KR20230174373A - Electrode manufacturing method for increasing durability of MEA support of hydrogen fuel cell - Google Patents

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KR20230174373A
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Abstract

본 발명은 구형 촉매 표면에 백금_섬유상 탄소를 부착한 제1전극조성물을 용매와 이오노머가 혼합된 혼합용액에 혼합하여 전극 슬러리를 제조하고, 이 전극 슬러리로 전극을 제조한다. 전극에 포함된 백금_섬유상 탄소는 장시간의 연료전지 운전에도 전극 구조를 잘 잡아준다. 이로 인해, 전극 구조가 무너져 구형 촉매들이 서로 뭉치면서 MEA 지지체가 손상되는 것을 막을 수 있어, MEA 지지체의 내구성을 향상시킬 수 있다.In the present invention, an electrode slurry is prepared by mixing a first electrode composition in which platinum-fibrous carbon is attached to the surface of a spherical catalyst with a mixed solution of a solvent and an ionomer, and an electrode is manufactured from this electrode slurry. The platinum-fibrous carbon contained in the electrode maintains the electrode structure well even during long-term fuel cell operation. As a result, it is possible to prevent the MEA support from being damaged when the electrode structure collapses and the spherical catalysts clump together, thereby improving the durability of the MEA support.

Description

수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법{Electrode manufacturing method for increasing durability of MEA support of hydrogen fuel cell}Electrode manufacturing method for increasing durability of MEA support of hydrogen fuel cell}

본 발명은 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode manufacturing method for increasing the durability of a hydrogen fuel cell MEA support.

연료전지는 수소와 같은 연료를 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 장치다. A fuel cell is a device that converts chemical energy into electrical energy using a fuel such as hydrogen.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등으로 분류될 수 있다.Depending on the type of electrolyte used, fuel cells include molten carbonate fuel cell (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), It can be classified into polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC), etc.

각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 작동원리를 갖는다. 하지만 해당 연료전지마다 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매 및 전해질 등의 다양한 조건에 따라 서로 다르게 구분될 수 있다.Each fuel cell has fundamentally the same operating principle. However, each fuel cell can be classified differently depending on various conditions such as the type of fuel used, operating temperature, catalyst, and electrolyte.

그 중 고분자 전해질막 연료전지는 기타의 연료전지에 비하여 출력밀도(power density) 및 효율이 높고, 낮은 운전 온도에서 작동되며, 빠른 시동 및 응답 특성을 갖는다는 장점이 있다. 이러한 이유로, 고분자 전해질막 연료전지는 자동차 등의 수송용 전원, 주거환경에 필요한 분산용 전원, 각종 휴대용 장치의 이동용 전원으로 다양하게 활용될 수 있다.Among them, polymer electrolyte membrane fuel cells have the advantages of having higher power density and efficiency compared to other fuel cells, operating at low operating temperatures, and having fast start-up and response characteristics. For this reason, polymer electrolyte membrane fuel cells can be used in various ways as transportation power sources for automobiles, distributed power sources for residential environments, and mobile power sources for various portable devices.

고분자 전해질막 연료전지는 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly, 이하 'MEA'라 칭함)가 위치하며, 이 MEA는 전극 즉, 애노드(anode)극과 캐소드(cathode)극이 전해질막의 양쪽 면에 위치된 형태로 구성되어 있다.The innermost part of a polymer electrolyte membrane fuel cell is the main component, the membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as 'MEA'). This MEA consists of electrodes, that is, an anode and a cathode. It consists of poles located on both sides of the electrolyte membrane.

종래에는 용매, 이오노머, 구형 촉매가 혼합된 전극 슬러리를 전해질막에 코팅한 후 건조시켜 전극을 제조하였다. 이때 혼합되는 구형 촉매는, 구형 탄소 지지체(MEA 지지체)에 활성 금속 입자가 담지되어 제조된다. 활성 금속으로는 백금(Pt)이 많이 사용된다.Conventionally, an electrode slurry containing a solvent, an ionomer, and a spherical catalyst was coated on an electrolyte membrane and then dried to manufacture an electrode. The spherical catalyst mixed at this time is manufactured by carrying active metal particles on a spherical carbon support (MEA support). Platinum (Pt) is widely used as an active metal.

수소를 연료로 하는 수소연료전지는 누적 발전 시간이 많아질수록 구형 촉매의 뭉침 현상이 심해져 MEA 지지체의 구조가 빠르게 무너져 내린다. 이렇게 MEA 지지체의 구조가 무너져 내리면 MEA 성능도 빠르게 감소된다. 따라서 MEA 지지체의 내구성을 전극 제조시부터 향상시킬 필요가 있다.In hydrogen fuel cells that use hydrogen as fuel, as the cumulative power generation time increases, the agglomeration of spherical catalysts becomes more severe, and the structure of the MEA support quickly collapses. If the structure of the MEA support collapses, MEA performance quickly decreases. Therefore, there is a need to improve the durability of the MEA support from the time of electrode manufacturing.

한국등록특허(10-0831659)Korean registered patent (10-0831659)

본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법을 제공하는 데 있다.The purpose of the present invention is to provide an electrode manufacturing method for increasing the durability of a hydrogen fuel cell MEA support that can solve the above-mentioned problems.

상기 목적을 달성하기 위한 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법은,The electrode manufacturing method for increasing the durability of the hydrogen fuel cell MEA support to achieve the above purpose is,

구형 탄소 지지체에 활성 금속 입자를 담지시켜, 구형 촉매를 제조하는 제1단계;A first step of producing a spherical catalyst by supporting active metal particles on a spherical carbon support;

섬유상 탄소에 백금 입자를 담지시켜, 백금_섬유상 탄소를 제조하는 제2단계;A second step of producing platinum_fibrous carbon by supporting platinum particles on fibrous carbon;

상기 구형 촉매 표면에 상기 백금_섬유상 탄소를 부착하여, 제1전극조성물을 제조하는 제3단계;A third step of manufacturing a first electrode composition by attaching the platinum fibrous carbon to the surface of the spherical catalyst;

상기 제1전극조성물을, 용매와 이오노머가 혼합된 혼합용액에 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 제4단계; 및A fourth step of preparing an electrode slurry by mixing the first electrode composition with a mixed solution of a solvent and an ionomer; and

상기 전극 슬러리로 전극을 제조하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.It is characterized by comprising a fifth step of manufacturing an electrode using the electrode slurry.

또한, 상기 목적은,In addition, the above purpose is to

구형 탄소 지지체에 활성 금속 입자를 담지시켜, 구형 촉매를 제조하는 제1단계;A first step of producing a spherical catalyst by supporting active metal particles on a spherical carbon support;

섬유상 탄소에 백금 입자를 담지시켜, 백금_섬유상 탄소를 제조하는 제2단계;A second step of producing platinum_fibrous carbon by supporting platinum particles on fibrous carbon;

상기 백금_섬유상 탄소와 섬유상 탄소를 설정된 비율로 혼합한 후, 상기 구형 촉매 표면에 부착하여, 제2전극조성물을 제조하는 제3단계;A third step of mixing the platinum fibrous carbon and fibrous carbon at a set ratio and attaching the platinum fibrous carbon to the surface of the spherical catalyst to prepare a second electrode composition;

상기 제2전극조성물을, 용매와 이오노머가 혼합된 혼합용액에 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 제4단계; 및A fourth step of preparing an electrode slurry by mixing the second electrode composition with a mixed solution of a solvent and an ionomer; and

상기 전극 슬러리로 전극을 제조하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법에 의해 달성된다.This is achieved by an electrode manufacturing method for increasing the durability of a hydrogen fuel cell MEA support, which includes a fifth step of manufacturing an electrode using the electrode slurry.

본 발명은 구형 촉매 표면에 백금_섬유상 탄소를 부착한 제1전극조성물을 용매와 이오노머가 혼합된 혼합용액에 혼합하여 전극 슬러리를 제조하고, 이 전극 슬러리로 전극을 제조한다. 전극에 포함된 백금_섬유상 탄소는 장시간의 연료전지 운전에도 전극 구조를 잘 잡아준다. 이로 인해, 전극 구조가 무너져 구형 촉매들이 서로 뭉치면서 MEA 지지체가 손상되는 것을 막을 수 있어, MEA 지지체의 내구성을 향상시킬 수 있다. In the present invention, an electrode slurry is prepared by mixing a first electrode composition in which platinum-fibrous carbon is attached to the surface of a spherical catalyst with a mixed solution of a solvent and an ionomer, and an electrode is manufactured from this electrode slurry. The platinum-fibrous carbon contained in the electrode maintains the electrode structure well even during long-term fuel cell operation. As a result, it is possible to prevent the MEA support from being damaged when the electrode structure collapses and the spherical catalysts clump together, thereby improving the durability of the MEA support.

또한, 백금 입자가 섬유상 탄소를 둘러싸고 있어, 섬유상 탄소가 저항체로 작용하는 것을 막아줘, 전극 상태가 안정화될 뿐만 아니라 MEA 성능도 개선될 수 있다.In addition, platinum particles surround the fibrous carbon, preventing the fibrous carbon from acting as a resistor, which not only stabilizes the electrode condition but also improves MEA performance.

또한, 볼 밀러(ball miller)를 사용하여, 제1전극조성물을 제조하므로, 구형 촉매 표면에 백금_섬유상 탄소를 견고하게 부착시킬 수 있다. 또한, 볼 밀러에 투입되는 구형 촉매 및 백금_섬유상 탄소의 양을 조절하여, 제1전극조성물에서, 구형 촉매와 백금_섬유상 탄소의 비율을 쉽게 조절할 수 있다.In addition, since the first electrode composition is manufactured using a ball miller, platinum fibrous carbon can be firmly attached to the surface of the spherical catalyst. Additionally, by controlling the amounts of spherical catalyst and platinum-fibrous carbon introduced into the ball miller, the ratio of spherical catalyst and platinum-fibrous carbon in the first electrode composition can be easily adjusted.

본 발명은 백금_섬유상 탄소와 섬유상 탄소를 설정된 비율로 혼합한 후, 구형 촉매 표면에 부착하여 제2전극조성물을 제조하고, 이 제2전극조성물을 용매와 이오노머가 혼합된 혼합용액에 혼합하여 전극 슬러리를 제조하고, 이 전극 슬러리로 전극을 제조한다. 전극에 포함된 백금_섬유상 탄소와 섬유상 탄소는 장시간의 연료전지 운전에도 전극 구조를 잘 잡아준다. 이로 인해, 전극 구조가 무너져 구형 촉매들이 서로 뭉치면서 MEA 지지체가 손상되는 것을 막을 수 있어, MEA 지지체의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 백금_섬유상 탄소만 사용한 경우보다, 고가의 백금 사용량을 줄일 수 있다.In the present invention, platinum fibrous carbon and fibrous carbon are mixed at a set ratio and then attached to the surface of a spherical catalyst to prepare a second electrode composition. This second electrode composition is mixed with a mixed solution of a solvent and an ionomer to form an electrode. A slurry is prepared, and an electrode is manufactured from this electrode slurry. The platinum-fibrous carbon and fibrous carbon contained in the electrode maintain the electrode structure well even during long-term fuel cell operation. As a result, it is possible to prevent the MEA support from being damaged when the electrode structure collapses and the spherical catalysts clump together, thereby improving the durability of the MEA support. In addition, the amount of expensive platinum used can be reduced compared to the case where only platinum fibrous carbon is used.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법으로 제조된 (a)구형 촉매와, (b)백금_섬유상 탄소를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법으로 제조된 제1전극조성물을 나타낸 모식도이다.
도 4는 볼 밀링에 의해 구형 촉매 표면에 백금 입자가 섬유상 탄소를 부착하여 제1전극조성물을 제조하는 것을 나타낸 모식도이다.
도 5는 서로 다른 직경을 가진 볼로 볼 밀링하여, 제1전극조성물을 제조하는 것을 나타낸 모식도이다.
도 6은 볼 밀링에 의해 제조된 제1전극조성물을 필터로 거르는 것을 나타낸 모식도이다.
도 7은 가속 스트레스 테스트(Accelerated Stress Test, AST)를 하기 전(fresh)과 후(after AST)의 전극의 전류밀도에 따른 전압강하를 나타낸 그래프로서, 도 7(a)는 백금 입자가 담지된 탄소나노튜브를 넣지 않은 경우, 도 7(b)는 백금 입자가 담지된 탄소나노튜브를 10% 넣은 경우, 도 7(c)는 백금 입자가 담지된 탄소나노튜브를 20% 넣은 경우를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 수소연료전지 전극 상태 안정화를 위한 전극 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법으로 제조된 제2전극조성물을 나타낸 모식도이다.
Figure 1 is a flowchart showing an electrode manufacturing method for increasing durability of a hydrogen fuel cell MEA support according to the first embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing (a) a spherical catalyst and (b) platinum_fibrous carbon manufactured by an electrode manufacturing method for increasing the durability of a hydrogen fuel cell MEA support according to the first embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram showing a first electrode composition manufactured by an electrode manufacturing method for increasing durability of a hydrogen fuel cell MEA support according to the first embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram showing the production of a first electrode composition by attaching platinum particles to the surface of a spherical catalyst and fibrous carbon by ball milling.
Figure 5 is a schematic diagram showing manufacturing a first electrode composition by ball milling balls with different diameters.
Figure 6 is a schematic diagram showing filtering the first electrode composition prepared by ball milling.
Figure 7 is a graph showing the voltage drop according to the current density of the electrode before (fresh) and after (after AST) an accelerated stress test (AST). Figure 7(a) is a graph showing the voltage drop according to the current density of the electrode with platinum particles supported. A graph showing the case in which no carbon nanotubes were added, Figure 7(b) showing the case in which 10% of carbon nanotubes carrying platinum particles were added, and Figure 7(c) showing the case in which 20% of carbon nanotubes carrying platinum particles were added. am.
Figure 8 is a flowchart showing an electrode manufacturing method for stabilizing the state of a hydrogen fuel cell electrode according to a second embodiment of the present invention.
Figure 9 is a schematic diagram showing a second electrode composition manufactured by an electrode manufacturing method for increasing durability of a hydrogen fuel cell MEA support according to a second embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법을 자세히 설명한다. Hereinafter, a method for manufacturing an electrode for increasing durability of a hydrogen fuel cell MEA support according to the first embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법은,As shown in Figure 1, the electrode manufacturing method for increasing the durability of the hydrogen fuel cell MEA support according to the first embodiment of the present invention is,

구형 탄소 지지체에 활성 금속 입자를 담지시켜, 구형 촉매를 제조하는 제1단계(S11);A first step (S11) of producing a spherical catalyst by supporting active metal particles on a spherical carbon support;

섬유상 탄소에 백금 입자를 담지시켜, 백금_섬유상 탄소를 제조하는 제2단계(S12);A second step (S12) of producing platinum_fibrous carbon by supporting platinum particles on fibrous carbon;

상기 구형 촉매 표면에 상기 백금_섬유상 탄소를 부착하여, 제1전극조성물을 제조하는 제3단계(S13);A third step (S13) of manufacturing a first electrode composition by attaching the platinum fibrous carbon to the surface of the spherical catalyst;

상기 제1전극조성물을, 용매와 이오노머가 혼합된 혼합용액에 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 제4단계(S14); 및A fourth step (S14) of preparing an electrode slurry by mixing the first electrode composition with a mixed solution of a solvent and an ionomer; and

상기 전극 슬러리로 전극을 제조하는 제5단계(S15)로 구성된다.It consists of a fifth step (S15) of manufacturing an electrode using the electrode slurry.

이하, 제1단계(S11)를 설명한다.Hereinafter, the first step (S11) will be described.

구형 촉매(10)는 구형 탄소 지지체(11)에 활성 금속 입자(12)를 담지시켜 제조된다. 구형 촉매(10)는 고비표면적 담지체(BET 600-700 이상)를 사용한 촉매, 열처리 과정이 진행된 촉매, 합금 촉매로 3가지 타입으로 나뉠 수 있다.The spherical catalyst 10 is manufactured by supporting active metal particles 12 on a spherical carbon support 11. The spherical catalyst 10 can be divided into three types: a catalyst using a high specific surface area carrier (BET 600-700 or more), a catalyst that has undergone a heat treatment process, and an alloy catalyst.

구형 탄소 지지체(11)는 카본 블랙(carbon black) 입자로 이루어지며, 구형의 카본 블랙 입자에 수많은 기공을 뚫기 위해, 카본 블랙 입자를 수증기로 부활처리한다.The spherical carbon support 11 is made of carbon black particles, and in order to create numerous pores in the spherical carbon black particles, the carbon black particles are revived with water vapor.

카본 블랙 입자의 종류에는 써멀 블랙(thermal black) 입자, 아세틸렌 블랙(acetylene black) 입자, 케첸 블랙(ketjen black) 입자가 있다.Types of carbon black particles include thermal black particles, acetylene black particles, and ketjen black particles.

활성 금속 입자(12)는 백금(Pt)과, 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 등의 전이금속군에서 선택되는 하나 의 금속으로 이루어지거나, 이들 중 선택되는 하나 이상의 금속으로 이루어진 합금 입자 일 수 있다.The active metal particles 12 are made of a metal selected from the transition metal group such as platinum (Pt), nickel (Ni), palladium (Pd), rhodium (Rh), titanium (Ti), and zirconium (Zr). Or, it may be an alloy particle made of one or more metals selected from among these.

단일 금속 입자인 경우 백금 입자(14)가 사용되는 것이 바람직하다.In the case of single metal particles, platinum particles 14 are preferably used.

활성 금속이 백금 단일 금속이 아니라 다른 금속과 합금이 되면, 산화막이 덜 생긴다. 왜냐하면 합금이 되면, 백금의 전자를 끌어가서 백금 표면의 산화가 덜 되기 때문이다. 이때, 합금 자체가 녹아나는 게 문제가 될 수 있다. 그러나 합금이 잘 녹아나지 않도록 최적의 비율로 조절할 수 있다. 또한, 합금은 산처리를 통해 녹아날 것들을 미리 다 녹여낸다. 따라서 합금 입자를 사용하는 경우, 고가의 백금을 단일로 사용하는 경우보다 비용이 절감되고, 성능뿐만 아니라 내구성도 좋아진다.If the active metal is alloyed with another metal rather than a single platinum metal, less oxide film is formed. This is because when alloyed, the electrons of platinum are drawn away, making the platinum surface less oxidized. At this time, melting of the alloy itself can be a problem. However, it can be adjusted to the optimal ratio so that the alloy does not melt easily. In addition, the alloy melts in advance everything that will be melted through acid treatment. Therefore, when alloy particles are used, costs are reduced compared to when expensive platinum is used alone, and not only performance but also durability is improved.

구형 탄소 지지체(11), 백금 입자(12), 용매, 이오노머를 혼합하여 수소이온농도(PH)와 온도를 맞춰 반응시키면 구형 탄소 지지체(11)에 형성된 기공에 백금 입자(12)가 담지된다. 이를 필터로 걸러서 건조시키고 열처리하면, 도 2(a)에 도시된 바와 같은 구형 촉매(10)가 제조된다.When the spherical carbon support 11, platinum particles 12, solvent, and ionomer are mixed and reacted at the hydrogen ion concentration (PH) and temperature, the platinum particles 12 are supported in the pores formed in the spherical carbon support 11. When this is filtered, dried, and heat treated, a spherical catalyst 10 as shown in FIG. 2(a) is manufactured.

용매는 에탄올, 이소프로필 알코올, 프로판올, 부탄올, 아밀알코올, 및 증류수로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.The solvent may be selected from the group consisting of ethanol, isopropyl alcohol, propanol, butanol, amyl alcohol, and distilled water.

이오노머는 폴리설폰계 수지, 폴리에테르 케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리페닐렌 설파이드계 수지, 폴리페닐렌 옥사이드계 수지, 및 네피온으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.Ionomers include polysulfone-based resins, polyether ketone-based resins, polyether-based resins, polyester-based resins, polybenzimidazole-based resins, polyimide-based resins, polyphenylene sulfide-based resins, polyphenylene oxide-based resins, and It may be selected from the group consisting of nepion.

이하, 제2단계(S12)를 설명한다.Hereinafter, the second step (S12) will be described.

도 2(b)에 도시된 바와 같이, 섬유상 탄소(13)에 백금 입자(12)를 담지시킨다. As shown in FIG. 2(b), platinum particles 12 are supported on fibrous carbon 13.

섬유상 탄소(13)로는 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT) 또는 탄소나노섬유(carbon nano fiber, CNF) 중 하나이거나, 이 둘의 혼합인 것이 바람직하다.The fibrous carbon 13 is preferably either carbon nanotubes (carbon nano tubes, CNTs) or carbon nanofibers (CNFs), or a mixture of the two.

탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유 표면에 백금 입자(12)를 담지시키는 것은 습식 전기화학적 공정, 건식 박막 증착 공정 또는 초임계 이산화탄소 유체 담지 공정 등 공지된 기술을 이용하여 실시될 수 있다.Supporting the platinum particles 12 on the surface of carbon nanotubes or carbon nanofibers can be performed using known techniques such as a wet electrochemical process, a dry thin film deposition process, or a supercritical carbon dioxide fluid loading process.

탄소나노튜브는 탄소의 육각망면이 섬유축 방향에 평행으로 배열한 구조로서, 내부에 0.4 nm 이상의 튜브 형태의 공간을 지니고 있는 구조로 되어있다. 탄소나노튜브로, 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube; SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(double wall carbon nanotube; DWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube; MWCNT)가 적용될 수 있다.Carbon nanotubes have a structure in which hexagonal carbon planes are arranged parallel to the fiber axis, and have a tube-shaped space inside of them of 0.4 nm or more. As carbon nanotubes, single wall carbon nanotubes (SWCNT), double wall carbon nanotubes (DWCNT), and multi wall carbon nanotubes (MWCNT) can be applied.

탄소나노섬유는 탄소의 육각망면이 섬유축에 대하여 직각으로 배열하여 있는 구조(칼럼나구조 혹은 플레이트리트 구조) 및 섬유축에 대하여 일정한 경사를 지니고 있는 구조(깃털구조 혹은 헤링본구조)를 지니고 있으며, 섬유의 내부에 탄소나노튜브와 같은 튜브의 공간을 나타내지 않는다.Carbon nanofibers have a structure in which the hexagonal carbon planes are arranged at right angles to the fiber axis (column structure or platelet structure) and a structure with a constant inclination to the fiber axis (feather structure or herringbone structure). It does not show the space of a tube like a carbon nanotube inside the fiber.

이하, 제3단계(S13)를 설명한다.Hereinafter, the third step (S13) will be described.

도 3에 도시된 바와 같은 구형 촉매(10) 표면에 백금_섬유상 탄소(20)를 부착하여 제1전극조성물(30)을 제조하기 위해, 볼 밀러(ball miller)를 사용한다. A ball miller is used to manufacture the first electrode composition 30 by attaching platinum fibrous carbon 20 to the surface of the spherical catalyst 10 as shown in FIG. 3.

도 4에 도시된 바와 같이, 볼 밀러(100)는, 통(101), 통(101)이 놓여지는 2개의 롤러(102,103), 2개의 롤러(102,103)를 회전시키는 구동부(미도시), 통(101) 안에 넣어지는 볼(104)들로 구성된다. 통(101)에 구형 촉매(10)와 백금_섬유상 탄소(20)와 볼(104)을 넣고 꺼낼 수 있는 출입구가 있으며 그 도시는 생략하였다. 또한, 구동부의 구성은 모터 등 공지된 기술로 구현 가능하므로 자세한 설명은 생략한다.As shown in FIG. 4, the ball miller 100 includes a barrel 101, two rollers 102 and 103 on which the barrel 101 is placed, a drive unit (not shown) that rotates the two rollers 102 and 103, and a barrel. It consists of balls (104) placed inside (101). There is an entrance through which the spherical catalyst (10), platinum fibrous carbon (20), and ball (104) can be placed and taken out of the barrel (101), but this is not shown. Additionally, since the configuration of the driving unit can be implemented using known technologies such as motors, detailed description will be omitted.

[제1볼밀링법][1st ball milling method]

제1볼밀링법은 동일한 직경을 가진 볼(104)로 구형 촉매(10)와 백금_섬유상 탄소(20)에 물리적 힘을 가하여, 제1전극조성물(30)을 제조한다.The first ball milling method manufactures the first electrode composition 30 by applying physical force to the spherical catalyst 10 and the platinum fibrous carbon 20 using balls 104 having the same diameter.

이를 위해, 구형 촉매(10)와 백금_섬유상 탄소(20)와 동일한 직경을 가진 볼(104)들을 통(101) 안에 넣는다. 통(101)을 2개의 롤러(102,103) 위에 올려놓는다. 2개의 롤러(102,103)가 회전하면서 통(101)을 회전시킨다. 통(101)이 회전하는 동안, 볼(104)들이 무작위로 이동하면서, 구형 촉매(10)와 백금_섬유상 탄소(20)를 가압하여, 구형 촉매(10)와 백금_섬유상 탄소(20)를 결합시킨다.For this purpose, balls 104 having the same diameter as the spherical catalyst 10 and platinum fibrous carbon 20 are placed in the barrel 101. The barrel 101 is placed on the two rollers 102 and 103. The two rollers 102 and 103 rotate to rotate the barrel 101. While the barrel 101 rotates, the balls 104 move randomly and pressurize the spherical catalyst 10 and the platinum fibrous carbon 20. Combine.

[제2볼밀링법][Second ball milling method]

도 5를 참조한다.See Figure 5.

제2볼밀링법은 서로 다른 직경을 가진 볼(104,105)로 구형 촉매(10)와 백금_섬유상 탄소(20)에 물리적 힘을 가하여, 제1전극조성물(30)을 제조한다.The second ball milling method manufactures the first electrode composition (30) by applying physical force to the spherical catalyst (10) and the platinum-fibrous carbon (20) using balls (104, 105) having different diameters.

이를 위해, 서로 다른 크기의 볼(104,105)들을 통(101) 안에 넣는다. 통(101)을 2개의 롤러(102,103) 위에 올려놓는다. 2개의 롤러(102,103)가 통(101)을 회전시킨다. 통(101)이 회전하는 동안, 서로 다른 크기의 볼(104,105)들이 무작위로 이동하면서, 구형 촉매(10)와 백금_섬유상 탄소(20)를 가압하여, 구형 촉매(10)와 백금_섬유상 탄소(20)를 결합시킨다.For this purpose, balls 104 and 105 of different sizes are placed into the barrel 101. The barrel 101 is placed on the two rollers 102 and 103. Two rollers 102 and 103 rotate the barrel 101. While the barrel 101 rotates, the balls 104 and 105 of different sizes move randomly and pressurize the spherical catalyst 10 and the platinum fibrous carbon 20. Combine (20).

이때, 상대적으로 큰 직경(10mm)을 가진 볼(104)들은 구형 촉매(10)와 백금_섬유상 탄소(20)를 대략적으로 결합시키고, 상대적으로 직경(3mm)이 작은 볼(105)들은 구형 촉매(10)와 백금_섬유상 탄소(20)가 결합되지 않은 부분까지 찾아 들어가 구형 촉매(10)와 백금_섬유상 탄소(20)를 세세하게 결합시킨다. 따라서 제2볼밀링법을 사용하면, 제1볼밀링법보다 구형 촉매(10)와 백금_섬유상 탄소(20)의 결합력이 더 좋은 제1전극조성물(30)을 제조할 수 있다.At this time, the balls 104 with a relatively large diameter (10 mm) roughly combine the spherical catalyst 10 and the platinum fibrous carbon 20, and the balls 105 with a relatively small diameter (3 mm) combine the spherical catalyst 10 and the platinum fibrous carbon 20. (10) and platinum-fibrous carbon (20) go into the area where they are not bonded and bond the spherical catalyst (10) and platinum-fibrous carbon (20) in detail. Therefore, by using the second ball milling method, the first electrode composition 30 can be manufactured with better bonding strength between the spherical catalyst 10 and the platinum fibrous carbon 20 than by the first ball milling method.

[필터링 방법][Filtering Method]

도 6을 참조한다.See Figure 6.

필터링 방법은, 제1방법 또는 제2방법으로 제조된 제1전극조성물(30)을 필터(132)로 걸러, 제1전극조성물(30)에 결합되지 않은 상태로 묻어 있는 구형 촉매(10) 또는 백금_섬유상 탄소(20)를 필터(132) 밑으로 떨어뜨리고, 제1전극조성물(30)만을 필터(132) 위에 남긴다. 이를 위해, 도 6에 도시된 바와 같이, 용기(131), 필터(132), 가진기(133)로 구성된 필터유닛(130)이 사용된다. 가진기(133)는 용기(131)를 진동시켜, 필터(132) 밑으로 구형 촉매(10) 또는 백금_섬유상 탄소(20)가 잘 떨어지게 만든다.The filtering method is to filter the first electrode composition 30 prepared by the first method or the second method through the filter 132, and remove the spherical catalyst 10 or the spherical catalyst buried in the first electrode composition 30 in an unbound state. Platinum_fibrous carbon (20) is dropped below the filter (132), and only the first electrode composition (30) is left on the filter (132). For this purpose, as shown in FIG. 6, a filter unit 130 consisting of a container 131, a filter 132, and a vibrator 133 is used. The vibrator 133 vibrates the container 131, causing the spherical catalyst 10 or platinum fibrous carbon 20 to fall easily below the filter 132.

이하, 제4단계(S14)를 설명한다.Hereinafter, the fourth step (S14) will be described.

용매와 이오노머가 혼합된 혼합용매에 제1전극조성물(30)을 혼합하여 전극 슬러리를 제조한다. 용매와 이오노머는 제1단계(S11)에서 설명한 것과 동일하다. An electrode slurry is prepared by mixing the first electrode composition 30 with a mixed solvent containing a solvent and an ionomer. The solvent and ionomer are the same as those described in the first step (S11).

이와 같이 전극 슬러리에 구형 촉매(10)와 함께 백금_섬유상 탄소(20)를 첨가하면, 백금_섬유상 탄소(20)가 전극 슬러리 내에서 구조를 잡아주어 구형 촉매(10)들이 서로 뭉치지 않게 해주면서도, 백금 입자(12)가 섬유상 탄소(13)의 표면을 둘러싸고 있어 섬유상 탄소(13)가 저항체로 작용하는 것을 막아준다.In this way, when platinum-fibrous carbon (20) is added together with the spherical catalyst (10) to the electrode slurry, the platinum-fibrous carbon (20) holds the structure within the electrode slurry and prevents the spherical catalysts (10) from clumping together. , platinum particles 12 surround the surface of the fibrous carbon 13, preventing the fibrous carbon 13 from acting as a resistor.

또한, 구형 촉매(10) 표면에 백금_섬유상 탄소(20)를 부착된 형태로 투입되므로, 백금_섬유상 탄소(20)를 구형 촉매(10) 표면에 고르고 더 견고하게 분포시킬 수 있고, 구형 촉매(10)와 섬유상 탄소(13)의 비율 조절이 용이해진다.In addition, since platinum fibrous carbon 20 is added to the surface of the spherical catalyst 10, the platinum fibrous carbon 20 can be distributed evenly and more firmly on the surface of the spherical catalyst 10, and the spherical catalyst 10 can be distributed evenly and more firmly. It becomes easy to control the ratio of (10) and fibrous carbon (13).

이하, 제5단계(S15)를 설명한다.Hereinafter, the fifth step (S15) will be described.

상술한 바와 같이 제조된 전극 슬러리를 이용하여 전극을 제조한다.An electrode is manufactured using the electrode slurry prepared as described above.

전극은 전극 슬러리를 이형필름에 코팅 후 건조시켜 형성한다. 전극이 형성된 2개의 이형필름을 전해질막의 상면과 하면에 전사하여 전해질막에 전극을 부착한다.The electrode is formed by coating the electrode slurry on a release film and drying it. Two release films with electrodes are transferred to the upper and lower surfaces of the electrolyte membrane and the electrodes are attached to the electrolyte membrane.

이와 달리 전극 슬러리를 전해질막에 직접 코팅하여 전극을 형성할 수도 있다.Alternatively, an electrode can be formed by directly coating the electrode slurry on the electrolyte membrane.

전해질막에 전극을 형성하는 방식은 이에 한정되지 않으며, 공지된 기술을 이용하여 다양한 방식으로 이루어질 수 있다.The method of forming electrodes on the electrolyte membrane is not limited to this, and can be performed in various ways using known technologies.

[MEA 지지체 내구성 평가][MEA support durability evaluation]

이와 같은 방법으로 제조된 전극에 대하여 MEA 지지체의 내구성을 평가하기 위해, 가속 스트레스 테스트(Accelerated Stress Test, AST)를 시행한다. 도 7은 가속 스트레스 테스트를 하기 전(fresh)과 후(after AST)의 전극의 전류밀도에 따른 전압강하를 나타낸 그래프이다.To evaluate the durability of the MEA support for the electrode manufactured in this way, an accelerated stress test (AST) is performed. Figure 7 is a graph showing the voltage drop according to the current density of the electrode before (fresh) and after (after AST) the accelerated stress test.

MEA 지지체의 내구성을 평가하기 위한 가속 스트레스 테스트는 양극과 음극에 1.0 V의 전압을 걸고 30초 유지하는 과정과 양극과 음극에 1.4 V의 전압을 걸고 30초 유지하는 과정을 500번 반복하여 실시한다. The accelerated stress test to evaluate the durability of the MEA support is performed by repeating the process of applying a voltage of 1.0 V to the anode and cathode and maintaining it for 30 seconds, and applying a voltage of 1.4 V to the anode and cathode and maintaining it for 30 seconds, repeating 500 times. .

도 7(a)를 보면, 구형 촉매(10)에 백금 입자가 담지된 탄소나노튜브를 넣지 않은 경우, 가속 스트레스 테스트 이후 전압 밀도에 따른 전압강하가 큰 것을 확인할 수 있다.Looking at FIG. 7(a), it can be seen that when the carbon nanotubes carrying platinum particles are not inserted into the spherical catalyst 10, the voltage drop according to the voltage density is large after the accelerated stress test.

또한, 도 7(b) 및 도 7(c)를 보면, 백금 입자가 담지된 탄소나노튜브를 10% 넣은 경우와 백금 입자가 담지된 탄소나노튜브를 20% 넣은 경우, 가속 스트레스 테스트 이후 전압 밀도에 따른 전압강하 폭이 점점 줄어드는 것을 확인할 수 있다.In addition, looking at Figure 7(b) and Figure 7(c), the voltage density after the accelerated stress test when 10% of the carbon nanotubes supported with platinum particles were inserted and when 20% of the carbon nanotubes supported with platinum particles were inserted. It can be seen that the voltage drop gradually decreases.

백금 입자가 담지된 탄소나노튜브를 20%를 넣은 경우, 백금 입자가 담지된 탄소나노튜브를 넣지 않은 것보다 성능 감소율이 약 10배 정도 좋아지는 결과를 보인다. 이것은 백금 입자가 담지된 탄소나노튜브의 양이 많아질수록 전극 구조를 더 잘 잡아주어 MEA 지지체의 내구성이 더 좋아지는 것을 보여준다.When 20% of carbon nanotubes loaded with platinum particles are added, the performance reduction rate is about 10 times better than when carbon nanotubes loaded with platinum particles are not added. This shows that as the amount of carbon nanotubes loaded with platinum particles increases, the electrode structure is better maintained and the durability of the MEA support improves.

이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법을 자세히 설명한다. 도 1 내지 도 7을 기본적으로 참조한다. Hereinafter, the electrode manufacturing method for increasing the durability of the hydrogen fuel cell MEA support according to the second embodiment of the present invention will be described in detail. Basically refer to FIGS. 1 to 7.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법은,As shown in Figure 8, the electrode manufacturing method for increasing the durability of the hydrogen fuel cell MEA support according to the second embodiment of the present invention is,

구형 탄소 지지체에 활성 금속 입자를 담지시켜, 구형 촉매를 제조하는 제1단계(S21);A first step (S21) of producing a spherical catalyst by supporting active metal particles on a spherical carbon support;

섬유상 탄소에 백금 입자를 담지시켜, 백금_섬유상 탄소를 제조하는 제2단계(S22);A second step (S22) of producing platinum_fibrous carbon by supporting platinum particles on fibrous carbon;

상기 백금_섬유상 탄소와 섬유상 탄소를 설정된 비율로 혼합한 후, 상기 구형 촉매 표면에 부착하여, 제2전극조성물을 제조하는 제3단계(S23);A third step (S23) of mixing the platinum fibrous carbon and fibrous carbon at a set ratio and attaching them to the surface of the spherical catalyst to prepare a second electrode composition (S23);

상기 제2전극조성물을, 용매와 이오노머가 혼합된 혼합용액에 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 제4단계(S24); 및A fourth step (S24) of preparing an electrode slurry by mixing the second electrode composition with a mixed solution of a solvent and an ionomer; and

상기 전극 슬러리로 전극을 제조하는 제5단계(S25)로 구성된다.It consists of a fifth step (S25) of manufacturing an electrode using the electrode slurry.

제2실시예의 제1단계(S21), 제2단계(S22), 제4단계(S24), 제5단계(S25)는 제1실시예의 제1단계(S11), 제2단계(S12), 제4단계(S14), 제5단계(S15)와 각각 동일하므로 자세한 설명을 생략하고, 구별되는 제3단계(S23)에 대해서만 설명하기로 한다.The first step (S21), the second step (S22), the fourth step (S24), and the fifth step (S25) of the second embodiment are the first step (S11), the second step (S12), and the first step (S12) of the first embodiment. Since they are the same as the fourth step (S14) and the fifth step (S15), detailed descriptions will be omitted and only the distinct third step (S23) will be described.

이하, 제3단계(S23)를 설명한다.Hereinafter, the third step (S23) will be described.

도 9에 도시된 바와 같이, 구형 촉매(10) 표면에, 설정된 비율로 혼합된 백금_섬유상 탄소(20)와 섬유상 탄소(13)를 부착하여 제2전극조성물(40)을 제조한다. As shown in FIG. 9, the second electrode composition 40 is manufactured by attaching platinum fibrous carbon 20 and fibrous carbon 13 mixed at a set ratio to the surface of the spherical catalyst 10.

섬유상 탄소(13)로는 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT) 또는 탄소나노섬유(carbon nano fiber, CNF) 중 하나이거나, 이 둘의 혼합인 것이 바람직하다.The fibrous carbon 13 is preferably either carbon nanotubes (carbon nano tubes, CNTs) or carbon nanofibers (CNFs), or a mixture of the two.

제2전극조성물(40)을 제조하기 위해, 제1실시예에서와 같이 볼 밀러(ball miller)를 사용한다. 백금_섬유상 탄소(20) 대신 백금_섬유상 탄소(20)와 섬유상 탄소(13)가 설정된 비율로 투입된다는 점을 제외하고는 제1실시예와 동일하므로, 자세한 설명은 생략한다.To manufacture the second electrode composition 40, a ball miller is used as in the first embodiment. Since it is the same as the first embodiment except that platinum_fibrous carbon (20) and fibrous carbon (13) are added in a set ratio instead of platinum_fibrous carbon (20), detailed description will be omitted.

이와 같이, 백금_섬유상 탄소(20)와 섬유상 탄소(13)가 설정된 비율로 혼합되는 경우, 고가의 백금 사용량을 줄이면서도 MEA 지지체의 내구성 증대 효과는 그대로 유지될 수 있다.In this way, when platinum_fibrous carbon (20) and fibrous carbon (13) are mixed at a set ratio, the effect of increasing the durability of the MEA support can be maintained while reducing the amount of expensive platinum used.

10: 구형 촉매 11: 구형 탄소 지지체 12: 활성 금속 입자 13: 섬유상 탄소
14: 백금 입자 20: 백금_섬유상 탄소
30: 제1전극조성물 40: 제2전극조성물
100: 볼 밀러 101: 통
102,103: 롤러 104, 105: 볼
130: 필터유닛 131: 용기
132: 필터 133: 가진기
10: Spherical catalyst 11: Spherical carbon support 12: Active metal particles 13: Fibrous carbon
14: Platinum particles 20: Platinum_fibrous carbon
30: first electrode composition 40: second electrode composition
100: Ball Miller 101: Tong
102,103: roller 104, 105: ball
130: filter unit 131: container
132: filter 133: exciter

Claims (3)

구형 탄소 지지체에 활성 금속 입자를 담지시켜, 구형 촉매를 제조하는 제1단계;
섬유상 탄소에 백금 입자를 담지시켜, 백금_섬유상 탄소를 제조하는 제2단계;
상기 구형 촉매 표면에 상기 백금_섬유상 탄소를 부착하여, 제1전극조성물을 제조하는 제3단계;
상기 제1전극조성물을, 용매와 이오노머가 혼합된 혼합용액에 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 제4단계; 및
상기 전극 슬러리로 전극을 제조하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법.
A first step of producing a spherical catalyst by supporting active metal particles on a spherical carbon support;
A second step of producing platinum_fibrous carbon by supporting platinum particles on fibrous carbon;
A third step of manufacturing a first electrode composition by attaching the platinum fibrous carbon to the surface of the spherical catalyst;
A fourth step of preparing an electrode slurry by mixing the first electrode composition with a mixed solution of a solvent and an ionomer; and
An electrode manufacturing method for increasing durability of a hydrogen fuel cell MEA support, comprising a fifth step of manufacturing an electrode using the electrode slurry.
구형 탄소 지지체에 활성 금속 입자를 담지시켜, 구형 촉매를 제조하는 제1단계;
섬유상 탄소에 백금 입자를 담지시켜, 백금_섬유상 탄소를 제조하는 제2단계;
상기 백금_섬유상 탄소와 섬유상 탄소를 설정된 비율로 혼합한 후, 상기 구형 촉매 표면에 부착하여, 제2전극조성물을 제조하는 제3단계;
상기 제2전극조성물을, 용매와 이오노머가 혼합된 혼합용액에 혼합하여 전극 슬러리를 제조하는 제4단계; 및
상기 전극 슬러리로 전극을 제조하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법.
A first step of producing a spherical catalyst by supporting active metal particles on a spherical carbon support;
A second step of producing platinum_fibrous carbon by supporting platinum particles on fibrous carbon;
A third step of mixing the platinum fibrous carbon and fibrous carbon at a set ratio and attaching the platinum fibrous carbon to the surface of the spherical catalyst to prepare a second electrode composition;
A fourth step of preparing an electrode slurry by mixing the second electrode composition with a mixed solution of a solvent and an ionomer; and
An electrode manufacturing method for increasing durability of a hydrogen fuel cell MEA support, comprising a fifth step of manufacturing an electrode using the electrode slurry.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 섬유상 탄소는 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT), 탄소나노섬유(carbon nano fiber, CNF) 중 어느 하나 또는 이 둘의 혼합인 것을 특징으로 하는 수소연료전지 MEA 지지체 내구성 증대를 위한 전극 제조 방법.
According to claim 1 or 2,
The fibrous carbon is a method of manufacturing an electrode for increasing durability of a hydrogen fuel cell MEA support, characterized in that one of carbon nanotubes (CNT), carbon nanofiber (CNF), or a mixture of the two. .
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