改善电极中添加剂及离聚物分散性的多步电极浆料制备方法及高分子电解质燃料电池用电极与流程

本发明涉及一种改善添加剂及离聚物在电极中的分散性的多步电极浆料制备方法及高分子电解质燃料电池用电极。更详细地，涉及一种制备电极的方法，为了提高纳米颗粒抗氧化剂在电极中的抗劣化效果，增加抗氧化剂及离聚物的预处理步骤，以使抗氧化剂在电极中的分散度提高并存在于邻近离聚物的位置。

背景技术：

1、通常，燃料电池(fuel cell)是通过氢与氧之间的电化学反应产生电能，并通过分别向正极(anode)及负极(cathode)供给氢及氧来持续产生电的发电技术。

2、燃料电池包含在电解质膜的两面具有正极催化剂层以及负极催化剂层的膜电极组件(mea)。

3、这种催化剂层可以通过混合及分散包含催化剂及导电性粘合剂颗粒的催化剂浆料的过程之后，将催化剂浆料涂布在基材上并在干燥的状态下转移到电解质膜来形成。

4、为了实现膜电极组件的优异性能，重要的是催化剂浆料的混合及分散性。当在分散工序之后进行涂布步骤时，通过与之后将催化剂层转移到电解质膜的步骤一起作用来确定催化剂的分布及气孔结构，因此确定从氢离子、电子以及负极层中生成的水排出的路径。

5、这种路径影响燃料电池的性能。

6、对此，在催化剂浆料的混合及分散状态不均匀且催化剂及导电性粘合剂颗粒发生团聚现象的情况下，难以提高燃料电池的性能，因此，重要的是在膜电极组件的制备过程中解决这种问题并制备保持适当的混合及分散状态的催化剂浆料。

7、为了使各添加剂在燃料电池用电极中正常发挥作用，添加剂必须存在于电极中的目标位置。

8、在将抗氧化剂、反向电压抑制剂以及用于电极气孔形成及质量改进的添加剂与电极的结构物质同时混合的情况下，由于各成分不在需要的最佳位置，而是存在于随机的位置，或者各成分未均匀地分散，反而会成为膜电极组件中降低性能的阻力因素。

9、因此，越来越需要一种可以解决这种问题的电极浆料制备方法。

10、现有技术文献

11、专利文献

12、专利文献1：1.韩国专利授权第10-1071766号(燃料电池用催化剂浆料的制备方法以及装置)

13、专利文献2：2.韩国专利授权第10-1786674号(燃料电池用催化剂浆料的混合/分散装置)。

技术实现思路

1、因此，本发明为了解决如上所述的问题而提出，本发明所要解决的问题在于提供一种改善添加剂及离聚物在电极中的分散性的多步电极浆料制备方法及高分子电解质燃料电池用电极。

2、具体地，本发明提出一种电极的制备方法，上述方法通过增加抗氧化剂及离聚物的预处理步骤来提高抗氧化剂在电极中的分散度并使抗氧化剂存在于邻近离聚物的位置，以提高纳米颗粒抗氧化剂在电极中的抗劣化效果，从而解决现有问题。

3、通过本发明提出的方法制备的燃料电池用电极可以在使抗氧化剂的含量最小化的同时提高抗劣化效果，并且可以改善膜电极组件的高电流性能。

4、并且，当根据本发明通过应用除了纳米颗粒抗氧化剂以外的纳米级氧化物质及金属材料来应用该工序时，可以通过确保电极中的气孔来容易地排出高电流区域中产生的水。

5、根据本发明，电极中的抗氧化剂为了防止由自由基引起的离聚物的劣化为目的而添加，因此旨在将抗氧化剂配置于邻近离聚物的位置。

6、并且，即使纳米颗粒抗氧化剂为纳米级颗粒，由于纳米物质的特性，以团聚成几微米以上的形式存在，因此旨在通过预分散工序施加强物理力来将团聚的颗粒破碎成小颗粒并增加抗氧化剂的活性面积。

7、并且，旨在将抗氧化剂首先与离聚物混合并与pfsa氟类离聚物的侧链(sidechain)的-so3官能团结合来抑制抗氧化剂在浆料中的再团聚。

8、并且，当在离聚物的混合之后进行弱物理分散时，离聚物聚合物的自由度提高，由侧链的官能团的电荷引起的静电斥力增加，因此旨在通过提高催化剂及离聚物在浆料中的分散性来提高膜电极组件的性能。

9、但是，本发明中所要解决的技术问题不限于上述技术问题，本发明所属领域技术人员可以从以下记载明确理解未提及的其他技术问题。

10、为了解决上述问题，本发明一例的改善添加剂及离聚物在电极中的分散性的多步电极浆料制备方法，包括：第一步骤，混合抗氧化剂和分散溶剂；第二步骤，进行用于细分并均匀分散上述混合物上的纳米级抗氧化剂颗粒的第一次分散；第三步骤，混合上述第一次分散的混合物和氟类离聚物溶液；第四步骤，进行第二次分散，以使上述抗氧化剂通过上述抗氧化剂颗粒与上述离聚物的相互作用存在于邻近上述离聚物的位置；第五步骤，通过混合与水混合的催化剂和上述第二次分散的混合物来制备浆料；第六步骤，涂布上述浆料；以及第七步骤，通过加热上述涂布的浆料来进行干燥，从而制备电极，可以进行上述第二步骤以提高抗劣化效率，并通过经上述第一次分散工序的物理力来增加上述抗氧化剂的活性面积，可以进行上述第四步骤以提高离聚物高分子在上述混合物上的自由度。

11、并且，在上述第二步骤中，上述第一次分散可以通过超声波发生器、上述超声波探头、均质器(homogenizer)、搅拌器(agitator)以及磁力搅拌器(magnetic stirrer)中的至少一种进行。

12、并且，在上述第四步骤中，上述第二次分散可以通过超声波发生器、上述超声波探头、上述均质器、上述搅拌器、磁力搅拌器以及行星搅拌机(planetary mixer)中的至少一种进行。

13、并且，与上述第二次分散相关的搅拌速度及超声波强度可以低于与上述第一次分散相关的搅拌速度及超声波强度，与上述第二次分散相关的分散时间可以短于与上述第一次分散相关的分散时间。

14、并且，首先，通过上述第四步骤混合上述抗氧化剂颗粒和上述离聚物，然后，在上述第五步骤中制备浆料，从而可以在与pfsa氟类离聚物的侧链的-so3官能团结合的同时抑制上述抗氧化剂在上述浆料中的再团聚。

15、并且，混合上述离聚物之后，可以进行低于上述第一次分散程度的上述第二次分散，从而提高上述离聚物聚合物的自由度，增加由侧链的官能团的电荷引起的静电斥力，提高催化剂及离聚物在上述浆料中的分散性，从而提高基于上述电极的膜电极组件的性能。

16、并且，在上述第一步骤中，上述抗氧化剂可以包括二氧化铈(ceo2)、氧化锆铈(cezro4)、二氧化锡(sno2)、二氧化钛(tio2)、二氧化锰(mno2)以及碳酸锰(mnco3)中的至少一种，上述分散溶剂可以包括水、甲醇(methanol)、乙醇(ethanol)、正丙醇(n-propylalcohol)、异丙醇(i-propyl alcohol)、丁醇(butanol)以及乙二醇(ethylene glycol)中的至少一种。

17、并且，在上述第一步骤中，除了上述抗氧化剂以外还可以混合反向电压抑制剂以及用于电极气孔形成及质量改进的添加剂中的至少一种。

18、并且，为了提高上述抗氧化剂的分散，在上述第一步骤之前，可以基于研钵及研杵和/或研磨机粉碎干燥的上述抗氧化剂粉末的预设大小以上的颗粒，利用网筛(sieve)过滤上述预设大小以上的颗粒，以使上述抗氧化剂粉末的大小均匀化。

19、并且，在上述第五步骤中，为了防止上述催化剂与上述分散溶剂接触时被点燃，可以使用上述与水混合的催化剂。

20、并且，在上述第五步骤中，上述浆料的制备可以通过超声波发生器、上述超声波探头、均质器、搅拌器以及磁力搅拌器中的至少一种进行。

21、并且，在上述第六步骤中，上述浆料的涂布可以通过喷涂机(spray)、刮棒涂布机(bar coater)以及槽模涂布机(slot die coater)中的至少一种进行。

22、另一方面，可以提供一种通过上述制备方法制备的燃料电池用电极。

23、为了使各添加剂在燃料电池用电极中正常发挥作用，添加剂必须存在于电极中的目标位置，但以往在将抗氧化剂、反向电压抑制剂以及用于电极气孔形成及质量改进的添加剂与电极的结构物质同时混合的情况下，由于各成分不在需要的最佳位置，而是存在于随机的位置，或者各成分未均匀地分散，因此，存在添加剂反而会成为膜电极组件中降低性能的阻力因素的问题。

24、因此，本发明可以通过向使用人员提供高分子电解质燃料电池用电极以及该电极的制备方法，从而解决上述问题。

25、即，本发明可以向使用人员提供一种电极的制备方法，上述方法通过增加抗氧化剂及离聚物的预处理步骤来提高抗氧化剂在电极中的分散度并使抗氧化剂存在于邻近离聚物的位置，以提高纳米颗粒抗氧化剂在电极中的抗劣化效果，从而解决现有问题。

26、通过这种方式制备的燃料电池用电极可以在使抗氧化剂的含量最小化的同时提高抗劣化效果，并且具有改善膜电极组件的高电流性能的效果。

27、并且，当通过应用除了纳米颗粒抗氧化剂以外的纳米级氧化物质及金属材料来应用该工序时，具有通过确保电极中的气孔来容易地排出高电流区域中产生的水的效果。

28、并且，即使纳米颗粒抗氧化剂为纳米级颗粒，由于纳米物质的特性，以团聚成几微米以上的形式存在，当通过预分散工序施加强物理力时，团聚的颗粒可以破碎成小颗粒并增加抗氧化剂的活性面积。

29、并且，当将抗氧化剂首先与离聚物混合时，可以在与pfsa氟类离聚物的侧链的-so3官能团结合的同时抑制抗氧化剂在浆料中的再团聚。

30、并且，当在离聚物的混合之后进行弱超声波分散时，离聚物聚合物的自由度提高，由侧链的官能团的电荷引起的静电斥力增加，从而可以通过提高浆料中的催化剂及离聚物的分散性来提高膜电极组件的性能。

31、另一方面，可以从本发明中获得的效果不限于上述效果，本发明所属领域的普通技术人员可以从以下记载明确理解未提及的其他效果。