KR102223998B1 - Membrane electrode assembly for anion exchange membrane water electrolyzer and method of manufacturing membrane electrode assembly for anion exchange membrane water electrolyzer - Google Patents

Membrane electrode assembly for anion exchange membrane water electrolyzer and method of manufacturing membrane electrode assembly for anion exchange membrane water electrolyzer Download PDF

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Abstract

양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체로서, 확산층인 티타늄(Ti)층 상에 전해도금된 산소극 전극층인 이리듐 산화물(IrO2)층을 포함하는 산소극; 확산층 상에 수소극 전극층이 형성된 수소극; 및 산소극 전극층 및 수소극 전극층 사이에 위치하는 전해질 막을 포함하며, 확산층인 Ti층의 기공 중 일부는 전해질 막의 전해질로 채워지는, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체가 제공된다.A membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device, comprising: an oxygen electrode including an iridium oxide (IrO 2 ) layer as an oxygen electrode electrode layer electroplated on a titanium (Ti) layer as a diffusion layer; A hydrogen electrode in which a hydrogen electrode layer is formed on the diffusion layer; And an electrolyte membrane positioned between the oxygen electrode layer and the hydrogen electrode layer, wherein some of the pores of the Ti layer as the diffusion layer are filled with an electrolyte in the electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly for a water electrolysis device for a proton exchange membrane is provided.

Description

양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체 및 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR ANION EXCHANGE MEMBRANE WATER ELECTROLYZER AND METHOD OF MANUFACTURING MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR ANION EXCHANGE MEMBRANE WATER ELECTROLYZER}TECHNICAL FIELD The manufacturing method of a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device and a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device TECHNICAL FIELD [MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR ANION EXCHANGE MEMBRANE WATER ELECTROLYZER AND METHOD OF MANUFACTURING MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR ANION EXCHANGE MEMBRANE WATER ELECTRODE]

본 발명은 새로운 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체 및 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a new membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device and a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device.

수소는 환경 및 석탄 고갈과 관련된 문제를 극복하기 위해 미래의 에너지 캐리어로서의 대안으로서 급부상되고 있다. 하지만, 현재 수소 생산은 주로 천연 가스의 수증기 개질(48 %), 부분 산화(30 %), 석탄 가스화(18 %)와 같은 석유 화학 공정에 의존하고 있으며 불가피하게 탄소를 대기로 배출시킨다. Hydrogen is rapidly emerging as an alternative as an energy carrier of the future to overcome environmental and coal depletion problems. However, current hydrogen production mainly relies on petrochemical processes such as steam reforming of natural gas (48%), partial oxidation (30%) and coal gasification (18%), and inevitably releases carbon into the atmosphere.

화석 연료에 대한 의존도를 낮추고 탄소 배출을 억제하기 위한 노력의 일환으로, 전기 에너지를 사용하여 물을 수소와 산소로 분리하는 기술인 물 전기 분해 장치(water electrolyzer, WE)가 많은 주목을 받고 있다. 이 기술은 태양열, 풍력 및 열수 열과 같은 재생 가능 에너지 원으로부터 제조된 에너지를 기술은 화학적 형태(H2)로 저장하여 연료전지 등에 사용하는 것을 목표로 한다. 최근 신 재생 에너지 용량의 증가, 연료 전지 기술의 개발, 온실 가스 규제의 강화에 따라, 물전기분해 장치에 대한 연구 및 산업 응용은 지난 10 년 동안 기하 급수적으로 증가하였다.In an effort to reduce dependence on fossil fuels and suppress carbon emissions, a water electrolyzer (WE), a technology that uses electric energy to separate water into hydrogen and oxygen, is attracting much attention. This technology aims to store energy produced from renewable energy sources such as solar heat, wind power, and hydrothermal heat in a chemical form (H 2 ) and use it for fuel cells. With the recent increase in renewable energy capacity, development of fuel cell technology, and strengthening of greenhouse gas regulations, research and industrial applications for water electrolysis equipment have increased exponentially over the past 10 years.

이와 같은 물 전기분해 장치 중 저온 물 전기분해 장치가 있으며, 현재, 저온 물 전기분해 장치에는 예컨대, 알칼리수 전해장치기 (alkaline water electrolyzer, AWE), 양성자 교환막 전해장치 (proton exchange membrane electrolyzer, PEMWE), 음이온 교환막 전해장치 (anion exchange membrane water electrolyzer, AEMWE) 등 이 존재한다. 이 중, AWE는 기술 성숙으로 인해 상대적으로 낮은 비용으로 상업 시장 점유율의 대부분을 차지했으나, 대규모 공장의 필요성과 독성 용매의 사용과 같은 문제점이 존재하므로, 높은 에너지 효율을 보이며, 높은 H2 순도를 갖는 PEMWE, AEMWE와 같은 고분자 전해질 기반의 물 전기 분해 장치는 중소 규모의 전기 분해 장치 (<300 kW) 응용 분야에 대해 널리 연구되고 최근 상용화되었다.Among such water electrolysis devices, there is a low-temperature water electrolysis device. Currently, low-temperature water electrolysis devices include, for example, an alkaline water electrolyzer (AWE), a proton exchange membrane electrolyzer (PEMWE), an anion. Anion exchange membrane water electrolyzer (AEMWE), etc. exist. Among them, AWE occupied most of the commercial market share at a relatively low cost due to the maturity of the technology, but there are problems such as the need for a large-scale plant and the use of toxic solvents, thus exhibiting high energy efficiency and high H 2 purity. Polyelectrolyte-based water electrolysis devices such as PEMWE and AEMWE have been widely studied and commercialized for small and medium-sized electrolysis devices (<300 kW) applications.

이의 대안으로서, 양성자 교환막 물 전기 분해(proton exchange membrane membrane water electrolysis, PEMWE)가 높은 수율로 순도가 우수한 수소를 생산할 수 있기 때문에, 특히 주목을 받았다. 아울러, 시스템의 크기가 작고, 유해 물질이 배출되지 않는다는 이점도 존재하기 때문에 널리 이용되었다.As an alternative, proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) has received special attention because it can produce hydrogen with excellent purity in high yield. In addition, it has been widely used because the system is small in size and has the advantage of not emitting harmful substances.

하지만, PEMWE를 이용하는 경우, AWE(3.2 ~ 5.9 €/kgH2)에 운영비가 약 4.1 ~ 8.6 €/kgH2 로, 상대적으로 높다는 문제점이 있으며, 또한, 초기 투자 비용(2090 €/kW)도, Ti 기반의 바이폴라 플레이트, 나피온 막 및 PGM계 촉매와 같은 고가의 재료로 인해 AWE (1100€/kW)에 비해 약 2 배 비싸다. However, in the case of using PEMWE, there is a problem that the operating cost for AWE (3.2 to 5.9 €/kgH 2 ) is about 4.1 to 8.6 €/kgH 2 , which is relatively high, and the initial investment cost (2090 €/kW) is also, It is about twice as expensive as AWE (1100€/kW) due to expensive materials such as Ti-based bipolar plates, Nafion membranes and PGM-based catalysts.

스케일 업을 고려시 현재 양극(Ir, Ru)과 음극(Pt) 모두에 사용되는 PGM계 금속이 문제될 수 있는 데 이는 이들의 양이 매우 제한적이기 때문이다. 현재 Ir의 비용은 스택의 6 %에 불과하지만 PEMWE이 널리 사용될 경우 그가격이 현저히 증가될 수도 있기 때문이다. 관련하여, Carmo(비특허문헌 1) 등 의 최근 검토에 따르면, 양극 금속(Pt, Ir, Ru)의 촉매 요구량은 약 2mg/cm2 (1~6 mg/ cm2)이었으며, 이는 EU-NOVEL 프로젝트)에서 제안 된 총 목표 PGM 로딩량(0.5 mg 미만)보다 약 4 배 높고, 이외의 최근 연구에서는 촉매로드가 1 mg/cm2 미만인 막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)가 보고된 바가 없다. 이에 따라, PEMWE의 상업화를 위해, PGM계 금속의 사용을 줄이기 위한 연구 노력이 요구된다.Considering scale-up, PGM-based metals currently used for both anodes (Ir, Ru) and cathodes (Pt) may be problematic because their amount is very limited. Currently, the cost of Ir is only 6% of the stack, but if PEMWE is widely used, its price may increase significantly. In relation, according to a recent review by Carmo (Non-Patent Document 1), etc., the catalyst requirement of the anode metal (Pt, Ir, Ru) was about 2 mg/cm 2 (1-6 mg/cm 2 ), which is EU-NOVEL. Project), which is about four times higher than the total target PGM loading (less than 0.5 mg) proposed in the project), and in other recent studies, no membrane electrode assembly (MEA) with a catalyst load of less than 1 mg/cm2 has been reported. Accordingly, for commercialization of PEMWE, research efforts to reduce the use of PGM-based metals are required.

한편, PEMWE용 전극을 제조하기 위해, 스프레이 코팅, 데칼, 스퍼터링 및 전착을 포함한 다양한 공정이 이용된다. 이중, 대부분의 경우에 스프레이 및 데칼 공정이 선호되는데, 이러한 기술로 제조된 양극은 입자형 전극으로서(도 1a), 예컨대 1 A/cm2 및 80℃에서 1.55-1.8V의 전지 전압으로 우수한 전지 효율을 나타냈다. 그러나 이 같은 경우에도, 촉매 로딩 요구량이 상대적으로 높고 (약 2 mg/cm2), 성능 손실없이 0.5 mg/cm2 미만의 촉매 로딩량을 줄이는 것은 어렵다. 한편, 이 경우 수소극 산소극 생성 후 전극 접합시 압착 공정을 이용하여 접합하는 경우도 있었으나, 수소극이 성능 저하로 셀의 효율이 저하되는 것을 확인할 수 있었다(도 1b). 한편, 비특허문헌 2 및 3의 최근 연구에서는, 0.5 mg/cm2 이하의 촉매를 함유한 데칼법으로 양극으로 제조하였으나, 촉매층의 낮은 전도성으로 인해 상당한 오믹 손실을 입음을 확인할 수 있었다.On the other hand, in order to manufacture the electrode for PEMWE, various processes including spray coating, decal, sputtering and electrodeposition are used. Of these, spray and decal processes are preferred in most cases, and the positive electrode produced by this technology is a particulate electrode (Fig. 1a), for example, a battery with excellent battery voltage of 1.55-1.8V at 1 A/cm 2 and 80°C. Showed efficiency. However, even in this case, the catalyst loading requirement is relatively high (about 2 mg/cm 2 ), and it is difficult to reduce the catalyst loading amount of less than 0.5 mg/cm 2 without loss of performance. On the other hand, in this case, there was a case in which the hydrogen electrode was bonded using a compression process when bonding the electrode after the oxygen electrode was generated, but it was confirmed that the efficiency of the cell was decreased due to the degradation of the hydrogen electrode (FIG. 1B). On the other hand, in the recent studies of Non-Patent Documents 2 and 3 , it was confirmed that the anode was prepared by a decal method containing a catalyst of 0.5 mg/cm 2 or less, but suffered a significant ohmic loss due to the low conductivity of the catalyst layer.

한편 스퍼터링 및 전착공정으로 필름형 전극을 제조할 수도 있는데 이와 같은 필름형 전극은 된 촉매 로딩양이 줄어들어도(<0.5 mg / cm2) 보다 낮은 성능 손실을 나타내었다(도 1c). 관련하여, 비특허문헌 4에서, PEMWE에 스퍼터링된 IrO2 촉매(로딩양:0.2 mg / cm2)를 적용하였으며, 이 경우, PEMWE는 1A/cm2 및 80℃에서 1.825의 전압을 보였다. 또한, 비특허문헌 5에서는 스퍼터링으로 다양한 합금 필름 (Pt68Co29Mn3, Pt50Ir50 및 Pt50Ir25Ru25)을 제조하고, PEMWE의 캐소드 및 애노드 촉매로서의 성능을 시험 하였다. 그들이 얻은 최상의 결과는 양극 및 음극 촉매로서 각각 Pt 블랙(4mg/cm2) 및 Pt50Ir50 (0.15mgPt/cm2)을 사용하여 1A/cm2 및 80℃에서 1.7 V 였다. 또한, 이밖에 최근 MEA 수준에서 스퍼터링된 IrO2 전극의 성능은 지지체, 이오노머 및 촉매 부하량을 최적화함으로써보다 향상됨이 연구된 바도 있다(1A /cm2에서 1.71V, 0.24mg/cm2에서 80).On the other hand, it is also possible to manufacture a film-type electrode by sputtering and electrodeposition processes, and such a film-type electrode exhibited lower performance loss than that even when the amount of catalyst loading was reduced (<0.5 mg/cm 2 ) (FIG. 1C). In relation to, in Non-Patent Document 4, a sputtered IrO 2 catalyst (loading amount: 0.2 mg / cm 2 ) was applied to PEMWE, and in this case, PEMWE showed a voltage of 1.825 at 1A/cm 2 and 80°C. In addition, in Non-Patent Document 5, various alloy films (Pt 68 Co 29 Mn 3 , Pt 50 Ir 50 and Pt 50 Ir 25 Ru 25 ) were prepared by sputtering, and the performance of PEMWE as a cathode and anode catalyst was tested. The best results they obtained were 1.7 V at 1A/cm 2 and 80° C. using Pt black (4 mg/cm 2 ) and Pt 50 Ir 50 (0.15 mgPt/cm 2 ), respectively, as anode and cathode catalysts. In addition, in addition, recently, it has been studied that the performance of the IrO 2 electrode sputtered at the MEA level is improved by optimizing the loads of the support, ionomer and catalyst (1A/cm 2 to 1.71V, 0.24mg/cm 2 to 80).

한편, PEMWE용 전해도금된 IrO2 촉매(ED IrO2)를 제조하기 위한 연구도 진행되고 있고 이 경우 전극이 단지 0.1 mg/cm2 의 IrO2 로딩량으로, 매우 우수한 활성(1A/cm2 및 90℃에서 1.6 V)을 나타내지만 탄소 기반 물질을 사용하기 때문에 산업적으로 제한된다. 뿐만 아니라, 이와 같은 필름형 전극은 일반적으로 전극, 전해질 및 반응물이 함께 만나는 3 상 경계로 인해 입자 유형 전극보다 셀 효율성이 일반적으로 낮다. 입자형 전극의 경우, 나노 크기의 촉매 크기와 혼합된 이오노머는 전극과 전해질 사이의 매우 높은 계면 표면적을 제공 할 수 있는 반면, 필름형 전극의 경우, 확산층(DL)의 최상부에 위치한 촉매만이 전해질과 접촉하여, 촉매로부터 전해질로 양성자 수송을 제한하기 때문이다. 촉매층을 두껍게 하는 것은 기본적으로 필름형 전극의 전해질/전극 계면의 확대를 가져 오지 못한다. 이에 따라, 필름형 전극을 제조하는 경우에 있어서도, 전해질/전극 간의 계면이 확대될 수 있는 전극에 대한 연구가 필요하다.On the other hand, research is also underway to prepare an electroplated IrO 2 catalyst (ED IrO 2 ) for PEMWE, and in this case, the electrode is only 0.1 mg/cm 2 of IrO 2 loading, and very good activity (1A/cm 2 and It exhibits 1.6 V) at 90°C, but is industrially restricted because of the use of a carbon-based material. In addition, such film-type electrodes generally have lower cell efficiency than particle-type electrodes due to the three-phase boundary where the electrode, electrolyte and reactants meet together. In the case of the particulate electrode, the ionomer mixed with the nano-sized catalyst size can provide a very high interface surface area between the electrode and the electrolyte, whereas in the case of the film-type electrode, only the catalyst located at the top of the diffusion layer (DL) is an electrolyte. And restricts proton transport from the catalyst to the electrolyte. Thickening the catalyst layer basically does not lead to enlargement of the electrolyte/electrode interface of the film-type electrode. Accordingly, even in the case of manufacturing a film-type electrode, a study on an electrode capable of expanding the interface between the electrolyte/electrode is required.

M. Carmo, D.L. Fritz, J. Mergel, D. Stolten, Int. J. Hydrogen Energy 38 (2013) 4901-4934M. Carmo, D.L. Fritz, J. Mergel, D. Stolten, Int. J. Hydrogen Energy 38 (2013) 4901-4934 C. Rozain, E. Mayousse, N. Guillet, P. Millet, Appl. Catal., B 182 (2016) 123- 131.C. Rozain, E. Mayousse, N. Guillet, P. Millet, Appl. Catal., B 182 (2016) 123-131. C. Rozain, E. Mayousse, N. Guillet, P. Millet, Appl. Catal., B 182 (2016) 153-160.C. Rozain, E. Mayousse, N. Guillet, P. Millet, Appl. Catal., B 182 (2016) 153-160. E. Slavcheva, I. Radev, S. Bliznakov, G. Topalov, P. Andreev, E. Budevski, Electrochim. Acta 52 (2007) 3889-3894.E. Slavcheva, I. Radev, S. Bliznakov, G. Topalov, P. Andreev, E. Budevski, Electrochim. Acta 52 (2007) 3889-3894. M.K. Debe, S.M. Hendricks, G.D. Vernstrom, M. Meyers, M. Brostrom, M. Stephens, Q. Chan, J. Willey, M. Hamden, C.K. Mittelsteadt, C.B. Capuano, K.E. Ayers, E.B. Anderson, J. Electrochem. Soc. 159 (2012) K165.M.K. Debe, S.M. Hendricks, G.D. Vernstrom, M. Meyers, M. Brostrom, M. Stephens, Q. Chan, J. Willey, M. Hamden, C.K. Mittelsteadt, C.B. Capuano, K.E. Ayers, E.B. Anderson, J. Electrochem. Soc. 159 (2012) K165. H.-S. Oh, H.N. Nong, T. Reier, M. Gliech, P. Strasser, Chem. Sci. 6 (2015) 3321-3328.H.-S. Oh, H.N. Nong, T. Reier, M. Gliech, P. Strasser, Chem. Sci. 6 (2015) 3321-3328. P. Lettenmeier, L. Wang, U. Golla-Schindler, P. Gazdzicki, N.A. Canas, M. Handl, R. Hiesgen, S.S. Hosseiny, A.S. Gago, K.A. Friedrich, Angewandte Chemie 55 (2016) 742-746P. Lettenmeier, L. Wang, U. Golla-Schindler, P. Gazdzicki, N.A. Canas, M. Handl, R. Hiesgen, S.S. Hosseiny, A.S. Gago, K.A. Friedrich, Angewandte Chemie 55 (2016) 742-746 S. Siracusano, N. Van Dijk, E. Payne-Johnson, V. Baglio, A.S. Arico, Appl. Catal., B 164 (2015) 488-495.S. Siracusano, N. Van Dijk, E. Payne-Johnson, V. Baglio, A.S. Arico, Appl. Catal., B 164 (2015) 488-495. A. Skulimowska, M. Dupont, M. Zaton, S. Sunde, L. Merlo, D.J. Jones, J. Roziere, Int. J. Hydrogen Energy 39 (2014) 6307-6316.A. Skulimowska, M. Dupont, M. Zaton, S. Sunde, L. Merlo, D.J. Jones, J. Roziere, Int. J. Hydrogen Energy 39 (2014) 6307-6316. A. Marshall, S. Sunde, M. Tsypkin, R. Tunold, Int. J. Hydrogen Energy 32 (2007) 2320-2324.A. Marshall, S. Sunde, M. Tsypkin, R. Tunold, Int. J. Hydrogen Energy 32 (2007) 2320-2324.

본 발명의 구현예들에서는 전해질/전극 계면을 증대시킬 수 있는 양성자 교환막 물 전기 분해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법을 제공하고자 한다.In embodiments of the present invention, a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device capable of increasing an electrolyte/electrode interface is provided.

본 발명의 다른 구현예들에서는 상기 제조방법에 따라 제조된, 양성자 교환막 물 전기 분해 장치용 막 전극 접합체를 제공하고자 한다.In other embodiments of the present invention, it is intended to provide a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device manufactured according to the above manufacturing method.

본 발명의 일 구현예에서, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체로서, 확산층인 티타늄(Ti)층 상에 전해도금된 산소극 전극층인 이리듐 산화물(IrO2)층을 포함하는 산소극; 확산층 상에 수소극 전극층이 형성된 수소극; 및 산소극 전극층 및 수소극 전극층 사이에 위치하는 전해질 막을 포함하며, 상기 확산층인Ti층의 기공 중 일부는 전해질 막의 전해질로 채워지는, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체가 제공된다.In one embodiment of the present invention, a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device, comprising: an oxygen electrode including an iridium oxide (IrO 2) layer, which is an oxygen electrode electrode layer electroplated on a titanium (Ti) layer, which is a diffusion layer; A hydrogen electrode in which a hydrogen electrode layer is formed on the diffusion layer; And an electrolyte membrane positioned between the oxygen electrode layer and the hydrogen electrode layer, wherein some of the pores of the Ti layer, which is the diffusion layer, are filled with an electrolyte in the electrolyte membrane.

예시적인 구현예에서, 상기 Ti층은 상부 영역 및 하부 영역으로 나뉘며, 상기 Ti층의 상부 영역의 기공은 전해질 막의 전해질로 채워지고, 상기 Ti층의 하부 영역의 기공은 전해질 막의 전해질로 채워지지 않을 수 있다.In an exemplary embodiment, the Ti layer is divided into an upper region and a lower region, the pores of the upper region of the Ti layer are filled with the electrolyte of the electrolyte membrane, and the pores of the lower region of the Ti layer are not filled with the electrolyte of the electrolyte membrane. I can.

예시적인 구현예에서, 상기 Ti층의 상부 영역은 25 내지 35μm의 두께를 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the upper region of the Ti layer may have a thickness of 25 to 35 μm.

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2층은 Ti층에 로딩된 0.01~1.05mg /cm2의 이리듐 산화물을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the IrO 2 layer may include 0.01 to 1.05 mg /cm 2 of iridium oxide loaded on the Ti layer.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체를 포함하는 양성자 교환막 물 전해 장치가 제공된다.In another embodiment of the present invention, there is provided a proton exchange membrane water electrolysis apparatus comprising a membrane electrode assembly for the proton exchange membrane water electrolysis apparatus.

본 발명의 또 다른 구현예예서, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법으로서, 티타늄(Ti)층 상에 이리듐 산화물(IrO2)를 전해도금 하여 IrO2층을 형성하여 확산층인 Ti층 및 산소극 전극층인 IrO2층을 포함하는 산소극을 제조하는 단계; 산소극의 IrO2층 상에 전해질 막을 적층시키는 단계; 산소극 및 전해질 막에 압착 공정을 수행하여 산소극-전해질 막 접합체를 형성하는 단계; 상기 압착 공정 후, 노출된 전해질 막의 일 면에 확산층 상에 수소극 전극층이 형성된 수소극을 접합하여 막 전극 접합체를 제조하는 단계; 를 포함하는, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법이 제공된다.In another embodiment of the present invention, as a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device, a Ti layer, which is a diffusion layer, is formed by electroplating iridium oxide (IrO 2 ) on a titanium (Ti) layer to form an IrO 2 layer. And preparing an oxygen electrode including an IrO 2 layer which is an oxygen electrode electrode layer. Laminating an electrolyte membrane on the IrO 2 layer of the oxygen electrode; Forming an oxygen electrode-electrolyte membrane assembly by performing a compression process on the oxygen electrode and the electrolyte membrane; After the pressing process, manufacturing a membrane electrode assembly by bonding a hydrogen electrode having a hydrogen electrode layer formed on a diffusion layer on one surface of the exposed electrolyte membrane; A method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device comprising a is provided.

예시적인 구현예에서, 산소극의 Ti층은 복수 개의 기공을 포함하고, 상기 막 전극 접합체의 산소극의 Ti층의 기공 일부는 전해질 막의 전해질로 채워질 수 있다.In an exemplary embodiment, the Ti layer of the oxygen electrode includes a plurality of pores, and some of the pores of the Ti layer of the oxygen electrode of the membrane electrode assembly may be filled with the electrolyte of the electrolyte membrane.

예시적인 구현예에서, 상기 Ti층은 상부 영역 및 하부 영역으로 나뉘며, 상기 Ti층의 상부 영역의 기공은 전해질 막의 전해질로 채워지고, 상기 Ti층의 하부 영역의 기공은 전해질 막의 전해질로 채워지지 않을 수 있다.In an exemplary embodiment, the Ti layer is divided into an upper region and a lower region, the pores of the upper region of the Ti layer are filled with the electrolyte of the electrolyte membrane, and the pores of the lower region of the Ti layer are not filled with the electrolyte of the electrolyte membrane. I can.

예시적인 구현예에서, 상기 Ti층의 상부 영역은 20 내지 40μm의 두께를 가질 수 있다.In an exemplary embodiment, the upper region of the Ti layer may have a thickness of 20 to 40 μm.

예시적인 구현예에서, 상기 압착 공정은 120~160℃의 온도 조건하에서 1분 내지 5분 동안 수행될 수 있다.In an exemplary embodiment, the pressing process may be performed for 1 minute to 5 minutes under a temperature condition of 120 to 160°C.

예시적인 구현예에서, 상기 압착 공정은 4~20MPa의 압력 조건에서 수행될 수 있다.In an exemplary embodiment, the pressing process may be performed under a pressure condition of 4 to 20 MPa.

예시적인 구현예에서, 상기 Ti층은 티타늄 메쉬 혹은 티타늄 페이퍼일 수 있다.In an exemplary embodiment, the Ti layer may be titanium mesh or titanium paper.

예시적인 구현예에서, IrO2 를 전해도금하는 공정은 0.5 내지 0.9 V의 도금 전압 조건 하에서, 1분 내지 10분 동안 수행될 수 있다.In an exemplary embodiment, the process of electroplating IrO 2 may be performed for 1 minute to 10 minutes under a plating voltage condition of 0.5 to 0.9 V.

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2층은 Ti층에 로딩된 0.01~1.05mg/cm2의 IrO2 을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the IrO 2 layer may include 0.01 to 1.05 mg/cm 2 of IrO 2 loaded on the Ti layer.

예시적인 구현예에서, IrO2 를 전해도금하기 이전에, 티타늄층은 옥살산에 침지 후 이온수로 세척할 수 있다.In an exemplary embodiment, prior to electroplating IrO 2 , the titanium layer may be immersed in oxalic acid and then washed with ionized water.

본 발명의 일 구현예에 따른 양성자 교환막 물 전기 분해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법에 따르면, IrO2층을 포함하는 전극 제조후, 전해질 막을 적층시킨 뒤 압착 공정을 수행한다. 이 경우, IrO2/TP전극 내에 전해질이 침투하여 Ti층의 기공이 부분적으로 전해질로 채워질 수 있으며, 이에 따라, 전해질/전극 계면이 증대될 수 있다. 이에 따라, 종래 입자형 전극 대비 우수한 성능을 갖는 필름형 전극을 제조할 수 있으며, 우수한 양성자 교환막 물 전해 장치를 제조할 수 있다.According to a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device according to an embodiment of the present invention, after manufacturing an electrode including an IrO 2 layer, an electrolyte membrane is stacked and a compression process is performed. In this case, the electrolyte may penetrate into the IrO 2 /TP electrode and the pores of the Ti layer may be partially filled with the electrolyte, thereby increasing the electrolyte/electrode interface. Accordingly, a film-type electrode having superior performance compared to a conventional particle-type electrode can be manufactured, and an excellent proton exchange membrane water electrolysis device can be manufactured.

도 1a 내지 1d는 종래 전극에 따른 막전극 접합체의 제조 공정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 막전극 접합체의 제조 공정을 나타내는 개략도이다.
도 3은 압착(핫프레스) 공정 전 후의 산소극-전해질 막 접합체의 표면을 비교하는 결과를 나타낸다.
도 4a는 전해도금된 IrO2층의 표면 형태를 나타내는 사진 및 대응되는 EPMA 맵핑 결과이고, 도 4b는 ICP-MS 로서 측정된, tdep의 변화에 따른IrO2 로딩량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5a는 다양한 전극(IrO2/CP, IrO2/TP 및 P1 방법 내지 P2 방법으로 압착된 IrO2/TP 전극을 포함하는 막-산소극 접합체)의 iV 커브를 나타내며, 도 5b는 상기 전극들의 1.6 V에서의 Nyquist 플롯을 나타낸다.
도 6은 1.6V, 1.8V, 2.0V에서의 전류 밀도 및 압착(핫프레스) 공정동안 인가된 전압의 변화에 따른 Rohm 변화를 나타낸다. 압착(핫 프레스) 공정은 도 5a의 P2 방법으로 진행되었다.
도 7a는 전지 전체의 Rohm을 이루는 각 구성을 나타내고, 도 7b는 막이 없는 전지의 Rohm을 이루는 각 구성을 나타낸다. 도 7c에서는 다양한 전극에 있어서, 총 Rohm에 대한 Rt, Rm 및 Ri의 기여도를 나타낸다. 한편, 도 7c의 우측 상단에는 애노드의 DL로서 CP 및 TP를 구비한 막이 없는 전지의 iV 특성이 기재되어 있다.
도 8a는 0-20 MPa 압력 조건하에서 압착(핫 프레스)공정 후 TP, 막, TP-막 접합체의 두께 변화를 나타내며, 도 8b에는 8MPa에서 고온 프레스 후 IrO2/TP- 막 접합체의 단면 이미지와 F, Ti 및 Ir에 해당하는 EPMA 결과가 도시된다.
도 9a에는 압착(핫프레스) 공정의 압력 변화에 있어서, 막-전극 사이의 M-E 존의 두께 및 이에 대응되는 접촉 면적(Ac)를 나타내며, 도 9b에는 1/Ac 변화에 따른 Ri,m이 기재되어 있다.
도 10은 다양한 전해도금 IrO2/TP 전극에 대한 M-E 구역의 기능으로서 2.0V에서의 전류 밀도를 나타낸다.
도 11은 애너드에서 촉매 로딩양에 따른 전해도금 IrO2/TP의 셀 전압을 나타내며, 종래 기술에 대한 사항 역시 기재되어 있다.
1A to 1D are schematic diagrams showing a manufacturing process of a membrane electrode assembly according to a conventional electrode.
2 is a schematic diagram showing a manufacturing process of the membrane electrode assembly according to the present invention.
3 shows the results of comparing the surfaces of the oxygen electrode-electrolyte membrane assembly before and after the compression (hot press) process.
4A is a photograph showing the surface shape of an electroplated IrO 2 layer and a corresponding EPMA mapping result, and FIG. 4B is a graph showing the change in the amount of IrO 2 loading according to the change of t dep, measured by ICP-MS.
5A shows iV curves of various electrodes (IrO 2 /CP, IrO 2 /TP, and a film-oxygen electrode assembly including an IrO 2 /TP electrode compressed by the P1 method to the P2 method), and FIG. 5B shows the The Nyquist plot at 1.6 V is shown.
6 shows changes in R ohm according to changes in current densities at 1.6V, 1.8V, and 2.0V and voltages applied during the compression (hot press) process. The compression (hot press) process was performed in the P2 method of FIG. 5A.
FIG. 7A shows each configuration constituting R ohm of the entire battery, and FIG. 7B shows each configuration constituting R ohm of a battery without a film. 7C shows the contributions of R t , R m and R i to the total R ohm in various electrodes. On the other hand, in the upper right of FIG. 7C, the iV characteristics of the membrane-free battery having CP and TP as DL of the anode are described.
Figure 8a shows the change in the thickness of the TP, membrane, and TP-membrane assembly after a compression (hot press) process under a pressure of 0-20 MPa, and Figure 8b shows a cross-sectional image of the IrO 2 /TP-membrane assembly after hot pressing at 8 MPa. EPMA results for F, Ti and Ir are shown.
9A shows the thickness of the ME zone between the membrane-electrode and the corresponding contact area (Ac) in the pressure change in the compression (hot press) process, and FIG. 9B shows R i,m according to the change of 1/Ac. It is described.
10 shows the current density at 2.0 V as a function of the ME region for various electroplated IrO 2 /TP electrodes.
11 shows the cell voltage of electroplated IrO 2 /TP according to the amount of catalyst loading in the anode, and the prior art is also described.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. The embodiments of the present invention disclosed in the text are illustrated for purposes of explanation only, and the embodiments of the present invention may be implemented in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described in the text. .

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. The present invention is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, as various changes may be added and various forms may be added, and all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention It should be understood to include.

용어 정의Definition of terms

본 명세서에서, ‘티타늄 페이퍼’란 원통 혹은 다각형 통의 티타늄(Ti) 섬유가 촘촘하게 엮여 구성된 종이 형상의 기판을 의미한다. 티타늄 섬유의 단면적은 50-10000μm2 일수 있다. In the present specification, "titanium paper" refers to a paper-shaped substrate formed by densely intertwining titanium (Ti) fibers in a cylindrical or polygonal tube. The cross-sectional area of the titanium fiber may be 50-10000 μm 2 .

본 명세서에서, ‘산소극’은 ‘애노드’와 동일한 전극을 지칭하는 용어로 사용되며, ‘수소극’은 ‘캐소드’와 동일한 전극을 지칭하는 용어로 사용된다.In this specification,'oxygen electrode' is used as a term referring to the same electrode as'anode', and'hydrogen electrode' is used as a term referring to the same electrode as'cathode'.

양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체 및 양성자 교환막 물 전해 장치Membrane Electrode Assembly for Proton Exchange Membrane Water Electrolysis Equipment and Proton Exchange Membrane Water Electrolysis Equipment

본 발명의 일 구현예에서는 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체가 제공된다. 상기 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체는 확산층인 티타늄(Ti)층 상에 전해도금된 산소극 전극층인 이리듐 산화물(IrO2)층을 포함하는 산소극; 확산층 상에 수소극 전극층이 형성된 수소극; 및 산소극 전극층 및 수소극 전극층 사이에 위치하는 전해질 막을 포함하며, 상기 확산층인Ti층의 기공 중 일부는 전해질 막의 전해질로 채워질 수 있다.In one embodiment of the present invention, a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device is provided. The membrane electrode assembly for the proton exchange membrane water electrolysis device includes an oxygen electrode including an iridium oxide (IrO 2 ) layer as an oxygen electrode electrode layer electroplated on a titanium (Ti) layer as a diffusion layer; A hydrogen electrode in which a hydrogen electrode layer is formed on the diffusion layer; And an electrolyte membrane positioned between the oxygen electrode layer and the hydrogen electrode layer, and some of the pores of the Ti layer as the diffusion layer may be filled with the electrolyte of the electrolyte membrane.

구체적으로, 산소극은 확산층으로서 Ti층을 포함한다.Specifically, the oxygen electrode contains a Ti layer as a diffusion layer.

이때, Ti층은 다공성 Ti층으로, 티타늄 메쉬 혹은 티타늄 페이퍼(Titanium paper, TP)를 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 티타늄 페이퍼를 사용하는 것이 단위 부피당 노출된 Ti의 면적비가 높고, 핫프레스 과정에서 쇼트 발생 확률이 낮아 바람직할 수 있다. In this case, the Ti layer is a porous Ti layer, and may include titanium mesh or titanium paper (TP). In one embodiment, it may be preferable to use titanium paper because the area ratio of exposed Ti per unit volume is high, and the probability of occurrence of a short in the hot pressing process is low.

한편, 상기 Ti층은 복수 개의 기공을 포함할 수 있고, 상기 Ti층의 기공도는 약 50-80%일 수 있으며 바람직하게는 약 60-70%일 수 있다. Meanwhile, the Ti layer may include a plurality of pores, and the porosity of the Ti layer may be about 50-80%, preferably about 60-70%.

예시적인 구현예에서, 상기 Ti층은 60 내지 500μm의 두께를 가질 수 있다. 60μm미만의 두께를 갖는 경우 압착 공정 이후 티타늄 종이의 기공이 막혀 성능 감소가 수반될 수 있으며, 500μm을 초과하는 경우 물의 물질전달 경로가 길어져 성능 감소가 수반될 수 있다.In an exemplary embodiment, the Ti layer may have a thickness of 60 to 500 μm. If the thickness is less than 60 μm, the pores of the titanium paper are clogged after the pressing process, resulting in a decrease in performance, and if it exceeds 500 μm, the material transfer path of water is lengthened, resulting in a decrease in performance.

한편, 상기 Ti층의 일부 기공은 수소극 전극층 사이에 위치하는 전해질 막의 전해질로 채워질 수 있는데, 이는 산소극 및 전해질 막에 압착 공정 수행시 전해질 막의 전해질이 Ti층의 상부 영역으로 침투하기 때문이다. 이 경우 전해질/전극 계면이 증대될 수 있어, 이를 포함하는 양성자 교환막 물 전해 장치의의 성능이 종래 입자형 전극 대비 우수할 수 있다.Meanwhile, some of the pores of the Ti layer may be filled with the electrolyte of the electrolyte membrane positioned between the hydrogen electrode layers, because the electrolyte of the electrolyte membrane penetrates into the upper region of the Ti layer when the pressure bonding process is performed on the oxygen electrode and the electrolyte membrane. In this case, since the electrolyte/electrode interface may be increased, the performance of the proton exchange membrane water electrolysis device including the same may be superior to that of the conventional particulate electrode.

한편, Ti층의 하부 일부의 기공은 전해질 막의 전해질로 채워지지 않을 수 있는데, 예컨대, Ti층을 상부 영역과 하부 영역으로 나누는 경우, Ti층의 상부영역의 기공은 전해질막의 전해질로 채워질 수 있으며, 하부 영역의 기공은 전해질막의 전해질로 채워지지 않을 수 있다.Meanwhile, the pores of the lower portion of the Ti layer may not be filled with the electrolyte of the electrolyte membrane. For example, when the Ti layer is divided into an upper region and a lower region, the pores of the upper region of the Ti layer may be filled with the electrolyte of the electrolyte membrane, The pores in the lower region may not be filled with the electrolyte of the electrolyte membrane.

일 구현예에서, 상기 Ti층은 옥살산에 침지후 이온수로 세척된 Ti층일 수 있으며, 이 경우 Ti층 표면의 자연산화막이 제거되어 IrO2가 전 표면에서 균일하게 담지되어 성능이 보다 증대될 수 있다.In one embodiment, the Ti layer may be a Ti layer that has been immersed in oxalic acid and washed with ionized water. In this case, the natural oxide layer on the surface of the Ti layer is removed, so that IrO 2 is uniformly supported on the entire surface, thereby increasing performance. .

한편, IrO2층은 산소극 전극층으로서 기능할 수 있다. IrO2층은 전해도금되는데, 해당 Ti층에 IrO2 형성을 위한 다른 제조 방법(예컨대, 스프레이 방법이나 데칼 방법 등)을 사용한 경우와는 구별되는 전해 도금 특유의 성상(또는 몰폴로지) 내지 구조를 가지게 된다. On the other hand, the IrO 2 layer can function as an oxygen electrode layer. The IrO 2 layer is electroplated, and the characteristic (or morphology) or structure of electrolytic plating is distinguished from the case of using other manufacturing methods (e.g., spray method or decal method) for forming IrO 2 on the Ti layer. Will have.

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2 층이 티타늄층의 표면을 커버하는 것이고, IrO2층은 크랙이 없는(crack free) 구조를 가지는 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the IrO 2 layer is to cover the surface of the titanium layer, IrO 2 layer preferably has a (crack free) structure with no cracking.

한편, 본 발명에서, 상기 IrO2층은 미량으로 Ti층에 로딩되어도 기존의 애노드 대비 동일 내지 향상된 효과를 보일 수 있다. 예컨대, 상기 Ti층에 0.01에서 1.05mg/cm2의 IrO2, 구체적으로는 0.075에서 0.2 mg/cm2의 IrO2이 로딩되어도 기존의 양성자 교환막 물 전해 장치 대비 향상된 효과를 보일 수 있다.Meanwhile, in the present invention, even if the IrO 2 layer is loaded on the Ti layer in a small amount, the same or improved effect may be exhibited compared to the conventional anode. For example, the Ti layer from 0.01 to 1.05mg / cm 2 of IrO 2, specifically, even if the IrO 2 of 0.2 mg / cm 2 loading at 0.075 can be seen a conventional PEM water electrolysis device contrast improved effect.

한편, 본 발명의 또 다른 구현예에서는 상기 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체를 포함하는 양성자 교환막 물 전해 장치가 제공된다.Meanwhile, in another embodiment of the present invention, there is provided a proton exchange membrane water electrolysis apparatus including a membrane electrode assembly for the proton exchange membrane water electrolysis apparatus.

상술한 바와 같이 본 발명에서는, IrO2층/Ti층을 포함하는 산소극 제조 후, 전해질 막을 이용하여 편면 압착 공정을 수행한다. 이에 따라, 산소극의 Ti층에 막 전해질을 침투시켜 IrO2/TP의 기공이 부분적으로 전해질로 채워질 수 있다. Ti층의 기공이 채워진 부분의 평균 두께는 활성 면적에 영향을 미치는데, 최적의 두께 범위 내에서, 1.0A/cm2 및 80 ℃하에서의 셀 전압은 1.78V에서 1.64V로 낮아질 수 있다. 이는, PGM계 촉매를 로딩했을 때(예컨대, 1-3mg)에 비견되는 수치이다. 이에 따라, 수 전해 장치에 널리 사용할 수 있다.As described above, in the present invention, after manufacturing an oxygen electrode including an IrO 2 layer/Ti layer, a single-sided compression process is performed using an electrolyte membrane. Accordingly, the membrane electrolyte may penetrate into the Ti layer of the oxygen electrode, so that the pores of IrO 2 /TP may be partially filled with the electrolyte. The average thickness of the pore-filled portion of the Ti layer affects the active area. Within the optimum thickness range, the cell voltage under 1.0A/cm 2 and 80° C. may be lowered from 1.78V to 1.64V. This is a value comparable to that when a PGM-based catalyst is loaded (eg, 1-3 mg). Accordingly, it can be widely used in a water electrolysis device.

양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법Method for producing membrane electrode assembly for proton exchange membrane water electrolysis device

본 발명의 일 구현예에서, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법으로서, 티타늄(Ti)층 상에 이리듐 산화물(IrO2)를 전해도금 하여 IrO2층을 형성하여 확산층인 Ti층 및 산소극 전극층인 IrO2층을 포함하는 산소극을 제조하는 단계; 산소극의 IrO2층 상에 전해질 막을 적층시키는 단계; 산소극 및 전해질 막에 압착 공정을 수행하여 산소극-전해질 막 접합체를 형성하는 단계; 및 상기 압착 공정 후, 노출된 전해질 막의 일 면에 수소극을 접합하여 막 전극 접합체를 제조하는 단계; 를 포함하는, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법이 제공된다. 도 2에는 해당 제조 방법이 간략히 기재되어 있다. 이하, 각 단계 별로 상세히 살펴본다.In one embodiment of the present invention, as a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device, a Ti layer as a diffusion layer by forming an IrO 2 layer by electroplating iridium oxide (IrO 2 ) on a titanium (Ti) layer, and Preparing an oxygen electrode including an IrO 2 layer as an oxygen electrode electrode layer; Laminating an electrolyte membrane on the IrO 2 layer of the oxygen electrode; Forming an oxygen electrode-electrolyte membrane assembly by performing a compression process on the oxygen electrode and the electrolyte membrane; And preparing a membrane electrode assembly by bonding a hydrogen electrode to one surface of the exposed electrolyte membrane after the pressing process. A method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device comprising a is provided. In Fig. 2, the manufacturing method is briefly described. Hereinafter, each step will be described in detail.

먼저, 티타늄(Ti)층 상에 이리듐 산화물(IrO2)를 전해도금 하여 IrO2층을 형성하여 Ti층 및 IrO2층을 포함하는 산소극을 제조한다. 상기 Ti층은 확산층으로서 기능을 수행할 수 있으며, IrO2층은 전극층으로서 기능을 수행할 수 있다.First, by electrolytic plating a titanium (Ti), iridium oxide (IrO 2) on the layer to form the IrO 2 layer to prepare an oxygen electrode comprising a Ti layer and an IrO 2 layer. The Ti layer may function as a diffusion layer, and the IrO 2 layer may function as an electrode layer.

예시적인 구현예에서, 상기 Ti층 은 제한되지 않으나, 티타늄 메쉬 혹은 티타늄 페이퍼를 포함할 수 있다. 하지만 티타늄 페이퍼가 단위 부피당 노출된 Ti의 면적비가 높고, 핫프레스 과정에서 쇼트 발생 확률이 낮아 바람직할 수 있다. In an exemplary embodiment, the Ti layer is not limited, but may include titanium mesh or titanium paper. However, titanium paper may be preferable because the area ratio of exposed Ti per unit volume is high, and the probability of occurrence of a short in the hot pressing process is low.

한편, 상기 Ti층은 다공성 Ti층으로, 복수 개의 기공을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 다공성 Ti층의 기공도는 약 50-80%일 수 있으며 바람직하게는 약 60-70%일 수 있다. Meanwhile, the Ti layer is a porous Ti layer, and may include a plurality of pores. In one embodiment, the porosity of the porous Ti layer may be about 50-80%, and preferably about 60-70%.

예시적인 구현예에서, 상기 Ti층은 60 내지 500μm의 두께를 가질 수 있다. 60μm미만의 두께를 갖는 경우 압착 공정 이후 티타늄 종이의 기공이 막혀 성능 감소가 수반될 수 있으며, 500μm을 초과하는 경우 물의 물질전달 경로가 길어져 성능 감소가 수반될 수 있다.In an exemplary embodiment, the Ti layer may have a thickness of 60 to 500 μm. If the thickness is less than 60 μm, the pores of the titanium paper are clogged after the pressing process, resulting in a decrease in performance, and if it exceeds 500 μm, the material transfer path of water is lengthened, resulting in a decrease in performance.

일 구현예에서, IrO2 를 전해도금하기 이전에, Ti층은 옥살산에 침지 후 이온수로 세척하는 공정을 더 수행할 수 있는데, 이 경우 Ti층 표면의 자연산화막이 제거되어 IrO2가 전 표면에서 균일하게 담지될 수 있다. In one embodiment, prior to electroplating IrO 2 , the Ti layer may be further washed with ionized water after being immersed in oxalic acid. In this case, the natural oxide film on the surface of the Ti layer is removed so that IrO 2 is removed from the entire surface. It can be supported evenly.

한편, 본 발명에서, 이리듐 산화물(IrO2)층이 전해 도금되는 경우 해당 메쉬 형상의 Ti층에 IrO2 형성을 위한 다른 제조 방법(예컨대, 스프레이 방법이나 데칼 방법 등)을 사용한 경우와는 구별되는 전해 도금 특유의 성상(또는 몰폴로지) 내지 구조를 가지게 된다. 즉, Ti층에 IrO2층을 전해 도금에 의하여 형성하게 되면, IrO2 입자(예컨대 구형 입자)가 형성되기 시작하면서 Ti층표면에 IrO2입자가 생성되어 필름 형태로 성장하여 Ti층 표면이 IrO2층(또는 IrO2 필름으로도 표현될 수 있다)으로 커버(즉, 표면 피복)되고, 도금 시간 경과에 따라 더 형성된 IrO2 입자가 해당 IrO2 층에 부착(또는 deposit)된 형태(구조)를 가지게 된다.On the other hand, in the present invention, when the iridium oxide (IrO 2 ) layer is electroplated, it is distinguished from the case of using other manufacturing methods (eg, spray method or decal method) for forming IrO 2 on the corresponding mesh-shaped Ti layer. It has a characteristic (or morphology) or structure peculiar to electrolytic plating. That is, when the IrO 2 layer is formed on the Ti layer by electroplating, IrO 2 particles (for example, spherical particles) begin to be formed and IrO 2 particles are generated on the surface of the Ti layer and grow in the form of a film, so that the surface of the Ti layer becomes IrO. Covered (ie, surface coated) with two layers (or may also be expressed as an IrO 2 film), and IrO 2 particles further formed over the passage of plating time are attached (or deposited) to the IrO 2 layer (structure) Will have.

예시적인 구현예에서, 상기 IrO2 층이 ti층 표면을 커버하는 것이고, IrO2층은 크랙이 없는(crack free) 구조를 가지는 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, this is to the IrO 2 layer covering the surface of ti layer, IrO 2 layer preferably has a (crack free) structure with no cracking.

일 구현에예서, 상기 상기 IrO2 층 티타늄 페이퍼의 표면을 커버할 수 있다.In one embodiment, the surface of the IrO 2 layer titanium paper may be covered.

한편, 본 발명에서, 상기 IrO2층은 미량으로 Ti층에 로딩되어도 기존의 애노드 대비 동일 내지 향상된 효과를 보일 수 있다. 예컨대, 상기 Ti층에 0.01에서 1.05mg/cm2의 IrO2, 구체적으로는 0.075에서 0.2 mg/cm2의 IrO2이 로딩되어도 기존의 양성자 교환막 물 전해 장치 대비 향상된 효과를 보일 수 있다.Meanwhile, in the present invention, even if the IrO 2 layer is loaded on the Ti layer in a small amount, the same or improved effect may be exhibited compared to the conventional anode. For example, the Ti layer from 0.01 to 1.05mg / cm 2 of IrO 2, specifically, even if the IrO 2 of 0.2 mg / cm 2 loading at 0.075 can be seen a conventional PEM water electrolysis device contrast improved effect.

한편, 예시적인 구현예에서, 상기 전해도금 공정시, 0.5 내지 0.9 V의 도금 전압 조건 하에 진행될 수 있으며, 보다 구체적으로는 0.6 내지 0.9 V의 도금 전압 조건 하에 진행될 수 있다. 0.5V 미만으로 전해도금을 수행하는 경우 IrO2층에 크랙이 생성될 수 있으며, 0.9 V를 초과하여 전해도금을 수행하는 경우 증착 효율이 우수하지 않아 경제적인 측면에서 바람직하지 않을 수 있다.Meanwhile, in an exemplary embodiment, during the electroplating process, it may be performed under a plating voltage condition of 0.5 to 0.9 V, and more specifically, it may be performed under a plating voltage condition of 0.6 to 0.9 V. When electroplating is performed at less than 0.5 V , cracks may be generated in the IrO 2 layer, and when electroplating is performed at more than 0.9 V, the deposition efficiency is not excellent, and thus, it may not be preferable in terms of economy.

예시적인 구현예에서, 상기 전해도금은 1분 이상 20분 미만으로 수행될 수 있으며, 구체적으로는 5분 이상 15분 이하로 수행될 수 있다. 1분 미만으로 전해도금을 수행하는 경우 IrO2층이 완전히 Ti층을 커버하지 않을 수 있으며, 10분을 초과하는 경우, IrO2층에 크랙이 생성될 수 있다.In an exemplary embodiment, the electroplating may be performed in 1 minute or more and less than 20 minutes, and specifically, it may be performed in 5 minutes or more and 15 minutes or less. When electroplating is performed in less than 1 minute, the IrO 2 layer may not completely cover the Ti layer, and when it exceeds 10 minutes, cracks may be generated in the IrO 2 layer.

이후, 산소극의 IrO2층 상에 전해질 막을 적층시킬 수 있다.Thereafter, an electrolyte membrane may be laminated on the IrO 2 layer of the oxygen electrode.

예시적이 구현예에서, 상기 전해질 막으로서 예컨대, 나피온, polybenzimidazole (PBI), Aquivion, 혹은 이들의 중합물막 등이 사용될 수 있다.또한, 전해질 막을 적층시 제한되지 않고 통상의 기술을 이용하여 적층시킬 수 있다.In an exemplary embodiment, as the electrolyte membrane, for example, Nafion, polybenzimidazole (PBI), Aquivion, or a polymer membrane thereof may be used. In addition, the electrolyte membrane is not limited at the time of lamination and may be laminated using a conventional technique. I can.

이어서, 산소극 및 전해질 막에 압착공정을 수행하여 산소극-전해질 막 접합체를 형성한다. 상기 압착 공정을 통해 상기 산소극 및 전해질막에 압력이 인가되어, 상기 산소극 및 전해질 막이 압착될 수 있다.Subsequently, a compression process is performed on the oxygen electrode and the electrolyte membrane to form an oxygen electrode-electrolyte membrane assembly. Pressure is applied to the oxygen electrode and the electrolyte membrane through the compression process, so that the oxygen electrode and the electrolyte membrane may be compressed.

산소극 및 전해질 막에 압착공정을 수행하는 경우, Ti층의 기공이 부분적으로 전해질 막의 전해질로 채워질 수 있다. 이에 따라, 전극과 전해질 사이의 계면이 확대되고, 전극과 전해질 사이의 추가 인터페이스가 제공될 수 있다.When the compression process is performed on the oxygen electrode and the electrolyte membrane, the pores of the Ti layer may be partially filled with the electrolyte of the electrolyte membrane. Accordingly, the interface between the electrode and the electrolyte is enlarged, and an additional interface between the electrode and the electrolyte may be provided.

예시적인 구현예에서, 상기 압착 공정은 120~160℃의 온도 조건하에서 1분 내지 5분 동안 수행될 수 있으며, 구체적으로는 135 내지 150℃의 온도 조건하에서 2분 내지 4분 동안 수행될 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우, 산소극의 Ti층의 기공이 전해질 막의 전해질의 침투 깊이가 지나치게 작거나 커져 성능향상이 충분하지 않을 수 있다. In an exemplary embodiment, the pressing process may be performed for 1 minute to 5 minutes under a temperature condition of 120 to 160°C, and specifically, may be performed for 2 to 4 minutes under a temperature condition of 135 to 150°C. . If it is out of the above range, the pores of the Ti layer of the oxygen electrode may have too small or large penetration depth of the electrolyte in the electrolyte membrane, and thus performance improvement may not be sufficient.

예시적인 구현예에서, 상기 압착 공정은 4~20MPa의 압력 조건하에서 수행될 수 있다. 압력이 높을수록, 산소극의 Ti층의 기공 중 전해질 막의 전해질로 채워지는 기공의 개수가 증대되어 활성 면적이 증대되는 면은 있지만, 이와 같이 기공이 전해질로 채워지는 경우 양성자 교환막 물 전해 장치의 원료인 물이 반응할 반응 사이트가 감소되므로, 산소극의 Ti층 중 IrO2와 인접한 상부 영역의 기공 만이 전해질 막의 전해질로 채워지는 것이 바람직하다.In an exemplary embodiment, the pressing process may be performed under a pressure condition of 4 to 20 MPa. The higher the pressure, the greater the number of pores in the Ti layer of the oxygen electrode that are filled with the electrolyte in the electrolyte membrane, thereby increasing the active area. However, if the pores are filled with the electrolyte in this way, the raw material for the proton exchange membrane water electrolysis device Since the reaction sites for phosphorus water to react are reduced, it is preferable that only the pores in the upper region adjacent to IrO 2 in the Ti layer of the oxygen electrode are filled with the electrolyte of the electrolyte membrane.

일 구현예에서, 상기 압착 공정은 5 내지 10MPa 압력 조건하에서 수행될 수 있다.In one embodiment, the pressing process may be performed under a pressure condition of 5 to 10 MPa.

일 구현예에서, 상기 압착 공정은 핫 프레스(hot press) 공정일 수 있다.In one embodiment, the pressing process may be a hot press process.

상기 압착 공정을 통해 Ti층의 일부 기공은 전해질 막의 전해질로 채워질 수 있다. 예를 들어, 상기 Ti층은 상부 영역 및 하부 영역으로 나뉘는데 이때, 상기 Ti층의 상부 영역의 기공은 전해질 막의 전해질로 채워지는데 반해, Ti층의 하부 영역에서는 기공이 전해질 막의 전해질로 채워지지 않을 수 있다.Through the compression process, some pores of the Ti layer may be filled with the electrolyte of the electrolyte membrane. For example, the Ti layer is divided into an upper region and a lower region. In this case, the pores in the upper region of the Ti layer are filled with the electrolyte of the electrolyte membrane, whereas in the lower region of the Ti layer, the pores may not be filled with the electrolyte of the electrolyte membrane. have.

이 경우, 상기 Ti층의 상부 영역은 20 내지 40μm의 두께(수직)를 가질 수 있으며, 예를 들어, 25 내지 35 μm의 두께를 가질 수 있다.In this case, the upper region of the Ti layer may have a thickness (vertical) of 20 to 40 μm, for example, may have a thickness of 25 to 35 μm.

Ti층의 상부 영역이 20 μm 미만의 두께를 갖는 경우, 전극과 전해질 사이의 계면이 확대되어 3 상 경계가 확대되는 효과가 미비할 수 있고, 40μm를 초과하는 경우, 양성자 교환막 물 전해 장치의 원료인 물이 반응할 반응 사이트가 감소되어 전해장치의 성능이 저하될 수 있다.If the upper region of the Ti layer has a thickness of less than 20 μm, the effect of expanding the three-phase boundary due to the enlargement of the interface between the electrode and the electrolyte may be insignificant. If it exceeds 40 μm, the raw material of the proton exchange membrane water electrolysis device Reaction sites for phosphorus to react may be reduced, and the performance of the electrolyzer may be degraded.

이후, 수소극을 제조한 후 노출된 전해질 막의 일 면에 수소극을 접합하여 막 전극 접합체를 제조한다. 일 구현예에서, 수소극 역시 확산층 및 상기 확산층 상에 형성된 수소극 전극층을 포함할 수 있다. 일 구현에에서, 상기 수소극은 Pt/C의 구성을 갖도록 제조될 수 있다. Thereafter, after preparing a hydrogen electrode, a membrane electrode assembly is manufactured by bonding the hydrogen electrode to one surface of the exposed electrolyte membrane. In one embodiment, the hydrogen electrode may also include a diffusion layer and a hydrogen electrode layer formed on the diffusion layer. In one embodiment, the hydrogen electrode may be manufactured to have a configuration of Pt/C.

한편, 상기 수소극은 전술한 압착 공정 이후에 전해질 막에 접합되어야 되는데, 도 1d와 같이 전해질 막을 사이에 놓고 수소극 및 산소극을 위치시킨 후 압착 공정을 수행하는 경우, 수소극의 탄소 재료가 손상될 수 있기 때문이다.On the other hand, the hydrogen electrode should be bonded to the electrolyte membrane after the above-described compression process. When performing the compression process after placing the hydrogen electrode and the oxygen electrode with the electrolyte membrane interposed as shown in FIG. 1D, the carbon material of the hydrogen electrode is Because it can be damaged.

상술한 바와 같이 본 발명에서는, IrO2층/Ti층을 포함하는 산소극 제조 후, 전해질 막을 이용하여 편면 압착 공정을 수행한다. 이에 따라, 산소극의 Ti층에 막 전해질을 침투시켜 IrO2/TP의 기공이 부분적으로 전해질로 채워질 수 있다. Ti층의 기공이 채워진 부분의 평균 두께는 활성 면적에 영향을 미치는데, 최적의 두께 범위 내에서, 1.0A/cm2 및 80 ℃하에서의 셀 전압은 1.78V에서 1.64V로 낮아질 수 있다. 이에 따라, 수 전해 장치에 널리 사용할 수 있다. As described above, in the present invention, after the oxygen electrode including the IrO 2 layer/Ti layer is manufactured, a single-sided pressing process is performed using an electrolyte membrane. Accordingly, the membrane electrolyte may permeate the Ti layer of the oxygen electrode, so that the pores of IrO2/TP may be partially filled with the electrolyte. The average thickness of the pore-filled portion of the Ti layer affects the active area, and within the optimum thickness range, the cell voltage under 1.0A/cm2 and 80°C may be lowered from 1.78V to 1.64V. Accordingly, it can be widely used in a water electrolysis device.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are for illustrative purposes only, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

실시예Example

제조예Manufacturing example

IrOIrO 22 /TP 제조/TP manufacturing

10 mM 염화 이리듐 수화물(iridium chloride hydrate, IrCl4 · H2O), 100 mM 과산화수소(H2O2), 40 mM 옥살산(COOH2 · 2H2O) 및 340 mM 탄산 칼륨(KCO3)으로 구성된 전해도금액을 포함하는 수조를 제조한 후, IrO2 촉매를 양극 전착시켰다. Ir 복합체 안정화를 위해, 전착 3일이상 수조를 숙성시켰다. 6.25 cm2의 활성 면적을 갖는 티타늄페이퍼(berkit, ST/Ti/20/ 450/60)는 작동 전극으로 사용되었고, Ti 메쉬(mesh)와 표준 칼로멜전극(standard calomel Electrode, SCE)은 각각 카운터 전극 및 기준 전극으로 사용되었다. 전해도금하기 전에 작동 전극은 5wt %의 옥살산에 60 ℃에서 30 분간 침지시킨 후 순수한 DI 수로 세척되었다. 이후, 이를 테프론 셀로 옮기고 실온에서 10 분 동안 0.7 VSCE의 전위차가 지속적으로 인가되었다. Consisting of 10 mM iridium chloride hydrate (IrCl 4 · H 2 O), 100 mM hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), 40 mM oxalic acid (COOH 2 · 2H 2 O) and 340 mM potassium carbonate (KCO 3 ) After preparing a water bath containing the electrolytic plating solution, the IrO 2 catalyst was positively electrodeposited. To stabilize the Ir complex, the water bath was aged for at least 3 days of electrodeposition. Titanium paper (berkit, ST/Ti/20/ 450/60) with an active area of 6.25 cm 2 was used as the working electrode, and Ti mesh and standard calomel electrode (SCE) were each counter electrode. And as a reference electrode. Before electroplating, the working electrode was immersed in 5 wt% oxalic acid at 60° C. for 30 minutes and then washed with pure DI water. Thereafter, this was transferred to a Teflon cell, and a potential difference of 0.7 V SCE was continuously applied for 10 minutes at room temperature.

IrOIrO 22 /CP 제조/CP manufacturing

비교를 위해, IrO2/TP 제조시와 동일한 실험 조건에서 진행하되, 티타늄페이퍼 대신 카본 페이퍼에 IrO2를 전착시켰다. For comparison, IrO 2 /TP was prepared under the same experimental conditions, but IrO 2 was electrodeposited on carbon paper instead of titanium paper.

HP-IrOHP-IrO 22 /TP 제조/TP manufacturing

전술한 바와 같이 IrO2를 TP에 전착시켜 IrO2/TP을 제조하였다. 이후, 전해질 막과 산소극을 140℃, 4~20MPa에서 2 분간 핫 프레스(hot press) 하여, HP-IrO2/TP(혹은 도 5a의 P2 방법에 따라 제조된 HP-IrO2/TP)를 제조하였다. 아울러, 하기 실시예에서, 핫프레스 공정시 압력조건을 다양하게 변화시켜 HP-IrO2/TP을 제조하였다. 이 중, 압력을 4MPa, 8MPa 및 20MPa로 조절한 경우를 각각 HP-IrO2/TP@4MPa, HP-IrO2/TP@8MPa 및 HP-IrO2/TP@20MPa로 표시하였다. IrO 2 /TP was prepared by electrodepositing IrO 2 on TP as described above. Thereafter, by hot pressing the electrolyte membrane and the oxygen electrode at 140° C. and 4-20 MPa for 2 minutes, HP-IrO 2 /TP (or HP-IrO 2 /TP manufactured according to the P2 method of FIG. 5A) Was prepared. In addition, in the following examples, HP-IrO 2 /TP was prepared by variously changing the pressure conditions during the hot press process. Among these, the cases in which the pressure was adjusted to 4 MPa, 8 MPa and 20 MPa were respectively expressed as HP-IrO 2 /TP@4MPa, HP-IrO 2 /TP@8MPa and HP-IrO 2 /TP@20MPa.

HP’-IrOHP’-IrO 22 /TP 제조/TP manufacturing

비교를 위해, 산소극과 수소극을 각각 제조 후, 나피온막(NR-212, Dupont)을 중간에 위치 한 뒤, 핫 프레스 하였다. 산소극은 전술한 바와 같이 제조하였으며, 수소극은 46.5wt% Pt/C(Johnson Matthey), 5wt% 나피온 용액, 이소프로필 알콜(IPA, JT Baker) 및 탈 이온수로 이루어진 촉매 잉크를 상업용 카본 페이퍼(39BC, SGL 탄소)에 스프레이 코팅하여 재조되었다. Pt의 로딩양은 0.4 mg/cm2 이었고, 나피온 함량은 30wt% 이었으며, 핫프레스 공정은 140, 4~20MPa에서 2 분간 수행되었다. 이에 따라, HP-IrO2/TP (혹은 도 5a의 P1 방법에 따라 제조된 HP-IrO2/TP )제조하였다.For comparison, after each of an oxygen electrode and a hydrogen electrode were manufactured, a Nafion film (NR-212, Dupont) was placed in the middle, and then hot pressed. The oxygen electrode was prepared as described above, and the hydrogen electrode was prepared by using a catalyst ink consisting of 46.5wt% Pt/C (Johnson Matthey), 5wt% Nafion solution, isopropyl alcohol (IPA, JT Baker), and deionized water. (39BC, SGL carbon) was prepared by spray coating. The loading amount of Pt was 0.4 mg/cm 2 , the Nafion content was 30 wt%, and the hot press process was performed at 140, 4-20 MPa for 2 minutes. Accordingly, HP-IrO 2 /TP (or HP-IrO 2 /TP prepared according to the P1 method of FIG. 5A) was prepared.

IrO2/CP 전극 및 IrOIrO2/CP electrode and IrO 22 /TP 전극 특성 분석/TP electrode characteristics analysis

모든 공정은 potentiostat 장비 (AUT302N, AUTO LAB Ltd.)를 사용하여 수행되었다. 전극 표면에서의 IrO2 분포 및 IrO2 로딩양을 EPMA 및 유도 결합 플라즈마 질량 분석(inductively coupled plasma mass spectroscopy. ICP-MS) 분석을 통해 각각 조사 하였다.All processes were performed using potentiostat equipment (AUT302N, AUTO LAB Ltd.). The distribution of IrO 2 and the amount of IrO 2 loading on the electrode surface were investigated through EPMA and inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP-MS) analysis, respectively.

막 전극 접합체 및 PEMWE 단일 셀 제조Membrane electrode assembly and PEMWE single cell fabrication

전술된 전극(IrO2/CP, IrO2/TP, HP-IrO2/TP, HP’-IrO2/TP 등) 및 수소극을 각각 제조 후 MEA를 제조하였다. 수소극은 전술한 바와 동일 공정을 통해 제조되었다. HP-IrO2/TP를 이용한 경우, HP-IrO2/TP를 수소극(Pt/C)을 나피온막(NR-212, Dupont)의 양면에 위치시킨 후 접합시켜 MEA를 제조하였다. 이어서, MEA를 그라파이트(캐소드)과 Au/Ti 바이폴라 플레이트(애노드)이 장착된 가정용 단일 셀에 탑재하여, 양성자 교환막 물 전해 장치(PEWME)용 단일 셀을 제조하였다. 이때, MEA의 노출된 활성 영역은 6.25 cm2로 고정되었다.MEA was prepared after each of the above-described electrodes (IrO 2 /CP, IrO 2 /TP, HP-IrO 2 /TP, HP'-IrO 2 /TP, etc.) and hydrogen electrodes were prepared. The hydrogen electrode was manufactured through the same process as described above. Are joined HP-IrO 2 / when using the TP, HP-IrO Place the 2 / TP to be negative (Pt / C) on both surfaces of the Nafion membrane (NR-212, Dupont) was prepared in the MEA. Subsequently, the MEA was mounted on a single cell for a home equipped with graphite (cathode) and Au/Ti bipolar plate (anode) to prepare a single cell for a proton exchange membrane water electrolysis device (PEWME). At this time, the exposed active area of the MEA was fixed to 6.25 cm 2.

막 전극 접합체 및 PEMWE 단일 셀 특성 분석Membrane Electrode Assembly and PEMWE Single Cell Characterization

iV 곡선과 전기 화학 임피던스 분광법 (EIS) 결과는 파워 부스터와 결합 된 potentiostat(HCP-803, biologic)로부터 얻어졌다. 1.35V에서 2.0V까지의 정전압을 각각 0.05V 간격으로 1 분 동안 가했다. D. I. 이온수를 유속 15mL / 분으로 셀의 애노드 측에 공급 하였다. 이온수의 온도 및 셀 온도는 80 ℃로 고정 하였다.The iV curve and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) results were obtained from a potentiostat (HCP-803, biologic) combined with a power booster. Constant voltages from 1.35V to 2.0V were each applied at 0.05V intervals for 1 minute. D. I. Ionized water was supplied to the anode side of the cell at a flow rate of 15 mL/min. The temperature of the ionized water and the cell temperature were fixed at 80 °C.

결과 및 논의Results and discussion

IrOIrO 22 /TP 및 IrO/TP and IrO 22 /CP 전극 특성 검토/CP electrode characteristics review

0.7 V의 Edep에서 10 분 동안 티타늄 페이퍼(TP)에 전착된 IrO2 필름의 표면 형태는 도 4a에 도시되었다. 전착된 IrO2는 눈에 띄는 결함이나 덩어리없이 균일하게 분포함을 확인할 수 있다. 확대된 이미지는 직경이 서브 마이크론(submicron)인 IrO2 입자가 균열된 IrO2 필름 상에 형성되어 높은 표면적을 제공함을 보여 주었다. 이러한 형태는 카본 페이퍼상에 전착된 IrO2 필름과 유사하다. 도 4b의 ICP-MS 분석 결과를 살펴보면, IrO2 로딩양은 0.0148 mg/cm2 ·min의 기울기를 갖는 tdep에 거의 비례함을 보여주었다. 10 분 tdep의 경우, IrO2 로딩양은 0.13 mg/cm2에 이르고 이는 CP(0.1 mg/cm2)와 거의 일치함을 확인할 수 있었다. The surface morphology of the IrO 2 film electrodeposited on titanium paper (TP) for 10 minutes at an E dep of 0.7 V is shown in FIG. 4A. It can be seen that the electrodeposited IrO 2 is uniformly distributed without noticeable defects or lumps. The enlarged image showed that IrO 2 particles of submicron diameter were formed on the cracked IrO 2 film to provide a high surface area. This shape is similar to the IrO 2 film electrodeposited on carbon paper. Looking at the results of the ICP-MS analysis of Figure 4b, it was shown that the IrO 2 loading amount is almost proportional to t dep having a slope of 0.0148 mg / cm 2 ·min. In the case of 10 minutes t dep , it was confirmed that the IrO 2 loading amount reached 0.13 mg/cm 2 , which was almost identical to CP (0.1 mg/cm 2 ).

이후, 상기 전극을 포함하는 물 전기분해 장치의 성능을 검토하였다.Then, the performance of the water electrolysis device including the electrode was examined.

도 5a는 10분동안 0.7V의 Edep 하에서 CP 및 TP에 전착된 IrO2 전극(즉, IrO2/CP및 IrO2/TP)의 iV 곡선을 나타낸다. 비슷한 IrO2 로딩양에도 불구하고 IrO2/TP 전극은 모든 전류 밀도에 대해 IrO2/CP보다 미비한 전압 효율을 제공함을 확인할 수 있었다(그러나, IrO2/CP 전극은 안정성 문제로 사용화될 수 없다는 문제점이 존재한다). IrO2/TP에 대한 1A/cm2에서의 전지 전압은 IrO2/CP(1.65V)보다 0.13V 높았던 1.78V 였다. 1.6 V에서의 EIS 결과는 더 높은 옴 저항 (ohmic resistance, Rohm)과 낮은 동역학이 IrO2/TP의 성능 저하에 기여한다는 것을 보여 준다(도 5b). HP-IrO2/TP 및 HP’-IrO2/TP전극의 iV 곡선도 도 5a에 함께 기재되어있다(도 5a에서, HP-IrO2/TP는 P2로 표시되고, HP’-IrO2/TP는 P1로 표시됨). HP’-IrO2/TP는 Rkin의 감소로 전극 성능의 향상을 가져올 뿐인 반면 HP-IrO2/TP의 경우, 압착 공정이 더 나은 동력을 제공 할뿐만 아니라 낮은 Rohm도 제공함을 확인할 수 있었다(도 5b). 이와 같은 Rkin의 감소는 압착 공정의 적용이 전극과 전해질 사이의 계면을 확대하여 3 상 경계를 확대시킨다는 것을 보여 주었다. 확대된 인터페이스는 HP-IrO2/TP의 경우와 같이 양성자 전달을 위한 추가 인터페이스를 제공함으로써 낮은 Rohm을 제공 할 수도 있다. 한편, HP’-IrO2/TP와 같이 캐소드를 제조 후 압착공정을 수행하는 경우, 압착 공정 중 캐소드 측의 탄소 섬유 구조가 파괴되어 Rohm이 증가 될 수 있다. 이에 따라, 애노드를 제조 후 전해질 막과 압착 공정을 수행한 후, 캐소드를 접합하는 것이 셀 성능을 향상시키는 가장 효과적인 방법임을 확인할 수 있었다.5A shows the iV curves of IrO 2 electrodes (ie, IrO 2 /CP and IrO 2 /TP) electrodeposited on CP and TP under an E dep of 0.7 V for 10 minutes. Despite the similar IrO 2 loading amount, it was confirmed that the IrO 2 /TP electrode provided inferior voltage efficiency than IrO 2 /CP for all current densities (However, the IrO 2 /CP electrode could not be used due to stability issues. There is a problem). The cell voltage at 1A/cm 2 for IrO 2 /TP was 1.78V, which was 0.13V higher than IrO 2 /CP (1.65V). The EIS results at 1.6 V show that higher ohmic resistance (R ohm ) and lower kinetics contribute to the degradation of IrO 2 /TP (Fig. 5b). HP-IrO 2 / TP and HP'-IrO iV curve of the 2 / TP electrode also has been described with in Figure 5a (in Fig. 5a, HP-IrO 2 / TP is represented by P2, HP'-IrO 2 / TP Is denoted as P1). HP'-IrO 2 /TP only improves electrode performance by reducing R kin , whereas for HP-IrO 2 /TP, it was confirmed that the compression process not only provided better power but also provided low R ohm. (Fig. 5b). This reduction of R kin showed that the application of the compression process enlarged the interface between the electrode and the electrolyte, thereby expanding the three-phase boundary. The expanded interface can also provide a low R ohm by providing an additional interface for proton transfer, as in the case of HP-IrO 2 /TP. On the other hand, in the case of performing a compression process after manufacturing a cathode such as HP'-IrO 2 /TP, the carbon fiber structure on the cathode side may be destroyed during the compression process, resulting in an increase in R ohm. Accordingly, it was confirmed that the most effective method of improving the cell performance is to bond the cathode after the anode is fabricated and then the electrolyte membrane and the compression process are performed.

HP-IrO2/TP 제조시 수행되는 압착 공정에서 압력을 달리하여 실험하고, 그 성능 결과를 도 6에 나타내었다. 또한, 도 6에 1.6V에서 EIS의 고주파 절편(high frequency intercept)으로 측정된 Rohm도 기재되었다. 도 6을 살펴보면, Rohm은 압착 공정 중 가해지는 압력이 8 MPa를 초과하는 경우 Rohm이 절반으로 감소되었다(0 MPa에서 0.238 Ω·cm2 -> 20 MPa에서 0.118 Ω·cm2). 전류 밀도의 증가는 활성화 및 오믹 손실이 중요한 저전압(1.6V) 및 중간 전압(1.8V)에서 관찰되었으며, 고전압(2.0V)에서는 8MPa 부근에서 가장 높은 전류 밀도가 관찰되고 압력을 더 가하면 성능이 저하됨을 확인할 수 있었다. 이 결과는 압착 공정 중 압력이 과도하게 높은 경우, 반응 동역학 및 오믹 손실에 긍정적인 영향을 주지만 물질 전달에는 부정적임을 암시한다.In the compression process performed during HP-IrO 2 /TP production, the experiment was performed by varying the pressure, and the performance results are shown in FIG. 6. In addition, R ohm measured by a high frequency intercept of the EIS at 1.6V is also described in FIG. 6. Referring to Figure 6, R ohm is the case that the pressure applied during the crimping process exceeds 8 MPa R ohm were cut in half (0 MPa 0.238 Ω · cm in the 2 -> 0.118 Ω at 20 MPa · cm 2). The increase in current density was observed at low voltage (1.6V) and medium voltage (1.8V) where activation and ohmic losses are important, and at high voltage (2.0V), the highest current density was observed around 8 MPa, and performance deteriorated with additional pressure. Was able to confirm. This result suggests that excessively high pressure during the compression process has a positive effect on reaction kinetics and ohmic losses, but negatively for mass transfer.

도 6에 도시된 바와 같이, Rohm은 애노드 기판 및 핫프레스 동안 인가된 압력의 함수로 표시될 수 있으며, 명확히하기 위해 Rohm을 하기 [수학식 1]과 같이 외부 전지 저항(RO), 막 저항(Rm), 캐소드 저항(Rc), 애노드 저항(Ra) 및 계면 저항(Ri,cm, Ri,am, Ri,cb, Ri,ab)의 합으로 표시하였다. As shown in FIG. 6, R ohm can be expressed as a function of the pressure applied during the hot press and the anode substrate. For clarity, R ohm is the external battery resistance R O as shown in [Equation 1], It was expressed as the sum of the membrane resistance (R m ), the cathode resistance (R c ), the anode resistance (R a ), and the interface resistance (R i,cm , R i,am , R i,cb , R i,ab ).

[수학식 1][Equation 1]

Rohm = RO+ Rm + Ri,cm + Ri,am + Rc + Ra + Ri,cb + Ri,ab R ohm = R O + R m + R i,cm + R i,am + R c + R a + R i,cb + R i,ab

도 7a는 전해질 막을 포함하는 전지의 Rohm 을 나타내는 개략도 이고, 도 7b는 전해질 막을 포함하지 않는 전지의 Rohm 을 나타내는 개략도이다. 7A is a schematic diagram showing R ohm of a battery including an electrolyte membrane, and FIG. 7B is a schematic diagram showing R ohm of a battery not including an electrolyte membrane.

도 7b을 살펴보면, RO, Rc, Ra, Ri,cb 및 Ri,ab의 기여도는 전해질 막을 포함하지 않는 셀의 Rohm에서 대략 근사화되고 여기서, Ri,ca는 생략해도 무방할 정도이다. 한편, Rm은 80℃(0.16S/ cm2)의 완전히 젖은 상태의 나피온 막의 전도도로부터 계산할 수 있다. 따라서, 이를 반영하고, Ri,cm 및 Ri,am 을합해Ri,m으로 표시하면, 상기 [수학식 1]은 하기 [수학식 2]로 표시될 수 있다.Referring to FIG. 7B , the contributions of R O , R c , R a , R i,cb and R i,ab are approximately approximated in R ohm of the cell not including the electrolyte membrane , where R i,ca may be omitted. It's about. On the other hand, R m can be calculated from the conductivity of the Nafion membrane in a completely wet state at 80°C (0.16 S/cm 2 ). Therefore, reflecting this, and if R i,cm and R i,am are summed and expressed as R i,m , the [Equation 1] can be expressed by the following [Equation 2].

[수학식 2] [Equation 2]

Rohm = 0.031 Ω·cm2 + Rt + Ri , m R ohm = 0.031 Ωcm 2 + R t + R i , m

다양한 전극(IrO2/CP, IrO2/TP, HP-IrO2/TP(@4MPa), HP-IrO2/TP(@8MPa) 및 HP-IrO2/TP(@20MPa)에 있어서 총 Rohm에 대한 Rt, Rm 및 Ri,m의 개별 기여도가 도 7c에 도시되었다.CP 대신 TP가 사용되었을 때 두 가지 눈에 띄는 변화가 있었는데, TP 상에 자연적으로 형성된 비전도성 TiO2 층으로 인해 Rt가 0.034에서 0.078 Ω·cm2 로 증가하고 Ri ,m이 0.028 Ω·cm2 에서 0.129 Ω·cm2 로 증가하였다는 점이다. CP와 TP 사이의 Ri ,m의 차이는 전극과 전해질 사이의 접촉 면적에 영향을 주는 기판의 조도 인자(roughness factor) 와 관련 있을 것으로 생각된다(CP : 35.7, TP : 20.0). 이밖에도, 일정 압력조건 하에서의 핫프레스의 적용은 Ri,m을 0.129에서 0.009Ω/cm2로 상당히 감소시키는 것으로 나타났는데, 전극의 변화를 확인하기 위하여 도 8a와 같이 다양한 압력조건 하에서, IrO2/TP, TP 및 막(Membrane)에 대해 핫프레스 공정을 수행하여, 이의 두께를 측정하였다. 압축되지 않은 TP와 멤브레인와 달리, IrO2/TP 에 대한 핫프레스 이후 형성된 막-TP 접합체의 두께는 현저히 감소하는데 이는, 막 전해질에 단단한 TP 바디가 침투(penetration)하기 때문인 것으로 판단된다. 침투 깊이는 대략적으로, 가해진 압력에 비례하는데, 4 MPa, 8 MPa 및 20 MPa 압력 조건하에 진행된 압착 공정의 경우, 각각 13.4, 20.4 및 37.2 μm의 두께 감소를 가져옴을 확인할 수 있었다. 도 8a에 삽입된 그림은, 압착 공정 후 TP와 막의 접합을 개략적으로 나타내는데, TP 바디가 멤브레인에 침투했을 때, TP의 기공이 막으로 부분적으로 채워진 영역(이하, M-E 영역)이 형성됨을 확인할 수 있었다. M-E 영역은 Rif 및 3 상 경계에 직접 영향을 미치는 전극과 전해질 사이의 추가 인터페이스를 제공하는데, 8 MPa로 핫프레스된 막-TP 접합체의 단면 사진과 EPMA 결과는 도 8b에 나타내어진다. 도 8b를 살펴보면, TP가 멤브레인에 침투하여 M-E 영역이 형성되었음을 명확하게 알 수 있다. M-E 영역의 평균 수직 두께(tM-E) 및 해당 전극/전해질 접촉 면적(AC)은 하기 [수학식 3] 및 [수학식 4]로 표시될 수 있다. Total R ohms for various electrodes (IrO 2 /CP, IrO 2 /TP, HP-IrO 2 /TP(@4MPa), HP-IrO 2 /TP(@8MPa) and HP-IrO 2 /TP(@20MPa)) The individual contributions of R t , R m and R i, m to are shown in Fig. 7c. When TP was used instead of CP, there were two notable changes, with a naturally formed non-conductive TiO 2 layer on the TP. As a result, R t increased from 0.034 to 0.078 Ω·cm 2 and R i ,m increased from 0.028 Ω·cm 2 to 0.129 Ω·cm 2. The difference between R i ,m between CP and TP is the electrode and the electrolyte is thought to be related to the roughness factor (roughness factor) of the substrate affecting the contact area between. (CP: 35.7, TP: 20.0) in addition, the application of the hot-pressed under a predetermined pressure condition is the R i, m It was found to be considerably reduced from 0.129 to 0.009 Ω/cm 2 , and in order to confirm the change of the electrode, under various pressure conditions as shown in FIG. 8A, a hot press process was performed on IrO 2 /TP, TP, and membrane. Unlike the uncompressed TP and the membrane, the thickness of the membrane-TP conjugate formed after hot pressing for IrO 2 /TP was significantly reduced because the rigid TP body penetrated the membrane electrolyte. The penetration depth is roughly proportional to the applied pressure, and in the case of the pressing process performed under the pressure conditions of 4 MPa, 8 MPa and 20 MPa, it was confirmed that the thickness decreases of 13.4, 20.4 and 37.2 μm, respectively. The figure inserted in FIG. 8A schematically shows the bonding of the TP and the membrane after the pressing process. When the TP body penetrates the membrane, it can be seen that a region partially filled with the membrane (hereinafter, the ME region) is formed by the pores of the TP. The ME region was at the boundary of R if and three phases. It provides an additional interface between the electrode and the electrolyte, which has a direct effect, and the cross-sectional photographs and EPMA results of the hot-pressed membrane-TP assembly at 8 MPa are shown in FIG. Referring to FIG. 8B, it can be clearly seen that the TP penetrated the membrane and the ME region was formed. The average vertical thickness (t ME ) of the ME region and the corresponding electrode/electrolyte contact area (A C ) may be represented by the following [Equation 3] and [Equation 4].

[수학식 3][Equation 3]

tM-E=Δta/p t ME =Δt a /p

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019093801342-pat00001
Figure 112019093801342-pat00001

여기서 Δta는 압착 공정 후 IrO2/막 접합체의 두께 변화, p는 TP의 다공성을 나타내며, tTi는 TP의 두께, D는 Ti 섬유의 직경을 나타낸다. 도 9a는 적용된 압력의 함수로서 tM-E에 상응하는 접촉면적을 나타낸다. 4 MPa, 8 MPa 및 20 MPa의 압력이 인가된 경우, 평균 접촉면적이 각각 1.23, 2.16 및 4.40 cm2/cm2 geo로 증가됨을 확인할 수 있었다. Ri,m이 Ac에 반비례한다고 가정하면, Ri,m과 Ac 간의 상관 관계는 식 5와 같이 나타낼 수 있다.Here, Δta denotes the change in thickness of the IrO 2 /membrane assembly after the compression process, p denotes the porosity of the TP, t Ti denotes the thickness of the TP, and D denotes the diameter of the Ti fiber. 9A shows the contact area corresponding to t ME as a function of the applied pressure. When pressures of 4 MPa, 8 MPa, and 20 MPa were applied, the average contact areas were increased to 1.23, 2.16 and 4.40 cm 2 /cm 2 geo , respectively. Assuming that R i,m is inversely proportional to Ac, the correlation between R i,m and Ac can be expressed as Equation 5.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112019093801342-pat00002
Figure 112019093801342-pat00002

한편, 도 9b는 Rif를 1/Ac의 함수로 나타낸 것으로, 특정 접촉 저항 (specific contact resistance,σ)이 0.024 Ω·cm4임을 나타낸다.Meanwhile, FIG. 9B shows R if as a function of 1/Ac, indicating that a specific contact resistance (σ) is 0.024 Ω·cm 4 .

이와 같이, 고온 프레스를 적용하면 전극/전해질 계면이 추가로 나타나지만, 물질 전달의 교란이 발생한다는 것을 확인할 수 있었다. 일반화를 위해, 56%, 60%, 73%의 기공도를 가진 Ti 종이 위에 IrO2를 전착하여 전극을 형성한 이후 2.0V에서의 전류 밀도를 tM -E의 함수로서 계산하였다(도 10). 가장 높은 전류 밀도는 약 30 μm의 tM -E에서 발견되었다. 상기 값 아래에서, 제한된 전극/전해질 계면이 제공 될 수 있으며, Rkin뿐만 아니라 Rohm도 증가 할 수 있다. tM-E가 30 μm를 초과 할 때, 전해질/전극 계면으로의 H2O의 접근은 TP의 기공 내의 막 스크랩(membrane scraps)에 의해 차단되는 것으로 보였다. 전극/전해질 접촉과 물의 물질 전달이 밸런스(예컨대, 30 μm의 tM-E)를 이루는 경우, 최고의 성능이 얻어 질 수 있음을 확인하였다.As described above, it was confirmed that the electrode/electrolyte interface additionally appeared when the hot press was applied, but disturbance of mass transfer occurred. For generalization, after forming an electrode by electrodepositing IrO 2 on Ti paper having a porosity of 56%, 60%, and 73%, the current density at 2.0 V was calculated as a function of t M -E (Fig. 10). . The highest current density was found at t M -E of about 30 μm. Below this value, a limited electrode/electrolyte interface can be provided, and R kin as well as R ohm can be increased. When t ME exceeded 30 μm, H 2 O access to the electrolyte/electrode interface appeared to be blocked by membrane scraps in the pores of the TP. It was confirmed that the best performance can be obtained when the electrode/electrolyte contact and mass transfer of water are balanced (eg, t ME of 30 μm).

한편, 압착 공정 후 IrO2/ TP 전극의 성능은 참고 문헌에서 보고된 여러 전극과 비교되었다.도 11에서와 같이, 핫프레스 이전에는 80℃와 1.7 V조건에서 IrO2/TP전극의 전류 밀도가 비슷한 촉매 담지량을 가지는 참고 문헌의 결과와 비슷한 수치를 보였는데 (비특허문헌 2 ) 핫프레스 이후에는 촉매 로딩량 1~1.5 mg/cm2 을 가지는 셀(비특허문헌 6,7,8)들과 비슷한 수치를 보이는 것을 확인할 수 있었다. On the other hand, the performance of the IrO 2 / TP electrode after the pressing process was compared with the various electrodes reported in the reference literature. As shown in Fig. 11, the current density of the IrO 2 / TP electrode was similar at 80°C and 1.7 V before hot press. It showed similar values to the results of the reference literature having the catalyst loading amount (Non-Patent Document 2), but after hot press, similar to the cells (Non-Patent Documents 6, 7, 8) having a catalyst loading amount of 1 to 1.5 mg/cm 2. It could be confirmed that the figures were shown.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 양성자 교환막 물 전해 장치(PEMWE)용 전해도금된 IrO2 전극에 있어서, 편면 압착 공정의 효과를 설명한다. IrO2/TP전극의 상면에 전해질 막을 적층한 뒤 압착 공정을 적용하여, IrO2/TP전극에 막 전해질을 침투시켜 IrO2/확산층의 기공이 부분적으로 전해질로 채워진 M-E 영역을 형성하였다. M-E 영역 의 두께가 높은 경우 더 나은 전극/전해질 계면을 제공하지만 H2O의 접근을 제한한다. 최적의 M-E 두께에 있어서, IrO2/ TP 전극의1.0A/cm2 및 80 ℃ 조건하에서의 셀 전압은 1.78V에서 1.64V로 상당히 낮아 졌는데, 이는 IrO2이 더 많이 로딩된 최근의 입자형 전극을 사용한 경우에 비견될만하다(1-3mg/cm2). 이에 따라, PEMWE용으로서, 적은 양의 PGM 금속으로 우수한 필름형 전극을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.As described above, in the present invention, the effect of a single-sided compression bonding process in an electroplated IrO 2 electrode for a PEMWE is described. IrO to apply the electrolyte laminated film after contact bonding to the upper surface of the 2 / TP electrodes, by penetrating the membrane electrolyte to the IrO 2 / TP electrode to form a pore of the ME region is IrO 2 / diffusion filled with partially electrolyte. Higher thickness of the ME region provides a better electrode/electrolyte interface, but limits the access of H 2 O. For the optimal ME thickness, the cell voltage of the IrO 2 / TP electrode under the conditions of 1.0 A/cm 2 and 80 °C was considerably lowered from 1.78 V to 1.64 V, which is the result of the recent particle electrode with more IrO 2 loading. It is comparable when used (1-3mg/cm 2 ). Accordingly, it was confirmed that for PEMWE, an excellent film-type electrode could be manufactured with a small amount of PGM metal.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The protection scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those of ordinary skill in the technical field of the present invention can improve and change the technical idea of the present invention in various forms. Therefore, such improvements and changes will fall within the scope of the present invention as long as it is apparent to those of ordinary skill in the art.

Claims (12)

양성자 교환막 물 전해 장치용 막전극 접합체의 제조 방법으로서,
티타늄(Ti)층 상에 이리듐 산화물(IrO2)를 전해도금 하여 IrO2층을 형성하여 확산층인 Ti층 및 산소극 전극층인 IrO2층을 포함하는 산소극을 제조하는 단계;
산소극의 IrO2층 상에 전해질 막을 적층시키는 단계;
산소극 및 전해질 막에 압착 공정을 수행하여 산소극-전해질 막 접합체를 형성하는 단계로서,
상기 이리듐 산화물(IrO2)층이 전해도금된 Ti층은 상부 영역 및 하부 영역으로 나뉘며, 상기 이리듐 산화물(IrO2)층이 전해도금된 Ti층의 상부 영역의 기공은 전해질 막의 전해질로 부분적으로 채워지고, 상기 이리듐 산화물(IrO2)층의 전해도금된 Ti층의 하부 영역의 기공은 전해질 막의 전해질로 채워지지 않도록 하는 것이고,
전극 및 전해질 사이의 계면을 증대하면서 물의 물질 전달이 교란되지 않도록, 상기 이리듐 산화물(IrO2)층이 전해도금된 Ti층의 상부 영역에서, 기공이 전해질 막의 전해질로 부분적으로 채워진 영역인 M-E 영역의 평균 수직 두께인 tM-E가 25㎛ 이상 30㎛ 이하의 두께를 갖도록 하는 단계;
상기 압착 공정 후, 노출된 전해질 막의 일 면에 확산층 상에 수소극 전극층이 형성된 수소극을 접합하여 막 전극 접합체를 제조하는 단계;를 포함하며,
상기 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체는,
확산층인 티타늄(Ti)층 상에 전해도금된 산소극 전극층인 이리듐 산화물(IrO2)층을 포함하는 산소극;
확산층 상에 수소극 전극층이 형성된 수소극; 및
산소극 전극층 및 수소극 전극층 사이에 위치하는 전해질 막을 포함하며,
상기 확산층인 Ti층의 기공 중 일부는 전해질 막의 전해질로 채워지는 것이며,
상기 이리듐 산화물(IrO2)층이 전해도금된 Ti층은 상부 영역 및 하부 영역으로 나뉘며, 상기 이리듐 산화물(IrO2)층이 전해도금된 Ti층의 상부 영역의 기공은 전해질 막의 전해질로 부분적으로 채워지고, 상기 이리듐 산화물(IrO2)층의 전해도금된 Ti층의 하부 영역의 기공은 전해질 막의 전해질로 채워지지 않는 것이고,
상기 이리듐 산화물(IrO2)층이 전해도금된 Ti층의 상부 영역에서, 기공이 전해질 막의 전해질로 부분적으로 채워진 영역인 M-E 영역의 평균 수직 두께인 tM-E가 25㎛ 이상 30㎛ 이하의 두께를 갖는 것이고,
상기 이리듐 산화물(IrO2)층의 일부는 상기 상부 영역에 위치하고,
상기 이리듐 산화물(IrO2)층의 나머지 일부는 상기 하부 영역에 위치하는, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법.
As a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device,
Comprising the steps of electroplating a titanium (Ti), iridium oxide (IrO 2) on the layer to form a layer made of IrO 2 an oxygen electrode comprising a diffusion layer of Ti layer and the oxygen-electrode-electrode layer of IrO 2 layer;
Laminating an electrolyte membrane on the IrO 2 layer of the oxygen electrode;
A step of forming an oxygen electrode-electrolyte membrane assembly by performing a compression process on the oxygen electrode and the electrolyte membrane,
The Ti layer electroplated with the iridium oxide (IrO 2 ) layer is divided into an upper region and a lower region, and the pores in the upper region of the Ti layer electroplated with the iridium oxide (IrO 2 ) layer are partially filled with the electrolyte of the electrolyte membrane. And, the pores in the lower region of the electroplated Ti layer of the iridium oxide (IrO 2 ) layer are not to be filled with the electrolyte of the electrolyte membrane,
In order to increase the interface between the electrode and the electrolyte and prevent the mass transfer of water from being disturbed, the iridium oxide (IrO 2 ) layer is in the upper region of the electroplated Ti layer, in the ME region where the pores are partially filled with the electrolyte of the electrolyte membrane. Making the average vertical thickness t ME have a thickness of 25 μm or more and 30 μm or less;
After the pressing process, manufacturing a membrane electrode assembly by bonding a hydrogen electrode having a hydrogen electrode layer formed on a diffusion layer on one surface of the exposed electrolyte membrane to prepare a membrane electrode assembly; and
The membrane electrode assembly for the proton exchange membrane water electrolysis device,
An oxygen electrode including an iridium oxide (IrO 2 ) layer that is an oxygen electrode electrode layer electrolytically plated on a titanium (Ti) layer as a diffusion layer;
A hydrogen electrode in which a hydrogen electrode layer is formed on the diffusion layer; And
It includes an electrolyte membrane positioned between the oxygen electrode layer and the hydrogen electrode layer,
Some of the pores of the Ti layer as the diffusion layer are filled with the electrolyte of the electrolyte membrane,
The Ti layer electroplated with the iridium oxide (IrO 2 ) layer is divided into an upper region and a lower region, and the pores in the upper region of the Ti layer electroplated with the iridium oxide (IrO 2 ) layer are partially filled with the electrolyte of the electrolyte membrane. And, the pores in the lower region of the electroplated Ti layer of the iridium oxide (IrO 2 ) layer are not filled with the electrolyte of the electrolyte membrane,
In the upper region of the Ti layer on which the iridium oxide (IrO 2 ) layer is electroplated, t ME, which is the average vertical thickness of the ME region, where the pores are partially filled with the electrolyte of the electrolyte membrane, has a thickness of 25 μm or more and 30 μm or less. Will,
Part of the iridium oxide (IrO 2 ) layer is located in the upper region,
The remaining part of the iridium oxide (IrO 2 ) layer is located in the lower region, a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device.
제1항에 있어서,
상기 IrO2층은 Ti층에 로딩된 0.01~1.05mg /cm2의 이리듐 산화물을 포함하는 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법.
The method of claim 1,
The IrO 2 layer is a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device containing 0.01 to 1.05 mg /cm 2 of iridium oxide loaded on the Ti layer.
제1항에 있어서,
상기 Ti층은 티타늄 메쉬 혹은 티타늄 페이퍼인 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법.
The method of claim 1,
The Ti layer is a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device of titanium mesh or titanium paper.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
산소극의 Ti층은 복수 개의 기공을 포함하는, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법.
The method of claim 1,
A method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device, wherein the Ti layer of the oxygen electrode includes a plurality of pores.
제1항에 있어서,
상기 압착 공정은 120~160℃의 온도 조건하에서 1분 내지 5분 동안 수행되는, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법.
The method of claim 1,
The compression process is performed for 1 to 5 minutes under a temperature condition of 120 ~ 160 ℃, a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device.
제1항에 있어서,
상기 압착 공정은 4~20MPa의 압력 조건에서 수행되는, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법.
The method of claim 1,
The compression process is performed under a pressure condition of 4 to 20 MPa, a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device.
삭제delete 제1항에 있어서,
IrO2 를 전해도금하는 공정은 0.5 내지 0.9 VSCE의 도금 전압 조건 하에서, 1분 내지 10분 동안 수행되는, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법.
The method of claim 1,
The process of electroplating IrO 2 is performed for 1 minute to 10 minutes under a plating voltage condition of 0.5 to 0.9 V SCE , a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device.
삭제delete 제1항에 있어서,
IrO2 를 전해도금하기 전에, 상기 Ti층을 옥살산에 침지 후 이온수로 세척되는, 양성자 교환막 물 전해 장치용 막 전극 접합체의 제조 방법.
The method of claim 1,
Before electroplating IrO 2 , the Ti layer is immersed in oxalic acid and then washed with ionized water, a method of manufacturing a membrane electrode assembly for a proton exchange membrane water electrolysis device.
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