KR20240038300A - Binder for water electrolysis electrode containing cellulose series, hydrophilic water electrolysis negative electrode containing same, and manufacturing method thereof - Google Patents

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KR20240038300A
KR20240038300A KR1020220116916A KR20220116916A KR20240038300A KR 20240038300 A KR20240038300 A KR 20240038300A KR 1020220116916 A KR1020220116916 A KR 1020220116916A KR 20220116916 A KR20220116916 A KR 20220116916A KR 20240038300 A KR20240038300 A KR 20240038300A
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광주과학기술원
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Abstract

본 발명은 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 수전해 전극용 바인더, 이를 포함하는 수전해 음극 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 상기 바인더는 점도가 다른 제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스, 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 중 적어도 한 개 이상을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 수전해 음극은 상기 바인더와 촉매 및 용제를 사용함으로써 친수성이 강화되어 특정 접촉각의 범위를 형성하게 된다. 또한 음극 제조 시, IPA 겔화를 통해 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 고분자화 하여 가교 결합을 향상시켜 전극의 강도를 높일 수 있다.The present invention relates to a binder for water electrolysis electrodes containing (hydroxypropyl)methyl cellulose, a water electrolysis cathode containing the same, and a method for manufacturing the same. The binder may include at least one of first (hydroxypropyl)methyl cellulose, second (hydroxypropyl)methyl cellulose, and third (hydroxypropyl)methyl cellulose with different viscosities. The hydrophilicity of the water electrolysis cathode is strengthened by using the binder, catalyst, and solvent to form a specific contact angle range. Additionally, when manufacturing a negative electrode, the strength of the electrode can be increased by polymerizing (hydroxypropyl)methyl cellulose through IPA gelation to improve crosslinking.

Description

셀룰로오스 계열을 포함하는 수전해 전극용 바인더, 이를 포함하는 친수성 수전해 음극 및 이의 제조방법{Binder for water electrolysis electrode containing cellulose series, hydrophilic water electrolysis negative electrode containing same, and manufacturing method thereof}Binder for water electrolysis electrode containing cellulose series, hydrophilic water electrolysis negative electrode containing same, and manufacturing method thereof {Binder for water electrolysis electrode containing cellulose series, hydrophilic water electrolysis negative electrode containing same, and manufacturing method thereof}

본 발명은 수전해 음극에 사용되는 바인더에 관한 것으로, 보다 자세하게 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 바인더, 상기 바인더를 포함하는 친수성 수전해 음극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a binder used in a water electrolysis cathode, and more specifically, to a binder containing (hydroxypropyl)methyl cellulose, a hydrophilic water electrolysis cathode containing the binder, and a method of manufacturing the same.

기존의 화석 연료 사용으로 인한 환경 문제가 심각해짐에 따라, 대체 에너지로 수소 에너지가 주목받고 있다. 수소 에너지를 생산하는 대표적인 방법으로 수전해 기술이 있다.As environmental problems caused by the use of existing fossil fuels become more serious, hydrogen energy is attracting attention as an alternative energy source. A representative method of producing hydrogen energy is water electrolysis technology.

수전해 기술은 수소와 산소로 구성되어 있는 물에 전기장을 걸어 수소 및 산소를 분리, 발생시키는 기술로, 이산화탄소가 발생하지 않아 친환경적이다. 대표적인 수전해 기술로 고분자 전해질막 수전해(Polymer electrolyte membrane Water Electrolysis, PEMWE)가 있다. 상기 PEMWE는 전해액 대신 순수한 물을 원료로 사용하기 때문에 생산된 수소의 순도가 높으며, 대형화가 가능하고, 재생에너지의 빠른 변동에 신속한 대응이 가능하여 각광받고 있는 기술이다.Water electrolysis technology is a technology that applies an electric field to water composed of hydrogen and oxygen to separate and generate hydrogen and oxygen. It is eco-friendly as it does not generate carbon dioxide. A representative water electrolysis technology is polymer electrolyte membrane water electrolysis (PEMWE). The PEMWE is a technology that is in the spotlight because it uses pure water as a raw material instead of electrolyte, so the purity of the produced hydrogen is high, it can be enlarged, and it can respond quickly to rapid changes in renewable energy.

종래의 기술은 상기 PEMWE에 사용되는 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 이온전도도를 높이는 데에 초점을 두었다. 일반적으로 Nafion으로 대표되는 과불소화탄소 계열 이오노머를 바인더로 주로 사용하였다. Nafion은 우수한 화학적 안정성과 높은 이온 전도도를 가지고 있으나 가격이 높다는 단점을 가지고 있었다. 따라서 이를 대체하기 위해 탄화수소계 전해질막을 사용하는 기술이 개발되었으나, 탄화수소만을 단독으로 사용할 수 없어 단가 절감의 한계가 존재했다.Conventional technology focused on increasing the ionic conductivity of the MEA (Membrane Electrode Assembly) used in the PEMWE. In general, perfluorocarbon-based ionomers, such as Nafion, were mainly used as binders. Nafion has excellent chemical stability and high ionic conductivity, but has the disadvantage of being expensive. Therefore, a technology using a hydrocarbon-based electrolyte membrane was developed to replace this, but there was a limit to unit cost reduction because hydrocarbon alone could not be used.

게다가, 일반적인 수전해 연구에서 에너지 발전이 멈추면 음극에서 역전류 현상이 일어나 음극 표면이 산화되고, 반대로 발전량이 갑자기 많아지면 급격히 높아진 전압으로 양극 표면이 산화되는 등 부하 변동이 짧은 주기로 급격히 반복되면 음극이 손상되어 수전해 장치의 내구성이 나빠지는 문제가 발생했다.Moreover, in general water electrolysis research, when energy generation stops, a reverse current phenomenon occurs at the cathode and the cathode surface is oxidized. Conversely, when the power generation suddenly increases, the anode surface is oxidized by a sharply increased voltage, and when load changes are repeated rapidly in short cycles, the cathode This damage caused a problem in which the durability of the water electrolysis device deteriorated.

따라서 이온 전도도 및 내구성이 우수하며 단가를 절감할 수 있는 기술이 필요하다.Therefore, a technology that has excellent ionic conductivity and durability and can reduce unit costs is needed.

본 발명이 이루고자 하는 제1 기술적 과제는 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 수전해 전극용 바인더를 제공하는 데에 있다.The first technical object to be achieved by the present invention is to provide a binder for water electrolysis electrodes containing (hydroxypropyl)methyl cellulose.

제2 기술적 과제는 상기 제1 기술적 과제에 의해 제공되는 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 바인더가 적용된 친수성을 띠는 수전해 음극을 제공하는 데에 있다.The second technical problem is to provide a hydrophilic water electrolysis cathode to which a binder containing (hydroxypropyl)methyl cellulose provided by the first technical problem is applied.

제3 기술적 과제는 상기 제2 기술적 과제를 달성하기 위하여 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 바인더가 적용된 수전해 음극의 제조방법을 제공하는 데에 있다.The third technical problem is to provide a method of manufacturing a water electrolysis cathode to which a binder containing (hydroxypropyl)methyl cellulose is applied in order to achieve the second technical problem.

상술한 제1 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 수전해 전극용 바인더를 제공한다. 상기 바인더는 점도가 다른 제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스, 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 중 적어도 한 개 이상으로 구성된다.In order to achieve the first technical problem described above, the present invention provides a binder for water electrolysis electrodes containing (hydroxypropyl)methyl cellulose. The binder is composed of at least one of first (hydroxypropyl)methyl cellulose, second (hydroxypropyl)methyl cellulose, and third (hydroxypropyl)methyl cellulose with different viscosities.

상술한 제2 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 상기 제1 기술적 과제에 의해 제공되는 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 바인더가 적용된 수전해 음극을 제공한다. 상기 수전해 음극은 촉매 및 바인더인 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스로 구성되며, 상기 촉매 및 바인더를 사용함으로써 특정 접촉각의 범위를 형성하므로, 기재 표면에서 강화된 친수성을 가진다.In order to achieve the above-described second technical problem, the present invention provides a water electrolysis cathode to which a binder containing (hydroxypropyl)methyl cellulose provided by the first technical problem is applied. The water electrolysis cathode is composed of (hydroxypropyl)methyl cellulose as a catalyst and a binder. By using the catalyst and binder, a specific contact angle range is formed, so that the hydrophilicity is enhanced on the surface of the substrate.

제3 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 상기 제2 기술적 과제의 수전해 음극의 제조방법을 제공한다. 상기 음극은 촉매, (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 용제를 포함하는 슬러리(Slurry)를 제조하고, 상기 슬러리를 볼 밀링, 탈기, Bar coating, IPA 겔화 및 건조 과정을 통하여 획득할 수 있다. In order to achieve the third technical problem, the present invention provides a method for manufacturing a water electrolysis cathode of the second technical problem. The cathode can be obtained by preparing a slurry containing a catalyst, (hydroxypropyl)methyl cellulose, and a solvent, and through ball milling, degassing, bar coating, IPA gelation, and drying processes.

전술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 보다 자세하게, IPA 겔화를 통해 셀룰로오스를 고분자화 하여 강도가 향상된 수전해 음극을 획득할 수 있다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention can obtain a water electrolysis cathode with improved strength by polymerizing cellulose through IPA gelation in more detail.

본 발명은 단가가 높은 Nafion 대신 단가가 낮은 순수 셀룰로오스 계열인 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 바인더로 사용하여 수전해 전극을 형성하므로, 전극 제조에 있어서 가격을 절감할 수 있다. The present invention forms a water electrolysis electrode by using (hydroxypropyl)methyl cellulose, a pure cellulose type with a low cost, as a binder instead of Nafion, which has a high cost, thereby reducing the cost in electrode manufacturing.

상기 바인더로 사용되는 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스는 이온 전도성이 없는 물질이지만 물을 통해 수소 이온 전달이 가능하므로 상기 물질을 포함하여 전극을 제작하여도 전극의 이온 전도성이 유지된다. 또한, 셀룰로오스는 친수성 물질이므로, 특정 촉매와 함께 사용할 경우 Nafion 바인더를 포함하는 전극보다 친수성 전극을 형성할 수 있어 물을 통한 수소 이온 전달이 용이하다.(Hydroxypropyl)methyl cellulose used as the binder is a non-ionically conductive material, but can transmit hydrogen ions through water, so the ionic conductivity of the electrode is maintained even when the electrode is manufactured including the material. Additionally, since cellulose is a hydrophilic material, when used with a specific catalyst, it can form a more hydrophilic electrode than an electrode containing a Nafion binder, making it easier to transfer hydrogen ions through water.

상기 바인더로 셀룰로오스를 사용함에 따라 전류 인가 시 전압 수치 및 전압 손실 정도가 낮고, 점도가 다른 두 셀룰로오스를 포함할 경우 과부하 또는 단전 등의 부하 변동 상황에 대처가 유연해져 음극의 손상을 줄여 음극의 내구성을 증가시킬 수 있다.As cellulose is used as the binder, the voltage level and voltage loss degree are low when current is applied, and when two celluloses with different viscosities are included, it becomes flexible to respond to load fluctuations such as overload or power failure, thereby reducing damage to the cathode and thus durability of the cathode. can increase.

본 발명은 Nafion을 사용한 종래의 기술에 비하여 초기 전압 수치 및 시간의 경과에 따른 셀 전압 수치가 낮은 상승폭을 유지하며, 특정 촉매를 사용할 경우, 시간의 경과에도 전압 수치가 일정하게 유지되어 우수한 셀 성능을 지닌다.Compared to the conventional technology using Nafion, the present invention maintains a low increase in initial voltage value and cell voltage value over time, and when using a specific catalyst, the voltage value remains constant over time, resulting in excellent cell performance. has

도 1은 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 수전해 음극의 제조방법에 관한 순서도이다.
도 2는 수전해 음극이 포함된 스택의 모식도이다.
도 3은 내구성 및 성능을 평가하기 위한 전류 인가 전의 셀 전압을 측정한 그래프이다.
도 4는 내구성 평가를 위해 전류 인가 후의 셀 전압을 측정한 그래프이다.
도 5는 셀 성능 평가 결과를 측정한 그래프이다.
도 6은 친수성 평가에서 전극 표면과 물의 표면의 각도인 접촉각을 나타낸 이미지이다.
도 7은 Nafion 및 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스의 존재를 확인하기 위한 Fourier Transform infrared spectrometer(FT-IR) 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a flowchart of a method for manufacturing a water electrolysis cathode containing (hydroxypropyl)methyl cellulose.
Figure 2 is a schematic diagram of a stack containing a water electrolysis cathode.
Figure 3 is a graph measuring cell voltage before applying current to evaluate durability and performance.
Figure 4 is a graph measuring cell voltage after current application for durability evaluation.
Figure 5 is a graph measuring cell performance evaluation results.
Figure 6 is an image showing the contact angle, which is the angle between the electrode surface and the water surface in hydrophilicity evaluation.
Figure 7 is a graph showing Fourier Transform infrared spectrometer (FT-IR) results to confirm the presence of Nafion and (hydroxypropyl)methyl cellulose.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can be subject to various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

이하에서, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예에 대해 더욱 구체적으로 설명하고자 한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.

제1 실시예Embodiment 1

도 1은 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 수전해 음극의 제조방법에 관한 순서도이다. 상기 수전해 음극은 촉매, 바인더인 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 용제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 제1 단계(S10), 상기 슬러리를 볼 밀링하여 균일하게 분쇄 및 혼합된 슬러리를 수득하는 제2 단계(S11), 상기 볼 밀링된 슬러리를 탈기하여 상기 슬러리 내의 용존 기체를 제거하는 제3 단계(S12), 상기 탈기된 슬러리를 Bar coating하여 음극을 형성하는 제4 단계(S13), 상기 음극을 IPA 상에서 겔화하여 상기 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 고분자화 하여 강도가 향상된 음극을 획득하는 제5 단계(S14) 및 강도가 향상된 상기 음극을 오븐 건조하는 제6 단계(S15)를 포함하여 제조된다.1 is a flowchart of a method for manufacturing a water electrolysis cathode containing (hydroxypropyl)methyl cellulose. The water electrolysis cathode is a first step (S10) of mixing a catalyst, (hydroxypropyl)methyl cellulose as a binder, and a solvent to prepare a slurry, and a second step of ball milling the slurry to obtain a uniformly pulverized and mixed slurry. Step (S11), a third step (S12) of degassing the ball milled slurry to remove dissolved gases in the slurry, a fourth step (S13) of bar coating the degassed slurry to form a cathode, the cathode It is manufactured including a fifth step (S14) of polymerizing the (hydroxypropyl)methyl cellulose by gelling it on IPA to obtain a negative electrode with improved strength (S14), and a sixth step (S15) of oven drying the negative electrode with improved strength. .

제1 단계(S10)로 상기 수전해 음극을 제조하기 위하여 용제 상에 촉매 및 바인더인 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 용해시켜 슬러리를 제조한다.In order to prepare the water electrolysis cathode in the first step (S10), a slurry is prepared by dissolving (hydroxypropyl)methyl cellulose, which is a catalyst and a binder, in a solvent.

상기 바인더는 수소 이온 전도성이 없으며, 점도가 다른 제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스), 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스) 중에서 선택된 적어도 한 개 이상으로 구성된다. 상기 제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스는 점도가 500 cP 내지 1,500 cP이며, 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스는 점도가 3,500 cP 내지 4,500 cP이고, 상기 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스는 점도가 75,000 cP 내지 140,000 cP이다. The binder is not hydrogen ion conductive and is composed of at least one selected from the group consisting of first (hydroxypropyl)methyl cellulose, second (hydroxypropyl)methyl cellulose, and third (hydroxypropyl)methyl cellulose) having different viscosities. It is composed. The first (hydroxypropyl)methyl cellulose has a viscosity of 500 cP to 1,500 cP, the second (hydroxypropyl)methyl cellulose has a viscosity of 3,500 cP to 4,500 cP, and the third (hydroxypropyl)methyl cellulose has a viscosity of 500 cP to 1,500 cP. The viscosity is 75,000 cP to 140,000 cP.

상기 바인더는 바람직하게는 점도가 100,000 cP인 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스로 구성된다.The binder preferably consists of tertiary (hydroxypropyl)methyl cellulose with a viscosity of 100,000 cP.

상기 바인더는 바람직하게는 점도가 다른 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스로 구성된다. 보다 바람직하게 상기 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스는 점도가 4,000 cP이고, 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스는 점도가 100,000 cP이다. The binder preferably consists of second (hydroxypropyl)methyl cellulose and third (hydroxypropyl)methyl cellulose of different viscosities. More preferably, the second (hydroxypropyl)methyl cellulose has a viscosity of 4,000 cP, and the third (hydroxypropyl)methyl cellulose has a viscosity of 100,000 cP.

상기 바인더로 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 상기 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스가 포함되는 경우, 상기 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 상기 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스는 1:2의 무게비로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스가 상기 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스보다 첨가되는 비율이 높을 경우, 점도가 낮기 때문에 충분한 두께를 확보하는 데에 어려움이 발생할 수 있다.When the binder includes the second (hydroxypropyl)methyl cellulose and the third (hydroxypropyl)methyl cellulose, the second (hydroxypropyl)methyl cellulose and the third (hydroxypropyl)methyl cellulose are It is preferable to add it at a weight ratio of 1:2. If the second (hydroxypropyl)methyl cellulose is added at a higher rate than the third (hydroxypropyl)methyl cellulose, it may be difficult to secure a sufficient thickness due to low viscosity.

상기 수전해 음극의 촉매로 IrO2 및 Ir/IrOx로 이루어진 군에서 선택되는 1종을 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 촉매로 Ir/IrOx를 쓰는 것이 보다 바람직하다. 상기 촉매는 금속 이리듐, 이리듐(Ⅲ)-산화물(Ir2O3) 및 이리듐(Ⅳ)-산화물(IrO2)로 이루어진 군에서 선택되는 2종 이상의 이리듐 혼합상이며, Ir/IrOx를 촉매로 사용함으로써, 기재 표면 상의 친수성이 강화되어 전극 형성 시 특정 접촉각의 범위를 형성하고, 물을 통한 이온 전도가 높아져 우수한 성능을 확보할 수 있다. 또한 Ir/IrOx를 촉매를 사용할 경우 촉매 용출량이 적어져 전기화학적 안정성이 우수하다.The water electrolysis cathode is characterized in that one selected from the group consisting of IrO 2 and Ir/IrOx is used as a catalyst. It is more preferable to use Ir/IrOx as the catalyst. The catalyst is a mixed phase of two or more types of iridium selected from the group consisting of metal iridium, iridium(III)-oxide (Ir 2 O 3 ), and iridium(IV)-oxide (IrO 2 ), and uses Ir/IrOx as a catalyst. By doing so, the hydrophilicity on the surface of the substrate is strengthened to form a specific contact angle range when forming an electrode, and ion conduction through water is increased to ensure excellent performance. Additionally, when Ir/IrOx is used as a catalyst, the amount of catalyst elution is reduced, resulting in excellent electrochemical stability.

상기 용제는 DI Water, IPA 및 NMP로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하며, NMP를 사용하는 것이 보다 바람직하다. NMP를 사용했을 경우, 측정 전압이 낮으므로 DI Water를 사용했을 경우보다 셀의 내구성이 우수하다.The solvent is characterized in that it is at least one selected from the group consisting of DI Water, IPA, and NMP, and it is more preferable to use NMP. When NMP is used, the measured voltage is low, so the durability of the cell is superior to when DI Water is used.

제2 단계(S11)로, 상기 용제에 촉매 및 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스가 용해되어 생성된 슬러리를 볼 밀링하여 상기 슬러리에 포함된 분말을 분쇄하고 균일하게 배합되도록 한다.In the second step (S11), the slurry produced by dissolving the catalyst and (hydroxypropyl)methyl cellulose in the solvent is ball milled to pulverize the powder contained in the slurry and mix it evenly.

제3 단계(S12)로, 상기 볼 밀링을 통해 분쇄 및 균일하게 배합된 슬러리를 탈기하여 상기 슬러리 상의 용존 기체를 제거한다. 탈기 과정을 진행함으로써 전극 제조에 있어서 기포가 발생하는 것을 방지할 수 있다. In the third step (S12), the pulverized and uniformly mixed slurry is degassed through ball milling to remove dissolved gas in the slurry. By carrying out the degassing process, it is possible to prevent bubbles from occurring during electrode manufacturing.

제4 단계(S13)로, 상기 탈기를 통해 용존 기체를 제거한 슬러리를 PI(Polyimide) 필름 상에서 Bar coating하여 음극을 형성한다. 상기 PI 필름은 두께가 90 um 내지 100 um인 것이 바람직하다. 상기 PI 필름의 두께가 90 um 미만이거나 100 um 초과일 경우, MEA 제조 시, 상기 PI 필름 상에 형성된 음극을 멤브레인에 부착시킨 후, 필름을 제거하는 데에 어려움이 있을 수 있다.In the fourth step (S13), the slurry from which the dissolved gas has been removed through deaeration is bar coated on a PI (polyimide) film to form a cathode. The PI film preferably has a thickness of 90 um to 100 um. If the thickness of the PI film is less than 90 um or more than 100 um, it may be difficult to remove the film after attaching the cathode formed on the PI film to the membrane during MEA manufacturing.

제5 단계(S14)로, 상기 PI 필름 상에 형성된 음극을 IPA에 담가 겔화를 진행한다. 겔화 과정을 통해 상기 셀룰로오스가 고분자화 되면 가교 결합이 강화되어 전극의 강도가 향상된다.In the fifth step (S14), the negative electrode formed on the PI film is immersed in IPA to proceed with gelation. When the cellulose is polymerized through the gelation process, crosslinking is strengthened and the strength of the electrode is improved.

제6 단계(S15)로, 상기 겔화가 완료된 음극을 오븐 건조하여 음극을 제조한다. 상기 건조 온도는 50° 내지 70°에서 수행되며, 60°로 하룻밤 동안 건조하는 것이 보다 바람직하다.In the sixth step (S15), the gelated negative electrode is dried in an oven to prepare a negative electrode. The drying temperature is performed at 50° to 70°, and it is more preferable to dry overnight at 60°.

상기 수전해 음극은 상기 촉매 및 상기 바인더를 포함하여 음극을 제조함으로써, 친수성을 가지게 된다. 상기 음극은 친수성을 띠므로, 접촉각이 30°이하인 것을 특징으로 하며, 15.99°이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 상기 접촉각의 범위는 6.50°내지 15.99°이다. 실험의 한계로 인하여 측정된 접촉각의 하한값이 6.50°이나, 접촉각이 30°미만일 경우, 친수성을 띠기 때문에 접촉각이 6.50°미만이여도 친수성 전극을 형성하고 사용하는데 있어 우수한 성능을 발휘할 수 있다.The water electrolysis cathode becomes hydrophilic by manufacturing the cathode including the catalyst and the binder. Since the cathode is hydrophilic, the contact angle is preferably 30° or less, and is preferably 15.99° or less. More preferably, the range of the contact angle is 6.50° to 15.99°. Due to the limitations of the experiment, the lower limit of the measured contact angle is 6.50°, but when the contact angle is less than 30°, it is hydrophilic, so even if the contact angle is less than 6.50°, excellent performance can be achieved in forming and using a hydrophilic electrode.

상기 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 사용하는 전극에 있어서, 물은 수소 이온을 전도하는 기능을 수행한다. 그러나, 접촉각이 15.99°를 초과할 경우, 접촉각이 15.99° 이하일 경우보다 친수성이 낮은 전극을 형성하여 충분한 양의 수소 이온을 전달하는데 있어서 어려움이 있을 수 있다. In the electrode using (hydroxypropyl)methyl cellulose, water performs the function of conducting hydrogen ions. However, when the contact angle exceeds 15.99°, there may be difficulty in transferring a sufficient amount of hydrogen ions by forming an electrode with lower hydrophilicity than when the contact angle is 15.99° or less.

제조예 1 : 제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 전극의 제조Preparation Example 1: Preparation of electrode containing first (hydroxypropyl)methyl cellulose

IrO2 촉매를 자체 제작하여 사용하였다. 촉매는 adams fusion 방법을 사용하였다. DI Water에 용해된 8 wt%의 IrClxH2O (Boyaz enery사) 12.5 g 및 NaNO3 20 g을 DI water에 투입하고 한시간동안 저어준 뒤 100 ℃에서 하룻밤 오븐 건조하였다. 상기 건조된 수득물을 2시간 동안 450 ℃로 승온시킨 뒤, 450 ℃에서 30분 동안 열처리를 했다. 상기 열처리 완료 후 수득물을 DI Water와 함께 필터 여과한 뒤, 60 ℃의 온도에서 하룻밤 오븐 건조를 통하여 촉매를 획득했다.IrO 2 catalyst was manufactured and used in-house. The catalyst used the Adams fusion method. 12.5 g of 8 wt% IrCl 3 · The dried product was heated to 450°C for 2 hours and then heat-treated at 450°C for 30 minutes. After completion of the heat treatment, the obtained product was filtered with DI Water, and the catalyst was obtained through oven drying at a temperature of 60°C overnight.

상기 방법을 통해 제조된 IrO2 촉매 0.2 g 및 점도가 1,000 cP인 제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 0.012 g을 NMP 1.280 g에 용해시켜 슬러리를 형성하였다. 상기 슬러리에 지르코니아 볼의 직경이 10 mm인 볼 3개 및 직경이 5.3 mm인 볼 5개를 투입한 후, 250 rpm으로 30분 동안 볼 밀링 해주었다. 이때, 15분 간격으로 방향을 변경해주었으며, 온도는 추가적으로 설정하지 않고 진행하였다. 상기 볼 밀링 과정 후, 상기 슬러리를 탈기하여 기포를 제거해주었다. 상기 탈기 과정은 1600 rpm의 탈기 장치에서 5분간 진행하였다. 상기 탈기 과정 후, 두께가 100 um인 PI 필름 상에 26 mm X 26 mm의 크기의 구멍이 뚫린 가스켓을 위치시키고 닥터 블레이드로 상기 가스켓 상에 상기 슬러리를 Bar coating 하였다. 상기 Bar coating 후에 가스켓을 제거하여 PI 필름 상에 26 mm X 26 mm의 크기의 음극을 형성했다. 상기 PI 필름 상에서 Bar coating을 하여 음극을 형성한 후, IPA에 담가 겔화를 진행하여 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 고분자화 하였다. 상기 겔화 후, 오븐 건조를 통하여 수전해 음극을 제조하였다.0.2 g of the IrO 2 catalyst prepared through the above method and 0.012 g of first (hydroxypropyl)methyl cellulose with a viscosity of 1,000 cP were dissolved in 1.280 g of NMP to form a slurry. Three zirconia balls with a diameter of 10 mm and five balls with a diameter of 5.3 mm were added to the slurry, and then ball milled at 250 rpm for 30 minutes. At this time, the direction was changed every 15 minutes, and the temperature was not additionally set. After the ball milling process, the slurry was degassed to remove air bubbles. The degassing process was carried out for 5 minutes in a degassing device at 1600 rpm. After the degassing process, a gasket with a hole of 26 mm After the bar coating, the gasket was removed to form a cathode with a size of 26 mm x 26 mm on the PI film. After forming a negative electrode by applying bar coating on the PI film, it was immersed in IPA and gelled to polymerize (hydroxypropyl)methyl cellulose. After the gelation, a water electrolysis cathode was manufactured through oven drying.

제조예 2 : 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 전극의 제조Preparation Example 2: Preparation of electrode containing second (hydroxypropyl)methyl cellulose

제조예 1의 조건에서 제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 대신 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 0.012 g 첨가하는 것을 제외하고, 동일한 과정으로 음극을 제조하였다.A negative electrode was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1, except that 0.012 g of second (hydroxypropyl)methyl cellulose was added instead of first (hydroxypropyl)methyl cellulose.

제조예 3 : 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 전극의 제조Preparation Example 3: Preparation of electrode containing tertiary (hydroxypropyl)methyl cellulose

제조예 1의 조건에서 제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 대신 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 0.012 g 첨가하는 것을 제외하고, 동일한 과정으로 음극을 제조하였다.A negative electrode was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1, except that 0.012 g of third (hydroxypropyl)methyl cellulose was added instead of first (hydroxypropyl)methyl cellulose.

제조예 4 : 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 전극의 제조Preparation Example 4: Preparation of electrode containing second (hydroxypropyl)methyl cellulose and third (hydroxypropyl)methyl cellulose

제조예 2의 조건에서 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 0.004 g로 감량하고, 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 0.008 g 첨가하는 것을 제외하고, 동일한 과정으로 음극을 제조하였다.A negative electrode was manufactured in the same manner as in Preparation Example 2, except that the second (hydroxypropyl)methyl cellulose was reduced to 0.004 g and the third (hydroxypropyl)methyl cellulose was added in an amount of 0.008 g.

제조예 5 : 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 전극의 제조Preparation Example 5: Preparation of electrode comprising second (hydroxypropyl)methyl cellulose and third (hydroxypropyl)methyl cellulose

제조예 4의 조건에서 용제로 NMP 대신 DI Water를 첨가하는 것을 제외하고, 동일한 과정으로 음극을 제조하였다.A negative electrode was manufactured in the same manner as in Preparation Example 4, except that DI Water was added instead of NMP as a solvent.

제조예 6 : 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 전극의 제조Preparation Example 6: Preparation of electrode containing second (hydroxypropyl)methyl cellulose and third (hydroxypropyl)methyl cellulose

제조예 4의 조건에서 촉매를 IrO2 대신 Ir/IrOx black를 첨가하는 것을 제외하고, 동일한 과정으로 음극을 제조하였다.A cathode was manufactured in the same manner as in Preparation Example 4, except that Ir/IrOx black was added instead of IrO 2 as the catalyst.

상기 Ir/IrOx black 촉매는 에틸렌 글라이콜 170 g에 아세트산 나트륨 4 g을 첨가하여 혼합물을 형성하고 실온에서 3시간 저어준 다음, 포름산 207.4 g 및 8 wt%의 IrCl3 수화물 12.5 g을 첨가하여 실온에서 5분간 저어주었다. 그 후, 상기 혼합물을 395 K에서 5시간동안 반응시키고 세척 및 건조를 통하여 촉매를 제조하였다.The Ir/IrOx black catalyst was formed by adding 4 g of sodium acetate to 170 g of ethylene glycol to form a mixture, stirring at room temperature for 3 hours, and then adding 207.4 g of formic acid and 12.5 g of 8 wt% IrCl 3 hydrate to form a mixture at room temperature. and stirred for 5 minutes. Afterwards, the mixture was reacted at 395 K for 5 hours and a catalyst was prepared through washing and drying.

비교예 1 : Nafion을 포함하는 전극의 제조Comparative Example 1: Preparation of electrode containing Nafion

제조예 1의 IrO2 촉매 0.2g, Nafion 10 wt% 이오노머(sigma Aldrich 사) 0.120 g, NMP 0.760 g 및 IPA 0.320 g을 혼합하여 슬러리를 생성한다. 상기 슬러리를 30분간 250 rpm으로 볼 밀링한 뒤, 1600 rpm으로 5분간 탈기하였다. 상기 탈기된 슬러리를 100 um의 PI 필름 상에 Bar coating한 뒤 60 ℃의 온도에서 하룻밤 동안 건조하여 바인더로 Nafion이 포함된 수전해 음극을 제조하였다.A slurry was created by mixing 0.2 g of the IrO 2 catalyst of Preparation Example 1, 0.120 g of Nafion 10 wt% ionomer (Sigma Aldrich), 0.760 g of NMP, and 0.320 g of IPA. The slurry was ball milled at 250 rpm for 30 minutes and then degassed at 1600 rpm for 5 minutes. The degassed slurry was bar coated on a 100 um PI film and dried overnight at 60° C. to prepare a water electrolysis cathode containing Nafion as a binder.

비교예 2 : PTFE을 포함하는 전극의 제조Comparative Example 2: Preparation of electrode containing PTFE

제조예 1의 IrO2 촉매 0.2g, 60 wt% PTFE(sigma Aldrich 사) 0.068 g, DI Water 0.640 g, IPA 0.540 g 및 FC-4430 0.02 g을 혼합하여 슬러리를 생성했다. 상기 슬러리를 30분간 250 rpm으로 볼 밀링한 뒤, 1600 rpm으로 5분간 탈기하였다. 상기 탈기된 슬러리를 100 um의 PI 필름 상에 Bar coating한 뒤 60 ℃의 온도에서 하룻밤 동안 건조하였다. 상기 건조 후, 350 ℃에서 15분동안 열처리를 통해 FC-4430을 제거하고 바인더로 PTFE이 포함된 수전해 음극을 제조하였다.A slurry was created by mixing 0.2 g of the IrO 2 catalyst of Preparation Example 1, 0.068 g of 60 wt% PTFE (Sigma Aldrich), 0.640 g of DI Water, 0.540 g of IPA, and 0.02 g of FC-4430. The slurry was ball milled at 250 rpm for 30 minutes and then degassed at 1600 rpm for 5 minutes. The degassed slurry was bar coated on a 100 um PI film and dried overnight at 60°C. After drying, FC-4430 was removed through heat treatment at 350°C for 15 minutes, and a water electrolysis cathode containing PTFE as a binder was manufactured.

실험예 1 : 내구성 평가Experimental Example 1: Durability evaluation

상기 제조예 1 내지 제조예 6 및 비교예 1 내지 비교예 2의 수전해 음극을 각각 포함하는 스택을 만들어 내구성을 평가하였다. Stacks containing the water electrolysis cathodes of Preparation Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 2 were prepared and durability was evaluated.

도 2는 수전해 음극이 포함된 스택의 모식도이다. End plate(20) 상에 Current collector(21), Bipolar plate(22) 및 MEA가 순서대로 배치되며, MEA를 기준으로 대칭 구조로 스택을 형성하였다. 상기 MEA는 멤브레인(25)을 기준으로 한면에 수전해 음극(24) 및 상기 수전해 음극(24) 상에 Pt-coated Ti porous transport layer(PTL, 23)을 압착하고, 반대면에 Pt/C 양극(26)을 압착하여 형성하였다.Figure 2 is a schematic diagram of a stack containing a water electrolysis cathode. Current collector (21), bipolar plate (22), and MEA were placed in order on the end plate (20), and a stack was formed in a symmetrical structure based on the MEA. The MEA presses a water electrolysis cathode 24 on one side of the membrane 25 and a Pt-coated Ti porous transport layer (PTL, 23) on the water electrolysis cathode 24, and Pt/C on the opposite side. The anode 26 was formed by pressing.

상기 멤브레인(25) 상에, PI 필름 상에 형성된 촉매가 코팅된 상기 수전해 음극(24)을 hot press로 온도를 165 ℃로 유지하며 8 MPa의 압력으로 1분, 12 MPa의 압력으로 3분간 압착하여 접합하였다. 상기 압착 후, 상기 멤브레인(25) 상에 접합된 상기 수전해 음극(24) 상에 PTL(23)을 hot press로 2 MPa의 압력으로 1분, 4 MPa의 압력으로 3분간 압착하여 접합하였다. 상기 압착 후, 상기 수전해 음극(24) 및 상기 PTL(23)이 접합된 멤브레인의 반대면에 hot press로 Pt/C 양극(26)의 압착을 진행하여 MEA를 제조하였다. 이때 상기 Pt/C 양극(26)은 0.5 mg/cm2의 60 wt% Pt/Vulcan XC-72 촉매가 포함된 상용 GDE(Gas Diffusion Electrode, NARA Cell-Tech 사)를 사용하였으며, 상기 수전해 음극(24) 및 상기 PTL(23)을 접합시킨 멤브레인(25)의 반대면에 상용 GDE를 배치한 후 1 MPa의 압력으로 1분, 1.5 MPa의 압력으로 3분간 압착하여 접합하였다. 상기 방법을 통해 제작된 MEA의 음극 활성 면적은 6.76 cm2였다.On the membrane 25, the water electrolysis cathode 24 coated with the catalyst formed on the PI film is hot pressed, maintaining the temperature at 165 ° C. for 1 minute at a pressure of 8 MPa and 3 minutes at a pressure of 12 MPa. It was joined by pressing. After the compression, the PTL (23) was bonded to the water electrolysis cathode (24) bonded to the membrane (25) by hot pressing it for 1 minute at a pressure of 2 MPa and for 3 minutes at a pressure of 4 MPa. After the pressing, the Pt/C anode 26 was pressed by hot pressing on the opposite side of the membrane to which the water electrolysis cathode 24 and the PTL 23 were bonded, thereby manufacturing an MEA. At this time, the Pt/C anode 26 used a commercial GDE (Gas Diffusion Electrode, NARA Cell-Tech) containing 0.5 mg/cm 2 of 60 wt% Pt/Vulcan XC-72 catalyst, and the water electrolysis cathode (24) and the PTL (23) were placed on the opposite side of the membrane (25) to which the commercially available GDE was bonded and then pressed for 1 minute at a pressure of 1 MPa and for 3 minutes at a pressure of 1.5 MPa. The cathode active area of the MEA manufactured through the above method was 6.76 cm 2 .

내구성 평가는 각 스택에 80 ℃의 온도의 물을 지속적으로 공급해주며 측정을 진행하였다. 1 Acm-2의 전류밀도를 24시간 동안 인가하는 과정을 총 3번 반복하였고, 전류 인가 전후로 2.0 Acm-2에서 전압을 측정하였다.Durability evaluation was conducted by continuously supplying water at a temperature of 80°C to each stack. The process of applying a current density of 1 Acm -2 for 24 hours was repeated a total of three times, and the voltage was measured at 2.0 Acm -2 before and after applying the current.

도 3 및 도 4는 내구성 평가를 위해 셀 전압을 측정한 그래프이며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Figures 3 and 4 are graphs measuring cell voltage for durability evaluation, and the results are shown in Table 1 below.

도 3은 내구성을 평가하기 위해 제조예 1 내지 제조예 6 및 비교예 1 내지 비교예 2의 전류 인가 전의 셀 전압을 측정한 그래프이다.Figure 3 is a graph measuring cell voltage before current application in Preparation Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 2 to evaluate durability.

상기 그래프 상에서 상기 비교예 1 및 상기 비교예 2는 2.0 Acm-2에서 초기 전압이 1.95 V로 가장 높은 전압을 보이며 상기 제조예 1 내지 상기 제조예 6는 1.84 V 내지 1.91 V의 전압을 보여, 상기 비교예 1 및 상기 비교예 2보다 비교적 낮은 초기 전압을 갖는다. On the graph, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 showed the highest initial voltage of 1.95 V at 2.0 Acm -2 , and Preparation Examples 1 to 6 showed voltages of 1.84 V to 1.91 V, It has a relatively lower initial voltage than Comparative Example 1 and Comparative Example 2.

도 4는 내구성을 평가하기 위해 상기 제조예 1 내지 상기 제조예 6 및 상기 비교예 1 내지 상기 비교예 2의 전류 인가 후의 셀 전압을 측정한 그래프이다. 정전류 1 Acm-2를 24시간씩 3번 인가한 후, 2.0 Acm-2에서의 셀 전압을 측정하였다. 상기 비교예 1은 2.01 V로 가장 높은 전압을 보이며, 상기 제조예 1 내지 상기 제조예 6은 1.85 V 내지 1.92 V의 전압이 측정되었으며, 상기 비교예 1보다 낮은 전압을 보였다. 상기 비교예 2는 1.9 V로, 상기 제조예와 비슷하였다.Figure 4 is a graph measuring cell voltage after current application in Preparation Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 2 to evaluate durability. After applying a constant current of 1 Acm -2 three times for 24 hours each, the cell voltage at 2.0 Acm -2 was measured. Comparative Example 1 showed the highest voltage of 2.01 V, and Preparation Examples 1 to 6 showed voltages of 1.85 V to 1.92 V, which were lower than Comparative Example 1. Comparative Example 2 had a voltage of 1.9 V, which was similar to the Preparation Example.

Catalyst loading
(mg/cm2)
Catalyst loading
(mg/cm 2 )
Cell voltage(초기)
At 2.0 A/cm2
Cell voltage (initial)
At 2.0 A/ cm2
Cell voltage
(after 72h)
At 2.0 A/cm2
Cell voltage
(after 72h)
At 2.0 A/ cm2
Voltage loss(mV/h)Voltage loss(mV/h)
비교예 1Comparative Example 1


≒ 1 mg/cm2



≒ 1 mg/cm 2
1.951.95 2.012.01 0.830.83
비교예 2Comparative Example 2 1.951.95 1.901.90 -0.69-0.69 제조예1Manufacturing example 1 1.861.86 1.861.86 0.000.00 제조예 2Production example 2 1.911.91 1.921.92 0.140.14 제조예 3Production example 3 1.841.84 1.851.85 0.140.14 제조예 4Production example 4 1.871.87 1.861.86 -0.14-0.14 제조예 5Production example 5 1.881.88 1.911.91 0.420.42 제조예 6Production example 6 1.901.90 1.881.88 -0.28-0.28

상기 표 1은 도 3 및 도 4의 전압 및 전압 손실을 나타낸 표이다. 전압 손실은 전류 인가 72시간 후의 전압에서 초기 전압을 뺀 뒤 시간으로 나누어 계산하였다. 상기 비교예 1 및 상기 제조예 1 내지 상기 제조예 6은 슬러리에 있어서 nafion 및 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스가 5.66 wt%로 동일한 비율이었다. 상기 비교예 2의 PTFE는 상기 비교예 1 및 상기 제조예 1 내지 상기 제조예 6과 동일 비율로 투입할 경우, 전극이 형성되지 않아 슬러리 상의 PTFE의 투입량을 증가시켜 16.98 wt%의 비율로 전극을 제조하였다. 상기 표 1에서 상기 비교예 및 상기 제조예는 약 1 mg/cm2의 촉매가 로딩되었다.Table 1 above is a table showing the voltage and voltage loss of FIGS. 3 and 4. Voltage loss was calculated by subtracting the initial voltage from the voltage 72 hours after current application and dividing by time. Comparative Example 1 and Preparation Examples 1 to 6 had the same ratio of nafion and (hydroxypropyl)methyl cellulose at 5.66 wt% in the slurry. When the PTFE of Comparative Example 2 was added at the same ratio as Comparative Example 1 and Preparation Examples 1 to 6, an electrode was not formed, so the amount of PTFE on the slurry was increased to form an electrode at a rate of 16.98 wt%. Manufactured. In Table 1, about 1 mg/cm 2 of catalyst was loaded in the Comparative Example and the Preparation Example.

상기 비교예 1의 초기 셀 전압이 1.95 V로 가장 높고, 전류 인가 72시간 후의 셀 전압 또한 2.01 V로 가장 높으며, 전압 손실은 0.83 mV/h이다. 상기 비교예 2는 상기 비교예 1과 초기 셀 전압이 동일하지만, 전류 인가 72시간 후의 셀 전압은 1.9 V로, 상기 비교예 1에 비해 낮았다. 상기 비교예 2는 전압 손실이 -0.69 mV/h로 성능이 초기보다 향상되었다.The initial cell voltage of Comparative Example 1 was the highest at 1.95 V, the cell voltage 72 hours after current application was also the highest at 2.01 V, and the voltage loss was 0.83 mV/h. Comparative Example 2 had the same initial cell voltage as Comparative Example 1, but the cell voltage 72 hours after current application was 1.9 V, which was lower than Comparative Example 1. In Comparative Example 2, the voltage loss was -0.69 mV/h, and the performance was improved compared to the initial version.

상기 제조예 1 내지 상기 제조예 3은 점도가 다른 한개의 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 넣은 음극을 사용하였다. 제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 사용한 상기 제조예 1은 초기 및 72시간 전류 인가 후의 전압이 동일하며 전압 손실이 발생하지 않았다. 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 사용한 상기 제조예 2는 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 사용한 상기 제조예 3에 비해 초기 및 72시간 후의 전압이 0.07 V 높으나, 상기 제조예 2 및 상기 제조예 3의 전압 손실은 0.14 mV/h로 동일하며, 상기 비교예 1과 비교해보았을 때, (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 사용하는 것이 Nafion을 사용했을 경우보다 전압 손실이 적다는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 제조예 3은 초기 전압이 1.84 V이고, 전류 인가 72시간 후의 셀 전압 또한 1.85 V로, 상기 비교예 1 내지 상기 비교예 2 및 상기 제조예 1 내지 상기 제조예 6 중 가장 낮은 전압을 보인다. 따라서 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 사용하는 것이 Nafion을 사용하는 것 보다 내구성이 뛰어나다.Preparation Examples 1 to 3 used negative electrodes containing (hydroxypropyl)methyl cellulose with different viscosities. In Preparation Example 1 using first (hydroxypropyl)methyl cellulose, the initial voltage and after 72 hours of current application were the same, and no voltage loss occurred. Preparation Example 2 using the second (hydroxypropyl)methyl cellulose has a voltage 0.07 V higher at the beginning and after 72 hours than Preparation Example 3 using the third (hydroxypropyl)methyl cellulose, but Preparation Example 2 and the above The voltage loss of Preparation Example 3 is the same at 0.14 mV/h, and when compared to Comparative Example 1, it can be seen that the voltage loss when using (hydroxypropyl)methyl cellulose is less than when using Nafion. . In addition, Preparation Example 3 had an initial voltage of 1.84 V, and the cell voltage 72 hours after current application was also 1.85 V, the lowest voltage among Comparative Examples 1 to 2 and Preparation Examples 1 to 6. see. Therefore, using (hydroxypropyl)methyl cellulose is more durable than using Nafion.

상기 제조예 4 내지 상기 제조예 6은 점도가 다른 두개의 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 음극을 사용하였다. 상기 제조예 4 내지 상기 제조예 6은 상기 비교예 1에 비해 낮은 전압 손실을 보였으며, 상기 제조예 4 및 상기 제조예 6은 초기 전압보다 72시간의 전류 인가 후의 전압이 낮아져 전압의 손실이 발생하지 않고 성능이 향상되었다. 전압 손실 측정값은 상기 비교예 2가 -0.69 mV/h로 가장 성능이 우수하지만, 초기 전압 및 전류 인가 72시간 후의 전압이 상기 제조예에 비하여 높으며, 변동폭이 크다. 따라서, 측정 시간이 길어질 경우 상기 비교예 및 상기 제조예의 전압 손실 측정값이 달라질 수 있다. 그러므로, 전압 손실 측정값이 아닌 시간의 흐름에 따른 전압의 변동폭이 비교적 일정한 상기 제조예를 사용하는 것이 내구성이 우수하다고 볼 수 있다.Preparation Examples 4 to 6 used negative electrodes containing two (hydroxypropyl)methyl cellulose with different viscosities. Preparation Examples 4 to 6 showed lower voltage loss compared to Comparative Example 1, and Preparation Example 4 and Preparation Example 6 showed voltage loss after 72 hours of current application lower than the initial voltage, resulting in voltage loss. Performance has improved without doing so. In terms of voltage loss measurements, Comparative Example 2 had the best performance at -0.69 mV/h, but the initial voltage and voltage 72 hours after current application were higher than those of the Production Example, and the range of variation was large. Therefore, when the measurement time is long, the measured voltage loss values of the comparative example and the manufacturing example may differ. Therefore, it can be considered that durability is superior when using the above manufacturing example in which the voltage fluctuation range over time, rather than the measured voltage loss value, is relatively constant.

실험예 2 : 셀 성능 평가Experimental Example 2: Cell performance evaluation

상기 실험예 1에서 제조한 상기 제조예 1 내지 상기 제조예 6 및 상기 비교예 1 내지 상기 비교예 2의 수전해 음극을 각각 포함하는 스택을 이용해 성능을 평가하였다. 80 ℃의 온도의 물을 계속 공급해주며 측정을 진행하였으며, 2.0 Acm-2에서 24시간 간격으로 총 3회의 전압을 측정하여 성능을 평가하였다.Performance was evaluated using a stack containing the water electrolysis cathodes of Preparation Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 2 prepared in Experimental Example 1, respectively. Measurements were carried out while continuously supplying water at a temperature of 80°C, and performance was evaluated by measuring the voltage a total of three times at 2.0 Acm -2 at 24-hour intervals.

도 5는 성능 평가를 위해 시간에 따른 셀 전압을 측정한 그래프이며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.Figure 5 is a graph measuring cell voltage over time for performance evaluation, and the results are shown in Table 2 below.

Catalyst loading
(mg/cm2)
Catalyst loading
(mg/cm 2 )
Cell voltage(초기) at 2.0 A/cm2 Cell voltage (initial) at 2.0 A/cm 2 Cell voltage(after 24h) at 2.0 A/cm2 Cell voltage(after 24h) at 2.0 A/cm 2 Cell voltage(after 48h) at 2.0 A/cm2 Cell voltage(after 48h) at 2.0 A/cm 2 Cell voltage(after 72h) at 2.0 A/cm2 Cell voltage(after 72h) at 2.0 A/cm 2
비교예 1Comparative Example 1



≒ 1 mg/cm2




≒ 1 mg/cm 2
1.951.95 1.931.93 1.971.97 2.012.01
비교예 2Comparative Example 2 1.951.95 1.901.90 1.901.90 1.901.90 제조예 1Manufacturing Example 1 1.861.86 1.851.85 1.851.85 1.861.86 제조예 2Production example 2 1.911.91 1.891.89 1.911.91 1.921.92 제조예 3Production example 3 1.841.84 1.831.83 1.851.85 1.851.85 제조예 4Production example 4 1.871.87 1.871.87 1.861.86 1.861.86 제조예 5Production example 5 1.881.88 1.871.87 1.881.88 1.911.91 제조예 6Production example 6 1.901.90 1.881.88 1.881.88 1.881.88

도 5 및 상기 표 2를 보면, 상기 비교예 1은 전류 인가 24시간까지 1.95 V에서 1.93 V로 전압이 낮아지나, 전류 인가 24시간 후부터 72시간까지 가파른 상승세를 보인다. 따라서 Nafion을 사용한 상기 비교예 1은 셀 성능이 우수하지 못하다고 볼 수 있다. 상기 비교예 2는 전류 인가 24시간까지 전압이 급격히 하락하지만 24시간 후부터 일정하게 유지된다.Looking at Figure 5 and Table 2, the voltage of Comparative Example 1 decreases from 1.95 V to 1.93 V 24 hours after current application, but shows a steep increase from 24 hours to 72 hours after current application. Therefore, Comparative Example 1 using Nafion can be considered to have poor cell performance. In Comparative Example 2, the voltage drops sharply until 24 hours after current application, but remains constant after 24 hours.

이에 반해, 상기 제조예 1 내지 상기 제조예 6은 전체적으로 시간 경과에 따른 전압의 측정값이 그래프 상에서 1.83 V 내지 1.92 V로, 상기 비교예 1에 비해 전압 수치가 낮다. 특히, 상기 제조예 1 내지 상기 제조예 3 및 상기 제조예 5의 그래프가 전압이 낮아졌다가 상승하는 것에 비해 상기 제조예 4 및 상기 제조예 6은 시간의 흐름에 따라 전압이 낮게 유지된다. 또한, 상기 제조예 6은 전압 수치가 전류 인가 24시간 후부터 일정하게 유지되므로, 점도가 다른 두 개의 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 Ir/IrOx Black 촉매를 사용하여 제작한 음극의 성능이 가장 우수하다.On the other hand, in Preparation Examples 1 to 6, the overall measured voltage over time was 1.83 V to 1.92 V on the graph, which is lower than Comparative Example 1. In particular, compared to the graphs of Preparation Example 1 to Preparation Example 3 and Preparation Example 5 where the voltage decreases and then increases, the voltage of Preparation Example 4 and Preparation Example 6 remains low over time. In addition, in Preparation Example 6, the voltage value remains constant 24 hours after current application, so the performance of the anode manufactured using two (hydroxypropyl)methyl cellulose and Ir/IrOx Black catalysts with different viscosities is the best. .

실험예 3 : 친수성 평가Experimental Example 3: Hydrophilicity evaluation

도 6은 친수성 평가에서 접촉각을 나타낸 이미지이다. 친수성 평가의 기준은 접촉각의 크기이다. 상기 접촉각은 전극에 물을 떨어뜨린 후 3초 이내에 전극 표면과 물의 표면을 측정한 각도로, 접촉각이 30°이하일 때를 친수성의 기준으로 평가하였다.Figure 6 is an image showing the contact angle in hydrophilicity evaluation. The standard for evaluating hydrophilicity is the size of the contact angle. The contact angle is the angle measured between the surface of the electrode and the surface of the water within 3 seconds after dropping water on the electrode, and a contact angle of 30° or less was evaluated as the standard for hydrophilicity.

도 6의 Nafion을 바인더로 사용하여 제조한 전극인 비교예 1은 떨어뜨린 직후의 접촉각은 75.52°이고, 3초 후의 접촉각은 46.55°였다. 상기 비교예 1의 접촉각이 90°를 넘지 않아 소수성을 가지는 전극은 아니나 친수성이 높다고 보기에 어려움이 있다.Comparative Example 1, which is an electrode manufactured using Nafion as a binder in Figure 6, had a contact angle of 75.52° immediately after being dropped, and a contact angle of 46.55° after 3 seconds. The contact angle of Comparative Example 1 did not exceed 90°, so it is difficult to consider that it is not a hydrophobic electrode, but has high hydrophilicity.

PTFE를 바인더로 사용하여 제조한 전극인 비교예 2는 떨어뜨린 직후의 접촉각은 78.00°이고, 3초 후의 접촉각은 60.5°였다. 상기 비교예 2의 접촉각은 투하 3초 후에도 90°에 가까우므로 소수성에 가까운 전극으로 볼 수 있다.Comparative Example 2, an electrode manufactured using PTFE as a binder, had a contact angle of 78.00° immediately after being dropped, and a contact angle of 60.5° after 3 seconds. The contact angle of Comparative Example 2 was close to 90° even after 3 seconds of application, so it can be viewed as a nearly hydrophobic electrode.

제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 바인더로 사용하여 제조한 전극인 제조예 1은 상기 제조예1 상에 물을 떨어뜨린 직후의 접촉각이 25.07°이며, 3초 후의 접촉각은 7.50°로, 친수성을 가진 전극으로 볼 수 있다.Preparation Example 1, which is an electrode manufactured using first (hydroxypropyl)methyl cellulose as a binder, has a contact angle of 25.07° immediately after water is dropped on Preparation Example 1, and a contact angle after 3 seconds of 7.50°, showing hydrophilicity. It can be viewed as an electrode with .

제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 바인더로 사용하여 제조한 전극인 제조예 2는 전극에 물을 떨어뜨린 직후는 45.69°이며, 3초 후, 6.50°으로, 상기 제조예 1보다 초기 접촉각이 컸으나, 3초 후의 접촉각이 낮아 단기간에 전극에 물이 흡수되었다는 것을 알 수 있다. 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 바인더로 사용하여 제조한 전극인 제조예 3은 물을 떨어뜨린 직후는 39.25°이며, 3초후엔 9.00°로, 상기 제조예 2에 비해 초기 접촉각은 낮았으나 낮은 흡수도를 보였다. 그러나 상기 제조예 1 내지 상기 제조예 3은 상기 비교예 1 및 상기 비교예 2에 비하여 접촉각이 작으므로, 상기 비교예 1 및 상기 비교예 2에 비해 친수성이 높다는 것을 알 수 있다.Preparation Example 2, which is an electrode manufactured using second (hydroxypropyl)methyl cellulose as a binder, has an initial contact angle of 45.69° immediately after dropping water on the electrode and 6.50° after 3 seconds, which is higher than that of Preparation Example 1. Although it was large, the contact angle after 3 seconds was low, showing that water was absorbed into the electrode in a short period of time. Preparation Example 3, an electrode manufactured using third (hydroxypropyl)methyl cellulose as a binder, was 39.25° immediately after dropping the water, and 9.00° 3 seconds later, and the initial contact angle was lower than that of Preparation Example 2. It showed low absorption. However, Preparation Examples 1 to 3 have a smaller contact angle than Comparative Examples 1 and 2, so it can be seen that the hydrophilicity is higher than Comparative Examples 1 and 2.

제조예 4 내지 제조예 6은 점도가 다른 두 개의 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 바인더로 사용하여 제조한 전극이다. 상기 제조예 4 내지 상기 제조예 6은 물이 떨어진 직후의 접촉각이 상기 제조예 1보다 크다. 그러나, 상기 제조예 3 내지 상기 제조예 6은 상기 비교예 1 및 상기 비교예 2에 비하여 물을 떨어뜨린 직후의 접촉각이 작으며, 3초의 시간 경과 후의 접촉각 또한 최대 15.99°로, 상기 비교예에 비하여 측정값이 작으므로, 친수성이 높다고 볼 수 있다. 특히, 상기 제조예 4는 물을 떨어트린 직후의 접촉각이 45.21°였으나, 시간 경과 후의 접촉각은 6.57°로, 매우 빠른 흡수도를 보였다. 또한, (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 바인더로 사용한 상기 제조예 1 내지 상기 제조예 6은 약 1분 내지 약 2분 내로 물이 전부 흡수되었다.Preparation Examples 4 to 6 are electrodes manufactured using two types of (hydroxypropyl)methyl cellulose with different viscosities as binders. In Preparation Examples 4 to 6, the contact angle immediately after water was dropped was greater than that in Preparation Example 1. However, Preparation Examples 3 to 6 have a smaller contact angle immediately after dropping water compared to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and the contact angle after 3 seconds is also up to 15.99°, compared to Comparative Example 1 and Comparative Example 2. Since the measured value is small, it can be said that hydrophilicity is high. In particular, in Preparation Example 4, the contact angle immediately after dropping the water was 45.21°, but the contact angle after time was 6.57°, showing very fast absorption. In addition, in Preparation Examples 1 to 6 using (hydroxypropyl)methyl cellulose as a binder, all water was absorbed within about 1 minute to about 2 minutes.

따라서, 친수성을 띠는 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 전극을 사용하는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable to use an electrode containing hydrophilic (hydroxypropyl)methyl cellulose.

실험예 4 : FT-IR 평가Experimental Example 4: FT-IR evaluation

도 7은 Nafion 및 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스의 존재를 확인하기 위해 FT-IR을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 실험은 적외광 파장 영역 600 cm-1 내지 2000 cm-1에서 측정되었다. 비교예 1은 1237 cm-1 및 1157 cm-1 부근에서 제조예 4 내지 제조예 6과 구별되는 피크가 나타나므로, Nafion이 상기 비교예 1에 포함되었다는 것을 알 수 있다. 반면에 상기 제조예 4 내지 상기 제조예 6는 1260 cm-1 및 1110 cm-1에서 피크가 관찰되었으므로, (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스가 형성된 것을 알 수 있다.Figure 7 is a graph showing the results of FT-IR to confirm the presence of Nafion and (hydroxypropyl)methyl cellulose. The experiment was measured in the infrared light wavelength range of 600 cm -1 to 2000 cm -1 . Comparative Example 1 showed peaks distinct from Preparation Examples 4 to 6 around 1237 cm -1 and 1157 cm -1 , so it can be seen that Nafion was included in Comparative Example 1. On the other hand, Preparation Examples 4 to 6 were 1260 cm -1 and 1110 Since the peak was observed at cm -1 , it can be seen that (hydroxypropyl)methyl cellulose was formed.

본 발명은 단가가 높은 Nafion 대신 단가가 낮은 순수 셀룰로오스 계열인 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 바인더로 사용하여 수전해 전극을 형성하므로, 전극 제조에 있어서 가격을 절감할 수 있다. The present invention forms a water electrolysis electrode by using (hydroxypropyl)methyl cellulose, a pure cellulose type with a low cost, as a binder instead of Nafion, which has a high cost, thereby reducing the cost in electrode manufacturing.

상기 바인더로 사용되는 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스는 이온 전도성이 없는 물질이지만 물을 통해 수소 이온 전달이 가능하므로 상기 물질을 포함하여 전극을 제작하여도 이온 전도성이 유지된다. 또한, 셀룰로오스는 친수성 물질이므로, Nafion 바인더보다 친수성 전극을 형성할 수 있어 물을 통한 수소 이온 전달이 용이하다.(Hydroxypropyl)methyl cellulose used as the binder is a material without ionic conductivity, but is capable of transferring hydrogen ions through water, so ionic conductivity is maintained even when an electrode is manufactured including the material. Additionally, since cellulose is a hydrophilic material, it can form a more hydrophilic electrode than a Nafion binder, making it easier to transfer hydrogen ions through water.

상기 바인더로 셀룰로오스를 사용함에 따라 전류 인가 시 전압 수치 및 전압 손실 정도가 낮고, 점도가 다른 두 바인더를 포함할 경우 과부하 또는 단전 등의 부하 변동 상황에 대처가 유연해져 음극의 손상을 줄여 음극의 내구성을 증가시킬 수 있다.As cellulose is used as the binder, the voltage value and voltage loss degree are low when current is applied, and when two binders with different viscosities are included, it is flexible in responding to load changes such as overload or power outage, thereby reducing damage to the cathode and thus durability of the cathode. can increase.

상기 음극 제조 시 IPA 겔화를 통하여 상기 셀룰로오스가 고분자화되어 가교 결합이 강화되면 강도가 향상된 음극을 얻을 수 있다.When manufacturing the negative electrode, the cellulose is polymerized through IPA gelation and crosslinking is strengthened, thereby obtaining a negative electrode with improved strength.

본 발명은 Nafion을 포함하는 전극에 비해 초기 셀 전압 수치가 낮고, 전류 인가 24시간을 기점으로 셀 전압 수치가 급격히 증가하는 Nafion을 포함하는 전극에 비해 셀 전압 수치가 낮은 상승폭을 유지한다. 또한, 특정 촉매를 사용할 경우, 시간의 경과에도 전압 수치가 일정하게 유지되어 우수한 셀 성능을 지닌다.In the present invention, the initial cell voltage value is lower than that of the electrode containing Nafion, and the cell voltage value maintains a low increase compared to the electrode containing Nafion, where the cell voltage value increases rapidly starting 24 hours after current application. Additionally, when using a specific catalyst, the voltage level remains constant over time, resulting in excellent cell performance.

따라서, 기존에 사용되고 있는 Nafion보다 가격이 저렴한 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 바인더를 포함하는 수전해 전극을 사용하여 음극의 내구성 및 성능을 향상시키고 전극 제조에 있어서 가격을 절감할 수 있다.Therefore, by using a water electrolysis electrode containing a (hydroxypropyl)methyl cellulose binder, which is cheaper than Nafion, which is currently used, the durability and performance of the cathode can be improved and the cost of electrode manufacturing can be reduced.

20 : End plate
21 : Current collector
22 : Bipolar plate
23 : Pt-coated Ti porous transport layer
24 : 수전해 음극
25 : 멤브레인
26 : Pt/C 양극
20: End plate
21: Current collector
22: Bipolar plate
23: Pt-coated Ti porous transport layer
24: Water electrolysis cathode
25: membrane
26: Pt/C anode

Claims (19)

수전해 음극에 전극 접합체로 사용되는 바인더에 있어서,
상기 바인더는 친수성을 가지는 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 음극용 바인더.
In the binder used as an electrode assembly for a water electrolysis cathode,
A binder for a water electrolysis cathode, characterized in that the binder contains (hydroxypropyl)methyl cellulose having hydrophilic properties.
제1항에 있어서,
상기 바인더는 점도가 500 cP 내지 1,500 cP인 제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스, 점도가 3,500 cP 내지 4,500 cP인 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 점도가 75,000 cP 내지 140,000 cP인 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 중 적어도 한 개 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 음극용 바인더.
According to paragraph 1,
The binder is a first (hydroxypropyl)methyl cellulose with a viscosity of 500 cP to 1,500 cP, a second (hydroxypropyl)methyl cellulose with a viscosity of 3,500 cP to 4,500 cP, and a third (hydroxypropyl)methyl cellulose with a viscosity of 75,000 cP to 140,000 cP. A binder for a water electrolysis cathode comprising at least one of hydroxypropyl)methyl cellulose.
제2항에 있어서,
상기 바인더는 상기 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 상기 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 음극용 바인더.
According to paragraph 2,
A binder for a water electrolysis cathode, characterized in that the binder includes the second (hydroxypropyl)methyl cellulose and the third (hydroxypropyl)methyl cellulose.
제2항에 있어서,
상기 바인더는 상기 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하되, 상기 제3 메틸 셀룰로오스의 점도는 100,000 cP인 것을 특징으로 하는 수전해 음극용 바인더.
According to paragraph 2,
The binder includes the third (hydroxypropyl)methyl cellulose, and the third methyl cellulose has a viscosity of 100,000 cP.
제1항에 있어서,
상기 바인더는 수소 이온 전도성이 없는 것을 특징으로 하는 수전해 음극용 바인더.
According to paragraph 1,
A binder for a water electrolysis cathode, characterized in that the binder has no hydrogen ion conductivity.
기재; 및
상기 기재 상에 형성된 음극을 포함하고,
상기 기재는 음극이 형성된 후 전극 제조 시 제거되며,
상기 음극은 수전해 반응에서 산소 발생의 활성을 높이기 위한 촉매 및 바인더로 구성되며,
상기 바인더는 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스로 구성되며, 친수성을 가져 15.99°이하의 접촉각을 가지는 것을 특징으로 하는 수전해 음극.
write; and
It includes a cathode formed on the substrate,
The substrate is removed during electrode manufacturing after the cathode is formed,
The cathode is composed of a catalyst and a binder to increase the activity of oxygen generation in the water electrolysis reaction,
The binder is composed of (hydroxypropyl)methyl cellulose, and is hydrophilic and has a contact angle of 15.99° or less.
제6항에 있어서,
상기 접촉각은 6.50°내지 15.99°의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 수전해 음극.
According to clause 6,
A water electrolysis cathode wherein the contact angle ranges from 6.50° to 15.99°.
제6항에 있어서,
상기 바인더는 점도가 500 cP 내지 1,500 cP인 제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스, 점도가 3,500 cP 내지 4,500 cP인 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 점도가 75,000 cP 내지 140,000 cP인 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 중 적어도 한 개 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 음극.
According to clause 6,
The binder is a first (hydroxypropyl)methyl cellulose with a viscosity of 500 cP to 1,500 cP, a second (hydroxypropyl)methyl cellulose with a viscosity of 3,500 cP to 4,500 cP, and a third (hydroxypropyl)methyl cellulose with a viscosity of 75,000 cP to 140,000 cP. A water electrolysis cathode comprising at least one of hydroxypropyl)methyl cellulose.
제8항에 있어서,
상기 바인더는 상기 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 상기 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 음극.
According to clause 8,
The water electrolysis cathode, wherein the binder includes the second (hydroxypropyl)methyl cellulose and the third (hydroxypropyl)methyl cellulose.
제8항에 있어서,
상기 바인더는 상기 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스를 포함하되, 상기 제3 메틸 셀룰로오스의 점도는 100,000 cP인 것을 특징으로 하는 수전해 음극.
According to clause 8,
The binder includes the third (hydroxypropyl)methyl cellulose, and the viscosity of the third methyl cellulose is 100,000 cP.
제6항에 있어서,
상기 바인더는 수소 이온 전도성이 없는 것을 특징으로 하는 수전해 음극.
According to clause 6,
A water electrolysis cathode, wherein the binder has no hydrogen ion conductivity.
제6항에 있어서,
상기 촉매는 IrO2 및 Ir/IrOx 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 음극.
According to clause 6,
A water electrolysis cathode, wherein the catalyst includes one of IrO 2 and Ir/IrOx.
제12항에 있어서,
상기 Ir/IrOx는 금속 이리듐, 이리듐(Ⅲ)-산화물(Ir2O3) 및 이리듐(Ⅳ)-산화물(IrO2)로 이루어진 군에서 선택되는 2종 이상의 이리듐 혼합상인 것을 특징으로 하는 수전해 음극.
According to clause 12,
The Ir/IrOx is a water electrolysis cathode characterized in that it is a mixed phase of two or more types of iridium selected from the group consisting of metal iridium, iridium(III)-oxide (Ir 2 O 3 ), and iridium(IV)-oxide (IrO 2 ). .
촉매, (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스인 바인더 및 용제를 혼합하여 슬러리를 제조하는 단계;
상기 슬러리를 볼 밀링하여 균일하게 분쇄 및 혼합된 슬러리를 수득하는 단계;
상기 분쇄 및 혼합된 슬러리 내의 용존 기체 제거를 위하여 상기 슬러리를 탈기하는 단계;
상기 탈기된 슬러리를 PI 필름 상에 bar coating하여 음극을 형성하는 단계;
상기 음극을 IPA 겔화를 통하여 상기 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스가 고분자화되어 강도가 향상된 음극을 형성하는 단계; 및
상기 강도가 향상된 음극을 오븐 건조하는 단계;
를 포함하는 수전해 음극의 제조방법.
Preparing a slurry by mixing a catalyst, a binder that is (hydroxypropyl)methyl cellulose, and a solvent;
ball milling the slurry to obtain a uniformly pulverized and mixed slurry;
Degassing the slurry to remove dissolved gases in the pulverized and mixed slurry;
Forming a cathode by bar coating the degassed slurry on a PI film;
forming a negative electrode with improved strength by polymerizing the (hydroxypropyl)methyl cellulose through IPA gelation of the negative electrode; and
Oven drying the cathode with improved strength;
A method of manufacturing a water electrolysis cathode comprising.
제14항에 있어서,
상기 바인더는 점도가 500 cP 내지 1,500 cP인 제1 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스, 점도가 3,500 cP 내지 4,500 cP인 제2 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 및 75,000 cP 내지 140,000 cP인 제3 (하이드록시프로필)메틸 셀룰로오스 중 적어도 한 개 이상을 선택하는 것을 특징으로 하는 수전해 음극의 제조방법.
According to clause 14,
The binder is a first (hydroxypropyl)methyl cellulose with a viscosity of 500 cP to 1,500 cP, a second (hydroxypropyl)methyl cellulose with a viscosity of 3,500 cP to 4,500 cP, and a third (hydroxypropyl)cellulose with a viscosity of 75,000 cP to 140,000 cP. A method for producing a water electrolysis cathode, characterized in that at least one of propyl) methyl cellulose is selected.
제14항에 있어서,
상기 음극은 친수성을 가져 접촉각이 15.99°이하인 것을 특징으로 하는 수전해 음극의 제조방법.
According to clause 14,
A method of manufacturing a water electrolysis cathode, wherein the cathode has hydrophilicity and has a contact angle of 15.99° or less.
제16항에 있어서,
상기 접촉각은 6.50°내지 15.99°의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 수전해 음극의 제조방법.
According to clause 16,
A method of manufacturing a water electrolysis cathode, characterized in that the contact angle has a range of 6.50° to 15.99°.
제14항에 있어서,
상기 용제는 DI Water, IPA 및 NMP로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 수전해 음극의 제조방법.
According to clause 14,
A method of manufacturing a water electrolysis cathode, wherein the solvent is at least one selected from the group consisting of DI Water, IPA, and NMP.
제14항에 있어서,
상기 음극은 IPA 겔화를 통하여 셀룰로오스를 고분자화하여 가교 결합을 강화시켜 상기 음극의 강도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 수전해 음극의 제조방법.
According to clause 14,
A method of manufacturing a water electrolysis negative electrode, characterized in that the strength of the negative electrode is improved by polymerizing cellulose through IPA gelation to strengthen crosslinking.
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US7008979B2 (en) * 2002-04-30 2006-03-07 Hydromer, Inc. Coating composition for multiple hydrophilic applications
GB0914562D0 (en) * 2009-08-20 2009-09-30 Johnson Matthey Plc Catalyst layer
FR2985523B1 (en) * 2012-01-06 2014-11-28 Commissariat Energie Atomique POROUS ELECTRODE FOR PROTON EXCHANGE MEMBRANE
CN107408743B (en) * 2015-03-13 2020-11-20 日本碍子株式会社 Air electrode, water electrolysis anode, metal-air battery and water electrolysis device
KR20200102471A (en) * 2017-12-22 2020-08-31 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니 Dispersed catalyst-containing anode composition for electrolytic devices

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