KR101544189B1 - Ink for fuel cell electrode catalyst layer, catalyst layer for fuel cell electrode using the same, preparing methode of the same, membrane electrode assembly and fuel cell including the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크, 이를 이용한 연료 전지 전극 촉매층 제조 방법, 이에 의하여 제조된 연료 전지 전극 촉매층, 및 이를 포함하는 막전극 접합체, 연료 전지에 관한 것으로, 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크는 수소이온전도성 고분자의 사슬 이동도가 2.0 kHz-1 내지 3.0 kHz- 1 인 용매를 사용함으로써 나노 입자가 밀집된 구조의 촉매층을 제조할 수 있으며, 이를 이용하여 제조된 연료 전지 전극 촉매층 및 이를 포함하는 막전극 접합체, 연료 전지는 상대 습도가 0 %인 조건에서도 우수한 전지 효율을 나타낼 수 있다.The present invention relates to an ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer, a method for manufacturing a fuel cell electrode catalyst layer using the same, a membrane electrode assembly, and a fuel cell comprising the same, Can produce a catalyst layer having a structure in which nanoparticles are dense by using a solvent having a chain mobility of hydrogen ion conductive polymer of 2.0 kHz- 1 to 3.0 kHz - 1 , and a fuel cell electrode catalyst layer manufactured using the same, The membrane electrode assembly, and the fuel cell can exhibit excellent cell efficiency even under the condition that the relative humidity is 0%.

Description

연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크, 이를 이용한 연료 전지 전극 촉매층의 제조 방법, 이에 의하여 제조된 연료 전지 전극 촉매층 및 이를 포함하는 막전극 접합체, 연료 전지{INK FOR FUEL CELL ELECTRODE CATALYST LAYER, CATALYST LAYER FOR FUEL CELL ELECTRODE USING THE SAME, PREPARING METHODE OF THE SAME, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL INCLUDING THE SAME} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer, a method for manufacturing a fuel cell electrode catalyst layer using the same, a fuel cell electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly including the electrode catalyst layer, ELECTRODE USING THE SAME, PREPARING METHODE OF THE SAME, MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL INCLUDING THE SAME}

본 발명은 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크, 이를 이용한 연료 전지 전극 촉매층의 제조 방법, 이에 의하여 제조된 연료 전지 전극 촉매층 및 이를 포함하는 막전극 접합체, 연료 전지에 관한 것이다.
The present invention relates to an ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer, a method for manufacturing a fuel cell electrode catalyst layer using the same, a fuel cell electrode catalyst layer, a membrane electrode assembly including the same, and a fuel cell.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 차세대 전기화학 에너지 변환 장치로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.Recently, as the exhaustion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As a next-generation electrochemical energy conversion device, fuel cells are attracting particular attention due to their advantages such as high efficiency, no emission of pollutants such as NOx and SOx, and abundant fuel.

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 the chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electric energy. Hydrogen, hydrocarbons such as methanol and butane are used as fuel, and oxygen is used as an oxidant.

연료전지에 있어서 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막전극 접합체(MEA)이고, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1 및 아래 수소를 연료로 사용한 경우의 연료전지의 반응식을 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 외부 회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.The most basic unit for generating electricity in a fuel cell is a membrane electrode assembly (MEA), which is composed of an anode and a cathode formed on both surfaces of an electrolyte membrane and an electrolyte membrane. Referring to the reaction formula of the fuel cell in which hydrogen is used as a fuel in FIGS. 1 and 2 showing the electric generation principle of the fuel cell, oxidation reaction of fuel occurs at the anode electrode, hydrogen ions and electrons are generated, and hydrogen ions are passed through the electrolyte membrane And moves to the cathode electrode. At the cathode electrode, hydrogen ions and electrons transferred through the oxygen (oxidizing agent) and the electrolyte membrane react with each other to generate water. This reaction causes electrons to migrate to the external circuit.

[반응식][Reaction Scheme]

애노드 전극: H2 → 2H+ + 2e- The anode: H 2 → 2H + + 2e -

캐소드 전극: 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2OCathode electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O

전체 반응식: H2 + 1/2O2 → H2O
Overall reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O

연료전지용 막전극 접합체(MEA)는 다양한 형태로 제조되고 있으며, 그 구성 층의 수에 따라 3, 5, 7-레이어(layer) 막전극 접합체라 한다. 3-레이어 막전극 접합체는 전해질막과 연료극 및 공기극 촉매로만 접합된 상태이며, 5-레이어 막전극 접합체는 3-레이어 막전극 접합체에 탄소종이나 탄소천과 같은 전극 지지체를 덧붙인 것이다. 이러한 다공성 지지체가 있는 부분을 기체 확산층이라 한다. 막전극 접합체로 연료전지 스택을 제조하는 경우 분리판과의 접촉 부분에서 기체 혹은 액체의 누설을 방지하기 위해 가스켓을 필요로 하게 되는데, 이러한 카스켓을 막전극 접합체와 일체화 시킨 것을 7-레이어 막전극 접합체라고 한다. Membrane electrode assemblies (MEAs) for fuel cells are manufactured in various forms, and are referred to as 3, 5, and 7-layer membrane electrode assemblies depending on the number of constituent layers. The 3-layer membrane electrode assembly is bonded only with the electrolyte membrane, the fuel electrode and the air electrode catalyst, and the 5-layer membrane electrode assembly is formed by adding an electrode support such as carbon paper or carbon cloth to the 3-layer membrane electrode assembly. The portion having such a porous support is referred to as a gas diffusion layer. When a fuel cell stack is manufactured using a membrane electrode assembly, a gasket is required to prevent gas or liquid from leaking at a contact portion with the separator. Such a cask is integrated with the membrane electrode assembly to form a 7- Junction.

도 2는 5-레이어 막전극 접합체의 일반적인 구성을 나타낸 것으로, 전해질막(201) 및 전해질막(201)을 사이에 두고 양면에 대향하여 위치하는 촉매층(203, 205) 및 기체확산층(208)으로 구성된다. 기체확산층은 전극 지지체(209a, 209b) 및 그 위에 형성된 미세기공층(207a, 207b)으로 구성된다.2 shows a general configuration of a 5-layer membrane electrode assembly, which includes catalyst layers 203 and 205 and gas diffusion layers 208 located opposite to each other with an electrolyte membrane 201 and an electrolyte membrane 201 sandwiched therebetween . The gas diffusion layer is composed of the electrode supports 209a and 209b and the microporous layers 207a and 207b formed thereon.

상기 전해질막으로 현재 많이 사용되고 있는 재료는 술폰산기(-SO3H)를 가진 퍼플루오로술폰산계의 이온교환막이며 술폰화 고분자들의 고유한 프로톤 전도특성을 이용한다. 예를 들면, Nafion막, Gore막, Flemion막, Aciplex막 등이 주로 사용되고 있다. The material most commonly used for the electrolyte membrane is a perfluorosulfonic acid-based ion exchange membrane having a sulfonic acid group (-SO 3 H) and utilizes the inherent proton conduction properties of sulfonated polymers. For example, Nafion membranes, Gore membranes, Flemion membranes, and Aciplex membranes are mainly used.

고분자 전해질 연료전지는 술폰화 고분자의 특성상 대개 동작온도가 60 ~ 80 ℃이고, 외부로부터 가습이 있어야만 좋은 성능을 발휘할 수 있다. 하지만, 고분자 전해질 연료전지의 전해질막으로 사용하는 술폰화 고분자는 운전 중에 전해질막의 수분함량 조절이 어렵기 때문에 전해질막에 적절한 수분을 공급하기 위한 외부 가습기가 요구되며, 이에 따라 연료전지 시스템의 소형화 및 단순화에 부응하지 못하는 단점이 있다. 기존에 사용되고 있는 술폰화 랜덤 공중합체는 100% 가습 조건에서는 우수한 전지 성능을 나타내지만 실제 운전 조건인 저가습 조건에서는 성능이 크게 떨어지는 문제점을 가지고 있다. 이는 랜덤 공중합체는 친수성 부분이 소수성 부분과 명확히 구분되지 못하고 이로 인해 물이 이동할 수 있는 통로가 효과적으로 형성되지 못하기 때문이다.In the polymer electrolyte fuel cell, due to the characteristics of the sulfonated polymer, the operating temperature is usually 60 to 80 ° C., and it is possible to exert a good performance only when there is humidification from the outside. However, the sulfonated polymer used as the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell is difficult to control the moisture content of the electrolyte membrane during operation. Therefore, an external humidifier is required to supply an appropriate amount of moisture to the electrolyte membrane. There is a disadvantage that it can not respond to simplification. Conventional sulfonated random copolymers exhibit excellent cell performance under 100% humidifying conditions, but have a problem in that their performance deteriorates drastically under low humidification conditions, which are actual operating conditions. This is because the random copolymer does not clearly distinguish the hydrophilic moiety from the hydrophobic moiety and thus can not effectively form a passage through which water can move.

따라서, 외부 가습장치 없이 자가 가습이 가능한 고분자 전해질 연료전지의 개발이 여러 각도로 이루어져 왔다. 예를 들어, 미합중국 특허 제5,879,828호 및 제6,136,412호에서는 촉매를 침상 담체입자에 담지하여 제조하면, 기존의 상용 촉매보다 단위부피당 촉매 표면적이 증가되어 전기화학반응이 증가하고, 이로 인하여 공기극에서 생성수의 양이 증가하므로 외부 가습량을 줄일 수 있다고 개시하였다.Therefore, the development of a polymer electrolyte fuel cell capable of self-humidification without an external humidifying device has been made at various angles. For example, U.S. Pat. Nos. 5,879,828 and 6,136,412 disclose that when the catalyst is supported on acicular carrier particles, the surface area of the catalyst per unit volume is increased and the electrochemical reaction is increased compared to conventional commercial catalysts, The amount of external humidification can be reduced.

미합중국 특허 제6,207,312호에서는, 수직의 인터디지테이티드 기체 흐름 채널로의 기체 공급으로 강제 대류 흐름을 형성시키고, 반응기체를 양쪽극의 촉매층에 더 추진시켜 전기화학반응을 일으키면, 그 결과 공기극에서 생성수의 양이 증가하게 되고 전해질막이 효과적으로 수화하게 되므로 자기가습 운전이 가능하다고 하였다.In U.S. Patent No. 6,207,312, a forced convection flow is formed by the supply of gas to a vertical interdigitated gas flow channel and the reaction gas is further propelled to the catalyst layer of both poles to cause an electrochemical reaction, The amount of water is increased and the electrolyte membrane is effectively hydrated, so that self-humidifying operation is possible.

또한, 촉매층 제조 시 내부에서 물 생성을 위한 백금 등의 촉매와 수분 흡습을 위한 금속 산화물 계열의 흡습 물질을 함유하여 무가습 조건에서 연료전지 성능을 높이려는 시도가 있어 왔다(US 5766787 (1998)). 이 경우 무가습 운전을 실제 가능하게 하는데 기여하였으나, 함유 물질로 인해 유효 수소이온 전달이 저해되고, 실리카 외의 금속 산화물의 흡습 특성은 50 % 이하의 상대습도에서 효과가 매우 미비한 문제가 있었다. In addition, attempts have been made to improve the performance of a fuel cell in a no-humid condition by containing a catalyst such as platinum for producing water in the catalyst layer and a metal oxide-based hygroscopic material for moisture absorption during the production of the catalyst layer (US 5766787 (1998) . In this case, although it contributed to practically enabling no-humid operation, the effective hydrogen ion transmission was inhibited by the contained material, and the moisture absorption characteristic of the metal oxide other than silica was insufficient at a relative humidity of 50% or less.

이와 유사하게 백금을 제외한 귀금속 촉매나 비산화물 계열의 조해성 물질을 함유하여 무가습 운전 성능을 향상시키려는 시도 또한 있어 왔다.(US 10/657038 (2003), US 0092777A1 (2011)) 그러나, 이러한 시도 또한 막전극 접합체에서 높은 연료전지 성능을 구현하는 데는 어려움이 있었다.
Similarly, attempts have been made to improve the performance of dry-humidified operation by containing noble metal catalysts and non-oxide-based harmful substances other than platinum (US 10/657038 (2003), US 0092777A1 (2011)). It has been difficult to realize high fuel cell performance in a membrane electrode assembly.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 친수성 부분이 소수성 부분과 명확히 구분되어 물이 이동할 수 있는 통로가 효과적으로 형성되는 자가 가습이 가능한 자가 가습 기능성 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크, 이를 이용한 연료 전지 전극 촉매층의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 연료 전지 전극 촉매층을 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the problems of the prior art as mentioned above, the present invention provides an ink for forming an electrode catalyst layer of a self-humidifying functional fuel cell capable of self-humidification in which a hydrophilic part is clearly separated from a hydrophobic part so that a passage through which water can move is effectively formed. A method for manufacturing a fuel cell electrode catalyst layer, and a fuel cell electrode catalyst layer produced thereby.

본 발명은 또한, 본 발명에 의한 자가 가습 기능성 촉매층을 포함하는 연료전지 막전극 접합체 및 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention also aims to provide a fuel cell membrane electrode assembly and a fuel cell including the self-humidifying functional catalyst layer according to the present invention.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여The present invention has been made to solve the above problems

수소이온전도성 고분자;Hydrogen ion conductive polymer;

백금 또는 카본에 담지 된 백금 촉매; 및 A platinum catalyst supported on platinum or carbon; And

상기 수소이온전도성 고분자의 사슬 이동도가 2.0 kHz-1 내지 3.0 kHz- 1 인 용매;를 포함하는 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크를 제공한다.Wherein the hydrogen ion conductive polymer has a chain mobility of 2.0 kHz- 1 to 3.0 kHz - 1 .

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크는 상기 수소이온전도성 고분자의 사슬 이동도가 2.0 kHz-1 내지 3.0 kHz- 1 인 용매;를 포함함으로써 이를 이용하여 제조된 연료 전지 전극이 친수성 부분이 소수성 부분과 명확히 구분되어 물이 이동할 수 있는 통로가 효과적으로 형성되도록 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 있어서 수소이온전도성 고분자의 사슬 이동도는 NMR을 통해 측정 가능하며, 단위는 kHz- 1 이다. The ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention includes a solvent in which the hydrogen ion conductive polymer has a chain mobility of 2.0 kHz- 1 to 3.0 kHz - 1 , whereby the hydrophilic part of the fuel cell electrode, So that a passage through which water can move is effectively formed. In the present invention, the chain mobility of the proton conductive polymer can be measured by NMR, and the unit is kHz - 1 .

수소이온전도성 고분자로서 대표적인 화합물인 나피온을 예로 들면, 나피온은 PTFE를 주사슬로 하고 술폰산기를 곁사슬로 가지고 있는 고분자이므로, 주사슬과 곁사슬이 특정 용매에 대해 서로 다른 이동도를 나타내게 된다. 나피온은 주사슬 및 곁사슬 모두 F를 포함하고 있으므로, 주사슬 및 곁사슬의 나피온의 사슬 이동도는 19F-NMR로 측정 가능하다. 용매하에서 나피온 곁사슬의 이동도는 곁사슬에 함유된 F 의 피크 폭의 역수로 나타낼 수 있으며, 나피온 주사슬의 이동도는 곁사슬의 이동도에 대한 상대적인 개념으로 주사슬에 함유된 F 의 피크 면적과 곁사슬에 함유된 F 의 피크 면적의 비율로 결정할 수 있다.
For example, Nafion, which is a typical compound as a hydrogen-ion conductive polymer, is a polymer having PTFE as a main chain and a sulfonic acid group as a side chain. Thus, main chains and side chains exhibit different mobility with respect to a specific solvent. Since Nafion contains both F in the main chain and in the side chain, the chain mobility of Nafion in the main chain and side chain can be measured by 19 F-NMR. The mobility of the Nafion side chain in the solvent can be expressed by the reciprocal of the peak width of F contained in the side chain. The mobility of the Nafion main chain is a relative concept to the mobility of the side chain. The peak area of F contained in the main chain And the peak area of F contained in the side chain.

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크는 복수개의 촉매가 응집되고, 상기 수소이온전도성 고분자가 상기 응집된 촉매를 중심으로 역미셀 구조(reverse-micellar structure)를 형성하는 수소이온전도성 고분자-촉매 집적체(agglomerate)로서, 촉매가 뭉쳐져 있고 그 주위를 수소이온전도성 고분자가 둘러싸고 있으며, 이때 수소이온전도성 고분자는 높은 수준의 상 분리도를 가지고 친수성 부분이 소수성 부분과 명확히 구분되어, 물이 이동할 수 있는 통로가 효과적으로 형성됨으로써 자가 가습이 가능한 순차적으로 접합한 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.The ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention is characterized in that a plurality of catalysts are aggregated and the hydrogen-ion conductive polymer forms a reverse-micellar structure around the agglomerated catalyst The agglomerate is a catalyst, and the hydrogen ion conductive polymer surrounds the catalyst. In this case, the hydrogen ion conductive polymer has a high level of phase separation and the hydrophilic part is clearly separated from the hydrophobic part, And has a structure in which self-humidification is possible by sequentially forming the passages effectively.

도 3a는 본 발명에 의한 수소이온전도성 고분자-촉매 집적체의 모식도를 나타낸다. 본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크는 수소이온전도성 고분자의 사슬 이동도가 2.0 kHz-1 내지 3.0 kHz- 1 인 용매를 사용함으로써 수소이온전도성 고분자를 잘 분리시키게 된다. 3A is a schematic view of a hydrogen-ion conductive polymer-catalyst integrated body according to the present invention. The ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention uses a solvent having a chain mobility of 2.0 kHz- 1 to 3.0 kHz - 1 of the hydrogen-ion conductive polymer to separate the hydrogen-ion conductive polymer well.

수소이온전도성 고분자는 친수성 영역과 소수성 영역을 모두 포함하며, 친수성 영역이 백금 촉매 집적체와 친밀하여 백금 촉매 집적체에 대하여 더 높은 침투성을 가지므로, 수소이온전도성 고분자의 상 분리(phase separation)가 일어나 역미셀(reverse-micelle) 형태의 수소이온전도성 고분자-촉매 집적체를 형성하게 된다. The hydrogen ion conductive polymer includes both a hydrophilic region and a hydrophobic region. Since the hydrophilic region is intimately associated with the platinum catalyst aggregate and has higher permeability to the platinum catalyst aggregate, the phase separation of the hydrogen ion conductive polymer To form a reverse-micelle type proton-conducting polymer-catalyst aggregate.

수소이온전도성 고분자-촉매 집적체의 모식도인 3b를 참조하면, 수소이온전도성 고분자의 사슬 이동도가 낮은 용매를 이용한 경우 수소이온전도성 고분자의 친수성 영역과 소수성 영역이 촉매 집적체 주위에 불규칙적으로 배열하게 되고, 이에 따라 친수성 영역의 촉매 집적체에 대한 침투 정도가 적어지고, 결과적으로 크기 분포가 조절되지 않은 수소이온전도성 고분자-촉매 집적체가 형성되게 된다. 이러한 수소이온전도성 고분자-촉매 집적체가 다수 모여 형성된 촉매층의 경우 입자 크기의 불균일성에 의해 덜 밀집된 구조를 갖게 되고 그에 따라 수소이온전도성 고분자-촉매 집적체들 간의 공극이 큰 촉매층을 형성하게 된다. Referring to FIG. 3b, which is a schematic view of the hydrogen-ion conductive polymer-catalyst aggregate, when a solvent having a low chain-mobility of the hydrogen-ion conductive polymer is used, the hydrophilic region and the hydrophobic region of the hydrogen-ion conductive polymer are irregularly arranged around the catalyst aggregate Thereby reducing the degree of penetration of the hydrophilic region into the catalyst aggregate, resulting in the formation of a hydrogen-ion conductive polymer-catalyst aggregate with no controlled size distribution. In the case of a catalyst layer in which a plurality of hydrogen-ion conducting polymer-catalyst aggregates are gathered, the catalyst layer has a less dense structure due to the nonuniformity of the particle size, thereby forming a catalyst layer having a large gap between the hydrogen-ion conducting polymer-catalyst aggregates.

본 발명에 의한 수소이온전도성 고분자-촉매 집적체의 직경은 50 내지 200 nm 인 것을 특징으로 한다The diameter of the proton-conducting polymer-catalyst aggregate according to the present invention is 50 to 200 nm

본 발명에 의한 촉매 집적체에 포함되는 수소이온전도성 고분자의 두께는 5 내지 20 nm 인 것을 특징으로 한다. The thickness of the proton conductive polymer contained in the catalyst assembly according to the present invention is 5 to 20 nm.

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크는 수소이온전도성 고분자 1 ~ 3 중량부, 촉매 2 ~ 5 중량부 및 용매 40 ~ 60 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다. The ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention comprises 1 to 3 parts by weight of a proton conductive polymer, 2 to 5 parts by weight of a catalyst and 40 to 60 parts by weight of a solvent.

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크에 사용되는 용매는 끓는점이 150 ℃ 이상인 것을 특징으로 한다. 끓는점이 150 ℃ 이상인 용매를 사용하여 제조된 촉매층 잉크를 상대적으로 낮은 온도에서 건조시키는 경우 400 nm 이상의 큰 공극이 대부분 제거되는 효과가 있다. The solvent used in the ink for forming the fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention has a boiling point of 150 ° C or higher. When the catalyst layer ink prepared by using a solvent having a boiling point of 150 ° C or higher is dried at a relatively low temperature, most of large pores of 400 nm or more are effectively removed.

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크의 제조에 사용되는 용매는 아미드계 용매가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), N,N-dimethylacetamide (DMA), N,N-dimethylformamide (DMF), Hexamethylphosphoramide (HMPA), 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinone (DMI) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. The solvent used for preparing the ink for forming the fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention may be an amide solvent and preferably 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), N, N-dimethylacetamide , N-dimethylformamide (DMF), Hexamethylphosphoramide (HMPA), and 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinone (DMI).

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크의 제조에 사용되는 용매는 알코올계 용매를 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 글리세롤(glycerol)을 사용할 수 있다. The solvent used for preparing the ink for forming the fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention may further include an alcohol-based solvent, and glycerol may be preferably used.

알코올계 용매는 수소이온전도성 고분자의 사슬 이동도가 낮은 용매로써, 수소이온전도성 고분자에 따라 상기 수소이온전도성 고분자의 사슬 이동도가 낮은 알코올계 용매와 이동도가 높은 아미드계 용매를 혼합하여 수소이온전도성 고분자의 사슬 이동도의 조절이 가능하며, 이를 통해 촉매층의 밀집 정도를 조절할 수 있다.The alcohol-based solvent is a solvent having a low chain-mobility of the hydrogen-ion conductive polymer. The alcohol-based solvent is mixed with an alcohol-based solvent having a low degree of chain mobility of the hydrogen-ion conductive polymer and an amide- The degree of chain mobility of the conductive polymer can be controlled, thereby controlling the degree of density of the catalyst layer.

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크의 제조에 사용되는 수소이온전도성 고분자는 퍼플루오르술폰산계 고분자가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 나피온(Nafion), 플레미온(Flemion), 아시플렉스(Aciplex) 및 고어(Gore)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. The perfluorosulfonic acid-based polymer may be used as the proton conductive polymer used in the production of the ink for forming the fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention, and preferably Nafion, Flemion, Aciplex ) And Gore (Gore).

나피온 용액은 나피온 이오노머를 알코올계 용매와 물의 혼합 용액에 적정 비율로 혼합한 것으로, 이는 전극 촉매층과 전해질막의 접촉성을 향상시켜서 촉매의 활용도를 향상시킨다. 이온교환 당량당 전해질의 중량(equivalent weight; EW)은 전해질의 종류에 따라 다르지만, 약 1,000(g/중량) 정도로, 술폰산기 1몰당 최대 약 10몰의 물을 흡수해서 약 0.1 S㎝-1의 높은 프로톤 전도율을 보인다.
The Nafion solution is a mixture of Nafion ionomer and a mixture of an alcohol solvent and water at an appropriate ratio. This improves the contact between the electrode catalyst layer and the electrolyte membrane, thereby improving the utilization of the catalyst. By weight of the electrolyte per ion exchange equivalent weight (equivalent weight; EW) may vary depending on the kind of the electrolyte, of about 1,000 (g / wt) so, a sulfonic acid group per mol up by absorbing water of about 10 mole about 0.1 S㎝ -1 High proton conductivity.

본 발명은 또한, The present invention also relates to

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크를 제조하는 제 1 단계; A first step of preparing an ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention;

상기 촉매층 형성용 잉크를 필름에 도포하는 제 2 단계; 및 A second step of applying the catalyst layer forming ink to a film; And

상기 잉크가 도포된 필름을 60 내지 100 ℃ 에서 건조시키는 제 3 단계;를 포함하는 연료 전지 전극 촉매층의 제조 방법을 제공한다.And drying the ink-coated film at 60 to 100 ° C.

본 발명의 연료 전지 전극 촉매층의 제조 방법에 있어서 제 3 단계에서 건조시키는 단계는 상기 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크에 포함되었던 용매의 잔여 비율이 최초 첨가된 용매의 중량에 대비하여 10 wt% 이하가 될 때까지 수행하는 것을 특징으로 한다.In the method of manufacturing a fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention, the step of drying in the third step may be performed such that the residual ratio of the solvent contained in the fuel cell electrode catalyst layer forming ink is not more than 10 wt% Until a predetermined time elapses.

용매 잔여 비율이 10 wt% 이상인 경우 잔여 용매가 추후 건조되면서 상대적으로 큰 공극을 만들게 되므로 미세 공극에 의한 수분 함유량을 유지시키기 위해서는 용매 잔여 비율이 10 wt% 이하인 것이 바람직하다.When the residual solvent ratio is more than 10 wt%, the residual solvent is dried to form a relatively large pore. Therefore, it is preferable that the residual solvent ratio is less than 10 wt% in order to maintain the moisture content by the micro pore.

본 발명의 연료 전지 전극 촉매층의 제조 방법에 있어서 제 3 단계에서는 용매의 건조 속도가 0.5 wt%/min 내지 3 wt%/min 인 것을 특징으로 한다. 건조 속도는 용매의 끓는 점을 기준으로 조절할 수 있으며, 용매의 잔여 비율이 10 wt% 가 되는 데 걸리는 시간이 30분 이하이면 촉매층 표면에 크랙이 생성되기 때문에 전지 효율이 떨어지게 된다. In the third step of the method for manufacturing a fuel cell electrode catalyst layer of the present invention, the drying rate of the solvent is 0.5 wt% / min to 3 wt% / min. The drying rate can be controlled based on the boiling point of the solvent. If the time taken for the residual ratio of the solvent to become 10 wt% is less than 30 minutes, cracks are formed on the surface of the catalyst layer, which leads to deterioration of cell efficiency.

본 발명은 또한, 본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층 제조 방법에 의하여제조된 연료 전지 전극 촉매층을 제공한다.The present invention also provides a fuel cell electrode catalyst layer produced by the method for manufacturing a fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention.

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층은 액적의 접촉각이 110o 내지 160o 인 것을 특징으로 한다. The fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention is characterized in that the contact angle of the liquid droplet is 110 ° C to 160 ° C.

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층은 내부가 친수성 영역이고 외부가 소수성 영역으로 구성되는 역미셀(reverse-micelle) 형태의 수소이온전도성 고분자-촉매 집적체를 포함하므로 촉매층의 표면은 수소이온전도성 고분자의 소수성 영역으로 이루어지며, 이로 인해 촉매층의 액적의 접촉각이 110o 이상으로 증가하게 된다. Since the fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention includes a reverse-micelle type proton-conducting polymer-catalyst assembly having a hydrophilic region inside and a hydrophobic region outside, the surface of the catalyst layer is composed of a proton conductive polymer And the contact angle of the droplet of the catalyst layer is increased to 110 ° or more.

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층은 미세기공의 크기 분포도에서 3 nm 내지 60 nm 에서 하나의 피크를 나타내는 것을 특징으로 한다. The fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention is characterized by showing one peak at 3 nm to 60 nm in the size distribution of micropores.

10 nm 이하의 미세 공극은 촉매 물질의 미세공극과 수소이온전도성 고분자-촉매 집적체 내부의 미세공극에 의한 것으로 알려져 있으며, 본 발명에 의한 연료 전지용 촉매층은 상 분리가 잘 된 수소이온전도성 고분자가 촉매 표면 및 촉매 집적체 내부를 잘 감싸게 되므로 10 nm 이하의 미세공극을 감소시킨다. 또한 낮은 온도에서 촉매층 형성용 잉크를 건조함으로써 400 nm 이상의 큰 공극이 감소하게 된다.It is known that the microporosity of 10 nm or less is caused by the micropores of the catalyst material and the micropores inside the hydrogen ion conductive polymer-catalyst aggregate. The catalyst layer for the fuel cell according to the present invention is characterized in that the hydrogen ion conductive polymer The surface and the inside of the catalyst aggregate are well enclosed, thus reducing micropores of less than 10 nm. Further, by drying the catalyst layer forming ink at a low temperature, large pores of 400 nm or more are reduced.

본 발명에 의한 촉매층은 10 nm 내지 400 nm의 균일한 공극을 가지는 나노 밀집 구조를 형성하게 되고, 본 발명에 의한 촉매층에 있어서 이러한 나노 밀집 구조는 기체 확산을 막지 않으면서 매우 적은 양의 수분만을 통과시키므로 낮은 전류에서 생성되는 적은 양의 수분도 매우 잘 보존시키게 되고 결과적으로 무가습 조건에서도 높은 전지 효율을 나타내게 된다. The catalyst layer according to the present invention forms a nano-dense structure having uniform pores of 10 nm to 400 nm. In the catalyst layer according to the present invention, this nano-dense structure allows only a very small amount of water to pass So that even a small amount of water generated at a low current is very well preserved, resulting in high battery efficiency even under no-humid conditions.

본 발명에 의한 촉매층의 두께는 1 μm 내지 90 μm 인 것을 특징으로 한다. The catalyst layer according to the present invention has a thickness of 1 to 90 m.

본 발명은 또한, 본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층을 포함하는 막전극 접합체를 제공한다. The present invention also provides a membrane electrode assembly including a fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention.

본 발명은 또한, The present invention also relates to

수소이온전도성 고분자막;Hydrogen ion conductive polymer membrane;

상기 수소이온전도성 고분자막 표면에 형성된 제 1 촉매층; 및A first catalyst layer formed on the surface of the proton conductive polymer membrane; And

제 1 촉매층 표면에 형성된 제 2 촉매층을 포함하는 막전극 접합체에 있어서,And a second catalyst layer formed on the surface of the first catalyst layer,

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층이 상기 제 1 촉매층, 제 2 촉매층, 또는 상기 제 1 촉매층 및 제 2 촉매층인 막전극 접합체를 제공한다. The fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention is the first catalyst layer, the second catalyst layer, or the first catalyst layer and the second catalyst layer.

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층이 제 2 촉매층인 경우 제 2 촉매층이 제 1 촉매층에서 형성된 수분의 매우 적은 양을 통과시키기 때문에 수분 보존 정도가 우수하여 결과적으로 무가습 조건에서도 높은 전지 효율을 나타내게 된다. In the case where the fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention is the second catalyst layer, since the second catalyst layer passes a very small amount of moisture formed in the first catalyst layer, the water storage efficiency is excellent, .

본 발명에 의한 막전극 접합체는 미세기공층을 더 포함할 수 있으며, 가스켓을 더 포함할 수 있다. 본 발명에 의한 막전극 접합체에 있어서, 상기 미세기공층은 촉매층으로 연료 또는 산화제가 골고루 분산 공급되도록 기능한다.The membrane electrode assembly according to the present invention may further include a microporous layer, and may further include a gasket. In the membrane electrode assembly according to the present invention, the microporous layer functions to uniformly distribute the fuel or the oxidant to the catalyst layer.

본 발명에 의한 막전극 접합체에 있어서, 상기 미세기공층은 전극 지지체 상에 코팅된 탄소층(carbon layer)일 수 있다. 본 발명에 의한 막전극 접합체에 있어서, 상기 미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성 탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 또는 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함할 수 있으며, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함할 수 있다. In the membrane electrode assembly according to the present invention, the microporous layer may be a carbon layer coated on the electrode support. In the membrane electrode assembly according to the present invention, the microporous layer may be formed of graphite, carbon nanotubes (CNT), fullerene (C 60 ), activated carbon, vulcan, Ketjen black, carbon black or carbon nano horn And one or more binders selected from the group consisting of poly (perfluorosulfonic acid), poly (tetrafluoroethylene), and florinated ethylene-propylene may be further added. .

상기 전극 지지체는 탄소천(carbon cloth), 탄소종이(carbon paper)와 같은 탄소 기재일 수 있으며, 각 전극을 지지하는 역할을 하면서 연료, 물, 공기 등의 분산 작용과, 생성된 전기의 집전 작용, 및 촉매층 물질의 소실 방지 작용을 한다. The electrode support may be a carbon substrate such as a carbon cloth or carbon paper. The electrode support may be a carbon substrate and may support the electrodes and may disperse fuel, water, air, , And the catalyst layer material.

본 발명은 또한, 본 발명에 의한 막전극 접합체를 포함한 연료 전지를 제공한다.
The present invention also provides a fuel cell including the membrane electrode assembly according to the present invention.

본 발명에 의한 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크는 수소이온전도성 고분자의 사슬 이동도가 높은 용매를 포함하며, 이러한 잉크로 건조 속도 및 용매 잔여 비율을 조절하여 제조된 연료 전지 전극 촉매층은 기공 크기 및 접촉각이 개선된 나노 밀집 구조를 가지게 되어 이를 포함한 연료 전지는 상대 습도가 0 %인 조건에서도 우수한 전기 효율을 나타낸다.
The ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to the present invention includes a solvent having a high degree of chain mobility of the hydrogen-ion conductive polymer. The fuel cell electrode catalyst layer prepared by controlling the drying rate and the solvent residual ratio with the ink has a pore size and a contact angle This improved nanocomposite structure enables the fuel cell containing the fuel cell to exhibit excellent electric efficiency even under the condition of 0% relative humidity.

도 1은 연료 전지의 전기 발생 원리를 나타낸다.
도 2는 연료 전지용 막전극 접합체의 일반적인 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 의한 수소이온전도성 고분자-촉매 집적체의 모식도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 잔류 용매 비율에 따른 연료 전지용 촉매층의 기공 분포도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 건조 속도에 따른 연료 전지용 촉매층의 표면을 SEM 으로 측정한 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에서 제조된 연료 전지용 촉매층의 SEM 사진을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에서 제조된 연료 전지용 촉매층의 AFM 사진을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에서 제조된 연료 전지용 촉매층의 기공 분포도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 의한 글리세롤의 첨가 비율을 변화시키면서 측정된 액적의접촉각을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에서 제조된 연료 전지용 촉매층의 수분 흡수량을 측정한 결과를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에서 제조된 연료 전지용 촉매층을 포함하는 연료 전지의 효율을 측정한 결과를 나타낸다.
도 12 및 13은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에서 제조된 연료 전지용 촉매층을 포함하는 연료 전지의 내구성을 측정한 결과를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에서 제조된 연료 전지용 촉매층을 포함하는 연료 전지의 가시화 테스트 결과를 나타낸다.
1 shows a principle of electricity generation of a fuel cell.
2 shows a general configuration of a membrane electrode assembly for a fuel cell.
3 is a schematic view of a hydrogen-ion conductive polymer-catalyst integrated body according to the present invention.
4 is a graph showing a result of measuring pore distribution of a catalyst layer for a fuel cell according to a ratio of a residual solvent produced in an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a result of SEM measurement of the surface of the catalyst layer for a fuel cell according to the drying rate prepared in one embodiment of the present invention.
6 is a SEM photograph of the catalyst layer for a fuel cell manufactured in one embodiment of the present invention and a comparative example.
FIG. 7 shows AFM photographs of the catalyst layer for a fuel cell manufactured in an embodiment and a comparative example of the present invention.
FIG. 8 shows the results of measurement of the pore distribution of the catalyst layer for a fuel cell manufactured in an embodiment and a comparative example of the present invention.
9 shows the contact angle of the droplet measured while changing the addition ratio of glycerol according to the present invention.
Fig. 10 shows the results of measurement of the amount of water absorption of the catalyst layer for a fuel cell manufactured in one embodiment of the present invention and a comparative example.
FIG. 11 shows the results of measurement of the efficiency of a fuel cell including the catalyst layer for a fuel cell manufactured in one embodiment and a comparative example of the present invention.
12 and 13 show the result of measuring the durability of the fuel cell including the catalyst layer for a fuel cell manufactured in one embodiment and the comparative example of the present invention.
14 shows a visualization test result of a fuel cell including the catalyst layer for a fuel cell manufactured in one embodiment and a comparative example of the present invention.

이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이하의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the present invention is not limited by the following examples.

<< 실시예Example 1>  1> 단일층Single layer 막전극Membrane electrode 접합체의 제조 Fabrication of the bonded body

용매 1-메틸-2-피롤리디논(1-methyl-2-pyrrolidinone, 99.5 wt%, Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) 1.95 g에 5 wt% 나피온 용액(NafionTM solution, DE512, Ion Power, New Castle, DE, USA) 2.206g과 20 wt% 백금이 입혀진 카본 0.20 g을 혼합하여 촉매층 잉크를 제조하였다. A solution of 5 wt% Nafion TM solution (DE512, Sigma Aldrich, St. Louis, MO, USA) was added to 1.95 g of 1-methyl-2-pyrrolidinone solvent (99.5 wt% Ion Power, New Castle, DE, USA) and 0.20 g of carbon coated with 20 wt% of platinum were mixed to prepare catalyst layer ink.

제조된 촉매층 잉크를 초음파로 1 시간 동안 분산시킨 후 24 시간 동안 교반하여 균질 용액(homogeneous solution)을 제조하였다. The prepared catalyst layer ink was dispersed by ultrasonication for 1 hour and then stirred for 24 hours to prepare a homogeneous solution.

세척된 테플론 필름을 준비한 후, 상기 제조된 촉매 잉크를 백금 담지량이 0.2 mg/cm2가 될 때까지 반복적으로 코팅하고, 80 ℃에서 건조하여 테플론 필름 위에 촉매층을 제조하였다. 나트륨 양이온을 함유한 나피온 막을 제조하기 위해 나피온 막을 1 wt% 수산화 나트륨 용액에 혼합하고 가열한 뒤 증류수로 옮겨 다시 가열하였다. After the cleaned Teflon film was prepared, the prepared catalyst ink was repeatedly coated until the platinum loading amount became 0.2 mg / cm 2 , and dried at 80 ° C to prepare a catalyst layer on the Teflon film. To prepare Nafion membranes containing sodium cations, Nafion membranes were mixed with 1 wt% sodium hydroxide solution, heated, transferred to distilled water and heated again.

상기 테플론 필름 위에 형성된 촉매층을 나트륨 양이온을 함유한 나피온 막의 양 면에 위치시킨 후 60 ℃에서 10 분 내지 20 분간 핫프레싱하고 테플론 필름을 제거하여 막전극 접합체를 제조하였다.
The catalyst layer formed on the Teflon film was placed on both sides of a Nafion membrane containing sodium cations, followed by hot pressing at 60 ° C for 10 minutes to 20 minutes to remove the Teflon film to prepare a membrane electrode assembly.

<< 비교예Comparative Example 1> 1>

용매로 글리세롤 1.95 g을 사용하고 건조 온도를 130 ℃로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 비교예 1의 막전극 접합체를 제조하였다.
A membrane electrode assembly of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1 except that 1.95 g of glycerol was used as a solvent and the drying temperature was 130 캜.

<< 실험예Experimental Example 1>  1> 건조후after drying 잔여 용매 비율에 따른 공극 크기 측정 Measurement of pore size according to residual solvent ratio

상기 실시예 1에서 제조된 촉매층에 대해서 건조 후 잔여 용매량에 따른 촉매층의 공극 크기를 측정하여 그 결과를 도 4에 나타내었다. 잔여 용매량의 비율은 테플론 필름 위에 코팅된 촉매 잉크의 건조 전 및 후 무게를 측정하여 결정하였다. The pore size of the catalyst layer was measured according to the amount of residual solvent after drying for the catalyst layer prepared in Example 1, and the result is shown in FIG. The ratio of the residual solvent amount was determined by measuring the weight before and after drying of the catalyst ink coated on the Teflon film.

도 4에서 보는 바와 같이 잔여 용매 비율이 15 wt% 이상인 경우 잔여 용매가 추후 건조되면서 상대적으로 큰 공극이 생성됨을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 4, when the residual solvent ratio is 15 wt% or more, it can be seen that the residual solvent is dried later and relatively large voids are formed.

<< 실험예Experimental Example 2> 건조 속도에 따른 표면 특성 측정 2> Measurement of surface properties by drying rate

상기 실시예 1에서 제조된 촉매층에 대해서 건조 속도에 따른 촉매층의 표면을 SEM으로 측정하고 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에서 보는 바와 같이 잔여 용매 비율이 10 wt% 에 도달하는 시간을 15 분(a), 30 분(b), 45 분(c)으로 늘릴수록, 즉, 건조 속도를 낮출수록 표면의 크랙 형성 정도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
The surface of the catalyst layer according to the drying rate was measured by SEM for the catalyst layer prepared in Example 1, and the result is shown in FIG. As shown in FIG. 5, as the time for which the residual solvent ratio reaches 10 wt% is increased to 15 minutes (a), 30 minutes (b), and 45 minutes (c), that is, And the degree of the decrease is decreased.

<< 실험예Experimental Example 3>  3> SEMSEM 사진 측정 Photo measurement

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 촉매층의 표면 및 절단면을 SEM으로 측정하고 그 결과를 도 6에 나타내었다. The surface and cross section of the catalyst layer prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were measured by SEM and the results are shown in FIG.

도 6에서 실시예 1에 의해 제조된 촉매층(b)은 비교예 1에 의해 제조된 촉매층(a)에 비해 입자 사이의 공극이 매우 작은 것을 알 수 있다. 또한 0.2 mg/cm2의 동일한 백금량을 로딩한 경우 실시예 1에 의해 제조된 촉매층(d)의 두께는 약 10.2 μm로 비교예 1에 의해 제조된 촉매층(c)의 두께보다 얇은 것을 알 수 있다. 이로부터 본 발명에 의한 실시예 1에 의해 제조된 촉매층이 비교예 1 에 의해 제조된 촉매층보다 더 밀집된 구조를 형성하는 것을 알 수 있다. In FIG. 6, the catalyst layer (b) produced by Example 1 has a much smaller void between the particles than the catalyst layer (a) produced by Comparative Example 1. When the same amount of platinum of 0.2 mg / cm 2 was loaded, it was found that the thickness of the catalyst layer (d) prepared in Example 1 was about 10.2 μm, which was thinner than the thickness of the catalyst layer (c) prepared in Comparative Example 1 have. It can be seen from the above that the catalyst layer produced by Example 1 according to the present invention forms a denser structure than the catalyst layer produced by Comparative Example 1.

<< 실험예Experimental Example 4>  4> AFMAFM 사진 측정 Photo measurement

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 촉매층의 표면을 AFM으로 측정하고 그 결과를 도 7에 나타내었다. The surface of the catalyst layer prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was measured by AFM and the results are shown in FIG.

도 7에서 비교예 1에 의해 제조된 촉매층(a)은 마이크로 크기의 공극이 형성되어 있는데 비해 실시예 1에 의해 제조된 촉매층(b)은 입자 사이의 공극이 매우 작은 것을 확인할 수 있다. In FIG. 7, it can be seen that the catalyst layer (a) produced by Comparative Example 1 has micro-sized voids, whereas the catalyst layer (b) produced by Example 1 has a very small void between the particles.

도 7의 c 및 d에서 더 어두운 부분은 친수성 영역이고 더 밝은 부분은 소수성 영역이며, 실시예 1에 의해 제조된 촉매층(d)이 비교예 1에 의해 제조된 촉매층(c)에 비해 나피온의 상분리가 더 잘 일어난 것을 확인할 수 있다.In Fig. 7C and Fig. 7D, the darker portion is the hydrophilic region and the brighter portion is the hydrophobic region, and the catalyst layer (d) produced by Example 1 is superior to the catalyst layer (c) It can be seen that phase separation is better.

도 7의 e는 degree에 따른 픽셀 수 분포도이다. 0을 기준으로 값이 높을수록 소수성인 PTFE를 의미하며, 0을 기준으로 값이 낮을수록 친수성인 술폰산기를 의미한다. 실시예 1에 의해 제조된 촉매층이 비교예 1에 의해 제조된 촉매층보다 더 넓은 범위의 degree 분포를 나타내고 있음을 알 수 있으며, 이는 실시예 1에 의해 제조된 촉매층이 더 큰 친수성과 더 큰 소수성을 가짐을 의미하고, 이를 통해 실시예 1의 경우 나피온의 상 분리가 더 잘 이루어졌음을 알 수 있다.
7E is a pixel number distribution diagram according to degrees. A higher value based on 0 means a hydrophobic PTFE, and a lower value based on 0 means a hydrophilic sulfonic acid group. It can be seen that the catalyst layer produced by Example 1 exhibits a wider range of degree of distribution than the catalyst layer produced by Comparative Example 1, which indicates that the catalyst layer prepared by Example 1 has greater hydrophilicity and greater hydrophobicity , Indicating that the phase separation of Nafion was better performed in Example 1.

<< 실험예Experimental Example 5> 공극 크기 측정 5> Pore size measurement

상기 실시예 1에서 제조된 촉매층의 기공 분포도 및 상기 비교예 1에서 제조된 촉매층의 기공 분포도를 측정하고 그 결과를 도 8에 나타내었다. The pore size distribution of the catalyst layer prepared in Example 1 and the pore size distribution of the catalyst layer prepared in Comparative Example 1 were measured and the results are shown in FIG.

도 8에서 상기 실시예 1에서 제조된 촉매층은 10 nm 내지 300 nm에서 하나의피크를 나타내며 균일한 기공 분포를 갖는데 비해, 비교예 1의 촉매층은 10 nm 이하의 미세 공극과 300 nm 이상의 공극을 다량 포함하는 것을 알 수 있다.
8, the catalyst layer prepared in Example 1 exhibits one peak at 10 nm to 300 nm and has a uniform pore distribution. In contrast, the catalyst layer of Comparative Example 1 has a large pore size of 10 nm or less and a pore size of 300 nm or more . &Lt; / RTI &gt;

<< 실시예Example 2>  2> 이중층Double layer 막전극Membrane electrode 접합체의 제조 Fabrication of the bonded body

<< 실시예Example 2-1>  2-1>

백금 담지량이 0.16 mg/cm2 인 카본을 사용한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 하여 촉매층 1을 제조하였다. 백금 담지량이 0.04 mg/cm2 인 카본을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 촉매층 2를 제조하였다. The catalyst layer 1 was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that carbon having a platinum loading of 0.16 mg / cm 2 was used. A catalyst layer 2 was prepared in the same manner as in Example 1, except that carbon having a platinum loading of 0.04 mg / cm 2 was used.

나트륨 양이온을 함유한 나피온 막의 양면에 촉매층 1을 위치시키고 60 ℃에서 10 분 내지 20 분간 핫프레싱하고 테플론 필름을 제거한 후, 상기 촉매층 1 표면에 촉매층 2를 위치시킨 후 60 ℃에서 10 분 내지 20 분간 핫프레싱하고 테플론 필름을 제거하여 이중층 막전극 접합체를 제조하였다.
The catalyst layer 1 was placed on both sides of a Nafion membrane containing sodium cations and hot-pressed at 60 ° C for 10 minutes to 20 minutes to remove the Teflon film. After the catalyst layer 2 was placed on the surface of the catalyst layer 1, Minute hot-pressing and removing the Teflon film to prepare a double-layered membrane electrode assembly.

<< 실시예Example 2-2> 2-2>

촉매층 1의 카본의 백금 담지량이 0.18 mg/cm2 가 되도록 도입하고, 촉매층 2의 카본의 백금 담지량이 0.02 mg/cm2 되도록 도입하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일하게 하여 이중층 막전극 접합체를 제조하였다.
When the amount of platinum supported on carbon of the catalyst layer 1 is 0.18 mg / cm &lt; 2 &gt; And the amount of platinum supported on the carbon of the catalyst layer 2 is 0.02 mg / cm &lt; 2 &gt; Layered membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 2-1,

<< 실시예Example 2-3> 2-3>

촉매층 1의 카본의 백금 담지량이 0.14 mg/cm2 가 되도록 도입하고, 촉매층 2의 카본의 백금 담지량이 0.06 mg/cm2 되도록 도입하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일하게 하여 이중층 막전극 접합체를 제조하였다.
When the amount of platinum supported on carbon of the catalyst layer 1 is 0.14 mg / cm &lt; 2 &gt; , And the platinum loading amount of carbon in the catalyst layer 2 was 0.06 mg / cm 2 Layered membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 2-1,

<< 실시예Example 2-4> 2-4>

1-메틸-2-피롤리디논 대신 N,N-디메틸아세트아미드를 사용하여 촉매층 2를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일하게 하여 이중층 막전극 접합체를 제조하였다.
A double-layered membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 2-1 except that the catalyst layer 2 was prepared using N, N-dimethylacetamide instead of 1-methyl-2-pyrrolidinone.

<< 실시예Example 2-5> 2-5>

1-메틸-2-피롤리디논 대신 N,N-디메틸포름아미드를 사용하여 촉매층 2를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일하게 하여 이중층 막전극 접합체를 제조하였다.
A double-layered membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 2-1 except that the catalyst layer 2 was prepared using N, N-dimethylformamide instead of 1-methyl-2-pyrrolidinone.

<< 실시예Example 2-6> 2-6>

글리세롤 4 wt%를 추가적으로 도입하여 촉매층 2를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일하게 하여 이중층 막전극 접합체를 제조하였다.
Layer membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 2-1, except that 4 wt% of glycerol was additionally introduced to prepare catalyst layer 2.

<< 실시예Example 2-7> 2-7>

글리세롤 8 wt%를 추가적으로 도입하여 촉매층 2를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일하게 하여 이중층 막전극 접합체를 제조하였다.
Layer membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 2-1 except that 8 wt% of glycerol was additionally introduced to prepare the catalyst layer 2.

<< 실시예Example 2-8> 2-8>

글리세롤 12 wt%를 추가적으로 도입하여 촉매층 2를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일하게 하여 이중층 막전극 접합체를 제조하였다.
Layer membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 2-1, except that 12 wt% of glycerol was additionally introduced to prepare the catalyst layer 2.

<< 실시예Example 2-9> 2-9>

글리세롤 6 wt%를 추가적으로 도입하여 촉매층 2를 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 2-1과 동일하게 하여 이중층 막전극 접합체를 제조하였다.
Layer membrane electrode assembly was prepared in the same manner as in Example 2-1 except that 6 wt% of glycerol was additionally introduced to prepare the catalyst layer 2.

<< 실험예Experimental Example 6>  6> 접촉각Contact angle 측정 Measure

상기 실시예 2-1 내지 2-8에서 제조된 촉매층 표면에 1μl의 시험액을 적하하고, 액적의 접촉각을 측정하고 그 결과를 아래 표 1로 나타내었다.1 μl of test liquid was dropped onto the surface of the catalyst layer prepared in Examples 2-1 to 2-8, and the contact angle of the droplets was measured. The results are shown in Table 1 below.

구분division 평균 접촉각Average contact angle 실시예 2-1Example 2-1 157o 157 o 실시예 2-2Example 2-2 158o 158 o 실시예 2-3Example 2-3 155o 155 o 실시예 2-4Examples 2-4 148o 148 o 실시예 2-5Example 2-5 152o 152 o 실시예 2-6Examples 2-6 145o 145 o 실시예 2-7Examples 2-7 132o 132 o 실시예 2-8Examples 2-8 118o 118 o 비교예 1Comparative Example 1 105o 105 o

상기 표 1에서 본 발명에 의한 실시예 2-1 내지 2-8 에서 제조된 촉매층의 경우 접촉각이 110 o 이상인 것을 확인할 수 있다.
In Table 1, the catalyst layers prepared in Examples 2-1 to 2-8 according to the present invention have a contact angle of 110 ° or more.

<< 실험예Experimental Example 7>  7> 접촉각Contact angle 측정 Measure

2.5 kHz-1 내지 2.8 kHz-1의 나피온 사슬 이동도를 가지는 1-메틸-2-피롤리디논 함유량에 따른 촉매층의 젖음 특성 개선 여부를 확인하기 위하여 0.9 kHz-1 내지 1.0 kHz-1의 나피온 사슬 이동도를 갖는 글리세롤의 첨가 비율을 변화시키면서 형성한 촉매층의 접촉각을 측정하고 그 결과를 도 9에 나타내었다. Of 2.5 kHz to 2.8 kHz -1 -1 -1 of Nafion 0.9 kHz in order to confirm the improved wetting properties of the catalyst layer according to whether the content of 1-methyl-2-pyrrolidinone having a chain mobility to 1.0 kHz or -1 The contact angle of the catalyst layer formed while changing the addition ratio of glycerol having the degree of ester chain mobility was measured and the results are shown in FIG.

용매의 총량은 항상 일정하게 유지시켰으며, 접촉각 측정시 글리세롤 잔류량에 따른 효과를 배제하기 위해 증류수에 촉매층을 담그고 100 ℃에서 끓여 글리세롤을 모두 제거하였다. The total amount of the solvent was kept constant, and the catalyst layer was immersed in distilled water to remove the effect of glycerol residue on the contact angle measurement, and the glycerol was removed by boiling at 100 ° C.

도 9에서 보는 바와 같이 글리세롤의 함유량이 적아질수록 1-메틸-2-피롤리디논의 함유량이 많아지고 접촉각은 커지는 경향성을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 9, the smaller the content of glycerol is, the more the content of 1-methyl-2-pyrrolidone is increased and the contact angle is increased.

<< 실험예Experimental Example 8> 수분 흡수량 측정 8> Water absorption measurement

상대습도에 따른 막전극 접합체의 수분 흡수량을 측정하고 그 결과를 도 10에 나타내었다. 도 10에서 보는 바와 같이 글리세롤의 함유량이 적어지고 1-메틸-2-피롤리디논의 함유량이 많아질수록 수분 흡수량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.The moisture absorption amount of the membrane electrode assembly according to the relative humidity was measured and the results are shown in FIG. As shown in FIG. 10, the content of glycerol is decreased and the content of 1-methyl-2-pyrrolidone is increased.

<< 실험예Experimental Example 9> 상대 습도에 따른 연료전지 효율 측정 9> Measurement of fuel cell efficiency by relative humidity

본 발명에 의한 막전극 접합체의 성능을 비교 평가하기 위하여 단위전지를 제조하고 전지 성능을 아래 표 2 및 도 11에 나타내었다.In order to compare and evaluate the performance of the membrane electrode assembly according to the present invention, a unit cell was manufactured and cell performance was shown in Table 2 and FIG.

표 2는 0.5 V에서 상대 습도가 100% 일 때 및 상대 습도가 0 %일 때의 출력 밀도 측정 결과이고, 도 11의 a는 연료극에 수소를 도입하고 공기극에 산소를 도입하여 측정한 결과이며 b는 공기극에 공기를 도입하여 측정한 결과이다.Table 2 shows the results of measurement of the output density when the relative humidity is 100% and the relative humidity is 0% at 0.5 V, and FIG. 11 (a) is the result of introducing hydrogen into the fuel electrode and introducing oxygen into the air electrode. Is a result of measuring air introduced into the air electrode.

구분division 100 % 상대습도100% relative humidity 0 % 상대습도0% relative humidity 실시예 2-1Example 2-1 1.6303 A/cm2 1.6303 A / cm 2 1.5243 A/cm2 1.5243 A / cm 2 실시예 2-2Example 2-2 1.6499 A/cm2 1.6499 A / cm 2 1.5727 A/cm2 1.5727 A / cm 2 실시예 2-3Example 2-3 1.6479 A/cm2 1.6479 A / cm 2 1.4930 A/cm2 1.4930 A / cm 2 실시예 2-4Examples 2-4 1.5766 A/cm2 1.5766 A / cm 2 1.4189 A/cm2 1.4189 A / cm 2 실시예 2-5Example 2-5 1.5917 A/cm2 1.5917 A / cm 2 1.4484 A/cm2 1.4484 A / cm 2 실시예 2-6Examples 2-6 1.6612 A/cm2 1.6612 A / cm 2 1.5452 A/cm2 1.5452 A / cm 2 실시예 2-7Examples 2-7 1.6933 A/cm2 1.6933 A / cm 2 1.5388 A/cm2 1.5388 A / cm 2 실시예 2-8Examples 2-8 1.7299 A/cm2 1.7299 A / cm 2 1.4244 A/cm2 1.4244 A / cm 2 비교예1Comparative Example 1 1.6524 A/cm2 1.6524 A / cm 2 0.1863 A/cm2 0.1863 A / cm 2

도 11 및 표 2에서 보는 바와 같이 본원 발명에 의해 제조된 촉매층을 포함한 연료 전지의 경우 상대습도 0 % 에서 비교예 1과는 달리 높은 출력 밀도를 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한 실시예 2-1 내지 2-3의 결과로부터 본원 발명에 의해 제조된 촉매층 2의 두께가 증가할수록 0 % 상대습도에서의 출력 밀도가 더 증가하는 경향성을 나타내었다.
As shown in FIG. 11 and Table 2, the fuel cell including the catalyst layer produced by the present invention exhibits a high output density at 0% relative to Comparative Example 1 at a relative humidity of 0%. From the results of Examples 2-1 to 2-3, the output density at 0% relative humidity was further increased as the thickness of the catalyst layer 2 produced by the present invention increased.

<< 실험예Experimental Example 10>  10> 무가습No humidification 조건에서 연료전지 효율 측정 Measuring fuel cell efficiency under conditions

무가습 조건에서 연료 전지의 안정성을 평가하고 그 결과를 도 12에 나타내었다. The stability of the fuel cell was evaluated under no-humid conditions and the results are shown in FIG.

산소 분압 변화에 따른 효과를 제거하기 위해 캐소드 공습 산소의 상대 습도를 0 %로 고정하였고, 전지 전압은 0.5 V로 유지하였다.The relative humidity of the cathode aeration oxygen was fixed at 0% and the cell voltage was maintained at 0.5 V to remove the effect of changes in oxygen partial pressure.

도 12에서 비교예 1에 의해 제조된 연료 전지는 상대습도가 100 %에서 0 %로 전환되면서 내부에 수분 부족 현상이 발생하여 급격한 성능 감소가 나타나는 반면, 본원 발명에 의해 제조된 연료 전지는 무가습 조건에서도 2 % 미만의 성능 감소만이 발생하고 이후 다시 안정된 상태를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
12, in the fuel cell manufactured in Comparative Example 1, the relative humidity was changed from 100% to 0%, and a water shortage phenomenon occurred in the inside of the fuel cell, resulting in a drastic decrease in performance. On the other hand, It can be seen that only the performance degradation of less than 2% occurs under the condition and then the stable state is maintained again.

<< 실험예Experimental Example 11>  11> 스타트업Start-up // 셧다운shut down 주기 테스트 측정 Periodic test measurement

무가습 조건에서 연료 전지의 스타트업/셧다운 주기 테스트를 실시하고 그 결과를 측정하여 도 13에 나타내었다.The start-up / shutdown cycle test of the fuel cell was performed under no-humidification conditions, and the results were measured and shown in FIG.

개방 회로 전압에서 30초, 0.5 V에서 60초 작동시키는 스타트업/셧다운 주기 테스트를 100 시간 동안 100 CCM H2/ 350 CCM air 조건에서 수행하였다. 30 seconds in the open-circuit voltage, and performs the start-up / shutdown cycle test to operate at 0.5 V 60 seconds at 100 CCM H 2/350 CCM air conditions for 100 hours.

도 13에서 보는 바와 같이 비교예 1에 의해 제조된 연료 전지는 40 %의 상대습도에서 단지 60 %의 출력 밀도가 스타트업 과정에서 회복되는데 비해, 실시예 1에 의해 제조된 연료 전지는 0 %의 상대습도에서도 93 % 이상의 출력 밀도가 즉시 회복되는 것을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 13, the fuel cell manufactured in Comparative Example 1 restores only 60% of the output density at a relative humidity of 40% in the start-up process, whereas the fuel cell manufactured in Example 1 has a 0% Even at relative humidity, it can be seen that the output density of 93% or more is recovered immediately.

<< 실험예Experimental Example 12> 액체- 12> Liquid- HH 22 OO 가시화 테스트 측정 Visualization test measurement

수분 흡수 거동을 직접적으로 비교하기 위해 캐소드 유동 채널에서 가시화 실험을 수행하고 그 결과를 도 14에 나타내었다.In order to directly compare the water absorption behavior, a visualization experiment was performed on the cathode flow channel and the results are shown in Fig.

도 14a는 액체-H2O 가시화 테스트의 실험장치를 모식적으로 나타낸 것이다. 물방울의 형성을 확인하기 위해 40 % 상대 습도에서 1.5 Acm-2의 고 전류로 3시간 동안 테스트하였다.Figure 14a shows an experiment device for liquid -H 2 O visualization test. Fig. And tested for 3 hours at a high current of 1.5 Acm -2 at 40% relative humidity to confirm formation of water droplets.

도 14b에서 보는 바와 같이 비교예 1에 의해 제조된 촉매층을 포함한 연료전지의 경우 다양한 위치에서 마이크로 크기 이상의 물방울에 의해 캐소드 유동 채널이 막히는 현상을 확인할 수 있다. 반면 도 14c에서 보는 바와 같이 실시예 1에 의해 제조된 촉매층을 포함한 연료 전지의 경우 물방울이 관찰되지 않았으며, 이는 캐소드 촉매층에서 발생한 액체상태의 H2O가 애노드 쪽으로 잘 이동되는 것을 나타낸다.As shown in FIG. 14B, in the case of the fuel cell including the catalyst layer manufactured according to Comparative Example 1, it is confirmed that the cathode flow channel is clogged by water droplets of micro size or more at various positions. On the other hand, as shown in FIG. 14C, no droplet was observed in the case of the fuel cell including the catalyst layer prepared in Example 1, indicating that the liquid H 2 O generated in the cathode catalyst layer was well transferred to the anode.

Claims (20)

수소이온전도성 고분자;
백금 또는 카본에 담지 된 백금 촉매; 및
상기 수소이온전도성 고분자의 사슬 이동도가 2.0 kHz-1 내지 3.0 kHz-1 인 용매;를 포함하는 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크에 있어서,
상기 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크는
복수개의 촉매가 응집되고,
상기 수소이온전도성 고분자가 상기 응집된 촉매를 중심으로 역미셀 구조(reverse-micellar structure)이고,
직경이 50 내지 200 nm 인 수소이온전도성 고분자-촉매 집적체(agglomerate)를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크.
Hydrogen ion conductive polymer;
A platinum catalyst supported on platinum or carbon; And
Wherein the hydrogen ion conductive polymer has a chain mobility of 2.0 kHz- 1 to 3.0 kHz- 1 ,
The fuel cell electrode catalyst layer forming ink
A plurality of catalysts are aggregated,
Wherein the hydrogen-ion conductive polymer has a reverse-micellar structure around the agglomerated catalyst,
Characterized in that a hydrogen-ion conductive polymer-catalyst agglomerate having a diameter of 50 to 200 nm is formed.
제 1 항에 있어서,
상기 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크는 수소이온전도성 고분자 1 ~ 3 중량부, 상기 촉매 2 ~ 5 중량부, 및 상기 용매 40 ~ 60 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크.
The method according to claim 1,
Wherein the ink for forming the fuel cell electrode catalyst layer comprises 1 to 3 parts by weight of the proton conductive polymer, 2 to 5 parts by weight of the catalyst, and 40 to 60 parts by weight of the solvent.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 수소이온전도성 고분자의 두께는 5 내지 20 nm 인 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrogen-ion conductive polymer has a thickness of 5 to 20 nm.
제 1 항에 있어서,
상기 용매는 끓는점이 150 ℃ 이상인 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크.
The method according to claim 1,
Wherein the solvent has a boiling point of 150 ° C or higher.
제 1 항에 있어서,
상기 용매는 아미드계 용매로, 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), N,N-dimethylacetamide (DMA), N,N-dimethylformamide (DMF), Hexamethylphosphoramide (HMPA), 및 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinone (DMI) 으로 이루어진 그룹에서 선택되는 것인 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크.
The method according to claim 1,
The solvent may be an amide solvent such as 1-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), N-dimethylacetamide (DMA), N, N-dimethylformamide (DMF), Hexamethylphosphoramide -imidazolidinone (DMI). &lt; / RTI &gt;
제 1 항에 있어서,
상기 용매에 알코올계 용매를 더 포함하는 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크.
The method according to claim 1,
Wherein the solvent further comprises an alcohol-based solvent.
제 8 항에 있어서,
상기 알코올계 용매는 글리세롤(glycerol)인 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크.
9. The method of claim 8,
Wherein the alcohol-based solvent is glycerol.
제 1 항에 있어서,
상기 수소이온전도성 고분자는 퍼플루오르술폰산계 고분자인 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrogen-ion conductive polymer is a perfluorosulfonic acid-based polymer.
제 10 항에 있어서,
상기 퍼플루오르술폰산계 고분자는 나피온(Nafion), 플레미온(Flemion), 아시플렉스(Aciplex) 및 고어(Gore)로 이루어진 그룹 중에서 선택된 어느 하나인 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크.
11. The method of claim 10,
Wherein the perfluorosulfonic acid-based polymer is any one selected from the group consisting of Nafion, Flemion, Aciplex and Gore.
제 1 항에 의한 연료 전지 전극 촉매층 형성용 잉크를 제조하는 제 1 단계;
상기 촉매층 형성용 잉크를 필름에 도포하는 제 2 단계; 및
상기 잉크가 도포된 필름을 60 내지 100 ℃ 에서 건조시키는 제 3 단계;를 포함하는 연료 전지 전극 촉매층의 제조 방법.
A method for manufacturing a fuel cell electrode catalyst layer, comprising: a first step of preparing an ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to claim 1;
A second step of applying the catalyst layer forming ink to a film; And
And drying the ink-coated film at 60 to 100 ° C.
제 12 항에 있어서,
상기 제 3 단계의 건조는 용매 잔여 비율이 10 wt% 이하가 될 때까지 수행하는 것인 연료 전지용 전극 촉매층의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the drying in the third step is carried out until the solvent residual ratio becomes 10 wt% or less.
제 12 항에 있어서,
상기 제 3 단계의 건조는 용매의 건조 속도가 0.5 wt%/min 내지 3 wt%/min 인 연료 전지용 전극 촉매층의 제조 방법
13. The method of claim 12,
The drying in the third step may be performed by a method of manufacturing an electrode catalyst layer for a fuel cell having a solvent drying rate of 0.5 wt% / min to 3 wt% / min
제 12 항 내지 제14 항 중 어느 하나의 제조 방법에 의하여 제조된 연료 전지 전극 촉매층.
15. A fuel cell electrode catalyst layer produced by the method of any one of claims 12 to 14.
제 15 항에 있어서,
상기 촉매층은 액적의 접촉각이 110o 내지 160o 인 연료 전지 전극 촉매층.
16. The method of claim 15,
The catalyst layer is a liquid droplet contact angle of 110 o to 160 o a fuel cell electrode catalyst layer.
제 15 항에 있어서,
상기 촉매층은 미세기공의 크기 분포도에서 3 nm 내지 60 nm 에서 하나의 피크를 나타내는 것인 연료 전지 전극 촉매층.
16. The method of claim 15,
Wherein the catalyst layer exhibits one peak at 3 nm to 60 nm in the size distribution of micropores.
제 15 항에 있어서,
상기 촉매층의 두께는 2 μm 내지 90 μm 인 연료 전지 전극 촉매층.
16. The method of claim 15,
Wherein the thickness of the catalyst layer is 2 占 퐉 to 90 占 퐉.
수소이온전도성 고분자막;
상기 수소이온전도성 고분자막 표면에 형성된 제 1 촉매층; 및
제 1 촉매층 표면에 형성된 제 2 촉매층을 포함하는 막전극 접합체에 있어서,
상기 제 1 촉매층, 제 2 촉매층, 또는 상기 제 1 촉매층 및 제 2 촉매층이
제 15 항에 의한 연료 전지 전극 촉매층인 막전극 접합체.
Hydrogen ion conductive polymer membrane;
A first catalyst layer formed on the surface of the proton conductive polymer membrane; And
And a second catalyst layer formed on the surface of the first catalyst layer,
The first catalyst layer, the second catalyst layer, or the first catalyst layer and the second catalyst layer,
15. A membrane electrode assembly according to claim 15, wherein the membrane electrode assembly is a fuel cell electrode catalyst layer.
제 19 항에 의한 막전극 접합체를 포함한 연료 전지.20. A fuel cell comprising the membrane electrode assembly according to claim 19.
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