KR102455396B1 - Catalyst ink for forming electrode catalyst layer of fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 명세서는 이오노머및 용매를 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계; 상기 혼합액에 흑연을 투입한 후 50bar 이상의 고압에서 분산하여 분산액을 제조하는 단계; 및 상기 분산액에 촉매를 투입하는 단계를 포함하는 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법에 관한 것이다.The present specification includes the steps of preparing a mixed solution by mixing an ionomer and a solvent; preparing a dispersion by adding graphite to the mixed solution and then dispersing it at a high pressure of 50 bar or more; and injecting a catalyst into the dispersion liquid.

Description

연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크 및 이의 제조 방법 {CATALYST INK FOR FORMING ELECTRODE CATALYST LAYER OF FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer and manufacturing method thereof

본 발명은 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst ink for forming an electrode catalyst layer in a fuel cell and a method for preparing the same.

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

연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 최근 전자 산업의 급속한 발달과 함께 휴대용 이동 전자제품들이 대중화되어 가는 추세에 가장 적합한 에너지원으로 여겨지고 있다. 또한, 현재 휴대용 전자제품들의 전원으로 사용되고 있는 배터리에 비해 다양한 범위의 출력을 내면서도 높은 에너지 밀도를 나타내기 때문에 고성능의 휴대용 전자제품의 전원으로 연료전지가 주목 받고있다. A fuel cell is a clean energy source that can replace fossil energy, and is considered as the most suitable energy source for the trend of popularization of portable and mobile electronic products along with the rapid development of the recent electronic industry. In addition, fuel cells are attracting attention as power sources for high-performance portable electronic products because they exhibit a high energy density while outputting a wide range of outputs compared to batteries currently used as power sources for portable electronic products.

이러한 연료전지의 대표적인 예로는, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)나 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등을 들 수 있으며, 이들에 관한 개발 및 연구가 활발히 이루어지고 있다.Representative examples of such fuel cells include a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) or a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel, and the like. Development and research are being actively carried out.

PEMFC 또는 DMFC 에서 성능을 좌우하는 것은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)이다. MEA는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고체 고분자 전해질막과 이에 의하여 분리된 두 개의 촉매화된 전극들로 구성되는데, 이 두 전극을 애노드 전극(일명, "산화 전극" 또는 "연료극") 과 캐소드 전극(일명, "환원 전극" 또는 "공기극")이라 한다.It is the Membrane Electrode Assembly (MEA) that determines the performance in PEMFC or DMFC. The MEA consists of a solid polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer and two catalyzed electrodes separated thereby, an anode electrode (aka, “oxidation electrode” or “fuel electrode”) and a cathode electrode. (aka, "reduction electrode" or "air electrode").

애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동하며, 전자는 도선(또는 집전체)을 통하여 외부회로로 전달된다. 캐소드 전극에서는 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 외부회로로부터 전달된 전자가 산화제인 산소와 반응하여 물이 생성되는데, 이 때, 애노드, 외부회로 및 캐소드를 경유하는 전자의 이동이 곧 전력이다. In the anode electrode, the oxidation reaction of the fuel occurs to generate hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions move to the cathode electrode through the electrolyte membrane, and the electrons are transferred to an external circuit through a conducting wire (or current collector). In the cathode electrode, hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane and electrons transferred from an external circuit react with oxygen, which is an oxidizing agent, to generate water. At this time, the movement of electrons through the anode, external circuit and cathode is power.

애노드에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, 캐소드에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다. 이러한 촉매층의 반응속도를 높이고 이를 통해 전극 내 전도도 특성을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.The anode is provided with a catalyst layer for accelerating the oxidation of fuel, and the cathode is provided with a catalyst layer for accelerating the reduction of the oxidizing agent. Research is being actively conducted to increase the reaction rate of such a catalyst layer and to improve the conductivity properties in the electrode through this.

대한민국 특허공개공보 제10-2011-0114992호Korean Patent Publication No. 10-2011-0114992

본 발명은 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크 및 이의 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer and a method for preparing the same.

본 명세서의 일 실시상태는An exemplary embodiment of the present specification is

1) 이오노머(ionomer) 및 용매를 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;1) preparing a mixed solution by mixing an ionomer and a solvent;

2) 상기 혼합액에 흑연을 투입한 후 50bar 이상 의 고압에서 분산하여 분산액을 제조하는 단계; 및2) preparing a dispersion by adding graphite to the mixed solution and then dispersing it at a high pressure of 50 bar or more; and

3) 상기 분산액에 촉매를 투입하는 단계3) adding a catalyst to the dispersion

를 포함하는 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법을 제공한다.It provides a method for preparing a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer comprising a.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 이오노머, 촉매 및 그래핀(graphene)을 포함하는 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크를 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification provides a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer including an ionomer, a catalyst, and graphene.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 기체 확산층 상에 상기 촉매 잉크의 경화물을 포함하는 연료전지용 전극 촉매층을 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification provides an electrode catalyst layer for a fuel cell including a cured product of the catalyst ink on a gas diffusion layer.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 전극 촉매층을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification provides a membrane-electrode assembly for a fuel cell including the electrode catalyst layer.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification provides a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 촉매 잉크를 사용하여 전극을 제조할 경우, 전극 저항의 감소로 인해 오믹 저항이 감소하여 전극 내 전도도가 향상되며, 이에 따라 저가습 조건에서 성능이 향상된 막-전극 접합체의 제조가 가능한 장점이 있다.When an electrode is manufactured using the catalyst ink prepared according to an exemplary embodiment of the present specification, the ohmic resistance is reduced due to a decrease in the electrode resistance, so that the conductivity in the electrode is improved. There is an advantage in that it is possible to manufacture an electrode assembly.

도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 실시예 1, 2 및 비교예 1의 전극 표면 사진을 나타낸 도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 측정된 전류밀도, 전지전압 및 HFR 저항 간의 관계를 나타낸 도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 전극 저항 값을 나타낸 도이다.
도 4는 당 기술분야에서 사용되는 연료전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
1 is a view showing a photograph of the electrode surface of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 prepared according to an exemplary embodiment of the present specification.
2 is a diagram showing the relationship between the current density, the battery voltage, and the HFR resistance measured in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 manufactured according to an exemplary embodiment of the present specification.
3 is a diagram illustrating electrode resistance values of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 manufactured according to an exemplary embodiment of the present specification.
4 schematically shows a fuel cell used in the art.

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

종래의 연료전지용 막-전극 접합체의 경우, 촉매와 이오노머 간의 전도성이 낮기 때문에 저가습 조건에서 성능이 저하되는 문제점이 있었다.In the case of a conventional membrane-electrode assembly for a fuel cell, there is a problem in that the performance is deteriorated in a low humidity condition because the conductivity between the catalyst and the ionomer is low.

이를 해결하기 위해 본 발명의 발명자들은 촉매층 형성시 사용되는 촉매 잉크의 제조 과정에서 이오노머 및 용매의 혼합액에 흑연을 투입하고 고압 분산을 수행함으로써, 100층 이상의 다층(multilayer) 구조를 갖는 흑연을 50층 이하, 바람직하게는 단층(monolayer)의 그래핀(graphene)으로 변화시켰다. 이렇게 제조된 그래핀-이오노머 분산액을 기반으로 한 촉매 잉크를 전극 촉매층에 적용하였고, 그래핀의 높은 전도도 특성으로 인해 전극의 저항이 감소되어 궁극적으로는 저가습 조건에서 성능이 향상된 막-전극 접합체의 제조가 가능함을 밝혀내었다.In order to solve this problem, the inventors of the present invention added graphite to a mixed solution of ionomer and solvent in the process of preparing a catalyst ink used for forming a catalyst layer and high-pressure dispersion, thereby forming 50 layers of graphite having a multilayer structure of 100 or more layers. Hereinafter, it was preferably changed to graphene of a monolayer. A catalyst ink based on the thus-prepared graphene-ionomer dispersion was applied to the electrode catalyst layer, and the resistance of the electrode was reduced due to the high conductivity of graphene, which ultimately resulted in improved performance under low humidity conditions. It has been found that manufacturing is possible.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 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 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.In the present specification, when a member is said to be positioned 'on' another member, this includes not only a case in which a member is in contact with another member but also a case in which another member exists between the two members.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질 막으로 이동하기 위한 통로를 제공하는 역할을 할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the ionomer may serve to provide a path for ions generated by a reaction between a fuel such as hydrogen or methanol and a catalyst to move to the electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머의 중량평균분자량은 10,000g/mol 내지 1,000,000g/mol일 수 있다. In an exemplary embodiment of the present specification, the weight average molecular weight of the ionomer may be 10,000 g/mol to 1,000,000 g/mol.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머는 퍼플루오로설폰산(perfluorosulfonic acid: PFSA)계 고분자일 수 있다. 퍼플루오로설폰산계 고분자로는 예를 들면, E-21669A(3M社) 또는 D2021(Dupont 社)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the exemplary embodiment of the present specification, the ionomer may be a perfluorosulfonic acid (PFSA)-based polymer. The perfluorosulfonic acid-based polymer may be, for example, E-21669A (3M) or D2021 (Dupont), but is not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 다이프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 및 글리세롤 중 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 물과 1-프로판올을 함께 사용할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the solvent may be one or more selected from water, methanol, ethanol, butanol, n-propanol, isopropanol, n-butyl acetate, dipropylene glycol, ethylene glycol and glycerol, preferably Water and 1-propanol can be used together.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머의 함량은 상기 단계 1)의 혼합액 100wt%를 기준으로 0.5wt% 내지 10wt%일 수 있으며, 바람직하게는 1wt% 내지 5wt%일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the content of the ionomer may be 0.5 wt% to 10 wt%, preferably 1 wt% to 5 wt%, based on 100 wt% of the mixed solution of step 1).

이오노머의 함량이 상기 범위일 때, 이오노머가 촉매층을 과도하게 덮지 않아 촉매와 연료의 반응을 용이하게 하면서도, 촉매층 내에서의 이온 전달 통로가 제대로 형성되어 이온의 이동이 가장 원활할 수 있다.When the content of the ionomer is within the above range, the ionomer does not excessively cover the catalyst layer, thereby facilitating the reaction between the catalyst and the fuel, and the ion transport passage in the catalyst layer is properly formed so that the movement of ions may be the most smooth.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 단계 1)의 혼합은 이오노머를 용매에 넣고 12시간 이상 600rpm 내지 1,000rpm의 속도로 교반하는 과정을 통해 수행될 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the mixing of step 1) may be performed by putting the ionomer in a solvent and stirring at a speed of 600 rpm to 1,000 rpm for 12 hours or more.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 단계 2)의 분산 시 압력은 50bar 이상일 수 있으며, 바람직하게는 100bar 이상 1,500bar 이하, 더욱 바람직하게는 100bar 이상 500bar 이하일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the pressure during dispersion in step 2) may be 50 bar or more, preferably 100 bar or more and 1,500 bar or less, and more preferably 100 bar or more and 500 bar or less.

분산 시 압력이 50bar 미만이거나, 단순 교반에 의해 분산이 이루어질 경우, 흑연이 그래핀으로 충분히 전환되지 못하는 문제점이 있다. 흑연은 그래핀에 비해 전도도가 낮고 입자 크기가 크기 때문에 전도도 향상 및 물질전달 향상 효과를 얻기 어렵다. When the pressure during dispersion is less than 50 bar or when dispersion is made by simple stirring, there is a problem in that graphite is not sufficiently converted into graphene. Graphite has a lower conductivity and a larger particle size than graphene, so it is difficult to obtain the effect of improving conductivity and mass transfer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 흑연의 함량은 상기 2)의 분산액 100wt%를 기준으로 0.1wt% 내지 1wt%, 바람직하게는 0.2wt% 내지 0.8wt%일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the content of the graphite may be 0.1 wt% to 1 wt%, preferably 0.2 wt% to 0.8 wt%, based on 100 wt% of the dispersion of 2).

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매는 탄소 지지체의 표면에 금속이 담지된 것일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the catalyst may be a metal supported on the surface of the carbon support.

상기 탄소 지지체로는, 이에 한정되는 것은 아니나, 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다. The carbon support includes, but is not limited to, Graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, cathen black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, carbon nanowire, fullerene (C60) and super At least one selected from the group consisting of P may be used.

상기 금속으로는, 이에 한정되는 것은 아니나, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금/루테늄 합금, 백금/오스뮴 합금, 백금/팔라듐 합금, 백금/M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 또는 이들의 조합의 전이 금속), 또는 이들의 조합을 들 수 있다. Examples of the metal include, but are not limited to, platinum, ruthenium, osmium, platinum/ruthenium alloy, platinum/osmium alloy, platinum/palladium alloy, platinum/M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe , a transition metal of Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru, or a combination thereof), or a combination thereof.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매는 백금 담지 탄소(Pt/C) 또는 백금-루테늄 합금 담지 탄소(PtRu/C)일 수 있으며, 바람직하게는 백금 담지 탄소(Pt/C)일 수 있다. In an exemplary embodiment of the present specification, the catalyst may be platinum-supported carbon (Pt/C) or platinum-ruthenium alloy-supported carbon (PtRu/C), preferably platinum-supported carbon (Pt/C). .

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 흑연과 상기 촉매의 중량비는 1:99 내지 20:80일 수 있으며, 바람직하게는 1:99 내지 15:85일 수 있다. 흑연과 촉매의 중량비가 상기 범위 내에 있을 때 전극 내 전도도 향상 및 저가습 성능 향상효과가 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the weight ratio of the graphite and the catalyst may be 1:99 to 20:80, preferably 1:99 to 15:85. When the weight ratio of the graphite and the catalyst is within the above range, there is an effect of improving the conductivity in the electrode and improving the low-humidity performance.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머와 상기 촉매에 포함된 탄소의 중량비는 0.6:1 내지 1:1일 수 있으며, 바람직하게는 0.7:1 내지 0.9:1일 수 있다. In an exemplary embodiment of the present specification, the weight ratio of the ionomer and carbon included in the catalyst may be 0.6:1 to 1:1, preferably 0.7:1 to 0.9:1.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법은 상기 단계 2) 및 3) 사이에 상기 분산액을 5℃ 이하 로 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 분산액을 냉각함으로써 촉매가 발화하는 것을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.The method for preparing a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to an exemplary embodiment of the present specification may further include cooling the dispersion to 5° C. or less between steps 2) and 3). By cooling the dispersion, the effect of preventing the catalyst from igniting can be obtained.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법은 촉매 투입 후, 50bar 이상의 고압에서 분산하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이는 고압 분산기에서 1회 내지 10회 수행될 수 있다.The method for preparing a catalyst ink for forming a catalyst layer for a fuel cell electrode according to an exemplary embodiment of the present specification may further include the step of dispersing at a high pressure of 50 bar or more after the catalyst is added, which is to be performed 1 to 10 times in a high-pressure disperser. can

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크는 전술한 제조 방법에 따라 제조된 것이다.In an exemplary embodiment of the present specification, the catalyst ink for forming the fuel cell electrode catalyst layer is prepared according to the above-described manufacturing method.

본 명세서의 일 실시상태는 이오노머, 촉매 및 그래핀(graphene)을 포함하는 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크를 제공한다.An exemplary embodiment of the present specification provides a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer including an ionomer, a catalyst, and graphene.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 각 구성은 전술한 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법에 대한 설명을 인용할 수 있다.In the exemplary embodiment of the present specification, each configuration of the catalyst ink for forming a catalyst layer for a fuel cell electrode may refer to the description of the method for preparing the catalyst ink for forming a catalyst layer for an electrode catalyst layer for a fuel cell.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 그래핀은 단층 구조일 수 있다. 그래핀이 단층 구조일 때, 높은 전도성을 가질 수 있으며, 동일한 흑연 투입량을 기준으로, 전극에 더 작고 고르게 분포할 수 있기 때문에 연료전지 운전 시 반응물 전도성 및 확산성이 개선될 수 있다. In an exemplary embodiment of the present specification, the graphene may have a single-layer structure. When graphene has a single-layer structure, it may have high conductivity, and based on the same graphite input amount, it may be smaller and more evenly distributed on the electrode, so that the reactant conductivity and diffusivity may be improved during fuel cell operation.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머의 함량은 상기 촉매 잉크 100wt%를 기준으로 0.5wt% 내지 10wt%, 바람직하게는 1wt% 내지 5wt%일 수 있다. In an exemplary embodiment of the present specification, the content of the ionomer may be 0.5 wt% to 10 wt%, preferably 1 wt% to 5 wt%, based on 100 wt% of the catalyst ink.

이오노머의 함량이 상기 범위일 때, 이오노머가 촉매층을 과도하게 덮지 않아 촉매와 연료의 반응을 용이하게 하면서도, 촉매층 내에서의 이온 전달 통로가 제대로 형성되어 이온의 이동이 가장 원활할 수 있다.When the content of the ionomer is within the above range, the ionomer does not excessively cover the catalyst layer, thereby facilitating the reaction between the catalyst and the fuel, and the ion transport passage in the catalyst layer is properly formed so that the movement of ions may be the most smooth.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매의 함량은 상기 촉매 잉크 100wt%를 기준으로 1wt% 내지 20wt%, 바람직하게는 5wt% 내지 10wt%일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the content of the catalyst may be 1 wt% to 20 wt%, preferably 5 wt% to 10 wt%, based on 100 wt% of the catalyst ink.

촉매의 함량이 1wt% 이상이 되면 촉매 잉크의 점도가 너무 낮아지는 것을 방지하므로, 촉매층의 두께가 얇아 코팅을 수회 반복하게 되는 문제를 방지할 수 있다. 촉매의 함량이 20wt% 이하가 되면, 촉매 잉크의 점도가 너무 높아지는 것을 방지하므로, 촉매 입자의 분상성 저하 및 촉매층의 불균일한 형성을 방지할 수 있다.When the content of the catalyst is 1 wt% or more, the viscosity of the catalyst ink is prevented from being too low, and thus the problem of repeating the coating several times due to the thin thickness of the catalyst layer can be prevented. When the content of the catalyst is 20 wt% or less, it is possible to prevent the viscosity of the catalyst ink from becoming too high, thereby preventing the deterioration of the separation property of the catalyst particles and the non-uniform formation of the catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 그래핀의 함량은 상기 촉매 잉크 100wt%를 기준으로 0.1wt% 내지 1wt%일 수 있으며, 바람직하게는 0.2wt% 내지 0.8wt%일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, the content of graphene may be 0.1 wt% to 1 wt%, preferably 0.2 wt% to 0.8 wt%, based on 100 wt% of the catalyst ink.

그래핀의 함량이 0.1wt% 이상일 때 전극 내 전도도 향상을 통한 저가습 향상 효과가 있으며, 1wt% 이하일 때 반응물의 확산성 저하를 방지할 수 있다.When the content of graphene is 0.1wt% or more, there is an effect of improving the low humidity by improving the conductivity in the electrode, and when the content of graphene is 1wt% or less, it is possible to prevent a decrease in the diffusivity of the reactant.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매 잉크 중 이오노머, 촉매 및 그래핀을 제외한 나머지 잔부는 용매일 수 있다.In the exemplary embodiment of the present specification, the remainder of the catalyst ink other than the ionomer, the catalyst, and graphene may be a solvent.

본 명세서의 일 실시상태는 기체 확산층 상에 전술한 촉매 잉크의 경화물을 포함하는 연료전지용 전극 촉매층을 제공한다.An exemplary embodiment of the present specification provides an electrode catalyst layer for a fuel cell including a cured product of the catalyst ink described above on a gas diffusion layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매 잉크의 경화물은 도포된 촉매 잉크가 건조 과정을 거쳐 용매가 제거된 후 고체화된 상태를 의미한다.In the exemplary embodiment of the present specification, the cured product of the catalyst ink refers to a solid state after the applied catalyst ink is dried and the solvent is removed.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전극 촉매층은 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 예를 들면 상기 촉매 잉크를 기체 확산층 위에 도포 및 건조함으로써 형성할 수 있다. 이 때, 이오노머의 함량을 달리한 촉매 잉크를 차례로 도포 및 건조함으로써 복수의 촉매층을 형성할 수도 있다. In one embodiment of the present specification, the electrode catalyst layer may be prepared according to a conventional method known in the art, for example, may be formed by coating and drying the catalyst ink on the gas diffusion layer. In this case, a plurality of catalyst layers may be formed by sequentially applying and drying catalyst inks having different ionomer contents.

이 때, 상기 촉매 잉크를 기체확산층 위에 도포하는 방법으로는 프린팅(printing), 테이프 캐스팅(tape casting), 슬롯 다이 캐스팅(slot die casting), 분무(spray), 롤링(rolling), 블레이드 코팅(blade coating), 스핀 코팅(spin coating), 잉크젯 코팅(inkjet coating) 또는 브러싱(brushing) 등의 방법이 있으나, 이에 한정되지 않는다.At this time, as a method of applying the catalyst ink on the gas diffusion layer, printing, tape casting, slot die casting, spraying, rolling, and blade coating (blade). coating), spin coating, inkjet coating, or brushing, but is not limited thereto.

상기 기체확산층은 일반적으로 도전성 및 80% 이상의 다공도를 갖는 기재라면 특별한 제한이 없으며, 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 기재의 두께는 30 내지 500㎛일 수 있다. 상기 범위 내의 값이면 기계적 강도와 가스 및 물의 확산성과의 균형이 적절하게 제어될 수 있다. 상기 기체확산층은 상기 도전성 기재의 일면에 형성되는 미세 기공층을 더 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 미세 기공층은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다. 상기 미세 기공층은 촉매층에 존재하는 과잉 수분의 배출을 촉진시켜서 플러딩(flooding) 현상의 발생을 억제할 수 있다.The gas diffusion layer is generally not particularly limited as long as it is a substrate having conductivity and a porosity of 80% or more, and may include a conductive substrate selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, and carbon felt. The thickness of the substrate may be 30 to 500 μm. If the value is within the above range, the balance between mechanical strength and gas and water diffusivity can be appropriately controlled. The gas diffusion layer may be formed to further include a microporous layer formed on one surface of the conductive substrate, and the microporous layer may be formed to include a carbon-based material and a fluorine-based resin. The microporous layer may promote the discharge of excess moisture present in the catalyst layer, thereby suppressing the occurrence of a flooding phenomenon.

상기 탄소계 물질로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.Examples of the carbon-based material include graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, cashon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon nanoring, carbon nanowire, At least one selected from the group consisting of fullerene (C60) and super P may be used, but is not limited thereto.

상기 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP) 및 스티렌-부타디엔고무(SBR)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol, cellulose acetate, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), and styrene-butadiene rubber. (SBR) may be used at least one selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

상기 연료전지용 전극 촉매층을 포함하는 연료전지는 전술한 연료전지용 전극 촉매층을 포함하는 것을 제외하고는, 당 기술분야에 알려진 재료 및 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 도 4을 참조하면, 상기 연료전지는 스택(60), 연료공급부(80) 및 산화제공급부(70)를 포함하여 형성된다.The fuel cell including the electrode catalyst layer for a fuel cell may be formed using materials and methods known in the art, except for including the electrode catalyst layer for a fuel cell. Referring to FIG. 4 , the fuel cell is formed to include a stack 60 , a fuel supply unit 80 , and an oxidant supply unit 70 .

상기 스택(60)은 막-전극 접합체(MEA)를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.The stack 60 includes one or more membrane-electrode assemblies (MEAs). When two or more membrane-electrode assemblies are included, the stack 60 includes a separator interposed therebetween. It prevents the connection and transfers the fuel and oxidizer supplied from the outside to the membrane electrode assembly.

상기 연료 공급부(80)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The fuel supply unit 80 serves to supply fuel to the stack, and includes a fuel tank 81 for storing fuel and a pump 82 for supplying the fuel stored in the fuel tank 81 to the stack 60 . can be As the fuel, gas or liquid hydrogen or hydrocarbon fuel may be used, and examples of the hydrocarbon fuel include methanol, ethanol, propanol, butanol, or natural gas.

상기 산화제 공급부(70)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(82)로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidizing agent supply unit 70 serves to supply the oxidizing agent to the stack. Oxygen is typically used as the oxidizing agent, and oxygen or air may be injected into the pump 82 to be used.

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

<실시예 : 촉매 잉크의 제조><Example: Preparation of catalyst ink>

실시예 1.Example 1.

불소계 고분자인 이오노머(E-21669A, 3M社) 0.424g을 물 1g 및 1-프로판올 13g으로 구성된 용매에 넣고 800rpm에서 상온으로 밤새(overnight) 교반하였다. 그 다음, 5℃ 이하로 냉각한 후 흑연(C-therm002, Imerys社) 0.05g을 넣고 고압 분산기(200bar)에서 상온 조건으로 10회 분산하였다. 분산액을 5℃ 이하로 냉각한 후 Pt/C 촉매인 TEC10F50E (TKK社) 0.95g을 투입한 다음 다시 고압 분산기(200bar)에서 상온 조건으로 5회 분산하여 촉매 잉크를 제조하였다. 0.424 g of a fluorine-based polymer ionomer (E-21669A, 3M) was placed in a solvent composed of 1 g of water and 13 g of 1-propanol, and stirred at 800 rpm at room temperature overnight. Then, after cooling to 5° C. or less, 0.05 g of graphite (C-therm002, Imerys) was added and dispersed 10 times at room temperature in a high-pressure disperser (200 bar). After cooling the dispersion to 5° C. or less, 0.95 g of TEC10F50E (TKK), a Pt/C catalyst, was added, and then dispersed 5 times in a high-pressure disperser (200 bar) at room temperature to prepare a catalyst ink.

실시예 2.Example 2.

상기 실시예 1에서 흑연 투입량을 0.1g으로, 촉매 투입량을 0.9g으로 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일한 과정으로 촉매 잉크를 제조하였다.A catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1, except that the graphite input amount was changed to 0.1 g and the catalyst input amount was changed to 0.9 g in Example 1.

비교예 1.Comparative Example 1.

상기 실시예 1에서 흑연은 투입하지 않고, 촉매 투입량을 1g으로 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일한 과정으로 촉매 잉크를 제조하였다.A catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1, except that graphite was not added in Example 1 and the catalyst input amount was changed to 1 g.

비교예 2.Comparative Example 2.

불소계 고분자인 이오노머(E-21669A, 3M社) 0.424g을 물 1g 및 1-프로판올 13g으로 구성된 용매에 넣고 800rpm에서 상온 조건으로 밤새(overnight) 교반하였다. 그 다음, 흑연(C-therm002, Imerys社) 0.05g을 넣고 800rpm에서 상온 조건으로 밤새(overnight) 교반하였다. 분산액을 5℃ 이하로 냉각한 후 Pt/C 촉매인 TEC10F50E (TKK社) 0.95g을 투입한 다음 고압 분산기(200bar)에서 상온으로 5회 분산하여 촉매 잉크를 제조하였다.0.424 g of a fluorine-based polymer ionomer (E-21669A, 3M) was placed in a solvent composed of 1 g of water and 13 g of 1-propanol and stirred overnight at 800 rpm at room temperature. Then, 0.05 g of graphite (C-therm002, Imerys) was added and stirred overnight at 800 rpm at room temperature. After cooling the dispersion to 5° C. or less, 0.95 g of TEC10F50E (TKK), a Pt/C catalyst, was added, and then dispersed 5 times at room temperature in a high-pressure disperser (200 bar) to prepare a catalyst ink.

<실험예 : 막-전극 접합체의 성능 비교><Experimental Example: Comparison of performance of membrane-electrode assembly>

기체 확산층에 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조된 촉매잉크를 잉크젯 코팅법으로 도포한 후, 100℃에서 1시간 동안 건조하여 전극을 제조하였다. 실시예 1, 2 및 비교예 1의 촉매 잉크가 도포된 전극에 대하여 광학현미경으로 촬영한 전극 표면 사진을 도 1에 나타내었다. 도 1을 통해 그래핀이 첨가된 실시예 1 및 2의 전극 표면이 비교예 1의 전극 표면에 비해 크랙이 감소한 것을 확인할 수 있다.The catalyst inks prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were applied to the gas diffusion layer by an inkjet coating method, and then dried at 100° C. for 1 hour to prepare an electrode. 1 shows a photograph of the electrode surface taken with an optical microscope for the electrodes coated with the catalyst ink of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. As shown in FIG. 1, it can be seen that the electrode surfaces of Examples 1 and 2 to which graphene is added have reduced cracks compared to the electrode surface of Comparative Example 1.

제조된 전극을 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 고분자 전해질 막의 양 표면에 접합시켜 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였으며, 이 때 애노드 및 캐소드의 촉매 로딩량은 각각 0.3mg/cm2이었다.A membrane-electrode assembly (MEA) for a fuel cell was prepared by bonding the prepared electrode to both surfaces of the polymer electrolyte membrane with an anode electrode and a cathode electrode, and the catalyst loading amount of the anode and the cathode was 0.3 mg/cm 2 , respectively.

제조된 막-전극 접합체를 수소이온 교환막 연료전지의 단일 셀(single cell)에 조립하여, 단위전지 온도 70℃, 상대습도 32%, 유량의 화학양론(Stoichiometry)비는 애노드(수소):캐소드(공기)=1.5:2.0인 조건에서 성능을 평가하였다.The prepared membrane-electrode assembly was assembled in a single cell of a hydrogen ion exchange membrane fuel cell, and the unit cell temperature was 70°C, relative humidity was 32%, and the stoichiometry ratio of the flow rate was anode (hydrogen):cathode ( The performance was evaluated under the condition of air) = 1.5:2.0.

저전류에서 고전류로 100mA/cm2 간격으로 부하를 걸어주고 각 단계에 해당되는 전압 및 HFR(high frequency resistance)을 측정하여 그 결과를 도 2에 도시하였으며, Potentiostat 모드로 전극 저항을 측정하여 그 결과를 도 3에 도시하였다. A load was applied at intervals of 100mA/cm 2 from a low current to a high current, and the voltage and high frequency resistance (HFR) corresponding to each step were measured, and the results are shown in FIG. 2, and the electrode resistance was measured in the potentiostat mode. is shown in FIG. 3 .

도 2를 살펴보면, 촉매 잉크 제조 시 흑연을 투입한 비교예 2가 흑연을 투입하지 않은 비교예 1에 비해서는 상대습도 32%의 저가습 조건에서 성능이 개선되지만, 고압 분산을 통해 흑연을 그래핀으로 변환시킨 실시예 1 및 2에 비해서는 성능이 좋지 못함을 확인할 수 있다. 즉, 실시예 1 및 2는 그래핀 투입으로 인해 HFR이 감소하여 비교예 1 및 2에 비해 성능이 향상된 것이다.Referring to FIG. 2 , Comparative Example 2 in which graphite was added during the production of catalyst ink improved performance under a low humidity condition of 32% relative humidity compared to Comparative Example 1 in which graphite was not added, but graphite was mixed with graphene through high pressure dispersion It can be seen that the performance is not good compared to Examples 1 and 2 converted to . That is, in Examples 1 and 2, the HFR was reduced due to the graphene input, and thus, the performance was improved compared to Comparative Examples 1 and 2.

도 3을 살펴보면, 제조 과정에서 흑연을 사용하지 않은 비교예 1에서 가장 높은 저항이 측정되었고, 흑연 투입 후 단순 교반으로 분산 시킨 비교예 2의 경우, 흑연이 그래핀으로 전환되지 못하였기 때문에 실시예 1 및 2에 비해 훨씬 높은 저항값이 측정된 것을 확인할 수 있다. 반면 그래핀과 이오노머의 분산액을 기반으로 제조된 촉매 잉크를 사용한 실시예 1 및 2의 경우, 전극 저항이 45mOhm·cm2/mg 이하로 낮게 측정된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, the highest resistance was measured in Comparative Example 1 in which graphite was not used in the manufacturing process, and in Comparative Example 2, in which graphite was added and dispersed by simple stirring, the graphite was not converted to graphene in Example It can be seen that a much higher resistance value was measured compared to 1 and 2. On the other hand, in the case of Examples 1 and 2 using the catalyst ink prepared based on the dispersion of graphene and the ionomer, it can be seen that the electrode resistance was measured as low as 45 mOhm·cm 2 /mg or less.

60: 스택
70: 산화제공급부
80: 연료공급부
81: 연료탱크
82: 펌프
60: stack
70: oxidizing agent supply unit
80: fuel supply unit
81: fuel tank
82: pump

Claims (13)

1) 이오노머(ionomer) 및 용매를 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;
2) 상기 혼합액에 흑연을 투입한 후 50bar 이상의 고압에서 분산하여 분산액을 제조하는 단계; 및
3) 상기 분산액에 촉매를 투입하는 단계
를 포함하는 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법으로서, 상기 분산액은 그래핀을 포함하는 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법.
1) preparing a mixed solution by mixing an ionomer and a solvent;
2) preparing a dispersion by adding graphite to the mixed solution and then dispersing it at a high pressure of 50 bar or more; and
3) adding a catalyst to the dispersion
A method for producing a catalyst ink for forming a catalyst layer for a fuel cell electrode, comprising: the dispersion liquid comprising graphene.
청구항 1에 있어서, 상기 이오노머는 퍼플루오로설폰산(perfluorosulfonic acid: PFSA)계 고분자인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법.The method according to claim 1, wherein the ionomer is a perfluorosulfonic acid (PFSA)-based polymer. 청구항 1에 있어서, 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 다이프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 및 글리세롤 중 선택된 1종 이상인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법.The catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to claim 1, wherein the solvent is at least one selected from water, methanol, ethanol, butanol, n-propanol, isopropanol, n-butyl acetate, dipropylene glycol, ethylene glycol, and glycerol. manufacturing method. 청구항 1에 있어서, 상기 단계 2) 및 3) 사이에 상기 분산액을 5℃ 이하로 냉각하는 단계를 추가로 포함하는 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법.The method according to claim 1 , further comprising cooling the dispersion to 5° C. or less between steps 2) and 3). 청구항 1에 있어서, 상기 흑연과 상기 촉매의 중량비는 1:99 내지 20:80인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법.The method according to claim 1, wherein a weight ratio of the graphite to the catalyst is 1:99 to 20:80. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매는 탄소 지지체의 표면에 금속이 담지된 것이며, 상기 이오노머와 상기 탄소의 중량비는 0.6:1 내지 1:1인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법.The method according to claim 1, wherein the catalyst is a metal supported on the surface of a carbon support, and the weight ratio of the ionomer to the carbon is 0.6:1 to 1:1. 이오노머, 촉매 및 그래핀(graphene)을 포함하고, 청구항 1의 제조방법으로 제조된 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크. A catalyst ink for forming a catalyst layer for a fuel cell electrode comprising an ionomer, a catalyst, and graphene, and prepared by the method of claim 1 . 청구항 7에 있어서, 상기 그래핀은 단층(monolayer) 구조인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크. The catalyst ink according to claim 7, wherein the graphene has a monolayer structure. 청구항 7에 있어서, 상기 그래핀과 상기 촉매의 중량비는 1:99 내지 20:80인 것인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크.The catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to claim 7, wherein the weight ratio of the graphene and the catalyst is 1:99 to 20:80. 청구항 7에 있어서, 상기 그래핀의 함량은 상기 촉매 잉크 100wt%를 기준으로 0.1wt% 내지 1wt%인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크.The catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to claim 7, wherein the graphene content is 0.1 wt% to 1 wt% based on 100 wt% of the catalyst ink. 기체 확산층 상에 청구항 7 내지 10 중 어느 한 항에 따른 촉매 잉크의 경화물을 포함하는 연료전지용 전극 촉매층.An electrode catalyst layer for a fuel cell comprising a cured product of the catalyst ink according to any one of claims 7 to 10 on the gas diffusion layer. 청구항 11에 따른 전극 촉매층을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체.A membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the electrode catalyst layer according to claim 11 . 청구항 12에 따른 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 12 .
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