WO2021137513A1 - 고내구성을 갖는 연료전지용 전극, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 막-전극 어셈블리 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an electrode for a fuel cell, a method for manufacturing the same, and a membrane-electrode assembly including the same, and more particularly, to agglomeration, precipitation, dissolution, and/or agglomeration of metal catalyst particles.
  • the present invention relates to an electrode for a fuel cell having high durability by preventing catalyst deterioration due to migration, a method for manufacturing the same, and a membrane-electrode assembly including the same.
  • a polymer that generates electricity using a stacked structure of unit cells consisting of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (also referred to as a 'bipolar plate') Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) is attracting attention as a next-generation energy source that can replace fossil energy due to its high energy efficiency and eco-friendly features.
  • the membrane-electrode assembly generally includes an anode (also referred to as an 'fuel electrode'), a cathode (also referred to as an 'air electrode'), and a Polymer Electrolyte Membrane (PEM) between them. do.
  • anode also referred to as an 'fuel electrode'
  • cathode also referred to as an 'air electrode'
  • PEM Polymer Electrolyte Membrane
  • platinum or a platinum-based alloy having high catalytic activity and high corrosion resistance is used as a metal catalyst for forming an electrode for a fuel cell.
  • a catalyst formed by dispersing metal catalyst particles on the surface of a support having electrical conductivity eg, carbon, metal oxide, C 3 N 4, etc.
  • electrical conductivity eg, carbon, metal oxide, C 3 N 4, etc.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an electrode for a conventional fuel cell before and after a voltage cycling test (VC test).
  • a typical electrode for a fuel cell includes a catalyst 10 and an ionomer layer 20 on the catalyst 10 .
  • the catalyst 10 includes a support 11 and metal catalyst particles 12 supported on the support 11 .
  • the present invention relates to an electrode for a fuel cell capable of avoiding problems due to the limitations and disadvantages of the related art, a manufacturing method thereof, and a membrane-electrode assembly including the same.
  • One aspect of the present invention is to provide an electrode for a fuel cell having high durability by preventing catalyst deterioration due to aggregation, deposition, elution, and/or movement of metal catalyst particles.
  • Another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing an electrode for a fuel cell having high durability by preventing catalyst deterioration due to aggregation, deposition, elution, and/or movement of metal catalyst particles.
  • Another aspect of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly having high durability.
  • a catalyst comprising a support and metal catalyst particles supported on the support; and an ionomer layer coated on at least a portion of the catalyst, wherein the ionomer layer includes an ionomer and a chelating agent.
  • the ionomer layer may be bound to the catalyst only through a physical bond rather than a chemical bond.
  • the ionomer may be a fluorine-based ionomer or a hydrocarbon-based ionomer.
  • the chelating agent is dimercaprol, phthalocyanine, M-phthalocyanine (where M is Cu, Co, Fe, or Mo), penicillamine, succimer (succimer), deferoxamine, EDTA, EGTA, Prussian blue, vitamin B-12, alpha-lipoic acid ( ⁇ -lipoic acid), ethylenediamine, It may be triethylamine, phenanthroline, desferrioxamine, deferiprone, or a mixture of two or more thereof.
  • the chelating agent may be dimercaprol, penicillamine, succimer, alpha-lipoic acid, triethylamine, diperiprone, or a mixture of two or more thereof.
  • the chelating agent may comprise at least one S atom.
  • the chelating agent comprising at least one S atom may be dimercaprol, penicillamine, succimer, alpha-lipoic acid, or a mixture of two or more thereof.
  • the chelating agent may include at least two S atoms.
  • the chelating agent comprising at least two S atoms may be dimercaprol, succimer, alpha-lipoic acid, or a mixture of two or more thereof.
  • an electrode slurry comprising a catalyst, an ionomer, a chelating agent, and a dispersion medium; forming a slurry layer by coating the electrode slurry on a film or membrane; and removing the dispersion medium from the slurry layer.
  • the electrode slurry may include 0.01 to 10 parts by weight of the chelating agent based on 100 parts by weight of the ionomer.
  • the electrode slurry preparation step may include: preparing a mixture including the ionomer and the chelating agent; preparing a catalyst dispersion comprising the catalyst and the dispersion medium; mixing the mixture with the catalyst dispersion to obtain a mixture; and performing a dispersion process on the mixed solution using a homogenizer, a high pressure homogenizer, a ball mill, a powder mixer, or a resonant acoustic mixer. may include.
  • the catalyst dispersion preparation step may include wetting the catalyst with water; and dispersing the catalyst wetted with water in the dispersion medium.
  • the electrode slurry preparation step may include preparing a mixture including the ionomer and the chelating agent; preparing a catalyst dispersion containing the catalyst; mixing the mixture with the catalyst dispersion to obtain a mixture; performing a dispersion process on the mixed solution using a homogeneous mixer, a high-pressure disperser, a ball mill, a powder mixer, or a resonance acoustic mixer; drying the dispersed mixture to obtain a solid; heat-treating the solid; and dispersing the heat-treated solid material in the dispersion medium using a homogeneous mixer, a high-pressure disperser, a ball mill, a powder mixer, or a resonance acoustic mixer.
  • the catalyst dispersion may be prepared by dispersing the catalyst in water.
  • the electrode slurry preparation step may include: obtaining a first mixed solution by mixing the ionomer dispersion containing the ionomer and the catalyst dispersion containing the catalyst; performing a dispersion process on the first mixed solution using a homogeneous mixer, a high-pressure disperser, a ball mill, a powder mixer, or a resonance acoustic mixer; drying the dispersed first mixed solution to obtain a solid; heat-treating the solid; mixing the heat-treated solid material with the dispersion medium to obtain a second mixed solution; preparing a mixture comprising the ionomer and the chelating agent; mixing the mixture with the second liquid mixture to obtain a third liquid mixture; and performing a dispersion process on the third mixed solution using a homogeneous mixer, a high-pressure disperser, a ball mill, a powder mixer, or a resonance acoustic mixer.
  • the catalyst dispersion may include water as a dispersion medium.
  • the electrode slurry preparation step may include preparing a mixture including the ionomer and the chelating agent; preparing a catalyst dispersion containing the catalyst; mixing a portion of the mixture with the catalyst dispersion to obtain a first mixture; performing a dispersion process on the first mixed solution using a homogeneous mixer, a high-pressure disperser, a ball mill, a powder mixer, or a resonance acoustic mixer; drying the dispersed first mixed solution to obtain a solid; heat-treating the solid; mixing the heat-treated solid material and the remainder of the mixture with the dispersion medium to obtain a second mixture; and performing a dispersion process on the second mixed solution using a homogeneous mixer, a high-pressure disperser, a ball mill, a powder mixer, or a resonance acoustic mixer.
  • the catalyst dispersion may be prepared by dispersing the catalyst in water.
  • the ionomer layer including the chelating agent together with the ionomer covers at least a part of the catalyst by forming an electrode for a fuel cell using the electrode slurry to which the chelating agent is added.
  • the ionomer layer of the present invention holds the metal ions derived from the metal catalyst particles and allows them to return to their original positions when the environment changes, thereby inhibiting aggregation and deposition of metal catalyst particles and preventing the dissolution and movement of the metal catalyst. have.
  • an electrode for a fuel cell and a membrane-electrode assembly including the same by preventing catalyst deterioration due to aggregation, deposition, elution, and/or movement of metal catalyst particles, and thus, fuel cell can increase the lifespan of
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a conventional fuel cell electrode before and after a voltage cycling test (VC test),
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention after a voltage cycling test
  • Example 4 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of an electrode formed of the electrode slurry of Example 1;
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an electrode 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • the electrode 100 for a fuel cell of the present invention includes a catalyst 110 and an ionomer layer 120 coated on at least a portion of the catalyst 110 .
  • the catalyst 110 includes a support 111 and metal catalyst particles 112 supported on the support 111 .
  • the carrier 111 may be (i) a carbon-based carrier, (ii) a porous inorganic oxide carrier such as zircotia, alumina, titania, silica, and ceria, or (iii) a zeolite carrier.
  • the carbon-based carrier is graphite, super P (super P), carbon fiber (carbon fiber), carbon sheet (carbon sheet), carbon black (carbon black), Ketjen black (Ketjen Black), Denka black (Denka black), acetylene Black (acetylene black), carbon nanotube (CNT), carbon sphere, carbon ribbon, fullerene, active carbon (active carbon), carbon nanowire (carbon nanowire), Carbon nanoball, carbon nanohorn, carbon nanocage, carbon nanoring, ordered nano-/meso-porous carbon, carbon airgel (carbon aerogel), mesoporous carbon (mesoporous carbon), graphene (graphene), stabilized carbon (stabilized carbon), or a combination of two or more thereof.
  • the metal catalyst particles 112 may be platinum (Pt) particles or platinum-based alloy particles.
  • the platinum-based alloy is Pt-Pd, Pt-Mn, Pt-Sn, Pt-Mo, Pt-W, Pt-Ru, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Ni, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru -Rh-Ni, Pt-Ru-Sn-W, Pt-Ru-Ir-Ni, Pt-Co, Pt-Co, Pt-Co-Mn, Pt-Co-Ni, Pt-Co-Fe, Pt-Co-Ir, Pt -Co-S, Pt-Co-P, Pt-Fe, Pt-Fe-Ir, Pt-Fe-S, Pt-Fe-P, Pt-Au-Co, Pt-Au-Fe, Pt-Au-Ni , Pt-Ni, Pt-Ni-Ir, Pt-Cr, or Pt-Cr-Ir.
  • the ionomer layer 120 of the present invention includes an ionomer and a chelating agent.
  • the ionomer layer 120 is bonded to the catalyst 110 only through a physical bond rather than a chemical bond, thereby preventing deterioration of catalytic activity of the catalyst 110 .
  • the ionomer of the ionomer layer 120 is for cation transfer and also functions as a binder for improving adhesion between the catalyst 110 and the polymer electrolyte membrane (PEM).
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the ionomer may have at least one ion conductive group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxyl group, a boronic acid group, a phosphoric acid group, an imide group, a sulfonimide group, a sulfonamide group, and a sulfonic acid fluoride group.
  • the ionomer may be a fluorine-based ionomer such as poly(perfluorosulfonic acid) or poly(perfluorocarboxylic acid).
  • the ionomer is sulfonated polyimide (S-PI), sulfonated polyarylethersulfone (S-PAES), sulfonated polyetheretherketone (SPEEK) , sulfonated polybenzimidazole (SPBI), sulfonated polysulfone (S-PSU), sulfonated polystyrene (S-PS), sulfonated polyphosphazene (S-PS) polyphosphazene), sulfonated polyquinoxaline, sulfonated polyketone, sulfonated polyphenylene oxide, sulfonated polyether sulfone, sulfonate Sulfonated polyether ketone, sulfonated polyphenylene sulfone, sulfonated polyphenylene sulfide, sulfonated polyphenylene sulfide sulfone ),
  • the chelating agent of the ionomer layer 120 holds the metal ions derived from the metal catalyst particles 112 as the fuel cell is driven for a long period of time, and allows them to return to their original positions when the environment changes. ) to inhibit aggregation and deposition and to prevent elution and migration of metal catalysts.
  • FIG 3 is a schematic view showing an electrode for a fuel cell according to an embodiment of the present invention after a voltage cycling test, wherein the metal ion (Pt 2+ ) derived from the metal catalyst particle 111b is a chelating agent [dimercaprol] ] and the aggregation (111a) of the metal catalyst particles is minimized, and the metal ions (Pt 2+ ) can later return to the original metal catalyst particles 111b according to the environmental change, so It shows that catalyst 110 degradation due to/or migration can be prevented.
  • the metal ion (Pt 2+ ) derived from the metal catalyst particle 111b is a chelating agent [dimercaprol] ]
  • the aggregation (111a) of the metal catalyst particles is minimized, and the metal ions (Pt 2+ ) can later return to the original metal catalyst particles 111b according to the environmental change, so It shows that catalyst 110 degradation due to/or migration can be prevented.
  • the chelating agent of the present invention is dimercaprol, phthalocyanine, M-phthalocyanine (where M is Cu, Co, Fe, or Mo), penicillamine, Succimer, deferoxamine, EDTA, EGTA, Prussian blue, vitamin B-12, alpha-lipoic acid, ethylenediamine ), triethylamine, phenanthroline, desferrioxamine, deferiprone, or a mixture of two or more thereof, more preferably dimercaprol, penicillamine, succimer, alpha-lipoic acid, triethylamine, diperiprone, or a mixture of two or more thereof.
  • the chelating agent of the present invention preferably contains at least one S atom and may be, for example, dimercaprol, penicillamine, succimer, alpha-lipoic acid, or a mixture of two or more thereof.
  • the chelating agent of the present invention contains at least two S atoms, and may be, for example, dimercaprol, succimer, alpha-lipoic acid, or a mixture of two or more thereof.
  • the S atom binds better with the metal ion derived from the metal catalyst particle 111b than other atoms (for example, the N atom), and the bonding force is also stronger, effectively trapping the metal ion to increase the durability of the electrode 100.
  • dimercaprol forms chelate bonds well enough to be biochemically used as an antidote for heavy metals.
  • the method of the present invention comprises the steps of (i) preparing an electrode slurry comprising a catalyst, an ionomer, a chelating agent, and a dispersion medium, (ii) coating the electrode slurry on a film or membrane to form a slurry layer forming a slurry layer, and (iii) removing the dispersion medium from the slurry layer.
  • the dispersion medium may be water, a hydrophilic solvent, an organic solvent, or a mixture of two or more thereof.
  • the hydrophilic solvent contains a linear or branched saturated or unsaturated hydrocarbon having 1 to 12 carbon atoms as a main chain and is selected from the group consisting of alcohol, isopropyl alcohol, ketone, aldehyde, carbonate, carboxylate, carboxylic acid, ether and amide. It may be a compound having one or more selected functional groups.
  • the organic solvent may be N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylsulfoxide (DMSO), tetrahydrofuran (THF), dimethylacetamide (DMAc), or a mixture of two or more thereof, but is not limited thereto.
  • NMP N-methylpyrrolidone
  • DMSO dimethylsulfoxide
  • THF tetrahydrofuran
  • DMAc dimethylacetamide
  • the dispersion medium of the electrode slurry may be ethanol, distilled water, isopropyl alcohol, normal propyl alcohol, butanol, or a mixture of two or more thereof, but is not limited thereto.
  • the electrode slurry may include 0.01 to 10 parts by weight of the chelating agent based on 100 parts by weight of the ionomer. If the chelate content is less than 0.01 parts by weight, a satisfactory effect of preventing deterioration of the catalyst cannot be obtained. On the other hand, when the content of the chelate exceeds 10 parts by weight, the activity of the metal catalyst may be inhibited, which may cause deterioration of the fuel cell performance.
  • An electrode is formed on at least one surface of the polymer electrolyte membrane (PEM) through decal transfer or direct coating using the electrode slurry.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the electrode slurry is coated on a release film to form a slurry layer, and the dispersion medium is removed from the slurry layer through a drying process to form an electrode, and the electrode is a polymer electrolyte membrane (PEM). ) in a state in which the release film and the polymer electrolyte membrane (PEM) are laminated and subjected to hot pressing, and then the release film is removed.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • a slurry layer is formed by coating the electrode slurry on one surface of a polymer electrolyte membrane (PEM) with a mask film having an electrode window placed on it, and a drying process is performed to form the slurry layer. After removing the dispersion medium from the electrode to form an electrode, the mask film is removed.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the electrode slurry of the present invention may be prepared through various methods.
  • a first method for preparing an electrode slurry includes (i) preparing a mixture comprising the ionomer and the chelating agent, (ii) preparing a catalyst dispersion comprising the catalyst and the dispersion medium (iii) mixing the mixture with the catalyst dispersion to obtain a mixed solution, and (iv) a homogenizer, high pressure homogenizer, ball mill, powder mixer , or performing a dispersion process on the mixed solution using a resonant acoustic mixer.
  • a mixture comprising the ionomer and the chelating agent may be obtained by adding the chelating agent to the ionomer dispersion and then homogeneously mixing.
  • the ionomer dispersion may be a commercially available fluorine-based ionomer dispersion (eg, Nafion dispersion).
  • the catalyst dispersion may be obtained by wetting the catalyst with water and then dispersing it in the dispersion medium for the electrode slurry of the present invention described above.
  • the reason why the catalyst is wetted with water is that due to the high reactivity of the catalyst, the catalyst may ignite when first contacted with alcohol or the like.
  • a second method for preparing an electrode slurry includes (i) preparing a mixture comprising the ionomer and the chelating agent, (ii) preparing a catalyst dispersion comprising the catalyst, (iii) using the mixture A step of mixing with the catalyst dispersion to obtain a mixed solution, (iv) performing a dispersion process on the mixed solution using a homogeneous mixer, a high pressure disperser, a ball mill, a powder mixer, or a resonant acoustic mixer, (v) the dispersed mixed solution drying to obtain a solid, (vi) heat-treating the solid, and (vii) dispersing the heat-treated solid in the dispersion medium using a homogenous mixer, high-pressure disperser, ball mill, powder mixer, or resonant acoustic mixer. may include.
  • a mixture comprising the ionomer and the chelating agent may be obtained by adding the chelating agent to the ionomer dispersion and then homogeneously mixing.
  • the ionomer dispersion may be a commercially available fluorine-based ionomer dispersion (eg, Nafion dispersion).
  • the catalyst dispersion may be prepared by dispersing the catalyst in water.
  • the reason for using water as a dispersion medium is that, due to the high reactivity of the catalyst, the catalyst may ignite when first contacted with alcohol or the like.
  • the drying step may be performed at 60 to 90° C. for 5 to 10 hours, and the heat treatment step may be performed at 90 to 150° C. for 1 to 3 hours.
  • a third method for preparing the electrode slurry includes the steps of (i) mixing the ionomer dispersion containing the ionomer and the catalyst dispersion containing the catalyst to obtain a first mixed solution, (ii) a homogeneous mixer, high pressure disperser, ball mill, powder performing a dispersion process on the first mixed solution using a mixer or a resonant acoustic mixer, (iii) drying the dispersed first mixed solution to obtain a solid, (iv) heat-treating the solid, ( v) mixing the heat-treated solid material with the dispersion medium to obtain a second mixture solution, (vi) preparing a mixture containing the ionomer and the chelating agent, (vii) mixing the mixture with the second mixture solution Obtaining a third mixed solution, and (viii) performing a dispersion process on the third mixed solution using a homogeneous mixer, a high pressure disperser, a ball mill, a powder mixer, or a reson
  • the ionomer dispersion may be a commercially available fluorine-based ionomer dispersion (eg, Nafion dispersion).
  • the catalyst dispersion may include water as a dispersion medium.
  • the drying step may be performed at 60 to 90° C. for 5 to 10 hours, and the heat treatment step may be performed at 90 to 150° C. for 1 to 3 hours.
  • a fourth method for preparing an electrode slurry includes (i) preparing a mixture comprising the ionomer and the chelating agent, (ii) preparing a catalyst dispersion comprising the catalyst, (iii) a portion of the mixture to obtain a first mixed solution by mixing with the catalyst dispersion, (iv) performing a dispersion process for the first mixed solution using a homogeneous mixer, high pressure disperser, ball mill, powder mixer, or resonant acoustic mixer, (v) ) drying the dispersed first mixed solution to obtain a solid, (vi) heat-treating the solid, (vii) mixing the heat-treated solid and the remainder of the mixture with the dispersion medium to obtain a second mixed solution, and (viii) performing a dispersion process on the second mixed solution using a homogeneous mixer, a high-pressure disperser, a ball mill, a powder mixer, or a resonance acoustic mixer.
  • a mixture comprising the ionomer and the chelating agent may be obtained by adding the chelating agent to the ionomer dispersion and then homogeneously mixing.
  • the ionomer dispersion may be a commercially available fluorine-based ionomer dispersion (eg, Nafion dispersion).
  • the catalyst dispersion may be prepared by dispersing the catalyst in water.
  • the drying step may be performed at 60 to 90° C. for 5 to 10 hours, and the heat treatment step may be performed at 90 to 150° C. for 1 to 3 hours.
  • the membrane of the present invention by forming an anode and a cathode on both sides of a polymer electrolyte membrane (PEM) according to the above-described decal transfer method or direct coating method using the electrode slurry prepared according to any one of the four methods described above.
  • An electrode assembly (MEA) may be manufactured.
  • the membrane-electrode assembly (MEA) of the present invention comprises an anode, a cathode, and a polymer electrolyte membrane (PEM) therebetween, wherein only one of the anode and the cathode is the electrode of the present invention, and the other is a conventional It may be an electrode.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • a mixture was obtained by adding 0.04 g of dimercaprol to 5 g of a poly(perfluorosulfonic acid) dispersion (solid content: 10 wt.%) and then homogeneously mixing. 1 g of the Pt/C catalyst was wetted with water and then dispersed in 10 g of a dispersion medium (isopropyl alcohol) to obtain a catalyst dispersion. After mixing the mixture and the catalyst dispersion to obtain a mixed solution, a dispersion process was performed on the mixed solution using a high-pressure disperser to complete an electrode slurry.
  • a dispersion medium isopropyl alcohol
  • a mixture was obtained by adding 0.04 g of dimercaprol to 5 g of a poly(perfluorosulfonic acid) dispersion (solid content: 10 wt.%) and then mixing homogeneously.
  • 1 g of Pt/C catalyst was dispersed in 100 g of water to obtain a catalyst dispersion.
  • a dispersion process using a high-pressure disperser was performed on the mixed solution.
  • the dispersed mixture was dried at 80° C. for 8 hours to obtain a solid, which was heat-treated at 120° C. for 2 hours.
  • the electrode slurry was completed by dispersing the heat-treated solid in 10 g of a dispersion medium (isopropyl alcohol) using a high-pressure disperser.
  • the catalyst dispersion obtained by dispersing 1 g of a Pt/C catalyst in 100 g of water was homogeneously mixed with 4 g of a poly(perfluorosulfonic acid) dispersion (solid content: 10 wt.%) to obtain a first mixture.
  • a dispersion process was performed on the first mixed solution using a high-pressure disperser.
  • the dispersed first liquid mixture was dried at 80° C. for 8 hours to obtain a solid, which was heat-treated at 120° C. for 2 hours.
  • the heat-treated solid was mixed with 10 g of a dispersion medium (isopropyl alcohol) to obtain a second liquid mixture.
  • the second mixed solution was mixed with a mixture of 0.04 g of dimercaprol and 1 g of a poly(perfluorosulfonic acid) dispersion (solid content: 10 wt.%) to obtain a third mixed solution. Then, the electrode slurry was completed by performing a dispersion process on the third mixed solution using a high-pressure disperser.
  • dimercaprol was added to 5 g of poly(perfluorosulfonic acid) dispersion (solid content: 10 wt.%) and then homogeneously mixed to obtain a total of 5.04 g of a mixture.
  • 1 g of Pt/C catalyst was dispersed in 100 g of water to obtain a catalyst dispersion. 4 g of the mixture and the catalyst dispersion were mixed to obtain a first mixture. Then, a dispersion process was performed on the first mixed solution using a high-pressure disperser. The dispersed first liquid mixture was dried at 80° C. for 8 hours to obtain a solid, which was heat-treated at 120° C. for 2 hours.
  • the heat-treated solid, 1.04 g of the above mixture, and 10 g of a dispersion medium (isopropyl alcohol) were mixed to obtain a second liquid mixture. Then, the electrode slurry was completed by performing a dispersion process on the second mixed solution using a high-pressure disperser.
  • a catalyst dispersion was obtained by soaking 1 g of a Pt/C catalyst in water and then dispersing it in 10 g of a dispersion medium (isopropyl alcohol). Then, the electrode slurry was completed by mixing the catalyst dispersion with 5 g of a poly(perfluorosulfonic acid) dispersion (solid content: 10 wt.%) and then performing a dispersion process using a high-pressure disperser.
  • a dispersion medium isopropyl alcohol
  • a catalyst dispersion obtained by dispersing 1 g of a Pt/C catalyst in 100 g of water was mixed with 5 g of a poly(perfluorosulfonic acid) dispersion (solid content: 10 wt.%) to obtain a mixture. Then, a dispersion process was performed on the mixed solution using a high-pressure disperser. The dispersed mixture was dried at 80° C. for 8 hours to obtain a solid, which was heat-treated at 120° C. for 2 hours. After mixing the heat-treated solid with 10 g of a dispersion medium (isopropyl alcohol), a dispersion process using a high-pressure disperser was performed to complete the electrode slurry.
  • a dispersion medium isopropyl alcohol
  • Electrochemically active area (ECSA) of the electrode by performing a CV (Cyclic Voltammetry) test (temperature: room temperature, electrolyte solution: 0.1M HClO 4 aqueous solution saturated with N 2 ) on the electrode using an electrochemical measuring device was measured. Then, after saturating the electrolyte solution with O 2 , a voltage cycling test (30,000 cycles) of 0.6 to 1.0 V was performed. Then, the ECSA of the electrode after the voltage cycling test was measured by the method described above.
  • CV Chemical Voltammetry
  • the ECSA reduction rate was calculated based on the ECSA measured values before and after the voltage cycling test, and the results are shown in Table 1 below.
  • Example 1 Example 2 Example 3 Example 4 Comparative Example 1 Comparative Example 2 ECSA Reduction Rate 35% 30% 33% 31% 46% 43%
  • the electrodes formed of the electrode slurries of the Examples generally exhibited a significantly lower ECSA reduction rate than the electrodes formed of the electrode slurries of the Comparative Examples.
  • FIG. 4 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of an electrode formed of the electrode slurry of Example 1. From FIG. 4, it can be seen that in the electrode formed of the electrode slurry of Example 1, the ionomer layer including the chelate is well distributed around the catalyst.
  • TEM transmission electron microscope
  • FIGS. 6 (a) and (b) are the electrodes formed from the electrode slurry of Comparative Example 1.

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Abstract

금속 촉매 입자의 응집, 침적, 용출, 및/또는 이동으로 인한 촉매 열화를 방지함으로써 높은 내구성을 갖는 연료전지용 전극, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 막-전극 어셈블리가 개시된다. 본 발명의 연료전지용 전극은, 담체 및 상기 담체 상에 담지되어 있는 금속 촉매 입자들을 포함하는 촉매; 및 상기 촉매의 적어도 일부 상에 코팅된 이오노머층을 포함하되, 상기 이오노머층은 이오노머 및 킬레이트제를 포함한다.

Description

고내구성을 갖는 연료전지용 전극, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 막-전극 어셈블리
본 발명은 연료전지용 전극, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 막-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 금속 촉매 입자의 응집(agglomeration), 침적(precipitation), 용출(dissolution), 및/또는 이동(migration)으로 인한 촉매 열화를 방지함으로써 높은 내구성을 갖는 연료전지용 전극, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.
막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)와 세퍼레이터(separator)['바이폴라 플레이트(bipolar plate)'라고 지칭되기도 함]로 이루어진 단위 셀(unit cell)들의 적층 구조를 이용하여 전기를 발생시키는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 높은 에너지 효율성과 친환경적 특징으로 인해 화석 에너지를 대체할 수 있는 차세대 에너지원으로 주목 받고 있다.
상기 막-전극 어셈블리는 일반적으로 애노드(anode)('연료극'이라고도 지칭됨), 캐소드(cathode)('공기극'이라고도 지칭됨), 및 이들 사이의 고분자 전해질막(Polymer Electrolyte Membrane: PEM)을 포함한다.
수소 가스와 같은 연료가 애노드에 공급되면, 애노드에서는 수소의 산화반응에 의해 수소 이온(H+)과 전자(e-)가 생성된다. 생성된 수소 이온은 고분자 전해질막(PEM)을 통해 캐소드로 전달되고, 생성된 전자는 외부 회로를 통해 캐소드에 전달된다. 캐소드에 공급되는 공기 중의 산소가 상기 수소이온 및 상기 전자와 결합하여 환원됨으로써 물이 생성된다.
연료전지용 전극 형성을 위한 금속 촉매(metal catalyst)로는 높은 촉매 활성 및 높은 내부식성을 갖는 백금 또는 백금계 합금이 사용되고 있다.
또한, 촉매의 활성 표면적을 증가시키기 위한 노력의 일환으로, 전기 전도성을 갖는 담체(support)(ex. 탄소, 금속 산화물, C3N4 등)의 표면 상에 금속 촉매 입자들을 분산시켜 형성한 촉매가 일반적으로 사용되고 있다.
도 1은 전압 사이클링 테스트(voltage cycling test: VC test) 전후의 통상의 연료전지용 전극을 보여주는 모식도(schematic diagram)이다.
통상의 연료전지용 전극은 촉매(10) 및 상기 촉매(10) 상의 이오노머층(20)을 포함한다. 상기 촉매(10)는 담체(11) 및 상기 담체(11) 상에 담지되어 있는 금속 촉매 입자들(12)을 포함한다.
도 1에 예시된 바와 같이, 연료전지가 장기간 구동되면 높은 전압 및 높은 산성 환경으로 인해 상기 금속 촉매의 응집(agglomeration)(11a), 침적(precipitation), 용출(dissolution), 및/또는 이동(migration)(11b)이 야기되어 상기 촉매(10)의 열화(degradation)가 가속화된다. 따라서, 연료전지의 장기간 구동에 따른 촉매의 열화를 방지하는 것이 연료전지의 내구성 및 수명 향상에 매우 중요하다.
촉매의 열화를 방지하기 위한 일환으로 금속 촉매 입자의 표면을 탄소 껍질로 코팅하는 것이 제안되기도 하였으나, 상기 탄소 껍질은 촉매의 활성 면적을 감소시키고 가스 및/또는 물과 같은 물질의 전달을 방해하여 연료전지의 출력 성능을 저하시킨다는 점에서 바람직하지 않다. 또한, 탄소 껍질을 도입하는 별도의 공정이 필요해 경제적이지 않다.
따라서, 본 발명은 위와 같은 관련 기술의 제한 및 단점들에 기인한 문제점들을 방지할 수 있는 연료전지용 전극, 그 제조방법, 및 그것을 포함하는 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.
본 발명의 일 관점은, 금속 촉매 입자의 응집, 침적, 용출, 및/또는 이동으로 인한 촉매 열화를 방지함으로써 높은 내구성을 갖는 연료전지용 전극을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 관점은, 금속 촉매 입자의 응집, 침적, 용출, 및/또는 이동으로 인한 촉매 열화를 방지함으로써 높은 내구성을 갖는 연료전지용 전극을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 관점은, 높은 내구성을 갖는 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
위에서 언급된 본 발명의 관점 외에도, 본 발명의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 설명되거나, 그러한 설명으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
위와 같은 본 발명의 일 관점에 따라, 담체(support) 및 상기 담체 상에 담지되어 있는 금속 촉매 입자들을 포함하는 촉매; 및 상기 촉매의 적어도 일부 상에 코팅된 이오노머층(ionomer layer)을 포함하되, 상기 이오노머층은 이오노머 및 킬레이트제를 포함하는, 연료전지용 전극이 제공된다.
상기 이오노머층은 화학적 결합이 아닌 물리적 결합을 통해서만 상기 촉매와 결합되어 있을 수 있다.
상기 이오노머는 불소계 이오노머 또는 탄화수소계 이오노머일 수 있다.
상기 킬레이트제는 디메르카프롤(dimercaprol), 프탈로시아닌(phthalocyanine), M-프탈로시아닌(M-phthalocyanine)(여기서, M은 Cu, Co, Fe, 또는 Mo임), 페니실라민(penicillamine), 석시머(succimer), 데페록사민(deferoxamine), EDTA, EGTA, 프러시안 블루(prussian blue), 비타민 B-12(vitamin B-12), 알파-리포산(α-lipoic acid), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 트리에틸아민(triethylamine), 페난트롤린(penanthroline), 데스페리옥사민(desferrioxamine), 디페리프론(deferiprone), 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 킬레이트제는 디메르카프롤, 페니실라민, 석시머, 알파-리포산, 트리에틸아민, 디페리프론, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 킬레이트제는 적어도 1개의 S 원자를 포함할 수 있다.
적어도 1개의 S 원자를 포함하는 상기 킬레이트제는 디메르카프롤, 페니실라민, 석시머, 알파-리포산, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 킬레이트제는 적어도 2개의 S 원자들을 포함할 수 있다.
적어도 2개의 S 원자를 포함상기 킬레이트제는 디메르카프롤, 석시머, 알파-리포산, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따라, 촉매, 이오노머, 킬레이트제, 및 분산매를 포함하는 전극 슬러리를 준비하는 단계; 상기 전극 슬러리를 필름(film) 또는 막(membrane) 상에 코팅하여 슬러리층(slurry layer)을 형성하는 단계; 및 상기 슬러리층으로부터 상기 분산매를 제거하는 단계를 포함하는, 연료전지용 전극 제조방법이 제공된다.
상기 전극 슬러리는 상기 이오노머 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 10 중량부의 상기 킬레이트제를 포함할 수 있다.
상기 전극 슬러리 준비 단계는, 상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물(mixture)을 준비하는 단계; 상기 촉매와 상기 분산매를 포함하는 촉매 분산액(catalyst dispersion)을 준비하는 단계; 상기 혼합물을 상기 촉매 분산액과 혼합하여 혼합액을 얻는 단계; 및 균질 혼합기(homogenizer), 고압 분산기(high pressure homogenizer), 볼밀(ball mill), 파우더 믹서(powder mixer), 또는 공명 음향 혼합기(resonant acoustic mixer)를 이용하여 상기 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 촉매 분산액 준비 단계는, 상기 촉매를 물로 적시는 단계; 및 물로 적셔진 상기 촉매를 상기 분산매에 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전극 슬러리 준비 단계는, 상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계; 상기 촉매를 포함하는 촉매 분산액을 준비하는 단계; 상기 혼합물을 상기 촉매 분산액과 혼합하여 혼합액을 얻는 단계; 균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계; 상기 분산된 혼합액을 건조시켜 고형물을 얻는 단계; 상기 고형물을 열처리하는 단계; 및 균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 열처리된 고형물을 상기 분산매에 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 촉매 분산액은 상기 촉매를 물에 분산시킴으로써 준비될 수 있다.
상기 전극 슬러리 준비 단계는, 상기 이오노머를 포함하는 이오노머 분산액과 상기 촉매를 포함하는 촉매 분산액을 혼합하여 제1 혼합액을 얻는 단계; 균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 제1 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계; 상기 분산된 제1 혼합액을 건조시켜 고형물을 얻는 단계; 상기 고형물을 열처리하는 단계; 상기 열처리된 고형물을 상기 분산매와 혼합하여 제2 혼합액을 얻는 단계; 상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계; 상기 혼합물을 상기 제2 혼합액과 혼합하여 제3 혼합액을 얻는 단계; 및 균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 제3 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 촉매 분산액은 물을 분산매로서 포함할 수 있다.
상기 전극 슬러리 준비 단계는, 상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계; 상기 촉매를 포함하는 촉매 분산액을 준비하는 단계; 상기 혼합물의 일부를 상기 촉매 분산액과 혼합하여 제1 혼합액을 얻는 단계; 균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 제1 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계; 상기 분산된 제1 혼합액을 건조시켜 고형물을 얻는 단계; 상기 고형물을 열처리하는 단계; 상기 열처리된 고형물과 상기 혼합물의 나머지를 상기 분산매와 혼합하여 제2 혼합액을 얻는 단계; 및 균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 제2 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 촉매 분산액은 상기 촉매를 물에 분산시킴으로써 준비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따라, 애노드; 캐소드; 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 고분자 전해질막을 포함하고, 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나는 제1항의 전극인, 막-전극 어셈블리가 제공된다.
위와 같은 본 발명에 대한 일반적 서술은 본 발명을 예시하거나 설명하기 위한 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다.
본 발명에 의하면, 킬레이트제가 첨가된 전극 슬러리를 이용하여 연료전지용 전극을 형성함으로써 이오노머와 함께 상기 킬레이트제를 포함하는 이오노머층이 상기 촉매의 적어도 일부를 덮도록 한다. 이러한 본 발명의 이오노머층은 상기 금속 촉매 입자로부터 파생되는 금속 이온을 붙잡아 두었다가 환경 변화시 다시 제자리로 복귀할 수 있도록 함으로써 금속 촉매 입자들의 응집 및 침적을 억제하고 금속 촉매의 용출 및 이동을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 금속 촉매 입자의 응집, 침적, 용출, 및/또는 이동으로 인한 촉매 열화를 방지함으로써 연료전지용 전극 및 그것을 포함하는 막-전극 어셈블리의 내구성을 향상시킬 수 있고, 따라서 연료전지의 수명을 늘릴 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕고 본 명세서의 일부를 구성하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들을 예시하며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명한다.
도 1은 전압 사이클링 테스트(voltage cycling test: VC test) 전후의 통상의 연료전지용 전극을 보여주는 모식도(schematic diagram)이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극의 모식도이고,
도 3은 전압 사이클링 테스트 후의 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극을 보여주는 모식도이고,
도 4는 실시예 1의 전극 슬러리로 형성된 전극의 투과전자현미경(TEM) 사진이고,
도 5의 (a) 및 (b)는 실시예 1의 전극 슬러리로 형성된 전극의 전압 사이클링 테스트 전후의 TEM 사진들이며,
도 6의 (a) 및 (b)는 비교예 1의 전극 슬러리로 형성된 전극의 전압 사이클링 테스트 전후의 TEM 사진들이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다. 다만, 아래에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 예시적 목적으로 제시되는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극(100)의 모식도이다.
도 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 전극(100)은 촉매(110) 및 상기 촉매(110)의 적어도 일부 상에 코팅된 이오노머층(ionomer layer)(120)을 포함한다.
상기 촉매(110)는 담체(111) 및 상기 담체(111) 상에 담지되어 있는 금속 촉매 입자들(112)을 포함한다.
상기 담체(111)는 (i) 탄소계 담체, (ii) 지르코티아, 알루미나, 티타니아, 실리카, 및 세리아와 같은 다공성 무기산화물 담체, 또는 (iii) 제올라이트 담체일 수 있다.
상기 탄소계 담체는 흑연, 수퍼피(super P), 탄소섬유(carbon fiber), 탄소시트(carbon sheet), 카본블랙(carbon black), 케첸 블랙(Ketjen Black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙(acetylene black), 카본나노튜브(carbon nanotube, CNT), 탄소구체(carbon sphere), 탄소리본(carbon ribbon), 풀러렌(fullerene), 활성탄소(active carbon), 카본 나노와이어(carbon nanowire), 카본 나노볼(carbon nanoball), 카본 나노혼(carbon nanohorn), 카본 나노케이지(carbon nanocage), 카본 나노링(carbon nanoring), 규칙성 나노다공성탄소(ordered nano-/meso-porous carbon), 카본 에어로겔(carbon aerogel), 메소포러스카본(mesoporous carbon), 그래핀(graphene), 안정화 카본(stabilized carbon), 또는 이들 중 2 이상의 조합일 수 있다.
상기 금속 촉매 입자(112)는 백금(Pt) 입자 또는 백금계 합금 입자일 수 있다.
상기 백금계 합금은 Pt-Pd, Pt-Mn, Pt-Sn, Pt-Mo, Pt-W, Pt-Ru, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Ni, Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-Rh-Ni, Pt-Ru-Sn-W, Pt-Ru-Ir-Ni, Pt-Co, Pt-Co-Mn, Pt-Co-Ni, Pt-Co-Fe, Pt-Co-Ir, Pt-Co-S, Pt-Co-P, Pt-Fe, Pt-Fe-Ir, Pt-Fe-S, Pt-Fe-P, Pt-Au-Co, Pt-Au-Fe, Pt-Au-Ni, Pt-Ni, Pt-Ni-Ir, Pt-Cr, 또는 Pt-Cr-Ir일 수 있다.
본 발명의 상기 이오노머층(120)은 이오노머 및 킬레이트제를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 이오노머층(120)은 화학적 결합이 아닌 물리적 결합을 통해서만 상기 촉매(110)와 결합됨으로써 상기 촉매(110)의 촉매 활성 저하를 방지할 수 있다.
상기 이오노머층(120)의 이오노머는 양이온 전달을 위한 것이며 상기 촉매(110)와 고분자 전해질막(PEM) 사이의 접착력 향상을 위한 바인더로서의 기능도 수행한다.
상기 이오노머는 술폰산기, 카르복실기, 보론산기, 인산기, 이미드기, 술폰이미드기, 술폰아미드기, 및 술폰산 플루오라이드기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 이온 전도성기를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 이오노머는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산) 등과 같은 불소계 이오노머일 수 있다.
대안적으로, 상기 이오노머는 술폰화된 폴리이미드(sulfonated polyimide: S-PI), 술폰화된 폴리아릴에테르술폰(sulfonated polyarylethersulfone: S-PAES), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(sulfonated polyetheretherketone: SPEEK), 술폰화된 폴리벤즈이미다졸(sulfonated polybenzimidazole: SPBI), 술폰화된 폴리술폰(sulfonated polysulfone: S-PSU), 술폰화된 폴리스티렌(sulfonated polystyrene: S-PS), 술폰화된 폴리포스파젠(sulfonated polyphosphazene), 술폰화된 폴리퀴녹살린(sulfonated polyquinoxaline), 술폰화된 폴리케톤(sulfonated polyketone), 술폰화된 폴리페닐렌옥사이드(sulfonated polyphenylene oxide), 술폰화된 폴리에테르술폰(sulfonated polyether sulfone), 술폰화된 폴리에테르케톤(sulfonated polyether ketone), 술폰화된 폴리페닐렌술폰(sulfonated polyphenylene sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드(sulfonated polyphenylene sulfide), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone), 술폰화된 폴리페닐렌설파이드술폰니트릴(sulfonated polyphenylene sulfide sulfone nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르(sulfonated polyarylene ether), 술폰화된 폴리아릴렌에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether nitrile), 술폰화된 폴리아릴렌에테르에테르니트릴(sulfonated polyarylene ether ether nitrile), 폴리아릴렌에테르술폰케톤(sulfonated polyarylene ether sulfone ketone) 등과 같은 탄화수소계 이오노머일 수 있다.
상기 이오노머층(120)의 킬레이트제는, 연료전지가 장기간 구동됨에 따라 금속 촉매 입자(112)로부터 파생되는 금속 이온을 붙잡아두었다가 환경 변화시 다시 제자리로 복귀할 수 있도록 허용함으로써 금속 촉매 입자들(112)의 응집 및 침적을 억제하고 금속 촉매의 용출 및 이동을 방지할 수 있다.
도 3은 전압 사이클링 테스트 후의 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전극을 보여주는 모식도로서, 금속 촉매 입자(111b)로부터 파생된 금속 이온(Pt2+)이 킬레이트제[디메르카프롤(dimercaprol)]와 배위결합을 함으로써 금속 촉매 입자들의 응집(111a)이 최소화되고, 상기 금속 이온(Pt2+)은 환경 변화에 따라 나중에 원래의 금속 촉매 입자(111b)로 복귀할 수 있어 금속 촉매의 용출 및/또는 이동으로 인한 촉매(110) 열화가 방지될 수 있음을 보여준다.
본 발명의 킬레이트제는 디메르카프롤(dimercaprol), 프탈로시아닌(phthalocyanine), M-프탈로시아닌(M-phthalocyanine)(여기서, M은 Cu, Co, Fe, 또는 Mo임), 페니실라민(penicillamine), 석시머(succimer), 데페록사민(deferoxamine), EDTA, EGTA, 프러시안 블루(prussian blue), 비타민 B-12(vitamin B-12), 알파-리포산(α-lipoic acid), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 트리에틸아민(triethylamine), 페난트롤린(penanthroline), 데스페리옥사민(desferrioxamine), 디페리프론(deferiprone), 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 디메르카프롤, 페니실라민, 석시머, 알파-리포산, 트리에틸아민, 디페리프론, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 킬레이트제는 적어도 1개의 S 원자를 포함하는 것이 바람직하며, 예를 들어 디메르카프롤, 페니실라민, 석시머, 알파-리포산, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 킬레이트제는 적어도 2개의 S 원자를 포함하는 것이 더욱 바람직하며, 예를 들어 디메르카프롤, 석시머, 알파-리포산, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있다.
S 원자는 다른 원자들(예를 들어, N 원자)에 비해 금속 촉매 입자(111b)로부터 파생되는 금속 이온과 더 잘 결합하고, 결합력도 더 강해 상기 금속 이온을 효과적으로 붙잡아 전극(100)의 내구성을 향상시킬 수 있다. 특히, 디메르카프롤은 생화학적으로도 중금속의 해독제로 사용될 만큼 킬레이트 결합을 잘 형성한다.
이하에서는, 본 발명의 연료전지용 전극(100)의 제조방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명의 방법은, (i) 촉매, 이오노머, 킬레이트제, 및 분산매를 포함하는 전극 슬러리를 준비하는 단계, (ii) 상기 전극 슬러리를 필름(film) 또는 막(membrane) 상에 코팅하여 슬러리층(slurry layer)을 형성하는 단계, 및 (iii) 상기 슬러리층으로부터 상기 분산매를 제거하는 단계를 포함한다.
상기 촉매, 상기 이오노머, 및 상기 킬레이트제 각각은 앞에서 구체적으로 설명하였으므로 이에 대한 설명은 여기서는 생략한다.
상기 분산매는 물, 친수성 용매, 유기용매, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 친수성 용매는 탄소수 1 내지 12의 선형 또는 분지형의 포화 또는 불포화 탄화수소를 주쇄로서 포함하고 알코올, 이소프로필 알코올, 케톤, 알데히드, 카보네이트, 카르복실레이트, 카르복실산, 에테르 및 아미드로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 관능기를 가진 화합물일 수 있다.
상기 유기 용매는 N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸술폭사이드(DMSO), 테트라하이드로퓨란(THF), 디메틸아세트아미드(DMAc) 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있으나, 이들로 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전극 슬러리의 분산매는 에탄올, 증류수, 이소프로필알콜, 노말프로필알콜, 부탄올, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물일 수 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.
상기 전극 슬러리는 상기 이오노머 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 10 중량부의 상기 킬레이트제를 포함할 수 있다. 상기 킬레이트 함량이 0.01 중량부 미만이면 만족할만한 촉매 열화 방지 효과를 얻을 수 없다. 반면, 상기 킬레이트 함량이 10 중량부를 초과하면 금속 촉매의 활성이 저해되어 연료전지의 성능 저하가 야기될 수 있다.
상기 전극 슬러리를 이용하여 데칼 전사(decal transfer) 또는 직접 코팅(direct coating)을 통해 고분자 전해질막(PEM)의 적어도 일 면 상에 전극을 형성한다.
즉, 데칼 전사 방식의 경우, 상기 전극 슬러리를 이형 필름 상에 코팅하여 슬러리층을 형성하고, 건조 공정을 통해 상기 슬러리층으로부터 상기 분산매를 제거하여 전극을 형성하고, 상기 전극이 고분자 전해질막(PEM)과 접촉하도록 상기 이형 필름과 상기 고분자 전해질막(PEM)을 적층한 상태에서 열압착(hot pressing)한 후 상기 이형 필름을 제거한다.
직접 코팅 방식의 경우, 고분자 전해질막(PEM)의 일 면 상에 전극 윈도우를 갖는 마스크 필름을 얹은 상태에서 상기 전극 슬러리를 상기 일 면 상에 코팅하여 슬러리층을 형성하고, 건조 공정을 통해 슬러리층으로부터 상기 분산매를 제거하여 전극을 형성한 후 상기 마스크 필름을 제거한다.
본 발명의 상기 전극 슬러리는 다양한 방법을 통해 준비될 수 있다.
전극 슬러리 준비를 위한 제1 방법은, (i) 상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물(mixture)을 준비하는 단계, (ii) 상기 촉매와 상기 분산매를 포함하는 촉매 분산액(catalyst dispersion)을 준비하는 단계, (iii) 상기 혼합물을 상기 촉매 분산액과 혼합하여 혼합액을 얻는 단계, 및 (iv) 균질 혼합기(homogenizer), 고압 분산기(high pressure homogenizer), 볼밀(ball mill), 파우더 믹서(powder mixer), 또는 공명 음향 혼합기(resonant acoustic mixer)를 이용하여 상기 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물은 이오노머 분산액에 상기 킬레이트제를 첨가한 후 균질하게 혼합함으로써 얻어질 수 있다. 상기 이오노머 분산액은 상업적으로 구매 가능한 불소계 이오노머 분산액(예를 들어, Nafion 분산액)일 수 있다.
상기 촉매 분산액은 상기 촉매를 물로 적신 후 상술한 본 발명의 전극 슬러리용 분산매에 분산시킴으로써 얻어질 수 있다. 상기 촉매를 물로 적시는 이유는 촉매의 높은 반응성으로 인해 촉매가 알코올 등과 먼저 접촉시 발화할 수 있기 때문이다.
전극 슬러리 준비를 위한 제2 방법은, (i) 상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계, (ii) 상기 촉매를 포함하는 촉매 분산액을 준비하는 단계, (iii) 상기 혼합물을 상기 촉매 분산액과 혼합하여 혼합액을 얻는 단계, (iv) 균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계, (v) 상기 분산된 혼합액을 건조시켜 고형물을 얻는 단계, (vi) 상기 고형물을 열처리하는 단계, 및 (vii) 균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 열처리된 고형물을 상기 분산매에 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물은 이오노머 분산액에 상기 킬레이트제를 첨가한 후 균질하게 혼합함으로써 얻어질 수 있다. 상기 이오노머 분산액은 상업적으로 구매 가능한 불소계 이오노머 분산액(예를 들어, Nafion 분산액)일 수 있다.
상기 촉매 분산액은 상기 촉매를 물에 분산시킴으로써 준비될 수 있다. 물을 분산매로 사용하는 이유는 촉매의 높은 반응성으로 인해 촉매가 알코올 등과 먼저 접촉시 발화할 수 있기 때문이다.
상기 건조 단계는 60 내지 90 ℃에서 5 내지 10 시간 수행될 수 있고, 상기 열처리 단계는 90 내지 150 ℃에서 1 내지 3 시간 수행될 수 있다.
전극 슬러리 준비를 위한 제3 방법은, (i) 상기 이오노머를 포함하는 이오노머 분산액과 상기 촉매를 포함하는 촉매 분산액을 혼합하여 제1 혼합액을 얻는 단계, (ii) 균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 제1 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계, (iii) 상기 분산된 제1 혼합액을 건조시켜 고형물을 얻는 단계, (iv) 상기 고형물을 열처리하는 단계, (v) 상기 열처리된 고형물을 상기 분산매와 혼합하여 제2 혼합액을 얻는 단계, (vi) 상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계, (vii) 상기 혼합물을 상기 제2 혼합액과 혼합하여 제3 혼합액을 얻는 단계, 및 (viii) 균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 제3 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이오노머 분산액은 상업적으로 구매 가능한 불소계 이오노머 분산액(예를 들어, Nafion 분산액)일 수 있다.
상기 촉매 분산액은 물을 분산매로서 포함할 수 있다.
상기 건조 단계는 60 내지 90 ℃에서 5 내지 10 시간 수행될 수 있고, 상기 열처리 단계는 90 내지 150 ℃에서 1 내지 3 시간 수행될 수 있다.
전극 슬러리 준비를 위한 제4 방법은, (i) 상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계, (ii) 상기 촉매를 포함하는 촉매 분산액을 준비하는 단계, (iii) 상기 혼합물의 일부를 상기 촉매 분산액과 혼합하여 제1 혼합액을 얻는 단계, (iv) 균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 제1 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계, (v) 상기 분산된 제1 혼합액을 건조시켜 고형물을 얻는 단계, (vi) 상기 고형물을 열처리하는 단계, (vii) 상기 열처리된 고형물과 상기 혼합물의 나머지를 상기 분산매와 혼합하여 제2 혼합액을 얻는 단계, 및 (viii) 균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 제2 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물은 이오노머 분산액에 상기 킬레이트제를 첨가한 후 균질하게 혼합함으로써 얻어질 수 있다. 상기 이오노머 분산액은 상업적으로 구매 가능한 불소계 이오노머 분산액(예를 들어, Nafion 분산액)일 수 있다.
상기 촉매 분산액은 상기 촉매를 물에 분산시킴으로써 준비될 수 있다.
상기 건조 단계는 60 내지 90 ℃에서 5 내지 10 시간 수행될 수 있고, 상기 열처리 단계는 90 내지 150 ℃에서 1 내지 3 시간 수행될 수 있다.
상술한 4가지 방법들 중 어느 한 방법에 따라 준비된 전극 슬러리를 이용하여 고분자 전해질막(PEM)의 양면에 애노드 및 캐소드를 상술한 데칼 전사 방식 또는 직접 코팅 방식에 따라 각각 형성함으로써 본 발명의 막-전극 어셈블리(MEA)를 제조할 수 있다.
대안적으로, 본 발명의 막-전극 어셈블리(MEA)는 애노드, 캐소드, 및 이들 사이의 고분자 전해질막(PEM)을 포함하되, 상기 애노드와 캐소드 중 하나만 본 발명의 전극이고, 다른 하나는 통상의 전극일 수 있다.
이하, 구체적 실시예들을 통해 본 발명을 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐으로 이것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되어서는 안된다.
실시예 1
0.04 g의 디메르카프롤(dimercaprol)을 5 g의 폴리(퍼플루오로술폰산) 분산액(고형물 함량: 10 wt.%)에 첨가한 후 균질하게 혼합함으로써 혼합물을 얻었다. 1 g의 Pt/C 촉매를 물로 적신 후 10 g의 분산매(이소프로필알코올)에 분산시켜 촉매 분산액을 얻었다. 상기 혼합물과 상기 촉매 분산액을 혼합하여 혼합액을 얻은 후, 고압 분산기를 이용하여 상기 혼합액에 대한 분산 공정을 수행함으로써 전극 슬러리를 완성하였다.
실시예 2
0.04 g의 디메르카프롤을 5 g의 폴리(퍼플루오로술폰산) 분산액(고형물 함량: 10 wt.%)에 첨가한 후 균질하게 혼합함으로써 혼합물을 얻었다. 1 g의 Pt/C 촉매를 100 g의 물에 분산시켜 촉매 분산액을 얻었다. 상기 혼합물과 상기 촉매 분산액을 혼합하여 혼합액을 얻은 후, 고압 분산기를 이용한 분산 공정을 상기 혼합액에 대하여 수행하였다. 상기 분산된 혼합액을 80℃에서 8 시간 동안 건조시켜 고형물을 얻었고, 이 고형물을 120℃에서 2 시간 동안 열처리하였다. 열처리된 고형물을 고압 분산기를 이용하여 10 g의 분산매(이소프로필알코올)에 분산시킴으로써 전극 슬러리를 완성하였다.
실시예 3
1 g의 Pt/C 촉매를 100 g의 물에 분산시켜 얻은 촉매 분산액을 4 g의 폴리(퍼플루오로술폰산) 분산액(고형물 함량: 10 wt.%)과 균질하게 혼합하여 제1 혼합액을 얻은 후 고압 분산기를 이용하여 상기 제1 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하였다. 상기 분산된 제1 혼합액을 80℃에서 8 시간 동안 건조시켜 고형물을 얻었고, 이 고형물을 120℃에서 2 시간 동안 열처리하였다. 열처리된 고형물을 10 g의 분산매(이소프로필알코올)와 혼합하여 제2 혼합액을 얻었다. 상기 제2 혼합액을 0.04 g의 디메르카프롤과 1 g의 폴리(퍼플루오로술폰산) 분산액(고형물 함량: 10 wt.%)의 혼합물과 혼합하여 제3 혼합액을 얻었다. 이어서, 고압 분산기를 이용하여 상기 제3 혼합액에 대한 분산 공정을 수행함으로써 전극 슬러리를 완성하였다.
실시예 4
0.04 g의 디메르카프롤을 5 g의 폴리(퍼플루오로술폰산) 분산액(고형물 함량: 10 wt.%)에 첨가한 후 균질하게 혼합함으로써 총 5.04 g의 혼합물을 얻었다. 1 g의 Pt/C 촉매를 100 g의 물에 분산시켜 촉매 분산액을 얻었다. 4 g의 상기 혼합물과 상기 촉매 분산액을 혼합하여 제1 혼합액을 얻었다. 이어서, 고압 분산기를 이용하여 상기 제1 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하였다. 상기 분산된 제1 혼합액을 80℃에서 8 시간 동안 건조시켜 고형물을 얻었고, 이 고형물을 120℃에서 2 시간 동안 열처리하였다. 열처리된 고형물, 1.04 g의 상기 혼합물, 및 10 g의 분산매(이소프로필알코올)를 혼합하여 제2 혼합액을 얻었다. 이어서, 고압 분산기를 이용하여 상기 제2 혼합액에 대한 분산 공정을 수행함으로써 전극 슬러리를 완성하였다.
비교예 1
1 g의 Pt/C 촉매를 물에 적신 후 10 g의 분산매(이소프로필알코올)에 분산시킴으로써 촉매 분산액을 얻었다. 이어서, 상기 촉매 분산액을 5 g의 폴리(퍼플루오로술폰산) 분산액(고형물 함량: 10 wt.%)과 혼합한 후 고압 분산기를 이용한 분산 공정을 수행함으로써 전극 슬러리를 완성하였다.
비교예 2
1 g의 Pt/C 촉매를 100 g의 물에 분산시켜 얻은 촉매 분산액을 5 g의 폴리(퍼플루오로술폰산) 분산액(고형물 함량: 10 wt.%)과 혼합하여 혼합액을 얻었다. 이어서, 고압 분산기를 이용하여 상기 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하였다. 분산된 상기 혼합액을 80℃에서 8 시간 동안 건조시켜 고형물을 얻었고, 이 고형물을 120℃에서 2 시간 동안 열처리하였다. 열처리된 상기 고형물을 10 g의 분산매(이소프로필알코올)와 혼합한 후 고압 분산기를 이용한 분산 공정을 수행함으로써 전극 슬러리를 완성하였다.
[CV 테스트 및 전압 사이클링 테스트]
전극 슬러리를 회전 디스크 전극(Rotating Disk Electrode: RDE)에 캐스팅 후 건조시킴으로써 전극을 제조하였다. 전기화학 측정장치를 이용하여 상기 전극에 대해 CV(Cyclic Voltammetry) 테스트(온도: 상온, 전해질 용액: N2로 포화된 0.1M의 HClO4 수용액)를 수행함으로써 상기 전극의 전기화학적 활성면적(ECSA)을 측정하였다. 이어서, 상기 전해질 용액을 O2로 포화시킨 후 0.6 내지 1.0 V의 전압 사이클링 테스트(30,000 사이클)를 수행하였다. 이어서, 상기 전압 사이클링 테스트 후의 상기 전극의 ECSA를 전술한 방법으로 측정하였다.
전압 사이클링 테스트 전후의 ECSA 측정값들을 기초로 ECSA 감소율을 산출하였으며, 그 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교예 1 비교예 2
ECSA 감소율 35% 30% 33% 31% 46% 43%
위 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예들의 전극 슬러리들로 형성된 전극들이 전반적으로 비교예들의 전극 슬러리들로 형성된 전극들보다 월등히 낮은 ECSA 감소율을 나타내었다.
한편, 도 4는 실시예 1의 전극 슬러리로 형성된 전극의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 4로부터, 실시예 1의 전극 슬러리로 형성된 전극에서 킬레이트를 포함하는 이오노머층이 촉매 주변으로 잘 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
도 5의 (a) 및 (b)는 실시예 1의 전극 슬러리로 형성된 전극의 전압 사이클링 테스트 전후의 TEM 사진들이며, 도 6의 (a) 및 (b)는 비교예 1의 전극 슬러리로 형성된 전극의 전압 사이클링 테스트 전후의 TEM 사진들이다.
도 5 및 도 6을 비교할 때, 전압 사이클링 테스트 수행에 따른 금속 촉매 입자의 응집 및 금속 촉매 용출이 비교예 1의 전극 슬러리로 형성된 전극에 비해 실시예 1의 전극 슬러리로 형성된 전극에서 훨씬 더 억제되었음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 전극에 포함되어 있는 킬레이트제가 촉매의 열화를 방지하여 전극의 내구성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

Claims (20)

  1. 담체(support) 및 상기 담체 상에 담지되어 있는 금속 촉매 입자들을 포함하는 촉매; 및
    상기 촉매의 적어도 일부 상에 코팅된 이오노머층(ionomer layer)
    을 포함하되,
    상기 이오노머층은 이오노머 및 킬레이트제를 포함하는,
    연료전지용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이오노머층은 화학적 결합이 아닌 물리적 결합을 통해서만 상기 촉매와 결합되어 있는,
    연료전지용 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이오노머는 불소계 이오노머 또는 탄화수소계 이오노머인,
    연료전지용 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 킬레이트제는 디메르카프롤(dimercaprol), 프탈로시아닌(phthalocyanine), M-프탈로시아닌(M-phthalocyanine)(여기서, M은 Cu, Co, Fe, 또는 Mo임), 페니실라민(penicillamine), 석시머(succimer), 데페록사민(deferoxamine), EDTA, EGTA, 프러시안 블루(prussian blue), 비타민 B-12(vitamin B-12), 알파-리포산(α-lipoic acid), 에틸렌디아민(ethylenediamine), 트리에틸아민(triethylamine), 페난트롤린(penanthroline), 데스페리옥사민(desferrioxamine), 디페리프론(deferiprone), 또는 이들 중 2 이상의 혼합물인,
    연료전지용 전극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 킬레이트제는 디메르카프롤, 페니실라민, 석시머, 알파-리포산, 트리에틸아민, 디페리프론, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물인,
    연료전지용 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 킬레이트제는 적어도 1개의 S 원자를 포함하는,
    연료전지용 전극.
  7. 제6항에 있어서,
    적어도 1개의 S 원자를 포함하는 상기 킬레이트제는 디메르카프롤, 페니실라민, 석시머, 알파-리포산, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물인,
    연료전지용 전극.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 킬레이트제는 적어도 2개의 S 원자들을 포함하는,
    연료전지용 전극.
  9. 제8항에 있어서,
    적어도 2개의 S 원자를 포함하는 상기 킬레이트제는 디메르카프롤, 석시머, 알파-리포산, 또는 이들 중 2 이상의 혼합물인,
    연료전지용 전극.
  10. 촉매, 이오노머, 킬레이트제, 및 분산매를 포함하는 전극 슬러리를 준비하는 단계;
    상기 전극 슬러리를 필름(film) 또는 막(membrane) 상에 코팅하여 슬러리층(slurry layer)을 형성하는 단계; 및
    상기 슬러리층으로부터 상기 분산매를 제거하는 단계
    를 포함하는,
    연료전지용 전극 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전극 슬러리는 상기 이오노머 100 중량부를 기준으로 0.01 내지 10 중량부의 상기 킬레이트제를 포함하는,
    연료전지용 전극 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전극 슬러리 준비 단계는,
    상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물(mixture)을 준비하는 단계;
    상기 촉매와 상기 분산매를 포함하는 촉매 분산액(catalyst dispersion)을 준비하는 단계;
    상기 혼합물을 상기 촉매 분산액과 혼합하여 혼합액을 얻는 단계; 및
    균질 혼합기(homogenizer), 고압 분산기(high pressure homogenizer), 볼밀(ball mill), 파우더 믹서(powder mixer), 또는 공명 음향 혼합기(resonant acoustic mixer)를 이용하여 상기 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계
    를 포함하는,
    연료전지용 전극 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 촉매 분산액 준비 단계는,
    상기 촉매를 물로 적시는 단계; 및
    물로 적셔진 상기 촉매를 상기 분산매에 분산시키는 단계
    를 포함하는,
    연료전지용 전극 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 전극 슬러리 준비 단계는,
    상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계;
    상기 촉매를 포함하는 촉매 분산액을 준비하는 단계;
    상기 혼합물을 상기 촉매 분산액과 혼합하여 혼합액을 얻는 단계;
    균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계;
    상기 분산된 혼합액을 건조시켜 고형물을 얻는 단계;
    상기 고형물을 열처리하는 단계; 및
    균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 열처리된 고형물을 상기 분산매에 분산시키는 단계
    를 포함하는,
    연료전지용 전극 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 촉매 분산액은 상기 촉매를 물에 분산시킴으로써 준비되는,
    연료전지용 전극 제조방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 전극 슬러리 준비 단계는,
    상기 이오노머를 포함하는 이오노머 분산액과 상기 촉매를 포함하는 촉매 분산액을 혼합하여 제1 혼합액을 얻는 단계;
    균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 제1 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계;
    상기 분산된 제1 혼합액을 건조시켜 고형물을 얻는 단계;
    상기 고형물을 열처리하는 단계;
    상기 열처리된 고형물을 상기 분산매와 혼합하여 제2 혼합액을 얻는 단계;
    상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계;
    상기 혼합물을 상기 제2 혼합액과 혼합하여 제3 혼합액을 얻는 단계; 및
    균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 제3 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계
    를 포함하는,
    연료전지용 전극 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 촉매 분산액은 물을 분산매로서 포함하는,
    연료전지용 전극 제조방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 전극 슬러리 준비 단계는,
    상기 이오노머와 상기 킬레이트제를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계;
    상기 촉매를 포함하는 촉매 분산액을 준비하는 단계;
    상기 혼합물의 일부를 상기 촉매 분산액과 혼합하여 제1 혼합액을 얻는 단계;
    균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 제1 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계;
    상기 분산된 제1 혼합액을 건조시켜 고형물을 얻는 단계;
    상기 고형물을 열처리하는 단계;
    상기 열처리된 고형물과 상기 혼합물의 나머지를 상기 분산매와 혼합하여 제2 혼합액을 얻는 단계; 및
    균질 혼합기, 고압 분산기, 볼밀, 파우더 믹서, 또는 공명 음향 혼합기를 이용하여 상기 제2 혼합액에 대한 분산 공정을 수행하는 단계
    를 포함하는,
    연료전지용 전극 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 촉매 분산액은 상기 촉매를 물에 분산시킴으로써 준비되는,
    연료전지용 전극 제조방법.
  20. 애노드;
    캐소드; 및
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 고분자 전해질막
    을 포함하고,
    상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나는 제1항의 전극인,
    막-전극 어셈블리.
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