KR20000046472A - Method for manufacturing slurry for forming catalytic layers of proton exchange membrane(pem) fuel cell, and method for manufacturing pem fuel cell using the slurry manufacturing method, and pem fuel cell produced by the manufacturing method. - Google Patents

Method for manufacturing slurry for forming catalytic layers of proton exchange membrane(pem) fuel cell, and method for manufacturing pem fuel cell using the slurry manufacturing method, and pem fuel cell produced by the manufacturing method. Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing slurry and PEM fuel cell is provided to enhance efficiency of platinum catalyst and to increase an amount of loading platinum into electrodes by only one coating. CONSTITUTION: An Emulsion is produced by mixing PTFE powder and carbon powder within water or volatile solvent having a low melting point in order to disperse PTFE powder having hydrophobic characteristics onto a carbon powder surface. Dry PTFE/C produced by volatilizing the solvent from the emulsion is sintered above 350°C in a volatile environment. Slurry for forming catalytic layer of PEM fuel cell is produced by the PTFE/C powder with PFSI solution and Pt/C at a ambient temperature.

Description

수소이온교환막 (PEM) 연료전지의 촉매층 형성용 슬러리의 제조방법, 이를 이용한 PEM 연료전지의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조되는 PEM 연료전지Method for producing slurry for forming catalyst layer of hydrogen ion exchange membrane (PEM) fuel cell, method for manufacturing PEM fuel cell using same and PEM fuel cell manufactured by this method

본 발명은 수소이온교환막 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공정성, 특히 공정 안정성이 개선된 수소이온교환막 연료전지의 촉매층 형성용 슬러리의 제조방법 및 이를 이용하여 수소이온교환막 연료전지를 제조하는 방법과 이 방법에 따라 제조되어 출력특성이 향상된 수소이온교환막 연료전지에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hydrogen ion exchange membrane fuel cell, and more particularly, to a method for preparing a slurry for forming a catalyst layer of a hydrogen ion exchange membrane fuel cell having improved processability, in particular, process stability, and a method of manufacturing a hydrogen ion exchange membrane fuel cell using the same. And a hydrogen ion exchange membrane fuel cell manufactured according to this method and having improved output characteristics.

수소이온교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell:PEM Fuel cell)는 화석 에너지를 대체할 수 있는 미래의 청정 에너지원으로서, 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높다. 또한 상온에서 작동가능하고, 소형화 및 밀폐화가 가능하므로 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동 통신 장비, 의료 기기, 군사용 장비, 우주 사업용 장비 등에 사용될 수 있어서 그 응용 분야가 매우 다양하다.Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM Fuel Cell) is a future clean energy source that can replace fossil energy and has high output density and energy conversion efficiency. In addition, since it can operate at room temperature, and can be miniaturized and encapsulated, it can be used in pollution-free automobiles, household power generation systems, mobile communication equipment, medical devices, military equipment, space business equipment, and the like, and its application fields are very diverse.

수소이온교환막 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응으로부터 직류의 전기를 생산해내는 발전 시스템으로서, 그 기본 구조가 도 1에 도시되어 있다.The hydrogen ion exchange membrane fuel cell is a power generation system that generates direct current electricity from an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and its basic structure is shown in FIG.

도 1에서, 일반적인 수소이온교환막 연료전지는 애노드(11)와 캐소드(12) 사이에 수소 이온교환막(13)이 개재되어 있는 구조로 되어 있는데, 수소이온교환막은 두께가 50-200㎛ 이며 고체폴리머 전해질로 되어 있다. 수소이온교환막 연료전지에서 애노드(11)와 캐소드(12)는 모두 연료가스의 공급을 위한 지지층 (backing layer: 도시하지 않음)과 연료가스의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층으로 되어 있는 가스확산전극 (이하, 애노드와 캐소드를 총칭하는 경우에는 "가스확산전극"이라 함) 으로 이루어져 있다.In FIG. 1, a typical hydrogen ion exchange membrane fuel cell has a structure in which a hydrogen ion exchange membrane 13 is interposed between an anode 11 and a cathode 12, and the hydrogen ion exchange membrane has a thickness of 50-200 μm and a solid polymer. It is made of electrolyte. In the hydrogen ion exchange membrane fuel cell, the anode 11 and the cathode 12 both have a backing layer (not shown) for supplying fuel gas and a gas diffusion electrode having a catalyst layer in which an oxidation / reduction reaction of the fuel gas occurs ( Hereinafter, the anode and the cathode are collectively referred to as " gas diffusion electrode ".

이러한 수소이온교환막 연료전지에서 일어나는 산화/환원 반응은 하기 반응식 1 및 2로 표시된다.The oxidation / reduction reaction occurring in such a hydrogen ion exchange membrane fuel cell is represented by the following reaction schemes 1 and 2.

즉, 가스확산전극의 애노드(11)에서는 반응식 1과 같은 산화반응이 일어나, 수소분자가 수소이온과 전자로 전환된다. 수소이온은 수소이온교환막(13)을 거쳐 캐소드(12)로 전달된다.That is, in the anode 11 of the gas diffusion electrode, an oxidation reaction as in Scheme 1 occurs, and hydrogen molecules are converted into hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions are transferred to the cathode 12 via the hydrogen ion exchange membrane 13.

캐소드(12)에서는 반응식 2에서와 같은 환원반응이 일어난다. 즉, 산소분자가 전자를 받아 산소이온으로 전환되며, 산소이온은 애노드(11)로부터의 수소이온과 반응하여 물분자로 전환된다.The cathode 12 undergoes the same reduction reaction as in Scheme 2. That is, the oxygen molecule receives electrons and is converted into oxygen ions, and the oxygen ions react with hydrogen ions from the anode 11 to be converted into water molecules.

온은 애노드(11)로부터의 수소이온과 반응하여 물분자로 전환된다.The on is reacted with hydrogen ions from the anode 11 and converted into water molecules.

PEM 연료전지의 가스확산전극에서 촉매층은 지지층 위에 형성되어 있는데, 지지층은 탄소천 또는 탄소 종이로 이루어져 있고, 지지층은 반응가스와 수소이온교환막에 전달되는 물 및 반응 결과 생성되는 물이 통과하기 용이하도록 일반적으로 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene: PTFE라 칭함)등을 이용하여 표면처리되어 있다.In the gas diffusion electrode of the PEM fuel cell, the catalyst layer is formed on the support layer. The support layer is made of carbon cloth or carbon paper, and the support layer allows the water to be transferred to the reaction gas and the hydrogen ion exchange membrane and the water generated as a result of the reaction. Generally, surface treatment is performed using polytetrafluoroethylene (called PTFE).

촉매층은 주로 백금이 코팅된 탄소분말(platinized carbon: Pt/C)과 결합제인 PTFE로 되어 있다. 탄소분말은 유입된 연료의 반응영역(reaction site)을 넓히는 역할을 하고, 백금은 반응가스, 즉 수소 및 산소의 산화/환원 반응에서 촉매로 작용한다. 촉매층을 형성하기 위한 종래의 방법으로서는, 분말 형태의 Pt/C와 PTFE 결합제를 동시에 혼합하여 촉매층을 제조한후 열처리를 통해 촉매층에 하이드로포빅 층(hydrophobic layer)을 형성시키고 그후 아이오노머 용액을 함침시키는 방법을 사용하였다.The catalyst layer is mainly composed of platinum-coated carbon powder (Pt / C) and PTFE as a binder. The carbon powder serves to widen the reaction site of the introduced fuel, and platinum acts as a catalyst in the oxidation / reduction reaction of the reaction gas, that is, hydrogen and oxygen. In the conventional method for forming the catalyst layer, a powder layer of Pt / C and a PTFE binder are mixed at the same time to prepare a catalyst layer, and then a hydrophobic layer is formed on the catalyst layer through heat treatment, and then the ionomer solution is impregnated. Method was used.

그러나 이와같은 방법을 사용하는 경우에는 촉매반응을 일으키는 백금의 표면에 PTFE가 코팅됨으로써 촉매층내의 Pt가 PTFE에 의해 덮혀져 활용율이 저하될 염려가 있고, 1회 코팅만으로는 촉매의 로딩양이 불충분하여 코팅을 2회 반복함으로써 공정이 번거롭게 되는 문제가 있다.However, when using this method, PTFE is coated on the surface of the platinum that causes the catalytic reaction, so that Pt in the catalyst layer is covered by PTFE, which may lower the utilization rate. Only one coating alone is insufficient to load the catalyst. There is a problem that the process is cumbersome by repeating twice.

또한 상기 최종 함침에 사용되는 아이오노머 용액은 코팅이 필요한 백금표면 이외에 PTFE표면에 불필요하게 코팅이 되어 이또한 효율적이지 못하였다.In addition, the ionomer solution used for the final impregnation was unnecessarily coated on the PTFE surface in addition to the platinum surface requiring the coating, which was not efficient.

미국특허 5,234,777호에는 Pt/C를 퍼플루오로술포네이트 아이오노머 (이하 PFSI라 칭함)와 혼합한 다음 수산화나트륨 용액을 첨가하여 Na+ 이온으로 치환된 PFSI 폴리머를 함유하는 잉크형태의 혼합물을 제조하고, 이 혼합물을 Na+ 형태로 치환된 고체폴리머 전해질의 표면상에 직접 코팅하거나 또는 판상의 이형재상에 코팅하여 박막을 형성한 후, 이 박막을 고체폴리머 전해질막의 표면상으로 열간압착 (hot pressing) 방법으로 전사 (transfer)하고, 이어서, 경화 (curing) 단계를 거쳐 수소이온교환막을 제조하는 방법이 개시되어 있는데, 공정이 비교적 복잡하고, 상기 경화단계 후에 Na+형의 PFSI 전극/고체 폴리머 전해질막 접합체를 프로톤형의 PFSI로 전환시키기 위한 프로톤화 단계를 실시해야 하며 더욱이 통상 상품으로서 입수가능한 나피온 (Nafion, 듀퐁사 제조) 용액은 그 주성분인 퍼플루오로카본 폴리머, 및 그 아날로그 화합물들 외에도 다량의 저비중 알콜을 포함하고 있어서, PEM 연료전지의 제조과정에서 알콜로 인해 점도조절의 어려움등 여러 가지 문제가 발생되는데, 현재까지는 이와 같은 문제를 해결하기 위한 적합한 기술이 개발되어 있지 않은 실정이다.U.S. Patent 5,234,777 discloses a mixture in ink form containing PFSI polymer substituted with Na + ions by mixing Pt / C with a perfluorosulfonate ionomer (hereinafter referred to as PFSI) and then adding sodium hydroxide solution, The mixture is coated directly on the surface of the solid polymer electrolyte substituted in Na + form or coated on a plate-shaped release material to form a thin film, which is then hot pressed onto the surface of the solid polymer electrolyte membrane. A method of producing a hydrogen ion exchange membrane by transfer and then through a curing step is disclosed, wherein the process is relatively complicated, and after the curing step, the Na + type PFSI electrode / solid polymer electrolyte membrane assembly is subjected to protons. A protonation step to convert to PFSI of the type, and moreover, for Nafion (manufactured by Dupont), which is usually available as a commodity The liquid contains a large amount of low specific alcohol in addition to its main component, perfluorocarbon polymer, and its analog compounds, which causes various problems such as difficulty in controlling viscosity due to alcohol during the manufacturing of PEM fuel cells. Until now, no suitable technology has been developed to solve such problems.

이와같은 이유로 일정 수준이상의 출력밀도를 갖는 촉매전극을 제조하기 위해서 종래방법을 사용하는 경우에는 백금촉매 및 아이노머의 첨가량이 많아지게 되고 이는 촉매 이용율면에서 단점으로 작용하여 최종적으로 제작된 스택의 경우 완성품의 무게,부피, 가격등을 증가시키는 요인이 되어왔다.For this reason, when the conventional method is used to manufacture a catalyst electrode having a power density of a certain level or more, the amount of platinum catalyst and ionomer added increases, which is a disadvantage in terms of catalyst utilization, resulting in a final stack. It has been a factor in increasing the weight, volume and price of finished products.

본발명의 목적은 백금 촉매효율을 증가시켜 1회 코팅으로도 전극내 Pt 로딩량이 소정 수준 이상으로 높은 촉매층 형성용 슬러리의 제조방법을 제공하는 것이다,An object of the present invention is to provide a method for producing a slurry for forming a catalyst layer having a high Pt loading amount in the electrode even after a single coating by increasing the platinum catalyst efficiency,

본 발명의 다른 목적은 알콜로 인한 문제가 발생되지 않으며, 촉매의 이용률을 증가시킬 뿐만아니라 공정이 복잡하지 않은 PEM 연료전지의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a PEM fuel cell, which does not cause a problem due to alcohol, increases the utilization of the catalyst, and does not have a complicated process.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 목적은 촉매의 이용률이 개선된 PEM 연료전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a PEM fuel cell with improved utilization of the catalyst.

도 1은 일반적인 수소이온 교환막 연료전지에 대한 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a typical hydrogen ion exchange membrane fuel cell.

도 2는 본발명의 일실시예의 방법에 따라 제조된 PTFE/카본 가스확산촉매층의 미세구조에 대한 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram of the microstructure of the PTFE / carbon gas diffusion catalyst layer prepared according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예의 방법 (a) 및 종래의 방법 (b)에 따라 제조된 전극/전해질 접합체에 대한 폴라리제이션 특성을 측정하여 나타낸 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the measurement of the polarization characteristics of the electrode / electrolyte assembly prepared according to the method (a) and the conventional method (b) of one embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일실시예의 방법 (a) 및 종래의 방법 (b)에 따라 제조된 전극/전해질 접합체에 대한 출력특성을 측정하여 나타낸 그래프이다Figure 4 is a graph showing the measurement of the output characteristics of the electrode / electrolyte assembly prepared according to the method (a) and the conventional method (b) of one embodiment of the present invention

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명* Brief description of symbols for the main parts of the drawing

11. 애노드 12. 캐소드11.Anode 12.Cathode

13. 수소이온교환막 14. Pt 촉매입자13. Hydrogen ion exchange membrane 14. Pt catalyst particles

15.Pt/C 분말입자 16. 탄소분말입자15.Pt/C Powder Particles 16.Carbon Powder Particles

17. PFSI 고분자 18. PTFE17.PFSI Polymer 18.PTFE

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본발명에서는In the present invention to achieve the above technical problem

PEM 연료전지의 촉매층 형성용 슬러리의 제조방법에 있어서,In the method for producing a slurry for forming a catalyst layer of a PEM fuel cell,

a) 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)분말과 탄소분말을 물 또는 저비점의 휘발성 용매에 혼합하여 에멀젼을 제조하는 단계;a) preparing an emulsion by mixing polytetrafluoroethylene (PTFE) powder and carbon powder in water or a low boiling volatile solvent;

b) 상기 에멀젼의 용매를 휘발시켜 탄소분말 표면상에 PTFE가 분산되어 있는 PTFE/C 분말을 형성하여 불활성 분위기에서 소결하는 단계; 및,b) volatilizing the solvent of the emulsion to form PTFE / C powder containing PTFE dispersed on the surface of the carbon powder and sintering in an inert atmosphere; And,

c) 소결된 PTFE/C와 Pt/C 및 퍼플루오로술포네이트 아이오노머 (PFSI)를 혼합하여 촉매층 형성용 슬러리를 제조하는 방법이 제공된다.c) A method of preparing a slurry for forming a catalyst layer by mixing sintered PTFE / C with Pt / C and perfluorosulfonate ionomer (PFSI) is provided.

상기 a) 단계에서 상기 저비점의 휘발성 용매로는 비점이 15~25℃ 정도로 상온에 가까운 용매가 이용될 수 있으며, 그 예로는 이소프로필알콜, 아세톤, 플루오로트리클로로메탄 등이 포함된다.As the low boiling point volatile solvent in step a), a solvent having a boiling point close to room temperature of about 15 to 25 ° C. may be used, and examples thereof include isopropyl alcohol, acetone, and fluorotrichloromethane.

a) 단계에서 PTFE와 탄소의 사용량은 중량비로 1:4 내지 2:3 범위에서 사용하는 것이 좋다.The amount of PTFE and carbon used in step a) is preferably in the range of 1: 4 to 2: 3 by weight.

상기 c) 단계에서 PTFE/C, Pt/C의 혼합비율은 3:10 내지 10:3의 범위에서 조절하고, 형성되는 슬러리에 존재하는 슬러리중 PTFE:Pt:C 사이의 중량비율은 15~30%: 15~30%:40~70%가 되도록 조절하는 것이 바람직하며, 20:20:60으로 조절하는 것이 더욱 바람직하다.In step c), the mixing ratio of PTFE / C and Pt / C is adjusted in the range of 3:10 to 10: 3, and the weight ratio between PTFE: Pt: C in the slurry present in the slurry to be formed is 15 to 30. It is preferable to adjust so that it may be%: 15-30%: 40-70%, and it is more preferable to adjust to 20:20:60.

한편, 상기 c) 단계에서, PFSI 아이오노머의 첨가량은 상기 Pt/C와 PTFE/C의 합계량에 대해 PFSI 폴리머의 중량으로서 15 내지 35중량%로 조절하는 것이 바람직하며, 특히 Pt/C:PFSI=2:1의 비율이 되도록 조절하는 것이 더욱 바람직하다.On the other hand, in the step c), the amount of PFSI ionomer added is preferably adjusted to 15 to 35% by weight as the weight of the PFSI polymer relative to the total amount of Pt / C and PTFE / C, in particular Pt / C: PFSI = More preferably, the ratio is 2: 1.

또한 상기 제2의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에서는In addition, in order to achieve the second technical problem in the present invention

PEM 연료전지의 제조방법에 있어서,In the method of manufacturing a PEM fuel cell,

a) 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)분말과 탄소분말을 물 또는 저비점의 휘발성 용매에 혼합하여 에멀젼을 제조하는 단계;a) preparing an emulsion by mixing polytetrafluoroethylene (PTFE) powder and carbon powder in water or a low boiling volatile solvent;

b) 상기 에멀젼의 용매를 휘발시켜 탄소분말 표면상에 PTFE가 분산되어 있는 PTFE/C 분말을 형성하여 불활성 분위기에서 소결하는 단계;b) volatilizing the solvent of the emulsion to form PTFE / C powder containing PTFE dispersed on the surface of the carbon powder and sintering in an inert atmosphere;

c) PFSI 용액에 MOH 수용액(M은 알칼리 금속으로 Li, Na, K)을 첨가하여 용액내의 PFSI를 M+형으로 전환시키는 단계;c) converting PFSI in solution to M + form by adding MOH aqueous solution (M is Li, Na, K as alkali metal) to PFSI solution;

d) PFSI 용액에 함유되어 있는 알콜보다 비점이 높은 극성 유기용매를 상기 c) 단계에서 얻은 용액에 첨가한 다음 알콜의 비점 내지 비점+20℃에서 가열하여 잔류 알콜을 제거하여 전처리된 PFSI 용액을 얻는 단계;d) a polar organic solvent having a higher boiling point than the alcohol contained in the PFSI solution is added to the solution obtained in step c), and then heated at the boiling point or boiling point of the alcohol to + 20 ° C. to remove residual alcohol to obtain a pretreated PFSI solution. step;

e) 상기 전처리된 PFSI 용액과 Pt/C 및 상기 b) 단계의 전처리된 PTFE/C를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계;e) mixing the pretreated PFSI solution with Pt / C and the pretreated PTFE / C of step b) to form a slurry;

f) 가스확산전극의 지지층상의 일면에 상기 슬러리를 코팅하는 단계;f) coating the slurry on one surface of the support layer of the gas diffusion electrode;

g) 상기 f) 단계의 결과물을 상기 극성 유기용매의 비점 이하의 온도에서 건조시킨 다음 산성 용액에 담지한 후 세척, 건조하여, 지지체상에 프로톤화 처리된 촉매층이 적층된 가스확산전극 (애노드 및 캐소드)을 형성하는 단계; 및g) the resultant of step f) is dried at a temperature below the boiling point of the polar organic solvent, and then immersed in an acidic solution, washed, and dried, and a gas diffusion electrode (anode and Forming a cathode); And

h) 상기 애노드와 캐소드 사이에 수소이온교환막을 개재시켜 열간압착하는 단계를 포함하는 PEM 연료전지의 제조방법이 제공된다.h) there is provided a method of manufacturing a PEM fuel cell comprising the step of hot pressing through a hydrogen ion exchange membrane between the anode and the cathode.

상기 d) 단계에서 극성 유기용매는 PFSI 용액내 잔류알콜보다 비점이 높은 디메틸설폭사이드, N,N-디메틸포름아미드, 에틸렌글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물인 것이 바람직하며, 그 첨가량은 상기 d) 단계에서 얻어지는 전처리된 PFSI 용액에 대해 80 내지 98중량%가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.In step d), the polar organic solvent is preferably at least one compound selected from the group consisting of dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide and ethylene glycol having a higher boiling point than residual alcohol in the PFSI solution, and the amount of the organic solvent is It is preferable to adjust the amount to 80 to 98% by weight based on the pretreated PFSI solution obtained in step d).

상기 e) 단계에서 전처리된 PFSI의 첨가량은 상기 PTFE/C와 Pt/C의 합계량에 대한 PFSI의 폴리머의 함량으로서 15 내지 35중량%가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.The addition amount of the PFSI pretreated in the step e) is preferably adjusted to 15 to 35% by weight as the polymer content of the PFSI to the total amount of the PTFE / C and Pt / C.

상기 e)단계에서 얻은 슬러리 혼합물의 점도는 1000cp이상이므로 f)단계에서의 테이프캐스팅에 적합하다.Since the viscosity of the slurry mixture obtained in step e) is 1000 cps or more, it is suitable for tape casting in step f).

상기 f) 단계에서 전극 지지층으로는 카본 페이퍼 또는 카본로딩된 카본 클로드가 바람직하며, 전극 지지층은 PTFE로 코팅되어 사용될 수 있다.The electrode support layer in step f) is preferably carbon paper or carbon loaded carbon clad, and the electrode support layer may be coated with PTFE.

상기 f)단계에서의 코팅은 닥터 블레이드법, 분사방법, 스크린 프린팅법 또는 부러싱방법으로 실시하는 것이 바람직하다.The coating in step f) is preferably performed by a doctor blade method, an injection method, a screen printing method or a brushing method.

상기 g) 단계의 산성용액은 전극내 촉매층에 수소이온전도성을 부여할 수 있는 작용을 하는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 특히 그 농도는 1 몰이하를 선택하는 것이 바람직하다.The acidic solution of step g) is not particularly limited as long as it serves to impart hydrogen ion conductivity to the catalyst layer in the electrode, but in particular, the concentration is preferably 1 mol or less.

상기 h) 단계의 열간압착은 100 내지 135℃에서 실시하는 것이 바람직하다.Hot pressing of the step h) is preferably carried out at 100 to 135 ℃.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 방법에 의해 제조된 PEM 연료전지에 의해 달성된다.Another object of the present invention is achieved by a PEM fuel cell manufactured by the above method.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 원리에 대해 먼저 설명하고자 한다.Hereinafter, the principle of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 방법에 따라 제조된 PEM 연료전지의 촉매층의 미세구조에 대한 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram of the microstructure of the catalyst layer of the PEM fuel cell prepared according to the method of the present invention.

도 2에서 참조번호 14, 15, 16, 17 및 18은 각각 Pt 촉매 입자, Pt/C 분말 입자, 탄소분말 입자, PFSI 고분자 및 PTFE를 나타낸다. 본 발명에서는, 소수성인 PTFE 파우더를 미리 전처리공정을 통해 탄소분말에 분산시켜 PTFE/C를 제조한후 이를 나머지 촉매층 구성물질인 Pt/C 및 PFSI와 혼합하여 촉매층을 제조함으로써 백금 촉매가 PTFE에 의해 덮여져 이용율이 저하되는 현상을 크게 줄일 수 있는데, 이러한 본 발명의 원리가 도 2에 잘 나타나 있다. 또한, PFSI용액내 잔류 알콜을 제거하고 극성 유기용매로 치환함으로써, 점도가 높은 촉매층 슬러리의 제조가 가능해지며, 극성 유기 용매는 방수처리된 전극지지체내로 침투하지 못하므로 코팅시 슬러리의 점도가 일정하게 유지되어 테이프 캐스팅에 의한 연속 생산도 가능하고 알콜로 인한 문제도 해결할 수 있게 된다.In FIG. 2, reference numerals 14, 15, 16, 17 and 18 represent Pt catalyst particles, Pt / C powder particles, carbon powder particles, PFSI polymer and PTFE, respectively. In the present invention, the hydrophobic PTFE powder is dispersed in a carbon powder through a pretreatment process to prepare PTFE / C and then mixed with the remaining catalyst layer constituents Pt / C and PFSI to prepare a catalyst layer by the platinum catalyst by PTFE It is possible to greatly reduce the phenomenon that the coverage is lowered, the principle of the present invention is well shown in FIG. In addition, by removing residual alcohol in the PFSI solution and substituting it with a polar organic solvent, it is possible to prepare a slurry having a high viscosity, and since the polar organic solvent does not penetrate into the waterproof electrode support, the viscosity of the slurry is constant during coating. This ensures continuous production by tape casting and solves problems with alcohol.

이하, 본발명에 따른 PTFE 전처리 과정과 PEM 연료전지의 제조방법에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다 먼저, PTFE의 전처리 방법은 다음과 같다.Hereinafter, a PTFE pretreatment process and a method for manufacturing a PEM fuel cell according to the present invention will be described in detail. First, a pretreatment method of PTFE is as follows.

하이드로포빅한 특성을 갖는 PTFE 분말을 탄소분말 표면에 분산시켜 주기 위해 물 또는 저비점의 휘발성 용매에 PTFE파우더와 탄소 파우더를 혼합하여 에멀젼을 제조한다. 이때 휘발성 용매는 비점이 상온, 바람직하기로는 15-25℃ 범위인 것이 좋다. 이와같은 저비점의 휘발성 용매로는 이소프로필알콜, 아세톤, 플루오로트리클로로메탄등이 사용될수 있다. 이때 PTFE와 탄소의 사용량은 중량비로 1:4 내지 2:3 범위로 사용하면 좋다. PTFE의 총사용량은 PFSI를 제외한 촉매층 형성용 슬러리의 고형물 총량에 대해 20중량%가 되도록 하는 것이 바람직하다.In order to disperse the PTFE powder having hydrophobic properties on the surface of the carbon powder, an emulsion is prepared by mixing PTFE powder and carbon powder in water or a low boiling volatile solvent. At this time, the volatile solvent has a boiling point at room temperature, preferably 15-25 ° C. As such a low boiling volatile solvent, isopropyl alcohol, acetone, fluorotrichloromethane and the like can be used. In this case, the amount of PTFE and carbon may be used in a range of 1: 4 to 2: 3 by weight. The total amount of PTFE used is preferably 20% by weight based on the total amount of solids in the catalyst layer forming slurry except PFSI.

PTFE가 탄소 표면으로 고르게 분산되도록 하기위해 에멀젼이 보관된 용기를 개봉한 상태에서 초음파에 의한 진동을 주어 분산도를 높여주면서 용매를 휘발시켜 건조된 PTFE/C 분말을 제조한다.In order to disperse the PTFE evenly to the carbon surface, the solvent is volatilized while ultrasonically vibrated while the container in which the emulsion is stored is opened to increase the degree of dispersion, thereby preparing dried PTFE / C powder.

건조된 혼합분말을 불활성 분위기중에서 350℃이상으로 소결함으로써 탄소분말에 PTFE가 균일하게 스며들도록 한후 균일한 입자크기를 위해 소결된 혼합분말에 시빙(sieving)을 해준다.The dried mixed powder is sintered to 350 ° C. or above in an inert atmosphere to allow PTFE to be uniformly infiltrated into the carbon powder, and then sieving to the sintered mixed powder for uniform particle size.

소결후 균일한 입자를 얻기 위해서는 기계적인 힘을 이용하는 밀링공정(milling)을 진행하고 이러한 밀링공정은 PTFE가 섬유화되는 것을 방지하기 위해 액체질소를 사용한 용기안에서 진행한다.In order to obtain uniform particles after sintering, a milling process using mechanical force is performed, and the milling process is performed in a container using liquid nitrogen to prevent PTFE from being fibrous.

이어서, 이렇게 만들어진 PTFE/C를 이용하여 PEM 연료전지를 제조한다. 이 과정에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.Subsequently, a PEM fuel cell is manufactured using the PTFE / C thus produced. This process is described in detail as follows.

한편, 본발명은 촉매층을 구성하는 퍼플루오로술포네이트 아이오노머인 액상 나피온용액에 잔류하는 알콜성분을 제거하므로써 촉매층의 슬러리 점도를 조절하여 촉매의 이용효율을 향상시키는 것이다.On the other hand, the present invention is to improve the utilization efficiency of the catalyst by adjusting the slurry viscosity of the catalyst layer by removing the alcohol component remaining in the liquid Nafion solution that is the perfluorosulfonate ionomer constituting the catalyst layer.

PFSI용액에 수산화 MOH(M:Li, Na, K)수용액을 첨가하여 용액내의 PFSI를 M+형으로 전환시킨후, PFSI 용액에 함유되어 있는 알콜보다 비점이 높은 극성 유기용매를 M+형으로 전환된 PFSI 용액에 첨가한 다음 상기 알콜의 비점 내지 비점+20℃에서 가열하여 잔류 알콜을 제거하여 전처리된 PFSI 용액을 얻는다. 이때, 극성 유기용매는 디메틸설폭사이드, N,N-디메틸포름아미드, 에틸렌글리콜로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물인 것이 바람직하다.The PFSI solution was converted to M + type by adding hydroxide MOH (M: Li, Na, K) solution to the PFSI solution, and then converting the organic solvent having a higher boiling point than the alcohol contained in the PFSI solution to M + type. It is added to the solution and then heated at the boiling point to the boiling point of the alcohol + 20 ° C. to remove residual alcohol to obtain a pretreated PFSI solution. At this time, the polar organic solvent is preferably at least one compound selected from the group consisting of dimethyl sulfoxide, N, N-dimethylformamide, ethylene glycol.

상기 전처리한 PTFE/C 분말, 상기 전처리된 PFSI 용액을 Pt/C와 상온에서 혼합하여 촉매층 형성용 슬러리를 형성한다. 이때 혼합을 용이하게 하기위해 상온에서 휘발성 좋은 용매를 첨가하여 슬러리를 형성하고 혼합공정중 휘발하는 정도에 따라 슬러리가 일정점도에 이르를때 혼합공정을 중단하는 방법을 이용할 수 있다.The pretreated PTFE / C powder and the pretreated PFSI solution are mixed with Pt / C at room temperature to form a slurry for catalyst layer formation. At this time, in order to facilitate mixing, a slurry may be formed by adding a good volatile solvent at room temperature, and the mixing process may be stopped when the slurry reaches a certain viscosity according to the degree of volatilization during the mixing process.

이어서, 가스 확산전극의 지지층상의 일면에 상기 슬러리를 코팅하는데, 이때 전극 지지층이 카본 페이퍼 또는 카본로딩된 카본 클로드인 것이 바람직하며, 전극 지지체는 PTFE로 코팅되어 사용될 수 있다.Subsequently, the slurry is coated on one surface of the support layer of the gas diffusion electrode, wherein the electrode support layer is preferably carbon paper or carbon loaded carbon clad, and the electrode support may be coated with PTFE.

코팅방법은 닥터 블레이드법, 분사방법, 스크린 프린팅법 또는 부러싱방법으로 실시하는 것이 바람직하다.The coating method is preferably performed by a doctor blade method, a spraying method, a screen printing method or a brushing method.

이렇게 하여 얻은 결과물을 상기 극성 유기용매의 비점 이하의 온도에서 건조시킨 다음 산성용액에 담지한후 세척, 건조하여, 지지층상에 프로톤화 처리된 촉매층이 적층된 가스확산전극(애노드 및 캐소드)를 형성한 다음 상기 애노드와 캐소드 사이에 수소이온교환막을 개재시켜 100 내지 135℃로 열간압착하여 PEM 연료전지를 완성한다.The resultant is dried at a temperature below the boiling point of the polar organic solvent, and then immersed in an acidic solution, washed, and dried to form a gas diffusion electrode (anode and cathode) having a protonated catalyst layer laminated on a support layer. Then, the PEM fuel cell is completed by hot pressing at 100 to 135 ° C. through a hydrogen ion exchange membrane between the anode and the cathode.

본 발명의 방법에 따르면, 도 2에서와 같이 Pt/C와 아이오노머간의 접촉이 최대화됨으로써 Pt 이용율 및 수소이온전도성이 향상되고, PTFE는 촉매를 덮지 않으면서 순수한 탄소분말에만 접촉되어 백금 이용률을 저하시키지 않으면서 기체공급 및 물흐름의 유로를 확보하는 역할을 유도한다.According to the method of the present invention, as shown in FIG. 2, the contact between Pt / C and the ionomer is maximized to improve Pt utilization and hydrogen ion conductivity, and PTFE is only contacted with pure carbon powder without covering the catalyst to reduce platinum utilization. Induces a role to secure the flow of gas supply and water flow without making.

또한 1회 코팅으로도 전극의 촉매층내 Pt 로딩량이 0.2 mg/cm2이상 될 수 있으며, 휘발성이 작은 유기용매로 치환된 PFSI가 사용되므로 독성 가스의 발생이 없고 일정한 점도의 슬러리 제조가 용이하다. 또한, 전극상태에서 프로톤화 처리를 행하므로 전극/전해질 접합체 제조후 프로톤화 시키는 기존 방법보다 제조시간이 단축된다.In addition, the Pt loading in the catalyst layer of the electrode may be 0.2 mg / cm 2 or more even with a single coating. Since PFSI substituted with a low volatility organic solvent is used, it is easy to prepare a slurry having a constant viscosity without generating toxic gas. In addition, since the protonation treatment is performed in the electrode state, the production time is shorter than that of the conventional method of protonation after preparation of the electrode / electrolyte assembly.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예로만 제한되는 것이 아님은 물론이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited only to the following Examples.

〈실시예 1〉<Example 1>

A. PTFE/C 제조A. PTFE / C Manufacturing

PTFE 파우더 (직경 1 마이크로미터) 0.8g과 카본 파우더(vulcan XC 72R) 1.2g을 혼합한후 플루오로트리클로로메탄 (fluorotrichloromethane:CFC)에 넣고 30분간 스터링해준후 초음파진동조에서 용매를 휘발시켰다. 충분히 건조된후 불활성 분위기 중에서 350℃의 온도로 30분간 소결한후 시빙을 통해 혼합중 생성된 덩어리를 분쇄함으로써 미분의 PTFE/C 파우더를 제조하였다. 이때 PTFE/C의 PTFE:탄소분말은 중량비로 2:3 이었다.0.8 g of PTFE powder (1 micrometer in diameter) and 1.2 g of carbon powder (vulcan XC 72R) were mixed, put into fluorotrichloromethane (CFC) and stirred for 30 minutes, and then the solvent was volatilized in an ultrasonic vibrator. After drying sufficiently, the fine powder PTFE / C powder was prepared by sintering at a temperature of 350 ° C. for 30 minutes in an inert atmosphere and then pulverizing the mass produced during mixing through sieving. At this time, the PTFE: C powder of PTFE / C was 2: 3 by weight.

B. M+치환 PFSI 제조B. M + Substituted PFSI Manufacturing

퍼플루오로술포네이트 (알드리치 케미칼사 제조: 5중량%용액) 10g에 PFSI 폴리머와 동일 당량의 수산화나트륨 수용액을 첨가한 후 하룻밤동안 상온에서 교반하여 PFSI를 Na+형태로 치환시켰다. 이렇게 하여 얻은 혼합액에 에틸렌글리콜을 9.5g 첨가한 다음 오븐 또는 오일 배쓰를 이용하여 약 85℃에서 약 12시간 가량 가열하여 혼합액내에 잔류하는 알콜 성분을 모두 제거하였다.To 10 g of perfluorosulfonate (Aldrich Chemical Co., Ltd .: 5% by weight solution) was added an aqueous solution of sodium hydroxide equivalent to PFSI polymer, followed by stirring at room temperature overnight to replace PFSI in the form of Na +. 9.5 g of ethylene glycol was added to the mixed solution, which was then heated at about 85 ° C. for about 12 hours using an oven or an oil bath to remove all alcohol components remaining in the mixed solution.

C. 촉매층 형성용 슬러리 제조C. Preparation of Slurry for Catalyst Layer Formation

상기 B 에서 제조된 2.5g의 나피온용액과 40중량% PTFE/C 0.25g을 40중량% Pt/C 0.25g과 혼합하여 소량의 이소프로필 알콜로 점도를 조절해가면서 1시간 혼합한 다음 볼밀 등의 혼합기를 이용하여 균일하게 혼합하여 슬러리 형태의 혼합물을 얻었다.2.5 g of the Nafion solution prepared in B and 40 wt% PTFE / C 0.25 g were mixed with 40 wt% Pt / C 0.25 g and mixed for 1 hour while controlling the viscosity with a small amount of isopropyl alcohol, followed by a ball mill and the like. The mixture was uniformly mixed using a mixer of to obtain a mixture in the form of a slurry.

이로서 완성된 슬러리의 조성은 20중량% Pt, 20중량% PTFE, 60중량% C로써 이때 Pt/C : 나피온의 비율은 2:1로 조절하였다.Thus, the composition of the finished slurry was 20% by weight Pt, 20% by weight PTFE, 60% by weight C, wherein the ratio of Pt / C: Nafion was adjusted to 2: 1.

D. PEM 연료전지 제조D. PEM Fuel Cell Manufacturing

미리 준비된, 20중량% 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 (Tetrafluoroethylene-Hexafluoropropylene: Dupont, Teflon 120) 코폴리머로 방수 처리된 카본 페이퍼 (E-Tek사 제조)를 전극 지지층으로 사용하여 닥터 블레이드법으로 상기 슬러리 혼합물을 지지층상에 코팅하였다.Prepared by doctor blade method using carbon paper (manufactured by E-Tek) waterproofed with 20 wt% Tetrafluoroethylene-Hexafluoropropylene: Dupont, Teflon 120 copolymer prepared as an electrode support layer. The slurry mixture was coated on a support layer.

슬러리가 코팅된 전극을 160℃ 정도로 가열된 오븐에 수평으로 넣고 약 1시간 가량 건조시켜 PFSI의 에틸렌글리콜을 휘발시켰다.The slurry-coated electrode was placed horizontally in an oven heated to 160 ° C. and dried for about 1 hour to volatilize ethylene glycol of PFSI.

전극의 촉매층에 수소이온 전도성을 부여하기 위하여 전극 촉매층이 수면을 향하도록하여 60℃ 정도의 0.1M 황산수용액에 80℃에서 30분 정도 담구어 프로톤화시켰다. 잔류 산성 용액을 제거하기 위하여 증류수로 세척하고 85℃ 정도의 오븐에서 10분 가량 건조시켰다.In order to impart hydrogen ion conductivity to the catalyst layer of the electrode, the electrode catalyst layer was immersed in a 0.1 M sulfuric acid solution at about 60 ° C. for about 30 minutes at 80 ° C. for protonation. In order to remove the residual acidic solution was washed with distilled water and dried for about 10 minutes in an oven at 85 ℃.

수소이온교환막 (Nafion 117, 듀퐁사 제조)과 전극을 전극의 유효반응면적이 5×5cm2이 되도록 절단한 후, 전극 촉매층이 수소이온교환막을 향하도록 전극/수소 이온교환막/전극의 순으로 적층하고, 열간압착기를 이용하여 125℃에서 약 200kgf/cm2의 하중으로 약 3분간 가압하여 전극/수소이온교환막 접합체 (MEA #1)를 제조하였다.The hydrogen ion exchange membrane (Nafion 117, manufactured by DuPont) and the electrode were cut to have an effective reaction area of 5 × 5 cm 2 , and then laminated in the order of electrodes / hydrogen ion exchange membranes / electrodes so that the electrode catalyst layer faced the hydrogen ion exchange membrane. Then, the electrode / hydrogen ion exchange membrane assembly (MEA # 1) was prepared by pressing the hot presser at 125 ° C. for about 3 minutes at a load of about 200 kgf / cm 2 .

완성된 MEA는 단일셀에 장착하여 가습된 수소/산소 = 1/1 기압의 조건으로 폴라리제이션특성과 출력 밀도를 평가하여 그 결과를 각각 도 3 및 도 4에 나타내었다.The completed MEA was installed in a single cell, and the polarization characteristics and power density were evaluated under humidified hydrogen / oxygen = 1/1 atm, and the results are shown in FIGS. 3 and 4, respectively.

〈실시예 2〉<Example 2>

실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되 PTFE 파우더를 물에 에멀젼시킨 후 분산제인 트라이톤(Triton)을 사용하여 분산시키고 실시예1과 동일한 방법으로 하되 이때 소결된 분말은 액체질소를 사용한 밀링공정을 통해 미분화하였다. 완성된 촉매전극의 특성은 실시예 1과 유사한 것으로 나타났다.Prepared in the same manner as in Example 1 except that the PTFE powder is emulsified in water, and then dispersed using Triton, a dispersant, in the same manner as in Example 1 except that the sintered powder is micronized through a milling process using liquid nitrogen. It was. The properties of the finished catalyst electrode were found to be similar to Example 1.

〈비교예 1〉<Comparative Example 1>

20중량% Pt/C 분말 1g 과 20중량% 테프론 에멀젼 1g을 디부틸 프탈레이트(Dibutyl Phthalate :DBP) 용매를 사용하여 실시예 1과 동일한 조성 즉, 20중량% Pt, 20중량% PTFE, 40중량% Carbon의 촉매전극용 슬러리를 제조하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 슬러리를 카본페이퍼에 코팅하여 촉매전극을 제조한 후 나피온용액을 함침시켜주기 위해 브러쉬를 이용하여 25㎠의 촉매층 표면에 500mg의 5% 나피온용액을 코팅 한 후 건조시켰다. 완성된 촉매전극을 활용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 MEA #2를 제조한 후 같은 조건에서 특성을 평가하여 도 3 및 도 4에 그 결과를 나타내었다.1 g of 20% by weight Pt / C powder and 1g of 20% by weight Teflon emulsion were prepared in the same composition as in Example 1 using a solvent of dibutyl phthalate (DBP), namely 20% by weight Pt, 20% by weight PTFE, and 40% by weight. A slurry for carbon catalytic electrodes was prepared. In the same manner as in Example 1, the slurry was coated on carbon paper to prepare a catalyst electrode, and then coated with 500 mg of 5% Nafion solution on the surface of the catalyst layer of 25 cm 2 using a brush to impregnate the Nafion solution, followed by drying. I was. After the MEA # 2 was prepared in the same manner as in Example 1 using the completed catalyst electrode, the properties were evaluated under the same conditions, and the results are shown in FIGS. 3 and 4.

도2와 도 3 및 도 4로부터, PTFE를 탄소분말로 전처리함으로서 촉매로 피복되지 않고 순수한 탄소분말에만 접촉되어 백금 이용률을 저하시키지 않으면서 기체공급 및 물흐름의 유로의 확보가 가능하게 된 본 발명에 따르면 (MEA #1). 상기 비교예 1에서 제조된 MEA #2에 비해 전극내에 가스의 공급이 원활해지고, 출력밀도가 향상되는 것을 알 수 있다. 특히 도 3에는, 캐소드에서 물이 발생하는 고전류영역에서도 MEA #1의 경우에는 출력특성이 향상되는 것이 잘 나타나 있다.2, 3 and 4, by pretreating PTFE with carbon powder, the present invention enables gas supply and water flow paths to be secured without degrading platinum utilization by being coated only with pure carbon powder without being coated with a catalyst. According to (MEA # 1). Compared with MEA # 2 manufactured in Comparative Example 1, it can be seen that the gas is smoothly supplied to the electrode and the output density is improved. In particular, in FIG. 3, it is well shown that the output characteristic is improved in the case of MEA # 1 even in a high current region where water is generated in the cathode.

이상으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법에 따르면, 슬러리 제조시 사용되는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)를 탄소분말로 코팅하여 백금의 표면에 PTFE가 코팅되는 것을 방지하여 백금의 촉매효율을 증가시켰으며 수소이온 전도성 폴리머 함유 용액인 PFSI에 휘발성이 적은 극성 유기용매를 첨가하여 잔류하는 알콜 성분을 모두 제거함으로써 공정안정성이 개선되고 슬러리 제조가 용이하게 되어 1회 코팅으로도 일정 수준 이상의 Pt 로딩량을 달성할 수 있어, 전극 특성이 개선된 PEM 연료전지를 얻을수 있다.As can be seen from the above, according to the method of the present invention, by coating the polytetrafluoroethylene (PTFE) used in the slurry production with carbon powder to prevent the coating of PTFE on the surface of platinum to improve the catalytic efficiency of platinum In addition, the PFSI, a hydrogen-ion conductive polymer-containing solution, adds a low volatility polar organic solvent to remove all residual alcohol, which improves process stability and facilitates slurry production. Amount can be achieved, and PEM fuel cell with improved electrode characteristics can be obtained.

Claims (12)

PEM 연료전지의 촉매층 형성용 슬러리의 제조방법에 있어서,In the method for producing a slurry for forming a catalyst layer of a PEM fuel cell, a) 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)분말과 탄소분말을 물 또는 저비점의 휘발성 용매에 혼합하여 에멀젼을 제조하는 단계;a) preparing an emulsion by mixing polytetrafluoroethylene (PTFE) powder and carbon powder in water or a low boiling volatile solvent; b) 상기 에멀젼의 용매를 휘발시켜 탄소분말 표면상에 PTFE가 분산되어 있는 PTFE/C 분말을 형성하여 소결하는 단계; 및,b) volatilizing the solvent of the emulsion to form a sintered PTFE / C powder in which PTFE is dispersed on the surface of the carbon powder; And, c) 소결된 PTFE/C와 Pt/C 및 퍼플루오로술포네이트 아이오노머 (PFSI)를 혼합하여 촉매층 형성용 슬러리를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지의 촉매층 형성용 슬러리의 제조방법.c) preparing a slurry for forming a catalyst layer of a PEM fuel cell, comprising preparing a slurry for forming a catalyst layer by mixing the sintered PTFE / C with Pt / C and perfluorosulfonate ionomer (PFSI). Way. 제 1항에 있어서, 상기 저비점의 휘발성 용매는 비점이 15 ~25℃ 범위에 있는 용매임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the low boiling point volatile solvent is a solvent having a boiling point in the range of 15 ~ 25 ℃. 제 2항에 있어서, 상기 저비점 휘발성 용매는 플루오로트리클로로메탄, 이소프로필알콜, 아세톤으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상인것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 2, wherein the low boiling point volatile solvent is one or more selected from the group consisting of fluorotrichloromethane, isopropyl alcohol, acetone. 제 1항에 있어서, 상기 a) 단계에서 PTFE와 카본분말은 1: 4 내지 2: 3의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein in step a), the PTFE and the carbon powder are mixed in a weight ratio of 1: 4 to 2: 3. 제 2항에 있어서, 상기 b) 단계의 소결은 불활성분위기의 350℃ 이상에서 실시하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 2, wherein the sintering step b) is carried out at 350 ℃ or more in an inert atmosphere. 제 5항에 있어서, 상기 소결 후 액체질소를 사용한 용기내에서 밀링공정을 진행하여 PTFE의 섬유화를 방지하는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 5, wherein after the sintering, a milling process is performed in a container using liquid nitrogen to prevent fiberization of PTFE. 제 1항에 있어서, 상기 c)단계에서 촉매층 형성용 슬러리중 PTFE: Pt :C 사이의 중량비율은 15~30%:15~30%:40~70% 인것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the weight ratio of PTFE to Pt: C in the slurry for forming the catalyst layer in step c) is 15 to 30%: 15 to 30%: 40 to 70%. 제 7항에 있어서, 상기 c)단계에서 촉매층 형성용 슬러리중 PTFE:Pt:C의 중량비율은 20%:20%:60% 인것을 특징으로 하는 방법.8. The method according to claim 7, wherein the weight ratio of PTFE: Pt: C in the slurry for forming the catalyst layer in step c) is 20%: 20%: 60%. 제 1항에 있어서 상기 c)단계의 PFSI의 첨가량은 Pt/C와 PTFE/C의 합계량에 대해 PFSI 폴리머의 중량으로서 15-35중량%가 되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the amount of PFSI added in step c) is adjusted to 15-35% by weight of the PFSI polymer relative to the total amount of Pt / C and PTFE / C. 제 9항에 있어서, 상기 c)단계의 PFSI의 첨가량은 Pt/C:PFSI의 비율이 2:1이 되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.10. The method of claim 9, wherein the amount of PFSI added in step c) is adjusted so that the ratio of Pt / C: PFSI is 2: 1. PEM 연료전지의 제조방법에 있어서,In the method of manufacturing a PEM fuel cell, a) 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)분말과 탄소분말을 물 또는 저비점의 휘발성 용매에 혼합하여 에멀젼을 제조하는 단계;a) preparing an emulsion by mixing polytetrafluoroethylene (PTFE) powder and carbon powder in water or a low boiling volatile solvent; b) 상기 에멀젼의 용매를 휘발시켜 탄소분말 표면상에 PTFE가 분산되어 있는 PTFE/C 분말을 형성하여 불활성 분위기에서 소결하는 단계; 및,b) volatilizing the solvent of the emulsion to form PTFE / C powder containing PTFE dispersed on the surface of the carbon powder and sintering in an inert atmosphere; And, c) PFSI 용액에 MOH 수용액(M은 알칼리 금속으로 Li, Na, K)을 첨가하여 용액내의 PFSI를 M+형으로 전환시키는 단계c) converting PFSI in solution to M + type by adding MOH aqueous solution (M is Li, Na, K as alkali metal) to PFSI solution d) PFSI 용액에 함유되어 있는 알코올보다 비점과 점도가 높은 극성 유기용매를 상기 c)의 혼합용액에 첨가한 다음 알콜의 비점 내지 비점+20℃에서 가열하여 잔류 알콜을 제거하는 단계,d) adding a polar organic solvent having a higher boiling point and viscosity than the alcohol contained in the PFSI solution to the mixed solution of c) and then heating the boiling point of the alcohol to boiling point + 20 ° C. to remove residual alcohol, e) 상기 d) 단계에서 전처리된 PFSI 용액과 Pt/카본분말 및 상기 b) 단계의 전처리된 PTFE/C를 혼합하여 슬러리 혼합물을 형성하는 단계,e) mixing the PFSI solution pretreated in step d) with Pt / carbon powder and pretreated PTFE / C in step b) to form a slurry mixture, f) 가스확산전극의 지지층상의 일면에 상기 슬러리 혼합물을 코팅하는 단계,f) coating the slurry mixture on one surface of the support layer of the gas diffusion electrode, g) 상기 f) 단계의 결과물을 상기 극성 유기용매의 비점 이하의 온도에서 건조시킨 다음 산성 용액에 담지한 후 세척, 건조하여, 지지층상에 프로톤화 처리된 촉매층이 적층된 가스확산전극 (애노드 및 캐소드)을 형성하는 단계, 및g) the resultant of step f) is dried at a temperature below the boiling point of the polar organic solvent, and then immersed in an acidic solution, washed, and dried, and a gas diffusion electrode (anode and Forming a cathode), and h) 상기 애노드와 캐소드 사이에 수소이온교환막을 개재시켜 열간압착하는 단계를 포함하는 PEM 연료전지의 제조방법.h) hot pressing between the anode and the cathode by interposing a hydrogen ion exchange membrane. 제 11항의 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 PEM 연료전지.A PEM fuel cell produced by the method of claim 11.
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