KR20220099785A - Electrochemically Active Composite Material for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell - Google Patents

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KR20220099785A KR1020210002088A KR20210002088A KR20220099785A KR 20220099785 A KR20220099785 A KR 20220099785A KR 1020210002088 A KR1020210002088 A KR 1020210002088A KR 20210002088 A KR20210002088 A KR 20210002088A KR 20220099785 A KR20220099785 A KR 20220099785A
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Abstract

The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and specifically, to an electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell capable of improving the activity of an electrode by maximizing the formation of a three-phase interface formed by a catalyst/a binder/a fuel in an electrode catalyst layer of the polymer electrolyte fuel cell, a manufacturing method thereof, an electrode including the same, and a fuel cell including the electrode.

Description

고분자전해질연료전지용 전극복합물 및 그 제조방법{Electrochemically Active Composite Material for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell}Electrochemically Active Composite Material for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

본 발명은 고분자전해질연료전지에 관한 것으로, 고분자 전해질 연료전지의 전극 촉매 층에서 촉매/바인더/연료가 이루는 삼상계면 형성을 극대화하여 전극의 활성을 개선할 수 있는 고분자전해질연료전지용 전극복합물, 그 제조방법, 이를 포함하는 전극 및 상기 전극을 포함하는 연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and an electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell capable of improving the activity of an electrode by maximizing the formation of a three-phase interface between a catalyst/binder/fuel in an electrode catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell, and manufacturing the same It relates to a method, an electrode including the same, and a fuel cell including the electrode.

전 세계적으로 화석에너지는 수 년 이내에 고갈될 가능성이 있다. 그리고 최근 유가의 지속적인 상승과 화석 에너지 사용에 따른 환경 오염 문제 등으로 대체 에너지원에 대한 관심이 고조되고 있는 것이 현실이다. 대체 에너지원 중에서 지구상에서 풍부하고 무한 공급이 가능하면서 환경친화적인 수소 에너지에 대한 연구가 최근 급속히 진행되고 있는데, 그 중심에 "연료전지"가 있다. Globally, fossil energy is likely to be depleted within a few years. In addition, interest in alternative energy sources is rising due to the continuous rise in oil prices and environmental pollution caused by the use of fossil energy. Among alternative energy sources, research on environmentally friendly hydrogen energy, which can be supplied abundantly and indefinitely on Earth, is being rapidly progressed in recent years, and "fuel cell" is at the center of it.

연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환해주는 장치로서, 연료 전지의 기본 구조는 촉매를 담지한 연료극, 산소극 그리고 두 전극 사이에 전해질 막을 넣고 제조된 막/전극 접합체로 구성되어 있다.A fuel cell is a device that directly converts chemical energy into electrical energy. The basic structure of a fuel cell is composed of an anode supporting a catalyst, an oxygen electrode, and a membrane/electrode assembly manufactured by putting an electrolyte membrane between the two electrodes.

연료전지에 있어서, 막/전극 접합체의 성능은 각각의 전극에 의해 크게 좌우되며 상기 전극의 성능은 촉매/바인더/연료가 형성하는 삼상계면에 따라서 전극 활성이 크게 차이가 나타난다. 따라서 전극 촉매 층에서 이들 삼상계면 제어기술은 셀의 성능에 직관되는 인자로 고려되고 있다.In a fuel cell, the performance of the membrane/electrode assembly is greatly influenced by each electrode, and the electrode activity greatly differs depending on the three-phase interface formed by the catalyst/binder/fuel. Therefore, these three-phase interface control techniques in the electrode catalyst layer are considered as factors that are intuitive to the cell performance.

기존의 전극 바인더는 수소이온 전도성 고분자 전해질 막과 동일한 소재로 전극 바인더 용액에 적용함으로써 막/전극 계면안전성을 크게 개선하였음에도 불구하고, 극성용매에 용해시킨 고분자와 촉매간의 응집현상과 같은 문제는 성능 저하의 가장 큰 원인으로 나타났다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 촉매/바인더/연료가 이루는 삼상계면 형성을 극대화시켜 전극 활성을 향상시키는 기술 개발이 요구된다.Although the existing electrode binder is the same material as the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and applied to the electrode binder solution, the membrane/electrode interface stability is greatly improved, but problems such as aggregation between the polymer dissolved in a polar solvent and the catalyst are reduced in performance appeared to be the biggest cause of Therefore, in order to solve this problem, it is required to develop a technology for improving electrode activity by maximizing the formation of a three-phase interface between catalyst/binder/fuel.

대한민국 특허번호 제10-2008-0048352 호Republic of Korea Patent No. 10-2008-0048352

본 발명자들은 다수의 연구 결과 고분자전해질 연료전지에 있어서 전극복합물 형성시 저온에서 건조함으로써 전극 활성을 향상시킬 수 있는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.As a result of numerous studies, the present inventors have completed the present invention by developing a technology capable of improving electrode activity by drying at a low temperature when forming an electrode composite in a polymer electrolyte fuel cell.

따라서, 본 발명의 목적은 전극복합물 형성시 0℃이하의 저온에서 건조함으로써 촉매/바인더/연료가 이루는 삼상계면 형성을 극대화시켜 전극활성을 향상시킬 수 있는 고분자전해질연료전지용 전극복합물, 그 제조방법, 이를 포함하는 전극 및 상기 전극을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to maximize the formation of a three-phase interface between catalyst/binder/fuel by drying at a low temperature of 0° C. or less when forming the electrode composite, thereby improving electrode activity for a polymer electrolyte fuel cell electrode composite, a manufacturing method thereof, An electrode including the same and a fuel cell including the electrode are provided.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and even if not explicitly mentioned, the object of the invention that can be recognized by a person of ordinary skill in the art from the description of the detailed description of the invention to be described later may also be included. .

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 먼저 본 발명은 고분자전해질 연료전지용 전극복합물용액을 준비하는 단계; 및 상기 전극복합물용액을 0℃미만에서 건조하는 단계;를 포함하는 고분자전해질 연료전지용 전극복합물 제조방법을 제공한다.In order to achieve the object of the present invention described above, the present invention first comprises the steps of preparing an electrode composite solution for a polymer electrolyte fuel cell; and drying the electrode composite solution at less than 0°C.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전극복합물용액은 촉매, 고분자바인더 및 용매를 포함한다. In a preferred embodiment, the electrode composite solution includes a catalyst, a polymer binder and a solvent.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉매는 백금(Pt), 백금/이리듐(Pt/Ir), 로듐(Rh), 백금/로듐(Pt/Rh), 백금/루테늄(Pt/Ru), 팔라듐(Pd) 중에서 선택되는 1개 이상이다. In a preferred embodiment, the catalyst is platinum (Pt), platinum/iridium (Pt/Ir), rhodium (Rh), platinum/rhodium (Pt/Rh), platinum/ruthenium (Pt/Ru), palladium (Pd) It is one or more selected from among.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 고분자 바인더는 나피온, 플레미온, 아시플렉스, 퍼플루오로설포닉산(PFSA), 폴르테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVdF), 폴리트리플루오로클로로에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVdF-HEP)으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 이상이다. In a preferred embodiment, the polymer binder is Nafion, Flemion, Aciplex, perfluorosulfonic acid (PFSA), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene difluoride (PVdF), polytrifluoro It is at least one selected from the group consisting of lochloroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HEP).

바람직한 실시예에 있어서, 상기 고분자 바인더는 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르에테르케톤 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계, 폴리페닐린옥사이드, 폴리페닐린설파이드 고분자로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상에 술폰산이 도입된 것이다. In a preferred embodiment, the polymer binder is a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, a polyethersulfone-based polymer, a polyetherketone-based polymer, and a polyetheretherketone polymer. , polyphenylquinoxaline-based, polyphenyline oxide, polyphenylline sulfide polymer is introduced into any one or more selected from the group consisting of sulfonic acid.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 용매는 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 이소프로필알콜(IPA), 증류수(Deionized-Water), N-메틸피로리돈(NMP), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO)로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상이다. In a preferred embodiment, the solvent is methanol, ethanol, isopropyl alcohol (IPA), distilled water (Deionized-Water), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethyl It is at least one selected from the group consisting of acetamide (DMAc) and dimethyl sulfoxide (DMSO).

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 고분자전해질연료전지용 전극복합물을 제공한다. In addition, the present invention provides an electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell manufactured by any one of the manufacturing methods described above.

바람직한 실시예에 있어서, 100 나노미터 이하의 직경을 갖는 입자 및 기공이 형성된 것이다. In a preferred embodiment, particles and pores having a diameter of 100 nanometers or less are formed.

또한, 본 발명은 탄소섬유, 펠트 또는 탄소종이로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나의 지지체; 및 상기 지지체에 담지되는 상술된 전극복합물;을 포함하는 연료전지용 전극을 제공한다.In addition, the present invention is any one support selected from the group consisting of carbon fiber, felt or carbon paper; and the above-described electrode composite supported on the support.

또한, 본 발명은 상술된 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a fuel cell including the above-described electrode for a fuel cell.

상술된 본 발명에 의하면 0℃ 이하의 저온 건조를 통해 전극복합물이 응집하는 과정에서 나노미터 크기의 기공과 입자를 갖게 하여 전극의 활성 표면적을 증가시키는 효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 이를 통하여 촉매/바인더/연료가 이루는 삼상계면 형성을 극대화시킴으로써 전극 활성을 향상시킬 수 있다. According to the present invention described above, it is possible to obtain the effect of increasing the active surface area of the electrode by having nanometer-sized pores and particles in the process of aggregation of the electrode composite through low-temperature drying at 0° C. or less, and, through this, catalyst / By maximizing the formation of the three-phase interface formed by the binder/fuel, the electrode activity can be improved.

본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.These technical effects of the present invention are not limited only to the range mentioned above, and even if not explicitly mentioned, the effect of the invention that can be recognized by those of ordinary skill in the art from the description of the specific content for the implementation of the invention to be described later is also of course included

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전극복합물의 모폴로지를 보여주는 사진이고, 도 2는 대조군인 비교예전극복합물의 모폴로지를 보여주는 사진이다.
도 3은 도 1에 도시된 전극복합물을 포함하는 전극과 도 2에 도시된 비교예 전극복합물을 포함하는 전극이 적용된 연료전지의 성능비교 그래프이다.
1 is a photograph showing the morphology of an electrode composite according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a photograph showing the morphology of a comparative electrode composite as a control.
3 is a performance comparison graph of a fuel cell to which the electrode including the electrode composite shown in FIG. 1 and the electrode including the comparative electrode composite shown in FIG. 2 are applied.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the description of the invention is present, but one or more other It should be understood that it does not preclude the possibility of addition or presence of features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present invention. does not

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.In interpreting the components, it is interpreted as including an error range even if there is no separate explicit description. In particular, when the terms "about", "substantially", etc. of degree are used, they may be construed as being used in a sense at or close to the numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented. .

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.In the case of a description of a temporal relationship, for example, if the temporal relationship is described as 'after', 'following', 'after', 'before', etc., 'immediately' or 'directly' This includes cases that are not continuous unless ' is used.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Like reference numbers used to describe the invention throughout the specification refer to like elements.

본 발명의 기술적 특징은 0℃ 이하의 저온 건조를 통해 전극복합물이 응집하는 과정에서 나노미터 크기의 기공과 입자를 갖게 하여 전극의 활성 표면적을 증가시켜 결과적으로 촉매/바인더/연료가 이루는 삼상계면 형성을 극대화시킬 수 있는 전극복합물제조방법 및 그 방법으로 제조된 전극복합물에 있다. The technical feature of the present invention is to increase the active surface area of the electrode by having nanometer-sized pores and particles in the process of aggregation of the electrode composite through low-temperature drying at 0° C. or less, resulting in the formation of a three-phase interface between catalyst/binder/fuel There is a method for manufacturing an electrode composite that can maximize

따라서, 본 발명의 고분자전해질 연료전지용 전극복합물 제조방법은 고분자전해질 연료전지용 전극복합물용액을 준비하는 단계; 및 상기 전극복합물용액을 0℃이하에서 건조하는 단계;를 포함한다.Accordingly, the method for producing an electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes the steps of preparing an electrode composite solution for a polymer electrolyte fuel cell; and drying the electrode composite solution at 0° C. or less.

여기서, 전극복합물용액은 촉매, 고분자바인더 및 용매를 포함하는데, 용매에 촉매 및 고분자바인더를 첨가한 후 초음파처리하여 균일하게 분산될 수 있다. 특히 고분자바인더는 용액상태로 전극복합물용액에 첨가되는 것이 바람직할 수 있다.Here, the electrode composite solution includes a catalyst, a polymer binder, and a solvent, and after adding the catalyst and the polymer binder to the solvent, it can be uniformly dispersed by ultrasonication. In particular, it may be preferable to add the polymer binder to the electrode composite solution in a solution state.

촉매는 전극 산화환원촉매로서 수소, 메탄올, 에탄올, 포름산 등의 산화와 산소의 환원특성이 우수한 물질이기만 하면 공지된 모든 물질이 사용될 수 있으나, 일 구현예로서 Pt, Ru, W, Mo, P, Si, Co, Cs, V, 및 Ni 등의 군으로부터 선택되는 단독 또는 2종 이상의 혼합물 또는 합금으로부터 선택될 수 있는데, 백금(Pt), 백금/이리듐(Pt/Ir), 로듐(Rh), 백금/로듐(Pt/Rh), 백금/루테늄(Pt/Ru), 팔라듐(Pd) 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.As the catalyst as an electrode redox catalyst, any known material may be used as long as it has excellent oxidation and oxygen reduction properties such as hydrogen, methanol, ethanol, formic acid, etc., but in one embodiment, Pt, Ru, W, Mo, P, Si, Co, Cs, V, and may be selected from a mixture or alloy of two or more selected from the group, such as, platinum (Pt), platinum / iridium (Pt / Ir), rhodium (Rh), platinum It may be at least one selected from /rhodium (Pt/Rh), platinum/ruthenium (Pt/Ru), and palladium (Pd).

고분자바인더는 수소이온전도성이 우수한 특성을 갖는 물질이기만 하면 제한되지 않으나, 불소계 바인더, 술폰화된 탄화수소계 바인더 및 이들의 조합일 수 있다. The polymer binder is not limited as long as it is a material having excellent hydrogen ion conductivity, but may be a fluorine-based binder, a sulfonated hydrocarbon-based binder, or a combination thereof.

일 구현예로서, 불소계 바인더는 퍼플루오로설포닉산(PFSA), 폴르테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVdF), 폴리트리플루오로클로로에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVdF-HEP)으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있는데, 특히 나피온, 플레미온, 아시플렉스 등과 같은 과불소계 고분자는 측쇄의 말단기에 술폰산 그룹을 도입하여 클러스터를 형성하기 용이한 구조이다. In one embodiment, the fluorine-based binder is perfluorosulfonic acid (PFSA), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene difluoride (PVdF), polytrifluorochloroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride Ride- may be any one or more selected from the group consisting of hexafluoropropylene (PVdF-HEP). In particular, perfluorinated polymers such as Nafion, Flemion, Aciplex, etc. introduce a sulfonic acid group at the terminal group of the side chain to form a cluster. It is a structure that is easy to do.

술폰화된 탄화수소계 바인더는 탄화수소계 고분자가 술폰화된 것으로, 탄화수소계 고분자의 경우 고분자 자체를 농황산이나 발연황산(fuming sulfuric acid) 중에서 술폰화를 진행(포스트 술포네이션, Post-sulfonation)하거나, 발연황산 중에서 모노머에 술폰산 그룹을 도입한 후 축합 반응에 의해 술폰화 고분자를 제조(모노머 술포네이션, monomer-sulfonation)할 수 있는데, 본 발명에서의 술폰화는 포스트술포네이션 및 모노머술포네이션 모두를 포함한다. 여기서, 탄화수소계 고분자의 수평균 분자량은 1,000 ~ 1,000,000, 바람직하게는 5,000 ~ 500,000인 것을 사용하는 것이 좋은데, 고분자의 수평균 분자량이 1,000 미만이면 고분자의 안정성이 저하하는 문제가 발생할 수 있고, 1,000,000 초과시 용해도가 감소하는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 술폰화된 탄화수소계 바인더는 일 구현예로서 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르에테르케톤 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계, 폴리페닐린옥사이드, 폴리페닐린설파이드 고분자로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상에 술폰산이 도입된 것일 수 있다. A sulfonated hydrocarbon-based binder is a hydrocarbon-based polymer that is sulfonated. In the case of a hydrocarbon-based polymer, the polymer itself is sulfonated in concentrated sulfuric acid or fuming sulfuric acid (post-sulfonation) or fuming After introducing a sulfonic acid group to a monomer in sulfuric acid, a sulfonated polymer can be prepared by a condensation reaction (monomer sulfonation, monomer-sulfonation). Sulfonation in the present invention includes both postsulfonation and monomer sulfonation. . Here, the number average molecular weight of the hydrocarbon-based polymer is 1,000 to 1,000,000, preferably, 5,000 to 500,000 is preferably used. If the number average molecular weight of the polymer is less than 1,000, the stability of the polymer may decrease, and when it exceeds 1,000,000 This is because a problem of decreasing solubility may occur. The sulfonated hydrocarbon-based binder is one embodiment of a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, a polyethersulfone-based polymer, a polyetherketone-based polymer, and a polyetheretherketone. A sulfonic acid may be introduced into any one or more selected from the group consisting of polymers, polyphenylquinoxaline-based polymers, polyphenylline oxides, and polyphenylline sulfide polymers.

용매는 고분자의 분산도가 우수하기만 하면 제한되지 않으나, 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 이소프로필알콜(IPA), 증류수(Deionized-Water), N-메틸피로리돈(NMP), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO)로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상일 수 있다.The solvent is not limited as long as the degree of dispersion of the polymer is excellent, but methanol, ethanol, isopropyl alcohol (IPA), distilled water (Deionized-Water), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylform It may be at least one selected from the group consisting of amide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), and dimethyl sulfoxide (DMSO).

다음으로, 본 발명의 고분자전해질연료전지용 전극복합물은 상술된 방법으로 제조되어 100 나노미터 이하의 직경을 갖는 입자 및 기공이 형성된다.Next, the electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is prepared by the above-described method to form particles and pores having a diameter of 100 nanometers or less.

따라서, 본 발명의 전극복합물이 탄소섬유, 펠트 또는 탄소종이로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나의 지지체에 담지된 연료전지용 전극은 전극 표면에 나노크기의 다공성이어서, 표면적이 넓어지므로 연료의 물질 전달이 유리할 수 있다. Therefore, the electrode composite for a fuel cell in which the electrode composite of the present invention is supported on any one support selected from the group consisting of carbon fiber, felt, or carbon paper has nano-sized porosity on the electrode surface, so that the surface area is widened, so that mass transfer of fuel is difficult. can be advantageous

실시예 1Example 1

1.전극복합물용액을 준비하는 단계1. Preparing the electrode complex solution

백금 촉매 0.1g, 증류수 0.1g, 나피온 용액 0.1505g, 이소프로필알콜 0.1g을 20cc 혼합용기에 넣고, 소니케이터에서 1시간 정도 분산시켜 전극복합물용액을 준비하였다.(나피온용액은 이소프로필알콜을 사용했다고 해도 되는지요? ==> 네 사용할 수 있습니다.) Platinum catalyst 0.1g, distilled water 0.1g, Nafion solution 0.1505g, and isopropyl alcohol 0.1g were put in a 20cc mixing container and dispersed in a sonicator for about 1 hour to prepare an electrode composite solution. (Nafion solution is isopropyl alcohol Can I say that I used alcohol? ==> Yes, I can.)

2.건조하는 단계2. Drying step

준비된 전극복합물용액을 압력 10mmtorr 및 온도 ??65℃인 조건에서 24시간 동안 동결건조기 내에서 동결 건조를 수행하여 전극복합물을 얻었다. The prepared electrode composite solution was freeze-dried in a freeze dryer at a pressure of 10 mmtorr and a temperature of ??65° C. for 24 hours to obtain an electrode composite.

비교예 1Comparative Example 1

실시예1에서 준비된 전극복합물용액을 온도 80℃에서 24시간 동안 건조기 내에서 건조를 수행하여 비교예전극복합물을 얻었다.The electrode composite solution prepared in Example 1 was dried in a dryer at a temperature of 80° C. for 24 hours to obtain an electrode composite of Comparative Example.

실험예 1Experimental Example 1

실시예1에서 얻어진 전극복합물과 비교예1에서 얻어진 전극복합물을 SEM으로 확대하여 모폴로지를 관찰하여 그 결과를 각각 도 1 및 도 2에 나타내었다.The electrode composite obtained in Example 1 and the electrode composite obtained in Comparative Example 1 were enlarged by SEM to observe the morphologies, and the results are shown in FIGS. 1 and 2, respectively.

도 1 및 도 2로부터, 본 발명과 같이 전극복합물용액을 0℃미만의 저온에서 건조하여 얻어진 전극복합물은 입자의 크기 및 형성된 기공의 크기가 마이크로사이즈의 입자를 갖는 비교예전극복합물과 비교하여 100nm이하의 입자들로 구성된 agglomerate 임을 확인할 수 있다. 따라서, 도 2의 마이크로 크기 입자상 agglomerate 보다 표면적이 넓어질 것을 용이하게 예상할 수 있다. 1 and 2, as in the present invention, the electrode composite obtained by drying the electrode composite solution at a low temperature of less than 0 ° C. has a particle size and a pore size of 100 nm compared to a comparative example electrode composite having micro-sized particles. It can be confirmed that it is an agglomerate composed of the following particles. Therefore, it can be easily expected that the surface area becomes wider than that of the micro-sized particulate agglomerate of FIG. 2 .

실시예 2Example 2

실시예1에서 준비된 전극복합물을 24 시간 동안 초음파와 교반을 반복 실시하여 균일한 분산 상태를 유지케 한 후, 탄소섬유에 0.1 mg Pt/㎠의 담지량으로 도포하여 연료전지용 전극을 얻었다. The electrode composite prepared in Example 1 was repeatedly subjected to ultrasonication and stirring for 24 hours to maintain a uniform dispersion state, and then applied to carbon fibers at a loading amount of 0.1 mg Pt/cm 2 to obtain an electrode for a fuel cell.

비교예 2Comparative Example 2

비교예1에서 준비된 비교예전극복합물을 사용한 것을 제외하면 실시예 2와 동일한 방법으로 비교예연료전지용 전극을 얻었다.An electrode for a comparative fuel cell was obtained in the same manner as in Example 2, except that the comparative electrode composite prepared in Comparative Example 1 was used.

실험예 2 Experimental Example 2

실시예2에서 얻어진 연료전지용 전극과 비교예2에서 얻어진 비교예연료전지용 전극을 도입한 MEA로 단위셀 초기성능평가를 진행하고 그 결과를 도 2에 도시하였다.The initial performance evaluation of the unit cell was performed using the MEA including the fuel cell electrode obtained in Example 2 and the comparative fuel cell electrode obtained in Comparative Example 2, and the results are shown in FIG. 2 .

도 2로부터, 본 발명의 전극복합물이 포함된 연료전지가 비교예전극복합물이 포함된 경우와 비교하여 전극표면에 보다 미세한 기공이 형성되어 표면적이 넓어지므로 연료전달이 유리하므로 그 성능이 향상되는 것을 알 수 있다. From FIG. 2, it can be seen that the fuel cell including the electrode composite of the present invention has finer pores formed on the electrode surface and the surface area is widened compared to the case where the electrode composite of the comparative example is included, so that the fuel delivery is advantageous, so that the performance is improved. Able to know.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been illustrated and described by way of preferred embodiments as described above, it is not limited to the above-described embodiments, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains within the scope not departing from the spirit of the present invention Various changes and modifications will be possible.

Claims (10)

고분자전해질 연료전지용 전극복합물용액을 준비하는 단계; 및
상기 전극복합물용액을 0℃미만에서 건조하는 단계;를 포함하는 고분자전해질 연료전지용 전극복합물 제조방법.
preparing an electrode composite solution for a polymer electrolyte fuel cell; and
A method for producing an electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell comprising; drying the electrode composite solution at less than 0°C.
제 1 항에 있어서,
상기 전극복합물용액은 촉매, 고분자바인더 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 전극복합물 제조방법.
The method of claim 1,
The electrode composite solution is a method for producing an electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that it contains a catalyst, a polymer binder and a solvent.
제 2 항에 있어서,
상기 촉매는 백금(Pt), 백금/이리듐(Pt/Ir), 로듐(Rh), 백금/로듐(Pt/Rh), 백금/루테늄(Pt/Ru), 팔라듐(Pd) 중에서 선택되는 1개 이상인 것을 특징으로 하는 고분자전해질 연료전지용 전극복합물 제조방법.
3. The method of claim 2,
The catalyst is at least one selected from platinum (Pt), platinum/iridium (Pt/Ir), rhodium (Rh), platinum/rhodium (Pt/Rh), platinum/ruthenium (Pt/Ru), and palladium (Pd). A method for manufacturing an electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that
제 2 항에 있어서,
상기 고분자 바인더는 나피온, 플레미온, 아시플렉스, 퍼플루오로설포닉산(PFSA), 폴르테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVdF), 폴리트리플루오로클로로에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVdF-HEP)으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고분자전해질연료전지용 전극복합물 제조방법.
3. The method of claim 2,
The polymer binder is Nafion, Flemion, Aciplex, perfluorosulfonic acid (PFSA), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene difluoride (PVdF), polytrifluorochloroethylene (PCTFE) , polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HEP), characterized in that any one or more selected from the group consisting of a polymer electrolyte fuel cell electrode composite manufacturing method.
제 2 항에 있어서,
상기 고분자 바인더는 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르에테르케톤 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계, 폴리페닐린옥사이드, 폴리페닐린설파이드 고분자로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상에 술폰산이 도입된 것을 특징으로 하는 고분자전해질연료전지용 전극복합물 제조방법.
3. The method of claim 2,
The polymer binder is a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, a polyethersulfone-based polymer, a polyetherketone-based polymer, a polyetheretherketone polymer, and a polyphenylquinoxaline-based polymer. A method for producing an electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that sulfonic acid is introduced into at least one selected from the group consisting of , polyphenyline oxide, and polyphenyline sulfide polymers.
제 2 항에 있어서,
상기 용매는 메탄올(methanol), 에탄올(ethanol), 이소프로필알콜(IPA), 증류수(Deionized-Water), N-메틸피로리돈(NMP), 디메틸포름아마이드(DMF), 디메틸아세트아마이드(DMAc), 디메틸설폭사이드(DMSO)로 구성된 그룹에서 선택되는 1개 이상인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지용 전극복합물 제조방법.
3. The method of claim 2,
The solvent is methanol, ethanol, isopropyl alcohol (IPA), distilled water (Deionized-Water), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide (DMAc), A method for manufacturing an electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that at least one selected from the group consisting of dimethyl sulfoxide (DMSO).
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 고분자전해질연료전지용 전극복합물.
An electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell manufactured by the method of any one of claims 1 to 6.
제 7 항에 있어서,
100 나노미터 이하의 직경을 갖는 입자 및 기공이 형성된 것을 특징으로 하는 고분자전해질연료전지용 전극복합물.
8. The method of claim 7,
An electrode composite for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that particles and pores having a diameter of 100 nanometers or less are formed.
탄소섬유, 펠트 또는 탄소종이로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나의 지지체; 및
상기 지지체에 담지되는 제 7 항의 전극복합물;을 포함하는 연료전지용 전극.
any one support selected from the group consisting of carbon fiber, felt, or carbon paper; and
A fuel cell electrode comprising; the electrode composite of claim 7 supported on the support.
제 9 항의 연료전지용 전극을 포함하는 연료전지. A fuel cell comprising the electrode for a fuel cell of claim 9 .
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