KR20220135824A - 고분자 전해질막 수전해용 복합체, 산소극의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의해 제조되는 산소극 - Google Patents

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Abstract

고가의 촉매 (Ir, Ru, Pt 계)의 일정량(1
Figure pat00007
x
Figure pat00008
50, x=신규 소재의 함량)을 신규 바나듐계 VO1.75(OH)0.5 소재로 대체하는 고분자 전해질막 수전해용 복합체가 개시된다. 상기 고분자 전해질막 수전해용 복합체는, 촉매, 및 상기 촉매를 지지하는 담체를 포함한다. 이때, 상기 담체는 전이금속과 수산화기(OH)를 포함하고 있는 전이금속 수산화물 소재인 것을 특징으로 한다.

Description

고분자 전해질막 수전해용 복합체, 산소극의 제조 방법 및 이 제조 방법에 의해 제조되는 산소극{Complex containing catalyst and supporter for polymer electrolyte membrane water electrolysis, Method for manufacturing the same, and Oxygen electrode manufatured by the method}
본 발명은 고분자 전해질막 수전해용 복합체 제조 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기존에 사용하던 고가의 IrO2 촉매의 사용량을 저감하는 고분자 전해질막 수전해용 복합체 및 이를 포함하는 산소극에 대한 것이다.
수소를 기반으로 운영되는 경제체계를 의미하는 ‘수소경제 (Hydrogen Economy)’는 한국의 혁신 성장의 핵심 분야로 주목받고 있다. 수소 에너지는 자원고갈 및 공급불안에 따른 에너지 안보 문제를 해결할 수 있으며, 저탄소 방식으로 수소 에너지를 생산할 경우 온길가스 배출 문제를 해결할 수 있다.
이에 수소 에너지 활용을 위한 수소생산 기술은 단기적으로는 부생수소의 활용, 중기적으로는 천연가스 개질, 궁극적으로는 재생 에너지를 활용한 수전해를 목표로 하고 있다.
현재, 수전해 기술은 환경 친화적으로 수소를 생산할 수 있는 물분해 수소 생산기술로, 화석연료를 이용한 에너지 생산으로 인해 발생하는 환경문제를 해결하려는 방안으로 수전해의 중요성이 높아지고 있다. 따라서, 연속적으로 물을 분해하기 위한 촉매나 전해질막, 전극, 분리판 등에 대하여 연구되고 있다.
특히, 고분자 전해질 막의 경우, 수소 이온 전도성은 높아야 하나 전자의 전도성은 낮아야하고 이온의 이동에 비하여 반응기체나 물의 이동이 적어야 하며 기계적 및 화학적 안정성을 가지고 있어야 한다.
또한, 고분자막이 수분을 잃고 건조해지면 수소 이온 전도도가 감소되고 막의 수축을 유발하여 막과 전극사이의 접촉저항이 증가된다. 다만 수전해에서는 물을 공급해주기 때문에 건조에 대한 이슈는 거의 없다. 그러나, 물이 너무 많으면 전극에 플러딩(Flooding) 현상이 일어나면서 전기화학 성능이 저하된다. 이에 적절한 양의 수분이 지속적으로 공급될 수 있도록 하는 것이 중요하다.
또한, 현재 사용중인 고분자 전해질 막 (Nafion)의 경우 60 ~ 80℃의 온도 범위에서 사용함. 100 ℃ 이상의 작동 온도에서 사용시 고분자 전해질 막의 열화반응이 가속되면서 성능이 저하된다. 이에 수소 이온 전도성이 높으면서 고온에서도 작동 가능한 고분자 전해질막의 개발이 요구되고 있다.
또한, 전극의 경우, 산소극 및 수소극에 사용하는 Pt/C 또는 Ir 블랙(black), IrO2, RuO2 등의 값비싼 촉매들은 고분자 전해질 막 수전해의 가격을 높이는 요인으로 작용하고 있다. 이에, 비백금계 촉매 개발 혹은 촉매 사용량을 저감하는 연구들이 활발히 진행되고 있다.
또한, 분리판의 경우, 재료로는 전기 전도도가 높고, 기체 투과도가 낮으며, 기계적 강도가 우수하고, 화학적으로 안정해야 하며, 가볍고 가격이 저렴해야 한다. 또한, 높은 전류 밀도에서 과전압을 유지해야하기 때문에 내부식성이 매우 중요하다. 내부식성에 의해 탄소계는 사용을 할 수 없기 때문에 티타늄 기반의 집전체 및 분리판을 사용함에 따른 고비용 발생의 문제가 있다. 또한, 분리판이 요구하는 특성을 만족시키면서 제조단가를 낮출 수 있는 금속재료 및 복합재를 이용한 분리판 개발 등에 대한 연구가 진행되고 있다.
이러한 이유들로 저렴한 촉매 개발 및 귀금속 촉매 사용량의 저감, 효율 개선 연구를 통한 원천기술 확보 및 시스템 개발이 요구되고 있다.
1. 한국등록특허번호 제10-0668356호(등록일자:2007.01.08)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 고가의 촉매 (Ir, Ru, Pt 계)의 일정량(1
Figure pat00001
x
Figure pat00002
50, x=신규 소재의 함량)을 신규 바나듐계 VO1.75(OH)0.5 소재로 대체하는 고분자 전해질막 수전해용 복합체 및 이를 포함하는 산소극을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기존의 IrO2 산소극의 내구성보다 향상되어, PEM(Polymer electrolyte membrane) 수전해조의 수명특성도 향상시킬 수 있는 고분자 전해질막 수전해용 복합체 및 이를 포함하는 산소극을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 고가의 촉매 (Ir, Ru, Pt 계)의 일정량(1
Figure pat00003
x
Figure pat00004
50, x=신규 소재의 함량)을 신규 바나듐계 VO1.75(OH)0.5 소재로 대체하는 고분자 전해질막 수전해용 복합체를 제공한다.
상기 고분자 전해질막 수전해용 복합체는,
촉매; 및
상기 촉매를 지지하는 담체;를 포함하되,
상기 담체는 전이금속과 수산화기(OH)를 포함하고 있는 전이금속 수산화물 소재인 것을 특징으로 한다.
이때. 상기 전이금속 수산화물 소재는 VO1.75(OH)0.5인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 촉매는 상기 복합체를 100중량%기준으로 50 내지 75중량%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 담체는 25 내지 50중량%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 촉매와 상기 담체의 혼합 비율은 3:1 중량%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 촉매는 Ir, Ru, Pt, Ag, IrO2, 및 RuO2 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 촉매는 조촉매를 1 - 50중량%로 혼합하여 이루어지며, 상기 조촉매는 Mg, Ti, Zn, Ca, Co, Fe, Mo, MxOy(여기서, Al, Mn, Co, Fe, Zn, Ca, Ni, V, Mo, Ti 중 어느 하나이고, x는 1 내지 3 이며, y는 1 내지 5이다) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 촉매 및 상기 촉매를 지지하는 담체를 몰탈에 넣는 단계; (b) 상기 촉매와 상기 담체를 교반하여 고분자 전해질막 수전해용 복합체를 생성하는 단계; (c) 상기 고분자 전해질막 수전해용 복합체에 나피온이 녹아있는 용매를 혼합하여 혼합 슬러리를 생성하는 단계; 및 (d) 상기 혼합 슬러리를 기재 표면에 도포한 후 건조하여 산소극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 수전해용 산소극의 제조 방법을 제공한다.
또한, 상기 (b) 단계는, 13 내지 17분(바람직하게는 15분)간 물리적 1차 교반을 실시하여 혼합물질을 생성하는 단계; 및 상기 혼합물질을 바이알에 담고 2 내지 4분간 2차 교반을 실시하여 상기 고분자 전해질막 수전해용 복합체를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c) 단계는, 상기 고분자 전해질막 수전해용 복합체 및 상기 용매를 바이알에 주입한후, 혼합하기 위해 믹서를 활용하여 2 내지 4분간 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c) 단계는, 상기 2 내지 4분간 혼합한후, 상기바이알 안에 마그네틱바를 넣고 20 내지 28시간 동안 교반하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기재는 PET (polyethylene terephthalate) 필름인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용매는, 증류수, IPA(이소프로필알콜), 및 NMP((N-Methyl-2-Pyrrolidone) 중 하나인 것을 특징으로 한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, 위에서 기술된 고분자 전해질막 수전해용 산소극의 제조 방법에 의해 제조되는 고분자 전해질막 수전해용 산소극을 제공한다.
본 발명에 따르면, 기존에 사용하던 고가의 IrO2 촉매의 사용량을 저감 할 수 있어, 산소극 제작 단가가 저렴하여 크게 PEM(Polymer electrolyte membrane) 수전해조의 단가를 낮출 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 산소극의 내구성이 기존의 IrO2 산소극의 내구성보다 향상되어, PEM 수전해조의 수명특성도 향상시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질 막 수전해 단전지의 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 산소극을 제조하기 위한 촉매와 담체 복합체의 구조 개념도이다.
도 3은 비교예를 위한 종래의 IrO2 산소극 제조 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 IrO2 + VO1.75(OH)0.5 산소극 제조 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 IrO2 + VO1.75(OH)0.5 복합 소재 (3:1 wt%) 혼합에 대한 X선 회절(XRD: X-ray diffraction) 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 소재들에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 및 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 초기 성능의 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 내구성 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 성분, 단계, 공정, 조성물 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 성분, 단계, 공정, 조성물 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질막 수전해용 복합체, 이를 포함하는 산소극, 및 이 산소극의 제조 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
일반적으로 수전해는 물의 전기 분해 반응으로, 양극에서는 산화 반응이 일어나 산소가 발생하고, 음극에서는 환원 반응이 일어나 수소가 발생한다. 물 분해 반응의 이론적인 평형 전위(potential)는 1.23V이지만, 실제 시스템에서는 여러 가지 저항 요소들로 인하여 14V 이상을 인가 해야한다.
(양극:Anode) H2O → 2H+ + 2e- + 1/2O2
(음극: Cathode) 2H+ + 2e- → H2
(Total) H2O → H2 + 1/2O2, Eo = 1.23V
수전해 시스템은 전해질 종류에 따라 알칼라인(Alkaline water electrolysis, AWE), 고분자 전해질막 수전해(Polymer electrolyte membrane water electrolysis, PEMWE), 고체전해질 수전해(Solid oxide water electrolysis, SOWE)로 크게 분류할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질막 수전해 단전지(100)의 도면이다. 도 1을 참조하면, 고분자 전해질막 수전해 단전지(100)는 크게 전해질막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)(110), 전해질막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)(110)의 양측면에 배치되는 다공성 전달층(121-1,121-2), 다공성 전달층(121-1,121-2)의 측면에 배치되는 분리판(131-1,131-2), 분리판(131-1,131-2)의 측면에 배치되는 경판(141-1,141-2)으로 구성될 수 있다.
전해질막-전극 접합체(110)는 양극인 수소극(112-1)과 음극인 산소극(112-2)을 고분자 전해질막(111)에 전사시켜 이루어진다. 즉, 전해질막-전극 접합체(110)는 수소극(112-1), 고분자 전해질막(111), 산소극(112-2)으로 구성된다.
다공성 전달층(121-1,121-2) 중 제 1 다공성 전달층(121-1)은 수소극(112-1)의 표면에 적층되며, 재질로는 탄소가 될 수 있다. 다공성 전달층(121-1,121-2) 중 제 2 다공성 전달층(121-2)은 산소극(112-2)의 표면에 적층되며, 재질로는 티타늄이 될 수 있다.
고분자 전해질막 수전해 단전지(100)는 일반적으로 약 60 ~ 80℃의 작동온도에서 가동하며 산소극(112-2)에만 증류수를 공급하고, 수소극(112-1)에는 수분을 공급하지 않고 작동시키는 것을 드라잉 캐소드(Drying Cathode)법으로 칭한다. 알칼라인 수전해에 비해 단위 면적당 약 2A로 고전류 밀도에서 운전이 가능하여 재생에너지의 부하변동에 적합한 수전해 시스템에 적용될 수 있다.
분리판(131-1,131-2)은 반응가스인 수소가스와 산소가스가 서로 섞이지 않도록 차단함과 아울러, 전해질막-전극 접합체(110)를 전기적으로 연결하고, 전해질막-전극 접합체(110)를 지지하여 연료전지의 형태가 유지되도록 하는 기능을 한다.
경판(141-1,141-2)은 엔드 플레이트로서, 단전지(unit cell)를 지지하며 외부로부터 가스(연료가스와 산화가스)나 냉각수가 단전지로 공급되거나 배출되는 통로를 제공하는 기능을 수행한다.
고분자 전해질막 수전해 단전지(100)의 구성 및 기능에 대해서는 널리 공지되어 있음으로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일실시예에서는 산소극(112-2)의 구성 및 제작 과정을 상세하게 설명하기로 한다.
또한, 전해질막-전극 접합체(110)는 CCM(Catalyst coated membrane) 공정을 통하여 제작될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 산소극(112-2)을 제조하기 위한 촉매와 담체 복합체(200)의 구조 개념도이다. 도 2를 참조하면, 일반적으로 IrO2, RuO2등 같은 촉매와 나피온(Nafion)을 혼합하여 산소극(112-2)을 형성한다. 나피온(Nafion)은 DuPont사에 고분자 전해질용으로 시판하는 제품이다.
촉매와 나피온(Nafion)을 혼합하여 산소극(112-2)을 제조하는 경우, 촉매들의 분포 불균형, 뭉침현상 등과 같은 문제가 발생한다. 결과적으로, 활성화 면적이 감소하여 성능이 낮아진다. 이를 해소하기 위해, 본 발명의 일실시예에서는 촉매(220) 및 담체(230)를 활용하여 복합체(200)를 형성하고, 이 복합체(200)와 나피온(210)을 혼합하여 산소극(112-2)을 제조한다.
고가의 촉매(Ir, Ru, Pt 계)의 일정량(1
Figure pat00005
x
Figure pat00006
50, x=신규 소재)을 신규 바나듐계 VO1.75(OH)0.5 소재로 대체한다. 부연하면, 상기 촉매는 상기 복합체를 100중량%기준으로 50중량%이고, 담체는 1 내지 50중량%가 될 수 있다.
촉매는 Ir, Ru, Pt, Ag, IrO2, 및 RuO2 중 적어도 하나가 될 수 있다. 일반적으로 촉매는 반응과정에서 소모되거나 변하지 않으면서 반응 속도를 빠르게 만들어 주는 물질이여, 조촉매는 단독으로는 촉매로서의 기능을 발휘 하지 못하지만, 조촉매를 넣어 촉매와 혼용해서 사용할 경우 촉매의 활성 및 반응을 향상시키는 역할을 한다. 조촉매는 금속(Mg, Ti, Zn, Ca, Co, Fe, Mo 등..) 및 금속/전이금속 산화물계(MxOy) 물질일 수 있다. 여기서, M은 금속 및 전이금속 원소를 뜻하며, x는 1 내지 3 이며, y는 1 내지 5 일수 있다. M은 Al, Mn, Co, Fe, Zn, Ca, Ni, V, Mo, Ti 등 으로 예를 들어 Al2O3, MnO2, TiO2, CaO, ZnO2, Fe2O3, NiO, V2O3, VO2 등 일 수 있다. 혼합 비율을 1 - 50 중량%로 첨가 할 수 있다.
도 3은 비교예를 위한 종래의 IrO2 산소극 제조 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, IrO2 산소극 슬러리 제작을 위해, 0.4g IrO2를 바이알(즉 바이알 병)에 넣는다(단계 S310).
이후, 위의 바이알에 25 ~ 5% 나피온(Nafion)이 녹아있는 용매를 넣는다.(단계 S320). 여기서, 용매는, 증류수나 IPA(이소프로필알콜), NMP((N-Methyl-2-Pyrrolidone) 등과 같은 유기용매 일수 있다.
이후, 균일한 혼합을 위하여 위의 바이알을 고속믹서를 활용하여 약 3분간 혼합한다(단계 S330).
이후, 바이알 안에 마그네틱바를 넣은 후 약 24시간 동안 교반한다(단계 S340).
이후, PET(polyethylene terephthalate) 필름의 기재 표면 위에 붓을 이용하여 IrO2 슬러리를 얇게 도포 및 건조한다(단계 S350)
2mg이 로딩된 IrO2 산소극이 제작 완료된다(단계 S360).
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 IrO2 + VO1.75(OH)0.5 산소극 제조 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, IrO2 + VO1.75(OH)0.5 산소극 슬러리 제작을 위해, x g IrO2 (x는 0.2 내지 0.3일 수 있음)과 yg VO1.75(OH)0.5(y는 0.2내지 0.1 일 수 있음)을 몰탈(즉 몰탈 믹서기)에 넣는다(단계 S410). 물론, 중량%로 나타낼 수 있으며, x는 50 중량% 내지 75 중량% 일 수 있고, y는 50 중량% 내지 25중량% 일 수 있다. VO1.75(OH)0.5 외에 바나듐 자리에 금속/전이금속이 도핑된 V1-xAxO1.75(OH)0.5 소재가 활용 될 수 있다. 여기서, A는 Fe, Ti, Cr, Al, Co 등 일 수 있으며, x는 0.01 내지 0.5 일 수 있다.
균일한 혼합을 위하여 약 15분간 물리적 교반(1차 교반)을 실시한다(단계 S420).
이후, 1차 교반이 끝난 혼합물질을 바이알(즉 바이알병)에 담고 고속믹서를 활용하여 3분간 혼합(2차 교반)한다(단계 S430).
이후, 위의 바이알에 25 ~ 5% Nafion이 녹아있는 용매를 넣는다(단계 S440). 여기서 용매는, 증류수, IPA, NMP 등 유기용매일 수 있으며, 촉매와 담체 그리고 용매를 중량%에 대비하여 표기하면, 촉매와 담체는 약 22.2 중량%이며, 용매는 약 77.8 중량%일 수 있다.
이후, 균일한 혼합을 위하여 위의 바이알을 믹서를 활용하여 3분간 혼합한다(단계 S450).
이후, 혼합물질이 용매내에서 침전되지 않고 균일한 분포상태를 유지하기 위하여 바이알 안에 마그네틱바를 넣은 후 24시간 동안 교반한다(단계 S460).
이후, PET 필름의 기재 표면 위에 붓을 이용하여 IrO2 + VO1.75(OH)0.5 슬러리를 얇게 도포 및 건조한다(단계 S470).
최종적으로 2mg이 로딩된 IrO2 + VO1.75(OH)0.5 산소극이 제작 완료된다(단계 S480).
<실시예1>
본 발명의 일실시예에서 사용한 산소극 촉매 소재들에 대한 결정상을 확인하기 위하여 XRD를 측정하였다. IrO2 촉매 소재는 Alfa Aesar사로부터 구매한 상용 IrO2 소재이며, VO1.75(OH)0.5는 용매열 합성을 통해 합성된 소재이다.
도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 IrO2 + VO1.75(OH)0.5 복합 소재 (3:1 wt%) 혼합에 대한 X선 회절(XRD: X-ray diffraction) 측정 결과를 보여주는 그래프이다. 도 5를 참조하면, IrO2 + VO1.75(OH)0.5 복합소재(530) (3:1 wt(중량)%) 혼합에 대한 XRD 측정 결과를 보면 해당 복합소재에 IrO2(520)와 VO1.75(OH)0.5 (510)소재가 공존하고 있다는 것을 확인할 수 있다. VO1.75(OH)0.5 는 공간군 I4/m을 가졌으며, Tetragonal tunnel 구조로 되어있는 소재이다.
도 6은 소재들에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 및 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 측정 결과를 나타내는 도면이다. 특히, 상용 IrO2 소재의 입자 모양, 합성된 VO1.75(OH)0.5 소재의 입자 이미지, 상용 IrO2와 VO1.75(OH)0.5 복합소재의 입자 모양을 보여주는 사진 이미지이다.
도 6을 참조하면, 도 6의 (a)는 상용 IrO2 소재의 입자 모양을 나타낸다. 보이는 것처럼 나노 크기(nm)의 불균일한 구형 IrO2 입자들이 뭉쳐진 2차 입자 형태를 가지고 있다. 도 6의 (b)는 합성된 VO1.75(OH)0.5 소재의 입자 이미지로, 쌀알 모양의 100-400nm 길이의 나노입자들이 뭉쳐 가지고 있는 것을 볼 수 있다. 도 6의 (c)는 상용 IrO2와 VO1.75(OH)0.5 복합소재의 입자로 나노 크기의 불균일한 구형 IrO2 입자와 쌀알 모양의 VO1.75(OH)0.5 입자가 도 2에 도시된 것처럼 복합체가 형성되었음을 알 수 있다. 도 6의 (d) 및 (e)의 EDX 맵핑(Mapping)에서도 복합체의 형태로 분포되어 있는 V, Ir, O 원소가 검출됨을 볼 수 있다.
<실시예2>
제작된 산소극 2mg IrO2 및 2mg IrO2 + VO1.75(OH)0.5 (3:1 wt%)과 수소극(0.4 mg Pt/C), 그리고 고분자 전해질 막(Nafion 212)을 사용하여 CCM 방법을 이용하여 전해질막-전극 접합체(MEA)(110)를 제작하였다. 상기 전해질막-전극 접합체(110)를 사용하여 제작된 PEM 수전해 단전지는 전압범위 13V 내지 20V에서 80, 60, 40℃의 순서로 초기 성능 평가(I-V)를 측정하였다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 초기 성능의 데이터를 나타내는 그래프이다. 도 7를 참조하면, 80℃에서 IrO2 MEA의 경우, 2.0V에서 3.11 A cm-2이 구현된 반면에 IrO2 + VO1.75(OH)0.5 MEA는 3.5A cm-2로 IrO2 MEA보다 0.25 A cm-2 정도 높은 성능이 구현되었음을 알 수 있다. 이어서, 도 8에서, 60℃ 평가를 보면 2.0V IrO2 MEA는 2.52 A cm-2, IrO2 + VO1.75(OH)0.5 MEA는 2.93A cm-2을 구현하였다.
도 9에서, 40℃ 평가를 보면 2.0V IrO2 MEA는 1.95 A cm-2, IrO2 + VO1.75(OH)0.5 MEA는 2.2 A cm-2을 구현하였다. 즉, IrO2 + VO1.75(OH)0.5 MEA가 향상된 전기화학 성능을 구현하였음을 알 수 있다.
<실시예3>
상기 초기 성능 평가를 진행한 MEA들을 사용하여 1.5 A cm-2의 정전류의 조건하에서 내구성 평가를 실시하였다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 내구성 평가 결과를 보여주는 그래프이다. 도 10을 참조하면, 42 % 정도의 내구성 성능이 향상된 것을 확인 할 수 있다. 즉, IrO2 MEA : 82mV/hr → IrO2 + VO1.75(OH)0.5 MEA : 47mV/hr이다.
100: 고분자 전해질막 수전해 단전지
110: 전해질막-전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)
111: 고분자 전해질막
112-1: 수소극 112-2: 산소극
121-1,121-2: 다공성 전달층
131-1,131-2: 분리판
141-1,141-2: 경판
200: 복합체
210: 나피온
220: 촉매
230: 담체

Claims (12)

  1. 촉매; 및
    상기 촉매를 지지하는 담체;를 포함하되,
    상기 담체는 전이금속과 수산화기(OH)를 포함하고 있는 전이금속 수산화물 소재인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 수전해용 복합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전이금속 수산화물 소재는 VO1.75(OH)0.5 또는 V1-xAxO1.75(OH)0.5 (여기서, A는 Fe, Ti, Cr, Al, Co 중 어느 하나이고, x는 0.01 내지 0.5 중 하나이다) 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 수전해용 복합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 복합체를 100중량%기준으로 50 내지 75중량%인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 수전해용 복합체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매는 Ir, Ru, Pt, Ag, IrO2, 및 RuO2 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 수전해용 복합체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매는 조촉매를 1 - 50중량%로 혼합하여 이루어지며, 상기 조촉매는 Mg, Ti, Zn, Ca, Co, Fe, Mo, MxOy(여기서, Al, Mn, Co, Fe, Zn, Ca, Ni, V, Mo, Ti 중 어느 하나이고, x는 1 내지 3 이며, y는 1 내지 5이다) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 수전해용 복합체.
  6. (a) 촉매 및 상기 촉매를 지지하는 담체를 몰탈에 넣는 단계;
    (b) 상기 촉매와 상기 담체를 교반하여 고분자 전해질막 수전해용 복합체를 생성하는 단계;
    (c) 상기 고분자 전해질막 수전해용 복합체에 나피온이 녹아있는 용매를 혼합하여 혼합 슬러리를 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 혼합 슬러리를 기재 표면에 도포한 후 건조하여 산소극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 수전해용 산소극의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    13 내지 17분간 물리적 1차 교반을 실시하여 혼합물질을 생성하는 단계; 및
    상기 혼합물질을 바이알에 담고 2 내지 4분간 2차 교반을 실시하여 상기 고분자 전해질막 수전해용 복합체를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 수전해용 산소극의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 고분자 전해질막 수전해용 복합체 및 상기 용매를 바이알에 주입한후, 혼합하기 위해 믹서를 활용하여 2 내지 4분간 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 수전해용 산소극의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 2 내지 4분간 혼합한후, 상기바이알 안에 마그네틱바를 넣고 20 내지 28시간 동안 교반하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 수전해용 산소극의 제조 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 기재는 PET (polyethylene terephthalate) 필름인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 수전해용 산소극의 제조 방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 용매는, 증류수, IPA(이소프로필알콜), 및 NMP((N-Methyl-2-Pyrrolidone) 중 하나인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 수전해용 산소극의 제조 방법.
  12. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 고분자 전해질막 수전해용 산소극의 제조 방법에 의해 제조되는 고분자 전해질막 수전해용 산소극.
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