyst, an ionomer, and a solvent; (S30) coating the first catalyst slurry on a substrate to form a first catalyst layer; and (S40) coating the second catalyst slurry on the second catalyst layer to form a second catalyst layer, wherein the ionomer included in the first catalyst slurry has a higher content ratio than the ionomer included in the second catalyst slurry.
본 발명의 연료전지 촉매 전극의 제조방법은 상대적으로 높은 이오노머 함량을 갖는 제1 촉매 슬러리와 상대적으로 낮은 이오노머 함량을 갖는 제2 촉매 슬러리를 제조한 후, 기재상에 제1 촉매 슬러리를 코팅하여 제1 촉매층을 형성시키고 상기 제1 촉매 슬러리 상에 제2 촉매 슬러리를 코팅하여 제2 촉매층을 형성시키며, 상기 기재로서 전해질 막을 사용하여, 전해질 막에 인접한 제1 촉매층은 높은 이오노머 함량을 갖고, 외면의 제2 촉매층은 낮은 이오노머 함량을 갖는 연료전지용 촉매 전극을 제조할 수 있다. The method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode of the present invention comprises the steps of: preparing a first catalyst slurry having a relatively high ionomer content and a second catalyst slurry having a relatively low ionomer content; coating the first catalyst slurry on a substrate to form a first catalyst layer; and coating the second catalyst slurry on the first catalyst slurry to form a second catalyst layer; and using an electrolyte membrane as the substrate, a fuel cell catalyst electrode can be manufactured in which the first catalyst layer adjacent to the electrolyte membrane has a high ionomer content and the second catalyst layer on the outer surface has a low ionomer content.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 촉매 슬러리에 포함된 이오노머의 함량비 대비 상기 제2 촉매 슬러리에 포함된 이오노머의 함량비는 1:0.8 내지 1:0.95일 수 있고, 구체적으로 1:0.8 내지 1:0.9일 수 있으며, 더욱 구체적으로 1:0.85 내지 1:0.9일 수 있다. 상기 제1 촉매 슬러리에 포함된 이오노머의 함량비와 상기 제2 촉매 슬러리에 포함된 이오노머의 함량비가 상기 범위를 만족할 경우, 상기 제1 촉매 슬러리 및 제2 촉매 슬러리 각각을 이용하여 제1 촉매층 및 제2 촉매층을 형성하였을 때, 제1 촉매층은 높은 수소 이온 전달 효과를 나타내고, 제2 촉매층은 우수한 산소 확산 효율과 물 배출 효율을 나타내면서도, 상기 제1 촉매층과 제2 촉매층의 계면 사이에서 수소 이온의 전달과 산소 확산 효율이 급격히 감소하는 문제를 억제하여, 연료전지용 촉매전극이 제1 촉매층과 제2 촉매층을 포함함에 따른 상승 효과가 원활히 발휘될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the content ratio of the ionomer included in the second catalyst slurry to the content ratio of the ionomer included in the first catalyst slurry may be 1:0.8 to 1:0.95, specifically 1:0.8 to 1:0.9, and more specifically 1:0.85 to 1:0.9. When the content ratio of the ionomer included in the first catalyst slurry and the content ratio of the ionomer included in the second catalyst slurry satisfy the above ranges, when the first catalyst layer and the second catalyst layer are formed using the first catalyst slurry and the second catalyst slurry, respectively, the first catalyst layer exhibits a high hydrogen ion transfer effect, and the second catalyst layer exhibits excellent oxygen diffusion efficiency and water discharge efficiency, while suppressing the problem of a rapid decrease in hydrogen ion transfer and oxygen diffusion efficiency between the interface of the first catalyst layer and the second catalyst layer, so that the synergistic effect resulting from the fuel cell catalyst electrode including the first catalyst layer and the second catalyst layer can be smoothly exerted.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S10) 단계는 연료전지 촉매 전극, 특히 양극에 있어서, 상대적으로 높은 이오노머 함량을 갖는 영역인 제1 촉매층을 형성하기 위한 제1 촉매 슬러리를 제조하기 위한 단계일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the step (S10) may be a step for preparing a first catalyst slurry for forming a first catalyst layer, which is a region having a relatively high ionomer content in a fuel cell catalyst electrode, particularly an anode.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 촉매 슬러리에 포함되는 상기 촉매는 촉매 금속 및 촉매 금속이 담지된 도전재를 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the catalyst included in the first catalyst slurry may include a catalytic metal and a conductive material on which the catalytic metal is supported.
상기 촉매 금속은 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐, 망간, 바나듐 및 이들의 합금을 포함하는 것일 수 있고, 보다 구체적으로 백금일 수 있다. 또한, 상기 도전재는 활성화 탄소일 수 있고, 구체적으로, 상기 촉매 금속을 담지시키기 위한 다공성 활성화 탄소일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 촉매는 백금이 다공성 탄소 담지체에 담지된 Pt/C 촉매일 수 있다.The above catalytic metal may include platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium and alloys thereof, and more specifically, may be platinum. In addition, the conductive material may be activated carbon, and specifically, may be porous activated carbon for supporting the catalytic metal. More specifically, the catalyst may be a Pt/C catalyst in which platinum is supported on a porous carbon support.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매는 촉매 금속이 도전재 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 150 중량부, 30 중량부 내지 120 중량부, 또는 50 중량부 내지 100 중량부로 담지된 것일 수 있고, 이 범위 내에서 도전재에 의한 전극 안정성 및 이온 전도도를 충분히 확보하면서도, 수소 산화 반응 활성을 향상시키는 효과가 있다.According to one embodiment of the present invention, the catalyst may be one in which the catalytic metal is supported in an amount of 10 to 150 parts by weight, 30 to 120 parts by weight, or 50 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the conductive material, and within this range, electrode stability and ion conductivity by the conductive material are sufficiently secured while having the effect of improving hydrogen oxidation reaction activity.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이오노머는 이온 전도성 고분자로서, 예컨대 상기 이온 전도성 고분자는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ionomer may be an ion-conducting polymer, for example, the ion-conducting polymer may be a polymer having a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, and derivatives thereof in a side chain.
상기 제1 촉매 슬러리는 상기 이오노머를 고형분의 총 함량을 기준으로 25 중량% 내지 35 중량% 포함할 수 있고, 구체적으로 30 중량% 내지 34 중량% 포함할 수 있다. 상기 제1 촉매 슬러리가 상기 이오노머를 상기 함량으로 포함할 경우, 이후의 단계에서 기재 상에 원활히 제1 촉매층이 형성될 수 있으며, 형성된 제1 촉매층이 높은 이오노머 함량으로 우수한 수소 이온 전달 효과를 발휘할 수 있다. The first catalyst slurry may contain the ionomer in an amount of 25 wt% to 35 wt% based on the total solid content, and specifically, may contain 30 wt% to 34 wt%. When the first catalyst slurry contains the ionomer in the amount described above, a first catalyst layer may be smoothly formed on a substrate in a subsequent step, and the formed first catalyst layer may exhibit an excellent hydrogen ion transfer effect due to the high ionomer content.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이온 전도성 고분자일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ionomer may be at least one ion conductive polymer selected from the group consisting of 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-ether ketone polymer, and a polyphenylquinoxaline polymer.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이오노머는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산) 또는 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체일 수 있다. 또한, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중 하나의 고분자에서, 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기가 결합된 이온 전도성 고분자일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ionomer may be a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), or a sulfonic acid group. In addition, the ionomer may be an ion conductive polymer in which a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, and derivatives thereof is bonded to a side chain of one of the polymers of aryl ketone, poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole, and poly(2,5-benzimidazole).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이오노머는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있고, 필요에 따라 비전도성 화합물을 더 포함할 수 있으며, 이 경우 고분자 전해질막과의 접착력을 보다 향상시킬 수 있다. 이 때, 상기 비전도성 화합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루-4-오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ionomer may be one kind or a mixture of two or more kinds, and may further include a non-conductive compound as needed, in which case the adhesion to the polymer electrolyte membrane can be further improved. At this time, the non-conductive compound may be one or more kinds selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene/tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride-4-olide, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), dodecylbenzenesulfonic acid, and sorbitol.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용매는 제1 촉매 슬러리를 제조함에 있어서, 촉매 및 이오노머를 혼합 및 분산시키기 위한 분산제일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 용매는 수계 용매 또는 유기계 용매일 수 있다. 상기 수계 용매는 물, 알코올 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 알코올은 에탄올, 이소프로필 알코올 등과 같은 1차 알코올; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜 등과 같은 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 또한, 상기 유기계 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the solvent may be a dispersant for mixing and dispersing the catalyst and the ionomer when preparing the first catalyst slurry. As a specific example, the solvent may be an aqueous solvent or an organic solvent. The aqueous solvent may include water, alcohol, or a mixture thereof. The alcohol may be at least one selected from the group consisting of primary alcohols such as ethanol and isopropyl alcohol; and polyols such as ethylene glycol, propylene glycol, 1,3-butylene glycol, and dipropylene glycol. In addition, the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N,N-dimethylacetamide (DMAc), and N,N-dimethylformamide (DMF).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S20) 단계는 연료전지 촉매 전극, 특히 양극에 있어서, 상대적으로 낮은 이오노머 함량을 갖는 영역인 제2 촉매층을 형성하기 위한 제2 촉매 슬러리를 제조하기 위한 단계일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the step (S20) may be a step for preparing a second catalyst slurry for forming a second catalyst layer, which is a region having a relatively low ionomer content in a fuel cell catalyst electrode, particularly an anode.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 촉매 슬러리에 포함되는 상기 촉매는 촉매 금속 및 촉매 금속이 담지된 도전재를 포함하는 것일 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the catalyst included in the second catalyst slurry may include a catalytic metal and a conductive material on which the catalytic metal is supported.
상기 촉매 금속은 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐, 망간, 바나듐 및 이들의 합금을 포함하는 것일 수 있고, 보다 구체적으로 백금일 수 있다. 또한, 상기 도전재는 활성화 탄소일 수 있고, 구체적으로, 상기 촉매 금속을 담지시키기 위한 다공성 활성화 탄소일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 촉매는 백금이 다공성 탄소 담지체에 담지된 Pt/C 촉매일 수 있다.The above catalytic metal may include platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium and alloys thereof, and more specifically, may be platinum. In addition, the conductive material may be activated carbon, and specifically, may be porous activated carbon for supporting the catalytic metal. More specifically, the catalyst may be a Pt/C catalyst in which platinum is supported on a porous carbon support.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매는 촉매 금속이 도전재 100 중량부에 대하여 10 중량부 내지 150 중량부, 30 중량부 내지 120 중량부, 또는 50 중량부 내지 100 중량부로 담지된 것일 수 있고, 이 범위 내에서 도전재에 의한 전극 안정성 및 이온 전도도를 충분히 확보하면서도, 수소 산화 반응 활성을 향상시키는 효과가 있다.According to one embodiment of the present invention, the catalyst may be one in which the catalytic metal is supported in an amount of 10 to 150 parts by weight, 30 to 120 parts by weight, or 50 to 100 parts by weight based on 100 parts by weight of the conductive material, and within this range, electrode stability and ion conductivity by the conductive material are sufficiently secured while having the effect of improving hydrogen oxidation reaction activity.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이오노머는 이온 전도성 고분자로서, 예컨대 상기 이온 전도성 고분자는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ionomer may be an ion-conducting polymer, for example, the ion-conducting polymer may be a polymer having a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, and derivatives thereof in a side chain.
상기 제2 촉매 슬러리는 상기 이오노머를 고형분의 총 함량을 기준으로 23 중량% 내지 32 중량% 포함할 수 있고, 구체적으로 25 중량% 내지 30 중량% 포함할 수 있다. 상기 제2 촉매 슬러리가 상기 이오노머를 상기 함량으로 포함할 경우, 상기 제2 촉매 슬러리를 이용하여 제1 촉매층 상에 제2 촉매층이 형성될 수 있고, 상기 제2 촉매 슬러리를 이용하여 형성되는 제2 촉매층이 더욱 우수한 산소 확산 효과와 함께 생성되는 물을 원활히 배출할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다. The second catalyst slurry may contain the ionomer in an amount of 23 wt% to 32 wt% based on the total solid content, and specifically, may contain 25 wt% to 30 wt%. When the second catalyst slurry contains the ionomer in the amount described above, a second catalyst layer may be formed on the first catalyst layer using the second catalyst slurry, and the second catalyst layer formed using the second catalyst slurry may exhibit an effect of smoothly discharging the generated water along with a more excellent oxygen diffusion effect.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 이온 전도성 고분자일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ionomer may be at least one ion conductive polymer selected from the group consisting of 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-ether ketone polymer, and a polyphenylquinoxaline polymer.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이오노머는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산) 또는 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체일 수 있다. 또한, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole) 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중 하나의 고분자에서, 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기가 결합된 이온 전도성 고분자일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ionomer may be a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), or a sulfonic acid group. In addition, the ionomer may be an ion conductive polymer in which a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, and derivatives thereof is bonded to a side chain of one of the polymers of aryl ketone, poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole, and poly(2,5-benzimidazole).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이오노머는 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있고, 필요에 따라 비전도성 화합물을 더 포함할 수 있으며, 이 경우 고분자 전해질막과의 접착력을 보다 향상시킬 수 있다. 이 때, 상기 비전도성 화합물은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌 (ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루-4-오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ionomer may be one kind or a mixture of two or more kinds, and may further include a non-conductive compound as needed, in which case the adhesion to the polymer electrolyte membrane can be further improved. At this time, the non-conductive compound may be one or more kinds selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoro alkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene/tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride-4-olide, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), dodecylbenzenesulfonic acid, and sorbitol.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용매는 제2 촉매 슬러리를 제조함에 있어서, 촉매 및 이오노머를 혼합 및 분산시키기 위한 분산제일 수 있다. 구체적인 예로, 상기 용매는 수계 용매 또는 유기계 용매일 수 있다. 상기 수계 용매는 물, 알코올 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 알코올은 에탄올, 이소프로필 알코올 등과 같은 1차 알코올; 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 디프로필렌글리콜 등과 같은 폴리올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 또한, 상기 유기계 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAc) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the solvent may be a dispersant for mixing and dispersing the catalyst and the ionomer when preparing the second catalyst slurry. As a specific example, the solvent may be an aqueous solvent or an organic solvent. The aqueous solvent may include water, alcohol, or a mixture thereof. The alcohol may be at least one selected from the group consisting of primary alcohols such as ethanol and isopropyl alcohol; and polyols such as ethylene glycol, propylene glycol, 1,3-butylene glycol, and dipropylene glycol. In addition, the organic solvent may be at least one selected from the group consisting of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), N,N-dimethylacetamide (DMAc), and N,N-dimethylformamide (DMF).
본 발명의 연료전지 촉매 전극 제조방법은 전해질 막에 가까이 위치하는 제1 촉매층의 이오노머의 함량이 외부에 위치하는 제 2 촉매층의 이오노머 함량에 비해 더 높게 하기 위하여, 상기 제1 촉매 슬러리에 포함된 이오노머가 상기 제2 촉매 슬러리에 포함된 이오노머에 비해 높은 함량비를 갖는 것을 특징으로 한다. The method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode of the present invention is characterized in that the ionomer included in the first catalyst slurry has a higher content ratio than the ionomer included in the second catalyst slurry, so as to make the content of the ionomer of the first catalyst layer located close to the electrolyte membrane higher than the content of the ionomer of the second catalyst layer located externally.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S30) 단계는 제1 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅하여 제1 촉매층을 형성하는 단계이다. According to one embodiment of the present invention, the step (S30) is a step of forming a first catalyst layer by coating a first catalyst slurry on a substrate.
상기 기재는 제1 촉매 슬러리가 직접 코팅되는 연료전지 촉매 전극을 제조하기 위한 지지층으로서, 연료전지 촉매 전극에 사용될 수 있는 기재라면 특별한 제한 없이 이용 가능하다. 또한, 상기 기재는 구체적으로 고분자 전해질 막일 수 있다.The above-described substrate is a support layer for manufacturing a fuel cell catalyst electrode on which a first catalyst slurry is directly coated, and any substrate that can be used in a fuel cell catalyst electrode can be used without any particular limitation. In addition, the above-described substrate can specifically be a polymer electrolyte membrane.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S30) 단계는 제1 촉매 슬러리에 포함된 용매를 건조시키기 위한 건조 단계 또는 휘발시키기 위한 열처리 단계를 포함하여 실시될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the step (S30) may be performed including a drying step for drying the solvent included in the first catalyst slurry or a heat treatment step for volatilizing it.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S40) 단계는 제2 촉매 슬러리를 제1 촉매 슬러리 상에 코팅하여 제2 촉매층을 형성하는 단계이다.According to one embodiment of the present invention, the step (S40) is a step of forming a second catalyst layer by coating a second catalyst slurry on the first catalyst slurry.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S40) 단계는 제2 촉매 슬러리에 포함된 용매를 건조시키기 위한 건조 단계 또는 휘발시키기 위한 열처리 단계를 포함하여 실시될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the step (S40) may be performed including a drying step for drying the solvent included in the second catalyst slurry or a heat treatment step for volatilizing it.
종래에는 촉매 슬러리 내 과량의 이오노머가 함유되어야 전사가 가능하고, 촉매 슬러리의 용매에 의해 전해질막이 수축하는 현상으로 인해 별도의 기재상에 촉매층을 형성시킨 후, 이를 전해질 막에 전사시키는 방법으로 연료전지 촉매 전극의 제조가 수행되었지만, 본 발명의 연료전지 촉매 전극 제조방법은 촉매 슬러리 조성을 최적화하여, 전해질 막에 직접 제1 촉매 슬러리를 코팅하여 제1 촉매 촉매층을 형성할 수 있다. In the past, fuel cell catalyst electrodes were manufactured by forming a catalyst layer on a separate substrate and then transferring it to the electrolyte membrane because the catalyst slurry contained an excessive amount of ionomer to enable transfer and the solvent of the catalyst slurry caused the electrolyte membrane to shrink. However, the method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode of the present invention optimizes the composition of the catalyst slurry so that the first catalyst slurry can be directly coated on the electrolyte membrane to form the first catalyst layer.
기재에 코팅하여 전극을 전사하는 경우, 촉매층 형성을 위한 촉매 슬러리에 포함된 이오노머의 함량이 적정 수준에 비해 적을 경우, 이오노머가 전극 바인더로서 역할을 할 수 없어서 촉매층이 원활히 형성되지 않는다. 따라서, 기재상에 촉매층이 형성되기 위해서는 촉매층 형성을 위한 촉매 슬러리에 포함된 이오노머의 함량이 일정량 이상이어야 한다. 종래의 연료전지 촉매 전극의 제조 방법은, 별도의 기재에 촉매층을 형성시킨 후 이를 전사시키는 방법에 의해 촉매 전극을 제조하게 되며, 상기 별도의 기재에 촉매층을 형성시킬 때 기재에 접하는 면의 이오노머의 함량이 일정량 이상이어야 하므로, 따라서 촉매층을 전해질 막에 전사시켜 완성한 최종적인 연료전지 촉매 전극은 외부면에 위치하는 촉매층이 일정 함량 이상의 이오노머를 필연적으로 포함할 수밖에 없다. 이에 비하여, 본 발명의 연료전지 촉매 전극의 제조 방법은 전해질 막에 상대적으로 이오노머의 함량이 높은 제1 촉매 슬러리를 직접 코팅하여 제1 촉매층을 형성하고, 이후의 단계에서 상기 제1 촉매층 상에 상대적으로 이오노머의 함량이 적은 제2 촉매 슬러리를 코팅하여 제2 촉매층을 형성하므로, 촉매층의 전해질 막에 인접한 영역은 이오노머의 함량이 높고, 외부로 향한 영역은 이오노머의 함량이 낮은 연료전지 촉매 전극을 구현할 수 있다. When transferring an electrode by coating on a substrate, if the content of the ionomer included in the catalyst slurry for forming the catalyst layer is lower than the appropriate level, the ionomer cannot function as an electrode binder, so the catalyst layer is not formed smoothly. Therefore, in order for the catalyst layer to be formed on the substrate, the content of the ionomer included in the catalyst slurry for forming the catalyst layer must be a certain amount or more. A conventional method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode manufactures a catalyst electrode by forming a catalyst layer on a separate substrate and then transferring it, and when forming the catalyst layer on the separate substrate, the content of the ionomer on the surface contacting the substrate must be a certain amount or more. Therefore, the final fuel cell catalyst electrode completed by transferring the catalyst layer to the electrolyte membrane inevitably includes a catalyst layer located on the outer surface that contains a certain amount or more of the ionomer. In contrast, the method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode of the present invention forms a first catalyst layer by directly coating a first catalyst slurry having a relatively high ionomer content on an electrolyte membrane, and then forms a second catalyst layer by coating a second catalyst slurry having a relatively low ionomer content on the first catalyst layer in a subsequent step. Therefore, a fuel cell catalyst electrode can be implemented in which a region of the catalyst layer adjacent to the electrolyte membrane has a high ionomer content and a region facing outward has a low ionomer content.
본 발명은 상기 연료전지 촉매 전극 제조방법으로부터 제조된 연료전지 촉매 전극을 제공한다.The present invention provides a fuel cell catalyst electrode manufactured from the above-mentioned fuel cell catalyst electrode manufacturing method.
본 발명의 연료전지 촉매 전극은 기재, 및 상기 기재의 일면에 형성된 촉매층을 포함하는 연료전지 촉매 전극으로서, 상기 촉매층은 제1 촉매층, 및 상기 제1 촉매층 상에 형성된 제2 촉매층을 포함하고, 상기 제1 촉매층 및 제2 촉매층은 촉매 및 이오노머를 포함하며, 상기 제1 촉매층에 포함된 이오노머는 상기 제2 촉매층에 포함된 이오노머에 비해 높은 함량비를 가지는 것이다. The fuel cell catalyst electrode of the present invention is a fuel cell catalyst electrode including a substrate and a catalyst layer formed on one surface of the substrate, wherein the catalyst layer includes a first catalyst layer and a second catalyst layer formed on the first catalyst layer, and the first catalyst layer and the second catalyst layer include a catalyst and an ionomer, and the ionomer included in the first catalyst layer has a higher content ratio than the ionomer included in the second catalyst layer.
본 발명의 연료전지 촉매 전극에서 기재의 일면에 형성된 촉매층은 제1 촉매층 및 제2 촉매층을 포함하고, 상기 제1 촉매층이 높은 이오노머 함량을 가지며, 외부측의 제2 촉매층이 낮은 이오노머 함량을 가지므로, 전해질 막을 통해 전달되는 수소 이온을 제1 촉매층에 포함된 높은 함량의 이오노머가 더욱 효과적으로 전극 내부로 이동시키고, 외부측의 제2 촉매층은 낮은 이오노머 함량으로 우수한 산소 확산 효과를 나타내므로, 우수한 출력특성을 나타낼 수 있다. 이와 같은 본 발명의 연료전지 촉매 전극은 연료전지용 양극일 수 있다. In the fuel cell catalyst electrode of the present invention, the catalyst layer formed on one side of the substrate includes a first catalyst layer and a second catalyst layer, and since the first catalyst layer has a high ionomer content and the second catalyst layer on the outer side has a low ionomer content, the hydrogen ions transmitted through the electrolyte membrane are more effectively moved into the electrode by the high ionomer content included in the first catalyst layer, and since the second catalyst layer on the outer side exhibits an excellent oxygen diffusion effect due to the low ionomer content, it can exhibit excellent output characteristics. The fuel cell catalyst electrode of the present invention as described above can be an anode for a fuel cell.
도 1에 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극을 개략적으로 나타내었다. Figure 1 schematically illustrates an electrode for a fuel cell according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 촉매층은 상기 이오노머를 25 중량% 내지 35 중량% 포함할 수 있고, 상기 제2 촉매층은 상기 이오노머를 23 중량% 내지 32 중량% 포함할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the first catalyst layer may contain 25 wt% to 35 wt% of the ionomer, and the second catalyst layer may contain 23 wt% to 32 wt% of the ionomer.
또한, 상기 제1 촉매층은 구체적으로 상기 이오노머를 30 중량% 내지 34 중량% 포함할 수 있다. 상기 제1 촉매층이 상기 이오노머를 상기 함량으로 포함할 경우, 제1 촉매층이 높은 이오노머 함량을 바탕으로 우수한 수소 이온 전달 효과를 발휘할 수 있다. In addition, the first catalyst layer may specifically include 30 wt% to 34 wt% of the ionomer. When the first catalyst layer includes the ionomer in the above content, the first catalyst layer may exhibit an excellent hydrogen ion transfer effect based on the high ionomer content.
또한, 상기 제2 촉매층은 구체적으로 상기 이오노머를 25 중량% 내지 30 중량% 포함할 수 있다. 상기 제2 촉매층이 상기 이오노머를 상기 함량으로 포함할 경우, 제2 촉매층이 낮은 이오노머 함량에 따라 낮은 산소 확산 저항을 나타내어 우수한 산소 전달 효율을 나타낼 수 있고, 전극 내에서 생성되는 물의 배출 역시 원활히 이루어질 수 있다. In addition, the second catalyst layer may specifically include 25 wt% to 30 wt% of the ionomer. When the second catalyst layer includes the ionomer in the above content, the second catalyst layer may exhibit low oxygen diffusion resistance according to the low ionomer content, thereby exhibiting excellent oxygen transfer efficiency, and water generated within the electrode may also be discharged smoothly.
또한, 본 발명은 상기 고분자 전해질막을 포함하는 막전극 접합체를 제공한다. 상기 막전극 접합체는 음극; 양극; 및 음극 및 양극 사이에 개재된 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 양극은 본 발명에 따른 연료전지 촉매 전극인 것일 수 있다.In addition, the present invention provides a membrane electrode assembly including the polymer electrolyte membrane. The membrane electrode assembly includes a cathode; an anode; and a polymer electrolyte membrane interposed between the cathode and the anode, wherein the anode may be a fuel cell catalyst electrode according to the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 수소 가스 등과 같은 연료와 산소를 포함하는 공기의 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극 및 수소 이온의 전달이 일어나는 고분자 전해질막의 접합체일 수 있고, 음극, 양극 및 음극 및 양극 사이에 개재된 고분자 전해질막이 서로 접착된 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the membrane electrode assembly may be an assembly of an electrode in which an electrochemical catalytic reaction of air containing oxygen and a fuel such as hydrogen gas occurs and a polymer electrolyte membrane in which the transfer of hydrogen ions occurs, and the cathode, the anode, and the polymer electrolyte membrane interposed between the cathode and the anode may be adhered to each other.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 반응 가스를 공급하는 음극(연료극 또는 수소극) 및 양극(산소극 또는 공기극)의 일면에 기체확산층이 도입된 것일 수 있다. 구체적인 예로, 음극 및 양극 각각의 일면에 도입된 기체확산층 사이에 상기 막전극 접합체가 개재된 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the membrane electrode assembly may have a gas diffusion layer introduced on one surface of the cathode (fuel electrode or hydrogen electrode) and the anode (oxygen electrode or air electrode) that supply a reaction gas. As a specific example, the membrane electrode assembly may be interposed between gas diffusion layers introduced on one surface of each of the cathode and the anode.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 반응 가스를 공급하는 음극(연료극 또는 수소극) 및 양극(산소극 또는 공기극)의 다른 일면에 촉매층이 도입된 것일 수 있다. 구체적인 예로, 음극 및 양극 각각의 일면에 도입된 촉매층 사이에 상기 고분자 전해질막이 개재된 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the membrane electrode assembly may have a catalyst layer introduced on one side of the cathode (fuel electrode or hydrogen electrode) that supplies a reaction gas and the other side of the anode (oxygen electrode or air electrode). As a specific example, the polymer electrolyte membrane may be interposed between the catalyst layers introduced on one side of each of the cathode and the anode.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 음극/고분자 전해질막/양극, 기체확산층/음극/고분자 전해질막/양극, 음극/고분자 전해질막/양극/기체확산층, 기체확산층/음극/고분자 전해질막/양극/기체확산층, 음극/촉매층/고분자 전해질막/양극, 음극/고분자 전해질막/촉매층/양극, 음극/촉매층/고분자 전해질막/촉매층/양극, 기체확산층/촉매층/음극/고분자 전해질막/양극, 기체확산층/음극/고분자 전해질막/촉매층/양극, 기체확산층/촉매층/음극/고분자 전해질막/촉매층/양극, 음극/고분자 전해질막/촉매층/양극/기체확산층, 음극/촉매층/고분자 전해질막/양극/기체확산층, 음극/촉매층/고분자 전해질막/촉매층/양극/기체확산층, 및 기체확산층/촉매층/음극/고분자 전해질막/촉매층/양극/기체확산층으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종의 적층 구성을 갖는 적층체일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the membrane electrode assembly comprises: cathode/polymer electrolyte membrane/anode, gas diffusion layer/cathode/polymer electrolyte membrane/anode, cathode/polymer electrolyte membrane/anode/gas diffusion layer, gas diffusion layer/cathode/polymer electrolyte membrane/anode/gas diffusion layer, cathode/catalyst layer/polymer electrolyte membrane/anode, cathode/polymer electrolyte membrane/catalyst layer/anode, cathode/catalyst layer/polymer electrolyte membrane/catalyst layer/anode, gas diffusion layer/catalyst layer/cathode/polymer electrolyte membrane/anode, gas diffusion layer/cathode/polymer electrolyte membrane/catalyst layer/anode, gas diffusion layer/catalyst layer/cathode/polymer electrolyte membrane/catalyst layer/anode, gas diffusion layer/catalyst layer/cathode/polymer electrolyte membrane/catalyst layer/anode, cathode/polymer electrolyte membrane/catalyst layer/anode/gas diffusion layer, It may be a laminate having one type of laminated configuration selected from the group consisting of cathode/catalyst layer/polymer electrolyte membrane/anode/gas diffusion layer, cathode/catalyst layer/polymer electrolyte membrane/catalyst layer/anode/gas diffusion layer, and gas diffusion layer/catalyst layer/cathode/polymer electrolyte membrane/catalyst layer/anode/gas diffusion layer.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극은 앞서 기재한 연료전지 촉매 전극일 수 있고, 이에 따라 상기 촉매층은 앞서 기재한 연료전지 촉매 전극의 촉매층일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the anode may be the fuel cell catalyst electrode described above, and accordingly, the catalyst layer may be the catalyst layer of the fuel cell catalyst electrode described above.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양극의 촉매층은, 촉매 금속 및 촉매 금속이 담지된 도전재를 포함할 수 있다. 상기 양극의 촉매는 산소의 환원 반응을 촉진하는 금속을 포함하는 것일 수 있고, 구체적인 예로 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 루테늄, 철, 코발트, 니켈, 크롬, 텅스텐, 망간, 바나듐 및 이들의 합금 등 일 수 있다. 또한, 상기 도전재는 활성화 탄소일 수 있다. 또한, 상기 양극의 촉매층은 바인더로 상기 연료전지 촉매 전극의 바인더와 동일한 이온 전도성 고분자를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the catalyst layer of the anode may include a catalyst metal and a conductive material supporting the catalyst metal. The catalyst of the anode may include a metal that promotes a reduction reaction of oxygen, and specific examples thereof include platinum, gold, silver, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, iron, cobalt, nickel, chromium, tungsten, manganese, vanadium, and alloys thereof. In addition, the conductive material may be activated carbon. In addition, the catalyst layer of the anode may include an ion conductive polymer as a binder, which is the same as a binder of the fuel cell catalyst electrode.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 전해질막은 이온 전도성 고분자일 수 있고, 앞서 기재한 연료전지 촉매 전극의 이오노머와 동일한 이온전도성 고분자일 수 있다. 또 다른 예로, 상기 이온 전도성 고분자는 술폰산기를 포함하는 이온 전도성 고분자일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the polymer electrolyte membrane may be an ion-conducting polymer, and may be the same ion-conducting polymer as the ionomer of the fuel cell catalyst electrode described above. As another example, the ion-conducting polymer may be an ion-conducting polymer containing a sulfonic acid group.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 술폰산기를 포함하는 이온 전도성 고분자는 불소계 고분자, 탄화수소계 고분자 및 부분 불소계 고분자로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 고분자가 술폰화된 것일 수 있고, 이 경우 수소이온 전도성 및 반응 가스 차단성이 우수한 효과가 있다.According to one embodiment of the present invention, the ion conductive polymer including a sulfonic acid group may be a polymer selected from the group consisting of a fluorinated polymer, a hydrocarbon polymer, and a partially fluorinated polymer, which is sulfonated, and in this case, the hydrogen ion conductivity and the reaction gas barrier properties are excellent.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 술폰화 불소계 고분자는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산) 및 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the sulfonated fluorine-based polymer may be at least one selected from the group consisting of poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), and copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 술폰화 탄화수소계 고분자는 술폰화 폴리이미드, 술폰화 폴리아릴에테르술폰, 술폰화 폴리에테르에테르케톤, 술폰화 폴리벤즈이미다졸, 술폰화 폴리술폰, 술폰화 폴리스티렌, 술폰화 폴리포스파젠, 술폰화 폴리에테르에테르술폰, 술폰화 폴리에테르술폰, 술폰화 폴리에테르벤즈이미다졸, 술폰화 폴리아릴렌에테르케톤, 술폰화 폴리에테르케톤, 술폰화 폴리스타이렌, 술폰화 폴리이미다졸, 술폰화 폴리에테르케톤케톤 및 술폰화 폴리아릴에테르벤즈이미다졸로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the sulfonated hydrocarbon polymer may be at least one selected from the group consisting of sulfonated polyimide, sulfonated polyarylethersulfone, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polybenzimidazole, sulfonated polysulfone, sulfonated polystyrene, sulfonated polyphosphazene, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherbenzimidazole, sulfonated polyaryleneetherketone, sulfonated polyetherketone, sulfonated polystyrene, sulfonated polyimidazole, sulfonated polyetherketoneketone, and sulfonated polyaryletherbenzimidazole.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 술폰화 부분 불소계 고분자는 술폰화 폴리(아릴렌에테르술폰-코-비닐리덴플로라이드), 술폰화 트리플로오로스티렌-그래프트-폴리(테트라플로오로에틸렌) 및 스티렌-그래프트 술폰화 폴리비닐리덴플로라이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the sulfonated partially fluorinated polymer may be at least one selected from the group consisting of sulfonated poly(aryleneethersulfone-co-vinylidenefluoride), sulfonated trifluorostyrene-graft-poly(tetrafluoroethylene), and styrene-graft sulfonated polyvinylidenefluoride.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 막전극 접합체는 음극; 양극; 및 음극 및 양극 사이에 개재된 고분자 전해질막을 서로 밀착시킨 상태에서 열압착 등의 압착에 의해 제조될 수 있다. 또한, 상기 막전극 접합체는 고분자 전해질막의 일면, 또는 양면에 음극과 양극의 촉매층을 형성하기 위한 촉매층 슬러리를 직접 도포 및 건조하여 제조될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the membrane electrode assembly can be manufactured by compression such as thermocompression while the cathode; the anode; and the polymer electrolyte membrane interposed between the cathode and the anode are in close contact with each other. In addition, the membrane electrode assembly can be manufactured by directly applying and drying a catalyst layer slurry for forming a catalyst layer of the cathode and the anode on one side or both sides of the polymer electrolyte membrane.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기체확산층은 미세 기공층 (Micro-Porous Layer, MPL)과, 거대 기공 지지체 (Macro-Porous Substrate)의 이중층 구조로 구성된 것일 수 있다. 상기 미세 기공층은 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)을 혼합하여 제조한 후, 용도에 따라 거대 기공 지지체의 일면 또는 양면에 도포될 수 있다. 상기 거대 기공 지지체는 탄소 섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌 계열의 소수성 물질로 구성될 수 있고, 구체적인 예로, 탄소 섬유 천(Cloth), 탄소 섬유 펠트(Felt) 및 탄소 섬유 종이(Paper)형 등의 탄소 섬유가 사용될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the gas diffusion layer may be composed of a double-layer structure of a microporous layer (MPL) and a macroporous substrate. The microporous layer may be manufactured by mixing carbon powder such as acetylene black carbon or black pearls carbon and a hydrophobic agent of the polytetrafluoroethylene (PTFE) series, and may be applied to one or both sides of the macroporous substrate depending on the intended use. The macroporous support may be composed of carbon fibers and hydrophobic agents of the polytetrafluoroethylene series, and specific examples thereof include carbon fibers such as carbon fiber cloth, carbon fiber felt, and carbon fiber paper.
또한, 본 발명은 상기 막전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 상기 연료전지는 스택, 연료공급부 및 산화제공급부를 포함하는 것일 수 있다.In addition, the present invention provides a fuel cell including the membrane electrode assembly. The fuel cell may include a stack, a fuel supply unit, and an oxidizer supply unit.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스택은 상기 막전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하는 것일 수 있고, 막전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 바이폴라 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 바이폴라 플레이트는 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막전극 접합체로 전달함과 동시에, 음극 및 양극을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 역할을 한다.According to one embodiment of the present invention, the stack may include one or more of the membrane electrode assemblies, and when two or more membrane electrode assemblies are included, the stack may include a bipolar plate interposed between them. The bipolar plate serves as a conductor that transmits fuel and oxidizer supplied from the outside to the membrane electrode assemblies and connects the cathode and the anode in series.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료 공급부는 연료를 상기 스택으로 공급하는 것일 수 있고, 연료를 저장하는 연료탱크 및 연료탱크에 저장된 연료를 스택으로 공급하는 펌프를 포함할 수 있다. 상기 연료는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 부탄올 등의 알코올, 또는 천연가스일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the fuel supply unit may supply fuel to the stack, and may include a fuel tank storing fuel and a pump supplying fuel stored in the fuel tank to the stack. The fuel may be hydrogen or hydrocarbon fuel in a gaseous or liquid state, and examples of the hydrocarbon fuel may include alcohols such as methanol, ethanol, propanol, and butanol, or natural gas.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화제 공급부는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 것일 수 있다. 상기 산화제는 공기가 대표적으로 사용될 수 있고, 산소 또는 공기를 펌프로 주입하여 사용할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the oxidizer supply unit may supply an oxidizer to the stack. Air may be typically used as the oxidizer, and oxygen or air may be injected using a pump.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지는 고분자 전해질막 연료전지, 직접 액체 연료전지, 직접 메탄올 연료전지, 직접 개미산 연료전지, 직접 에탄올 연료전지, 또는 직접 디메틸에테르 연료전지 등일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the fuel cell may be a polymer electrolyte membrane fuel cell, a direct liquid fuel cell, a direct methanol fuel cell, a direct formic acid fuel cell, a direct ethanol fuel cell, or a direct dimethyl ether fuel cell.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.
실시예Example
에탄올과 물을 3:7의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 50 중량% Pt/C 촉매(Pt:C의 중량비 1:1, Tanaka Kikinzoku Kogyo KK) 12.0 중량부 및 이오노머(Chemours社, D2021) 6.5 중량부를 투입하고, 분산기를 이용하여 고르게 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하였다.12.0 parts by weight of a 50 wt% Pt/C catalyst (Pt:C weight ratio 1:1, Tanaka Kikinzoku Kogyo KK) and 6.5 parts by weight of an ionomer (Chemours, D2021) were added to 100 parts by weight of a solvent containing ethanol and water in a weight ratio of 3:7, and the mixture was evenly dispersed and mixed using a disperser to prepare a first catalyst slurry.
에탄올과 물을 3:7의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 50 중량% Pt/C 촉매(Pt:C의 중량비 1:1, Tanaka Kikinzoku Kogyo KK) 12.0 중량부 및 이오노머(Chemours社, D2021) 4.3 중량부를 투입하고, 분산기를 이용하여 고르게 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하였다.12.0 parts by weight of a 50 wt% Pt/C catalyst (Pt:C weight ratio 1:1, Tanaka Kikinzoku Kogyo KK) and 4.3 parts by weight of an ionomer (Chemours, D2021) were added to 100 parts by weight of a solvent containing ethanol and water in a weight ratio of 3:7, and the mixture was evenly dispersed and mixed using a disperser to prepare a second catalyst slurry.
과불소계 전해질막(Gore社, GORE-SELECT) 필름의 일면에 제 1 촉매 슬러리를 (0.15 mg/cm2으로) 코팅하고, 건조 오븐을 이용하여 60 ℃에서 5분 동안 건조시켰다. The first catalyst slurry (0.15 mg/cm 2 ) was coated on one side of a perfluorinated electrolyte membrane (Gore, GORE-SELECT) film and dried at 60° C. for 5 minutes using a drying oven.
상기 건조된 제1 촉매 슬러리 상에 상기 제2 촉매 슬러리를 (0.15 mg/cm2으로) 코팅하고, 건조 오븐을 이용하여 60 ℃에서 5분 동안 건조시켜 연료전지 촉매 전극을 제조하였다.The second catalyst slurry was coated (0.15 mg/cm 2 ) on the dried first catalyst slurry, and dried at 60° C. for 5 minutes using a drying oven to manufacture a fuel cell catalyst electrode.
비교예 1Comparative Example 1
에탄올과 물을 3:7의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 50 중량% Pt/C 촉매(Pt:C의 중량비 1:1, Tanaka Kikinzoku Kogyo KK) 12.0 중량부 및 이오노머(Chemours社, D2021) 6.5 중량부를 투입하고, 분산기를 이용하여 고르게 분산 및 혼합하여 제1 촉매 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 촉매 슬러리를 불화 폴리이미드(Fluorinated Polyimide, FPI, 에프엠투社) 필름의 일면에 (0.3 mg/cm2으로) 코팅하고, 건조 오븐을 이용하여 60 ℃에서 20분 동안 건조시켜 연료전지 촉매 전극을 제조하였다.12.0 parts by weight of a 50 wt% Pt/C catalyst (Pt:C weight ratio 1:1, Tanaka Kikinzoku Kogyo KK) and 6.5 parts by weight of an ionomer (Chemours, D2021) were added to 100 parts by weight of a solvent containing ethanol and water in a weight ratio of 3:7, and the mixture was evenly dispersed and mixed using a disperser to prepare a first catalyst slurry. The prepared catalyst slurry was coated (0.3 mg/cm 2 ) on one surface of a fluorinated polyimide (FPI, FM2) film, and dried in a drying oven at 60° C. for 20 minutes to prepare a fuel cell catalyst electrode.
비교예 2Comparative Example 2
에탄올과 물을 3:7의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 50 중량% Pt/C 촉매(Pt:C의 중량비 1:1, Tanaka Kikinzoku Kogyo KK) 12.0 중량부 및 이오노머(Chemours社, D2021) 4.3 중량부를 투입하고, 분산기를 이용하여 고르게 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 촉매 슬러리를 불화 폴리이미드(Fluorinated Polyimide, FPI, 에프엠투社) 필름의 일면에 0.05 mg/cm2으로 코팅하고, 건조 오븐을 이용하여 60 ℃에서 20분 동안 건조시켜 연료전지 촉매 전극을 제조하였다.12.0 parts by weight of a 50 wt% Pt/C catalyst (Pt:C weight ratio 1:1, Tanaka Kikinzoku Kogyo KK) and 4.3 parts by weight of an ionomer (Chemours, D2021) were added to 100 parts by weight of a solvent containing ethanol and water in a weight ratio of 3:7, and the mixture was evenly dispersed and mixed using a disperser to prepare a second catalyst slurry. The prepared catalyst slurry was coated on one side of a fluorinated polyimide (FPI, FM2) film at 0.05 mg/cm 2 and dried in a drying oven at 60° C. for 20 minutes to prepare a fuel cell catalyst electrode.
실시예 1A - 막전극 접합체의 제조 Example 1A - Preparation of membrane electrode assemblies
디프로필렌글리콜과 물을 1:1의 중량비로 혼합한 용매 100 중량부에 50 중량% Pt/C 촉매(Pt:C의 중량비 1:1, Tanaka Kikinzoku Kogyo KK) 13.6 중량부, 이오노머(AsahiKasei社, 제품명 또는 물질명) 4.1 중량부 및 산화 이리듐(IrO2) 3.4 중량부를 투입하고, 3-롤 밀을 이용하여 고르게 분산 및 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다. 상기 실시예 1에서 제조된 연료전지 촉매 전극의 불화 폴리이미드에 상기 제조된 촉매 슬러리를 0.05 mg/cm2으로 코팅하고, 건조 오븐을 이용하여 60 ℃에서 2 시간 동안 건조시켰다. 이를 통해, 상기 실시예 1에서 제조된 촉매 전극을 양극, 상기 과정을 통해 제조된 촉매 전극을 음극으로 하는 막 전극 접합체(MEA)를 제조하였다. 13.6 parts by weight of a 50 wt% Pt/C catalyst (Pt:C weight ratio 1:1, Tanaka Kikinzoku Kogyo KK), 4.1 parts by weight of an ionomer (Asahi Kasei, product name or material name), and 3.4 parts by weight of iridium oxide (IrO 2 ) were added to 100 parts by weight of a solvent containing dipropylene glycol and water in a 1:1 weight ratio, and the mixture was evenly dispersed and mixed using a 3-roll mill to prepare a catalyst slurry. The catalyst slurry thus prepared was coated on the fluorinated polyimide of the fuel cell catalyst electrode prepared in Example 1 at 0.05 mg/cm 2 , and dried in a drying oven at 60° C. for 2 hours. Through this, a membrane electrode assembly (MEA) was prepared using the catalyst electrode prepared in Example 1 as the anode and the catalyst electrode prepared through the above process as the cathode.
비교예 1A - 막전극 접합체의 제조 Comparative Example 1A - Preparation of Membrane Electrode Assembly
실시예 1에서 제조된 연료전지 촉매 전극을 대신하여 비교예 1에서 제조된 연료전지 촉매 전극을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1A과 마찬가지의 방법으로 막 전극 접합체를 제조하였다, A membrane electrode assembly was manufactured in the same manner as in Example 1A, except that the fuel cell catalyst electrode manufactured in Comparative Example 1 was used instead of the fuel cell catalyst electrode manufactured in Example 1.
비교예 2A - 막전극 접합체의 제조 Comparative Example 2A - Preparation of Membrane Electrode Assembly
실시예 1에서 제조된 연료전지 촉매 전극을 대신하여 비교예 2에서 제조된 연료전지 촉매 전극을 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1A과 마찬가지의 방법으로 막 전극 접합체를 제조하였다, A membrane electrode assembly was manufactured in the same manner as in Example 1A, except that the fuel cell catalyst electrode manufactured in Comparative Example 2 was used instead of the fuel cell catalyst electrode manufactured in Example 1.
실험예Experimental example
상기 제조된 막전극 접합체를 셀에 체결한 뒤 단위전지 성능곡선을 측정하였다. 단위전지 성능은 음극에 수소 150 ccm, 양극에 산소 150 ccm를 흘려주고 상압, 셀 온도 75℃에서 측정하였다. The above-mentioned manufactured membrane electrode assembly was fastened to the cell and the unit cell performance curve was measured. The unit cell performance was measured at atmospheric pressure and cell temperature of 75°C while flowing 150 ccm of hydrogen to the cathode and 150 ccm of oxygen to the anode.
단위전지의 작동을 시작하기 전에 습도센서(viasensoe HS-1000)를 이용하여 음극 및 양극의 가습장치를 조절하였다. 음극 및 양극의 연료 공급라인의 온도를 가습장치의 온도보다 높게 유지하여 수증기가 응축되지 않도록 하였다. 연료 기체의 공급은 습한 수소기체와 습한 공기를 일정한 속도로 공급하면서 수행되었다.Before starting the operation of the unit cell, the humidifiers of the cathode and anode were controlled using a humidity sensor (viasensoe HS-1000). The temperature of the fuel supply lines of the cathode and anode was maintained higher than the temperature of the humidifier to prevent water vapor from condensing. The fuel gas was supplied at a constant rate by supplying moist hydrogen gas and moist air.
상기 단위전지 성능곡선 측정은 RH50 조건과 RH100 조건에서 실시되었다.The above unit cell performance curve measurements were conducted under RH50 and RH100 conditions.
도 2에는 실시예 1, 비교예 1 및 2에 대하여 상압, RH50 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선을, 도 3에는 실시예 1, 비교예 1 및 2에 대하여 상압, RH100 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선을 나타내었다. Figure 2 shows the unit cell performance curves measured under atmospheric pressure and RH50 conditions for Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, and Figure 3 shows the unit cell performance curves measured under atmospheric pressure and RH100 conditions for Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.
도 2를 참조하면, 상온 RH50 조건에서, 실시예 1의 연료전지용 촉매 전극을 양극으로 포함하는 막전극 접합체 단위전지 성능곡선은 저전류 영역에서 고전류 영역까지 완만한 곡선을 나타내고 고전류 영역에서 상대적으로 낮은 전압 강하를 나타내며, 특히 고전류 영역에서 전압 강하가 비교예 1 및 2에 비해 낮음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 2, under room temperature RH50 conditions, the performance curve of a membrane electrode assembly unit cell including the catalyst electrode for a fuel cell of Example 1 as an anode shows a gentle curve from a low current region to a high current region and shows a relatively low voltage drop in the high current region, and in particular, it can be confirmed that the voltage drop in the high current region is lower than that of Comparative Examples 1 and 2.
도 3을 참조하면, 상온 RH100 조건 역시, 실시예 1의 연료전지용 촉매 전극을 양극으로 포함하는 막전극 접합체 단위전지 성능곡선은 비교예 1 및 2의 성능곡선에 비해 저전류 영역에서 고전류 영역까지 완만한 곡선을 나타내고 고전류 영역에서 상대적으로 낮은 전압 강하를 나타냈다. Referring to FIG. 3, even under room temperature RH100 conditions, the performance curve of the membrane electrode assembly unit cell including the catalyst electrode for fuel cell of Example 1 as an anode showed a gentle curve from the low current region to the high current region and a relatively low voltage drop in the high current region compared to the performance curves of Comparative Examples 1 and 2.
한편, 실시예 1과 비교예 1 및 2의 효과상 차이는 가압 조건에서 더욱 커짐을 확인할 수 있었다. Meanwhile, it was confirmed that the difference in effectiveness between Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 became greater under pressurized conditions.
도 4에는 실시예 1, 비교예 1 및 2에 대하여 상압, RH50 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선을, 도 5에는 실시예 1, 비교예 1 및 2에 대하여 상압, RH100 조건에서 측정한 단위전지 성능곡선을 나타내었다.FIG. 4 shows unit cell performance curves measured under atmospheric pressure and RH50 conditions for Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, and FIG. 5 shows unit cell performance curves measured under atmospheric pressure and RH100 conditions for Example 1 and Comparative Examples 1 and 2.
도 4를 참조하면, 가압 RH50 조건에서, 실시예 1의 연료전지용 촉매 전극을 양극으로 포함하는 막전극 접합체 단위전지 성능곡선은 저전류 영역에서 고전류 영역까지 완만한 곡선을 나타내고, 고전류 영역에서 상대적으로 낮은 전압 강하를 나타내었음을 확인할 수 있지만, 비교예 1 및 2의 연료전지용 촉매 전극을 양극으로 포함하는 막전극 접합체 단위전지 성능곡선은 1.0 A/cm2 이상의 고전류 영역에서는 전압 강하가 크게 나타남을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 4, it can be confirmed that the performance curve of the membrane electrode assembly unit cell including the catalyst electrode for fuel cells of Example 1 as the anode under pressurized RH50 conditions shows a gentle curve from the low current region to the high current region and exhibits a relatively low voltage drop in the high current region, but the performance curves of the membrane electrode assembly unit cell including the catalyst electrodes for fuel cells of Comparative Examples 1 and 2 as the anode show a large voltage drop in the high current region of 1.0 A/cm 2 or more.
또한, 도 5를 참조하면, 상온 RH100 조건에서는 실시예 1과 비교예 1 및 2 각각의 단위전지 성능곡선 간에 두드러진 차이를 나타내지 않았지만. 가압 RH100 조건에서는 실시예 1과 비교예 1 및 2 각각의 단위전지 성능곡선 간의 효과 차이가 크게 나타났다. 구체적으로 실시예 1은 단위전지 성능곡선이 저전류 영역에서 고전류 영역까지 완만한 곡선을 나타내고, 고전류 영역에서 상대적으로 낮은 전압 강하를 나타내었음을 확인할 수 있지만, 비교예 1 및 2의 연료전지용 촉매 전극을 양극으로 포함하는 막전극 접합체 단위전지 성능곡선은 1.0 A/cm2 이상의 고전류 영역에서는 전압 강하가 크게 나타남을 확인할 수 있었다. Also, referring to FIG. 5, under room temperature RH100 conditions, there was no remarkable difference between the unit cell performance curves of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, respectively, but under pressurized RH100 conditions, a large difference in effect was observed between the unit cell performance curves of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, respectively. Specifically, it could be confirmed that Example 1 showed a gentle curve in the unit cell performance curve from the low current region to the high current region and a relatively low voltage drop in the high current region, but it could be confirmed that the unit cell performance curves of the membrane electrode assembly including the fuel cell catalyst electrode as the anode of Comparative Examples 1 and 2 showed a large voltage drop in the high current region of 1.0 A/cm 2 or more.
이를 통해, 상대적으로 이오노머의 함량비가 높은 제1 촉매층을 전해질 막에 직접 형성시킨 다음, 상기 제1 촉매층 상에 상대적으로 이오노머의 함량비가 낮은 제2 촉매층을 형성시키는 방법에 의해 제조된 실시예 1의 연료전지 촉매 전극은 낮은 전류 밀도 및 높은 전류 밀도에서도 상대적으로 우수한 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다. Through this, it was confirmed that the fuel cell catalyst electrode of Example 1, manufactured by a method of directly forming a first catalyst layer having a relatively high ionomer content ratio on an electrolyte membrane and then forming a second catalyst layer having a relatively low ionomer content ratio on the first catalyst layer, exhibited relatively excellent effects even at low and high current densities.
Claims (10)
촉매, 이오노머 및 용매를 분산 및 혼합하여 제2 촉매 슬러리를 제조하는 단계(S20);
상기 제1 촉매 슬러리를 기재 상에 코팅하여 제1 촉매층을 형성하는 단계(S30); 및
상기 제2 촉매 슬러리를 상기 제2 촉매층 상에 코팅하여 제2 촉매층을 형성하는 단계(S40)을 포함하고,
상기 제1 촉매 슬러리에 포함된 이오노머는 상기 제2 촉매 슬러리에 포함된 이오노머에 비해 높은 함량비를 갖는, 연료전지 촉매 전극의 제조방법.
A step (S10) of preparing a first catalyst slurry by dispersing and mixing a catalyst, ionomer, and solvent;
Step (S20) of preparing a second catalyst slurry by dispersing and mixing a catalyst, ionomer, and solvent;
Step (S30) of forming a first catalyst layer by coating the first catalyst slurry on a substrate; and
It includes a step (S40) of forming a second catalyst layer by coating the second catalyst slurry on the second catalyst layer,
A method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode, wherein the ionomer included in the first catalyst slurry has a higher content ratio than the ionomer included in the second catalyst slurry.
상기 제1 촉매 슬러리에 포함된 이오노머의 함량비 대비 상기 제2 촉매 슬러리에 포함된 이오노머의 함량비는 1:0.8 내지 1:0.95인 연료전지 촉매 전극의 제조방법.
In paragraph 1,
A method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode, wherein the content ratio of the ionomer included in the second catalyst slurry to the content ratio of the ionomer included in the first catalyst slurry is 1:0.8 to 1:0.95.
상기 제1 촉매 슬러리는 상기 이오노머를 고형분의 총 함량 기준으로 25 중량% 내지 35 중량% 포함하는, 연료전지 촉매 전극의 제조방법.
In paragraph 1,
A method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode, wherein the first catalyst slurry contains 25 wt% to 35 wt% of the ionomer based on the total solid content.
상기 제2 촉매 슬러리는 상기 이오노머를 고형분의 총 함량 기준으로 23 중량% 내지 32 중량% 포함하는, 연료전지 촉매 전극의 제조방법.
In paragraph 1,
A method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode, wherein the second catalyst slurry contains 23 wt% to 32 wt% of the ionomer based on the total solid content.
상기 촉매는 촉매 금속, 및 촉매 금속이 담지된 도전재를 포함하는 연료전지 촉매 전극의 제조방법.
In paragraph 1,
The above catalyst is a method for manufacturing a fuel cell catalyst electrode including a catalyst metal and a conductive material supporting the catalyst metal.
상기 촉매층은 제1 촉매층, 및 상기 제1 촉매층 상에 형성된 제2 촉매층을 포함하고,
상기 제1 촉매층 및 제2 촉매층은 촉매 및 이오노머를 포함하며,
상기 제1 촉매층에 포함된 이오노머는 상기 제2 촉매층에 포함된 이오노머에 비해 높은 함량비를 가지는 연료전지 촉매 전극.
A fuel cell catalyst electrode comprising a substrate and a catalyst layer formed on one surface of the substrate,
The catalyst layer comprises a first catalyst layer and a second catalyst layer formed on the first catalyst layer,
The first catalyst layer and the second catalyst layer include a catalyst and an ionomer,
A fuel cell catalyst electrode wherein the ionomer included in the first catalyst layer has a higher content ratio than the ionomer included in the second catalyst layer.
상기 제1 촉매층에 포함된 이오노머의 함량비 대비 상기 제2 촉매층에 포함된 이오노머의 함량비는 1:0.8 내지 1:0.9인 연료전지 촉매 전극.
In paragraph 6,
A fuel cell catalyst electrode, wherein the content ratio of the ionomer included in the second catalyst layer to the content ratio of the ionomer included in the first catalyst layer is 1:0.8 to 1:0.9.
상기 제1 촉매층은 상기 이오노머를 25 중량% 내지 35 중량% 포함하고, 상기 제2 촉매층은 상기 이오노머를 23 중량% 내지 32 중량% 포함하는, 연료전지 촉매 전극.
In paragraph 6,
A fuel cell catalyst electrode, wherein the first catalyst layer comprises 25 wt% to 35 wt% of the ionomer, and the second catalyst layer comprises 23 wt% to 32 wt% of the ionomer.
상기 양극은 제6항에 따른 연료전지 촉매 전극인 막전극 접합체.
A cathode; an anode; and a polymer electrolyte membrane interposed between the cathode and the anode,
The above anode is a membrane electrode assembly which is a fuel cell catalyst electrode according to claim 6.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240157241A true KR20240157241A (en) | 2024-11-01 |
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