KR102203753B1 - Electrode for fuel cells and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 탄소 지지체상의 제1 백금 나노입자층; 및 상기 제1 백금 나노입자층 상에 형성된 제2 백금 나노입자층을 포함하여 우수한 연료전지 성능을 구현할 수 있는 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극 및 이를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention relates to an electrode for a high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell and a method for manufacturing the same, comprising: a first platinum nanoparticle layer on a carbon support; And a second platinum nanoparticle layer formed on the first platinum nanoparticle layer to provide a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell electrode capable of realizing excellent fuel cell performance, and a method of manufacturing the same.

Description

연료전지용 전극 및 이의 제조방법{ELECTRODE FOR FUEL CELLS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Electrode for fuel cell and manufacturing method thereof {ELECTRODE FOR FUEL CELLS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 백금 나노입자층을 포함하는 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode for a high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell and a method for manufacturing the same, and relates to an electrode for a high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell including a platinum nanoparticle layer capable of improving the performance of the fuel cell, and a method of manufacturing the same.

고분자 전해질막 연료전지란 산화극에서 수소, 환원극에서 공기 또는 산소를 반응물로 사용하여 물을 생성하는 전력 생산 장치이다.A polymer electrolyte membrane fuel cell is a power generation device that generates water by using hydrogen at an oxidation electrode and air or oxygen at a reduction electrode as a reactant.

고분자 전해질막 연료전지 중 특히 고온고분자 전해질막 연료전지는 상대적으로 높은 구동 온도(120 ℃ 내지 180 ℃)로 인하여 수소연료 내 일산화탄소에 대한 내성이 극적으로 증가하여 덜 정제된 수소연료 사용이 가능해지고, 반응속도가 증가하여 발전효율이 증가하는 등의 장점이 있다.Among polymer electrolyte membrane fuel cells, in particular, high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells dramatically increase the resistance to carbon monoxide in hydrogen fuel due to a relatively high driving temperature (120 ℃ to 180 ℃), making it possible to use less purified hydrogen fuel. There is an advantage such as an increase in the reaction speed and an increase in power generation efficiency.

한편, 고온 고분자 전해질막 연료전지에서는 높은 구동 온도로 인하여 전해질막으로 일반적으로 사용되는 수분 함유 나피온(Nafion) 막을 사용하지 못하기 때문에, 고온에서도 이온의 전도도를 유지할 수 있는 인산이 함침된 고분자 막을 사용한다.On the other hand, in a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, because a moisture-containing Nafion membrane, which is generally used as an electrolyte membrane, cannot be used due to the high driving temperature, a polymer membrane impregnated with phosphoric acid capable of maintaining the conductivity of ions even at high temperatures is used. use.

그러나, 인산이 함침된 고분자 막을 전해질막으로 사용하는 경우, 연료전지 구동 시 전해질로 이용되는 인산이 전극으로 흘러나와 전극의 백금 촉매 표면을 피독시켜 백금 촉매의 활성 면적을 감소시킨다. 또한, 전극 층 내 불균일한 인산 분포로 인해 촉매, 반응물, 전해질(인산)이 형성하는 3상 계면이 감소하게 만들어 촉매 반응을 저해시킨다.However, when a polymer membrane impregnated with phosphoric acid is used as an electrolyte membrane, phosphoric acid, which is used as an electrolyte when the fuel cell is driven, flows to the electrode and poisons the surface of the platinum catalyst, thereby reducing the active area of the platinum catalyst. In addition, due to the uneven distribution of phosphoric acid in the electrode layer, the three-phase interface formed by the catalyst, reactant, and electrolyte (phosphoric acid) decreases, thereby inhibiting the catalytic reaction.

이에 따라, 전극 층 내 인산의 분포를 개선시키고, 촉매 반응이 잘 일어나도록 하여 고온고분자 전해질막 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 전극이 필요한 실정이다.Accordingly, there is a need for an electrode capable of improving the performance of a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell by improving the distribution of phosphoric acid in the electrode layer and allowing a catalytic reaction to occur well.

특허공개공보 제10-2015-0026326호Patent Publication No. 10-2015-0026326

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 활성이 우수한 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an electrode for a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell having excellent activity.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시상태는 탄소 지지체상의 제1 백금 나노입자층; 및 상기 제1 백금 나노입자층 상에 형성된 제2 백금 나노입자층을 포함하고, 상기 제1 백금 나노입자층에 대한 상기 제2 백금 나노입자층의 질량당 활성(mass activity) 비가 공기 조건에서 5배 내지 15배인 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극을 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention is a first platinum nanoparticle layer on a carbon support; And a second platinum nanoparticle layer formed on the first platinum nanoparticle layer, wherein a mass activity ratio of the second platinum nanoparticle layer to the first platinum nanoparticle layer is 5 to 15 times in an air condition. It provides an electrode for a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell.

본 발명의 다른 실시상태는, 백금 전구체 및 전해질을 포함하는 도금 용액을 준비하는 단계; 상기 도금 용액 내에, 탄소 지지체 상의 제1 백금 나노입자층을 포함하는 작업전극, 상대전극 및 기준전극을 배치하는 단계; 및 전압을 인가하여 상기 제1 백금 나노입자층 상에 백금을 펄스 전착하여 제2 백금 나노입자층을 형성하는 단계;를 포함하는 본 발명의 일 실시상태에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.Another exemplary embodiment of the present invention includes preparing a plating solution containing a platinum precursor and an electrolyte; Disposing a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode including a first platinum nanoparticle layer on a carbon support in the plating solution; And forming a second platinum nanoparticle layer by pulse electrodepositing platinum on the first platinum nanoparticle layer by applying a voltage; a method of manufacturing an electrode for a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention comprising: to provide.

본 발명의 일 실시상태에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지는 성능이 우수하다.A fuel cell including an electrode for a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention has excellent performance.

본 발명의 다른 실시상태에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법은 간단한 공정을 통하여 우수한 연료전지 성능을 구현할 수 있는 전극을 형성한다.A method of manufacturing an electrode for a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention forms an electrode capable of realizing excellent fuel cell performance through a simple process.

도 1은 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 산화극 및 환원극 표면의 이미지를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전극의 초순수에 대한 접촉각을 나타낸 이미지이다.
도 3(a)은 산화극에 수소, 환원극에 공기를 주입하면서 측정한 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)의 나이키스트 플랏(Nyquist Plot)을 나타낸 그래프이다.
도 3(b)은 산화극에 수소, 환원극에 산소를 주입하면서 측정한 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 막 전극 접합체의 나이키스트 플랏을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 막 전극 접합체의 순환 전압전류곡선(Cyclic Voltammogram)을 나타낸 그래프이다.
도 5a는 산화극에 수소, 환원극에 공기를 주입하면서 측정한 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지의 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5b는 산화극에 수소, 환원극에 공기를 주입하면서 측정한 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지의 최대 출력을 나타낸 그래프이다.
도 5c는 산화극에 수소, 환원극에 산소를 주입하면서 측정한 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지의 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5d는 산화극에 수소, 환원극에 산소를 주입하면서 측정한 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지의 최대 출력을 나타낸 그래프이다.
도 6(a)는 산화극에 수소, 환원극에 공기를 주입하면서 측정한 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지의 백금 단위 질량당 활성을 나타낸 그래프이다.
도 6(b)는 산화극에 수소, 환원극에 산소를 주입하면서 측정한 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지의 백금 단위 질량당 활성을 나타낸 그래프이다.
1 is a view showing images of the surfaces of an oxide electrode and a reduction electrode of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. FIG.
2 is an image showing a contact angle of an electrode according to an embodiment and a comparative example of the present invention to ultrapure water.
3(a) is a graph showing a Nyquist plot of a membrane electrode assembly according to an embodiment and a comparative example of the present invention measured while injecting hydrogen into an anode and air into a cathode. to be.
3(b) is a graph showing a Nyquist plot of a membrane electrode assembly according to an embodiment and a comparative example of the present invention, measured while injecting hydrogen into an anode and oxygen into a cathode.
4 is a graph showing a cyclic voltammogram of a membrane electrode assembly according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
5A is a graph showing a polarization curve of a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell according to Examples and Comparative Examples of the present invention measured while injecting hydrogen into an anode and air into a cathode.
5B is a graph showing the maximum output of a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell according to Examples and Comparative Examples of the present invention measured while injecting hydrogen into an anode and air into a cathode.
5C is a graph showing a polarization curve of a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell according to Examples and Comparative Examples of the present invention measured while injecting hydrogen into an anode and oxygen into a cathode.
5D is a graph showing the maximum output of a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell according to Examples and Comparative Examples of the present invention measured while injecting hydrogen into an anode and oxygen into a cathode.
6(a) is a graph showing the activity per unit mass of platinum of a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell according to Examples and Comparative Examples of the present invention measured while injecting hydrogen into an anode and air into a cathode.
6(b) is a graph showing the activity per unit mass of platinum of a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell according to Examples and Comparative Examples of the present invention measured while injecting hydrogen into an anode and oxygen into a cathode.

본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.When a member is referred to herein as being “on” another member, this includes not only the case where a member is in contact with another member, but also the case where another member exists between the two members.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In the present specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서에서 "질량당 활성(mass activity)"은 전극에 사용된 백금의 단위 질량당 연료전지의 성능 (mW/mgPt)을 의미한다. In the present specification, "mass activity" means the performance of the fuel cell per unit mass of platinum used in the electrode (mW/mg Pt ).

본 발명의 일 실시상태는 탄소 지지체 상의 제1 백금 나노입자층; 및 상기 제1 백금 나노입자층 상에 형성된 제2 백금 나노입자층을 포함하는 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극을 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention is a first platinum nanoparticle layer on a carbon support; And it provides a high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell electrode comprising a second platinum nanoparticle layer formed on the first platinum nanoparticle layer.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 백금 나노입자층에 대한 상기 제2 백금 나노입자층의 질량당 활성비는 공기 조건에서 5배 내지 15배이다. 구체적으로, 상기 제1 백금 나노입자층에 대한 상기 제2 백금 나노입자층의 질량당 활성비는 공기 조건에서 5배 내지 14.5배 또는 10.5배 내지 14.5배 일 수 있다. 상기 공기 조건에서의 질량당 활성비가 상기 범위 내인 경우, 상기 제2 백금 나노입자층이 형성된 전극을 포함하는 고온고분자 전해질막 연료전지는 성능이 우수할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, an activity ratio per mass of the second platinum nanoparticle layer to the first platinum nanoparticle layer is 5 to 15 times in an air condition. Specifically, an activity ratio per mass of the second platinum nanoparticle layer to the first platinum nanoparticle layer may be 5 times to 14.5 times or 10.5 to 14.5 times in air condition. When the activity ratio per mass in the air condition is within the above range, the high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell including the electrode on which the second platinum nanoparticle layer is formed may have excellent performance.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 백금 나노입자층에 대한 상기 제2 백금 나노입자층의 질량당 활성비가 산소 조건에서는 1.5배 내지 13배일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 백금 나노입자층에 대한 상기 제2 백금 나노입자층의 질량당 활성비는 산소 조건에서 1.8배 내지 13배, 1.8배 내지 3.2배 또는 12.2배 내지 13배 일 수 있다. 상기 산소 조건에서의 질량당 활성비가 상기 범위 내인 경우, 상기 제2 백금 나노입자층이 형성된 연료전극을 포함하는 고온고분자 전해질막 연료전지는 성능이 우수할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, an activity ratio per mass of the second platinum nanoparticle layer to the first platinum nanoparticle layer may be 1.5 to 13 times in an oxygen condition. Specifically, an activity ratio per mass of the second platinum nanoparticle layer to the first platinum nanoparticle layer may be 1.8 to 13 times, 1.8 to 3.2 times, or 12.2 to 13 times under oxygen conditions. When the activity ratio per mass in the oxygen condition is within the above range, the high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell including the fuel electrode on which the second platinum nanoparticle layer is formed may have excellent performance.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극은 산화극 또는 환원극일 수 있다. 바람직하게는 산화극일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the electrode may be an oxidation electrode or a reduction electrode. Preferably it may be an oxide electrode.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 탄소 지지체는 탄소 파우더(carbon powder), 탄소 종이(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth) 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 당업계에서 일반적으로 사용되는 탄소 지지체일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the carbon support may be carbon powder, carbon paper, carbon cloth, etc., but is not limited thereto, and carbon generally used in the art. It can be a support.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 백금 나노입자층은 평균 입자 크기가 2nm 내지 6nm인 백금 나노입자가 탄소 지지체 상에 균일하게 형성된 것일 수 있다. 상기 제1 백금 나노입자층이 형성된 탄소 지지체는 전체 두께가 80㎛일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an exemplary embodiment of the present invention, in the first platinum nanoparticle layer, platinum nanoparticles having an average particle size of 2 nm to 6 nm may be uniformly formed on a carbon support. The carbon support on which the first platinum nanoparticle layer is formed may have a total thickness of 80 μm. However, it is not limited thereto.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 백금 나노입자층에 포함되는 나노입자는 백금 나노입자 또는 백금 합금 나노입자일 수 있다. 상기 백금 합금 나노입자는 예를 들어, 백금-니켈 합금 나노입자일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the nanoparticles included in the first platinum nanoparticle layer may be platinum nanoparticles or platinum alloy nanoparticles. The platinum alloy nanoparticles may be, for example, platinum-nickel alloy nanoparticles.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 백금 나노입자층은 평균 입자 크기가 10nm 내지 50nm인 백금 나노입자를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 백금 나노입자층에 포함되는 나노입자는 평균 입자 크기가 10nm 내지 30nm, 10nm 내지 20nm, 20nm 내지 30nm, 30nm 내지 50nm, 30nm 내지 40nm 또는 40nm 내지 50nm일 수 있다. 상기 제2 백금 나노입자층의 백금 나노입자의 평균 입자 크기가 상기 범위 내인 경우, 이를 포함하는 상기 전극은 활성 표면적이 증가될 수 있고, 표면 친수성이 증가될 수 있으며, 이로 인해 전극층 내 인산 분포가 균일해 질 수 있다. 결론적으로, 상기 제2 백금 나노입자층의 백금 나노입자를 포함하는 상기 전극을 포함하는 연료전지는 우수한 성능을 구현 할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the second platinum nanoparticle layer may include platinum nanoparticles having an average particle size of 10 nm to 50 nm. Specifically, the nanoparticles included in the second platinum nanoparticle layer may have an average particle size of 10nm to 30nm, 10nm to 20nm, 20nm to 30nm, 30nm to 50nm, 30nm to 40nm, or 40nm to 50nm. When the average particle size of the platinum nanoparticles of the second platinum nanoparticle layer is within the above range, the active surface area of the electrode including the same may be increased, the surface hydrophilicity may be increased, and thus the distribution of phosphoric acid in the electrode layer is uniform. It can be done. In conclusion, the fuel cell including the electrode including the platinum nanoparticles of the second platinum nanoparticle layer may implement excellent performance.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전극은 제1 백금 나노입자층 상에 균일한 백금 나노입자가 형성된 제2 백금 나노입자층이 포함된 것일 수 있다. 상기 제1 백금 나노입자층 상에 균일한 백금 나노입자가 추가적으로 형성됨에 따라, 상기 전극에 포함되는 백금 촉매의 활성 표면적이 증가하여 전극의 활성이 증가할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the electrode may include a second platinum nanoparticle layer in which uniform platinum nanoparticles are formed on the first platinum nanoparticle layer. As the uniform platinum nanoparticles are additionally formed on the first platinum nanoparticle layer, the active surface area of the platinum catalyst included in the electrode may increase, thereby increasing the activity of the electrode.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 물에 대한 전극의 접촉각은 60° 내지 120°일 수 있다. 구체적으로, 상기 물, 예를 들어 초순수에 대한 전극의 접촉각은 60° 내지 80°, 60° 내지 75°, 70° 내지 120°, 75° 내지 120° 또는 70° 내지 80°일 수 있다. 일반적으로 사용되는 탄소 지지체상에 백금 나노입자층이 존재하는 전극의 물에 대한 접촉각은 130° 내지 140°이다. 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극은 탄소 지지체상의 제1 백금 나노입자층 상에 추가로 제2 백금 나노입자층을 포함함으로써 상기 전극 표면의 친수성이 증가된다. 상기 전극의 접촉각이 상기 범위 내인 경우, 상기 전극 표면의 친수성 증가로 인하여 상기 전극의 제1 및 제2 백금 나노입자층의 인산 분포를 균일하게 함으로써 전극 내의 삼상계면을 증대시킬 수 있으며, 상기 전극을 포함하는 막 전극 접합체의 저항 감소를 구현할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the contact angle of the electrode to water may be 60° to 120°. Specifically, the contact angle of the electrode with water, for example, ultrapure water, may be 60° to 80°, 60° to 75°, 70° to 120°, 75° to 120°, or 70° to 80°. The contact angle of an electrode having a platinum nanoparticle layer on a generally used carbon support with water is 130° to 140°. The electrode according to an exemplary embodiment of the present invention further includes a second platinum nanoparticle layer on the first platinum nanoparticle layer on a carbon support, thereby increasing the hydrophilicity of the electrode surface. When the contact angle of the electrode is within the above range, the three-phase interface in the electrode can be increased by uniformly distributing phosphoric acid in the first and second platinum nanoparticle layers of the electrode due to the increase in hydrophilicity of the electrode surface, including the electrode. It is possible to implement a reduction in resistance of the membrane electrode assembly.

본 발명의 다른 실시상태는, 백금 전구체 및 전해질을 포함하는 도금 용액을 준비하는 단계; 상기 도금 용액 내에, 탄소 지지체 상의 제1 백금 나노입자층을 포함하는 작업전극, 상대전극 및 기준전극을 배치하는 단계; 및 전압을 인가하여 상기 제1 백금 나노입자층 상에 백금을 펄스 전착하여 제2 백금 나노입자층을 형성하는 단계;를 포함하는 본 발명의 일 실시상태에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.Another exemplary embodiment of the present invention includes preparing a plating solution containing a platinum precursor and an electrolyte; Disposing a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode including a first platinum nanoparticle layer on a carbon support in the plating solution; And forming a second platinum nanoparticle layer by pulse electrodepositing platinum on the first platinum nanoparticle layer by applying a voltage; a method of manufacturing an electrode for a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention comprising: to provide.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 도금 용액은 증류수에 상기 백금 전구체와 상기 전해질을 첨가한 후 교반하고, 질소 가스로 퍼징하여 제조될 수 있다. 상기 교반은 마그네틱 바를 용액에 첨가하고 자석 교반기를 이용하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 도금 용액을 상기 질소 가스로 퍼징하는 경우 상기 도금 용액 내에 용존하는 기체들을 제거하여 불순물이 존재하지 않도록 할 수 있다. 상기 도금 용액을 준비하는 단계는 상온, 상압 조건에서 진행될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the plating solution may be prepared by adding the platinum precursor and the electrolyte to distilled water, stirring, and purging with nitrogen gas. The stirring may be performed by adding a magnetic bar to the solution and using a magnetic stirrer, but is not limited thereto. When the plating solution is purged with the nitrogen gas, gases dissolved in the plating solution may be removed to prevent the presence of impurities. The step of preparing the plating solution may be performed under conditions of room temperature and pressure.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 백금 전구체는 사염화백금산 칼륨(Potassium tetrachloroplatinate, K2PtCl4), 염화백금산 수화물(Chloroplatinic acid hydrate, H2PtCl6·xH2O), 예를 들어, 염화백금산 6수화물(Chloroplatinic acid hexahydrate, H2PtCl6·6H2O), 염화백금(Platinum chloride), 예를 들어 염화백금(II)(PtCl2) 또는 염화백금(IV)(PtCl4), 백금 아세틸아세토네이트(Platinum acetylacetonate, Pt(C5H7O2)2)), 브롬화 백금, 예를 들어 브롬화백금(II)(PtBr2) 또는 브롬화백금(IV)(PtBr4), 및 백금 디아민디클로라이드(Platinum diamine dichloride, Pt(NH3)2Cl2) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 구체적으로 상기 백금 전구체는 포타슘 테트라클로로플라티네이트 일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the platinum precursor is potassium tetrachloroplatinate (K 2 PtCl 4 ), chloroplatinic acid hydrate (Chloroplatinic acid hydrate, H 2 PtCl 6 xH 2 O), for example, chloroplatinic acid. Hexahydrate (Chloroplatinic acid hexahydrate, H 2 PtCl 6 6H 2 O), platinum chloride, such as platinum (II) (PtCl 2 ) or platinum chloride (IV) (PtCl 4 ), platinum acetylaceto Nate (Platinum acetylacetonate, Pt(C 5 H 7 O 2 ) 2 )), platinum bromide, such as platinum (II) bromide (PtBr 2 ) or platinum bromide (IV) (PtBr 4 ), and platinum diaminedichloride ( Platinum diamine dichloride, Pt(NH 3 ) 2 Cl 2 ) It may be one or more selected from. Specifically, the platinum precursor may be potassium tetrachloroplatinate.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 백금 전구체는 0.1mM 내지 100mM의 농도로 상기 도금 용액에 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 백금 전구체의 농도는 0.1mM 내지 50mM, 0.1mM 내지 30mM, 0.1mM 내지 10mM, 1mM 내지 10mM, 1mM 내지 5mM, 1mM 내지 3mM 또는 3mM 내지 5mM일 수 있다. 상기 백금 전구체의 농도가 상기 범위 내인 경우, 상기 제2 백금 나노입자층에 포함되는 백금 나노입자의 크기 및 양을 조절할 수 있으며, 상기 제2 백금 나노입자층이 형성된 연료전극을 포함하는 고온고분자 전해질막 연료전지는 성능이 우수할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the platinum precursor may be included in the plating solution at a concentration of 0.1mM to 100mM. Specifically, the concentration of the platinum precursor may be 0.1mM to 50mM, 0.1mM to 30mM, 0.1mM to 10mM, 1mM to 10mM, 1mM to 5mM, 1mM to 3mM or 3mM to 5mM. When the concentration of the platinum precursor is within the above range, the size and amount of platinum nanoparticles included in the second platinum nanoparticle layer can be adjusted, and a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel including a fuel electrode on which the second platinum nanoparticle layer is formed The battery can be excellent in performance.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 전해질은 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 황산(H2SO4) 및 염산(HCl) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 전해질을 사용하는 경우, 상기 제1 백금 나노입자층 상에 제2 백금 나노입자층의 전착을 용이하게 할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the electrolyte is one selected from sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and hydrochloric acid (HCl) It can be more than that. When the electrolyte is used, it is possible to facilitate electrodeposition of the second platinum nanoparticle layer on the first platinum nanoparticle layer.

본 발명의 일 실시상태에 따라 상기 백금을 펄스 전착하는 경우 3전극 시스템을 사용할 수 있다. 따라서, 상기 도금 용액 내에 작업전극, 상대전극 및 기준전극을 배치할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a three-electrode system may be used when the platinum is pulse electrodeposited. Accordingly, a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode can be disposed in the plating solution.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 작업전극은 백금 내지 백금 합금 전극층이 코팅된 탄소 종이, 백금 내지 백금 합금 전극층이 코팅된 탄소 천 등일 수 있다. 또한, 상기 전극층은 백금 내지 백금 합금이 둥근 입자 형태로 탄소 파우더 상에 형성된 것일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상용화된 상기 작업전극은 예를 들어 BASF Celtec®  Gas Diffusion Electrode등일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the working electrode may be a carbon paper coated with a platinum to platinum alloy electrode layer, a carbon cloth coated with a platinum to platinum alloy electrode layer, or the like. In addition, the electrode layer may be formed on the carbon powder in the form of round particles of platinum or platinum alloy. However, it is not limited thereto. The commercially available working electrode may be, for example, BASF Celtec ® Gas Diffusion Electrode.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 상대전극은 백금 와이어, 백금 플레이트, 백금 메쉬, 그래파이트 로드(rod) 및 글래시(glassy) 카본 중에서 선택된 1종일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the counter electrode may be one selected from a platinum wire, a platinum plate, a platinum mesh, a graphite rod, and a glassy carbon.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 기준전극은 포화 칼로멜 전극일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the reference electrode may be a saturated calomel electrode. However, it is not limited thereto.

본 발명의 일 실시상태에 따라 상기 3전극 시스템에 전압을 인가하면, 상기 작업전극에서 상기 도금 용액에 존재하는 백금 이온의 환원이 일어나 백금이 작업전극에 전착되어 제2 백금 나노입자층이 형성된다.According to an exemplary embodiment of the present invention, when a voltage is applied to the three-electrode system, platinum ions present in the plating solution are reduced at the working electrode, and platinum is electrodeposited on the working electrode to form a second platinum nanoparticle layer.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 전착은 상기 전압을 포화 칼로멜 전극을 기준으로 0.3V 내지 0.5V에서 1초 내지 3초, -1.0V 내지 -0.8V에서 5초 내지 15초 및 0.3V 내지 0.5V에서 2초 내지 4초를 순차적으로 인가하는 것을 한 사이클로 한다. 상기 한 사이클은 구체적으로, 포화 칼로멜 전극을 기준으로 0.4V에서 2초, -0.9V에서 10초, 0.4V에서 3초로 전압을 인가하는 것일 수 있다. 상기 전압을 상기한 바와 같이 인가하는 경우, 균일한 백금 나노입자가 형성될 수 있다. 이에 따라, 전극에 포함되는 백금 촉매의 활성 표면적이 증가할 수 있다. 또한, 표면 친수성의 증가에 의해 인산이 전극층 내에 고루 분포하게 되어 균일한 삼상계면을 형성할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, in the pulse electrodeposition, the voltage is applied from 0.3V to 0.5V for 1 second to 3 seconds, -1.0V to -0.8V for 5 seconds to 15 seconds and 0.3V based on the saturated calomel electrode. 2 to 4 seconds are sequentially applied at 0.5V to one cycle. Specifically, the one cycle may be to apply a voltage at 0.4V for 2 seconds, -0.9V for 10 seconds, and 0.4V for 3 seconds based on the saturated calomel electrode. When the voltage is applied as described above, uniform platinum nanoparticles may be formed. Accordingly, the active surface area of the platinum catalyst included in the electrode may increase. In addition, phosphoric acid is evenly distributed in the electrode layer due to the increase in surface hydrophilicity, and a uniform three-phase interface can be formed.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 펄스 전착은 상기 한 사이클을 50회 내지 500회 반복하여 전압을 인가하여 전착하는 것을 의미할 수 있다. 구체적으로, 상기 펄스 전착은 상기 한 사이클을 50회 내지 300회, 50회 내지 100회, 또는 100회 내지 300회 반복하여 전압을 인가하여 전착하는 것 일 수 있다. 상기 한 사이클을 상기 범위 내의 횟수로 반복하여 전압을 인가하여 제2 백금 나노입자층을 전착하는 경우, 백금이 균일하게 형성되어, 전극에 포함되는 백금 촉매의 활성 표면적이 증가할 수 있다. 또한, 표면 친수성의 증가에 의해 인산이 전극층 내에 고루 분포하게 되어 균일한 삼상계면을 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 백금 나노입자층이 형성된 전극을 포함하는 고온고분자 전해질막 연료전지는 성능이 우수할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the pulse electrodeposition may mean electrodeposition by applying a voltage by repeating the one cycle 50 to 500 times. Specifically, the pulse electrodeposition may be electrodeposition by applying a voltage by repeating the one cycle 50 to 300 times, 50 to 100 times, or 100 to 300 times. When the second platinum nanoparticle layer is electrodeposited by applying a voltage by repeating the above one cycle a number of times within the above range, platinum is uniformly formed, so that the active surface area of the platinum catalyst included in the electrode may increase. In addition, phosphoric acid is evenly distributed in the electrode layer due to the increase in surface hydrophilicity, and a uniform three-phase interface can be formed. Accordingly, the high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell including the electrode on which the second platinum nanoparticle layer is formed may have excellent performance.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제2 백금 나노입자층을 형성하는 단계는 상온, 상압 조건에서 진행될 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the step of forming the second platinum nanoparticle layer may be performed under conditions of room temperature and pressure.

본 발명의 다른 실시상태는 산화극; 환원극; 및 상기 산화극과 환원극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고, 상기 산화극, 또는 상기 산화극과 상기 환원극이 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극인 고온 고분자 전해질막 연료전지를 제공한다.Another embodiment of the present invention is an oxide electrode; Reduction electrode; And it provides a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell comprising an electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode, the anode, or the anode and the cathode are electrodes according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 고온고분자 전해질막 연료전지는 압축 플레이트(compression plate), 집전체(current collectors), 양극판(bipolar plates), 가스확산층, 막 전극 접합체, 가스확산층, 양극판, 집전체 및 압축 플레이트가 순차적으로 적층된 것일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell includes compression plates, current collectors, bipolar plates, gas diffusion layers, membrane electrode assemblies, gas diffusion layers, positive plates, and houses. The whole and compression plates may be sequentially stacked.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 막 전극 접합체는 상기 본 발명에 따른 산화극, 전해질막 및 상기 본 발명에 따른 환원극이 순차적으로 접합된 것일 수 있다. 상기 막 전극 접합체는 산화극, 또는 산화극과 환원극 둘 다가 본 발명의 일 실시예에 따른 전극일 수 있다. 상기 전해질막은 인산이 함침된 고분자층일 수 있다. 상용화된 상기 전해질막은 예를 들어, 인산이 함침된 BASF Celtec®  membrane일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the membrane electrode assembly may be one in which the oxide electrode according to the present invention, the electrolyte membrane, and the reduction electrode according to the present invention are sequentially bonded. The membrane electrode assembly may be an anode, or both an anode and a cathode may be electrodes according to an embodiment of the present invention. The electrolyte membrane may be a polymer layer impregnated with phosphoric acid. The commercialized electrolyte membrane may be, for example, a BASF Celtec ® membrane impregnated with phosphoric acid.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 작업전극의 제1 백금 나노입자층 상에 제2 백금 나노입자층을 형성하여 제조한 전극인 산화극 및 환원극 사이에 전해질막을 접합하여 막 전극 접합체를 제조할 수 있다. 상기 산화극 및 상기 환원극과 상기 전해질막을 접합하기 전에, 상기 전해질막을 고온의 건조기에서 건조하는 단계를 거칠 수 있다. 상기 전해질막을 건조하는 단계는 100℃ 내지 150 ℃의 온도에서 30분 내지 2시간 동안 건조하는 것일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a membrane electrode assembly can be manufactured by bonding an electrolyte membrane between an anode and a cathode, which are electrodes manufactured by forming a second platinum nanoparticle layer on the first platinum nanoparticle layer of the working electrode. have. Before bonding the oxide electrode and the reduction electrode to the electrolyte membrane, the electrolyte membrane may be dried in a high-temperature dryer. Drying the electrolyte membrane may be drying for 30 minutes to 2 hours at a temperature of 100 ℃ to 150 ℃.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 막 전극 접합체에 테플론 가스켓과 폴리이미드 가스켓을 이용하여 유로와 접합하여 고온 고분자 전해질막 연료전지를 제조할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell may be manufactured by bonding the membrane electrode assembly with a flow path using a Teflon gasket and a polyimide gasket.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be described in detail to illustrate the present invention in detail. However, the embodiments according to the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art.

실시예Example 1 One

백금 펄스 전착을 이용한 Using platinum pulse electrodeposition 산화극Oxide electrode 제조 Produce

백금 전구체로 3mM K2PtCl4(Alfa Aesar社, 43946)와 전해질로 0.5M NaCl(Daejung社, 7548-4100)을 포함한 수용액을 준비하고, 30분 이상 질소 가스로 퍼징하여 수용액 내 용존 기체들을 제거하여 도금 용액을 준비하였다. 상기 도금 용액 내에, 작업전극으로 제1 백금 나노입자층을 포함하는 BASF Celtec®  Gas Diffusion Electrode, 상대전극으로 백금 와이어, 및 기준전극으로 포화 칼로멜 전극을 배치하여 3전극 시스템을 형성하였다.Prepare an aqueous solution containing 3mM K 2 PtCl 4 (Alfa Aesar, 43946) as a platinum precursor and 0.5M NaCl (Daejung, 7548-4100) as an electrolyte, and purged with nitrogen gas for 30 minutes or longer to remove dissolved gases in the aqueous solution. Thus, a plating solution was prepared. Wherein in the plating solution, to form a first platinum nanoparticle layer BASF Celtec ® Gas Diffusion Electrode, a platinum wire as a counter electrode, reference electrode and three-electrode system by placing a saturated calomel electrode as a working electrode comprising a.

상기 3 전극 시스템에 전압을 포화 칼로멜 전극을 기준으로 0.4V에서 2초, -0.9V에서 10초 및 0.4V에서 3초를 순차적으로 인가하는 것을 한 사이클로 하고, 상기 한 사이클을 50회 반복하여 전압을 인가하여, 상기 BASF Celtec®  상용 산화극의 제1 백금 나노입자층 상에 백금을 전착하여 제2 백금 나노입자층이 형성된 산화극을 제조하였다.Applying voltage to the three-electrode system sequentially for 2 seconds at 0.4V, 10 seconds at -0.9V, and 3 seconds at 0.4V based on the saturated calomel electrode as one cycle, and repeating the above one cycle 50 times By applying, platinum was electrodeposited on the first platinum nanoparticle layer of the BASF Celtec ® commercial oxide electrode to prepare an oxide electrode having a second platinum nanoparticle layer formed thereon.

모든 단계는 상온, 상압에서 진행하였다.All steps were carried out at room temperature and pressure.

막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly) 제조Manufacture of Membrane Electrode Assembly

인산이 함침된 상용 BASF Celtec®  membrane을 120℃의 건조기에서 1시간 건조 하여 전해질막을 제조하였다.A commercial BASF Celtec ® membrane impregnated with phosphoric acid was dried in a dryer at 120° C. for 1 hour to prepare an electrolyte membrane.

상기 백금 펄스 전착을 이용하여 제조한 산화극, 상기 전해질막 및 BASF Celtec®  상용 환원극을 접합하여 막 전극 접합체를 제조하였다. 모든 전극의 면적은 각각 1cm2 이었다.The platinum pulse electrodeposition and the oxidizing electrode, bonding the electrolyte membrane and BASF Celtec ® commercial reduction electrode was prepared using a membrane-electrode assembly manufacturing. Each electrode had an area of 1 cm 2 .

고온고분자 전해질막 연료전지 제조Manufacture of high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell

상기 막 전극 접합체에 340㎛의 테플론 가스켓과 25㎛의 폴리이미드 가스켓을 이용하여 50N·m의 토크로 유로와 접합하여 고온고분자 전해질막 연료전지를 제조하였다.A high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell was manufactured by bonding the membrane electrode assembly with a flow path with a torque of 50 N·m using a 340 μm Teflon gasket and a 25 μm polyimide gasket.

실시예Example 2 2

백금 펄스 전착을 이용하여 산화극 제조 시, 상기 한 사이클을 100 회 반복하여 전압을 인가하여 산화극을 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 막 전극 접합체 및 고분자 전해질막 연료전지를 제조하였다.When manufacturing an anode using platinum pulse electrodeposition, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte membrane fuel cell were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the anode was manufactured by applying a voltage by repeating the above one cycle 100 times. .

실시예Example 3 3

백금 펄스 전착을 이용하여 산화극 제조 시, 상기 한 사이클을 300 회 반복하여 전압을 인가하여 산화극을 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 막 전극 접합체 및 고분자 전해질막 연료전지를 제조하였다.When manufacturing an anode using platinum pulse electrodeposition, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte membrane fuel cell were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the anode was manufactured by applying a voltage by repeating the above one cycle 300 times. .

실시예Example 4 4

백금 펄스 전착을 이용하여 산화극 제조 시, 상기 한 사이클을 500 회 반복하여 전압을 인가하여 산화극을 제조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 막 전극 접합체 및 고분자 전해질막 연료전지를 제조하였다.When manufacturing an anode using platinum pulse electrodeposition, a membrane electrode assembly and a polymer electrolyte membrane fuel cell were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the anode was manufactured by applying a voltage by repeating the above one cycle 500 times. .

실시예Example 5 5

백금 펄스 전착을 이용하여 산화극 제조 시, 상기 한 사이클을 100 회 반복하여 전압을 인가하여 산화극을 제조한 것과, 환원극으로 BASF Celtec®  상용 환원극이 아닌 BASF Celtec®  상용 환원극 상에 백금 펄스 전착을 하여 제조한 환원극을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 막 전극 접합체 및 고분자 전해질막 연료전지를 제조하였다.When manufacturing an anode using platinum pulse electrodeposition, the anode was manufactured by applying voltage by repeating the above one cycle 100 times, and platinum on the BASF Celtec ® commercial cathode instead of the BASF Celtec ® commercial cathode as the cathode. A membrane electrode assembly and a polymer electrolyte membrane fuel cell were manufactured in the same manner as in Example 1, except that the cathode prepared by pulse electrodeposition was used.

상기 BASF Celtec®  상용 환원극 상에 백금 펄스 전착하는 방법은 실시예 1에서 산화극을 제조하기 위하여 백금 펄스 전착을 하는 방법과 동일한 방법으로 실시하였다.The method of platinum pulse electrodeposition on the BASF Celtec ® commercial cathode electrode was carried out in the same manner as the method of platinum pulse electrodeposition to prepare an oxide electrode in Example 1.

비교예Comparative example 1 One

산화극으로 상기 백금 펄스 도금을 이용하여 제조한 것이 아닌 BASF Celtec®  상용 산화극을 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 막 전극 접합체 및 고분자 전해질막 연료전지를 제조하였다.A membrane electrode assembly and a polymer electrolyte membrane fuel cell were manufactured in the same manner as in Example 1, except that a BASF Celtec ® commercial anode was used as the anode, not manufactured by using the platinum pulse plating.

실험예Experimental example 1 - 전극 표면의 FE- 1-FE- on the electrode surface SEMSEM 이미지 측정 Image measurement

실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 산화극 및 환원극의 백금 나노입자 크기 및 형태를 확인하기 위하여 FE-SEM(SIGMA, Carl Zeiss社)으로 표면의 이미지를 측정하였다. In order to confirm the size and shape of the platinum nanoparticles of the oxide and reduction electrodes of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, an image of the surface was measured with FE-SEM (SIGMA, Carl Zeiss).

도 1은 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 산화극 및 환원극 표면의 이미지를 나타낸 도면이다. 상기 FE-SEM 이미지로부터 확인한 제1 백금 나노입자층 상에 형성된 제2 백금 나노입자층에 포함되는 백금 나노입자의 크기를 하기 표 1에 나타내었다.1 is a view showing images of the surfaces of an oxide electrode and a reduction electrode of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1. FIG. Table 1 shows the sizes of platinum nanoparticles included in the second platinum nanoparticle layer formed on the first platinum nanoparticle layer identified from the FE-SEM image.

실시예 1 내지 5의 산화극 및 실시예 5의 환원극의 경우, 제1 백금 나노입자층 상에 백금 나노입자가 균일하게 전착되어 제2 백금 나노입자층을 형성하는 것을 확인할 수 있다. 실시예 5의 환원극 상에 형성된 백금 입자의 크기가 실시예 1내지 5의 산화극상에 형성된 백금 입자의 크기보다 큰 이유는 상용 환원극의 제1 백금 나노 입자층에 존재하는 백금-니켈 합금 나노입자 중 니켈이 펄스 전착 과정에서 백금 전구체와 치환 전착 반응을 일으킬 수 있기 때문이다.In the case of the oxide electrode of Examples 1 to 5 and the reduction electrode of Example 5, it can be seen that platinum nanoparticles are uniformly electrodeposited on the first platinum nanoparticle layer to form a second platinum nanoparticle layer. The reason that the size of the platinum particles formed on the cathode of Example 5 is larger than the size of the platinum particles formed on the oxide electrodes of Examples 1 to 5 is that the platinum-nickel alloy nanoparticles present in the first platinum nanoparticle layer of the commercial cathode This is because heavy nickel can cause a substitution electrodeposition reaction with the platinum precursor in the pulse electrodeposition process.

실험예Experimental example 2 - 전극의 2-of the electrode 접촉각Contact angle 측정 Measure

초순수에 대한 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 산화극 및 환원극의 접촉각을 FM40Mk2 EasyDrop(KRUSS GmbH Germany社)으로 측정하였다. The contact angles of the oxide and reduction electrodes of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 for ultrapure water were measured by FM40Mk2 EasyDrop (KRUSS GmbH Germany).

초순수에 대한 실시예 1 내지 5 및 비교예 1의 산화극 및 환원극의 접촉각을 나타낸 이미지를 도 2에 나타내고 상기 접촉각을 하기 표 1에 나타내었다.Images showing the contact angles of the oxide and reduction electrodes of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 with respect to ultrapure water are shown in FIG. 2 and the contact angles are shown in Table 1 below.

실험예Experimental example 3 - 전기화학적 임피던스 분석법(EIS)에 따른 막 전극 접합체의 저항 평가 3-Evaluation of resistance of membrane electrode assemblies according to electrochemical impedance analysis (EIS)

산화극에 수소, 환원극에 공기 또는 산소를 주입하면서, 전기화학적 임피던스 분광기(Autolab PGSTAT302N, Metrohm社)로 10kHz에서 0.01Hz 범위에서 진폭 5mV로 0.75V의 정전압 상태에서 임피던스를 측정하여 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1에 따른 막 전극 접합체의 저항을 평가하였다.Example 2, while injecting hydrogen into the anode and air or oxygen into the cathode, measuring the impedance with an electrochemical impedance spectroscopy (Autolab PGSTAT302N, Metrohm Corp.) at a constant voltage of 0.75 V with an amplitude of 5 mV in the range of 10 kHz to 0.01 Hz. The resistance of the membrane electrode assembly according to Example 5 and Comparative Example 1 was evaluated.

산화극에 수소, 환원극에 공기를 주입하면서 측정한 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1에 따른 막 전극 접합체의 나이키스트 플랏 그래프를 도 3(a)에 나타내었고, 산화극에 수소, 환원극에 산소를 주입하면서 측정한 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1에 따른 막 전극 접합체의 나이키스트 플랏 그래프를 도 3(b)에 나타내었다. 또한, 평가한 저항을 하기 표 1에 나타내었다.Figure 3(a) shows the Nyquist plot graphs of the membrane electrode assemblies according to Examples 2, 5, and 1, measured while injecting hydrogen into the anode and air into the cathode, and Fig. 3(b) shows Nyquist plot graphs of the membrane electrode assemblies according to Examples 2, 5, and 1, measured while oxygen is injected into the cathode. In addition, the evaluated resistance is shown in Table 1 below.

실험예Experimental example 4 -막 전극 접합체의 전기화학적 활성 표면적(electrochemical active surface area) 평가 4 -Evaluation of electrochemical active surface area of membrane electrode assembly

순환 전압전류법으로 전기화학 계측기(Autolab PGSTAT302N, Metrohm社)를 이용하여 산화극에는 수소를 0.1L/min으로, 환원극에는 질소를 0.3L/min으로 주입하면서, 작업전극에는 환원극을 상대전극과 기준전극에는 산화극을 연결하고 0.05V 내지 1.2V의 전압 범위에서 200mV/s의 속도로 전압을 변화시키면서 발생하는 전류를 측정하여 막 전극 접합체의 전기화학적 활성 표면적을 평가하였다.Using an electrochemical measuring instrument (Autolab PGSTAT302N, Metrohm) by cyclic voltammetry, injecting hydrogen into the anode at 0.1 L/min and nitrogen into the cathode at 0.3 L/min, while the working electrode with the cathode as the counter electrode. The anode was connected to the and reference electrode, and the electrochemically active surface area of the membrane electrode assembly was evaluated by measuring the current generated while changing the voltage at a rate of 200 mV/s in the voltage range of 0.05V to 1.2V.

순환 전압전류법에 따라 측정한 실시예 2, 실시예 5 및 비교예 1에 따른 막 전극 접합체의 순환 전압전류곡선(Cyclic Voltammogram) 그래프를 도 4에 나타내었다. 또한, 상기 전기화학적 활성 표면적을 하기 표 1에 나타내었다.A cyclic voltammogram graph of the membrane electrode assemblies according to Examples 2, 5 and Comparative Example 1 measured according to the cyclic voltammetry method is shown in FIG. 4. In addition, the electrochemically active surface area is shown in Table 1 below.

실험예Experimental example 5 - 고온고분자 전해질막 연료전지 성능 평가 5-High-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell performance evaluation

실시예 1 내지 5 및 비교예 1에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지를 150℃에서 20분 동안 질소로 퍼징한 후, 150℃에서 산화극에는 수소를 0.1L/min로 주입하고, 환원극에는 공기 또는 산소를 0.3L/min로 주입하였다.After purging the high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells according to Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 with nitrogen at 150° C. for 20 minutes, hydrogen was injected at 150° C. to the oxidation electrode at 0.1 L/min, and air to the reduction electrode. Alternatively, oxygen was injected at 0.3 L/min.

0.6V로 고정된 전압으로 3시간 동안 단위 전지를 구동시켜 막 전극 접합체 activation을 진행한 후, 1분 동안 20mA/cm2 만큼의 전류를 증가시키며 얻은 연료 전지의 분극 곡선으로부터 상기 고온고분자 전해질막 연료전지의 최대 출력을 확인하여 상기 연료전지의 성능을 평가하였다.The high-temperature polymer electrolyte membrane fuel from the polarization curve of the fuel cell obtained by increasing the current by 20 mA/cm 2 for 1 minute after driving the unit cell at a voltage fixed at 0.6 V for 3 hours to activate the membrane electrode assembly. The performance of the fuel cell was evaluated by checking the maximum output of the cell.

산화극에 수소, 환원극에 공기 또는 산소를 주입하면서 측정한 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지의 분극 곡선 및 최대 출력을 나타낸 그래프를 도 5에 나타내었다. 또한, 상기 최대 출력을 표 1에 나타내었다.A graph showing the polarization curve and maximum output of the high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells according to Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 measured while injecting hydrogen into the anode and air or oxygen into the cathode is shown in FIG. 5. In addition, the maximum output is shown in Table 1.

실험예Experimental example 6 - 백금 단위 질량당 활성 평가 6-Evaluation of activity per unit mass of platinum

유도 결합 플라즈마 질량 분석기(ICP-MS, NexION300, PerkinElmer社)를 이용하여 전극에 형성된 백금의 총 질량을 구하고, 실험예 5에서 얻은 고온고분자 전해질막 연료전지의 출력을 백금의 질량으로 나누어, 백금 단위 질량당 활성을 구하였다.Using an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS, NexION300, PerkinElmer), the total mass of platinum formed on the electrode was calculated, and the output of the high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell obtained in Experimental Example 5 was divided by the mass of platinum, and the platinum unit The activity per mass was determined.

산화극에 수소, 환원극에 공기 또는 산소를 주입하면서 측정한 실시예 1 내지 실시예 3, 실시예 5 및 비교예 1에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지의 백금 단위 질량당 활성을 나타낸 그래프를 도 6에 나타내었다. 또한, 상기 백금 단위 질량당 활성을 표 1에 나타내었다.A graph showing the activity per unit mass of platinum of the high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells according to Examples 1 to 3, 5 and Comparative Example 1 measured while injecting hydrogen into the oxidation electrode and air or oxygen into the reduction electrode is shown. It is shown in 6. In addition, the activity per unit mass of platinum is shown in Table 1.

접촉각 (°)Contact angle (°) 저항 (Ω)Resistance (Ω) 전기화학적 활성 표면적
(m2/g)
Electrochemically active surface area
(m 2 /g)
최대 출력
(mW/cm2)
Output
(mW/cm 2 )
백금 단위 질량당 활성(mW/mgpt)Active per unit mass of platinum (mW/mg pt )
산화극Oxide electrode 환원극Reduction pole 환원극에 공기 주입하는 경우In case of injecting air into the cathode 환원극에 산소 주입하는 경우When oxygen is injected into the cathode 환원극에 공기 주입하는 경우In case of injecting air into the cathode 환원극에 산소 주입하는 경우When oxygen is injected into the cathode 환원극에 공기 주입하는 경우In case of injecting air into the cathode 환원극에 산소 주입하는 경우When oxygen is injected into the cathode 실시예 1Example 1 118.6118.6 141.5141.5 -- -- -- 446.3446.3 698.0698.0 259.5259.5 405.8405.8 실시예 2Example 2 79.579.5 141.5141.5 0.3920.392 0.4170.417 5.495.49 473.3473.3 748.3748.3 276.5276.5 437.1437.1 실시예 3Example 3 73.673.6 141.5141.5 -- -- -- 443.0443.0 598.0598.0 250.4250.4 338.0338.0 실시예 4Example 4 63.863.8 141.5141.5 -- -- -- 415.0415.0 557.5557.5 -- -- 실시예 5Example 5 79.579.5 112.0112.0 0.7880.788 0.8770.877 1.631.63 445.5445.5 645.6645.6 252.3252.3 365.6365.6 비교예 1Comparative Example 1 137.6137.6 141.5141.5 0.8670.867 0.8960.896 1.601.60 319.6319.6 532.5532.5 192.9192.9 321.4321.4

제2 백금 나노입자층을 포함하는 실시예 1 내지 5의 산화극 및 실시예 5의 환원극은 각각의 접촉각 값으로부터 전극 표면의 친수성이 증가하는 것을 알 수 있고, 이에 따라 전극층 내의 인산 거동에 변화가 생기며, 균일한 인산 분포로 인해 삼상 계면이 증대된다. 이에 따라, 상기 산화극 및 환원극을 포함하는 막 전극 접합체는 저항이 감소하는 것을 알 수 있고 연료전지의 성능을 증대 시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.It can be seen that the hydrophilicity of the electrode surface increases from the respective contact angle values of the anodes of Examples 1 to 5 and the cathode of Example 5 including the second platinum nanoparticle layer, and accordingly, the phosphoric acid behavior in the electrode layer is changed. Occurs, and the three-phase interface increases due to the uniform distribution of phosphoric acid. Accordingly, it can be seen that the resistance of the membrane electrode assembly including the oxide electrode and the reduction electrode decreases, and the performance of the fuel cell can be increased.

또한, 백금 전해 도금을 통하여 전극에 제2 백금 나노입자층을 포함함으로써 상기 전극을 포함하는 막 전극 접합체의 전기화학적 활성 표면적이 증가하고, 이러한 활성 표면적의 증대가 상기 막 전극 접합체를 포함하는 고온고분자 전해질막 연료전지의 성능 증가에 기여함을 확인할 수 있다. 즉, 상기 고온고분자 전해질막 연료전지의 최대 출력과 백금 단위 질량당 활성이 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극을 포함하지 않는 비교예 1에 비하여 모두 우수한 것을 확인할 수 있다.In addition, by including the second platinum nanoparticle layer in the electrode through platinum electroplating, the electrochemically active surface area of the membrane electrode assembly including the electrode is increased, and such an increase in the active surface area is a high temperature polymer electrolyte including the membrane electrode assembly. It can be seen that it contributes to the increase in the performance of the membrane fuel cell. That is, it can be seen that the maximum output of the high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell and the activity per unit mass of platinum are all superior to that of Comparative Example 1 which does not include an electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.

제1 백금 나노입자층에 의한 질량당 활성과 제2 백금 나노입자층에 의한 질량당 활성을 비교하면, 공기 조건에서 비교예 1의 양쪽 전극에 사용된 총 백금량이 1.657mg일때 최대 출력이 319.6mW/cm2으로서 192.9mW/mgPt의 질량당 활성을 보이는 반면, 실시예 2의 경우, 제2 백금 나노입자층에 도금된 백금양이 약 0.055mg으로서, 제1 백금 나노입자층과 제2 백금 나노입자층의 총 백금 함량이 1.712mg일때 최대 출력이 473.3mW/cm2이며, 따라서 276.5mW/mgPt의 질량당 활성을 보인다. 이 경우, 제2 백금 나노입자층 형성에 의한 성능 증가분에 대해 추가된 백금의 질량당 활성은 2794.5mW/mgPt 로서, 외형상 제 1백금 나노입자층의 질량당 활성 대비 약 15배의 높은 질량당 활성을 나타내는 것으로 보인다. 이러한 현상은 단순히 제 2백금 나노입자층의 높은 촉매 활성에만 기인한 것이 아니라, 백금 전해 도금을 통하여 제 1백금 나노입자층 내의 인산 거동의 변화, 삼상계면의 확대 등으로 인해 제 1백금 나노입자층의 활성도 동시에 증가하였기 때문이다. When comparing the activity per mass by the first platinum nanoparticle layer and the activity per mass by the second platinum nanoparticle layer, the maximum output is 319.6 mW/cm when the total amount of platinum used in both electrodes of Comparative Example 1 is 1.657 mg under air conditions. 2 shows an activity per mass of 192.9 mW/mg Pt , whereas in Example 2, the amount of platinum plated on the second platinum nanoparticle layer was about 0.055 mg, and the total amount of the first platinum nanoparticle layer and the second platinum nanoparticle layer When the platinum content is 1.712mg, the maximum output is 473.3mW/cm 2 , and thus the activity per mass of 276.5mW/mg Pt is shown. In this case, the activity per mass of platinum added to the increase in performance due to the formation of the second platinum nanoparticle layer is 2794.5mW/mg Pt, which is approximately 15 times higher than the activity per mass of the first platinum nanoparticle layer. Seems to represent. This phenomenon is not simply due to the high catalytic activity of the second platinum nanoparticle layer, but also the activity of the first platinum nanoparticle layer due to the change of the phosphoric acid behavior in the first platinum nanoparticle layer through platinum electroplating, and the expansion of the three-phase interface. Because it increased.

따라서, 본 발명의 일 실시상태에 따른 전극을 포함하는 막 전극 접합체는 저항이 작고 전기화학적 활성이 우수하며, 상기 막 전극 접합체를 포함하는 고온고분자 전해질막 연료전지는 최대 출력이 크고 백금 단위 질량당 활성이 우수하므로, 상기 전극이 고온고분자 전해질막 연료전지의 성능을 향상시키는 것을 알 수 있다.Therefore, the membrane electrode assembly including the electrode according to the exemplary embodiment of the present invention has low resistance and excellent electrochemical activity, and the high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell including the membrane electrode assembly has a high maximum output and a platinum per unit mass. Since the activity is excellent, it can be seen that the electrode improves the performance of the high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell.

Claims (10)

탄소 지지체상의 제1 백금 나노입자층; 및
상기 제1 백금 나노입자층 상에 형성된 제2 백금 나노입자층을 포함하고,
상기 제1 백금 나노입자층에 대한 상기 제2 백금 나노입자층의 질량당 활성(mass activity)비가 공기 조건에서 5배 내지 15배이고,
물에 대한 접촉각이 70° 내지 120°이며,
상기 제2 백금 나노입자층은 평균 입자 크기가 10nm 내지 50nm인 백금 나노입자를 포함하는 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극.
A first platinum nanoparticle layer on a carbon support; And
Including a second platinum nanoparticle layer formed on the first platinum nanoparticle layer,
The mass activity ratio of the second platinum nanoparticle layer to the first platinum nanoparticle layer is 5 to 15 times in air condition,
The contact angle with water is 70° to 120°,
The second platinum nanoparticle layer is an electrode for a high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell comprising platinum nanoparticles having an average particle size of 10 nm to 50 nm.
제1항에 있어서,
상기 제1 백금 나노입자층에 대한 상기 제2 백금 나노입자층의 질량당 활성비가 산소 조건에서 1.5배 내지 13배인 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극.
The method of claim 1,
An electrode for a high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell in which an activity ratio per mass of the second platinum nanoparticle layer to the first platinum nanoparticle layer is 1.5 to 13 times in an oxygen condition.
삭제delete 삭제delete 백금 전구체 및 전해질을 포함하는 도금 용액을 준비하는 단계;
상기 도금 용액 내에, 탄소 지지체 상의 제1 백금 나노입자층을 포함하는 작업전극, 상대전극 및 기준전극을 배치하는 단계; 및
전압을 인가하여 상기 제1 백금 나노입자층 상에 백금을 펄스 전착하여 제2 백금 나노입자층을 형성하는 단계;를 포함하는 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 따른 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법.
Preparing a plating solution containing a platinum precursor and an electrolyte;
Disposing a working electrode, a counter electrode, and a reference electrode including a first platinum nanoparticle layer on a carbon support in the plating solution; And
The electrode for a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell according to any one of claims 1 and 2 comprising a step of forming a second platinum nanoparticle layer by pulse electrodepositing platinum on the first platinum nanoparticle layer by applying a voltage Method of manufacturing.
제5항에 있어서,
상기 백금 전구체는 사염화백금산 칼륨(Potassium tetrachloroplatinate, K2PtCl4), 염화백금산 수화물(Chloroplatinic acid hydrate, H2PtCl6·xH2O), 염화백금(Platinum chloride), 백금 아세틸아세토네이트(Platinum acetylacetonate, Pt(C5H7O2)2)), 브롬화 백금 및 백금 디아민디클로라이드(Platinum diamine dichloride, Pt(NH3)2Cl2) 중에서 선택된 1종 이상인 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법.
The method of claim 5,
The platinum precursor is potassium tetrachloroplatinate (K 2 PtCl 4 ), chloroplatinic acid hydrate (H 2 PtCl 6 xH 2 O), platinum chloride (Platinum chloride), platinum acetylacetonate (Platinum acetylacetonate, Pt(C 5 H 7 O 2 ) 2 )), platinum bromide and platinum diamine dichloride (Platinum diamine dichloride, Pt(NH 3 ) 2 Cl 2 ) A method of manufacturing an electrode for a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, which is one or more selected from.
제5항에 있어서,
상기 백금 전구체는 0.1mM 내지 100mM의 농도로 상기 도금 용액에 포함되는 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법.
The method of claim 5,
The platinum precursor is a method of manufacturing an electrode for a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell contained in the plating solution at a concentration of 0.1mM to 100mM.
제5항에 있어서,
상기 전해질은 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 황산(H2SO4) 및 염산(HCl) 중에서 선택된 1종 이상인 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법.
The method of claim 5,
The electrolyte is one or more selected from sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), and hydrochloric acid (HCl). Manufacturing method.
제5항에 있어서,
상기 상대전극은 백금 와이어, 백금 플레이트, 백금 메쉬, 그래파이트 로드(rod) 및 글래시(glassy) 카본 중에서 선택된 1종인 고온고분자 전해질막 연료전지용 전극의 제조방법.
The method of claim 5,
The counter electrode is one selected from a platinum wire, a platinum plate, a platinum mesh, a graphite rod, and a glassy carbon. A method of manufacturing an electrode for a high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell.
산화극; 환원극; 및 상기 산화극과 환원극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고,
상기 산화극, 또는 상기 산화극과 상기 환원극이 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 따른 전극인 고온 고분자 전해질막 연료전지.
Oxide electrode; Reduction electrode; And an electrolyte membrane positioned between the oxidation electrode and the reduction electrode,
The high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell wherein the oxide electrode, or the oxide electrode and the reduction electrode is an electrode according to any one of claims 1 and 2.
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