Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
KR102957230B1 - Composition for fuel cell electrode and manufacturing method of the same - Google Patents
[go: Go Back, main page]

KR102957230B1 - Composition for fuel cell electrode and manufacturing method of the same - Google Patents

Composition for fuel cell electrode and manufacturing method of the same

Info

Publication number
KR102957230B1
KR102957230B1 KR1020210170527A KR20210170527A KR102957230B1 KR 102957230 B1 KR102957230 B1 KR 102957230B1 KR 1020210170527 A KR1020210170527 A KR 1020210170527A KR 20210170527 A KR20210170527 A KR 20210170527A KR 102957230 B1 KR102957230 B1 KR 102957230B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
fuel cell
composition
dispersant
forming
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020210170527A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20230082759A (en
Inventor
김형수
김준영
공낙원
김정호
이주성
박찬미
Original Assignee
코오롱인더스트리 주식회사
Filing date
Publication date
Application filed by 코오롱인더스트리 주식회사 filed Critical 코오롱인더스트리 주식회사
Priority to KR1020210170527A priority Critical patent/KR102957230B1/en
Publication of KR20230082759A publication Critical patent/KR20230082759A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102957230B1 publication Critical patent/KR102957230B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/8668Binders
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8825Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8828Coating with slurry or ink
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • H01M4/921Alloys or mixtures with metallic elements
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90Selection of catalytic material
    • H01M4/92Metals of platinum group
    • H01M4/925Metals of platinum group supported on carriers, e.g. powder carriers

Abstract

본 발명은 담체 및 상기 담체에 담지된 금속 입자를 포함하는 촉매, 분산제, 및 이오노머를 포함하고, 상기 분산제는 아민 화합물을 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for forming a fuel cell electrode comprising a catalyst including a carrier and metal particles supported on the carrier, a dispersant, and an ionomer, wherein the dispersant comprises an amine compound, and a method for manufacturing the same.

Description

 연료전지 전극 형성용 조성물 및 이의 제조방법 {COMPOSITION FOR FUEL CELL ELECTRODE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}Composition for forming a fuel cell electrode and method of manufacturing the same

본 발명은 연료전지 전극 형성용 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 전극 형성용 조성물에 포함된 촉매의 분산성을 개선함과 동시에, 별도의 추가 공정이 없이 전극의 제조과정에서 용이하게 제거될 수 있는 휘발성 분산제를 도입함으로써 연료전지 전극의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 전극 형성용 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for forming a fuel cell electrode and a method for manufacturing the same. More specifically, the invention relates to a composition for forming a fuel cell electrode and a method for manufacturing the same, which can improve the performance and durability of a fuel cell electrode by introducing a volatile dispersant that can be easily removed during the electrode manufacturing process without a separate additional process, while simultaneously improving the dispersibility of a catalyst included in the composition for forming the electrode.

연료전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연 기체와 같은 탄화 수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 이러한 연료전지의 대표적 예로는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)를 들 수 있다. 상기 PEMFC는 차세대 에너지원으로 각광받고 있으며 특히 자동차 관련 분야에서 친환경 이미지 등의 이점으로 인해 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.A fuel cell is a power generation system that directly converts the chemical reaction energy of hydrogen and oxygen contained within hydrocarbon-based substances, such as methanol, ethanol, and natural gas, into electrical energy. A representative example of such a fuel cell is the Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC). PEMFCs are gaining attention as a next-generation energy source, and active research for commercialization is underway, particularly in the automotive sector, due to advantages such as their eco-friendly image.

상기 연료전지 시스템에 있어서, 전기를 실질적으로 발생시키는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 애노드 전극(일명, 연료극 또는 산화 전극이라 한다)과 캐소드 전극(일명, 공기극 또는 환원 전극이라고 한다)이 위치하는 구조를 가진다. 각 전극은 촉매, 이오노머, 용매 및 첨가제로 구성되어 있고, 상기 구성요소 중 촉매는 연료전지의 활성 및 내구성을 결정하는 주요 인자이다.In the above fuel cell system, the membrane electrode assembly (MEA) that substantially generates electricity has a structure in which an anode electrode (also known as the fuel electrode or oxidation electrode) and a cathode electrode (also known as the air electrode or reduction electrode) are positioned with a polymer electrolyte membrane containing a hydrogen ion-conducting polymer in between. Each electrode is composed of a catalyst, an ionomer, a solvent, and additives, and among these components, the catalyst is a major factor determining the activity and durability of the fuel cell.

산화극 및 환원극에 사용되는 촉매로는 비표면적이 크고 전기 전도성이 우수한 탄소 지지체에 백금 나노 입자를 담지 시킨 Pt/C 촉매가 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 Pt/C 촉매는 고가의 금속인 순수 백금을 사용하여 제조됨에 따라 촉매의 가격을 상승시키는 주요 원인이고, 환원극의 산소 환원 반응으로 인해서 백금 표면에 산소가 흡착되어 백금 산화물이 생성되면서 발생되는 과전압에 의하여 30% 가량의 에너지 손실을 발생시켜 상용화를 지연시키는 주요 원인이 되고 있다.Pt/C catalysts, which support platinum nanoparticles on a carbon support with a large specific surface area and excellent electrical conductivity, are the most widely used catalysts for oxidation and reduction electrodes. However, Pt/C catalysts are manufactured using pure platinum, an expensive metal, which is a major cause of the increase in catalyst costs. Furthermore, the overpotential generated by the formation of platinum oxides through the adsorption of oxygen on the platinum surface due to the oxygen reduction reaction at the reduction electrode causes an energy loss of approximately 30%, which is a major cause of delaying commercialization.

또한, 상기 촉매는 최근 수송용 연료전지의 요구 조건과 맞물려 내구성의 증대가 요구됨에 따라 흑연화된 탄소, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 고결정성 탄소를 담체로 활용해 내구성을 증대시키고 있다. 그러나, 이 경우에도 연료전지를 구동함에 따라 상기 촉매 입자의 응집 또는 담체로부터 탈리가 문제되는데, 이는 근본적으로는 백금 등의 촉매가 산소종을 경유해 용해되는 열역학적 특징이 원인이며, 백금 입자들의 뭉침 현상과 탄소 담체의 부식 등이 그 원인이 된다. In addition, as the need for increased durability is required in conjunction with the recent requirements for transportation fuel cells, the above catalyst utilizes highly crystalline carbon such as graphitized carbon, carbon nanotubes, and graphene as a support to enhance durability. However, even in this case, the aggregation of the catalyst particles or their detachment from the support becomes a problem when the fuel cell is operated. This is fundamentally caused by the thermodynamic characteristics of the catalyst, such as platinum, dissolving via oxygen species, and is caused by the aggregation of platinum particles and the corrosion of the carbon support.

본 발명의 목적은 전극 내 촉매 분산성을 개선함으로써 연료전지 전극 및 이를 포함하는 연료전지의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 전극 형성용 조성물을 제공하는 것이다.The objective of the present invention is to provide a composition for forming a fuel cell electrode that can improve the performance and durability of a fuel cell electrode and a fuel cell including the same by improving the dispersion of the catalyst within the electrode.

본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지 전극 형성용 조성물의 제조방법을 제공하는 것이다.Another objective of the present invention is to provide a method for manufacturing the composition for forming the fuel cell electrode.

본 발명의 일 실시예는, 담체 및 상기 담체에 담지된 금속 입자를 포함하는 촉매, 분산제, 및 이오노머를 포함하고, 상기 분산제는 아민 화합물을 포함하는 연료전지 전극 형성용 조성물을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a composition for forming a fuel cell electrode comprising a catalyst including a carrier and metal particles supported on the carrier, a dispersant, and an ionomer, wherein the dispersant comprises an amine compound.

상기 아민 화합물은 끓는점이 150℃ 이하인 것일 수 있다.The above amine compound may have a boiling point of 150°C or lower.

상기 아민 화합물은 선형 아민 화합물, 가지형 아민 화합물, 고리형 아민 화합물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The above amine compound may be any one selected from the group consisting of linear amine compounds, branched amine compounds, cyclic amine compounds, and combinations thereof.

상기 아민 화합물은 프로필아민, 부틸아민, 트리에틸아민, 테트라메틸에틸렌디아민, 피롤리딘, 피페리딘, 피롤, 피리딘, 피리미딘, 또는 이들의 조합일 수 있다.The above amine compound may be propylamine, butylamine, triethylamine, tetramethylethylenediamine, pyrrolidine, piperidine, pyrrole, pyridine, pyrimidine, or a combination thereof.

상기 아민 화합물은 고리형 아민 화합물일 수 있다.The above amine compound may be a cyclic amine compound.

상기 전극 형성용 조성물 중 촉매와 분산제의 질량비는, 1 : 0.1 내지 1 : 10 으로 포함될 수 있다.The mass ratio of the catalyst and the dispersant in the above electrode-forming composition may be 1:0.1 to 1:10.

상기 담체는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 활성 탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The above carrier may be any one selected from the group consisting of graphite, Denka black, Ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, activated carbon, and combinations thereof.

상기 금속 입자는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-M 합금(상기 M은 Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전이 금속) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The metal particles may be any one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-M alloy (wherein M is any one transition metal selected from the group consisting of Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru and alloys thereof) and mixtures thereof.

상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.The above ionomer may be any one selected from the group consisting of fluorinated polymers, benzimidazole polymers, polyimide polymers, polyetherimide polymers, polyphenylene sulfide polymers, polysulfone polymers, polyethersulfone polymers, polyetherketone polymers, polyether-etherketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, and combinations thereof.

상기 연료전지 전극 형성용 조성물은 용매를 더 포함하고, 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 글리세롤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. The above composition for forming a fuel cell electrode further comprises a solvent, and the solvent may be any one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, butanol, n-propanol, isopropanol, n-butyl acetate, ethylene glycol, dipropylene glycol, glycerol, and combinations thereof.

본 발명의 다른 일 실시예는, 금속 입자를 담체에 담지시켜 촉매를 준비하는 단계; 상기 촉매, 분산제 및 이오노머를 용매에 첨가하여 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 전극 형성용 조성물을 도포하여 전극을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 분산제는 아민 화합물을 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a method for manufacturing an electrode for a fuel cell, comprising the steps of: preparing a catalyst by supporting metal particles on a carrier; preparing a composition for forming an electrode by adding the catalyst, a dispersant, and an ionomer to a solvent; and manufacturing an electrode by applying the composition for forming an electrode, wherein the dispersant comprises an amine compound.

상기 전극을 제조하는 단계는, 상기 도포된 전극 형성용 조성물을 60 내지 100℃의 온도에서 건조한 후, 110 내지 200℃에서 열처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다.The step of manufacturing the electrode may further include the step of drying the coated electrode-forming composition at a temperature of 60 to 100°C and then heat-treating it at 110 to 200°C.

상기 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계는, 상기 촉매, 분산제 및 이오노머를 용매에 첨가하여 혼합액을 제조하고, 상기 제조된 혼합액을 초음파분쇄기, 호모믹서, 3롤밀, 공명 음향 믹서, 페이스트 믹서, 교반기, 고전단 분산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택하여 분산하는 단계를 더 포함할 수 있다. 다만 본 발명의 기술사상이 이에 제한되는 것은 아니고, 다양한 분산 방법이 이용될 수 있다.The step of preparing the above electrode-forming composition may further include the step of preparing a mixture by adding the catalyst, dispersant, and ionomer to a solvent, and dispersing the prepared mixture by selecting from the group consisting of an ultrasonic grinder, a homomixer, a 3-roll mill, a resonant acoustic mixer, a paste mixer, a stirrer, a high-shear disperser, and combinations thereof. However, the technical concept of the present invention is not limited thereto, and various dispersion methods may be used.

본 발명에 의하면, 연료전지 전극 형성용 조성물에 분자량 및 끓는점이 낮은 휘발성 분산제를 도입함으로써 상기 조성물 내의 촉매 분산성을 개선할 수 있고, 상기 분산제는 분자의 크기가 상대적으로 작고 자체 저항이 적어 연료전지 전극 내의 이온 전도 네트워크 형성에 유리하다.According to the present invention, the catalytic dispersibility within a composition for forming a fuel cell electrode can be improved by introducing a volatile dispersant with a low molecular weight and boiling point, and the dispersant has a relatively small molecular size and low intrinsic resistance, which is advantageous for forming an ion conduction network within the fuel cell electrode.

또한, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물을 이용하여 전극을 형성하는 과정에서 건조 및 열처리하는 과정 중에 상기 조성물에 포함된 분산제를 용이하게 제거할 수 있으므로, 이를 통해 제조되는 연료전지 전극 및 연료전지의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있다.In addition, since the dispersant included in the composition can be easily removed during the drying and heat treatment processes when forming an electrode using the above-mentioned fuel cell electrode forming composition, the performance and durability of the fuel cell electrode and fuel cell manufactured thereby can be improved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 막-전극 접합체를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 모식도이다.
도 3은 실험 평가예 1에 따른 전극 형성 조성물의 분산성 평가 결과를 보여주는 사진이다.
도 4는 실험 평가예 2에 따라 비교예 및 실시예 1 내지 4의 조성물을 이용하여 제조한 전극의 표면을 촬영한 광학현미경 사진이다.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a membrane-electrode assembly according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the overall configuration of a fuel cell according to one embodiment of the present invention.
Figure 3 is a photograph showing the results of the dispersibility evaluation of the electrode forming composition according to Experimental Evaluation Example 1.
Figure 4 is an optical microscope image of the surface of an electrode prepared using the compositions of Comparative Example and Examples 1 to 4 according to Experimental Evaluation Example 2.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be embodied in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, thicknesses have been enlarged to clearly represent various layers and regions, and the same reference numerals have been used for similar parts throughout the specification. When a part such as a layer, film, region, or plate is described as being "on" another part, this includes not only cases where it is "immediately on" another part, but also cases where there is another part in between. Conversely, when a part is described as being "immediately on" another part, it means that there is no other part in between.

이하 일 구현예에 따른 연료전지 전극 형성용 조성물에 관하여 설명한다.A composition for forming a fuel cell electrode according to one embodiment is described below.

본 발명은 전극 내 촉매 분산성을 개선함으로써 연료전지 전극 및 이를 포함하는 연료전지의 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 연료전지 전극 형성용 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for forming a fuel cell electrode that can improve the performance and durability of a fuel cell electrode and a fuel cell including the same by improving the dispersion of catalyst within the electrode.

구체적으로, 일 구현예에 따른 연료전지 전극 형성용 조성물은 담체 및 상기 담체에 담지된 금속 입자를 포함하는 촉매, 분산제, 및 이오노머를 포함하고, 특히 상기 분산제는 아민 화합물을 포함한다.Specifically, a composition for forming a fuel cell electrode according to one embodiment comprises a catalyst comprising a carrier and metal particles supported on the carrier, a dispersant, and an ionomer, and in particular, the dispersant comprises an amine compound.

통상적으로 연료전지의 전극을 제조하는 과정에 있어서, 탄소 소재의 담체에 촉매를 담지하여 분산시키는 과정을 거치게 된다. 이때, 상기 촉매가 담지된 탄소 소재의 담체를 분산시키는 방법으로는 크게, 초음파 분산 장치 등을 비롯한 각종 분산 설비를 이용하여 강한 에너지를 가해 물리적으로 분산시키는 방법과, 상기 담체와의 화학적 결합을 유도할 수 있도록 별도의 분산제를 이용한 화학적 분산 방법으로 크게 구분될 수 있다.Typically, in the process of manufacturing fuel cell electrodes, a catalyst is supported on a carbon material carrier and dispersed. At this time, the method of dispersing the carbon material carrier supported with the catalyst can be broadly classified into a physical dispersion method using various dispersion equipment, such as ultrasonic dispersion devices, by applying strong energy, and a chemical dispersion method using a separate dispersant to induce chemical bonding with the carrier.

그러나, 분산제를 이용한 상기 화학적 분산법은, 물리적 분산법에 비해 촉매가 담지된 담체의 높은 분산성과 분산 안정성을 보장할 수 있으나, 대부분의 경우 분산제의 분자량이 높아 제거가 쉽지 않고, 분산제의 자체 저항으로 인하여 탄소 소재 간의 접촉 저항이 증가함에 따라 연료전지의 이온 전도 네트워크 상에서 결함으로 작용하여 궁극적으로 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있는 문제가 있다.However, although the above chemical dispersion method using a dispersant can ensure high dispersibility and dispersion stability of the catalyst-supported carrier compared to the physical dispersion method, in most cases, the molecular weight of the dispersant is high, making it difficult to remove, and as the contact resistance between carbon materials increases due to the inherent resistance of the dispersant, it acts as a defect in the ion conduction network of the fuel cell, which can ultimately degrade the performance of the fuel cell.

이에 대하여 본 발명에 따른 연료전지 전극 형성용 조성물은, 연료전지의 전극을 형성하는 과정에서 화학적 분산법을 이용하여 촉매가 담지된 탄소 소재의 담체를 분산시키되, 분자량 및 끓는점이 낮은 휘발성 분산제로서 아민 화합물을 도입하여 조성물 내의 촉매 분산성을 개선하고, 연료전지 전극 내의 이온 전도 네트워크 형성에 유리한 장점이 있다. 또한, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물을 이용하여 전극을 코팅 후, 전극 건조 및 열처리 과정 중에 상기 조성물에 포함된 분산제를 용이하게 제거할 수 있으므로, 이를 통해 제조되는 연료전지 전극 및 연료전지의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.In this regard, the composition for forming a fuel cell electrode according to the present invention has the advantage of improving the dispersibility of the catalyst within the composition and facilitating the formation of an ion conduction network within the fuel cell electrode by introducing an amine compound as a volatile dispersant with a low molecular weight and boiling point, while dispersing a carbon material carrier supported with a catalyst using a chemical dispersion method during the process of forming a fuel cell electrode. Furthermore, since the dispersant included in the composition can be easily removed during the electrode drying and heat treatment processes after coating the electrode using the composition for forming a fuel cell electrode, the performance and durability of the fuel cell electrode and fuel cell manufactured thereby can be improved.

일 구현예에 따르면, 상기 아민 화합물은 끓는점이 150℃ 이하인 것, 바람직하게는 끓는점이 130℃ 이하인 것일 수 있다. 아민 화합물은 휘발성 분산제로서 사용되는 것이므로, 상온에서 액상이고 제거가 용이한 것이 바람직하다. 따라서, 아민 화합물로서 끓는점의 상한이 전술한 수치, 예를 들어 150℃인 아민 화합물을 사용하는 것이 바람직하다. 끓는 점이 150℃ 초과일 경우 제거가 어려워 물질 전달 및 전하 전달의 저항 증가로 인하여 연료 전지의 성능과 내구성에 불리할 수 있다.According to one embodiment, the amine compound may have a boiling point of 150°C or lower, preferably 130°C or lower. Since the amine compound is used as a volatile dispersant, it is desirable that it be liquid at room temperature and easy to remove. Therefore, it is desirable to use an amine compound with an upper limit of the boiling point of the aforementioned value, for example, 150°C. If the boiling point exceeds 150°C, it is difficult to remove, which may be detrimental to the performance and durability of the fuel cell due to increased resistance to mass transfer and charge transfer.

일 구현예에서, 상기 아민 화합물은 선형, 가지형, 고리형 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 구체적으로 상기 선형 또는 가지형의 아민 화합물은 지방족 아민 화합물일 수 있고, 상기 고리형 아민 화합물은 지환족 아민 화합물 또는 방향족 아민 화합물일 수 있다.In one embodiment, the amine compound may be any one selected from the group consisting of linear, branched, cyclic, and combinations thereof, and specifically, the linear or branched amine compound may be an aliphatic amine compound, and the cyclic amine compound may be an alicyclic amine compound or an aromatic amine compound.

구체적으로, 상기 선형 아민 화합물은 아민 화합물에 포함된 질소 원자에 직쇄(linear) 알킬기가 연결된 구조의 것을 의미할 수 있고, 예를 들어 탄소수 1 내지 30의 직쇄 알킬기가 연결된 알킬 아민일 수 있다. 상기 선형 아민 화합물은 아민 화합물의 질소 원자에 연결된 직쇄의 알킬기의 개수에 따라 1차 아민 화합물, 2차 아민 화합물 및 3차 아민 화합물을 모두 포함하는 것일 수 있다.Specifically, the linear amine compound may refer to a structure in which a linear alkyl group is connected to a nitrogen atom included in the amine compound, and, for example, may be an alkyl amine in which a linear alkyl group having 1 to 30 carbon atoms is connected. The linear amine compound may include primary amine compounds, secondary amine compounds, and tertiary amine compounds depending on the number of linear alkyl groups connected to the nitrogen atom of the amine compound.

상기 가지형 아민 화합물은 아민 화합물의 질소 원자에 분지쇄(branched) 알킬기가 연결된 구조의 것을 의미하며, 예를 들어 탄소수 1 내지 30의 분지쇄 알킬기가 연결된 알킬 아민일 수 있다. 상기 분지쇄 아민 화합물 역시 상기 직쇄 아민 화합물과 마찬가지로 1차 아민 화합물 내지 3차 아민 화합물을 모두 포함할 수 있다.The above branched amine compound refers to a structure in which a branched alkyl group is connected to the nitrogen atom of the amine compound, and, for example, may be an alkyl amine connected to a branched alkyl group having 1 to 30 carbon atoms. The above branched amine compound may also include all primary to tertiary amine compounds, just like the above straight-chain amine compound.

상기 고리형 아민 화합물은 아민 화합물에 포함된 직쇄 또는 분지쇄의 치환기가 질소 원자와 결합하여 고리의 모양을 이루는 것을 의미할 수 있고, 예를 들어 탄소수 1 내지 30의 직쇄 또는 분지쇄의 알킬기가 아민 화합물의 질소 원자에 연결되어 고리의 형상을 이루는 것을 포함할 수 있다.The above-mentioned cyclic amine compound may mean that a straight-chain or branched-chain substituent included in the amine compound is bonded to a nitrogen atom to form a ring shape, and may include, for example, a straight-chain or branched-chain alkyl group having 1 to 30 carbon atoms connected to a nitrogen atom of the amine compound to form a ring shape.

상기 아민 화합물은 분자 구조 내 2 이상의 질소 원자를 포함할 수도 있고, 상기 2 이상의 질소 원자가 단일 결합에 의해 직접 연결된 구조, 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬렌기에 의해 연결된 구조를 포함할 수도 있다.The above amine compound may include two or more nitrogen atoms in its molecular structure, a structure in which the two or more nitrogen atoms are directly connected by a single bond, or a structure in which they are connected by an alkylene group having 1 to 10 carbon atoms.

또한, 상기 아민 화합물은 분자 구조 내 포함된 질소 원자 이외에 산소, 인 등의 원자 등을 포함할 수도 있다.In addition, the above amine compound may include atoms such as oxygen and phosphorus in addition to nitrogen atoms included in the molecular structure.

일 구현예에서, 상기 아민 화합물로는 프로필아민 (끓는점 87℃), 부틸아민(끓는점 78℃), 트리에틸아민(끓는점 89℃), 테트라메틸에틸렌디아민(끓는점 121℃), 피롤리딘(끓는점 89℃), 피페리딘(끓는점 106℃), 피롤(끓는점 129℃), 피리딘(끓는점 115℃), 피리미딘(끓는점 123℃), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 건조 및 열처리 과정을 통해 쉽게 휘발될 수 있고, 연료전지 이온 전도 네트워크 형성 과정을 고려할 때, 상기 아민 화합물로 피리딘, 부틸아민, 트리에틸아민, 테트라메틸에틸렌디아민, 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. In one embodiment, the amine compound may include propylamine (boiling point 87°C), butylamine (boiling point 78°C), triethylamine (boiling point 89°C), tetramethylethylenediamine (boiling point 121°C), pyrrolidine (boiling point 89°C), piperidine (boiling point 106°C), pyrrole (boiling point 129°C), pyridine (boiling point 115°C), pyrimidine (boiling point 123°C), or a combination thereof. According to one embodiment, pyridine, butylamine, triethylamine, tetramethylethylenediamine, or a combination thereof may be used as the amine compound, considering the process of forming a fuel cell ion conduction network, which can be easily volatilized through drying and heat treatment processes.

일 구현예에서, 상기 아민 화합물은 고리형 아민 화합물, 특히 1 또는 2개의 질소 원자를 헤테로원자로서 포함하는 원자수 5 내지 10개의 헤테로고리형 화합물, 예를 들어 피롤, 피리딘, 피리미딘 등이 바람직하다. 여기서 상기 헤테로고리형 화합물은 다른 치환기로 치환되지 않은 것일 수 있다. 상기 헤테로고리형 화합물을 분산제로 사용함으로써 전극의 기공 분포도와 기공률과 같은 기공 특성이나 연료 전지 성능 등에 있어서 우수한 효과를 나타낼 수 있다.In one embodiment, the amine compound is preferably a cyclic amine compound, particularly a heterocyclic compound having 5 to 10 atoms containing 1 or 2 nitrogen atoms as heteroatoms, such as pyrrole, pyridine, pyrimidine, etc. Here, the heterocyclic compound may not be substituted with other substituents. By using the heterocyclic compound as a dispersant, excellent effects can be exhibited in pore characteristics such as the pore distribution and porosity of the electrode, or in fuel cell performance.

일 구현예에서, 상기 아민 화합물은 끓는점이 150℃ 이하인 고리형 아민 화합물일 수 있다.In one embodiment, the amine compound may be a cyclic amine compound having a boiling point of 150°C or lower.

일 구현예에서, 상기 연료전지 전극 형성물 조성물 중 촉매와 분산제의 질량비는 1 : 0.1 내지 1 : 10일 수 있으며, 바람직하게는 1 : 0.3 내지 1 : 5, 보다 바람직하게는 1 : 0.5 내지 1 : 3 일 수 있다. 만일, 상기 촉매와 분산제의 질량비가 1 : 0.1 미만인 경우 전극 형성 과정에서 촉매의 분산성이 충분히 확보되지 않아 전극의 성능이 저하될 수 있으며, 질량비가 1 : 10을 초과하는 경우 건조 및 열처리 단계에서 남은 잔여 분산제가 이오노머 작용기에 흡착되어 전기 전도도가 현저히 저하될 수 있으므로, 상기 범위 내에서 그 함량을 적절히 조절할 필요가 있다.In one embodiment, the mass ratio of the catalyst to the dispersant in the fuel cell electrode forming composition may be 1:0.1 to 1:10, preferably 1:0.3 to 1:5, and more preferably 1:0.5 to 1:3. If the mass ratio of the catalyst to the dispersant is less than 1:0.1, the dispersibility of the catalyst is not sufficiently ensured during the electrode forming process, which may lead to a decrease in the performance of the electrode; and if the mass ratio exceeds 1:10, the residual dispersant remaining after the drying and heat treatment steps may be adsorbed to the ionomer functional groups, which may significantly reduce electrical conductivity. Therefore, it is necessary to appropriately adjust the content within the above range.

일 구현예에서, 상기 담체는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 활성 탄소 및 이들의 조합을 포함하는 탄소계 물질을 사용할 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 탄소계 담체로는 중공형 탄소 캡슐 (hollow carbon capsule; HCC), 다중 세공 탄소 (multimodal porous carbon; MPC), 카본나노튜브 (carbon nanotube; CNT), 카본나노파이버 (carbon nanofiber; CNF), 메조다공성 탄소 (mesoporous carbon), 그래핀 (graphene), 고표면적 고전도성 카본블랙 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것이 가장 바람직하다.In one embodiment, the carrier may be a carbon-based material comprising graphite, Denka black, Ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, activated carbon, and combinations thereof. More specifically, the carbon-based carrier is most preferably selected from the group consisting of hollow carbon capsules (HCC), multimodal porous carbon (MPC), carbon nanotubes (CNT), carbon nanofibers (CNF), mesoporous carbon, graphene, high surface area high conductivity carbon black, and combinations thereof.

상기 금속 입자는 연료전지의 반응에 참여하여 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 구체적으로는 백금계 촉매를 사용할 수 있다.Any metal particle capable of participating in the reaction of a fuel cell and serving as a catalyst can be used, and specifically, a platinum-based catalyst can be used.

상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-M 합금(상기 M은 Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전이 금속) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 입자를 사용할 수 있다.As the platinum-based catalyst, any metal particle selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-M alloy (wherein M is any one transition metal selected from the group consisting of Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru and alloys thereof) and mixtures thereof may be used.

연료전지의 애노드 전극과 캐소드 전극은 서로 동일한 물질을 촉매로 사용하여도 무방하나, 상기 백금계 촉매의 더욱 구체적인 예로는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni 및 Pt/Ru/Sn/W으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.The anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell may use the same material as a catalyst, but more specific examples of the platinum-based catalyst may be any one selected from the group consisting of Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, and Pt/Ru/Sn/W.

이때, 상기 금속 입자는 상기 담체의 표면 위에 위치할 수도 있고, 상기 담체의 내부 기공(pore)을 채우면서 상기 담체 내부로 침투할 수도 있다.At this time, the metal particles may be located on the surface of the carrier, or they may penetrate into the carrier while filling the internal pores of the carrier.

상기 이오노머는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 어느 것이나 이용할 수 있다. Any polymer resin having a cation exchange group selected from the group consisting of sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphate groups, phosphonic acid groups, and derivatives thereof in a side chain can be used as the above ionomer.

일 구현예에서, 상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 및 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함할 수 있고, 보다 구체적으로는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 황화폴리에테르케톤, 아릴케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸[Poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole] 및 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 중에서 선택되는 1종 이상의 수소이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.In one embodiment, the ionomer may comprise one or more hydrogen ion-conducting polymers selected from fluorinated polymers, benzimidazole polymers, polyimide polymers, polyetherimide polymers, polyphenylene sulfide polymers, polysulfone polymers, polyethersulfone polymers, polyetherketone polymers, polyether-etherketone polymers, and polyphenylquinoxaline polymers; more specifically, the ionomer may comprise one or more hydrogen ion-conducting polymers selected from poly(perfluorosulfonic acid), poly(perfluorocarboxylic acid), copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether containing sulfonic acid groups, sulfated polyetherketones, aryl ketones, poly(2,2'-m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole, and poly(2,5-benzimidazole). there is.

상기 수소이온 전도성을 갖는 고분자 수지는 측쇄 말단의 양이온 교환기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 상기 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄으로 치환하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 상기 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.The above-described polymer resin having hydrogen ion conductivity may substitute H with Na, K, Li, Cs, or tetrabutylammonium at the cation exchange group at the end of the side chain. When substituting H with Na at the ion exchange group at the end of the side chain, NaOH is used during the preparation of the catalyst composition; when substituting with tetrabutylammonium, tetrabutylammonium hydroxide is used for substitution; K, Li, or Cs may also be substituted using appropriate compounds. Since the above substitution method is widely known in the art, a detailed description thereof is omitted in this specification.

상기 이오노머는 연료전지 전극 형성용 조성물 중 고형분 100 중량부 기준으로 20 중량부 내지 50 중량부로 포함될 수 있고, 예를 들어 25 중량부 내지 40 중량부로 포함될 수 있다. 만일, 상기 이오노머의 함량이 20 중량부 미만인 경우 연료전지 전극의 이온 전도 네트워크 형성에 문제가 발생하여 성능이 저하될 수 있고, 50 중량부를 초과하는 경우 전극 내 기공의 감소 및 물 배출 능력이 저하로 인한 저항이 증가하여 성능 저하가 발생할 수 있다.The above ionomer may be included in an amount of 20 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of solid content in a composition for forming a fuel cell electrode, for example, in an amount of 25 to 40 parts by weight. If the content of the above ionomer is less than 20 parts by weight, problems may occur in the formation of an ion conduction network of the fuel cell electrode, which may lead to a decrease in performance, and if it exceeds 50 parts by weight, a decrease in pores within the electrode and a decrease in water drainage ability may lead to an increase in resistance, which may result in a decrease in performance.

상기 이오노머는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.The above ionomer can be used in the form of a single substance or a mixture, and may also be optionally used in combination with a non-conductive compound to further enhance adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the amount used to suit the intended purpose.

상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플로오로에틸렌(Ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산 및 소르비톨(Sorbitol)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것이 사용될 수 있다.One or more of the above-mentioned non-conductive compounds may be used, selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene/tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), dodecylbenzenesulfonic acid, and sorbitol.

일 구현예에서, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물은 용매를 더 포함할 수 있다. 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 글리세롤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 연료전지 전극 형성용 조성물에 포함되어 촉매를 잘 분산시킬 수 있는 것이라면 그 종류에 제한되지 않는다.In one embodiment, the composition for forming a fuel cell electrode may further include a solvent. The solvent may be any one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, butanol, n-propanol, isopropanol, n-butyl acetate, ethylene glycol, dipropylene glycol, glycerol, and combinations thereof, and is not limited to any type as long as it is included in the composition for forming a fuel cell electrode and can effectively disperse the catalyst.

상기 용매는 연료전지 전극 형성용 조성물 100 중량부 기준으로 50 중량부 내지 95 중량부로 포함될 수 있고, 예를 들어 80 중량부 내지 90 중량부로 포함될 수 있다. 상기 용매의 함량이 50 중량부 이상이 되면 촉매 조성물의 점도가 너무 높아지는 것을 방지하므로, 촉매 입자의 분상성 저하 및 촉매층의 불균일한 형성을 방지할 수 있고, 용매의 함량이 95 중량부 이하가 되면, 촉매 조성물의 점도가 너무 낮아지는 것을 방지하므로, 촉매층의 두께가 얇아 코팅을 수회 반복하게 되는 문제를 방지할 수 있다.The above solvent may be included in an amount of 50 to 95 parts by weight based on 100 parts by weight of the composition for forming a fuel cell electrode, for example, in an amount of 80 to 90 parts by weight. If the content of the solvent is 50 parts by weight or more, it prevents the viscosity of the catalyst composition from becoming too high, thereby preventing a decrease in the dispersion of catalyst particles and uneven formation of the catalyst layer. If the content of the solvent is 95 parts by weight or less, it prevents the viscosity of the catalyst composition from becoming too low, thereby preventing the problem of the catalyst layer being thin and requiring repeated coating.

본 발명의 다른 일 구현예는, 금속 입자를 담체에 담지시켜 촉매를 준비하는 단계, 상기 촉매, 분산제 및 이오노머를 용매에 첨가하여 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계 및 상기 전극 형성용 조성물을 도포하여 전극을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 분산제는 아민 화합물을 포함하는 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.Another embodiment of the present invention provides a method for manufacturing an electrode for a fuel cell, comprising the steps of: preparing a catalyst by supporting metal particles on a carrier; preparing a composition for forming an electrode by adding the catalyst, a dispersant, and an ionomer to a solvent; and manufacturing an electrode by applying the composition for forming an electrode, wherein the dispersant comprises an amine compound.

상기 촉매를 준비하는 단계에서, 상기 촉매는 폴리올 환원법, 전자빔 환원법 및 수소화붕소나트륨 (NaBH4) 환원법, urea-assisted 균일환원법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 환원법으로 제조될 수 있다.In the step of preparing the catalyst, the catalyst may be prepared by any one reduction method selected from the group consisting of polyol reduction, electron beam reduction, sodium borohydride ( NaBH4 ) reduction, and urea-assisted homogeneous reduction.

상기 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계에서, 상기 준비된 촉매를 분산제 및 이오노머와 함께 용매에 첨가하여 혼합 및 분산하여 전극 형성용 조성물을 제조한다. 상기 혼합 및 분산 단계는, 초음파분쇄기, 호모믹서, 3롤밀, 공명 음향 믹서, 페이스트 믹서, 교반기, 고전단 분산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택하여 이루어질 수 있다.In the step of preparing the electrode-forming composition, the prepared catalyst is added to a solvent together with a dispersant and an ionomer, mixed, and dispersed to prepare the electrode-forming composition. The mixing and dispersion step may be performed by selecting from the group consisting of an ultrasonic grinder, a homomixer, a 3-roll mill, a resonant acoustic mixer, a paste mixer, a stirrer, a high-shear disperser, and combinations thereof.

상기 촉매, 분산제 및 이오노머를 균일하게 분산시킬 수 있는 방법이라면 제한없이 사용될 수 있다.Any method capable of uniformly dispersing the above catalyst, dispersant, and ionomer may be used without limitation.

상기 촉매에 포함되는 금속 입자 및 담체, 상기 이오노머 및 분산제에 대한 설명은 상기한 바와 같다.The description of the metal particles and carrier included in the catalyst, and the ionomer and dispersant, is as described above.

상기와 같이, 금속 입자가 담지된 촉매 및 이오노머를 아민 화합물을 포함하는 분산제와 함께 혼합하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하기 때문에 상기 촉매가 전극에 균일하게 분포될 수 있다.As described above, since a composition for forming a fuel cell electrode is prepared by mixing a catalyst supported with metal particles and an ionomer together with a dispersant containing an amine compound, the catalyst can be uniformly distributed on the electrode.

마지막으로, 상기 전극 형성용 조성물을 도포하여 전극을 제조한다.Finally, the electrode is manufactured by applying the above electrode-forming composition.

상기 도포 공정은 상기 전극 형성용 조성물의 점성에 따라 스크린 프린팅법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드를 이용한 코팅법, 스프레이 코팅법 등이 사용될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.Depending on the viscosity of the electrode forming composition, the coating process described above may utilize a screen printing method, a spray coating method, a coating method using a doctor blade, a spray coating method, etc., but the present invention is not limited thereto.

또한, 상기 전극은 1 내지 100 ㎛의 두께로 도포될 수 있다. 상기 두께가 1 ㎛ 미만인 경우 반응 면적이 작아 활성이 떨어질 수 있고, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 이온 및 전자의 이동 거리가 증가하여 저항이 증가될 수 있다.In addition, the electrode may be applied with a thickness of 1 to 100 μm. If the thickness is less than 1 μm, the reaction area may be small and activity may decrease, and if it exceeds 100 μm, the travel distance of ions and electrons may increase and resistance may increase.

한편, 상기 전극 형성용 조성물을 도포한 후, 상기 전극 형성용 조성물을 건조하여 용매를 증발시킨 후, 열처리 하여 분산제의 제거를 수행할 수 있다. 상기 건조 공정은 60 내지 100℃에서 8시간 이상 건조시키는 것일 수 있다. 이는 상기 조건에 국한되지 않고, 상기 전극 형성용 조성물 중 용매 조성에 따라 달라질 수 있다. 상기 건조 온도가 60℃ 미만일 시 용매의 증발이 원활하지 않아 충분히 건조된 전극을 형성하지 못할 수 있고, 100℃를 초과시 촉매의 발화 위험이 있을 수 있고, 전극의 균열 등이 발생할 수 있다. 상기 건조 시간은 전극층 중 용매가 충분히 증발할 수 있는 조건에서 선정함이 바람직하다. 또한 상기 열처리는 110 내지 200℃에서 1 내지 4시간 동안 진행할 수 있다. 이때, 열처리가 110℃ 미만이면 잔류 분산제가 이오노머의 작용기에 흡착되어 전도도 저하를 야기할 수 있고, 200℃ 초과이면 이오노머의 작용기가 손상될 수 있는데, 사용된 이오노머의 종류에 따라 작용기에 영향을 줄 수 있는 온도 및 시간 조건이 상이할 수 있음에 유의한다.Meanwhile, after applying the electrode-forming composition, the electrode-forming composition may be dried to evaporate the solvent, and then heat-treated to remove the dispersant. The drying process may be performed at 60 to 100°C for 8 hours or more. This is not limited to the above conditions and may vary depending on the solvent composition in the electrode-forming composition. If the drying temperature is below 60°C, the evaporation of the solvent is not smooth, so a sufficiently dried electrode may not be formed; if it exceeds 100°C, there may be a risk of catalyst ignition and cracking of the electrode may occur. It is preferable to select the drying time under conditions where the solvent in the electrode layer can evaporate sufficiently. In addition, the heat treatment may be performed at 110 to 200°C for 1 to 4 hours. At this time, it should be noted that if the heat treatment is below 110°C, residual dispersant may be adsorbed to the functional groups of the ionomer, causing a decrease in conductivity, and if it exceeds 200°C, the functional groups of the ionomer may be damaged, and that the temperature and time conditions that can affect the functional groups may vary depending on the type of ionomer used.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지 전극 형성용 조성물로부터 제조되는 전극을 포함하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, a membrane-electrode assembly for a fuel cell is provided, comprising an electrode prepared from the composition for forming the fuel cell electrode.

도 1은 상기 막-전극 접합체를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 이하, 도 1을 참고하여, 상기 막-전극 접합체에 대하여 설명한다.FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating the membrane-electrode assembly. Hereinafter, the membrane-electrode assembly will be described with reference to FIG. 1.

상기 막-전극 접합체(150)는 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극(110) 및 캐소드 전극(110); 및 상기 애노드 전극(110) 및 상기 캐소드 전극(110) 사이에 위치하는 고분자 전해질 막(130)을 포함한다. 상기 막-전극 접합체(150)에 있어서, 상기 고분자 전해질 막(130)의 일면에 배치되어 연료로부터 수소 이온과 전자를 생성시키는 산화 반응을 일으키는 전극을 애노드 전극(110)이라 하고, 상기 고분자 전해질 막(130)을 통해 공급받은 수소 이온과 전극의 산화제로부터 물을 생성시키는 환원 반응을 일으키는 전극을 캐소드 전극(110)이라 한다.The above membrane-electrode assembly (150) comprises an anode electrode (110) and a cathode electrode (110) positioned opposite each other; and a polymer electrolyte membrane (130) positioned between the anode electrode (110) and the cathode electrode (110). In the above membrane-electrode assembly (150), the electrode disposed on one side of the polymer electrolyte membrane (130) and causing an oxidation reaction that generates hydrogen ions and electrons from fuel is called the anode electrode (110), and the electrode causing a reduction reaction that generates water from hydrogen ions supplied through the polymer electrolyte membrane (130) and the oxidizing agent of the electrode is called the cathode electrode (110).

상기 애노드 전극(110) 및 상기 캐소드 전극(110) 중 적어도 하나는 전술한 본 발명의 연료전지용 전극이 사용된다.At least one of the anode electrode (110) and the cathode electrode (110) is used as the electrode for the fuel cell of the present invention as described above.

상기 고분자 전해질 막(130)은 두께가 10 내지 200 ㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 상기 애노드 전극(110)에서 생성된 수소 이온을 상기 캐소드 전극(110)으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.The polymer electrolyte membrane (130) is a solid polymer electrolyte with a thickness of 10 to 200 μm and has the function of ion exchange for moving hydrogen ions generated at the anode electrode (110) to the cathode electrode (110).

상기 고분자 전해질 막(130)은 탄화수소계 고분자 전해질막, 불소계 고분자 전해질막 및 이들의 하나 이상의 혼합물 또는 공중합체를 사용할 수 있다.The above polymer electrolyte membrane (130) may be a hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane, a fluorine-based polymer electrolyte membrane, and a mixture or copolymer of one or more of these.

상기 탄화수소계 고분자 전해질막은 탄화수소계 고분자를 포함할 수 있으며, 상기 고분자는 스티렌, 이미드, 술폰, 포스파젠, 에테르에테르 케톤, 에틸렌옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드 또는 방향족기의 호모폴리머 또는 코폴리머 및 이들의 유도체 등에서 선택할 수 있으며, 이들 고분자는 단독 또는 조합으로 사용할 수 있다. 탄화수소계 고분자를 사용하여 전해질막을 제조하는 것은 불소계 고분자를 사용하는 것보다 제조비용이 저렴하고, 제조가 용이하며, 높은 이온 전도도를 나타낸다.The above hydrocarbon-based polymer electrolyte membrane may include a hydrocarbon-based polymer, and the polymer may be selected from styrene, imide, sulfone, phosphazene, ether-ether ketone, ethylene oxide, polyphenylene sulfide, or homopolymers or copolymers of aromatic groups and derivatives thereof, and these polymers may be used alone or in combination. Manufacturing an electrolyte membrane using a hydrocarbon-based polymer is cheaper and easier to manufacture than using a fluorine-based polymer, and exhibits high ionic conductivity.

상기 적합한 탄화수소막으로는 보다 바람직하게는 술폰화 폴리술폰(sulfonated polysulfone), 술폰화 폴리에테르술폰(sulfonated polyethersulfone), 술폰화 폴리에테르케톤(sulfonated polyetherketone), 술폰화 폴리에테르에테르케톤(sulfonated poly ether ether ketone), 술폰화 폴리아릴렌에테르에테르케톤(sulfonated poly aryrene ether ether ketone), 술폰화 폴리아릴렌에테르술폰(sulfonated poly aryrene ether sulfone), 술폰화 폴리아릴렌에테르벤즈이미다졸(sulfonated poly aryrene ether benzimidazole) 및 이온전도체가 도입된 막으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.More preferably, one or more selected from the group consisting of sulfonated polysulfone, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polyetherketone, sulfonated polyetheretherketone, sulfonated polyaryrene ether ether ketone, sulfonated polyaryrene ether ether ketone, sulfonated polyaryrene ether sulfone, sulfonated polyaryrene ether benzimidazole, and a membrane into which an ion conductor has been introduced may be used as the suitable hydrocarbon membrane.

상기 불소계 고분자 전해질막은 이온전도성 막으로 필름을 형성할 수 있을 정도의 기계적 강도 및 높은 전기화학적 안정성을 갖는 물질이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 불소계 고분자 전해질막의 구체적인 예로서는 퍼플루오로설폰산 수지, 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체 등이 있다. 플루오로비닐에테르 모이어티는 수소이온을 전도하는 기능을 갖는다. 상기 공중합체는 듀퐁(Dupont)사에서 나피온(Nafion)이라는 상품명으로 판매되고 있어서 상업적으로 입수 가능하다.The above-mentioned fluorine-based polymer electrolyte membrane can be used without special limitations as long as it is a material having sufficient mechanical strength and high electrochemical stability to form a film as an ion-conducting membrane. Specific examples of fluorine-based polymer electrolyte membranes include perfluorosulfonic acid resin and copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ether. The fluorovinyl ether moiety has the function of conducting hydrogen ions. The above-mentioned copolymer is commercially available as it is sold by DuPont under the trade name Nafion.

한편, 상기 막-전극 접합체(150)는 상기 고분자 전해질 막(130)과 상기 전극(110) 사이에 위치하는 계면 접착층(미도시)을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the membrane-electrode assembly (150) may further include an interfacial adhesive layer (not shown) located between the polymer electrolyte membrane (130) and the electrode (110).

상기 계면 접착층은 상기 막-전극 접합체(150)가 수소 이온 전도도의 저하 없이 낮은 수소 투과도를 가질 수 있도록 하며, 상기 전극(110)과 상기 고분자 전해질 막(130) 사이의 계면 접합성을 향상시켜 상기 막-전극 접합체(150)의 내구성을 향상시킬 수 있고, 상기 막-전극 접합체(150)의 고온/저가습 조건에서의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 상기 계면 접착층은 상기 고분자 전해질 막(130)의 일면에만 위치할 수도 있다.The above interface adhesive layer enables the membrane-electrode assembly (150) to have low hydrogen permeability without a decrease in hydrogen ion conductivity, improves the interfacial bonding between the electrode (110) and the polymer electrolyte membrane (130), thereby improving the durability of the membrane-electrode assembly (150) and improving the performance and durability of the membrane-electrode assembly (150) under high temperature/low humidity conditions. The above interface adhesive layer may be located on only one side of the polymer electrolyte membrane (130).

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 도 2는 상기 연료전지의 전체적인 구성을 도시한 개략도이다.According to another embodiment of the present invention, a fuel cell comprising the membrane-electrode assembly is provided. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the overall configuration of the fuel cell.

상기 도 2를 참조하면, 상기 연료전지(200)는 연료와 물이 혼합된 혼합 연료를 공급하는 연료 공급부(210), 상기 혼합 연료를 개질하여 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 발생시키는 개질부(220), 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스가 산화제와 전기 화학적인 반응을 일으켜 전기 에너지를 발생시키는 스택(230), 및 산화제를 상기 개질부(220) 및 상기 스택(230)으로 공급하는 산화제 공급부(240)를 포함한다.Referring to FIG. 2 above, the fuel cell (200) includes a fuel supply unit (210) that supplies a mixed fuel in which fuel and water are mixed, a reforming unit (220) that reforms the mixed fuel to generate a reformed gas containing hydrogen gas, a stack (230) that generates electrical energy by causing an electrochemical reaction between the reformed gas containing hydrogen gas supplied from the reforming unit (220) and an oxidizing agent supply unit (240) that supplies an oxidizing agent to the reforming unit (220) and the stack (230).

상기 스택(230)은 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 공급부(240)로부터 공급되는 산화제의 산화/환원 반응을 유도하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 단위 셀을 구비한다.The stack (230) comprises a plurality of unit cells that generate electrical energy by inducing an oxidation/reduction reaction between a reforming gas containing hydrogen gas supplied from the reforming unit (220) and an oxidizing agent supplied from the oxidizing agent supply unit (240).

각각의 단위 셀은 전기를 발생시키는 단위의 셀을 의미하는 것으로서, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 상기 막-전극 접합체와, 수소 가스를 포함하는 개질 가스와 산화제를 막-전극 접합체로 공급하기 위한 분리판(또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고도 하며, 이하 '분리판'이라 칭한다)을 포함한다. 상기 분리판은 상기 막-전극 접합체를 중심에 두고, 그 양측에 배치된다. 이 때, 상기 스택의 최외측에 각각 위치하는 분리판을 특별히 엔드 플레이트라 칭하기도 한다.Each unit cell refers to a unit cell that generates electricity and includes a membrane-electrode assembly that oxidizes/reduces oxygen in an oxidant and a reforming gas containing hydrogen gas, and a separator (also called a bipolar plate, hereinafter referred to as a 'separator') for supplying the reforming gas containing hydrogen gas and the oxidant to the membrane-electrode assembly. The separator is positioned on both sides of the membrane-electrode assembly with the membrane-electrode assembly at the center. At this time, the separator located at the outermost side of the stack is specifically referred to as an end plate.

상기 분리판 중 상기 엔드 플레이트에는 상기 개질부(220)로부터 공급되는 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제1 공급관(231)과, 산소 가스를 주입하기 위한 파이프 형상의 제2 공급관(232)이 구비되고, 다른 하나의 엔드 플레이트에는 복수의 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 수소 가스를 포함하는 개질 가스를 외부로 배출시키기 위한 제1 배출관(233)과, 상기한 단위 셀에서 최종적으로 미반응되고 남은 산화제를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출관(234)이 구비된다.Among the above separator plates, the end plate is provided with a pipe-shaped first supply pipe (231) for injecting a reforming gas containing hydrogen gas supplied from the reforming unit (220) and a pipe-shaped second supply pipe (232) for injecting oxygen gas, and the other end plate is provided with a first discharge pipe (233) for discharging to the outside a reforming gas containing hydrogen gas that is finally unreacted and remaining in a plurality of unit cells, and a second discharge pipe (234) for discharging to the outside an oxidizing agent that is finally unreacted and remaining in the above unit cells.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 당 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것으로 그 설명을 생략한다.Specific embodiments of the present invention are presented below. However, the embodiments described below are merely for the purpose of specifically illustrating or explaining the present invention and do not limit the present invention. Furthermore, details not described herein can be sufficiently technically inferred by a person skilled in the art, so their description is omitted.

[제조예: 연료전지 전극 형성용 조성물 제조][Preparation Example: Preparation of a composition for forming a fuel cell electrode]

실시예 1Example 1

촉매로 Pt/CB(Tanaka, TEC10E50E) 5 g, 이오노머로 과불소계술폰산 고분자인 나피온 D2021(Dupont) 10 g, 분산제로 피리딘(끓는점 115℃) 3 g을 디프로필렌 글리콜과 증류수를 1 : 1 비로 혼합한 용매 30 g과 혼합하고, 3롤밀(EXAKT 50)을 이용하여 상기 촉매, 이오노머 및 분산제가 균일하게 분산될 수 있도록 1시간 동안 충분히 혼합하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.5 g of Pt/CB (Tanaka, TEC10E50E) as a catalyst, 10 g of Nafion D2021 (Dupont), a perfluorosulfonic acid polymer, as an ionomer, and 3 g of pyridine (boiling point 115°C) as a dispersant were mixed with 30 g of a solvent prepared by mixing dipropylene glycol and distilled water in a 1:1 ratio, and the catalyst, ionomer, and dispersant were mixed sufficiently for 1 hour using a 3-roll mill (EXAKT 50) so that they could be uniformly dispersed to prepare a composition for forming a fuel cell electrode.

실시예 2Example 2

상기 실시예 1에서 피리딘 대신 3 g의 부틸아민(끓는점 78℃)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.A composition for forming a fuel cell electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3 g of butylamine (boiling point 78°C) was used instead of pyridine in Example 1.

실시예 3Example 3

상기 실시예 1에서 피리딘 대신 3 g의 트리에틸아민(끓는점 89℃)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.A composition for forming a fuel cell electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3 g of triethylamine (boiling point 89°C) was used instead of pyridine in Example 1.

실시예 4Example 4

상기 실시예 1에서 피리딘 대신 3 g의 테트라메틸에틸렌디아민(끓는점 121℃)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.A composition for forming a fuel cell electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3 g of tetramethylethylenediamine (boiling point 121°C) was used instead of pyridine in Example 1.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1에서 분산제를 투입하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 연료전지 전극 형성용 조성물을 제조하였다.A composition for forming a fuel cell electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that no dispersant was added in Example 1.

[제조예 막-전극 접합체의 제조][Preparation of Membrane-Electrode Assembly Example]

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에서 각각 제조된 연료전지 전극 형성용 조성물을 불소화 에틸렌 프로필렌(Fluorinated Ethylene Propylene) 이형필름에 코팅속도 10 mm/s, 코팅 두께 100 ㎛의 조건으로 바 코팅한 후, 60℃, 8 시간 동안 건조시킨 후, 150℃에서 2시간 열처리하여 전극을 제조하였다.The compositions for forming fuel cell electrodes prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were bar-coated onto a fluorinated ethylene propylene release film under conditions of a coating speed of 10 mm/s and a coating thickness of 100 μm, then dried at 60°C for 8 hours, and then heat-treated at 150°C for 2 hours to produce electrodes.

상기 건조된 전극을 필요한 크기로 자르고, 고분자 전해질 막(듀폰社 제품; Nafion 212 Membrane) 양면에 전극면과 전해질막이 맞닿게 정렬시킨 후, 140 ℃, 1 MPa의 열 및 압력 조건으로 5분간 압착한 후, 1 분간 상온에서 유지하는 방법으로 핫프레싱하여 전사하고, 이형필름을 박리하여 막-전극 접합체를 제조하였다.The above dried electrode was cut to the required size, aligned so that the electrode surface and the electrolyte membrane were in contact on both sides of a polymer electrolyte membrane (DuPont product; Nafion 212 Membrane), and then transferred by hot pressing under heat and pressure conditions of 140°C and 1 MPa for 5 minutes, followed by maintaining at room temperature for 1 minute, and the release film was peeled off to manufacture a membrane-electrode assembly.

[실험 평가예: 막-전극 접합체의 성능 평가][Experimental Evaluation Example: Performance Evaluation of Membrane-Electrode Assembly]

실험 평가예 1Experimental Evaluation Example 1 : 분산 안정성의 비교: Comparison of variance stability

촉매 0.1g과 물 2g, 이오노머(Nafion D2021) 0.2g, 분산제 0.2g를 혼합하고, 5분간 초음파에 의한 분산 후 상온에서 24시간 방치하였다. 그 후 각 조성물의 분산성을 육안으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3으로부터, 분산제를 투입한 실시예 1 내지 4의 조성물에서 탄소 기반의 촉매의 응집이 현저히 감소하고 분산성이 잘 유지된다는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 비교예 1은 촉매가 침전하여 투명한 상층액을 형성하고 있었다.0.1g of catalyst, 2g of water, 0.2g of ionomer (Nafion D2021), and 0.2g of dispersant were mixed, dispersed by ultrasound for 5 minutes, and then left at room temperature for 24 hours. Afterward, the dispersibility of each composition was observed visually, and the results are shown in Fig. 3. From Fig. 3, it can be confirmed that in the compositions of Examples 1 to 4, in which the dispersant was added, the aggregation of the carbon-based catalyst was significantly reduced and the dispersibility was well maintained. In contrast, in Comparative Example 1, the catalyst precipitated to form a transparent supernatant.

실험 평가예 2Experimental Evaluation Example 2 : 전극층의 코팅 표면 상태 비교: Comparison of the coating surface condition of the electrode layer

비교예 및 실시예 1 내지 4의 조성물을 이용하여 제조예에서와 동일한 방식으로 전극을 제조하고 이형 필름에 코팅한 전극층의 표면을 광학현미경(VHX-600)을 이용하여 분석하였다(x500배). 각 전극의 표면을 촬영한 광학현미경 사진을 도 4에 나타내었다. 도 4로부터 본 발명에 따른 실시예의 조성물을 사용하였을 때 표면이 평활하다는 것을 확인할 수 있다.Electrodes were prepared in the same manner as in the preparation example using the compositions of Comparative Example and Examples 1 to 4, and the surface of the electrode layer coated on the release film was analyzed using an optical microscope (VHX-600) (x500x). Optical microscope images of the surface of each electrode are shown in Fig. 4. From Fig. 4, it can be confirmed that the surface is smooth when the composition of the example according to the present invention is used.

실험 평가예 3Experimental Evaluation Example 3 : 전극의 기공 직경 및 기공률 비교: Comparison of electrode pore diameter and porosity

비교예 및 실시예 1 내지 4에서 제조한 조성물을 이용하여 제조한 전극에 대해 수은 기공도 측정(MIP)을 통해 기공 직경 및 기공률을 비교하였다. 구체적으로, Autopore 9605 설비를 이용하여 전극층 시료 1 x 5 cm2 x 10EA 를 투입하여 평균 기공 직경 및 기공률을 분석, 측정하였다. Pore diameter 5um 이하의 data만 이용하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.The pore diameter and porosity of electrodes prepared using the compositions prepared in Comparative Example and Examples 1 to 4 were compared via Mercury Porosity Measurement (MIP). Specifically, using an Autopore 9605 system, electrode layer samples of 1 x 5 cm and 2 x 10 EA were introduced to analyze and measure the average pore diameter and porosity. Only data with a pore diameter of 5 μm or less were used. The results are shown in Table 1 below.

평균 기공 직경 (nm)Average pore diameter (nm) 기공률 (%)Porosity (%) 비교예 1Comparative Example 1 41.1141.11 37.8437.84 실시예 1Example 1 52.4252.42 41.6741.67 실시예 2Example 2 49.8549.85 39.9239.92 실시예 3Example 3 49.2549.25 39.3639.36 실시예 4Example 4 46.4746.47 38.5838.58

상기 표 1로부터 본 발명에 따른 분산제 투입시 전극층의 평균 기공 직경 및 기공률이 증가하였다는 것을 알 수 있다. 특히, 실시예의 분산제 중 끓는점이 가장 낮은 부틸아민을 사용한 실시예 2가 아닌, 고리형 아민 화합물인 피리딘을 사용한 실시예 1에서 가장 우수한 평균 기공 직경 및 기공률이 나타났다.From Table 1 above, it can be seen that the average pore diameter and porosity of the electrode layer increased when the dispersant according to the present invention was added. In particular, the best average pore diameter and porosity were observed in Example 1, which used pyridine, a cyclic amine compound, rather than in Example 2, which used butylamine, the dispersant with the lowest boiling point among the examples.

실험 평가예 4Experimental Evaluation Example 4 : 연료전지 성능, 전기화학적 활성 면적, 전하전달 저항의 비교: Comparison of fuel cell performance, electrochemical active area, and charge transfer resistance

제조예에서 제조한 상기 막-전극 접합체의 I-V 측정을 통해 출력 성능을 평가하였다. 구체적으로, 실제 연료전지 운전 조건에서 출력성능을 확인하기 위해, 막-전극 접합체를 연료전지 단위 셀 평가장치(Scribner 850 fuel cell test system)를 이용, 65℃ 조건 하에 애노드와 캐소드에 수소(100 %RH)와 공기(100 %RH)를 Stoichiometry 1.2/2.0에 맞는 양으로 각각 공급하였다. 전압이 0.6V 일 때의 전류밀도를 측정하였고, 그 결과 값이 높을수록 우수한 출력 성능을 나타낸다. The output performance of the membrane-electrode assembly prepared in the preparation example was evaluated through I-V measurement. Specifically, to verify the output performance under actual fuel cell operating conditions, hydrogen (100 %RH) and air (100 %RH) were supplied to the anode and cathode, respectively, at amounts corresponding to Stoichiometry 1.2/2.0 under conditions of 65°C using a fuel cell unit cell evaluation device (Scribner 850 fuel cell test system). The current density was measured at a voltage of 0.6V, and a higher result value indicates superior output performance.

전기화학적 활성 면적과 전하 전달 저항 확인을 위하여 전기 화학분석장치 (Biologic SP-200)를 이용하였다. 전하 전달 저항은 상기 출력 성능 평가와 동일한 온도 및 연료공급 조건 하에 0.1 Hz~10 kHz 사이의 주파수범위와 600 mA/cm2 전류밀도에서 실험을 수행하였다. 전기화학적 활성면적(ECSA)의 측정은 65℃ 조건 하에 애노드와 캐소드에 수소(100 %RH)와 질소(100 %RH)를 Stoichiometry 1.2/2.0에 맞는 양으로 각각 공급 하에, 50 mV/s의 scan rete로 CV 실험을 수행하고, Pt 탈착 면적을 계산하였다.An electrochemical analyzer (Biologic SP-200) was used to verify the electrochemical active area and charge transfer resistance. The charge transfer resistance was tested at a frequency range of 0.1 Hz to 10 kHz and a current density of 600 mA/ cm² under the same temperature and fuel supply conditions as the output performance evaluation. For the measurement of the electrochemical active area (ECSA), a CV experiment was performed at a scan rate of 50 mV/s under conditions of 65°C, with hydrogen (100 %RH) and nitrogen (100 %RH) supplied to the anode and cathode, respectively, in amounts corresponding to Stoichiometry 1.2/2.0, and the Pt desorption area was calculated.

위 실험의 결과를 아래 표 2에 나타내었다.The results of the above experiment are shown in Table 2 below.

전지 성능 평가 (A/cm2)Battery Performance Evaluation (A/ cm² ) 촉매 활성 면적(m2/gpt)Catalytic active area ( /g pt ) 전하 전달 저항Charge transfer resistance 비교예 1Comparative Example 1 1.351.35 38.138.1 0.04710.0471 실시예 1Example 1 1.551.55 43.743.7 0.04280.0428 실시예 2Example 2 1.511.51 42.642.6 0.04390.0439 실시예 3Example 3 1.481.48 41.841.8 0.04450.0445 실시예 4Example 4 1.411.41 39.839.8 0.04580.0458

상기 표 2로부터 본 발명에 따른 분산제의 투입시 전지 성능 및 촉매 활성 면적이 증가하였고, 전하 전달 저항이 감소하는 것을 확인하였다. 앞서 기공률 결과와 마찬가지로, 실시예의 분산제 중 끓는점이 가장 낮은 부틸아민을 사용한 실시예 2가 아닌, 고리형 아민 화합물인 피리딘을 사용한 실시예 1에서 가장 우수한 성능이 확인되었다.From Table 2 above, it was confirmed that when the dispersant according to the present invention was added, the battery performance and catalytic active area increased, and the charge transfer resistance decreased. Similar to the porosity results mentioned earlier, the best performance was confirmed in Example 1, which used pyridine, a cyclic amine compound, rather than Example 2, which used butylamine, the dispersant with the lowest boiling point among the examples.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 상기한 실시예는 본 발명의 특정한 일 예로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명의 권리범위는 후술할 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the above-described embodiments are presented as specific examples of the present invention and are not intended to limit the present invention. Furthermore, various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the claims set forth below also fall within the scope of the present invention.

110: 애노드 전극 및 캐소드 전극
130: 고분자 전해질 막
150: 막-전극 접합체
200: 연료전지
210: 연료 공급부 220: 개질부
230: 스택 231: 제 1 공급관
232: 제 2 공급관 233: 제 1 배출관
234: 제 2 배출관 240: 산화제 공급부
110: Anode electrode and cathode electrode
130: Polymer electrolyte membrane
150: Membrane-electrode assembly
200: Fuel cell
210: Fuel supply unit 220: Reforming unit
230: Stack 231: First Supply Pipe
232: Second supply pipe 233: First discharge pipe
234: Second discharge pipe 240: Oxidizer supply unit

Claims (13)

연료전지 전극 형성용 조성물로,
담체 및 상기 담체에 담지된 금속 입자를 포함하는 촉매,
분산제, 및
이오노머를 포함하고,
상기 분산제는 아민 화합물을 포함하고,
상기 아민 화합물은 피리딘을 포함하고,
상기 분산제는 상기 연료전지 전극 형성물 조성물 중 촉매와 분산제의 질량비가 1 : 0.1 내지 1 : 10인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.
A composition for forming fuel cell electrodes,
A catalyst comprising a carrier and metal particles supported on the carrier,
Dispersant, and
Includes ionomer,
The above dispersant includes an amine compound, and
The above amine compound includes pyridine, and
The above dispersant is one in which the mass ratio of the catalyst to the dispersant in the fuel cell electrode forming composition is 1:0.1 to 1:10.
Composition for forming fuel cell electrodes.
제1항에서,
상기 아민 화합물은 끓는 점이 150℃ 이하인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.
In paragraph 1,
The above amine compound is one having a boiling point of 150°C or lower,
Composition for forming fuel cell electrodes.
삭제delete 제1항에서,
상기 아민 화합물은 프로필아민, 부틸아민, 트리에틸아민, 테트라메틸에틸렌디아민, 피롤리딘, 피페리딘, 피롤, 피리미딘, 또는 이들의 조합을 더 포함하는,
연료전지 전극 형성용 조성물.
In paragraph 1,
The above amine compound further comprises propylamine, butylamine, triethylamine, tetramethylethylenediamine, pyrrolidine, piperidine, pyrrole, pyrimidine, or a combination thereof,
Composition for forming fuel cell electrodes.
삭제delete 삭제delete 제1항에서,
상기 담체는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼, 활성 탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.
In paragraph 1,
The above carrier is any one selected from the group consisting of graphite, Denka black, Ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, activated carbon, and combinations thereof.
Composition for forming fuel cell electrodes.
제1항에서,
상기 금속 입자는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-M 합금(상기 M은 Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 전이 금속) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.
In paragraph 1,
The metal particles are any one selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-M alloy (wherein M is any one transition metal selected from the group consisting of Pd, Ir, Os, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, Ru and alloys thereof), and mixtures thereof.
Composition for forming fuel cell electrodes.
제1항에서,
상기 이오노머는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.
In paragraph 1,
The above ionomer is any one selected from the group consisting of fluorinated polymers, benzimidazole polymers, polyimide polymers, polyetherimide polymers, polyphenylene sulfide polymers, polysulfone polymers, polyethersulfone polymers, polyetherketone polymers, polyether-etherketone polymers, polyphenylquinoxaline polymers, and combinations thereof.
Composition for forming fuel cell electrodes.
제1항에서,
용매를 더 포함하고, 상기 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 부탄올, n-프로판올, 이소프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜, 디프로필렌 글리콜, 글리세롤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인,
연료전지 전극 형성용 조성물.
In paragraph 1,
The solvent further comprises a solvent, wherein the solvent is any one selected from the group consisting of water, methanol, ethanol, butanol, n-propanol, isopropanol, n-butyl acetate, ethylene glycol, dipropylene glycol, glycerol, and combinations thereof.
Composition for forming fuel cell electrodes.
금속 입자를 담체에 담지시켜 촉매를 준비하는 단계;
상기 촉매, 분산제 및 이오노머를 용매에 첨가하여 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계; 및
상기 전극 형성용 조성물을 도포하여 전극을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 분산제는 아민 화합물을 포함하고,
상기 아민 화합물은 피리딘을 포함하고,
상기 분산제는 상기 전극 형성용 조성물 중 촉매와 분산제의 질량비가 1 : 0.1 내지 1 : 10인 것인,
연료전지용 전극의 제조방법.
A step of preparing a catalyst by supporting metal particles on a support;
A step of preparing an electrode-forming composition by adding the above catalyst, dispersant, and ionomer to a solvent; and
The method includes the step of manufacturing an electrode by applying the above electrode-forming composition, and
The above dispersant includes an amine compound, and
The above amine compound includes pyridine, and
The above dispersant is one in which the mass ratio of the catalyst to the dispersant in the electrode-forming composition is 1:0.1 to 1:10,
Method for manufacturing an electrode for a fuel cell.
제11항에서,
상기 전극을 제조하는 단계는,
상기 도포된 전극 형성용 조성물을 60 내지 100℃의 온도에서 건조 및 110 내지 200℃에서 열처리 하는 단계를 더 포함하는 것인,
연료전지용 전극의 제조방법.
In Paragraph 11,
The step of manufacturing the above electrode is,
The method further comprises the step of drying the above-described coated electrode-forming composition at a temperature of 60 to 100°C and heat-treating it at 110 to 200°C.
Method for manufacturing an electrode for a fuel cell.
제11항에서,
상기 전극 형성용 조성물을 제조하는 단계는,
상기 촉매, 분산제 및 이오노머를 용매에 첨가하여 용액을 제조하고, 상기 제조된 용액을 초음파분쇄기, 호모믹서, 3롤밀, 공명 음향 믹서, 페이스트 믹서, 교반기, 고전단 분산기, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 이용하여 혼합하는 단계를 더 포함하는 것인,
연료전지용 전극의 제조방법.
In Paragraph 11,
The step of preparing the above electrode-forming composition is:
The method further comprises the step of preparing a solution by adding the catalyst, dispersant, and ionomer to a solvent, and mixing the prepared solution using any one selected from the group consisting of an ultrasonic grinder, a homomixer, a 3-roll mill, a resonant acoustic mixer, a paste mixer, a stirrer, a high-shear disperser, and combinations thereof.
Method for manufacturing an electrode for a fuel cell.
KR1020210170527A 2021-12-02 Composition for fuel cell electrode and manufacturing method of the same Active KR102957230B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210170527A KR102957230B1 (en) 2021-12-02 Composition for fuel cell electrode and manufacturing method of the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210170527A KR102957230B1 (en) 2021-12-02 Composition for fuel cell electrode and manufacturing method of the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230082759A KR20230082759A (en) 2023-06-09
KR102957230B1 true KR102957230B1 (en) 2026-04-23

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003077479A (en) 2001-09-04 2003-03-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd Polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same
JP2004006266A (en) * 2002-03-26 2004-01-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell
JP2005183263A (en) * 2003-12-22 2005-07-07 Nissan Motor Co Ltd Porous structure
JP3911145B2 (en) 2000-11-10 2007-05-09 三洋化成工業株式会社 Binder for electrode of electrochemical device and method for producing electrode

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3911145B2 (en) 2000-11-10 2007-05-09 三洋化成工業株式会社 Binder for electrode of electrochemical device and method for producing electrode
JP2003077479A (en) 2001-09-04 2003-03-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd Polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same
JP2004006266A (en) * 2002-03-26 2004-01-08 Matsushita Electric Ind Co Ltd Fuel cell
JP2005183263A (en) * 2003-12-22 2005-07-07 Nissan Motor Co Ltd Porous structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102246525B1 (en) Membrane-electrode assembly, method for manufacturing the same, and fuel cell comprising the same
KR102258909B1 (en) Membrane-electrode assembly, method for manufacturing the same, and fuel cell comprising the same
US11831025B2 (en) Catalyst, preparation method therefor, electrode comprising same, membrane-electrode assembly, and fuel cell
KR102141882B1 (en) The mixed catalysts composition for fuel cell electrode, the electrode of fuel cell and manufacturing method of the electrode
KR100696621B1 (en) Electrode base material for fuel cell, manufacturing method thereof and membrane-electrode assembly comprising same
KR102189064B1 (en) Method for manufacturing electrode, electrode manufactured by using the same, membrane-electrode assembly comprising the electrode, and fuel cell comprising the membrane-electrode assembly
KR20140082448A (en) Catalyst slurry for fuel cell, electrode prepared by using the same, membrane electrode assembly including the electrode, fuel cell comprising the membrane electrode assembly, and method of preparing the electrode
KR20150047018A (en) Catalyst slurry for fuel cell, and electrode, membrane electrode assembly and fuel cell using the same
KR100953617B1 (en) Electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same and fuel cell system comprising same
KR102175009B1 (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, method for manufacturing of the same, and fuel cell comprising the same
KR101093703B1 (en) Polymer electrolyte membrane for fuel cell and manufacturing method thereof
EP4053950B1 (en) Method for manufacturing polymer electrolyte membrane and electrolyte membrane manufactured thereby
KR20090055304A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell system comprising same
KR102719048B1 (en) Catalyst for Fuel Cell, Method for Manufacturing The Same, and Membrane-Electrode Assembly Comprising The Same
KR101351392B1 (en) Electrode for fuel cell, and membrane-electrode assembly and fuel cell system including the same
KR20070098136A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell system comprising same
KR102822502B1 (en) Electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell comprising same
KR102957230B1 (en) Composition for fuel cell electrode and manufacturing method of the same
KR20230103469A (en) Electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell comprising same
KR100778437B1 (en) Cathode catalyst for fuel cell, fuel cell membrane-electrode assembly and fuel cell system comprising same
KR20230082759A (en) Composition for fuel cell electrode and manufacturing method of the same
KR20080047765A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell system comprising same
US20250349865A1 (en) Method for preparing fuel cell catalyst electrode and fuel cell catalyst electrode prepared therefrom
KR20230078305A (en) Composition for fuel cell electrode and manufacturing method of fuel cell electrode using the same
KR20070106303A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell, and fuel cell system comprising same

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

St.27 status event code: A-0-1-A10-A12-nap-PA0109

PA0201 Request for examination

St.27 status event code: A-1-2-D10-D11-exm-PA0201

PG1501 Laying open of application

St.27 status event code: A-1-1-Q10-Q12-nap-PG1501

D13-X000 Search requested

St.27 status event code: A-1-2-D10-D13-srh-X000

PE0902 Notice of grounds for rejection

St.27 status event code: A-1-2-D10-D21-exm-PE0902

E13-X000 Pre-grant limitation requested

St.27 status event code: A-2-3-E10-E13-lim-X000

P11-X000 Amendment of application requested

St.27 status event code: A-2-2-P10-P11-nap-X000

PE0902 Notice of grounds for rejection

St.27 status event code: A-1-2-D10-D21-exm-PE0902

P11-X000 Amendment of application requested

St.27 status event code: A-2-2-P10-P11-nap-X000

PE0701 Decision of registration

St.27 status event code: A-1-2-D10-D22-exm-PE0701

PR0701 Registration of establishment

St.27 status event code: A-2-4-F10-F11-exm-PR0701

PR1002 Payment of registration fee

St.27 status event code: A-2-2-U10-U11-oth-PR1002

Fee payment year number: 1

PG1601 Publication of registration

St.27 status event code: A-4-4-Q10-Q13-nap-PG1601