KR101000197B1 - Method of preparing electrode of membrane-electrode assembly for fuel cell, electrode and membrane-electrode assembly prepared by the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층 형성방법과 이를 이용하여 제조되는 촉매층 및 막-전극 접합체에 관한 것이다. 본 발명의 촉매층 형성방법은, S1) 용매에 지르코늄 부톡사이드 등의 지르코늄 화합물을 용해시키고, 킬레이트제와 촉매를 첨가하고 혼합하여 제조되는 용액을 건조시켜 지르코늄 프리커서를 제조하는 단계; (S2) 물과 알코올의 혼합 용매에 촉매, 상기 지르코늄 프리커서 및 바인더를 첨가하고 혼합하여 촉매 잉크를 제조하는 단계; (S3) 상기 촉매 잉크를 전해질막 또는 기체확산층에 코팅하고 건조시켜 촉매층을 형성하는 단계; (S4) 상기 촉매층을 인산 용액 또는 황산 용액에 투입하고 상기 인산 용액 또는 황산 용액의 온도를 80 내지 100 ℃로 유지하여 상기 지르코늄 프리커서를 지르코늄 포스페이트 또는 지르코늄 설페이트로 변환시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층 형성방법에 따르면, 촉매층 내에 지르코늄 화합물을 고르게 분산시켜 촉매층의 전도도 및 보습성을 향상시키고, 지르코늄 화합물이 운전 중 생성되는 수분에 의해 용해되지 않도록 하여 촉매층의 성능이 지속적으로 유지되도록 할 수 있다.The present invention relates to a method for forming a catalyst layer of a membrane-electrode assembly for a fuel cell, and a catalyst layer and a membrane-electrode assembly manufactured by using the same. The method for forming a catalyst layer of the present invention comprises the steps of: dissolving a zirconium compound such as zirconium butoxide in a solvent (S1), adding a chelating agent and a catalyst, and drying the solution to prepare a zirconium precursor; (S2) preparing a catalyst ink by adding and mixing a catalyst, the zirconium precursor and a binder to a mixed solvent of water and alcohol; (S3) coating the catalyst ink on an electrolyte membrane or a gas diffusion layer and drying to form a catalyst layer; (S4) converting the zirconium precursor into zirconium phosphate or zirconium sulfate by introducing the catalyst layer into a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution and maintaining the temperature of the phosphoric acid solution or the sulfuric acid solution at 80 to 100 ° C; According to the method for forming a catalyst layer of a fuel cell membrane electrode assembly of the present invention, the zirconium compound is evenly dispersed in the catalyst layer to improve conductivity and moisture retention of the catalyst layer, and the zirconium compound is not dissolved by moisture generated during operation. The performance of the catalyst bed can be maintained continuously.
연료전지, 막-전극 접합체, 촉매층, 지르코늄 화합물, 지르코늄 프리커서 Fuel cell, membrane-electrode assembly, catalyst layer, zirconium compound, zirconium precursor
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.
도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the principle of electricity generation of the fuel cell.
본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층 형성방법과 이를 이용하여 제조되는 촉매층 및 막-전극 접합체에 관한 것으로, 촉매층의 보습성 및 전도도를 향상시키고 연료전지의 운전 중에도 촉매층이 그 성능을 유지하게 할 수 있는 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층 형성방법과 이를 이용하여 제조되는 촉매층 및 막-전극 접합체에 관한 것이다.The present invention relates to a method for forming a catalyst layer of a fuel cell membrane-electrode assembly, and a catalyst layer and a membrane-electrode assembly manufactured using the same, to improve the moisture retention and conductivity of the catalyst layer and to maintain the performance of the catalyst layer even during operation of the fuel cell. The present invention relates to a method for forming a catalyst layer of a fuel cell membrane-electrode assembly, and a catalyst layer and a membrane-electrode assembly manufactured using the same.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.Recently, as the depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of the alternative energy sources, the fuel cell is particularly attracting attention due to its advantages such as high efficiency, no pollutants such as NO x and SO x , and abundant fuel used.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electrical energy. Hydrogen, a hydrocarbon such as methanol, butane, and the like are typically used as an oxidant.
연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막-전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1 및 반응식 1(수소를 연료로 사용한 경우의 연료전지의 반응식)을 참조하면, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서는 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.In a fuel cell, the most basic unit for generating electricity is a membrane-electrode assembly (MEA), which consists of an electrolyte membrane and anode and cathode electrodes formed on both sides of the electrolyte membrane. Referring to FIG. 1 and Reaction Formula 1 (Reaction formula of a fuel cell when hydrogen is used as a fuel) showing the electricity generation principle of a fuel cell, an oxidation reaction of a fuel occurs at an anode electrode, and hydrogen ions and electrons are generated. The electrolyte moves through the electrolyte membrane to the cathode electrode, where water is generated by reaction between oxygen (oxidant) and hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane and electrons. This reaction causes the movement of electrons in the external circuit.
캐소드 전극: 1/2O2+2H++2e- → H2O Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O
전체 반응식: H2+1/2O2 → H2OTotal Reaction Formula: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
연료전지에는 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다.Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuels Batteries (SOFC) and the like. Among them, polymer electrolyte fuel cells have been researched most actively because of their high energy density and high output.
고분자전해질형 연료전지는 전해질로서 액체가 아닌 고체 고분자 전해질막을 사용한다는 점에서 다른 연료전지와 차이가 있다. 고분자 전해질막은 함수율이 증가할수록 이온전도도가 높아지는 경향을 보이므로 고분자 전해질막은 항상 일정 정도 이상의 수분을 유지시켜 주어야 한다. 캐소드 전극에서는 전지 반응을 통해 물이 생성되기는 하나 이것으로는 전해질막의 이온전도성을 유지하기에 충분하지 못하므로, 반응 가스와 함께 물을 막-전극 접합체로 공급하여 전해질막을 가습하는 방법이 행해지고 있다. 그러나, 막-전극 접합체에 물이 가해지면 연료전지의 효율이 떨어지므로 가능한한 외부에서 가해지는 수분의 양은 줄이는 것이 바람직하다.The polymer electrolyte fuel cell differs from other fuel cells in that it uses a solid polymer electrolyte membrane instead of a liquid as an electrolyte. Since the polymer electrolyte membrane tends to have higher ion conductivity as the moisture content increases, the polymer electrolyte membrane should always maintain a certain level or more of moisture. Since the cathode generates water through the battery reaction, but this is not sufficient to maintain the ion conductivity of the electrolyte membrane, a method of humidifying the electrolyte membrane by supplying water together with the reaction gas to the membrane-electrode assembly is performed. However, if water is applied to the membrane-electrode assembly, the efficiency of the fuel cell is lowered. Therefore, it is desirable to reduce the amount of externally applied moisture as much as possible.
이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 지르코늄 화합물 등의 무기 나노 입자를 전극층에 사용하고 있으며, 이들은 보습성 및 수소이온 전도성을 갖고 있어 막-전극 접합체의 성능 향상에 기여하고 있다. 다만, 이들 무기 나노 입자는 전극층 내에서 잘 분산되지 않아, 무기 나노 입자를 통한 보습성 및 전도성 향상을 위해서는 무기 나노 입자의 고른 분산이 필수적이다 또한, 이러한 무기나노 입자는 전극층 형성 후에 연료전지의 가습 조건 또는 운전 중 발생하는 물에 의해서 용해 되는 문제점이 있으므로, 성능 유지를 위하여는 무기나노 입자가 물에 용해되어 전극층에서 사라지지 않도록 조절하여야만 한다.In order to solve this problem, inorganic nanoparticles, such as a zirconium compound, are used in the electrode layer, and they have moisturizing properties and hydrogen ion conductivity, contributing to the improvement of the performance of the membrane-electrode assembly. However, these inorganic nanoparticles do not disperse well in the electrode layer, and even dispersion of the inorganic nanoparticles is essential for improving moisture retention and conductivity through the inorganic nanoparticles. In addition, the inorganic nanoparticles may be humidified in a fuel cell after forming the electrode layer. Since there is a problem of dissolving by water generated during the condition or operation, in order to maintain performance, inorganic nanoparticles must be adjusted so that they do not dissolve in water and disappear from the electrode layer.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층 내에 지르코늄 화합물을 고르게 분산시켜 전도도 및 보습성을 향상시키고, 지르코늄 화합물이 운전 중 생성되는 수분에 의해 용해되지 않도록 하여 촉매층의 성능이 지속적으로 유지되도록 함에 있으며, 본 발명의 목적은 이러한 기술적 과제를 달성할 수 있는 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층 형성방법, 이를 이용하여 제조된 촉매층 및 막-전극 접합체를 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, the technical problem to be achieved by the present invention is to evenly disperse the zirconium compound in the catalyst layer of the membrane-electrode assembly for fuel cells to improve the conductivity and moisture retention, zirconium compound The performance of the catalyst layer is continuously maintained by being dissolved by moisture generated during the operation, and an object of the present invention is to provide a method for forming a catalyst layer of a membrane-electrode assembly for fuel cells, which can achieve the technical problem, To provide a prepared catalyst layer and membrane-electrode assembly.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, (S1) 용매에 지르코늄 부톡사이드, 지르코늄 클로라이드 및 지로코늄 에톡사이드로 이루어진 군에서 선택되는 지르코늄 화합물을 용해시키고, 킬레이트제와 질산, 황산 및 염산으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 첨가하고 혼합하여 제조되는 용액을 건조시켜 지르코늄 프리커서를 제조하는 단계; (S2) 물과 알코올의 혼합 용매에 촉매, 상기 지르코늄 프리커서 및 바인더를 첨가하고 혼합하여 촉매 잉크를 제조하는 단계; (S3) 상기 촉매 잉크를 전해질막 또는 기체확산층에 코팅하고 건조시켜 촉매층을 형성하는 단계; (S4) 상기 촉매층을 인산 용액 또는 황산 용액에 투입하고 상기 인산 용액 또는 황산 용액의 온도를 80 내지 100℃로 유지하여 상기 지르코늄 프리커 서를 지르코늄 포스페이트 또는 지르코늄 설페이트로 변환시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층 형성방법을 제공한다.In order to achieve the technical problem to be achieved by the present invention, the present invention, (S1) dissolving a zirconium compound selected from the group consisting of zirconium butoxide, zirconium chloride and zirconium ethoxide, chelating agent and nitric acid, sulfuric acid and Preparing a zirconium precursor by drying a solution prepared by adding and mixing a catalyst selected from the group consisting of hydrochloric acid; (S2) preparing a catalyst ink by adding and mixing a catalyst, the zirconium precursor and a binder to a mixed solvent of water and alcohol; (S3) coating the catalyst ink on an electrolyte membrane or a gas diffusion layer and drying to form a catalyst layer; (S4) converting the zirconium precursor into zirconium phosphate or zirconium sulfate by introducing the catalyst layer into a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution and maintaining the temperature of the phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution at 80 to 100 ° C; Provided is a method for forming a catalyst layer of a fuel cell membrane-electrode assembly.
상기 (S1) 단계에서 사용되는 용매는 대표적으로 이소프로필 알코올, 에탄올 및 벤젠, 톨루엔, 자일렌과 같은 방향족 화합물 중에서 선택될 수 있으며, 상기 킬레이트제는 대표적으로 아세틸 아세톤 및 EDTA(에틸렌디아민테트라아세틱 애시드)로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 상기 (S1) 단계에서 상기 킬레이트제의 용매로의 첨가량은 상기 지르코늄 화합물 1mol 당 1 mol 내지 2 mol이 바람직하고, 상기 (S1) 단계에서 제조되는 용액에서의 상기 지르코늄 화합물의 농도는 20 내지 40 %인 것이 바람직하며, 상기 (S1) 단계에서 제조되는 용액에서의 상기 촉매의 농도는 0.01 내지 0.1%인 것이 바람직하다.The solvent used in the step (S1) may be typically selected from isopropyl alcohol, ethanol and aromatic compounds such as benzene, toluene, xylene, and the chelating agent is typically acetyl acetone and EDTA (ethylenediaminetetraacetic Acid)). The amount of the chelating agent added to the solvent in the step (S1) is preferably 1 mol to 2 mol per mol of the zirconium compound, and the concentration of the zirconium compound in the solution prepared in the step (S1) is 20 to 40%. Preferably, the concentration of the catalyst in the solution prepared in the step (S1) is preferably 0.01 to 0.1%.
상기 (S2) 단계에서 용매로 사용되는 알코올은 대표적으로 이소프로필 알코올, 에탄올, 메탄올 및 프로판올로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 상기 바인더로는 대표적으로 수소이온 전도성 고분자 또는 PTFE, PVdF, PEEK, PMMA 및 이들의 수소이온 전도성 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 고분자가 사용될 수 있다. 상기 촉매 잉크에서의 지르코늄 프리커서의 양은 촉매의 양 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부인 것이 바람직하며, 상기 촉매 잉크에서의 바인더의 양은 촉매의 양 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1 중량부인 것이 바람직하다.The alcohol used as the solvent in the step (S2) may be typically selected from the group consisting of isopropyl alcohol, ethanol, methanol and propanol, and the binder is typically a hydrogen ion conductive polymer or PTFE, PVdF, PEEK, PMMA And polymers selected from the group consisting of hydrogen ion conductive derivatives thereof. The amount of zirconium precursor in the catalyst ink is preferably 10 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst, and the amount of the binder in the catalyst ink is preferably 0.1 to 1 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst. Do.
상기 (S3) 단계에서, 상기 전해질막은 대표적으로 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴 리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰 및 이들의 산과 염기로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 상기 기체확산층은 대표적으로 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 기체확산층은 상기 도전성 기재의 일면에 형성되는 미세기공층을 더 포함하여 형성될 수 있으며, 이때 촉매층은 상기 기체확산층의 미세기공층 위에 형성된다.In the step (S3), the electrolyte membrane is typically a perfluorosulfonic acid polymer, a hydrocarbon-based polymer, polyimide, polyvinylidene fluoride, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polyphosphazine, polyethylenena Phthalates, polyesters, doped polybenzimidazoles, polyetherketones, polysulfones, and their acids and bases, the gas diffusion layer is typically in the group consisting of carbon paper, carbon cloth and carbon felt It can be made including a conductive substrate selected. The gas diffusion layer may further include a microporous layer formed on one surface of the conductive substrate, wherein the catalyst layer is formed on the microporous layer of the gas diffusion layer.
상기 (S4) 단계에서, 인산 용액의 농도는 1 내지 2 M인 것이 바람직하고, 상기 황산 용액의 농도는 1 내지 2 M인 것이 바람직하다.In the step (S4), the concentration of the phosphoric acid solution is preferably 1 to 2 M, the concentration of the sulfuric acid solution is preferably 1 to 2 M.
본 발명은 또한, 상기 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층 형성방법에 의해 제조되는 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층을 제공한다.The present invention also provides a catalyst layer of a fuel cell membrane-electrode assembly manufactured by the method for forming a catalyst layer of the fuel cell membrane-electrode assembly according to the present invention.
본 발명은 또한, 전해질막; 및 상기 전해질막을 사이에 두고 형성되며, 각각 촉매층 및 기체확산층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체에 있어서, 상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극의 촉매층은 상기 본 발명에 따른 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층 형성방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.The present invention also provides an electrolyte membrane; And an anode electrode and a cathode electrode formed with the electrolyte membrane interposed therebetween, each including a catalyst layer and a gas diffusion layer, wherein the anode electrode or the cathode electrode layer comprises a catalyst layer according to the present invention. Provided is a fuel cell membrane-electrode assembly, which is produced by a method for forming a catalyst layer of a fuel cell membrane-electrode assembly.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid in understanding the present invention.
본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층 형성방법에 따르면, 먼저 용매에 지르코늄 화합물을 용해시키고, 킬레이트제와 촉매를 첨가하고 혼합하여 제조되는 용액을 건조시켜 지르코늄 프리커서를 제조한다.According to the method for forming a catalyst layer of a fuel cell membrane-electrode assembly of the present invention, a zirconium compound is first dissolved by dissolving a zirconium compound in a solvent, and a solution prepared by adding and mixing a chelating agent and a catalyst to prepare a zirconium precursor.
상기 지르코늄 프리커서 제조 단계에서, 용매로는 대표적으로 이소프로필 알 코올, 에탄올 및 방향족 화합물 용매가 사용될 수 있으며, 방향족 화합물 용매로는 벤젠, 톨루엔, 자일렌이 대표적이다. 지르코늄 화합물로는 대표적으로 지르코늄 부톡사이드, 지르코늄 클로라이드, 지르코늄 에톡사이드 등이, 킬레이트제로는 대표적으로 아세틸 아세톤, EDTA(에틸렌디아민테트라아세틱 애시드) 등이, 촉매로는 질산, 황산 또는 염산이 사용될 수 있다.In the zirconium precursor manufacturing step, isopropyl alcohol, ethanol and an aromatic solvent may be used as a solvent, and aromatic solvents include benzene, toluene and xylene. Typical zirconium compounds include zirconium butoxide, zirconium chloride, zirconium ethoxide and the like, and chelating agents typically include acetyl acetone and EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) and nitric acid, sulfuric acid or hydrochloric acid as catalysts. have.
상기 (S1) 단계에서 상기 킬레이트제의 용매로의 첨가량은 상기 지르코늄 화합물 1mol 당 1 내지 2 mol이 바람직하고, 상기 (S1) 단계에서 제조되는 용액에서의 상기 지르코늄 화합물의 농도는 20 내지 40%인 것이 바람직하며, 상기 (S1) 단계에서 제조되는 용액에서의 상기 촉매의 농도는 0.01 내지 0.1%인 것이 바람직하다. 상기 킬레이트제의 첨가량이 상기 하한에 미달하는 경우 반응이 이루어지지 않아 원하는 형태의 지르코늄 프리커서가 생성되지 않는 문제가 있고, 상기 상한을 초과하는 경우 미반응 화합물로 인하여 용액 내에 부산물이 과다하게 생성되는 문제가 있어 바람직하지 못하다. 또한, 상기 지르코늄 화합물의 농도가 상기 하한에 미달하는 경우 반응 속도가 매우 낮아지는 문제가 있고, 상기 상한을 초과하는 경우 균일한 반응이 이루어지지 않아 미반응 물질이 생성되는 문제가 있어 바람직하지 못하다. 또한, 상기 촉매의 농도가 상기 하한에 미달하는 경우 화합물간의 반응이 늦춰지는 문제가 있고, 상기 상한을 초과하는 경우 반응 속도가 지나치게 빨라져 균일하게 반응이 이루어지지 않거나 촉매 역시 부산물로 남아 있는 문제가 있어 바람직하지 못하다.The amount of the chelating agent added to the solvent in the step (S1) is preferably 1 to 2 mol per mol of the zirconium compound, and the concentration of the zirconium compound in the solution prepared in the step (S1) is 20 to 40%. Preferably, the concentration of the catalyst in the solution prepared in the step (S1) is preferably 0.01 to 0.1%. When the amount of the chelating agent is less than the lower limit, there is a problem that a reaction does not occur and a zirconium precursor of a desired form is not produced. When the upper limit is exceeded, excessive by-products are generated in the solution due to the unreacted compound. There is a problem and is undesirable. In addition, when the concentration of the zirconium compound is less than the lower limit, there is a problem that the reaction rate is very low, and when the concentration exceeds the upper limit, there is a problem that the unreacted substance is not produced because a uniform reaction is not performed. In addition, if the concentration of the catalyst is less than the lower limit, there is a problem that the reaction between the compounds is slow, if the upper limit is exceeded, the reaction rate is too fast to uniformly react or the catalyst also remains a byproduct Not desirable
이와 같이 제조된 지르코늄 프리커서는 촉매 잉크 제조를 위한 물과 알코올 의 혼합 용매에 분산이 잘 이루어지므로, 이를 이용하여 형성되는 촉매층은 지르코늄 화합물이 고르게 분산되어 있어 전도도 및 보습성이 매우 우수하다. 또한, 상기 지르코늄 프리커서는 물에 용해되지 않으므로, 막-전극 접합체 내의 수분에 의해 그 성능이 저하되지 않는다. Since the zirconium precursor prepared as described above is well dispersed in a mixed solvent of water and alcohol for preparing a catalyst ink, the catalyst layer formed by using the zirconium compound is uniformly dispersed and has excellent conductivity and moisture retention. In addition, since the zirconium precursor is not dissolved in water, its performance is not degraded by moisture in the membrane-electrode assembly.
다음으로, 물과 알코올의 혼합 용매에 촉매, 상기 지르코늄 프리커서 및 바인더를 첨가하고 혼합하여 촉매 잉크를 제조한다. Next, the catalyst, the zirconium precursor and the binder are added to the mixed solvent of water and alcohol and mixed to prepare a catalyst ink.
상기 촉매 잉크 제조 단계에서, 혼합 용매를 구성하는 알코올로는 대표적으로 이소프로필 알코올, 에틸 알코올, 메틸 알코올 또는 노말프로필 알코올이 사용될 수 있으며, 상기 바인더로는 대표적으로 수소이온 전도성 고분자 또는 PTFE, PVdF, PEEK, PMMA 및 이들의 수소이온 전도성 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 고분자가 사용될 수 있다 상기 촉매로는, 연료의 산화 반응이 일어나는 애노드 전극의 경우 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있고, 산화제의 환원 반응이 일어나는 캐소드 전극의 경우 백금 또는 백금-전이금속 합금이 바람직하게 사용될 수 있다. 상기 촉매들은 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있으며, 대표적인 담체로는 덴카블랙, 아세틸렌블랙, 흑연 등의 탄소계 담체를 들 수 있다In the catalyst ink manufacturing step, isopropyl alcohol, ethyl alcohol, methyl alcohol or normal propyl alcohol may be used as the alcohol constituting the mixed solvent, and the binder is typically a hydrogen ion conductive polymer or PTFE, PVdF, A polymer selected from the group consisting of PEEK, PMMA, and hydrogen ion conductive derivatives thereof may be used. As the catalyst, platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium may be used for the anode electrode in which the oxidation reaction of the fuel occurs. A catalyst selected from the group consisting of an alloy, a platinum-palladium alloy and a platinum-transition metal alloy may be preferably used, and in the case of a cathode electrode in which a reduction reaction of an oxidant occurs, a platinum or platinum-transition metal alloy may be preferably used. The catalysts may be supported on a carbon-based carrier, and typical carriers include carbon-based carriers such as denca black, acetylene black, and graphite.
상기 촉매 잉크에서의 지르코늄 프리커서의 양은 촉매의 양 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부인 것이 바람직하며, 상기 촉매 잉크에서의 바인더의 양은 촉매의 양 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1 중량부인 것이 바람직하다. 상기 지르 코늄 프리커서의 함량비가 상기 하한에 미달하는 경우는 전극층 내에 지르코늄이 미량으로 분산되어 있는 형태이므로 이에 따른 보습 효과를 기대하기 어렵고, 상기 상한을 초과하는 경우는 지르코늄 프리커서 나노 입자 오히려 촉매의 활성층을 덮어버리게 되어 연료전지의 효율을 떨어뜨리게 되므로 바람직하지 못하다. 또한, 상기 바인더의 함량비가 상기 하한에 미달하는 경우는 촉매 입자간 또는 촉매 입자와 지르코늄 프리커서간에 바인딩이 제대로 되지 않는 문제가 있고, 상기 상한을 초과하는 경우는 바인더가 촉매의 활성층을 덮어 촉매의 효율을 떨어뜨리는 문제가 있어 바람직하지 못하다.The amount of zirconium precursor in the catalyst ink is preferably 10 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst, and the amount of the binder in the catalyst ink is preferably 0.1 to 1 parts by weight based on 100 parts by weight of the catalyst. Do. When the content ratio of the zirconium precursor is less than the lower limit, since a small amount of zirconium is dispersed in the electrode layer, it is difficult to expect a moisturizing effect, and when the upper limit is exceeded, the zirconium precursor nanoparticles rather than the catalyst It is not desirable to cover the active layer, which reduces the efficiency of the fuel cell. In addition, when the content ratio of the binder is less than the lower limit, there is a problem in that binding is not properly performed between the catalyst particles or between the catalyst particles and the zirconium precursor, and when the upper limit is exceeded, the binder covers the active layer of the catalyst to It is not preferable because there is a problem of lowering the efficiency.
상기 촉매 잉크 제조 과정은 지르코늄 프리커서의 분산을 더욱 향상시키기 위하여, 지르코늄 프리커서를 물과 알코올의 혼합 용매에 용해시키고, 촉매 및 바인더를 동일한 혼합 용매에 첨가하여 혼합한 후, 두 용액을 혼합함으로써 이루어질 수 있다.In order to further improve the dispersion of the zirconium precursor, the catalyst ink manufacturing process is performed by dissolving the zirconium precursor in a mixed solvent of water and alcohol, adding the catalyst and binder to the same mixed solvent, mixing the mixture, and then mixing the two solutions. Can be done.
다음으로, 상기 촉매 잉크를 전해질막(CCM 방식) 또는 기체확산층(CCS 방식)에 코팅하고 건조시켜 촉매층을 형성한다.Next, the catalyst ink is coated on an electrolyte membrane (CCM method) or a gas diffusion layer (CCS method) and dried to form a catalyst layer.
상기 전해질막으로는 대표적으로 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰 및 이들의 산과 염기로 이루어진 군에서 선택되는 수소이온 전도성 고분자가 사용될 수 있으며, 상기 기체확산층은 대표적으로 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 기체확산층은 상기 도전성 기재의 일면에 형성되는 미세기공층을 더 포함하여 형성될 수 있으며, 이때 촉매층은 상기 기체확산층의 미세기공층 위에 형성된다.The electrolyte membrane is typically a perfluorosulfonic acid polymer, a hydrocarbon-based polymer, polyimide, polyvinylidene fluoride, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polyphosphazine, polyethylene naphthalate, polyester, Doped polybenzimidazole, polyetherketone, polysulfone, and a hydrogen ion conductive polymer selected from the group consisting of acids and bases thereof may be used, and the gas diffusion layer is typically in the group consisting of carbon paper, carbon cloth and carbon felt. It can be made including a conductive substrate selected. The gas diffusion layer may further include a microporous layer formed on one surface of the conductive substrate, wherein the catalyst layer is formed on the microporous layer of the gas diffusion layer.
다음으로, 상기 촉매층을 인산 용액 또는 황산 용액에 투입하고, 상기 인산 용액 또는 황산 용액의 온도를 80 내지 100 ℃로 유지한다.Next, the catalyst layer is introduced into a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution, and the temperature of the phosphoric acid solution or the sulfuric acid solution is maintained at 80 to 100 ° C.
이 과정을 통해 촉매층에 분산되어 있는 지르코늄 프리커서들이 지르코늄 포스페이트(인산 용액을 사용한 경우) 또는 지르코늄 설페이트(황산을 사용한 경우)로 변환된다. 따라서, 충분한 변환을 위해 상기 인산 용액 또는 황산 용액에 의한 처리 과정 60 분 이상 실시하는 것이 바람직하다. 이때, 인산 용액 및 황산 용액의 온도가 상기 수치 범위의 하한에 미달하면 지르코늄 프리커서가 지르코늄 포스페이트로 변화되지 않는 문제가 있고, 상기 상한을 초과하면 막-전극 어셈블리에 있어서 결합이 끊어지거나 변형되는 문제가 있어 바람직하지 못하다.This process converts the zirconium precursors dispersed in the catalyst layer into zirconium phosphate (if using phosphate solution) or zirconium sulfate (if using sulfuric acid). Therefore, it is preferable to carry out at least 60 minutes of treatment with the phosphoric acid solution or sulfuric acid solution for sufficient conversion. At this time, if the temperature of the phosphoric acid solution and sulfuric acid solution is less than the lower limit of the numerical range there is a problem that the zirconium precursor does not change to zirconium phosphate, if the upper limit exceeds the problem that the bond is broken or deformed in the membrane-electrode assembly It is not desirable to have.
상기 인산 용액 및 황산 용액의 농도는 특별히 제한되는 것은 아니나, 효율을 고려할 때 인산 용액의 농도는 1 내지 2 M인 것이 바람직하고, 상기 황산 용액의 농도는 1 내지 2 M인 것이 바람직하다.The concentration of the phosphoric acid solution and the sulfuric acid solution is not particularly limited, but considering the efficiency, the concentration of the phosphoric acid solution is preferably 1 to 2 M, and the concentration of the sulfuric acid solution is preferably 1 to 2 M.
상기 과정을 거쳐 지르코늄 포스페이트 또는 지르코늄 설페이트가 형성되면, 촉매층에 남아 있는 인산 또는 황산 용액 등의 불순물을 제거하기 위해 세척 과정을 거칠 수 있다. When zirconium phosphate or zirconium sulfate is formed through the above process, a washing process may be performed to remove impurities such as phosphoric acid or sulfuric acid solution remaining in the catalyst layer.
이하, 이하, 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층의 제조에 사용된 지르코늄 프리커서의 물성 평가를 위한 실험예를 기재한다. Hereinafter, an experimental example for evaluating the physical properties of the zirconium precursor used in the production of the catalyst layer of the membrane-electrode assembly for a fuel cell of the present invention will be described.
지르코늄 zirconium 프리커서의Precursor 제조 Produce
지르코늄 부톡사이드를 이소프로필 알코올에 용해시킨 후, 제조된 용액에 아세틸 아세톤에 대한 지르코늄 부톡사이드의 비가 0.1이 되도록 아세틸 아세톤을 첨가하였다. 이를 통해 제조된 용액을 1 N 질산을 촉매로 하여 상온에서 5 시간 동안 교반하고, 필터링을 거친 후 90℃에서 12 시간 동안 건조시켜 지르코늄 프리커서를 제조하였다. After zirconium butoxide was dissolved in isopropyl alcohol, acetyl acetone was added to the prepared solution so that the ratio of zirconium butoxide to acetyl acetone was 0.1. The solution thus prepared was stirred at room temperature for 5 hours using 1 N nitric acid as a catalyst, filtered and dried at 90 ° C. for 12 hours to prepare a zirconium precursor.
지르코늄 zirconium 프리커서의Precursor 용해성 평가 Solubility Assessment
앞서 제조된 지르코늄 프리커서 0.3g을 하기 표 1에 기재된 물과 이소프로필알코올의 양으로 제조된 용매에 첨가하고 교반하여 샘플 A~D를 제조하였다. 단, 샘플 D는 샘플 A를 90℃ 오븐에서 12 시간 동안 건조시켜 얻어진 재결정 지르코늄 프리커서(recrystallized zirconium precursor)를 사용하였다. 도 2는 재결정 지르코늄 프리커서의 사진이다.0.3 g of the zirconium precursor prepared above was added to the solvent prepared in the amount of water and isopropyl alcohol described in Table 1 below, followed by stirring to prepare samples A to D. However, Sample D used a recrystallized zirconium precursor obtained by drying Sample A in a 90 ° C. oven for 12 hours. 2 is a photograph of a recrystallized zirconium precursor.
도 3은 상기 과정을 거쳐 제조된 샘플 A~D의 사진이다. 상기 지르코늄 프리커서는 물과 이소프로필알코올의 혼합 용매에는 완전히 용해되었고, 물이나 이소프로필알코올 각각에는 용해되지 않았다. 또한, 재결정 지르코늄 프리커서는 더 이상 용매(물)에 의해서 용해되지 않는 특성을 나타내었다. 3 is a photograph of Samples A to D prepared through the above process. The zirconium precursor was completely dissolved in a mixed solvent of water and isopropyl alcohol, but not in water or isopropyl alcohol, respectively. In addition, the recrystallized zirconium precursor exhibited the property of no longer being dissolved by the solvent (water).
상기 지르코늄 프리커서의 이와 같은 물성으로 인해, 본 발명의 촉매층 형성방법을 통해 제조된 촉매층은 지르코늄 포스페이트 또는 지르코늄 설페이트가 고르게 분산되어 전도도 및 보습성이 우수하며, 막-전극 접합체 내의 수분 등에 의해 물성이 저하되지 않는다. Due to such physical properties of the zirconium precursor, the catalyst layer prepared through the catalyst layer forming method of the present invention is uniformly dispersed with zirconium phosphate or zirconium sulfate, and has excellent conductivity and moisture retention properties, and has excellent physical properties due to moisture in the membrane-electrode assembly. It does not deteriorate.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 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 construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors can appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. Based on the principle, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Therefore, the exemplary embodiments described herein are only exemplary embodiments of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention, and various equivalents and modifications that may substitute them at the time of the present application may be used. It should be understood that there may be.
본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체의 촉매층 형성방법에 따르면, 촉매층 내에 지르코늄 화합물을 고르게 분산시켜 촉매층의 전도도 및 보습성을 향상시키고, 지르코늄 화합물이 운전 중 생성되는 수분에 의해 용해되지 않도록 하여 촉매층의 성능이 지속적으로 유지되도록 할 수 있다.According to the method for forming a catalyst layer of a fuel cell membrane electrode assembly of the present invention, the zirconium compound is evenly dispersed in the catalyst layer to improve conductivity and moisture retention of the catalyst layer, so that the zirconium compound is not dissolved by moisture generated during operation of the catalyst layer. Performance can be kept constant.
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