KR20190021548A - Electrode catalyst layer of web structure, membrane electrode assembly for electrochemical cell using the same, and manufacturing method - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a membrane electrode assembly for an electrochemical cell having an electrode catalyst layer of a web structure, which reduces catalytic usage and diffusion resistance of a reactant and a product. The electrode catalyst layer includes a web of an open porous structure in which a fiber is arranged in a three-dimensional structure, and the electrochemical cell is a fuel cell or a water electrolysis cell.

Description

웹구조의 전극촉매층과 이를 이용한 전기화학 셀용 막전극접합체 및 그 제조방법{Electrode catalyst layer of web structure, membrane electrode assembly for electrochemical cell using the same, and manufacturing method}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrode catalyst layer of a web structure, a membrane electrode assembly for an electrochemical cell using the electrode catalyst layer, and a method of manufacturing the membrane electrode assembly,

이 발명은 전극촉매층에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 파이버가 3차원 구조로 배열되는 개방된 기공 구조를 제공하는 웹구조(web structure)의 전극촉매층에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 상기와 같은 웹구조의 전극촉매층을 이용한 전기화학 셀용 막전극집합체 및 그 제조방법에 관한 것이기도 하다.The present invention relates to an electrode catalyst layer, and more particularly to an electrode catalyst layer of a web structure that provides an open pore structure in which fibers are arranged in a three-dimensional structure. The present invention also relates to a membrane electrode assembly for an electrochemical cell using the above-described electrode catalyst layer of a web structure and a manufacturing method thereof.

일반적으로 전기화학 셀은 전기에너지를 이용하거나 전기에너지를 생성하는 에너지 변환 장치로, 전기분해 전지(electrolysis cell)와 연료전지(fuel cell)로 분류된다. 전기화학 셀의 실용화를 위해서는 연료전지의 경우 출력 밀도 향상(물 전기분해의 경우는 전기에너지 소비량 저하), 내구성의 향상 및 저비용화가 필요하다.Generally, an electrochemical cell is an energy conversion device that uses electric energy or generates electric energy, and is classified into an electrolysis cell and a fuel cell. For the practical use of electrochemical cells, it is necessary to improve the output density (decrease in electric energy consumption in case of water electrolysis), durability and cost reduction in fuel cells.

도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기분해 셀의 일부분을 구성하는 막전극접합체(100)의 개념도로서, 도 1의 하부는 구성요소 각층의 두께를 나타낸 것이다.1 is a conceptual view of a membrane electrode assembly 100 constituting a part of a typical electrolytic cell producing hydrogen gas and oxygen gas by electrochemically decomposing water, wherein the lower part of FIG. 1 shows the thickness of each component layer .

물(H20)을 전기분해하여 산소가스(O2)와 수소가스(H2)를 생산하는 전기분해용 전기화학 셀은 제1 전기화학 반응층(104), 제2 전기화학 반응층(108), 막(106), 제1 확산층(102) 및 제2 확산층(110)으로 이루어진다. 이때, 제1 전기화학 반응층(104)은 제1 전기화학 촉매(112)와 제1 담체(114)로 구성되고, 제2 전기화학 반응층(108)은 제2 전기화학 촉매(116)와 제2 담체(118)로 구성된다.An electrolytic electrochemical cell for electrolyzing water (H 2 O) to produce oxygen gas (O 2 ) and hydrogen gas (H 2 ) includes a first electrochemical reaction layer 104, a second electrochemical reaction layer 108, a film 106, a first diffusion layer 102, and a second diffusion layer 110. The first electrochemical reaction layer 104 is composed of a first electrochemical catalyst 112 and a first support 114 and the second electrochemical reaction layer 108 is composed of a second electrochemical catalyst 116, And a second carrier (118).

제1 확산층(102)과 제2 확산층(110)은 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)로(또는 에서) 전자와 반응물 또는 생성물의 이동을 돕는다. 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)는 전기분해를 하거나 전기에너지를 만드는 가장 중요한 물질이며, 제1, 제2 담체(114, 118)는 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)의 지지체 역할과 전자의 이동경로를 제공한다.The first diffusion layer 102 and the second diffusion layer 110 assist the transfer of electrons and reactants or products to (or at) the first and second electrochemical catalysts 112 and 116. The first and second electrochemical catalysts 112 and 116 are the most important materials for electrolysis or generating electric energy and the first and second supports 114 and 118 are formed by the first and second electrochemical catalysts 112 and 113, 116 as well as electron transfer paths.

제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)는 제1, 제2 담체(114, 118), 바인더(Binder) 및 용매(Solvent)와 같이 혼합되어 슬러리(Slurry)나 페이스트(Paste) 상태로 만들어진 후, 막(106)에 도포하거나 또는 제1, 제2 확산층(102, 110)에 도포하여 제1, 제2 전기화학 반응층(104, 108)으로 만들어진다. 이때, 이와 같이 만들어진 "전기화학 반응층(104, 108)-막(106)" 또는 "전기화학 반응층(104, 108)-막(106)-확산층(102, 110)"을 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, 이하 "MEA"라 함)라고 한다. 이하에서는 "전기화학 반응층(104, 108)-막(106)"을 중심으로 한 MEA에 대하여 언급한다.The first and second electrochemical catalysts 112 and 116 are mixed with the first and second carriers 114 and 118, the binder and the solvent to form a slurry or a paste state And the first and second electrochemical reaction layers 104 and 108 are formed on the film 106 or applied to the first and second diffusion layers 102 and 110, respectively. At this time, the "electrochemical reaction layers 104, 108 - the membrane 106" or the "electrochemical reaction layers 104, 108 - the membrane 106 - the diffusion layers 102, 110" Membrane Electrode Assembly (hereinafter referred to as "MEA"). Hereinafter, the MEA centering on the "electrochemical reaction layers 104, 108 - the membrane 106" will be referred to.

MEA에 형성된 제1 전기화학 반응층(104)과 제2 전기화학 반응층(108)의 간격은 물리적인 막의 두께 값을 가지며, 제1 전기화학 반응층(104)과 제2 전기화학 반응층(108) 내에는 기포가 존재하지 않아 저전압, 고전류의 운전이 가능하다. 또한, 알카리 전기분해 셀에서와 같이 전해액의 전도성을 이용하지 않기 때문에 원료인 물을 고순도로 사용가능하고, 이에 고순도의 수소와 산소를 얻을 수 있는 장점이 있다.The gap between the first electrochemical reaction layer 104 and the second electrochemical reaction layer 108 formed on the MEA has a thickness value of a physical film and the first electrochemical reaction layer 104 and the second electrochemical reaction layer 108 are free of air bubbles, it is possible to operate at low voltage and high current. In addition, since the conductivity of the electrolytic solution is not utilized as in an alkaline electrolytic cell, it is possible to use water as a raw material in high purity, thereby obtaining hydrogen and oxygen of high purity.

도 1에 도시된 구성을 이용하여, 물을 전기분해하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 여기서, 산화 반응이 일어나는 곳을 제1 전기화학 반응층(104)으로 하고, 환원 반응이 일어나는 곳을 제2 전기화학 반응층(108)으로 하며, 산화 반응과 환원 반응은 동시에 일어난다.A process of electrolyzing water using the configuration shown in FIG. 1 will be described below. Here, the first electrochemical reaction layer 104 is formed where the oxidation reaction occurs, the second electrochemical reaction layer 108 where the reduction reaction occurs, and the oxidation reaction and the reduction reaction occur at the same time.

먼저, 물(H20)이 제1 확산층(102)을 거쳐 제1 전기화학 반응층(104)에 공급되면, 물은 제1 전기화학 촉매(112)(산화촉매, 양극 활물질, 산소가스 발생 전극)에서 아래 반응식 1과 같이 산소가스(O2)와 전자(e-) 그리고 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해반응이 일어난다. 이때, 산소가스(O2)는 전기분해 셀의 외부로 유출되며, 수소이온(H+)은 전기장에 의해 막(106)을 통과하여 제2 전기화학 촉매(116)(환원촉매, 음극활물질, 수소가스 발생극)로 이동하며, 전자(e-)는 제1 전기화학 촉매(112)에서 제1 확산층(102), 외부회로(미도시) 및 제2 확산층(110)을 거쳐 제2 전기화학 촉매(116)로 이동한다.First, when water (H 2 O) is supplied to the first electrochemical reaction layer 104 through the first diffusion layer 102, water is supplied to the first electrochemical catalyst 112 (oxidation catalyst, cathode active material, (O 2 ), electrons (e - ) and hydrogen ions (H + ) (protons) as shown in the following reaction formula 1. At this time, the oxygen gas (O 2 ) flows out to the outside of the electrolysis cell, and the hydrogen ion (H + ) passes through the membrane 106 by the electric field and flows through the second electrochemical catalyst 116 (the reducing catalyst, The electrons e - flow from the first electrochemical catalyst 112 through the first diffusion layer 102, the external circuit (not shown), and the second diffusion layer 110 to the second electrochemical And moves to the catalyst 116.

한편, 제2 전기화학 촉매(116)에서는 제1 전기화학 촉매(112)에서 이동한 수소이온(H+)과 전자(e-)가 반응하여 반응식 2와 같이 수소가스(H2)가 생성된다. 그리고, 제1 전기화학 반응층(104)으로 공급된 물 중에서 일부는 전기장에 의해 제2 전기화학 반응층(108)으로 이동하여 수소가스(H2)와 함께 전기분해 셀의 외부로 유출된다.On the other hand, in the second electrochemical catalyst 116, hydrogen ions (H + ) migrated in the first electrochemical catalyst 112 react with electrons (e - ) to generate hydrogen gas (H 2 ) . A part of the water supplied to the first electrochemical reaction layer 104 moves to the second electrochemical reaction layer 108 by an electric field and flows out of the electrolytic cell together with the hydrogen gas (H 2 ).

제1 전기화학 촉매(112)와 제2 전기화학 촉매(116)에서 각각 일어난 전기화학적 반응을 표현하면 아래의 반응식 1 및 반응식 2와 같으며, 제1 전기화학 촉매(112)와 제2 전기화학 촉매(116)에서 총괄 반응은 반응식 3과 같다.The electrochemical reactions occurring in the first electrochemical catalyst 112 and the second electrochemical catalyst 116 are as shown in the following reaction equations 1 and 2, The overall reaction at catalyst 116 is as shown in Scheme 3.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

2H2O → 4H+ + 4e- + O2 (양극)2H 2 O? 4H + + 4e - + O 2 (anode)

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

4H+ + 4e- → 2H2 (음극)4H + + 4e - ? 2H 2 (cathode)

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

2H2O → O2 + 2H2 2H 2 O - > O 2 + 2H 2

한편, 연료전지의 경우에는 물의 전기분해와 역으로 반응이 발생하게 되며, 이를 설명하면 다음과 같다.On the other hand, in the case of a fuel cell, a reaction occurs in reverse to the electrolysis of water.

먼저, 수소가스를 제1 전기화학 반응층(104)으로 도입하고, 산소가스를 제2 전기화학 반응층(108)으로 공급한다. 그러면, 수소가스는 제1 전기화학 촉매(112)에서 전기화학 반응(반응식 4 참조)에 의해 수소이온(양성자)과 전자로 전환되어, 전자는 전기적으로 연결된 외부 부하를 통해서 양성자는 막을 지나 제2 전기화학 촉매(116)로 이동한다. 그러면, 제2 전기화학 촉매(116)에서는 제1 전기화학 촉매(112)에서 생성 이동한 양성자 및 전자가 외부에서 공급된 산소가스와 반응(반응식 5 참조)하여 물, 에너지 및 열이 생성되며, 총괄 반응은 반응식 6과 같다.First, hydrogen gas is introduced into the first electrochemical reaction layer 104, and oxygen gas is supplied to the second electrochemical reaction layer 108. Then, the hydrogen gas is converted into hydrogen ions (protons) and electrons by an electrochemical reaction (see reaction formula 4) in the first electrochemical catalyst 112, and electrons are passed through the membrane through the electrically connected external load, And moves to the electrochemical catalyst 116. Then, in the second electrochemical catalyst 116, protons and electrons produced in the first electrochemical catalyst 112 react with oxygen gas supplied from the outside (see Reaction 5) to generate water, energy and heat, The overall reaction is shown in Scheme 6.

[반응식 4][Reaction Scheme 4]

H2 → 2H+ + 2e- (양극)H 2 - & gt ; 2H + + 2e - (anode)

[반응식 5][Reaction Scheme 5]

2H+ + 1/2O2 → H2O (음극)2H + + 1 / 2O 2 - > H 2 O (cathode)

[반응식 6][Reaction Scheme 6]

H2 + 1/2O2 → H2OH 2 + 1 / 2O 2 - > H 2 O

앞서 설명한 바와 같이, MEA는 전극역할을 하는 촉매와 막이 일체형으로 접합된 구조를 갖는 것으로서, 전기화학 셀의 성능을 좌우하는 핵심 구성요소이면서, 연료전지를 포함한 전기화학 셀의 상업화를 가로막는 가장 큰 장애물로 작용하고 있다.As described above, the MEA has a structure in which a catalyst and a membrane are integrally joined to each other as an electrode. It is a core component that determines the performance of an electrochemical cell and is a major obstacle preventing the commercialization of an electrochemical cell including a fuel cell .

MEA를 제조하는 방법은 대표적으로 핫프레싱 방법과 흡착 환원 방법 등이 있다. 핫프레싱 방법은 촉매미립자와 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 등의 결착제를 이온 교환막에 열압착하여 접합하는 방법이다. 그런데, 열압착하여 접합한 막전극접합체는 물성이 다른 서로 다른 상을 물리적으로 접합하여 구성하기 때문에 내구성 등에서 문제가 된다. 이에 반해, 흡착 환원 방법은 전극의 표면 위에 환원제를 가지고 금속염 수용액을 반응시키는 것으로서, 전극촉매의 부착강도를 증가시키고 또한 전극촉매와 이온 교환막의 접촉저항(계면저항)을 거의 최소화할 수가 있다. Typical methods for producing MEA are hot pressing method and adsorption reduction method. The hot pressing method is a method of bonding the catalyst fine particles and a binder such as PTFE (Polytetrafluoroethylene) to the ion exchange membrane by thermocompression bonding. However, since the membrane electrode assembly bonded by thermocompression bonding is formed by physically joining different phases having different physical properties, there is a problem in durability and the like. On the other hand, the adsorption-reduction method is to react the metal salt aqueous solution with a reducing agent on the surface of the electrode, thereby increasing the adhesion strength of the electrode catalyst and minimizing the contact resistance (interface resistance) between the electrode catalyst and the ion exchange membrane.

흡착 환원 방법을 이용하여 MEA를 제조하는 종래 방식의 경우, 막에 직접 전극 대상물질을 함침시킨 후 환원제를 이용하여 표면에 형성시키는 방법으로서, 촉매층이 막 위에 형성되나, 전기화학 반응에 참여하지 않는 백금 사용량이 커지는 문제를 가지고 있다(막의 내부에 촉매 존재, 도 3의 비교예 1의 정면사진 및 측면사진 참조).In the case of the conventional method of manufacturing an MEA using an adsorption-reduction method, a method in which a membrane is directly impregnated with an electrode material and then formed on the surface using a reducing agent, (The presence of a catalyst in the inside of the membrane, a front view and a side view of Comparative Example 1 in Fig. 3).

이와 같이 기존의 MEA 구조는 전극촉매의 사용량이 필요 이상으로 많이 사용되는 문제가 있다. 그 문제의 원인으로는 수전해의 경우 반응물인 물의 촉매층으로의 확산과 촉매에서 발생한 산소의 외부로의 확산이 어렵기 때문이고, 연료전지의 경우에서도 반응물인 수소 또는 산소 가스의 촉매층으로의 확산과 촉매에서 발생한 물 등의 외부로의 확산이 어렵기 때문이다.Thus, the conventional MEA structure has a problem that the amount of the electrode catalyst is used more than necessary. The reason for the problem is that diffusion of water, which is a reactant, into the catalyst layer and diffusion of oxygen generated from the catalyst to the outside are difficult, and diffusion of hydrogen or oxygen gas as a reactant into the catalyst layer And diffusion of water or the like generated in the catalyst to the outside is difficult.

대한민국 특허등록 제10-1357146호Korea Patent No. 10-1357146 대한민국 특허공개 제10-2008-0032962호Korean Patent Publication No. 10-2008-0032962

이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 전극촉매층의 촉매 사용량을 감소시키고, 반응물 및 생성물의 확산 저항을 저하시키며, 내구성을 가지는 섬유상의 웹구조의 전극촉매층과 이를 이용한 전기화학 셀용 막전극접합체 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been developed in order to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to provide an electrode catalyst layer of a fibrous web structure having a durability to reduce the amount of catalyst used in the electrode catalyst layer, The present invention provides a membrane electrode assembly for an electrochemical cell and a method of manufacturing the same.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 웹구조의 전극촉매층은 전기화학 셀에 적용되는 것으로서, 상기 전극촉매층은 파이버가 3차원 구조로 배열되는 개방된 다공 구조의 웹을 갖는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the electrode catalyst layer of the web structure of the present invention is applied to an electrochemical cell, and the electrode catalyst layer has an open porous web in which fibers are arranged in a three-dimensional structure.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 전기화학 셀은 연료 전지 또는 물전기분해 셀인 것을 특징으로 한다. 특히, 연료 전지는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)인 것이 바람직하다.According to the present invention, the electrochemical cell is a fuel cell or a water electrolysis cell. Particularly, the fuel cell is preferably a PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell).

또한, 이 발명에 따르면, 상기 파이버는 0.005 내지 5㎛의 직경을 갖는 것을 특징으로 한다. Further, according to the present invention, the fiber has a diameter of 0.005 to 5 mu m.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 웹은 1 내지 20㎛의 두께를 가지며, 웹의 전체 용적에 대해 70 내지 98%의 다공도를 갖는 것을 특징으로 한다.Further, according to the present invention, the web has a thickness of 1 to 20 mu m and has a porosity of 70 to 98% with respect to the total volume of the web.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 전극촉매층의 촉매는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os) 또는 이리듐(Ir)과 같은 백금족 금속(platinum group metal), 또는 상기 백금족 금속의 1종 이상과 철(Fe), 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)의 합금으로 구성되는 것을 특징으로 한다.The catalyst of the electrode catalyst layer may be platinum group metal such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os) or iridium (Ir) ) Or an alloy of at least one of the platinum group metals and iron (Fe), cobalt (Co) or nickel (Ni).

또한, 이 발명에 따르면, 상기 촉매를 지지하는 지지체를 더 포함하며, 상기 지지체는 프로톤 전도성을 갖는 불소계 고분자 전해질 또는 탄화수소계 고분자 전해질인 것을 특징으로 한다. According to the present invention, there is further provided a support for supporting the catalyst, wherein the support is a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte having proton conductivity.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 전기화학 셀용 막전극접합체는, 막의 표면에 상기와 같이 구성된 웹구조의 전극촉매층을 갖는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the membrane electrode assembly for an electrochemical cell of the present invention is characterized by having an electrode catalyst layer of a web structure configured as described above on the surface of the membrane.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 전기화학 셀용 막전극접합체의 제조방법은, 파이버가 3차원 구조로 배열되는 개방된 기공 구조를 갖는 웹을 제조하기 위해 이온교환능력을 가지는 액체 전해질에 금속촉매 이온을 함침시켜 전구체(precursor)를 제조하는 제1 단계와, 상기 제1 단계에서 제조한 전구체를 전기방사(Electro-spinning)하여 상기 웹을 제조하는 제2 단계와, 상기 제2 단계에서 제조된 웹을 전해질 고분자 막의 표면에 전사하는 제3 단계, 및 상기 제3 단계에서 제조된 웹을 갖는 전해질 고분자 막을 환원 및 후처리하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for manufacturing a membrane electrode assembly for an electrochemical cell, comprising the steps of: preparing a metal having an open pore structure in which fibers are arranged in a three- A second step of preparing the web by electrospinning the precursor prepared in the first step, a second step of preparing the web by impregnating a catalyst ion, And a fourth step of reducing and post-treating the polymer electrolyte membrane having the web prepared in the third step.

이 발명의 웹구조의 전극촉매층은 3차원 구조로 배열되는 개방된 기공 구조로 인한 높은 유효 공극율을 가지며, 효과적인 촉매 활용 및 물질 전달이 가능하게 되어, 현저히 향상된 전기화학 셀의 성능을 구현할 수가 있다. 특히, 향상된 출력밀도와 물 관리 능력은 기존 전기화학 셀보다 백금 사용량을 줄이면서 성능은 더욱 우수하여 단위 셀의 실제 구현이 가능하다.The electrode catalyst layer of the web structure of the present invention has a high effective porosity due to an open pore structure arranged in a three-dimensional structure, enables effective utilization of catalyst and mass transfer, and can realize remarkably improved performance of an electrochemical cell. Particularly, improved power density and water management ability are more effective than conventional electrochemical cells while reducing the amount of platinum used, thus realizing unit cell realization.

또한, 이 발명의 웹구조의 전극촉매층은 향상된 전해 소비 전력의 감소(또는 연료전지의 경우 출력밀도 향상)효과를 가지며, 이에 기존 전기화학 셀 보다 촉매 사용량을 줄이면서 성능은 더욱 우수하여 실제 단위 전기화학 셀의 구현이 가능하다.In addition, the electrode catalyst layer of the web structure of the present invention has an effect of reducing the electrolytic power consumption (or improving the output density in the case of the fuel cell), which is superior to the conventional electrochemical cell, Implementation of a chemical cell is possible.

또한, 이 발명의 웹구조의 전극촉매층은 기존 전기화학 셀에 사용되던 담체(금속 촉매 지지를 위해 사용되는 탄소 재료)가 필요 없게 되어, 내구성 향상에도 기여하는 장점이 있다.In addition, the electrode catalyst layer of the web structure of the present invention is advantageous in that it does not require a carrier (carbon material used for supporting the metal catalyst) used in existing electrochemical cells and contributes to improvement in durability.

한편, 이 발명의 웹구조의 전극촉매층을 가지는 MEA는 물질 전달 및 가스 배출이 용이하며, 물질 전달 저항(mass transfer resistance)을 낮추고, 또한 기존의 담체를 제거함에 따라 기존의 MEA보다 고 전류밀도 영역에서 내구성을 가지면서, 고효율의 운전을 가능하게 하는 장점이 있다.Meanwhile, the MEA having the electrode catalyst layer of the web structure of the present invention is easy to transfer materials and discharge gas, lowers the mass transfer resistance, and also removes the existing carrier, And has the advantage of enabling high-efficiency operation.

도 1은 전기화학 셀을 구성하는 일반적인 막전극접합체의 개념도이고,
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 웹구조의 전극촉매층의 개념도이고,
도 3은 이 발명에 따른 웹구조의 전극촉매층과 기존의 전극촉매층의 구조를 비교한 사진이고,
도 4는 도 2에 도시된 웹구조의 전극촉매층을 갖는 MEA의 제조공정에 대한 개념도이고,
도 5는 이 발명에 따른 제조공정에 적용되는 전기방사장치의 원리 개념도이고,
도 6은 이 발명에 따른 제조공정에 적용되는 전기방사장치를 이용한 파이버 제조 과정을 보여주는 사진이고,
도 7은 이 발명의 실시예에서 파이버 형성조건을 파악한 결과 사진이고,
도 8은 이 발명에 따른 전구체 용액을 이용하여 제조한 웹의 주사현미경(SEM) 사진이고,
도 9는 이 발명에 따른 환원 과정 및 최종 MEA의 사진이고,
도 10은 이 발명의 실시예와 비교예에 대한 MEA의 정면 및 측면 사진이고,
도 11은 이 발명의 실시예와 비교예의 MEA를 평가하기 위한 단위 셀의 사진이며,
도 12는 이 발명의 실시예와 비교예의 전해 평가를 수행한 결과 그래프이다.
1 is a conceptual diagram of a general membrane electrode assembly constituting an electrochemical cell,
2 is a conceptual view of an electrode catalyst layer of a web structure according to an embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a photograph of a structure of an electrode catalyst layer of a web structure according to the present invention and a conventional electrode catalyst layer,
FIG. 4 is a conceptual view illustrating a manufacturing process of an MEA having an electrode catalyst layer of the web structure shown in FIG. 2,
5 is a conceptual view of the principle of the electrospinning apparatus applied to the manufacturing process according to the present invention,
6 is a photograph showing a manufacturing process of a fiber using an electrospinning device applied to a manufacturing process according to the present invention,
FIG. 7 is a photograph showing the fiber formation conditions in the embodiment of the present invention,
8 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a web prepared using the precursor solution according to the present invention,
9 is a photograph of the reduction process and the final MEA according to the present invention,
10 is a front view and a side view of an MEA according to an embodiment of the present invention and a comparative example,
11 is a photograph of a unit cell for evaluating the MEA of Examples and Comparative Examples of the present invention,
FIG. 12 is a graph showing the results of electrolytic evaluation of Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 이 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following detailed description of the operation principle of the preferred embodiment of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. The same reference numerals are used for portions having similar functions and functions throughout the drawings.

아래에서, 이 발명에 따른 웹구조의 전극촉매층과 이를 이용한 전기화학 셀용 막전극접합체 및 그 제조방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiments of an electrode catalyst layer of a web structure according to the present invention, a membrane electrode assembly for an electrochemical cell using the same, and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 웹구조의 전극촉매층의 개념도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 최종 제품 형태인 MEA(202)의 전극촉매층(204)은 웹구조(web structure)로 이루어지며, 전기화학 셀(연료 전지, 특히, 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 또는 물전기분해 셀)의 MEA에서 양극 또는 음극의 촉매층으로 사용될 수 있다.2 is a conceptual view of an electrode catalyst layer of a web structure according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the electrode catalyst layer 204 of the MEA 202 in the form of a final product is formed of a web structure, and is formed of an electrochemical cell (a fuel cell, in particular, a polymer electrolyte membrane fuel cell Cell, PEMFC) or water electrolysis cell) as an anode or cathode catalyst layer.

한편, 이 발명의 웹구조의 전극촉매층(204)은 고분자 전해질 막 또는 가스 확산층(Gas Diffusion Barrier, GDL) 상에 직접 형성될 수도 있다. Meanwhile, the electrode catalyst layer 204 of the web structure of the present invention may be formed directly on a polymer electrolyte membrane or a gas diffusion layer (GDL).

이 발명에 따른 웹구조의 전극촉매층(204)의 촉매(206) 소재로는, 주로 사용되는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os) 또는 이리듐(Ir)과 같은 백금족 금속(platinum group metal), 또는 상기와 같은 백금족 금속의 1종 이상과 철(Fe), 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)의 합금으로 이루어질 수 있다. 한편, 촉매(206) 소재는 반응성이 뛰어나고, 전극 반응을 효율적으로 안정되게 장기간 사용할 수 있도록, 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속 또는 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.As the material of the catalyst 206 of the electrode catalyst layer 204 of the web structure according to the present invention, platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Ir), or an alloy of iron (Fe), cobalt (Co), or nickel (Ni) with at least one of the platinum group metals as described above. On the other hand, it is preferable to use at least one metal or oxide selected from platinum, palladium, rhodium, ruthenium and iridium so that the material of the catalyst 206 is excellent in reactivity and can be used efficiently and stably for a long time .

이 발명에 따른 촉매(206)를 지지하는 지지체(208)로는 프로톤 전도성을 갖는 불소계 고분자 전해질, 탄화수소계 고분자 전해질 등이 이용될 수 있다. 여기서, 지지체(208)는 촉매(206)의 내부에 위치한 상태에서 촉매(206)를 지지한다. As the support 208 for supporting the catalyst 206 according to the present invention, a fluorine-based polymer electrolyte having proton conductivity, a hydrocarbon-based polymer electrolyte, or the like may be used. Here, the support body 208 supports the catalyst 206 in a state in which the catalyst 206 is located.

이 발명에 따른 웹구조의 전극촉매층(204)은 마크로 기공(macro pore) 구조를 가지는 장점을 갖는다. 즉, 전극촉매층(204)은 높은 비표면적, 낮은 굴곡도(tortuosity), 상호 연결된(interconnected) 기공을 가져 전기화학 셀의 MEA 촉매에 도입될 경우, 기존의 탄소계 지지체를 구비하는 백금 촉매층을 가지는 기존의 촉매층에 비해 향상된 물질 전달 특성을 갖는다.The electrode catalyst layer 204 of the web structure according to the present invention has an advantage of having a macro pore structure. That is, when the electrode catalyst layer 204 has high specific surface area, low tortuosity, interconnected pores, and is introduced into the MEA catalyst of the electrochemical cell, the electrode catalyst layer 204 has a platinum catalyst layer having a conventional carbon- It has an improved mass transfer characteristic as compared with the existing catalyst layer.

보다 구체적으로, 이 발명에 따른 웹구조의 전극촉매층은 파이버 형태를 가짐에 따라 종래의 금속 촉매층의 구조에 비해 매우 개방되고 짧은 확산 경로로 이루어져 향상된 물질 수송 및 향상된 전도성을 가진다. 그리고, 전극화학 반응이 발생할 수 있는 촉매 반응 면적을 크게 하여 반응 속도를 향상시킨다. 또한, 촉매층의 두께 감소를 가능케 함으로써, 기존 촉매층과 달리 이오노머(ionomer)를 포함할 필요가 없다. 또한, 금속 촉매 입자들이 결속된 통합된(integrated) 구조를 가져 금속 촉매 입자의 손실을 막을 수가 있다.More specifically, since the electrode catalyst layer of the web structure according to the present invention has a fiber shape, it has a very open and short diffusion path as compared with the structure of a conventional metal catalyst layer, and has improved material transport and improved conductivity. In addition, the catalytic reaction area where the electrode chemical reaction may occur increases the reaction speed. Further, by making it possible to reduce the thickness of the catalyst layer, unlike the existing catalyst layer, it is not necessary to include an ionomer. In addition, there is an integrated structure in which the metal catalyst particles are bound to prevent the loss of the metal catalyst particles.

도 3은 이 발명에 따른 웹구조의 전극촉매층과 기존의 전극촉매층의 구조를 비교하기 위한, 기존의 MEA와 이 발명의 MEA의 정면 및 측면의 SEM 사진으로서, 상기에 언급한 내용을 명확히 알 수 있다.3 is a SEM photograph of the front and side surfaces of the conventional MEA and the MEA of the present invention for comparing the structure of the electrode catalyst layer of the web structure according to the present invention and the conventional electrode catalyst layer, have.

즉, 도 3에서 알 수 있듯이, 기존의 MEA(비교예 1)는 촉매층이 컴팩트하여 반응물 및 생성물이 내부 촉매에 접촉하여 수소를 만들기 어려운 구조이며, 또한 촉매가 막의 내부에도 침투되어 있어(비교예 1의 b 부분) 촉매가 활용되지 못함을 보여주고 있다. 이에 반해, 이 발명의 MEA(실시예 1-3)은 촉매층에 기공이 충분히 형성되어 있고 막의 내부에 촉매가 침투되지 않아 촉매 활용성이 매우 높을 수 있다는 것을 보여준다.That is, as shown in FIG. 3, the conventional MEA (Comparative Example 1) has a structure in which the catalyst layer is compact and reactants and products are in contact with the internal catalyst to make hydrogen hard, and the catalyst also penetrates into the inside of the membrane 1 < / RTI > part b) catalyst. On the contrary, the MEA of the present invention (Examples 1-3) shows that the pores are sufficiently formed in the catalyst layer and the catalyst is not penetrated into the inside of the membrane, so that the catalyst utilization can be very high.

아래에서는 이 발명에 따른 웹구조의 전극촉매층을 갖는 전기화학 셀용 막전극접합체의 제조방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a membrane electrode assembly for an electrochemical cell having an electrode catalyst layer of a web structure according to the present invention will be described.

도 4는 도 2에 도시된 웹구조의 전극촉매층을 갖는 MEA의 제조공정에 대한 개념도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 이 발명의 웹구조의 전극촉매층을 갖는 MEA의 제조방법은, 파이버가 3차원 구조로 배열되는 개방된 기공 구조를 갖는 웹을 제조하기 위해 이온교환능력을 가지는 액체 전해질에 금속촉매 이온을 함침시켜 전구체(precursor)를 제조하는 제1 단계와, 제1 단계에서 제조한 전구체를 전기방사(Electro-spinning)하여 웹을 제조하는 제2 단계와, 제2 단계에서 제조된 웹을 전해질 고분자 막의 표면에 전사하는 제3 단계, 및 제3 단계에서 제조된 웹을 갖는 전해질 고분자 막을 환원 및 후처리하는 제4 단계로 구성된다.FIG. 4 is a conceptual view illustrating a manufacturing process of an MEA having an electrode catalyst layer of the web structure shown in FIG. 2. FIG. As shown in Fig. 4, a method for producing an MEA having an electrode catalyst layer of a web structure of the present invention is characterized in that a liquid electrolyte having an ion exchange ability for producing a web having an open pore structure in which fibers are arranged in a three- A second step of preparing a web by electrospinning the precursor prepared in the first step, a second step of preparing a precursor by impregnating the metal catalyst with a metal catalyst ion, A third step of transferring the web onto the surface of the polymer membrane to be electrolyzed, and a fourth step of reducing and post-treating the polymer electrolyte membrane having the web prepared in the third step.

이하에서 각 단계별(제1 단계 ~ 제4 단계)로 상세히 설명한다.Hereinafter, each step (first to fourth steps) will be described in detail.

제1 단계Step 1

제1 단계에서는 웹구조의 전극촉매층을 제조하기 위한 사전 단계로서, 이오노머(ionomer)와 전극촉매 전구체를 중심으로 하는 파이버를 제조하기 위한 전구체를 제조한다. 여기서, 전구체는 용매, 촉매함유 물질, 전해질 이오노머, 점도조정제 등으로 제조한다. 한편, 상기와 같은 물질로 구성된 전구체 용액이 유기용매에 대해 비용해성을 가질 경우, 제2 단계의 전기방사 공정에서 웹을 제조할 수가 없다. 따라서, 이 발명의 전구체 용액은 유기용매에 대해 용해성을 가져야 한다.In the first step, a precursor for producing a fiber centered on an ionomer and an electrode catalyst precursor is prepared as a preliminary step for preparing an electrode catalyst layer of a web structure. Here, the precursor is prepared from a solvent, a catalyst-containing material, an electrolyte ionomer, a viscosity adjusting agent, and the like. On the other hand, when the precursor solution composed of the above-mentioned material has a non-solubility with respect to the organic solvent, the web can not be manufactured in the second step electrospinning process. Thus, the precursor solution of the present invention should be soluble in organic solvents.

한편, 제1 단계에서 이용하는 전극촉매의 전구체(도 1에서의 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116))로는 백금이나 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 로듐, 오스뮴의 백금족 원소 외에, 철, 납, 구리, 크롬, 코발트, 니켈, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 갈륨, 알루미늄 등의 금속 또는 이들의 합금, 또는 산화물, 복산화물(複酸化物) 등이 사용될 수 있다. 그런데, 전극 반응성이 뛰어나고, 전극 반응을 효율적으로 안정되게 장기간 사용하기 위해 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속 또는 산화물을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 촉매로는 용해성이 좋은 상기와 같은 금속의 염화물 또는 질산화물 등이 적합하다.On the other hand, as the precursor of the electrode catalyst used in the first step (the first and second electrochemical catalysts 112 and 116 in FIG. 1), in addition to platinum group elements of platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium and osmium, A metal such as copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium and aluminum or an alloy thereof or an oxide or a double oxide may be used. However, it is preferable to use one or more metals or oxides selected from platinum, palladium, rhodium, ruthenium and iridium for excellent electrode reactivity and for efficient and stable long-term use of the electrode reaction. As the catalyst, chlorides or nitroxides of the above-mentioned metals having good solubility are suitable.

전구체에 포함되는 전해질 이오노머는 프로톤 전도성을 갖는 불소계 고분자 전해질, 탄화수소계 고분자 전해질 등이 이용될 수 있다. 그리고, 불소계 고분자 전해질로는 예를 들면, 듀폰사의 Nafion(등록상표)계 이오노머 재료 등이 이용될 수 있고, 탄화수소계 고분자 전해질로는 설폰화 폴리에테르케톤, 설폰화 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리에테르에테르설폰, 설폰화폴리설파이드, 설폰화 폴리페닐렌 등의 이오노머 등이 이용될 수 있다. 그 중에서도 제3 단계에서 전사할 막과 동일한 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 대표적인 나피온(Nafion)은 화학적 공격에 대해서도 매우 안정한 술폰화된 테트라플루오르에틸렌계(sulfonated tetrafluoroethylene) 불소계 고분자-공중합체(fluoropolymer-copolymer)로, 나피온의 이오노머는 고분자 필름과 같이 양성자(H+) 전도성, 초고산성(superacid) 촉매, 및 나노 입자의 제조에서 계면 활성제의 기능을 가지고 있어 바람직하다.The electrolyte ionomer contained in the precursor may be a fluorine-based polymer electrolyte having proton conductivity, a hydrocarbon-based polymer electrolyte, or the like. As the fluorinated polymer electrolyte, for example, a Nafion (registered trademark) ionomer material of DuPont can be used. As the hydrocarbon-based polymer electrolyte, a sulfonated polyether ketone, a sulfonated polyether sulfone, a sulfonated polyether Ethersulfones, sulfonated polysulfides, ionomers such as sulfonated polyphenylene, and the like can be used. Among them, it is preferable to use the same material as the film to be transferred in the third step. Nafion is a sulfonated tetrafluoroethylene fluoropolymer-copolymer which is very stable against chemical attack. Nafion ionomer is a proton (H + ) like a polymer film. Conductive, superacid catalysts, and surfactants in the production of nanoparticles.

전구체에 첨가되는 점도조정제로는 비이온성 중합체, 폴리아클릴산 등이 가능하며, 이중에서 폴리아크릴산(Polyacrylic acid, 이하 PAA)이 바람직하다. PAA는 강산과 알칼리에서 안정한 아크릴산의 호모폴리머(homopolymer)로 물과 알코올에 쉽게 용해되는 어택틱(atactic) 고분자다.As the viscosity adjusting agent to be added to the precursor, a nonionic polymer, polyacrylic acid and the like can be used, and among them, polyacrylic acid (PAA) is preferable. PAA is a homopolymer of acrylic acid stable in strong acids and alkalis and is an atactic polymer that is easily soluble in water and alcohol.

제2 단계Step 2

제2 단계는 제1 단계에서 얻은 용액을 전기방사장치를 이용하여 파이버를 제조하는 과정이다. 도 5은 이 발명에 따른 제조공정에 적용되는 전기방사장치의 원리 개념도이다. 전기방사장치의 기본 원리는 전구체를 높은 전기장 하에서 연신시켜 접지된 타겟 위에 파이버 형태로 형성하는 것이다.In the second step, the solution obtained in the first step is manufactured by using an electrospinning apparatus. 5 is a conceptual view of the principle of the electrospinning apparatus applied to the manufacturing process according to the present invention. The basic principle of an electrospinning device is to stretch the precursor under a high electric field to form it in the form of a fiber on a grounded target.

도 5에 도시된 바와 같이, 전기방사장치는 액상의 점성을 지닌 전구체를 밀어낼 수 있는 실린지 펌프(syringe pump, 도면에 미도시), DC 고전압 발생기(도면에 미도시), 나노 파이버(섬유)를 뽑아내기 위한 노즐 및 타겟 등으로 구성된다.5, the electrospinning device includes a syringe pump (not shown in the drawings), a DC high voltage generator (not shown in the figure), nanofibers (fibers) that can push out a precursor having a liquid viscosity, And a target and the like for extracting the ink.

도 6은 이 발명에 따른 제조공정에 적용되는 전기방사장치를 이용한 파이버 제조 과정을 보여주는 사진이다. 도 6에서 (a)는 전기장 부여 전 모세관 노즐의 끝에 있는 고분자 용액이 반구형 방울을 형성하며 매달려 있는 사진이고, (b)는 전기장이 부여될 때 모세관 끝에 매달려 있는 용액이 늘어나면서, 임의 임계 세기에서 용액의 제트(Jet)가 방출되는 사진이다. 도 6에서 (c)는 제트가 타겟으로 향하며 공기 중을 날아가면서 용매는 증발하게 되고, 타겟에 고분자 연속상 섬유가 쌓이는 사진이다. 이때, 제트의 궤적은 굽어지거나 방향이 바뀌기도 한다. 도 6에서 (d)는 제트가 이동 중에 가늘어지고, 초기 하나의 제트는 더욱 작은 여러 필라멘트로 분열되는 과정을 보여주는 사진이다. 이렇게 해서 얻어진 고분자 나노섬유 사진을 도 6의 (e)에 나타내었다.6 is a photograph showing a process of manufacturing a fiber using an electrospinning device applied to a manufacturing process according to the present invention. 6 (a) is a photograph in which the polymer solution at the end of the capillary nozzle before the electric field application is suspended and forming a hemispherical droplet, (b) shows a state in which the solution suspended at the end of the capillary is stretched when an electric field is applied, A jet of the solution is released. In FIG. 6 (c), the jet flows toward the target and the solvent evaporates while flying in the air, and the polymer continuous phase fibers are piled on the target. At this time, the trajectory of the jet may bend or change direction. FIG. 6 (d) is a photograph showing a process in which the jet is tapered while moving, and the initial one jet is divided into several smaller filaments. A photograph of the polymer nanofibers thus obtained is shown in Fig. 6 (e).

고분자 나노섬유는 제1 단계에서의 전구체를 이용하여 얻어지며, 주요 운전 변수는 용액특성(농도, 점도, 표면장력), 모세관 끝에서 타겟(집전판)까지의 거리, 전기장의 세기, 방사시간, 방사환경 등으로 이 발명자들이 많은 시행착오에서 얻은 결과를 실시예에 나타냈다.The polymer nanofibers are obtained by using the precursor in the first step. The main operating parameters are the solution characteristics (concentration, viscosity, surface tension), distance from the capillary tip to the target (collector plate) The results obtained from many trial and error inventors in the radiation environment and the like are shown in the examples.

이 발명의 웹은 소정의 파이버로 구성된 3차원적으로 연결되는 웹 형태를 가지며, 파이버의 직경은 0.005 내지 5㎛ 범위일 수 있다. 웹을 구성하는 파이버의 직경이 0.005㎛ 미만일 경우 웹의 기계적 강도가 저하될 수 있고, 직경이 5㎛를 초과할 경우 다공성 나노 웹의 다공도 조절이 용이하지 않을 수 있다.The web of the present invention has a three-dimensionally connected web shape composed of a predetermined fiber, and the diameter of the fiber may range from 0.005 to 5 mu m. If the diameter of the fibers constituting the web is less than 0.005 mu m, the mechanical strength of the web may be lowered. If the diameter exceeds 5 mu m, the porosity of the porous nano-web may not be easily controlled.

또한, 이 발명의 웹은 전기방사장치의 분사량을 조절하여 1 내지 20㎛의 두께로 형성될 수 있다. 웹의 두께가 1㎛ 미만일 경우 기계적 강도 및 형태 안정성이 떨어질 수 있고, 웹의 두께가 20㎛를 초과할 경우 저항손실이 증가할 수 있다.In addition, the web of the present invention may be formed to have a thickness of 1 to 20 탆 by adjusting the injection amount of the electrospinning device. If the thickness of the web is less than 1 탆, the mechanical strength and the shape stability may be deteriorated, and if the thickness of the web exceeds 20 탆, the resistance loss may increase.

또한, 이 발명의 웹은 웹의 전체 용적에 대해 70 내지 98%의 다공도를 가질 수 있다. 웹의 다공도가 70% 미만일 경우에는 확산 저항성이 떨어질 수 있고, 웹의 다공도가 98%를 초과할 경우에는 기계적 강도 및 형태 안정성이 떨어질 수 있다.In addition, the web of this invention can have a porosity of 70-98% relative to the total volume of the web. If the porosity of the web is less than 70%, the diffusion resistance may be lowered, and if the porosity of the web is more than 98%, the mechanical strength and morphological stability may be deteriorated.

웹을 방사시키는 타겟으로는 고분자 전해질 막, 티타늄 포일, 테프론 시트 등이 가능하고 제한이 없으나, 촉매층과의 계면저항을 고려할 때 고분자 전해질 막이 가장 바람직하다. A polymer electrolyte membrane, a titanium foil, a Teflon sheet, or the like can be used as a target to emit the web, but there is no limitation, but a polymer electrolyte membrane is most preferable considering the interface resistance with the catalyst layer.

제3 단계Step 3

제3 단계는 제2 단계에서 얻은 웹을 고분자 전해질 막 또는 확산층에 전사하는 단계이다.The third step is a step of transferring the web obtained in the second step onto the polymer electrolyte membrane or diffusion layer.

전사대상이 되는 고분자 전해질 막은 수소이온(프로톤) 전도성을 가지는 것이면 되는데, 불소계 고분자 전해질, 탄화수소계 고분자 전해질을 이용할 수 있다. 이때, 불소계 고분자 막으로는 예를 들면, 듀폰사의 Nafion(나피온, 등록상표), 아사히유리(주)의 Flemion(플레미온, 등록상표), 아사히카세이(주)의 Aciplex(아시플렉스, 등록상표), 고어사의 Gore Select(고어 셀렉트, 등록상표) 등이 이용될 수 있고, 탄화수소계 고분자 막으로는 설폰화 폴리에테르케톤, 설폰화 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리에테르에테르설폰, 설폰화 폴리설파이드, 설폰화 폴리페닐렌 등의 전해질 막이 이용될 수 있다. 이들 중에서도 고분자 막으로 듀폰사의 Nafion(등록상표)계 재료를 이용하는 것이 적합하다.The polymer electrolyte membrane to be transferred may be one having hydrogen ion (proton) conductivity, and fluorine-based polymer electrolytes and hydrocarbon-based polymer electrolytes may be used. Examples of the fluorinated polymer membrane include Nafion (registered trademark) of DuPont, Flemion (registered trademark) of Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (registered trademark) of Asahi Kasei Co., ), Gore Select (Gore Select, registered trademark) of Gore, and the like can be used. As the hydrocarbon-based polymer membrane, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, sulfonated polysulfide, An electrolyte membrane such as sulfonated polyphenylene may be used. Among them, it is preferable to use a Nafion (registered trademark) material of DuPont as a polymer film.

제1, 제2 전극층을 막의 양면에 전사하는 과정은 다음과 같다.The process of transferring the first and second electrode layers to both surfaces of the film is as follows.

상기 제2 단계에서 얻어진 웹을 전극층으로 하여 막의 양면에 놓고, 핫프레스에서 고온 가압 방식으로 열과 압력을 가하여 열처리한다. 이때, 열처리 온도는 구성 요소들의 변형을 고려하여 120℃ 이상, 200℃ 이하로 하며, 열처리 시간은 1분에서 30분으로 하며, 열처리 압력은 기공층이 손상되지 않도록 하기 위해 무압에서 100kgf/㎠(0 ~ 100kgf/㎠)으로 한다. 이때, 고분자 전해질 막의 두께는 제한하지 않으며, 웹 전극층의 두께는 전술한 바와 같이 0.1 ~ 1mm 이며, 바람직하게는 0.1 ~ 0.5mm 이다.The web obtained in the second step is placed on both sides of the film as an electrode layer, and heat and pressure are applied by hot pressing under high temperature and pressure. In this case, the heat treatment temperature is set to 120 ° C or higher and 200 ° C or lower in consideration of the deformation of the components, and the heat treatment time is 1 minute to 30 minutes. The heat treatment pressure is 100kgf / 0 to 100 kgf / cm < 2 >). At this time, the thickness of the polymer electrolyte membrane is not limited, and the thickness of the web electrode layer is 0.1 to 1 mm, preferably 0.1 to 0.5 mm, as described above.

제4 단계Step 4

제4 단계는 제3 단계에서 얻은 웹 전극층을 가지는 고분자 전해질 막을 최종 MEA로 제조하는 과정이다.In the fourth step, the polymer electrolyte membrane having the web electrode layer obtained in the third step is prepared as a final MEA.

금속 나노 입자의 제조에서 금속 이온은 환원제에 의해 반응식 7과 같이 환원된다.In the preparation of the metal nanoparticles, the metal ions are reduced as shown in Scheme 7 by a reducing agent.

[반응식 7][Reaction Scheme 7]

xMn+ + nxe- + 환원제 --> M0 n(cluster)xM n + + nxe - + reducing agent -> M 0 n (cluster)

환원제로는 알코올, 히드라진, 히드록실 아민, 소듐보로하이드라이드 등을 이용해 금속이온을 환원시킬 수 있다.As the reducing agent, metal ions can be reduced by using alcohol, hydrazine, hydroxylamine, sodium borohydride or the like.

아래에서는 이 발명에 따른 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 이 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail. The presented embodiments are illustrative and not intended to limit the scope of the invention.

실시예 및 비교예의 조건은 다음의 표 1과 같다. The conditions of Examples and Comparative Examples are shown in Table 1 below.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 비교예1, 2Comparative Examples 1 and 2 타겟target 나피온막 Nafion membrane 티타늄titanium 테프론Teflon 나피온막Nafion membrane 전사공정 여부Whether it is a warrior process 필요없음not needed 필요need 필요need 필요없음not needed

실시예 1. 나피온 막에 직접 웹구조의 전극 제조Example 1. Preparation of a web structure directly on a Nafion membrane

(1) 고분자 웹의 제조 조건 최적화 ( 1) Optimization of manufacturing conditions of polymer web

전구체로는 폴리에틸렌옥사이드(Polyethyleneoxide, 이하 PEO)와 퍼플로오르산(PFSA, perfluorosulfonic acid, EW 1,100, 이하 PFSA), H2O, IPA의 비율에 따라 아래 조건에 따라 제조하면서 웹의 형태 등을 조사하였다. The precursors were prepared according to the ratio of polyethylene oxide (PEO) and perfluorosulfonic acid (PFSA, EW 1,100, hereinafter referred to as PFSA), H 2 O and IPA Respectively.

다음의 표 2는 웹 제조에 적용한 실험의 예이다.The following Table 2 is an example of an experiment applied to web manufacture.

조건
Condition
용액의 제조 조건Preparation conditions of solution
용액내 중량비Weight ratio in solution PFSA/PEO 중량비PFSA / PEO weight ratio 1One 55 99/199/1 22 55 95/595/5 33 1010 99/199/1

고분자 웹을 조건 1, 2, 3에서 제조한 일례의 결과를 도 7에 도시하였다. 이 결과로부터 "조건 3"을 선정하여 전기방사 조건의 변수인 전압, 노즐사이즈, 공급율, 노즐부터 전사대상까지의 거리를 변화시키면서 최적 조건을 도출하였으며, 그 결과는 다음의 표 3과 같다.The result of an example of the polymer web prepared in conditions 1, 2 and 3 is shown in FIG. From this result, "Condition 3" was selected and optimum conditions were derived while varying the voltage, nozzle size, feed rate, and distance from the nozzle to the transfer target, which are parameters of the electrospinning condition.

파라미터parameter 전기방사 조건Electrospinning conditions 전압Voltage 3.0 - 7.0 kV3.0 - 7.0 kV 용액 공급 속도Solution feed rate 5 - 200㎕/min5 - 200 / / min 타겟-노즐 거리Target to nozzle distance 5 - 6 cm5 - 6 cm Solution PropertiesSolution Properties 고분자 농도Polymer concentration 15 - 25 wt%15 - 25 wt% 알코올 솔벤트Alcohol Solvent methanol, ethanol, 2-propanol, 1-propanolmethanol, ethanol, 2-propanol, 1-propanol PEO Concentration (wt%)PEO Concentration (wt%) 1 - 2 wt%1 - 2 wt%

(2) 금속 촉매 웹의 제조 ( 2) Production of metal catalyst web

상기의 고분자 웹의 제조 조건으로부터 얻은 "조건 3"으로 모든 실험을 수행하였다.All experiments were carried out under "Condition 3" obtained from the above production conditions of the polymer web.

실시예 1은 고분자 전해질 막에 전기방사를 수행하는 것으로서, 이때 적용한 조건은 다음의 표 4와 같다.Example 1 is for electrospinning a polyelectrolyte membrane, and conditions applied at this time are shown in Table 4 below.

실시예 1Example 1 1-11-1 1-21-2 1-31-3 1-41-4 1-51-5 타겟target 나피온막 Nafion membrane 섬유층 두께(분사량)(㎕/min)Fiber layer thickness (injection amount) (μl / min) 2020 4040 8080 8080 160160 백금로딩량(mg/cm2)Platinum Loading Amount (mg / cm 2 ) 0.50.5 0.50.5 0.50.5 22 22

제1 단계: 전구체 용액 제조Step 1: Preparation of precursor solution

나피온 이오노머(PFSA), PEO, 물, 알코올을 "조건 3"과 같이 준비한 후, 용액에 백금로딩량에 맞추어 Pt(NH3)4Cl2 화합물을 첨가하여 전구체 용액을 제조하였다.Nafion ionomer (PFSA), PEO, water, and alcohol were prepared as in "Condition 3", and a precursor solution was prepared by adding Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 compound to the solution to the amount of platinum loading.

제2 단계: 전기방사Step 2: electrospinning

앞서 설명한 "(1) 고분자 웹의 제조 조건 최적화"의 전기방사 조건에 의해 웹을 제조하였다. 웹의 두께 등을 조절하기 위하여 분사량을 조절하였다.The web was prepared by the electrospinning conditions of "(1) Optimization of production conditions of polymer web" described above. The injection amount was adjusted to control the thickness of the web.

도 8은 이 발명에 따른 전구체 용액을 이용하여 제조한 웹의 주사현미경(SEM) 사진으로서, "조건 3"을 기준으로 촉매 이온을 가지는 전구체 용액을 방사하여 얻은 섬유상 사진이다. 그 결과, 도 7의 경우와 같이(촉매 전구체가 없는 경우의 일반 고분자 섬유 제조) 섬유의 크기, 두께(200nm 이하의 장섬유)를 얻었다.8 is a scanning electron micrograph (SEM) photograph of a web prepared using the precursor solution according to the present invention, which is a fibrous photograph obtained by spinning a precursor solution having a catalyst ion on the basis of "Condition 3 ". As a result, the size and thickness of the fibers (long fibers of 200 nm or less) were obtained as in the case of Fig. 7 (production of general polymer fibers in the absence of a catalyst precursor).

제3 단계: 전사Step 3: Warrior

제2 단계에서 얻은 웹을 온도, 압력, 시간을 변수로 80 ~ 120℃, 0.5 ~ 3Mpa, 1 ~ 2min의 조건에서 핫프레싱 하였다.The web obtained in the second step was hot-pressed under the conditions of temperature, pressure and time as variables of 80 to 120 ° C, 0.5 to 3 Mpa, and 1 to 2 min.

제4 단계: 환원 및 후처리Step 4: Reduction and post-treatment

환원액은 수산화나트륨(NaOH)을 PH12-13으로 조절하고, 보로수소화나트륨(NaBH4)을 일정 농도로 제조하여, 10회 분산하여 90℃, 10hr 동안 처리하여 파이버 내에 있는 Pt 이온을 금속으로 환원시켰다. 환원 과정이 끝나고 0.5M H2SO4, 80℃에서 5hr 동안, 순수 80℃에서 1hr 처리하였다.The reducing solution was prepared by adjusting sodium hydroxide (NaOH) to pH 12-13, preparing sodium borohydride (NaBH 4 ) at a certain concentration, dispersing it ten times, and treating the solution at 90 ° C for 10 hours, . After the reduction, 0.5M H 2 SO 4 was treated at 80 ° C for 5hr and pure water at 80 ° C for 1hr.

도 9는 이 발명에 따른 환원 과정 및 최종 MEA의 사진으로서, 제4 단계의 환원과정을 보여주는 사진이다. 도 9의 상단 사진은 환원용액에서 환원 과정을 보여주고 있으며, 하단은 제4 단계에서 얻은 최종 제품의 사진이다.9 is a photograph showing the reduction process and the final MEA according to the present invention, showing the reduction process in the fourth step. 9 shows the reduction process in the reducing solution, and the bottom is a photograph of the final product obtained in the fourth step.

MEA의 물리적 평가(SEM측정)Physical evaluation of MEA (SEM measurement)

도 10은 이 발명의 실시예와 비교예에 대한 MEA의 정면 및 측면 사진으로서, 실시예 1-3의 최종 4단계를 거친 후의 MEA의 정면 및 측면의 SEM 이미지를 포함한 사진이다. FIG. 10 is a front and side view of the MEA for the examples and comparative examples of the present invention, including SEM images of the front and side surfaces of the MEA after the final four steps of Examples 1-3. FIG.

전해성능평가Electrolytic performance evaluation

도 11은 이 발명의 실시예와 비교예의 MEA를 평가하기 위한 단위 셀의 사진으로서, 실시예에서 제조된 제4 단계 이후의 MEA를 상온 (27℃), CC(Constant Current)모드로 0.1 ~ 0.6A/cm2 까지 0.1A/cm2 간격으로 전류를 올리면서 전압을 특정하였다. 전해 성능은 도 12에서 실시예 1-1, 실시예 1-2 및 실시예 1-3으로 나타내었다. 도 12는 이 발명의 실시예와 비교예의 전해 평가를 수행한 결과 그래프이다.FIG. 11 is a photograph of a unit cell for evaluating the MEA according to the example of the present invention and the comparative example, wherein the MEA after the fourth step prepared in the example was kept at room temperature (27 占 폚) and 0.1 to 0.6 Lifting the a / cm 2 current to 0.1A / cm 2 was specific interval to a voltage. The electrolytic performance is shown in Fig. 12 in Examples 1-1, 1-2, and 1-3. FIG. 12 is a graph showing the results of electrolytic evaluation of Examples and Comparative Examples of the present invention.

실시예 2. 티타늄 호일 위에 웹 제조 후 고분자 전해질 막에 전사Example 2: Transcription to a polymer electrolyte membrane after manufacturing a web on a titanium foil

실시예 1에서와 같이 웹의 제조 조건은 동일하다.The manufacturing conditions of the web are the same as in the first embodiment.

실시예 2에서 적용한 조건은 다음의 표 5와 같다.The conditions applied in Example 2 are shown in Table 5 below.

실시예 2Example 2 2-12-1 2-22-2 2-32-3 타겟target 티타늄포일 (두께 0.1mm) Titanium foil (thickness 0.1mm) 섬유층 두께(분사량)(㎕/min)Fiber layer thickness (injection amount) (μl / min) 0.020.02 0.040.04 0.080.08 백금로딩량(mg/cm2)Platinum Loading Amount (mg / cm 2 ) 0.50.5 0.50.5 0.50.5

제1 단계Step 1 : 전구체 용액 제조: Preparation of precursor solution

실시예 1에서와 같이 나피온 이오노머(PFSA), PEO, 물, 알코올을 "조건 3"과 같이 준비한 후 용액에 백금로딩량에 맞추어 Pt(NH3)4Cl2 화합물을 첨가하여 전구체 용액을 제조하였다.After the Nafion ionomer (PFSA), PEO, water and alcohol were prepared as in "Condition 3" as in Example 1, Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 compound was added to the solution to the amount of platinum loading to prepare a precursor solution Respectively.

제2 단계: 전기방사Step 2: electrospinning

타겟은 티타늄 포일(0.1mm)로 실시예 1의 "(1) 고분자 웹의 제조 조건 최적화"의 전기방사 조건에 의해 웹을 제조하였다. 웹의 두께 등을 조절하기 위하여 분사량을 조절하였다.The web was prepared by electrospinning conditions of "(1) Optimization of production conditions of polymeric web" of Example 1 with a titanium foil (0.1 mm) as a target. The injection amount was adjusted to control the thickness of the web.

제3 단계: 전사Step 3: Warrior

제2 단계에서 얻은 티타늄 포일 위 웹을 온도, 압력, 시간을 변수로 80 ~ 120℃, 0.5 ~ 3Mpa, 1 ~ 2min의 조건에서 고분자 고체전해질 막(나피온 117)에 핫프레싱 하였다.The web on the titanium foil obtained in the second step was hot-pressed on the polymer solid electrolyte membrane (Nafion 117) under the conditions of temperature, pressure, and time as a variable at 80 to 120 ° C, 0.5 to 3 Mpa, and 1 to 2 min.

제4 단계: 환원 및 후처리Step 4: Reduction and post-treatment

실시예 1의 환원 조건과 같이 동일하게 수행하였다.The reduction conditions of Example 1 were the same.

MEA의 물리적 평가(SEM측정)Physical evaluation of MEA (SEM measurement)

도 10에 실시예 2-2의 최종 4단계를 거친 후의 MEA의 정면 및 측면 SEM 이미지를 나타냈다.FIG. 10 shows the front and side SEM images of the MEA after the final four steps of Example 2-2.

전해성능평가Electrolytic performance evaluation

실시예 1의 동일 운전조건, 동일 전기분해 셀에서 성능을 평가하였다.The performance was evaluated in the same operating conditions of Example 1 and in the same electrolysis cell.

실시예 2의 전해 성능은 도 12에 실시예 2-1, 실시예 2-2로 나타내었다.The electrolytic performance of Example 2 is shown in Fig. 12 as Examples 2-1 and 2-2.

실시예 3. 테프론 시트 위에 웹 제조 후 고분자 전해질 막에 전사Example 3 [0050] After the web was manufactured on a Teflon sheet, a polymer electrolyte membrane was transferred

실시예 1에서와 같이 웹의 제조 조건은 동일하다.The manufacturing conditions of the web are the same as in the first embodiment.

실시예 3에서 적용한 조건은 다음의 표 6과 같다.The conditions applied in Example 3 are shown in Table 6 below.

실시예 3Example 3 3-13-1 3-23-2 3-33-3 타겟target 티타늄포일 (두께 0.1mm) Titanium foil (thickness 0.1mm) 섬유층 두께(분사량)(㎕/min)Fiber layer thickness (injection amount) (μl / min) 0.020.02 0.040.04 0.080.08 백금로딩량(mg/cm2)Platinum Loading Amount (mg / cm 2 ) 0.50.5 0.50.5 0.50.5

제1 단계: 전구체 용액 제조Step 1: Preparation of precursor solution

실시예 1에서와 같이 나피온 이오노머(PFSA), PEO, 물, 알코올을 "조건 3"과 같이 준비한 후 용액에 백금로딩량에 맞추어 Pt(NH3)4Cl2 화합물을 첨가하여 전구체 용액을 제조하였다.After the Nafion ionomer (PFSA), PEO, water and alcohol were prepared as in "Condition 3" as in Example 1, Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 compound was added to the solution to the amount of platinum loading to prepare a precursor solution Respectively.

제2 단계: 전기방사Step 2: electrospinning

타겟은 테프론시트(0.1mm)로 실시예 1의 "(1) 고분자 웹의 제조 조건 최적화"의 전기방사 조건에 의해 웹을 제조하였다. 웹의 두께 등을 조절하기 위하여 분사량을 조절하였다. The web was prepared by electrospinning conditions of "(1) Optimizing the production conditions of the polymeric web" of Example 1 with a Teflon sheet (0.1 mm) as a target. The injection amount was adjusted to control the thickness of the web.

제3 단계: 전사Step 3: Warrior

제2 단계에서 얻은 테프론시트 위 웹을 온도, 압력, 시간을 변수로 80 ~ 120℃, 0.5 ~ 3Mpa, 1 ~ 2min의 조건에서 고분자 고체전해질 막(나피온 117)에 핫프레싱 하였다.The web on the Teflon sheet obtained in the second step was hot-pressed on the polymer solid electrolyte membrane (Nafion 117) under the conditions of temperature, pressure, and time as variables of 80 to 120 ° C, 0.5 to 3 Mpa, and 1 to 2 min.

제4 단계: 환원 및 후처리Step 4: Reduction and post-treatment

실시예 1의 환원 조건과 같이 동일하게 수행하였다.The reduction conditions of Example 1 were the same.

MEA의 물리적 평가(SEM측정)Physical evaluation of MEA (SEM measurement)

도 10에 실시예 3-2의 최종 4단계를 거친 후의 MEA의 정면 및 측면 SEM 이미지를 나타냈다.10 shows the front and side SEM images of the MEA after the final four steps of Example 3-2.

전해성능평가Electrolytic performance evaluation

실시예 1의 동일 운전조건, 동일 전기분해 셀에서 성능을 평가하였다.The performance was evaluated in the same operating conditions of Example 1 and in the same electrolysis cell.

실시예 3의 전해 성능은 도 12에 실시예 3-1, 실시예 3-2로 나타내었다.The electrolytic performance of Example 3 is shown in Fig. 12 as Examples 3-1 and 3-2.

<비교예 1 및 비교예 2> 무전해도금을 실시한 막전극 접합체&Lt; Comparative Example 1 and Comparative Example 2 > A membrane-electrode assembly subjected to electroless plating

비교예는 표 7과 같이 무전해도금법에 의해 제조한 것을 기준으로 하였다.The comparative examples were prepared based on the electroless plating method as shown in Table 7.


비교예Comparative Example
1One 22 백금로딩량(mg/cm2)Platinum Loading Amount (mg / cm 2 ) 0.50.5 44

MEA 제조 방법MEA Manufacturing Method

무전해도금(Electro-less Plating)법을 이용하여 MEA를 제조했다. 백금의 로딩량은 기존의 일반적인 로딩량 4를 기준으로 하였다.MEA was fabricated by electroless plating (Electro-less Plating) method. The loading amount of platinum was based on the conventional loading amount of 4.

실시예 1에서와 물, 알코올 용액에 백금 로딩량에 맞추어 Pt(NH3)4Cl2 화합물을 첨가하여 전구체 용액을 제조한 후, 나피온 고분자 고체 전해질 막을 80 ~ 120℃에서 밤새도록 함침시킨다. 함침 후 세척과정을 거친 후, 실시예 1의 제4 단계의 환원액(PH 12-13, 보로수소화나트륨(NaBH4))을 이용하여 90℃, 10hr 동안 처리하여 Pt 이온을 환원시킨다. 환원 과정이 끝나고 0.5M H2SO4, 80℃에서 5hr 동안, 순수 80℃에서 1hr 처리한다.In Example 1, a precursor solution was prepared by adding a Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 compound to a water and alcohol solution in accordance with the amount of platinum loading, and then the Nafion polymer solid electrolyte membrane was impregnated at 80 to 120 ° C. overnight. After impregnation and washing, the Pt ion is reduced by treatment with the reducing solution (PH 12-13, borohydride sodium (NaBH 4 )) of the fourth step of Example 1 at 90 ° C for 10 hours. At the end of the reduction process, 0.5 M H 2 SO 4 is treated at 80 ° C for 5 hr and pure water at 80 ° C for 1 hr.

MEA의 물리적 평가(SEM측정)Physical evaluation of MEA (SEM measurement)

도 10에 비교예 1의 최종 단계를 거친 후의 MEA의 정면 및 측면 SEM 이미지를 나타냈다.FIG. 10 shows the front and side SEM images of the MEA after the final stage of Comparative Example 1. FIG.

전해성능평가Electrolytic performance evaluation

실시예 1의 동일 운전조건, 동일 전기분해 셀에서 성능을 평가하였다.The performance was evaluated in the same operating conditions of Example 1 and in the same electrolysis cell.

도 12에 비교예 1과 비교예 2로 나타내었다.Fig. 12 shows Comparative Example 1 and Comparative Example 2.

실시예 1, 2, 3 및 비교예 1, 2에 대한 결론Conclusions for Examples 1, 2, 3 and Comparative Examples 1, 2

(1) 비교예 1, 2의 성능을 기준으로 실시예 1, 2, 3의 MEA가 MEA로 적용이 가능함을 확인하였다.(1) Based on the performance of Comparative Examples 1 and 2, it was confirmed that the MEAs of Examples 1, 2 and 3 were applicable as MEAs.

(2) 비교예 2(현재 적용중인 백금 로딩량 기준으로)와 비교, 백금의 양이 1/4 수준으로 적용해도 실시예 1, 2, 3의 MEA가 MEA로 적용이 가능함을 확인하였다. (2) Compared with Comparative Example 2 (based on the amount of platinum loaded at present), it was confirmed that the MEAs of Examples 1, 2 and 3 were applicable as MEA even when the amount of platinum was applied at a level of 1/4.

(3) 실시예 1, 2에 의하면 백금사용량을 대폭 줄이면서 성능도 개선된 효과를 얻을 수 있었다. (3) According to Examples 1 and 2, the amount of platinum used was greatly reduced, and the performance was improved.

이상에서 이 발명의 웹구조의 전극촉매층과 이를 이용한 전기화학 셀용 막전극접합체 및 그 제조방법에 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 청구범위에 속한다 할 것이다.The electrode catalyst layer of the web structure of the present invention, the membrane electrode assembly for an electrochemical cell using the same, and the manufacturing method thereof have been described above with reference to the accompanying drawings, which illustrate the best preferred embodiments of the present invention. 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 (10)

전기화학 셀용 전극촉매층에 있어서,
상기 전극촉매층은 파이버가 3차원 구조로 배열되는 개방된 다공 구조의 웹(web)을 갖는 것을 특징으로 하는 웹구조의 전극촉매층.
In the electrode catalyst layer for an electrochemical cell,
Wherein the electrode catalyst layer has a web having an open porous structure in which fibers are arranged in a three-dimensional structure.
청구항 1에 있어서,
상기 전기화학 셀은 연료 전지 또는 물전기분해 셀인 것을 특징으로 하는 웹구조의 전극촉매층.
The method according to claim 1,
Wherein the electrochemical cell is a fuel cell or a water electrolysis cell.
청구항 2에 있어서,
상기 연료 전지는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)인 것을 특징으로 하는 웹구조의 전극촉매층.
The method of claim 2,
Wherein the fuel cell is a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC).
청구항 1에 있어서,
상기 파이버는 0.005 내지 5㎛의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 웹구조의 전극촉매층.
The method according to claim 1,
Wherein the fibers have a diameter of 0.005 to 5 mu m.
청구항 1에 있어서,
상기 웹은 1 내지 20㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 웹구조의 전극촉매층.
The method according to claim 1,
Wherein the web has a thickness of 1 to 20 占 퐉.
청구항 1에 있어서,
상기 웹은 웹의 전체 용적에 대해 70 내지 98%의 다공도를 갖는 것을 특징으로 하는 웹구조의 전극촉매층.
The method according to claim 1,
Wherein the web has a porosity of 70-98% relative to the total volume of the web.
청구항 1에 있어서,
상기 전극촉매층의 촉매는 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os) 또는 이리듐(Ir)과 같은 백금족 금속(platinum group metal), 또는 상기 백금족 금속의 1종 이상과 철(Fe), 코발트(Co) 또는 니켈(Ni)의 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 웹구조의 전극촉매층.
The method according to claim 1,
The catalyst of the electrode catalyst layer may be a platinum group metal such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os) or iridium (Ir) Characterized in that the electrode catalyst layer of the web structure is composed of at least one kind of metal and an alloy of iron (Fe), cobalt (Co) or nickel (Ni).
청구항 7에 있어서,
상기 촉매를 지지하는 지지체를 더 포함하며,
상기 지지체는 프로톤 전도성을 갖는 불소계 고분자 전해질 또는 탄화수소계 고분자 전해질인 것을 특징으로 하는 웹구조의 전극촉매층.
The method of claim 7,
Further comprising a support for supporting the catalyst,
Wherein the support is a fluorine-based polymer electrolyte having a proton conductivity or a hydrocarbon-based polymer electrolyte.
전기화학 셀용 막전극접합체에 있어서,
막의 표면에 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 웹구조의 전극촉매층을 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀용 막전극접합체.
A membrane electrode assembly for an electrochemical cell,
A membrane electrode assembly for an electrochemical cell, characterized by having an electrode catalyst layer of a web structure according to any one of claims 1 to 8 on the surface of the membrane.
전기화학 셀용 막전극접합체의 제조방법에 있어서,
파이버가 3차원 구조로 배열되는 개방된 기공 구조를 갖는 웹(web)을 제조하기 위해 이온교환능력을 가지는 액체 전해질에 금속촉매 이온을 함침시켜 전구체(precursor)를 제조하는 제1 단계와,
상기 제1 단계에서 제조한 전구체를 전기방사(Electro-spinning)하여 상기 웹을 제조하는 제2 단계와,
상기 제2 단계에서 제조된 웹을 전해질 고분자 막의 표면에 전사하는 제3 단계, 및
상기 제3 단계에서 제조된 웹을 갖는 전해질 고분자 막을 환원 및 후처리하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀용 막전극접합체의 제조방법.
A method of manufacturing a membrane electrode assembly for an electrochemical cell,
A first step of preparing a precursor by impregnating a metal catalyst ion into a liquid electrolyte having an ion exchange ability to produce a web having an open pore structure in which fibers are arranged in a three-dimensional structure;
A second step of electrospinning the precursor prepared in the first step to produce the web;
A third step of transferring the web prepared in the second step to the surface of the electrolyte polymer membrane, and
And a fourth step of reducing and post-treating the electrolyte polymer membrane having the web prepared in the third step. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
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