KR101153062B1 - Test electrode of fuel cell for measuring performance and Method of preparing the same and Membrane electrode assembly comprising the same - Google Patents

Test electrode of fuel cell for measuring performance and Method of preparing the same and Membrane electrode assembly comprising the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 성능 측정용 연료전지용 전극 및 그 제조방법과 이를 포함하는 막전극 접합체에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지용 전극은 단일 셀 측정장치에 장착되어 집전되는 막전극 접합체의 성능 측정용 연료전지용 전극에 있어서, 기체확산층 및 상기 기체확산층과 전해질 사이에 개재된 촉매부를 포함하는 성능 측정용 연료전지용 전극으로서, 상기 촉매부는 촉매, 폴리머 이오노머 및 테플론계 고분자를 포함하는 소촉매부를 복수로 포함하여 이루어지고, 상기 복수의 소촉매부는 촉매, 폴리머 이오노머 및 테플론계 고분자의 조성비가 각각 다른 것을 특징으로 한다. 본 발명의 성능 측정용 연료전지용 전극은 촉매부가 그 조성이 각각 다른 복수의 소촉매부를 포함하여 이루어짐으로써 우수한 성능을 나타낼 수 있는 연료전지용 전극의 촉매부 조성을 빠르고 간편하게 알아낼 수 있다.The present invention relates to a fuel cell electrode for measuring performance, a method of manufacturing the same, and a membrane electrode assembly including the same. The fuel cell electrode of the present invention is a fuel cell electrode for performance measurement of a membrane electrode assembly that is mounted on a single cell measuring device, and includes a gas diffusion layer and a catalyst portion interposed between the gas diffusion layer and an electrolyte. The electrode may include a plurality of small catalysts including a catalyst, a polymer ionomer, and a teflon-based polymer, and the plurality of small catalysts may have different composition ratios of the catalyst, the polymer ionomer, and the teflon-based polymer. . In the fuel cell electrode for performance measurement of the present invention, the catalyst part includes a plurality of small catalyst parts having different compositions, so that the catalyst part composition of the electrode for the fuel cell which can exhibit excellent performance can be quickly and easily found.

연료전지, 성능 측정, 잉크젯, 성능 측정 Fuel Cell, Performance Measurement, Inkjet, Performance Measurement

Description

성능 측정용 연료전지용 전극 및 그 제조방법과 이를 포함하는 막전극 접합체{Test electrode of fuel cell for measuring performance and Method of preparing the same and Membrane electrode assembly comprising the same}Test electrode of fuel cell for measuring performance and method of preparing the same and Membrane electrode assembly comprising the same}

본 발명은 성능 측정용 연료전지용 전극 및 그 제조방법과 이를 포함하는 막전극 접합체에 관한 것으로, 빠르고 간편하게 최적의 촉매부 구성을 알아낼 수 있는 성능 측정용 연료전지용 전극 및 그 제조방법과 이를 포함하는 막전극 접합체에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell electrode for performance measurement, and a method for manufacturing the same, and a membrane electrode assembly including the same. A fuel cell electrode for performance measurement and a method for manufacturing the same, and a method including the same, which can quickly and easily determine an optimum catalyst part configuration. It relates to an electrode assembly.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다. Recently, as the depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of the alternative energy sources, the fuel cell is particularly attracting attention due to its advantages such as high efficiency, no pollutants such as NO x and SO x , and abundant fuel used.

연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical reaction energy of a fuel and an oxidant into electrical energy. Hydrogen, a hydrocarbon such as methanol, butane, and the like are typically used as an oxidant.

연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막전극 접합 체(MEA)로서, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형성되는 애노드 및 캐소드 전극으로 구성된다. 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1 및 반응식 1(수소를 연료로 사용한 경우의 연료전지의 반응식)을 참조하면, 애노드 전극에서는 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드 전극으로 이동하며, 캐소드 전극에서는 산소(산화제)와 전해질막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다. In a fuel cell, the most basic unit for generating electricity is a membrane electrode assembly (MEA), which consists of an electrolyte membrane and anode and cathode electrodes formed on both sides of the electrolyte membrane. Referring to FIG. 1 and Reaction Formula 1 (Reaction formula of a fuel cell when hydrogen is used as a fuel) showing the electricity generation principle of a fuel cell, an oxidation reaction of a fuel occurs at an anode electrode, and hydrogen ions and electrons are generated. The electrolyte moves through the electrolyte membrane to the cathode electrode, where water is generated by reaction between oxygen (oxidant) and hydrogen ions transferred through the electrolyte membrane and electrons. This reaction causes the movement of electrons in the external circuit.

애노드 전극: H2 → 2H++2e- The anode: H 2 → 2H + + 2e -

캐소드 전극: 1/2O2+2H++2e- → H2O Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O

전체 반응식: H2+1/2O2 → H2OTotal Reaction Formula: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O

연료전지용 막전극 접합체의 일반적인 구성을 나타낸 도 2를 참조하면, 연료전지의 막전극 접합체는 전해질막 및 전해질막을 사이에 두고 대향하여 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 구성되며, 애노드 전극 및 캐소드 전극은 촉매부 및 기체확산층으로 구성된다. 기체확산층은 전극 기재 및 그 위에 형성된 미세기공층으로 구성된다.Referring to FIG. 2, which shows a general configuration of a membrane electrode assembly for a fuel cell, the membrane electrode assembly of a fuel cell includes an anode electrode and a cathode electrode disposed to face each other with an electrolyte membrane and an electrolyte membrane interposed therebetween. It consists of a catalyst part and a gas diffusion layer. The gas diffusion layer is composed of an electrode substrate and a microporous layer formed thereon.

촉매부는 촉매, 폴리머 이오노머 및 테플론계 고분자를 포함하여 이루어진다. 촉매부에서 상기 반응이 진행되므로, 촉매부의 각 성분의 조성비는 연료전지의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 따라서, 촉매부를 구성하는 각 성분의 조성비를 알아내기 위한 시도가 계속 되어 왔다.The catalyst portion comprises a catalyst, a polymer ionomer and a teflon-based polymer. Since the reaction proceeds in the catalyst part, the composition ratio of each component of the catalyst part directly affects the performance of the fuel cell. Therefore, attempts have been made to find out the composition ratio of each component constituting the catalyst portion.

종래에는 이러한 최적 조성비를 알아내기 위해서는 매우 많은 반복적인 작업을 통해서 연구가 수행되어왔으나, 이러한 반복적인 작업은 시간과 비용적인 면에서 문제점이 있다.In the past, research has been conducted through a large number of repetitive tasks to find out the optimum composition ratio, but such repetitive tasks have problems in terms of time and cost.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 시간과 비용을 절약할 수 있도록 간편하고 빠르면서도 정밀하고 다양한 결과를 나타낼 수 있는 성능 측정용 연료전지용 전극 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell electrode for measuring performance and a method of manufacturing the same, which are simple, fast, accurate, and diverse in order to save time and cost.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 성능 측정용 연료전지용 전극은, 단일 셀 측정장치에 장착되어 집전되는 막전극 접합체의 성능 측정용 연료전지용 전극에 있어서, 기체확산층 및 상기 기체확산층과 전해질 사이에 개재된 촉매부를 포함하는 성능 측정용 연료전지용 전극으로서, 상기 촉매부는 촉매, 폴리머 이오노머 및 테플론계 고분자를 포함하는 복수의 소촉매부를 포함하여 이루어지고, 상기 복수의 소촉매부는 촉매, 폴리머 이오노머 및 테플론계 고분자의 조성비가 각각 다른 것을 특징으로 한다. 본 발명의 성능 측정용 연료전지용 전극은 촉매부가 각 구성성분의 조성비가 서로 다른 복수의 소촉매부를 포함하여 이루어짐으로써 반복적인 작업을 줄여 간편하면서도 빠른 시간에 최적의 촉매부의 조성비를 알아낼 수 있다.In order to solve the above problems, the fuel cell electrode for performance measurement of the present invention is a fuel cell electrode for performance measurement of a membrane electrode assembly mounted on a single-cell measuring device, the gas diffusion layer and between the gas diffusion layer and the electrolyte. A fuel cell electrode for performance measurement including an intervening catalyst portion, wherein the catalyst portion comprises a plurality of small catalyst portions including a catalyst, a polymer ionomer, and a teflon-based polymer, and the plurality of small catalyst portions include a catalyst, a polymer ionomer, and a teflon. The composition ratio of the polymer is different. In the fuel cell electrode for performance measurement of the present invention, since the catalyst part includes a plurality of small catalyst parts having different composition ratios of the respective components, it is possible to find out the optimal composition ratio of the catalyst part easily and quickly by reducing the repetitive work.

본 발명의 상기 소촉매부는 필요에 따라 전해질막 또는 기체확산층 상에 연속적으로 배열될 수 있으며, 그 크기는 예를 들면 가로의 길이가 1cm 이상 및 세로의 길이가 1cm 이상일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.The small catalyst portion of the present invention may be continuously arranged on the electrolyte membrane or the gas diffusion layer, if necessary, the size may be, for example, 1 cm or more in length and 1 cm or more in length, but is not limited thereto. .

또한, 본 발명은 (S1) 촉매부 형성용 촉매 잉크, 촉매부 형성용 폴리머 이오 노머 잉크 및 촉매부 형성용 테플론계 고분자 잉크를 각각 제조하는 단계; (S2) 상기 제조된 잉크들을 전해질막 또는 기체확산층 상에 미리 지정된 크기의 복수의 소촉매부를 형성하도록 잉크젯 방식으로 분사하며, 상기 각각의 소촉매부는 상기 촉매 잉크, 폴리머 이오노머 잉크 및 테플론계 잉크의 분사되는 양이 서로 다르도록 분사되고, 상기 복수의 소촉매부가 촉매부를 형성하도록 분사하는 단계;를 포함하는 성능 측정용 연료전지용 전극의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a catalyst ink for forming a catalyst portion (S1), a polymer ionomer ink for forming a catalyst portion and a teflon-based polymer ink for forming a catalyst portion, respectively; (S2) the prepared inks are sprayed in an inkjet manner to form a plurality of small catalyst portions having a predetermined size on an electrolyte membrane or a gas diffusion layer, and each of the small catalyst portions is formed of the catalyst ink, the polymer ionomer ink, and the Teflon-based ink. It is injected so that the injection amount is different from each other, and the plurality of small catalysts are sprayed so as to form a catalyst portion; provides a method for manufacturing a fuel cell electrode for performance measurement comprising a.

상기 촉매부 형성용 촉매 잉크는 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속 촉매 및 용매를 포함할 수 있으며; 촉매부 형성용 폴리머 이오노머 잉크는 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌과 같은 술폰화된 폴리머 및 용매를 포함할 수 있고; 촉매부 형성용 테플론계 고분자 잉크는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 및 플로리네이티드 에틸렌 프로필렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물인 테플론계 고분자 및 용매를 포함할 수 있다.The catalyst ink for forming a catalyst portion may include a metal catalyst and a solvent supported on a metal catalyst or a carbon-based support; The polymer ionomer ink for forming the catalyst portion may include a sulfonated polymer and a solvent such as Nafion ionomer or sulfonated polytrifluorostyrene; The teflon-based polymer ink for forming a catalyst portion may include a teflon-based polymer and a solvent, which is one or a mixture of two or more selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, and fluorinated ethylene propylene. have.

전술한 본 발명의 전극은 성능 측정용 막전극 접합체에 사용될 수 있다.The electrode of the present invention described above can be used in the membrane electrode assembly for performance measurement.

또한, 본 발명은 (S1) 기체확산층 및 상기 기체확산층과 전해질 사이에 개재된 촉매부를 포함하는 성능 측정용 연료전지용 전극으로서, 상기 촉매부는 촉매, 폴리머 이오노머 및 테플론계 고분자를 포함하는 복수의 소촉매부를 포함하여 이루어지고, 상기 복수의 소촉매부는 촉매, 폴리머 이오노머 및 테플론계 고분자의 조성비가 각각 다른 성능 측정용 연료전지용 전극을 제조하는 단계; (S2) 상기 제조된 성능 측정용 연료전지용 전극을 사용하여 성능 측정용 막전극 접합체를 제조하 는 단계; 및 (S3) 상기 제조된 성능 측정용 막전극 접합체 내의 전극의 각 소촉매부마다 집전을 분할실시하는 단계;를 포함하는 연료전지용 전극의 성능 측정 방법을 제공한다.In addition, the present invention (S1) is a fuel cell electrode for performance measurement comprising a gas diffusion layer and a catalyst portion interposed between the gas diffusion layer and the electrolyte, the catalyst portion a plurality of small catalyst including a catalyst, a polymer ionomer and a Teflon-based polymer Comprising a portion, wherein the plurality of small catalyst portion manufacturing a fuel cell electrode for measuring the performance of the catalyst, the polymer ionomer and the composition ratio of the Teflon-based polymer, respectively; (S2) preparing a membrane electrode assembly for performance measurement using the manufactured electrode for performance measurement; And (S3) dividing a current collector for each small catalyst part of the electrode in the manufactured membrane for measuring the performance of the electrode.

본 발명의 성능 측정용 연료전지용 전극은 다양한 조성의 연료전지용 전극의 촉매 구성을 빠르고 간편하게 시험할 수 있게 한다. 특히, 본 발명의 성능 측정용 연료전지용 전극의 제조방법은 잉크젯 방식을 사용하므로 미세한 조성비 차이를 갖는 다수의 촉매부 구성을 동시에 구현하고 동시에 테스트할 수 있도록 할 수 있으므로 최적의 촉매부 구성성분의 조성비를 편리하고 신속하게 찾을 수 있게 한다.The fuel cell electrode for measuring the performance of the present invention enables quick and simple testing of the catalyst configuration of fuel cell electrodes of various compositions. In particular, the method of manufacturing the electrode for the fuel cell for measuring the performance of the present invention uses an inkjet method, so that it is possible to simultaneously implement and simultaneously test a plurality of catalyst parts having minute composition ratio differences, and thus the optimum composition ratio of the catalyst parts Make it convenient and quick to find.

이하, 본 발명의 성능 측정용 연료전지용 전극을 그 제조방법에 따라 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, a fuel cell electrode for measuring the performance of the present invention will be described in detail according to the manufacturing method thereof. The terms or words used in this specification and claims are not to be construed as limiting in their usual or dictionary meanings, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best explain their invention in the best way possible. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.

먼저, 촉매부 형성용 촉매 잉크, 촉매부 형성용 폴리머 이오노머 잉크 및 촉매부 형성용 테플론계 고분자 잉크를 각각 제조한다(S1).First, a catalyst ink for forming a catalyst portion, a polymer ionomer ink for forming a catalyst portion, and a Teflon-based polymer ink for forming a catalyst portion are prepared, respectively (S1).

본 발명에 따른 촉매부 형성용 촉매 잉크, 촉매부 형성용 폴리머 이오노머 잉크 및 촉매부 형성용 테플론계 고분자 잉크는 당분야에서 사용되는 촉매부 형성용 잉크에서 촉매, 폴리머 이오노머 및 테플론계 고분자를 각각 분리하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 당분야에서 사용되는 촉매부 형성용 잉크는 촉매로서 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속 촉매; 폴리머 이오노머; 테플론계 고분자 및 용매를 포함하여 이루어질 수 있다. 따라서, 촉매부 형성용 촉매 잉크는 촉매로서 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속 촉매 및 용매를 포함하여 이루어질 수 있으며, 촉매부 형성용 폴리머 이오노머 잉크는 폴리머 이오노머 및 용매를 포함하여 이루어질 수 있고, 촉매부 형성용 테플론계 고분자 잉크는 테플론계 고분자 잉크 및 용매를 포함하여 이루어질 수 있다.The catalyst ink for forming a catalyst portion, the polymer ionomer ink for forming a catalyst portion, and the teflon-based polymer ink for forming a catalyst portion, according to the present invention, separate the catalyst, the polymer ionomer, and the teflon-based polymer from the catalyst portion forming ink used in the art, respectively. Can be prepared. For example, the catalyst portion forming ink used in the art includes a metal catalyst supported on a metal catalyst or a carbon-based support as a catalyst; Polymer ionomers; It may comprise a Teflon-based polymer and a solvent. Therefore, the catalyst ink for forming a catalyst portion may include a metal catalyst and a solvent supported on a metal catalyst or a carbon-based support as a catalyst, and the polymer ionomer ink for forming a catalyst portion may include a polymer ionomer and a solvent, The Teflon-based polymer ink for forming a catalyst unit may include a Teflon-based polymer ink and a solvent.

상기 금속 촉매로는 대표적으로 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.As the metal catalyst, any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, and platinum-transition metal alloy may be used. It is not limited to this.

상기 탄소계 지지체로는 탄소계 물질로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직한 예가 될 수 있다.The carbonaceous support may include graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, canyon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and carbon nanorings. One or a mixture of two or more selected from the group consisting of carbon nanowires, fullerenes (C60), and super P may be preferable.

상기 폴리머 이오노머로는 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌과 같은 술폰화된 폴리머가 대표적으로 사용될 수 있다.As the polymer ionomer, sulfonated polymers such as nafion ionomer or sulfonated polytrifluorostyrene may be representatively used.

상기 테플론계 고분자는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 및 플로리네이티드 에틸렌 프로필렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하 나 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The teflon-based polymer may be any one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, and fluorinated ethylene propylene, or a mixture of two or more thereof, but is not limited thereto.

상기 용매로는 물, 부탄올, 이소프로판올(iso propanol), 메탄올, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트 및 에틸렌 글리콜로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 바람직하게 사용될 수 있다.As the solvent, any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of water, butanol, iso propanol, methanol, ethanol, n-propanol, n-butyl acetate and ethylene glycol may be preferably used.

상기 각 잉크의 농도는 잉크젯 분사가 가능한 범위에서 당업자가 촉매부를 구성하는 최적의 조성비를 찾기 위해 적당한 값으로 채택할 수 있다.The concentration of each ink may be appropriately selected by a person skilled in the art in order to find an optimal composition ratio constituting the catalyst unit within the range in which inkjet injection is possible.

전술한 잉크를 제조한 후에는, 상기 제조된 잉크들을 전해질막 또는 기체확산층 상에 미리 지정된 크기의 복수의 소촉매부를 형성하도록 잉크젯 방식으로 분사하며, 상기 각각의 소촉매부는 상기 촉매 잉크, 폴리머 이오노머 잉크 및 테플론계 잉크의 분사되는 양이 서로 다르도록 분사되고, 상기 복수의 소촉매부가 촉매부를 형성하도록 분사한다(S2).After preparing the above-described ink, the prepared inks are sprayed in an inkjet manner to form a plurality of small catalyst portions having a predetermined size on an electrolyte membrane or a gas diffusion layer, and each of the small catalyst portions is the catalyst ink and the polymer ionomer. The injection amount of the ink and the teflon-based ink is injected to be different from each other, and the plurality of small catalyst parts are injected to form the catalyst part (S2).

도 3에 나타나 있는 바와 같이, 촉매부 형성용 촉매 잉크(11), 촉매부 형성용 폴리머 이오노머 잉크(12) 및 촉매부 형성용 테플론계 고분자 잉크(13)를 전해질막(201) 또는 기체확산층(208)에 각각 분사할 수 있다. 잉크젯 분사 방식은 잉크 방울의 분사 위치 및 분사량을 관련된 소프트웨어를 사용하여 매우 정밀하게 조정할 수 있으므로, 전해질막(201) 또는 기체확산층(208) 상의 미리 지정된 위치에 미리 정해진 양의 촉매부 형성용 촉매 잉크(11), 촉매부 형성용 폴리머 이오노머 잉크(12) 및 촉매부 형성용 테플론계 고분자 잉크(13)를 방울단위로 분사할 수 있다. As shown in FIG. 3, the catalyst ink 11 for forming a catalyst portion, the polymer ionomer ink 12 for forming a catalyst portion, and the teflon-based polymer ink 13 for forming a catalyst portion are formed into an electrolyte membrane 201 or a gas diffusion layer ( 208 respectively. Since the ink jet ejection method can adjust the ejection position and ejection amount of the ink droplets very precisely using related software, a predetermined amount of catalyst ink for forming a catalyst portion at a predetermined position on the electrolyte membrane 201 or the gas diffusion layer 208. (11), the polymer ionomer ink 12 for forming the catalyst portion and the Teflon-based polymer ink 13 for forming the catalyst portion can be sprayed in droplets.

전술한 바와 같이, 잉크젯 방식은 잉크 방울이 분사되는 위치를 조정할 수 있으므로, 전해질막 또는 기체확산층 상에 형성되는 소촉매부가 미리 정해진 각각 의 다른 구성성분의 조성비를 갖도록 촉매부 형성용 촉매 잉크(11), 촉매부 형성용 폴리머 이오노머 잉크(12) 및 촉매부 형성용 테플론계 고분자 잉크(13)가 반복하여 분사될 수 있다. 각 잉크의 반복 분사 횟수는 미리 정해진 소촉매부의 각 구성성분의 조성비 및 소촉매부의 두께를 고려하여 각각 다르게 결정된다. 각 소촉매부는 미리 정해진 동일한 두께를 가지며, 상기 복수의 소촉매부들이 모여 성능 측정용 연료전지용 촉매부를 형성할 수 있다. 도 4에는 전해질막(201) 또는 기체확산층(208) 상에 서로 다른 조성비를 갖는 복수의 소촉매부(20)가 개략적으로 나타나 있다.As described above, the inkjet method can adjust the position at which the ink droplets are injected, so that the small catalyst portion formed on the electrolyte membrane or the gas diffusion layer has a composition ratio of each of the other predetermined components. , The catalyst ionomer ink 12 for forming the catalyst portion and the Teflon-based polymer ink 13 for forming the catalyst portion may be repeatedly sprayed. The number of repeated injections of each ink is determined differently in consideration of the composition ratio of each component of the predetermined small catalyst portion and the thickness of the small catalyst portion. Each small catalyst part may have a predetermined predetermined thickness, and the plurality of small catalyst parts may form a catalyst part for fuel cell for performance measurement. 4 schematically shows a plurality of small catalyst parts 20 having different composition ratios on the electrolyte membrane 201 or the gas diffusion layer 208.

전해질막 또는 기체확산층 상의 소촉매부의 위치는 필요에 따라 가장 적절한 위치를 채택할 수 있다. 예를 들면, 소촉매부가 연속적으로 배열되는 경우에는 가장 많은 수의 소촉매부를 형성시킬 수 있으므로 동시에 측정할 수 있는 촉매부 구성성분의 조성의 수가 증대될 수 있다.The position of the small catalyst portion on the electrolyte membrane or the gas diffusion layer can be adopted as the most appropriate position as necessary. For example, when the small catalyst portions are arranged continuously, the largest number of small catalyst portions can be formed, so that the number of compositions of the catalyst portion components that can be measured simultaneously can be increased.

소촉매부의 형상도 필요에 따라 제한없이 선택될 수 있으며, 예를 들면 사각형태를 채택할 수 있다. 소촉매부의 크기도 동시에 측정되는 소촉매부의 수에 따라 결정될 수 있다. 바람직하게는 소촉매부의 크기가 가로 1 cm 이상, 세로 1 cm 이상인 경우에 성능 측성시 분할집전을 하는 경우 측정이 용이할 수 있다.The shape of the small catalyst portion can also be selected without limitation, for example, a rectangular shape can be adopted. The size of the small catalyst portion may also be determined according to the number of small catalyst portions measured simultaneously. Preferably, when the size of the small catalyst portion is 1 cm or more in width and 1 cm or more in length, the measurement may be easy when the current collector is divided in performance measurement.

또한, 본 발명에 따라 잉크젯 방식으로 잉크방울을 분사하는 경우에, 분사된 잉크방울의 건조를 촉진하기 위해 열처리 상태에서 잉크를 분사할 수도 있다.In addition, in the case of spraying ink droplets by the inkjet method according to the present invention, ink may be sprayed in a heat treatment state to promote drying of the sprayed ink droplets.

본 발명의 성능 측정용 연료전지용 전극에 있어서, 촉매부가 구성성분의 조성비가 다른 복수의 소촉매부로 형성됨으로써, 각 소촉매부별로 성능 측정이 이루 어지게 되면, 여러 조성비를 갖는 전극의 촉매조성을 동시에 측정할 수 있고, 잉크젯 방식을 통해 조성비의 변화 정도도 미세하게 조정이 가능하므로, 빠르고 간편하면서도 정밀한 성능 측정이 가능하다는 사실은 별도의 실험이 없이도 당업자라면 충분히 예측할 수 있다.In the fuel cell electrode for performance measurement of the present invention, when the catalyst portion is formed of a plurality of small catalyst portions having different composition ratios of components, when the performance measurement is made for each small catalyst portion, the catalyst composition of the electrode having various composition ratios is simultaneously It can be measured and finely adjusted the degree of change of the composition ratio through the inkjet method, the fact that quick and simple and precise performance measurement can be fully predicted by those skilled in the art without a separate experiment.

전술한 본 발명의 성능 측정용 연료전지용 전극은 전해질막 또는 기체확산층 상에 형성되어 본 발명의 성능 측정용 연료전지용 막전극 접합체의 제조에 사용될 수 있다. 본 발명의 성능 측정용 연료전지용 막전극 접합체의 제조는 당분야에서 일반적으로 사용되는 막전극 접합체의 제조방법에 따라 실시될 수 있다.The above-described fuel cell electrode for performance measurement of the present invention may be formed on an electrolyte membrane or a gas diffusion layer, and may be used to manufacture a membrane electrode assembly for fuel cell performance measurement of the present invention. The production of the membrane electrode assembly for fuel cell measurement of performance of the present invention may be carried out according to the method for producing a membrane electrode assembly generally used in the art.

도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 성능 측정용 연료전지용 막전극 접합체는 전해질막(201); 및 상기 전해질막(201)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하는 애노드 촉매부(203) 및 캐소드 촉매부(205);을 포함한다. 상기 애노드 전극 및 캐소드 전극은 기체확산층(208) 및 촉매부(203, 205)을 포함할 수 있으며, 본 발명의 연료전지용 기체확산층(208)은 기재(209a, 209b)와 기재의 일면에 형성되는 미세기공층(207a, 207b)을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly for fuel cell performance measurement according to the present invention includes an electrolyte membrane 201; And an anode catalyst unit 203 and a cathode catalyst unit 205 positioned to face each other with the electrolyte membrane 201 interposed therebetween. The anode electrode and the cathode electrode may include a gas diffusion layer 208 and a catalyst unit 203, 205, the gas diffusion layer 208 for the fuel cell of the present invention is formed on the substrate (209a, 209b) and one surface of the substrate The microporous layers 207a and 207b may be included.

본 발명의 전해질막으로는 당분야에서 사용되는 전해질막이 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들면 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.As the electrolyte membrane of the present invention, an electrolyte membrane used in the art may be used without limitation, for example, perfluorosulfonic acid polymer, hydrocarbon polymer, polyimide, polyvinylidene fluoride, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, A polymer selected from the group consisting of polyphenylene oxide, polyphosphazine, polyethylene naphthalate, polyester, doped polybenzimidazole, polyetherketone, polysulfone, and acids and bases thereof may be used, but is not limited thereto. Does not.

본 발명의 기체확산층은 당분야에서 사용되는 기체확산층이 제한없이 사용될 수 있으며, 대표적으로 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 도전성 기재를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 기체확산층은 상기 도전성 기재의 일면에 형성되는 미세기공층을 더 포함하여 형성될 수 있으며, 미세기공층은 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하여 형성될 수 있다.The gas diffusion layer of the present invention may be used without limitation the gas diffusion layer used in the art, it may be made of a conductive substrate selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth and carbon felt. The gas diffusion layer may further include a microporous layer formed on one surface of the conductive substrate, and the microporous layer may include a carbonaceous material and a fluorine resin.

상기 상기 탄소계 물질로는 흑연(그라파이트), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 덴카 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어, 플러렌(C60) 및 수퍼P로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The carbonaceous material may be graphite (graphite), carbon black, acetylene black, denka black, canyon black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, carbon nano rings, carbon nanowires. One or a mixture of two or more selected from the group consisting of fullerene (C60) and super P may be used, but is not limited thereto.

상기 불소계수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF), 폴리비닐알코올, 셀룰로오스아세테이트, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP) 또는 스티렌-부타디엔고무(SBR)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The fluororesin may be polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl alcohol, cellulose acetate, copolymer of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) or styrene-butadiene rubber One or a mixture of two or more selected from the group consisting of (SBR) may be used, but is not limited thereto.

이때 촉매부는 상기 기체확산층의 미세기공층 위에 형성된다.At this time, the catalyst portion is formed on the microporous layer of the gas diffusion layer.

또한, 전술한 본 발명의 성능 측정용 연료전지용 전극을 사용하여 제조된 본 발명의 성능 측정용 막전극 접합체를 단일 셀 측정 장비에 장착하고, 상기 막전극 접합체 내의 전극의 각 소촉매부마다 집전을 분할실시하면 각 소촉매부에서 발생하는 전류값들을 측정할 수 있다. 이렇게 측정된 각 소촉매부의 전류값들을 비교하면 각 소촉매부의 조성 중 어떠한 조성이 해당 조건에서 가장 우수한 성능을 나타내는지를 판단하는 자료가 될 수 있다. Further, the membrane electrode assembly for performance measurement of the present invention manufactured using the above-described fuel cell electrode for performance measurement of the present invention is mounted in a single cell measuring equipment, and current collection is performed for each small catalyst portion of the electrode in the membrane electrode assembly. By dividing, it is possible to measure the current values generated in each small catalyst unit. Comparing the current values of each of the small catalyst parts measured in this way can be a data to determine which of the composition of each small catalyst portion shows the best performance under the conditions.

도 1은 연료전지의 전기 발생 원리를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.1 is a schematic diagram for explaining the principle of electricity generation of a fuel cell.

도 2는 일반적인 연료전지용 막전극 접합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a view schematically showing a structure of a membrane electrode assembly for a general fuel cell.

도 3은 본 발명에 촉매부 형성용 촉매 잉크, 촉매부 형성용 폴리머 이오노머 잉크 및 촉매부 형성용 테플론계 고분자 잉크를 각각 분사하는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a view schematically illustrating spraying a catalyst ink for forming a catalyst portion, a polymer ionomer ink for forming a catalyst portion, and a Teflon-based polymer ink for forming a catalyst portion, according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따라 조성이 서로 다른 복수의 소촉매부가 전해질막 또는 기체확산층에 형성된 것을 개략적으로 나타내는 평면도이다.4 is a plan view schematically illustrating that a plurality of small catalyst portions having different compositions according to the present invention are formed in an electrolyte membrane or a gas diffusion layer.

Claims (17)

단일 셀 측정장치에 장착되어 집전되는 막전극 접합체의 성능 측정용 연료전지용 전극에 있어서,In the fuel cell electrode for measuring the performance of the membrane electrode assembly mounted on a single cell measuring device, 기체확산층 및 상기 기체확산층과 전해질 사이에 개재된 촉매부를 포함하는 성능 측정용 연료전지용 전극으로서, 상기 촉매부는 촉매, 폴리머 이오노머 및 테플론계 고분자를 포함하는 소촉매부를 복수로 포함하여 이루어지고, 상기 복수의 소촉매부는 촉매, 폴리머 이오노머 및 테플론계 고분자의 조성비가 각각 다른 성능 측정용 연료전지용 전극.A fuel cell electrode for performance measurement comprising a gas diffusion layer and a catalyst part interposed between the gas diffusion layer and an electrolyte, wherein the catalyst part comprises a plurality of small catalyst parts including a catalyst, a polymer ionomer, and a teflon-based polymer, The small catalyst portion of the fuel cell electrode for performance measurement, the composition ratio of the catalyst, the polymer ionomer and the Teflon-based polymer is different. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 촉매는 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속 촉매인 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 전극.The catalyst is a fuel cell electrode for performance measurement, characterized in that the metal catalyst supported on a metal catalyst or carbon-based support. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 폴리머 이오노머는 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌과 같은 술폰화된 폴리머인 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 전극.The polymer ionomer is a fuel cell electrode for performance measurement, characterized in that the sulfonated polymer, such as Nafion ionomer or sulfonated polytrifluorostyrene. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 테플론계 고분자는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 및 플로리네이티드 에틸렌 프로필렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 전극.The Teflon-based polymer is any one or a mixture of two or more selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene and fluorinated ethylene propylene electrode for performance measurement fuel cell. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 복수의 소촉매부는 전해질막 또는 기체확산층 상에 연속적으로 배열되어 촉매부를 형성하는 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 전극.And the plurality of small catalyst parts are continuously arranged on the electrolyte membrane or the gas diffusion layer to form a catalyst part. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소촉매부는 가로의 길이가 1cm 이상 및 세로의 길이가 1cm 이상의 크기를 갖는 사각 형태인 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 전극.The small catalyst part is a fuel cell electrode for performance measurement, characterized in that the rectangular shape having a horizontal length of 1cm or more and a vertical length of 1cm or more. (S1) 촉매부 형성용 촉매 잉크, 촉매부 형성용 폴리머 이오노머 잉크 및 촉매부 형성용 테플론계 고분자 잉크를 각각 제조하는 단계; 및(S1) preparing a catalyst ink for forming a catalyst portion, a polymer ionomer ink for forming a catalyst portion, and a Teflon-based polymer ink for forming a catalyst portion, respectively; And (S2) 상기 제조된 잉크들을 전해질막 또는 기체확산층 상에 미리 지정된 크기의 복수의 소촉매부를 형성하도록 잉크젯 방식으로 분사하며, 상기 각각의 소촉매부는 상기 촉매 잉크, 폴리머 이오노머 잉크 및 테플론계 잉크의 분사되는 양이 서로 다르도록 분사되고, 상기 복수의 소촉매부가 촉매부를 형성하도록 분사하는 단계;(S2) the prepared inks are sprayed in an inkjet manner to form a plurality of small catalyst portions having a predetermined size on an electrolyte membrane or a gas diffusion layer, and each of the small catalyst portions is formed of the catalyst ink, the polymer ionomer ink, and the Teflon-based ink. Spraying the sprayed amounts to be different from each other, and spraying the plurality of small catalyst parts to form a catalyst part; 를 포함하는 성능 측정용 연료전지용 전극의 제조방법.Method of manufacturing a fuel cell electrode for performance measurement comprising a. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 촉매부 형성용 촉매 잉크는 금속촉매 또는 탄소계 지지체에 담지된 금속 촉매 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 전극의 제조방법.The catalyst ink for forming the catalyst portion is a method of manufacturing a fuel cell electrode for performance measurement, characterized in that it comprises a metal catalyst and a solvent supported on a metal catalyst or carbon-based support. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 촉매부 형성용 폴리머 이오노머 잉크는 나피온 이오노머 또는 술포네이티드 폴리트리플루오로스티렌과 같은 술폰화된 폴리머 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 전극의 제조방법.The catalyst ionomer ink for forming the catalyst portion includes a sulfonated polymer and a solvent, such as Nafion ionomer or sulfonated polytrifluorostyrene, and a method for manufacturing an electrode for a fuel cell for performance measurement. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 촉매부 형성용 테플론계 고분자 잉크는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌 및 플로리네이티드 에틸렌 프로필렌으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물인 테플론계 고분자 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 전극의 제조방법.The teflon-based polymer ink for forming a catalyst portion may include a teflon-based polymer and a solvent, which is one or a mixture of two or more selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, and fluorinated ethylene propylene. A method of manufacturing a fuel cell electrode for performance measurement. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 복수의 소촉매부는 전해질막 또는 기체확산층 상에 연속적으로 배열되어 촉매부를 형성하는 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 전극의 제조방 법.And the plurality of small catalyst parts are continuously arranged on the electrolyte membrane or the gas diffusion layer to form a catalyst part. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 소촉매부는 가로의 길이가 1cm 이상 및 세로의 길이가 1cm 이상의 크기를 갖는 사각 형태인 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 전극의 제조방법.The small catalyst part is a method of manufacturing a fuel cell electrode for performance measurement, characterized in that the rectangular shape having a length of 1cm or more in the horizontal length and 1cm or more in the vertical length. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 잉크 방울의 분사는 열처리 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전극의 제조방법.The injection of the ink droplets is a fuel cell electrode manufacturing method, characterized in that performed in a heat treatment state. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자인 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 전극의 제조방법.The electrolyte membrane is a perfluorosulfonic acid polymer, a hydrocarbon-based polymer, polyimide, polyvinylidene fluoride, polyether sulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polyphosphazine, polyethylene naphthalate, polyester, doped polybenz Imidazole, polyether ketone, polysulfone, a method for producing a fuel cell electrode for performance measurement, characterized in that the polymer selected from the group consisting of acids and bases. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 기체확산층은 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택 되는 도전성 기재, 탄소계 물질 및 불소계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 전극의 제조방법.The gas diffusion layer comprises a conductive substrate selected from the group consisting of carbon paper, carbon cloth and carbon felt, a carbon-based material and a fluorine-based resin manufacturing method of a fuel cell electrode for performance measurement. 단일 셀 측정장치에 장착되어 집전되고, 전해질막; 및 상기 전해질막을 사이에 두고 형성되며, 각각 촉매부 및 기체확산층을 포함하는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하는 성능 측정용 연료전지용 막전극 접합체에 있어서,Mounted on a single cell measuring device and collected therein, an electrolyte membrane; And an anode electrode and a cathode electrode formed between the electrolyte membrane and having a catalyst portion and a gas diffusion layer, respectively. 상기 애노드 전극 또는 캐소드 전극은 상기 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 성능 측정용 연료전지용 전극인 것을 특징으로 하는 성능 측정용 연료전지용 막전극 접합체.The anode electrode or the cathode electrode is a fuel cell membrane electrode assembly for performance measurement, characterized in that the electrode for the fuel cell for performance measurement according to any one of claims 1 to 6. (S1) 기체확산층 및 상기 기체확산층과 전해질 사이에 개재된 촉매부를 포함하는 성능 측정용 연료전지용 전극으로서, 상기 촉매부는 촉매, 폴리머 이오노머 및 테플론계 고분자를 포함하는 소촉매부를 복수로 포함하여 이루어지고, 상기 복수의 소촉매부는 촉매, 폴리머 이오노머 및 테플론계 고분자의 조성비가 각각 다른 성능 측정용 연료전지용 전극을 제조하는 단계;(S1) A fuel cell electrode for performance measurement comprising a gas diffusion layer and a catalyst part interposed between the gas diffusion layer and an electrolyte, wherein the catalyst part comprises a plurality of small catalyst parts including a catalyst, a polymer ionomer, and a teflon-based polymer. The method of claim 1, wherein the plurality of small catalysts comprises the steps of: preparing a fuel cell electrode for performance measurement, each having a different composition ratio of a catalyst, a polymer ionomer, and a Teflon-based polymer; (S2) 상기 제조된 성능 측정용 연료전지용 전극을 사용하여 성능 측정용 막전극 접합체를 제조하는 단계; 및(S2) preparing a membrane electrode assembly for performance measurement using the manufactured electrode for performance measurement; And (S2) 상기 제조된 성능 측정용 막전극 접합체 내의 전극의 각 소촉매부마다 집전을 분할실시하는 단계;(S2) dividing a current collector for each small catalyst part of the electrode in the prepared membrane for measuring performance; 를 포함하는 연료전지용 전극의 성능 측정 방법.Performance measurement method of the electrode for a fuel cell comprising a.
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