KR20080043989A - Method of preparation for membrane/electrode assembly - Google Patents

Method of preparation for membrane/electrode assembly Download PDF

Info

Publication number
KR20080043989A
KR20080043989A KR1020060112729A KR20060112729A KR20080043989A KR 20080043989 A KR20080043989 A KR 20080043989A KR 1020060112729 A KR1020060112729 A KR 1020060112729A KR 20060112729 A KR20060112729 A KR 20060112729A KR 20080043989 A KR20080043989 A KR 20080043989A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
catalyst
polymer electrolyte
electrode assembly
membrane
electrolyte membrane
Prior art date
Application number
KR1020060112729A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김영수
이기섭
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020060112729A priority Critical patent/KR20080043989A/en
Publication of KR20080043989A publication Critical patent/KR20080043989A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8878Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8896Pressing, rolling, calendering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8803Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807Gas diffusion layers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8803Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8814Temporary supports, e.g. decal
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

A method for preparing a membrane/electrode assembly is provided to produce the membrane/electrode assembly having improved electrical characteristics such as power and electroconductivity. A method for preparing a membrane/electrode assembly includes the steps of: forming a catalytic layer containing catalytic particles and a polymeric electrolyte; sintering the catalytic layer at 100-210 °C; and fusing the sintered material on a polymeric electrolyte membrane by hot pressing. The catalytic layer is formed by applying a catalytic slurry onto a gas diffusion layer or release paper, and drying the coated slurry.

Description

전해질막/전극 접합체의 제조방법{Method of preparation for Membrane/Electrode Assembly}Method for preparing electrolyte membrane / electrode assembly {Method of preparation for Membrane / Electrode Assembly}

도 1은 고분자전해질 연료전지의 단위전지 구조도를 나타낸 것으로, 1 : 분리판(Separator), 2 : 가스확산층(Gas Diffusion Layer), 3 : 촉매층(애노드, 캐소드), 4 : 고분자 전해질 막을 나타낸다.1 is a structural diagram of a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell, in which 1 is a separator, 2 is a gas diffusion layer, 3 is a catalyst layer (anode and cathode), and 4 is a polymer electrolyte membrane.

도 2는 단위전지에서의 반응물 이동 모식도를 나타낸 것이다.2 shows a schematic diagram of reactant movement in a unit cell.

도 3은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 전류-전압 특성 곡선을 나타낸 것이다.Figure 3 shows the current-voltage characteristic curves of Examples and Comparative Examples according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 임피던스 측정값을 나타낸 것이다.Figure 4 shows the impedance measurement of the Example and Comparative Example according to the present invention.

본 발명은 전해질막/전극 접합체의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촉매입자와 고분자전해질이 함유된 촉매층을 형성하고, 상기 촉매층을 고온 소결한 후, 고분자 전해질막과 열압착으로 융착하는 과정을 수행하면, 상기 촉매입자 내부에 고분자전해질이 깊게 침투되어 전기적 성능이 우수하여 연료전지용으로 적합한 전해질막/전극 접합체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an electrolyte membrane / electrode assembly, and more particularly, a process of forming a catalyst layer containing catalyst particles and a polymer electrolyte, sintering the catalyst layer at high temperature, and then fusion bonding the polymer electrolyte membrane with thermocompression bonding. The present invention relates to a method for preparing an electrolyte membrane / electrode assembly suitable for a fuel cell because the polymer electrolyte penetrates deeply into the catalyst particles to have excellent electrical performance.

고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 높은 출력밀도, 빠른 응답성 및 간단한 시스템 등의 장점으로 인하여, 현재 자동차의 동력원 및 200 kW급 이하의 정치형 발전장치로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 일부는 시범운행 중에 있다. Due to the advantages of high power density, fast response and simple system, polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is currently being actively researched for use as a power source for automobiles and stationary power generation devices of 200 kW or less. Is in trial operation.

고분자전해질 연료전지의 단위전지 구조도를 나타낸 도 1에서 보여지는 바와 같이, 가장 안쪽에 주요 구성 부품인 전해질막/전극 접합체(Membrane/Electrode Assembly, 이하 'MEA'이라 함)가 위치하며, 이러한 MEA는 애노드극과 캐소드극이 전해질막의 양쪽 면에 위치된 형태로 구성되어 있다. As shown in FIG. 1, which shows a unit cell structure diagram of a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane / electrode assembly (hereinafter, referred to as a MEA), which is a main component, is located at the innermost part. An anode electrode and a cathode electrode are comprised in the form located on both surfaces of an electrolyte membrane.

일반적으로 애노드와 캐소드극은 원하는 촉매량을 전해질 막 표면에 균일하게 도포되도록 제조된다. 그리고 MEA 바깥 부분, 즉 촉매가 위치한 부분에 가스 확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스 확산층 바깥 부분으로 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출 하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 위치 한다. 단위전지는 1장의 MEA, 2장의 GDL, 2장의 Separator로 구성되며, 단위 전지를 적층함으로써 원하는 규모의 스택 전지를 구성한다. In general, the anode and the cathode are manufactured so that the desired amount of catalyst is uniformly applied to the surface of the electrolyte membrane. In addition, a gas diffusion layer (GDL) is located outside the MEA, that is, the catalyst is located, and a separator having a flow field formed to supply fuel to the gas diffusion layer and discharge water generated by the reaction. (Separator) is located. The unit cell is composed of one MEA, two GDLs, and two separators, and by stacking unit cells, a stacked battery of a desired size is constructed.

다음 도 2는 단위전지에서의 반응물 이동 모식도를 나타낸 것으로, 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 연료전지의 애노드극에서는 수소의 산화반응이 진행 되어 수소이온과 전자가 발생하며, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 도선을 통하여 캐소드극으로 이동하게 된다. 이와 동시에 캐소드극에서는 애노드극으로부터의 수소이온과 전자를 받아 산소의 환원반응이 진행되면서 물을 생성한다. 이때 도선을 따라서는 전자의 흐름에 의해, 고분자 전해질 막을 통해서는 프로톤의 흐름에 의하여 전기에너지가 생성된다.Next, FIG. 2 illustrates a schematic diagram of reactant movement in a unit cell. In the anode of the fuel cell, oxidation reaction of hydrogen proceeds to generate hydrogen ions and electrons, and the generated hydrogen ions and electrons move to the cathode through the electrolyte membrane and the conductive wire, respectively. At the same time, the cathode receives hydrogen ions and electrons from the anode and generates water as the reduction reaction of oxygen proceeds. At this time, the electric energy is generated by the flow of electrons along the wire and by the flow of protons through the polymer electrolyte membrane.

한편, MEA를 제조하는 방법에 있어서 매우 중요한 과정 중 하나는 촉매 슬러리의 제조 과정이다. 촉매 슬러리의 주요 구성은 카본 담지체에 금속/비금속 촉매(대표적으로 백금, Pt)가 분산/담지된 촉매 입자와 프로톤 전도 매개체인 고분자 전해질(대표적으로 Nafion), 이를 분산시키기 위해 첨가하는 물과 알코올 같은 용매, 및 분산을 돕기 위해 넣을 수 있는 다양한 첨가제로 이루어져 있다. On the other hand, one of the very important process in the method of manufacturing the MEA is the production process of the catalyst slurry. The main components of the catalyst slurry are catalyst particles in which a metal / nonmetallic catalyst (typically platinum, Pt) is dispersed / supported on a carbon support, a polymer electrolyte (typically Nafion) which is a proton conducting medium, and water and alcohol added to disperse it. It consists of the same solvent and various additives that can be put in to aid dispersion.

MEA에 사용되는 촉매 입자는 수십 나노미터 크기의 카본 담지체에 수 나노미터 크기의 금속/비금속 촉매가 담지된 형태(딸기에 씨가 박혀 있는 모양과 유사)이다. 그리고 연료(수소) 및 공기의 산화, 환원 반응은 금속/비금속 촉매 위에서 이루어지는데, 이때 고분자 전해질인 나피온이 촉매와 맞닿아 있는 곳에서만 반응이 일어난다. 즉 연료(또는 공기)와 촉매, 고분자 전해질이 모두 동시에 닿아 있는 부분(3상 계면)에서만 원활한 촉매 반응이 일어난다. The catalyst particles used in MEAs are in the form of carbon nanoparticles of several tens of nanometers in size, with metal / nonmetallic catalysts of several nanometers in size (similar to those embedded in strawberries). In addition, the oxidation and reduction of fuel (hydrogen) and air are carried out on a metal / non-metal catalyst, in which the reaction occurs only where the polymer electrolyte Nafion is in contact with the catalyst. That is, a smooth catalytic reaction occurs only at the part where the fuel (or air), the catalyst, and the polymer electrolyte are in contact at the same time (three phase interface).

촉매 입자를 도포하기 위해서 제조하는 슬러리에는 물과 알코올 등 다양한 용매와 각종 첨가제, 및 고분자 전해질인 나피온이 혼합되어 있다. 이들을 혼합하는 과정에서 3상 계면이 충분히 이루어지도록 촉매 입자와 고분자 전해질을 고르게 분산 시켜주어야 하는데, 촉매 입자인 카본 담지체의 형상에 의해 만들어진 수 나노에서 수백 나노 크기의 다양한 미세 기공에 고분자 전해질인 나피온이 모두 고르게 분포 하기란 대단히 어렵다. The slurry prepared for applying the catalyst particles is mixed with various solvents such as water and alcohol, various additives, and nafion which is a polymer electrolyte. In the process of mixing them, the catalyst particles and the polymer electrolyte should be evenly dispersed so that the three-phase interface is sufficiently achieved. The polymer electrolyte may be formed in various micropores ranging from a few nanometers to several hundred nanometers by the shape of the carbon carrier, which is the catalyst particle. It is very difficult to distribute all the pions evenly.

나노 단위 크기의 촉매 입자(수십 ∼ 수백 나노미터)와 나피온의 분산을 위해 다양한 기계적/화학적 혼합을 실시한다. 이들 입자의 분산 정도는 촉매의 효율 증대와 MEA 성능 향상에 가장 큰 영향을 미는데, 이는 고분자 전해질인 나피온이 담지체에 담지되어 있는 금속/비금속 촉매의 표면에 닿아야 물, 공기, 촉매(담지된 금속/비금속 촉매)가 서로 맞닿는 3상 계면을 이룰 수 있기 때문이다. 즉, 분산이 잘된 슬러리는 나피온이 촉매를 덮고 있는(맞닿아 있는) 비율이 매우 높다는 의미이므로 촉매 슬러리의 분산 방법에 대한 다양한 시도가 있었다. 하지만 기계적 혼합 방법의 한계와 화학적 첨가제의 한계로 인해 MEA의 내구성 개선, 효율 증대, 첨가제로 인한 부작용 방지 등을 모두 해결하면서 고르게 분산하기에 많은 어려움이 있다. Various mechanical / chemical mixtures are carried out to disperse nanoparticle catalyst particles (tens of hundreds to hundreds of nanometers) and Nafion. The degree of dispersion of these particles has the greatest effect on increasing the efficiency of the catalyst and improving the MEA performance. This is because the polymer electrolyte, Nafion, must touch the surface of the metal / non-metal catalyst supported on the support, such as water, air, and catalyst ( This is because the supported metal / non-metal catalyst) may form a three-phase interface in contact with each other. That is, a well-dispersed slurry means that the ratio of Nafion covering (butting) of the catalyst is very high, and various attempts have been made to disperse the catalyst slurry. However, due to the limitations of the mechanical mixing method and the limitations of the chemical additives, there are many difficulties in evenly distributing the solution while improving the durability of the MEA, increasing the efficiency, and preventing side effects due to the additives.

따라서 슬러리를 제조 하는 과정에서 뿐만 아니라 슬러리 제조 이후에 기계적/화학적 혼합이 아닌 여타의 방법으로 나피온 입자들이 좀 더 많은 촉매와 맞닿게 하는 방법이 필요하다.Therefore, there is a need for a method in which the Nafion particles are brought into contact with more catalysts, not only in the process of preparing the slurry but also after the slurry is prepared, but not by mechanical / chemical mixing.

이에 본 발명자들은 전해질막/전극 접합체에 사용된 촉매에 고분자전해질을 고르게 분산하기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과, 촉매입자와 고분자전해질이 함유된 촉매층을 형성하고, 상기 촉매층을 고온에서 소결한 후, 고분자 전해질 막과 열압착으로 융착하는 과정을 통하여 제조된 전해질막/전극 접합체(MEA)의 경우 상기 고분자 전해질이 촉매 깊숙이 침투하여 촉매입자와의 접촉면이 증가시키므로 촉매의 반응성이 향상되어 이로부터 제조된 전해질막/전극 접합체(MEA)의 출력 및 전기전도도 등의 성능이 향상된다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have made efforts to evenly disperse the polymer electrolyte in the catalyst used in the electrolyte membrane / electrode assembly. As a result, in the case of the electrolyte membrane / electrode assembly (MEA) prepared by forming a catalyst layer containing the catalyst particles and the polymer electrolyte, sintering the catalyst layer at a high temperature, and fusion bonding with the polymer electrolyte membrane by thermocompression. Since the polymer electrolyte penetrates deep into the catalyst to increase the contact surface with the catalyst particles, the reactivity of the catalyst is improved, so that the performance and the electrical conductivity of the electrolyte membrane / electrode assembly (MEA) prepared therefrom are improved. It was completed.

따라서, 본 발명은 출력 및 전기전도도 등의 전기적 특성이 향상된 전해질막/전극 접합체(MEA)를 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing an electrolyte membrane / electrode assembly (MEA) with improved electrical characteristics such as output and electrical conductivity.

본 발명은 촉매입자와 고분자전해질이 함유된 촉매층을 형성하고, 상기 촉매층을 100 ∼ 210 ℃에서 소결한 후, 고분자 전해질막과 열압착으로 융착하는 전해질막/전극 접합체(MEA)의 제조방법에 그 특징이 있다.The present invention provides a method for producing an electrolyte membrane / electrode assembly (MEA) in which a catalyst layer containing a catalyst particle and a polymer electrolyte is formed, and the catalyst layer is sintered at 100 to 210 ° C., followed by thermal compression bonding with a polymer electrolyte membrane. There is a characteristic.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 촉매의 활성 증가를 위해 촉매입자와 고분자전해질의 접촉 면적을 향상시키기 위하여 상기 촉매입자와 고분자전해질이 함유된 촉매층을 고온에서 소결한 후에 고분자 전해질막과 열압착으로 융착하는 전해질막/전극 접합체(MEA)의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법으로 제조된 전해질막/전극 접합체(MEA)는 출력 및 전기전도도 등의 전기적 성능이 향상된다.The present invention is an electrolyte membrane / electrode that is sintered at high temperature by sintering the catalyst layer containing the catalyst particles and the polymer electrolyte at high temperature in order to improve the contact area between the catalyst particles and the polymer electrolyte to increase the activity of the catalyst. A method for producing a conjugate (MEA). The electrolyte membrane / electrode assembly (MEA) prepared by the above method improves electrical performance such as output and electrical conductivity.

일반적으로 소결은 용융점 이하의 온도 구간에서 작은 금속분말입자들을 가열하여 가입하는 것을 일컫는 것으로, 소결시키는 힘은 표면 에너지를 감소시키는 데 소결이 진행됨에 따라 인접한 입자들은 유리에서의 점성유동(粘性流動)이나 결정성 물질에서와 같은 확산과정에 의해 부분적으로 합체되어 전체 표면적이 감소한다. 그 결과로 물질의 기계적 및 물리적 성질이 향상된다.In general, sintering refers to the joining by heating small metal powder particles in the temperature range below the melting point. The sintering force reduces the surface energy. As the sintering proceeds, adjacent particles become viscous flow in the glass. However, they are partially coalesced by diffusion processes, such as in crystalline materials, to reduce the overall surface area. As a result, the mechanical and physical properties of the material are improved.

본 발명은, 촉매층을 구성하는 촉매 입자(금속 촉매를 담지하고 있는 카본 담지체)의 물리화학적 성질은 변화시키지 않고, 이를 둘러싸고 있는 바인더이자 프로톤 전도 매개체인 고분자(일명 나피온 입자)만 유리 온도(Tg) 이상, 분해 온도 이하의 구간에서 열처리(소결)를 함으로써, 이 고분자가 나노 크기의 입자들 사이로 넓고 고르게 퍼지게 하여 기계적 혼합 과정에서 충분히 이루이지지 않은 나피온 고분자의 나노 입자 틈새 침투를 용이하게 하는 것이다. 본 발명은 일반적인 소결 과정으로 인해 나타나는 계면 감소 및 단결정화에 의한 물리적 강도, 화학적 안정성을 목적으로 하는 것과 달리, 금속/카본으로 이루어진 나노 입자들을 견고하게 유지하는 효과(바인더 효과)와 프로톤 전달 매개체로서의 효과(3상 계면 확보)를 동시에 얻고자 하는 차이가 있다. The present invention does not change the physicochemical properties of the catalyst particles constituting the catalyst layer (the carbon carrier supporting the metal catalyst), and only the polymer (also known as Nafion particles), which is a binder and proton conducting medium, surrounding the glass temperature ( By heat treatment (sintering) in a section above Tg) and below the decomposition temperature, the polymer spreads widely and evenly between the nano-sized particles, facilitating the penetration of the nanoparticle gap of the Nafion polymer which is not sufficiently achieved in the mechanical mixing process. will be. The present invention, unlike the object of the physical strength and chemical stability due to the interface reduction and single crystallization caused by the general sintering process, the effect of maintaining the nanoparticles made of metal / carbon (binder effect) and as a proton transfer medium There is a difference in that the effect (the three-phase interface secured) is simultaneously obtained.

전해질막/전극 접합체(MEA)의 제조 방법에는 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)에 촉매를 도포하여 고분자 전해질막과 접합시키는 CCG(Catalyst Coated on GDL) 방법과 촉매를 고분자 전해질에 도포하여 만드는 CCM(Catalyst Coated on Membrane) 방법이 대표적이다. The electrolyte membrane / electrode assembly (MEA) is manufactured by applying a catalyst to a gas diffusion layer (GDL) and bonding it to a polymer electrolyte membrane. (Catalyst Coated on Membrane) method is representative.

이중 CCM 방법은 고분자 전해질 막에 촉매 슬러리를 직접 도포하기 어려워 대부분은 전사(Decal)법을 사용한다. 전사법은 전사(이형)지에 촉매입자와 고분자전해질이 함유된 촉매슬러리를 도포하고, 건조시켜 고분자 전해질막에 고열/압 착 방법으로 전사시키는 방법이다. 따라서, 현재 실용화가 가능한 MEA 제조 방법은 그것이 CCG 방법이거나, CCM 방법이거나 상관없이 촉매 슬러리를 도포/건조하여 촉매층을 만든 후, 고분자 전해질 막과 접합시키는 과정을 거치게 된다. The dual CCM method is difficult to apply the catalyst slurry directly to the polymer electrolyte membrane, and most of them use a decal method. The transfer method is a method in which a catalyst slurry containing catalyst particles and a polymer electrolyte is applied to a transfer (release) paper, dried, and transferred to a polymer electrolyte membrane by a high temperature / compression method. Therefore, the MEA manufacturing method that can be put into practical use is a CCG method or a CCM method. The catalyst slurry is coated / dried to form a catalyst layer and then bonded to a polymer electrolyte membrane.

촉매 슬러리를 제조하기 위해 혼합하는 고분자 전해질인 나피온은 물과 알코올 용매에 분산된 형태로 상용화 되어있으며, 이 고분자 전해질이 건조된 후 보이는 물리적 계수 중 하나인 유리온도(Glass Temperature, Tg)는 100 ∼ 210 ℃ 정도로 알려져 있다. 이에 소결 온도를 상기 온도범위에서 수행하는 바, 상기 유리 온도 이상이 되면 고분자 전해질이 다소의 유동성을 갖기 시작하는데, 유동성은 온도가 올라 갈수록 증가한다. 따라서, Tg 이상의 온도에서 적당한 열을 가하면 촉매 입자 표면의 고분자 전해질(나피온)이 다소의 유동성을 가지면서 촉매 입자의 미세 기공까지 퍼져 나갈 수 있다. 이때, 촉매 입자와 고분자 전해질은 이미 충분히 혼합이 되어 있어서 고분자 전해질이 수십 nm 이내의 거리만 이동되어도 각 미세 기공까지 도달하기에 충분하므로 굳이 흐를 정도의 유동성은 필요 없다. Nafion, a polymer electrolyte mixed to prepare a catalyst slurry, is commercially available in the form of dispersion in water and an alcohol solvent. Glass temperature (Tg), which is one of the physical coefficients seen after drying, is 100 It is known as about -210 degreeC. When the sintering temperature is performed in the above temperature range, when the glass temperature is higher than the glass temperature, the polymer electrolyte starts to have some fluidity, but the fluidity increases with increasing temperature. Therefore, when a suitable heat is applied at a temperature of Tg or more, the polymer electrolyte (Nafion) on the surface of the catalyst particles may spread to the fine pores of the catalyst particles while having some fluidity. At this time, the catalyst particles and the polymer electrolyte are already sufficiently mixed so that even if the polymer electrolyte is only moved within a few tens of nm, it is sufficient to reach the respective micropores, and thus fluidity does not need to flow.

또한 상기 소결은 최소 5분 이상의 시간이면 충분하며, 불활성 환경 조건에서 수행할 경우 더욱 바람직하고, 소결 시간은 길수록 바람직하나 제조 비용상 1 시간 이내가 바람직하다. 5분 미만의 소결 시간일 경우에는 고분자의 유동 시간이 충분하지 않아 효과가 나타나기 어렵다.In addition, the sintering time is at least 5 minutes or more, it is more preferable when carried out under inert environmental conditions, the longer the sintering time is preferred, but the production cost is preferably within 1 hour. In the case of a sintering time of less than 5 minutes, the flow time of the polymer is not enough, so the effect is hard to appear.

촉매 슬러리에 함유된 촉매입자와 고분자전해질은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지는 않으나, 대표적인 것으로 촉매입자는 카본 담체에 백금 촉매가 담지된 것, 고분자전해질은 나피온 등이 있다. 이들은 각각 20 ∼ 80 중량%(Pt vs Pt/Carbon), 5 ∼ 20 중량% (나피온 고형분) 사용하는 바, 상기 범위하에서 본 발명이 목적으로 하는 효과 달성이 용이하다.The catalyst particles and the polymer electrolyte contained in the catalyst slurry are generally used in the art and are not particularly limited, but representative catalyst particles include a platinum catalyst loaded on a carbon carrier, and a polymer electrolyte such as Nafion. These are used 20 to 80% by weight (Pt vs Pt / Carbon) and 5 to 20% by weight (Nafion solid content), respectively, and it is easy to achieve the effect of the present invention under the above range.

MEA를 제작하기 위해 실시하는 열융착 과정은 일반적으로 Tg 근방, 또는 그 이상에서 하는데 Tg 정도의 온도가 되어야 고분자 전해질 막과 촉매층의 고분자 전해질이 융착되어 접합된 형태를 가질 수 있다. 그러나 융착 온도를 너무 높이는 경우는 고분자 전해질 막의 구조 손상 가능성이 있기 때문에 통상 Tg 근방에서만 실시하는 것이 일반적인 방법으로 알려져 있다. 따라서, 보통의 접합 방법으로는 촉매층 안에 있는 고분자 전해질인 나피온이 촉매의 미세 기공으로 스며들 정도로 충분한 열을 가하지 못한다.Generally, the heat fusion process performed to fabricate the MEA is in the vicinity of or above Tg, but the temperature of Tg may be such that the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte of the catalyst layer are fused and bonded. However, if the fusion temperature is too high, there is a possibility of damaging the structure of the polymer electrolyte membrane. Therefore, it is generally known to carry out only in the vicinity of Tg. Therefore, in the usual bonding method, Nafion, which is a polymer electrolyte in the catalyst layer, does not apply enough heat to penetrate the micropores of the catalyst.

본 발명에서는 GDL이나 이형지의 위에 촉매를 도포한 후, MEA 제작을 위한 열융착 온도 보다 높은 온도에서 숙성시키는 소결 과정을 거친 이후에 고분자 전해질 막과 열융착을 시킴으로써 촉매층에 있는 고분자 전해질이 촉매의 미세 기공들까지 충분히 침투될 수 있다. 이로써 별도의 혼합이나 분산 과정 없이도 미세 기공 내에 존재하는 촉매의 3상 계면을 만들 수 있어 촉매의 사용 효율을 증대시킬 수 있으며, 내부의 전기적 저항을 감소 시킬 수 있다. 또한 촉매층 고분자 전해질이 촉매 입자들을 더욱 견고한 그물망 형태로 접착 시켜줌으로써 내구성 증대도 기대할 수 있다.In the present invention, after the catalyst is coated on the GDL or the release paper, the polymer electrolyte in the catalyst layer is thermally fused with the polymer electrolyte membrane after sintering to mature at a temperature higher than the heat fusion temperature for fabricating the MEA. The pores can be sufficiently penetrated. This makes it possible to create a three-phase interface of the catalyst present in the micropores without a separate mixing or dispersion process to increase the use efficiency of the catalyst, it is possible to reduce the internal electrical resistance. In addition, the catalyst layer polymer electrolyte bonds the catalyst particles in the form of a more robust mesh can be expected to increase durability.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명에 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited by the following Examples.

실시예 Example

별도로, 이소프로필알콜(IPA, Iso-Propanol) 20 g와 물 20 g을 용매로 하여 5 중량% 나피온 용액 20 g과 촉매(40 중량% Pt/C인 상용 촉매) 5 g을 혼합 및 초음파로 충분히 섞어 촉매 슬러리를 제조하였다 Separately, 20 g of isopropyl alcohol (IPA, Iso-Propanol) and 20 g of water were used as a solvent, and 20 g of a 5 wt% Nafion solution and 5 g of a catalyst (commercial catalyst having 40 wt% Pt / C) were mixed and ultrasonically mixed. Mix sufficiently to prepare catalyst slurry

상기에서 제조된 슬러리를 실험실용 바 코팅기(bar coater)로 이형지 위에 백금 촉매 기준 0.4 mgPt/cm2로 도포한 후, 가로/세로 5 cm로 잘라, 180 ℃로 5분간 소결과정을 거쳐 전극을 제조하였다.The slurry prepared above was coated with a laboratory bar coater on a release paper at 0.4 mgPt / cm2 based on platinum catalyst, cut into 5 cm horizontally and vertically, and the electrode was manufactured by sintering at 180 ° C. for 5 minutes. .

플레미온(Flemion®, Asahi Glass사, 두께 50 um) 막에 상기에서 제작된 전극을 양면에 대고 열 융착(Hot press) 방법으로 접합하여 전해질막/전극 접합체(MEA)를 제조하였다. 이때, 접합은 150 ℃, 5분, 압력은 약 40 kgf/㎠로 동일하게 실시했다.Electrolyte membrane / electrode assembly (MEA) was prepared by bonding the electrode prepared above to a Flemion (Flemion®, Asahi Glass, 50 um thick) membrane by a hot press method on both sides. At this time, joining was performed similarly at 150 degreeC, 5 minutes, and the pressure about 40 kgf / cm <2>.

상기에서 제조된 전해질막/전극 접합체(MEA)의 성능을 시험하기 위하여 애노드 입구/Cell/캐소드 입구의 온도가 각각 70/70/70 ℃, 대기압(0 psig) 하에서 화학반응 당량을 수소 1.5, 공기 2.0으로 실시하였다. In order to test the performance of the electrolyte membrane / electrode assembly (MEA) prepared above, the temperature of the anode inlet / cell / cathode inlet was 70/70/70 ° C., respectively, and the chemical reaction equivalent amount of hydrogen was 1.5 and air at atmospheric pressure (0 psig). It was carried out at 2.0.

비교예Comparative example

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 소결과정 없이 전해질막/전극 접합체(MEA)를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, an electrolyte membrane / electrode assembly (MEA) was prepared without the sintering process.

상기에서 제조된 전해질막/전극 접합체(MEA)의 성능을 시험하기 위하여 애노 드 입구/Cell/캐소드 입구의 온도가 각각 70/70/70 ℃, 대기압(0 psig) 하에서 화학반응 당량을 수소 1.5, 공기 2.0으로 실시하였다. In order to test the performance of the electrolyte membrane / electrode assembly (MEA) prepared above, the temperature of the anode inlet / cell / cathode inlet was 70/70/70 ° C., respectively, and the chemical reaction equivalent weight of hydrogen was 1.5, It was carried out with air 2.0.

다음 도 3의 전류-전압 특성 곡선에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 소결과정을 수행한 경우 곡선이 상향 이동하여 출력 성능이 크게 증가하였으며, 도 4의 임피던스 측정값(100 mA/㎠ 정전류 위치, 20 kHz ∼ 0.1 Hz)에서도 촉매의 산화/환원 반응 정도를 나타내는 아크(arc) 크기가 감소하여 전기 전도도가 증가했음을 확인할 수 있었다.Next, as shown in the current-voltage characteristic curve of FIG. 3, when the sintering process was performed according to the present invention, the curve was moved upward and the output performance was greatly increased, and the impedance measurement value (100 mA / cm 2 constant current position, At 20 kHz to 0.1 Hz), the arc size, which represents the degree of oxidation / reduction of the catalyst, was reduced, indicating that the electrical conductivity was increased.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 전해질막/전극 접합체(MEA)는 촉매입자와 고분자전해질과의 접촉면이 증가로 반응성이 증가하여 전해질막/전극 접합체(MEA)의 전기적 특성 향상으로 연료전지 분야에 그 이용이 기대된다.As described above, the electrolyte membrane / electrode assembly (MEA) manufactured according to the present invention has increased reactivity due to an increase in the contact surface between the catalyst particles and the polymer electrolyte, thereby improving the electrical properties of the electrolyte membrane / electrode assembly (MEA), thereby improving fuel efficiency. Its use is expected in the field of batteries.

Claims (3)

촉매입자와 고분자 전해질이 함유된 촉매층을 형성하고, Forming a catalyst layer containing the catalyst particles and the polymer electrolyte, 상기 촉매층을 100 ∼ 210 ℃에서 소결한 후, 고분자 전해질막과 열압착으로 융착하는 것을 특징으로 하는 전해질막/전극 접합체(MEA)의 제조방법.And sintering the catalyst layer at 100 to 210 ° C., followed by fusion bonding with a polymer electrolyte membrane by thermocompression bonding. 제 1 항에 있어서, 상기 촉매층은 가스확산층 또는 이형지에 도포 및 건조하여 형성하는 것을 특징으로 하는 전해질막/전극 접합체(MEA)의 제조방법.The method of claim 1, wherein the catalyst layer is formed by coating and drying the gas diffusion layer or the release paper. 제 1 항에 있어서, 상기 소결은 5분 ∼ 1 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 전해질막/전극 접합체(MEA)의 제조방법.The method of claim 1, wherein the sintering is performed for 5 minutes to 1 hour.
KR1020060112729A 2006-11-15 2006-11-15 Method of preparation for membrane/electrode assembly KR20080043989A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060112729A KR20080043989A (en) 2006-11-15 2006-11-15 Method of preparation for membrane/electrode assembly

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060112729A KR20080043989A (en) 2006-11-15 2006-11-15 Method of preparation for membrane/electrode assembly

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20080043989A true KR20080043989A (en) 2008-05-20

Family

ID=39662082

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060112729A KR20080043989A (en) 2006-11-15 2006-11-15 Method of preparation for membrane/electrode assembly

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20080043989A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2007250274A (en) Electrode catalyst for fuel cell with enhanced noble metal utilization efficiency, its manufacturing method, and solid polymer fuel cell equipped with this
CN101557001A (en) Fuel cell film electrode and preparation method thereof
JP2009295441A (en) Carbon catalyst, method for manufacturing carbon catalyst, membrane electrode assembly, and fuel cell
US20190280307A1 (en) Composite electrode layer for polymer electrolyte fuel cell
KR20110122915A (en) Membrane electrode assembly using catalyst layer forming powder, process for preparing the same, and fuel cell comprising the same
JP5510181B2 (en) Electrocatalyst layer production method and polymer electrolyte fuel cell
CN101278431B (en) Method for producing fuel cell electrodes and polymer electrolyte fuel cells having fuel cell electrodes
JP2009117248A (en) Fuel cell
JP5007565B2 (en) Fuel cell
JP4987857B2 (en) Polymer dispersion and electrocatalyst ink
US9520610B2 (en) Method of manufacturing 5-layer MEA having improved electrical conductivity
JP2007501496A (en) Hybrid membrane / electrode assembly with reduced interfacial resistance and method for producing the same
JP2008135274A (en) Method of manufacturing fuel cell
JP2007213988A (en) Electrode catalyst layer for polymer electrolyte fuel cell, its manufacturing method, and polymer electrolyte fuel cell
JP2008171702A (en) Manufacturing method of fuel cell assembly, manufacturing method of fuel cell, fuel cell assembly and fuel cell
JP2003115299A (en) Solid polymer fuel cell
KR101117630B1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and method for preparating the same
JP4649094B2 (en) Manufacturing method of membrane electrode assembly for fuel cell
KR20110110600A (en) A method of preparing a membrane-electrode assembly for a fuel cell
JP2001300324A (en) Composite catalyst and manufacturing method and method of manufacturing electrode for fuel cell using the same
KR102199455B1 (en) Binder for membrane electrode assembly electrode and manufacturing method thereof membrane electrode assembly having the same and polymer electrolyte membrane fuel cell having the same
EP2933862B1 (en) Method for producing a fuel cell electrode sheet
JP4529345B2 (en) Method for producing polymer electrolyte fuel cell
KR20080043989A (en) Method of preparation for membrane/electrode assembly
KR100774729B1 (en) 3 layer mea a manufacturing process used sublayer

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E601 Decision to refuse application