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KR20250080060A - Porous transport layer, composition for manufacturing the same, method for manufacturing the same - Google Patents

Porous transport layer, composition for manufacturing the same, method for manufacturing the same Download PDF

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KR20250080060A
KR20250080060A KR1020230167385A KR20230167385A KR20250080060A KR 20250080060 A KR20250080060 A KR 20250080060A KR 1020230167385 A KR1020230167385 A KR 1020230167385A KR 20230167385 A KR20230167385 A KR 20230167385A KR 20250080060 A KR20250080060 A KR 20250080060A
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KR
South Korea
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transfer layer
metal
porous material
manufacturing
porous
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Application number
KR1020230167385A
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Inventor
박영준
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Publication date
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Priority to US18/431,459 priority patent/US20250171916A1/en
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Abstract

본 발명의 일 양태는, 전체 대비 금속 섬유형 물질 30 중량% 내지 80 중량%; 및 금속 입자형 물질 20 중량% 내지 70 중량%;을 포함할 수 있고, 상기 금속 섬유형 물질 및 금속 입자형 물질의 각 금속은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니켈, 스텐레스강 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함할 수 있는, 다공성 물질전달층, 이의 제조용 조성물 및 이의 제조방법을 제공한다.One aspect of the present invention provides a porous material transfer layer, a composition for producing the same, and a method for producing the same, which may include 30 to 80 wt% of a metal fiber-like material and 20 to 70 wt% of a metal particle-like material relative to the total weight, wherein each metal of the metal fiber-like material and the metal particle-like material may include a metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, nickel, stainless steel, and combinations thereof.

Description

다공성 물질전달층, 이의 제조용 조성물 및 이의 제조방법{POROUS TRANSPORT LAYER, COMPOSITION FOR MANUFACTURING THE SAME, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}{POROUS TRANSPORT LAYER, COMPOSITION FOR MANUFACTURING THE SAME, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 다공성 물질전달층, 이의 제조용 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a porous material transfer layer, a composition for producing the same, and a method for producing the same.

고분자 전해질막(PEM) 수전해 시스템 내 산화전극에서는 가혹조건을 가지고 있어, 탄소 소재 대신 티타늄 등의 소재의 다공성 물질전달층(Porous Transport Layer, PTL)을 적용하고 있다. 이 PTL은 산화전극과 분리판 사이에 위치하고 수전해 및 산소발생 반응을 유발하는 데 기여한다. PTL은 수전해 시스템에서 주요 열화 발생 부분으로 파악되고 있으며, 성능, 내구성, 원가를 결정짓는 주요 요소로 지정되고 있다.The oxidation electrode in the polymer electrolyte membrane (PEM) electrolysis system has harsh conditions, so a porous transport layer (PTL) made of titanium or other materials is applied instead of carbon materials. This PTL is located between the oxidation electrode and the separator and contributes to inducing electrolysis and oxygen generation reactions. The PTL is identified as the main deterioration point in the electrolysis system, and is designated as a key factor in determining performance, durability, and cost.

이러한 PTL은 일반적으로 다공성의 소결체가 적용될 수 있다. 다만, 고온 및 고압, kW급 수전해 조건에서 작동 가능하고, 불균일한 수평배향 기공 형성을 최소화하고, 적절한 기계적 강도가 확보된 소결체에 대해서 연구 개발이 필요한 실정이다.These PTLs can generally be applied to porous sintered bodies. However, research and development is needed for sintered bodies that can operate under high temperature and high pressure, kW-class water electrolysis conditions, minimize the formation of non-uniform horizontally aligned pores, and secure appropriate mechanical strength.

한국 공개특허 10-2021-0109928, 2021.09.07. 공개, 티타늄 다공질 소결체 및 이의 제조방법Korean Patent Publication No. 10-2021-0109928, published on September 7, 2021, titanium porous sintered body and its manufacturing method

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 저전류, 고전류에서 모두 성능적으로 우세하고, 양호한 기공률, 기체투과도 및 강도가 확보되고, 반응물 및 생성물의 이동이 용이한 다공성 물질전달층을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention is intended to solve the above problems, and its purpose is to provide a porous material transfer layer that is superior in performance both at low current and high current, has good porosity, gas permeability and strength, and facilitates the movement of reactants and products.

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.The purpose of the present invention is not limited to the purpose mentioned above. The purpose of the present invention will become more clear from the following description, and will be realized by the means and combinations thereof described in the claims.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따른 다공성 물질전달층은,In order to achieve the above purpose, a porous material transfer layer according to one aspect of the present invention is

전체 대비 금속 섬유형 물질 30 중량% 내지 80 중량%; 및 금속 입자형 물질 20 중량% 내지 70 중량%;을 포함할 수 있고, 상기 금속 섬유형 물질 및 금속 입자형 물질의 각 금속은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니켈, 스텐레스강 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함할 수 있다.The composition may include 30 to 80 wt% of the metal fiber-like material and 20 to 70 wt% of the metal particle-like material, based on the total weight, and each metal of the metal fiber-like material and the metal particle-like material may include a metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, nickel, stainless steel, and combinations thereof.

일 구현예에 있어서, 상기 금속 섬유형 물질은 평균 직경이 10 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다.In one embodiment, the metal fiber-like material may have an average diameter of 10 μm to 50 μm.

일 구현예에 있어서, 상기 금속 섬유형 물질의 길이는 상기 직경 대비 30배 내지 1,000배일 수 있다.In one embodiment, the length of the metal fiber-like material may be 30 to 1,000 times the diameter.

일 구현예에 있어서, 상기 금속 입자형 물질은, 평균 크기가 5 ㎛ 내지 80 ㎛일 수 있다.In one embodiment, the metal particulate material may have an average size of 5 μm to 80 μm.

일 구현예에 있어서, 표면 Ra 조도는 2.5 ㎛ 내지 9.5 ㎛일 수 있다.In one embodiment, the surface roughness Ra can be from 2.5 ㎛ to 9.5 ㎛.

일 구현예에 있어서, 기공률이 30 % 내지 60 %일 수 있다.In one embodiment, the porosity may be from 30% to 60%.

일 구현예에 있어서, 기체투과도가 2.8·10-3 cm4/gfㆍs 내지 8.2·10-3 cm4/gf·s일 수 있다.In one embodiment, the gas permeability can be from 2.8·10 -3 cm 4 /gf·s to 8.2·10 -3 cm 4 /gf·s.

일 구현예에 있어서, 두께가 100 ㎛ 내지 1000 ㎛일 수 있다.In one embodiment, the thickness may be from 100 μm to 1000 μm.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따른 다공성 물질전달층 제조용 조성물은,In order to achieve the above purpose, a composition for manufacturing a porous material transfer layer according to one aspect of the present invention is

금속 섬유형 원료; 금속 입자형 원료; 및 용매;를 포함할 수 있고, 상기 금속 섬유형 원료 및 금속 입자형 원료 합산량 대비, 상기 금속 섬유형 원료 30 중량% 내지 80 중량%; 및 상기 금속 입자형 원료 20 중량% 내지 70 중량%;을 포함할 수 있고, 상기 금속 섬유형 원료 및 금속 입자형 원료의 각 금속은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니켈, 스텐레스강 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함할 수 있다.A metal fiber-shaped raw material; a metal particle-shaped raw material; and a solvent; may be included, and the metal fiber-shaped raw material may be included in an amount of 30 wt% to 80 wt%; and 20 wt% to 70 wt%; of the metal particle-shaped raw material relative to the combined amount of the metal fiber-shaped raw material and the metal particle-shaped raw material, and each metal of the metal fiber-shaped raw material and the metal particle-shaped raw material may include a metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, nickel, stainless steel, and combinations thereof.

일 구현예에 있어서, 상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물은 결합제 및 분산제를 더 포함할 수 있고, 상기 금속 섬유형 원료 21.3 중량% 내지 56.8 중량%; 상기 금속 입자형 원료 14.2 중량% 내지 49.7 중량%; 상기 결합제 0.1 중량% 내지 4 중량%; 상기 분산제 0.1 중량% 내지 3 중량%;을 포함할 수 있다.In one embodiment, the composition for producing the porous material transfer layer may further include a binder and a dispersant, and may include 21.3 wt% to 56.8 wt% of the metal fiber-shaped raw material; 14.2 wt% to 49.7 wt% of the metal particle-shaped raw material; 0.1 wt% to 4 wt% of the binder; and 0.1 wt% to 3 wt% of the dispersant.

일 구현예에 있어서, 상기 분산제는 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 크실렌, 시클로헥사논, 아세톤, 메틸 에틸 케톤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the dispersant may include one selected from the group consisting of water, ethanol, methanol, isopropanol, xylene, cyclohexanone, acetone, methyl ethyl ketone, and combinations thereof.

일 구현예에 있어서, 상기 결합제는 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리아크릴로니트릴 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the binder may include one selected from the group consisting of polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyacrylonitrile, and combinations thereof.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따른 다공성 물질전달층 제조방법은,In order to achieve the above purpose, a method for manufacturing a porous material transfer layer according to one aspect of the present invention is as follows:

(a) 상기에 따른 다공성 물질전달층 제조용 조성물을 소정 온도로 탈지 처리하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계의 결과물을 소결하는 단계;를 포함할 수 있다.(a) a step of degreasing the composition for manufacturing a porous material transfer layer according to the above at a predetermined temperature; and (b) a step of sintering the resultant product of the step (a).

일 구현예에 있어서, 상기 (a) 단계는 상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물을 성형하는 과정을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, step (a) may further include a process of molding the composition for manufacturing the porous material transfer layer.

일 구현예에 있어서, 상기 (a) 단계의 탈지 처리 온도는 300 ℃ 내지 700 ℃일 수 있다.In one embodiment, the degreasing treatment temperature in step (a) may be 300° C. to 700° C.

일 구현예에 있어서, 상기 (b) 단계의 소결은 900 ℃ 내지 1400 ℃의 온도, 10-5 Torr 이하의 진공도에서 진행될 수 있다.In one embodiment, the sintering in step (b) may be performed at a temperature of 900° C. to 1400° C. and a vacuum of 10 -5 Torr or less.

본 발명의 일 양태에 따른 다공성 물질전달층은 양호한 기공률, 기체투과도 및 강도를 가질 수 있고, 제조과정에서 전극이나 다른 부분의 손상을 방지할 수 있다.A porous material transfer layer according to one aspect of the present invention can have good porosity, gas permeability and strength, and can prevent damage to electrodes or other parts during the manufacturing process.

본 발명의 일 양태에 따른 다공성 물질전달층을 적용한 수전해 시스템은 저전류, 고전류에서 우수한 성능을 나타낼 수 있고, 반응물(물) 및 생성물(산소)이 용이하게 이동될 수 있다.A water electrolysis system applying a porous material transfer layer according to one aspect of the present invention can exhibit excellent performance at low and high currents, and reactants (water) and products (oxygen) can be easily transported.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.

도 1은 본 발명의 일 양태에 따른 다공성 물질전달층을 간략하게 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 다공성 물질전달층 제조방법을 간략하게 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 따른 다공성 물질전달층 제조용 조성물을 간략하게 나타낸 개략도이다.
FIG. 1 is a schematic diagram briefly illustrating a porous material transfer layer according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram briefly illustrating a method for manufacturing a porous material transfer layer according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram briefly illustrating a composition for manufacturing a porous material transfer layer according to one embodiment of the present invention.

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.The above objects, other objects, features and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments related to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed contents can be thorough and complete and so that the spirit of the present invention can be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

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.In describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the attached drawings, the dimensions of the structures are drawn larger than actual for the clarity of the present invention. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise.

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.In this specification, it should be understood that terms such as "include" or "have" are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part or combination thereof described in the specification, but do not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof. In addition, when it is said that a part such as a layer, film, region or plate is "on" another part, this includes not only the case where it is "directly above" the other part, but also the case where there is another part in between. Conversely, when it is said that a part such as a layer, film, region or plate is "under" another part, this includes not only the case where it is "directly below" the other part, but also the case where there is another part in between.

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.Unless otherwise specified, all numbers, values, and/or expressions expressing quantities of ingredients, reaction conditions, polymer compositions, and formulations used herein are to be understood as being modified in all instances by the term "about" because these numbers are approximations that inherently reflect, among other things, the various uncertainties of measurement that arise in obtaining such values. Furthermore, whenever a numerical range is disclosed herein, such range is continuous and includes every value from the minimum value to the maximum value inclusive, unless otherwise indicated. Furthermore, whenever such a range refers to an integer, every integer from the minimum value to the maximum value inclusive, unless otherwise indicated, is included.

수전해 시스템의 다공성 물질전달층으로 일반적인 입자를 성형 후 소결한 소결체가 적용될 경우, 반응물인 액상의 유입과 생성물인 산소 기체의 배출이 적절히 이루어지지 않을 가능성이 있고, 물질 전달 저항이 높아 특정 두께 이상으로 다공성 물질전달층을 제조하기 어려울 수 있다. 또한, 저전류 구간에서 성능이 저하될 수 있고, 굽힘 강성이 낮고 성형이 어려운 문제가 있다.When a sintered body formed by sintering general particles as a porous mass transfer layer of a water electrolysis system is applied, there is a possibility that the inflow of the liquid phase as a reactant and the discharge of the oxygen gas as a product may not occur properly, and it may be difficult to manufacture a porous mass transfer layer over a certain thickness due to high mass transfer resistance. In addition, there are problems such as low performance in the low current section, low bending rigidity, and difficulty in forming.

이러한 다공성 물질전달층으로 섬유를 적용할 경우, 적절한 표면조도를 확보하기가 어려워 인접한 부품인 촉매전극층, 분리판과 접촉면적이 적어 반응면적이 감소할 수 있다. 또한, 수전해 셀 체결 시 과한 압력이 가해질 수 있고, 촉매전극층 구조를 손상시킬 수 있으며, 소정의 강도가 확보되기 어려운 문제가 있다.When fibers are applied as such a porous material transfer layer, it is difficult to secure an appropriate surface roughness, and thus the contact area with adjacent components such as the catalyst electrode layer and the separator is small, which may reduce the reaction area. In addition, there is a problem that excessive pressure may be applied when connecting the water electrolysis cell, which may damage the catalyst electrode layer structure, and it is difficult to secure the required strength.

본 발명자들은 이러한 문제들을 최소화할 수 있는 금속 섬유형 물질 및 금속 입자형 물질이 최적 중량비를 갖도록 혼합된 다공성 물질전달층을 개발하였고, 이하 구체적으로 설명한다.The present inventors have developed a porous material transfer layer in which a metal fiber-like material and a metal particle-like material are mixed at an optimal weight ratio to minimize these problems, and the present invention is described in detail below.

다공성 물질전달층(10)Porous material transfer layer (10)

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 양태에 따른 다공성 물질전달층(10)은,Referring to Figure 1, a porous material transfer layer (10) according to one embodiment of the present invention is

전체 대비 금속 섬유형 물질(1) 30 중량% 내지 80 중량%; 및 금속 입자형 물질(2) 20 중량% 내지 70 중량%;을 포함하고,Contains 30 wt% to 80 wt% of the total metal fiber-like material (1); and 20 wt% to 70 wt% of the metal particle-like material (2);

상기 금속 섬유형 물질(1) 및 금속 입자형 물질(2)의 각 금속은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니켈, 스텐레스강 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함할 수 있다. 예시적으로, 티타늄을 포함할 수 있다.Each metal of the above metal fiber-like material (1) and metal particle-like material (2) may include a metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, nickel, stainless steel, and combinations thereof. For example, it may include titanium.

상기 다공성 물질전달층(10)은 금속 섬유형 물질(1) 사이의 간극, 기공 및 표면에 금속 입자형 물질(1) 이 도입된 것일 수 있다.The above porous material transfer layer (10) may have metal particle-like materials (1) introduced into the gaps, pores, and surfaces between metal fiber-like materials (1).

상기 금속 섬유형 물질(1)은, 선택적으로 금속 섬유를 통해 제조된 메쉬망, 펠트(felt) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 일부 또는 전부 포함할 수도 있다.The above metal fiber-type material (1) may optionally include part or all of one selected from the group consisting of a mesh net, felt, and a combination thereof manufactured using metal fibers.

상기 금속 섬유형 물질(1)의 함량은 전체 대비 30 중량% 내지 80 중량%일 수 있고, 40 중량% 내지 75 중량%일 수 있으며, 50 중량% 내지 65 중량%일 수 있다. 또한, 금속 입자형 물질(2)의 함량은 전체 대비 20 중량% 내지 70 중량%일 수 있고, 25 중량% 내지 60 중량%일 수 있으며, 35 중량% 내지 50 중량%일 수 있다. 이러한 범위를 가짐으로, 수전해 셀에 적합한 표면 조도, 물질전달저항 특성을 만족할 수 있고, 공정 효율이 개선될 수 있다.The content of the metal fiber-like material (1) may be 30 wt% to 80 wt%, 40 wt% to 75 wt%, or 50 wt% to 65 wt% relative to the total. In addition, the content of the metal particle-like material (2) may be 20 wt% to 70 wt%, 25 wt% to 60 wt%, or 35 wt% to 50 wt% relative to the total. With these ranges, surface roughness and mass transfer resistance characteristics suitable for a water electrolysis cell can be satisfied, and process efficiency can be improved.

상기 금속 섬유형 물질(1)은 평균 직경(선경)이 10 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있고, 12 ㎛ 내지 45 ㎛일 수 있으며, 15 ㎛ 내지 40 ㎛일 수 있다. 상기 금속 섬유형 물질(1)의 평균 직경이 상기 범위 미만일 경우 기공률이 높게 형성되지 않아 물질전달저항이 높을 수 있고, 상기 범위 초과일 경우 위치 별 물성과 품질 편차가 과도해질 수 있고, 기공률이 과도해질 수 있다.The above metal fiber-like material (1) may have an average diameter (wire diameter) of 10 ㎛ to 50 ㎛, 12 ㎛ to 45 ㎛, or 15 ㎛ to 40 ㎛. If the average diameter of the metal fiber-like material (1) is less than the above range, the porosity may not be formed high, resulting in high material transfer resistance. If the average diameter exceeds the above range, the physical properties and quality deviations by location may become excessive, and the porosity may become excessive.

상기 금속 섬유형 물질(1)의 길이는 상기 직경 대비 30배 내지 1,000배일 수 있고, 50배 내지 500배일 수 있다. 이러한 범위를 가짐으로, 물성 및 품질 편차를 최소화하되 수전해 셀에 적합한 표면 조도 및 물질전달저항 특성을 만족할 수 있다.The length of the above metal fiber-like material (1) can be 30 to 1,000 times the diameter, and 50 to 500 times the diameter. With this range, it is possible to minimize the deviation in physical properties and quality while satisfying surface roughness and mass transfer resistance characteristics suitable for a water electrolysis cell.

상기 금속 섬유형 물질(1)은 상기의 평균 직경 및 길이를 갖는 금속 섬유형 원료로부터 유래한 것일 수 있고, 일부 유지된 형태를 포함할 수도 있다. 상기 금속 섬유형 원료의 직경 및 길이는 상기 금속 섬유형 물질(1)의 직경 및 길이와 실질적으로 동일할 수 있다.The above metal fiber-like material (1) may be derived from a metal fiber-like raw material having the above average diameter and length, and may include a partially maintained form. The diameter and length of the metal fiber-like raw material may be substantially the same as the diameter and length of the metal fiber-like material (1).

상기 금속 섬유형 물질(1)의 평균 직경, 길이는 주사전자현미경으로 촬영한 이미지를 통해 확인 및 측정될 수 있다.The average diameter and length of the above metal fiber-like material (1) can be confirmed and measured through an image captured with a scanning electron microscope.

상기 금속 섬유형 물질 및 금속 입자형 물질(2)은 금속 섬유형 원료 및 금속 입자형 원료로부터 유래하거나 소결되어 응집, 네킹, 성장 및 치밀화된 것일 수 있고, 소결 시 특정한 첨가제, 소결 시간 및 조건으로 제어되어 일반적인 소결의 후기단계의 조대화, 치밀화, 고립기공 형성은 진행되지 않은 것일 수 있다. 주사전자현미경으로 촬영한 이미지에서 확인되는 입계를 기준으로 금속 입자형 물질(2)의 평균 크기는 금속 입자형 원료의 평균 크기보다 같거나 클 수 있고, 금속 섬유형 물질(1)의 평균 직경 및 길이는 금속 섬유형 원료의 평균 직경 및 길이보다 같거나 일부 클 수 있고, 실질적으로 동일할 수 있다.The above metal fiber-like material and metal particle-like material (2) may be derived from or sintered from the metal fiber-like raw material and the metal particle-like raw material to undergo agglomeration, necking, growth and densification, and may be controlled with specific additives, sintering time and conditions during sintering so that coarsening, densification and isolated pore formation in the later stages of general sintering do not occur. Based on the grain boundaries confirmed in the image captured by a scanning electron microscope, the average size of the metal particle-like material (2) may be equal to or larger than the average size of the metal particle-like raw material, and the average diameter and length of the metal fiber-like material (1) may be equal to or slightly larger than the average diameter and length of the metal fiber-like raw material, and may be substantially the same.

상기 금속 입자형 원료의 평균 크기, D50 입자 크기는 5 ㎛ 내지 80 ㎛일 수 있고, 6 ㎛ 내지 60 ㎛일 수 있으며, 8 ㎛ 내지 40 ㎛일 수 있다. 상기 금속 입자형 원료의 평균 크기가 상기 범위 미만일 경우, 다공성 물질전달층의 기공률, 기공크기가 너무 작고 취성이 강해지는 문제가 발생할 수 있고, 상기 범위 초과일 경우, 다공성 물질전달층의 기공률, 표면 조도가 과도하여 복합재로서 적합한 물성을 나타내기 어려울 수 있고, 수전해 셀의 성능이 저하될 수 있다.The average size of the metal particle-shaped raw material, the D50 particle size, may be 5 ㎛ to 80 ㎛, 6 ㎛ to 60 ㎛, or 8 ㎛ to 40 ㎛. When the average size of the metal particle-shaped raw material is less than the above range, the porosity and pore size of the porous mass transfer layer may be too small and the porosity may become too brittle, and when it exceeds the above range, the porosity and surface roughness of the porous mass transfer layer may be excessive, making it difficult to exhibit suitable properties as a composite material, and the performance of the water electrolysis cell may deteriorate.

상기 D50 입자 크기는 입도분석기로 측정되는 중량분율에 따른 누적 분포 그래프(particle size distribution)에서 누적 중량 백분율이 50 %에 도달할 때에 해당되는 입자 크기일 수 있다.The above D50 particle size may be a particle size corresponding to when the cumulative weight percentage reaches 50% in a cumulative distribution graph (particle size distribution) according to the weight fraction measured by a particle size analyzer.

상기 금속 입자형 원료는 그 형상이 원형, 타원형, 다각형, 비정형 등일 수 있다. 상기 금속 입자형 원료의 형상이 원형일 경우 크기는 직경에 해당할 수 있고, 비원형일 경우 크기는 최대길이에 해당할 수 있다.The above metal particle-shaped raw material may have a shape such as a circle, an ellipse, a polygon, or an irregular shape. If the shape of the above metal particle-shaped raw material is circle, the size may correspond to the diameter, and if it is non-circular, the size may correspond to the maximum length.

상기 다공성 물질전달층(10)의 표면 Ra 조도는 2.5 ㎛ 내지 9.5 ㎛일 수 있고, 2.8 ㎛ 내지 7.5 ㎛일 수 있다. 이러한 범위를 가짐으로, 수전해 셀의 촉매전극층과 안정적으로 접합이 이루어질 수 있고, 인접 부품의 열화를 최소화할 수 있다.The surface roughness Ra of the porous material transfer layer (10) may be 2.5 ㎛ to 9.5 ㎛, and may be 2.8 ㎛ to 7.5 ㎛. With this range, stable bonding with the catalyst electrode layer of the water electrolysis cell can be achieved, and deterioration of adjacent components can be minimized.

상기 다공성 물질전달층(10)은 일부 소정 기공 크기를 가질 수 있고, 기공 채널을 포함할 수 있다. 상기 기공 크기는 1 ㎛ 내지 70 ㎛일 수 있고, 2 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다. 또한 상기 다공성 물질전달층(10)의 기공률은 30 % 내지 60 %일 수 있고, 38 % 내지 52 %일 수 있다. 이러한 범위를 가짐으로, 물질전달저항을 낮추면서 적절한 강도, 강성을 확보할 수 있고, 반응물인 액상의 물과 생성물인 기체 산소의 이동을 용이하게 할 수 있다.The porous mass transfer layer (10) may have a predetermined pore size and may include pore channels. The pore size may be 1 ㎛ to 70 ㎛, and may be 2 ㎛ to 50 ㎛. In addition, the porosity of the porous mass transfer layer (10) may be 30% to 60%, and may be 38% to 52%. By having this range, it is possible to secure appropriate strength and rigidity while lowering the mass transfer resistance, and to facilitate the movement of liquid water as a reactant and gaseous oxygen as a product.

상기 다공성 물질전달층(10)의 기체투과도는 2.8·10-3 cm4/gfㆍs 내지 8.2·10-3 cm4/gf·s일 수 있고, 3.8·10-3 cm4/gfㆍs 내지 6.2·10-3 cm4/gf·s일 수 있다. 이러한 범위를 가짐으로, 반응물인 액상의 물과 생성물인 기체 산소의 이동을 용이하게 할 수 있다.The gas permeability of the above porous material transfer layer (10) may be 2.8·10 -3 cm 4 /gf·s to 8.2·10 -3 cm 4 /gf·s, and may be 3.8·10 -3 cm 4 /gf·s to 6.2·10 -3 cm 4 /gf·s. By having this range, the movement of liquid water as a reactant and gaseous oxygen as a product can be facilitated.

10-3 cm4/gf·s 단위의 기체투과도는 막 두께당 투과속도, 25 ℃ 상온 투과계수(10-3 cm3·cm/cm2·sec·gfcm-2)에 해당될 수 있고, 특정 수치를 곱하여 barrer 단위(10-10 cm3·㎝/cm2·sec·cmHg)로 변환할 수 있다.The gas permeability in units of 10 -3 cm 4 /gf·s can correspond to the permeation rate per membrane thickness, the permeation coefficient at 25 ℃ room temperature (10 -3 cm 3 ·cm/cm 2 ·sec·gfcm -2 ), and can be converted to barrer units (10 -10 cm 3 ·cm/cm 2 ·sec·cmHg) by multiplying by a specific number.

상기 다공성 물질전달층(10)의 두께는 100 ㎛ 내지 1000 ㎛일 수 있고, 160 ㎛ 내지 700 ㎛일 수 있다.The thickness of the above porous material transfer layer (10) may be 100 ㎛ to 1000 ㎛, or 160 ㎛ to 700 ㎛.

상기 다공성 물질전달층(10)은 수전해 셀, 수전해 시스템의 촉매전극층, 이리듐 기반의 전극층에 인접하게 배치될 수 있다.The above porous material transport layer (10) can be placed adjacent to a water electrolysis cell, a catalyst electrode layer of a water electrolysis system, or an iridium-based electrode layer.

상기 다공성 물질전달층(10)은 후술할 다공성 물질전달층 제조용 조성물을 탈지 처리 및 소결하여 제조될 수 있고, 소결 시 원료의 확산, 성장 및 치밀화가 과도하지 않게 제어되어 금속 섬유형 물질-금속 입자형 물질의 복합적인 다공성 구조가 형성될 수 있다.The above porous material transfer layer (10) can be manufactured by degreasing and sintering a composition for manufacturing a porous material transfer layer, which will be described later, and during sintering, diffusion, growth, and densification of the raw material are controlled so as not to be excessive, so that a composite porous structure of a metal fiber-metal particle-type material can be formed.

다공성 물질전달층 제조용 조성물Composition for manufacturing porous material transfer layer

도 3을 참고하면, 본 발명의 일 양태에 따른 다공성 물질전달층 제조용 조성물은,Referring to FIG. 3, a composition for manufacturing a porous material transfer layer according to one embodiment of the present invention is

금속 섬유형 원료; 금속 입자형 원료; 및 용매;를 포함하고,Containing metal fiber-shaped raw materials; metal particle-shaped raw materials; and a solvent;

상기 금속 섬유형 원료 및 금속 입자형 원료 합산량 대비, 상기 금속 섬유형 원료 30 중량% 내지 80 중량%; 및 상기 금속 입자형 원료 20 중량% 내지 70 중량%;을 포함할 수 있고,Compared to the combined amount of the metal fiber-type raw material and the metal particle-type raw material, it may include 30 wt% to 80 wt% of the metal fiber-type raw material; and 20 wt% to 70 wt% of the metal particle-type raw material;

상기 금속 섬유형 원료 및 금속 입자형 원료의 각 금속은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니켈, 스텐레스강 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함할 수 있다.Each metal of the above metal fiber-type raw material and metal particle-type raw material may include a metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, nickel, stainless steel, and combinations thereof.

상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물에서 금속 섬유형 원료는 상기 다공성 물질전달층의 금속 섬유형 물질(1)의 소결 전 초기 형태에 해당할 수 있다.In the composition for manufacturing the above porous material transfer layer, the metal fiber-shaped raw material may correspond to the initial form before sintering of the metal fiber-shaped material (1) of the above porous material transfer layer.

상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물에서 금속 입자형 원료는 상기 다공성 물질전달층의 금속 입자형 물질(2)과 대응될 수 있고, 소결 전 초기 형태에 해당할 수 있다.In the composition for manufacturing the porous material transfer layer, the metal particle-shaped raw material may correspond to the metal particle-shaped material (2) of the porous material transfer layer and may correspond to the initial form before sintering.

상기 금속 섬유형 원료의 직경 및 길이는 앞서 기재한 바와 실질적으로 동일할 수 있다. 상기 금속 섬유형 원료는 선택적으로 금속 섬유를 통해 제조된 메쉬망, 펠트(felt) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 일부 또는 전부 포함할 수 있다.The diameter and length of the metal fiber-like raw material may be substantially the same as described above. The metal fiber-like raw material may optionally include part or all of one selected from the group consisting of a mesh net, a felt, and a combination thereof manufactured using metal fibers.

상기 금속 입자형 원료의 평균 크기 및 형태는 앞서 기재한 바와 실질적으로 동일할 수 있다.The average size and shape of the above metal particle-shaped raw material may be substantially the same as described above.

상기 금속 섬유형 원료 및 금속 입자형 원료를 합산한 금속 성분의 함량은 전체 조성물 대비 60 중량% 내지 98 중량%일 수 있고, 65 중량% 내지 85 중량%일 수 있으며, 70 중량% 내지 80 중량%일 수 있다. 상기 금속 성분의 함량이 상기 범위 미만일 경우, 금속 성분 간 소결이 원활히 이루어지지 않을 수 있고, 제조되는 다공성 물질전달층의 기공률이 과도해지거나, 강성이 낮은 문제가 발생할 수 있고, 상기 범위 초과일 경우, 제조되는 다공성 물질전달층의 기공률이 빈약할 수 있고, 점도가 높아 정상적으로 조성물을 통한 성형물, 성형시트의 제조가 어려울 수 있다.The content of the metal component obtained by combining the above metal fiber-shaped raw material and the metal particle-shaped raw material may be 60 wt% to 98 wt%, 65 wt% to 85 wt%, or 70 wt% to 80 wt% of the total composition. If the content of the metal component is less than the above range, sintering between the metal components may not occur smoothly, and the porosity of the porous mass transfer layer produced may become excessive or the rigidity may be low. If it exceeds the above range, the porosity of the porous mass transfer layer produced may be poor and the viscosity may be high, making it difficult to normally produce a molded article or a molded sheet using the composition.

상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물은 선택적으로 첨가제를 더 포함할 수 있고, 상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물 내 성분들의 분산도, 결착력, 기포를 제어하는 물질을 포함할 수 있다.The composition for manufacturing the porous material transfer layer may optionally further include an additive, and may include a substance that controls the dispersion, binding force, and bubbles of the components in the composition for manufacturing the porous material transfer layer.

상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물은 첨가제로 결합제 및 분산제를 더 포함할 수 있고,The composition for manufacturing the above porous material transfer layer may further include a binder and a dispersant as additives.

상기 금속 섬유형 원료 21.3 중량% 내지 56.8 중량%;21.3 wt% to 56.8 wt% of the above metal fiber-shaped raw material;

상기 금속 입자형 원료 14.2 중량% 내지 49.7 중량%;14.2 wt% to 49.7 wt% of the above metal particle-shaped raw material;

상기 결합제 0.1 중량% 내지 4 중량%;0.1 to 4 wt% of the above binder;

상기 분산제 0.1 중량% 내지 3 중량%; 및0.1 wt% to 3 wt% of the above dispersant; and

상기 용매 10 중량% 내지 30 중량%;을 포함할 수 있다.The solvent may comprise 10 to 30 wt% of the above solvent.

상기 결합제의 함량은 전체 조성물 대비 0.1 중량% 내지 4 중량%일 수 있고, 1 중량% 내지 4중량%일 수 있고, 2 중량% 내지 3.5 중량%일 수 있다. 상기 결합제의 함량이 상기 범위 미만일 경우, 제조되는 다공성 물질전달층 내 금속 성분 간 결착력이 부족하여 성형이 어려운 문제가 발생될 수 있고, 상기 범위 초과일 경우, 조성물 내 성분들의 결착력이 과도하여, 임의의 기판 또는 몰드를 통해 제조 시 과하게 접착되는 문제가 발생될 수 있다.The content of the binder may be 0.1 wt% to 4 wt%, 1 wt% to 4 wt%, or 2 wt% to 3.5 wt% relative to the total composition. If the content of the binder is less than the above range, the bonding strength between the metal components in the manufactured porous material transfer layer may be insufficient, which may cause a problem of difficulty in molding, and if it exceeds the above range, the bonding strength of the components in the composition may be excessive, which may cause a problem of excessive adhesion during manufacturing through any substrate or mold.

상기 결합제는 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리아크릴로니트릴 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있고, 예시적으로 금속 성분 간 결착력을 유지하되 500 ℃ 이하의 온도에서 열분해되는 물질을 포함할 수 있다.The above binder may include one selected from the group consisting of polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyacrylonitrile, and combinations thereof, and may include, for example, a material that maintains bonding strength between metal components but is thermally decomposed at a temperature of 500° C. or lower.

상기 분산제의 함량은 전체 조성물 대비 0.1 중량% 내지 3 중량%일 수 있고, 1 중량% 내지 3 중량%일 수 있으며, 1.5 중량% 내지 2.3 중량%일 수 있다. 상기 분산제의 함량이 상기 범위 미만일 경우, 조성물 내 금속 성분들의 뭉침 현상이 발생될 수 있고, 상기 범위 초과일 경우, 조성물의 점도가 낮아져 성형성, 작업성이 부족한 문제가 발생될 수 있다.The content of the dispersant may be 0.1 wt% to 3 wt%, 1 wt% to 3 wt%, or 1.5 wt% to 2.3 wt% relative to the total composition. If the content of the dispersant is less than the above range, agglomeration of metal components in the composition may occur, and if it exceeds the above range, the viscosity of the composition may be reduced, resulting in problems such as insufficient formability and workability.

상기 분산제는 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 크실렌, 시클로헥사논, 아세톤, 메틸 에틸 케톤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.The above dispersant may include one selected from the group consisting of water, ethanol, methanol, isopropanol, xylene, cyclohexanone, acetone, methyl ethyl ketone, and combinations thereof.

상기 용매의 함량은 전체 조성물 대비 10 중량% 내지 30 중량%일 수 있고, 15 중량% 내지 30 중량%일 수 있으며, 20 중량% 내지 30 중량%일 수 있다. 상기 용매의 함량이 상기 범위 미만일 경우, 조성물의 점도가 높아 조성물의 성형성이 저하되어 제조되는 다공성 물질전달층의 두께가 불균일해질 문제, 위치별 기공도, 기공 크기 편차가 과도해질 문제가 발생할 수 있고, 상기 범위 초과일 경우, 소결 시 용매의 증발량 과다로 인해 소재 및 장비에 오염이 발생하거나 목적으로 하는 두께, 기공 형태를 형성하기 어려울 수 있다.The content of the solvent may be 10 wt% to 30 wt%, 15 wt% to 30 wt%, or 20 wt% to 30 wt% based on the total composition. If the content of the solvent is less than the above range, the viscosity of the composition is high, which reduces the formability of the composition, and thus the thickness of the porous material transfer layer manufactured may become uneven, and the porosity and pore size deviations by location may become excessive. If the content exceeds the above range, the material and equipment may be contaminated due to excessive evaporation of the solvent during sintering, or it may be difficult to form the desired thickness and pore shape.

상기 용매는 알코올계 물질, 치환 또는 비치환된 벤젠계 물질을 포함할 수 있고, 에탄올, 톨루엔 등을 포함할 수 있다.The solvent may include an alcohol-based substance, a substituted or unsubstituted benzene-based substance, and may include ethanol, toluene, and the like.

상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물은 소포제를 더 포함할 수 있고, 상기 금속 입자형 원료 및 금속 섬유형 원료의 금속이 티타늄일 경우, TiH2를 포함할 수 있다.The composition for manufacturing the above porous material transfer layer may further include a defoaming agent, and when the metal of the metal particle-shaped raw material and the metal fiber-shaped raw material is titanium, it may include TiH2 .

다공성 물질전달층 제조방법Method for manufacturing a porous material transfer layer

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 양태에 따른 다공성 물질전달층 제조방법은,Referring to FIG. 2, a method for manufacturing a porous material transfer layer according to one embodiment of the present invention is as follows.

(a) 상기에 따른 다공성 물질전달층 제조용 조성물을 소정 온도로 탈지 처리하는 단계; 및(a) a step of degreasing the composition for manufacturing a porous material transfer layer according to the above at a predetermined temperature; and

(b) 상기 (a) 단계의 결과물을 소결하는 단계;를 포함할 수 있다.(b) a step of sintering the result of step (a); may be included.

상기 (a) 단계는 탈지 처리 전 상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물을 교반하는 과정을 더 포함할 수 있다. 예시적으로, 볼-밀 공정으로 교반될 수 있고, 1 시간 이상, 10 시간 내지 30 시간, 12 시간 내지 24 시간 동안 진행될 수 있다.The step (a) above may further include a process of stirring the composition for manufacturing the porous material transfer layer before the degreasing treatment. For example, the stirring may be performed by a ball-mill process, and may be performed for 1 hour or more, 10 hours to 30 hours, or 12 hours to 24 hours.

상기 (a) 단계는 상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물을 성형하는 과정을 더 포함할 수 있다. 상기 성형하는 과정은 상기 교반하는 과정 이후에 진행될 수도 있다. 상기 성형하는 과정은 예시적으로 상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물을 임의의 이형지, 기판 상에 도포하는 과정일 수 있고, 성형 몰드에 주입 및 가압하는 과정일 수 있다.The step (a) above may further include a process of molding the composition for manufacturing the porous material transfer layer. The molding process may be performed after the stirring process. The molding process may be, for example, a process of applying the composition for manufacturing the porous material transfer layer onto any release paper or substrate, and a process of injecting and pressurizing it into a mold.

상기 도포하는 과정은 디핑 코팅, 닥터 블레이드 코팅, 콤마 코팅, 스크린 프린팅 코팅, 테이프 캐스팅, 슬롯 다이 코팅, 그라비어 코팅, 립 코팅, 바 코팅으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 과정일 수 있다.The above coating process may be one process selected from the group consisting of dipping coating, doctor blade coating, comma coating, screen printing coating, tape casting, slot die coating, gravure coating, lip coating, and bar coating.

상기 도포하는 과정은 예시적으로 닥터 블레이드 코팅일 수 있고, 이때 도포 속도는 0.3 m/min 내지 1 m/min일 수 있다.The above-mentioned coating process may be, for example, doctor blade coating, and the coating speed at this time may be 0.3 m/min to 1 m/min.

상기 도포하는 과정 이후 형성된 시트를 소정 길이로 재단하는 과정을 포함할 수 있다. A process of cutting the sheet formed after the above-mentioned applying process to a predetermined length may be included.

상기 (a) 단계의 탈지 처리는 비활성 기체 분위기 하에서 300 ℃ 내지 700 ℃의 온도로 진행될 수 있고, 350 ℃ 내지 600 ℃의 온도에서 진행될 수 있으며, 400 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 진행될 수 있다. 탈지 처리 시 온도가 상기 범위 미만일 경우, 용매가 모두 증발하지 않고 잔존하는 문제가 발생할 수 있고, 상기 범위 초과일 경우, 고진공 분위기가 아니므로 금속 성분이 일부 산화되는 문제가 발생될 수 있다.The degreasing treatment of step (a) above can be carried out at a temperature of 300° C. to 700° C. under an inert gas atmosphere, can be carried out at a temperature of 350° C. to 600° C., or can be carried out at a temperature of 400° C. to 500° C. If the temperature is below the above range during the degreasing treatment, a problem may occur in which the solvent does not completely evaporate and remains, and if it exceeds the above range, a problem may occur in which some of the metal components are oxidized because it is not a high vacuum atmosphere.

상기 (a) 단계의 탈지 처리 시 비활성 기체는 예시적으로 아르곤 등을 적용할 수 있다.In the degreasing treatment in step (a) above, an inert gas such as argon can be used as an example.

상기 (a) 단계의 탈지 처리는 1 ℃/min 내지 3 ℃/min의 승온속도로 상기 온도의 범위까지 승온 후, 1 시간 내지 5 시간 동안 유지하여 진행될 수 있다.The degreasing treatment in step (a) above can be performed by heating at a heating rate of 1°C/min to 3°C/min to the above temperature range and then maintaining the temperature for 1 to 5 hours.

상기 (b) 단계의 소결 시 온도는 900 ℃ 내지 1400 ℃일 수 있고, 950 ℃ 내지 1300 ℃일 수 있으며, 950 ℃ 내지 1150 ℃일 수 있다. 소결 시 온도가 상기 범위 미만일 경우, 조성물, 성형물 내 금속 성분이 미소결되어 기공이 과도하게 크거나 강성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 상기 범위 초과일 경우, 조성물, 성형물 내 금속 성분이 산화되거나, 소결로 내부 오염물질에 의해 다공성 물질전달층이 오염되는 문제가 발생될 수 있고, 공정 비용 및 에너지의 낭비가 발생될 수 있다.The temperature during sintering in the above step (b) may be 900°C to 1400°C, 950°C to 1300°C, or 950°C to 1150°C. If the temperature during sintering is below the above range, the metal component in the composition or the molded article may not be sintered, causing problems such as excessively large pores or reduced rigidity. If the temperature exceeds the above range, the metal component in the composition or the molded article may be oxidized, or the porous material transfer layer may be contaminated by internal contaminants in the sintering furnace, resulting in waste of process costs and energy.

상기 (b) 단계의 소결 시 진공도는 1×10-5 Torr 이하일 수 있고, 1×10-8 Torr 내지 1×10-5 Torr일 수 있으며, 1×10-7 내지 5×10-6 Torr일 수 있다. 상기 (b) 단계의 소결 시간은 0.3 시간 내지 5 시간일 수 있고, 0.5 시간 내지 4 시간일 수 있다. 상기의 조건을 가짐으로, 소결 시 과도한 성장 및 치밀화를 방지하고 목적으로 하는 기공률과 기계적 물성을 얻도록 할 수 있다.The vacuum level during sintering in the above step (b) may be 1×10 -5 Torr or less, 1×10 -8 Torr to 1×10 -5 Torr, and 1×10 -7 to 5×10 -6 Torr. The sintering time in the above step (b) may be 0.3 hours to 5 hours, and 0.5 hours to 4 hours. By having the above conditions, excessive growth and densification during sintering can be prevented, and the desired porosity and mechanical properties can be obtained.

상기 (b) 단계의 소결 후 동일한 진공도를 유지하며 노냉하는 과정을 포함할 수 있다.A process of cooling the furnace while maintaining the same vacuum level after sintering in step (b) above may be included.

상기의 다공성 물질전달층 제조방법을 통해 앞서 설명한 다공성 물질전달층(10)을 용이하게 구현할 수 있다.The porous material transfer layer (10) described above can be easily implemented through the above-described method for manufacturing the porous material transfer layer.

이하, 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples and comparative examples. However, the technical idea of the present invention is not limited or restricted thereto.

실시예 1 - 복합 PTL 제조 1Example 1 - Preparation of composite PTL 1

평균 직경(선경)이 35 ㎛이고, 길이가 직경 대비 57배인 티타늄 섬유 35.5 중량%; 평균 입자 크기(D50)가 32 ㎛인 비정형의 티타늄 분말 35.5 중량%; 폴리비닐 부티랄 결합제 3.5 중량%; 이소프로판올 분산제 1.5 중량%; 에탄올 용매 24 중량%;을 포함하는 다공성 물질전달층(PTL) 제조용 조성물을 마련하였다.A composition for producing a porous mass transfer layer (PTL) was prepared, including: 35.5 wt% of titanium fibers having an average diameter (filament diameter) of 35 ㎛ and a length of 57 times the diameter; 35.5 wt% of amorphous titanium powder having an average particle size (D50) of 32 ㎛; 3.5 wt% of a polyvinyl butyral binder; 1.5 wt% of an isopropanol dispersant; and 24 wt% of an ethanol solvent.

(a) 상기 PTL 제조용 조성물을 임의의 기판 상에 가로, 세로, 두께가 60㎜×60㎜×260㎛가 되도록 닥터블레이드 코팅으로 도포하여 그린시트(greensheet)를 제조하고, 아르곤 분위기 하에서 1 ℃/min으로 승온시키며 420 ℃ 도달 후 2시간 동안 탈지 처리를 진행하였다.(a) The composition for manufacturing the PTL was applied to any substrate by doctor blade coating so that the width, length, and thickness were 60 mm × 60 mm × 260 ㎛, thereby manufacturing a green sheet, and the temperature was increased at 1 ℃/min in an argon atmosphere, and after reaching 420 ℃, a degreasing treatment was performed for 2 hours.

(b) 그 다음 5×10-6 Torr의 고진공 조건에서 3 ℃/min으로 승온시키며 1070 ℃ 도달 후 1시간 동안 소결을 진행하였다. 이후 진공도를 유지한 상태로 노냉하여 PTL을 제조하였다.(b) Then, the temperature was increased at 3 ℃/min under high vacuum conditions of 5×10 -6 Torr, and sintering was performed for 1 hour after reaching 1070 ℃. Afterwards, PTL was manufactured by cooling in an oven while maintaining the vacuum level.

실시예 2 - 복합 PTL 제조 2Example 2 - Preparation of composite PTL 2

상기 실시예 1에서, 티타늄 섬유 함량을 46.15 중량%, 티타늄 분말 함량을 24.85 중량%으로 변경하여, PTL을 제조하였다.In the above Example 1, PTL was manufactured by changing the titanium fiber content to 46.15 wt% and the titanium powder content to 24.85 wt%.

비교예 1 - PTL 제조 1Comparative Example 1 - PTL Manufacturing 1

상기 실시예 1에서, 티타늄 섬유를 포함하지 않고, 티타늄 분말 함량을 71 중량%으로 변경하여, PTL을 제조하였다.In the above Example 1, PTL was manufactured by changing the titanium powder content to 71 wt% without including titanium fiber.

비교예 2 - PTL 제조 2Comparative Example 2 - PTL Manufacturing 2

상기 실시예 1에서, 티타늄 분말을 포함하지 않고, 티타늄 섬유 함량을 71 중량%으로 변경하여, PTL을 제조하였다.In the above Example 1, PTL was manufactured by changing the titanium fiber content to 71 wt% without including titanium powder.

실험예 - 기체 투과도, 기공률, 표면 조도 측정Experimental example - Measurement of gas permeability, porosity, and surface roughness

상기 실시예들 및 비교예들의 PTL의 기체 투과도, 기공률, 표면 조도를 다음과 같은 방법으로 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.The gas permeability, porosity, and surface roughness of the PTL of the above examples and comparative examples were measured by the following methods, and the results are shown in Table 1.

기체 투과도: 산소 기체를 PTL 상부에 1 kgf/cm2 의 압력으로 공급하고, PTL 하부에 감압펌프를 연결하여 감압상태를 유지하되, 상하부에 압력센서를 설치해 압력변화를 관측하였고, 하부에 열 질량 흐름계(MFM)를 구비하여 투과 기체의 유량을 연속적으로 측정한 다음 기체투과도 P를 계산하였다.Gas permeability: Oxygen gas was supplied to the upper part of the PTL at a pressure of 1 kgf/ cm2 , and a pressure reducing pump was connected to the lower part of the PTL to maintain a reduced pressure state. Pressure sensors were installed at the upper and lower parts to observe pressure changes, and a thermal mass flow meter (MFM) was installed at the lower part to continuously measure the flow rate of the permeating gas, and then the gas permeability P was calculated.

P=Vl/AtdP, V는 기체유량(cm3/s), l은 PTL 두께(cm), A는 PTL 면적(cm2), t는 투과시간(sec), dP는 압력차를 의미한다.P=Vl/AtdP, where V is the gas flow rate (cm 3 /s), l is the PTL thickness (cm), A is the PTL area (cm 2 ), t is the penetration time (sec), and dP is the pressure difference.

기공률: PTL을 주사전자현미경으로 촬영하고, 이미지 분석 소프트웨어(image J)를 통해 기공의 부피분율, 기공률을 측정하였다.Porosity: PTL was photographed using a scanning electron microscope, and the volume fraction of pores and porosity were measured using image analysis software (Image J).

표면 조도: 10㎛×10㎛의 PTL 중앙부 영역과 그 주변부 9개영역에 대해 원자력간 현미경(AFM)에 따라 측정 후 그 평균을 계산하였다.Surface roughness: The average was calculated by measuring the central area of the PTL (10 μm × 10 μm) and nine peripheral areas using an atomic force microscope (AFM).

Ti 분말
(wt%)
Ti powder
(wt%)
Ti 섬유
(wt%)
Ti fiber
(wt%)
기체투과도
(10-3 cm4/gfㆍs)
Gas permeability
(10 -3 cm 4 /gfㆍs)
기공률
(%)
Porosity
(%)
표면 Ra조도
(㎛)
Surface Ra roughness
(㎛)
실시예 1Example 1 35.535.5 35.535.5 5.425.42 4141 3.183.18 실시예 2Example 2 24.8524.85 46.1546.15 5.735.73 4646 4.214.21 비교예 1Comparative Example 1 7171 00 3.623.62 3434 2.472.47 비교예 2Comparative Example 2 00 7171 6.426.42 5656 8.348.34

표 1을 참고하면, 원료로 Ti 분말과 Ti 섬유가 소정 비율로 혼합된 실시예들의 경우, 단일 분말 및 단일 섬유로 이루어진 비교예들 대비 목적으로 하는 기체투과도, 기공률 및 Ra 조도를 구현한 것을 확인하였다.Referring to Table 1, in the case of examples in which Ti powder and Ti fiber were mixed as raw materials at a predetermined ratio, it was confirmed that the intended gas permeability, porosity, and Ra roughness were achieved compared to the comparative examples consisting of a single powder and a single fiber.

실험예 - 수전해 셀 성능 분석Experimental Example - Analysis of Electrolysis Cell Performance

애노드 층으로 이리듐(Ir) 촉매, 캐소드 층으로 탄소담지 백금(Pt/C) 촉매, 분리막으로 Nafion 115를 적용한 수전해 셀의 애노드 층 상에 실시예 1 및 비교예 1의 PTL을 각각 따로 적용하고 단면적이 2500 ㎟인 수전해 셀의 성능을 분석하였다.The PTLs of Example 1 and Comparative Example 1 were separately applied to the anode layer of a water electrolysis cell using an iridium (Ir) catalyst as the anode layer, a carbon-supported platinum (Pt/C) catalyst as the cathode layer, and Nafion 115 as the separator, and the performance of the water electrolysis cell with a cross-sectional area of 2500 ㎟ was analyzed.

실시예의 다공성 물질전달층이 적용된 경우, 비교예 대비 저전류 및 고전류에서 애노드 촉매 표면에서 생성된 산소 기체의 이동이 원활하면서, 반응물인 액상의 물의 침투가 용이한 것, 물질전달저항이 낮은 것을 확인하였다.When the porous mass transfer layer of the example was applied, it was confirmed that the movement of oxygen gas generated on the surface of the anode catalyst was smooth at low and high currents compared to the comparative example, the penetration of liquid water, which is a reactant, was easy, and the mass transfer resistance was low.

이상, 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.Although the embodiments of the present invention have been described above, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and are not restrictive.

1: 금속 섬유형 물질
2: 금속 입자형 물질
10: 다공성 물질전달층
1: Metal fiber-like material
2: Metallic particulate matter
10: Porous material transfer layer

Claims (16)

전체 대비 금속 섬유형 물질 30 중량% 내지 80 중량%; 및 금속 입자형 물질 20 중량% 내지 70 중량%;을 포함하고,
상기 금속 섬유형 물질 및 금속 입자형 물질의 각 금속은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니켈, 스텐레스강 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는, 다공성 물질전달층.
Containing 30 wt% to 80 wt% of the total metal fiber-like material; and 20 wt% to 70 wt% of the metal particle-like material;
A porous material transfer layer, wherein each metal of the metal fiber-like material and the metal particle-like material comprises a metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, nickel, stainless steel, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 금속 섬유형 물질은 평균 직경이 10 ㎛ 내지 50 ㎛인, 다공성 물질전달층.
In the first paragraph,
The above metal fiber-like material is a porous material transfer layer having an average diameter of 10 ㎛ to 50 ㎛.
제2항에 있어서,
상기 금속 섬유형 물질의 길이는 상기 직경 대비 30배 내지 1,000배인, 다공성 물질전달층.
In the second paragraph,
A porous material transfer layer, wherein the length of the metal fiber-like material is 30 to 1,000 times the diameter.
제1항에 있어서,
상기 금속 입자형 물질은, 평균 크기가 5 ㎛ 내지 80 ㎛인 금속 입자형 원료로부터 유래한 것인, 다공성 물질전달층.
In the first paragraph,
A porous material transfer layer, wherein the metal particle-shaped material is derived from a metal particle-shaped raw material having an average size of 5 ㎛ to 80 ㎛.
제1항에 있어서,
표면 Ra 조도는 2.5 ㎛ 내지 9.5 ㎛인, 다공성 물질전달층.
In the first paragraph,
A porous mass transfer layer having a surface roughness Ra of 2.5 ㎛ to 9.5 ㎛.
제1항에 있어서,
기공률이 30 % 내지 60 %인, 다공성 물질전달층.
In the first paragraph,
A porous mass transfer layer having a porosity of 30% to 60%.
제1항에 있어서,
기체투과도가 2.8·10-3 cm4/gfㆍs 내지 8.2·10-3 cm4/gf·s인, 다공성 물질전달층.
In the first paragraph,
A porous mass transfer layer having a gas permeability of 2.8·10 -3 cm 4 /gf·s to 8.2·10 -3 cm 4 /gf·s.
제1항에 있어서,
두께가 100 ㎛ 내지 1000 ㎛인, 다공성 물질전달층
In the first paragraph,
A porous material transfer layer having a thickness of 100 ㎛ to 1000 ㎛
금속 섬유형 원료; 금속 입자형 원료; 및 용매;를 포함하고,
상기 금속 섬유형 원료 및 금속 입자형 원료 합산량 대비, 상기 금속 섬유형 원료 30 중량% 내지 80 중량%; 및 상기 금속 입자형 원료 20 중량% 내지 70 중량%;을 포함하고,
상기 금속 섬유형 원료 및 금속 입자형 원료의 각 금속은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 니켈, 스텐레스강 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는, 다공성 물질전달층 제조용 조성물.
Containing metal fiber-shaped raw materials; metal particle-shaped raw materials; and a solvent;
Compared to the combined amount of the metal fiber-type raw material and the metal particle-type raw material, it includes 30 wt% to 80 wt% of the metal fiber-type raw material; and 20 wt% to 70 wt% of the metal particle-type raw material;
A composition for manufacturing a porous material transfer layer, wherein each metal of the metal fiber-shaped raw material and the metal particle-shaped raw material includes a metal selected from the group consisting of titanium, zirconium, hafnium, nickel, stainless steel, and combinations thereof.
제9항에 있어서,
상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물은 결합제 및 분산제를 더 포함하고,
상기 금속 섬유형 원료 21.3 중량% 내지 56.8 중량%;
상기 금속 입자형 원료 14.2 중량% 내지 49.7 중량%;
상기 결합제 0.1 중량% 내지 4 중량%;
상기 분산제 0.1 중량% 내지 3 중량%;을 포함하는, 다공성 물질전달층 제조용 조성물.
In Article 9,
The composition for manufacturing the above porous material transfer layer further comprises a binder and a dispersant,
21.3 wt% to 56.8 wt% of the above metal fiber-shaped raw material;
14.2 wt% to 49.7 wt% of the above metal particle-shaped raw material;
0.1 to 4 wt% of the above binder;
A composition for producing a porous material transfer layer, comprising 0.1 to 3 wt% of the dispersant.
제10항에 있어서,
상기 분산제는 물, 에탄올, 메탄올, 이소프로판올, 크실렌, 시클로헥사논, 아세톤, 메틸 에틸 케톤 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함하는, 다공성 물질전달층 제조용 조성물.
In Article 10,
A composition for producing a porous mass transfer layer, wherein the dispersant comprises one selected from the group consisting of water, ethanol, methanol, isopropanol, xylene, cyclohexanone, acetone, methyl ethyl ketone, and combinations thereof.
제10항에 있어서,
상기 결합제는 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리아크릴로니트릴 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 하나를 포함하는, 다공성 물질전달층 제조용 조성물.
In Article 10,
A composition for producing a porous material transfer layer, wherein the binder comprises one selected from the group consisting of polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyacrylonitrile, and combinations thereof.
(a) 제9항에 따른 다공성 물질전달층 제조용 조성물을 소정 온도로 탈지 처리하는 단계; 및
(b) 상기 (a) 단계의 결과물을 소결하는 단계;를 포함하는, 다공성 물질전달층 제조방법.
(a) a step of degreasing the composition for manufacturing a porous material transfer layer according to Article 9 at a predetermined temperature; and
(b) a step of sintering the resultant product of step (a); a method for manufacturing a porous material transfer layer, comprising:
제13항에 있어서,
상기 (a) 단계는 상기 다공성 물질전달층 제조용 조성물을 성형하는 과정을 더 포함하는, 다공성 물질전달층 제조방법.
In Article 13,
A method for manufacturing a porous material transfer layer, wherein the step (a) further includes a process of molding the composition for manufacturing the porous material transfer layer.
제13항에 있어서,
상기 (a) 단계의 탈지 처리 온도는 300 ℃ 내지 700 ℃인, 다공성 물질전달층 제조방법.
In Article 13,
A method for manufacturing a porous material transfer layer, wherein the degreasing treatment temperature in step (a) is 300°C to 700°C.
제13항에 있어서,
상기 (b) 단계의 소결은 900 ℃ 내지 1400 ℃의 온도, 10-5 Torr 이하의 진공도에서 진행되는, 다공성 물질전달층 제조방법.
In Article 13,
A method for manufacturing a porous material transfer layer, wherein the sintering in step (b) is performed at a temperature of 900° C. to 1400° C. and a vacuum of 10 -5 Torr or less.
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