KR101008155B1 - Membrane-electrode assembly of fuel cell and fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체는, 전해질막; 및 상기 전해질막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하며, 각각 촉매층 및 기체확산층을 포함하여 이루어지는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고, 상기 기체확산층은 기재; 및 상기 기재의 촉매층과 대향하는 면에 형성되는 미세기공층;을 포함하고, 상기 미세기공층은 전도성 분말, 소수성 첨가제 및 실리카 파우더, 염화칼슘(CaCl2) 및 소다석회(CaO+NaOH)로 이루어진 군에서 선택되는 무기물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 따르면, 기체확산층의 촉매층과 대향하는 면에 미세기공층을 형성하고 미세기공층에 실리카 파우더와 같은 무기물질을 첨가함으로써, 외부에서의 수분 공급량을 줄이거나 없애더라도 전해질막의 함수량을 충분히 유지시켜 전해질막의 이온전도성 향상을 통해 연료전지의 성능을 향상 시키고 수명을 연장시킬 수 있다.The present invention relates to a fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell. The fuel cell membrane-electrode assembly of the present invention includes an electrolyte membrane; And an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other with the electrolyte membrane interposed therebetween, each including an catalyst layer and a gas diffusion layer, wherein the gas diffusion layer comprises: a substrate; And a microporous layer formed on a surface facing the catalyst layer of the substrate, wherein the microporous layer comprises a conductive powder, a hydrophobic additive and silica powder, calcium chloride (CaCl 2 ), and soda lime (CaO + NaOH). Characterized in that it comprises an inorganic material selected from. According to the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention, by forming a microporous layer on the surface facing the catalyst layer of the gas diffusion layer and by adding an inorganic material such as silica powder to the microporous layer, the amount of external water supply is reduced or eliminated Even if the water content of the electrolyte membrane is sufficiently maintained, the ion membrane conductivity of the electrolyte membrane can be improved, thereby improving the performance of the fuel cell and extending the lifespan.

연료전지, 막-전극 접합체, 전해질막, 기체확산층, 촉매층, 미세기공층 Fuel cell, membrane-electrode assembly, electrolyte membrane, gas diffusion layer, catalyst layer, microporous layer

Description

연료전지용 막-전극 접합체 및 연료전지{Membrane-electrode assembly of fuel cell and fuel cell}Membrane-electrode assembly of fuel cell and fuel cell

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.

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

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체를 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a view schematically showing a fuel cell membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다. 3 is a view schematically showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 연료전지의 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것으로, 액상 연료를 사용하는 연료전지에서 연료가 물과 함께 전해질막을 통과해 캐소드 전극으로 넘어가는 크로스오버 현상을 방지하거나 감소시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지의 막-전극 접합체 및 연료전지에 관한 것이다. The present invention relates to a membrane-electrode assembly and a fuel cell of a fuel cell, wherein in a fuel cell using a liquid fuel, a fuel cell is prevented or reduced by passing the electrolyte membrane along with water to the cathode electrode. The present invention relates to a fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell capable of improving performance.

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 막-전극 접합체(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

연료전지에는 고분자전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다. 그 중에서 고분자전해질형 연료전지는 에너지 밀도가 크고 출력이 높아 가장 활발하게 연구되고 있다. Fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), solid oxide fuels Batteries (SOFC) and the like. Among them, polymer electrolyte fuel cells have been researched most actively because of their high energy density and high output.

고분자전해질형 연료전지는 전해질로서 액체가 아닌 고체 고분자 전해질막을 사용한다는 점에서 다른 연료전지와 차이가 있다. 고분자 전해질막은 함수율이 증가할수록 이온전도도가 높아지는 경향을 보이므로 고분자 전해질막은 항상 일정 정도 이상의 수분을 유지시켜 주어야 한다. 캐소드 전극에서는 전지 반응을 통해 물이 생성되기는 하나 이것으로는 전해질막의 이온전도성을 유지하기에 충분하지 못하므로, 반응 가스와 함께 물을 막-전극 접합체로 공급하여 전해질막을 가습하는 방법이 행해지고 있다. 그러나, 막-전극 접합체에 물이 가해지면 연료전지의 효율이 떨어지므로 가능한한 외부에서 가해지는 수분의 양은 줄이는 것이 바람직하다. 따라서, 이와 같은 문제점을 해결하려는 노력이 관련 분야에서 꾸준하게 이루어져 왔으며, 이러한 기술적 배경하에서 본 발명이 안출된 것이다.The polymer electrolyte fuel cell differs from other fuel cells in that it uses a solid polymer electrolyte membrane instead of a liquid as an electrolyte. Since the polymer electrolyte membrane tends to have higher ion conductivity as the moisture content increases, the polymer electrolyte membrane should always maintain a certain level or more of moisture. Since the cathode generates water through the battery reaction, but this is not sufficient to maintain the ion conductivity of the electrolyte membrane, a method of humidifying the electrolyte membrane by supplying water together with the reaction gas to the membrane-electrode assembly is performed. However, if water is applied to the membrane-electrode assembly, the efficiency of the fuel cell is lowered. Therefore, it is desirable to reduce the amount of externally applied moisture as much as possible. Therefore, efforts to solve such problems have been made steadily in the related field, and the present invention has been devised under such technical background.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 외부에서의 수분 공급량을 줄이거나 없애더라도 전해질막에 수분을 충분히 유지시켜 전해질막의 이온전도성을 향상시키고 나 아가 연료전지의 성능을 향상시키고자 함에 있으며, 이러한 기술적 과제를 달성할 수 있는 연료전지의 막-전극 접합체 및 연료전지를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, the technical problem to be achieved by the present invention is to improve the ion conductivity of the electrolyte membrane by maintaining sufficient moisture in the electrolyte membrane even if the external water supply amount is reduced or eliminated In order to improve the performance of the fuel cell, it is an object of the present invention to provide a fuel cell membrane-electrode assembly and a fuel cell capable of achieving such a technical problem.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제의 달성을 위해 본 발명은, 전해질막; 및 상기 전해질막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하며, 각각 촉매층 및 기체확산층을 포함하여 이루어지는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고, 상기 기체확산층은 기재; 및 상기 기재의 촉매층과 대향하는 면에 형성되는 미세기공층;을 포함하고, 상기 미세기공층은 전도성 분말, 소수성 첨가제 및 실리카 파우더, 염화칼슘(CaCl2) 및 소다석회(CaO+NaOH)로 이루어진 군에서 선택되는 무기물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체를 제공한다. The present invention to achieve the technical problem to be achieved by the present invention, the electrolyte membrane; And an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other with the electrolyte membrane interposed therebetween, each including an catalyst layer and a gas diffusion layer, wherein the gas diffusion layer comprises: a substrate; And a microporous layer formed on a surface facing the catalyst layer of the substrate, wherein the microporous layer is formed of a conductive powder, a hydrophobic additive and silica powder, calcium chloride (CaCl 2 ), and soda lime (CaO + NaOH). It provides a fuel cell membrane-electrode assembly comprising an inorganic material selected from.

상기 막-전극 접합체에 있어서, 상기 전도성 분말로는 대표적으로 흑연, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어 및 플러렌(C60)로 이루어진 군에서 선택되는 것이 사용될 수 있으며, 상기 소수성 첨가제는 대표적으로 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 및 PVDF(Poly Vinyldene Fluoride)로 이루어진 군에서 선택되는 것이 사용될 수 있다. In the membrane-electrode assembly, the conductive powder is typically graphite, acetylene black, carbon black, cathodic black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, carbon nano rings, carbon One selected from the group consisting of nanowires and fullerenes (C60) may be used, and the hydrophobic additive may be one selected from the group consisting of PTFE (Polytetrafluoroethylene) and PVDF (Poly Vinyldene Fluoride).

상기 미세기공층에서의 상기 무기물질의 중량비는 0.1 내지 5 중량%인 것이 바람직하며, 상기 미세기공층은 대표적으로 스크린 인쇄법, 스프레이 코팅법, 닥터 블레이드법, 롤 코팅 또는 슬릿 다이 코팅법 등을 통해 형성될 수 있다. The weight ratio of the inorganic material in the microporous layer is preferably 0.1 to 5% by weight, and the microporous layer typically includes screen printing, spray coating, doctor blade, roll coating or slit die coating. It can be formed through.

상기 고분자 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. The polymer 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 poly It is preferable that it consists of a polymer selected from the group consisting of benzimidazole, polyether ketone, polysulfone, acids and bases thereof.

상기 애노드 전극의 촉매층은 대표적으로 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함할 수 있고, 상기 캐소드 전극의 촉매층은 대표적으로 백금을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 촉매들은 그 자체로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 담지체에 담지되어 사용될 수 있다. 상기 촉매층은 이온 전도성 단량체 또는 소수성 결착제를 더 포함하여 이루어질 수 있다. The anode catalyst layer may typically include a catalyst selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-transition metal alloy, and the cathode electrode The catalyst layer of may typically be made of platinum. The catalysts can be used on their own as well as supported on the carrier. The catalyst layer may further comprise an ion conductive monomer or a hydrophobic binder.

상기 기체확산층은 대표적으로 탄소페이퍼, 탄소천 또는 탄소펠트를 포함하여 이루어질 수 있다. The gas diffusion layer may typically comprise carbon paper, carbon cloth or carbon felt.

상기 막-전극 접합체는 고분자전해질형 연료전지 또는 직접메탄올 연료전지에 효과적으로 사용될 수 있다. The membrane-electrode assembly can be effectively used in a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell.

본 발명은 또한, 하나 또는 둘 이상의 본 발명의 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택; 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및 산화제를 상기 전기발생부로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다. The invention also provides a stack comprising one or more membrane-electrode assemblies of the invention and a separator interposed between the membrane-electrode assemblies; A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And an oxidant supply unit supplying an oxidant to the electricity generating unit.

이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid in understanding the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 막-전극 접합체를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여 본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 대하여 살펴본다. 2 is a view schematically showing a membrane-electrode assembly for a fuel cell according to an embodiment of the present invention. With reference to Figure 2 looks at with respect to the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention.

본 발명의 막-전극 접합체는 전해질막(201); 및 상기 전해질막(201)을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하며, 각각 촉매층(203, 205) 및 기체확산층을 포함하여 이루어지는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함한다. 상기 기체확산층은 기재(209a, 209b); 및 상기 기재(209a, 209b)의 촉매층(203, 205)과 대향하는 면에 형성되는 미세기공층(207a, 207b);을 포함하며, 상기 미세기공층(207a, 207b)은 전도성 분말, 소수성 첨가제 및 무기물질을 포함하여 이루어진다. The membrane-electrode assembly of the present invention includes an electrolyte membrane 201; And an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other with the electrolyte membrane 201 interposed therebetween, and including a catalyst layer 203 and 205 and a gas diffusion layer, respectively. The gas diffusion layer is a substrate (209a, 209b); And microporous layers 207a and 207b formed on surfaces facing the catalyst layers 203 and 205 of the substrates 209a and 209b, wherein the microporous layers 207a and 207b are conductive powders and hydrophobic additives. And inorganic materials.

상기 무기물질로는 실리카 파우더, 염화칼슘(CaCl2) 및 소다석회(CaO+NaOH)가 바람직하게 사용되며, 이들은 흡습 효과를 가져 수분이 외부로 빠져 나가는 것을 막아 전해질막(201)의 함수율을 향상시킨다. 이를 통해 전해질막(201)의 이온전도도를 향상시킨다. 또한, 상기 무기물질을 촉매층과 막 사이에 배치시킬 경우 촉매층의 이용률과 반응 효율을 크게 감소시킬 수 있으나, 본원발명에서는 상기 무기물질을 미세기공층에 포함시킴으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. As the inorganic material, silica powder, calcium chloride (CaCl 2 ) and soda lime (CaO + NaOH) are preferably used, and they have a hygroscopic effect to prevent moisture from escaping to the outside, thereby improving the water content of the electrolyte membrane 201. . This improves the ion conductivity of the electrolyte membrane 201. In addition, when the inorganic material is disposed between the catalyst layer and the membrane, the utilization rate and reaction efficiency of the catalyst layer can be greatly reduced, but in the present invention, this problem can be solved by including the inorganic material in the microporous layer.

상기 전도성 분말로는 대표적으로 흑연, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어 및 플러렌(C60)로 이루어진 군에서 선택되는 것이 사용될 수 있으며, 상기 소수성 첨가제로는 대표적으로 불소계수지가 사용되며, 예를 들어 PTFE 및 PVDF(Poly Vinyldene Fluoride) 등이 사용될 수 있다.Representative examples of the conductive powder include graphite, acetylene black, carbon black, cathodic black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, carbon nanorings, carbon nanowires, and fullerenes (C60). The hydrophobic additive may be selected from the group consisting of, for example, a fluorine resin may be used. For example, PTFE and polyvinyldene fluoride (PVDF) may be used.

상기 미세기공층(207a, 207b)에서의 상기 무기물질의 중량비는 0.1 내지 5 중량%인 것이 바람직한데, 무기물질의 중량비가 상기 상한을 초과하면 기체확산층의 전기 전도성이 떨어지고, 상기 하한에 미달하면 흡습 효과 감소로 인한 효과적인 수분 유지가 어려워 바람직하지 못하다. The weight ratio of the inorganic material in the microporous layers 207a and 207b is preferably 0.1 to 5% by weight. When the weight ratio of the inorganic material exceeds the upper limit, the electrical conductivity of the gas diffusion layer is lowered, and when the weight ratio is lower than the lower limit. Effective moisture retention due to reduced hygroscopic effect is difficult and undesirable.

상기 미세기공층(207a, 207b)은 상기 전도성 분말, 소수성 첨가제, 무기물질 및 용매를 포함하는 미세기공층 형성용 조성물을 이용하여, 대표적으로 스크린 인쇄법, 스프레이 코팅법, 닥터블레이드법, 롤 코팅 또는 슬릿 다이 코팅법 등의 방법을 통해 형성될 수 있다. 용매로는 물, 이소프로필알코올,에틸알코올, 프로필알코올, 부틸알코올 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.The microporous layer 207a, 207b is typically a screen printing method, a spray coating method, a doctor blade method, a roll coating method using a composition for forming a microporous layer including the conductive powder, a hydrophobic additive, an inorganic material, and a solvent. Or through a slit die coating method. As the solvent, water, isopropyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol, butyl alcohol or a mixture of two or more thereof may be used.

상기 기재(209a, 209b)는 전류전도체로서의 역할과 함께 반응 가스와 물을 이동시키고 확산시키는 곳으로, 대표적으로 탄소페이퍼, 탄소천 또는 탄소펠트를 포함하여 이루어질 수 있다. The substrates 209a and 209b move and diffuse the reaction gas and water together with a role as a current conductor, and may typically include carbon paper, carbon cloth, or carbon felt.

상기 전해질막(201)은 애노드 전극에서 발생한 수소 이온이 캐소드 전극으로 전달되는 전달 통로가 되는 것으로, 전해질막(201)에는 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 또는 염기가 바람직하게 사용될 수 있다. The electrolyte membrane 201 serves as a transfer passage through which hydrogen ions generated from the anode electrode are transferred to the cathode electrode. Ethersulfones, polyphenylenesulfides, polyphenylene oxides, polyphosphazines, polyethylenenaphthalates, polyesters, doped polybenzimidazoles, polyetherketones, polysulfones, acids or bases thereof may be preferably used.

상기 애노드 전극은 연료의 산화 반응이 일어나는 곳으로, 그 촉매층(203)에는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매가 바람직하게 사용될 수 있고, 상기 캐소드 전극은 산화제의 환원 반응이 일어나는 곳으로, 그 촉매층(205)에는 백금이 촉매로 사용될 수 있다. 상기 촉매들은 탄소계 담체에 담지되어 사용될 수 있으며, 대표적인 담체로는 덴카블랙, 아세틸렌블랙, 흑연 등의 탄소계 담체를 들 수 있다. 상기 촉매층은 이온전도도를 향상시키고 물의 유동을 감소시키기 위하여 이온 전도성 단량체 또는 소수성 결착제를 더 포함할 수 있다. The anode electrode is where the oxidation of the fuel occurs, the catalyst layer 203 is selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-transition metal alloy. The catalyst to be used may be preferably used, and the cathode electrode is where the reduction reaction of the oxidant occurs, and platinum may be used as the catalyst in the catalyst layer 205. The catalysts may be supported on a carbon-based carrier, and representative carriers include carbon-based carriers such as denca black, acetylene black, and graphite. The catalyst layer may further include an ion conductive monomer or a hydrophobic binder to improve the ion conductivity and reduce the flow of water.

상기 막-전극 접합체는 고분자전해질형 연료전지에 가장 효과적으로 사용될 수 있으며, 역시 고분자 전해질막을 사용하는 직접메탄올형 연료전지에도 효과적으로 사용될 수 있다.The membrane-electrode assembly may be most effectively used in a polymer electrolyte fuel cell, and may also be effectively used in a direct methanol fuel cell using a polymer electrolyte membrane.

본 발명은 또한 상기 본 발명의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지를 제공한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 연료전지는 스택(200), 연료공급부(400) 및 산화제공급부(300)를 포함하여 이루어진다. The present invention also provides a fuel cell comprising the membrane-electrode assembly of the present invention. 3 is a view schematically showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the fuel cell of the present invention includes a stack 200, a fuel supply unit 400, and an oxidant supply unit 300.

상기 스택(200)은 본 발명의 막-전극 접합체를 하나 또는 둘 이상 포함하며, 막-전극 접합체가 둘 이상 포함되는 경우에는 이들 사이에 개재되는 세퍼레이터를 포함한다 상기 세퍼레이터는 막-전극 접합체들이 전기적으로 연결되는 것을 막고 외부에서 공급된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달하는 역할을 한다. The stack 200 includes one or two or more membrane-electrode assemblies of the present invention, and in the case where two or more membrane-electrode assemblies are included, the stack 200 includes a separator interposed therebetween. It serves to transfer the fuel and oxidant supplied from the outside to the membrane-electrode assembly.

상기 연료 공급부(400)는 연료를 상기 스택으로 공급하는 역할을 하며, 연료 를 저장하는 연료탱크(410) 및 연료탱크(410)에 저장된 연료를 스택(200)으로 공급하는 펌프(420)로 구성될 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있으며, 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다.The fuel supply unit 400 serves to supply fuel to the stack, and includes a fuel tank 410 for storing fuel and a pump 420 for supplying fuel stored in the fuel tank 410 to the stack 200. Can be. The fuel may be a gas or liquid hydrogen or hydrocarbon fuel, examples of the hydrocarbon fuel may be methanol, ethanol, propanol, butanol or natural gas.

상기 산화제 공급부(300)는 산화제를 상기 스택으로 공급하는 역할을 한다.  상기 산화제로는 산소가 대표적으로 사용되며, 산소 또는 공기를 펌프(300)로 주입하여 사용할 수 있다.The oxidant supply unit 300 serves to supply an oxidant to the stack. Oxygen is typically used as the oxidant, and may be used by injecting oxygen or air into the pump 300.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되지 않아야 하며, 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.The terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors can appropriately define the concept of terms in order to best describe their invention. Based on the principle, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. Therefore, the exemplary embodiments described herein are only exemplary embodiments of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention, and various equivalents and modifications that may substitute them at the time of the present application may be used. It should be understood that there may be.

본 발명의 연료전지용 막-전극 접합체에 따르면, 기체확산층의 촉매층과 대향하는 면에 미세기공층을 형성하고 미세기공층에 실리카 파우더와 같은 무기물질을 첨가함으로써, 외부에서의 수분 공급량을 줄이거나 없애더라도 전해질막의 함수량을 충분히 유지시켜 전해질막의 이온전도성 향상을 통해 연료전지의 성능을 향상 키고 수명을 연장시킬 수 있다. According to the fuel cell membrane electrode assembly of the present invention, by forming a microporous layer on the surface facing the catalyst layer of the gas diffusion layer and by adding an inorganic material such as silica powder to the microporous layer, the amount of external water supply is reduced or eliminated Even if the water content of the electrolyte membrane is sufficiently maintained, the ion conductivity of the electrolyte membrane can be improved, thereby improving the performance of the fuel cell and extending its life.

Claims (15)

전해질막; 및 상기 전해질막을 사이에 두고 서로 대향하여 위치하며, 각각 촉매층 및 기체확산층을 포함하여 이루어지는 애노드 전극 및 캐소드 전극;을 포함하고, Electrolyte membrane; And an anode electrode and a cathode electrode positioned opposite to each other with the electrolyte membrane interposed therebetween, each including an catalyst layer and a gas diffusion layer. 상기 기체확산층은 기재; 및 상기 기재의 일면에 형성되며 촉매층과 접촉하는 미세기공층;을 포함하고, The gas diffusion layer is a substrate; And a microporous layer formed on one surface of the substrate and in contact with the catalyst layer. 상기 미세기공층은 전도성 분말, 소수성 첨가제 및 무기물질을 포함하여 이루어지며,The microporous layer is made of a conductive powder, a hydrophobic additive and an inorganic material, 상기 무기물질은 실리카 파우더, 염화칼슘(CaCl2) 및 소다석회(CaO+NaOH)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The inorganic material is a fuel cell membrane-electrode assembly, characterized in that selected from the group consisting of silica powder, calcium chloride (CaCl 2 ) and soda lime (CaO + NaOH). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 전도성 분말은 흑연, 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 캐천 블랙, 활성 카본, 중다공성 카본, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노혼, 탄소나노링, 탄소나노와이어 및 플러렌(C60)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The conductive powder is in the group consisting of graphite, acetylene black, carbon black, cathodic black, activated carbon, mesoporous carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, carbon nano rings, carbon nanowires and fullerenes (C60) Membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that selected. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소수성 첨가제는 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 및 PVDF(PolyVinyldeneFluoride)으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The hydrophobic additive is a membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that selected from the group consisting of PTFE (Polytetrafluoroethylene) and PVDF (PolyVinyldeneFluoride). 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 미세기공층에서의 상기 무기물질의 중량비는 0.1 내지 5 중량%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The weight ratio of the inorganic material in the microporous layer is a fuel cell membrane electrode assembly, characterized in that 0.1 to 5% by weight. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 미세기공층은 스크린 인쇄법, 스프레이 코팅법, 닥터블레이드법, 롤 코팅 또는 슬릿 다이 코팅법을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체. The microporous layer is a fuel cell membrane-electrode assembly, characterized in that formed through the screen printing method, spray coating method, doctor blade method, roll coating or slit die coating method. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 고분자 전해질막은 퍼플루오르술폰산 폴리머, 탄화수소계 폴리머, 폴리이미드, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리포스파진, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에스테르, 도핑된 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르케톤, 폴리술폰, 이들의 산 및 염기로 이루어진 군에서 선택되는 고분자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The polymer 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 poly A membrane-electrode assembly for a fuel cell, comprising a polymer selected from the group consisting of benzimidazole, polyether ketone, polysulfone, and acids and bases thereof. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 애노드 전극의 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-전이금속 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The catalyst layer of the anode electrode is a fuel cell membrane, characterized in that it comprises a catalyst selected from the group consisting of platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy and platinum-transition metal alloy Electrode assembly. 제7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 촉매는 탄소계 담체에 담지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The catalyst is a membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that supported on a carbon-based carrier. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 캐소드 전극의 촉매층은 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.Membrane-electrode assembly for a fuel cell, characterized in that the catalyst layer of the cathode electrode comprises platinum. 제9항에 있어서, 10. The method of claim 9, 상기 백금은 탄소계 담체에 담지되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.Membrane electrode assembly for a fuel cell, characterized in that the platinum is supported on a carbon-based carrier. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 촉매층은 이온 전도성 단량체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The catalyst layer is a fuel cell membrane-electrode assembly, characterized in that further comprises an ion conductive monomer. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 촉매층은 소수성 결착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The catalyst layer further comprises a hydrophobic binder for fuel cell membrane electrode assembly. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기체확산층은 탄소페이퍼, 탄소천 및 탄소펠트로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.The gas diffusion layer is a fuel cell membrane-electrode assembly, characterized in that comprising a carbon paper, carbon cloth and carbon felt selected from the group consisting of. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 막-전극 접합체는 고분자전해질형 연료전지 또는 직접메탄올 연료전지에 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체. The membrane-electrode assembly is a fuel cell membrane-electrode assembly, characterized in that used in a polymer electrolyte fuel cell or direct methanol fuel cell. 하나 또는 둘 이상의 제1항 내지 14항 중 어느 한 항에 따른 막-전극 접합체와 상기 막-전극 접합체들 사이에 개재하는 세퍼레이터를 포함하는 스택;A stack comprising a membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 14 and a separator interposed between the membrane-electrode assemblies; 연료를 상기 스택으로 공급하는 연료공급부; 및 A fuel supply unit supplying fuel to the stack; And 산화제를 상기 전기발생부로 공급하는 산화제공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지. And an oxidant supply unit for supplying an oxidant to the electricity generating unit.
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