KR20170138813A - Photo-water splitting cell with photoanode coated Pt MEA and its manufacture - Google Patents

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문상봉
문창환
최윤기
정혜영
임수현
송민아
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(주)엘켐텍
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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing platinum membrane electrode assembly (MEA) for electrolysis and applying electric conductivity in addition to existing hydrogen ion conductivity through physical pore generation and platinum coating in a positive ion exchange membrane which is a main ingredient of MEA, and a platinum MEA, which independently receives sunlight without external wires and decomposes water, manufactured thereby. As hot wires are moved, electrical loss through wires is minimized. Moreover, external wires are not needed when large area and large scale electrolysis cells are installed, so costs and effort for installation costs and maintenance can be minimized.

Description

광수전해 수소 발생용 막전극접합체 및 그 제조방법과 이를 구비한 광수전해 셀{Photo-water splitting cell with photoanode coated Pt MEA and its manufacture}Technical Field The present invention relates to a membrane electrode assembly for photo-electrolytic hydrogen generation, a method of manufacturing the same, and a photovoltaic cell comprising the same,

이 발명은 광수전해 수소 발생용 막전극접합체 및 그 제조방법과 이를 구비한 광수전해 셀에 관한 것이다. The present invention relates to a membrane electrode assembly for photovoltaic electrolytic hydrogen generation, a method for producing the same, and a photovoltaic cell comprising the same.

광수전해 반응은 대체로 아래와 같은 반응식으로 진행되며 음극 반응의 경우 pH 범위에 따른 이온 거동이 다르기 때문에 다른 이온 종이 관여하여 반응이 일어난다. The photocatalytic reaction generally proceeds in the following manner. In the case of the negative electrode reaction, the ionic behavior depends on the pH range.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Photo-cathode for Hydrogen EvolutionPhoto-cathode for Hydrogen Evolution

2H+ + 2e- → H2 low pH2H + + 2e - → H 2 low pH

2H2O + 2e- → H2 + 2OH- high pH2H 2 O + 2e - → H 2 + 2OH - high pH

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Photo-anode for Hydrogen EvolutionPhoto-anode for Hydrogen Evolution

·OH + H2O [HO·OH] + H+ + e- OH + H 2 O [HO · OH] + H + + e -

[HO·OH] → HO·OH[HO-OH] - > HO-OH

HO·OH → O·OH + e- + H+ OH OH O + OH + e- + H +

2O·OH → 2OH + O2 2O · OH → 2OH + O 2

광수전해는 태양빛을 받아 물을 분해하는 기술로, 넓게는 광수전해 장치와 태양광 장치를 연동하는 방식도 포함된다. 이에 대해서 대한민국 등록특허 제10-0806168호에서 광촉매 물 분해 수소 에너지의 제조 방법에 있어서, 태양광을 이용한 광촉매 물 분해 장치와 태양광에 의하여 전압을 가할 수 있는 태양전지를 결합시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 에너지의 제조 방법에 대해 명시되어 있다. 이러한 방식은 상용화가 빠르고 널리 알려져 있는 방식이나 아직도 태양전지의 가격적인 측면이나 알칼라인 또는 PEM 타입 수전해 시스템의 금액에 대한 경제성의 문제가 있기 때문에 개발이 더 필요한 부분이다. 파티클을 이용하는 방법 또한 있는데, 대한민국 등록특허 제10-1541746호에서는 Platinum이 로딩된 TiO2 및 상기 TiO2 표면에 나피온 층을 포함하고 상기 나피온 층에 SnP6 +가 함침되어 있어 최종 형태가 SnP6 +/Nf/Pt-TiO2 형태인 가시광 물분해 수소 생성법에 대한 기술이 명시되어 있다. 이러한 TiO2는 직경이 10~100 nm인 것을 특징으로 하는 물 내부에 분산되는 형태로 사용하는 광촉매인데, 이러한 경우 촉매 파티클 사이의 접촉이 어려워 전체적인 표면에서의 밀집된 반응을 끌어내기가 어렵고, 촉매 파티클이 유실되거나 분산이 서로 잘되어 있지 않아서 수전해 효율이 감소되는 문제점 등이 있다. The photovoltaic electrolysis is a technique for decomposing water by receiving sunlight, and it also includes a method of linking a photovoltaic electrolytic device with a photovoltaic device. Korean Patent Registration No. 10-0806168 discloses a method for producing hydrogen energy by decomposing photocatalyst, which is performed by combining a photocatalytic water decomposition apparatus using sunlight and a solar cell capable of applying a voltage by sunlight And a method for producing hydrogen energy is described. This method is more rapid and widely known, but still needs further development because of the cost of the solar cell and the economics of the amount of alkaline or PEM type power receiving system. In Korean Patent No. 10-1541746, Platinum-loaded TiO 2 and a Nafion layer on the TiO 2 surface are impregnated with SnP 6 + , and the final shape is SnP 6 + / Nf / Pt-TiO 2 form of visible light hydrolysis. Such TiO 2 is a photocatalyst used in a form dispersed in water in which the diameter is in the range of 10 to 100 nm. In this case, it is difficult to bring about a contact between the catalyst particles, so that it is difficult to draw a dense reaction on the entire surface, And the efficiency of electrolytic solution is decreased due to poor dispersion.

파티클 형태의 기술 외에, 태양전지와 수전해 cell을 접합하는 tandem cell 형태가 있다. 그 외에는 photoanode로써 광수전해 효율이 높은 산화철 중 fevroskite 구조를 nano 수준으로 정렬하여 그 효율을 극대화하는 등의 대한민국 소멸(등록)특허 제10-0766701호 등보다 산업적으로 대면적 형성이 쉽고, 이미 상용화되어있는 수전해 MEA 기술을 약간 더 보완한 것으로 그 내구성 등이 검증된 소재 및 제조방법이다. In addition to the particle type technology, there is a tandem cell type that connects the solar cell with the water electrolytic cell. In addition, it is easy to form large-scale industrial area more easily, such as the Korean Patent No. 10-0766701, which maximizes the efficiency by aligning the fevroskite structure to nano-level among the iron oxide having high photoelectric conductivity by photoanode, Which is a slightly more complementary to the existing MEA technology, and its proven materials and manufacturing methods.

그러나 현재로서는 본 기술의 최대 광수전해 효율은 약 4%대로 극복할 기술적 한계점이 많은데, 이 발명에서는 효율을 높이기 위해 외부 도선으로 전자가 흐름으로서 생성되는 electronic loss 및 전자가 흐르는 백금 촉매층, current feeder층, 외부 도선을 물리는 busbar 등의 ohmic loss를 최소화하여 광수전해 효율이 기존에 비해 증대될 수 있는데 기술의 특장점이 있다. However, at present, the maximum optical water electrolysis efficiency of the present technology has many technical limitations to overcome by about 4%. In this invention, in order to increase the efficiency, an electronic loss which is generated as an electron flow in an external conductor, a platinum catalyst layer in which electrons flow, , And the busbar, which is connected to the external conductor, minimizes the ohmic loss, so that the photovoltaic electrolytic efficiency can be increased compared with the existing one.

이 발명의 Pt MEA의 제조 기술 및 그 응용방법은 엘켐텍이 보유한 특허 대한민국 등록특허 제10-0930360호를 토대로 하나, 기존 특허에서 사용된 물질은 Ta의 경우에는 광촉매 반응에 활성이 없고, 코팅비용 등이 비싼 문제점이 있다. The manufacturing technology and the application method of the Pt MEA of the present invention are based on the patent of Korean Patent No. 10-0930360 owned by L Chemtech. However, the substance used in the existing patent is not active in the photocatalytic reaction in case of Ta, And the like.

이 발명에서는 이러한 문제점을 극복하고 해결하기 위해 이에 전기전도성을 부여하는 가공 공정 및 photo anode를 형성하는 공정이 추가됨으로써 기존 특허와의 기술적 차별점을 갖도록 구성한 것이다. In order to overcome and solve the above problems, the present invention is constructed so as to have a technical differentiation from the existing patent by adding a processing process for imparting electrical conductivity thereto and a process for forming a photo anode.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명은, 양이온 교환 전해질막 표면에 양극 및 음극을 각각 갖는 광화학적 수소 발생용 막전극접합체(Membrane electrode assembly)에 있어서, 양극은 전해질 막의 내부를 관통하여 형성된 통로에 침투하여 고정된 백금족 원소의 촉매층을 무전해도금하여 전해질 막과 일체로 형성한 금속 형태의 백금 촉매층으로 구성된 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a membrane electrode assembly for photochemical hydrogen generation, the membrane having an anode and a cathode on the surface of a cation-exchange electrolyte membrane, the anode having a passage formed through the interior of the electrolyte membrane, And a catalyst layer of a fixed platinum group element is electroless-plated to form a platinum catalyst layer in the form of a metal integrally with the electrolyte membrane.

또한, 이 발명에 따르면, 음극은 상기 형성된 백금 촉매층위의 음극 측으로 사용될 면에 TiO2, Sn3O4, ZnO, WO3 등의 음극 촉매를 electrospray 또는 doctor blade, decal 등의 코팅법 및 무전해 도금 또는 전해도금 양식으로 광수전해에 활성이 있는 음극 촉매를 코팅하는 것을 특징으로 한다. In addition, according to the present invention, a negative electrode can be formed by coating a cathode catalyst such as TiO 2 , Sn 3 O 4 , ZnO, WO 3 or the like on the surface to be used as a cathode side on the formed platinum catalyst layer by electrospray or coating method such as doctor blade, decal, Characterized in that the cathode catalyst is coated in a plating or electrolytic plating mode and is active in the photovoltaic electrolysis.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명은, 전해질 막의 양 표면에 전극을 형성하는 양극 및 음극 전극 촉매층을 각각 갖는 광수전해 수소 발생용 막전극 접합체의 제조 방법에 있어서, 전해질 막을 세정하는 전처리 단계, 전처리한 전해질 막을 전극 촉매 이온을 함유한 용액 내에 함침하여 이온들을 전해질 막의 표면 및 내부에 강제로 형성시킨 공극에 침투시켜 고정화하고, 전해질 막에 고정된 전극촉매 이온을 환원제를 이용하여 촉매로 환원하여 전극 촉매층을 형성하는 흡착 환원 단계, 전극 촉매층이 양 표면에 코팅된 전해질 막의 한쪽의 면을 TiO2, Sn3O4, ZnO, WO3 등의 양극 촉매를 electrospray 또는 무전해 도금, 또는 전해 도금하여 전해질막을 코팅하는 단계, 전극 촉매층이 양 표면에 코팅된 전해질 막의 한쪽의 면을 전기도금법에 의해 탄탈륨 도금하는 단계 및 전해질 막을 세정하는 후처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a photovoltaic electrolytic solution-generating membrane electrode assembly having an anode and a cathode catalyst layer for forming electrodes on both surfaces of an electrolyte membrane, The pretreated electrolyte membrane is impregnated into a solution containing electrode catalyst ions to immobilize the ions on the surface and inside of the electrolyte membrane by forcibly forming the electrolyte membrane, and the electrode catalyst ions immobilized on the electrolyte membrane are reacted with a catalyst reduction by the adsorption-reduction method comprising: forming an electrode catalyst layer and the electrode catalyst layer is the side of the electrolyte membrane side coated on both surfaces of TiO 2, Sn 3 O 4, ZnO, WO 3, etc. to the anode catalyst electrospray or electroless plating, or electrolytic A step of coating the electrolyte membrane by plating, and a step of coating one surface of the electrolyte membrane coated with both surfaces of the electrode catalyst layer by electroplating A tantalum plating step and a post-treatment step of cleaning the electrolyte membrane.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 흡착 환원 단계에서, 전극 촉매로서 이리듐, 망간, 코발트, 니켈, 팔라듐, 크롬, 백금 중에서 어느 하나 또는 하나 이상의 혼합물을 이용할 수 있다. According to the present invention, in the adsorption-reduction step, any one or a mixture of at least one of iridium, manganese, cobalt, nickel, palladium, chromium and platinum can be used as the electrode catalyst.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명은, 전해질 막의 양 표면 및 내부 공극에 양극 및 음극, 양극과 음극을 통하는 도선을 갖는 광수전해 막전극접합체와, 막전극접합체의 양극과 음극에 의해 형성되는 양극실 음극실을 외부와 각각 차단하는 동시에 광수전해를 위한 태양광에 대한 투과성을 갖는 석영이나 PEEK 투명 재질로 구성된 분리판 및 프레임과, 분리판과 프레임 사이에 각각 설치되어 양극실과 음극실 내의 반응물과 생성물의 외부 누출을 막는 패킹을 포함하여, 분리판, 프레임 및 패킹에는 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 홀이 각각 형성된 광수전해 셀에 있어서, 양극은 전해질 막의 내부에 침투하여 고정된 백금 촉매에 TiO2, Sn3O4, ZnO, WO3 양극 촉매가 코팅된 형태를 사용하고, 음극은 백금 촉매층 그대로 전극 촉매층으로 구성한 막전극접합체를 구비하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a photovoltaic membrane electrode assembly including a positive electrode and a negative electrode on both surfaces of an electrolyte membrane and a lead wire connecting the positive electrode and the negative electrode to each other and a positive electrode and a negative electrode of the membrane electrode assembly, A separation plate and a frame made of quartz or PEEK transparent material having a permeability to solar light for blocking the anode chamber and a cathode chamber for the optical water electrolysis, respectively, and an anode chamber and a cathode chamber And a packing for preventing external leakage of a product and a product in the separator, the frame and the packing, wherein the anode penetrates the interior of the electrolyte membrane and is fixed using TiO 2, Sn 3 O 4, ZnO, WO 3 form the anode catalyst is coated on the platinum catalyst, and the cathode catalyst layer as the electrode catalyst layer of platinum Membrane configured to be characterized by having an electrode assembly.

이 발명에 따르면, 전기를 이용한 수전해에 비해 광수전해는 재생전원을 이용하여 CO2 발생이 저감되는 현광적인 효과 및 한번 설치하면 큰 노후화 없이 반영구적으로 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전기를 이용한 수전해 장치에서 비교적 큰 비용을 차지하는 직류 전원 공급장치(power supply), Diffusion layer, current feeder 등의 BOP 제조 비용이 최소화되거나 없어지는 등 경제적으로 제조 비용에서도 절감 효과가 크다. According to the present invention, the optical water electrolysis is advantageous in that the CO 2 generation is reduced by using the regenerative power as compared with the electrolysis using electricity, and that it can be used semi-permanently without a large deterioration once installed. In addition, the BOP manufacturing cost such as a DC power supply, a diffusion layer, and a current feeder, which occupies a relatively large cost in an electric power receiving apparatus using electricity, is minimized or eliminated.

이 발명의 Pt 막전극접합체를 이용하여 광수전해에 쓰이는 막전극접합체를 제조하게 되면 대량 양산이 가능하고, 기존 막전극접합체 공정 컨트롤의 노하우를 그대로 적용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 기존 광수전해 셀에서 외부에 도선을 따로 두지 않고 셀을 구성하여 compact하고 도선 저항 등의 에너지 로스를 줄일 수 있는 등의 장점이 있다. When the membrane electrode assembly used for the photovoltaic electrolysis is manufactured using the Pt membrane electrode assembly of the present invention, mass production is possible and the know-how of the conventional membrane electrode assembly process control can be applied as it is. In addition, there is an advantage in that the existing optical water electrolytic cell can be compacted by forming a cell without leaving a lead outside, and energy loss such as lead resistance can be reduced.

도 1은 이 발명에 따른, 광수전해를 위한 양극 촉매가 코팅된 Pt MEA의 층 구성을 보여주는 단면도이고,
도 2는 이 발명의 실시예에서 사용한 광전기화학전지 시스템의 개략도이고,
도 3은 Pt MEA 제조 공정 flow chart photoanode 형성 공정이고,
도 4는 photoanode의 다양한 nano size의 sem image 이고,
도 5는 Pt이 코팅된 광수전해용 Pt MEA의 단면 SEM 측정 이미지이고,
도 6은 광수전해 cell 광수전해 반응 수소 발생 농도에 대한 graph photocurrent 이다.
1 is a cross-sectional view showing a layer structure of a Pt MEA coated with a positive electrode catalyst for photovoltaic electrolysis according to the present invention,
2 is a schematic view of an electrochemical cell system used in an embodiment of the present invention,
3 is a flow chart photoanode formation process of a Pt MEA manufacturing process,
Fig. 4 is a seman image of various nano sizes of the photoanode,
5 is a cross-sectional SEM measurement image of Pt-coated Pt-MEA for photovoltaic electrolysis,
FIG. 6 is a graph photocurrent of the photocathode generation rate of photocatalytic cell hydrolysis.

아래에서, 이 발명에 따른 광수전해 수소 발생용 막전극접합체 및 그 제조방법과 이를 구비한 광수전해 셀의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. Best Mode for Carrying Out the Invention Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in which a membrane electrode assembly for photovoltaic electrolytic hydrogen generation according to the present invention, a method of manufacturing the same, and a photovoltaic cell having the same.

도 1은 이 발명에서 최종적으로 구현하고자 하는 광수전해 셀의 구성을 보여주는 단면도이고, 도 3은 이 발명의 실시예에 따른 광수전해 수소 발생용 막전극 접합체의 제조 과정을 나타낸 블록도이다. 이 발명에 따른 막전극접합체의 제조 과정을 도 3을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a photovoltaic electrolytic cell to be ultimately implemented in the present invention, and FIG. 3 is a block diagram showing a process of manufacturing a photovoltaic electrolytic hydrogen-generating membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention. A process of manufacturing the membrane electrode assembly according to the present invention will be described with reference to FIG.

이 발명에 따른 막 전극체의 제조 방법은 흡착 환원법과 기타 코팅법을 이용하는 것으로 크게 3단계로 구분된다. 제1 단계는 이온 교환막(110)의 전처리 단계, 제2 단계는 이온 교환막에 양극과 음극 사이에 전류가 흐를 수 있도록 공극(150)을 형성시키는 단계, 제3 단계는 흡착한원법에 의해 백금 촉매(120,130)를 코팅하는 흡착 환원 단계, 제4 단계는 제1 단게에서 제조된 백금 촉매를 가지는 막전극 접합체에 양극 측에 양극 촉매(140)를 코팅하는 단계로 하여 이루어져 있다. The method of manufacturing the membrane electrode assembly according to the present invention uses an adsorption-reduction method and other coating methods, and is divided into three stages. The first step is a pretreatment step of the ion exchange membrane 110. The second step is a step of forming an air gap 150 to allow an electric current to flow between the anode and the cathode in the ion exchange membrane. (120, 130). In the fourth step, the anode catalyst 140 is coated on the anode side of the membrane electrode assembly having the platinum catalyst prepared in the first step.

이 발명에 따른 막 전극 접합체의 제조에 적합한 이온 교환막으로는 퍼플로로네이티드설포닉산 양이온 교환막이 가장 바람직하다. The ion exchange membrane suitable for the production of the membrane electrode assembly according to the present invention is most preferably a perfluorinated sulfonic acid cation exchange membrane.

제1 단계인 전처리 단계는 다음과 같다. The first step, the preprocessing step, is as follows.

먼저, 이온 교환막의 반응 표면적을 넓히기 위해 샌드블라스팅이나 샌드페이퍼로 표면을 거칠게 한다. 이렇게 이온 교환막을 거칠게 처리한 후 이온 교환막 내의 불순물 등을 제거하기 위해 세척 및 세정 단계를 반복하여 실시한다. 세척 방법으로는 이온교환막의 표면에 있는 이물질을 제거하기 위해 순수에 투입하여 가열하는 등의 방식을 이용한다. 세정 단계는 황산, 염산 등의 산 용액에서 가열하는 과정을 거친다. 전처리 단계로는 이온 교환막의 표면을 거칠게 하는 과정, 순수로 세척하는 과정, 산에서 가열하는 과정 등으로 구성되며, 이러한 과정을 최소 1번 이상 반복하여 하는 것이 바람직하다. First, the surface of the ion exchange membrane is roughened by sandblasting or sandpaper to widen the reaction surface area. After the ion exchange membrane is roughened, the washing and cleaning steps are repeated to remove impurities in the ion exchange membrane. As a cleaning method, a method such as heating by adding pure water to remove foreign substances on the surface of the ion exchange membrane is used. The washing step is a step of heating in an acid solution such as sulfuric acid or hydrochloric acid. The pretreatment step consists of roughening the surface of the ion exchange membrane, washing with pure water, and heating in the acid, and it is preferable to repeat this process at least once.

제2 단계인 공극을 형성하는 단계는 다음과 같다. The second step of forming the voids is as follows.

양이온 교환막에 일정 굵기의 니들로 단위 면적당 비슷한 수의 공극수를 가지도록 공극을 형성한다. 이때 공극의 밀도가 면적마다 많이 상이하게 되면 일정 부분으로 전류가 몰리는 현상이 발생하기 때문에 이를 방지하기 위해 일정 간격으로 공극을 형성하는 것이 중요하다.A void is formed in the cation exchange membrane to have a similar number of voids per unit area with a needle of constant thickness. At this time, when the density of the pores differs from one area to another, a phenomenon occurs in which a current flows into a certain area. Therefore, it is important to form pores at regular intervals to prevent this.

제3-1 단계인 흡착단계는 다음과 같다.The adsorption step in the 3-1 step is as follows.

촉매이온의 흡착단계는 전기화학적 촉매 기능을 갖는 금속화합물이 녹아 있는 용액에 이온 교환막을 일정 온도에서 일정 시간 동안 함침하여 금속이온이 가능한 이온 교환막 내로 확산 침투되게 하는 것으로서, 온도, 함침시간, 교반 등이 이온 교환막의 물성에 영향을 준다.The adsorption step of the catalyst ion is to impregnate the ion exchange membrane into a solution in which the metal compound having an electrochemical catalytic function is dissolved by impregnating the ion exchange membrane at a predetermined temperature for a predetermined period of time to diffuse the metal ion into the ion exchange membrane capable of ion exchange. Affects the physical properties of the ion exchange membrane.

이때, 적용 가능한 전기화학적 촉매로는 이리듐, 망간, 코발트, 니켈, 팔라듐, 크롬, 백금 중에서 어느 하나 또는 하나 이상의 혼합물이 알려져 있으며, 이 같은 금속촉매를 이온 교환막 내로 침투시키기 위해 염화물이나 질산물을 갖는 화합물 Pt(NH3)4Cl2, RuCl3, IrCl3, Mn(NO3)2, Co(NO3)2, Ni(NO3)2, SnCl3,PdCl2, CrCl3 등을 전구체로 사용하는 것이 바람직하다. 전극 촉매로는 양극과 음극에 동시에 적용 가능한 백금 촉매제가 바람직하다. At this time, any one or a mixture of at least one of iridium, manganese, cobalt, nickel, palladium, chromium, and platinum is known as an applicable electrochemical catalyst. In order to permeate such a metal catalyst into the ion exchange membrane, compound Pt (NH 3) 4 Cl 2 , RuCl 3, IrCl 3, Mn (NO 3) 2, Co (NO 3) 2, Ni (NO 3) used as the precursor 2, SnCl 3, PdCl 2, CrCl 3 , etc. . As the electrode catalyst, a platinum catalyst which can be applied to the positive electrode and the negative electrode at the same time is preferable.

백금 촉매 시약의 농도는 0.01mmole ~ 5mmole 의 농도가 적합하다. 이때, 0.01mmole 보다 농도가 낮으면 이온교환막 내로의 촉매이온 성분이 침투하기 어렵고, 5mmole 이상에서는 미반응 촉매가 존재하게 되어 고가의 귀금속을 낭비하게 된다.The concentration of the platinum catalyst reagent is suitably from 0.01 mmole to 5 mmole. At this time, when the concentration is lower than 0.01 mmole, the catalyst ion component into the ion exchange membrane is difficult to permeate, and when the concentration is higher than 5 mmole, unreacted catalyst exists and wastes expensive noble metal.

금속이온 흡착단계에서 적합한 온도는 10 ~ 80℃로서, 10℃ 이하에서는 촉매이온들의 이온 교환막 내 침투가 어렵고, 80℃ 이상에서는 이온 교환막의 변형이 심하여 조업이 어려운 문제가 있으며, 이때 더욱 바람직한 온도는 40 ~ 60℃ 이다.The temperature suitable for the metal ion adsorption step is 10 to 80 ° C. When the temperature is lower than 10 ° C, the penetration of the catalyst ions into the ion exchange membrane is difficult. When the temperature exceeds 80 ° C, the deformation of the ion exchange membrane is severe. 40 to 60 ° C.

제3-2 단계인 환원단계(백금이온 환원 과정)는 다음과 같다.The reduction step (platinum ion reduction process) in the step 3-2 is as follows.

환원 과정은 이온 교환막에 침투하여 고정된 금속촉매 이온을 환원제(예를 들면, NaBH4) 및 환원촉진제(예를 들면, NH4OH, NaOH)를 사용하여 금속촉매로 환원시키는 공정이다. 이때, 환원 기능을 갖는 환원제와 환원을 촉진하는 환원촉진제(알칼리 성분)를 일정온도의 항온조에 투입하고 저속으로 용액을 교반한다. 이때, 바람직한 환원온도는 20 ~ 80℃로서, 20℃ 이하에서는 환원제와 용출기능과 환원을 촉진하는 알칼리 성분의 반응 속도가 낮아 환원 효율이 떨어지며, 80℃ 이상에서는 흡착단계와 같이 이온 교환막의 변형이 심하여 조업에 어려움이 발생한다. 더욱 바람직한 환원온도는 40 ~ 70℃이다.The reduction process is a process of impregnating the ion exchange membrane to reduce the fixed metal catalyst ions to a metal catalyst using a reducing agent (e.g., NaBH 4 ) and a reduction promoter (e.g., NH 4 OH, NaOH). At this time, a reducing agent having a reducing function and a reducing accelerator (alkali component) for promoting reduction are put into a thermostatic chamber at a constant temperature and the solution is stirred at a low speed. In this case, the reduction temperature is preferably 20 to 80 ° C. When the temperature is lower than 20 ° C, the reduction efficiency is lowered due to the low reacting rate of the reducing agent and the alkali component promoting the elution function and reduction. There is a serious difficulty in operation. A more preferable reduction temperature is 40 to 70 占 폚.

이러한 전기도금 단계가 완료되면 물 또는 염산으로 세정하고 보관하는 후처리단계를 수행한다.When this electroplating step is completed, a post-treatment step of cleaning and storing with water or hydrochloric acid is performed.

상기와 같이 이 발명은 촉매의 함침량을 증가시키기 위해 후처리 단계 이후에 상기와 같은 제2 단계인 흡착 환원단계, 제3 단계인 전기도금 단계 및 후처리 단계를 반복할 수도 있다.As described above, the present invention may be repeated after the post-treatment step to increase the impregnation amount of the catalyst, that is, the adsorption-reduction step as the second step, the electroplating step, and the post-treatment step as the third step.

제4 단계인 양극 코팅 단계는 다음과 같다. The anode coating step of the fourth step is as follows.

TiO2, Sn3O4, ZnO, WO3 등의 광촉매 활성이 있고 10~100 nm 수준의 입자들을 양이온 교환막과 동일한 재료로 제작된 이오노머를 섞어 교반한 후 이 용액을 electrospray 또는 inkjet printing 또는 slot die, doctor blade, bar coater, sin coater 등의 여러 가지 방식으로 코팅할 수 있다. 촉매층이 너무 후막으로 코팅될 경우 빛의 투과성에 문제를 야기시킬 수 있으므로 약 10~50nm 이하로 박막으로 코팅하는 과정이 매우 중요하다. TiO 2 , Sn 3 O 4 , ZnO, and WO 3 , and the particles having a particle size of 10 to 100 nm are mixed with an ionomer prepared from the same material as the cation exchange membrane, and then the solution is applied by electrospray, inkjet printing or slot die , doctor blades, bar coaters, and sin coaters. When the catalyst layer is coated with a thick film too much, it may cause a problem in light transmittance. Therefore, it is very important to coat the catalyst layer with a thickness of about 10 to 50 nm or less.

이때 최적화된 양이온 교환막과 동일 조성의 이오노머 함량은 촉매의 중량 대비 5~35wt%가 바람직하다. 분산액은 주로 IPA 또는 에틸렌글리콜, 점도를 조절하기 위한 글리세롤 등의 분산제를 사용하게 된다. The ionomer content of the same composition as that of the optimized cation exchange membrane is preferably 5 to 35 wt% based on the weight of the catalyst. The dispersion mainly uses IPA or ethylene glycol, and a dispersant such as glycerol for controlling the viscosity.

도 2는 이 발명에 의해 제조된 막전극접합체를 구비한 단위 전기화학 셀의 구조도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이 발명의 단위 전기화학 셀은 상술한 바와 같이 양극촉매로 TiO2 촉매로 구성된 막전극접합체를 구비하여 구성한다. 여기서, 막전극접합체(100)는 이온 교환막(110)과, 이온 교환막(110)의 일측에 TiO2 등의 광촉매와 백금(130)으로 구성된 전극 촉매층(140)을 가지는 양극(140) 및 타측에 백금 촉매층을 가지는 음극(120)으로 구성된다. 이때, 양극(140) 및 음극(120)에 의해 형성되는 양극실(210)과 음극실(220)은 생성물과 반응물을 갖는 곳으로서, 서로 마주보는 형태를 갖는다. 양극실(210)은 프레임(210)과 패킹 및 절연부재(250)에 의해 외부와 차단되어 형성되며, 양극(220)과 양극실 사이에 막전극접합체(200)를 갖는다. 양극실(210)에는 광수전해가 일어나는 가시광선 영역대의 빛을 투과시킬 수 있는 석영 창(240)을 1cm2의 빛의 투과 면적과 동일하게 세공한 후 고무 패킹 등을 이용하여 절연 및 누수를 방지한다. 조립은 스테인리스 재질 등의 우수한 강도를 갖는 볼트와 너트(270)로 셀을 일정한 힘으로 체결한다. 전류를 공급하는 busbar 플레이트(280)는 막전극접합체(200) 사이에 위치하며, 광원에서 일정한 간격 및 높이로 지지하기 위하여 지지대(260)로 지지되어 테스트를 진행한다. 양극실과 음극실에 각각 전해수 및 전해질을 공급하는 유로(290)가 형성되어 있다. 2 is a structural view of a unit electrochemical cell having a membrane electrode assembly manufactured by the present invention. As shown in FIG. 2, the unit electrochemical cell of the present invention comprises a membrane electrode assembly composed of a TiO 2 catalyst as an anode catalyst as described above. Here, TiO 2 on one side of the membrane electrode assembly 100 includes an ion exchange membrane 110, an ion exchange membrane (110) And a cathode 120 having an anode 140 having an electrode catalyst layer 140 composed of a platinum 130 and a platinum catalyst layer on the other side. At this time, the anode chamber 210 and the cathode chamber 220 formed by the anode 140 and the cathode 120 have a product and a reactant, which are opposed to each other. The anode chamber 210 is shielded from the outside by the frame 210 and the packing and the insulating member 250 and has a membrane electrode assembly 200 between the anode 220 and the anode chamber. The quartz window 240, which is capable of transmitting light in the visible light region where light is electrolyzed, is formed in the anode chamber 210 in the same manner as the light transmission area of 1 cm 2 , and is then sealed with rubber packing to prevent insulation and leakage do. The assembly is assembled by bolts and nuts (270) having excellent strength such as stainless steel with constant force. The busbar plate 280 for supplying current is located between the membrane electrode assemblies 200 and supported by the support 260 to support the light source at a constant interval and height. A flow path 290 for supplying electrolytic water and an electrolyte to the anode chamber and the cathode chamber is formed.

[실시예][Example]

Pt MEA에 TiO2 particle을 100nm 정도 코팅한 후 도 2에 표시된 도와 같은 구조의 광전기화학전지를 제작하고 이를 도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같은 시스템으로 이용하여 수소를 생산하였다. 이때 TiO2의 반응면적은 1 Sun에 해당하는 광원을 균일하게 조사받는 최대 면적인 1cm2를 제외한 나머지 부분을 색상이 있는 테플론 테이프 또는 가스켓을 통해 빛과 전해질을 차단한다. 전해질로는 0.1M의 NaOH를 사용하여 테스트를 진행하였다. TiO 2 particles were coated on the Pt MEA to a thickness of about 100 nm, and a photoelectrochemical cell having the same structure as shown in FIG. 2 was fabricated and used as a system as schematically shown in FIG. 2 to produce hydrogen. At this time, the reaction area of TiO 2 blocks the light and the electrolyte through the colored Teflon tape or gasket, except for the maximum area of 1 cm 2 , which is uniformly irradiated with the light source corresponding to 1 Sun. The test was conducted using 0.1 M NaOH as the electrolyte.

상기와 같이 제작된 광전기화학전지를 도 2에 나타낸 바와 같이 셀 전지를 제작하여 조립한 후 셀의 광수전해 수소 발생 효율을 확인하였다. The photoelectrochemical cell fabricated as described above was fabricated and assembled into a cell cell as shown in FIG. 2, and the photocatalytic hydrogen generation efficiency of the cell was confirmed.

이상에서 이 발명의 광수전해 수소 발생용 막전극접합체 및 그 제조방법과 이를 구비한 광수전해 셀에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이다. 따라서, 이 발명이 상기에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그러한 변형예 또는 수정예들 또한 이 발명의 특허청구범위에 속한다 할 것이다.Although the present invention has been described in connection with the preferred embodiments thereof with reference to the accompanying drawings, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Examples or modifications will also fall within the scope of the claims of this invention.

Claims (6)

이온 교환막 전해질의 양 표면에 양극 및 음극을 각각 갖는 광화학적 산소 발생용 막전극 접합체(Membrane electrode assembly)에 있어서,
상기 양극은 전해질 막의 내부에 침투하여 음극의 코팅층까지 연결되어 고정된 백금 촉매 위에 광촉매를 도포하여 일체로 형성된 전극층이고, 음극은 전해질 막 내부에 침투된 백금 도금 전극을 그대로 사용하는 것을 특징으로 하는 막전극 접합체.
A membrane electrode assembly for photochemical oxygen generation having a positive electrode and a negative electrode on both surfaces of an ion exchange membrane electrolyte,
Wherein the positive electrode is an electrode layer formed integrally by penetrating the inside of the electrolyte membrane and connected to the coating layer of the negative electrode by applying a photocatalyst on a fixed platinum catalyst, and the negative electrode is a platinum- Electrode assembly.
청구항 1에 있어서,
상기 음극은 광수전해에 활성이 있는 TiO2, Sn3O4, ZnO, WO3 중 어느 하나의 분산액을 electro-spray, doctor blade, roll coater, bar coater, applicator, slot die 또는 inkjet coating 으로 막에 직접 형성하거나 또는 PTFE, PI의 transfer film에 형성한 후 핫 프레스에 의해 전사하는 decal 방식으로 제조한 것을 특징으로 하는 막전극접합체.
The method according to claim 1,
The cathode may be formed by electro-spraying, a doctor blade, a roll coater, a bar coater, an applicator, a slot die or an inkjet coating on a film of any one of TiO 2 , Sn 3 O 4 , ZnO and WO 3 , Is formed by direct molding or by a decal method in which the film is formed on a transfer film of PTFE or PI and then transferred by hot pressing.
청구항 1에 있어서,
상기 음극이나 양극의 생성 시, AAO, ATO의 nano size의 규칙적인 기공을 갖는 구조체를 template로 사용하거나 또는 nano size로 합성한 TiO2, Sn3O4, ZnO, WO3을 이용하여 활성면적 및 촉매 활성을 극대화한 것을 특징으로 하는 막전극접합체.
The method according to claim 1,
When the negative electrode or anode is formed, a structure having regular pores of nano size of AAO or ATO is used as a template, or TiO 2 , Sn 3 O 4 , ZnO, and WO 3 synthesized in nano size are used as the template, Wherein the catalytic activity is maximized.
청구항 1에 있어서,
상기 양극에는 Pt, Pd, Au 또는 Ir을 선택적으로 사용하거나 또는 carbon에 담지체에 담지된 이들의 nano 합성체를 이용하여 electrospray 또는 decal 방법, Impregnation-Reduction(환원함침) 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 막전극접합체.
The method according to claim 1,
An electrospray, a decal method or an impregnation-reduction (reduction impregnation) method is used by using a nano composite of Pt, Pd, Au or Ir as the positive electrode or supported on a carrier by carbon. .
빛을 투과할 수 있고 기계적 강도가 우수한 PEEK 소재를 양극실과 음극실의 소재로 사용하고, 빛을 받아 직접적으로 광수전해를 하는 양극실의 반응면적에 대해 빛의 투과성이 우수한 석영창을 삽입하고 누수를 막기 위해 각 실 및 부스바의 누수를 방지하기 위한 패킹, 양 극실을 분리하기 위한 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광수전해셀. A PEEK material that can transmit light and has excellent mechanical strength is used as an anode chamber and a cathode chamber material. A quartz window with excellent light permeability is inserted into the reaction area of an anode chamber which directly receives light and receives light, And a separation plate for separating both the seals and the bus bars from each other so as to prevent water leakage. 청구항 5에 있어서,
수용액 전해질이 무기강산 또는 염기 수용액 또는 중성염을 포함한 수용액인 것을 특징으로 하는 광수전해셀.
The method of claim 5,
Wherein the aqueous electrolyte is an aqueous solution containing an inorganic strong acid or an aqueous base or a neutral salt.
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WO2022118364A1 (en) * 2020-12-01 2022-06-09 日本電信電話株式会社 Manufacturing method of electrolyte film supported reducing electrode

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