KR20190136252A - Catalyst ink for forming electrode catalyst layer of fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a catalyst ink for forming an electrode catalyst layer of a fuel cell comprising the following steps: mixing an ionomer and a solvent to prepare a mixed liquid; inputting graphite to the mixed liquid, dispersing the same at high pressure over 50 bar and preparing a dispersion liquid; and inputting a catalyst into the dispersion liquid. According to the present invention, since the ohmic resistance is reduced due to a decrease in the electrode resistance, conductivity in an electrode is increased and a membrane-electrode assembly with improved performance at low humidification conditions can be manufactured.

Description

연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크 및 이의 제조 방법 {CATALYST INK FOR FORMING ELECTRODE CATALYST LAYER OF FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Catalyst ink for forming fuel cell electrode catalyst layer and its manufacturing method {CATALYST INK FOR FORMING ELECTRODE CATALYST LAYER OF FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer and a method of manufacturing the same.

연료전지(Fuel Cell)는 전기화학반응에 의해 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.A fuel cell is a power generation system that directly converts chemical energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy by an electrochemical reaction.

연료전지는 화석 에너지를 대체할 수 있는 청정 에너지원으로서, 최근 전자 산업의 급속한 발달과 함께 휴대용 이동 전자제품들이 대중화되어 가는 추세에 가장 적합한 에너지원으로 여겨지고 있다. 또한, 현재 휴대용 전자제품들의 전원으로 사용되고 있는 배터리에 비해 다양한 범위의 출력을 내면서도 높은 에너지 밀도를 나타내기 때문에 고성능의 휴대용 전자제품의 전원으로 연료전지가 주목 받고있다. Fuel cells are a clean energy source that can replace fossil energy and are considered to be the most suitable energy source for the trend of the popularization of portable mobile electronic products with the recent rapid development of the electronic industry. In addition, fuel cells are attracting attention as a power source of high-performance portable electronic products because they exhibit a high energy density while outputting a wide range of outputs compared to batteries used as power sources of portable electronic products.

이러한 연료전지의 대표적인 예로는, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)나 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등을 들 수 있으며, 이들에 관한 개발 및 연구가 활발히 이루어지고 있다.Representative examples of such fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs) and direct methanol fuel cells (DMFCs) using methanol as a fuel. Development and research are active.

PEMFC 또는 DMFC 에서 성능을 좌우하는 것은 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)이다. MEA는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고체 고분자 전해질막과 이에 의하여 분리된 두 개의 촉매화된 전극들로 구성되는데, 이 두 전극을 애노드 전극(일명, "산화 전극" 또는 "연료극") 과 캐소드 전극(일명, "환원 전극" 또는 "공기극")이라 한다.It is the membrane-electrode assembly (MEA) that determines performance in PEMFC or DMFC. The MEA consists of a solid polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion conductive polymer and two catalyzed electrodes separated by these two electrodes, an anode electrode (also known as an "oxide electrode" or "fuel electrode") and a cathode electrode. (Also called "reduction electrode" or "air electrode").

애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질막을 통하여 캐소드 전극으로 이동하며, 전자는 도선(또는 집전체)을 통하여 외부회로로 전달된다. 캐소드 전극에서는 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 외부회로로부터 전달된 전자가 산화제인 산소와 반응하여 물이 생성되는데, 이 때, 애노드, 외부회로 및 캐소드를 경유하는 전자의 이동이 곧 전력이다. In the anode electrode, the oxidation reaction of the fuel occurs to generate hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions move to the cathode electrode through the electrolyte membrane, and the electrons are transferred to the external circuit through the conductor (or current collector). In the cathode electrode, hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane and electrons transferred from an external circuit react with oxygen, which is an oxidant, to generate water. At this time, the movement of electrons through the anode, the external circuit, and the cathode is electric power.

애노드에는 연료의 산화를 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있으며, 캐소드에는 산화제의 환원을 촉진시키기 위한 촉매층이 구비되어 있다. 이러한 촉매층의 반응속도를 높이고 이를 통해 전극 내 전도도 특성을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.The anode is provided with a catalyst layer for promoting the oxidation of the fuel, and the cathode is provided with a catalyst layer for promoting the reduction of the oxidant. In order to increase the reaction speed of the catalyst layer and thereby improve the conductivity characteristics in the electrode, research is being actively conducted.

대한민국 특허공개공보 제10-2011-0114992호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2011-0114992

본 발명은 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크 및 이의 제조 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer and a method of manufacturing the same.

본 명세서의 일 실시상태는One embodiment of the present specification

1) 이오노머(ionomer) 및 용매를 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;1) mixing a ionomer and a solvent to prepare a mixed solution;

2) 상기 혼합액에 흑연을 투입한 후 50bar 이상 의 고압에서 분산하여 분산액을 제조하는 단계; 및2) preparing a dispersion by adding graphite to the mixture and dispersing the mixture at a high pressure of 50 bar or more; And

3) 상기 분산액에 촉매를 투입하는 단계3) adding a catalyst to the dispersion

를 포함하는 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법을 제공한다.It provides a method for producing a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer comprising a.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 이오노머, 촉매 및 그래핀(graphene)을 포함하는 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크를 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification provides a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer including an ionomer, a catalyst, and graphene.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 기체 확산층 상에 상기 촉매 잉크의 경화물을 포함하는 연료전지용 전극 촉매층을 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification provides an electrode catalyst layer for a fuel cell including a cured product of the catalyst ink on a gas diffusion layer.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 전극 촉매층을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present specification provides a fuel cell membrane-electrode assembly including the electrode catalyst layer.

또한, 본 명세서의 일 실시상태는 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present disclosure provides a fuel cell including the membrane-electrode assembly.

본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 촉매 잉크를 사용하여 전극을 제조할 경우, 전극 저항의 감소로 인해 오믹 저항이 감소하여 전극 내 전도도가 향상되며, 이에 따라 저가습 조건에서 성능이 향상된 막-전극 접합체의 제조가 가능한 장점이 있다.When the electrode is manufactured using the catalyst ink prepared according to the exemplary embodiment of the present specification, the ohmic resistance is reduced due to the decrease of the electrode resistance, thereby improving conductivity in the electrode, and thus, the membrane has improved performance under low humidity conditions. There is an advantage that the electrode assembly can be manufactured.

도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 실시예 1, 2 및 비교예 1의 전극 표면 사진을 나타낸 도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 측정된 전류밀도, 전지전압 및 HFR 저항 간의 관계를 나타낸 도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 전극 저항 값을 나타낸 도이다.
도 4는 당 기술분야에서 사용되는 연료전지를 개략적으로 나타낸 것이다.
1 is a view showing a photograph of the electrode surface of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 prepared according to one embodiment of the present specification.
2 is a view showing a relationship between the current density, the battery voltage and the HFR resistance measured in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 manufactured according to one embodiment of the present specification.
3 is a view showing electrode resistance values of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 manufactured according to one embodiment of the present specification.
4 schematically illustrates a fuel cell used in the art.

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail.

종래의 연료전지용 막-전극 접합체의 경우, 촉매와 이오노머 간의 전도성이 낮기 때문에 저가습 조건에서 성능이 저하되는 문제점이 있었다.In the conventional fuel cell membrane-electrode assembly, since the conductivity between the catalyst and the ionomer is low, there is a problem in that the performance is degraded under low-humidity conditions.

이를 해결하기 위해 본 발명의 발명자들은 촉매층 형성시 사용되는 촉매 잉크의 제조 과정에서 이오노머 및 용매의 혼합액에 흑연을 투입하고 고압 분산을 수행함으로써, 100층 이상의 다층(multilayer) 구조를 갖는 흑연을 50층 이하, 바람직하게는 단층(monolayer)의 그래핀(graphene)으로 변화시켰다. 이렇게 제조된 그래핀-이오노머 분산액을 기반으로 한 촉매 잉크를 전극 촉매층에 적용하였고, 그래핀의 높은 전도도 특성으로 인해 전극의 저항이 감소되어 궁극적으로는 저가습 조건에서 성능이 향상된 막-전극 접합체의 제조가 가능함을 밝혀내었다.In order to solve this problem, the inventors of the present invention injected graphite into a mixture of ionomer and a solvent in a process of preparing a catalyst ink used in forming a catalyst layer and performing high pressure dispersion, thereby obtaining 50 layers of graphite having a multilayer structure of 100 layers or more. Hereinafter, it was changed to graphene of a monolayer. The catalyst ink based on the graphene-ionomer dispersion thus prepared was applied to the electrode catalyst layer, and the resistance of the electrode was reduced due to the high conductivity of graphene, ultimately improving the performance of the membrane-electrode assembly under low humidity conditions. It turns out that preparation is possible.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.In the present specification, when a part is used to 'include' a certain component, it means that the component may further include other components, unless the description is specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 '상에' 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.In the present specification, when a member is located 'on' another member, this includes not only when one member is in contact with another member but also when another member exists between the two members.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머는 수소나 메탄올과 같은 연료와 촉매간의 반응에 의하여 생성된 이온이 전해질 막으로 이동하기 위한 통로를 제공하는 역할을 할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the ionomer may serve to provide a passage for ions generated by the reaction between the fuel and the catalyst such as hydrogen or methanol to move to the electrolyte membrane.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머의 중량평균분자량은 10,000g/mol 내지 1,000,000g/mol일 수 있다. In one embodiment of the present specification, the weight average molecular weight of the ionomer may be 10,000 g / mol to 1,000,000 g / mol.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머는 퍼플루오로설폰산(perfluorosulfonic acid: PFSA)계 고분자일 수 있다. 퍼플루오로설폰산계 고분자로는 예를 들면, E-21669A(3M社) 또는 D2021(Dupont 社)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment of the present specification, the ionomer may be a perfluorosulfonic acid (PFSA) -based polymer. As the perfluorosulfonic acid polymer, for example, E-21669A (3M company) or D2021 (Dupont company) may be used, but is not limited thereto.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 다이프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 및 글리세롤 중 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 물과 1-프로판올을 함께 사용할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the solvent may be at least one selected from water, methanol, ethanol, butanol, n-propanol, isopropanol, n-butyl acetate, dipropylene glycol, ethylene glycol and glycerol, preferably Water and 1-propanol can be used together.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머의 함량은 상기 단계 1)의 혼합액 100wt%를 기준으로 0.5wt% 내지 10wt%일 수 있으며, 바람직하게는 1wt% 내지 5wt%일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the content of the ionomer may be 0.5 wt% to 10 wt% based on 100 wt% of the mixed solution of step 1), and preferably 1 wt% to 5 wt%.

이오노머의 함량이 상기 범위일 때, 이오노머가 촉매층을 과도하게 덮지 않아 촉매와 연료의 반응을 용이하게 하면서도, 촉매층 내에서의 이온 전달 통로가 제대로 형성되어 이온의 이동이 가장 원활할 수 있다.When the content of the ionomer is in the above range, the ionomer does not excessively cover the catalyst layer to facilitate the reaction between the catalyst and the fuel, and the ion transport passage in the catalyst layer is properly formed, so that the movement of ions may be most smooth.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 단계 1)의 혼합은 이오노머를 용매에 넣고 12시간 이상 600rpm 내지 1,000rpm의 속도로 교반하는 과정을 통해 수행될 수 있다.In one embodiment of the present specification, the mixing of step 1) may be performed by adding an ionomer to a solvent and stirring at a speed of 600 rpm to 1,000 rpm for at least 12 hours.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 단계 2)의 분산 시 압력은 50bar 이상일 수 있으며, 바람직하게는 100bar 이상 1,500bar 이하, 더욱 바람직하게는 100bar 이상 500bar 이하일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the pressure at the time of dispersion of step 2) may be 50 bar or more, preferably 100 bar or more and 1,500 bar or less, more preferably 100 bar or more and 500 bar or less.

분산 시 압력이 50bar 미만이거나, 단순 교반에 의해 분산이 이루어질 경우, 흑연이 그래핀으로 충분히 전환되지 못하는 문제점이 있다. 흑연은 그래핀에 비해 전도도가 낮고 입자 크기가 크기 때문에 전도도 향상 및 물질전달 향상 효과를 얻기 어렵다. When the dispersion is less than 50bar or when the dispersion is made by simple stirring, there is a problem that the graphite is not sufficiently converted to graphene. Since graphite has lower conductivity and larger particle size than graphene, it is difficult to obtain an effect of improving conductivity and improving material transfer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 흑연의 함량은 상기 2)의 분산액 100wt%를 기준으로 0.1wt% 내지 1wt%, 바람직하게는 0.2wt% 내지 0.8wt%일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the content of graphite may be 0.1wt% to 1wt%, preferably 0.2wt% to 0.8wt% based on 100wt% of the dispersion of 2).

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매는 탄소 지지체의 표면에 금속이 담지된 것일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the catalyst may be a metal supported on the surface of the carbon support.

상기 탄소 지지체로는, 이에 한정되는 것은 아니나, 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 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다. As the carbon support, it is not limited thereto, Graphite (Graphite), Carbon Black, Acetylene Black, Denka Black, Caten Black, Activated Carbon, Mesoporous Carbon, Carbon Nanotube, Carbon Nanofiber, Carbon Nanohorn, Carbon Nano Ring, Carbon Nano Wire, Fullerene (C60) and Super One or more selected from the group consisting of P can be used.

상기 금속으로는, 이에 한정되는 것은 아니나, 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금/루테늄 합금, 백금/오스뮴 합금, 백금/팔라듐 합금, 백금/M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 또는 이들의 조합의 전이 금속), 또는 이들의 조합을 들 수 있다. Examples of the metal include, but are not limited to, platinum, ruthenium, osmium, platinum / ruthenium alloy, platinum / osmium alloy, platinum / palladium alloy, platinum / M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe , Transition metals of Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru, or a combination thereof, or a combination thereof.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매는 백금 담지 탄소(Pt/C) 또는 백금-루테늄 합금 담지 탄소(PtRu/C)일 수 있으며, 바람직하게는 백금 담지 탄소(Pt/C)일 수 있다. In one embodiment of the present specification, the catalyst may be platinum supported carbon (Pt / C) or platinum-ruthenium alloy supported carbon (PtRu / C), preferably platinum supported carbon (Pt / C). .

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 흑연과 상기 촉매의 중량비는 1:99 내지 20:80일 수 있으며, 바람직하게는 1:99 내지 15:85일 수 있다. 흑연과 촉매의 중량비가 상기 범위 내에 있을 때 전극 내 전도도 향상 및 저가습 성능 향상효과가 있다.In one embodiment of the present specification, the weight ratio of the graphite and the catalyst may be 1:99 to 20:80, preferably 1:99 to 15:85. When the weight ratio of graphite and catalyst is in the above range, there is an effect of improving conductivity and low-humidity performance in the electrode.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머와 상기 촉매에 포함된 탄소의 중량비는 0.6:1 내지 1:1일 수 있으며, 바람직하게는 0.7:1 내지 0.9:1일 수 있다. In one embodiment of the present specification, the weight ratio of the ionomer and carbon included in the catalyst may be 0.6: 1 to 1: 1, preferably 0.7: 1 to 0.9: 1.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법은 상기 단계 2) 및 3) 사이에 상기 분산액을 5℃ 이하 로 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 분산액을 냉각함으로써 촉매가 발화하는 것을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.The method for preparing a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to an exemplary embodiment of the present specification may further include cooling the dispersion to 5 ° C. or less between the steps 2) and 3). By cooling the dispersion liquid, the effect of preventing the catalyst from igniting can be obtained.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법은 촉매 투입 후, 50bar 이상의 고압에서 분산하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 이는 고압 분산기에서 1회 내지 10회 수행될 수 있다.The method of preparing a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer according to an exemplary embodiment of the present specification may further include dispersing at a high pressure of 50 bar or more after the catalyst is input, which may be performed once to 10 times in a high pressure dispersion machine. Can be.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크는 전술한 제조 방법에 따라 제조된 것이다.In one embodiment of the present specification, the catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer is prepared according to the above-described manufacturing method.

본 명세서의 일 실시상태는 이오노머, 촉매 및 그래핀(graphene)을 포함하는 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크를 제공한다.An exemplary embodiment of the present specification provides a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer including an ionomer, a catalyst, and graphene.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 각 구성은 전술한 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법에 대한 설명을 인용할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present specification, each configuration of the catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer may refer to a description of a method of preparing the catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 그래핀은 단층 구조일 수 있다. 그래핀이 단층 구조일 때, 높은 전도성을 가질 수 있으며, 동일한 흑연 투입량을 기준으로, 전극에 더 작고 고르게 분포할 수 있기 때문에 연료전지 운전 시 반응물 전도성 및 확산성이 개선될 수 있다. In one embodiment of the present specification, the graphene may have a single layer structure. When graphene has a single layer structure, it may have high conductivity, and the reactant conductivity and diffusivity may be improved during fuel cell operation because it may be smaller and more evenly distributed on the electrode based on the same graphite dosage.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 이오노머의 함량은 상기 촉매 잉크 100wt%를 기준으로 0.5wt% 내지 10wt%, 바람직하게는 1wt% 내지 5wt%일 수 있다. In one embodiment of the present specification, the content of the ionomer may be 0.5wt% to 10wt%, preferably 1wt% to 5wt% based on 100wt% of the catalyst ink.

이오노머의 함량이 상기 범위일 때, 이오노머가 촉매층을 과도하게 덮지 않아 촉매와 연료의 반응을 용이하게 하면서도, 촉매층 내에서의 이온 전달 통로가 제대로 형성되어 이온의 이동이 가장 원활할 수 있다.When the content of the ionomer is in the above range, the ionomer does not excessively cover the catalyst layer to facilitate the reaction between the catalyst and the fuel, and the ion transport passage in the catalyst layer is properly formed, so that the movement of ions may be most smooth.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매의 함량은 상기 촉매 잉크 100wt%를 기준으로 1wt% 내지 20wt%, 바람직하게는 5wt% 내지 10wt%일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the content of the catalyst may be 1wt% to 20wt%, preferably 5wt% to 10wt% based on 100wt% of the catalyst ink.

촉매의 함량이 1wt% 이상이 되면 촉매 잉크의 점도가 너무 낮아지는 것을 방지하므로, 촉매층의 두께가 얇아 코팅을 수회 반복하게 되는 문제를 방지할 수 있다. 촉매의 함량이 20wt% 이하가 되면, 촉매 잉크의 점도가 너무 높아지는 것을 방지하므로, 촉매 입자의 분상성 저하 및 촉매층의 불균일한 형성을 방지할 수 있다.When the content of the catalyst is 1wt% or more, since the viscosity of the catalyst ink is prevented from being too low, the thickness of the catalyst layer is thin, thereby preventing the problem of repeating the coating several times. When the content of the catalyst is 20 wt% or less, the viscosity of the catalyst ink is prevented from becoming too high, so that the phase separation of the catalyst particles and the uneven formation of the catalyst layer can be prevented.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 그래핀의 함량은 상기 촉매 잉크 100wt%를 기준으로 0.1wt% 내지 1wt%일 수 있으며, 바람직하게는 0.2wt% 내지 0.8wt%일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the graphene content may be 0.1 wt% to 1 wt% based on 100 wt% of the catalyst ink, and preferably 0.2 wt% to 0.8 wt%.

그래핀의 함량이 0.1wt% 이상일 때 전극 내 전도도 향상을 통한 저가습 향상 효과가 있으며, 1wt% 이하일 때 반응물의 확산성 저하를 방지할 수 있다.When the content of graphene is 0.1wt% or more, there is a low-humidity improvement effect through the conductivity enhancement in the electrode, and when the content is less than 1wt%, it is possible to prevent the decrease in the diffusivity of the reactants.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매 잉크 중 이오노머, 촉매 및 그래핀을 제외한 나머지 잔부는 용매일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the remainder other than ionomer, catalyst, and graphene may be a solvent.

본 명세서의 일 실시상태는 기체 확산층 상에 전술한 촉매 잉크의 경화물을 포함하는 연료전지용 전극 촉매층을 제공한다.An exemplary embodiment of the present specification provides an electrode catalyst layer for a fuel cell including a cured product of the catalyst ink described above on a gas diffusion layer.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 촉매 잉크의 경화물은 도포된 촉매 잉크가 건조 과정을 거쳐 용매가 제거된 후 고체화된 상태를 의미한다.In one embodiment of the present specification, the cured product of the catalyst ink refers to a solidified state after the solvent is removed after the applied catalyst ink is dried.

본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전극 촉매층은 당 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조될 수 있으며, 예를 들면 상기 촉매 잉크를 기체 확산층 위에 도포 및 건조함으로써 형성할 수 있다. 이 때, 이오노머의 함량을 달리한 촉매 잉크를 차례로 도포 및 건조함으로써 복수의 촉매층을 형성할 수도 있다. In one embodiment of the present specification, the electrode catalyst layer may be prepared according to a conventional method known in the art, and may be formed, for example, by applying and drying the catalyst ink on a gas diffusion layer. At this time, a plurality of catalyst layers may be formed by sequentially applying and drying catalyst inks having different ionomer contents.

이 때, 상기 촉매 잉크를 기체확산층 위에 도포하는 방법으로는 프린팅(printing), 테이프 캐스팅(tape casting), 슬롯 다이 캐스팅(slot die casting), 분무(spray), 롤링(rolling), 블레이드 코팅(blade coating), 스핀 코팅(spin coating), 잉크젯 코팅(inkjet coating) 또는 브러싱(brushing) 등의 방법이 있으나, 이에 한정되지 않는다.In this case, the method of coating the catalyst ink on the gas diffusion layer may include printing, tape casting, slot die casting, spraying, rolling, and blade coating. coating, spin coating, inkjet coating, or brushing, but are not limited thereto.

상기 기체확산층은 일반적으로 도전성 및 80% 이상의 다공도를 갖는 기재라면 특별한 제한이 없으며, 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 기재의 두께는 30 내지 500㎛일 수 있다. 상기 범위 내의 값이면 기계적 강도와 가스 및 물의 확산성과의 균형이 적절하게 제어될 수 있다. 상기 기체확산층은 상기 도전성 기재의 일면에 형성되는 미세 기공층을 더 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 미세 기공층은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다. 상기 미세 기공층은 촉매층에 존재하는 과잉 수분의 배출을 촉진시켜서 플러딩(flooding) 현상의 발생을 억제할 수 있다.The gas diffusion layer is not particularly limited so long as it is a substrate having conductivity and porosity of 80% or more, and may include a conductive substrate selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth, and carbon felt. The thickness of the substrate may be 30 to 500 μm. If the value is within the above range, the balance between the mechanical strength and the diffusivity of gas and water can be appropriately controlled. The gas diffusion layer may further include a fine pore layer formed on one surface of the conductive substrate, and the fine pore layer may include a carbon material and a fluorine resin. The microporous layer may inhibit the occurrence of flooding phenomenon by promoting the discharge of excess moisture present in the catalyst layer.

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 선택된 1종 이상이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.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 more selected from the group consisting of fullerenes (C60) and super P may be used, but is not limited thereto.

상기 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP) 및 스티렌-부타디엔고무(SBR)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.Examples of the fluorine resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol, cellulose acetate, copolymers of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) and styrene-butadiene rubber. One or more selected from the group consisting of (SBR) may be used, but is not limited thereto.

상기 연료전지용 전극 촉매층을 포함하는 연료전지는 전술한 연료전지용 전극 촉매층을 포함하는 것을 제외하고는, 당 기술분야에 알려진 재료 및 방법을 이용하여 형성할 수 있다. 도 4을 참조하면, 상기 연료전지는 스택(60), 연료공급부(80) 및 산화제공급부(70)를 포함하여 형성된다.The fuel cell including the fuel cell electrode catalyst layer may be formed using materials and methods known in the art, except that the fuel cell electrode catalyst layer is described above. Referring to FIG. 4, the fuel cell includes a stack 60, a fuel supply unit 80, and an oxidant supply unit 70.

상기 스택(60)은 막-전극 접합체(MEA)를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막전극 접합체로 전달하는 역할을 한다.The stack 60 includes one or more membrane electrode assemblies (MEAs), and in the case where two or more membrane electrode assemblies are included, the stack 60 includes separators interposed therebetween. It prevents the connection and transfers fuel and oxidant supplied from the outside to the membrane electrode assembly.

상기 연료 공급부(80)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료를 저장하는 연료탱크(81) 및 연료탱크(81)에 저장된 연료를 스택(60)으로 공급하는 펌프(82)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The fuel supply unit 80 serves to supply fuel to the stack, and includes a fuel tank 81 for storing fuel and a pump 82 for supplying fuel stored in the fuel tank 81 to the stack 60. Can be. The fuel may be a gas or liquid hydrogen or hydrocarbon fuel, examples of the hydrocarbon fuel may be methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

상기 산화제 공급부(70)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다. 상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(82)로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidant supply unit 70 serves to supply an oxidant to the stack. Oxygen is representatively used as the oxidant, and may be used by injecting oxygen or air into the pump 82.

이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, embodiments according to the present disclosure may be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not interpreted to be limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more fully describe the present specification to those skilled in the art.

<실시예 : 촉매 잉크의 제조>Example: Preparation of Catalytic Ink

실시예 1.Example 1.

불소계 고분자인 이오노머(E-21669A, 3M社) 0.424g을 물 1g 및 1-프로판올 13g으로 구성된 용매에 넣고 800rpm에서 상온으로 밤새(overnight) 교반하였다. 그 다음, 5℃ 이하로 냉각한 후 흑연(C-therm002, Imerys社) 0.05g을 넣고 고압 분산기(200bar)에서 상온 조건으로 10회 분산하였다. 분산액을 5℃ 이하로 냉각한 후 Pt/C 촉매인 TEC10F50E (TKK社) 0.95g을 투입한 다음 다시 고압 분산기(200bar)에서 상온 조건으로 5회 분산하여 촉매 잉크를 제조하였다. 0.424 g of ionomer (E-21669A, 3M), a fluorine-based polymer, was placed in a solvent composed of 1 g of water and 13 g of 1-propanol, and stirred overnight at 800 rpm at room temperature. Then, the mixture was cooled to 5 ° C. or less, and then 0.05 g of graphite (C-therm002, Imerys, Inc.) was dispersed 10 times at room temperature in a high pressure disperser (200 bar). After the dispersion was cooled to 5 ° C. or less, 0.95 g of a Pt / C catalyst, TEC10F50E (TKK Co., Ltd.) was added thereto, and then dispersed five times at room temperature in a high pressure dispersion machine (200 bar) to prepare a catalyst ink.

실시예 2.Example 2.

상기 실시예 1에서 흑연 투입량을 0.1g으로, 촉매 투입량을 0.9g으로 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일한 과정으로 촉매 잉크를 제조하였다.A catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1 except that the graphite input amount was changed to 0.1 g and the catalyst input amount was 0.9 g in Example 1.

비교예 1.Comparative Example 1.

상기 실시예 1에서 흑연은 투입하지 않고, 촉매 투입량을 1g으로 변경한 것 외에는 실시예 1과 동일한 과정으로 촉매 잉크를 제조하였다.In Example 1, the catalyst ink was prepared in the same manner as in Example 1 except that graphite was not added and the amount of the catalyst was changed to 1 g.

비교예 2.Comparative Example 2.

불소계 고분자인 이오노머(E-21669A, 3M社) 0.424g을 물 1g 및 1-프로판올 13g으로 구성된 용매에 넣고 800rpm에서 상온 조건으로 밤새(overnight) 교반하였다. 그 다음, 흑연(C-therm002, Imerys社) 0.05g을 넣고 800rpm에서 상온 조건으로 밤새(overnight) 교반하였다. 분산액을 5℃ 이하로 냉각한 후 Pt/C 촉매인 TEC10F50E (TKK社) 0.95g을 투입한 다음 고압 분산기(200bar)에서 상온으로 5회 분산하여 촉매 잉크를 제조하였다.0.424 g of ionomer (E-21669A, 3M), a fluorine-based polymer, was added to a solvent consisting of 1 g of water and 13 g of 1-propanol and stirred overnight at room temperature at 800 rpm. Then, 0.05 g of graphite (C-therm002, Imerys, Inc.) was added thereto, and the mixture was stirred overnight at 800 rpm at room temperature. After the dispersion was cooled to 5 ° C. or less, 0.95 g of a Pt / C catalyst, TEC10F50E (TKK Co., Ltd.) was added thereto, and the catalyst ink was prepared by dispersing five times at room temperature in a high pressure dispersion machine (200 bar).

<실험예 : 막-전극 접합체의 성능 비교>Experimental Example: Performance Comparison of Membrane-electrode Assembly

기체 확산층에 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조된 촉매잉크를 잉크젯 코팅법으로 도포한 후, 100℃에서 1시간 동안 건조하여 전극을 제조하였다. 실시예 1, 2 및 비교예 1의 촉매 잉크가 도포된 전극에 대하여 광학현미경으로 촬영한 전극 표면 사진을 도 1에 나타내었다. 도 1을 통해 그래핀이 첨가된 실시예 1 및 2의 전극 표면이 비교예 1의 전극 표면에 비해 크랙이 감소한 것을 확인할 수 있다.The catalyst inks prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were applied to a gas diffusion layer by an inkjet coating method, and then dried at 100 ° C. for 1 hour to prepare electrodes. The electrode surface photographs taken with an optical microscope of the electrodes coated with the catalyst inks of Examples 1, 2 and Comparative Example 1 are shown in FIG. 1. It can be seen from FIG. 1 that the cracks of the electrode surfaces of Examples 1 and 2 to which graphene is added are reduced compared to those of the electrode of Comparative Example 1.

제조된 전극을 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 고분자 전해질 막의 양 표면에 접합시켜 연료전지용 막-전극 접합체(MEA)를 제조하였으며, 이 때 애노드 및 캐소드의 촉매 로딩량은 각각 0.3mg/cm2이었다.The prepared electrodes were bonded to both surfaces of the polymer electrolyte membrane using an anode electrode and a cathode electrode to prepare a fuel cell membrane-electrode assembly (MEA), wherein the catalyst loading of the anode and the cathode was 0.3 mg / cm 2, respectively.

제조된 막-전극 접합체를 수소이온 교환막 연료전지의 단일 셀(single cell)에 조립하여, 단위전지 온도 70℃, 상대습도 32%, 유량의 화학양론(Stoichiometry)비는 애노드(수소):캐소드(공기)=1.5:2.0인 조건에서 성능을 평가하였다.The prepared membrane-electrode assembly was assembled in a single cell of a hydrogen ion exchange membrane fuel cell, and the unit cell temperature was 70 ° C., a relative humidity of 32%, and the stoichiometry ratio of the flow rate was measured in terms of anode (hydrogen): cathode ( Air) = 1.5: 2.0 to evaluate the performance.

저전류에서 고전류로 100mA/cm2 간격으로 부하를 걸어주고 각 단계에 해당되는 전압 및 HFR(high frequency resistance)을 측정하여 그 결과를 도 2에 도시하였으며, Potentiostat 모드로 전극 저항을 측정하여 그 결과를 도 3에 도시하였다. Load the load at a low current from 100mA / cm 2 at high current and measure the voltage and high frequency resistance (HFR) corresponding to each step, and the results are shown in FIG. 2, and the electrode resistance was measured in Potentiostat mode. Is shown in FIG. 3.

도 2를 살펴보면, 촉매 잉크 제조 시 흑연을 투입한 비교예 2가 흑연을 투입하지 않은 비교예 1에 비해서는 상대습도 32%의 저가습 조건에서 성능이 개선되지만, 고압 분산을 통해 흑연을 그래핀으로 변환시킨 실시예 1 및 2에 비해서는 성능이 좋지 못함을 확인할 수 있다. 즉, 실시예 1 및 2는 그래핀 투입으로 인해 HFR이 감소하여 비교예 1 및 2에 비해 성능이 향상된 것이다.Referring to FIG. 2, Comparative Example 2, in which graphite is added in the preparation of catalyst ink, has improved performance under low humidity conditions of 32% relative humidity compared to Comparative Example 1, in which graphite is not added. It can be seen that the performance is not as good as compared to Examples 1 and 2 converted to. That is, in Examples 1 and 2, the HFR is reduced due to the graphene input, thereby improving performance compared to Comparative Examples 1 and 2.

도 3을 살펴보면, 제조 과정에서 흑연을 사용하지 않은 비교예 1에서 가장 높은 저항이 측정되었고, 흑연 투입 후 단순 교반으로 분산 시킨 비교예 2의 경우, 흑연이 그래핀으로 전환되지 못하였기 때문에 실시예 1 및 2에 비해 훨씬 높은 저항값이 측정된 것을 확인할 수 있다. 반면 그래핀과 이오노머의 분산액을 기반으로 제조된 촉매 잉크를 사용한 실시예 1 및 2의 경우, 전극 저항이 45mOhm·cm2/mg 이하로 낮게 측정된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, the highest resistance was measured in Comparative Example 1 in which no graphite was used in the manufacturing process, and in Comparative Example 2 in which graphite was added and dispersed by simple stirring, the graphite could not be converted into graphene. It can be seen that much higher resistance values were measured compared to 1 and 2. On the other hand, in the case of Examples 1 and 2 using the catalyst ink prepared based on the dispersion of graphene and ionomer, it can be seen that the electrode resistance is measured as low as 45mOhm · cm 2 / mg or less.

60: 스택
70: 산화제공급부
80: 연료공급부
81: 연료탱크
82: 펌프
60: stack
70: oxidant supply unit
80: fuel supply unit
81: fuel tank
82: pump

Claims (13)

1) 이오노머(ionomer) 및 용매를 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;
2) 상기 혼합액에 흑연을 투입한 후 50bar 이상의 고압에서 분산하여 분산액을 제조하는 단계; 및
3) 상기 분산액에 촉매를 투입하는 단계
를 포함하는 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법.
1) mixing a ionomer and a solvent to prepare a mixed solution;
2) preparing a dispersion by adding graphite to the mixed solution and dispersing the mixture at a high pressure of 50 bar or more; And
3) adding a catalyst to the dispersion
Method of producing a catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer comprising a.
청구항 1에 있어서, 상기 이오노머는 퍼플루오로설폰산(perfluorosulfonic acid: PFSA)계 고분자인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the ionomer is a perfluorosulfonic acid (PFSA) polymer. 청구항 1에 있어서, 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 다이프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 및 글리세롤 중 선택된 1종 이상인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법.The catalyst ink of claim 1, wherein the solvent is at least one selected from water, methanol, ethanol, butanol, n-propanol, isopropanol, n-butyl acetate, dipropylene glycol, ethylene glycol, and glycerol. Method of preparation. 청구항 1에 있어서, 상기 단계 2) 및 3) 사이에 상기 분산액을 5℃ 이하로 냉각하는 단계를 추가로 포함하는 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법.The method of claim 1, further comprising cooling the dispersion to 5 ° C. or lower between steps 2) and 3). 청구항 1에 있어서, 상기 흑연과 상기 촉매의 중량비는 1:99 내지 20:80인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the weight ratio of the graphite and the catalyst is 1:99 to 20:80. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매는 탄소 지지체의 표면에 금속이 담지된 것이며, 상기 이오노머와 상기 탄소의 중량비는 0.6:1 내지 1:1인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크의 제조 방법.The method according to claim 1, wherein the catalyst is a metal supported on the surface of the carbon support, the weight ratio of the ionomer and the carbon is 0.6: 1 to 1: 1 method for producing a catalyst ink for a fuel cell electrode catalyst layer forming. 이오노머, 촉매 및 그래핀(graphene)을 포함하는 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크. Catalyst ink for forming a fuel cell electrode catalyst layer comprising an ionomer, a catalyst, and graphene. 청구항 7에 있어서, 상기 그래핀은 단층(monolayer) 구조인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크. The catalyst ink of claim 7, wherein the graphene has a monolayer structure. 청구항 7에 있어서, 상기 그래핀과 상기 촉매의 중량비는 1:99 내지 20:80인 것인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크.The catalyst ink of claim 7, wherein the graphene and the catalyst have a weight ratio of 1:99 to 20:80. 청구항 7에 있어서, 상기 그래핀의 함량은 상기 촉매 잉크 100wt%를 기준으로 0.1wt% 내지 1wt%인 것인 연료전지 전극 촉매층 형성용 촉매 잉크.The catalyst ink of claim 7, wherein the graphene content is 0.1 wt% to 1 wt% based on 100 wt% of the catalyst ink. 기체 확산층 상에 청구항 7 내지 10 중 어느 한 항에 따른 촉매 잉크의 경화물을 포함하는 연료전지용 전극 촉매층.An electrode catalyst layer for a fuel cell comprising a cured product of the catalyst ink according to any one of claims 7 to 10 on a gas diffusion layer. 청구항 11에 따른 전극 촉매층을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체.A membrane-electrode assembly for a fuel cell comprising the electrode catalyst layer according to claim 11. 청구항 12에 따른 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지.A fuel cell comprising the membrane-electrode assembly according to claim 12.
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Cited By (2)

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CN111755722A (en) * 2020-05-20 2020-10-09 鄂尔多斯市国科能源有限公司 Membrane electrode assembly
CN112980247A (en) * 2019-12-14 2021-06-18 中国科学院大连化学物理研究所 High-stability ink-jet printing ink for fuel cell and preparation and application thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090038761A (en) * 2007-10-16 2009-04-21 주식회사 엘지화학 Electrode for fuel cell and method of preparing the same and membrane electrode assembly and fuel cell comprising the same
JP2009152075A (en) * 2007-12-20 2009-07-09 Tokuyama Corp Method of manufacturing composition for catalytic electrode layer formation of fuel cell
KR20110114992A (en) 2010-04-14 2011-10-20 한국과학기술연구원 A catalyst slurry composition, a method for preparing a membrane-electrode assembly for fuel cell using the same and the membrane-electrode assembly for fuel cell prepared therefrom
KR20180052905A (en) * 2016-11-11 2018-05-21 주식회사 엘지화학 Manufacturing method of catalyst ink for forming fuel cell electrode catalyst layer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090038761A (en) * 2007-10-16 2009-04-21 주식회사 엘지화학 Electrode for fuel cell and method of preparing the same and membrane electrode assembly and fuel cell comprising the same
JP2009152075A (en) * 2007-12-20 2009-07-09 Tokuyama Corp Method of manufacturing composition for catalytic electrode layer formation of fuel cell
KR20110114992A (en) 2010-04-14 2011-10-20 한국과학기술연구원 A catalyst slurry composition, a method for preparing a membrane-electrode assembly for fuel cell using the same and the membrane-electrode assembly for fuel cell prepared therefrom
KR20180052905A (en) * 2016-11-11 2018-05-21 주식회사 엘지화학 Manufacturing method of catalyst ink for forming fuel cell electrode catalyst layer

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112980247A (en) * 2019-12-14 2021-06-18 中国科学院大连化学物理研究所 High-stability ink-jet printing ink for fuel cell and preparation and application thereof
CN111755722A (en) * 2020-05-20 2020-10-09 鄂尔多斯市国科能源有限公司 Membrane electrode assembly
CN111755722B (en) * 2020-05-20 2021-11-26 鄂尔多斯市国科能源有限公司 Membrane electrode assembly

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