KR20210064638A - 연료전지용 촉매 슬러리 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20210064638A
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Abstract

본 발명은 연료전지용 촉매 슬러리 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 당량중량(EW)이 서로 다른 2종의 이오노머를 사용하되, 각 이오노머가 그 기능을 최대한으로 발휘할 수 있는 적절한 위치에 형성될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 촉매 슬러리 및 이의 제조방법{CATALYST SLURRY FOR FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지용 촉매 슬러리 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
차량용 고분자 연료전지의 경우, 다양한 운전조건(온도/가습)에서도 최적의 성능을 확보할 수 있으며, 특히 연료전지 구동시 발생하는 생성수를 적절히 배출하여 홍수현상을 방지할 수 있는 전극 촉매층 설계 기술이 필요하다.
캐소드 전극 촉매층에 포함된 이오노머는, 산소와 반응하여 전기를 만드는 수소 이온을 전달하는 역할을 하는데, 이오노머의 당량중량(EW)이 낮을 수록 이온교환기가 많아 수소이온전도에 유리하지만 생성수의 물배출이 약하고, 당량중량이 클수록 수소이온전도에는 불리하지만 물배출 특성이 강하다.
이와 같이, 특정 이오노머의 당량중량(EW)에 따른 단점은 보완하고 장점은 극대화하기 위하여, 이오노머 당량중량(EW)이 다른 이종을 모두 활용할 수 있는 다양한 기술 개발 및 발명이 보고되고 있으나(US 2018-0254489 A1, WO2018-064623 A1), 이종의 이오노머를 단순 혼합하거나 개별 층으로 만들어 그 효과에 한계가 있고 제한적이다.
US 2018-0254489 A1 WO 2018-064623 A1
본 발명은 당량중량(EW)이 다른 2종의 이오노머의 장점을 결합하여 전극 내 삼상계면을 극대화하고, 생성수의 물배출 특성 및 탄소부식 내구성까지 향상시킬 수 있는 촉매 슬러리 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매 슬러리는 마이크로기공(Micropore)를 포함하는 촉매 입자로 형성된 전극 촉매 및 상기 전극 촉매 상에 형성된 이오노머층을 포함하고, 상기 전극 촉매는 외표면 및 상기 외표면으로부터 내부를 향해 소정의 깊이로 함입 형성된 메조기공(Mesopore)을 포함하고, 상기 이오노머층은 상기 마이크로기공이 위치하는 상기 전극 촉매의 외표면 상에 형성되는 제1 이오노머 및 상기 메조기공의 내면 상에 형성되는 제2 이오노머를 포함하며, 상기 제2 이오노머의 곁사슬(Side chain)의 평균 길이가 상기 제1 이오노머의 곁사슬의 평균 길이에 비해 긴 것을 특징으로 한다.
상기 촉매 입자는 촉매 금속이 담지된 지지체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 촉매 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
상기 지지체는 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 활성탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 탄소나노와이어 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
상기 지지체는 크기가 2㎚ 미만인 마이크로기공(Micropore)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 촉매 입자는 입자 직경이 1㎛ 이하인 것일 수 있다.
상기 메조기공은 상기 전극 촉매의 내부에서 외부로 개방되어 상기 전극 촉매의 외표면과 만나는 기공 입구를 포함하고, 상기 기공 입구의 직경이 2㎚ 내지 50㎚이며, 함입 형성된 깊이가 2㎚ 내지 200㎚인 것일 수 있다.
상기 제1 이오노머는 당량중량(Equivalent weight, EW)이 400 내지 800이고, 폴리설폰계 수지, 폴리에테르 케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지, 폴리이미드계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
상기 제2 이오노머는 당량중량이 800 내지 1,200이고, 폴리설폰계 수지, 폴리에테르 케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지, 폴리이미드계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
상기 제2 이오노머는 상기 마이크로기공이 위치하는 상기 전극 촉매의 외표면 상에도 형성될 수 있다.
상기 전극 촉매는 상기 메조기공의 내면 상에 담지된 수전해 촉매를 더 포함하고, 상기 수전해 촉매는 상기 제2 이오노머와 혼합된 것이며, 상기 수전해 촉매는 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 촉매 또는 이의 산화물을 포함할 수 있다.
상기 수전해 촉매의 담지량은 상기 전극 촉매 100중량부를 기준으로 10중량부 내지 50중량부일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 촉매 슬러리의 제조방법은 촉매 입자, 제1 이오노머 및 기공형성제를 포함하는 출발물질을 준비하는 단계, 상기 출발물질을 열처리하여 상기 촉매 입자 및 기공형성제를 포함하는 복합체의 외표면에 상기 제1 이오노머가 코팅된 중간 생성물을 얻는 단계, 상기 중간 생성물에서 상기 기공형성제를 제거하여 메조기공이 형성된 전극 촉매를 얻는 단계 및 상기 메조기공의 내면에 수전해 촉매 및 제2 이오노머를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기공형성제는 입자 직경이 5㎚ 내지 50㎚인 실리카를 포함하는 것일 수 있다.
상기 기공형성제의 함량은 촉매 입자 100중량부를 기준으로 10중량부 내지 50중량부일 수 있다.
상기 출발물질은 촉매 입자 및 기공형성제 60중량% 내지 80중량% 및 제1 이오노머 20중량% 내지 40중량%를 포함하는 것일 수 있다.
상기 출발물질은 상기 촉매 입자 및 기공형성제를 용매에 분산시킨 뒤, 그 결과물에 제1 이오노머를 분산시켜 준비하는 것일 수 있다.
상기 제조방법은 상기 출발물질을 100℃ 내지 140℃에서 2시간 내지 4시간 동안 열처리하여 중간 생성물을 얻는 것일 수 있다.
상기 제조방법은 상기 중간 생성물을 알칼리 용액에 투입하고, 환류시켜 상기 기공형성제를 제거하는 것일 수 있다.
상기 제조방법은 상기 전극 촉매, 수전해 촉매 및 제2 이오노머를 분산용매에 분산시켜 상기 전극 촉매의 메조기공의 내면에 상기 제2 이오노머를 코팅하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 촉매 슬러리는 생성수의 물배출 특성 및 탄소부식 내구성이 우수하다.
본 발명에 따른 촉매 슬러리를 사용하면 전극 내 삼상계면을 극대화할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 전극 촉매 슬러리를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 촉매 슬러리를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 촉매 입자(11)을 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 촉매 입자(11)가 응집하여 형성된 전극 촉매(10)를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 상기 촉매 슬러리의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도 6은 상기 제조방법 중에 형성되는 중간 생성물을 도시한 것이다.
도 7은 상기 중간 생성물에서 기공형성제를 제거하여 메조기공을 형성하는 것을 설명하기 위한 참고도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
연료전지의 전극에 사용되는 이오노머는 전극 내에서 수소 이온을 전달하는 역할을 하는 구성이다. 상기 이오노머는 그 당량중량(Equivalent weight, EW)에 따라 성질이 변하기 때문에 어떤 이오노머를 사용하여 전극을 구성하는가는 중요한 문제이다. 구체적으로 상기 이오노머의 당량중량(EW)이 낮으면 이온교환기가 많아 수소 이온의 전도에는 유리하나 친수성이 강하여 물배출이 원활하지 않다. 반대로 당량중량(EW)이 높으면 수소 이온의 전도에는 불리하나 소수성이 강하여 물배출이 원활하다. 그에 따라 당량중량(EW)이 서로 다른 2종의 이오노머를 사용하여 전극을 구성하는 기술이 제안된 바 있다.
도 1은 종래기술에 따른 전극 촉매 슬러리를 개략적으로 도시한 것이다. 구체적으로 당량중량(EW)이 낮은 이오노머(70) 및 당량중량(EW)이 높은 이오노머(80)를 혼합한 뒤, 전극 촉매(90) 상에 코팅한 것이다. 다만 이와 같은 경우 상기 이오노머들(70, 80)이 전극 촉매(90)의 표면에 무작위하게 붙기 때문에 얻을 수 있는 효과가 제한적이다.
본 발명은 위와 같이 종래기술의 한계를 극복하기 위한 것으로서, 당량중량(EW)이 서로 다른 2종의 이오노머를 사용하되, 각 이오노머가 그 기능을 최대한으로 발휘할 수 있는 적절한 위치에 형성될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 촉매 슬러리를 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 촉매 슬러리는 촉매 입자(11)가 응집된 전극 촉매(10); 및 상기 전극 촉매(10) 상에 형성된 이오노머층(20)을 포함한다.
도 3은 상기 촉매 입자(11)을 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 촉매 입자(11)는 촉매 금속(111)이 담지된 지지체(112)를 포함할 수 있다.
상기 촉매 금속(111)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
상기 지지체(112)는 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 활성탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 탄소나노와이어 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다.
상기 지지체(112)는 크기가 2㎚ 미만인 마이크로기공(Micropore, 112a)을 포함할 수 있다.
상기 촉매 입자(11)의 입자 직경은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 1㎛ 이하인 것일 수 있다. 상기 촉매 입자(10)의 입자 직경은 상기 촉매 입자(10)의 표면의 어느 한 점으로부터 그에 대향하는 표면의 다른 한 점까지의 거리를 의미하는 것일 수 있다. 상기 촉매 입자(10)의 입자 직경이 1㎛를 초과하면 후술할 전극 촉매(10)의 메조기공(12)이 원활하게 형성되지 않을 수 있다.
도 4는 상기 촉매 입자(11)가 응집하여 형성된 전극 촉매(10)를 도시한 것이다.
상기 전극 촉매(10)는 외표면; 및 상기 외표면으로부터 내부를 향해 소정의 깊이로 함입 형성된 메조기공(Mesopore, 12)을 포함할 수 있다.
상기 메조기공(12)의 형태는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 도 4와 같이 그 단면이 상기 전극 촉매(10)의 외표면으로부터 내부를 향해 길게 연장되어 형성된 일종의 통로(Channel) 형태일 수도 있고, 반구에 가까운 형태일 수도 있다.
구체적으로 상기 메조기공(12)은 상기 전극 촉매(10)의 내부에서 외부로 개방되어 상기 전극 촉매(10)의 외표면과 만나는 기공 입구를 포함하고, 상기 기공 입구의 직경이 2㎚ 내지 50㎚이며, 함입 형성된 깊이가 2㎚ 내지 200㎚인 것일 수 있다.
상기 메조기공(12)은 연료전지의 작동 중 생성되는 물의 배출 통로로서 기능한다. 따라서 상기 메조기공(12)에는 물배출에 유리한 이오노머가 위치하는 것이 바람직하다. 반면에 상기 전극 촉매(10)의 외표면에는 상기 촉매 입자(11), 정확히는 상기 지지체(112)로부터 기인한 마이크로기공(112a)이 위치한다. 상기 마이크로기공(112a)에는 금속 촉매가 담지되어 있기 때문에 그 주변에는 물배출보다는 수소 이온 전도도가 우수한 이오노머가 위치하는 것이 좋다.
이에 착안하여 본 발명은 도 2와 같이 상기 전극 촉매(10)의 외표면에는 곁사슬(Side chain)의 평균 길이가 짧아서 당량중량(EW)이 작고 수소 이온 전도도가 높은 제1 이오노머(21)가 접하도록 하고, 상기 메조기공(12) 상에는 곁사슬의 평균 길이가 길어서 당량중량(EW)이 크고 물배출이 원활한 제2 이오노머(22)가 접하도록 하였다.
구체적으로 상기 제1 이오노머(21)는 당량중량(EW)이 400 내지 800이고, 폴리설폰계 수지, 폴리에테르 케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지, 폴리이미드계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다. 상기 제1 이오노머(21)는 곁사슬의 평균 길이가 짧아서 상기 마이크로기공(112a)에 담지된 촉매 금속(111)과 원활하게 접촉할 수 있는바, 수소 이온 전도도가 높다. 다만 상기 제1 이오노머(21)는 친수성이 강하여 물배출에는 불리하다.
상기 제2 이오노머(22)는 당량중량이 800 내지 1,200이고, 폴리설폰계 수지, 폴리에테르 케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지, 폴리이미드계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있다. 상기 제2 이오노머(22)는 곁사슬이 길어 소수성을 띄므로 물배출에 유리하다. 다만 상기 마이크로기공(112a)에 담지된 촉매 금속(111)과의 접촉성은 많이 떨어진다.
상기 전극 촉매(10)는 상기 메조기공(12)의 내면 상에 담지된 수전해 촉매(13)를 더 포함할 수 있다. 상기 메조기공(12)은 전술한 바와 같이 물배출의 통로 역할을 수행하는데, 그 수분에 의해 상기 지지체(112)가 부식될 수 있다. 본 발명은 상기 수전해 촉매(13)를 상기 메조기공(12)의 내면에 적용함으로써, 위와 같은 문제가 생기는 것을 미연에 방지한 것을 또 다른 특징으로 한다.
상기 수전해 촉매(13)는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 촉매 또는 이의 산화물을 포함할 수 있다.
상기 수전해 촉매(13)의 담지량은 상기 전극 촉매(10) 100중량부를 기준으로 10중량부 내지 50중량부일 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 상기 촉매 슬러리의 제조방법을 도시한 흐름도이다. 이를 참조하면, 상기 제조방법은 촉매 입자, 제1 이오노머 및 기공형성제를 포함하는 출발물질을 준비하는 단계(S10), 상기 출발물질을 열처리하여 상기 촉매 입자 및 기공형성제를 포함하는 복합체의 외표면에 상기 제1 이오노머가 코팅된 중간 생성물을 얻는 단계(S20), 상기 중간 생성물에서 상기 기공형성제를 제거하여 메조기공이 형성된 전극 촉매를 얻는 단계(S30) 및 상기 메조기공의 내면에 제2 이오노머를 코팅하는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
상기 제조방법은 전술한 전극 촉매에 메조기공을 형성하되, 그 과정에서 적절한 이오노머를 투입하여 각 이오노머가 필요한 위치에 형성될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. 이하 이에 대해 구체적으로 설명한다.
도 6은 상기 중간 생성물을 도시한 것이다. 상기 중간 생성물은 촉매 입자(11), 제1 이오노머(21) 및 기공형성제(30)를 포함하는 출발물질을 열처리하여 얻을 수 있다(S20).
상기 기공형성제(30)는 입자 직경이 5㎚ 내지 50㎚인 실리카를 포함할 수 있다. 상기 입자 직경이 5㎚ 미만이면 형성되는 메조기공의 크기가 너무 작고, 상기 기공형성제(30)의 제거가 어려울 수 있다. 반면에 상기 입자 직경이 50㎚를 초과하면 메조기공의 크기가 너무 커서 그 수가 감소할 뿐만 아니라 상기 전극 촉매의 비표면적이 저하될 수 있다.
상기 기공형성제(30)의 함량은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 상기 촉매 입자(11) 100중량부를 기준으로 10중량부 내지 50중량부일 수 있다.
또한 상기 출발물질은 상기 촉매 입자 및 기공형성제 60중량% 내지 80중량%; 및 상기 제1 이오노머 20중량% 내지 40중량%를 포함할 수 있다. 각 성분의 함량이 위와 같을 때, 메조기공이 적절한 크기 및 분율로 형성될 수 있다.
또한 상기 출발물질은 상기 촉매 입자(11) 및 기공형성제(30)를 용매에 분산시킨 뒤, 그 결과물에 제1 이오노머(21)를 분산시켜 준비할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제1 이오노머(21)가 상기 촉매 입자(11) 및 기공형성제(30)의 복합체의 내부가 아니라 외표면에 코팅되도록 하기 위함이다.
상기 용매는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 증류수, 에탄올, 프로판올 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 사용할 수 있다.
상기 출발물질을 열처리하기 전, 상기 출발물질을 건조하는 단계를 더 수행할 수 있다. 구체적으로 상기 출발물질을 오븐 등의 건조 장치를 사용하여 60℃ 내지 90℃에서 12시간 이상 건조할 수 있다. 상기 건조 온도가 너무 낮으면 용매가 충분히 건조되지 않을 수 있고, 반대로 너무 높으면 건조 속도가 너무 빨라 촉매가 발화될 수 있다.
이후 상기 출발물질을 100℃ 내지 140℃에서 2시간 내지 4시간 동안 열처리하여 중간 생성물을 얻을 수 있다. 상기 열처리의 온도가 100℃ 미만이면 상기 제1 이오노머(21)의 유리전이온도(Tg) 보다 낮아 상기 제1 이오노머(21)가 금속 촉매의 표면에 제대로 고착되지 않을 수 있고, 140℃를 초과하면 과도한 열에 의해 이오노머와 촉매의 구조가 무너질 수 있다.
이후 도 7과 같이 상기 중간 생성물에서 상기 기공형성제를 제거하여 메조기공을 형성할 수 있다(S30).
구체적으로 상기 중간 생성물을 알칼리 용액에 투입하고 환류시켜 상기 기공형성제를 제거할 수 있다. 이때, 상기 기공형성제와 함께 그 표면에 코팅되어 있던 제1 이오노머도 함께 제거된다.
상기 알칼리 용액은 알칼리금속 또는 알칼리토금속의 수산화물을 증류수에 녹여서 얻을 수 있다. 이때, 상기 기공형성제를 충분히 녹일 수 있도록 적절한 몰농도의 알칼리 용액을 제조할 수 있다. 상기 기공형성제로 입자 형태의 실리카를 사용하는 경우 상기 알칼리 용액의 몰농도는 약 3M 내지 10M의 범위가 바람직하다.
상기 환류 조건은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 50℃ 내지 95℃의 온도에서 2시간 내지 5시간 동안 상기 중간 생성물을 투입한 알칼리 용액을 환류시키는 것일 수 있다.
위와 같은 단계를 거친 결과물을 세척 및 건조하여 메조기공이 형성된 전극 촉매를 얻을 수 있다. 이때, 도 7과 같이 상기 전극 촉매는 그 외표면에 제1 이오노머(21)가 형성되어 있는 것이다.
이후 도 7과 같은 전극 촉매의 메조기공(12)에 제2 이오노머(22)를 코팅하여 도 2과 같은 본 발명에 따른 촉매 슬러리를 얻을 수 있다.
구체적으로 상기 전극 촉매 및 제2 이오노머(22)를 용매에 분산시켜 상기 메조기공(2)에 제2 이오노머(22)를 코팅할 수 있다.
상기 용매는 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 증류수, 에탄올, 프로판올 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 사용할 수 있다.
이때 전술한 수전해 촉매(13)를 함께 투입하여 상기 메조기공(2) 상에 상기 수전해 촉매(13)가 담지되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 촉매 슬러리는 연료전지의 전극을 제조하는데 사용될 수 있다. 상기 전극의 제조방법은 특별히 제한되지 않고, 상기 촉매 슬러리를 이형지 등의 기재 또는 전해질막 상에 스프레이 코팅, 바 코팅, 슬롯다이 코팅 등의 방법으로 코팅하여 전극을 얻을 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 전극 촉매 11: 촉매 입자 111: 촉매 금속 112: 지지체
112a: 마이크로기공 12: 메조기공 13: 수전해 촉매
20: 이오노머층 21: 제1 이오노머 22: 제2 이오노머

Claims (20)

  1. 마이크로기공(Micropore)를 포함하는 촉매 입자로 형성된 전극 촉매; 및
    상기 전극 촉매 상에 형성된 이오노머층을 포함하고,
    상기 전극 촉매는 외표면; 및 상기 외표면으로부터 내부를 향해 소정의 깊이로 함입 형성된 메조기공(Mesopore)을 포함하고,
    상기 이오노머층은 상기 마이크로기공이 위치하는 상기 전극 촉매의 외표면 상에 형성되는 제1 이오노머; 및 상기 메조기공의 내면 상에 형성되는 제2 이오노머를 포함하며,
    상기 제2 이오노머의 곁사슬(Side chain)의 평균 길이가 상기 제1 이오노머의 곁사슬의 평균 길이에 비해 긴 것을 특징으로 하는 연료전지용 촉매 슬러리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 입자는 촉매 금속이 담지된 지지체를 포함하는 것인 연료전지용 촉매 슬러리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 지지체는 카본블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 활성탄소, 탄소나노튜브, 탄소나노파이버, 탄소나노와이어 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 지지체는 크기가 2㎚ 미만인 마이크로기공(Micropore)을 포함하는 것인 연료전지용 촉매 슬러리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 입자는 입자 직경이 1㎛ 이하인 것인 연료전지용 촉매 슬러리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 메조기공은 상기 전극 촉매의 내부에서 외부로 개방되어 상기 전극 촉매의 외표면과 만나는 기공 입구를 포함하고, 상기 기공 입구의 직경이 2㎚ 내지 50㎚이며, 함입 형성된 깊이가 2㎚ 내지 200㎚인 것인 연료전지용 촉매 슬러리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이오노머는 당량중량(Equivalent weight, EW)이 400 내지 800이고, 폴리설폰계 수지, 폴리에테르 케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지, 폴리이미드계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 이오노머는 당량중량이 800 내지 1,200이고, 폴리설폰계 수지, 폴리에테르 케톤계 수지, 폴리에테르계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리벤즈이미다졸계 수지, 폴리이미드계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 이오노머는 상기 마이크로기공이 위치하는 상기 전극 촉매의 외표면 상에도 형성되는 것인 연료전지용 촉매 슬러리.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전극 촉매는 상기 메조기공의 내면 상에 담지된 수전해 촉매를 더 포함하고, 상기 수전해 촉매는 상기 제2 이오노머와 혼합된 것이며, 상기 수전해 촉매는 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 촉매 또는 이의 산화물을 포함하는 연료전지용 촉매 슬러리.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수전해 촉매의 담지량은 상기 전극 촉매 100중량부를 기준으로 10중량부 내지 50중량부인 연료전지용 촉매 슬러리.
  13. 촉매 입자, 제1 이오노머 및 기공형성제를 포함하는 출발물질을 준비하는 단계;
    상기 출발물질을 열처리하여 상기 촉매 입자 및 기공형성제를 포함하는 복합체의 외표면에 상기 제1 이오노머가 코팅된 중간 생성물을 얻는 단계;
    상기 중간 생성물에서 상기 기공형성제를 제거하여 메조기공이 형성된 전극 촉매를 얻는 단계; 및
    상기 메조기공의 내면에 수전해 촉매 및 제2 이오노머를 코팅하는 단계;를 포함하는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 연료전지용 촉매 슬러리의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 기공형성제는 입자 직경이 5㎚ 내지 50㎚인 실리카를 포함하는 것인 연료전지용 촉매 슬러리의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 기공형성제의 함량은 촉매 입자 100중량부를 기준으로 10중량부 내지 50중량부인 연료전지용 촉매 슬러리의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 출발물질은 촉매 입자 및 기공형성제 60중량% 내지 80중량%; 및 제1 이오노머 20중량% 내지 40중량%;를 포함하는 것인 연료전지용 촉매 슬러리의 제조방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 출발물질은 상기 촉매 입자 및 기공형성제를 용매에 분산시킨 뒤, 그 결과물에 제1 이오노머를 분산시켜 준비하는 것인 연료전지용 촉매 슬러리의 제조방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 출발물질을 100℃ 내지 140℃에서 2시간 내지 4시간 동안 열처리하여 중간 생성물을 얻는 것인 연료전지용 촉매 슬러리의 제조방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 중간 생성물을 알칼리 용액에 투입하고, 환류시켜 상기 기공형성제를 제거하는 것인 연료전지용 촉매 슬러리의 제조방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 전극 촉매, 수전해 촉매 및 제2 이오노머를 분산용매에 분산시켜 상기 전극 촉매의 메조기공의 내면에 상기 제2 이오노머를 코팅하는 것인 연료전지용 촉매 슬러리의 제조방법.
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