KR20230078305A - Composition for fuel cell electrode and manufacturing method of fuel cell electrode using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 전극 형성용 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 별도의 추가 공정이 없이 전극의 제조과정에서 용이하게 제거될 수 있는 승화성 기공형성제를 도입함으로써 전극층 내 기공 크기와 기공도를 조절하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 전극 형성용 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for forming a fuel cell electrode and a method for manufacturing a fuel cell electrode using the same, and more specifically, introduces a sublimable pore former that can be easily removed during the electrode manufacturing process without a separate additional process. It relates to a composition for forming a fuel cell electrode capable of improving the performance of a fuel cell by adjusting the pore size and porosity in the electrode layer and a method of manufacturing a fuel cell electrode using the same.
연료전지는 메탄올, 에탄올, 천연 기체와 같은 탄화수소 계열의 연료물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 산화/환원반응과 같은 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템을 구비한 전지로서, 높은 에너지 효율성과 오염물 배출이 적은 친환경적인 특징으로 인해 화석 에너지를 대체할 수 있는 차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있다.A fuel cell is a battery equipped with a power generation system that directly converts chemical reaction energy such as oxidation/reduction reaction of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based fuel materials such as methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy. Due to its efficiency and eco-friendly characteristics with low pollutant emissions, it is attracting attention as a next-generation clean energy source that can replace fossil energy.
이러한 연료 전지는 단위 전지의 적층에 의한 스택 구성으로 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점을 갖고 있으며, 소형 리튬 전지에 비하여 4 내지 10 배의 에너지 밀도를 나타내기 때문에 소형 및 이동용 휴대전원으로 주목받고 있다.This fuel cell has the advantage of being able to produce a wide range of outputs in a stack configuration by stacking unit cells, and it is attracting attention as a small and mobile portable power source because it shows an energy density 4 to 10 times higher than that of a small lithium battery. there is.
연료전지에서 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막-전극 접합체 (Membrane Electrode Assembly, MEA)와 세퍼레이터(separator)(또는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)라고도 함)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 가지며, 막-전극 접합체는 일반적으로 전해질막을 사이에 두고 그 양쪽에 산화극(Anode, 또는, 연료극)과 환원극(Cathode, 또는 공기극)이 각각 형성된 구조를 이룬다.A stack that actually generates electricity in a fuel cell is a stack of several to dozens of unit cells composed of a membrane electrode assembly (MEA) and a separator (also called a bipolar plate). The membrane-electrode assembly generally has a structure in which an anode (or a fuel electrode) and a cathode (or an air electrode) are formed on both sides of an electrolyte membrane.
연료 전지는 전해질의 상태에 따라 알칼리 전해질 연료전지, 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 등으로 구분될 수 있는데, 그 중에 고분자 전해질 연료 전지는 100 ℃ 미만의 낮은 작동온도, 빠른 시동과 응답특성 및 우수한 내구성 등의 장점으로 인하여 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 각광을 받고 있다.Fuel cells can be classified into alkaline electrolyte fuel cells and polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) depending on the state of the electrolyte. Due to its advantages such as over-response characteristics and excellent durability, it is in the limelight as a portable, vehicle, and home power supply.
고분자 전해질 연료 전지의 대표적인 예로는 수소 가스를 연료로 사용하는 수소이온 교환막 연료 전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC), 액상의 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등을 들 수 있다.Representative examples of polymer electrolyte fuel cells include a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) that uses hydrogen gas as fuel and a Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) that uses liquid methanol as fuel. etc. can be mentioned.
고분자 전해질 연료 전지에서 일어나는 반응을 요약하면, 우선, 수소가스와 같은 연료가 산화극에 공급되면, 산화극에서는 수소의 산화반응에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해 환원극으로 전달되고, 생성된 전자는 외부회로를 통해 환원극에 전달된다. 환원극에서는 산소가 공급되고, 산소가 수소이온 및 전자와 결합하여 산소의 환원반응에 의해 물이 생성된다.Summarizing the reactions occurring in the polymer electrolyte fuel cell, first, when a fuel such as hydrogen gas is supplied to the anode, hydrogen ions (H + ) and electrons (e - ) are generated by the oxidation reaction of hydrogen at the anode. The generated hydrogen ions are transferred to the cathode through the polymer electrolyte membrane, and the generated electrons are transferred to the cathode through an external circuit. At the cathode, oxygen is supplied, and oxygen is combined with hydrogen ions and electrons to produce water by a reduction reaction of oxygen.
고분자 전해질 막은 산화극에서 생성된 수소이온이 환원극으로 전달되는 통로이므로 기본적으로 수소이온의 전도도가 우수해야 한다. 또한, 고분자 전해질 막은 산화극에 공급되는 수소가스와 환원극에 공급되는 산소를 분리하는 분리능이 우수해야 하고, 그 외에도 기계적 강도, 치수안정성, 내화학성 등이 우수해야 하며, 고 전류 밀도에서 저항손실(ohmic loss)이 작아야 하는 등의 특성이 요구된다.Since the polymer electrolyte membrane is a passage through which hydrogen ions generated at the anode are transferred to the cathode, the conductivity of hydrogen ions must be excellent. In addition, the polymer electrolyte membrane must have excellent separation performance for separating hydrogen gas supplied to the anode and oxygen supplied to the cathode, and in addition, it must have excellent mechanical strength, dimensional stability, chemical resistance, etc., and resistance loss at high current density. (ohmic loss) is required to be small.
상기 연료전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 산화극과 환원극이 위치하는 구조를 가지고, 상기 각 전극은 주로 촉매, 이오노머, 용매 및 첨가제의 구성을 포함하며, 연료전지 내 연료 공급과 동시에 구동과정에서 발생되는 물을 효과적으로 배출할 수 있는 구조를 지니는 것이 바람직하다.In the fuel cell system, a membrane electrode assembly (MEA) that substantially generates electricity has a structure in which an anode and a cathode are positioned with a polymer electrolyte membrane including a hydrogen ion conductive polymer interposed therebetween, Each of the electrodes mainly includes a catalyst, an ionomer, a solvent, and an additive, and preferably has a structure capable of effectively discharging water generated during driving while simultaneously supplying fuel to the fuel cell.
일본 공개특허 제2006-147371호에서는 연료전지 전극의 기공 및 공극률 확보를 위해, 백금 입자를 철 입자와 함께 스퍼터링한 뒤, 이를 염산을 이용하여 철 입자만 제거함으로써 서로 다른 크기 및 종류의 기공이 형성된 전극층을 수득하는 방법이 개시되어 있다.In Japanese Patent Laid-Open No. 2006-147371, pores of different sizes and types are formed by sputtering platinum particles together with iron particles and then removing only the iron particles using hydrochloric acid to secure pores and porosity of fuel cell electrodes. A method of obtaining an electrode layer is disclosed.
그러나, 상기 방법에 의하면, 전극 형성용 조성물에 포함된 기공 형성물질인 철 입자를 제거하기 위해, 염산 등의 강산을 별도로 투입하여야 하고, 상기 염산 등의 강산에 의해 전극 형성용 조성물에 포함된 촉매 또는 이오노머 등의 다른 구성 간의 부반응이 발생할 수 있는 문제점도 있다.However, according to the above method, in order to remove the iron particles, which are pore forming materials, included in the composition for forming an electrode, a strong acid such as hydrochloric acid must be separately added, and the catalyst or There is also a problem that side reactions between other constituents such as ionomers may occur.
본 발명의 목적은 연료 전지의 전극층의 기공 크기와 공극률을 최적화할 수 있는 연료전지 전극 형성용 조성물을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a composition for forming a fuel cell electrode capable of optimizing the pore size and porosity of an electrode layer of a fuel cell.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지 전극 형성용 조성물을 이용한 연료전지 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a fuel cell electrode using the composition for forming a fuel cell electrode.
본 발명의 일 실시예는, 촉매, 기공 형성제, 및 이오노머를 포함하고, 상기 기공 형성제는 승화성 화합물을 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a composition for forming a fuel cell electrode including a catalyst, a pore former, and an ionomer, wherein the pore former includes a sublimable compound.
상기 기공 형성제는 중탄산암모늄, 멘톨, 나프탈렌, 무수말레인산, 살리실산, 벤조산 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The pore former may include ammonium bicarbonate, menthol, naphthalene, maleic anhydride, salicylic acid, benzoic acid, or a combination thereof.
상기 전극 형성용 조성물 중 촉매와 상기 기공 형성제의 질량비는, 1 : 0.1 내지 1 : 2 로 포함될 수 있다.A mass ratio of the catalyst and the pore former in the electrode-forming composition may be 1:0.1 to 1:2.
상기 촉매는 담체 및 상기 담체에 담지된 금속 입자를 포함하고,The catalyst includes a carrier and metal particles supported on the carrier,
상기 담체는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 활성 탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,The carrier is any one selected from the group consisting of graphite, Denka black, Ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, activated carbon, and combinations thereof,
상기 금속 입자는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-M 합금(상기 M은 Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전이 금속이다) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The metal particles are platinum, ruthenium, osmium, platinum-M alloy (wherein M is Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, It is any one transition metal selected from the group consisting of Rh, Ru, and alloys thereof), and may be any one selected from the group consisting of mixtures thereof.
상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The ionomer is a fluorine-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, a polyethersulfone-based polymer, a polyether ketone-based polymer, a polyether - It may be any one selected from the group consisting of ether ketone-based polymers, polyphenylquinoxaline-based polymers, and combinations thereof.
상기 조성물은 용매를 더 포함하고, 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 글리세롤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 단, 유기 용매에 의한 촉매 발화의 방지를 위해서는 촉매 활성을 낮추기 위하여 촉매를 물에 충분히 적신 후 다른 용매를 투입하는 것이 바람직하다. 또한, 기공 형성제 용액 제조시에 이용되는 용매의 경우, 이용되는 기공형성제의 용해성과 최종 전극 형성용 조성물의 조성을 고려하여 선택하는 것이 바람직하다.The composition further comprises a solvent, wherein the solvent is any selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, butanol, n-propanol, isopropanol, n-butyl acetate, ethylene glycol, dipropylene glycol, glycerol, and combinations thereof can be one However, in order to prevent ignition of the catalyst by an organic solvent, it is preferable to sufficiently wet the catalyst in water in order to lower the catalyst activity, and then add another solvent. In addition, in the case of the solvent used in preparing the pore-forming agent solution, it is preferable to select the solvent in consideration of the solubility of the pore-forming agent used and the composition of the final electrode-forming composition.
본 발명의 다른 일 실시예는, (1) 기공 형성제 및 용매를 혼합 및 분산하여 기공 형성제 분산액을 제조하는 단계; (2) 촉매, 이오노머 및 용매를 혼합 및 분산하고, 상기 기공 형성제 분산액과 혼합하여 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계; 및 (3) 상기 전극 형성용 조성물을 도포하고 건조하여 전극을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 기공 형성제는 승화성 화합물을 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention includes (1) mixing and dispersing a pore former and a solvent to prepare a pore former dispersion; (2) preparing a composition for forming an electrode by mixing and dispersing a catalyst, an ionomer, and a solvent, and mixing the dispersion with the pore former; and (3) preparing an electrode by applying and drying the composition for forming an electrode, wherein the pore former includes a sublimable compound.
상기 (1)의 기공 형성제 분산액을 제조하는 단계에서, 상기 혼합 및 분산은 고전단 분산기와 호모믹서 중에서 선택된 것을 이용하여 이루어지는 것일 수 있다.In the step of preparing the pore former dispersion of (1), the mixing and dispersion may be performed using a high shear disperser and a homomixer.
상기 (2)의 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계에서, 상기 혼합 및 분산 단계는, 초음파분쇄기, 호모믹서, 3롤밀, 공명 음향 믹서, 페이스트 믹서, 교반기, 고전단 분산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택한 것을 사용하여 이루어질 수 있다.In the step of preparing the composition for forming an electrode of (2), the mixing and dispersing step is a group consisting of an ultrasonic mill, a homomixer, a 3-roll mill, a resonant acoustic mixer, a paste mixer, a stirrer, a high shear disperser, and combinations thereof. This can be done using a selection from
상기 전극 형성용 조성물 중 촉매와 상기 기공 형성제의 질량비는, 1 : 0.1 내지 1 : 2 로 포함될 수 있다.A mass ratio of the catalyst and the pore former in the electrode-forming composition may be 1:0.1 to 1:2.
상기 도포된 전극 형성용 조성물의 건조는 60 내지 100 ℃의 온도에서 이루어질 수 있다.Drying of the applied composition for forming an electrode may be performed at a temperature of 60 to 100 °C.
본 발명에 의하면, 연료전지 전극 형성용 조성물에 승화성의 기공형성제를 도입함으로써 연료 공급 및 생성수 배출이 용이하도록 연료전지 전극층의 기공 크기와 공극률을 조절하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, by introducing a sublimable pore-forming agent into the composition for forming a fuel cell electrode, the performance of the fuel cell can be improved by adjusting the pore size and porosity of the fuel cell electrode layer to facilitate fuel supply and discharge of generated water.
또한, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물을 이용하여 전극을 형성하는 과정에서 추가적인 공정 없이 전극 건조 과정 중에 상기 조성물에 포함된 승화성의 기공형성제를 용이하게 제거할 수 있으므로, 이를 통해 제조되는 연료전지 전극 및 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.In addition, in the process of forming an electrode using the composition for forming a fuel cell electrode, since the sublimable pore former included in the composition can be easily removed during the electrode drying process without an additional process, the fuel cell electrode manufactured through this And it can improve the performance of the fuel cell.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.
도 3은 비교예 1 (도 3의 (a)), 실시예 1 (도 3의 (b)), 실시예 2 (도 3의 (c)), 실시예 3 (도 3의 (d))에서 제조한 전극층 단면에 대한 전자 현미경 사진이다.1 is a schematic cross-sectional view of a membrane-electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is Comparative Example 1 (Fig. 3 (a)), Example 1 (Fig. 3 (b)), Example 2 (Fig. 3 (c)), Example 3 (Fig. 3 (d)) This is an electron micrograph of the cross-section of the electrode layer prepared in
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness is enlarged in order to clearly express various layers and regions, and the same reference numerals are attached to similar parts throughout the specification. When a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case where it is "directly on" the other part, but also the case where there is another part in between. Conversely, when a part is said to be "directly on" another part, it means that there is no other part in between.
이하 일 구현예에 따른 연료전지 전극 형성용 조성물에 관하여 설명한다.Hereinafter, a composition for forming a fuel cell electrode according to an embodiment will be described.
본 발명은 별도의 추가 공정이 없이 전극의 제조과정에서 용이하게 제거될 수 있는 승화성 기공형성제를 도입함으로써 전극층 내 기공 크기와 기공도를 조절하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 전극 형성용 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 것이다.The present invention is a fuel cell electrode capable of improving the performance of a fuel cell by adjusting the pore size and porosity in the electrode layer by introducing a sublimable pore former that can be easily removed during the electrode manufacturing process without a separate additional process. It relates to a composition for forming and a method for manufacturing an electrode for a fuel cell using the same.
구체적으로, 일 구현예에 따른 연료전지 전극 형성용 조성물은 촉매, 기공 형성제, 및 이오노머를 포함한다.Specifically, the composition for forming a fuel cell electrode according to an embodiment includes a catalyst, a pore former, and an ionomer.
연료전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 산화극과 환원극이 위치하는 구조를 가지고, 상기 각 전극은 주로 촉매, 이오노머, 용매 및 첨가제의 구성을 포함하며, 연료전지 내 연료 공급과 동시에 구동과정에서 발생되는 물을 효과적으로 배출할 수 있는 구조를 지니는 것이 바람직하다.In a fuel cell system, a membrane electrode assembly (MEA) that substantially generates electricity has a structure in which an anode and a cathode are positioned with a polymer electrolyte membrane including a hydrogen ion conductive polymer interposed therebetween. Each electrode mainly includes a composition of a catalyst, an ionomer, a solvent, and an additive, and preferably has a structure capable of effectively discharging water generated during driving while simultaneously supplying fuel to the fuel cell.
연료전지의 전기 화학 반응의 효율을 높일 수 있도록 연료 공급을 원활하게 진행하기 위해서는 기공의 크기가 작고 공극률이 높은 전극을 적용하는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 기공의 크기가 과도하게 줄어드는 경우 연료전지의 구동 과정에서 발생되는 물이 효과적으로 제거되기 어려운 문제점이 있고, 기공의 크기가 과도하게 클 경우 생성수 배출은 원활하게 진행될 수 있으나 전극 전체의 공극률이 줄어들어 연료 공급 효율이 저하되는 문제점이 있다. In order to smoothly supply fuel so as to increase the efficiency of the electrochemical reaction of the fuel cell, it is preferable to apply an electrode having a small pore size and a high porosity. However, when the size of the pores is excessively reduced, there is a problem in that it is difficult to effectively remove the water generated during the operation of the fuel cell. There is a problem in that the fuel supply efficiency is lowered due to a decrease in the fuel consumption.
이에 대하여, 본 발명에 따른 연료전지 전극 형성용 조성물은, 연료전지의 전극을 형성하는 과정에서 기공 형성제를 이용하여 전극의 기공 크기와 공극률을 조절하되, 별도의 추가 공정이 없이 전극의 제조과정에서 용이하게 제거될 수 있는 기공형성제를 도입함으로써 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.In contrast, the composition for forming a fuel cell electrode according to the present invention controls the pore size and porosity of the electrode using a pore former in the process of forming the electrode of the fuel cell, but does not require a separate additional process to prepare the electrode. The performance of the fuel cell can be improved by introducing a pore-forming agent that can be easily removed from the fuel cell.
상기 기공 형성제는 연료 공급과 생성수 배출을 원활하게 진행할 수 있도록 연료전지 전극에 기공의 생성과 공극률 조절을 위한 것으로서, 종래 기술 등에서 개시된 기공 형성제와 같이 별도의 공정을 거치지 않고도 전극 형성용 조성물의 건조 공정 만으로도 전극의 기공과 공극률을 형성할 수 있는 물질을 의미할 수 있다.The pore former is for generating pores and adjusting the porosity in the fuel cell electrode so that fuel supply and product discharge can proceed smoothly, and is a composition for forming an electrode without going through a separate process like the pore former disclosed in the prior art. It may refer to a material capable of forming pores and porosity of an electrode only through a drying process.
일 구현예에서, 상기 기공 형성제는 승화성 물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 60 내지 100 ℃의 온도에서 승화됨으로써 전극에 기공과 공극률을 형성할 수 있는 물질로서, 구체적으로 중탄산암모늄, 멘톨, 나프탈렌, 무수말레인산, 살리실산, 벤조산 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 기공 형성제로서 중탄산암모늄을 포함할 수 있다.In one embodiment, the pore former may include a sublimable material, preferably a material capable of forming pores and porosity in an electrode by sublimation at a temperature of 60 to 100 ° C., specifically, ammonium bicarbonate, menthol , naphthalene, maleic anhydride, salicylic acid, benzoic acid, or a combination thereof, and preferably ammonium bicarbonate as the pore forming agent.
상기 기공 형성제는 연료전지 전극 형성용 조성물에 포함되어, 후술할 고전단 분산기 등의 분산 장치의 회전 속도 등을 조절하는 방법 등을 통해 입자의 크기를 다양하게 함으로써 연료전지 전극의 기공 크기나 공극률을 다양하게 형성할 수 있는 장점이 있다.The pore former is included in the composition for forming a fuel cell electrode, and the pore size or porosity of the fuel cell electrode is varied by varying the particle size through a method of adjusting the rotational speed of a dispersing device such as a high shear disperser, which will be described later. It has the advantage of being able to form variously.
일 구현예에서, 상기 전극 형성용 조성물 중 촉매와 상기 기공 형성제의 질량비는, 1 : 0.1 내지 1 : 2 로 포함될 수 있고, 바람직하게는 1 : 0.2 내지 1 : 1 질량비로 포함될 수 있다. 만일 상기 기공 형성제의 함량이 상기 질량비 미만일 경우, 기공 형성제의 투입에 따른 효과가 미미할 수 있으며, 상기 기공 형성제의 질량비를 초과하는 경우 과도한 기공 형성으로 인하여 제조된 전극층의 물리적 내구성 저하가 발생하는 문제점이 있을 수 있다. In one embodiment, the mass ratio of the catalyst and the pore former in the electrode-forming composition may be 1:0.1 to 1:2, preferably 1:0.2 to 1:1. If the content of the pore former is less than the above mass ratio, the effect of adding the pore former may be insignificant, and if the mass ratio of the pore former is exceeded, physical durability of the manufactured electrode layer is deteriorated due to excessive pore formation. There may be a problem with
일 구현예에서, 상기 촉매는 담체 및 상기 담체에 담지된 금속 입자를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the catalyst may include a carrier and metal particles supported on the carrier.
상기 담체는, 예를 들어, 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 활성 탄소 및 이들의 조합을 포함하는 탄소계 물질을 사용할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 탄소계 담체로는 중공형 탄소 캡슐 (hollow carbon capsule; HCC), 다중 세공 탄소 (multimodal porous carbon; MPC), 카본나노튜브 (carbon nanotube; CNT), 카본나노파이버 (carbon nanofiber; CNF), 메조다공성 탄소 (mesoporous carbon), 그래핀 (graphene), 고표면적 고전도성 카본블랙 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것이 가장 바람직하다.The carrier may use, for example, a carbon-based material including graphite, Denka black, Ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, activated carbon, and combinations thereof. there is. More specifically, the carbon-based carrier includes hollow carbon capsules (HCC), multimodal porous carbon (MPC), carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers; It is most preferably any one selected from the group consisting of CNF), mesoporous carbon, graphene, high surface area, high conductivity carbon black, and combinations thereof.
상기 금속 입자, 예를 들어, 연료전지의 반응에 참여하여 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 구체적으로는 백금계 촉매를 사용할 수 있다.The metal particles, for example, any material that can be used as a catalyst by participating in the reaction of a fuel cell may be used, and specifically, a platinum-based catalyst may be used.
상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-M 합금(상기 M은 Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전이 금속) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 입자를 사용할 수 있다.The platinum-based catalyst includes platinum, ruthenium, osmium, and a platinum-M alloy (where M is Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, Any one transition metal selected from the group consisting of W, Rh, Ru, and alloys thereof) and any one metal particle selected from the group consisting of mixtures thereof may be used.
연료전지의 애노드 전극과 캐소드 전극은 서로 동일한 물질을 촉매로 사용하여도 무방하나, 상기 백금계 촉매의 더욱 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.The anode electrode and cathode electrode of the fuel cell may use the same material as a catalyst, but more specific examples of the platinum-based catalyst include Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/ Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni and Any one selected from the group consisting of Pt/Ru/Sn/W may be used.
이때, 상기 금속 입자는 상기 담체의 표면 위에 위치할 수도 있고, 상기 담체의 내부 기공(pore)을 채우면서 상기 담체 내부로 침투할 수도 있다.At this time, the metal particles may be located on the surface of the carrier, or may penetrate into the carrier while filling internal pores of the carrier.
상기 이오노머는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 어느 것이나 이용할 수 있다. As the ionomer, any polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, and derivatives thereof in a side chain may be used.
일 구현예에서, 상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 구체적으로는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 황화폴리에테르케톤, 아릴케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸[Poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.In one embodiment, the ionomer is a fluorine-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, a polyethersulfone-based polymer, or a polyether ketone. -based polymers, polyether-ether ketone-based polymers, and polyphenylquinoxaline-based polymers, and may include at least one type of proton conductive polymer selected from, and more specifically, poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluoro carboxylic acid), tetrafluoroethylene containing sulfonic acid group and fluorovinyl ether copolymer, sulfurized polyether ketone, aryl ketone, poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenz One containing at least one proton conductive polymer selected from imidazole [Poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] and poly(2,5-benzimidazole) may be used. .
상기 수소이온 전도성을 갖는 고분자 수지는 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 상기 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 상기 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.In the polymer resin having proton conductivity, H may be substituted with Na, K, Li, Cs, or tetrabutylammonium in the cation exchange group at the end of the side chain. When H is substituted with Na in the ion exchange group at the side chain terminal, NaOH is used when preparing the catalyst composition, and tetrabutylammonium hydroxide is used when the catalyst composition is substituted with tetrabutylammonium, and K, Li or Cs are also suitable compounds can be substituted using Since the substitution method is widely known in the art, a detailed description thereof will be omitted herein.
상기 이오노머는 연료전지 전극 형성용 조성물 중 고형분 100 중량부 기준으로 20 중량부 내지 50 중량부로 포함될 수 있고, 예를 들어 25 중량부 내지 40 중량부로 포함될 수 있다. 만일, 상기 이오노머의 함량이 20 중량부 미만인 경우 연료전지 전극의 이온 전도 네트워크 형성에 문제가 발생하여 성능이 저하될 수 있고, 50 중량부를 초과하는 경우 전극 내 기공의 감소 및 물 배출 능력이 저하로 인한 저항이 증가하여 성능 저하가 발생할 수 있다.The ionomer may be included in an amount of 20 parts by weight to 50 parts by weight, for example, 25 parts by weight to 40 parts by weight based on 100 parts by weight of solid content in the composition for forming a fuel cell electrode. If the content of the ionomer is less than 20 parts by weight, problems may occur in the formation of the ion conduction network of the fuel cell electrode, resulting in deterioration in performance. As the resistance increases, performance degradation may occur.
상기 이오노머는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용 가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.The ionomer may be used in the form of a single substance or a mixture, and may optionally be used together with a non-conductive compound for the purpose of further improving adhesion to a polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the amount used to suit the purpose of use.
상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플로오로에틸렌(Ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 사용될 수 있다.Examples of the non-conductive compound include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkylvinyl ether copolymer (PFA), ethylene/tetrafluoro Ethylene/tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene chlorotrifluoro-ethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), dodecane At least one selected from the group consisting of sylbenzenesulfonic acid and sorbitol may be used.
일 구현예에서, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물은 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 글리세롤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 연료전지 전극 형성용 조성물에 포함되어 기공 형성제를 잘 분산시킬 수 있는 것이라면 그 종류에 제한되지 않으나, 바람직하게는 물을 포함하는 수계 용매를 사용할 수 있다.In one embodiment, the composition for forming a fuel cell electrode may further include a solvent. The solvent may be any one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, butanol, n-propanol, isopropanol, n-butyl acetate, ethylene glycol, dipropylene glycol, glycerol, and combinations thereof, forming a fuel cell electrode It is not limited to that type as long as it is included in the composition for well dispersing the pore forming agent, but preferably, an aqueous solvent containing water may be used.
상기 용매는 연료전지 전극 형성용 조성물 100 중량부 기준으로 50 중량부 내지 95 중량부로 포함될 수 있고, 예를 들어 80 중량부 내지 90 중량부로 포함될 수 있다. 상기 용매의 함량이 50 중량부 이상이 되면 촉매 조성물의 점도가 너무 높아지는 것을 방지하므로, 촉매 입자의 분상성 저하 및 촉매층의 불균일한 형성을 방지할 수 있고, 용매의 함량이 95 중량부 이하가 되면, 촉매 조성물의 점도가 너무 낮아지는 것을 방지하므로, 촉매층의 두께가 얇아 코팅을 수회 반복하게 되는 문제를 방지할 수 있다.The solvent may be included in 50 parts by weight to 95 parts by weight, for example, 80 parts by weight to 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the composition for forming a fuel cell electrode. When the content of the solvent is 50 parts by weight or more, the viscosity of the catalyst composition is prevented from being too high, so that the dispersibility of the catalyst particles and the uneven formation of the catalyst layer can be prevented, and when the content of the solvent is 95 parts by weight or less , Since the viscosity of the catalyst composition is prevented from being too low, the problem of repeating the coating several times due to the thin thickness of the catalyst layer can be prevented.
본 발명의 다른 일 구현예는, 촉매, 기공 형성제, 및 이오노머를 포함하는 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계 및 상기 전극 형성용 조성물을 도포하고 건조하여 전극을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 기공 형성제는 승화성 화합물을 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention includes preparing a composition for forming an electrode including a catalyst, a pore former, and an ionomer, and preparing an electrode by applying and drying the composition for forming an electrode, The forming agent provides a method for manufacturing a fuel cell electrode including a sublimable compound.
일 구현예에 따른 연료전지용 전극의 제조방법에 따르면, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물을 이용하여 전극을 형성하는 과정에서 추가적인 공정 없이 전극 건조 과정 중에 상기 조성물에 포함된 승화성의 기공형성제를 용이하게 제거할 수 있으므로, 이를 통해 제조되는 연료전지 전극 및 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.According to the method for manufacturing an electrode for a fuel cell according to an embodiment, in the process of forming an electrode using the composition for forming a fuel cell electrode, the sublimable pore-forming agent included in the composition is easily removed during the electrode drying process without an additional process. Since it can be removed, there is an advantage of improving the performance of a fuel cell electrode and a fuel cell manufactured through this.
일 구현예에 따른 연료전지용 전극의 제조방법에서, 상기 촉매, 기공 형성제, 이오노머 및 용매의 종류에 대한 설명은 상기한 바와 같다.In the method for manufacturing an electrode for a fuel cell according to an embodiment, descriptions of types of the catalyst, pore former, ionomer, and solvent are as described above.
본 발명의 일 구현예는, (1) 기공 형성제 및 용매를 혼합 및 분산하여 기공 형성제 분산액을 제조하는 단계; (2) 촉매, 이오노머, 및 용매를 혼합 및 분산하고 상기 제조된 기공 형성제 분산액과 혼합하여 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계; 및 (3) 상기 전극 형성용 조성물을 도포하고 건조하여 전극을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 기공 형성제는 승화성 화합물을 포함하는 연료전지용 전극의 제조 방법을 제공한다.One embodiment of the present invention comprises the steps of (1) mixing and dispersing a pore former and a solvent to prepare a pore former dispersion; (2) preparing a composition for forming an electrode by mixing and dispersing a catalyst, an ionomer, and a solvent, and mixing the prepared dispersion with the pore former; and (3) preparing an electrode by applying and drying the composition for forming an electrode, wherein the pore forming agent includes a sublimable compound.
상기 (1)의 기공 형성제 분산액을 제조하는 단계에서, 분산은 고전단 분산기, 호모믹서 중 어느 하나를 이용하여 진행할 수 있으나, 상기 기공 형성제를 용매 내에서 균일하게 분산할 수 있는 방법이라면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 바람직하게는 고전단 분산기를 이용하여 기공 형성제 분산액을 제조할 수 있다.In the step of preparing the pore-former dispersion of (1), the dispersion may be performed using either a high shear disperser or a homomixer, but any method capable of uniformly dispersing the pore-former in the solvent It can be used without limitation, and the pore former dispersion can be prepared preferably using a high shear disperser.
상기 (1) 기공 형성제를 용매에 첨가하고 분산하여 기공 형성제 분산액을 먼저 제조하는 과정에서, 고전단 분산기, 호모믹서 등의 장치를 통해 회전 속도를 조절함으로써, 기공 형성제의 입도 크기를 조절할 수 있으며, 이를 통해 최종적으로 제조되는 전극층의 기공 크기 및 공극률을 제어할 수 있는 장점이 있다.In the process of (1) adding and dispersing the pore former in a solvent to prepare a dispersion of the pore former, by controlling the rotational speed through a device such as a high shear disperser or a homomixer, the particle size and size of the pore former can be adjusted. Through this, there is an advantage of being able to control the pore size and porosity of the electrode layer finally manufactured.
일 구현에서, 상기 (1)의 기공 형성제 분산액을 제조하는 단계에서, 상기 분산은 고전단 분산기를 이용하여 2,500 rpm 내지 7,000 rpm의 회전속도로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 2,500 rpm 내지 4,500 rpm의 회전속도로 3 내지 60 분 간 이루어질 수 있다. 상기 회전속도를 높일수록 기공 형성제 입자의 크기가 감소하고, 상기 유지시간이 길어질수록 기공 형성제 입자 크기 분포가 균일해진다. 상기 회전속도 및 유지시간을 조절함으로서 추후 전극층 내 기공크기 및 기공률을 간단하게 제어하여 연료전지의 저항 감소와 함께 성능의 향상을 기대할 수 있다.In one embodiment, in the step of preparing the pore former dispersion of (1), the dispersion may be performed at a rotational speed of 2,500 rpm to 7,000 rpm using a high shear disperser, preferably 2,500 rpm to 4,500 rpm. It can be done for 3 to 60 minutes at rotational speed. As the rotation speed increases, the size of the pore former particles decreases, and as the holding time increases, the pore former particle size distribution becomes more uniform. By adjusting the rotation speed and holding time, the pore size and porosity in the electrode layer can be easily controlled in the future, thereby reducing the resistance of the fuel cell and improving performance.
상기 (2)의 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계에서, 상기 혼합 및 분산 단계는, 초음파분쇄기, 호모믹서, 3롤밀, 공명 음향 믹서, 페이스트 믹서, 교반기, 고전단 분산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 사용하여 이루어질 수 있으나, 균일하게 분산할 수 있는 방법이라면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.In the step of preparing the composition for forming an electrode of (2), the mixing and dispersing step is a group consisting of an ultrasonic mill, a homomixer, a 3-roll mill, a resonant acoustic mixer, a paste mixer, a stirrer, a high shear disperser, and combinations thereof. However, any method that can be uniformly dispersed can be used without being limited thereto.
일 구현예에서, 상기 전극 형성용 조성물 중 촉매와 상기 기공 형성제의 질량비는, 1 : 0.1 내지 1 : 2 로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 1 : 0.2 내지 1 : 1 로 포함될 수 있다. 만일 상기 기공 형성제의 함량이 상기 질량비 미만일 경우, 기공 형성제의 투입에 따른 효과가 미미할 수 있으며, 상기 기공 형성제의 질량비를 초과하는 경우 과도한 기공 형성으로 인하여 제조된 전극층의 물리적 내구성 저하가 발생하는 문제점이 있을 수 있다. In one embodiment, the mass ratio of the catalyst and the pore former in the electrode-forming composition may be 1:0.1 to 1:2, preferably 1:0.2 to 1:1. If the content of the pore former is less than the above mass ratio, the effect of adding the pore former may be insignificant, and if the mass ratio of the pore former is exceeded, physical durability of the manufactured electrode layer is deteriorated due to excessive pore formation. There may be a problem with
다음으로, (3) 상기 전극 형성용 조성물을 도포하고 건조하여 전극을 제조한다.Next, (3) the composition for forming an electrode is applied and dried to prepare an electrode.
상기 도포 공정은 상기 전극 형성용 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 스프레이 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.For the coating process, screen printing, spray coating, doctor blade coating, spray coating, etc. may be used depending on the viscosity of the composition for forming the electrode, but the present invention is not limited thereto.
또한, 상기 전극은 1 내지 100 ㎛의 두께로 도포될 수 있다. 상기 두께가 1 ㎛ 미만인 경우 반응 면적이 작아 활성이 떨어질 수 있고, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 이온 및 전자의 이동 거리가 증가하여 저항이 증가될 수 있다.In addition, the electrode may be applied to a thickness of 1 to 100 μm. When the thickness is less than 1 μm, the reaction area is small and activity may be reduced, and when the thickness exceeds 100 μm, the movement distance of ions and electrons may increase and resistance may increase.
한편, 상기 전극 형성용 조성물을 도포한 후, 선택적으로 상기 전극 형성용 조성물을 건조시킬 수 있는데, 상기 건조 공정은 60 내지 100 ℃에서 8 시간 이상 건조시키는 것일 수 있다. 상기 건조 온도가 60 ℃ 미만일 시 용매의 증발이 원활하지 않아 충분히 건조된 전극을 형성하지 못할 수 있고, 100℃를 초과시 촉매의 발화 위험이 있을 수 있고, 전극의 균열 등이 발생할 수 있다. 상기 건조 시간은 전극층 중 용매가 충분히 증발할 수 있는 조건에서 선정함이 바람직하다.Meanwhile, after applying the composition for forming the electrode, the composition for forming the electrode may be selectively dried. The drying process may be drying at 60 to 100° C. for 8 hours or more. When the drying temperature is less than 60 ° C, the solvent does not evaporate smoothly, so that a sufficiently dried electrode may not be formed. The drying time is preferably selected under conditions in which the solvent in the electrode layer can be sufficiently evaporated.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물로부터 제조되는 전극을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, a membrane-electrode assembly for a fuel cell including an electrode prepared from the composition for forming a fuel cell electrode is provided.
도 1은 상기 막-전극 접합체를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 이하, 도 1을 참고하여, 상기 막-전극 접합체에 대하여 설명한다.1 is a schematic cross-sectional view of the membrane-electrode assembly. Hereinafter, the membrane-electrode assembly will be described with reference to FIG. 1 .
상기 막-전극 접합체(150)는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극(110) 및 캐소드 전극(110); 및 상기 애노드 전극(110) 및 상기 캐소드 전극(110) 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(130)을 포함한다. 상기 막-전극 접합체(150)에 있어서, 상기 고분자 전해질 막(130)의 일면에 배치되어 연료로부터 수소 이온과 전자를 생성시키는 산화 반응을 일으키는 전극을 애노드 전극(110)이라 하고, 상기 고분자 전해질 막(130)을 통해 공급받은 수소 이온과 전극의 산화제로부터 물을 생성시키는 환원 반응을 일으키는 전극을 캐소드 전극(110)이라 한다.The membrane-electrode assembly 150 includes an
상기 애노드 전극(110) 및 상기 캐소드 전극(110) 중 적어도 하나는 전술한 본 발명의 연료전지 전극 형성용 조성물로부터 제조되는 연료전지용 전극이 사용될 수 있다.At least one of the
상기 고분자 전해질 막(130)은 두께가 10 내지 200 ㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 상기 애노드 전극(110)에서 생성된 수소 이온을 상기 캐소드 전극(110)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.The polymer electrolyte membrane 130 is a solid polymer electrolyte having a thickness of 10 to 200 μm, and has an ion exchange function of moving hydrogen ions generated at the
상기 고분자 전해질 막(130)은 탄화수소계 고분자 전해질막, 불소계 고분자 전해질막 및 이들의 하나 이상의 혼합물 또는 공중합체를 사용할 수 있다.The polymer electrolyte membrane 130 may use a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, a fluorine-based polymer electrolyte membrane, or a mixture or copolymer of one or more thereof.
상기 탄화수소계 고분자 전해질막은 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있으며, 상기 고분자는 스티렌, 이미드, 술폰, 포스파젠, 에테르에테르 케톤, 에틸렌옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드 또는 방향족기의 호모폴리머 또는 코폴리머 및 이들의 유도체 등에서 선택할 수 있으며, 이들 고분자는 단독 또는 조합으로 사용할 수 있다. 탄화수소계 고분자를 사용하여 전해질막을 제조하는 것은 불소계 고분자를 사용하는 것보다 제조비용이 저렴하고, 제조가 용이하며, 높은 이온 전도도를 나타낸다.The hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane may include a hydrocarbon-based polymer, and the polymer may include a homopolymer or copolymer of styrene, imide, sulfone, phosphazene, ether ether ketone, ethylene oxide, polyphenylene sulfide, or an aromatic group, and these It can be selected from derivatives of, and the like, and these polymers can be used alone or in combination. Manufacturing an electrolyte membrane using a hydrocarbon-based polymer is cheaper to manufacture than using a fluorine-based polymer, is easy to manufacture, and exhibits high ionic conductivity.
상기 적합한 탄화수소막으로는 보다 바람직하게는 술폰화 폴리술폰(sulfonated polysulfone), 술폰화 폴리에테르술폰(sulfonated polyethersulfone), 술폰화 폴리에테르케톤(sulfonated polyetherketone), 술폰화 폴리에테르에테르케톤(sulfonated poly ether ether ketone), 술폰화 폴리아릴렌에테르에테르케톤(sulfonated poly aryrene ether ether ketone), 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated poly aryrene ether sulfone), 술폰화 폴리아릴렌에테르벤즈이미다졸(sulfonated poly aryrene ether benzimidazole) 및 이온전도체가 도입된 막으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.As the suitable hydrocarbon film, more preferably sulfonated polysulfone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherketone, sulfonated polyether ether ether ketone (sulfonated polyether ether ether) ketone), sulfonated poly aryrene ether ether ketone, sulfonated poly aryrene ether ether sulfone, sulfonated poly aryrene ether benzimidazole ) and at least one selected from the group consisting of a membrane into which an ion conductor is introduced.
상기 불소계 고분자 전해질막은 이온전도성 막으로 필름을 형성할 수 있을 정도의 기계적 강도 및 높은 전기화학적 안정성을 갖는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 불소계 고분자 전해질막의 구체적인 예로서는 퍼플루오로설폰산 수지, 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체 등이 있다. 플루오로비닐에테르 모이어티는 수소이온을 전도하는 기능을 갖는다. 상기 공중합체는 듀퐁(Dupont)사에서 나피온(Nafion)이라는 상품명으로 판매되고 있어서 상업적으로 입수 가능하다.The fluorine-based polymer electrolyte membrane may be used without particular limitation as long as it has mechanical strength and high electrochemical stability sufficient to form a film as an ion conductive membrane. Specific examples of the fluorine-based polymer electrolyte membrane include a perfluorosulfonic acid resin, a copolymer of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether, and the like. The fluorovinyl ether moiety has a function of conducting hydrogen ions. The copolymer is commercially available as it is sold under the trade name of Nafion by Dupont.
한편, 상기 막-전극 접합체(150)는 상기 고분자 전해질 막(130)과 상기 전극(110) 사이에 위치하는 계면 접착층(미도시)을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the membrane-electrode assembly 150 may further include an interfacial adhesive layer (not shown) positioned between the polymer electrolyte membrane 130 and the
상기 계면 접착층은 상기 막-전극 접합체(150)가 수소 이온 전도도의 저하 없이 낮은 수소 투과도를 가질 수 있도록 하며, 상기 전극(110)과 상기 고분자 전해질 막(130) 사이의 계면 접합성을 향상시켜 상기 막-전극 접합체(150)의 내구성을 향상시킬 수 있고, 상기 막-전극 접합체(150)의 고온/저가습 조건에서의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 상기 계면 접착층은 상기 고분자 전해질 막(130)의 일면에만 위치할 수도 있다.The interfacial adhesive layer enables the membrane-electrode assembly 150 to have low hydrogen permeability without deterioration in hydrogen ion conductivity, and improves the interfacial bonding between the
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 도 2는 상기 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.According to another embodiment of the present invention, a fuel cell including the membrane-electrode assembly is provided. 2 is a schematic diagram showing the overall configuration of the fuel cell.
상기 도 2를 참조하면, 상기 연료전지(200)는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부(210), 상기 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부(220), 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스가 산화제와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(230), 및 산화제를 상기 개질부(220) 및 상기 스택(230)으로 공급하는 산화제 공급부(240)를 포함한다.Referring to FIG. 2 , the
상기 스택(230)은 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 공급부(240)로부터 공급되는 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 구비한다.The
각각의 단위 셀은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 상기 막-전극 접합체와, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제를 막-전극 접합체로 공급하기 위한 분리판(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 하며, 이하 '분리판'이라 칭한다)을 포함한다. 상기 분리판은 상기 막-전극 접합체를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이 때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 분리판을 특별히 엔드 플레이트라 칭하기도 한다.Each unit cell means a unit cell that generates electricity, and the membrane-electrode assembly for oxidizing/reducing oxygen in the reformed gas containing hydrogen gas and the oxidizing agent, the reforming gas containing hydrogen gas and the oxidizing agent It includes a separator (also referred to as a bipolar plate, hereinafter referred to as a 'separator') for supplying the membrane-electrode assembly. The separators are disposed on both sides of the membrane-electrode assembly with the membrane-electrode assembly at the center. At this time, the separators respectively located at the outermost side of the stack are also referred to as end plates.
상기 분리판 중 상기 엔드 플레이트에는 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(231)과, 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(232)이 구비되고, 다른 하나의 엔드 플레이트에는 복수의 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1 배출관(233)과, 상기한 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 산화제를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출관(234)이 구비된다.Among the separators, the end plate includes a pipe-shaped
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 당 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것으로 그 설명을 생략한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention are presented. However, the embodiments described below are only intended to specifically illustrate or explain the present invention, and the present invention is not limited thereto. In addition, the content not described herein can be sufficiently technically inferred by those skilled in the art, and the description thereof will be omitted.
[제조예: 연료전지 전극 형성용 조성물 제조][Preparation Example: Preparation of a composition for forming a fuel cell electrode]
제조예 1Preparation Example 1
(1) 기공 형성제로 중탄산암모늄(대정화금社) 5 g 및 45 ml의 증류수를 고전단 분산기 L5M-A High Shear Mixer (Silverson社)에 투입하고, 2,500 rpm의 회전 속도를 세팅하여 10 분간 분산하여 기공 형성제 분산액을 준비한다.(1) 5 g of ammonium bicarbonate (Daejeong Chemical Co.) and 45 ml of distilled water as a pore forming agent were put into a high shear disperser L5M-A High Shear Mixer (Silverson Co.) and dispersed for 10 minutes by setting a rotation speed of 2,500 rpm to prepare a pore former dispersion.
(2) 촉매로 Pt/CB(Tanaka, TEC10E50E) 5 g, 이오노머로 과불소계술폰산 고분자인 나피온 D2021(Dupont) 10 g, 디프로필렌 글리콜과 증류수를 1 : 1 비로 혼합한 용매 23 g과 혼합하고, 3롤밀 (EXAKT 50) 이용하여 상기 촉매, 이오노머가 균일하게 분산될 수 있도록 1시간 동안 충분히 분산 후, 상기 준비된 기공 형성제 분산액 7.5 g과 충분히 혼합하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.(2) 5 g of Pt/CB (Tanaka, TEC10E50E) as a catalyst, 10 g of Nafion D2021 (Dupont), a perfluorinated sulfonic acid polymer as an ionomer, and 23 g of a solvent mixed with dipropylene glycol and distilled water in a 1:1 ratio, mixed with After sufficient dispersion for 1 hour to uniformly disperse the catalyst and ionomer using a 3-roll mill (EXAKT 50), a composition for forming a fuel cell electrode was prepared by sufficiently mixing with 7.5 g of the prepared pore former dispersion.
제조예 2Preparation Example 2
상기 제조예 1에서 기공 형성제 분산액 제조 단계에서 고전단 분산기의 회전 속도를 4,500 rpm으로 설정한 것을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일하게 하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.A composition for forming a fuel cell electrode was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the rotational speed of the high shear disperser was set to 4,500 rpm in the step of preparing the pore former dispersion in Preparation Example 1.
제조예 3Preparation Example 3
상기 제조예 1에서 기공 형성제 분산액 제조 단계에서 고전단 분산기의 회전 속도를 6,500 rpm으로 설정한 것을 제외하고, 상기 제조예 1과 동일하게 하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.A composition for forming a fuel cell electrode was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the rotation speed of the high shear disperser was set to 6,500 rpm in the step of preparing the pore former dispersion in Preparation Example 1.
비교 제조예 1Comparative Preparation Example 1
촉매로 Pt/CB(Tanaka, TEC10E50E) 5 g, 이오노머로 과불소계술폰산 고분자인 나피온 D2021(Dupont) 10 g, 디프로필렌 글리콜과 증류수를 1 : 1 비로 혼합한 용매 23 g 및 증류수 6.75 g과 혼합하고, 3롤밀 (EXAKT 50) 이용하여 상기 촉매, 이오노머가 균일하게 분산될 수 있도록 1시간 동안 충분히 분산하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.5 g of Pt/CB (Tanaka, TEC10E50E) as a catalyst, 10 g of Nafion D2021 (Dupont), a perfluorinated sulfonic acid polymer as an ionomer, 23 g of a solvent mixed with dipropylene glycol and distilled water in a 1:1 ratio, and 6.75 g of distilled water and sufficiently dispersed for 1 hour using a 3-roll mill (EXAKT 50) so that the catalyst and ionomer can be uniformly dispersed to prepare a composition for forming a fuel cell electrode.
[실시예: 막-전극 접합체의 제조][Example: Preparation of membrane-electrode assembly]
상기 제조예 1 내지 3 및 비교 제조예 1에서 각각 제조된 연료전지 전극 형성용 조성물을 불소화 에틸렌 프로필렌(Fluorinated Ethylene Propylene) 이형필름에 코팅속도 10 mm/s, 코팅 두께 100 ㎛의 조건으로 바 코팅한 후, 60 ℃, 8 시간 동안 건조시켜 전극을 제조하였다.The composition for forming fuel cell electrodes prepared in Preparation Examples 1 to 3 and Comparative Preparation Example 1 was bar-coated on a fluorinated ethylene propylene release film under conditions of a coating speed of 10 mm/s and a coating thickness of 100 μm. Then, the electrode was prepared by drying at 60 °C for 8 hours.
상기 건조된 전극을 필요한 크기로 자르고, 고분자 전해질 막(듀폰社 제품; Nafion 212 Membrane) 양면에 전극면과 전해질막이 맞닿게 정렬시킨 후, 140 ℃, 1 MPa의 열 및 압력 조건으로 5분간 압착한 후, 1 분간 상온에서 유지하는 방법으로 핫프레싱하여 전사하고, 이형필름을 박리하여 막-전극 접합체를 제조하였다.The dried electrode was cut into the required size, aligned on both sides of a polymer electrolyte membrane (Nafion 212 Membrane, manufactured by DuPont) so that the electrode surface and the electrolyte membrane were in contact, and then compressed for 5 minutes under heat and pressure conditions of 140 ° C. and 1 MPa. Then, hot pressing was performed by maintaining at room temperature for 1 minute to transfer, and the release film was peeled off to prepare a membrane-electrode assembly.
[실험예: 막-전극 접합체의 성능 평가][Experimental Example: Performance evaluation of membrane-electrode assembly]
평가 실험예 1Evaluation Experimental Example 1 ) 기공형성제의 첨가 유무에 따른 전극층의 기공 비교) Comparison of pores in the electrode layer with and without the addition of a pore former
상기 비교제조예 1 및 제조예 1 내지 3의 조성물을 사용하여 상기 실시예에 기재한 바에 따라 제조한 전극들에 대해, 수은 기공도 측정(MIP)을 통해 다공성 전극의 기공 분포도 및 기공도를 측정하여 결과를 확인하였으며, 상기 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 상기 측정시 Autopore 9605 설비를 이용하였으며, 상기 제조한 전극층 시료 1 x 5 cm2 x 10EA 투입하여 분석하였고, Pore diameter 5um 이하의 data만 이용하였다.For the electrodes prepared as described in the Examples using the compositions of Comparative Preparation Example 1 and Preparation Examples 1 to 3, the pore distribution and porosity of the porous electrode were measured through mercury porosity measurement (MIP). The results were confirmed, and the results are shown in Table 1 below. In the measurement, Autopore 9605 equipment was used, 1 x 5 cm 2 x 10EA of the prepared electrode layer sample was input and analyzed, and only data with a pore diameter of 5um or less was used.
상기 표 1로부터 본 발명에 따라 기공 형성제를 투입하여 제조한 전극층에서 평균 기공 직경 및 기공률이 증가하였으며, 고전단 분산기의 rpm 수준에 따라 기공 직경 및 기공률의 제어가 가능함을 확인할 수 있었다.From Table 1, it was confirmed that the average pore diameter and porosity increased in the electrode layer prepared by adding the pore former according to the present invention, and that the pore diameter and porosity could be controlled according to the rpm level of the high shear disperser.
평가 실험예 2Evaluation Experimental Example 2 ) 기공형성제의 첨가 유무에 따른 연료전지 전극층의 두께 비교) Comparison of the thickness of the fuel cell electrode layer with and without the addition of a pore former
상기 실시예에서 제조한 막-전극 접합체의 전극층의 단면 시료를 전자 현미경(S-3400N, Hitachi社)을 이용하여 관찰하고 그 두께를 측정하였다. 도 3에 비교예 1 (도 3의 (a)), 실시예 1 (도 3의 (b)), 실시예 2 (도 3의 (c)), 실시예 3 (도 3의 (d))에서 제조한 전극층 단면에 대한 전자 현미경 사진을 나타내었다. 또한, 결과 중에서 위쪽 캐소드 전극층의 두께를 비교하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다. A cross-sectional sample of the electrode layer of the membrane-electrode assembly prepared in the above example was observed using an electron microscope (S-3400N, Hitachi Co.), and the thickness thereof was measured. 3, Comparative Example 1 (FIG. 3 (a)), Example 1 (FIG. 3 (b)), Example 2 (FIG. 3 (c)), Example 3 (FIG. 3 (d)) An electron micrograph of the cross section of the electrode layer prepared in is shown. In addition, among the results, the thickness of the upper cathode electrode layer was compared, and the results are summarized in Table 2 below.
표 2로부터 기공 형성제의 투입에 따라 전극층 두께가 소폭 증가하는 것이 확인할 수 있으며, 이는 전극층 내 기공의 형성에 의한 영향으로 판단된다.From Table 2, it can be seen that the thickness of the electrode layer slightly increases according to the introduction of the pore former, which is determined to be due to the formation of pores in the electrode layer.
평가 실험예 3Evaluation Experiment 3 ) 샘플 간 연료전지 성능, 물질 전달 저항 비교) Comparison of fuel cell performance and mass transfer resistance between samples
상기 실시예에서 제조한 막-전극 접합체의 I-V 측정을 통해 출력 성능을 평가하였다. 구체적으로, 실제 연료전지 운전 조건에서 출력성능을 확인하기 위해, 막-전극 접합체를 연료전지 단위 셀 평가장치(Scribner 850 fuel cell test system)를 이용, 65℃ 조건 하에 애노드와 캐소드에 수소(100 %RH)와 공기(100 %RH)를 Stoichiometry 1.2/2.0에 맞는 양으로 각각 공급하였다. 전압이 0.6V 일 때의 전류밀도를 측정하였고, 그 결과 값이 높을수록 우수한 출력 성능을 나타낸다. The output performance of the membrane-electrode assembly prepared in the above example was evaluated through I-V measurement. Specifically, in order to check the output performance under actual fuel cell operating conditions, the membrane-electrode assembly was tested using a fuel cell unit cell evaluation device (Scribner 850 fuel cell test system), and hydrogen (100%) was applied to the anode and cathode under the condition of 65 ° C. RH) and air (100 %RH) were supplied in an amount suitable for Stoichiometry 1.2/2.0, respectively. The current density was measured when the voltage was 0.6V, and as a result, the higher the value, the better the output performance.
전기화학적 활성 면적과 물질 전달 저항 확인을 위하여 전기 화학분석장치 (Biologic SP-200)를 이용하였다. 물질 전달 저항은 상기 출력 성능 평가와 동일한 온도 및 연료공급 조건 하에 0.1 Hz~10 kHz 사이의 주파수범위와 2,200 mA/cm2전류밀도에서 실험을 수행하였다. An electrochemical analyzer (Biologic SP-200) was used to confirm the electrochemical active area and mass transfer resistance. The mass transfer resistance was tested at a frequency range of 0.1 Hz to 10 kHz and a current density of 2,200 mA/cm 2 under the same temperature and fuel supply conditions as in the output performance evaluation.
평가 결과를 하기 표 3에 나타내었다.The evaluation results are shown in Table 3 below.
상기 표 3 으로부터 본 발명에 따라 기공 형성제를 투입한 실시예 1 내지 3에서 전지 성능이 증가하고, 물질 전달 저항이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.From Table 3, it was confirmed that the cell performance increased and the mass transfer resistance decreased in Examples 1 to 3 in which the pore former was introduced according to the present invention.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 상기한 실시예는 본 발명의 특정한 일 예로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명의 권리범위는 후술할 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the above embodiment is presented as a specific example of the present invention, whereby the present invention is not limited, and the scope of the present invention is covered by the claims to be described later. Various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in , also belong to the scope of the present invention.
110: 애노드 전극 및 캐소드 전극
130: 고분자 전해질 막
150: 막-전극 접합체
200: 연료전지
210: 연료 공급부 220: 개질부
230: 스택 231: 제 1 공급관
232: 제 2 공급관 233: 제 1 배출관
234: 제 2 배출관 240: 산화제 공급부110: anode electrode and cathode electrode
130: polymer electrolyte membrane
150: membrane-electrode assembly
200: fuel cell
210: fuel supply unit 220: reforming unit
230: stack 231: first supply pipe
232: second supply pipe 233: first discharge pipe
234: second discharge pipe 240: oxidant supply unit
Claims (12)
기공 형성제, 및
이오노머를 포함하고,
상기 기공 형성제는 승화성 화합물을 포함하는,
연료전지 전극 형성용 조성물.catalyst,
a pore former, and
Including ionomers,
The pore former comprises a sublimable compound,
A composition for forming a fuel cell electrode.
상기 기공 형성제는 중탄산암모늄, 멘톨, 나프탈렌, 무수말레인산, 살리실산, 벤조산 또는 이들의 조합을 포함하는 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 1,
The pore former includes ammonium bicarbonate, menthol, naphthalene, maleic anhydride, salicylic acid, benzoic acid, or a combination thereof.
A composition for forming a fuel cell electrode.
상기 전극 형성용 조성물 중 촉매와 상기 기공 형성제의 질량비는, 1 : 0.1 내지 1 : 2 로 포함되는 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 1,
The mass ratio of the catalyst and the pore former in the composition for forming the electrode is 1: 0.1 to 1: 2,
A composition for forming a fuel cell electrode.
상기 촉매는 담체 및 상기 담체에 담지된 금속 입자를 포함하고,
상기 담체는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 활성 탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이며,
상기 금속 입자는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-M 합금(상기 M은 Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전이 금속이다) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 1,
The catalyst includes a carrier and metal particles supported on the carrier,
The carrier is any one selected from the group consisting of graphite, Denka black, Ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, activated carbon, and combinations thereof,
The metal particles are platinum, ruthenium, osmium, platinum-M alloy (wherein M is Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Any one selected from the group consisting of Rh, Ru and alloys thereof) and mixtures thereof,
A composition for forming a fuel cell electrode.
상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 1,
The ionomer is a fluorine-based polymer, a benzimidazole-based polymer, a polyimide-based polymer, a polyetherimide-based polymer, a polyphenylene sulfide-based polymer, a polysulfone-based polymer, a polyethersulfone-based polymer, a polyether ketone-based polymer, a polyether - Any one selected from the group consisting of ether ketone-based polymers, polyphenylquinoxaline-based polymers, and combinations thereof,
A composition for forming a fuel cell electrode.
용매를 추가로 포함하고, 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 글리세롤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 1,
It further comprises a solvent, wherein the solvent is any one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, butanol, n-propanol, isopropanol, n-butyl acetate, ethylene glycol, dipropylene glycol, glycerol, and combinations thereof will,
A composition for forming a fuel cell electrode.
(2) 촉매, 이오노머, 및 용매를 분산한 후, 상기 기공 형성제 분산액과 혼합하여 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계; 및
(3) 상기 전극 형성용 조성물을 도포하고 건조하여 전극을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 기공 형성제는 승화성 화합물을 포함하는
연료전지용 전극의 제조방법.(1) preparing a dispersion of the pore former by mixing and dispersing the pore former and the solvent;
(2) preparing a composition for forming an electrode by dispersing a catalyst, an ionomer, and a solvent and then mixing the dispersion with the pore forming agent; and
(3) preparing an electrode by applying and drying the composition for forming an electrode;
The pore former comprises a sublimable compound
Manufacturing method of electrode for fuel cell.
상기 (1)의 기공 형성제 분산액을 제조하는 단계에서,
상기 분산은 고전단 분산기와 호모믹서 중에서 선택된 것을 사용하여 이루어지는 것인,
연료전지용 전극의 제조방법.In paragraph 7,
In the step of preparing the pore former dispersion of (1),
The dispersion is made using a high shear disperser and a homomixer selected from,
Manufacturing method of electrode for fuel cell.
상기 (1)의 기공 형성제 분산액을 제조하는 단계에서,
상기 분산은 고전단 분산기를 이용하여 2,500 rpm 내지 7,000 rpm의 회전속도로 이루어지는 것인,
연료전지용 전극의 제조방법.In paragraph 7,
In the step of preparing the pore former dispersion of (1),
The dispersion is made at a rotational speed of 2,500 rpm to 7,000 rpm using a high shear disperser,
Manufacturing method of electrode for fuel cell.
상기 전극 형성용 조성물 중 촉매와 상기 기공 형성제의 질량비는, 1 : 0.1 내지 1 : 2 로 포함되는 것인,
연료전지용 전극의 제조방법.In paragraph 7,
The mass ratio of the catalyst and the pore former in the composition for forming the electrode is 1: 0.1 to 1: 2,
Manufacturing method of electrode for fuel cell.
상기 (2)의 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계에서,
상기 혼합 및 분산 단계는, 초음파분쇄기, 호모믹서, 3롤밀, 공명 음향 믹서, 페이스트 믹서, 교반기, 고전단 분산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택한 것을 사용하여 이루어지는 것인,
연료전지용 전극의 제조방법.In paragraph 7,
In the step of preparing the composition for forming an electrode of (2),
The mixing and dispersing step is performed using one selected from the group consisting of an ultrasonic mill, a homomixer, a 3-roll mill, a resonant acoustic mixer, a paste mixer, an agitator, a high shear disperser, and combinations thereof,
Manufacturing method of electrode for fuel cell.
상기 도포된 전극 형성용 조성물의 건조는 60 내지 100 ℃의 온도에서 이루어지는 것인,
연료전지용 전극의 제조방법.In paragraph 7,
Drying of the applied composition for forming an electrode is performed at a temperature of 60 to 100 ° C.
Manufacturing method of electrode for fuel cell.
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