KR101228545B1 - A Catalyst Slurry Composition, a Method for Preparing a Membrane-Electrode Assembly For Fuel Cell Using the Same and the Membrane-Electrode Assembly For Fuel Cell Prepared Therefrom - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촉매; 변성 알콕시레이트 화합물을 유효성분으로 포함하는 분산제; 전도성 이오노머; 및 용매를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)의 제조를 위한 촉매 슬러리 조성물, 이를 사용한 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지용 막-전극 접합체에 관한 것이다.
촉매 슬러리 조성물에 포함된 촉매 및 전도성 이오노머 입자의 분산성을 향상시킬 수 있고, 이러한 촉매 슬러리 조성물을 도포하는 코팅공정과 용매를 제거하는 건조공정을 거친 후에 경우 균일성이 매우 우수하고 촉매와 이오노머 입자 사이가 연속적으로 이어지지 않아, 데드 스페이스(dead space)라 불리는 큰 크랙이 없는 구조 배열을 가진 촉매층을 형성할 수 있고, 궁극적으로 기공구조를 적용한 막-전극 접합체의 경우 향상된 성능을 나타낼 수 있다.
The present invention is a catalyst; Dispersing agent containing a modified alkoxylate compound as an active ingredient; Conductive ionomers; And a catalyst slurry composition for producing a membrane-electrode assembly for fuel cell (MEA) comprising a solvent, a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell using the same, and a membrane-electrode assembly for a fuel cell prepared therefrom.
It is possible to improve the dispersibility of the catalyst and the conductive ionomer particles contained in the catalyst slurry composition, and after the coating process of applying the catalyst slurry composition and the drying process of removing the solvent, the uniformity is excellent and the catalyst and ionomer particles are excellent. Since there is no continuous connection between them, it is possible to form a catalyst layer having a large crack-free structure arrangement called a dead space, and ultimately, the membrane-electrode assembly having a pore structure can exhibit improved performance.

Description

촉매 슬러리 조성물, 이를 사용한 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지용 막-전극 접합체{A Catalyst Slurry Composition, a Method for Preparing a Membrane-Electrode Assembly For Fuel Cell Using the Same and the Membrane-Electrode Assembly For Fuel Cell Prepared Therefrom}A catalyst slurry composition, a method for preparing a membrane-electrode assembly for fuel cell using the same and the membrane -Electrode Assembly For Fuel Cell Prepared Therefrom}

본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)의 제조를 위한 촉매 슬러리 조성물, 이를 사용한 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지용 막-전극 접합체에 관한 것으로, 구체적으로는 촉매 슬러리 조성물 코팅시 용매 중에 분산된 촉매 및 전도성 이오노머 입자 배열을 구조적으로 안정화시켜 우수한 분산성을 달성할 수 있는 분산제 포함 촉매 슬러리 조성물, 이를 사용한 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법 및 이로부터 제조된 연료전지용 막-전극 접합체에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst slurry composition for producing a fuel cell membrane-electrode assembly (MEA), a method for producing a fuel cell membrane-electrode assembly using the same, and a membrane-electrode assembly for a fuel cell manufactured therefrom, specifically, a catalyst Catalyst slurry composition comprising a dispersant capable of structurally stabilizing the catalyst and conductive ionomer particles dispersed in a solvent when coating the slurry composition, to achieve excellent dispersibility, a method for producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell using the same and a fuel prepared therefrom A battery membrane electrode assembly.

연료전지(Fuel Cell)는 전기화학반응에 의해 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. A fuel cell is a power generation system that directly converts chemical energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy by an electrochemical reaction.

연료전지는 최근 전자 산업의 급속한 발달로 인한 휴대폰, 노트북, PDA 등의 휴대용 이동 전자제품들이 대중화되어 가는 추세에 가장 적합한 에너지원으로 여겨지고 있다. 현재 휴대용 전자제품들은 대중화되었지만 이러한 제품들의 전원으로 사용되고 있는 배터리는 아직까지 제품의 고성능화에 있어서 만족할 만한 성능을 제공하지 못하고 있을 뿐 아니라, 가격도 비싸고 무겁다는 단점을 가진다.Fuel cells are considered to be the most suitable energy source for the trend of the popularization of portable mobile electronic products such as mobile phones, laptops and PDAs due to the rapid development of the electronic industry. Currently, portable electronic products have been popularized, but batteries used as power sources for these products have not yet provided satisfactory performance in terms of high performance, and are expensive and heavy.

따라서, 이러한 요구에 부응하고자 최근 메탄올을 연료로 한 소형 고분자전해질연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; 이하, "PEMFC"라고 한다)나 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; 이하, "DMFC"라고 한다) 등의 연료전지에 관한 개발 및 연구가 활발히 이루어지고 있다.Therefore, in order to meet these demands, recently, a small polymer electrolyte fuel cell (PEEMC) or a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel is referred to as "DMFC". The development and research on fuel cells are being actively conducted.

PEMFC 또는 DMFC 에서 성능을 좌우하는 것은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)이다. MEA는 이온 전도성막(Ion Conducting Membrane; 이하, "ICM"이라고 한다)인 고체 고분자 전해질막과 이에 의하여 분리된 두 개의 촉매화된 전극들로 구성되는데, 탄소천 또는 탄소종이 같은 지지층 위에 도포된 탄소 분말이 기체 확산층을 형성하며, 촉매가 담지된 탄소 분말이 확산층 위에 도포되어 촉매층을 형성한다.It is the membrane-electrode assembly (MEA) that determines performance in PEMFC or DMFC. The MEA consists of a solid polymer electrolyte membrane, an ion conducting membrane (hereinafter referred to as "ICM"), and two catalyzed electrodes separated by it. The powder forms a gas diffusion layer, and the carbon powder carrying the catalyst is applied on the diffusion layer to form a catalyst layer.

MEA의 우수한 성능을 달성하기 위해서는, 촉매 및 전도성 이오노머 입자의 용매에 대한 분산성이 중요하다. 이는 코팅 공정의 물성에 큰 영향을 주기 때문이다.In order to achieve good performance of the MEA, the dispersibility of the catalyst and conductive ionomer particles into the solvent is important. This is because it greatly affects the physical properties of the coating process.

코팅 공정은 진공 틀에 기재를 고정시켜 놓은 후, 촉매 슬러리를 3ml 투입하여 전단응력을 주어 밀어내면서 진행한다. 이러한 코팅 공정시 슬러리의 물성이 점성이 너무 낮게 되면, 흐름성이 너무 좋아져 응력을 준 후에 원래 입자들이 재배열 하는 응집이나 레벨링 단계를 거치지 못하게 되고, 두께를 제대로 유지할 수 없게 된다.The coating process is carried out while the substrate is fixed in a vacuum mold, and 3 ml of the catalyst slurry is added to give a shear stress and pushed out. If the viscosity of the slurry is too low during the coating process, the flowability is so good that the original particles are not subjected to the coagulation or leveling step of rearrangement after stressing, and the thickness cannot be maintained properly.

이 상태에서 건조공정으로 들어가 용액을 제거하게 되면, 재응집을 적절히 거치지 못한 촉매 슬러리는 전도성 이오노머를 통한 입자들의 연결 사이트가 적어지거나 고립되게 되어 후에 셀 성능 테스트시, 기공구조가 충분치 못하거나, 크랙이 발생하여 연료전지가 충분한 성능을 얻을 수 없다. In this state, when the solution enters the drying process and removes the solution, the catalyst slurry, which has not undergone proper reagglomeration, may have a small or isolated connection site for the particles through the conductive ionomer, and may not have sufficient pore structure or crack during the cell performance test. This occurs and the fuel cell cannot obtain sufficient performance.

종래에는 촉매 슬러리의 분산 특성을 위해 점성을 낮추는 것에만 초점을 맞추어 진행하였으나, 코팅 공정을 거친 후 건조공정을 거치게 되면서 용매의 증발로 인해 슬러리의 입자들이 불균일하게 분포되거나 크랙이 발생하여, 열압착에 의한 MEA를 제조한다고 하더라도 기공구조가 불안정하게 되어 성능이 저조한 현상이 나타났다. Conventionally, the process focused on lowering the viscosity for dispersing characteristics of the catalyst slurry, but after the coating process and drying process, the slurry particles are unevenly distributed or cracked due to evaporation of the solvent, resulting in thermocompression. Even when the MEA was manufactured, the pore structure became unstable, resulting in poor performance.

따라서, 본 출원의 발명자들은 단순하게 촉매 슬러리 조성물의 점도 저하를 통해 분산성을 조절하던 종래 기술과 달리, 소정의 분산제 첨가를 통해 촉매 슬러리 조성물의 적절한 탄성값을 가지도록 함으로서 분산성을 향상시켜 입자의 균일한 분포를 달성하게 하고, 촉매 용액을 기재에 코팅하는 공정, 즉 기재위에 전단응력을 주어 일정 두께의 촉매를 유지하게 하는 공정 이후, 초기 전단응력을 제거함에도 기재 위에서 분자들의 구조가 일정 배열을 유지하도록 한다. 이와 같은 촉매 슬러리 조성물은 이후 건조공정을 거치더라도 촉매 도포층에 크랙이나 손상이 유발되는 것을 방지하여, 최후 MEA의 기공구조 안정성을 확보함으로써, 궁극적으로 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공하고자 한다.Therefore, the inventors of the present application simply improve the dispersibility by having a proper elasticity value of the catalyst slurry composition through the addition of a predetermined dispersant, unlike the prior art, in which the dispersion of the catalyst slurry composition is controlled by lowering the viscosity of the catalyst slurry composition. After the process of coating a catalyst solution on the substrate, i.e., applying a shear stress on the substrate to maintain a constant thickness of the catalyst, the structure of the molecules on the substrate is uniformly arranged even though the initial shear stress is removed. To keep. Such a catalyst slurry composition prevents cracking or damage to the catalyst coating layer even after a drying process, thereby securing stability of the pore structure of the final MEA, thereby ultimately improving fuel cell performance. To provide an electrode assembly.

본 발명에 따른 하나의 실시예는 촉매; 변성 알콕시레이트 화합물을 유효성분으로 포함하는 분산제; 전도성 이오노머; 및 용매를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)의 제조를 위한 촉매 슬러리 조성물에 관한 것이다.One embodiment according to the invention is a catalyst; Dispersing agent containing a modified alkoxylate compound as an active ingredient; Conductive ionomers; And it relates to a catalyst slurry composition for the production of a fuel cell membrane-electrode assembly (MEA) comprising a solvent.

본 발명에 따른 하나의 실시예는 (a) 상기 촉매 슬러리 조성물을 초음파(sonication) 처리 및 균일화(homogenizing)하는 단계; (b) 상기 단계 (a)를 거친 촉매 슬러리 조성물을 기재 상에 도포하고 건조시키는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)를 거친 기재를 전해질막의 일면 또는 양면에 전사하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체 (MEA)의 제조방법에 관한 것이다.One embodiment according to the invention comprises the steps of: (a) sonicating and homogenizing the catalyst slurry composition; (b) applying and drying the catalyst slurry composition passed through step (a) onto a substrate; And (c) transferring the substrate having passed through step (b) to one or both surfaces of the electrolyte membrane to form a catalyst layer.

본 발명에 따른 하나의 실시예는 상기 제조방법에 따라 제조된 연료전지용 막-전극 접합체에 관한 것이다.One embodiment according to the present invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell manufactured according to the manufacturing method.

본 발명에 따른 촉매 슬러리 조성물은 변성 알콕시레이트 화합물을 유효성분으로 포함하는 분산제를 통해 촉매 슬러리 조성물에 포함된 촉매 및 전도성 이오노머 입자의 분산성을 향상시킬 수 있고, 슬러리가 적절한 점탄성을 유지하도록 함으로써 MEA를 제조하기 위한 준비 공정, 즉 코팅/건조 공정을 거치는 경우에도 분포가 안정화되고 용매가 제거되어도 구조 안정성을 확보할 수 있다. 이를 통해, 촉매와 이오노머 입자 사이가 연속적으로 이어지지 않아 데드 스페이스(dead space)라 불리는 큰 크랙이 없는 구조 배열을 가진 촉매층을 형성할 수 있도록 하여, 균일성이 매우 우수할 뿐 아니라 최후 MEA 기공 구조의 안정성을 확보하도록 한 막-전극 접합체를 형성할 수 있는 바, 궁극적으로 이를 적용한 연료전지의 경우 향상된 성능을 나타낼 수 있다.The catalyst slurry composition according to the present invention can improve the dispersibility of the catalyst and the conductive ionomer particles included in the catalyst slurry composition through a dispersant containing a modified alkoxylate compound as an active ingredient, and by maintaining the slurry to have proper viscoelasticity, Even when the preparation process for preparing the resin, i.e., the coating / drying process, the distribution is stabilized and structural stability may be secured even when the solvent is removed. This makes it possible to form a catalyst layer having a large crack-free structural arrangement called dead space, because the catalyst and ionomer particles do not continuously connect, resulting in a very good uniformity as well as the final MEA pore structure. The membrane-electrode assembly can be formed to ensure stability, and ultimately, the fuel cell to which the membrane is applied can exhibit improved performance.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 촉매 슬러리 조성물의 점도 측정결과를 나타낸 그래프이다;
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 촉매 슬러리 조성물의 프리퀀시 스윕 테스트(frequency sweep test) 결과를 나타낸 그래프이다;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 촉매 슬러리 조성물의 변형 정도를 살펴보는 실험 결과를 나타낸 그래프이다; 및
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 촉매 슬러리 조성물을 기재에 코팅하고 용매를 제거하는 건조공정을 거친 후, 기재 위에 도포된 촉매와 나피온 이오노머 도포 상태 및 구조안정성을 확대 관찰한 FE-SEM(Field Emission-Scanning Electron Microscope) 결과를 나타낸 사진이다.
1 is a graph showing the viscosity measurement results of the catalyst slurry composition according to an embodiment of the present invention;
2 is a graph showing a frequency sweep test result of the catalyst slurry composition according to one embodiment of the present invention;
3 is a graph showing the results of experiments to examine the degree of deformation of the catalyst slurry composition according to an embodiment of the present invention; And
Figure 4 is a FE-SEM of the catalyst slurry composition according to an embodiment of the present invention after the drying process to remove the solvent and the coating, the catalyst and Nafion ionomer coating state and structural stability of the coating applied on the substrate to enlarge the observation (Picture of Field Emission-Scanning Electron Microscope)

촉매 슬러리 조성물에 포함된 촉매와 전도성 이오노머 등의 초기 안정화를 통해 이루어지는 점탄성 특성에 따라, 코팅된 촉매층의 물성을 결정하게 된다. 이러한 점탄성을 목적하는 바에 적합하게 결정짓기 위해, 촉매와 전도성 이오노머의 분산을 안정화 시키고자 하였으며, 본 발명에 따른 촉매 슬러리 조성물은 변성 알콕시레이트 화합물을 유효성분으로 포함하는 분산제를 포함함으로써, 정전기적 반발력과 입체장애 효과를 통한 코팅공정 후 입자 분포의 안정화를 이룰 수 있음을 확인하였다. Depending on the viscoelastic properties made through initial stabilization of the catalyst and the conductive ionomer included in the catalyst slurry composition, the physical properties of the coated catalyst layer are determined. In order to determine the desired viscoelasticity, it was intended to stabilize the dispersion of the catalyst and the conductive ionomer, and the catalyst slurry composition according to the present invention includes a dispersant containing a modified alkoxylate compound as an active ingredient, thereby preventing electrostatic repulsion. It was confirmed that the particle distribution can be stabilized after the coating process through the steric hindrance effect.

코팅시 전단 응력의 힘이 제거된 후에도, 입자들이 원 상태로 되돌아 가려는 특성을 가져 적절한 구조를 이루기 위한 적절한 탄성을 가질 수 있도록 분산제를 투입하였다. 상기 분산제는 탄소 촉매 입자와 전도성 이오노머 및 용매 사이의 계면장력을 감소시키고 습윤을 가속화시켜 분산을 용이하게 하며, 입자 표면에 강하게 흡착한 후, 주위 용액에 알콕시레이트 사슬을 늘어뜨려 촉매 표면에 입체 장애효과를 주거나, 반대이온을 통해 전기 이중층을 형성하여 정전기적 반발력을 가지도록 할 수 있다. Even after the force of the shear stress in the coating was removed, a dispersant was added so that the particles had a property to return to their original state to have an appropriate elasticity to form an appropriate structure. The dispersant reduces the interfacial tension between the carbon catalyst particles and the conductive ionomer and the solvent, accelerates the wetting and facilitates the dispersion, strongly adsorbs on the surface of the particles, and then alkoxylate chains in the surrounding solution, causing steric hindrance on the surface of the catalyst. To effect, or to form an electric double layer through the counterion can have an electrostatic repulsive force.

이를 통해, 입자들의 분산을 안정하게 유지하고, 습윤과 분산을 용이하게 하여 분산제를 포함하지 않은 기존의 촉매 슬러리 조성물에 비해 개선된 유동학적 특성 및 점 탄성 특성을 보유할 수 있도록 함으로써, 크랙이 없는 구조 배열을 가진 촉매층 및 안정된 기공 구조를 가지는 MEA를 형성할 수 있도록 하였다.This ensures stable dispersion of the particles and facilitates wetting and dispersing so that they can retain improved rheological and viscoelastic properties compared to conventional catalyst slurry compositions that do not contain a dispersant, thereby eliminating cracks. A catalyst layer having a structural arrangement and a MEA having a stable pore structure can be formed.

하나의 실시예에서, 상기 분산제는 촉매 입자의 분산성 향상을 위한 정전기적 반발력과 입체장애 효과를 달성할 수 있는 것이라면 어떠한 형태의 변성 알콕시레이트 화합물이라도 포함할 수 있으나, 예를 들어 MgSO4 또는 이의 수화물(MgSO4·7H2O)을 유효성분으로 포함할 수 있다.In one embodiment, the dispersing agent may include any type of modified alkoxylate compound as long as it can achieve the electrostatic repulsive force and steric hindrance effect for improving the dispersibility of the catalyst particles, for example MgSO 4 or its Hydrate (MgSO 4 · 7H 2 O) may be included as an active ingredient.

상기 분산제는 예를 들어 5 내지 6의 pH를 나타낼 수 있다. 통상 촉매 슬러리 조성물은 촉매와 전도성 이오노머, 물, IPA등의 알코올 용매류와 혼합된 상태로 pH가 2 내지 3의 강한 산성을 나타낸다. 이러한 환경에서 소량의 첨가제를 첨가하는 경우에는 촉매 슬러리 조성물 및 연료전지 내부 환경이 가지는 pH에 큰 변화를 주지 않으면서 목적하는 효과를 달성하는 것이 중요하다. 이에, 본 발명에서는 다른 성분의 pH에 크게 영향을 미치지 않는 변성 알콕시레이트 화합물을 유효성분으로 포함하는 분산제를 통해, 슬러리 전체의 내부 pH에 큰 영향을 주지 않으면서도 목적하는 촉매 및 전도성 이오노머 입자의 분산성 향상 효과를 달성할 수 있다.The dispersant may, for example, exhibit a pH of 5-6. Generally, the catalyst slurry composition exhibits a strong acidity of 2 to 3 in a state of being mixed with a catalyst and alcohol solvents such as conductive ionomer, water, and IPA. In the case where a small amount of additive is added in such an environment, it is important to achieve a desired effect without large changes in the pH of the catalyst slurry composition and the internal environment of the fuel cell. Thus, in the present invention, through the dispersant containing a modified alkoxylate compound as an active ingredient that does not significantly affect the pH of the other components, the desired catalyst and conductive ionomer particles without significantly affecting the internal pH of the entire slurry An acidic improvement effect can be achieved.

상기 분산제의 함량은 예를 들어 조성물의 총 중량을 기준으로 1 내지 5 중량%, 구체적으로 2 내지 4 중량%로 포함될 수 있다. 상기 분산제의 함량이 정의된 범위와 비교하여 너무 적으면 목적하는 분산성 향상 효과를 기대하기 어렵고, 너무 많으면 촉매 및 전도성 이오노머 외의 불순물이 과다 존재하여 전도성 저하 및 오염 등의 문제로 인해 오히려 더 성능이 떨어질 수 있어 이의 함량이 중요하다.The content of the dispersant may be included, for example, 1 to 5% by weight, specifically 2 to 4% by weight, based on the total weight of the composition. When the content of the dispersant is too small compared with the defined range, it is difficult to expect the desired dispersibility improvement effect, and when too much, the impurities and other than the catalyst and the conductive ionomer are present in excess, resulting in deterioration of conductivity and problems such as contamination. Its content is important because it can fall.

상기 촉매 슬러리 조성물에 포함된 촉매, 전도성 이오노머 및 분산용매의 함량은 첨가된 분산제의 함량을 고려하여, 예를 들어 촉매 슬러리 조성물 총 중량을 기준으로 2 내지 4 중량%의 분산제와 4 내지 5 중량%의 촉매, 9 내지 11 중량%의 전도성 이오노머 및 80 내지 85 중량%의 용매를 포함할 수 있다.The content of the catalyst, conductive ionomer and dispersion solvent included in the catalyst slurry composition may be, for example, 2 to 4 wt% of dispersant and 4 to 5 wt%, based on the total weight of the catalyst slurry composition, in consideration of the amount of the added dispersant. Of catalyst, 9 to 11% by weight of conductive ionomer and 80 to 85% by weight of solvent.

하나의 실시예에서, 상기 촉매는 예를 들어 백금담지탄소 촉매(platinized carbon: Pt/C)일 수 있으며, 촉매 중 백금의 양은 촉매 전체의 40 내지 50 중량%일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment, the catalyst may be, for example, a platinum supported carbon (Pt / C), the amount of platinum in the catalyst may be 40 to 50% by weight of the total catalyst, but is not limited thereto. .

상기 전도성 이오노머는 통상 막-전극 접합체의 제조에서 사용되는 퍼플루오로설폰산(perfluorosulfonic acid: PFSA) 계통의 나피온(듀폰사 제품) 이오노머나, 탄화수소계통의 고분자 전해질 이오노머가 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The conductive ionomer may be a Nafion (dupont) product or a hydrocarbon-based polymer electrolyte ionomer of perfluorosulfonic acid (PFSA) type, which is commonly used in the preparation of a membrane-electrode assembly, but is not limited thereto. It doesn't happen.

상기 용매는 예를 들어 이소프로판올, 노말프로판올, 에탄올, 메탄올, 물, 노말부틸아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The solvent may be, for example, one or two or more selected from the group consisting of isopropanol, normal propanol, ethanol, methanol, water, and normal butyl acetate, but is not limited thereto.

경우에 따라서, 상기 촉매 슬러리 조성물에 포함된 백금 촉매의 큰 활성으로 인하여, 분산용매와의 이상 반응에 의해 연소 현상이 발생하는 것을 방지하기 위해 용매로 물을 필수적으로 포함할 수 있으며, 투입된 물에 의해 촉매 슬러리 조성물은 초기 안정성을 확보할 수 있다.In some cases, due to the large activity of the platinum catalyst contained in the catalyst slurry composition, water may be essentially included as a solvent to prevent combustion from occurring due to an abnormal reaction with the dispersion solvent, As a result, the catalyst slurry composition can secure initial stability.

본 발명은 또한, (a) 상기 촉매 슬러리 조성물을 초음파(sonication) 처리 및 균일화(homogenizing)하는 단계; (b) 상기 단계 (a)를 거친 촉매 슬러리 조성물을 기재 상에 도포하고 건조시키는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)를 거친 기재를 전해질막의 일면 또는 양면에 전사하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체 (MEA)의 제조방법에 관한 것이다.The invention also comprises the steps of (a) sonication and homogenizing the catalyst slurry composition; (b) applying and drying the catalyst slurry composition passed through step (a) onto a substrate; And (c) transferring the substrate having passed through step (b) to one or both surfaces of the electrolyte membrane to form a catalyst layer.

경우에 따라서, 용액 중에 촉매 및 전도성 이오노머가 분산된 형태의 촉매 슬러리 조성물 자체는 침강상태를 유지하고 있어, 안정한 분산상태 유지가 어렵기 때문에, 단계 (a) 전에 촉매 슬러리 조성물을 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다.In some cases, the catalyst slurry composition itself in the form of the catalyst and the conductive ionomer dispersed in the solution maintains the settling state, and thus it is difficult to maintain a stable dispersion state, and thus, the step of stirring the catalyst slurry composition before step (a) is further performed. It may include.

촉매 슬러리 조성물을 통해 연료전지용 막-전극 접합체를 제조하는 경우, 초음파(sonication) 처리 및 균일화(homogenizing)하는 단계만을 포함하는 경우 목적하는 분산성 향상 효과를 이루지 못하였다.When manufacturing the membrane-electrode assembly for a fuel cell through the catalyst slurry composition, it did not achieve the desired dispersibility improvement when only including the step of sonication and homogenizing (homogenizing).

촉매 슬러리 조성물이 침강 상태가 되어 안정한 분산상태를 이루지 못하는 경우 이후 진행되는 코팅 또는 전해질막에의 전사 과정에서 침강 상태로 인해 촉매의 분포량이 달라, 각 부분에서의 촉매량 및 분포도에 차이가 있게 된다. 또한, 하부에 가라앉은 입자들의 응집에 의해 점도가 일관성 없이 증가하여 일정한 물성을 얻기가 어려운 점이 있었다.If the catalyst slurry composition is not settled to achieve a stable dispersion state, the distribution of the catalyst is different due to the settling state during the subsequent transfer to the coating or electrolyte membrane, and thus the amount and distribution of the catalyst in each portion are different. In addition, the viscosity increased inconsistently due to the aggregation of the particles settled in the lower part was difficult to obtain a constant physical properties.

그러나, 촉매 슬러리를 교반하는 과정을 포함함으로써, 상대적으로 촉매 입자의 분포도를 좁게 하여 입자들의 응집 현상을 방지하고, 촉매 입자의 응집에 의해 슬러리의 점성이 일관성 없이 증가하는 것을 막아, 균일한 분산상태를 유지한 촉매 슬러리의 제조, 이를 통해 크랙이 없는 촉매층을 제조할 수 있음을 확인하였다.However, by including the step of stirring the catalyst slurry, the distribution of the catalyst particles is relatively narrowed to prevent the aggregation of the particles, and the viscosity of the slurry is prevented from increasing inconsistently by the agglomeration of the catalyst particles, resulting in a uniform dispersion state. Preparation of the catalyst slurry was maintained, through which it was confirmed that the catalyst layer can be produced without cracks.

상기 교반은 목적하는 효과를 달성할 수 있다면 어떠한 장치라도 사용할 수 있으나, 교반(Magnetic Stirrer; Model명: MS-300) 장치를 통해 교반할 수 있으며, 이 때 교반 속도는 500 내지 1000 rpm, 구체적으로 800 rpm일 수 있다. The stirring may be used in any device if it can achieve the desired effect, it can be stirred through a stirring (Magnetic Stirrer; Model name: MS-300) apparatus, wherein the stirring speed is 500 to 1000 rpm, specifically May be 800 rpm.

상기 교반 이후 초음파 처리 및 균일화 과정은 통상 사용되는 어떠한 방법이라도 제한없이 사용될 수 있으나, 예를 들어 25 내지 30분 동안 촉매 슬러리를 초음파 처리하고, 호모지나이저(homogenizer)를 통해 110 내지 120분 동안 균일화 할 수 있다.After the stirring, the sonication and homogenization process can be used without limitation in any method commonly used, for example, sonicating the catalyst slurry for 25 to 30 minutes, homogenizing for 110 to 120 minutes through a homogenizer (homogenizer) can do.

상기 단계 (a)는 촉매 슬러리 조성물을 기재 상에 도포하고 건조시키는 단계로, 상기 기재는 예를 들어, 탄소천 또는 탄소 종이 등과 같은 지지체일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Step (a) is a step of applying and drying the catalyst slurry composition on a substrate, the substrate may be, for example, a support such as carbon cloth or carbon paper, but is not limited thereto.

상기 촉매 슬러리 조성물을 기재 상에 도포하는 방법은 예를 들어, 코팅법(spray coating), 스크린 프린팅법(screen printing), 테잎 캐스팅법(tape casting), 붓칠법(brushing) 및 슬롯 다이 캐스팅법(slot die casting)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 방법을 통해 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The method for applying the catalyst slurry composition on a substrate is, for example, spray coating, screen printing, tape casting, brushing and slot die casting ( slot die casting), but is not limited thereto.

상기 도포된 촉매 슬러리 조성물의 건조는 통상 사용되는 건조 조건, 예를 들어 20 내지 60℃의 온도의 진공상태에서 건조될 수 있다.Drying of the applied catalyst slurry composition may be dried under vacuum conditions of drying conditions commonly used, for example, 20 to 60 ℃.

이후, 단계 (a)를 거친 기재를 전해질막의 일면 또는 양면에 전사하여 촉매층을 형성하는 단계 (b)를 거치게 된다. 상기 전사는 예를 들어, 단계(c)를 거친 기재를 전해질막 상에 적층하고 핫프레싱(hot pressing)하여 이루어질 수 있으며, 핫프레싱기의 가열 온도는 100 내지 140℃, 핫프레싱기로부터 가하여지는 압력은 100 내지 200kgf/cm2인 것이 바람직하다.Subsequently, the substrate passed through step (a) is transferred to one or both surfaces of the electrolyte membrane to form a catalyst layer (b). The transfer may be performed, for example, by laminating and hot pressing a substrate having passed through step (c) onto an electrolyte membrane, and the heating temperature of the hot pressing machine is applied from a hot pressing machine at 100 to 140 ° C. The pressure is preferably 100 to 200 kgf / cm 2 .

상기 전해질막은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 퍼플루오르술폰산 폴리머, 퍼플루오로카본 술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이의 산 또는 염기로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상으로 이루어진 것일 수 있으며, 그 두께는 약 20 내지 200㎛, 바람직하게는 40 내지 60㎛일 수 있다.The electrolyte membrane is not particularly limited, but for example, perfluorosulfonic acid polymer, perfluorocarbon sulfonic acid polymer, hydrocarbon-based polymer, polyimide, polyvinylidene fluoride, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, Polyphosphazide, polyethylene naphthalate, polyester, doped polybenzimidazole, polyetherketone, polysulfone, acid or base thereof, and may be composed of one or more selected from about 20 to 200 in thickness. Μm, preferably 40 to 60 μm.

또한, 본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조된 연료전지용 막-전극 접합체 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 막-전극 접합체는 우수한 분산성을 가져, 많은 변형을 거침에도 일정한 형태를 유지할 수 있는 촉매 슬러리 조성물을 사용하여 제조된 것인 바, 촉매층에 크랙이 존재하지 않으며 촉매의 입자 분포가 우수하여, 이를 포함하는 MEA는 안정된 기공 구조를 가질 수 있으며, 상기 MEA를 포함하는 연료전지는 향상된 성능을 발휘할 수 있다.
The present invention also relates to a fuel cell membrane-electrode assembly manufactured according to the manufacturing method and a fuel cell including the same. The membrane-electrode assembly according to the present invention has excellent dispersibility and is manufactured by using a catalyst slurry composition which can maintain a constant shape even after many deformations, and thus there is no crack in the catalyst layer and the particle distribution of the catalyst is increased. Excellent, the MEA including the same may have a stable pore structure, and the fuel cell including the MEA may exhibit improved performance.

이하, 본 발명을 다음의 실시예 및 실험예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명의 범주가 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following Examples and Experimental Examples, but the scope of the present invention is not limited thereto.

[실시예 1] Example 1

MgSO4·7H2O를 유효 성분으로 포함하는 분산제(분산제 총 중량 중 MgSO4·7H2O의 함량은 2 wt%), Pt/C 촉매 1g(또는 전체 분산 용액의 5wt%) 및 나피온 아이오노머 2g(또는 전체 분산 용액의 10wt%)를 IPA(이소프로판올) 및 물에 분산시켰다. 25℃의 온도에서 800rpm의 속도로 교반한 후, 상온에서 초음파 처리를 30분간 실시하였으며, 호모지나이저(homogenizer)를 이용하여 12000rpm의 속도로 120분간 혼합하여 촉매 슬러리를 제조하였다.
Dispersant containing MgSO 4 · 7H 2 O as active ingredient (content of MgSO 4 · 7H 2 O in the total weight of the dispersant is 2 wt%), 1 g of Pt / C catalyst (or 5 wt% of the total dispersion solution) and Nafion A 2 g of ionomer (or 10 wt% of the total dispersion solution) was dispersed in IPA (isopropanol) and water. After stirring at a speed of 800rpm at a temperature of 25 ℃, ultrasonic treatment was performed for 30 minutes at room temperature, a catalyst slurry was prepared by mixing at a speed of 12000rpm for 120 minutes using a homogenizer (homogenizer).

[비교예 1] Comparative Example 1

실시예 1의 과정 중 분산제를 포함하지 않았다는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 촉매 슬러리를 제조하였다.
A catalyst slurry was prepared in the same manner as in Example 1, except that no dispersant was included in the course of Example 1.

[실험예 1] [Experimental Example 1]

제조된 실시예 1 및 비교예 1의 촉매 슬러리가 가지는 점탄성에 대한 유동학적 분석을 위하여 레오미터로 슬러리 자체에 대한 strain sweep test 분석을 Rheometer(Rheoplus, Model:MCR500)의 0.1~1000[1/s]까지 Shear rate를 변화시키면서 점탄성을 측정하는 동적모드(Dynamic mode), 25℃에서 진행하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.For rheological analysis on the viscoelastic properties of the catalyst slurries of Example 1 and Comparative Example 1, strain sweep test analysis of the slurry itself was performed with a rheometer of 0.1 to 1000 [1 / s] of Rheometer (Rheoplus, Model: MCR500). ] Was carried out at 25 ° C., a dynamic mode for measuring viscoelasticity while varying the shear rate, and the results are shown in FIG. 1.

도 1을 참조하면, 저변형 속도 부근에서는 실시예 1의 슬러리와 비교예 1의 슬러리 모두 비슷한 영역을 지니지만, 고전단 속도로 변형시킬 때는 입자의 배열에 의해 점도가 점점 낮아지는 shear-thinning 거동을 나타내면서도, 상대적으로 고전단 속도에서 실시예 1의 슬러리가 점성이 높은 거동을 보이고 있음을 확인하여, 상대적으로 분산제를 투입한 슬러리가 코팅공정에서 너무 많은 흐름성을 지니지 않고 탄성을 지님을 확인함으로서 분산제를 소량 첨가한 실시예가 비교예에 비해 변형을 많이 주는 전단영역에서도 좀 더 안정함을 살펴볼 수 있었다.
Referring to FIG. 1, although the slurry of Example 1 and the slurry of Comparative Example 1 have similar regions near the low strain rate, the shear-thinning behavior in which the viscosity decreases gradually due to the arrangement of particles when deforming at high shear rate In addition, it was confirmed that the slurry of Example 1 exhibited a high viscosity at a relatively high shear rate, so that the slurry into which the dispersant was added does not have too much flowability in the coating process and was elastic. By adding a small amount of the dispersant it can be seen that the more stable in the shear zone to give a lot of deformation than the comparative example.

[실험예 2] [Experimental Example 2]

Rheometer(Rheoplus, Model:MCR500)의 Frequency를 0.08~10Hz로 변화시키는 Dynamic mode의 과정[25℃] 으로 Frequency sweep test를 진행하였으며, 그 결과를 하기 도 2에 나타내었다.The frequency sweep test was performed by a process [25 ° C.] of the dynamic mode of changing the frequency of the rheometer (Rheoplus, Model: MCR500) from 0.08 to 10 Hz, and the results are shown in FIG. 2.

도 2를 참조하면, 상대적으로 낮은 헤르츠 범위에서 낮은 점도를 나타내는 것을 확인하였으며, 이는 입자들의 분산이 뭉치지 않고 용매 내에 잘 균일하게 퍼져있음을 의미한다. 또한, 낮은 헤르츠 범위에서 높은 스토리지 모듈러스(Storage modulus)를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 이는 분산 구조를 잘 유지할 수 있는 탄성 능력을 가지는 것임을 의미하는 것이다. 이 경우, 실시예 1이 비교예 1과 비교하여 처음에는 비슷한 점성을 가지면서도, 많은 변형을 거치는 경우라도 점도의 하강폭이 비교예에 비해 적어 일정 형태를 유지 가능한 개선된 조성을 가질 수 있음을 확인할 수 있다.
Referring to Figure 2, it was confirmed that exhibiting a low viscosity in the relatively low Hertz range, which means that the dispersion of particles does not aggregate and spread well in the solvent. In addition, it can be seen that it has a high storage modulus in the low Hertz range, which means that it has an elastic ability to maintain a distributed structure well. In this case, Example 1 compared to Comparative Example 1, but at the same time at the same time, even if a lot of deformation, the width of the falling down compared to the comparative example was confirmed that it can have an improved composition that can maintain a certain form Can be.

[실험예 3] [Experimental Example 3]

실험예 2의 방법으로 stress sweep test를 진행한 이후, 일정한 변형을 주는 힘을 가했다가 그 힘을 제거하는 Loop test를 5회 진행시켜, 슬러리 자체의 변형 정도를 확인하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.After the stress sweep test was carried out by the method of Experimental Example 2, a loop test for applying a constant strain and then removing the force was carried out five times to confirm the degree of deformation of the slurry itself, and the results are shown in FIG. 3. It was.

도 3을 참조하면, 변형속도를 늘린 후 그 힘을 제거하는 5회의 루프테스트시, 비교예 1의 슬러리가 실시예 1의 슬러리에 비해 더 변형이 심함을 알 수 있었고, 이로서 실시예 1이 종래의 촉매 슬러리 조성물보다 더 분산 안정성을 가지게 되었음을 상대 비교 확인할 수 있었다.
Referring to FIG. 3, it was found that during the five loop tests to increase the deformation rate and then remove the force, the slurry of Comparative Example 1 was more deformed than the slurry of Example 1, and thus, Example 1 was conventionally used. Relative comparison was confirmed to have more dispersion stability than the catalyst slurry composition of.

[실험예 4][Experimental Example 4]

제조된 실시예 1 및 비교예 1의 촉매 슬러리를 이미드 필름의 기재위에 데칼의 방법으로 150~200 ㎛ 두께를 가지는 블레이드를 전단응력을 주어 밀어주어 코팅을 한 후, 이를 진공오븐에서 상온에서 24hr 건조시켜 용제를 제거시킨후, 남은 촉매층의 입자 분포 및 구조 안정성을 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)로 1000배 확대하여 관찰한 결과를 도 4에 나타내었다. The catalyst slurry of Example 1 and Comparative Example 1 was prepared by pushing a blade having a thickness of 150 to 200 μm on the substrate of the imide film by using a decal to give a shear stress, and then coating the same, and then performing this at a room temperature in a vacuum oven at 24hr. After removing the solvent by drying, the particle distribution and the structural stability of the remaining catalyst layer was magnified 1000 times with FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscope).

도 4를 참고하면, 소량의 분산제를 투입한 실시예가 비교예에 비해, 이는 코팅 공정 시 일정한 전단응력에 지나가고 난 후에 적절한 탄성 값을 지닌 슬러리의 특성이 입자들의 재배열을 통해 촉매 및 이오노머 입자들이 잘 분포되어, 이후 건조공정을 지나치더라도 표면의 크랙과 같은 흠집이 거의 없고, 구조를 유지함을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1을 코팅 공정에 적용한 결과(a), 비교예 1의 종래 슬러리를 코팅한 것(b)에 비해 훨씬 개선된 입자 분포를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, the embodiment in which a small amount of the dispersant is added is compared with the comparative example, in which the characteristic of the slurry having an appropriate elastic value after passing a constant shear stress in the coating process is characterized by rearrangement of the catalyst and ionomer particles. It was well distributed, and even after passing through the drying process, there were almost no scratches such as cracks on the surface, and it was confirmed that the structure was maintained. In addition, as a result of applying Example 1 to the coating process (a), it can be seen that a much improved particle distribution can be obtained compared to the coating (b) of the conventional slurry of Comparative Example 1.

본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to perform various applications and modifications within the scope of the present invention based on the above contents.

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete (a) 촉매 슬러리 조성물을 초음파(sonication) 처리 및 균일화(homogenizing)하는 단계;
(b) 상기 단계 (a)를 거친 촉매 슬러리 조성물을 기재 상에 도포하고 건조시키는 단계; 및
(c) 상기 단계 (b)를 거친 기재를 전해질막의 일면 또는 양면에 전사하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체 (MEA)의 제조방법으로서,
상기 촉매 슬러리 조성물은 촉매; 변성 알콕시레이트 화합물을 유효성분으로 포함하는 분산제; 전도성 이오노머; 및 용매를 포함하고,
상기 분산제는 상기 조성물의 총 중량을 기준으로 1 내지 5중량%로 포함되되,
상기 분산제는 용매 중에서 4 내지 7의 pH를 나타내는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)의 제조방법.
(a) sonicating and homogenizing the catalyst slurry composition;
(b) applying and drying the catalyst slurry composition passed through step (a) onto a substrate; And
(c) a method of manufacturing a fuel cell membrane-electrode assembly (MEA) comprising the step of transferring the substrate passed through step (b) to one or both surfaces of an electrolyte membrane to form a catalyst layer,
The catalyst slurry composition is a catalyst; Dispersing agent containing a modified alkoxylate compound as an active ingredient; Conductive ionomers; And a solvent,
The dispersant is included in 1 to 5% by weight based on the total weight of the composition,
The dispersant is a method for producing a fuel cell membrane-electrode assembly (MEA), characterized in that the pH of 4 to 7 in the solvent.
제 6 항에 있어서,
상기 제조방법은 단계 (a) 전에 촉매 슬러리 조성물을 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
The method according to claim 6,
The production method further comprises the step of stirring the catalyst slurry composition before step (a).
제 7 항에 있어서,
상기 제조방법은 촉매 슬러리 조성물을 500 내지 1000 rpm으로 교반하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The manufacturing method is a method of manufacturing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that for stirring the catalyst slurry composition at 500 to 1000 rpm.
제 6 항에 있어서,
상기 단계 (b)는 스프레이 코팅법(spray coating), 스크린 프린팅법(screen printing), 테잎 캐스팅법(tape casting), 붓칠법(brushing) 및 슬롯 다이 캐스팅법(slot die casting)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 방법을 통해 촉매 슬러리 조성물을 기재 상에 도포하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
The method according to claim 6,
Step (b) is selected from the group consisting of spray coating, screen printing, tape casting, brushing and slot die casting. Method of producing a membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that the coating of the catalyst slurry composition on a substrate by one method.
제 6 항에 있어서,
상기 단계 (c)는 단계 (b)를 거친 기재를 전해질막 상에 적층하고, 100 내지 140℃의 온도에서 100 내지 200kgf/cm2의 압력을 가하여 핫프레싱(hot pressing)하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체의 제조방법.
The method according to claim 6,
The step (c) is a fuel characterized in that the laminated substrate on the electrolyte membrane through step (b), and hot pressing by applying a pressure of 100 to 200kgf / cm 2 at a temperature of 100 to 140 ℃ Method for producing a membrane-electrode assembly for batteries.
제 6 항의 제조방법에 따라 제조된 연료전지용 막-전극 접합체.A membrane-electrode assembly for a fuel cell prepared according to the method of claim 6. 제 11 항의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지.

A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly of claim 11.

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