KR20230082759A - Composition for fuel cell electrode and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 전극 형성용 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 전극 형성용 조성물에 포함된 촉매의 분산성을 개선함과 동시에, 별도의 추가 공정이 없이 전극의 제조과정에서 용이하게 제거될 수 있는 휘발성 분산제를 도입함으로써 연료전지 전극의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 전극 형성용 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for forming a fuel cell electrode and a method for manufacturing the same, and more specifically, to improve the dispersibility of a catalyst included in a composition for forming an electrode and to facilitate the manufacturing process of an electrode without a separate additional process. A composition for forming a fuel cell electrode capable of improving performance and durability of a fuel cell electrode by introducing a volatile dispersant that can be easily removed and a method for manufacturing the same.
연료전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 기체와 같은 탄화 수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료전지의 대표적 예로는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)를 들 수 있다. 상기 PEMFC는 차세대 에너지원으로 각광받고 있으며 특히 자동차 관련 분야에서 친환경 이미지 등의 이점으로 인해 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.A fuel cell is a power generation system that directly converts chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol, and natural gas into electrical energy. A representative example of such a fuel cell is a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). The PEMFC is in the limelight as a next-generation energy source, and research for commercialization is being actively conducted due to advantages such as an eco-friendly image, especially in the automobile-related field.
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 애노드 전극(일명, 연료극 또는 산화 전극이라 한다)과 캐소드 전극(일명, 공기극 또는 환원 전극이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다. 각 전극은 촉매, 이오노머, 용매 및 첨가제로 구성되어 있고, 상기 구성요소 중 촉매는 연료전지의 활성 및 내구성을 결정하는 주요 인자이다.In the fuel cell system, a Membrane Electrode Assembly (MEA) that substantially generates electricity is an anode electrode (also referred to as an anode electrode or an anode electrode) with a polymer electrolyte membrane including a hydrogen ion conductive polymer interposed therebetween. It has a structure in which a cathode electrode (also called an air electrode or a reduction electrode) is located. Each electrode is composed of a catalyst, an ionomer, a solvent, and an additive, and among the components, the catalyst is a major factor determining the activity and durability of a fuel cell.
산화극 및 환원극에 사용되는 촉매로는 비표면적이 크고 전기 전도성이 우수한 탄소 지지체에 백금 나노 입자를 담지 시킨 Pt/C 촉매가 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 Pt/C 촉매는 고가의 금속인 순수 백금을 사용하여 제조됨에 따라 촉매의 가격을 상승시키는 주요 원인이고, 환원극의 산소 환원 반응으로 인해서 백금 표면에 산소가 흡착되어 백금 산화물이 생성되면서 발생되는 과전압에 의하여 30% 가량의 에너지 손실을 발생시켜 상용화를 지연시키는 주요 원인이 되고 있다.As a catalyst used for the anode and cathode, a Pt/C catalyst in which platinum nanoparticles are supported on a carbon support having a large specific surface area and excellent electrical conductivity is most widely used. However, as the Pt/C catalyst is manufactured using pure platinum, which is an expensive metal, it is the main cause of increasing the price of the catalyst. Overvoltage causes energy loss of about 30%, which is a major cause of delaying commercialization.
또한, 상기 촉매는 최근 수송용 연료전지의 요구 조건과 맞물려 내구성의 증대가 요구됨에 따라 흑연화된 탄소, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 고결정성 탄소를 담체로 활용해 내구성을 증대시키고 있다. 그러나, 이 경우에도 연료전지를 구동함에 따라 상기 촉매 입자의 응집 또는 담체로부터 탈리가 문제되는데, 이는 근본적으로는 백금 등의 촉매가 산소종을 경유해 용해되는 열역학적 특징이 원인이며, 백금 입자들의 뭉침 현상과 탄소 담체의 부식 등이 그 원인이 된다. In addition, the catalyst is increasing durability by using highly crystalline carbon such as graphitized carbon, carbon nanotube, and graphene as a carrier as durability is required in line with the recent requirements of transportation fuel cells. However, even in this case, as the fuel cell is driven, there is a problem of aggregation or separation of the catalyst particles from the carrier, which is fundamentally caused by thermodynamic characteristics in which catalysts such as platinum are dissolved via oxygen species, and agglomeration of platinum particles The phenomenon and the corrosion of the carbon carrier are the causes.
본 발명의 목적은 전극 내 촉매 분산성을 개선함으로써 연료전지 전극 및 이를 포함하는 연료전지의 성능과 내구성을 향상시킬 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 improving performance and durability of a fuel cell electrode and a fuel cell including the same by improving catalyst dispersibility in the electrode.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지 전극 형성용 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing the composition for forming the fuel cell electrode.
본 발명의 일 실시예는, 담체 및 상기 담체에 담지된 금속 입자를 포함하는 촉매, 분산제, 및 이오노머를 포함하고, 상기 분산제는 아민 화합물을 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a composition for forming a fuel cell electrode comprising a carrier and a catalyst including metal particles supported on the carrier, a dispersant, and an ionomer, wherein the dispersant includes an amine compound.
상기 아민 화합물은 끓는점이 150℃ 이하인 것일 수 있다.The amine compound may have a boiling point of 150°C or less.
상기 아민 화합물은 선형 아민 화합물, 가지형 아민 화합물, 고리형 아민 화합물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The amine compound may be any one selected from the group consisting of linear amine compounds, branched amine compounds, cyclic amine compounds, and combinations thereof.
상기 아민 화합물은 프로필아민, 부틸아민, 트리에틸아민, 테트라메틸에틸렌디아민, 피롤리딘, 피페리딘, 피롤, 피리딘, 피리미딘, 또는 이들의 조합일 수 있다.The amine compound may be propylamine, butylamine, triethylamine, tetramethylethylenediamine, pyrrolidine, piperidine, pyrrole, pyridine, pyrimidine, or a combination thereof.
상기 아민 화합물은 고리형 아민 화합물일 수 있다.The amine compound may be a cyclic amine compound.
상기 전극 형성용 조성물 중 촉매와 분산제의 질량비는, 1 : 0.1 내지 1 : 10 으로 포함될 수 있다.A mass ratio of the catalyst and the dispersant in the electrode-forming composition may be 1:0.1 to 1:10.
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 하나일 수 있다.The carrier may be 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 금속) 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, any one transition metal selected from the group consisting of Rh, Ru, and alloys thereof), and 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 연료전지 전극 형성용 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. The fuel cell electrode-forming composition further includes a solvent, and the solvent is water, methanol, ethanol, butanol, n-propanol, isopropanol, n-butyl acetate, ethylene glycol, dipropylene glycol, glycerol, and combinations thereof It may be any one selected from the group.
본 발명의 다른 일 실시예는, 금속 입자를 담체에 담지시켜 촉매를 준비하는 단계; 상기 촉매, 분산제 및 이오노머를 용매에 첨가하여 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 전극 형성용 조성물을 도포하여 전극을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 분산제는 아민 화합물을 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention, preparing a catalyst by supporting the metal particles on the carrier; preparing a composition for forming an electrode by adding the catalyst, dispersant, and ionomer to a solvent; and preparing an electrode by applying the composition for forming an electrode, wherein the dispersant includes an amine compound.
상기 전극을 제조하는 단계는, 상기 도포된 전극 형성용 조성물을 60 내지 100℃의 온도에서 건조한 후, 110 내지 200℃에서 열처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다.The step of preparing the electrode may further include drying the applied composition for forming an electrode at a temperature of 60 to 100 ° C and then heat-treating at 110 to 200 ° C.
상기 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계는, 상기 촉매, 분산제 및 이오노머를 용매에 첨가하여 혼합액을 제조하고, 상기 제조된 혼합액을 초음파분쇄기, 호모믹서, 3롤밀, 공명 음향 믹서, 페이스트 믹서, 교반기, 고전단 분산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택하여 분산하는 단계를 더 포함할 수 있다. 다만 본 발명의 기술사상이 이에 제한되는 것은 아니고, 다양한 분산 방법이 이용될 수 있다.In the step of preparing the composition for forming the electrode, a mixed solution is prepared by adding the catalyst, dispersant, and ionomer to a solvent, and the prepared mixed solution is mixed with an ultrasonicator, a homomixer, a 3-roll mill, a resonant sound mixer, a paste mixer, a stirrer, A step of dispersing by selecting from the group consisting of a high shear disperser and a combination thereof may be further included. However, the technical spirit of the present invention is not limited thereto, and various dispersion methods may be used.
본 발명에 의하면, 연료전지 전극 형성용 조성물에 분자량 및 끓는점이 낮은 휘발성 분산제를 도입함으로써 상기 조성물 내의 촉매 분산성을 개선할 수 있고, 상기 분산제는 분자의 크기가 상대적으로 작고 자체 저항이 적어 연료전지 전극 내의 이온 전도 네트워크 형성에 유리하다.According to the present invention, by introducing a volatile dispersant with a low molecular weight and a low boiling point into a composition for forming a fuel cell electrode, the dispersibility of the catalyst in the composition can be improved, and the dispersant has a relatively small molecular size and low self-resistance for a fuel cell. It is advantageous for forming an ion conduction network in the electrode.
또한, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물을 이용하여 전극을 형성하는 과정에서 건조 및 열처리하는 과정 중에 상기 조성물에 포함된 분산제를 용이하게 제거할 수 있으므로, 이를 통해 제조되는 연료전지 전극 및 연료전지의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있다.In addition, since the dispersant included in the composition can be easily removed during drying and heat treatment in the process of forming an electrode using the fuel cell electrode-forming composition, the performance of the fuel cell electrode and fuel cell manufactured through this and durability can be improved.
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 실험 평가예 1에 따른 전극 형성 조성물의 분산성 평가 결과를 보여주는 사진이다.
도 4는 실험 평가예 2에 따라 비교예 및 실시예 1 내지 4의 조성물을 이용하여 제조한 전극의 표면을 촬영한 광학현미경 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.
3 is a photograph showing the results of evaluating the dispersibility of the electrode-forming composition according to Experimental Evaluation Example 1.
Figure 4 is an optical microscope photograph of the surface of the electrode prepared using the composition of Comparative Example and Examples 1 to 4 according to Experimental Evaluation Example 2.
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 전극 내 촉매 분산성을 개선함으로써 연료전지 전극 및 이를 포함하는 연료전지의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 전극 형성용 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for forming a fuel cell electrode capable of improving performance and durability of a fuel cell electrode and a fuel cell including the same by improving catalyst dispersibility in the electrode.
구체적으로, 일 구현예에 따른 연료전지 전극 형성용 조성물은 담체 및 상기 담체에 담지된 금속 입자를 포함하는 촉매, 분산제, 및 이오노머를 포함하고, 특히 상기 분산제는 아민 화합물을 포함한다.Specifically, a composition for forming a fuel cell electrode according to an embodiment includes a carrier and a catalyst including metal particles supported on the carrier, a dispersant, and an ionomer, and in particular, the dispersant includes an amine compound.
통상적으로 연료전지의 전극을 제조하는 과정에 있어서, 탄소 소재의 담체에 촉매를 담지하여 분산시키는 과정을 거치게 된다. 이때, 상기 촉매가 담지된 탄소 소재의 담체를 분산시키는 방법으로는 크게, 초음파 분산 장치 등을 비롯한 각종 분산 설비를 이용하여 강한 에너지를 가해 물리적으로 분산시키는 방법과, 상기 담체와의 화학적 결합을 유도할 수 있도록 별도의 분산제를 이용한 화학적 분산 방법으로 크게 구분될 수 있다.In general, in the process of manufacturing an electrode of a fuel cell, a catalyst is supported and dispersed on a carrier of carbon material. At this time, as a method of dispersing the carrier of the carbon material on which the catalyst is supported, a method of physically dispersing by applying strong energy using various dispersing facilities including an ultrasonic dispersing device, and inducing chemical bonding with the carrier It can be largely classified as a chemical dispersion method using a separate dispersant so that
그러나, 분산제를 이용한 상기 화학적 분산법은, 물리적 분산법에 비해 촉매가 담지된 담체의 높은 분산성과 분산 안정성을 보장할 수 있으나, 대부분의 경우 분산제의 분자량이 높아 제거가 쉽지 않고, 분산제의 자체 저항으로 인하여 탄소 소재 간의 접촉 저항이 증가함에 따라 연료전지의 이온 전도 네트워크 상에서 결함으로 작용하여 궁극적으로 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있는 문제가 있다.However, the chemical dispersion method using a dispersant can ensure high dispersibility and dispersion stability of the catalyst-supported carrier compared to the physical dispersion method, but in most cases, the dispersant has a high molecular weight, so it is not easy to remove it, and the dispersant self-resistance As the contact resistance between carbon materials increases due to this, there is a problem in that the performance of the fuel cell may ultimately be deteriorated by acting as a defect in the ion conduction network of the fuel cell.
이에 대하여 본 발명에 따른 연료전지 전극 형성용 조성물은, 연료전지의 전극을 형성하는 과정에서 화학적 분산법을 이용하여 촉매가 담지된 탄소 소재의 담체를 분산시키되, 분자량 및 끓는점이 낮은 휘발성 분산제로서 아민 화합물을 도입하여 조성물 내의 촉매 분산성을 개선하고, 연료전지 전극 내의 이온 전도 네트워크 형성에 유리한 장점이 있다. 또한, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물을 이용하여 전극을 코팅 후, 전극 건조 및 열처리 과정 중에 상기 조성물에 포함된 분산제를 용이하게 제거할 수 있으므로, 이를 통해 제조되는 연료전지 전극 및 연료전지의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.In contrast, the composition for forming a fuel cell electrode according to the present invention uses a chemical dispersion method in the process of forming a fuel cell electrode to disperse a carrier of a carbon material on which a catalyst is supported, using amine as a volatile dispersant having a low molecular weight and low boiling point. By introducing the compound, there are advantages in improving catalyst dispersibility in the composition and forming an ion conduction network in a fuel cell electrode. In addition, since the dispersant included in the composition can be easily removed during the electrode drying and heat treatment process after coating the electrode using the composition for forming a fuel cell electrode, the performance and performance of the fuel cell electrode and fuel cell manufactured through this durability can be improved.
일 구현예에 따르면, 상기 아민 화합물은 끓는점이 150℃ 이하인 것, 바람직하게는 끓는점이 130℃ 이하인 것일 수 있다. 아민 화합물은 휘발성 분산제로서 사용되는 것이므로, 상온에서 액상이고 제거가 용이한 것이 바람직하다. 따라서, 아민 화합물로서 끓는점의 상한이 전술한 수치, 예를 들어 150℃인 아민 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 끓는 점이 150℃ 초과일 경우 제거가 어려워 물질 전달 및 전하 전달의 저항 증가로 인하여 연료 전지의 성능과 내구성에 불리할 수 있다.According to one embodiment, the amine compound may have a boiling point of 150°C or less, preferably a boiling point of 130°C or less. Since the amine compound is used as a volatile dispersant, it is preferable that it is liquid at room temperature and can be easily removed. Therefore, it is preferable to use an amine compound whose boiling point has an upper limit of the above-mentioned value, for example, 150 DEG C as the amine compound. If the boiling point is higher than 150° C., it is difficult to remove it, which may be detrimental to the performance and durability of the fuel cell due to increased resistance to mass transfer and charge transfer.
일 구현예에서, 상기 아민 화합물은 선형, 가지형, 고리형 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 구체적으로 상기 선형 또는 가지형의 아민 화합물은 지방족 아민 화합물일 수 있고, 상기 고리형 아민 화합물은 지환족 아민 화합물 또는 방향족 아민 화합물일 수 있다.In one embodiment, the amine compound may be any one selected from the group consisting of linear, branched, cyclic, and combinations thereof, specifically, the linear or branched amine compound may be an aliphatic amine compound, The cyclic amine compound may be an alicyclic amine compound or an aromatic amine compound.
구체적으로, 상기 선형 아민 화합물은 아민 화합물에 포함된 질소 원자에 직쇄(linear) 알킬기가 연결된 구조의 것을 의미할 수 있고, 예를 들어 탄소수 1 내지 30의 직쇄 알킬기가 연결된 알킬 아민일 수 있다. 상기 선형 아민 화합물은 아민 화합물의 질소 원자에 연결된 직쇄의 알킬기의 개수에 따라 1차 아민 화합물, 2차 아민 화합물 및 3차 아민 화합물을 모두 포함하는 것일 수 있다.Specifically, the linear amine compound may mean a structure in which a linear alkyl group is connected to a nitrogen atom included in the amine compound, and may be, for example, an alkyl amine in which a linear alkyl group having 1 to 30 carbon atoms is connected. The linear amine compound may include all of a primary amine compound, a secondary amine compound, and a tertiary amine compound according to the number of straight-chain alkyl groups linked to nitrogen atoms of the amine compound.
상기 가지형 아민 화합물은 아민 화합물의 질소 원자에 분지쇄(branched) 알킬기가 연결된 구조의 것을 의미하며, 예를 들어 탄소수 1 내지 30의 분지쇄 알킬기가 연결된 알킬 아민일 수 있다. 상기 분지쇄 아민 화합물 역시 상기 직쇄 아민 화합물과 마찬가지로 1차 아민 화합물 내지 3차 아민 화합물을 모두 포함할 수 있다.The branched amine compound refers to a structure in which a branched alkyl group is connected to a nitrogen atom of the amine compound, and may be, for example, an alkyl amine in which a branched chain alkyl group having 1 to 30 carbon atoms is connected. Like the straight-chain amine compound, the branched-chain amine compound may also include both a primary amine compound and a tertiary amine compound.
상기 고리형 아민 화합물은 아민 화합물에 포함된 직쇄 또는 분지쇄의 치환기가 질소 원자와 결합하여 고리의 모양을 이루는 것을 의미할 수 있고, 예를 들어 탄소수 1 내지 30의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기가 아민 화합물의 질소 원자에 연결되어 고리의 형상을 이루는 것을 포함할 수 있다.The cyclic amine compound may mean that a straight-chain or branched-chain substituent included in the amine compound is bonded to a nitrogen atom to form a ring, and for example, a straight-chain or branched-chain alkyl group having 1 to 30 carbon atoms is an amine It may include one connected to the nitrogen atom of the compound to form a ring.
상기 아민 화합물은 분자 구조 내 2 이상의 질소 원자를 포함할 수도 있고, 상기 2 이상의 질소 원자가 단일 결합에 의해 직접 연결된 구조, 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기에 의해 연결된 구조를 포함할 수도 있다.The amine compound may include two or more nitrogen atoms in a molecular structure, and may include a structure in which the two or more nitrogen atoms are directly connected by a single bond or a structure in which the two or more nitrogen atoms are connected by an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms.
또한, 상기 아민 화합물은 분자 구조 내 포함된 질소 원자 이외에 산소, 인 등의 원자 등을 포함할 수도 있다.In addition, the amine compound may include atoms such as oxygen and phosphorus in addition to nitrogen atoms included in the molecular structure.
일 구현예에서, 상기 아민 화합물로는 프로필아민 (끓는점 87℃), 부틸아민(끓는점 78℃), 트리에틸아민(끓는점 89℃), 테트라메틸에틸렌디아민(끓는점 121℃), 피롤리딘(끓는점 89℃), 피페리딘(끓는점 106℃), 피롤(끓는점 129℃), 피리딘(끓는점 115℃), 피리미딘(끓는점 123℃), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 건조 및 열처리 과정을 통해 쉽게 휘발될 수 있고, 연료전지 이온 전도 네트워크 형성 과정을 고려할 때, 상기 아민 화합물로 피리딘, 부틸아민, 트리에틸아민, 테트라메틸에틸렌디아민, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. In one embodiment, the amine compound is propylamine (boiling point 87 ℃), butylamine (boiling point 78 ℃), triethylamine (boiling point 89 ℃), tetramethylethylenediamine (boiling point 121 ℃), pyrrolidine (boiling point 89°C), piperidine (boiling point 106°C), pyrrole (boiling point 129°C), pyridine (boiling point 115°C), pyrimidine (boiling point 123°C), or combinations thereof. According to one embodiment, it can be easily volatilized through drying and heat treatment processes, and considering the formation process of the fuel cell ion conduction network, the amine compound is pyridine, butylamine, triethylamine, tetramethylethylenediamine, or any of these combinations can be used.
일 구현예에서, 상기 아민 화합물은 고리형 아민 화합물, 특히 1 또는 2개의 질소 원자를 헤테로원자로서 포함하는 원자수 5 내지 10개의 헤테로고리형 화합물, 예를 들어 피롤, 피리딘, 피리미딘 등이 바람직하다. 여기서 상기 헤테로고리형 화합물은 다른 치환기로 치환되지 않은 것일 수 있다. 상기 헤테로고리형 화합물을 분산제로 사용함으로써 전극의 기공 분포도와 기공률과 같은 기공 특성이나 연료 전지 성능 등에 있어서 우수한 효과를 나타낼 수 있다.In one embodiment, the amine compound is a cyclic amine compound, particularly a heterocyclic compound having 5 to 10 atoms including 1 or 2 nitrogen atoms as a heteroatom, for example, pyrrole, pyridine, pyrimidine, etc. are preferred. do. Here, the heterocyclic compound may be one that is not substituted with another substituent. By using the heterocyclic compound as a dispersant, excellent effects can be exhibited in porosity characteristics such as pore distribution and porosity of the electrode, fuel cell performance, and the like.
일 구현예에서, 상기 아민 화합물은 끓는점이 150℃ 이하인 고리형 아민 화합물일 수 있다.In one embodiment, the amine compound may be a cyclic amine compound having a boiling point of 150° C. or less.
일 구현예에서, 상기 연료전지 전극 형성물 조성물 중 촉매와 분산제의 질량비는 1 : 0.1 내지 1 : 10일 수 있으며, 바람직하게는 1 : 0.3 내지 1 : 5, 보다 바람직하게는 1 : 0.5 내지 1 : 3 일 수 있다. 만일, 상기 촉매와 분산제의 질량비가 1 : 0.1 미만인 경우 전극 형성 과정에서 촉매의 분산성이 충분히 확보되지 않아 전극의 성능이 저하될 수 있으며, 질량비가 1 : 10을 초과하는 경우 건조 및 열처리 단계에서 남은 잔여 분산제가 이오노머 작용기에 흡착되어 전기 전도도가 현저히 저하될 수 있으므로, 상기 범위 내에서 그 함량을 적절히 조절할 필요가 있다.In one embodiment, the mass ratio of the catalyst and the dispersant in the fuel cell electrode-forming composition may be 1:0.1 to 1:10, preferably 1:0.3 to 1:5, more preferably 1:0.5 to 1. : can be 3. If the mass ratio of the catalyst and the dispersant is less than 1: 0.1, the dispersibility of the catalyst may not be sufficiently secured during the electrode formation process, and thus the performance of the electrode may deteriorate. If the mass ratio exceeds 1: 10, in the drying and heat treatment steps Since the remaining dispersant may be adsorbed to the ionomer functional group and electrical conductivity may be significantly lowered, it is necessary to properly adjust the content within the above range.
일 구현예에서, 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 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.In one embodiment, the carrier may use 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 입자는 연료전지의 반응에 참여하여 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 구체적으로는 백금계 촉매를 사용할 수 있다.The metal particles can participate in the reaction of the fuel cell and use any material that can be used as a catalyst, and specifically, a platinum-based catalyst can 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 사용가능하며, 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 촉매를 잘 분산시킬 수 있는 것이라면 그 종류에 제한되지 않는다.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 the type as long as it is included in the composition for well dispersing the catalyst.
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, 금속 입자를 담체에 담지시켜 촉매를 준비하는 단계, 상기 촉매, 분산제 및 이오노머를 용매에 첨가하여 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계 및 상기 전극 형성용 조성물을 도포하여 전극을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 분산제는 아민 화합물을 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, preparing a catalyst by supporting metal particles on a carrier, preparing a composition for forming an electrode by adding the catalyst, dispersant and ionomer to a solvent, and applying the composition for forming an electrode and manufacturing an electrode, wherein the dispersant includes an amine compound.
상기 촉매를 준비하는 단계에서, 상기 촉매는 폴리올 환원법, 전자빔 환원법 및 수소화붕소나트륨 (NaBH4) 환원법, urea-assisted 균일환원법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 환원법으로 제조될 수 있다.In the step of preparing the catalyst, the catalyst may be prepared by any one reduction method selected from the group consisting of a polyol reduction method, an electron beam reduction method, a sodium borohydride (NaBH 4 ) reduction method, and a urea-assisted uniform reduction method.
상기 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계에서, 상기 준비된 촉매를 분산제 및 이오노머와 함께 용매에 첨가하여 혼합 및 분산하여 전극 형성용 조성물을 제조한다. 상기 혼합 및 분산 단계는, 초음파분쇄기, 호모믹서, 3롤밀, 공명 음향 믹서, 페이스트 믹서, 교반기, 고전단 분산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택하여 이루어질 수 있다.In the step of preparing the composition for forming an electrode, the prepared catalyst is added to a solvent together with a dispersant and an ionomer, mixed and dispersed to prepare a composition for forming an electrode. The mixing and dispersing step may be performed by selecting 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.
상기 촉매, 분산제 및 이오노머를 균일하게 분산시킬 수 있는 방법이라면 제한없이 사용될 수 있다.Any method capable of uniformly dispersing the catalyst, dispersant, and ionomer may be used without limitation.
상기 촉매에 포함되는 금속 입자 및 담체, 상기 이오노머 및 분산제에 대한 설명은 상기한 바와 같다.Descriptions of the metal particles and the carrier, the ionomer, and the dispersant included in the catalyst are as described above.
상기와 같이, 금속 입자가 담지된 촉매 및 이오노머를 아민 화합물을 포함하는 분산제와 함께 혼합하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하기 때문에 상기 촉매가 전극에 균일하게 분포될 수 있다.As described above, since the composition for forming a fuel cell electrode is prepared by mixing the metal particle-supported catalyst and the ionomer together with a dispersant containing an amine compound, the catalyst can be uniformly distributed on the electrode.
마지막으로, 상기 전극 형성용 조성물을 도포하여 전극을 제조한다.Finally, an electrode is prepared by applying the composition for forming 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, 상기 전극 형성용 조성물을 건조하여 용매를 증발시킨 후, 열처리 하여 분산제의 제거를 수행할 수 있다. 상기 건조 공정은 60 내지 100℃에서 8시간 이상 건조시키는 것일 수 있다. 이는 상기 조건에 국한되지 않고, 상기 전극 형성용 조성물 중 용매 조성에 따라 달라질 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. 또한 상기 열처리는 110 내지 200℃에서 1 내지 4시간 동안 진행할 수 있다. 이때, 열처리가 110℃ 미만이면 잔류 분산제가 이오노머의 작용기에 흡착되어 전도도 저하를 야기할 수 있고, 200℃ 초과이면 이오노머의 작용기가 손상될 수 있는데, 사용된 이오노머의 종류에 따라 작용기에 영향을 줄 수 있는 온도 및 시간 조건이 상이할 수 있음에 유의한다.Meanwhile, after applying the composition for forming the electrode, the composition for forming the electrode may be dried to evaporate the solvent, and heat treatment may be performed to remove the dispersant. The drying process may be drying at 60 to 100 ° C. for 8 hours or more. This is not limited to the above conditions, and may vary depending on the composition of the solvent in the composition for forming the electrode. 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 sufficiently evaporate. In addition, the heat treatment may be performed at 110 to 200 ° C. for 1 to 4 hours. At this time, if the heat treatment is less than 110 ° C, the residual dispersant may be adsorbed to the functional group of the ionomer and cause a decrease in conductivity, and if it exceeds 200 ° C, the functional group of the ionomer may be damaged. Depending on the type of ionomer used, the functional group may be affected. Note that temperature and time conditions may be different.
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-
상기 애노드 전극(110) 및 상기 캐소드 전극(110) 중 적어도 하나는 전술한 본 발명의 연료전지용 전극이 사용된다.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
상기 고분자 전해질 막(130)은 탄화수소계 고분자 전해질막, 불소계 고분자 전해질막 및 이들의 하나 이상의 혼합물 또는 공중합체를 사용할 수 있다.The
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-
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-
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]
실시예 1Example 1
촉매로 Pt/CB(Tanaka, TEC10E50E) 5 g, 이오노머로 과불소계술폰산 고분자인 나피온 D2021(Dupont) 10 g, 분산제로 피리딘(끓는점 115℃) 3 g을 디프로필렌 글리콜과 증류수를 1 : 1 비로 혼합한 용매 30 g과 혼합하고, 3롤밀(EXAKT 50)을 이용하여 상기 촉매, 이오노머 및 분산제가 균일하게 분산될 수 있도록 1시간 동안 충분히 혼합하여 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, and 3 g of pyridine (boiling point: 115 ° C) as a dispersant were mixed with dipropylene glycol and distilled water in a 1: 1 ratio. A composition for forming a fuel cell electrode was prepared by mixing with 30 g of the mixed solvent and using a 3-roll mill (EXAKT 50) to sufficiently mix the catalyst, ionomer, and dispersant for 1 hour to uniformly disperse them.
실시예 2Example 2
상기 실시예 1에서 피리딘 대신 3 g의 부틸아민(끓는점 78℃)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.A composition for forming a fuel cell electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3 g of butylamine (boiling point: 78° C.) was used instead of pyridine.
실시예 3Example 3
상기 실시예 1에서 피리딘 대신 3 g의 트리에틸아민(끓는점 89℃)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.A composition for forming a fuel cell electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3 g of triethylamine (boiling point: 89° C.) was used instead of pyridine.
실시예 4Example 4
상기 실시예 1에서 피리딘 대신 3 g의 테트라메틸에틸렌디아민(끓는점 121℃)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.A composition for forming a fuel cell electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3 g of tetramethylethylenediamine (boiling point: 121° C.) was used instead of pyridine in Example 1.
비교예 1Comparative Example 1
상기 실시예 1에서 분산제를 투입하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.A composition for forming a fuel cell electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that the dispersant was not added in Example 1.
[제조예 막-전극 접합체의 제조][Preparation Example Preparation of membrane-electrode assembly]
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 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 건조시킨 후, 150℃에서 2시간 열처리하여 전극을 제조하였다.The composition for forming fuel cell electrodes prepared in Examples 1 to 4 and Comparative 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, and then , After drying at 60 ° C. for 8 hours, an electrode was prepared by heat treatment at 150 ° C. for 2 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.
[실험 평가예: 막-전극 접합체의 성능 평가][Experimental evaluation example: performance evaluation of membrane-electrode assembly]
실험 평가예 1Experiment evaluation example 1 : 분산 안정성의 비교: Comparison of dispersion stability
촉매 0.1g과 물 2g, 이오노머(Nafion D2021) 0.2g, 분산제 0.2g를 혼합하고, 5분간 초음파에 의한 분산 후 상온에서 24시간 방치하였다. 그 후 각 조성물의 분산성을 육안으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3으로부터, 분산제를 투입한 실시예 1 내지 4의 조성물에서 탄소 기반의 촉매의 응집이 현저히 감소하고 분산성이 잘 유지된다는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 비교예 1은 촉매가 침전하여 투명한 상층액을 형성하고 있었다.0.1 g of catalyst, 2 g of water, 0.2 g of ionomer (Nafion D2021), and 0.2 g of dispersant were mixed, dispersed by ultrasonic waves for 5 minutes, and then left at room temperature for 24 hours. After that, the dispersibility of each composition was visually observed, and the results are shown in FIG. 3 . 3, it can be seen that the aggregation of the carbon-based catalyst is significantly reduced and the dispersibility is well maintained in the compositions of Examples 1 to 4 in which the dispersant is added. In contrast, in Comparative Example 1, the catalyst precipitated to form a transparent supernatant.
실험 평가예 2Experiment evaluation example 2 : 전극층의 코팅 표면 상태 비교: Comparison of the coating surface state of the electrode layer
비교예 및 실시예 1 내지 4의 조성물을 이용하여 제조예에서와 동일한 방식으로 전극을 제조하고 이형 필름에 코팅한 전극층의 표면을 광학현미경(VHX-600)을 이용하여 분석하였다(x500배). 각 전극의 표면을 촬영한 광학현미경 사진을 도 4에 나타내었다. 도 4로부터 본 발명에 따른 실시예의 조성물을 사용하였을 때 표면이 평활하다는 것을 확인할 수 있다.Electrodes were prepared in the same manner as in Preparation Example using the compositions of Comparative Examples and Examples 1 to 4, and the surface of the electrode layer coated on the release film was analyzed using an optical microscope (VHX-600) (x500 magnification). An optical micrograph of the surface of each electrode is shown in FIG. 4 . It can be seen from FIG. 4 that the surface is smooth when the compositions of Examples according to the present invention are used.
실험 평가예 3Experiment evaluation example 3 : 전극의 기공 직경 및 기공률 비교: Comparison of electrode pore diameter and porosity
비교예 및 실시예 1 내지 4에서 제조한 조성물을 이용하여 제조한 전극에 대해 수은 기공도 측정(MIP)을 통해 기공 직경 및 기공률을 비교하였다. 구체적으로, Autopore 9605 설비를 이용하여 전극층 시료 1 x 5 cm2 x 10EA 를 투입하여 평균 기공 직경 및 기공률을 분석, 측정하였다. Pore diameter 5um 이하의 data만 이용하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.The electrodes prepared using the compositions prepared in Comparative Example and Examples 1 to 4 were compared in pore diameter and porosity through mercury porosity measurement (MIP). Specifically, an electrode layer sample of 1 x 5 cm 2 x 10EA was injected using Autopore 9605 equipment, and the average pore diameter and porosity were analyzed and measured. Only data with a pore diameter of 5 μm or less were used. The results are shown in Table 1 below.
상기 표 1로부터 본 발명에 따른 분산제 투입시 전극층의 평균 기공 직경 및 기공률이 증가하였다는 것을 알 수 있다. 특히, 실시예의 분산제 중 끓는점이 가장 낮은 부틸아민을 사용한 실시예 2가 아닌, 고리형 아민 화합물인 피리딘을 사용한 실시예 1에서 가장 우수한 평균 기공 직경 및 기공률이 나타났다.From Table 1, it can be seen that the average pore diameter and porosity of the electrode layer increased when the dispersant according to the present invention was introduced. In particular, the best average pore diameter and porosity were shown in Example 1 using pyridine, a cyclic amine compound, rather than Example 2 using butylamine having the lowest boiling point among the dispersants of Examples.
실험 평가예 4Experiment evaluation example 4 : 연료전지 성능, 전기화학적 활성 면적, 전하전달 저항의 비교: Comparison of fuel cell performance, electrochemically active area, and charge transfer resistance
제조예에서 제조한 상기 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. Output performance of the membrane-electrode assembly prepared in Preparation 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 전하 전달 저항 확인을 위하여 전기 화학분석장치 (Biologic SP-200)를 이용하였다. 전하 전달 저항은 상기 출력 성능 평가와 동일한 온도 및 연료공급 조건 하에 0.1 Hz~10 kHz 사이의 주파수범위와 600 mA/cm2 전류밀도에서 실험을 수행하였다. 전기화학적 활성면적(ECSA)의 측정은 65℃ 조건 하에 애노드와 캐소드에 수소(100 %RH)와 질소(100 %RH)를 Stoichiometry 1.2/2.0에 맞는 양으로 각각 공급 하에, 50 mV/s의 scan rete로 CV 실험을 수행하고, Pt 탈착 면적을 계산하였다.An electrochemical analyzer (Biologic SP-200) was used to confirm the electrochemical active area and charge transfer resistance. The charge transfer resistance was tested at a frequency range of 0.1 Hz to 10 kHz and a current density of 600 mA/cm 2 under the same temperature and fuel supply conditions as the output performance evaluation. The measurement of the electrochemical active area (ECSA) was carried out under the condition of 65 ℃, supplying hydrogen (100 %RH) and nitrogen (100 %RH) to the anode and cathode in an amount suitable for Stoichiometry 1.2/2.0, respectively, with a scan of 50 mV/s. A CV experiment was performed with rete, and the Pt desorption area was calculated.
위 실험의 결과를 아래 표 2에 나타내었다.The results of the above experiments are shown in Table 2 below.
상기 표 2로부터 본 발명에 따른 분산제의 투입시 전지 성능 및 촉매 활성 면적이 증가하였고, 전하 전달 저항이 감소하는 것을 확인하였다. 앞서 기공률 결과와 마찬가지로, 실시예의 분산제 중 끓는점이 가장 낮은 부틸아민을 사용한 실시예 2가 아닌, 고리형 아민 화합물인 피리딘을 사용한 실시예 1에서 가장 우수한 성능이 확인되었다.From Table 2, it was confirmed that when the dispersant according to the present invention was added, the cell performance and catalytically active area increased, and the charge transfer resistance decreased. Similar to the porosity results above, the best performance was confirmed in Example 1 using pyridine, a cyclic amine compound, rather than Example 2 using butylamine having the lowest boiling point among the dispersants of Examples.
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 are also within 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 (13)
분산제, 및
이오노머를 포함하고,
상기 분산제는 아민 화합물을 포함하는,
연료전지 전극 형성용 조성물.A catalyst comprising a carrier and metal particles supported on the carrier;
a dispersing agent, and
Including ionomers,
The dispersant includes an amine compound,
A composition for forming a fuel cell electrode.
상기 아민 화합물은 끓는 점이 150℃ 이하인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 1,
The amine compound has a boiling point of 150 ° C or less,
A composition for forming a fuel cell electrode.
상기 아민 화합물은 선형 아민 화합물, 가지형 아민 화합물, 고리형 아민 화합물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 1,
The amine compound is any one selected from the group consisting of linear amine compounds, branched amine compounds, cyclic amine compounds, and combinations thereof,
A composition for forming a fuel cell electrode.
상기 아민 화합물은 프로필아민, 부틸아민, 트리에틸아민, 테트라메틸에틸렌디아민, 피롤리딘, 피페리딘, 피롤, 피리딘, 피리미딘, 또는 이들의 조합인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 3,
The amine compound is propylamine, butylamine, triethylamine, tetramethylethylenediamine, pyrrolidine, piperidine, pyrrole, pyridine, pyrimidine, or a combination thereof,
A composition for forming a fuel cell electrode.
상기 아민 화합물은 고리형 아민 화합물인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 3,
The amine compound is a cyclic amine compound,
A composition for forming a fuel cell electrode.
상기 분산제는 상기 연료전지 전극 형성물 조성물 중 촉매와 분산제의 질량비가 1 : 0.1 내지 1 : 10인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 1,
The dispersant is a mass ratio of the catalyst and the dispersant in the fuel cell electrode forming composition of 1: 0.1 to 1: 10,
A composition for forming a fuel cell electrode.
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 하나인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 1,
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,
A composition for forming a fuel cell electrode.
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 금속) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 1,
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 any one transition metal selected from the group consisting of alloys) 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 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 하나인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.In paragraph 1,
Further comprising 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 person,
A composition for forming a fuel cell electrode.
상기 촉매, 분산제 및 이오노머를 용매에 첨가하여 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계; 및
상기 전극 형성용 조성물을 도포하여 전극을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 분산제는 아민 화합물을 포함하는
연료전지용 전극의 제조방법.preparing a catalyst by supporting metal particles on a carrier;
preparing a composition for forming an electrode by adding the catalyst, dispersant, and ionomer to a solvent; and
Including the step of preparing an electrode by applying the composition for forming the electrode,
The dispersant contains an amine compound
Manufacturing method of electrode for fuel cell.
상기 전극을 제조하는 단계는,
상기 도포된 전극 형성용 조성물을 60 내지 100℃의 온도에서 건조 및 110 내지 200℃에서 열처리 하는 단계를 더 포함하는 것인,
연료전지용 전극의 제조방법.In paragraph 11,
The step of manufacturing the electrode is,
Further comprising drying the applied composition for forming an electrode at a temperature of 60 to 100 ° C and heat treatment at 110 to 200 ° C,
Manufacturing method of electrode for fuel cell.
상기 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계는,
상기 촉매, 분산제 및 이오노머를 용매에 첨가하여 용액을 제조하고, 상기 제조된 용액을 초음파파쇄기, 호모믹서, 3롤밀, 공명 음향 믹서, 페이스트 믹서, 교반기, 고전단 분산기, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 이용하여 혼합하는 단계를 더 포함하는 것인,
연료전지용 전극의 제조방법.In paragraph 11,
The step of preparing the composition for forming the electrode,
A solution is prepared by adding the catalyst, dispersant, and ionomer to a solvent, and the prepared solution is a group consisting of an ultrasonicator, a homomixer, a 3-roll mill, a resonant acoustic mixer, a paste mixer, an agitator, a high shear disperser, and combinations thereof. Further comprising the step of mixing using any one selected from
Manufacturing method of electrode for fuel cell.
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