KR20090009643A - An electrode for proton exchange membrane fuel cell comprising double catalyst layer and method for preparation of the same - Google Patents

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Abstract

A fuel cell electrode for a proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) is provided to improve the utilization efficiency of a catalyst by increasing the probability contacting the reactants generated in each electrode with the catalyst due to double catalyst layers. A fuel cell electrode for a proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) includes an electrode equipped at both sides of an electrolyte film and a gas diffusion layer equipped at the side facing the electrolyte film. The electrode comprises a first layer(A) coated with a first catalyst layer and a first ionomer layer successively on the electrolyte film; and a second layer(B) coated with a second catalyst layer(2) and a second ionomer layer successively on the first layer.

Description

복층 촉매층을 포함하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극 및 그 제조방법{AN ELECTRODE FOR PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL COMPRISING DOUBLE CATALYST LAYER AND METHOD FOR PREPARATION OF THE SAME}Electrode for polymer electrolyte fuel cell comprising a multilayer catalyst layer and a method of manufacturing the same {AN ELECTRODE FOR PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL COMPRISING DOUBLE CATALYST LAYER AND METHOD FOR PREPARATION OF THE SAME

본 발명은 복층 촉매층을 포함하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode for a polymer electrolyte fuel cell including a multilayer catalyst layer and a method of manufacturing the same.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다. Recently, as the depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of the alternative energy sources, the fuel cell is particularly attracting attention due to its advantages such as high efficiency, no pollutants such as NO x and SO x , and abundant fuel used.

연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electrical energy. Hydrogen, a hydrocarbon such as methanol, butane, and the like are typically used as an oxidant.

연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)로서, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형 성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1 및 반응식 1(수소를 연료로 사용한 경우의 연료전지의 반응식)을 참조하면, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서는 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다. In fuel cells, the most basic unit for generating electricity is a membrane electrode assembly (MEA), which is composed of an electrolyte membrane and anode and cathode electrodes formed on both sides of the electrolyte membrane. Referring to FIG. 1 and Reaction Formula 1 (Reaction formula of a fuel cell when hydrogen is used as a fuel) showing the electricity generation principle of a fuel cell, an oxidation reaction of a fuel occurs at an anode electrode, and hydrogen ions and electrons are generated. The electrolyte moves through the electrolyte membrane to the cathode electrode, where water is generated by reaction between oxygen (oxidant) and hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane and electrons. This reaction causes the movement of electrons in the external circuit.

애노드 전극: H2 → 2H++2e- The anode: H 2 → 2H + + 2e -

캐소드 전극: 1/2O2+2H++2e- → H2O Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O

전체 반응식: H2+1/2O2 → H2OTotal Reaction Formula: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O

연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자 전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다.Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuels. Batteries (SOFC) and the like. Among them, polymer electrolyte fuel cells have been researched most actively because of their high energy density and high output.

도 3에는 종래의 고분자 전해질형 연료전지에 사용되는 전극의 개략적인 단면도가 나타나 있다. 종래의 전극은 촉매층(2)과 이오노머층(3)을 포함하는데, 상기 촉매층(2)을 형성시키기 위한 촉매 사용량은 약 0.4mg/㎠인데, 이러한 촉매 사용량을 통해 제조된 촉매층(2)의 두께는 약 20㎛ 정도가 된다.3 is a schematic cross-sectional view of an electrode used in a conventional polymer electrolyte fuel cell. Conventional electrodes include a catalyst layer (2) and ionomer layer (3), the amount of catalyst used to form the catalyst layer (2) is about 0.4 mg / ㎠, the thickness of the catalyst layer (2) produced through the use of this catalyst Becomes about 20 micrometers.

그러나, 실제로 전극반응에 참여하는 촉매 부분의 두께는 약 10㎛ 정도이므로, 전극반응에 참여하지 않는 나머지 촉매 부분은 오히려 물질전달 및 수소이온(proton)의 이동에 있어서 저항으로서 작용하게 된다. 따라서, 상당히 고가인 연료전지용 촉매를 전극 반응에 모두 참여시켜 전지의 효율을 높이고자 하는 요구가 있다.However, since the thickness of the catalyst portion actually participating in the electrode reaction is about 10 μm, the remaining catalyst portion not participating in the electrode reaction rather acts as a resistance in mass transfer and proton migration. Therefore, there is a need to increase the efficiency of the battery by participating in the electrode reaction all the catalyst for the fuel cell, which is quite expensive.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 종래기술의 문제점을 해결하여, 촉매의 사용효율을 높여, 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 고분자 전해질형 연료전지용 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, to provide a polymer electrolyte fuel cell electrode and a method for manufacturing the same, which can improve the efficiency of the fuel cell by increasing the use efficiency of the catalyst.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 전해질막의 양측면에 각각 구비되는 전극 및 상기 전극에 있어서 전해질막과 대향하는 면에 구비되는 기체확산층을 포함하는 고분자 전해질형 연료전지에 있어서, 본 발명의 고분자 전해질형 연료전지용 전극은 전해질막 상에 제1촉매층 및 제1이오노머층이 순차적으로 코팅되어 형성된 제1층 및 상기 제1층 상에 제2촉매층 및 제2이오노머층이 순차적으로 코팅하여 형성된 제2층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 전극은 촉매층을 복층으로 구성함으로써 반응에 관여하는 촉매의 표면적을 상대적으로 넓혀, 전극에서 발생하는 활성화된 수소나 산소의 반응 효율을 높여, 고효율의 연료전지를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, in the polymer electrolyte fuel cell comprising an electrode provided on both sides of the electrolyte membrane and a gas diffusion layer provided on the surface facing the electrolyte membrane in the electrode, the polymer electrolyte fuel of the present invention The battery electrode includes a first layer formed by sequentially coating a first catalyst layer and a first ionomer layer on an electrolyte membrane, and a second layer formed by sequentially coating a second catalyst layer and a second ionomer layer on the first layer. Characterized in that. The electrode of the present invention comprises a catalyst layer composed of a plurality of layers to relatively increase the surface area of the catalyst involved in the reaction, thereby increasing the reaction efficiency of the activated hydrogen or oxygen generated from the electrode, thereby providing a fuel cell with high efficiency.

본 발명의 전극에 있어서 상기 제1촉매층 및 제2촉매층은 두께가 각각 4~5㎛이며, 촉매 사용량은 각각 0.1~0.2mg/㎠이고, 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매로서 백금블랙 촉매 또는 백금/탄소 촉매를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 제1촉매층은 백금블랙 촉매인 것이 바람직하다.In the electrode of the present invention, the first catalyst layer and the second catalyst layer each have a thickness of 4 to 5 μm, the amount of the catalyst used is 0.1 to 0.2 mg / cm 2, and a platinum black catalyst or platinum as a metal catalyst supported on a carbon-based support. It is preferred to include a / carbon catalyst, the first catalyst layer is preferably a platinum black catalyst.

또한, 본 발명의 전극에 있어서, 제1이오노머층 및 제2이오노머층은 폴리머 이오노머(ionomer)인 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌 을 포함할 수 있다.In addition, in the electrode of the present invention, the first ionomer layer and the second ionomer layer may include Nafion ionomer or sulfonated polytrifluorostyrene which is a polymer ionomer.

본 발명에 따른 고분자 전해질형 연료전지용 전극의 제조방법은, Method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention,

(A) 촉매층 형성용 잉크를 제조하는 단계; (A) preparing an ink for forming a catalyst layer;

(B) 코팅기를 이용하여 상기 잉크를 전해질막의 소정 위치에 코팅하여 제1촉매층을 형성하는 단계; (B) coating the ink on a predetermined position of the electrolyte membrane by using a coater to form a first catalyst layer;

(C) 상기 제1촉매층 위에 폴리머 이오노머를 코팅하여 제1이오노머층을 형성하는 단계; 및 (C) coating a polymer ionomer on the first catalyst layer to form a first ionomer layer; And

(D) 상기 제1이오노머층 위에 상기 (B) 단계 및 (C) 단계와 같은 방법으로 제2촉매층 및 제2이오노머층을 각각 순차적으로 코팅하는 단계(D) sequentially coating the second catalyst layer and the second ionomer layer on the first ionomer layer in the same manner as in the steps (B) and (C)

를 포함하는 것을 특징으로 하며, 각 코팅단계 후에는 건조단계를 더 거칠 수 있다.It characterized in that it comprises a, after each coating step may be more rough drying step.

본 발명의 전극의 제조방법에 있어서, 상기 촉매층 형성용 잉크는 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매, 폴리머 이오노머 및 용매를 포함할 수 있으며, 탄소계 지지체에 담치시킨 금속촉매 및 폴리머 이오노머는 전술한 바와 같으며, 상기 용매는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트 및 에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 단일물 또는 2종 이상의 혼합물인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.In the electrode manufacturing method of the present invention, the catalyst layer forming ink may include a metal catalyst, a polymer ionomer and a solvent supported on a carbon-based support, and the metal catalyst and polymer ionomer immersed on the carbon-based support are as described above. The solvent is preferably a single substance or a mixture of two or more selected from the group consisting of water, butanol, iso propanol, methanol, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate and ethylene glycol. This is not restrictive.

전술한 본 발명의 전극은 전해질막과 결합하여 고분자 전해질형 연료전지용 막전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)에 사용될 수 있으며, 본 발명에 따른 전해질막은 퍼플루오로술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리 비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자가 바람직하게 사용될 수 있다.The electrode of the present invention described above may be used in a membrane electrode assembly (MEA) for a polymer electrolyte fuel cell in combination with an electrolyte membrane, and the electrolyte membrane according to the present invention may be a perfluorosulfonic acid polymer, a hydrocarbon-based polymer, or a polyimide. , Polyvinylidene fluoride, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polyphosphazine, polyethylene naphthalate, polyester, doped polybenzimidazole, polyetherketone, polysulfone, acids thereof and Polymers selected from the group consisting of bases can be preferably used.

또한, 본 발명의 전극을 사용하는 막전극 접합체는 고분자 전해질형 연료전지에 사용될 수 있다.In addition, the membrane electrode assembly using the electrode of the present invention can be used in a polymer electrolyte fuel cell.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 고분자 전해질형 연료전지용 전극은 촉매층이 복층으로 이루어져 있으므로 각 전극에서 발생하는 반응들의 반응 물질들이 촉매와 접촉할 수 있는 확률이 높아지게 되어 촉매의 사용효율을 향상시킬 수 있으며, 그 결과 전지의 사용효율을 향상시킬 수 있다.As described above, in the polymer electrolyte fuel cell electrode of the present invention, since the catalyst layer is composed of a plurality of layers, the probability that the reactants of the reactions generated at each electrode may come into contact with the catalyst may increase the efficiency of using the catalyst. As a result, the use efficiency of the battery can be improved.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as limiting in their usual or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best explain their invention in the best way possible. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.

전해질막의 양측면에 각각 구비되는 전극 및 상기 전극에 있어서 전해질막과 대향하는 면에 구비되는 기체확산층을 포함하는 고분자 전해질형 연료전지에 있어서, 본 발명의 고분자 전해질형 연료전지용 전극은 전해질막 상에 제1촉매층 및 제 1이오노머층이 순차적으로 코팅되어 형성된 제1층 및 상기 제1층 상에 제2촉매층 및 제2이오노머층이 순차적으로 코팅하여 형성된 제2층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 전술한 본 발명의 전극은 촉매층 및 이오노머층이 각각 2개의 층으로 구성되어, 활성화된 산소나 수소가 반응할 수 있는 표면적을 넓힘으로써, 전극에서 발생하는 활성화된 수소나 산소의 반응 효율을 높여, 고효율의 연료전지를 제공한다.A polymer electrolyte fuel cell comprising electrodes provided on both sides of an electrolyte membrane and a gas diffusion layer provided on a surface of the electrode opposite to the electrolyte membrane, wherein the electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is formed on an electrolyte membrane. And a first layer formed by sequentially coating the first catalyst layer and the first ionomer layer, and a second layer formed by sequentially coating the second catalyst layer and the second ionomer layer on the first layer. The electrode of the present invention described above is composed of two layers each of a catalyst layer and an ionomer layer, thereby increasing the surface area where activated oxygen or hydrogen can react, thereby increasing the reaction efficiency of activated hydrogen or oxygen generated from the electrode, Provide a fuel cell with high efficiency.

본 발명의 전극에 있어서, 전술한 제1촉매층 및 제2촉매층의 각각의 두께는 특별히 제한이 없으나, 4~5㎛인 것이 바람직한데, 산소나 수소가 충분히 반응하기 위해서는 적어도 4㎛이 되어야 하며, 5㎛이 넘게 되면 산소나 수소와 접촉하지 못하는 부분이 발생할 뿐만 아니라 오히려 물질 전달 및 수소이온(proton)의 이동을 저해하는 저항으로 작용하게 되므로 촉매층의 두께에 비례하여 반응의 효율이 크게 증가하지 않고, 촉매층 및 이오노머층을 복층으로 구성함으로 인한 전체적인 부피의 증가를 억제하기에도 더 효과적이다.In the electrode of the present invention, the thickness of each of the above-described first catalyst layer and the second catalyst layer is not particularly limited, but is preferably 4-5 μm, but in order to sufficiently react oxygen or hydrogen, the thickness must be at least 4 μm. If it exceeds 5㎛ not only does not contact with oxygen or hydrogen occurs, but rather acts as a resistance to inhibit the mass transfer and the movement of hydrogen ions (proton), so the efficiency of the reaction does not increase significantly in proportion to the thickness of the catalyst layer In addition, the catalyst layer and the ionomer layer are more effective in suppressing the increase in the overall volume due to the double layer.

전술한 본 발명의 전극의 제1층 및 제2층에 있어서, 각 촉매층의 촉매 사용량은 특별히 제한이 없으나, 전술한 촉매층의 바람직한 두께를 형성하기 위해서는 0.1~0.2mg/㎠인 것이 바람직하다. 상기 촉매 사용량은 종래의 촉매 사용량보다 적은 것으로서 고가인 촉매의 사용량을 줄이므로써 경제적으로도 더 유리하다.In the first layer and the second layer of the electrode of the present invention described above, the amount of catalyst used in each catalyst layer is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 0.2 mg / cm 2 in order to form a preferable thickness of the catalyst layer. The amount of the catalyst is less than the amount of the conventional catalyst and is more economically advantageous by reducing the amount of the expensive catalyst.

본 발명에 따른 각 촉매층에서 사용되는 촉매는 당분야에서 사용되는 촉매라면 제한없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 탄소계 지지체에 금속 촉매를 담지시킨 촉매체가 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 탄소계 지지체로는 예를 들면, 카본 블랙 또는 탄소 분말이 대표적으로 사용될 수 있으며, 금속촉매로는 예를 들면, 백 금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-전이금속 합금이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 백금이 사용될 수 있다. The catalyst used in each catalyst layer according to the present invention may be used without limitation as long as it is a catalyst used in the art, and preferably, a catalyst body in which a metal catalyst is supported on a carbon-based support. As the carbon-based support according to the present invention, for example, carbon black or carbon powder may be representatively used, and as the metal catalyst, for example, platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, A platinum-palladium alloy or a platinum-transition metal alloy can be used, preferably platinum can be used.

본 발명에서 사용되는 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매로는 백금블랙 촉매 또는 백금/탄소 촉매가 바람직하다. 또한, 제1촉매층에 사용된 촉매와 제2촉매층에 사용된 촉매는 동일할 수도 있고 다를 수도 있으며, 전술한 제1층이 전해질막에 도포되는 경우에, 제1촉매층에 사용되는 촉매로서는 백금블랙 촉매가 전해질막과의 활성 면적을 넓게 할 수 있으므로 더욱 바람직하다.As the metal catalyst supported on the carbon-based support used in the present invention, a platinum black catalyst or a platinum / carbon catalyst is preferable. In addition, the catalyst used for the first catalyst layer and the catalyst used for the second catalyst layer may be the same or different, and in the case where the above-described first layer is applied to the electrolyte membrane, the catalyst used for the first catalyst layer is platinum black. The catalyst is more preferable because it can widen the active area with the electrolyte membrane.

본 발명에 따른 각 이오노머층은 폴리머 이오노머를 포함할 수 있는데, 상기 폴리머 이오노머는 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌을 포함할 수 있다.Each ionomer layer according to the present invention may comprise a polymer ionomer, which may comprise a Nafion ionomer or a sulfonated polytrifluorostyrene.

본 발명의 고분자 전해질형 연료전지용 전극의 제조방법은,The manufacturing method of the electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention,

(A) 촉매층 형성용 잉크를 제조하는 단계; (A) preparing an ink for forming a catalyst layer;

(B) 코팅기를 이용하여 상기 잉크를 전해질막의 소정 위치에 코팅하여 제1촉매층을 형성하는 단계; (B) coating the ink on a predetermined position of the electrolyte membrane by using a coater to form a first catalyst layer;

(C) 상기 제1촉매층 위에 폴리머 이오노머를 코팅하여 제1이오노머층을 형성하는 단계; 및 (C) coating a polymer ionomer on the first catalyst layer to form a first ionomer layer; And

(D) 상기 제1이오노머층 위에 상기 (B) 단계 및 (C) 단계와 같은 방법으로 제2촉매층 및 제2이오노머층을 각각 순차적으로 코팅하는 단계(D) sequentially coating the second catalyst layer and the second ionomer layer on the first ionomer layer in the same manner as in the steps (B) and (C)

를 포함하는 것을 특징으로 한다.Characterized in that it comprises a.

본 발명의 전극의 제조방법에 있어서, 상기 각 코팅하는 단계 후에는 코팅층 의 안정성을 향상시키기 위해 건조단계가 더 포함될 수 있다.In the manufacturing method of the electrode of the present invention, after each coating step may further comprise a drying step to improve the stability of the coating layer.

도 3에는 본 발명의 하나의 구체예에 따라 전해질막(1) 위에 제1층(A) 및 제2층(B)이 도포된 고분자 전해질형 연료전지 전극이 개략적으로 도시되어 있으며, 이하 본 발명의 전극의 제조방법에 대해 상세하게 설명하기로 한다.3 schematically illustrates a polymer electrolyte fuel cell electrode in which a first layer A and a second layer B are coated on an electrolyte membrane 1 according to one embodiment of the present invention. The manufacturing method of the electrode will be described in detail.

먼저, 촉매층을 상기 전해질막(1)에 도포하기 위한 촉매층 형성용 잉크를 제조한다. 본 발명에 따른 촉매층 형성용 잉크는 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매, 폴리머 이오노머 및 용매를 포함할 수 있다.First, a catalyst layer forming ink for applying a catalyst layer to the electrolyte membrane 1 is prepared. The ink for forming a catalyst layer according to the present invention may include a metal catalyst, a polymer ionomer and a solvent supported on a carbon-based support.

상기 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매는 당분야에서 사용되는 촉매라면 제한없이 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 탄소계 지지체로는 예를 들면, 카본 블랙 또는 탄소 분말이 대표적으로 사용될 수 있으며, 금속촉매로는 예를 들면, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-전이금속 합금이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 백금이 사용될 수 있다. The metal catalyst supported on the carbon-based support may be used without limitation as long as it is a catalyst used in the art. As the carbon-based support according to the present invention, for example, carbon black or carbon powder may be representatively used, and as the metal catalyst, for example, platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum Palladium alloy or platinum-transition metal alloy may be used, preferably platinum may be used.

본 발명에서 사용되는 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매로는 백금블랙 촉매 또는 백금탄소 촉매가 바람직하다. 또한, 상기 제1촉매층에서 사용된 촉매와 상기 제2촉매층에서 사용된 촉매는 동일할 수도 있고 다를 수도 있으며, 전술한 제1촉매층의 촉매로는 백금블랙 촉매가 전해질막과의 활성 면적을 넓게 할 수 있으므로 더욱 바람직하다.As the metal catalyst supported on the carbon-based support used in the present invention, a platinum black catalyst or a platinum carbon catalyst is preferable. In addition, the catalyst used in the first catalyst layer and the catalyst used in the second catalyst layer may be the same or different, and as the catalyst of the first catalyst layer described above, a platinum black catalyst may increase the active area with the electrolyte membrane. It is more preferable as it can.

상기 폴리머 이오노머로는 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 바람직하다.The polymer ionomer is preferably a sulfonated polymer such as nafion ionomer or sulfonated polytrifluorostyrene.

상기 용매로는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트 및 에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 단일물 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다.As the solvent, one or a mixture of two or more selected from the group consisting of water, butanol, iso propanol, methanol, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate and ethylene glycol may be preferably used. .

제조된 촉매층 형성용 잉크는 당분야에서 통상적으로 사용되는 코팅기를 사용하여 전해질막에 도포하여 제1촉매층(2)을 형성하고, 상기 제1촉매층 위에 제1이오노머층(3)을 도포한다(제1층(A) 형성). The prepared catalyst layer ink is applied to an electrolyte membrane using a coater commonly used in the art to form a first catalyst layer 2, and to apply a first ionomer layer 3 on the first catalyst layer 1 layer (A) formation).

제1이오노머층에 사용되는 이오노머는 전술한 폴리머 이오노머를 사용할 수 있다.The ionomer used for the first ionomer layer may use the polymer ionomer described above.

전술한 바와 같이, 상기 제1층을 형성하는 방법과 동일한 방법으로, 제1이오노머층 위에, 제2촉매층(2) 및 제2이오노머층(3)을 순차적으로 도포하여 제2층(B)을 형성한다. 여기에서, 제1층의 촉매층의 촉매와 제2층의 촉매층의 촉매는 서로 다를 수 있음은 전술한 바와 같다.As described above, the second catalyst layer 2 and the second ionomer layer 3 are sequentially coated on the first ionomer layer in the same manner as the method of forming the first layer, thereby applying the second layer B. Form. Here, as described above, the catalyst of the catalyst layer of the first layer and the catalyst of the catalyst layer of the second layer may be different from each other.

상기와 같이 제조된 본 발명의 전극의 측면에는 기체확산층이 더 형성될 수 있다. 기체확산층은 기체확산층 제조용 잉크를 소정 위치에 도포하고 건조하면 형성된다. 기체확산층 제조용 잉크는 탄소계 물질, 불소계수지 및 용매를 포함하여 이루어질 수 있다. Gas diffusion layer may be further formed on the side of the electrode of the present invention prepared as described above. The gas diffusion layer is formed by applying the ink for preparing the gas diffusion layer to a predetermined position and drying it. The ink for preparing the gas diffusion layer may include a carbonaceous material, a fluorine resin, and a solvent.

상기 탄소계 물질로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다.Examples of the carbon-based material include graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, canyon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, carbon nanorings, carbon nanowires, One or a mixture of two or more selected from the group consisting of fullerene (C60) and super P can be preferably used.

상기 불소계수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이 드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP) 또는 스티렌-부타디엔고무(SBR)가 바람직하게 사용될 수 있다.The fluororesin may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol, cellulose acetate, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) or styrene-butadiene Rubber (SBR) may be preferably used.

상기 용매로는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트 및 에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다.As the solvent, one or a mixture of two or more selected from the group consisting of water, butanol, iso propanol, methanol, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate and ethylene glycol may be preferably used.

전술한 바와 같이 본 발명에 따라 제조된 고분자 전해질형 연료전지용 전극은 당분야에서 통상적으로 실시되는 방법을 통해 전해질막과 더불어 고분자 전해질형 연료전지용 막전극 접합체의 제조에 사용될 수 있다.As described above, the polymer electrolyte fuel cell electrode manufactured according to the present invention may be used in the preparation of a membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell together with an electrolyte membrane through a method commonly practiced in the art.

상기 전해질막으로는 퍼플루오로술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자가 바람직하게 사용될 수 있다.The electrolyte membrane may be a perfluorosulfonic acid polymer, a hydrocarbon-based polymer, polyimide, polyvinylidene fluoride, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polyphosphazine, polyethylene naphthalate, polyester, doping Polymers selected from the group consisting of polybenzimidazoles, polyetherketones, polysulfones, acids and bases thereof can be preferably used.

또한, 전술한 본 발명의 전극은 당업계에서 통상적으로 실시되는 방법을 통해, 세퍼레이터, 개스켓 등과 함께 고분자 전해질형 연료전지의 제조에 사용될 수 있다.In addition, the electrode of the present invention described above can be used in the production of a polymer electrolyte fuel cell with a separator, a gasket, etc. through a method commonly practiced in the art.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어져 서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, embodiments according to the present invention can be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

실시예Example

백금블랙촉매 1중량부, 나피온 이오노머 6중량부, 물 6중량부 및 이소프로판올 6중량부를 혼합하여 촉매층 형성용 잉크(a)를 제조하고, 백금/탄소촉매 1중량부, 나피온 이오노머 6중량부, 물 6중량부 및 이소프로판올 6중량부를 혼합하여 촉매층 형성용 잉크(b)를 제조하였다.1 part by weight of platinum black catalyst, 6 parts by weight of Nafion ionomer, 6 parts by weight of water and 6 parts by weight of isopropanol were prepared to prepare an ink for forming a catalyst layer, 1 part by weight of platinum / carbon catalyst and 6 parts by weight of Nafion ionomer. 6 parts by weight of water and 6 parts by weight of isopropanol were mixed to prepare an ink (b) for forming a catalyst layer.

상기 잉크(a)를 코팅기(PULSE SPRAY COATING SYSTEM, NORDSON사)를 사용하여 전해질막에 도포한 후, 건조시켰다. 전해질막에 도포된 촉매량은 0.1mg/㎠이었으며, 촉매층의 두께는 5㎛이었다.The ink (a) was applied to an electrolyte membrane using a coating machine (PULSE SPRAY COATING SYSTEM, NORDSON Co., Ltd.), and then dried. The amount of catalyst applied to the electrolyte membrane was 0.1 mg / cm 2, and the thickness of the catalyst layer was 5 μm.

상기 촉매층에 나피온 이오노머을 도포하고 건조시킨 후, 그 위에 상기 잉크(b)를 코팅기를 사용하여 도포한 후 건조시켰다. 이 때, 도포된 촉매량은 0.1mg/㎠이었으며, 촉매층의 두께는 5㎛이었다.Nafion ionomer was applied to the catalyst layer and dried, and then the ink (b) was applied thereon using a coater and then dried. At this time, the applied catalyst amount was 0.1 mg / cm 2, and the thickness of the catalyst layer was 5 μm.

상기 촉매층 위에 다시 나피온 이오노머를 도포하고 코팅하여, 고분자 전해질형 연료전지용 전극을 제조하였다.Nafion ionomer was again applied and coated on the catalyst layer to prepare an electrode for a polymer electrolyte fuel cell.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.

도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 개략도이다.1 is a schematic view for explaining the principle of electricity generation of the fuel cell.

도 2는 본 발명의 고분자 전해질형 연료전지용 전극이 전해질막 상에 도포된 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.2 is a cross-sectional view schematically showing a state in which an electrode for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is coated on an electrolyte membrane.

도 3은 종래의 고분자 전해질형 연료전지용 전극이 전해질막 상에 도포된 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.3 is a cross-sectional view schematically showing a state where a conventional polymer electrolyte fuel cell electrode is coated on an electrolyte membrane.

<도면에 기재된 부호의 설명><Explanation of symbols described in the drawings>

1 : 전해질막1: electrolyte membrane

2 : 촉매층2: catalyst layer

3 : 이오노머층3: ionomer layer

Claims (16)

전해질막의 양측면에 각각 구비되는 전극 및 상기 전극에 있어서 전해질막과 대향하는 면에 구비되는 기체확산층을 포함하는 고분자 전해질형 연료전지에 있어서, 상기 전극은In the polymer electrolyte fuel cell comprising an electrode provided on both sides of the electrolyte membrane and a gas diffusion layer provided on the surface facing the electrolyte membrane in the electrode, the electrode 전해질막 상에 제1촉매층 및 제1이오노머층이 순차적으로 코팅되어 형성된 제1층; 및A first layer formed by sequentially coating the first catalyst layer and the first ionomer layer on the electrolyte membrane; And 상기 제1층 상에 제2촉매층 및 제2이오노머층이 순차적으로 코팅하여 형성된 제2층;A second layer formed by sequentially coating a second catalyst layer and a second ionomer layer on the first layer; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극.Electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1촉매층 및 제2촉매층의 두께는 각각 4~5㎛인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극.The polymer electrolyte fuel cell electrode, wherein the first catalyst layer and the second catalyst layer each have a thickness of 4 to 5 μm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1촉매층 및 제2촉매층의 촉매 사용량은 각각 0.1~0.2mg/㎠인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극.The amount of catalyst used in the first catalyst layer and the second catalyst layer is a polymer electrolyte fuel cell electrode, characterized in that 0.1 to 0.2mg / ㎠. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1촉매층 및 제2촉매층은 각각 백금블랙 촉매 및 백금/탄소 촉매로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극.The first catalyst layer and the second catalyst layer are each a polymer electrolyte fuel cell electrode, characterized in that it comprises a catalyst selected from the group consisting of platinum black catalyst and platinum / carbon catalyst. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제1촉매층은 백금블랙 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극.The first catalyst layer is a polymer electrolyte fuel cell electrode, characterized in that it comprises a platinum black catalyst. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1이오노머층 및 제2이오노머층은 각각 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극.The first ionomer layer and the second ionomer layer, respectively, the polymer electrolyte fuel cell electrode, characterized in that it comprises a Nafion ionomer or sulfonated polytrifluorostyrene. (A) 촉매층 형성용 잉크를 제조하는 단계; (A) preparing an ink for forming a catalyst layer; (B) 코팅기를 이용하여 상기 잉크를 전해질막의 소정 위치에 코팅하여 제1촉매층을 형성하는 단계;(B) coating the ink on a predetermined position of the electrolyte membrane by using a coater to form a first catalyst layer; (C) 상기 제1촉매층 위에 폴리머 이오노머를 코팅하여 제1이오노머층을 형성하는 단계; 및(C) coating a polymer ionomer on the first catalyst layer to form a first ionomer layer; And (D) 상기 제1이오노머층 위에 상기 (B) 단계 및 (C) 단계와 같은 방법으로 제2촉매층 및 제2이오노머층을 각각 순차적으로 코팅하는 단계(D) sequentially coating the second catalyst layer and the second ionomer layer on the first ionomer layer in the same manner as in the steps (B) and (C) 를 포함하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극의 제조방법.Method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell comprising a. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 각 코팅단계 후에 건조단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극의 제조방법.Method for producing a polymer electrolyte fuel cell electrode characterized in that it further comprises a drying step after each coating step. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 촉매층 형성용 잉크는 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매, 폴리머 이오노머 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극의 제조방법.The catalyst layer forming ink includes a metal catalyst, a polymer ionomer, and a solvent supported on a carbon-based support. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 탄소계 지지체에 담지된 금속촉매는 백금블랙 촉매 또는 백금/탄소 촉매인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극의 제조방법.The metal catalyst supported on the carbon-based support is a method for producing an electrode for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that the platinum black catalyst or platinum / carbon catalyst. 제9항에 있어서,The method of claim 9, 상기 폴리머 이오노머는 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극의 제조방법.The polymer ionomer is a method for producing a polymer electrolyte fuel cell electrode, characterized in that it comprises Nafion ionomer or sulfonated polytrifluorostyrene. 제9항에 있어서, The method of claim 9, 상기 용매는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트 및 에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 단일물 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극의 제조방법.The solvent is a polymer electrolyte, characterized in that one or a mixture of two or more selected from the group consisting of water, butanol, iso propanol, methanol, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate and ethylene glycol Method for manufacturing an electrode for fuel cell type. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 제1촉매층은 백금블랙 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 전극의 제조방법.The first catalyst layer is a method for producing a polymer electrolyte fuel cell electrode, characterized in that it comprises a platinum black catalyst. 전해질막과 전해질막의 양측면에 각각 구비되는 전극을 포함하는 막전극 접합체에 있어서,In the membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane and electrodes provided on both sides of the electrolyte membrane, 상기 전극이 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 전극인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 막전극 접합체.Membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that the electrode is the electrode of any one of claims 1 to 6. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 전해질막은 퍼플루오로술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지용 막전극 접합체.The electrolyte membrane is a perfluorosulfonic acid polymer, a hydrocarbon-based polymer, polyimide, polyvinylidene fluoride, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polyphosphazine, polyethylene naphthalate, polyester, doped poly Membrane electrode assembly for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that the polymer selected from the group consisting of benzimidazole, polyether ketone, polysulfone, acid and base thereof. 전해질막의 양측면에 각각 구비되는 전극 및 상기 전극에 있어서 전해질막과 대향하는 면에 구비되는 기체확산층을 포함하는 고분자 전해질형 연료전지에 있어서,In the polymer electrolyte fuel cell comprising an electrode provided on both sides of the electrolyte membrane and a gas diffusion layer provided on the surface of the electrode facing the electrolyte membrane, 상기 전극이 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 전극인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지.A polymer electrolyte fuel cell, wherein the electrode is an electrode according to any one of claims 1 to 6.
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