KR102487928B1 - Method of manufacturing multi-stage electrode slurry to improve dispersibility of additive ionomers in electrodes and electrodes for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제작 방법 및 고분자전해질 연료전지용 전극에 관한 것이다. 보다 상세하게는 전극내에서 나노입자 산화방지제의 열화방지 효과를 높이기 위하여 산화방지제와 이오노머의 전처리 단계를 추가하여 전극내에서 산화방지제의 분산도를 높이고 이오노머에 인접한 위치에 존재하도록 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a multi-step electrode slurry that improves dispersibility of additives and ionomers in an electrode and an electrode for a polymer electrolyte fuel cell. More specifically, in order to increase the anti-deterioration effect of the nanoparticle antioxidant in the electrode, a method of manufacturing the electrode to increase the dispersion of the antioxidant in the electrode and to exist adjacent to the ionomer by adding a pretreatment step of the antioxidant and the ionomer It is about.
일반적으로, 연료전지(Fuel Cell)는 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 것으로, 수소와 산소를 애노드(anode)와 캐소드(cathode)에 각각 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 발전 기술이다.In general, a fuel cell generates electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and continuously produces electricity by supplying hydrogen and oxygen to an anode and a cathode, respectively. It is a development technology.
연료전지는 전해질막의 양면에 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층이 구비된 막-전극 어셈블리(MEA)를 포함하고 있다. A fuel cell includes a membrane-electrode assembly (MEA) having an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer on both sides of an electrolyte membrane.
이러한 촉매층은 촉매 및 전도성 바인더 입자를 함유한 촉매 슬러리의 혼합 및 분산 과정을 거친 후, 촉매 슬러리를 기재 상에 도포하여 건조한 상태에서 전해질막에 전사함으로써 형성될 수 있다.Such a catalyst layer may be formed by mixing and dispersing a catalyst slurry containing a catalyst and conductive binder particles, applying the catalyst slurry on a substrate, and transferring the catalyst slurry to an electrolyte membrane in a dry state.
막-전극 어셈블리의 우수한 성능을 달성하기 위해서는 촉매 슬러리에 대한 혼합 및 분산성이 중요하다. 분산 공정 후에 코팅 단계를 거치게 되면, 이후 전해질막에 촉매층을 전사하는 단계와 함께 작용하여 촉매의 분포 및 기공 구조가 결정되며, 이에 따라 수소 이온, 전자 및 캐소드 층에서의 생성된 물이 배출되는 경로가 결정된다.Mixing and dispersibility of the catalyst slurry is important to achieve good performance of the membrane-electrode assembly. When the coating step is performed after the dispersion process, the distribution of the catalyst and the pore structure are determined by acting together with the step of transferring the catalyst layer to the electrolyte membrane, and accordingly, the path through which hydrogen ions, electrons, and water generated in the cathode layer are discharged. is determined
이러한 경로는 연료전지의 성능에 영향을 끼치게 된다.These pathways affect the performance of the fuel cell.
이에, 촉매 슬러리의 혼합 및 분산 상태가 균일하지 못하고, 촉매 및 전도성 바인더 입자의 응집 현상이 발생하는 경우, 연료전지의 성능을 향상시키기 어려우므로, 막-전극 어셈블리의 제조과정에서 이러한 문제점을 해결하고 적절한 혼합 및 분산상태를 유지시킨 촉매 슬러리를 제조하는 것이 중요하다.Therefore, when the mixing and dispersion of the catalyst slurry is not uniform and the catalyst and conductive binder particles agglomerate, it is difficult to improve the performance of the fuel cell. Therefore, in the manufacturing process of the membrane-electrode assembly, these problems are solved and It is important to prepare a catalyst slurry that maintains proper mixing and dispersion conditions.
연료전지용 전극에서 각 첨가제가 제기능을 발휘하기 위해 전극 내에서 첨가제가 목표하는 위치에 존재해야 한다.In order for each additive to function properly in a fuel cell electrode, the additive must be present at a target position in the electrode.
산화방지제, 역전압 방지제 및 전극기공형성 및 품질개선 첨가제를 전극의 구성물질과 동시에 혼합하게 되는 경우 각 성분이 필요한 최적 위치에 존재하지 않고, 무작위 위치에 존재하거나 각 성분의 균일한 분산이 이루어지지 않기 때문에 MEA내에서 오히려 저항의 요소로 작용하여 성능을 낮출 수 있다.When antioxidants, reverse voltage inhibitors, and electrode pore-forming and quality-improving additives are mixed with electrode components at the same time, each component does not exist in the optimal location required, but is present in a random location or uniform dispersion of each component is not achieved. Therefore, it may act as a resistance element in the MEA and lower the performance.
따라서 이러한 문제점을 해소할 수 있는 전극 슬러리 제조 방법에 대한 니즈가 높아지고 있는 실정이다.Therefore, there is an increasing need for an electrode slurry manufacturing method capable of solving these problems.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제작 방법 및 고분자전해질 연료전지용 전극을 제공하는 것이다.Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and the problem to be solved by the present invention is to provide a multi-step electrode slurry manufacturing method for improving the dispersibility of additives and ionomers in the electrode and an electrode for a polymer electrolyte fuel cell will be.
구체적으로 본 발명은 전극내에서 나노입자 산화방지제의 열화방지 효과를 높이기 위하여 산화방지제와 이오노머의 전처리 단계를 추가하여 전극내에서 산화방지제의 분산도를 높이고 이오노머에 인접한 위치에 존재하도록 전극을 제조하는 방법을 제안함으로써, 종래의 문제점을 해소하고자 한다.Specifically, the present invention is to increase the dispersion of the antioxidant in the electrode by adding a pretreatment step of the antioxidant and the ionomer in order to increase the anti-deterioration effect of the nanoparticle antioxidant in the electrode and to prepare an electrode to exist adjacent to the ionomer By proposing a method, it is intended to solve the conventional problems.
본 발명이 제안하는 방법에 의해 제작된 연료전지용 전극은 산화방지제의 함량을 최소화하면서 열화방지 효과를 높일 수 있고 MEA의 고전류 성능을 개선할 수 있다.The electrode for a fuel cell manufactured by the method proposed by the present invention can increase the deterioration prevention effect while minimizing the content of the antioxidant and improve the high current performance of the MEA.
또한, 본 발명에 따라 나노입자 산화방지제 외에도 나노크기의 산화성 물질 및 금속 소재를 적용하여 해당 공정을 적용하는 경우, 전극에서의 기공을 확보하여 고전류 영역에서 발생하는 물배출을 용이하게 할 수 있다.In addition, when the process is applied by applying a nano-sized oxidizing material and a metal material in addition to the nanoparticle antioxidant according to the present invention, it is possible to easily discharge water generated in a high current region by securing pores in the electrode.
본 발명에 따르면, 전극에서 산화방지제는 자유라디칼에 의한 이오노머의 열화를 방지하기 위한 목적으로 첨가하기 때문에, 이오노머와 인접한 위치에 배치하고자 한다.According to the present invention, since the antioxidant is added for the purpose of preventing deterioration of the ionomer by free radicals in the electrode, it is intended to be placed adjacent to the ionomer.
또한, 나노입자 산화방지제는 나노 크기의 입자이더라도 나노물질의 특성에 의해 수 um 이상으로 응집되어 존재하는데, 사전 분산공정을 통해 강한 물리적 힘을 가함으로써, 응집된 입자를 작은 입자로 쪼개어 산화방지제로 작용하는 활성면적을 늘리고자 한다.In addition, nanoparticle antioxidants, even if they are nano-sized particles, exist in agglomerates of several micrometers or more due to the characteristics of nanomaterials. We want to increase the active area.
또한, 산화방지제를 이오노머와 먼저 혼합하여 PFSA 불소계 이오노머의 Side chain의 -SO3 작용기와 결합시켜 슬러리 내에서 산화방지제의 재응집을 억제하고자 한다.In addition, the antioxidant is first mixed with the ionomer and combined with the -SO 3 functional group of the side chain of the PFSA fluorine-based ionomer to suppress reaggregation of the antioxidant in the slurry.
또한, 이오노머의 혼합이후 약한 물리적 분산을 진행하면 이오노머 폴리머의 자유도가 높아지고 Side Chain의 작용기의 전하로 인한 정전기적 반발력이 증가하여 슬러리에서 촉매 및 이오노머의 분산성을 향상시켜 MEA의 성능을 향상시키고자 한다.In addition, when weak physical dispersion is performed after mixing of the ionomer, the degree of freedom of the ionomer polymer increases and the electrostatic repulsive force due to the charge of the functional group of the side chain increases, thereby improving the dispersibility of the catalyst and ionomer in the slurry to improve the performance of MEA. do.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems not mentioned will be clear to those skilled in the art from the description below. You will be able to understand.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제조방법은, 산화방지제 및 분산용매를 혼합하는 제 1 단계; 상기 혼합물 상의 나노크기 산화방지제 입자를 세분화하고, 균일하게 분산시키기 위한 1차 분산을 수행하는 제 2 단계; 상기 1차 분산된 혼합물과 불소계 이오노머 용액을 혼합하는 제 3 단계; 상기 산화방지제 입자와 상기 이오노머의 상호작용을 통해 상기 산화방지제가 상기 이오노머와 인접한 위치 존재하도록 2차 분산을 수행하는 제 4 단계; 물과 혼합된 촉매와 상기 2차 분산된 혼합물을 혼합하여 슬러리를 제조하는 제 5 단계; 상기 슬러리를 코팅하는 제 6 단계; 및 상기 코팅된 슬러리에 열을 가하여 건조시킴으로써, 전극을 제작하는 제 7 단계;를 포함하고, 상기 제 2 단계는, 열화 방지 효율을 향상시키고, 상기 1차 분산 공정을 통한 물리적 힘에 의해 상기 산화방지제의 활성면적을 높이기 위해 수행되고, 상기 제 4 단계는, 상기 혼합물 상의 이오노머 고분자의 자유도를 높이기 위해 수행될 수 있다.A multi-step electrode slurry manufacturing method for improving the dispersibility of an additive and an ionomer in an electrode related to an embodiment of the present invention for realizing the above object includes a first step of mixing an antioxidant and a dispersion solvent; a second step of subdividing and uniformly dispersing the nano-sized antioxidant particles on the mixture; a third step of mixing the first dispersed mixture with a fluorine-based ionomer solution; a fourth step of performing secondary dispersion so that the antioxidant particles exist adjacent to the ionomer through interaction between the antioxidant particles and the ionomer; a fifth step of preparing a slurry by mixing the catalyst mixed with water and the secondary dispersed mixture; A sixth step of coating the slurry; and a seventh step of fabricating an electrode by applying heat to the coated slurry and drying it, wherein the second step improves anti-deterioration efficiency, and the oxidation by physical force through the primary dispersion process. It is performed to increase the active area of the inhibitor, and the fourth step may be performed to increase the degree of freedom of the ionomer polymer in the mixture.
또한, 상기 제 2 단계에서 상기 1차 분산은, 초음파 발생기, 상기 초음파 프로브, 호모게나이저 (homogenizer) 및 교반기 (agitator), 자력교반기 (Magnetic Stirrer) 중 적어도 하나를 통해 수행될 수 있다.In addition, the primary dispersion in the second step may be performed through at least one of an ultrasonic generator, the ultrasonic probe, a homogenizer and agitator, and a magnetic stirrer.
또한, 상기 제 4 단계에서 상기 2차 분산은, 초음파 발생기, 상기 초음파 프로브, 상기 호모게나이저 (homogenizer), 상기 교반기 (agitator), 자력교반기 (Magnetic Stirrer), 공자전 믹서 (planetary mixer) 중 적어도 하나를 통해 수행될 수 있다.In addition, in the fourth step, the secondary dispersion is carried out by at least one of the ultrasonic generator, the ultrasonic probe, the homogenizer, the agitator, the magnetic stirrer, and the planetary mixer. It can be done through one.
또한, 상기 2차 분산과 관련된 교반 속도와 초음파 세기는 상기 1차 분산과 관련된 교반 속도와 초음파 세기보다 낮고, 상기 2차 분산과 관련된 분산시간은 상기 1차 분산과 관련된 분산시간보다 짧을 수 있다.In addition, the stirring speed and ultrasonic intensity associated with the secondary dispersion may be lower than the stirring speed and ultrasonic intensity associated with the primary dispersion, and the dispersion time associated with the secondary dispersion may be shorter than the dispersion time associated with the primary dispersion.
또한, 상기 제 4 단계를 통해 상기 산화방지제 입자와 상기 이오노머를 먼저 혼합한 이후에, 상기 제 5 단계에서 슬러리를 제조하는 것을 통해, PFSA 불소계 이오노머의 곁사슬 (Side chain)의 -SO3 작용기와 결합하면서, 상기 슬러리 내에서 상기 산화방지제의 재응집이 억제될 수 있다.In addition, after first mixing the antioxidant particles and the ionomer in the fourth step, by preparing a slurry in the fifth step, the -SO 3 functional group of the side chain of the PFSA fluorine-based ionomer is bonded While doing so, re-agglomeration of the antioxidant in the slurry may be inhibited.
또한, 상기 이오노머의 혼합이후 상기 1차 분산보다 낮은 정도의 상기 2차 분산을 수행함으로써, 상기 이오노머 폴리머의 자유도가 높아지고, 곁사슬 (Side Chain)의 작용기의 전하로 인한 정전기적 반발력이 증가하여, 상기 슬러리에서 촉매 및 이오노머의 분산성을 향상시킴으로써, 상기 전극을 기초로 한 막-전극 접합체 (MEA)의 성능이 향상될 수 있다.In addition, by performing the secondary dispersion at a lower degree than the primary dispersion after mixing the ionomer, the degree of freedom of the ionomer polymer increases and the electrostatic repulsive force due to the charge of the functional group of the side chain increases, By improving the dispersibility of catalysts and ionomers in slurries, the performance of membrane-electrode assemblies (MEAs) based on these electrodes can be improved.
또한, 상기 제 1 단계에서 상기 산화방지제는, CeO2, CeZrO4, SnO2, TiO2 및 MnO2, MnCO3중 적어도 하나를 포함하고, 상기 분산 용매는, 물, 메탄올 (Methanol), 에탄올 (Ethanol), n-프로판올(n-Propyl alcohol), i-프로판올(i-Propyl alcohol), 부탄올 (Butanol) 및 에틸렌글리콜 (Ethylene glycol) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In addition, in the first step, the antioxidant includes at least one of CeO2, CeZrO4, SnO2, TiO2, MnO2, and MnCO3, and the dispersion solvent is water, methanol, ethanol, n-propanol (n-Propyl alcohol), i-Propanol (i-Propyl alcohol), butanol (Butanol), and ethylene glycol (Ethylene glycol) may include at least one.
또한, 상기 제 1 단계에서, 상기 산화방지제 이외 역전압 방지제, 전극기공형성 및 품질개선 첨가제 중 적어도 하나가 더 혼합될 수 있다.In addition, in the first step, at least one of a reverse voltage inhibitor, an electrode porosity forming additive, and a quality improvement additive may be further mixed in addition to the antioxidant.
또한, 상기 제 1 단계 이전에 상기 산화방지제의 분산 향상을 위해, 건조된 상기 산화방지제 분말을 막자사발과 막자 및/또는 글라인더를 기초로 미리 지정된 크기 이상의 입자를 분쇄하고, 체 (Sieve)를 이용하여 상기 미리 지정된 크기 이상의 입자를 걸러냄으로써, 상기 산화방지제 분말 크기를 균일화 할 수 있다.In addition, in order to improve the dispersion of the antioxidant before the first step, the dried antioxidant powder is pulverized into particles of a predetermined size or more based on a mortar and pestle and / or grinder, and sieve By filtering out particles of a predetermined size or larger using a, it is possible to uniformize the size of the antioxidant powder.
또한, 상기 제 5 단계에서 상기 촉매가 상기 분산 용매와 접촉 시 발화되므로, 이를 방지하기 위해 상기 물과 혼합된 촉매가 사용될 수 있다.In addition, since the catalyst is ignited when it comes into contact with the dispersion solvent in the fifth step, a catalyst mixed with water may be used to prevent this.
또한, 상기 제 5 단계에서 상기 슬러리의 제조는 초음파 발생기, 상기 초음파 프로브, 호모게나이저 (homogenizer) 및 교반기 (agitator), 자력교반기 (Magnetic Stirrer) 중 적어도 하나를 통해 수행될 수 있다.In the fifth step, the preparation of the slurry may be performed using at least one of an ultrasonic generator, an ultrasonic probe, a homogenizer and agitator, and a magnetic stirrer.
또한, 상기 제 6 단계에서 상기 슬러리의 코팅은, 스프레이 (spray), 바코터 (Bar Coater) 및 슬롯다이코터 (Slot Die Coater) 중 적어도 하나를 이용하여 수행될 수 있다.In addition, the coating of the slurry in the sixth step may be performed using at least one of a spray, a bar coater, and a slot die coater.
한편, 전술한 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 전극이 제공될 수 있다.Meanwhile, an electrode for a fuel cell manufactured by the above manufacturing method may be provided.
연료전지용 전극에서 각 첨가제가 제기능을 발휘하기 위해 전극 내에서 첨가제가 목표하는 위치에 존재해야 하는데, 종래에는 산화방지제, 역전압 방지제 및 전극기공형성 및 품질개선 첨가제를 전극의 구성물질과 동시에 혼합하게 되는 경우 각 성분이 필요한 최적 위치에 존재하지 않고, 무작위 위치에 존재하거나 각 성분의 균일한 분산이 이루어지지 않기 때문에 MEA내에서 오히려 저항의 요소로 작용하여 성능을 낮추는 문제점이 있었다.In order for each additive to function properly in the electrode for a fuel cell, the additive must be present at the target position within the electrode. Conventionally, antioxidants, anti-reverse voltage agents, and additives for electrode porosity and quality improvement are simultaneously mixed with the constituent materials of the electrode. In this case, since each component does not exist in the required optimal position, exists in a random position, or does not uniformly disperse each component, there is a problem of lowering performance by acting as a resistance element in the MEA.
따라서 본 발명은 고분자 전해질 연료전지용 전극 및 그 전극을 제조하는 방법을 사용자에 제공함으로써, 상기 문제점을 해소할 수 있다.Accordingly, the present invention can solve the above problems by providing a user with an electrode for a polymer electrolyte fuel cell and a method for manufacturing the electrode.
즉, 본 발명은 전극내에서 나노입자 산화방지제의 열화방지 효과를 높이기 위하여 산화방지제와 이오노머의 전처리 단계를 추가하여 전극내에서 산화방지제의 분산도를 높이고 이오노머에 인접한 위치에 존재하도록 전극을 제조하는 방법을 사용자에게 제공함으로써, 종래의 문제점을 해소할 수 있다.That is, the present invention adds a pretreatment step of the antioxidant and the ionomer in order to increase the anti-deterioration effect of the nanoparticle antioxidant in the electrode to increase the dispersion of the antioxidant in the electrode and prepare the electrode to exist adjacent to the ionomer By providing the method to the user, the conventional problems can be solved.
이렇게 제작된 연료전지용 전극은 산화방지제의 함량을 최소화하면서 열화방지 효과를 높일 수 있고 MEA의 고전류 성능을 개선하는 효과가 있다.The electrode for a fuel cell manufactured in this way can increase the deterioration prevention effect while minimizing the content of the antioxidant, and has an effect of improving the high current performance of the MEA.
또한, 나노입자 산화방지제 외에도 나노크기의 산화성 물질 및 금속 소재를 적용하여 해당 공정을 적용하는 경우 전극에서의 기공을 확보하여 고전류 영역에서 발생하는 물배출을 용이하게 하는 효과가 있다.In addition, when the process is applied by applying a nano-sized oxidizing material and a metal material in addition to the nanoparticle antioxidant, there is an effect of facilitating water discharge in a high current region by securing pores in the electrode.
또한, 나노입자 산화방지제는 나노 크기의 입자이더라도 나노물질의 특성에 의해 수 um 이상으로 응집되어 존재하는데, 사전 분산공정을 통해 강한 물리적 힘을 가하면 응집된 입자가 작은 입자로 쪼개지면서 산화방지제로 작용하는 활성면적이 늘어날 수 있다.In addition, even nano-sized particles, nanoparticle antioxidants exist in agglomerates of several micrometers or more due to the characteristics of nanomaterials. When strong physical force is applied through the pre-dispersion process, the agglomerated particles are broken into small particles and act as antioxidants. active area can be increased.
또한, 산화방지제를 이오노머와 먼저 혼합하면 PFSA 불소계 이오노머의 Side chain의 -SO3 작용기와 결합하면서 슬러리 내에서 산화방지제의 재응집을 억제할 수 있다.In addition, if the antioxidant is first mixed with the ionomer, re-aggregation of the antioxidant in the slurry can be suppressed while binding to the -SO 3 functional group of the side chain of the PFSA fluorine-based ionomer.
또한, 이오노머의 혼합이후 약한 초음파 분산을 진행하면 이오노머 폴리머의 자유도가 높아지고 Side Chain의 작용기의 전하로 인한 정전기적 반발력이 증가하여 슬러리에서 촉매 및 이오노머의 분산성을 향상시켜 MEA의 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, when weak ultrasonic dispersion is performed after mixing the ionomer, the degree of freedom of the ionomer polymer increases and the electrostatic repulsive force due to the charge of the functional group of the side chain increases, improving the dispersibility of the catalyst and ionomer in the slurry, thereby improving the performance of MEA. there is.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
도 1은 본 발명에 따른 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제작 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 방법에 추가적인 단계가 진행되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 전극 슬러리 제작 방법에 따른 전극 내 물질 위치 변화 모식도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 다단계 분산 공정을 통해 제작된 Slurry의 입도분석 (Particle Size Analysis, PSA)을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 다단계 분산 공정을 통한 Single Cell 성능 개선을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 OCV Holding 가속열화시험(AST) 전/후 전압변화를 나타낸 것이다.1 is a flow chart illustrating a multi-step electrode slurry manufacturing method for improving the dispersibility of additives and ionomers in an electrode according to the present invention.
2 and 3 are views for explaining that an additional step is performed in the method of FIG. 1 .
Figure 4 shows a schematic diagram of the material position change in the electrode according to the electrode slurry manufacturing method according to the present invention.
5 shows particle size analysis (PSA) of slurry produced through a multi-step dispersion process according to the present invention.
6 shows single cell performance improvement through a multi-step dispersion process according to the present invention.
7 shows voltage changes before and after OCV Holding accelerated deterioration test (AST) according to the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, since the description of the present invention is only an embodiment for structural or functional description, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, since the embodiment can be changed in various ways and can have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea. In addition, since the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only such effects, the scope of the present invention should not be construed as being limited thereto.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.The meaning of terms described in the present invention should be understood as follows.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.Terms such as "first" and "second" are used to distinguish one component from another, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element. It should be understood that when an element is referred to as “connected” to another element, it may be directly connected to the other element, but other elements may exist in the middle. On the other hand, when an element is referred to as being “directly connected” to another element, it should be understood that no intervening elements exist. Meanwhile, other expressions describing the relationship between components, such as “between” and “immediately between” or “adjacent to” and “directly adjacent to” should be interpreted similarly.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions should be understood to include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise, and terms such as “comprise” or “having” refer to a described feature, number, step, operation, component, part, or It should be understood that it is intended to indicate that a combination exists, and does not preclude the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless defined otherwise. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as consistent with meanings in the context of related art, and cannot be interpreted as having ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present invention.
전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제작 방법Method for manufacturing multi-step electrode slurry to improve dispersibility of additives and ionomers in electrodes
도 1은 본 발명에 따른 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제작 방법을 설명하는 순서도이다.1 is a flow chart illustrating a multi-step electrode slurry manufacturing method for improving the dispersibility of additives and ionomers in an electrode according to the present invention.
도 1을 참조하면, 가장 먼저, 산화방지제 및 분산용매를 혼합하는 단계 (S10)가 진행된다.Referring to Figure 1, first, the step (S10) of mixing the antioxidant and the dispersion solvent proceeds.
S10 단계에서, 산화방지제는, CeO2, CeZrO4, SnO2, TiO2, MnCO3및 MnO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In step S10, the antioxidant may include at least one of CeO2, CeZrO4, SnO2, TiO2, MnCO3, and MnO2.
S10 단계에서 분산 용매는, 물, 메탄올 (Methanol), 에탄올 (Ethanol), n-프로판올(n-Propyl alcohol), i-프로판올(i-Propyl alcohol), 부탄올 (Butanol) 및 에틸렌글리콜 (Ethylene glycol) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In step S10, the dispersion solvent is water, methanol, ethanol, n-propanol, i-Propyl alcohol, butanol and ethylene glycol may include at least one of them.
S10 단계에서, 산화방지제 이외 역전압 방지제, 전극기공형성 및 품질개선 첨가제 중 적어도 하나가 더 혼합될 수도 있다.In step S10, at least one of a reverse voltage inhibitor, an electrode pore forming additive, and a quality improvement additive may be further mixed in addition to the antioxidant.
이후, 혼합물 상의 나노크기 산화방지제 입자를 세분화하고, 균일하게 분산시키기 위한 1차 분산을 수행하는 단계 (S20)가 진행된다.Thereafter, a step (S20) of subdividing the nano-sized antioxidant particles on the mixture and performing primary dispersion to uniformly disperse them proceeds.
S20 단계는, 열화 방지 효율을 향상시키고, 상기 1차 분산 공정을 통한 물리적 힘에 의해 상기 산화방지제의 활성면적을 높이기 위해 수행된다.Step S20 is performed to improve the anti-deterioration efficiency and increase the active area of the antioxidant by physical force through the primary dispersion process.
S20 단계에서 1차 분산은, 초음파 발생기, 초음파 프로브, 호모게나이저 (homogenizer) 및 교반기 (agitator), 자력교반기 (Magnetic Stirrer) 중 적어도 하나를 통해 수행될 수 있다.In step S20, the primary dispersion may be performed through at least one of an ultrasonic generator, an ultrasonic probe, a homogenizer and an agitator, and a magnetic stirrer.
또한, 1차 분산된 혼합물과 불소계 이오노머 용액을 혼합하는 단계 (S30)가 진행된다.In addition, a step (S30) of mixing the first dispersed mixture and the fluorine-based ionomer solution is performed.
또한, 산화방지제 입자와 이오노머의 상호작용을 통해 산화방지제가 이오노머와 인접한 위치 존재하도록 2차 분산을 수행하는 단계 (S40)가 진행된다.In addition, a step (S40) of performing secondary dispersion so that the antioxidant particles exist adjacent to the ionomer through the interaction between the antioxidant particles and the ionomer is performed.
S40 단계는, 혼합물 상의 이오노머 고분자의 자유도를 높이기 위해 수행된다.Step S40 is performed to increase the degree of freedom of the ionomer polymer in the mixture.
S40 단계에서 2차 분산은, 초음파 발생기, 상기 초음파 프로브, 상기 호모게나이저 (homogenizer), 상기 교반기 (agitator), 공자전 믹서 (planetary mixer), 자력교반기 (Magnetic Stirrer)중 적어도 하나를 통해 수행될 수 있다.In step S40, the secondary dispersion is performed through at least one of an ultrasonic generator, the ultrasonic probe, the homogenizer, the agitator, a planetary mixer, and a magnetic stirrer. can
2차 분산과 관련된 교반 속도와 초음파 세기는 상기 1차 분산과 관련된 교반 속도와 초음파 세기보다 낮고, 2차 분산과 관련된 분산시간은 상기 1차 분산과 관련된 분산시간보다 짧을 수 있다.The stirring speed and ultrasonic intensity associated with the secondary dispersion may be lower than the stirring speed and ultrasonic intensity associated with the primary dispersion, and the dispersion time associated with the secondary dispersion may be shorter than the dispersion time associated with the primary dispersion.
이와 같이, 이오노머의 혼합이후 상기 1차 분산보다 낮은 정도의 상기 2차 분산을 수행함으로써, 이오노머 폴리머의 자유도가 높아지고, 곁사슬 (Side Chain)의 작용기의 전하로 인한 정전기적 반발력이 증가하여, 상기 슬러리에서 촉매 및 이오노머의 분산성을 향상시킴으로써, 상기 전극을 기초로한 막-전극 접합체 (MEA)의 성능이 향상될 수 있다.In this way, by performing the secondary dispersion at a lower degree than the primary dispersion after mixing the ionomer, the degree of freedom of the ionomer polymer increases and the electrostatic repulsive force due to the charge of the functional group of the side chain increases, resulting in the slurry By improving the dispersibility of the catalyst and ionomer in the membrane-electrode assembly (MEA) based on the electrode, the performance can be improved.
또한, 물과 혼합된 촉매와 상기 2차 분산된 혼합물을 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계 (S50)가 진행된다.In addition, a step (S50) of preparing a slurry by mixing the catalyst mixed with water and the secondary dispersed mixture is performed.
S40 단계를 통해 산화방지제 입자와 이오노머를 먼저 혼합한 이후에, S50 단계에서 슬러리를 제조하는 것을 통해, PFSA 불소계 이오노머의 곁사슬 (Side chain)의 -SO3 작용기와 결합하면서, 상기 슬러리 내에서 상기 산화방지제의 재응집이 억제될 수 있다.After first mixing the antioxidant particles and the ionomer through step S40, through preparing a slurry in step S50, while combining with the -SO 3 functional group of the side chain of the PFSA fluorine-based ionomer, the oxidation in the slurry Reagglomeration of the inhibitor can be inhibited.
S50 단계에서 상기 슬러리의 제조는 초음파 발생기, 상기 초음파 프로브, 호모게나이저 (homogenizer) 및 교반기 (agitator), 자력교반기 (Magnetic Stirrer) 중 적어도 하나를 통해 수행될 수 있다.In step S50, the preparation of the slurry may be performed through at least one of an ultrasonic generator, the ultrasonic probe, a homogenizer and agitator, and a magnetic stirrer.
또한, 슬러리를 코팅하는 단계 (S60) 및 코팅된 슬러리에 열을 가하여 건조시킴으로써, 전극을 제작하는 단계 (S70)가 진행된다.In addition, the step of coating the slurry (S60) and applying heat to the coated slurry to dry it, thereby proceeding with the step of manufacturing the electrode (S70).
S60 단계에서 상기 슬러리의 코팅은, 스프레이 (spray), 바코터 (Bar Coater) 및 슬롯다이코터 (Slot Die Coater) 중 적어도 하나를 이용하여 수행될 수 있다.In step S60, the coating of the slurry may be performed using at least one of a spray, a bar coater, and a slot die coater.
한편, 도 2 및 도 3은 도 1의 방법에 추가적인 단계가 진행되는 것을 설명하기 위한 도면이다.Meanwhile, FIGS. 2 and 3 are views for explaining that an additional step is performed in the method of FIG. 1 .
도 2를 참조하면, S10 단계 이전에 상기 산화방지제의 분산 향상을 위해, 건조된 상기 산화방지제 분말을 막자사발과 막자 및/또는 글라인더를 기초로 미리 지정된 크기 이상의 입자를 분쇄하고, 체 (Sieve)를 이용하여 상기 미리 지정된 크기 이상의 입자를 걸러 냄으로써, 상기 산화방지제 분말 크기를 균일화하는 단계 (S5)가 추가될 수 있다.Referring to FIG. 2, in order to improve the dispersion of the antioxidant before step S10, the dried antioxidant powder is pulverized into particles of a predetermined size or more based on a mortar and pestle and / or grinder, and a sieve ( A step (S5) of uniformizing the size of the antioxidant powder by filtering out particles having a predetermined size or more using a Sieve) may be added.
또한, 도 3을 참조하면, S50 단계 이전에, 촉매가 분산 용매와 접촉 시 발화되므로, 이를 방지하기 위해 물과 촉매가 혼합되는 S100 단계가 별도로 진행될 수 있다.In addition, referring to FIG. 3 , before step S50, since the catalyst is ignited upon contact with the dispersion solvent, step S100 in which water and catalyst are mixed may be separately performed to prevent this.
S100 단계는 S10 단계 내지 S40 단계 각각과 독립적으로 수행된다.Step S100 is performed independently of each step S10 to S40.
본 발명이 제안하는 단계를 간단히 정리하면 다음과 같다.The steps proposed by the present invention are briefly summarized as follows.
[S10 단계] 산화방지제 + 분산용매 혼합[Step S10] Antioxidant + dispersion solvent mixing
- 산화방지제: CeO2, CeZrO4, SnO2, TiO2, MnCO3, MnO2 등- Antioxidants: CeO2, CeZrO4, SnO2, TiO2, MnCO3, MnO2, etc.
- 산화방지제 외에도 역전압방지제 (역전압 방지제, 전극 품질 개선제, 성능 개선제 등)의 첨가제가 적용될 수 있음- In addition to antioxidants, additives such as reverse voltage inhibitors (reverse voltage inhibitors, electrode quality improvers, performance improvers, etc.) can be applied
- 산화방지제의 분산 향상을 위하여 용매와 혼합 전, 건조된 분말을 막자/막자사발, 글라인더 등을 이용하여 큰입자를 분쇄하고 Sieve를 이용하여 걸러내어 분말크기를 균일화할 수 있음- In order to improve the dispersion of antioxidants, before mixing with a solvent, the dried powder can be ground into large particles using a pestle/mortle bowl, grinder, etc., and filtered using a sieve to make the powder size uniform.
- 분산용매: 물, 알코올 (Methanol, Ethanol, n-Propyl alcohol, i-Propyl alcohol, Butanol, Ethylene glycol등) 단독 용매 또는 혼합용매 사용 - Dispersion solvent: water, alcohol (Methanol, Ethanol, n-Propyl alcohol, i-Propyl alcohol, Butanol, Ethylene glycol, etc.) single solvent or mixed solvent
[S20 단계] 1차 분산[Step S20] 1st dispersion
- 열화방지 효율 향상을 위한 나노크기 산화방지제 입자 세분화 및 균일 분산 목적- For the purpose of subdividing and uniformly dispersing nano-sized antioxidant particles to improve anti-deterioration efficiency
- 분산장비: 초음파 발생기, 초음파 프로브, 호모게나이저, 고압호모게나이저, 고속교반기, 자력교반기- Dispersing equipment: ultrasonic generator, ultrasonic probe, homogenizer, high-pressure homogenizer, high-speed stirrer, magnetic stirrer
[S30 단계] 불소계 이오노머 용액 혼합[Step S30] Fluorine-based ionomer solution mixing
[S40 단계] 2차 분산 [Step S40] Secondary dispersion
- 이오노머 고분자의 자유도를 높이고, 산화방지제 입자와 이오노머의 상호작용을 통해 산화방지제가 이오노머와 인접한 위치 존재하도록 하기위한 목적- The purpose of increasing the degree of freedom of the ionomer polymer and allowing the antioxidant to exist adjacent to the ionomer through the interaction between the antioxidant particles and the ionomer
- 분산장비: 초음파 발생기, 초음파 프로브, 호모게나이저, 고압호모게나이저, 고속교반기, 공자전 믹서, 자력교반기- Dispersing equipment: ultrasonic generator, ultrasonic probe, homogenizer, high-pressure homogenizer, high-speed stirrer, idling mixer, magnetic stirrer
- 2차 분산은 1차 분산대비 분산 강도가 낮음 (교반 속도 or 초음파세기 or 분산시간)- 2nd dispersion has lower dispersion intensity than 1st dispersion (stirring speed or ultrasonic intensity or dispersion time)
[별도의 독립적 단계 (S100)] 촉매 + 물 혼합 [Separate Independent Step (S100)] Catalyst + Water Mixing
- 촉매가 알코올 용매와 접촉 시 발화되므로 이를 방지하기 위해 촉매를 물로 적셔줌 (wetting)- The catalyst is ignited when it comes into contact with an alcohol solvent, so to prevent this, the catalyst is wetted with water (wetting)
[S50 단계] S100 촉매에 2차 분산된 용액을 혼합하여 슬러리 제조[Step S50] Prepare a slurry by mixing the second dispersed solution with the S100 catalyst
- 슬러리 혼합 방법: 초음파 발생기, 초음파 프로브, 호모게나이저, 고압호모게나이저, 고속교반기- Slurry mixing method: ultrasonic generator, ultrasonic probe, homogenizer, high-pressure homogenizer, high-speed stirrer
[S60 단계] 전극제조를 위한 슬러리 코팅 방법[Step S60] Slurry coating method for electrode manufacturing
- 스프레이, 바코터, 슬롯 다이코터 - Spray, bar coater, slot die coater
[S70 단계] 전극 제작[Step S70] Electrode production
- 코팅된 슬러리에 열을 가하여 건조시켜 전극 제작- Dry the coated slurry by applying heat to produce an electrode
실험 결과Experiment result
도 4는 전극 슬러리 제작 방법에 따른 전극 내 물질 위치 변화 모식도를 나타낸 것이다.Figure 4 shows a schematic diagram of the material position change in the electrode according to the electrode slurry manufacturing method.
도 4의 (a)는 기존 혼합 공정으로 제작된 전극을 나타낸 것이고, (b)는 본 발명에 따라 산화방지제, 이오노머 용액의 초음파 전처리과정을 추가하여 제작한 전극을 나타낸 것이다.4 (a) shows an electrode manufactured by an existing mixing process, and (b) shows an electrode manufactured by adding an ultrasonic pretreatment process of an antioxidant and an ionomer solution according to the present invention.
또한, 10은 나노입자 산화 방지제를 나타낸 것이고, 20은 Pt/C 촉매를 나타낸 것이며, 30은 PFSA 불소계 이오노머를 나타낸 것이다.In addition, 10 represents a nanoparticle antioxidant, 20 represents a Pt/C catalyst, and 30 represents a PFSA fluorine-based ionomer.
도 4의 (a)를 참조하면, 기존 방식의 경우, 이오노머 (30), 촉매 (20), 산화방지제 (10)의 분산도가 매우 낮고, 산화방지제 (10)가 응집되어 무작위 위치에 존재하는 것을 확인할 수 있다.Referring to (a) of FIG. 4, in the case of the conventional method, the dispersion of the ionomer 30, the catalyst 20, and the
이에 반해 본 발명에 따른 도 4의 (b)를 참조하면, 이오노머 (30)의 고분자의 자유도가 높아 보다 유연하고, 산화방지제 (10)가 분산되어 작은 크기로 이오노머 (30)에 인접한 위치에 존재함을 확인할 수 있다.On the other hand, referring to (b) of FIG. 4 according to the present invention, the degree of freedom of the polymer of the ionomer 30 is high, so it is more flexible, and the
또한, 이오노머 (30)의 분산에 의해 촉매 (20)의 분산도도 증가함을 확인할 수 있다.In addition, it can be confirmed that the degree of dispersion of the catalyst 20 is also increased by the dispersion of the ionomer 30.
다단계 분산 공정을 통해 제작한 전극의 입자 분산도 및 Single Cell 성능에 대해 도 5 및 도 6을 기초로 설명한다,The particle dispersion and single cell performance of the electrode manufactured through the multi-step dispersion process will be described based on FIGS. 5 and 6,
도 5는 본 발명에 따른 다단계 분산 공정을 통해 제작된 Slurry의 입도분석 (Particle Size Analysis, PSA)을 나타낸 것이다.5 shows particle size analysis (PSA) of slurry produced through a multi-step dispersion process according to the present invention.
도 5의 (b)는 Ref와 다단계 분산공정의 사이즈 및 %Tile을 나타낸 것이다.Figure 5 (b) shows the size and % Tile of the Ref and the multi-step dispersion process.
또한 도 5의 (a)는 Ref와 다단계 분산공정의 슬러리 (Slurry)의 입도분석의 결과를 도시한 것이다.In addition, (a) of FIG. 5 shows the results of the particle size analysis of Ref and the slurry of the multi-step dispersion process.
결과적으로 도 5의 (a)에 도시된 것과 같이, Slurry의 입자 크기가 감소 (D50 및 D90 감소)됨을 확인할 수 있다.As a result, as shown in (a) of FIG. 5, it can be confirmed that the particle size of the slurry is reduced (D50 and D90 are reduced).
또한, 도 6은 본 발명에 따른 다단계 분산 공정을 통한 Single Cell 성능 개선을 나타낸 것이다.6 shows single cell performance improvement through a multi-step dispersion process according to the present invention.
도 6을 참조하면, Ref와 다단계 분산공정을 비교한 것으로, 다단계 분산공정이 MEA 성능을 개선한 것에 대해 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, Ref and the multi-stage dispersion process are compared, and it can be confirmed that the multi-stage dispersion process improves the MEA performance.
즉, 동일 전압에서 고전류가 발생됨을 명확히 확인할 수 있다.That is, it can be clearly confirmed that a high current is generated at the same voltage.
다단계 분산 공정을 통해 제작한 전극의 가속열화시험 결과를 도 7을 통해 설명한다.The results of the accelerated deterioration test of the electrode manufactured through the multi-step dispersion process will be described with reference to FIG. 7 .
도 7은 OCV Holding 가속열화시험(AST) 전/후 전압변화를 나타낸 것이다.7 shows voltage changes before and after OCV Holding accelerated aging test (AST).
도 7을 참조하면, AST 평가 전/후 셀 전극의 변화가 도시된다.Referring to FIG. 7 , changes in cell electrodes before and after AST evaluation are shown.
이는 DOE's PEM Fuel Cell Testing Protocol 중 MEA Chemical Stability and Metrics 평가방법으로서, 전해질막 및 전극의 이오노머 열화를 평가하는 방법이다.This is a method for evaluating MEA Chemical Stability and Metrics among DOE's PEM Fuel Cell Testing Protocol, and is a method for evaluating ionomer deterioration of electrolyte membranes and electrodes.
도 7의 결과는 다음과 같은 조건에서 진행되었다.The results of FIG. 7 were conducted under the following conditions.
- 셀 온도 : 90℃- Cell temperature: 90℃
- 상대습도 : 캐소드 30%, 애노드 30%- Relative Humidity: Cathode 30%, Anode 30%
- 평가 조건 : OCV 유지- Evaluation condition: OCV maintenance
- 평가 시간 : 500시간- Evaluation time: 500 hours
상기 조건에서, 500시간 전/후의 셀 전압 변화를 비교한 것이 도 7이다.7 shows a comparison of cell voltage changes before and after 500 hours under the above conditions.
도 7을 참조하면, Ref와 본 발명에 따른 다단계 분산공정을 비교하였을 때, 이오노머 열화가 훨씬 적다는 것 (-18.6% VS -6.51%)을 명확하게 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be clearly seen that the ionomer degradation is much less (-18.6% VS -6.51%) compared to Ref and the multi-step dispersion process according to the present invention.
본 발명에 따른 효과Effect according to the present invention
연료전지용 전극에서 각 첨가제가 제기능을 발휘하기 위해 전극 내에서 첨가제가 목표하는 위치에 존재해야 하는데, 종래에는 산화방지제, 역전압 방지제 및 전극기공형성 및 품질개선 첨가제를 전극의 구성물질과 동시에 혼합하게 되는 경우 각 성분이 필요한 최적 위치에 존재하지 않고, 무작위 위치에 존재하거나 각 성분의 균일한 분산이 이루어지지 않기 때문에 MEA내에서 오히려 저항의 요소로 작용하여 성능을 낮추는 문제점이 있었다.In order for each additive to function properly in the electrode for a fuel cell, the additive must be present at the target position within the electrode. Conventionally, antioxidants, anti-reverse voltage agents, and additives for electrode porosity and quality improvement are simultaneously mixed with the constituent materials of the electrode. In this case, since each component does not exist in the required optimal position, exists in a random position, or does not uniformly disperse each component, there is a problem of lowering performance by acting as a resistance element in the MEA.
본 발명은 전술한 고분자 전해질 연료전지용 전극 및 그 전극을 제조하는 방법을 사용자에 제공함으로써, 상기 문제점을 해소할 수 있다.The present invention can solve the above problems by providing a user with an electrode for a polymer electrolyte fuel cell and a method for manufacturing the electrode.
즉, 본 발명은 전극내에서 나노입자 산화방지제의 열화방지 효과를 높이기 위하여 산화방지제와 이오노머의 전처리 단계를 추가하여 전극내에서 산화방지제의 분산도를 높이고 이오노머에 인접한 위치에 존재하도록 전극을 제조하는 방법을 사용자에게 제공함으로써, 종래의 문제점을 해소할 수 있다.That is, the present invention adds a pretreatment step of the antioxidant and the ionomer in order to increase the anti-deterioration effect of the nanoparticle antioxidant in the electrode to increase the dispersion of the antioxidant in the electrode and prepare the electrode to exist adjacent to the ionomer By providing the method to the user, the conventional problems can be solved.
이렇게 제작된 연료전지용 전극은 산화방지제의 함량을 최소화하면서 열화방지 효과를 높일 수 있고 MEA의 고전류 성능을 개선하는 효과가 있다.The electrode for a fuel cell manufactured in this way can increase the deterioration prevention effect while minimizing the content of the antioxidant, and has an effect of improving the high current performance of the MEA.
또한, 나노입자 산화방지제 외에도 나노크기의 산화성 물질 및 금속 소재를 적용하여 해당 공정을 적용하는 경우 전극에서의 기공을 확보하여 고전류 영역에서 발생하는 물배출을 용이하게 하는 효과가 있다.In addition, when the process is applied by applying a nano-sized oxidizing material and a metal material in addition to the nanoparticle antioxidant, there is an effect of facilitating water discharge in a high current region by securing pores in the electrode.
또한, 나노입자 산화방지제는 나노 크기의 입자이더라도 나노물질의 특성에 의해 수 um 이상으로 응집되어 존재하는데, 사전 분산공정을 통해 강한 물리적 힘을 가하면 응집된 입자가 작은 입자로 쪼개지면서 산화방지제로 작용하는 활성면적이 늘어날 수 있다.In addition, even nano-sized particles, nanoparticle antioxidants exist in agglomerates of several micrometers or more due to the characteristics of nanomaterials. When strong physical force is applied through the pre-dispersion process, the agglomerated particles are broken into small particles and act as antioxidants. active area can be increased.
또한, 산화방지제를 이오노머와 먼저 혼합하면 PFSA 불소계 이오노머의 Side chain의 -SO3 작용기와 결합하면서 슬러리 내에서 산화방지제의 재응집을 억제할 수 있다.In addition, if the antioxidant is first mixed with the ionomer, re-aggregation of the antioxidant in the slurry can be suppressed while binding to the -SO 3 functional group of the side chain of the PFSA fluorine-based ionomer.
또한, 이오노머의 혼합이후 약한 물리적 분산을 진행하면 이오노머 폴리머의 자유도가 높아지고 Side Chain의 작용기의 전하로 인한 정전기적 반발력이 증가하여 슬러리에서 촉매 및 이오노머의 분산성을 향상시켜 MEA의 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, if weak physical dispersion is performed after mixing of the ionomer, the degree of freedom of the ionomer polymer increases and the electrostatic repulsive force due to the charge of the functional group of the side chain increases, thereby improving the dispersibility of the catalyst and ionomer in the slurry, thereby improving the performance of MEA. there is.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
또한, 상기와 같이 설명된 시스템 및 그 제어방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the above-described system and its control method are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each of the embodiments is optional so that various modifications can be made. It may be configured in combination with.
Claims (13)
상기 혼합물 상의 나노크기 산화방지제 입자를 세분화하고, 균일하게 분산시키기 위한 1차 분산을 수행하는 제 2 단계;
상기 1차 분산된 혼합물과 불소계 이오노머 용액을 혼합하는 제 3 단계;
상기 산화방지제 입자와 상기 이오노머의 상호작용을 통해 상기 산화방지제가 상기 이오노머와 인접한 위치 존재하도록 2차 분산을 수행하는 제 4 단계;
물과 혼합된 촉매와 상기 2차 분산된 혼합물을 혼합하여 슬러리를 제조하는 제 5 단계;
상기 슬러리를 코팅하는 제 6 단계; 및
상기 코팅된 슬러리에 열을 가하여 건조시킴으로써, 전극을 제작하는 제 7 단계;를 포함하고,
상기 제 2 단계는, 열화 방지 효율을 향상시키고, 상기 1차 분산 공정을 통한 물리적 힘에 의해 상기 산화방지제의 활성면적을 높이기 위해 수행되고,
상기 제 4 단계는, 상기 혼합물 상의 이오노머 고분자의 자유도를 높이기 위해 수행되며,
상기 2차 분산과 관련된 교반 속도와 초음파 세기는 상기 1차 분산과 관련된 교반 속도와 초음파 세기보다 낮고,
상기 2차 분산과 관련된 분산시간은 상기 1차 분산과 관련된 분산시간보다 짧으며,
상기 제 4 단계를 통해 상기 산화방지제 입자와 상기 이오노머를 먼저 혼합한 이후에, 상기 제 5 단계에서 슬러리를 제조하는 것을 통해,
PFSA 불소계 이오노머의 곁사슬 (Side chain)의 -SO3 작용기와 결합하면서, 상기 슬러리 내에서 상기 산화방지제의 재응집이 억제되고,
상기 이오노머의 혼합이후 상기 1차 분산보다 낮은 정도의 상기 2차 분산을 수행함으로써,
상기 이오노머 폴리머의 자유도가 높아지고, 곁사슬 (Side Chain)의 작용기의 전하로 인한 정전기적 반발력이 증가하여, 상기 슬러리에서 촉매 및 이오노머의 분산성을 향상시킴으로써, 상기 전극을 기초로한 막-전극 접합체 (MEA)의 성능이 향상되고,
상기 제 1 단계에서
상기 산화방지제는,
중 적어도 하나를 포함하고,
상기 분산 용매는, 물, 메탄올 (Methanol), 에탄올 (Ethanol), n-프로판올(n-Propyl alcohol), i-프로판올(i-Propyl alcohol), 부탄올 (Butanol) 및 에틸렌글리콜 (Ethylene glycol) 중 적어도 하나를 포함하는 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제조방법.
A first step of mixing an antioxidant and a dispersion solvent;
a second step of subdividing and uniformly dispersing the nano-sized antioxidant particles on the mixture;
a third step of mixing the first dispersed mixture with a fluorine-based ionomer solution;
a fourth step of performing secondary dispersion so that the antioxidant particles exist adjacent to the ionomer through interaction between the antioxidant particles and the ionomer;
a fifth step of preparing a slurry by mixing the catalyst mixed with water and the secondary dispersed mixture;
A sixth step of coating the slurry; and
A seventh step of manufacturing an electrode by applying heat to the coated slurry and drying it;
The second step is performed to improve the anti-deterioration efficiency and increase the active area of the antioxidant by physical force through the primary dispersion process,
The fourth step is performed to increase the degree of freedom of the ionomer polymer in the mixture,
The stirring speed and ultrasonic intensity related to the secondary dispersion are lower than the stirring speed and ultrasonic intensity related to the primary dispersion,
The dispersion time associated with the secondary dispersion is shorter than the dispersion time associated with the primary dispersion,
After first mixing the antioxidant particles and the ionomer through the fourth step, through preparing a slurry in the fifth step,
While binding to the -SO 3 functional group of the side chain of the PFSA fluorine-based ionomer, reaggregation of the antioxidant in the slurry is suppressed,
By performing the secondary dispersion to a lower degree than the primary dispersion after mixing the ionomer,
The degree of freedom of the ionomer polymer increases and the electrostatic repulsive force due to the charge of the functional group of the side chain increases, thereby improving the dispersibility of the catalyst and the ionomer in the slurry, thereby a membrane-electrode assembly based on the electrode ( MEA) performance is improved,
In the first step above
The antioxidant,
includes at least one of
The dispersion solvent is at least one of water, methanol, ethanol, n-propanol, i-propanol, butanol, and ethylene glycol. A multi-step electrode slurry manufacturing method for improving the dispersibility of additives and ionomers in an electrode comprising one.
상기 제 2 단계에서 상기 1차 분산은,
초음파 발생기, 초음파 프로브, 호모게나이저 (homogenizer) 및 교반기 (agitator) 중 적어도 하나를 통해 수행되는 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제조방법.
According to claim 1,
In the second step, the first dispersion,
A multi-step electrode slurry manufacturing method for improving the dispersibility of additives and ionomers in an electrode performed through at least one of an ultrasonic generator, an ultrasonic probe, a homogenizer, and an agitator.
상기 제 4 단계에서 상기 2차 분산은,
초음파 발생기, 초음파 프로브, 호모게나이저 (homogenizer), 교반기 (agitator), 공가전 믹서 (planetary mixer), 자력교반기 (Magnetic Stirrer) 중 적어도 하나를 통해 수행되는 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제조방법.
According to claim 2,
In the fourth step, the secondary dispersion,
Improving the dispersibility of additives and ionomers in electrodes performed through at least one of an ultrasonic generator, an ultrasonic probe, a homogenizer, an agitator, a planetary mixer, and a magnetic stirrer Multi-step electrode slurry manufacturing method.
상기 제 1 단계에서, 상기 산화방지제 이외 역전압 방지제, 전극기공형성 및 품질개선 첨가제 중 적어도 하나가 더 혼합되는 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제조방법.
According to claim 3,
In the first step, a multi-step electrode slurry manufacturing method for improving the dispersibility of an additive and an ionomer in an electrode in which at least one of a reverse voltage inhibitor, an electrode pore forming and quality improving additive is further mixed in addition to the antioxidant.
상기 제 1 단계 이전에 상기 산화방지제의 분산 향상을 위해,
건조된 상기 산화방지제 분말을 막자사발과 막자 및/또는 글라인더를 기초로 미리 지정된 크기 이상의 입자를 분쇄하고, 체 (Sieve)를 이용하여 상기 미리 지정된 크기 이상의 입자를 걸러냄으로써, 상기 산화방지제 분말 크기를 균일화하는 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제조방법.
According to claim 8,
In order to improve the dispersion of the antioxidant before the first step,
The dried antioxidant powder is pulverized into particles of a predetermined size or larger based on a mortar and pestle and/or a grinder, and sieving particles of a predetermined size or larger using a sieve to obtain the antioxidant powder. A multi-step electrode slurry manufacturing method that improves the dispersibility of additives and ionomers in an electrode that uniformizes the size.
상기 제 5 단계에서
상기 촉매가 상기 분산 용매와 접촉 시 발화되므로, 이를 방지하기 위해 상기 물과 혼합된 촉매가 사용되는 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제조방법.According to claim 9,
In the 5th step above
Since the catalyst is ignited when in contact with the dispersion solvent, a multi-step electrode slurry manufacturing method for improving the dispersibility of additives and ionomers in an electrode in which the catalyst mixed with the water is used to prevent this.
상기 제 5 단계에서 상기 슬러리의 제조는
초음파 발생기, 초음파 프로브, 호모게나이저 (homogenizer) 및 교반기 (agitator), 자력교반기 (Magnetic Stirrer) 중 적어도 하나를 통해 수행되는 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제조방법.
According to claim 10,
In the fifth step, the preparation of the slurry is
A multi-step electrode slurry manufacturing method for improving the dispersibility of additives and ionomers in an electrode performed through at least one of an ultrasonic generator, an ultrasonic probe, a homogenizer and an agitator, and a magnetic stirrer.
상기 제 6 단계에서 상기 슬러리의 코팅은,
스프레이 (spray), 바코터 (Bar Coater) 및 슬롯다이코터 (Slot Die Coater) 중 적어도 하나를 이용하여 수행되는 전극 내 첨가제 및 이오노머의 분산성을 개선하는 다단계 전극 슬러리 제조방법.According to claim 11,
In the sixth step, the coating of the slurry,
A multi-step electrode slurry manufacturing method for improving the dispersibility of additives and ionomers in an electrode performed using at least one of a spray, a bar coater, and a slot die coater.
Priority Applications (3)
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