KR20240051841A - 수전해 장치용 확산 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 확산 전극을 구비하는 양이온 교환막 수전해 장치 - Google Patents

수전해 장치용 확산 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 확산 전극을 구비하는 양이온 교환막 수전해 장치 Download PDF

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Abstract

수전해 장치용 확산 전극의 제조방법이 개시된다. 수전해 장치용 확산 전극의 제조방법은, 촉매 입자가 분산된 잉크 조성물을 제조하는 단계; 상기 잉크 조성물을 티타늄계 다공성 확산층 일면에 스프레이 분사하는 단계; 및 상기 티타늄계 다공성 확산층 일면에 분사된 잉크 조성물을 건조하는 단계;를 포함한다.

Description

수전해 장치용 확산 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 확산 전극을 구비하는 양이온 교환막 수전해 장치{METHOD OF MANUFACTURING POROUS TRANSPORT ELECTRODES AND POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE WATER ELECTROLYSIS HAVING THE POROUS TRANSPORT ELECTRODE MANUFACTURED BY THE METHOD}
본 발명은 물을 전기분해하여 수소를 생성하는 장치 중 양이온 교환막을 적용한 수전해 장치의 확산전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 확산 전극을 구비하는 수전해 장치에 관한 것이다.
석유자원의 고갈문제와 일산화탄소, 이산화탄소 등에 의한 지구 온난화 문제, 미세먼지 발생 등 환경파괴로 인해 점차 석유 에너지를 활용한 산업에 대한 규제 및 제약이 많아지고 있다. 이에, 석유 에너지에 대한 대체 가능한 에너지로서 태양에너지, 수력에너지, 풍력에너지 등의 신재생 에너지 활용에 대한 연구가 집중되고 있으나, 발전 효율이 낮을 뿐만 아니라 전력의 안정적 공급이 어려운 한계점을 가지고 있다.
최근, 수소에너지를 이용한 연료전지의 실용화에 따라 수소에너지에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 수소는 단위 질량당 높은 에너지를 보유하고 환경문제를 야기하지 않으므로, 신재생에너지의 문제점을 극복할 수 있는 석유에너지의 대한 대체 에너지원으로 평가받고 있다.
그리고 수소를 에너지원으로 사용하는 추세에 발맞추어, 수소를 생산하는 분야도 크게 주목을 받고 있다. 특히, 수전해 장치를 통해 물(H2O)을 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하는 과정은 수소, 산소, 물 이외에 환경오염을 일으킬 만한 원인물질을 생성하지 않으므로, 친환경적 대체에너지의 가치를 가지고 있다.
수전해 기술은 1) 양이온 교환막을 사용하는 PEM (Proton Exchange Membrane) 수전해, 2) 알칼리 전해질을 이용한 알칼리 수전해 방법 (Alkaline electrolysis, AE), 3) 음이온 교환막을 사용하는 AEM(Anion Exchange Membrane) 수전해, 4) 고온의 수증기 조건하에서 세라믹 전해질을 활용한 HTE 수전해 (High Temperature Electrolysis) 등으로 나눌 수 있다.
이 중, 양이온 교환막(PEM) 수전해 장치는 일반적으로 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, OER)이 일어나는 양극(Anode), 수소발생반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)이 일어나는 음극(Cathode) 및 이들 사이에 배치되어 양이온을 선택적으로 투과시키는 양이온 교환막을 구비한다. 주로 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등을 촉매 물질로 포함하는 상기 양극에서 물(H2O)을 분해하여 수소 이온(H+)과 산소(O2)를 생성하는 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, OER)이 발생하고, 상기 산소발생반응에 의해 생성된 수소 이온은 상기 양이온 교환막을 통해 상기 음극으로 이동되며, 주로 백금(Pt)을 촉매 물질로 포함하는 상기 음극에서는 상기 수소 이온(H+)이 수소(H2)로 전환되는 수소발생반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)이 일어난다. 상기 양이온 교환막 수전해(PEM) 장치는 다른 수전해 장치에 비해 높은 수소이온 전도도로 인해 1 A/cm2 이상의 높은 전류밀도로 운전할 수 있는 것이 특징이다.
알카라인 수전해(AEC)는 알카리 전해액을 이용해 물을 전기분해 하는 방식으로서, 수전해 방법 중 가장 연구가 오래 진행된 만큼 안정적이고, 비(非)귀금속 촉매를 써서 단가가 저렴하고, 수소 생산 구조가 단순해 대용량 생산에 적합하며, 내구성이 높은 장점이 있다. 하지만, 35%에 이르는 알카리 전해액의 농도를 유지하기 위해 전해액을 계속 보충해야 하고, 알카리 성분으로 인한 부식 문제 및 낮은 전류밀도 효율, 고압 운전의 어려움 등은 해결해야 할 단점으로 꼽힌다.
음이온 교환막(AEM) 수전해는 Ni 등의 저가 촉매를 이용하여 OH- 이온이 멤브레인을 통해 넘어가 수소를 생산하는 기술이다. PEM 수전해에서의 수소 이온(H+)이 이동하는 것보다 이온 전달 속도가 현저히 느린 AEM 수전해에서의 운전 전류밀도는 0.4A/cm2 이하로 낮다. 거기에 더해, 멤브레인으로 주로 쓰이는 격막(diaphragm)에서의 높은 수소 투과도로 인해 수소의 순도가 낮고, 저 전류밀도에서는 전류효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다.
HTE 수전해는 고체산화물 전해질을 이용하여 높은 전류밀도로 운전할 수 있으나, 동작온도가 700℃ 이상으로 작은 시스템에서 활용이 어렵고, 고온 동작에 따른 재료의 내구성 확보가 쉽지 않아 상용화가 매우 더디게 진행되고 있다.
한편, 상기와 같이 수전해 기술 중 수전해 효율 및 성능 특성이 뛰어난 PEM 수전해의 경우, 고전압(1.7V 이상) 구동시에 물(H2O)의 공급이 원활하지 않아서 생기는 물질전달 손실(Mass transfer loss)이 발생하는 문제점이 있어왔으며, 이에 따라 물(H2O)의 공급속도를 늘리면 H2O이 촉매에 닿는 시간이 감소되어 효율이 떨어지고, 전류밀도가 감소하는 경향이 있었다.
따라서, PEM 수전해에서 고전압에서의 가동 효율을 높이기 위한 기술이 필요한 실정이다. 고전압에서의 가동 효율 향상의 방해요소로는 PTL(Porous Transport Layer)의 부식에 의한 전기전도도 감소 및 이로 인한 전류밀도 하강 등이 있고, 이를 방지할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
본 발명의 일 목적은 내구성 및 부식 안정성이 향상된 수전해 장치용 확산 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 확산 전극을 구비하는 양이온 교환막 수전해 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 수전해 장치용 확산 전극의 제조방법은, 촉매 입자가 분산된 잉크 조성물을 제조하는 제1 단계; 상기 잉크 조성물을 티타늄계 다공성 확산층 일면에 스프레이 분사하는 제2 단계; 및 상기 티타늄계 다공성 확산층 일면에 분사된 잉크 조성물을 건조하는 제3 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 촉매 입자는 이리듐(Ir) 금속, 이리듐 산화물, 루테늄(Ru) 금속, 루테늄 산화물, 이리듐 함유 합금, 루테늄 함유 합금, 이리듐 함유 복합 산화물 및 루테늄 함유 복합 산화물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 잉크 조성물은 상기 촉매 입자, 바인더 재료 및 용매를 포함하고, 상기 바인더 재료는 2,5-Dibromo-N-(2-ethylhexyl)-3,4-thiophenedicarboximide를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 잉크 조성물은, 전체 100 중량부를 기준으로 0.5~3 중량부의 상기 촉매 입자 및 0.5 내지 3 중량부의 상기 바인더 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예로, 상기 잉크 조성물은 초음파 스프레이 열분해(ultrasonic spray pyrolysis) 장치를 통해 상기 티타늄계 다공성 확산층의 일면에 분사될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 양이온 교환막 수전해 장치는, 양이온 교환 멤브레인; 상기 양이온 교환 멤브레인의 제1 면과 마주보게 배치된 확산 전극; 상기 양이온 교환 멤브레인의 제2 면과 마주보게 배치된 가스확산층(Gas Diffusion Layer); 및 상기 양이온 교환 멤브레인과 상기 가스확산층 사이에 배치된 캐소드 촉매층;을 포함하고, 상기 확산 전극은, 티타늄계 다공성 확산층 및 상기 양이온 교환 멤브레인과 마주보는 상기 티타늄계 다공성 확산층의 일면을 피복하는 애노드 촉매 코팅층을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 애노드 촉매 코팅층은, 이리듐(Ir) 금속, 이리듐 산화물, 루테늄(Ru) 금속, 루테늄 산화물, 이리듐 함유 합금, 루테늄 함유 합금, 이리듐 함유 복합 산화물 및 루테늄 함유 복합 산화물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 촉매 입자; 및 상기 촉매 입자를 상기 티타늄계 다공성 확산층에 결착시키고, 프로톤 전도성을 갖는 바인더 재료를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 애노드 촉매 코팅층은, 상기 촉매 입자와 상기 바인더 물질을 1:0.8 내지 1:1.2의 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명의 양이온 교환막 수전해 장치에 따르면, 상기 양이온 교환 멤브레인과 마주보는 상기 티타늄계 다공성 확산층의 일면이 상기 애노드 촉매 코팅층에 의해 보호되므로, 상기 티타늄계 다공성 확산층의 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 양이온 교환막 수전해 장치를 약 1.7 V 이상의 고전압 상태로 구동시키고 상기 양이온 교환막 수전해 장치의 애노드 공간에 공급되는 물의 양의 증가시키더라도 상기 티타늄계 다공성 확산층의 부식을 방지할 수 있고, 그 결과 물(H2O)의 공급이 원활하지 않아서 생기는 물질전달 손실(Mass transfer loss)이 발생하는 문제점을 해결할 수 있고, 상기 확산 전극의 부식에 의한 저항 증가를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 확산 전극의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양이온 교환막 수전해 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 제조예 1에 따라 제조된 확산전극에 대한 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 물(H2O)에서 수행된 가속 스트레스 시험(Accelerated Stress Test)의 결과를 나타낸 그래프들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수전해 장치용 확산 전극의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 양이온 교환막 수전해 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수전해 장치용(100) 확산 전극(120)의 제조방법은, 촉매 입자가 분산된 잉크 조성물을 제조하는 제1 단계(S110); 상기 잉크 조성물을 티타늄계 다공성 확산층 일면에 스프레이 분사하는 제2 단계(S120); 및 상기 티타늄계 다공성 확산층 일면에 분사된 잉크 조성물을 건조하는 제3 단계(S130);를 포함할 수 있다.
상기 제1 단계(S110)에 있어서, 상기 촉매 입자는 산소발생반응(Oxygen Evolution Reaction, OER)을 촉진할 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 촉매 입자는 이리듐(Ir) 금속, 이리듐 산화물, 루테늄(Ru) 금속, 루테늄 산화물, 이리듐 함유 합금, 루테늄 함유 합금, 이리듐 함유 복합 산화물, 루테늄 함유 복합 산화물 등으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 잉크 조성물은 상기 촉매 입자, 바인더 재료 및 용매를 포함할 수 있다. 상기 바인더 재료로는 프로톤 전도성 물질이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 바인더 재료로는 D5021(2,5-Dibromo-N-(2-ethylhexyl)-3,4-thiophenedicarboximide)이 사용될 수 있다. 상기 용매로는 물 또는 유기 용매가 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 용매로는 물(H2O)과 에탄올(EtOH)의 혼합용매가 사용될 수 있다.
일 실시예로, 상기 잉크 조성물은 전체 100 중량부를 기준으로 상기 촉매 입자를 약 0.5~3 중량부의 비율로, 그리고 상기 바인더 재료를 약 0.5 내지 3 중량부의 비율로 포함할 수 있다.
상기 제2 단계(S120)에 있어서, 상기 티타늄계 다공성 확산층(121)은 티타늄 펠트를 포함할 수 있다. 상기 잉크 조성물은 노즐을 이용한 스프레이 분사를 통해, 상기 티타늄계 다공성 확산층(121)의 일면에 분사될 수 있다. 일 실시예로, 상기 잉크 조성물은 초음파 스프레이 열분해(ultrasonic spray pyrolysis) 장치를 통해 상기 티타늄계 다공성 확산층(121)의 일면에 분사될 수 있다.
상기 제3 단계(S130)에 있어서, 상기 티타늄계 다공성 확산층(121)의 일면에 분사된 잉크 조성물을 약 70 내지 90℃에서 건조함으로써, 상기 용매를 제거할 수 있다. 이 경우, 상기 촉매 입자들은 상기 바인더 물질에 의해 상기 티타늄계 다공성 확산층(121)에 결착될 수 있다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 확산 전극(120)은 양이온 교환막 수전해 장치(100)에 적용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 양이온 교환막 수전해 장치(100)는, 양이온 교환 멤브레인(110), 상기 양이온 교환 멤브레인(110)의 제1 면과 마주보게 배치된 확산 전극(120), 상기 양이온 교환 멤브레인(110)의 제2 면과 마주보게 배치된 가스확산층(Gas Diffusion Layer)(130) 및 상기 양이온 교환 멤브레인(110)과 상기 가스확산층(130) 사이에 배치된 캐소드 촉매층(140)을 포함할 수 있다.
상기 양이온 교환 멤브레인(110)은 수소 이온을 선택적으로 통과시킬 수 있는 고분자막을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 양이온 교환 멤브레인(110)은 나피온(Nafion 115) 멤브레인을 포함할 수 있다.
상기 확산 전극(120)은 티타늄계 다공성 확산층(121) 및 이의 일면을 피복하는 애노드 촉매 코팅층(122)을 포함할 수 있고, 상기 애노드 촉매 코팅층(122)은 촉매 입자들 및 상기 촉매 입자들을 상기 티타늄계 다공성 확산층(122)의 일면에 결착시키는 프로톤 전도성 바인더 물질을 포함할 수 있다. 상기 확산 전극(120)은 상기 애노드 촉매 코팅층(122)의 표면이 상기 양이온 교환 멤브레인(110)과 접촉하도록 배치될 수 있다.
일 실시예로, 상기 애노드 촉매 코팅층(122)은, 상기 촉매 입자와 상기 바인더 물질을 약 1:0.8 내지 1:1.2의 중량비로 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 촉매 코팅층(122)은 상기 촉매 입자와 상기 바인더 물질을 약 1:1의 중량비로 포함할 수 있다.
상기 티타늄계 다공성 확산층(121)을 통해 물이 공급되면 상기 애노드 촉매 코팅층(122) 상에서는 하기 반응식 1의 산소 발생 반응이 일어날 수 있다.
[반응식 1]
상기 가스확산층(130)은 하기 반응식 2에 따라 생성된 수소를 외부로 이동시킬 수 있도록 다공성 구조를 가질 수 있고, 전기 전도성 특성을 가질 수 있다. 일 실시예로, 상기 가스확산층(130)은 탄소 펠트층을 포함할 수 있다.
상기 캐소드 촉매층(140)은 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reaction, HER)을 촉진하는 촉매 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 캐소드 촉매층(140)은 탄소 지지체 및 이의 표면 상에 담지된 백금을 포함하는 촉매 물질을 포함할 수 있다.
상기 반응식 1을 통해 생성된 수소 이온이 상기 양이온 교환 멤브레인(110)을 통과하여 상기 캐소드 촉매층(140)에 공급되면, 상기 캐소드 촉매층(140)에서는 하기 반응식 2의 수소 발생 반응이 일어날 수 있다.
[반응식 2]
일 실시예로, 상기 캐소드 촉매층(140)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 가스확산층(130)의 일면 상에 코팅되어 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 캐소드 촉매층(140)은 상기 양이온 멤브레인(110)의 제2 면 상에 코팅되어 형성될 수도 있다.
종래 양이온 교환막 수전해 장치의 경우, 저전류 밀도의 구동 조건에서는 수소이온이 멤브레인을 통해 캐소드로 공급되는 양이 산소를 발생하여 생성되는 전자의 양을 충족하여 전압이 상승하면서 전류도 같이 상승하지만, 고전류 밀도의 구동 조건에서는 생성되는 전자의 양보다 전달되는 수소이온이 양이 부족하여 물질전달 감소의 문제가 일어남과 동시에 티타늄계 다공성 확산층의 부식으로 저항이 증가되어 전류밀도가 감소하게 되고, 그 결과 성능 및 효율 또한 감소하게 된다.
하지만, 본 발명의 양이온 교환막 수전해 장치에 따르면, 상기 양이온 교환 멤브레인과 마주보는 상기 티타늄계 다공성 확산층의 일면이 상기 애노드 촉매 코팅층에 의해 보호되므로, 상기 티타늄계 다공성 확산층의 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 양이온 교환막 수전해 장치를 약 1.7 V 이상의 고전압 상태로 구동시키고 상기 양이온 교환막 수전해 장치의 애노드 공간에 공급되는 물의 양의 증가시키더라도 상기 티타늄계 다공성 확산층의 부식을 방지할 수 있고, 그 결과 H2O의 공급이 원활하지 않아서 생기는 물질전달 손실(Mass transfer loss)이 발생하는 문제점을 해결할 수 있고, 상기 확산 전극의 부식에 의한 저항 증가를 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 일부를 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<제조예 1: 확산전극(Porous Transport Electrode) 제조>
애노드(Anode) 촉매 물질인 IrO2(보야스에너지)와 에탄올(EtOH), 물(H2O) 및 프로톤 전도성 바인더 물질(D5021)을 1:80:2:1의 질량비율로 혼합하여 촉매 잉크 조성물을 형성하였다. 이어서, 상기 촉매 잉크 조성물을 초음파 스프레이 열분해(ultrasonic spray pyrolysis) 장치(보야스에너지)를 이용하여 크기의 티타늄 다공성 확산층의 일면에 도포하였다. 이어서, 티타늄 다공성 확산층의 일면에 도포된 촉매 잉크 조성물을 80℃에서 건조하여, 확산전극을 제조하였다. 도 3은 이와 같이 제조된 확산전극에 대한 사진이다.
<제조예 2: PEM 수전해 MEA 및 단위셀 제작>
탄소 페이퍼(SGL39BC) 및 이의 일면에 40wt.%의 Pt/C가 도포되어 형성된 캐소드 촉매층으로 이루어진 크기의 가스확산전극(Gas Diffusion Electrode, GDE)을 준비하였다. 상기 가스확산전극의 캐소드 촉매층 위에 양이온 교환막(Nafion 115) 및 제조예 1에서 제조된 확산전극을 순차적으로 적층한 후 110℃의 온도 조건 및 20 bar의 압력 조건에서 20분 동안 열융착하여 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 제조하였고, 이를 유로가 있는 단위셀에 넣고 체결하여 PEM 수전해 단위셀을 제조하였다. 이 때, 상기 확산전극은 애노드 촉매층이 상기 양이온 교환막과 접촉하도록 적층되었다.
<실험예: PEM 수전해 단위셀의 수전해 성능 평가>
온도제어기를 이용하여 제조예 2에 따라 제조된 PEM 수전해 단위셀의 온도를 80℃로 맞춘 후, 애노드 촉매층에 물(H2O)을 15 ml/min의 속도로 공급하였다. 이때, 라인히터를 이용하여 공급되는 물의 온도를 80℃로 미리 가열한 후 상기 애노드 촉매층에 공급하였다.
상기의 온도 조건에서 PEM 수전해 단위셀에 직류전원장치를 이용하여 1.4 V로부터 2.0 V까지 0.025V/50s의 승압 속도로 전압을 계단식으로 상승시키며 각각의 전압에서 발생된 전류밀도를 측정하였고, 그 결과를 도 4a에 나타내었다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 2.0V의 전압에서 측정된 전류밀도는 약 5.5 A/cm2이었다.
상기의 온도 조건에서 PEM 수전해 단위셀에 직류전원장치를 이용하여 3 A/cm2 고전류밀도를 15분간 유지하며 인가 전압을 측정하였고, 그 직후에 0.3 A/cm2의 저전류 밀도를 15분간 유지하며 인가 전압을 측정하였으며, 고전류밀도와 저전류밀도를 반복적으로 각각 15분간 유지하며 인가 전압의 상승 정도를 분석한 결과를 도 4b에 나타내었다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 3 A/cm2 고전류밀도에서의 확산전극의 전압은 100시간 동안 거의 일정하게 유지되었고, 이는 고전류밀도에서의 티타늄 확산층에 거의 부식이 일어나지 않았음을 의미한다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 수전해 장치 110: 양이온 교환 멤브레인
120: 확산전극 121: 다공성 확산층
122: 애노드 촉매 코팅층 130: 가스확산층
140: 캐소드 촉매층

Claims (8)

  1. 촉매 입자가 분산된 잉크 조성물을 제조하는 제1 단계;
    상기 잉크 조성물을 티타늄계 다공성 확산층 일면에 스프레이 분사하는 제2 단계; 및
    상기 티타늄계 다공성 확산층 일면에 분사된 잉크 조성물을 건조하는 제3 단계;를 포함하는, 수전해 장치용 확산 전극의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 입자는 이리듐(Ir) 금속, 이리듐 산화물, 루테늄(Ru) 금속, 루테늄 산화물, 이리듐 함유 합금, 루테늄 함유 합금, 이리듐 함유 복합 산화물 및 루테늄 함유 복합 산화물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 수전해 장치용 확산 전극의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 잉크 조성물은 상기 촉매 입자, 바인더 재료 및 용매를 포함하고,
    상기 바인더 재료는 2,5-Dibromo-N-(2-ethylhexyl)-3,4-thiophenedicarboximide를 포함하는, 수전해 장치용 확산 전극의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 잉크 조성물은, 전체 100 중량부를 기준으로 0.5~3 중량부의 상기 촉매 입자 및 0.5 내지 3 중량부의 상기 바인더 재료를 포함하는, 수전해 장치용 확산 전극의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 잉크 조성물은 초음파 스프레이 열분해(ultrasonic spray pyrolysis) 장치를 통해 상기 티타늄계 다공성 확산층의 일면에 분사되는, 수전해 장치용 확산 전극의 제조방법.
  6. 양이온 교환 멤브레인;
    상기 양이온 교환 멤브레인의 제1 면과 마주보게 배치된 확산 전극;
    상기 양이온 교환 멤브레인의 제2 면과 마주보게 배치된 가스확산층(Gas Diffusion Layer); 및
    상기 양이온 교환 멤브레인과 상기 가스확산층 사이에 배치된 캐소드 촉매층;을 포함하고,
    상기 확산 전극은, 티타늄계 다공성 확산층 및 상기 양이온 교환 멤브레인과 마주보는 상기 티타늄계 다공성 확산층의 일면을 피복하는 애노드 촉매 코팅층을 포함하는, 양이온 교환막 수전해 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 애노드 촉매 코팅층은,
    이리듐(Ir) 금속, 이리듐 산화물, 루테늄(Ru) 금속, 루테늄 산화물, 이리듐 함유 합금, 루테늄 함유 합금, 이리듐 함유 복합 산화물 및 루테늄 함유 복합 산화물로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 촉매 입자; 및
    상기 촉매 입자를 상기 티타늄계 다공성 확산층에 결착시키고, 프로톤 전도성을 갖는 바인더 재료를 포함하는, 양이온 교환막 수전해 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 애노드 촉매 코팅층은, 상기 촉매 입자와 상기 바인더 물질을 1:0.8 내지 1:1.2의 중량비로 포함하는, 양이온 교환막 수전해 장치.
KR1020230134502A 2022-10-12 2023-10-10 수전해 장치용 확산 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 확산 전극을 구비하는 양이온 교환막 수전해 장치 KR20240051841A (ko)

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